JP4799299B2

JP4799299B2 - ソリッドワイヤ

Info

Publication number: JP4799299B2
Application number: JP2006185262A
Authority: JP
Inventors: 啓一鈴木; 房樹輿石
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2006-07-05
Filing date: 2006-07-05
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2026-07-05
Also published as: CN101100022A; JP2008012557A

Description

本発明はソリッドワイヤに関し、特に高電流での溶接作業時に溶滴の移行性に優れ、スパッタ発生量が少ないガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤに関する。

従来より、ガスシールドアーク溶接用のワイヤとして、主に表面に銅メッキが施されているものが使用されている。ワイヤ表面に銅メッキを施すことによりワイヤ通電性を良好にすることできるが、ワイヤ送給系において銅くずが発生し、ワイヤ送給を困難にするという問題点がある。また、ＣＯ_２をシールドガスとして使用し、比較的高い電流で溶接する場合には、表面に銅メッキが施されているワイヤのうち特にＪＩＳＺ３３１２のＹＧＷ１１を使用する場合、ワイヤの溶滴の移行が不安定になり、溶接中のスパッタ発生量が増大するという問題点がある。

この問題を解決すべく、表面に銅メッキが施されていないワイヤにおいて、例えば以下に示す技術が開示されている。

例えば、特許文献１及び２には、ワイヤの送給性及び耐錆性を良好にするために、ワイヤ表面に粉末の硫黄及びグラファイト等の混合物、フッ素系の潤滑剤並びにその他の防錆油等を被着させたワイヤが開示されている。

また、特許文献３に開示された技術は、ワイヤ表面に浸炭層を設け、ワイヤの表面硬さを上昇させることによってワイヤの摺動性を向上させ、また、この浸炭層に亀裂を設け、この亀裂に固定潤滑剤又は液体潤滑油を保持させることより、ワイヤ送給性を更に向上させるというものである。

特許文献４に開示された技術は、ワイヤ表面に遊離Ｃを被着させ、溶接の際の溶滴の表面張力の低下を抑止することによってスパッタ発生量を低減させるというものである。

特公昭５９−１３９５６号公報特公昭５９−１３９５７号公報特開平７−４００８１号公報特開２０００−１４１０８０号公報

しかしながら、上述の従来技術には以下のような問題点がある。特許文献１及び２に開示された技術によるワイヤを使用しても、ＣＯ_２ガスをシールドガスとして使用した高電流溶接時におけるスパッタ発生量を低減することはできない。

また、特許文献３に開示された技術は、浸炭処理に伴いワイヤの表面に付加する可能性の高い酸素の検討がなされていない。ワイヤの表面が浸炭されるに伴いワイヤ表層における酸素濃度が高くなると、結果的に溶滴の表面張力が低下することから、溶滴がふらつき、充分にスパッタ発生量を低減させることはできないという問題点がある。

また、特許文献４に開示された技術は、ワイヤ表面にＣを被着させているだけであるため、溶接の際に溶滴の表面張力低下を抑止させ、スパッタ発生量を低減させるために充分なＣの量を得ることができないという問題点がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、ＣＯ_２ガスをシールドガスとして使用し、高い電流でガスシールドアーク溶接を行う際に、溶滴移行を安定させ、スパッタ発生量を低減させることが可能なソリッドワイヤを提供することを目的とする。

本発明に係るソリッドワイヤは、表面にＣが０．００５乃至０．１０質量％の浸炭層を有し、この浸炭層のＯを０．０１０質量％未満に規制し、前記浸炭層を除くワイヤ内部は、Ｃ；０．００５乃至０．１５０質量％、Ｓｉ；０．４乃至１．２質量％、Ｍｎ；１．０乃至２．２質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする。

本発明に係る他のソリッドワイヤは、表面にＣが０．００５乃至０．０５質量％の浸炭層を有し、この浸炭層のＯを０．００５質量％未満に規制し、前記浸炭層を除くワイヤ内部は、Ｃ；０．０１乃至０．０６質量％、Ｓｉ；０．５乃至１．０質量％、Ｍｎ；１．４乃至２．０質量％、Ｔｉ；０．１０乃至０．３０質量％、Ｓ；０．００１乃至０．０３０質量％、Ｏ；０．００１乃至０．０３０質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とする。

本発明によれば、ＣＯ_２ガスをシールドガスとして使用し、高い電流でガスシールドアーク溶接を行う際においても溶滴の表面張力を適切に保持し、スパッタ発生量を低減させることができる。

