ガスシールドメタルアーク溶接方法

【目的】ガスシールドメタルアーク溶接による隅肉溶接において、溶接のままで溶接部の疲労強度を高める。
【構成】シールドガスとして５〜３０体積％のＯ₂ガスを含む混合ガスを使用する。溶接金属の表面張力が低下し、ビード止端部の開き角度θおよび曲率半径ρが大きくなる。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、アーク溶接部、特に隅肉溶接部の疲労強度の向上に有効なガスシールドメタルアーク溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】自動車や船舶、その他の鋼構造物の製造には、生産性の高さからガスシールドメタルアーク溶接方法が多用されている。このような溶接構造物では、信頼性の確保のため、高い疲労強度が要求される。しかし、アーク溶接部、特に隅肉溶接部は、力学的に見ると形状不連続部であるため、そのビード止端部に大きな応力集中が起こり、その部分を起点として溶接部に疲労破壊が発生し易い。
【０００３】従って、アーク溶接部、特に隅肉溶接部は、平滑材に比べて疲労強度が著しく低いという問題点を有していた。
【０００４】隅肉溶接部の疲労強度の低下原因となるビード止端部への応力集中は、図１にθで示す止端部の開き角度が大きいほど、またρで示す曲率半径が大きいほど少なくなることが知られている。
【０００５】この観点から、隅肉溶接部の疲労強度を向上させる方法として溶接後にビード止端部をクラインダーで研削加工する方法や、ＴＩＧ溶接でビード止端部を再溶融して整形する方法が通常使用されている。また、特開平４−３６１８７６号公報には、特定成分の複合ワイヤを使用する方法が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、溶接後に研削や溶接でビード止端部を整形する方法は、作業工程の増加を伴うため、生産性が重要視される自動車製造分野等には適用し難い。
【０００７】一方、特定成分の複合ワイヤを使用する方法では、溶接後の整形工程は不要となる。しかし、スラグの発生し易いフラックスを多く使用するため、スラグ除去工程が必要になり、能率面での効果はそれほど期待できない。
【０００８】従って、隅肉溶接部の疲労強度を向上させる方法としては、ソリッドワイヤやメタル系クラックス入り複合ワイヤのようにスラグの発生が少ないワイヤを使用し、その溶接のままでビード止端部への応力集中が緩和されるガスシールドメタルアーク溶接法が求められる。
【０００９】本発明はかかる要求に応えた溶接のままで高い疲労強度を確保できる生産性の良好なガスシールドメタルアーク溶接方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】隅肉溶接部の疲労強度を上昇させるためには、前述したように、ビード止端部への応力集中を緩和する必要がある。すなわち、ビード止端部の開き角度θおよび曲率半径ρを大きくする必要がある。ビード止端部の開き角度θを大きくするためには、盛り上がりの小さいフラットな溶接ビードを形成することが有効であり、一方、曲率半径ρを大きくするためには、ビード止端部での濡れ性を向上させる必要がある。
【００１１】本発明者らはフラットなビード形成にもビード止端部での濡れ性改善にも、溶接金属の表面張力の低下が有効であるとの考えに立ち、数々の検討を行った結果、シールドガス中に比較的多量のＯ₂を混合することが有効であるとの知見を得た。
【００１２】図２に、図１に示す水平重ね隅肉溶接部でのビード止端部の開き角度θおよび曲率半径ρに及ぼすシールドガス中のＯ₂濃度の影響を示す。このときの溶接条件は、母材：ＨＴ６０、板厚：2.３ｍｍ、ワイヤ：ＹＧＷ−１２（直径1.２ｍｍ）、溶接電源：インバータ制御電源、溶接電流：２００Ａ、溶接速度：１００ｃｍ／min 、アーク電圧：２５Ｖとした。
【００１３】シールドガスとしてはＡｒ＋Ｏ₂系、ＣＯ₂＋Ｏ₂系の２種類の混合ガスを用いたが、いずれの系統のシールドガスを用いた場合も、Ｏ₂濃度が５〜３０容積％の範囲で、Ａｒ＋２０％ＣＯ₂ガスを用いたマグ溶接およびＣＯ₂溶接よりも、ビード止端部の開き角度θおよび曲率半径ρが大きくなっている。また、ここで使用したワイヤは、スラグの発生が少ないソリッドワイヤであり、Ｏ₂濃度が５〜３０容積％の範囲内では、溶接後にスラグを除去する工程を必要としなかった。
【００１４】本発明はかかる知見に基づきなされたもので、ガスシールドメタルアーク溶接において、そのシールドガスとして、Ｏ₂ガスを５〜３０体積％を含み、残部が実質的にＡｒガスおよびＣＯ₂ガスの１種または２種からなる混合ガスを使用することを特徴とするガスシールドメタルアーク溶接方法を要旨とする。
【００１５】
【作用】以下に本発明を構成要件毎に詳述し、その作用を明らかにする。
【００１６】シールドガスシールドガス中にＯ₂ガスを添加すると、溶接金属の表面張力が低下することにより、隅肉溶接部のビード止端部での開き角度θおよび曲率半径ρが大きくなり、応力集中が低減されて疲労強度が向上する。しかし、Ｏ₂濃度が５％未満では充分な効果が得られない。また、３０％を超えると、スラグ生成の少ないソリッドワイヤを使用しても溶接条件によってはビード表面に多量のスラグが生成し、そのスラグが溶接金属の流動性を阻害することにより、開き角度θおよび曲率半径ρのいずれも小さくなる。従って、シールドガス中のＯ₂濃度を５〜３０％とした。
【００１７】ただし、Ｏ₂ガスは、母材中の強化元素であるＳｉ，Ｍｎを脱酸反応により消耗させる懸念があるので、ビード止端部の総合的な機械的性質を考えると、２０％以下に制限することが望ましい。
【００１８】また、Ｏ₂ガスの添加は、ブローホールの発生や溶接金属中への溶解による靱性低下を招く懸念のあることが指摘されているが、これらについては何も問題のないことを本発明者らは確認している。
【００１９】なお、従来からもステンレス鋼の溶接では、アークの安定性向上を目的として若干量のＯ₂ガスを添加したシールドガスが使用されることはあった。また、亜鉛めっき鋼板の溶接では、この種のシールドガスがスパッタの抑制に有効とされている。しかし、５〜３０％という多量のＯ₂ガスを含むシールドガスが、ビード形状の改善を目的として使用された例は、本発明者らの知る限り存在しない。
【００２０】Ｏ₂以外のガス成分としては、Ａｒガス、ＣＯ₂ガスのいずれでもよく、また、その混合でもよい。すなわち、本発明ではＡｒ＋Ｏ₂系、ＣＯ₂＋Ｏ₂系、Ａｒ＋ＣＯ₂＋Ｏ₂系の３系統のシールドガスが使用可能である。ただし、本発明者らの調査により、直流電流を用いるマグ溶接においては、混合ガス中のＣＯ₂ガスの濃度が高い場合にスパッタが多く発生する事実が判明したので、ＣＯ₂ガス濃度を２０％以下にすることがスパッタ発生を抑える観点からは望ましい。また、そのようなシールドガスを用いる場合に、さらに耐スパッタ性を重視する場合は溶接法としてパルス電流を用いるパルスマグ溶接法が有効である。
【００２１】本発明により、ビード止端部の開き角度θは、１３０°以上、曲率半径ρは0.７ｍｍ以上にできる。
【００２２】溶接形態溶接形態は隅肉溶接を基本とするが、突合せ溶接においても本発明の効果は得られる。
【００２３】溶接姿勢としては、図３に示すように、溶接方向に対してトーチを後傾させて前進角αにて溶接を行うものや、母材を傾けて下り坂溶接を行うものが、溶接金属の後方への流れを低減し、ビードのフラット化を促進するため、ビード形状改善に有効であることが経験的に知られていたが、本発明でもこれらの姿勢調整は有効で、ビード形状を更に改善する。なお、溶接姿勢は生産設備や母材の形状による制約を受けるが、ビード形状改善の点からは前進角αおよび下り坂溶接角βは大きければ大きいほど望ましい。
【００２４】母材については特に限定されない。すなわち、炭素鋼、低合金鋼、高合金鋼等、ガスシールドメタルアーク溶接法にて施工される母材であれば材質形状を問わない。
【００２５】
【実施例】以下に本発明の実施例および比較例を示す。
【００２６】板厚が2.３ｍｍのＨＴ６０熱延鋼板を下記の標準条件で水平重ね隅肉溶接し、図４に示す溶接継手を機械加工により採取した。この試験片のビード止端部の形状を調査すると共に、下記の条件で片振り引張疲労試験を実施した。
