JP5392052B2 - 非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、中空電極を用いるアーク溶接方法に係り、特にＴＩＧ溶接やプラズマ溶接等の非消耗式電極を用いた溶接に適用して好適な非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法に関する。

タングステン電極を使用してアーク溶接を行うＴＩＧ（Ｔungsten Ｉnert Ｇas）溶接は、高品質溶接法の代表として知られているが、溶融池の溶け込みが浅いために得られる溶接ビードも浅くなることから適用範囲が限定されている。

特に溶接電流が３００Ａ以上の高電流域では、電流を上げるに従いプラズマ気流が強くなり、溶融池には表面に生じるせん断力により外向きの対流力が働くことになるため、溶け込みは浅く広いビード形状になり、更に強いプラズマ気流により溶融池の中央部が大きく凹むことになるため、パンピングビードやトンネルビードが発生して溶接不良となる。

このような溶接不良の発生を防止するために、従来から各種方法が検討されており、例えば、タングステン電極先端に対する電流集中を緩和することが効果的であるということから、電極の先端を平らにカットしたり、その先端に溝加工や中心に穴加工を施すなどしたりしてプラズマ気流の強さを抑制する方法が試みられている。

又、円筒形状の中空電極を用い、その内側に、外側に供給されているシールドガスと同種あるいは異種のインナーガスを流し、その流量を一定あるいはパルス状に変化させることにより、溶融池の溶け込みを制御する方法が特許文献１に開示されている。

この特許文献１に開示されている溶接方法では、使用する中空電極の内径を大きくするほど、プラズマ気流が弱くなり、溶融池には内向きの電磁対流力の効果が出るため溶け込みを深くすることができる。

ところが、このように中空電極の内径を大きくする場合には、プラズマ気流が弱くなることによりアークの硬直性がなくなり、円筒形状の広い先端領域から熱電子が放出されることになるため、電極先端からの一様なアークの発生が困難になる。そのために、アースの取り方や鋼材の残留磁気による磁気吹きに起因するアークの偏向が起こったり、トーチや鋼材表面の傾きなどにより、電極先端の陰極点が特定箇所に集中したりすることから、アークが不安定になるという問題があった。

又、中空電極の内側に供給するインナーガスは、その流量を上げるに従いプラズマ気流を強くする場合と同様に溶け込みが浅くなり溶融池も不安定となるため、インナーガスは少量しか流すことができず、インナーガスの流量によっては溶け込みを浅くする方向にしか積極的な制御ができないという問題もある。

以上のことから、アークを安定させ、溶け込みを深くするためには、中空電極の内径を小さくする必要があるが、内径を小さくしても外径が大きい電極では、プラズマ気流そのものが大きくなるために、本来の溶け込みを深くする効果が全く得られなくなる。一方、内径、外径を共に小さくした電極では、タングステン電極先端の断面積が小さくなるために、高電流域では使用できず、ペンシル型電極を使用する通常のＴＩＧ溶接と同様の小電流域での適用となることから、前述のような溶け込み改善効果はほとんどなく、アークが不安定になるだけである。

上記のようなアークの不安定性の問題を改善するために、先端を斜めにカットしてテーパ部を形成した中空電極を用いることが、例えば特許文献２に開示されている。

特開昭６１−３６８３号公報 特開平５−６９１６５号公報

しかしながら、前記特許文献２のように先端にテーパ部が形成された中空電極を使用する溶接方法では、テーパ部先端に陰極点を拘束し、そこにアークを集中させることになるため、通常用いられる中実のペンシル型タングステン電極と殆んど同じ放電状態となることから、強いプラズマ気流を抑制して、溶け込みを深くすることはできないという問題がある。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、中空電極におけるアークの安定性を向上し、溶融池の溶け込みを深くすることができ、良好な溶接ビードを形成することができる非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法を提供することを課題とする。