以下、本発明の実施形態について具体的に説明する。本発明に係るソリッドワイヤは、中間伸線後の線材を配置した炉内の雰囲気を１Ｔｏｒｒ以下にし、炉内の温度を上昇させ、炉内に浸炭性ガスを直接添加した後、浸炭焼入れ処理を行い、この線材を最終伸線することによって形成される。線材に浸炭させる温度及び時間については、種々実験を通し、６５０乃至９００℃の範囲の温度において１０秒乃至１０分間が、この浸炭焼入れ処理に伴うＣの表面濃化及びこの後の伸線を考慮した場合に適正であることが分かった。図１は中間伸線後に浸炭焼入れ処理を行った線材において、線材の長手方向に直交する断面（横断面）を電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）によってマッピング観察した成分マップ、図２は線材をＥＰＭＡによって線分析を行った測定条件を示す模式図、図３は図２に示す測定条件で線材をＥＰＭＡによって線分析を行った測定結果の一例を示す図である。

上述の浸炭焼入れ処理によって、図１に示すような、表面に数μｍ乃至数十μｍの厚さの低酸素濃度の浸炭層を有する線材を得ることができる。この線材に対し、図２に示すように、ＥＰＭＡによって線材の中心部より線分析を行い、Ｆｅ及びＯの特性Ｘ線を連続的に検出することにより、各特性Ｘ線強度を得ることができる。ここで、線材の中心部におけるＣの特性Ｘ線強度の１．５倍の特性Ｘ線強度を検出した部分を浸炭層とみなす。上述の、表面に数μｍ乃至数十μｍの厚さの低酸素濃度の浸炭層を有する線材を最終伸線することによって本発明に係るソリッドワイヤが形成される。

先ず、本発明の第１実施形態に係るソリッドワイヤ（Ｆｅ−Ｃ−Ｓｉ−Ｍｎ系ワイヤ）について説明する。そして、先ず、この本実施形態に係るソリッドワイヤにおけるワイヤの表面に形成される浸炭層のＣ及びＯの組成限定理由について説明する。

「Ｃ：０．００５乃至０．１００質量％」
Ｃは溶滴の表面張力を適切に保持させることに効果的である。特にＣＯ_２ガスをシールドガスとして使用してガスシールドアーク溶接を行う場合、溶接アークによりＣＯ_２ガスが解離され、溶滴近傍の雰囲気はＣＯ_２、ＣＯ、Ｏが混在した状態になる。このとき、ワイヤの表面に銅メッキが施されていれば、溶滴が酸素を吸収することを阻害することから、溶滴の表面張力の低下が避けられる。ワイヤの表面に銅メッキを施していない場合には、この溶滴へ酸素侵入を阻止すべく、ワイヤの表面に、酸素の含有量を規制し、可能であれば酸素を含有しない浸炭層を有することが有効である。この浸炭層においてＣ含有量が０．００５質量％以下であると、ワイヤの表面に対し、このＣの分布の均一性が劣り、Ｃ含有量が０．１００％を超えると溶接金属としての溶接性の劣化が激しい。従って、浸炭層のＣ含有量は０．００５乃至０．１００質量％とする。

「Ｏ：０．０１０質量％未満」
上述の浸炭層におけるＣの作用効果と同様に、Ｏの含有量を０．０１０質量％未満に規制することは溶滴の表面張力を適正化させるのに効果的である。特に、浸炭層におけるＯは、溶滴の表面張力に対する影響が、溶接アークによりＣＯ_２ガスが解離されることによるＯの発生及び溶滴へのＯの侵入に対する影響よりも大きい。Ｏ含有量が０．０１０質量％を超えると、溶滴の表面張力低下が激しく、スパッタ発生の原因になる。従って、浸炭層のＯ含有量は０．０１０質量％未満に規制する。

次に、本実施形態に係るソリッドワイヤ（Ｆｅ−Ｃ−Ｓｉ−Ｍｎ系ワイヤ）において、表面の浸炭層を除くワイヤ内部の成分添加理由及びその組成限定理由について説明する。

「Ｃ：０．００５乃至０．１５０質量％」
Ｃは溶滴の表面張力を適切に保持し、スパッタを低減させる効果を有する元素である。ワイヤ内部のＣ含有量が０．００５質量％未満であると、溶滴の表面張力が低下して溶滴のふらつきが生じ、スパッタ発生量が増加する。一方、ワイヤ内部のＣ含有量が０．１５０％を超えると、溶滴が粗大化することによりスパッタ発生量が増加する。また、線材の強度が高くなってワイヤ製造時の伸線性が劣化する。従って、ワイヤ内部のＣ含有量は０．００５乃至０．１５０質量％とする。

