JP3584894B2 - ガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤ（以下、溶接ワイヤという）に係り、とくにワイヤの送給性及びアーク安定性が重要視されるロボットを用いた自動溶接、或いは高い溶接電流で施工される鉄骨や橋梁用のガスシールドアーク溶接などに好適な溶接用鋼ワイヤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シールドガスとして、炭酸ガス、アルゴン及び炭酸ガス、または酸素を含む混合ガスなどの、酸化性（活性）ガスを用いて、径が０．６ 〜１．６ ｍｍの細い溶接ワイヤを消耗電極として、４〜２０ｍ／ｍｉｎ と高速でアーク点に供給するＭＡＧ 溶接法においては、その安定した溶接を実現するために、溶接ワイヤの安定送給が必要不可欠である。この溶接ワイヤの送給性を確保するために、溶接ワイヤ表面には、Ｃｕめっきが施されると共に、潤滑油が適宜塗布されているのが、一般的である。
【０００３】
しかし、近年、溶接ロボットを用いた連続溶接や高電流溶接等が実用化されるに伴い、溶接ワイヤの送給が不安定になるトラブルが多発しており、従来のＣｕめっき及び潤滑油の適量塗布による対策では、十分なワイヤ送給性を確保することが困難になってきている。
【０００４】
ここに、溶接用ワイヤの送給性に関して、特開平５−２３７３１ 号公報には、ポリ四弗化エチレン、ＭｏＳ２、グラファイト及び鉱物からなる潤滑剤を、ワイヤ表面に保持させてワイヤ送給性を向上させる方法が提案されている。
【０００５】
また、特開平１１−２１７５７８号公報には、ＭｏＳ２または、ＷＳ２ 、エステルまたは石油ろう、および潤滑剤からなる潤滑剤をワイヤ表面に保持させてワイヤ送給性を向上させた方法が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの方法をもってしても、溶接ロボットを用いた連続溶接や高電流溶接等においては、依然として溶接ワイヤの送給が不安定になるトラブルを回避することが難しいのが実状である。
従って、この発明の目的は、特に高電流での連続溶接などの厳しい条件下のガスシールドアーク溶接においても、安定した送給性が得られる溶接ワイヤを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、溶接ロボットを用いた連続溶接や高電流溶接時に、溶接ワイヤの送給が不安定になる現象に関して、ワイヤの表面状態、潤滑剤、無機物の働き及び高電流溶接におけるワイヤ組成が与える影響について、それぞれ鋭意検討したところ、特にワイヤの成分組成及びワイヤ表面に付着させる潤滑剤組成の影響が大きいことを見出した。
【０００８】
まず、溶接ワイヤの成分組成については、所定量のＣ、Ｓｉ及びＭｎを含みかつＣａ量を制限することによって、溶接時の短絡並びに溶接ワイヤの送給抵抗の増加が抑制され、アーク安定性を向上し得ることを見出した。
【０００９】
さらに、溶接電流が３００ Ａ以上の高電流条件下においては、短時間の溶接によって給電チップ先端温度が５００ ℃をこえるために、従来の潤滑剤、つまりエステルや潤滑油は高温に晒されて分解してしまい、潤滑性を保持できないことが判明した。これに対して、熱に対して安定な無機物を中心とした固形潤滑剤、つまりＭｏＳ２、ポリ４弗化エチレン、金属石鹸及びＫ化合物から成る混合物をワイヤ表面に所定量付着させることによって、給電チップの温度が上昇する溶接電流３００ Ａ以上の条件下での長時間溶接においても、安定したワイヤの送給が確保されることも見出した。
【００１０】
この発明は、上記の知見に基づいて成されたものである。
すなわち、この発明の要旨構成は、次のとおりである。
(A) ガスシールドアーク溶接に供する溶接用鋼ワイヤであって、Ｃ：0.20mass％以下、Si：0.25〜2.5 mass％及びMn：0.45〜3.5 mass％を含み、かつCaを0.0020mass％以下に抑制した、鋼ワイヤの表面に、平均厚さ： 0.5 μ m 以上の Cu めっきを施してから、脂肪酸エステル及び潤滑油のいずれか１種または２種を合計でワイヤ10kg当り0.2 〜1.8 ｇに加えて、MoS2：15〜40mass％、ポリ４弗化エチレン：0.01〜2.0 mass％、金属石鹸：２〜15mass％、Ｋ化合物：10〜40mass％及び銅粉：40mass％以下からなる混合物を、ワイヤ10kg当り0.2 〜1.0 ｇで付着して成ることを特徴とするガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤ。
【００１１】
（Ｂ） 上記（Ａ） において、溶接用鋼ワイヤは、下記（１） 式で求められるワイヤ実表面積比Ｓが０．０１以上３．００以下であることを特徴とするガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤ。
記
Ｓ＝（Ｓｏ−Ｓａ）／Ｓａ×ｌ００ −−−−−（１）
ここで、Ｓｏ：実表面積
Ｓａ：理論表面積
【００１３】
【発明の実施の形態】
まず、この発明の溶接ワイヤについて、その成分組成の限定理由について詳しく説明する。
Ｃ：０．２０ｍａｓｓ％以下
Ｃは、溶接金属の強度を確保するために重要な成分であるが、溶鋼の粘性を低下させ流動性を向上させる作用を有するため、多量に含有すると溶鋼および溶融池の挙動が不安定となり、スパッタを多発すると共に、不安定な短絡現象により、ワイヤの送給性を阻害することになる。そのため、Ｃは０．２０ｍａｓｓ％以下に限定した。なお、下限は、溶接金属の強度を確保するために、０．０１ｍａｓｓ％とすることが好ましい。
【００１４】
Ｓｉ：０．２５〜２．５ ｍａｓｓ％
Ｓｉは、脱酸作用を有し、溶接金属の脱酸のためには不可欠な成分であり、０．２５ｍａｓｓ％未満では、溶鋼および溶融池が揺動し、スパッタを多発すると共に、不安定な短絡現象により、ワイヤの送給性を阻害するため、０．２５ｍａｓｓ％以上の含有が必要である。一方、２．５ ｍａｓｓ％をこえて含有すると、溶接金属の靱性が低下するため、Ｓｉは０．２５〜２．５ ｍａｓｓ％に限定した。
【００１５】
Ｍｎ：０．４５〜３．５ ｍａｓｓ％
Ｍｎは、Ｓｉと同様に、脱酸作用を有し、溶接金属の脱酸のためには不可欠な成分であり、０．４５ｍａｓｓ％未満では溶融金属の脱酸が不足し、溶接金属にブロー欠陥が発生すると共に、溶鋼および溶融池が揺動し、不安定な短絡現象により、ワイヤの送給性を阻害するため、０．４５ｍａｓｓ％以上の含有が必要である。一方、３．５ ｍａｓｓ％をこえて含有すると、溶接金属の靱性が低下するため、Ｍｎは０．４５〜３．５ ｍａｓｓ％に限定した。
