(57)【要約】  【課題】  薄鋼板の重ね継手部の横向姿勢におけるガスシールドアーク溶接において、鋼板の隙間が大きい場合でも溶接時に溶け落ちを発生することなく、ビード幅の広い良好な溶接ビードを得る。  【解決手段】  Ｓｉ含有量が０．１質量％以下で厚さ２．０〜４．５ｍｍの薄鋼板の横向重ね継手部を１．２ｍ／ｍｉｎ以上の溶接速度でガスシールドアーク溶接する方法において、Ｃ：０．０２〜０．１０％、Ｓｉ：０．５〜１．０％、Ｍｎ：１．０〜１．６％を含有するソリッドワイヤを用いて、ワイヤ送給速度１１ｍ／ｍｉｎ以上、パルスピーク電流Ｉｐ：４４０〜５２０Ａ、パルスベース電流Ｉｂ：３０〜８０Ａで、かつパルスピーク電流Ｉｐとパルスピーク時間Ｔｐが下記（１）式を満足するパルスを付加して溶接する。      ４１５≦Ｉｐ（Ａ）×Ｔｐ（ｍｓｅｃ） ≦ ７８０        ・・・・（１）【選択図】    図１
2007301623.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ含有量が０．１質量％以下で厚さ２．０〜４．５ｍｍの薄鋼板の横向重ね継手部を１．２ｍ／ｍｉｎ以上の溶接速度でガスシールドアーク溶接する方法において、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１０％、Ｓｉ：０．５〜１．０％、Ｍｎ：１．０〜１．６％を含有し、残部はＦｅおよび不可避不純物よりなるソリッドワイヤを用いて、ワイヤ送給速度：１１ｍ／ｍｉｎ以上、パルスピーク電流Ｉｐ：４４０〜５２０Ａ、パルスベース電流Ｉｂ：３０〜８０Ａで、かつパルスピーク電流Ｉｐとパルスピーク時間Ｔｐが下記（１）式を満足するパルスを付加して溶接することを特徴とする薄鋼板の横向重ね継手の高速ガスシールドアーク溶接方法。
４１５≦Ｉｐ（Ａ）×Ｔｐ（ｍｓｅｃ） ≦ ７８０        ・・・・（１）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄鋼板の横向重ね継手の高速ガスシールドアーク溶接方法に関し、更に詳しくは、板厚が２．０〜４．５ｍｍの薄鋼板の横向重ね継手部を高速度、高電流の条件の消耗電極式パルスガスシールドアーク溶接（以下、パルスＭＡＧ溶接という）においても溶接金属の溶け落ちがなく、かつ溶接部の開先間隙（以下、ギャップという）が大きい場合でも良好な溶接ビードが得られる薄鋼板の横向重ね継手の高速ガスシールドアーク溶接方法に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
ソリッドワイヤを用いたガスシールドアーク溶接方法は高能率であり、機械的性能の良好な溶接金属と良好なビード外観が得られることから薄板の溶接に広く適用されている。また、スパッタ発生量の低減および高速溶接性確保の面からＡｒガスにＣＯ２を混合、更にはＯ２ガスを混合させたシールドガスを使用したパルスＭＡＧ溶接方法が近年増加している。これらの溶接は生産性の向上から高速度で高電流の溶接条件で施工され、良好な溶接ビードを形成し健全な溶接継手を作製している。
【０００３】
パルスＭＡＧ溶接とは、平均溶接電流より高電流となるピーク電流と平均電流より低電流としたベース電流を数十Ｈｚないし３００Ｈｚの周波数で周期的に付加し、ピーク電流期間でワイヤを溶融しベース電流期間で溶滴を溶融池に移行させることにより、平均のアーク電圧が低い場合でも溶滴が溶融池と短絡することなく溶滴を移行させる溶接方法である。このように、パルス電源の適用は、パルスＭＡＧ溶接において、ピーク電流、ピーク電圧、ピーク時間などを制御してワイヤの溶融エネルギーを適正にし、１回のパルスピーク電流時に１個の溶滴を生成しベース電流期間に溶滴を移行する１パルス−１ドロップ移行となるパルス条件にすることにより、溶滴はスムーズに溶融池に移行しスパッタ発生量が低減される。
