JP5345392B2 - タンデムガスメタルアーク溶接方法、これに用いられる溶接用トーチおよび溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、２つの電極を同時に移動させ、ワンパスあたりの溶着量を増加できるタンデムガスメタルアーク（ＧＭＡ）溶接方法、その溶接方法に用いられる溶接用トーチおよび溶接装置に関する。
本願は、２００６年８月２日に出願された特願２００６−２１１０９３号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

建機、橋梁などの厚板溶接を行う分野、自動車などの薄板溶接を行う分野等の多くの分野で低コスト化が求められており、高効率な溶接方法であるタンデムＧＭＡ溶接が普及している。
タンデムＧＭＡ溶接は、２本の電極および溶接ワイヤを用い、同時に２つのアークを出して溶接する方法である。主な長所は溶接速度を速くできる点と、１パス当たりの溶着量を増大させることが可能である点とにある。

しかし、タンデムＧＭＡ溶接は２つのアークによる引き合う力が発生するため、溶滴形状が乱れ、溶滴離脱性に劣る傾向がある。そのため、従来の１本の溶接ワイヤを用いるＧＭＡ溶接方法と比較して、スパッタが多量に発生するため、溶接ビードに付着したスパッタを除去する作業に多くの時間が必要であり、溶接コストが増大する問題がある。

特開２００３−５３５４５号公報には、銅めっきなし溶接用ソリッドワイヤを用いるタンデムＧＭＡ溶接方法が開示されている。

この先行文献によれば、銅めっきなし溶接用ソリッドワイヤと不活性ガスリッチのシールドガスとを用い、所定の溶接条件にすることにより、スパッタ発生量が少なく、溶融プールの安定性が改善され、ビード形状が良好な溶接ビードが得られると報告されている。

また、そのシールドガスとして、アルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガス（アルゴンガスの混合比率５５〜９６％）と、アルゴンガスとヘリウムガスとの混合ガスに酸素ガスまたは炭酸ガスを加えた混合ガス（アルゴンガスの混合比率５５〜９６％）が開示されている。
特開２００３−５３５４５号公報

タンデムＧＭＡ溶接においては、先行電極は母材への溶込みを深くし、後行電極は先行電極のアークで溶融しプール後方に流れてくる溶融金属をアーク圧力により抑えて溶融池形状を整える役割を有するため、先行電極と後行電極とにはそれぞれに適したシールドガス組成が存在すると考えられる。
したがって、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、先行電極と後行電極とに適した異なる組成のシールドガスを供給することにより、溶け込みを減少させることなく、溶滴移行を安定にしてスパッタを減らすことができるタンデムガスメタルアーク溶接方法、これに用いられる溶接トーチ、および溶接装置を提供することを目的とする。

この課題を解決するため、本発明は、先行電極と後行電極とを使用するタンデムガスメタルアーク溶接方法において、
先行電極に供給する先行電極用シールドガスが、アルゴンガスと炭酸ガスの二種混合ガス、またはアルゴンガスと炭酸ガスと酸素ガスの三種混合ガスであり、
後行電極に供給する後行電極用シールドガスが、アルゴンガス単体、アルゴンガスと炭酸ガスとの二種混合ガス、アルゴンガスと酸素ガスとの二種混合ガス、またはアルゴンガスと炭酸ガスと酸素ガスとの三種混合ガスであり、
後行電極用シールドガス中の炭酸ガス濃度を、先行電極用シールドガス中の炭酸ガス濃度より低くし、
上記後行電極は上記先行電極のアークで溶解しプール後方に流れてくる溶融金属をアーク圧力により抑えて溶融池形状を整えることを特徴とするタンデムガスメタルアーク溶接方法を提供する。
また、前記母材が軟鋼であることを特徴とする、上記のタンデムガスメタルアーク溶接方法を提供する。

