JP5787798B2 - ソリッドワイヤおよびこれを用いたガスシールドアーク溶接方法 - Google Patents
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Description
ここで、亜鉛めっき鋼板は、使用される分野により亜鉛めっきの目付け量(付着量)が異なるが、どのような目付け量であっても、亜鉛めっき鋼板の溶接には大抵の場合、ソリッドワイヤを用いたガスメタルアーク溶接(GMAW)が用いられており、特に、自動車分野においては、当該溶接が多用されている。
また、特許文献4には、Si、Mnの含有量を所定値以内に抑えるとともに、Al、Tiを所定量含有させたワイヤが提案されている。
また、特許文献5には、Si、Mn、Crの含有量を所定値以内に抑えたワイヤが提案されている。
また、特許文献1に係る技術は、ワイヤの組成とシールドガスの組成とを制限しているが、当該組み合わせであると、気孔欠陥の発生の抑制およびスパッタの低減という効果を十分には発揮できない。加えて、特許文献1に係る技術は、シールドガスにO2を混合させた場合、溶融池の表面張力が低下しすぎてしまい、気孔欠陥やスパッタを多量に発生させてしまう。
つまり、特許文献1〜特許文献5に係る技術は、気孔欠陥の発生を抑制し、スパッタを低減するという点において、十分なものではなかった。
また、本発明に係るソリッドワイヤは、ソリッドワイヤに含まれる各元素を所定量に制限することにより、ガスシールドアーク溶接時において、ソリッドワイヤ先端に形成される溶滴の表面張力を高くして、当該溶滴の形状を安定させることができ、その結果、スパッタの発生を抑制することができる。
加えて、本発明に係るソリッドワイヤは、ソリッドワイヤに含まれる各元素を所定量に制限するとともに、Mn質量量%/Si質量%の値を所定値以下に制限することにより、ビード外観を優れたものとすることができる。
このように、本発明に係るソリッドワイヤは、ワイヤ直径を所定範囲に制限することにより、ガスシールドアーク溶接時において、ソリッドワイヤの先端に形成される溶滴に対してピンチ力が適切にかかり易くなり、スムーズに溶滴移行が行われることになる。その結果、溶滴の粗大化を防止することができるため、スパッタの発生の抑制という効果をさらに向上させることができる。
また、本発明に係るガスシールドアーク溶接方法は、前記ソリッドワイヤを用いることにより、ソリッドワイヤ先端に形成される溶滴の表面張力を高くして、当該溶滴の形状を安定させることができ、その結果、スパッタの発生を抑制することができる。
加えて、本発明に係るガスシールドアーク溶接方法は、前記ソリッドワイヤを用いることにより、ビード外観を優れたものとすることができる。
また、本発明に係るソリッドワイヤは、シールドガスとして所定量のCO2ガスを含むArガスを用いることにより、ソリッドワイヤと母材との間に発生するアーク力を大きくすることができ、その結果、ピットやブローホールといった気孔欠陥の発生をさらに抑制することができる。
つまり、本発明に係るソリッドワイヤは、低スパッタ性および耐気孔性(ピットやブローホールといった気孔欠陥の発生抑制性能)を向上させるとともに、ビード外観を優れたものとすることができる。
また、本発明に係るガスシールドアーク溶接方法は、シールドガスとして所定量のCO2ガスを含むArガスを用いることにより、ソリッドワイヤと母材との間に発生するアーク力を大きくすることができ、その結果、ピットやブローホールといった気孔欠陥の発生をさらに抑制することができる。
つまり、本発明に係るガスシールドアーク溶接方法は、低スパッタ性および耐気孔性(ピットやブローホールといった気孔欠陥の発生抑制性能)を向上させるとともに、ビード外観を優れたものとすることができる。
まず、亜鉛めっき鋼板のガスシールドアーク溶接時において、気孔欠陥およびスパッタの発生を抑制するメカニズムについて、図1を用いて簡単に説明する。
ガスシールドアーク溶接とは、ソリッドワイヤ1と母材Wの溶融部(以下、溶融池ともいう)との間にアーク2を発生させて行う溶接である。ここで、母材Wが亜鉛めっき鋼板である場合、アーク2の熱により、沸点の低い亜鉛めっきが亜鉛ガス3となり、この亜鉛ガス3が溶融部の下部から上部へと浮上する。
この亜鉛ガス3が、溶融部の上表面から外側に放出されれば問題はないが、溶融部の中に留まり、その状態のまま凝固してしまうと、略球状の空洞であるブローホールが形成されることとなってしまう。また、亜鉛ガス3が母材Wの表面付近で凝固してしまうと、小さな窪み穴であるピットが形成されることとなってしまう。
