JP5134325B2

JP5134325B2 - ２電極アーク溶接方法

Info

Publication number: JP5134325B2
Application number: JP2007247074A
Authority: JP
Inventors: 智之上山; 登史男大縄
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 2007-09-25
Filing date: 2007-09-25
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2027-09-25
Also published as: JP2009078274A; CN101396756A

Description

本発明は、消耗電極および非消耗電極を有する溶接トーチを用いて、消耗電極アークおよび非消耗電極アークを発生させる、２電極アーク溶接方法に関する。

消耗電極としてワイヤを送給しながら消耗電極アークを発生させることと、たとえばＡｒなどのプラズマガスを用いて消耗電極アークを囲う非消耗電極アークを発生させることと、を同時に行う２電極アーク溶接が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。消耗電極アークおよび非消耗電極アークの双方から溶接母材に対して熱を与えるとともに溶融したワイヤを供給するこの手法は、比較的速い溶接速度で溶接する、高効率溶接に適している。特許文献１に記載の構成においては、上記消耗電極アークを空気から遮蔽するとともに、上記非消耗電極アークを発生させることを目的として、上記消耗電極アークを囲うようにプラズマガスが供給される。また、上記非消耗電極アークを囲うようにシールドガスが供給される。これらのプラズマガスおよびシールドガスとしては、一般的にＡｒなどの不活性ガスが用いられる。

たとえば低温物質である液化天然ガス（以下、ＬＮＧ）を貯蔵するＬＮＧタンクは、高い低温靭性が求められる。低温靭性とは、常温を大きく下回るような低温下において、ある部材が衝撃を受けたときの破断しにくさ、あるいは粘り強さをいう。このため、ＬＮＧタンクを建造する際に鋼板の接合手段として溶接を用いる場合、その溶接部に対しても高い低温靭性が要求される。溶接部の低温靭性を高めるには、溶接時に溶解した酸素が溶接部に残存する量（溶存酸素量）が低いほど好ましい。しかしながら、溶接過程において母材の一部が溶融状態となった溶融池においては、高温である溶融金属に上記プラズマガスまたはシールドガスによって巻き込まれた酸素が溶解しやすい。このため、上記プラズマガスおよびシールドガスとしてＡｒなどの不活性ガスを用いたとしても、溶接部の溶存酸素量は７０ｐｐｍを上回ることがほとんどであり、たとえばＬＮＧタンクの接合部としては十分ではなかった。

特開昭６３−１６８２８３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、溶接部の溶存酸素量を低減することが可能な２電極アーク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２電極アーク溶接方法は、溶接対象物に対して送給される消耗電極とこの消耗電極を囲うように同心状に配置された非消耗電極とを備えた溶接トーチを用い、上記消耗電極と溶接対象物との間に消耗電極アークを発生させ、かつ上記非消耗電極と溶接対象物との間に非消耗電極アークを発生させるとともに、上記消耗電極アークを直接囲うように第１ガスを供給し、かつ上記第１ガスに対して同心軸外側に第２ガスを供給する、２電極アーク溶接方法であって、上記溶接トーチは、上記非消耗電極を囲うように同心軸上に配置されており、直接水冷されたプラズマノズルと、上記プラズマノズルを囲うように同心軸上に配置されたシールドガスノズルと、を備えており、上記第１ガスは、上記消耗電極と上記非消耗電極との間から供給される不活性ガスであり、上記第２ガスは、上記プラズマノズルと上記シールドガスノズルとの間から供給される不活性ガスと還元性ガスとの混合ガスであり、上記非消耗電極と上記プラズマノズルとの間からプラズマガスとしての不活性ガスを供給することを特徴としている。

このような構成によれば、上記消耗電極アークおよび上記非消耗電極アークによって形成された溶融池に、上記第２ガスが吹き付けられる。高温の溶融金属からなる溶融池は、酸素が溶解する割合が大きい。しかし、上記第２ガスに含まれる還元性ガスの還元作用によって、溶融池に溶解した酸素を適切に除去することが可能である。したがって、溶接部の溶存酸素量を低減することが可能であり、溶接部の低温靭性を高めることができる。

