JPH0451276B2

JPH0451276B2 -

Info

Publication number: JPH0451276B2
Application number: JP61137880A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Kanbe; Hitoshi Kawabe; Hiroshi Koyama; Yoshihito Kawaguchi; Yoshiro Awano; Hitoshi Matsui; Hiroshi Suzuki
Original assignee: Nippon Steel Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 1986-06-13
Filing date: 1986-06-13
Publication date: 1992-08-18
Also published as: JPS62296993A

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野）本発明は、パルス電源を用いる高速MAG溶接
に於いて、スパツタ発生量の少ない鋼ワイヤに関
するものである。（従来技術）比較的細径ワイヤを使用するガスメタルアーク
溶接は、電流密度が高く、アーク集中性がよいな
どの理由から、高速溶接に適した溶接法として、
特に溶接ロボツトと組み合わせて利用されてい
る。溶接ロボツトの普及に伴なつて溶接の高能率
化、高速化の傾向は高まり、安定した高速溶接の
実現が強く要求されている。しかしながら従来、高速溶接にはスパツタの発
生とビードの形成性という２つの大きな問題点が
あつた。スパツタは、母材や溶接トーチに付着して能
率、シールド性を損なう等のほか、ロボツトや周
辺の装置、治工具に侵入しその動作の円滑性を阻
害するなどの原因となる。このスパツタ発生要因には種々の要素が考えら
れるが、最も影響が大きいのは、溶滴が成長し溶
融プールに移行する際に接触短絡しアークが再生
する過程でのアーク力、ピンチ力によつて飛散す
るものである。したがつてスパツクの減少には、短絡が生じな
い程度にアークを長く保つことが有効とされてい
る。一方、長いアーク長のままで溶接速度を高めて
いくと、アンダーカツトが発生し易くなり、さら
に高速側ではハンピングビード、アークぎれ等ビ
ード形成が不完全となる。このようにビード形成性を確保しつつスパツタ
の発生を抑えるためには、短絡の発生しない程度
にアーク長を出来る限り小さくすることが必要で
ある。非短絡でのアーク長は、移行粒滴径に依存する
ことから、溶滴移行回数を増加する手段が講じら
れており、シールドガスとしてAr−CO₂（一般的
には20％程度のCO₂比率）混合ガスのパルス電源
を用いる、MAGパルス溶接によつてかなりの効
果があげられている。しかしAMAGパルス溶接
においても非短絡域で良好なビードが得られる溶
接速度は50〜80cm／min程度である。他方、短絡時のスパツタ発生量対策としては、
溶接電源の二次側インダクタンスを調整する手段
が特公昭47−41659号公報等に記載の技術で講じ
られているがパルス電源においては、パルス波形
の立ち上がり、立ち下がり時間が大きくなること
からインダクタンスの増加に制限が生ずるため最
小限になされているにすぎず、短絡時には多大の
スパツタが発生する。以上詳述したように、高速溶接における２大問
題であるビード形成性とスパツタに関しては、
個々に対策はなされているもののいずれも不十分
であり、ましてや両者を同時に解決する手段はな
されていなかつた。（発明が解決しようとする問題点）本発明はこうした現状に鑑み、高速溶接におけ
るビード形成性とスパツタの低減とを同時に達成
するために、MAGパルス電源による短絡移行溶
接における短絡現象に着目し、短絡特性とワイヤ
成分の関連について詳細な検討を加えた結果、ワ
イヤ成分に調整し、かつ該成分に依存する制御パ
ラメータとパルス電源の周波数特性とをマツチン
