(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接電流密度が７０〜１８０Ａ／ｍｍ２で使用されるガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤにおいて、ワイヤ直径に対して５％の深さまでのワイヤ表層部における酸素量が０．０１０〜０．０４０質量％、全ワイヤ質量に対してＳが０．０１０〜０．０３０質量％で、Ｃｕめっき厚さが０．３０μｍ以下であることを特徴とするガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤに関し、特に薄板の溶接時に溶接作業性が優れたガスシールドアーク溶接用ワイヤに関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭酸ガスシールドアーク溶接方法で薄板の溶接を行う場合、溶接電流が高いと溶融金属の溶け落ちが生じるため、低溶接電流、低溶接電圧の溶接条件で溶接され、溶滴の移行形態は短絡移行となる。
【０００３】
図１は溶滴の短絡移行の説明図である。低溶接電流の溶接条件で溶接される炭酸ガスアーク溶接方法において、ワイヤＷと母材Ｂ間の放電によって発生するアークＡにより溶融するワイヤＷの先端の溶融金属Ｍに働く主な力は、溶融金属Ｍが移行する方向の重力Ｆｇと、移行を妨げる方向のアーク力Ｆａと表面張力Ｆｓが作用している。この場合、電流による電磁力であるピンチ力は低電流であるので小さい。ワイヤＷの先端がアークＡの熱によって溶融し、成長した溶融金属ＭはワイヤＷから母材Ｂに移行する。この時、ワイヤＷと母材Ｂとの間に溶融金属Ｍが架橋して一時的に短絡する。このように低溶接電流域では、ワイヤＷが溶融するアーク期間と溶融金属Ｍが移行する短絡期間が繰り返され、この溶接金属Ｍの母材への移行形態は短絡移行といわれる。
【０００４】
低溶接電流域で安定した溶接を行うには、アーク期間と短絡期間とを周期的に繰り返して溶接金属Ｍを移行させることが必要である。しかしワイヤＷの先端で形成される溶融金属Ｍは、発生するアークＡの熱で大きく成長しながらアーク力Ｆａで押し上げられる。このため溶滴が大きく、また不揃いとなって周期的な短絡移行が困難で、安定した低溶接電流での溶接が困難であった。
【０００５】
この問題を解決する手段として、パルスアーク溶接により周期的に短絡させて溶滴を移行させる方法や特開昭６２−２９６９９３号公報に記載のようにワイヤ成分の特にＳｉを低くして溶滴の粘性を低下して溶滴を小さくし、移行周期を短くする技術などがある。
しかし、これらの方法では、特殊な溶接電源を用い、かつ高価なＡｒガスを主成分とするシールドガスを用いなければならないという問題がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、薄板の溶接時のような低溶接電流の場合でも特殊な溶接電源を用いることなく、また、安価な炭酸ガスシールドで溶接する場合においても、アークが安定するガスシールドアーク溶接用ワイヤを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨とするところは、溶接電流密度が７０〜１８０Ａ／ｍｍ２で使用されるガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤにおいて、ワイヤ直径に対して５％の深さまでのワイヤ表層部における酸素量が０．０１０〜０．０４０質量％、全ワイヤ質量に対してＳが０．０１０〜０．０３０質量％で、Ｃｕめっき厚さが０．３０μｍ以下であることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
電流密度が７０〜１８０Ａ／ｍｍ2 の低溶接電流条件での炭酸ガスシールドアーク溶接において、ワイヤ先端で形成される溶融金属はその先端から母材に向かって発生するアークの熱で大きく成長しながらアーク力で押し上げられるため、溶滴が大きく不揃いとなり、周期的な母材への短絡移行が困難となる。したがって母材へ移行する溶滴を小さくすれば、短絡移行回数を多くしてアーク長を短く保つことができ、移行時のアーク長の変動を少なくして溶接を安定にできる。
【０００９】
溶滴が大きく成長する原因は、図１に示す溶融金属Ｍに働く力がＦｇ（重力）＜Ｆａ（アーク力）＋Ｆｓ（表面張力）となり、溶滴が成長して移行できるＦｇ（重力）＞Ｆａ（アーク力）＋Ｆｓ（表面張力）の条件になるまでの時間が長いことにある。
