JP4791218B2 - ガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤ - Google Patents

Description

本発明はガスシールドアーク溶接用の鋼ワイヤに関し、特に直流正極性のガスシールドアーク溶接に用いられる鋼ワイヤであって、アーク安定性に優れ溶滴移行がスムーズでスパッタが少なく、溶接作業性の著しく改善された溶接用鋼ワイヤ（以下、本明細書では単に溶接ワイヤということがある）に関するものである。

ガスシールドアーク溶接に用いられる殆どの溶接ワイヤは、直流逆極（溶接ワイヤをプラス極、被溶接金属材をマイナス極とする通電方式）で使用される。その理由は、逆極の方がガスシールドアーク溶接時のアーク安定性が良好であり、溶滴移行が小粒かつスムーズでスパッタも少なく、優れた溶接性が得られ易いからである。

ところで、例えば非特許文献１は、溶接ワイヤ中に含まれる微量元素が溶接時のスパッタに及ぼす影響を示しており、Ｍｎ，Ｓｉ，Ｔｉにはスパッタ抑制効果がある一方、Ｃ，Ａｌ，ＲＥＭ（希土類元素）にはスパッタを助長する傾向があることを明らかにしている。また、溶接ワイヤに含まれる酸素にもスパッタ抑制効果があると言われており、例えば特許文献１や特許文献２には、溶接ワイヤの表層部に酸素を含ませるため、表面に酸化物を残存させることを推奨している。更に特許文献３，４は、アルカリ金属や炭素（Ｃ）にスパッタ抑制効果があることを明らかにしており、それらの元素を溶接ワイヤの表面に存在させることでスパッタの抑制を図っている。

他方、直流正極（溶接ワイヤをマイナス極、被溶接材をプラス極とする通電方式）でスパッタを抑制できる溶接ワイヤも報告されている（特許文献５，６など）。即ち特許文献５には、正極性の炭酸ガスアーク溶接用としてアーク安定性が良好でスパッタの少ない鋼ワイヤが開示されている。この溶接ワイヤは、鋼素材中のＣ，Ｍｎ，Ｓｉ含量を規定し、あるいは更にＰ，Ｓ，Ｋ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｕ，Ｂなどの含有量の上限を規定することで、アーク安定性を高めると共にスパッタの発生量を低減している。そしてこの特許文献５では、Ｔｉ含量の上限設定理由として“Ｔｉ含量が０．３０％を超えると溶滴が粗大化しスパッタが発生する”ことを挙げている。

また特許文献６では、溶接ワイヤにＲＥＭを含有させると直流正極性での溶接性が改善されると記載している。即ち前掲の非特許文献１では、ＲＥＭは直流逆極性の溶接には好ましくない元素とされているが、極性が変われば元素の影響も変わり、直流正極性では溶接性を改善する方向に作用するのである。

先に述べた如く溶接性に及ぼす添加元素の影響については、直流逆極性での研究が殆どであり、直流正極性の通電方式に適用した場合の添加元素の影響は極一部で報告されているに過ぎず、また直流逆極性で確認されている作用から直流正極性に適用した場合の影響を予測することはできない。また、直流正極性についての数少ない報告の１つである上記特許文献５では、上記の様に鋼ワイヤ中にＴｉを含有させるとアーク安定性が低下しスパッタが発生し易くなることを指摘し、Ｔｉ含量の上限値を定めている。また、上記非特許文献１で直流正極性での溶接性改善効果が確認されているＲＥＭは、溶接金属素材の中では非常に高価であるため、溶接ワイヤの大幅なコストアップを招く。しかも、ＲＥＭは非常に活性が高いため溶製時の歩留りが低く、改質に十分な量のＲＥＭを合金化させること自体が難しい。
特開平５−６９１８１号公報 特開平７−２２７６９２号公報 特開平８−１３６９号公報 特開２００１−２３９３９３号公報 特開２００１−３５３５９２号公報 特開２００４−２４９３５２号公報 溶接学会論文集、第１巻（１９８３）第２号、第２７９頁

本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、直流正極性の通電方式に適用されるガスシールドアーク溶接用ワイヤを対象とし、ＲＥＭの如き高価で且つ合金化の困難な元素を使用せずとも溶接性を有意に改善することができ、特に溶接時の溶滴移行がスムーズでスパッタの少ない直流正極性ガスシールドアーク溶接用の鋼ワイヤを提供することにある。

上記課題を解決することのできた本発明のガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤは、直流正極性ガスシールドアーク溶接に用いられる鋼ワイヤであって、表面が、Ｔｉ層またはＴｉ主体の合金層、もしくはＮｉ層またはＮｉ主体の合金層で被覆されているところに特徴を有している。