グさせることによつて、短絡時に発生するスパツ
タ量を抑えると共に高速溶接性も同時に満足する
MAGパルス高速溶接用鋼ワイヤを提供するもの
である。（問題点を解決するための手段）本発明の要旨とするところは、ワイヤ中の元素
として重量（％）で、Ｃ：0.03〜0.15％、Si：0.1
〜0.7％、Mn：0.2〜1.5％、Ｓ：0.005〜0.03％、
残部鉄および不可避不純物元素からなり、かつ不
可避不純物元素中、Ti：0.05％以下、Al：0.01％
以下、Ｎ：0.015％以下、Ｏ：0.015％以下でかつ
次式で示されるパラメータＫが0.04〜0.15の範囲
であると共にMn／Si比が１〜10であることを特
徴とするMAGパルス高速溶接用鋼ワイヤ。Ｋ＝Ｃ−0.06×Si−0.07×Mn ＋４×Ｓ＋３×Ｎ−0.2×Ｏ但し元素記号は、元素の含有量（重量％）を示
す。以下、本発明について詳述する。（作用）第１図はJIS Z3312YGW15系のワイヤ（直径
1.2mmφ、Ｃ：0.10％、Si：0.80％、Mn：1.20％、
Ｐ：0.010％、Ｓ：0.003％、Cu：0.20％、Al：
0.005％、Ti：0.10％）とパルス電源を用いて、
シールドガスAr−20％CO₂、溶接電流：160，
250A、溶接速度：150〜200cm／min、パルス周
波数：110，220Hzの各条件で下向溶接（Bead on
plate）を行い、溶接電圧を18〜28Vに変化させ
ることによりアーク長を変化させ、採取したスパ
ツタ量を短絡回数（回／sec）との関係で示した
図である。測定値は同図の２本の直線にはさまれた範囲に
含まれている。なおこの場合の短絡回数は、溶接
電圧の変化をデータレコーダに記録し、電圧の瞬
時値が10V以下のものを計数した。スパツタ量の増加は短絡回数と直線的関係にあ
り、スパツタ発生の主因が短絡にあることを示し
ている。第２図は板厚２mmの横向重ねすみ肉溶接を第１
図と同じパルス電源、ワイヤ、シールドガスを用
いて行つた場合のビード外観、ビード断面形状が
良好な範囲を溶接電流Ｉと溶接速度Ｕとの関係で
示したものである。可能な限り電圧を低く保ちア
ーク長を短くした場合の範囲イに比べ、短絡回数
を100回／秒以下程度までにアーク長を長くした
場合の良好な条件範囲ロは著しく狭く低電流、低
速度側になつている。このようにパルス電源を用いたMAG溶接にお
いても、高速でのビード形成性を確保するために
は、充分アーク長が短かくスパツタの発生する条
件を選定せざるを得ない。ところで第１図において、同一短絡回数でも発
生するスパツタ量に大きな差のあることに本発明
者等は着目した。いずれも短絡回数とスパツタ量とがほぼ直線的
比例関係を示すことから短絡毎のスパツタ発生量
に大きなバラツキは無く、その発生パターンが異
なると考えられ詳細な短絡機構の検討を行つた。第３図は、同一ワイヤ送給速度において、ほぼ
周波数が固定されている従来電源に比べて広範囲
に周波数調整が可能なインバータ制御パルス電源
を用いて、第１図と同じワイヤ、シールドガスと
組合せて、周波数とスパツタ量の検討結果の一例
を示したものである。なおこの場合、ワイヤ送給速度は７ｍ／min、
溶接速度は150cm／min、Ext（チツプ−母材間距
離）は18mm、下向溶接電流は210〜220A、電圧は
22〜23Vである。スパツタ量はＡ点より周波数を上げていくと急
激に減少し、Ｃ点（今後適正周波数と呼ぶ）で最
小となり、これ以上ではまた増加する関係が得ら
れた。そこで、このように周波数によつて同じ短
絡でもスパツタ発生量に違いがある理由について
検討したところ、適正周波数（Ｃ点）では、パル
ス周期中のベース電流期間で短絡が終了しアーク
が再発生する（ベース短絡）が、ほぼ各パルス毎
に安定して行われているのに対し、低周波数側Ｂ
点ではピーク電流の立下がり期間でアーク再発生
（立下がり短絡）の頻度が高く、高周波側のＤ点
ではピーク立上がり短絡の傾向を示した。短絡の発生の無い程度に充分アーク長を保つた
通常パルスMAG溶接では、パルス電流時にワイ
ヤが溶融され生じた溶滴と固体ワイヤとの接触界