そして、本発明は、(i)溶融金属の表面張力STを高くすることにより、溶融部の周辺に図1のような盛り上がった状態で溶融金属を保持して、溶融部への溶融金属の流入を防止する手段と、(ii)アーク力を大きくすることで、ソリッドワイヤ1直下の溶融部を大きく掘り下げる手段と、を組み合わせることで、母材Wの溶融部の厚みLを薄い状態に制御する。つまり、本発明は、前記(i)、(ii)により、母材Wの溶融部の厚みLを薄い状態に制御することで、気孔欠陥の発生を抑制することができる。
なお、詳細については後記するが、前記(i)については、主に、ソリッドワイヤの組成を制限することで制御し、前記(ii)については、主に、シールドガスのCO2含有割合を大きな範囲に制限することで制御する。
なお、詳細については後記するが、前記(iii)については、主に、第1期間と第2期間とを所定の周波数で交互に繰り返すパルス電流を溶接電流として用いることで制御する。
本発明は、前記(ii)を制御するためにシールドガスのCO2含有割合を大きい範囲に制限しているが、CO2含有割合が大きくなると、ソリッドワイヤ先端に形成される溶滴を持ち上げる力も大きくなってしまう。その結果、通常では、溶滴の形状が変化し、1mm以上の大きなスパッタを発生させることとなってしまう。しかし、前記(i)により、溶滴(溶融金属)の表面張力STを高くすることで、溶滴の形状が変化し難くなる。その結果、本発明は、前記(i)により、スパッタの発生を抑制することができる。
なお、前記(i)については、前記のとおり、主に、ソリッドワイヤの組成を制限することで制御することができる。
またさらに、(v)ピンチ力がソリッドワイヤ先端に形成される溶滴の全体に作用するように、2つのピークを有するパルス電流を溶接電流として用いる手段を組み合わせることにより、スパッタの発生の抑制という効果をさらに向上させることができる。
なお、詳細については後記するが、前記(iv)については、ソリッドワイヤの直径を制限することで制御することができ、前記(v)については、2つのピークを有する所定のパルス電流を溶接電流として用いることで制御することができる。
本発明に係るソリッドワイヤ(以下、単に、ワイヤともいう)は、シールドガスを用いるガスシールドアーク溶接用であるとともに、亜鉛めっき鋼板溶接用のソリッドワイヤである。
そして、本発明に係るソリッドワイヤは、所定量のC、Si、Mn、P、S、O、Cr、を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物で構成されるとともに、Si、Mn、S、Oの含有量が所定の関係を満たすことを特徴とする。
以下、本発明に係るソリッドワイヤの各元素の含有量を限定した理由について説明するが、この含有量は、ソリッドワイヤ全質量に対する含有量である。
Cは、強度を向上させる元素である。Cは、0.15質量%を超えて過剰に存在するとスパッタが多発する原因にもなるため、Cの含有量は少ない程好ましく、フリーでも問題は無い。
したがって、Cの含有量は、0.15質量%以下(0質量%も含む)とする。
Siは、有効な脱酸剤であり、溶接金属の脱酸においては不可欠な元素である。Siの含有量が0.40質量%未満であると脱酸効果が損なわれ、表面張力が低下し、ピットやブローホールといった気孔欠陥が発生しやすくなる。一方、Siは、含有量が低くなるほどワイヤの電気抵抗が低くなるという特徴を持ち、ワイヤの電気抵抗が低くなるほどワイヤは溶融し難くなる(電気抵抗熱が低くなる)ため、必要な溶接電流は大きくなり、その結果、アーク力が高くなることにより、ピット、ブローホール等の気孔欠陥を抑制することができる。また、Siの含有量が0.90質量%を超えるとビード表面に発生するスラグ量が多くなってしまう。
したがって、Siの含有量は、0.40〜0.90質量%とする。
Mnは、Siと同じく有効な脱酸剤であり、Sと結合し易い元素である。Mnの含有量が0.20質量%未満であると、脱酸、脱硫効果が損なわれ、表面張力が低下し、ピットやブローホールといった気孔欠陥が発生しやすくなる。一方、Mnの含有量が1.50質量%を超えると、ビード表面に剥離し難い薄い酸化膜を発生させてしまう。
したがって、Mnの含有量は、0.20〜1.50質量%とする。
