JP2018164935A - アーク溶接方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】スパッタの発生を低減できるとともに、溶接速度を速くしながらも、スラグ凝集性も良好なアーク溶接方法を提供すること。【解決手段】鋼板をパルス制御方式でアーク溶接するアーク溶接方法であって、Cを含有するとともに、質量%で、Si:0.2%以上1.1%以下、Mn:0.2%以上1.4%以下、及びS:0.010%以上0.050%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる溶接ワイヤと、Arを含むガスと、を用いて、電圧パルス周波数を50Hz以上200Hz以下とし、電圧パルス幅を1.5ms以上10ms以下として溶接を行うアーク溶接方法。【選択図】なし

Description

本発明は、アーク溶接方法に関し、より詳細には、パルス制御方式のアーク溶接方法に関する。
薄鋼板の溶接時のスパッタの発生を低減可能なアーク溶接方法として、パルス制御方式のアーク溶接方法が知られている。
例えば、特許文献1には、溶接時におけるスパッタの発生が少なく、溶接作業性にも優れる溶接方法として、所定の化学組成を有する溶接用ワイヤを用い、不活性ガスと炭酸ガスとの混合ガスをシールドガスとしてパルスアーク方式によりパルスマグ溶接するガスシールドアーク溶接方法が開示されている。ここで、特許文献1に記載のガスシールドアーク溶接方法では、スパッタ発生量の抑制と溶接欠陥の防止の観点から、パルス周波数を好ましくは60〜120Hzに制御している。また、スパッタ発生量の抑制と溶け込み安定性の観点から、パルス幅を好ましくは1.0〜1.3msecに制御している。
特許第3523917号公報
ところで、自動車や建材、電気機器等に用いられる鋼板には、アーク溶接後に電着塗装工程が実施される場合がある。このような場合において、アーク溶接時の溶接部にスラグが十分に凝集しない場合、溶接部にスラグが残存してしまう。そして、溶接部にスラグが残存していると、その後の電着塗装により形成される塗膜の密着性が十分に確保できなくなるという問題がある。したがって、このような用途においては、溶接時のスラグ凝集性が良好であることが求められる。
しかしながら、特許文献1に記載のガスシールドアーク溶接方法では、スラグの凝集性については十分に検討されておらず、改善の余地があった。すなわち、溶接時にスラグが十分に凝集しない場合、溶接部にスラグが残存してしまう結果、上記した問題が生じるおそれがある。特に、薄板の溶接では、溶接速度が速いことも求められており、溶接速度を速くしながらも、スラグ凝集性が良好であることも求められている。
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、スパッタの発生を低減できるとともに、溶接速度を速くしながらも、スラグ凝集性も良好なアーク溶接方法を提供することにある。
本発明は、鋼板をパルス制御方式でアーク溶接するアーク溶接方法であって、Cを含有するとともに、質量%で、Si:0.2%以上1.1%以下、Mn:0.2%以上1.4%以下、及びS:0.010%以上0.050%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる溶接ワイヤと、Arを含むガスと、を用いて、電圧パルス周波数を50Hz以上200Hz以下とし、電圧パルス幅を1.5ms以上10ms以下として溶接を行うアーク溶接方法に関する。
本発明のアーク溶接方法の好ましい一態様において、溶接ワイヤは、質量%で、さらにAl:0.1%以上0.5%以下を含有してもよい。
また、本発明のアーク溶接方法の好ましい一態様において、溶接ワイヤは、質量%で、さらにMo:0.1%以上2.0%以下を含有してもよい。
また、本発明のアーク溶接方法の好ましい一態様において、溶接ワイヤは、質量%で、さらにCu:0.4%以下を含有してもよい。
