JP5589079B2 - 複合溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、複合溶接方法及び複合溶接用の溶接トーチに関する。

不活性ガスの雰囲気中で非消耗性のタングステン電極と被溶接物との間にアークを発生させるＴＩＧ（Ｔａｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ Ｗｅｌｄｉｎｇ）溶接法は、高品質な溶接部が得られることから広く採用されている。しかしながら、他の溶接方法である、ＭＡＧ（Ｍｅｔａｌ Ａｃｔｉｖｅ Ｇａｓ Ｗｅｌｄｉｎｇ）溶接法、ＭＩＧ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ Ｗｅｌｄｉｎｇ）溶接法と比較すると、溶接速度が遅く、溶接作業効率が劣るという課題があった。

一方で、ＭＡＧ溶接法は活性ガスの雰囲気中で、ＭＩＧ溶接法は不活性ガスの雰囲気中で、それぞれ消耗性の溶接ワイヤ電極と被溶接物との間にアークを発生させる溶接法であり、上述のようにＴＩＧ溶接法と比較して作業効率は優れているが、スパッタが発生しやすいという課題があった。さらに、ＭＡＧ溶接法においては、溶接金属の靭性が低下しやすいという課題があった。

ここで、ＭＡＧ溶接法及びＭＩＧ溶接法において、スパッタが発生しやすい原因は、溶接ワイヤ電極の先端が母材と短絡し易いためである。また、ＭＡＧ溶接法において、靭性が低下しやすい原因は、シールドガス中の酸化性ガスが溶接金属に溶融し、溶接金属の酸素量が増大するためである。

そこで、両者の欠点を補うために、ＴＩＧ−ＭＩＧの複合溶接法が各種提案されている（例えば、特許文献１）。
ところで、炭素鋼やステンレス鋼に対してアルゴンやヘリウム等の不活性ガスをシールドガスとして用いたＭＩＧ溶接を行うと、陰極点が固定されずアークのふらつきが生じる。
これに対して、上記ＴＩＧ−ＭＩＧ複合溶接では、先行のＴＩＧアークにより、金属蒸気が発生するため、そこに電気の流れ道が形成される。そして、ＴＩＧアークによって生じた溶融池は、固体金属よりも仕事関数が小さく電子を放出し易いため、ＭＩＧアークの陰極点がその溶融池に固定され易い。

そのため、ＴＩＧ−ＭＩＧ複合溶接では、炭素鋼やステンレス鋼に対しても、不活性ガスを用いたシールドガス中でも安定した溶接が可能であり、溶接金属中の溶存する酸素量を小さくすることが出来る。また、ＴＩＧ−ＭＩＧ複合溶接では、ＭＩＧ溶接電極のワイヤが母材に接触しそうになった際には、ＴＩＧアークの加熱作用によってワイヤ先端を溶融させて溶滴として離脱させるため、ワイヤと母材との短絡が生じることがなく、スパッタの発生も防止することができる。

このように、ＴＩＧ−ＭＩＧ複合溶接法は、ＴＩＧ溶接とＭＡＧ（あるいはＭＩＧ）溶接との欠点を補うことが可能な溶接方法であるが、アークの硬直性という特性のため、特有の課題がある。ここで、アークの硬直性とは、電極を傾けてもアークがタングステン電極やワイヤの延長方向に真っ直ぐに発生しようとする性質を指している。そして、ＴＩＧ−ＭＩＧ複合溶接法では、電気の流れ方向が正反対なＴＩＧアークとＭＩＧアークとが近接して発生しているため、電磁力によってアークの反発作用が発生する。

その結果、従来のＴＩＧ−ＭＩＧ複合溶接法では、異なる方向に発生する、アークの硬直作用と反発作用とにより、アークが不安定になり易いという課題があった。そして、アークが不安定になると、ビード不整やブローホールが発生しやすくなるという問題があった。

