JP5845136B2 - アーク溶接用鋼ワイヤのめっき前処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、アーク溶接用鋼ワイヤ表面に施すピロリン酸銅めっきのめっき密着性、ワイヤの外観および溶接作業性が良好で生産性が優れたアーク溶接用鋼ワイヤのめっき前処理方法に関する。

アーク溶接用鋼ワイヤは通電性や防錆性などの観点からワイヤ表面に銅めっきを施しているが、銅めっきの方法として工業化されているものは、大別して電気めっきと、無電解めっきがあり、電気めっきにはシアン化銅めっき、ピロリン酸銅めっき、硫酸銅めっきがある。無電解めっきには、硫酸銅めっき、アルカリ性の硫酸銅めっきなどがある。一般的に線材、特にアーク溶接用鋼ワイヤの銅めっき方法としては、従来からめっきの密着性、電流効率および均一電着性に優れたシアン化銅めっきが使用されている。

図２にシアン化銅めっきを施す場合のアーク溶接用鋼ワイヤ製造工程のブロック図を示す。脱スケールされた原線１を一次伸線工程２で乾式伸線してコイラー３でループ状にした後、焼鈍工程４で一次伸線工程２で硬化したワイヤを軟化する。次いで浸漬酸洗工程１８で焼鈍工程４で生じたスケールを酸で除去して水洗工程１９でワイヤ表面を浄化して中和工程１１で中和した後、シアン化銅めっき工程２０で電気めっきをする。さらに湯洗工程１３で洗浄して防錆処理工程１４で防錆剤を塗布し、乾燥して巻取り工程１５でキャリアに巻き取る。最後に二次伸線１６してスプール巻きやペールパック入りワイヤとして包装１７される工程によって製造される。

しかし、シアン化銅めっきは、均一で品質の良好な銅めっき層を得られるが、炭酸塩がめっき槽に付着し生産性が劣る。また、自然環境面に対するリスクも高くなると共にコスト面でも問題がある。

硫酸銅から電気めっきを施した場合、銅めっきの厚さは均一になるが通常Ｃｕ^２＋２ｅ⁻→Ｃｕの電析反応と同時進行でＣｕ^２＋＋Ｆｅ→Ｃｕ＋Ｆｅ^２＋の置換反応が進行し、密着性の悪い銅が析出し、品質の良好な銅めっき層が得られない。特にアーク溶接用鋼ワイヤ表面には溶接時のアーク状態およびワイヤ送給性等の溶接性向上のために粒界酸化層、内部酸化層が存在し置換析出反応が起こりやすい。

このような背景から、特許文献１や特許文献２に下地にピロリン酸銅めっきを施す技術が開示されている。ワイヤ表面にピロリン酸ストライク銅めっきを施し、酸性の硫酸銅で電解めっきを施して銅めっきをするが、置換反応を抑えるために所定のめっき厚を得るには、めっきの時間を長くする必要があり生産性が劣る。

また、線状材の銅めっき方法および銅めっきワイヤとして、特許文献３にめっき液を噴射して銅めっきをする方法が開示されているが、めっき液噴射の制御が難しく均一なめっきが得られず、ノニオン系界面活性剤を使用するのでコスト面および生産性が悪いという問題もある。

ピロリン酸銅めっきは、ワイヤ素線との密着性に優れているが、前記特許文献１〜３に記載の技術では、図２に示すめっき前処理工程Ｂの浸漬酸洗工程１８、水洗工程１９および中和工程１１のみのめっきの前処理では、ワイヤ表面の浄化が十分ではないので銅めっきの密着性が不良となりやすいという問題があった。

特開平１１−３１５３８５号公報 特開平６−６５７８６号公報 特開２００９−１８７２号公報

本発明は、アーク溶接用鋼ワイヤ表面に施すピロリン酸銅めっきのめっき密着性、ワイヤの外観および溶接作業性が良好で、生産性が優れたアーク溶接用鋼ワイヤのめっき前処理方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究し、その結果、アーク溶接用鋼ワイヤのめっき前処理方法において、軟化焼鈍されたループ状のワイヤを電解酸洗、電解脱脂、浸漬酸洗および中和処理等を所定の条件で組み合わせることにより、上記課題が解決できることを見出して本発明を完成した。

