JP2912693B2 - アルミニウム基材加工物のガス金属アーク溶接方法 - Google Patents
アルミニウム基材加工物のガス金属アーク溶接方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はガス金属アーク溶接の技術に関し、特に自動
車の駆動ラインとして使用されるアルミニウム基材トル
ク管の溶接に関する。
車の駆動ラインとして使用されるアルミニウム基材トル
ク管の溶接に関する。
（従来の技術） 消耗可能な電極アーク溶接方法では、不定の長さの電
極が電極と加工物との間で確立された溶接アークへ連続
的に送られ、そこで電極はアークの強い熱によって溶融
され且つ加工物と共に融解する。一般に、消耗可能な電
極から溶着された金属は不活性遮蔽ガスで遮蔽され、そ
のためこの方法はガス金属アーク溶接と称せられる。消
耗可能な電極溶接は消耗できない電極溶接よりも実質的
に速いのみならず、特に炭素及びステンレス鋼の自動溶
接に適合し、そこで広く使用されている。遮蔽ガスは空
気中で得られるよりも一層容易にイオン化された経路を
提供し、電流の均等な伝達を助け且つ溶融金属と非反応
性である雰囲気によってアーク及び溶接プールを包囲す
る作用をする。経済性の理由で、アルゴン及びヘリウム
がアルミニウムを溶接する時に一般的に使用される唯一
のガスである。
極が電極と加工物との間で確立された溶接アークへ連続
的に送られ、そこで電極はアークの強い熱によって溶融
され且つ加工物と共に融解する。一般に、消耗可能な電
極から溶着された金属は不活性遮蔽ガスで遮蔽され、そ
のためこの方法はガス金属アーク溶接と称せられる。消
耗可能な電極溶接は消耗できない電極溶接よりも実質的
に速いのみならず、特に炭素及びステンレス鋼の自動溶
接に適合し、そこで広く使用されている。遮蔽ガスは空
気中で得られるよりも一層容易にイオン化された経路を
提供し、電流の均等な伝達を助け且つ溶融金属と非反応
性である雰囲気によってアーク及び溶接プールを包囲す
る作用をする。経済性の理由で、アルゴン及びヘリウム
がアルミニウムを溶接する時に一般的に使用される唯一
のガスである。
電極の溶融金属をその蒸気圧力を増加することによっ
て非常に微細な滴に粉砕し、毎秒約200滴の割合でより
深い溶け込みを生ずるために高電流密度がしばしば採用
される。しかしながら、若干の薄い加工物又は非鉄金属
の加工物への潜在的な損傷がそのような高電流の使用か
ら生ずることがある。
て非常に微細な滴に粉砕し、毎秒約200滴の割合でより
深い溶け込みを生ずるために高電流密度がしばしば採用
される。しかしながら、若干の薄い加工物又は非鉄金属
の加工物への潜在的な損傷がそのような高電流の使用か
ら生ずることがある。
アークへの電流供給のパルス化が鉄基材の物品の溶接
を促進するべく平均電流密度を低下させるために改良さ
れた遮蔽ガスと一緒に開発されている（米国特許第4,27
3,988号、同第4,507,543号、同第4,628,181号及び同第
4,749,841号を参照）。アーク電流はアークを維持する
ために必要とされる最小値と数百パーセント大きいこと
がある最大値との間で周期的にパルス化される。パルス
周波数は特別の溶接作業に依存して毎秒数サイクルから
数百サイクルまでの範囲であることができる。そのよう
な溶接は、４つのファクター、即ちパルス電流Ip、基礎
電流IB、パルス持続時間Tp、及び基礎持続時間TBによっ
て決定された波形を有する電流を使用することによって
行われる。高電流は平均電流IMを低い値に維持しながら
電極と溶接される加工物との間で短時間流れる。高電流
で短時間流すことによって、アークはより安定になり且
つ高度に集中され、且つ溶け込みはかなり深くなり、ビ
ードは比較的幅広くなる。
を促進するべく平均電流密度を低下させるために改良さ
れた遮蔽ガスと一緒に開発されている（米国特許第4,27
3,988号、同第4,507,543号、同第4,628,181号及び同第
4,749,841号を参照）。アーク電流はアークを維持する
ために必要とされる最小値と数百パーセント大きいこと
がある最大値との間で周期的にパルス化される。パルス
周波数は特別の溶接作業に依存して毎秒数サイクルから
数百サイクルまでの範囲であることができる。そのよう
な溶接は、４つのファクター、即ちパルス電流Ip、基礎
電流IB、パルス持続時間Tp、及び基礎持続時間TBによっ
て決定された波形を有する電流を使用することによって
行われる。高電流は平均電流IMを低い値に維持しながら
電極と溶接される加工物との間で短時間流れる。高電流
で短時間流すことによって、アークはより安定になり且
つ高度に集中され、且つ溶け込みはかなり深くなり、ビ
ードは比較的幅広くなる。
上記特許の開示において、遮蔽ガスは少ない割合の酸
化ガス成分（O2又はCO2）を含んでガスのイオン化を改
善し、それにより鉄の加工物の全ての位置の溶接を促進
する。ガス金属アーク溶接がアルミニウム加工物のため
に使用される時、従来の技術は酸化ガスが形成された酸
化物のアルミニウムとの干渉のために避けられねばなら
ないことを強調して断定している。それは文献でしばし
ば述べられており、「そのような酸素をもつ遮蔽ガスは
耐火性酸化物の生成が適正な金属移動及び付着を抑制す
るのでアルミニウムを溶接する時に使用されることがで
きない」は、ウエルディング・ジャーナル、米国溶接学
会21〜27頁、1985年に刊行の「アルゴン／フレオン遮蔽
ガス混合物によるアルミニウムのGMA溶接」と題する論
文からとった。この技術状態を述べた別の文献には、
（イ）カイザー・アルミニウム・カンパニーによって19
67年に刊行されたハンドブック、７−９〜７−11頁から
の抜枠、（ロ）米国溶接学会の溶接ハンドブック、４
巻、第７版、1978年、（ハ）1988年３月にアルミニウム
協会会合で提出され、「アルミニウムのMIG溶接」と対
する技術論文、6.15及び6.28頁がある。
化ガス成分（O2又はCO2）を含んでガスのイオン化を改
善し、それにより鉄の加工物の全ての位置の溶接を促進
する。ガス金属アーク溶接がアルミニウム加工物のため
に使用される時、従来の技術は酸化ガスが形成された酸
化物のアルミニウムとの干渉のために避けられねばなら
ないことを強調して断定している。それは文献でしばし
ば述べられており、「そのような酸素をもつ遮蔽ガスは
