JP2012517352A

JP2012517352A - アルゴンと水素とを含有する中心流、およびアルゴンと二酸化炭素または酸素の何れかとを含有する被覆流のデュアルガスフローを用いるアーク溶接方法

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Publication number: JP2012517352A
Application number: JP2011549639A
Authority: JP
Inventors: ガドリー、セバスティアン; プランカエール、ジャン−ピエール
Original assignee: レール・リキード−ソシエテ・アノニム・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード
Priority date: 2009-02-11
Filing date: 2010-02-03
Publication date: 2012-08-02
Anticipated expiration: 2030-02-03
Also published as: FR2941880A1; US9868173B2; CN102317025A; CN102317025B; US20110290772A1; CA2749830C; FR2941880B1; WO2010092279A1; ES2601083T3; CA2749830A1; EP2396137B1; JP5797560B2; EP2396137A1

Abstract

本発明は、電極を備えたアーク溶接トーチを実装し、中心ガス流を電極と接触させるように供給し、環状ガス流を前記第１のガス流の周囲に供給する電気アーク溶接方法に関する。中心ガス流はアルゴンおよび水素（Ｈ₂）のみを含み、水素含有量は２ないし８体積％である。被覆ガス流は、アルゴンおよび１．８ないし３体積％の二酸化炭素（ＣＯ₂）または０．９ないし１．５体積％の酸素（Ｏ₂）のみを含む。この方法は、鋼、特にステンレス鋼または炭素鋼、ならびに亜鉛もしくはアルミニウムまたは前記鋼の腐食を防ぐための任意の他の材料でコーティングされた鋼から作られた部品を溶接するのに使用される。
【選択図】図２

Description

本発明は、電極を備えたアーク溶接トーチと「ハンピング」の現象を防ぐまたは少なくとも最小にすることを可能にする組成を有するデュアルフローとを使用する電気アーク溶接法に関する。

B. J. Bradstreet、Effect of surface tension and metal flow on weld bead formation, Welding Journal, 1968年, vol. 47, no. 7, pp. 314-322による文書は、ＭＩＧ溶接における「ハンピング」として知られている現象に関し、U. Gratzkeら、Theoretical approach to the humping phenomenon in welding processes, J. Phys. D. Appl. Phys., 1992年, vol. 25, pp. 1640-1647による文書はＴＩＧ溶接、サブマージアーク溶接、レーザー溶接および電子ビーム溶接におけるこの現象の存在を例示している。

「ハンピング」を受ける溶接部は初めのうちはランダムな形態を有するように見える。しかしながら、詳細な観察から、２種類の形態、すなわち
-ガウジング領域形態（ＧＲＭ）、
-およびビード化シリンダ形態（ＢＣＭ）
に限定されうることがわかる。

これら２つの形態の特徴を同時に示しうる接合部が存在するが、これはかなり稀である。

ハンピングの出現を説明することを試みている４つの理論がある。これらの中で、いくつかはこの欠陥の形態の種類を説明することを特に狙っている。たとえば、ボルテックスモデルおよびアーク効果はＧＲＭタイプの形態を目標に定めており、キャピラリ不安定性モデルはＢＣＭタイプのそれを目標に定めているが、「マランゴーニ」手法は適用する形態を限定していない。

より詳細には、溶接溶け込みに悪影響を与える要因について概説したK. C. Millsら、Factors affecting variable weld penetration, International Materials Reviews, 1990, vol. 45, no. 4, pp. 185-216によって記述されているマランゴーニモデルは、「ハンピング」およびアンダカットが溶接プールに生じたマランゴーニ力に起因するであろうということを示唆している。

さらに、M. L. Linら、Influence or arc pressure on weld pool geometry, Welding Journal, 1985, vol. 64, no. 6, 163-169によって記述されているボルテックスモデルは、高電流ＴＩＧ溶接中に観察される溶け込みの増加を説明するために、ボルテックスアークモデルに基づいている。

キャピラリ不安定性モデルにしたがうと、「ハンピング」の現象は、小さい径の自由液体シリンダ（真空中に浮遊する場合、それは不安定であり小さな液滴に分かれる）のキャピラリ不安定性に関するレイリー卿の理論に基づいている。

