JP2016036855A - マグネシウム材の溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マグネシウム材において深い溶接部を得ることができる簡便なＴＩＧ溶接方法を提供する。【解決手段】電極２と被溶接物１０との間にアーク７を発生させることによって、被溶接物を溶接する方法であって、被溶接物１０がマグネシウム材又はマグネシウム合金材であり、溶接電源として交流電源を使用し、不活性ガスと酸化性ガスとからなるシールドガス９を、電極２を覆うように被溶接物に向けて流すこと、を特徴とするＴＩＧ溶接方法。【選択図】図１

Description

本発明はマグネシウム材の溶接方法に関し、より具体的には、マグネシウム材において深い溶接部を得ることができる簡便なＴＩＧ溶接方法に関する。

マグネシウムはアルミニウムより軽量であり、比強度が高いことから、新幹線をはじめとした高速車両等への利用が期待されている。ここで、マグネシウムは室温での変形能に乏しいことから、溶接を用いた加工が重要となってくる。ＴＩＧ溶接はマグネシウムの溶接法として現在最も一般的に用いられている溶接法の一つであるが、ＴＩＧ溶接は溶け込み深さが浅くなることから、溶込み不良などの問題が発生する。

ＴＩＧ溶接における溶け込み深さを増加させる方法として、鋼の溶接に関しては、溶融池に微量の酸素を取り込む方法が検討されている。例えば、特許文献１（特開２００７−３８３０３号公報）では、不活性ガスからなる第１のシールドガスを、電極を覆うように被溶接物に向けて流すとともに、酸化性ガスを含む第２のシールドガスを、第１のシールドガスの周辺側に、被溶接物に向けて流し、溶接金属部の表面に形成される酸化膜の厚さを２０μｍ以下とする、鉄鋼系材料のＴＩＧ溶接方法が提案されている。

前記特許文献１に記載されているＴＩＧ溶接方法においては、溶融池への酸素の導入によって対流の向きを内向きに制御することができ、その結果、溶接品質を低下させることなく溶接金属部を深くし、かつ容易に溶接施工が可能であり、しかも溶接効率を高めることができるとしている。

また、特許文献２（特開２００７−４４７４１号公報）では、電極と被溶接物との間にアークを発生させることにより溶接する非消耗電極式ガスシールド溶接用のシールドガスであって、ヘリウムガスに０．２ｖｏｌ．％ 以上の酸化性ガスを添加したことを特徴とするシールドガスが提案されている。

前記特許文献２に記載されているシールドガスにおいては、主ガスをヘリウムガスとすることで、プラズマ気流の影響によって溶接金属中の溶融池の対流方向が内側から外側に作用する力（引きずり力）を抑えることが可能となり、これに０．２ｖｏｌ．％以上（好ましくは０．４ｖｏｌ．％以上）の酸化性ガスを添加することで、温度の上昇に伴い表面張力は外周部より表面中央部が大きくなり、溶融池の対流も内向きの方向に作用するということが示されている。

特開２００７−３８３０３号公報 特開２００７−４４７４１号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示されているＴＩＧ溶接方法及び上記特許文献２に開示されているシールドガスは鉄鋼系材料を対象としており、その他の材料に関する効果については言及されていない。特に、酸化しやすいことがデメリットとして周知であるマグネシウム材は対象材として全く考慮されておらず、マグネシウム材において深い溶接部を得ることができる簡便な溶接方法は存在しないのが現状である。

以上のような従来技術における問題点に鑑み、本発明の目的は、マグネシウム材において深い溶接部を得ることができる簡便なＴＩＧ溶接方法を提供することにある。

本発明者は上記目的を達成すべく、マグネシウム材のＴＩＧ溶接方法について鋭意研究を重ねた結果、適切なシールドガスを用いると共に溶接電源を交流とすることで、溶接部を効果的に深くできることを見出し、本発明に到達した。

即ち、本発明は、
電極と被溶接物との間にアークを発生させることによって、前記被溶接物を溶接する方法であって、
前記被溶接物がマグネシウム材又はマグネシウム合金材であり、
溶接電源として交流電源を使用し、
不活性ガスと酸化性ガスとからなるシールドガスを、前記電極を覆うように前記被溶接物に向けて流すこと、
を特徴とするＴＩＧ溶接方法を提供する。

上記本発明のＴＩＧ溶接方法においては、前記不活性ガスからなる第１のシールドガスを、前記電極を覆うように前記被溶接物に向けて流すとともに、前記酸化性ガスを含む第２のシールドガスを、前記第１のシールドガスの周辺側に、前記被溶接物に向けて流すこと、が好ましい。

不活性ガスからなる第１のシールドガスを、電極を覆うように流すことで、溶接中の電極の酸化を効果的に抑制することができる。

また、上記本発明のＴＩＧ溶接方法においては、前記第２のシールドガスの酸素量が０．０１〜３．０ｖｏｌ．％であることが好ましい。

第２のシールドガスの酸素量を０．０１ｖｏｌ．％以上とすることで溶融池に酸素を導入して対流を内向きとすることができ、酸素量を３．０ｖｏｌ．％以下とすることで、溶融池に必要以上の酸素が導入されることによる継手特性の低下や、酸化による電極の消耗を抑制することができる。

また、上記本発明のＴＩＧ溶接方法においては、
前記電極を囲んで設けられた管状のインナーノズルと、前記インナーノズルを囲んで設けられた管状のアウターノズルと、を備え、
前記インナーノズル内に前記第１のシールドガスを供給し、
前記アウターノズル内に前記第２のシールドガスを供給すること、が好ましい。

また、上記本発明のＴＩＧ溶接方法においては、前記第２のシールドガスが大気であり、前記インナーノズル内への前記第１のシールドガスの供給によって、前記アウターノズル内に前記大気を吸引すること、が好ましい。

酸素の供給源を大気とすることで、不活性ガスと酸素からなるシールドガスを用いる必要がなくなり、コスト及び作業性等の観点から、より有益かつ簡便なＴＩＧ溶接法となる。

更に、上記本発明のＴＩＧ溶接方法においては、溶接電流値を１２５〜５００Ａとすることが好ましい。鉄鋼系材料の溶融池に酸素を導入して溶け込み深さを増加される公知の溶接方法（例えば、上記特許文献１）においては、溶接電流値を大きくし過ぎるとプラズマ気流の影響で外向きの対流が生じ（内向きの対流が相殺され）、Ｄ／Ｗ（溶融池の深さと幅の比）は頭打ちになるが、本発明のＴＩＧ溶接方法においては溶接電流値を増加させることで単純にＤ／Ｗを増加させることができる。

溶接電流を１２５Ａ以上とすることで、マグネシウム材の接合において一般的に求められる溶け込み深さを満足することができ、５００Ａ以下とすることで、汎用の交流溶接電源を容易に用いることができる。

本発明によれば、マグネシウム材において深い溶接部を得ることができる簡便なＴＩＧ溶接方法を提供することができる。

本発明のＴＩＧ溶接方法の一実施形態に係わる概略図である。 溶融金属の表面張力と温度との関係の一例を示す模式図である。 本発明のＴＩＧ溶接方法によって形成された溶融池の状態を示す模式図である。 オージェ電子分光分析の分析箇所を示す模式図である。 実施溶接部１と比較溶接部１の断面写真である。 実施溶接部１〜６及び比較溶接部１のＤ／Ｗ値である。 比較溶接部２と比較溶接部３の断面写真である。 受け入れままのＡＺ３１Ｂマグネシウム合金板のオージェ電子分光分析結果である。 比較溶接部１のオージェ電子分光分析結果である。 実施溶接部１のオージェ電子分光分析結果である。 実施溶接部１及び比較溶接部１のビッカース硬度測定結果である。 実施例１における溶融地の観察結果である。 比較例１における溶融地の観察結果である。 実施溶接部４及び実施溶接部７〜１０のＤ／Ｗ値である。 実施溶接部１１〜１８及び比較溶接部４のＤ／Ｗ値である。 実施溶接部１９〜２６及び比較溶接部５のＤ／Ｗ値である。

以下、図面を参照しながら本発明のＴＩＧ溶接方法の代表的な実施形態について詳細に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する場合がある。また、図面は、本発明を概念的に説明するためのものであるから、表された各構成要素の寸法やそれらの比は実際のものとは異なる場合もある。

（Ａ）溶接方法
本発明のＴＩＧ溶接方法の一実施形態に係わる概略図を図１に示す。ここに示すＴＩＧ 溶接装置Ａは、マグネシウム材１０（被溶接物）との間にアーク７を発生させるタングステン電極２と、このタングステン電極２を囲んで設けられた管状のインナーノズル３と、このインナーノズル３を囲んで設けられた管状のアウターノズル４とから構成された多重管構造のトーチ１を備えている。すなわち、トーチ１は、タングステン電極２の外周側にインナーノズル３が設けられ、その外周側にアウターノズル４が設けられた多重管構造物である。