【００１６】
Ｃａ：０．００２０ｍａｓｓ％以下
Ｃａは、製鋼および鋳造時の不純物として、あるいは伸線加工時の不純物としてワイヤに混入されるが、溶接においては、アークを不安定にしてスパッタを増大させるため、極力低減する必要がある。すなわち、Ｃａが０．００２０ｍａｓｓ％をこえて含まれると、溶鋼へのアーク集中によりアークが不安定になってスパッタを増大させると共に、不安定な短絡現象によりワイヤの送給性を阻害する。従って、Ｃａは０．００２０ｍａｓｓ％以下に制限した。
【００１７】
また、この発明では、上記の成分組成に加えて、さらにＰ：０．００３ 〜０．０５０ ｍａｓｓ％、Ｓ：０．０５０ ｍａｓｓ％以下、Ｋ：０．０００１〜０．０１５０ｍａｓｓ％及びＴｉ：０．３０ｍａｓｓ％以下を含有することができる。各成分における、含有量の限定理由は以下のとおりである。
【００１８】
Ｐ：０．０５０ ｍａｓｓ％以下
Ｐは、製鋼および鋳造時の不純物としてワイヤに混入されるが、ビード形状を平滑とするために添加する場合もある。しかし、０．０５０ ｍａｓｓ％をこえて添加すると、溶融金属の粘性を低下させ、アークが不安定となり、小粒の溶滴が増加するため、Ｐの添加量は０．０５０ ｍａｓｓ％以下とすることが好ましい。なお、ビード形状を平滑とするために添加する場合は、０．００３ ｍａｓｓ％以上は必要である。
【００１９】
Ｓ：０．０５０ ｍａｓｓ％以下
Ｓは、溶融金属の粘性を低下させ、ワイヤ先端に懸垂した溶滴の離脱を助け、アークを安定化することに寄与する。また、Ｓは、溶融金属の粘性を低下させて、ビードを平滑にする働きも有する。このような効果は、０．０１５ ｍａｓｓ％以上の添加で認められる。一方、０．０５０ ｍａｓｓ％をこえて含有すると、小粒の溶滴が増加するとともに、溶接金属の靱性が低下するため、Ｓは０．０５０ ｍａｓｓ％以下とするのが好ましい。
【００２０】
Ｋ：０．０００１〜０．０１５０ｍａｓｓ％
Ｋは、アークを広げ（またはソフト化し）、アーク溶接において溶滴の移行をスムーズにし、溶滴そのものを微細化し、ワイヤ送給抵抗の変動（振動）を抑制する効果を有する。この効果は、０．０００１ｍａｓｓ％以上の含有で認められる。一方、０．０１５０ｍａｓｓ％以上の含有は、アーク長が長くなり、ワイヤ先端に懸垂した溶滴が不安定となり、スパッタの発生を増すため、Ｋは０．０００１〜０．０１５０ｍａｓｓ％で添加することが好ましい。より好ましくは、０．０００３〜０．００３０ｍａｓｓ％である。なお、Ｋは、沸点が約７６０ ℃と低く溶製段階での歩留りが著しく低いため、Ｋの添加は、溶製段階で行わないで、ワイヤ製造中にワイヤ表面にカリウム塩溶液を塗布して焼鈍を施す手法にて行うことが、ワイヤ内部にＫを安定して含有させる上で好ましい。
【００２１】
Ｔｉ：０．３０ｍａｓｓ％以下
Ｔｉは、脱酸剤として作用し、さらに溶接金属を強度増加する成分であり、この発明では必要に応じて含有させる。このような効果は、０．０３０ ｍａｓｓ％以上の含有で顕著となる。一方、０．３０ｍａｓｓ％をこえて含有すると、溶滴が粗大となり大粒のスパッタを発生させる。また、溶接金属の靱性を著しく低下させる。よって、Ｔｉ含有量は、０．３０ｍａｓｓ％以下含有させるのが好ましい。
【００２２】
また、この発明では、上記の成分組成に加えて、Ｃｒ：３．０ ｍａｓｓ％以下、Ｎｉ：３．０ ｍａｓｓ％以下、Ｍｏ：１．５ ｍａｓｓ％以下、Ｃｕ：３．０ ｍａｓｓ％以下及びＢ：０．００５ ｍａｓｓ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を添加してもよい。
すなわち、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕ及びＢは、いずれも溶接金属の強度を増加させ、また耐侯性を向上させる成分であり、必要に応じて選択添加することができる。この添加量は、各成分とも僅かでも効果があるから、特に下限を設ける必要はない。しかし、過剰な添加は靱性の低下を招くため、含有させる場合は、Ｃｒは３．０ ｍａｓｓ％以下、Ｎｉは３．０ ｍａｓｓ％以下、Ｍｏは１．５ ｍａｓｓ％以下、Ｃｕは３．０ ｍａｓｓ％以下、Ｂは０．００５ ｍａｓｓ％以下とすることが好ましい。
【００２３】
さらに、この発明では、上記の成分組成に加えて、Ｚｒ、Ｎｂ及びＶのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で０．５５ｍａｓｓ％以下で添加してもよい。すなわち、Ｚｒ、Ｎｂ及びＶは、いずれも溶接金属の強度、靱性及びアークの安定性を向上させる成分であり、必要に応じて選択して１種または２種以上を含有できる。この添加量は、各成分とも僅かでも効果があるから、特に下限を設ける必要はない。しかし、これら成分の合計が０．５５ｍａｓｓ％をこえると、靱性の低下を招くため、Ｚｒ、Ｎｂ及びＶのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で０．５５ｍａｓｓ％以下とすることが好ましい。
【００２４】
さらにまた、この発明では、上記の成分組成に加えて、Ａｌを０．５０ｍａｓｓ％以下で添加してもよい。すなわち、Ａｌは、溶接金属の脱酸剤として、また横向き溶接におけるアーク安定性を向上させる成分であり、必要に応じて添加することができる。しかし、０．５０ｍａｓｓ％をこえて添加すると、靱性の低下を招くため、０．５０ｍａｓｓ％以下とすることが好ましい。
【００２５】
なお、上記した成分以外の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物である。代表的な不可避的不純物としてはＯ及びＮがあり、Ｏ：０．０２０ ｍａｓｓ％以下及びＮ：０．０１０ｍａｓｓ％以下に制限することが好ましい。特に、Ｏは、溶製中あるいはワイヤ製造中に不可避的に含有される成分であるが、溶滴の移行形態を細分化するのに効果があり、０．００２０ｍａｓｓ％以上０．００８０ｍａｓｓ％以下に調整することが好ましい。
【００２６】
次に、上記の成分組成を有するワイヤの製造方法について具体的に説明する。すなわち、上記の成分組成に調整した溶鋼を、転炉または電気炉等を用いた、公知の溶製方法により溶製し、好ましくは連続鋳造法により、ビレット等の鋼素材とする。その後、これら鋼素材を加熱してから、熱間圧延あるいはさらに乾式による冷間圧延（伸線）を施して鋼素線とする。熱間圧延あるいは冷間圧延の条件は、所望の寸法形状の鋼素線となる条件であればよく、とくに限定されない。次いで、これら鋼素線は、さらに焼鈍−酸洗−銅めっき−伸線加工−潤滑剤付与の各工程を順次施して、所定の線径の製品、つまり溶接ワイヤとされる。
