JP2003181647A - 溶接用トーチと溶接装置およびそのトーチを用いた溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アーク溶接のクリーニングアクション現象を
利用して溶接部位のクリーニングを行った上でＭＩＧ溶
接ができる溶接用トーチを提供する。 【解決手段】 共通のトーチ本体６内にＭＩＧ溶接電
極７とＴＩＧ溶接電極８とを選択使用可能に設ける。ア
ルミニウム母材の溶接に際して、ＴＩＧ溶接電極８を機
能させた溶接用トーチ５を溶接線に沿って動かすことに
より母材表面のクリーニングを先ず行う。それに続いて
ＭＩＧ溶接電極７を機能させた溶接用トーチ５を同じ溶
接線に沿って動かすことによりＭＩＧ溶接を施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶接用トーチと溶
接装置およびそのトーチを用いたアルミニウムの溶接方
法に関し、特にＴＩＧ溶接アークを利用して予め母材表
面の酸化皮膜を除去するべく積極的にクリーニング作用
を行わせるようにした溶接用トーチと溶接装置およびそ
のトーチを用いた溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】イナートガスアーク溶接の一種であるＴ
ＩＧ溶接法にてアルミニウム（アルミニウム合金を含
む）を溶接するに際して、そのアーク陰極点での清掃作
用（クリーニングアクション（Ｃｌｅａｎｉｎｇ Ａｃ
ｔｉｏｎ）現象）が発揮されることが知られている。す
なわち、ＴＩＧアーク溶接に際して、トーチ側を陰極と
し溶接するアルミニウム母材側を陽極として溶接電流を
印加すると、アルミニウム母材にアーク中の陽イオンが
衝突して表面の酸化皮膜が破壊され、その結果として鏡
面状の清掃面が発生することが知られている。なお、上
記クリーニングアクション現象は、例えば『昭和５２年
５月１０日，（株）コロナ社発行，「改訂最新溶接工
学」，第１４１頁「第４・１節 陰極点の清掃作用」』
に詳しい。

【０００３】一般にアルミニウムの溶接が難しいとされ
ているのは、図４に示すようにそのアルミニウム母材１
の表面に酸化皮膜２が付着していることに基づくもの
で、例えばアルミニウム母材１の融点を約６６０℃とす
ると、表面の酸化皮膜２は膜厚約０．１μｍ程度で、融
点が約２０００℃とされている。

【０００４】アーク溶接のためには表面の酸化皮膜２を
先に溶かさないと溶接できないが、上記のように母材１
の融点に対して酸化皮膜２の融点が著しく高いことか
ら、溶接条件を酸化皮膜２に合わせてしまうと簡単に母
材１の溶け落ちが発生してしまうことになる。また、酸
化皮膜２は絶縁体であることからアーク溶接に際して電
流が流れにくく、溶接条件の設定を一段と困難なものに
している。その上、母材１の表面には酸化皮膜２だけで
なく図４に示すようにごみや埃あるいは油等の不純物３
が付着しているため、これによってもまたアルミニウム
母材１の溶接性を悪化させる一因となっている。

【０００５】そこで、アルミニウムの溶接性を改善する
手法として、ワイヤブラシ等で母材１の表面を削るかも
しくは磨くことにより酸化皮膜２を除去する機械的前処
理方法のほか、薬品等を使用して酸化皮膜２やごみや
埃、油等の不純物３を除去する化学的前処理方法が採用
されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前者の機械的前処理方
法では、溶接実験や手作業溶接等の場合には十分であっ
ても、例えば自動車の車体組立ライン等のような自動化
された溶接ラインでの前処理としては採用することがで
きない。また、後者の化学的前処理方法では、上記のよ
うな自動化された溶接ラインでの前処理としても有効な
手段であるが、アルミニウム１の表面は活性のために３
日〜１週間位で酸化皮膜２を形成してしまい、前処理済
みのアルミニウム母材１を長期保存できないという欠点
がある。この場合、養生紙、養生テープ等にて前処理済
みの溶接部を覆ってアルミニウム表面の酸化を防ぐこと
も可能ではあるが、養生紙等の貼着と剥離作業に余分な
工数を必要とするほか、溶接後に多量の廃棄物が発生す
ることとなり、地球環境保全の観点からも好ましくな
い。