インナーノズル３は、タングステン電極２に対し間隔をおいて、タングステン電極２と略同心円状に配置される。インナーノズル３は、高純度の不活性ガスからなる第１シールドガス８を供給できるようになっている。この第１シールドガス８としては、アルゴン及びヘリウムを例示できる。

アウターノズル４は、インナーノズル３に対し間隔をおいて、インナーノズル３と略同心円状に配置されている。アウターノズル４は、インナーノズル３との隙間を通して、酸化性ガスを含む第２シールドガス９を供給できるようになっている。第２シールドガス９としては、酸化性ガスを不活性ガスに添加した混合ガスを使用できる。酸化性ガスとしては、酸素（Ｏ₂）、二酸化炭素（ＣＯ₂）を例示できる。不活性ガスとしては、アルゴン及びヘリウムを例示できる。

以下、溶接装置Ａ を用いて母材１ ０ の溶接を行う方法を説明する。図１に示すように、トーチ１と母材１０の間に電圧をかけて放電させ、アーク７を発生させる。トーチ１を図中左方に移動させつつ、アーク７ の熱によって母材１０を溶融させて溶融池５を形成し、母材１０の溶接を行う。なお、図中符号６はビードである。

溶接の際には、第１シールドガス８をインナーノズル３内に供給する。第１シールドガス８はタングステン電極２を囲んでインナーノズル３の先端に向けて流れ、この先端から母材１０に向けて噴出する。第１シールドガス８は、溶融池５の中央側領域に吹き付けられる。

同時に、酸化性ガスを含む第２シールドガス９を、インナーノズル３とアウターノズル４ との隙間に供給する。第２シールドガス９はアウターノズル４の先端に向けて流れ、この先端から母材１０に向けて噴出する。この際、第２シールドガス９は、第１シールドガス８ を覆うように、第１シールドガス８の周辺側を流れ、溶融池５の周辺側領域（中央側領域よりも周辺側に位置する領域）に吹き付けられる。

第２シールドガス９においては、酸素量を０．０１〜３．０ｖｏｌ．％とすることが好ましく、０．５〜１．０ｖｏｌ．％とすることがより好ましい。上述の通り、第２シールドガス９の酸素量を０．０１ｖｏｌ．％以上とすることで溶融池５に酸素を導入して対流を内向きとすることができ、酸素量を３．０ｖｏｌ．％以下とすることで、溶融池５に必要以上の酸素が導入されることによる継手特性の低下や、酸化による電極２の消耗を抑制することができる。更に、第２シールドガス９の酸素量を０．５〜１．０ｖｏｌ．％とすることで、最も効率的に溶融地５の深さを増加させることができる。

また、第１シールドガス８のみを使用する場合、第１シールドガス８の酸素量を０．００５〜１．５ｖｏｌ．％とすることが好ましく、０．２５〜０．５ｖｏｌ．％とすることがより好ましい。上述の通り、第１シールドガス８の酸素量を０．００５ｖｏｌ．％以上とすることで溶融池５に酸素を導入して対流を内向きとすることができ、酸素量を１．５ｖｏｌ．％以下とすることで、溶融池５に必要以上の酸素が導入されることによる継手特性の低下や、酸化による電極２の消耗を抑制することができる。更に、第１シールドガス８の酸素量を０．２５〜０．５ｖｏｌ．％とすることで、最も効率的に溶融地５の深さを増加させることができる。

ここで、上記特許文献１に記載されている従来公知の鉄鋼系材料のＴＩＧ溶接方法においては溶接電源として直流電源が使用されているが、本発明のＴＩＧ溶接方法においては交流電源が使用される。マグネシウム材１０は非常に酸化されやすいため、溶融地に酸素を導入すると溶融地の表面に容易に酸化被膜が形成され、当該酸化被膜が溶融地内の対流を拘束する。その結果、酸素の導入による内向きの対流の効果が生じ難く、溶融地を深くすることができない。

これに対し、詳細は後述するが、交流電源を用いることで溶融地表面における酸化被膜の形成を抑制することができ、溶融地に酸素を導入することによる内向きの対流を効果的に利用することができる。なお、本発明のＴＩＧ溶接に用いる交流電源は特に制限されず、種々の市販交流電源を使用することができる。

