JP2021120159A - 溶接部材の製造方法および溶接部材 - Google Patents

Abstract

【課題】アーク溶接によるスパッタおよびブローホールの発生を、シールドガスの種類によらずに低減する。【解決手段】溶接ワイヤ（１０）の先端と被溶接部との間の距離をＤ、溶接ワイヤ（１０）の直径をＲとしたときに、短絡期間からアーク期間への移行に伴い、１．２５Ｒ≦Ｄ≦８Ｒを満たす位置に前記溶接ワイヤを引き上げるとともに、アーク期間中において、電流波形が、電流値がピーク電流値に達した直後から下降するときの傾きをａとしたときに、−５×１０４Ａ／ｓ≦ａ≦−２．５×１０４Ａ／ｓを満たすパルス波形となるように、電流を供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、溶接部材の製造方法および溶接部材に関する。

溶融亜鉛（Ｚｎ）系めっき鋼板は、耐食性が良好である。このため、建築部材および自動車部材などの種々の鋼板製品に幅広く使用されている。溶融Ｚｎ系めっき鋼板を用いて当該鋼板製品を製造する場合、アーク溶接法を用いて当該めっき鋼板を溶接することが多い。しかしながら、溶融Ｚｎ系めっき鋼板をアーク溶接すると、スパッタおよびピットの発生、およびブローホール等の気孔欠陥の発生が著しく、品質が劣ることがある。これは、Ｆｅの融点（約１５３８℃）に対してＺｎの沸点が約９０６℃と低いため、アーク溶接時に、Ｚｎの蒸気が発生してアークが不安定になることがあるためである。

スパッタが溶融Ｚｎ系めっき鋼板のめっき面に付着すると、溶接部における外観が損なわれることがある。また、該スパッタが付着した部分が腐食の起点となり、溶接部材の耐食性が低下することがある。さらに、スパッタを除去する工程をさらに実施すると、溶接部材の製造コストが増加する。また、ブローホール等の気孔欠陥の発生が著しいと溶接部の強度が低下して問題となることがある。

上記の問題を解決する技術として、Ｚｎ系めっき鋼板のアーク溶接において、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制御機能を有するアーク溶接電源を用いる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−９２９５０号公報

しかしながら、特許文献１の記載の技術を用いて溶融Ｚｎ系めっき鋼板をアーク溶接した場合、溶接部表面に発生するピットについては概ね抑制できるが、溶接部に内在するブローホールの抑制が不十分となることがある。また、シールドガスとして高価なアルゴンガスを用いる必要があるという問題がある。

本発明の一態様は、溶融Ｚｎ系めっき鋼板のアーク溶接によって製造される溶接部材において当該アーク溶接によるスパッタおよびブローホールの発生を、シールドガスの種類によらずに低減可能な溶接部材の製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る溶接部材の製造方法は、溶接ワイヤの先端が、（１）アーク期間中は、母材としての複数の溶融Ｚｎ系めっき鋼板同士が当接することによって形成される被溶接部へ向けて前進し、（２）短絡期間中は、前記被溶接部から後退するように、前記溶接ワイヤの送り出しを制御しながら、前記母材同士をシールドガスの雰囲気中でアーク溶接する溶接工程を含み、前記溶融Ｚｎ系めっき鋼板の、前記被溶接部を形成する面におけるめっき付着量が１５ｇ／ｍ^２以上２５０ｇ／ｍ^２以下であり、前記溶接工程において、前記短絡期間から前記アーク期間へ移行する間の期間である移行期間において、前記溶接ワイヤの先端と前記被溶接部との間の距離をＤ、前記溶接ワイヤの直径をＲとしたときに、１．２５Ｒ≦Ｄ≦８Ｒを満たす位置に前記溶接ワイヤを引き上げ、前記アーク期間中において、電流波形が、電流値がピーク電流値に達した直後から下降するときの傾きをａとしたときに、−５×１０^４Ａ／ｓ≦ａ≦−２．５×１０^４Ａ／ｓを満たすパルス波形となるように、電流を供給する。

本発明の一態様によれば、溶融Ｚｎ系めっき鋼板のアーク溶接によって製造される溶接部材において当該アーク溶接によるスパッタおよびブローホールの発生を、シールドガスの種類によらずに低減することができる。

本発明の実施形態におけるアーク溶接方法の流れの一例を模式的に示す図である。 本発明の実施形態における母材の一配置例における溶接ワイヤの先端と被溶接部との距離Ｄを説明するための図である。 本発明の実施形態における母材の他の配置例における溶接ワイヤの先端と母材の被溶接部との距離Ｄを説明するための図である。 本発明の実施形態のアーク溶接工程における電流波形を示すグラフである。 図４に示すグラフにおけるアーク期間中の電流波形の拡大図である。 溶融Ｚｎ系めっき鋼板同士が溶接されてなる溶接部材におけるブローホール占有率の測定方法を説明する平面図である。 上記電流波形における傾きとブローホール占有率との関係を示すグラフである。 アーク期間における傾きａと溶滴との関係を示す図である。 本発明の実施例で形成される溶接部材の構成を模式的に示す図である。

〔実施形態１〕
本発明者らは、鋭意検討の結果、溶融Ｚｎ系めっき鋼板のアーク溶接を行うにあたり、アーク期間中は溶接ワイヤを母材側へ前進送給させ、短絡期間中は溶接ワイヤを母材から離れる方向に後退送給させるワイヤ送給制御において以下の知見を得た。すなわち、短絡期間からアーク期間へ移行する際に、溶接ワイヤを引き上げる距離を適切なものとするとし、かつ、前記溶接ワイヤの動きと同期させた電流波形制御において、アーク期間の電流のパルス波形を適切なものとすることにより、シールドガスの種類によらず、溶融Ｚｎ系めっき鋼板のめっき付着量が薄目付のものから厚目付のものまでスパッタおよびブローホールの発生を抑制できる知見を得た。

［溶接部材の製造方法］
本発明の実施形態における溶接部材の製造方法は、母材としての溶融Ｚｎめっき鋼板同士をシールドガスの雰囲気中でアーク溶接するアーク溶接工程（溶接工程）を含む。母材は、溶接対象となる部材である。母材としての溶融Ｚｎメッキ鋼板については、後に説明する。

