JP2011183400A

JP2011183400A - 薄鋼板の重ねすみ肉アーク溶接方法及び重ねすみ肉アーク溶接継手

Info

Publication number: JP2011183400A
Application number: JP2010047676A
Authority: JP
Inventors: Kinya Ishida; 欽也石田; Tetsuo Nose; 哲郎野瀬; Shinji Kodama; 真二児玉
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2010-03-04
Filing date: 2010-03-04
Publication date: 2011-09-22

Abstract

【課題】板厚１〜２．６ｍｍの薄鋼板をアーク溶接する際に、溶接変形を抑制し、かつ溶着金属のぬれ性が良好でなだらかな溶接ビード形状を達成でき、さらにスパッタが発生しないアーク溶接技術を提供する。
【解決手段】薄鋼板の重ねすみ肉アーク溶接方法において、アーク溶接電源として、溶接ワイヤの送給を前進及び後退させる機能を有し、溶接ワイヤと被溶接材の間にアークを発生させる期間、溶接電流値を低くして溶接ワイヤを前進させ先端を被溶接材に接触させる期間、溶接ワイヤ先端と被溶接材が接触している状態で溶接ワイヤを通電し発熱させる期間、及び、溶接電流値を低くして溶接ワイヤを後退させ被溶接材から引き離す期間を制御することができるアーク溶接電源を用い、ＣＯ_２シールドガス中で、低熱膨張溶接材料を用いて溶接することを特徴とする薄鋼板の重ねすみ肉アーク溶接方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車関連部品等に用いられる鋼板の溶接に関するものであり、特に、板厚１〜２．６ｍｍの薄鋼板を溶接する際に発生する溶接変形を低減させ、良好な溶接部形状を得る、重ねすみ肉アーク溶接方法に関するものである。

近年、自動車分野では低燃費化やＣＯ_２排出量削減を目的とした車体の軽量化のため、薄鋼板を使用するニーズが高まっている。一般に、自動車車体のように部材同士を組み合わせ溶接する構造体の場合、溶接継手の形状として重ね継手が基本となる。

鋼板を溶接した際に、溶接金属の熱収縮によって発生する残留応力は、角変形や縦曲がり変形などの溶接変形を引き起こしてしまい、薄鋼板の溶接の場合には、厚鋼板の溶接以上にその溶接変形が顕著に発生する。そこで、残留応力をゼロ又は低減させる技術として、溶接時の冷却過程の平均熱膨張係数を低減した低熱膨張溶接材料を用いた溶接技術が開発された（特許文献１）。

低熱膨張溶接材料を用いた溶接技術により、溶接変形を抑えることができるようになった。しかし、この技術を用いて、薄鋼板の重ねすみ肉アーク溶接継手を作製したところ、一般的なＭＡＧ溶接材料であるＪＩＳＹＧＷ１５や、ＪＩＳＹＧＷ１２を用いた場合に比べ溶接変形は低減したが、スパッタが多発するという新たな問題が生じた。

さらに、低熱膨張溶接材料は溶着金属としてのぬれ性が悪く、溶接金属が過大な凸形状となってしまうという問題が生じた。この現象は、ＪＩＳＹＧＷ１５やＪＩＳＹＧＷ１２を用いたときには見られなかったものである。

スパッタと溶接時のシールドガスとの関係について、シールドガス中のＣＯ_２濃度が増加するに従いスパッタが増加することが知られている。そのため、シールドガスとしてＡｒとＣＯ_２の混合ガス（Ａｒ＋２０％ＣＯ_２）を用い、さらにパルス電流と組み合わせることでスパッタを低減する技術がある（例えば、特許文献２）。

しかし、低熱膨張溶接材料を用いた溶接では、シールドガスにＡｒとＣＯ_２の混合ガスを使用し、パルス電流と組み合わせた溶接条件であっても、スパッタを十分に低減させることができなかった。

ところで、スパッタフリーを謳う電源としてＣＭＴ（Cold Metal Transfer）（登録商標）電源がある（例えば、特許文献３）。ＣＭＴ電源は、溶接ワイヤの送給を前進及び後退させる機能を有し、（１）溶接ワイヤと被溶接材の間にアークを発生させる期間、（２）溶接電流を低くして溶接ワイヤを前進させ先端を被溶接材に接触させる期間、（３）溶接ワイヤ先端と被溶接材が接触している状態で溶接ワイヤを通電し発熱させる期間、及び、（４）溶接電流を低くして溶接ワイヤを後退させ被溶接材から引き離す期間を制御することができるアーク溶接電源であり、スパッタの低減だけでなく、溶接時の入熱をも低減した電源である。入熱の低減は、溶接変形低減にも高い効果を発揮する。

