軟炭素鋼 GMAW 電極の背後にある化学

軟炭素鋼電極を選択すると、労働生産性や総溶接コストが大幅に向上したり、低下したりする可能性があります。そのため、溶接工が溶加材の背後にある化学を理解することが重要です。 画像: ESAB

アプリケーションの専門家は、「最適な MIG ワイヤは何ですか?」とよく質問されます。 ガスメタル アーク溶接 (GMAW) に関するこの質問に対する答えは常に、「必要な溶接規格、機械的特性、および溶接手順の仕様を満たしているもの」です。

ただし、製造業者は技術要件を満たすことに加えて、総溶接コストを考慮する必要があります。 人件費は溶接コスト全体の平均 75% ～ 85% を占め、溶加材は約 10% を占めます。 最適な溶加材を選択すると、労働生産性や総溶接コストが大幅に向上したり低下したりする可能性があります。

以下は、軟炭素鋼 (グレード A36) 溶接用の電極に焦点を当てて、溶加材の化学的性質が溶接結果にどのような影響を与えるかの概要です。これらの電極は最も広く使用されており、ほとんどの人が最初に使い方を学ぶものであるためです。

米国溶接協会 (AWS) は炭素鋼電極を分類しています (図 1 を参照)。 これらの電極は、溶接金属の最小引張強度が 70,000 PSI であるため、A36 鋼をそれ自体に、または他のグレードの炭素鋼に溶接するのに適しています (強度が最も低い A36 のみを適合させる必要があります)。

炭素鋼電極を配合する際、メーカーは最大 17 種類の異なる原料元素を管理します (図 2 を参照)。 3 つの主要な合金元素は、炭素、マンガン、シリコンです。 AWS はこれらの元素の最小量と最大量を指定していますが、メーカーは化学を制御することで性能特性を強調できます。

炭素 (C) は、他のどの元素よりも構造的および機械的特性に大きく影響します。 ER70 電極の場合、炭素は通常 0.05% ～ 0.12% の間に保持され、延性、靱性、気孔率に影響を与えることなく溶接金属の強度を提供します。

メーカーは、溶接溜まりの脱酸を制御し、溶接部の機械的特性の決定に役立てるために、他の合金を追加します。 脱酸とは、元素と溶接溜まりからの酸素との結合であり、その結果、溶接表面にスラグまたはシリカ島が形成されます。 パドルから酸素を除去すると、溶接金属のポロシティの原因となる酸素が除去されます。

シリコン (Si) は最も一般的な脱酸元素です。 使用目的に応じて、電極には通常 0.45% ～ 1% の合金が含まれます。 この割合の範囲では、シリコンは非常に優れた脱酸能力を示します。 シリコンを増加すると、延性と靱性の低下はわずかですが、溶接強度が向上します。 ただし、シリコンが 1% ～ 1.2% を超えると、溶接金属に亀裂が発生しやすくなる場合があります。 合金は水たまりの流動性にも影響します。

マンガン (Mn) も一般的な脱酸剤および強化剤です。 マンガンは軟鋼電極の 1% ～ 2% を構成します。 マンガンのレベルを増やすと、溶接金属の強度がシリコンよりも大幅に増加します。 マンガンはまた、溶接金属の高温割れに対する感受性を低下させます。

アルミニウム (Al)、チタン (Ti)、ジルコニウム (Zr) は非常に強力な脱酸剤です。 これらの元素は非常に少量で添加されることがありますが、通常は合わせて 0.2% を超えません。 この範囲では、ある程度の強度の向上が達成されます。

図 1. AWS は、引張強度や化学組成などの要素に基づいて炭素鋼電極を分類しています。

機械的特性や耐食性を向上させるために、ニッケル (Ni)、クロム (Cr)、モリブデン (Mo) などの他の元素が添加されることがよくあります。 少量であれば、炭素鋼ワイヤに使用して、堆積物の強度と靭性を向上させることができます。

軟鋼用の GMAW 電極には、通常、文字 S (固体電極であることを示す) と、数値指定子 (2 ～ 7) または文字 G が含まれます。最も広く使用されている電極は、S-3 と S-6 です。

ここでは、これらの電極の名称の意味とその人気の理由についての簡単なガイドと、選択の際に役立つ他の電極の化学的性質に関するメモを示します。

S-2「三重脱酸」電極には、マンガンとシリコンに加えて、アルミニウム、チタン、ジルコニウムが含まれており、錆やミルスケール上での溶接用に設計されています。 溶接液溜まりが少ないため、位置を外して使用した場合でも制御が容易であり、小径パイプの全姿勢溶接に適したワイヤです。

S-3 電極やシリコン レベルの低いその他の電極は、より硬いパドルを生成し、バック ビード プロファイルをより制御します。 それらは、より少ない、より小さなシリカ島を生成する傾向がある。 塗装部品の場合、メーカーは多くの場合、S-3 電極の使用を指定します。

S-4 電極には、S-3 電極よりも高いレベルのシリコンとマンガンが含まれており、より高いレベルの脱酸剤を必要とする用途向けに設計されています。 ER70S-4 分類では、シャルピー衝撃適合性試験は必要ありません。

S-6 電極にはより高いレベルのシリコンが含まれており、これによりより滑らかなアークが生成され (スパッタが減少)、水たまりの流動性 (「ウェットアウト」) が改善されます。 これにより、溶接先端部のスムーズな移行が促進され、ビードクラウンが平らになります。 S-6 電極は、良好なビードを容易に得られ、洗浄の必要性が少ないため、ユーザーにとって魅力的です。

