JP2008264818A - 非消耗電極式溶接方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】汎用的な一重構造の溶接トーチを用い、溶接に際して必要なシールドガスは不活性ガスのみでよく、溶接品質を低下させることなく溶接金属部を深くし、かつ容易な溶接施工を可能とし、しかも溶接効率を高めることができる非消耗電極式溶接方法および装置を提供する。
【解決手段】溶接トーチ１にシールドガスとして不活性ガスのみを流し、電極３と被溶接物４との間にアークを発生させて、被溶接物を溶接する際、前記溶接トーチ１のシールドガスを流すノズル２ａの内径をＸｍｍとし、このノズルからのシールドガスの流量をＹリットル／分とした時、以下の式を満足するようにノズル２ａ内径とシールドガス流量を定める。
６≦Ｘ≦１２．５
４≦Ｙ
Ｙ≧０．４Ｘ
Ｙ≦−０．８Ｘ＋１７
Ｙ≦０．５Ｘ＋４
【選択図】図１

Description

本発明は、非消耗電極式溶接方法（ＴＩＧ溶接法）に関し、シールドガスとしてアルゴンなどの不活性ガスのみを用いて鉄鋼系材料を深溶け込み溶接する方法およびその装置に関する。

従来、炭素鋼、ステンレス鋼などの鉄鋼系材料を母材として用いた構造物を溶接する方法としては、ＭＡＧ（Ｍｅｔａｌ Ａｃｔｉｖｅ Ｇａｓ Ｗｅｌｄｉｎｇ）溶接、ＭＩＧ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ Ｗｅｌｄｉｎｇ）溶接、プラズマ溶接などがある。ＭＡＧ溶接、ＭＩＧ溶接、プラズマ溶接は、溶接金属部が深く、かつ効率が高い溶接施工が要求される場合に採用されている。
しかしながら、ＭＡＧ溶接やＭＩＧ溶接では、溶接品質が劣化したり、溶接欠陥が発生し易いなどの問題がある。また、プラズマ溶接では、開先精度その他の施工条件の許容範囲が小さく、現場などで利用しにくいという欠点がある。

上記以外の溶接方法として、ＴＩＧ（Ｔａｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ Ｗｅｌｄｉｎｇ）溶接がある。ＴＩＧ溶接は、比較的容易に溶接施工が可能で、かつ高品質な溶接金属部が得られることから、高い信頼性を要求される構造物の溶接方法として広く利用されている。
しかしながら、ＴＩＧ溶接は、溶接金属への溶け込み深さが浅く、溶接金属部を深くするためにはパス数を多くする必要があり、手間がかかる問題であった。
特に、汎用性が高いオーステナイト系ステンレス鋼では、その材質の特性上、過大な入熱は、材料の特徴でもある耐食性を劣化させ、溶接歪も大きくなり、溶接施工上の問題も多い。

前記問題に対し、ワンパスあたりの溶け込みの深さを深くするため、特開２００３−１９５６１号公報には、シールドガスとしてアルゴンガスに酸素ガスを微量添加した混合ガスを用いることが開示されている。本方法では、事前に混合ガスを用意する必要があり、コストアップとなる問題がある。
また、本出願人は、先に特開２００４−２９８９６３号公報に開示のように、内ノズルと外ノズルとを略同心円状とした二重構造のトーチを用い、電極の周辺の内ノズルに不活性ガスを流し、内ノズルと外ノズルとの間に酸化性ガスを混合させたガスを流すことにより、深溶け込みの溶接方法を確立している。
特開２００３−１９５６１号公報 特開２００４−２９８９６３号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、汎用的な一重構造の溶接トーチを用い、溶接に際して必要なシールドガスは不活性ガスのみでよく、溶接品質を低下させることなく溶接金属部を深くし、かつ容易な溶接施工を可能とし、しかも溶接効率を高めることができる非消耗電極式溶接方法および装置を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、溶接トーチにシールドガスとして不活性ガスのみを流し、電極と被溶接物との間にアークを発生させて、被溶接物を溶接する方法であって、
前記溶接トーチのシールドガスを流すノズルの内径をＸｍｍとし、このノズルからのシールドガスの流量をＹリットル／分とした時、以下の式を満足するようにノズル内径とシールドガス流量を定めることを特徴とする非消耗電極式溶接方法である。
６≦Ｘ≦１２．５
４≦Ｙ
Ｙ≧０．４Ｘ
Ｙ≦−０．８Ｘ＋１７
Ｙ≦０．５Ｘ＋４

