WO2006080537A1 - 溶接ワイヤ - Google Patents

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WO2006080537A1
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welding
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center
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Terumi Nakamura
Kazuo Hiraoka
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    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/30—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 1550°C
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    • B23K35/30—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 1550°C

Definitions

  • the present invention relates to a welding wire.
  • TIG welding non-consumable electrode welding
  • tungsten electrode in an inert gas atmosphere such as Ar or He.
  • the arc is stable, so a high-quality welded joint is obtained.
  • TIG welding is performed in high purity inert gas to suppress oxidation and welding defects.
  • consumable electrode welding enables welding at a high current and a high wire melting rate, and realizes high-efficiency welding (for example, see Patent Document 1).
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-42 1 2 1
  • oxygen or an oxidizing gas such as co 2 is conventionally mixed in an inert shield gas, so oxygen enters the weld metal and weld cracks occur, resulting in a high-quality welded joint.
  • an oxidizing gas such as co 2
  • weld metal performance includes toughness, ductility, etc. In general, it is effective to lower the oxygen content in the weld metal to improve it.
  • FIG. 10 is a view observing the melting end and the arc of the welding wire in a 100% Ar gas atmosphere.
  • the poles and arcs move unstable back and forth and left and right.
  • the droplet transfer form is called globule transfer.
  • a large droplet that grows larger than the diameter of the welding wire is formed at the arc generation end of the welding wire, and as shown in Fig. 12, the molten part fluctuates at the end of the welding wire, and the detachment of the droplet does not occur. It may be stable or spatter may occur when droplets move to the molten pool. These phenomena often result in weld defects and inferior weldability.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and provides a welding wire in which a melting behavior is controlled, an arc is stable in pure inert gas, and a high-quality joint can be obtained. Is an issue.
  • the present invention is firstly a welding wire used in a high-purity inert gas atmosphere, wherein the melting point distribution is different in the radial direction, or thermal conductivity, specific heat
  • the method is characterized in that a non-uniform temperature distribution in the radial direction is formed inside the welding wire during welding by at least one of electrical resistance and density.
  • the second aspect of the present invention is characterized in that, in the first feature, the melting point decreases toward the center, or the welding temperature increases toward the center.
  • the third aspect of the present invention is characterized in that, in the first feature, the melting point increases toward the center, or the welding temperature decreases toward the center.
  • the melting behavior is controlled, and the arc is stable in pure inert gas. It can prevent spatter due to short-circuiting, welding defects, meandering of weld beads, weld cracks, etc., and obtain high-quality joints.
  • the length of the molten column can be reduced, and the unstable behavior of the arc and the molten column can be suppressed.
  • FIG. 1 is a diagram showing the composition and melting point of the welding wire of Example 1 as well as its configuration.
  • FIG. 2 is a view showing a welding state of the welding wire of Example 1.
  • FIG. 3 is a view showing a weld bead formed using the welding wire of Example 1.
  • FIG. 4 is a diagram showing the composition and melting point of the welding wire of Example 2 as well as its configuration.
  • FIG. 5 is a diagram showing the composition and melting point of the welding wire of Example 3 as well as its configuration.
  • FIG. 6 is a view showing a welding state of the welding wire of Example 4.
  • FIG. 7 is a view showing a weld bead formed using the welding wire of Example 4.
  • FIG. 8 is a view showing a cross section immediately after welding of the welding wire of Example 4.
  • FIG. FIG. 9 is a diagram showing the composition and melting point of the welding wire of Example 5 in comparison with the configuration.
  • FIG. 10 is a view showing a welding state of a conventional welding wire.
  • FIG. 11 is a view showing a weld bead formed using a conventional welding wire.
  • Fig. 12 is a diagram showing the behavior of the molten part at the tip of the welding wire at the time of globule transition caused by a conventional welding wire.
  • the melting point of the core can be lowered.
  • the melting of the outer peripheral portion of the welding wire is delayed, and the melting of the central portion of the welding wire is promoted.
  • the molten column generated at the arcing end of the welding wire is shortened.
  • Spray transfer is suppressed, arc wobble is eliminated, and the arc stabilizes.