本発明の要旨は、以下のとおりである。

（１） アーク溶接用鋼ワイヤのめっき前処理方法において、軟化焼鈍されたループ状のワイヤを液温４５〜６５℃の塩酸濃度６〜１２質量％の溶液で電解酸洗して一次水洗、次いで液温４５〜６５℃の水酸化ナトリウム濃度７〜１３質量％の溶液で電解脱脂して温水で二次水洗、さらに常温の塩酸濃度５〜１１質量％の溶液で浸漬酸洗して三次水洗し、最後にｐＨ９〜１３の水酸化ナトリウム水溶液で中和処理することを特徴とするアーク溶接用鋼ワイヤのめっき前処理方法。

（２） 電解酸洗および電解脱脂の溶液は、処理槽と加熱槽を循環させ、処理槽の下流側から処理槽内へ溶液を供給しながら処理することを特徴とする（１）に記載のアーク溶接用鋼ワイヤのめっき前処理方法。

（３） 電解脱脂の溶液は、濾過することを特徴とする（１）または（２）に記載のアーク溶接用鋼ワイヤのめっき前処理方法。

（４） 浸漬酸洗の溶液は、処理槽の上方からループ状のワイヤに流しながら浸漬酸洗処理することを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載のアーク溶接用鋼ワイヤのめっき前処理方法。

（５） 一次水洗、二次水洗および三次水洗は、水または温水をループ状のワイヤ上方から流し、さらに水または温水をループ状のワイヤ上方および／または下方から複数列の複数ノズルで噴出させながら洗浄することを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかに記載のアーク溶接用鋼ワイヤのめっき前処理方法にある。

本発明のアーク溶接用鋼ワイヤのめっき前処理方法によれば、ワイヤ表面の浄化状態が良好で、ピロリン酸銅めっきのめっき密着性、ワイヤ外観および溶接作業性が良好で、かつ生産性が優れたアーク溶接用鋼ワイヤのめっき前処理方法を提供することができる。

本発明のアーク溶接用鋼ワイヤのめっき前処理方法でアーク溶接用鋼ワイヤを製造する工程を示すブロック図である。 従来のアーク溶接用鋼ワイヤの製造方法を示すブロック図である。 本発明の実施例におけるめっき密着性の評価方法を示す図である。

図１に本発明のアーク溶接用ワイヤの前処理方法でアーク溶接用鋼ワイヤを製造する工程を示す。脱スケールされた原線１を一次伸線工程２で２．４〜２．８ｍｍ径まで乾式伸線してコイラー３でループ状にした後、焼鈍工程４で一次伸線工程２で硬化したワイヤを軟化する。次いで電解酸洗工程５で焼鈍工程４で生じたスケールを除去して一次水洗工程６でワイヤ表面を浄化し、電解脱脂工程７でワイヤ表面に付着している潤滑剤や油を除去して二次水洗工程８でワイヤ表面を浄化する。さらに、浸漬酸洗工程９で特にワイヤの重なった部分のスケール、潤滑剤および油の除去を行い、三次水洗工程１０でワイヤ表面を完全に浄化し、中和工程１１でワイヤ表面のｐＨを調整する。電解酸洗工程５〜中和工程１１までのめっき前処理Ａを行った後、ピロリン酸銅めっき工程１２で電気めっきをする。電気めっきの後に湯洗工程１３で洗浄して防錆処理工程１４で防錆剤を塗布し、乾燥して巻取り工程１５でキャリアに巻き取る。最後に二次伸線１６で湿式伸線してスプール巻きやペールパック入りワイヤとして包装１７される工程によって製造される。

一次伸線工程２で乾式伸線されたワイヤは、コイラー３で６００〜７００ｍ／ｍｉｎの速度で７５０〜８３０ｍｍ径にループ状にされコンベアで焼鈍工程４に搬送される。

焼鈍工程４は、例えば特開２０００−３０９８２６号公報に記載の連続焼鈍炉を用いて、非酸化性（好ましくは窒素ガスを用いて酸素濃度１００ｐｐｍ以下）の雰囲気で６５０〜８００°で３〜１５ｍｉｎ軟化焼鈍する。

