JP2019058913A - 溶接電極及びｔｉｇアーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】素子の耐電圧を超えることなくＴＩＧアーク溶接を行うことができる溶接電極及びＴＩＧアーク溶接方法を提供する。【解決手段】溶接電極１０は、軸線Ｐに沿って延びる柱状の電極本体部１１と、電極本体部１１における軸線方向の先端側に位置する円錘状の電極先端部１２と、を有する。前記軸線方向に沿った断面で見て、電極先端部１２の先端角度は、素子３を有する溶接対象物を他の溶接対象物と溶接する際に発生するアークの過渡電圧が素子３の耐電圧以下となる角度である。【選択図】図１

Description

本発明は、溶接電極及びＴＩＧアーク溶接方法に関する。

溶接方法の一つとして、ＴＩＧ（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）アーク溶接が知られている。このＴＩＧアーク溶接では、タングステン電極が溶接電極として用いられる。ＴＩＧアーク溶接に用いられる溶接電極として、例えば特許文献１、２に開示される溶接電極が知られている。

前記特許文献１には、先端部の形状が曲面をなしており、前記曲面は、溶接電極と溶接される物質との間に発生する電気力線に対し、垂直な等電位面の形状である、溶接電極が開示されている。

前記特許文献２には、タングステン電極の先端を円錘状または多円錘状に研磨し、該先端部の中心軸に沿って幅が０．７５ｍｍ以上、１．５ｍｍ以下のスリットを電極の先端から基部側に軸方向に沿って設けたＴＩＧアーク溶接用電極が開示されている。

特開２００７−２１００３３号公報 国際公開第２０１１／０９９６３７号

ところで、ＴＩＧアーク溶接では、溶接電極と被溶接物との間に、電流を流すことによってアークを発生させる。その際、ＴＩＧアーク溶接の溶接部分には、過渡的に過大な電圧が発生する。

一方、ＴＩＧアーク溶接は、半田付けで必要な半田を用いなくてもよいため、溶接のコストが比較的安い。そのため、近年、素子を含む溶接対象物を他の溶接対象物と溶接する際に、ＴＩＧアーク溶接を用いることが検討されている。

しかしながら、上述のように、ＴＩＧアーク溶接を行った場合、溶接部分には過渡的に過大な電圧が発生するため、溶接時に発生する電圧が素子の耐電圧を超える可能性がある。

本発明の目的は、素子の耐電圧を超えることなくＴＩＧアーク溶接を行うことができる溶接電極及びＴＩＧアーク溶接方法を提供することにある。

本発明の一実施形態に係る溶接電極は、ＴＩＧアーク溶接に用いる溶接電極である。この溶接電極は、軸線に沿って延びる柱状の電極本体部と、前記電極本体部における軸線方向の先端側に位置する円錘状の電極先端部と、を有する。前記軸線方向に沿った断面で見て、前記電極先端部の先端角度は、素子を含む溶接対象物を他の溶接対象物と溶接する際に発生するアークの過渡電圧が前記素子の耐電圧以下となる角度である。

本発明の一実施形態に係るＴＩＧアーク溶接方法は、軸線に沿って延びる柱状の電極本体部と、前記電極本体部における軸線方向の先端側に位置する円錘状の電極先端部と、を有する溶接電極を用いて溶接を行うＴＩＧアーク溶接方法である。このＴＩＧアーク溶接方法では、素子を含む溶接対象物を他の溶接対象物と溶接する際に、前記電極先端部と前記溶接対象物との間に発生するアークの過渡電圧が前記素子の耐電圧以下でＴＩＧアーク溶接を行う。

本発明の一実施形態に係る溶接電極及びＴＩＧアーク溶接方法によれば、素子の耐電圧を超えることなくＴＩＧアーク溶接を行うことができる。

図１は、実施形態に係る溶接装置の概略構成と、溶接対象物の一例とを模式的に示す図である。 図２は、溶接電極の先端を拡大して示す図である。 図３は、溶接電極の先端角度とＴＩＧアーク溶接時に発生するアークの過渡電圧の最大値との関係の一例を示す図である。 図４は、溶接電極を溶接対象物に接触させた状態を示す図１相当図である。 図５は、溶接電極を溶接対象物に対して離間させた状態を示す図１相当図である。 図６は、溶接電極の移動速度とＴＩＧアーク溶接時に発生するアークの過渡電圧の最大値との関係の一例を示す図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。なお、図中の同一または相当部分については同一の符号を付してその説明は繰り返さない。また、各図中の構成部材の寸法は、実際の構成部材の寸法及び各構成部材の寸法比率等を忠実に表していない。

（溶接装置）
図１は、本発明の実施形態に係る溶接電極を備えた溶接装置１の構成を模式的に示す図である。なお、図１は、説明のために、溶接装置１、及び、溶接対象物である基板２及び素子３を、溶接電極１０の軸線Ｐの延びる方向（以下、軸線方向）に沿った断面で見た図である。図２は、溶接電極１０の先端１２ａを拡大して示す図である。

本実施形態では、溶接対象物は、基板２、及び、基板２に取り付けられる素子３である。具体的には、本実施形態では、基板２の配線２１と、素子３の端子３１とを、ＴＩＧアーク溶接によって溶接する場合について説明する。配線２１及び端子３１は、金属製の部材である。

なお、本実施形態における基板２及び素子３は、溶接対象物の一例である。よって、溶接される複数の溶接対象物は、少なくとも一つが素子を含んでいれば、どのような部品であってもよい。例えば、複数の溶接対象物は、素子を有する基板を含んでもよい。

溶接装置１は、複数の溶接対象物をＴＩＧアーク溶接によって溶接する。溶接装置１は、溶接電極１０と、電源１５とを有する。なお、溶接装置１における溶接電極１０以外の構成は、従来のＴＩＧアーク溶接用の溶接装置と同様の構成である。よって、溶接装置１における溶接電極１０以外の構成の詳しい説明を省略する。

電源１５は、溶接電極１０に対して所定の電流を流す。これにより、溶接電極１０の先端１２ａと、基板２の配線２１及び素子３の端子３１との間に、アークが生じる。よって、基板２の配線２１及び素子３の端子３１が、前記アークの熱によって溶融して接合される。この際、溶接電極１０の先端１２ａと、基板２の配線２１及び素子３の端子３１との間に、前記アークによる電圧が発生する。なお、前記アークによって発生する電圧のうち、過渡状態における電圧（過渡電圧）は、定常状態における電圧よりも大きい。

溶接電極１０は、軸線Ｐに沿って延びる柱状のタングステン電極である。すなわち、溶接電極１０は、タングステンの粒子がバインダによって結合された電極材料からなる。溶接電極１０は、電極本体部１１と、電極先端部１２とを有する。電極本体部１１は、軸線Ｐに沿って延びる柱状である。電極先端部１２は、電極本体部１１における軸線方向の先端側に位置する円錘状である。

図１及び図２に示すように、電極先端部１２の外径は、溶接電極１０の軸線方向の先端１２ａに向かうほど小さい。すなわち、電極先端部１２は、溶接電極１０の軸線方向の先端１２ａに向かうほど外径が小さい先細り形状である。さらに換言すれば、前記軸線方向に沿った断面で見て、電極先端部１２の稜線同士がなす角度α（以下、先端角度という）は、鋭角である（図２参照）。

図２に示すように、前記軸線方向に沿った断面で見て、電極先端部１２の先端１２ａは、円弧状である。これにより、電極先端部１２の先端１２ａから安定してアークを発生させることができる。よって、ＴＩＧアーク溶接時に発生するアークの過渡電圧のばらつきを抑制できる。

ところで、既述のように、電源１５から溶接電極１０に対して電流を流した際に、溶接電極１０の先端１２ａ、すなわち電極先端部１２の先端１２ａと、基板２の配線２１及び素子３の端子３１との間に、アークによって電圧が発生する。この電圧が素子３の耐電圧（例えば３０Ｖ）を超えると、素子３が損傷を受ける可能性がある。そのため、従来、ＴＩＧアーク溶接は、素子を含む溶接対象物の溶接には不向きだった。

これに対し、本発明者らは、素子を含む溶接対象物の溶接に、ＴＩＧアーク溶接を適用するための構成について検討した。本発明者らは、鋭意検討の結果、溶接電極の先端角度が、ＴＩＧアーク溶接時にアークによって発生する電圧に影響を与えることを見出した。すなわち、本発明者らは、図３に示すように、溶接電極の先端角度が小さい場合には、ＴＩＧアーク溶接時に発生する過渡電圧が小さいことを見出した。これにより、本発明者らは、溶接電極の先端角度を小さくすることによって、ＴＩＧアーク溶接時に発生する過渡電圧を小さくして、該過渡電圧を素子３の耐電圧以下にできる点に想到した。

