JP4398439B2 - 溶接時におけるアーク安定性に優れた銅メッキマグ溶接用ソリッドワイヤ - Google Patents
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Description
C:0.01〜0.10重量%、Si:0.3〜1.0重量%、Mn:0.7〜2.0重量%、P:0.001〜0.030重量%、S:0.001〜0.030重量%、Cu:0.01〜0.50重量%を含み、残りのFe及び不可避的不純物からなるマグ溶接用ソリッドワイヤに、銅メッキを施して得られたメッキ層の厚さが0.2〜1.0μmの範囲になるようにし、メッキ層内にFe、Na、Mg、Ca含量の総和が100〜1000ppmの範囲内であり、同時にNa、Mg、Ca含量の総和は10〜500ppmの範囲を満たす、溶接時におけるアーク安定性に優れた銅メッキマグ溶接用ソリッドワイヤに関する。
C:0.01〜0.10重量%、Si:0.3〜1.0重量%、Mn:0.7〜2.0重量%、P:0.001〜0.030重量%、S:0.001〜0.030重量%、Cu:0.01〜0.50重量%を含み、残りのFe及び不可避的な不純物からなるマグ溶接用ソリッドワイヤを、CuSO4・5H2O 200〜300g/L、H2SO4 30〜50g/L、Fe 10〜40g/L、Mg 1.0〜10g/L、Na 0.1〜1.0g/L、Ca 0.1〜1.0g/L、Cl 1.0〜5.0g/L、及びEDTA 0.01〜0.1g/Lの組成を有する銅メッキ液中に、30〜50℃の範囲内で1.5〜2.5秒間浸漬させることを含む溶接時におけるアーク安定性に優れた銅メッキマグ溶接用ソリッドワイヤを製造する方法に関する。
1) 5.5mmの線材ワイヤを伸線してメッキ工程に供給される1.4〜2.5mmワイヤは、表面の凹凸が激しいこと。
2) メッキ以後にも、湿式伸線及び表面処理工程のような加工工程があること。
3) アルカリ金属とアルカリ土類金属をメッキ層に残留させなければならないこと。
Cu(エチレンジアミン)2++e- = Cu(s)+2エチレンジアミン E0= -0.119 (V)
Ca2++2e- = Ca(s) E0= -2.868 (V)
Mg2++2e- = Mg(s) E0= -2.360 (V)
Na++e- = Na(s) E0= -2.714 (V)
メッキ液の基本組成は、高速銅メッキに適合な条件で硫酸銅(CuSO4・5H2O)を主な建浴剤として使用し、連続的なメッキ液の供給のために基本組成の1.5〜2倍で濃度を高くして組成した液を、補充液として使用する。
銅メッキにおいて鉄イオンは、Cu析出を制御する最適の要素であって、Cuとイオン半径が類似してその性質が似ており、Cu析出反応を制御すると共にメッキ層の硬度を上昇させる役割をする。しかし、メッキ層内にFeが多くなるとCu固有の電気伝導性を落とし、溶接時におけるアーク不安定の原因になることもある。
アルカリ金属ナトリウム(Na)はイオン化傾向の大きい金属であって、溶接時に溶接電流によりイオン化されて溶接移行を促進し、特に、溶滴移行速度を増加させる役割をすることで、スパッタの減少に寄与する。
アルカリ土類金属カルシウム(Ca)は、溶接時のアーク移行現象におけるアーク安定性を向上させ、低いイオン化エネルギーにより溶接移行が促進され、溶接時における短絡回数の増加と共にスパッタを減少させる。メッキ液中では、鉄イオンと共に銅の析出を制御する役割をするとともに、銅金属分子の間に部分的に析出されてメッキ層の緻密度を高める。
アルカリ土類金属Mgは強力な反応性を有しており、脱酸作用とともにアーク安定性に寄与する元素であって、メッキ液中では鉄イオンとともに銅の析出反応を部分的に制御するが、究極的にはメッキ層内に残留してアーク安定性に寄与することに目的がある。
メッキ液中の塩素イオンは、メッキ液の粘性を下げて表面張力を落とす役割とともに、光沢メッキを可能にする要素であって、メッキ液中では塩素濃度で1.0〜5.0g/L添加される。
EDTAはアルカリ金属とアルカリ土類金属の析出を助けて、メッキ液の表面張力を下げるための添加剤である。
本願明細書において、EDTA+Fe+Mg+Ca+Naを含めて包括的に添加剤と称する。
2) Cuメッキ層内の微量元素の含量:Fe+Mg+Ca+Na=100〜1000ppm
