JP2013530052A - 窒素を含有する不活性ガスを使用してアルミニウムで被覆された金属部品をアーク溶接する方法 - Google Patents
窒素を含有する不活性ガスを使用してアルミニウムで被覆された金属部品をアーク溶接する方法 Download PDFInfo
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Abstract
本発明は、アルミニウムの表面被覆（特にアルミニウムとケイ素で構成される被覆）を有している１つまたは複数の金属（特に鋼製の）部品を、シールドガス（protective gas）を使用してレーザービーム無しでアーク溶接する方法に関し、シールドガスがアルゴン及び／又はヘリウムとさらに窒素（特に３０容量％の窒素、通常２〜１０容量％の窒素）との混合物で構成されることを特徴とする。
【選択図】 無し
【選択図】 無し
Description
本発明は、窒素とアルゴン及び／又はヘリウムから構成されるシールドガスを使用して、アルミニウムを主成分とする表面被膜、特にアルミニウムとケイ素の被膜を有した鋼鉄部品のアーク溶接のための手順に関する。
アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金で被覆された有る鋼材、例えば、ＵＳＩＢＯＲ（登録商標）などの鋼材は、熱間引き抜きの後に非常に高い機械特性を有しており、したがって、軽量化が望まれる場合に自動車の構造の分野でますます使用される。実際に、これらの鋼材は、熱処理されて熱間引抜工程の間に焼入れされ、標準高降伏強度鋼材と比べて自動車の重量の軽量化を非常に顕著に可能にする機械特性に設計されている。これらは、バンパービーム、ドア補強部材、センターピラー、ウィンドウピラーなどを製造するのに主に使用される。
アルミニウムまたはアルミニウム合金で被覆された他の鋼材は、それらの耐食性及び耐熱性の特性のために使用される。外部構造またはスイッチボックス用に使用されるAluzinc（登録商標）鋼材や、マフラ、防熱網、ボイラーの耐熱被覆材、炎管ライニング、発電所又は石油化学工業における適用のために使用されるAlusi（登録商標）鋼材及びAlupur（登録商標）鋼材が特に製造される。
理論上、MIG溶接、MAG溶接、またはろう付け工法などの、全ての従来のアーク溶接方法は、これらのアルミニウム化処理された鋼材を組み立てるために適用される。
しかしながら、アルミニウムまたはアルミニウム合金で被覆された部品のアーク溶接工程の後、溶接継手の溶着部に引張強度の低い相が現れると言うことが実際にはわかる。この相は、金属間化合物またはδフェライトからなる。
Usiborの場合、分析後、引き抜きの前処理の間に鋼材のオーステナイト系変態をを引き起こさないかなりの割合のアルミニウムをこの相が含有しており、すなわち、この相はδフェライトの形態で残留して、その結果、マルテンサイト系／ベイナイト系変態を経た残りの部分よりも硬度が低い、と決定される。
しかしながら、非変質相は、継手の亀裂や破裂にさえつながるかもしれない。実際に、δフェライト層を含むこれらの領域は、アルミニウムが添加されており、母材よりも溶接抵抗が低い。
アルミニウムを主成分とする表面被膜を有した鋼材部品のレーザ・アークハイブリッド溶接方法は、欧州特許出願第１８７８５３１号明細書に既に提案されている。
この方法は、ある場合において良い結果をもたらすが、この実施は、アークの効果をレーザービームの効果と複合することが要求されるので複雑である。
さらに、アーク溶接電源および特にレーザ溶接電源の両方に投資する必要があり、その方法の全体的な生産性に不利益であるかもしれない高い費用および追加の保守作業が発生する。
ＭＩＧ溶接において対象とされた適用は、アルミニウム化した薄板にスタッドまたは鋼材製の様々な構成を溶接すること、またはマフラの場合のように２つの薄板を互いに溶接することである。
直面した課題は、したがって、アルミニウムまたはアルミニウム合金で被覆された鋼材部品を溶接する作業の間に、溶接部の良い機械特性、特に引張特性、を得ることが可能な簡単に実施の溶接方法を提案することである。
本発明の解決は、シールドガスを使用してアルミニウムを主成分とする表面被覆を有した少なくとも１つの鋼材部品をアーク溶接方法であって、前記金属部分の金属の溶融は、金属の溶解に関与するいかなるレーザービームの存在を除外して、唯一アークによって行われ、シールドガスは、アルゴン及び／又はヘリウムと、窒素との混合物で構成されることを特徴とする。
