JP4422484B2 - 亜鉛めっき部品のブレーズ溶接に用いることができる三元ガス混合物 - Google Patents
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Description
本発明は、亜鉛めっき部品のブレーズ溶接に用いることができる三元ガス混合物に関する。
最近、薄い亜鉛めきシートを溶接するときに遭遇される問題は、本質的に前記シートの特性によるものである。
これは、特に自動車産業に使用される被覆シートの厚さが通常、０．５ｍｍと１．５ｍｍの間である理由による。
この要求と同様に小さい厚さは、供給されるエネルギーを減少させ、かつシートを穿つ危険を伴う溶接の過剰溶込み、シートの熱変形、側面に沿い、下側上の亜鉛被覆の分解およびシートの化学分解のような欠陥を避けるために適合すべきそのようなシートを溶接するのに用いられる溶接法に要求する。
さらに、薄い亜鉛めっきシート上の被覆の主構成材である亜鉛は基材金属およびフィラーワイヤのそれより低い４２０℃の融点（亜鉛の沸点：９０６℃）によって特徴付けられる。
溶接の間、それゆえ放電動作または単なる熱条件によって蒸発され、かつこの亜鉛蒸気はそれから不安定を引き起こす。
したがって、蒸発された亜鉛は放電雰囲気に入り、シールド雰囲気の物理的性状、特に電気的および熱的導電性を突然変更し、次に金属移送モードの不安定を引き起こす。
また、溶融金属中の亜鉛の蒸発化は溶接ビードのいずれかの側で溶融金属スパッタを引き起こすかもしれない。
さらに、亜鉛が重ね溶接が作られるときのビードルート近傍を蒸発する際に形成されるであろう穴または膨れはしばしば溶接池近傍にガス過圧をもたらす。これは、互いに接合すべきシート間のより小さいギャップおよびより大きな亜鉛厚さの場合である。
溶接池があまりにも速く冷却されるならば、蒸気は表面を上昇するための十分な時間を持たず、その密度に依存して接合の機械的性状に影響するかもしれない。
前記ビードの表面に開口する孔は、他の問題、特に溶接された部品、例えばこの部品が自動車の車体の見える部分を構成するとき、に塗装する場合に提起する。
これらの問題を解決するための試みにおいて、フレーム、ＭＩＧ／ＭＡＧ，ＴＩＧ、プラズマまたはレーザ処理を用いるブレーズ溶接技術は自動車産業に多年の間、用いられている良好な選択を構成する。
ブレーズ溶接は、溶接されるべき部品が構成される鉄基金属のそれより低融点であるが、亜鉛被覆のそれ、すなわち約４２０℃以上、典型的に８９０℃と１０８０℃を有する銅基フィラーの使用をなす。
ブレーズ溶接において、互いに溶接すべき部品は基材金属および金属の溶融によってではなく、フィラーワイヤの形態で供される液体銅基金属による固体基材金属の“濡れ”によって接合される。
ブレーズ溶接は、そのエネルギーがフィラー金属を溶融するためにのみに、かつ部品を加熱および溶融させないために供するので、低注入エネルギーを本質的に要求する。したがって、蒸発される亜鉛量は従来の溶接に比べて非常に減少される。
読者は、ブレーズ溶接方法についてさらに詳細のために文献“亜鉛めっき鋼の溶接および亜鉛リッチ塗膜鋼”フィリップス溶接報告、１９６６、１〜10頁を提示するかもしれない。
多くの型の合金は、ブレーズ溶接に適用されてもよい。ＣｕＡｌ（ＣｕＡｌ6）型合金は、きれいなビードおよび良好な機械的性状を維持するために主に用いられ、一方ＣｕＳｉ2型合金はより魅惑的な価格およびいくつかの突起の容易な研削のために主に用いられている。
ＭＩＧブレーズ溶接において、金属移送は短アークまたはパルスモードで生じさせることができる。