本実施形態において、溶接ワイヤの先端が、前記母材としての溶融Ｚｎ系めっき鋼板同士が当接することによって形成される被溶接部へアーク期間中は前進し、短絡期間中は前記被溶接部から後退するように前記溶接ワイヤの送り出しを制御しながら、アーク溶接工程を行う。このように本実施形態では、短絡を伴うアーク溶接において、短絡の有無に応じて溶接ワイヤを被溶接部に対して進退させる。上記の短絡を伴うアーク溶接の例には、短絡移行溶接、短絡を伴うグロビュール移行溶接、および、短絡を伴うパルスアーク溶接が含まれる。

〔溶接ワイヤの進退〕
図１は、本実施形態におけるアーク溶接工程の流れの一例を模式的に示す図である。本実施形態におけるアーク溶接工程の期間は、アーク期間、移行期間および短絡期間に分けられる。

図１の符号３００は、アーク期間の初期状態を表している。アーク期間とは、溶接ワイヤ１０からアークが発生している期間である。溶接ワイヤ１０は、その先端が母材２０の表面から離間した位置に配置されている。アーク期間の初期における溶接ワイヤ１０の先端から母材２０の表面までの距離はＤである。また、溶接ワイヤ１０の直径はＲである。

溶接ワイヤ１０は、アーク電極を兼ねており、溶接電圧の印加によって、溶接ワイヤ１０と母材２０との間にはアーク４０が生成する。その結果、溶接ワイヤ１０の先端には溶滴３０が生成する。溶滴３０は、アーク放電による高温によって溶接ワイヤ１０が溶融することで形成される。また、母材２０の表面には溶融池５０が生成する。溶融池５０は、アーク放電により高温になった母材２０の表面部（例えばめっき層）の溶融物、および、溶接ワイヤ１０の先端から滴下した溶滴３０、によって形成される。符号Ａは、アーク幅（溶融池５０の幅）であり、後述する溶融ビートの幅と実質的に同じである。

溶接ワイヤ１０は、アーク期間では、その先端が母材２０の表面（溶融池５０）に接近するように前進する。図１の符号４００は、アーク期間の終期状態を表している。溶接ワイヤ１０は、例えば、一定の速度で前進する。距離Ｄが小さくなると、アーク４０の広がりが小さくなり、アーク幅Ａが小さくなる。また、アーク期間が長いほど、溶滴３０が大きくなる。

図１の符号１００は、短絡期間の初期状態を表している。短絡期間とは、溶接ワイヤ１０と母材２０とがこれらの溶融物によって導通可能に結合している期間である。成長した溶滴３０が溶融池５０に接触すると、これらが一体となり、ピンチ６０を形成する。溶接ワイヤ１０および母材２０のいずれも導電体であることから、溶接ワイヤ１０からピンチ６０を経て母材２０に至る導通路が形成される。このため、短絡期間ではアーク放電は生じなくなる。

図１の符号２００は、短絡期間の終期状態を表している。本実施形態では、短絡すると、溶接ワイヤ１０の先端が母材２０の表面から離れるように後退する。本実施形態では、短絡期間からアーク期間へ移行する間の期間である短絡期間において母材２０の表面に対して溶接ワイヤ１０の先端の位置を所定の距離Ｄまで引き上げる。このような溶接ワイヤ１０の後退によって、ピンチ６０は引き伸ばされて細くなり、切り離されて短絡期間が終了する。そして、移行期間を経て符号３００に示されるアーク期間初期の状態となる。短絡期間を終了ささせるために、溶接ワイヤ１０に供給される溶接電流を多くするなどのピンチ６０を切断するための処置を、必要に応じてさらに講じてもよい。

アーク溶接では、アーク電極としての溶接ワイヤ１０は、通常、トーチに支持される。溶接ワイヤ１０の前述した進退は、トーチを母材２０の表面に対して接近離脱させることによって行ってもよいし、トーチを母材２０の表面に対して一定の距離離して支持し、当該トーチから溶接ワイヤ１０のみを母材２０の表面に対して前進させ、あるいは後退させてもよい。

なお、トーチに支持される（例えばタングステン製の）アーク電極と溶接ワイヤ１０とが別であってもよい。この場合、アーク電極から生成するアーク４０内に溶接ワイヤ１０の先端を送り出すことによってアーク溶接を行う。この場合でも、アーク期間中には溶接ワイヤ１０を母材２０の表面に向けて前進させ、短絡期間の終了間際に溶接ワイヤ１０を母材２０の表面から機械的に切り離すように後退させる。

通常、母材２０の表面における溶接すべき部位は、二つ以上の母材が互いに当接することによって形成される角部（図２、図３参照）である。本実施形態では、このように当接している部位のうち、溶接すべき部位を「被溶接部」と言う。被溶接部２５は、継手形状を形成してよい。本実施形態における当該継手形状の例には、重ね継手、Ｔ字継手、角継手、フレアー継および突合せ継手、が含まれる。

〔溶融Ｚｎ系めっき鋼板〕
本実施形態において、母材は、溶融Ｚｎ系めっき鋼板で構成される。溶融Ｚｎ系めっき鋼板は、通常、その両面にめっき層を有しているが、本実施形態では、溶融Ｚｎ系めっき鋼板は、少なくとも当該めっき鋼板における被溶接部側の表面にめっき層を有していればよい。

本実施形態における溶融Ｚｎ系めっき鋼板は、Ｚｎを含有する溶融めっき層を有する鋼板であればよいが、Ｚｎを主成分としためっき層の溶融めっき鋼板であることが好ましい。溶融Ｚｎ系めっき鋼板の例には、溶融Ｚｎめっき鋼板、合金化溶融Ｚｎめっき鋼板、溶融Ｚｎ−Ａｌめっき鋼板および溶融Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇめっき鋼板が含まれる。

溶融Ｚｎ系めっき鋼板の中でも、溶融Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇめっき鋼板は、一般にＡｌ：１．０〜２２．０質量％、Ｍｇ：０．０５〜１０．０質量％を含有し、耐食性に優れる。