上記タンデムガスメタルアーク溶接方法においては、前記先行電極用シールドガス中の炭酸ガス濃度が５ｖｏｌ．％以上４０ｖｏｌ．％未満であり、前記先行電極用シールドガス中の酸素ガス濃度が０以上１０ｖｏｌ．％以下であることが好ましい。
酸素ガスは、炭酸ガスのような溶け込みを深くする効果はないが、少量の添加では溶接品質およびスパッタ発生量への悪影響が少ないことから、先行電極用および後行電極用シールドガスへの添加することを妨げない。ただし添加量が多すぎると、スパッタの発生が増加するとともに、溶滴金属の凝固後に酸化物がスラグとしてビード表面に付着する。
したがって、先行電極のシールドガス中の酸素ガスの濃度は、０ｖｏｌ．％以上１０ｖｏｌ．％以下が好ましく、５ｖｏｌ．％以下がより好ましい。
なお、先行電極用シールドガスにおける酸素濃度が低いほど、ビード表面のスラグが減少し、また溶接金属中に含まれる固溶酸素量が低下し、靱性が向上するため好ましい。
また、先行電極用シールドガス中の炭酸ガスの濃度が４０ｖｏｌ．％以上になると、ワイヤ先端の溶滴に作用する反力が溶滴にかかる重力に対して過大となり、溶滴がワイヤ先端から離脱し難くなり、ワイヤ先端で溶滴が肥大化して溶融プールと接触してスパッタが増加する。これは、先行電極用シールドガス中の炭酸ガスの濃度が高く、電流電圧を調整しても溶滴がスプレー移行せずに短絡移行が混在した溶滴移行となったためであると考える。

上記タンデムガスメタルアーク溶接方法においては、前記先行電極用シールドガス中の炭酸ガス濃度と、前記後行電極用シールドガス中の炭酸ガス濃度との差が３％以上であり、前記後行電極用シールドガス中の酸素ガスの濃度が０ｖｏｌ．％以上１０ｖｏｌ．％以下であることが好ましく、０ｖｏｌ．％以上５ｖｏｌ．％以下がより好ましい。
なお、先行電極用シールドガスにおける効果と同様に、後行電極用シールドガスにおける酸素濃度が低いほど、ビード表面のスラグが減少し、また溶接金属中に含まれる固溶酸素量が低下し、靱性が向上するため好ましい。

上記タンデムガスメタルアーク溶接方法においては、溶接進行方向の反転に合わせて、先行電極となる電極に前記先行電極用シールドガスを供給し、後行電極となる電極に前記後行電極用シールドガスを供給するようにガス切替を行うことが好ましい。

本発明は、上記目的を達するために、上記タンデムガスメタルアーク溶接方法に用いる溶接トーチであり、トーチがノズルの内部に複数の電極を具備し、さらに先行電極用シールドガスと後行電極用シールドガスとの混合を防止する仕切りを具備することを特徴とするタンデムガスメタルアーク溶接用トーチを提供する。

さらに、本発明は上記タンデムガスメタルアーク溶接方法に用いる溶接トーチであり、溶接進行方向の後方に、溶融池をシールドするための保護カバーを設けたことを特徴とするタンデムガスメタルアーク溶接用トーチを提供する。
上記タンデムガスメタルアーク溶接用トーチにおいては、前記保護カバーがシールドガスノズルを具備することが好ましい。

さらに本発明は、上記目的を達するために、先行電極と後行電極とを有する溶接トーチと、それぞれの電極にシールドガスを供給するシールドガス供給源とを備えたタンデムガスメタルアーク溶接装置において、
上記先行電極に供給するシールドガスと、上記後行電極に供給するシールドガスとを切替える装置を備えたことを特徴とするタンデムガスメタルアーク溶接装置を提供する。

本発明のタンデムガスメタルアーク溶接方法にあっては、タンデムＧＭＡ溶接方法において、先行電極と後行電極とにそれぞれ適切なシールドガスを用いることにより、溶け込みを減少させることなく、溶接中に発生するスパッタを低減させることが可能である。これにより、スパッタ除去作業を軽減でき、溶接工程におけるコストを削減することができる。