最後に、アーク影響のモデルにしたがうと、ＭＩＧまたはＴＩＧタイプのアーク溶接装置の通常動作中、アークとプールとの間に圧力の平衡が存在する。高電流時、プラズマの牽引力は、アークの後ろにある溶融金属の殆どを動かすのに十分なほど大きい。P. F. Mendezら、Penetration and defect formation in high current arc welding, Welding Journal, 2003, vol. 82, no. 10, pp. 296-306によって記述された力の平衡は遷移線を作り、ガウジング領域から後続領域への移動の跡を付ける。

ＴＩＧ溶接における、特に自動ＴＩＧ溶接におけるこの「ハンピング」現象を防ぎ、それによりプロセスの性能を向上させようとするいくつかの解決策が提案されてきた。

実際、自動ＴＩＧ溶接で使用される移動速度、すなわち溶接速度は多くの場合欠陥の発生によって制限を受ける。「ハンピング」によって課される生産性の制限は図１のように表すことができる。

図１は、W. Savageら、Effect of arc force on defect formation in GTA welding, Welding Journal, 1979年, vol. 58, no. 7, pp. 212-224による文書から引用されているが、溶接電流（ｘ軸上にＡで表している）の関数としての溶接速度（ｙ軸上にｃｍ／分で表している）を示している。分かるように、それは、ある電流で達しうる溶接速度に関する溶接ビードの許容限界を示している。実線は、「ハンピング」現象が現れる種々の動作点を繋いでいる。破線は、もう１つの欠陥、すなわち「アンダカット」の出現の境界に対応している。これら２本の線の間には、ビードがこれらの欠陥を含まない生産性領域が存在している。溶接プロセスの生産性を高めるには、それゆえに、「ハンピング」の出現の境界を動かして生産性の領域を増やすことが得策である。

これを為すために、磁気振動またはアークの偏向によって、ＴＩＧアークの熱流を受ける部分へのエネルギー伝達の制御を改善し、この部分の表面積を増やすことが提案されてきた。実際、ラプラスの法則によると、コイルの磁気回路の２つの磁極の間に位置するアークは、それを変位させる傾向をもつ力Ｆの作用を受ける。コイル内の電流Ｉが反転すると、生じる誘導は向きを変え、アークの変位方向を反転させる。

しかしながら、この解決策は、自動ＴＩＧ溶接での生産性の向上を達成することを可能にしないので、完全に満足なわけではない。実際、正確な溶け込みを高速、すなわちおよそ２ｍ／分で維持するには、高い溶接電流、すなわち２５０ないし３００Ａの電流を使用して、単位表面積当たりに提供されるエネルギーを維持することが必要である。しかしながら、溶接電流を高くするほど、それが作り出す磁場Ｂによってアークに及ぼされるローレンツ力の軸方向成分が大きくなり、それにより、より剛直と言われるアークが得られる。それにより、コイルによって生じる応力のせいで、アークコーンを変位させるのがより難しくなる。

さらに、B. Keeneら、Effects of interaction between surface active elements on the surface tension of iron,"; Canadian Metallurgical Quarterly, 1982; vol. 21; no. 4; pp. 393-403に；C. Heipleら、Mechanism for minor element effects on GTA fusion zone geometry, Welding Journal, April 1982, pp. 97-102；およびThe effect of trace element on TIG weld penetration; in Proceedings of TWI international conference: The effects of residual, impurity and micro-alloying elements on weldability and weld properties; London, England; November 15-17によって示されているように、多くの場合、溶融金属の流れ、熱伝達および溶接部の形状ならびにさらにはその性質は、マランゴーニ対流によって著しく影響を受ける。溶接プールにおけるＳまたはＯなどの界面活性元素の存在は、溶媒の表面張力を変える。実際、界面活性元素は、表面張力の温度依存性（ｄγ／ｄＴ）を純溶媒についての負の値から二成分系についての正の値に変える。（ｄγ／ｄＴ）のこの符号の変化は系に対する影響を有する。

それゆえに、これらの元素を含有する溶融ワイヤによりプールに導入される界面活性元素の性質および量を動かすことによって、ビードの形状に影響を与えることができ、溶接プール内で溶融金属の循環方向の反転を生じさせ、これは少量の界面活性剤の存在下で鋼に現れることが知られている。

