JP2009012027A - 亜鉛めっき鋼板のｍａｇ溶接用シールドガスおよびこのシールドガスを使用した溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】亜鉛めっき鋼板のＭＡＧ溶接法による重ね隅肉溶接に際して、溶接部にブローホールやピットが発生しないようにするためのシールドガスを得る。
【解決手段】炭酸ガスｘ容量％、酸素ｙ容量％、残部がアルゴンからなる３種混合ガスを用い、炭酸ガスと酸素との混合比が以下の数式を同時に満足するものである。
ｙ≦１０・・（１）、ｙ≧−ｘ＋４５・・（２）、ｘ≧４０・・（３）、ｙ≧−１／１０ｘ＋５．５・・（４）、ｙ≦１／２０ｘ−２・・（５）、ｙ≧０・・（６）、ｙ≧１／３０ｘ−５／３・・（７）、ｙ≦−１／２０ｘ＋５．５・・（８）、ｙ≧３／４０ｘ−７／４・・（９）、ｙ≦−１／３ｘ＋３５・・（１０）
【選択図】図１

Description

本発明は、亜鉛とアルミニウムとマグネシウムを含む亜鉛めっき層が形成された亜鉛めっき鋼板をＭＡＧ（メタル・アクティブ・ガス）溶接する方法に関するものである。

自動車関連機器、住宅建材関連製品や事務機器関連部品では、耐食性や光沢の美しさから亜鉛めっき鋼板が広く用いられている。亜鉛めっき鋼板は、薄板鋼板の鉄地の表面に亜鉛めっきを溶融めっきまたは電気めっきにより施したものである。
しかし、この亜鉛めっき鋼板をＭＡＧ溶接する場合、鋼板表面から鉄（融点：１５３５℃、沸点：２７５０℃）より低い融点と沸点を持った亜鉛（融点：４１９℃、沸点９０７℃）が、溶接時に溶融池に侵入し、その亜鉛蒸気と共に大気を巻き込み、溶接金属の凝固過程で浮上しきれずに気泡として残存し、ピットやブロ−ホ−ルが多発する問題が生じる。ピットが生じると本来の強度が得られないという問題が生じ、ピットが発生した場合には、手直しが行われている。さらに亜鉛めっき鋼板を高速で溶接すると、一層とピットやブローホール等が生じ好ましくない。

このような問題点を解決するために、特許第２６６８１２５号公報には、酸素ガスと炭酸ガスとを特定の比率で混合した混合ガスを用いることにより、シールドガスの酸化性を高めて亜鉛を酸化させて亜鉛蒸気を押さえることで、ブローホール及びピットを防止し、また炭酸ガスの存在によりアークが安定し、スパッタが減少する方法が開示されている。

また、本出願人の特許出願である特開２００６−２７２３５１号公報には、亜鉛めっき鋼板の重ね隅肉溶接を、炭素鋼ソリッドワイヤを用いてＭＡＧ溶接するためのシールドガスとして、酸素ガス８〜１５容量％、炭酸ガス２０〜３０容量％、残部がアルゴンからなる３種混合ガスを用いることで、ブローホール、ピットを防止できることが提案されている。

ところで、耐食性をさらに向上させた亜鉛めっき鋼板として、亜鉛−アルミニウム−マグネシウム系合金からなる亜鉛めっき層を有する亜鉛めっき鋼板（以下、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系亜鉛めっき鋼板と呼ぶ。）が知られている。
例えば、アルミニウム６％、マグネシウム３％、残部亜鉛からなる溶融亜鉛めっき層を有する亜鉛めっき鋼板が、「ダイマジング」（新日本製鐵製）、「ＺＡＭ」（日新製鋼製）などとして市販されている。

このＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系亜鉛めっき鋼板のＭＡＧ溶接においても、ピット、スパッタの発生があり、非特許文献１では、２０容量％の炭酸ガスと残部アルゴンとの混合ガスをシールドガスとして用いることが推奨されている。
しかしながら、この推奨された組成のシールドガスを用いても、ピット、スパッタの発生を確実に抑えることができなかった。
特許第２６６８１２５号公報 特開２００６−２７２３５１号公報 日新製鋼（株）ＺＡＭ カタログ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｚａｍ．ｂｉｚ／

よって、本発明における課題は、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系亜鉛めっき鋼板のＭＡＧ溶接法に際して、溶接部にピット、スパッタが発生せず、濡れ性が向上するためのシールドガスを得ることにある。

かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、亜鉛とアルミニウムとマグネシウムを含む亜鉛めっき層が形成された亜鉛めっき鋼板を、炭素鋼ソリッドワイヤを用いてＭＡＧ溶接するためのシールドガスであって、
その組成が、炭酸ガスｘ容量％、酸素ｙ容量％、残部がアルゴンからなる２種または３種混合ガスであり、炭酸ガスと酸素との混合比が以下の数式を同時に満足するものであることを特徴とする亜鉛めっき鋼板のＭＡＧ溶接用シールドガスである。
ｙ≦１０ ・・・（１）
ｙ≧−ｘ＋４５ ・・・（２）
ｘ≧４０ ・・・（３）
ｙ≧−１／１０ｘ＋５．５ ・・・（４）
ｙ≦１／２０ｘ−２ ・・・（５）
ｙ≧０ ・・・（６）
ｙ≧１／３０ｘ−５／３ ・・・（７）
ｙ≦−１／２０ｘ＋５．５ ・・・（８）
ｙ≧３／４０ｘ−７／４ ・・・（９）
ｙ≦−１／３ｘ＋３５ ・・・（１０）

請求項２にかかる発明は、請求項１に記載のシールドガスとして用い、亜鉛とアルミニウムとマグネシウムを含む亜鉛めっき層が形成された亜鉛めっき鋼板を、炭素鋼ソリッドワイヤを用いてＭＡＧ溶接することを特徴とする亜鉛めっき鋼板のＭＡＧ溶接方法である。

本発明によれば、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系亜鉛めっき鋼板の溶接部でのピット、スパッタの発生が抑えられる。
特に、本発明のシールドガスにあっては、従来のＭＡＧ溶接用シールドガスに比べて炭酸ガス濃度が高くなっているため、溶接時に発生する亜鉛蒸気、アルミニウム蒸気、マグネシウム蒸気が酸化されやすくなり、ピットの原因となるこれら金属の蒸気が抑制されて結果的にピットの発生が少ないものとなる。

以下、本発明を詳しく説明する。
本発明は、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系亜鉛めっき鋼板を溶接対象として、炭素鋼ソリッドワイヤを用いてＭＡＧ溶接する際のシールドガスとして、炭酸ガスｘ容量％、酸素ｙ容量％、残部がアルゴンからなる２種または３種混合ガスであり、炭酸ガスと酸素との混合比が以下の数式を同時に満足するものを用いるものである。以下、この範囲を「範囲Ａ」と呼ぶことがある。

ｙ≦１０ ・・・（１）
ｙ≧−ｘ＋４５ ・・・（２）
ｘ≧４０ ・・・（３）
ｙ≧−１／１０ｘ＋５．５ ・・・（４）
ｙ≦１／２０ｘ−２ ・・・（５）
ｙ≧０ ・・・（６）
ｙ≧１／３０ｘ−５／３ ・・・（７）
ｙ≦−１／２０ｘ＋５．５ ・・・（８）
ｙ≧３／４０ｘ−７／４ ・・・（９）
ｙ≦−１／３ｘ＋３５ ・・・（１０）

好ましくは、炭酸ガスｘ容量％と酸素ｙ容量％との混合比が以下の数式を同時に満足するシールドガスを用いることが好ましい。以下、この範囲を「範囲Ｂ」と呼ぶことがある。
ｙ≦１０ ・・・（１）
ｙ≧−１／２ｘ＋３０ ・・・（１１）
ｘ≧５０ ・・・（１２）
ｙ≧−１／２０ｘ＋３．５ ・・・（１３）
ｙ≧１／２０ｘ−２．５ ・・・（１４）
ｙ≦−１／２０ｘ＋５．５ ・・・（８）
ｙ≧３／４０ｘ−７／４ ・・・（９）
ｙ≦−５／２０ｘ＋２７．５ ・・・（１５）

図１は、前記炭酸ガスと酸素との混合比の範囲をグラフとしたものである。図１の縦軸は酸素濃度（容量％）を表し、横軸は炭酸ガス濃度（容量％）を表している。また、実線で示した範囲は前記範囲Ａを示し、破線で示した範囲は前記範囲Ｂを示している。さらに、範囲を示す各線分には、それに対応する前記数式番号を付している。

このようなシールドガスにおいて、酸素濃度および炭酸ガス濃度が前記範囲外であると、後述する実験例からも明らかに、溶接部にピット、ブローホールが発生し、溶接部の強度が不足しする。
また、このシールドガスの溶接トーチからの吐出流量は、通常１５〜２５リットル／分の範囲にされるが、この範囲に限定されることはなく、溶融池が十分このシールドガスで覆われるようにすればよい。

また、溶接対象となるＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系亜鉛めっき鋼板としては、例えば、アルミニウム６％、マグネシウム３％、残部亜鉛からなる溶融亜鉛めっき層を有する亜鉛めっき鋼板、例えば「ダイマジング」（新日本製鐵製）、「ＺＡＭ」（日新製鋼製）などが挙げられるが、アルミニウムとマグネシウムの濃度が上記範囲以外のものでもよい。また、２枚以上のＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系亜鉛めっき鋼板を互いに溶接する形態以外に、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系亜鉛めっき鋼板と他の鋼材とを溶接する形態も本発明の対象となる。

