JP3616716B2 - 缶胴部の高速無研磨溶接方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、金属容器の缶胴部の無研磨ワイヤシーム溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
１８Ｌ缶やペール缶に代表される大型缶の分野では、接触抵抗の高いティンフリースチール（ＴＦＳ）などの材料が主として使用されているが、５ｍ／分以上のワイヤー送り速度で溶接する場合は、溶接前に溶接部の絶縁性のめっき皮膜である化成処理層を研磨等の方法で除去し、接触抵抗を小さくしてから溶接することが必要であった。
【０００３】
一方、近年では缶内への異物混入防止の観点から、めっき皮膜に化成処理層を有する材料を無研磨溶接することへの関心が高まっている。しかし、このような化成処理層を有する材料は、化成処理層が無いか若しくは少ない材料に較べて接触抵抗が高いため、電流変動に対する発熱時の温度変動が大きくなり、溶接部の過剰発熱傾向などの点で溶接可能電流範囲が狭くなる傾向がある。
【０００４】
また、飲料缶などの小型缶の分野では、２ピース缶などの競合材料の台頭に伴い、ワイヤー送り速度７０ｍ／分以上の高速溶接化や板厚０．２ｍｍ未満の薄ゲージ化への動きが加速されている。しかし、高速溶接化は１つのナゲット形成に必要な通電および発熱に費やすことができる時間が短くなり、また、薄ゲージ化は最適溶接を行うための適正電力範囲を小さくする。このため♯３００処理程度の化成処理を施したぶりき（Ｅ２．８）などの低接触抵抗の材料においても、溶接部の過剰発熱傾向などの点で溶接可能電流範囲が狭くなる傾向がある。
【０００５】
大型缶および小型缶の溶接を行なうワイヤーシーム溶接機としては、特公昭５４−２６２１３号に示されるスードロニック方式等の溶接機が知られている。
一般に、これらの溶接機では缶内面側の電極径が缶外面側の電極径に較べて小さくなっている。また、一般に缶内面側の電極は、設備上の制約から冷却能力も缶外面側の電極に較べて劣っている。このためこれらの溶接機では、鋼板との接触面積が小さく且つ冷却能力の小さい缶内面側電極で生じる過剰発熱や缶内面寄りの発熱が溶接性の低下として問題となる。
【０００６】
従来このような問題に対して、缶外面側ワイヤー（外面電極）／缶外面側鋼板の界面、缶内面側ワイヤー（内面電極）／缶内面側鋼板の界面という２つの界面の発熱を均衡化し、缶内面側ワイヤー／及び鋼板界面の過剰発熱を抑制することを目的とした以下のような技術が提案されている。
すなわち、特開平２−４７０４８号及び特開平５−１４８６６７号には素材面からの改善技術として、めっき鋼板の缶内外面に異なるめっき皮膜を形成することにより、溶接性の改善を図る技術が開示されている。
【０００７】
また、Ｇ Ｃ ｖａｎ Ｈａｕｓｔｒｅｃｈｔ（Ｐｒｏｃ． ６ｔｈ． Ｉｎｔ． Ｔｉｎｐｌａｔｅ Ｃｏｎｆ， １９９６， ２０５−２１３）には溶接法に関する改善技術として、鋼板と接する部分の溶接部幅方向での外形が平滑（平垣）であって且つ缶内外面側で幅の異なる平滑ワイヤーを用いて缶内外面を溶接することにより、溶接性の改善を図る技術が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平２−４７０４８号及び特開平５−１４８６６７号に開示されている方法は、鋼板を使用する際の鋼板の表裏管理という問題を生じる。特に、溶接缶のように少量多品種の製缶では、塗装印刷工程における鋼板の表裏管理は大きな問題である。
【０００９】
また、缶内外面側を幅の異なる平滑ワイヤーで溶接する上記の方法は、ワイヤーと鋼板との接触が平面接触になるため、高速溶接時に振動等を受けるとワイヤー鋼板との接触面が安定せず、ワイヤー／鋼板界面でチリと呼ばれる過剰発熱に起因した欠陥が発生する。この傾向は溶接速度が速い（ワイヤー送り速度で７０ｍ／分以上）ほど顕著であり、また、溶接速度が比較的遅い場合（ワイヤー送り速度で２０〜５０ｍ／分程度）であっても、金属錫の有無に拘りなくクロム換算での付着量が１０ｍｇ／ｍ２以上の化成処理層を有するような接触抵抗の高い材料ほど顕著である。
【００１０】
したがって本発明の目的は、缶用表面処理鋼板を素材とする缶胴部の無研磨ワイヤーシーム溶接において、接触抵抗の高い材料や薄ゲージの材料であっても安定した高速溶接を行なうことができる溶接方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、缶内面側電極及び缶外面側電極の各ワイヤーの鋼板と接する部分の溶接部幅方向での外形を凸曲面状とするとともに、缶内面側と缶外面側で当該凸曲面の曲率半径Ｒが異なるワイヤー（缶内面側＞缶外面側）を用い、適正なナゲットピッチ、さらには加圧力で無研磨ワイヤシーム溶接を行うことにより、接触抵抗の高い材料や薄ゲージの材料の高速溶接において過剰発熱が抑制されるとともに、発熱位置が安定化し、溶接可能な電流範囲も拡がるという事実を見い出した。