【０００４】
一方、ピーク電流、ピーク電圧、ピーク時間などのワイヤを溶融するエネルギーが不均衡になると溶滴移行時期がベース電流期間およびピーク電流期間に不連続に発生することになり、溶滴移行はスムーズに行われることがなくスパッタとして飛散することになる。また、特に高速度の溶接においてはアンダーカットが発生し易く、これを抑制する手段としてアーク電圧を低下した条件を採用することが一般的であるが、アークの広がりが小さくなることによりビード幅も狭くなり、ビード幅の広い良好な継手の形成が困難となる。
【０００５】
また、薄板構造物の溶接部材に適用される薄板鋼材は、Ｓｉ含有量が０．１％以下の成分系が多いが、低Ｓｉの鋼板をＭＡＧ溶接するとアーク力により鋼板が溶け落ち易く溶融池を形成し難くなる。近年では生産性向上や構造物の煩雑さから横向姿勢による溶接も多くなっているが、低Ｓｉ鋼板の横向姿勢の溶接では溶融池の形成がさらにでき難く、溶融金属が垂れてビード形成が難くなる。
【０００６】
図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ），（ｄ）に薄鋼板の重ね継手部の横向姿勢においてギャップがある場合のビード形成状態の例を示す。図中１は前板、２は後板、３は溶接金属、７はギャップである。図４（ａ）は、ビード幅Ｗが広く、溶け落ちやビードの垂れがなく良好なビード外観の溶接金属３が得られた例を示す。図４（ｂ）はアンダーカット８が生じた例、図４（ｃ）は溶融金属が前板１側に垂れた例、図４（ｄ）は溶融金属が前板１と後板２の間のギャップ７内に垂れ落ちた例を示す。このように、重ね継手部のギャップが大きい場合は溶融金属が垂れ易くなり、良好な溶接ビード形成が得難いという問題があった。
【０００７】
従来、薄鋼板の溶接方法として、例えば特開昭５６−８０３７７号公報（特許文献１）には、第１段階の溶接として、溶接ワイヤが母材と短絡して赤熱、溶断、短時間のスタッビング状態のアーク発生を繰り返す溶接条件によって一定時間溶接を行ってギャップを埋めた後、第２段階の溶接として安定な定常アークによる溶接を行なうことにより、１ｍｍ以下の板厚の溶接において、溶接部にギャップがある場合でも安定してギャップを埋めながら溶接することのできる薄板溶接法が提案されている。しかし、この溶接方法ではスタッビング状態で溶接を行なう際にスパッタが多量に発生することや、高速溶接に向かないなど能率面で実用的ではなかった。
【０００８】
特開２００１−３２１９８５号公報（特許文献２）には、溶接部材のギャップが大きくても架橋性に優れ、耐割れ性に優れたガスシールドアーク溶接用ワイヤおよびパルスＭＡＧ溶接方法が提案されている。しかし、この溶接方法では横向重ね継手の溶接に適用した場合、溶融金属が垂れて適用は困難である。
【０００９】
また、特開平８−２４３７４９号公報（特許文献３）には、板厚１．２〜１．６ｍｍの薄鋼板に対し、所定の化学成分のワイヤを使用し、Ａｒに３〜７体積％のＯ２を混合したシールドガスによるパルスＭＡＧ溶接で、溶け落ちを防止し高能率な溶接を可能とする溶接方法が開示されている。しかし、この方法はシールドガス成分を限定することにより、比較的板厚の薄い鋼板においても高能率なガスシールドアーク溶接を可能とするものであるが、横向姿勢における薄鋼板の重ね継手部の特に隙間が大きい場合においては、溶接金属が垂れて適用が困難である。
【００１０】
