JP2013212532A - アーク溶接用シールドガス - Google Patents

Abstract

【課題】亜鉛めっきされた鋼材の溶接において、亜鉛めっきなどの表面処理が施されない溶接ワイヤーを用いつつスパッタの発生量を低減することが可能なアーク溶接用シールドガスを提供する。
【解決手段】亜鉛めっきされた鋼材のアーク溶接に用いられるアーク溶接用シールドガスは、５体積％以上１５体積％以下の水素と、５体積％以上３０体積％以下の二酸化炭素とを含有し、残部アルゴンおよび不可避的不純物からなり、水素と二酸化炭素との合計割合が１５体積％以上となっている。
【選択図】図４

Description

本発明はアーク溶接用シールドガスに関し、より特定的には、亜鉛めっきされた鋼材のアーク溶接に適したアーク溶接用シールドガスに関するものである。

亜鉛めっきされた鋼材、たとえば亜鉛めっき鋼板は、優れた耐食性を有しており、自動車、建設など様々な用途に使用されている。この亜鉛メッキ鋼板を他の部材と接続する際には、生産性および経済性に優れた溶接、より具体的にはアーク溶接が採用される場合が多い。そして、アーク溶接の実施に際しては、溶接直後の溶融金属部が大気に触れて溶接部の強度が低下することを回避する観点から、溶接部に対してシールドガスを供給するのが一般的である。しかし、亜鉛めっき鋼板などの亜鉛めっきされた鋼材を溶接する場合、鉄に比べて融点の低い亜鉛が蒸気となることに起因して、溶接部にピットやブローホールなどの欠陥が発生するという問題が生じる。

この欠陥の発生を抑制するため、表面に亜鉛めっきを施した溶接用ワイヤーを使用する対策が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。しかし、溶接用ワイヤーとして上述のような表面処理が施されたワイヤーを用いると、溶接のコストが上昇するという問題が生じる。そのため、溶接用ワイヤーに表面処理が施されたワイヤーを用いるのではなく、シールドガスの変更による対策を採用することが好ましい。

シールドガスの変更による対策として、酸素ガス、二酸化炭素ガスおよびアルゴンガスの３種混合ガスを採用することが提案されている（たとえば、特許文献２、３参照）。

特開平４−３３７７８号公報 特開２００６−２７２３５１号公報 特開２００７−２３７２２７号公報

しかしながら、上記特許文献２および３に開示されているような酸素ガス、二酸化炭素ガスおよびアルゴンガスの３種混合ガスをシールドガスとして採用した場合、スパッタの発生量を十分に低減することが難しいという問題がある。

本発明はこのような問題に対応するためになされたものであって、その目的は、亜鉛めっきされた鋼材の溶接において、亜鉛めっきなどの表面処理が施されない溶接ワイヤーを用いつつスパッタの発生量を低減することが可能なアーク溶接用シールドガスを提供することである。

本発明に従ったアーク溶接用シールドガスは、亜鉛めっきされた鋼材のアーク溶接に用いられるアーク溶接用シールドガスである。このアーク溶接用シールドガスは、５体積％以上１５体積％以下の水素と、５体積％以上３０体積％以下の二酸化炭素とを含有し、残部アルゴンおよび不可避的不純物からなっている。そして、水素と二酸化炭素との合計割合が１５体積％以上となっている。

本発明者は、亜鉛めっきされた鋼材の溶接において、表面処理が施されない溶接ワイヤーを用いつつスパッタの発生量を低減すべく、詳細な検討を行なった。その結果、水素ガス、二酸化炭素ガスおよびアルゴンガスの３種混合ガスをシールドガスとして採用し、かつこれらの混合割合を適切に調整することにより、溶接部におけるピットやブローホールなどの欠陥の発生を抑制しつつ、表面処理が施されない溶接ワイヤーを用いた場合でもスパッタの発生量を低減させることが可能であることを見出し、本発明に想到した。

具体的には、水素含有率を５〜１５体積％、二酸化炭素含有率を５〜３０体積％とし、残部を実質的にアルゴンとした３種混合ガスにおいて、水素と二酸化炭素との合計割合が１５体積％以上となるように調整することにより、ピットやブローホールなどの欠陥の発生が抑制された良好な溶接を達成しつつ、スパッタの発生量を十分に低減することができる。そのため、本発明のアーク溶接用シールドガスを用いることにより、亜鉛めっきされた鋼材の溶接において、亜鉛めっきなどの表面処理が施されない溶接ワイヤーを用いつつスパッタの発生量を低減することができる。

