JP6892305B2

JP6892305B2 - アーク溶接方法

Info

Publication number: JP6892305B2
Application number: JP2017069238A
Authority: JP
Inventors: 光木梨; 悠梅原; 佐藤　浩二; 浩二佐藤
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2017-03-02
Filing date: 2017-03-30
Publication date: 2021-06-23
Anticipated expiration: 2037-03-30
Also published as: JP2018144103A

Description

本発明は、アーク溶接方法に関し、より詳細には、溶接ワイヤを進退方向に送給制御しながら溶接を実施するアーク溶接方法に関する。

薄鋼板の溶接時のスパッタの発生を低減可能なアーク溶接方法として、ワイヤの進退方向における送給を制御しながら溶接を行うアーク溶接方法が知られている。

例えば、特許文献１には、ブローホール等の気孔発生およびスパッタの発生の抑制を図るアーク溶接方法として、表面処理が行われた部材を溶接用のワイヤを用いて、短絡とアークとを繰り返しアーク溶接を行う溶接方法が開示されている。この溶接方法は、ワイヤから形成された溶滴を部材側に移行するステップと、溶融プールを溶接進行方向とは反対方向に押して前記部材から発生した気体が発生箇所から抜けるように部材を溶接するステップと、を備えている。そして、ワイヤの後退送給により、ワイヤと溶融プールとの間の距離を所定の範囲とし、溶融プールを押すためのアーク力を生じさせる所定の溶接電流を供給し、当該溶接電流を所定期間の間、一定とする、あるいは、徐々に増加あるいは減少させている。

特許第６０４３９６９号公報

ところで、自動車や建材、電気機器等に用いられる鋼板には、アーク溶接後に電着塗装工程が実施される場合がある。このような場合において、アーク溶接時の溶接部にスラグが十分に凝集しない場合、溶接部にスラグが残存してしまう。そして、溶接部にスラグが残存していると、その後の電着塗装により形成される塗膜の密着性が十分に確保できなくなるという問題がある。したがって、このような用途においては、溶接時のスラグ凝集性が良好であることが求められる。

しかしながら、特許文献１に記載のアーク溶接方法では、スラグの凝集性については十分に検討されておらず、改善の余地があった。すなわち、溶接時にスラグが十分に凝集しない場合、溶接部にスラグが残存してしまう結果、上記した問題が生じるおそれがある。特に、薄板の溶接では、溶接速度が速いことも求められており、溶接速度を速くしながらも、スラグ凝集性が良好であることも求められている。

本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、スパッタの発生を低減できるとともに、溶接速度を速くしながらも、スラグ凝集性も良好なアーク溶接方法を提供することにある。

本発明は、溶接ワイヤを進退方向に送給制御しながら、鋼板を溶接するアーク溶接方法であって、
Ｃを含有するとともに、
質量％で、
Ｓｉ：０．２％以上１．３％以下、
Ｍｎ：０．２％以上１．５％以下、及び
Ｓ：０．０１％以上０．０５％以下を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる溶接ワイヤと、
Ａｒを含むガスと、を用いて、
前記溶接ワイヤの進退方向の周波数を３５Ｈｚ以上１６０Ｈｚ以下として溶接を行うアーク溶接方法に関する。

本発明のアーク溶接方法の好ましい一態様において、溶接ワイヤは、質量％で、さらにＡｌ：０．１％以上０．５％以下を含有してもよい。
また、本発明のアーク溶接方法の好ましい一態様において、溶接ワイヤは、質量％で、さらにＭｏ：０．１％以上２．０％以下を含有してもよい。
また、本発明のアーク溶接方法の好ましい一態様において、溶接ワイヤは、質量％で、さらにＴｉ：０．３％以下を含有してもよい。
また、本発明のアーク溶接方法の好ましい一態様において、溶接ワイヤは、質量％で、さらにＣｕ：０．４％以下を含有してもよい。

また、本発明のアーク溶接方法の好ましい一態様において、前記溶接ワイヤにおけるＳ及びＡｌの含有量が、０．３≦Ｓ×１０＋Ａｌ≦０．７を満足していてもよい。

また、本発明のアーク溶接方法の好ましい一態様において、鋼板の板厚は、０．６ｍｍ以上５ｍｍ以下であってもよい。

また、本発明のアーク溶接方法の好ましい一態様において、溶接ワイヤの進退方向の周波数を４５Ｈｚ以上１３０Ｈｚ以下、より好ましくは７０Ｈｚ以上１１０Ｈｚ以下として溶接を行ってもよい。

