JP2007237225A - 薄鋼板の高速ホットワイヤ多電極ｔｉｇ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スパッタの発生がなく、また高速溶接においてもハンピング現象を抑制しつつ、溶着量の増加を図るべくフィラーワイヤを安定かつ容易に供給することができる薄鋼板の高速ホットワイヤ多電極ＴＩＧ溶接方法を提供する。
【解決手段】薄鋼板を被溶接材１０として、少なくとも２本の電極１を用いる多電極ＴＩＧ溶接を行なうにあたり、各電極と被溶接材との間に発生するアーク２のうち少なくとも２つのアークが電磁力の作用によりお互いに引き合って一体のアークを形成するよう電極を配置するとともに、その一体化したアークにより形成された溶融プール３の後方から、ホットワイヤ形式で供給するワイヤ４の通電加熱用電流をＴＩＧアーク発生用電流よりも小さくし、かつ、ワイヤのエクステンションをＴＩＧアーク長よりも十分長く設定する。ワイヤの通電加熱用電流を、ＴＩＧアーク発生用電流の５０％以下とし、エクステンションを７０ｍｍ以上とするのが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、薄鋼板の高速ホットワイヤ多電極ＴＩＧ溶接方法に関し、詳しくは、スパッタの発生がなく、また高速溶接においてもハンピング現象を抑制しつつ、溶着量の増加を図るべくフィラーワイヤを安定かつ容易に供給することができる、薄鋼板の高速ホットワイヤ多電極ＴＩＧ溶接方法に関するものである。

従来、薄鋼板の溶接、特に自動車用足回り部品などの組立溶接においては、炭酸ガスアーク溶接が用いられていた。これは、炭酸ガスアーク溶接が、シールドガスに安価な炭酸ガスを用い、溶接速度も１〜１．５ｍ／ｍｉｎと比較的速いことから、低コストかつ高生産性の溶接方法であるためである。
しかしながら、消耗電極タイプの炭酸ガスアーク溶接では、炭酸ガスによりアーク力が過度に強くなるため、スパッタの発生が極めて多いという欠点がある。スパッタが被溶接材に付着すると、部品の動作不良や塗装不良などの問題が生じるため、溶接後にスパッタを除去する工程が必要な場合もある。そこで、スパッタの発生がない非消耗電極タイプの溶接を適用する動きが出てきた。

特許文献１には、プラズマ溶接による薄鋼板の突合わせ溶接方法が開示されている。プラズマ溶接は、非消耗電極アークを用いるためスパッタの発生はほとんどなく、またエネルギー密度も高いため高速の溶接が可能である。
特開２００３−９４１７０号公報

しかし、プラズマ溶接では、深い溶込みが得られるもののビード幅が狭いため、溶接位置の狙い精度を厳密にしなければならない。またアーク圧力も非常に高いため、溶融プールの形状を安定に保ちにくく、特に高速で溶接した場合には、溶融プールが振動して周期的にビードに激しい凹凸ができるハンピング現象が生じやすい。さらには、薄鋼板では溶け落ちが生じやすいなどの問題もある。

一方、同じ非消耗電極タイプの溶接方法としてＴＩＧ溶接があるが、その溶接速度は極めて遅く、０．５ｍ／ｍｉｎ以下程度である。ＴＩＧ溶接も高速で溶接すると、ビードに激しい凹凸ができるハンピング現象が生じる。また、ＴＩＧ溶接は炭酸ガスアーク溶接などに比べると溶着金属の量が少なく、約１／６程度である。
高速溶接時におけるハンピング現象を抑制する方法としては、溶接線上に複数の電極を配置して用いる多電極溶接方法がある。この方法は、先行アークで形成したハンピングビードを後行アークで再溶融させて平滑化を図るものである。このため、溶融プールの幅は１電極の場合とほとんど変わらないため、高速溶接時のビード幅が小さく、フィラーワイヤの添加が容易でないなど課題が残る。また別の方法として、高周波パルスにより溶接電流を波形制御した溶接方法があるが、場合によっては複雑な波形制御に設定する必要があり実用的ではない。

