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JP6788550B2 - アーク溶接方法およびソリッドワイヤ - Google Patents

アーク溶接方法およびソリッドワイヤ Download PDF

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Description

本実施形態は、アーク溶接方法およびソリッドワイヤに関する。
ソリッドワイヤは、自動車などの薄板用のガスシールドアーク溶接に広く用いられている。ソリッドワイヤを用いて溶接した場合、短期間の溶接においては、ワイヤ送給性が優れるが、長期間溶接を行うと、チップがソリッドワイヤとの融着などで消耗し、アークが不安定になりやすい。
ここで、ソリッドワイヤの表面に銅めっき膜が形成されていると、一般的に、チップ摩耗が少なくなり、溶接時においてアークが安定することが知られている。例えば、特許文献1には、表面に0.3〜1.1μmの銅めっき膜が形成されたソリッドワイヤが開示されている。
特開2008−194716号公報 特許第6043969号公報
ところで、ソリッドワイヤを用いたガスシールドアーク溶接において、ソリッドワイヤを進退方向に繰り返し送給制御する溶接方法(ワイヤ送給制御短絡アーク溶接法)が知られている(例えば特許文献2参照)。この溶接方法では、アークを出しながらワイヤを前進させ、溶融したワイヤ先端の溶融金属を溶融プールに接触させてアークを消滅させた後、ワイヤを引戻して溶融金属を移行させ、再度アークを出しながらワイヤを前進することを繰り返すことにより、スパッタの低減を図っている。
しかしながら、このようにソリッドワイヤの進退方向に送給制御をする場合、トーチ内部やコンジットケーブル(ライナ)内部において、ソリッドワイヤとトーチ内部やライナ内部の表面同士が摺動し、ソリッドワイヤに形成された銅めっき膜が摩耗してしまうことがある。この場合、溶接時においてチップ融着を十分に低減できず、送給抵抗が劣化し、アークが不安定になるなどの問題が生じる。
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、アーク溶接時において、送給性に優れ、アークの安定度が高いアーク溶接方法及びソリッドワイヤを提供することである。
本発明者らは、表面に銅めっき膜が形成されたソリッドワイヤを用いたアーク溶接方法について鋭意検討した結果、銅めっき膜の結晶粒径を微細にすることによって、銅めっき膜の摩耗を抑制できることを見出した。さらに、これにより、ソリッドワイヤの摺動性を良好にし、例えばソリッドワイヤの進退方向に送給制御を行うアーク溶接において、送給性を高め、溶接時のアークをより安定させることができることを見出した。本発明は、この知見に基づいてなされたものである。
すなわち、本発明のアーク溶接方法は、Arを含むガスと、鋼心線及び該鋼心線の表面に形成された銅めっき膜を備え、前記銅めっき膜の平均結晶粒径が600nm以下であるソリッドワイヤと、を用いて溶接を行うことを特徴とする。
本発明のアーク溶接方法の一態様は、前記ソリッドワイヤを、該ソリッドワイヤの進退方向に繰り返し送給制御しながら溶接することを特徴とする。
ここで、進退方向とは、ワイヤ送給の正方向および逆方向のことを意味している。
本発明のアーク溶接方法の一態様は、前記鋼心線が、軟鋼からなることを特徴とする。
本発明のアーク溶接方法の一態様は、前記ソリッドワイヤが、質量%で、C:0.02%以上0.15%以下、Si:0.2%以上2.0%以下、Mn:0.2%以上3.0%以下、及びCu:0.05%以上0.5%以下を含有することを特徴とする。
また、本発明のアーク溶接方法の一態様は、前記ソリッドワイヤが、さらに、質量%で、S:0.30%以下、Al:0.1%以上1.0%以下、Mo:0.1%以上3.0%以下、Ti:0.01%以上0.3%以下、及びZr:0.01%以上0.3%以下のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする。
