JP3962633B2 - Shielding gas for non-consumable electrodes - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タングステン等の非消耗電極により被溶接材を溶接するときに使用する非消耗電極用シールドガスに関し、特に非消耗電極の消耗の抑制を可能ならしめるようにした非消耗電極用シールドガスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ステンレス鋼は、従来よりタングステン等の非消耗電極と、この非消耗電極および溶接部を大気から遮断するシールドガスとを用いる、いわゆるＴＩＧ（タングステン・イナートガス）溶接により溶接されている。このＴＩＧ溶接では、深い溶け込みを得るのが難く、またその溶接線に沿って予めフラックス剤を塗布するため、ビード表面にスラグが残存するという難点を有している。
【０００３】
そこで、本願出願人は、特願２００１−２０６１６７号（以下、先提案例という）において、溶加材を使用しないでステンレス鋼材を突き合わせ溶接するにあたり、深い溶け込みを確保でき、前処理としてのフラックス剤の塗布や、後処理としてのビード表面のスラグ除去を不要とする技術を提案した。
【０００４】
上記先提案例は、溶加材を使用しない形式の非消耗電極式ガスシールド溶接にあたり、アルゴンやヘリウム等の不活性ガスに微量の酸素ガスを均一に混合した混合ガスを、非消耗電極用シールドガスとして使用するようにしたものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記先提案例に係る技術によれば、深い溶け込み量を確保でき、また溶接の前後処理を必要としないので、極めて有用であると考えられる。しかしながら、微量の酸素が含まれているために、タングステン等の電極の消耗が著しいという難点がある。
【０００６】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、従って、本発明の目的は、十分の溶け込み深さを確保し、かつ前後処理を要せず、しかも電極の消耗を少なくし得る非消耗電極用シールドガスを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための、本発明の請求項１に係る非消耗電極用シールドガスの構成は、溶加材を使用しない形式の非消耗電極式ガスシールド溶接に使用する不活性ガスからなる非消耗電極用シールドガスにおいて、上記不活性ガス中に体積比率で１５００ｐｐｍ〜４５００ｐｐｍの炭酸ガスが均一に混合されてなることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明の請求項２に係る非消耗電極用シールドガスの構成は、請求項１に記載の非消耗電極用シールドガスにおいて、請求項１に記載の非消耗電極用シールドガスにおいて、ステンレス鋼溶接時のシールドガスとして使用されることを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る非消耗電極用シールドガス（以下、シールドガスという）を説明する。
【００１０】
即ち、溶加材を使用しない形式の非消耗電極式ガスシールド溶接、つまりＴＩＧ溶接に使用するシールドガスは、不活性ガスに体積比率で１５００ｐｐｍ〜４５００ｐｐｍの微量の炭酸ガスが均一に混合されてなるものである。
【００１１】
従って、ステンレス鋼材の突き合わせ部をＴＩＧ溶接する場合には、微量の炭酸ガスが均一に混合されてなる不活性ガスがシールドガスとして供給される。溶接に際しては、このシールドガスに含まれている微量の炭酸ガスの酸素が、溶接部の必要な溶け込み深さを実現するのに使用される。つまり、アーク近傍の高温領域で微量の炭酸ガスから酸素ガスが電離し、電離した酸素ガスが表面活性化要素として表面に作用することにより、表面張力の温度係数が負から正にかわり、溶融金属の対流が変化するために深い溶け込みが得られる。そして、タングステン電極と酸素との直接反応が減少し、タングステン電極の消耗量が減少する。勿論、溶接の前後処理を必要としないので、溶接作業が向上し、溶接製品の生産性が向上する。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の実施例を、添付図面に基づいて説明する。図１は、シールドガス中の酸素ガス及び炭酸ガス濃度に対応するタングステン電極の消耗量を示すグラフ図であり、図２は、シールドガス中の酸素ガス及び炭酸ガス濃度に対応する溶接時の溶け込み深さを示すグラフ図である。また、図３は、シールドガス中の炭酸ガス濃度に対応する溶接部の溶け込み深さを模式的に示す断面図である。
【００１３】
即ち、アルゴンガスに微量の炭酸ガスを混合したシールドガスと、アルゴンガスに微量の酸素ガスを混合したシールドガスとをそれぞれ供給して、板厚１０ｍｍのステンレス鋼板（ＳＵＳ３０４）の突き合わせ部をＴＩＧ溶接により溶接して、シールドガス中の炭酸ガス濃度、酸素ガス濃度の相違によるタングステン電極の消耗量を調べた。なお、トーチの直径が３２ｍｍで、タングステン電極の先端円錐角６０度のＴＩＧ溶接装置を用いて、下記の溶接条件で溶接したものである。
溶接電流 ２００Ａ
放電ギャップ ５ｍｍ
溶接速度 ０．１２ｃｍ／ｍｉｎ
【００１４】
先ず、タングステン電極の消耗量（ｍｇ）については、図１に示すとおりである。即ち、この図１によれば、アルゴンガスに炭酸ガスを混入したシールドガス（実線と黒四角印で示している）によるタングステン電極の消耗量は、アルゴンガスに酸素ガスを混入したシールドガス（実線と黒丸印で示している）によるタングステン電極の消耗量より遥に微量であることが分かる。従って、本発明に係るシールドガスを使用すれば、タングステン電極の消耗量を、先提案例の場合よりも大幅に削減することができる。これは、溶接部の必要な溶け込み深さの確保に、炭酸ガスから電離した酸素が使用され、タングステン電極と酸素との直接反応の度合いが減少したことに起因すると理解することができる。
【００１５】
また、突き合わせ溶接部の溶け込み深さ（ｍｍ）については、図２に示すとおりである。即ち、この図２によれば、アルゴンガスに炭酸ガスを混入したシールドガス（実線と黒四角印で示している）による溶け込み深さと、アルゴンガスに酸素ガスを混入したシールドガス（実線と黒丸印で示している）による溶け込み深さとに殆ど差がなく、炭酸ガスの濃度を適切に調整することにより十分の溶け込み深さが得られることが分かる。
【００１６】
