(57)【要約】【課題】本発明は、チタンおよびチタン合金のＭＩＧアーク溶接において、最も安価なアルゴンをシールドガスとして用い、しかもワンダリング現象を抑制でき、平滑で良好な溶接ビードを得るための溶接ワイヤおよびその製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】曲げ剛性比が１．０未満、好ましくは、０．５以上１．０未満であるチタン又はチタン合金のＭＩＧ溶接用ワイヤである。但し、曲げ剛性比は、表面皮膜を有しないチタンワイヤの撓み量ａ（ｍｍ）に対する表面皮膜を有するチタンワイヤの撓み量ｂ（ｍｍ）の比ｂ／ａである。この、表面皮膜は、好ましくはチタン化合物の皮膜であり、また好ましくは、チタン酸化物の皮膜である。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
曲げ剛性比が１．０未満であることを特徴とするチタン又はチタン合金のＭＩＧ溶接用ワイヤ。
ここで、曲げ剛性比は、表面皮膜を有しないチタンワイヤの撓み量ａ（ｍｍ）に対する表面皮膜を有するチタンワイヤの撓み量ｂ（ｍｍ）の比ｂ／ａである。
【請求項２】
前記曲げ剛性比が０．５以上１．０未満であることを特徴とする請求項１に記載のチタン又はチタン合金のＭＩＧ溶接用ワイヤ。
【請求項３】
チタンワイヤの表面にチタン化合物の皮膜を有することを特徴とする請求項１または２に記載のチタンおよびチタン合金のＭＩＧ溶接用ワイヤ。
【請求項４】
前記のチタン化合物の皮膜が、０．１〜１０μｍの厚さであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のチタンおよびチタン合金のＭＩＧ溶接用ワイヤ。
【請求項５】
前記チタン化合物が酸化チタンであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のチタンおよびチタン合金のＭＩＧ溶接用ワイヤ。
【請求項６】
チタンワイヤを大気中で加熱酸化することを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のチタンおよびチタン合金のＭＩＧ溶接用ワイヤの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、不活性ガスをシールドガスとしてチタンまたはチタン合金をＭＩＧ溶接（Ｍｅｔａｌ　Ｉｎｅｒｔ　Ｇａｓ　Ａｒｃ　Ｗｅｌｄｉｎｇ）する際の溶接ワイヤ及びその製造方法に関し、特に、シールドガスとしてアルゴンガスを使用してＭＩＧ溶接するためのチタンおよびチタン合金のアーク溶接用ワイヤおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
チタンおよびチタン合金は、軽量で耐食性に優れ、かつ高温での特性が良好であり、比重に対する強度が大きいので、軽量で強度を要求する航空機、船舶、車両等の材料として、また、耐食性を必要とする化学プラント機器用の材料として、用途が拡大しており、近年注目されている材料の一つである。
【０００３】
そして、チタンおよびチタン合金材料は、溶接、多くはアーク溶接、によって構造体とされ、これらの用途に供されるがほとんどである。
【０００４】
ところで、チタンは高温において酸素、窒素、水素等に対して極めて活性な金属であり、アーク溶接時にこれらの元素と反応すると、アーク溶接部が硬化し、靭性が低下する。チタンおよびチタン合金のアーク溶接方法として、従来から不活性ガスで溶融池および高温の溶接ビードを大気からシールドしたＴＩＧアーク溶接方法またはＭＩＧアーク溶接方法がある。これら従来の溶接方法においては、シールドガスとして、通常、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスが使用されている。
【０００５】
