JP2013530051A - 酸化性ガスを用いてアルミニウム被覆金属部品をアーク溶接する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、アルミニウム系表面被覆を備えた少なくとも１つの金属部品を、遮蔽ガスを用いて電気アーク溶接する方法に関する。本発明によれば、前記金属部品の金属は、あらゆるレーザビームを除外して電気アークのみによって溶融される。本発明は、遮蔽ガスが、アルゴン及び／又はヘリウムと、窒素と、酸素及び二酸化炭素から選ばれる酸化性化合物との混合物を含むことを特徴とする。

Description

発明の詳細な説明
本発明は、窒素とアルゴン及び／又はヘリウムとからなり、１０体積％未満のCO₂又はO₂を更に含んだ遮蔽ガスを用いて、アルミニウム系表面被覆、特には、アルミニウム及び珪素の被覆を備えた鋼部品を電気アーク溶接する方法に関する。

アルミニウム又はアルミニウム系合金で被覆した鋼、例えばUSIBOR（登録商標）鋼は、熱間引抜きの後において非常に高い機械的な特性を持ち、それゆえ、自動車両の構造の分野で軽量化が望まれるときにますます用いられている。実際に、これらの鋼は、熱処理され、その後、熱間引抜きの操作の最中に急冷されるべく設計され、それにより生じる機械的な特性は、標準的な高降伏強度鋼と比較して、車両を著しく軽量化することを可能にする。それらは、バンパービーム、ドアの強化材、センターピラー、窓のピラー等を製造するのに主に使用される。

アルミニウム又はアルミニウム合金で被覆されたその他の鋼もまた、それらの耐食及び耐熱特性の理由で使用されている。特に、外部構造又はスイッチボックスに利用されているAluzinc（登録商標）鋼、マフラー、ヒートスクリーン、ボイラーの保温材、煙道ライニング、電力プラント又は石油化学工業への応用で利用されているAlusi（登録商標）鋼及びAlupur（登録商標）鋼を挙げることができる。

理論上は、全ての従来のアーク溶接プロセス、例えば、MIG溶接、MAG溶接又はろう付けプロセスが、これらのアルミニウム被覆鋼を組み立てるのに利用され得る。

しかしながら、実際のところ、アルミニウム又はアルミニウム合金で被覆した部品のアーク溶接操作の後には、溶接継手の溶接金属ゾーンに、引張り強さがより低い相が現れる。この相は、金属間化合物又はデルタフェライトから成る。

Usiborの場合、分析の結果、この相がかなりの割合でアルミニウムを含んでおり、引き抜き前の処理の間に鋼のオーステナイトを引き起こさないこと、つまり、この相はデルタフェライト形のままであることと、この結果は、マルテンサイト／ベイナイト変態を経た部品の残りよりも低い硬度であることとが分かった。

しかしながら、非変態相は、継手の亀裂又は破壊をも導きうる。実際、デルタフェライト相を含み、アルミニウムを取り込んだこれらゾーンは、そのベースメタルよりも溶接部の耐性が低い。

アルミニウム系表面被覆を有している鋼部品をレーザアークハイブリッド溶接する方法は、文献EP-A-1878531によって既に提案されている。

この方法は或る場合において良い結果を与えるが、それは電気アークの効果をレーザビームの効果と組み合わせることを必要とすることから、その実施は難しい。

さらに、それは、アーク溶接のソースと、とりわけレーザ溶接のソースとの両方へ投資する必要を生じさせ、これは、高い費用と、このプロセスの全体の生産性にとって好ましくない付加的なメンテナンス操作とを生じさせる。

MIG溶接を対象としている応用は、スタッドの溶接、鋼からなる様々な構成要素のアルミナイズド鋼板への溶接、又はマフラーの場合のように２枚の薄板の相互の溶接である。

それゆえ、直面している問題は、アルミニウム又はアルミニウム合金で被覆した鋼部品を溶接する操作の間に、溶接継手の良好な機械的特性、特には引張特性を得ることと、溶加材の安定な移送を得ることとを可能とする、単純に実施可能な溶接プロセスを提案することにある。

