JP6709177B2

JP6709177B2 - 薄鋼板のパルスｍａｇ溶接方法

Info

Publication number: JP6709177B2
Application number: JP2017013821A
Authority: JP
Inventors: 友勝岩上; 木本　勇; 勇木本; 大五郎古田; 藤井　良雄; 良雄藤井
Original assignee: 日鉄溶接工業株式会社
Priority date: 2017-01-30
Filing date: 2017-01-30
Publication date: 2020-06-10
Anticipated expiration: 2037-01-30
Also published as: JP2018122307A

Description

本発明は、薄鋼板のパルスＭＡＧ溶接方法に関し、特に板厚が１．２〜６ｍｍの薄鋼板の重ね継手部やＴ継手部を溶接するに際してビード表面に残存するスラグがなく、アークを安定させてスパッタ発生量が少なく、ビード形状が良好で、溶接欠陥がないなど、高能率で高品質な溶接部を得る上で好適な薄鋼板のパルスＭＡＧ溶接方法に関する。

自動車の足回り部材は、板厚が１．２〜６ｍｍの薄鋼板の場合がほとんどで、通常、溶接後に防錆および美観のために塗料を電着塗装される。
自動車用薄鋼板の足回り部材の溶接は、ガスシールドアーク溶接用ソリッドワイヤを用いて継手部の品質特性の面からスパッタの発生量を低減させて部材への付着を少なくする目的と、高速度での溶接性確保の面からシールドガスとしてＡｒガスを主成分とし、これにＣＯ₂ガスを混合、さらにはＯ₂ガスを混合したガスを用いたパルスＭＡＧ溶接方法が近年増加している。パルスＭＡＧ溶接方法は、平均電流を低くして溶接できることから薄鋼板の溶接では耐溶け落ち性も向上できるとともに、高速度の溶接条件で施工できるので生産性が高く、品質の良好な溶接継手部が得られる。

パルスＭＡＧ溶接とは、溶接電流として平均電流値より高電流となるピーク電流と平均
電流値より低電流としたベース電流を周期的に流す溶接方法である。これによりピーク電流期間では一定に送給されている溶接用ワイヤを電磁ピンチ力などの作用で溶滴状態に溶融させ、ベース電流期間中にこの溶滴を溶融池に安定的に移行させるので、高速溶接時に溶滴が溶融池と短絡することなくスムーズに溶融池へ移行させることができる。

このように、パルス溶接電源を適用することにより、パルスＭＡＧ溶接においてピーク
電流、ピーク時間、アーク電圧の積からなる溶融エネルギーに対応したワイヤ送給量毎の溶滴生成量にする。すなわち、１回のパルスピーク電流時に１個の溶滴を生成させ、ベース電流期間に溶滴を溶融池に規則的に移行させる１パルス−１ドロップ移行となるパルス条件とするにより、溶滴はスムーズに溶融池に移行してスパッタ発生量が低減される。このため溶接電源は、溶接用ワイヤの送給速度に対応してパルスの周波数を数十Ｈｚ〜３００Ｈｚ程度まで変化させることが可能となっている。

薄鋼板溶接のパルスＭＡＧ溶接用ワイヤとして、例えば、特開平８−９９１７５号公報
（特許文献１）に、薄板高張力鋼板をワイヤ成分、シールドガス組成およびパルス付与条件を限定して溶接し、溶接金属の機械的性質を良好にすることができるとともにスパッタの発生量が少なく溶接作業性に優れる技術が開示されている。しかし、特許文献１に開示の技術においても、アークが安定して、ビード形状が良好な溶接金属を得ることができない。さらに、スラグ生成量が多くなり塗料を塗装後にスラグとともに塗料が剥がれるという問題があった。

また、特開平９−２３９５８３号公報（特許文献２）、特開２００１−３２１９８５号
公報（特許文献３）および特開２００９−１６６０６６号公報（特許文献４）には、パルスＭＡＧ溶接用ソリッドワイヤの開示がある。しかし、特許文献２〜特許文献４に記載の溶接用ソリッドワイヤを用いたパルスＭＡＧ溶接においても、スラグ生成量が多く塗装後にスラグとともに塗料が剥がれるという問題があった。