その他、溶接電流、アーク長、溶接速度、シールドガス、及び溶接姿勢等の各種溶接条件については、従来使用されている一般的なアーク溶接と同様に、適宜設定することができる。ここで、本発明のＴＩＧ溶接では溶接電流値を１００〜７００Ａとすることが好ましく、１２５〜５００Ａとすることがより好ましい。上述のとおり、鉄鋼系材料の溶融池に酸素を導入して溶け込み深さを増加される公知の溶接方法（例えば、上記特許文献１）においては、溶接電流値を大きくし過ぎるとプラズマ気流の影響で外向きの対流が生じ（内向きの対流が相殺され）、Ｄ／Ｗ（溶融池の深さと幅の比）は減少し始めるが、本発明のＴＩＧ溶接方法においては溶接電流値を増加させることで単純にＤ／Ｗを増加させることができる。

これは溶接電源に交流電源を用いた効果であり、極性のスイッチングに起因して、溶融地の対流に及ぼすプラズマ気流の影響が小さくなる結果である。その結果、溶融地に酸素を導入することによる内向対流の効果が、溶接電流値の増加に伴って大きくなる。ここで、溶接電流を１２５Ａ以上とすることで、マグネシウム材の接合において一般的に求められる溶け込み深さを満足することができ、５００Ａ以下とすることで、汎用の交流溶接電源を容易に用いることができる。

また、溶接速度は本発明の効果を損なわない範囲において特に限定されないが、溶接速度を遅くするほど、より深い溶け込みを得ることができる。また、アーク長も本発明の効果を損なわない範囲において特に限定されないが、アーク長を短くするほど、より深い溶け込みを得ることができる。ここで、アーク長は、短絡しない程度において２ｍｍ以下とすることが好ましい。これらは、内向対流によって溶け込み深さが増加することに起因するものである。より具体的には、溶融時間が長くなれば内向対流の効果がより長く持続し、溶融地の温度勾配が急になると（アーク長が短くなるとアークが集中し、温度勾配が急になる）内向対流の効果がより顕著になる。

本発明のＴＩＧ溶接方法を好適に用いることができるマグネシウム材１０は特に限定されず、純マグネシウム及び各種マグネシウム合金を用いることができる。マグネシウム合金としては、例えば、展伸材（ＡＺ１０Ａ、ＡＺ３１Ｂ、ＡＺ３１Ｃ、ＡＺ６１Ａ、ＡＺ８０Ａ、ＨＫ３１Ａ、ＨＭ２１Ａ、ＨＭ３１Ａ、Ｍ１Ａ、ＷＥ４３Ａ、ＷＥ５４Ａ、ＺＣ７１Ａ、ＺＫ２１Ａ、ＺＫ４０Ａ、ＺＫ６０Ａ）、鋳造材（ＡＭ１００Ａ、ＡＺ６３Ａ、ＡＺ８１Ａ、ＡＺ９１Ｃ、ＡＺ９１Ｅ、ＡＺ９２Ａ、ＥＱ２１Ａ、ＥＺ３３Ａ、ＨＫ３１Ａ、ＨＺ３２Ａ、Ｋ１Ａ、ＱＥ２２Ａ、ＷＥ４３Ａ、ＷＥ５４Ａ、ＺＣ６３Ａ、ＺＥ４１Ａ、ＺＥ６３Ａ、ＺＨ６２Ａ、ＺＫ５１Ａ、ＺＫ６１Ａ）、ダイカスト材（ＡＭ６０Ａ、ＡＭ６０Ｂ、ＡＳ４１Ａ、ＡＳ４１Ｂ、ＡＺ９１Ａ、ＡＺ９１Ｂ、ＡＺ９１Ｄ）等を用いることができる。また、Ｍｇ−Ａｌ−Ｍｎ−Ｃａ合金（ＡＭＸ材）やＭｇ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｃａ合金（ＡＺＸ材）等の、カルシウムを添加した難燃性マグネシウム合金に対しても好適に用いることができる。

