JP4894145B2 - 高純度不活性ガス雰囲気下で用いられる消耗電極式溶接用ワイヤを用いた溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、高純度不活性ガス雰囲気下で用いられる消耗電極式溶接用ワイヤを用いて普通鋼用または低合金鋼を溶接する方法に関する。

ＴＩＧ溶接（非消耗電極式溶接）は、ＡｒやＨｅなどの不活性ガス雰囲気中でタングステン電極を用いて行う溶接である。ＴＩＧ溶接では、アークは安定しているため、高品質な溶接継手が得られる。Ａｌ、Ｔｉ、高合金鋼などの溶接には、酸化や溶接欠陥を抑えるために高純度不活性ガス中でＴＩＧ溶接が行われる。

しかし、ＴＩＧ溶接では、タングステン電極の消耗を抑えるために電流範囲が限られ、また、溶加材の低い溶融速度のために高能率溶接が難しい。

これに対し、消耗電極式溶接は、大電流、高ワイヤ溶融速度での溶接が可能であり、高能率な溶接を実現する（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００４−４２１２１号公報

その一方で、消耗電極式溶接では、従来、不活性シールドガスに酸素またはＣＯ_２などの酸化性ガスを混合するので、溶接金属に酸素などが入り、溶接割れが生じ、高品質な溶接継手が得られないことが多く、低合金高強度鋼や高合金鋼などの溶接は困難となっている。

消耗電極式溶接において、ＴＩＧ溶接なみの溶接金属性能を確保するためには、高純度不活性ガス中（１００％Ａｒガスまたは１００％Ｈｅガス）での溶接が必要である。溶接金属の性能としては、靱性、延性などが挙げられ、一般的にその向上には溶接金属中の酸素量を下げることが有効である。

このように酸素や酸化性ガスを含まない高純度不活性ガス中で消耗電極式溶接を行う場合、大電流化すると、溶接ワイヤのアーク発生端に長く伸びた溶融柱が存在するスプレー移行と呼ばれる溶滴移行形態を示すようになる。スプレー移行になると、アークおよび溶融柱が不安定になり、短絡が生じるなどしてブローホール発生の原因となることが多い。

図１０は、１００％Ａｒガス雰囲気における溶接ワイヤの溶融端とアークを観察した図である。長く伸びた溶融柱の不安定な挙動に連動して極点やアークが前後左右に不安定に動いている。その結果、溶接トーチが一直線上に動いても、溶接ビードは、図１１に示したように、大きく蛇行する。

一方、小電流時にはグロビュール移行と呼ばれる溶滴移行形態となる。このとき、溶接ワイヤのアーク発生端に溶接ワイヤの径以上に成長した大きな溶滴が形成され、図１２に示したように、溶接ワイヤ端で溶融部がふらついたり、溶滴の離脱が不安定であったり、溶滴が溶融池へ移行するときにスパッタが発生したりする。これらの現象のために、溶接欠陥が生じ、また、溶接施工性が劣るなどの原因となることが多い。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、溶融挙動が制御され、アークが純不活性ガス中において安定であり、高品質な継手を得ることのできる溶接ワイヤを提供することを課題としている。

本発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、融点分布が径方向に異なる、または、熱伝導度、比熱、電気抵抗または密度の少なくともいずれか一つにより溶接時の溶接ワイヤの内部に径方向に不均一な温度分布が形成された消耗電極式溶接用ワイヤを用いた溶接方法であって、高純度不活性ガス雰囲気下で普通鋼及び低合金鋼を溶接することを特徴としている。

第１の発明によれば、溶融挙動が制御され、アークは純不活性ガス中において安定となる。短絡などによるスパッタ、溶接欠陥、溶接ビードの蛇行、溶接割れなどを防ぐことができ、高品質な継手を得ることができる。

高純度不活性ガス雰囲気中で長く伸びる溶融柱を防ぐための方策として、たとえば、消耗電極式溶接用ワイヤの外周部の融点を高くし、消耗電極式溶接用ワイヤの中心部の融点を低くすることができる。この場合、消耗電極式溶接用ワイヤの外周部の溶融が遅れ、溶接ワイヤの中心部の溶融が促進される。その結果、消耗電極式溶接用ワイヤのアーク発生端に生じる溶融柱は短くなる。スプレー移行が抑えられ、アークのふらつきがなくなり、アークは安定化する。ビードの蛇行現象が解消され、また、短絡なども生じなくなり、溶接欠陥が防止される。