一方、ＴＩＧ溶接の溶着量を増加する方法としては、ジュール発熱によりフィラーワイヤを加熱しながら供給するホットワイヤＴＩＧ溶接法がある。この方法では、溶融プールにホットワイヤを連続的に供給する必要があり、溶接速度が速くなり溶融プールが小さくなるとワイヤ供給が不安定になってくる。このため、ホットワイヤＴＩＧ溶接の高速化には自ずと限界がある。

したがって、ＴＩＧ溶接の高速化を図るには、ハンピング現象を抑制することと、溶着金属量を増加させるために安定にフィラーワイヤを供給することが必要となる。
そこで、本発明は、スパッタの発生がなく、また高速溶接においてもハンピング現象を抑制しつつ、溶着量の増加を図るべくフィラーワイヤを安定かつ容易に供給することができる薄鋼板の高速ホットワイヤ多電極ＴＩＧ溶接方法を提供することを目的とする。

本発明は上記の課題を解決するものであり、その発明の要旨とするところは、以下のとおりである。
〔請求項１〕薄鋼板を被溶接材として、少なくとも２本の電極を用いる多電極ＴＩＧ溶接を行なうにあたり、各電極と被溶接材との間に発生するアークのうち少なくとも２つのアークが電磁力の作用によりお互いに引き合って一体のアークを形成するよう電極を配置するとともに、その一体化したアークにより形成された溶融プールの後方から、ホットワイヤ形式で供給するフィラーワイヤの通電加熱用電流をＴＩＧアーク発生用電流よりも小さくし、かつ、前記フィラーワイヤのエクステンションをＴＩＧアーク長よりも十分長く設定することを特徴とする薄鋼板の高速ホットワイヤ多電極ＴＩＧ溶接方法。

ここで、“ＴＩＧアーク長よりも十分長く”とは、“ＴＩＧアーク長の２０倍以上に”を意味する。
〔請求項２〕前記フィラーワイヤの通電加熱用電流を、ＴＩＧアーク発生用電流の５０％以下とし、前記エクステンションを７０ｍｍ以上とすることを特徴とする請求項１に記載の薄鋼板の高速ホットワイヤ多電極ＴＩＧ溶接方法。

〔請求項３〕前記フィラーワイヤの通電加熱用電流の向きを、ＴＩＧアーク発生用電流と同じ向きとすることを特徴とする請求項１または２に記載の薄鋼板の高速ホットワイヤ多電極ＴＩＧ溶接方法。
〔請求項４〕前記一体のアークを形成する少なくとも２本の電極を、狙いとする溶接線上の中心に対して左右に分けて配置することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の薄鋼板の高速ホットワイヤ多電極ＴＩＧ溶接方法。

〔請求項５〕前記被溶接材を多電極ＴＩＧ溶接して形成する継手が、重ね隅肉継手または突合わせ継手であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の薄鋼板の高速ホットワイヤ多電極ＴＩＧ溶接方法。

本発明によれば、多電極ＴＩＧ溶接の各電極と被溶接材との間に発生する少なくとも２つのアークが一体となるように電極を配置することで、幅広の溶融プールが形成され、その後方よりＴＩＧアークとの相互干渉を抑制させたホットワイヤの添加も安定かつ容易なものとなり、ノンスパッタでハンピング現象が発生しにくい薄鋼板の高速ＴＩＧ溶接を実現することができる。

以下に本発明について詳細に説明する。
発明者は、多電極ＴＩＧ溶接における電極の配置関係とアークの形成状態、さらには溶接時のハンピング現象におよぼす影響について鋭意検討を行った。その結果、近接する電極の距離が短く、それぞれの電極と被溶接材との間に発生するアークが電磁力の作用によりお互いに引き合い一体のアークが形成されると、アークの広がる空間が拡大されてプラズマ気流が弱められ、アークによる溶融プールの押し下げ力が小さくなり、高速でのハンピング現象が抑制される効果があることを見出した。