【００２７】
上記の溶接ワイヤの製造において、焼鈍前のワイヤ表面にカリウム塩溶液を塗布したのち、焼鈍を行うことが好ましい。カリウム塩溶液としては、クエン酸３カリウム水溶液、炭酸化カリウム水溶液及び水酸化カリウム水溶液等が挙げられる。塗布溶液のカリウム塩濃度は、Ｋ換算で０．５ 〜３．０ ｖｏｌ％とすることが好ましい。
【００２８】
このカリウム塩溶液を表面に塗布されたワイヤを焼鈍することにより、焼鈍中に生成される内部酸化層中にＫが安定に保持される。表面塗布や、Ｃｕめっき中に保持させる等の方法では、めっきの変色等による問題が発生しやすく、また熱的に不安定であることから、Ｋによる低スパッタ化の効果が小さくなる。
【００２９】
焼鈍は、ワイヤの軟化及びＫの付与を所期して行うものであり、温度：６５０ 〜９５０ ℃の範囲内で、水蒸気を含む窒素ガス雰囲気中で行うことが好ましい。すなわち、焼鈍温度が６５０ ℃未満では、内部酸化反応の進行が遅く、一方９５０ ℃をこえると、酸化反応の進行が速すぎて内部酸化量の調整が困難となる。
【００３０】
焼鈍雰囲気は、露点０℃以下、酸素濃度２００ｐｐｍ以下とすることが、内部酸化層形成の観点から望ましい。このような雰囲気中で、表面にカリウム塩含有溶液を塗布されたワイヤを焼鈍することにより、その表面から酸化が進行し、表層部が内部酸化される。この内部酸化部にカリウムが、確実に保持される。
【００３１】
なお、焼鈍における温度及び時間は、ワイヤ中のＫ含有量が好ましくは０．０００３〜０．００３０ｍａｓｓ％、そしてＯ含有量が０．００２０〜０．００８０ｍａｓｓ％となるように、ワイヤの径と、カリウム塩濃度及びカリウム塩含有溶液の塗布量等の塗布条件と、関連して決定されることが望ましい。
【００３２】
また、上記の焼鈍を経たワイヤは、酸洗後に、その表面にCuめっきを施す。このCuめっきは、後述のように、0.5 μm 以上の厚さとすることが望ましい。
すなわち、高電流での連続溶接においては、給電不良によりワイヤの送給が阻害されやすい。しかし、Cuめっき厚を0.5 μm 以上とすることにより、給電不良によるワイヤ送給の不安定化が容易に防止できる。なお、より好ましくは0.8 μm 以上である。また、このようにCuめっきを厚目付とすることにより、給電チップの損耗も低減できるという効果もある。
【００３３】
さらに、ワイヤ実表面積比Ｓが０．０１以上３．００以下であることが有利である。このワイヤ実表面積比Ｓは、上記した（１） 式にて示されるように、実表面積Ｓｏと理論表面積Ｓａとの差を理論表面積Ｓａに対する比として示したものである。
ここで、実表面積Ｓｏとは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による４００ 倍の観察面においてワイヤが占める面積を意味し、一方理論表面積Ｓａとは、同様の観察面においてワイヤを円柱として算出した表面積を意味する。
【００３４】
なお、ここで扱う表面積とは、後述する潤滑剤の付着がない状態における、ワイヤ表面を対象とするものであり、上記したＣｕめっきを施した場合は、Ｃｕめっき層を含めた表面を対象とする。
【００３５】
従って、ワイヤの実表面積比Ｓは、潤滑剤を施すワイヤ表面の凹凸の大きさを指すことになり、実表面積比Ｓの増加は潤滑剤付着サイトの増加を意味し、同Ｓの低下は表面がより平滑であることを示している。すなわち、給電の安定化を図るためには、ワイヤ表面を平滑にすることが好ましく、ワイヤの実表面積比Ｓを３．００未満とすることが肝要である。一方、ワイヤの実表面積比Ｓが０．０１未満では、ワイヤ表面への潤滑剤の付着量が不足しやすく、かりに付着したとしても送給ローラー部でスリップしてしまい安定したワイヤの送給性が確保できない。よって、ワイヤの実表面積比Ｓは０．０１以上３．００以下とすることが好ましい。
【００３６】
ちなみに、後述する実施例におけるワイヤＮｏ．６について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて調査した結果を図１に示すように、該ワイヤにおける実表面積比Ｓは１．２４％である。なお、この実表面積比Ｓは、図１中のＳＲｌｒ値から１００ を減じることによって得られる。
【００３７】
以上の Cuめっきを施したワイヤの表面には、次に示す潤滑剤を付着することが肝要である。
脂肪酸エステル及び潤滑油のいずれか１種または２種以上：0.2 以上〜1.8 以下
ワイヤの表面には、ワイヤ送給時の抵抗を軽減して該送給を安定化し、さらに後述の混合物中のMoS2及びＫ化合物によるワイヤ表面の変色と劣化を防ぐために、脂肪酸エステル、潤滑油、または脂肪酸エステル及び潤滑油の混合物のいずれかを付着しておくことが不可欠である。その付着量は、ワイヤ10kg当り0.2 ｇ未満では、上記した効果を得ることが難しく、一方付着量がワイヤ10kg当り1.8 ｇをこえると、ワイヤ送給ローラーのスリップをまねいて、ワイヤ送給速度が著しく変動し、アークの安定化が困難になる。従って、脂肪酸エステル及び潤滑油のいずれか１種または２種は、ワイヤ表面への付着量をワイヤ10kg当り0.2 〜1.8ｇとする。
【００３８】
ＭｏＳ２：１５〜４０ｍａｓｓ％、ポリ４弗化エチレン：０．０１〜２．０ ｍａｓｓ％、金属石鹸：２〜１５ｍａｓｓ％、Ｋ化合物：１０〜４０ｍａｓｓ％及び銅粉：４０ｍａｓｓ％以下からなる混合物
溶接電流４００Ａで１分以上の連続溶接を行うと、ワイヤ送給系の先端に位置する給電チップは、５００ ℃以上の高温となる。この条件では、上記の脂肪酸エステルまたは潤滑油では潤滑性を保持することができない。そこで、発明者らは、種々の潤滑物質を検討した結果、この高温環境下での潤滑性を有するものとして、ＭｏＳ２、ポリ４弗化エチレン、金属石鹸及びＫ化合物の混合物が有効であること見出した。
【００３９】
しかし、ＭｏＳ２：１５〜４０ｍａｓｓ％、ポリ４弗化エチレン：０．０１〜２．０ ｍａｓｓ％、金属石鹸：２〜１５ｍａｓｓ％及びＫ化合物：１０〜４０ｍａｓｓ％の範囲を外れると、この高温域での潤滑性が保持できずに、ワイヤ送給速度が著しく変動し、アークの安定化が困難になるため、各成分を上記の範囲内に規制することが肝要である。
【００４０】
