JP2014133237A

JP2014133237A - 薄鋼板のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ

Info

Publication number: JP2014133237A
Application number: JP2013001120A
Authority: JP
Inventors: Masaya Saito; 雅哉齋藤; Isamu Kimoto; 勇木本; Takayuki Otsuka; 貴之大塚
Original assignee: Nippon Steel and Sumikin Welding Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Welding and Engineering Co Ltd
Priority date: 2013-01-08
Filing date: 2013-01-08
Publication date: 2014-07-24
Anticipated expiration: 2033-01-08
Also published as: JP5925703B2

Abstract

【課題】ＣＭＴ溶接に使用し、特に薄鋼板の溶接においてアークが安定し、スパッタ発生量が少なく、溶け落ちがない良好なビード形状が得られる薄鋼板のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを提供する。
【解決手段】溶融プールとコンタクトチップ間でワイヤの送給および通電制御をする溶接に用いる薄鋼板のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃ：０．０５〜０．１２％、Ｓｉ：０．５〜１．０％、Ｍｎ：１．２〜１．８％、Ｃｕ：０．１〜０．３％を含有し、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｎ：０．０１０％以下、Ｏ：０．０１０％以下で、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、下記式に示すＡの値が２以下であることを特徴とする。
Ａ＝Ｃｕ＋（Ｓ＋０．５Ｎ＋Ｏ）×１０² ／（Ｓｉ＋０．５Ｍｎ）・・式
【選択図】図１

Description

本発明は、溶融プールとコンタクトチップ間でワイヤの送給および通電制御をする溶接に使用し、特に板厚が０．５〜２ｍｍの薄鋼板の溶接においてアークが安定し、スパッタ発生量が少なく、溶け落ちがない良好なビード形状が得られる薄鋼板のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤに関するものである。

ソリッドワイヤを用いたガスシールドアーク溶接方法は高能率であり、機械的性能の良好な溶接金属と良好なビード形状が得られることから薄鋼板の溶接に広く適用されている。薄鋼板の溶接は、一般的にＣＯ₂ をシールドガスとしたショートアーク溶接方法が用いられるが、スパッタ発生量の低減および高速溶接性確保の面から、主成分をＡｒガスとし、これにＣＯ₂ を混合、更にはＯ₂ ガスを混合させたシールドガスを使用したパルスＭＡＧ溶接方法などが適用されており、これらの溶接は生産性の向上から高速度で高電流の溶接条件で施工され、良好な溶接ビードを形成し健全な溶接継手を作製している。

ガスシールドアーク溶接による溶接構造物には、高品質化、高効率化が要求されている。例えば、自動車業界においては環境負荷低減のため、燃費向上を目的とした鋼材の重量軽減が行われてきている。鋼材の重量を軽減するため、鋼材の薄板化が進められている。しかし、薄板溶接ではこれまで使われてきたパルスＭＡＧ溶接では溶接入熱が大きいため溶落ちが発生しやすい。また、溶接時の熱によるひずみ変形が大きくなるという問題がある。

そのため、新しい溶接方法としてＣｏｌｄＭｅｔａｌＴｒａｎｓｆｅｒ溶接技術（以下、ＣＭＴ溶接という。）が開発された。ＣＭＴ溶接はワイヤの送給を微小制御し、アークを出しながらワイヤを前進し、溶融したワイヤ先端の溶融金属を溶融プールに接触させてアークを消滅した後、強制的にワイヤを引戻して溶融金属を移行させ、再度アークを出しながらワイヤを前進することを繰り返す溶接方法である。したがって、ＣＭＴ溶接に最適の溶滴移行性を実現できるワイヤが必要となっている。

薄板鋼板のガスシールド溶接用ソリッドワイヤとしては、例えば特開２００７−３１３５５８号公報（特許文献１）にワイヤ成分を高Ｓとして高速溶接においても広幅でビード形状が安定して得られるという技術が開示されている。引用文献１に記載の技術は、Ｓにより溶接金属の後方への流速を低減させ、幅方向への湯流れを促進することで、幅の広いビードを得ることができるというものである。しかし、Ｓは溶融金属の表面張力、粘性を低下させる。ＣＭＴ溶接においては溶融金属の表面張力や粘性が低下すると、アークによって溶融した金属がワイヤ先端で維持できず、溶融金属と溶融プールが接触する前に溶融金属がワイヤ先端から離脱し、スパッタが発生するという問題があった。