この解決策は、「Ａ−ＴＩＧ」として知られているフラックスを用いるプロセスの欠点を解消するために構想されたものである。フラックスによって得られる活性化効果は否定できず、その欠点は、それが補助的な準備作業、すなわちフラックスの塗布を課すことにある。さらに、準備される領域はビードのそれよりも大きな表面積を持つので、消費される製品の量は実際に必要とされるものよりも大きい。フラックス入りワイヤの使用は、このワイヤによる溶接の瞬間に活性成分を連続的に導入することによってこれらの欠点を解消することを可能にするであろう。準備作業、ブラシによるフラックスの塗布をなくすることは有利でありうる。しかしながら、試験から、ワイヤの供給は相当の作業制約をもたらし、特に低いワイヤ速度は巻き戻しの問題を引き起こすことが分かった。表面に塗布したフラックスを用いる場合、活性化ワイヤの使用は低い電圧それゆえに短いアークを必要とする。それゆえに、困難なことは、ワイヤをプール内に正確に配置させることにある。それゆえに、このプロセスの使用は容易でなく、電極およびプールに対するワイヤの位置が溶け込みを得るのに必要なパラメータに影響を与えるので、同じパラメータであっても結果の再現性が示されない。

シングルフローＴＩＧ溶接では、物理的溶接パラメータ、たとえば電極のグラインディング角、保護ガスの性質またはトーチの傾きの最適化は、所定の場合において、「ハンピング」の出現の速度の僅かなシフトに達することを可能にするかもしれないが、利得は非常に小さい大きさである。

たとえば、シングルガスフローＴＩＧ溶接においてアルゴンの代わりに保護ガスとして水素またはヘリウムを使用することは、溶融線構造における「ハンピング」の出現に関する最高速度を高めることを可能にするものではない。これらガスは、これらガスの高い熱伝導率のおかげで熱影響領域を広げて、より流動性のある流体プールを得ることを可能にするだけである。

しかしながら、アルゴンと比較してこれらガスの高いイオン化ポテンシャルのせいで電流線の分布の引き締めが見られるので、プールに及ぼされる磁気圧力も高まる。そしてこれは溶接プールのアークの下でのより大きな沈み込みをもたらす。これはプールのより著しい後退変位に対応し、「ハンピング」の出現の条件がアークの電磁圧力とプールの静水圧との間のもう１つの平衡点にシフトすることをもたらす。

さらに、W. Savageら、Effect of arc force on defect formation in GTA welding, Welding Journal, 1979年, vol. 58, no. 7, pp. 212-224は、より優れた溶け込みを可能にするための、デュアルフローＴＩＧ溶接における周囲ガスとしてのアルゴン／Ｏ₂混合物の使用を記載している。

しかしながら、この解決策も、デュアルガスフローに由来するアークの気体収縮作用が溶け込みを大きくし、それにより等しいビード幅で溶融金属の量を増やすことを可能にするので理想的でなく、これには観察される最高速度のあまり大きくない増加が伴う。

さらに、周囲または環状ガスがＯ₂を含有する場合、最高速度の改善に関して全く異なる結果が得られる。これらの性能の違いは、溶接する鋼板の組成の変化によって説明できる。実際、鋼に存在するＳおよびＯの元素は界面活性効果を有しており、Ｏの最適値はＳの含有量に必然的に依存する。Ｓの含有量が（ｄγ／ｄＴ）が既に正であるようなものである場合、Ｏの供給は効果がないが、温度Ｔ₀を高める。したがって、対流の反転位置は中心に近い。しかしながら、有益な効果は（ｄγ／ｄＴ）の負から正への移動によるもの程ではない。

さらに、ＳおよびＯはそれらの効果を組み合わせるが、実際には「可溶な」ＳおよびＯ、すなわち、化合物の形態で他の元素と結合しないものについての問題があり、なぜならこの場合にはこれらがもはや表面張力への影響をもたないからである。それゆえに、界面活性元素(硫黄、酸素、セレンおよびテルル)と、界面活性元素の一方または他方を化合物の形態でトラップし、それにより可溶状態にあるこの元素の含有量を低減させる反応性元素（たとえば、酸素についてはＡｌ、硫黄についてはカルシウム、セリウムまたはランタン）と、中立の元素とを区別することが得策である。

