JP3947422B2

JP3947422B2 - チタン又はチタン合金のｍｉｇ溶接方法

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Publication number: JP3947422B2
Application number: JP2002127278A
Authority: JP
Inventors: 俊介深見; 満男石井; 泰治長谷
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2022-04-26
Also published as: JP2003320459A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、船舶・建築構造物などの構造物分野において、チタン又はチタン合金構造材をＭＩＧ溶接する際に用いるアーク安定性に優れたＭＩＧ溶接方法、及び、該ＭＩＧ溶接方法で溶接されたＭＩＧ溶接チタン又はチタン合金構造物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、チタン又はチタン合金材料は、高い耐食性が要求される船舶・建築構造物・自動車・バイク等の構造材に使用されていたが、これら材料を溶接する場合、現在は、主に、非消耗電極式溶接方法の一つであるＴＩＧ溶接方法（タングステンイナートガスメタル溶接方法）を用いている。
【０００３】
この他、代表的な溶接方法として、消耗電極式溶接方法であるＭＩＧ溶接方法（イナートガスメタルアーク溶接方法）がある。このＭＩＧ溶接方法は、ＴＩＧ溶接方法に比べ、数倍以上の溶接能率が得られる溶接方法であるが、純Ｔｉの溶接ワイヤを用い、この方法で、チタン及びチタン合金を溶接する際には、溶接アークが不安定となり、良好な外観形状の溶接ビードが得られない。
【０００４】
これは、溶接中、アークが、陰極点を確保してアークを維持するために、被溶接材（チタン又はチタン合金）の表面に存在する酸化膜の間を激しく移動して暴れるというワンダリング現象によると考えられる。
【０００５】
即ち、このワンダリング現象により、溶接ビードが蛇行したり、また、溶接スパッタが多量に発生して、被溶接材（チタン又はチタン合金）の表面に数多く付着することが原因である。
【０００６】
このように、純Ｔｉの溶接ワイヤを用いるチタン及びチタン合金のＭＩＧ溶接においては、ワンダリング現象に起因する溶接ビードの蛇行やスパッタの付着のため、溶接部の外観形状が不良となる。
【０００７】
一方、ＴＩＧ溶接方法では、高融点の非消耗電極を使用してアークを発生させ、被溶接材に生成する溶融池に、溶接ワイヤを供給して溶接を行うので、スパッタは発生しないし、また、電極側が負極性（被溶接側が正極性）であるので、溶接中、被溶接材表面の酸化膜が除去されるというクリーニング作用が起き、その結果、ワンダリング現象は生じないので、溶接ビードは蛇行せず、良好な外観形状の溶接部が得られる。
【０００８】
このことから、チタン又はチタン合金の構造材を溶接する場合には、ＴＩＧ溶接方法が専ら用いられている。
【０００９】
例えば、特公昭５９−２２６１５９号公報には、加工組織をなす２本のチタン帯板の長さ方向端面を突き合わせ、ＴＩＧ溶接して溶接部近傍の母材部を軟化焼鈍することにより、破断することのない接続を行うチタン帯板の接続方法が開示されている。
【００１０】
しかしながら、ＴＩＧ溶接では、溶接トーチと溶接ワイヤを適正な位置に保持する必要があり、工場等で、溶接トーチと溶接ワイヤを保持する装置を使用できる場合はよいが、被溶接物が大型構造物の場合、溶接作業者が、溶接トーチと溶接ワイヤを保持しつつ、溶接の進行に伴って移動しなければならなくなり、溶接作業者にとって作業負担が大きくなる。
【００１１】