耐火性酸化物の生成が適正な金属移動及び付着を抑制す
るのでアルミニウムを溶接する時に使用されることがで
きない」は、ウエルディング・ジャーナル、米国溶接学
会21〜27頁、1985年に刊行の「アルゴン／フレオン遮蔽
ガス混合物によるアルミニウムのGMA溶接」と題する論
文からとった。この技術状態を述べた別の文献には、
（イ）カイザー・アルミニウム・カンパニーによって19
67年に刊行されたハンドブック、７−９〜７−11頁から
の抜枠、（ロ）米国溶接学会の溶接ハンドブック、４
巻、第７版、1978年、（ハ）1988年３月にアルミニウム
協会会合で提出され、「アルミニウムのMIG溶接」と対
する技術論文、6.15及び6.28頁がある。
自動車でのアルミニウム及びアルミニウム合金の使用
は、益々一般的になりつつある。そのような一般化は、
主としてアルミニウム構成部品が強度又は耐久性を犠牲
にせずに、取って代わる匹敵する鋼構成部品よりもはる
かに軽量に製作されることができることのためである。
しかしながら、そのようなアルミニウム駆動軸構成部品
を、鋼の溶接によって達成された品質及び生産性速度の
類を達成すべく、現存するアルミニウム溶接知識を用い
て固定結合することは最も困難である。従来技術はアル
ミニウム駆動軸に溶接部を得るために異常に大量の溶接
付着物による低電流レベルでの複数パス溶接に頼ってい
る（米国特許第4,542,280号を参照）。そのような技術
の不利益は、得られる溶接速度が自動車溶接の大量要件
に匹敵できないことである。これらの低電流レベルは他
の加工変化に加わる結合間隙変化の累積効果によって加
工変化を増加し、小直径ワイヤの使用及びそれに固有の
給送問題を命ずる。結合間隙条件の排除は大量溶接状態
では非常に重要である。
は、益々一般的になりつつある。そのような一般化は、
主としてアルミニウム構成部品が強度又は耐久性を犠牲
にせずに、取って代わる匹敵する鋼構成部品よりもはる
かに軽量に製作されることができることのためである。
しかしながら、そのようなアルミニウム駆動軸構成部品
を、鋼の溶接によって達成された品質及び生産性速度の
類を達成すべく、現存するアルミニウム溶接知識を用い
て固定結合することは最も困難である。従来技術はアル
ミニウム駆動軸に溶接部を得るために異常に大量の溶接
付着物による低電流レベルでの複数パス溶接に頼ってい
る（米国特許第4,542,280号を参照）。そのような技術
の不利益は、得られる溶接速度が自動車溶接の大量要件
に匹敵できないことである。これらの低電流レベルは他
の加工変化に加わる結合間隙変化の累積効果によって加
工変化を増加し、小直径ワイヤの使用及びそれに固有の
給送問題を命ずる。結合間隙条件の排除は大量溶接状態
では非常に重要である。
（発明が解決しようとする課題） それ故、溶け込み、融解幅、及び気孔の欠如に関して
かなり改善された溶接品質を有し、アルミニウムMIG溶
接の現存する従来技術によって可能な速度の二倍の速度
でアルミニウムトルク管を溶接する方法を提供すること
が本発明の目的である。
かなり改善された溶接品質を有し、アルミニウムMIG溶
接の現存する従来技術によって可能な速度の二倍の速度
でアルミニウムトルク管を溶接する方法を提供すること
が本発明の目的である。
（課題を解決するための手段） 本発明は上記目的を次の本質的に３つの工程の方法で
満たす。即ち、該方法は、（イ）アルミニウム基材トル
ク管の端部を予め成形し且つ該管を締まり嵌めで組立て
ることによって溶接すべき段を設けた直角突合せ継手
（日本ではＩ形突合せと称している継手）を調製するこ
とと、（ロ）アークが体積で２から５％のO2及び不活性
ガス残部からなる遮蔽ガス中に包囲され且つアークへの
電流が少なくとも180アンペアの平均電流を維持すると
同時に毎秒40〜60サイクルの周波数でパルス化される条
件で電気直流アークを正極の消耗可能なアルミニウム基
材電極と負極としての継手との間に確立することと、
（ハ）パルス化されたアークを継手に対して所定の方向
に保持しながらアークを継手に沿って毎分少なくとも15
2.4cm（60インチ）の相対的速度をもって単一のパスで
移動させることとからなる。
満たす。即ち、該方法は、（イ）アルミニウム基材トル
ク管の端部を予め成形し且つ該管を締まり嵌めで組立て
ることによって溶接すべき段を設けた直角突合せ継手
（日本ではＩ形突合せと称している継手）を調製するこ
とと、（ロ）アークが体積で２から５％のO2及び不活性
ガス残部からなる遮蔽ガス中に包囲され且つアークへの
電流が少なくとも180アンペアの平均電流を維持すると
同時に毎秒40〜60サイクルの周波数でパルス化される条
件で電気直流アークを正極の消耗可能なアルミニウム基
材電極と負極としての継手との間に確立することと、
（ハ）パルス化されたアークを継手に対して所定の方向
に保持しながらアークを継手に沿って毎分少なくとも15
2.4cm（60インチ）の相対的速度をもって単一のパスで
移動させることとからなる。
もし継手が段付直角の突合せ形状からなるように再設
計されるならば、かつもしアークが毎分152.4cm（60イ
ンチ）を超過する速度で継手に沿う単一のパスに制限さ
れるならば、少ない酸素成分が継手を劣化させずに遮蔽
ガス中に分散され得ることが発見されている。酸素成分
のために生ずる酸化物は、溶接が単一のパスに制限され
るので、気孔又は溶接部融解不良を創り出さない。
計されるならば、かつもしアークが毎分152.4cm（60イ
ンチ）を超過する速度で継手に沿う単一のパスに制限さ
れるならば、少ない酸素成分が継手を劣化させずに遮蔽
ガス中に分散され得ることが発見されている。酸素成分
のために生ずる酸化物は、溶接が単一のパスに制限され
るので、気孔又は溶接部融解不良を創り出さない。
アークは若干の好適とされるパラメータで安定にされ
ることが好ましく、該パラメータは四角形波形を有する
電流、約14〜18ボルトの基礎又は閾値電圧、約280〜310
アンペアのピークパルス電流Ip、約1.4ミリ秒のピーク
パルス持続時間Tp、及び約2.8秒の基礎電流持続時間TB
からなる。これは機械の要求に応答し且つ約90〜120ア
ンペアであり得る基礎又は閾値電流IBに生じ、平均電流
Imは約180〜250アンペアであり得る。
ることが好ましく、該パラメータは四角形波形を有する
電流、約14〜18ボルトの基礎又は閾値電圧、約280〜310