3) Cuメッキ層内のアルカリ金属及びアルカリ土類金属の含量:Mg+Ca+Na=10〜500ppm
本発明の溶接用銅メッキソリッドワイヤにおけるワイヤの化学成分は、JIS Z3312に規定されている鋼線を使用することが可能である。その鋼線の組成を規定しているが、その成分の添加理由と組成の限定理由について説明する。
炭素は、溶接金属の脱酸及び強度を得るために必ず添加される元素であって、その含有量が0.01重量%未満の場合は、脱酸と強度を充分に発揮することができなく、また0.10重量%を超える場合は、溶接金属において高温亀裂を発生しやすいため、C含量は0.01〜0.10重量%が好ましい。
Siは、溶接金属の脱酸剤として添加される元素である。しかし、含有量が0.30重量%未満であると、脱酸作用が充分にできず、溶接金属のピット(pit)またはブローホール(blowhole)を発生させることとなる。又、1.0重量%を超える場合、溶接金属の靭性が落ちるため、Si含量は0.3〜1.0重量%が好ましい。
Mnは、溶接金属の脱酸及び強度を得るために添加する元素であって、0.7重量%未満の場合、脱酸後の強度を充分に得ることができず、また2.0重量%を超えると、溶接金属において低温クラックを起こしやすい。従って、Mn含量は0.7〜2.0重量%が好ましい。
Pは、ワイヤ先端の溶滴が円滑に離脱するよう寄与する元素で不可欠な元素であるが、P含量が0.001重量%未満の場合は、その効果が充分ではなく、0.030重量%を超える場合は、溶接金属の高温クラックが発生しやすいため、P含量は0.001〜0.030重量%が最も好ましい。
Sは、ワイヤ先端の溶滴が円滑に離脱するように寄与する元素で不可欠な元素であるが、S含量が0.001重量%未満の場合は、その効果が充分ではなく、0.030重量%を超える場合は、溶接金属の高温クラックが発生しやすいため、S含量は0.001〜0.030重量%が最も好ましい。
Cuは、ワイヤの通電性及び溶接金属の強度が得られる元素である。しかし、0.01重量%未満の場合、通電性及び強度を充分に確保することができず、0.50重量%を超えると、溶接金属において高温クラックを発生させる可能性が大きい。そのため、ワイヤのCu含有量は0.01〜0.50重量%が好ましい。
不可避的な不純物にはN、Mg、Ca、V、Se、Co、Zn、Sn、Te、Sr、Y、W、Pbなどがあり、それぞれの不純物は0.05重量%以下で、合計0.50重量%以下で含有されることにより、本発明の目的を達成することができる。しかし、不純物の元素が0.05重量%を越える場合、アークの安定性が落ちたり、クラックの敏感度が高くなる等の悪影響があるため、それぞれの不純物は0.05重量%以下及び総和が0.50重量%以下でなければならない。
Niは、溶接金属の低温靭性の改善を目的として添加する元素であって、Ni含量が0.01重量%未満の場合は、低温靭性の改善効果がなく、1.0重量%を超える場合は、溶接金属の高温亀裂が発生しやすい。また、メッキ工程でメッキ密着力を低下させる悪影響があるため、Ni含量は0.01〜1.0重量%が好ましい。
Crは、溶接金属の強度を向上させるため効果的な元素であるが、0.01重量%未満では、その効果が不十分であり、0.50重量%を超えると、溶接金属の延伸率が低下する。また、メッキ工程で0.50重量%を超えると、メッキ密着力の低下とともにメッキ層に残留して、メッキ層の通電性を低下する。従って、Cr含量は0.01〜0.50重量%が好ましい。
Moは、溶接金属の低温靭性と強度を向上させるために効果的な元素であって、0.01重量%未満では、その効果が表れず、0.50重量%を超えると、溶接金属の高温亀裂が発生しやすくなるだけでなく、メッキ工程におけるメッキ密着力の低下と共に、メッキ層に残留され、通電性を低下する。そのため、Mo含量は0.01〜0.50重量%が好ましい。
Alは、溶接金属の脱酸及び溶接ビード形成に効果的な元素であって、Al含量が0.01重量%未満では、脱酸作用が不十分で溶接ビード形状の調整が不可能であり、0.50重量%を超える場合は、溶接金属の高温クラックを発生しやすいだけでなく、メッキ工程でメッキ密着力の低下と共にメッキ層に残留し、通電性を低下する。そのため、Al含量は0.01〜0.50重量%が好ましい。
