JP2599807B2 - 炭酸ガスアーク溶接用低スパッタソリッドワイヤ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、アーク溶接用ソリッドワイヤに係り、より
詳細には、炭酸ガスアーク溶接に際し、溶滴の短絡移行
とグロビュラ移行の混在するスパッタの多発する電流域
において、アークの安定性及びスパッタの低減を改良し
たアーク溶接用ソリッドワイヤに関するものである。

（従来の技術及び解決しようとする課題） ソリッドワイヤを用いた炭酸ガスアーク溶接では、比
較的低電流域では溶滴は短絡移行する。しかし、電流を
上げても、不活性ガスアーク溶接のようにスプレー移行
にはならず、溶滴が極めて大きくなり、短絡移行とグロ
ビュラ移行とが混在するだけであるため、アークの安定
性を損ない、スパッタが多発することになる。

したがって、スパッタの低減を図るには、電流を下げ
て短絡域で行なうか、或いは電流を極端に上げて完全な
グロビュラ移行とするかのいずれかが採用されている。
しかし、前者の場合には能率が低下するという問題があ
る。また、後者の場合には、薄板溶接へ適用すると溶け
落ちや高速溶接の面で良くないという問題がある。

結局、この短絡移行とグロビュラ移行とが混在する電
流域ではスパッタの発生を低減できないのが現状であ
る。

本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、短絡移行
とグロビュラ移行とが混在する電流域においても、アー
クの安定性を確保し、スパッタ発生を低減できる炭酸ガ
スアーク溶接用ソリッドワイヤを提供することを目的と
するものである。

（課題を解決するための手段） 前記課題を解決するため、本発明者は、スパッタ発生
の機構及びアーク安定性を溶接材料の物性面より鋭意検
討を重ねた。その結果、最も効果的な成分系を確立する
に至り、特に、溶滴の粘度及び表面張力をワイヤ成分T
i、Mn、Ｃ等で調整すると共にCOガス爆発の抑制を図る
ことにより、炭酸ガスアーク溶接における短絡移行とグ
ロビュラ移行とが混在する電流域でのスパッタの発生を
抑え、勿論、それ以外の電流域でも効果があり、溶接作
業性に優れた低スパッタソリッドワイヤを見い出したも
のである。

すなわち、本発明は、C:0.02〜0.08％、Si:0.8〜1.0
％、Mn:1.3〜1.9％、P:0.030％以下、S:0.005〜0.030
％、Ti:0.06〜0.10％及びAl:0.020％以下を含有し、か
つ、Si/Mn＝0.47〜0.71、C/Ti＝0.2〜1.0、Al/Ti＝0.17
以下、総酸素量が30〜180ppmであり、残部がFe及び不可
避的不純物からなることを特徴とする炭酸ガスアーク溶
接用低スパッタソリッドワイヤを要旨とするものであ
る。

以下に本発明を更に詳述する。

（作用） まず、スパッタ低減のメカニズムを検討するに当たっ
て、高速度ビデオによる溶滴移行とアーク電圧波形のオ
シログラフによりスパッタ発生状況を観察した。その結
果、第１表に示すように、次のことが判明した。

短絡移行とグロビュラ移行とが混在する比較的高電流
域では、低電流域の短絡移行域と比べ溶滴形状が不安定
で径も大きくなり、短絡周期や短絡時間も不規則とな
る。その結果、スパッタ発生量が多くなり、大粒のスパ
ッタも多くなる。また、大粒のスパッタが発生した時や
溶滴の爆発時にアークも不安定になり易い。

また、スパッタ発生過程を、 （１）短絡した瞬間、 （２）再アーク発生時点、 で整理してみると、Ａ型短絡（完全溶滴移行）及びＢ型
短絡（不完全移行、瞬間短絡）のいずれにおいても、再
アーク時にスパッタの発生が多くみられた。更に、Ｂ型
短絡よりもＡ型短絡の方での発生が多い。

したがって、スパッタ発生を少なくするには、短絡回
数を少なくし、且つ溶滴形状を球状にして短絡周期を規
則的にすれば良いこと、更に、溶滴の爆発は、炭素と酸
素の反応によるCO爆発を抑制すれば良いことも知見され
た。

かゝる知見に基づき、本発明のワイヤにおいては、ス
パッタを少なくすべく、短絡数を少なく再アークの回数
を少なくし、かつ、溶滴形状をやや大きな形状とし、更
に溶滴の爆発現象を少なくしたものである。更にCO爆発
を少なくしたものである。前者は、Ti、Mn、Si等による
酸素の抑制及びＳの抑制により、溶滴の粘度及び表面張
力が大きく、且つ溶滴をやや大きく球状にすることによ
って実現した。一方、後者は、Ｃ添加の抑制により実現
した。