【００１２】
本発明はこのような知見に基づきなされたもので、その特徴は、電極半径が缶内面側＜缶外面側である缶内面側電極及び缶外面側電極を用い、缶用表面処理鋼板を素材として缶胴部のワイヤーシーム溶接をワイヤー送り速度２０ｍ／分以上で行う高速無研磨溶接方法において、缶内面側電極及び缶外面側電極の各ワイヤーの鋼板と接する部分の溶接部幅方向での外形を凸曲面状とするとともに、缶内面側電極のワイヤーの前記凸曲面の曲率半径Ｒ１（ｍｍ）と缶外面側電極のワイヤーの前記凸曲面の曲率半径Ｒ２（ｍｍ）がＲ １ ／Ｒ ２ ≧１．５、Ｒ２＞０．８ｍｍおよびＲ１≦１０００ｍｍを満足する条件で、且つナゲットピッチを０．３〜１．５ｍｍにし、缶内面側電極と缶外面側電極間にかかる加圧力を２０〜１５０ｋｇｆとして溶接を行うことを特徴とする缶胴部の高速無研磨溶接方法である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明では、電極半径が缶内面側＜缶外面側である缶内面側電極及び缶外面側電極を用い、缶用表面処理鋼板を素材として缶胴部の無研磨ワイヤーシーム溶接をワイヤー送り速度２０ｍ／分以上で行うに当り、缶内面側電極及び缶外面側電極の各ワイヤーの鋼板と接する部分の溶接部幅方向での外形を凸曲面状（通常、円弧面状）とするとともに、缶内面側電極のワイヤーの前記凸曲面状外形の曲率半径Ｒ１（ｍｍ）と缶外面側電極のワイヤーの前記凸曲面状外形の曲率半径Ｒ２（ｍｍ）がＲ １ ／Ｒ ２ ≧１．５、Ｒ２＞０．８ｍｍおよびＲ１≦１０００ｍｍを満足する条件で、且つナゲットピッチを０．３〜１．５ｍｍにし、缶内面側電極と缶外面側電極間にかかる加圧力を２０〜１５０ｋｇｆとして溶接を行う。
【００１５】
缶用表面処理鋼板の缶胴部の無研磨ワイヤーシーム溶接をワイヤー送り速度２０ｍ／分以上で行う場合、缶内面側電極及び缶外面側電極の各ワイヤーの鋼板と接する部分の溶接部幅方向での外形を、平滑状（平坦状）ではなく適当な曲率を持った凸曲面状の外形とすることにより、高速溶接時の電極振動などに対しても接触抵抗（接触面積）を安定にして、局所的な過剰発熱を抑制することができる。但し、その凸曲面状の外形の曲率半径が０．４ｍｍを下回るような小さなものでは電極への電流集中が著しくなり、ワイヤー／鋼板の界面で過剰発熱を生じるようになるため好ましくない。このような傾向は、特に鋼板の重ね幅が０．８ｍｍを超えるような溶接条件では顕著である。
【００１６】
上記のように缶内面側電極及び缶外面側電極の各ワイヤーの鋼板と接する部分の溶接部幅方向での外形を凸曲面状とした場合、缶内面側及び缶外面側における鋼板とワイヤーとの接触抵抗（接触面積）は、ワイヤーの鋼板と接する部分の溶接部幅方向での凸曲面状外形の曲率半径（以下、単に“凸曲面状外形の曲率半径”という）と電極半径に依存することになる。このため缶内面側及び缶外面側における鋼板とワイヤーとの接触抵抗（接触面積）を均衡化するには、缶外面側に較べて電極半径の小さい缶内面側電極のワイヤーの凸曲面状外形の曲率半径Ｒ１を、缶外面側電極のワイヤーの凸曲面状外形の曲率半径Ｒ２よりも大きくすること（すなわち、Ｒ１＞Ｒ２とすること）が必要である。
【００１７】
このように缶内面側電極のワイヤーと缶外面側電極のワイヤーの各凸曲面状外形の曲率半径をＲ１＞Ｒ２とすることにより、缶内面側での過剰発熱傾向が緩和され、従来の溶接方式に較べて大きい電流が流せるようになるとともに、接触面積の安定化により溶接可能下限電流も拡がる。
このような溶接可能電流範囲の変化は、最適なナゲットピッチにも影響を与える。すなわち、ナゲットピッチが０．３ｍｍ未満では、ナゲットが重なるため均一な発熱部が得られない。一方、ナゲットピッチが１．５ｍｍを超えると過剰発熱を生じるまで入熱を与えても、ナゲットの連続性が得られない。
【００１８】
本発明の溶接法は、鋼板の重ね幅を溶接ビード幅（ワイヤー幅）より広くとって溶接する方式（バタフライ方式）、鋼板の重ね幅をワイヤー幅より狭くとり、溶接部をマッシュしながら溶接する方式（ワイヤーマッシュ方式）のいずれにも適用できるが、缶外面側電極のワイヤーの凸曲面状外形の曲率半径Ｒ２を０．８ｍｍ未満とすると、バタフライ方式では電極／鋼板界面の過剰発熱が生じ、また、ワイヤーマッシュ方式では溶接ビード位置が不安定になる現象を示すため好ましくない。