本発明において、ワイヤ表面に形成される前記被覆によってもたらされる作用、即ちアーク安定化効果とスパッタ抑制効果を有効に発揮させるには、該被覆の厚さを５μｍ以上で５０μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以上で３０μｍ以下にするのがよい。

また本発明に係るガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤの上記特徴は、シールドガスとして炭酸ガスを使用する際により効果的に発揮される。

本発明によれば、溶接ワイヤの表面にＴｉまたはＴｉ主体の合金層、もしくはＮｉまたはＮｉ主体の合金層を形成することで、直流正極性を採用したガスシールドアーク溶接時のアーク安定性を高めてスパッタを大幅に低減することができ、溶接作業性を著しく改善できる。しかも、安定して美麗な溶接ビードを形成することができ、優れた溶接作業性の下で欠陥のない健全な溶接継手を安定して得ることができる。

本発明者らは先に示した様な状況の下で、直流正極性を採用したガスシールドアーク溶接に適用する鋼ワイヤに焦点を絞り、その欠点であるアーク安定性不良によるスパッタ多発の問題を比較的安価な素材による改質で克服すべく、様々の角度から研究を進めた。

その結果、上記の様に、溶接用鋼ワイヤの表面をＴｉ層またはＮｉ層、或はＴｉおよび／またはＮｉを主体とする合金層で被覆してやれば、直流正極性ガスシールドアーク溶接時におけるアーク安定性が著しく改善されてスパッタの発生が抑えられ、優れた溶接作業性の下で欠陥のない美麗な溶接継手が得られることを知り、本発明に想到した。

従って本発明では、直流正極性のガスシールドアーク溶接に使用される鋼ワイヤであることを前提とし、その表面をＴｉ層またはＮｉ層、或はＴｉおよび／またはＮｉを主体とする合金層で被覆してなるところに要旨が存在する。被覆の形態は特に制限されないが、最も一般的なのはめっき（電気めっき、置換めっき、蒸着などを含む）被覆あるいは溶射被覆である。

ここで、被覆素材をＴｉ，Ｎｉまたはそれらを主体とする合金に特定したのは、様々の元素につき上記前提要件の下でアーク安定性改善効果を検討した結果、上記２種の元素、およびこれらを主体とする合金に特異な改質効果が確認されたからである。ちなみに、めっき法などで鋼ワイヤを表面被覆できる元素は種々考えられるが、後記実験例でも明らかにする如くＣｕ，Ａｇ，Ｓｎ等の金属は勿論のこと、Ａｌ，Ｃｒ，Ｔａなどの金属でも本発明で意図する様な効果は得られず、ＴｉまたはＮｉに限ってその効果が発揮されることによる。

また表面被覆に特定したのは、鋼ワイヤ中にＴｉやＮｉを適量含有させただけでは本発明で意図する効果は得られず、これらの金属を鋼ワイヤの表面に局在化させることが、アーク安定性の向上に極めて重要であることが確認されたからである。

そして、ＴｉまたはＮｉの表面局在化効果を有効に発揮させるには、該被覆の厚さを好ましくは５μｍ以上、より好ましくは１０μｍ以上とするのがよい。但し、該被覆によるアーク安定化効果は厚さ約５０μｍで飽和し、それ以上に厚くすることはコスト的に無駄であることから、厚くとも５０μｍまで、好ましくは４０μｍ程度以下に抑えるのがよい。

被覆素材としては、上記の様にＴｉまたはＮｉが選択され、それらは当該金属単体として使用できることは勿論のこと、両金属を任意の比率で含有するＮｉ−Ｔｉ合金が好ましく使用され、更には、Ｎｉおよび／またはＴｉと鉄の如き他の金属との合金を使用することも可能である。中でも鉄との合金は、鋼ワイヤ素線との密着性などの観点から好ましく使用される。鉄との合金として使用する場合、該合金中に占めるＮｉおよび／またはＴｉの好ましい含有量は６０質量％程度以上、より好ましくは８０質量％以上である。他方、鉄以外の金属との合金を使用する場合、当該合金成分によってはアーク安定性に悪影響を及ぼす恐れがあるので、合金中に占めるＮｉおよび／またはＴｉの含有率は５０質量％以上、より好ましくは６０質量％以上とするのがよい。