本発明の解決方法は、アルミニウム系表面被覆を備えた少なくとも１つの鋼部品を、遮蔽ガスを用いて電気アーク溶接する方法であって、前記金属部品の金属の溶融を、前記金属の前記溶融に関与するあらゆるレーザビームの存在を排除して電気アークのみによって行い、前記遮蔽ガスは、アルゴン及び／又はヘリウムと、窒素(N₂)と、酸素（O₂）及び二酸化炭素（CO₂）から選ばれる酸化性化合物との混合物のみからなることを特徴とする方法である。

それゆえ、このガス混合物は、アルゴン、ヘリウム又はそれら両方からなり、これに窒素だけでなくＯ_２又はＣＯ_２も加えられて、Ａｒ／Ｎ_２／ＣＯ_２、Ａｒ／Ｎ_２／Ｏ_２、Ｈｅ／Ｎ_２／Ｏ_２若しくはＨｅ／Ｎ_２／ＣＯ_２といった三元ガス混合物、又は、Ａｒ／Ｈｅ／Ｎ_２／Ｏ_２若しくはＡｒ／Ｈｅ／Ｎ_２／ＣＯ_２といった四元混合物を構成するので、少なくとも三元である。

既に規定されているように、“電気アーク溶接する方法”という表現は、その文脈において、金属の溶融が電気アークのみにより行われ、それ故、溶接すべき１つの又は複数の部品の金属を溶融させるために利用されるあらゆるレーザビームを除外した溶接方法を意味するものと理解される。それ故、当然、アーク／レーザハイブリット溶接方法は本発明の分野からは除外され、レーザビームにより補助されるアークとして、同様の方法では反応しない、単独のアークも除外される。

場合によっては、本発明の方法は、以下の１以上の特徴を含んでいてもよい。
前記遮蔽ガスは、少なくとも０．０２５体積％であり且つ多くとも３０体積％の窒素を含んでいる。
前記遮蔽ガスは、少なくとも０．０２５体積％であり且つ多くとも２０体積％の窒素を含んでいる。
前記遮蔽ガスは、少なくとも０．０２５体積％であり且つ多くとも１５体積％の窒素を含んでいる。
前記遮蔽ガスは、少なくとも３体積％の窒素を含んでいる。
前記遮蔽ガスは、少なくとも４体積％の窒素を含んでいる。
前記遮蔽ガスは、少なくとも１０体積％の窒素を含んでいる。
前記遮蔽ガスは、多くとも９体積％の窒素を含んでいる。
前記遮蔽ガスは、多くとも８体積％の窒素を含んでいる。
前記遮蔽ガスは、多くとも１０体積％の酸素またはCO₂を含んでいる。
前記遮蔽ガスは、多くとも８体積％の酸素またはCO₂を含んでいる。
前記遮蔽ガスは、少なくとも１体積％の酸素またはCO₂を含んでいる。
前記遮蔽ガスは、少なくとも５体積％の及び／又は多くとも７体積％の窒素を、好ましくは約６体積％の窒素を含んでいる。
前記遮蔽ガスは、少なくとも５．５体積％であり且つ多くとも６．５体積％の窒素を含んでいる。

前記鋼部品は、５乃至１００μｍの、好ましくは５０μｍ以下の厚さを有しているアルミニウム系表面被覆を備えている。

前記金属部品は、アルミニウム及びシリコン系表面被覆を有した鋼から成る。

前記金属部品は、シリコンの割合の５乃至１００倍の割合のアルミニウムを、例えば、９０重量％の割合のアルミニウム及び１０重量％の割合のシリコンを含んだアルミニウム及びシリコン系表面被覆を、すなわち、シリコンの９倍のアルミニウムを含んだ表面被覆層を備えている。この被覆は、前記部品のうちの少なくとも１つの表面を被覆するが、アルミニウム系被覆は、前記部品の端の縁上、すなわち、例えばシートの縁上には、存在しないか又は事実上存在しない。

この金属部品は、シリコンの割合の５乃至５０倍の割合のアルミニウムを、特には、シリコンの割合の５乃至３０倍の割合のアルミニウムを、特には、シリコンの割合の５乃至２０倍の割合のアルミニウムを含んだアルミニウム及びシリコン系表面被覆を備えている。