さらに、一体化したアークによって形成される溶融プールは幅が広いため、フィラーワイヤの添加、特にホットワイヤ方式の供給には有利であると考えられる。実際にホットワイヤ添加を試みたところ、ワイヤを加熱する際に通電する電流の向きがワイヤの供給性に大きく影響することが分かった。すなわち、ワイヤ電流とＴＩＧアークの電流が反対の向きの場合には、電磁力の作用によりワイヤと離れる方向へアークが大きく偏向して安定せず、作業性が著しく低下する。これに対して、ワイヤ電流とＴＩＧアークの電流が同じ向きである場合には、アークが安定してホットワイヤは連続してスムーズに供給することができた。

ホットワイヤ溶接法は、例えば図１に示すように、ワイヤ加熱用電源９からコンタクトチップ５を介してワイヤ（フィラーワイヤ）４に電流を通電し、この時のワイヤ４自身に発生するジュール熱を利用してワイヤ４の溶融速度を向上させ溶融金属量を増加させるものである。
図１に示すように、断面積Ｓ（ｍ²）のワイヤ４に電流Ｉ（Ａ）が流れている場合のワイヤ４に発生するジュール熱量Ｑ（Ｗ）は、ワイヤ４が通電加熱されるコンタクトチップ５と被溶接材１０との間のワイヤ長（すなわち、エクステンション）をＬ（ｍ）、ワイヤ４の電気抵抗率をρ（Ω・ｍ）とすると、（１）式のようになる。

Ｑ＝Ｉ^２×ρ×Ｌ／Ｓ （１）
そこで、（１）式の熱量Ｑがすべてワイヤ４の加熱に用いられたと仮定して、溶融プール３に接触する直前のワイヤ先端での温度Ｔ_Ｌ（℃）を求めることにする。
一般に、電気抵抗率ρは温度に依存して変化し、例えば鉄の場合、その変化率は大きく室温から融点までで１０倍程度変化するが、簡便のため、ρを（２）式のように温度Ｔ（℃）の一次式で近似する。

ρ＝40×10^−８＋0.053×10^−８×(Ｔ−20) （２）
さらに、ワイヤの体積熱容量を4.5×10^６（Ｊ／ｍ^３・℃）で温度に依存せず一定と仮定して、ワイヤの供給速度をｖ（ｍ／ｓ）、ワイヤの電流密度をｉ（Ａ／ｍ^２）とすると、溶融プールに接触する直前のワイヤ先端での温度Ｔ_Ｌ（℃）は、（３）式のように導かれる。

Ｔ_Ｌ＝40/0.053×［ｅｘｐ{(0.053×10^−８×ｉ^２×Ｌ)／(4.5×10^６×ｖ)}−1］＋20 （３）
（３）式より、ワイヤの加熱温度Ｔ_Ｌは、ワイヤ電流密度ｉ（＝Ｉ／Ｓ）およびエクステンションＬの増大により高くなり、ワイヤ供給速度ｖの減少により低くなる。
ところで、ホットワイヤが溶融プールへ安定して供給されるには、溶融プールに接触する直前のワイヤの温度Ｔ_Ｌが融点直下である条件が理想である。Ｔ_Ｌが融点以上の場合には、ワイヤが溶融プールに挿入される前に溶融してしまうため、スパッタが発生しやすく、ワイヤ添加が非常に不安定となる。またＴ_Ｌが低すぎると、ホットワイヤの利点を活かせないため、溶着量の増加を図ることができない。

以上のことから、（３）式から求まる溶融プールに接触する直前のワイヤの温度Ｔ_Ｌが１２００〜１６００℃の範囲になるように、ワイヤ電流密度、エクステンション、ワイヤ供給速度を設定すれば、ホットワイヤは安定して供給できる。
しかしながら、ワイヤ電流密度を高めるためにワイヤに通電する電流を大きくすると、それに比例してワイヤの電流磁場も大きくなるため、ＴＩＧアークとの相互干渉が過大となりすぎる場合がある。このため、安定なホットワイヤの供給を図るためには、ワイヤ加熱電流はできるだけ小さくし、ジュール抵抗発熱領域であるエクステンションを大きくする方が望ましい。