短アーク移送は、最小の注入エネルギーの要求の適用、および突起のないおよび最小の変形をもつ“魅惑的な”ビードに対して用いられる。そのような移送は、所望の溶接速度に相当するあるワイヤ速度を制限される。
パルス移送は、短アーク溶接に比べてより高いワイヤ速度および溶接速度での適用に用いられる。接合余裕公差および濡れの点から有益さを供するより暖かい溶接池を導く。パルス電流は、パルスあたりの１滴量の規則に従い、その滴量はできる限り低く、安定である背景電流（Ｉbackground）の間に脱離されるべきである。
さらに、知られているようにＭＩＧ／ＭＡＧ方法で用いられるシールドガスは、一方で放電雰囲気の電気的および熱的性状、および溶接池の遮蔽に適切に影響を有するので、その処理で重要な役目を働く。
前述のようにブレーズ溶接は、注入エネルギーの低減の目的で用いられる。むしろ実質的に不活性であるガスがそれゆえ用いられる。
ブレーズ溶接に一般的に考慮される前記ガスは、純粋アルゴンである。
しかしながら、他のガスまたはガス混合物はブレーズ溶接に用いるべきことができることを既に述べられている。
したがって、少量の酸素または二酸化炭素を持つアルゴンの三元混合物は例えば次の文献：H. Hackl、６．１９９８、デュッセルドルフ１９９８による亜鉛めっきシートのＭＩＧ溶接および剥離：溶接および切断、 H. Herold、ＤＶＳ報告２０４、デュッセルドルフ１９９９によるＭＩＧ溶接接合、特別な性状および特徴、およびG. Groten、DVS３５巻、１ＳＦ論文アーヘン１９９１、デュッセルドルフ１９９１による被覆および非被覆薄シートのＭＳＧパルス−アーク溶接の論文、から知られている。
しかしながら、他の文献は水素の存在は効果がないことの結論をくだす。これに関し、言及はＳＬＶ５月、２０００、溶接でのシールドガス：薄いシート分野への新しい技術、と題するA. KerscheおよびS. Trubeによる文献で現れ、その文献は少量の水素の存在は気孔率および乏しい濡れを引き起こすことを教示する。
さらに、ＤＶＳ報告１０５、デュセルドルフ１９８６、亜鉛めっき鋼シートのパルス−アーク溶接、と題するHauck and G. Hillerによる文献もまた知られており、その文献はＣｕＡｌ8ワイヤの場合で３０体積％のヘリウム、およびＣｕＳｉ3ワイヤの場合で５体積％の酸素、を含むアルゴンの混合物を述べている。
本発明は、それゆえ被覆シートのブレーズ溶接に用いられる場合、
−蒸気化される亜鉛量および変形を低減するために注入されるエネルギー量の低減；
−スパッタを防ぐためにアークの安定化；および
−気孔率なしですべての溶接個所にて良好な濡れおよび良好なビードコンパクトさ、
を維持することができるガス混合物を提供することによってＭＩＧブレーズ溶接を改良すること目的とする。
−蒸気化される亜鉛量および変形を低減するために注入されるエネルギー量の低減；
−スパッタを防ぐためにアークの安定化；および
−気孔率なしですべての溶接個所にて良好な濡れおよび良好なビードコンパクトさ、
を維持することができるガス混合物を提供することによってＭＩＧブレーズ溶接を改良すること目的とする。
本発明の解決は、次の体積配分：
０．４〜２％水素；
０．３〜２％二酸化炭素：および
残部（１００％まで）アルゴン
で水素、二酸化炭素およびアルゴンからなる三元ガス混合物に関する。
０．４〜２％水素；
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残部（１００％まで）アルゴン
で水素、二酸化炭素およびアルゴンからなる三元ガス混合物に関する。
ある場合次第で、本発明のガス混合物は１つ以上の次の技術特徴：
−多くとも１．９５％水素、好ましくは多くとも１．５％水素、より好ましくは多くとも１．３％水素を含む；