フィラーワイヤを送給し、非消耗電極を用いるＴＩＧアーク溶接方法と消耗電極を用いるＭＩＧアーク溶接方法とでは、溶接金属の溶着効率が著しく異なり、ＭＩＧアーク溶接方法の方が生産性ははるかに高い。しかしながら、消耗電極アーク溶接方法であるＭＩＧアーク溶接では、アルゴンをシールドガスとして用いたときにアークが不安定となり、溶接ビードが蛇行するいわゆるワンダリング現象が発生し、円滑な溶接ビードを得ることが困難であった。
【０００６】
このワンダリング現象を解消するために、ＭＩＧアーク溶接においては、ヘリウムがシールドガスとして用いられてきた。すなわち、ヘリウムは、電離電圧が２４．５ｅＶとアルゴンの１５．７ｅＶに比べて高いため、シールドガスとしてアルゴンを用いる場合と同じアーク電圧でも、アーク長が短くなり、ワンダリング現象を抑制することができる。しかしながら、日本においては、ヘリウムの価格は、アルゴンの価格の２倍を超えており、アーク溶接のランニングコストを押し上げていた。
【０００７】
また、ワンダリング現象を解消する他の方法として、ＭＩＧアーク溶接において、アルゴンに２％程度の酸素を混合した混合ガスがシールドガスとして使用されてきた。酸素を混合することにより、溶接アークを安定させる効果を得ることができる。しかし、酸素の混合は、溶接金属の機械的特性を著しく損なうという問題があった。しかも、混合ガスの価格はアルゴンの３倍を超えるものであり、この方法もアーク溶接のランニングコストを押し上げるものであった。チタンおよびチタン合金のＭＩＧアーク溶接方法においては、溶接ワイヤがプラス、被溶接物がマイナスの逆極性の電源配置を採る。従って、被溶接物であるチタンおよびチタン合金は、常温においても容易に酸化され、表面に酸化チタンの皮膜が存在する。
【０００８】
酸化チタンの仕事関数は、チタンの仕事関数よりはるかに低い。従ってマイナスとなる被溶接物のチタンおよびチタン合金の表面には、溶接ワイヤの狙い位置とは異なるあらゆる場所に、電子が放出される陰極点が形成されやすく、これがワンダリング現象の一因となっていると考えられる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題点に鑑み、チタンおよびチタン合金のＭＩＧアーク溶接において、最も安価なアルゴンをシールドガスとして用い、しかもワンダリング現象を抑制でき、平滑で良好な溶接ビードを得るための溶接ワイヤおよびその製造方法を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、その要旨とするところは以下のとおりである。
（１）曲げ剛性比が１．０未満であることを特徴とするチタン又はチタン合金のＭＩＧ溶接用ワイヤ。
【００１１】
ここで、曲げ剛性比は、表面皮膜を有しないチタンワイヤの撓み量ａ（ｍｍ）に対する表面皮膜を有するチタンワイヤの撓み量ｂ（ｍｍ）の比ｂ／ａである。
（２）前記曲げ剛性比が０．５以上１．０未満であることを特徴とする（１）項に記載のチタン又はチタン合金のＭＩＧ溶接用ワイヤ。
（３）チタンワイヤの表面にチタン化合物の皮膜を有することを特徴とする（１）項または（２）項に記載のチタンおよびチタン合金のＭＩＧ溶接用ワイヤ。
（４）前記のチタン化合物の皮膜が、０．１〜１０μｍの厚さであることを特徴とする（１）〜（３）項の何れか１項に記載のチタンおよびチタン合金のＭＩＧ溶接用ワイヤ。
（５）前記チタン化合物が酸化チタンであることを特徴とする（１）〜（４）項のいずれか１項に記載のチタンおよびチタン合金のＭＩＧ溶接用ワイヤ。
（６）チタンワイヤを大気中で加熱酸化することを特徴とする（１）〜（５）項のいずれか１項に記載のチタンおよびチタン合金のＭＩＧ溶接用ワイヤの製造方法。
【００１２】
【発明の実施の形態】