【００１９】
また、上述した本発明の作用効果をより確実に得るためには、缶内面側電極のワイヤーの凸曲面状外形の曲率半径Ｒ１を１０００ｍｍ以下、缶内面側電極のワイヤーと缶外面側電極のワイヤーの各凸曲面状外形の曲率半径の比をＲ１／Ｒ２≧１．５とすることが好ましい。曲率半径Ｒ１が１０００ｍｍを超えると平坦ワイヤーに近くなるため、素材に対する電極の均一な接触が難しくなり、発熱が不均一になり易い。また、Ｒ１／Ｒ２＜１．５ではＲ１＞Ｒ２とすることによる効果が薄れてくる。
【００２０】
以上述べたような形状のワイヤーを使用して無研磨溶接を行なうことにより、ワイヤーと鋼板の接触や溶接時の鋼板の保持が安定化される。しかし、上下電極間（缶内外面側の電極間）にかかる加圧力が２０ｋｇｆ未満では、鋼板の重ね幅が０．４ｍｍ程度の場合でも鋼板の保持が安定しない。一方、上下電極間にかかる加圧力が１５０ｋｇｆを超えると、鋼板の重ね幅が２．０ｍｍ程度の場合でも針状の長いチリを生じて溶接部の外観が劣化し、また、板の噛込み不良による溶接始端部の溶接不良を生じる。このため溶接時の上下電極間の加圧力は２０〜１５０ｋｇｆとすることが好ましい。
【００２１】
本発明の溶接法の素材となる缶用表面処理鋼板としては、板厚が０．１０〜０．５０ｍｍ程度の通常の缶用素材鋼板（鋼板成分、表面粗さ、機械的特性）であれば問題なく使用できる。
また、本発明の溶接法はワイヤー送り速度２０ｍ／分以上で無研磨溶接を行なうが、このようなワイヤー送り速度のなかでも溶接速度が比較的遅い場合（ワイヤー送り速度で２０〜５０ｍ／分程度）では、錫の有無に拘りなくクロム換算での付着量が１０ｍｇ／ｍ２以上の化成処理層が形成された接触抵抗の高い表面処理鋼板の溶接に特に有効である。
【００２２】
一方、溶接速度が比較的速い場合（ワイヤー送り速度で７０ｍ／分以上）には、上述したような接触抵抗の高い表面処理鋼板は勿論のこと、♯３００処理程度の化成処理を施した錫系素材においても有効である。
また、飲料缶などの小型缶に使用される板厚０．２ｍｍ未満の薄ゲージ鋼板においても、本発明法が適用可能な表面処理鋼板は溶接速度が早い場合と同様の傾向を示す。
本発明の溶接法で使用される金属ワイヤーの材質に特別な制約はないが、熱伝導性などの面から一般のワイヤーシーム溶接に使用されている銅または銅を主体とした合金からなる金属ワイヤーを用いることが好ましい。
【００２３】
また、本発明の実施に供される溶接機としては、上下電極（缶内面側電極と缶外面側電極）に凸曲面状外形の曲率半径Ｒ１と曲率半径Ｒ２がそれぞれ本発明条件を満足する２種類の形状のワイヤーを供給する方式のもの、上下電極の手前にワイヤーフォーミングロールを各々設け、上下電極に供給するワイヤーの凸曲面状外形の曲率半径Ｒ１と曲率半径Ｒ２をそれぞれ本発明条件を満足するように調整する方式のもの、ワイヤー断面の上半分と下半分の形状（凸曲面状外形の曲率半径）が異なるワイヤーを上下電極間で反転させて供給することにより、上下電極に凸曲面状外形の曲率半径Ｒ１と曲率半径Ｒ２がそれぞれ本発明条件を満足するワイヤーを供給する方式のもの等が考えられ、これらのいずれを用いてもよい。
【００２４】
【実施例】
板厚が０．１４〜０．４５ｍｍの通常の缶用表面処理鋼板を素材とし、缶胴部の無研磨ワイヤシーム溶接を実施した。表１に本実施例で素材鋼板として用いた缶用表面処理鋼板を示す。
本実施例では、溶接機としてワイヤー幅に較べて鋼板の重ね幅の小さいスードロニック型溶接機（溶接方式Ａ）と、ワイヤー幅に較べて鋼板の重ね幅の大きい富士ウェルダー型溶接機（溶接方式Ｂ）とを用い、ワイヤー送り速度１０〜１００ｍ／分で４〜１００缶の連続製缶を実施した。
【００２５】
ワイヤーの鋼板と接する部分の溶接部幅方向での外形は、上下各電極にワイヤーが供給される前段階でのワイヤーフォーミングロールの形状を変更することにより、各種形状に変更した。本実施例で用いたワイヤーの断面形状を図１に示す。本発明例ではワイヤーａまたはワイヤーｂを用いた。
各実施例について溶接性の評価を行った結果を、使用した素材表面処理鋼板の種別、ワイヤー形状等を含めた溶接条件とともに表２及び表３に示す。
【００２６】
溶接性の評価は、本発明例１〜２１、比較例４、５については缶内外面側を同一断面形状（凸曲面状外形の曲率半径を含む同一断面形状）であって、曲率半径Ｒ２に相当する凸曲面状外形の曲率半径を有するワイヤーで溶接した場合と比較した溶接可能電流範囲（ＡＣＲ）の拡大効果の有無を評価した。また、比較例１については缶内外面側を凸曲面状外形の曲率半径Ｒ１，Ｒ２が２ｍｍのワイヤーで溶接した場合と比較したＡＣＲの拡大効果の有無を、さらに比較例６については缶内外面側を凸曲面状外形の曲率半径Ｒ１：２００ｍｍ、曲率半径Ｒ２：１００ｍｍのワイヤーで溶接した場合と比較したＡＣＲの拡大効果の有無を、それぞれ評価した。
