JP2022042360A - アーク溶接方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ＣＯ２ガスを８０体積％以上含むシールドガスを用いた場合でも、スパッタ発生量の低減及び溶接部の電着塗装性の向上を実現できるアーク溶接方法を提供する。【解決手段】溶接ワイヤの正送と逆送との送給を交互に切り替えながら鋼板を溶接するアーク溶接方法は、Ｓｉ：０．０１質量％以上０．３０質量％以下、Ｓ：０．００１質量％以上０．０２０質量％以下、Ｔｉ：０．０５質量％以上０．３０質量％以下を含有するとともに、その他の化学成分が適切に制御され、式（１）により得られる値が１．０超であるワイヤと、シールドガス全体積に対して、ＣＯ２ガスを８０体積％以上含有するシールドガスとを使用し、１回の正送と逆送との送給を１周期として、４０Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下の周波数で溶接する。２×［Ｔｉ］／［Ｓｉ］－５０×［Ｓ］・・・（１）【選択図】なし

Description

本発明は、アーク溶接方法に関する。
溶接ワイヤを用いたアーク溶接方法においては、溶接時のスパッタを低減する技術について種々の検討がなされており、例えば、特許文献１には、短絡とアークとを繰り返しアーク溶接を行うアーク溶接方法が提案されている。上記特許文献１には、ワイヤと溶融プールとの間の距離、及び溶接電流を適切な範囲に制御することにより、ブローホール等の気孔発生及びスパッタの発生を抑制することが記載されている。
また、近年では、輸送機分野を中心として、溶接部の耐錆性向上に対する要求も高まっており、溶接後に防錆用の被膜をコーティングする電着塗装技術等の開発が進められている。
電着塗装により防錆被膜を形成する場合に、ビード表面のスラグは絶縁性であるため、スラグの状態によっては、被膜の被覆を阻害することがある。一般的には、溶接後にビード表面に残存するスラグは、機械的手法で除去した後に電着塗装を実施するか、又はスラグが残存したまま電着塗装が行われる。
しかし、ビード表面にスラグが残存したまま電着塗装を実施した場合には、防錆用被膜を十分に形成することが困難となり、完成製品の防錆性についての品質にばらつきが発生する。また、機械的手法でスラグを除去する場合には、作業者の負担が増加する。
上記特許文献１には、このようなビード表面に生成されるスラグについては十分に検討されていない。
そこで、特許文献２には、溶接ワイヤを進退方向に送給制御することによりスパッタ発生を抑制しつつ、ワイヤの化学成分の含有量、シールドガス及びワイヤの進退方向の周波数を制御することにより、スラグの凝集性を良好にすることができるアーク溶接方法が開示されている。上記特許文献２では、スラグを凝集させているため、スラグが付着していない領域を広くし、これにより電着塗装により形成される塗膜の密着性を向上させている。
特許第６０４３９６９号 特開２０１８－１４４１０３号公報
しかしながら、特許文献２に記載のアーク溶接方法を使用した場合に、溶接部が複雑な形状になると、十分にスラグを凝集させることができないため、形状が複雑な領域ではスラグがビード表面に残存することがある。その結果、電着塗装による防錆用被膜が形成されず、所望の防錆効果を得ることが困難となる。
また、ＣＯ２の含有量が多いシールドガスを用いた場合、スラグの生成量及びスパッタの発生量が多くなる傾向があり、ＣＯ２の含有量が８０体積％以上のシールドガスを用いた場合でも、スパッタの発生が少なく、溶接部の電着塗装性が良好なアーク溶接方法が求められている。
本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、ＣＯ２ガスを８０体積％以上含むシールドガスを用いた場合でも、スパッタ発生量の低減及び溶接部の電着塗装性の向上を実現できるアーク溶接方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、電着塗装性に影響するスラグについて検討した結果、特にＳｉを主成分とする厚いスラグがビード表面に点在する場合に、スラグ上に電着塗装被膜が形成されないことを確認した。
そこで、ワイヤ中の成分を規定の範囲に制御することにより、溶接ビード上に生成するスラグの分布及びスラグ成分を改質し、電着塗装性を向上させることができることを見出した。しかしながら、Ｓｉ含有量を低減すると、ワイヤの溶融状態時の粘性が低下し、パルス溶接中の溶滴移行が不安定となりスパッタが増加することがわかった。また、ＣＯ２ガスを８０体積％以上含むシールドガスを用いた場合、スパッタが増加する傾向が顕著であった。
本発明者らはスパッタの低減のために鋭意検討した結果、溶接ワイヤの正送と逆送との送給を交互に切り替えながら鋼板を溶接する溶接方法を採用し、溶接条件を制御することによってＣＯ２ガスを８０体積％以上含むシールドガスを用いた場合でも、スパッタを低減することができることを見出した。
本発明の上記目的は、アーク溶接方法に係る下記［１］の構成により達成される。