【００１０】
溶滴を小さくするには、Ｆａ（アーク力）やＦｓ（表面張力）を小さくすることが必要であるが、Ｆａ（アーク力）はワイヤＷの溶融と母材Ｂの溶け込み確保のために小さくするには限度があり、溶接電流密度で７０Ａ／ｍｍ2 以上が必要である。
なお、溶接電流密度が１８０Ａ／ｍｍ2 を超えると、薄板の溶接を行う場合溶融金属の溶け落ちが生じるようになる。
【００１１】
Ｆｓ（表面張力）を小さくするワイヤ中の元素を種々検討した結果、ワイヤ表層部（ワイヤ直径に対して５％の深さまでのワイヤ表層部）の酸素量およびＳ量が大きく影響することがわかった。
図２にワイヤ直径に対して５％の深さまでのワイヤ表層部、すなわちワイヤ直径に対して直径が１０％減少するまでの表層部領域の酸素量と短絡移行回数の関係を示す。ワイヤ表層部の酸素量が多くなるにつれ短絡移行回数は増加し、短絡移行回数が８０回／秒以上になるとアークが安定した。なお、ワイヤはＪＩＳ  Ｚ３３１２  ＹＧＷ１２（Ｓ：０．０１１〜０．０２５％、めっき厚さ０．４〜０．７μｍ）のワイヤ径１．２ｍｍを用い、板厚３．２ｍｍの軟鋼鋼板を重ね継手として、溶接電流密度１１０Ａ／ｍｍ2 、溶接速度６０ｃｍ／ｍｉｎで重ね部を溶接した。また、短絡移行回数の測定は、溶接電圧波形をＡ／Ｄコンバータを介してパソコンで記録、解析して、電圧が５Ｖ以下を短絡のしきい値とし、短絡移行の回数を測定した。
【００１２】
ワイヤ直径に対して５％の深さまでのワイヤ表層部の酸素量が０．０１０質量％（１００ｐｐｍ）以上であると、溶融金属の表面張力Ｆｓを小さくして母材へ移行する溶滴を小さくできる。これによりアーク期間と短絡期間とを短く繰り返して溶滴の短絡移行回数が８０回／秒と多くなって母材へ移行するので、アーク長の変動が少なくアークが安定する。
【００１３】
ワイヤ直径に対して５％の深さまでのワイヤ表層部の酸素量が０．０１０質量％未満であると、ワイヤ先端部の溶融金属の表面張力Ｆｓが大きく、溶滴が大きく不揃いとなる。このため周期的な母材への短絡移行が困難で溶滴の短絡移行回数が８０回／秒未満と少なくなり、アークが不安定となる。逆に、ワイヤ直径に対して５％の深さまでのワイヤ表層部の酸素量が０．０４０質量％（４００ｐｐｍ）を超えると、溶接金属にブローホールを発生させるおそれがある。また、ワイヤ製造時にワイヤ表層部の粒界が酸化して伸線後に微少な亀裂が生じるが、酸素量の増大と共に粒界の酸化深さが大きくなる。このため粒界剥離が生じて、溶接時にコンジットチューブ内で送給抵抗が大きくなってアークが不安定となる場合もある。
【００１４】
ワイヤ直径に対して５％の深さまでのワイヤ表層部の酸素量の調整は、例えば特公平３−６４２３９号公報に記載があるように、ワイヤ製造工程でワイヤ素線表面にアルカリ金属炭酸塩を塗布してから窒素雰囲気での焼鈍の温度および時間の調整で粒界酸化量をコントロールする。または、原料鋼の溶製時にコントロールして、ワイヤ全体の酸素量を０．０１０〜０．０４０質量％としても良い。
なお、ワイヤ表層部の酸素量には、ワイヤ表面に付着する潤滑剤などの酸素は含まない。
【００１５】
図３にワイヤ中のＳ量と短絡移行回数の関係を示す。ワイヤ中のＳ量が多くなると短絡移行回数は増加した。なお、ワイヤはＪＩＳ  Ｚ３３１２  ＹＧＷ１２（ワイヤ表層部酸素量：１１８〜２９５ｐｐｍ、めっき厚さ：０．４５〜０．７２μｍ）のワイヤ径１．２ｍｍを用いて、前記ワイヤ表層部の酸素量の影響を調べた場合と同様の溶接条件で短絡移行回数を調べた。
【００１６】
ワイヤ中のＳが０．０１０質量％未満であると、ワイヤ先端部の溶融金属の表面張力Ｆｓが大きく、溶滴が大きく不揃いとなって周期的な母材への短絡移行が困難で、溶滴の短絡移行回数が８０回／秒以下と少なくなりアークが不安定となる。逆に、ワイヤ中のＳが０．０３０質量％を超えると、溶接金属に割れが生じるおそれがある。
【００１７】
なお、Ｓも酸素と同様にワイヤ直径に対して５％の深さまでのワイヤ表層部のＳ量が、溶融金属の表面張力Ｆｓを小さくする。これにより母材へ移行する溶滴を小さくし、アーク期間と短絡期間とを短く繰り返して溶滴の短絡移行回数が多くなって母材へ移行するので、アーク長の変動が少なくアークを安定にする。しかし、ワイヤ表層部のみのＳ量をコントロールすることは困難であるので、本発明においてはワイヤ全体のＳ量とした。
【００１８】