上記アーク溶接用シールドガスにおいては、二酸化炭素の割合が２０体積％以下であってもよい。これにより、溶接部の品質を一層向上させることができる。

上記アーク溶接用シールドガスは、容器内に封入され、当該容器内の圧力が３５℃において１ＭＰａ以上１４．７ＭＰａ以下であってもよい。

上記本発明のアーク溶接用シールドガスは、アーク溶接が実施される場所において水素ガス、二酸化炭素ガスおよびアルゴンガスを混合して製造され、使用されてもよい。一方、本発明のアーク溶接用シールドガスは、予め水素ガス、二酸化炭素ガスおよびアルゴンガスを混合して製造され、容器内に封入された後、当該容器に保持された状態でアーク溶接が実施される場所まで運搬され、使用されてもよい。この場合、効率的な運搬を達成するためには、容器内の圧力を上昇させることが好ましい。しかし、圧力を上昇させ過ぎると、二酸化炭素ガスが液化するという問題が生じるおそれがある。容器内の圧力を３５℃において１ＭＰａ以上１４．７ＭＰａ以下とすることにより、このような問題の発生を抑制するとともに効率的な運搬を達成することができる。また、より効率的な運搬を達成するためには、容器内の圧力を３５℃において５ＭＰａ以上とすることが好ましく、１０ＭＰａ以上とすることがより好ましい。

以上の説明から明らかなように、本発明のアーク溶接用シールドガスによれば、亜鉛めっきされた鋼材の溶接において、亜鉛めっきなどの表面処理が施されない溶接ワイヤーを用いつつスパッタの発生量を低減することが可能なアーク溶接用シールドガスを提供することができる。

本発明のアーク溶接用シールドガスを用いた場合の溶接部の一例を示す写真である。 本発明の範囲外のシールドガスを用いた場合の溶接部の一例を示す写真である。 本発明の範囲外のシールドガスを用いた場合の溶接部の一例を示す写真である。 溶接部の品質に及ぼす水素および二酸化炭素の割合の影響を示す図である。

本発明のアーク溶接用シールドガスは、たとえば以下のようにボンベなどの容器に充填して製造することができる。まず、シールドガスを充填すべき容器内が所望のレベルまで減圧される。次に、容器内に二酸化炭素が供給され、容器内の圧力がシールドガスにおける二酸化炭素の割合を５体積％以上３０体積％以下とするために必要な圧力となるように、容器内に二酸化炭素が充填される。

次に、上述のように二酸化炭素が充填された容器内に水素が供給され、容器内の圧力がシールドガスにおける水素の割合を５体積％以上１５体積％以下とするために必要な圧力となるように、容器内に水素が充填される。最後に、二酸化炭素および水素が充填された容器内にアルゴンが供給され、容器内に、５体積％以上１５体積％以下の水素と、５体積％以上３０体積％以下の二酸化炭素とを含有し、残部アルゴンおよび不可避的不純物からなり、水素と二酸化炭素との合計割合が１５体積％以上であるシールドガスが充填される。以上の手順により、本実施の形態におけるアーク溶接用シールドガスの製造は完了し、ボンベなどの容器に充填されることにより運搬が容易なシールドガスが得られる。このとき、当該容器内の圧力が３５℃において１ＭＰａ以上１４．７ＭＰａ以下であることが好ましい。

ここで、上記本実施の形態のアーク溶接用シールドガスにおいては、二酸化炭素の割合が２０体積％以下であることが好ましく、１５体積％以下であることがより好ましい。これにより、溶接部の品質を一層向上させることができる。また、水素の割合は１０体積％以下であることが好ましい。これにより、溶接部に水素が侵入して当該溶接部の脆化の原因となることを、より確実に抑制することができる。

また、上記不可避的不純物は、０．５体積％以下であることが望ましく、０．１体積％以下であることがより望ましい。これにより、アーク溶接用シールドガスの特性が安定する。

なお、上記実施の形態においては、アーク溶接用シールドガスがボンベなどの容器に充填される場合について説明したが、本発明のアーク溶接用シールドガスはこれに限られず、たとえばアーク溶接が実施される場所において、水素ガス、二酸化炭素ガスおよびアルゴンガスを混合して製造され、容器に充填されることなく使用されてもよい。

水素、二酸化炭素およびアルゴンの混合ガスを用いて亜鉛めっきされた鋼材の溶接を実施し、溶接部の状態を調査する実験を行なった。実験の手順は以下の通りである。

まず、亜鉛めっき鋼板を準備した。そして、溶接ワイヤーとして亜鉛めっきなどの表面処理が施されていない直径１．２ｍｍのソリッドワイヤー（神戸製鋼株式会社製；商品名ＳＥ−Ａ１ＴＳ）を用いて、溶接形状：ビードオン、溶接電流：１８０Ａ、溶接速度：５０ｃｍ／ｍｉｎの条件で、準備された亜鉛めっき鋼板の溶接を行なった。その後、溶接部の状態を観察し、その品質を評価した。図１は水素：５体積％、二酸化炭素：１０体積％（本発明の実施例）、図２は水素：５体積％、二酸化炭素：５体積％（本発明の範囲外である比較例）のシールドガスを用いた場合の溶接部の写真である。いずれのシールドガスも、水素および二酸化炭素以外の残部はアルゴンおよび不可避的不純物からなっている。また、図３は、酸素および二酸化炭素を含み、残部アルゴンおよび不可避的不純物からなる従来のシールドガスを用いた場合の溶接部の写真である。

