JP5064847B2 - 亜鉛系溶融めっき鋼板の炭酸ガスシールドアーク溶接用銅めっきソリッドワイヤ - Google Patents

Description

本発明は、亜鉛系溶融めっき鋼板の炭酸ガスシールドアーク溶接用銅めっきソリッドワイヤに関し、アークが安定してスパッタ発生量が少なく、ピットやブローホールなどの気孔欠陥が発生しにくく、かつ良好なビード形状が得られる亜鉛系溶融めっき鋼板の炭酸ガスシールドアーク溶接用銅めっきソリッドワイヤに関するものである。

ソリッドワイヤを用いたガスシールドアーク溶接方法は、高能率で機械的性能の良好な溶接金属とビード形状が得られることから薄板の溶接に広く適用されている。しかし、鋼板の表面に耐食性を向上させる目的で亜鉛や亜鉛合金を溶融めっきあるいは電気めっきされた亜鉛系めっき鋼板の溶接では、溶接部近傍の亜鉛が蒸発してアークが不安定になり多量のスパッタが発生することは回避できない。

また、図１（ａ）および（ｂ）に示すように特に薄鋼板の亜鉛系めっき鋼板の上板１と下板２が密着した重ね継手部の水平すみ肉溶接の場合は亜鉛蒸気が溶接金属３中に残存し、ピット４やブローホール５などの気孔が発生しやすくなるという問題がある。
このような背景から、ピットやブローホールなどの気孔およびスパッタ発生量の少ない亜鉛系めっき鋼板溶接用ワイヤとして、特開平１−３０９７９６号公報（特許文献１）にはＢｉを添加した技術および特開平５−３２９６８２号公報（特許文献２）にはＴｉおよびＮｂを添加した技術の開示がある。

しかし、これらの技術は、シールドガスとしてＡｒガスにＣＯ₂ガスを混合したＭＡＧまたはパルスＭＡＧ溶接方法に用いられる溶接用ワイヤであり、耐気孔性および低スパッタ化には多少の効果はあるが、亜鉛蒸気の発生によってアークが不安定となり溶滴移行がスムーズに行われず、依然としてスパッタが発生しやすいものであった。また、使用する電源およびシールドガスが高価であるという問題もある。

一方、炭酸ガスを用いた亜鉛めっき鋼板用の溶接用ワイヤとして、例えば特開昭６３−７２４９８号公報（特許文献３）にはＳｉ、ＭｎおよびＳ量を調整によって気孔生成を抑制する技術、特開平７−２５６４８６号公報（特許文献４）にはＳｉおよびＭｎ量の調整とＣａを添加して気孔生成を抑制する技術および特開２００１−７１１７５号公報（特許文献５）にはＣｒ、Ｏ、ＫおよびＮａを添加してハンピングビード、耐ギャップ性および耐気孔性などを改善した技術の開示がある。

しかし、これらの炭酸ガスシールドアーク溶接用ワイヤは、亜鉛系溶融めっき鋼板におけるスパッタ発生量の低減効果は少なく、耐気孔性も満足できるものではなかった。
特開平１−３０９７９６号公報 特開平５−３２９６８２号公報 特開昭６３−７２４９８号公報 特開平７−２５６４８６号公報 特開２００１−７１１７５号公報

本発明は、亜鉛系溶融めっき鋼板の炭酸ガスシールドアーク溶接において、アークが安定してピットやブローホールなどの気孔やスパッタ発生量が少なく、溶接作業性の優れた亜鉛系溶融めっき鋼板の炭酸ガスシールドアーク溶接用銅めっき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、亜鉛系溶融めっき鋼板の炭酸ガスシールドアーク溶接用銅めっきソリ
ッドワイヤにおいて、Ｃ：０．０２〜０．１０質量％、Ｓｉ：１．１〜１．８質量％、Ｍｎ：１．６〜２．８質量％、Ａｌ：０．００２〜０．０２０質量％を含有し、その他はＰ：０．０２５質量％以下、Ｓ：０．０２５質量％以下、Ｏ：０．０１０質量％以下、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ、銅めっき厚さ：０．３〜１．１μｍ有し、かつ、ワイヤ表面にワイヤ１０ｋｇ当たりの分量で、常温で液体の潤滑油を０．３〜１．５ｇおよびカリウムを０．００４〜０．２５ｇ有することを特徴とする。

