JP5976642B2 - ロータリアーク及びＡｒ／Ｈｅ／Ｏ２の気体状混合物を用いた炭素鋼へのＭＩＧ／ＭＡＧ溶接 - Google Patents

Description

本発明は、ロータリアークを用いるアーク溶接プロセス、特には、消耗ワイヤの設備を有し、特に重ねタイプ形態の炭素鋼部品を、とりわけ、段付き重ね継手をＭＩＧ／ＭＡＧ溶接するプロセスにおける、アルゴン、ヘリウム及び酸素からなる三元気体混合物のシールドガスとしての使用に関する。

重ねタイプ形態の金属部品の継手（重ね継手という表現により示される）は、特に以下のタイプの圧力容器、例えば、熱水タンク、消火器、コンプレッサ、冷却装置、ＬＰＧガスシリンダ等の構成要素において見出される。

特に、最も広範に使用されているのは、一般には段付き重ね継手と呼ばれる、段付きの縁を有していると言われるものである。図３において示されているように、一般的にそのような継手は、中空円筒状の端を有している２つの部品を含んでおり、それら部品のうちの一方の内側表面が、他方の部品の外側表面と、それらの円形の端で数ミリメートルを超えて重なるように、それらのうちの一方が他方に入れ子になっている。

規格ＥＮ１３４４５−４：２００２は、そのような重ね継手、特に段付き重ね継手の、中立素分のアライメント、表面のアライメント、円形からのずれ、真直性からのずれ、面精度及び局所的薄化に関する製作公差を正確に定義している。

概略的には、このタイプの継手、即ち、特には図３において示されるように、互いに部分的に重なっているか又は覆っている縁を有している継手上で得られる溶接部は、継手の外側を完全に覆うべく比較的広い縦断面を有し、上方の縁の下方の肩を溶融させるべく十分な溶込みを有していなければならない。

更には、使用する溶接プロセスに応じて、それぞれのパスの後、所望の溶接品質を得るべく、先行するパスの間に形成されたスラグは除去され、表面は清浄化され、表面の欠陥は除去されなくてはならない。

文献ＥＰ−Ａ−２０７８５８０は、回転アークを用い、８乃至１２％のヘリウム、２．５乃至３．５％の酸素及び残部アルゴン（体積％）からなる気体混合物を使用したＭＩＧ／ＭＡＧ溶接プロセスにより、段付き重ね継手を溶接することを提案した。

しかしながら、このプロセスは、溶込みプロファイルが常には所望のものとはならない溶接をもたらす不十分なアーク集束へと導くという欠点を有している。

目標とする応用において、使用者は、最小のスパッタでの移行（ｔｒａｎｓｆｅｒｔ）を探求するであろう。しかしながら、文献ＥＰ−Ａ−２０７８５８０において提案されている混合物は、極めて短時間だが強い短絡を１００％起こさないために、高い電圧を使用することを必要とする。

更に、文献ＥＰ−Ａ−８５７５３４は、強磁性鋼を溶接するために、１０乃至４０％のヘリウム、１乃至８％の酸素及び残部アルゴンからなる気体混合物を使用することを教示している。有利には、推奨される酸素含有量は、回転アーク溶接の場合に効果的な溶接を得るためには、少なくとも５％であるべきである。

しかしながら、この場合、継手は、全てが通常の形態、つまりは、Ｉ形突合せ継手である。この文献は、重ね継手に関しても、そのような継手上に得られる溶接品質に関してもなんら教示していない。

しかしながら、溶接エネルギーが高すぎると、溶融金属の深刻なスパッタを生じて製品品質を害するか、又は、溶接部品の厚みが小さいとき、即ち、およそ１ｍｍよりも薄いときには、溶接部品の穴すら生じるので、重ね継手は、溶接に注意を要し、固有の問題を提起する。

更には、このタイプの継手上に製造される溶接部又は溶接シームは、重なっている部品相互の強固な接続を可能にするための溶込みの観点だけでなく、得られるビードが丸すぎないように又は逆にアンダカットを有するように、ビード形態の観点、特にぬれの観点においても、高品質でなくてはならない。