図１に示す実施形態においては、インナーノズル３及びアウターノズル４を有するトーチ１を用い、二重のシールドガスを使用した場合を説明したが、１つのノズルのみを有する一般的なトーチを用い、酸素を添加した不活性ガスのみをシールドガスとして使用してもよい。また、インナーノズル３に相当する箇所に不活性ガスからなるシールドガスを流通させ、その結果としてアウターノズル４に相当する箇所等から大気を巻き込み、溶融地５に酸素を取り込んでもよい。ここで、インナーノズル３、アウターノズル４、及び電極３の位置関係等は設計事項であり、溶接条件に応じて適宜最適化すればよい。

（Ｂ）深溶け込みのメカニズム
本発明のＴＩＧ溶接方法において、溶け込み深さが増加するメカニズムを下記に説明する。

溶融金属の表面張力は、固溶（溶解）している硫黄や酸素などの微量成分の濃度、温度などによって変化する。図２は、溶融金属の表面張力と温度との関係の一例を示すもので、ある濃度範囲の硫黄または酸素が溶接金属に固溶した例である。ここに示す例では、温度の上昇に従って表面張力が大きくなる。

図３に示すように、溶融池５の周辺側領域Ｒ２の温度が中央側領域Ｒ１の温度に比べて低くなると、周辺側領域Ｒ２の表面張力が中央側領域Ｒ１の表面張力より小さくなり、溶融池５において内向きの対流が起きる。また、一定温度であっても、溶融した金属に固溶した酸素濃度が高いほど表面張力が低下する。

この溶接装置Ａを用いた溶接方法では、不活性ガスからなる第１シールドガス８をタングステン電極２を覆うように流すことができるため、タングステン電極２を第１シールドガス８によって保護し、タングステン電極２が酸化により劣化するのを防ぐことができる。従って、溶接品質に優れた溶接構造物を得ることができる。

インナーノズル３とアウターノズル４との隙間に第２シールドガス９を供給することによって、第１シールドガス８を溶融池５の中央側領域Ｒ１に供給し、かつ酸化性ガスを含む第２シールドガス９を溶融池５の周辺側領域Ｒ２に供給することができる。これによって、溶融池５に、所定の濃度範囲の酸素を供給することができ、かつ周辺側領域Ｒ２の酸素濃度を中央側領域Ｒ１の酸素濃度よりも高くすることができる。

このため、溶融池５の表面張力を、温度が低くて酸素濃度が高い周辺側領域Ｒ２で小さく、かつ温度が高くて酸素濃度が低い中央側領域Ｒ１で大きくし、溶融池５内で内向きの対流を促進し、溶融池５を深く形成することができる。従って、母材１０の深部に達する溶接金属部５ａを形成することができる。

本発明のＴＩＧ溶接方法は、活性フラックスを用いて溶融地５に酸素を取り込む方法に比べてスラグが発生しにくく、その除去作業が不要となる。また溶接時にヒュームが発生しにくい。従って、施工を容易にすることができる。また、溶接金属部５ａを深く形成することができるため、溶け込み不良の発生や、溶接効率が低くなるのを防ぐことができる。

以上、本発明のＴＩＧ溶接方法の代表的な実施形態について説明したが、本発明はこれらのみに限定されるものではなく、種々の設計変更が可能であり、それら設計変更は全て本発明の技術的範囲に含まれる。また、本発明のＴＩＧ溶接方法はマグネシウム材の溶接のみならず、気孔等の欠陥を有するマグネシウム材の補修としても用いることができる。

≪実施例１≫
供試材として１００ｍｍ×６０ｍｍ×６ｍｍのＡＺ３１Ｂマグネシウム合金板を使用した。用いたＡＺ３１Ｂマグネシウム合金板の組成を表１に示す。電極には直径１．６ｍｍの２％セリウムを含んだタングステンを使用し、電極の先端は溶接毎に６０°に加工した。交流溶接電源を用いて溶接電流を１２５Ａとし、溶接速度及びアーク長はそれぞれ３ｍｍ／ｓ及び２ｍｍとした。なお、溶接機には市販の交直流用ティグ溶接機Ｍｉｎｉ Ｅｌｅｃｏｎ２００Ｐ（株式会社ダイヘン製）を用いた。

シールドガスは図１に示す態様で、電極の周囲に２重に流した。内側のシールドガス（第１シールドガス）には電極の保護のためにアルゴンを用い、外側のシールドガス（第２シールドガス）にはアルゴンに１．０ｖｏｌ．％の酸素を導入したものを用いた。第１シールドガスの流量及び第２シールドガスの流量をそれぞれ５Ｌ／分として溶接を行い、実施溶接部１を得た。

