JP3735274B2 - アルミニウムまたはアルミニウム系合金のアーク溶接方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はアルミニウムまたはアルミニウム系合金の深溶け込み溶接に優れたアーク溶接方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
特開平4−251673号公報には、不活性ガスに他の成分を添加することにより純粋不活性ガス下での溶接に比べて溶接過程及び溶接結果が改良され、しかも有害な副効果を引き起こさないアルミニウムのア−ク溶接用のアルゴン、又はアルゴン/ヘリウム混合物をベ−スとする保護ガスが開示されている。この保護ガスには窒素80〜250vpmが添加されている。
【0003】
特表平8−504366号公報(特願平6−513742号の明細書等)には、WIG溶接およびアルミニウムのMIG溶接に使用されるア−ク溶接用保護ガスが記載されている。この従来技術では、アーク溶接用保護ガスとして、可能な限り純粋なアルゴンを用いるか、または可能な限り純粋なアルゴンとヘリウムからなる混合物を用いることとし、溶接工程および溶接結果を改善する目的のために、これらの不活性ガスに80〜250vpm、とくに120〜180vpmの亜酸化窒素が添加されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術のいずれも窒素添加量が少ないので、アーク安定性および集中性が低く、溶込み深さが不足して融合不良を引き起こす場合がある。そこで、従来方法では溶込み深さを確保するために溶接電流を高くするか、もしくは溶接速度を遅くするが、これにより溶接入熱量が大きくなり、ワーク変形量が増大する。
【0005】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであって、深溶け込み溶接性に優れたアルミニウムまたはアルミニウム系合金のアーク溶接方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るアルミニウムまたはアルミニウム系合金のアーク溶接方法は、アルゴンまたはヘリウムガス単体に、もしくはアルゴンとヘリウムとの混合ガスに5〜40体積%の窒素を添加したガスをシールドガスとして用い、かつ、被溶接材の状態に応じて所定の溶接電流およびアーク電圧を得るためにアーク溶接装置で予め設定しておいた駆動電力およびワイヤ送給速度に制御することにより、電極先端から母材表面までのアーク長さを2mm以下に維持するとともに、前記アークが母材の内部に発生する埋もれアーク状態とすることを特徴とする。
【0010】
さらに、曲げ延性が要求される突合せ継手を溶接する場合は、前記シールドガスへの窒素の添加量を5〜20体積%とすることがより好ましい。窒素ガス添加量を20体積%より大きくすると溶接金属内部に粗大な窒化物が発生しやすくなり、肉厚や使用条件によっては延性が不十分になるからである。突合せ継手のような曲げ延性が必要な継手では窒素ガス添加量を20体積%までにとどめることが肝要である。一方、窒素ガス添加量が5体積%未満になると溶込みが低下するからである。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。
【0013】
図2において、溶接機1は、支持台11に保持された母材12にアーク14を作用させるアーク溶接装置2と、溶接部分近傍に所定のシールドガス13を供給し、この溶接部分近傍を所定ガス雰囲気下にするガス供給装置3とを備えている。
【0014】
アーク溶接装置2は、母材(被溶接物)12に近接して設けられた溶接トーチ4と、この溶接トーチ4から突出する溶接電極(ワイヤ)5と、溶接トーチ4にワイヤ5を連続的に送給可能なワイヤ送給装置7と、ワイヤ5及びワイヤ送給装置7に電力を供給する駆動電源6と、この駆動電源6と母材12とを連結する給電ケーブル8と、この給電ケーブル8に設けられた電流計9及び電圧計10とを備えている。
【0015】
本実施形態のアーク溶接装置2はMIG溶接装置によって構成されているが、これをTIG溶接等の他のアーク溶接装置によって構成することも可能である。
【0016】
母材12は板厚8mmのアルミニウム合金A6N01、ワイヤ5は直径1.2mmのアルミニウム合金A5356を使用した。
【0017】
ガス供給装置3は、溶接部近傍にシールドガス13を供給し、この溶接部近傍をシールドガス13の雰囲気とするものである。ガス供給装置3は、シールドガス13を収容したガス収容部(シールドガスボンベ)3aと、このシールドガスボンベ3aと溶接トーチ4とを接続する配管3bとを備えている。そして、シールドガス13は、溶接トーチ4から溶接部分に供給されるようになっており、溶接部分近傍はこのシールドガス13によってシールドされる。なお、溶接部分近傍をシールドボックスで囲み、このシールドボックス内にシールドガス13を供給する構成とすることも可能である。