アンペアのピークパルス電流Ip、約1.4ミリ秒のピーク
パルス持続時間Tp、及び約2.8秒の基礎電流持続時間TB
からなる。これは機械の要求に応答し且つ約90〜120ア
ンペアであり得る基礎又は閾値電流IBに生じ、平均電流
Imは約180〜250アンペアであり得る。
遮蔽ガスは好ましくは体積で98％の溶接等級アルゴン
及び２％の溶接等級酸素からなる。溶接等級手段水分は
純度799％で−40℃（−40F゜）を得るように除去されて
いる。
及び２％の溶接等級酸素からなる。溶接等級手段水分は
純度799％で−40℃（−40F゜）を得るように除去されて
いる。
消耗可能な電極は好ましくは約0.114〜0.165cm（0.04
5〜0.065インチ）の直径を有する形状にされ且つ4043ア
ルミニウム合金からなることができる。アルミニウムト
ルク管又は加工物は好ましくは6062アルミニウム合金か
らなり且つ約0.218cm（0.086インチ）の管構成部品厚
さ、約0.304cm（0.12インチ）のヨーク首部壁厚さ、及
び約0.218cm（0.086インチ）のヨーク凹部厚さを有する
ことができる。
5〜0.065インチ）の直径を有する形状にされ且つ4043ア
ルミニウム合金からなることができる。アルミニウムト
ルク管又は加工物は好ましくは6062アルミニウム合金か
らなり且つ約0.218cm（0.086インチ）の管構成部品厚
さ、約0.304cm（0.12インチ）のヨーク首部壁厚さ、及
び約0.218cm（0.086インチ）のヨーク凹部厚さを有する
ことができる。
アークは好ましくは約５〜12゜のリード角度、約45〜
５゜の位置決め角度、及び約10〜14゜の横断方向角度
（溶接部継手を通る接線に対して垂直な平面に対してと
った）をもって継手に対して相対的に位置決めされる。
５゜の位置決め角度、及び約10〜14゜の横断方向角度
（溶接部継手を通る接線に対して垂直な平面に対してと
った）をもって継手に対して相対的に位置決めされる。
（実施例） 本発明の方法は、電気アークが消耗可能な金属電極と
結合される金属加工物との間で確立されるガス金属アー
ク溶接を利用する。該溶接方法がアルミニウム加工物で
行われ得る品質及び速度を改善するために、継手設計、
遮蔽ガス中の制御された酸素量の存在、継手に対するア
ークの移動速度、及び継手の繰返し周期的溶接部加熱の
ないことは全て本発明の利益を得るために重要な役割を
演ずる。
結合される金属加工物との間で確立されるガス金属アー
ク溶接を利用する。該溶接方法がアルミニウム加工物で
行われ得る品質及び速度を改善するために、継手設計、
遮蔽ガス中の制御された酸素量の存在、継手に対するア
ークの移動速度、及び継手の繰返し周期的溶接部加熱の
ないことは全て本発明の利益を得るために重要な役割を
演ずる。
第１図に示したように、本発明の方法の必須の工程
は、（イ）アルミニウム基材トルク管の端部を予め成形
し且つ該管を締まり嵌めで組立てることによって溶接す
べき段付直角突合せ継手を画成することと、（ロ）アー
クが体積で２〜５％のO2及び残部が不活性ガスからなる
遮蔽ガス中に包囲され、アークへの電流が少なくとも18
0アンペアの平均電流を維持すると同時に毎秒40〜60サ
イクルの周波数でパルス化される条件で、電気直流アー
クを正極の消耗可能なアルミニウム基材電極と負極とし
ての継手との間に確立することと、（ハ）パルス化され
たアークを継手に対して所定の位置から離れる方向に保
持しながらアークを継手に沿って毎分少なくとも152.4c
m（60インチ）の相対的速度をもって単一のパスで移動
させることとからなる。
は、（イ）アルミニウム基材トルク管の端部を予め成形
し且つ該管を締まり嵌めで組立てることによって溶接す
べき段付直角突合せ継手を画成することと、（ロ）アー
クが体積で２〜５％のO2及び残部が不活性ガスからなる
遮蔽ガス中に包囲され、アークへの電流が少なくとも18
0アンペアの平均電流を維持すると同時に毎秒40〜60サ
イクルの周波数でパルス化される条件で、電気直流アー
クを正極の消耗可能なアルミニウム基材電極と負極とし
ての継手との間に確立することと、（ハ）パルス化され
たアークを継手に対して所定の位置から離れる方向に保
持しながらアークを継手に沿って毎分少なくとも152.4c
m（60インチ）の相対的速度をもって単一のパスで移動
させることとからなる。
継手の画成 第２図に示したように、２つの加工物11及び17は継手
線に沿って溶接される組立体10を形成するようにそれら
の軸線に沿って一緒に合わせられる。溶接ガン又はトー
チ30が２つの加工物の結合された部分へ近づけられる。
線に沿って溶接される組立体10を形成するようにそれら
の軸線に沿って一緒に合わせられる。溶接ガン又はトー
チ30が２つの加工物の結合された部分へ近づけられる。
継手は特別の形状のものであるに相違ない。１つの構
成部品又は加工物11は中空の内部を有し且つ形状が円筒
状であるアルミニウムトルク管であり、内径12及び外径
13によって画成された壁厚14を有する。管11の円筒状端
部分は管の軸線21に関して半径方向へ延びる平らな表面
の面15を形成している。面15の内部環状縁部は面取り部
16を設けている。
成部品又は加工物11は中空の内部を有し且つ形状が円筒
状であるアルミニウムトルク管であり、内径12及び外径
13によって画成された壁厚14を有する。管11の円筒状端
部分は管の軸線21に関して半径方向へ延びる平らな表面
の面15を形成している。面15の内部環状縁部は面取り部
16を設けている。
他の構成部品は管11よりも実質的に大きい厚さ18の円
筒状端部分17aを有するアルミニウム基材ヨーク17であ
る。部分17aは軸線方向へ延びる首部20を画成する環状
凹部19を有し、該首部はその半径方向内方及び外方縁部
に面取り部25を設けている。凹部19はトルク管11の表面
15を組合って受ける半径方向に延びる肩部表面22を画成
する。
筒状端部分17aを有するアルミニウム基材ヨーク17であ
る。部分17aは軸線方向へ延びる首部20を画成する環状
凹部19を有し、該首部はその半径方向内方及び外方縁部
に面取り部25を設けている。凹部19はトルク管11の表面
15を組合って受ける半径方向に延びる肩部表面22を画成
する。
管11及びヨーク17の円筒状端部分はトルク管11の内部
表面24内に嵌合する首部20の表面23と軸線方向へ一緒に