本発明は、中空電極の内外に不活性ガスを主成分とするガスを流しながら、該電極先端からアーク放電を行って母材を溶接する非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法において、前記中空電極の先端部周囲に、中心軸に対して傾斜したテーパ部が形成されていると共に、該テーパ部の先端に、幅１〜３ｍｍで径方向に連続する溝部が、該先端部周囲の１箇所又は対向する２箇所に形成されており、この溝部を溶接方向に向け、溶接線上に一致するように位置させて溶接するようにしたことにより、前記課題を解決したものである。

本発明においては、前記溝部が、軸方向に所定深さに形成されているようにしてもよい。また、前記溝部が、軸方向全長に形成されているようにしてもよい。その際、前記先端部周囲の１箇所に溝部が形成されている中空電極が、中実電極を径方向に所定の奥行に溝加工して作成されているようにしても、又、前記先端部周囲の対向する２箇所に溝部が形成されている中空電極が、中実電極を径方向に貫通した溝部が形成された形状に相当する２つの半月断面電極により、少なくとも先端部が構成されているようにしてもよい。また、前記テーパ部の傾斜角度は、１５度〜３５度が好ましい。

ここに、本発明者が鋭意検討した結果得られた知見について説明する。

本発明においては、後に図２等を参照して具体的に説明するが、中空電極を、先端部周囲に中心軸に対して傾斜したテーパ部を形成し、その傾斜角度（テーパ角度）が１５度〜３５度のテーパ形状（テーパ部）とすることにより、通常のペンシル型電極と同じように鋭角先端に陰極領域を狭く制限して安定化させ、その上で、電極先端（テーパ部先端）に１箇所あるいは対向する２箇所に溝加工を施して溝部を形成することにより、放電時のアークを更に安定させることができることを見出した。

その放電の際に電極先端に形成されるアークは、複数箇所に分離したり、逆に一箇所に集中したりすることなく、電極のほぼ直下中央部に円弧状に発生するようになり、更にその溝加工した箇所（溝部）を、溶接方向に向け、実質的に溶接線上に一致するように位置させることにより、溝加工しない同形状の中空電極よりも溶け込みを更に深くすることができることが明らかになった。

これは、電極先端（テーパ部先端）の一部に溝加工を施したことにより、電極先端と放電時のアークの電流経路とに基づいて決まるプラズマ気流の強さを、溝加工しない場合に比べて余り変化させることなく、電子放出領域をテーパ部の鋭角先端に制限すると共に、プラズマ気流が逃げる領域（溝部）を作ってやったことから、高温のタングステン電極で更に加熱されて溝部から流出する高温ガス気流とのバランスでアークを安定化できるためと考えられる。

本発明によれば、従来の非消耗電極式ガスシールドアーク溶接の場合には溶け込みが浅いためにビード不良となってしまう高電流域においても、溶け込みが深い良好な溶接ビードを形成することができることにより、安定した高能率溶接ができるようになった。

本発明に係る一実施形態に適用される溶接トーチの全体構造を示す概略断面図 本実施形態に適用される中空電極の特徴を示す模式図 本実施形態に適用される先端部周囲の対向する２箇所に溝部が形成されている中空電極の特徴と作用効果を説明する模式図 本実施形態に適用される先端部周囲の１箇所に溝部が形成されている中空電極の特徴を説明する模式図 本発明の実施例１における溶け込み増大効果を示したグラフ 本発明の実施例１における溶け込み増大効果を示した他のグラフ 本発明の実施例２の電極形状と構成を示す模式図 本発明の実施例２における溶け込み増大効果を示すグラフと溶接部のマクロ断面写真

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１には、本発明の一実施形態の中空電極を用いるＴＩＧ溶接方法に適用される中空電極ＴＩＧ溶接トーチの断面形状を模式的に示す。

この図１に示される溶接トーチ１０は、円筒状のトーチ本体１２の下端部にホルダー１４が取付けられ、このホルダー１４の下部にタングステン中空電極（以下、単に中空電極とも言う）１６が連結されている。