請求項２にかかる発明は、溶接トーチと、この溶接トーチに溶接電流を供給する溶接電源と、溶接トーチのシールドガスノズルにシールドガスを供給するシールドガス供給源と、このシールドガス供給源から溶接トーチに供給するシールドガスの流量を調整するシールドガス流量調整器を備えた非消耗電極式溶接装置であって、
前記シールドガス供給源が、不活性ガスのみを供給するものであり、
前記シールドガス流量調整器が、溶接トーチのシールドガスを流すノズルの内径をＸｍｍとし、このノズルからのシールドガスの流量をＹリットル／分とした時、以下の式を満足するようにノズル内径に基づいてシールドガス流量を定めるものであることを特徴とする非消耗電極式溶接装置である。
６≦Ｘ≦１２．５
４≦Ｙ
Ｙ≧０．４Ｘ
Ｙ≦−０．８Ｘ＋１７
Ｙ≦０．５Ｘ＋４

本発明によれば、ノズルから吹き出されるシールドガスは、その流れに外部の空気が巻き込まれて同伴された形態で溶融池に供給される。このとき、ノズルの内径とシールドガス流量とが上述の関係を満たす場合には、同伴される空気量が適切な量となって溶融金属池の酸素量が７０〜７００ｐｐｍ程度となって深溶け込みとなる。

シールドガスの流れに同伴される空気量は、シールドガスの筒状の流れの表面積に比例しシールドガスの流速に反比例し、シールドガスの表面積はノズルの内径に比例し、シールドガスの流速はシールドガスの流量をノズルの内径（正確には断面積）で除した値に比例するので、ノズルの内径とシールドガス流量とが前記数式を満たす場合には前述の効果が得られるのである。

そのため、本発明では、肉厚の被溶接物であっても、ワンパスでの溶接が可能となり、トータルの入熱量を少なくすることができる効果を有する。また、特別なシールドガスを用意する必要はなく、容易に深溶け込み溶接を行うことができる。さらに、汎用的な一重シールドノズルトーチを用いて、電極が酸化されない程度にトーチガスのガス流量を減らして、アーク熱で母材が溶けた溶融池に、不活性ガスと微量の大気が混ざったガスを供給することで低コストのＴＩＧ溶接方法および装置を提供することができる。

一般に、溶け込みを深くするためには、溶融池の対流の向きを内向き（溶融金属表面中心部から深度方向に流れ、被溶融金属に沿って表面へ戻る流れ方向）にする必要がある。 対流に作用する力にはプラズマ気流による対流、表面張力（マランゴニー力）対流、電磁対流、熱対流の４種類があるが、特にプラズマ気流による引きずり力と表面張力（マランゴニー力）対流が大きく作用する。

被溶接物がステンレス鋼などの鉄鋼系材料では、炭酸ガス、酸素ガスを添加することにより、溶融金属内の酸素濃度が７０〜７００ｐｐｍ程度になると、温度の上昇に伴い表面張力が大きくなる。その結果、外周部より中央部の表面張力が大きくなることから表面張力（マランゴニーカ）対流が内向きに作用するようになり、深溶け込みとなる。

従来、シールドガスの役目は、電極、溶融金属を大気中の成分から保護することにあり、シールドガスに大気中成分を巻き込ませるという考えは全くなかった。
本発明では、シールドガスに不活性ガスのみを用い、大気中の空気を不活性ガスに巻き込ませることにより、前記引きずり力を抑えることを可能とであることが種々実験により判明した。

図１は、本発明の溶接装置の一例を示すものである。図１において、符号１は、溶接トーチを示す。この溶接トーチ１は、筒部２とこの筒部１の中心軸に沿って配された棒状のタングステン電極３とから構成され、筒部２の先端部分は、やや縮径されてノズル２ａとなっている。この溶接トーチ１は、一重構造となっており、１種のシールドガスのみを使用する構造となっている。

溶接トーチ１の筒部２は、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスからなるシールドガスを貯えるシールドガス供給源７に接続されており、このシールドガス供給源７からのシールドガスが弁、シールドガス流量調整器６を介して筒部２に供給され、その先端のノズル２ａから被溶接物４に向けて吹き出されるようになっている。