一方、Ｃｕめっき後の伸線工程で発生する銅粉が、上記の混合物中に不可避に含まれるが、この含有量が４０ｍａｓｓ％をこえると、給電チップでの焼付きによる瞬間的な送給停止現象を生じてアークが不安定になってしまうことから、混合物中の銅粉を４０ｍａｓｓ％以下に規制する必要がある。
【００４１】
さらに、この混合物によって、高温域で給電チップに対する潤滑を保持するには、混合物の付着量をワイヤ１０ｋｇ当り０．２ 〜１．０ ｇの範囲とすることが肝要である。すなわち、付着量がワイヤ１０ｋｇ当り０．２ ｇ未満では、高電流溶接時の送給抵抗が高くなって、送給性を改善する効果が認められず、一方、付着量が同１．０ ｇをこえると、給電チップ内面に混合物が溜ってワイヤの送給性と給電を阻害し、アークが不安定となる。従って、混合物の付着量は、ワイヤ１０ｋｇ当り０．２ 〜１．０ｇとした。
【００４２】
【実施例】
連続鋳造にて製造された鋼素材（ビレット）を、熱間圧延し、５．６ 〜７．０ ｍｍφの線材とし、次いで冷間加工（伸線）により、２．０ 〜２．８ ｍｍφの鋼素線とした。これら鋼素線に、２ 〜３０ ｖｏｌ％のクエン酸３カリウム水溶液を塗布した。塗布量は鋼素線１ｋｇ当り３０〜５０ｇとした。その後、これら鋼素線を露点−２ ℃以下、酸素２００ ｐｐｍ 以下及び二酸化炭素０．１ ％以下のＮ２ 雰囲気中において焼鈍した。なお、焼鈍温度は７６０ 〜９５０ ℃の範囲とした。この際、線径、カリウム塩濃度、加熱温度並びに保持時間の調整により、ワイヤの内部酸化によるＯ量とＫ量とを調整した。焼鈍後、鋼素線に酸洗を施してから、鋼素線表面にＣｕめっきを施した。Ｃｕめっき後、これら鋼素線に、冷間で伸線加工を施し、１．２ ｍｍφのワイヤとした。この冷間加工には、湿式伸線を用いたが、その一部の伸線工程において、ＭｏＳ２、ポリ４弗化エチレン、金属石鹸及びＫ化合物よりなる混合物を供給しながらの乾式伸線を加えることによって、高温潤滑性物質による混合物をワイヤ表面に付着させた。その付着量は、乾式伸線数、ダイススケジュール及びダイス形状により調整した。
【００４３】
かくして得られた溶接ワイヤの成分組成、実表面積比及びＣｕめっき厚は表１及び２に示すとおりであり、またワイヤ表面の潤滑剤及び混合物（高温潤滑剤）の組成並びに付着量は表３及び４に示すとおりである。
【００４４】
【表１】
【００４５】
【表２】
【００４６】
【表３】
【００４７】
【表４】
【００４８】
次いで、これら溶接ワイヤを用いて、ワイヤ送給溶接試験を行い、ワイヤ送給抵抗、スパッタ発生量及び給電チップの損耗度を、以下のように評価した。
（１） ワイヤ送給抵抗
図２に示すワイヤ送給性評価装置を用い、板厚１９ｍｍの鋼板上に２分間のビ−ドオン溶接を行い、ワイヤ送給抵抗を測定した。ここで、ワイヤ送給抵抗の目標値は６０Ｎ以下とし、ワイヤ送給抵抗が４０Ｎ以下を良（○）、４０Ｎ超え６０Ｎ以下を可（△）、６０Ｎ超えを不可（×）として、評価した。なお、図２において、符号１は溶接電源、２は溶接トーチ、３はコンジェットチューブ３ａ内に挿入した溶接ワイヤ、４はワイヤ送給ローラーであり、ロードセル５によってワイヤの送給抵抗を測定する。
【００４９】
（２） スパッタ発生量
枚厚１９ｍｍの鋼板上に２分間のビードオン溶接を行い、Ｃｕ製捕集治具を用いて、スパッタを捕集し、スパッタ発生量を測定した。溶接時間は１ｍｉｎ とした。なお、スパッタ発生量の目標値は３．０ｇ／ｍｉｎ以下とし、スパッタ発生量が２．０ｇ／ｍｉｎ以下を良（○）、２．０ｇ／ｍｉｎ 超え３．０ｇ／ｍｉｎ以下を可（△）、３．０ｇ／ｍｉｎ 超えを不可（×）として、評価した。
【００５０】
（３） 給電チップの損耗度
直径８００ｍｍ φの鋼管（肉厚：２５ｍｍ）を自転させながら、鋼管外局に連続溶接（３０ｍｉｎ 間）した。この連続溶接後に、チップ先端内径を測定し、最大値、最小値を求めチップ内径の楕円化率を算出し、給電チップの損耗度を評価した。なお、チップ内径の楕円化率（％）は、次式で算出した。
楕円化率＝（チップ先端内径の最大値）／（チップ先端内径最小値）−１
そして、楕円化率の目標値を５％以下とし、楕円化率が２％以下を良（○）、２％こえ５％以下を可（△）、５％こえを不可（×）として、給電チップの損耗度を評価した。
以上の溶接試験で用いた溶接条件は下記のとおりである。
記
・シールドガス ：ＣＯ２ １００％、流量：２０ ｌ／ｍｉｎ
・溶接電源 ：インバータ電源
・極性 ：逆極性直流
・溶接電流 ：４００ Ａ
・溶接電圧 ：３９ Ｖ
・溶接速度 ：２５ ｃｍ／ｍｉｎ
これらの試験結果を表５及び６に示す。
【００５１】
【表５】
【００５２】
【表６】
【００５３】
この発明に従う溶接ワイヤは、ワイヤ送給抵抗が６０Ｎ以下、スパッタ発生量が３．０ｇ／ｍｉｎ以下と少なく、給電チップの損耗はさらに低減されていた。
一方、この発明の条件を外れる比較例では、ワイヤ送給抵抗は６０Ｎをこえ、スパッタ発生量が３．０ｇ／ｍｉｎ をこえてスパッタが多発するとともに、給電チップの損耗が顕著であった。
【００５４】
【発明の効果】
この発明の溶接ワイヤを用いることによって、ガスシールドアーク溶接を高電流で連続して行う場合においても、ワイヤ送給性とアークの安定性に優れ、安定した品質の溶接継手が得られる。また、スパッタ量も低減でき、さらに給電の安定性にも優れ、給電チップの損耗も低減できるなど、産業上格段の効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によるワイヤの表面粗さを測定した結果を示す図である。
【図２】溶接ワイヤの評価に使用した溶接用鋼ワイヤ送給性評価装置を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 溶接電源
２ 溶接トーチ
３ 溶接ワイヤ
３ａ コンジェットチューブ
４ ワイヤ送給ローラー
５ ロードセル
【発明の属する技術分野】
この発明は、ガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤ（以下、溶接ワイヤという）に係り、とくにワイヤの送給性及びアーク安定性が重要視されるロボットを用いた自動溶接、或いは高い溶接電流で施工される鉄骨や橋梁用のガスシールドアーク溶接などに好適な溶接用鋼ワイヤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シールドガスとして、炭酸ガス、アルゴン及び炭酸ガス、または酸素を含む混合ガスなどの、酸化性（活性）ガスを用いて、径が０．６ 〜１．６ ｍｍの細い溶接ワイヤを消耗電極として、４〜２０ｍ／ｍｉｎ と高速でアーク点に供給するＭＡＧ 溶接法においては、その安定した溶接を実現するために、溶接ワイヤの安定送給が必要不可欠である。この溶接ワイヤの送給性を確保するために、溶接ワイヤ表面には、Ｃｕめっきが施されると共に、潤滑油が適宜塗布されているのが、一般的である。