また、炭素鋼ソリッドワイヤとしては、ＪＩＳ Ｚ−３３１２ 「軟鋼及び抗張力鋼用マグ溶接ソリッドワイヤ」に規定される溶接ワイヤ、例えばＹＧＷ−１７、−１８、−１９などを使用することができる。
溶接形態に関しては、特に限定されるものではなく、例えば重ね隅肉溶接、突き合わせ溶接などが適用できる。
さらに、ＭＡＧ溶接法も、周知の溶接法であり、市販のＭＡＧ溶接機を用いて実施でき、本発明では、このシールドガスに上記３種混合ガスをもちいるものである。

ＭＡＧ溶接における溶接アーク電圧は、通常１４〜３６Ｖ程度、溶接電流は４０〜３５０Ａ程度とされるが、この範囲に限定されるものではない。

以下、具体例を示して、本発明の作用効果を明確にする。
本発明のＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系亜鉛めっき鋼板のＭＡＧ溶接用のシールドガスについての具体例を例示して説明する。本発明のシールドガスの特徴・効果を確認するため、以下に示す溶接例を実施し、各種特性の確認試験を行った。

（例）
例として、図２に示すように、板厚２．３ｍｍのＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系亜鉛めっき鋼板（日新製鋼製「ＺＡＭ」）１、１のめっき面を両方上向きとし、上板と下板の隙間ｔを０ｍｍ、トーチ２の傾斜角度αを０度とし、溶接速度を変化させて溶接部の長さが２５０ｍｍのＭＡＧ溶接を行い、ピットの発生状況を確認した。

ガス種として、アルゴンガス及び炭酸ガス並びに酸素ガスの３種類からなる混合ガスを用い、その組成（容量％）を変化させてＭＡＧ溶接を行った。
比較用として、広く一般的に使われているＭＡＧ用のシールドガス（Ａｒ−２０％ＣＯ_２）を用いた。

＜溶接条件＞
溶接方式：消耗式電極溶接、ショートアーク
溶接母材：Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系亜鉛めっき鋼板（日新製鋼ＺＡＭ）、板厚２．３ｍｍ
溶接方法：重ね隅肉溶接
溶接ワイヤ：ＪＩＳ ＹＧＷ−１７、径１.２ｍｍ
チップ母材間距離：１５ｍｍ
トーチ傾斜角度：０度
溶接速度：１００〜１７５ｃｍ／ｍｉｎ
アーク電圧：２２．５〜２４．５Ｖ
溶接電流：２２５Ａ
なお、この例では溶接電流、ワイヤ総供給量を一定とした。

結果を表１および表２に分けて示す。
表においては、試験片を１０個溶接して作製し、それらの溶接部にピットが発生しない試験片が６〜７個ある場合を△とし、ピットが発生しない試験片が８〜１０個ある場合を○とし、ピットが発生しない試験片が５個以下の場合を×とした。
そして、表示が△と○を合格とし、表示が△のものを範囲Ａとし、表示が○のものを範囲Ｂとし、表示が×のものを不合格とした。

表１および表２において、良品割合とは、１０個の試験片中、ピットが発生しない試験片の個数を言う。
また、図１のグラフ中に、各シールドガスでの実験結果の表１および表２での評価を○、△、×で表示してある。
さらに、図３に代表的な試験片でのビードの状態を示す。

本発明のシールドガスの酸素濃度および炭酸ガス濃度の範囲を示すグラフである。 本発明の具体例での溶接状況を示す概略図である。 具体例でのビードの表面を示す写真である。

Claims (2)

1. 亜鉛とアルミニウムとマグネシウムを含む亜鉛めっき層が形成された亜鉛めっき鋼板を、炭素鋼ソリッドワイヤを用いてＭＡＧ溶接するためのシールドガスであって、
   その組成が、炭酸ガスｘ容量％、酸素ｙ容量％、残部がアルゴンからなる２種または３種混合ガスであり、炭酸ガスと酸素との混合比が以下の数式を同時に満足するものであることを特徴とする亜鉛めっき鋼板のＭＡＧ溶接用シールドガス。
   ｙ≦１０ ・・・（１）
   ｙ≧−ｘ＋４５ ・・・（２）
   ｘ≧４０ ・・・（３）
   ｙ≧−１／１０ｘ＋５．５ ・・・（４）
   ｙ≦１／２０ｘ−２ ・・・（５）
   ｙ≧０ ・・・（６）
   ｙ≧１／３０ｘ−５／３ ・・・（７）
   ｙ≦−１／２０ｘ＋５．５ ・・・（８）
   ｙ≧３／４０ｘ−７／４ ・・・（９）
   ｙ≦−１／３ｘ＋３５ ・・・（１０）
2. 請求項１に記載のシールドガスとして用い、亜鉛とアルミニウムとマグネシウムを含む亜鉛めっき層が形成された亜鉛めっき鋼板を、炭素鋼ソリッドワイヤを用いてＭＡＧ溶接することを特徴とする亜鉛めっき鋼板のＭＡＧ溶接方法。

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