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JP3833937B2 - Aluminum alloy wire for welding - Google Patents
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JP3833937B2 - Aluminum alloy wire for welding - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接用アルミニウム合金ワイヤに関するものであり、より詳細には、コイル状に巻かれた溶接用アルミニウム合金ワイヤの送給性を向上させる技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
船舶や車両などに用いられているアルミニウムやアルミニウム合金を溶接する際には、アーク溶接法(例えば、TIG溶接法や消耗電極式ガスシールドアーク溶接法など)が従来から採用されている。特に消耗電極式ガスシールドアーク溶接法(例えば、MAG溶接法やMIG溶接法など)では連続溶接が可能であり、広く用いられている。
【0003】
図1は、消耗電極式ガスシールドアーク溶接装置の一例を説明する図である。スプール1に巻かれた5〜10kg程度の溶接用アルミニウム合金ワイヤ(以下、「溶接用ワイヤ」や単に「ワイヤ」と称する場合がある)2は、送給装置3に備えられたガイドローラ4を介した後、プッシュ方式の送給ローラ5で送り出され、フレキシブルなコンジットチューブ6を介してその端部に接続された溶接トーチ(以下「トーチ部」と称する場合がある)7内に送られる。溶接トーチ7内では、通電チップ(以下「チップ部」と称する場合がある)8によってワイヤに接触給電され、ワイヤ先端と母材9との間にアークが発生する。この発生したアークによって母材9は溶融して掘り下げられ、一方ワイヤは大気と遮断されたシールドガス中で溶滴状となり、母材9側に移行して溶融プールを生成し、この溶融プールが凝固することによって溶接部が形成される。
【0004】
上記の様な溶接を行う際に良好な溶接部を得るためには、コンジェットチューブ内やトーチ部、チップ部などにおける溶接用ワイヤの送給性が重要な要件となる。つまり、溶接用ワイヤの送給性が悪くなると、通電チップを通過する際のワイヤ通過速度(送給速度)が不安定になるので、良好な溶接部が得られるように予め設定されている溶接電流とアーク電圧との関係が維持できなくなるからである。このような不具合現象を一般に「アーク不安定」と称しており、この結果良好な溶接部を形成できず、融合不良や形状不良を起こすのである。さらに、通電チップを通過する際のワイヤの通過速度が不安定になると、ワイヤがチップ部において過剰に通電され、溶融したワイヤがチップ部へ融着するといった事態を招くこともある。
【0005】
ワイヤの送給性を向上させたアーク溶接用アルミニウムワイヤとして、例えば、特開平5-277786号公報には、線状の溶接用アルミニウムワイヤの表面に油を付着させたものが提案されている。しかし、油を付け過ぎると水素増加によるブローホールの発生といった新たな問題が生じることがあった。
【0006】
一方、溶接用アルミニウム合金ワイヤとしては、Al−Mg系合金(例えば、JIS Z3232 A5356,A5183,A5556,A5554など)が広く用いられているが、これは鋼ワイヤ等と比べると柔らかいので、送給ローラで削られ易く、アルミ微粉がコンジットチューブ内に堆積してワイヤの定速送給を阻害することがある。そこで、本発明者らはワイヤ表面の平滑度を高めることによって送給ローラで削られ難いワイヤを先に提案しており(特開平7-32186号公報)、効果を挙げている。しかしながら、このワイヤを製造する際の条件制御が難しく、さらなる改良が望まれていた。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、この様な状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、コイル状に巻かれたワイヤであっても良好な送給性を確保することによって、安定したアーク溶接が可能な溶接用アルミニウム合金ワイヤを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決することのできた本発明に係る溶接用アルミニウム合金ワイヤとは、コイル状に巻かれた溶接用のアルミニウム合金ワイヤであって、コイル巻きの腹側表面における残留応力が引張応力である点に要旨を有し、前記コイル巻きの背側表面における残留応力が300MPa以下の引張応力であることが好ましい。
【0009】
但し、本発明において、「表面」とはワイヤの最表面から深さ100μmまでの領域とする。
【0010】
また、本発明に係る溶接用アルミニウムワイヤの合金元素として、Mg:1.5〜6質量%を含有することが好ましい。他の合金元素として、Cr:0.01〜0.5質量%およびMn:0.01〜1.2質量%、を夫々含有し、且つ、Fe:1質量%以下(0質量%を含む)、に抑制したものであると一層の効果を奏する。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、上記課題を解決すべく様々な角度から検討した結果、アーク不安定になる現象は、
▲1▼コンジットチューブ(送給経路)が長い場合や、
▲2▼溶接トーチの近傍でコンジットチューブを強く曲げた場合、
▲3▼コンジェットチューブの巻き径が小さい場合、
▲4▼長時間連続して溶接を行う場合、
などに顕著に生じることを知った。そして、これらの様な場合であってもワイヤの送給性を向上させることによって、安定したアーク溶接を実現できる溶接用アルミニウム合金ワイヤの実現を目指してさらに鋭意検討を重ねた。その結果、コイル状に巻かれた溶接用ワイヤの表面残留応力を制御すれば、上記課題を見事に解決できることを見出し、本発明を完成した。以下、本発明の作用効果について説明する。
【0012】
