JP2003181679A

JP2003181679A - 溶接方法、被覆物の除去方法、被覆物除去装置

Info

Publication number: JP2003181679A
Application number: JP2001380133A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Kamo; 鴨　　和彦; Yukio Doge; 幸雄道下; Tomoaki Wakayama; 友晃若山; Masao Ushio; 誠夫牛尾; Manabu Tanaka; 学田中
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-12-13
Filing date: 2001-12-13
Publication date: 2003-07-02

Abstract

(57)【要約】【課題】溶接対象である母材をほとんど溶融すること
なく、酸化物スラグ等の被覆物を除去することを目的と
する。【解決手段】溶接対象としての母材１０にフラックス
を塗布し、当該溶接対象に溶接を行う溶接工程と、溶接
工程後にフラックスが固化して形成された酸化物スラグ
等の被覆物３０に対してパルス状のアークを印加し、酸
化物スラグを除去するパルスアーク発生工程とを備える
ようにした。このように、所定の条件でパルス状のアー
クを被覆物３０に作用させることによって、溶接対象で
ある母材１０をほとんど溶融することなく、酸化物スラ
グ等の被覆物３０を除去するのである。本発明の溶接方
法では、パルスアーク発生工程において被覆物３０が除
去されるため、その後さらに溶接対象に対して溶接を行
った際にも開先での融合不良が生じにくい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶接方法、被覆物
の除去方法等に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属部材を溶接する過程において、開先
表面に活性化フラックスを塗布して行うＴＩＧ溶接は、
低入熱溶接が可能であり、しかも深い溶け込みが得られ
るため、効果的な溶接方法である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述の通り、活性化フ
ラックスを用いたＴＩＧ溶接は効果的な溶接方法である
反面、以下のような問題がある。つまり、図５（ａ）に
示すように、初層溶接後のビード表面には一度溶融した
フラックスが酸化物スラグとして強固に固着する。そし
て、図５（ｂ）に示すように、２層目の溶接時において
もフラックスによる深い溶け込みの特性が残存するた
め、２層目の溶接時には開先両サイドにフラックスが残
存してしまい、開先両サイドでの融合不良の発生が懸念
される。そのため、初層溶接後に酸化物スラグを除去す
る必要がある。この酸化物スラグは、化学的方法および
ワイヤブラシ等の軽い機械的な方法では除去することが
できないため、現状では、グラインダーにて酸化物スラ
グを除去しているが、除去にあたっては溶接時間と同等
の時間を要するという場合がある。そこで、本発明は、
より簡易な方法で酸化物スラグ等の被覆物を除去しつつ
溶接を行う方法、および被覆物の除去方法等を提供する
ことを課題とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】かかる目的のもと、本発
明者は酸化物スラグ等の被覆物を除去しつつ溶接を行う
ために、様々な検討を行った。その結果、所定の条件で
パルス状のアークを被覆物に作用させることによって、
溶接対象である母材をほとんど溶融することなく、酸化
物スラグ等の被覆物を除去することができることを知見
した。すなわち、本発明は、溶接対象にフラックスを塗
布し、当該溶接対象に溶接を行う溶接工程と、溶接工程
後にフラックスが固化して形成された酸化物スラグに対
してパルス状のアークを印加し、酸化物スラグを除去す
るパルスアーク発生工程とを備えることを特徴とする溶
接方法を提供する。本発明の溶接方法では、パルスアー
ク発生工程において酸化物スラグが除去されるため、そ
の後さらに溶接対象に対して溶接を行った際にも開先で
の融合不良が生じにくい。

【０００５】また、本発明の溶接方法では、上述したパ
ルスアーク発生工程において、アーク電流のベース値を
１〜３０Ａ、かつアーク電流のピーク値を１０〜１５０
Ａと、通常の溶接よりもアーク電流を低めに設定する。
これにより、母材をほとんど溶融することなく、酸化物
スラグを除去することが可能となる。パルスアーク発生
工程におけるパルス周波数は１０００〜１００００Ｈｚ
とすることが好ましい。このように、パルス周波数を高
めに設定することにより、陰極点が移動する回数が多く
なり、陰極点から電子が放出されるときのエネルギを酸
化物スラグ除去用に効果的に用いることができるためで
ある。