図３に、溶接電極の先端角度とＴＩＧアーク溶接時にアークによって発生する過渡電圧の最大値との関係の一例を示す。なお、図３における過渡電圧の最大値は、溶接電極を溶接対象物に接触させた状態で前記溶接電極に電流を流すとともに、前記溶接電極を前記溶接対象物から４０ｍｍ／ｓの速度で離間させてアークが発生した際に、検出された過渡電圧の最大値である。

図３に示すように、溶接電極の先端角度が３０度を越えると、ＴＩＧアーク溶接時に発生する過渡電圧の最大値が急激に増大する。よって、電極先端部１２の先端角度αは、３０度以下が好ましい。これにより、電極先端部１２の先端１２ａと、基板２の配線２１及び素子３の端子３１との間に生じる過渡電圧を、素子３の耐電圧以下にすることが可能になる。

一方、電極先端部１２の先端角度αは、１５度以上が好ましい。これにより、ＴＩＧアーク溶接時に、発生するアークによって電極先端部１２の先端１２ａからタングステンの粒子が脱落することを防止できる。よって、電極先端部１２の先端角度αは、１５度以上で且つ３０度以下がより好ましい。

（ＴＩＧアーク溶接方法）
次に、上述の構成を有する溶接装置１によるＴＩＧアーク溶接方法を、図４及び図５を用いて説明する。図４は、溶接電極を溶接対象物に接触させた状態を示す。図５は、溶接電極に電流を流すことにより、前記溶接電極と溶接対象物との間にアークを発生させた状態を示す。

まず、図４に示すように、溶接電極１０の先端１２ａを、基板２の配線２１及び素子３の端子３１に接触させる。その状態で、電源１５から溶接電極１０に電流を流す。その後、溶接電極１０を基板２の配線２１及び素子３の端子３１から離間させる方向（白抜き矢印参照）に所定の速度で移動させる。

溶接電極１０が基板２の配線２１及び素子３の端子３１から所定距離、離間すると、図５に示すように、溶接電極１０における電極先端部１２の先端１２ａと基板２の配線２１及び素子３の端子３１との間に、アークＸが発生する。このアークＸの熱によって、基板２の配線２１及び素子３の端子３１の一部が溶融するため、基板２の配線２１と素子３の端子３１とが接合される。

このように、溶接電極１０の先端１２ａを基板２の配線２１及び素子３の端子３１に接触させた状態で溶接電極１０に電流を流しつつ、溶接電極１０を基板２の配線２１及び素子３の端子３１に対して離間させることにより、溶接時に生じるアークの過渡電圧をより低減できる。

溶接電極１０の電極先端部１２の先端角度αは、軸線方向に沿った断面において、３０度以下である。よって、電極先端部１２と溶接対象物との間のアークＸによって発生する電圧は、素子の耐電圧以下である。すなわち、基板２と素子３とを溶接する際に、電極先端部１２と基板２の配線２１及び素子３の端子３１との間に発生するアークＸの過渡電圧が素子３の耐電圧以下で、ＴＩＧアーク溶接が行われる。

溶接電極１０を、溶接対象物である基板２の配線２１及び素子３の端子３１から離間させる方向に移動させる前記所定の速度は、２０ｍｍ／ｓから３０ｍｍ／ｓが好ましい。図６に、溶接電極を溶接対象物から離間させる方向に移動させる速度と、溶接電極と溶接対象物との間のアークによって発生する電圧（過渡電圧）の最大値との関係を示す。なお、図６における過渡電圧は、溶接電極の先端角度が３０度の場合に、溶接電極と溶接対象物との間のアークによって発生する電圧である。

図６に示すように、前記所定の速度が３０ｍｍ／ｓを超えると、前記過渡電圧の最大値は、前記所定の速度の増加に応じて増加する。よって、前記所定の速度は３０ｍｍ／ｓ以下が好ましい。

一方、生産性の観点から、前記所定の速度が低すぎることは好ましくない。よって、前記所定の速度は、２０ｍｍ／ｓ以上で且つ３０ｍｍ／ｓ以下が好ましい。

上述のように、溶接電極１０を基板２の配線２１及び素子３の端子３１から離間させる方向に移動させる速度を、２０ｍｍ／ｓから３０ｍｍ／ｓにすることで、生産性を考慮しつつ、ＴＩＧアーク溶接の際に発生するアークの過渡電圧をより小さくすることができる。