上記の様な場合に特にアーク不安定が発生する原因について検討したところ、この原因は溶接用ワイヤに付いた癖にあることが分かった。すなわち、上述した様に溶接用ワイヤはスプールに巻かれているのが一般的であるが、このとき溶接用ワイヤは塑性変形して「巻き癖」が付いているのである。そして、巻き癖の付いた溶接用ワイヤが、コンジットチューブ内を通ると、溶接用ワイヤとコンジェットチューブ内壁との間に摩擦力が発生するので、送給径路が長ければ長いほど摩擦力が大きくなり送給速度を不安定にし、これによってアークの発生も不安定になるのである。また、コンジェットチューブが径路の途中で強く曲げられている場合や、コンジェットチューブが小さい径で束ねられている場合では、これらのチューブ内を溶接用ワイヤが通るときに塑性変形して「癖」が付くことがある。さらに、一つのスプールに巻かれたワイヤを用いて長時間連続溶接すると、スプールに巻かれている溶接用ワイヤの巻き径は徐々に小さくなるので、これに伴って溶接用ワイヤの「巻き癖」も顕著になるのである。
【0013】
溶接用ワイヤがスプールに巻かれる理由は、ワイヤにある程度の巻き癖を付けることによって溶接が行いやすくなるからである。図2に巻き癖が付いている従来の溶接用アルミニウム合金ワイヤの模式図を示す。図中10はスプールから開放したときの溶接用アルミニウム合金ワイヤ、11はワイヤの腹側(内側)、12はワイヤの背側(外側)を夫々示している。また、ワイヤ10に併記した矢印13および14は、ワイヤ表面における圧縮方向13の残留応力(以下、「圧縮応力」と称する場合がある)と、ワイヤ表面における引張方向14の残留応力(以下、「引張応力」と称する場合がある)を夫々示している。
【0014】
図2に示す様に、巻き癖が付いている従来の溶接用アルミニウム合金ワイヤは、ワイヤ10の腹側11表面における残留応力が圧縮方向13であり、ワイヤ10の背側12表面における残留応力が引張方向14となっている。巻き癖はワイヤの腹側と背側との応力差によって発生し、この応力差が大きいと巻き癖が強くなる。この様な巻き癖が強いワイヤを用いて溶接すると、送給装置やコンジェットチューブにワイヤを送給してもワイヤに付いている癖が直り難いので、チューブとワイヤとの間に摩擦力が発生する。そして、この摩擦力がワイヤの送給性に影響を与えるのである。
【0015】
本発明者らは、「巻き癖」や「癖」が付きにくいワイヤであるか、またはワイヤに付いた「巻き癖」や「癖」が直りやすければ、送給性が良好で安定したアークを実現できるのではないかという着想の下で検討した。そして、本発明者らは、この様なワイヤを実現するためには、コイル状に巻かれた溶接用のアルミニウム合金ワイヤの腹側表面における残留応力が引張応力であれば良いことを明らかにした。これを図面を用いて説明する。
【0016】
図3は、本発明に係る溶接用アルミニウム合金ワイヤの模式図を示し、前記図2と対応する部分には同一の符号を付してある。図3に示す様に、溶接用ワイヤの腹側11表面に残留している応力が引張方向14であると、コイル状に巻かれているワイヤを送給装置に送る際に、ワイヤ自身に巻き癖を直そうとする力が働くので、巻き癖を直すためにワイヤに加える力は小さくて良い。また、ワイヤ自身に癖を直そうとする働きがあるので、ワイヤがチューブ内等を通過して癖が付いても直りやすいのである。よって、巻き癖や癖が直りやすくなるので、ワイヤの送給性を向上させることができ、安定したアークを実現できる。尚、本発明において、ワイヤの「表面」とは、ワイヤの最表面から深さ100μmまでの領域とする。
【0017】
本発明では、ワイヤをコイル巻きにしたときの腹側(つまりコイル状にしたときの内側)表面における残留応力が引張応力であれば、その大きさは特に限定されないが、ワイヤの送給性を向上させる観点から、好ましくは5MPa以上、より好ましくは10MPa以上が望ましい。但し、前記引張応力が大き過ぎると、ワイヤをコイル状に巻き難くなるので、その上限は300MPa程度にすることが好ましい。
【0018】
一方、コイル状にワイヤを巻くとワイヤの背側表面における残留応力は一般に引張方向の応力になるが、この様なワイヤの巻き癖を直す際は、背側表面における残留応力程度の力が少なくとも必要となる。従って、コイル状にワイヤを巻いたときの背側表面における残留応力をできるだけ小さくすると、ワイヤに付いた癖を直しやすくできる。本発明では、前記コイル巻きの背側表面における引張応力が、好ましくは300MPa以下、より好ましくは290MPa以下であることが望ましい。尚、その下限は特に限定されないが、背側表面における引張応力を極端に低くし過ぎると、腹側表面に残留させる引張応力を制御することが困難となるので、ワイヤの背側表面における残留応力の下限値は0MPaではなく、好ましくは5MPa、より好ましくは10MPaが望ましい。
【0019】
本発明に係る溶接用アルミニウム合金ワイヤの成分組成は特に限定されず、種々の元素を含有したアルミニウム合金および不可避不純物(Zr,V,Ag,Bi,Pb,Gaなど)からなるが、溶接後における継手部の強度を確保するという観点から合金元素として、Mgを含有することが好ましい。Mgを含有するときの好ましい範囲とその規定理由は下記の通りである。
【0020】
Mg: 1.5 6 %(「質量%」の意味。以下同じ)
Mgは、溶接後の継手部で固溶強化を起こし、継手部の強度を高める元素である。この様な効果を得るためには、Mgを好ましくは1.5%以上、より好ましくは1.6%以上含有することが望ましい。しかし、過剰に含有すると、ワイヤを伸線加工する際に割れが発生し易くなるので、好ましくは6%以下、より好ましくは5.8%以下にするのが良い。
【0021】
また、必要に応じて他の合金元素としてCrとMnを夫々含有すると共に、Feを1%以下に抑制することが好ましい。CrおよびMnの好ましい範囲およびその規定理由と、Feの含有を抑制する理由は下記の通りである。
【0022】
Cr: 0.01 0.5
Crは、溶接後の継手部におけるAlの結晶粒を微細化すると共に、結晶粒径を均一化して継手強度を向上させる元素であり、その効果を得るためには0.01%以上含有することが好ましい。より好ましくは0.02%以上含有するのが良い。しかし、その含量が0.5%を超えると、溶接後に粗大な金属間化合物を生成して継手強度を低下させる原因になるので、好ましくは0.5%以下、より好ましくは0.45%以下にするのが良い。
【0023】
Mn: 0.01 1.2
