JP4980411B2

JP4980411B2 - Ｎｉめっき鋼板の溶接方法

Info

Publication number: JP4980411B2
Application number: JP2009249589A
Authority: JP
Inventors: 茂平野; 博一横矢
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2029-10-30
Also published as: JP2011092978A

Description

本発明は、溶接缶用のNiめっき鋼板の接合を高品質かつ安定して行う溶接方法に関するものである。

スードロニック社（スイス）が開発したワイヤーシーム溶接法は、溶接缶胴部の接合技術として、急速に進展し、この溶接法により接合された缶は、飲料缶分野で幅広く実用化されている。この溶接法は、被溶接部を除き、予め塗装、印刷あるいはフィルムをラミネートされた鋼板を円筒形に丸め、被溶接部を0.3〜0.6mmに重ね合わせ、溶接ヘッドと呼ばれる銅ワイヤーが巻き付けられた２つの円形電極間に一定圧力で挟み込み、交流電流を通電することにより、重ね合わされている鋼板−鋼板界面の電気抵抗による発熱で、その界面を固相接合あるいは半溶融状態から接合させる溶接方法である。この溶接方法では、交流電流が用いられ、半波で１つの溶接ナゲットが形成される。

この溶接方法による溶接缶の生産性は、一定の速度で回転する円形電極に巻き付けられた銅ワイヤーの移動速度に依存し、溶接速度は、銅ワイヤーの速度で表される。溶接された缶は、溶接ヘッドの出側で缶を搬送するマグネットコンベアーに載せられて、ネックやフランジ加工などの次工程に送られる。

この溶接方法には、溶接性に優れたSnをめっきしたブリキ等の鋼板（下記特許文献１〜６）が適しているが、Snを使用しない電解Cr酸処理鋼板やNiめっき鋼板にも適用されている。また、これらの鋼板を安定的に溶接する方法として、連続に供給するワイヤーの矯正法（下記特許文献７）や高速で効率的に溶接できる電流波形（下記特許文献８、１０）、ナゲット間隔を密にして溶接強度を向上させる方法（下記特許文献９〜１１）が提案されている。

特開平６−１３５４４１号特開平６−２１８４６２号特開平７−１５６９５３号特開平５−３２２５６号特公平７−２９９８号特公平３−４９６２８号特開平６−１１４５６２号特開平１１−３３７３６号特開平１０−３７０００７号特開２０００−２４６４５４号特開２０００−２５５５６６号

近年、飲料缶の市場では、PETボトルや紙容器（カートン缶など）との競合が厳しいことから、使用する鋼板の薄手化や溶接缶の溶接速度の高速化による生産性向上が志向され、缶容器のコストダウンが進められている。また、品質に対しても消費者の食に対する安全意識の高まりから、従来以上の高品質が求められている。

更に、溶接した後に缶を拡缶加工(内側から外側に押し広げる加工)により製造される樽の形状の缶やエンボス加工が施されるなど従来に無い厳しい加工が施され、使用される鋼板にも溶接性のみならず優れた塗装・フィルムの加工密着性が求められるようになってきた。この要求に対し、従来のSnをめっきした鋼板は、溶接性には優れるものの、Sn自体が軟質の金属であるため、拡缶加工によりSnと塗装・フィルム層が剥離し、使用が困難であった。一方、Niめっき鋼板は、溶接には、Snに比べてやや劣るものの優れた塗装・フィルムの密着性を発揮するため、拡缶加工される場合には実用的に有利である。

かかる状況下で、板厚0.19mm以下のNiめっき鋼板をワイヤー速度55mpm以上の高速で溶接する際、１つのナゲット形成の時間がより短時間になるため、低速溶接では影響が現れない些細な発熱変動を受け、不良缶が発生しやすくなる。例えば、少し発熱が過多になった場合、過熱（オーバーヒート）により、散り（鋼板−鋼板界面が完全に溶融し、溶融した地鉄がその界面から飛び出す現象）が発生し易くなる。散りは、その鉄が内容物に溶出する原因となるため、溶接缶としては品質不良缶になる。また、その逆に、発熱が不足すると、溶接強度が不十分で、内容物の漏洩などの原因になるため、やはり溶接缶としては品質不良缶になる。