本発明の方法に使用されるガス混合物は、したがって、Ａｒ／Ｎ２またはＨｅ／Ｎ２の二元ガス混合物またはＡｒ／Ｈｅ／Ｎ２の三元ガス混合物を構成するために、唯一、アルゴン、ヘリウムまたは両方に窒素が加えられたものから構成される。
すでに規定されているように、「アーク溶接方法」という表現は、唯一アークによって金属の溶解が行われ、したがって溶接される１つの部品または複数の部品の金属を溶解するために実施されるいかなるレーザービームの存在が除外される、ことが文脈から溶接工法を意味するものと理解される。そして、そこから、アーク／レーザーハイブリッド溶接方法は、同じ方法で反応しないアークだけ、レーザービームで補助されたアークとして、本発明の分野から除外されるということになる。
この場合、本発明の方法は、後述の特徴を１つまたはそれ以上含むであろう。
− シールドガスは、少なくとも０．０２５容量％で３０容量％以下の窒素を含む。
− シールドガスは、少なくとも０．０２５容量％で２０容量％以下の窒素を含む。
− シールドガスは、少なくとも０．０２５容量％で１５容量％以下の窒素を含む。
− シールドガスは、少なくとも１容量％の窒素を含む。
− シールドガスは、少なくとも２容量％の窒素を含む。
− シールドガスは、少なくとも３容量％の窒素を含む。
− シールドガスは、１０容量％未満の窒素を含む。
− シールドガスは、少なくとも４容量％の窒素を含む。
− シールドガスは、９容量％以下の窒素を含む。
− シールドガスは、８容量％以下の窒素を含む。
− シールドガスは、少なくとも５容量％の窒素を含む。
− シールドガスは、７容量％以下の窒素を含む。
− シールドガスは、少なくとも５．５容量％の窒素及び６．５容量％以下のの窒素を含む。
− シールドガスは、約６容量％の窒素を含む。
− １つまたは複数の鋼材部品は、５〜１００μｍ、好ましくは５０μｍ以下の厚みを有したアルミニウムを主成分とする表面被膜を備える。被膜は、１つまたは複数の部品少なくとも１つの表面を覆うが、アルミニウムを主成分とする被膜が前記１つまたは複数の部品の端部の縁、すなわち例えば薄板の縁に、全くあるいは事実上全く存在しない。
− １つまたは複数の金属部品は、アルミニウム及びケイ素（Ａｌ／Ｓｉ）を主成分とする表面被膜を有した鋼材で作られる。
− １つまたは複数の金属部品は、ケイ素よりもアルミニウムが５〜１００倍多い割合、例えばアルミニウムが９０％重量当量でケイ素が１０％重量当量の割合、で含有されたアルミニウム及びケイ素を主成分とする表面被覆を含み、すなわち、表面被覆層は、ケイ素よりもアルミニウムを９倍多く含む。
− １つまたは複数の金属部品は、ケイ素よりもアルミニウムが５〜５０倍多い割合、特にケイ素よりもアルミニウムが５〜３０倍多い割合、特にケイ素よりもアルミニウムが５〜２０倍多い割合で含有されたアルミニウムとケイ素を主成分とする表面被覆を含む。
− 消耗し得る溶加ワイヤ、例えば、ソリッドワイヤ、またはフラックス入ワイヤを有するＭＩＧ（Metal Inert Gas）溶接方法である。
− 溶接されるべき１つまたは複数の部品は、１つまたはいくつかの自動車部品である。
− 使用される溶接電圧は、１４〜３５Ｖである。
− 使用される溶接電流（welding intensity）は、８０〜３００Ａである。
− 溶接されるべき１つまたは複数の部品は、０．６〜２．５ｍｍの厚み、好ましくは１〜２ｍｍの厚みを有する。厚みは、生産されるべき接合面すなわち、溶接継手を形成するためにアークで融かされる金属の部分、例えば、溶接されるべき１つまたは複数の部品の端部で考慮される。
− ガスの圧力は、２〜１５bar、好ましくは１２bar未満、特に約４〜８barである。
− ガスの流量は、考慮された適用にしたがって、３０ｌ／min未満、一般に２５l/min未満、通常では１５〜２０l/minの間である。
−いくつかの部品、通常２つの部品、が互いに溶接され、特に形状、厚さなど、前記部品にとって同じか異なり得る。
− これらの部品は、高合金鋼（合金元素が重量で＞５％）、低（weakly）合金鋼（合金元素が重量で＜５％）、または非合金鋼、例えば炭素鋼で作られる。
− 溶接ワイヤは、ソリッドワイヤまたはフラックス入りワイヤである。
− 溶接ワイヤは、直径０．５〜５ｍｍ、通常約０．８〜２．５ｍｍである。
本発明は、以下の説明によって。よりよく理解される。
提案された解決は、したがって、アルミニウム処理されたこれら部品、すなわち、アルミニウムまたは好ましくはアルミニウム合金、好ましくはＡｌ／Ｓｉ被覆と言うような表面被覆を有した部品の溶接を、アーク単独（すなわち、レーザービームの存在なしで）及び通常のシールドガスによって、実施する。