本発明のアーク溶接方法の一態様は、前記銅めっき膜の前記平均結晶粒径が50nm以上500nm以下であることを特徴とする。
本発明のソリッドワイヤは、鋼心線と、該鋼心線の表面に形成された銅めっき膜とを備えたソリッドワイヤであって、前記銅めっき膜の平均結晶粒径が600nm以下であることを特徴とする。
本発明のソリッドワイヤの一態様は、前記鋼心線が、軟鋼からなることを特徴とする。
本発明のソリッドワイヤの一態様は、質量%で、C:0.02%以上0.15%以下、Si:0.2%以上2.0%以下、Mn:0.2%以上3.0%以下、及びCu:0.05%以上0.5%以下を含有することを特徴とする。
本発明のソリッドワイヤの一態様は、さらに、質量%で、S:0.30%以下、Al:0.1%以上1.0%以下、Mo:0.1%以上3.0%以下、Ti:0.01%以上0.3%以下、及びZr:0.01%以上0.3%以下のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする。
本発明のソリッドワイヤの一態様は、前記銅めっき膜の前記平均結晶粒径が50nm以上500nm以下であることを特徴とする。
本発明によれば、アーク溶接時において、送給性に優れ、アークの安定度が高いアーク溶接方法及びソリッドワイヤを提供することができる。
図1は、本発明の実施形態に係るソリッドワイヤの断面図である。 図2は、EBSDによるソリッドワイヤ断面の測定結果の一例である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係るアーク溶接方法及びソリッドワイヤについて説明する。
本発明の実施形態に係るアーク溶接方法は、図1に示すソリッドワイヤ10を用いたガスシールドアーク溶接方法である。まず、ソリッドワイヤ10について説明する。ソリッドワイヤ10は、鋼心線11と、この鋼心線11の表面に形成された銅めっき膜12とを備えている。なお、本明細書において、ソリッドワイヤを、単にワイヤと呼ぶことがある。
鋼心線11は、断面円形の鋼からなる線材である。本実施形態において、鋼心線11は、軟鋼とされているが、これに限定されるものではない。
銅めっき膜12は、硫酸銅やピロリン酸銅などのめっき液を用いて鋼心線11の表面に形成される。本実施形態においては、鋼心線に銅めっきがされた後に、伸線加工が行われることによって、例えば厚さの平均で2μm以下の銅めっき膜12が形成されている。
本実施形態において、銅めっき膜の平均結晶粒径は、600nm以下とされている。銅めっき膜の平均結晶粒径が600nm以下であると、銅めっき膜の摩耗を良好に抑制できる。銅めっき膜の摩耗をより良好に抑制する観点からは、銅めっき膜の平均結晶粒径は、好ましくは500nm以下である。より好ましくは、450nm以下である。なお、銅めっき膜の平均結晶粒径は、50nm以上であることが実際的である。
本実施形態における銅めっき膜の平均結晶粒径は、EBSD(Electron Back−Scatterd Diffraction)装置を用いて、ワイヤの長手方向と直交する断面の銅めっき膜を測定した際の各結晶粒の面積割合を考慮した直径である。例えば、面積割合を考慮した直径d’は、一個の結晶粒が全面積に占める割合(c1、c2、c3、・・・・・)および各々の結晶粒直径(d1、d2、d3、・・・・・)から算出した数値であり、
d’=c1d1+c2d2+c3d3+・・・・・
で表される。ここで、一個の結晶粒が全面積に占める割合(c1、c2、c3、・・・・・)とは各々の結晶粒のポイント数(n1、n2、n3、・・・・・)および全測定ポイント数nから算出した数値であり、
c1=n1/n
である。したがって、
d’=(n1/n)d1+(n2/n)d2+(n3/n)d3+・・・・・
として面積割合を考慮した直径d’が算出される。本実施形態では、このd’を平均結晶粒径と称している。
図2は、本発明の実施形態に係るソリッドワイヤ10の長手方向に直交する断面における銅めっき膜12についてEBSD測定をした一例である。より具体的には、図2は、IPFマップであり、結晶粒同士の方位差が15°以上を粒界として表している。本例において、粒径が1μm以上の粗大な結晶粒は存在しない。この図2に示す銅めっき膜12の平均結晶粒径d’は、約460nmである。なお、図2において、下側が鋼心線(母材)11である。
また、銅めっき膜12は、めっき形成後に、伸線加工が施され動的再結晶が生じることにより結晶粒が微細化されたものである。めっき後の銅めっき膜の粒径は1μm以上の結晶粒やそれより粒径が小さい結晶粒が混在した混粒組織となるが、伸線加工において動的再結晶が生じることにより、結晶粒が微細化するとともにより均一な結晶粒サイズとなる。本実施形態において、伸線加工による動的再結晶後の銅めっき膜12においては、粒径が1μm超の結晶粒は観察されない。
ソリッドワイヤ10は、例えば直径0.6mm以上1.8mm以下の断面円形の線材である。ソリッドワイヤ10の組成は、特に限定されるものではないが、C:0.02質量%以上0.15質量%以下、Si:0.2質量%以上2.0質量%以下、Mn:0.2質量%以上3.0質量%以下、Cu:0.05質量%以上0.3質量%以下を含んでいることが好ましい。以下に、各成分の限定理由を説明する。
なお、これら各元素の含有量は、ワイヤ全質量に対する含有量である。また、本明細書において、質量を基準とする百分率(質量%)は、重量を基準とする百分率(重量%)と同義である。
(C:0.02質量%以上0.15質量%以下)
溶接ワイヤ中や溶接金属中のCは、溶接中に発生するスパッタに影響する。スパッタに関しては含有量が少量であっても問題ないため下限は特にないが、0.02質量%以上であることが実際的である。一方、酸素が多量に含まれると、溶接中に酸素と結びつき、COガスとなって溶滴表面にバブルを発生させ、これがはじけて、スパッタを発生させることがある。このため、Cの含有量は0.15質量%以下と規定することが好ましい。より好ましくは0.12質量%以下、さらに好ましくは0.10質量%以下である。なお、Cは溶接金属の強度にも影響し、強度の確保のため、好ましくは0.04質量%以上である。
(Si:0.2質量%以上2.0質量%以下)
溶接ワイヤ中のSiは脱酸元素であり、溶接金属の強度や靱性を確保する効果がある元素である。添加量が少量であると脱酸不足により、ブローホールが発生することがあるため、0.2質量%以上を含有させることが好ましい。より好ましくは0.4質量%以上である。一方、Siが多量に含まれると溶接中にスラグが大量発生して、溶接作業性を却って低下させることがある。このため、Siの含有量は2.0質量%以下が好ましい。より好ましくは1.5質量%以下、さらに好ましくは1.0質量%以下である。なお、スラグの発生を低減する場合には、Siの含有量を0.7質量%以下にすることが好ましい。
(Mn:0.2質量%以上3.0質量%以下)
溶接ワイヤ中のMnは、Siと同じく、脱酸剤あるいは硫黄捕捉剤としての効果を発揮し、溶接金属の強度や靱性を確保するために必要である。脱酸不足によるブローホールの発生抑制のためには、0.2質量%以上を含有させることが好ましい。より好ましくは0.4質量%以上、さらに好ましくは0.5質量%以上である。一方、Mnが多量に含まれると溶接中にスラグが大量発生したり、強度が増加しすぎて溶接金属の靭性を著しく低下させたりすることがある。このため、Mnの含有量は3.0質量%以下であることが好ましい。より好ましくは2.0質量%以下、さらに好ましくは1.3質量%以下である。なお、スラグの発生を低減する場合には、Mnの含有量を1.0質量%以下にすることが好ましい。
(Cu:0.05質量%以上0.5質量%以下)
Cuは主に銅めっき膜に由来してワイヤに含有されているものであるが、鋼心線に含まれるCuも含む。Cuが少なすぎる場合、素地が露出することがあるため、Cuは0.05質量%以上であることが好ましい。一方、Cuが多すぎる場合、めっき膜が剥離しやすくなるため、Cuは0.5質量%以下であることが好ましい。
ある態様において、ソリッドワイヤの残部は、Feおよび不可避的不純物である。なお、必要に応じて、S、P、Al、Mo、Ti及びZrから選択される少なくとも一つを下記の範囲でさらに添加されていても良い。また、不可避的不純物にはその他のものとして、例えばN、O、Cr、Niなどがあり、ソリッドワイヤにおいて、NやOは、90ppm以下であることが実際的である。なお、CrやNiなどは積極添加しても良い。
