JP6795290B2 - ガスシールドアーク溶接方法 - Google Patents
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Description
しかしながら、これらは溶融金属高温部での酸素との反応が考慮されておらず、細径ノズルである。そのため、シールド領域が限定され、高速溶接時には高温の溶融金属の酸化反応を抑えることは困難である。
[1] 溶接トーチを介して消耗式電極を送給し、シールドガスを流しながら溶接を行うガスシールドアーク溶接方法であって、
前記溶接トーチはノズルを含み、
前記ノズルの内径が15mm以上であり、
前記ノズルの先端と被溶接材との間のノズル−母材間距離が22mm以下であり、かつ
(前記ノズルの内径/前記ノズル−母材間距離)で表される比が0.7以上1.9以下である、ガスシールドアーク溶接方法。
[2] 前記シールドガスの流量が18L/分以下である、前記[1]に記載のガスシールドアーク溶接方法。
[3] (前記シールドガスの流量/前記ノズルの内径)で表される比が0.65L/分・mm以上1.10L/分・mm以下である、前記[1]又は[2]に記載のガスシールドアーク溶接方法。
[4] 前記シールドガスがArを92%以上含み、残部が二酸化炭素及び酸素の少なくともいずれか一方並びに不可避不純物である、前記[1]〜[3]のいずれかに記載のガスシールドアーク溶接方法。
[5] 前記消耗式電極が全質量に対してSを0.015質量%以上含む、前記[1]〜[4]のいずれかに記載のガスシールドアーク溶接方法。
[6] 平均溶接電流が250A以下である、前記[1]〜[5]のいずれかに記載のガスシールドアーク溶接方法。
[7] ピーク電流が380A以上530A以下、かつピーク幅が0.5〜2.0ミリ秒のパルス電流制御を行う、前記[1]〜[6]のいずれかに記載のガスシールドアーク溶接方法。
[8] 前記被溶接材に20〜100g/m2目付の亜鉛めっき鋼板を用いる、前記[1]〜[7]のいずれかに記載のガスシールドアーク溶接方法。
[9] 前記[1]〜[8]のいずれかに記載のガスシールドアーク溶接方法により溶接する工程を含む、溶接物の製造方法。
[10] 前記[1]〜[8]のいずれかに記載のガスシールドアーク溶接方法により溶接された溶接物。
また、消耗式電極(以下「溶接ワイヤ」と称することがある。)に規定量の硫黄(S)を含有させることにより、アーク直下の溶融池にSが優先的に表面吸着され、溶接直後のビード表面又は大気を巻き込んだ場合における酸化反応を制御し、溶接後のビード表面に生成するスラグをより一層抑制することができる。
本発明に係るガスシールドアーク溶接方法は、溶接トーチを介して消耗式電極を送給し、シールドガスを流しながら溶接を行うガスシールドアーク溶接方法であって、前記溶接トーチはノズルを含み、前記ノズルの内径が15mm以上であり、前記ノズルの先端と被溶接材との間のノズル−母材間距離が22mm以下であり、かつ(前記ノズルの内径/前記ノズル−母材間距離)で表される比が0.7以上1.9以下であることを特徴とする。
まず本発明に係るガスシールドアーク溶接方法に用いることができる溶接装置について説明する。溶接装置としては、ガスシールドアーク溶接を行う溶接装置であれば特に限定されず、従来のガスシールドアーク溶接に用いられている溶接装置を用いることができる。
溶接トーチ11は、図2に示すように、溶接ワイヤが筒内に自動的に送給され、溶接ワイヤを用いてアーク溶接を行うものである。溶接トーチ11には、トーチクランプ12が装着されている。トーチクランプ12は、溶接トーチ11をロボットに固定するものである。
溶接トーチを溶接進行方向の反対側に向かって傾斜させる場合に、母材に対する垂線と該トーチとの成す角を前進角と言い、当該溶接進行方向に向かって傾斜させる場合に、母材に対する垂線と該トーチとの成す角を後退角と言う。