そこで、ＣＭＴ電源を、低熱膨張溶接材料を用いた溶接に適用したところ、スパッタの抑制は可能となったが、ぬれ性は改善できなかった。

特開２００５−３３４８８７号公報特開昭６０−５６４８６号公報特表２００８−５３１２８３号公報

本発明は、上記の問題に鑑み、板厚１．０〜２．６ｍｍの薄鋼板をアーク溶接する際に、溶接変形を抑制し、かつ溶接金属のぬれ性が良好でなだらかなビード形状を形成でき、さらにスパッタが発生しないアーク溶接技術を提供することを課題とする。

本発明者らは、溶接部の形状に及ぼす条件を鋭意調査、検討し、得られた知見に基づき本発明を完成させた。本発明の要旨は以下のとおりである。

（１）薄鋼板の重ねすみ肉アーク溶接方法において、
アーク溶接電源として、溶接ワイヤの送給を前進及び後退させる機能を有し、溶接ワイヤと被溶接材の間にアークを発生させる期間、溶接電流を低くして溶接ワイヤを前進させ先端を被溶接材に接触させる期間、溶接ワイヤ先端と被溶接材が接触している状態で溶接ワイヤを通電し発熱させる期間、及び、溶接電流を低くして溶接ワイヤを後退させ被溶接材から引き離す期間を制御することができるアーク溶接電源を用い、ＣＯ_２シールドガス中で、低熱膨張溶接材料を用いて溶接することを特徴とする薄鋼板の重ねすみ肉アーク溶接方法。

（２）溶接電流Ｉ（Ａ）、溶接電圧Ｖ（Ｖ）、ワイヤ送給速度ＷＦＲ（ｍ／ｍｉｎ）、ワイヤ直径Ｄ（ｍｍ）としたとき、Ｑ＝Ｉ×Ｖ／ＷＦＲ／（πＤ^２／４）／１０００で表されるＱ（Ｗ／ｍｍ^３／ｍｉｎ）が、０．４０≦Ｑ≦０．５５を満たすことを特徴とする前記（１）の薄鋼板の重ねすみ肉アーク溶接方法。

（３）溶接する前記薄鋼板の厚さが、共に１．０ｍｍ以上２．６ｍｍ以下であることを特徴とする前記（１）又は（２）の薄鋼板の重ねすみ肉アーク溶接方法。

（４）前記低熱膨張溶接材料は、３０〜４００℃の平均熱膨張係数が２×１０^-6〜１０×１０^-6／℃である溶接金属を形成させることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかの薄鋼板の重ねすみ肉アーク溶接方法。

（５）前記（１）〜（４）のいずれかの重ねすみ肉アーク溶接方法により製造した薄鋼板の重ねすみ肉アーク溶接継手。

本発明の重ねすみ肉アーク溶接方法によれば、特に、板厚の薄い薄鋼板を溶接する際に、溶接変形を抑制し、かつ溶接金属のぬれ性が良好でなだらかな溶接部形状を形成することができ、さらに溶接中のスパッタの発生を抑制することができる。

凸形状となった溶接部の概略を示す図である。良好な形状の溶接部の概略を示す図である。ワイヤ供給量とワイヤ送給体積あたりの入熱（Ｑ）の関係を示す図である。溶接時の縦曲がり変形量を説明する、溶接継手外観の概略を示す図である。

本発明では、スパッタの発生を低減させるために、溶接電源として、一般的な直流電源や、パルス電源は適用できず、溶接ワイヤの送給を前進及び後退させる機能を有したアーク溶接電源、例えば、ＣＭＴ電源を使用することが必要である。

また、薄鋼板の溶接変形を防ぐために、低熱膨張溶接材料を使用する。低熱膨張溶接材料としては、例えば特許文献１に記載の、公知の材料を用いることができる。

さらに、本発明ではシールドガスとしてＣＯ_２を使用する。一般的には、シールドガス中のＣＯ_２濃度が増加するに従いスパッタが増加することが知られている。本発明でシールドガスとしてＣＯ_２が有効なのは、他のシールドガスと比べ、鋼板や溶融金属をより効率よく加熱できるためであると考えられる。

