JP6304646B2 - Ａｒシールドガスを使用した消耗電極式溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、Ａｒシールドガスを使用した消耗電極式溶接に関し、特に溶接用ソリッドワイヤを使用し、レーザ照射により、ワイヤ先端部に生じる溶融金属液柱の切断又は分散化を図り安定な溶接を可能とする消耗電極式溶接方法に関する。

溶接ワイヤを一定の速度で送給し，溶接ソリッドワイヤと母材の間でアークを発生させてワイヤと母材を溶融させる消耗電極式溶接(ＧＭＡ溶接)は広く使用されている。ＧＭＡ溶接ではシールドガスに１００％ＣＯ_２、あるいはＯ_２やＣＯ_２を含んだ混合ガス（例えば８０％Ａｒ＋２０％ＣＯ_２、９５％Ａｒ＋５％Ｏ_２、９８％Ａｒ＋２％Ｏ_２など）が使用される。これらの混合ガスを使用するとアークが安定となるので広く使用されている。しかしながら、シールドガスに含まれるＯ_２やＣＯ_２により溶接金属中で酸化物系介在物が生成され、介在物が破壊の起点となり、靱性や延性の低下が生じる。このため、靱性や延性の必要な溶接継ぎ手に対してＧＭＡ溶接は使用されなかった。

これを改善し、溶接継ぎ手部の性能向上を図るためには、シールドガスにＯ_２やＣＯ_２を含まない純Ａｒガスを用いることが有効である（非特許文献１）。しかし、純Ａｒシールドガスと通常の溶接ソリッドワイヤを使用してＧＭＡ溶接を行うと、図１に示すようにワイヤ先端部には細長く伸びた溶融金属液柱が生じる。この溶融金属液柱は不安定に動き回り、開先壁や溶融池に不規則に接触すると、不規則な短絡が発生し電流が大きく変動し溶接が不安定になる。更に、アークは溶融金属液柱の不規則な動きに連動して動き回るので溶接が不安定になる。市販の溶接用ソリッドワイヤを使用し、Ａｒシールドガスを使用してＧＭＡ溶接を行うと、図２に示すように蛇行したビードやアンダカットが発生したビードが生じ、良好な溶接継ぎ手を得ることができない。このため、Ａｒシールドガスを使用したＧＭＡ溶接（以下では純Ａｒ−ＧＭＡ溶接と称する）は不安定とされ、実用化されなかった（非特許文献２）。

他方で、本出願人は安定な純Ａｒ−ＧＭＡ溶接を可能とする同軸複層ワイヤを提案している（特許文献１、２)。融点の異なる芯線(ワイヤの内側の材料)とフープ(ワイヤの外側の材料)からなる同軸複層ワイヤを使用することによりワイヤ先端部の溶融挙動が変化し、長く伸びた溶融金属液柱の生成を抑えて安定な溶接を行うことができる。

しかしながら、材質や特性の異なる材料を芯線とフープにした二重構造となっている同軸複層ワイヤでは、芯線とフープの硬さや強度が異なるので、ワイヤの伸線加工が難しく、製造法がネックとなり、一般的な溶接用ワイヤとなっていないのが現状である。

一方、長く伸びた溶融金属液柱の生成を抑える観点からは、生成した溶融金属液柱を溶接時に切断して除去できれば、同軸複層ワイヤと同等な効果が得られる。すなわち、これまで安定な溶接施工が困難とされた通常の溶接用ソリッドワイヤでも、安定な純Ａｒ−ＧＭＡ溶接が可能になる。これを実現するには、非接触かつ高精度でワイヤの切断ができるレーザが最も有効である。しかし、溶接アークの中でワイヤや溶融金属液柱を切断するためのレーザ照射条件や最適な切断条件の範囲については未開示である。