本発明のアーク溶接方法の好ましい一態様において、ピーク電流を380A以上490A以下として溶接を行ってもよい。
また、本発明のアーク溶接方法の好ましい一態様において、ベース電流を80A以上180A以下として溶接を行ってもよい。
また、本発明のアーク溶接方法の好ましい一態様において、パルス電流のDuty比を0.2以上0.6以下として溶接を行ってもよい。
また、本発明のアーク溶接方法の好ましい一態様において、鋼板の板厚は、0.6mm以上5mm以下であってもよい。
本発明のアーク溶接方法によれば、スパッタの発生を低減できるとともに、溶接速度を速くしながらも、スラグ凝集性も良好となる。
以下、本発明を実施するための形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。
本発明の実施形態に係るアーク溶接方法(以下、本発明の実施形態に係る溶接方法ともいう)は、鋼板をパルス制御方式でアーク溶接するアーク溶接方法であって、Cを含有するとともに、質量%で、Si:0.2%以上1.1%以下、Mn:0.2%以上1.4%以下、及びS:0.010%以上0.050%以下を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなる溶接ワイヤと、Arを含むガスと、を用いて、電圧パルス周波数を50Hz以上200Hz以下とし、電圧パルス幅を1.5ms以上10ms以下として溶接を行うアーク溶接方法である。
[溶接ワイヤ]
まず、以下においては、本発明の実施形態に係る溶接方法に用いられる溶接ワイヤ(以下、本発明の実施形態に係るワイヤ、又は、単にワイヤともいう)の各元素の含有量を限定した理由について説明する。なお、これら各元素の含有量は、ワイヤ全質量に対する含有量である。また、本明細書において、質量を基準とする百分率(質量%)は、重量を基準とする百分率(重量%)と同義である。
(Cを含有)
Cは、強度を向上させる元素である。本発明の実施形態に係るワイヤにおいては、Cは含有されていればよく、すなわちCの含有量は0%超であればよいが、上記効果をより良好に奏するためには、0.02質量%以上であることが好ましく、0.04質量%以上であることがより好ましい。
また、Cの含有量の上限は特に限定されないが、スパッタの低減や高温割れなどを抑制する観点から、Cの含有量は、0.15質量%以下が好ましく、0.10質量%以下がより好ましい。
(Si:0.2質量%以上1.1質量%以下)
Siは、有効な脱酸剤であり、溶接金属の脱酸においては不可欠な元素である。Siの含有量が0.2質量%未満であると脱酸効果が損なわれ、表面張力が低下し、ピットやブローホールといった気孔欠陥が発生しやすくなる。また、スラグ凝集性が低下する。さらには、ビード外観が劣化する。したがって、Siの含有量は0.2質量%以上とし、好ましくは0.3質量%以上、より好ましくは0.5質量%以上とする。
一方、Siは、含有量が低くなるほどワイヤの電気抵抗が低くなるという特徴を持ち、ワイヤの電気抵抗が低くなるほどワイヤは溶融し難くなる(電気抵抗熱が低くなる)ため、必要な溶接電流は大きくなり、その結果、アーク力が高くなることにより、ピット、ブローホール等の気孔欠陥を抑制することができる。また、Siの含有量が1.1質量%を超えるとビード表面に発生するスラグ量が多くなってしまい、スラグ凝集性も低下する。したがって、Siの含有量は1.1質量%以下とし、好ましくは1.0質量%以下、より好ましくは0.9質量%以下とする。
(Mn:0.2質量%以上1.4質量%以下)
Mnは、Siと同じく有効な脱酸剤であり、Sと結合し易い元素である。Mnの含有量が0.2質量%未満であると、脱酸、脱硫効果が損なわれ、表面張力が低下し、ピットやブローホールといった気孔欠陥が発生しやすくなる。また、スラグ凝集性が低下する。したがって、Mnの含有量は0.2質量%以上とし、好ましくは0.3質量%以上、より好ましくは0.5質量%以上とする。