ところで、従来のＴＩＧ−ＭＩＧ複合溶接に見られた上記アークの反発作用を低減させるために、ホットワイヤＴＩＧ溶接法が採用されている（例えば、特許文献２を参照）。図１３に、一般的なホットワイヤＴＩＧ溶接法を示す。図１３に示すように、ホットワイヤＴＩＧ溶接法ではワイヤからはアークを発生させずに、ワイヤ通電による抵抗加熱を利用し、溶接を行う。これにより、ＭＩＧアークが消滅し、アークの反発作用がなくなるため、アークの安定性を高めることができる。
このため、ホットワイヤＴＩＧ溶接法におけるワイヤ加熱用電源では、ワイヤ〜母材間でアークを発生させる為に高い電圧（例えば１３〜３０Ｖ）で電圧をコントロールするＴＩＧ−ＭＩＧ複合溶接法のＭＩＧ溶接電源とは異なり、電圧を低く（例えば、６〜７Ｖ）コントロールするようになっている。

特開昭５３−３４６５３号公報 特開平６−７９４６６号公報

しかしながら、特許文献２に記載された従来のホットワイヤＴＩＧアーク溶接法では、上述したようにＭＩＧ溶接側の電圧が小さいため、従来のＴＩＧ−ＭＩＧ複合溶接法と比較してワイヤ加熱力が小さく、ワイヤの溶融速度が小さくなるという問題があった。また、入熱も小さくなり、溶け込みも小さくなるという問題があった。このように、従来のホットワイヤＴＩＧアーク溶接法では、溶接速度・作業効率を改善することが望まれていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、アークの安定性を高めるとともに、溶接速度及び作業効率を向上することが可能な複合溶接方法及びこれに用いる複合溶接用の溶接トーチを提供することを目的とする。

かかる課題を解決するため、本発明は以下のとおり、（１）〜（８）に記載した、複合溶接方法及び溶接トーチを提供する。
（１）溶接方向に対して先行する側で溶接可能なＴＩＧアークを発生させ、後行する側で溶接可能なＭＩＧアークを同時に発生させて母材を溶接する複合溶接方法であって、ＴＩＧアーク及びＭＩＧアークの重なりを生じさせ、ＴＩＧ電流をＭＩＧ電流よりも大きく設定するとともに、ＴＩＧ電極の中心軸と母材の表面との交点と、ＭＩＧ電極の中心軸と母材の表面との交点との距離の絶対値が４ｍｍ以下とすることを特徴とする複合溶接方法。

（２）シールドガスとして、Ｈｅを２５％以上含有し、残部がアルゴンガスであるガスを用いることを特徴とする請求項１に記載の複合溶接方法である。
（３）水素を３％以上９％以下含有し、残部がアルゴンガスであるガスを用いることを特徴とする（１）に記載の複合溶接方法。
（４）水素を３％以上９％以下およびＨｅを２５％以上含有し、残部がアルゴンガスであるガスを用いることを特徴とする（１）に記載の複合溶接方法である。
（５）水素を３％以上９％以下含有し、残部がヘリウムガスであるガスを用いることを特徴とする（１）に記載の複合溶接方法。

（６）ＴＩＧ溶接トーチの基端側を溶接方向に対して進行方向側に傾斜させた際の、ＴＩＧ溶接トーチの中心軸と法線とのなす角であるトーチ角度αと、ＭＩＧ溶接トーチの基端側を溶接方向に対して進行方向と反対側に傾斜させた際の、ＭＩＧ溶接トーチの中心軸と法線とのなす角であるトーチ角度βとの合計角度（|α|＋|β|）を３０〜１２０°の範囲とすることを特徴とする（１）に記載の複合溶接方法。