本発明にしたがってこれを実施するために、使用は、アーク溶接の間、アルミニウム上でアークの安定化を得ること、及び、溶接されるべき１つまたは複数の金属製部材の溶融金属中、すなわち溶接継手にアルミニウムを主成分とする被膜が溶解することを減少させること、を可能にするシールドガスで形成される。
この特定のシールドガスは、アルゴン及び／又はヘリウムに、０．０２５容量％〜３０容量％、好ましくは３容量％〜１０容量％の窒素を加えて構成される。
このガス混合物は、アルミニウムと窒素の間の反応によって、より優れた電気放射率を有する窒化アルミニウムの生成をもたらし、その結果、アークの移動と陰極点のサイズを減少させ、したがって、溶接アークの安定化につながる。
さらに、窒化アルミニウムは、溶融池の表面に浮かぶので、部品の表面に在るアルミニウムの融解を防止する。これは、アルミニウムが溶接に混入することを抑制または少なくともかなりの削減をもたらし、したがって、通常観測されるδフェライトまたは金属間化合物の形態の相の全てまたはほとんど全てが消滅するために引張強度が改善される。
使用されたガス混合物は、ガス混合器を使用して所望の割合に所望の混合物の成分の攪拌によってその場で作られるか、または、事前にパックされた形態すなわち封入工場で作られ溶接ガスボンベのような適したガス容器を使用して使用される場所に搬送される。
実施例
本発明の方法は、Usibor 1500（登録商標）すなわち重量でそれぞれの割合が９０％及び１０％である３０μｍのアルミニウム／ケイ素（Ａｌ／Ｓｉ）の層で被覆された鋼製部品を手動でＭＩＧアーク溶接を実施する間に良い結果を得た。
溶接部は、それぞれ１．２ｍｍの厚みを有している。
実施された試験の状況において、２０l／minの流量及び４barの圧力で配分される使用されるガス（容積％）は、以下のとおりである。
本発明の方法は、Usibor 1500（登録商標）すなわち重量でそれぞれの割合が９０％及び１０％である３０μｍのアルミニウム／ケイ素（Ａｌ／Ｓｉ）の層で被覆された鋼製部品を手動でＭＩＧアーク溶接を実施する間に良い結果を得た。
溶接部は、それぞれ１．２ｍｍの厚みを有している。
実施された試験の状況において、２０l／minの流量及び４barの圧力で配分される使用されるガス（容積％）は、以下のとおりである。
− 試験Ａ（比較対照）：純アルゴン（１００％）
− 試験Ｂ（発明）：アルゴンと２％の窒素（Ｎ２）で形成された混合物
− 試験Ｃ（発明）：アルゴンと４％のＮ２で形成された混合物
− 試験Ｄ（発明）：アルゴンと６％のＮ２で形成された混合物
− 試験Ｅ（発明）：アルゴンと８％のＮ２で形成された混合物
− 試験Ｆ（比較対照）：アルゴンと８容量％のＣＯ２で形成された混合物。
− 試験Ｂ（発明）：アルゴンと２％の窒素（Ｎ２）で形成された混合物
− 試験Ｃ（発明）：アルゴンと４％のＮ２で形成された混合物
− 試験Ｄ（発明）：アルゴンと６％のＮ２で形成された混合物
− 試験Ｅ（発明）：アルゴンと８％のＮ２で形成された混合物
− 試験Ｆ（比較対照）：アルゴンと８容量％のＣＯ２で形成された混合物。
使用されるトーチは、DINSEE社製のＭＩＧトーチで、Air Liquide Welding社製のNertalic 88（ER 100 SG: AWS, A5.25）タイプの直径１．２ｍｍの溶加ワイヤが２．８〜３．５ｍ／minの速度で供給される。
溶接電圧は約１５Ｖ、溶接電流（intensity）は約２８０Ａ；これらは、Air Liquide Welding France社製のDigi＠wave 400タイプ（短アーク／短アーク＋）共同モード（EN131）の発電機によって得られる。達成された溶接速度は、２０ｃｍ／minである。
溶接電圧は約１５Ｖ、溶接電流（intensity）は約２８０Ａ；これらは、Air Liquide Welding France社製のDigi＠wave 400タイプ（短アーク／短アーク＋）共同モード（EN131）の発電機によって得られる。達成された溶接速度は、２０ｃｍ／minである。
互いに溶接されるべき部品は、約４５°の角度、および角度の頂部によって作られる溶接面を形成する。
得られた結末は、アルゴン中のＮ２の存在がアルゴン単体で使用するよりも良い結果を導くので、窒素の重要な影響を示している。
実際に、アルゴン単体（試験Ａ）で、アークは不安定であり、搬送に斑がある、すなわち、大きい滴の溶融金属が形成される。アルゴン雰囲気で作られた継手は、全て質の低下した外観を有している。特に、ビードの縁の濡れの不足およびこれらが重要な過剰厚みを有していることに気付くことができる。さらに、溶接中に、溶融金属の液滴の大きいスパッタの形成及び大量のヒュームが見られる。