【０００６】本発明は、溶接に付随する場合に限らず、
金属部材の表面に形成された被覆物の除去に広く適用す
ることができる。より具体的には、金属部材と所定距離
隔てて電極を配置し、被覆物から電子を放出させる。次
いで、この電子の放出エネルギを利用して被覆物を除去
するのである。ここで、金属部材と電極との間に生成さ
れるアークはパルス状のものとし、かつアークの極性を
交流または直流逆極性とすることが好ましい。本発明の
被覆物の除去方法において、被覆物は酸化物とすること
ができる。さらに本発明は、以上の溶接方法、被覆物の
除去方法に適用することのできる以下の被覆物除去装置
を提供する。すなわち、本発明の被覆物除去装置は、表
面に被覆物を有する金属部材と所定距離隔てて配置され
るトーチと、トーチの先端に設けられ、被覆物と対向し
て配置される電極と、この電極と金属部材との間に金属
部材の溶融を目的としないパルスアークを発生させるア
ーク発生手段とを備え、パルスアークにより被覆物を除
去することを特徴とする。この被覆物除去装置におい
て、電極は、被覆物に対向する先端が曲面状であること
が好ましい。

【０００７】

【発明の実施の形態】上述の通り、本発明は、金属部材
の表面に形成された被覆物の除去方法であって、金属部
材と所定距離隔てて電極を配置し、被覆物と電極との間
にパルスアークを発生させることにより、被覆物を除去
することを特徴とする。以下、図面を参照して本発明の
一実施形態を説明する。

【０００８】はじめに、図１を用いて本発明の構成を示
す。図１は、本発明に係る被覆物除去装置の構成の一例
を示す図である。図１に示すように、アーク用電源２０
には、先端部に非消耗電極２２を備えたトーチ２１と、
母材１０とが接続され、非消耗電極２２は、母材１０の
表面に形成された被覆物３０と対向するように配置され
る。そして、このアーク用電源２０と、トーチ２１と、
非消耗電極２２とで本発明に係る被覆物除去装置１００
を構成している。ここで、アーク用電源２０は、非消耗
電極２２と母材１０との間に母材１０の溶融を目的とし
ないパルスアークを発生させるアーク発生手段として機
能する。

【０００９】アーク用電源２０としては、高いパルス周
波数（１秒間のパルス回数）に対応可能なものを用い
る。これは、後述するように、本実施の形態では、１０
００〜１００００Ｈｚという高いパルス周波数でパルス
アークを発生させるためである。また、本実施の形態で
は、極性を交流とし、かつ通常のＴＩＧ溶接またはＭＩ
Ｇ溶接の際に使用するアーク電流よりも低い電流を使用
することを一つの特徴としている。この特徴により、非
消耗電極２２および母材１０が溶融することを防止する
ことができる。

【００１０】被覆物除去装置１００において、母材１０
が陰極側、非消耗電極２２が陽極側となるときの状態を
図２に示す。図２に示すように、母材１０が陰極側にな
ると、母材１０の表面に形成された被覆物３０から電子
が放出される。本発明では、この電子が放出されるとき
のエネルギを被覆物３０の除去用に利用する。ここで、
被覆物３０とは、母材１０と性質の異なる物質をいい、
主に金属部材の表面に形成された酸化物を意味する。例
えば、活性化フラックスを用いたＴＩＧ溶接時にフラッ
クスが固化して形成される酸化物スラグ、アルミニウム
（合金）の表面に形成される酸化皮膜、ステンレス鋼を
溶接した際に生じる青色の溶接焼け色（テンパーカラ
ー）、炭素鋼の表面に形成される黒皮等が本発明に係る
被覆物３０として広く包含されるが、これらに限られる
ものではない。

