JP3876127B2 - ガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤ - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
本発明はガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤに関し、特に薄板の溶接時に溶接作業性が優れたガスシールドアーク溶接用ワイヤに関する。
【0002】
【従来の技術】
炭酸ガスシールドアーク溶接方法で薄板の溶接を行う場合、溶接電流が高いと溶融金属の溶け落ちが生じるため、低溶接電流、低溶接電圧の溶接条件で溶接され、溶滴の移行形態は短絡移行となる。
【0003】
図1は溶滴の短絡移行の説明図である。低溶接電流の溶接条件で溶接される炭酸ガスアーク溶接方法において、ワイヤWと母材B間の放電によって発生するアークAにより溶融するワイヤWの先端の溶融金属Mに働く主な力は、溶融金属Mが移行する方向の重力Fgと、移行を妨げる方向のアーク力Faと表面張力Fsが作用している。この場合、電流による電磁力であるピンチ力は低電流であるので小さい。ワイヤWの先端がアークAの熱によって溶融し、成長した溶融金属MはワイヤWから母材Bに移行する。この時、ワイヤWと母材Bとの間に溶融金属Mが架橋して一時的に短絡する。このように低溶接電流域では、ワイヤWが溶融するアーク期間と溶融金属Mが移行する短絡期間が繰り返され、この溶接金属Mの母材への移行形態は短絡移行といわれる。
【0004】
低溶接電流域で安定した溶接を行うには、アーク期間と短絡期間とを周期的に繰り返して溶接金属Mを移行させることが必要である。しかしワイヤWの先端で形成される溶融金属Mは、発生するアークAの熱で大きく成長しながらアーク力Faで押し上げられる。このため溶滴が大きく、また不揃いとなって周期的な短絡移行が困難で、安定した低溶接電流での溶接が困難であった。
【0005】
この問題を解決する手段として、パルスアーク溶接により周期的に短絡させて溶滴を移行させる方法や特開昭62−296993号公報に記載のようにワイヤ成分の特にSiを低くして溶滴の粘性を低下して溶滴を小さくし、移行周期を短くする技術などがある。
しかし、これらの方法では、特殊な溶接電源を用い、かつ高価なArガスを主成分とするシールドガスを用いなければならないという問題がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、薄板の溶接時のような低溶接電流の場合でも特殊な溶接電源を用いることなく、また、安価な炭酸ガスシールドで溶接する場合においても、アークが安定するガスシールドアーク溶接用ワイヤを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨とするところは、溶接電流密度が70〜180A/mm2で使用されるガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤにおいて、ワイヤ直径に対して5%の深さまでのワイヤ表層部における酸素量が0.010〜0.040質量%、全ワイヤ質量に対してSが0.010〜0.030質量%で、Cuめっき厚さが0.30μm以下であることを特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】
電流密度が70〜180A/mm2 の低溶接電流条件での炭酸ガスシールドアーク溶接において、ワイヤ先端で形成される溶融金属はその先端から母材に向かって発生するアークの熱で大きく成長しながらアーク力で押し上げられるため、溶滴が大きく不揃いとなり、周期的な母材への短絡移行が困難となる。したがって母材へ移行する溶滴を小さくすれば、短絡移行回数を多くしてアーク長を短く保つことができ、移行時のアーク長の変動を少なくして溶接を安定にできる。
【0009】
溶滴が大きく成長する原因は、図1に示す溶融金属Mに働く力がFg(重力)<Fa(アーク力)+Fs(表面張力)となり、溶滴が成長して移行できるFg(重力)>Fa(アーク力)+Fs(表面張力)の条件になるまでの時間が長いことにある。
【0010】
溶滴を小さくするには、Fa(アーク力)やFs(表面張力)を小さくすることが必要であるが、Fa(アーク力)はワイヤWの溶融と母材Bの溶け込み確保のために小さくするには限度があり、溶接電流密度で70A/mm2 以上が必要である。