【0018】
シールドガス13は、アルゴンに対して窒素添加量をゼロから60体積%までの範囲で種々変えたものである。
【0019】
上記シールドガス13の雰囲気下でアーク溶接を行った場合、アーク14は母材12の内部(深部)で発生可能となる。すなわち、通常のアーク溶接では、アーク14は母材12の表面よりも出た状態となるが、シールドガス13として上記所定ガスを用いるとともに所定の条件下(所定の駆動電力)で溶接を行うことにより、母材12の内部でアーク14を発生させることができる。ここで、母材12内部にアーク14が発生する状態を「埋もれアーク状態」と称することとする。また、母材12内部にまでアーク14が発生しない状態を「オープンアーク状態」と称することとする。このような「埋もれアーク状態」となる溶接条件を把握することにより、アルミニウムの深溶込み溶接が可能になる。
【0020】
図1の(a)は、シールドガスをアルゴンガス単体とし、ワイヤ径1.2mmのアルミニウム合金A5356を用いて、板厚8mmのアルミニウム合金A6N01を溶接電流230A、アーク電圧19V、溶接速度3m/分の条件で上記の溶接機1により溶接したアルミニウム溶接部を示す金属組織写真である。また、図1の(b)は、シールドガスをアルゴンに10体積%の窒素を添加した混合ガス(Ar+10体積%N2)とし、他の条件は上記(a)と同じにして溶接したアルミニウム溶接部を示す金属組織写真である。図1の(a)と(b)を比較してみると、後者では前者の2倍以上の溶け込み深さとなった。
【0021】
ここで、埋もれアーク状態とするための所定の条件は、使用するシールドガス13の種類やアークの駆動電源の出力に応じて変化するものであるので、予め実証試験によって得ることが可能である。この所定条件を設定するための実証試験結果の一例を図3に示す。
【0022】
図3は、横軸に溶接電流(A)をとり、縦軸にアーク電圧(V)をとって、シールドガスとしてアルゴンに10体積%の窒素を添加した混合ガス(Ar+10体積%N2)を用いてワイヤ送給速度を種々変えた場合の溶接電流とアーク電圧との相関を示す特性線図である。この場合は、板厚さ8mmの平板上に溶接ビードをおく平板溶接を行った。
図中にて特性線Aはワイヤ送給速度を14.1m/分としたときの電流電圧特性を、特性線Bはワイヤ送給速度を15.6m/分としたときの電流電圧特性を、特性線Cはワイヤ送給速度を17.1m/分としたときの電流電圧特性をそれぞれ示す相関曲線である。
【0023】
図中にて2つの破線D,Eの間に挟まれた斜線領域では埋もれアーク状態の生成が確認された。ちなみに、図中の丸(○)はアーク長さが2mm以下となり「埋もれアーク状態」となったサンプルを、四角(□)はアーク長さが2mm超となり「オープンアーク状態」となったサンプルを、バツ(×)はビード外観が不良となったサンプルをそれぞれプロットした。なお、前記「アーク長さ」とは、電極先端から母材表面までの距離を称する。
【0024】
図から明らかなようにシールドガスの組成やアーク駆動電力をはじめとする溶接時における様々な条件によって、埋もれアーク状態が生成されるか否かが決定される。
【0025】
例えば、ワイヤ送給速度15.6m/minのときには、アーク電圧が19Vを超える領域では埋もれアーク状態からオープンアーク状態に移行するので、深い溶け込みは得られなくなる。また、アーク電圧が15Vを下回る領域ではアークが不安定になるので、ビード外観が不良となる。
【0026】
なお、図3に示す埋もれアーク状態は一例であって、使用するシールドガス13やアーク溶接装置2の種類によって、あるいはアーク電圧によって埋もれアーク状態の生成領域は異なるので、予め実験によって最適な条件を求めておく必要がある。予備実験を行うことにより埋もれアーク状態が生成されるか否かの条件を予め把握しておき、この条件に基づいて製造ラインの溶接機を制御することにより実際の製品を高品質に製造することができるようになる。
【0027】
図4は、横軸に窒素混合量(体積%)をとり、縦軸に溶け込み深さ(mm)をとって、シールドガス中の窒素ガス混合量に対する溶込み深さの変化をそれぞれ示す特性線図である。溶接電流を230A、アーク電圧を19V、溶接速度を3m/分、ワイヤ送給速度を15.6m/分とする条件下で、シールドガスの窒素混合量をゼロから60体積%までの間で種々変化させて板厚8mmの平板溶接を行った。図中にて特性線R1は溶込み深さ/窒素混合量の関係を示す相関曲線である。また、図中にて破線Fは、ビード外観の良好と不良との境界を示す臨界線である。この臨界線Fよりも図中の右側領域(窒素混合量が過大な領域)に斜線を施して示したが、この斜線領域ではビード外観が不良になることが判明した。
【0028】