−少なくとも０．５％水素、好ましくは少なくとも０．７％水素を含む；
−多くとも１％二酸化炭素、好ましくは多くとも０．８％二酸化炭素を含む；
−少なくとも０．３５％二酸化炭素、好ましくは少なくとも０．４％二酸化炭素を含む；
−０．８〜１．１％水素；０．４〜０．７％二酸化炭素；および残部（１００％まで）アルゴンを含む；
−１％水素；０．５％二酸化炭素；および残部（１００％まで）アルゴンをおおよそ含む；および
−ガスシールドは、アルゴン、水素および二酸化炭素から専ら形成される三元混合物からなる。しかし、不可避的不純物は僅かな配分、例えば２０体積ｐｐｍまでの酸素、２０体積ｐｐｍまでの窒素、５０体積ｐｐｍまでのＣnＨmおよび３０体積ｐｐｍまでの水蒸気を混合物中に見出されてもよい、
を含んでもよい。
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を含んでもよい。
本発明は、また亜鉛めっきされた金属部品のブレーズ溶接の方法に関し、ブレーズ接合は少なくとも１つの放電、金属フィラーワイヤおよびろう材のガスシールドの使用によって、溶解により互いに接合すべき前記部品間に生成され、前記シールドガスは前述のガス混合物から形成される。
ある場合次第で、本発明のブレーズ溶接は１つ以上の次の技術特徴：
−互いに接合すべき前記部品は３ｍｍ以下、好ましくは０．５〜２ｍｍの厚さを有する；
−前記フィラーワイヤは、銅アルミニウム合金（ＣｕＡｌ合金）または銅シリコン合金（ＣｕＳｉ合金）から作られる；
−前記金属部品は、非合金炭素鋼、好ましくはＨＹＳ（高降伏強度）またはＶＨＹＳ（超高降伏強度）鋼から作られる；
−アークを発生するために用いられる電流強度は、１ｍｍ径のワイヤに対して少なくとも２００Ａである；
−電流は、可変または非可変の極性である；
−移送モードは、パルスまたは短アーク型である；
−部品は、亜鉛めっきまたは熱浸漬亜鉛めっきによって亜鉛めっきされる；および
−１つまたは２つのフィラーワイヤを用いる、
を含んでもよい。
−互いに接合すべき前記部品は３ｍｍ以下、好ましくは０．５〜２ｍｍの厚さを有する；
−前記フィラーワイヤは、銅アルミニウム合金（ＣｕＡｌ合金）または銅シリコン合金（ＣｕＳｉ合金）から作られる；
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−移送モードは、パルスまたは短アーク型である；
−部品は、亜鉛めっきまたは熱浸漬亜鉛めっきによって亜鉛めっきされる；および
−１つまたは２つのフィラーワイヤを用いる、
を含んでもよい。
本発明は、また本発明に係るブレーズ溶接方法によって互いに結合すべきいくつかの部品から形成される自動車エレメントを製造する方法に関し、特に前記自動車エレメントは自動車ボディー、床／ヒンジ−ヒンジ接合材、エンジンクレードル、ダッシュボードクロス部材、シート下のクロス部材およびガソリンの接触改質法の構成材によって形成される群から選ばれる。
別の側面によれば、本発明はまた本発明に係るブレーズ溶接方法によって互いに結合すべきいくつかの部品から形成される容器を製造する方法に関する。
本発明のブレーズ溶接方法は、またガス収納フレーム等、ベンチレータダクト、電気キャビネット、その他のような他の構造材の製造に供する部品を互いに接合するために用いてもよい。
例
ブレーズ溶接に用いるときに本発明に係るガス混合物の実行できることおよび効果を証明するために、比較試験は次の条件の下でなされた。
ブレーズ溶接に用いるときに本発明に係るガス混合物の実行できることおよび効果を証明するために、比較試験は次の条件の下でなされた。
