JPH04309488A - ガスシールドアーク溶接用銅メッキ鋼ワイヤ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はシールドガスを使用する
ガスメタルアーク溶接用のワイヤに関するものである。 詳しくは本発明はロボットなどを使用して行う自動アー
ク溶接用に主に使用されるペールパックに装填された銅
メッキ鋼ワイヤ（以下ワイヤという）であって、高溶接
能率を得るため、ワイヤが高速度で送給される高電流密
度条件で、長時間の溶接に使用されても中断などのトラ
ブルなく使用でき、かつビード蛇行などのない品質の良
好な溶接部が得られるガスシールドアーク溶接用ワイヤ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、溶接の自動化、高能率化に伴ない
、ガスシールドアーク溶接法は益々広く使用されつつあ
るが、さらに高能率化を目指す手段として、より高電流
密度の条件を採用して、ワイヤの溶融速度を増加するこ
とができる技術が開発されつつある。

【０００３】例えば、スパッタ発生量の少ないＡｒ−Ｃ
Ｏ２　混合ガス法では、電流値が一定以上になると溶接
ビードの溶込み形状が中央部に幅の狭い過大な溶込みと
なる、いわゆる“フインガー状”を呈し、割れ、ブロー
ホールなどの欠陥が生じる問題があるが、シールドガス
をＡｒ−Ｈｅ−ＣＯ２　−Ｏ２　４種混合ガスにして高
電流密度条件下で溶込形状問題を解決する特開昭５９−
４５０８４号公報にあるような方法が開発され、又特開
平１−３５８８１号公報にあるようなＡｒ−ＣＯ２　溶
接でワイヤを特別のものにした方法が開発され、さらに
はＣＯ２　溶接では電流密度を高めるとスパッタが急増
する問題があるが、これを比較的細径（１．２〜１．４
ｍｍφ）の金属粉系フラックス入りワイヤを使用して解
決するなど高電流密度溶接法が実用されてきている。な
お、これらはいずれも溶接機（電源及びワイヤ送給装置
）がワイヤを従来より高速で安定に送給できる（例えば
ワイヤ送給速度、従来２０ｍ／ｍｉｎ　ｍａｘ　→４０
ｍ／ｍｉｎ　ｍａｘ　）ものに改善されて使用されてい
る。

【０００４】一方、このような高電流密度条件を採用す
る場合に使用されるワイヤは必然的にロボットなどで使
用されることが多くなり、従来の２０ｋｇ以下の重量の
スプール巻きワイヤに代わり２００〜４００ｋｇ収納で
きる、いわゆる円筒形状のペールパックに入れたワイヤ
が多用されることになる。このようなペールパックに装
填されたワイヤに要求される特性としては、（１）何時
間もの溶接がほぼ連続して行われるため、ワイヤの送給
性がチップ詰りなどによる中断などがなく、長時間安定
しており、（２）ワイヤの先端振れが小さく溶接ビード
が蛇行しない、ことがあげられる。

【０００５】これらの要求される特性に対して、本発明
者らはすでに特願平１−２５８５５３号発明（以下先願
発明という）で解決している。しかしながら、前述のよ
うにワイヤが２０ｍ／ｍｉｎ　を超えるような送給速度
で送給される高電流密度条件で使用される場合には、先
願発明によるワイヤでは十分対応できず、やはり溶接時
にワイヤの送給上の問題が発生し易くなることがわかっ
てきた。即ち、従来ワイヤではチップ詰りにより溶接中
断が頻繁に生ずることがわかった。

【０００６】なお、ここで高電流密度条件とは従来の一
般溶接機でのワイヤ送給速度上限の２０ｍ／ｍｉｎ　を
超えるような溶接電流条件を意味し、ほぼワイヤ単位断
面積当りの溶接電流値、即ち溶接電流密度３４０Ａ／ｍ
ｍ２　以上の条件を示すものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは以上述べ
たような高電流密度条件又は高速ワイヤ送給速度条件で
使用され、かつペールパックに装填されたワイヤの問題
点を解決しようとしたもので、先ず先願発明によるワイ
ヤで何が問題なのかを調査した。その結果、特開昭５８
−３５０６８号公報に述べられているように、ペールパ
ックに装填されたワイヤは直進性が良く、溶接時ワイヤ
がチップを通過する時、一方向にある曲率半径を持った
スプール巻きワイヤと違って、チップ内壁からワイヤへ
の通電点が一定箇所になりにくく、チップ内壁を広い範
囲に亙って移動することが分かった。このように通電点
が移動しようとする場合、銅チップ内壁面とワイヤ間で
スパークが生じるが、高電流密度になる程、より大きな
スパークが生じ易く、チップ内壁面の損傷を大きくする
こと、又高電流密度になる程、通電点の移動が困難にな
ることによると考えられる瞬間的な電流値の急激な変化
（低下）又はアークが一瞬切れる現象が顕著に生じ易く
なり、ひいては溶接中断が起り易くなることが明らかに
なった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らはこの現象に
注目して、ペールパックに装填されたワイヤで高電流密
度条件（高速ワイヤ送給条件）でのワイヤ表面の性状、
付着物質及びワイヤ強度につき送給性との関連性を実験
的に調査した。その結果、銅メッキとメッキ下の鉄素地
との間に残留している潤滑剤のＣａ量を先願発明の場合
よりさらに厳しく制限する必要があること、又銅メッキ
量（厚さ）を高電流密度条件下（高速ワイヤ送給条件下
）では基本的にある一定値以上に保つ必要があること、
さらにワイヤ表面に付着させている油量さらにはワイヤ
の引張強さまたは引張破断強度が相互的にペールパック
に装填されたワイヤの送給性及びその他の特性に大きく
影響していることを見出した。