特に、先行電極と後行電極とに、それぞれに異なる組成のシールドガスを供給し、かつ後行電極用シールドガス中の炭酸ガスの濃度を先行電極用炭酸ガスの濃度より低くし、先行電極用シールドガスをアルゴンガスと炭酸ガスとの二種混合ガス、またはアルゴンガスと炭酸ガスと酸素ガスとの三種混合ガスとし、後行電極用シールドガスをアルゴンガス単体、アルゴンガスと炭酸ガスとの二種混合ガス、アルゴンガスと酸素ガスとの二種混合ガス、またはアルゴンガスと炭酸ガスと酸素ガスとの三種混合ガスとすることにより、溶滴の移行が安定になり溶け込みを減少させることなく、スパッタの低減が可能となる。
炭酸ガスは、電位傾度が比較的高いガスであるため、アークが緊縮してワイヤ先端に集中し、アーク圧力によって溶融池が掘り下げられて溶け込みを深くする。タンデムＧＭＡ溶接の溶け込みに対しては、溶接時に先行し母材面を直接加熱する先行アークの影響が大きく、先行電極のシールドガス中の炭酸ガスの濃度によって溶け込みはほぼ決まると考えられる。
言い換えれば、先行電極用シールドガスの炭酸ガスの濃度が同一であれば、溶け込みは後行電極用シールドガス中の炭酸ガスの濃度にほとんど依存しないと考えられる。また、後行電極用シールドガス中の炭酸ガスの濃度を低くしてアルゴンガスリッチにすることにより、溶滴の離脱性が良くなり、後行電極によるスパッタ発生量が少なくなるため全体としてのスパッタ発生量を少なくすることができる。

本発明の溶接用トーチにおいては、ノズルの内部に複数の電極を設け、かつノズル内の先行電極と後行電極との間に仕切りを設けた。これにより、異なる組成のシールドガスをノズル内で混合することなく、先行電極と後行電極とに供給することができ、シールドガスの効果を最大限に発揮することが可能となる。
また、溶接トーチに保護カバーを取り付け、さらにこの保護カバーにシールドガスノズルを取り付け、このシールドガスノズルからシールドガスを供給することにより、溶融池を大気から遮断することが可能となり、酸化や窒化およびブローホール等の溶接欠陥を低減することが可能となる。
また、実際の溶接施工では、溶接トーチの進行方向は適宜変更されるため、先行・後行電極が入れ替わる。本発明の溶接装置においては、溶接の進行方向の変更に合わせて、先行電極となる電極に先行電極用シールドガスを、後行電極となる電極に後行電極用シールドガスを供給するガス切替装置を設けた。これにより、溶接の進行方向の制約を受けることなく、先行・後行電極に同一ガス組成のシールドガスを用いる方法と同等の自由度を確保することが可能となる。

本発明の溶接方法に用いられる溶接装置の一例を示す概略構成図である。 図１の溶接装置の溶接トーチの第１の例を示す概略構成図である。 溶接トーチの第２の例を示す概略構成図である。 溶接トーチの第３の例を示す概略構成図である。 溶接トーチの第４の例を示す概略構成図である。

符号の説明

１：制御装置 ２：先行電極溶接電源
３：後行電極溶接電源 ４：先行電極溶接ワイヤ供給装置
５：後行電極溶接ワイヤ供給装置 ６：溶接トーチ
７：先行電極用シールドガス供給源 ８：後行電極用シールドガス供給源
９，１０：管 １１：ノズル
１２：先行電極 １３：後行電極
１４：先行電極用導入口 １５：後行電極用導入口
１６：先行流路 １７：後行流路
１９：仕切板 ２０：保護カバー
２１：シールドガスノズル ２２：ガス切替装置
Ａ，Ｂ：溶接ワイヤ Ｃ：ワーク

図１は本発明のタンデムＧＭＡ溶接方法に用いられる溶接装置の一例を示すものであり、図２はその溶接装置に用いられる溶接トーチの第１例を示す。
図１において、符号１は、制御装置を示す。この制御装置１は、溶接電流値、溶接電圧値、および溶接ワイヤの送出速度等を制御する制御信号を、先行電極溶接電源２、後行電極溶接電源３、先行電極溶接ワイヤ供給装置４、および後行電極溶接ワイヤ供給装置５にそれぞれ送出し、これらの動作を個別に制御する。また溶接進行方向の変更に伴い、ガス切替え装置２２へガス切り替えを制御する制御信号を送出する。

