鋼板の高速ガスシールドアーク溶接方法
【課題】高強度鋼板の高速ガスシールドアーク溶接において、アークの安定性確保、低スパッタ化、溶け落ち発生抑制等、良好な溶接作業性を確保しつつ鋼板間の隙間を良好な状態で架橋させて、信頼性の高い継手を作製することが可能なアーク溶接方法を提供する。
【解決手段】板厚０．６〜３．２ｍｍの鋼板を溶接速度０．８〜１．８ｍ／分でアーク溶接する際に、シールドガスとしてアルゴンに１０〜３０％の炭酸ガスが添加されたガスあるいはアルゴンに２〜６％の酸素ガスが添加されたガスを用い、１パルス当たりの平均ピーク電流Ｉｐと平均時間幅Ｔｐ、平均ベース電流Ｉｂが所定の条件を満足する矩形波パルスが印加された期間と、平均ベース電流Ｉｂのみが印加された期間とが、デューティー比６５〜８５％、周波数２０〜４０Ｈｚで周期的に印加された電流波形を用いてアーク溶接することを特徴とする鋼板の高速ガスシールドアーク溶接方法を採用する。
【解決手段】板厚０．６〜３．２ｍｍの鋼板を溶接速度０．８〜１．８ｍ／分でアーク溶接する際に、シールドガスとしてアルゴンに１０〜３０％の炭酸ガスが添加されたガスあるいはアルゴンに２〜６％の酸素ガスが添加されたガスを用い、１パルス当たりの平均ピーク電流Ｉｐと平均時間幅Ｔｐ、平均ベース電流Ｉｂが所定の条件を満足する矩形波パルスが印加された期間と、平均ベース電流Ｉｂのみが印加された期間とが、デューティー比６５〜８５％、周波数２０〜４０Ｈｚで周期的に印加された電流波形を用いてアーク溶接することを特徴とする鋼板の高速ガスシールドアーク溶接方法を採用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車分野で、ボデーやシャシーの組立に広く適用されているガスシールドアーク溶接方法に関し、特に、鋼板同士の間に隙間が存在する場合に、鋼板の溶け落ちを防止して鋼板間の良好な架橋を達成し、鋼板同士を安定して溶接することが可能な耐ギャップ性に優れたアーク溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、低燃費化やＣＯ2排出量削減を目的とした車体の軽量化および衝突安全性向上のために、自動車分野では、車体や部品などに、薄肉の高強度鋼板を使用するニーズが高まっている。
一方、車体の組立や部品の取付け等では、スポット溶接方法が主に用いられているが、シャシーのように剛性が必要とされる部位には、アーク溶接が用いられている。しかし、薄肉の高強度鋼板をアーク溶接した場合には、以下のような問題が生じる。
【０００３】
高強度鋼板を使用した部品では、スプリングバック等の影響によって鋼板間に隙間が存在するが、この場合には、溶着金属量を増加させて鋼板同士を上手く架橋させるために、アーク溶接時の入熱を増加させる必要性が生じる。しかし、入熱量を増加させると、上側または下側の鋼板のみに入熱が集中し、また、アーク力も増加するため、その結果、溶け落ちが起こって鋼板同士を溶接することが困難となる。また、自動車分野では、生産性向上のために溶接速度が０．８〜１．５ｍ／分程度の高速溶接が行われているが、この場合には、入熱量を保つために溶接電流を増加させなくてはならないため、アーク力が増加して溶け落ちが顕著になる。
【０００４】
隙間が存在する薄鋼板同士をアーク溶接する際に、溶接部の溶け落ちを防止し、架橋性良く鋼板同士を溶接する方法として知られているのは、架橋性の良い溶材を用いてアーク溶接を行う方法である。しかし、これらの方法は、特殊な溶材を必要とし、また、溶接条件によっては溶接金属で凝固割れが生じるという問題を抱えている。
【０００５】
また、交流電源を用い、鋼板と溶材の溶融量を制御することによって、溶け落ちを防止し架橋性良く鋼板同士を溶接する方法が知られている。しかし、この方法では、特殊な電源が必要となりコストの点で問題があるだけでなく、パラメーター制御が難しく、操作が煩雑になるという問題点があった。
【０００６】
また、下記特許文献１には、パルスピーク電流とパルスピーク時間が所定の関係式を満足する条件でパルスを付加して溶接する方法が開示されている。パルス電流を印加してアーク溶接を行うと、一パルス毎に一滴の溶滴を溶融池に落としつつ溶接を行うことになるが、特許文献１の溶接方法では、パルス電流を連続的に印加するため、溶滴の滴下が連続的に起こり、その結果、入熱が過大になって溶接部の溶け落ちが発生する問題があった。また、パルス電流を連続的に印加すると、溶接部に対してアーク力が常に加わり、これにより溶接部の溶け落ちを促進してしまう恐れがあった。
【０００７】
すなわち、従来のアーク溶接法では、図３（ａ）に示すように、２枚の鋼板１同士を重ねて、重ね合せ部（被溶接部）１ａで溶接トーチ２の先端から突き出した溶材３と重ね合せ部１ａとの間でアーク４を発生させる。このとき、２枚の鋼板１の間には、スプリングバック等の影響によって隙間ｄが存在している。この隙間ｄは、概ね、数ｍｍ程度の範囲である。従って、重ね合わせ部１ａには、この隙間ｄに対応するギャップＧが存在している。次に、図３（ｂ）に示すように、重ね合せ部１ａで溶融金属部６を形成させ、その後冷却によって溶融金属部６を凝固させる。しかし、このとき、パルス電流が連続的に印加されることで、溶接の入熱が過剰となり、また、過大なアーク力が被溶接部１ａに作用する。その結果、アーク４が主に上側の鋼板１に作用した場合には、図３（ｃ）に示すように、上側の鋼板１の端部１ｂのみが溶かされて変形する溶け落ちが起きる場合があった。また、アーク５が主に下側の鋼板１に作用した場合には、図３（ｄ）に示すように、下側の鋼板１が溶け落ちて孔部１ｃが形成される場合もあった。
【特許文献１】特開２００７−３０１６２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述のように、鋼板間に隙間が存在する場合に、ガスシールドアーク溶接で高速溶接を行うと、溶け落ちが起こり易くなり、鋼板同士を架橋性良く溶接することが困難となる。
また、架橋した部分の溶着金属量が十分でないと、静的引張強さや疲労強度の低下が認められることがある。したがって、自動車分野において、薄肉の高強度鋼板を適用することが困難となるため、高強度鋼板を用いることによる軽量化や衝突安全性向上、およびそれに伴う低燃費化、ＣＯ2排出量削減のメリットを十分に享受することができなかった。
【０００９】
本発明では、これらの従来技術における問題点を解決するために、高強度鋼板の高速ガスシールドアーク溶接において、アークの安定性確保、低スパッタ化、溶け落ち発生抑制等、良好な溶接作業性を確保しつつ鋼板間の隙間を良好な状態で架橋させて、信頼性の高い継手を作製することが可能なアーク溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、上記のように、架橋性の良い特殊な溶材を用いることもなく、また、特殊な交流電源を用いることもなく、従来の直流インバーター制御型アーク溶接電源で電流波形制御を行うことによって、鋼板の溶け落ちなく、隙間が存在する鋼板同士を溶接することを目的としており、その要旨は以下の通りである。
【００１１】
本発明の鋼板の高速ガスシールドアーク溶接方法は、板厚が０．６〜３．２ｍｍの鋼板を溶接速度が０．８〜１．８ｍ／分でアーク溶接する高速ガスシールドアーク溶接方法において、シールドガスとしてアルゴンに１０〜３０％の炭酸ガスが添加されたガスあるいはアルゴンに２〜６％の酸素ガスが添加されたガスを用い、１パルス当たりの平均ピーク電流Ｉｐと平均時間幅Ｔｐ、平均ベース電流Ｉｂが下記（Ｉ）〜（ＩＩＩ）のいずれかの条件を満足する矩形波パルスが印加された期間と、平均ベース電流Ｉｂのみが印加された期間とが、デューティー比６５〜８５％、周波数２０〜４０Ｈｚで周期的に印加された電流波形を用いてアーク溶接することを特徴とする。