本発明で使用するＣＭＴ電源のようなアーク溶接電源は、スパッタが発生しないことに加えて、低入熱・高溶着量である特徴を有し、低入熱であるため鋼板表面の加熱及び溶融金属の加熱が過度に抑えられてしまう傾向がある。一方、ＣＯ_２雰囲気中で発生するアークは、Ａｒや、ＡｒとＣＯ_２の混合ガス雰囲気中で発生するアークよりも高温であり、鋼板表面が加熱され、ぬれ性が高まり、溶接金属が幅広くなじむので、その結果、凸ビードが解消され、なだらかな形状の溶接ビードを得ることができる。

ここで、溶接ビードがなだらかな形状であるとは、上板１１の表面から盛り上がった溶接金属１３の高さｈが上板１１の厚さの３０％以下であり、かつ、下板１２の溶融境界Ａと下板１２の表面からの高さｔが上板１１の厚さの１／２である溶接金属１３の表面Ｂを結ぶ直線ＡＢと下板１２の表面がなす角θ（以下、フランク角ともいう）が１１５°以上であることをいうものとする。

図１に、凸形状となった溶接部、図２に、なだらかな形状の良好な溶接部の概略を示す。凸形状となった溶接部は良好な形状に比べて、ｈが大きく、θが小さくなっている。

本発明では、溶接電源の電流Ｉ（Ａ）、電圧Ｖ（Ｖ）、ワイヤ送給速度ＷＦＲ（ｍ／ｍｉｎ）、ワイヤ直径Ｄ（ｍｍ）としたとき、Ｑ＝Ｉ×Ｖ／ＷＦＲ／（πＤ^２／４）／１０００で表されるワイヤ送給体積あたりの入熱Ｑ（Ｗ／ｍｍ^３／ｍｉｎ）が、０．４０≦Ｑ≦０．５５を満たす範囲とすることが好ましい。

Ｑが０．４０未満では、入熱が小さすぎるため溶接部の架橋性が悪くなり、０．５５を超えると入熱が大きくなりすぎ、溶接金属の溶け落ちが発生しやすくなるためである。

図３に、同じ溶接材料で、溶接方法、ワイヤ径を変えたときの、ワイヤ送給速度とワイヤ送給体積あたりの入熱Ｑとの関係を示す。ワイヤ送給速度以外の条件は、上板にアンダカットが生じず、かつ下板の裏側に溶接金属が抜けて溶け落ちないような適切な条件とした。ＣＭＴ電源を用いた場合は、ワイヤ送給速度によらず入熱が低く抑えられており、溶接変形の低減に有効であることがわかる。

本発明は、特に、厚さ１．０〜２．６ｍｍの薄鋼板の重ねすみ肉溶接に適用すると有効である。

また、上記低熱膨張溶接材料は、３０〜４００℃における溶接金属の平均熱膨張係数が２×１０^-6〜１０×１０^-6／℃であることが、溶接される薄鋼板との特性の整合の観点から望ましい。

以下、本発明の効果を、実施例に基づいて説明する。以下の実施例における条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一例であり、本発明は、以下の実施例に示した条件に限定されるものではない。

表１に示す溶接条件で種々の重ねすみ肉アーク溶接継手を作製し、その外観を調査した。ワイヤ送給速度、及び、溶接電圧は、上板にアンダカットが生じず、かつ下板の裏側に溶接金属が抜けて溶け落ちないよう板厚に応じて適切な範囲に組み合わせを変化させた。結果を表２に示す。

ビード状態の判定について、溶接変形は、重ねすみ肉継手の縦曲がり変形にて評価した。試験片長さ１５０ｍｍあたりの縦曲がり変形量ｆが、±１．５ｍｍ以内であるものを○、±１．５ｍｍより大きいものを×とした。（図３、参照）。

スパッタについては、継手表面に０．５ｍｍ以上の大きさのスパッタが付着したものを×、付着しなかったものを○とした。

凸形状は、上板表面から盛り上がった溶接金属の高さが上板厚さの３０％以下、かつ、フランク角が１１５°以上のものを○、上板表面から盛り上がった溶接金属の高さが上板厚さの３０％超、又は、フランク角が１１５°未満のものを×とした。