本発明の鋼ワイヤは、前述の如く直流正極性のガスシールドアーク溶接に適用されるもので、シールドガスとしては、炭酸ガス、あるいはアルゴンなどのイナートガスが使用される。しかし、イナートガスを用いた場合のアーク安定性は一般に良好でスパッタも少ないことから、殆ど問題になることはなく、アーク安定性やスパッタが問題となるのは殆どが炭酸ガスを用いた場合である。よって本発明は、炭酸ガスシールドアーク溶接に適用したときにその特徴がより効果的に発揮されるが、イナートガスアーク溶接への適用を否定する理由はない。

本発明の鋼ワイヤを用いた溶接条件は、直流正極性という通電方式と、ガスシールドアーク溶接を採用する限り、その他の条件には一切制限がなく、被溶接材の種類や肉厚、溶接姿勢などに応じて任意に設定すればよい。鋼ワイヤ素線の成分組成も限定的ではなく、被溶接材の種類に応じて任意に選定すればよい。

以下、実験例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実験例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に含まれる。

実験例
炭酸ガスシールドアーク用の溶接用素線として、ＪＩＳ Ｚ３３１２のＹＧＷ１６に相当する銅めっきなしの鋼ワイヤ（直径１．２ｍｍ、組成は質量比でＣ；０．０６％、Ｓｉ；０．６２％、Ｍｎ；１．２７％、Ｐ；０．０１０％、Ｓ；０．０１５％）を使用し、該素線の表面に下記の方法で各種の金属被覆を形成した。

金属被覆形成法（めっき法）
Ｔｉ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｔａについては、それぞれ溶射法を採用し、Ｓｎ，Ａｇ，Ｃｕについては、めっき法を採用した。溶射法では、各元素を溶融させて素線表面に被覆し、厚さを一定にするため、必要に応じて溶射直後に穴ダイスで伸線することによって直径を整えた。まためっき法としては、電気めっき法を採用した。

得られた金属被覆ワイヤを使用し、厚さ５０ｍｍの鋼板（ＳＭ４９０、Ｃ：０．２％、Ｍｎ：１．６０％、Ｓｉ：０．５５％、Ｐ：０．０３５％以下、Ｓ：０．０３５％以下）の突合せ溶接を行った。具体的には、シールドガスとして１００％ＣＯ_２ガスを２リットル／分の流速で溶接部へ供給しつつ、余熱なし、電流；３４０Ａ、電圧；４０Ｖ、溶接速度；０．３５ｍ／ｍｉｎで溶接実験を行ない、スパッタ発生状況から下記の方法で溶接性を評価した。

即ち、アーク溶接時の溶滴が小さくて連続的に移行するほどスパッタは減少し易いことから、溶接性は、アーク溶接時の溶滴サイズと溶滴移行時間によって評価した。具体的には、各供試ワイヤを用いたアーク溶接時の溶滴移行状況を、高速度カメラ（フォトロン社製の商品名「ＦＡＳＴＣＡＭ−ＭＡＸ」）により毎秒６０００コマで写真撮影し、その写真の中から母材方向へ移行する溶滴を無作為に２０滴抽出し、そのうち母材方向へ溶滴が移行する直前（溶滴が母材に接触するか、あるいは溶接ワイヤの先端から離れる画像の１つ前の高速撮影画像）の溶滴で、最大となる溶滴画像を抽出し、当該画像での溶滴の最大径を求めて溶滴サイズとした。

なお、図１（Ａ），（Ｂ）は、高速撮影した溶滴画像の一例であり、図１（Ａ）（左側）はめっきなしのワイヤ、図１（Ｂ）（右側）はＴｉめっきワイヤを用いた場合の写真で、溶接ワイヤ［図１（Ａ）の写真において、上方から下方に黒く突き出ているもの］の直径は１．２ｍｍである。

また溶滴移行時間は、上記と同様に抽出した２０個の溶滴について、その発生から母材側へ移行するまでの平均移行時間によって求めた。溶接性の評価としては、溶滴サイズが５ｍｍ以下で且つ移行時間が０．１秒以下であるものを「良」（○）と判定した。

結果を表１に一括して示す。

溶接実験でワイヤ先端部にできた溶滴の高速撮影画像の一例を示すもので、図１（Ａ）はめっきなしワイヤを用いた場合、図１（Ｂ）はＴｉめっきワイヤを用いた場合である。

Claims (3)

1. 直流正極性ガスシールドアーク溶接に用いられる鋼ワイヤであって、表面がＴｉ層またはＴｉ主体の合金層で被覆されてい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。
2. 前記被覆の厚さが５〜５０μｍである請求項１に記載のガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤ。
3. 炭酸ガスシールドアーク溶接に用いられるものである請求項１または２に記載のガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤ。