JPS6247120B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、成分組成を特定することによつてヒ
ユーム発生量を低減することに成功したガスシー
ルドアーク溶接用ワイヤに関するものである。 全自動溶接及び半自動溶接の技術が進歩するに
つれてガスアーク溶接用ワイヤの需要はますます
増大する傾向がみられる。ところがこの種のワイ
ヤは被覆アーク溶接棒等に比べて溶接ヒユームの
発生量が多く、溶接作業者に健康障害を与えると
いう問題がある。殊に最近は粉塵障害防止規則
（昭和54年労働省令第18号）が施行されるなど、
溶液作業環境の改善に対する社会的要請は高まつ
ている。しかも換気の悪い屋内で溶接する場合に
はヒユームの為に溶接線の確認が困難になり、溶
接の正確性が低下するという問題も発生する。 この様なヒユームの影響を防止する方法とし
て、換気によるヒユーム濃度の低下、溶接部
近傍に設けたダクト等によるヒユームの吸引除
去、防塵マスクの着用、溶接材料及び溶接方
法の改善による低ヒユーム化、等の対応策が考え
られる。このうち〜については種々の方法及
び装置が提案されているが、これらはあくまで事
後対策的であつて本質的なものとは言えず、むし
ろに示したヒユーム発生量の低減こそ最も重視
すべきヒユーム対策である。しかしながらこの点
に関しては、例えば特公昭53−1216号（ノンガス
溶接用複合ワイヤの低ヒユーム化）等若干の提案
があるにすぎず十分な研究はなされていない。 ところでヒユーム発生量は溶接条件の影響を受
けるが、実験の結果、溶接電流及び溶接電圧の低
下並びにシールドガス中のAr量の増加によつて
低減することが確認された。しかし低電流ではガ
スシールドアーク溶接の高能率という特長を生か
すことができず、低電圧ではビード形状が悪化
し、又Ar量の増加はコスト面からの制約を受け
る。即ちガスシールドアーク溶接の特徴を確保し
つつ経済性やビード形状等を満足し、併せて低ヒ
ユーム化を達成する為には、溶接条件の調整のみ
では不可能であり、ワイヤ自体の成分組成の面か
ら検討を加える必要がある。 本発明者等は上記の様な知見を基に、ワイヤ成
分組成という面から低ヒユーム化の目的を達成す
べく研究を進めてきた。その結果、ワイヤ中に
微量含まれるＣ、Mn、Si、Ｓ或いはこれらとAl
及びTiの量、並びにワイヤ表面付着物由来のＣ
量及び酸化防止や送給性向上の目的で施こされる
Cuメツキ量がヒユーム発生量と密接な関係を有
しており、溶接状況殊に短絡移行溶接であるか
粒状移行溶接であるかによつて上記成分の影響度
が若干違つてくる、という事実を確認した。本発
明はかかる知見を基に更に研究の結果完成された
ものであつて、その構成は、Ｃ：0.06％（重量
％：以下同じ）、Mn：1.65〜1.95％、Si：0.8〜
1.0％、Ｓ：0.015％以下で、残部が鉄及び不可避
不純物からなり、ワイヤ表面付着物中のＣ量が
0.02％以下、Cuの表面メツキ量がワイヤ全重量
に対して0.25％以下であるところに要旨が存在す
る。このワイヤは、主として比較的低電流域で行
なわれる短絡移行溶接に適用した場合に低ヒユー
ム化の目的を遺憾なく発揮するが、上記のワイヤ
中に更にAl：0.005〜0.25％及びTi：0.01〜0.25％
を含有させたものは、比較的高電流域で行なわれ
る粒状移行溶接に適用した場合にもヒユーム発生
量を大幅に低減することができる。 まず短絡移行溶接用ワイヤについて説明する。
この種のワイヤとしては、加工性、溶接性能及び
作業性等を考慮してＣ：0.15％以下、Si：0.50〜
1.20％、Mn：0.90〜1.90％を含む鋼線が使用され
ている。そこでこれら各成分の含有率及びワイヤ
中に不可避的に混入する他の元素の含有率とヒユ
ーム発生量の関係を明確にすべく、特にＣ、
Mn、Si、Ｐ、Ｓに着目して実験を行なつた。尚
実験条件は下記の通りとした。 ワイヤ基本組成…Ｃ：0.08％、Mn：1.56％、Si：
0.92％、Ｐ：0.015％、Ｓ：0.010％ ワイヤ径…1.2mmφ 表面付着成分（後述）…付着物に由来するＣ量：
0.03％、Cuメツキ量：0.20％ 供試板…軟鋼（JIS Ｇ 3106）、12mm^t 溶接条件…150A×21V×30cm／分 シールドガス…CO₂、20／分 ヒユーム量測定法…第１図（一部破断見取り図）
に示す装置〔図中１は捕集箱、２はサンプラ
ー、３は観察窓、４は手差込み口、５は空気孔
（40mm〓）、６は溶接台、７は供試板〕を使用
し、JIS3930に準拠して溶接時に発生するヒユ
ームをハイボリユームエアサンプラーで全量捕
集し、単位時間当りのヒユーム発生量（mg／
分）を求め、３回繰り返し実験したときの平均
値によつて判定した。 結果を第２〜６図に示す。 第２〜６図からも明らかな様に、Ｃ及びＳを少
なくなる程、またMn及びSi量を多くする程ヒユ
ーム発生量は減少し、Ｐ量の影響は殆んど認めら
れなかつた。この様な結果が得られた理由は次の
様に考えられる。即ちヒユームは、高温のアーク
熱によつて溶剤成分が蒸発し、これがアーク吹き
によつて大気中に放出されて酸化凝縮したもので
あり、短絡移行領域では短絡して再アークが発生
するときにアーク雰囲気中の高温蒸気が大気中に
放出されてヒユームが発生する（参考写真１…短
終時、参考写真２…再アーク発生時）。従つて短
絡数の減少はそのまま低ヒユーム化につながる
が、この短絡数はＣ及びＳ量の減少並びにMn及
びSi量の増加によつて減少するから、この傾向が
ヒユーム発生量に反映されたものと考えられる。
これらの結果をふまえて、上記各成分の含有率を
定めた理由を明確にする。 Ｃ：0.06％以下 アークの集中性を高めてアーク力を強化する作
用があるが、第２図に示した如くＣ量に比例して
ヒユーム量は著しく増加する。しかも溶着金属の
靭性及び耐割れ性が低下すると共にワイヤ加工時
の線引き性も劣化する。これらを総合的に判断す
ると、Ｃ量は0.06％以下にすべきである。 Mn：1.65〜1.95％ アークを安定化し溶接作業性を高めると共に、
多い方がヒユーム量も減少する。従つて1.65％以
上含有させねばならないが、多すぎると原料費が
上昇し、且つワイヤが硬質になつて線引性が悪く
なるので1.95％以下に抑えるべきである。 Si：0.8〜1.0％ 脱酸剤として作用し溶着金属の耐気孔性を高め
る作用があり、第４図からも明らかな様に低ヒユ
ーム化の為には0.8％以上含有させなければなら
ない。しかし多すぎると溶着金属の靭性が低下す
るので1.0％以下に抑えるべきである。 Ｓ：0.015％以下 溶接作業性にはあまり悪影響を及ぼすことはな
いが、第６図からも明らかな様に多くなるにつれ
てヒユーム量が若干増加する。また多すぎると溶
着金属の靭性及び耐気孔性も低下する傾向がある
ので、0.015％以下に抑えるべきである。 この他Al及びTiは短絡数を減少し低ヒユーム
化に好影響を与えるが、短絡移行領域では作業性
を阻害するので、短絡移行溶接用の場合は積極的
には加えない方がよい。 以上の様にワイヤ中の微量元素の含有率を規定
するとによつてヒユーム発生量を相当抑えること
ができるが、これだけでは従来ワイヤに比べてヒ
ユーム発生量を約10〜20％低減し得るにすぎず、
低ヒユーム化の目的からすれば尚不十分と言わざ
るを得ない。しかして実際の溶接現場で低ヒユー
ム化の効果が明瞭に感知されるのは、定量値にし
て約30％以上減少したときとされているからであ
る。そこでヒユーム発生量を更に減少すべくワイ
ヤ諸元について研究を進めた。その結果、線引工
程等でワイヤ表面に付着する不純物（主として潤
滑剤）中のＣ量、及び酸化防止や送給性並びに通
電性向上の目的で施されるCuメツキ量がヒユー
ム発生量と密接な関係を有していることが確認さ
れた。 そこでこれらの影響を明確にすべく下記の実験
を行なつた。 〔ワイヤ表面付着物中のＣ量の影響〕 供試ワイヤとしてＣ：0.05％、Mn：1.60％、
Si：0.90％、Ｐ：0.015％、Ｓ：0.010％を含むワ
イヤ（1.2mm〓）を用い、Cuメツキ量は0.20％一
定として、表面付着物由来のＣ量を種々変更して
ヒユーム発生量に与える影響を調べた。溶接条件
及びヒユーム定量法は第２〜６図の実験と同様に
した。結果を第７図に示す。 〔Cuメツキ量の影響〕 供試ワイヤとしてＣ：0.08％、Mn：1.56％、
Si：0.92％、Ｐ：0.015％、Ｓ：0.010％を含むワ
イヤ（1.2mm〓）を用い、表面付着物中のＣ量は
0.03％一定とし、Cuメツキ量を種種変更してヒ
ユーム発生量に与える影響を調べた。溶接条件及
びヒユーム定量法は上記と同様とした。結果を第
８図に示す。 第７，８図からも明らかな様に、ワイヤ表面付
着物由来のＣ量及びCuメツキ量が少なくなると
ヒユーム発生量は減少する。これは上記Ｃ量及び
Cuメツキ量の減少による短絡数の減少が好影響
を及ぼしたものと考えられる。またＣはアーク雰
囲気中で酸化されてCO₂ガス又はCOガスとな
り、その爆発によつてアーク中の高温ガスを大気
中に放出させるが、Ｃ量の減少による爆発の抑制
もヒユーム量の減少に好結果を及ぼしたものと考
えられる。更にはCuは蒸気圧が高いからアーク
雰囲気中の高温ガス量が増加しヒユーム量の増加
につながるが、Cuメツキ量の減少によつて上記
の影響が抑制されたものと考えられる。 ところで従来のガスシールドアーク溶接用ワイ
ヤでは、表面付着物中のＣ量及びワイヤ全重量に
対するCuメツキ量は夫々0.05％、0.30％程度が一
般的であり、その成分管理は必ずしも十分とは言
えない。殊に前述の様なヒユーム発生量の関係に
ついての研究は現在のところ全く行なわれたこと
がない。しかし第７，８図の結果からも明らかな
様に表面付着物由来のＣ量を0.02％以下、Cuメ
ツキ量を0.25％以下に抑えることによつて、ヒユ
ーム発生量を更に低減し得ることが分かつた。 その結果、前述のワイヤ構成々分と上記Ｃ量及
びCuメツキ量の双方を適正に調整することによ
つて低ヒユーム化効果が相加的乃至相剰的に発揮
され、後記実験例でも明らかにする如くワイヤ全
体としてのヒユーム発生量を従来例の30％以上減
少することができる。 次に比較的高電流域で使用される粒状移行溶接
用ワイヤについて説明する。 まず前記短絡移行溶接用ワイヤの場合と同様
に、ヒユーム量に及ぼすＣ、Mn、Si、Ｐ及びＳ
の含有量並びに表面付着物由来のＣ量及びCuメ
ツキ量の関係を調査した。その結果これら各成分
の低ヒユーム化を達成する為の好適含有率は、短
絡移行溶接用ワイヤの場合と同様であるという結
論を得た。但しヒユーム量低減の機構は短絡移行
溶接用ワイヤの場合と若干異なり、次の様に考え
られる。即ちワイヤ中のＣ及びＳは、電離電圧が
高いからアーク中に投入されたときにアーク柱の
熱運動を活発にし、アークエネルギー（アーク温
度）を高める作用がある。その為ヒユーム源とな
るアーク中の高温ガス量が増加し、ヒユーム量を
増大させる。従つてＣ及びＳ量の減少によつてヒ
ユーム量が低減するものと考えられる。これに対
しMn及びSiは電離電圧が低いから逆の傾向を示
し、ある程度含有させた方が低ヒユーム化の目的
にかなう。但し多すぎる場合は、短絡移行溶接用
ワイヤの場合と同様の障害が現われるので、夫々
同様の上限値を定めた。また表面付着物由来のＣ
量及びCuメツキ量がヒユームに及ぼす影響は短
絡移行溶接用ワイヤの場合と同じであり、同様の
理由で上限値を定めた。 ところで粒状移行溶接用ワイヤの場合は、溶滴
移行の粒状化及び溶接作業性向上の為にTiやAl
等が配合されるが、予備実験の結果ではこれらの
元素もヒユーム量と溶接に関連していることが分
かつた。そこでTi及びAlの含有量とヒユーム量
の定量的相関性を明確にすべく次の実験を行なつ
た。即ち以下に示す如くTi量及びAl量のみを変
えた複数のワイヤを作製し、下記の条件で溶接し
たときのヒユーム発生量を調べた。 〔供試ワイヤ〕 Ｃ：0.08％、Mn：1.56％、Si：0.92％、Ｐ：
0.015％、Ｓ：0.01％、Ti及びAl：０〜0.32％の
範囲で変化、1.2mm〓表面付着物由来のＣ量：
0.03％（対ワイヤ全量） Cuメツキ量：0.20（対
ワイヤ全量） 〔溶接条件〕 溶接電流：300A、DC（ワイヤプラス） 溶接電圧：35V 溶接速度：30cm／分 シールドガス：CO₂、20／分 供試鋼板：軟鋼（JIS Ｇ 3106）、12mm^t 結果を第９，１０図に示す。 第９図からも明らかな様にワイヤ中のTi量が
増加するにつれてヒユーム発生量は著しく減少
し、この効果は0.01％以上の添加で有効に発揮さ
れる。またTiは大電流溶接の場合の溶滴の移行
を円滑にする作用があり、この効果も0.01％以上
の添加で有効に発揮される。但し0.25％を越える
と溶接金属の靭性が低下するのでそれ以下に抑え
なければならない。また第１０図からも明らかな
様にワイヤ中のAl量は、ある程度の範囲内では
Alの増加によつてヒユーム量は著しく減少し、
また脱酸剤として作用して耐プローホール性を高
める効果もあり、これらの効果は0.005％以上の
添加で有効に発揮される。しかし多すぎるとヒユ
ーム発生量が増加傾向を示す様になるほかアーク
が不安定になるので、0.25％を上限と定めた。 この様に粒状移行溶接用ワイヤとして使用する
場合は、ワイヤ成分中のＣ、Mn、Si、Ｓの他Ti
及びAl量についても厳密に規定し、且つ表面付
着物中のＣ量及びワイヤ全重量に対するCuメツ
キ量を規定することによつて、ヒユーム発生量を
従来ワイヤの30％以下に低減し得ることになつ
た。 尚ワイヤ表面に付着するＣ源の殆んどは線引き
工程で使用する潤滑剤であるから、該Ｃ量の低減
対策としては、潤滑剤のＣ量の低減、残留潤
滑剤量の減少（具体的には潤滑剤塗布部における
心線速度の増加、潤滑剤塗布媒体中の潤滑剤量の
低減、或いはベーキング、溶剤洗浄、ブラツシン
グ等による残留潤滑剤の除去等が挙げられる。ま
たＣ入りのアーク安定剤を塗布する場合は、Ｃ含
有量の極力少ないものを使用し或いはその付着量
を抑えればよい。Cuメツキ量の低減対策として
は、電解電流の低下及び電解メツキ浴中における
ワイヤ走行速度の増加等が有効である。 本発明は概略以上の様に構成されており、短絡
移行溶接用及び粒状移行溶接用の用途の違いに応
じてワイヤ含有元素の種類及び含有率を設定し、
且つ表面付着物由来のＣ量及びCuメツキ量を規
定することによつて、ヒユームの発生量自体を大
幅に減少し得るから、CO₂やAr等のシールドガ
スを使用するアーク溶接における溶接作業雰囲気
の改善、ヒユーム除去設備の負担軽減等極めて実
用に即した利益を得ることができる。 次に実験例を示す。 実験例 １ 第１表に示す成分組成、表面付着物由来のＣ量
及びCuメツキ量のガスシールドアーク溶接用ワ
イヤ（短絡移行溶接用：Ti及びAlは何れも0.01％
以下）を製造し、下記の条件で溶接（ビードオン
プレート法）したときのヒユーム発生量を調べ
た。尚ヒユーム発生量の測定は、第１図の装置を
用い前記と同様にして行なつた。 〔試験条件〕 溶接電流：150A、DC（ワイヤプラス） 溶接電圧：21V 溶接速度：30cm／分 シールドガス：CO₂、20／分 母材：軟鋼（JIS Ｇ 3106）、12mm^tＣ：0.12％、
Si：0.29％、Mn：1.44％、Ｐ：0.020％、Ｓ：
0.008％ チツプ・母材間距離：17mm 結果を第１表に示す。

【表】 第１表の結果より次の様に考えることができ
る。 (1) ワイヤNo.１（従来品）は、ワイヤ成分の中の
Ｃ、Mn、Ｓおよび表面付着物由来のＣ量が規
定範囲を外れる為、ヒユーム発生量が極めて多
い。 (2) ワイヤNo.３〜５は、ワイヤ成分の何れかが規
定範囲を外れる為、ヒユーム低減効果が不十分
である。 (3) ワイヤNo.６〜８は、Ｃ以外のワイヤ成分は規
定範囲に入つているものの、表面付着物由来の
Ｃ量及びCuメツキ量の一方又は双方が規定範
囲を外れる為、やはりヒユームを十分に低減す
ることができない。 (4) これらに対しワイヤNo.２及び９〜11は本発明
で規定する要件を充足する実施例で、ワイヤNo.
１に比べてヒユーム量を30％以上減少すること
ができる。 実験例 ２ 第２表に示す成分組成、表面付着物由来のＣ量
及びCuメツキ量のガスシールドアーク溶接ワイ
ヤ（粒状移行溶接用）を製造し、以下実験例１と
同様にしてヒユーム発生量を比較した。但し溶接
電流及び溶接電圧は、粒状移行状態を確保する為
夫々300A、35Vと高いめに設定した。 結果を第２表に示す。

【表】 第２表の結果より次の様に考えることができ
る。 (1) ワイヤNo.１（従来品）は、ワイヤ中のＣ及び
Mn量が規定範囲を外れると共に、表面付着物
由来のＣ量も多い為、ヒユーム発生量が極めて
多い。 (2) ワイヤNo.３は、ワイヤ成分は要件を満たして
いるものの表面付着物由来のＣ量及びCuメツ
キ量が多い為、ヒユーム発生量はあまり減少し
ない。またワイヤNo.４は、Ti量のみが規定範
囲を外れる比較例で、ヒユーム低減効果は不十
分である。 (3) ワイヤNo.２及び５は本発明の要件を充足する
実施例で、ヒユーム発生量はワイヤNo.１に比べ
て30％以上低減している。

【図面の簡単な説明】

第１図はヒユーム量測定装置を示す一部破断見
取り図、第２〜６図はワイヤ中のＣ量、Mn量、
Si量、Ｐ量及びＳ量とヒユーム発生量の関係を示
すグラフ、第７，８図はワイヤ表面付着物由来の
Ｃ量及びCuメツキ量とヒユーム発生量の関係を
示すグラフ、第９，１０図はワイヤ中のTi量及
びAl量とヒユーム発生量の関係を示すグラフで
ある。 １……補集箱、２……サンプラー、３……観察
窓、４……手差込み口、５……空気孔、６……溶
接台、７……供試板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｃ：0.06％（重量％：以下同じ）以下、
   Mn：1.65〜1.95％、Si：0.8〜1.0％、Ｓ：0.015％
   以下で、残部が鉄及び不可避不純物からなり、ワ
   イヤ表面付着物中のＣ量が0.02％以下、Cuの表
   面メツキ量がワイヤ全重量に対して0.25％以下で
   あることを特徴とするガスシールドアーク溶接用
   低ヒユームワイヤ。 ２ Ｃ：0.06％（重量％：以下同じ）以下、
   Mn：1.65〜1.95％、Si：0.8〜1.0％、Ｓ：0.015％
   以下、Al：0.005〜0.25％、Ti：0.01〜0.25％で、
   残部が鉄及び不可避不純物からなり、ワイヤ表面
   付着物中のＣ量が0.02％以下、Cuの表面メツキ
   量がワイヤ全重量に対して0.25％以下であること
   を特徴とするガスシールドアーク溶接用低ヒユー
   ムワイヤ。