さらに、特開平９−２０６９８４号公報（特許文献４）には、ガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤを用いる薄鋼板でのパルスＭＡＧ溶接において、耐ギャップ性を確保する溶接方法が開示されている。しかし、横向姿勢における薄鋼板の重ね継手の高速度、高電流条件の溶接への適用は困難であり、溶融金属の耐垂れ性と広幅ビードを確保できない。
【００１１】
上記のように、薄鋼板の溶接における溶け落ち防止の手段、各種ワイヤ組成、シールドガス組成など種々の検討がなされてきたが、Ｓｉ量の低い薄鋼板の横向重ね継手溶接における高速・高電流での溶融金属の耐垂れ性、広幅ビード確保および耐ギャップ性を改善するには至っていない。
【特許文献１】特開昭５６−８０３７７号公報
【特許文献２】特開２００１−３２１９８５号公報
【特許文献３】特開平８−２４３７４９号公報
【特許文献４】特開平９−２０６９８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、薄鋼板の重ね継手部の横向姿勢におけるガスシールドアーク溶接において、高速度、高電流で適正なパルス条件を付加して、ギャップが大きい場合でも溶接時に溶け落ちを発生することなく、ビード幅の広い良好な溶接ビードが得られる溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の要旨は、Ｓｉ含有量が０．１質量％以下で厚さ２．０〜４．５ｍｍの薄鋼板の横向重ね継手部を１．２ｍ／ｍｉｎ以上の溶接速度でガスシールドアーク溶接する方法において、質量％で、Ｃ：０．０２〜０．１０％、Ｓｉ：０．５〜１．０％、Ｍｎ：１．０〜１．６％を含有し、残部はＦｅおよび不可避不純物よりなるソリッドワイヤを用いて、ワイヤ送給速度：１１ｍ／ｍｉｎ以上、パルスピーク電流Ｉｐ：４４０〜５２０Ａ、パルスベース電流Ｉｂ：３０〜８０Ａで、かつパルスピーク電流Ｉｐとパルスピーク時間Ｔｐが下記（１）式を満足するパルスを付加して溶接することを特徴とする薄鋼板の横向重ね継手の高速ガスシールドアーク溶接方法にある。
４１５≦Ｉｐ（Ａ）×Ｔｐ（ｍｓｅｃ） ≦ ７８０        ・・・・（１）
【発明の効果】
【００１４】
本発明の薄鋼板の横向重ね継手の高速ガスシールドアーク溶接方法によれば、Ｓｉ量の低い鋼板の横向重ね継手溶接の高速パルスＭＡＧ溶接においても、溶接部の溶け落ちや垂れの発生がなく、かつ溶接部のギャップが大きい場合でも良好な広幅な溶接ビードが高能率に得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明者らは、上記の問題点を解決するために、Ｓｉ含有量が０．１質量％以下で板厚２．０〜４．５ｍｍの薄鋼板を重ね継手とし、各種成分のソリッドワイヤを用いて、横向姿勢で各種パルス条件で１．２ｍ／ｍｉｎ以上の高速度の溶接を行い、溶融金属の垂れ性と耐ギャップ性につき詳細に調査した結果、次の知見を得た。
（１）ワイヤ組成は、Ｃ、ＳｉおよびＭｎ量の調整によって、アークの安定性、ワイヤ溶融量の増加、溶融金属の粘性および表面張力の増加を図り、スパッタ発生量減および広幅で外観の良好なビードが得られる。
（２）パルス条件が１パルス−１ドロップの溶滴移行となる領域では、幅広のビードが得られない。ビード幅を広くするために溶接電圧を高くすると、ビードが垂れてビード外観不良となる。
（３）パルス条件はｎパルス−１ドロップの溶滴移行となる領域により、溶接電圧が高い場合でも短絡がピーク時にも生じて溶融金属の垂れが大幅に減少する。
以下、本発明におけるワイヤ組成とその含有量およびパルス条件の限定理由について説明する。