この作業負担を軽減するため、溶接トーチ内に溶接ワイヤを送給するガイド装置を組み込むことが考えられるが、そのような装置を備える溶接トーチは、ＭＩＧ溶接用半自動溶接トーチに比べて高価なものとなってしまう。
【００１２】
また、ＴＩＧ溶接においては、ＭＩＧ溶接に比べて溶接入熱が小さいために、溶接時間が長くならざるを得ず、そのため、作業能率が悪い。さらに、ＴＩＧ溶接では、溶接時間が長いために、シールドガスに使用するガス量が必然的に多くなり、溶接コストが高くなる。
【００１３】
このようなＴＩＧ溶接方法に替わる溶接方法として、特開２０００−２８００７６号公報には、不活性ガスに微量の酸化性ガスを添加したシールドガス及びチタン又はチタン合金の消耗電極を使用してパルス溶接電流を通電して溶接するチタン及びチタン合金のアーク溶接方法が開示されている。
【００１４】
しかし、上記溶接方法のように、シールドガスから酸素あるいは酸化物を供給すると、溶接アークを安定化する一方で、酸素が溶接金属内に大量に混入してしまい、そのため、溶接部が硬化し、伸びが低下するなどの機械的特性の低下を招くことになる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術における問題点に鑑み、チタンおよびチタン合金を、安定してかつ高能率でＭＩＧ溶接し、さらに、半自動溶接による現場溶接を可能とし、溶接時間短縮によるシールドガス使用量低減によるコスト削減を可能にするＭＩＧ溶接方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
溶接アークを安定的に維持、継続すれば、ワンダリング現象を抑制できるので、本発明者は、溶接アークを安定的に維持、継続し得る電流条件について、鋭意研究調査した。
【００１７】
本発明は、上記研究調査の結果に基づきなされたものであり、その要旨とするところは、以下のとおりである。
【００１８】
（１）純チタン溶接ワイヤ又はチタン合金溶接ワイヤを用い、下記電流条件を満たすパルス溶接電流で、チタン母材又はチタン合金母材を溶接することを特徴とするチタン又はチタン合金のＭＩＧ溶接方法。
【００１９】
３００Ａ≦ピーク電流≦５００Ａ
２．０≦ピーク電流／ベース電流≦５．０
（２）前記純チタン溶接ワイヤ又はチタン合金溶接ワイヤの断面外径が、１．６ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることを特徴とする前記（１）に記載のチタン又はチタン合金のＭＩＧ溶接方法。
【００２０】
（３）前記溶接ワイヤ及び母材のうち、少なくとも母材が、Ａｌを質量％で０．５％以上４．０％以下含有していることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載のチタン又はチタン合金のＭＩＧ溶接方法。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明について、詳細に説明する。図１に、ＭＩＧ溶接装置の外観を模式的に示す。
【００２２】
被溶接材１にＭＩＧ溶接用トーチ２を対向させ、ワイヤ送給装置（図示なし）で溶接ワイヤ３を送給しつつ、直流パルス溶接電源（図示なし）を用いて、被溶接材１と溶接ワイヤ３の間にアーク４を生起し、被溶接材１に溶融池５を形成する。
【００２３】
そして、溶接トーチ２を矢印方向に移動して溶接ビード６を形成する。この時、図１に示すように、溶接トーチ３の先端とともに、溶接アーク４の後方も、Ａｒガス等の不活性ガスでシールドする。
【００２４】
チタン及びチタン合金は、鋼等に比べて低温で酸化し易いので、溶接トーチの先端のみをガスシールドする（鋼ではこれで充分である。）だけでは、溶接金属が酸化して硬化し、良好な伸びが得られなくなる。
【００２５】
