JP4429864B2

JP4429864B2 - Ａｒ−ＣＯ２混合ガスシールドアーク溶接用めっきなしソリッドワイヤ

Info

Publication number: JP4429864B2
Application number: JP2004295802A
Authority: JP
Inventors: 雄二鈴木; 弘二雨池; 公博辻
Original assignee: 日鐵住金溶接工業株式会社
Priority date: 2004-10-08
Filing date: 2004-10-08
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2024-10-08
Also published as: JP2006102800A

Description

本発明は、Ａｒ−ＣＯ₂混合ガスシールドアーク溶接用めっきなしソリッドワイヤに関し、特に低電流域から遷移領域の溶接電流で長時間溶接する場合においても、スパッタ発生量が少なくワイヤ送給性が良好で、さらにコンタクトチップ（以下、チップという。）の摩耗が少なくアークの安定性が良いなど溶接作業性に優れたＡｒ−ＣＯ₂混合ガスシールドアーク溶接用めっきなしソリッドワイヤに関する。

一般にガスシールドアーク溶接方法は、全姿勢溶接が可能で、信頼性の高い溶接継手が得られる。したがって、建築、橋梁、化工機を主体とする大型構造物や自動車等の輸送機器の鋼構造物製造に広く使用されている。シールドガスとしては、経済性と耐欠陥性からＣＯ₂ガスを使用する場合が多いが、ＣＯ₂ガスを使用するとスパッタ発生量が多く、溶接箇所周囲の鋼板表面の清掃作業（タガネやグラインダー等によるスパッタの除去作業）や溶接トーチ先端のシールドノズルの清掃作業（スパッタの除去）が必要となる。

従って、特にロボットを用いて溶接する場合にスパッタの発生を抑制するためにＡｒに５〜２５体積％のＣＯ₂ガスを混合した混合ガスを使用することが多い。この混合ガスを使用する場合は、高電流域では溶滴の移行形態がスプレー状となり、スパッタ発生量は極めて少ない。しかし、低電流域ではＣＯ₂ガスを用いた溶接の場合と同様にスパッタ発生量が多くなる。また、高電流域と低電流域の中間である遷移領域の溶接電流においても比較的スパッタ発生量が多い。

そのため、低電流域でのパッタ発生量を抑制する技術として、例えば特開平９−９９３９０号公報（特許文献１）や特開平１０−３０５３８９号公報（特許文献２）にパルス電源を用いたＡｒ−ＣＯ₂混合ガスシールドアーク溶接用ワイヤの提案がある。しかし、これらの技術では低電流域から遷移領域でのスパッタ発生量は少なくなるが、使用するパルス電源が非常に高価であり、一般の電源による溶接でのスパッタ発生量が少ない溶接用ワイヤが求められている。

Ａｒ−ＣＯ₂混合ガスを用いてスパッタ発生量を抑制した技術として、例えば特開平８−１３２２８０号公報（特許文献３）や特開２０００−２４６４８５号公報（特許文献４）にワイヤに微量のＣａ、Ｋを含有させる溶接用ワイヤの提案がある。しかし、これらの技術は何れも高電流域での溶接、すなわち溶滴の移行状態がスプレー状でのスパッタの低減を図ったものであって、低電流域での溶接においてはスパッタ抑制に充分ではない。
また、ワイヤ表面に銅めっきが施されていないワイヤについても種々検討されており、この場合製造工程でワイヤ表面に銅めっきを施す工程を省略できるのでめっき廃液の取り扱いが不要になるという利点もある。

ワイヤ表面に銅めっきが施されていないワイヤとして、例えば、特開平９−２６３６７９号公報（特許文献５）や特開２００４−１０６１号公報（特許文献６）には、銅めっき無しでスパッタ発生量を少なくした溶接用ワイヤの開示がある。しかし、これらの技術では長時間溶接しているとチップ摩耗が激しくアークが不安定になるので頻繁にチップを交換する必要がある。

また、ロボットを用いた場合の溶接作業は、ワイヤ供給装置の送給ローラにより、コンジットケーブルの内部に内包され螺旋状に形成されたコンジットチューブとそれにつながる溶接トーチのチップから連続的にワイヤを送り出しながらＡｒ−ＣＯ₂ガスの雰囲気でアーク溶解する方法で使用される。この場合、コンジットケーブルは溶接トーチの動きを容易にするために長尺でかつ軟質の物が用いられ、ワイヤ送給装置から溶接部までの距離の調整や狭隘部の溶接をするために上下あるいは左右に曲げたり、ループ状に巻きつけて使用されることが多い。このような状況で使用された場合、前述の溶接用ワイヤでは螺旋状のコンジットチューブ内の表面と接触摩擦部が増えて送給抵抗が増し、ワイヤを円滑に送給することが困難となる。