それは、消耗溶加ワイヤ、例えば、ソリッドワイヤ又はフラックス入りワイヤを用いるMIG溶接プロセスである。

溶接すべき前記部品は、１つ又はいくつかの自動車両コンポーネントである。

溶接電圧は、１４乃至３５Ｖである。

溶接強度は、８０乃至３００Ａである。

溶接すべき前記部品は、０．６乃至２．５ｍｍの、好ましくは１乃至２ｍｍの厚さを有している。この厚さは、生じさせるべき継手面で、すなわち、溶接継手を形成するために電気アークによって金属が溶融した位置、例えば、溶接すべき前記部品の端縁で考えられる。

前記ガスの圧力は、２乃至１５ｂａｒであり、好ましくは１２ｂａｒ未満であり、特には約４乃至８ｂａｒである。

前記ガスの流量は、３０ｌ／ｍｉｎ未満であり、一般的には２５ｌ／ｍｉｎ未満であり、典型的には、考慮される応用に依存して約１５乃至２０ｌ／ｍｉｎである。

数個の部品、典型的には２つの部品が互いに溶接される。前記部品は、特には形や厚さ等の点で同一又は異なっていることが可能である。

前記部品は、高合金鋼（＞５重量％の合金元素）、低合金鋼（＜５重量％未満の合金元素）、又は非合金鋼、例えば炭素鋼から成る。

前記溶接ワイヤは、ソリッドワイヤ又はフラックス入りワイヤである。

前記溶接ワイヤは、０．５乃至５ｍｍの直径を、典型的には約０．８乃至２．５ｍｍの直径を有している。

本発明は、以下の記載により、更によく理解されるであろう。

それゆえ、提案された解決策は、アルミナイズド部品の、すなわち、アルミニウム又はアルミニウム合金、例えばＡｌ／Ｓｉの表面被覆を備えた部品の、電気アーク及び特定の遮蔽ガスを用いた溶接法を生み出すことである。

本発明によると、溶接の間、アルミニウム上のアークの安定化を得ること、及び、溶接すべき金属部品においてアルミニウム系被覆の溶解を低減させることを可能とする遮蔽ガスが使用される。

この特定の遮蔽ガスは、アルゴン及び／又はヘリウムに０．０２５体積％乃至３０体積％の窒素を加えて構成され、好ましくは３体積％乃至１０体積％の窒素及び２体積％の酸素又はCO₂を加えて構成される。

このガス混合物は、アルミニウム及び窒素の反応によって、より良好な電気的放射率（emissivite electrique）を有している窒化アルミニウムの形成をもたらし、それ故、アークの動き及び陰極スポットのサイズを低減し、従って、アーク溶接の安定化をもたらす。

さらに、窒化アルミニウムは、プールの表面に浮かび、それ故、部品の表面に存在しているアルミニウムの溶解を防止する。これは、溶接部へのアルミニウムの取り込みの抑制又は少なくとも有意な減少を、それ故、デルタフェライト又は通常観測される金属間化合物の形態の相の完全な又はほぼ完全な消失に起因した引張り強さの改善をもたらす。

その上、酸化性化合物、すなわちO₂又はCO₂の存在は、小さな割合で、アークの安定化を強めることと溶加材の溶融を改善することとを可能とする。

使用されるガス混合物は、ガス混合器を用い、所望の割合で所望の混合物の構成成分を混合することによって、現場で直接製造されてもよく、あるいは、プレパッケージ形態で、すなわち、パッケージ工場で製造され、溶接ガスシリンダなどの適切なガスコンテナに入れられた状態で、パッケージ工場で製造され、その後、使用する場所へ輸送されるものであってもよい。

例
本発明の方法は、Usibor 1500（登録商標）部品、即ち、それぞれの割合がそれぞれ９０重量％及び１０重量％であるアルミニウム／シリコン（Ａｌ／Ｓｉ）合金からなる３０μｍの層で被覆された鋼部品の手動MIGアーク溶接操作の間に亘って良い結果を与えている。