先行電極溶接電源２および後行電極溶接電源３からは、それぞれ所定の溶接電流が先行電極溶接ワイヤ供給装置４および後行電極溶接ワイヤ供給装置５に送られる。さらに、これら先行電極溶接ワイヤ供給装置４および後行電極溶接ワイヤ供給装置５から所定の供給速度でそれぞれ先行電極および後行電極に向けて送り出される溶接ワイヤＡおよび溶接ワイヤＢに、上記溶接電流がそれぞれ印加される。
溶接ワイヤＡおよびＢには、ＪＩＳ Ｚ ３３１２に規定する軟鋼ＭＡＧ溶接用ソリッドワイヤ全般（ＹＧＷ１１〜ＹＧＷ１９）が用いられる。

また、溶接トーチ６には、先行電極用シールドガス供給源７および後行電極用シールドガス供給源８から、ガス切替装置２２を経由して、それぞれ先行電極用シールドガスおよび後行電極用シールドガスが個別に所定の流量にて管９および１０を介して供給されるようになっている。
ガス切替え装置２２は、制御装置１からの信号を受け、先行電極側に先行電極用シールドガスを、後行電極側に後行電極用シールドガスを供給するように、溶接方向に合わせて管９および管１０へ適したシールドガスを切り替えて供給する。

図２は、上記溶接トーチ６の第１の例を示す。
この溶接トーチ６は、上記２種のシールドガスをワークＣに向けて噴射する覆い状のノズル１１と、このノズル１１内に所定の間隔を配して溶接方向に沿って前後に並んで配置された先行電極１２および後行電極１３と、ノズル１１内に先行電極用シールドガスおよび先行電極溶接ワイヤＡを送給する先行電極用導入口１４と、後行電極用シールドガスおよび後行電極溶接ワイヤＢを送給する後行電極用導入口１５とを具備している。

また、ノズル１１内には、先行電極１２の溶接方向前方側に先行電極用シールドガスが流れる先行流路１６が形成され、後行電極１３の溶接方向後方側に後行電極用シールドガスが流れる後行流路１７が形成されている。先行電極用導入口１４から導入された先行電極用シールドガスが先行流路１６に流れ、後行電極用導入口１５から導入された後行電極用シールドガスが後行流路１７に流れ、ワークＣに向けてそれぞれ噴出される。

さらに、先行電極用導入口１４から導入された先行電極溶接ワイヤＡが先行電極１２内に形成された貫通孔を通って送出される。後行電極用導入口１５から導入された後行電極溶接ワイヤＢが後行電極１３内に形成された貫通孔を通って送出される。

また各電極の角度は自由に選択可能であるが、図２に示した例では、先行電極１２が溶接方向前方側にわずかに傾斜し、後行電極１３が溶接方向後方側にわずかに傾斜している。これに伴ってそれぞれの電極１２および１３から送り出される溶接ワイヤＡおよびＢもそれぞれわずかに傾斜し、ワークＣの鉛直方向に対してそれぞれ４度程度傾斜している。

上記構造を有するノズル１１の先行流路１６から先行電極用シールドガスが流れ、後行流路１７から後行電極用シールドガスが流れて、ワークＣに向かって吹き出される。各電極１２および１３からはそれぞれ溶接ワイヤＡおよびＢが送出されるとともに、各電極１２および１３に溶接電流が印加されてアークが形成される。この状態で溶接トーチ６がワークＣに対して相対的に図示の溶接方向に移動する。

これにより、先行電極１２およびそれによるアークが先行電極用シールドガスで包囲され、後行電極１３およびそれによるアークが後行電極用シールドガスで包囲され、それぞれ大気から遮断される。

本発明の溶接方法では、先行電極用シールドガスと後行電極用シールドガスにとは、それぞれ組成が異なる。
先行電極用シールドガスには、アルゴンガスと炭酸ガスとの二種混合ガスまたはアルゴンガスと炭酸ガスと酸素ガスとの三種混合ガスを用いる。