特開平９−９９３９０号公報特開平１０−３０５３８９号公報特開平８−１３２２８０号公報特開２０００−２４６４８５号公報特開平９−２６３６７９号公報特開２００４−１０６１号公報

本発明は、Ａｒ−ＣＯ₂混合ガスシールドアーク溶接用めっきなしソリッドワイヤに関し、特に低電流域から遷移領域の溶接電流で長時間溶接する場合においても、スパッタ発生量が少なくワイヤ送給性が良好で、さらにチップの摩耗が少なくアークの安定性が良いなど溶接作業性に優れたＡｒ−ＣＯ₂混合ガスシールドアーク溶接用めっきなしソリッドワイヤを提供することを目的とする。

本発明の要旨は、Ａｒ−ＣＯ₂ 混合ガスシールドアーク溶接用めっきなしソリッドワイヤにおいて、ワイヤ成分として、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１０％、Ｓｉ：０．４０〜０．９５％、Ｍｎ：１．０〜１．９５％、Ｔｉ：０．０３〜０．１５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつ、ワイヤ表面にワイヤ１０ｋｇ当たり二硫化モリブデンを０．０１〜０．５０ｇ、レシチン及び／又はフォスファチジルエタノールアミンを０．００８〜０．１５ｇ、Ｋを０．００４〜０．２５ｇ含み、残部は常温で液体の潤滑油からなる潤滑剤を合計で０．５〜２．５ｇ有し、ワイヤ表面長手方向に対して３０°方向を測定した表面粗さの算術平均粗さが０．０４〜０．２５μｍであることを特徴とするＡｒ−ＣＯ ₂ 混合ガスシールドアーク溶接用めっきなしソリッドワイヤにある。

本発明のＡｒ−ＣＯ₂混合ガスシールドアーク溶接用めっきなしソリッドワイヤによれば、特に低電流域から遷移領域の溶接電流で長時間溶接する場合においても、スパッタ発生量が少なくワイヤ送給性が良好で、さらにチップの摩耗が少なくアークの安定性が良いなど溶接作業性に優れた溶接が可能になる。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明者らは、前記課題を解決するために低電流域から遷移領域の溶接電流（例えば、ワイヤ径１．２ｍｍ、シールドガス：Ａｒ−２０％ＣＯ₂の場合１５０〜２８０Ａ程度）で、ワイヤ成分、ワイヤ表面に塗布する送給潤滑剤およびワイヤ表面状態について種々検討した。その結果、ワイヤ成分中Ｃ、Ｓｉ、ＭｎおよびＴｉの含有量を限定することによってアークの安定およびスパッタの発生を抑制し、潤滑剤中にＫを適量含有することによって、溶滴が微粒になり極めてアークが安定する。

また、ワイヤ表面に二硫化モリブデン、レシチン及び／又はフォスファチジルエタノールアミンおよび常温で液体である潤滑油を適量塗布するとともにワイヤ表面粗さを限定することによって、軟質で長尺のコンジットケーブルを使用して低電流域から遷移領域の溶接電流で長時間溶接する場合においてもスパッタ発生量が少なく、ワイヤ送給性が良好で、チップ摩耗も極めて少なくなり安定したアークが得られることを見出した。

ワイヤ成分中のＣは、スパッタ発生量の抑制のために添加する。Ｃが０．０２質量％（以下、％という。）未満であるとスパッタ発生量が多くなる。一方、Ｃが０．１０％を超えると大粒のスパッタ発生量が多くなる。
Ｓｉは、アークの安定のために添加する。Ｓｉが０．４０％未満であるとアークが不安定となる。０．９５％を超えるとスパッタ発生量が多くなる。

ＭｎもＳｉと同様にアークの安定のために添加する。Ｍｎが１．０％未満であるとアークが不安定となる。１．９５％を超えるとスパッタ発生量が多くなる。
Ｔｉは、特に低電流域の溶接電流で溶滴を小さくしてスパッタ発生を抑制する。Ｔｉが０．０３％未満であるとその効果がなく大粒のスパッタが多発する。一方、Ｔｉが０．１５％を超えると逆にスパッタ発生量が多くなる。なお、溶接金属の強度調整としてＮｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｚｒ、ＶおよびＮｂを微量添加できる。