なお、溶接電流密度が180A/mm2 を超えると、薄板の溶接を行う場合溶融金属の溶け落ちが生じるようになる。
【0011】
Fs(表面張力)を小さくするワイヤ中の元素を種々検討した結果、ワイヤ表層部(ワイヤ直径に対して5%の深さまでのワイヤ表層部)の酸素量およびS量が大きく影響することがわかった。
図2にワイヤ直径に対して5%の深さまでのワイヤ表層部、すなわちワイヤ直径に対して直径が10%減少するまでの表層部領域の酸素量と短絡移行回数の関係を示す。ワイヤ表層部の酸素量が多くなるにつれ短絡移行回数は増加し、短絡移行回数が80回/秒以上になるとアークが安定した。なお、ワイヤはJIS Z3312 YGW12(S:0.011〜0.025%、めっき厚さ0.4〜0.7μm)のワイヤ径1.2mmを用い、板厚3.2mmの軟鋼鋼板を重ね継手として、溶接電流密度110A/mm2 、溶接速度60cm/minで重ね部を溶接した。また、短絡移行回数の測定は、溶接電圧波形をA/Dコンバータを介してパソコンで記録、解析して、電圧が5V以下を短絡のしきい値とし、短絡移行の回数を測定した。
【0012】
ワイヤ直径に対して5%の深さまでのワイヤ表層部の酸素量が0.010質量%(100ppm)以上であると、溶融金属の表面張力Fsを小さくして母材へ移行する溶滴を小さくできる。これによりアーク期間と短絡期間とを短く繰り返して溶滴の短絡移行回数が80回/秒と多くなって母材へ移行するので、アーク長の変動が少なくアークが安定する。
【0013】
ワイヤ直径に対して5%の深さまでのワイヤ表層部の酸素量が0.010質量%未満であると、ワイヤ先端部の溶融金属の表面張力Fsが大きく、溶滴が大きく不揃いとなる。このため周期的な母材への短絡移行が困難で溶滴の短絡移行回数が80回/秒未満と少なくなり、アークが不安定となる。逆に、ワイヤ直径に対して5%の深さまでのワイヤ表層部の酸素量が0.040質量%(400ppm)を超えると、溶接金属にブローホールを発生させるおそれがある。また、ワイヤ製造時にワイヤ表層部の粒界が酸化して伸線後に微少な亀裂が生じるが、酸素量の増大と共に粒界の酸化深さが大きくなる。このため粒界剥離が生じて、溶接時にコンジットチューブ内で送給抵抗が大きくなってアークが不安定となる場合もある。
【0014】
ワイヤ直径に対して5%の深さまでのワイヤ表層部の酸素量の調整は、例えば特公平3−64239号公報に記載があるように、ワイヤ製造工程でワイヤ素線表面にアルカリ金属炭酸塩を塗布してから窒素雰囲気での焼鈍の温度および時間の調整で粒界酸化量をコントロールする。または、原料鋼の溶製時にコントロールして、ワイヤ全体の酸素量を0.010〜0.040質量%としても良い。
なお、ワイヤ表層部の酸素量には、ワイヤ表面に付着する潤滑剤などの酸素は含まない。
【0015】
図3にワイヤ中のS量と短絡移行回数の関係を示す。ワイヤ中のS量が多くなると短絡移行回数は増加した。なお、ワイヤはJIS Z3312 YGW12(ワイヤ表層部酸素量:118〜295ppm、めっき厚さ:0.45〜0.72μm)のワイヤ径1.2mmを用いて、前記ワイヤ表層部の酸素量の影響を調べた場合と同様の溶接条件で短絡移行回数を調べた。
【0016】
ワイヤ中のSが0.010質量%未満であると、ワイヤ先端部の溶融金属の表面張力Fsが大きく、溶滴が大きく不揃いとなって周期的な母材への短絡移行が困難で、溶滴の短絡移行回数が80回/秒以下と少なくなりアークが不安定となる。逆に、ワイヤ中のSが0.030質量%を超えると、溶接金属に割れが生じるおそれがある。
【0017】
なお、Sも酸素と同様にワイヤ直径に対して5%の深さまでのワイヤ表層部のS量が、溶融金属の表面張力Fsを小さくする。これにより母材へ移行する溶滴を小さくし、アーク期間と短絡期間とを短く繰り返して溶滴の短絡移行回数が多くなって母材へ移行するので、アーク長の変動が少なくアークを安定にする。しかし、ワイヤ表層部のみのS量をコントロールすることは困難であるので、本発明においてはワイヤ全体のS量とした。
【0018】
図4にワイヤ表面のCuめっき厚さと短絡移行回数との関係を示す。ワイヤ種類、溶接条件および短絡移行回数の測定は前述の方法と同様とした。なおワイヤは、ワイヤ表層部の酸素量255ppm、S量0.021%で、ワイヤ表面のCuめっき厚さを変えたものを用いた。