（Ｉ）Ｄ＝０．７ｍｍ以上１．０ｍｍ未満の場合：Ｉｐ＝３５０〜４５０Ａ、Ｔｐ＝０．２〜１．０ｍｓ、Ｉｂ＝１５〜５５Ａ。
（ＩＩ）Ｄ＝１．０ｍｍ以上１．２ｍｍ未満の場合：Ｉｐ＝３５０〜４５０Ａ、Ｔｐ＝０．４〜１．４ｍｓ、Ｉｂ＝１５〜５５Ａ。
（ＩＩＩ）Ｄ＝１．２ｍｍ以上１．４ｍｍ未満の場合：Ｉｐ＝４００〜５００Ａ、Ｔｐ＝０．８〜２．０ｍｓ、Ｉｂ＝２０〜９０Ａ。
ただし、Ｄは溶接ワイヤの直径（ｍｍ）、Ｉｐは１パルス当たりの平均ピーク電流（Ａ）、Ｔｐは１パルス当たりの平均時間幅（ｍｓ）、Ｉｂはパルス間の平均ベース電流を示す。
【００１２】
また、本発明の鋼板の高速ガスシールドアーク溶接方法は、先に記載された高速ガスシールドアーク溶接方法において、Ｓｉを０．５〜１．０％、Ｍｎを１．０〜１．６％含有する溶接ワイヤを用いてアーク溶接することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、自動車用部品の取付けおよび車体の組立等で用いる高強度鋼板のアーク溶接において、良好な溶接作業性を確保しつつ隙間存在下で鋼板同士を良好に溶接することが可能となる。したがって、本発明の適用により、自動車分野などで高強度鋼板適用による安全性向上や軽量化による低燃料費、ＣＯ2排出量削減のメリットなどを十分に享受でき、社会的な貢献は多大である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明について詳細に説明する。
図１に本発明の実施形態の一例を図１に示す。図１に示す継手形状は重ね隅肉継手と呼ばれ、自動車分野では典型的なアーク溶接継手の形態である。
本発明の鋼板の重ね隅肉継手のアーク溶接方法では、図１（ａ）に示すように、２枚の鋼板１同士を重ねて、重ね合せ部（被溶接部）１ａで溶接トーチ２の先端から突き出した溶材３（溶接ワイヤ）と重ね合せ部１ａとの間でアーク４を発生させる。このとき、２枚の鋼板１の間には、スプリングバック等の影響によって数ｍｍ程度の隙間ｄが存在しており、このため重ね合わせ部１ａには、この隙間ｄに対応するギャップＧが存在している。次に、図１（ｂ）に示すように、重ね合せ部１ａで溶融金属部６を形成させ、その後冷却によって溶融金属部６を凝固させる。
ここで、パルス電流が連続的に印加されると、図３（ｃ）または図３（ｄ）に示したように、上側の鋼板１の端部１ｂが溶け落ちたり、下側の鋼板１の溶け落ちによる孔部１ｃが形成され、ギャップＧを溶接により架橋させることが困難になる。
【００１５】
本発明では、パルス電流の波形を改良することによって、図１（ｃ）に示すように、図１（ｂ）で形成した溶融金属部６を冷却させて重ね合せ部１ａに溶着金属部（ビード部）５を形成させる。この溶着金属５によって、隙間ｄをもって重ねられた鋼板１同士が接合され、耐ギャップ性に優れた重ね隅肉継手が形成される。
以下、本発明で採用した溶接条件について詳細に説明する。
【００１６】
（鋼板１の種類）
本発明のアーク溶接においては、鋼板の種類について特に限定する必要がなく、固溶強化型（例えば、Ｃ−Ｍｎ強化型、Ｐ添加強化型）、析出型（例えば、Ｔｉ析出型、Ｎｂ析出型）、２相組織型（例えば、フェライト中にマルテンサイトを含む組織、フェライト中にベイナイトを含む組織）、加工誘起変態型（フェライト中に残留オーステナイトを含む組織）、微細結晶型（フェライト主体組織）等、いずれの型の鋼板であっても良い。鋼板の強度についても特に限定する必要はなく、本発明のアーク溶接方法の適用により、鋼板の特性を損なうことなく、優れた引張強さ、疲労強度を有する継手を実現することができる。また、鋼板の引張強さは、特に限定されないが、２７０〜１５５０ＭＰａ級の鋼板に適用可能である。
【００１７】
鋼板の表層にめっきを施す場合には、めっき層の種類は特に限定するものではなく、例えば、Ｚｎ系、Ｚｎ−Ｆｅ系、Ｚｎ−Ｎｉ系、Ｚｎ−Ａｌ系、Ｚｎ−Ｍｇ系、Ｐｂ−Ｓｎ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ａｌ−Ｓｉ系等、何れのめっき層であっても良い。また、めっき層の表層に無機系、有機系の皮膜（例えば、潤滑皮膜等）が施されていても良い。これらのめっき層の目付量は特に限定しないが、両面で１００／１００ｇ／ｍ2以下のものが望ましい。
【００１８】
また、本発明の方法は、同種同厚鋼板組合せに限定されるものではなく、規定を満たしているのであれば、同種異厚、異種同厚、異種異厚組合せであっても良い。
【００１９】
（鋼板１の厚み）
溶接される鋼板１は、板厚が０．６〜３．２ｍｍの範囲のものが好ましい。板厚が０．６ｍｍ未満では容易に溶け落ちが起こって効果が無く、また、板厚３．２ｍｍを超えると耐ギャップ性効果が低下する。このような理由から、本発明において、鋼板の板厚を０．６〜３．２ｍｍとした。
【００２０】
（溶材３（溶接ワイヤ））
アーク溶接に使う溶材３については特に限定されるものではなく、本発明のアーク溶接法を適用することにより、めっき鋼板の特性を損なうことなく、優れた引張強さと疲労強度を有する継手を実現することができる。
特に溶材３中のＳｉは、溶接金属の主脱酸剤として不可欠であると共に、溶接ワイヤの電気抵抗を増大させて溶接ワイヤの溶融量を増加させ、更に溶融金属の粘度および表面張力を増大させる効果が大きい元素である。これによって、横向重ね継手の溶融金属の垂れを軽減して耐ギャップ性向上効果が得られ、広幅の溶接ビードを形成できる。しかし、０．５％未満では上記効果が得られない。また、１．０％を超えると溶融金属の表面張力が過度に上昇するため溶融金属が溶接速度に追従できずハンピングビードとなり易く、耐ギャップ性が低下する。またＳｉ量が１．０％を超えると溶接部で割れが発生し易くなる。
【００２１】
更に、ＭｎはＳｉと共に脱酸剤として作用する他、溶融金属の粘度および表面張力を増大させる効果がある。１．０％未満ではその効果が得られず、ブローホール等の気孔欠陥が発生し易くなると共に、溶融金属の粘度および表面張力が低下することから、溶融金属が垂れビード形状が劣化し、十分な耐ギャップ性が得られない。一方、Ｍｎが１．６％を超えると、溶融金属の粘度および表面張力が増加し過ぎて広幅のビードが得られない。
【００２２】
以上の理由から本発明では、Ｓｉを０．５〜１．０％、Ｍｎを１．０〜１．６％含有し、残部がＦｅ及び不純物である溶接ワイヤを用いてアーク溶接することが好ましい。また、溶接ワイヤには、鋼板の種類に合わせて、Ｓｉ、Ｍｎの他にＣ、Ｐ、Ｓ等を添加させても良い。
【００２３】
（溶接速度）
溶接速度は、０．８〜１．８ｍ／分の範囲が好ましい。溶接速度が０．８ｍ／分未満では、アークの不安定化、スパッタ発生、溶接部での溶け落ち等の問題が少なくなるが、溶接効率が悪くなる。特に、溶接速度が生産効率に直接的に影響する自動車の組立ラインでは、溶接速度が０．８ｍ／分未満になると生産性が極めて悪くなる。また、溶接速度が１．８ｍ／分を超えると、溶滴移行がスムースに行われなくなってアークが不安定になり、スパッタ発生量が多くなる。また、アーク力が強くなって、溶接部で溶け落ちが起こり易くなる。このような理由から、本発明において、ガスシールドアーク溶接時の溶接速度を０．８〜１．８ｍ／分とした。
【００２４】
（シールドガス）