Mnは、溶接後の継手部におけるAlの結晶粒を微細化すると共に、結晶粒径を均一化して継手強度を向上させる元素であり、また、AlやFeと結合してAl−Fe−Mn系の化合物を生成することができるので、継手強度を向上させることができる。この様な効果を得るためには、好ましくは0.01%以上、より好ましくは0.02%以上含有するのが良い。しかし、Mn含量が1.2%を超えると、溶接後の継手部に巨大な化合物を生成して強度を低下する原因となるので、好ましくは1.2%以下、より好ましくは1.15%以下にするのが良い。
【0024】
Fe: 1 %以下( 0 %を含む)
Feは、一般的にアルミニウムワイヤ中に不純物として含有しているが、その含有量が1%を超えると溶接後の継手部分に化合物を生じやすくなり、この化合物が継手強度を低下させる原因となる。よって、本発明ではFe含有量を1%以下に抑制することが好ましく、より好ましくは0.9%以下にすることが望ましい。
【0025】
本発明において、例えばMgを含有する溶接用ワイヤであって、その成分組成が5000系のものであれば、上記MgやCr,Mn,Fe以外の元素として、Siを不純物元素として含有することがあるが、Si含有量が1%超になると、溶接後の継手部にMg−Si系化合物などを生成して、継手部の強度を低下させる原因になるので、Si含有量を好ましくは1%以下、より好ましくは0.9%以下に抑制することが望ましい。
【0026】
さらに、上記以外の元素として、必要に応じてCuやZn,Ti,Sn,Ni,Bなどの各元素をワイヤに含有させると、溶接後の継手部における強度をさらに高めることができるので好ましい。各元素の含有量の上限は夫々0.1%であり、二種以上の元素を含有するときは総量で0.2%以下にすることが推奨される。
【0027】
従来の溶接用アルミニウム合金ワイヤを製造方法するに際しては、スプールに巻いたワイヤを開放したときにワイヤが広がり過ぎない様にするためや、ワイヤの取り扱いを容易にするために、伸線加工で得られたワイヤに予め強めの巻き癖を付けた後スプールに巻きつけることが一般的である。ワイヤに予め強めの巻き癖を付ける方法としては、例えば、スプールにワイヤを巻きつけるに際し、ワイヤを自然に開放したときに形成するループの径がスプールの径よりも小さくなる様に矯正ロールを用いてワイヤに癖を付けてからスプールに巻きつける方法や、スプールにワイヤを巻きつける際の張力を大きくする方法が挙げられる。しかし、この様な従来の方法では、図2に示した様にコイル巻きの腹側表面における残留応力が圧縮応力になっていた。
【0028】
一方、本発明に係る溶接用アルミニウム合金ワイヤは、コイル巻きの腹側表面における残留応力が引張応力となる様に製造する必要があるが、具体的な方法は特に限定されない。例えば、下記に示す方法が挙げられる。
【0029】
本発明に係る溶接用アルミニウム合金ワイヤをロール伸線によって製造する際には、伸線加工での圧下率(減面率)を制御すれば良い。具体的には、最終伸線パスの減面率を10〜15%程度として、従来の様にダイス伸線で製造した際における最終伸線パスの減面率よりも若干低くすれば良い。
【0030】
また、本発明に係る溶接用アルミニウム合金ワイヤをダイス伸線によって製造する際には、減面率やダイスの角度を制御すれば良い。具体的には、最終伸線パスの減面率を5〜15%程度として、従来のダイス伸線における最終伸線パスの減面率よりも若干低くすると共に、ダイスの角度を10〜20°程度の低角側にすれば良い。
【0031】
さらに、本発明においても従来と同様に、伸線加工で得られたワイヤをスプールに巻きつける前に、矯正ロールを用いてワイヤに予め癖を付けるが、このとき本発明では、上記ロール伸線またはダイス伸線で得られたワイヤに強めの癖を付けることが好ましい。ワイヤに癖を付ける工程を図面を用いて具体的に説明する。
【0032】
図4は、伸線加工で得られたワイヤに癖を付けるための工程の一例を示した図である。図中20は伸線加工(つまり上記ロール伸線またはダイス伸線)で得られたアルミニウム合金ワイヤ、21a〜21cは矯正ロール、22はスプールを夫々示している。また、図中の矢印23は矯正ロールの押し込み量を示している。尚、スプール22に併記した矢印は、スプールの回転方向を示している。
【0033】
伸線加工で得られたワイヤ20は、例えば図4に示す様に設けられた3つの矯正ロール間を蛇行して通過することによって癖が付けられる。そして、癖が付けられたワイヤ20がスプールに巻きつけられる。本発明では、矯正ロール(例えば21bと21c)の押し込み量23を大きくすることによって、癖の強さを変化させることができる。具体的には、ロール押し込み量23を1.5mm以上として、従来の矯正ロールでのロール押し込み量(従来は1mm以下程度)よりも若干大きめにすれば良い。
【0034】
ワイヤ表面における残留応力の測定方法としては、例えば、X線回折装置を用いる方法が挙げられる。測定原理は、例えば「X線応力測定法」,(1981),日本材料学会編,養賢堂、や、「X線応力測定法基準」,(1982),日本材料学会X線材料強度部門委員会、などに記載されている。具体的な測定条件は、下記実施例で詳述する。
【0035】
本発明に係る溶接用アルミニウム合金ワイヤの径は特に限定されないが、通常ワイヤ径がφ0.8〜3mm程度のものをコイル巻きすれば良い。
【0036】
本発明に係る溶接用アルミニウム合金ワイヤは、消耗電極式ガスシールドアーク溶接法(例えば、MAG溶接法やMIG溶接法など)で用いることが好ましく、特にMIG溶接法に採用するのが好適である。
【0037】
また、本発明に係る溶接用アルミニウム合金ワイヤは、種々のアルミニウム製部材を溶接する際に用いることができる。アルミニウム製部材の材質としては、3000系(Al−Mn−Mg系)、5000系(Al−Mg系)および6000系(Al−Mg−Si系)など公知のものが例示できる。
【0038】
以下、本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のものではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【0039】
【実施例】
JIS Z3232のA5356に示される成分組成を有するアルミニウム合金の鋳塊(φ150×4000mm)に均質化処理(540℃、4時間)を施し、これを490℃で熱間圧延してφ5〜20mm程度の線材とした。この線材を冷間伸線した後、ワイヤ表面の皮を削ってφ3〜7mm程度のワイヤ原線とし、この原線をロール伸線またはダイス伸線でφ1.2mmの線材に加工した。