入れ子式にされ、該嵌合は好ましくは締まり嵌めであ
る。トルク管11内で入り子式にされた首部20によって、
管11の端面15はヨーク部分の肩部表面22と直角突合せ関
係にされ、外部表面26及び27は同一延長上にあって同一
平面の外面を備える。その結果できた２つの加工物間の
締まり嵌めは、ここで画成されたものを段付直角突合せ
継手28になるように提供する。それは凹部19が端部分17
aに段を形成する程度に段を付けられ、それは表面15及
び22が同一平面の表面対表面の接触状態を満たしかつ直
角（トルク管の軸線に対して垂直）である。もし本発明
の利益を得るのであるならば、どうあっても表面15及び
22の間に底部間隙があってはならない。
表面24内に嵌合する首部20の表面23と軸線方向へ一緒に
入れ子式にされ、該嵌合は好ましくは締まり嵌めであ
る。トルク管11内で入り子式にされた首部20によって、
管11の端面15はヨーク部分の肩部表面22と直角突合せ関
係にされ、外部表面26及び27は同一延長上にあって同一
平面の外面を備える。その結果できた２つの加工物間の
締まり嵌めは、ここで画成されたものを段付直角突合せ
継手28になるように提供する。それは凹部19が端部分17
aに段を形成する程度に段を付けられ、それは表面15及
び22が同一平面の表面対表面の接触状態を満たしかつ直
角（トルク管の軸線に対して垂直）である。もし本発明
の利益を得るのであるならば、どうあっても表面15及び
22の間に底部間隙があってはならない。
例として、厚さ14は望ましくは約0.218cm（0.086イン
チ）であり、厚さ29は約0.304cm（0.12インチ）であ
り、厚さ18は約0.533cmである。
チ）であり、厚さ29は約0.304cm（0.12インチ）であ
り、厚さ18は約0.533cmである。
アークを確立する 第４図に示したように、本方法は次にトーチ30によっ
て保持され、前進される消耗可能な金属電極31と継手又
は加工物負極28との間にアーク29の確立を必要とする。
直流電力供給系34は正極として配置された電極31を有す
る。直流供給は約15〜80アンペアの範囲にあり、毎秒約
5000〜25000サイクルの周波数を有する。電極31は好ま
しくはアルミニウム基材ワイヤ組成物合金4043からな
り、アルミニウム基材加工物は好ましくはアルミニウム
合金6062からなる。これらの合金は熱脆性割れの防止で
互いに適合するように選択される。電極31は溶接加工中
電極先端が消耗されている時に溶接部プロフィルからの
電極先端の所望の間隔を維持するように溶接トーチの軸
線に沿って送られる。
て保持され、前進される消耗可能な金属電極31と継手又
は加工物負極28との間にアーク29の確立を必要とする。
直流電力供給系34は正極として配置された電極31を有す
る。直流供給は約15〜80アンペアの範囲にあり、毎秒約
5000〜25000サイクルの周波数を有する。電極31は好ま
しくはアルミニウム基材ワイヤ組成物合金4043からな
り、アルミニウム基材加工物は好ましくはアルミニウム
合金6062からなる。これらの合金は熱脆性割れの防止で
互いに適合するように選択される。電極31は溶接加工中
電極先端が消耗されている時に溶接部プロフィルからの
電極先端の所望の間隔を維持するように溶接トーチの軸
線に沿って送られる。
遮蔽ガス混合物は溶接部の領域へ向けられる。そのよ
うな目的で以前に使用されている不活性ガスは主として
商業的にはアルミニウムを溶接する時に酸素を存在させ
ずにアルゴン又はヘリウムのいずれかからなっていた。
アルゴンはその入手可能性の故に最も一般的に使用され
る。ヘリウムは低密度であり、必要な遮蔽を生ずるため
により大量に必要とする。しかしながら、ヘリウムのよ
り高いイオン化の可能性の故に、より深い溶接部溶け込
みがアルゴンによるよりも可能であるが、やや大きいア
ーク不安定性を有する。
うな目的で以前に使用されている不活性ガスは主として
商業的にはアルミニウムを溶接する時に酸素を存在させ
ずにアルゴン又はヘリウムのいずれかからなっていた。
アルゴンはその入手可能性の故に最も一般的に使用され
る。ヘリウムは低密度であり、必要な遮蔽を生ずるため
により大量に必要とする。しかしながら、ヘリウムのよ
り高いイオン化の可能性の故に、より深い溶接部溶け込
みがアルゴンによるよりも可能であるが、やや大きいア
ーク不安定性を有する。
遮蔽ガスのための単独の成分としてのヘリウム又はア
ルゴンは充分でないことが判明している。小さい体積パ
ーセントの酸素が高い強度の溶接部を得るために存在し
なければならない。また、酸素は電子の流れを助けるこ
とによってアークを安定化して仕事関数を減らし、それ
により汚染の作用を少なくする壁を作る。このために、
酸素36及びアルゴン37の加圧された供給が流れ42及び41
を経て混合弁40へメータ38及び39によってそれぞれ正確
に計量される。混合された遮蔽ガスは次に外方トーチ壁
32内で電極を取囲む空間33に沿う流れ43を経て移送さ
れ、アーク29のみならず溶接が行われている継手28をも
覆って包む。
ルゴンは充分でないことが判明している。小さい体積パ
ーセントの酸素が高い強度の溶接部を得るために存在し
なければならない。また、酸素は電子の流れを助けるこ
とによってアークを安定化して仕事関数を減らし、それ
により汚染の作用を少なくする壁を作る。このために、
酸素36及びアルゴン37の加圧された供給が流れ42及び41
を経て混合弁40へメータ38及び39によってそれぞれ正確
に計量される。混合された遮蔽ガスは次に外方トーチ壁
32内で電極を取囲む空間33に沿う流れ43を経て移送さ
れ、アーク29のみならず溶接が行われている継手28をも
覆って包む。
２％より少ない酸素がアルゴンガスと混合された時、
溶接部は望ましくない程異物によって汚染されることが
判明している。約５％より多い酸素が存在する時、過剰
の酸化物が生成され、溶接部の強度に影響する。
溶接部は望ましくない程異物によって汚染されることが
判明している。約５％より多い酸素が存在する時、過剰
の酸化物が生成され、溶接部の強度に影響する。
溶接は比較的低い平均電流出力で行われる。金属の移
行が必要とされる時、電源は電流を溶射移行閾値レベル
より僅かに上へパルス化し、金属の大きい滴（電極の直
径よりも僅かに小さい）はアークを横切って移動され
る。これらのパルスの周波数は爆発性溶射のない大きい