「Ｓｉ：０．４乃至１．２質量％」
Ｓｉは溶滴の表面張力を適切に保持し、スパッタを低減させる効果を有する元素である。ワイヤ内部のＳｉ含有量が０．４質量％未満であると、溶滴の表面張力が低下して溶滴のふらつきが生じ、スパッタ発生量が増加する。一方、ワイヤ内部のＳｉ含有量が１．２質量％を超えると、溶滴が粗大化することによりスパッタの発生量が増加する。また、線材の強度が高くなってワイヤ製造時の伸線性が劣化する。従って、ワイヤ内部のＳｉ含有量は０．４乃至１．２質量％とする。

「Ｍｎ：１．０乃至２．２質量％」
Ｍｎは溶滴の表面張力を適切に保持し、スパッタを低減させる効果を有する元素である。ワイヤ内部のＭｎ含有量が１．０質量％未満であると、溶滴の表面張力が低下して溶滴のふらつきが生じ、スパッタ発生量が増加する。一方、ワイヤ内部のＭｎ含有量が２．２質量％を超えると、溶滴が粗大化することによりスパッタの発生量が増加する。また、線材の強度が高くなってワイヤ製造時の伸線性が劣化する。従って、ワイヤ内部のＭｎ含有量は１．０乃至２．２質量％とする。

本実施形態においては、電子線マイクロアナライザーによってワイヤの横断面をマッピング観察し、ワイヤの表面に形成された浸炭層の均一性を確認した。

次に、本発明の第２実施形態に係るソリッドワイヤ（Ｆｅ−Ｃ−Ｓｉ−Ｍｎ−Ｔｉ−Ｓ−Ｏ系ワイヤ）について説明する。先ず、この本実施形態に係るソリッドワイヤの表面に形成される浸炭層のＣ及びＯの組成限定理由について説明する。

「Ｃ：０．００５乃至０．０５質量％」
Ｃは溶滴の表面張力を適切に保持させることに効果的である。特にＣＯ_２ガスをシールドガスとして使用してガスシールドアーク溶接を行う場合、溶接アークによりＣＯ_２ガスが解離され、溶滴近傍の雰囲気はＣＯ_２、ＣＯ、Ｏが混在した状態になる。このとき、ワイヤの表面に銅メッキが施されていれば、溶滴が酸素を吸収することを阻害することから、溶滴の表面張力の低下が避けられる。ワイヤの表面に銅メッキを施していない場合には、この溶滴へ酸素侵入を阻止すべく、ワイヤの表面に、酸素の含有量を規制し、可能であれば酸素を含有しない浸炭層を有することが有効である。この浸炭層においてＣ含有量が０．００５質量％以下であると、ワイヤの表面に対し、このＣの分布の均一性が劣り、Ｃ含有量が０．０５％を超えると溶接金属としての溶接性の劣化が激しい。従って、浸炭層のＣ含有量は０．００５乃至０．０５質量％とする。

「Ｏ：０．００５質量％未満」
上述の浸炭層におけるＣの作用効果と同様に、Ｏの含有量を０．００５質量％未満に規制することは溶滴の表面張力を適正化させるのに効果的である。特に、浸炭層におけるＯは、溶滴の表面張力に対する影響が、溶接アークによりＣＯ_２ガスが解離されることによるＯの発生及び溶滴へのＯの侵入に対する影響よりも大きい。Ｏ含有量が０．００５質量％を超えると、溶滴の表面張力低下が激しく、スパッタ発生の原因になる。従って、浸炭層のＯ含有量は０．００５質量％未満に規制する。

次に、本実施形態に係るソリッドワイヤ（Ｆｅ−Ｃ−Ｓｉ−Ｍｎ−Ｔｉ−Ｓ−Ｏ系ワイヤ）において、表面の浸炭層を除くワイヤ内部の成分添加理由及びその組成限定理由について説明する。

「Ｃ：０．０１乃至０．０６質量％」
Ｃは溶滴の表面張力を適切に保持し、スパッタを低減させる効果を有する元素である。ワイヤ内部のＣ含有量が０．０１質量％未満であると、溶滴の表面張力が低下して溶滴のふらつきが生じ、スパッタ発生量が増加する。一方、ワイヤ内部のＣ含有量が０．０６％を超えると、溶滴が粗大化することによりスパッタ発生量が増加する。また、線材の強度が高くなってワイヤ製造時の伸線性が劣化する。従って、ワイヤ内部のＣ含有量は０．０１乃至０．０６質量％とする。