溶融Ｚｎ系めっき鋼板のめっき層は、前述した以外の他の成分をさらに含有していてもよい。たとえば、溶融Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇめっき鋼板のめっき層は、外観と耐食性低下を招く原因となるＺｎ_１１Ｍｇ_２系相の生成および成長を抑制する観点から、Ｔｉ：０．００２〜０．１質量％、Ｂ：０．００１〜０．０５質量％をさらに含有していてもよい。また、溶融Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇめっき鋼板のめっき層は、めっき原板の表面とめっき層との界面に生成するＦｅ−Ａｌ合金層の過剰な成長を抑制して加工時のめっき層の密着性を向上させる観点から、Ｓｉを２．０質量％まで含有してもよい。

〔めっき付着量〕
本実施形態において、溶融Ｚｎ系めっき鋼板における片面のめっき付着量は１５ｇ／ｍ^２以上２５０ｇ／ｍ^２以下である。当該めっき付着量が少なすぎると、めっき層による耐食性が不十分になることがある。当該めっき付着量が多すぎると、スパッタおよびブローホールの発生を抑制することが困難となり、溶接部材における実用上許容される外観および強度の実現が困難になることがある。また、スパッタ付着部を起点とする腐食が生じやすく、溶接部材の耐食性が不十分となることがある。

〔溶接ワイヤ〕
溶接ワイヤは、母材の材質に応じて適宜に決めることができる。たとえば、ＪＩＳ Ｚ３３１２で規定するＹＧＷ１１またはＹＧＷ１２は、溶融Ｚｎ系めっき鋼板同士をアーク溶接する観点から好ましい。これらの溶接ワイヤの組成を下記表１に示す。単位は質量％である。残余は鉄（Ｆｅ）および不可避的不純物である。当該不可避的不純物は、一種でもそれ以上でもよく、本実施型形態の効果が得られる範囲において溶接ワイヤに含まれていてよい。当該不可避的不純物の例には、Ｃｕ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、ＺｒおよびＮが含まれる。

なお、本実施形態における溶接ワイヤは、上記のワイヤに限定されず、ＪＩＳ Ｚ３３１２で規定する他のソリッドワイヤであってもよいし、それ以外の溶接ワイヤであってもよい。

溶接ワイヤの直径Ｒは、限定されないが、細すぎるとアーク溶接時におけるアークの発生が不十分となり、溶接部に気孔が発生することがある。また、溶接ワイヤの径が太すぎると、アーク溶接時における溶滴の成長によって短絡が頻発しやすく、また当該溶滴が溶融池に滴下することにより多量のスパッタを発生しやすくなることがある。気孔発生およびスパッタ発生を抑制する観点から、溶接ワイヤの径は、０．８〜１．６ｍｍであることが好ましい。

〔シールドガス〕
本実施形態において、アーク溶接は、シールドガスの雰囲気中で行われる。一般に、ガスシールドアーク溶接では、溶接ワイヤの軸方向に沿って溶接ワイヤの周囲を流れるようにシールドガスが供給される。シールドガスは、アーク溶接中に発生するアークおよび溶融池を、その周辺の大気から保護するためのガスである。シールドガスは、母材の材質に応じて適宜に決めることができ、例えば、アーク溶接時において、溶滴、溶融池、アークおよびピンチに対して不活性なガスから選ばれる。シールドガスは、一種のガスでもよいし、二種以上のガスの混合ガスであってもよい。シールドガスの成分の例には、二酸化炭素、アルゴン、ヘリウムおよび水素が含まれる。

〔距離Ｄの説明〕
本実施形態では、溶接ワイヤの直径Ｒに応じて前述の距離Ｄを設定する。図２は、本実施形態における母材の一配置例における溶接ワイヤの先端と母材の被溶接部との距離Ｄを説明するための図である。図３は、本実施形態における母材の他の配置例における溶接ワイヤの先端と母材の被溶接部との距離Ｄを説明するための図である。

図２では、上板２０ａが下板２０ｂの上に重ねられている。上板２０ａおよび下板２０ｂは、上述の重ね継手を構成している。図２に示す例では、被溶接部２５は、上板２０ａの側縁と、下板２０ｂの表面における、上板２０ａの当該側縁に沿った領域とによって形成される部分である。図３では、下板２０ｂの上面に上板２０ａが立設されており、上板２０ａおよび下板２０ｂは、上述のＴ字継手を構成している。図３に示す例では、被溶接部２５は、板２０ｂの表面に当接する上板２０ａの端面における縁と、板２０ｂの当該表面とによって形成される部分である。距離Ｄは、溶接ワイヤ１０の軸方向における、溶接ワイヤ１０の先端から被溶接部までの距離である。

本実施形態では、距離Ｄは、溶接ワイヤの直径Ｒに応じて適宜に設定される。距離Ｄの設定方法は限定されない。たとえば、距離Ｄは、溶接ワイヤの直径Ｒを含む所定の溶接条件でのアーク溶接を予め実施し、そのときの溶接ワイヤの先端および被溶接部を撮像しておく。そして撮像した画像に基づき、溶接ワイヤの送給速度、溶滴の成長速度などの諸現象に応じて、溶接ワイヤの後退量（例えば後退の間隔と後退する長さなど）を決める。このようにして、アーク溶接工程時において前述の距離Ｄとなる溶接ワイヤの引き上げを実施することが可能である。

あるいは、距離Ｄは、トーチの軸方向においてトーチの先端から突出して配置された、距離Ｄに対応するスケールまたは目印に基づいて設定することも可能である。たとえば、当該スケールまたは目印に基づいて、短絡期間において所期の距離Ｄとなるように溶接ワイヤを後退させてもよい。あるいは、距離Ｄは、溶接ワイヤの先端と被溶接部との距離を、例えば超音波で距離を測定する装置によって非接触で検出し、その検出結果に基づいて、所期の距離Ｄとなるように溶接ワイヤを短絡期間に後退させてもよい。