また、本発明のアーク溶接方法の好ましい一態様において、溶接電流の平均値を８０Ａ以上３５０Ａ以下、溶接速度を６０ｃｍ／ｍｉｎ以上として溶接を行ってもよい。

本発明のアーク溶接方法によれば、スパッタの発生を低減できるとともに、溶接速度を速くしながらも、スラグ凝集性も良好となる。

以下、本発明を実施するための形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

本発明の実施形態に係るアーク溶接方法（以下、本発明の実施形態に係る溶接方法ともいう）は、溶接ワイヤを進退方向に送給制御しながら、鋼板を溶接するアーク溶接方法であって、Ｃを含有するとともに、質量％で、Ｓｉ：０．２％以上１．３％以下、Ｍｎ：０．２％以上１．５％以下、及びＳ：０．０１％以上０．０５％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる溶接ワイヤと、Ａｒを含むガスと、を用いて、溶接ワイヤの進退方向の周波数を３５Ｈｚ以上１６０Ｈｚ以下として溶接を行うアーク溶接方法である。

本発明の実施形態に係る溶接方法においては、ワイヤの進退方向における送給を制御しながらアーク溶接が行われる。より具体的には、ワイヤの送給を進退方向において制御しつつ、アークを発生させながらワイヤを前進（正送）させ、溶融したワイヤ先端の溶融金属を溶融池に接触させてアークを消滅させた後、ワイヤを後退（逆送）させて溶融金属を移行させることが繰り返される。このように溶接を行うことによって、溶接時のスパッタの発生を低減することができる。なお、本発明の実施形態に係る溶接方法におけるワイヤの進退方向の周波数は、ワイヤの１回の前進（正送）及び後退（逆送）を１周期として規定される。本発明の実施形態に係る溶接方法には、例えば、ＣｏｌｄＭｅｔａｌＴｒａｎｓｆｅｒ溶接等が包含される。

［溶接ワイヤ］
つづいて、以下においては、本発明の実施形態に係る溶接方法に用いられる溶接ワイヤ（以下、本発明の実施形態に係るワイヤ、又は、単にワイヤともいう）の各元素の含有量を限定した理由について説明する。なお、これら各元素の含有量は、ワイヤ全質量に対する含有量である。また、本明細書において、質量を基準とする百分率（質量％）は、重量を基準とする百分率（重量％）と同義である。

（Ｃを含有）
Ｃは、強度を向上させる元素である。本発明の実施形態に係るワイヤにおいては、Ｃは含有されていればよく、すなわちＣの含有量は０％超であればよいが、上記効果をより良好に奏するためには、０．０２質量％以上であることが好ましく、０．０４質量％以上であることがより好ましい。
また、Ｃの含有量の上限は特に限定されないが、スパッタの低減や高温割れなどを抑制する観点から、Ｃの含有量は、０．１５質量％以下が好ましく、０．１０質量％以下がより好ましい。

（Ｓｉ：０．２質量％以上１．３質量％以下）
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０．２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。また、スラグ凝集性が低下する。したがって、Ｓｉの含有量は０．２質量％以上とし、好ましくは０．３質量％以上、より好ましくは０．５質量％以上とする。
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１．３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い、スラグ凝集性も低下する。したがって、Ｓｉの含有量は１．３質量％以下とし、好ましくは１．２質量％以下、より好ましくは１．０質量％以下とする。

（Ｍｎ：０．２質量％以上１．５質量％以下）
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０．２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。また、スラグ凝集性が低下する。したがって、Ｍｎの含有量は０．２質量％以上とし、好ましくは０．３質量％以上、より好ましくは０．５質量％以上とする。
一方、Ｍｎの含有量が１．５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。また、スラグ凝集性が低下する。したがって、Ｍｎの含有量は１．５質量％以下とし、好ましくは１．３質量％以下、より好ましくは１．１質量％以下とする。

（Ｓ：０．０１質量％以上０．０５質量％以下）
Ｓは、スラグの凝集に寄与する元素であるが、０．０１質量％未満では、その効果が得られないため、Ｓの含有量は０．０１質量％以上とし、好ましくは０．０２質量％以上とする。
一方、Ｓの含有量が０．０５質量％を超えると、溶融池表面の流れが大きく変化し、スラグがアーク直下近傍まで接近して大きく振動する結果、凝集効果が低下してしまう。したがって、Ｓの含有量は０．０５質量％以下とし、好ましくは０．０４質量％以下とする。

本発明の実施形態に係るワイヤの残部は、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、Ｐ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｎ、Ｏ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。

