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技術資料
Technical Data

スラグを低減した溶接ワイヤによる溶接部の電着塗装性および架橋性
上仲明郎＊1，山下正和＊2

Electrodeposition Coating Property and Gap Resistance of Welds byWelding Wire with Reduced Slag
Akio UENAKA and Masakazu YAMASHITA
Synopsis
In the welding of automobile undercarriage parts, in addition to ensuring electrodeposition coating properties, gap
resistance in welding with large gaps is an issue. The form and electrical properties of the welding slag can be changed, sothat the electrodeposition coating film can be formed even if the slag remains in the weld joint. The amount of deoxidizing
elements added to the welding wire was adjusted so that gap resistance could be ensured even in welds with large gaps. TheSi of the welding wire was small, and the oxide-forming elements Ti and Al were added as substitutes, and W was added
to improve the viscosity. In this welding wire, the entire surface of the weld bead had a slightly dark brown hue, and theelectrodeposition coating was formed on almost the entire surface. The electrical resistance is low, like a base sheet, and theslag is thin at about 10 μm. The gap resistance is as good as that of general-purpose welding wire, although bead formation
defects are likely to occur in low-Si wires without W. The mechanical properties of the weld metal are generally the same as
those of general-purpose welding wires, and they are good.

1．緒言

また，自動車の足回り部品は，耐食性の向上を目的に溶接後には電着塗装をする．溶接継手では，溶接ビード

自動車の足回りはサスペンションやアームなどの部品表面に絶縁物であるスラグが存在するため，電着塗膜が類で構成される薄板構造体であり，強度，耐疲労性，靭できずに錆の起点となる．そのため，電着塗装を実施す性などが求められる．一般的に高張力の鉄鋼材料が用いる前に，スラグを可能な限り除去することが好ましい．

られ，溶接には Ar-CO2 ガスが多用される．溶接ワイヤにしかし，電動工具やショットブラストなどで物理的にスは Si や Mn が添加され，スラグが形成される．そのスララグを除去する方法 1）では，高作業負荷や高コストになグにより大気を遮蔽することで要求の強度特性を満足するだけでなく，複雑な形状への適用が難しいなど，技術る健全な溶接継手が得られる．

面での問題もある．

2024年 5月 15日 受付＊ 1 大同特殊鋼㈱技術開発研究所（Corporate Research & Development Center, Daido Steel Co., Ltd.）＊ 2 大同特殊鋼㈱技術開発研究所，技術士（金属）（P.E.Jp, Corporate Research & Development Center, Daido Steel Co., Ltd.）

電気製鋼 第 95 巻第 1 号 2024 年からのアプローチが提案されてきた．溶接プロセスでは，スラグの形成が少なくなるよう，シールドガス中の CO2ガスの比率を下げる手法の報告がされている 2）～ 4）．また，溶接ワイヤの成分設計では，Si および Mn の添加量を低減することでスラグの形成を少なくした溶接ワイヤ(b) 0.50.8

筆者らは，スラグの形態や電気的性質を変化させ，溶(#1)#1 SiO2, MnO, FeO, Mn2O3, Fe2O3

0.4
0.20.0

L+FeO+MnO

0.0の報告がある ．しかし，スラグの形成が少なくなる代溶接外観品質を確保できなくなるという問題がある．

L+Slag

0.65）

わりに溶融池の酸素量が高くなるため架橋性が低下し 6），

Fe–0.05%Si-1.8%Mn-0~0.5%Ti-0~0.3%Al *1

Fe–0~1%Si-0~2%Mn *1(a) 1.0

Ti content (mass%)

そこで，溶接プロセスならびに溶接ワイヤの成分設計

Si content (mass%)

340.40.81.21.6Mn content (mass%)

2.0

L+Ti2O3+TiN

0.4

L+TiN+Al2O3

0.3
0.20.1
0.00.00

L+Slag(#2)+TiN

L+Al2O3#2 Ti2O3+ TiO2 +Al2O3

0.10
0.20
Al content (mass%)

0.30*1 Common: 0.08%C-0.03%O-0.01%N

Fig. 1. Equilibrium phase diagram of oxides (1600 ℃).

2.

2

架橋性

接継手にスラグが残存しても電着塗膜の形成が可能な溶

溶接時の溶融金属の粘度を向上させることで架橋性は接ワイヤを検討した．さらに溶接時の溶融池の物理的性向上すると考えられる．元素によっては粘度が上昇ある質を変化させ，隙間が大きい溶接でも架橋性を確保できいは下降することが知られており 10），溶融金属の粘度るよう検討した．本稿では，この検討した溶接ワイヤににおよぼす各種元素の影響を調査した．Fig. 2 に材料物よる溶接継手の電着塗装性と架橋性の調査結果を報告す
る．

性値計算ソフトウェア JMatPro®11.1 を用いて計算した粘度の結果を示す．C，Mn，Ni は添加量の増加とともに粘度が低下する．一方で，Cr，Nb，Mo，W は添加量

2．溶接ワイヤの合金設計の思想
2.

1の増加とともに粘度が上昇し，その中で添加量あたりの粘度の上昇は W が最も大きい．そこで，低 Si の溶接ワイヤへ W を添加することとした．

溶接部の電着塗装性5.50には，スラグに含まれる酸化物の種類が重要と考えられ
る 7）．酸化物は金属導電性，半導性，絶縁性に分類され，電気導電性が異なる 8）．Fig. 1 に溶融状態の 1600 ℃における各種元素の組合せでの酸化物の平衡状態の計算結果を示す．計算には熱力学平衡計算ソフトウェア Fact

Viscosity (mPa・s)

溶接継手にスラグが残存しても電着塗膜を形成させる

Stage TM 7.3 を用いた．

WMoNb

5.45

5.40

Cr5.35

NiMnC

Fig. 1 (a) は 490 MPa 級溶接ワイヤの成分での計算結

5.30

果である．Si-Mn のほとんどの領域で融液とスラグに0.50

1.00

1.50

2.00

Amount of addition (mass%)

なっている．Si 量が高い場合，スラグは高絶縁の SiO28）

Fig. 2. Effect of element on viscosity (1600 ℃).

が主体である．一方，Si 量が低い場合はスラグが認められない．

3．実験方法

Fig. 1 (b) は Si 量が低く，Si の代わりに脱酸作用となる元素を添加した溶接ワイヤの成分での計算結果であ0.00

る．Al 量が高い場合，高絶縁性の Al2O38） が生成する．

3.

一方，Ti 量が高い場合，高導電性の Ti2O38）が生成する．

本調査で用いた溶接ワイヤおよび鋼板の化学組成の

ただし，Ti を過剰に含むと，Ti 系酸化物が過度に生成一例を Table 1 に示す．溶接ワイヤは，φ1.2 まで伸線し，溶接金属の伸びが低下する．また，Ti と Al の添加量によっては，融液，スラグおよび高導電性の TiN で9）構成される領域がある（図中にハッチング）．スラグはTi2O3，TiO2 および Al2O3 が混在しているが，主に Ti2O3，TiO2 が占めているため導電性は良好と考えられる．

そこで，低 Si の溶接ワイヤでは，酸化物が固溶体として溶接金属に留まるのではなく，主に Ti 系酸化物のスラグが形成されるように，適量の Ti と Al を添加した．

1

供試材

加工された Cu めっき付きのソリッドワイヤ 3 種類である．1 つは，比較用の溶接ワイヤとして，490 MPa級溶接ワイヤ（JIS Z 3312 G 49 A 2M16）を用いた．残りの 2 つは低 Si の溶接ワイヤで Ti と Al を添加した．
溶接部の電着塗装性については，490 MPa 級溶接ワイ
ヤと低 Si-W 添加溶接ワイヤで比較した．架橋性については，W の添加あり，なしで比較した．供試鋼板として，440 MPa 級熱間圧廷鋼板（SAPH440）を用いた．

技術資料＞スラグを低減した溶接ワイヤによる溶接部の電着塗装性および架橋性

Table 1. Chemical composition of welding wire and base sheet.
Material

3.

(mass%)CSi

MnPS

TiAlWO

490 MPa wire

0.04

0.53

1.82

0.010

0.002

<0.01

<0.005<0.010.004

Low Si wire

0.05

0.05

1.78

0.007

0.007

0.1

0.021

<0.010.001Low Si - W wire

0.05

0.05

1.760.006

0.008

0.10.021

Add.

0.001

440 MPa Steel
Base sheet (SAPH440)

0.06

0.02

1.390.014

0.005<0.01<0.005<0.010.002

Weldingwire

2した．さらに，電気抵抗の比較として鋼板自体も測定し継手の溶接試験た．

溶接状況の模式図を Fig. 3 (a) に，溶接条件を Table 2に示す．板厚 2 mm，幅 50 mm，長さ 250 mm の鋼板を用い，80%Ar-20%CO2 混合ガスの下向の溶接姿勢で，パルスマグ溶接による重ね継手を作製した．
Torch(a)4.

2

スラグの組成・構造

スラグの平均組成は，走査型電子顕微鏡エネルギー分
散型 X 線分析装置（SEM-EDS）により分析した．さらラマンスペクトルを観測・解析し，同定した．

* Gap resistance test
Root

Aiming-1〜+2 mm

Gap
0〜1.2 mm−

Weld beadBase sheet

3.に，スラグの分子構造は，ラマン分光分析装置により，(b)Welding wire

350＋Fig. 3. Schematic diagrams of welding situation.
Table 2. Welding conditions.

3.

4.

3

スラグの厚さ測定

スラグの厚さを測定するため，溶接試験片の横断面を切断し，樹脂に埋込研磨した．溶接ビードの断面を走査型電子顕微鏡で観察し，溶接ビード表面に存在するスラグの厚さを測定した．

Welding method

Pulse MAG

Shielding gas

80%Ar-20%CO2

Welding current

200 A

Arc voltage

24 V

Welding speed

100 cm/min

Contact tip to work distance

15 mm

評価した．

Rotation angle [Torch]45 °Travel angle

Perpendicular

ワイヤの狙い位置は，水平面において，溶接長手方向に3.

3電着塗装性の評価

溶接試験の後，電着塗装を実施する前後でビード中央部の外観写真を撮影し，スラグの発生有無，スラグの発

3.

5

溶接継手の架橋性の評価

溶接状況の模式図を Fig. 3 (b) に示す．鋼板の隙間およびワイヤ狙い位置を変動させた溶接試験を実施し，ビード外観および断面の形状観察から，架橋性の良否を鋼板の隙間は 0 ～ 1.2 mm の範囲とした．また，溶接対して垂直にルート部から -1 ～ +2 mm の範囲内で変化させた．

3.

6

溶着金属の機械的特性の評価

生状況および電着塗装性を評価した．黒色カチオン電着溶接ワイヤの性能試験のため，JIS Z3111 に基づき，塗装は，洗浄，脱脂，表面調整，化成処理の上，20 μm

鋼板の成分希釈がなく，試験する部分がすべて溶接ワイの膜厚狙いで実施した．

ヤの成分からなる溶着金属を作製した．

3.
3.

4
4.

スラグの評価1

スラグの電気抵抗の測定

スラグの電気抵抗は，横河計測㈱製のデジタルマルチメータ 73202 で測定した．対象部位は，490 MPa 級溶接ワイヤでは，溶接ビードの上板側の凝集したスラグの位置とし，低 Si-W 添加溶接ワイヤでは，溶接ビード上と溶接ワイヤには 490 MPa 級溶接ワイヤおよび低 Si-W添加溶接ワイヤを用いた．引張試験方法は JIS Z2241（14A 号 試 験 片， 試 験 温 度： 常 温 ）， 衝 撃 試 験 方 法 はJIS Z2242（V ノッチ試験片，試験温度 -20 ℃）とした．

電気製鋼 第 95 巻第 1 号 2024 年

36の Si は 3 mass% と少なく，スラグの絶縁に寄与する Si

4．試験結果4.