しかしながら、良好なビード外観を得ることは、産業上の観点から容易ではない。

ここから始めると、直面している問題は、溶接中、スパッタ無しか又は可能なかぎり少ないスパッタで、しかも、低い溶接エネルギー、典型的には、３５Ｖよりも小さい溶接電圧及び３００Ａよりも小さい溶接電流の使用で、鋼において効果的に重ね継手を溶接して、特にぬれの観点から、良好な溶込み及び良好な溶接品質、とりわけ溶接ビードの良好な形態を得ることを可能にする改善された回転アーク溶接プロセスを提案することである。

別の関連した問題は、低いエネルギーレベルでの使用、つまりは、３５Ｖよりも小さい溶接電圧と３００Ａよりも小さい溶接電流とを伴う使用に適した、鋼における重ね継手、特に段付き重ね継手を溶接するそのようなプロセスに特に適した特定の気体混合物を更に提案することである。

本発明の解決策は、アルゴン、ヘリウム及び酸素からなる三元気体混合物であって、１９．５乃至２０．５％のヘリウム、２．７乃至３．３％のＯ₂及び残部アルゴン（体積％）からなることで特徴づけられる三元気体混合物に関する。

場合により、本発明の気体混合物は、以下の特徴（体積％）の１つ以上を含んでいても良い。

−１９．８乃至２０．２％のヘリウムを含んでいる。

−２．８乃至３．２％の酸素を含んでいる。

−２．９乃至３．１％の酸素を含んでいる。

−２０％のヘリウム、３％のＯ₂及び残部アルゴンを含んでいる。

−ガス貯蔵器、特にガスシリンダに予め充填されている。

−アルゴン、ヘリウム及び酸素を所望の体積比で混合するのに使用するガスミキサによって現場で製造される。

更に、本発明は、消耗溶加ワイヤ及びガスシールドの使用を伴う、少なくとも１つの炭素鋼部品の電気アーク溶接のためのプロセスであって、ガスシールドが本発明に係る三元気体混合物からなることで特徴づけられるプロセスに関する。

場合により、本発明の溶接プロセスは、以下の特徴のうち１つ又は複数を含んでいても良い。

−それは、ＭＩＧ／ＭＡＧタイプである。

−前記消耗溶加ワイヤは、回転液体線（ｖｅｉｎｅ ｌｉｑｕｉｄｅ ｔｏｕｒｎａｎｔｅ）によって金属移行を得るべく、アークによって溶融される。

−溶接される１又は複数の前記部品は互いに重なっているか又は覆っており、この重なり又は覆いの位置で回転アーク溶接が行われる。

−溶接される前記部品は段付きタイプの形態であり、好ましくは、溶接される前記部品は熱水タンク、消火器、コンプレッサ、冷却装置、又はガスシリンダタイプの圧力容器の構成要素である。

−溶接される前記部品は互いに重なる円筒状の端を備えている。

−２９．５Ｖ乃至３５Ｖの、好ましくは３４Ｖ未満のアーク電圧を使用する。

−３ｍｍ以下の、好ましくは２ｍｍ以下の厚みを有している１つ又は複数の部品が溶接されている。

−前記ワイヤは、前記０．８乃至１ｍｍの直径を有している。

−前記アークは回転アークであるか、又は、液体金属の線は回転している、即ち、回転運動により駆動されている。

−前記移行は、液体金属、即ち、溶融金属の線により起こる。液体金属の線は、電気アーク内の消耗溶加ワイヤの溶融により形成される。

−前記溶接部品は、炭素鋼からなる。“炭素鋼”という表現は、２重量％未満の炭素濃度を有している鉄−炭素合金を指す。そのような合金は、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｉ及びＮｂタイプの追加元素を含んでいてもよい。不純物、例えばＳ、Ｐ、Ｏ、Ｎ、Ｈなどが、金属の化学分析において存在していてもよい。