（７）後行ＭＩＧ溶接にパルス電流を付加することを特徴とする（１）に記載の複合溶接方法。

（８）（１）乃至（７）のいずれか一項に記載の複合溶接方法に用いる溶接トーチであって、一つのノズル本体内に、ＴＩＧ電極とＭＩＧ電極とを配置し、ＴＩＧアークとＭＩＧアークとにおいてシールドガスを共有することを特徴とする複合溶接用の溶接トーチ。

本発明の複合溶接方法によれば、ＴＩＧ電流をＭＩＧ電流よりも大きく設定されており、後行のＭＩＧアークの陰極点領域が、先行するＴＩＧアークが形成する溶融池よりも大きくなることがない。このため、アークのふらつきが生じにくくなり、アークの安定性を高めることができる。
また、溶接対象の母材の板厚が大きくなった場合には、ＴＩＧ及びＭＩＧいずれの電流も大きくすることができるため、溶接速度及び作業効率を向上することができる。

また、本発明の複合溶接方法によれば、ＴＩＧ電極の中心軸と母材の表面との交点と、ＭＩＧ電極の中心軸と母材の表面との交点との距離の絶対値が４ｍｍ以下である。このように、二つのアークを接近して発生させることで生じるアークの重なり部では、電磁力が打ち消されるためにトータルでの電磁力が減少し、相対的にアークの硬直性の作用が大きくなるため、アークの安定性を高めることができる。

また、本発明の他の複合溶接方法では、ＴＩＧ電流をＭＩＧ電流よりも大きく設定するとともに、シールドガスとして、Ｈｅを２５％以上含有し残部が、アルゴンガスであるガスを用いている。ＴＩＧ電流をＭＩＧ電流よりも大きく設定することにより、後行のＭＩＧアークの陰極点領域が、先行するＴＩＧアークが形成する溶融池よりも大きくなることがない。また、シールドガス中のヘリウムおよびＨ_２は熱伝導度が大きいため、アークが冷却される。これにより生じる熱的ピンチ効果により、電流のパス自体はアーク柱中心に集中し、母材直近ではアーク自身も緊縮する。そのため、アークの硬直性が増加し、相対的にアークの硬直性の作用がアークの反発作用よりも大きくなる。したがって、アークの安定性を高めることができる。

本発明の複合溶接用の溶接トーチによれば、一つのノズル本体内に、ＴＩＧ電極とＭＩＧ電極とが配置され、ＴＩＧアークとＭＩＧアークとにおいて用いるシールドガスを共有する構成となっている。このようにＴＩＧアークとＭＩＧアークとにおいて別々のシールドガスを用いることなく、一種類のシールドガスを共有することができるため、装置の小型化が可能となる。
また、２本のノズルを一体化して１本のノズルとしたため、シールドガスの流量低減を図る事ができる。

本発明の複合溶接方法に用いる溶接トーチを備えたガス溶接装置の一例を示す概略構成図である。 本発明の複合溶接方法に用いるガス溶接装置の溶接トーチ部分の拡大図である。 本発明の実施例におけるビード外観検査の結果を示す写真である。 本発明の実施例におけるビード外観検査の結果を示す写真である。 本発明の実施例におけるビード外観検査の結果を示す写真である。 本発明の実施例におけるビード外観検査の結果を示す写真である。 本発明の実施例におけるビード外観検査の結果を示す写真である。 本発明の実施例におけるビード外観検査の結果を示す写真である。 本発明の実施例におけるビード外観検査の結果を示す写真である。 本発明の実施例におけるビード外観検査の結果を示す写真である。 本発明の実施例におけるビード外観検査の結果を示す写真である。 本発明の実施例におけるＭＩＧ溶接のパルス電流の波形、電流変化、周波数を示す図である。 従来の一般的なホットワイヤＴＩＧアーク溶接装置の構成を示す図である。