［１］ 溶接ワイヤの正送と逆送との送給を交互に切り替えながら鋼板を溶接するアーク溶接方法であって、
前記溶接ワイヤは、
溶接ワイヤ全質量に対して、
Ｃ：０質量％超０．３０質量％以下、
Ｓｉ：０．０１質量％以上０．３０質量％以下、
Ｍｎ：０．５質量％以上２．５質量％以下、
Ｓ：０．００１質量％以上０．０２０質量％以下、
Ｔｉ：０．０５質量％以上０．３０質量％以下、
を含有し、
Ｐ：０質量％以上０．０２５質量％以下、
Ｃｕ：０質量％以上０．５０質量％以下、
Ｎｉ：０質量％以上３．０質量％以下、
Ｃｒ：０質量％以上３．０質量％以下、
Ｍｏ：０質量％以上１．０質量％以下、
Ａｌ：０質量％以上０．３０質量％以下、
Ｂ：０質量％以上０．０１００質量％以下、
であり、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、
下記式（１）により得られる値が１．０超であり、
シールドガス全体積に対して、ＣＯ２ガスを８０体積％以上含有するシールドガスを使用し、
１回の前記正送と逆送との送給を１周期として、４０Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下の周波数で溶接することを特徴とするアーク溶接方法。
２×［Ｔｉ］／［Ｓｉ］－５０×［Ｓ］・・・（１）
ただし、［Ｔｉ］は、溶接ワイヤ全質量に対するＴｉの含有量（質量％）を表し、［Ｓｉ］は、溶接ワイヤ全質量に対するＳｉの含有量（質量％）を表し、［Ｓ］は、溶接ワイヤ全質量に対するＳの含有量（質量％）を表す。
また、アーク溶接方法に係る本発明の好ましい実施形態は、以下の［２］～［８］に関する。
［２］ ピーク電流を２００Ａ以上として溶接することを特徴とする、［１］に記載のアーク溶接方法。
［３］ ＣＯ２ガスが１００体積％であるシールドガスを使用して溶接することを特徴とする、［１］又は［２］に記載のアーク溶接方法。
［４］ 前記溶接ワイヤ全質量に対する前記Ａｌの含有量は、０．０１質量％以上であることを特徴とする、［１］～［３］のいずれか１つに記載のアーク溶接方法。
［５］
前記溶接ワイヤ全質量に対する前記Ｍｏの含有量は、０．０１質量％以上０．５質量％以下であることを特徴とする、［１］～［４］のいずれか１つに記載のアーク溶接方法。
［６］ 前記溶接ワイヤは、さらにＮを含有し、
前記溶接ワイヤ全質量に対する前記Ｎの含有量は、０質量％超０．０１５０質量％以下であることを特徴とする、［１］～［５］のいずれか１つに記載のアーク溶接方法。
［７］ 前記溶接ワイヤは、さらにＯを含有し、
前記溶接ワイヤ全質量に対する前記Ｏの含有量は、０質量％超０．０２００質量％以下であることを特徴とする、［１］～［６］のいずれか１つに記載のアーク溶接方法。
［８］ 前記鋼板の板厚は０．６ｍｍ以上６ｍｍ以下である、［１］～［７］のいずれか１つに記載のアーク溶接方法。
本発明によれば、ＣＯ２ガスを８０体積％以上含むシールドガスを用いた場合でも、スパッタ発生量の低減及び溶接部の電着塗装性の向上を実現できるアーク溶接方法を提供することができる。
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。また本明細書において、数値範囲を示す「～」とは、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。
まず、本発明に係るアーク溶接方法について詳細に説明する。
［アーク溶接方法］
本実施形態に係るアーク溶接方法は、溶接ワイヤの正送と逆送との送給を交互に切り替えながら鋼板を溶接するアーク溶接方法である。以下、このような溶接ワイヤの制御方式を「ワイヤ送給制御方式」又は単に「送給制御方式」ということがある。
より具体的に、送給制御方式とは、ワイヤの送給を進退方向において制御しつつ、アークを発生させながらワイヤを前進（正送）させ、溶融したワイヤ先端の溶融金属を溶融池に接触させてアークを消滅させた後、ワイヤを後退（逆送）させて溶融金属を移行させることが繰り返される溶接方式である。
なお、本実施形態に係る溶接方法におけるワイヤの送給の周波数（振動数）は、ワイヤの１回の前進（正送）及び後退（逆送）を１周期として規定される。本実施形態に係る溶接方法には、例えば、Ｃｏｌｄ Ｍｅｔａｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ溶接等が包含される。
＜ワイヤ送給の周波数：４０Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下＞
溶接中のワイヤ先端での溶融金属の表面張力や粘性は、ワイヤの化学成分によって大きく影響を受ける。したがって、本実施形態のアーク溶接においては、使用するワイヤの化学成分を考慮して、ワイヤ送給の周波数帯に制御している。