−前記溶接電圧は、３６Ｖよりも小さく、典型的には、およそ２９．５Ｖ乃至３５Ｖの範囲内である。

−前記溶接電流強度は、２４５Ａ乃至３００Ａの範囲内である。

−前記溶接ワイヤは、ＮＥＲＴＡＬＩＣ７０Ｓタイプである。

−前記ワイヤの供給速度（Ｖｗｉｒｅ）は、せいぜい３０ｍ／ｍｉｎであり、典型的には、１６ｍ／ｍｉｎ乃至２０ｍ／ｍｉｎの範囲内である。

−前記溶接スピードは、せいぜい５ｍ／ｍｉｎであり、典型的には、０．８ｍ／ｍｉｎ乃至２ｍ／ｍｉｎの範囲内である。

本発明を、以下の記載において、添付した図面を参照しながら更に詳細に説明する。

図１は、ビード形態の移行タイプの影響を概略的に示している。 図２は、回転する液体線を概略的に示している。 図３は、段付き重ね継手を概略的に示している。

一般的に、ＭＩＧ−ＭＡＧアーク溶接においては、３つの主要な又は通常の移行レジームがある。即ち、
−短絡。このレジームは、低いアークエネルギー、典型的には５０乃至２００Ａ及び１５乃至２０Ｖで得られる。溶融金属の滴が、溶加ワイヤの端において形成され、溶融金属の池と接触するまで徐々に大きくなり、これが短絡を引き起こす。その後、電流は急速に増大して、滴の脱離を促進するピンチ状の外観を生じさせ、それからアークは再点火する。この現象は、およそ５０乃至２００Ｈｚの周期で繰り返される。このレジームは、“コールド”と言われ、ショートアークを有している。それは小さな厚さの、つまり、３ｍｍ未満の溶接に適しており、ポジション溶接中に溶融池を制御することを可能にする。

−軸スプレー。高い溶接エネルギー、即ち２８０Ａに対して少なくとも２８Ｖであり、ある電流密度よりも高いと、ワイヤとシールドガスとの性質に依存するが、典型的には２５０Ａ／ｍｍ²よりも高いと、溶加ワイヤの端は細長い円錐形状をとる。ワイヤから溶融池への溶融金属の移行は、溶融金属の微小滴の形でおこり、それらの直径は、ワイヤのそれよりも小さく、それらはワイヤの軸に沿って高速で噴霧される。アークは４乃至６ｍｍの長さである。この金属の移行は、安定なアークを提供し、スパッタをほとんど生じない。それは、高水準、即ち少なくとも５ｍｍの溶込みと、多量の溶着金属、即ち少なくとも１５ｍ／ｍｉｎのワイヤ速度とを可能にする。それは、５ｍｍオーダー及びそれより大きい厚みを有している部品の溶接に適している。しかしながら、池の量及び流動性は、それが下向溶接において主に使用されることを意味する。

−グロビュールレジーム。短絡移行を起こすエネルギーと軸スプレー移行を起こすエネルギーとの間の溶接エネルギー、即ち典型的には２００Ａに対する２２Ｖと２８０Ａに対する２８Ｖとの間では、溶加ワイヤの端に形成される金属滴は、ゆっくり成長する。電流強度は、脱離を引き起こすピンチ効果を有するには十分でないので、滴は大きくなる、即ち当該ワイヤの直径よりも大きなサイズを有するようになる。移行は、滴が池に接触する際、短絡によってか、又は、重力の影響下での滴の脱離によって生じる。滴は、それから、常にアークの軸中にある訳ではない軌道をたどる。この移行モードは不安定であり、浅い溶接溶込みのみを得ることを可能とし、金属滴の多量のスパッタを生じる。

これら３つの主要なレジームに、従来とは異なる溶接パラメータを必要とする３つの移行レジームを加える必要がある、即ち、
−強制ショートアークレジーム。短絡移行は、高電流で溶接することを可能としない一方で、溶接電流強度の増大は、かなりの接着スパッタを生じ、同時に相当な仕上時間を要するグロビュール移行をもたらす。強制短絡又は強制ショートアーク移行は、普通はグロビュール領域内に位置するアークエネルギーで、短絡による移行を維持することを可能にする。このレジームは、溶接速度を増大でき、微細なスパッタのみを生じ、仕上時間を制限する。強制短絡は、トランジスタを使用した溶接機を用いて得られ、その波形は、規則的な短絡を維持することを可能とする。

−パルスレジーム。元来、パルスレジームは、不安定な移行モードとスパッタリングの性質とに起因して、許容できる溶接条件の下で生産性を増大させることができなかったグロビュールレジームの欠点を克服するべく開発された。パルスレジームにおいて、溶接は、パルス電流を用い、それぞれのパルスについて、パルス毎に単一の滴を伴う軸スプレータイプの移行が起こるようパルセーションパラメータを選ぶことにより実行される。ここにおいて、このレジームは強制される、即ち、電流の形は、注意深くパルセーションパラメータを選ぶことにより、結果が確実であるように強いられる。典型的には、パルセーション周波数は、ワイヤ供給速度に依存して、５０乃至３００Ｈｚの範囲である。これは、時間の関数としての電流の形を強いることが可能な発電器、例えば、トランジスタ発電器を必要とする。