本実施形態において、溶接ワイヤの先端と母材同士が当接する被溶接部との間の距離をＤ、溶接ワイヤの直径をＲとしたときに、短絡期間からアーク期間へ移行する際に、１．２５Ｒ≦Ｄ≦８Ｒを満たす位置に溶接ワイヤを引き上げる。距離Ｄが１．２５Ｒを下回ると、アーク溶接工程において短絡が頻発しやすく、溶融池の掘下げによりスパッタが多く発生することがある。距離Ｄが８Ｒを越えると、アークが広がりすぎて、溶滴が大きく成長し、その溶滴が溶融池に接触（滴下）したときに大粒のスパッタが発生することがある。スパッタの発生をより抑制する観点から、距離Ｄは、２．４Ｒ以上であることが好ましく、２．９Ｒ以上であることがより好ましい。また、同様の観点から、距離Ｄは、７．９Ｒ以下であることが好ましく、７．１Ｒ以下であることがより好ましい。

〔溶接速度〕
本実施形態において、アーク溶接における溶接速度は、限定されず、例えば、０．１〜１．０ｍ／ｍｉｎの範囲で、その他の各種の溶接条件に応じて設定すればよい。アーク期間時における溶接ワイヤの送給速度などの、アーク溶接における他の溶接条件についても、限定されず、適宜設定することができる。

〔溶接電流〕
本実施形態において、アーク溶接における溶接電流は、限定されず、目的とする溶接ビード寸法に応じて適宜設定することができる。

〔溶接電圧〕
本実施形態において、アーク溶接における溶接電圧は、限定されず、目的とする溶接ビード寸法や溶接中のスパッタの発生状況に応じて適宜設定することができる。なお、溶接電流および溶接電圧は、溶接入熱が５．６ｋＪ／ｃｍ以上６．９ｋＪ／ｃｍ以下となるように制御されることが好ましい。

〔溶接電流波形、溶接ワイヤの進退および溶滴の関係〕
図４は、本実施形態のアーク溶接工程における電流波形を示すグラフである。図５は、図４に示すグラフにおけるアーク期間中の電流波形の拡大図である。本実施例形態の溶接電流波形は、図１で示したアーク溶接工程の流れに示した溶接ワイヤの動作と同期しており、アーク期間でのパルス波形と短絡期間との電流波形に分けられる。

短絡期間では、溶接金属が溶接ワイヤ１０から溶融池５０へ移行され、溶接電流が図４に示す電流値Ｂまで下げられる。その後、溶接ワイヤ１０が機械的に引き上げられ、溶接ワイヤ１０と溶融池５０が分離される。このとき、溶接電流値をベース電流値Ｂａに引き下げることによって、スパッタの発生を抑制することができる。

次に、移行期間中において溶接ワイヤ１０を引き上げて溶融池５０と分離させ、ベース電流値Ｂａでアークを再点弧させることによりアーク期間が開始する。その後、図４および図５に示すように、溶接電流値をピーク電流値Ｐｔまで上昇させた後、過電流による溶滴の粗大化を防止するために電流値をピーク電流値Ｐｔから減少させる。そして、溶滴３０が溶融池５０に接触するとアーク放電が生じなくなり、電流値が図５に示す電流値Ｐｂからベース電流値Ｂａへ減少する。そのため、本実施形態におけるアーク放電期間中の電流波形は、パルス形状となる。

ここで、ブローホール占有率について説明する。図６は、溶融Ｚｎ系めっき鋼板同士が溶接されてなる溶接部材におけるブローホール占有率の測定方法を説明する平面図である。図６に示すように、溶融Ｚｎ系めっき鋼板７１と溶融Ｚｎめっき鋼板７２とが溶接されてなる溶接部材８０には溶接ビード８１が形成されており、該溶接ビード８１はブローホール８１ａを有していることが多い。また、溶接ビード８１の長手方向（溶接線の方向）の長さをＬとし、溶接ビード８１の一端部からｉ番目のブローホールの長さをｄｉとする。ここで、例えば継手形状がＴ字継手の場合、図６に示す溶融Ｚｎめっき鋼板７１と溶融Ｚｎ系めっき７２とは３次元的には垂直に溶接されている。

建築用薄板溶接接合設計・施工マニュアル（建築用薄板溶接接合部設計・施工マニュアル編集委員会）によれば、図５に模式図に示す各ブローホール８１ａの長さｄｉの積算値、すなわち溶接ビード８１に形成された全てのブローホール８１ａの長さを測定して積算した積算値Σｄｉ（ｍｍ）の測定値から下記の式（１）により算出されるブローホール占有率Ｂｒが３０％以下を品質の許容値とされている。また、本発明における溶接部材８０は、ブローホール占有率Ｂｒが３０％以下であり、強度的に安定している。
Ｂｒ＝（Σｄｉ／Ｌ）×１００・・・（１）
ここで、
ｄｉ：溶接ビードにおいて観察されたｉ番目のブローホール長さ
Ｌ：溶接ビードの長さ
である。

本実施形態におけるアーク放電期間では、電流値がピーク電流値Ｐｔから電流値Ｐｂまで減少させるときの傾きａが所定の範囲となるように制御する。傾きａは、（溶接電流の変化）／（溶接時間）によって定義される。

図７は、傾きａとブローホール占有率との関係を示すグラフである。図７に示すグラフは、本発明者らが鋭意研究により得た知見により作成したグラフである。図８は、アーク期間における傾きａと溶滴との関係を示す図である。図７に示すように、傾きａが−２．５×１０^４Ａ／ｓ以下の場合、ブローホール占有率が３０％以下となる。一方で、傾きａが−２．５×１０^４Ａ／ｓよりも大きい場合、ブローホール占有率が３０％を超えてしまう。

これは、図８の参照符号２０１に示すように、傾きａが−２．５×１０^４Ａ／ｓよりも大きい場合、溶滴３０が大きくなりすぎてしまい、溶融池への溶滴３０の移行が不安定になってしまうためである。一方で、傾きａが−５×１０^４Ａ／ｓよりも小さい場合、図８の参照符号２０２に示すように、溶滴３０が微細になりすぎてしまい、溶滴の一部が溶融池へ移行せずにビードが形成されない場合がある。