【０００３】
しかし、近年、溶接ロボットを用いた連続溶接や高電流溶接等が実用化されるに伴い、溶接ワイヤの送給が不安定になるトラブルが多発しており、従来のＣｕめっき及び潤滑油の適量塗布による対策では、十分なワイヤ送給性を確保することが困難になってきている。
【０００４】
ここに、溶接用ワイヤの送給性に関して、特開平５−２３７３１ 号公報には、ポリ四弗化エチレン、ＭｏＳ２、グラファイト及び鉱物からなる潤滑剤を、ワイヤ表面に保持させてワイヤ送給性を向上させる方法が提案されている。
【０００５】
また、特開平１１−２１７５７８号公報には、ＭｏＳ２または、ＷＳ２ 、エステルまたは石油ろう、および潤滑剤からなる潤滑剤をワイヤ表面に保持させてワイヤ送給性を向上させた方法が提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの方法をもってしても、溶接ロボットを用いた連続溶接や高電流溶接等においては、依然として溶接ワイヤの送給が不安定になるトラブルを回避することが難しいのが実状である。
従って、この発明の目的は、特に高電流での連続溶接などの厳しい条件下のガスシールドアーク溶接においても、安定した送給性が得られる溶接ワイヤを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、溶接ロボットを用いた連続溶接や高電流溶接時に、溶接ワイヤの送給が不安定になる現象に関して、ワイヤの表面状態、潤滑剤、無機物の働き及び高電流溶接におけるワイヤ組成が与える影響について、それぞれ鋭意検討したところ、特にワイヤの成分組成及びワイヤ表面に付着させる潤滑剤組成の影響が大きいことを見出した。
【０００８】
まず、溶接ワイヤの成分組成については、所定量のＣ、Ｓｉ及びＭｎを含みかつＣａ量を制限することによって、溶接時の短絡並びに溶接ワイヤの送給抵抗の増加が抑制され、アーク安定性を向上し得ることを見出した。
【０００９】
さらに、溶接電流が３００ Ａ以上の高電流条件下においては、短時間の溶接によって給電チップ先端温度が５００ ℃をこえるために、従来の潤滑剤、つまりエステルや潤滑油は高温に晒されて分解してしまい、潤滑性を保持できないことが判明した。これに対して、熱に対して安定な無機物を中心とした固形潤滑剤、つまりＭｏＳ２、ポリ４弗化エチレン、金属石鹸及びＫ化合物から成る混合物をワイヤ表面に所定量付着させることによって、給電チップの温度が上昇する溶接電流３００ Ａ以上の条件下での長時間溶接においても、安定したワイヤの送給が確保されることも見出した。
【００１０】
この発明は、上記の知見に基づいて成されたものである。
すなわち、この発明の要旨構成は、次のとおりである。
(A) ガスシールドアーク溶接に供する溶接用鋼ワイヤであって、Ｃ：0.20mass％以下、Si：0.25〜2.5 mass％及びMn：0.45〜3.5 mass％を含み、かつCaを0.0020mass％以下に抑制した、鋼ワイヤの表面に、平均厚さ： 0.5 μ m 以上の Cu めっきを施してから、脂肪酸エステル及び潤滑油のいずれか１種または２種を合計でワイヤ10kg当り0.2 〜1.8 ｇに加えて、MoS2：15〜40mass％、ポリ４弗化エチレン：0.01〜2.0 mass％、金属石鹸：２〜15mass％、Ｋ化合物：10〜40mass％及び銅粉：40mass％以下からなる混合物を、ワイヤ10kg当り0.2 〜1.0 ｇで付着して成ることを特徴とするガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤ。
【００１１】
（Ｂ） 上記（Ａ） において、溶接用鋼ワイヤは、下記（１） 式で求められるワイヤ実表面積比Ｓが０．０１以上３．００以下であることを特徴とするガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤ。
記
Ｓ＝（Ｓｏ−Ｓａ）／Ｓａ×ｌ００ −−−−−（１）
ここで、Ｓｏ：実表面積
Ｓａ：理論表面積
【００１３】
【発明の実施の形態】
まず、この発明の溶接ワイヤについて、その成分組成の限定理由について詳しく説明する。
Ｃ：０．２０ｍａｓｓ％以下
Ｃは、溶接金属の強度を確保するために重要な成分であるが、溶鋼の粘性を低下させ流動性を向上させる作用を有するため、多量に含有すると溶鋼および溶融池の挙動が不安定となり、スパッタを多発すると共に、不安定な短絡現象により、ワイヤの送給性を阻害することになる。そのため、Ｃは０．２０ｍａｓｓ％以下に限定した。なお、下限は、溶接金属の強度を確保するために、０．０１ｍａｓｓ％とすることが好ましい。
【００１４】
Ｓｉ：０．２５〜２．５ ｍａｓｓ％
Ｓｉは、脱酸作用を有し、溶接金属の脱酸のためには不可欠な成分であり、０．２５ｍａｓｓ％未満では、溶鋼および溶融池が揺動し、スパッタを多発すると共に、不安定な短絡現象により、ワイヤの送給性を阻害するため、０．２５ｍａｓｓ％以上の含有が必要である。一方、２．５ ｍａｓｓ％をこえて含有すると、溶接金属の靱性が低下するため、Ｓｉは０．２５〜２．５ ｍａｓｓ％に限定した。
【００１５】
Ｍｎ：０．４５〜３．５ ｍａｓｓ％
Ｍｎは、Ｓｉと同様に、脱酸作用を有し、溶接金属の脱酸のためには不可欠な成分であり、０．４５ｍａｓｓ％未満では溶融金属の脱酸が不足し、溶接金属にブロー欠陥が発生すると共に、溶鋼および溶融池が揺動し、不安定な短絡現象により、ワイヤの送給性を阻害するため、０．４５ｍａｓｓ％以上の含有が必要である。一方、３．５ ｍａｓｓ％をこえて含有すると、溶接金属の靱性が低下するため、Ｍｎは０．４５〜３．５ ｍａｓｓ％に限定した。
【００１６】
Ｃａ：０．００２０ｍａｓｓ％以下
Ｃａは、製鋼および鋳造時の不純物として、あるいは伸線加工時の不純物としてワイヤに混入されるが、溶接においては、アークを不安定にしてスパッタを増大させるため、極力低減する必要がある。すなわち、Ｃａが０．００２０ｍａｓｓ％をこえて含まれると、溶鋼へのアーク集中によりアークが不安定になってスパッタを増大させると共に、不安定な短絡現象によりワイヤの送給性を阻害する。従って、Ｃａは０．００２０ｍａｓｓ％以下に制限した。