【００２７】
ここで、ＡＣＲとは適正溶接強度が得られなくなる電流下限設定と過剰発熱を生じる電流上限設定の間の操業可能な電流範囲である。なお、溶接性の評価において電流の安定しない始終缶は評価の対象外とした。
また、溶接性に関しては、電極部の振動を計測して電極異常振動部での入熱不良の有無についても調べた。
【００２８】
表２及び表３によれば、本発明条件を全て満足している本発明例１〜２１は、いずれもＡＣＲの拡大効果が認められ、また、電極異常振動部での入熱不良も生じていない。
これに対して比較例１は、缶内面側電極のワイヤーの凸曲面状外形の曲率半径Ｒ１と缶外面側電極のワイヤーの凸曲面状外形の曲率半径Ｒ２との関係がＲ１＜Ｒ２であるため、ＡＣＲの拡大効果がないばかりでなく、ＡＣＲは却って劣化（縮小）している。また、この比較例１では電極異常振動部での入熱不良も生じている。
【００２９】
比較例２，３は上下電極間での加圧力が本発明条件を満足していないため、ワイヤー形状が適切であっても溶接不能若しくは溶接始端不良を生じている。
比較例４は溶接速度（ワイヤー送り速度）が２０ｍ／分未満であるため、本発明の効果は全く得られていない。
比較例５は缶外面側電極のワイヤーの凸曲面状外形の曲率半径Ｒ２が０．８ｍｍ未満であるため、鋼板に接触するワイヤー部分への電流集中を生じるとともに、溶接ビード幅が細くなりすぎ、溶接強度の不安定化や缶外面側での過剰発熱を生じている。また、ＡＣＲの劣化（縮小）や電極異常振動部での入熱不良も生じている。
【００３０】
比較例６は鋼板と接する部分の溶接部幅方向での外形が平滑（平坦）面であるワイヤーを用いて溶接を行ったものであり、この比較例でもＡＣＲの拡大効果がないばかりでなく、ＡＣＲは却って劣化（縮小）しており、また、電極異常振動部での入熱不良も生じている。
比較例７，８はナゲットピッチが本発明条件を満足していないため、ＡＣＲが得られない。
【００３１】
また、図２は従来の溶接法（缶内面側電極及び缶外面側電極の各ワイヤーの凸曲面状外形の曲率半径Ｒ１，Ｒ２：２ｍｍ、溶接速度：２６ｍ／分、加圧力：８０ｋｇｆ、ナゲットピッチ：１．０ｍｍ）で得られた電極異常振動部での溶接部熱組織を示しており、電極異常振動部では適正な発熱が得られていないことが判る。一方、図３は本発明法（缶内面側電極のワイヤーの凸曲面状外形の曲率半径Ｒ１：２００ｍｍ、缶外面側電極のワイヤーの凸曲面状外形の曲率半径Ｒ２：２０ｍｍ、溶接速度：２６ｍ／分、加圧力：８０ｋｇｆ、ナゲットピッチ：１．０ｍｍ）で得られた電極異常振動部での溶接部熱組織であり、電極異常振動部でも適正な発熱が得られていることが判る。
【００３２】
【表１】
【００３３】
【表２】
【００３４】
【表３】
【００３５】
【発明の効果】
以上述べた本発明の溶接方法によれば、缶用表面処理鋼板を素材とする缶胴部の無研磨ワイヤシーム溶接において、接触抵抗の高い材料や薄ゲージの材料であっても安定した高速溶接を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で用いたワイヤーの断面形状を示す説明図
【図２】従来の溶接法で得られた電極異常振動部における溶接部熱組織の顕微鏡拡大写真
【図３】本発明法で得られた電極異常振動部における溶接部熱組織の顕微鏡拡大写真
【発明が属する技術分野】
本発明は、金属容器の缶胴部の無研磨ワイヤシーム溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
１８Ｌ缶やペール缶に代表される大型缶の分野では、接触抵抗の高いティンフリースチール（ＴＦＳ）などの材料が主として使用されているが、５ｍ／分以上のワイヤー送り速度で溶接する場合は、溶接前に溶接部の絶縁性のめっき皮膜である化成処理層を研磨等の方法で除去し、接触抵抗を小さくしてから溶接することが必要であった。
【０００３】
一方、近年では缶内への異物混入防止の観点から、めっき皮膜に化成処理層を有する材料を無研磨溶接することへの関心が高まっている。しかし、このような化成処理層を有する材料は、化成処理層が無いか若しくは少ない材料に較べて接触抵抗が高いため、電流変動に対する発熱時の温度変動が大きくなり、溶接部の過剰発熱傾向などの点で溶接可能電流範囲が狭くなる傾向がある。
【０００４】