【０００９】即ち、本発明の要旨とするところは、ペー
ルパックに装填される直径１．６ｍｍ以下の銅メッキ鋼
ワイヤにおいて、銅メッキ厚さが０．４５〜１．４０μ
ｍ　であり、ワイヤ素地とワイヤ表面メッキ層との間に
介在するＣａ量が、銅メッキ厚さを含む（１）式を満足
し、かつ油付着量が０．３０〜１．２０ｇ／１０ｋｇで
あることを特徴とする高電流密度条件で使用されるガス
シールドアーク溶接用銅メッキ鋼ワイヤにある。

【００１０】 　　Ｃａ量（ｍｇ／ｍ２）≦２８．１銅メッキ厚さ（μ
ｍ　）＋１０　　　　…（１）式また、本発明において
は、ソリッドワイヤの場合は引張強さを、フラックス入
りワイヤの場合は引張破断荷重をある特定範囲に設定す
ることによりワイヤの先端振れが小さく溶接ビードが蛇
行しない品質の良好な溶接部が得られるように構成した
。

【００１１】なお、ワイヤ素地とワイヤ表面メッキ層と
の間に介在するＣａ量の基本的な作用効果については本
発明者による前記先願発明の明細書で既に明らかにして
いるものである。

【００１２】

【作用】先ず、銅メッキ鋼ワイヤにおいてワイヤ素地と
ワイヤ表面メッキ層との間に介在するＣａ量を銅メッキ
厚さとの関連で規制したのは次の理由による。即ち、ペ
ールパックワイヤにおいては直進性が良すぎてチップ内
壁とワイヤ間に通電点の移動が短いスパークを伴って頻
繁に起こるが、Ｃａ量が多いとＣａイオンの介在によっ
てスパークが継続し易く、短いスパークが長いスパーク
に変化し、チップを短時間に損傷させ、また長いスパー
クができることは新通電点に移動しようとすることを阻
害することを意味し、溶接アークが突然切れる等の現象
となる。

【００１３】本発明者らはこの現象が高電流密度条件に
なると急増することを実験によって確認した。これらの
現象はワイヤがスムーズに送給されているにもかかわら
ず溶接電流値が間欠的に瞬間的に低下することで観察さ
れるが、この状態がひどくなるとアークが突然途切れて
溶接が中断されることになる。この場合銅メッキ厚さが
厚い場合、それらの現象の現れる程度が小さくなる。

【００１４】図１はＣａ量、銅メッキ厚さとこれらの現
象との関係を示す図であり、長時間溶接送給性試験の結
果は、Ｃａ量が多い程短時間で送給性不良が生ずるが、
銅メッキ厚さが厚くなる程その時間が長くなることを示
している。なお、実験条件は、ワイヤとして、ＪＩＳ　
　Ｚ３３１２−ＹＧＷ１１該当品、径１．２ｍｍ、溶接
条件は、４５０Ａ、４０Ｖ、Ａｒ＋１０％ＣＯ２　２５
リットル／ｍｉｎ　でワイヤ送給速度は２５ｍ／ｍｉｎ
　、電流密度約４００Ａ／ｍｍ２　で、下向きビードオ
ンプレート溶接である。

【００１５】供試ワイヤは、一般的な逆ひねりを加えて
５０ｋｇ装填したペールパック（２５０ｋｇ用）より、
取り出し装置、通常の送給装置を経て６ｍ長さのコンジ
ットケーブル及びピストル型トーチを使用して溶接した
。また、長時間送給性試験を行うため、トーチを固定し
溶接試験板を回転治具上に乗せて回転させ、溶接ビード
が連続して累層できるようにして行った。溶接は５分間
の連続溶接を１サイクルとして、最高２０サイクルほぼ
連続して実施し、最後まで送給性に問題なく溶接できた
か、送給不良が途中で発生し溶接が中断したか、或いは
最後まで溶接は中断しなかったがアーク電流の瞬間的低
下現象が多数回発生したか、或いはアークが不安定にな
ったか等を確認して判定した。この場合のワイヤの油付
着量は０．５〜１．０ｇ／１０ｋｇにして行った。

【００１６】なお、図１はワイヤ径、１．２ｍｍについ
ての実験データであるが、他のワイヤ径１．４ｍｍ及び
１．６ｍｍ、さらにフラックス入りワイヤについてもほ
ぼ同様の傾向を示す結果が得られた。Ｃａは伸線で使用
する潤滑剤であるＣａを含有する金属石鹸の形で、或い
は焼鈍した場合は加熱分解してＣａＯ又はＣａ（ＯＨ）
２　の形で残存する。ワイヤ中のＣａ量の定量方法は１
００ｇのワイヤをエチルアルコールで洗浄して５〜１０
ｃｍの長さに切断し、このワイヤを希塩酸（７％）中で
１０分間沸騰させてＣａを溶解濾過した後、原子吸光光
度計でＣａを定量する。この場合鋼素地も多少溶解する
が、一般的な鋼に含有されるＣａ量は僅かであるので、
全ての検出されたＣａ量を鋼素地とワイヤ表面メッキ層
との間に介在するＣａ量とする。

【００１７】ワイヤ表面メッキ層と鋼素地との間に介在
するＣａ量を規制する方法としては種々考えられるが、
最も効果的と考えられるのはメッキ前の前処理方法であ
って、特にバイポーラ電解脱脂方法が効果がある。しか
し、この方法の他に、例えば陰極電解酸洗、通常の陽極
電解脱脂等の方法、さらに石灰石鹸を潤滑剤として使用
したあとの洗浄方法（圧力水による洗浄方法、ブラッシ
ングなど機械的方法、他）を前記メッキ前処理方法に加
えて行うのが有効である。なお、脱脂液及び酸洗液の濃
度管理を十分行うことにより、さらにＣａ量の低減をは
かることが可能である。ワイヤ表面の残留物としてはＣ
ａ分の他に、Ｎａ，Ｂａ，Ｋ分なども有害であるが、こ
れらについてはいずれも３０ｍｇ／ｍ２以下にすること
が望ましい。銅メッキ厚さを０．４５μｍ　以上に規制
したのは、高電流密度溶接条件では必然的にワイヤが２
０ｍ／ｍｉｎ　以上の高速送給されることになるが高速
送給で断続的に長時間溶接するとＣａ残留分とはあまり
関与しないと考えられるチップの加熱或いはチップ内面
損傷に基づくと考えられる送給不良現象が起るのがみら
れ、これは、銅メッキ厚さを０．４５μｍ　以上に厚く
することにより、非常に少なくなることがわかった。一
方、銅メッキ厚さを１．４０μｍ　以下にしたのは溶着
金属中の銅含有量が増加し、機械的性質（引張強さが増
加するなど）に悪影響がでてくるためである。

【００１８】この銅メッキ厚さの制御は容易であり、メ
ッキを行うサイズ、メッキ電流、時間等を変えて達成さ
れる。油付着量を０．３０ｇ／１０ｋｇ以上に規制する
のは、溶接時のコンジット及びチップでの摩擦抵抗を小
さくし送給性を良くするため必要であるが、ペールパッ
クワイヤの場合、特に１．２０ｇ／１０ｋｇを超えると
好ましくない。これはペールパックにワイヤを装填する
とき直進性を出すため矯正ローラーを通すが、１．２０
ｇ／１０ｋｇを超える油付着量になるとローラーでのス
リップ現象が生じ易くなるため、装填されたワイヤに小
さなうねりが生じ易くなる。このためペールパックワイ
ヤに必要な特性であるワイヤ先端の振れ及び長時間の良
好な送給性の２点を損なうことになる。

【００１９】ワイヤの引張強さはペールパックワイヤの
長時間の送給性及び溶接時ワイヤ振れの両面に油付着量
及びＣａ量とも関連して影響する。即ち、各ワイヤ径の
引張強さが下限値未満の場合、ワイヤの剛性が小さく、
送給時コンジットの屈曲部に追従し易く、ワイヤにくせ
がつき易く、ワイヤの先端振れの原因になる。一方上限
値を超えた場合送給時コンジットの屈曲部で送給抵抗を
増すことになり、送給性を悪くする。ワイヤの引張強さ
はペールパックにワイヤを装填する製造時にも油付着量
と共に影響し、低すぎるとうねりを生じ易く、高すぎる
と安定した装填ができなくなる。