【００１７】
また、この発明では、上記の成分組成に加えて、さらにＰ：０．００３ 〜０．０５０ ｍａｓｓ％、Ｓ：０．０５０ ｍａｓｓ％以下、Ｋ：０．０００１〜０．０１５０ｍａｓｓ％及びＴｉ：０．３０ｍａｓｓ％以下を含有することができる。各成分における、含有量の限定理由は以下のとおりである。
【００１８】
Ｐ：０．０５０ ｍａｓｓ％以下
Ｐは、製鋼および鋳造時の不純物としてワイヤに混入されるが、ビード形状を平滑とするために添加する場合もある。しかし、０．０５０ ｍａｓｓ％をこえて添加すると、溶融金属の粘性を低下させ、アークが不安定となり、小粒の溶滴が増加するため、Ｐの添加量は０．０５０ ｍａｓｓ％以下とすることが好ましい。なお、ビード形状を平滑とするために添加する場合は、０．００３ ｍａｓｓ％以上は必要である。
【００１９】
Ｓ：０．０５０ ｍａｓｓ％以下
Ｓは、溶融金属の粘性を低下させ、ワイヤ先端に懸垂した溶滴の離脱を助け、アークを安定化することに寄与する。また、Ｓは、溶融金属の粘性を低下させて、ビードを平滑にする働きも有する。このような効果は、０．０１５ ｍａｓｓ％以上の添加で認められる。一方、０．０５０ ｍａｓｓ％をこえて含有すると、小粒の溶滴が増加するとともに、溶接金属の靱性が低下するため、Ｓは０．０５０ ｍａｓｓ％以下とするのが好ましい。
【００２０】
Ｋ：０．０００１〜０．０１５０ｍａｓｓ％
Ｋは、アークを広げ（またはソフト化し）、アーク溶接において溶滴の移行をスムーズにし、溶滴そのものを微細化し、ワイヤ送給抵抗の変動（振動）を抑制する効果を有する。この効果は、０．０００１ｍａｓｓ％以上の含有で認められる。一方、０．０１５０ｍａｓｓ％以上の含有は、アーク長が長くなり、ワイヤ先端に懸垂した溶滴が不安定となり、スパッタの発生を増すため、Ｋは０．０００１〜０．０１５０ｍａｓｓ％で添加することが好ましい。より好ましくは、０．０００３〜０．００３０ｍａｓｓ％である。なお、Ｋは、沸点が約７６０ ℃と低く溶製段階での歩留りが著しく低いため、Ｋの添加は、溶製段階で行わないで、ワイヤ製造中にワイヤ表面にカリウム塩溶液を塗布して焼鈍を施す手法にて行うことが、ワイヤ内部にＫを安定して含有させる上で好ましい。
【００２１】
Ｔｉ：０．３０ｍａｓｓ％以下
Ｔｉは、脱酸剤として作用し、さらに溶接金属を強度増加する成分であり、この発明では必要に応じて含有させる。このような効果は、０．０３０ ｍａｓｓ％以上の含有で顕著となる。一方、０．３０ｍａｓｓ％をこえて含有すると、溶滴が粗大となり大粒のスパッタを発生させる。また、溶接金属の靱性を著しく低下させる。よって、Ｔｉ含有量は、０．３０ｍａｓｓ％以下含有させるのが好ましい。
【００２２】
また、この発明では、上記の成分組成に加えて、Ｃｒ：３．０ ｍａｓｓ％以下、Ｎｉ：３．０ ｍａｓｓ％以下、Ｍｏ：１．５ ｍａｓｓ％以下、Ｃｕ：３．０ ｍａｓｓ％以下及びＢ：０．００５ ｍａｓｓ％以下のうちから選ばれた１種または２種以上を添加してもよい。
すなわち、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕ及びＢは、いずれも溶接金属の強度を増加させ、また耐侯性を向上させる成分であり、必要に応じて選択添加することができる。この添加量は、各成分とも僅かでも効果があるから、特に下限を設ける必要はない。しかし、過剰な添加は靱性の低下を招くため、含有させる場合は、Ｃｒは３．０ ｍａｓｓ％以下、Ｎｉは３．０ ｍａｓｓ％以下、Ｍｏは１．５ ｍａｓｓ％以下、Ｃｕは３．０ ｍａｓｓ％以下、Ｂは０．００５ ｍａｓｓ％以下とすることが好ましい。
【００２３】
さらに、この発明では、上記の成分組成に加えて、Ｚｒ、Ｎｂ及びＶのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で０．５５ｍａｓｓ％以下で添加してもよい。すなわち、Ｚｒ、Ｎｂ及びＶは、いずれも溶接金属の強度、靱性及びアークの安定性を向上させる成分であり、必要に応じて選択して１種または２種以上を含有できる。この添加量は、各成分とも僅かでも効果があるから、特に下限を設ける必要はない。しかし、これら成分の合計が０．５５ｍａｓｓ％をこえると、靱性の低下を招くため、Ｚｒ、Ｎｂ及びＶのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で０．５５ｍａｓｓ％以下とすることが好ましい。
【００２４】
さらにまた、この発明では、上記の成分組成に加えて、Ａｌを０．５０ｍａｓｓ％以下で添加してもよい。すなわち、Ａｌは、溶接金属の脱酸剤として、また横向き溶接におけるアーク安定性を向上させる成分であり、必要に応じて添加することができる。しかし、０．５０ｍａｓｓ％をこえて添加すると、靱性の低下を招くため、０．５０ｍａｓｓ％以下とすることが好ましい。
【００２５】
なお、上記した成分以外の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物である。代表的な不可避的不純物としてはＯ及びＮがあり、Ｏ：０．０２０ ｍａｓｓ％以下及びＮ：０．０１０ｍａｓｓ％以下に制限することが好ましい。特に、Ｏは、溶製中あるいはワイヤ製造中に不可避的に含有される成分であるが、溶滴の移行形態を細分化するのに効果があり、０．００２０ｍａｓｓ％以上０．００８０ｍａｓｓ％以下に調整することが好ましい。
【００２６】
次に、上記の成分組成を有するワイヤの製造方法について具体的に説明する。すなわち、上記の成分組成に調整した溶鋼を、転炉または電気炉等を用いた、公知の溶製方法により溶製し、好ましくは連続鋳造法により、ビレット等の鋼素材とする。その後、これら鋼素材を加熱してから、熱間圧延あるいはさらに乾式による冷間圧延（伸線）を施して鋼素線とする。熱間圧延あるいは冷間圧延の条件は、所望の寸法形状の鋼素線となる条件であればよく、とくに限定されない。次いで、これら鋼素線は、さらに焼鈍−酸洗−銅めっき−伸線加工−潤滑剤付与の各工程を順次施して、所定の線径の製品、つまり溶接ワイヤとされる。
【００２７】
上記の溶接ワイヤの製造において、焼鈍前のワイヤ表面にカリウム塩溶液を塗布したのち、焼鈍を行うことが好ましい。カリウム塩溶液としては、クエン酸３カリウム水溶液、炭酸化カリウム水溶液及び水酸化カリウム水溶液等が挙げられる。塗布溶液のカリウム塩濃度は、Ｋ換算で０．５ 〜３．０ ｖｏｌ％とすることが好ましい。
【００２８】