面近傍にピンチ力が作用し急速なくびれの成長と
共に、軸方向の力を受けて溶滴が離脱飛行して母
材に移行するサイクルを各パルス毎に安定して行
つている。しかしアーク長の短い条件では上記サ
イクルのいづれかで溶滴と溶融プールが短絡する
ため、短絡時の溶滴の形状および電流値、されに
はアーク再生時の電流値によつて溶滴に様々な影
響を与える事になる。電流の充分大きい時期にア
ーク再生があれば、ワイヤ先端の溶融部およびプ
ールには大きな力が作用しビード形成性を著しく
損なうと共にスパツタの要因となり、また短絡時
の電流が大きく、かつプールと溶滴先端接触部の
面積が溶滴の最小断面積より小さい場合にはこの
接触部にはピンチ力が集中しスパツタを増加させ
る。したがつてスパツタを最小限にする短絡の条件
として）出来る限り小電流での短絡とアーク再
生を行わせること、）短絡時の溶滴最小径部分
が接触部以外、すなわち溶滴−ワイヤ固体部にな
ることが必要であり、第３図のＣ点は、この２つ
の条件を満足する点と考えられる。ところで、このＣ点において、パルス周波数と
同期して安定したベース短絡が行われているとす
れば、適正周波数は溶滴の物性（界面張力、粘性
等）が関与し、ワイヤ成分に依存しており、周波
数を高めることは、溶滴を細粒化させ、アーク長
をより短くし安定した短絡移行に導き、ひいては
スパツタの小粒化、減少につながると考えた。そこで種々成分系のワイヤを用い、第３図の場
合と同じ溶接条件により適正周波数を求め、適正
周波数に於けるスパツタ量に及ぼすワイヤ成分の
影響をＣとの当量で置き換えたパラメータＫ、す
なわちＫ＝Ｃ−0.06×Si−0.07×Mn＋４×Ｓ＋
３×Ｎ−0.2×Ｏ（但し元素記号は、元素の含有重
量％）で示し、スパツタ量の少ない範囲をこのＫ
値で限定することが可能となつた。Ｋ値とスパツ
タ量の関係は、第４図に斜線で示すとおりであ
る。すなわち、Ｋ値が0.04以下ではスパツタ量が増
加し、これ以上ではＫの増加に伴つてスパツタは
少しづつ減少の傾向を示すが0.15以上ではまた増
加する。したがつてＫ値は0.04〜0.15の範囲に限
定するものである。0.04以下でスパツタ量が増加
するのは、１パルスで移行させる溶滴径が大きく
なるため溶滴の成長過程で溶融プールと接触する
機会が増加し、前述した最適短絡の条件を満足で
きなくなると考えられ、また、0.15以上ではパル
スベース時間が短かくなりベース期間内で短絡を
終了できない頻度が高くなるためと考えられる。なお、Ｋ値とワイヤ物性との関連づけの試みと
して、使用ワイヤの数種について溶融ワイヤの界
面張力（γ）を測定したところ、Si，Mn，Ｓ，
Ｏはγを減少させる元素で、Ｃ，Tiは増加させ
る元素で、Ｃ，Tiは増加させる元素であり、Ｋ
値を構成する元素の大半であるＣ，Si，Mn，Ｏ
についてはＫ値に対する各元素の増減傾向が一致
していた。（界面張力測定法Sessile
DropMethod〔静滴法〕、雰囲気：Ar、温度1515
〜1600℃）本発明では前述の制限のほかにMn／Si比を限
定している。第５図は、Ｃ，Si，Mn，Ｓ，Ti，
Al，Ｎ，Ｏが各々本発明の限定範囲内であつて、
Ｋ値も本発明の範囲内にあるワイヤのMn／Si比
とスパツタ発生量との関係を示したものである。
（溶接条件は第３図の場合に同じ。）Mn／Si比が
１〜10を超えると著しくスパツタ量が増加する現
象が認められる。したがつて本発明ではMn／Si
比１〜10を限定の範囲とした。この範囲内では、
４〜６の程度でわずかであるが上限のスパツタ量
が低い傾向を示しており最も好ましい範囲であ
る。このような現象の理由については、必ずしも明
らかでないが、溶融メタルの粘性およびアーク安
定性が相互に関与しているものと考えられる。即
ち、Siの添加は、鋼溶融金属の粘性係数を高める
ことが知られており、粘性の増加は溶滴移行に際
してその離脱に要する時間が長くなる方向に作用
する。一方Mnは、アーク中での金属蒸気圧の高
い元素である。したがつてMn／Si比の小さくな