溶接線上の適正な溶け込みと良好なビード形状とを得るために、前進角の範囲を−15〜40°、即ち、前進角の上限を40°、後退角の上限を15°とした範囲内で溶接を行うことがより好ましい。
ノズル71は、溶接対象の母材に対して、図示しないガス供給装置から供給されたアルゴン(Ar)や炭酸ガス(CO2)等のシールドガスを噴出する機構を備えている。ノズル71は、一体的に組み立てられた状態のチップボディ31、オリフィス41、及びコンタクトチップ61を内部に納めることが可能な内部空間を有する筒状に形成されている。また、ノズル71は、後端の内面にトーチ銃身21の先端に形成された雄ねじ部23が螺合する雌ねじ部(図示せず)が形成されている。この構成により、ノズル71は、オリフィス41により整流されたシールドガスを用いて溶接部を大気から遮断することができる。
図3にノズル形状の一例を示すが、ノズル内のストレート部(以下、単に「ストレート部」と称する場合がある。)Xの内径Do及びノズル口の内径(以下、単に「ノズルの内径」と称することがある。)Dは、シールド範囲とシールド性に影響する。
窒素は通常シールドガス中に添加されることはなく、シールドガス中の分圧が非常に低いため、多少の大気巻き込みを起こしても、溶鋼には直接固溶しないと考えられている。つまり、窒素が溶鋼に固溶する原因はアーク雰囲気中への窒素の混入により、N2がNに分解され、N分圧が上昇し、アークにより高温に加熱された局所的な溶鋼から侵入するものと考えられる。
つまり、溶接金属中の窒素抑制にはアーク雰囲気への窒素混入を防ぐ必要があることから、従来はシールド領域の広さよりも、シールドガス流の層流安定性が重視され、より流速が速く乱流となりにくい、細径ノズルが使用されていた。また、狭い溶接個所に入り込むためにも細径の方が好ましかった。
そこでさらに、ノズルの先端と被溶接材(母材)との間の距離(ノズル−母材間距離)を22mm以下とし、かつ(ノズルの内径D/ノズル−母材間距離)で表される比を0.7以上1.9以下とする。
一方、ノズルの内径Dの上限は30mm以下が好ましく、22mm以下がより好ましい。30mmを上回ると、シールドガスの流量にもよるが、噴出するガスの指向性が劣化してシールド性が悪くなる場合がある。その場合には、大気の巻き込みによって、スラグの発生やピット、ブローホール等の溶接欠陥が発生するおそれがある。
本発明に係るガスシールドアーク溶接方法で用いられるシールドガスは、特に限定されず、Arガス、炭酸ガス(二酸化炭素、CO2)、酸素ガス(O2)及びそれらの混合ガス等を用いることができる。これらには不純物としてN2、H2等が含まれていてもよい。
シールドガスとして100%CO2を用いた溶接であっても、本発明に係るガスシールドアーク溶接方法では大気巻き込みの抑制と酸化反応防止の効果を得ることができる。しかし、シールドガスとしてArガス又はAr含有混合ガスを用いることで溶融金属の酸化反応をより低減することが可能となる。よって、シールドガスとして、Arガス(100%Ar)又はAr含有混合ガスを用いることが好ましい。
なお、不可避不純物としてはN2、H2等が挙げられ、まったく含まないこと(0体積%)が最も好ましい。
またシールドガスの流量は8L/分以上であることが耐気孔性の点から好ましく、10L/分以上であることがより好ましい。
溶接ワイヤの種類は鋼線であるソリッドワイヤでも良いし、筒状を呈する外皮と、その外皮の内側に充填されたフラックスとからなるフラックス入り溶接ワイヤでも良く、特に問わない。また、フラックス入り溶接ワイヤの場合、外皮に継目のないシームレスタイプ、外皮に継目のあるシームタイプのいずれの形態であってもよい。さらに、溶接ワイヤ表面(フラックス入り溶接ワイヤであれば外皮の外側)に銅メッキを施されていてもよく、施されていなくてもよい。
本発明に係る溶接ワイヤは、硫黄(S)が適量添加されていることが好ましい。
Sはリン(P)と同じく、本来は不純物元素であり、極力含有量を少量にすることが好ましい。しかし、溶鉄中のSは溶鉄表面に吸着しやすい性質を持ち、表面張力を減少させる性質を有している。そこで本発明では、この性質に着目、利用し、以下のメカニズムのもと、溶接ワイヤ中のS適量範囲を規定した。