ワイヤ送給の周波数が４０Ｈｚ未満であると、溶滴が成長しすぎて、逆走させてもワイヤ先端から溶滴が離れきる前にアークが発生するため、大粒スパッタが発生する要因となる。一方、ワイヤ送給の周波数が２００Ｈｚを超えると、ワイヤ先端から溶滴が離脱するための十分な時間が得られず、規則的な短絡制御が乱れて、スパッタにつながる。また、母材を亜鉛めっき鋼板とした場合には、溶融金属から亜鉛蒸気を離脱させるために、溶融金属を押し下げることが効果的であるが、ワイヤ送給の周波数が２００Ｈｚを超えると、アーク直下の溶融金属を押し下げる効果がほとんど働かないため、気孔欠陥が生じやすくなる。したがって、１回の正送と逆送との送給を１周期としたワイヤ送給の周波数は、４０Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下とする。本実施形態に係るアーク溶接では、ワイヤ送給の周波数を４０Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下の範囲にすることで、シールドガス全体積に対してＣＯ２ガスを８０体積％以上含有するシールドガスを用いても大粒のスパッタを低減できる。
ワイヤ送給の周波数は、５０Ｈｚ以上とすることが好ましく、６０Ｈｚ以上とすることがより好ましく、７０Ｈｚ以上とすることが特に好ましい。また、ワイヤ送給の周波数は、１６０Ｈｚ以下とすることが好ましく、１４０Ｈｚ以下とすることがより好ましく、１２０Ｈｚ以下とすることが特に好ましい。
＜溶接ワイヤの化学成分＞
次に、本実施形態に係るアーク溶接方法で使用することができる溶接ワイヤの化学成分について、その添加理由及び数値限定理由を詳細に説明する。本実施形態に係る溶接ワイヤは、ソリッドワイヤであることが好ましい。
（Ｃ：０質量％超０．３０質量％以下）
Ｃは、脱酸作用を有するとともに、溶接金属の強度を高める効果を有する成分である。本実施形態において使用することができる溶接ワイヤは、微量であってもＣを含有することにより、溶接金属の強度を調整することができる。したがって、ワイヤ中のＣ含有量はワイヤ全質量に対して、０質量％超とし、０．０１質量％以上であることが好ましく、０．０３質量％以上であることがより好ましい。
一方、ワイヤ中のＣ含有量が０．３０質量％を超えると、脱酸作用が大きくなり、溶滴の粘性が上昇するため、短絡しやすくなることでスパッタが発生しやすくなる。また、酸素と結びつくことにより、アーク近傍でＣＯが発生し、爆発によるスパッタが発生しやすくなり、ヒューム量が増加する。したがって、ワイヤ中のＣ含有量はワイヤ全質量に対して、０．３０質量％以下とし、０．２５質量％以下であることが好ましく、０．２０質量％以下であることがより好ましい。
（Ｓｉ：０．０１質量％以上０．３０質量％以下）
Ｓｉを主成分とする厚いスラグがビード表面に点在する場合に、スラグ上に電着塗装被膜を形成することができないため、本実施形態においては、ワイヤ中のＳｉ含有量を低減することにより、溶接ビード上に密着性が優れた薄いスラグを形成する。この薄いスラグの表面には、電着塗装被膜を形成することができるため、溶接部の電着塗装性を向上させることができる。また、ワイヤ中のＳｉ含有量を減少させると、ワイヤの電気抵抗が低くなり、これに伴ってアーク溶接時にワイヤは溶融し難くなるため、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、ピット及びブローホール等の気孔欠陥を抑制することができる。
ワイヤ中のＳｉ含有量が０．０１質量％未満であると、アーク発生時においてワイヤ先端の溶融金属部の粘性が著しく低下し、かつ脱酸効果が不十分となるため、アーク溶接中の溶滴移行が不安定になり溶滴の飛散などが発生し、スパッタが増大する。したがって、ワイヤ中のＳｉ含有量はワイヤ全質量に対して、０．０１質量％以上とし、０．０２質量％以上であることが好ましく、０．０５質量％以上であることがより好ましい。
一方、ワイヤ中のＳｉ含有量が０．３０質量％を超えると、Ｓｉが酸素と結びつくことにより形成されたスラグが凝集しやすくなり、スラグの厚さが増加する。その結果、スラグの表面に電着塗装被膜が形成されにくくなり、塗装欠陥が発生する。したがって、ワイヤ中のＳｉ含有量はワイヤ全質量に対して、０．３０質量％以下とし、０．２５質量％以下であることが好ましく、０．２０質量％以下であることがより好ましい。
（Ｍｎ：０．５質量％以上２．５質量％以下）
Ｍｎは有効な脱酸剤であり、Ｓと結合しやすい元素である。
ワイヤ中のＭｎ含有量が０．５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。したがって、ワイヤ中のＭｎ含有量はワイヤ全質量に対して、０．５質量％以上とし、０．８質量％以上であることが好ましく、１．０質量％以上であることがより好ましい。
一方、ワイヤ中のＭｎ含有量が２．５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。したがって、Ｍｎ含有量はワイヤ全質量に対して、２．５質量％以下とし、２．４質量％以下であることが好ましく、２．３質量％以下であることがより好ましい。
（Ｓ：０．００１質量％以上０．０２０質量％以下）