小電流域において溶滴のグロビュール移行の制御がレーザで試みられている。この方法はワイヤ先端に形成される溶滴にレーザを照射し，反跳力を利用して溶滴離脱を制御するものである(非特許文献３、４)。すなわち、ワイヤ先端に付着した離脱前の溶滴の上部にレーザを当て、その時に生じる反跳力を利用し下向きの力をワイヤ先端に付着した溶滴に与えて溶滴離脱を制御する。この方法では、小電流域でのみ溶滴が形成され、ワイヤ先端に溶滴が付着する時間が長いグロビュール移行の時にしか使用できない。更に、中電流域から大電流域ではワイヤ先端に付着した溶滴が形成されないため適用することができない。そのため、この方法は純Ａｒ−ＧＭＡ溶接のように溶融金属液柱が生じる場合には適用することができない。

また、ＧＭＡ溶接法とレーザ照射を組み合わせたレーザアークハイブリッド溶接法が開示されているが（特許文献３、４）、これらは被溶接材料にレーザを照射しながらＧＭＡ溶接を行うものであり、溶融金属液柱の生成防止に関しては開示も示唆もされていない。

特開２００６―２０５２０４号公報 国際出願ＷＯ２００６／１３２３７３ 特開２０１０−２０７８８０号公報 特開２００６―２２４１３０号公報

Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ Ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ Ｕｓｉｎｇ Ｇａｓ Ｍｅｔａｌ Ａｒｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ ｉｎ Ｐｕｒｅ Ａｒ Ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ Ｇａｓ、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｖｏｌ.７、Ｎｏ.１（２０１３）、１０９−１１３ ハイブリッドワイヤの提案、平岡和雄、溶接技術、Ｖｏｌ.５４（２００６）、６４−６９ Ｌａｓｅｒ―Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＧＭＡＷ、Ｙ．Ｈｕａｎｇ、Ｙ．Ｍ．Ｚｈａｎｇ、Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ、Ｖｏｌ．８９、Ｎｏ．９（２０１０）、ｐ.１８１ｓ−１８８ｓ． Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｍｏｄｅｌｏｎｇ ｏｆ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｍｅｔａｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｉｎ Ｌａｓｅｒ―Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＧＭＡＷ、Ｙ．Ｈｕａｎｇ、Ｙ．ＳＨＡＯ、Ｙ．Ｍ．Ｚｈａｎｇ、Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ、Ｖｏｌ．９１、Ｎｏ．５（２０１２）、ｐ.１４０ｓ−１４８ｓ．

これまでに開示された純Ａｒ−ＧＭＡ溶接では、安定な溶接を行うためには同軸複層ワイヤを使用することが必須であった（特許文献１、２）。同軸複層ワイヤは融点の異なる材料を芯線(ワイヤの内側の材料)とフープ(ワイヤの外側の材料)に使用するため、一般的な溶接用ソリッドワイヤよりも種類が少なくほとんど普及していない。ワイヤは線引き加工により所定の寸法(直径)に加工されるが、同軸複層ワイヤも同様な線引き加工が行われる。同軸複層ワイヤは強度や硬さの異なる芯線の回りにフープを巻き付けてから線引き加工を行うため、目的の平均組成となるようにするには芯線とフープの断面積比率を一定にした線引き加工が必要であり、線引き加工が難しくなる。これに対し、溶接用ソリッドワイヤの組成は一定であり、線引き加工技術も確立されており様々な種類のワイヤが開発され広く使用されている。
そこで、本発明では、一般的な汎用性のある溶接用ソリッドワイヤを使用しても良好なビードを形成し、安定した溶接ができるＡｒ−ＧＭＡ溶接方法を提供することを目的とする。