また、特開平７−９６３９１号公報（特許文献２）には、ガスシールドアーク溶接用ワイヤとして、高張力鋼の薄鋼板の溶接において、溶接金属が優れた機械的性質と溶接作業性が得られる技術が開示されているが、ＣＭＴ溶接の適用は考慮されておらず、引用文献２に記載のワイヤ成分では低電流のＣＭＴ溶接時にアークが不安定になり、スパッタが発生する。

さらに、特開平５−３０５４７６号公報（特許文献３）には、ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤとして板厚６ｍｍ以下の鋼板を高速溶接しても溶接作業性、溶接品質に優れたソリッドワイヤの技術が開示されているが、引用文献３に記載の技術もＣＭＴ溶接の適用は考慮されておらず、ＣＭＴ溶接時に溶融金属の表面張力が低下し、スパッタが発生するという課題があった。

特開２００７−３１３５５８号公報特開平７−９６３９１号公報特開平５−３０５４７６号公報

本発明は、ＣＭＴ溶接に使用し、特に薄鋼板の溶接においてアークが安定し、スパッタ発生量が少なく、溶け落ちがない良好なビード形状が得られる薄鋼板のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを提供することを目的とする。

本発明の要旨は、溶融プールとコンタクトチップ間でワイヤの送給および通電制御をする溶接に用いる薄鋼板のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃ：０．０５〜０．１２％、Ｓｉ：０．５〜１．０％、Ｍｎ：１．２〜１．８％、Ｃｕ：０．１〜０．３％、を含有し、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｎ：０．０１０％以下、Ｏ：０．０１０％以下で、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、下記式に示すＡの値が２以下であることを特徴とする。
また、薄鋼板の板厚は０．５〜１．０ｍｍ、ワイヤ径は０．８〜１．０ｍｍであることを特徴とする薄鋼板のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤにある。
Ａ＝Ｃｕ＋（Ｓ＋０．５Ｎ＋Ｏ）×１０² ／（Ｓｉ＋０．５Ｍｎ）・・・式

本発明の薄鋼板のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤによれば、薄鋼板のＣＭＴ溶接においてアークが安定し、スパッタ発生量が少なく、溶け落ちがない良好なビード形状を得ることが可能となる。

本発明の実施例に用いた横向重ね継手の試験板を示す図である。

以下、本発明の薄鋼板のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤについて詳細に説明する。
本発明者らは上記の問題点を解決するために、各種成分の異なるワイヤを試作して、ＪＩＳＧ３１３１ＳＰＣＣの板厚０．４〜２．１ｍｍ、長さ２００ｍｍの鋼板を、図１に示す横向重ね継手とし、表１に示す溶接条件で溶接を行い、ワイヤ成分のアーク状態、ビード形状、スパッタ発生状況および溶滴移行状態へ及ぼす影響につき詳細に調査した。

その結果、ＣＭＴ溶接時に発生するスパッタの発生形態は、アークにより溶融した金属が溶融プールに接触して移行する前に、溶融金属がワイヤ先端から離脱し、溶融金属が跳びはねることが要因であることが判明した。そこで、溶融金属の表面張力と粘性を低下させるＳ、Ｎ、Ｏ、Ｃｕ量と、溶融金属の表面張力と粘性を増加させるＳｉ、Ｍｎ量を最適化することで、ワイヤ先端からの溶融金属の離脱を防止し、安定した溶滴移行形態とすることで、アークが安定し、スパッタの発生量を減少し、溶け落ちがない良好なビード形状が得られることを見出した。

以下、本発明におけるワイヤ組成とその含有量の限定理由について説明する。なお、各成分の含有量は、ワイヤ全質量に対する質量％で表すこととし、その質量％を表すときは単に％と記載して表すこととする。

Ｃ：０．０５〜０．１２％
Ｃはアークを安定化し溶滴を細粒化する作用がある。Ｃが０．０５％未満では、溶滴が大きくなり、溶融金属が溶融プールに移行するときに大粒のスパッタが発生する。一方、Ｃが０．１２％を超えると溶融金属の粘性が低くなりワイヤ先端から溶融金属が離脱しやすくなりスパッタ発生量が多くなるばかりではなく、溶接金属を著しく硬化させ耐割れ性が劣化する。したがって、Ｃは０．０５〜０．１２％とする。

Ｓｉ：０．５〜１．０％
Ｓｉは溶接金属の主脱酸剤として不可欠であると共に、ワイヤの電気抵抗を増大させてワイヤの溶融量を増加させる。また、溶融金属中にＳｉおよびＯの微細介在物を生成することで、溶融金属の粘性を増大させる効果が大きい元素である。これによってワイヤ先端からの溶融金属の離脱が防止でき、スパッタ発生量が減少する。しかし、Ｓｉが０．５％未満では上記効果が得られず、溶融金属の粘性が低くなりワイヤ先端から溶融金属が離脱しやすくなりスパッタ発生量が多くなる。一方、Ｓｉが１．０％を超えると、溶融金属の粘性が過度に上昇するため溶融金属が高速度の溶接速度に追従できず、ハンピングビードとなりやすい。したがって、Ｓｉは０．５〜１．０％とする。