ここで着目すべきは、硫化鉄の反応2Fe+S2=2FeSよりも1/2S2+O2=SO2の反応の方が安定であるということ、及びSO2の沸点が−10℃であることである。すなわち、溶接直後から室温までの広い温度範囲において、FeSの還元反応が働き、Feの酸化反応の抑制がなされる。また、生成したSO2が容易に大気へ逃げることができる。
溶接ワイヤ中や溶接金属中のCは、溶接金属の強度を高める上で有効である。スパッタに関しては含有量が少量であっても問題ないため下限は設定しないが、0.30質量%を超えて多量に含まれると、溶接途中に微量の酸素と結合し、COガスとなって溶滴表面にバブルを発生させ、スパッタの発生やアーク不安定が起こる。
アーク不安定が生じた場合、シールドガスが乱れることで、大気が巻き込まれ、ブローホールといった溶接欠陥やスラグの大量発生が起こるおそれがある。このため、Cの含有量は0.300質量%以下と規定する。強度の確保のため、好ましくは0.010質量%以上である。
溶接ワイヤ中のSiは脱酸元素であり、溶接金属の強度や靱性を確保するために好ましい元素である。添加量が少量であると脱酸不足により、ブローホールが発生する場合があることから、0.20質量%以上含有させることが好ましい。ただし、2.50質量%を超えて多量に含まれると溶接中に剥離しにくいスラグが大量発生して、スラグ巻き混み等の溶接欠陥が発生する。このため、Siの含有量は0.20〜2.50質量%の範囲とすることが好ましい。
溶接ワイヤ中のMnは、Siと同じく、脱酸剤あるいは硫黄捕捉剤としての効果を発揮し、溶接金属の強度や靱性を確保するために好ましい。脱酸不足による溶接欠陥の発生防止のため0.50質量%以上を含有させることが好ましい。一方、3.50質量%を超えて多量に含まれると、溶接中に剥離し難いスラグが大量発生し、スラグ巻き混み等の溶接欠陥が発生する。また、強度が増加しすぎて溶接金属の靭性を著しく低下させる。このため、Mnの含有量は0.50〜3.50質量%の範囲とすることが好ましい。
Pは不純物元素であり、極力含有量を少量にすることが好ましく、このため下限は設定しない。これらが各々0.0300質量%を超えて多量に存在すると、溶接金属の割れといった溶接欠陥が発生するおそれがあることから、0.0300質量%以下(0質量%を含む)の範囲とすることが好ましい。
(平均溶接電流)
平均溶接電流を低位にするとプラズマ気流が低速化し、該プラズマ気流によりアーク直下への大気混入をさらに抑制することができる。そのため平均溶接電流は270A以下であることが好ましく、250A以下がより好ましい。
平均溶接電流の下限はアーク安定性の点から70A以上が好ましい。
溶接は、パルス電流制御されたパルス溶接を行うことが、安定なスプレー移行となり、アーク不安定による大気の巻き込みを抑制できる点から好ましい。
パルスのピーク電流は380A以上530A以下であることが好ましく、400A以上がより好ましく、また480A以下がより好ましい。
パルスピーク電流が530Aを超えると、ピーク電流が高くなりすぎて、アーク中への大気巻き込みがやや多くなる場合がある。また、380Aより小さくなると、ピーク電流が低すぎて、スパッタ発生量が増加する場合がある。
パルスピーク時間が2.0ミリ秒を超えると、ピーク時間が長すぎて、アーク中への大気巻き込みがやや多くなる場合がある。また、0.5ミリ秒より小さくなると、ピーク電流が低すぎて、スパッタ発生量が増加する場合がある。
被溶接材は従来公知の物を用いることができる。例えば、冷延鋼板、熱延鋼板等が挙げられる。
中でも亜鉛めっき鋼板は、溶接熱により気化したZnがシールドガス中に侵入し、シールド雰囲気の酸素分圧及び窒素分圧を下げることができ、それにより溶融金属中の酸素及び窒素の増加を抑制することができることから好ましい。亜鉛の目付量が多すぎるとスパッタ発生量がやや増加するおそれがあることから、亜鉛目付量は20〜120g/m2であることがより好ましく、100g/m2以下であることがさらに好ましい。