また、本発明の実施形態に係るワイヤには、上記した化学成分に加えて、さらに下記の成分の少なくとも１つが添加されていてもよい。

（Ａｌ：０．１質量％以上０．５質量％以下）
Ａｌは、スラグの凝集に寄与する元素である。本発明の実施形態に係るワイヤにおいて、Ａｌの添加は必須ではないが、Ａｌの含有量が０．１質量％未満では、スラグの凝集効果が得られにくいため、Ａｌを添加する場合にはその含有量を０．１質量％以上とすることが好ましく、０．２質量％以上とすることがより好ましい。
一方、Ａｌの含有量が０．５質量％を超えると、溶滴離脱が不安定となり、溶融池の振動が乱れ、スパッタが多発する結果、スラグ凝集効果が低下するおそれがある。したがって、Ａｌを添加する場合には、その含有量を０．５質量％以下することが好ましく、０．４質量％以下とすることがより好ましい。

（Ｍｏ：０．１質量％以上２．０質量％以下）
Ｍｏは強度の向上に寄与する元素である。本発明の実施形態に係るワイヤにおいて、Ｍｏの添加は必須ではないが、かかる効果を良好に発揮するために、Ｍｏを添加する場合にはその含有量を０．１質量％以上とすることが好ましく、０．３質量％以上とすることがより好ましい。
一方、Ｍｏは、２．０質量％を超えると高温においてＦｅと金属間化合物を形成するため効果は飽和する。したがって、Ｍｏを添加する場合には、その含有量を２．０質量％以下することが好ましく、１．５質量％以下とすることがより好ましい。

（Ｔｉ：０．３質量％以下）
Ｔｉ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、０．３質量％を超えて添加すると、スラグが多量に発生する。したがって、Ｔｉを添加する場合にはその含有量を０．３質量％以下とすることが好ましく、０．２質量％以下とすることがより好ましい。

（Ｃｕ：０．４質量％以下）
Ｃｕは、通電性、耐錆性の向上に効果がある元素である。Ｃｕを含有する場合、その含有量の下限値は特に限定されるものではないが、かかる効果をより良好に得るためには、０．１質量％以上であることが好ましい。また、高温割れの発生を抑制する観点から、Ｃｕの含有量は、０．４質量％以下であることが好ましい。なお、本実施形態のワイヤには、所望によりＣｕめっきを施す場合がある。ここで、Ｃｕは、ワイヤの母材に含まれるものと、Ｃｕめっき分とを合計した値とする。

（０．３≦Ｓ×１０＋Ａｌ≦０．７）
また、本発明の実施形態に係るワイヤは、Ｓ及びＡｌの含有量が、下記の関係式を満足していることが好ましい。この場合、Ｓ及びＡｌの含有量がかかる関係式を満足するように調整することにより、スラグ凝集性をより良好なものとすることができる。
０．３≦Ｓ×１０＋Ａｌ≦０．７

（ワイヤの直径）
本発明の実施形態において、ワイヤの直径は特に限定されるものではなく、通常適用される範囲から適宜選択すればよい。ワイヤの直径は、例えば０．８ｍｍ〜１．４ｍｍである。

ワイヤの製造方法としては、例えば、所定の組成を有する鋼材の素線を所定の直径まで伸線加工すればよい。伸線加工は、孔ダイスを用いる方法やローラダイスを用いる方法のどちらでもよい。また、Ｃｕめっきを施す場合は、Ｃｕめっき後に伸線加工してもよい。

［シールドガス］
本発明の実施形態に係る溶接方法に用いられるシールドガスは、Ａｒを含有していればよく、Ａｒのみからなっていてもよい。あるいは、Ａｒに加えて、ＣＯ_２やＯ_２などを含有していてもよく、例えば、５〜３０体積％程度のＣＯ_２ないしＯ_２と、残部がＡｒであるシールドガスを用いてもよい。なお、シールドガスには、不可避不純物としてのＮ_２、Ｈ_２等も含有され得る。
ここで、シールドガス中のＡｒの含有割合が高いほど、スラグ量が減少することからシールドガス中のＡｒの含有割合は高い方が望ましい。かかる観点より、Ａｒの含有割合は７０体積％以上であることが好ましく、８０体積％以上であることがより好ましい。一方、上記したように、シールドガスはＡｒのみからなっていてもよい（すなわち、Ａｒの含有割合が１００体積％であってもよい）が、例えばＡｒの含有割合を７０体積％以下としてもよい。