以下、本発明を適用した一実施形態である複合溶接方法について、これに用いる複合溶接用の溶接トーチを備えた溶接装置とともに図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態である複合溶接方法に用いる溶接装置を示す概略構成図である。図１において、符号１は、溶接トーチ（複合溶接用の溶接トーチ）を示す。この溶接トーチ１は、筒状部材からなるノズル本体２と、このノズル本体２内において溶接方向に対して先行する側に配された棒状のタングステン電極３と、ノズル本体２内において溶接方向に対して後行する側に配された溶接ワイヤ４と、この溶接ワイヤ４を通電させるためのコンタクトチップ４ａとから概略構成されている。また、溶接トーチ１は、一重構造となっており、１種のシールドガス（図示略）のみを使用する構造となっている。

溶接トーチ１のノズル本体２は、シールドガスを貯える図示略のシールドガス供給源に接続されており、このシールドガス供給源からのシールドガスがノズル本体２に供給され、その先端から被溶接物である母材５に向けて吹き出されるようになっている。

本実施形態のシールドガスとしては、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）などの不活性ガスを用いることができるが、ヘリウム（Ｈｅ）を２５％以上含有し、残部がアルゴン（Ａｒ）ガスであるガスを用いることが好ましい。ここで、シールドガスとしてヘリウムを２５％以上含有し、残部がアルゴンガスであるガスを用いた場合、ヘリウムは熱伝導度が大きいためアークが冷却される。これにより生じる熱的ピンチ効果により、電流のパス自体はアーク柱中心に集中し、母材５の直近ではアーク自身も緊縮する。そのため、アークの硬直性が増加し、相対的にアークの硬直性の作用がアークの反発作用よりも大きくなることで、アークの安定性が向上する。

また、さらにアルゴンガス、ヘリウムガス、及びアルゴンとヘリウムとの混合ガスに、３％以上９％以下の水素ガスを添加しても同様の効果を得る事ができる。水素ガスは可燃性ガスである為、爆発の危険性があり取扱いに注意を要する。水素と窒素との混合ガスが、空気によって希釈される場合の爆発範囲を考慮し、水素ガスの添加上限は９％とした。

本実施形態の母材５としては、特に限定されるものではなく、様々な材料に適用することができる。具体的には、ニッケル合金、アルミニウム、マグネシウム系材料、銅系材料、ステンレス鋼や炭素鋼等の鉄鋼系材料を挙げることができる。中でも、従来からＴＩＧ溶接やＭＡＧ溶接による溶接において課題があった鉄鋼系材料に適用することが好ましい。

溶接トーチ１のタングステン電極３は、溶接電源６のマイナス端子に接続され、溶接電源６のプラス端子に接続された母材５との間に溶接電流が印加され、母材５の表面にＴＩＧアークが発生するようになっている。

ここで、タングステン電極（ＴＩＧ電極）３は、図２に示すように、その中心軸３Ａと法線とのなす角αが、溶接方向に対して進行方向側に傾斜させても良い。

また、ＴＩＧアーク長Ｍは、特に限定されるものではなく、母材５の種類、厚さによって適宜選択することができる。具体的には、２〜２０ｍｍの範囲とすることが好ましい。

溶接ワイヤ４は、特に限定されるものではなく、ソリッドワイヤの他メタル系フラックス入りワイヤ等、接合対象である母材の材質に応じて適宜選択することができる。また、溶接ワイヤ４は、コンタクトチップ４ａに設けられた内孔に挿通され、溶接トーチ１の先端から外側に向けて送給可能とされている。そして、コンタクトチップ４ａは、溶接電源７のプラス端子に接続され、溶接電源７のマイナス端子に接続された母材５との間に溶接電流が印加され、母材５の表面にＭＩＧアークが発生するようになっている。

