JP5064932B2

JP5064932B2 - ガスシールドアーク溶接用銅めっきワイヤ

Info

Publication number: JP5064932B2
Application number: JP2007208771A
Authority: JP
Inventors: 和弘東条; 清康石川; 公博辻; 友勝岩上; 治朗池田; 幹男中村; 田中　　勉
Original assignee: Daido Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Daido Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 2007-08-10
Filing date: 2007-08-10
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2027-08-10
Also published as: JP2009039765A

Description

本発明は、ワイヤ送給性に優れた全自動および半自動溶接用フラックス入りワイヤ、ソリッドワイヤ等のガスシールドアーク溶接用銅めっきワイヤに関する。

一般にガスシールドアーク溶接には、細径（０．８〜１．６ｍｍ）の溶接用ワイヤが使用される。ガスシールドアーク溶接用ワイヤはスプールに巻かれた、あるいはペールパックに装填された形態で溶接に供せられる。このガスシールドアーク溶接用ワイヤの使用に際しては、送給機の送給ローラによりスプールあるいはペールパックからワイヤを引き出すとともに後続するコンジットケーブルに内包されたライナ内に押し込み、このライナを経由して、コンジットケーブル先端に取り付けられた溶接トーチ内の給電チップまで送給する方式が採用されている。ワイヤはこの給電チップと被溶接材間で電圧を印加されてアーク溶接が行われる。

ここで使用されるライナは鋼線をスパイラル状にして形成したフレキシブルなガイド管であり、その長さは通常３〜６ｍ程度であるが広域の溶接を行う場合には１０〜２０ｍの長尺なものとなり、溶接個所までの距離に合わせて選択使用される。この方式によれば、造船現場等の溶接個所が狭隘な、あるいは高低差がある場所でも、コンジットケーブル（ライナ）を沿わすことにより比較的容易に溶接が行える利点がある。

ところが、使用時に次のような問題が生じることがあり、その解決を求められている。安定した溶接を行うためには、ガスシールドアーク溶接用ワイヤを決められた一定の速度で溶接部に供給すること、つまりワイヤ送給性が良好であることが必要となる。ワイヤは送給ローラの送給力によってライナ内に押し込まれ、一方、ライナ内面からは接触摩擦による送給抵抗を受ける。このとき、ライナが直線状態に近い比較的優しい使用環境化の場合には、送給抵抗はそれほど大きくならず、ワイヤ送給性に問題は生じないが屈曲個所が多く、屈曲半径（曲率半径）が小さく、あるいはライナが長尺化した場合等の過酷な使用環境下の場合には、送給抵抗が増加し送給力とのバランスが崩れ、ワイヤ送給性が悪化する。

ガスシールドアーク溶接用銅めっきワイヤの送給性を向上させる方法としては、ワイヤ表面に滑り性が良好な潤滑剤を塗布することが重要である。その潤滑剤として、特開平７−９７５８３号公報（特許文献１）および特開平８−１５５６７１号公報（特許文献２）に記載されているように炭化水素系鉱物油、動物油および植物油をワイヤ表面に塗布してワイヤ送給性を向上した技術の開示がある。しかし、これらの潤滑油を塗布したワイヤでは、長尺のライナを使用し屈曲箇所の多い場合の溶接においては送給抵抗が大きく、ワイヤ送給性が不良でアークが非常に不安定であった。

また、特開２００４−３４１３１号公報（特許文献３）には、植物油、動物油、鉱物油および合成油からなる群から選択された１種以上で構成される基油に、ＭｏＳ₂、ＷＳ₂、黒鉛、ＰＴＦＥの単体あるいは１種以上の混合物を主成分とする固体潤滑剤を複合させた送給潤滑剤をワイヤ長手および周方向に均一塗布したガスシールドアーク溶接用ワイヤが、特開２００３−２２５７９４号公報（特許文献４）には、ワイヤ表面下層部にＭｏＳ₂、ＢＮ、ワックス、Ｋ化合物および銅粉を有し、上層部に脂肪酸エステルおよび／または潤滑剤を有するガスシールドアーク溶接用ワイヤが開示されている。

これら固体潤滑剤を含む溶接用ワイヤは、特にライナ内入口側でのライナとの接触によりワイヤ表面から脱落しやすく、長尺のライナの場合溶接トーチ近傍においてワイヤ表面の潤滑剤付着量が少なくなって送給抵抗が大きくなる。さらに脱落した固体潤滑剤、ライナとの摩擦によって削られた銅めっき粉、Ｆｅ粉およびワイヤとの摩擦によって削られたライナ表面のＺｎ粉、Ｆｅ粉などがライナ内で堆積するため、長期間溶接すると徐々にワイヤ送給性が劣化し、アークが不安定になるという問題もある。
特開平７−９７５８３号公報特開平８−１５５６７１号公報特開２００４−３４１３１号公報特開２００３−２２５７９４号公報

本発明は、長尺のライナを使用し、かつ屈曲箇所の多い場合においても短時間から長時間の溶接に至るまで良好なワイヤ送給性およびアークが安定した溶接を行うことができるガスシールドアーク溶接用銅めっきワイヤを提供することを目的とする。

本発明の要旨とするところは、ガスシールドアーク溶接用銅めっきワイヤ表面に油脂またはエステルの１種以上の基油に硫黄含有量が５〜２０質量％の硫化油脂、硫化エステル、硫化脂肪酸または硫化オレフィンの１種または２種以上を１５〜６５質量％、二硫化モリブデンを８〜３０質量％、油溶性高分子化合物の１種以上を５〜１５質量％含有し、その他不可避不純物からなる送給潤滑剤がワイヤ１０ｋｇ当たり０．５〜３．０ｇ付着していることを特徴とする。

また、硫化油脂、硫化エステル、硫化脂肪酸または硫化オレフィンは、ＡＳＴＭＤ１６６２に基づいて測定した１５０℃における活性硫黄分が４質量％以下であることを特徴とする。さらに、送給潤滑剤にリン酸エステル、アルキルホスホン酸誘導体またはレシチンの１種または２種以上を１〜１０質量％含むことも特徴とするガスシールドアーク溶接用銅めっきワイヤにある。

本発明のガスシールドアーク溶接用銅めっきワイヤによれば、長尺のライナを使用し、かつ屈曲箇所の多い場合の溶接においても給電チップでの通電が安定し、さらに短時間から長時間に至る溶接でも良好なワイヤ送給性およびアークが安定した溶接が可能となる。

本発明者らは、前記課題を解決するためにガスシールドアーク溶接用銅めっきワイヤ表面に塗布する送給潤滑剤について種々検討した。その結果、ワイヤ表面に、油脂またはエステルの１種以上の基油に硫黄を適量含んだ硫化油脂、硫化エステル、硫化脂肪酸または硫化オレフィンと二硫化モリブデンおよび油溶性高分子化合物を適量含んだ送給潤滑剤を塗布することにより、ライナの長さおよび屈曲に関係なく、短時間から長時間に至る溶接においても良好なワイヤ送給性およびアークが安定した溶接ができることを見出した。さらに、前記潤滑剤にリン酸エステル、アルキルホスホン酸誘導体またはレシチンの１種以上を含むことにより、さらに良好なワイヤ送給性が発揮できることも見出した。以下、本発明の内容を詳細に説明する。

油脂またはエステルの１種以上の基油に硫黄含有量が５〜２０質量％の硫化油脂、硫化エステル、硫化脂肪酸または硫化オレフィンの１種または２種以上を含有させることにより、これらの硫黄成分がワイヤ表面に化学吸着して潤滑膜を形成する。化学吸着した潤滑膜は、ワイヤ表面との化学結合で形成されており、ファンデルワールス力で形成される動植物油および鉱物油での物理吸着よりも結合力が強く、特に長時間溶接した場合のライナが高温になるほど結合力が強くなってワイヤ表面とライナとの摩擦係数を低くしてワイヤ送給性が良好となる。

硫化油脂、硫化エステル、硫化脂肪酸または硫化オレフィンの硫黄含有量が５質量％未満の場合、送給潤滑剤のワイヤ表面への吸着力が弱く送給抵抗の増加抑制効果が認められず、ワイヤ送給性改善は望めない。一方、２０質量％を超えると、ワイヤ表面の銅めっきと硫黄が反応して硫化銅を生成してワイヤ表面が変色すると共にチップ部での通電性が不良となってアークが不安定になる。さらに、溶接金属に硫黄が歩留り高温割れ性や衝撃靭性を劣化させる。

また、硫化油脂、硫化エステル、硫化脂肪酸または硫化オレフィンの１種または2種以上の前記基油への含有量が１５質量％未満の場合、ライナとワイヤ間での摩擦係数が高くなり、送給抵抗が増大してワイヤ送給性が不良となる。一方、６０質量％超では、ワイヤ表面の銅めっきと硫黄が反応して硫化銅を生成してワイヤ表面が変色すると共にチップ部での通電性が不良となってアークが不安定になる。さらに、長時間溶接ではライナ内に送給潤滑剤が堆積されてワイヤ送給性が不良となる。

硫化油脂、硫化エステル、硫化脂肪酸または硫化オレフィンの活性硫黄分は、ワイヤ表面の銅と反応し、硫化銅を生成する。したがって、ＡＳＴＭＤ１６６２に基づいて測定した１５０℃における活性硫黄分が４質量％超であると、ワイヤ表面の銅めっきと硫黄が反応して硫化銅を生成してワイヤ表面が変色すると共にチップ部での通電性が不良となってアークが不安定になる。さらに、長時間溶接ではライナ内に送給潤滑剤が堆積されてワイヤ送給性が不良となる。

二硫化モリブデンは、ライナとの摩擦抵抗を非常に小さくしてワイヤ送給性を良好にする。また、ライナとの接触によって少しずつ脱落した二硫化モリブデンは、長時間溶接によってライナ内に堆積されるが、堆積した二硫化モリブデンはライナとワイヤとの摩擦抵抗をさらに小さくする。したがって、長時間溶接する場合においてもワイヤ送給性が良好で、安定した溶接が可能となる。二硫化モリブデンが８質量％未満であると、特に長時間溶接した場合にワイヤ送給性が不良となる。一方、二硫化モリブデンが３０質量％を超えると、ワイヤ送給ローラ部でワイヤがスリップしてワイヤの送給が困難となる。

油溶性高分子化合物の１種以上は、前記二硫化モリブデンをワイヤ表面に均一に分散させるとともにワイヤ表面に二硫化モリブデンを強固に付着させる作用がありライナ内への脱落を防止する。油溶性高分子化合物としては、ポリブテン、ポリイソブチレン、ポリアクリル酸エステル、ポリメタアクリレート、ポリアクリル酸、マレイン化ポリブテン、ポリエチレン及びプロピレン等の平均分子量が６００から５０万の高分子化合物が挙げられる。油溶性高分子化合物の１種以上が５質量％未満であると、二硫化モリブデンを均一に分散できず、部分的にワイヤ送給抵抗が大きくなったり、送給ローラ部でワイヤがスリップする。また、長時間溶接ではライナ内に送給潤滑剤が堆積されてワイヤ送給性が不良となる。一方、ポリブテンまたはポリアクリル酸の１種以上が１５質量％を超えると、チップ部での通電性が不良となってアークが不安定になる。