前記の現象を回避は、公知の知見である特許文献７から９を適用することにより、ある程度、高品質の溶接缶を安定的に溶接することは可能であるが、十分とは言えない。これは、高速で溶接する場合は、低速での溶接に比べて、溶接により発生した熱が散逸する時間も短縮されるため、その熱が蓄積される傾向になる。つまり、１つの缶を溶接する際、缶の先端から後端にかけて、熱が蓄積される傾向になるため、後端側で過熱による散りが発生し易くなる現象が顕在化する。この後端側の過熱を防止するには、先端側の電流値を低めに設定すれば良いが、今度は先端側の溶接強度が不十分になる危険性が増すことから、安定して高品質な溶接缶を溶接することは困難でなる。

また、電気信号により缶の先端を検出し、１つの缶の中で電流を制御することも考えられるが、機構が複雑になる上、高速溶接での電流値の制御精度が不十分であることから、より簡素で、しかも確実に缶先端から缶後端にかけて、熱の蓄積を抑制し発熱を安定にさせる方法が必要とされていた。

上記の問題に対し、本発明者らは、溶接時の発熱に変動を与える要因を解析した結果、溶接ヘッドの出側で缶を搬送するマグネットコンベアーの移動速度により溶接速度が微妙な影響を受ける現象を見出した。更に、その現象を積極的に活用することにより、缶の先端から後端にかけて発生する熱の蓄積を回避し、安定して高品質な溶接缶を溶接する方法を見出すに至った。
即ち、本発明の要旨とするところは、特許請求の範囲の範囲に記載した通りの下記内容である。
（１）Niめっきを片面に200mg/m²〜1000mg/m²施し、次いで、クロメート皮膜を金属Cr換算で2mg/m²〜
10mg/m²施した、板厚0.10mm〜0.19mmの鋼板を、55mpm〜140mpmの溶接ワイヤー速度で溶接する際に、溶接ヘッドの出側コンベアを増速することにより、1缶内での溶接速度が缶の先端から後端にかけて増速し、缶の後端の溶接速度が缶の先端の溶接速度に比べて0.5%〜3%増速することを特徴とするNiめっき鋼板の溶接方法。
（２）Niめっきを片面に200mg/m²〜1000mg/m²施し、次いで、クロメート皮膜を金属Cr換算で2mg/m²〜10mg/m²施した、板厚0.10mm〜0.19mmの鋼板を、55mpm〜140mpmの溶接ワイヤー速度で溶接する際に、缶先端部のナゲット間隔を0.30mm〜0.90mmとし、溶接ヘッドの出側コンベアを増速することにより、1缶内での溶接速度が缶の先端から後端にかけて増速し、缶の後端の溶接速度が缶の先端の溶接速度に比べて0.5%〜3%増速することを特徴とするNiめっき鋼板の溶接方法。
（３）Niめっきを片面に200mg/m²〜1000mg/m²施し、次いで、クロメート皮膜を金属Cr換算で2mg/m²〜10mg/m²施した、板厚0.10mm〜0.19mmの鋼板を、55mpm〜140mpmの溶接ワイヤー速度で溶接する際に、缶先端部のナゲット間隔を0.30mm以上0.38mmとし、溶接ヘッドの出側コンベアを増速することにより、1缶内での溶接速度が缶の先端から後端にかけて増速し、缶の後端の溶接速度が缶の先端の溶接速度に比べて0.5%〜3%増速することを特徴とするNiめっき鋼板の溶接方法。