また、飲料缶などの小型缶の分野では、２ピース缶などの競合材料の台頭に伴い、ワイヤー送り速度７０ｍ／分以上の高速溶接化や板厚０．２ｍｍ未満の薄ゲージ化への動きが加速されている。しかし、高速溶接化は１つのナゲット形成に必要な通電および発熱に費やすことができる時間が短くなり、また、薄ゲージ化は最適溶接を行うための適正電力範囲を小さくする。このため♯３００処理程度の化成処理を施したぶりき（Ｅ２．８）などの低接触抵抗の材料においても、溶接部の過剰発熱傾向などの点で溶接可能電流範囲が狭くなる傾向がある。
【０００５】
大型缶および小型缶の溶接を行なうワイヤーシーム溶接機としては、特公昭５４−２６２１３号に示されるスードロニック方式等の溶接機が知られている。
一般に、これらの溶接機では缶内面側の電極径が缶外面側の電極径に較べて小さくなっている。また、一般に缶内面側の電極は、設備上の制約から冷却能力も缶外面側の電極に較べて劣っている。このためこれらの溶接機では、鋼板との接触面積が小さく且つ冷却能力の小さい缶内面側電極で生じる過剰発熱や缶内面寄りの発熱が溶接性の低下として問題となる。
【０００６】
従来このような問題に対して、缶外面側ワイヤー（外面電極）／缶外面側鋼板の界面、缶内面側ワイヤー（内面電極）／缶内面側鋼板の界面という２つの界面の発熱を均衡化し、缶内面側ワイヤー／及び鋼板界面の過剰発熱を抑制することを目的とした以下のような技術が提案されている。
すなわち、特開平２−４７０４８号及び特開平５−１４８６６７号には素材面からの改善技術として、めっき鋼板の缶内外面に異なるめっき皮膜を形成することにより、溶接性の改善を図る技術が開示されている。
【０００７】
また、Ｇ Ｃ ｖａｎ Ｈａｕｓｔｒｅｃｈｔ（Ｐｒｏｃ． ６ｔｈ． Ｉｎｔ． Ｔｉｎｐｌａｔｅ Ｃｏｎｆ， １９９６， ２０５−２１３）には溶接法に関する改善技術として、鋼板と接する部分の溶接部幅方向での外形が平滑（平垣）であって且つ缶内外面側で幅の異なる平滑ワイヤーを用いて缶内外面を溶接することにより、溶接性の改善を図る技術が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平２−４７０４８号及び特開平５−１４８６６７号に開示されている方法は、鋼板を使用する際の鋼板の表裏管理という問題を生じる。特に、溶接缶のように少量多品種の製缶では、塗装印刷工程における鋼板の表裏管理は大きな問題である。
【０００９】
また、缶内外面側を幅の異なる平滑ワイヤーで溶接する上記の方法は、ワイヤーと鋼板との接触が平面接触になるため、高速溶接時に振動等を受けるとワイヤー鋼板との接触面が安定せず、ワイヤー／鋼板界面でチリと呼ばれる過剰発熱に起因した欠陥が発生する。この傾向は溶接速度が速い（ワイヤー送り速度で７０ｍ／分以上）ほど顕著であり、また、溶接速度が比較的遅い場合（ワイヤー送り速度で２０〜５０ｍ／分程度）であっても、金属錫の有無に拘りなくクロム換算での付着量が１０ｍｇ／ｍ２以上の化成処理層を有するような接触抵抗の高い材料ほど顕著である。
【００１０】
したがって本発明の目的は、缶用表面処理鋼板を素材とする缶胴部の無研磨ワイヤーシーム溶接において、接触抵抗の高い材料や薄ゲージの材料であっても安定した高速溶接を行なうことができる溶接方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、缶内面側電極及び缶外面側電極の各ワイヤーの鋼板と接する部分の溶接部幅方向での外形を凸曲面状とするとともに、缶内面側と缶外面側で当該凸曲面の曲率半径Ｒが異なるワイヤー（缶内面側＞缶外面側）を用い、適正なナゲットピッチ、さらには加圧力で無研磨ワイヤシーム溶接を行うことにより、接触抵抗の高い材料や薄ゲージの材料の高速溶接において過剰発熱が抑制されるとともに、発熱位置が安定化し、溶接可能な電流範囲も拡がるという事実を見い出した。
【００１２】
本発明はこのような知見に基づきなされたもので、その特徴は、電極半径が缶内面側＜缶外面側である缶内面側電極及び缶外面側電極を用い、缶用表面処理鋼板を素材として缶胴部のワイヤーシーム溶接をワイヤー送り速度２０ｍ／分以上で行う高速無研磨溶接方法において、缶内面側電極及び缶外面側電極の各ワイヤーの鋼板と接する部分の溶接部幅方向での外形を凸曲面状とするとともに、缶内面側電極のワイヤーの前記凸曲面の曲率半径Ｒ１（ｍｍ）と缶外面側電極のワイヤーの前記凸曲面の曲率半径Ｒ２（ｍｍ）がＲ １ ／Ｒ ２ ≧１．５、Ｒ２＞０．８ｍｍおよびＲ１≦１０００ｍｍを満足する条件で、且つナゲットピッチを０．３〜１．