ワイヤ表面の送給潤滑剤付着量は、ワイヤ１０ｋｇ当たり０．５〜３．０ｇ（以下、ｇ／１０ｋｇＷという。）とする。ワイヤ表面の送給潤滑剤付着量が０．５ｇ／１０ｋｇＷ未満では、潤滑性能不足によりワイヤ表面とライナとの摩擦係数が増大し、送給抵抗の増加抑制効果は期待できずワイヤ送給性が不良となる。一方、３．０ｇ／１０ｋｇＷを超えると、過剰付着により送給ローラがスリップするため、ワイヤの安定送給が困難となる。また、長時間の溶接ではライナ内に送給潤滑剤が堆積しワイヤ送給性が不良となる。さらに、潤滑油成分は、Ｃ−Ｈ結合で構成されているため、溶接時に多量の水素が混入し、溶接金属部にピットやブローホールが生じやすくなる。

さらに、リン酸エステル、アルキルホスホン酸誘導体またはレシチンの１種または２種以上は、各潤滑成分を均一に分散させてワイヤ表面に均一に塗布するとともに、潤滑剤の通電性を向上させる。リン酸エステル、アルキルホスホン酸誘導体またはレシチンの１種または２種以上が１質量％未満では、各潤滑成分がワイヤ表面で偏析しやすくなり、ワイヤ送給性が安定しない部分が生じる。一方、８質量％を超えるとスパッタ発生量が多くなり溶接作業性が劣化する。

本発明で用いられる基油は、油脂とエステルとする。ここで油脂とは牛脂、ラード、パーム油、ヤシ油、ナタネ油または大豆油等をいう。エステルは、脂肪酸とアルコールから合成されるエステルであり、脂肪酸としては炭素数１２〜３６の一塩基酸または二塩基酸であり、アルコールとしては炭素数１〜１８の一価または多価アルコールが挙げられる。具体例としてはパルミチン酸エチルヘキシルエステル、オレイン酸ブチルエステル、イソステアリン酸ブチルカルビトールエステル、ベヘニン酸ラウリルエステル、ネオペンチルグリコールオレイン酸エステル、トリメチロールプロパンイソステアリン酸エステル、ペンタエリスリトールオレイン酸エステル、トリメチロールプロパンダイマー酸エステル等をいう。前記油脂またはエステルの１種以上の基油は、ワイヤ表面との物理吸着により潤滑膜を形成する。

なお、ワイヤ表面の送給潤滑剤の粘性はワイヤ送給性に影響を与える要因となる。粘性が低いとライナとの接触により特に二硫化モリブデンがワイヤ表面から剥離しやすくなり、送給抵抗が増大する。逆に粘性が高いとワイヤ表面の送給潤滑剤が均一に塗布されず、部分的に送給抵抗が増大する。したがって、送給潤滑剤の粘度は３００〜１４００ｍｍ²／ｓであることが好ましい。

以下、本発明の効果を実施例により具体的に説明する。
表１に示す製品径１．４ｍｍの銅めっきフラックス入りワイヤ（ＪＩＳＺ３３１３ＹＦＷ−Ｃ５０ＤＲ）およびソリッドワイヤ（ＪＩＳＺ３３１２ＹＧＷ１１）に各種送給潤滑剤を塗布してスプール巻きワイヤとした。なお、基油のエステルは表２に示すものを用いた。また、硫化油脂、硫化エステル、硫化脂肪酸または硫化オレフィンの１種または２種以上は、表３に示すものを用いた。また、各試作ワイヤの送給潤滑剤の付着量は温トルエン抽出法により測定した。

各試作ワイヤを１５０℃の恒温炉に６０日間保管して、ワイヤ表面状態を観察した後ワイヤ送給性および溶接後のライナ内への潤滑剤、他の堆積量を調べた。

ワイヤ送給性評価試験は、図１に示す装置を用いて行った。図１において送給機１にセットされたスプール巻きワイヤ２は、送給ローラ３により引き出され、コンジットケーブル４に内包したライナを経てその先端のトーチ５まで送給される。そして給電チップと鋼板７の間でビードオンプレート溶接を行う。コンジットケーブル４は６ｍ長で、ワイヤに送給抵抗を与えるために、トーチ手元のコンジットケーブル屈曲をＳ字にした。