【0040】
ロール伸線では、最終伸線パスにおける減面率、スプールにワイヤを巻く前のロール押し込み量(前記図4参照)および巻き取りの設定を適宜変えることによって、ワイヤ表面における残留応力を制御した。
【0041】
ダイス伸線では、最終伸線パスにおける減面率、ダイス角度、スプールにワイヤを巻く前のロール押し込み量(前記図4参照)および巻き取りの設定を適宜変えることによって、ワイヤ表面における残留応力を制御した。
【0042】
ロール伸線またはダイス伸線によって得られた線材は、スプール径の異なる下記A〜Cの何れかに巻き取った。これを供試材(溶接用アルミニウム合金ワイヤ)とする。
【0043】
<巻き取りの設定>
A:強め(スプール径:φ250mm)
B:中程度(スプール径:φ300mm)
C:弱め(スプール径:φ350mm)
【0044】
表1に伸線方法、最終伸線パスにおける減面率(%)、ダイス角度(°)、巻き取りの設定、ロール押し込み量、を夫々示す。また、下記装置を用いて供試材(ワイヤ)表面の残留応力を測定する。測定位置は、前記図3に示した供試材の腹側15と背側16の最表面で夫々行い、測定結果を表2に示す。尚、引張方向の残留応力(引張応力)を「+」で、圧縮方向の残留応力(圧縮応力)を「−」で示した。
【0045】
<残留応力の測定>
[測定装置]
「PSPC微小部X線応力測定装置」(商品名:理学電気株式会社製)
[測定条件]
特性X線:Cr−kα
フィルター:V
X線ビーム径:φ0.5mm
管電圧:40kV
管電流:30mA
回折面:Al(311)
回折角:139.3度
測定方法:傾斜法
測定方向:軸方向
応力定数:−165.78MPa/deg
照射時間:200秒間
測定部位:ワイヤの腹側と背側における最表面
ψ角:0°,10°,20°,30°,40°,45°
表1に示した供試材を、下記に示す溶接装置で溶接した際の送給性、送給抵抗、アーク安定性および安定アーク継続時間を夫々調べた。その結果を表2に示す。
【0046】
<溶接装置>
電源:CPDWP350
送給装置:「CMWH147」(商品名:ダイヘン社製)
トーチ:「WTCA2501」(商品名:ダイヘン社製)
コンジットチューブ:「プラライナ U2962M06」(商品名:ダイヘン社製)、3m
チップ:「TIP023010」(商品名:トーキンアーク社製)のφ1.2mmCO2チップ。
【0047】
<溶接条件>
条件:220A、25V
ワイヤの送り速度:50cm/min
溶接時間:最大2分間
径路:全長3mのコンジットチューブの途中にφ170mmのループを1つ作り、且つ、トーチ直上で曲率半径100mmに曲げた(前記図1参照)。
【0048】
<送給性>
溶接中に前記図1の送給装置からワイヤが送り出されるときの抵抗を測定することによって、送給性を評価した。このときの評価基準は、◎:送給抵抗値が80N以下で送給抵抗値の変動も小さい、○:送給抵抗値が小さく良好、△:時折送給抵抗値が変動、×:抵抗値が大きく不良、である。
【0049】
<アーク安定性>
溶接中の溶接電流およびアーク電圧の変動でアーク安定性を評価した。このときの評価は、◎:溶接電流およびアーク電圧の変動が小さく溶接部のビード形状も良好、○:溶接電流およびアーク電圧の変動が小さい、△:時折変動する、×:悪い、である。
【0050】
<安定アーク継続時間>
アーク溶接を最大2分間行い、チップの融着の有無を見た。
【0051】
下記に示す条件で溶接した後に、コンジット内に堆積したアルミ合金粉の量を測定した。
【0052】
<アルミ合金粉量>
溶接条件:170A,22〜23V、送り速度:50cm/minで溶接した後、コンジット内に堆積したアルミ合金粉を溶剤で流しながら濾紙に採取し、アルミ合金粉の発生量を比較した。但し、供試材によって溶接時間が異なるので、5分間に発生したアルミ合金粉量に換算した値を表2に示す。
【0053】
【表1】

Figure 0003833937
【0054】
【表2】
Figure 0003833937
【0055】
表2から明らかな様に、供試材No.1〜7は、本発明の要件を満足しているので、ワイヤの送給性が良好である。よって、安定したアークを得ることができる。また、ワイヤがチューブ内を通過する際に、ワイヤとチューブとの間に発生する摩擦力が小さいので、ワイヤが削れることはなく、チューブ内に発生するアルミニウム合金粉の量が少ない。
【0056】
特に、供試材No.1,3,4は、ワイヤ表面の残留応力の腹側と背側のバランスが良いので、ワイヤの送給性やアーク安定性に非常に優れている。
【0057】
一方、供試材No.8とNo.9は、本発明の要件を満足していない比較例であり、ワイヤの送給性が悪い。よって、アーク安定性にも劣る。
【0058】
【発明の効果】
上記のような構成を採用すると、コイル状に巻かれた溶接用アルミニウム合金ワイヤの送給性を向上させることができるので、安定したアークを実現できるワイヤを提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】 消耗電極式ガスシールドアーク溶接法の一例を説明する図である。
【図2】 従来の巻き癖が付いている溶接用アルミニウム合金ワイヤを示す模式図である。
【図3】 本発明に係る溶接用アルミニウム合金ワイヤを示す模式図である。
【図4】 伸線加工で得られたワイヤに癖を付けるための一工程例である。
【符号の説明】
1:スプール 2:溶接用ワイヤ
3:送給装置 4:ガイドローラ
5:送給ローラ 6:コンジットチューブ
7:溶接トーチ 8:通電チップ
9:母材 10:溶接用アルミニウム合金ワイヤ
11:ワイヤの腹側(内側) 12:ワイヤの背側(外側)
20:ワイヤ 21a〜21c:矯正ロール
22:スプール 23:押し込み量[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a welding aluminum alloy wire, and more particularly to a technique for improving the feedability of a welding aluminum alloy wire wound in a coil shape.