【００１６】
［Ｃ：０．０２〜０．１０質量％］
Ｃはアークを安定化し溶滴を細粒化する作用があるが、０．０２質量％（以下、％という。）未満ではアークの安定性を確保できず、また、０．１０％を超えると溶融金属の粘性が劣り耐垂れ性を確保できない。また、スパッタが増加するばかりでなく、溶接金属を著しく硬化させ耐割れ性が劣化する。
【００１７】
［Ｓｉ：０．５〜１．０％］
Ｓｉは溶接金属の主脱酸剤として不可欠であると共に、ワイヤの電気抵抗を増大させてワイヤの溶融量を増加させ、更に溶融金属の粘度および表面張力を増大させる効果が大きい元素である。これによって、横向重ね継手の溶融金属の垂れを軽減して耐ギャップ性が得られ、広幅の溶接ビードを形成できる。しかし、０．５％未満では上記効果が得られず、また、１．０％を超えると溶融金属の表面張力が過度に上昇するため溶融金属が溶接速度に追従できずハンピングビードとなり易い。
【００１８】
［Ｍｎ：１．０〜１．６％］
ＭｎはＳｉと共に脱酸剤として作用する他、溶融金属の粘度および表面張力を増大させる効果がある。１．０％未満ではその効果が得られず、ブローホール等の気孔欠陥が発生しやすくなると共に、溶融金属の粘度および表面張力が低下することから、溶融金属が垂れビード形状が劣化し、十分な耐ギャップ性が得られない。一方、Ｍｎが１．６％を超えると、溶融金属の粘度および表面張力が増加し過ぎて広幅のビードが得られない。
【００１９】
上記成分の残部はＦｅおよび不可避不純物であるが、他の成分としてＡｌおよびＴｉを、それぞれ０．１０％以下の範囲で含有することができる。また、Ｓはビード止端部のなじみを良好にするので０．００５％以上含有することが好ましい。しかし、ＳおよびＰが０．０２０％を超えると溶接金属の耐割れ性が劣化する。
【００２０】
図１は、ワイヤ送給速度が１１ｍ／ｍｉｎ以上で溶接速度が１．２ｍ／ｍｉｎ以上での横向重ね継手における、各パルス条件での溶滴の移行状態を調査した結果である。調査方法は、毎秒２０００駒の高速撮影が可能な高速度ビデオカメラを用いて、各パルス条件と溶滴の移行状態の関係およびビード形状などを調べた。
【００２１】
ここにおいて溶接電源はパルスＭＡＧ溶接用として一般に使用されているもので、溶接電流（ベース電流とピーク電流との平均的な電流）の調整とパルス周波数の調整がリンクして行われるいわゆる一元化制御のものである。良く知られているようにＭＡＧ溶接において溶接電流の調整はワイヤ送給速度の調整によってなされる。溶接電流を増大させるべくワイヤ送給速度を増大させた場合、溶滴の大きさは大体同じであるので、１パルス−１ドロップの移行状態を維持するためには単位時間あたりの溶滴の数が増大するようにパルス周波数を増大させる必要がある。上記実験において使用した溶接電源はパルスを数十Ｈｚないし３００Ｈｚの周波数範囲で自動調整することにより、従来からの一般の溶接条件において１パルス−１ドロップの移行状態を維持するように設計されたものである。
【００２２】
この実験によれば、ワイヤ送給速度が１１ｍ／ｍｉｎ以上においては、１パルス−１ドロップ移行が可能なパルスピーク電流（Ｉｐ）は５２０Ａ以上となる。しかし、ビード形成面からアーク電圧を下げてアーク長を短く保つことにより溶接は可能であるが、ビード形状は凸状になり良好な継手特性を得られない。また、Ｓｉ量が０．１％以下の鋼板においては溶融金属が垂れることと、ギャップが大きい場合には特に垂れ性が顕著になり耐ギャップ性が劣化する。
【００２３】