【０００７】本発明は以上のような課題に着目してなさ
れたものであり、アルミニウムの溶接に先立ってその母
材表面の酸化皮膜を効果的に除去できるようにした溶接
用トーチと溶接装置およびそのトーチを用いたアルミニ
ウムの溶接方法を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、溶接用トーチして共通のトーチ本体内にＭＩＧ溶接
電極とＴＩＧ溶接電極とを選択使用可能に設けたことを
特徴とする。この場合において、周知のようにＭＩＧ溶
接電極としては消耗性電極が使用されるのに対して、Ｔ
ＩＧ溶接電極としては非消耗性電極が使用される。

【０００９】また、例えば自動車車体の溶接ライン等の
ような自動化された溶接ラインに適用するためには、請
求項２に記載のように上記溶接用トーチを産業用ロボッ
トのロボットアームに取り付けることが望ましい。

【００１０】そして、上記溶接用トーチを用いて実際に
アルミニウムの溶接を行う場合には、請求項３に記載の
ように、ＴＩＧ溶接電極を機能させた溶接用トーチを溶
接線に沿って動かすことにより母材表面のクリーニング
作用を行わせ、それに続いてＭＩＧ溶接電極を機能させ
た溶接用トーチを同じ溶接線に沿って動かすことにより
ＭＩＧ溶接を施すこととする。

【００１１】すなわち、アーク溶接の特徴として、アー
ク発生時の陽イオンが高速度でアルミニウム母材表面に
当たることにより酸化皮膜を破壊して清浄面を形成する
ことになるクリーニング作用を積極的に利用したもので
あり、ＴＩＧ溶接電極は実際の溶接に直接関与すること
はなく、上記のクリーニング作用のためにだけ使用され
る。その後に、ＭＩＧ溶接電極によって溶接を行うこと
になる。

【００１２】したがって、これら請求項１〜３に記載の
発明では、実際の溶接に先立ってＴＩＧ溶接電極による
クリーニング作用を積極的に行わせることで、酸化皮膜
による溶接品質への影響が皆無となる。

【００１３】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、単一の
溶接用トーチをもって溶接部位のクリーニング作用を行
わせた上でＭＩＧ溶接を施すことが可能となり、ＴＩＧ
溶接用トーチとＭＩＧ溶接用トーチとを併存させた場合
と比べてトーチ周りの構造を簡素化できるほか、とかく
難しいとされるアルミニウムの溶接を効率よく行うこと
ができる。

【００１４】また、請求項２に記載の発明によれば、上
記溶接用トーチを溶接用ロボットに適用したものである
から、自動溶接ラインにおいてもアルミニウム母材の前
処理としてその洗浄や研磨を行うことなしにアルミニウ
ムのアーク溶接が可能となる。

【００１５】さらに請求項３に記載の発明によれば、Ｔ
ＩＧ溶接電極により酸化皮膜の除去を目的としたクリー
ニング作用を先行して行うようにしたことから、溶接中
に発生するブローホールの発生を大幅に低減することが
でき、特にクリーニング作用を行わせることによりアル
ミニウム母材の表面に活性面が生まれるため、例えばア
ルミニウム鋳物を溶接する場合にそのアルミニウム母材
に含まれている水素ガスによるブローホールの低減が可
能となる。加えて、ＴＩＧ溶接電極によるクリーニング
作用の際に母材の余熱が行われるため、それに続くＭＩ
Ｇ溶接の前の余熱が不要となる利点がある。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は本発明の好ましい実施の形
態を示す図であり、特に同図（Ａ）は溶接用トーチ単体
の状態を、同図（Ｂ）は上記溶接用トーチを具備した溶
接装置の一例をそれぞれ示している。