【００２７】標準溶接条件電源：インバータ制振電源溶接速度：１００ｃｍ／min溶接電流：平均２００Ａ（パルス溶接時はパルス電流４００Ａ、パルス幅1.５msec)アーク電圧：２５Ｖワイヤ：ＹＧＷ−１２（直径1.２ｍｍ）
シールドガス：別表（流量２０リットル／min ）
【００２８】疲労試験条件試験片の大きさ：幅３０ｍｍ×長さ１５０ｍｍ（ビードは中央）
試験機：電気式油圧サーボ疲労試験機試験応力：軸力荷重制御片振り正弦波（最小応力0.１ｋｇｆ／ｍｍ²一定）
繰り返し速度：３０Ｈｚ評価法：破断繰り返し数が１×１０⁷となる応力が6.５ｋｇｆ／ｍｍ²未満を×、6.５ｋｇｆ／ｍｍ²以上を○
【００２９】表１に調査結果を示す。
【００３０】
【表１】

【００３１】No. １〜４はシールドガス中にＯ₂ガスを含まず、また含んでもその濃度が５％未満の比較例である。ビード止端部の開き角度θは、前進角αを設けない下向き溶接の場合は最大で１２０°であり、前進角αを設けても１４０°である。また、曲率半径ρは前進角αの有無にかかわらず0.５ｍｍ以下である。その結果、ビード止端部の疲労限界はいずれも6.５ｋｇｆ／ｍｍ²未満となった。
【００３２】No. ５〜８，１０，１１，１３は５％以上のＯ₂ガスを含むシールドガスを使用した本発明例である。
【００３３】このうちNo. ５〜８，１３はパルス電源を使用したパルスマグ溶接の場合である。止端部の開き角度θは前進角αを設けない場合でも１４０°以上であり、前進角αを設けると１６５°に達する。また、曲率半径ρは、前進角αを設けない場合は0.７〜0.９ｍｍ、前進角αを設けると1.２ｍｍになる。その結果、疲労限界はいずれも6.５ｋｇｆ／ｍｍ²以上となる。
【００３４】No. １０，１１は直流電源を使用したパルス無し溶接の場合である。No. ５〜８，１３のパルスマグ溶接に比べるとビード形状が若干悪化するが、それでも疲労限界は6.５ｋｇｆ／ｍｍ²以上である。
【００３５】No. ９および１２はシールドガス中のＯ₂濃度が３０％を超えた比較例である。ビード形状が悪化し、疲労強度は6.５ｋｇｆ／ｍｍ²未満となる。
【００３６】なお、本発明はシールドガスの組成によってビード形状を改善するものであり、Ａｒ＋Ｏ₂系、Ａｒ＋ＣＯ₂＋Ｏ₂系では、パルスマグおよびマグ溶接いずれにおいてもビード形状改善の効果が得られる。本実施例では、スパッタ発生をも抑えられる目的で、Ａｒ＋Ｏ₂系、Ａｒ＋ＣＯ₂＋Ｏ₂系においてはパルスマグ溶接を行った。また、マグ溶接でもＣＯ₂＋Ｏ₂系のシールドガスを使用した例は、Ａｒに比べて安価なＣＯ₂ガスを用いた場合にもＯ₂の添加が有効であることを示したものである。
【００３７】このように、本発明例はスラグ生成の少ないソリッドワイヤを使用して、ビード止端部に優れた形状を与え、溶接後にビード整形工程もスラグ除去工程も必要としなかった。
【００３８】
【発明の効果】以上に説明した通り、本発明のガスシールドメタルアーク溶接方法は、５〜３０％のＯ₂ガスを含むシールドガスの使用により、ビード止端部の開き角度および曲率半径を大きくし、ビード止端部の疲労強度を向上させる。シールドガスにより疲労強度の向上を図るので、溶接後にビード整形工程を必要としないだけでなく、スラグ除去工程も必要としない。従って、生産性の低下がなく、自動車製造のような生産性が重視される用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】隅肉溶接におけるビードの断面形状を示す模式図である。
【図２】シールドガス中のＯ₂濃度がビード止端部の形状に及ぼす影響を示すグラフである。
【図３】前進角溶接および下り坂溶接を示す模式図である。
【図４】実施例で用いた試験片形状を示す模式図である。

【特許請求の範囲】
【請求項１】ガスシールドメタルアーク溶接において、そのシールドガスとして、Ｏ₂ガスを５〜３０体積％を含み、残部が実質的にＡｒガスおよびＣＯ₂ガスの１種または２種からなる混合ガスを使用することを特徴とするガスシールドメタルアーク溶接方法。

【図１】