発明者はＴＩＧアークとの相互干渉が抑制し得るホットワイヤの加熱条件について鋭意検討し、ワイヤ加熱電流がＴＩＧアーク電流の５０％以下であればワイヤの電流磁場は無視できるレベルとなり相互干渉もほとんど発生しないという知見を得た。またエクステンションについては、例えばワイヤ径が１．０ｍｍでワイヤ供給速度が通常レベルの４〜６ｍ／ｍｉｎの場合に、（３）式で求まるＴ_Ｌが１２００〜１６００℃の範囲となるためには、最低でもＴＩＧアーク長の２０倍は必要であり、好ましくは７０ｍｍ以上である。

本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
図２は実施例で用いたＴＩＧ溶接装置の構成を示す概略図であり、複数のＴＩＧ溶接機とホットワイヤ供給装置から構成されている。それぞれのＴＩＧ溶接電源８により電極（非消耗電極（タングステン電極））１と被溶接材１０の間に発生させたアーク２は、電極１の配置を変化させることで一体化アークとなり、幅の広い溶融プール３を形成することができる。フィラーワイヤ４は、ＴＩＧ溶接電源８とは別のワイヤ加熱用電源９によりコンタクトチップ５と被溶接材１０との間のワイヤ４のエクステンション部分で通電加熱される。コンタクトチップ５で加熱されたワイヤ４は、絶縁体製ガイド管６を通って溶融プール３まで誘導される。このガイド管６の長さを変えることにより、エクステンションを変化させた。

被溶接材１０の継手形式は、薄鋼板で多用される重ね隅肉継手および突合わせ継手とした。図３および図４にそれぞれの継手形式の模式図を示す。被溶接材１０には板厚1.2mmおよび2.4mmの冷延鋼板を用いた。
本発明例および比較例について、溶接条件および施工状況等をまとめて表１に示す。

また図５は、縦軸にワイヤ加熱電流（ワイヤ通電加熱用電流）のＴＩＧアーク電流（ＴＩＧアーク発生用電流）に対する比率、横軸にワイヤのエクステンションをとり、表１のビード外観をプロットしたグラフである。これより、ワイヤ加熱電流がＴＩＧアーク電流の５０％以下、エクステンションが７０ｍｍ以上となる条件において良好な継手が得られている。

表１より、比較例のNo.4は、溶接線に対して左右に分かれて配置した２つの電極の距離が大きくなり過ぎた場合で、このようになるとアークの一体化が生じない。この場合、溶融プールの幅は見かけ上は拡大するものの溶湯プールの中心付近での溶込み深さは小さい。このため、ホットワイヤの供給がスムーズではなく、ピットが発生しやすいとともにハンピングも生じやすい。

比較例のNo.6は、ワイヤのエクステンションがＴＩＧアーク長の２０倍未満であるため、ホットワイヤの溶融プールに接触する直前の温度Ｔ_Ｌは適正な温度範囲よりも低い温度となっている。このため、溶接速度が１ｍ／ｍｉｎを超える高速条件ではワイヤの供給性が不安定でハンピングが起こりやすく、ビード外観性に劣る。
これに対して、本発明例No.2、No.5、No.7、No.8、No.11、No.12は、２本の電極を溶接線に対して左右に配置するとともに、各電極間距離を短くしてアークの一体化が起きるように配置し、その後方からホットワイヤを添加した場合である。さらに、ワイヤ加熱電流のＴＩＧアーク電流に対する比率は５０％以下、ワイヤが通電加熱されるエクステンションは７０ｍｍ以上であるため、ホットワイヤの溶融プールに接触する直前の温度Ｔ_Ｌは１２００〜１６００℃の範囲にあり、また溶融プールの幅も比較的広いため、溶接速度が１ｍ／ｍｉｎを超える高速条件でもホットワイヤはスムーズに供給される。ハンピング現象も抑制されており、良好な溶接継手を得ることができる。

また、本発明例No.13は３本の電極を三角形状に配置し、その後方からホットワイヤを添加した場合である。このような場合でも、本発明で規定する条件を満たしていれば、１ｍ／ｍｉｎを超える高速溶接でもホットワイヤが安定に供給されるとともにハンピング現象も抑制され、良好な溶接継手を得ることができる。
なお、本発明例のNo.1は、溶接線に対して直線上に２本の電極を配置し、その後方からホットワイヤを添加した場合である。先行および後行の電極間距離を短くすることで、それぞれの電極から発生したアークは一体化され、ビード外観は良好であるが、溶融プールの幅が狭いためホットワイヤの添加位置のズレに対する余裕が少なく、ワイヤの供給性にやや難がある。