−回転液体線（即ちＲＬＶ）による移行。非常に高い溶接エネルギー、即ち、４５０Ａに対して約４０Ｖでは、軸スプレー移行は、高い電磁力にさらされる。これらの力の影響下において、移行させられつつある液体金属は、回転を始め、回転液体線を形成する。高い生産性を与える場合、このレジームは、５００Ａオーダーの強度及び４５乃至５０Ｖで出現する。丸まった溶込み形状は、開先を満たすのに都合がよく、良好なコンパクトさを可能にする。

しかしながら、一般的には、移行は、ワイヤ速度及び電圧に依存する。ワイヤ速度が十分に高ければ、電圧を増大させることにより、移行は、不安定から軸スプレーへ、それから回転液体線へと変化する。ビードの形は、適用された移行に起因する。

上述の様々な移行モードにより得られるビードの形態が、図１に描かれている。図１において見られるように、各々の移行は、特定のビード形状をもたらす。

従って、
−グロビュールレジームは、大きな接着性スパッタの存在を伴うレンズ状溶込みにより表現される。

不安定レジームは、低いワイヤ速度では若干先の尖った溶込みを伴う、曲がった、ぬれがないビードにより特徴づけられる。尖った形は、ワイヤ速度を増大させるとより顕著になる。

−パルスレジームは、波形が提供する広い範囲の調節により、様々なタイプのビード形態を有することを可能とする。高いワイヤ速度において、電流パルスの周波数、そしてピーク強度も非常に増大させることへの拘束力は、スプレーに非常に近いふるまいをもたらす。この移行は、ビードの位置において、平滑電流のスプレー移行が提供するものに非常に近い形状によって表現される。

−軸スプレーレジームは、指ぬき形状の溶込みをもたらし、それは、ワイヤ速度が高い時にさらにより顕著となる。ぬれは良好である。

−回転液体線、即ち、ＲＬＶは、皿形状で平底のビード溶込みを生じさせる。

本発明の文脈の範囲内において、選択する移行モードは、回転液体線、即ち、ＲＬＶタイプの移行である。

しかしながら、従来、ＲＬＶ移行において、非常に高い溶接エネルギー、即ち、４５０Ａに対して少なくとも４０Ｖについて、及び、存在する電磁力の影響下では、回転運動をする液体線の形成が観察される。従って、このＲＬＶレジームは、高い、即ち４０Ｖ及び４５０Ａよりも高い電圧−電流ペアであって、通常、発電機は４００Ａ超を出力しないと認められているとすると、パワーエンベロープがこのエネルギー範囲をカバーしている１（以上）の発電機によって出力される電圧−電流ペアの使用と、使用する溶加ワイヤの直径の関数としての２０乃至４０ｍ／ｍｉｎのワイヤ速度の使用とを一般には必要とし、加えて、ワイヤは、少なくとも２５ｍｍの自由末端部を常に有していなければならない。こうするために、慣例的に、２倍速、即ち５０ｍ／ｍｉｎに達しうるスピードを持つ供給機を使用し、これは、第１のレジームにおいては通常のワイヤ速度で、開始及び終了フェーズの円滑な稼動を保証することを可能にし、第２のレジームにおいては、高いワイヤ速度を要求する高溶着速度レジームへ推移させることを可能にする。

更に、ワイヤを送る溶接ノズル及びガスシールドは、水の循環によって特に良好に冷却されなくてはならない。

最後に、ＲＬＶレジームにおけるＭＩＧ／ＭＡＧ溶接中に適用されるガスシールドは、溶接ビードをより良い品質か又はより悪い品質で得ることを決定するため、特に重要である。従って、文献ＥＰ−Ａ−２０７８５８０は、９％乃至１１％のヘリウム、２．７％乃至３．３％の酸素及び残部アルゴンを含んでいる、好ましいＨｅ／Ａｒ／Ｏ₂混合物を提案した。しかしながら、実際には、低含有量のヘリウムは、電流密度を及びそれ故に電磁力の振幅を増大させるのに十分なアーク集束を生じさせるのに苦労するので、この三元混合物は理想的ではないことが明らかになった。更に、非常に速いサンプリングでのオシロスコープ記録の観察は、図１のダイアグラム上の回転液体線領域の底部に、ミクロ短絡の存在を示している。実際、これらは、液体線が溶融池と物理的に接触するのを防ぎ、その結果、スパッタを伴う再点火が続いて起こるアークの消滅を引き起こすのを防ぐには、電圧が十分高くない動作点である。