Ｓはビード始端形状をなだらかにするなど、溶融金属の表面張力に大きく影響を与える元素である。ワイヤ中のＳ含有量が０．００１質量％未満であると、上記効果を得ることができない。したがって、Ｓ含有量はワイヤ全質量に対して、０．００１質量％以上とし、０．００２質量％以上であることが好ましい。
一方、ワイヤ中のＳ含有量が０．０２０質量％を超えると、スラグが局所的に集まり、スラグ厚さが増加するため、電着塗装性が低下する。したがって、Ｓ含有量はワイヤ全質量に対して、０．０２０質量％以下とし、０．０１８質量％以下であることが好ましく、０．０１５質量％以下であることがより好ましい。
（Ｔｉ：０．０５質量％以上０．３０質量％以下）
Ｔｉは、本実施形態において使用することができるワイヤにおいて、最も重要な元素の一つであり、脱酸作用を有するとともに、スラグの物性を変化させる作用を有する成分である。Ｔｉの影響に関するメカニズムは必ずしも明確ではないが、本発明者らは、ワイヤがＴｉを適切な量で含有することによって、Ｓｉ、Ｍｎ及びＴｉからなる複合スラグにおいて、Ｔｉが周囲を覆うように生成する傾向を見出した。そのようなスラグは、電着塗装性がよいだけでなく、スラグと母材との密着性がよいため、腐食が進行しにくい。
ワイヤ中のＴｉ含有量が０．０５質量％未満であると、所望のスラグ状態を得ることが困難となる。したがって、ワイヤ中のＴｉ含有量はワイヤ全質量に対して、０．０５質量％以上とし、０．０８質量％以上であることが好ましく、０．１０質量％以上とすることがより好ましい。
一方、ワイヤ中のＴｉ含有量が０．３０質量％を超えると、過剰に脱酸が進行し、スラグ生成量が増加しすぎて、スラグが厚肉化するとともに、脱酸作用が進みすぎるため、ビード形状が悪化する。したがって、ワイヤ中のＴｉ含有量はワイヤ全質量に対して、０．３０質量％以下とし、０．２５質量％以下であることが好ましく、０．２３質量％以下であることがより好ましい。
（Ｐ：０質量％以上０．０２５質量％以下）
Ｐは、溶接金属の耐割れ性を低下させる元素であるが、溶接金属の耐割れ性は他の元素によっても低下させることができるため、ワイヤ中のＰ含有量は０質量％であってもよい。
一方、ワイヤ中のＰ含有量が０．０２５質量％を超えると、必要とされる溶接金属の耐割れ性を得ることができない。したがって、Ｐ含有量はワイヤ全質量に対して、０．０２５質量％以下とし、０．０２０質量％以下であることが好ましく、０．０１５質量％以下であることがより好ましい。
（Ｃｕ：０質量％以上０．５０質量％以下）
Ｃｕは、溶接金属の耐割れ性を低下させる元素であるが、溶接金属の耐割れ性は他の元素によっても低下させることができるため、ワイヤ中のＣｕ含有量は０質量％であってもよい。したがって、ワイヤ中のＣｕ含有量はワイヤ全質量に対して、０質量％以上とし、０．０１質量％以上であることが好ましく、０．０５質量％以上であることがより好ましい。
一方、ワイヤ中のＣｕ含有量が０．５０質量％を超えると、必要とされる溶接金属の耐割れ性を得ることができない。したがって、ワイヤ中のＣｕ含有量はワイヤ全質量に対して、０．５０質量％以下とし、０．３０質量％以下であることが好ましく、０．２５質量％以下であることがより好ましい。
（Ｎｉ：０質量％以上３．０質量％以下）
Ｎｉは、スラグ発生量に影響を与える成分ではないが、本実施形態においては、ワイヤ中のＳｉ含有量を低くしているため、溶接金属の強度を調整することを目的としてワイヤ中に含有させることができる。したがって、ワイヤ中のＮｉ含有量はワイヤ全質量に対して、０質量％以上とし、０．０１質量％以上であることが好ましく、０．１０質量％以上であることがより好ましい。
一方、ワイヤ中のＮｉ含有量が３．０質量％を超えると、溶接金属の強度が著しく上昇し、靱性が低下する。したがって、ワイヤ中のＮｉ含有量はワイヤ全質量に対して、３．０質量％以下とし、２．５質量％以下であることが好ましく、２．０質量％以下であることがより好ましい。
（Ｃｒ：０質量％以上３．０質量％以下）
Ｃｒは、スラグ発生量に影響を与える成分ではないが、本実施形態においては、ワイヤ中のＳｉ含有量を低くしているため、溶接金属の強度を調整することを目的としてワイヤ中に含有させることができる。したがって、ワイヤ中のＣｒ含有量はワイヤ全質量に対して、０質量％以上とし、０．０１質量％以上であることが好ましく、０．１質量％以上であることがより好ましい。
一方、ワイヤ中のＣｒ含有量が３．０質量％を超えると、溶接金属の強度が著しく上昇し、靱性が低下する。したがって、ワイヤ中のＣｒ含有量はワイヤ全質量に対して、３．０質量％以下とし、２．５質量％以下であることが好ましく、２．０質量％以下であることがより好ましい。
（Ｍｏ：０質量％以上１．０質量％以下）
Ｍｏは、スラグ発生量に影響を与える成分ではないが、本実施形態においては、ワイヤ中のＳｉ含有量を低くしているため、溶接金属の強度を調整することを目的としてワイヤ中に含有させることができる。したがって、ワイヤ中のＭｏ含有量はワイヤ全質量に対して、０質量％以上とする。