【００１１】非消耗電極２２の材質としては、タングス
テン、銅、カーボン等が好ましく、なかでもタングステ
ンが最も好ましい。また、銅は水冷することが可能であ
るため、銅を非消耗電極２２の材質として用いた場合に
は、非消耗電極２２の寿命を延ばすことができるという
利点がある。非消耗電極２２の形状は、その先端表面が
滑らかな輪郭を持つこと、例えば、図２に示したように
半球形状であることが好ましい。これは、非消耗電極２
２の先端が尖っているような場合には、放電がある場所
に固定されやすいのに対し、例えば半球形状とすること
によって、放電の移動が容易になり、被覆物除去の能率
が向上するためである。上述の通り、本実施の形態で
は、極性を交流としており、母材１０が陰極側、非消耗
電極２２が陽極側となったときに、母材１０の表面に形
成された被覆物３０から電子が放出されるが、非消耗電
極２２が陽極側の場合には余分な放電は少ない方が好ま
しい。また、後述するように、アークが陰極点を求めて
走り回る際には、非消耗電極２２の形状の先端表面が滑
らかな輪郭を持つ方がアークが走りやすいという利点も
ある。なお、非消耗電極２２の直径は、２．４〜４．０
ｍｍ程度とすることが好ましい。より望ましい非消耗電
極２２の直径は、３．２〜４．０ｍｍである。

【００１２】次に、本発明に係る被覆物除去装置１００
の動作を説明する。図１に示した被覆物除去装置１００
において、アーク用電源２０を動作させることにより、
非消耗電極２２と、母材１０との間隙にパルス状のアー
クを発生させる。つまり、上述の通り、アーク用電源２
０がパルス状のアーク発生手段として機能する。本発明
では、アーク電流、パルス周波数等を適切な範囲に制御
してパルスアークを発生させることにより、非消耗電極
２２および母材１０をほとんど溶融することなく、母材
１０の表面に形成された被覆物３０を除去するのであ
る。より具体的には、図２に示したように、母材１０が
陰極側のときには、アークの陰極点が主に酸化物からな
る被覆物３０の上に生じて、電子放出エネルギの低い酸
化物から電子が放出され、その際に被覆物３０が破壊さ
れる。アークの陰極点は次々と酸化物が存在する部分を
求めて走り回る、つまり、酸化物を除去して次の酸化物
へ電子放出点が移動するので、母材１０上の被覆物３０
は除去されるのである。なお、被覆物除去装置１００を
作動させる際には、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガス
をシールドガスとして用いて作業を行うことが望まし
い。

【００１３】アークをパルス状とするのは、以下の理由
に基づく。すなわち、アークをパルス状とした場合に
は、アーク電流を制御することにより、母材１０をほと
んど溶融させることなく、被覆物３０を除去することが
可能となる。一方、アークがパルスアークでない場合、
つまりアークが直流の場合には、アークが安定しやす
い。そのために、被覆物３０を除去するに足るアーク電
流を印加すると、母材１０を溶融させる可能性が高い。

【００１４】以上のように、本発明はパルスアークを被
覆物３０に印加することを特徴とするが、その際のアー
ク電流、パルス周波数、アーク長、トーチ２１の移動速
度を制御することが望ましい。そこで、以下、アーク電
流、パルス周波数、アーク長、トーチ２１の移動速度の
望ましい範囲について説明する。

【００１５】アーク電流のベース値は、３〜３０Ａ、よ
り望ましくは１０〜２０Ａとする。また、アーク電流の
ピーク値は、１０〜１５０Ａ、より望ましくは２０〜１
００Ａ、さらに望ましくは６０〜８０Ａとする。溶接時
には、通常２００Ａ以上の直流のアーク電流を流すが、
母材１０をほとんど溶融することなく被覆物３０を除去
するためにはより低いアーク電流とすることが効果的で
あるという本発明者の知見に基づく。ここで、電流波形
は、図３に示すように、矩形状の波形とすることが好ま
しい。