［ワイヤの進退方向の周波数：３５Ｈｚ以上１６０Ｈｚ以下］
本発明の実施形態に係る溶接方法においては、ワイヤの進退方向の送給を制御するにあたり、ワイヤの進退方向の周波数が３５Ｈｚ以上１６０Ｈｚ以下となるように制御する。
本発明者らは鋭意検討の結果、溶融金属の固有振動数は数十Ｈｚ程度であり、溶融池の固有振動数に合わせるようにワイヤの進退方向の周波数を適切な範囲に制御することにより、溶融池表面の振動が最適となり、溶融池表面の湯流れがスラグを巻き込むように変化し、スラグ凝集性を良好なものとすることができることを見出した。ワイヤの進退方向の周波数が３５Ｈｚ未満では、ピーク電流期間での短絡が多発し、規則的な溶滴移行ができなくなり、溶融池の振動が乱れてしまい、良好なスラグ凝集性が得られないため、ワイヤの進退方向の周波数は３５Ｈｚ以上とし、好ましくは４５Ｈｚ以上とし、より好ましくは７０Ｈｚ以上とする。他方、ワイヤの進退方向の周波数が１６０Ｈｚを超えると、ピーク期間でのアークによる溶融池の押し下げ効果が低減し、十分な溶融池の振幅を得ることができなくなり、良好なスラグ凝集性が得られないため、ワイヤの進退方向の周波数は１６０Ｈｚ以下とし、好ましくは１５０Ｈｚ以下とし、より好ましくは１３０Ｈｚ以下とし、さらに好ましくは１１０Ｈｚ以下とする。

［母材］
本発明の実施形態に係る溶接方法において溶接対象となる母材は、鋼板であればよく、鋼板の組成、板厚等については特に限定されないが、たとえば板厚０．６ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の薄鋼板などにも適用可能である。また、鋼種としては、例えば軟鋼であってもよく、５９０ＭＰａ級までの高張力鋼などであってもよい。なお、母材の表面には亜鉛めっきやアルミめっき等の各種めっき処理が施されてもよい。

［溶接条件］
また、本発明の実施形態に係る溶接方法における、溶接電流、溶接電圧、溶接速度、溶接姿勢等の各溶接条件は特に限定されず、アーク溶接方法において適用し得る範囲で適宜調整すればよい。
ここで、溶接電流の平均値としては、例えば８０Ａ以上３５０Ａ以下であり、好ましくは１００Ａ以上３００Ａ以下である。また、溶接速度としては、例えば６０ｃｍ／ｍｉｎ以上である。本発明の実施形態に係る溶接方法によれば、これら溶接条件においても、良好なスラグ凝集性で溶接を実施できる。

以下に、実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することが可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。

表１及び表２に示す組成を有する直径１．２ｍｍのワイヤを用いて、ワイヤの進退方向における周波数を表１及び表２に示される周波数に送給制御しながら、下記に示す条件で溶接を実施した。
（１）鋼板
縦２００ｍｍ×横６０ｍｍ×厚み３．２ｍｍの鋼板を使用した。なお、鋼板の鋼種は、ＳＰＨＣ５９０である。
（２）溶接姿勢
水平重ねすみ肉溶溶接を実施した。
（３）シールドガス
表１の例１〜２８及び表２の例３０〜５９においては、シールドガスとして、Ａｒ＋２０体積％ＣＯ_２を使用した。
また、表１の例２９及び表２の例６０においては、シールドガスとして１００体積％ＣＯ_２を使用した。
（４）溶接電流及び溶接電圧
溶接電流：２４０Ａ、溶接電圧：１８Ｖで溶接を実施した。
（５）溶接速度及び溶接長
溶接速度は１００ｃｍ／ｍｉｎとした。また、溶接長：１５０ｍｍまで溶接を実施した。

なお、表１及び表２において、「ワイヤ成分（質量％）」とは、ワイヤ全質量あたりの各成分量（質量％）を表す。なお、「−」とは、含有量が検出限界未満であることを表す。また、表２中に示されるＣｕ含有量には、Ｃｕめっき分が含まれる。また、残部はＦｅ及び不可避的不純物である。

（スラグ凝集性の評価）
溶接長１５０ｍｍで、ビード表面のスラグを目視により観察し、表面のスラグを収集し、下記の基準で評価を行った。なお、◎及び○を合格とし、×を不合格とする。
◎：スラグ全量のうち９０重量％以上のスラグがクレータ部近傍に存在（凝集）している。
○：スラグ全量のうち５０重量％以上９０重量％未満のスラグがクレータ部近傍に存在（凝集）している。
×：スラグ全量のうち５０重量％未満のスラグのみがクレータ部近傍に存在（凝集）している。