ワイヤ表面のCuめっき厚さを0.30μm以下とすることによって、溶滴の短絡移行回数を110回/秒以上と、さらに多くできる。これによりアーク長の変動を少なくして、アークが極めて安定する。
【0019】
Cuめっきは溶融金属付近でシールドガスである炭酸ガスの分解(CO2 →CO+O)から生じる酸素の侵入を妨げる。したがってCuめっき厚さが0.30μmを超えると、溶融金属の表面張力Fsが大きくなって溶滴が大きく不揃いとなり、周期的な母材への短絡移行が困難で溶滴の短絡移行回数が少なくなりアークが不安定となると推測される。
【0020】
【実施例】
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。
表1および表2に示す各成分、ワイヤ径およびCuめっき厚さのワイヤを試作し、表3に示す溶接条件で炭酸ガスシールドアーク溶接を行い、溶滴の短絡移行回数およびアークの安定性などを調べた。なお、ワイヤ表層部の酸素量はワイヤ製造時の焼鈍温度および時間の調整でコントロールした。また、溶接に用いた鋼板板厚は、ワイヤ径0.8mmの場合1mm、1.2mm径は3.2mm、1.4mmは6mmで、重ね継手として500mm長さ溶接した。短絡移行回数の測定は、溶接電圧波形をA/Dコンバータを介してパソコンで記録、解析して、電圧が5V以下を短絡のしきい値とし、短絡移行の回数を測定した。それらの結果も表3にまとめて示す。
【0021】
【表1】
【0022】
【表2】
【0023】
【表3】
【0024】
表中、ワイヤNo.W1〜W5が本発明例、ワイヤNo.W6〜W10は比較例である。
本発明例のワイヤNo.W1〜W5は、ワイヤ直径に対して5%の深さまでのワイヤ表層部の酸素量および全ワイヤ質量当りのS量が適正で、Cuめっき厚さが0.30μm以下であるので、溶滴の短絡回数が110回/秒以上となり極めてアークが安定した。
【0025】
比較例中、ワイヤNo.W6およびNo.W8は、ワイヤ直径に対して5%の深さまでのワイヤ表層部の酸素量が低いので、ワイヤ先端部の溶融金属の表面張力Fsが大きく、溶滴が大きく不揃いとなって周期的な母材への短絡移行が困難で溶滴の短絡移行回数が少なくなりアークが不安定となった。
【0026】
ワイヤNo.W7は、ワイヤ直径に対して5%の深さまでのワイヤ表層部の酸素量が多いので、ワイヤ表層部の粒界剥離が生じて、溶接時にコンジットチューブ内で送給抵抗が大きくなってアークが不安定となった。
ワイヤNo.W9は、ワイヤ中のS量が低いので、ワイヤ先端部の溶融金属の表面張力Fsが大きく、溶滴が大きく不揃いとなって周期的な母材への短絡移行が困難で溶滴の短絡移行回数が少なくなりアークが不安定となった。
ワイヤNo.W10は、ワイヤ中のS量が高いので、クレータ部の溶接金属に割れが生じた。
【0027】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤによれば、薄板の溶接時のような低溶接電流の場合でも特殊な溶接電源を用いることなく、また、安価な炭酸ガスシールドで溶接する場合においても、アークが極めて安定するなど高品質な溶接部が得られるとともに経済的である。
【図面の簡単な説明】
【図1】溶滴の短絡移行の説明図
【図2】ワイヤ直径に対して5%の深さまでのワイヤ表層部の酸素量と短絡移行回数の関係を示すグラフ
【図3】ワイヤ中のS量と短絡移行回数を示すグラフ
【図4】ワイヤ表面のCuめき厚さと短絡移行回数の関係を示すグラフ
【符号の説明】
W ワイヤ
M 溶融金属
A アーク
B 母材
Fa アーク力
Fs 表面張力
Fg 重力
Claims (1)
- 溶接電流密度が70〜180A/mm2で使用されるガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤにおいて、ワイヤ直径に対して5%の深さまでのワイヤ表層部における酸素量が0.010〜0.040質量%、全ワイヤ質量に対してSが0.010〜0.030質量%で、Cuめっき厚さが0.30μm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。
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