５ｍｍにし、缶内面側電極と缶外面側電極間にかかる加圧力を２０〜１５０ｋｇｆとして溶接を行うことを特徴とする缶胴部の高速無研磨溶接方法である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明では、電極半径が缶内面側＜缶外面側である缶内面側電極及び缶外面側電極を用い、缶用表面処理鋼板を素材として缶胴部の無研磨ワイヤーシーム溶接をワイヤー送り速度２０ｍ／分以上で行うに当り、缶内面側電極及び缶外面側電極の各ワイヤーの鋼板と接する部分の溶接部幅方向での外形を凸曲面状（通常、円弧面状）とするとともに、缶内面側電極のワイヤーの前記凸曲面状外形の曲率半径Ｒ１（ｍｍ）と缶外面側電極のワイヤーの前記凸曲面状外形の曲率半径Ｒ２（ｍｍ）がＲ １ ／Ｒ ２ ≧１．５、Ｒ２＞０．８ｍｍおよびＲ１≦１０００ｍｍを満足する条件で、且つナゲットピッチを０．３〜１．５ｍｍにし、缶内面側電極と缶外面側電極間にかかる加圧力を２０〜１５０ｋｇｆとして溶接を行う。
【００１５】
缶用表面処理鋼板の缶胴部の無研磨ワイヤーシーム溶接をワイヤー送り速度２０ｍ／分以上で行う場合、缶内面側電極及び缶外面側電極の各ワイヤーの鋼板と接する部分の溶接部幅方向での外形を、平滑状（平坦状）ではなく適当な曲率を持った凸曲面状の外形とすることにより、高速溶接時の電極振動などに対しても接触抵抗（接触面積）を安定にして、局所的な過剰発熱を抑制することができる。但し、その凸曲面状の外形の曲率半径が０．４ｍｍを下回るような小さなものでは電極への電流集中が著しくなり、ワイヤー／鋼板の界面で過剰発熱を生じるようになるため好ましくない。このような傾向は、特に鋼板の重ね幅が０．８ｍｍを超えるような溶接条件では顕著である。
【００１６】
上記のように缶内面側電極及び缶外面側電極の各ワイヤーの鋼板と接する部分の溶接部幅方向での外形を凸曲面状とした場合、缶内面側及び缶外面側における鋼板とワイヤーとの接触抵抗（接触面積）は、ワイヤーの鋼板と接する部分の溶接部幅方向での凸曲面状外形の曲率半径（以下、単に“凸曲面状外形の曲率半径”という）と電極半径に依存することになる。このため缶内面側及び缶外面側における鋼板とワイヤーとの接触抵抗（接触面積）を均衡化するには、缶外面側に較べて電極半径の小さい缶内面側電極のワイヤーの凸曲面状外形の曲率半径Ｒ１を、缶外面側電極のワイヤーの凸曲面状外形の曲率半径Ｒ２よりも大きくすること（すなわち、Ｒ１＞Ｒ２とすること）が必要である。
【００１７】
このように缶内面側電極のワイヤーと缶外面側電極のワイヤーの各凸曲面状外形の曲率半径をＲ１＞Ｒ２とすることにより、缶内面側での過剰発熱傾向が緩和され、従来の溶接方式に較べて大きい電流が流せるようになるとともに、接触面積の安定化により溶接可能下限電流も拡がる。
このような溶接可能電流範囲の変化は、最適なナゲットピッチにも影響を与える。すなわち、ナゲットピッチが０．３ｍｍ未満では、ナゲットが重なるため均一な発熱部が得られない。一方、ナゲットピッチが１．５ｍｍを超えると過剰発熱を生じるまで入熱を与えても、ナゲットの連続性が得られない。
【００１８】
本発明の溶接法は、鋼板の重ね幅を溶接ビード幅（ワイヤー幅）より広くとって溶接する方式（バタフライ方式）、鋼板の重ね幅をワイヤー幅より狭くとり、溶接部をマッシュしながら溶接する方式（ワイヤーマッシュ方式）のいずれにも適用できるが、缶外面側電極のワイヤーの凸曲面状外形の曲率半径Ｒ２を０．８ｍｍ未満とすると、バタフライ方式では電極／鋼板界面の過剰発熱が生じ、また、ワイヤーマッシュ方式では溶接ビード位置が不安定になる現象を示すため好ましくない。
【００１９】
また、上述した本発明の作用効果をより確実に得るためには、缶内面側電極のワイヤーの凸曲面状外形の曲率半径Ｒ１を１０００ｍｍ以下、缶内面側電極のワイヤーと缶外面側電極のワイヤーの各凸曲面状外形の曲率半径の比をＲ１／Ｒ２≧１．５とすることが好ましい。曲率半径Ｒ１が１０００ｍｍを超えると平坦ワイヤーに近くなるため、素材に対する電極の均一な接触が難しくなり、発熱が不均一になり易い。また、Ｒ１／Ｒ２＜１．５ではＲ１＞Ｒ２とすることによる効果が薄れてくる。
【００２０】
以上述べたような形状のワイヤーを使用して無研磨溶接を行なうことにより、ワイヤーと鋼板の接触や溶接時の鋼板の保持が安定化される。しかし、上下電極間（缶内外面側の電極間）にかかる加圧力が２０ｋｇｆ未満では、鋼板の重ね幅が０．４ｍｍ程度の場合でも鋼板の保持が安定しない。一方、上下電極間にかかる加圧力が１５０ｋｇｆを超えると、鋼板の重ね幅が２．０ｍｍ程度の場合でも針状の長いチリを生じて溶接部の外観が劣化し、また、板の噛込み不良による溶接始端部の溶接不良を生じる。このため溶接時の上下電極間の加圧力は２０〜１５０ｋｇｆとすることが好ましい。