Pは、一般的に不純物として混入する元素であり、溶接割れの観点から出来るだけ含有量は少ない方が好ましい。一方で、亜鉛めっき鋼板の溶接において、Pは亜鉛の融点以上の温度で亜鉛と安定な化合物(P−Zn系等)を形成するため、耐気孔性を向上させる効果を有する。しかし、Pの含有量が0.0500質量%を超えると、割れを発生させてしまう。
したがって、Pの含有量は、0.0500質量%以下(0質量%も含む)とする。
Sは、少量の添加で溶融金属の表面張力を低下させる元素であり、含有量は極力少ないほうが好ましい。詳細には、Sの含有量が0.0080質量%を超えると、溶融金属の表面張力が過剰に低下し、ピット、ブローホールが発生し易くなる。
したがって、Sの含有量は、0.0080質量%以下(0質量%も含む)とする。
Oは、Sと同様に少量の添加で溶融金属の表面張力を低下させる元素であり、含有量は極力少ないほうが好ましい。詳細には、Oの含有量が0.0100質量%を超えると、溶融金属の表面張力が過剰に低下し、ピット、ブローホールが発生し易くなる。
したがって、Oの含有量は、0.0100質量%以下(0質量%も含む)とする。
Crは、Feに添加すると粘性を増加させる元素である。そして、ワイヤの粘性が増加するとアーク直下に溶接金属が流入し過ぎるのを防止することができる。ただし、Crの含有量が1.00質量%を超えると粘性が過剰に高くなり、ビード形状が凸型となり、ビード外観が粗悪となる。
なお、Crの含有量が0.10〜0.60質量%であると、耐気孔性をより適切に向上させることができる。
したがって、Crの含有量は、1.00質量%以下であり、好ましくは、0.10〜0.60質量%である。
前記のとおり、気孔欠陥の発生を抑制するためには、溶融金属の表面張力を高くする必要があり、この溶融金属の表面張力はソリッドワイヤの化学組成に依存する。
ここで、ソリッドワイヤを形成する元素の中で大きく表面張力を低下させる元素は、酸素(O)および硫黄(S)である。すなわち、O、Sの元素の添加をなるべく抑える必要がある。また、O、Sといった元素はSi、Mnと結合し易く、酸化物、硫化物を生成させることで、O、Sの表面の吸着を防ぎ表面張力を高く保つこともできる。
よって、本発明では、Si、Mn、S、Oの含有量の関係について規定しており、1.0≦(Si質量%+Mn質量%)/{100(S質量%+O質量%)}≦4.0を満たすO、S、Si、Mnの含有量が最適である。
したがって、1.0≦(Si質量%+Mn質量%)/{100(S質量%+O質量%)}≦4.0とする。
なお、本発明の式中の「元素質量%」とは、ソリッドワイヤ全質量に対する当該元素の質量%のことである。
Si、Mnの含有量が、前記の範囲を満たしても、Mn質量%/Si質量%比が十分に高くないと有用な脱酸速度が得られない。詳細には、Mn質量量%/Si質量%の値が0.50未満であると、十分な脱酸作用が得られないため、酸素が過剰となり、溶融金属の表面張力が低下し、その結果、ピットやブローホールといった気孔欠陥が発生し易くなる。一方、Mn質量量%/Si質量%の値が2.00を超えると、Mnの含有比率が大きくなることで、ビード表面に剥離し難いMn酸化物が生成し、その結果、ビード外観が粗悪となる。
したがって、0.50≦Mn質量%/Si質量%≦2.00とする。
ソリッドワイヤの残部は、Feおよび不可避的不純物からなり、当該不可避的不純物としては、Cu、Mo、Al、Ti、Nb、Zr、N等が挙げられ、本発明の効果を妨げない範囲で含有することが許容される。詳細には以下の通りである。
Cu、Moは、強度を上昇させる元素であり、強度調整が必要な場合は添加しても良い。Cuは、3.00質量%を超えるとワイヤの伸線時において断線してしまうため、Cuの含有量は3.00質量%以下とする。Moは、5.00質量%を超えると強度過剰により、溶接割れが発生するため、Moの含有量は5.00質量%以下とする。
また、Al、Ti、Nb、Zrは、強脱酸元素であり、溶融金属の酸素量を低減し、表面張力を低下させることが可能であるため、ワイヤ中の酸素量が高い場合は効果的である。しかし、それぞれ、0.500質量%を超えて添加するとスラグが多量に発生する。よって、Al、Ti、Nb、Zrの含有量は、それぞれ0.500質量%以下とする。
Nは、一般的に不純物として混入する元素であり、Nの含有量が大きいほど、強度の過剰増加や気孔欠陥が発生する。これらの発生を防止するため、Nの含有量は、0.0200質量%以下とする。
