JPH0557480A

JPH0557480A - Ａｌ基材料表面への肉盛溶接用複合ワイヤ

Info

Publication number: JPH0557480A
Application number: JP24417591A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Kurihara; 繁栗原; Yasutoshi Nakada; 康俊中田; Satoyuki Miyake; 聡之三宅; Hiroyuki Koike; 弘之小池; Yoshio Kanbe; 良雄神戸
Original assignee: Nippon Steel Welding and Engineering Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Welding and Engineering Co Ltd
Priority date: 1991-08-30
Filing date: 1991-08-30
Publication date: 1993-03-09

Abstract

(57)【要約】【目的】Ａｌ基材料の表面に、ピットやブローホール
などの溶接欠陥が発生せず、基材との接合性の高い耐摩
耗性、耐熱性合金化層が安定して、安価に得られる複合
ワイヤを提供することにある。【構成】金属芯材を長手方向に金属外皮で被覆した複
合構造ワイヤで、複合ワイヤ全重量に対してＡｌを１５
％以上含有し、かつ芯材の融点が金属外皮の融点より低
いこと。【効果】Ａｌ基材料の表面に耐摩耗性、耐熱層が安定
して、かつ経済的に得られ、ピット，ブローホール等の
溶接欠陥の少ない肉盛金属を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＡｌ（アルミニウム）基
材料の表面に耐摩耗、耐熱層が安定してかつ経済的に得
られ、更に、ピット，ブローホール等の溶接欠陥発生の
少ないガスシールドアーク，プラズマアーク肉盛溶接用
複合ワイヤに関するものである。

【０００２】

【従来の技術とその課題】ＡｌまたはＡｌ合金は鉄鋼材
料に比較して、軽量で熱伝導性、耐食性が優れているこ
とから自動車部品をはじめ広い分野で使用されている。
しかし、Ａｌ合金は一般に鉄鋼材料に比べ強度、耐摩耗
性、耐熱性の面で劣っており、Ａｌ合金素材そのままで
は、鉄鋼材料の代替材料として適用できる部位、部品は
限られている。また、既にＡｌ，Ａｌ合金が使用されて
いる場合でも、近年、使用環境が過酷になるにつれ、更
に耐久性の向上が求められている。その対策として、Ａ
ｌ合金そのものの改良の外に、次に示すような表面に耐
摩耗、耐熱層を形成する方法が行われている。

【０００３】（１）ＰＶＤ，ＣＶＤにより薄い硬質皮膜
層を形成する方法、溶射により比較的厚い硬質皮膜層を
形成する方法がある。しかし、これらの方法で形成され
る皮膜は非常に硬いが基材との密着力が弱く、使用中に
剥離、脱落の恐れがあり信頼性に乏しい。更に、ＰＶ
Ｄ，ＣＶＤは皮膜形成速度が遅く、厚膜の形成は困難で
ある。溶射の場合は騒音、光線の発生など環境面でも問
題があり、また、基材との密着力が低く使用中に剥離す
る等の問題がある。

【０００４】（２）電子ビーム、レーザなどの高密度エ
ネルギー源を用いて基材表面とともに合金化金属を溶融
させ硬質合金層を形成する方法が開示されている。例え
ば、特開昭５５−２７５８７号公報には電子ビームによ
るＡｌ合金ピストンへのＶ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，
Ｎｉの合金化処理技術が開示されている。実開昭６２−
７２４５６，実開昭６２−７２４５８号公報にも電子ビ
ームによるＣｕの合金化処理技術が開示されている。し
かし、密度エネルギー源の電子ビームを使用すれば、融
点の高い合金化金属も容易に溶融し均一な合金層を得る
ことができるが、電子ビームによる合金化処理は真空容
器内で行うため、Ａｌ，Ａｌ合金が過熱されるとブロー
ホール、ピットが発生しやすく、生産性も低い。レーザ
ーは電子ビームと同様、高エネルギー密度を有するが、
Ａｌ，Ａｌ合金に対しては、吸収率が低いため適してい
ない。また、電子ビーム、レーザーの装置はともに高価
なため、その適用部品はコスト高となる。

