JP5160301B2

JP5160301B2 - ガスシールドアーク溶接用ワイヤ

Info

Publication number: JP5160301B2
Application number: JP2008130267A
Authority: JP
Inventors: 公博辻; 友勝岩上; 和弘東条; 亮太飯塚; 清康石川
Original assignee: 日鐵住金溶接工業株式会社
Priority date: 2008-05-19
Filing date: 2008-05-19
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2028-05-19
Also published as: JP2009274127A

Description

本発明は、ワイヤ送給性およびアーク安定性に優れた全自動および半自動溶接用のガスシールドアーク溶接用ワイヤに関する。

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コンジットライナ（以下、ライナという。）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。

一方、ワイヤ表面に銅めっきが施されていないワイヤは、上記のめっき剥離の問題とともに、ワイヤ製造時に工程を省略できること、およびめっき廃液の取扱が不要になるなどの利点から従来から種々の研究がされ実用化されている。例えば、特開平１１−１４７１９５号公報（特許文献５）には、ワイヤ表面に環状構造を有する炭化水素化合物を存在させて、潤滑物質の剥離を抑制して良好なワイヤ送給性を得るというめっきなし鋼ワイヤが開示されている。さらに、特開２００５−１６９４１５号公報（特許文献６）には、高級脂肪酸、アルカリ石鹸、金属石鹸、ＭｏＳ₂、黒鉛、ＢＮ、フッ化物、タルクおよびマイカのうちの１種以上からなる固形潤滑剤皮膜と、その外周に脂肪酸エステルおよび潤滑油の１種以上の液体潤滑油を塗布し、スパッタ発生量の抑制とワイヤ送給性に優れためっきなし鋼ワイヤが開示されている。

しかし、ワイヤ表面に潤滑剤を塗布しためっきなし鋼ワイヤは、特にライナ内入口側でのライナとの接触により潤滑剤が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。さらに脱落した潤滑剤、ライナとの摩擦によって削られた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。さらに、チップも摩擦によって摩耗して、アークが不安定になるという問題が生じて満足できるものではない。

上記ワイヤ送給性の向上は、特に半自動で全姿勢溶接において溶接作業性が優れ高能率な溶接が可能なめっき有りおよびめっきなしのフラックス入りワイヤにおいて改善を強く要求されている。
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号公報特開平１１−１４７１９５号公報特開２００５−１６９４１５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ワイヤ送給性が良好でチップ摩耗が少なく、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ワイヤ表面長手方向に不連続な長溝をワイヤ円周方向に複数有し、該長溝に二硫化モリブデンがワイヤ１０ｋｇ当り０．００５〜０．２０ｇ固着されており、さらに常温で液体である潤滑油の１種以上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、送給潤滑剤にワイヤ１０ｋｇ当たり二硫化モリブデンを０．００５〜０．２５ｇ、リン脂質を０．００８〜０．１０ｇさらに有することも特徴とするガスシールドアーク溶接用ワイヤにある。

本発明のガスシールドアーク溶接用ワイヤによれば、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ワイヤ表面状態および塗布する送給潤滑剤について種々検討した。その結果、ワイヤ表面長手方向に不連続な長溝をワイヤ円周方向に複数有する長溝に二硫化モリブデンを固着させ、その上部に常温で液体である潤滑油からなる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、ワイヤ表面に前記常温で液体である潤滑油とともに二硫化モリブデンおよびリン脂質を送給潤滑剤に有することによって、ワイヤ送給性がさらに向上することも見出した。

以下、本発明の内容を詳細に説明する。
図１に本発明のガスシールドアーク溶接用ワイヤ表面の模式図を示す。ワイヤ表面１長手方向２に不連続な長溝３をワイヤ円周方向４に複数有している。図２および図３に図１のＡ−Ａ断面図を模式的に示す。長溝３の溝内には二硫化モリブデンが固着されているので長尺のライナを用いて長時間溶接してもワイヤ表面１がコンジットライナと接触して送給潤滑剤５の皮膜が削り取られても長溝３内に固着された二硫化モリブデンが摩擦抵抗を下げてワイヤ送給抵抗が増加することはない。また、めっきなしワイヤにおいてもチップ摩耗が極めて少なくなる。なお、図中６はめっき層または鋼素地、７は送給潤滑剤の二硫化モリブデンを示す。

長溝内の二硫化モリブデン固着量がワイヤ１０ｋｇ当り０．０００５ｇ（以下、ｇ／ワ１０ｋｇＷという。）未満であると、長尺のライナを使用した場合摩擦抵抗が大きくなり、十分なワイヤ送給性改善効果が得られない。また、めっきなしワイヤの場合はチップ摩耗量が大きくなってアークが不安定となる。一方、長溝内の二硫化モリブデン固着量が０．２０ｇ／１０ｋｇＷ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。

ワイヤ表面の常温で液体である潤滑油の１種以上からなる送給潤滑剤は、ワイヤ表面との物理吸着により潤滑膜を形成してワイヤ送給時にワイヤ送給性を向上させるとともに耐錆性を向上させる。常温で液体である潤滑油は、動植物油、鉱物油あるいは合成油の何れでもよい。動植物油としてはパーム油、菜種油、ひまし油、豚油、牛油、魚油等を、鉱物油としてはマシン油、タービン油、スピンドル油等を用いることができる。合成油としては炭化水素系、エステル系、ポリグリコール系、ポリフェノール系、シリコーン系、フロロカーボン系を用いることができる。

ワイヤ表面の送給潤滑剤付着量は、０．５〜３．０ｇ／１０ｋｇＷ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、ワイヤ表面の送給潤滑剤に二硫化モリブデンを有することによって、ライナ内で送給抵抗を抑制してワイヤ送給性をさらに良好にする。送給潤滑剤の二硫化モリブデンが０．００５ｇ／１０ｋｇＷ未満であると、ライナ内で送給抵抗が大きくなりワイヤ送給性が不良となる。逆に、二硫化モリブデンが０．２５ｇ／１０ｋｇＷを超えると、アークが不安定になってスパッタ発生量が多くなる。

なお、送給潤滑剤の二硫化モリブデンはライナとの接触により長時間溶接しているとライナ内に少量蓄積されるが、この蓄積された二硫化モリブデンは送給抵抗を小さくする働きをする。また、二硫化モリブデンの粒径は１．０μｍ以下であることが送給抵抗を低減してワイヤ送給性を良好にするので好ましい。また、リン脂質をワイヤ表面の送給潤滑剤に有することによって、常温で液体である潤滑油と共存してワイヤ表面の二硫化モリブデンを均一に分散させる作用を有する。リン脂質が０．００８ｇ／１０ｋｇＷ未満であると、ワイヤ表面の二硫化モリブデンが均一に付着せず、ライナ内で送給抵抗が大きくなる部分がありワイヤ送給性が不良になる。逆に、リン脂質が０．１０ｇ／１０ｋｇＷを超えると、スパッタ発生量が多くなる。

本発明にいうリン脂質とは、レシチン（フォスファチジルコン）、フォスファチジルエタノールアミン、フォスファジルイニシトールなどのリン酸脂質を９５％程度含有する粉末状のもの、リン酸脂質を約６５％および大豆油などの植物油を３５％程度含有するペースト状のものなどあり、いずれも使用することができ、中でも大豆油から得られるレシチンが好ましい。

本発明のガスシールドアーク溶接用ワイヤの製造方法は、ワイヤ表面に銅めっきを施した、または銅めっきなしのワイヤ径２〜４ｍｍの素線表面に二硫化モリブデンまたはキャリア材を含む二硫化モリブデンを付着させローラダイスまたは孔ダイスで製品径まで伸線して、ワイヤ表面長手方向に不連続な長溝をワイヤ円周方向に複数設けて長溝内に二硫化モリブデンを固着させる。次いで送給潤滑剤を塗布して製品とする。長溝の大きさおよび長溝内の二硫化モリブデンの固着量は、ワイヤ素線径、二硫化モリブデンの粒径および縮径量などを変えて調整する。

なお、二硫化モリブデンの固着量の測定は、ワイヤ表面をトルエンまたはヘキサンで洗浄した後銅めっき有りワイヤはアンモニア水に過硫酸アンモニア水を加えた溶液でワイヤ表面の銅めっきを溶解してその溶液中の二硫化モリブデンを分析し、めっきなしワイヤは塩酸水溶液でワイヤ表面を溶解してその溶液中の二硫化モリブデンを分析して求める。

本発明の対象とするガスシールドアーク溶接用ワイヤは、図４（ａ）、（ｂ）に示すように鋼製外皮７内にフラックス９を充填し、合せ目１０を有する断面構造のシームタイプのめっきなしフラックス入りワイヤ、図４（ｃ）に示す断面構造のシームレスタイプのめっきなしおよび銅めっき有りのフラックス入りワイヤ、さらにめっきなしおよび銅めっき有りのソリッドワイヤを対象とする。

以下、本発明の効果を実施例により具体的に説明する。
図４の（ａ）のシームタイプ（めっきなし）と図４の（ｃ）のシームレスタイプ（めっき有りおよびめっきなし）のフラックス入りワイヤ（ＪＩＳＺ３３１３ＹＦＷ−Ｃ５０ＤＲ）およびソリッドワイヤ（ＪＩＳＺ３３１２ＹＧＷ１２）の銅めっき有りおよびめっきなし素線（３〜４ｍｍ径）に各種粒径（３０μｍ以下）の二硫化モリブデン単体または二硫化モリブデンに無機化合物のキャリア材を混合したものをワイヤ素線に付着させて伸線してワイヤ表面長手方向に不連続な長溝を付して二硫化モリブデンを固着したのちに各種送給潤滑剤を塗布して表１に示すワイヤ径１．４ｍｍのスプール巻きワイヤとした。