そこで、ビード幅が広くしかも垂れ落ちしない最適パルス条件範囲を確認した結果、ｎパルス１ドロップ領域であるパルスピーク電流（Ｉｐ）が低く、パルスピーク時間（Ｔｐ）の短い領域において、アーク電圧が高い場合においても、溶滴の短絡がピーク時およびベース時に適度に生じることにより溶融金属の垂れが生じ難く、広幅ビードが得られる最適のパルス条件範囲を見出した。
【００２４】
［ワイヤ送給速度：１１ｍ／ｍｉｎ以上］
溶接速度が１．２ｍ／ｍｉｎ以上の高速度溶接において、ワイヤ送給速度が１１ｍ／ｍｉｎ未満では溶融金属がハンピング状態となり安定したビードを得ることができない。
【００２５】
［パルスピーク電流（Ｉｐ）：４４０〜５２０Ａ］
パルスピーク電流（Ｉｐ）が４４０Ａ未満では、電磁ピンチ効果による溶滴の離脱がスムーズに行われなくなり、アークが不安定でスパッタ発生量が多くなる。また、ビードが広がらず不均一な凸ビードとなる。一方、５２０Ａを超えると、アーク力により溶融池が垂れ易くなるとともに溶け落ちが発生しやすくなる。
【００２６】
［パルスベース電流（Ｉｂ）：３０〜８０Ａ］
パルスベース電流（Ｉｂ）はベース期間でアークを保持できる電流値が必要となる。３０Ａ未満ではアークが不安定となり、８０Ａを超えると溶滴の離脱が速やかに行われず、溶滴の移行が不安定となり、アークが不安定でスパッタ発生量が多くなる。また、ビードが広がらず不均一な凸ビードとなる。
【００２７】
［４１５≦Ｉｐ（Ａ）×Ｔｐ（ｍｓｅｃ） ≦ ７８０］
前述のワイヤ送給速度が１１ｍ／ｍｉｎ以上で溶接速度が１．２ｍ／ｍｉｎ以上での横向重ね継手時のパルスピーク電流（Ｉｐ）およびパルスベース電流（Ｉｂ）に加えて、下記（１）式で示すパルスピーク電流（Ｉｐ）とパルスピーク時間（Ｔｐ）の積（Ｉｐ×Ｔｐ）で得られる値を限定することによって、ピーク時間の短い領域でアーク電圧が高い場合においても、溶滴の短絡がピーク時およびベース時に適度に生じて溶融金属の垂れが生じ難く、広幅ビードが得られる。パルスピーク電流（Ｉｐ）とパルスピーク時間（Ｔｐ）の積（Ｉｐ×Ｔｐ）が４１５（Ａ・ｍｓｅｃ）未満ではピーク電流期間で溶滴を形成するためのエネルギーが不足し十分な溶滴の形成ができず、ビード幅が狭く、スパッタ発生量が多くなるとともに溶融金属が垂れやすくなる。一方、７８０（Ａ・ｍｓｅｃ）を超えると過度に成長した溶滴が短絡しやすくなり再点弧時のアーク力で溶融池が吹き飛ばされることからスパッタ発生量が多くなるとともに溶融金属が垂れ、耐ギャップ性も劣化する。
４１５≦Ｉｐ（Ａ）×Ｔｐ（ｍｓｅｃ） ≦ ７８０        ・・・・（１）
以下、実施例により本願発明を具体的に説明する。
【実施例】
【００２８】
表１に示す成分の板厚２．６ｍｍ、長さ５００ｍｍの鋼板を、図２に示すテーパ型スペーサ４を後板２と前板１に挟んでギャップ長さＧ１＝２ｍｍ、Ｇ２＝４ｍｍのテーパギャップを形成した横向重ね継手とし、表２に示す各種成分のワイヤ径１．２ｍｍのソリッドワイヤを用いて、表３に示す各種溶接条件で溶接した。なお、溶接は図３に示すように、ワイヤ狙い位置５は前板１側の鋼板板厚の中心でトーチ６の角度θは３０°とし、コンタクトチップ−母材間距離は１５ｍｍ、シールドガスはＡｒ−２０％ＣＯ２、平均アーク電圧は２６〜３２Ｖでギャップ長さＧ１（２ｍｍ）側からスタートして溶融金属が架橋できなくなったところまで溶接を実施した。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
【表２】
2007301623.tif 000004
【００３１】
【表３】
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【００３２】
