JP2005205415A - 鋳物用アルミニウム合金のアーク溶接方法およびアーク溶接トーチ - Google Patents

Abstract

【課題】 溶接金属中のポロシティの残留を解消可能な鋳物用アルミニウム合金のアーク溶接方法およびアーク溶接トーチを提供する。
【解決手段】 ガス送出ノズル７より吹き出すシールドガスの雰囲気中で前記送出ノズル７の内側に位置する電極６と溶接母材との間にアーク柱９を発生させて溶接母材を溶接する鋳物用アルミニウム合金のアーク溶接方法であり、溶接トーチ２Ａよりのアークにより溶接母材表面に形成された溶融池１０を加熱手段３により加熱することで溶融池１０が急冷されることを緩和するようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、溶接金属内部のポロシティ（ブローホールともいう）を低減する鋳物用アルミニウム合金のアーク溶接方法およびアーク溶接トーチに関し、特に、アルミニウム鋳物等の溶接時に溶接金属内部のポロシティを低減する鋳物用アルミニウム合金のアーク溶接方法およびアーク溶接トーチに関するものである。

一般にアルミニウム鋳物にＭＩＧ溶接等のアーク溶接を行う場合に、溶接金属中内部にポロシティが発生し、溶接金属の機械的性質を低下させる。これは、溶解鋳造過程でアルミニウム鋳物内に含まれた水素ガスが、溶接による再溶解された溶接金属中への溶解度の低下により気泡となり、溶接金属表面から抜けきれずに発生する場合、および、アルミ鋳物の酸化皮膜中に含まれている結晶水や外表面に付着している水滴が溶接金属中に巻き込まれて気泡となり発生する場合が考えられる。

このような溶接金属中のポロシティの発生を低減するために、例えば、溶接中に溶接電圧や電流を脈動させたり、溶接トーチを機械的に脈動移動や回転移動させて、溶融池を攪拌して溶接金属の凝固を遅延させ、発生した気泡を溶接金属外へ出やすくする対策（特許文献１参照）が実行されている。
特開平１０−１９３１２０号公報

しかしながら、上記従来例では、アルミニウム鋳物をアーク溶接する場合に、アルミニウムの比重が鉄に比較して１／３と小さいがため水素ガスに作用する浮力が小さく、熱伝導率も鉄に比較して３〜４倍と大きいことに起因して、気泡となった水素ガスが溶融池から放出される以前に溶融池が急冷凝固する結果となり、気泡がポロシティとして溶接金属中に残る不具合を解消できないものであった。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、溶接金属中のポロシティの残留を解消可能な鋳物用アルミニウム合金のアーク溶接方法およびアーク溶接トーチを提供することを目的とする。

本発明は、ガス送出ノズルより吹き出すシールドガスの雰囲気中で前記送出ノズルの内側に位置する電極と溶接母材との間にアーク柱を発生させて溶接母材を溶接する鋳物用アルミニウム合金のアーク溶接方法であって、溶接トーチよりのアークにより溶接母材表面に形成された溶融池を加熱手段により加熱して溶融池が急冷されることを緩和するようにした。

したがって、本発明では、ガス送出ノズルより吹き出すシールドガスの雰囲気中で前記送出ノズルの内側に位置する電極と溶接母材との間にアーク柱を発生させて溶接母材を溶接する鋳物用アルミニウム合金のアーク溶接方法であって、溶接トーチよりのアークにより溶接母材表面に形成された溶融池を加熱手段により加熱して溶融池が急冷されることを緩和するため、溶接池の溶融金属の凝固を遅らせて、半溶融状態の溶融池に気泡として含まれる水素ガスを浮上させやすくでき、溶接金属中のポロシティを削減させることができる。また、加熱手段は溶接母材の溶融池近傍のみを加熱するため、ワーク全体に熱が加わらず、熱によるワークの変形を最小限に抑えることができる。

以下、本発明の鋳物用アルミニウム合金のアーク溶接方法およびアーク溶接トーチを一実施形態に基づいて説明する。図１は、本発明を適用した鋳物用アルミニウム合金のアーク溶接方法および溶接トーチの第１実施例を示す断面図である。