滴の定常的な流れを保証するためにワイヤの焼き取り割
合の条件で平衡を保たれる。溶接は大直径のワイヤ［0.
114〜0.165cm（0.045〜0.065インチ）］を用いてそのよ
うな比較的低い電流レベルで行われることができ、スパ
ッターは事実上排除される。最適なアーク開始のために
高エネルギ出力を提供するために電流変化を伴う定電圧
型電源系を使用することが望ましい。電圧は23〜26ボル
トの間で変えることができる。
行が必要とされる時、電源は電流を溶射移行閾値レベル
より僅かに上へパルス化し、金属の大きい滴（電極の直
径よりも僅かに小さい）はアークを横切って移動され
る。これらのパルスの周波数は爆発性溶射のない大きい
滴の定常的な流れを保証するためにワイヤの焼き取り割
合の条件で平衡を保たれる。溶接は大直径のワイヤ［0.
114〜0.165cm（0.045〜0.065インチ）］を用いてそのよ
うな比較的低い電流レベルで行われることができ、スパ
ッターは事実上排除される。最適なアーク開始のために
高エネルギ出力を提供するために電流変化を伴う定電圧
型電源系を使用することが望ましい。電圧は23〜26ボル
トの間で変えることができる。
「溶接等級」と商業的に称せられる高純度の乾いた不
活性ガスだけがこの作業で使用されるべきである。不純
な又は湿ったガスは溶接部の品質を劣化する。ガス不純
物は溶接アーク中で水素及び酸素に分解し且つ溶融アル
ミニウムと反応して巣及びドロスを作る。
活性ガスだけがこの作業で使用されるべきである。不純
な又は湿ったガスは溶接部の品質を劣化する。ガス不純
物は溶接アーク中で水素及び酸素に分解し且つ溶融アル
ミニウムと反応して巣及びドロスを作る。
第５図に示したように、矩形パルス波形の電流が使用
される。このパルス電流の波形は４つのファクター、即
ちパルス電流Ip、基礎電流IB、パルス持続時間Tp（1.4
ミリ秒のような時間）、及び基礎持続時間TB（2.8ミリ
秒のような時間）によって決定される。平均電流Imを低
い値（200〜245アンペアのような値）に維持しながら、
高電流が短時間電極と溶接される加工物との間に流れる
ことができる。直流の電極正電力によって、溶加材金属
は、溶接電流が溶射レベルより下の期間で且つ溶射レベ
ルより僅かに高い期間でパルス化される時に、微細な過
熱された滴の流れ（即ち毎秒100滴）としてアークを通
して移行される。これらの値は電極合金、大きさ及び送
り速度に依存する。金属の移行は高い溶接電流Ipの期間
中に起こるのみならず、介在する低い電流Ibの期間中に
も促進され又は準備される。この作用は溶融溶接部プー
ル及び溶け込みの良好な制御のために母材金属に対する
全熱入力を減らす。低い熱入力は薄いアルミニウム部片
を溶接することを容易にする。電極組成は低い蒸気圧元
素がスパッターする危険を増すので監視されねばならな
い。マグネシウムの蒸気圧は滴が電極先端から離れる時
に滴の粉砕を生じる傾向があり、これはしばしばアーク
から離れて飛ばされる小さいスパッター球を生じ、従っ
て回避されねばならない。
される。このパルス電流の波形は４つのファクター、即
ちパルス電流Ip、基礎電流IB、パルス持続時間Tp（1.4
ミリ秒のような時間）、及び基礎持続時間TB（2.8ミリ
秒のような時間）によって決定される。平均電流Imを低
い値（200〜245アンペアのような値）に維持しながら、
高電流が短時間電極と溶接される加工物との間に流れる
ことができる。直流の電極正電力によって、溶加材金属
は、溶接電流が溶射レベルより下の期間で且つ溶射レベ
ルより僅かに高い期間でパルス化される時に、微細な過
熱された滴の流れ（即ち毎秒100滴）としてアークを通
して移行される。これらの値は電極合金、大きさ及び送
り速度に依存する。金属の移行は高い溶接電流Ipの期間
中に起こるのみならず、介在する低い電流Ibの期間中に
も促進され又は準備される。この作用は溶融溶接部プー
ル及び溶け込みの良好な制御のために母材金属に対する
全熱入力を減らす。低い熱入力は薄いアルミニウム部片
を溶接することを容易にする。電極組成は低い蒸気圧元
素がスパッターする危険を増すので監視されねばならな
い。マグネシウムの蒸気圧は滴が電極先端から離れる時
に滴の粉砕を生じる傾向があり、これはしばしばアーク
から離れて飛ばされる小さいスパッター球を生じ、従っ
て回避されねばならない。
定電圧のパルス化された電流は従来技術と関連した問
題を回避する（第７図参照）。本方法で使用される電流
のレベルに依存して、不完全な融解の問題がより低い電
流密度及びアルゴン遮蔽で遭遇することがある。溶融電
極金属の移行は低電流密度では溶滴の形であり、溶滴は
しばしば電極の直径よりも大きく且つ非常に低い割合
で、例えば毎秒約５滴の割合で移行する。この低い電流
加工は時には短電流溶接と称せられる。中程度の電流密
度では、溶滴は電極の直径の二倍程多く（毎秒５〜10
滴）形成する傾向がある。いずれの場合にも、低い又は
中程度の電流密度では、溶接部が時には融解不良を示
す。アーク電圧が一定の高い電流を伴う溶射移行範囲に
ある時、滴の移行（即ち毎秒720滴以上）は分散され且
つ密度を不足する。もしアーク電圧が充分に高い電流で
かなり減少されるならば、短絡が起こるであろう。この
種の移行は不完全な融解の故にアルミニウムに対して推
奨されない。
題を回避する（第７図参照）。本方法で使用される電流
のレベルに依存して、不完全な融解の問題がより低い電
流密度及びアルゴン遮蔽で遭遇することがある。溶融電
極金属の移行は低電流密度では溶滴の形であり、溶滴は
しばしば電極の直径よりも大きく且つ非常に低い割合
で、例えば毎秒約５滴の割合で移行する。この低い電流
加工は時には短電流溶接と称せられる。中程度の電流密
度では、溶滴は電極の直径の二倍程多く（毎秒５〜10
滴）形成する傾向がある。いずれの場合にも、低い又は
中程度の電流密度では、溶接部が時には融解不良を示
す。アーク電圧が一定の高い電流を伴う溶射移行範囲に
ある時、滴の移行（即ち毎秒720滴以上）は分散され且
つ密度を不足する。もしアーク電圧が充分に高い電流で
かなり減少されるならば、短絡が起こるであろう。この
種の移行は不完全な融解の故にアルミニウムに対して推
奨されない。
本発明では、アルゴン−O2遮蔽と共にパルス化された
高い電流が微細溶射滴と溶滴との中間の微細溶滴又は滴