また、本発明のワイヤにおいては、短絡時の溶滴移行
もスムーズである。これは、表面張力が大きいことと、
溶滴径が大なることによる移行力増大に起因すると推定
される。

次に、本発明のワイヤにおける化学成分の限定理由に
ついて説明する。

C:0.02〜0.08％ Ｃ量を減少すれば、スパッタは少なくなっていく傾向
が見られる（第３図参照）。また、溶滴径も大きくな
り、短絡回数も少なくなると共にアークもソフトになり
安定する。これは、CO爆発の減少によるためと思われ
る。この効果は0.08％以下でみられる。

しかし、0.02％未満になると、スパッタが逆に多少増
加傾向になるだけでなく、機械的性能の引張強さが低下
してしまう。

したがって、Ｃ量は、0.02〜0.08％の範囲とし、更に
望ましくは0.02〜0.06％である。

Si:0.8〜1.0％ Si量を増加すれば、スパッタは減少の傾向にある（第
４図参照）。しかし、1.0％を超えると炭酸ガスアーク
溶接で問題となるスラグの発生が多くなり、またビード
が凸になったり、更には溶接金属の靱性も低下する。一
方、0.8％未満ではスパッタの減少効果はあるものの未
だ不充分であり、また健全な溶接金属を得るための脱酸
効果も薄くなる。

したがって、Si量は0.8〜1.0％の範囲とする。

Mn:1.3〜1.9％ Mnは、Siと同様、その量が増加するとスパッタは減少
の傾向にある（第５図参照）。しかし、1.9％を超える
と生産時の伸線性が極端に悪くなる。一方、1.3％未満
に減少させるとスパッタの減少効果が弱くなるだけでな
く、溶接金属の引張強度も保持できなくなる。

したがって、Mn量は1.3〜1.9％の範囲とし、更に望ま
しくは1.4〜1.7％である。

P:0.030％以下 Ｐは、割れ発生防止の点より、0.030％以下に抑制す
るのが良い。

S:0.005〜0.030％ Ｓを抑制すれば、スパッタは減少の傾向にある（第６
図参照）。しかし、通常の生産上では0.005％以下に抑
制するのはコストアップになる。また、0.005％未満で
はビード形状が凸になりすぎる。一方、0.030％を超え
ると高温割れの発生、ビードの波目の不揃いが発生す
る。

したがって、Ｓ量は0.005〜0.030％の範囲とする。

Ti:0.06〜0.10％ Ti量を増加すれば、スパッタ減少の傾向は大きくなる
（第７図参照）。しかし、0.10％を超えるとスパッタ減
少の傾向は飽和し、逆に炭酸ガスアーク溶接で問題とな
るスラグが多くなる。また、0.06％未満ではスパッタの
減少効果はあるものの未だ不充分である。

したがって、Ti量は0.06〜0.12％の範囲とする。

Al:0.020％以下 Alはスパッタ減少には良くない。したがって極力少な
い方が良い（第８図参照）。しかし、ビード外観を整え
るために、0.020％以下で若干量を含有させるのが良
い。

Si/Mn:0.47〜0.71 スパッタ発生量は、Si/Mn比にあまり左右されない
が、ビード形状に影響を与えることが判明した。すなわ
ち、この比が0.71より大きすぎるとビード形状が凸とな
り、逆に0.47より小さくなるとビードが偏平になりすぎ
る。したがって、本発明においては、Si/Mn:0.47〜0.71
に規制するものである。

C/Ti:0.2〜1.0 C/Ti比が小さくなるにつれて、スパッタ発生量は減少
していく傾向がある。しかし、この比が0.2より小さく
なると、スパッタは逆に増加し、しかも大粒のスパッタ
が多くなる。一方、この比が1.0を超えるとスパッタの
減少が望めなくなる（第１図参照）。したがって、本発
明においては、C/Ti:0.2〜1.0に規制するものである。

Al/Ti:0.17以下 Al/Ti比は小さい方がスパッタ減少には良いことが判
明した。具体的には0.17以下が良い（第２図参照）。な
お、ビードの外観を保つためには、この比が若干の値と
なるようにするのが望ましい。