次いで以下に示すめっき前処理工程Ａでめっき密着性、ワイヤ外観および溶接作業性を良好にするためのピロリン酸銅めっき前処理を行う。

まず、焼鈍工程４で生じたスケールを電解酸洗工程５で液温４５〜６５℃の塩酸濃度６〜１２質量％の溶液を処理槽と加熱槽を循環させて、酸洗の効果を高めるために処理槽の下流側から供給して電解酸洗して除去する。液温が４５℃未満または塩酸濃度が６質量％未満であると、ワイヤ表面のスケールを十分除去できずめっきの密着性が不良となる。一方、液温が６５℃超または塩酸濃度が１２質量％を超えると、ワイヤ素線表面が溶解されて凹凸状となりめっきの密着性が不良となる。したがって、液温４５〜６５℃の塩酸濃度６〜１２質量％の溶液で電解酸洗することとした。また、電解酸洗の溶液は、処理槽と加熱槽を循環させ、処理槽の下流から溶液を供給しながら電解酸洗することで、酸洗の効果を高めることができた。

電解酸洗されたループ状のワイヤは、一次水洗工程６で水または温水をループ状ワイヤの上方から流し、さらに水または温水をループ状ワイヤの上方および／または下方から複数列の複数ノズル口から噴出してワイヤ表面に付着した塩酸溶液およびスケールを除去する。なお、一次水洗工程６では温度管理が不要の常温の水を用いる方が望ましい。

電解脱脂工程７では液温４５〜６５℃の水酸化ナトリウム濃度７〜１３質量％の溶液を処理槽と加熱槽を循環させて、脱脂の効果を高めるために処理槽の下流側から供給してワイヤ表面に付着した潤滑剤や油を電解脱脂する。液温が４５℃未満または水酸化ナトリウム濃度が７質量％未満であると、ワイヤ表面の潤滑剤や油を除去できずめっきの密着性が不良となる。一方、液温が６５℃超または水酸化ナトリウム濃度が１３質量％を超えると、二次水洗でワイヤ表面に付着した水酸化ナトリウムを完全に除去できず、後工程の浸漬酸洗工程９でループの重なり部に残存したスケール、潤滑剤および油を除去することができなくなってめっきの密着性が不良となる。

なお、電解脱脂の溶液（水酸化ナトリウム溶液）によって脱脂された潤滑剤や油は、濾過機によって電解脱脂の溶液から取除くことによって、再度ワイヤ表面に付着するのを防止することができる。

電解脱脂されたループ状のワイヤは、二次水洗工程８で水または約５０℃の温水をループ状ワイヤの上方および／または下方から流し、さらに水または温水をループ状ワイヤの上方および／または下方から複数列の複数ノズル口から噴出してワイヤ表面に付着した水酸化ナトリウムを除去する。なお、二次水洗工程８ではワイヤ表面に付着した水酸化ナトリウムを除去するために温水（例えば４０〜６５℃）を用いることが望ましい。

次いで、浸漬酸洗工程９で常温の塩酸濃度５〜１１質量％の溶液を、処理槽の上方からループ状ワイヤに流しながら主にループの重なり部に残存したスケールを浸漬酸洗して除去する。塩酸濃度が５質量％未満であると、ループの重なり部に残存したスケールを十分除去できずめっきの密着性が不良となる。一方、塩酸濃度が１１質量％を超えると、ワイヤ素線表面が溶解されて凹凸状となりめっきの密着性が不良となる。

浸漬酸洗されたループ状のワイヤは、三次水洗工程１０で水または温水をループ状ワイヤの上方から流し、さらに水または温水をループ状ワイヤの上方および／または下方から複数列の複数ノズル口から噴出してワイヤ表面の塩酸およびループの重なり部に残存したスケールを除去する。なお、三次水洗工程１０では常温の水を用いる方が望ましい。