一方、Mnの含有量が1.4質量%を超えると、ビード表面に剥離し難い薄い酸化膜を発生させてしまう。また、スラグ凝集性が低下する。したがって、Mnの含有量は1.4質量%以下とし、好ましくは1.3質量%以下、より好ましくは1.1質量%以下とする。
(S:0.010質量%以上0.050質量%以下)
Sは、スラグの凝集に寄与する元素であるが、0.010質量%未満では、その効果が得られないため、Sの含有量は0.010質量%以上とし、好ましくは0.020質量%以上とする。
一方、Sの含有量が0.050質量%を超えると、溶融池表面の流れが大きく変化し、スラグがアーク直下近傍まで接近して大きく振動する結果、凝集効果が低下してしまう。したがって、Sの含有量は0.050質量%以下とし、好ましくは0.040質量%以下とする。
本発明の実施形態に係るワイヤの残部は、Feおよび不可避的不純物からなり、当該不可避的不純物としては、Ti、P、Cr、Ni、N、O等が挙げられ、本発明の効果を妨げない範囲で含有することが許容される。
また、本発明の実施形態に係るワイヤには、上記した化学成分に加えて、さらに下記の成分の少なくとも1つが添加されていてもよい。
(Al:0.1質量%以上0.5質量%以下)
Alは、スラグの凝集に寄与する元素である。本発明の実施形態に係るワイヤにおいて、Alの添加は必須ではないが、Alの含有量が0.1質量%未満では、スラグの凝集効果が得られにくいため、Alを添加する場合にはその含有量を0.1質量%以上とすることが好ましく、0.2質量%以上とすることがより好ましい。
一方、Alの含有量が0.5質量%を超えると、溶滴離脱が不安定となり、溶融池の振動が乱れ、スパッタが多発する結果、スラグ凝集効果が低下するおそれがある。したがって、Alを添加する場合には、その含有量を0.5質量%以下することが好ましく、0.4質量%以下とすることがより好ましい。
(Mo:0.1質量%以上2.0質量%以下)
Moは強度の向上に寄与する元素である。本発明の実施形態に係るワイヤにおいて、Moの添加は必須ではないが、かかる効果を良好に発揮するために、Moを添加する場合にはその含有量を0.1質量%以上とすることが好ましく、0.3質量%以上とすることがより好ましい。
一方、Moは、2.0質量%を超えると高温においてFeと金属間化合物を形成するため効果は飽和する。したがって、Moを添加する場合には、その含有量を2.0質量%以下することが好ましく、1.5質量%以下とすることがより好ましい。
(Cu:0.4質量%以下)
Cuは、通電性、耐錆性の向上に効果がある元素である。Cuを含有する場合、その含有量の下限値は特に限定されるものではないが、かかる効果をより良好に得るためには、0.1質量%以上含有することが好ましい。また、高温割れの発生を抑制する観点から、Cuの含有量は、0.4質量%以下であることが好ましい。なお、本実施形態のワイヤには、所望によりCuめっきを施す場合がある。ここで、Cuは、ワイヤの母材に含まれるものと、Cuめっき分とを合計した値とする。
(ワイヤの直径)
本発明の実施形態において、ワイヤの直径は特に限定されるものではなく、通常適用される範囲から適宜選択すればよい。ワイヤの直径は、例えば0.8mm〜1.4mmである。
ワイヤの製造方法としては、例えば、所定の組成を有する鋼材の素線を所定の直径まで伸線加工すればよい。伸線加工は、孔ダイスを用いる方法やローラダイスを用いる方法のどちらでもよい。また、Cuめっきを施す場合は、Cuめっき後に伸線加工してもよい。
[シールドガス]
本発明の実施形態に係る溶接方法に用いられるシールドガスは、Arを含有していればよく、Arのみからなっていてもよい。あるいは、Arに加えて、COやOなどを含有していてもよく、例えば、5〜30体積%程度のCOないしOと、残部がArであるシールドガスを用いてもよい。なお、シールドガスには、不可避不純物としてのN、H等も含有され得る。