また、１５０ｍｍ径のループを２つ形成した屈曲部６を設けた。送給器には送給ローラの周速度Ｖｒ（＝設定ワイヤ速度）の検出器、ワイヤの実速度（Ｖｗ）検出器８を備えている。送給性評価指標のスリップ率ＳＬはＳＬ＝（Ｖｒ−Ｖｗ／Ｖｒ×１００％で表される。また、送給ローラ部に設けられたロードセル９により送給時にワイヤがライナから受ける反力を送給抵抗Ｒとして検出した。

短時間送給性試験は、表４に示す溶接条件で２分間溶接して送給抵抗Ｒとスリップ率ＳＬを測定し、平均値を求めた。送給抵抗Ｒが５ｋｇｆ以下、スリップ率ＳＬが２％以下の場合に送給性良好と判定した。また、通電不良による瞬間的な送給抵抗Ｒおよびスリップ率ＳＬの最大値を測定し、送給抵抗Ｒ：６ｋｇｆ以下、スリップ率ＳＬ：３％以下を送給性良好と判定した。

長時間溶接試験は、表４に示す溶接条件で図１に示すコンジットケーブルの手元Ｓ字屈曲と１５０ｍｍ径のループ１つの屈曲条件として、１０分溶接後５分休憩を１０回繰り返し合計１００分溶接し、１０分毎の送給抵抗Rとスリップ率ＳＬを測定し、平均値を求めた。各溶接時間で送給抵抗Ｒが５ｋｇｆ以下、スリップ率ＳＬが３％以下の場合に送給性良好と判定した。また、１００分間溶接後のライナ内の堆積量を調査した。堆積量は、ライナを５０ｃｍ間隔で切断し、温トルエン抽出法により全ての堆積物の重量を測定した。堆積量がライナ長さ１００ｃｍ当たり５０ｍｇ以下を良好と判定した。それらの結果を表５にまとめて示す。

表１および表５中、ワイヤＮo.１〜８が本発明例、ワイヤＮo.９〜１８は比較例である。本発明例であるワイヤＮo.１、２およびワイヤＮo.４〜８は、ワイヤ表面の油脂またはエステルの基油に硫黄含有量が適量で活性硫黄分の少ない硫化油脂、硫化エステル、硫化脂肪酸または硫化オレフィンの１種または２種以上、二硫化モリブデン、ポリブテンまたはポリメタアクリレートの油溶性高分子化合物の１種以上を適量含有し、さらにリン酸エステル、アルキルホスホン酸誘導体またはレシチンの１種または２種以上を適量含む送給潤滑剤が適量塗布されているので、ワイヤ表面の変色がなく短時間溶接試験および長時間溶接試験とも送給抵抗Ｒおよびスリップ率ＳＬが低くアークが安定し、ライナ内の堆積量も少ないなど極めて満足な結果であった。

なお、ワイヤＮo.３は、送給潤滑剤中にリン酸エステル、アルキルホスホン酸誘導体またはレシチンの１種または２種以上を含んでいないので、短時間溶接試験および長時間溶接試験とも送給抵抗Ｒが若干高くなった。比較例中ワイヤＮo.９は、送給潤滑剤中の硫化油脂と硫化オレフィンの硫黄含有量が多いので、ワイヤ表面が変色し、チップ部での通電性が不良となってアークがやや不安定となるとともに送給抵抗Ｒおよびスリップ率ＳＬの最高値が高くなった。

ワイヤＮo.１０は、送給潤滑剤中の硫化エステルの硫黄含有量が少ないので、短時間溶接試験および長時間溶接試験とも送給抵抗Ｒが高くアークが不安定であった。また、リン酸エステルおよびレシチンの合計量が多いのでスパッタ発生量も多くなった。ワイヤＮo.１１は、送給潤滑剤中の硫化エステルが多いので、ワイヤ表面が変色し、短時間溶接試験ではチップ部での通電性が不良となってアークがやや不安定となるとともに送給抵抗Ｒおよびスリップ率ＳＬの最高値が高くなった。また、長時間溶接試験では送給抵抗Ｒが高くアークが不安定であった。さらに、ライナ内の堆積量も多かった。

ワイヤＮo.１２は、送給潤滑剤中の硫化エステルが少ないので、短時間溶接試験および長時間溶接試験とも送給抵抗Ｒが高くアークが不安定であった。ワイヤＮo.１３は、送給潤滑剤中の二硫化モリブデンが多いので、短時間溶接試験および長時間溶接試験ともスリップ率ＳＬが高くアークが不安定であった。また、硫化エステルおよび硫化脂肪酸の活性硫黄含有量が多いので、ワイヤ表面が変色し、短時間溶接試験ではチップ部での通電性が不良となってアークがやや不安定となるとともに送給抵抗Ｒおよびスリップ率ＳＬの最高値が高くなった。また、長時間溶接試験では送給抵抗Ｒが高くアークが不安定であった。

ワイヤＮo.１４は、送給潤滑剤中の二硫化モリブデンが少ないので、長時間溶接試験では送給抵抗Ｒが高くアークが不安定であった。また、リン酸エステルが少ないので、短時間溶接試験では部分的にアークがやや不安定となるとともに送給抵抗Ｒおよびスリップ率ＳＬの最高値が高くなった。ワイヤＮo.１５は、送給潤滑剤中のポリブテン量が多いので、チップ部での通電性が不良となってアークが不安定になった。

ワイヤＮo.１６は、送給潤滑剤中のポリメタアクリレート量が少ないので、短時間溶接試験では部分的にアークがやや不安定となるとともに送給抵抗Ｒおよびスリップ率ＳＬの最高値が高くなった。また、長時間溶接試験ではワイヤ送給抵抗Ｒが高くアークが不安定で、ライナ内の堆積量も多かった。

ワイヤＮo.１７は、ワイヤ表面の送給潤滑油量が多いので、短時間溶接試験および長時間溶接試験ともスリップ率ＳＬが高くアークが不安定であった。また、長時間溶接試験では送給抵抗Ｒも高くなり、ライナ内の堆積量も多かった。ワイヤＮo.１８は、ワイヤ表面の送給潤滑油量が少ないので、短時間溶接試験および長時間溶接試験とも送給抵抗Ｒが高くアークが不安定であった。

本発明の実施例におけるワイヤ送給試験の装置を示す図面である。

符号の説明

１送給機
２スプール巻きワイヤ
３送給ローラ
４コンジットケーブル
５トーチ
６コンジットケーブル屈曲部
７鋼板
８ワイヤ実速度検出器
９ロードセル

特許出願人日鐵住金溶接工業株式会社他１名
代理人弁理士椎名彊他１

Claims

ガスシールドアーク溶接用銅めっきワイヤ表面に油脂またはエステルの１種以上の基油に硫黄含有量が５〜２０質量％の硫化油脂、硫化エステル、硫化脂肪酸または硫化オレフィンの１種または２種以上を１５〜６０質量％、二硫化モリブデンを８〜３０質量％、油溶性高分子化合物の１種以上を５〜１５質量％含有し、その他不可避不純物からなる送給潤滑剤がワイヤ１０ｋｇ当たり０．５〜３．０ｇ付着していることを特徴とするガスシールドアーク溶接用銅めっきワイヤ。
硫化油脂、硫化エステル、硫化脂肪酸または硫化オレフィンは、ＡＳＴＭＤ１６６２に基づいて測定した１５０℃における活性硫黄分が４質量％以下であることを特徴とする請求項１記載のガスシールドアーク溶接用銅めっきワイヤ。
送給潤滑剤にリン酸エステル、アルキルホスホン酸誘導体またはレシチンの１種または２種以上を１〜１０質量％含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガスシールドアーク溶接用銅めっきワイヤ。