【０００５】（３）ＭＩＧアーク、ＴＩＧアークを用い
る方法として、特開昭５８−１７９５６９号公報に、溶
加材にＡｌまたはＡｌ合金粉末とＮｂＣ粉末、ＴｉＣ粉
末、ＶＣ粉末との混合粉末を用い、ＴｉＧアークによる
Ａｌ系材料への表面硬化方法が開示されている。更に
は、特開平３−１６９４９５号公報、特開平３−１６９
４９６号公報には、Ａｌ外皮にＡｌ以外の金属線材やセ
ラミックス線材が収容された複合溶加材を用いたＡｌの
表面硬化方法が開示されている。しかし、溶加材に粉末
を用いた場合、その溶加材の安定送給、組成の偏析など
問題があり、均一組成の合金層が得にくい。例えば、Ｎ
ｂＣ，ＴｉＣ粉末等のセラミックスとＡｌ合金粉との混
合粉では、一般に炭化物等のセラミックスなどは破砕粉
であるため異形粉であり、安定送給は困難で、比重の異
なる混合粉では、組成的に均一な送給は困難である。従
って、添加金属の希釈量が変動するため、得られる合金
層の組成が不均一となり、耐摩耗性、耐熱性などの特性
が変動する原因となる。また、Ａｌ，Ａｌ合金の溶接で
は、溶融状態においてＨ₂，Ｎ₂，Ｏ₂等を吸収し易いた
め、ピツトやブローホールなどの溶接欠陥を生成し易
く、溶加材からもたらされるガス成分が、その発生の大
きな要因である。Ａｌ合金粉等の金属粉は一般的にガス
アトマイズ法または水アトマイズ法で製造されており、
ガスが多く含まれている。従って、溶加材にＡｌ合金粉
末等の金属粉末を用いた場合、粉末中に含まれているガ
スにより、ブローホール，ピットなどの溶接欠陥が発生
しやすいという問題がある。更に、溶加材に複合線材を
用いた場合、粉末に比べブローホール，ピットなどの溶
接欠陥は少ないが、外皮金属内部に内包された芯材の融
点が外皮金属の融点より高いと外皮金属が先に溶融し、
その後内包された芯材が溶融するといった状態となる。
この様な現象が生じると合金層に外皮金属成分が多い箇
所と芯材成分が多い箇所と言うように合金層に成分の偏
析が生じ易く、均一組成の合金層が得にくい。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記のような
合金化処理の問題点を解決するべくなされたもので、そ
の目的とするところは、Ａｌ基材料の表面に、ピットや
ブローホールなどの溶接欠陥が発生せず、基材との接合
性の高い耐摩耗性、耐熱性合金化層が安定して、安価に
得られる複合ワイヤを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の肉盛溶接用複合
ワイヤは、下記の構成を要旨とするものである。即ち、
金属芯材を長手方向に金属外皮で被覆した複合構造ワイ
ヤであり、複合ワイヤ全重量に対してＡｌを１５％以上
含有し、且つ芯材の融点が金属外皮の融点より低いこと
を特徴とするＡｌ基材料表面への肉盛溶接用複合ワイヤ
である。なお、本発明の複合ワイヤに用いる肉盛溶接手
段は、簡便な溶接法であるガスシールドアーク（ＴＩ
Ｇ，ＭＩＧ溶接）、プラズマ溶接法である。