ここで、シールドガス中のArの含有割合が高いほど、スラグ量が減少することから、シールドガス中のArの含有割合は高い方が望ましい。かかる観点より、Arの含有割合は70体積%以上であることが好ましく、80体積%以上であることがより好ましい。一方、上記したように、シールドガスはArのみからなっていてもよい(すなわち、Arの含有割合が100体積%であってもよい)が、例えばArの含有割合を70体積%以下としてもよい。
[パルス制御条件]
つづいて、本発明の実施形態に係る溶接方法における、パルス制御条件について説明する。
(電圧パルス周波数:50Hz以上200Hz以下)
(電圧パルス幅:1.5ms以上10ms以下)
本発明の実施形態に係る溶接方法においては、パルス制御方式でアーク溶接するにあたり、電圧パルス周波数(以下、単にパルス周波数ともいう)が50Hz以上200Hz以下となり、かつ、電圧パルス幅(以下、単にパルス幅ともいう)が1.5ms以上10ms以下となるようにパルスを制御する。
本発明者らは、鋭意検討の結果、溶融金属の固有振動数は数十Hz程度であり、溶滴の固有振動数に合わせるようにパルスの周波数及び幅を適切な範囲に制御することにより、溶融池の振動が最適となり、溶融池表面の湯流れがスラグを巻き込むように変化し、スラグ凝集性を良好なものにすることが出来ることを見出した。
パルス周波数が200Hzを超え、及び/又は、パルス幅が1.5ms未満であると、ピーク期間でのアークによる溶融池の押し下げ効果が低減し、十分な溶融池の振幅を得ることができなくなり、良好なスラグ凝集性を得ることが困難となってしまう。したがって、パルス周波数は200Hz以下とし、パルス幅は1.5ms以上とする。パルス周波数は、好ましくは180Hz以下であり、より好ましくは150Hz以下である。また、パルス幅は、好ましくは3ms以上であり、より好ましくは5ms以上である。
他方、パルス周波数が50Hz未満であり、及び/又は、パルス幅が10msを超えると、ピーク期間が長くなり、溶滴の形成が過大となるため、溶滴移行が不安定となる結果、溶融池の振動が乱れてしまい、良好なスラグ凝集性を得ることが困難となってしまう。さらには、スパッタが発生しやすくなるとともに、ビード外観が悪化してしまう。したがって、パルス周波数は50Hz以上とし、パルス幅は10ms以下とする。パルス周波数は、好ましくは55Hz以上であり、より好ましくは60Hz以上である。また、パルス幅は、好ましくは9ms以下であり、より好ましくは8ms以下である。
また、本発明の実施形態に係る溶接方法においては、溶接時のパルス電流を以下のように制御することが好ましい。
(ピーク電流:380A以上490A以下)
ピーク電流期間では、溶滴が形成されると同時に、アーク力により溶融池が押し下げられる。ここで、本発明の実施形態に係る溶接方法において、ピーク電流は特に限定されるものではないが、以下の観点からは、380A以上490A以下とすることが好ましい。すなわち、ピーク電流が380A未満では、溶融池を押し下げるのに十分なアーク力を得ることができなくなるおそれがある。したがって、ピーク電流は380A以上が好ましく、400A以上がより好ましく、410A以上がさらに好ましい。
他方、ピーク電流が490Aを超えると、溶滴の形成が過大となり、不規則に溶融池と短絡し、規則的に溶融池を振動させることが出来なくなるおそれがある。また、アーク力が過大となり、スラグを溶接進行方向に対して後方に押し下げる対流の流れが強くなりすぎるおそれがある。その結果、スラグの凝集が阻害されるおそれがある。したがって、ピーク電流は490A以下が好ましく、480A以下がより好ましく、460A以下がさらに好ましい。
(ベース電流:80A以上180A以下)