この観点において、本発明の発明者らは、シールドガスとして使用する気体混合物組成物中に含められている様々な気体の利点と影響とをより良く理解することを探求して、低いエネルギーレベル、即ち、３２０Ａ及び３２Ｖより小さいエネルギーレベルでの回転液体線による移行を用いる、鋼部品のＭＩＧ／ＭＡＧ溶接のプロセスを改善することを試みた。

彼らは、ヘリウム及び酸素だけでなく、アルゴンも同様に、非常に特別に興味をもち、以下に記録した比較試験を実行した。

実際、そのような気体混合物においては、ヘリウムが、そのより大きな熱伝導率のために使用される。事実、ワイヤと溶接されるべき部分との間の軸に沿ったいかなる位置についても、電気アークを形成すべくシールドガスの一部がイオン化されると仮定すると、電源から供給される電気エネルギーの大部分は、プラズマのエンタルピーに含まれていると考えることができる。つまり、

ここで、
−Ｉは、溶接電流、
−Ｖは、電極と、溶接されるべき部品へのワイヤの軸に沿った投影との電位差、
−ρ_Aは、プラズマの平均密度、
−Ｖ_Aは、プラズマの平均速度、そして
−Ａは、アークの表面積である。

エネルギーフラックス密度は、それ故ρ_Aｈ_Aｖ_Aにより与えられ、従って、プラズマの１つの基本的な物質特性は、積ρｈ、又は、ｃ_p＝ｄｈ／ｄＴなのでρｃ_pである。

上の等式によると、Ｉ及びＶの同じ値に対して、ｃ_p値の増大、従ってエンタルピ―ｈの値の増大は、アークＡの減少した表面積をもたらし、従って、集中アークをもたらす。

２番目の効果は、アークの削減された表面領域は、より高い電流密度を生じ、従って、より大きい磁力を生じるということである。

より高い速度Ｖ_Aは、より小さい値のＡ及び集中アークを生じさせることに言及することもできる。この効果は、熱ピンチ効果と呼ばれる。

更に、酸素は、アークの安定化効果のためのみならず、より優れた流動性を有し、磁力によって一層たやすく移動する液体線を、消耗ワイヤの端において得ることを可能とする、表面活性の側面のためにも使用される。

最後に、アルゴンの役割は、容易にイオン化するので、それ自体がアークの点火を促進することである。

最終的には、ねらっている目標は、オーバーラップする、典型的には段付配置である鋼部品のＭＩＧ／ＭＡＧ溶接の間に、低いエネルギーレベルで、概略的に図２に示したものと同一又は類似したＲＬＶ移行を得ることに成功することであった。

このために、以下のことが試験された。

−様々な気体組成物、特に、
・１０乃至４０％のＨｅを一定のＯ₂含有量（３％）及び残部Ａｒと共に、若しくは
・２乃至６％のＯ₂を一定のＨｅ含有量（１０％）及び残部Ａｒと共に含んでいる三元Ａｒ／Ｈｅ／Ｏ₂混合物、又は
・２０％Ｈｅである他の比較混合物、
−様々なワイヤ速度、そして
−様々な電気パラメータ、特に様々な電圧。

各々の溶接されたビードに、電気溶接パラメータ及び拡大図の記録と同調させた高速ビデオを、移行と回転液体線領域（図１を参照）における底部のミクロ短絡の出現とが起こる様式を観察できるように実行した。これらは、液体線が溶融池と物理的に接触し、それ故、スパッタを伴う再点火が続いて起こるアークの消滅を生じるのを防げるほど電圧が十分に高くない動作点である。

実際、線と溶融池との間の物理的接触を避けることが可能であることは、スパッタを防ぐ又は削減すること、そしてそれ故に溶接品質を増大することを可能とするために最重要である。

試験に使用された溶接パラメータを、表１中に記載している。

規格ＥＮ１００２８−２に照らして、鋼Ａ４２＝鋼Ｐ２６５
ワイヤのグレード：Ｎｅｒｔａｌｃ７０Ｓ、規格ＡＷＳ Ａ ５−１８に照らすと：ＥＲ ７０−Ｓ３ そして規格ＥＮ４４０に照らすと：Ｇ２ Ｓｉ。