本発明によれば、出側コンベアの速度を増加することで、缶先端部から後端部にかけて、ナゲット間隔が広がり、缶が増速されながら溶接され、その結果、溶接缶用のNiめっき鋼板の接合を高品質かつ安定して行うことが可能になり、安定的に高速溶接できるなど、産業上有用な著しい効果を奏する。

缶増速率と適正溶接電流範囲の関係を示す図である。ナゲットピッチと適正溶接電流範囲の関係を示す図である。

以下に本発明を実施するための形態について詳細に説明する。

本発明に使用される板厚0.10mm以上0.19mm以下のめっき原板の製造法、材質などは特に規制されるものではなく、通常の鋼片製造工程から熱間圧延、酸先、冷間圧延、焼鈍、調質圧延等の工程を経て製造される。板厚が0.10mmを下回ると鋼板の剛性が著しく低いため、この溶接方法では缶体の保持や搬送が困難になり、正常な溶接を実施できないことから、板厚は0.10mm以上に規定する。また、板厚が0.19mmを超えると従来技術対する本発明の優位性が殆ど認められないため、本発明では、板厚を0.19mm以下に規定する。

このめっき原板に、Niめっきを行う際、通常、めっき原板表面を清浄化するため前処理として脱脂、酸洗が行われるが、それらの方法は特に規制するものでは無く、例えば、１０％苛性ソーダ中で脱脂した後、５％硫酸溶液中で電解酸洗を行えばよい。脱脂、酸洗に引続き、電気的にNiめっきが行われる。Niめっきの方法についても特に規制しない。例えば、硫酸Niとホウ酸を用い、20〜40g/LのNiイオンを含む30〜45℃、pH4程度の液中で、電流密度1A/dm²から5A/d m²でNiめっきすると良い。Niをめっきする目的は、溶接性と耐食性及び加工密着性の確保である。Niは鍛接により固相接合し易い特性を有しており、溶接性を発揮させることができる。この溶接性の向上効果は、Niめっき量が200mg/m²以上で発揮し始め、Niめっき量の増加に応じて緩やかに溶接性は向上するが、1000mg/m²を超えると、その向上効果が飽和し経済的に不利益である。従って、Niめっき量は200mg/m²から1000mg/m²に規定される。

また、Niはアルカリ性で優れた安定性を有することから優れた耐食性を発揮し、また、後述するクロメート処理皮膜との相乗効果で優れた加工密着性を発揮する。この耐食性、加工密着性の向上効果は、Niめっき量が200mg/m²以上で発揮し始め、めっき量が増加する程、緩やかにこれらの特性は向上するが、1000mg/m²を超えると、その向上効果が飽和し経済的に不利益である。従って、耐食性、加工密着性の観点からも、Niめっき量は200mg/m²から1000mg/m²に規定される。

Niめっきに引続き、クロメート処理が行われる。クロメート処理により形成される皮膜は、水素結合により塗装・フィルムと優れた密着性を発揮する水和酸化Crで構成される。この優れた密着性は、クロメート皮膜が金属クロム換算で2mg/m²以上付与されると発揮され始め、付着量が増加する程、緩やかに密着性
は向上する。一方、クロメート皮膜は、絶縁性のため、溶接に必要な電流が不安定になり、皮膜量が多すぎると局所的に発熱し、散りが発生しやすくなることから、クロメート皮膜量は金属クロム換算で10mg/m²以下にする必要がある。このクロメート皮膜を付与する方法は、特に規制しない。例えば、Cr酸100g/L、硫酸1g/Lの溶液中で、1A/dm²から5A/dm²の電流密度でカソード電解することで得ることができる。

上記のNiめっき鋼板を溶接する際、溶接速度が55mpmを下回ると従来技術に対する本発明の優位性が殆ど認められないことから、本発明では、溶接速度を55mpm以上に規定する。また、溶接速度が140mpmを超えると、缶体の保持や搬送が不安定になり、正常な溶接を実施できないことから、溶接速度は140mpm以下に規定する。

