JP2836112B2 - アルミニウム合金の非消耗電極アーク溶接方法 - Google Patents

アルミニウム合金の非消耗電極アーク溶接方法

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、アルミニウム合金の中厚板を、1パスで深
い溶け込みを得る非消耗電極アーク溶接方法に関するも
のである。
[従来の技術] 従来から、アルミニウム合金の深い溶け込みの溶接結
果を得る非消耗電極アーク溶接方法として、第1の方法
は、アルミニウム合金の酸化膜を溶接前に機械的又は化
学的に除去しておいて、直流正極性TIG溶接する方法で
あり、この方法では、ある程度の深い溶け込みは得られ
るが、溶接前に酸化皮膜の除去作業の余分の工程が必要
であり、また、除去作業後に発生した酸化皮膜が溶融金
属中に巻き込まれ、溶接欠陥を発生することが多い。
また、第2の方法は、矩形波の交流パルス電流を用い
て、交流電流の正負極性の通電時間比率又は通電比率又
はその両者を適宜に調整する方法であり、この方法で
は、アルミニウム表面の酸化皮膜を除去し、ある程度の
深い溶け込みを得ることができるが、ビード幅が広が
り、熱影響範囲が広がり、また電極先端の消耗が大で、
電極先端形状整形のために、しばしば中断しなければな
らない。
さらに、第3の方法は、交流プラズマ溶接方法である
が、この方法では、深い溶け込みは得られるが、大電流
になるとシリーズアークが発生しやすくなるので、実用
上、板厚8[mm]以下の中厚板程度までであって、それ
以上の厚板では採用が困難であった。
さらに、非消耗電極の先端を平面状に截断して、電極
軸を中心に回転又は揺動してアークの指向性を高めて、
開先壁の溶け込みを得たり、アーク磁気制御方法と組合
せてアンダーカットの防止及び不良ビードの改善を行っ
たりしているが、ビード幅が広くなっている。
[発明が解決しようとする問題点] 従来のアルミニウム合金の中厚板の溶接方法において
は、いずれの方法も、アルミニウム合金表面の酸化皮膜
を充分に除去して欠陥のない溶接部が得られないか、又
はビード幅が狭くて深い溶け込みを得ることができない
か、又は非消耗電極先端の消耗が大であるかのいずれか
の問題点があり、これらを同時に解決させていない。
[問題点を解決するための手段] 本発明のアルミニウム合金の非消耗電極アーク溶接方
法は、適正なクリーニング幅を確保すること、ビー
ド幅を狭くすること、溶け込み深さを大にすること、
電極の消耗を少なくすること、以上の4つの要求を同
時に満足させるために、 A.電極先端面が長方形を形成するように電極先端方向に
四面から傾斜して切断した非消耗電極を、その電極先端
の長辺方向と溶接線方向とが一致する方向に配置して矩
形波交流電流を通電すること、 B.ビード幅を狭くして溶け込み深さを深くし、電極消耗
を少なくするために、正極性溶接電流の波高値Isを所定
値以上にすること、 C.上記Bと同じ作用効果を得るために、正極性溶接電流
の通電時間Tsを所定値以上にすること、 D.適正なクリーニング幅を確保した上で、ビード幅を狭
くし、電極の消耗を極めて小さくするために、逆極性溶
接電流の通電時間Trをできるだけ小さい所定値にするこ
と、 E.上記Dと同じ作用効果で、逆極性溶接電流の波高値Ir
を、適正なクリーニング幅を確保することができる必要
最小限の所定値にすること、 F.前述した乃至を同時に満足するように、上記B乃
至E項のパラメータの相互関係を検討して、4つのパラ
メータの適正範囲内で溶接する方法である。
[作用及び実施例] (第2図乃至第6図の説明) 本発明のアルミニウム合金の非消耗電極アーク溶接方
法において通電する溶接電流は、矩形波の交流電流であ
って、この矩形波交流電流の4つのパラメータを、第2
図に示すように、非消耗電極がプラス極性のとき(以
下、逆極性という)の溶接電流の波高値をIr、通電時間
をTrとし、また電極がマイナス極性のとき(以下、正極
性という)の溶接電流の波高値をIs、通電時間をTsとす
る。
これらの4つのパラメータを変化させたときに、本発
明の溶接方法において同時に満足させたい4つの項目す
なわち、溶け込み深さ、ビード幅、クリーニング
幅、電極消耗の程度について検討した結果は、第1表
のとおりである。
なお、以下の本発明の溶接方法に使用する非消耗電極
1の先端1aの形状は、第3図に示すように、電極先端面
が長方形を形成するように電極先端方向に四面から傾斜
して切断した両面傾斜扁平形状であって、同図(A)は
正面図であり、同図(B)は側面図であり、同図(C)
は電極先端方向からみた平面図であって、同図(C)の
矢印L1L2方向に示す長辺方向が後述する第4図に示す溶
接線L方向と一致するように配置される。すなわち、電
極先端1aから被溶接物2及び3に発生するアーク4の広
がりは第4図(A)及び(B)に示すようになり、その
