(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールドガスとして３０〜６０ｖｏｌ％の酸素を含むアルゴンガスを用いる亜鉛めっき鋼板のプラズマスポット溶接に用いるワイヤであって、Ｃ：０．０１〜０．１０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．３５〜１．０ｍａｓｓ％、Ｍｎ：１．３５〜２．２ｍａｓｓ％、Ｓ≦０．０１０ｍａｓｓ％、Ｔｉ：０．０６〜０．２５ｍａｓｓ％、Ｎｉ：０．２〜３．５ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．２〜２．５ｍａｓｓ％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とするプラズマスポット溶接用ワイヤ。
【請求項２】
上記成分組成に加えてさらに、Ｍｏを１．０ｍａｓｓ％以下含有することを特徴とする請求項１に記載のプラズマスポット溶接用ワイヤ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマスポット溶接に用いられる芯線(ワイヤ)に関し、特に、亜鉛めっき鋼板を(片面)プラズマスポット溶接する際に、爆飛現象を起こさずかつ溶接部の塗装剥離を引き起こすことのないワイヤに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、自動車の車体は、地球環境への配慮と安全性確保の観点から、軽量化と剛性向上という相反する性能の両立が求められている。とくに最近は、燃費向上のために軽量化が最重要視されながら、衝突安全性を確保するため、車体重量が増加する傾向にあり、新しい解決策が求められていた。
【０００３】
この車体の軽量化と剛性向上という相反する要求を両立させるためには、車体構造に生産条件を極力排除した自由度を与えることが必要となる。現在の自動車車体の組立工程での制約条件の１つとして、スポット溶接では、溶接部を表面と裏面の両側から挟み込み、加圧可能な構造であることが前提であることから、部材によっては、溶接のために穴を開けるなどの構造を取る必要があることが挙げられる。そこで、この制約条件を排除し、閉断面構造を可能とすることにより、車体構造の自由度を向上させ、かつコスト低減を目的として、片面溶接工法である芯線(ワイヤ)供給方式のプラズマスポット溶接装置が開発された（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
このプラズマスポット溶接は、電極と被加工物間に高電圧をかけてプラズマアークを発生させる原理であるが、このプラズマアークは、ノズルにより拘束されており、ＭＡＧ溶接やＭＩＧ溶接に比べて高エネルギー密度が得られる。そのため、熱の集中性がよく、20,000℃以上の超高温のアーク熱源が得られる。さらに、プラズマ電流値、ガス組成、ガス流量等を選択的に制御することにより、穴あけ(切断)や穴埋め(溶接)を容易に実現でき、しかもレーザ溶接に比べて安価であるという特徴がある。
【０００５】
また、この(片面)プラズマスポット溶接は、片面溶接であるがために、溶接する上下板の間に間隙が生じ、プラズマアークのみで重ねスポット溶接すると、溶湯が板間に流れ出し、上板の穴明きが発生し易くなるという問題がある。プラズマスポット溶接は、この問題を、板間隙に溶湯を供給するワイヤ供給方式で解決している。しかし、単にワイヤを供給するだけでは、熱がワイヤと上板にのみ伝わり、下板への拡散が少ない。そこで、まずワイヤを供給せずに電流のみで上下板に穴をあけ、次に穴へワイヤを供給して穴を埋め、最後に電流のみで溶湯を平滑化する３段通電方式により、熱がワイヤと上下の板に確実に拡散し、溶接強度を安定化している。
【０００６】
さらに、厚目付の亜鉛めっき鋼板をプラズマスポット溶接する場合、亜鉛が溶湯内でガス化し、そのガス圧上昇により溶湯を吹き飛ばす現象(爆飛現象)が発生し、上板の溶湯の一部に切れが発生するという問題がある（図１参照）。この問題に対しては、シールドガスに酸素を添加することにより、溶湯の粘性を低下させて亜鉛ガスの気泡を微細化し、ガス抜け性を向上させ、爆飛を抑制して溶接品質の信頼性を向上させている。
【０００７】
【非特許文献１】
新垣、他２名，「片面プラズマスポット溶接の自動車ボディへの適用」，溶接技術，社団法人溶接学会，2002年１月号，ｐ.78〜83
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したように、亜鉛めっき鋼板をプラズマスポット溶接する場合、シールドガス(Arガス)に酸素を添加することにより、溶融金属中の酸素量が増加して粘性が低下し、亜鉛蒸気の放出が容易になる反面、溶融した金属中のSiやMnが酸化して、SiやMnの酸化物を主体とするスラグが溶接金属表面に生成する。このスラグは、一般的なＣＯ2溶接やＭＡＧ溶接では不可避的に発生する生成物であり、溶接後に除去することにより、実用的には問題はない。