なお、本発明においては、ワイヤに含まれる総酸素量
を30〜180ppmの範囲に規制する。酸素量が上限値を超え
ると溶滴の表面張力低下によってスパッタがやや多くな
り、また溶接金属の衝撃値低下が生じる。逆に、下限値
を割るとアークの安定性が悪くなる。

以上、本発明のワイヤにおける化学成分の限定理由に
ついて述べたが、スパッタ発生量については、各成分を
変化させ、スパッタ発生量、ビード形状、スラグ発生量
等について比較検討した結果、得られたものである。

ワイヤ径は特に限定されないが、0.8〜1.6mmφの範囲
が特に実用範囲である。

次に本発明の実施例を示す。

（実施例） 第２表、第３表及び第５表に示す化学成分を有するワ
イヤを試作し、各ワイヤについて第４表に示す条件で溶
接試験を行ない、その時発生したスパッタを調べた。そ
の結果を第２表第３表及び第５表に併記する。なお、ス
パッタは第９図に示す装置を用いて採取した。

第２表第３表及び第５表より、次のように考察され
る。

（１） 表中、A1〜A7、A8〜A9、A10、A11〜A12、A13〜
A15、A16〜A18、A19、A20〜A22は本発明例でありいずれ
も、スパッタ発生量は少なく（ほぼ0.4〜0.7g/min）、
スラグ発生量も少なく、ビード形状及び溶接金属の性能
も良好であった。

（２） 一方、B12、B13、B14、B16、B19〜B24は一成分
のみ本発明範囲を外れた比較例である。B12はＰ量が多
いために高温割れが発生した。B13はＳ量が少ないため
に溶解コストが高い。B14はＳ量が多いために割れが発
生し、ビード外観が悪化した。B16はTi量が多いために
スラグが多発した。B19はＣ量が少ないために引張強度
（T.S.）が低い。B20はＣ量が多いためにスパッタ発生
量が多い。B21はSi量が少ないためにスパッタ発生量が
多い。B22はSi量が多いためスラグが多く凸ビードとな
った。B23はMn量が少ないため引張温度（T.S.）が低
い。B24はMn量が多いため伸線性が悪い。

（３） また、B2〜B3、B5、B17、B26〜B28、B29は各成
分は本発明範囲に入っているが、成分比が本発明範囲を
逸脱している比較例である。B26及びB29はSi/Mnが本発
明範囲外であるためにビード外観が悪化し、B2B17及びB
28はAl/Tiが本発明範囲外であるためにスパッタが多発
し、B3B5及びB27はC/Tiが本発明範囲外であるためにス
パッタが多発した。

（４） 更に、B1、B4、B6〜B7、B8、B9、B10〜B11、B1
5、B18、B25は各成分及び成分比が本発明範囲を外れて
いる比較例である。B4、B6、B15、B18はＣ、Al、TiやC/
Ti、Al/Tiが本発明範囲を外れているためにスパッタが
多発し、B1、B7、B8及びB9はSiが本発明範囲を外れてい
るために、スパッタが多発し、スラグが多量となった。
Si/Mnが本発明範囲を外れているためにビード形状が悪
化した。B9及びB11はSiやMnが多いためにスラグ量が増
加し、Si/Mnが本発明範囲外であるためにビード形状が
悪化した。

（発明の効果） 以上詳述したように、本発明によれば、ソリッドワイ
ヤを用いた炭酸ガスアーク溶接で、特に短絡移行とグロ
ビュラ移行とが混在する電流域でスパッタの発生を低減
可能としたので、用途範囲を拡張できる効果は顕著であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はスパッタ発生量とワイヤの成分比の
関係を示す図、 第３図〜第８図はスパッタ発生量とワイヤの各成分との
関係を示す図、 第９図はスパッタ発生量の測定装置を示す図で、（ａ）
は側面図、（ｂ）は一部平面図である。 １……スパッタ補集板、２……ワイヤ送給装置、３……
トーチ、４……母材、５……台車。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−157794（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−140343（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−50992（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−50992（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−109592（ＪＰ，Ａ) 特公 昭62−47120（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で（以下、同じ）、C:0.02〜0.08
   ％、Si:0.8〜1.0％、Mn:1.3〜1.9％、P:0.030％以下、
   S:0.005〜0.030％、Ti:0.06〜0.10％及びAl:0.02％以下
   を含有し、かつ、Si/Mn＝0.47〜0.71、C/Ti＝0.2〜1.
   0、Al/Ti＝0.17以下、総酸素量が30〜180ppmであり、残
   部がFe及び不可避的不純物からなることを特徴とする炭
   酸ガスアーク溶接用低スパッタソリッドワイヤ。