  • the meandering phenomenon of the bead is eliminated and no short circuit occurs, preventing welding defects.
  • the melting point of the outer periphery of the welding wire can be lowered and the melting point of the center of the welding wire can be increased.
  • the melting of the center portion of the welding wire is delayed from the outer peripheral portion. For this reason, an unmelted core is formed at the center of the conventional molten column, and the occurrence of a mode in which the liquid column becomes unstable is suppressed, and unstable arcs are eliminated.
  • Such stabilization of the behavior of the melted part at the end of the welding wire can be similarly applied to the filler metal in arc welding and laser welding.
  • Control of droplet transfer and droplet shape is not limited to controlling the melting point distribution of the welding wire, but by controlling material properties and characteristics such as thermal conductivity, specific heat, electrical resistance, and density. It is possible.
  • the above effects obtained when the melting point is lowered toward the center of the welding wire are: thermal conductivity, specific heat, It can also be obtained by increasing the temperature toward the center of the welding wire during welding by either one of electrical resistance or density.
  • the above-mentioned effect obtained when the melting point is increased toward the center of the welding wire is that the temperature toward the center of the welding wire during welding is one of thermal conductivity, specific heat, electrical resistance, or density. It can also be obtained by lowering.
  • the control of the melting point distribution and the temperature distribution of the welding wire during welding are obtained by changing the composition of the welding wire. For example, materials having different compositions are arranged concentrically in the radial direction. This is illustrated.
  • the composition of the welding wire was designed to be different between the outer peripheral part and the central part, so that the melting point of the outer peripheral part was about 1500 and the melting point of the central part was about 1400. Specifically, mild steel was used for the outer periphery and Inconel was used for the center.
  • Figure 1 shows the composition of the welding wire and the composition versus melting point. Table 1 shows the composition of material A (mild steel) and material B (Inconel).
  • Figure 2 shows the welded state
  • the molten column at the tip of the welding wire does not extend as long as the spray transition shown in Fig. 10.
  • the droplets formed at the tip of the welding wire are stably detached from the tip.
  • the arc stays in the same position and is stable.
  • the weld bead is as shown in Fig. 3, and no meandering phenomenon was observed. Compared with the welding bead shown in Fig. 11, when the conventional welding wire is used, the penetration is unstable and the penetration shape is not symmetrical. On the other hand, in the weld bead shown in Fig. 3, the finger-like penetration is greatly relaxed. This also indicates that the molten column that had been elongated for a long time has been relaxed.
  • the oxygen concentration of the weld metal was 20 ppm, which was the same level as TIG welding.
  • the material was designed so that the difference in melting point between the center and the outer periphery of the welding wire was large. As shown in FIG. 4 and Table 2, the center portion was Hastelloy C (melting point: 1290 :), and the outer peripheral portion was SUS410 (with melting point: 1507).
  • the combination of the above materials allowed the Ms point of the weld metal after welding to be close to room temperature. Furthermore, by welding in high-purity Ar gas, the amount of oxygen in the weld metal was suppressed, and a welded joint with good toughness and ductility could be obtained.
  • the material was designed so that the melting point of the outer periphery of the welding wire was about 1400 and the melting point of the center was about 1550. Specifically, we made a prototype welding wire with the outer periphery of Inconel and the center of steel.
  • Fig. 6 The results of observation of the welding state are shown in Fig. 6. Although it is a spray-transfer type droplet transfer form with a long melt column, steel remains in the center of the droplet, so the droplet does not fluctuate. A door was formed. The penetration shape is symmetrical, and a finger-like penetration is formed at the center.
  • Fig. 8 shows the cross section of the welding wire after welding.
  • the globule transition occurs where droplets larger than the diameter of the welding wire occur, but steel remains in the center of the welding wire. Since steel remains in the center during welding, the droplets are stable without wobbling. Also, the formation of large droplets Is suppressed.
  • the drop detachment time was 1 Z 2 of the conventional welding wire, and the drop detachment was stabilized.
  • a low-alloy welding wire was prototyped. Its composition and composition are shown in Fig. 9 and Table 4.
  • a material design was made in which the melting point of the outer periphery was lowered by about 100 from the center. [0 0 4 1]