反対に、本発明に係るＡｒ／Ｎ２混合物では、結果において、試験条件下で最大約６％〜８％が混合物に含有されたＮ２に比例して増大する注目すべき改善がある。
したがって、２％のＮ２を含有する（試験Ｂ）のＡｒ／Ｎ２混合物では、金属の搬送は、試験Ａよりも安定しているが、ビードは改善が既に顕著にみられるにもかかわらず完全にどんな欠陥もないということはない。実際に、アーク破断は非常に多くあるわけではないし実在しなくなりさえするが、アーク安定性は時々乱れる。溶接中に大きな液滴が形成される現象は、減少する。実際にアルゴンに２％の窒素を加えることは、ビードの頂部／底部濡れの全てにわたって向上させる。
他のパラメータ、特に電気的パラメータを変化させることなく、アルゴン中の窒素の添加を４％に増やす（試験Ｃ）ことによって、表面外観における一般的な改善およびビードの頂部／底部の縁の許容できる濡れが認められ、ビードの表面外観も改善される：弱い凝固線及び中央部のさほど大きくない過剰厚みがある。これらの結果は、満足のゆくものであり再現可能である。ワイヤの溶融は、正確でより安定した搬送でよい。角継手の結果は、ビードの頂部／底部の縁に許容できる濡れを有している。溶融池は、他方でわずかに「冷間」のまま残っており、ある条件下で取り扱うことは難しいだろう。
６％（試験Ｄ）に窒素の添加を増やすことは、一般的で、表面外観にさらに著しい改善、およびビードの頂部／底部の縁に良い濡れをもたらす。ビードの表面は、非常にかすかな線だけをを有し、非常に小さい中央の過剰厚みもある。
試験Ｅにおいて、８％の窒素がアルゴンに添加される。ビードの表面粗さはさらに減少し、濡れは良好で、付着性のスパッタがほとんどない。操作上の観点から、アルゴンに８％の窒素を添加することは、ワイヤの良好な溶融とともに安定した搬送を得ることを可能にする。純アルゴンの環境下では不可能であり試験される他のアルゴン／窒素の混合物で容易であるから不必要であるパラメータ（ワイヤ速度の変化または電圧の変化）の調整を可能にするので、この混合物で実際の操作上の「柔軟性」が得られることに注目することは、興味深い。
最後に、試験Ｆ（比較対照）において、アルゴンに８％のＣＯ２を添加することは、継手を製造するために必要なアークの安定性を生み出すが、ビードの外観は悪くなり、継手の機械特性に不利であるδフェライト領域は残っている。ＣＯ２の添加は、したがって、窒素と異なって、δフェライトの形成に関連された問題を解決することを可能にしない。
これらの結果は、アルゴンに窒素を添加することが、アルミニウム／ケイ素合金の表層で被覆された鋼材の溶接の品質を非常に向上させることを可能にする、と言うことを明らかに示す。窒素含有量が増大する場合、改善は、さらに顕著であり、アルゴン中に少なくとも８％の窒素がある物が使用されることが推奨される。
しかしながら、並行して行われた放射線透過試験は、溶着金属中の空孔（porosities）の形成を避けることを所望する場合、この窒素含有量が超えてはいけないことを示した。実際に、試験Ｂ〜Ｅにおいて得られたビードに実施された放射線透過試験は、窒素含有量として約６％まで、空孔率は、NF-EN287-1、NF EN ISO 5817及びEN 462-1 W10のような、特定の標準規格の推奨にしたがうと、すなわち、許容されることを示す。
他方では、アルゴンに８％の窒素の添加（試験Ｅ）から始まって、空孔は、溶接ビードの始端部に時々生じる。これらの空孔は、この割合で作られた継手が標準規格による中に入らないことを意味する。
したがって、窒素含有量を約６％に制限する、または空孔が生じやすいビードの始端部及び終端部に余長部（appendages）を設けることが好ましい。加えて、マクロ試験（micrographic test）が、溶接後のビードの構造を視覚化するために実施される。
これらの試験は、試験Ａの条件で得られたビードに対して、部品を覆うＡｌ／Ｓｉ層から起因するアルミニウム及びケイ素の溶解のために白色領域の形で延性相を明らかにした。これらの領域は、溶接継手の機械特性に損害を与えるδフェライトを含んでいる。
逆に、試験Ｂ〜Ｅの条件で得られたビードの検査の後、δフェライト領域がシールドガスに窒素を添加したことによってかなり減少したことが明らかである。４％の窒素から始めて、δフェライト領域は、溶接部にはもはや現れない。
Ｕｓｉｂｏｒ（登録商標）タイプのようなＡｌ／Ｓｉ層で被覆された鋼製部品に作られた溶接ビードにδフェライト領域の形成を避けることが求められる場合、これは、アルゴンに窒素を添加することの利点を実証する。すべてまたはアルゴンのいくつかに示された追加試験は、窒素を添加することから生じる利益を損なうことなく、ヘリウムによって置き換えることができると言うことに注目すべきである。