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２電極アーク溶接方法に用いられる溶接装置の一例を示している。本実施形態の溶接装置Ａは、溶接トーチＢ、ＧＭＡアーク溶接電源（消耗電極アーク溶接電源）ＰＳＭ、およびプラズマアーク溶接電源（非消耗電極アーク溶接電源）ＰＳＰを備えている。溶接トーチＢは、シールドガスノズル４内に、プラズマノズル３、プラズマ電極（非消耗電極）２、およびコンタクトチップ１が同心軸上に配置された構造とされている。

プラズマ電極２とコンタクトチップ１との間には、たとえばＡｒなどのセンターガス（第１ガス）Ｇｃが供給される。プラズマノズル３とプラズマ電極２との間には、プラズマガスＧｐが供給される。シールドガスノズル４とプラズマノズル３との隙間からは、シールドガス（第２ガス）Ｇｓが供給される。本実施形態においては、センターガスＧｃおよびプラズマガスＧｐとして、Ａｒなどの不活性ガスが供給される。一方、シールドガスＧｓとしては、Ａｒなどの不活性ガスにＨ₂またはＣＨ₄（メタン）などの還元性ガスが３％程度混入された混合ガスが供給される。

コンタクトチップ１に設けられた貫通孔からは、消耗電極としてのワイヤＷが送給される。コンタクトチップ１は、ワイヤＷに対して導通している。ワイヤＷは、モータＭを駆動源とする送給ローラ５によって送給される。プラズマ電極２は、たとえばＣｕまたはＣｕ合金からなり、図外の経路を通る冷却水によって間接的に水冷されている。プラズマノズル３は、たとえばＣｕまたはＣｕ合金からなり、冷却水を通すチャネルが形成されていることにより、直接水冷されている。溶接トーチＢは、通常ロボット（図示略）によって保持された状態で、溶接母材Ｐに対して移動させられる。

ＧＭＡアーク溶接電源ＰＳＭは、コンタクトチップ１を介してワイヤＷと溶接母材Ｐとの間に、ＧＭＡアーク溶接電圧Ｖｗａを印加することにより、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｗａを流すための電源である。ＧＭＡアーク溶接電源ＰＳＭには、電圧設定回路ＶＲから電圧設定信号Ｖｒｍが送られる。ＧＭＡアーク溶接電源ＰＳＭからは、モータＭに対して送給制御信号Ｆｃが送られる。ＧＭＡアーク溶接電源ＰＳＭからＧＭＡアーク溶接電圧Ｖｗａが印加されるときは、ワイヤＷが＋側とされる。

プラズマアーク溶接電源ＰＳＰは、プラズマ電極２と溶接母材Ｐとの間にプラズマアーク溶接電圧Ｖｗｂを印加することによりプラズマアーク溶接電流Ｉｗｂを流すための電源である。プラズマアーク溶接電源ＰＳＰには、電圧設定回路ＶＲから電圧設定信号Ｖｒｐが送られる。プラズマアーク溶接電源ＰＳＰからプラズマアーク溶接電圧Ｖｗｂが印加されるときは、プラズマ電極２が＋側とされる。

次に、本実施形態の２電極アーク溶接方法の作用について説明する。

図２に示すように、溶融池Ｍｐは、ＧＭＡアーク６ａおよびプラズマアーク６ｂからの入熱によって溶融した溶接母材Ｐの一部、さらに溶融したワイヤＷが溜まっている部分である。このような溶融池Ｍｐにおいては、センターガスＧｃ、プラズマガスＧｐ、およびシールドガスＧｓによって巻き込まれた酸素が高温の溶融金属に溶け込みやすい状態となっている。このため、溶融池Ｍｐのうち比較的濃色とした部分は、多くの酸素が溶解している部分となっている。

しかし、本実施形態においては、シールドガスＧｓに還元性ガスであるＨ₂またはＣＨ₄が含まれている。これらのＨ₂またはＣＨ₄が溶融池Ｍｐに吹き付けられると、溶融金属が還元されることとなり、溶解した酸素が除去される。これにより、溶融池Ｍｐのうち比較的淡色とした部分は、溶解した酸素の量が顕著に小となる。この結果、溶融池Ｍｐが凝固することによって形成される溶接ビードＷｐの溶存酸素量をたとえば５０ｐｐｍ程度に低減することが可能である。したがって、溶接ビードＷｐの低温靭性を高めることが可能であり、たとえばＬＮＧタンクの建造に用いるのに適している。