試験された様々な気体混合物の組成を表２に記している。

溶接している間、溶接される部品は、図３に示しているように段付き配置である。

更に、使用する発電機は、Ａｉｒ Ｌｉｑｕｉｄｅ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｆｒａｎｃｅから手に入る、Ｄｉｇｉ＠ｗａｖｅ ５００ タイプ；供給機はＤＶＲ ５００ タイプ；そしてトーチはＰＲＯＭＩＧ ４４１ Ｗ タイプである。

得られた結果は、回転アーク（ＲＬＶ）を用いるＭＩＧ／ＭＡＧ溶接における、酸素及びヘリウムの影響を実証することを可能とした。

更に具体的に、試験７及び８は、２％のＯ₂含有量について、ミクロ短絡を有しない金属移行を得るのに必要な溶接エネルギーは、２８０Ａに対し３２．８Ｖに位置することを示した。シールドガスの低いＯ₂含有量は、溶融金属の流動性を低くし、従ってより回転しにくくする。

Ｏ₂含有量が３％に達すると（試験１乃至４）、ミクロ短絡を生じない金属移行を得るべく必要な溶接エネルギーは、２７５Ａへ３１．８Ｖに位置し、一方で４．５％であると（試験６）、それは２７９Ａへ３２．８Ｖに位置する。シールドガスのＯ₂含有量の増大は、溶融金属の流動性を増大させ、従って液体線を長くする。このより長い（ワイヤ）又は液体金属の線は、従って溶融池に不規則に接触し、接着スパッタを引き起こす短絡を生じる。従って、低い含有量、即ちわずか２％の含有量より、むしろ３％のオーダーの酸素含有量を使用することは、明らかに好ましい。

６％のＯ₂含有量（試験５）に対しては、ミクロ短絡を生じない金属移行を得るのに必要な溶接エネルギーは、２８３Ａへ３４．４Ｖに位置する。シールドガスの高いＯ₂含有量は、溶融金属の流動性をさらにずっと増大させ、従って液体線をさらに長くする。短絡はより頻繁であり、従ってスパッタはよりおびただしい。加えて、ビードは、非常に顕著な酸化を生じ、ビード表面の大きいケイ酸塩の存在が認められ、それはビードの品質及び外観の観点から受け入れらない。それ故、この６％の酸素含有量は、過度である。

３％より多く６％より少ない酸素含有量で実施された追加の試験は、およそ３％より多い酸素含有量は良好なぬれを得るのに必要なく、反対に、４．５又は５％を超えるものは、ビードの品質を害しうることを観察可能とした。

最終的に、酸素含有量は、従って、強制的に、およそ３体積％に維持されなくてはならない。

更に、追加の試験は、気体が１０％のヘリウムを含んでいると（試験１及び５乃至７）、ミクロ短絡を生じない金属移行を得るのに必要な溶接エネルギーが、２７５Ａへ３１．８Ｖに位置することを示した。

ヘリウムの少ない含有量は、電流密度を増大させ、それ故電磁力の振幅を増大させるのに十分なアーク集中を生じさせてしまう。金属移行は、回転する液体線移行に従ってはっきりと起こるが、拡大図は、断面がＲＬＶ移行の定義を順守しない溶込みを示している。

ヘリウム含有量を２０体積％まで増大させると（試験２及び８）、ミクロ短絡を生じない金属移行を得るのに必要な溶接エネルギーは、２８０Ａへ３１．８Ｖに位置する。金属移行は、回転する液体線移行に従ってはっきりと起こり、拡大図は、断面がＲＬＶ移行の定義を順守する溶込みを示している。

一方で、ヘリウムが２０％を超えると、特にヘリウムが３０％では（試験３）、ミクロ短絡を生じない金属移行を得るのに必要な溶接エネルギーは、２７６Ａへ３４．４Ｖに位置する。アークの集中は、アーク中央のエネルギー密度を増大させ、それ故回転液体線を過度に流動化し、それはパラサイトする短絡を生じる。

更に顕著なことに、ヘリウムが４０％である（試験４）と、ミクロ短絡を生じない金属移行を得るのに必要な溶接エネルギーは、２７３Ａへ３４．４Ｖに位置する。アークの集中は、アーク中央のエネルギー密度を増大させ、それ故回転液体線を過度に流動化し、それは短絡を生じる。加えて、より大きい電流密度は、電磁力の振幅を増大させ、従って、金属移行の不安定性を増大させ、それは、溶接中にアークの形状を大きく修正する。この現象は、ビードの横方向への揺動をもたらす。