一方、ワイヤ中のＭｏ含有量が１．０質量％を超えると、溶接金属の強度が著しく上昇し、靱性が低下する。したがって、ワイヤ中のＭｏ含有量はワイヤ全質量に対して、１．０質量％以下とし、０．８質量％以下であることが好ましく、０．５質量％以下であることがより好ましい。
（Ａｌ：０質量％以上０．３０質量％以下）
Ａｌは、ＯやＮと親和性が高く、酸化物や窒化物を形成し、焼き入れ性を上げる元素であり、本実施形態においては、ワイヤ中にＡｌを含有させることができる。したがって、ワイヤ中のＡｌ含有量はワイヤ全質量に対して、０質量％以上とし、０．０１質量％以上であることが好ましく、０．０３質量％以上であることがより好ましい。
一方、Ａｌは脱酸作用を有し、酸化物としてスラグアウトするとともに、溶融金属表面に生成するスラグを凝集させて、溶接金属に対するスラグの密着性を低下させる元素でもある。ワイヤ中のＡｌ含有量が０．３０質量％を超えると、スラグが凝集して、スラグ上に電着塗装被膜を形成することが困難となる。したがって、ワイヤ中のＡｌ含有量はワイヤ全質量に対して、０．３０質量％以下とし、０．２０質量％以下であることが好ましく、０．１０質量％以下であることがより好ましい。
（Ｂ：０質量％以上０．０１００質量％以下）
Ｂは、溶接金属の強度を向上させる効果を有する元素であるため、溶接金属の強度を調整することを目的としてワイヤ中に含有させることができる。したがって、ワイヤ中のＢ含有量は０質量％以上とし、０．００１０質量％以上であることが好ましい。
一方、ワイヤ中のＢ含有量が０．０１００質量％を超えると、溶接金属の強度が著しく上昇し、靱性が低下する。また鋼板成分によっては溶接部の高温割れなどの溶接欠陥を誘発する因子となる。したがって、ワイヤ中のＢ含有量はワイヤ全質量に対して、０．０１００質量％以下とし、０．００８０質量％以下であることが好ましく、０．００６０質量％以下であることがより好ましい。
（残部：Ｆｅ及び不可避的不純物）
本実施形態において使用することができるワイヤの残部は、Ｆｅ及び不可避的不純物である。不可避的不純物としては、例えば、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｌｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｂｉ及びＡｓ等が挙げられる。これらの不可避的不純物の含有量は、ワイヤ全質量に対して、それぞれ、０．０１００質量％以下であることが好ましく、０．００５０質量％以下であることがより好ましい。
また、これらの不可避的不純物の含有量の合計は、ワイヤ全質量に対して、０．０２００質量％以下であることが好ましい。
（Ｏ：０質量％超０．０２００質量％以下）
Ｏは、必須成分ではないが、スラグの生成量に影響を及ぼすとともに、表面張力を低下させビードのなじみを良好にする効果を有する元素のため、所定の含有量の範囲内でＯをワイヤ中に含有させることができる。ワイヤ中にＯを含有させる場合には、ワイヤ中のＯ含有量はワイヤ全質量に対して０質量％超とし、０．００１０質量％以上であることが好ましく、０．００３０質量％以上であることがより好ましい。
一方、ワイヤ中のＯ含有量が０．０２００質量％を超えると、溶融金属の表面張力が低くなり過ぎて、スパッタが増加するとともにビード形状が劣化する。したがって、ワイヤ中のＯ含有量はワイヤ全質量に対して、０．０２００質量％以下とし、０．０１５０質量％以下であることが好ましく、０．０１２０質量％以下であることがより好ましい。
（Ｎ：０質量％超０．０１５０質量％以下）
Ｎは、必須成分ではないが、溶融金属の表面張力を低下させ、ビードのなじみを良好にする効果を有する元素であり、溶接金属の強度を向上させるとともに、耐疲労性を向上させる元素のため、所定の含有量の範囲内でＮをワイヤ中に含有させることができる。ワイヤ中にＮを含有させる場合には、ワイヤ中のＮ含有量はワイヤ全質量に対して、０質量％超とし、０．００１０質量％以上であることが好ましく、０．００２５質量％以上であることがより好ましい。
一方、ワイヤ中のＮ含有量が０．０１５０質量％を超えると、溶融金属の表面張力が低くなり過ぎて、スパッタが増加するとともにビード形状が劣化する。また、溶接金属組織中に粗大な窒化物が形成され靱性が低下する。したがって、ワイヤ中のＮ含有量はワイヤ全質量に対して、０．０１５０質量％以下とし、０．０１３０質量％以下であることが好ましく、０．０１１０質量％以下であることがより好ましい。
（式（１）により得られる値：１．０超）
Ｔｉ、Ｓｉ及びＳは、スラグの凝集に影響を与える元素である。具体的には、ワイヤ中のＳｉ含有量及びＳ含有量を増加させることによりスラグが凝集し、ワイヤ中のＴｉ含有量を増加させることにより、スラグを分散させることができる。下記式（１）により得られる値が１．０以下であると、スラグの密着性が低下し、ビード形状も不良となる。また、スパッタ発生量も増加する。したがって、下記式（１）により得られる値は１．０超とし、１．５超であることが好ましく、２．０超であることがより好ましい。