図１において、アーク溶接に使用する溶接トーチ１は、イナートガス溶接手段２と加熱手段３とから構成している。イナートガス溶接手段２は、例えば、トーチ本体４の内部に導電性のコンタクトチューブ５を固定して備え、コンタクトチューブ５内には溶接ワイヤ６が消耗電極として配置している。溶接ワイヤ６は、図示しないスプールに巻付け収容され、ＭＩＧ溶接時に一定の送り量により図示しないワイヤ送りシースを経由してコンタクトチューブ５から送り出されるＭＩＧ溶接トーチ２Ａにより構成している。トーチ本体４の先端には筒状のガス送出ノズル７を固定している。

アルゴン（Ａｒ）等のシールドガスは、コンタクトチューブ５とトーチ本体４との環状通路８を経由して供給され、コンタクトチューブ５および消耗電極６とガス送出ノズル７との環状通路８を経由して吹き出すようにしている。吹き出されたシールドガスは、消耗電極６から放射されるアークによるアーク柱９と大気との間に介在してアーク柱９を大気から遮蔽する。

前記ＭＩＧ溶接トーチ２Ａの消耗電極６から放射されるアークは、アルミニウム鋳物表面の被溶接物との溶接部に溶融池１０を形成し、被溶接部をシールドガスにより大気から遮断した状態でＭＩＧ溶接することができる。

前記加熱手段３は、前記ＭＩＧ溶接トーチ２Ａに付随して設置され、先行するＭＩＧ溶接トーチ２Ａによるアーク通過直後のアルミニウム鋳物表面の溶融池１０を後方から加熱するものである。ここでは、トーチ本体４の後方に固定して筒状の遮蔽壁１５を設け、遮蔽壁１５内に集光レンズ１６を配置し、集光レンズ１６に光ファイバ１７の端部を臨ませて構成している。光ファイバ１７には、図示しない発光装置により発生させた赤外光若しくはレーザ光を導入し、この赤外光若しくはレーザ光を集光レンズ１６に照射し、集光レンズ１６によりＭＩＧ溶接トーチ２Ａのアークにより形成された直後の溶融池１０に集光させて、溶融池１０を加熱するよう構成している。溶融池１０は加熱することによりその凝固が遅延される。

以上の構成になる溶接トーチ１を用いたアルミニウム鋳物のアーク溶接（ＭＩＧ溶接）により作用を説明する。

ＭＩＧ溶接を行う場合には、先ず、溶接の電流値や電圧値が決定される。ＭＩＧ溶接においては、消耗電極６からアーク柱９（アークプラズマともいう）が発生する。このアーク柱９の長さおよび幅は、印加する電圧および電流により変化する。電圧値および電流値を低く設定すると、長さが短くかつ幅の大きいアーク柱９が発生し、入熱量が低くなり、アークが溶接箇所に接する幅は広がるものの、アーク自体は安定しない。他方、電圧および電流を高く設定すると、長さが長く且つ幅が小さいアーク柱９が発生し、入熱量が高くなり、アークが集中して溶接箇所に接するため溶接母材の溶け落ちが発生しやすいが、安定性が高い。このため、一般的なＭＩＧ溶接条件の基本となる電流と電圧の相関関係を示す基本条件の基本電圧値を増減させて微調整する。基本的には、アーク柱９が安定している電圧値、電流値に設定する。

上記条件により設定した電圧値・電流値によりＭＩＧ溶接を開始すると、アーク柱９は、その長さが長く且つ幅が小さいアーク柱９が選択される。ＭＩＧ溶接の開始と同時に、トーチ本体４とコンタクトチューブ５との環状通路８にシールドガスを供給する。シールドガスは、ガス送出ノズル７先端から消耗電極６回りに吹き出される。

被溶接物とアルミニウム鋳物との溶接母材表面には、アーク柱９により両者の溶接部が半溶融状態に溶融した溶融池１０が形成され、溶融池１０内にはアルミニウム鋳物側から多量に含まれている水素ガスが気泡となり、それ自身の浮力により溶融池１０表面に浮上しようとする。

溶接トーチ２Ａが溶接移動することにより前記溶融池１０には溶接トーチ２Ａからのアークに代わって加熱手段３による赤外光またはレーザ光が照射される。溶融池１０は周辺のアルミニウム鋳物へ放熱されることによる冷却が開始される一方、赤外光またはレーザ光の照射により溶融池１０に限定して局所的に加熱される。半溶融状態の溶融池１０の温度は、赤外光またはレーザ光の照射による入熱量と周辺のアルミニウム鋳物へ放熱量との差分の放熱量に応じて冷却されてゆく。