[0002]
[Prior art]
When welding aluminum and aluminum alloys used in ships and vehicles, arc welding methods (for example, TIG welding method, consumable electrode type gas shielded arc welding method, etc.) have been conventionally employed. In particular, in consumable electrode type gas shielded arc welding methods (for example, MAG welding method, MIG welding method, etc.), continuous welding is possible and widely used.
[0003]
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a consumable electrode type gas shielded arc welding apparatus. An aluminum alloy wire for welding (hereinafter sometimes referred to as “welding wire” or simply “wire”) 2 of about 5 to 10 kg wound around the spool 1 is provided with a guide roller 4 provided in the feeding device 3. After that, it is sent out by a push-type feeding roller 5 and sent into a welding torch (hereinafter sometimes referred to as “torch portion”) 7 connected to the end portion thereof via a flexible conduit tube 6. In the welding torch 7, a power is supplied to the wire by an energized tip (hereinafter also referred to as “tip portion”) 8, and an arc is generated between the wire tip and the base material 9. The base metal 9 is melted and dug down by the generated arc, while the wire is in the form of droplets in the shielding gas that is cut off from the atmosphere, and moves to the base material 9 side to create a molten pool. A weld is formed by solidification.
[0004]
In order to obtain a good weld when performing welding as described above, the feedability of the welding wire in the jet tube, torch, tip, etc. is an important requirement. In other words, if the feedability of the welding wire deteriorates, the wire passing speed (feeding speed) when passing through the energization tip becomes unstable, so that welding is set in advance so as to obtain a good welded portion. This is because the relationship between the current and the arc voltage cannot be maintained. Such a failure phenomenon is generally referred to as “arc instability”, and as a result, a good weld cannot be formed, resulting in poor fusion or shape failure. Furthermore, if the passage speed of the wire when passing through the energizing tip becomes unstable, the wire may be excessively energized in the tip portion and the melted wire may be fused to the tip portion.
[0005]
As an aluminum wire for arc welding with improved wire feedability, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-277786 proposes a wire in which oil is attached to the surface of a linear welding aluminum wire. However, adding too much oil may cause new problems such as blowholes due to increased hydrogen.
[0006]
On the other hand, Al—Mg alloys (for example, JIS Z3232 A5356, A5183, A5556, A5554, etc.) are widely used as welding aluminum alloy wires, but they are softer than steel wires. It is easy to scrape with a roller, and aluminum fine powder may accumulate in the conduit tube and hinder the constant speed feeding of the wire. Therefore, the present inventors have previously proposed a wire that is difficult to be cut by a feeding roller by increasing the smoothness of the wire surface (Japanese Patent Laid-Open No. 7-32186), and has been effective. However, it is difficult to control the conditions when manufacturing this wire, and further improvements have been desired.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to achieve stable arc welding by ensuring good feedability even with a wire wound in a coil shape. It is to provide an aluminum alloy wire for welding.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The aluminum alloy wire for welding according to the present invention that has solved the above problems is an aluminum alloy wire for welding wound in a coil shape, and the residual stress on the ventral surface of the coil winding is a tensile stress. It is preferable that the residual stress on the back surface of the coil winding is a tensile stress of 300 MPa or less.
[0009]
However, in the present invention, the “surface” is a region from the outermost surface of the wire to a depth of 100 μm.
[0010]
Moreover, it is preferable to contain Mg: 1.5-6 mass% as an alloy element of the aluminum wire for welding which concerns on this invention. As other alloy elements, Cr: 0.01 to 0.5% by mass and Mn: 0.01 to 1.2% by mass, respectively, and Fe: 1% by mass or less (including 0% by mass) If it is suppressed, it will have a further effect.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
As a result of studying from various angles to solve the above problems, the present inventors have found that the phenomenon of arc instability is
(1) When the conduit tube (feeding route) is long,
(2) If the conduit tube is bent strongly in the vicinity of the welding torch,
(3) If the diameter of the conduit tube is small,
(4) When welding continuously for a long time,
I knew that it was noticeable. And even in these cases, further investigations were made with the aim of realizing an aluminum alloy wire for welding capable of realizing stable arc welding by improving the wire feedability. As a result, the inventors have found that the above problems can be solved brilliantly by controlling the surface residual stress of the welding wire wound in a coil shape, and the present invention has been completed. Hereinafter, the function and effect of the present invention will be described.
[0012]
When the cause of arc instability in particular was examined in the above case, it was found that the cause was in the hook attached to the welding wire. That is, as described above, the welding wire is generally wound on a spool, but at this time, the welding wire is plastically deformed and has a “curl”. When the welding wire with curl passes through the conduit tube, a frictional force is generated between the welding wire and the inner wall of the conduit tube. Therefore, the longer the feed path, the greater the frictional force. As a result, the feeding speed becomes unstable, and the arc generation becomes unstable. Also, when the conduit tube is strongly bent in the middle of the path, or when the conduit tube is bundled with a small diameter, it is plastically deformed when the welding wire passes through these tubes. May be attached. Furthermore, when a wire wound on one spool is used for continuous welding for a long time, the winding diameter of the welding wire wound on the spool gradually decreases. Will also become prominent.
[0013]
The reason why the welding wire is wound around the spool is that welding is facilitated by attaching a certain amount of curl to the wire. FIG. 2 shows a schematic diagram of a conventional welding aluminum alloy wire with curl. In the figure, 10 is an aluminum alloy wire for welding when released from the spool, 11 is a ventral side (inside) of the wire, and 12 is a back side (outside) of the wire. Further, arrows 13 and 14 written on the wire 10 indicate a residual stress in the compression direction 13 on the wire surface (hereinafter sometimes referred to as “compressive stress”) and a residual stress in the tensile direction 14 on the wire surface (hereinafter referred to as “ Each may be referred to as “tensile stress”.