による金属移行（即ち100滴／秒）を提供する。定電圧
電源が定速度電極駆動と一緒に採用される。溶接バック
グラウンド電圧は溶接バックグラウンド電流IBがそれに
応答することを可能にするように設定される。アーク基
礎電圧は溶射移行のための値より僅かに下の値、通常は
14〜18ボルトの範囲内に設定される。電極駆動ユニット
は予設定されたアーク電圧を維持するように送り速度を
調節する。電圧設定は溝面での良好な融解に関して重要
である。もし電圧が高すぎるならば、融解不足を生じる
ことがある。もし電圧が低すぎるならば、短絡が電極と
溶接部プールとの間に生ずるであろう。Ib電流は毎秒40
〜60サイクルでIp電流へパルス化される。Im電流は約23
0〜250アンペアであり且つ少なくとも200アンペアでな
ければならない。
高い電流が微細溶射滴と溶滴との中間の微細溶滴又は滴
による金属移行（即ち100滴／秒）を提供する。定電圧
電源が定速度電極駆動と一緒に採用される。溶接バック
グラウンド電圧は溶接バックグラウンド電流IBがそれに
応答することを可能にするように設定される。アーク基
礎電圧は溶射移行のための値より僅かに下の値、通常は
14〜18ボルトの範囲内に設定される。電極駆動ユニット
は予設定されたアーク電圧を維持するように送り速度を
調節する。電圧設定は溝面での良好な融解に関して重要
である。もし電圧が高すぎるならば、融解不足を生じる
ことがある。もし電圧が低すぎるならば、短絡が電極と
溶接部プールとの間に生ずるであろう。Ib電流は毎秒40
〜60サイクルでIp電流へパルス化される。Im電流は約23
0〜250アンペアであり且つ少なくとも200アンペアでな
ければならない。
第６図に示すように、溶接電流と溶け込みとの関係は
溶接電流がその低及び高レベルに設定された時に得られ
た平均溶け込みを用いてプロットされる。図例は最小及
び最大許容溶け込み内にとどめることを必要とされる平
均溶接電流が230〜270アンペアの間であることを示して
いる。溶け込みがトーチ位置で変化し且つ溶接電流プロ
ットをずらすことを図例から注目されたい。
溶接電流がその低及び高レベルに設定された時に得られ
た平均溶け込みを用いてプロットされる。図例は最小及
び最大許容溶け込み内にとどめることを必要とされる平
均溶接電流が230〜270アンペアの間であることを示して
いる。溶け込みがトーチ位置で変化し且つ溶接電流プロ
ットをずらすことを図例から注目されたい。
相対的アーク／継手移動 溶接をトルク管又は駆動軸で水平方向位置で行うこと
が望ましい。これはトーチ位置及びトーチ角度に追加さ
れた重要性を与える。第８図及び第９図に示したような
トーチ位置はトーチ電極の軸線41又は42と水平面40との
間の角度である。トーチリード角度は溶接部ビードを通
過するトーチ位置角度のための軸線41又は42の線の延長
部と溶接部ビードを通過するように向けられたトーチ電
極の新しい軸線43又は44との間に形成される角度であ
る。トーチリード角度はそれが溶接部ビードの形成及び
形状を制御する助けを行うので重要である。トーチは溶
接点における接線に対する垂直方向から傾斜される。ト
ーチは回転方向へ傾斜されてリードトーチ角度を備え、
即ちアークは溶接部が進行するにつれて溶接されない母
材金属の方向へ向けられる。トーチ位置が垂直方向から
水平方向へ増すにつれて、溶け込みに及ぼす溶接電流の
影響はかなり減少する。トーチ位置が60゜に設定された
時、最大許容溶け込みは最高の電流設定においてさえも
はや達成されることができない。第６図の例示で、54゜
の突出したトーチ位置は電流曲線が図示した平均電流／
溶け込み関係を厳密にシミュレートしなければならない
トーチ位置である。
が望ましい。これはトーチ位置及びトーチ角度に追加さ
れた重要性を与える。第８図及び第９図に示したような
トーチ位置はトーチ電極の軸線41又は42と水平面40との
間の角度である。トーチリード角度は溶接部ビードを通
過するトーチ位置角度のための軸線41又は42の線の延長
部と溶接部ビードを通過するように向けられたトーチ電
極の新しい軸線43又は44との間に形成される角度であ
る。トーチリード角度はそれが溶接部ビードの形成及び
形状を制御する助けを行うので重要である。トーチは溶
接点における接線に対する垂直方向から傾斜される。ト
ーチは回転方向へ傾斜されてリードトーチ角度を備え、
即ちアークは溶接部が進行するにつれて溶接されない母
材金属の方向へ向けられる。トーチ位置が垂直方向から
水平方向へ増すにつれて、溶け込みに及ぼす溶接電流の
影響はかなり減少する。トーチ位置が60゜に設定された
時、最大許容溶け込みは最高の電流設定においてさえも
はや達成されることができない。第６図の例示で、54゜
の突出したトーチ位置は電流曲線が図示した平均電流／
溶け込み関係を厳密にシミュレートしなければならない
トーチ位置である。
最適化研究は、パルス型溶接系で、0.1587cm（0.0625
インチ）の直径を有する4043電極ワイヤ、及び98％アル
ゴン及び２％酸素の遮蔽ガスを0.85〜1.13m3/h（30〜40
cfh）の流量で利用し且つ1.58〜1.90cm（5/8〜3/4イン
チ）の先端対加工物距離で、平均溶接電流は16ボルトの
基礎電圧で約200アンペアの範囲に配されることがで
き、溶接部継手に対する電極の移動加速は毎分152.4cm
〜165.1cm（60〜65インチ）の範囲にあることができる
ことを示している。汚染及び溶接部の影響は、もしトー
チが横断方向角度を有し、そこでトーチが駆動軸の長手
方向軸線に対して12゜傾斜され且つヨークの方へむけら
れているならば、減少されることができる。
インチ）の直径を有する4043電極ワイヤ、及び98％アル
ゴン及び２％酸素の遮蔽ガスを0.85〜1.13m3/h（30〜40
cfh）の流量で利用し且つ1.58〜1.90cm（5/8〜3/4イン
チ）の先端対加工物距離で、平均溶接電流は16ボルトの
基礎電圧で約200アンペアの範囲に配されることがで
き、溶接部継手に対する電極の移動加速は毎分152.4cm
〜165.1cm（60〜65インチ）の範囲にあることができる
ことを示している。汚染及び溶接部の影響は、もしトー
チが横断方向角度を有し、そこでトーチが駆動軸の長手
方向軸線に対して12゜傾斜され且つヨークの方へむけら
れているならば、減少されることができる。
トーチ位置及び溶接移動速度は溶け込み及び融解の制