1量が減っている．
ラマン分光分析装置による溶接スラグ中の酸化物の調溶接部の電着塗装性査結果を Fig. 7 に示す．Fig. 7 (a) の 490 MPa 級溶接ワ溶接および電着塗装後の溶接ビード外観写真を Fig. 4

イヤのスラグの部位では SiO2，Mn2Si3O4，Mn3O4，Fe3O4

は光沢のあるスラグが局部的に凝集して形成されてお出された．Fig. 1 の酸化物の平衡状態の計算結果と類似に示す．490 MPa 級溶接ワイヤでは，溶接ビード表面にり，このスラグが残留した箇所では電着塗膜が形成されなかった．一方で，低 Si-W 添加溶接ワイヤでは，溶接の特徴的なピークと類似したラマンシフトにピークが検し，スラグは高絶縁性の SiO2 が存在する．

一 方，Fig. 7 (b) の 低 Si-W 添 加 溶 接 ワ イ ヤ で は，ビード表面全体がスラグで覆われ，やや暗褐色の色相で40μm × 1000μm の範囲でスラグをマッピング分析した．

あった．電着塗膜は，ほぼ全面で形成された．

スラグは各種酸化物が複雑に層状になっていたため，古490 MPa wire
Base sheet

典的最小二乗法を使用してラマンスペクトルを 7 種類に

Low Si - W wire
Base sheet

Weld beadWeld beadBase sheet

Base sheet

分離し，スペクトル分布図を構築した．各スペクトル

Dark brown hue

は，SEM-EDS での検出元素を参照している．スラグの部位では，高導電性の Fe や Mn の酸化物および TiN の特徴的なピークと類似したラマンシフトにピークが検出

Afterelectrodepositioncoatingされた．Fig. 1 の酸化物の平衡状態の計算結果と類似し，10 mm

Fig. 4. Appearance of weld bead (as welded, after
electrodeposition coating).

スラグの電気抵抗

5402 mm(b)-1200-10002-800

Y (μm)

Y (μm)

3-600-400-200
100 μm01-10000Slag
Dark brown hue(490 MPa wire) (Low Si - W wire)

Base sheet

Fig. 5. Results of resistivity.

2.

2

スラグの組成・構造-1000-900-800-700-600-500-400-300-200-100-500

X (μm)0X (μm)

660

60
40589

80

200200

SiO2+Mn2Si3O4+Mn3O4+Fe3O4

600943

100Slag

抵抗値は低い．

420 μm844(a)低 Si-W 添加溶接ワイヤのスラグは，鋼板と同様に電気Resistivity (MΩ)

20 μm

Fig. 6. Thickness of slag and EDS analysis.

級溶接ワイヤのスラグは，デジタルマルチメータの測4.

Slag3Si-40Mn-5Fe-12Ti-4Al-36Others

Slag
14Si-25Mn-6Fe-55Others

スラグの電気抵抗の測定結果を Fig. 5 に示す．490 MPa

定上限の 40 MΩ に達し電気抵抗値は非常に高い．一方，

10 μm

90 μm

811

1

E-coatingObservation area

319

2.

スラグの評価Low Si - W wire

470

4.

490 MPa wire

173

2るといえる．

Intensity (counts/s)

4.

スラグは高絶縁性の SiO2 が存在せず，高導電性を有す

1000

1400

Raman shift (cm-1)

Intensity (counts/s)

As welded

Slag

1800

Mn3O4+TiN+Mn2SiO40500

1000

1500

2000

Raman shift (cm-1)

Fig. 7. Raman spectroscopy given by (a) Slag (490 MPawire) and (b) Dark brown hue (Low Si - W wire).

4.

2.

3

スラグの厚さ

スラグの厚さの測定結果を Fig. 6 に示す．490 MPa 級

SEM-EDS でのスラグの組成分析結果を Fig. 6 に示す．

溶接ワイヤのスラグは約 90 μm と厚い．一方，低 Si-Wと多い．一方，低 Si-W 添加溶接ワイヤでは，スラグ中490 MPa 級溶接ワイヤではスラグが局部的に凝集し，厚490 MPa 級溶接ワイヤでは，スラグ中の Si が 14 mass%

添加溶接ワイヤのスラグは約 10 μm と薄い．これは，

技術資料＞スラグを低減した溶接ワイヤによる溶接部の電着塗装性および架橋性いスラグを形成するのに対し，低 Si-W 添加溶接ワイヤ
ではスラグが溶接ビード全体に広がり，薄くなるためで

Gap (mm)(a)1.5
1.21.0ある．このスラグが溶接ビード全体に広がる理由として，MnO や Mn と Fe の複合酸化物の凝固開始温度が低7）いことが考えられる ．

Undercut
0.5

Humping bead

低 Si-W 添加溶接ワイヤは，スラグは高絶縁性の SiO2-2-1が存在せず，高導電性を有し，スラグの厚さが薄い．そのため，電気抵抗が低く，電着塗装性に優れると考えられる．

4.