ソリッドワイヤの直径は、小さいほどピンチ力がかかり易く、溶滴移行がスムーズとなる。しかし、直径が0.7mm未満であると、アーク力の低下により、ピットやブローホールといった気孔欠陥が発生し易くなる。一方、直径が1.1mmを超えると、ソリッドワイヤ先端の溶滴が粗大化するため、1mm以上の径を呈する大きなスパッタが発生し易くなる。
したがって、ソリッドワイヤの直径は、0.7〜1.1mmであることが好ましい。なお、より好ましくは、0.8〜1.0mmである。
本発明に係るシールドガスは、25〜40%のCO2ガスを含むArガスである。つまり、本発明に係るシールドガスは、25〜40%のCO2ガスと、残部がArガスと、からなるAr−CO2ガスである。
しかし、耐気孔性を考慮すると、従来のCO2含有比率のAr−CO2ガスでは、アーク力が小さく、ピットやブローホールといった気孔欠陥が発生する可能性が高くなってしまうため、好ましくない。
そこで、本発明では、各元素の含有量を所定量に制限した前記ソリッドワイヤを用いることにより、CO2ガスを40%まで含有したAr−CO2ガスであっても、スパッタの発生を抑制しつつ、安定した溶接を可能とし、かつ、CO2が有するアーク緊縮の特性によりアークを集中させ、アーク力を高める(耐気孔性を向上させる)ことも可能とした。
ただし、CO2ガスの含有量が40%を超えると、スパッタの発生を抑制することができなくなる。一方、CO2ガスの含有量が25%未満であると、十分なアーク力を得られない。
したがって、シールドガスであるArガス(Ar−CO2ガス)のCO2含有比率は、25〜40%である。
溶接対象となる母材は、亜鉛めっき鋼板である。そして、亜鉛めっき鋼板は、鋼板の表面に亜鉛めっき皮膜が形成された板材であって、鋼板の組成、厚さ等については特に限定されない。また、母材表面に対する亜鉛めっきの目付け量についても特に限定されない。
次に、ガスシールドアーク溶接方法を説明する。
本発明に係るガスシールドアーク溶接方法は、ソリッドワイヤを、Arガス(Ar−CO2ガス)であるシールドガス中に送給し、当該ソリッドワイヤに溶接電流を供給することで、当該ソリッドワイヤと母材である亜鉛めっき鋼板との間にアークを発生させて溶接を行うことを特徴とする。
本発明に係るガスシールドアーク溶接方法で用いる溶接電流は、パルス電流であることが好ましい。そして、パルス電流は、第1ピークの通電、第2ピークの通電およびベース電流の通電を1パルス周期として繰り返すものであることが好ましい。
詳細には、図2に示すように、パルス電流10は、ピーク立上り期間Tupと、第1ピークの期間Tp1と、移行期間Tsfと、第2ピークの期間Tp2と、ピーク立下り期間Tdnと、ベース期間Tbと、を1パルス周期Tfとして繰り返すものである。
本発明では、シールドガスとしてCO2含有比率の高いArガス(つまり、Arの含有比率の低いガス)を使用することを特徴とするが、Arの含有比率の低いガスを用いると、パルス電流溶接時にアークがスプレーアーク化し難くなり、スパッタが発生し易くなってしまう。具体的には、アークの発生位置がソリッドワイヤ側面の低い位置(ソリッドワイヤ先端から近い位置)となるため、ソリッドワイヤ先端に形成される溶滴をピンチ力により十分に絞ることができず、適切なスプレーアークを発生させ難くなってしまう。
一般的には、シールドガス中のArガスの含有比率が低い場合、パルス電流の電流値を大きくすることによりスプレーアーク化を図ろうとする。しかし、通常の矩形波や台形波を呈するパルス電流(図2の20参照)では、単に電流値を大きくすると、パルス面積が過大となってしまい、高速溶接に適用するとビード端にカット等の溶接欠陥が発生し易くなる。
そこで、本発明は、前記のようなパルス電流を溶接電流として用いることで、第1ピークの期間Tp1のパルス電流により、アークの発生位置をソリッドワイヤ側面の高い位置(ソリッドワイヤ先端から遠い位置)とし、ソリッドワイヤ先端に形成される溶滴全体に適切にピンチ力を作用させることとした。また、本発明は、パルス電流に第2ピークの期間Tp2を設けることにより、1周期のパルス面積が過大となることを回避し、カット等の溶接欠陥の発生を回避することとした。