各条件における溶融金属のビード幅Ｗ、溶接可能ギャップ長さＧ、アンダーカット長さＣ（図４（ｂ）参照）および溶接作業性を調査した。評価は、図４（ａ）に示す溶融金属のビード幅Ｗは６．５ｍｍ以上、溶接可能ギャップ長さＧは２.８ｍｍ以上を良好とした。それらの結果を表４にまとめて示す。
【００３３】
【表４】
2007301623.tif 000006
【００３４】
表３および表４において試験Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９が本発明例、試験Ｎｏ．１０〜Ｎｏ．２２が比較例である。
本発明例である試験Ｎｏ．１〜Ｎｏ．９は、ワイヤ成分が適正で、ワイヤ送給速度およびパルス条件も適正であるので、１．２ｍ／ｍｉｎ以上の溶接速度においても溶接作業性が良好で、ビード幅および溶接可能ギャップが広く、アンダーカット長さも短いなど、極めて満足な結果であった。
【００３５】
比較例中試験Ｎｏ．１０はワイヤ送給速度が遅いので、試験Ｎｏ．１１はパルスピーク電流（Ｉｐ）が低いので、いずれもアークが不安定で、ビード幅および溶接可能ギャップも狭くなった。
試験Ｎｏ．１２は、パルスピーク電流（Ｉｐ）が高く後板側に溶け落ちたので溶接を中止した。
【００３６】
試験Ｎｏ．１３は、パルスベース電流（Ｉｂ）低いのでアークが不安定であった。
試験Ｎｏ．１４は、パルスベース電流（Ｉｂ）が高いのでアークが不安定でスパッタ発生量が多く、ビード幅および溶接可能ギャップも狭くなった。
【００３７】
試験Ｎｏ．１５は、パルスピーク電流（Ｉｐ）とパルスピーク時間（Ｔｐ）の積（Ｉｐ×Ｔｐ）が低いので、スパッタ発生量が多く、ビード幅および溶接可能ギャップも狭くなった。また、溶融金属の垂れも生じた。
試験Ｎｏ．１６は、パルスピーク電流（Ｉｐ）とパルスピーク時間（Ｔｐ）の積（Ｉｐ×Ｔｐ）が高いので、スパッタ発生量が多く、溶接可能ギャップも狭く溶融金属の垂れも生じた。
【００３８】
試験Ｎｏ．１７はワイヤ記号Ｗ８のＭｎが低いので、試験Ｎｏ．１８はワイヤ記号Ｗ９のＳｉが低いので、いずれもビード幅および溶接可能ギャップが狭く、溶融金属の垂れも生じた。
試験Ｎｏ．１９はワイヤ記号Ｗ１０のＳｉが高いで、試験Ｎｏ．２０はワイヤ記号Ｗ１１のＭｎが高いので、ビード幅および溶接可能ギャップが狭くなった。
【００３９】
試験Ｎｏ．２１は、ワイヤ記号Ｗ１２のＣが高いのでスパッタ発生量が多く、溶融金属の垂れも生じた。
試験Ｎｏ．２２は、ワイヤ記号Ｗ１３のＣが低いのでアークが不安定であった。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】パルスピーク時間Ｔｐおよびパルスピーク電流Ｉｐの溶滴移行との関係を示すグラフ
【図２】本発明の実施例に用いた横向重ね継手の試験板を示す図
【図３】本発明の実施例における横向重ね継手部のワイヤ狙い位置を示す図
【図４】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ薄鋼板の重ね継手部の横向姿勢溶接におけるビード形成状態の例を示す図
【符号の説明】
【００４１】
１    前板
２    後板
３    溶接金属
４    スペーサ
５    ワイヤ狙い位置
６    トーチ
７    ギャップ
８    アンダーカット
θ    トーチ角度
Ｗ    ビード幅
Ｃ    アンダーカット長さ
Ｇ    ギャップ長さ
【図１】
2007301623.tif 000007
【図２】
2007301623.tif 000008
【図３】
2007301623.tif 000009
【図４】
2007301623.tif 000010