JP2007050426A - Method for ac tig welding - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、溶融池に振動を与えることによってブローホールの発生を抑制するための交流ティグ溶接方法に関するものである。 The present invention relates to an AC TIG welding method for suppressing generation of blowholes by applying vibration to a molten pool.
アルミニウム又はその合金(以下、アルミニウムという)をティグ溶接するときに大きな問題となるのは、溶接部に発生するブローホールである。図5は、このブローホールの発生メカニズムを示す模式図である。同図(A)に示すように、タングステン製の非消耗電極1と溶融池4との間にアーク3が発生している。アルゴンガス等のシールドガス2がアーク3の発生部を空気から遮蔽している。シールドガス2にはわずかな水分が含まれており、また空気中の水分もわずかにシールドガス2の遮蔽内に混入する。これらの水分がアーク3によって分解されて水素5が生成される。そして、この水素5が溶融池4に吸収される。続いて、同図(B)に示すように、溶融池4内で水素5が気泡6を生成する。続いて、同図(C)に示すように、溶融池4の底部が凝固を開始する。水素5は固相になると液相のときよりも溶解度が小さくなるために、凝固境界で水素5が液相に放出されて、溶融池内を浮上し外部に放出される。続いて、同図(D)に示すように、溶融池4の凝固が進行して外部への放出が間に合わなかった気泡6が残留してブローホール7になる。続いて、同図(E)に示すように、溶融池4の凝固が完了し、その内部にブローホール7が形成されている。
A major problem when TIG welding aluminum or an alloy thereof (hereinafter referred to as aluminum) is a blow hole generated in the welded portion. FIG. 5 is a schematic diagram showing a mechanism for generating this blow hole. As shown in FIG. 2A, an arc 3 is generated between the non-consumable electrode 1 made of tungsten and the molten pool 4. A shield gas 2 such as argon gas shields the generation part of the arc 3 from the air. The shield gas 2 contains a slight amount of moisture, and moisture in the air is slightly mixed in the shield of the shield gas 2. These moisture are decomposed by the arc 3 to generate
上述したブローホール発生の問題を解決するために、特許文献1に記載する従来技術1では、溶接トーチに励磁コイルを装着して溶融池に磁場を形成することによって溶融池を磁気攪拌する。これにより、図5(C)で上述した気泡の浮上及び外部放出が促進されてブローホールの発生を抑制することができる。 In order to solve the above-described problem of blowhole generation, in the prior art 1 described in Patent Document 1, the molten pool is magnetically stirred by attaching an exciting coil to the welding torch and forming a magnetic field in the molten pool. Thereby, the bubble floating and external discharge described above with reference to FIG. 5C are promoted, and the generation of blowholes can be suppressed.
また、特許文献2に記載する従来技術2では、第1のパルス電流群と第2のパルス電流群とを周期的に切り換えてアーク長を周期変動させるパルスミグ溶接法において,切換周波数を0.5〜25Hzの範囲に設定することによって溶融池に低周波振動を与えて溶融池を撹拌する。これにより、図5(C)で上述した気泡の浮上及び外部放出が促進されてブローホールの発生を抑制することができる。 Further, in the prior art 2 described in Patent Document 2, in the pulse MIG welding method in which the arc length is periodically changed by periodically switching between the first pulse current group and the second pulse current group, the switching frequency is set to 0.5. By setting the frequency within a range of ˜25 Hz, low-frequency vibration is applied to the molten pool and the molten pool is agitated. Thereby, the bubble floating and external discharge described above with reference to FIG. 5C are promoted, and the generation of blowholes can be suppressed.
上述した従来技術1においては、溶接トーチに大型の励磁コイルを装着する必要があり、溶接トーチが大型になる。このために、溶接構造物、治具等と干渉することが多くなり、適用範囲が限定されているという問題がある。さらに、磁気攪拌によって回転する溶融金属の対流の速さ及び大きさは、磁場の強さ及び周波数に大きく影響される。このために、十分なブローホール抑制効果を発揮するための適正条件範囲が狭いという問題がある。この適正条件範囲から逸脱すると、溶融金属が溶融池の外に飛び出してビード外観不良を招いたり,十分なブローホール抑制効果を奏しない場合がある。 In the prior art 1 described above, it is necessary to attach a large exciting coil to the welding torch, and the welding torch becomes large. For this reason, it often interferes with a welded structure, a jig, etc., and there is a problem that the application range is limited. Furthermore, the speed and magnitude of the convection of the molten metal rotating by magnetic stirring are greatly affected by the strength and frequency of the magnetic field. For this reason, there exists a problem that the appropriate condition range for exhibiting sufficient blowhole suppression effect is narrow. When deviating from this appropriate condition range, the molten metal may jump out of the molten pool and cause a bead appearance defect or may not exhibit a sufficient blowhole suppression effect.