２×［Ｔｉ］／［Ｓｉ］－５０×［Ｓ］・・・式（１）
ただし、［Ｔｉ］は、溶接ワイヤ全質量に対するＴｉの含有量（質量％）を表し、［Ｓｉ］は、溶接ワイヤ全質量に対するＳｉの含有量（質量％）を表し、［Ｓ］は、溶接ワイヤ全質量に対するＳの含有量（質量％）を表す。
＜シールドガス＞
一般的に、アーク溶接時に使用されるシールドガス中のＣＯ２ガスを減少させ、Ａｒガスを増加させると、スラグ発生量を低減することができ、溶接部の電着塗装性が向上する。しかしながら、シールドガスのＡｒガスの割合を増加させると、ＣＯ２ガスよりも高価であるため、Ａｒガスを増加させると、使用するガスのコストが増加してしまう。
一方、従来の溶接方法では、８０体積％以上のＣＯ２ガスを含むシールドガス雰囲気下においてアーク溶接を実施すると、スパッタ発生量が増加するとともに、ビード形状も劣化してしまう。本実施形態においては、ワイヤの成分及びワイヤの送給制御の条件を制御することによって、シールドガス中のＣＯ２量が８０体積％以上の場合であっても、スパッタ発生量及びスラグ発生量を低減することができ、溶接性に優れるとともに、溶接部の電着塗装性に優れた溶接を可能としている。
シールドガス中のＣＯ２ガスが８０体積％未満であると、高価なＡｒガス等の使用量が増加し、シールドガスのコストが上昇する。また、溶込みを確保する観点からは、シールドガス中のＣＯ２ガスは、シールドガス全体積に対して８０体積％以上であることが好ましく、９５体積％以上であることがより好ましく、１００体積％であることが最も好ましい。
なお、シールドガス中には、ＣＯ２ガスの他に、Ａｒガス、Ｈｅガス及びＯ２ガス等が含有されていてもよい。
＜ピーク電流：２００Ａ以上＞
本実施形態においては、上記のとおり、溶接ワイヤの正送と逆送との送給を交互に切り替えながら鋼板を溶接するワイヤ送給制御方式を採用している。すなわち、アーク期間と短絡期間とを繰り返す電流及び電圧の波形に合わせて、ワイヤの送給方向を、正送と逆送との間で変化させている。
本実施形態に係るアーク溶接においては、ピーク電流の期間で溶滴を形成すると同時に、電磁ピンチ力を発生させ、溶滴にくびれを形成させる。ピーク電流が２００Ａ未満であると、溶滴ピンチ力が不足し、溶滴が長く伸び、規則的な短絡制御が困難になる。また、アーク力が小さくなり、アーク直下の溶融金属を押し下げる効果が小さくなり、気孔欠陥が生じやすくなる。したがって、ピーク電流は２００Ａ以上であることが好ましく、２５０Ａ以上であることがより好ましい。ピーク電流の上限は特に限定されないが、４５０Ａ以下であることが実際的であり、４００Ａ以下であることが好ましい。
＜ベース電流：１００Ａ以下＞
本実施形態に係るアーク溶接においては、アーク力を下げることにより、ピーク電流で形成した溶滴を離脱させやすくするだけでなく、短絡発生時のスパッタ飛散を抑制する効果を得ることができる。ただし、ベース電流が１００Ａを超えると、短絡時のエネルギーが大きくなり、大粒スパッタが発生しやすくなる。したがって、ベース電流は１００Ａ以下であることが好ましく、７０Ａ以下であることがより好ましい。ベース電流の下限は特に限定されないが、１５Ａ以上であることが実際的であり、２０Ａ以上であることが好ましく、２５Ａ以上であることがより好ましい。
＜母材＞
本実施形態に係るアーク溶接方法において、溶接対象となる母材の鋼種については特に限定されず、例えば、熱間圧延鋼板であるＳＰＨ４４０（引張強さ４４０ＭＰａ級鋼板）、ＳＰＨ５９０（引張強さ５９０ＭＰａ級鋼板）、及びＳＰＨ７８０（引張強さ７８０ＭＰａ級鋼板）等、種々の組成の鋼板を使用することができる。また、板厚についても特に限定されないが、鋼板の板厚が０．６ｍｍ以上であると、溶け落ちを抑制した溶接をすることができる。また、６ｍｍ以下であると、重ね継手などでも１パス施工で一般的に必要とされるのど厚を確保することができる。したがって、鋼板の板厚は０．６ｍｍ以上６ｍｍ以下とすることが好ましい。
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。
＜その他の溶接条件＞
本実施形態に係るアーク溶接方法における溶接電圧、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６０ｃｍ／ｍｉｎ以上である。
また、本実施形態発に係るアーク溶接方法において使用することができるワイヤのワイヤ径（直径）についても、特に限定されるものではないが、ＡＷＳ又はＪＩＳ等の溶接材料規格に規定された直径のワイヤに適用することができる。
以下に実施例を挙げて本実施形態を更に具体的に説明するが、本発明はこれら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。
［試験Ｉ］
＜発明例（試験Ｎｏ．１～２１）及び比較例（試験Ｎｏ．２２～３２）＞