この先行電極用シールドガスにおける炭酸ガス濃度は、５ｖｏｌ．％以上４０ｖｏｌ．％未満が好ましく、１０ｖｏｌ．％以上３０ｖｏｌ．％以下がより好ましい。炭酸ガス濃度が５ｖｏｌ．％未満ではアークが不安定かつ溶け込みが不十分となり、４０ｖｏｌ．％以上ではスパッタの低減効果がなくなる。特に３０ｖｏｌ．％以下において、アーク安定性とスパッタ低減効果が良好である。
また先行電極用シールドガス中の酸素ガス濃度は、０ｖｏｌ．％以上１０ｖｏｌ．％以下が好ましく、５ｖｏｌ．％以下がより好ましい。酸素ガス濃度が１０ｖｏｌ．％を越えるとスパッタおよびスラグが増し、かつ継手の機械的性質が劣化する。

一方、後行電極用シールドガスには、アルゴンガス単体、アルゴンガスと炭酸ガスとの二種混合ガス、アルゴンガスと酸素ガスとの二種混合ガス、またはアルゴンガスと炭酸ガスと酸素ガスとの三種混合ガスを用いる。
後行電極用シールドガス中の炭酸ガスの濃度は０ｖｏｌ．％以上３７ｖｏｌ．％未満が好ましい。
後行電極用シールドガス中の酸素ガスの濃度は０ｖｏｌ．％以上１０ｖｏｌ．％未満が好ましく、５ｖｏｌ．％以下がより好ましい。

さらに、後行電極用シールドガス中の炭酸ガスの濃度が、先行電極用シールドガス中の炭酸ガスの濃度より低くなるように、両者のシールドガス組成が定められる。両者のシールドガス中の炭酸ガス濃度の差は、３ｖｏｌ．％以上が好ましく、５ｖｏｌ．％以上がより好ましい。両者のシールドガス中の炭酸ガス濃度の差が３ｖｏｌ．％未満では、スパッタ低減効果が不十分となる。一方、特に５ｖｏｌ．％以上ではスパッタ低減効果が良好である。

このように、先行電極用シールドガスの組成と後行電極用シールドガスの組成とを相違させ、後行電極用シールドガス中の炭酸ガスの濃度が、先行電極用シールドガス中の炭酸ガスの濃度より低くなるように設定することで、溶け込みを減少させることなく、溶滴の移行が安定になり溶接中に発生するスパッタを低減させることが可能である。
なお本発明のタンデムガスメタルアーク溶接方法は、図２に示すトーチ形状以外にも、ノズルが電極ごとに独立しているタンデムＧＭＡ溶接トーチにも適用可能である。

図３は、本発明の溶接方法に用いられる溶接トーチの第２の例を示すものである。図３では、図２と同一構成要素には同一符号を付してその説明を省略する。
図３に示される溶接トーチ６には、先行電極１２と後行電極１３との間であってノズル１１のほぼ中央にこれら電極１２および１３を仕切る仕切板１９が設けられている。この点で図３に示されているトーチ６は、図２にしめされるトーチと異なる。この仕切板１９の材料には、耐火性および耐熱性のある樹脂等が使用される。

このような仕切板１９を設けることで、ノズル１１内で先行電極用シールドガスと後行電極用シールドガスとが混じり合うことがなくなり、そのシールドガスが有する効果を最大限に発揮することができる。

図４は本発明にかかる溶接トーチの第３の例を示し、図５は同じく第４の例を示すものである。第３の例の溶接トーチ６は、ノズル１１の溶接方向の後方側にドーム状の保護カバー２０が取り付けられている。第４の例の溶接トーチ６は、さらに上記保護カバー２０にシールドガスノズル２１が取り付けられている。

従来の１本のワイヤを用いたＧＭＡ溶接の溶融池と比較して、タンデムＧＭＡ溶接における溶融池の長さは長い。このため、従来の溶接トーチでは溶接方向後方の溶融池を充分シールドできなかった。
第３の例では、溶接トーチ６の後方に保護カバー２０を取り付け、溶融池全体を大気からシールドするようにシールドガスを供給することにより、溶接金属の酸化および窒化、並びにブローホール等の溶接欠陥を防ぐことが可能になる。