酸素の場合、アルミニウムに特に注意を払うべきである。というのは、製鋼中の脱酸素剤としてアルミニウムが使用され、残留するアルミニウムは鋳造および製鋼の実施に応じて大きく変化しうるからである。

これはこの方法のあらゆる工業化を不可能にするものである。というのは、使用するガスの酸素含有量を、遊離した形態でプールへ移動させようとする量に応じて制御することは実際には不可能だからである。

このように、直面する課題は、「ハンピング」に関連する欠陥をなくすことができることと、鋼の自動ＴＩＧ溶接におけるより高い移動速度、特に少なくとも２ｍ／分の速度を達成することを可能にすることとにある。

解決策は、電極を備えたアーク溶接トーチを使用し、中心ガス流を電極と接触させて配送し、環状ガス流を前記第１のガス流に対して周囲に、すなわち環を形成して配送する電気アーク溶接方法であって：
−中心ガス流はアルゴンおよび水素（Ｈ₂）のみからなり、水素含有量は２ないし８体積％であり、
−被覆ガス流は、アルゴンおよび１．８ないし３体積％の二酸化炭素（ＣＯ₂）または０．９ないし１．５体積％の酸素（Ｏ₂）のみからなる
ことを特徴とする電気アーク溶接方法である。

場合に応じて、本発明の方法は、以下の特徴のうち１つ以上を含んでもよい：
−アーク溶接トーチは、タングステンから作られた不融性電極を備え、それゆえにそれはＴＩＧトーチである；
−中心ガス流は少なくとも３体積％のＨ₂を含有する；
−中心ガス流は多くとも７体積％のＨ₂を含有する；
−鋼から作られた、特にステンレス鋼または炭素鋼から作られた、特に表面が亜鉛、アルミニウムまたは当該鋼の腐食を防ぐことを目的として任意の他の材料でコーティングされた鋼から作られた１つ以上の部品を溶接する；
−溶接しようとする部品は、テーラードブランクから選択される；
−溶接は少なくとも２ｍ／分の速度で行われる；
−トーチは自動または自動化溶接装置に設置される；および
−ガス混合物は不可避不純物を含有する。

例として挙げた以下の比較例によって、本発明はより十分に理解されるであろう。

例
本発明に関連して「ハンピング」の問題を解決しようとするために、金属流および溶接ビード形成を、幾つかの異なるガスまたはガス混合物の存在下で、自動デュアルフローＴＩＧ溶接において調べた。

特に、溶接速度を高めるための、Ａｒ／Ｈ₂混合物から形成された中心ガス流とＡｒ／ＣＯ₂混合物から形成された環状ガス流との複合作用を試験した。この組み合わせは、各成分の特徴からの利益を得て所望の効果を得るように慎重に選択した。

たとえば、アルゴンは、ヘリウムの場合に必要とされる２４．６ｅＶと比べて低いその１５．８ｅＶというイオン化エネルギーのおかげで、アークの開始および安定化を容易にする。

水素は、アークのエネルギーを高めるために添加される。Ｈ₂は二原子分子なので、ガス混合物中のその存在は、再結合中に放出されるエネルギー（４．５ｅＶ／分子）のおかげで、シートへの熱の供給を高めるであろう。さらに、水素の高い熱伝導率はプールの温度を高める。

高温、すなわち５０００Ｋを超える温度では、環状ガス流のＣＯ₂の９７ｍｏｌ％が、等式：ＣＯ₂→ＣＯ＋１／２Ｏ₂にしたがってアーク中で解離し、酸素の形成をもたらす。酸素は界面活性元素であり、溶融金属中でのその存在は、金属の表面張力を下げる。たとえば、B. Keene、Review of data for the surface tension of iron and its binary alloys, International Material Reviews, 1988, vol. 33, no. 1, pp. 1-37による文書は、二成分Ｆｅ−Ｏ混合物について、等式：γ_Fe-O＝γ_Fe−７４９０［ａｔ． −Ｏ％］を挙げている。したがって、生じる酸素はプールを流動化させるであろう。