【００２０】フラックス入りワイヤの場合は、ワイヤの
内部にフラックスが充填されており、引張破断荷重を断
面積で割る引張強さではワイヤの剛性を示せないため、
各ワイヤ径の引張破断荷重（ｋｇｆ）そのままを規定し
た。 尚、これらの引張強さ又は引張破断荷重はワイヤ原線又
は原パイプの寸法、成分及び製造工程における焼鈍の有
無、焼鈍径及び焼鈍条件を変えることにより設定できる
。

【００２１】

【実施例】以下に本発明ワイヤの製造方法を含めて、実
施例で詳しく説明する。先ず、ソリッドワイヤは原線径
５．５ｍｍ、化学成分Ｃ：０．０６％、Ｓｉ：０．７２
％、Ｍｎ：１．６８％の熱延鋼線材を原線とし、メカニ
カルデスケーリングでスケール除去後酸洗し、潤滑剤で
ある石灰石鹸の懸濁液中に浸漬して塗布乾燥し、伸線潤
滑剤としてＮａ系金属石鹸を使用して２．０〜２．４ｍ
ｍまで伸線した後、表１に示す圧力水での洗浄の有無、
焼鈍の有無、メッキ前処理工程及びメッキ工程を経て製
品径１．２〜１．６ｍｍの本発明ワイヤ及び比較ワイヤ
を製造し、前述の長時間の溶接送給性試験を行った。フ
ラックス入りワイヤの場合は化学成分Ｃ：０．０６％、
Ｓｉ：０．０１％、Ｍｎ：０．３２％の１２ｍｍの原パ
イプにフラックスを充填し、Ｃａ系金属石鹸を使用して
２．４〜４ｍｍまで伸線した後、表１、表２（表１のつ
づき）に示す圧力水での洗浄の有無、焼鈍の有無、メッ
キ前処理工程及びメッキ工程を経て製品径１．２〜１．
６ｍｍの本発明ワイヤ及び比較ワイヤを製造し、前述の
長時間の溶接送給性試験（判定方法も同じ）を行った。 表１、表２にその結果を示した。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【表２】

【００２４】ここで、焼鈍条件は５５０〜７５０℃×３
時間、雰囲気ガスは窒素を使用した。メッキ前処理及び
メッキの条件は次のとおりで行った。 １）バイポーラ電解脱脂 ５０Ａ／本、７〜１２Ｖ 溶液　　ＮａＯＨ　　　　１００ｇ／リットル液温　　
８０℃、　　線速　　５０〜１２０ｍ／分２）陰極電解
酸洗 １１０Ａ／本、７〜１２Ｖ 溶液　　ＨＣｌ　　　　１０〜２０ｇ／リットル液温　
　２５℃、　　線速　　５０〜８０ｍ／分３）メッキ ７０〜１３０Ａ／本、７〜１２Ｖ 溶液　　ＫＣＮ　　　　５〜２０ｇ／リットル液温　　
６０℃、　　線速　　５０〜８０ｍ／分なお、最終伸線
潤滑剤は植物性潤滑油を使用した。

【００２５】表１、表２に示した如く、ワイヤの製造条
件を種々変えて製造したワイヤで本発明要件をすべて満
足するワイヤ特性のものは長時間溶接送給性試験で最後
まで良好な結果が得られている（○印　　テストＮｏ．
１〜１３）。しかし、比較ワイヤで示した如く、銅メッ
キ厚さが低いもの（Ｎｏ．１４，１５及びＮｏ．２１）
、Ｃａ量−銅メッキ厚さが（１）式を満足しないもの（
Ｎｏ．１６、１７、２０及び２２）はワイヤ送給中断（
×印）があったか、或いは中断はしなかったが送給不安
定（△印）となったか、もしくはアーク電流の低下現象
が多数回生じた（▲印）。又、Ｎｏ．１８は油量が不適
当で中断した。なお、Ｎｏ．１９はワイヤ引張強さが低
すぎてペールパックに装填した時、ワイヤにうねりが大
きく、溶接時ビード蛇行を起こすため溶接は中止した。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、最近溶接の高能率化の
ため開発され使用されつつある高電流密度溶接用ペール
パック入りワイヤによる溶接に際して、長時間の連続溶
接においても送給性のトラブルがなく、かつワイヤの先
端振れによるビード蛇行のない良好な溶接部が得られる
という効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１はワイヤ素地とワイヤ表面メッキ層との間
に介在するＣａ量と銅メッキ厚さを変化させた場合の長
時間の溶接送給性試験の判定結果を示す図である。