ワイヤ表面に塗布する潤滑剤は、ワイヤ１０ｋｇ当たり二硫化モリブデンを０．０１〜０．５０ｇ、レシチン及び／又はフォスファチジルエタノールアミンを０．００８〜０．１５ｇ含み、残部は常温で液体である潤滑油からなる潤滑剤を合計で０．５〜２．５ｇ（以下、ｇ／１０ｋｇＷという。）とする。
二硫化モリブデンは、コンジットチューブ内で送給抵抗を抑制してワイヤ送給性を良好にするとともに、チップ内壁とワイヤ表面の摩擦抵抗を下げてチップの摩耗を少なくする。二硫化モリブデンが０．０１ｇ／１０ｋｇＷ未満であると、コンジットチューブ内で送給抵抗が大きくなりワイヤ送給性が不良となるとともに、チップの摩耗量が多くなってアークが不安定になる。逆に、二硫化モリブデンが０．５０ｇ／１０ｋｇＷを超えると、アークが不安定になってスパッタ発生量が多くなる。なお、二硫化モリブデンの粒径は１．０μｍ以下であることが送給抵抗が低減してワイヤ送給性を良好にするので好ましい。

レシチンおよびフォスファチジルエタノールアミンは、後述する常温で液体である潤滑油と共存することによりワイヤ表面の二硫化モリブデンを均一に分散させる作用を有する。レシチン及び／又はフォスファチジルエタノールアミンが０．００８／１０ｋｇＷ未満であると、ワイヤ表面の二硫化モリブデンが均一に付着せず、コンジットチューブ内で送給抵抗が大きくなる部分がありワイヤ送給性が不良になるとともに、チップの摩耗量が多くなってアークが不安定になる。逆に、レシチン及び／又はフォスファチジルエタノールアミンが０．１５ｇ／１０ｋｇＷを超えると、スパッタ発生量が多くなる。

本発明にいうレシチンおよびフォスファチジルエタノールアミンとは、レシチン（フォスファチジルコン）、フォスファチジルエタノールアミンなどを主成分とするものを意味し、例えば大豆や卵黄などから得られるレシチンおよびフォスファチジルエタノールアミンを９５％程度含有する粉末状のもの、レシチンおよびフォスファチジルエタノールアミンを約６５％および大豆油などの植物油を３５％程度含有するペースト状のものなどがあり、いずれも使用することができ、中でも大豆油から得られるレシチンが好ましい。

潤滑剤中の常温で液体である潤滑油は、ワイヤ表面に皮膜を有し、ワイヤ送給時に二硫化モリブデンの潤滑作用を補完しワイヤ送給性を向上させる。潤滑油は、動植物油、鉱物油あるいは合成油の何れでもよい。動植物油としてはパーム油、菜種油、ひまし油、豚油、牛油、魚油等を、鉱物油としてはマシン油、タービン油、スピンドル油等を用いることができる。合成油としては炭化水素系、エステル系、ポリグリコール系、ポリフェノール系、シリコーン系、フロロカーボン系を用いることができる。潤滑油中にはさらに潤滑性能を向上させるため、各種の脂肪酸をはじめとする油性剤やりん系、ハロゲン系、イオウ系の極圧添加剤を加えても良く、また、潤滑油の酸化を防ぐための添加剤（酸化防止剤）を加えてもよい。

ワイヤ表面に含む潤滑剤は、前記二硫化モリブデン、レシチン及び／又はフォスファチジルエタノールアミンおよび常温で液体である潤滑油の合計で０．５〜２．５ｇ／１０ｋｇＷとする。潤滑剤の合計量が０．５ｇ／１０ｋｇＷ未満であると、コンジットチューブ内で送給抵抗が大きくなりワイヤ送給性が不良となるとともに、チップの摩耗量が多くなってアークが不安定になる。逆に、２．５ｇ／１０ｋｇＷを超えると、送給ローラ部でワイヤがスリップしてアークが不安定になる。

ワイヤ表面のめっきは、溶融金属付近でシールドガス中のＣＯ₂ガスの分解（ＣＯ₂→ＣＯ＋Ｏ）から生じる酸素の進入を妨げる。したがって、ワイヤ表面にめっきが施してあると、溶融金属の表面張力が大きくなって溶滴が大きく不揃いとなりスパッタ発生量が多くなるとともに、アークが不安定となると推測される。