従って、比重が鉄に比較して１／３と小さいために水素ガスに作用する浮力が小さく、熱伝導率も鉄に比較して３〜４倍と大きいアルミニウム鋳物であっても、冷却速度を緩和することができる。従って、溶融池１０は半溶融状態が長くなり、前記水素ガスの気泡の溶融池１０表面への浮上が促進される。

また、赤外光やレーザ光が、溶接トーチ２Ａからアーク柱９の周囲に吹き出しているシールドガス（Ａｒガス）も同時に暖めるため、上記溶接金属の凝固の遅延化をさらに図ることができ、このことからも、前記水素ガスの気泡の溶融池１０表面への浮上が促進される。

そして、加熱手段３による加熱表面が溶接トーチ２Ａの溶接移動により次の溶融池１０に移動された段階で、加熱手段３からの入熱量が無くなり、周辺のアルミニウム鋳物へ放熱量によって溶接金属は溶融凝固される。

以上のように、加熱手段３による加熱表面は溶接トーチ２Ａの溶接移動とともに移動し、次々と溶接トーチ２Ａにより発生する溶接部の溶融池１０に対して入熱するため、いずれの時点でも溶融池１０は半溶融状態が長くなり、前記水素ガスの気泡の溶融池１０表面への浮上が促進され、一連の溶接金属中のポロシティを低減することができる。

図２は、図１に示す溶接トーチ１を用いてアルミニウム合金：ＡＣ４ＣＨ（板厚：２．０ｍｍ、含有水素ガス量：２．５ｃｃ／１００ｇＡＩ）を、隙間：０ｍｍで重ね隅肉継ぎ手をＭＩＧ溶接し、溶接金属の引張り試験後の破面の中央部の拡大写真であり、（Ａ）は溶接トーチの加熱手段を作動させた本発明の写真であり、（Ｂ）は溶接トーチの加熱手段の作動を停止させた比較例の写真である。図２（Ａ）および（Ｂ）において、散在している直径０．５〜２ｍｍの像が、ポロシティ（気泡）である。

図２（Ｂ）に示す比較例の溶接金属では、５０μｍ（写真の倍率換算では、約２ｍｍ）以上のポロシティが無数に散在して（ポロシティ面積率が２％）いるのに対し、図２（Ａ）に示す本発明による溶接金属では、５０μｍ（写真の倍率換算では、約２ｍｍ）以上のポロシティは殆ど（ポロシティ面積率が０．３％）発見できない。前記ポロシティ面積率とは、溶接部を上記のように破断して、その破断面全体に存在するポロシティの面積の合計の破断面全体の面積に対する割合を％で表現したものである。このポロシティ面積率は破断面全体で求めるため、ポロシティの分布場所がばらついていても、影響なく正当な評価ができる。そして、ポロシティの面積比率が２％と高い比較例の溶接金属では、溶接母材に対する強度割合を示す継手効率〔｛（試験片の強度（引張強度）［ＭＰａ］）／（母材の強度［ＭＰａ］）｝×１００〕が４０％程度に低下するのに対し、ポロシティの面積比率が０．３％と低い本発明による溶接金属では、継手効率を７０％以上に向上させることができる。

図３は、本発明を適用したアーク溶接トーチの第２実施例を示す側面図である。図１に示す第１実施例では、加熱手段３を溶接トーチ２Ａに一体に付設したものであったが、本実施例では、溶接トーチ２Ａにブラケット２０を介して加熱手段３を取付けたものであり、このように既存の溶接トーチ２Ａに後付で取付けて実施することもできる。また、溶接トーチを把持させる溶接ロボットのハンドに加熱手段３を取付けるようにしてもよい。

本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。

（ア）ガス送出ノズル７より吹き出すシールドガスの雰囲気中で前記送出ノズル７の内側に位置する電極６と溶接母材との間にアーク柱９を発生させて溶接母材を溶接する鋳物用アルミニウム合金のアーク溶接であり、溶接トーチ２Ａよりのアークにより溶接母材表面に形成された溶融池１０を加熱手段３により加熱することで溶融池１０が急冷されることを緩和するため、溶接池１０の溶融金属の凝固を遅らせて半溶融状態を長くでき、溶融池１０に気泡として含まれる水素ガスを浮上させやすくでき、溶接金属中のポロシティを削減させることができる。また、加熱手段３は溶接母材の溶融池１０近傍のみを加熱するため、ワーク全体に熱が加わらず、熱によるワークの変形を最小限に抑えることができる。