るにつれて溶滴の離脱移行に要する時間は長くな
りパルスベース期間を超える頻度が高くなるため
と考えられ、本発明でのワイヤ組成範囲内ではそ
の限度がMn／Si比が１近傍である。またMn／Si
比が大きくなると、短絡からアーク再生の過程で
蒸気圧によりアークの安定性が損なわれるために
アーク長の変動が増加し、溶滴の移行時間のバラ
ツキが増加すると考えられる。これらの現象はア
ーク電圧を記録したオシログラフからも読み取れ
た。次に本発明ワイヤ成分の限定理由を述べる。Ｃは溶滴を細粒化し適正周波数を高周波側へ移
行させる作用のため、スパツタを低減させる効果
的な元素であるが、一方溶接金属を硬化させる作
用もあり、高速溶接の条件のもとでは0.15％を超
えるとワレ発生の危険性も生ずるため上限とし
た。また0.03％以下ではスパツタの減少の効果が
生じないばかりでなく脱酸効果も期待できない。 Siは通常溶接においては、脱酸性元素として溶
接金属のじん性確保のため適当量添加されるが、
本発明では前述のとおり、溶滴の粘性を高めスパ
ツタを増加させる作用があり低い方が望ましい
が、0.1％未満では高速溶接においても脱酸不足
となり溶接金属中に気泡が生ずるようになる。ま
た0.7％を超えるとスパツタ低減に対しては悪影
響を及ぼすため上限とした。 Mnについては前述のような作用であり、低い
方が望ましいが、0.2％未満では耐気孔性の劣化
やビード形状不良になるので不限を0.2％とした。
また、1.5％をこえるとビードの硬さが急激に増
加するためにMnの上限は1.5％とした。Ｓは適正周波数を高周波側に移行させスパツタ
低減に有効であるばかりでなく、ビード形状を良
好にする作用があり多めの添加が望ましいが、高
温ワレ誘起元素でもあり、Mn添加量とのかねあ
いから上限を0.03％とした。下限値の0.005％未
満ではスパツタおよびビード形状の改善効果は全
く認められない。 Tiは強脱酸性元素であり溶滴表面に薄いスラ
グが生成するため、アークの発生点を限定し、溶
滴移行時間のバラツキを大きくして著しくスパツ
タを増加させるが、0.05％以下ではこのような影
響も少なく、不純物中の上限をここに限定した。 AlもTiと同効作用を及ぼし微量でスパツタを
増加させるため0.01％以下とした。ワイヤ中の不純物としてのＮは、その溶解方法
等の条件によつてレベルが異なり例えば電炉溶解
法では0.020％程度まで混入する場合がある。本
発明におけるＮのスパツタへの効果は高めのレベ
ルの方が好ましいが、高速溶接では溶接金属のブ
ローホール発生の主因となるため上限を0.015％
とした。Ｏはワイヤ中にSi，Mn，Ti，Al等の酸化物介
在物として、あるいはワイヤ表面のスケール層や
塗布油脂類中に不純物として含む場合には0.03〜
0.04％程度まで存在する。しかし高速溶接性、ス
パツタに対しては有害作用を及ぼすが、その程度
は小さいため、通常レベルである0.015％以下と
した。以上、本発明ワイヤノ成分限定理由について詳
述したが、これ以外の成分でNi，Cr，Mo等はス
パツタに及ぼす影響の程度は少なく、特に添加す
る必要はないが、不純物として混入する0.1程度
までは各々許容される。またCuについても添加
量に制限をもうけていないが、通常ワイヤ鋼メツ
キを施される場合が多いが、この程度の量は充分
許容されるものである。以下に実施例によつて本発明の効果をさらに具
体的に説明する。（実施例）溶解によつて得た鋼塊を鍜造、圧延、線引、メ
ツキ（Cu）の各工程を経て、1.2mmφのワイヤに
仕上げた第１表に示す31種類のワイヤを用い、第
２表に示す鋼板を第３表に示す溶接条件にて高速
溶接を行い、捕集したスパツタ量およびビード外
観、Ｘ線性能、アーク安定性および適性周波数に
ついて調査した結果を第４表に示した。ビード外観はアンダーカツト、ビード不揃の無
いもの、Ｘ線性能はブロホール、ビツトの認めら
れないもの、アーク安定性については、アーク切
れ、アーク不安定の認められないものを良好とし
た。ワイヤNo.１〜No.20は本発明のワイヤ、No.21〜No.