したがって、一般に１０容量％以下、好ましくは４〜８容量％の間、より好ましくは５〜７容量％の間、特に６容量％前後（order）の窒素と、残りがアルゴン及び／又はヘリウムの割合で使用する。
したがって、一般に１０容量％以下、好ましくは４〜８容量％の間、より好ましくは５〜７容量％の間、特に６容量％前後（order）の窒素と、残りがアルゴン及び／又はヘリウムの割合で使用する。
以下に、本願の補正前の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
金属部品の金属の溶融をいかなるレーザービームを除いて唯一アーク放電によって行ない、シールドガスを使用して、アルミニウムを主成分とする表面被膜を含む少なくとも１つの金属部品をアーク溶接する方法であって、前記シールドガスは、アルゴン及び／又はヘリウムと、窒素との混合物からなることを特徴とする方法。
以下に、本願の補正前の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
金属部品の金属の溶融をいかなるレーザービームを除いて唯一アーク放電によって行ない、シールドガスを使用して、アルミニウムを主成分とする表面被膜を含む少なくとも１つの金属部品をアーク溶接する方法であって、前記シールドガスは、アルゴン及び／又はヘリウムと、窒素との混合物からなることを特徴とする方法。
Claims (12)
- 金属部品の金属の溶融をいかなるレーザービームを除いて唯一アーク放電によって行ない、シールドガスを使用して、アルミニウムを主成分とする表面被膜を含む少なくとも１つの金属部品をアーク溶接する方法であって、
前記シールドガスは、アルゴン及び／又はヘリウムと、窒素との混合物からなることを特徴とする方法。 - 前記シールドガスは、少なくとも０．０２５容量％で３０容量％以下の窒素を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。 - 前記シールドガスは、少なくとも３容量％の窒素、または１０容量％未満の窒素を含む
ことを特徴とする先行する請求項のどちらかに記載された方法。 - 前記シールドガスは、少なくとも４容量％の窒素、および８容量％未満の窒素を含む
ことを特徴とする先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。 - 前記シールドガスは、５容量％〜７容量％の窒素を含む
ことを特徴とする先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。 - １つまたは複数の前記金属部品は、５〜１００μｍの間、好ましくは５０μｍ以下のアルミニウムを主成分とする表面被覆を有する
ことを特徴とする先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。 - １つまたは複数の前記金属部品は、アルミニウム及びケイ素（Si／Al）の表面被膜を有した鋼鉄製である
ことを特徴とする先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。 - １つまたは複数の前記金属部品は、アルミニウムとケイ素を主成分とし、ケイ素よりもアルミニウムが５〜１００倍大きい割合で含まれている表面被膜を有する
ことを特徴とする先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。 - １つまたは複数の前記金属部品は、アルミニウムとケイ素を主成分とし、ケイ素よりもアルミニウムが５〜５０倍大きい割合で含まれている表面被膜を有する
ことを特徴とする先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。 - 消耗し得る溶接ワイヤーを有するＭＩＧ溶接方法である
ことを特徴とする先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。 - １つまたは複数の溶接されるべき部品は、１つまたは複数の車両用部品である
ことを特徴とする先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。 - 複数の部品、通常２つの部品は、互いに溶接される
ことを特徴とする先行する請求項のいずれか１項に記載の方法。
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