因に、この溶接試験に用いたシールドガス中の炭酸ガスの濃度は体積比率で、１０００ｐｐｍ、２０４０ｐｐｍ、２４４０ｐｐｍ、３０００ｐｐｍ、４７００ｐｐｍであり、炭酸ガスの濃度が体積比率で約２５００ｐｐｍの位置に溶け込み深さ３．５ｍｍのピークがある。このピーク位置における溶け込み深さ３．５ｍｍは、アルゴンガスに微量の酸素ガスを混入した先提案例に係るシールドガスを用いてのＴＩＧ溶接によるピーク位置（酸素ガスの濃度は体積比率で約２０００ｐｐｍである）の溶け込み深さと同等である。
【００１７】
また、図２によれば、炭酸ガスの濃度が体積比率で１５００ｐｐｍ〜４５００ｐｐｍの範囲で溶け込み深さの改善が見られ、炭酸ガスの濃度が上記範囲内であれば、酸素ガス濃度が体積比率で０ｐｐｍの場合の３０％以上の溶け込み深さの改善が期待できる。因に、炭酸ガスの濃度が体積比率で２０４０ｐｐｍ、２４４０ｐｐｍ、３０００ｐｐｍのシールドガスを用いて溶接した場合の溶け込み深さを、純アルゴンをシールドガスとして用いて溶接した場合の溶け込み深さと比較して模式的に示すと、図３のとおりである。この図３（図３においては、炭酸ガスの濃度が体積比率で２０４０ｐｐｍの場合をＣＯ２−０．２０４％、体積比率で２４４０ｐｐｍの場合をＣＯ２−０．２４４％、体積比率で３０００ｐｐｍの場合をＣＯ２−０．３００％と表示している）によれば、炭酸ガスを混合したシールドガスを用いて溶接した場合の溶け込み深さは、純アルゴンをシールドガスとして用いて溶接した場合の溶け込み深さよりも深く極めて優れていることが分かる。なお、本発明のように、アルゴンガスに炭酸ガスを混合した混合ガスをシールドガスとして用いる場合には、溶接表面にスラグは発生するようなことがない。
【００１８】
以上では、アルゴンガスに炭酸ガスを混合したシールドガスの場合を例として説明したが、ベースとなるガスはヘリウムガスやアルゴン−ヘリウム混合ガス等のＴＩＧ溶接のシールドガスとして使用される不活性ガスであればよいので、アルゴンガスに限定されるものではない。また、以上では、溶接対象がステンレス鋼である場合を例として説明したが、アルミニウムを始めとする軽金属等、通常のＴＩＧ溶接の対象となる素材に対して適用することができる。
【００１９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の請求項１または２に係る非消耗電極用シールドガスによれば、溶接に際しては、シールドガスに含まれている微量の炭酸ガスの酸素が溶接部の必要な溶け込み深さを実現するのに使用される。つまり、アーク近傍の高温領域で微量の炭酸ガスから酸素ガスが電離し、電離した酸素ガスが表面活性化要素として表面に作用することにより、表面張力の温度係数が負から正にかわり、溶融金属の対流が変化するために深い溶け込みを得ることができる。そして、非消耗電極と酸素との直接反応が減少し、非消耗電極の消耗量が減少する。勿論、溶接の前後処理を必要としないので、溶接作業が向上し、溶接製品の生産性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 シールドガス中の酸素ガス及び炭酸ガス濃度に対応するタングステン電極の消耗量を示すグラフ図である。
【図２】 シールドガス中の酸素ガス及び炭酸ガス濃度に対応する溶接時の溶け込み深さを示すグラフ図である。
【図３】 シールドガス中の炭酸ガス濃度に対応する溶接部の溶け込み深さを模式的に示す断面図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a non-consumable electrode shield gas used when welding a material to be welded with a non-consumable electrode such as tungsten, and more particularly to a non-consumable electrode shield gas capable of suppressing consumption of the non-consumable electrode. About.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, stainless steel is welded by so-called TIG (tungsten inert gas) welding using a non-consumable electrode such as tungsten and a shield gas that shields the non-consumable electrode and the weld from the atmosphere. In this TIG welding, it is difficult to obtain deep penetration, and a flux agent is previously applied along the weld line, so that slag remains on the bead surface.
[0003]
Therefore, the applicant of the present application is able to ensure deep penetration in Japanese Patent Application No. 2001-206167 (hereinafter referred to as the previously proposed example) and butt-weld stainless steel materials without using a filler material. We proposed a technique that eliminates the need for slag removal from the bead surface as a post-treatment.
[0004]
The above-mentioned proposal example is a non-consumable electrode type gas shield welding method that does not use a filler metal, and a non-consumable electrode shield is mixed with a mixed gas in which a small amount of oxygen gas is uniformly mixed with an inert gas such as argon or helium. It is intended to be used as a gas.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