これよりもさらにシールド性を良好にしたい場合には、第４の例のように、保護カバー２０の上部にシールドガスノズル２１を取り付け、保護カバー２０内部に直接シールドガスを供給することで対応できる。
このシールドガスノズル２１に供給するシールドガスとしては、アルゴンガス、ヘリウムガス、アルゴンガスとヘリウムガスとの二種混合ガス、アルゴンガスと炭酸ガスとの二種混合ガス、またはアルゴンガスと炭酸ガスと酸素ガスとの三種混合ガスを用いることができる。
なお、本発明の溶接用トーチは、図２〜図５に示される第１〜４の形状に限定されることはなく、例えばノズルが電極ごとに独立しているタンデムＧＭＡ溶接トーチとしてもよい。

本発明の効果を確認するため、図１および図２に示すタンデムＧＭＡ溶接装置および溶接トーチを用いて以下の条件でビードオンプレート溶接を行い、スパッタ発生量および溶け込み具合を評価した。
先行電極用シールドガスおよび後行電極用シールドガスとして、アルゴンガスと炭酸ガスとの二種混合ガスを使用し、組成を代えて溶接中に発生するスパッタをスパッタ捕集箱を用いて全量捕集して測定した。なお、先行電極用シールドガスと後行電極用シールドガスの流量はそれぞれ２５Ｌ／ｍｉｎ．とした。

溶接ワイヤは、直径１．２ｍｍのソリッドワイヤ（ＹＧＷ１１）を用いた。
軟鋼溶接電流は、両電極共に設定値を３２５Ａとし、アーク電圧はそれぞれのシールドガス組成において、短絡からスプレー領域に変化する境界電圧に調整した。母材はＪＩＳ Ｇ ３１０１に規定される一般構造用圧延鋼材であるＳＳ４００（板厚１２ｍｍ）を使用した。

トーチ姿勢は垂直とし、先行電極と後行電極との電極間距離を１９ｍｍ、各電極の角度は図２に示すとおり鉛直方向に対し４度であり、合わせて８度、チップ母板間距離を２５ｍｍとした。

先行電極用シールドガスおよび後行電極用シールドガスの炭酸ガス濃度を０、２、５、１０、２０、３０、および４０ｖｏｌ．％としてスパッタ発生量を測定した。その結果を表１に示す。
表１中の各欄の上段に記載の数字はサンプル番号である。Ｎｏ．１〜１０および２７〜３０は本発明の範囲である。Ｎｏ．１１〜２５、２６、および３１は本発明外の範囲である。
下段の英字は先行電極用シールドガス中の炭酸ガス濃度による区分を示し、Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅ、およびＦは、それぞれ炭酸ガス濃度が５、１０、２０、３０、および４０ｖｏｌ．％である場合を示す。
下段の数字は、スパッタの評価を示す。３を基準として、数字が大きくなるほどスパッタ発生量の低減効果があることを示す。
また、下段の「×」はアークが不安定で測定が不可能であることを示し、「−」は評価対象外であることを示す。

次に、先行電極用シールドガスおよび後行電極用シールドガスの炭酸ガス濃度を０、２、５、１０、２０、３０、４０ｖｏｌ．％として溶け込みを評価した。その結果を表２に示す。
溶け込み深さについては、一般的に溶接対象により様々な基準が存在し、溶接対象ごとに要求される溶け込み深さおよび合否判定は異なる。本実施例の表２においては、サンプル番号Ｎｏ．１３を表２全体に対する評価基準とした。
なお、表２中の各欄の上段に記載の数字は、表１と同様に、サンプル番号であり、Ｎｏ．１〜１０、および２７〜３０は本発明の範囲であり、Ｎｏ．１１〜２５、２６、および３１は本発明外の範囲である。下段は溶け込み具合の評価結果を示す。溶け込み具合の評価基準は以下の通りである。
◎：深い溶け込み
○：やや深い溶け込み
□：基準の溶け込み
△：やや浅い溶け込み
×：浅い溶け込み
なお、表２中の「−」は、表１中の「−」と同様に、評価対象外であることを示す。
なお、溶接対象によりＮｏ．１２やＮｏ．１４を基準としてもよく、Ｎｏ．１３を基準とすることにこだわるものではない。本実施例において示される発明の効果は、先行電極用シールドガスと後行電極用シールドガスとに同組成ガスを適用したＮｏ．１１、Ｎｏ１２、Ｎｏ．１３、Ｎｏ１４、Ｎｏ．１５、Ｎｏ．１６を各々の基準とし、後行電極用シールドガス中の炭酸ガス濃度を変更した場合において、溶け込みが減少することがない事実を示したものである。
Ｎｏ１、Ｎｏ．１２、Ｎｏ．２２、Ｎｏ．２７に示される△は溶け込み不足を示しているものではなく、Ｎｏ．１２に比較しＮｏ．１、Ｎｏ．２７が溶け込みを減少させないことを表している。