≪実施例２≫
第２シールドガスとして、アルゴンに０．０１ｖｏｌ．％の酸素を導入したものを使用した以外は実施例１と同様にして、実施溶接部２を得た。

≪実施例３≫
第２シールドガスとして、アルゴンに０．１ｖｏｌ．％の酸素を導入したものを使用した以外は実施例１と同様にして、実施溶接部３を得た。

≪実施例４≫
第２シールドガスとして、アルゴンに０．５ｖｏｌ．％の酸素を導入したものを使用した以外は実施例１と同様にして、実施溶接部４を得た。

≪実施例５≫
第２シールドガスとして、アルゴンに３．０ｖｏｌ．％の酸素を導入したものを使用した以外は実施例１と同様にして、実施溶接部５を得た。

≪実施例６≫
第２シールドガスとして、アルゴンに５．０ｖｏｌ．％の酸素を導入したものを使用した以外は実施例１と同様にして、実施溶接部６を得た。

≪実施例７≫
溶接電流を１００Ａとした以外は実施例４と同様にして、実施溶接部７を得た。

≪実施例８≫
溶接電流を１５０Ａとした以外は実施例４と同様にして、実施溶接部８を得た。

≪実施例９≫
溶接電流を１７５Ａとした以外は実施例４と同様にして、実施溶接部９を得た。

≪実施例１０≫
溶接電流を２００Ａとした以外は実施例４と同様にして、実施溶接部１０を得た。

≪実施例１１≫
供試材として１００ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍのＡＺＸ６１１難燃性マグネシウム合金板を使用し、第２シールドガスとして、アルゴンに０．０１ｖｏｌ．％の酸素を導入したものを使用した以外は実施例１と同様にして、実施溶接部１１を得た。用いたＡＺＸ６１１難燃性マグネシウム合金板の組成を表２に示す。

≪実施例１２≫
第２シールドガスとして、アルゴンに０．１ｖｏｌ．％の酸素を導入したものを使用した以外は実施例１１と同様にして、実施溶接部１２を得た。

≪実施例１３≫
第２シールドガスとして、アルゴンに０．５ｖｏｌ．％の酸素を導入したものを使用した以外は実施例１１と同様にして、実施溶接部１３を得た。

≪実施例１４≫
第２シールドガスとして、アルゴンに１．０ｖｏｌ．％の酸素を導入したものを使用した以外は実施例１１と同様にして、実施溶接部１４を得た。

≪実施例１５≫
第２シールドガスとして、アルゴンに２．０ｖｏｌ．％の酸素を導入したものを使用した以外は実施例１１と同様にして、実施溶接部１５を得た。

≪実施例１６≫
第２シールドガスとして、アルゴンに３．０ｖｏｌ．％の酸素を導入したものを使用した以外は実施例１１と同様にして、実施溶接部１６を得た。

≪実施例１７≫
第２シールドガスとして、アルゴンに５．０ｖｏｌ．％の酸素を導入したものを使用した以外は実施例１１と同様にして、実施溶接部１７を得た。

≪実施例１８≫
第２シールドガスとして、アルゴンに６．０ｖｏｌ．％の酸素を導入したものを使用した以外は実施例１１と同様にして、実施溶接部１８を得た。

≪実施例１９≫
供試材として１００ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍのＡＺＸ６１２難燃性マグネシウム合金板を使用し、第２シールドガスとして、アルゴンに０．０１ｖｏｌ．％の酸素を導入したものを使用した以外は実施例１と同様にして、実施溶接部１９を得た。用いたＡＺＸ６１２難燃性マグネシウム合金板の組成を表３に示す。