御で重要な且つ影響を及ぼすファクターである（トーチ
位置は移動速度よりも溶け込みに及ぼす僅かに高い影響
を有する）。これらのファクターのいずれかを増すこと
は溶け込みを減らす傾向がある。最良の様態のために望
ましいトーチリード角度は、リード角度について約10゜
であること、位置角度について51゜であること、及び横
断方向について約12゜であることが決定された。
御で重要な且つ影響を及ぼすファクターである（トーチ
位置は移動速度よりも溶け込みに及ぼす僅かに高い影響
を有する）。これらのファクターのいずれかを増すこと
は溶け込みを減らす傾向がある。最良の様態のために望
ましいトーチリード角度は、リード角度について約10゜
であること、位置角度について51゜であること、及び横
断方向について約12゜であることが決定された。
加工物に対するトーチ速度は本発明に重大な意義を有
する。単一のパスと、毎分少なくとも152.4cm（60イン
チ）［しばしば毎分203.2cm（80インチ）位高い］直線
滴トーチ速度とを用いることによって、溶接部品質は溶
接部の生産性を改善を保って改善されることができる。
加工物の厚さにかかわりなく、アルミニウムの溶接に関
する従来技術で現在までに使用されている最も速い溶接
速度は生産状態で最大毎分76.2cm（30インチ）であっ
た。第11図に示したように、完成された駆動軸の溶接部
プロフィルは対称的に湾曲した溶接部クラウンを有し且
つ溶接部継手の底で測定した幅広い融解深さを有する。
する。単一のパスと、毎分少なくとも152.4cm（60イン
チ）［しばしば毎分203.2cm（80インチ）位高い］直線
滴トーチ速度とを用いることによって、溶接部品質は溶
接部の生産性を改善を保って改善されることができる。
加工物の厚さにかかわりなく、アルミニウムの溶接に関
する従来技術で現在までに使用されている最も速い溶接
速度は生産状態で最大毎分76.2cm（30インチ）であっ
た。第11図に示したように、完成された駆動軸の溶接部
プロフィルは対称的に湾曲した溶接部クラウンを有し且
つ溶接部継手の底で測定した幅広い融解深さを有する。
本発明の特別の実施例を例示し且つ説明したが、種々
の変更及び修正が本発明から逸脱せずになされ得ること
に注目されたい。また、本発明の精神及び範囲内に入る
全ての修正及び均等物は特許請求の範囲に含むものであ
る。
の変更及び修正が本発明から逸脱せずになされ得ること
に注目されたい。また、本発明の精神及び範囲内に入る
全ての修正及び均等物は特許請求の範囲に含むものであ
る。
第１図は本発明の方法工程の概略的な流れ図、第２図は
溶接トーチを所定位置に配した溶接される加工物の全体
的立面図、第３図は溶接される継手の部分の拡大断面図
であって、必要とされる継手形状及び溶接部溶加材のプ
ロフィルを示す図、第４図は溶接を行うために使用され
るトーチ系の配置図、第５図はここでの溶接方法を行う
ために使用される電源によって与えられる溶接電流波形
の説明図、第６図は種々のトーチ位置についての電流の
関数として溶接部溶け込みを例示する説明図、第７図は
本発明の移行様態及び溶接部プロフィルと比較した異な
る従来技術の溶接部移行様態及び溶接部プロフィルの組
合せ図、第８図は溶接される自動車駆動ライン構成部品
の立面図であって、加工物の回転平面に対して横断方向
角度でトーチを例示する図、第９図は第８図の線９−９
に沿った拡大断面図、第10図は本発明方法の実施に有用
なトーチ角度、リード及び位置の概略的な説明図、第11
図は第１図の例示のための完成された溶接部ビードの金
属組織形態を示す写真である。 10……組立体、11,17……加工物、28……段付直角突合
せ継手、29……アーク、30……トーチ、31……電極、34
……電力供給系。
溶接トーチを所定位置に配した溶接される加工物の全体
的立面図、第３図は溶接される継手の部分の拡大断面図
であって、必要とされる継手形状及び溶接部溶加材のプ
ロフィルを示す図、第４図は溶接を行うために使用され
るトーチ系の配置図、第５図はここでの溶接方法を行う
ために使用される電源によって与えられる溶接電流波形
の説明図、第６図は種々のトーチ位置についての電流の
関数として溶接部溶け込みを例示する説明図、第７図は
本発明の移行様態及び溶接部プロフィルと比較した異な
る従来技術の溶接部移行様態及び溶接部プロフィルの組
合せ図、第８図は溶接される自動車駆動ライン構成部品
の立面図であって、加工物の回転平面に対して横断方向
角度でトーチを例示する図、第９図は第８図の線９−９
に沿った拡大断面図、第10図は本発明方法の実施に有用
なトーチ角度、リード及び位置の概略的な説明図、第11
図は第１図の例示のための完成された溶接部ビードの金
属組織形態を示す写真である。 10……組立体、11,17……加工物、28……段付直角突合
せ継手、29……アーク、30……トーチ、31……電極、34
……電力供給系。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−184709（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−5873（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−61179（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−79656（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−124572（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−97775（ＪＰ，Ａ) 特公 昭54−12415（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) B23K 9/16,9/173,9/23 B23K 33/00
Claims (1)
- 【請求項１】整合されたアルミニウムトルク管構成部品
を溶接する方法であって、 （ａ） 前記トルク管の端部を予め成形しかつ該端部を
入れ子式状態で一緒に組立てることによって溶接される
段付直角突合せ継手を画成することと、 （ｂ） アークが体積で２から５％の酸素及び不活性ガ
ス残部からなる遮蔽ガスで包囲され、アークへの電流が