ここで、溶接ワイヤ（ＭＩＧ電極）４は、図２に示すように、その中心軸４Ａと法線とのなす角βが、溶接方向に対して進行方向と反対側に傾斜させても良い。

なお、タングステン電極の中心軸３Ａと法線とのなす角度αと、溶接ワイヤの中心軸４Ａと法線とがなす角度βとの合計の角度（|α|＋|β|）が、３０〜１２０°の範囲となることが望ましい。このようにアークを接近させて発生させると、アークの重なり部が生じる。そして、アークの重なり部では電磁力が打ち消されるため、トータルでの電磁力が減少し、相対的にアークの硬直性の作用が大きくなってアークの安定性が増加する。被溶接物と溶接トーチとの接触を避ける為、合計角度の上限値は１２０°とした。

また、溶接ワイヤ４の突き出し長さＮは、特に限定されるものではなく、母材５の種類、厚さによって適宜選択することができる。具体的には、１０〜３０ｍｍの範囲とすることが好ましい。

本実施形態の溶接トーチ１は、タングステン電極（ＴＩＧ電極）３の中心軸３Ａと母材５の表面との交点３Ｂと、溶接ワイヤ（ＭＩＧ電極）４の中心軸４Ａと母材５の表面との交点４Ｂとの距離をアーク間距離Ｌと定義した場合、このアーク間距離Ｌの絶対値が４ｍｍ以下とされている。

ここで、アーク間距離Ｌの絶対値としたのは、図２に示すように、先行ＴＩＧの交点３Ｂが後行ＭＩＧの交点４Ｂよりも溶接方向の進行方向側にある場合に限らず、後行ＭＩＧの交点４Ｂが先行ＴＩＧの交点３Ｂよりも溶接方向の進行方向側にある場合も含む趣旨である。

次いで、この溶接装置を用いた複合溶接方法について説明する。
初めに、図示のシールドガス供給源からシールドガスを供給して溶接トーチ１に送る。ついで、溶接電源６を動作させてタングステン電極３と母材５との間に溶接電流（ＴＩＧ電流）を印加してＴＩＧアークを発生させるとともに、溶接電源７を動作させて溶接ワイヤ４と母材５との間に溶接電流（ＭＩＧ電流）を印加してＭＩＧアークを発生させて溶接を行う。

このような先行ＴＩＧ−後行ＭＩＧによる複合溶接方法では、先行ＴＩＧアークにより母材５の表面が加熱されて溶融して溶融池が形成され、この溶融池上に後行ＭＩＧアークの陰極点が形成される。

ところで、溶接速度及び作業効率を向上させるためには、溶接対象となる母材５の厚さが厚くなるにつれてＴＩＧ、ＭＩＧいずれの電流も大きくしなければならない。そこで、本実施形態の複合溶接方法では、先ず、ＴＩＧ電流を大きな値に設定する。このＴＩＧ電流が大きくなるにつれて、溶接トーチ１と母材５との間の金属蒸気の発生量が大きくなるとともに母材５の表面に形成される溶融池が大きくなる。

次に、ＭＩＧ電流を大きな値に設定するが、本実施形態の複合溶接方法では、ＭＩＧ電流の値がＴＩＧ電流の設定値を超えないように設定する。すなわち、ＴＩＧ電流をＭＩＧ電流よりも大きく設定する。

ところで、後行のＭＩＧアークの電流（ＭＩＧ電流）の値が、先行のＴＩＧアークの電流（ＴＩＧ電流）の値よりも大きくなると、ビード形状（具体的には、ビード止端）が不安定となる。具体的には、後行のＭＩＧ電流が大きくなるにつれて、ＭＩＧアークは大きくなり、溶接速度は向上する。しかしながら、先行のＴＩＧ電流の値が後行のＭＩＧ電流の値よりも小さいと、ＴＩＧアークにより形成される母材５の表面の溶融池の面積が狭くなり、ＭＩＧアークの拡がりが溶融池の幅以上となってしまう。すると、溶融池からはみ出した部分のＭＩＧアークがふらつくため、ビードの蛇行が生じ易くなる。また、ＴＩＧアークによる溶融池が狭くなると、後行のＭＩＧアークの広がりの幅が限定されるため、ビードのぬれ性が悪化する。