【０００９】
しかし、プラズマスポット溶接のように比較的短時間で終了する溶接の場合、スラグの生成量は少量であるため、溶接部に酸化皮膜状に付着し、かつスラグと溶接金属との界面は比較的平滑であるため、溶接直後にはスラグが剥離せず、溶接組立を終了したのちの塗装後に剥離を生じる、いわゆる塗装剥がれの原因となる。すなわち、亜鉛めっき鋼板のプラズマスポット溶接における爆飛現象を抑制するには、シールドガスへの酸素の添加が効果的であるが、逆に、溶接部表面におけるSi，Mn酸化物を主体とする酸化皮膜状のスラグ(以降、「酸化皮膜」と云う)の生成を促進し、塗装剥がれを引き起こし易いという問題がある。しかし、従来、この点について検討した技術は見当たらない。
【００１０】
本発明の目的は、従来技術が抱える上述した問題点を解決するために、亜鉛めっき鋼板の溶接部における塗装剥がれの発生を有利に防止できるプラズマスポット溶接用のワイヤを提案することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、亜鉛めっき鋼板のプラズマスポット溶接部に生成する酸化皮膜の性状にワイヤの化学組成が及ぼす影響に着目し、鋭意検討を行った。その結果、ワイヤ中に、シールドガス中の酸素量に応じた脱酸元素を添加した上で、さらにNiおよびCrを添加することにより、耐剥離性に優れた酸化皮膜を得ることができ、塗装後でも剥離しない溶接接合体が得られることを見出した。
【００１３】
上記知見に基づいて開発された本発明は、シールドガスとして３０〜６０ｖｏｌ％の酸素を含むアルゴンガスを用いる亜鉛めっき鋼板のプラズマスポット溶接に用いるワイヤであって、Ｃ：０．０１〜０．１０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．３５〜１．０ｍａｓｓ％、Ｍｎ：１．３５〜２．２ｍａｓｓ％、Ｓ≦０．０１０ｍａｓｓ％、Ｔｉ：０．０６〜０．２５ｍａｓｓ％、Ｎｉ：０．２〜３．５ｍａｓｓ％、Ｃｒ：０．２〜２．５ｍａｓｓ％、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とするプラズマスポット溶接用ワイヤである。
また、本発明は、上記成分組成に加えてさらに、Ｍｏを１．０ｍａｓｓ％以下含有することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明に係るワイヤは、プラズマスポット溶接に用いられることが前提となる。
このプラズマスポット溶接においては、亜鉛めっき鋼板を溶接する際に、亜鉛が溶融金属内に混入して気化し、爆飛する現象を防止するために、シールドガスに酸素を混合して供給し、溶融金属の粘性を低下させて溶融金属内で気泡が成長せずに抜けやすくさせる必要がある。そのためには、シールドガス中の酸素濃度は、30vol％以上であることが必要である。一方、酸素濃度が60vol％を超えると、溶接金属の酸化が過剰に進み、酸化皮膜の生成が促進されるとともに溶接部の強度が劣化するため好ましくない。よって、本発明のワイヤを用いるプラズマスポット溶接におけるシールドガスは、アルゴンガス中に酸素を30〜60vol％混合したものであることが必要である。
【００１５】
次に、本発明において、溶接用ワイヤの成分組成を上記のように限定する理由について説明する。
Ｃ：0.01〜0.10mass％
Ｃは、溶接金属の強度を確保するのに必要な元素であり、また脱酸元素としても有効な元素である。Ｃ含有量が0.01mass％未満では溶接金属の強度が不足し、一方、0.10mass％を超えると溶接金属の靭性が低下する。そのため、Ｃの添加量は0.01〜0.10mass％に制限する。
【００１６】
Si：0.35〜1.0mass％
Siは、脱酸元素として、溶接用ワイヤに不可欠な元素である。Si添加量が0.35mass％未満では、脱酸の効果が不十分となり、ブローホールが発生しやすい。一方、1.0mass％を超えると、溶接金属中の含有量が過多となり、かえって溶接部の靭性が劣化する。そのため、Siの添加量は0.35〜1.0mass％とする。
【００１７】
Mn：1.35〜2.2mass％
Mnは、Siとともに脱酸元素として不可欠な元素であるだけでなく、溶接金属の機械的性質を向上させる元素である。Mn添加量が1.35mass％未満では、溶接金属中での含有量が不足して、十分な強度を得ることができない。一方、2.2mass％を超えて含まれると、溶接金属中の含有量が過多となり、逆に靭性が劣化する。そのため、Mnの添加量は1.35〜2.2mass％とする。
【００１８】
Ｓ≦0.010mass％