【００２１】
本発明の溶接法の素材となる缶用表面処理鋼板としては、板厚が０．１０〜０．５０ｍｍ程度の通常の缶用素材鋼板（鋼板成分、表面粗さ、機械的特性）であれば問題なく使用できる。
また、本発明の溶接法はワイヤー送り速度２０ｍ／分以上で無研磨溶接を行なうが、このようなワイヤー送り速度のなかでも溶接速度が比較的遅い場合（ワイヤー送り速度で２０〜５０ｍ／分程度）では、錫の有無に拘りなくクロム換算での付着量が１０ｍｇ／ｍ２以上の化成処理層が形成された接触抵抗の高い表面処理鋼板の溶接に特に有効である。
【００２２】
一方、溶接速度が比較的速い場合（ワイヤー送り速度で７０ｍ／分以上）には、上述したような接触抵抗の高い表面処理鋼板は勿論のこと、♯３００処理程度の化成処理を施した錫系素材においても有効である。
また、飲料缶などの小型缶に使用される板厚０．２ｍｍ未満の薄ゲージ鋼板においても、本発明法が適用可能な表面処理鋼板は溶接速度が早い場合と同様の傾向を示す。
本発明の溶接法で使用される金属ワイヤーの材質に特別な制約はないが、熱伝導性などの面から一般のワイヤーシーム溶接に使用されている銅または銅を主体とした合金からなる金属ワイヤーを用いることが好ましい。
【００２３】
また、本発明の実施に供される溶接機としては、上下電極（缶内面側電極と缶外面側電極）に凸曲面状外形の曲率半径Ｒ１と曲率半径Ｒ２がそれぞれ本発明条件を満足する２種類の形状のワイヤーを供給する方式のもの、上下電極の手前にワイヤーフォーミングロールを各々設け、上下電極に供給するワイヤーの凸曲面状外形の曲率半径Ｒ１と曲率半径Ｒ２をそれぞれ本発明条件を満足するように調整する方式のもの、ワイヤー断面の上半分と下半分の形状（凸曲面状外形の曲率半径）が異なるワイヤーを上下電極間で反転させて供給することにより、上下電極に凸曲面状外形の曲率半径Ｒ１と曲率半径Ｒ２がそれぞれ本発明条件を満足するワイヤーを供給する方式のもの等が考えられ、これらのいずれを用いてもよい。
【００２４】
【実施例】
板厚が０．１４〜０．４５ｍｍの通常の缶用表面処理鋼板を素材とし、缶胴部の無研磨ワイヤシーム溶接を実施した。表１に本実施例で素材鋼板として用いた缶用表面処理鋼板を示す。
本実施例では、溶接機としてワイヤー幅に較べて鋼板の重ね幅の小さいスードロニック型溶接機（溶接方式Ａ）と、ワイヤー幅に較べて鋼板の重ね幅の大きい富士ウェルダー型溶接機（溶接方式Ｂ）とを用い、ワイヤー送り速度１０〜１００ｍ／分で４〜１００缶の連続製缶を実施した。
【００２５】
ワイヤーの鋼板と接する部分の溶接部幅方向での外形は、上下各電極にワイヤーが供給される前段階でのワイヤーフォーミングロールの形状を変更することにより、各種形状に変更した。本実施例で用いたワイヤーの断面形状を図１に示す。本発明例ではワイヤーａまたはワイヤーｂを用いた。
各実施例について溶接性の評価を行った結果を、使用した素材表面処理鋼板の種別、ワイヤー形状等を含めた溶接条件とともに表２及び表３に示す。
【００２６】
溶接性の評価は、本発明例１〜２１、比較例４、５については缶内外面側を同一断面形状（凸曲面状外形の曲率半径を含む同一断面形状）であって、曲率半径Ｒ２に相当する凸曲面状外形の曲率半径を有するワイヤーで溶接した場合と比較した溶接可能電流範囲（ＡＣＲ）の拡大効果の有無を評価した。また、比較例１については缶内外面側を凸曲面状外形の曲率半径Ｒ１，Ｒ２が２ｍｍのワイヤーで溶接した場合と比較したＡＣＲの拡大効果の有無を、さらに比較例６については缶内外面側を凸曲面状外形の曲率半径Ｒ１：２００ｍｍ、曲率半径Ｒ２：１００ｍｍのワイヤーで溶接した場合と比較したＡＣＲの拡大効果の有無を、それぞれ評価した。
【００２７】
ここで、ＡＣＲとは適正溶接強度が得られなくなる電流下限設定と過剰発熱を生じる電流上限設定の間の操業可能な電流範囲である。なお、溶接性の評価において電流の安定しない始終缶は評価の対象外とした。
また、溶接性に関しては、電極部の振動を計測して電極異常振動部での入熱不良の有無についても調べた。
【００２８】
表２及び表３によれば、本発明条件を全て満足している本発明例１〜２１は、いずれもＡＣＲの拡大効果が認められ、また、電極異常振動部での入熱不良も生じていない。
これに対して比較例１は、缶内面側電極のワイヤーの凸曲面状外形の曲率半径Ｒ１と缶外面側電極のワイヤーの凸曲面状外形の曲率半径Ｒ２との関係がＲ１＜Ｒ２であるため、ＡＣＲの拡大効果がないばかりでなく、ＡＣＲは却って劣化（縮小）している。また、この比較例１では電極異常振動部での入熱不良も生じている。