【００１７】同図（Ａ）に示すように、アルミニウムの
溶接を目的とした溶接用トーチ５として、共通且つ単一
のトーチ本体６内にＭＩＧ溶接電極７とＴＩＧ溶接電極
８とを並べて配置してある。ＭＩＧ溶接電極７は、コン
タクトチップ９に消耗性電極である溶加材として溶接ワ
イヤ（アルミニウムワイヤ）１０を挿通させたものであ
り、後述するワイヤコントロール装置１７によって溶接
の進行とともにその溶接ワイヤ１０を順次繰り出すよう
になっている。一方、ＴＩＧ溶接電極８は、同じくコン
タクトチップ１１に非消耗性電極としてタングステン電
極１２を挿通支持させたものであり、ＭＩＧ溶接電極７
と異なり実質的に固定電極となっている。そして、ＭＩ
Ｇ溶接電極７とＴＩＧ溶接電極８とはその双方が同時使
用されることはなく、いずれか一方の電極が選択的に使
用されるようになっているとともに、各コンタクトチッ
プ９，１１と同軸状のガス導出部１３，１４からはいず
れも不活性ガスＧとして例えばアルゴンガスが吐出され
るようになっている。

【００１８】このように構成された溶接用トーチ５は、
同図（Ｂ）に示すようにティーチング−プレイバック型
の産業用ロボット例えば多関節型溶接ロボット１３のロ
ボットアーム１４の先端に装着され、上記ティーチング
−プレイバック機能によって溶接用トーチ５を動かすべ
き軌跡が制御される。溶接用トーチ５内のＭＩＧ溶接電
極７およびＴＩＧ溶接電極８は共に制御装置１５を介し
て溶接電源１６に接続されるとともに、ＭＩＧ溶接電極
７である溶接ワイヤ１０はロボットアーム１４に付設さ
れたワイヤコントロール装置１７によってその繰り出し
量が制御されるようになっている。なお、上記溶接電源
１６としては、ＭＩＧ溶接電源とＴＩＧ溶接電源とが別
々のタイプでもよいが、両者が一体となったタイプのも
のが望ましい。

【００１９】したがって、本実施の形態によれば、アル
ミニウム１を母材とする溶接に際し、図２に示すように
最初にＴＩＧ溶接電極８を選択し、ＭＩＧ溶接電極７で
ある溶接ワイヤ１０は電極として機能しないように予め
引っ込めておく。そして、ＴＩＧ溶接電極８に溶接電流
を印加しながら通常の溶接と同様にして溶接用トーチ５
に所定の送りを与えて、所定の溶接線に沿って動かす。

【００２０】これにより、ＴＩＧ溶接電極８とアルミニ
ウム母材１との間にアークとともに発生する陽イオンＱ
がアルミニウム母材１の表面に高速にて当たり、いわゆ
るクリーニング作用を発揮する。すなわち、陽イオンＱ
がアルミニウム母材１の表面に高速にて当たることで、
溶接部位となるべき母材表面のごみや埃あるいは油等の
不純物３（図４参照）が除去されるとともに、酸化皮膜
２を破壊，除去して母材本来の清浄面を生成する。な
お、ＴＩＧ溶接電極８に溶接電流を印加してもその電極
８自体が非消耗性のものであり、しかも溶加材が供給さ
れないために、生成された母材表面の清浄面に何ら悪影
響を及ぼすことはない。また、ＭＩＧ溶接電極７はこの
時には何ら機能しない。

【００２１】こうして、ＴＩＧ溶接電極８によるクリー
ニングを終えたならば上記とは逆にＭＩＧ溶接電極７を
選択し、代わってＴＩＧ溶接電極８が機能しないように
その通電を断つ。すなわち、図３に示すようにＭＩＧ溶
接電極７である溶接ワイヤ１０を繰り出しながら先のク
リーニング時と同じ軌跡に沿って溶接用トーチ５を動か
して、本来のＭＩＧ溶接を施す。これにより、先にクリ
ーニングされた清浄面に沿って溶接ビードが形成され
て、アルミニウム母材１が溶接される。この時、溶接部
位となるべき清浄面には酸化皮膜２が存在せずに活性面
となっているので、ブローホールが発生することがな
く、特にアルミニウム鋳物を溶接する場合であっても、
従来のようにその母材１自体に含まれている水素ガスに
よってブローホールが発生することがなく、溶接性がき
わめて良好であり、優れた溶接品質が得られることにな
る。