図４にワイヤ表面のＣｕめっき厚さと短絡移行回数との関係を示す。ワイヤ種類、溶接条件および短絡移行回数の測定は前述の方法と同様とした。なおワイヤは、ワイヤ表層部の酸素量２５５ｐｐｍ、Ｓ量０．０２１％で、ワイヤ表面のＣｕめっき厚さを変えたものを用いた。
ワイヤ表面のＣｕめっき厚さを０．３０μｍ以下とすることによって、溶滴の短絡移行回数を１１０回／秒以上と、さらに多くできる。これによりアーク長の変動を少なくして、アークが極めて安定する。
【００１９】
Ｃｕめっきは溶融金属付近でシールドガスである炭酸ガスの分解（ＣＯ2 →ＣＯ＋Ｏ）から生じる酸素の侵入を妨げる。したがってＣｕめっき厚さが０．３０μｍを超えると、溶融金属の表面張力Ｆｓが大きくなって溶滴が大きく不揃いとなり、周期的な母材への短絡移行が困難で溶滴の短絡移行回数が少なくなりアークが不安定となると推測される。
【００２０】
【実施例】
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。
表１および表２に示す各成分、ワイヤ径およびＣｕめっき厚さのワイヤを試作し、表３に示す溶接条件で炭酸ガスシールドアーク溶接を行い、溶滴の短絡移行回数およびアークの安定性などを調べた。なお、ワイヤ表層部の酸素量はワイヤ製造時の焼鈍温度および時間の調整でコントロールした。また、溶接に用いた鋼板板厚は、ワイヤ径０．８ｍｍの場合１ｍｍ、１．２ｍｍ径は３．２ｍｍ、１．４ｍｍは６ｍｍで、重ね継手として５００ｍｍ長さ溶接した。短絡移行回数の測定は、溶接電圧波形をＡ／Ｄコンバータを介してパソコンで記録、解析して、電圧が５Ｖ以下を短絡のしきい値とし、短絡移行の回数を測定した。それらの結果も表３にまとめて示す。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
【表２】
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【００２３】
【表３】
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【００２４】
表中、ワイヤＮｏ．Ｗ１〜Ｗ５が本発明例、ワイヤＮｏ．Ｗ６〜Ｗ１０は比較例である。
本発明例のワイヤＮｏ．Ｗ１〜Ｗ５は、ワイヤ直径に対して５％の深さまでのワイヤ表層部の酸素量および全ワイヤ質量当りのＳ量が適正で、Ｃｕめっき厚さが０．３０μｍ以下であるので、溶滴の短絡回数が１１０回／秒以上となり極めてアークが安定した。
【００２５】
比較例中、ワイヤＮｏ．Ｗ６およびＮｏ．Ｗ８は、ワイヤ直径に対して５％の深さまでのワイヤ表層部の酸素量が低いので、ワイヤ先端部の溶融金属の表面張力Ｆｓが大きく、溶滴が大きく不揃いとなって周期的な母材への短絡移行が困難で溶滴の短絡移行回数が少なくなりアークが不安定となった。
【００２６】
ワイヤＮｏ．Ｗ７は、ワイヤ直径に対して５％の深さまでのワイヤ表層部の酸素量が多いので、ワイヤ表層部の粒界剥離が生じて、溶接時にコンジットチューブ内で送給抵抗が大きくなってアークが不安定となった。
ワイヤＮｏ．Ｗ９は、ワイヤ中のＳ量が低いので、ワイヤ先端部の溶融金属の表面張力Ｆｓが大きく、溶滴が大きく不揃いとなって周期的な母材への短絡移行が困難で溶滴の短絡移行回数が少なくなりアークが不安定となった。
ワイヤＮｏ．Ｗ１０は、ワイヤ中のＳ量が高いので、クレータ部の溶接金属に割れが生じた。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のガスシールドアーク溶接用鋼ワイヤによれば、薄板の溶接時のような低溶接電流の場合でも特殊な溶接電源を用いることなく、また、安価な炭酸ガスシールドで溶接する場合においても、アークが極めて安定するなど高品質な溶接部が得られるとともに経済的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】溶滴の短絡移行の説明図
【図２】ワイヤ直径に対して５％の深さまでのワイヤ表層部の酸素量と短絡移行回数の関係を示すグラフ
【図３】ワイヤ中のＳ量と短絡移行回数を示すグラフ
【図４】ワイヤ表面のＣｕめき厚さと短絡移行回数の関係を示すグラフ
【符号の説明】
Ｗ    ワイヤ
Ｍ    溶融金属
Ａ    アーク
Ｂ    母材
Ｆａ  アーク力
Ｆｓ  表面張力
Ｆｇ  重力
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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