TiとZrは、溶接金属の脱酸作用を行いながら溶接スパッタ(Spatter)を減少させる作用を有する。添加方法は、Ti単独或いはこれと共に添加することができ、TiとZrの含量が0.01重量%未満の場合は、スパッタ減少の効果がなく、脱酸反応も円滑に行われない。また、TiとZrの含量が0.30重量%を超えると、溶接金属の高温クラックが発生しやすいため、TiとZrの含量は0.01〜0.30重量%が好ましい。
本発明におけるメッキ品質の評価項目においては、最も一般的にメッキ密着力を評価する方法として、JIS H8504(メッキ密着性の試験方法)に様々なものが紹介されている。その中でも、最も容易な評価方法は自径巻付方式であるが、ワイヤをマンドレルやワイヤ自体に数回以上巻いたとき、ワイヤの表面に形成されたメッキ層が割れたり、剥離される現象を光学顕微鏡で拡大して評価する方法である。上記の方式で評価するとき、メッキ密着力に優れたワイヤほど、メッキ層の割れや剥離現象の発生回数が少なくなり、これは溶接時におけるワイヤの送給性と直結する。
[メッキ剥離溶液の製造方法]
メッキ剥離溶液は、アンモニア(NH4OH)300mlに三塩化酢酸(CCl3COOH)25gを秤量して入れて溶かした後、全体液の容量が1000mlになるようにメスフラスコに入れて、蒸留水を表示線まで入れたものをメッキ層のメッキ剥離溶液として使用した。
ワイヤ約25gを2〜5cm間隔に切断して250mlのビーカーに入れて、四塩化炭素(CCl4)またはエチルアルコール(CH3CH2OH)に浸漬し、超音波洗浄器に入れて10分間超音波脱脂を実施し、ワイヤの表面に付着した送給油及び防錆油を完全に除去した。洗浄が完了したワイヤは、105℃に維持されたドライオーブンに入れて10分間乾燥し、表面が完全に乾燥されるまで乾燥した後、デシケーターで常温まで冷却した。
ブランク試験は、メッキ剥離溶液に存在するFe、Mg、Ca、Naの量を測定して補正するためのものであって、上記された試料の前処理方法と同様に実施するが、ワイヤのみを入れていない状態で実施してメスフラスコ100mlに入れ、蒸留水を表示線まで入れたものをブランク試料とした。
分析試料の測定は、誘導結合プラズマ発光分光分析機(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometer, ICP-AES)として、サーモエレメンタル(Thermo Elemental)社のアイリス アドバンティジ(IRIS Advantage)装置を使用して測定した。
測定用検量線は、標準物質添加法で作成した。測定試料と同一のマトリックスを構成するために、上記試料の前処理過程と同様に処理された4種の試料を100mlのメスフラスコにそれぞれ入れて、Ca、Na、Mg、Fe標準溶液でそれぞれブランク、0.5ppm、1ppm、10ppmずつ投入して、検量線作成の標準溶液とする。
本発明におけるメッキ層の厚さは、破壊方式である電解式メッキ厚さ測定機〔エレック ファイン インストルメント(Elec Fine Instruments Co., Ltd)社のCT-2〕を使用した。破壊式メッキ厚さ測定機を使用した理由は、メッキ層の除去有無を光学顕微鏡を利用して再確認する目的を兼ねることができるという長所があるためである。
電解式メッキ厚さ測定機は、Cuに反応する試薬に浸漬後、電流を流しながらメッキ層を溶かした。メッキ層と下地間に流れる電位差を持続的に感知し、メッキ層が電解されると電位差が発生するが、これをメッキ厚さの測定単位に換算して表示する原理である。
メッキ層の厚さを機器を使用して測定しなかった場合は、上記で説明したメッキ剥離液を利用して、メッキ層の除去前後の重量差を以って下記の数学式1を利用して、メッキ層厚さ(μm)に換算して使用する。
Cu厚さ(μm)={(W1-W2)/4*W2}*D*(Fe比重/Cu比重)*1000
(ここで、W1:メッキ剥離前のワイヤ重量(g)、
W2:メッキ剥離後のワイヤ重量(g)、
D:ワイヤ線径(mm)、
Fe比重:7.86g/cm3、及び
Cu比重:8.93g/cm3である)
実施例のワイヤは、上記の表3に提示された本発明のメッキ液組成の範囲で1.5〜2.5秒以内でメッキ槽に浸漬する方式でCuメッキを実施し、水洗槽を経て潤滑剤を使用して1.2mmまで伸線して製品線を製造した。