表１に示される結果から、後行電極用シールドガス中の炭酸ガスの濃度を先行電極用シールドガスよりも低くした方が、スパッタ発生量を少なくできることがわかる。例えば、先行電極用シールドガス中の炭酸ガスの濃度を２０ｖｏｌ．％にした場合（Ｎｏ．２４、Ｎｏ．１４、Ｎｏ．８、Ｎｏ．６、Ｎｏ．３、Ｎｏ．２９）、後行電極用シールドガス中の炭酸ガスの濃度が、１０ｖｏｌ．％、５ｖｏｌ．％、２ｖｏｌ．％、および０ｖｏｌ．％の場合、スパッタ発生量が少ないことがわかる。先行電極用シールドガス中の炭酸ガスの濃度が５ｖｏｌ．％、１０ｖｏｌ．％、および３０ｖｏｌ．％の場合においても同様のことが言える。

また、表２に示される結果から、後行電極用シールドガス中の炭酸ガスの濃度を先行電極用シールドガスよりも低くした場合、溶け込みがほとんど減少しないことがわかる。

さらに、表２に示されるように、Ｎｏ．１１およびＮｏ．２６は溶け込みが浅く不適当である。また、アークが不安定となりビード外観が悪かった。これは、先行電極用シールドガス中の炭酸ガス濃度が低いためであると思われる。よって、先行電極用シールドガス中の炭酸ガス濃度は５ｖｏｌ．％以上が好ましい。

さらに、得られたデータをより詳細に以下の通り分析した。
先行電極用シールドガス中の炭酸ガス濃度を３０ｖｏｌ．％とした場合、表２に示されるように、Ｎｏ．１５およびＮｏ．１０ともに溶け込みが深いが、表１に示されるように、Ｎｏ．１５と比較して、Ｎｏ．１０はスパッタが少ない。そこで、これらの結果を考慮してＮｏ．１０を適当、そしてＮｏ．１５を不適当と判断した。

先行電極用シールドガス中の炭酸ガス濃度が５ｖｏｌ．％、１０ｖｏｌ．％、および２０ｖｏｌ．％の場合も同様に、溶け込みが深くかつスパッタ低減効果が得られるか否かという観点から、Ｎｏ．１２、Ｎｏ．１３、およびＮｏ．１４を不適当であると判断した。

Ｎｏ．１６〜２１、および３１は、表１にしめされるように、後行電極用シールドガス中の炭酸ガスの濃度を下げてもスパッタ発生量はほとんど変わらず低減させることができないため不適当とした。
先行電極用シールドガス中の炭酸ガスの濃度が４０ｖｏｌ．％以上になると、ワイヤ先端の溶滴に作用する反力が溶滴にかかる重力に対して過大となり、溶滴がワイヤ先端から離脱し難くなり、ワイヤ先端で溶滴が肥大化して溶融プールと接触してスパッタが増加する。これは、先行電極用シールドガス中の炭酸ガスの濃度が高く、電流電圧を調整しても溶滴がスプレー移行せずに短絡移行が混在した溶滴移行となったためであると考える。

これらの実験結果から、先行電極用シールドガス中の炭酸ガスの濃度は５ｖｏｌ．％以上４０ｖｏｌ．％未満が好ましく、１０ｖｏｌ．％以上３０ｖｏｌ．％以下がより好ましいことが明らかである。
なお、要求される溶け込みは対象の板厚によって変化する。
先行電極用シールドガス中の炭酸ガス濃度が２０ｖｏｌ．％程度から３０ｖｏｌ．％程度の場合は、厚板でスパッタ低減効果と深い溶け込みを得たい場合に適していると考えられる。
先行電極用シールドガス中の炭酸ガス濃度が１０ｖｏｌ．％程度から２０ｖｏｌ．％程度の場合は、薄板で溶け込みをあまり必要とせず、スパッタ低減効果を重視する場合に適していると考えられる。
先行電極用シールドガス中の炭酸ガス濃度が５ｖｏｌ．％程度から１０ｖｏｌ．％程度の場合は、さらなる極薄板であり、溶け落ちが生じ易い溶接対象に限り、スパッタ低減効果を重視した適用が可能であると考えられる。