一方、特開２０１６−２０３２４７号公報（特許文献５）には、ガスシールドアーク溶
接用フラックス入りワイヤにシリコン酸化物、クロム酸化物およびニッケル酸化物の少なくとも１種を含有させて薄鋼板の溶接をし、ビード表面に酸化皮膜層を形成して塗料塗装後の剥離を防止した技術の開示がある。しかし、特許文献５に開示されているビード表面の酸化皮膜層は、自動車の車体構造部材に適用した場合、季節の変化、寒冷地および温暖地など自動車の使用環境の温度差による溶接金属と酸化皮膜層との熱膨張の差によって酸化皮膜層が塗料とともに剥がれるという問題がある。

特開平８−９９１７５号公報特開平９−２３９５８３号公報特開２００１−３２１９８５号公報特開２００９−１６６０６６号公報特開２０１６−２０３２４７号公報

そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、板厚が１．２〜６ｍ
ｍである薄鋼板の重ね継手部やＴ継手部を溶接するに際してビード表面に残存するスラグがなく、アークが安定してスパッタ発生量が少なく、ビード形状が良好で溶接欠陥がないなど、高能率に高品質な溶接部が得られる薄鋼板のパルスＭＡＧ溶接方法を提供することを目的とする。

本発明の要旨は、板厚１．２〜６ｍｍである薄鋼板のパルスＭＡＧ溶接方法において、
ワイヤ全質量に対する質量％で、Ｃ：０．００５〜０．０８％、Ｓｉ：０．２０〜０．５０％、Ｍｎ：１．００〜１．６０％、Ｓｂ：０．０２〜０．２０％、Ｃｕ：０．０８〜０．４５％を含有し、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下であり、残部はＦｅおよび不可避不純物よりなるソリッドワイヤを用いて、パルスピーク電流（Ｉｐ）：４４０〜６００Ａ、パルスベース電流（Ｉｂ）：３０〜８０Ａとし、前記パルスピーク電流（Ｉｐ）とパルスピーク時間（Ｔｐ）が下記式（１）を満足するパルスを付加して溶接することを特徴とする薄鋼板のパルスＭＡＧ溶接方法。
４１５≦Ｉｐ（Ａ）×Ｔｐ（ｍｓｅｃ）≦７８０・・・・・（１）

また、ワイヤ全質量に対する質量％で、ＮｉおよびＭｏの１種または２種の合計：０．
４０％以下をさらに含有することも特徴とする薄鋼板のパルスＭＡＧ溶接方法にある。

本発明の薄鋼板のパルスＭＡＧ溶接方法によれば、板厚が１．２〜６ｍｍの薄鋼板の重
ね継手部やＴ継手部を溶接するに際してビード表面に残存するスラグがなく、アークが安定してスパッタ発生量が少なく、ビード形状が良好で溶接欠陥がないなど、高能率に高品質な溶接部が得られる。

本発明の実施例に用いた重ねすみ肉継手溶接のワイヤ狙い位置を示す図である。

本発明者らは、上述した問題点を解決するために、薄鋼板を重ねすみ肉継手とし、各種成分のソリッドワイヤを用いて各種パルス条件で０．８ｍ／ｍｉｎ以上の溶接速度で溶接を行い、ビード表面に残存するスラグの有無、アークの安定性、スパッタの発生状況、ビード形状および溶接欠陥の有無について詳細に検討した結果、次の知見を得た。

（１）ワイヤ組成は、Ｓｉの含有量およびＭｎの含有量を適正としてスラグ生成量を少なくし、Ｓｂの含有量を適正化することによって、少量生成したスラグを溶融プール表面に浮上することができ、溶融プールに浮上したスラグをクレータ部まで運ぶことによってビード表面に残存するスラグがなくなるという効果が得られた。また、Ｃの含有量、Ｍｎの含有量、Ｓｉの含有量およびＣｕの含有量の適正化によって、アークが安定してスパッタ発生量の少ない溶接ができた。さらに、ＮｉおよびＭｏを適量含有することによって、生成スラグが溶融プール表面に浮上したままクレータ部まで移動する効果を向上することができた。

（２）上述した組成のワイヤを用いてパルス条件が１パルス−１ドロップの溶滴移行となる領域にすることで、８０ｃｍ／ｍｉｎ以上の高速度の溶接でアークが安定してスパッタ発生量が少なく良好なビード形状が得られる。

以下、本発明の薄鋼板のパルスＭＡＧ溶接方法の限定理由について説明する。
まず、ワイヤ成分組成について説明する。なお、各成分の含有率は、ワイヤ全質量に対する質量％で表すものとし、その質量％に関する記載を単に％と記載する。