また、高純度不活性ガス雰囲気中で、長く伸びる溶融柱の不安定挙動を防ぐ方策として、たとえば、消耗電極式溶接用ワイヤの外周部の融点を低くし、溶接ワイヤの中心部の融点を高くすることができる。この場合、消耗電極式溶接用ワイヤの中心部の溶融が外周部よりも遅れることになる。このため、従来の溶融柱の中心部に未溶融の芯が形成され、液柱が不安定となるモードの発生が抑制され、不安定なアークが解消される。

さらに、高純度不活性ガス雰囲気中の小電流域におけるグロビュール移行時の消耗電極式溶接用ワイヤ端の溶融部の不安定な挙動を防ぐための方策として、たとえば、消耗電極式溶接用ワイヤの外周部の融点を低くし、中心部の融点を高くすることができる。この場合、高純度不活性ガス雰囲気中で、消耗電極式溶接用ワイヤの先端部において中心部が突出し、ここを芯として擬似的にスプレー移行を起こる。溶滴の移行が安定化し、溶滴の寸法が小さくなって、溶接ワイヤ端の溶融部の不安定な挙動が安定化する。

このような高純度不活性ガス雰囲気中での、消耗電極式溶接用ワイヤ端の溶融部の挙動安定化は、アーク溶接やレーザ溶接での溶加材についても同様に活用することができる。

なお、高純度不活性ガス雰囲気中での、溶滴移行および溶滴形状の制御は、消耗電極式溶接用ワイヤの融点分布を制御することに限られず、熱伝導度、比熱、電気抵抗、密度などの材料物性・特性を制御することによっても可能である。高純度不活性ガス雰囲気中で使用する消耗電極式溶接用ワイヤを中心部に向かって融点を低くする場合に得られる上記効果は、熱伝導度、比熱、電気抵抗または密度のいずれか一つにより溶接時に消耗電極式溶接用ワイヤの中心部に向かって温度が高くなるようにすることによっても得られる。また、高純度不活性ガス雰囲気中で使用する消耗電極式溶接用ワイヤを中心部に向かって融点を高くする場合に得られる上記効果は、熱伝導度、比熱、電気抵抗または密度のいずれか一つにより溶接時に消耗電極式溶接用ワイヤの中心部に向かって温度が低くなるようにすることによっても得られる。より具体的には、高純度不活性ガス雰囲気中で使用する時に、融点分布の制御および溶接時の消耗電極式溶接用ワイヤの温度分布の制御は、消耗電極式溶接用ワイヤの組成を変えることにより得られ、たとえば、径方向に組成の異なる材料を同心円状に配置することが例示される。

高純度不活性ガス雰囲気中で使用する消耗電極式溶接用ワイヤの組成が外周部と中心部で異なるように設計し、外周部の融点を約１５００℃ 、中心部の融点を約１４００℃となるようにした。具体的には、外周部に軟鋼を、中心部にインコネルを用いた。図１は、高純度不活性ガス雰囲気中で使用する消耗電極式溶接用ワイヤの構成とともに、組成と融点を対比して示した図である。表１は、材料Ａ（軟鋼）および材料Ｂ（インコネル）の組成を示している。

溶接状態を図２に示す。

高純度不活性ガス雰囲気中で使用する時であっても消耗電極式溶接用ワイヤの先端の溶融柱は、図１０に示したスプレー移行のようには長く伸びない。また、消耗電極式溶接用ワイヤの先端で形成される溶滴は安定に先端から離脱している。さらに、アークは、ほぼ同じ位置にとどまっていて安定している。高純度不活性ガス雰囲気中で使用する時には消耗電極式溶接用ワイヤの組成を径方向に変化させることによるアークの安定化という効果が大きいことが分かる。

溶接ビードは、図３に示したとおりであり、蛇行現象は全く認められなかった。図１１に示した溶接ビードと比較すると、従来の溶接ワイヤを用いた場合には、溶込みが不安定であり、溶込み形状が左右対称となっていない。これに対し、図３に示した溶接ビードでは、フィンガー状の溶込みが大きく緩和されている。このことからも、従来長く伸びていた溶融柱が緩和されたことが分かる。

なお、溶接金属の酸素濃度は、２０ｐｐｍであり、ＴＩＧ溶接と同レベルであった。

高純度不活性ガス雰囲気中で使用する消耗電極式溶接用ワイヤの中心部と外周部で融点差が大きくなるように材料を設計した。図４および表２に示したように、中心部をハステロイＣ（融点１２９０℃）、外周部をＳＵＳ４１０（ 融点１５０７℃）とした。

高純度不活性ガス雰囲気中で使用する時であっても長く伸びていた溶融柱を緩和することができた。また、上記材料の組合せにより、溶接後の溶接金属のｓ点を室温付近にすることができた。さらに、高純度Ａｒガス中で溶接を行うことにより、溶接金属中の酸素量が抑えられ、靱性、延性の良好な溶接継手を得ることができた。

高純度不活性ガス雰囲気中で使用する低合金組成の消耗電極式溶接用ワイヤでも溶融制御は可能である。図５および表３に示したように、消耗電極式溶接用ワイヤの外周部を軟鋼（融点１５２０℃）とし、中心部の融点を外周部の融点よりも約１００℃低くなるように材料設計した。

長く伸びていた溶融柱を緩和することができた。

高純度不活性ガス雰囲気中で使用する消耗電極式溶接用ワイヤの外周部の融点が約１４００℃、中心部の融点が約１５００℃となるように材料設計した。具体的には、外周部をインコネル、中心部を鋼とした高純度不活性ガス雰囲気中で使用する消耗電極式溶接用ワイヤを試作した。

溶接状態を観察した結果を図６に示した。高純度不活性ガス雰囲気中であっても溶融柱が長く伸びたスプレー移行状の溶滴移行形態ではあるが、溶滴の中心部に鋼が残っているので、溶滴はふらつくことなく、図７に示したような安定なビードが形成された。溶込み形状が左右対称となり、フィンガー状の溶込みが中心部に形成されている。

溶接終了後の消耗電極式溶接用ワイヤの断面を図８に示した。小電流域のＭＡＧ溶接では消耗電極式溶接用ワイヤ径以上の溶滴が生じるグロビュール移行となるが、消耗電極式溶接用ワイヤの中心部に鋼が残っている。溶接中もこのように鋼が中心部に残るので、溶滴はふらつくことなく安定する。また、大きな溶滴の形成が抑えられる。しかも、溶滴の離脱時間は、従来の溶接ワイヤの１／２であり、溶滴離脱が安定化した。

高純度不活性ガス雰囲気中で使用する低合金系の消耗電極式溶接用ワイヤを試作した。その構成および組成を図９および表４に示した。

外周部の融点を中心部より約１００℃下げた材料設計を行った。

グロビュール移行での溶滴の大きさを抑えた溶接が可能となった。

実施例１の高純度不活性ガス雰囲気中で使用する消耗電極式溶接用ワイヤを、その構成とともに、組成と融点を対比して示した図である。 実施例１の高純度不活性ガス雰囲気中で使用する消耗電極式溶接用ワイヤの溶接状態を示した図である。 実施例１の高純度不活性ガス雰囲気中で使用する消耗電極式溶接用ワイヤを用いて形成された溶接ビードを示した図である。 実施例２の高純度不活性ガス雰囲気中で使用する消耗電極式溶接用ワイヤを、その構成とともに、組成と融点を対比して示した図である。 実施例３の高純度不活性ガス雰囲気中で使用する消耗電極式溶接用ワイヤを、その構成とともに、組成と融点を対比して示した図である。 実施例４の高純度不活性ガス雰囲気中で使用する消耗電極式溶接用ワイヤの溶接状態を示した図である。 実施例４の高純度不活性ガス雰囲気中で使用する消耗電極式溶接用ワイヤを用いて形成された溶接ビードを示した図である。 実施例４の高純度不活性ガス雰囲気中で使用する消耗電極式溶接用ワイヤの溶接直後の断面を示した図である。 実施例５の高純度不活性ガス雰囲気中で使用する消耗電極式溶接用ワイヤを、その構成とともに、組成と融点を対比して示した図である。 従来の溶接ワイヤの溶接状態を示した図である。 従来の溶接ワイヤを用いて形成された溶接ビードを示した図である。 従来の溶接ワイヤにより生じるグロビュール移行時における溶接ワイヤ先端の溶融部の挙動を示した図である。

Claims (1)

1. 融点分布が径方向に異なる、または、熱伝導度、比熱、電気抵抗または密度の少なくともいずれか一つにより溶接時の溶接ワイヤの内部に径方向に不均一な温度分布が形成される普通鋼用または低合金鋼用の消耗電極式溶接用ワイヤを用いて普通鋼用または低合金鋼を溶接する方法であって、高純度不活性ガス雰囲気下で溶接することを特徴とする消耗電極式溶接用ワイヤを用いて普通鋼及び低合金鋼を溶接する方法。