【０００８】

【作用】以下、本発明を図面に基ずいて詳細に説明す
る。図１は本発明の複合ワイヤの横断面形状を示す図で
ある。（ａ）は開口部を有した金属で被覆したもの、
（ｂ）は開口部を有しない金属で被覆したものである。
ここで１は芯材、２は外皮である。芯材１の横断面形状
は図２に示す様に１種類の芯材からなるもの（ａ）、２
種類の芯材からなるもの（ｂ）（ｃ）、３種類の芯材か
らなるもの（ｄ）等が適用できる。図１（ａ）の複合ワ
イヤの製造方法は金属外皮に帯鋼を使用し、該帯鋼を湾
曲に成形しながら芯材１を挿入し、その後所定の径まで
伸線加工を行って得る事ができる。（ｂ）の複合ワイヤ
の製造方法は金属外皮に帯鋼を使用し、帯鋼を湾曲に成
形しながら芯材１を挿入した後、該帯鋼の両端部をレー
ザーあるいは抵抗溶接により塞ぎ、その後所定の径まで
伸線するか、金属外皮にパイプを使用し、特開昭６２−
２４４５１９号公報に示される様に、パイプを振動させ
ながらパイプ端部から芯材１を挿入した後、所定の径ま
で伸線加工する等の方法によって得ることができる。

【０００９】なお、図２（ｂ）は図１（ｂ）の製造方法
により、図２（ｃ）は図１（ａ）の製造方法により得る
事ができ、また図２（ａ）は図１（ｂ）の製造方法を繰
り返して得ることができる。この様に本発明の複合ワイ
ヤの構造は、１種類ないし２種類以上の芯材を長手方向
に開口部を有する金属外皮か開口部を有しない金属外皮
で被覆されたものであるが、芯材組成と金属外皮組成の
組み合わせにより、Ａｌ基材料表面への肉盛金属の性能
に及ぼす影響が大であることが判った。即ち、本発明者
等は図１（ｂ）の様に長手方向に開口部を有しないＣｕ
パイプとＡｌパイプに図２（ａ）に示す横断面形状のＣ
ｕ線材とＡｌ線材を芯材とし、特開昭６２−２４４５１
９号公報に示される技術を用いて、各々ＣｕパイプにＡ
ｌ線材、ＡｌパイプにＣｕ線材を挿入し１．２ｍｍ径ま
で伸線加工を行い、２種類の複合ワイヤを試作した。
尚、ＣｕパイプにＡｌ線材を挿入した複合ワイヤをＡ，
ＡｌパイプにＣｕ線材を挿入した複合ワイヤをＢとし
た。また、ＣｕとＡｌの比率は複合ワイヤ全重量に対し
て５０％Ｃｕ、５０％Ａｌとした。

【００１０】これらの試作した複合ワイヤについて肉盛
金属の特性を調査すべく、アルミニウム板（ＪＩＳＡ
１０５０Ｐ：１０ｔ×５０Ｗ×１００ｌ）を用いて
ＭＩＧ溶接法にてビードオンプレート試験を行った。溶
接条件を次に示す。溶接条件電源極性ＤＣ（＋）溶接電流１８０Ａアーク電圧２４Ｖ溶接速度３０ｃｍ／ｍｉｎワイヤ突き出し長さ２０ｍｍシールドガスＡｒ：２５ｌ／ｍｉｎ

【００１１】また、２種類の複合ワイヤのアーク現象、
溶滴移行現象を調査するために、高速度カメラ（１／１
０００ｆ・ｐ・ｓ）にて撮影を行った。肉盛金属の特性
値として溶接ビードの溶接方向及び溶接方向と垂直な方
向における硬さ分布を測定した。詳細図を図３に示す。
図３（ａ）は溶接方向の硬さの測定要領を示したもの
で、ビード中央部ＡＢ間（１０ｍｍ）を０．５ｍｍピッ
チで硬さ測定を行った。図３（ｂ）は垂直方向における
硬さ測定要領を示したもので、ＡＢ間（Ａ：表面より
０．５ｍｍの位置、Ｂ：ボンド部）を０．５ｍｍピッチ
で硬さ測定を行った。尚、硬さ測定荷重は３００ｇｒと
した。