S-6電極不純物を除去する脱酸剤として作用するマンガンとシリコンがより多く含まれています。 S-6 電極は、少量のミル スケール、油、汚れ、錆に対して S-3 よりも優れた性能を発揮します。 トレードオフは、捕捉された不純物がシリカ島として現れることです。 塗装された部品は洗浄 (通常はニードルガンによる) が必要です。そうしないと、最終的にシリカ島が剥がれ、傷が生じ、場合によっては錆が発生します。

S-7 電極はマンガン含有量が高いため、溶接部の降伏点と引張強度が高くなります。 この電子のシリコン レベルは S-3 と S-6 の間のどこかにあります。 これらは、100% CO2 またはアルゴン/CO2 シールド ガス混合物での使用に適しています (100% CO2 では溶接金属内のマンガンが減少し、それによって強度が低下します。これは用途によっては問題になる場合と問題にならない場合があります)。

低水素電極は、特により強靱な機械的特性を備えた材料において、水素亀裂の可能性を低減します。 H4R 指定は、溶着溶接部 100 g あたりの拡散性水素が 4 ml 未満であることを示します。

図 2. ファクトシートには、溶加材の化学組成がリストされています。 一般構造材、圧力容器、造船などの非合金鋼や細粒炭素マンガン鋼の溶接に使用されるER70S-6電極の化学組成を示します。

G (または GS) 電極は、組成、機械的特性、または試験要件を持たない一般的な分類電極ですが、その特性は AWS 分類電極の特性を満たすかそれを超える可能性があります。 これらは、亜鉛メッキ鋼板の溶接などの特殊用途を含む、シングルパス用途のみを対象としています。

分類のない電極は、多くの場合、特殊な用途を示しています。 たとえば、「イージー グラインド」電極は完全に脱酸されており、自動車の車体修理作業で見られる中程度のレベルの錆や塗装の上でも溶接できるように設計されています。 溶接金属は市販のほとんどの電極よりも研磨しやすいため、溶接後の洗浄が簡単かつ迅速になります。

メーカーは、化学薬品、化学薬品の許容差、電極コーティング、製造プロセスを制御することで、さまざまな電極の性能特性を強調できます。

その結果、異なるメーカーの電極が同じ名称であっても、その性能は大きく異なる可能性があります。 一般的な例としては次のようなものがあります。

GMAW のシールドガスは、金属の移動モードと浸透の深さを決定します。 簡単に言うと、アルゴンと CO2 の混合物が軟鋼電極の最も一般的なシールド ガスです。 高アルゴン混合物 (アルゴン 75% ～ 90%、バランスが CO2 または CO2 と酸素) は良好な機械的性能を実現し、ヒュームとスパッタの発生が少なく、オペレーターの魅力を高めます。

ただし、高アルゴン混合物はコストが高くなります。 CO2 は安価なガスであり、最も広範囲の浸透プロファイルと最良の洗浄作用を提供します。 その代償として、機械的テストの結果がわずかに低下し、溶接ヒュームが増加し、アークが激しくなり、スパッタが増加します。

CO2 と酸素は、アークの安定性と溶接溜まりと母材間の良好な融合を促進するため、場合によっては役立ちます。 酸素は CO2 よりもはるかに酸化力が強いです。 したがって、アルゴンへの酸素の添加は一般に体積で 10% 未満ですが、GMAW の短絡には 100% CO2 を使用できます。 酸化性ガスを使用する場合、多孔性を抑制するために電極には強力な脱酸元素が含まれている必要があります。

一般に、アルゴンと 1% ～ 3% の酸素、または CO2 含有量の低いアルゴンの混合物を使用して溶接する場合、溶接金属の化学組成はワイヤ電極の分析から大きく変化しません。 ただし、シールドガスに 100% CO2 と酸素を使用すると、ニッケル、クロム、モリブデン、炭素の含有量は一定のままですが、シリコン、マンガン、その他の脱酸元素の減少が期待できます。 炭素含有量が非常に低い電極 (0.04% ～ 0.06%) では、100% CO2 を使用すると炭素含有量がより高い溶接金属が生成されることに注意してください。

多くの炭素鋼用途では、母材にミル スケール、軽い錆、または酸洗い油の薄い層があり、溶接前にこれらを除去しないと溶接性能に影響を与える可能性があります。 この場合、スプレー転写 GMAW には 90% アルゴンと 10% CO2 の混合物、または略称として 80% ～ 85% のアルゴンと残りの CO2 など、アルゴン含有量の高い ER70S-6 電極を使用することが理想的です。 -GMAW回路。 電極の脱酸剤と 10% ～ 20% の CO2 を組み合わせると、適切な洗浄作用が得られ、外観が良く、溶け込みが良く、溶接部の先端で滑らかに移行する溶接部が得られます。

溶加材メーカーは、アプリケーションのニーズや溶接の問題に対処できるよう、顧客の要望に応えながら化学薬品やパッケージングを継続的に更新しています。 最新の配合を使用すると、製造業者がスパッタ、多孔性、シリカアイランド、コンタクトチップの摩耗、溶接品質に関連する非生産的な時間の一般的な原因に対処するのに役立ちます。 製造業者がより多くの人員を確保するのに苦労している時代において、生産量を増加させるには、既存のオペレーターが効率的に溶接を続けるために可能なあらゆる措置を講じる必要があり、それには最適な溶加材の選択も含まれます。