（イ）加熱手段３は、溶接トーチ２Ａのアーク柱９周囲に吹き出すシールドガス（Ａｒガス）も同時に暖めるため、溶接金属の凝固の遅延化をさらに図ることができ、水素ガスの気泡の溶融池１０表面への浮上を促進し、溶接金属中のポロシティを一層削減させることができる。

（ウ）ガス送出ノズル７より吹き出すシールドガスの雰囲気中で前記送出ノズル７の内側に位置する電極６と溶接母材との間にアーク柱９を発生させて溶接母材を溶接する鋳物用アルミニウム合金のアーク溶接トーチ２Ａに、溶接トーチ２Ａよりのアークにより溶接母材表面に形成された溶融池１０を加熱して溶融池１０が急冷されることを緩和する加熱手段３を一体移動可能に備えているため、溶接すべき継ぎ手の種類に応じて溶接トーチ２Ａの溶接姿勢を変更する場合に加熱手段３の姿勢も同時に変更でき、溶接自由度を向上できる。

（エ）加熱手段３は、溶接母材表面に形成された溶融池１０に赤外光やレーザ光を照射するものであるため、溶接トーチ２Ａから吹き出されるシールドガスの流れを阻害することが無く溶接品質を低下させることがない。

なお、上記実施形態において、加熱手段３として、赤外光またはレーザ光をアーク通過後の溶融池１０に照射するものについて説明したが、図示はしないが、限定された溶融池１０を加熱できるものであれば電気的・磁気的な加熱手段やガストーチ等の加熱手段を用いるものであってもよい。

また、溶接トーチ２Ａとして、消耗電極６を用いるＭＩＧ溶接トーチ２Ａを用いるものについて説明したが、図示しないが、タングステン等の非消耗電極を用いるＴＩＧ溶接トーチであってもよい。

本発明の一実施形態の鋳物用アルミニウム合金のアーク溶接方法およびアーク溶接トーチの第１実施例を示す概略構成図。 本発明例（Ａ）と比較例（Ｂ）の溶接金属の拡大写真を示す図。 同じくアーク溶接トーチの第２実施例を示す側面図。

符号の説明

１、２Ａ アーク溶接トーチ、溶接トーチ
２ イナートガス溶接手段
３ 加熱手段
４ トーチ本体
５ コンタクトチューブ
６ 消耗電極、溶接ワイヤ
７ ガス送出ノズル
９ アーク柱
１０ 溶融池
１５ 遮蔽壁
１６ 集光レンズ
１７ 光ファイバ

Claims (4)

1. ガス送出ノズルより吹き出すシールドガスの雰囲気中で前記送出ノズルの内側に位置する電極と溶接母材との間にアークを発生させて溶接母材を溶接する鋳物用アルミニウム合金のアーク溶接方法であって、
   溶接トーチのアークにより溶接母材表面に形成された溶融池を加熱手段により加熱し、前記溶融池が急冷されることを緩和することを特徴とする鋳物用アルミニウム合金のアーク溶接方法。
2. 前記加熱手段は、溶接トーチのアーク周囲に吹き出すシールドガスも同時に暖めることを特徴とする請求項１に記載の鋳物用アルミニウム合金のアーク溶接方法。
3. ガス送出ノズルより吹き出すシールドガスの雰囲気中で前記送出ノズルの内側に位置する電極と溶接母材との間にアークを発生させて溶接母材を溶接する鋳物用アルミニウム合金のアーク溶接トーチであって、
   溶接トーチよりのアークにより溶接母材表面に形成された溶融池を加熱して、前記溶融池が急冷されることを緩和する加熱手段を一体移動可能に備えていることを特徴とする鋳物用アルミニウム合金のアーク溶接トーチ。
4. 加熱手段は、溶接母材表面に形成された溶融池に赤外光やレーザ光を照射するものであることを特徴とする請求項３に記載の鋳物用アルミニウム合金のアーク溶接トーチ。