この中空電極１６の内側の中空部には、トーチ本体１２に設けられているガス供給部１８から供給されるインナーガスが導入され、該電極先端から溶接対象の母材８側へ流出されるようになっている。また、このトーチ本体１２は冷却水により過熱が防止されている。

また、この中空電極１６の外側周囲には、トーチ本体１２に連結された円筒状のノズル１９が配設され、その先端（下端）から、シールドガスを同じく母材８方向に導出し、溶接時に母材上に形成される溶融池をシールするようになっている。

以上のように、本実施形態においては、ガス導入部２０から中空電極１６の外側に供給される通常のシールドガスからは隔離された該中空電極１６の内側にインナーガスを流す経路が設けられている。

使用されるガス種としては、シールドガス及びインナーガスの両者とも、アルゴンやヘリウム等の不活性ガス及びその混合ガスや不活性ガスを主成分とする水素、酸素、二酸化炭素等の混合ガスが用いられる。両者のガスは、同種であっても異種であってもよく、溶け込みの形状やアークの安定性などと共に、適用される母材の鋼種や板厚等によって最適な条件を選定する。

本実施形態では、溶接時に使用する電流範囲は、ペンシル型電極を使用する通常のＴＩＧ溶接より高い３５０Ａ〜５００Ａであり、中空電極のサイズは図２に模式的な断面形状と共に示すように、外径φ_ｏｕｔが４ｍｍ〜６．４ｍｍ、内径φ_ｉｎが２ｍｍ〜４ｍｍ、テーパ角度θが１５度〜３５度である。

傾斜角度が１５度より小さいと電極先端の電流集中が大きく高温となりすぎるため、先端の消耗が激しくなり、逆に３５度より大きい場合には、電流領域が拡大しアークが不安定となるため、１５〜３５度が実用領域である。また、内外径比は小さいとプラズマ気流が大きくなり、逆に大きいとアークが不安定となるため０．３〜０．６程度が最適範囲となる。外径寸法は使用電流域によりＷ（タングステン）電極の許容電流密度内で選択される。

上記図２に示されるテーパ部１６Ａが形成された中空電極は、先端角度（２θ）が３０度〜７０度の通常のペンシル型中実電極の中心部を円筒形状にくり貫いたものに相当するが、このような形状の中空電極では、アークが必ずしも十分に安定しない。

そこで、本実施形態では、図３（Ａ）、（Ｂ）に、溶接方向から見た状態、溶接方向に直交する（垂直な）方向から見た状態をそれぞれ示すような溝加工を電極先端に施し、テーパ部１６Ａの中空電極径方向に連続した（貫通した）溝部１６Ｂを形成すると共に、溶接する際には溝部１６Ｂの位置を溶接方向へ向け、実質上溶接線上に一致させるようにする。このようにすることにより、アークを十分に安定させて溶接することができた。

電極先端に形成する溝部１６Ｂは１箇所あるいは対向する２箇所が適切であり、図３には後者が、図４には図３（Ｂ）と同じ方向から見た前者が、それぞれ図示してある。この溝部１６Ｂのサイズについては、いずれの場合も幅１ｍｍ、深さ（軸方向長さ）１ｍｍ程度以上から効果が認められるが、２ｍｍ以上の深さについては効果に大きな変化がなく、シールドガスが安定な幅２ｍｍ、深さ２ｍｍ程度が適切である。

そこで、中空電極の製造コストや、経時的に磨耗した中空電極を再研磨等により再生する際の利便性を考慮して、中実電極全体（軸方向全長）にわたって、円周方向の１箇所に径方向に所定の奥行きに溝加工して溝部１６Ｂを形成した、後述する図７（Ａ）に示す中空形状のものや、対向する２箇所に同様に溝加工し、径方向に貫通した溝部が形成された形状に相当する同図（Ｂ）に示す半割り形状のもの（半月断面電極）についても検討したところ、同等の効果が得られることが明らかになった。但し、溝部が全長に形成された半月断面電極を使用する場合は、２つの電極を対向する状態に保持するためのセパレート手段（図示せず）が必要となる。