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Arc Welding In General (AREA)

Abstract

高純度不活性ガス雰囲気下に用いられる溶接ワイヤであって、融点分布が径方向に異なる、または、熱伝導度、比熱、電気抵抗または密度の少なくともいずれか一つにより溶接時の溶接ワイヤの内部に径方向に不均一な温度分布が形成されるようにし、溶融挙動が制御され、アークが純不活性ガス中において安定であり、高品質な継手を得る。

Description

溶接ワイヤ
【技術分野】
【 0 00 1】
本発明は、 溶接ワイヤに関する。
【背景技術】
【0 002】
T I G溶接 （非消耗電極式溶接） は、 A rや Heなどの不活性ガス雰 囲気中でタングステン電極を用いて行う溶接である。 T I G溶接では、 アークは安定しているため、高品質な溶接継手が得られる。 A 1、 T i、 高合金鋼などの溶接には、 酸化や溶接欠陥を抑えるために高純度不活性 ガス中で T I G溶接が行われる。
【0003】
しかし、 T I G溶接では、 タングステン電極の消耗を抑えるために電 流範囲が限られ、 また、 溶加材の低い溶融速度のために高能率溶接が難 しい。
【0 004】
これに対し、 消耗電極式溶接は、 大電流、 高ワイヤ溶融速度での溶接 が可能であり、 高能率な溶接を実現する （たとえば、特許文献 1参照）。
【特許文献 1】 特開 2004— 42 1 2 1号公報
【発明の開示】
【発明が解決しょうとする課題】
【 0 00 5】
その一方で、 消耗電極式溶接では、 従来、 不活性シールドガスに酸素 または co2などの酸化性ガスを混合するので、 溶接金属に酸素などが 入り、 溶接割れが生じ、 高品質な溶接継手が得られないことが多く、 低 合金高強度鋼や高合金鋼などの溶接は困難となっている。
【0 0 0 6】
消耗電極式溶接において、 T I G溶接なみの溶接金属性能を確保する ためには、 高純度不活性ガス中 （ 1 0 0 % A rガスまたは 1 0 0 % H e ガス） での溶接が必要である。 溶接金属の性能としては、 靱性、 延性な どが挙げられ、 一般的にその向上には溶接金属中の酸素量を下げること が有効である。
【0 0 0 7】
このように酸素や酸化性ガスを含まない高純度不活性ガス中で消耗 電極式溶接を行う場合、.大電流化すると、 溶接ワイヤのアーク発生端に 長く伸びた溶融柱が存在するスプレー移行と呼ばれる溶滴移行形態を 示すようになる。 スプレー移行になると、 アークおよび溶融柱が不安定 になり、 短絡が生じるなどしてブローホール発生の原因となることが多 い。
【0 0 0 8】
図 1 0は、 1 0 0 % A rガス雰囲気における溶接ワイヤの溶融端とァ ークを観察した図である。 長く伸びた溶融柱の不安定な挙動に連動して 極点やアークが前後左右に不安定に動いている。 その結果、 溶接トーチ がー直線上に動いても、 溶接ビードは、 図 1 1に示したように、 大きく 蛇行する。
【0 0 0 9】
一方、 小電流時にはグロビュール移行と呼ばれる溶滴移行形態となる。 このとき、 溶接ワイヤのアーク発生端に溶接ワイヤの径以上に成長した 大きな溶滴が形成され、 図 1 2に示したように、 溶接ワイヤ端で溶融部 がふらついたり、 溶滴の離脱が不安定であったり、 溶滴が溶融池へ移行 するときにスパッ夕が発生したりする。 これらの現象のために、 溶接欠 陥が生じ、 また、 溶接施工性が劣るなどの原因となることが多い。