これに対して、本実施形態の複合溶接方法によれば、ＴＩＧ電流をＭＩＧ電流よりも大きく設定するため、後行のＭＩＧアークの陰極点領域が、先行するＴＩＧアークが形成する溶融池よりも大きくなることがない。このため、アークのふらつきが生じにくくなり、アークの安定性を高めることができる。また、溶接対象の母材の板厚が大きくなった場合には、ＴＩＧ及びＭＩＧいずれの電流も大きくすることができるため、溶接速度及び作業効率を向上することができる。

さらに、本実施形態の複合溶接方法は、図２に示すように、タングステン電極（ＴＩＧ電極）３の中心軸３Ａと母材５の表面との交点３Ｂと、溶接ワイヤ（ＭＩＧ電極）４の中心軸４Ａと母材５の表面との交点４Ｂとの距離であるアーク間距離Ｌの絶対値が４ｍｍ以下とされている。

ところで、上記アーク間距離の絶対値が４ｍｍを超えると、ＴＩＧアークとＭＩＧアークとの重なり部が生じなくなり、大きな電磁力が働くためアークが不安定になる。また、ＭＩＧアーク通過時に、溶接トーチ１と母材５との間に生じる金属蒸気や、母材５の表面に形成される溶融池の供給が不十分となり、アークのふらつきが発生しやすくなる。その結果、ビード形状（ビード止端）が不安定となる。

これに対して、本実施形態の複合溶接方法によれば、上記アーク間距離Ｌの絶対値が４ｍｍ以下とされており、ＴＩＧアーク及びＭＩＧアークの二つのアークが接近して発生することで、アークの重なり部が生じる。この重なり部では電磁力が打ち消されるため、トータルでの電磁力が減少し、相対的にアークの硬直性の作用がアークの反発作用よりも大きくなる。したがって、アークの安定性が向上する。

また、２つのアークを接近させて発生させると、ＭＩＧアーク通過時に、溶接トーチ１と母材５との間に生じる金属蒸気や、母材５の表面に形成される溶融池の供給が十分となり、アークの安定性が向上する。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明を適用した第２の実施形態について説明する。本実施形態では、第１の実施形態の複合溶接方法に用いた溶接装置を用いることが可能であるが、第１の実施形態の複合溶接方法とは異なる方法となっている。したがって、溶接装置については、第１の実施形態と同一であるため、説明を省略する。

本実施形態の複合溶接方法は、ＴＩＧ電流をＭＩＧ電流よりも大きく設定するとともに、シールドガスとして、Ｈｅを２５％以上含有し、残部がアルゴンガスであるガスを用いる。

本実施形態の複合溶接方法によれば、ＴＩＧ電流をＭＩＧ電流よりも大きく設定することにより、後行のＭＩＧアークの陰極点領域が、先行するＴＩＧアークが形成する溶融池よりも大きくなることがない。また、シールドガス中のヘリウムは熱伝導度が大きいため、アークが冷却され、熱的ピンチ効果により、電流のパス自体はアーク柱中心に集中し、母材直近ではアーク自身も緊縮する。そのため、アークの硬直性が増加し、相対的にアークの硬直性の作用がアークの反発作用よりも大きくなる。したがって、アークの安定性を高めることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、第１の実施形態の溶接装置を構成する溶接トーチ１は、ノズル本体２が一重構造である場合について例示したが、多重構造とし、インナーノズルのみに本発明のシールドガスを用い、アウターノズルは不活性ガスとしてもよい。

また、第１の実施形態では、溶接トーチ１のノズル本体２内に、タングステン電極（ＴＩＧ電極）３と、溶接ワイヤ（ＭＩＧ電極）４とが配置される構成を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、タングステン電極が配置されたノズル本体を有する溶接トーチ（ＴＩＧ溶接トーチ）と、溶接ワイヤが配置されたノズル本体を有する溶接トーチ（ＭＩＧ溶接トーチ）とを溶接方向の前後に配設して、先行ＴＩＧアークと後行ＭＩＧアークとを発生させる構成としても良い。