第1ピークの期間Tp1において、ソリッドワイヤ先端に形成される溶滴全体に適切にピンチ力を作用させるためには、アークは、ワイヤ先端(ワイヤ液化開始部)よりも基端側の位置、つまり、ワイヤ側面の高い位置(ソリッドワイヤ先端から遠い位置)から発生させる必要がある。ここで、パルス電流の第1ピークの電流値Ip1が440A未満であると、ワイヤ側面の十分に高い位置からアークが発生しない。一方、第1ピークの電流値Tp1が500Aを超えると、ワイヤ側面を過剰に溶融させてしまう。
したがって、第1ピークの電流値Ip1は、440〜500Aが好ましい。
したがって、第1ピークの期間Tp1は、0.2〜0.6msが好ましい。
第2ピークの期間Tp2において、ワイヤ先端に形成された溶滴のうち中下部の溶滴をアークで包み、ピンチ力で適切に切り離すこととなる。ここで、第2ピークの電流値Ip2が300A未満であると、スプレーアークになり難く、ワイヤ先端に形成された溶滴の最下部からアークが発生する状態となってしまい、良好な溶滴移行が行われなくなる。一方、400Aを超えると、第1ピークの電流値と差異がなくなり、電流値全体(平均電流値)が高くなる、つまり、パルス面積が過大となってしまい、高速溶接に適用するとビード端にカット等の溶接欠陥が発生し易くなる。
したがって、第2ピークの電流値Ip2は、300〜400Aであることが好ましい。
したがって、第2ピークの期間Tp2は、0.2〜0.6msであることが好ましい。
また、ピーク立上り期間Tup、ピーク立下り期間Tdnについても、特に制限されないが、期間Tupは0.4〜0.8ms、期間Tdnは0.4〜1.2msが好ましい。
第1ピークの期間Tp1では、ソリッドワイヤ1先端に形成された溶滴4全体にピンチ力が作用する(図2(a)参照)。そして、第2ピークの期間Tp2では、ソリッドワイヤ1先端に形成された溶滴4のうち中下部の溶滴4がアークで包まれ、ピンチ力で切り離されようとしており(図2(b)参照)、第2ピークの期間Tp2後のピーク立下り期間Tdnでは、ソリッドワイヤ1先端に形成された溶滴4から球状を呈する溶滴5が切り離されている(図2(c)参照)。その後、ベース期間Tbでは、切り離された溶滴5が溶接部に移行することとなる。(図2(d)参照)。
パルス電流は、図3(a)に示すように、1パルス周期が密に連続する第1期間P1と、1パルス周期が疎に連続する第2期間P2と、を所定の周波数で交互に繰り返すものであることが好ましい。言い換えると、パルス電流は、1パルス周期が所定期間であるパルス波が密に連続する第1期間P1と、1パルス周期が前記所定期間よりも長いパルス波が疎に連続する第2期間P2と、を所定の周波数で交互に繰り返すものであることが好ましい。
ソリッドワイヤ直下の溶融部の亜鉛めっきをアーク熱で積極的に蒸発させるには、アーク力を大きくする大きな電流を溶接電流として用いればよい。しかし、溶接電流の電流値は、ワイヤ送給速度と略比例関係にあり、当該ワイヤ送給速度は溶接速度とビード断面とによって決まる溶着量との関係で設定する必要があるため、単純に溶接電流の電流値のみを自由に大きく設定することはできない。
そこで、本発明では、前記のようなパルス電流を溶接電流として用いることで、平均的な溶接電流の大きさは変えずに、第1期間P1の溶接電流を大きく、第2期間P2の溶接電流を小さくすることが可能となる。したがって、第1期間P1で、大きなアーク力により、ソリッドワイヤ直下の溶融金属を押しのけ、溶融部をより深く掘り進めることができる。加えて、第1期間P1の溶接電流と第2期間P2の溶接電流とを交互に繰り返すことにより、周期的に凝固過程の溶融金属を振動させることができ、その振動により溶融部に内包されている亜鉛ガス3を外側に放出することができる。
第1期間P1と第2期間P2とを繰り返す周波数が5Hz未満であると、1パルス周期が疎に連続する第2期間P2が長くなるため、当該期間において適切に亜鉛めっきの蒸発を促し難くなる。また、ビード外観に不均一な波目がついてしまう。
一方、この周波数が30Hzを超えると、切り替え周期が早すぎることにより、1パルス周期が密に連続する第1期間P1が短く、適切に亜鉛めっきの蒸発を促進し難くなる。また、凝固過程の溶融金属を十分に振動させることができず、その結果、溶接金属に内包される気泡を溶融金属外側に放出させる効果が小さくなってしまう。
したがって、パルス電流は、第1期間P1と第2期間P2とを、5〜30Hzの周波数で繰り返すものであることが好ましい。言い換えると、パルス電流は、第1期間P1と第2期間P2とを1つのサイクルとして、当該サイクルを5〜30Hzの周波数で繰り返すものであることが好ましい。
なお、第1期間P1と第2期間P2との電圧については、図3(b)に示すように変動することとなる。