従って、本実施形態に適用される中空電極には、全長にわたってこの図７（Ａ）、（Ｂ）に示される形状のものや、途中までが同図（Ａ）の形状で、そこから先端までが同図（Ｂ）の形状にしたものも含まれるものとする。

中空電極をこのような形状にすることにより、タングステン電極の熱電子放出領域を先端部の狭い範囲に制限すると共に、前記図３に矢印で示した方向に気流の流れを起こすことにより、アークを中央に安定させることができる。しかも、この流れによって溝加工（溝部）のない方向ではアークが中央部へ集中すると共に、溶融池表面での外向きのプラズマ気流が小さくなることから、溝部１６Ｂがない形状の中空電極に比べてビード幅を狭くすることができ、溶け込みを増大させることができるという効果が得られる。

以下、具体例を挙げてさらに詳述する。

本実施例においては、中空電極として、外径φ_ｏｕｔ４ｍｍ、内径φ_ｉｎ２ｍｍ、テーパ角度θ３０度の前記図３に示した形状で、幅２ｍｍ、深さ２ｍｍの溝加工を施した２％トリア入りのタングステン中空電極を用い、シールドガス及びインナーガスとしてＨｅを使用し、溶接速度０．１ｍ／ｍｉｎの条件でビードオン溶接試験を行った。なお、シールドガスの流量は２５Ｌ／ｍｉｎ、インナーガスの流量は０．２Ｌ／ｍｉｎとした。

図５には、横軸に溶接電流の電流値、縦軸に溶け込み深さ（Ｄ）をビード幅（Ｗ）で割った値（Ｄ／Ｗ）をプロットした試験結果（図中、φ４−２ｍｍ溝加工）を示す。

比較のために、通常の外径φ_ｏｕｔ４ｍｍの中実のペンシル型電極（図中、φ４中実）及び溝加工なしの中空電極（図中、φ４−２ｍｍ中空）をそれぞれ用いた場合の結果を併載してある。

ペンシル型中実電極の場合のＤ／Ｗは、電流上昇に従って小さくなる傾向があり、４００ＡではＤ／Ｗ＝０．１５となり、非常に浅い溶け込み形状になることが分かる。このプロットに対し、溝加工無しの中空電極では右下がりの傾向はあるものの、Ｄ／Ｗが全体的に高くなっており、同じ４００Ａにおいて０．２７まで上昇していることがわかる。ただし、これはアークが偏向しなかった場合の結果であり、横方向に偏向した場合には、非常に幅広のビードとなる。

また、溝加工を施した中空電極でも、その溝加工の位置を溶接方向と垂直（直交する方向）に向けた場合には、溝加工なしの結果よりＤ／Ｗは小さくなることがわかる。これは、溝加工（溝部）１６Ｂから外向きの気流が発生するためにビード幅が広くなることによる影響と考えられる。

一方、同じ電極を溝部１６Ｂの位置を溶接方向に向けて使用すると、この気流の影響はなくなることから、ビード幅は狭くなって溶け込みが増加するためにＤ／Ｗは大きくなり、４００Ａで０．４４とペンシル型中実電極の約３倍となっている。

図６は、シールドガス及びインナーガスをアルゴンに変更し、それ以外は前記図５の場合と同条件で溶接試験を行った場合の結果を示したものであり、ヘリウムを使用した場合の結果とほぼ同じ傾向にある。

なお、ペンシル型中実電極では４００ＡにおいてＤ／Ｗが急激に上昇しているが、これは強いプラズマ気流により溶融池が凹み、ワインカップ状の溶け込み形状になったために、トンネルビードやパンピングビードとなって溶接不良が発生したことに起因する。本実施形態の溝加工した中空電極の場合は、３５０Ａ〜３６０Ａの条件において、ペンシル型中実電極に対して２．４倍のＤ／Ｗ値となっている。