【0 0 1 0】 本発明は、 このような事情に鑑みてなされたものであり、 溶融挙動が 制御され、 アークが純不活性ガス中において安定であり、 高品質な継手 を得ることのできる溶接ワイヤを提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【0 0 1 1】
本発明は、 上記の課題を解決するものとして、 第 1には、 高純度不活 性ガス雰囲気下に用いられる溶接ワイヤであって、 融点分布が径方向に 異なる、 または、 熱伝導度、 比熱、 電気抵抗または密度の少なくともい ずれか一つにより溶接時の溶接ワイヤの内部に径方向に不均一な温度 分布が形成されることを特徴としている。
【0 0 1 2】
本発明は、 第 2には、 上記第 1の特徵において、 中心部に向かうほど 融点が低くなる、 または、 中心部に向かうほど溶接時の温度が高くなる ことを特徴としている。
【0 0 1 3】
本発明は、 第 3には、 上記第 1の特徵において、 中心部に向かうほど 融点が高くなる、 または、 中心部に向かうほど溶接時の温度が低くなる ことを特徴としている。
【発明の効果】
【0 0 1 4】
第 1の発明によれば、 溶融挙動が制御され、 アークは純不活性ガス中 において安定となる。 短絡などによるスパッ夕、 溶接欠陥、 溶接ビード の蛇行、 溶接割れなどを防ぐことができ、 高品質な継手を得ることがで さる。
【0 0 1 5】
第 2の発明によれば、 溶融柱の長さを低減させ、 アークや溶融柱の不 安定な挙動を抑制することができる。
【0 0 1 6】 第 3の発明によれば、 溶接ワイヤ端の溶融部の不安定な挙動を抑制す ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0 0 1 7】
【図 1】 実施例 1の溶接ワイヤを、 その構成とともに、 組成と融点 を対比して示した図である。
【図 2】 実施例 1の溶接ワイヤの溶接状態を示した図である。
【図 3】 実施例 1の溶接ワイヤを用いて形成された溶接ビードを示 した図である。
【図 4】 実施例 2の溶接ワイヤを、 その構成とともに、 組成と融点 を対比して示した図である。
【図 5】 実施例 3の溶接ワイヤを、 その構成とともに、 組成と融点 を対比して示した図である。
【図 6】 実施例 4の溶接ワイヤの溶接状態を示した図である。
【図 7】 実施例 4の溶接ワイヤを用いて形成された溶接ビードを示 した図である。
【図 8】実施例 4の溶接ワイヤの溶接直後の断面を示した図である。 【図 9】 実施例 5の溶接ワイヤを、 その構成とともに、 組成と融点 を対比して示した図である。
【図 1 0】 従来の溶接ワイヤの溶接状態を示した図である。
【図 1 1】 従来の溶接ワイヤを用いて形成された溶接ビードを示し た図である。
【図 1 2】 従来の溶接ワイヤにより生じるグロビュール移行時にお ける溶接ワイヤ先端の溶融部の挙動を示した図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0 0 1 8】
高純度不活性ガス雰囲気中で長く伸びる溶融柱を防ぐための方策と して、 たとえば、 溶接ワイヤの外周部の融点を高くし、 溶接ワイヤの中 心部の融点を低くすることができる。 この場合、 溶接ワイヤの外周部の 溶融が遅れ、 溶接ワイヤの中心部の溶融が促進される。 その結果、 溶接 ワイヤのアーク発生端に生じる溶融柱は短くなる。 スプレー移行が抑え られ、 アークのふらつきがなくなり、 アークは安定化する。 ビードの蛇 行現象が解消され、 また、 短絡なども生じなくなり、 溶接欠陥が防止さ れる。
【0 0 1 9】