溶接すべき集成部品は、ＥＮ１０１４２標準により、かつ両側に熱浸漬亜鉛めきされる、すなわち１０μｍ厚さの２つの亜鉛面を有すると言われる、０．８ｍｍおよび１．５ｍｍ厚さのＤＸ５４Ｄ＋Ｚ１２０シートから形成された。
前記集積部品は、重ねた形態で平らに位置された。１ｍｍおよび１．２ｍｍ径のＣｕＡｌ8型およびＣｕＳｉ3型フィラーワイヤは、２つの型−短アークおよび−パルス−移送に依存して用いられた。
シールドガスの性質の影響は、比較としての純粋アルゴンを用いて評価された。
試験において、次の評価基準が用いられた：
−スパッタなし；
−開気孔率なし（放射線写真術による閉気孔率の検査）
−良好な濡れ：平らなビード、僅かな溶込み、接合角度；
−金属学的欠陥：亀裂、結晶劣化；
−亜鉛被覆の僅かな分解；および
−ビード外観：粘着性酸化物の僅かな堆積。
−スパッタなし；
−開気孔率なし（放射線写真術による閉気孔率の検査）
−良好な濡れ：平らなビード、僅かな溶込み、接合角度；
−金属学的欠陥：亀裂、結晶劣化；
−亜鉛被覆の僅かな分解；および
−ビード外観：粘着性酸化物の僅かな堆積。
前記溶融池上流の亜鉛蒸気を追い出し、かつそれら亜鉛蒸気をガス雰囲気シールド放電に入るのを防ぐ目的で、約２５°のトーチ傾斜で押出し方向に溶接するためにＭＩＧ処理が好ましい。この角度以下において、亜鉛蒸気引き抜きは効力がなく、アーク不安定およびスパッタが現れる。この角度を超えると、不安定の原因は溶融金属がガス噴射によって追い出されるときに生じる。さらに、水平方向のガス噴射はアーク背面の外周空気に置かれる危険を招き、溶接池のシールドを減少する。
アークおよび溶融池をシールドするための理想的なガス流れは、約０．０５Ｌ／分×ｍｍ2の領域に標準化される値によって与えられる。したがって、２０ｍｍ径のノズル、自動溶接で、流速は３０Ｌ／分であり、一方１６ｍｍ径のノズル、手動溶接でお流速は２０Ｌ／分である。
例１：ガス混合物の選択
まず、本発明の発明者らはアルゴン基シールドガス混合物に含まれるいくつかのガス化合物の影響を決定することを調べた。
まず、本発明の発明者らはアルゴン基シールドガス混合物に含まれるいくつかのガス化合物の影響を決定することを調べた。
試験された混合物の成分および得られた結果は下記表Ｉに挙げられる。
アーク安定性に関し、表ＩはＯ2およびＣＯ2のような酸化成分がアルゴンに添加される場合、アーク安定性はより放射性である酸化物表面の形成を通して増加することを示す。窒素もまた安定効果をもたらすかもしれないが、少ない方の範囲である。
アルゴン中のＨｅまたはＨ2のようなある成分は、ビードの外観および形態に消極的寄与を有する。
ヘリウムにおいて、アークはより高電圧を必要とし、それゆえ溶接池に注入され、ビード濡れ条件のみならず溶込み条件を改良する大量のエネルギーは薄いシートに対してより困難にする。
水素は、ビードの形態および外観を改善するのを助ける。
第１性状は、ワイヤ端近くの領域でのアーク収縮効果によるもので、いわゆる吸熱分解は外部周縁の本質的な冷却を引き起こし、それゆえ収縮および本質的な熱回収は溶接すべき被加工物、すなわちエネルギー放出を持つ表面での再組み合わせに影響する。
水素の還元効果による第２性状は、表面酸化物のない得られるべきビードをなす。
例２：９８．５％Ａｒ／１％Ｈ2／０．５％ＣＯ2ガス混合物の試験
この例において、９８．５％Ａｒ＋１％Ｈ2＋０．５％ＣＯ2から形成されるガス混合物は、次のパラメータを用いる自動溶接および手動溶接で評価された。
この例において、９８．５％Ａｒ＋１％Ｈ2＋０．５％ＣＯ2から形成されるガス混合物は、次のパラメータを用いる自動溶接および手動溶接で評価された。
自動溶接：
−ノズル−被加工物距離（ｄ）：１５ｍｍ