[0014]
As shown in FIG. 2, in the conventional welding aluminum alloy wire with a curl, the residual stress on the abdomen side 11 surface of the wire 10 is in the compression direction 13, and the residual stress on the back side 12 surface of the wire 10 is The tensile direction is 14. The curl is generated by the stress difference between the ventral side and the back side of the wire, and the curl becomes strong when the stress difference is large. When welding with such a wire with strong curl, even if the wire is fed to a feeding device or a jet tube, the wrinkle attached to the wire is difficult to repair, so there is a frictional force between the tube and the wire. appear. This frictional force affects the wire feedability.
[0015]
The inventors of the present invention can provide a stable arc with good feedability if the wire is difficult to be attached with “winding hooks” and “hooks” or if the “winding hooks” and “hooks” attached to the wires are easy to repair. We examined it under the idea that it could be realized. Then, the present inventors have clarified that in order to realize such a wire, the residual stress on the ventral surface of the aluminum alloy wire for welding wound in a coil shape may be a tensile stress. . This will be described with reference to the drawings.
[0016]
FIG. 3 is a schematic view of an aluminum alloy wire for welding according to the present invention, and portions corresponding to those in FIG. As shown in FIG. 3, if the stress remaining on the surface of the ventral side 11 of the welding wire is in the tensile direction 14, when the wire wound in a coil shape is sent to the feeding device, it is wound around the wire itself. Since the force to correct the wrinkle works, the force applied to the wire to fix the curl can be small. In addition, since the wire itself has a function of correcting the wrinkles, even if the wires pass through the tube or the like and become wrinkled, they are easily fixed. Therefore, the curl and wrinkle can be easily repaired, so that the wire feedability can be improved and a stable arc can be realized. In the present invention, the “surface” of the wire is a region from the outermost surface of the wire to a depth of 100 μm.
[0017]
In the present invention, if the residual stress on the surface on the ventral side (that is, the inner side when coiled) when the wire is coiled is a tensile stress, the magnitude is not particularly limited, but the wire feedability is reduced. From the viewpoint of improvement, it is preferably 5 MPa or more, more preferably 10 MPa or more. However, if the tensile stress is too large, it is difficult to wind the wire in a coil shape, so the upper limit is preferably about 300 MPa.
[0018]
On the other hand, when a wire is wound in a coil shape, the residual stress on the back surface of the wire generally becomes a stress in the tensile direction, but when correcting such winding of the wire, there is at least a force of the residual stress on the back surface. Necessary. Therefore, if the residual stress on the back surface when the wire is wound in a coil shape is made as small as possible, the wrinkles attached to the wire can be easily repaired. In the present invention, the tensile stress on the back surface of the coil winding is preferably 300 MPa or less, more preferably 290 MPa or less. The lower limit is not particularly limited, but if the tensile stress on the back surface is made extremely low, it becomes difficult to control the tensile stress remaining on the ventral surface, so the residual stress on the back surface of the wire The lower limit of is not 0 MPa, preferably 5 MPa, more preferably 10 MPa.
[0019]
The component composition of the aluminum alloy wire for welding according to the present invention is not particularly limited, and consists of an aluminum alloy containing various elements and unavoidable impurities (Zr, V, Ag, Bi, Pb, Ga, etc.). From the viewpoint of securing the strength of the joint portion, it is preferable to contain Mg as an alloy element. The preferred range when Mg is contained and the reasons for its definition are as follows.
[0020]
Mg: 1.5 ~ 6% (. Meaning of the "% by weight" hereinafter the same)
Mg is an element that causes solid solution strengthening at the joint after welding and increases the strength of the joint. In order to obtain such an effect, Mg is preferably contained in an amount of 1.5% or more, more preferably 1.6% or more. However, if it is excessively contained, cracks are likely to occur when the wire is drawn, so the content is preferably 6% or less, more preferably 5.8% or less.
[0021]
Moreover, it is preferable to contain Cr and Mn as other alloy elements as required, and to suppress Fe to 1% or less. The preferred range of Cr and Mn, the reason for their definition, and the reason for suppressing the Fe content are as follows.
[0022]
Cr: 0.01 ~ 0.5%
Cr is an element that refines the Al crystal grains in the joint after welding and improves the joint strength by making the crystal grain size uniform. To obtain the effect, Cr is preferably contained in an amount of 0.01% or more. . More preferably it is 0.02% or more. However, if the content exceeds 0.5%, a coarse intermetallic compound is formed after welding and causes a reduction in joint strength. Therefore, the content is preferably 0.5% or less, more preferably 0.45% or less.
[0023]
Mn: 0.01 to 1.2 %
Mn is an element that refines Al crystal grains in the joint after welding and improves the joint strength by making the crystal grain size uniform, and is bonded to Al and Fe to form an Al-Fe-Mn system. Thus, the joint strength can be improved. In order to obtain such an effect, the content is preferably 0.01% or more, more preferably 0.02% or more. However, if the Mn content exceeds 1.2%, a large compound is formed in the joint after welding and causes a decrease in strength. Therefore, the content is preferably 1.2% or less, more preferably 1.15% or less. .
[0024]
Fe: 1 % or less ( including 0 %)
Fe is generally contained as an impurity in the aluminum wire, but if its content exceeds 1%, a compound tends to be formed in the joint part after welding, and this compound causes the joint strength to decrease. . Therefore, in the present invention, the Fe content is preferably suppressed to 1% or less, and more preferably 0.9% or less.
[0025]
In the present invention, for example, if a welding wire containing Mg and the component composition is 5000, Si may be contained as an impurity element as an element other than Mg, Cr, Mn, and Fe. However, if the Si content exceeds 1%, an Mg-Si compound or the like is generated in the joint portion after welding and causes the strength of the joint portion to decrease, so the Si content is preferably 1%. In the following, it is desirable to suppress it to 0.9% or less.
[0026]
Furthermore, it is preferable that elements other than the above, such as Cu, Zn, Ti, Sn, Ni, and B, be included in the wire as necessary, because the strength at the joint after welding can be further increased. The upper limit of the content of each element is 0.1%, and when two or more elements are contained, the total amount is recommended to be 0.2% or less.