［Ｃ：０．００５〜０．０８％］
Ｃは、アークを安定させて溶滴を細粒化する作用がある。Ｃが０．００５％未満では、溶滴の細粒化が困難となってアークが不安定でスパッタ発生量が多くなる。一方、Ｃが０．０８％を超えると、スパッタ発生量が多くなるばかりでなく、溶接金属の耐割れ性が劣化する。したがって、Ｃは０．００５〜０．０８％とする。

［Ｓｉ：０．２０〜０．５０％］
Ｓｉは、溶融金属の表面張力を調整してビード形状を良好にする作用がある。Ｓｉが０．２０％未満では、上記効果が得られず、ビード形状が不良となる。一方、Ｓｉが０．５０％を超えると、溶融金属の表面張力が過度に上昇するため凸ビードとなりやすい。また、アークが不安定でスパッタ発生量、スラグ生成量が多くなる。したがって、Ｓｉは０．２０〜０．５０％とする。

［Ｍｎ：１．００〜１．６０％］
Ｍｎは、脱酸元素として重要な元素である。Ｍｎが１．００％未満では、特に高速度の溶接条件でピットが発生しやすくなる。一方、Ｍｎが１．６０％を超えると、スパッタ発生量およびスラグ生成量が多くなる。したがって、Ｍｎは１．００〜１．６０％とする。

［Ｓｂ：０．０２〜０．２０％］
Ｓｂは、溶接時に生成した少量のスラグを溶融プール表面に浮上させてクレータ部まで運ぶことによってビード表面に残存するスラグを無くす効果がある。Ｓｂが０．０２％未満であると、生成したスラグを溶融プール表面に浮上させてクレータ部まで運ぶ効果が少なくなりスラグがビード表面に残存する。一方、Ｓｂが０．２０％を超えると、溶接金属の耐割れ性が劣化する。したがって、Ｓｂは０．０２〜０．２０％とする。

［Ｃｕ：０．０８〜０．４５％］
Ｃｕは、鋼中に不可避的不純物として０．０２％程度含有されるが、本発明のＣｕは主としてワイヤ表面に施した銅めっきをいう。通常、銅めっきはワイヤ送給性と通電性を安定化するのに極めて重要な表面処理方法である。銅めっき厚が薄いと溶接中のチップ磨耗が激しくなり、溶接中にワイヤ送給性と通電性が劣化し、その結果、アークが不安定になる。Ｃｕが０．０８％未満であると、必要なワイヤ送給性と通電性が得られずアークが不安定となる。一方、Ｃｕが０．４５％を超えると、溶接金属の耐割れ性が劣化する。したがって、Ｃｕは０．０８〜０．４５％とする。なお、ワイヤ表面の銅めっき厚さは０．２〜１．０μｍであることが耐チップ磨耗性および通電性から好ましい。

［Ｐ：０．０２％以下］
Ｐは不純物であり、Ｐの増加により溶接金属の割れを引き起こすので０．０２％以下とする。好ましくは０．０１５％以下である。
［Ｓ：０．０２％以下］
Ｓは不純物であり、Ｓの増加により溶接金属の割れを引き起こすので０．０２％以下とする。好ましくは０．０１５％以下である。

［ＮｉおよびＭｏの１種または２種の合計：０．４０％以下］
ＮｉおよびＭｏは、Ｓｂの生成スラグの溶融プールへ浮上させる作用を助長する。すなわち、ＮｉおよびＭｏは、溶融プールを小さくし、生成した少量のスラグをアーク点近傍の溶融プール上に凝集させてクレータ部まで移動する作用を有する。ＮｉおよびＭｏの１種または２種の合計が０．４０％を超えると、溶接金属の耐割れ性が劣化する。したがって、ＮｉおよびＭｏの１種または２種の合計は０．４０％以下とする。なお、前記効果を得るためのＮｉおよびＭｏの１種または２種の合計は０．０５％以上である。

さらに、８０ｃｍ／ｍｉｎ以上の高速度の溶接条件でアークが安定してスパッタ発生量が少なく、ビード形状が良好となる最適パルスＭＡＧ条件範囲を検討した結果、１パルス−１ドロップ領域であるパルスピーク電流Ｉｐとパルスピーク時間Ｔｐの領域において、短絡がし難くアークが安定してスパッタ発生量の少ない溶接となり、良好なビード形状が得られる最適のパルスＭＡＧ条件範囲を見出した。