溶接トーチ１のタングステン電極３は、溶接電源５のマイナス端子に接続され、溶接電源５のプラス端子に接続された鉄鋼系材料からなる被溶接物４との間に溶接電流が印加され、アークが発生するようになっている。溶接電源５としては、鉄鋼系材料の溶接には主に直流電源が用いられ、アルミニウム、マグネシウム系材料の溶接には主に交流電源が用いられ、本発明では鉄鋼系材料の溶接が主になるので、直流電源が用いられる。

シールガス流量調整器６は、溶接トーチ１に供給するシールドガスの流量を調整するものであって、溶接トーチ１のノズル２ａの内径（Ｘｍｍ）を入力すると、下記の数式に基づいてシールドガス流量（Ｙリットル／分）の好適な流量範囲を出力し、この好適流量範囲からオペレータが適値を選択することで適値の流量のシールドガスが溶接トーチ１に供給されるように構成されたものである。

６≦Ｘ≦１２．５
４≦Ｙ
Ｙ≧０．４Ｘ
Ｙ≦−０．８Ｘ＋１７
Ｙ≦０．５Ｘ＋４

図２は、前記数式をグラフとして表したもので、斜線を付した領域が前記数式を満たす領域である。シールドガス流量調整器６としては、前記の構成を有しているものに限らず、このグラフから、ノズル２ａの内径に対応したシールドガス流量（Ｙリットル／分）の好適な流量範囲を求め、この好適流量範囲からオペレータが適値を選択するようにしてもよい。

次いで、この溶接装置を用いた溶接方法について説明する。
初めに、シールドガス流量調整器６に溶接トーチ１のノズル２ａの内径を入力し、シールドガスの好適流量範囲を出力させ、この流量範囲から適値を選択してシールドガスの流量値を設定し、シールドガス供給源７からシールドガスを供給して溶接トーチ１に送る。ついで、溶接電源５を動作させてタングステン電極３と被溶接物４との間に溶接電流が印加してアークを発生させて溶接を行う。

このような溶接方法では、溶接トーチ１のノズル２ａから吹き出されるシールドガスは、その流れに外部の空気が巻き込まれて同伴された形態で溶融池に供給される。このとき、ノズル２ａの内径とシールドガス流量とが上述の関係を満たす場合には、同伴される空気量が適切な量となって溶融金属池の酸素量が７０〜７００ｐｐｍ程度となって深溶け込みの溶接が行われる。

以下、具体例を示す。
汎用的な一重構造の溶接トーチを用いて、ステンレス鋼板の板厚１０ｍｍを用いて、溶接電流１５０ＡでＴＩＧ溶接を行い、溶け込み深さと溶接金属の硬さを調べた。
また、溶接後の硬さの評価は、本発明と本出願人が別途出願した前記特開２００４−２９８９６３号公報に開示の発明（以下、先行発明と記す）とを比較した。硬さは溶接側表面から５ｍｍの位置を測定した。

≪共通実験条件≫
溶接方式：非消耗式電極溶接
溶接母材：ＳＵＳ３０４・板厚１０ｍｍ
溶接方法：下向ＴＩＧ溶接
電極：２％酸化トリウム入りタングステン φ２．４（ｍｍ）
電極母材間距離：３ｍｍ
トーチ傾斜角度：垂直
溶接電流：１５０Ａ
ノズル内径：６、１０、１２．５（ｍｍ）
電極突き出し長：７ｍｍ
シールドガス：ヘリウムガス
シールドガス流量：３、４、５、６、７、８、９、１０（リットル／分）
裏当金：銅板（溝あり）

≪先行発明の実験条件≫
二重構造の溶接トーチを使用した。
内ノズルのガス名及び流量：ヘリウム ５リットル／分
外ノズルのガス名及び流量：アルゴン＋ヘリウム＋炭酸ガス １０リットル／分
電極突き出し長：３ｍｍ
溶接方式：非消耗式電極溶接
溶接母材：ＳＵＳ３０４・板厚１０ｍｍ
溶接方法：下向ＴＩＧ溶接
電極：２％酸化トリウム入りタングステン φ２．４（ｍｍ）
電極母材間距離：３ｍｍ
トーチ傾斜角度：垂直
溶接電流：１５０Ａ