【００１２】溶接方向の硬さ分布の調査結果を図４に、
垂直方向の硬さ分布を図５に示す。図４、図５より複合
ワイヤＡは硬さが安定しておりＨｖ２００程度の肉盛金
属が得られた。これに対し、複合ワイヤＢは硬さのばら
つきが大きく、最大Ｈｖ２５０から最小Ｈｖ１６０まで
ばらついていた。この原因について高速度カメラにて測
定した溶滴移行現象と比較検討した。その結果、複合ワ
イヤＡは溶滴が規則的に移行するグロビュラー移行であ
るのに対し複合ワイヤＢはグロビュラー移行とスプレー
移行とが混在した移行形態を示した。このことにより、
複合ワイヤＡは外皮のＣｕと芯材のＡｌとの合金化した
溶滴が移行しているため、肉盛金属の組成が均一化し、
硬さが安定したと考えられる。また、複合ワイヤＢはグ
ロビュラー移行時は外皮のＡｌと芯材のＣｕが合金化し
た溶滴が移行するが、スプレー移行時には融点の低い外
皮金属のＡｌ（融点：６６０℃）がアーク熱やジュール
熱によって先に溶融してしまい、溶け残った芯材のＣｕ
（融点：１０８３℃）のみがその後スプレー移行するた
め、肉盛金属の組成が不均一となって、硬さがばらつい
たと考えられる。尚、複合ワイヤＡで得られた肉盛金属
の組織はＡｌとＣｕの共晶組織が一様に分散していた
が、複合ワイヤＢで得られた肉盛金属の組織はＡｌとＣ
ｕの過共晶組織と亜共晶組織が混在していた。

【００１３】以上の実験から明かな様に、外皮金属が芯
材金属よりも融点が高い場合は、合金化した溶滴が移行
するため良好な肉盛金属が得られるが、逆に外皮金属が
芯材金属よりも融点が低い場合は、外皮金属がアーク熱
やジュール熱によって先に溶融してしまい、芯材が溶け
残った状態をつくるために、合金化がうまく進行でき
ず、肉盛金属の品質が安定しないことがわかった。尚、
この現象はＴＩＧアーク，プラズマアークを使用した場
合にも同様に生じた。更に本発明においては、２種類以
上の芯材を被覆した複合ワイヤにおいても、外皮金属の
融点が芯材金属の融点より高くなければならない。また
芯材の横断面形状が図２（ｂ）の場合は中心部３より外
側部４の融点が高くなる様に組み合わせる。図２（ｄ）
の場合も中心部５の融点が一番低くなる様に組み合わせ
る。例えば、図１（ａ）の外皮に図２（ｂ）を芯材とす
る場合は金属外皮１をＮｉ、芯材金属には中心部３をＡ
ｌ、外側部４をＣｕとしたものや、図１（ｂ）の外皮に
図２（ｄ）を芯材とする場合は金属外皮１にＴｉ、中心
部５にＭｇ、中間部６にＡｌ、外側部７にＮｉとしたも
の等が選択できる。

【００１４】また、本発明においてはＡｌを外皮材中、
芯材中の一方かあるいは両方に複合ワイヤ全重量に対し
て１５ｗｔ％以上含有させることが望ましい。Ａｌを１
５ｗｔ％以上含有させることでＡｌ基材料とのぬれ性が
良好となる。１５ｗｔ％未満ではＡｌ基材料とのぬれ性
が劣り肉盛金属と母材との接合強度が低下し、ビードの
剥離や割れが生じる恐れがある。なお、図６は、本発明
に係る複合ワイヤの横断面形状について各々（ａ），
（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｆ）にて示す。更
に本発明の複合ワイヤの横断面形状は真円に限定される
ものではなく、楕円形、角形、偏平状等の各種の形状に
成形加工できるが、いずれも金属外皮の融点が芯材の融
点よりも高いものでなければならない。