そこで、本実施形態における溶接部材の製造方法では、傾きａの範囲を−５×１０^４Ａ／ｓ≦ａ≦−２．５×１０^４Ａ／ｓに制御する。傾きａが−２．５×１０^４Ａ／ｓ以下であることにより、溶滴の大きさが適度に微細なものになるため、溶融池内の気孔を小さくすることができ、表面に浮上させやすくなる。その結果、溶接ビードにおけるブローホールの発生を抑制することができる。具体的には、ブローホール占有率を３０％以下とすることができる。また、傾きａが−５×１０^４Ａ／ｓ≦ａ≦−２．５×１０^４Ａ／ｓの範囲であることにより、図８の参照符号２０３に示すように、溶滴３０の大きさを最適な大きさにすることができる。これにより、溶滴が溶融池に安定して移行されるので、溶接を安定して行うことができる。

〔その他の工程〕
本実施形態では、本実施形態の効果が得られる範囲において、前述したアーク溶接工程以外の他の工程をさらに含んでいてもよい。たとえば、短絡期間における溶接電流の供給を調整してピンチを切断する工程をさらに含んでもよい。

本実施形態における溶接部材の製造方法では、距離Ｄが１．２５Ｒ以上８Ｒ以下であり、かつ、傾斜ａが−５×１０^４Ａ／ｓ≦ａ≦−２．５×１０^４Ａ／ｓであれば、シールドガスの種類は、限定されない。したがって、前述の溶融Ｚｎ系めっき鋼板のアーク溶接において、１００％の二酸化炭素ガスを用いてもよい。二酸化炭素ガスは、通常、不活性ガスよりも安価である。このように二酸化炭素ガスをシールドガスに用いることは、より高価なシールドガスを用いなくても良好な溶接品質を得ることができることから、コスト面で有利である。

一方で、本発明の一実施形態では、前述の距離Ｄを、シールドガスの種類に応じた所定の範囲内に決定することができる。たとえば、シールドガスとして二酸化炭素ガスとアルゴンガスとの混合ガスを用いる場合では、上記の１．２５Ｒ以上８Ｒ以下の場合と同じ理由で、前述の距離Ｄを０．５５Ｒ以上９．２Ｒ以下とすることができる。当該混合ガスの例には、１０体積％の二酸化炭素ガスと９０体積％のアルゴンガスとの混合ガスが含まれる。アルゴンガスを含有するシールドガスは、二酸化炭素ガスよりも高価である。しかしながら、当該混合ガスを用いることにより、距離Ｄの許容される範囲をより広くすることが可能となる。

シールドガスが上記の混合ガスである場合、スパッタの発生をより抑制する観点から、距離Ｄは、１．６Ｒ以上であることが好ましく、２．５Ｒ以上であることがより好ましい。また、同様の観点から、距離Ｄは、８．８Ｒ以下であることが好ましく、７．９Ｒ以下であることがより好ましい。

本実施形態では、シールドガスの種類に応じて、溶接ワイヤの径Ｒに基づく距離Ｄを適宜に決めることにより、スパッタの付着数を少なくすることが可能である。スパッタの付着数は、製造される溶接部材の用途に応じて適宜に決めればよい。

本実施形態では、シールドガスの種類に応じて、溶接中のアーク期間中の電流はパルス波形とし、ピーク電流に達した直後から電流値Ｉが下降する時の傾斜ａを適宜設定することにより、ブローホールの発生を少なくすることが可能である。

〔溶接部材〕
本実施形態における溶接部材は、前述の製造方法によって製造された溶接部材である。本実施形態において、「溶接部材」とは、前述のアーク溶接工程によって溶接された部分を含む部材である。当該溶接された部分を「溶融ビート」とも言う。

〔スパッタ付着個数、ブローホール占有率〕
前述の溶接部材の製造方法によれば、スパッタの発生を抑制して溶融Ｚｎ系めっき同士を溶接することができる。たとえば、本実施形態の溶接部材において、溶接部材における溶接ビードに隣接する所定の領域におけるスパッタ付着数は、２５個以下であってよい。ここで、「所定の領域」とは、溶接ビードの延伸方向における長さが１００ｍｍであり、かつ、延伸方向に垂直な方向における長さが５０ｍｍである領域であってよい。

所定の領域におけるスパッタの付着数は、溶接部材の用途に応じて適宜に決定してよい。たとえば、上記の所定の領域におけるスパッタ付着数が２５個以下であることは、溶接部材において、溶融Ｚｎ系めっき鋼板の耐食性を含む諸特性を実質的に発現させる観点から適当と考えられる。より高い耐食性、より優れた外観を要求される溶接部材に対しては、所定の領域における上記スパッタ付着数をより少なく（例えば２０個以下に）設定してもよい。

また、所定の領域の形状および大きさも、溶接部材の形状に応じて適宜に決定することが可能である。その場合、所定の領域およびスパッタ付着数は、上記の縦５０ｍｍ、横１００ｍｍの矩形領域で２５個以下、に対応するように適宜に設定すればよい。また、当該スパッタの付着数は、溶接部材におけるスパッタの付着数の代表値となる数値であればよい。たとえば、当該スパッタの付着数は、溶接部材において任意に設定した一の所定の領域における測定値であってもよいし、任意に設定した複数の所定の領域で測定された測定値の平均値であってもよい。

〔まとめ〕
以上のように、溶接ワイヤの直径をＲとしたときに、短絡期間からアーク期間へ移行する際に、溶接ワイヤの先端と被溶接部との間の距離Ｄを、シールドガスの種類に応じて、０．５５Ｒ以上９．２Ｒ以下の所定の範囲内に制御するとともに、アーク期間中の溶接電流をパルス波形とし、前期パルス波形がピーク電流値を示した直後に前記溶接電流が下降する時の傾斜ａを−５×１０^４Ａ／ｓ以上−２．５×１０^４Ａ／ｓ以下の範囲に制御する。これにより、アーク溶接におけるブローホールの発生を低減することができ、ブローホールが十分に少ない溶接部材を得ることができる。また、距離Ｄについての製造マージンを大きくすることが可能となるので、より厳しい溶接条件を要する溶接部材を製造する観点からより一層効果的である。