図１を参照して、本発明の実施例であるシールドガスを用いた場合、良好な状態の溶接部（ビード）が得られており、かつスパッタの発生も少なくなっている。これに対し、図２に示すように、水素と二酸化炭素との合計割合が１５体積％未満であるシールドガスを用いた場合、溶接部（ビード）に多くのピットが形成されていることが分かる。また、図３に示すように、酸素、二酸化炭素およびアルゴンの混合ガスである従来のシールドガスを用いた場合、ビードに多くのピットが確認されるだけでなく、スパッタの発生量も多いことが分かる。

さらに、水素および二酸化炭素を含み、残部アルゴンおよび不可避的不純物からなるシールドガスにおいて、水素およびアルゴンの割合を変化させた場合の溶接部の状態の評価結果を図４に示す。図４において、溶接部の状態が特に優れていたものをＡ、溶接部の状態が優れていたものをＢ、溶接部の状態が許容範囲内であったものをＣ、溶接部の状態が不十分であったものをＤ、溶接時に発火の兆候が見られたものをＥと評価している。また、実験を行わなかった条件については、「−」と表示した。

図４を参照して、水素が５体積％以上１５体積％以下、二酸化炭素が５体積％以上３０体積％以下であって、かつ水素と二酸化炭素との合計割合が１５体積％以上である場合に、溶接部の状態がＡ〜Ｃとなっている。このことから、本発明のアーク溶接用シールドガスを用いることにより、亜鉛めっきされた鋼材の溶接において、亜鉛めっきなどの表面処理が施されない溶接ワイヤーを用いつつ良好な溶接状態が得られることが分かる。

スパッタの発生量に対する本発明のシールドガスの効果を確認する実験を行った。上記実施例１の場合と同様の条件において、二酸化炭素とアルゴンとの混合ガス（比較例Ａ）、酸素、二酸化炭素およびアルゴンの混合ガス（比較例Ｂ）および本発明のシールドガス（実施例）をシールドガスとして用いて亜鉛めっき鋼板の溶接を実施し、溶接に際して発生したスパッタの量を調査した。表１にシールドガスの成分組成およびスパッタ発生量の測定結果を示す。

表１に示すように、本発明の実施例のシールドガスを用いた場合、スパッタの発生量が大幅に低減されている。このことから、本発明のアーク溶接用シールドガスによれば、亜鉛めっきされた鋼材の溶接において、表面処理が施されない溶接ワイヤーを用いつつスパッタの発生量を低減できることが確認される。

本発明のシールドガスを用いた場合の、溶接部への水素の侵入量を調査する実験を行った。具体的には、上記実施例２の場合と同様の条件で溶接を実施し、溶接部の水素含有量を測定した。測定結果を表２に示す。

一般に、鋼材の水素含有量が鋼材１００ｇあたり５ｃｍ^３を超えると、鋼材の水素脆化が懸念されるとされている。表２に示すように、本発明の実施例において、水素含有量は鋼材１００ｇあたり２．８ｃｍ^３となっている。このことから、水素を含有する本発明のシールドガスを用いた場合でも、当該水素による水素脆化の懸念は小さいものといえる。

上記本発明のアーク溶接用シールドガスは、亜鉛めっきされた鋼材のアーク溶接に広く用いることができるが、特に厚み６．０ｍｍ以下の亜鉛めっき鋼板のアーク溶接に適している。本発明のアーク溶接用シールドガスは、アーク溶接の実施態様を限定するものではないが、本発明のシールドガスを用いた溶接は、同一箇所に複数回繰り返されることなく、１の溶接個所について１回のみ実施されることが好ましい。すなわち、本発明のシールドガスは、当該シールドガスを用いた１パスアーク溶接に用いられるか、あるいは本発明のシールドガスを用いた溶接と、通常の（公知の）シールドガスを用いた溶接とを組み合わせた溶接に用いられることが好ましい。また、本発明のアーク溶接用シールドガスは、亜鉛めっきされた鋼材の中でも特に溶接が困難なＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系の高耐食性亜鉛めっきが施された鋼材（特に鋼板）のアーク溶接にも好適である。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明のアーク溶接用シールドガスは、亜鉛めっきされた鋼材のアーク溶接に、特に有利に適用され得る。

Claims (3)

1. 亜鉛めっきされた鋼材のアーク溶接に用いられるアーク溶接用シールドガスであって、
   ５体積％以上１５体積％以下の水素と、５体積％以上３０体積％以下の二酸化炭素とを含有し、残部アルゴンおよび不可避的不純物からなり、
   水素と二酸化炭素との合計割合が１５体積％以上である、アーク溶接用シールドガス。
2. 二酸化炭素の割合が２０体積％以下である、請求項１に記載のアーク溶接用シールドガス。
3. 容器内に封入され、前記容器内の圧力が３５℃において１ＭＰａ以上１４．７ＭＰａ以下である、請求項１または２に記載のアーク溶接用シールドガス。