本発明例のNo.3は、ワイヤ加熱電流の向きをＴＩＧアーク電流の向きと逆方向にしたため、ワイヤとアークの間に働く電磁力によってアークがワイヤから離れる方向に偏向しやすい。このため、ホットワイヤの供給がやや不安定となり、軽度ではあるがハンピングやピットが発生しやすい。
本発明例のNo.9、No.10は、ワイヤ加熱電流のＴＩＧアーク電流に対する比率が５０％を超えており、ホットワイヤの溶融プールに接触する直前の温度Ｔ_Ｌは適正な温度範囲を高温側に超えている。このため、ワイヤは溶融プールに挿入される前に溶融しやすくなるためワイヤの供給性がやや不安定となり、軽度ではあるがスパッタやハンピングが発生しやすい。

本発明によれば、薄鋼板の重ね隅肉または突合わせ溶接において、溶接速度が１ｍ／ｍｉｎを超える高速でもノンスパッタでビードハンピングも発生せず、また幅広な溶融プールの形成とワイヤ加熱時におけるＴＩＧアークとの相互干渉の抑制効果によりホットワイヤの供給が安定かつ容易となり、ＴＩＧ溶接の応用範囲が拡大するので、本発明は、薄鋼板以外の金属板を被溶接材とした多電極ＴＩＧ溶接にも利用することができる。その場合、当然ながら、鉄のρを記述する（２）式に代えて、被溶接材とする金属のρを記述する式を用いる。

ホットワイヤ溶接法の概要を示す説明図である。 本発明で用いた多電極ホットワイヤＴＩＧ溶接装置の構成を示す概略図である。 重ね隅肉継手を示す模式図である。 突合わせ継手を示す模式図である。 ワイヤ加熱電流のＴＩＧアーク電流に対する比率とワイヤのエクステンションとに対してビード外観をプロットしたグラフである。

符号の説明

１ 電極（非消耗電極（タングステン電極））
２ アーク
３ 溶融プール
４ ワイヤ（フィラーワイヤ）
５ コンタクトチップ
６ ガイド管（絶縁体製ガイド管）
８ ＴＩＧ電源
９ ワイヤ加熱用電源
１０ 被溶接材（薄鋼板）

Claims (5)

1. 薄鋼板を被溶接材として、少なくとも２本の電極を用いる多電極ＴＩＧ溶接を行なうにあたり、各電極と被溶接材との間に発生するアークのうち少なくとも２つのアークが電磁力の作用によりお互いに引き合って一体のアークを形成するよう電極を配置するとともに、その一体化したアークにより形成された溶融プールの後方から、ホットワイヤ形式で供給するフィラーワイヤの通電加熱用電流をＴＩＧアーク発生用電流よりも小さくし、かつ、前記フィラーワイヤのエクステンションをＴＩＧアーク長よりも十分長く設定することを特徴とする薄鋼板の高速ホットワイヤ多電極ＴＩＧ溶接方法。
2. 前記フィラーワイヤの通電加熱用電流を、ＴＩＧアーク発生用電流の５０％以下とし、前記エクステンションを７０ｍｍ以上とすることを特徴とする請求項１に記載の薄鋼板の高速ホットワイヤ多電極ＴＩＧ溶接方法。
3. 前記フィラーワイヤの通電加熱用電流の向きを、ＴＩＧアーク発生用電流と同じ向きとすることを特徴とする請求項１または２に記載の薄鋼板の高速ホットワイヤ多電極ＴＩＧ溶接方法。
4. 前記一体のアークを形成する少なくとも２本の電極を、狙いとする溶接線上の中心に対して左右に分けて配置することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の薄鋼板の高速ホットワイヤ多電極ＴＩＧ溶接方法。
5. 前記被溶接材を多電極ＴＩＧ溶接して形成する継手が、重ね隅肉継手または突合わせ継手であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の薄鋼板の高速ホットワイヤ多電極ＴＩＧ溶接方法。

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