シールドガスＧｓに還元性ガスを混入させると、いわゆるクリーニング効果が増幅され、溶接箇所から酸化膜が除去されやすい。このような場合、ＧＭＡアーク６ａおよびプラズマアーク６ｂが不安定となりやすく、プラズマアーク６ｂが広がってしまうおそれがある。しかしながら、図１に示すように、プラズマガスＧｐは、プラズマノズル３によってその噴出方向が規定されている。プラズマノズル３は、水冷構造とされているため、プラズマガスＧｐを絞り、プラズマアーク６ｂを緊縮させる効果を発揮する。これにより、ＧＭＡアーク６ａを安定させることが可能である。したがって、溶接ビードＷｐの幅方向断面形状を中心付近が急峻に深くなったバランスのよい形状としつつ、溶接ビードＷｐが溶接方向に対して不当にふらつくことを防止することができる。

本発明に係る２電極アーク溶接方法は、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２電極アーク溶接方法の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

シールドガスＧｓのみに還元性ガスを混入させる構成に限定されず、シールドガスＧｓおよびプラズマガスＧｐに還元性ガスを混入させる構成であってもよい。センターガスＧｃ、プラズマガスＧｐ、およびシールドガスＧｓを供給することは、溶接ビードＷｐの外観を良好とするのに好ましいが、本発明はこれに限定されず、たとえば不活性ガスのみからなるセンターガスＧｃと還元性ガスを混入させたシールドガスＧｓのみを供給する構成であってもよい。Ｈ₂およびＣＨ₄は、還元性ガスの一例である。本発明でいう還元性ガスとしては、溶融池Ｍｐに溶解した酸素を還元作用によって適切に低減することが可能なガスを用いればよい。

本発明に係る２電極アーク溶接方法に用いられる溶接装置の一例を示すシステム構成図である。本発明に係る２電極アーク溶接方法の一例を示す模式図である。

符号の説明

Ａ溶接装置
Ｂ溶接トーチ
Ｇｃセンターガス（第１ガス）
Ｇｐプラズマガス
Ｇｓシールドガス（第２ガス）
ＩｗａＧＭＡアーク溶接電流
Ｉｗｂプラズマアーク溶接電流
Ｐ溶接母材
ＰＳＭＧＭＡアーク溶接電源
ＰＳＰプラズマアーク溶接電源
ＶＲ電圧設定回路
Ｖｒｍ，Ｖｒｐ電圧設定信号
ＶｗａＧＭＡアーク溶接電圧
Ｖｗｂプラズマアーク溶接電圧
Ｗワイヤ（消耗電極）
１コンタクトチップ
２プラズマ電極（非消耗電極）
３プラズマノズル
４シールドガスノズル
５送給ローラ
６ａＧＭＡアーク（消耗電極アーク）
６ｂプラズマアーク（非消耗電極アーク）

Claims

溶接対象物に対して送給される消耗電極とこの消耗電極を囲うように同心状に配置された非消耗電極とを備えた溶接トーチを用い、
上記消耗電極と溶接対象物との間に消耗電極アークを発生させ、かつ上記非消耗電極と溶接対象物との間に非消耗電極アークを発生させるとともに、
上記消耗電極アークを直接囲うように第１ガスを供給し、かつ上記第１ガスに対して同心軸外側に第２ガスを供給する、２電極アーク溶接方法であって、
上記溶接トーチは、上記非消耗電極を囲うように同心軸上に配置されており、直接水冷されたプラズマノズルと、上記プラズマノズルを囲うように同心軸上に配置されたシールドガスノズルと、を備えており、
上記第１ガスは、上記消耗電極と上記非消耗電極との間から供給される不活性ガスであり、
上記第２ガスは、上記プラズマノズルと上記シールドガスノズルとの間から供給される不活性ガスと還元性ガスとの混合ガスであり、
上記非消耗電極と上記プラズマノズルとの間からプラズマガスとしての不活性ガスを供給することを特徴とする、２電極アーク溶接方法。