溶接された部品は、１．２ｍｍの厚さを有していた。

実行した試験情況において、２０ｌ／ｍｉｎの流量及び４ｂａｒの圧力で分配された、使用したガスは（体積％で）：
試験Ａ（比較）：純アルゴン、
試験Ｂ（比較）：アルゴンと２体積％の窒素（N₂）とからなる混合物、
試験Ｃ（比較）：アルゴンと４％のN₂とからなる混合物、
試験Ｄ（比較）：アルゴンと６％のN₂とからなる混合物、
試験Ｅ（比較）：アルゴンと８％のN₂とからなる混合物、
試験Ｆ（比較）：アルゴンと８％のCO₂とからなる混合物、
試験Ｇ（発明）：アルゴンと６％のN₂と８％のCO₂とからなる混合物、
試験Ｈ（発明）：アルゴンと６％のN₂と１％のCO₂とからなる混合物
である。

使用したトーチは、１．２ｍｍの直径を有し、２．８乃至３．５ｍ／ｍｉｎの速度で送られるNertalic 88 (ER 100 SG: AWS, A 5.28)タイプの溶加ワイヤが供給されるDinseeリファレンスＭＩＧトーチである。

溶接電圧は約１５Ｖであり、その強度は約１２８Ａであり、これらはAir Liquide Welding Franceから販売されている、シナジーモード（EN 131）のDigi@wave 400タイプ(short arc/short arc +)の発電機によって得られる。

達成する溶接速度は２０ｃｍ／ｍｉｎである。

相互に溶接すべき部品は、約４５度の角と、この角の頂点で形成された継手面を形成する。

得られた結果は、アルゴン中におけるN₂の存在は、アルゴン単独の使用よりも遥かに良い結果をもたらすことを示している。

実際、アルゴンを単独で用いた場合（試験Ａ）、アークは不安定的であり、その移動は不規則である（大きい滴）。アルゴンのもとでつくられた継手は、全て低品質な外見を有している。特に、ビードの縁でのぬれ不足を観察することができ、それらは著しい過剰厚さを有している。そのうえ、溶接の間、溶融金属滴からなる大きなスパッタ、及び、さらには多数のフュームの形成が観察される。

逆に、Ar/N₂混合物を用いた場合、結果における顕著な改善があり、これは混合物のN₂含量に比例して増加する。

従って、２％のN₂を含んでいるAr/N₂混合物（試験Ｂ）を用いた場合、金属の移送が試験Ａよりも安定であるが、ビードは完全に欠陥フリーという訳ではない。実際、アークの安定性は、アークの破壊はほとんど存在しないか又は存在しないが、それでも場合によっては妨げられるかも知れない。また、溶接の間の大きな滴の形成現象が減少する。事実、アルゴンへの２％の窒素の添加は、とりわけビードの上部／下部のぬれを改善する。

アルゴンにおける窒素の添加を４％に増加させることによって（試験Ｃ）、その他のパラメータ、特に電気的なパラメータを変えることなく、外観における全般的な改善及びビードの上部／下部の縁ににおける許容可能なぬれ、さらには、ビードの概観の改善、すなわち、わずかな凝固線、及び、中央での非常に大きい訳ではない過剰厚さが観察される。これらの結果は申し分なく、再現可能である。ワイヤの溶融は、正確且つより安定的な移送を伴い、良好である。角継手の結果は、ビードの上部／下部の縁における許容可能なぬれを有している。一方、プールは、少し“冷たい”ままであり、或る条件下では、扱いが難しいこともあり得る。

窒素添加の６％への増加（試験Ｄ）は、外観の全般的且つより顕著な改善と、ビードの上部／下部縁における良好なぬれとをもたらす。ビードの表面は、非常にかすかな及び非常に小さな中央過剰厚さしか有していない。

試験Ｅでは、８％の窒素がアルゴンに加えられる。ビードの表面粗さはさらに減り、ぬれは良好であり、粘着性のスパッタはほとんどない。操作の観点からは、アルゴンへの８％の窒素の添加は、ワイヤの良好な溶融とともに、安定な移送を得ることを可能とする。興味深いことに、この混合物を用いた場合、それは、純アルゴンのもとでは不可能であり、試験した他のアルゴン／窒素混合物では必ずしも容易ではないパラメータの調整（ワイヤ速度の変化又は電圧の変化）を可能とするので、実操業上の“柔軟性”が得られる。

試験Ｆでは、アルゴン単独への８％のCO₂の添加は、継手の製造に必要なアークの安定性を生じさせるが、ビードの外見は低品質であり、継手の機械的特性を害するデルタフェライトの領域が残る。

