JP2005095953A - Ｔｉｇ溶接方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 立向き等の開先に対してもＴＩＧ溶接を極めて良好に実施することが可能なＴＩＧ溶接方法および装置を提供する。
【解決手段】 溶接トーチ７を挟んで２本の添加ワイヤ９，１１を位置させ、溶接トーチ７をウィービングさせる。各添加ワイヤ９，１１を介して開先１ａ内の溶融金属に溶接線に沿った方向の１方向電流を流すとともに、溶融金属に外部磁場を付与し、溶接トーチ７のウィービング方向の切換タイミングに同期して外部磁場の方向を変化させる。これにより、溶融金属が開先１ａの壁面に押し付けられる方向の電磁力が発生する。上記外部磁場の方向を変化させないで、添加ワイヤ９，１１間を流れる電流の方向をウィービング方向の切換タイミングに同期して変化させても良い。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＴＩＧ溶接方法およびその方法を実施するための装置に関するものである。

溶融池磁気制御手法を用いた２ワイヤ式横向姿勢ＴＩＧ溶接法が提案されている。このＴＩＧ溶接法では、溶接線が横向きに延びかつ開先が横側に開口するように母材が設置され、溶接トーチの前方および後方にそれぞれ位置された前方添加ワイヤおよび後方添加ワイヤが該溶接トーチと共に上記溶接線に沿って移動される。

溶接に際しては、上記前方添加ワイヤと後方添加ワイヤを介して溶融池内に一方向電流が流され、かつ、溶融池に対し母材の開先開口面に垂直な方向の外部磁場が付与される。上記一方向電流および外部磁場は、開先内の溶融金属に上向きの力（ローレンツ力）を発生させ、その結果、重力によるビード下部の垂れ下がりが抑制される。（例えば、非特許文献１）
溶接学会論文集 第１８巻 第１号 平成１２年２月５日発行 社団法人 溶接学会

上記従来のＴＩＧ溶接法は、立向きの開先に対する溶接には有効でないという問題点がある。
本発明は、かかる状況に鑑みてなされたものであり、立向き等の開先に対してもＴＩＧ溶接を極めて良好に実施することが可能なＴＩＧ溶接方法および装置を提供することを目的とする。

このような課題を解決するため、本発明は、溶接トーチをウィービングさせながらＴＩＧ溶接を施す方法であって、前記溶接トーチを挟んで２本の添加ワイヤを配置するステップと、前記各添加ワイヤを介して開先内の溶融金属に溶接線に沿う１方向電流を流すステップと、前記溶融金属に外部磁場を付与するステップと、前記ウィービングの方向切換タイミングに同期して前記外部磁場の方向を変化させるステップと、を含み、前記１方向電流と前記方向変化する外部磁場の相互作用によって、前記溶融金属を前記ウィービングの方向に付勢する電磁力を発生させ、この電磁力によって前記溶融金属を前記開先の両側壁に押し付けるようにしている。

また、本発明は、溶接トーチをウィービングさせながらＴＩＧ溶接を施す方法であって、前記溶接トーチを挟んで２本の添加ワイヤを配置するステップと、前記各添加ワイヤを介して開先内の溶融金属に溶接線に沿う電流を流すステップと、前記溶融金属に外部磁場を付与するステップと、前記ウィービングの方向切換タイミングに同期して前記電流の方向を変化させるステップと、を含み、前記方向変化する電流と前記外部磁場の相互作用によって、前記溶融金属を前記ウィービングの方向に付勢する電磁力を発生させ、この電磁力によって前記溶融金属を前記開先の両側壁に押し付けるようにしている。

さらに、本発明は、溶接トーチをウィービングさせながらＴＩＧ溶接を施す装置であって、前記溶接トーチを挟んで配置した２本の添加ワイヤと、前記各添加ワイヤを介して開先内の溶融金属に溶接線に沿う１方向電流を流す電流供給源と、前記溶融金属に外部磁場を付与し、かつ、前記ウィービングの方向切換タイミングに同期して前記外部磁場の方向を変化させる磁場発生手段と、を備え、
前記１方向電流と前記方向変化する外部磁場の相互作用によって、前記溶融金属を前記ウィービングの方向に付勢する電磁力を発生させ、この電磁力によって前記溶融金属を前記開先の両側壁に押し付けるようにしている。

さらにまた、本発明は、溶接トーチをウィービングさせながらＴＩＧ溶接を施す装置であって、前記溶接トーチを挟んで配置した２本の添加ワイヤと、前記各添加ワイヤを介して開先内の溶融金属に溶接線に沿う電流を流し、かつ、前記ウィービングの方向切換タイミングに同期して前記電流の方向を変化させる電流供給源と、前記溶融金属に外部磁場を付与する磁場発生手段と、を備え、前記方向変化する電流と前記外部磁場の相互作用によって、前記溶融金属を前記ウィービングの方向に付勢する電磁力を発生させ、この電磁力によって前記溶融金属を前記開先の両側壁に押し付けるようにしている。

前記磁場発生手段は、前記溶接トーチに同軸状に設けられたコイルを備えることができる。ただし、コイルは必ずしも同軸に設けなくても良く、溶接トーチの側近に設けるようにしても良い。

一般的なＴＩＧ溶接法を用いて立向き溶接を実施する場合には、溶融金属の垂れ落ちを防止するために、低入熱・低能率の溶接作業を余儀なくされ、しかも、アンダーカットやオーバーラップ等の溶接欠陥の発生を防止するために、開先角度を大きくするとともに、高度な技量を有した熟練工による溶接施工が必要になる。図４は、上記アンダーカット１００の発生形態を例示している。なお、この図４において、符号１０１、１０２、１０３および１０４は、それぞれ溶接金属、母材、開先および当て金を示している。

これに対して、本発明によれば、電磁力によって溶融金属が開先の壁面方向に押されるので、立向き溶接時における溶融金属の垂れ落ちを防止することができる。また、開先の壁面側への溶け込みが促進されるので、開先角度を小さくしても、アンダーカットやオーバーラップ等の溶接欠陥の発生が抑制される。これは、狭開先化が可能になることを意味している。
そして、上記垂れ落ち防止作用と溶け込み促進作用は、添加ワイヤの供給量を増加した場合でも良好な溶接結果をもたらすので、溶接品質を確保しながら溶接作業の能率向上を図ることが可能になる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
（実施形態１）
本発明に係るＴＩＧ溶接方法は、例えば図1に示すようなＴＩＧ溶接装置を用いて実施することができる。
同図に示す母材１は、その開先１ａが立向きになるように配置されている。溶接台車３は、上記開先１ａに沿って移動し得るように、ガイドレール５によって走行可能に支持され、その上部にＴＩＧ溶接トーチ７、前方添加ワイヤ９および後方添加ワイヤ１１を保持している。

前方添加ワイヤ９および後方添加ワイヤ１１は、溶接トーチ７を挟むように該トーチ7の移動ラインの前方側と後方側に位置されている。これらの添加ワイヤ９および１１は、それぞれワイヤ加熱電源１７の陰極および陽極に接続され、かつ、ワイヤ供給装置１３および１５から所定の速度で送給される。

溶接トーチ７は、開先１ａを横断する方向へのウィービング動作を可能にするため、図示していないウィービング機構を介して上記台車３に支持されている。図２のＰ１は、ある時点での溶接トーチ７（図２では省略）のウィービング中心点であり、この実施の形態では、中心点Ｐ１からＰ２およびＰ３点に至るウィービング幅で溶接トーチ７がウィービングする。

溶接電源１９は、溶接トーチ７にアークを発生させるための電源であり、その陰極および陽極がそれぞれ溶接トーチ７および母材１に電気的に接続されている。なお、図２において、符号２０は銅などからなる当て金である。
溶接トーチ７の周囲には、磁化コイル２１が同軸状に設けられている。この磁化コイル２１は、励磁電流の方向を切換るための磁場方向切換装置２３を介して励磁用直流電源２５に接続されている。

溶接トーチ７は、図３（ａ）に示すようにウィービング動作しながら前方添加ワイヤ９および後方添加ワイヤ１１と共に所定の速度で溶接線に沿って移動される。このとき、磁場方向切換装置２３は、ウィービングの切換タイミングに同期して磁化コイル２１に印加する電圧の極性、つまり、該磁化コイル２１に流す励磁電流の方向を変化させる。
図２に示すように、溶接金属の溶融池２７には、後方添加ワイヤ１１から前方添加ワイヤ９に向う一方向電流が流れる。また、溶融池２７は、磁化コイル２１が形成する外部磁場の中に置かれる。

磁場の方向は、ウィービングの切換タイミングに同期して切換えられる。すなわち、溶接トーチ７が図２における左方向にウィービングする期間においては、同図の紙面に向う方向の磁束が溶融池２７に垂直に鎖交するように、また、溶接トーチ７が同図における右方向にウィービングする期間においては、上記とは逆の方向の磁束が溶融池２７に垂直に鎖交するように、上記磁場方向切換装置２３によって磁場の方向が切換えられる。
要するに、磁場の方向は、溶接トーチ７がウィービングの中心点Ｐ１を通るタイミングで切換えられることになる。図３（ｂ）は、溶接トーチ７のウィービング動作に対応する磁場の方向変化を示している。