ここで、溶接電極１０を、基板２の配線２１と素子３の端子３１に接触させる工程が、溶接電極接触工程であり、溶接電極１０を、基板２の配線２１及び素子３の端子３１に接触させた状態で、溶接電極１０と基板２の配線２１及び素子３の端子３１との間に電流を流す工程が電流印加工程である。また、溶接電極１０と基板２の配線２１及び素子３の端子３１との間に電流が流れた状態で、溶接電極１０を、基板２の配線２１及び素子３の端子３１に対して２０ｍｍ／ｓから３０ｍｍ／ｓの速度で離間させる工程が、溶接電極離間工程である。

以上より、本実施形態では、ＴＩＧアーク溶接に用いる溶接電極１０の電極先端部１２の先端角度αは、軸線方向に沿った断面で見て、溶接時に発生するアークの過渡電圧が素子３の耐電圧以下となる角度である。これにより、基板２の配線２１と素子３の端子３１とを溶接する際に、ＴＩＧアーク溶接を用いても、素子３が損傷を受けることを防止できる。

また、本実施形態の構成により、素子３を有する溶接対象物を、ＴＩＧアーク溶接によって溶接することができる。これにより、半田等を用いることなく低コストで溶接を行うことができる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

前記実施形態では、ＴＩＧアーク溶接は、溶接電極１０を溶接対象物に接触させた状態で溶接電極１０に電流を流しつつ、溶接電極１０を溶接対象物から離間させてアークを発生させる、いわゆるタッチスタート方式のＴＩＧアーク溶接方法である。しかしながら、ＴＩＧアーク溶接は、溶接電極１０を溶接対象物から予め離間させた状態で、溶接電極に電流を流してアークを発生させるＴＩＧアーク溶接方法であってもよい。

本発明は、ＴＩＧアーク溶接に用いる溶接電極に利用可能である。

１ 溶接装置
２ 基板
３ 素子
１０ 溶接電極
１１ 電極本体部
１２ 電極先端部
１２ａ 先端
１５ 電源
２１ 配線
３１ 端子
Ｐ 軸線
α 先端角度

Claims (6)

1. ＴＩＧアーク溶接に用いる溶接電極であって、
   軸線に沿って延びる柱状の電極本体部と、
   前記電極本体部における軸線方向の先端側に位置する円錘状の電極先端部と、
   を有し、
   前記軸線方向に沿った断面で見て、前記電極先端部の先端角度は、素子を含む溶接対象物を他の溶接対象物と溶接する際に発生するアークの過渡電圧が前記素子の耐電圧以下となる角度である、溶接電極。
2. 請求項１に記載の溶接電極において、
   前記軸線方向に沿った断面で見て、前記電極先端部の先端は、円弧状である、溶接電極。
3. 請求項１または２に記載の溶接電極において、
   前記軸線方向に沿った断面で見て、前記電極先端部の先端角度は、３０度以下である、溶接電極。
4. 軸線に沿って延びる柱状の電極本体部と、
   前記電極本体部における軸線方向の先端側に位置する円錘状の電極先端部と、
   を有する溶接電極を用いて溶接を行うＴＩＧアーク溶接方法であって、
   素子を含む溶接対象物を他の溶接対象物と溶接する際に、前記電極先端部と前記溶接対象物との間に発生するアークの過渡電圧が前記素子の耐電圧以下でＴＩＧアーク溶接を行う、ＴＩＧアーク溶接方法。
5. 請求項４に記載のＴＩＧアーク溶接方法において、
   前記軸線方向に沿った断面で見て、前記電極先端部の先端角度が、素子を含む溶接対象物を他の溶接対象物と溶接する際に発生するアークの過渡電圧が前記素子の耐電圧以下となる角度である前記溶接電極を用いて、ＴＩＧアーク溶接を行う、ＴＩＧアーク溶接方法。
6. 請求項４または５に記載のＴＩＧアーク溶接方法において、
   前記溶接電極を前記溶接対象物に接触させる溶接電極接触工程と、
   前記溶接電極を前記溶接対象物に接触させた状態で、前記溶接電極と前記溶接対象物との間に電流を流す電流印加工程と、
   前記溶接電極と前記溶接対象物との間に電流が流れた状態で、前記溶接電極を前記溶接対象物に対して２０ｍｍ／ｓから３０ｍｍ／ｓの速度で離間させる溶接電極離間工程と、
   を有する、ＴＩＧアーク溶接方法。

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