［パルスピーク電流（Ｉｐ）：４４０〜６００Ａ］
パルスピーク電流（Ｉｐ）が４４０Ａ未満では、電磁ピンチ効果による溶滴の生成と離脱がスムーズに行われなくなり、不均一な凸ビードとなる。また、アークが不安定でスパッタ発生量が多くなる。一方、パルスピーク電流（Ｉｐ）が６００Ａを超えると、アーク力によりスパッタ発生量が多くなる。したがって、パルスピーク電流（Ｉｐ）は４４０〜６００Ａとする。

［パルスベース電流（Ｉｂ）：３０〜８０Ａ］
パルスベース電流（Ｉｂ）は、ベース期間でアークを保持できる電流値が必要となる。パルスベース電流（Ｉｂ）が３０Ａ未満では、アークが不安定となりスパッタ発生量が多く、ビード形状が劣化する。一方、パルスベース電流（Ｉｂ）が８０Ａを超えると、溶滴の離脱が速やかに行われず、アークが不安定でスパッタ発生量が多くなる。したがって、パルスベース電流（Ｉｂ）は３０〜８０Ａとする。

［４１５≦Ｉｐ（Ａ）×Ｔｐ（ｍｓｅｃ）≦７８０］
下記式（１）で示すパルス電流（Ｉｐ）とパルスピーク時間（Ｔｐ）の積（Ｉｐ×Ｔｐ
）で得られる値を限定することによって、ピーク時間の短い領域でアーク電圧が高い場合においても、溶滴の短絡がピーク時及びベース時に適度に生じて良好なビード形状が得られる。パルスピーク電流（Ｉｐ）とパルスピーク時間（Ｔｐ）の積（Ｉｐ×Ｔｐ）が４１５未満では、ピーク電流期間で溶滴を形成するためのエネルギーが不足し十分な溶滴の形成ができず、凸ビードとなる。一方、パルスピーク電流（Ｉｐ）とパルスピーク時間（Ｔｐ）の積が７８０を超えると、過度に成長した溶滴が短絡しやすくなり再点弧時のアーク力で溶融地が吹き飛ばされることからアークが不安定でスパッタ発生量が多くなる。したがって、Ｉｐ×Ｔｐは、下記式（１）で示される範囲とする。
４１５≦Ｉｐ（Ａ）×Ｔｐ（ｍｓｅｃ）≦７８０・・・・（１）

以下、実施例により本発明の効果をさらに具体的に説明する。
まず、原料鋼を真空溶解し、鍛造、圧延、伸線、焼鈍そして銅めっきした後、１．２ｍ
ｍのワイヤ径まで伸線してスプールに巻き取った試作ワイヤの化学成分を表１に示す。

表１に示すワイヤＷ１〜Ｗ８は本発明例であり、ワイヤＷ９〜Ｗ１７は比較例である。

表１に示す試作ワイヤを用いて、表２に示す板厚３．２ｍｍの鋼板を図１に示す上板１
の端部と下板２の表面との間を、表３および表４に示すパルスＭＡＧ溶接条件で溶接長４００ｍｍを溶接した。ワイヤの狙い位置は重ね継手のコーナー部とし、溶接トーチ２の角度θは６０°とした。溶接試験は、ビード表面のスラグ残存の有無（クレータ部のスラグ
は除く）、アークの安定性、スパッタ発生量、ビード形状および溶接欠陥の有無を目視
で評価した。それらの結果を表４にまとめて示す。

表４中の試験Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８は本発明例、試験Ｎｏ．９〜Ｎｏ．１９は比較例であ
る。

本発明例である試験Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８は、ワイヤ記号Ｗ１〜Ｗ８が本発明で規定した各成分範囲内で、パルスＭＡＧ溶接条件が適正であるので、ビード表面へスラグの残存がなく、アークが安定してスパッタ発生量が少なく、ビード形状が良好で溶接欠陥が無く、極めて満足な結果であった。なお、試験Ｎｏ．１、Ｎｏ．４、Ｎｏ．７および試験Ｎｏ．８は、ワイヤ記号Ｗ１、Ｗ４、Ｗ７およびワイヤ記号Ｗ８のＳｉとＭｎの合計が比較的多いのでスラグ生成量も比較的多くなったが、ＮｉおよびＭｏの1種または２種を適量含んでいるので、ビード表面へスラグの残存はなかった。