ソリッドワイヤは、表1に示す組成(wireNo.W1〜W42)のものを使用した。また、表中においてワイヤ径について記載していないソリッドワイヤのワイヤ径は、1.2φ(直径1.2mm)であった。そして、表1の試験No.13(wireNo.W13)を除き、ソリッドワイヤの表面にはCuめっき(ワイヤ全質量に対してCuが0.20質量%となる量)が施されていた。なお、表2〜4のwireNo.と表1のwireNo.とは対応している。
また、使用したシールドガスの組成を表1〜4に示す。
母材は、JIS G 3302に準拠したSGCC(溶融亜鉛めっき鋼板)であって、亜鉛めっきの目付け量が45g/m2のものを用いた。
そして、図4に示すように、2枚の溶融亜鉛めっき鋼板(300mm×55mm×2.3mm)を25mmだけずらして重ね、溶接ギャップ0mmとして、スポット溶接で接着(仮着け)し、気孔欠陥が発生し易い条件を作った。
図4に示すように、スポット溶接で接着された2枚の前記母材の隅部6に対して重ね溶接(250mm)を行うという方法で溶接を行った。そして、図4に示すようなビード7を形成させた。
なお、表1〜4に記載の試験No.1〜201については、図5(b)に示す下進姿勢(水平面に対し30°)であるとともに、トーチ角度が母材面に対して垂直となる状態で溶接を行った。
ワイヤ径0.6〜0.7mmのソリッドワイヤを使用する場合は、平均電流−電圧200〜220A−29〜30V、母材−チップ間距離:15mm、流量:25リットル/min、溶接速度:100cm/min、ワイヤ送給速度:1500cm/minという条件で溶接を行った。
ワイヤ径0.8〜1.0mmのソリッドワイヤを使用する場合は、平均電流−電圧210〜230A−27〜29V、母材−チップ間距離:15mm、流量:25リットル/min、溶接速度:100cm/min、ワイヤ送給速度:1100cm/minという条件で溶接を行った。
ワイヤ径1.2〜1.4mmのソリッドワイヤを使用する場合は、平均電流−電圧220〜240A−23〜25V、母材−チップ間距離:15mm、流量:25リットル/min、溶接速度:100cm/min、ワイヤ送給速度:700cm/minという条件で溶接を行った。
ワイヤ径1.6mmのソリッドワイヤを使用する場合は、平均電流−電圧230〜250A−21〜23V、母材−チップ間距離:15mm、流量:25リットル/min、溶接速度:100cm/min、ワイヤ送給速度:500cm/minという条件で溶接を行った。
また、溶接電流として用いたパルス電流のパルス波形は、具体的には、図6に示す波形であった。
なお、シールドガスのCO2ガス含有比率が25〜40%の場合は上記の電圧よりも1V高くし、40%を超える場合は2V高くして溶接を行った。
ワイヤ径1.0mmのソリッドワイヤを使用する場合は、ベース電流−電圧:40A−26〜28V、母材−チップ間距離:15mm、流量:25リットル/min、溶接速度:100cm/min、ワイヤ送給速度:1000cm/minという条件で溶接を行った。
ワイヤ径0.7mmのソリッドワイヤを使用する場合は、ベース電流−電圧:40A−25〜27V、母材−チップ間距離:12mm、流量:25リットル/min、溶接速度:100cm/min、ワイヤ送給速度:2000cm/minという条件で溶接を行った。
また、シールドガスのCO2ガス含有比率が40%の場合は上記の電圧よりも1V高くして溶接を行った。
ワイヤ径1.0mmのソリッドワイヤを使用する場合は、第1期間−第2期間の電圧:28V−26V、母材−チップ間距離:15mm、流量:25リットル/min、溶接速度:100cm/min、ワイヤ送給速度:1000cm/minという条件で溶接を行った。
ワイヤ径0.7mmのソリッドワイヤを使用する場合は、第1期間−第2期間の電圧:27V−25V、母材−チップ間距離:12mm、流量:25リットル/min、溶接速度:100cm/min、ワイヤ送給速度:2000cm/minという条件で溶接を行った。
また、シールドガスのCO2ガス含有比率が40%の場合は上記の電圧よりも1V高くして溶接を行った。
ピットの測定は目視で行い、250mmのビード中のピット個数を測定し、2回の測定値の平均の値を算出し、当該値で評価を行った。