この図から明らかなように、シールドガス13の窒素添加量に応じて溶け込み深さは変化する。例えば、窒素添加量を10体積%としたもの(Ar+10体積%N2)と窒素添加量ゼロとしたもの(純アルゴンガス)とを比較してみると、前者の溶け込み深さは後者のそれの約2倍に増加する結果となった。さらに、ビード外観においても良好であった。これらのことからアルゴンガスに10体積%の窒素ガスを添加することによりアルミニウムの深溶け込み溶接が可能になることが判明した。
【0029】
図5は、横軸に窒素混合量(体積%)をとり、縦軸に曲げ角度(°)および最大窒化物長さ(mm)をとって、シールドガス中の窒素ガス混合量に対する曲げ角度および最大窒化物長さの変化をそれぞれ示す特性線図である。溶接電流を230A、アーク電圧を19V、溶接速度を3m/分、ワイヤ送給速度を15.6m/分とする条件下で、シールドガスの窒素混合量をゼロから40体積%までの間で種々変化させて板厚8mmの平板溶接を行った。
【0030】
図中にて特性線R2は最大窒化物長さ/窒素混合量の関係を、特性線R3は曲げ角度/窒素混合量の関係をそれぞれ示す相関曲線である。また、図中にて破線Gは、曲げ延性の良好と不良との境界を示す臨界線である。この臨界線Gよりも図中の右側領域(窒素混合量が過大な領域)に斜線を施して示したが、この斜線領域では粗大窒化物が発生し、曲げ延性が不良になることが判明した。
【0031】
したがって、窒素ガスの添加量を20体積%より更に大きくすると、溶接金属内部に粗大な窒化物が発生し、曲げ延性が低下するようになる。すなわち、隅肉継手のような曲げ延性が必要でなく、深い溶込みを得たい場合は、窒素ガス添加量の上限値は40体積%とすることが肝要である。一方、突合せ継手のような曲げ延性が必要な継手では窒素ガス添加量の上限値は20体積%とすることが肝要である。一方、窒素ガスの添加量が5体積%未満になると、母材の溶込みが極端に低下するので、その下限値は5体積%とする。したがって窒素ガスの添加量は5体積%以上20体積%以下の範囲とすることが望ましい。
【0032】
なお、上記実施例ではシールドガスとしてアルゴンに窒素を添加した2種混合ガスを用いた場合について説明したが、本発明はこれのみに限られることなく、ヘリウムガス単体に窒素を添加した2種混合ガス、アルゴンの一部をヘリウムに置き換えた3種混合ガスをシールドガスに用いた場合も同様の深溶け込み効果が得られる。He+N2からなる2種混合ガスをシールドガスとして用いる場合は、He:N2=80〜95:5〜20の体積比率で混合することが望ましい。
【0033】
Ar+He+N2からなる3種混合ガスをシールドガスとして用いる場合は、Ar:He:N2=5〜65:30〜75:5〜20の体積比率で混合することが望ましい。
【0034】
また、母材としてアルミニウム合金A6N01を用いた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、溶接対象(母材)はアルミニウムまたはアルミニウム系合金であればよい。
【0035】
【発明の効果】
本発明のシールドガスを用いることによりアルミニウムおよびアルミニウム合金のミグ、ティグ等のアーク溶接においてアークの集中性が向上し、深溶け込み溶接が可能となる。その結果、高速かつ低歪みのアルミニウム溶接が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は従来の溶接部を示す金属組織写真、(b)は本発明の溶接部を示す金属組織写真。
【図2】本発明の実施形態に係るアーク溶接方法に用いられる装置の概要を示すブロック構成図。
【図3】本発明の実施形態に係るアーク溶接方法において埋もれアーク状態になる溶接条件を示す特性線図。
【図4】窒素添加量と溶込み深さとの関係を示す特性線図。
【図5】窒素添加量と曲げ延性および最大窒化物長さの関係を示す特性線図。
【符号の説明】
1…溶接機、
2…アーク発生装置、
3…ガス供給装置、
4…溶接トーチ、
5…電極、
6…駆動電源、
7…ワイヤ供給装置、
9…電流計、
10…電圧計、
11…支持台、
12…母材、
13…シールドガス、
14…アーク。
Claims (2)
- アルゴンまたはヘリウムガス単体に、もしくはアルゴンとヘリウムとの混合ガスに5〜40体積%の窒素を添加したガスをシールドガスとして用い、かつ、被溶接材の状態に応じて所定の溶接電流およびアーク電圧を得るためにアーク溶接装置で予め設定しておいた駆動電力およびワイヤ送給速度に制御することにより、電極先端から母材表面までのアーク長さを2mm以下に維持するとともに、前記アークが母材の内部に発生する埋もれアーク状態とすることを特徴とするアルミニウムまたはアルミニウム系合金のアーク溶接方法。
- 曲げ延性が要求される突合せ継手を溶接する場合は、前記シールドガスへの窒素の添加量を5〜20体積%とすることを特徴とする請求項1記載のアルミニウムまたはアルミニウム系合金のアーク溶接方法。
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