本発明の亜鉛系溶融めっき鋼板の炭酸ガスシールドアーク溶接用銅めっきソリッドワイヤによれば、アークが安定してピットやブローホールなどの気孔やスパッタ発生量が少なく、溶接能率の優れた亜鉛系溶融めっき鋼板の炭酸ガスシールドアーク溶接が可能となる。

以下、本発明の亜鉛系溶融めっき鋼板の炭酸ガスシールドアーク溶接用銅めっきソリッドワイヤについて詳細に説明する。
本発明者らは、上記の問題点を解決するために、各種成分およびワイヤ表面状態の異なるワイヤを試作して、亜鉛系溶融めっき鋼板を６０ｃｍ／ｍｉｎ以上の高速度で炭酸ガスアーク溶接を行い、アーク状態、気孔およびスパッタ発生状況につき詳細に調査した結果、次の知見を得た。

（１）ワイヤ組成のＣおよびＡｌ量、ワイヤ表面の銅めっき量、潤滑油量およびカリウム量を調整することによって、亜鉛が蒸発する雰囲気においてもアークが安定してスパッタ発生量が少なくなる。
（２）ワイヤ組成のＳｉ、Ｍｎ量の調整によって、溶融プールが安定して亜鉛蒸気を抜け易くしてピットやブローホールなどの気孔生成を抑制する。

以下、本発明におけるワイヤ組成とその含有量およびワイヤ表面の潤滑油およびカリウム化合物の限定理由について説明する。
Ｃ：０．０２〜０．１０質量％
Ｃは、アークを安定化し溶滴を細粒化する作用があるが、０．０２質量％（以下、％という。）未満では、溶滴が大きくなってアークが不安定になってスパッタ発生量が多くなる。一方、０．１０％を超えると、アークが粗くなってスパッタ発生量が増加するばかりでなく、溶接金属を著しく硬化させ耐割れ性が劣化する。

Ｓｉ：１．１〜１．８％
Ｓｉは、溶接金属の主脱酸剤として不可欠であるとともに、溶融プールを安定にして亜鉛蒸気を抜け易くしてピットやブローホールの発生を抑制する。さらに、溶接ビードの止端部を滑らかにしてビード形状を良好にする。Ｓｉが１．１％未満であると、溶融プールが不安定になって亜鉛蒸気が溶融金属内にトラップされてピットやブローホールが生じる。また、ビード止端部のなじみが悪くなってビード形状が不良となる。一方、Ｓｉが１．８％を超えると、溶融金属の表面張力が過度に高くなって、特に高速度で溶接した場合には溶融ブールが追従できずアークが不安定でハンピングビードとなり易い。

Ｍｎ：１．６〜２．８％
Ｍｎは、Ｓｉと同様に脱酸剤として不可欠で、溶融プールを安定にして亜鉛蒸気を抜け易くしてピットやブローホールの発生を抑制する。Ｍｎが１．６％未満では溶融プールが不安定になって亜鉛蒸気がトラップされてピットやブローホールが生じる。一方、Ｍｎが２．８％を超えると、溶融金属の粘度および表面張力が増加して凸状のビードとなる。

Ａｌ：０．００２〜０．０２０％
Ａｌは、溶接時のアークを安定させスパッタ発生量を少なくする。Ａｌが０．００２％未満であるとアークが不安定となりスパッタ発生量が多く、またアンダーカットが生じる。一方、０．０２０％を超えると、溶融金属の粘度および表面張力が低下することから、溶接ビード止端部のなじみが悪くなってビード形状が不良となる。