このカリウム塩溶液を表面に塗布されたワイヤを焼鈍することにより、焼鈍中に生成される内部酸化層中にＫが安定に保持される。表面塗布や、Ｃｕめっき中に保持させる等の方法では、めっきの変色等による問題が発生しやすく、また熱的に不安定であることから、Ｋによる低スパッタ化の効果が小さくなる。
【００２９】
焼鈍は、ワイヤの軟化及びＫの付与を所期して行うものであり、温度：６５０ 〜９５０ ℃の範囲内で、水蒸気を含む窒素ガス雰囲気中で行うことが好ましい。すなわち、焼鈍温度が６５０ ℃未満では、内部酸化反応の進行が遅く、一方９５０ ℃をこえると、酸化反応の進行が速すぎて内部酸化量の調整が困難となる。
【００３０】
焼鈍雰囲気は、露点０℃以下、酸素濃度２００ｐｐｍ以下とすることが、内部酸化層形成の観点から望ましい。このような雰囲気中で、表面にカリウム塩含有溶液を塗布されたワイヤを焼鈍することにより、その表面から酸化が進行し、表層部が内部酸化される。この内部酸化部にカリウムが、確実に保持される。
【００３１】
なお、焼鈍における温度及び時間は、ワイヤ中のＫ含有量が好ましくは０．０００３〜０．００３０ｍａｓｓ％、そしてＯ含有量が０．００２０〜０．００８０ｍａｓｓ％となるように、ワイヤの径と、カリウム塩濃度及びカリウム塩含有溶液の塗布量等の塗布条件と、関連して決定されることが望ましい。
【００３２】
また、上記の焼鈍を経たワイヤは、酸洗後に、その表面にCuめっきを施す。このCuめっきは、後述のように、0.5 μm 以上の厚さとすることが望ましい。
すなわち、高電流での連続溶接においては、給電不良によりワイヤの送給が阻害されやすい。しかし、Cuめっき厚を0.5 μm 以上とすることにより、給電不良によるワイヤ送給の不安定化が容易に防止できる。なお、より好ましくは0.8 μm 以上である。また、このようにCuめっきを厚目付とすることにより、給電チップの損耗も低減できるという効果もある。
【００３３】
さらに、ワイヤ実表面積比Ｓが０．０１以上３．００以下であることが有利である。このワイヤ実表面積比Ｓは、上記した（１） 式にて示されるように、実表面積Ｓｏと理論表面積Ｓａとの差を理論表面積Ｓａに対する比として示したものである。
ここで、実表面積Ｓｏとは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による４００ 倍の観察面においてワイヤが占める面積を意味し、一方理論表面積Ｓａとは、同様の観察面においてワイヤを円柱として算出した表面積を意味する。
【００３４】
なお、ここで扱う表面積とは、後述する潤滑剤の付着がない状態における、ワイヤ表面を対象とするものであり、上記したＣｕめっきを施した場合は、Ｃｕめっき層を含めた表面を対象とする。
【００３５】
従って、ワイヤの実表面積比Ｓは、潤滑剤を施すワイヤ表面の凹凸の大きさを指すことになり、実表面積比Ｓの増加は潤滑剤付着サイトの増加を意味し、同Ｓの低下は表面がより平滑であることを示している。すなわち、給電の安定化を図るためには、ワイヤ表面を平滑にすることが好ましく、ワイヤの実表面積比Ｓを３．００未満とすることが肝要である。一方、ワイヤの実表面積比Ｓが０．０１未満では、ワイヤ表面への潤滑剤の付着量が不足しやすく、かりに付着したとしても送給ローラー部でスリップしてしまい安定したワイヤの送給性が確保できない。よって、ワイヤの実表面積比Ｓは０．０１以上３．００以下とすることが好ましい。
【００３６】
ちなみに、後述する実施例におけるワイヤＮｏ．６について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて調査した結果を図１に示すように、該ワイヤにおける実表面積比Ｓは１．２４％である。なお、この実表面積比Ｓは、図１中のＳＲｌｒ値から１００ を減じることによって得られる。
【００３７】
以上の Cuめっきを施したワイヤの表面には、次に示す潤滑剤を付着することが肝要である。
脂肪酸エステル及び潤滑油のいずれか１種または２種以上：0.2 以上〜1.8 以下
ワイヤの表面には、ワイヤ送給時の抵抗を軽減して該送給を安定化し、さらに後述の混合物中のMoS2及びＫ化合物によるワイヤ表面の変色と劣化を防ぐために、脂肪酸エステル、潤滑油、または脂肪酸エステル及び潤滑油の混合物のいずれかを付着しておくことが不可欠である。その付着量は、ワイヤ10kg当り0.2 ｇ未満では、上記した効果を得ることが難しく、一方付着量がワイヤ10kg当り1.8 ｇをこえると、ワイヤ送給ローラーのスリップをまねいて、ワイヤ送給速度が著しく変動し、アークの安定化が困難になる。従って、脂肪酸エステル及び潤滑油のいずれか１種または２種は、ワイヤ表面への付着量をワイヤ10kg当り0.2 〜1.8ｇとする。
【００３８】
ＭｏＳ２：１５〜４０ｍａｓｓ％、ポリ４弗化エチレン：０．０１〜２．０ ｍａｓｓ％、金属石鹸：２〜１５ｍａｓｓ％、Ｋ化合物：１０〜４０ｍａｓｓ％及び銅粉：４０ｍａｓｓ％以下からなる混合物
溶接電流４００Ａで１分以上の連続溶接を行うと、ワイヤ送給系の先端に位置する給電チップは、５００ ℃以上の高温となる。この条件では、上記の脂肪酸エステルまたは潤滑油では潤滑性を保持することができない。そこで、発明者らは、種々の潤滑物質を検討した結果、この高温環境下での潤滑性を有するものとして、ＭｏＳ２、ポリ４弗化エチレン、金属石鹸及びＫ化合物の混合物が有効であること見出した。
【００３９】
しかし、ＭｏＳ２：１５〜４０ｍａｓｓ％、ポリ４弗化エチレン：０．０１〜２．０ ｍａｓｓ％、金属石鹸：２〜１５ｍａｓｓ％及びＫ化合物：１０〜４０ｍａｓｓ％の範囲を外れると、この高温域での潤滑性が保持できずに、ワイヤ送給速度が著しく変動し、アークの安定化が困難になるため、各成分を上記の範囲内に規制することが肝要である。
【００４０】
一方、Ｃｕめっき後の伸線工程で発生する銅粉が、上記の混合物中に不可避に含まれるが、この含有量が４０ｍａｓｓ％をこえると、給電チップでの焼付きによる瞬間的な送給停止現象を生じてアークが不安定になってしまうことから、混合物中の銅粉を４０ｍａｓｓ％以下に規制する必要がある。
【００４１】
さらに、この混合物によって、高温域で給電チップに対する潤滑を保持するには、混合物の付着量をワイヤ１０ｋｇ当り０．２ 〜１．０ ｇの範囲とすることが肝要である。すなわち、付着量がワイヤ１０ｋｇ当り０．２ ｇ未満では、高電流溶接時の送給抵抗が高くなって、送給性を改善する効果が認められず、一方、付着量が同１．０ ｇをこえると、給電チップ内面に混合物が溜ってワイヤの送給性と給電を阻害し、アークが不安定となる。従って、混合物の付着量は、ワイヤ１０ｋｇ当り０．２ 〜１．０ｇとした。