−ガス流速（Ｑ）：３０Ｌ／分
−溶接速度（Ｖw）：５０ｃｍ／分
−垂直に対するトーチ角度：２５°
手動溶接：
−ノズル−被加工物距離（ｄ）：１２ｍｍ
−ガス流速（Ｑ）：２０Ｌ／分
−溶接速度（Ｖw）：４０ｃｍ／分
−垂直に対するトーチ角度：２５°。
−ノズル−被加工物距離（ｄ）：１５ｍｍ
−ガス流速（Ｑ）：３０Ｌ／分
−溶接速度（Ｖw）：５０ｃｍ／分
−垂直に対するトーチ角度：２５°
手動溶接：
−ノズル−被加工物距離（ｄ）：１２ｍｍ
−ガス流速（Ｑ）：２０Ｌ／分
−溶接速度（Ｖw）：４０ｃｍ／分
−垂直に対するトーチ角度：２５°。
適合される他のパラメータ（フィラーワイヤの型、移送モード、その他）は、９８．５％Ａｒ＋１％Ｈ2＋０．５％ＣＯ2混合物に対して以下の表IIに挙げられる。
得られた結果は、金属学的外観、操作条件、すなわち実行の容易さ、ワイヤの熔融、アーク安定性およびスパッタ量に関して比較される。
図１は、比較のためのアルゴン（上のグラフ）および本発明のＡｒ／Ｈ2／ＣＯ2ガス混合物（下のグラフ）を用いるパルス溶接でのアーク安定性を比較することができる。明らかなように、パルス溶接においてアーク安定性の改善は低電圧でのピーク電圧（Ｕ）および落下脱離電圧での僅かな分散から証明される。
短アーク溶接において、適切である短アーク周波数、アーク時間／短アーク時間比および短アーク電流が実質的に均一である。
濡れは、ブレーズ溶接で特別興味深い。
図２は、比較のためのアルゴン（上のグラフ）および本発明のＡｒ／Ｈ2／ＣＯ2ガス混合物（下のグラフ）を用いるパルス溶接での濡れを比較することができる。
図２の肉眼検査区分において、濡れは幅（Ｌ）、厚さ（Ｈ）、溶込み（Ｐ）および接合角度（ａ）によって特徴付けられる。この評価の例は、添えられる（図２）。
０．８ｍｍ厚さのシートを持つ得られた接合の機械的性能は、“ガイド”引張り試験で測定される引張り強度（Ｒm）によって評価される。
結果は、本発明（組成：９８．５％Ａｒ；１％Ｈ2；０．５％ＣＯ2）の三元Ａｒ／ＣＯ2／Ｏ2ガス混合物、比較のための２体積％のＣＯが既に添加されているアルゴンからなる三元ガス混合物（すなわちＡｒ／２％ＣＯ2）に対して下記表IIIに挙げられる。
明らかなように本発明（９８．５％Ａｒ＋１％Ｈ2＋０．５％ＣＯ2）の三元ガス混合物は、比較によって三元制御混合物に比べて非常に良好な結果をもたらす。
追加試験は、０．３〜２体積％ＣＯ2の範囲で示されるいくつかにおいてなされ、満足なアーク安定化効果が約０．５％のＣＯ2量で得られた。しかしながら、溶接接合の酸化、特に酸化物が堆積し、くすぶることに関する消極的効果をもたらすので、このＣＯ2量を増加することは望ましくない。
同様に、０．５〜１０％Ｈ2の範囲において上限は熔融金属の水素の最大溶解によって決定され、それは上限が超えると直ぐに現れる気孔率のリスクによって証明される。再加工、場所的配分または強化を仮装する、多層堆積によって、リスクは少なくとも約２％濃度の水素の場合に存在しないことを示される。安全のためにＨ2量は１体積％までに限定され、それはまたビードの形状および外観を改良することと溶接速度を増加することの間に良好な折衷を表す。堆積金属中の総水素分析評価は、産業見地から受け入れ可能な最大溶解量が銅アルミニウム合金の場合に０．１００ｇ／ｃｍ3であることが知られていることから、０．０６７ｇ／ｃｍ3に相当する６μｇ／ｇの量を表されている。
自動車産業での１つの特別な基準は、シート間のギャップ、すなわち集積部品公差と呼ばれる、を吸収するための処理の能力である。薄い被加工物（厚さ＜１．５ｍｍ）に対して、そのギャップはその厚さに等しいかもしれない。