【００１５】

【実施例】本発明になる複合ワイヤの効果を実施例によ
って、更に具体的に説明する。試作した１．６ｍｍ径の
複合ワイヤを表１に、その肉盛金属の特性調査結果を表
２に示す。肉盛金属の特性調査のために、アルミニウム
板（ＪＩＳＡ１０５０Ｐ：１０ｔ×５０Ｗ×１００
l）を用いてＴＩＧアーク溶接法によるビードオンプレ
ート試験を実施し、得られた肉盛金属について、硬さ、
ビードの割れや剥離、ブローホール等について調査し
た。肉盛金属の硬さの測定は図３（ｂ）に示す要領にて
行い、表２には硬さの最小値と最大値及びその範囲
（Ｒ）を示した。ビードの割れや剥離は溶接部断面を光
学顕微鏡（×１００）にて調査し、ブローホールについ
ては、ＪＩＳＺ３１０５（アルミニウム溶接部の放
射線透過試験方法及び透過写真の等級分類方法）に準拠
して行った。尚、溶接条件は以下の通りである。溶接条件電源極性ＤＣ（−）溶接電流１６０Ａアーク電圧１５Ｖ溶接速度１０ｃｍ／ｍｉｎシールドガスＨｅ：２５ｌ／ｍｉｎ

【００１６】表２においてＮｏ．１〜Ｎｏ．７は本発明
の要件を全て満たす本発明例であり、Ｎｏ．１，Ｎｏ．
２，Ｎｏ．７は１種類の芯材を用いたもの、Ｎｏ．３，
Ｎｏ．４は２種類の芯材を用いたもの、Ｎｏ．５，Ｎ
ｏ．６は３種類の芯材を用いたものであり、各々、肉盛
金属の硬さも安定し、ビードの剥離、割れは皆無であ
り、ブローホールについても良好な結果を示した。これ
に対しＮｏ．８，Ｎｏ．９は１種類の芯材を用いたもの
であるが、外皮の融点が芯材の融点よりも低い例であ
り、肉盛金属の硬さが大きくばらついている。Ｎｏ．１
０は２種類の芯材を用いたものであるが、これも外皮の
融点が芯材の融点よりも低いために肉盛金属の硬さが大
きくばらついている。更に、Ｎｏ．１１は１種類の芯材
を用いたものであり、外皮の融点は芯材の融点より高い
ために肉盛金属の硬さは安定しているが、複合ワイヤ全
重量に対するＡｌ量が少なくビードが剥離していた。
尚、ブローホールについては、本発明例及び比較例とも
良好であった。これは溶加材として複合ワイヤを使用し
たためである。

【００１７】

【表１】

【００１８】

【表２】

【００１９】

【発明の効果】以上のことにより、本発明の複合ワイヤ
によればＡｌ基材料の表面に耐摩耗性、耐熱層が安定し
て且つ経済的に得られ、ピット，ブローホール等の溶接
欠陥発生の少ない肉盛金属を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】複合ワイヤの横断面形状を示した図、

【図２】芯材の横断面形状を示した図、

【図３】硬さ測定要領を示した図、

【図４】溶接ビードの溶接方向の硬さ分布を示した図、

【図５】溶接方向と垂直な方向の硬さ分布を示した図、

【図６】実施例の複合ワイヤの横断面形状を示した図で
ある。

【符号の説明】

１外皮２，３，４，５，６，７芯材８Ａｌ板９溶接ビード

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小池弘之東京都中央区築地三丁目５番４号日鐵溶接工業株式会社研究所内 (72)発明者神戸良雄東京都中央区築地三丁目５番４号日鐵溶接工業株式会社研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属芯材を長手方向に金属外皮で被覆し
た複合構造ワイヤであり、複合ワイヤ全重量に対してＡ
ｌを１５％以上含有し、且つ芯材の融点が金属外皮の融
点より低いことを特徴とするＡｌ基材料表面への肉盛溶
接用複合ワイヤ。