前記の溶接速度で、１つの缶内での溶接において、後端に近い程、発生し易くなる散りを抑制するために、缶の後端に向かう程、缶の移動速度を上げ、単位時間当たりの発熱量を減少させる必要がある。この発熱量の減少により散りの発生を抑制する効果は、増速率（缶後端の溶接速度に対する缶先端の溶接速度の相対比率）を0.5%以上にすることにより発揮される。この増速による効果は、図１に示すように、増速率の増加に応じて向上するが、増速率が3%を超えると、過度な発熱量の減少から発熱不足になり、溶接強度が低下し、適正溶接電流範囲が非常に狭くなる。従って、増速率は、0.5%から3%にする必要がある。これらの増速率の制御は、溶接機の溶接ヘッドの後ろ側に取りつけられた出側コンベア（マグネットベルトコンベア）の速度を溶接ワイヤー速度に対して、増速することで可能である。

これは、溶接ヘッドから排出された缶体は出側コンベアに乗り移り移動するが、出側コンベアを溶接ワイヤー速度に対して増速することにより缶体を溶接ヘッドから抜き出す効果を発生させ、缶の溶接速度を増速させている。従って、溶接中の缶でも、出側コンベアに乗り移った部分が多くなる程、缶の移動速度が増加し、結果的に、溶接速度が徐々に増加することになる。缶の増速率は、溶接ワイヤー速度に対する出側コンベアの増速率で制御できるが、缶先端から缶後端にかけて、缶を徐々に増速させるには、マグネットの強さ、缶とコンベアの接触の強さによって、適宜、調整する必要がある。

缶が徐々に増速していることの確認は、缶先端、缶中央、缶後端の溶接方向の断面から得られるナゲット間隔を測定することで可能である。断面を切断、研磨後、シュウ酸等の酸でナゲットをエッチングし、目盛付きの顕微鏡や50〜100倍の写真撮影によってナゲット間隔を測定できる。

更に、溶接速度が55mpm以上で安定して溶接するには、ナゲット間隔を0.30mmから0.90mm、好ましくは0.30mmから0.38mmにする必要がある。ナゲット部は溶接強度を確保する部分のため、ナゲット間隔が狭い程、連続的に溶接部の強度を確保できるが、その一方でナゲット自体の大きさも小さくなり、ナゲット間隔が0.30mmを下回るとナゲット自体の強度が不足し、その結果、溶接部の強度が不十分になり、図２に示すように、適正溶接電流範囲が非常に狭くなる。従って、ナゲット間隔は0.30mm以上にする必要がある。また、ナゲット間隔が0.38mmを超えるとナゲット間隔を狭める効果が徐々に失われ、連続的に溶接部の強度が低下し、図２に示すように、適正溶接電流範囲も低下し始め、0.90mmを超えると適正溶接電流範囲が非常に狭くなる。

従って、ナゲット間隔は0.90mm以下、好ましくは0.38mm以下にする必要がある。ナゲット間隔の制御方法については、特に規制しない。溶接電流の周波数や電流波形の制御により行うことができる。ここで言うナゲット間隔は、溶接方向の断面に形成されるナゲットの先端から次に形成されたナゲットの先端までの長さを表している。

以下に本発明の実施例及び比較例について述べ、その結果を表１に示す。

冷間圧延後、焼鈍、調圧されためっき原板の両面に、硫酸Niとホウ酸を用い、40g/LのNiイオンを含む45℃、pH4の液中で、電流密度1A/dm²でNiめっきを付与し、引続き、Cr酸100g/L、硫酸1g/Lの45℃の液中で、5A/dm²の電流密度でカソード電解しクロメート処理行ってめっき鋼板を作製した。前記めっき鋼板
を縦110mm、横170mmに剪断し、被溶接部になる縦辺近傍を除いて、２軸延伸された厚さ15μmのPETフィルムを両面ラミネートして、試料を作製した。溶接性はスードロニック社の溶接機を用いて、前記試料の被溶接部の重ね代を0.4mmm、加圧力45daNに設定し、溶接電流は特許文献８の3山波形を用い、出側コンベアの増速量を調整して溶接性を評価した。