「Ｓｉ：０．５乃至１．０質量％」
Ｓｉは溶滴の表面張力を適切に保持し、スパッタを低減させる効果を有する元素である。ワイヤ内部のＳｉ含有量が０．５質量％未満であると、溶滴の表面張力が低下して溶滴のふらつきが生じ、スパッタ発生量が増加する。一方、ワイヤ内部のＳｉ含有量が１．０質量％を超えると、溶滴が粗大化することによりスパッタの発生量が増加する。また、線材の強度が高くなってワイヤ製造時の伸線性が劣化する。従って、ワイヤ内部のＳｉ含有量は０．５乃至１．０質量％とする。

「Ｍｎ：１．４乃至２．０質量％」
Ｍｎは溶滴の表面張力を適切に保持し、スパッタを低減させる効果を有する元素である。ワイヤ内部のＭｎ含有量が１．４質量％未満であると、溶滴の表面張力が低下して溶滴のふらつきが生じ、スパッタ発生量が増加する。一方、ワイヤ内部のＭｎ含有量が２．０質量％を超えると、溶滴が粗大化することによりスパッタの発生量が増加する。また、線材の強度が高くなってワイヤ製造時の伸線性が劣化する。従って、ワイヤ内部のＭｎ含有量は１．４乃至２．０質量％とする。

「Ｔｉ：０．１０乃至０．３０質量％」
Ｔｉは溶滴の表面張力を適切に保持し、スパッタを低減させる効果を有する元素である。ワイヤ内部のＴｉ含有量が０．１０質量％未満であると、溶滴の表面張力が低下して溶滴のふらつきが生じ、スパッタ発生量が増加する。一方、ワイヤ内部のＴｉ含有量が０．３０質量％を超えると、スラグ発生量が過多となって多層盛り溶接の際の溶接性等が劣化する。従って、ワイヤ内部のＴｉ含有量は０．１０乃至０．３０質量％とする。

「Ｓ：０．００１乃至０．０３質量％」
Ｓは溶滴の表面張力を適切に保持し、スパッタを低減させる効果を有する元素である。ワイヤ内部のＳ含有量が０．００１質量％未満であると、溶滴の表面張力が低下して溶滴のふらつきが生じ、スパッタ発生量が増加する。一方、ワイヤ内部のＳ含有量が０．０３質量％を超えると、溶滴の表面張力が低下して溶滴のふらつきが生じ、スパッタ発生量が著しく増加する。従って、ワイヤ内部のＳ含有量は０．００１乃至０．０３質量％とする。

「Ｏ：０．００１乃至０．０３質量％」
Ｏは溶滴の表面張力を適切に保持し、スパッタを低減させる効果を有する元素である。ワイヤ内部のＯ含有量が０．００１質量％未満であると、溶滴の表面張力が低下して溶滴のふらつきが生じ、スパッタ発生量が増加する。一方、ワイヤ内部のＯ含有量が０．０３質量％を超えると、溶滴の表面張力が低下して溶滴のふらつきが生じ、スパッタ発生量が増加する。従って、ワイヤ内部のＯ含有量は０．００１乃至０．０３質量％とする。

本実施形態においても、電子線マイクロアナライザーによってワイヤの横断面をマッピング観察し、ワイヤの表面に形成された浸炭層の均一性を確認した。

以下、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。先ず、本発明の請求項１の実施例（第１実施例）として、下記表１に示す溶接条件にて、本発明の第１実施形態に係るソリッドワイヤ（Ｆｅ−Ｃ−Ｓｉ−Ｍｎ系ワイヤ）及び比較例のソリッドワイヤを使用してガスシールドアーク溶接を実施し、夫々のスパッタ発生量について評価を行った。

ワイヤの表面に形成される浸炭層のＯ含有量については、浸炭処理時の真空度により調整し、また、Ｃ含有量については浸炭炉に注入する添加ガス量により調整を行った。

ワイヤの表面に形成される浸炭層におけるＣ含有量及びＯ含有量については、浸炭処理後の線材のＣ及含有量及びＯ含有量から浸炭処理前の線材のＣ含有量及びＯ含有量を差し引いた量とした。

スパッタ発生量の評価方法としては、上記表１に示す溶接条件にて各実施例及び各比較例のソリッドワイヤを使用してガスシールドアーク溶接を１分間実施した後、溶接母材に被着した０．５ｍｍφ以上のスパッタ総数をカウントし、２０個以下を◎、４０個以上を×とした。下記表２にこれらの評価結果を示す。

実施例１乃至９は、ワイヤ内部の成分及び組成が適切な範囲であると共に、ワイヤの表面に形成される浸炭層のＣ及びＯの組成も適切な範囲であるため、スパッタ発生量が低減され、良好な特性を有するワイヤを得ることができた。