According to the technique according to the above-mentioned prior proposal example, a deep penetration amount can be ensured and no pre- and post-treatments are required for welding, which is considered extremely useful. However, since a very small amount of oxygen is contained, there is a drawback that the consumption of electrodes such as tungsten is remarkable.
[0006]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and therefore, the object of the present invention is to ensure a sufficient penetration depth, no pre- and post-treatment, and non-consumable that can reduce electrode consumption. The object is to provide an electrode shielding gas.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the configuration of the shielding gas for non-consumable electrodes according to
[0008]
The shield gas for a non-consumable electrode according to
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a non-consumable electrode shielding gas (hereinafter referred to as a shielding gas) according to an embodiment of the present invention will be described.
[0010]
That is, the non-consumable electrode type gas shield welding that does not use a filler metal, that is, the shield gas used for TIG welding, is obtained by uniformly mixing a small amount of carbon dioxide gas in a volume ratio of 1500 ppm to 4500 ppm with an inert gas. Is.
[0011]
Therefore, when TIG welding is performed on the butt portion of the stainless steel material, an inert gas in which a small amount of carbon dioxide gas is uniformly mixed is supplied as a shielding gas. During welding, a small amount of carbon dioxide oxygen contained in the shield gas is used to achieve the necessary penetration depth of the weld. In other words, oxygen gas is ionized from a small amount of carbon dioxide in the high-temperature region near the arc, and the ionized oxygen gas acts on the surface as a surface activation element, so that the temperature coefficient of surface tension changes from negative to positive, and the molten metal Deep penetration is obtained due to the change in convection. The direct reaction between the tungsten electrode and oxygen is reduced, and the consumption of the tungsten electrode is reduced. Of course, since welding pre- and post-treatments are not required, the welding operation is improved and the productivity of the welded product is improved.
[0012]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a graph showing consumption of the tungsten electrode corresponding to the oxygen gas and carbon dioxide gas concentrations in the shield gas, and FIG. 2 is a penetration during welding corresponding to the oxygen gas and carbon dioxide gas concentrations in the shield gas. It is a graph which shows depth. Moreover, FIG. 3 is sectional drawing which shows typically the penetration depth of the welding part corresponding to the carbon dioxide gas density | concentration in shield gas.