結果のうち、電極の消耗の程度、裏ビードの状況、総合判定を表１に示す。
なお、一般に行われているＴＩＧ溶接でのシールドガス流量は９〜１１リットル／分以上流しており、表１中の（従来）は一般に行われているＴＩＧ溶接を示している。

表１の結果から、前記数式が導出されたものである。
溶接金属部の状態を図３に示す。図３は、溶接金属部の断面を示すもので、符号１１は溶接金属、１２は母材（被溶接物）を示す。図３より溶け込み深さは１０ｍｍ（板厚）以上であり、溶融金属が裏側に流れて裏当金の溝にまで流れ込んでいることがわかる。
これに対して、先行発明によるものでは、本発明と同等の溶け込みがあったが、従来によるものでは溶け込み深さは４ｍｍであった。

溶接金属部の硬さを図４に示す。図４は、溶接金属部の断面を示し、符号１１は溶接金属、１２は母材（被溶接物）であり、これの各部位の硬度（Ｈｖ）を合わせて示してある。図４中の曲線ＡＡは本発明による硬度の値を示し、曲線ＢＢは先行発明による硬度の値を示す。
図４から、本発明によるものと先行発明によるものとは、硬度には顕著な差はなく先行発明と同等の硬度が得られることがわかる。
なお、図３、図４は、溶接部分の断面を撮影した写真を図面として忠実に描いたものである。

なお、本発明は一般的に使用される一重ノズルのトーチを用いたが、二重ノズルのトーチの内ノズルに不活性ガス、外ノズルに圧縮空気を流した以下の条件においても同様の効果が得られた。
二重シールド溶接条件（ドライエアー）
溶接方式：非消耗式電極溶接
溶接母材：ＳＵＳ３０４・板厚１０ｍｍ
溶接方法：下向ＴＩＧ溶接
電極：２％酸化トリウム入りタングステン φ２．４（ｍｍ）
電極母材間距離：３ｍｍ
トーチ傾斜角度：垂直
溶接電流：１５０Ａ
センターシールドガス：ヘリウムガス 流量： ５（リットル／分）
アウターシールドガス：ドライエアー 流量：１０（リットル／分）

実施例においては、シールドガスとしてヘリウムを用いたが、アルゴンあるいはヘリウムとアルゴンとの混合ガスを用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。

本発明の溶接装置の一例を示す概略構成図である。 本発明における数式を満たすノズルの内径とシールドガスの流量値の範囲をグラフ化したものである。 実施例での溶接金属部の断面を示す断面図である。 実施例での溶接金属部の断面と各部位での硬度を示す断面図である。

符号の説明

１・・溶接トーチ、２ａ・・ノズル、３・・タングステン電極、５・・溶接電源、６・・シールドガス流量調整器、７・・シールドガス供給源

Claims (2)

1. 溶接トーチにシールドガスとして不活性ガスのみを流し、電極と被溶接物との間にアークを発生させて、被溶接物を溶接する方法であって、
   前記溶接トーチのシールドガスを流すノズルの内径をＸｍｍとし、このノズルからのシールドガスの流量をＹリットル／分とした時、以下の式を満足するようにノズル内径とシールドガス流量を定めることを特徴とする非消耗電極式溶接方法。
   ６≦Ｘ≦１２．５
   ４≦Ｙ
   Ｙ≧０．４Ｘ
   Ｙ≦−０．８Ｘ＋１７
   Ｙ≦０．５Ｘ＋４
2. 溶接トーチと、この溶接トーチに溶接電流を供給する溶接電源と、溶接トーチのシールドガスノズルにシールドガスを供給するシールドガス供給源と、このシールドガス供給源から溶接トーチに供給するシールドガスの流量を調整するシールドガス流量調整器を備えた非消耗電極式溶接装置であって、
   前記シールドガス供給源が、不活性ガスのみを供給するものであり、
   前記シールドガス流量調整器が、溶接トーチのシールドガスを流すノズルの内径をＸｍｍとし、このノズルからのシールドガスの流量をＹリットル／分とした時、以下の式を満足するようにノズル内径に基づいてシールドガス流量を定めるものであることを特徴とする非消耗電極式溶接装置。
   ６≦Ｘ≦１２．５
   ４≦Ｙ
   Ｙ≧０．４Ｘ
   Ｙ≦−０．８Ｘ＋１７
   Ｙ≦０．５Ｘ＋４

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