シールドガスとしては、アルゴンに１０〜３０％の炭酸ガスが添加されたガスあるいはアルゴンに２〜６％の酸素ガスが添加されたガスが好ましい。これらの組成のシールドガスを用いると、特に、本発明の後述するような溶接電流に周期的なパルスが印加されたパルス溶接において、１パルスごとに最適な大きさの溶滴が形成され、この溶滴が溶融池に対してスムースに移行するようになる。その結果、高速ガスシールドアーク溶接方法において、溶接ワイヤと被溶接物の短絡による異常な電流上昇がなくなり、アークが安定して、溶融池の形状も安定するため、溶融池拡大がスムースに行われる。また、高速ガスシールドアーク溶接方法において、異常な短絡が無くなるため、スパッタの発生も極端に減少する。
【００２５】
シールドガスとして、アルゴン＋炭酸ガスの混合ガスを用いる場合では、炭酸ガスの添加量が１０％より少ないと炭酸ガス添加によるアーク安定性向上の効果が得られないためアルゴンガスに添加する炭酸ガスの添加量の下限値を１０％に限定した。一方、アルゴンガスに添加する炭酸ガスの添加量が３０％を越えると、アーク溶接時に溶滴が大きくなりすぎてスパッタの発生が多くなるいため、アルゴンガスに添加する炭酸ガスの添加量の上限値を３０％に限定した。
【００２６】
また、シールドガスとして、アルゴン＋酸素ガスの混合ガスを用いる場合では、酸素ガスの添加量が２％より少ないと酸素ガス添加によるアーク安定性向上の効果が得られないためアルゴンガスに添加する酸素ガスの添加量の下限値を２％に限定した。一方、アルゴンガスに添加する酸素ガスの添加量が６％を越えると、アーク溶接時に溶け落ちが起こり易くなって溶接後の補修等が必用となり、溶接作業性を落とし、また、コストの上昇を招く等の問題が生じるため、アルゴンガスに添加する酸素ガスの添加量の上限値を６％に限定した。
【００２７】
また、シールドガスに酸素を添加すると、特に亜鉛めっき鋼板の場合に、酸素ガスによって亜鉛が酸化され、また、溶融池の粘性が低下するため、亜鉛蒸気が逃げやすくなってブローホールやピットが減少する場合があるので好ましい。従って本発明では、アルゴン＋炭酸ガスの混合ガスでも、必要に応じて、２〜６％の酸素ガスを添加しても良い。
【００２８】
なお、一般に、アーク溶接用のシールドガスとしては、炭酸ガスが単独で使われている場合もあるが、高速ガスシールドアーク溶接方法において、シールドガスとして炭酸ガスのみを用いた場合には、非常に大きな溶滴が形成され、一定電流で溶接する場合でも多量のスパッタが発生し、本発明で適用する後述のパルス溶接では、溶滴移行が不安定になって実質アーク溶接が出来ないため、シールドガスとしては好ましくない。
【００２９】
（溶接電流の電流波形）
本発明では、溶接電流の電流波形として、図２に示すように、矩形波パルスが印加された期間ｂと、平均ベース電流Ｉｂのみが印加された期間ｃとが、デューティー比６５〜８５％、周波数２０〜４０Ｈｚで周期的に印加された電流波形を用いる。また、矩形波パルスが印加された期間ｂにおいては、溶接ワイヤの直径Ｄに応じて、１パルス当たりの平均ピーク電流Ｉｐ、平均時間幅Ｔｐ及び平均ベース電流Ｉｂを適切な範囲に設定することが好ましい。
【００３０】
（パルス波形の平均ピーク電流Ｉｐ、平均時間幅Ｔｐ、パルス間の平均ベース電流Ｉｂ）
高速ガスシールドアーク溶接方法において、パルス波形は、シールドガス組成や溶接ワイヤの成分および直径と関連して、溶滴の大きさ、溶滴の移行状態に大きな影響を及ぼし、その結果、アークの安定性、スパッタの発生状況、溶融池の形状に大きな影響を与える重要な因子である。本発明の高速ガスシールドアーク溶接方法では、以下の理由で、溶接ワイヤ直径Ｄに応じて、図２に示す１パルス当たりの平均ピーク電流Ｉｐ、平均時間幅Ｔｐおよび平均ベース電流Ｉｂを、以下の所定条件を満足する矩形波パルスが周期的に印加された電流波形に制御して溶接する必要がある。
【００３１】
（Ｉ）溶接ワイヤの直径Ｄが０．７ｍｍ以上１．０ｍｍ未満の場合：Ｉｐ＝３５０〜４５０Ａ、Ｔｐ＝０．２〜１．０ｍｓ、Ｉｂ＝１５〜５５Ａ。
（ＩＩ）溶接ワイヤの直径Ｄが１．０ｍｍ以上１．２ｍｍ未満の場合：Ｉｐ＝３５０〜４５０Ａ、Ｔｐ＝０．４〜１．４ｍｓ、Ｉｂ＝１５〜５５Ａ。
（ＩＩＩ）溶接ワイヤの直径Ｄが１．２ｍｍ以上１．４ｍｍ未満の場合：Ｉｐ＝４００〜５００Ａ、Ｔｐ＝０．８〜２．０ｍｓ、Ｉｂ＝２０〜９０Ａ。
ただし、Ｄは溶接ワイヤの直径（ｍｍ）であり、Ｉｐは１パルス当たりの平均ピーク電流（Ａ）であり、Ｔｐは１パルス当たりの平均時間幅（ｍｓ）であり、Ｉｂはパルス間の平均ベース電流（Ａ）である。
【００３２】
各溶接ワイヤ直径Ｄに応じて規定した１パルス当たりの平均ピーク電流Ｉｐが上記下限より低い場合には、高速ガスシールドアーク溶接において十分な大きさの溶滴が形成されず、また、ピンチ力による溶滴切り離しとその後の溶滴移行がスムースに行われなくなる。また、１パルス当たりの平均ピーク電流Ｉｐが上記上限より高い場合には、溶滴が大きくなりすぎ、また、アーク力が強くなりすぎてビードが蛇行し、さらに、溶け落ちが起こり易くなる。
【００３３】
また、各溶接ワイヤ直径Ｄに応じて規定した１パルス当たりの平均時間Ｔｐが上記下限より低い場合には、十分な大きさの溶滴が形成されなくなり、また、１パルス当たりの平均時間Ｔｐが上記上限より高い場合には、溶滴が大きくなりすぎる。
【００３４】
更に、各溶接ワイヤ直径Ｄに応じて規定した各パルス間の平均ベース電流Ｉｂが上記下限より低い場合には、アークが維持されなくなってアーク切れが起こり、また、各パルス間の平均ベース電流Ｉｂが上記上限より高い場合には、ベース電流中に小さな溶滴が形成されてスパッタ発生の原因となる。
【００３５】
以上のような理由から、本発明において、ガスシールドアーク溶接時の電流波形を、溶接ワイヤ直径Ｄに応じて、１パルス当たりの平均ピーク電流Ｉｐ、平均時間幅Ｔｐが上記の所定条件を満足するように制御し、また、パルス間の平均ベース電流Ｉｂが上記の所定条件を満足するように制御する。パルス波形の面積は熱エネルギーに相当し、ガスシールドアーク溶接時の溶滴の大きさに影響を及ぼすため、最適な溶滴の大きさを得るためには、溶接ワイヤ直径Ｄの他に、溶接ワイヤの成分やシールドガス組成に応じて１パルス当たりの平均ピーク電流Ｉｐと平均時間幅Ｔｐのバランスを取るように調整すること望ましい。
【００３６】
なお、パルス波形で、平均アップスロープ時間Ｔｕｐ（図２における符号１０）及び平均ダウンスロープ時間Ｔｄｗ（図２における符号１１）についても、高速ガスシールドアーク溶接方法においては、スパッタの発生に対して重要である。平均アップスロープ時間Ｔｕｐ、平均ダウンスロープ時間Ｔｄｗが長いと、その間に中途半端な大きさの溶滴が形成され、これがスムースに移行しないでスパッタ発生の原因となるため、平均アップスロープ時間Ｔｕｐ、平均ダウンスロープ時間Ｔｄｗはできるだけ短い方が望ましい。しかし、あまり短いと、電流の急激な立ち上がりによって騒音が発生するため、平均アップスロープ時間Ｔｕｐ、平均ダウンスロープ時間Ｔｄｗは、０．３〜１．０ｍｓとなるように制御するのが好ましい。
【００３７】
（デューティー比及び周波数）
矩形波パルスが印加された期間ｂと、平均ベース電流Ｉｂのみが印加された期間ｃのデューティー比は、６５〜８５％の範囲が好ましい。ここで期間ｂと期間ｃの合計を期間ａとしたときに、デューティー比はｂ／ａ×１００（％）で示される（a、ｂ、ｃはいずれも時間を表す）。また、本発明に係る電流波形の周波数は、２０〜４０Ｈｚの範囲が好ましい。ここで周波数は、１／ａで示される。
【００３８】
矩形波パルスが印加された期間ｂでは、加熱と溶着が起こり、また、ベース電流のみの期間ｃでは、アークが維持されたまま冷却が起こる。したがって、上記デューティー比を上記の範囲に設定することで、溶け落ちが起こらないように入熱バランスを保つ。これにより、溶融金属を十分に供給し、また、加熱期間と冷却期間を上手くバランスさせ、かつ高いアーク力を継続的に印加させないことが可能となる。デューティー比が６５％未満になると、加熱期間が短くなって十分な溶融金属を供給できなくなり、その結果、溶着金属が不足してしまい、架橋性が低下するので好ましくない。また、母材の溶込み深さが低下するという問題も生じる。一方、デューティー比が８５％を超えると、冷却期間が短くなって入熱が過大になり、溶け落ちが起き易くなるので好ましくない。
【００３９】
また、電流波形の周波数が２０Ｈｚ未満になると、ベース電流の期間（平均ベース電流Ｉｂの期間）が長くなって単位時間あたりの矩形波パルスが印加された期間ｂの出現回数が相対的に低下し、入熱が不足して十分な溶融金属を供給できなくなり、その結果、溶着金属が不足してしまい、架橋性が低下したり、母材の溶込み深さが低下したりするので好ましくない。また、電流波形の周波数が４０Ｈｚを超えると、ベース電流の期間（平均ベース電流Ｉｂの期間）が短くなって単位時間あたりの矩形波パルスが印加された期間ｂの出現回数が増加し、入熱過大になって溶け落ちが起きてしまうので好ましくない。
【００４０】
以上説明したように、本実施形態のアーク溶接方法によれば、矩形波パルスが印加された期間ｂと、平均ベース電流Ｉｂのみが印加された期間ｃとを交互に繰り返すことで、期間ｂによる加熱と、期間ｃによる冷却とを交互に行うことができ、これにより過剰な溶接入熱を防止でき、良好な溶接作業性を確保しつつ隙間存在下で鋼板同士を良好に溶接できる。したがって、本発明の適用により、自動車分野などで高強度鋼板適用による安全性向上や軽量化による低燃料費、ＣＯ2排出量削減のメリットなどを十分に享受でき、社会的な貢献は多大になる。
また、上記の条件の電流波形であれば、アークを安定して維持することができ、安定して溶接を行うことができる。
【実施例】
【００４１】
次に、本発明の実施例について説明するが、実施例の条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。
【００４２】
（実施例１）
供試鋼板として、表１に示した、引張強さＴＳが２７０〜７８０ＭＰａ級の冷延鋼板、熱延鋼板、合金化亜鉛めっき鋼板を用いた。鋼板の特性を表１に示す。表１におけるＧＡは、合金化亜鉛めっきの略である。これらの鋼板から幅８０×長さ３００ｍｍの短冊型試験片を切り出し、図１に示したように、同種の２枚の鋼板を２０ｍｍラップさせ、鋼板間の隙間ｄを変化させて重ね合せ部をアーク溶接した。アーク溶接用の溶接ワイヤとしては、表２で示すように、ワイヤ径Ｄの異なる６種類のワイヤを用いた。
【００４３】
【表１】
【００４４】
【表２】
【００４５】
アーク溶接の際、目視と高速度ビデオでアークの安定性を観察した。また、溶接中に発生したスパッタ発生量を目視で観察した。さらに、ビードの外観観察を行い、溶け落ちが発生しているかどうかを調査した。表３及び表４にその結果を示した。なお、表３及び表４において、アークの安定状況の評価基準は、○：アークが安定、△：アークがやや不安定、×：アークが不安定、とした。また、表３及び表４において、スパッタ発生量の評価基準は、○：発生量が少ない、△：発生量がやや多い、×：発生量が非常に多い、とした。さらに、表３及び表４において、溶接可能隙間とは、２枚の鋼板間で溶着金属が良好な状態で架橋し、溶け落ちが起こらずアーク溶接することが可能な鋼板間の隙間を示しており、これ以上隙間が空くと、溶け落ちが起こり易くなることを示している。
【００４６】
表３で示すように、請求項１に記載した条件範囲内でアーク接合した場合（条件Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４４、Ｎｏ．４９〜Ｎｏ．５２）は、表２に示す通常の条件でアーク溶接した場合（条件Ｎｏ．５３〜Ｎｏ．６５）に比べて、いずれの鋼種でも、耐ギャップ性は向上していた。また、請求項１に記載した条件範囲外でアーク接合した場合（条件Ｎｏ．６６〜Ｎｏ．１０２）には、いずれの鋼種でも、耐ギャップ性は向上していなかった。
【００４７】
【表３】
【００４８】
【表４】
【００４９】
（実施例２）
実施例１と同様の試験片を用い、請求項２に記載された溶接ワイヤを用いて、アーク溶接を実施した。その結果を表３及び表４に示す。表３に示すように、請求項２に記載した条件範囲内でアーク接合した場合（条件Ｎｏ．４５〜Ｎｏ．４８）には、表４に示す通常の条件でアーク溶接した場合（条件Ｎｏ．５３〜Ｎｏ．５６）に比べ、また、請求項１の場合（条件Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４）に比べ、耐ギャップ性は向上していた。また、表４に示す請求項２に記載した条件範囲外でアーク接合した場合（条件Ｎｏ．１０３〜Ｎｏ．１０７）には、耐ギャップ性は向上していなかった。
尚、上記において、母材としてそれ以外の鋼種を用いても、また、めっき種、目付量、溶材の種類や線径を変えて実験を実施しても、結果は同様であった。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、例えば、自動車分野におけるボデー部品、シャシー部品、衝突安全対策用補強部品だけでなく、引張強さ、疲労強度が要求され、かつ、軽量化が必要とされる部品に対して活用される可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】図１は、本発明の実施形態である鋼板の高速ガスシールドアーク溶接方法を説明するための断面模式図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態である鋼板の高速ガスシールドアーク溶接方法における電流波形の一例を示すグラフである。
【図３】図３は、従来の鋼板の高速ガスシールドアーク溶接方法を説明するための断面模式図である。
【符号の説明】
【００５２】
１…高強度鋼板（鋼板）、１ａ…重ね合わせ部、２…溶接トーチ、３…溶接ワイヤ、４…アーク、５…溶接金属部、ｄ…鋼板間の隙間、Ｇ…ギャップ、Ｉｂ…平均ベース電流、Ｉｐ…パルスの平均ピーク電流、Ｔｐ…パルスの平均時間幅、Ｔｕｐ…平均アップスロープ時間、Ｔｄｗ…平均ダウンスロープ時間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車分野で、ボデーやシャシーの組立に広く適用されているガスシールドアーク溶接方法に関し、特に、鋼板同士の間に隙間が存在する場合に、鋼板の溶け落ちを防止して鋼板間の良好な架橋を達成し、鋼板同士を安定して溶接することが可能な耐ギャップ性に優れたアーク溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、低燃費化やＣＯ2排出量削減を目的とした車体の軽量化および衝突安全性向上のために、自動車分野では、車体や部品などに、薄肉の高強度鋼板を使用するニーズが高まっている。
一方、車体の組立や部品の取付け等では、スポット溶接方法が主に用いられているが、シャシーのように剛性が必要とされる部位には、アーク溶接が用いられている。しかし、薄肉の高強度鋼板をアーク溶接した場合には、以下のような問題が生じる。
【０００３】
高強度鋼板を使用した部品では、スプリングバック等の影響によって鋼板間に隙間が存在するが、この場合には、溶着金属量を増加させて鋼板同士を上手く架橋させるために、アーク溶接時の入熱を増加させる必要性が生じる。しかし、入熱量を増加させると、上側または下側の鋼板のみに入熱が集中し、また、アーク力も増加するため、その結果、溶け落ちが起こって鋼板同士を溶接することが困難となる。また、自動車分野では、生産性向上のために溶接速度が０．８〜１．５ｍ／分程度の高速溶接が行われているが、この場合には、入熱量を保つために溶接電流を増加させなくてはならないため、アーク力が増加して溶け落ちが顕著になる。
【０００４】
隙間が存在する薄鋼板同士をアーク溶接する際に、溶接部の溶け落ちを防止し、架橋性良く鋼板同士を溶接する方法として知られているのは、架橋性の良い溶材を用いてアーク溶接を行う方法である。しかし、これらの方法は、特殊な溶材を必要とし、また、溶接条件によっては溶接金属で凝固割れが生じるという問題を抱えている。
【０００５】
また、交流電源を用い、鋼板と溶材の溶融量を制御することによって、溶け落ちを防止し架橋性良く鋼板同士を溶接する方法が知られている。しかし、この方法では、特殊な電源が必要となりコストの点で問題があるだけでなく、パラメーター制御が難しく、操作が煩雑になるという問題点があった。
【０００６】
また、下記特許文献１には、パルスピーク電流とパルスピーク時間が所定の関係式を満足する条件でパルスを付加して溶接する方法が開示されている。パルス電流を印加してアーク溶接を行うと、一パルス毎に一滴の溶滴を溶融池に落としつつ溶接を行うことになるが、特許文献１の溶接方法では、パルス電流を連続的に印加するため、溶滴の滴下が連続的に起こり、その結果、入熱が過大になって溶接部の溶け落ちが発生する問題があった。また、パルス電流を連続的に印加すると、溶接部に対してアーク力が常に加わり、これにより溶接部の溶け落ちを促進してしまう恐れがあった。
【０００７】
すなわち、従来のアーク溶接法では、図３（ａ）に示すように、２枚の鋼板１同士を重ねて、重ね合せ部（被溶接部）１ａで溶接トーチ２の先端から突き出した溶材３と重ね合せ部１ａとの間でアーク４を発生させる。このとき、２枚の鋼板１の間には、スプリングバック等の影響によって隙間ｄが存在している。この隙間ｄは、概ね、数ｍｍ程度の範囲である。従って、重ね合わせ部１ａには、この隙間ｄに対応するギャップＧが存在している。次に、図３（ｂ）に示すように、重ね合せ部１ａで溶融金属部６を形成させ、その後冷却によって溶融金属部６を凝固させる。しかし、このとき、パルス電流が連続的に印加されることで、溶接の入熱が過剰となり、また、過大なアーク力が被溶接部１ａに作用する。その結果、アーク４が主に上側の鋼板１に作用した場合には、図３（ｃ）に示すように、上側の鋼板１の端部１ｂのみが溶かされて変形する溶け落ちが起きる場合があった。また、アーク５が主に下側の鋼板１に作用した場合には、図３（ｄ）に示すように、下側の鋼板１が溶け落ちて孔部１ｃが形成される場合もあった。
【特許文献１】特開２００７−３０１６２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述のように、鋼板間に隙間が存在する場合に、ガスシールドアーク溶接で高速溶接を行うと、溶け落ちが起こり易くなり、鋼板同士を架橋性良く溶接することが困難となる。
また、架橋した部分の溶着金属量が十分でないと、静的引張強さや疲労強度の低下が認められることがある。したがって、自動車分野において、薄肉の高強度鋼板を適用することが困難となるため、高強度鋼板を用いることによる軽量化や衝突安全性向上、およびそれに伴う低燃費化、ＣＯ2排出量削減のメリットを十分に享受することができなかった。
【０００９】
本発明では、これらの従来技術における問題点を解決するために、高強度鋼板の高速ガスシールドアーク溶接において、アークの安定性確保、低スパッタ化、溶け落ち発生抑制等、良好な溶接作業性を確保しつつ鋼板間の隙間を良好な状態で架橋させて、信頼性の高い継手を作製することが可能なアーク溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、上記のように、架橋性の良い特殊な溶材を用いることもなく、また、特殊な交流電源を用いることもなく、従来の直流インバーター制御型アーク溶接電源で電流波形制御を行うことによって、鋼板の溶け落ちなく、隙間が存在する鋼板同士を溶接することを目的としており、その要旨は以下の通りである。
【００１１】
本発明の鋼板の高速ガスシールドアーク溶接方法は、板厚が０．６〜３．２ｍｍの鋼板を溶接速度が０．８〜１．８ｍ／分でアーク溶接する高速ガスシールドアーク溶接方法において、シールドガスとしてアルゴンに１０〜３０％の炭酸ガスが添加されたガスあるいはアルゴンに２〜６％の酸素ガスが添加されたガスを用い、１パルス当たりの平均ピーク電流Ｉｐと平均時間幅Ｔｐ、平均ベース電流Ｉｂが下記（Ｉ）〜（ＩＩＩ）のいずれかの条件を満足する矩形波パルスが印加された期間と、平均ベース電流Ｉｂのみが印加された期間とが、デューティー比６５〜８５％、周波数２０〜４０Ｈｚで周期的に印加された電流波形を用いてアーク溶接することを特徴とする。
（Ｉ）Ｄ＝０．７ｍｍ以上１．０ｍｍ未満の場合：Ｉｐ＝３５０〜４５０Ａ、Ｔｐ＝０．２〜１．０ｍｓ、Ｉｂ＝１５〜５５Ａ。
（ＩＩ）Ｄ＝１．０ｍｍ以上１．２ｍｍ未満の場合：Ｉｐ＝３５０〜４５０Ａ、Ｔｐ＝０．４〜１．４ｍｓ、Ｉｂ＝１５〜５５Ａ。
（ＩＩＩ）Ｄ＝１．２ｍｍ以上１．４ｍｍ未満の場合：Ｉｐ＝４００〜５００Ａ、Ｔｐ＝０．８〜２．０ｍｓ、Ｉｂ＝２０〜９０Ａ。
ただし、Ｄは溶接ワイヤの直径（ｍｍ）、Ｉｐは１パルス当たりの平均ピーク電流（Ａ）、Ｔｐは１パルス当たりの平均時間幅（ｍｓ）、Ｉｂはパルス間の平均ベース電流を示す。
【００１２】
また、本発明の鋼板の高速ガスシールドアーク溶接方法は、先に記載された高速ガスシールドアーク溶接方法において、Ｓｉを０．５〜１．０％、Ｍｎを１．０〜１．６％含有する溶接ワイヤを用いてアーク溶接することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、自動車用部品の取付けおよび車体の組立等で用いる高強度鋼板のアーク溶接において、良好な溶接作業性を確保しつつ隙間存在下で鋼板同士を良好に溶接することが可能となる。したがって、本発明の適用により、自動車分野などで高強度鋼板適用による安全性向上や軽量化による低燃料費、ＣＯ2排出量削減のメリットなどを十分に享受でき、社会的な貢献は多大である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明について詳細に説明する。
図１に本発明の実施形態の一例を図１に示す。図１に示す継手形状は重ね隅肉継手と呼ばれ、自動車分野では典型的なアーク溶接継手の形態である。
本発明の鋼板の重ね隅肉継手のアーク溶接方法では、図１（ａ）に示すように、２枚の鋼板１同士を重ねて、重ね合せ部（被溶接部）１ａで溶接トーチ２の先端から突き出した溶材３（溶接ワイヤ）と重ね合せ部１ａとの間でアーク４を発生させる。このとき、２枚の鋼板１の間には、スプリングバック等の影響によって数ｍｍ程度の隙間ｄが存在しており、このため重ね合わせ部１ａには、この隙間ｄに対応するギャップＧが存在している。次に、図１（ｂ）に示すように、重ね合せ部１ａで溶融金属部６を形成させ、その後冷却によって溶融金属部６を凝固させる。
ここで、パルス電流が連続的に印加されると、図３（ｃ）または図３（ｄ）に示したように、上側の鋼板１の端部１ｂが溶け落ちたり、下側の鋼板１の溶け落ちによる孔部１ｃが形成され、ギャップＧを溶接により架橋させることが困難になる。
【００１５】
本発明では、パルス電流の波形を改良することによって、図１（ｃ）に示すように、図１（ｂ）で形成した溶融金属部６を冷却させて重ね合せ部１ａに溶着金属部（ビード部）５を形成させる。この溶着金属５によって、隙間ｄをもって重ねられた鋼板１同士が接合され、耐ギャップ性に優れた重ね隅肉継手が形成される。
以下、本発明で採用した溶接条件について詳細に説明する。
【００１６】
（鋼板１の種類）
本発明のアーク溶接においては、鋼板の種類について特に限定する必要がなく、固溶強化型（例えば、Ｃ−Ｍｎ強化型、Ｐ添加強化型）、析出型（例えば、Ｔｉ析出型、Ｎｂ析出型）、２相組織型（例えば、フェライト中にマルテンサイトを含む組織、フェライト中にベイナイトを含む組織）、加工誘起変態型（フェライト中に残留オーステナイトを含む組織）、微細結晶型（フェライト主体組織）等、いずれの型の鋼板であっても良い。鋼板の強度についても特に限定する必要はなく、本発明のアーク溶接方法の適用により、鋼板の特性を損なうことなく、優れた引張強さ、疲労強度を有する継手を実現することができる。また、鋼板の引張強さは、特に限定されないが、２７０〜１５５０ＭＰａ級の鋼板に適用可能である。
【００１７】
鋼板の表層にめっきを施す場合には、めっき層の種類は特に限定するものではなく、例えば、Ｚｎ系、Ｚｎ−Ｆｅ系、Ｚｎ−Ｎｉ系、Ｚｎ−Ａｌ系、Ｚｎ−Ｍｇ系、Ｐｂ−Ｓｎ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ａｌ−Ｓｉ系等、何れのめっき層であっても良い。また、めっき層の表層に無機系、有機系の皮膜（例えば、潤滑皮膜等）が施されていても良い。これらのめっき層の目付量は特に限定しないが、両面で１００／１００ｇ／ｍ2以下のものが望ましい。
【００１８】
また、本発明の方法は、同種同厚鋼板組合せに限定されるものではなく、規定を満たしているのであれば、同種異厚、異種同厚、異種異厚組合せであっても良い。
【００１９】
（鋼板１の厚み）
溶接される鋼板１は、板厚が０．６〜３．２ｍｍの範囲のものが好ましい。板厚が０．６ｍｍ未満では容易に溶け落ちが起こって効果が無く、また、板厚３．２ｍｍを超えると耐ギャップ性効果が低下する。このような理由から、本発明において、鋼板の板厚を０．６〜３．２ｍｍとした。
【００２０】
（溶材３（溶接ワイヤ））
アーク溶接に使う溶材３については特に限定されるものではなく、本発明のアーク溶接法を適用することにより、めっき鋼板の特性を損なうことなく、優れた引張強さと疲労強度を有する継手を実現することができる。
特に溶材３中のＳｉは、溶接金属の主脱酸剤として不可欠であると共に、溶接ワイヤの電気抵抗を増大させて溶接ワイヤの溶融量を増加させ、更に溶融金属の粘度および表面張力を増大させる効果が大きい元素である。これによって、横向重ね継手の溶融金属の垂れを軽減して耐ギャップ性向上効果が得られ、広幅の溶接ビードを形成できる。しかし、０．５％未満では上記効果が得られない。また、１．０％を超えると溶融金属の表面張力が過度に上昇するため溶融金属が溶接速度に追従できずハンピングビードとなり易く、耐ギャップ性が低下する。またＳｉ量が１．０％を超えると溶接部で割れが発生し易くなる。
【００２１】
更に、ＭｎはＳｉと共に脱酸剤として作用する他、溶融金属の粘度および表面張力を増大させる効果がある。１．０％未満ではその効果が得られず、ブローホール等の気孔欠陥が発生し易くなると共に、溶融金属の粘度および表面張力が低下することから、溶融金属が垂れビード形状が劣化し、十分な耐ギャップ性が得られない。一方、Ｍｎが１．６％を超えると、溶融金属の粘度および表面張力が増加し過ぎて広幅のビードが得られない。
【００２２】
以上の理由から本発明では、Ｓｉを０．５〜１．０％、Ｍｎを１．０〜１．６％含有し、残部がＦｅ及び不純物である溶接ワイヤを用いてアーク溶接することが好ましい。また、溶接ワイヤには、鋼板の種類に合わせて、Ｓｉ、Ｍｎの他にＣ、Ｐ、Ｓ等を添加させても良い。
【００２３】
（溶接速度）
溶接速度は、０．８〜１．８ｍ／分の範囲が好ましい。溶接速度が０．８ｍ／分未満では、アークの不安定化、スパッタ発生、溶接部での溶け落ち等の問題が少なくなるが、溶接効率が悪くなる。特に、溶接速度が生産効率に直接的に影響する自動車の組立ラインでは、溶接速度が０．８ｍ／分未満になると生産性が極めて悪くなる。また、溶接速度が１．８ｍ／分を超えると、溶滴移行がスムースに行われなくなってアークが不安定になり、スパッタ発生量が多くなる。また、アーク力が強くなって、溶接部で溶け落ちが起こり易くなる。このような理由から、本発明において、ガスシールドアーク溶接時の溶接速度を０．８〜１．８ｍ／分とした。
【００２４】
（シールドガス）
シールドガスとしては、アルゴンに１０〜３０％の炭酸ガスが添加されたガスあるいはアルゴンに２〜６％の酸素ガスが添加されたガスが好ましい。これらの組成のシールドガスを用いると、特に、本発明の後述するような溶接電流に周期的なパルスが印加されたパルス溶接において、１パルスごとに最適な大きさの溶滴が形成され、この溶滴が溶融池に対してスムースに移行するようになる。その結果、高速ガスシールドアーク溶接方法において、溶接ワイヤと被溶接物の短絡による異常な電流上昇がなくなり、アークが安定して、溶融池の形状も安定するため、溶融池拡大がスムースに行われる。また、高速ガスシールドアーク溶接方法において、異常な短絡が無くなるため、スパッタの発生も極端に減少する。
【００２５】
シールドガスとして、アルゴン＋炭酸ガスの混合ガスを用いる場合では、炭酸ガスの添加量が１０％より少ないと炭酸ガス添加によるアーク安定性向上の効果が得られないためアルゴンガスに添加する炭酸ガスの添加量の下限値を１０％に限定した。一方、アルゴンガスに添加する炭酸ガスの添加量が３０％を越えると、アーク溶接時に溶滴が大きくなりすぎてスパッタの発生が多くなるいため、アルゴンガスに添加する炭酸ガスの添加量の上限値を３０％に限定した。
【００２６】
また、シールドガスとして、アルゴン＋酸素ガスの混合ガスを用いる場合では、酸素ガスの添加量が２％より少ないと酸素ガス添加によるアーク安定性向上の効果が得られないためアルゴンガスに添加する酸素ガスの添加量の下限値を２％に限定した。一方、アルゴンガスに添加する酸素ガスの添加量が６％を越えると、アーク溶接時に溶け落ちが起こり易くなって溶接後の補修等が必用となり、溶接作業性を落とし、また、コストの上昇を招く等の問題が生じるため、アルゴンガスに添加する酸素ガスの添加量の上限値を６％に限定した。
【００２７】
また、シールドガスに酸素を添加すると、特に亜鉛めっき鋼板の場合に、酸素ガスによって亜鉛が酸化され、また、溶融池の粘性が低下するため、亜鉛蒸気が逃げやすくなってブローホールやピットが減少する場合があるので好ましい。従って本発明では、アルゴン＋炭酸ガスの混合ガスでも、必要に応じて、２〜６％の酸素ガスを添加しても良い。
【００２８】
なお、一般に、アーク溶接用のシールドガスとしては、炭酸ガスが単独で使われている場合もあるが、高速ガスシールドアーク溶接方法において、シールドガスとして炭酸ガスのみを用いた場合には、非常に大きな溶滴が形成され、一定電流で溶接する場合でも多量のスパッタが発生し、本発明で適用する後述のパルス溶接では、溶滴移行が不安定になって実質アーク溶接が出来ないため、シールドガスとしては好ましくない。
【００２９】
（溶接電流の電流波形）
本発明では、溶接電流の電流波形として、図２に示すように、矩形波パルスが印加された期間ｂと、平均ベース電流Ｉｂのみが印加された期間ｃとが、デューティー比６５〜８５％、周波数２０〜４０Ｈｚで周期的に印加された電流波形を用いる。また、矩形波パルスが印加された期間ｂにおいては、溶接ワイヤの直径Ｄに応じて、１パルス当たりの平均ピーク電流Ｉｐ、平均時間幅Ｔｐ及び平均ベース電流Ｉｂを適切な範囲に設定することが好ましい。
【００３０】
（パルス波形の平均ピーク電流Ｉｐ、平均時間幅Ｔｐ、パルス間の平均ベース電流Ｉｂ）
高速ガスシールドアーク溶接方法において、パルス波形は、シールドガス組成や溶接ワイヤの成分および直径と関連して、溶滴の大きさ、溶滴の移行状態に大きな影響を及ぼし、その結果、アークの安定性、スパッタの発生状況、溶融池の形状に大きな影響を与える重要な因子である。本発明の高速ガスシールドアーク溶接方法では、以下の理由で、溶接ワイヤ直径Ｄに応じて、図２に示す１パルス当たりの平均ピーク電流Ｉｐ、平均時間幅Ｔｐおよび平均ベース電流Ｉｂを、以下の所定条件を満足する矩形波パルスが周期的に印加された電流波形に制御して溶接する必要がある。
【００３１】
（Ｉ）溶接ワイヤの直径Ｄが０．７ｍｍ以上１．０ｍｍ未満の場合：Ｉｐ＝３５０〜４５０Ａ、Ｔｐ＝０．２〜１．０ｍｓ、Ｉｂ＝１５〜５５Ａ。
（ＩＩ）溶接ワイヤの直径Ｄが１．０ｍｍ以上１．２ｍｍ未満の場合：Ｉｐ＝３５０〜４５０Ａ、Ｔｐ＝０．４〜１．４ｍｓ、Ｉｂ＝１５〜５５Ａ。
（ＩＩＩ）溶接ワイヤの直径Ｄが１．２ｍｍ以上１．４ｍｍ未満の場合：Ｉｐ＝４００〜５００Ａ、Ｔｐ＝０．８〜２．０ｍｓ、Ｉｂ＝２０〜９０Ａ。
ただし、Ｄは溶接ワイヤの直径（ｍｍ）であり、Ｉｐは１パルス当たりの平均ピーク電流（Ａ）であり、Ｔｐは１パルス当たりの平均時間幅（ｍｓ）であり、Ｉｂはパルス間の平均ベース電流（Ａ）である。
【００３２】
各溶接ワイヤ直径Ｄに応じて規定した１パルス当たりの平均ピーク電流Ｉｐが上記下限より低い場合には、高速ガスシールドアーク溶接において十分な大きさの溶滴が形成されず、また、ピンチ力による溶滴切り離しとその後の溶滴移行がスムースに行われなくなる。また、１パルス当たりの平均ピーク電流Ｉｐが上記上限より高い場合には、溶滴が大きくなりすぎ、また、アーク力が強くなりすぎてビードが蛇行し、さらに、溶け落ちが起こり易くなる。
【００３３】
また、各溶接ワイヤ直径Ｄに応じて規定した１パルス当たりの平均時間Ｔｐが上記下限より低い場合には、十分な大きさの溶滴が形成されなくなり、また、１パルス当たりの平均時間Ｔｐが上記上限より高い場合には、溶滴が大きくなりすぎる。
【００３４】
更に、各溶接ワイヤ直径Ｄに応じて規定した各パルス間の平均ベース電流Ｉｂが上記下限より低い場合には、アークが維持されなくなってアーク切れが起こり、また、各パルス間の平均ベース電流Ｉｂが上記上限より高い場合には、ベース電流中に小さな溶滴が形成されてスパッタ発生の原因となる。
【００３５】
以上のような理由から、本発明において、ガスシールドアーク溶接時の電流波形を、溶接ワイヤ直径Ｄに応じて、１パルス当たりの平均ピーク電流Ｉｐ、平均時間幅Ｔｐが上記の所定条件を満足するように制御し、また、パルス間の平均ベース電流Ｉｂが上記の所定条件を満足するように制御する。パルス波形の面積は熱エネルギーに相当し、ガスシールドアーク溶接時の溶滴の大きさに影響を及ぼすため、最適な溶滴の大きさを得るためには、溶接ワイヤ直径Ｄの他に、溶接ワイヤの成分やシールドガス組成に応じて１パルス当たりの平均ピーク電流Ｉｐと平均時間幅Ｔｐのバランスを取るように調整すること望ましい。
【００３６】
なお、パルス波形で、平均アップスロープ時間Ｔｕｐ（図２における符号１０）及び平均ダウンスロープ時間Ｔｄｗ（図２における符号１１）についても、高速ガスシールドアーク溶接方法においては、スパッタの発生に対して重要である。平均アップスロープ時間Ｔｕｐ、平均ダウンスロープ時間Ｔｄｗが長いと、その間に中途半端な大きさの溶滴が形成され、これがスムースに移行しないでスパッタ発生の原因となるため、平均アップスロープ時間Ｔｕｐ、平均ダウンスロープ時間Ｔｄｗはできるだけ短い方が望ましい。しかし、あまり短いと、電流の急激な立ち上がりによって騒音が発生するため、平均アップスロープ時間Ｔｕｐ、平均ダウンスロープ時間Ｔｄｗは、０．３〜１．０ｍｓとなるように制御するのが好ましい。
【００３７】
（デューティー比及び周波数）
矩形波パルスが印加された期間ｂと、平均ベース電流Ｉｂのみが印加された期間ｃのデューティー比は、６５〜８５％の範囲が好ましい。ここで期間ｂと期間ｃの合計を期間ａとしたときに、デューティー比はｂ／ａ×１００（％）で示される（a、ｂ、ｃはいずれも時間を表す）。また、本発明に係る電流波形の周波数は、２０〜４０Ｈｚの範囲が好ましい。ここで周波数は、１／ａで示される。
【００３８】
矩形波パルスが印加された期間ｂでは、加熱と溶着が起こり、また、ベース電流のみの期間ｃでは、アークが維持されたまま冷却が起こる。したがって、上記デューティー比を上記の範囲に設定することで、溶け落ちが起こらないように入熱バランスを保つ。これにより、溶融金属を十分に供給し、また、加熱期間と冷却期間を上手くバランスさせ、かつ高いアーク力を継続的に印加させないことが可能となる。デューティー比が６５％未満になると、加熱期間が短くなって十分な溶融金属を供給できなくなり、その結果、溶着金属が不足してしまい、架橋性が低下するので好ましくない。また、母材の溶込み深さが低下するという問題も生じる。一方、デューティー比が８５％を超えると、冷却期間が短くなって入熱が過大になり、溶け落ちが起き易くなるので好ましくない。
【００３９】
また、電流波形の周波数が２０Ｈｚ未満になると、ベース電流の期間（平均ベース電流Ｉｂの期間）が長くなって単位時間あたりの矩形波パルスが印加された期間ｂの出現回数が相対的に低下し、入熱が不足して十分な溶融金属を供給できなくなり、その結果、溶着金属が不足してしまい、架橋性が低下したり、母材の溶込み深さが低下したりするので好ましくない。また、電流波形の周波数が４０Ｈｚを超えると、ベース電流の期間（平均ベース電流Ｉｂの期間）が短くなって単位時間あたりの矩形波パルスが印加された期間ｂの出現回数が増加し、入熱過大になって溶け落ちが起きてしまうので好ましくない。
【００４０】
以上説明したように、本実施形態のアーク溶接方法によれば、矩形波パルスが印加された期間ｂと、平均ベース電流Ｉｂのみが印加された期間ｃとを交互に繰り返すことで、期間ｂによる加熱と、期間ｃによる冷却とを交互に行うことができ、これにより過剰な溶接入熱を防止でき、良好な溶接作業性を確保しつつ隙間存在下で鋼板同士を良好に溶接できる。したがって、本発明の適用により、自動車分野などで高強度鋼板適用による安全性向上や軽量化による低燃料費、ＣＯ2排出量削減のメリットなどを十分に享受でき、社会的な貢献は多大になる。
また、上記の条件の電流波形であれば、アークを安定して維持することができ、安定して溶接を行うことができる。
【実施例】
【００４１】
次に、本発明の実施例について説明するが、実施例の条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。
【００４２】
（実施例１）
供試鋼板として、表１に示した、引張強さＴＳが２７０〜７８０ＭＰａ級の冷延鋼板、熱延鋼板、合金化亜鉛めっき鋼板を用いた。鋼板の特性を表１に示す。表１におけるＧＡは、合金化亜鉛めっきの略である。これらの鋼板から幅８０×長さ３００ｍｍの短冊型試験片を切り出し、図１に示したように、同種の２枚の鋼板を２０ｍｍラップさせ、鋼板間の隙間ｄを変化させて重ね合せ部をアーク溶接した。アーク溶接用の溶接ワイヤとしては、表２で示すように、ワイヤ径Ｄの異なる６種類のワイヤを用いた。
【００４３】
【表１】
【００４４】
【表２】
【００４５】
アーク溶接の際、目視と高速度ビデオでアークの安定性を観察した。また、溶接中に発生したスパッタ発生量を目視で観察した。さらに、ビードの外観観察を行い、溶け落ちが発生しているかどうかを調査した。表３及び表４にその結果を示した。なお、表３及び表４において、アークの安定状況の評価基準は、○：アークが安定、△：アークがやや不安定、×：アークが不安定、とした。また、表３及び表４において、スパッタ発生量の評価基準は、○：発生量が少ない、△：発生量がやや多い、×：発生量が非常に多い、とした。さらに、表３及び表４において、溶接可能隙間とは、２枚の鋼板間で溶着金属が良好な状態で架橋し、溶け落ちが起こらずアーク溶接することが可能な鋼板間の隙間を示しており、これ以上隙間が空くと、溶け落ちが起こり易くなることを示している。
【００４６】
表３で示すように、請求項１に記載した条件範囲内でアーク接合した場合（条件Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４４、Ｎｏ．４９〜Ｎｏ．５２）は、表２に示す通常の条件でアーク溶接した場合（条件Ｎｏ．５３〜Ｎｏ．６５）に比べて、いずれの鋼種でも、耐ギャップ性は向上していた。また、請求項１に記載した条件範囲外でアーク接合した場合（条件Ｎｏ．６６〜Ｎｏ．１０２）には、いずれの鋼種でも、耐ギャップ性は向上していなかった。
【００４７】
【表３】
【００４８】
【表４】
【００４９】
（実施例２）
実施例１と同様の試験片を用い、請求項２に記載された溶接ワイヤを用いて、アーク溶接を実施した。その結果を表３及び表４に示す。表３に示すように、請求項２に記載した条件範囲内でアーク接合した場合（条件Ｎｏ．４５〜Ｎｏ．４８）には、表４に示す通常の条件でアーク溶接した場合（条件Ｎｏ．５３〜Ｎｏ．５６）に比べ、また、請求項１の場合（条件Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４）に比べ、耐ギャップ性は向上していた。また、表４に示す請求項２に記載した条件範囲外でアーク接合した場合（条件Ｎｏ．１０３〜Ｎｏ．１０７）には、耐ギャップ性は向上していなかった。
尚、上記において、母材としてそれ以外の鋼種を用いても、また、めっき種、目付量、溶材の種類や線径を変えて実験を実施しても、結果は同様であった。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、例えば、自動車分野におけるボデー部品、シャシー部品、衝突安全対策用補強部品だけでなく、引張強さ、疲労強度が要求され、かつ、軽量化が必要とされる部品に対して活用される可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】図１は、本発明の実施形態である鋼板の高速ガスシールドアーク溶接方法を説明するための断面模式図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態である鋼板の高速ガスシールドアーク溶接方法における電流波形の一例を示すグラフである。
【図３】図３は、従来の鋼板の高速ガスシールドアーク溶接方法を説明するための断面模式図である。
【符号の説明】
【００５２】
１…高強度鋼板（鋼板）、１ａ…重ね合わせ部、２…溶接トーチ、３…溶接ワイヤ、４…アーク、５…溶接金属部、ｄ…鋼板間の隙間、Ｇ…ギャップ、Ｉｂ…平均ベース電流、Ｉｐ…パルスの平均ピーク電流、Ｔｐ…パルスの平均時間幅、Ｔｕｐ…平均アップスロープ時間、Ｔｄｗ…平均ダウンスロープ時間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板厚が０．６〜３．２ｍｍの鋼板を溶接速度が０．８〜１．８ｍ／分でアーク溶接する高速ガスシールドアーク溶接方法において、シールドガスとしてアルゴンに１０〜３０％の炭酸ガスが添加されたガスあるいはアルゴンに２〜６％の酸素ガスが添加されたガスを用い、１パルス当たりの平均ピーク電流Ｉｐと平均時間幅Ｔｐ、平均ベース電流Ｉｂが下記（Ｉ）〜（ＩＩＩ）のいずれかの条件を満足する矩形波パルスが印加された期間と、平均ベース電流Ｉｂのみが印加された期間とが、デューティー比６５〜８５％、周波数２０〜４０Ｈｚで周期的に印加された電流波形を用いてアーク溶接することを特徴とする鋼板の高速ガスシールドアーク溶接方法。
（Ｉ）Ｄ＝０．７ｍｍ以上１．０ｍｍ未満の場合：
Ｉｐ＝３５０〜４５０Ａ、Ｔｐ＝０．２〜１．０ｍｓ、Ｉｂ＝１５〜５５Ａ。
（ＩＩ）Ｄ＝１．０ｍｍ以上１．２ｍｍ未満の場合：
Ｉｐ＝３５０〜４５０Ａ、Ｔｐ＝０．４〜１．４ｍｓ、Ｉｂ＝１５〜５５Ａ。
（ＩＩＩ）Ｄ＝１．２ｍｍ以上１．４ｍｍ未満の場合：
Ｉｐ＝４００〜５００Ａ、Ｔｐ＝０．８〜２．０ｍｓ、Ｉｂ＝２０〜９０Ａ。
ただし、Ｄは溶接ワイヤの直径（ｍｍ）、Ｉｐは１パルス当たりの平均ピーク電流（Ａ）、Ｔｐは１パルス当たりの平均時間幅（ｍｓ）、Ｉｂはパルス間の平均ベース電流を示す。
【請求項２】
請求項１に記載された高速ガスシールドアーク溶接方法において、Ｓｉを０．５〜１．０％、Ｍｎを１．０〜１．６％含有する溶接ワイヤを用いてアーク溶接することを特徴とする鋼板の高速ガスシールドアーク溶接方法。
【請求項１】
板厚が０．６〜３．２ｍｍの鋼板を溶接速度が０．８〜１．８ｍ／分でアーク溶接する高速ガスシールドアーク溶接方法において、シールドガスとしてアルゴンに１０〜３０％の炭酸ガスが添加されたガスあるいはアルゴンに２〜６％の酸素ガスが添加されたガスを用い、１パルス当たりの平均ピーク電流Ｉｐと平均時間幅Ｔｐ、平均ベース電流Ｉｂが下記（Ｉ）〜（ＩＩＩ）のいずれかの条件を満足する矩形波パルスが印加された期間と、平均ベース電流Ｉｂのみが印加された期間とが、デューティー比６５〜８５％、周波数２０〜４０Ｈｚで周期的に印加された電流波形を用いてアーク溶接することを特徴とする鋼板の高速ガスシールドアーク溶接方法。
（Ｉ）Ｄ＝０．７ｍｍ以上１．０ｍｍ未満の場合：
Ｉｐ＝３５０〜４５０Ａ、Ｔｐ＝０．２〜１．０ｍｓ、Ｉｂ＝１５〜５５Ａ。
（ＩＩ）Ｄ＝１．０ｍｍ以上１．２ｍｍ未満の場合：
Ｉｐ＝３５０〜４５０Ａ、Ｔｐ＝０．４〜１．４ｍｓ、Ｉｂ＝１５〜５５Ａ。
（ＩＩＩ）Ｄ＝１．２ｍｍ以上１．４ｍｍ未満の場合：
Ｉｐ＝４００〜５００Ａ、Ｔｐ＝０．８〜２．０ｍｓ、Ｉｂ＝２０〜９０Ａ。
ただし、Ｄは溶接ワイヤの直径（ｍｍ）、Ｉｐは１パルス当たりの平均ピーク電流（Ａ）、Ｔｐは１パルス当たりの平均時間幅（ｍｓ）、Ｉｂはパルス間の平均ベース電流を示す。
【請求項２】
請求項１に記載された高速ガスシールドアーク溶接方法において、Ｓｉを０．５〜１．０％、Ｍｎを１．０〜１．６％含有する溶接ワイヤを用いてアーク溶接することを特徴とする鋼板の高速ガスシールドアーク溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−２３３７０７（Ｐ２００９−２３３７０７Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１５日（２００９．１０．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−８３１０４（Ｐ２００８−８３１０４）
【出願日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月１５日（２００９．１０．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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