本発明の一態様の溶接部材の製造方法では、溶接ワイヤの直径をＲとしたときに、短絡期間からアーク期間へ移行する際に、溶接ワイヤの先端と被溶接部との間の距離Ｄを、シールドガスの種類に応じて、１．２５Ｒ以上８Ｒ以下の所定の範囲内に制御する。これにより、シールドガスの種類に関わらず、スパッタおよびブローホールの発生を低減することができる。この場合、シールドガスとして１００体積％の二酸化炭素ガスを用いることができるので、溶接部材の製造コストを削減する観点からより効果的である。

本発明の一態様の溶接部材は、本実施形態の溶接部材の製造方法によって製造された溶接部材である。この構成によれば、溶融Ｚｎ系めっき鋼板のアーク溶接によって製造される溶接部材における当該アーク溶接によるスパッタおよびブローホールの発生を低減することができる。

本発明の一態様の溶接部材は、溶接部材における溶接ビードに隣接する領域であって、溶接ビードの延伸方向における長さが１００ｍｍであり、かつ、延伸方向に垂直な方向における長さが５０ｍｍである領域におけるスパッタ付着数が２５個以下である。そのため、母材である溶融Ｚｎ系めっき鋼板の諸特性を溶接部材において実質的に発現させる観点からより効果的である。

本発明の一態様の溶接部材は、前記溶接部材における溶接ビードに内在するブローホール占有率が３０％以下であるので、溶融Ｚｎ系めっき鋼板の溶接部は強度的に優れている。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明の一実施例について以下に説明する。

［母材の準備］
下記表２に示す、Ｎｏ．１〜４の４種類の溶融Ｚｎ系めっき鋼板を用意した。表２中、めっき層の組成の残りは亜鉛（Ｚｎ）である。Ｎｏ．１〜４の鋼板から、母材として、上板と下板とを用意した。上板の寸法は、板厚が３．２ｍｍ、板幅が５０ｍｍ、長さが１５０ｍｍである。下板の寸法は、板厚が３．２ｍｍ、板幅が１００ｍｍ、長さが１５０ｍｍである。下記表中の「Ａｐ」は、上記溶融Ｚｎ系めっき鋼板の片面におけるめっき付着量を表す。

［溶接部材の製造］
Ｎｏ．１の溶接部材を以下のようにして作製した。Ｎｏ．４の鋼板を用いて、重ね隅肉溶接継手を構成してアーク溶接を行った。図９は、実施例で形成される溶接部材の構成を模式的に示す図である。図９は、溶接部材を上方から平面視した状態を示している。より詳しくは、下板２０ｂの一側縁２０１ｂと上板２０ａの一側縁２０１ａとが重なっている。当該溶接部材については、上板２０ａの他側縁２０２ａと、下板２０ｂの表面における、上板２０ａの他側縁２０２ａに沿った領域とによって形成される部分が溶接すべき部位、すなわち被溶接部である。

下板２０ｂの長手方向に沿って、当該被溶接部の一端から他端に向けてアーク溶接を行った。アーク溶接は、トーチを下板２０ｂ側に傾け、被溶接部に対して一定の距離離し、被溶接部の一端から他端まで走査させることによって行った。より具体的には、下板２０ｂの長手方向に沿って見たときに、図２に示されるように、溶接ワイヤの軸線が下板２０ｂの表面となす角度が鋭角（具体的には、約４５°）となるように、トーチを下板２０ｂ側に傾けながら、アーク溶接を行った。

なお、トーチは、被溶接部に向けて進退可能に溶接ワイヤを支持している。溶接ワイヤは、電極を兼ねている。トーチは、また、溶接ワイヤの軸方向に沿って溶接ワイヤの周囲にシールドガスを供給するガス供給装置をさらに有している。ＮＯ．１の溶接部材の作成では、シールドガスを１００％ＣＯ_２とした。また、トーチは、アーク溶接時において、被溶接部に対して一定の距離を保ちながら移動可能に支持されている。

溶接ワイヤには、直径（Ｒ）が１．２ｍｍのワイヤであって、ＪＩＳ Ｚ３３１２においてＹＧＷ１２と規定されている溶接ワイヤを用いた。アーク溶接の条件は、溶接電流が１８０Ａ、溶接電圧が１８．８Ｖ、溶接速度が０．４ｍ／ｍｉｎである。溶接速度は、被溶接部に沿ってトーチを移動させる速度である。また、シールドガスには１００％の二酸化炭素ガスを用いた。なお、ビード長さは１５０ｍｍであり、母材同士の重なり長さである重ね代は５０ｍｍである。

アーク期間では、溶接ワイヤの先端が被溶接部に向けて接近するように溶接ワイヤを所定の速度で送給した。また、短絡期間では、溶接ワイヤの先端が被溶接部から離れるように溶接ワイヤを後退させた。このときの溶接ワイヤの後退量は、次のアーク期間開始時における溶接ワイヤの先端から被溶接部までの距離Ｄが１．５ｍｍとなる量である。

溶融ワイヤの後退量は、以下のようにして制御した。まず、所望の（例えば上記の）溶接条件にしたがってアーク溶接を予め行った。その際、アーク溶接における溶接ワイヤの先端および被溶接部をハイスピードカメラ撮影した。撮影した画像に基づいて、アーク期間再開時における溶接ワイヤの先端から被溶接部までの距離Ｄが所望の距離１．５ｍｍとなる溶接ワイヤの後退量を求めた。また、アーク期間中の溶接電流をパルス波形とし、ピーク電流値を示した直後に前記溶接電流が下降する時の傾斜ａを−２．５×１０^４Ａ／ｓに制御した。

上記の溶接条件で、被溶接部の一端から他端までトーチを移動させ、アーク溶接を行い、図９に示されるような溶融ビート２１を形成した。こうして、Ｎｏ．１の溶接部材を製造した。