銅めっき厚さ：０．３〜１．１μｍ
ワイヤ表面の銅めっきは、ワイヤとチップ間の通電性が良好としてアークを安定にする。ワイヤ表面の銅めっき厚さが０．３μｍ未満であると、ワイヤとチップ間の通電性が部分的に不均一となりアーク長の変動から、アークが不安定になってスパッタ発生量が多く、さらにアンダーカットが生じる。一方、ワイヤ表面の銅めっき厚さが１．１μｍを超えると、溶接金属の銅含有量が多くなって耐割れ性が劣化する。

ワイヤ表面に常温で液体の潤滑油：ワイヤ１０ｋｇ当たり０．３〜１．５ｇ
常温で液体である潤滑油は、ワイヤ表面に皮膜を形成し、ワイヤ送給時にワイヤ送給速度を一定にしてアークを安定にする。また、後述するカリウムをワイヤ表面に均一に分散することができる。潤滑油がワイヤ１０ｋｇ当たり０．３ｇ（以下、ｇ／１０ｋｇＷという。）未満であると、カリウムをワイヤ表面に均一に分散することができず、アークが不安定になってスパッタ発生量が多くなる。一方、１．５ｇ／１０ｋｇを超えると、溶接部にピットやブローホールが生じる。

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。

カリウム：０．００４〜０．２５ｇ／１０ｋｇＷ
ワイヤ表面のカリウムは、均一で小さい溶滴にするのでアークが安定してスパッタ発生量が極めて少なくなる。また、高速度の溶接が可能となりアンダーカットがなくビード形状が良好となる。カリウムが０．００４ｇ／１０ｋｇＷ未満であると、その効果がなく、溶滴が大きくなってアークが不安定となりスパッタ発生量も多く、さらにアンダーカットが生じる。一方、０．２５ｇ／１０ｋｇＷを超えると、小粒のスパッタ発生量が多くなる。

カリウムは、ステアリン酸カリウム、炭酸カリウム、クエン酸カリウム等の化合物が使用される。カリウムはこれらの微粉末を前記潤滑油に混合すればワイヤ製造時の仕上げ伸線後に塗布することによってワイヤ表面に均一に分散するので好ましい。また潤滑油中にイオン化したカリウムを添加したものを用いることもできる。

Ｓは、ビード止端部のなじみを良好にするので０．００５％以上含有することが好ましい。しかし、ＳおよびＰがそれぞれ０．０２５％を超えると溶接金属の耐割れ性を劣化する。また、Ｏが０．０１０％を超えると、ワイヤ製造時にワイヤ表面に亀裂が生じ溶接時にワイヤ表面の銅めっきが剥離してチップ詰まりが生じ易くなる。したがって、Ｏは０．０１０％以下とする。

以下、実施例により本発明の効果を具体的に説明する。
表１に示す各種成分のワイヤ表面に銅めっきを施し、各種潤滑油およびカリウムを塗布したワイヤ径１．２ｍｍのソリッドワイヤを試作した。ＪＩＳ Ｇ３１３１ ＳＰＨＣの板厚２．６ｍｍ、長さ５００ｍｍで亜鉛めっきの目付け量１３０ｇ／ｍ²の亜鉛溶融めっき鋼板を、図２に示すように上板１と下板２を密着して重ね継手とし、表２に示す溶接条件で各ワイヤ４回水平すみ肉溶接した。溶接は図２に示すように、ワイヤ狙い位置６は重ね継手のコーナー部、トーチ７の角度θは６０°とした。

各ワイヤでアークの安定性、気孔発生量、ビード形状およびスパッタ発生量を調査した。ピットやブローホールなどの気孔の発生量は、溶接後ピット発生数は外観調査、ブローホールの発生状況はＸ線透過試験を行って発生数を調べた。ピット発生数３個／ｍ以下およびブローホール発生数が１０個／ｍ以下を良好とした。