少なくとも200アンペアの平均電流を維持しながら毎秒4
0から60サイクルの周波数でパルス化されて、正極の消
耗可能なアルミニウム基材電極と負極としての前記継手
との間に電気直流アークを確立することと、 （ｃ） パルス化されたアークを継手に対して所定の配
向で保持しながら、アークを継手に沿って単一のパスで
毎分少なくとも152.4cm（60インチ）の相対速度で移動
させることとを含む溶接方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/405,252 US4912299A (en) | 1989-09-11 | 1989-09-11 | Gas metal arc welding of aluminum-based workpieces |
| US405252 | 2003-04-01 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0399780A JPH0399780A (ja) | 1991-04-24 |
| JP2912693B2 true JP2912693B2 (ja) | 1999-06-28 |
Family
ID=23602918
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2233471A Expired - Lifetime JP2912693B2 (ja) | 1989-09-11 | 1990-09-05 | アルミニウム基材加工物のガス金属アーク溶接方法 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4912299A (ja) |
| EP (1) | EP0422763B1 (ja) |
| JP (1) | JP2912693B2 (ja) |
| AU (1) | AU624301B2 (ja) |
| CA (1) | CA2019743C (ja) |
| DE (1) | DE69022946T2 (ja) |
Families Citing this family (23)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| USD362861S (en) | 1994-09-21 | 1995-10-03 | Barker Michael R | Side notch purge strap for welding |
| US5811756A (en) * | 1995-01-23 | 1998-09-22 | Nippon Light Metal Company, Inc. | ARC welding method for aluminum members and welded product excellent in dimensional accuracy and external appearance |
| CA2180066A1 (en) * | 1995-09-18 | 1997-03-19 | Harold W. Seeds | Method of welding aluminum drive shaft components |
| US5756967A (en) * | 1997-04-09 | 1998-05-26 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce | Sensing ARC welding process characteristics for welding process control |
| FR2769863B1 (fr) * | 1997-10-16 | 1999-12-17 | Soudure Autogene Francaise | Procede et dispositif de soudage mig avec modulation du courant |
| US6060682A (en) * | 1997-11-13 | 2000-05-09 | Westbroek; Wido | Overlapping joint for laser welding of tailored blanks |
| FR2792236B1 (fr) * | 1999-04-15 | 2001-06-15 | Air Liquide | Procede de soudage mig de l'aluminium et de ses alliages a regime pulse ou spray non-module |
| DE19921228C2 (de) * | 1999-05-07 | 2003-10-23 | Gkn Loebro Gmbh | Antriebswelle |
| FR2810569B1 (fr) * | 2000-06-22 | 2002-10-25 | Air Liquide | Procede de soudage mig de l'aluminium et de ses alliages avec gaz de protection du type ar/he/o2 |
| US6933468B2 (en) * | 2000-10-10 | 2005-08-23 | Hobart Brothers Company | Aluminum metal-core weld wire and method for forming the same |
| US6515259B1 (en) * | 2001-05-29 | 2003-02-04 | Lincoln Global, Inc. | Electric arc welder using high frequency pulses |
| US7071438B2 (en) * | 2003-03-07 | 2006-07-04 | Praxair Technology, Inc. | Gas composition for arc welding |
| US6974932B2 (en) * | 2003-03-31 | 2005-12-13 | Illinois Tool Works Inc. | Method and apparatus for welding |
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