本実施例においては、前述した如く、タングステン電極は中空加工が難しいために高価であることや、溶接時の使用により磨耗した電極先端にテーパ部と溝を追加加工する場合の手間等を考えて、図７の（Ａ）に示すように軸方向全長に、径方向に所定の奥行きの溝加工した電極を使用した。この場合も、前記実施例１と同様の効果が得られた。

具体的には、図７（Ａ）において、外径φ_ｏｕｔ６．４ｍｍのペンシル型中実電極を、幅３ｍｍで径方向に形成した溝部の先端を１．５Ｒ加工した全長溝形状で、テーパ角度が３０度の形状からなる２％トリア入りタングステン中空電極を用い、シールドガス及びインナーガスとしてアルゴンを使用して、溶接速度０．１ｍ／ｍｉｎのビードオン溶接試験を行った。図中、２２は保持治具である。

図８には、前記図６の場合と同様に横軸に電流値、縦軸に溶け込み深さ（Ｄ）をビード幅（Ｗ）で割った値Ｄ／Ｗをプロットした試験結果と共に、溶接部のマクロ断面写真を示す。

なお、この試験では、シールドガスの流量は２５Ｌ／ｍｉｎとし、インナーガスの流量は、中空部である内側が閉鎖されずに開放されているため、実施例１で使用した溝加工中空電極よりも高流量の２〜４Ｌ／ｍｉｎが適正値であった。図８中、△は２Ｌ／ｍｉｎの場合、◇は４Ｌ／ｍｉｎの場合の各結果を表している。

前記図８より、Ｄ／Ｗの値は、４５０Ａで６．０〜６．２と高い値が得られている。本実施例は、前記実施例１の場合に比べ、電極の外径及び内径が大きくなっていることより、高電流域に対応した電極を使用した場合であり、同じアルゴンシールドガスを使用した前記図６に示した結果に比べ、４５０Ａ〜５００Ａの範囲で深い溶け込みが得られている。

この図８には、４５０Ａでインナーガスが４Ｌ／ｍｉｎの場合のマクロ断面写真が併せて示してあるが、この写真から高プラズマ気流時の浅いワインカップ形状ではなく、深い断面形状の良好な溶け込みが得られていることがわかる。

なお、具体的な説明は省略するが、中実電極に径方向に貫通した溝部１６Ｂを全長にわたって形成し、略半割りにした形状に相当する図７（Ｂ）に示した半月断面形状の電極を同一条件で使用したところ、ほぼ同様の結果が得られた。

以上、詳述した本実施形態によれば、ＴＩＧ溶接の利点である高品質溶接の適用範囲を大幅に広げることができた。

１０…溶接トーチ
１２…トーチ本体
１４…ホルダー
１６…タングステン中空電極
１６Ａ…テーパ部
１６Ｂ…溝部
１８…ガス供給部
１９…ノズル
２０…ガス導入部
２２…保持治具

Claims (6)

1. 中空電極の内外に不活性ガスを主成分とするガスを流しながら、該電極先端からアーク放電を行って母材を溶接する非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法において、
   前記中空電極の先端部周囲に、中心軸に対して傾斜したテーパ部が形成されていると共に、
   該テーパ部の先端に、幅１〜３ｍｍで径方向に連続する溝部が、該先端部周囲の１箇所又は対向する２箇所に形成されており、この溝部を溶接方向に向け、溶接線上に一致するように位置させて溶接することを特徴とする非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法。
2. 前記溝部が、軸方向に所定深さに形成されていることを特徴とする請求項１に記載の非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法。
3. 前記溝部が、軸方向全長に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法。
4. 前記先端部周囲の１箇所に溝部が形成されている中空電極が、中実電極を径方向に所定の奥行に溝加工して作成されていることを特徴とする請求項３に記載の非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法。
5. 前記先端部周囲の対向する２箇所に溝部が形成されている中空電極が、中実電極を径方向に貫通した溝部が形成された形状に相当する２つの半月断面電極により、少なくとも先端部が構成されていることを特徴とする請求項３に記載の非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法。
6. 前記テーパ部の傾斜角度が、１５度〜３５度であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法。