特別な有益さにおいて、本発明の三元ガス混合物は１．５ｍｍ厚さの場合に２ｍｍまでの範囲のギャップ、すなわち溶接部品の厚さより大きなギャップを許容する。
比較のために、僅かなパーセントの酸素または窒素が添加されているアルゴンに基づくガス混合物の使用は溶接池に注入されるより大きなエネルギーを引き起こし、かつ集合部品の頂部シートの望ましくない突き刺しの危険を急激に課す。
さらに、ブレーズ溶接の場合、基材金属、典型的に鉄の最小の希釈で接合を創ることが望ましい。しかしながら、この基材金属の僅かな溶解はビードの単純結合を妨げるようになれる。
試験が本発明の背景内でなされる間、堆積配分による計算される、堆積された金属中の鉄の希釈度合は１．５ｍｍ厚さのシートの場合で５％以下残り、それは産業見地から全く受け入れ可能である値である、ことが観察される。
本発明のガス混合物は、垂直下向溶接および水平−垂直溶接が平坦位置溶接に比べて適合すべき特別なパラメータを必要としないので、手動溶接で良好な加工性を達成する能力をさらに示す。
ビードの外観表面は、冷却の間に溶接池のガスシールドを最大限に活用するために約５０ｍｍまでシールド領域を延ばす“ドラッグロッド”を用いてさらに改良され、それはビード上に形成される銅酸化物を除去することができ、現象はＣｕＳｉ3フィラー金属で実質的に生じることを気が付くべきである。
環状のノズルが本発明の三元ガス混合物で供給されるならば、“ドラッグロッド”は同じガス混合物または純粋アルゴン（流速：約１０Ｌ／分）で供給されることが好ましい。
Claims (16)
- 亜鉛めっきされた金属部品のブレーズ溶接の方法であって、互いに接合すべき前記部品間にブレーズ接合を生成することを含み、前記接合はブレーズ手段で生成され、前記手段は、
ａ）少なくとも１つの放電；
ｂ）銅アルミニウム合金フィラーワイヤ；および
ｃ）ガス混合物、ここで前記ガス混合物は
１）０．４〜２％水素；
２）０．３〜２％二酸化炭素；および
３）残部（１００％まで）アルゴン
からなる、
を含む方法。 - 前記ガス混合物は多くとも１．９５％水素を含む請求項１記載の方法。
- 前記ガス混合物は多くとも１．５％水素を含む請求項２記載の方法。
- 前記ガス混合物は多くとも１．３％水素を含む請求項３記載の方法。
- 前記ガス混合物は少なくとも０．５％水素を含む請求項１記載の方法。
- 前記ガス混合物は少なくとも０．７％水素を含む請求項５記載の方法。
- 前記ガス混合物は多くとも１％二酸化炭素を含む請求項１記載の方法。
- 前記ガス混合物は多くとも０．８％二酸化炭素を含む請求項７記載の方法。
- 前記ガス混合物は少なくとも０．３５％二酸化炭素を含む請求項１記載の方法。
- 前記ガス混合物は少なくとも０．４％二酸化炭素を含む請求項９記載の方法。
- 前記ガス混合物は、
ａ）０．８〜１．１％水素；
ｂ）０．４〜０．７％二酸化炭素；および
ｃ）残部（１００％まで）アルゴン
からなる請求項１記載の方法。 - 前記ガス混合物は、
１％水素；
０．５％二酸化炭素；および
残部（１００％まで）アルゴン
からなる請求項１記載の方法。 - 互いに接合すべき前記部品は、３ｍｍ以下の厚さを有する請求項１記載の方法。
- 互いに接合すべき前記部品は、０．５〜２ｍｍの厚さを有する請求項１３記載の方法。
- 互いに結合すべき前記部品は、自動車ボディー、床／ヒンジ−ヒンジ接合材、エンジンクレードル、ダッシュボードクロス部材、シート下のクロス部材によって形成される自動車エレメントである請求項１記載の方法。
- 前記金属部品は、非合金炭素鋼から作られる請求項１記載の方法。
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