ベース電流期間では、アーク力を下げることで、ピーク電流で形成した溶滴を離脱させやすくする。ここで、本発明の実施形態に係る溶接方法において、ベース電流は特に限定されるものではないが、以下の観点からは、80A以上180A以下とすることが好ましい。すなわち、ベース電流が80A未満では、実行電流の範囲が大きく制限されてしまうおそれがある。したがって、ベース電流は80A以上が好ましく、90A以上がより好ましく、100A以上がさらに好ましい。
他方、ベース電流が180Aを超えると、入熱量が過大となり、薄板を溶接する際に溶落ちが発生しやすくなるおそれがある。したがって、ベース電流は180A以下が好ましく、160A以下がより好ましく、150A以下がさらに好ましい。
(Duty比:0.2〜0.6)
また、本発明の実施形態に係る溶接方法において、パルス電流のDuty比は特に限定されるものではないが、以下の観点からは、0.2〜0.6であることが好ましい。すなわち、Duty比が0.2未満であると、ピーク電流期間がベース電流期間に比べて短くなりすぎ、アークによる溶融池の押し下げ効果が十分に得られず、溶融池を十分に振動させることが出来なくなる結果、スラグ凝集効果が低下するおそれがある。したがって、パルス電流のDuty比は0.2以上が好ましく、0.3以上がより好ましい。
他方、Duty比が0.6を超えると、ピーク電流期間に短絡が頻発し、スパッタが多発して、溶融池の振動が不規則になりやすくなる結果、スラグ凝集効果が低下するおそれがある。したがって、パルス電流のDuty比は0.6以下が好ましく、より好ましく0.5以下である。
なお、本発明の実施形態に係る溶接方法においては、パルス電流の平均電流も特に限定されるものではなく、上述したピーク電流、ベース電流及びDuty比のそれぞれの好適な範囲などに応じて、適宜決定されればよい。パルス電流の平均電流としては、例えば250A以上350A以下である。
[母材]
本発明の実施形態に係る溶接方法において溶接対象となる母材は、鋼板であればよく、鋼板の組成、板厚等については特に限定されないが、たとえば板厚0.6mm以上5.0mm以下の薄鋼板などにも適用可能である。また、鋼種としては、例えば軟鋼であってもよく、590MPa級までの高張力鋼などであってもよい。なお、母材の表面には亜鉛めっきやアルミめっき等の各種めっき処理が施されてもよい。
[溶接条件]
また、本発明の実施形態に係る溶接方法における、溶接速度、溶接姿勢等の各溶接条件は特に限定されず、アーク溶接方法において適用し得る範囲で適宜調整すればよい。
溶接速度としては、例えば70cm/min以上である。本発明の実施形態に係る溶接方法によれば、溶接速度を速くしても、良好なスラグ凝集性で溶接を実施できる。
以下に、実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することが可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
表1に示す組成を有する直径1.2mmのワイヤを用いて、下記に示す条件でパルス制御しながらアーク溶接を実施した。
(1)鋼板
縦200mm×横60mm×厚み3.2mmの鋼板を使用した。なお、鋼板の鋼種は、SPHC590である。
(2)溶接姿勢
水平重ねすみ肉溶溶接を実施した。
(3)シールドガス
表1の例1〜28及び30〜31においては、シールドガスとして、Ar+20体積%COを使用した。
また、表1の例29においては、シールドガスとして100体積%COを使用した。
(4)パルス制御条件
パルス周波数(Hz)、パルス幅(ms)、ピーク電流(A)、ベース電流(A)、Duty比を表1に示される条件に制御しながら、溶接を実施した。
(5)溶接速度及び溶接長
溶接速度は100cm/minとした。また、溶接長:150mmまで溶接を実施した。
なお、表1において、「ワイヤ成分(質量%)」とは、ワイヤ全質量あたりの各成分量(質量%)を表す。なお、「−」とは、含有量が検出限界未満であることを表す。また、表1中に示されるCu含有量には、Cuめっき分が含まれる。また、残部はFe及び不可避的不純物である。