[0013]
That is, a shield gas in which a small amount of carbon dioxide gas is mixed with argon gas and a shield gas in which a small amount of oxygen gas is mixed with argon gas are supplied, respectively, and a butt portion of a stainless steel plate (SUS304) having a thickness of 10 mm is TIG welded. The amount of consumption of the tungsten electrode due to the difference in carbon dioxide gas concentration and oxygen gas concentration in the shield gas was examined. In addition, it welded on the following welding conditions using the TIG welding apparatus whose diameter of a torch is 32 mm, and the tip cone angle of a tungsten electrode is 60 degree | times.
Welding current 200A
Discharge gap 5mm
Welding speed 0.12cm / min
[0014]
First, the consumption amount (mg) of the tungsten electrode is as shown in FIG. That is, according to FIG. 1, the consumption amount of the tungsten electrode by the shielding gas (indicated by the solid line and the black square mark) in which carbon dioxide gas is mixed in argon gas is the same as that in the shielding gas (solid line in which oxygen gas is mixed in argon gas). It can be seen that the amount is much smaller than the consumption of the tungsten electrode due to the black circles). Therefore, if the shielding gas according to the present invention is used, the consumption amount of the tungsten electrode can be significantly reduced as compared with the case of the previously proposed example. This can be understood to be due to the fact that oxygen ionized from carbon dioxide gas was used to secure the necessary penetration depth of the weld and the degree of direct reaction between the tungsten electrode and oxygen was reduced.
[0015]
Moreover, about the penetration depth (mm) of a butt-welding part, it is as showing in FIG. That is, according to FIG. 2, the penetration depth by the shielding gas (indicated by solid lines and black squares) in which carbon dioxide gas is mixed into argon gas, and the shielding gas (indicated by solid lines and black circles) in which oxygen gas is mixed into argon gas. It is understood that a sufficient penetration depth can be obtained by appropriately adjusting the concentration of carbon dioxide gas.
[0016]
Incidentally, the concentration of carbon dioxide in the shielding gas used in this welding test is 1000 ppm, 2040 ppm, 2440 ppm, 3000 ppm, 4700 ppm in volume ratio , and the carbon dioxide concentration is dissolved at a depth of about 2500 ppm in volume ratio. There is a peak of 3.5 mm. The penetration depth of 3.5 mm at this peak position is the peak position by the TIG welding using the shielding gas according to the previously proposed example in which a trace amount of oxygen gas is mixed in argon gas (the concentration of oxygen gas is about 2000 ppm by volume ratio). Equivalent to the depth of penetration).
[0017]
Further, according to FIG. 2, the improvement of the penetration depth is seen when the concentration of carbon dioxide is in the range of 1500 ppm to 4500 ppm by volume ratio. If the concentration of carbon dioxide is within the above range, the oxygen gas concentration is in volume ratio. An improvement in penetration depth of 30% or more in the case of 0 ppm can be expected. For example, the penetration depth when welding using a shielding gas with a carbon dioxide concentration of 2040 ppm, 2440 ppm, and 3000 ppm in volume ratio is compared with the penetration depth when welding using pure argon as the shielding gas. Specifically, it is as shown in FIG. In FIG 3 (FIG. 3, the CO 2 -0.204% when the concentration of carbon dioxide of 2040ppm in volume ratio, CO 2 -0.244% in the case of 2440ppm in volume ratio, the case of 3000ppm in volume ratio Is expressed as CO 2 -0.300%), the penetration depth when welding using a shielding gas mixed with carbon dioxide gas is the penetration depth when welding using pure argon as the shielding gas. It can be seen that it is deeper and deeper than depth. In addition, when using the mixed gas which mixed carbon dioxide gas in argon gas as shielding gas like this invention, slag does not generate | occur | produce on the welding surface.
[0018]
In the above description, the shielding gas in which carbon dioxide gas is mixed with argon gas has been described as an example. However, the base gas is an inert gas used as a shielding gas for TIG welding such as helium gas or argon-helium mixed gas. Since it is sufficient, it is not limited to argon gas. In the above description, the case where the welding target is stainless steel has been described as an example. However, the present invention can be applied to a material to be subjected to normal TIG welding, such as a light metal such as aluminum.
[0019]
【The invention's effect】
As described above, according to the shield gas for a non-consumable electrode according to
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing a consumption amount of a tungsten electrode corresponding to oxygen gas and carbon dioxide gas concentrations in a shield gas.
FIG. 2 is a graph showing the penetration depth at the time of welding corresponding to the oxygen gas and carbon dioxide concentrations in the shield gas.
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a penetration depth of a weld corresponding to a carbon dioxide gas concentration in a shielding gas.
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