JPH0692032B2

JPH0692032B2 - パルスマグ溶接用ソリッドワイヤ

Info

Publication number: JPH0692032B2
Application number: JP2274245A
Authority: JP
Inventors: 稔山田; 正人小西; 正晴佐藤
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1990-10-12
Filing date: 1990-10-12
Publication date: 1994-11-16
Anticipated expiration: 2009-11-16
Also published as: JPH04147789A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、Arなどの不活性ガスを主とした混合ガスをシ
ールドガスとして用いるガスシールドアーク溶接用ワイ
ヤに係り、スパッタ発生量が少なく、特にパルス電源を
用いるガスシールドアーク溶接法（パルスマグ溶接）に
適する溶接ワイヤに関するものである。

（従来の技術及び解決しようとする課題） Ar、CO₂、O₂、Heなどの単体或いは混合ガスをシールド
ガスとして用い、比較的細径の電極（溶接ワイヤ）を連
続的に送給して行う溶接法（すなわち、ガスシールドア
ーク溶接法）は、高能率な溶接が可能であること、及び
自動化し易い溶接法であることなどから、ロボットを使
う溶接に多く用いられている。

また、このガスシールドアーク溶接法のうち、Ar、Heな
どの不活性ガスを主した混合ガスをガスシールドガスと
して用いる溶接法は、CO₂だけを用いる場合に比べてア
ークの安定性が良好で、スパッタの発生が少ないもの
の、低スパッタとなるための溶接電流域に制限があり、
低溶接電流ではCO₂ガスを用いる場合と同様にスパッタ
が発生する。

更に、この低電流領域でのスパッタ改善を目的としたパ
ルスマグ溶接法も提案されているが、以下のような問題
点が残っている。

すなわち、パルスマグ溶接法は、高電流と低電流を交互
に流し、高電流期間に溶接ワイヤ先端に溶滴を形成さ
せ、低電流期間に溶滴を溶接ワイヤ先端から離脱させて
被溶接物（以下、「母材」と記す）の溶融池に移行させ
て溶接する方法である（第１図参照）。

この時、１回のパルス電流（高電流期間）で形成された
溶滴がこれに続く低電流期間に移行（これを１パルス１
溶滴移行という）する現象が継続的に行われれば、スパ
ッタは発生しない。しかし、溶滴の形成と離脱は溶接電
流・電圧のパルス条件の他に、溶接ワイヤの主要成分や
不純物によって決まる溶滴の物性に大きく影響を受ける
ので、１パルス１溶滴移行が必ずしも継続的に行われる
訳ではない。低電流期間での離脱に失敗すると次の高電
流期間に離脱したり、複数のパルス電流（高電流）のた
めに溶滴が大きく成長して母材の溶融池と短絡したりす
る。高電流期間に離脱するとその強いアークのために溶
滴がスパッタとなって吹き飛ばされ、また短絡しても短
絡が破れて再びアークが発生するときのアーク反発力で
溶滴や溶融池が飛び散ってスパッタとなる。

これらの問題に対し、例えば、パルスマグ溶接時の短絡
現象に着目し、溶接ワイヤ成分を調整して短絡時に発生
するスパッタ量を迎える技術が提案されているが（例え
ば、特開昭62−296993号）、短絡現象が起きる以上、ス
パッタの発生は基本的には解決されていない。

本発明は、前述したパルスマグ溶接上の問題点を解決し
て、パルス１溶滴移行を継続的に行なわしめて短絡現象
を起さない特性をもつ溶接ワイヤを提供することを目的
とするものである。

（課題を解決するための手段）前記課題を解決するため、本発明者らは、スパッタの発
生は溶滴と溶融池が短絡する以上は避けることのできな
い現象であることを認めつつ、基本的に１パルス１溶滴
移行を継続的に行なわしめ短絡現象を起さない特性をも
つ溶接ワイヤについて鋭意研究を重ね、ここに本発明を
完成したものである。

すなわち、本発明は、C:0.07〜0.12％、Si:0.20〜0.50
％、Mn:1.0〜1.5％及びTi:0.01〜0.06％を含有し、残部
がFeと不可避的不純物とからなり、不可避的不純物中の
Ｏ（酸素）とＮ（窒素）がそれぞれ80ppm以下、更に、
カリ化合物をＫ換算で溶接ワイヤ前重量当たり0.5〜7pp
mを溶接ワイヤ表面に付着させたことを特徴とするパル
スマグ溶接用ソリッドワイヤを要旨とするものである。

以下に本発明を更に詳述する。

（作用）施工法の特徴から考えると、パルスマグ溶接法での問題
点を解決するポイントは、短いアーク長さの溶接条件で
も溶滴と溶融池とが短絡しないようにすることである。
すなわち、アークが長い条件域では物理的にワイヤ先端
と溶融池との距離も長いので、短絡現象そのものは発生
しにくいが、短いアーク長さの条件域では、溶滴の形成
・離脱現象に僅かな不安定状態があっても短絡を生じさ
せることがあるからである。

アーク長さは、マクロ的には、溶滴が離脱した後の溶接
ワイヤ先端と溶融池との距離に依存しているので、溶接
はできるだけ小さい方が、より短いアーク長さを設定で
きることになる。小さい溶滴を形成するということは、
形成のための高電流期間を短くし、電流のパルス周波数
を大きくした状態で１パルス１溶滴移行が得られればよ
い。

本発明者らは、上記のポイントに着目し、種々の成分系
の溶接ワイヤを用いて溶接実験を行い、その溶滴移行特
性を高速度カメラによる直接観察によって求めて、短い
アーク長さでも溶滴が溶融池と短絡することの少ないパ
ルスマグ溶接用鋼ワイヤ中のＣ、Si、Mn、Tiの各主要成
分とＯ、Ｎ等の不可避的不純物成分並びに溶接ワイヤ表
面に塗布する成分の影響を検討した。

その狙いとするところは、従来は、短絡現象に対してそ
の短絡状態を溶接ワイヤの成分で調整することによって
スパッタ低減を図ったのに対し、本発明では短絡現象そ
のものを可能な限り起さないようにしてスパッタの発生
を防止しようとするものである。

パルスマグ溶接においては、第１図に示すように、パル
ス電流供給期間に溶接ワイヤ先端に溶滴が形成され、低
電流期間に離脱することが、安定した溶滴移行となる条
件であり、スパッタ発生防止のために必要であることは
前述した。

ここで、溶接ワイヤのＣ含有量と溶滴の移行特性につい
て検討したところ、次のような結果を得た。

第３図は、溶接ワイヤ中のＣ含有量だけを変化させた溶
接ワイヤについて第１表に示す溶接条件でパルスマグ溶
接したときのパルス電流供給期間のピーク電流値保持開
始から溶滴が離脱するまでの時間を高速度カメラ（2000
コマ／秒）で観察して測定した結果を示したものであ
る。

第３図に示すように、ワイヤ中のＣ含有量が少ないほど
溶滴の離脱時間が長くなっている。この現象は高速度カ
メラによって撮影された映像にも現れている。すなわ
ち、溶滴が離脱するときに溶滴と未溶融ワイヤとの間に
できるくびれ部分が、Ｃ含有量が少ないほど破断しにく
く、離脱しないで長く伸びる現象が認められた（第４図
参照）。Ｃは溶滴中の酸素（Ｏ）と結合し、脱酸元素と
しての作用も有しているので、Ｃ含有量が少なくなる
と、溶滴中のＯ量が相対的に増加するものと考えられ
る。溶鋼中のＯ量の増加が、その表面張力を低下させる
ということは知られていることである。溶滴のくびれ部
分に作用する表面張力は、溶滴を離脱させる方向に働く
ので、表面張力の低下はパルスマグ溶接の溶滴離脱にと
って好ましい方向ではない。

つまり、Ｃはパルスマグ溶接において、その溶滴離脱現
象を左右する元素であり、他の元素も含めた化学成分に
よって決まる溶滴の物性（表面張力など）によって、最
適な含有量の範囲があることを見い出した。

同様に、脱酸元素であるSi、Mn、Tiの主要成分と、Ｏ、
Ｎの不純物について種々の含有量を持つ溶接ワイヤを試
作し、溶滴の形成・離脱現象を比較して、ピーク電流の
保持開始から溶滴の離脱までの時間が短い、すなわち、
高い周波数のパルス条件で安定した溶接が可能となる最
適な含有量範囲を検討し、見い出した。

以上の溶接試験の結果に基づき、本発明のワイヤの化学
成分を調整したものである。以下に本発明における化学
成分の限定理由を示す。

Si:0.20〜0.50％ Si含有量が多くなると、溶融離脱のために重要な現象で
あるところのくびれた部分そのものができにくくなり、
形成から離脱までの時間が非常に長くなるため、その上
限を0.50％とする。一方、Si含有量が0.20％未満では、
脱酸不足となって溶接ビードにピット、ブローホールな
どの欠陥が生じるので、0.20％を下限とする。

C:0.07〜0.12％Ｃも前述の溶滴の離脱現象に影響を与え、短絡現象のな
いパルスマグ溶接を実現する上で重要な元素である。そ
の含有量が少ないとくびれ部分の形成は容易であるが、
離脱するための時間を必要とするようになるので、Ｃ含
有量の下限は0.07％とする。また、Ｃは溶接部を硬化さ
せ、継手の強度を高める元素でもあるが、特に高速溶接
においては、高温割れを誘発するので、0.12％を上限と
する。

Mn:1.0〜1.5％ Mnは脱酸元素でもあり、Siと同様の影響を溶滴や溶融池
の物性に与えるが、1.5％を超えると溶滴の離脱が困難
になって時間を要するようになる。また、1.0％未満で
は、Si量を低レベルに抑えていることにより脱酸不足と
なって溶接ビードに欠陥が生じる。

Ti:0.01〜0.05％ Tiも強力な脱酸元素である。前述のように溶滴の離脱性
を改善するためにSi量を抑えた結果、ブローホールの発
生を改善するためには、Mnだけの脱酸では不十分であ
り、Tiを添加する必要がある。その含有量は、0.06％を
超えると溶滴の離脱を阻害し、逆に0.01％未満では、無
添加の場合と同様、ブローホールなどの脱酸不足による
欠陥が生じる。

不可避的不純物：Ｏ、Ｎは溶鋼の表面張力を低下させる元素として知られ
るが、多過ぎると溶滴形成から離脱まで時間がかかり、
かつ溶滴の離脱が不足となるため、それぞれ含有量を80
ppm以下とする。Si含有量を低レベルに抑えてあるの
で、Ｏ、Ｎが80ppmを超えるとブローホールが発生しや
すくなる。

溶接ワイヤ表面のカリ化合物：更に、本発明では、上述の溶接ワイヤの化学成分組成だ
けでなく、溶接ワイヤ表面のカリ化合物の存在も重要な
要素である。

この点、溶接ワイヤの表面にイオン化電圧の低いカリ化
合物などを塗布して溶接アークを安定させてスパッタを
防止しようとする試みは既になされているが（特開昭58
−3797号参照）、この提案は、ワイヤの表面に化合物を
塗布することによってアークの長さを大きくし、溶接ワ
イヤ先端と溶融池との短絡を防止しようとするもので、
本発明の意図するところ、すなわち、アークが短い状態
で防止する考えとは相反するものである。

したがって、本発明者らは、研究当初はこの技術を考慮
に入れていなかったが、パルス溶接における溶滴の形成
・離脱現象を調査検討する過程で、イオン化電圧の低い
物質が溶接ワイヤ未溶融部と溶滴との間のくびの形成に
大きく影響を及ぼしていることを見い出した。すなわ
ち、高電流（300A〜500A）が供給されてアークが発生し
ている期間に溶接ワイヤ先端に溶滴が形成されるが、こ
の時、アークが溶接ワイヤと同心円状に発生せず、偏っ
た位置で発生することがある。この場合、溶接ワイヤの
未溶融部分と溶滴との間にくびれができにくく、溶滴の
離脱までに時間を要する現象が高速度カメラの映像で認
められた。

一方、イオン化電圧の低いカリ化合物などを溶接ワイヤ
表面に塗布すると、パルスの高電流が供給されたとき、
溶接ワイヤの中心線に対して対称形にアークが発生し、
また溶滴も対称形に形成されやすくなった（第５図参
照）。これは、イオン化電圧の低い物質が溶接ワイヤ表
面に存在することにより、溶接ワイヤ先端部でのアーク
の発生点に偏りが無くなったためと考えられる。この結
果、溶滴はアークから均等に熱せられ、溶接ワイヤの中
心線に対して対称形に溶滴が形成され、またくびれも安
定してできるようになった。

一例として、カリ化合物をワイヤ表面に5ppm塗布した溶
接ワイヤについて、第３図で示した要領にて、高電流の
保持開始から溶滴の離脱までの時間を、溶接ワイヤのＣ
含有量を変化させてみたところ、第６図に示す結果が得
られた。

第６図によれば、溶滴離脱までの時間が短くなって高パ
ルス周波数での１パルス１溶滴移行が可能となっただけ
でなく、時間のばらつきもなくなっていることがわか
る。これは、溶滴の大きさが一定になっていることを示
すものであり、イオン化電圧の低いカリ化合物の存在
が、高電流と低電流によってアークが破断するようなパ
ルス溶接にあってそのアークの発生・維持の安定化に有
効であることを示している。

以上の実験結果に基づき、本発明では、カリ化合物をＫ
換算で溶接ワイヤ全重量当り0.5〜7ppmを溶接ワイヤ表
面に付着させるのである。カリ化合物が0.5ppm未満では
塗布した効果が認められず、また7ppmより多く塗布する
と、従来技術と同様に、アークが長くなってしまい、本
発明の目的とする短いアークでの低スパッタ化がなされ
ない。カリ化合物としてはステアリン酸カリ、炭酸カリ
などが挙げられる。なお、カリ化合物塗布効果はワイヤ
中の酸素量と密接な関係があり、O/Kを10以上とするこ
とによりカリ化合物塗布効果が顕著となる。しかし、O/
Kが80を超えると酸素量が相対的に多くなり、ブローホ
ールがやや増加傾向を示す。したがって、O/Kは10〜80
とすることが望ましい。

次に本発明の実施例を示す（実施例）試作溶接ワイヤを用いて、第２表に示す溶接条件で溶接
試験を実施した。溶接試験結果を第３表に示す。

なお、第３表において、Fcrは、該当する試作溶接ワイ
ヤを用いたときの１パルス１溶滴移行となる最適なパル
ス周波数帯を示しており、この値の大きい方が良い。

第３表より、以下の如く考察される。

比較ワイヤのNo.10〜No.13は、ガスシールド溶接用ワイ
ヤとして市販されているもので一般的な化学組成を有し
ている。これらの溶接ワイヤを用いてパルスマグ溶接を
なうには、そのパルス周波数はワイヤ送給速度が7m/分
においては160〜200Hzとしなければ１パルス溶滴移行と
ならず、それでもスパッタが多発した。

一方、本発明ワイヤでは、240〜280Hzまでパルス周波数
を高めても１パルス１溶滴移行となって継続し、スパッ
タが発生せず、またブローホールの発生もない。

比較ワイヤNo.14は、Si含有量が高く、溶滴の形成・離
脱に時間を要するので、１パルス１溶滴移行となるパル
ス周波数は低く設定せざるを得ない。

比較ワイヤNo.15〜No.16はＣ含有量が低いワイヤ、比較
ワイヤNo.17〜No.18は酸素含有量が高いワイヤである。
いずれも、溶滴の表面張力・粘度が低下しているとみら
れるが、ワイヤ先端から溶滴が離脱するときに時間がか
かるので、１パルス１溶滴移行となる周波数は低いレベ
ルである。

比較ワイヤNo.19〜No.20は、溶接ワイヤの原線中に窒素
が高レベルで含有されている例で、溶接ビードのＸ線透
過試験の結果、ブローホールが検出された。

比較ワイヤNo.21は、Tiを含有せずに、Ｃ、Si、Mn、
Ｏ、Ｎ量を本発明範囲内にした例であるが、溶接ビード
のＸ線透過試験の結果、ブローホールが検出された。

比較ワイヤNo.24〜No.25は、本発明ワイヤのNo.3及びN
o.8とそれぞれ同一の化学成分を有するが、カリ化合物
を微量又は全く塗布しないワイヤである。カリ化合物を
塗布した場合に比べて最適なパルス周波数が低く、溶接
電圧の低い条件ではスパッタが多発した。

比較ワイヤNo.26は、カリ化合物をＫ換算で約9ppmを塗
布した例であるが、アークが大きく広がり、アンダカッ
トビードと呼ばれるビードのエッジ部分が母材より凹ん
だ状態になる溶接欠陥が発生した。

また、本発明による溶接ワイヤの低スパッタ効果を確認
するために、溶接電圧を低くしてアーク長さを短くした
状態でのスパッタ発生量を調査した結果を第７図に示
す。同図より、本発明の化学成分を有する溶接ワイヤで
は、アークを短くしても溶滴と溶融池が短絡することな
く、スパッタ発生量が少なくなっていることが確認され
た。

（発明の効果）以上詳述したように、本発明によれば、ワイヤの化学成
分を調整すると共にワイヤ表面に所定量のカリ化合物を
付着させたので、高い周波数のパルス条件で安定した溶
接が可能となり、１パルス１溶滴移行を継続的に行なわ
しめて短絡現象を起さない特性をもつ溶接ワイヤを提供
でき、その効果は顕著である。

【図面の簡単な説明】

第１図はパルス溶接における溶滴移行と電流波形の模式
図、第２図はパルス条件における保持開始点とピーク電流値
保持時間を説明する図、第３図はピーク電流開始から溶滴離脱までの時間とワイ
ヤ中のＣ含有量の関係を示す図、第４図（ａ）、（ｂ）は溶滴離脱直前のくびれ部分の形
状を示す説明図で、（ａ）はＣ含有量が少ない場合、
（ｂ）はＣ含有量が多い場合を示し、第５図（ａ）、（ｂ）はワイヤ先端部のアーク発生状態
を示す説明図で、（ａ）はアークの偏りの場合を示し、
（ｂ）は同心円状のアークの場合を示し、第６図はカリ化合物を塗布したワイヤによるピーク電流
保持開始から溶滴離脱までの時間とワイヤ中のＣ含有量
の関係を示す図、第７図は実施例におけるスパッタ発生量と溶接電圧の関
係を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で（以下、同じ）、C:0.07〜0.12
％、Si:0.20〜0.50％、Mn:1.0〜1.5％及びTi:0.01〜0.0
6％を含有し、残部がFeと不可避的不純物とからなり、
不可避的不純物中のＯ（酸素）とＮ（窒素）がそれぞれ
80ppm以下、更に、カリ化合物をＫ換算で溶接ワイヤ全
重量当たり0.5〜7ppmを溶接ワイヤ表面に付着させたこ
とを特徴とするパルスマグ溶接用ソリッドワイヤ。