【００１６】本発明では、パルス周波数を１０００〜１
００００Ｈｚとする。このように、パルス周波数を高め
に設定しているのは、以下の理由による。すなわち、パ
ルス周波数が１０００Ｈｚ以上と高い方が、陰極点が移
動する回数が多くなり、陰極点から電子が放出されると
きのエネルギを被覆物３０の除去用に効果的に用いるこ
とができるためである。これに対し、通常のパルスＭＩ
Ｇ溶接のように、パルス周波数が５０〜２００Ｈｚ程度
と低い場合には、陰極点が移動する回数が少ないため、
結果的に母材１０が溶融しやすい。したがって、パルス
周波数を１０００Ｈｚ以上と高くすることにより、母材
１０をできるだけ溶融させずに、被覆物３０を除去する
ことができるのである。なお、パルス周波数の上限を１
００００Ｈｚとしたのは、アーク用電源２０の製作コス
トを抑えるためである。したがって、パルス周波数は、
１０００〜１００００Ｈｚとする。より望ましいパルス
周波数は、２５００〜７５００Ｈｚ、さらに望ましいパ
ルス周波数は、３５００〜６５００Ｈｚである。

【００１７】アーク長は、３ｍｍ以下とする。より望ま
しいアーク長は２ｍｍ以下、さらに望ましくは０．５〜
１．５ｍｍとする。アーク長が３ｍｍ以下と短い方が、
被覆物３０を除去する上で効果的である。ここで、アー
ク長とは、非消耗電極２２と被覆物３０との距離をい
う。トーチ２１の移動速度は、除去すべき被覆物３０の
性質にもよって異なるものであるが、トーチ２１の移動
速度が遅すぎると母材１０が溶融しやすくなるため好ま
しくない。一方、トーチ２１の移動速度が速すぎると、
被覆物３０の除去が不十分となり、母材１０上に所々被
覆物３０が残存してしまうおそれがある。具体的には、
フラックスが固化した酸化物スラグ等、母材１０の表面
に強固に固着した被覆物３０を除去対象とするような場
合には、トーチ２１の移動速度を３０〜１００ｍｍ／ｍ
ｉｎ程度、より望ましくは４０〜６０ｍｍ／ｍｉｎ程度
する。アルミニウム等の金属表面に形成される酸化皮膜
を除去対象とする場合には、トーチ２１の移動速度を５
００〜１５００ｍｍ／ｍｉｎ程度、より望ましくは７０
０〜１１００ｍｍ／ｍｉｎ程度する。また、溶接焼け
色、炭素鋼に形成される黒皮等を除去対象とする場合に
は、トーチ２１の移動速度を５０〜１５０ｍｍ／ｍｉｎ
程度、より望ましくは７０〜１２０ｍｍ／ｍｉｎ程度と
する。

【００１８】以上、アーク電流、パルス周波数、アーク
長、トーチ２１の移動速度の望ましい範囲について説明
した。但し、これらは、除去対象、つまり被覆物３０の
性質、被覆物３０が形成されている母材１０の性質毎に
異なるものである。

【００１９】図４は、本発明に係る被覆物除去装置の他
の例を示す図である。なお、図４において、図１に示し
た被覆物除去装置１００と同一の部分には同一の符号を
付してある。図４に示すように、アーク用電源２０ａの
陽極には、先端部にワイヤ４０を備えたトーチ２１が接
続されており、ワイヤ４０は、母材１０の表面に形成さ
れた被覆物３０と対向するように配置される。一方、ア
ーク用電源２０ａの陰極には、母材１０が接続されてい
る。そして、このアーク用電源２０ａと、トーチ２１
と、ワイヤ４０とで本発明に係る被覆物除去装置２００
を構成している。アーク用電源２０ａとしては、上述し
たアーク用電源２０と同様、高いパルス周波数に対応可
能なものを用いる。またワイヤ４０については、ＭＩＧ
溶接装置におけるワイヤと同様なもの、例えば金属系の
ワイヤを用いることができる。