結果、上記4つのパラメータの適正値とも関係して、ビ
ード幅が第5図(A)に示す従来の方法のB1から同図
(B)に示す本発明の方法のB2に変化して狭くなる。同
様に溶け込み深さは、同図(A)及び(B)に示すよう
に、P1からP2に増加している。なお、第5図のビード形
状は、板厚10[mm]のアルミニウム合金(A5052)を、
溶接電流350[A]で溶接速度50[cm/min]で溶接した
場合であって、同図(A)は、Ts=10[ms]及びTr=6
[ms]の正弦波による従来の溶接方法であり、同図
(B)は、Is=350[A],Ts=10[ms],Ir=350[A]
及びTr=1[ms]の矩形波による本発明の溶接方法の場
合を示す。また、第6図において、溶接開始前の電極先
端が、同図(A)に示すように、扁平形状である非消耗
電極(以下、扁平電極という)を使用して、Is=350
[A],Ts=10[ms],Ir=350[A]及びTr=1[ms]
の矩形波電流を10分間繰り返した後に、5分間休止し、
再び通電し、これらのサイクルを合計6回繰り返して、
1時間溶接したとき、同図(B)に示すように、電極先
端形状が多少丸くなっている程度しか消耗していない。
これに対して、比較のために、溶接開始前の電極先端形
状が図示していない断面円形尖頭形状の非消耗電極(以
下、尖頭丸形電極という)を使用して、正極性及び逆極
性電流の実効値が350[A]で、正極性及び逆極性電流
の通電時間がそれぞれ10[ms]及び6[ms]の正弦波を
使用して1時間溶接すると、電極先端形状は、同図
(C)に示すように、完全に溶融消耗して先端は丸くな
り、アークの再スタートが極めて困難になっている。
(第7図の説明) 次に、第7図は、上記4つのパラメータのうち、電極
がマイナス(正極性)のときの溶接電流Is=400[A]
とその通電時間Ts=10[ms]と電極がプラス(逆極性)
のときの溶接電流Ir=400[A]とを一定値にしておい
て、逆極性電流の通電時間Trを0.5[ms]から6[ms]
まで変化させたとき(横軸)の溶け込み深さP[mm]
(縦軸)を求めた線図である。この実施例の溶接条件
は、被溶接材が板厚10[mm]のマグネシウム含有アルミ
ニウム合金であり、溶接速度は50[cm/min]であって、
実線で示す本発明の溶接方法の扁平電極を使用したとき
の溶け込み深さPは、点線で示す従来方法の尖頭丸形電
極を使用して上記と同一条件で溶接したときよりも大に
なっている。
(第1図の説明) 第1図は、前述した4つのパラメータのうち、正極性
溶接電流の通電時間Tsが約10[ms]逆極性溶接電流の通
電時間Trが1[ms]で溶接速度50[cm/min]としたとき
の正極性溶接電流Is及び正極性電流に等しい逆極性電流
Ir(横軸)を変化させたとき、溶け込み深さPとビード
幅Wとの比P/W(縦軸)を示す線図である。同図におい
て、正極性電流又は逆極性電流が290[A]未満の斜線
で示す領域においては、逆極性電流が小さいために、ク
リーニング作用が充分に行われないので、酸化皮膜が溶
着金属内に巻き込まれて良好な溶接結果が得られない
が、290[A]以上では良好な溶接結果が得られる。ま
た、同図の実線は、本発明の溶接方法に使用する扁平電
極を用いたときの溶け込み深さとビード幅との比P/Wを
示し、点線で示す従来の尖頭丸形電極を使用したときよ
りも大きなP/W値を得ることができる。
(適正溶接条件範囲) 本発明の溶接方法において、適正溶接条件の範囲限定
理由について説明する。
正極性電流Is 逆極性電流が通電時間Tr=3[ms]、溶接電流の波高
値Ir=500[A]になったときに、正極性電流の波高値I
sが150[A]未満になると、電子放出による電極先端部
分の冷却作用が小さくなって、電極が溶落する。したが
って、正極性電流は、150[A]以上とすることが必要
である。
正極性及び逆極性溶接電流の通電時間Ts,Tr 本発明の溶接方法において、周波数を50〜100[Hz]
にすると、溶接部の溶け込み、アークの安定性がよく、
この範囲内では溶け込みが浅くなったり、アーク切れを
生じることがない。この範囲外では、溶接部の溶け込み
が浅くなったり、アーク切れが生じやすくなる。
さらに、逆極性時間Trを0.5〜3[ms]にすると、逆
極性電流の波高値Irを500[A]まで増加させることが
でき、電極の消耗を小さくすることができる。また、正
極性電流通電時間Tsを9乃至15[ms]にすることによ
り、逆極性電流よりも大きくして、通常の直流電流によ
る非消耗電極と同様の溶け込み形状を得ることができ
る。
逆極性電流Ir 逆極性電流通電時間Trを0.5乃至3[ms]にしている
ので、アルミニウム合金の溶接に必要なクリーニング幅
を確保するために、逆極性電流の波高値Irは300[A]
以上が必要となる。
[発明の効果] 本発明の溶接方法は下記の効果がある。