そのため、チタン及びチタン合金のＭＩＧ溶接においては、溶接トーチ２の後方にシールドボックス７を付設して、溶接アーク４の後方も、Ａｒガス等の不活性ガスでシールドする。
【００２６】
この時、シールドガスが溶接ビード６の表面に均一に供給されるように、シールドボックス７内に、溶接方向と平行に、溶接ビードと反対側にガス出口９を適宜の数備える供給パイプ８を配置し、ガス出口９から噴出するシールドガスを一度シールドボックス内の上壁に当ててから、下方の溶接ビード６に当てる方法が一般的に採用されている。
【００２７】
図２に、開先１１を形成した被溶接材１を、図１に示すようなＭＩＧ溶接装置で溶接する場合における溶接ビード６の形成態様を模式的に示す。
【００２８】
溶接トーチ２を矢印方向（溶接方向）に移動して、溶融池５の後方に溶接ビード６を形成していくが、この時、通常、溶接アーク４のワンダリング現象により、比較的大きなスパッタ１２が、被溶接材の表面や、溶接ビードの表面に付着する。
【００２９】
図３に、従来のＭＩＧ溶接により形成される溶接ビードの外観を模式的に示す。ワンダリング現象により溶接ビード６が蛇行し、かつ、溶接ビード６の周囲には、ワンダリング現象の痕跡が残されている。
【００３０】
溶接ビードの蛇行の程度は、ビード蛇行幅として、溶接ビード始端部が最も凹んでいる位置１４を通り溶接方向（図中矢印）に平行な直線と、溶接ビード始端部が最も出っ張っている位置１５を通り溶接方向に平行な直線との最短距離（mm）（図中Ｗb）で示す。
【００３１】
このビード蛇行幅Ｗbは、略０mmであることが望ましいが、略０mmにすることが難しい場合、一応、０．６mmまでは許容できる範囲である。
【００３２】
ワンダリング現象の痕跡は、ワンダリング現象が激しく起きた場合に、溶接ビード始端部の外側に、アークが移動して溶接ビードからはみ出した痕跡として残るものである。
【００３３】
この痕跡が溶接ビードで隠れる場合は、外観上問題はないが、溶接ビードからはみ出て残っている場合、当然に被溶接材の外観を損ねるから、溶接部に残らないようにすべきものである。
【００３４】
ワンダリング現象の程度は、この痕跡の幅をワンダリング現象幅とし、溶接ビードの始終端から溶接アークがワンダリング現象によって移動した痕跡の最も外側の位置までの距離（mm）の最大値で示す（図中Ｗw）。
【００３５】
ワンダリング現象の痕跡を、溶接部に残してはいけないから、ワンダリング現象幅Ｗwは０mmにすべきものである。しかし、０mmを指向する溶接条件を選択してもワンダリング現象が激しく起き、Ｗwが２〜３mmに達する場合もある。
【００３６】
更に、図３においては、被溶接材の表面及び溶接ビードの表面に、比較的大きなスパッタ１２が、数多く付着している。このように、従来のＭＩＧ溶接により形成する溶接ビードの外観形状は劣悪である。
【００３７】
一般に、パルス溶接電流を用いると、溶接時の溶滴移行が規則的かつスムーズに行なわれることが知られている。
【００３８】
そこで、本発明者は、純チタン溶接ワイヤを用いるＭＩＧ溶接において直流パルス溶接電源を用い、熔接電流条件と、ワンダリング現象幅及び／又はビード蛇行幅との関連性を調査した。ワンダリング現象幅が略０mm、ビード蛇行幅が０．６mm以下の溶接ビードを、外観が良好な溶接ビード、それ以外を外観不良の溶接ビードとし、外観が良好な溶接ビードを○、外観不良の溶接ビードを×で整理した結果を図５に示す。
【００３９】
即ち、
３００Ａ≦ピーク電流≦５００Ａ
２．０≦ピーク電流／ベース電流≦５．０
の電流条件下において溶接アークが安定し、ワンダリング現象幅は略０mmとなり、かつビード蛇行幅は許容できる０．６mm以内に収まることが判明した。
【００４０】
ピーク電流が３００Ａ未満、又は、５００Ａ超であると、ベース電流が６０〜２５０Ａの範囲にあっても、ワンダリング現象幅及びビード蛇行幅が大きくなり、溶接ビードの外観形状が不良（図３、参照）となる。