まず、ワイヤの化学成分及び溶接条件を制御した場合のスラグの生成及びスパッタ等に対する効果を評価するため、下記表１及び表２に示す種々の化学成分を有し、直径が１．２ｍｍのワイヤを作製した。次いで、以下に示す溶接条件により、ワイヤの正送と逆送との送給を交互に切り替えながら、鋼板に対してアーク溶接を行い、スラグ密着性、電着塗装性、ビード形状及びスパッタについて評価した。評価結果を下記表３に併せて示す。
なお、ＳＰＨ４４０鋼板は、本発明の対象となる用途において最も多く使用されている鋼板であるため、試験Ｉにおいては、母材としてＳＰＨ４４０鋼板を使用した。また、設定電圧としては、適宜適切な電圧を設定した。
（溶接条件）
鋼板：縦２００ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ２．３ｍｍ、ＳＰＨ４４０鋼板
溶接姿勢：水平重ねすみ肉溶接
シールドガス：１００体積％ＣＯ２ガス
ピーク電流：３００Ａ
ベース電流：４０Ａ
ワイヤ送給量：６．７ｍ／ｍｉｎ
溶接速度：１００ｃｍ／ｍｉｎ
溶接長：１５０ｍｍ
なお、表１及び表２において、「ワイヤの化学成分（質量％）」とは、ワイヤ全質量に対する各元素の含有量（質量％）を表す。また、Ｃｕ含有量には、Ｃｕめっき分が含まれる。また、表１及び表２中の「－」は、ワイヤの溶製時にその成分を添加していないか、ワイヤ中に含まれるその成分が検出限界値以下であることを意味する。
各評価の評価方法及び評価基準について、以下に説明する。
＜スラグ密着性＞
スラグ密着性については、ＪＩＳ Ｚ １５２２：２００９に規定されるセロハン粘着テープ（幅１２～１９ｍｍ）を溶接金属の表面に貼り、これを剥がすことにより評価した。
スラグ密着性は、セロハン粘着テープの粘着面において、ビード表面に貼り付けた部分を試験の対象面として、対象面に付着したスラグの量を目視によって観察することにより、３段階で評価した。
スラグ密着性の評価基準としては、対象面にスラグが付着していないものを◎（優良）とし、対象面にスラグがわずかに付着しているが、スラグが付着している面積が対象面全面積に対して２割未満であるものを○（良好）とし、スラグが付着している面積が対象面全面積に対して２割以上であるものを×（不良）とした。
＜電着塗装性＞
電着塗装性については、ビード表面におけるスラグの生成状態を目視によって観察することにより３段階で評価した。具体的には、溶接長が１５０ｍｍ～２００ｍｍの範囲において、光沢スラグ又は褐色スラグが生成されているかどうかを観察した。光沢スラグはＳｉを主成分とするスラグであり、褐色スラグは厚さが２０μｍ以上の厚いスラグであるため、これらのスラグの表面は電着塗装による被膜が形成されないことを表している。
電着塗装性の評価基準としては、観察範囲全面積に対して、光沢スラグ及び褐色スラグの生成率がいずれも０％であったものを◎（優良）とし、褐色スラグが生成されていても、光沢スラグの生成率が０％であったものを○（良好）とし、光沢スラグが生成されたものを×（不良）とした。
＜ビード形状＞
ビード形状については、溶接長が１５０ｍｍ～２００ｍｍの範囲において、ビード際の揃いとビード形状を目視によって観察することにより３段階で評価した。
ビード形状の評価基準としては、ビード際の揃い及びビード形状が優れているものを◎（優良）とし、◎には劣るが実用上使用可能なものを○（可）とし、溶接欠陥が生じたものを×（劣）とした。
＜スパッタ＞
スパッタについては、アーク溶接時に、スパッタ発生量、大粒スパッタ発生の有無及びワークへのスパッタ付着の有無を目視によって観察することにより４段階で評価した。
スパッタの評価基準としては、大粒スパッタの発生がないとともに、ワークへのスパッタ付着がなかったものを◎（優良）とし、大粒スパッタは発生するが少量で、ワークへのスパッタ付着が問題にならないものを〇（良好）とし、大粒スパッタが多量に発生し、ワークへのスパッタ付着が顕著なものを×（劣）とした。
Figure 2022042360000001
Figure 2022042360000002
Figure 2022042360000003
上記表１～３に示すように、試験Ｎｏ．１～２１は、ワイヤの化学成分、シールドガス及び送給の周波数等が本発明の範囲内であるため、評価結果がいずれも優良（◎）又は良好（〇）となった。また、１００％ＣＯ２シールドガスを使用していても、スラグ状態及びスパッタが優れたものとなるため、溶接構造物の製造コストを低減することができる。
一方、試験Ｎｏ．２２～３３は、ワイヤの化学成分のうち、Ｓｉ、Ｓ、Ｔｉ、Ｎの含有量のうち少なくとも１つ、又は式（１）により算出される値が本発明の範囲から外れているため、スラグ密着性、電着塗装性、ビード形状及びスパッタの少なくとも１つの評価結果が不良（×）となった。なお、試験Ｎｏ．２８、２９は、ワイヤのＮ含有量が不可避的不純物の含有量ではなく、Ｎを過剰に含有した例である。
［試験ＩＩ］
＜発明例（試験Ｎｏ．３４、３５、３７、３９～４２）及び比較例（試験Ｎｏ．３６、３８）＞
次に、送給の周波数による影響を評価するため、ワイヤＮｏ．１、２、１２及び１７を使用して、種々の周波数でワイヤの正送と逆送との送給を交互に切り替えながら、鋼板に対してアーク溶接を行い、スラグ密着性、電着塗装性、ビード形状及びスパッタについて評価した。