例１〜６０のうち、例１〜２０及び例３０〜５１が実施例であり、例２１〜２９及び例５２〜６０が比較例である。表１及び表２に示すように、本発明の要件を満たす例１〜２０及び例３０〜５１では、良好なスラグ凝集性が得られた。

例２１及び例５２では、ワイヤ中のＳ含有量が少なすぎたため、また、例２２及び例５３では、ワイヤ中のＳ含有量が多すぎたため、スラグ凝集性が劣化した。
例２３及び例５４では、ワイヤの進退方向の周波数が大きすぎたため、また、例２４及び例５５では、ワイヤの進退方向の周波数が小さすぎたため、スラグ凝集性が劣化した。
例２５及び例５６では、ワイヤ中のＳｉ含有量が少なすぎたため、また、例２６及び例５７では、ワイヤ中のＳｉ含有量が多すぎたため、スラグ凝集性が劣化した。
例２７及び例５８では、ワイヤ中のＭｎ含有量が少なすぎたため、また、例２８及び例５９では、ワイヤ中のＭｎ含有量が多すぎたため、スラグ凝集性が劣化した。
例２９及び例６０では、シールドガスとしてＡｒを含有しない１００％ＣＯ_２ガスを用いたため、スラグ凝集性が劣化した。

Claims

溶接ワイヤを進退方向に送給制御しながら、鋼板を溶接するアーク溶接方法であって、
Ｃを含有するとともに、
質量％で、
Ｓｉ：０．２％以上１．３％以下、
Ｍｎ：０．２％以上１．５％以下、及び
Ｓ：０．０１％以上０．０５％以下、
Ｔｉ：０．３％以下を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる溶接ワイヤと、
Ａｒを含むガスと、を用いて、
前記溶接ワイヤの進退方向の周波数を３５Ｈｚ以上１６０Ｈｚ以下として溶接を行うアーク溶接方法。
溶接ワイヤを進退方向に送給制御しながら、鋼板を溶接するアーク溶接方法であって、
Ｃを含有するとともに、
質量％で、
Ｓｉ：０．２％以上１．３％以下、
Ｍｎ：０．２％以上１．５％以下、及び
Ｓ：０．０１％以上０．０５％以下、
Ａｌ：０．１％以上０．５％以下を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる溶接ワイヤと、
Ａｒを含むガスと、を用いて、
前記溶接ワイヤの進退方向の周波数を３５Ｈｚ以上１６０Ｈｚ以下として溶接を行うアーク溶接方法。
溶接ワイヤを進退方向に送給制御しながら、鋼板を溶接するアーク溶接方法であって、
Ｃを含有するとともに、
質量％で、
Ｓｉ：０．２％以上１．３％以下、
Ｍｎ：０．２％以上１．５％以下、及び
Ｓ：０．０１％以上０．０５％以下、
Ｍｏ：０．１％以上２．０％以下を含有し、
残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる溶接ワイヤと、
Ａｒを含むガスと、を用いて、
前記溶接ワイヤの進退方向の周波数を３５Ｈｚ以上１６０Ｈｚ以下として溶接を行うアーク溶接方法。
前記溶接ワイヤが、質量％で、さらに
Ｍｏ：０．１％以上２．０％以下
を含有する、請求項１に記載のアーク溶接方法。
前記溶接ワイヤが、質量％で、さらに
Ａｌ：０．１％以上０．５％以下
を含有する、請求項１、３、４のいずれか１項に記載のアーク溶接方法。
前記溶接ワイヤにおけるＳ及びＡｌの含有量が、
０．３≦Ｓ×１０＋Ａｌ≦０．７
を満足する、請求項２又は５に記載のアーク溶接方法。
前記溶接ワイヤが、質量％で、さらに
Ｃｕ：０．４％以下
を含有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載のアーク溶接方法。
前記鋼板の板厚は、０．６ｍｍ以上５ｍｍ以下である、請求項１〜７のいずれか１項に記載のアーク溶接方法。
前記溶接ワイヤの進退方向の周波数を４５Ｈｚ以上１３０Ｈｚ以下として溶接を行う、請求項１〜８のいずれか１項に記載のアーク溶接方法。
前記溶接ワイヤの進退方向の周波数を７０Ｈｚ以上１１０Ｈｚ以下として溶接を行う、請求項９に記載のアーク溶接方法。
溶接電流の平均値を８０Ａ以上３５０Ａ以下、溶接速度を６０ｃｍ／ｍｉｎ以上として溶接を行う、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のアーク溶接方法。