ＣＯ₂に代わる方法では、以下に説明するように、環状ガス流中で酸素を半分の含有量で使用することが考えられる。

図２は、温度（Ｘ軸上）の関数としての保護ガス混合物の成分の熱伝導率（Ｙ軸上）を示している。熱伝導率は、熱流の方向に垂直な単位表面積を横切る伝導によって熱が伝播する速度を単位長および単位温度差で割ったものとして定義される。それゆえに、それは伝導による熱伝達を制御し、ビードの形態、溶接プールの温度および濡れに対して影響を与える。

図２から分かるように、ヘリウムおよび水素は、アルゴンのそれよりも高い熱伝導率を有し、それゆえに、より高エネルギーのアークを得ることを可能にするであろう。

以下の表１に、デュアルフローＴＩＧ溶接で試験した種々のガスＧ１ないしＧ９の組成（体積％）を示す。

以下の表２には、Ｗ−２％ＣｅＯ₂タイプのセリア入りタングステン製の3.2ｍｍの径を有する先細不融性電極を備えた通常の自動デュアルフローＴＩＧ溶接トーチを使用し、約２ｍｍのアーク高さおよび約２００Ａの溶接電流で、およびガスＧ１ないしＧ９の種々の組み合わせを使用して、１．５ｍｍの厚さを有するＡ４２鋼部品での「ハンピング」現象の出現の前の最高溶接速度（Ｖs）に関して得られた結果を記録している。

表２から、本発明に従うペアＧ３／Ｇ５（試験１１）およびＧ３／Ｇ７（試験１３）は、速度の増加および表面での酸化物の存在の制限の両方に関して最高の性能を提供することが分かる。実際、ガスのこれら特定の組み合わせによると、溶融金属の体積の増加およびプールの温度上昇が伴う界面活性効果が存在し、マランゴーニ対流を強化する助けになる。なぜなら、これはその後ビードの中心に向かうからである。結果として、溶接プールの圧力が増加するため、改質された遷移領域に圧力平衡が生じる。プールは優れた濡れ適正を持っているので、乾燥領域はより迅速に被覆される。最終的に、熱い方のプールはよりゆっくりと固化する。

これらの試験１１および１３は、それゆえに、アルゴンおよび２ないし８％の水素（好ましくは４ないし７％のＨ₂含有量、有利には約５％のＨ₂）の中心流と組み合わせた、約３％よりも遥かに低いＣＯ₂含有量または約１．５％よりも遥かに低いＯ₂含有量（残部はアルゴン）、好ましくは約２．５％未満のＣＯ₂含有量または約１．２％未満のＯ₂含有量、有利には約２％のＣＯ₂含有量または約１％のＯ₂含有量での動作の利点を確認する。

実際、試験１２および１４から分かるように、酸化剤を多く含み過ぎている環状ガスの使用は、溶接部品上での酸化膜の出現による性能の低下を引き起こす。この酸化膜は、粘度の増加によって界面活性効果を妨害するか、または溶接ビード上に大きなまたは小さなブラックマークの出現をもたらす。

これらのダメージ現象を防ぐため、酸化性が高すぎるガス混合物の環状ガスとしての使用は避ける。

それゆえに、本発明によると、ＣＯ₂含有量は３％に制限され、Ｏ₂含有量は１．５％に制限されるか、または２．５％未満のＣＯ₂および１．３％未満のＯ₂に制限される。

同様に、中心ガスとして使用する水素およびアルゴンを含有するガス混合物の組成を慎重に選択することが重要である。

実際、水素は、低温亀裂（フェライトグレード）を引き起こす要因の１つであり、多孔の原因でもありうる。それゆえに、使用するガス混合物の金属学的適合性（非硬化性鋼およびオーステナイト系ステンレス鋼）を規定することと、それゆえに前記混合物中に存在するＨ₂含有量を厳しく制御することとが必要である。

これを為すために、異なるガスのペア（以下の表３を参照のこと）を用いた以外前と同じ操作条件下で追加の比較試験を行って、特に、表３からのＧ３／Ｇ４ペアについて得られた結果と比較して、使用するのに最適なＨ₂含有量を決定し、および酸素が環状ガス中でＣＯ₂と等価な効果を有していたか否かを確認した。