【００２０】本発明に係る被覆物除去装置２００では、
極性を直流逆極性（ＤＣＲＰ）とする。すなわち、母材
１０を陰極側、ワイヤ４０を陽極側に接続し、母材１０
の表面に形成された被覆物３０から電子が放出されると
きのエネルギを被覆物３０の除去用に利用するのであ
る。

【００２１】次に、本発明に係る被覆物除去装置２００
の動作を説明する。図４に示した被覆物除去装置２００
において、アーク用電源２０ａを動作させることによ
り、その陽極に接続されたワイヤ４０と、その陰極に接
続された母材１０との間隙にパルス状のアークを発生さ
せる。つまり、アーク用電源２０ａがパルス状のアーク
発生手段として機能する。そして、アーク電流、パルス
周波数等を適切な範囲とすることにより、母材１０をほ
とんど溶融することなく母材１０の表面に形成された被
覆物３０を除去するのである。アーク電流、パルス周波
数等の適切な範囲については上述の場合と同様であるた
め、説明を割愛する。なお、被覆物除去装置２００を作
動させる際には、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスを
シールドガスとして用いて作業を行うことが望ましい。

【００２２】以上説明の通り、本発明によれば、母材１
０をほとんど溶融することなく、母材１０表面に形成さ
れた被覆物３０を簡易に除去することが可能である。

【００２３】

【実施例】次に、具体的な実施例を挙げて本発明を更に
詳細に説明する。図１に示した被覆物除去装置１００を
用いて、Ａ−ＴＩＧスラグ（実施例１）、アルミニウム
酸化皮膜（実施例２）、ステンレス鋼溶接焼け色（実施
例３）、炭素鋼黒皮（実施例４）を除去するために行っ
た実験を実施例１〜４として説明する。

【００２４】

【表１】

【００２５】（実施例１）母材１０をステンレス鋼と
し、ＴＩＧ溶接装置を用いて母材１０にフラックス（Ｔ
ｉＯ₂−ＣｒＯ−ＳｉＯ₂）を塗布して、初層を溶接し
た。次いで、母材１０上に酸化物スラグと化したフラッ
クス（Ａ−ＴＩＧスラグ）と、非消耗電極２２とが対向
するように被覆物除去装置１００を配置し、表１に示し
た条件でパルスアークを発生させた。なお、非消耗電極
２２としては、先端が半球形状のタングステン電極を用
い、極性は交流とした。また、シールドガスとしてアル
ゴンを用いた。母材１０と非消耗電極２２との間にパル
スアークを発生させたところ、母材１０をほとんど溶融
することなく、除去対象であるＡ−ＴＩＧスラグを除去
することができた。母材１０を切断し、断面を観察した
ところ、溶融部分の深さはわずか０．１ｍｍ程度であっ
た。

【００２６】（実施例２）母材１０をアルミニウム合金
とし、アルミニウム合金上に形成されている酸化皮膜を
除去するために行った実験を実施例２として説明する。
図１に示したように、母材１０と、非消耗電極２２とが
対向するように被覆物除去装置１００を配置し、表１に
示した条件でパルスアークを発生させた。なお、非消耗
電極２２としては、先端が半球形状のタングステン電極
を用い、極性は交流とした。また、シールドガスとして
アルゴンを用いた。母材１０と非消耗電極２２との間に
パルスアークを発生させたところ、アルミニウム合金を
ほとんど溶融することなく、除去対象としての酸化皮膜
を除去することができた。

【００２７】（実施例３）母材１０を溶接焼け色（テン
パーカラー）が生じているステンレス鋼とし、溶接焼け
色を除去するために行った実験を実施例３として説明す
る。表１に示した条件でパルスアークを発生させた以外
は、実施例２と同様の条件で実験を行った。母材１０と
非消耗電極２２との間にパルスアークを発生させたとこ
ろ、ステンレス鋼をほとんど溶融することなく、除去対
象としての溶接焼け色を除去することができた。