Ｎｏ．２〜Ｎｏ．１３の溶接部材は、Ｎｏ．１の溶接部材の作製における、距離Ｄおよび傾斜ａを変更した以外には同条件にて製造した。

［溶接部材の評価］
Ｎｏ．１〜１３の溶接部材に付着したスパッタの個数を測定した。スパッタとは、アーク溶接中に飛散する溶融金属の微小粒子である。アーク溶接時にトーチが下板２０ｂ側に傾けられていることから、スパッタは、ほぼ下板２０ｂの表面に付着する。そこで、溶接部材１の下板２０ｂの表面であって、溶融ビート２１の一側縁に接する縦（短手方向）５０ｍｍ、横（長手方向）１００ｍｍの領域２２を任意に設定し、領域２２に付着したスパッタの数を数えた。得られた評価結果を表３に示す。なお表３中、「Ｎｓ」は、スパッタの個数を表す。

また、Ｎｏ．１〜１３の溶接部材のビード部のブローホール占有率を測定した。例えば、重ね継手の場合、重ね合せ部の蒸発したＺｎが溶融池に浸入して気孔となる。ブローホールとは、溶融池内に閉じ込められた気孔をブローホールと呼ぶ。ブローホールは、溶接ビードのＸ線透過写真を撮影し、撮影されたフィルムからブローホール占有率を測定した。測定結果を表３に示す。なお表３中、「Ｂｒ」は、ブローホール占有率を表す。

表３から明らかなように、短絡期間に引き上げられた溶接ワイヤの先端から被溶接部までの距離Ｄが１．２５Ｒ〜８Ｒであり、アーク期間中のパルス電流波形がピーク電流に達した直後に電流値が下降する時の傾斜ａを−５×１０^４Ａ／ｓ以上−２．５×１０^４Ａ／ｓ以下の範囲内である溶接部材１〜９におけるスパッタの付着個数は、２０個未満であり、ブローホール占有率も３０％以下であることから安定した品質を確保できている。すなわち、Ｎｏ．１〜０の溶接部材は、スパッタおよびブローホールの発生が抑制され、品質に優れていた。

距離Ｄが１．２５Ｒ〜８Ｒの範囲内であるが、傾斜ａが−５×１０^４Ａ／ｓ以上−２．５×１０^４Ａ／ｓの範囲でないＮＯ．１０および１１の溶接部材では、スパッタの発生は２０個未満に抑制できているが、ブローホール占有率が３０％を超えていた。

距離Ｄが１．２５Ｒ〜８Ｒの範囲外であり、傾斜ａが−５×１０^４Ａ／ｓ以上−２．５×１０^４Ａ／ｓの範囲内であるＮｏ．１２および１３の溶接部材では、スパッタの発生は２０個以上であり、ブローホール占有率は３０％以下であった。よって、上記の範囲外では、溶接部の外観に優れた溶接部材が得られないことがわかる。

シールドガスの種類を１００％の二酸化炭素ガスに代えてアルゴンガスと二酸化炭素ガスとの混合ガスを用い、その他の条件はＮｏ．１〜１３の溶接部材と同様にして、Ｎｏ．１４〜３２の溶接部材を製造し、評価した。なお、上記混合ガスにおける二酸化炭素の含有量は１０体積％であり、残りはアルゴンガスである。Ｎｏ．１４〜３２の溶接部材についてのアーク溶接の条件および評価結果を表４に示す。

表４から明らかなように、シールドガスとしてアルゴンガスと二酸化炭素ガスとの混合ガスを用いた場合では、短絡期間に引き上げられた溶接ワイヤの先端から被溶接部までの距離Ｄが０．５５Ｒ〜９．２０Ｒ、アーク期間中のパルス電流波形がピーク電流に達した直後に電流値が下降する時の傾斜ａを−５×１０^４Ａ／ｓ以上−２．５×１０^４Ａ／ｓ以下の範囲内であるＮｏ．１４〜２８の溶接部材におけるスパッタの付着個数は、２５個未満であり、ブローホール占有率も３０％以下であることから安定した品質を確保できていた。すなわち、Ｎｏ．１４〜２８の溶接部材は、スパッタおよびブローホールの発生が抑制され、品質に優れていた。

距離Ｄが４．０の本発明の範囲内であるが、傾斜ａが本発明の範囲外であるＮｏ．２９および３０の溶接部材では、スパッタの発生は２５個未満に抑制できているが、ブローホール占有率が３０％を超えていた。

距離Ｄが０．５５Ｒ〜９．２０Ｒの範囲外であり、傾斜ａが−５×１０^４Ａ／ｓ以上−２．５×１０Ａ／ｓ^４以下の範囲内であるＮｏ．３１および３２の溶接部材では、スパッタの発生は２５個以上であり、ブローホール占有率は３０％以下である。よって、距離Ｄが０．５５Ｒ〜９．２０Ｒの範囲外では、溶接部の外観に優れた溶接部材が得られないことがわかる。

Ｎｏ．４の鋼板に代えて、表２に記載の片面めっき付着量を有するＮｏ．１の鋼板を用い、距離Ｄを２．０ｍｍに変更する以外はＮｏ．１の溶接部材の製造方法と同様にして、Ｎｏ．３３の溶接部材を製造し、評価した。また、Ｎｏ．４の鋼板に代えて表２に記載のＮｏ．２の鋼板を用い、距離Ｄを４．０ｍｍに変更する以外はＮｏ．１の溶接部材の製造方法と同様にして、Ｎｏ．３４の溶接部材を製造し、評価した。また、Ｎｏ．４の鋼板に代えて、表２に記載のめっき組成および片面めっき付着量を有するＮｏ．３の鋼板をそれぞれ用い、距離Ｄを、表５に記載の数値に変更する以外はＮｏ．１の溶接部材の製造方法と同様にして、Ｎｏ．３５〜３７の溶接部材をそれぞれ製造し、評価した。また、表２に記載のめっき組成および片面めっき付着量を有するＮｏ．４の鋼板をそれぞれ用い、距離Ｄを、表５に記載の数値に変更する以外はＮｏ．１の溶接部材の製造方法と同様にして、Ｎｏ．３８〜４４の溶接部材をそれぞれ製造し、評価した。Ｎｏ．２７〜３８の溶接部材についてのアーク溶接の条件および評価結果を表５に示す。