また、被溶接材の板厚は1.0〜3.0mm程度であれば、本発明に係る溶接方法を適用することができる。
また本発明は、上記ガスシールドアーク溶接方法により溶接する工程を含む溶接物の製造方法及び、上記ガスシールドアーク溶接方法により溶接された溶接物にも関する。
溶接物としては、自動車足回り部品等が挙げられ、中でもサスペンションアーム、サスペンションメンバーが好ましい。
溶接物は、目視によるスラグ生成状態で、クレーター部を除くビード止端部から1mm以上内側のビード表面に、短径が5mm以上のスラグが生成していないことが好ましく、ビード止端部から1mm以内のスラグが生成している場合には、連続的に生成しているのに対し、断続的に生成している方がより好ましい。
溶接物に付着しているスパッタの有無は目視にて評価することができる。溶接物に付着しているスパッタの径が1mm以上の大粒スパッタの溶接物への付着が2個以下であることが好ましく、まったくないことがより好ましい。
溶接物におけるビード形状は、図5の模式図におけるビード幅αと余盛り高さβとの比(ビード幅α/余盛り高さβ)が3以上であることが溶接ビード止端部における塗装性の点から好ましく、5以上であることがより好ましい。ビード形状は平滑であればあるほど、好ましいため、上限は特に規定しない。
(スラグ生成状態)
溶接物におけるスラグ生成状態は目視及びデジタルマイクロスコープ(キーエンス社製、VHX−900)を用いて観察した。表1の「スラグ生成状態」において「×」とは、クレーター部を除くビード止端部から1mm以上内側のビード表面に、短径が5mm以上のスラグが生成しているもの、「○」とは上記スラグは生成していないが、ビード止端部から1mm以内のスラグが連続的に生成しているもの、「◎」とは上記スラグは生成していないが、ビード止端部から1mm以内のスラグが断続的に生成しているものをそれぞれ表す。
溶接物におけるビード外観は、溶接物に付着しているスパッタの有無とビード形状を目視にて評価した。
溶接物に付着しているスパッタとは、スパッタの径が1mm以上のものを対象とし、その有無を評価した。
ビード形状については、被溶接材に対してトーチを垂直にして溶接を行った際の(ビード幅/余盛り高さ)で表される値(ビード形状)が5以下であるかについて評価を行った。なお、ビード幅は図5の符号αで表される範囲であり、余盛り高さは図5の符号βで表される範囲である。
表1の「ビード外観」において「◎」とは溶接物に付着しているスパッタがなく、ビード形状の値が5以下であることを表し、「○」はスパッタもしくはビード形状、いずれか一方の点で劣るものである。
基本条件として、母材として板厚3.2mmのJIS G3131に規定されるSPHC材およびJIS G3302に規定されるSGHC材の鋼板を用いたビードオンプレート溶接を行った。溶接速度は100cm/分とし、トーチ角度は母材に対して垂直とした。
消耗式電極(溶接ワイヤ)の組成は質量%でC:0.07%、Si:0.8%、Mn:1.5%、P:0.010%を共通とし、Sの含有量は表1に示したとおりであり、残部はFeである。
溶接に用いたノズルの内径(ノズル径)、ノズル母材間距離、(ノズルの内径/ノズル−母材間距離)(比率)、シールドガスの流量、(ガス流量/ノズル内径)、ガス種、溶接ワイヤ中のS含有量、鋼板、溶接条件を表1にまとめた。なお、ノズル母材間距離はチップをノズルから突き出させ、該突き出し長さを調整することによって調整した。
また、実施例34〜実施例45についてはパルス溶接を行い、そのピーク電流及びピーク時間(ピーク幅)を表1にまとめた。
以上の条件並びにスラグ生成状態及びビード外観の評価結果を表1に示す。
さらにシールドガス流量を20L/分以下、より好ましくは18L/分以下とすること、または(ノズルの内径D/ノズル−母材間距離)で表される流速を0.65〜1.10L/分・mmとすることにより、スラグ生成状態をより改善することができる。