A.電極先端が扁平形状の非消耗電極を、その長辺方向と
溶接線方向とが一致するように配置することにより、ビ
ード幅の狭い深い溶け込み形状が得られる。
B.正極性溶接電流の波高値Isを150[A]以上とするこ
とにより、電子放出による電極先端の冷却作用を促進し
て電極の溶落消耗を防ぐ。
C.正極性溶接電流の通電時間Tsを9乃至15[ms]にし
て、逆極性溶接電流の通電時間Trを0.5乃至3[ms]よ
りも大きくすることにより、クリーニングに必要な逆極
性溶接電流の通電時間Trを最小限にして、電極の消耗を
少なくするとともに、直流正極性の場合と同様の深い溶
け込み形状を得ることができる。
D.逆極性溶接電流の通電時間Trを0.5乃至3[ms]の短
時間にし、かつ逆極性溶接電流の波高値Irを500[A]
まで増大させることができ、逆極性電流の通電時間Trが
短時間であるにもかかわらず、充分なクリーニング幅を
確保することができる。
E.前述したように、逆極性電流の通電時間Trを0.5乃至
3[ms]の短時間に設定しているので、逆極性溶接電流
の波高値Irは300[A]必要であり、それによってクリ
ーニング作用を確保することができる。
F.上記のように、正極性電流の通電時間Tsを9乃至15
[ms]と大きくし、また逆極性電流の通電時間Trを0.5
乃至3[ms]の短時間にして、交流電流の周波数を50乃
至100[Hz]にすることによって、溶接部の溶け込みを
大きくしアークの安定を向上させることができる。
以上のように、本発明の溶接条件は、上記の各条件が
互いに関係して、一体となって、 適正なクリーニング幅を確保した上で、 ビード幅が狭くて、溶け込みが深く、電極の消耗
を最小限にすることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の溶接方法により溶接したときの正極
性及び逆極性溶接電流の波高値Is、Ir(横軸)と、溶け
込み深さPとビード幅Wとの比P/W(縦軸)との関係を
示す図である。 第2図は、本発明の溶接方法に使用する溶接電流の波高
値及び通電時間の4つのパラメータの定義を説明する図
である。 第3図は、本発明の溶接に使用する電極先端が両面傾斜
扁平形状の電極であって、同図(A)は正面図、同図
(B)は側面図であり、同図(C)は電極先端方向から
みた平面図である。 第4図(A)及び(B)は、第3図に示す電極の先端か
ら発生するアークの広がりを示す図であって、それぞれ
正面図及び側面図を示す。 第5図(A)及び(B)は、それぞれ従来の方法及び本
発明の方法により溶接したときのビードの断面形状Bを
説明する図である。 第6図(A)は、溶接開始前の扁平電極の先端形状を示
す図、同図(B)は、通電休止をくり返し1時間通電後
の扁平電極の先端形状の変化常態を示す図、同図(C)
は、本発明の溶接方法と対比するための従来の尖頭丸形
電極の1時間通電後の先端形状の変化状態を示す図であ
る。 第7図は、逆極性電流の通電時間Tr[ms](横軸)をか
えたときの溶け込み深さP[mm](縦軸)について、本
発明の溶接方法に使用する扁平電極の場合(実線)及び
対比のための尖頭丸形電極の場合(点線)について示し
た線図である。 1……電極先端1aが両面傾斜扁平形状の非消耗電極、
L1,L2……長辺方向、L……溶接線、 Ir……電極がプラス極性(逆極性)のときの溶接電流の
波高値 Tr……電極がプラス極性(逆極性)のときの溶接電流の
通電時間 Is……電極がマイナス極性(正極性)のときの溶接電流
の波高値 Ts……電極がマイナス極性(正極性)のときの溶接電流
の通電時間
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B23K 9/073,9/09 B23K 9/24,9/167,35/02

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】アルミニウム合金の非消耗電極アーク溶接
    方法において、電極先端面が長方形を形成するように電
    極先端方向に四面から傾斜して切断した非消耗電極を、
    その電極先端の長辺方向と溶接線方向とが一致する方向
    に配置して、前記非消耗電極とアルミニウム合金との間
    に、略矩形波の交流電流を供給し、前記非消耗電極がプ
    ラス極性のときに、溶接電流の波高値(Ir)が300乃至5
    00[A]で、かつ通電時間(Tr)が0.5〜3[ms]の逆
    極性電流を通電し、前記非消耗電極がマイナス極性のと
    きに溶接電流の波高値(Is)が150乃至500[A]で、か
    つ通電時間(Ts)が9〜15[ms]の正極性電流を通電し
    て溶接するアルミニウム合金の非消耗電極アーク溶接方
    法。
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