この結果、溶融池２７には、いわゆるフレミングの左手の法則に基づく電磁力が発生する。すなわち、溶接トーチ７が図２における左方向および右方向にウィービングする各期間においては、それぞれ矢印で示す電磁力ＦＬおよびＦＲが発する。なお、図３（ｃ）は、溶接トーチ７のウィービング動作に対応する電磁力の発生態様を示している。

上記電磁力ＦＲ，ＦＬは、溶融金属を開先のウィービング側壁面に向かって押し付けることになる。したがって、この実施の形態によれば、立向き溶接時における溶融金属の垂れ落ちを防止して高品質の溶接を行うことができる。また、開先１ａの壁面側への溶け込みが促進されるので、開先角度を小さくしても、アンダーカットやオーバーラップ等の溶接欠陥の発生が抑制される。つまり、狭開先化が可能になる。開先１ａは、その角度が小さいほど溶接量が少なくなる。したがって、溶接品質が確保できるのであれば、狭開先化によって溶接の能率の向上や溶接歪量の低減等を図ることが望ましい。

一方、上記垂れ落ち防止作用と溶け込み促進作用は、添加ワイヤ９，１１の供給量を増加した場合でも良好な溶接結果をもたらすので、溶接品質を確保しながら溶接作業の能率向上を図ることが可能になる。
なお、上記とは逆に、前方添加ワイヤ９から後方添加ワイヤ１１に向う一方向電流を流す場合には、ウィービング動作に対する磁場の方向変化が図３（ｂ）に示す変化と逆になるように磁化コイル２１の電流方向を変化すれば良い。

（実施形態２）
本発明に係るＴＩＧ溶接方法は、図５に示すようなＴＩＧ溶接装置を用いて実施することも可能である。このＴＩＧ溶接装置は、添加ワイヤ９および１１を電流方向切換装置２９を介してワイヤ加熱電源１７に接続した点と、磁化コイル２１を励磁用直流電源２５をに直接接続した点において図１に示すＴＩＧ溶接装置と構成が異なる。

電流方向切換装置２９は、ウィービングの切換タイミングに同期して添加ワイヤ９および１１に対する供給電流の極性を変化させる。したがって、図６に示すように、溶接金属の溶融池２７には、前方添加ワイヤ９から後方添加ワイヤ１１に向う電流と、後方添加ワイヤ１１から前方添加ワイヤ９に向う電流とが交互に流れることになる。一方、溶融池２７は、磁化コイル２１が発生する外部磁場の中に置かれる。

ここで、磁化コイル２１の磁束が溶融池２７に対して図６の紙面に向かう方向に鎖交しているとすると、この場合、添加ワイヤ９および１１間を流れる電流の方向は、溶接トーチ７のウィービングに伴って次のように切換えられる。
すなわち、上記電流方向切換装置２９は、溶接トーチ７が図６における左方向にウィービングする期間において、上記電流が同図の溶接線に沿って下から上に向かう方向に流れるように、また、溶接トーチ７が同図における右方向にウィービングする期間において、該電流が上記とは逆の方向に流れるように切換動作する。

この結果、溶融池２７には、前記フレミングの左手の法則に基づく電磁力が発生する。すなわち、溶接トーチ７が図６における左方向および右方向にウィービングする各期間において、それぞれ矢印で示すように、溶融金属を開先のウィービング側壁面に押しつける方向の電磁力ＦＬおよびＦＲが発する。それ故、この実施形態２においても、前記実施形態２と同様の作用効果が得られる。

なお、上記とは逆に、磁化コイル２１の磁束が溶融池２７に対して図６の紙面から出る方向に鎖交している場合には、上記電流方向切換装置２９が上記各ウィービングする期間においてそれぞれ上記とは逆の方向の電流を添加ワイヤ９、１１間に流す。

上記実施形態１、２では、添加ワイヤ１１，１９に流れる電流によって該ワイヤ１１，１９自体もジュール加熱されることになり、これは添加ワイヤ１１，１９の溶着性の向上に寄与する。
また、上記実施形態１、２における母材１の開先１ａは、Ｘ形状を有しているが、本発明は他形状（Ｖ形状やＵ形状等）の開先にも有効に適用することができる。さらに、本発明は、特に立向き溶接に適用して好適であるものの、管の全周溶接や水平溶接等にも適用可能である。