発明者らは、チタンワイヤを使用し、アルゴンをシールドガスとしたＭＩＧ溶接において、ワンダリングを抑制するための検討を重ねた。ワンダリングの一因とも考えられる被溶接物表面の酸化物の形成を抑制することは、被溶接物の表面状態を精緻に制御する必要があり、被溶接物の表面処理、溶接環境の制御などのために設備と費用を要し現実的ではない。このためさらに別の観点から検討を重ねたところ、チタンワイヤを用いてＭＩＧ溶接した場合、ワイヤの送給が円滑に行われず、間欠的な送給となっていることが多く、そのような場合にはワンダリングが発生し、美麗な溶接ビードが得られていないことが判った。すなわち、ワイヤの送給を安定させることがワンダリングを抑制する上で重要であることを知見した。チタンワイヤは、鉄鋼材料やステンレス鋼材などのＭＩＧ溶接において使用される鋼ワイヤ、ステンレス鋼ワイヤなどに比べるとワイヤの剛性が低いため溶接時においてワイヤを送給する際に座屈しやすく、ワイヤが円滑な送給とならず間欠的な送給となり、アルゴンのように解離電圧が低いガスをシールドガスとして使用した場合は、アーク長さ、或いは幅が安定せず、ワンダリングの原因となっていると考えられる。
【００１３】
このため、本発明者らは、溶接ワイヤの送給性を安定化させるためにワイヤの剛性を向上させることを検討した。表１に示すような組成を有する直径が１．６ｍｍのチタンワイヤを、大気中で加熱したところ、ワイヤの剛性が高くなることが判った。そしてこのとき、ワイヤの表面にはチタン酸化物の皮膜が形成されていることがわかった。そこで、加熱時間、加熱温度を変えて加熱処理を行ない、曲げ剛性比の異なるワイヤを得た。このワイヤを用い、アルゴンをシールドガスとして、厚さ１０ｍｍのチタン板をＭＩＧ溶接し、ワイヤの曲げ剛性比と、ワンダリングの発生状況としての溶接ビード性状の観察結果との関係を調査した。
【００１４】
【表１】
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【００１５】
なお、本発明において、ワイヤの曲げ剛性比は、以下のように定義する。すなわち、図２に示すように、長さ１５０ｍｍのチタンワイヤ１の一端を４０ｍｍの長さに亘って固定部材２の間に挟んで固定し、固定端３から１００ｍｍの位置に、重さ２００ｇの錘４を吊るし、固定端から１１０ｍｍの位置にあるチタンワイヤの先端５が水平位置からの降下した距離を測定してワイヤの撓み量とした。そして、表面皮膜を有しないチタンワイヤの撓み量ａ（ｍｍ）に対する皮膜を形成したチタンワイヤの撓み量ｂ（ｍｍ）の比、ｂ／ａ、をワイヤの曲げ剛性比とする。
【００１６】
溶接条件は、溶接電流２７５Ａ、アーク電圧２８Ｖ、溶接速度３０ｃｍ／ｍｉｎとし、アルゴンをシールドガスとし、メインシールドガス３０ｌ／ｍｉｎ、バックシールドガス１００ｌ／ｍｉｎとした。
【００１７】
また、ワンダリングの発生状況は、溶接ビード性状の観察結果によって評価した。すなわち、溶接ビードの蛇行幅、ビードの外観の二つの点からビード性状を評点化した。すなわち、
評点１：蛇行：幅大、ビードの外観：凹凸・不均一、
評点２：蛇行：幅大、ビードの外観：平滑・不均、
評点３：蛇行：幅小、ビードの外観：凹凸・不均一。
【００１８】
評点４：蛇行：幅小、ビードの外観：平滑・均一、
評点５：蛇行：幅極めて小：ビードの外観：極めて平滑・均一、とした。
【００１９】
その結果を図１に示す。図１に示すように、曲げ剛性比が大きくなると溶接ビードの性状は良好であり、ワンダリングの発生が減少していることが判る。
【００２０】
すなわち、この曲げ剛性比は、１．０未満であればワンダリングの発生を抑制する効果が認められる。なお、曲げ剛性比が０．５より小さいと、ワイヤの曲げ剛性が大きくなりすぎ、送給装置自体の剛性を上げる必要が生じる。従って曲げ剛性比は０．５以上１．０未満とするのが好ましい。
【００２１】