本発明のタンデムガスメタルアーク溶接方法にあっては、溶け込みを減少させることなく、溶接中に発生するスパッタを低減させることが可能である。これにより、スパッタ除去作業の軽減化をはかることができ、溶接工程におけるコストを削減することができる。さらには、溶滴の移行が安定になり溶け込みを減少させることなく、スパッタを低減できる。

さらに、本発明のタンデムガスメタルアーク溶接用トーチおよび溶接装置にあっては、ノズル内で混合することなく、先行電極と後行電極とに異なる組成のシールドガスを供給することができ、したがってシールドガスの効果を最大限に発揮することが可能となる。

Claims (9)

1. 先行電極と後行電極とを使用するタンデムガスメタルアーク溶接方法において、
   上記先行電極に供給する先行電極用シールドガスが、アルゴンガスと炭酸ガスの二種混合ガス、またはアルゴンガスと炭酸ガスと酸素ガスの三種混合ガスであり、
   上記後行電極に供給する後行電極用シールドガスが、アルゴンガス単体、アルゴンガスと炭酸ガスの二種混合ガス、アルゴンガスと酸素ガスの二種混合ガス、またはアルゴンガスと炭酸ガスと酸素ガスの三種混合ガスであり、
   上記後行電極用シールドガス中の炭酸ガス濃度を、上記先行電極用シールドガス中の炭酸ガス濃度より低くし、
   上記後行電極は上記先行電極のアークで溶解しプール後方に流れてくる溶融金属をアーク圧力により抑えて溶融池形状を整えることを特徴とするタンデムガスメタルアーク溶接方法。
2. 前記母材が軟鋼であることを特徴とする、請求項１に記載のタンデムガスメタルアーク溶接方法。
3. 前記先行電極用シールドガス中の炭酸ガス濃度が５ｖｏｌ．％以上４０ｖｏｌ．％未満であり、前記先行電極用シールドガス中の酸素ガス濃度が０以上１０ｖｏｌ．％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のタンデムガスメタルアーク溶接方法。
4. 前記先行電極用シールドガス中の炭酸ガス濃度と、前記後行電極用シールドガス中の炭酸ガス濃度との差が３％以上であり、前記後行電極用シールドガス中の酸素ガスの濃度が０以上１０ｖｏｌ．％以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のタンデムガスメタルアーク溶接方法。
5. 溶接進行方向の反転に合わせて、先行電極となる電極に前記先行電極用シールドガスを供給し、後行電極となる電極に前記後行電極用シールドガスを供給するようにガス切替を行う請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のタンデムガスメタルアーク溶接方法。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の溶接方法に用いる溶接トーチであり、
   トーチが、ノズルの内部に複数の電極を具備し、さらに先行電極用シールドガスと後行電極用シールドガスとの混合を防止する仕切りを具備することを特徴とするタンデムガスメタルアーク溶接用トーチ。
7. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の溶接方法に用いる溶接トーチであり、
   溶接進行方向の後方に、溶融池をシールドするための保護カバーを設けたことを特徴とするタンデムガスメタルアーク溶接用トーチ。
8. 前記保護カバーが、シールドガスノズルを具備することを特徴とする請求項７に記載のタンデムガスメタルアーク溶接用トーチ。
9. 先行電極と後行電極とを有する溶接トーチと、それぞれの電極にシールドガスを供給するシールドガス供給源とを備えたタンデムガスメタルアーク溶接装置において、
   該タンデムガスメタルアーク溶接装置が請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のタンデムガスメタルアーク溶接方法を実施するための装置であり、
   上記先行電極に供給するシールドガスと、上記後行電極に供給するシールドガスとを切替える装置を備えたことを特徴とするタンデムガスメタルアーク溶接装置。

Images