表５から明らかなように、Ｎｏ．３３〜４４の溶接部材のいずれも、距離Ｄが１．２５Ｒ〜８Ｒの範囲内、傾斜ａが−５×１０^４Ａ／ｓ以上−２．５×１０^４Ａ／ｓ以下の範囲内としたため、スパッタの付着個数が２０個未満であり、ブローホール占有率Ｂｒも目標の３０％以下であった。

特に、Ｎｏ．３３、３４、３５〜３７および３８〜４４の溶接部材では、それぞれ、異なるめっき組成を有する溶融Ｚｎ系めっき鋼板を母材としている。したがって、本発明では、溶融Ｚｎ系めっき鋼板のアーク溶接において、スパッタおよびブローホールの発生が抑制され、かつ溶接部の外観に優れた溶接部材が得られることがわかる。

また、Ｎｏ．３８〜４４の溶接部材の結果から明らかなように、母材におけるめっき付着量が１５ｇ／ｍ^２の薄目付から２５０ｇ／ｍ^２の厚目付まで、スパッタおよびブローホールの発生が抑制され、かつ溶接部の外観および強度に優れた溶融Ｚｎ系めっき鋼板の溶接部材が得られた。

表２に記載のめっき組成および片面めっき付着量を有するＮｏ．１、３および４の鋼板を用い、距離Ｄを、表６に記載の１．０ｍｍ〜１２．０ｍｍの範囲とし、傾斜ａを−４Ａ／ｓの一定としてＮｏ．４５〜５８の溶接部材を製造し、評価した。Ｎｏ．４５〜５８の溶接部材についてのアーク溶接の条件および評価結果を表６に示す。

表６から明らかなように、距離Ｄが１．２５Ｒ〜８Ｒの範囲内であり、かつ、傾斜ａが−５×１０^４Ａ／ｓ以上−２．５×１０^４Ａ／ｓ以下の範囲内であるＮｏ．４５〜５５の溶接部材におけるスパッタの付着個数は、いずれも２５個未満であった。また、ブローホール占有率は３０％以下であった。

これに対して、距離Ｄが１．２５Ｒ〜８Ｒの範囲内であっても、母材における片面めっき付着量が２５０ｇ／ｍ^２を超えるＮｏ．５６〜５８の溶接部材では、スパッタの付着が著しく、ブローホール占有率も３０％以上で実用上問題となる量であった。これは、アーク溶接時において、溶接部におけるＺｎの蒸気の発生が著しいためであると考えられる。

特に、例えば、Ｎｏ．３４の溶接部材とＮｏ．５７の溶接部材との対比、あるいは、Ｎｏ．３８の溶接部材とＮｏ．５８の溶接部材との対比によれば、母材における片面めっき付着量が２５０ｇ／ｍ^２を超えると、スパッタの発生の抑制が実用上不十分となることがわかる。

１０ 溶接ワイヤ
２０ 母材
２０ａ 上板
２０ｂ 下板
２５ 被溶接部
３０ 溶滴
４０ アーク
５０ 溶融池
６０ ピンチ

Claims (5)

1. 溶接ワイヤの先端が、（１）アーク期間中は、母材としての複数の溶融Ｚｎ系めっき鋼板同士が当接することによって形成される被溶接部へ向けて前進し、（２）短絡期間中は、前記被溶接部から後退するように、前記溶接ワイヤの送り出しを制御しながら、前記母材同士をシールドガスの雰囲気中でアーク溶接する溶接工程を含み、
   前記溶融Ｚｎ系めっき鋼板の、前記被溶接部を形成する面におけるめっき付着量が１５ｇ／ｍ^２以上２５０ｇ／ｍ^２以下であり、
   前記溶接工程において、
   前記短絡期間から前記アーク期間へ移行する間の期間である移行期間において、前記溶接ワイヤの先端と前記被溶接部との間の距離をＤ、前記溶接ワイヤの直径をＲとしたときに、１．２５Ｒ≦Ｄ≦８Ｒを満たす位置に前記溶接ワイヤを引き上げ、
   前記アーク期間中において、電流波形が、電流値がピーク電流値に達した直後から下降するときの傾きをａとしたときに、−５×１０^４Ａ／ｓ≦ａ≦−２．５×１０^４Ａ／ｓを満たすパルス波形となるように、電流を供給する、溶接部材の製造方法。
2. 前記シールドガスとして、１００体積％の二酸化炭素ガスを用いる、請求項１に記載の溶接部材の製造方法。
3. 溶接ワイヤの先端が、（１）アーク期間中は、母材としての複数の溶融Ｚｎ系めっき鋼板同士が当接することによって形成される被溶接部へ向けて前進し、（２）短絡期間中は、前記被溶接部から後退するように、前記溶接ワイヤの送り出しを制御しながら、前記母材同士をシールドガスの雰囲気中でアーク溶接する溶接工程を含み、
   前記溶融Ｚｎ系めっき鋼板の、前記被溶接部を形成する面におけるめっき付着量が１５ｇ／ｍ^２以上２５０ｇ／ｍ^２以下であり、
   前記溶接工程において、
   前記シールドガスとして、二酸化炭素ガスとアルゴンガスとの混合ガスを用い、
   前記短絡期間から前記アーク期間へ移行する移行期間において、前記溶接ワイヤの先端と前記被溶接部との間の距離をＤ、前記溶接ワイヤの直径をＲとしたときに、０．５５Ｒ≦Ｄ≦９．２Ｒを満たす位置に前記溶接ワイヤを引き上げ、
   前記アーク期間中において、電流波形が、電流値がピーク電流値に達した直後から下降するときの傾きをａとしたときに−５×１０^４Ａ／ｓ≦ａ≦−２．５×１０^４Ａ／ｓを満たすパルス波形となるように電流を供給する、溶接部材の製造方法。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の溶接部材の製造方法によって製造された溶接部材。
5. 前記溶接部材における溶接ビードに隣接する領域であって、前記溶接ビードの延伸方向における長さが１００ｍｍであり、かつ、前記延伸方向に垂直な方向における長さが５０ｍｍである領域におけるスパッタ付着数が２５個以下であり、
   ブローホール占有率が３０％以下である、請求項４に記載の溶接部材。

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