また、実施例22〜実施例26では、シールドガスにおけるAr含有量を92%以上とすることにより、スラグ生成状態及びビード外観の両方において非常に優れた溶接物が得られた。
実施例27〜実施例30では溶接ワイヤ中のS含有量を0.015質量%以上とすることにより、シールドガス流量やAr含有量によらず、スラグ生成状態及びビード外観に非常に優れた溶接物が得られた。
実施例32及び実施例33では、平均溶接電流を250A以下とすることにより、シールドガス流量やAr含有量、溶接ワイヤ中のS含有量によらず、スラグ生成状態及びビード外観に非常に優れた溶接物が得られた。
実施例34〜実施例41では、パルス電流制御を行うことにより、シールドガス流量やAr含有量、溶接ワイヤ中のS含有量、平均溶接電流によらず、スラグ生成状態及びビード外観に非常に優れた溶接物が得られた。
さらに実施例42〜実施例44では、母材に20〜100g/m2目付の亜鉛めっき処理を施すことにより、スラグ生成状態及びビード外観に非常に優れた溶接物が得られた。
10 ロボット
11 溶接トーチ
12 トーチクランプ
20 ロボット制御部
21 トーチ銃身
22 インナチューブ
23 雄ねじ部
30 溶接電源部
31 チップボディ31
41 オリフィス
61 コンタクトチップ
71 ノズル
D ノズル口の内径
Do ストレート部の内径
X ノズル内のストレート部
Y 溶接部
W 被溶接材(ワーク)
α ビード幅
β 余盛り高さ
Claims (10)
- 溶接トーチを介して消耗式電極を送給し、シールドガスを流しながら溶接を行うガスシールドアーク溶接方法であって、
前記溶接トーチはノズルを含み、
前記ノズルの内径が15mm以上であり、
前記ノズルの先端と被溶接材との間のノズル−母材間距離が22mm以下であり、
(前記ノズルの内径/前記ノズル−母材間距離)で表される比が0.7以上1.9以下であり、
前記シールドガスがArを92%以上含み、残部が二酸化炭素及び酸素の少なくともいずれか一方並びに不可避不純物からなり、あらかじめ混合された混合ガスであり、かつ
前記消耗式電極が全質量に対してSを0.015質量%以上含み、
前記あらかじめ混合された混合ガスが、前記ノズル内の単一の流路を通って前記ノズルの先端から噴出する、ガスシールドアーク溶接方法。 - 前記シールドガスの流量が18L/分以下である、請求項1に記載のガスシールドアーク溶接方法。
- (前記シールドガスの流量/前記ノズルの内径)で表される比が0.65L/分・mm以上1.10L/分・mm以下である、請求項1又は2に記載のガスシールドアーク溶接方法。
- 平均溶接電流が250A以下である、請求項1〜3のいずれか一項に記載のガスシールドアーク溶接方法。
- ピーク電流が380A以上530A以下、かつピーク幅が0.5〜2.0ミリ秒のパルス電流制御を行う、請求項1〜4のいずれか一項に記載のガスシールドアーク溶接方法。
- 前記被溶接材に20〜100g/m2目付の亜鉛めっき鋼板を用いる、請求項1〜5のいずれか一項に記載のガスシールドアーク溶接方法。
- 前記ノズルはストレート部を有し、前記ノズルの内径と前記ストレート部の内径は同一である、請求項1〜6のいずれか一項に記載のガスシールドアーク溶接方法。
- 前記消耗式電極が全質量に対してSiを0.20〜2.50質量%、Mnを0.50〜3.50質量%含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載のガスシールドアーク溶接方法。
- 請求項1〜8のいずれか一項に記載のガスシールドアーク溶接方法により溶接する工程を含む、溶接物の製造方法。
- 請求項1〜8のいずれか一項に記載のガスシールドアーク溶接方法により溶接された溶接物。
Priority Applications (6)
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