【００４２】
【実施例】
連続鋳造にて製造された鋼素材（ビレット）を、熱間圧延し、５．６ 〜７．０ ｍｍφの線材とし、次いで冷間加工（伸線）により、２．０ 〜２．８ ｍｍφの鋼素線とした。これら鋼素線に、２ 〜３０ ｖｏｌ％のクエン酸３カリウム水溶液を塗布した。塗布量は鋼素線１ｋｇ当り３０〜５０ｇとした。その後、これら鋼素線を露点−２ ℃以下、酸素２００ ｐｐｍ 以下及び二酸化炭素０．１ ％以下のＮ２ 雰囲気中において焼鈍した。なお、焼鈍温度は７６０ 〜９５０ ℃の範囲とした。この際、線径、カリウム塩濃度、加熱温度並びに保持時間の調整により、ワイヤの内部酸化によるＯ量とＫ量とを調整した。焼鈍後、鋼素線に酸洗を施してから、鋼素線表面にＣｕめっきを施した。Ｃｕめっき後、これら鋼素線に、冷間で伸線加工を施し、１．２ ｍｍφのワイヤとした。この冷間加工には、湿式伸線を用いたが、その一部の伸線工程において、ＭｏＳ２、ポリ４弗化エチレン、金属石鹸及びＫ化合物よりなる混合物を供給しながらの乾式伸線を加えることによって、高温潤滑性物質による混合物をワイヤ表面に付着させた。その付着量は、乾式伸線数、ダイススケジュール及びダイス形状により調整した。
【００４３】
かくして得られた溶接ワイヤの成分組成、実表面積比及びＣｕめっき厚は表１及び２に示すとおりであり、またワイヤ表面の潤滑剤及び混合物（高温潤滑剤）の組成並びに付着量は表３及び４に示すとおりである。
【００４４】
【表１】
【表２】
【表３】
【表４】
次いで、これら溶接ワイヤを用いて、ワイヤ送給溶接試験を行い、ワイヤ送給抵抗、スパッタ発生量及び給電チップの損耗度を、以下のように評価した。
（１） ワイヤ送給抵抗
図２に示すワイヤ送給性評価装置を用い、板厚１９ｍｍの鋼板上に２分間のビ−ドオン溶接を行い、ワイヤ送給抵抗を測定した。ここで、ワイヤ送給抵抗の目標値は６０Ｎ以下とし、ワイヤ送給抵抗が４０Ｎ以下を良（○）、４０Ｎ超え６０Ｎ以下を可（△）、６０Ｎ超えを不可（×）として、評価した。なお、図２において、符号１は溶接電源、２は溶接トーチ、３はコンジェットチューブ３ａ内に挿入した溶接ワイヤ、４はワイヤ送給ローラーであり、ロードセル５によってワイヤの送給抵抗を測定する。
【００４９】
（２） スパッタ発生量
枚厚１９ｍｍの鋼板上に２分間のビードオン溶接を行い、Ｃｕ製捕集治具を用いて、スパッタを捕集し、スパッタ発生量を測定した。溶接時間は１ｍｉｎ とした。なお、スパッタ発生量の目標値は３．０ｇ／ｍｉｎ以下とし、スパッタ発生量が２．０ｇ／ｍｉｎ以下を良（○）、２．０ｇ／ｍｉｎ 超え３．０ｇ／ｍｉｎ以下を可（△）、３．０ｇ／ｍｉｎ 超えを不可（×）として、評価した。
【００５０】
（３） 給電チップの損耗度
直径８００ｍｍ φの鋼管（肉厚：２５ｍｍ）を自転させながら、鋼管外局に連続溶接（３０ｍｉｎ 間）した。この連続溶接後に、チップ先端内径を測定し、最大値、最小値を求めチップ内径の楕円化率を算出し、給電チップの損耗度を評価した。なお、チップ内径の楕円化率（％）は、次式で算出した。
楕円化率＝（チップ先端内径の最大値）／（チップ先端内径最小値）−１
そして、楕円化率の目標値を５％以下とし、楕円化率が２％以下を良（○）、２％こえ５％以下を可（△）、５％こえを不可（×）として、給電チップの損耗度を評価した。
以上の溶接試験で用いた溶接条件は下記のとおりである。
記
・シールドガス ：ＣＯ２ １００％、流量：２０ ｌ／ｍｉｎ
・溶接電源 ：インバータ電源
・極性 ：逆極性直流
・溶接電流 ：４００ Ａ
・溶接電圧 ：３９ Ｖ
・溶接速度 ：２５ ｃｍ／ｍｉｎ
これらの試験結果を表５及び６に示す。
【００５１】
【表５】
【表６】
この発明に従う溶接ワイヤは、ワイヤ送給抵抗が６０Ｎ以下、スパッタ発生量が３．０ｇ／ｍｉｎ以下と少なく、給電チップの損耗はさらに低減されていた。
一方、この発明の条件を外れる比較例では、ワイヤ送給抵抗は６０Ｎをこえ、スパッタ発生量が３．０ｇ／ｍｉｎ をこえてスパッタが多発するとともに、給電チップの損耗が顕著であった。
【００５４】
【発明の効果】
この発明の溶接ワイヤを用いることによって、ガスシールドアーク溶接を高電流で連続して行う場合においても、ワイヤ送給性とアークの安定性に優れ、安定した品質の溶接継手が得られる。また、スパッタ量も低減でき、さらに給電の安定性にも優れ、給電チップの損耗も低減できるなど、産業上格段の効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によるワイヤの表面粗さを測定した結果を示す図である。
【図２】溶接ワイヤの評価に使用した溶接用鋼ワイヤ送給性評価装置を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 溶接電源
２ 溶接トーチ
３ 溶接ワイヤ
３ａ コンジェットチューブ
４ ワイヤ送給ローラー
５ ロードセル
Claims (2)
- ガスシールドアーク溶接に供する溶接用鋼ワイヤであって、
Ｃ：0.20mass％以下、
Si：0.25〜2.5 mass％及び
Mn：0.45〜3.5 mass％
を含み、かつCaを0.0020mass％以下に抑制した鋼ワイヤの表面に、平均厚さ： 0.5 μ m 以上の Cu めっきを施してから、脂肪酸エステル及び潤滑油のいずれか１種または２種を合計でワイヤ10kg当り0.2 〜1.8 ｇに加えて、MoS2：15〜40mass％、ポリ４弗化エチレン：0.01〜2.0 mass％、金属石鹸：２〜15mass％、Ｋ化合物：10〜40mass％及び銅粉：40mass％以下からなる混合物を、ワイヤ10kg当り0.2 〜1.0 ｇで付着して成ることを特徴とするガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤ。 - 請求項１において、溶接用鋼ワイヤは、下記(1) 式で求められるワイヤ実表面積比Ｓが0.01以上3.00以下であることを特徴とするガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤ。
記
Ｓ＝（So−Sa）／Sa×l00 -----(1)
ここで、So：実表面積
Sa：理論表面積
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