スパッタ発生量は、銅製の補修箱を用いて、図２に示す重ね継手の水平すみ肉溶接で３回溶接し、１分間当たりのスパッタ発生量を算出した。スパッタ発生量が１．５ｇ／ｍｉｎ以下を良好とした。それらの結果を表３にまとめて示す。表１および表３中、ワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ８が本発明例、ワイヤ記号Ｗ９〜Ｗ１６は比較例である。

本発明例であるワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ８は、ワイヤ成分および銅めっき厚さが適正で、ワイヤ表面へ塗布された潤滑油およびカリウムも適正であるので、アークが安定して止端部のなじみ不良、凸ビードやアンダーカットがなくビード形状が良好でピット、ブローホールおよびスパッタ発生量が少なく、高温割れもなく極めて満足な結果であった。

比較例中ワイヤ記号Ｗ９は、Ｃが低いのでアークが不安定でスパッタ発生量が多かった。また、ワイヤ表面の潤滑油塗布量が多いのでピットおよびブローホールの発生量が多かった。ワイヤ記号Ｗ１０は、Ｃが高いのでスパッタ発生量が多く、またクレータ部に高温割れが生じた。

ワイヤ記号Ｗ１１は、Ｓｉが低いのでピットおよびブローホールの発生量が多かった。また、ビード止端部のなじみが悪くなってビード形状が不良であった。さらに、ワイヤ表面のカリウム付着量が少ないのでアークが不安定でスパッタ発生量が多かった。ワイヤ記号Ｗ１２は、Ｓｉが高いので溶融ブールが追従できずアークが不安定でハンピングビードとなった。

ワイヤ記号Ｗ１３は、Ｍｎが低いのでピットおよびブローホールの発生量が多かった。また、銅めっき厚さが薄いのでアークが不安定でアンダーカットが生じ、スパッタ発生量も多かった。ワイヤ記号Ｗ１４は、Ｍｎが高いので凸ビードとなった。また、ワイヤ表面の潤滑油塗布量が少ないのでアークが不安定でスパッタ発生量が多かった。

ワイヤ記号Ｗ１５は、Ａｌが低いのでアークが不安定でアンダーカットが生じ、スパッタ発生量も多かった。また、銅めっき厚さが厚いのでクレータ部に高温割れが生じた。ワイヤ記号Ｗ１６は、Ａｌが高いのでビード止端部のなじみが悪くなってビード形状が不良であった。また、ワイヤ表面のカリウム付着量が多いので小粒のスパッタ発生量が多かった。

重ね継手部の水平すみ肉溶接における（ａ）はピット（ｂ）はブローホール気孔が生じた例を示す図である。 本発明の実施例に用いた重ね継手部の水平すみ肉溶接のワイヤ狙い位置を示す図である。

符号の説明

１ 上板
２ 下板
３ 溶接金属
４ ピット
５ ブローホール
６ トーチ
７ ワイヤ狙い位置


特許出願人 日鐵住金溶接鋼業株式会社
代理人 弁理士 椎 名 彊 他１

Claims (1)

1. 亜鉛系溶融めっき鋼板の炭酸ガスシールドアーク溶接用銅めっきソリ
   ッドワイヤにおいて、Ｃ：０．０２〜０．１０質量％、Ｓｉ：１．１〜１．８質量％、Ｍｎ：１．６〜２．８質量％、Ａｌ：０．００２〜０．０２０質量％を含有し、その他はＰ：０．０２５質量％以下、Ｓ：０．０２５質量％以下、Ｏ：０．０１０質量％以下、残部がＦｅおよび不可避不純物からなり、かつ、銅めっき厚さ：０．３〜１．１μｍ有し、かつ、ワイヤ表面にワイヤ１０ｋｇ当たりの分量で、常温で液体の潤滑油を０．３〜１．５ｇおよびカリウムを０．００４〜０．２５ｇ有することを特徴とする亜鉛系溶融めっき鋼板の炭酸ガスシールドアーク溶接用銅めっきソリッドワイヤ。

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