JP5099775B2 - 交流プラズマ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、特にアルミニウム板の突き合わせ溶接に適した交流プラズマ溶接方法に関する。

従来より、アルミニウム板を突き合わせた溶接母材を対象とした交流プラズマ溶接方法が提案されている。特許文献１に記載の交流プラズマ溶接方法は、非消耗電極の溶融変形や消耗を抑制することを目的として、非消耗電極に対してその先端面が長方形を形成するように加工を施し、この先端面の長辺方向が溶接方向と一致する構成とされている。この方法は、非消耗電極の先端加工が困難であったり、非消耗電極の先端の方向を溶接方向と一致させることが煩雑であったりすることなどが懸念される。

また、特許文献２には、チタンまたはチタン合金の厚板突合せ溶接を行う溶接方法が提案されている。この溶接方法においては、Ｙ字形開先の開先形状となるように溶接母材を加工した後に、底面に対する仮付け溶接、開先表面を閉じるシーリング溶接、シーリング溶接ビードにキーホールを形成するプラズマキーホール溶接、さらにフィラーワイヤを用いた多層盛り溶接を行う。このような繰り返しの溶接を行う理由は、チタンまたはチタン合金の厚板を全厚にわたって適切に溶接するためである。厚板の全厚溶接が容易でないことはアルミニウム板を対象とした溶接においても同様である。しかし、複数の溶接を行うことが溶接作業の効率を低下させることとなっていた。

特開平３−８１０７１号公報 特開２００２−２２４８３６号公報

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、アルミニウムなどからなる厚板の突き合わせ溶接において、良好な溶接ビードが得られる交流プラズマ溶接を効率よく行うことが可能な交流プラズマ溶接方法を提供することをその課題とする。

本発明によって提供される交流プラズマ溶接方法は、１対の金属板が突き合わされた溶接母材と非消耗電極との間に、上記非消耗電極が陽極となる電極プラス極性電流と上記非消耗電極が陰極となる電極マイナス極性電流とが交互に繰り返される交流アーク電流を通電するとともに、上記非消耗電極を囲うようにシールドガスを噴出させる、交流プラズマ溶接方法であって、上記電極プラス極性電流の最大絶対値は、上記電極マイナス極性電流の最大絶対値よりも大であり、上記交流アーク電流の１周期のうち、上記電極マイナス極性電流が流されている電極マイナス極性期間の時間率が８０％〜９５％であるとともに、上記電極マイナス極性電流は、上記電極マイナス極性期間よりも短い周期を有するパルス電流であることを特徴としている。

本発明の好ましい実施形態においては、上記シールドガスとして、ヘリウムガスとアルゴンガスとを含み、ヘリウムガスの比率が７０％以上である混合ガスを用いる。

本発明の好ましい実施形態においては、上記溶接母材を、鉛直方向と突き合わせ線とがなす角度が４０度以下となるように傾斜させる。

このような構成によれば、たとえば板厚が１２ｍｍ程度の比較的厚いアルミニウム板を突き合わせた上記溶接母材に対して、適度なクリーニング作用によって清浄な状態としつつ、その全厚にわたる良好な溶接ビードを形成可能である。しかも、このような深溶け込み溶接を、溶接トーチ１を１回走査させる、いわゆる１パス溶接によって達成することが可能である。したがって、良好な溶接ビードが得られる交流プラズマ溶接を効率よく行うことができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本発明に係る交流プラズマ溶接方法の一例に用いられる溶接装置を示している。図示された溶接装置Ａは、溶接トーチ１および溶接電源４を備えており、たとえばアルミニウム板が突き合わされた溶接母材Ｐに対して突き合わせ線ＷＬにそって交流プラズマ溶接を行うのに用いられる。

溶接トーチ１は、ノズル２および非消耗電極３を備えており、たとえば多関節ロボット（図示略）によって保持されている。ノズル２は、たとえば銅などの金属からなる筒状部材であり、適宜水冷構造を有する。非消耗電極３は、たとえばタングステンからなる金属棒であり、溶接母材Ｐとの間に交流アーク電圧Ｖｗを印加するための電極である。ノズル２からは、シールドガスＳＧが非消耗電極３を囲うように噴出される。シールドガスＳＧは、たとえばヘリウムとアルゴンとの混合ガスであり、本実施形態においては、ヘリウムの混合比率Ｒｈｅが７０％とされている。交流アーク電圧Ｖｗが印加されることにより、シールドガスＳＧを媒体として非消耗電極３からプラズマアークＰＡが発生する。