比較例中の試験Ｎｏ．９は、ワイヤ記号Ｗ９のＣ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。また、ＮｉとＭｏの合計が多いので、クレータ割れが生じた。
試験Ｎｏ．１０は、ワイヤ記号Ｗ１０のＣが多いので、スパッタ発生量が多く、クレータ割れが発生した。また、パルスピーク電流Ｉｐとピーク時間Ｔｐの積Ｉｐ×Ｔｐが低いので、凸ビードとなった。

試験Ｎｏ．１１は、ワイヤ記号Ｗ１１のＳｉが少ないので、ビード形状が不良であった
。また、パルスピーク電流Ｉｐとピーク時間Ｔｐの積Ｉｐ×Ｔｐが高いので、アークが不安定でスパッタ発生量が多かった。試験Ｎｏ．１２は、ワイヤ記号Ｗ１２のＳｉが多いので、ビード表面にスラグが残存し、アークが不安定でスパッタ発生量多く、凸ビードとなった。また、Ｃｕ多いので、クレータ割れが発生した。試験Ｎｏ．１３は、ワイヤ記号Ｗ１３のＭｎが少ないので、ピットが生じた。また、パルスピーク電流（Ｉｐ）が低いので、アークが不安定でスパッタ発生量が多く、凸ビードとなった。

試験Ｎｏ．１４は、ワイヤ記号Ｗ１４のＭｎが多いので、ビード表面にスラグが残存し、スパッタ発生量が多かった。試験Ｎｏ．１５は、ワイヤ記号Ｗ１５のＳｂが少ないので、ビード表面にスラグが残存した。また、パルスベース電流（Ｉｂ）が低いので、アークが不安定でスパッタ発生量が多く、ビード形状も不良であった。試験Ｎｏ．１６は、ワイ
ヤ記号Ｗ１６のＳｂが多いので、クレータ割れが発生した。また、パルスベース電流（
Ｉｂ）が高いので、アークが不安定でスパッタ発生量が多かった。

試験Ｎｏ．１７は、ワイヤ記号Ｗ１７のＣｕが少ないので、アークが不安定であった。
また、パルスピーク電流（Ｉｐ）が高いので、スパッタ発生量が多かった。試験Ｎｏ．１
８は、ワイヤ記号Ｗ６が本発明で規定した各成分範囲内であるが、パルスピーク電流Ｉ
ｐとピーク時間Ｔｐの積Ｉｐ×Ｔｐが低いので、凸ビードとなった。試験Ｎｏ．１９は、
ワイヤ記号Ｗ７が本発明で規定した各成分範囲内であるが、パルスピーク電流Ｉｐとピ
ーク時間Ｔｐの積Ｉｐ×Ｔｐが高いので、アークが不安定でスパッタ発生量が多かった。

１上板
２下板
３溶接トーチ
θ トーチ角度

特許出願人日鐡住金溶接工業株式会社
代理人弁理士椎名彊

Claims

板厚１．２〜６ｍｍである薄鋼板のパルスＭＡＧ溶接方法において、
ワイヤ全質量に対する質量％で、
Ｃ：０．００５〜０．０８％、
Ｓｉ：０．２０〜０．５０％、
Ｍｎ：１．００〜１．６０％、
Ｓｂ：０．０２〜０．２０％
Ｃｕ：０．０８〜０．４５％を含有し、
Ｐ：０．０２％以下、
Ｓ：０．０２％以下であり、
残部はＦｅおよび不可避不純物よりなるソリッドワイヤを用いて、
パルスピーク電流（Ｉｐ）：４４０〜６００Ａ、
パルスベース電流（Ｉｂ）：３０〜８０Ａとし、
前記パルスピーク電流（Ｉｐ）とパルスピーク時間（Ｔｐ）が下記式（１）を満足するパルスを付加して溶接することを特徴とする薄鋼板のパルスＭＡＧ溶接方法。
４１５≦Ｉｐ（Ａ）×Ｔｐ（ｍｓｅｃ）≦７８０・・・・・（１）
ワイヤ全質量に対する質量％で、ＮｉおよびＭｏの１種または２種の合計：０．４０％以下をさらに含有することを特徴とする請求項１に記載の薄鋼板のパルスＭＡＧ溶接方法。