Ｓは、酸化皮膜(スラグ)の剥離性を改善する効果がある。しかし、本発明において、酸化皮膜の剥離性の向上は、却って後工程での酸化皮膜の剥離による塗膜の剥離につながる。そのため、Ｓ含有量は少ないほどよく、0.010mass％以下に制限する必要がある。
【００１９】
Ti：0.06〜0.25mass％
Tiは、Si，Mnとともに脱酸元素として効果的な元素であり、ブローホールの発生を防止すると同時に酸化皮膜の凝集を抑制して密着性を向上させる効果がある。しかし、ワイヤ中のTi量が0.06mass％未満ではこの効果に乏しく、一方、0.25mass％以上を超えて添加すると、酸化皮膜中のTi(Ti酸化物)の量が多くなり、酸化皮膜の密着性が却って劣化する。そのためTiの添加量は0.06〜0.25mass％の範囲に制限する。
【００２０】
Ni：0.2〜3.5mass％
Niは、酸化皮膜と溶融金属の界面を凹凸化し、アンカー効果を発揮して酸化皮膜の耐剥離性を向上させる効果がある。この効果を得るためには、0.2mass％以上の添加が必要である。一方、Ni添加量が3.5mass％を超えると、溶接金属の耐凝固割れ性が劣化し高温割れを生じ易くなる。そのため、Niの添加量は0.2〜3.5mass％の範囲とする。
【００２１】
Cr：0.2〜2.5mass％
Crは、酸化皮膜内で網目状酸化物を形成し、皮膜が厚くなるのを抑制する効果を有する。また、酸化皮膜の隙間に入り込むことで、皮膜の密着性を高め、皮膜内割れを抑制する効果もある。すなわち、Crは、溶接金属の表面に密着性の良い酸化皮膜を生成させ、剥離を防止するには好適な成分である。このような効果を発揮するためには、0.2mass％以上の添加が必要である。一方、2.5mass％を超えて含まれると、ワイヤが硬くなって供給が難しくなる他、溶接金属が脆くなる。そのため、Crの添加量は、0.2〜2.5mass％の範囲に制限する。
【００２２】
なお、本発明においては上記必須成分のほかに、必要に応じて、以下の範囲でＭｏを添加することができる。上記必須成分および必要に応じて添加されるＭｏ以外は、Ｆｅおよび不可避的不純物である。
Ｍｏ≦１．０ｍａｓｓ％
Ｍｏは、溶接金属の強度を向上させる元素であり、必要に応じて添加することができる。しかし、１．０ｍａｓｓ％を超えて添加すると、溶湯の粘性が増加して爆飛現象が置きやすくなるため、その上限は１．０ｍａｓｓ％にするのが好ましい。
【００２３】
【実施例】
Ｃ：0.02mass％、Si：0.01mass％、Mn：0.20mass％、Ｐ：0.001mass％、Ｓ：0.003mass％、Cu：0.02mass％、Ni：0.01mass％、Cr：0.02mass％、Mo：0.002mass％、Ti：0.004mass％およびＮ：0.0026mass％の成分組成を有する板厚：0.8mm、表と裏の両面の目付量が共に60 g/m2である溶融亜鉛めっき鋼板を２枚重ね、表１に示した各種成分組成を有するワイヤを用い、図２に示すような電流条件でプラズマスポット溶接を行った。
【００２４】
得られた溶接部について、爆飛の有無を目視で確認し、酸化皮膜の耐剥離性を、セロハンテープ剥離試験により評価した。セロハンテープは市販の製品を用い、室温まで冷却した溶接部にセロハンテープを貼り付け、剥がした時に剥離する酸化皮膜が面積比率で20％以下を合格と評価した。
【００２５】
上記調査の結果を、表１中に併記して示した。この表から明らかなように、本発明に係るNo.１〜５のワイヤを用いてプラズマスポット溶接を行った場合には、溶接部に爆飛もなく、耐剥離性に優れた酸化皮膜を得ることができ、良好な溶接結果が得られた。これに対して、Ni，Cr，ＳおよびTiの添加量が本発明外の組成を有するNo.６〜８のワイヤを用いた場合には、酸化皮膜の耐剥離性が劣る。
【００２６】
【表１】
0004264709.tif 000002
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、溶接ワイヤ中に、シールドガス中の酸素量に応じた脱酸元素を添加するとともにNiおよびCrを添加することにより、プラズマスポット溶接における爆飛現象を抑制した上で、さらに溶接部に形成される酸化皮膜を耐剥離性に優れたものとすることができる。その結果、溶接した後の塗装工程後でも、塗装剥がれの問題を生ずることのない溶接部を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  プラズマスポット溶接における爆飛現象を模式的に示す図である。
【図２】  プラズマスポット溶接条件(電流)を示す図である。
【符号の説明】
１．亜鉛めっき鋼板
２．溶融金属
３．亜鉛蒸気による気泡
４．爆飛後の溶接部
【図１】
0004264709.tif 000003
【図２】
0004264709.tif 000004