標準ガス(Ar+20%CO2ガス)の場合のピット数が5.5個/250mm(表1の試験No.53参照)であることから、5.0個以下(0個は含まない)の場合を、耐気孔性の向上効果があるとして、良好(〇)と評価し、0個の場合を、極めて良好(◎)と評価した。なお、5.0個を超える場合を、不良(×)と評価した。
ブローホールの測定は放射線透過試験(RT:JIS Z 3104参照)に準拠した方法で行い、250mm中のビード中のブローホール個数を測定し、2回の測定値の平均の値を算出し、当該値で評価を行った。
標準ガス(Ar+20%CO2ガス)の場合のブローホール数が31.0個/250mm(表1の試験No.53参照)であることから、20.0個を超えても30.0個以下であれば一定の耐気孔性の向上効果がある(従来よりも少し効果が確認できる)として、比較的良好(△)と評価し、20.0個以下(0個は含まない)の場合を、耐気孔性の向上効果があるとして、良好(〇)と評価し、0個の場合を、極めて良好(◎)と評価した。なお、30.0個を超える場合を、不良(×)と評価した。
発生したスパッタの測定は、各例とも共通して、銅板で作成した高さ300mm×横300mm×縦450mmの箱中で溶接を行い、1分間に発生したスパッタ全てを箱内から採取し、集めたスパッタの全質量を測定してスパッタ量(g/min)とした。
スパッタ量は1.80g/minを超えると目に見えてスパッタが多く飛散するため、1.50g/minを超えても1.80g/min以下であればある一定のスパッタ抑制効果があるとして、比較的良好(△)と評価し、1.50g/min以下を良好(〇)と評価し、その半分の値である0.75g/min以下を極めて良好(◎)と評価した。なお、1.80g/minを超える場合を、不良(×)と評価した。
スラグ被覆率はビード外観(ビード250mm分)をデジタルカメラにて撮影し、その画像を2値化することにより、スラグと金属面を分け、その面積から測定した。被覆率が15%を超える場合はビード外観が粗悪なものとなるため、不良(×)と評価し、15%以下の場合は良好(〇)と評価した。
ビード外観の確認は目視で行い、ビード表面において、蛇行、ハンピング、アンダカット等の溶接欠陥、スラグ被覆の存在の有無を確認した。前記のような溶接欠陥・スラグ被覆がビード表面に存在する場合を不良(×)と評価し、存在しない場合を良好(○)と評価した。なお、スラグ被覆の有無の基準については前記基準(15%を超える場合を有と評価)による。
また、表中のAr+数値CO2とは、数値%のCO2ガスと、残部がArガスと、からなるAr−CO2ガスを示す。そして、表中のウェーブ周波数とは、第1期間(1パルス周期が密に連続する期間)と第2期間(1パルス周期が疎に連続する期間)とを1つのサイクルとして、当該サイクルを繰り返す周波数を示す。
表1中の試験No.1〜32は本発明の実施例となる。いずれの場合もピット数、ブローホール数、およびスパッタ量が低減されているとともに、スラグ被覆率も抑えられ、かつ、ビード外観も良好であった。
また、試験No.13(wireNo.W13)は銅めっきを施していないものであるが、めっきを施した他のワイヤと同様の効果が得られることがわかった。また、試験No.27〜32は、シールドガスのCO2含有割合を従来のもの(Ar−20%CO2)と比較して大きく増加させたものであるが、極めて良好な耐気孔性が得られることがわかった。
試験No.33〜49は、シールドガスのCO2含有割合が本発明の規定の範囲に該当していた。しかし、試験No.33は、Sの含有量が多かったため、表面張力が低くなり、ピットおよびブローホールが多く発生した。
試験No.34は、Mn/Siの比率が小さかったため、脱酸効果が低下し、表面張力が低くなり、ブローホールが多く発生した。
試験N0.35、36は、Mn/Siの比率が大きかったため、スラグ被覆率が高くなり、ビード外観が粗悪となった。
試験No.37、38は、Sの含有量が多かったため、ピットおよびブローホールが多く発生するとともに、試験No.37はスパッタが増加した。
試験No.40は、Siの含有量が多く、Cuの含有量も多かったため、過剰強度によりワイヤ伸線中に断線した。
試験No.41〜43は、Sの含有量が多かったことから、ピットおよびブローホールが多く発生するとともに、試験No.43は、スパッタが増加し、かつビード外観が粗悪となった。
試験No.44は、Sの含有量が多く、Moの含有量も多かったため、ビード表面に割れが発生するとともに、ピットおよびブローホールが多く発生した。