[0027]
When manufacturing a conventional aluminum alloy wire for welding, it is obtained by wire drawing in order to prevent the wire from spreading too much when the wire wound on the spool is released or to facilitate handling of the wire. In general, a strong winding rod is preliminarily attached to the formed wire and then wound on a spool. For example, when winding the wire around the spool, use a straightening roll so that the diameter of the loop formed when the wire is naturally released is smaller than the diameter of the spool. There are a method of winding a wire after winding a wire and a method of increasing the tension when winding the wire on the spool. However, in such a conventional method, the residual stress on the ventral surface of the coil winding is a compressive stress as shown in FIG.
[0028]
On the other hand, the aluminum alloy wire for welding according to the present invention needs to be manufactured so that the residual stress on the ventral surface of the coil winding becomes a tensile stress, but the specific method is not particularly limited. For example, the method shown below is mentioned.
[0029]
When the aluminum alloy wire for welding according to the present invention is manufactured by roll drawing, the reduction ratio (area reduction rate) in the drawing process may be controlled. Specifically, the area reduction rate of the final wire drawing pass is set to about 10 to 15%, and it may be slightly lower than the area reduction rate of the final wire drawing pass when manufactured by die drawing as in the prior art.
[0030]
Further, when the aluminum alloy wire for welding according to the present invention is manufactured by die drawing, the area reduction rate and the die angle may be controlled. Specifically, the area reduction rate of the final drawing pass is set to about 5 to 15%, which is slightly lower than the area reduction rate of the final drawing pass in the conventional die drawing, and the die angle is 10 to 20 °. It may be on the low angle side.
[0031]
Furthermore, in the present invention, as before, before the wire obtained by wire drawing is wound around the spool, the wire is pre-curved using a straightening roll. Or it is preferable to attach a strong wrinkle to the wire obtained by die drawing. The process of attaching a wire to a wire will be specifically described with reference to the drawings.
[0032]
FIG. 4 is a diagram showing an example of a process for attaching a wrinkle to a wire obtained by wire drawing. In the figure, 20 is an aluminum alloy wire obtained by wire drawing (that is, the above-described roll wire drawing or die wire drawing), 21a to 21c are straightening rolls, and 22 is a spool. In addition, an arrow 23 in the figure indicates the pushing amount of the correction roll. An arrow written on the spool 22 indicates the rotation direction of the spool.
[0033]
The wire 20 obtained by the wire drawing process is wrinkled by meandering and passing between three straightening rolls provided as shown in FIG. Then, the wire 20 with the hooks is wound around the spool. In the present invention, the strength of the wrinkles can be changed by increasing the pushing amount 23 of the straightening rolls (for example, 21b and 21c). Specifically, the roll push-in amount 23 is set to 1.5 mm or more, and may be slightly larger than the roll push-in amount with the conventional straightening roll (previously about 1 mm or less).
[0034]
An example of a method for measuring the residual stress on the wire surface is a method using an X-ray diffractometer. The measurement principle is, for example, “X-ray stress measurement method”, (1981), edited by the Japan Society of Materials Science, Yokendo, “X-ray stress measurement method standard”, (1982), Japan Society of Materials Science It is described in the meeting. Specific measurement conditions will be described in detail in the following examples.
[0035]
The diameter of the aluminum alloy wire for welding according to the present invention is not particularly limited, but a wire having a wire diameter of about φ0.8 to 3 mm is usually wound around a coil.
[0036]
The aluminum alloy wire for welding according to the present invention is preferably used in a consumable electrode type gas shielded arc welding method (for example, MAG welding method, MIG welding method, etc.), and particularly preferably employed in the MIG welding method.
[0037]
The aluminum alloy wire for welding according to the present invention can be used when welding various aluminum members. Examples of the material of the aluminum member include known materials such as 3000 series (Al-Mn-Mg series), 5000 series (Al-Mg series), and 6000 series (Al-Mg-Si series).
[0038]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, the following examples are not intended to limit the present invention, and any design changes in accordance with the gist of the preceding and following descriptions are technical aspects of the present invention. It is included in the range.
[0039]
【Example】
The aluminum alloy ingot (φ150 × 4000mm) having the composition shown in A5356 of JIS Z3232 is subjected to homogenization treatment (540 ° C, 4 hours) and hot-rolled at 490 ° C to have a diameter of about 5 to 20mm. Wire was used. After this wire was cold-drawn, the surface of the wire was peeled to obtain a wire original wire having a diameter of about 3 to 7 mm, and this original wire was processed into a wire material having a diameter of 1.2 mm by roll drawing or die drawing.
[0040]
In the roll wire drawing, the residual stress on the wire surface was controlled by appropriately changing the area reduction ratio in the final wire drawing pass, the roll push amount before winding the wire on the spool (see FIG. 4), and the winding setting.
[0041]
In die drawing, the residual stress on the wire surface is reduced by appropriately changing the area reduction ratio, die angle, roll push amount before winding the wire on the spool (see FIG. 4) and winding setting in the final drawing pass. Controlled.
[0042]
The wire obtained by roll drawing or die drawing was wound around one of the following ACs having different spool diameters. This is a test material (aluminum alloy wire for welding).
[0043]
<Rewind setting>
A: Strong (Spool diameter: φ250mm)
B: Medium (Spool diameter: φ300mm)
C: Weak (Spool diameter: 350mm)
[0044]
Table 1 shows the wire drawing method, the area reduction rate (%), the die angle (°), the winding setting, and the roll push-in amount in the final wire drawing pass. Further, the residual stress on the surface of the specimen (wire) is measured using the following apparatus. The measurement positions were performed on the outermost surface 15 on the ventral side 15 and the back side 16 of the test material shown in FIG. 3, and the measurement results are shown in Table 2. The residual stress (tensile stress) in the tensile direction is indicated by “+”, and the residual stress (compressive stress) in the compression direction is indicated by “−”.