337012Aiming for the lower plate(b)Gap (mm)
1.5
1.2
1.0

溶接継手の架橋性

Undercut0.5

架橋性の判定例を Fig. 8 に示す．溶接不良のない良好

Humping bead

な溶接ビードが得られた場合を " ○”判定とし，ハンピングビード，アンダカット，ビード形成不良では，判定" ×”とした．

-2-1(c)1.2
1.0

Undercut
0.5

Humping bead-2ドが生じた．
Fig. 9 (b) の低 Si で W が添加されていない溶接ワイヤは，ハッチングの範囲が狭い．隙間が大きく，かつルー-1

一方，Fig. 9 (c) の低 Si-W 添加溶接ワイヤは，Fig. 9 (a)の 490 MPa 級溶接ワイヤと同程度のハッチングの範囲であり広い．これは W の添加により粘度が向上し，溶接金属が崩れにくくなった影響と考えられる．

012

Aiming for the lower plate

Fig. 9. Gap resistance of lap joint given by (a) 490 MPawire, (b) Low Si wire and (c) Low Si - W wire.

ト部から下板側へのワイヤの狙い位置の場合，アンダカットが発生するとともにビード形成不良が生じる．

21.5

良好条件範囲をハッチングした．いずれの溶接ワイヤにへのワイヤ狙い位置が -2 mm において，ハンピングビー

1Gap (mm)

架橋性の調査結果を Fig. 9 に示す．" ○”判定の適正おいても，隙間が 0 mm で，ルート部から鋼板の上板側

0
Aiming for the lower plate

4.

4

溶着金属の機械的特性

溶着金属から採取した試験片での引張試験およびシャルピー衝撃試験の結果を Table 3 に示す．低 Si-W 添加溶
接ワイヤの溶着金属の耐力，引張強さ，伸びは，490 MPa級溶接ワイヤのそれとおおむね同等であった．また，-20 ℃における吸収エネルギーについても，低 Si-W 添×

加溶接ワイヤは 490 MPa 級溶接ワイヤとおおむね同等

Poor bead formation
10 mmであった．
溶着金属の化学成分を Table 4 に示す．低 Si-W 添加溶接ワイヤは，490 MPa 級溶接ワイヤに比べ，溶着金属×の酸素量は若干高い．低 Si-W 添加溶接ワイヤの機械的Humping bead
10 mm○は，低 Si-W 添加溶接ワイヤの酸素量が上昇したものの，×Undercut

特性が 490 MPa 級溶接ワイヤとおおむね同等であるのPoor bead formation

溶着金属に巨大な酸化物などが残留していないためと考えられる．

1 mm

1 mm

1 mm

Table 3. Mechanical properties of deposited metal.
Tensile property [@RT]Fig. 8. Examples of bead appearance and cross section

Absorbed
Proof
TensileElongation energy (J)strength strength[@-20 ℃]
(%)
(MPa)
(MPa)

of welds.
490 MPa wire

48057929165

Low Si - W wire

48655731138

電気製鋼 第 95 巻第 1 号 2024 年

38Table 4. Chemical composition of deposited metal.
(mass%)
CSiMnPSTiAlWO490 MPa
0.06 0.33 1.53 0.010 0.002 <0.01 <0.005 <0.01 0.03
wire
Low Si 0.07 0.05 1.50 0.008 0.007 0.04 0.007 Add. 0.04
W wire5．結言

溶接継手にスラグが残存しても電着塗膜の形成ができ，さらに隙間が大きな溶接でも架橋性を確保可能な溶接ワイヤ（低 Si-W 添加）を評価し，以下のことが明らかになった．
（1）溶接ビード表面全体はやや暗褐色の色相であり，電着塗装はほぼ全面で形成されている．
（2）鋼板と同程度の低い電気抵抗である．
（3）スラグは約 10 μmと薄く，酸化物の平衡状態の計算結果と同様に，Si酸化物は認められない．
（4）架橋性は，490 MPa級溶接ワイヤと同様に良好であり，W添加による改善効果が認められる．
（5）溶着金属の機械的特性は，490 MPa級溶接ワイヤとおおむね同等で良好である．
（文献）

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上仲明郎

山下正和