Ｍｎ：１．２〜１．８％
ＭｎはＳｉと同様に脱酸剤として作用する他、溶融金属の粘性を高くする効果がある。また、ＦｅＳなどの低融点化合物が生成される前にＭｎＳとしてＳを固定することで高温割れ防止効果がある。Ｍｎが１．２％未満ではその効果が得られず、ブローホール等の気孔欠陥が発生しやすくなると共に、溶融金属がワイヤ先端から離脱しやすくなりスパッタ発生量が多くなる。一方、Ｍｎが１．８％を超えると、溶融金属の粘性が過度に上昇するため溶融金属が高速度の溶接速度に追従できず、ハンピングビードとなりやすい。したがって、Ｍｎは１．２〜１．８％とする。

Ｃｕ：０．１〜０．３％
Ｃｕは固溶強化により溶接金属の強度を向上する効果がある。また、溶融金属の表面張力を低下させる。Ｃｕが０．１％未満では溶滴が大きくなり、溶融金属が溶融プールに移行するときに大粒のスパッタが発生する。一方、Ｃｕが０．３％を超えると溶融金属の表面張力が低下し、ワイヤ先端から溶融金属が離脱してスパッタが発生する。したがって、Ｃｕは０．１〜０．３％とする。なお、Ｃｕはワイヤ表面の銅めっき分も含む。

Ｐ：０．０３０％以下
Ｐは０．０３０％を超えると溶接金属の耐割れ性が劣化する。
Ｓ：０．０１０％以下、Ｎ：０．０１０％以下、Ｏ：０．０１０％以下
Ｓ、Ｎ、Ｏは溶融金属の表面張力と粘性に大きく影響を与える元素であり、それぞれ０．０１０％を超えると、溶融金属の表面張力が低下してワイヤ先端から溶融金属が離脱し、スパッタが発生する。

Ａの値：２以下
溶融金属の表面張力と粘性のバランスをとるために、溶融金属の表面張力を低下させるＳ、Ｎ、Ｏ、Ｃｕの含有量が表面張力に作用するそれぞれの割合と溶融金属の粘性を高めるＳｉ、Ｍｎ含有量が粘性に作用する割合との比として下記Ａ式を得た。下記式で示すＡの値が２以下になるように各合金成分の添加量を調整すると、表面張力と粘性のバランスが最適となり、溶融金属がワイヤ先端から離脱せず、溶融金属が溶融プールを接触した時にスムーズに溶融金属が移行してスパッタの発生が減少する。一方、Ａの値が２を超えると、溶融金属がワイヤ先端から離脱してスパッタが発生する。したがって、Ａの値は２以下とする。
Ａ＝Ｃｕ＋（Ｓ＋０．５Ｎ＋Ｏ）×１０² ／（Ｓｉ＋０．５Ｍｎ）・・・式

ワイヤ径：０．８〜１．０ｍｍ
ワイヤ径は０．８〜１．０ｍｍであることが好ましい。ワイヤ径が０．８ｍｍ未満では、溶接電流が低下したり、ワイヤ送給性が低下する。一方、ワイヤ径が１．０ｍｍを超えると、溶滴が大きくなり、溶融金属が溶融プールに移行するときに大粒のスパッタが発生し、アークが不安定になる。

溶接鋼板の厚さ：０．５〜２ｍｍ
溶接鋼板の厚さは部材の変形や溶接部の溶込深さに影響するので０．５〜２ｍｍであることが好ましい。溶接鋼板の厚さが０．５ｍｍ未満では、溶接時の熱により部材の変形が起こると共に、溶落ちが発生しやすくなる。一方、板厚が２ｍｍを超えると、ＣＭＴ溶接では溶込が不足しやすく十分な機械性能が得られない。

以下、実施例により本発明の効果を具体的に説明する。
表２に示す各種成分およびワイヤ径のソリッドワイヤを試作し、ＪＩＳＧ３１３１ＳＰＣＣの板厚０．４〜２．４ｍｍ、長さ２００ｍｍの鋼板を、図１に示すように横向重ね継手とし、表１に示す溶接条件で溶接した。なお、各試作ワイヤと組み合わせた鋼板の板厚は表３に示す。