最終的に、ヘリウム含有量は、炭素鋼部品の重ね継手の溶接中、強制的に、およそ２０体積％に維持されなくてはならない。

Ｈｅが２０％というこの値に関する追加の試験は、非常に狭い範囲において、つまりは、Ｈｅ含有量が１９．５乃至２０．５％のヘリウムであり、その上、酸素含有量は、３体積％のオーダーであり、典型的には２．７乃至３．３体積％である際に、特に良好な結果となることを観察可能とした。

好ましくは、ヘリウム含有量は、少なくとも１９．７％であり、好ましくは少なくとも１９．８％であり、より好ましくは少なくとも１９．９％であり及び／又はせいぜい２０．３％であり、好ましくはせいぜい２０．２％であり、より好ましくはせいぜい２０．１％である。

同様に、有利なことに、酸素含有量は、典型的には少なくとも２．８％であり、好ましくは少なくとも２．９％であり、及び／又はせいぜい３．２％であり、好ましくはせいぜい３．１％である。

これらの試験の全ては、オーバーラップ配置又は溝タイプ（ｔｒｏｕｇｈ−ｔｙｐｅ）のコーナー配置、とりわけ段付き重ね継手における、炭素鋼部品の回転アークを用いるＭＩＧ／ＭＡＧ溶接に特によく適した、特定のＡｒ／Ｈｅ／Ｏ₂三元気体組成物、つまりは、２０％のヘリウム、３％の酸素及び残部アルゴン（体積％による）からなる三元Ａｒ、Ｈｅ及びＯ₂気体混合物という結果になることを可能とする。

実際、この組成に従った気体混合物は、スパッタを伴わず、所望のビード形態、特に優れたぬれを有する、低いエネルギーでの回転液体線による安定的な移行を得ることを可能とする。

実際、ヘリウム含有量がおよそ２０％である三元混合物の使用は、液体線を長くすること（磁気ピンチング及びより高い等温線の効果）を引き起こし、従ってミクロ短絡を生じる水準に決して到達することなしに、電流密度を増大することを可能とするので、安定的な様式でＲＬＶ移行が得られるエネルギー水準を低くすることを可能とする。

これら三元混合物の酸素含有量を３％へ制限することは、気体の表面活性効果を制限し、従ってミクロ短絡を有さないことも可能とし、回転中に回転液体線の端の分離を有さないことを可能とする。実際、Ｏ₂＞４．５％のレベルで出現するこれら外側に向かうスパッタは、溶融池の外側に落下し、相当に大きい接着スパッタを引き起こす。

更に、５％よりも多い含有量の使用は、表面の酸化及びケイ酸塩の存在が理由で、不十分と考えられ得るビード外観をもたらす。

供給ワイヤ及び本発明に係るＡｒ／Ｈｅ／Ｏ₂ガスシールドを用いる電気アークＭＩＧ／ＭＡＧ溶接のプロセスは、炭素鋼部品の溶接に特に適しており、特にビードの表面酸化が許容可能な時に適している。