表１に示す各試作ワイヤを用いて、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５に示す装置を用いて行った。図５において送給機１１にセットされたスプール巻きワイヤ１２は、送給ローラ１３により引き出され、コンジットケーブル１４に内包したライナを経てその先端のトーチ１５まで送給される。そして給電チップと鋼板１７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１４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１６を設けた。送給機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１８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１９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。溶接試験は、表２に示す溶接条件で、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、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。

アークの安定性は、アーク状態を観察して評価した。スパッタ発生状態の評価は、小粒で少ないものを○、小粒または大粒で多いものを×として評価した。また、チップの摩耗量は、試験毎に新しい市販のチップ（内径１．５ｍｍ）を用いて、溶接試験終了後最も摩耗量の多い箇所の内径を測定した。チップ摩耗量の評価は、摩耗量が０．１ｍｍ以下を良好と評価した。それらの結果を表３にまとめて示す。

表１および表３中、ワイヤＮo.１〜８が本発明例、ワイヤＮo.９〜１６は比較例である。

本発明例であるワイヤＮo.１〜８は、ワイヤ表面長手方向の不連続な長溝に二硫化モリブデンを適量固着し、常温で液体である潤滑油の１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.２，４，６およびＮo.７は、送給潤滑剤に二硫化モリブデンおよびリン脂質（レシチン、フォスファチジルエタノールアミン）を適量含んでいるので、送給抵抗Ｒがいずれも３ｋｇ未満でワイヤ送給性が極めて良好であった。

比較例中ワイヤＮo.９は、ワイヤ表面長手方向の不連続な長溝の二硫化モリブデン固着量が少ないので、送給抵抗Ｒが高かった。また、チップ摩耗量が大きくアークが不安定であった。ワイヤＮo.１０は、送給潤滑剤のエステル系合成油とパーム油の合計が多いので、スリップ率ＳＬが高くアークが不安定で、ライナ内の堆積量も多かった。また、送給潤滑剤の二硫化モリブデンが少ないので送給抵抗Ｒがやや高かった。

ワイヤＮo.１１は、ワイヤ表面長手方向の不連続な長溝に二硫化モリブデンが固着されていないので、送給抵抗Ｒが高くややアークが不安定あった。また、レシチンとフォスファチジルエタノールアミンの合計が多いので、スパッタ発生量が多かった。ワイヤＮo.１２は、ワイヤ表面長手方向の不連続な長溝の二硫化モリブデン固着量が多いので、スリップ率ＳＬが高くアークが不安定であった。ワイヤＮo.１３は、送給潤滑剤のパーム油が多いので、スリップ率ＳＬ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.１４は、送給潤滑剤の菜種油が少ないので、送給抵抗Ｒが高くなった。また、送給潤滑剤の二硫化モリブデンが多いので、アークが不安定でスパッタ発生量も多かった。ワイヤＮo.１５は、送給潤滑剤のエステル系合成油が少ないので、送給抵抗Ｒが高くアークがやや不安定であった。ワイヤＮo.１６は、送給潤滑剤のパーム油が多いので、スリップ率ＳＬが高くアークが不安定で、ライナ内の堆積量も多かった。また、レシチンが少ないのでやや送給抵抗Ｒが高かった。

本発明のガスシールドアーク溶接用ワイヤ表面の模式図である。図１のＡ−Ａ断面図である。図１のＡ−Ａ断面図である。フラックス入りワイヤの断面構造例を示した模式図である。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ワイヤ表面
２ワイヤ長手方向
３長溝
４ワイヤ円周方向
５送給潤滑剤
６めっき層または鋼素地
７送給潤滑剤の二硫化モリブデン
８鋼製外皮
９フラックス
１０合せ目
１１送給機
１２スプール巻きワイヤ
１３送給ローラ
１４コンジットケーブル
１５トーチ
１６コンジットケーブル屈曲部
１７鋼板
１８ワイヤ実速度検出器
１９ロードセル

特許出願人日鐵住金溶接工業株式会社
代理人弁理士椎名彊他１

Claims

ガスシールドアーク溶接用ワイヤ表面長手方向に不連続な長溝をワイヤ円周方向に複数有し、該長溝に二硫化モリブデンがワイヤ１０ｋｇ当り０．００５〜０．２０ｇ固着されており、さらに常温で液体である潤滑油の１種以上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ワイヤ。
送給潤滑剤にワイヤ１０ｋｇ当たり二硫化モリブデンを０．００５〜０．２５ｇ、リン脂質を０．００８〜０．１０ｇさらに有することを特徴とする請求項１に記載のガスシールドアーク溶接用ワイヤ。