試験No.45は、Si、Mn、Sの含有量が本発明の規定する範囲に該当しなかったため、スラグ被覆率が高くなり、ビード外観が粗悪となった。
試験No.47は、Si、Mnの含有量が多かったためスラグ被覆率が高くなり、Cの含有量が多かったためスパッタが増加した。
試験No.48、49は、Sの含有量が多かったため、ピットおよびブローホールが多く発生するとともに、試験No.48は、スラグ被覆率が高くなり、ビード外観が粗悪となった。
試験No.51〜53は、シールドガスのCO2含有割合が少なかったため、ピットおよびブローホールが多く発生した。
試験No.50、54〜57は、シールドガスのCO2含有割合が多かったため、スパッタが多く発生した。
表2中の試験No.58〜79は本発明の実施例となる。いずれの場合もピット数、ブローホール数、およびスパッタ量が低減されているとともに、スラグ被覆率も抑えられ、かつ、ビード外観も良好であった。
また、試験No.77〜79は、ワイヤの直径が小さかったことから、ブローホール抑制効果が比較的良好という結果にとどまることとなった。
試験No.80〜85は、Sの含有量が多かったため、表面張力が低くなり、ピットおよびブローホールが多く発生した。
表3中の試験No.86〜165は本発明の実施例となる。いずれの場合もピット数、ブローホール数、およびスパッタ量が低減されているとともに、スラグ被覆率も抑えられ、かつ、ビード外観も良好であった。
表4中の試験No.166〜201は本発明の実施例となる。いずれの場合もピット数、ブローホール数、およびスパッタ量が低減されているとともに、スラグ被覆率も抑えられ、かつ、ビード外観も良好であった。
2 アーク
3 亜鉛ガス
4 ソリッドワイヤ先端に形成された溶滴(溶滴、溶融金属)
5 球状を呈する溶滴(溶滴、溶融金属)
6 隅部
7 ビード
10 パルス電流(本発明)
20 パルス電流(従来)
W 母材(亜鉛めっき鋼板)
ST 表面張力
Tup ピーク立上り期間
Tp1 第1ピークの期間
Tsf 移行期間
Tp2 第2ピークの期間
Tdn ピーク立下り期間
Tb ベース期間
Tf 1パルス周期
P1 第1期間
P2 第2期間
Claims (5)
- シールドガスを用いるガスシールドアーク溶接用であるとともに、亜鉛めっき鋼板溶接用のソリッドワイヤであって、
前記ソリッドワイヤは、当該ソリッドワイヤ全質量に対し、
C:0.15質量%以下、
Si:0.40〜0.90質量%、
Mn:0.20〜1.50質量%、
P:0.0500質量%以下、
S:0.0080質量%以下、
O:0.0100質量%以下、
Cr:1.00質量%以下、
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物であり、
1.0≦(Si質量%+Mn質量%)/{100(S質量%+O質量%)}≦4.0
0.50≦Mn質量%/Si質量%≦2.00
を満足し、
前記シールドガスは、25〜40%のCO2ガスを含むArガスであることを特徴とするソリッドワイヤ。 - ワイヤ直径が、0.7〜1.1mmであることを特徴とする請求項1に記載のソリッドワイヤ。
- 請求項1または請求項2に記載のソリッドワイヤを、25〜40%のCO2ガスを含むArガスであるシールドガス中に送給し、当該ソリッドワイヤに溶接電流を供給することで、当該ソリッドワイヤと母材である亜鉛めっき鋼板との間にアークを発生させて溶接を行うことを特徴とするガスシールドアーク溶接方法。
- 前記溶接電流は、パルス電流であって、
前記パルス電流は、第1ピークの通電、第2ピークの通電およびベース電流の通電を1パルス周期として繰り返すものであって、
前記第1ピークの電流値が440〜500A、前記第1ピークの期間が0.2〜0.6msであり、
前記第2ピークの電流値が300〜400A、前記第2ピークの期間が0.2〜0.6msであり、
前記第1ピークから前記第2ピークに移行する期間が0.2〜0.6msであることを特徴とする請求項3に記載のガスシールドアーク溶接方法。 - 1パルス周期が密に連続する第1期間と、1パルス周期が疎に連続する第2期間と、を交互に繰り返すパルス電流を前記溶接電流として用いるガスシールドアーク溶接方法であって、
前記第1期間と前記第2期間とを、5〜30Hzの周波数で繰り返すことを特徴とする請求項3または請求項4に記載のガスシールドアーク溶接方法。
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