各試作ワイヤの評価は、アークの安定性、ビード形状およびスパッタ発生量を調査した。スパッタ発生量の測定は、銅製の捕集箱を用いて、ビードオンプレート溶接で５回溶接し、１分間当たりのスパッタ発生量を算出した。スパッタ発生量は０．２０ｇ／ｍｉｎ以下を良好とした。それらの結果も表３にまとめて示す。

表２および表３中、ワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ８が本発明例、ワイヤ記号Ｗ９〜Ｗ２０は比較例である。本発明例であるワイヤＷ１〜Ｗ８は、各成分の含有量およびＡの値が適正で、鋼板板厚およびワイヤ径も適正であるので、溶融金属の粘性および表面張力が適正であるので溶滴移行がスムーズに行われ、アークが安定し、ビード形状が良好でスパッタ発生量が少なく、溶落ちや割れ等の溶接欠陥がない溶接部が得られ極めて満足な結果であった。

比較例中ワイヤ記号Ｗ９は、Ｃが少ないので、溶滴が大きくなり、溶融金属が溶融プールに移行するときに大粒のスパッタが発生し、アークが不安定であった。ワイヤ記号Ｗ１０は、Ｃが多いので、溶融金属の粘性が低くなり、ワイヤ先端が溶融プールと接触する前に溶滴が離脱し、アークが不安定でスパッタ発生量が多かった。また、クレータ部に高温割れが生じた。

ワイヤ記号Ｗ１１は、Ｓｉが少ないので、溶融金属の粘性が低くなり、ワイヤ先端が溶融プールと接触する前に溶滴が離脱し、アークが不安定でスパッタ発生量が多くなった。また、Ｐが多いので、クレータ部に高温割れが生じた。ワイヤ記号Ｗ１２は、Ｓｉが多いので、ハンピングビードが発生し、アークも不安定であった。

ワイヤ記号Ｗ１３は、Ｍｎが少ないので、溶融金属の表面張力が低下し、溶融プールとワイヤが接触する前にワイヤ先端から溶融金属が離脱し、アークが不安定でスパッタ発生量が多かった。また、ブローホールも生じた。ワイヤ記号Ｗ１４は、Ｍｎが多いので、ハンピングビードが発生した。また、ワイヤ径が大きいので、溶滴が大きくなり、溶融金属が溶融プールに移行するときに大粒のスパッタが発生し、アークが不安定であった。

ワイヤ記号Ｗ１５は、Ｃｕが少ないので、溶滴が大きくなり、溶融金属が溶融プールに移行するときに大粒のスパッタが発生し、アークが不安定になった。また、溶接に用いた鋼板の板厚が薄いので、溶け落ちが生じた。ワイヤ記号Ｗ１６は、Ｃｕが多いので、溶融金属の表面張力が低下し、溶融プールとワイヤが接触する前にワイヤ先端から溶融金属が離脱し、アークが不安定でスパッタ発生量が多かった。また、溶接に用いた鋼板の板厚が厚いので、溶け込みが浅かった。

ワイヤ記号Ｗ１７はＳが多いので、ワイヤ記号Ｗ１９はＯが多いので、ワイヤＷ２０はＡ値が大きいので、何れも溶融金属の表面張力が低下し、溶融プールとワイヤが接触する前にワイヤ先端から溶融金属が離脱し、アークが不安定でスパッタ発生量が多かった。
ワイヤ記号Ｗ１８は、Ｎが多いので、溶融金属の表面張力が低下し、溶融プールとワイヤが接触する前にワイヤ先端から溶融金属が離脱し、アークが不安定でスパッタ発生量が多かった。また、ワイヤ径が小さいので、ワイヤ送給性が不良でビード形状も不良であった。

１溶接トーチ
２ワイヤ
３上板
４下板

特許出願人日鐵住金溶接工業株式会社
代理人弁理士椎名彊他１

Claims

溶融プールとコンタクトチップ間でワイヤの送給および通電制御をする溶接に用いる薄鋼板のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤにおいて、ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃ：０．０５〜０．１２％、Ｓｉ：０．５〜１．０％、Ｍｎ：１．２〜１．８％、Ｃｕ：０．１〜０．３％を含有し、Ｐ：０．０３０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｎ：０．０１０％以下、Ｏ：０．０１０％以下で、残部はＦｅおよび不可避的不純物からなり、下記式に示すＡの値が２以下であることを特徴とする薄鋼板のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。
Ａ＝Ｃｕ＋（Ｓ＋０．５Ｎ＋Ｏ）×１０² ／（Ｓｉ＋０．５Ｍｎ）・・・式
薄鋼板の板厚は０．５〜２ｍｍ、ワイヤ径は０．８〜１．０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の薄鋼板のガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤ。