特開 2022-161701 アーク溶接用シールドガスおよび鋼材のアーク溶接方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022161701

(43)【公開日】2022-10-21

(54)【発明の名称】アーク溶接用シールドガスおよび鋼材のアーク溶接方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/16 20060101AFI20221014BHJP

   B23K 9/173 20060101ALI20221014BHJP

【ＦＩ】

B23K9/16 J

B23K9/173 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021066709

(22)【出願日】2021-04-09

(71)【出願人】

【識別番号】000158312

【氏名又は名称】岩谷産業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100136098

【弁理士】

【氏名又は名称】北野 修平

(74)【代理人】

【識別番号】100137246

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 勝也

(72)【発明者】

【氏名】大石 尚哉

(72)【発明者】

【氏名】藤川 敦士

(72)【発明者】

【氏名】石井 正信

(72)【発明者】

【氏名】木村 駿介

(72)【発明者】

【氏名】吉田 佳史

【テーマコード（参考）】

4E001

【Ｆターム（参考）】

4E001AA03

4E001BB08

4E001CA01

4E001CA03

4E001DD02

4E001DD04

(57)【要約】

【課題】作業環境におけるＭｎの低減を達成可能なアーク溶接用シールドガスおよび鋼材のアーク溶接方法を提供する。
【解決手段】アーク溶接用シールドガスは、亜鉛めっき層を有さない鋼材２１の消耗電極式アーク溶接に用いられるアーク溶接用シールドガスである。このアーク溶接用シールドガスは、５体積％を超え２０体積％未満の二酸化炭素と、８０体積％を超え９５体積％未満のアルゴンとを含有し、残部が不可避的不純物からなる。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

亜鉛めっき層を有さない鋼材の消耗電極式アーク溶接に用いられるアーク溶接用シールドガスであって、
５体積％を超え２０体積％未満の二酸化炭素と８０体積％を超え９５体積％未満のアルゴンとを含有し、残部が不可避的不純物からなる、アーク溶接用シールドガス。

【請求項2】

７体積％以上の二酸化炭素を含有する、請求項１に記載のアーク溶接用シールドガス。

【請求項3】

亜鉛めっき層を有さない鋼材を準備する工程と、
シールドガスによりシールドしつつ前記鋼材と溶接ワイヤとの間にアークを形成して前記鋼材および前記溶接ワイヤを加熱して溶融させ、溶融池を形成する工程と、
前記溶融池を凝固させる工程と、を備え、
前記シールドガスは、請求項１または請求項２に記載のアーク溶接用シールドガスである、鋼材の溶接方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、アーク溶接用シールドガスおよび鋼材のアーク溶接方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

鋼材の消耗電極式アーク溶接においては、消耗電極である溶接ワイヤと鋼材との間にアークが形成される。アークの熱エネルギーにより鋼材および溶接ワイヤが溶融し、溶融池が形成される。この溶融池が凝固することにより溶接が達成される。

【0003】

アーク溶接においては、高温のアークにより鋼材や溶接ワイヤを構成する種々の成分が気化し、これが固化することによりヒュームが生成する。適切な作業環境を確保する観点から、ヒュームの発生を抑制することが求められる。たとえば、亜鉛メッキ鋼板の溶接においては、高温のアークによって気化した亜鉛が固化することで、亜鉛ヒュームが形成される。これに対し、亜鉛ヒュームを抑制する種々の技術が提案されている（たとえば、特許文献１および２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１６－１７９４８４号公報

【特許文献2】特開２００２－１９２３６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

亜鉛めっき層を有さない鋼材の溶接においても、ヒュームが問題となる場合がある。アーク溶接において、溶融池に大気中の酸素や窒素が侵入して金属の酸化物や窒化物が形成されると、凝固後の溶融池、すなわち溶接部の強度が低下する。このような現象を抑制する観点から、溶融池が形成される領域を取り囲むようにシールドガスが流され、酸素や窒素の侵入が阻害される。しかし、シールドガスによって酸素や窒素の侵入を完全に防止することは難しい。そのため、溶接ワイヤとしてシリコン（Ｓｉ）やマンガン（Ｍｎ）を含有するワイヤが採用される。Ｍｎは、酸素と結びついてＭｎＯなどの酸化物を含むスラグを形成する。このスラグが溶融池の表面を覆うことで、溶融池への酸素や窒素の侵入がさらに抑制される。しかし、ＭｎＯの沸点はアークの温度よりも低い。そのため、アークの熱によって気化したＭｎＯに起因してヒューム中にＭｎが含まれる場合がある。このＭｎは労働安全衛生法上の有害物質である塩基性マンガンの一部となる。そのため、ヒューム中のＭｎの低減が求められる。作業環境におけるＭｎの低減を達成可能なアーク溶接用シールドガスおよび鋼材のアーク溶接方法を提供することが、本開示の目的の１つである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示のアーク溶接用シールドガスは、亜鉛めっき層を有さない鋼材の消耗電極式アーク溶接に用いられるアーク溶接用シールドガスである。このアーク溶接用シールドガスは、５体積％を超え２０体積％未満の二酸化炭素（ＣＯ_２）と、８０体積％を超え９５体積％未満のアルゴン（Ａｒ）とを含有し、残部が不可避的不純物からなる。

【0007】

本開示の鋼材の溶接方法は、亜鉛めっき層を有さない鋼材を準備する工程と、シールドガスによりシールドしつつ上記鋼材と溶接ワイヤとの間にアークを形成して鋼材および溶接ワイヤを加熱して溶融させ、溶融池を形成する工程と、溶融池を凝固させる工程と、を備える。シールドガスは、上記本開示のアーク溶接用シールドガスである。

【発明の効果】

【0008】

上記本開示のアーク溶接用シールドガスおよび鋼材のアーク溶接方法によれば、作業環境におけるＭｎの低減を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】溶接の手順の概略を示すフローチャートである。

【図2】溶接の手順を説明するための概略断面図である。

【図3】シールドガスに含まれる二酸化炭素の割合と作業環境におけるＭｎ濃度との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

［実施形態の概要］
本開示に従ったアーク溶接用シールドガスは、亜鉛めっき層を有さない鋼材の消耗電極式アーク溶接に用いられるアーク溶接用シールドガスである。このアーク溶接用シールドガスは、５体積％を超え２０体積％未満の二酸化炭素と、８０体積％を超え９５体積％未満のアルゴンとを含有し、残部が不可避的不純物からなる。

【0011】

本開示に従った鋼材の溶接方法は、亜鉛めっき層を有さない鋼材を準備する工程と、シールドガスによりシールドしつつ上記鋼材と溶接ワイヤとの間にアークを形成して鋼材および溶接ワイヤを加熱して溶融させ、溶融池を形成する工程と、溶融池を凝固させる工程と、を備える。シールドガスは、上記本開示のアーク溶接用シールドガスである。

【0012】

本発明者らは、鋼材の消耗電極式アーク溶接の作業環境におけるＭｎ濃度に影響を及ぼす要因について検討を行った。その結果、シールドガスとして二酸化炭素とアルゴンとの混合ガスを採用するとともに、二酸化炭素の含有量を２０体積％未満とすることにより、作業環境におけるＭｎ濃度を低減できることを見出した。一方、本発明者らの検討によれば、二酸化炭素の含有量を５体積％以下とすると、スパッタの発生が顕著となり、溶接部の品質が低下する。本開示のアーク溶接用シールドガスおよび鋼材の溶接方法においては、シールドガスは、５体積％を超え２０体積％未満の二酸化炭素を含有する。そのため、作業環境におけるＭｎ濃度の低減とスパッタの抑制とを両立することができる。このように、本開示のアーク溶接用シールドガスおよび鋼材の溶接方法によれば、作業環境におけるＭｎの低減を達成することができる。

【0013】

上記本開示のアーク溶接用シールドガスおよび鋼材の溶接方法において、アーク溶接用シールドガスは、７体積％以上の二酸化炭素を含有していてもよい。これにより、アークを安定させ、スパッタの発生を一層抑制することができる。
［実施形態の具体例］

【0014】

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。図１を参照して、本実施の形態の鋼材の溶接方法では、まず被溶接物である鋼材が準備される（Ｓ１０）。この工程（Ｓ１０）では、図２を参照して、たとえば亜鉛めっき層を有さない鋼材である鋼板２１が準備される。鋼板２１を構成する鋼の成分組成は特に限定されるものではなく、たとえばＪＩＳ（日本工業規格）に規定される軟鋼、機械構造用炭素鋼、機械構造用合金鋼、ステンレス鋼などであってもよい。

【0015】

次に、溶接トーチを用いて溶融池が形成される（Ｓ２０）。図２を参照して、溶接トーチ１０は、中空円筒形状を有する溶接ノズル１１と、溶接ノズル１１に取り囲まれるように配置され、電源（図示しない）に接続されたコンタクトチップ１２とを含む。コンタクトチップ１２には、貫通孔１２Ａが形成されている。溶接ワイヤ１３は、送給ロール１４によってコンタクトチップ１２の貫通孔１２Ａを通って溶接ノズル１１の先端側へと送られる。コンタクトチップ１２の貫通孔１２Ａの径は、溶接ノズル１１の先端付近の領域において小さくなっている。この領域において、コンタクトチップ１２と溶接ワイヤ１３とは接触している。このようにして、コンタクトチップ１２に接触しつつ、溶接ワイヤ１３が溶接ノズル１１の先端側へと連続的に供給される。溶接ワイヤ１３としては、たとえばＪＩＳに規定される炭酸ガス溶接用溶接ワイヤであるＹＧＷ１２を採用することができる。溶接ワイヤ１３は、Ｃｕ（銅）めっき層を有していなくてもよい。

【0016】

溶接ノズル１１は、側面に配置され、シールドガスを導入するための導入口１１Ａを有している。また、溶接ノズル１１とコンタクトチップ１２との隙間は、シールドガスの流路となっている。当該流路を流れるシールドガスは、溶接ノズル１１の先端から吐出される。このような構造を有する溶接トーチ１０を用いて、工程（Ｓ２０）を実施することができる。

【0017】

鋼板２１を一方の電極とし、溶接ワイヤ１３を他方の電極として鋼板２１と溶接ワイヤ１３との間に電圧を印加すると、溶接ワイヤ１３と鋼板２１との間にアークβが形成される。アークβは、矢印α_１に沿って導入口１１Ａから導入され、溶接ノズル１１の先端から矢印α_２に沿って吐出されるシールドガスによって、周囲の大気からシールドされる。アークβの熱により、鋼板２１の一部および溶接ワイヤ１３の先端が溶融する。溶接ワイヤ１３の先端が溶融して形成された液滴は、鋼板２１の溶融した領域へと移行する。これにより、溶融した鋼板２１と溶接ワイヤ１３とが混ざり合った液体領域である溶融池３１が形成される。

【0018】

次に、溶融池の形成領域を移動させつつ、先に形成した溶融池を凝固させる工程（Ｓ３０）が実施される。この工程（Ｓ３０）では、形成されるべきビード（溶接部）の延在方向である矢印γに沿って、溶接トーチ１０を鋼板２１に対して相対的に移動させる。その結果、溶融池３１が形成される領域が順次移動し、先に形成された溶融池３１は凝固して、ビード３２となる。そして、接合されるべき領域に沿ってビード３２を形成することで溶接が完了する。

【0019】

ここで、本実施の形態の鋼材の溶接方法においては、シールドガスとして５体積％を超え２０体積％未満の二酸化炭素と８０体積％を超え９５体積％未満のアルゴンとを含有し、残部が不可避的不純物からなるアーク溶接用シールドガスが採用される。不可避的不純物の含有量は、たとえば０．１体積％以下であることが好ましい。また、不可避的不純物としての水の含有量は８０体積ｐｐｍ以下であることが好ましい。シールドガスにおける二酸化炭素の含有量を２０体積％未満とすることにより、作業環境におけるＭｎ濃度を低減することができる。また、シールドガスにおける二酸化炭素の含有量を、５体積％を超えるものとすることにより、スパッタの発生を抑制することができる。このように、本実施の形態におけるシールドガスおよびこれを用いた鋼材の溶接方法によれば、作業環境におけるＭｎの低減を達成することができる。

【0020】

なお、シールドガスにおける二酸化炭素の含有量は、スパッタをより確実に抑制する観点から７体積％以上とすることが好ましく、１０体積％以上としてもよい。一方、シールドガスにおける二酸化炭素の含有量は、作業環境におけるＭｎ濃度をより確実に抑制する観点から１５体積％以下としてもよく、１３体積％以下としてもよい。

【実施例0021】

鋼材の溶接を実際に行い、シールドガスに含まれる二酸化炭素の割合が作業環境におけるＭｎ濃度およびスパッタの発生に及ぼす影響を確認する実験を行った。実験の手順は以下の通りである。