本発明に係るＭＩＧ／ＭＡＧ溶接のプロセスは、段付き重ね継手、特に、水加熱タンク、消火器本体、タンク等の溶接に非常に適している。
以下に、当初の特許請求の範囲に記載していた発明を付記する。
[１]アルゴン、ヘリウム及び酸素からなる三元気体混合物であって、１９．５乃至２０．５％のヘリウム、２．７乃至３．３％の酸素、及び残部アルゴン（体積％）からなることを特徴とする三元気体混合物。
[２]先行する項に記載の気体混合物であって、１９．８乃至２０．２％のヘリウムを含んでいることを特徴とする気体混合物。
[３]先行する項の何れかに記載の気体混合物であって、２．８乃至３．２％の酸素を含んでいることを特徴とする気体混合物。
[４]先行する項の何れか１つに記載の気体混合物であって、２．９乃至３．１％の酸素を含んでいることを特徴とする気体混合物。
[５]先行する項の何れか１つに記載の気体混合物であって、２０％のヘリウム、３％のＯ ₂ 、及び残部アルゴンからなることを特徴とする気体混合物。
[６]消耗溶加ワイヤ及びガスシールドを使用して少なくとも１つの炭素鋼部品を電気アーク溶接する方法であって、前記ガスシールドは項１乃至５の何れか１つに記載の三元気体混合物により形成されることを特徴とする方法。
[７]項６に記載の方法であって、ＭＩＧ／ＭＡＧタイプであることを特徴とする方法。
[８]項６及び７の何れかに記載の方法であって、アークはロータリアークであることを特徴とする方法。
[９]項６乃至８の何れか１項に記載の方法であって、前記消耗溶加ワイヤをアークにより溶融させて、回転液体線による金属移行を得ることを特徴とする方法。
[１０]項６乃至９の何れか１項に記載の方法であって、溶接される１又は複数の前記部品は互いに重なっているか又は覆っており、この重なり又は覆いの位置でロータリアーク溶接が行われることを特徴とする方法。
[１１]項６乃至１０の何れか１項に記載の方法であって、溶接される前記部品は段付きタイプの形態であり、好ましくは、溶接される前記部品は熱水タンク、消火器、コンプレッサ、冷却装置、又はＬＰＧガスシリンダタイプの圧力容器の構成要素であることを特徴とする方法。
[１２]項６乃至１１の何れか１項に記載の方法であって、溶接される前記部品は互いに重なる円筒状の端を備えていることを特徴とする方法。
[１３]項６乃至１２の何れか１項に記載の方法であって、２９．５Ｖ乃至３５Ｖの、好ましくは３４Ｖ未満のアーク電圧を使用することを特徴とする方法。
[１４]項６乃至１３の何れか１項に記載の方法であって、３ｍｍ以下、好ましくは２ｍｍ以下の厚さを有している１以上の部分が溶接されることを特徴とする方法。
[１５]項６乃至１４の何れか１項に記載の方法であって、前記ワイヤは０．８乃至１ｍｍの直径を有していることを特徴とする方法。

Claims (11)

1. 消耗溶加ワイヤと、ロータリアークと、１９．５乃至２０．５％のヘリウム、２．７乃至３．３％のＯ₂及び残部アルゴン（体積％）からなる三元気体混合物により形成されるガスシールドとを使用して少なくとも１つの炭素鋼部品を電気アークＭＩＧ／ＭＡＧ溶接する方法であって、前記消耗溶加ワイヤを前記ロータリアークにより溶融させて、回転液体線による金属移行を得ることと、溶接される１又は複数の前記部品は互いに重なっているか又は覆っており、この重なり又は覆いの位置でロータリアーク溶接が行われ、アーク電圧は、２９．５Ｖ乃至３５Ｖの間であり、溶接電流強度は、２４５Ａ乃至３００Ａの間であること、とを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記ガスシールドは、１９．８乃至２０．２％のヘリウムを含んでいる三元気体混合物により形成されることを特徴とする方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法であって、前記ガスシールドは、２．８乃至３．２％のＯ₂を含んでいる三元気体混合物により形成されることを特徴とする方法。
4. 請求項１乃至３の何れか１つに記載の方法であって、前記ガスシールドは、２．９乃至３．１％のＯ₂を含んでいる三元気体混合物により形成されることを特徴とする方法。
5. 請求項１乃至４の何れか１つに記載の方法であって、前記ガスシールドは、２０％のヘリウム、３％のＯ₂及び残部アルゴンを含んでいる三元気体混合物により形成されることを特徴とする方法。
6. 請求項１乃至５の何れか１つに記載の方法であって、溶接される前記部品は段付きタイプの形態であることを特徴とする方法。
7. 請求項１乃至６の何れか１つに記載の方法であって、溶接される前記部品は熱水タンク、消火器、コンプレッサ、冷却装置、又はガスシリンダタイプの圧力容器の構成要素であることを特徴とする方法。
8. 請求項１乃至７の何れか１つに記載の方法であって、溶接される前記部品は互いに重なる円筒状の端を備えていることを特徴とする方法。
9. 請求項１乃至８の何れか１つに記載の方法であって、３４Ｖ未満のアーク電圧を使用することを特徴とする方法。
10. 請求項１乃至９の何れか１つに記載の方法であって、３ｍｍ以下の厚さを有している１つ以上の部分が溶接されることを特徴とする方法。
11. 請求項１乃至１０の何れか１つに記載の方法であって、前記ワイヤは０．８乃至１ｍｍの直径を有していることを特徴とする方法。

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