【００２９】
比較例２，３は上下電極間での加圧力が本発明条件を満足していないため、ワイヤー形状が適切であっても溶接不能若しくは溶接始端不良を生じている。
比較例４は溶接速度（ワイヤー送り速度）が２０ｍ／分未満であるため、本発明の効果は全く得られていない。
比較例５は缶外面側電極のワイヤーの凸曲面状外形の曲率半径Ｒ２が０．８ｍｍ未満であるため、鋼板に接触するワイヤー部分への電流集中を生じるとともに、溶接ビード幅が細くなりすぎ、溶接強度の不安定化や缶外面側での過剰発熱を生じている。また、ＡＣＲの劣化（縮小）や電極異常振動部での入熱不良も生じている。
【００３０】
比較例６は鋼板と接する部分の溶接部幅方向での外形が平滑（平坦）面であるワイヤーを用いて溶接を行ったものであり、この比較例でもＡＣＲの拡大効果がないばかりでなく、ＡＣＲは却って劣化（縮小）しており、また、電極異常振動部での入熱不良も生じている。
比較例７，８はナゲットピッチが本発明条件を満足していないため、ＡＣＲが得られない。
【００３１】
また、図２は従来の溶接法（缶内面側電極及び缶外面側電極の各ワイヤーの凸曲面状外形の曲率半径Ｒ１，Ｒ２：２ｍｍ、溶接速度：２６ｍ／分、加圧力：８０ｋｇｆ、ナゲットピッチ：１．０ｍｍ）で得られた電極異常振動部での溶接部熱組織を示しており、電極異常振動部では適正な発熱が得られていないことが判る。一方、図３は本発明法（缶内面側電極のワイヤーの凸曲面状外形の曲率半径Ｒ１：２００ｍｍ、缶外面側電極のワイヤーの凸曲面状外形の曲率半径Ｒ２：２０ｍｍ、溶接速度：２６ｍ／分、加圧力：８０ｋｇｆ、ナゲットピッチ：１．０ｍｍ）で得られた電極異常振動部での溶接部熱組織であり、電極異常振動部でも適正な発熱が得られていることが判る。
【００３２】
【表１】
【表２】
【表３】
【発明の効果】
以上述べた本発明の溶接方法によれば、缶用表面処理鋼板を素材とする缶胴部の無研磨ワイヤシーム溶接において、接触抵抗の高い材料や薄ゲージの材料であっても安定した高速溶接を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例で用いたワイヤーの断面形状を示す説明図
【図２】従来の溶接法で得られた電極異常振動部における溶接部熱組織の顕微鏡拡大写真
【図３】本発明法で得られた電極異常振動部における溶接部熱組織の顕微鏡拡大写真
Claims (1)
- 電極半径が缶内面側＜缶外面側である缶内面側電極及び缶外面側電極を用い、缶用表面処理鋼板を素材として缶胴部のワイヤーシーム溶接をワイヤー送り速度２０ｍ／分以上で行う高速無研磨溶接方法において、
缶内面側電極及び缶外面側電極の各ワイヤーの鋼板と接する部分の溶接部幅方向での外形を凸曲面状とするとともに、缶内面側電極のワイヤーの前記凸曲面の曲率半径Ｒ１（ｍｍ）と缶外面側電極のワイヤーの前記凸曲面の曲率半径Ｒ２（ｍｍ）がＲ １ ／Ｒ ２ ≧１．５、Ｒ２＞０．８ｍｍおよびＲ１≦１０００ｍｍを満足する条件で、且つナゲットピッチを０．３〜１．５ｍｍにし、缶内面側電極と缶外面側電極間にかかる加圧力を２０〜１５０ｋｇｆとして溶接を行うことを特徴とする缶胴部の高速無研磨溶接方法。
Priority Applications (1)
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| JP06402798A JP3616716B2 (ja) | 1998-02-27 | 1998-02-27 | 缶胴部の高速無研磨溶接方法 |
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| JP06402798A JP3616716B2 (ja) | 1998-02-27 | 1998-02-27 | 缶胴部の高速無研磨溶接方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| JPH11245049A JPH11245049A (ja) | 1999-09-14 |
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- 1998-02-27 JP JP06402798A patent/JP3616716B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPH11245049A (ja) | 1999-09-14 |
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