【００２８】（実施例４）母材１０を炭素鋼とし、炭素
鋼上に形成された黒皮を除去するために行った実験を実
施例４として説明する。表１に示した条件でパルスアー
クを発生させた以外は、実施例２と同様の条件で実験を
行った。母材１０と非消耗電極２２との間にパルスアー
クを発生させたところ、炭素鋼をほとんど溶融すること
なく、除去対象としての黒皮を除去することができた。

【００２９】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
簡易な方法で酸化物スラグ等の被覆物を除去することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る被覆物除去装置の構成の一例を
説明する図である。

【図２】母材が陰極側、非消耗電極が陽極側となる場
合の状態を示す図である。

【図３】電流波形を示す図である。

【図４】本発明に係る被覆物除去装置の構成の他の例
を説明する図である。

【図５】図５（ａ）は、初層溶接後のビード表面にフ
ラックス（酸化物スラグ）が固着した状態を示す図、図
５（ｂ）は、２層目の溶接時においてもフラックスによ
る深い溶け込みの特性が残存する状態を示す図である。

【符号の説明】

１０…母材、２０，２０ａ…アーク用電源（アーク発生
手段）、２１…トーチ、２２…非消耗電極、３０…被覆
物、４０…ワイヤ、１００…被覆物除去装置、２００…
被覆物除去装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者若山友晃兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１号三菱重工業株式会社神戸造船所内 (72)発明者牛尾誠夫兵庫県川西市緑台４丁目８番48号 (72)発明者田中学大阪府高槻市日吉台一番町７番24号Ｆターム(参考） 4E001 AA03 BB07 DE02 DE04 DG04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶接対象にフラックスを塗布し、当該溶
接対象に溶接を行う溶接工程と、前記溶接工程後に前記フラックスが固化して形成された
酸化物スラグに対してパルス状のアークを印加し、前記
酸化物スラグを除去するパルスアーク発生工程と、を備
えることを特徴とする溶接方法。
【請求項２】前記パルスアーク発生工程において前記
酸化物スラグを除去した後に、前記溶接対象に溶接を行
う溶接工程をさらに備えることを特徴とする請求項１に
記載の溶接方法。
【請求項３】前記パルスアーク発生工程において、アーク電流のベース値を１〜３０Ａ、かつアーク電流の
ピーク値を１０〜１５０Ａとすることを特徴とする請求
項１または２に記載の溶接方法。
【請求項４】前記パルスアーク発生工程において、前記パルス状のアークのパルス周波数は１０００〜１０
０００Ｈｚであることを特徴とする請求項１〜３のいず
れかに記載の溶接方法。
【請求項５】金属部材の表面に形成された被覆物の除
去方法であって、前記金属部材と所定距離隔てて電極を配置し、前記被覆
物から電子を放出させるステップと、前記電子の放出エネルギを利用して前記被覆物を除去す
るステップと、を備えることを特徴とする被覆物の除去
方法。
【請求項６】前記金属部材と前記電極との間にパルス
状のアークを生成し、かつ前記アークの極性は、交流ま
たは直流逆極性であることを特徴とする請求項５に記載
の被覆物の除去方法。
【請求項７】前記被覆物は酸化物であることを特徴と
する請求項５または６に記載の被覆物の除去方法。
【請求項８】表面に被覆物を有する金属部材と所定距
離隔てて配置されるトーチと、前記トーチの先端に設けられ、前記被覆物と対向して配
置される電極と、前記電極と前記金属部材との間に前記金属部材の溶融を
目的としないパルスアークを発生させるアーク発生手段
と、を備え、前記パルスアークにより前記被覆物を除去することを特
徴とする被覆物除去装置。
【請求項９】前記電極は、前記被覆物に対向する先端
が曲面状であることを特徴とする請求項８に記載の被覆
物除去装置。