また、上述した従来技術2においては、溶融金属の大きな揺動・攪拌を伴うために、溶接姿勢、継手形状等によってはビード外観が悪くなるという問題がある。 Further, in the above-described conventional technique 2, there is a problem that the bead appearance is deteriorated depending on the welding posture, joint shape, and the like because the molten metal is greatly swung and stirred.
そこで、本発明は、上述した課題を解決した上でブローホールの発生を抑制することができる交流ティグ溶接方法を提供する。 Then, this invention provides the alternating current TIG welding method which can suppress generation | occurrence | production of a blowhole, after solving the subject mentioned above.
上述した課題を解決するために、第1の発明は、交流電流を通電して交流アークを発生させて溶接する交流ティグ溶接方法において、
前記交流電流の交流周波数を溶融池に高周波振動によるキャビテーションを生じさせる範囲に設定し、溶融池内部からの気泡の放出を促進してブローホールの発生を減少させる、ことを特徴とする交流ティグ溶接方法である。
In order to solve the above-described problem, the first invention is an AC TIG welding method in which an AC current is applied to generate an AC arc and welded.
The AC TIG welding is characterized in that the AC frequency of the AC current is set in a range that causes cavitation due to high-frequency vibration in the molten pool, and the generation of blowholes is reduced by promoting the release of bubbles from the molten pool. Is the way.
また、第2の発明は、第1の発明記載の交流周波数の範囲が、5kHz以上35kHz以下である、ことを特徴とする交流ティグ溶接方法である。 The second invention is an AC TIG welding method characterized in that the range of the AC frequency described in the first invention is 5 kHz or more and 35 kHz or less.
本発明の交流ティグ溶接方法によれば、5〜35kHzの交流周波数を有する交流電流をアーク及び溶融池に通電することによって、溶融池に高周波振動によるキャビテーションを生じさせて溶融池内部からの水素ガスによる気泡の放出を促進し、ブローホールの発生を大幅に減少させることができる。本発明では、従来技術1のように溶接トーチに励磁コイルを装着する必要がなく通常の溶接トーチを使用することができるので、干渉により適用個所が限定されることはない。また、本発明では、交流周波数をキャビテーションが発生する値に設定するだけで他の溶接条件は通常の交流ティグ溶接と略同様であるので、溶接条件範囲が狭くなることはない。さらに、本発明では、溶融池に攪拌・揺動を生じさせることがないので、溶接姿勢、継手形状等によってビード外観が悪くなることはない。 According to the AC TIG welding method of the present invention, by supplying an AC current having an AC frequency of 5 to 35 kHz to the arc and the molten pool, cavitation due to high-frequency vibration is generated in the molten pool, and hydrogen gas from the molten pool is generated. It is possible to promote the release of bubbles due to, and to greatly reduce the occurrence of blowholes. In the present invention, unlike the prior art 1, it is not necessary to attach an exciting coil to the welding torch, and a normal welding torch can be used. Therefore, the application location is not limited by interference. In the present invention, the welding condition range is not narrowed because the other welding conditions are substantially the same as those of normal AC TIG welding simply by setting the AC frequency to a value that causes cavitation. Further, in the present invention, since the molten pool is not agitated and shaken, the bead appearance is not deteriorated by the welding posture, the joint shape, and the like.