[0045]
<Measurement of residual stress>
[measuring device]
“PSPC micro-part X-ray stress measurement device” (trade name: manufactured by Rigaku Corporation)
[Measurement condition]
Characteristic X-ray: Cr-kα
Filter: V
X-ray beam diameter: φ0.5mm
Tube voltage: 40 kV
Tube current: 30mA
Diffraction surface: Al (311)
Diffraction angle: 139.3 degrees Measurement method: Tilt method Measurement direction: Axial stress constant: -165.78 MPa / deg
Irradiation time: 200 seconds Measurement site: Outermost surface ψ angle on the ventral side and back side of the wire: 0 °, 10 °, 20 °, 30 °, 40 °, 45 °
The feedability, feed resistance, arc stability, and stable arc duration when the test materials shown in Table 1 were welded by the welding apparatus shown below were examined. The results are shown in Table 2.
[0046]
<Welding equipment>
Power supply: CPDWP350
Feeder: “CMWH147” (trade name: manufactured by Daihen)
Torch: “WTCA2501” (trade name: manufactured by Daihen)
Conduit tube: "Plaliner U2962M06" (trade name: manufactured by Daihen), 3m
Tip: “TIP023010” (trade name: manufactured by Tokin Arc) φ1.2 mm CO 2 tip.
[0047]
<Welding conditions>
Conditions: 220A, 25V
Wire feed speed: 50cm / min
Welding time: Maximum 2 minutes Path: One loop of φ170 mm was made in the middle of a conduit tube with a total length of 3 m, and bent to a radius of curvature of 100 mm just above the torch (see FIG. 1 above).
[0048]
<Feedability>
The feedability was evaluated by measuring the resistance when the wire was fed from the feeding device of FIG. 1 during welding. Evaluation criteria at this time are as follows: ◎: Feeding resistance value is 80 N or less and fluctuation of feeding resistance value is small, ◯: Feeding resistance value is small and good, △: Occasionally feeding resistance value fluctuates, ×: Resistance value Is bad.
[0049]
<Arc stability>
Arc stability was evaluated by variation of welding current and arc voltage during welding. The evaluation at this time is ◎: small fluctuations in welding current and arc voltage and good weld bead shape, ◯: small fluctuations in welding current and arc voltage, Δ: occasional fluctuation, x: bad.
[0050]
<Stable arc duration>
Arc welding was performed for a maximum of 2 minutes to check for chip fusion.
[0051]
After welding under the conditions shown below, the amount of aluminum alloy powder deposited in the conduit was measured.
[0052]
<Aluminum alloy powder amount>
Welding conditions: 170 A, 22 to 23 V, feed rate: 50 cm / min. After welding, the aluminum alloy powder deposited in the conduit was collected on a filter paper while flowing with a solvent, and the amount of aluminum alloy powder generated was compared. However, since the welding time differs depending on the test material, Table 2 shows values converted into the amount of aluminum alloy powder generated in 5 minutes.
[0053]
[Table 1]
Figure 0003833937
[0054]
[Table 2]
Figure 0003833937
[0055]
As is apparent from Table 2, since the test materials No. 1 to 7 satisfy the requirements of the present invention, the wire feedability is good. Therefore, a stable arc can be obtained. Further, since the frictional force generated between the wire and the tube when the wire passes through the tube is small, the wire is not scraped and the amount of aluminum alloy powder generated in the tube is small.
[0056]
In particular, specimens Nos. 1, 3, and 4 are excellent in wire feedability and arc stability because the balance between the ventral side and the back side of the residual stress on the wire surface is good.
[0057]
On the other hand, sample materials No. 8 and No. 9 are comparative examples that do not satisfy the requirements of the present invention, and have poor wire feedability. Therefore, the arc stability is also poor.
[0058]
【The invention's effect】
By adopting the above configuration, it is possible to improve the feedability of the aluminum alloy wire for welding wound in a coil shape, and thus it is possible to provide a wire that can realize a stable arc.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a consumable electrode type gas shielded arc welding method.
FIG. 2 is a schematic view showing a conventional aluminum alloy wire for welding with a winding rod.
FIG. 3 is a schematic view showing an aluminum alloy wire for welding according to the present invention.
FIG. 4 is an example of a process for attaching a wire to a wire obtained by wire drawing.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Spool 2: Wire for welding 3: Feeding device 4: Guide roller 5: Feeding roller 6: Conduit tube 7: Welding torch 8: Current supply tip 9: Base material 10: Aluminum alloy wire for welding 11: Abdominal wire Side (inside) 12: Back side of wire (outside)
20: Wire 21a-21c: Straightening roll 22: Spool 23: Push-in amount

Claims (4)

コイル状に巻かれた溶接用のアルミニウム合金ワイヤであって、
コイル巻きの腹側表面における残留応力が引張応力であることを特徴とする溶接用アルミニウム合金ワイヤ。
An aluminum alloy wire for welding wound in a coil shape,
An aluminum alloy wire for welding, wherein the residual stress on the ventral surface of the coil winding is a tensile stress.
前記コイル巻きの背側表面における残留応力が300MPa以下の引張応力である請求項1に記載の溶接用アルミニウム合金ワイヤ。The aluminum alloy wire for welding according to claim 1, wherein the residual stress on the back surface of the coil winding is a tensile stress of 300 MPa or less. 合金元素として、Mg:1.5〜6質量%を含有するものである請求項1または2に記載の溶接用アルミニウム合金ワイヤ。The aluminum alloy wire for welding according to claim 1 or 2, which contains Mg: 1.5 to 6 mass% as an alloy element. 他の合金元素として、Cr:0.01〜0.5質量%およびMn:0.01〜1.2質量%、を夫々含有し、且つ、Fe:1質量%以下(0質量%を含む)、に抑制したものである請求項1〜3のいずれかに記載の溶接用アルミニウム合金ワイヤ。As other alloy elements, Cr: 0.01 to 0.5% by mass and Mn: 0.01 to 1.2% by mass, respectively, and Fe: 1% by mass or less (including 0% by mass) The aluminum alloy wire for welding according to claim 1, wherein the aluminum alloy wire is welded.
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