(S、P:0.30質量%以下)
S(硫黄)、P(リン)はともに不純物元素であり、極力含有量を少量にすることが好ましく、このため下限は設定しないが、それぞれ0.001質量%以上であることが実際的である。これらが各々0.30質量%を超えて多量に存在すると、溶接金属の割れが発生することがある。したがって、どちらも0.30質量%以下(0%を含む)に規制することが好ましい。
(Al:0.1質量%以上1.0質量%以下)
Alは、スラグの凝集に寄与する元素である。Alの添加は必須ではないが、Alの含有量が0.1質量%未満では、スラグの凝集効果が得られにくいため、Alを添加する場合にはその含有量を0.1質量%以上とすることが好ましく、0.2質量%以上とすることがより好ましい。一方、Alの含有量が1.0質量%を超えると、スパッタが多発することがある。したがって、Alを添加する場合には、その含有量を1.0質量%以下にすることが好ましく、0.7質量%以下にすることがより好ましく、0.4質量%以下にすることが特に好ましい。
(Mo:0.1質量%以上3.0質量%以下)
Moは強度の向上に寄与する元素である。Moの添加は必須ではないが、かかる効果を良好に発揮するために、Moを添加する場合にはその含有量を0.1質量%以上とすることが好ましく、0.3質量%以上とすることがより好ましい。一方、Moは、3.0質量%を超えると高温においてFeと金属間化合物を形成するため効果は飽和する。したがって、Moを添加する場合には、その含有量を3.0質量%以下することが好ましく、2.0質量%以下とすることがより好ましく、1.5質量%以下とすることがさらに好ましい。
(Ti:0.01質量%以上0.3質量%以下)
Tiは強脱酸元素であり、溶接金属の強度や靱性の向上効果がある。Tiを含有させる場合は、0.01質量%以上含有させることが好ましい。0.3質量%を超えて多量に含まれると、溶接中にスラグが大量発生して、溶接作業性も低下させることがある。このため、Tiの含有量は0.3質量%以下の範囲に規制することが好ましい。
(Zr:0.01質量%以上0.3質量%以下)
Zrはアーク安定性を向上させる効果がある。Zrを含有させる場合は、0.01質量%以上含有させることが好ましい。ただし、Zr含有量が多いと、焼鈍工程後のスケール層が厚くなると共にスケールの密着性も増加することがある。よってZr含有量の上限は0.3質量%であることが好ましい。
(製造方法)
以下に、本発明の実施形態に係るソリッドワイヤ10の製造方法について説明するが、これに限定されるものではない。まず、転炉あるいは電気炉等を用いて、所定の成分組成を有する溶鋼を溶製し、得られた溶鋼から連続鋳造や造塊法等によって鋼材(ビレット等)を製造する。次に、製造した鋼材を加熱した後、熱間加工を施し、更に乾式の冷間圧延(冷間伸線)を施して、例えば、直径約3〜8mmの鋼素線を得る。次いで、この鋼素線に必要に応じて焼鈍や酸洗を実施し、銅めっきおよび伸線加工を行い、最終ワイヤ径(例えば0.6〜1.8mm)を有するソリッドワイヤ10として製造する。なお、本実施形態において、銅めっき時のめっき浴としては、公知のものを使用できる。
ここで、本実施形態においては、銅めっき膜の平均結晶粒径を制御する伸線加工を行う必要がある。一般的に、ソリッドワイヤは、銅めっき後に伸線加工が施される。この銅めっき後の伸線加工においては、銅めっき膜において、動的再結晶および結晶粒の成長が生じる。すなわち、加工による歪の導入によって動的再結晶が生じ結晶粒が微細化するとともに、加工による発熱によって結晶粒の成長が生じ結晶粒が粗大化する。例えば、特開2012−143796には、伸線加工時においてワイヤ表面が400℃以上の高温にさらされることが記載されている。このように、加工発熱時において銅めっき膜が高温にさらされることにより、平均結晶粒径が600nm超に成長してしまう。