溶接電源４は、本発明に係る交流プラズマ溶接を実現しうる交流アーク電圧Ｖｗおよび交流アーク電流Ｉｗを発生させるものであり、電源主回路ＭＣ、ガス流量設定回路ＦＳ、およびガス流量調整器ＧＣを有している。これとは異なり、ガス流量調整器ＧＣが溶接電源４とは別の機器として構成されていてもよい。溶接電源４には２つの電極（図示略）が設けられており、その一方が非消耗電極３に、他方が溶接母材Ｐに、それぞれ導通している。

電源主回路ＭＣは、交流電源回路であり、交流アーク電圧Ｖｗおよび交流アーク電流Ｉｗの周波数や電圧値および電流値を設定し、これらを発生させる回路である。ガス流量設定回路ＦＳは、たとえば電源主回路ＭＣから送られた電流信号Ｉｄに応じてガス流量設定信号Ｆｓを送信する。ガス流量調整器ＧＣは、ガスボンベＧＢから供給されるシールドガスＳＧの流量をガス流量設定信号Ｆｓにしたがって調整するものであり、たとえば流量調整弁である。

次に、本発明に係る交流プラズマ溶接方法の一例について説明する。この交流プラズマ溶接方法においては、溶接母材Ｐを傾けた状態で溶接を行う。具体的には、突き合わせ線ＷＬと鉛直方向ＶＬとのなす角度θが４０度となるように溶接母材Ｐを傾ける。本発明が意図する効果を奏するには、角度θを４０度以下とすることが好ましい。この溶接母材Ｐに対して溶接トーチ１を鉛直方向ＶＬ下方側から上方側へと上記多関節ロボットによって移動させる。このとき、以下の要領で交流アーク電流Ｉｗを発生させるとともに、シールドガスＳＧを噴出させる。

図２は、非消耗電極３と溶接母材Ｐとを流れる交流アーク電流Ｉｗを示している。交流アーク電流Ｉｗを示す縦軸は、非消耗電極３が陽極となったときに流れる電流をプラスとしている。本図から理解されるように、交流アーク電流Ｉｗは、周期Ｔｅにおいて電極プラス極性電流Ｉｅｐと電極マイナス極性電流Ｉｅｎとを１回ずつとる、交流電流である。電極プラス極性電流Ｉｅｐは、非消耗電極３が陽極、溶接母材Ｐが陰極となった状態で流れる電流である。電極マイナス極性電流Ｉｅｎは、非消耗電極３が陰極、溶接母材Ｐが陽極となった状態で流れる電流である。本実施形態においては、周期Ｔｅは、１１ｍｓ程度とされている。周期Ｔｅは、電極プラス極性電流Ｉｅｐが流れる電極プラス極性期間Ｔｅｐと電極マイナス極性電流Ｉｅｎが流れる電極マイナス極性期間Ｔｅｎとを含む。本実施形態においては、電極プラス極性期間Ｔｅｐが１ｍｓ程度、電極マイナス極性期間Ｔｅｎが１０ｍｓ程度とされており、周期Ｔｅに対する電極マイナス極性期間Ｔｅｎの時間率が約９１％となっている。電極プラス極性電流Ｉｅｐの最大絶対値Ｉｅｐｐと電極マイナス極性電流Ｉｅｎの最大絶対値Ｉｅｎｐとでは、最大絶対値Ｉｅｐｐの方が最大絶対値Ｉｅｎｐよりも大となっている。本実施形態においては、最大絶対値Ｉｅｐｐが５００Ａ程度、最大絶対値Ｉｅｎｐが３８０Ａ程度とされている。