溶接性は、溶接電流を少しずつ増加させ、溶接部を折り返しても接合強度が確保される電流値を下限、更に電流を増加させ、散りが発生し始める電流値を上限として、上限値と下限値の電流域を適正溶接電流範囲とし、その広さで評価した。十分な大きさの電流設定域があるということは、溶接中の発熱変動にも対応できると判断できる。適正溶接電流範囲が二次電流で400Aあれば工業生産は可能であるが、600A以上得られれば、こまめな電流調整が不要になることから、無人操業に近い製造が可能になる。更に、溶接部の品質安定が極めて安定することから600A以上得られれば、工業生産上、極めて有利である。従って、400A以上あれば合格にしたが、600Aあれば、更に優れた溶接条件として優秀合格とした。

また、前記試料の耐食性は、UCC（アンダーカッティングコロージョン）評価テストで実施した。試料に厚さ20μmのエポキシフェノール系の樹脂を塗布し、200℃、30minで焼き付けを行い、その後、地鉄に達するまでクロスカットを入れ、1.5%クエン酸−1.5%食塩混合液からなる試験液中に大気開放下55℃×4日間浸漬した。試験終了後、速やかにクロスカット部をテーフ゜で剥離して、クロスカット部近傍の腐食幅を測定し、0.5mm以下であれば合格とした。

加工密着性はPETフィルムがラミネートされている前記試料に対して、底蓋(END)加工によりカールやカウンターシンクと言った加工を実施し、125℃、30minのレトルト処理を行った。その後、カール及びやカウンターシンク加工部のフィルムの密着状況を観察し、剥離が全く認められなければ合格とした。

表1に示すように、出側コンベアの速度を増加することで、缶先端部から後端部にかけて、ナゲット間隔が広がり、缶が増速されながら溶接されていることが認められることから、本発明の効果が確認された。

Claims

Niめっきを片面に200mg/m²〜1000mg/m²施し、次いで、クロメート皮膜を金属Cr換算で2mg/m²〜10mg/m²施した、板厚0.10mm〜0.19mmの鋼板を、55mpm〜140mpmの溶接ワイヤー速度で溶接する際に、溶接ヘ
ッドの出側コンベアを増速することにより、1缶内での溶接速度が缶の先端から後端にかけて増速し、缶の後端の溶接速度が缶の先端の溶接速度に比べて0.5%〜3%増速することを特徴とするNiめっき鋼板の溶接方法。
Niめっきを片面に200mg/m²〜1000mg/m²施し、次いで、クロメート皮膜を金属Cr換算で2mg/m²〜10mg/m²施した、板厚0.10mm〜0.19mmの鋼板を、55mpm〜140mpmの溶接ワイヤー速度で溶接する際に、缶先端部のナゲット間隔を0.30mm〜0.90mmとし、溶接ヘッドの出側コンベアを増速することにより、1缶内での溶接速度が缶の先端から後端にかけて増速し、缶の後端の溶接速度が缶の先端の溶接速度に比べて0.5%〜3%増速することを特徴とするNiめっき鋼板の溶接方法。
Niめっきを片面に200mg/m²〜1000mg/m²施し、次いで、クロメート皮膜を金属Cr換算で2mg/m²〜10mg/m²施した、板厚0.10mm〜0.19mmの鋼板を、55mpm〜140mpmの溶接ワイヤー速度で溶接する際に、缶先端部のナゲット間隔を0.30mm以上0.38mmとし、溶接ヘッドの出側コンベアを増速することにより、1缶内での溶接速度が缶の先端から後端にかけて増速し、缶の後端の溶接速度が缶の先端の溶接速度に比べて0.5%〜3%増速することを特徴とするNiめっき鋼板の溶接方法。