中和工程１１ではｐＨ９〜１３の水酸化ナトリウム水溶液を用いてワイヤ表面のｐＨを調整して次工程のピロリン酸銅めっき工程１２のめっき液となじみやすくする。ｐＨが９未満および１３を超えるとピロリン酸銅めっき液とのなじみが不良となって目標とするめっき厚が得られないので、ｐＨ９〜１３の水酸化ナトリウム水溶液とした。

なお、ループの重なり部を酸洗、脱脂および水洗するために電解酸洗工程５、脱脂工程７および各水洗工程６、８、１０にループを持ち上げる傾斜部材やコンベアに段差を設けて重なり部をずらすことが好ましい。
また、電解酸洗および電解脱脂の溶液は、処理槽と加熱槽を循環させ、処理槽の下流から溶液を供給しながら処理することが望ましい。

以上のめっき前処理工程Ａを経た後に、ピロリン酸銅めっき工程１２でワイヤ表面に銅めっきを施す。

ピロリンリン酸銅めっき工程１２は、金属銅、ピロリン酸、ピロリン酸銅、ピロリン酸カリウム、硝酸カリウムおよびアンモニアを適量含むｐＨ８．５〜１０．５で液温４０〜６０℃の溶液で複数槽（好ましくは４槽以上）でめっきする。各槽のめっき電流は７００Ａ〜１０５０Ａとして、ループ状ワイヤのワイヤ重なり部もめっきを施すために各槽のコンベア速度を順次０．１〜０．４ｍ／ｍｉｎずつ速くしてループの重なり部が露出するようにしてワイヤ長手方向を均一にめっきする。

湯洗工程１３は、ワイヤ表面に付着しているめっき液を約６０℃の温水を用いて浄化する。

防錆処理工程１４は、酸化ポリエチレンワックス、他を含む水溶液を塗布し、乾燥後に巻取り工程１５でキャリアに巻き取る。

最後に二次伸線１６で湿式伸線してスプール巻きやペールパック入りワイヤとして包装１７される工程によって製造する。

なお、本発明のアーク溶接用鋼ワイヤのめっき前処理方法は、溶接用ワイヤを高能率に生産するためにワイヤをループ状にしてめっき前処理をしているが、各処理槽内のワイヤを複数列直線状に並べてめっき前処理しても同様の効果が得られる。

以下、本発明の効果を具体的に説明する。

図１に示す製造工程で、表１に示す成分（残部はＦｅ）の鋼ワイヤを用い、脱スケールした５．５ｍｍ径の原線を乾式伸線で一次伸線して２．８ｍｍ径とし、コイラーで７００ｍ／ｍｉｎの速度で８００ｍｍ径のループ状にした。２．５ｍ／ｍｉｎの速度のコンベアで連続焼鈍炉に搬送し、７９５℃で１０ｍｉｎ焼鈍した。電解酸洗工程から中和工程までのめっき前処理工程は、表２および表３に示す基本条件でめっき前処理を行った。

なお、電解脱脂の溶液は連続的に濾過した。また、電解酸洗工程、脱脂工程および三次水洗工程には、ループを持ち上げる傾斜部材を設けて重なり部をずらしながら処理した。

めっき前処理後ピロリン酸銅めっきを施し、湯洗、防錆処理をしてキャリアに巻き取った。最後に二次伸線して１．２ｍｍのスプール巻きワイヤとした。

めっきの前処理の効果を調べるために表４に示すように各工程の溶液温度および溶液濃度を変えて各５トン試作した。なお、一次水洗、二次水洗および三次水洗は表３に示す基本条件で行った。

各試作ワイヤについてワイヤの外観、めっきの密着性（各５０箇所）および溶接時のアークの安定性を調査した。

ワイヤの外観は、光学顕微鏡を用い７０倍に拡大し目視観察して調べた。また、めっき密着性の評価は、図３に示す形状にワイヤを塑性変形させ、光学顕微鏡を用い７０倍に拡大して目視観察にてめっきの剥離状態を調べた。