なお、上述したように先行ＴＩＧ−後行ＭＩＧをそれぞれ別の溶接トーチとした場合、ＴＩＧ溶接トーチの基端側を溶接方向に対して進行方向側に傾斜させた際の、ＴＩＧ溶接トーチの中心軸と法線とのなす角をトーチ角度αというものとする（図２参照）。また、ＭＩＧ溶接トーチの基端側を溶接方向に対して進行方向と反対側に傾斜させた際の、ＭＩＧ溶接トーチの中心軸と法線とのなす角をトーチ角度βというものとする（図２参照）。

以下に、具体例を示す。
（検証試験１）
先行ＴＩＧ−後行ＭＩＧをそれぞれ別の溶接トーチとし、先行ＴＩＧ溶接トーチのトーチ角度α、後行ＭＩＧ溶接トーチのトーチ角度βとした溶接装置を用いて、一般的な炭素鋼（ＳＭ４９０Ａ）からなる母材の溶接を行なった。なお、溶接条件を表１に示す。また、アーク間距離Ｌによるビード外観検査の結果を表２に示す。

表２に示すように、安定な溶接を行なうためには、アーク間距離Ｌの絶対値が４ｍｍ以内であることが必要であることを確認した。

（検証試験２）
先行ＴＩＧ−後行ＭＩＧをそれぞれ別の溶接トーチとし、先行ＴＩＧ溶接トーチのトーチ角度α、後行ＭＩＧ溶接トーチのトーチ角度βとした溶接装置を用いて、一般的な炭素鋼（ＳＭ４９０Ａ）からなる母材の溶接を行なった。なお、溶接条件は、表３に示す。また、先行ＴＩＧ電流と後行ＭＩＧ電流との関係によるビード外観検査の結果を表４に示す。

表４に示すように、先行ＴＩＧ電流が後行ＭＩＧ電流以上となる関係によって、後行ＭＩＧアークの安定化に必要な溶融池が得られることを確認した。

（検証試験３）
先行ＴＩＧ−後行ＭＩＧをそれぞれ別の溶接トーチとし、先行ＴＩＧ溶接トーチのトーチ角度α、後行ＭＩＧ溶接トーチのトーチ角度βとした溶接装置を用いて、一般的な炭素鋼（ＳＭ４９０Ａ）からなる母材の溶接を行なった。なお、溶接条件は、表５に示す。シールドガス中のＨｅおよびＨ_２による安定化の効果を確認する為、溶接速度について純Ａｒシールドガスではビード不整となる４０ｃｍ／ｍｉｎとした。また、シールドガス中のヘリウム及び水素濃度によるビード外観検査の結果を表６に示す。なお、各条件において先行・後行のガス種は同一とした。

表６に示すように、シールドガス中にヘリウムまたは水素を添加することによってアークの安定性が向上することを確認した。また、ヘリウムおよび水素はアーク電圧が高いため、１００％ヘリウムあるいはヘリウムと水素との混合ガスをシールドガスとして使用した場合、TIGアーク起動時および溶接中において、アークの発生が不安定となることがある。このため、シールドガス中にはアルゴンガスが１０％以上含まれたほうがより好ましい。

（検証試験４）
先行ＴＩＧ−後行ＭＩＧをそれぞれ別の溶接トーチとし、先行ＴＩＧ溶接トーチのトーチ角度α、後行ＭＩＧ溶接トーチのトーチ角度βとした溶接装置を用いて、一般的な炭素鋼（ＳＭ４９０Ａ）からなる母材の溶接を行なった。なお、溶接条件は、表７に示す。また、トーチ角度αおよびトーチ角度βにおける高速カメラによるアーク観察の結果を表８に示す。