なお、送給の周波数以外の溶接条件は、上記試験Ｉにおける溶接条件と同様とした。評価結果を下記表４に示す。
Figure 2022042360000004
上記表４に示すように、試験Ｎｏ．３４、３５、３７及び３９～４２は、送給の周波数が本発明の範囲内であるため、評価結果がいずれも優良（◎）又は良好（〇）となった。
一方、比較例のワイヤＮｏ．３６及び３８は、送給の周波数が本発明範囲の下限未満であるため、ビード形状及びスパッタの評価結果が劣（×）となった。
［試験ＩＩＩ］
＜発明例（試験Ｎｏ．４３～４８）及び比較例（試験Ｎｏ．４９～５１）＞
次に、鋼種による影響を評価するため、ワイヤＮｏ．１、２及び３３を使用して、ＳＰＨ５９０鋼板及びＳＰＨ７８０鋼板に対してアーク溶接を行い、スラグ密着性、電着塗装性、ビード形状及びスパッタについて評価した。
なお、鋼種以外の溶接条件は、上記試験Ｉにおける溶接条件と同様とした。ＳＰＨ４４０鋼板に対してアーク溶接を行った評価結果とともに、試験ＩＩＩの評価結果を下記表５に示す。
Figure 2022042360000005
上記表５に示すように、試験Ｎｏ．４３～４８は、ワイヤの化学成分及び溶接条件等が本発明の範囲内であるため、鋼種にかかわらず、評価結果がいずれも優良（◎）又は良好（〇）となった。一方、試験Ｎｏ．４９～５１は、比較例であるワイヤＮｏ．３３を用いたものであるため、いずれの鋼種に対して溶接した場合であっても、スラグ密着性及び電着塗装性の評価結果が不良（×）となった。
上記結果より、本発明は、鋼種によって溶接ワイヤ及び溶接条件等を選択する必要がなく、製造コストを低減することができる。

Claims (8)

  1. 溶接ワイヤの正送と逆送との送給を交互に切り替えながら鋼板を溶接するアーク溶接方法であって、
    前記溶接ワイヤは、
    溶接ワイヤ全質量に対して、
    Ｃ：０質量％超０．３０質量％以下、
    Ｓｉ：０．０１質量％以上０．３０質量％以下、
    Ｍｎ：０．５質量％以上２．５質量％以下、
    Ｓ：０．００１質量％以上０．０２０質量％以下、
    Ｔｉ：０．０５質量％以上０．３０質量％以下、
    を含有し、
    Ｐ：０質量％以上０．０２５質量％以下、
    Ｃｕ：０質量％以上０．５０質量％以下、
    Ｎｉ：０質量％以上３．０質量％以下、
    Ｃｒ：０質量％以上３．０質量％以下、
    Ｍｏ：０質量％以上１．０質量％以下、
    Ａｌ：０質量％以上０．３０質量％以下、
    Ｂ：０質量％以上０．０１００質量％以下、
    であり、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、
    下記式（１）により得られる値が１．０超であり、
    シールドガス全体積に対して、ＣＯ２ガスを８０体積％以上含有するシールドガスを使用し、
    １回の前記正送と逆送との送給を１周期として、４０Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下の周波数で溶接することを特徴とするアーク溶接方法。
    ２×［Ｔｉ］／［Ｓｉ］－５０×［Ｓ］・・・（１）
    ただし、［Ｔｉ］は、溶接ワイヤ全質量に対するＴｉの含有量（質量％）を表し、［Ｓｉ］は、溶接ワイヤ全質量に対するＳｉの含有量（質量％）を表し、［Ｓ］は、溶接ワイヤ全質量に対するＳの含有量（質量％）を表す。
  2. ピーク電流を２００Ａ以上として溶接することを特徴とする、請求項１に記載のアーク溶接方法。
  3. ＣＯ２ガスが１００体積％であるシールドガスを使用して溶接することを特徴とする、請求項１又は２に記載のアーク溶接方法。
  4. 前記溶接ワイヤ全質量に対する前記Ａｌの含有量は、０．０１質量％以上であることを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載のアーク溶接方法。
  5. 前記溶接ワイヤ全質量に対する前記Ｍｏの含有量は、０．０１質量％以上０．５質量％以下であることを特徴とする、請求項１～４のいずれか１項に記載のアーク溶接方法。
  6. 前記溶接ワイヤは、さらにＮを含有し、
    前記溶接ワイヤ全質量に対する前記Ｎの含有量は、０質量％超０．０１５０質量％以下であることを特徴とする、請求項１～５のいずれか１項に記載のアーク溶接方法。
  7. 前記溶接ワイヤは、さらにＯを含有し、
    前記溶接ワイヤ全質量に対する前記Ｏの含有量は、０質量％超０．０２００質量％以下であることを特徴とする、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６ｍｍ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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