図１から判るように、曲げ剛性比の小さい、言い換えると、ワイヤの剛性が高くなっているものは、皮膜が形成されており、この皮膜の形成が剛性を高くする上で極めて有効であることが判る。このことから、次に、発明者らは、ワイヤの曲げ剛性を向上させる方法として、ワイヤ表面に皮膜を形成することを検討した結果、チタンワイヤの表面に、チタン化合物の皮膜を形成することによって、ワイヤの曲げ剛性を向上させることが出来ることが判った。皮膜は、これを形成することによってチタンワイヤの曲げ剛性比を１．０未満とすることが出来るものであれば、如何なる種類のものであってもよいのであるが、皮膜による溶接金属への影響を抑制することができ、また、後述するように、皮膜を形成する際においても有利であるチタン化合物の皮膜とすることが好ましい。
【００２２】
皮膜の厚さは、上述のように、曲げ剛性比が１．０未満、好ましくは、０．５以上１．０未満となるように決めればよいが、ワイヤ径、チタン化合物の性状などを勘案して決めることが好ましい。
【００２３】
通常使用されている直径が１．０〜２．０ｍｍのチタンワイヤの場合、チタン化合物皮膜の厚さは、０．０１〜１０μｍであることが好ましい。これは、皮膜の厚さが０．０１μｍ未満では、十分な曲げ剛性の向上効果を得ることが難しく、一方、１０μｍを超えると剛性が大きくなりすぎて、溶接時のワイヤの取り扱い、溶接装置への装入に配慮が必要となるためである。
【００２４】
チタン化合物としては、チタン酸化物、チタン窒化物、チタン炭化物、チタンホウ化物などがあるが、これらのチタン化合物は、皮膜としてチタンワイヤ表面に形成することによって、ワイヤの曲げ剛性比が小さくなり、これらの皮膜を形成したワイヤをアルゴンシールドガス中でＭＩＧ溶接した場合には、ワンダリングが抑制され、良好な溶接ビードが得られる。
【００２５】
さらに、これらのチタン化合物の中で、チタン酸化物の皮膜では、他のチタン化合物の皮膜と同様、曲げ剛性比を小さくするという効果のほかに、アークの安定性が向上するという効果があり、より良好な溶接ビードが得られる。このため、チタン化合物の皮膜は、チタン酸化物とすることが好ましい。
【００２６】
このチタン酸化物皮膜によるアークの安定性の向上効果については、以下のように考えられる。すなわち、皮膜のないワイヤの場合は、ワイヤの先端部分以外のリード部からもアークが発生し、アークが広がって安定性が悪くなっていたが、チタン酸化物の皮膜形成されるとこれが絶縁体として作用するため、ワイヤ先端部分以外からのアークの発生が抑制され、アークの硬直性が向上するためである。チタン酸化物としては、ＴｉＯ、ＴｉＯ２、等の形態があるが、これらは何れの形態でも同様の効果があり、単独あるいは混合したものでもよい。
【００２７】
また、チタン酸化物の皮膜は、上述のように、ワイヤの曲げ剛性比を１．０未満、好ましくは、０．５以上１．０未満とする厚さがあればよく、ワイヤの径、溶接条件などを勘案して適宜選択することができるが、通常の使用されるチタンワイヤの径の場合は、皮膜の厚さは、０．０１〜１０μｍとするのが好ましい。
【００２８】
チタンワイヤの表面に、チタン化合物の皮膜を形成する方法は、表面処理の公知の方法を採用できる。例えば、チタンの酸化物、窒化物、炭化物、ホウ化物などのチタン化合物の粉末を溶射、塗布することにより、外部からこれらの化合物を付与して皮膜としてもよいし、あるいは、チタンワイヤに適切な処理、例えば、酸化処理、浸炭処理、窒化処理、ホウ化処理などの公知の方法で各処理を施すことにより、これらの化合物を表面に生成させて皮膜としてもよい。
【００２９】
皮膜の厚さ制御、皮膜の密着性、形成のためのコスト等の観点においては、後者の方法によるのが好ましい。
【００３０】
これらの各処理は、形成すべき皮膜の種類、皮膜厚さに応じて処理条件、例えば、温度、雰囲気、処理時間、事前、及び事後処理など、を適宜選択すべきことは言うもでもない。
【００３１】