メッキ密着力は、JIS H8504(メッキ密着性の試験方法)で巻付方式で製品線ワイヤを自径巻付し、光学顕微鏡を利用して400〜500倍の倍率におけるメッキ脱落の程度により密着力を評価した。
溶接時におけるアーク安定性を評価するための方法に、上記の表5に記載されたワイヤを表10のように製造し、下記表6の溶接条件と同様に、低電流及び高電流領域のそれぞれで180秒間連続自動溶接を実施し、アークモニタリング(Arc Monitering System WAM4000D Ver2.0)を利用して秒当たり5000回のモニタリングをして、短絡移行領域の低電流領域では瞬間短絡比率でアーク安定性を評価し、グロビュール(Globular)移行区間の高電流領域では、溶接電流の標準偏差を以って、下記の表7に提示された評価基準により評価した。低電流領域では、瞬間短絡比率が5%未満でスパッタ(Spatter)の発生量が少なく、美麗なビード外観が得られ、高電流領域では溶接電流の標準偏差が10未満の条件である場合、スパッタの発生量が最小化され、美麗なビード外観が得られた。溶接に使用された母材は、SS400 25t母材で表面をグラインディングして、スケールを完全に除去した母材を使用した。
送給性は、溶接チップから一定速度でソリッドワイヤが供給されるかの可否と同様な意味を有している。送給性が悪いと、溶接チップからのワイヤの供給が不足し、溶接アーク柱の間隔が広くなることにより、アークが不安定になったり、アークが短絡される。そして、送給性に優れたワイヤは、溶接ケーブルの形態、すなわちW、1回ターン(turn)、2回ターンの条件でも円滑にアークの短絡なくワイヤが供給されるワイヤを意味する。本発明では、表8に提示された溶接条件で5mの溶接ケーブルを利用して連続溶接を実施した。ここに、送給性評価のために、溶接ケーブルの条件を直径300mmで、W、1回ターン、2回ターンの条件で表9に提示された評価基準で送給性を評価した。
本発明を再現した上記の表10中の実施例から見られるように、メッキ層が厚さ0.2〜1.0μmでメッキされると共に、メッキ層内のFeを含んだアルカリ金属(Na)とアルカリ土類金属(Mg, Ca)含量の総和が100〜1000ppmを満たし、メッキ層内のFeを除いたアルカリ金属(Na)とアルカリ土類金属(Mg, Ca)含量の総和が10〜500ppmで残留させた実施例の場合、優秀な送給特性と共に優秀なアーク安定性を示している。
Claims (3)
- C:0.01〜0.10重量%、Si:0.3〜1.0重量%、Mn:0.7〜2.0重量%、P:0.001〜0.030重量%、S:0.001〜0.030重量%、Cu:0.01〜0.50重量%を含み、残りのFe及び不可避的不純物からなるマグ溶接用ソリッドワイヤに銅メッキを施して得られたメッキ層の厚さが0.2〜1.0μmの範囲になるようにし、メッキ層内にFe、Na、Mg、Ca含量の総和が、100〜1000ppmの範囲内であり、同時にNa、Mg、Ca含量の総和は10〜500ppmである銅メッキマグ溶接用ソリッドワイヤ。
- 上記銅メッキを施す際に使用する溶液組成は、CuSO4・5H2O 200〜300g/L、H2SO4 30〜50g/L、Fe 10〜40g/L、Mg 1.0〜10g/L、Na 0.1〜1.0g/L、Ca 0.1〜1.0g/L、Cl 1.0〜5.0g/L、及びEDTA 0.01〜0.1g/Lからなることを特徴とする請求項1記載の銅メッキマグ溶接用ソリッドワイヤ。
- C:0.01〜0.10重量%、Si:0.3〜1.0重量%、Mn:0.7〜2.0重量%、P:0.001〜0.030重量%、S:0.001〜0.030重量%、Cu:0.01〜0.50重量%を含み、残りのFe及び不可避的不純物からなるマグ溶接用ソリッドワイヤを、CuSO4・5H2O 200〜300g/L、H2SO4 30〜50g/L、Fe 10〜40g/L、Mg 1.0〜10g/L、Na 0.1〜1.0g/L、Ca 0.1〜1.0g/L、Cl 1.0〜5.0g/L、及びEDTA 0.01〜0.1g/Lの組成を有する銅メッキ液中に、30〜50℃の範囲内で1.5〜2.5秒間浸漬させることを含む銅メッキマグ溶接用ソリッドワイヤの製造方法。
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