表８に示すように、トーチ角度αとβの合計角度（|α|＋|β|）が３０〜１２０°の範囲となる場合にアークの安定性が増加し、良好な溶接結果が得られることを確認した。
（検証試験５）
先行ＴＩＧ−後行ＭＩＧをそれぞれ別の溶接トーチとし、先行ＴＩＧ溶接トーチのトーチ角度α、後行ＭＩＧ溶接トーチのトーチ角度βとした溶接装置を用いて、一般的なステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）からなる母材の溶接を行なった。なお、溶接条件は、表９に示す。ＭＩＧ溶接へのパルス付加による安定化の効果を確認する為、溶接速度について純Ａｒシールドガスではビード不整となる４０ｃｍ／ｍｉｎとした。また、パルス付加の有無によるビード外観検査の結果を表１０に示す。なお、ＭＩＧ溶接のパルス電流の波形、電流変化、周波数を図１２に示す。

表１０に示すように、後行ＭＩＧ溶接にパルス付加をした場合に、後行ＭＩＧの硬直性の増大によってアークが安定し、良好なビード外観が得られることを確認した。

また、本溶接方法は、下向姿勢が好ましいが、これに限定されるものでなく、全姿勢溶接に適用可能である。

本発明の複合溶接方法は、原子力容器、各種圧力容器等、従来、靱性とスパッタの観点とからＴＩＧ溶接しか適用できなかった製品への適用が可能である。
また、近年、鉄ベース材料の溶接金属中酸素量を低減させる方法として、クリーンＭＩＧ溶接法の開発が、各ワイヤメーカーや溶接機メーカーで行なわれているが、本発明の複合溶接法はその一つの手段となり得る。

１・・・溶接トーチ（複合溶接用の溶接トーチ）
２・・・ノズル本体
３・・・タングステン電極（ＴＩＧ電極）
４・・・溶接ワイヤ（ＭＩＧ電極）
５・・・母材
６，７・・・溶接電源
Ｌ・・・アーク間距離

Claims (7)

1. 溶接方向に対して先行する側で溶接可能なＴＩＧアークを発生させ、後行する側で溶接可能なＭＩＧアークを同時に発生させて母材を溶接する複合溶接方法であって、
   ＴＩＧアーク及びＭＩＧアークの重なりを生じさせ、
   ＴＩＧ電流をＭＩＧ電流よりも大きく設定するとともに、
   ＴＩＧ電極の中心軸と母材の表面との交点と、ＭＩＧ電極の中心軸と母材の表面との交点との距離の絶対値が４ｍｍ以下とすることを特徴とする複合溶接方法。
2. シールドガスとして、Ｈｅを２５％以上含有し、残部がアルゴンガスであるガスを用いることを特徴とする請求項１に記載の複合溶接方法。
3. シールドガスとして、水素を３％以上９％以下含有し、残部がアルゴンガスであるガスを用いることを特徴とする請求項１に記載の複合溶接方法。
4. シールドガスとして、水素を３％以上９％以下およびＨｅを２５％以上含有し、残部がアルゴンガスであるガスを用いることを特徴とする請求項１に記載の複合溶接方法。
5. シールドガスとして、水素を３％以上９％以下含有し、残部がヘリウムガスであるガスを用いることを特徴とする請求項１に記載の複合溶接方法。
6. ＴＩＧ溶接トーチの基端側を溶接方向に対して進行方向側に傾斜させた際の、ＴＩＧ溶接トーチの中心軸と法線とのなす角であるトーチ角度αと、ＭＩＧ溶接トーチの基端側を溶接方向に対して進行方向と反対側に傾斜させた際の、ＭＩＧ溶接トーチの中心軸と法線とのなす角であるトーチ角度βとの合計角度（|α|＋|β|）を３０〜１２０°の範囲とすることを特徴とする請求項１に記載の複合溶接方法。
7. 後行ＭＩＧ溶接にパルス電流を付加することを特徴とする請求項１に記載の複合溶接方
   法。