31は比較例を示す。No.21、No.24ワイヤは、Ｃ，
Si，Mn，Ti，Al，Ｎ，Ｏ等の化学成分および
Mn／Siは本発明の範囲にあるものの、Ｋ値がそ
れぞれ範囲外にあるため、ビード観、Ｘ線性能、
アーク安定性等は良好であるがスパツタ量が多
い。No.22、No.27ワイヤはMn／Si範囲が外れてい
るため、ビード外観等のビード形成性は良好のも
のの、スパツタ量は多くなつている。No.23ワイヤ
はＣ量が下限値以下のもので、スパツタ量は本発
明ワイヤに比べやや多い程度であるが、ブロホー
ルが多発し、ビード外観も劣化した。No.25ワイヤ
は、Ｎ量が範囲上限を越えているもので、Ｘ線透
過試験でブロホールが多く認められた。No.26，No.
28ワイヤはそれぞれSiが範囲外のものであるが、
No.26ではビード外観、Ｘ線性能、アーク安定性は
良好であるがスパツタが多発している。No.28では
脱酸不足のためブロホールが認められたばかりで
なく、ビード外観、アーク安定性も不良でビード
形成性は著しく劣化している。No.29ワイヤはTi
量が多すぎるためスパツタ量が増加している。No.
30，31ワイヤはMn／Siが１以下で、かつＫ値が
範囲外のものであるので、いずれもスパツタ量が
著しく増加している。このように本発明の範囲外にあるワイヤは、い
ずれもスパツタ量、ビード形成性を同時に満足す
ることは出来ないものである。

【表】

【表】（発明の効果）以上のように本発明に従えば、MAGパルス高
速溶接に用いて、健全なビード形成性が得られる
ことは勿論、スパツタ発生量の極めて少ない溶接
を可能とするMAGパルス高速溶接用鋼ワイヤを
提供することができるので、本発明は産業上裨益
するところが極めて大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は短絡回数とスパツタ量の関係を示すグ
ラフ、第２図は横向重ね隅肉溶接における溶接速
度と溶接電流の関係を示す図、第３図はパルス周
波数とスパツタ量の関係を示すグラフ、第４図は
Ｋ値とスパツタ量の関係を示すグラフ、第５図は
Mn／Siとスパツタ量の関係を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】１Ｃ：0.03〜0.15（重量％、以下同じ）、 Si：0.1〜0.7％ Mn：0.2〜1.5％、Ｓ：0.005〜0.03％、残部が鉄および不可避不純物元素からなり、不
可避不純物元素中、 Ti：0.05％以下、 Al：0.01％以下、Ｎ：0.015％以下、Ｏ：0.015％以下でかつ次式で示されるパラメータＫが0.04〜0.15
の範囲であると共にMn／Si比が１〜10であるこ
とを特徴とするMAGパルス高速溶接用ワイヤ。Ｋ＝Ｃ−0.06×Si−0.07×Mn ＋４×Ｓ＋３×Ｎ−0.2×Ｏ但し元素記号は、元素の含有量（重量％）を示
す。