それ故、アルゴンへのCO₂のみの添加は、デルタフェライトの形成と関連した問題を解決することを可能にするものではないが、その一方で、アークを安定化し、溶接性を改善することを可能とする。

一方、試験Ｇは、アルゴンへ６％の窒素を添加してなる混合物への８％のCO₂の添加は、デルタフェライトの領域を排除し、試験Ｅと比較して改善されたアークの安定性を与えることを可能とすることを示している。一方、ビードの外見は低品質である。

試験Ｈは、アルゴンへ６％の窒素を添加してなる混合物への１％のCO₂の添加は、デルタフェライトの領域を排除することと、試験Ｅと比較してアークの安定性を向上させることとを可能とし、良好なビード外見を得ることを可能とすることを示している。

それ故、Ar/N₂混合物へのCO₂の添加は、良好なアークの安定性をもたらしつつ、デルタフェライトの形成と関連した問題を解決することを可能とする。

これらの結果は、窒素および少ない割合での酸化性化合物、特にはCO₂またはO₂のアルゴンへの添加は、アルミニウム／シリコン合金の表面層で被覆された鋼の溶接の質を、大いに改善することを可能とするることを明確に示している。

この改善は、窒素含有量が増加するとさらに顕著になり、それは、アルゴンにおいて少なくとも８％の窒素を使用することを推奨する。

しかしながら、並行して行った放射線試験は、この窒素含有量は、溶着金属中における巣（porosites）の形成を避けることがさらに望まれる場合には、過剰であってはならないことを示している。

実際、試験Ｂ乃至Ｅで得られたビードに対して行った放射線試験は、約６％までの窒素含有量については、巣のレベルは許容可能であること、すなわち、或る標準規格、例えばNF-EN 287-1, NF EN ISO 5817及びEN 462-1 W10の推奨に合致することを示している。

一方、アルゴンへの８％の窒素の添加（試験Ｅ）からは、時折、溶接ビードの始まりの位置で巣が生じる。これらの巣は、この百分率で製造した継手は標準規格に合致しない可能性があることを意味する。

それ故、窒素含有量を６％に制限するか、又は、巣を生じるビードの始まり及び終わりの位置に付加物（appendices）を提供することが好ましい。

加えて、顕微鏡試験をさらに行い、溶接後のビードの構造を可視化した。

これらの試験は、試験Ａの文脈において得られるビードについて、これら部品を被覆しているＡｌ／Ｓｉ層に由来するアルミニウム及びシリコンの溶解に起因した白色領域の形態にある延性相を明らかにした。これらの領域は、溶接継手の機械的特性に害を与えるデルタフェライトを含んでいる。

逆に、試験Ｂ乃至Ｅの文脈において得られたビードの検査の結果、デルタフェライト領域は、遮蔽ガスへの窒素の添加によって大幅に減少するようである。４％窒素以降は、デルタフェライト領域は、溶接金属ゾーンではもはや現れていない。

これは、Ａｌ／Ｓｉ層で被覆された鋼部品、例えばUsiborタイプの鋼上に生成された溶接ビードにおいて、デルタフェライト領域の形成を避けることが望まれる場合における、アルゴンへ窒素を添加することの優位性を証明している。

したがって、１０体積％未満の、好ましくは４乃至８体積％の、有利には約５乃至７体積％の、特には、６体積％のオーダーの割合の窒素が用いられ、残部はアルゴン及び／又はヘリウムである。