表２の１〜５が本発明の実施例であり、溶接変形は生じず、溶接金属の外観は良好であり、溶接中のスパッタの発生も見られなかった。

比較例６〜２３は本発明の条件を満たさない方法により作製されたものである。溶接材料としてＹＭ−２８、ＹＭ−２８Ｓを使用したものは、溶接金属が過大な凸形状となることはなかったが、溶接変形が生じた。

溶接材料として、低熱膨張溶接材料を使用した例では、溶接モードがＣＭＴでない場合はスパッタの発生を抑えることができなかった。さらに、本発明の条件を満たさない場合は、上板のアンダカットを防ぐためにはワイヤ送給速度を大きくしなければならず、かつ、ぬれ性も劣るので、溶接ビードは過大な凸形状となった。

以上示したように、本発明の重ねすみ肉アーク溶接方法によれば、薄鋼板を溶接において、鋼板の強度、タイプに依存せず、溶接変形を抑制し、かつ溶接金属のぬれ性が良好でなだらかな溶接部形状を得ることができ、さらに溶接中のスパッタの発生を抑制することができることが確認できた。

本発明の重ねすみ肉アーク溶接方法によれば、薄鋼板を溶接において、鋼板の強度、タイプに依存せず、溶接変形を抑制し、かつ溶接金属のぬれ性が良好でなだらかな溶接部形状を得ることができ、さらに溶接中のスパッタの発生を抑制することができる。そのため本発明を、例えば自動車関連部品や薄板建材関連製品等の製作に適用することで、それらの外観、信頼性を向上させることができる。さらに、本発明は、溶接継手作製時の生産性を低下させることがなく、シールドガスとして安価なＣＯ_２を用いることができるため、産業上の貢献は多大なものである。

１１上板
１２下板
１３溶接金属
ｈ上板表面から盛り上がった溶接金属の高さ
ｔ溶接金属表面の下板表面からの高さ
Ａ下板の溶融境界
Ｂ下板表面からの高さｔが上板厚の１／２である溶接金属表面
θ 下板の溶融境界Ａと下板表面からの高さｔが上板厚の１／２である溶接金属表面Ｂを結ぶ直線ＡＢと下板表面がなす角（フランク角）
ｆ重ねすみ肉継手の下板側自由端面における、弦の中央部から弧までの高さ

Claims

薄鋼板の重ねすみ肉アーク溶接方法において、
アーク溶接電源として、溶接ワイヤの送給を前進及び後退させる機能を有し、溶接ワイヤと被溶接材の間にアークを発生させる期間、溶接電流値を低くして溶接ワイヤを前進させ先端を被溶接材に接触させる期間、溶接ワイヤ先端と被溶接材が接触している状態で溶接ワイヤを通電し発熱させる期間、及び、溶接電流値を低くして溶接ワイヤを後退させ被溶接材から引き離す期間を制御することができるアーク溶接電源を用い、ＣＯ_２シールドガス中で、低熱膨張溶接材料を用いて溶接することを特徴とする薄鋼板の重ねすみ肉アーク溶接方法。
溶接電流Ｉ（Ａ）、溶接電圧Ｖ（Ｖ）、ワイヤ送給速度ＷＦＲ（ｍ／ｍｉｎ）、ワイヤ直径Ｄ（ｍｍ）としたとき、Ｑ＝Ｉ×Ｖ／ＷＦＲ／（πＤ^２／４）／１０００で表されるＱ（Ｗ／ｍｍ^３／ｍｉｎ）が、０．４０≦Ｑ≦０．５５を満たすことを特徴とする請求項１に記載の薄鋼板の重ねすみ肉アーク溶接方法。
溶接する前記薄鋼板の厚さが、共に１．０ｍｍ以上２．６ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の薄鋼板の重ねすみ肉アーク溶接方法。
前記低熱膨張溶接材料は、３０〜４００℃における溶接金属の平均熱膨張係数が２×１０^-6〜１０×１０^-6／℃であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の薄鋼板の重ねすみ肉アーク溶接方法。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の薄鋼板の重ねすみ肉アーク溶接方法により製造した重ねすみ肉アーク溶接継手。