(スラグ凝集性の評価)
溶接長150mmで、ビード表面のスラグを目視により観察し、表面のスラグを収集し、スラグ全量のうち、クレータ部近傍に存在(凝集)しているスラグの割合(重量%)を求め、表1の「スラグ凝集割合(重量%)」の欄に記載した。ここで、クレータ部近傍に存在(凝集)しているスラグの割合が60重量%以上であれば、スラグ凝集性が良好であると評価できる。なお、クレータ部近傍に存在(凝集)しているスラグの割合が60重量%未満であり、スラグ凝集性が不良であった例については、表1の「スラグ凝集割合(重量%)」の欄において、結果を「×」と記載し、当該割合の記載は省略している。
(ビード外観の評価)
また、各例で得られた溶接ビードの外観を、下記の基準で評価した。
◎:表面の凹凸が少なく、滑らかなビード外観である
○:アンダーカット等が発生せず、健全なビード外観である
×:ビード際の不整および表面の凹凸等が発生し、ビード外観が不良である
例1〜33のうち、例1〜22が実施例であり、例23〜33が比較例である。表1に示すように、本発明の要件を満たす例1〜22では、良好なスラグ凝集性が得られた。また、ビード外観も良好であった。
例23では、ワイヤ中のS含有量が少なすぎたため、また、例24では、ワイヤ中のS含有量が多すぎたため、スラグ凝集性が劣化した。
例25では、パルス周波数が大きすぎたため、スラグ凝集性が劣化した。また、例26では、パルス周波数が小さすぎたため、スラグ凝集性が劣化し、ビード外観も不良であった。
例27では、ワイヤ中のSi含有量が少なすぎたため、スラグ凝集性が劣化し、ビード外観も不良であった。また、例28では、ワイヤ中のSi含有量が多すぎたため、スラグ凝集性が劣化した。
例29では、ワイヤ中のMn含有量が少なすぎたため、また、例30では、ワイヤ中のMn含有量が多すぎたため、スラグ凝集性が劣化した。
例31では、シールドガスとしてArを含有しない100%COガスを用いたため、スラグ凝集性が劣化した。
例32では、パルス幅が小さすぎたため、スラグ凝集性が劣化した。また、例33では、パルス幅が大きすぎ、また、ワイヤ中のMn含有量が多すぎたため、スラグ凝集性が劣化し、ビード外観も不良であった。

Claims (8)

  1. 鋼板をパルス制御方式でアーク溶接するアーク溶接方法であって、
    Cを含有するとともに、
    質量%で、
    Si:0.2%以上1.1%以下、
    Mn:0.2%以上1.4%以下、及び
    S:0.010%以上0.050%以下を含有し、
    残部がFeおよび不可避的不純物からなる溶接ワイヤと、
    Arを含むガスと、を用いて、
    電圧パルス周波数を50Hz以上200Hz以下とし、電圧パルス幅を1.5ms以上10ms以下として溶接を行うアーク溶接方法。
  2. 前記溶接ワイヤが、質量%で、さらに
    Al:0.1%以上0.5%以下
    を含有する、請求項1に記載のアーク溶接方法。
  3. 前記溶接ワイヤが、質量%で、さらに
    Mo:0.1%以上2.0%以下
    を含有する、請求項1または2に記載のアーク溶接方法。
  4. 前記溶接ワイヤが、質量%で、さらに
    Cu:0.4%以下
    を含有する、請求項1〜3のいずれか1項に記載のアーク溶接方法。
  5. ピーク電流を380A以上490A以下として溶接を行う、請求項1〜4のいずれか1項に記載のアーク溶接方法。
  6. ベース電流を80A以上180A以下として溶接を行う、請求項1〜5のいずれか1項に記載のアーク溶接方法。
  7. パルス電流のDuty比を0.2以上0.6以下として溶接を行う、請求項1〜6のいずれか1項に記載のアーク溶接方法。
  8. 前記鋼板の板厚は、0.6mm以上5mm以下である、請求項1〜7のいずれか1項に記載のアーク溶接方法。
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