また、ワイヤ表面にめっきを施さないので、長時間溶接してもコンジットチューブ内にめっき剥離して蓄積されることがないので安定したアークを持続させることができる。しかし、ＪＩＳＢ０６０１−１９９４で規定されるワイヤ表面長手方向に対して３０°方向を測定した表面粗さの算出平均粗さＲａが０．２５μｍを超えると、コンジットチューブ内の摩擦によって送給抵抗が大きくなり、ワイヤ送給性が悪くなってアークが不安定になる。また、チップ内壁とワイヤ表面の摩擦抵抗によって長時間溶接しているとチップも摩耗量が多くなってアークが不安定となる。ワイヤ表面長手方向に対して３０°方向を測定した表面粗さの算出平均粗さＲａが０．０４μｍ未満であると、ワイヤ送給装置の送給ローラ部でワイヤがスリップしてアークが不安定になる。

さらに、ワイヤ表面潤滑剤にＫを０．００４〜０．２５ｇ／１０ｋｇＷ含むことによって、溶滴が微粒になり極めてアークが安定する。ワイヤ表面潤滑剤のＫが０．００４ｇ／１０ｋｇＷ未満では効果が発揮できず、０．２５ｇ／１０ｋｇＷを超えると、スパッタ発生量が多くなる。本発明の炭酸ガスシールドアーク溶接用めっきなしソリッドワイヤは、ワイヤ原線を乾式孔ダイス伸線または湿式孔ダイス伸線で縮径して縮径率をコントロールして目的のワイヤ表面粗さとし、仕上げ伸線または仕上げ伸線後に前記送給潤滑剤をワイヤ表面に塗布して製造する。

以下、本発明の効果を実施例により具体的に説明する。
表１に示すワイヤ径１．２ｍｍの溶接用ワイヤの成分、ワイヤ表面状態および潤滑剤塗布量を変えたものを試作してスプール巻きワイヤとした。各試作ワイヤにつきワイヤ送給性、チップ摩耗量、アーク状態およびスパッタ発生量を調査した。ワイヤ送給性、チップ摩耗量およびアーク状態の評価は、図１に示す装置を用いて行った。図１において送給機１にセットされたスプール巻きワイヤ２は、送給ローラ３により引き出され、コンジットケーブル４に内包されたコンジットチューブを経てその先端のトーチ５からチップ６まで送給される。そしてチップ６と鋼板７との間でビードオンプレート溶接を行う。コンジットケーブル４は６ｍ長さで、送給抵抗を与えるために１５０ｍｍ径のループを２つ形成した屈曲８を設けた。送給機１には送給ローラの周速度Ｖｒ（設定ワイヤ速度）の検知器（図示せず）およびワイヤの実速度Ｖｗ検出器９を備えている。

ワイヤ送給性評価指標のスリップ率ＳＬは、ＳＬ＝（Ｖｒ−Ｖｗ）／Ｖｒ×１００で表される。また、送給ローラ部分に設けられたロードセル１０によりワイヤ送給時にワイヤがコンジットチューブから受ける反力を送給抵抗Ｒとして検出した。溶接は試作ワイヤ毎に新しいコンジットチューブを用いて表２に示す条件Ｎｏ．１の溶接条件で４５分溶接し、溶接開始後１５分から溶接終了までの３０分間スリップ率ＳＬと送給抵抗Ｒを測定して平均値を求めた。スリップ率ＳＬが１０％以下で送給抵抗Ｒが６ｋｇｆ以下の場合にワイヤ送給性良好と判定した。また、チップの摩耗量は、試作ワイヤ毎に新しいチップ（内径１．４ｍｍ）を用いて溶接終了後最も摩耗の大きい箇所の内径を測定した。チップ摩耗量の評価は、摩耗量が０．０５ｍｍ以下を良好として評価した。

スパッタ発生量は、上記ワイヤ送給性およびチップ摩耗性の試験終了後、コンジットチューブおよびチップを交換せずに銅製の捕集箱を用いて、ビードオンプレート溶接により表２に示す条件Ｎｏ．１およびＮｏ．２の溶接条件で５回溶接（１回の溶接時間１．５ｍｉｎ）して捕集したスパッタを１分間の発生量に換算した。スパッタ発生量は０．５ｇ／ｍｉｎ以下でアークが安定して作業性が良好である。それらの結果を表３にまとめて示す。