【００４１】
また、ベース電流が６０Ａ未満、又は、２５０Ａ超であると、ピーク電流が３００〜５００Ａの範囲にあっても、同様に、ワンダリング現象幅及びビード蛇行幅が大きくなり、溶接ビードの外観形状が不良（図３、参照）となる。
【００４２】
さらに、ピーク電流及びベース電流が、それぞれ、上記適正範囲にあっても、図５に示すようにピーク電流／ベース電流が２．０未満、又は、５．０超であると、同様に、ワンダリング現象幅及びビード蛇行幅が大きくなり、溶接ビードの外観形状が不良（図３、参照）となる。
【００４３】
図４に、純チタンの溶接ワイヤを用い、本発明の電流条件に従い、純チタン（被溶接材）をＭＩＧ溶接した場合に得られる溶接ビードの外観形状を模式的に示す。図に示すように、ビード蛇行幅Ｗb≒０、ワンダリング現象幅Ｗw≒０であり、かつ、スパッタの付着は皆無である。
【００４４】
そして、本発明の上記電流条件下で使用する純チタン溶接ワイヤ又はチタン合金溶接ワイヤは、ワイヤの断面外径が１．６mm以上２．０mm以下であることが好ましい。
【００４５】
本発明者は、チタン及びチタン合金のＭＩＧ溶接における溶滴移行形態について調査研究し、低電流側では、グロビューラーとなって溶滴が大きくなって、スパッタが発生しやくなり、一方、高電流側では、スプレー状態となって溶滴が小さくなって、スパッタが抑制されることを解明した。
【００４６】
一般に、ＭＩＧ溶接において、溶接ワイヤの径を大きくすると、小さい場合に比べて、最大溶接電流を大きくすることができ、最適溶接条件の選択幅が広がる点で好ましく、また、溶接電流を一定とすれば、アーク中の溶接電流密度が小さくなり、溶接アークが安定化する点で好ましいが、溶接ワイヤの径を大きくすることは、ワイヤの円滑な送給の点で限界があるので、本発明者は、更に、高電流でも、円滑な溶接ワイヤの送給を確保し、かつ、安定したアークの発生、継続を確実なものにし得るワイヤ径の最適範囲を調査した。
【００４７】
その結果、ワイヤの断面外径は１．６mm以上２．０mm以下が好ましいことが判明した。ワイヤの断面外径が１．６mm未満であると、アーク中の溶接電流密度が大きくなって、溶接アークが不安定となり、その結果、ビード外観は悪化する。一方、ワイヤの断面外径が２．０mmを超えると、溶接ワイヤの送給速度の変動が溶接アークに及ぶ影響が大きくなるので好ましくない。
【００４８】
本発明のＭＩＧ溶接方法（本発明方法）によれば、溶接アークを安定化することができるので、図４に示す外観形状が良好な溶接ビードを得ることができるが、被溶接材（チタン又はチタン合金）がＡｌを１０質量％以下含有していると、溶接アークがより安定化し、より外観形状が良好な溶接ビードを得ることができる。
【００４９】
これは、溶接中、被溶接材中のＡｌがアーク中の酸素と結合し、陰極点として作用するＡｌ酸化物を形成することによるものと考えられる。この効果を得るためには、被溶接材中のＡｌ含有量を０．５質量％以上とすることが好ましく、一方、アークを安定化するという観点からは多いほうが好ましいが、４．０質量％を超えると、Ａｌが溶接ビード中に過剰に残存して、溶接部の機械的性質を劣化せしめるので、４．０質量％以下が好ましい。
【００５０】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明するが、実施例で用いた条件は一例であり、本発明は、該条件に限定されるものではない。
【００５１】
（実施例１）
ワイヤ径１．６mmの純チタン溶接ワイヤを用い、表１に示す溶接条件で、パルス溶接電流のピーク電流２５０〜５５０Ａ、及び、ベース電流６０〜３００Ａの範囲内で電流値を変え、ＭＩＧ溶接を行ない、溶接部を観察し評価した。
【００５２】
その結果を表２に示す。なお、表２中、Wwはワンダリング現象幅、Wｂはビード蛇行幅である。