≪実施例２０≫
第２シールドガスとして、アルゴンに０．１ｖｏｌ．％の酸素を導入したものを使用した以外は実施例１９と同様にして、実施溶接部２０を得た。

≪実施例２１≫
第２シールドガスとして、アルゴンに１．０ｖｏｌ．％の酸素を導入したものを使用した以外は実施例１９と同様にして、実施溶接部２１を得た。

≪実施例２２≫
第２シールドガスとして、アルゴンに２．０ｖｏｌ．％の酸素を導入したものを使用した以外は実施例１９と同様にして、実施溶接部２２を得た。

≪実施例２３≫
第２シールドガスとして、アルゴンに３．０ｖｏｌ．％の酸素を導入したものを使用した以外は実施例１９と同様にして、実施溶接部２３を得た。

≪実施例２４≫
第２シールドガスとして、アルゴンに４．０ｖｏｌ．％の酸素を導入したものを使用した以外は実施例１９と同様にして、実施溶接部２４を得た。

≪実施例２５≫
第２シールドガスとして、アルゴンに５．０ｖｏｌ．％の酸素を導入したものを使用した以外は実施例１９と同様にして、実施溶接部２５を得た。

≪実施例２６≫
第２シールドガスとして、アルゴンに６．０ｖｏｌ．％の酸素を導入したものを使用した以外は実施例１９と同様にして、実施溶接部２６を得た。

≪比較例１≫
第２シールドガスとして、アルゴンのみを使用した以外は実施例１と同様にして、比較溶接部１を得た。

≪比較例２≫
市販の直流溶接電源を用いた以外は実施例５と同様にして、比較溶接部２を得た。

≪比較例３≫
第２シールドガスとして、アルゴンに１．０ｖｏｌ．％の酸素を導入したものを使用した以外は比較例２と同様にして、比較溶接部３を得た。

≪比較例４≫
第２シールドガスとして、アルゴンのみを使用した以外は実施例１１と同様にして、比較溶接部４を得た。

≪比較例５≫
第２シールドガスとして、アルゴンのみを使用した以外は実施例１９と同様にして、比較溶接部５を得た。

［評価］
（１）断面マクロ観察
得られた溶接断面を湿式研磨（〜＃４０００）及びアルミナによるバフ研磨後、ピクリン酸を用いてエッチングした後に光学顕微鏡にて断面観察を行った。また、観察結果から溶接部（溶融地）の深さ（Ｄ）及び幅（Ｗ）を計測し、Ｄ／Ｗ値を求めた。

（２）オージェ電子分光分析
マグネシウムは極めて酸化しやすいため、高真空下でのスパッタリング及び分析が可能なオージェ電子分光分析（使用装置：アルバック・ファイ株式会社製，６８０５）を用いて溶接部断面に対する元素分析を行った。溶接部断面に対して２ｍｍ×２ｍｍの範囲に４ｋＶで２時間のアルゴンスパッタリングを施して分析領域を得た後、加速電圧１０ｋＶ、試料電流１０ｎＡの条件で分析を行った。なお、分析結果の再現性を確認するため、図４に示す溶接部断面の異なる６カ所に対して分析を行った。

（３）ビッカース硬度測定
溶接部断面にビッカース硬度測定を行った。硬度測定は荷重：０．１ｋｇｆ、荷重負荷時間：１５ｓとした。なお、測定位置は最表面から深さ１ｍｍとし、水平方向の硬度プロファイルを測定した。

（４）溶接中における溶融地の観察
溶融地の対流方向を確認するため、溶接中における溶融地の観察を行った。観察には高速度カメラ（ナック株式会社製，ＧＸ−１Ｆ）を用い、観察条件はフレームレート２０００ｆｐｓ、シャッター速度１／５０００秒、フィルター６３０ｎｍ、照明６３０ｎｍ（赤色ＬＥＤ）とした。また、被溶接材にφ０．５ｍｍの穴を設け、当該穴に微量のアルミナ粉を挿入した。溶接中における当該アルミナ粉の動きをトレースすることで、溶融地内の対流の向きを把握することができる。

実施溶接部１と比較溶接部１の断面写真を図５に示す。第２シールドガスとして、アルゴンに１．０ｖｏｌ．％の酸素を導入したものを使用した実施溶接部１の溶け込みは、アルゴンのみを使用した比較溶接部１と比較して明らかに深くなっている。また、実施溶接部１に関して、ブローホール等の溶接欠陥は形成されていない。

実施溶接部１〜６及び比較溶接部１のＤ／Ｗ値を図６に示す。実施溶接部１〜６のＤ／Ｗ値は全て比較溶接部１よりも大幅に高い値を示している。また、特に実施溶接部１及び４（第２シールドガスの酸素含有量が０．５〜１．０質量％）の値が高くなっていることが分かる。

比較溶接部２と比較溶接部３の断面写真を図７に示す。比較溶接部２と比較溶接部３の形状及び大きさはほぼ同じであり、直流溶接電源を用いた場合は溶融地への酸素導入による溶け込み深さの増加が全く生じていない。これは、直流電源を用いた場合は溶融地表面に酸化被膜が容易に形成し、当該酸化被膜によって対流が拘束されるために内向対流の効果が発揮できないことが原因である。