【0022】

鋼材の溶接は、上記実施の形態において説明した方法に従って実施した。鋼板２１として、ＪＩＳに規定されるＳＳ４００からなり、亜鉛めっき層を有さない厚み２５ｍｍの鋼板を準備した。そして、鋼板２１の表面の酸化物層を除去したうえで、上記実施の形態の工程（Ｓ２０）および（Ｓ３０）を実施することにより、鋼板２１に一定の長さのビードを形成した。このとき、シールドガスとしてＡｒとＣＯ_２との混合ガスを採用するとともに、ＣＯ_２の含有量を変化させた。溶接機として、短絡くびれ検出制御機能を有する溶接機を採用した。溶接ワイヤ１３としては、直径１．２ｍｍのＹＧＷ１２（Ｃｕめっき層を有さないもの）を使用した。そして、溶接時の作業環境におけるＭｎ濃度、および溶接時のスパッタの発生状態について調査した。

【0023】

（Ｍｎ濃度の測定）
溶接作業中における溶接トーチ１０周辺の大気を採取し、大気１ｍ^３あたりに含まれるヒューム中のＭｎの質量を測定し、これを溶接作業が実施される空間（作業環境）におけるＭｎ濃度として評価した。より具体的には、ヒューム中のレスピラブル粒子（ＩＳＯ７７０８ Ａｉｒ ｑｕａｌｉｔｙ－Ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｈｅａｌｔｈ－ｒｅｌａｔｅｄ ｓａｍｐｌｉｎｇ参照）を捕集し、レスピラブル粒子中に含まれるＭｎの質量を測定した。ヒュームは、日本国厚生労働省が定める作業環境測定基準（労働省告示第四十六号）の別表第一の規定に沿って、分粒装置を用いるろ過捕集方法により捕集した。また、Ｍｎ量の分析は、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）発光分析法により実施した。

【0024】

（スパッタの発生状態）
溶接作業中におけるスパッタの発生状態および溶接後における溶接部（ビード）の状態を目視にて調査した。

【0025】

（Ｍｎ濃度の測定の測定結果）
図３に、Ｍｎ濃度の測定結果を示す。図３において横軸はシールドガスにおけるＡｒの割合に対応する。シールドガスは、ＡｒとＣＯ_２との混合ガスである。シールドガスにおけるＡｒ以外の部分がＣＯ_２である。たとえば、Ａｒが８０体積％である場合、ＣＯ_２は２０体積％である。図３において、縦軸は作業環境におけるＭｎ濃度に対応する。Ｍｎ濃度は、作業環境の大気１ｍ^３に含まれるヒューム中のＭｎの質量を意味する。

【0026】

図３を参照して、シールドガスにおけるＡｒの含有量が８０体積％を超えると、すなわちＣＯ_２の含有量が２０体積％未満になると、作業環境におけるＭｎ濃度はＣＯ_２の含有量が少なくなるにしたがって小さくなる。このことから、ＡｒとＣＯ_２との混合ガスであるシールドガスにおけるＣＯ_２の含有量は、２０体積％未満であることが好ましく、１５体積％以下、さらには１３体積％以下とすることが好ましいことが確認される。

【0027】

（スパッタの発生状態の評価）
表１に、スパッタの発生状態の評価結果を示す。表１においてＡはスパッタの発生がほとんどなく、良好な溶接が達成されたことを示す。Ｂは、スパッタの発生は見られたものの、溶接部の品質が許容可能であったことを示す。Ｃは、スパッタの発生が顕著で、溶接部の品質が劣ることを示す。

【0028】

【表1】

【0029】

表１を参照して、ＣＯ_２の含有量が５体積％を超える場合、好ましくは７質量％以上である場合、溶接部の品質を許容可能なものとできることが確認される。特に、ＣＯ_２の含有量が１０質量％以上２０質量％未満の場合、スパッタの発生が有効に抑制されることが確認される。

【0030】

以上の実験結果より、本開示のアーク溶接用シールドガスおよび鋼材のアーク溶接方法によれば、作業環境におけるＭｎの低減を達成することができることが確認される。なお、発明者らは、上記直径１．２ｍｍの溶接ワイヤに代えて、直径１．２ｍｍを超える直径１．４ｍｍの溶接ワイヤ、直径１．２ｍｍ以下である直径１．０ｍｍおよび直径０．９ｍｍの溶接ワイヤを用いた同様の実験を実施し、同様の結果を得ている。

【0031】

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって規定され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0032】

１０ 溶接トーチ、１１ 溶接ノズル、１１Ａ 導入口、１２ コンタクトチップ、１２Ａ 貫通孔、１３ 溶接ワイヤ、１４ 送給ロール、２１ 鋼板、３１ 溶融池、３２ ビード。

【図1】

【図2】

【図3】