また、 長く伸びる溶融柱の不安定挙動を防ぐ方策として、 たとえば、 溶接ワイヤの外周部の融点を低くし、 溶接ワイヤの中心部の融点を高く することができる。 この場合、 溶接ワイヤの中心部の溶融が外周部より も遅れることになる。 このため、 従来の溶融柱の中心部に未溶融の芯が 形成され、 液柱が不安定となるモードの発生が抑制され、 不安定なァー クが解消される。
【0 0 2 0】
さらに、 小電流域におけるグロビュール移行時の溶接ワイヤ端の溶融 部の不安定な挙動を防ぐための方策として、 たとえば、 溶接ワイヤの外 周部の融点を低くし、中心部の融点を高くすることができる。この場合、 溶接ワイヤの先端部において中心部が突出し、 ここを芯として擬似的に スプレー移行を起こる。 溶滴の移行が安定化し、 溶滴の寸法が小さくな つて、 溶接ワイヤ端の溶融部の不安定な挙動が安定化する。
【0 0 2 1】
このような溶接ワイヤ端の溶融部の挙動安定化は、 アーク溶接ゃレ一 ザ溶接での溶加材についても同様に活用することができる。
【0 0 2 2】
なお、 溶滴移行および溶滴形状の制御は、 溶接ワイヤの融点分布を制 御することに限られず、 熱伝導度、 比熱、 電気抵抗、 密度などの材料物 性 ·特性を制御することによつても可能である。 溶接ワイヤを中心部に 向かって融点を低くする場合に得られる上記効果は、 熱伝導度、 比熱、 電気抵抗または密度のいずれか一つにより溶接時に溶接ワイヤの中心 部に向かって温度が高くなるようにすることによつても得られる。 また、 溶接ワイヤを中心部に向かって融点を高くする場合に得られる上記効 果は、 熱伝導度、 比熱、 電気抵抗または密度のいずれか一つにより溶接 時に溶接ワイヤの中心部に向かって温度が低くなるようにすることに よっても得られる。 より具体的には、 融点分布の制御および溶接時の溶 接ワイヤの温度分布の制御は、 溶接ワイヤの組成を変えることにより得 られ、 たとえば、 径方向に組成の異なる材料を同心円状に配置すること が例示される。
【実施例 1】
【0 0 2 3】
溶接ワイヤの組成が外周部と中心部で異なるように設計し、 外周部の 融点を約 1 5 0 0 、 中心部の融点を約 1 4 0 0でとなるようにした。 具体的には、 外周部に軟鋼を、 中心部にインコネルを用いた。 図 1は、 溶接ワイヤの構成とともに、 組成と融点を対比して示した図である。 表 1は、材料 A (軟鋼）および材料 B (ィンコネル) の組成を示している。
[ 0 0 2 4】
【表 1】
Figure imgf000008_0001
【0 0 2 5】
溶接状態を図 2に示す。
【0 0 2 6】
溶接ワイヤの先端の溶融柱は、 図 1 0に示したスプレー移行のように は長く伸びない。 また、 溶接ワイヤの先端で形成される溶滴は安定に先 端から離脱している。 さらに、 アークは、 ほぼ同じ位置にとどまつてい て安定している。 溶接ワイヤの組成を径方向に変化させることによるァ —クの安定化という効果が大きいことが分かる。
【 0 0 2 7】
溶接ビードは、 図 3に示したとおりであり、 蛇行現象は全く認められ なかった。 図 1 1に示した溶接ビ一ドと比較すると、 従来の溶接ワイヤ を用いた場合には、 溶込みが不安定であり、 溶込み形状が左右対称とな つていない。 これに対し、 図 3に示した溶接ビ一ドでは、 フィンガー状 の溶込みが大きく緩和されている。 このことからも、 従来長く伸びてい た溶融柱が緩和されたことが分かる。
【0 0 2 8】
なお、 溶接金属の酸素濃度は、 2 0 p p mであり、 T I G溶接と同レ ベルであった。
【実施例 2】
【0 0 2 9】
溶接ワイヤの中心部と外周部で融点差が大きくなるように材料を設 計した。 図 4および表 2に示したように、 中心部をハステロィ C (融点 1 2 9 0 ：)、 外周部を S U S 4 1 0 (融点 1 5 0 7で） とした。