溶接作業性の評価は、ＪＩＳ Ｇ３１３１ ＳＰＣＣの板厚２．３ｍｍ、長さ５００ｍｍの鋼板を用い、ビードオンプレートにて溶接電流２５０Ａ、溶接電圧２８Ｖ、溶接速度７０ｃｍ／ｍｉｎ、シールドガス：炭酸ガス（２０リットル／ｍｉｎ）の溶接条件で溶接した。それらの結果も表４にまとめて示した。

表４中試験Ｎｏ．１〜５が本発明例、試験Ｎｏ．６〜１７は比較例である。

本発明例である試験Ｎｏ．１〜５は、各溶液の液温、濃度およびｐＨが適正であるのでワイヤ外観、めっきの密着性および溶接作業性とも良好で、極めて満足な結果であった。

比較例中試験Ｎｏ．６は電解酸洗溶液の液温が高いので、試験Ｎｏ．７は電解酸洗溶液の液温が低いので、試験Ｎｏ．８は電解酸洗溶液の塩酸濃度が高いので、試験Ｎｏ．９は電解酸洗溶液の塩酸濃度が低いので、何れもめっきの密着性が不良で溶接時にアーク状態がやや不良であった。

試験Ｎｏ．１０は電解脱脂溶液の液温が高いので、試験Ｎｏ．１１は電解脱脂溶液の液温が低いので、試験Ｎｏ．１２は電解脱脂溶液の水酸化ナトリウム濃度が高いので、試験Ｎｏ．１３は電解脱脂溶液の水酸化ナトリウム濃度が高いので、何れもめっきの密着性が不良で溶接時にアーク状態がやや不良であった。

試験Ｎｏ．１４は浸漬酸洗溶液の塩酸濃度が高いので、試験Ｎｏ．１５は電解酸洗溶液の塩酸濃度が低いので、何れもめっきの密着性が不良で溶接時にアーク状態がやや不良であった。

試験Ｎｏ．１６は中和溶液のｐＨが高いので、試験Ｎｏ．１７は中和溶液のｐＨが低いので、何れもめっき厚さが薄くワイヤ外観が不良で溶接時にアーク状態がやや不良であった。

１ 原線
２ 一次伸線工程
３ コイラー
４ 焼鈍工程
５ 電解酸洗工程
６ 一次水洗工程
７ 電解脱脂工程
８ 二次水洗工程
９ 浸漬酸洗工程
１０ 三次水洗工程
１１ 中和工程
１２ ピロリン酸銅めっき工程
１３ 湯洗工程
１４ 防錆処理工程
１５ 巻取り工程
１６ 二次伸線
１７ 包装
１８ 浸漬酸洗工程
１９ 水洗工程
２０ シアン化銅めっき工程

Claims (5)

1. アーク溶接用鋼ワイヤのめっき前処理方法において、軟化焼鈍されたループ状のワイヤを液温４５〜６５℃の塩酸濃度６〜１２質量％の溶液で電解酸洗して一次水洗、次いで液温４５〜６５℃の水酸化ナトリウム濃度７〜１３質量％の溶液で電解脱脂して温水で二次水洗、さらに常温の塩酸濃度５〜１１質量％の溶液で浸漬酸洗して三次水洗し、最後にｐＨ９〜１３の水酸化ナトリウム水溶液で中和処理することを特徴とするアーク溶接用鋼ワイヤのめっき前処理方法。
2. 電解酸洗および電解脱脂の溶液は、処理槽と加熱槽を循環させ、処理槽の下流側から処理槽内へ溶液を供給しながら処理することを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接用鋼ワイヤのめっき前処理方法。
3. 電解脱脂の溶液は、濾過することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアーク溶接用鋼ワイヤのめっき前処理方法。
4. 浸漬酸洗の溶液は、処理槽の上方からループ状のワイヤに流しながら浸漬酸洗処理することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のアーク溶接用鋼ワイヤのめっき前処理方法。
5. 一次水洗、二次水洗および三次水洗は、水または温水をループ状のワイヤ上方から流し、さらに水または温水をループ状のワイヤ上方および／または下方から複数列の複数ノズルで噴出させながら洗浄することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のアーク溶接用鋼ワイヤのめっき前処理方法。

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