さらに、酸素又はCO₂の存在に関して、これらの化合物の影響は、アークの安定性及び溶接性の改善について重大であると言える。

さらに、酸素又はCO₂の存在に関して、これらの化合物の影響は、アークの安定性及び
溶接性の改善について重大であると言える。
以下、本願出願当初の特許請求の範囲に記載していた発明を付記する。
［１］
アルミニウム系表面被覆を備えた少なくとも１つの鋼部品を、遮蔽ガスを用いて電気アーク溶接する方法であって、前記金属部品の金属の溶融を、あらゆるレーザビームを除外して電気アークのみによって行い、前記遮蔽ガスは、アルゴン及び／又はヘリウムと、窒素(N ₂ )と、酸素（O ₂ ）及び二酸化炭素（CO ₂ ）から選ばれる酸化物との混合物からなることを特徴とする方法。
［２］
［１］に記載の方法であって、前記遮蔽ガスは、少なくとも０．０２５体積％であり且つ多くとも３０体積％の窒素を含んでいることを特徴とする方法。
［３］
先行する請求項の何れか１項に記載の方法であって、前記遮蔽ガスは、少なくとも３体積％の窒素又は１０体積％未満の窒素を含んでいることを特徴とする方法。
［４］
先行する請求項の何れか１項に記載の方法であって、前記遮蔽ガスは、少なくとも４体積％であり且つ多くとも８体積％の窒素を含んでいることを特徴とする方法。
［５］
先行する請求項の何れか１項に記載の方法であって、前記遮蔽ガスは、５乃至７体積％の窒素を含んでいることを特徴とする方法。
［６］
先行する請求項の何れか１項に記載の方法であって、前記金属部品は、５乃至１００μｍの、好ましくは５０μｍ以下の厚さを有しているアルミニウム系表面被覆を備えたことを特徴とする方法。
［７］
先行する請求項の何れか１項に記載の方法であって、前記金属部品は、アルミニウム−珪素系表面被覆を有している鋼からなることを特徴とする方法。
［８］
先行する請求項の何れか１項に記載の方法であって、前記金属部品は、珪素に対して５乃至１００倍の割合のアルミニウムを含有したアルミニウム−珪素系表面被覆を備えたことを特徴とする方法。
［９］
先行する請求項の何れか１項に記載の方法であって、消耗フィラーワイヤを用いたＭＩＧ溶接方法であることを特徴とする方法。
［１０］
先行する請求項の何れか１項に記載の方法であって、溶接すべき前記部品は、１つ又はいくつかの自動車両コンポーネントであることを特徴とする方法。
［１１］
先行する請求項の何れか１項に記載の方法であって、数個の部品、典型的には２つの部品が互いに溶接されることを特徴とする方法。

Claims (11)

1. アルミニウム系表面被覆を備えた少なくとも１つの鋼部品を、遮蔽ガスを用いて電気アーク溶接する方法であって、前記金属部品の金属の溶融を、あらゆるレーザビームを除外して電気アークのみによって行い、前記遮蔽ガスは、アルゴン及び／又はヘリウムと、窒素(N₂)と、酸素（O₂）及び二酸化炭素（CO₂）から選ばれる酸化物との混合物からなることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記遮蔽ガスは、少なくとも０．０２５体積％であり且つ多くとも３０体積％の窒素を含んでいることを特徴とする方法。
3. 先行する請求項の何れか１項に記載の方法であって、前記遮蔽ガスは、少なくとも３体積％の窒素又は１０体積％未満の窒素を含んでいることを特徴とする方法。
4. 先行する請求項の何れか１項に記載の方法であって、前記遮蔽ガスは、少なくとも４体積％であり且つ多くとも８体積％の窒素を含んでいることを特徴とする方法。
5. 先行する請求項の何れか１項に記載の方法であって、前記遮蔽ガスは、５乃至７体積％の窒素を含んでいることを特徴とする方法。
6. 先行する請求項の何れか１項に記載の方法であって、前記金属部品は、５乃至１００μｍの、好ましくは５０μｍ以下の厚さを有しているアルミニウム系表面被覆を備えたことを特徴とする方法。
7. 先行する請求項の何れか１項に記載の方法であって、前記金属部品は、アルミニウム−珪素系表面被覆を有している鋼からなることを特徴とする方法。
8. 先行する請求項の何れか１項に記載の方法であって、前記金属部品は、珪素に対して５乃至１００倍の割合のアルミニウムを含有したアルミニウム−珪素系表面被覆を備えたことを特徴とする方法。
9. 先行する請求項の何れか１項に記載の方法であって、消耗フィラーワイヤを用いたＭＩＧ溶接方法であることを特徴とする方法。
10. 先行する請求項の何れか１項に記載の方法であって、溶接すべき前記部品は、１つ又はいくつかの自動車両コンポーネントであることを特徴とする方法。
11. 先行する請求項の何れか１項に記載の方法であって、数個の部品、典型的には２つの部品が互いに溶接されることを特徴とする方法。