【００５３】
【表１】

【００５４】
【表２】

【００５５】
表２から、ピーク溶接電流が３００〜５００Ａ、及び、２．０≦ピーク電流／ベース電流≦５．０において、ワンダリング現象幅Ｗw及びビード蛇行幅Ｗbが減少し、溶接ビードの外観形状も良好であることが解かる。
【００５６】
（実施例２）
表３に、ワイヤ径０．８mm、１．２mm、φ１．６mm、及び、２．０mmの純チタン溶接ワイヤを用い、ピーク電流５００Ａ、ベース電流１５０Ａ、溶接速度１００cm／minでＭＩＧ溶接を行なった場合における溶接部の外観評価を示す。ワイヤ径０．８mmと１．２mmの溶接ワイヤを用いた場合に比べ、ワイヤ径１．６mmと２．０mmの溶接ワイヤを用いた場合は、ワンダリング現象がより抑制され、その現象幅Ｗw、ビード蛇行幅Ｗbはより減少している。
【００５７】
この結果から、ワイヤ径が１．６〜２．０ｍｍの溶接ワイヤを用いると、高電流で安定したアークを維持、継続することができ、外観形状の極めて良好な溶接ビードを得ることが可能であることが解かる。
【００５８】
【表３】

【００５９】
（実施例３）
Ａｌを含有しない被溶接材、及び、Ａｌを０．５〜１０．０質量％含有する被溶接材を、ピーク電流５００Ａ、ベース電流１５０Ａ、溶接速度１００cm／minで溶接し、溶接部の外観を観察し評価した。
【００６０】
その結果を表４に示す。
【００６１】
【表４】

【００６２】
この表から、被溶接材中にＡｌを１０質量％以下含有していると、外観形状が良好な溶接ビードを得ることができるが、特に、Ａｌを０．５〜４．０質量％含有していると、外観形状が極めて良好な溶接ビードを得ることができることが解る。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、チタン又はチタン合金のＭＩＧ溶接において、溶接アークを安定化してワンダリング現象を抑制し、溶接ビードの外観形状が良好で、かつ、機械的特性の劣化がない溶接部を得ることができる。
【００６４】
したがって、本発明は、チタン又はチタン合金構造材で、大型の屋外構造物や、産業用機械構造物を能率よく構築することを可能にし、産業の発展に寄与するところが大きいものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＭＩＧ溶接装置の外観を模式的に示す図である。
【図２】溶接ビードの形成態様を模式的に示す図である。
【図３】従来のＭＩＧ溶接で得られる溶接ビードの外観を模式的に示す図である。
【図４】本発明のＭＩＧ溶接で得られる溶接ビードの外観を模式的に示す図である。
【図５】本発明における好適なパルス溶接電流の範囲を示す図である。
【符号の説明】
１…被溶接材
２…溶接トーチ
３…溶接ワイヤ
４…溶接アーク
５…溶接池
６…溶接ビード
７…シールドボックス
８…ガス供給パイプ
９…ガス出口
１０…シールドガス流れ方向
１１…開先
１２…スパッタ
１３…ワンダリング現象の痕跡
Ｗw…ワンダリング現象幅
Ｗb…ビード蛇行幅

Claims

純チタン溶接ワイヤ又はチタン合金溶接ワイヤを用い、下記電流条件を満たすパルス溶接電流で、チタン母材又はチタン合金母材を溶接することを特徴とするチタン又はチタン合金のＭＩＧ溶接方法。
３００Ａ≦ピーク電流≦５００Ａ
２．０≦ピーク電流／ベース電流≦５．０
前記純チタン溶接ワイヤ又はチタン合金溶接ワイヤの断面外径が、１．６ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のチタン又はチタン合金のＭＩＧ溶接方法。
前記溶接ワイヤ及び母材のうち、少なくとも母材が、Ａｌを質量％で０．５％以上４．０％以下含有していることを特徴とする請求項１又は２に記載のチタン又はチタン合金のＭＩＧ溶接方法。