電極マイナス極性電流Ｉｅｎは、周期Ｔｅ２を有するパルス電流となっている。周期Ｔｅ２は、電極マイナス極性期間Ｔｅｎよりも短く、本実施形態においては、５ｍｓ程度とされている。この周期Ｔｅ２の間に、電極マイナス極性電流Ｉｅｎは、電極マイナス極性ピーク電流Ｉｎｐと電極マイナス極性ベース電流Ｉｎｂとを１回ずつとる。電極マイナス極性ピーク電流Ｉｎｐと電極マイナス極性ベース電流Ｉｎｂとは、ともにマイナスの値をとり、本実施形態においては、電極マイナス極性ピーク電流Ｉｎｐが３８０Ａ程度、電極マイナス極性ベース電流Ｉｎｂが２８０Ａ程度とされている。電極マイナス極性電流Ｉｅｎが電極マイナス極性ピーク電流Ｉｎｐおよび電極マイナス極性ベース電流Ｉｎｂをとる時間は、それぞれ１回あたり２．５ｍｓ程度である。

次に、本実施形態の交流プラズマ溶接方法の作用について説明する。

本実施形態によれば、電極マイナス極性期間ＴｅｎにプラズマアークＰＡを発生させる電極マイナス極性電流Ｉｅｎは、周期Ｔｅ２を有するパルス電流とされている。この周期Ｔｅ２は周期Ｔｅに対してさらに短いため、プラズマアークＰＡを緊縮させ、かつ突き合わせ線ＷＬへの指向性を高めることが可能である。これにより、キーホールＫＨの断面寸法が過大に大きくなることを防止し、キーホールＫＨが溶接母材Ｐを十分に貫通するように形成することができる。したがって、溶接幅が過度に広くなることを防ぎ、溶け込み深さを深くすることができる。

電極プラス極性期間Ｔｅｐにおいては、溶接母材Ｐの表面に形成された酸化膜を除去するクリーニング作用がはたらく。これにより、突き合わせ線ＷＬ近傍を溶接に適した清浄な状態とすることができる。この電極プラス極性期間Ｔｅｐが長すぎると、非消耗電極３の先端が溶融変形してしまう。本実施形態においては、電極マイナス極性期間Ｔｅｎの時間率を約９１％とすることにより、非消耗電極３が溶融変形することを抑制することができる。一方、電極マイナス極性期間Ｔｅｎの時間率が９５％以上になるとクリーニング作用が不十分となり、酸化皮膜を溶融池に巻き込んでしまい、溶接欠陥となる。したがって、このような抑制効果を得るには、電極マイナス極性期間Ｔｅｎの時間率を８０％以上９５％以下とすることが好ましい。また、電極プラス極性期間Ｔｅｐの時間率を相対的に少なくする一方で、電極プラス極性電流Ｉｅｐの最大絶対値Ｉｅｐｐは、電極マイナス極性電流Ｉｅｎの最大絶対値Ｉｅｎｐが３８０Ａ程度であるのに対し、５００Ａ程度と相当に大きな値となっている。これは、比較的短い時間率であっても所望のクリーニング作用を発揮させるのに適している。

シールドガスＳＧのヘリウムの混合比率Ｒｈｅが高くなるほど、シールドガスＳＧの電位傾度が大きくなる。この電位傾度が大きいほど、プラズマアークＰＡのエネルギーを高めることが可能であり、より深い溶け込み深さが得られる。図３は、アルミニウム板を突き合わせた溶接母材Ｐに対して混合比率Ｒｈｅを種々に変えて交流プラズマ溶接を行った実験結果を示している。図中の○印はキーホールＫＨが溶接母材Ｐを貫通するように適切に形成できたケースを示し、×印はキーホールＫＨが適切に形成できなかったケースを示す。本図から理解されるように、混合比率Ｒｈｅが７０％以上であれば、板厚ｔｈが１５ｍｍという比較的厚板の突き合わせ溶接であってもキーホールＫＨを適切に形成することが可能であった。