よって、本実施形態では、銅めっき膜においては、動的再結晶は生じさせつつも、結晶粒の成長は抑制する。動的再結晶の発生頻度は、例えば歪速度を調節することにより制御できる。具体的には、1パスの伸線加工率を20%以下、より好ましくは15%以下、さらに好ましくは10%以下とする。ソリッドワイヤの伸線加工は、孔ダイスやローラーダイスを用いた手法があるが、孔ダイスを用いる場合、ローラーダイスよりもひずみ速度が大きくなりやすいため、伸線加工率を低減することが好ましい。また、結晶粒の成長を抑制すべく、加工時における銅めっき膜の温度を低減するためには、ロールを冷却したり、油を噴射したりすることが好ましい。ワイヤを常温よりも低温に予め冷却しておいても良い。以上のようにして、本発明の実施形態に係る銅めっき膜12を得る。
次に、本発明の実施形態に係るアーク溶接方法について説明する。本発明の実施形態に係るアーク溶接方法は、上述したソリッドワイヤ10と、Arを含むガスとを用いて行われる。
本発明の実施形態に係る溶接方法に用いられるシールドガスは、Arを含有していればよく、Arのみからなっていてもよい。あるいは、Arに加えて、COやOなどを含有していてもよく、例えば、5〜30体積%程度のCOないしOと、残部がArであるシールドガスを用いてもよい。なお、シールドガスには、不可避不純物としてのN、H等も含有され得る。本発明の実施形態に係るアーク溶接方法において、溶接条件は公知の溶接条件を適宜採用することができる。また、溶接の対象となる被溶接材も特に限定されず、各種鋼板に適用可能である。
以上のような構成とされた本実施形態に係るソリッドワイヤ10およびアーク溶接方法によれば、銅めっき膜12の平均結晶粒径が600nm以下とされているので、アーク溶接時において、送給経路であるライナやトーチの内部において、銅めっき膜が損傷を受けにくく、送給性を高めるとともに、アークを安定させることができる。すなわち、銅めっき膜がトーチの内部において通電する際に、銅めっき膜が良好に形成されている状態のまま通電するため、チップ融着が安定し、送給性が高まるとともにアークの発生も安定するのである。特に、ワイヤの進退方向に繰り返し送給制御を行う場合においても、銅めっき膜の表面が接触物との間で摺動摩耗や削れを生じにくく、送給性およびアーク安定性が良好となる。ここで、進退方向とは、ワイヤ送給の正方向及び逆方向のことを意味している。
以下に、実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することが可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
実施形態で説明した方法などにより、表1に示す組成および銅めっき膜の平均結晶粒径を有する直径1.2mmの種々のソリッドワイヤを製造し、これら各ワイヤを用いて、ワイヤの進退方向に送給制御(ワイヤ送給制御短絡アーク溶接法)しながら、下記に示す条件で溶接を実施した。
(1)鋼板
縦200mm×横60mm×厚み3.2mmの鋼板を使用した。なお、鋼板の鋼種は、SPHC590である。
(2)溶接姿勢
水平重ねすみ肉溶接を実施した。
(3)シールドガス
シールドガスとして、Ar+20体積%COを使用した。
(4)溶接電流及び溶接電圧
溶接電流:240A、溶接電圧:18V、溶接速度100cm/分で溶接を実施した。
なお、ワイヤは、伸線加工の条件を種々変えることによって、銅めっき膜の平均結晶粒径が異なるものを作成した。従来例1〜3は、製造時において動的再結晶および結晶粒の成長に対して制御をしておらず銅めっき膜の結晶粒径が600nm超である。また、比較例1は、本発明例24で用いたワイヤに対して不活性ガス雰囲気中において200℃、10分間加熱処理をしたワイヤを用いた例である。
平均結晶粒径は、EBSD装置(TSL製 OIM 結晶方位解析装置)を用いて、ワイヤの長手方向と直交する断面において測定したデータを用いて取得した。平均結晶粒径は、面積割合を考慮した直径d’であり、装置に付属するソフトウェアにより容易に算出することが可能である。なお、平均結晶粒径の数値は、10の倍数となるように四捨五入して値を丸めた。EBSDの分析範囲は、12.5μm×12.5μmとし、ステップ0.035μmの条件で測定した。