例えば、チタン酸化物の場合は、上述のように、チタンワイヤを大気中で加熱することによって、表面にチタン酸化物の皮膜を容易に形成することができ、生成するチタン酸化物の形態、皮膜の厚さなどは、温度と時間によって制御することができる。例えば、加熱酸化によりチタン酸化物の皮膜を形成させる場合、大気雰囲気下で４５０℃で７２時間加熱した場合は、生じたチタン酸化物はＴｉＯｎで、厚さは約４μｍである。また、７００℃で３時間加熱した場合に生じたチタン酸化物は、ＴｉＯ２で、厚さは約４μｍであった。大気中での酸化による形成方法は、雰囲気調整などが不要であることから、コスト的にも極めて有利である。
【００３２】
このほか、ホウサンアンモニウムス溶液中でチタンワイヤを陽極とし電解するいわゆる陽極酸化法によってチタン酸化物の皮膜を形成することも可能である。このようにして、チタン酸化物の形態、皮膜の厚さを所要に応じて制御し、所要のワイヤの曲げ剛性比となるようにすることができる。
【００３３】
発明者らは、一例として表１に示す組成の純チタンのワイヤ（ワイヤ直径　１．６ｍｍ）を加熱炉に装入し、大気雰囲気下、加熱温度を５００℃および６００℃とし、加熱時間を変えてワイヤの表面にチタン酸化物の皮膜を形成させ、この皮膜を形成したワイヤの曲げ剛性比を図２に示した方法で、また、皮膜の厚さを断面研磨後、光学顕微鏡によって確認した。その結果を表２に示す。表２から判るように、加熱酸化処理により、酸化皮膜が形成され、曲げ剛性比が小さくなっている、すなわちワイヤの剛性が、皮膜を形成しないものに比べて、高くなっていることが判る。
【００３４】
なお、本発明で使用するチタンワイヤは、純チタンに限らず、Ｔｉ−Ａｌ−Ｖのようなチタン合金のワイヤでも同様の効果をうることができる。
【００３５】
【表２】
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【００３６】
【実施例】
表１に示した組成を有する径の異なる２種類のチタンワイヤを、加熱炉に装入し、大気雰囲気下、加熱温度を７００℃とし、加熱時間を変えてワイヤの表面にチタン酸化物の皮膜を形成させ、曲げ剛性比の異なるワイヤを作成した。
【００３７】
このワイヤを用い、シールドガスとしてアルゴンを使用して、厚さ１０ｍｍのチタンの板をＭＩＧ溶接し、溶接ビードの性状を確認した。その結果を表３に示す。溶接ビードの欄に、良好とあるのは、ワンダリングもなく平滑で美麗な表面性状であり、不良とあるのは、ワンダリングが発生し、凹凸、蛇行の激しい表面性状であることを示している。表３から判るように、本発明のワイヤは、加熱酸化処理により、酸化皮膜が形成され、曲げ剛性比が小さく、すなわち、ワイヤの剛性が皮膜を形成しないものに比べて高く、なっている。そして、本発明のワイヤを使用した場合は、アルゴンをシールドガスとしているにもかかわらず、極めて良好な溶接したビードが得られていることが判る。これに対して、比較例として示した、皮膜の形成がなく、剛性の小さい、言い換えれば、剛性比が１．０以上のものは、アルゴンをシールドガスとした場合は、ワンダリングが発生し、良好な溶接ビードが得られないことが判る。
【００３８】
【表３】
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【００３９】
【発明の効果】
本発明により、チタンおよびチタン合金のＭＩＧアーク溶接において、最も安価なアルゴンをシールドガスとして用い、しかもワンダリング現象を抑制でき、平滑で良好な溶接ビードを得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】チタンワイヤの曲げ剛性比と溶接ビードの性状との関係を示す図である。
【図２】本発明におけるワイヤの曲げ剛性比を求めるための方法を説明する図である。
【符号の説明】
１…チタンワイヤ
２…固定部材
３…固定端
４…錘
５…チタンワイヤの先端
【図１】
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【図２】
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