受け入れままのＡＺ３１Ｂマグネシウム合金板、比較溶接部１、及び実施溶接部１のオージェ電子分光分析結果を図８〜図１０にそれぞれ示す。図８〜図１０で示されている運動エネルギ範囲は、酸素が存在する場合にピークが現れる範囲であり、６箇所における測定結果を重ね書きで示している。受け入れままのＡＺ３１Ｂマグネシウム合金板及び比較溶接部１に関しては、酸素に起因するピークが全く観察されないが、実施溶接部１においては酸素のピークが明瞭に観察される。当該結果により、本発明のＴＩＧ溶接方法では、溶融地に酸素が導入されることが分かる。

実施溶接部１及び比較溶接部１のビッカース硬度測定結果を図１１に示す。実施溶接部１及び比較溶接部１に関し、溶接部におけるビッカース硬度に明瞭な差異は認められない。当該結果は、溶融地に酸素を導入する本発明のＴＩＧ溶接方法が、継手の機械的特性に悪影響を及ぼさないことを示している。

実施例１及び比較例１における溶融地の観察結果を、図１２及び図１３にそれぞれ示す。トレーサーとして用いたアルミナ粉末の位置を○印で囲っているが、実施例１においては溶接時間の経過に伴い、アルミナ粉末が溶融地の中心方向に移動している。これに対し、比較例１では、アルミナ粉末が溶融地の外縁付近に沿って移動している。当該結果は、実施例１では溶融地における対流が内向きであるのに対し、比較例１では外向きとなっていることを示している。

実施溶接部４及び実施溶接部７〜１０のＤ／Ｗ値を図１４に示す。Ｄ／Ｗ値は、溶接電流の増加に伴って単純に増加している。交流電源を用いることによるクリーニング効果によって溶融地表面の酸化被膜が除去されると共に、極性のスイッチングにより溶融地の対流に及ぼすプラズマ気流の影響が減少することで、溶接電流の増加に伴ってＤ／Ｗ値が単純に増加したものと考えられる。

実施溶接部１１〜１８及び比較溶接部４のＤ／Ｗ値を図１５、実施溶接部１９〜２６及び比較溶接部５のＤ／Ｗ値を図１６にそれぞれ示す。第２シールドガスに酸素を添加した実施溶接部においてはＤ／Ｗ値が大きくなっており、難燃性マグネシウム合金においても本発明のＴＩＧ溶接方法が効果を奏していることが確認できる。また、Ｄ／Ｗ値を大きくするための酸素添加量には最適値が存在し、第２シールドガスの酸素量を０．０１〜３．０ｖｏｌ．％とすることが効果的であることが分かる。

Claims (6)

1. 電極と被溶接物との間にアークを発生させることによって、前記被溶接物を溶接する方法であって、
   前記被溶接物がマグネシウム材又はマグネシウム合金材であり、
   溶接電源として交流電源を使用し、
   不活性ガスと酸化性ガスとからなるシールドガスを、前記電極を覆うように前記被溶接物に向けて流すこと、
   を特徴とするＴＩＧ溶接方法。
2. 前記不活性ガスからなる第１のシールドガスを、前記電極を覆うように前記被溶接物に向けて流すとともに、前記酸化性ガスを含む第２のシールドガスを、前記第１のシールドガスの周辺側に、前記被溶接物に向けて流すこと、
   を特徴とする請求項１に記載のＴＩＧ溶接方法。
3. 前記第２のシールドガスの酸素量が０．０１〜３．０ｖｏｌ．％であること、
   を特徴とする請求項２に記載のＴＩＧ溶接方法。
4. 前記電極を囲んで設けられた管状のインナーノズルと、前記インナーノズルを囲んで設けられた管状のアウターノズルと、を備え、
   前記インナーノズル内に前記第１のシールドガスを供給し、
   前記アウターノズル内に前記第２のシールドガスを供給すること、
   を特徴とする請求項２又は３に記載のＴＩＧ溶接方法。
5. 前記第２のシールドガスが大気であり、
   前記インナーノズル内への前記第１のシールドガスの供給によって、前記アウターノズル内に前記大気を吸引すること、
   を特徴とする請求項４に記載のＴＩＧ溶接方法。
6. 溶接電流値を１２５〜５００Ａとすること、
   を特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のＴＩＧ溶接方法。