一方、比較例１においては、浸炭層のＣ含有量が０．１質量％を超えているため、溶接性に劣り、実用できるものではなかった。また、比較例２においては、浸炭層のＣ含有量が０．００５質量％未満であるため、溶接の際に溶滴の表面張力が低下して溶滴のふらつきが生じ、スパッタ発生量が増加した。また、比較例３においては、浸炭層のＯ含有量が０．０１０質量％を超えているため、溶接の際に溶滴の表面張力が激しく低下し、スパッタ発生量が増加した。また、比較例４においては、ワイヤ内部のＣ含有量が０．１５質量％を超えているため、溶接の際に溶滴が粗大化し、スパッタ発生量が増加した。

次に、本発明の請求項２の実施例（第２実施例）として、上記表１に示す溶接条件にて、本発明の第２実施形態に係るソリッドワイヤ（Ｆｅ−Ｃ−Ｓｉ−Ｍｎ−Ｔｉ−Ｓ−Ｏ系ワイヤ）及び比較例のソリッドワイヤを使用してガスシールドアーク溶接を実施し、夫々のスパッタ発生量について評価を行った。

スパッタ発生量の評価方法としては、上記表１に示す溶接条件にて各実施例及び各比較例のソリッドワイヤを使用してガスシールドアーク溶接を１分間実施した後、溶接母材に被着した０．５ｍｍφ以上のスパッタ総数をカウントし、２０個以下を◎、４０個以上を×とした。下記表３にこれらの評価結果を示す。

実施例１０乃至１３は、ワイヤ内部の成分及び組成が適切な範囲であると共に、ワイヤの表面に形成される浸炭層のＣ及びＯの組成も適切な範囲であるため、スパッタ発生量が著しく低減され、良好な特性を有するワイヤを得ることができた。

一方、比較例５においては、ワイヤ内部のＣ含有量が０．００５質量％未満で且つＯ含有量が０．０３％を超えており、また浸炭層のＯ含有量が０．０１０質量％を超えているため、溶接の際に溶滴が安定せず、スパッタ発生量が増加した。また、比較例６においては、ワイヤ内部のＣ含有量が０．０６質量％を超えており、また、Ｔｉ含有量が０．１０質量％未満であるため、スパッタ発生量が増加した。また、比較例７乃至９においても、ワイヤ内部の成分の一部が組成の上限値を超えていることにより、溶接の際に溶滴が粗大化することにより、スパッタ発生量が増加した。また、比較例１０においては、ワイヤ内部のＴｉ含有量が０．３０質量％を超え、過剰に添加されているため、溶接の際に発生するスラグ量が過多となり、溶接性に劣り、実用できるものではなかった。また、比較例１１乃至１５においては、浸炭層の成分の一部が適切な組成の範囲内にないことより、溶接の際の溶滴の不安定性を助長させることになった。

本発明によれば、ワイヤの表面にＣ含有量が適切な範囲に調整され、Ｏ含有量が適切に規制された浸炭層を形成し、またワイヤ内部の成分及び組成を適切な範囲に調整することによって、ＣＯ_２ガスをシールドガスとして使用し、高い電流でガスシールドアーク溶接を行う際においても溶滴の表面張力を適切に保持し、スパッタ発生量を低減させることができた。

中間伸線後に浸炭焼入れ処理を行った線材の横断面を電子線マイクロアナライザーによってマッピング観察した成分マップである。線材をＥＰＭＡによって線分析を行った測定条件を示す模式図である。図２に示す測定条件で線材をＥＰＭＡによって線分析を行った測定結果の一例を示す図である。

Claims

表面にＣが０．００５乃至０．１０質量％の浸炭層を有し、この浸炭層のＯを０．０１０質量％未満に規制し、前記浸炭層を除くワイヤ内部は、Ｃ；０．００５乃至０．１５０質量％、Ｓｉ；０．４乃至１．２質量％、Ｍｎ；１．０乃至２．２質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とするソリッドワイヤ。
表面にＣが０．００５乃至０．０５質量％の浸炭層を有し、この浸炭層のＯを０．００５質量％未満に規制し、前記浸炭層を除くワイヤ内部は、Ｃ；０．０１乃至０．０６質量％、Ｓｉ；０．５乃至１．０質量％、Ｍｎ；１．４乃至２．０質量％、Ｔｉ；０．１０乃至０．３０質量％、Ｓ；０．００１乃至０．０３０質量％、Ｏ；０．００１乃至０．０３０質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる組成を有することを特徴とするソリッドワイヤ。