ワイヤ送給については、市販のワイヤ供給機を用いて、6mの間で2箇所の曲がり部を有する条件で行った。ワイヤの送給性は、送給経路内部において、銅めっき粉の発生が特に少なかったものを特に良好であるとして◎、銅めっき粉の発生が少なかったものを良好であるとして○、銅めっき粉の発生が多かったものを良好でないものとして×とした。このワイヤ送給性が良好であることは、ワイヤを送給する際に銅めっき膜において摩耗や削れが生じ難いことを意味している。
溶接用ワイヤのアーク安定性については、溶接作業中のアークを目視評価し、一貫してアークが安定しているものを特に良好であるとして◎、一部アークが安定しなかったものを良好であるとして○、一貫してアークが安定しなかったものを良好でないとして×とした。
なお、表1において、ワイヤ成分(質量%)は、ワイヤ全質量あたりの各成分量(質量%)を表す。残部はFe及び不可避的不純物である。なお、「−」とは、その元素が不可避不純物として含まれていることを表す。
表1に示すように、ワイヤの銅めっき膜の平均結晶粒径が600nm以下である本発明例1〜26は、送給性およびアーク安定性が特に良好ないし良好であった。
一方、ワイヤの銅めっき膜の平均結晶粒径が600nm超である従来例1〜3は、送給性およびアーク安定性が良好ではなかった。ワイヤの銅めっき膜の平均結晶粒径が600nm超である比較例1も、同様に、送給性およびアーク安定性が良好ではなかった。
10 ソリッドワイヤ
11 鋼心線
12 銅めっき膜

Claims (11)

  1. Arを含むガスと、
    鋼心線及び該鋼心線の表面に形成された銅めっき膜を備え、前記銅めっき膜の平均結晶粒径が600nm以下であるソリッドワイヤと、
    を用いて溶接を行うことを特徴とするアーク溶接方法。
  2. 前記ソリッドワイヤを、該ソリッドワイヤの進退方向に繰り返し送給制御しながら溶接することを特徴とする請求項1に記載のアーク溶接方法。
  3. 前記鋼心線は、軟鋼からなることを特徴とする請求項1または2に記載のアーク溶接方法。
  4. 前記ソリッドワイヤが、
    質量%で、
    :0.15%以下、
    Si:2.0%以下、
    Mn:3.0%以下、及び
    Cu:0.5%以下
    を含有することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載のアーク溶接方法。
  5. 前記ソリッドワイヤが、さらに、質量%で、S:0.30%以下、Al:1.0%以下、Mo:3.0%以下、Ti:0.3%以下、及びZr:0.3%以下のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項4に記載のアーク溶接方法。
  6. 前記銅めっき膜の前記平均結晶粒径が50nm以上500nm以下であることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載のアーク溶接方法。
  7. 鋼心線と、該鋼心線の表面に形成された銅めっき膜とを備えたソリッドワイヤであって、
    前記銅めっき膜の平均結晶粒径が600nm以下であることを特徴とするソリッドワイヤ。
  8. 前記鋼心線は、軟鋼からなることを特徴とする請求項7に記載のソリッドワイヤ。
  9. 質量%で、
    :0.15%以下、
    Si:2.0%以下、
    Mn:3.0%以下、及び
    Cu:0.5%以下
    を含有することを特徴とする請求項7または8に記載のソリッドワイヤ。
  10. さらに、質量%で、S:0.30%以下、Al:1.0%以下、Mo:3.0%以下、Ti:0.3%以下、及びZr:0.3%以下のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項9に記載のソリッドワイヤ。
  11. 前記銅めっき膜の前記平均結晶粒径が50nm以上500nm以下であることを特徴とする請求項7から10のいずれか一項に記載のソリッドワイヤ。
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