得られた結果から以下のことが分かる：
−アルゴン中にわずかに２体積％のＨ₂を含有する中心流（Ｇ３の場合の５％のＨ₂の代わり）は、Ｇ３／Ｇ４ペアで得られるそれと比較して低い最高速度をもたらす。水素含有量を限定することによって、シートへの熱の供給への影響が制限され、プール体積および温度の勾配の両方ともなくなる。したがって、少なくとも２体積％、より好ましくは３％を超えるか、または３．５％を超える、有利には４ないし８％のＨ₂含有量を使用することが好ましいであろう。
−中心流がＧ３（Ａｒ＋５％Ｈ₂）である場合、および周囲環状流をアルゴンおよび酸素の混合物で交換した場合、１％の体積含有量のＯ₂は速度の点でＧ４（Ａｒ＋１％ＣＯ₂）と実質的に等価である結果をもたらすが、周囲に供給される環状ガス中のＯ₂含有量の１．５％への増加は、速度性能を低下させ、ビードの出現も低下する。実際、利用可能な全ての部位は可溶な酸素原子によって既に塞がっており、追加の可溶な原子は酸化物を作り出すことにのみ寄与する。それゆえに、マランゴーニ対流へのプラスの効果はなく、反対に、害を与える酸化物プレートの出現が観察され、酸化物プレートは表面張力を増加させる助けをし、ビードの出現に有害である。アークの周囲の温度では、ＣＯ₂は完全に解離し、１％のＯ₂を含有するガスでの作用は２％のＣＯ₂を含有するガスでの作用と等価である。それゆえに、環状ガス流中のＯ₂含有量は１．５体積％を超えてはならず、好ましくは、１．３％以下またはさらには１．２以下のＯ₂含有量が使用されるであろう。約１％の酸素含有量が特に好適である。

本発明の方法は、自動車シート、たとえばテーラードブランクを溶接するのに特に好適である。

図１は、W. Savageら、Effect of arc force on defect formation in GTA welding, Welding Journal, 1979年, vol. 58, no. 7, pp. 212-224による文書から引用されているが、溶接電流（ｘ軸上にＡで表している）の関数としての溶接速度（ｙ軸上にｃｍ／分で表している）を示している。図２は、温度（Ｘ軸上）の関数としての保護ガス混合物の成分の熱伝導率（Ｙ軸上）を示している。

Claims

電極を備えたアーク溶接トーチを使用し、中心ガス流を前記電極と接触させて配送し、環状ガス流を前記第１のガス流に対して周囲に配送する電気アーク溶接方法であって：
−前記中心ガス流はアルゴンおよび水素（Ｈ₂）のみからなり、水素含有量は２ないし８体積％であり、
−被覆ガス流は、アルゴンおよび１．８ないし３体積％の二酸化炭素（ＣＯ₂）または０．９ないし１．５体積％の酸素（Ｏ₂）のみからなる
ことを特徴とする方法。
前記中心ガス流は少なくとも３体積％の水素と残部のアルゴンとから形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記中心ガス流は少なくとも４体積％の水素と残部のアルゴンとから形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
前記中心ガス流は多くとも７体積％の水素と残部のアルゴンとから形成されることを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載の方法。
前記被覆ガス流は、アルゴンおよび１．８ないし２．５体積％の二酸化炭素（ＣＯ₂）のみ、またはアルゴンおよび０．９ないし１．３体積％の酸素（Ｏ₂）のみからなることを特徴とする請求項１ないし４の何れか１項に記載の方法。
前記アーク溶接トーチはタングステンから作られた不融性電極を備えることを特徴とする請求項１ないし５の何れか１項に記載の方法。
鋼から作られた１つ以上の部品を溶接することを特徴とする請求項１ないし６の何れか１項に記載の方法。
亜鉛またはアルミニウム表面コーティングを含む鋼から作られた１つ以上の部品を溶接することを特徴とする請求項１ないし７の何れか１項に記載の方法。
溶接しようとする部品はテーラードブランクから選択されることを特徴とする請求項１ないし８の何れか１項に記載の方法。
溶接は少なくとも２ｍ／分の速度で行われることを特徴とする請求項１ないし１０の何れか１項に記載の方法。