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。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施の形態に係る交流ティグ溶接方法を実施するための溶接電源のブロック図である。3相ブリッジダイオードDPは、3相200V等の商用電源ACを入力として3相全波整流して直流電圧を出力する。平滑コンデンサCは、直流電圧を平滑する。スイッチング素子TR1〜TR4は、フルブリッジ方式のインバータ回路を形成し、高周波交流を出力する。このインバーら回路の方式は、プッシュ・プル方式又はハーフブリッジ方式でも良い。還流ダイオードD1〜D4は、それぞれのスイッチング素子に逆並列に接続されて、スイッチング素子がオフ状態のときの変圧器Trの励磁インダクタンスからの還流電流を通電する。変圧器Trは、上記の高周波交流の電圧値をアーク溶接に適した電圧値に降圧する。変圧器Trの2次側出力はそのまま電極・母材間に供給される。したがって、交流電流Iw及び交流電圧Vwの交流周波数fは、インバータ回路のキャリア周波数と同一値になる。通常のインバータ溶接電源では、変圧器Trの2次出力を整流して2次側インバータ回路によって数十Hz程度の低周波交流を出力する。これに対して、本発明のインバータ溶接電源では、数十kHzの高周波交流を出力する。パルス幅変調回路PWMは、交流出力を制御するためのパルス幅変調信号Pwmを出力する。駆動回路DVは、上記のスイッチング素子TR1及びTR4を起動する信号Saと、スイッチング素子TR2及びTR3を駆動する信号Sbとを出力する。したがって、交流電流Iw及び交流電圧Vwの交流周波数f(kHz)は、パルス幅変調回路PWMによって所望値に設定することができる。 FIG. 1 is a block diagram of a welding power source for performing an AC TIG welding method according to an embodiment of the present invention. The three-phase bridge diode DP receives a commercial power supply AC such as a three-phase 200V as an input, and outputs a DC voltage by performing three-phase full-wave rectification. The smoothing capacitor C smoothes the DC voltage. The switching elements TR1 to TR4 form a full-bridge inverter circuit and output high-frequency alternating current. The Invar et al. Circuit may be a push-pull system or a half-bridge system. The free-wheeling diodes D1 to D4 are connected in antiparallel to the respective switching elements and energize the free-wheeling current from the exciting inductance of the transformer Tr when the switching elements are in the off state. The transformer Tr steps down the voltage value of the high frequency alternating current to a voltage value suitable for arc welding. The secondary output of the transformer Tr is supplied as it is between the electrode and the base material. Therefore, the alternating current frequency f of the alternating current Iw and the alternating voltage Vw becomes the same value as the carrier frequency of the inverter circuit. In a normal inverter welding power source, the secondary output of the transformer Tr is rectified and a low frequency alternating current of about several tens Hz is output by the secondary side inverter circuit. On the other hand, the inverter welding power source of the present invention outputs a high frequency alternating current of several tens of kHz. The pulse width modulation circuit PWM outputs a pulse width modulation signal Pwm for controlling the AC output. The drive circuit DV outputs a signal Sa for starting the switching elements TR1 and TR4 and a signal Sb for driving the switching elements TR2 and TR3. Therefore, the AC frequency f (kHz) of the AC current Iw and the AC voltage Vw can be set to a desired value by the pulse width modulation circuit PWM.
図2は、交流周波数fとブローホール発生数ととの関係図である。同図は、上述した図1の溶接電源を使用してアルミニウム材に対して交流ティグ溶接を行い、溶接長さ50mm当たりのブローホール発生数を測定したものである。同図に示すように、ブローホール発生数は、f≧5kHzで急減し、f>35kHzで再び急増する。したがって、5≦f≦35の範囲にあるときは、ブローホール発生数は大幅に減少する。 FIG. 2 is a relationship diagram between the AC frequency f and the number of blowholes generated. In the figure, AC TIG welding was performed on an aluminum material using the above-described welding power source of FIG. 1, and the number of blow holes generated per 50 mm weld length was measured. As shown in the figure, the number of blowholes rapidly decreases when f ≧ 5 kHz and rapidly increases again when f> 35 kHz. Therefore, when it is in the range of 5 ≦ f ≦ 35, the number of blowholes is greatly reduced.
このようにブローホール発生数が抑制される理由は以下のとおりである。すなわち、交流電流Iwの通電によって溶融池に高周波振動が生じる。この高周波振動によって溶融池内部に真空状態に近い空孔が多数形成される。この現象はキャビテーションと呼ばれる。このキャビテーションは液体の流動が圧力変化に追随できなくなった場合に発生する。このときに、交流周波数fが低くなると、圧力変化が液体の流動で緩和され、かつ、振動のエネルギーが液面の振動等の溶融池全体としての振動に消費されるために、キャビテーションは発生しにくくなる。キャビテーションが発生するのに必要な音圧(キャビテーション閾値)は、所定周波数以上では大きくなることが知られている。これは、空孔の発生に必要とされる時間よりも高周波による圧力変化が速くなるためである。他方、交流周波数fが高くなるほど振動の減衰は大きくなる。したがって、所定周波数以上ではキャビテーションは発生しにくくなる。このように、交流周波数fが適正範囲内にあるときに、キャビテーションは発生する。このキャビテーションによる空孔に、溶融池内の水素が凝集されて大きな気泡を形成する。大きな気泡は浮力も大きくなり、溶融池内を浮上して外部に放出される。このようにして、水素ガスの放出が促進されるので、ブローホール発生数が抑制される。同図に示すように、交流周波数fが5〜35kHzの範囲内にあるときはキャビテーションが発生してブローホールの発生が抑制される。 The reason why the number of blowholes is thus suppressed is as follows. That is, high-frequency vibration is generated in the molten pool by the application of the alternating current Iw. Due to this high frequency vibration, a large number of holes close to a vacuum state are formed inside the molten pool. This phenomenon is called cavitation. This cavitation occurs when the liquid flow becomes unable to follow the pressure change. At this time, when the AC frequency f becomes low, the pressure change is relaxed by the flow of the liquid, and the energy of vibration is consumed by the vibration of the entire molten pool such as the vibration of the liquid surface, so that cavitation occurs. It becomes difficult. It is known that the sound pressure (cavitation threshold) necessary for cavitation to occur becomes large at a predetermined frequency or higher. This is because the pressure change due to the high frequency becomes faster than the time required for generating the holes. On the other hand, the higher the AC frequency f, the greater the vibration attenuation. Therefore, cavitation is less likely to occur above a predetermined frequency. Thus, cavitation occurs when the AC frequency f is within the appropriate range. Hydrogen in the molten pool is agglomerated in the cavitation holes to form large bubbles. Large bubbles have high buoyancy, and float in the molten pool and are released to the outside. In this way, since the release of hydrogen gas is promoted, the number of blowholes generated is suppressed. As shown in the figure, when the AC frequency f is in the range of 5 to 35 kHz, cavitation occurs and the occurrence of blowholes is suppressed.
図3は、通常のティグ溶接方法及び本発明の交流ティグ溶接方法のブローホール発生数を比較した図である。アルミニウム材には純アルミニウム合金A1050(板厚5mm)を使用して、交流電流の平均値100A、溶接速度10cm/minでティグ溶接した場合である。なお、ブローホール抑制効果を明確に検証するために、99.5容積%アルゴン+0.5容積%水素の試験用混合ガスをシールドガスとして用いた。通常のティグ溶接とは、上述したように低周波交流出力を使用する溶接法である。本発明の交流周波数fはキャビテーションが発生する値に設定されている。同図に示すように、本発明のブローホール発生数は、通常のティグ溶接に比べて大幅に減少している。
FIG. 3 is a diagram comparing the number of blowholes generated in the normal TIG welding method and the AC TIG welding method of the present invention. In this case, pure aluminum alloy A1050 (
図4は、T字継手のブローホール抑制効果を従来技術1と本発明とで比較した図である。継手を除く溶接条件は上述した図3と同一である。従来技術1では、溶接トーチに装着した励磁コイルが継手のウエブ材及びフランジ材に干渉するのを回避するために、電極と母材間の距離を長くする必要がある。このために、磁気撹拌作用が弱くなり、ブローホールが多数発生している。これに対して、本発明では、溶接トーチは通常のものであるので継手と干渉することがなく、適正な電極・母材間距離を確保することができる。このために、高周波振動によってブローホール発生数が大幅に減少している。 FIG. 4 is a diagram comparing the blowhole suppressing effect of the T-shaped joint between the prior art 1 and the present invention. The welding conditions excluding the joint are the same as those in FIG. In prior art 1, it is necessary to increase the distance between the electrode and the base material in order to prevent the exciting coil mounted on the welding torch from interfering with the web material and flange material of the joint. For this reason, the magnetic stirring action is weakened and many blow holes are generated. On the other hand, in the present invention, since the welding torch is a normal one, it does not interfere with the joint, and an appropriate distance between the electrode and the base material can be ensured. For this reason, the number of blowholes generated is greatly reduced by high frequency vibration.
1 電極
2 シールドガス
3 アーク
4 溶融池
5 水素
6 気泡
7 ブローホール
AC 商用電源
C 平滑コンデンサ
D1〜D4 還流ダイオード
DP 3相ブリッジダイオード
DV 駆動回路
f 交流周波数
Iw 交流電流
PWM パルス幅変調回路
Pwm パルス幅変調信号
Sa、Sb 駆動信号
Tr 変圧器
TR1〜TR4 スイッチング素子
Vw 交流電圧
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrode 2 Shielding gas 3 Arc 4
Claims (2)
前記交流電流の交流周波数を溶融池に高周波振動によるキャビテーションを生じさせる範囲に設定し、溶融池内部からの気泡の放出を促進してブローホールの発生を減少させる、ことを特徴とする交流ティグ溶接方法。 In the AC TIG welding method of welding by generating an AC arc by energizing an AC current,
The AC TIG welding is characterized in that the AC frequency of the AC current is set in a range that causes cavitation due to high-frequency vibration in the molten pool, and the generation of blowholes is reduced by promoting the release of bubbles from the molten pool. Method.
2. The AC TIG welding method according to claim 1, wherein the range of the AC frequency is 5 kHz or more and 35 kHz or less.
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