【００２２】ここで、ＴＩＧ溶接を単独で行う場合だけ
でなくＭＩＧ溶接を単独で行う場合にもクリーニング作
用は発揮される。ただし、ＴＩＧ溶接を単独で行う場合
には通常は溶接ワイヤとトーチが別々であるため、溶接
性は溶接ワイヤの供給方法や位置に依存するとともに、
溶接ワイヤがトーチと同軸上にないために、ロボット等
を使用した自動溶接が事実上不可能となる。一方、ＭＩ
Ｇ溶接を単独で行う場合には溶接ワイヤがトーチと同軸
上にあり、自動溶接を行いながらクリーニング作用を発
揮させることは一応は可能であるものの、上記クリーニ
ング作用を主眼とした溶接条件に設定すると、ビード幅
寸法が極端に小さくなったり溶け込み深さが浅くなるな
ど溶接性が極端に悪化することになる。したがって、Ｍ
ＩＧ溶接単独では、クリーニング作用を発揮させながら
溶接することはできないことになる。

【００２３】このようなことから、本実施の形態では、
単一且つ共通のトーチ本体６内にＴＩＧ溶接電極８とＭ
ＩＧ溶接電極７とを併存させて実質的にＴＩＧ溶接用ト
ーチとＭＩＧ溶接用トーチとを一体化した上で、ＴＩＧ
溶接電極８についてはクリーニング作用のためにのみ機
能するようにしたものであり、したがって溶接部位のク
リーニングを先行して行った上で溶接する場合のトーチ
周りの構造を大幅に簡素化できることになる。

【００２４】本発明者は、鋳造したままで何ら表面処理
をしていないアルミニウム鋳物について重ねすみ肉溶接
を施して溶接継手を形成し、実験を行った。表１はその
結果を示すものであり、Ｎｏ．１は手動にてＴＩＧ溶接
を単独で行った場合、Ｎｏ．２は自動溶接によるＭＩＧ
溶接を単独で行った場合である。また、Ｎｏ．３は本実
施の形態の場合であって、上記のようにＴＩＧ溶接用電
極によるクリーニングを先行して行い、それに続いてＭ
ＩＧ溶接を施した場合である。表１から明らかなよう
に、ＴＩＧ溶接およびＭＩＧ溶接をそれぞれ単独で行っ
た場合にはいずれも溶接不可であるのに対して、本実施
の形態の場合にはクリーニング作用のために良好な溶接
結果が得られた。

【００２５】

【表１】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好ましい実施の形態を示す図で、
（Ａ）は溶接用トーチの要部断面説明図、（Ｂ）は上記
溶接用トーチを備えた溶接装置（溶接ロボット）の概略
構成説明図。

【図２】ＴＩＧ溶接電極を使用したクリーニング時の作
動説明図。

【図３】ＭＩＧ溶接電極を使用した実際の溶接時の作動
説明図。

【図４】酸化皮膜が形成されたアルミニウム母材の要部
拡大断面図。

【符号の説明】

１…アルミニウム ２…酸化皮膜 ５…溶接用トーチ ６…トーチ本体 ７…ＭＩＧ溶接電極 ８…ＴＩＧ溶接電極 １０…溶接ワイヤ １２…タングステン電極（非消耗性電極） Ｑ…陽イオン

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 共通のトーチ本体内にＭＩＧ溶接電極と
   ＴＩＧ溶接電極とを選択使用可能に設けたことを特徴と
   する溶接用トーチ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の溶接用トーチを産業用
   ロボットのロボットアームに取り付けたことを特徴とす
   る溶接装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の溶接用トーチを用いて
   アルミニウムの溶接を行う方法であって、 ＴＩＧ溶接電極を機能させた溶接用トーチを溶接線に沿
   って動かすことにより母材表面のクリーニング作用を行
   わせ、 それに続いてＭＩＧ溶接電極を機能させた溶接用トーチ
   を同じ溶接線に沿って動かすことによりＭＩＧ溶接を施
   すことを特徴とする溶接方法。