【0 0 3 0】
【表 2】
Figure imgf000009_0001
【0 0 3 1】
長く伸びていた溶融柱を緩和することができた。 また、 上記材料の組 合せにより、 溶接後の溶接金属の M s点を室温付近にすることができた。 さらに、 高純度 A rガス中で溶接を行うことにより、 溶接金属中の酸素 量が抑えられ、 靱性、 延性の良好な溶接継手を得ることができた。
【実施例 3】
【 0 0 3 2】 低合金組成の溶接ワイヤでも溶融制御は可能である。 図 5および表 3 に示したように、 溶接ワイヤの外周部を軟鋼 （融点 1 5 2 0 ） とし、 中心部の融点を外周部の融点よりも約 1 0 0で低くなるように材料設 計した。
【0 0 3 3】
【表 3】
Figure imgf000010_0001
【0 0 3 4】
長く伸びていた溶融柱を緩和することができた。
【実施例 4】
【 0 0 3 5】
溶接ワイヤの外周部の融点が約 1 4 0 0 、 中心部の融点が約 1 5 0 ο となるように材料設計した。 具体的には、 外周部をインコネル、 中 心部を鋼とした溶接ワイヤを試作した。
【 0 0 3 6】
溶接状態を観察した結果を図 6に示した。 溶融柱が長く伸びたスプレ 一移行状の溶滴移行形態ではあるが、 溶滴の中心部に鋼が残っているの で、 溶滴はふらつくことなく、 図 7に示したような安定なビ一ドが形成 された。 溶込み形状が左右対称となり、 フィンガー状の溶込みが中心部 に形成されている。
【 0 0 3 7】
溶接終了後の溶接ワイヤの断面を図 8に示した。 小電流域の M A G溶 接では溶接ワイヤ径以上の溶滴が生じるグロビュール移行となるが、 溶 接ワイヤの中心部に鋼が残っている。 溶接中もこのように鋼が中心部に 残るので、 溶滴はふらつくことなく安定する。 また、 大きな溶滴の形成 が抑えられる。 しかも、 溶滴の離脱時間は、 従来の溶接ワイヤの 1 Z 2 であり、 溶滴離脱が安定化した。
【実施例 5】
【0 0 3 8】
低合金系の溶接ワイヤを試作した。その構成および組成を図 9および 表 4に示した。
【0 0 3 9】
【表 4】
Figure imgf000011_0001
【0 0 4 0】
外周部の融点を中心部より約 1 0 0 下げた材料設計を行った。 【0 0 4 1】
グロビュール移行での溶滴の大きさを抑えた溶接が可能となった。

Claims

請求の範囲
【請求項 1】
高純度不活性ガス雰囲気下に用いられる溶接ワイヤであって、 融点分 布が径方向に異なる、 または、 熱伝導度、 比熱、 電気抵抗または密度の 少なくともいずれか一つにより溶接時の溶接ワイヤの内部に径方向に 不均一な温度分布が形成されることを特徴とする溶接ワイヤ。
【請求項 2】
中心部に向かうほど融点が低くなる、 または、 中心部に向かうほど溶 接時の温度が高くなる請求項 1記載の溶接ワイヤ。
【請求項 3】
中心部に向かうほど融点が高くなる、 または、 中心部に向かうほど溶 接時の温度が低くなる請求項 1記載の溶接ワイヤ。
PCT/JP2006/301597 2005-01-27 2006-01-25 溶接ワイヤ Ceased WO2006080537A1 (ja)

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JP2005-020309 2005-01-27
JP2005020309A JP4894145B2 (ja) 2005-01-27 2005-01-27 高純度不活性ガス雰囲気下で用いられる消耗電極式溶接用ワイヤを用いた溶接方法

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