本発明の実施形態１に係るＴＩＧ溶接方法を実施するためのＴＩＧ溶接装置の構成を例示した概念図である。 図１のＴＩＧ溶接装置の各添加ワイヤ間を流れる電流の方向および電磁力の作用方向を示す斜視図である。 溶接トーチのウィービング動作と、このウィービング動作に対応する磁場の方向変化と、該ウィービング動作に対応する電磁力の変化態様とを示すタイミングチャートである。 本発明の実施形態２に係るＴＩＧ溶接方法を実施するためのＴＩＧ溶接装置の構成を例示した概念図である。 図４のＴＩＧ溶接装置の各添加ワイヤ間を流れる電流の方向および電磁力の作用方向を示す斜視図である。 アンダーカットの発生形態を例示した断面図である。

符号の説明

１ 母材
１ａ 開先
３ 台車
５ ガイドレール
７ ＴＩＧ溶接トーチ
９，１１ 溶接ワイヤ
１３，１５ ワイヤ供給装置
１７ ワイヤ加熱電源
１９ 溶接電源
２１ 磁化コイル
２３ 磁場方向切換装置
２５ 励磁用直流電源
２７ 溶融池
２９ 電流方向切換装置

Claims (5)

1. 溶接トーチをウィービングさせながらＴＩＧ溶接を施す方法であって、
   前記溶接トーチを挟んで２本の添加ワイヤを配置するステップと、
   前記各添加ワイヤを介して開先内の溶融金属に溶接線に沿う１方向電流を流すステップと、
   前記溶融金属に外部磁場を付与するステップと、
   前記ウィービングの方向切換タイミングに同期して前記外部磁場の方向を変化させるステップと、を含み、
   前記１方向電流と前記方向変化する外部磁場の相互作用によって、前記溶融金属を前記ウィービングの方向に付勢する電磁力を発生させ、この電磁力によって前記溶融金属を前記開先の両側壁に押し付けるようにしたことを特徴とするＴＩＧ溶接方法。
2. 溶接トーチをウィービングさせながらＴＩＧ溶接を施す方法であって、
   前記溶接トーチを挟んで２本の添加ワイヤを配置するステップと、
   前記各添加ワイヤを介して開先内の溶融金属に溶接線に沿う電流を流すステップと、
   前記溶融金属に外部磁場を付与するステップと、
   前記ウィービングの方向切換タイミングに同期して前記電流の方向を変化させるステップと、を含み、
   前記方向変化する電流と前記外部磁場の相互作用によって、前記溶融金属を前記ウィービングの方向に付勢する電磁力を発生させ、この電磁力によって前記溶融金属を前記開先の両側壁に押し付けるようにしたことを特徴とするＴＩＧ溶接方法。
3. 溶接トーチをウィービングさせながらＴＩＧ溶接を施す装置であって、
   前記溶接トーチを挟んで配置した２本の添加ワイヤと、
   前記各添加ワイヤを介して開先内の溶融金属に溶接線に沿う１方向電流を流す電流供給源と、
   前記溶融金属に外部磁場を付与し、かつ、前記ウィービングの方向切換タイミングに同期して前記外部磁場の方向を変化させる磁場発生手段と、を備え、
   前記１方向電流と前記方向変化する外部磁場の相互作用によって、前記溶融金属を前記ウィービングの方向に付勢する電磁力を発生させ、この電磁力によって前記溶融金属を前記開先の両側壁に押し付けるようにしたことを特徴とするＴＩＧ溶接装置。
4. 溶接トーチをウィービングさせながらＴＩＧ溶接を施す装置であって、
   前記溶接トーチを挟んで配置した２本の添加ワイヤと、
   前記各添加ワイヤを介して開先内の溶融金属に溶接線に沿う電流を流し、かつ、前記ウィービングの方向切換タイミングに同期して前記電流の方向を変化させる電流供給源と、
   前記溶融金属に外部磁場を付与する磁場発生手段と、を備え、
   前記方向変化する電流と前記外部磁場の相互作用によって、前記溶融金属を前記ウィービングの方向に付勢する電磁力を発生させ、この電磁力によって前記溶融金属を前記開先の両側壁に押し付けるようにしたことを特徴とするＴＩＧ溶接装置。
5. 前記磁場発生手段が、前記溶接トーチに同軸状に設けられたコイルを含むことを特徴とする請求項３または４に記載のＴＩＧ溶接装置。

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