さらに、図１に示すように、キーホールＫＨが形成されたときに生じる溶融金属は、溶接母材Ｐの裏面に付着し、これが図４および図５に示す裏ビードＲＢを形成する。この溶接金属の付着を確実とするには、図１の角度θを４０度以下とすることが望ましい。本発明に係る交流プラズマ溶接と異なり、図６に示すように角度θを４０度よりも大とした場合、溶融金属が重力によって落下してしまい、溶接母材Ｐの裏面に付着し得ない。すなわち、図７に示すように、裏ビードＲＢを形成すべき溶融金属が不足し、裏ビードＲＢがほとんど形成されないという事態を招く。このようなことでは、たとえ溶接母材Ｐを貫通するようにキーホールＫＨを発生させても、適切な溶接は成しえない。本実施形態によれば、溶融金属の不当な落下を防止し、図４および図５に示すように良好な裏ビードＲＢを形成することができる。

以上に述べたように、本実施形態に係る交流プラズマ溶接方法によれば、板厚がたとえば１２ｍｍ程度の比較的厚いアルミニウム板を突き合わせた溶接母材Ｐに対して、適度なクリーニング作用によって清浄な状態としつつ、その全厚にわたる良好な溶接ビードを形成可能である。しかも、このような深溶け込み溶接を、溶接トーチ１を１回走査させる、いわゆる１パス溶接によって達成することが可能である。したがって、良好な溶接ビードが得られる交流プラズマ溶接を効率よく行うことができる。

本発明に係る交流プラズマ溶接方法は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る交流プラズマ溶接方法の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

本発明に係る交流プラズマ溶接方法の一例に用いる溶接装置を示すシステム構成図である。 本発明に係る交流プラズマ溶接方法の一例における交流アーク電流を示すグラフである。 ヘリウムガスの混合比率、および溶接母材の厚さとキーホール形成結果との関係を示すグラフである。 本発明に係る交流プラズマ溶接方法の一例によって溶接された溶接母材を示す裏面図である。 図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図である。 参考例の交流プラズマ溶接方法を示す要部断面図である。 参考例の交流プラズマ溶接方法によって溶接された溶接母材を示す裏面図である。

符号の説明

Ａ 溶接装置
Ｐ 溶接母材
ＷＬ 突き合わせ線
１ トーチ
２ ノズル
３ 非消耗電極
４ 溶接電源
Ｉｗ 交流アーク電流
Ｉｅｐ 電極プラス極性電流
Ｉｅｎ 電極マイナス極性電流
Ｉｅｐｐ，Ｉｅｎｐ 最大絶対値
Ｉｎｐ 電極マイナス極性ピーク電流
Ｉｎｂ 電極マイナス極性ベース電流
Ｔｅ，Ｔｅ２ 周期
ＳＧ シールドガス
ＰＡ プラズマアーク
ＭＣ 電源主回路
ＦＳ ガス流量設定回路
ＧＣ ガス流量調整器
ＧＢ ガスボンベ
Ｉｄ 電流信号
Ｆｓ ガス流量設定信号
ＫＨ キーホール
ＲＢ 裏ビード
Ｒｈｅ 混合比率
ｔｈ 厚さ

Claims (3)

1. １対の金属板が突き合わされた溶接母材と非消耗電極との間に、上記非消耗電極が陽極となる電極プラス極性電流と上記非消耗電極が陰極となる電極マイナス極性電流とが交互に繰り返される交流アーク電流を通電するとともに、上記非消耗電極を囲うようにシールドガスを噴出させる、交流プラズマ溶接方法であって、
   上記電極プラス極性電流の最大絶対値は、上記電極マイナス極性電流の最大絶対値よりも大であり、
   上記交流アーク電流の１周期のうち、上記電極マイナス極性電流が流されている電極マイナス極性期間の時間率が８０％〜９５％であるとともに、
   上記電極マイナス極性電流は、上記電極マイナス極性期間よりも短い周期を有するパルス電流であることを特徴とする、交流プラズマ溶接方法。
2. 上記シールドガスとして、ヘリウムガスとアルゴンガスとを含み、ヘリウムガスの比率が７０％以上である混合ガスを用いる、請求項１に記載の交流プラズマ溶接方法。
3. 上記溶接母材を、鉛直方向と突き合わせ線とがなす角度が４０度以下となるように傾斜させる、請求項１または２に記載の交流プラズマ溶接方法。