表１および表３中、ワイヤＮｏ．１〜１０が本発明例、ワイヤＮｏ．１１〜２０は比較例である。本発明例であるワイヤＮｏ．１〜１０は、ワイヤ成分範囲が適正で、ワイヤ表面の潤滑剤である二硫化モリブデン、レシチン及び／又はフォスファチジルエタノールアミン、Ｋの付着量および潤滑油を含む潤滑剤の合計量とワイヤ表面長手方向に対して３０°方向を測定した算術平均粗さＲａが適正であるので、スリップ率ＳＬおよび送給抵抗Ｒが低くワイヤ送給性が良好で、チップ摩耗量および低電流域からの遷移領域の溶接電流でのスパッタ発生量も少なくアークが安定して溶接作業性が良好であるなど極めて満足な結果であった。

比較例中ワイヤＮｏ．１１は、ワイヤ成分のＣが低いのでスパッタ発生量が多かった。また、Ｍｎが低いのでアークが不安定であった。さらに、ワイヤ表面長手方向に対して３０°方向を測定した表面粗さの算出平均粗さＲａが低いのでスリップ率ＳＬが高くワイヤ送給性も不良であった。
ワイヤＮｏ．１２は、ワイヤ成分のＣが高いので大粒のスパッタが発生した。また、ワイヤ表面長手方向に対して３０°方向を測定した表面粗さの算出平均粗さＲａが高いので送給抵抗Ｒが大きくワイヤ送給性が不良となり、チップの摩耗量も多くなってアークが不安定になった。

ワイヤＮｏ．１３は、ワイヤ成分のＳｉが高いのでスパッタ発生量が多かった。また、ワイヤ表面潤滑剤中のＫが少ないのでややアークが不安定となった。
ワイヤＮｏ．１４は、ワイヤ表面潤滑剤の合計量が少ないので送給抵抗Ｒが大きくワイヤ送給性が不良でチップ摩耗量も多くなってアークも不安定になった。
ワイヤＮｏ．１５は、ワイヤ成分のＭｎが高いのでスパッタ発生量が多かった。また、ワイヤ表面潤滑剤の合計量が多いのでスリップ率ＳＬが高くワイヤ送給性も不良であった。

ワイヤＮｏ．１６は、ワイヤ成分のＴｉが高いのでスパッタ発生量が多かった。また、ワイヤ表面潤滑剤の二硫化モリブデンが少ないので送給抵抗Ｒが大きくワイヤ送給性が不良となり、チップの摩耗量も多くなってアークが不安定になった。
ワイヤＮｏ．１７は、ワイヤ成分のＴｉが低いので大粒のスパッタ発生量が多かった。また、ワイヤ表面潤滑剤のレシチンが少ないので送給抵抗Ｒが大きくワイヤ送給性が不良でチップ摩耗量も多くなってアークも不安定になった。

ワイヤＮｏ．１８は、ワイヤ表面潤滑剤の二硫化モリブデンが多いのでアークが不安定でスパッタ発生量も多くなった。
ワイヤＮｏ．１９は、ワイヤ成分のＳｉが低いのでアークが不安定であった。また、ワイヤ表面潤滑剤のレシチンが多いのでスパッタ発生量が多くなった。
ワイヤＮｏ．２０は、ワイヤ表面に銅めっきがあるのでアークが不安定でスパッタ発生量も多くなった。

本発明の実施例におけるワイヤ送給試験の装置を示す図面である。

符号の説明

１送給機
２スプール巻きワイヤ
３送給ローラ
４コンジットケーブル
５トーチ
６チップ
７鋼板
８コンジットケーブルの屈曲部
９ワイヤの実速度検出器
１０ロードセル

特許出願人日鐵住金溶接工業株式会社
代理人弁理士椎名彊他１

Claims

Ａｒ−ＣＯ₂ 混合ガスシールドアーク溶接用めっきなしソリッドワイヤにおいて、ワイヤ成分として、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１０％、Ｓｉ：０．４０〜０．９５％、Ｍｎ：１．０〜１．９５％、Ｔｉ：０．０３〜０．１５％を含有し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、かつ、ワイヤ表面にワイヤ１０ｋｇ当たり二硫化モリブデンを０．０１〜０．５０ｇ、レシチン及び／又はフォスファチジルエタノールアミンを０．００８〜０．１５ｇ、Ｋを０．００４〜０．２５ｇ含み、残部は常温で液体の潤滑油からなる潤滑剤を合計で０．５〜２．５ｇ有し、ワイヤ表面長手方向に対して３０°方向を測定した表面粗さの算術平均粗さが０．０４〜０．２５μｍであることを特徴とするＡｒ−ＣＯ₂ 混合ガスシールドアーク溶接用めっきなしソリッドワイヤ。