本発明のＡｒ−ＧＭＡ溶接方法は、溶接用ソリッドワイヤを使用し、Ａｒシールドガスを用いた消耗電極式溶接（Ａｒ−ＧＭＡ溶接）であって、溶接中に前記ワイヤの固相部あるいは固液共存相部の領域にレーザを照射することにより、前記のワイヤを切断又は分散化することを特徴とする。ここで、Ａｒシールドガスは、工業用の純Ａｒガス（純度９９．９８％）又は酸素を２％以下含むＡｒガスである。またワイヤの分散化とは、ワイヤを二以上の細片に分散化することをいい、分散化された細片は固相、固液共存相、又は液相の少なくとも一つであるとよい。

本発明のＡｒ−ＧＭＡ溶接方法において、好ましくは、レーザの発振形態がＰＷ（パルス発振）であるとよい。
本発明のＡｒ−ＧＭＡ溶接方法において、好ましくは、レーザパルス発振のパルスピーク時間が１０ｍｓ以下、周波数を１０Ｈｚ以上に制御するとよい。

本発明のＡｒ−ＧＭＡ溶接方法において、好ましくは、波長１．０６μｍ以下のレーザ光を使用するとよい。
本発明のＡｒ−ＧＭＡ溶接方法において、好ましくは溶接用ソリッドワイヤとして鋼用ソリッドワイヤ、ステンレス鋼用ソリッドワイヤ、アルミニウム合金用ソリッドワイヤのいずれかを使用するとよい。

本発明のＡｒ−ＧＭＡ溶接方法によれば、ワイヤ先端部に溶融金属液柱を生じさせないので、安定した純Ａｒ−ＧＭＡ溶接が可能となり、図３に示す良好な溶接継ぎ手を提供できる。

従来の溶接プロセスを用いて、純Ａｒシールドガス中で消耗電極式溶接を行った時に生じる溶融金属液柱を示す側面の写真である。 従来の溶接プロセスを用いて、純Ａｒシールドガス中で消耗電極式溶接を行った時に生じる不安定な蛇行ビードとアンダカットが多数生じた溶接ビードの平面の写真である。 本発明の溶接プロセスにより形成した安定ビードの平面の写真である。 本発明の一実施の形態を説明するレーザ照射用ヘッドと溶接トーチの概略配置図である。 本発明の一実施の形態を説明するレーザ照射位置の説明図である。 レーザ照射によりワイヤを切断し、安定な溶滴移行を実現した状態の説明図で、（ａ）レーザ照射前、（ｂ）レーザ照射初期、（ｃ）レーザ照射中を示している。 レーザ照射してもワイヤを安定に切断できない状態の説明図で、（ａ）レーザ照射前、（ｂ）レーザ照射初期、（ｃ）レーザ照射中を示している。

以下図面を用いて、本発明を説明する。
図４は本発明の一実施の形態を説明するレーザ照射用ヘッドと溶接トーチの概略配置図である。ここではレーザ照射方向は鉛直方向で、トーチ角度は鉛直方向に対し４５°の例を示している。レーザを照射する方向やトーチ角度は本発明に関して本質的ではなく、トーチとレーザの装置との取り合いによって自由に選択することが可能である。例えば、トーチ角度が鉛直方向に対して９０°でレーザ照射方向が水平方向でもかまわないし、これら以外のトーチ角度とレーザ照射方向を採用することを妨げない。

安定な切断特性を得るためには、固相部あるいは固液共存相部の領域にレーザを照射することが必要であり、そのためにはレーザの焦点位置とレーザ照射位置を決めることが重要である。そこで、レーザ照射ヘッドと溶接トーチの位置関係を図４に、レーザ照射位置とワイヤの位置関係を図５に示す。ここで、レーザの焦点位置は溶接ワイヤ上とし、溶接ワイヤより上に焦点があると焦点距離プラス、溶接ワイヤより下に焦点があると焦点距離マイナスとする。更に、図５に示すようにトーチ内のノズル先端から１０ｍｍの点をＡとし、Ａ点よりトーチ側に焦点があるときをレーザシフトプラス、Ａ点よりアーク発生側に焦点があるときをレーザシフトマイナスとする。

ここで、図１を用いて、溶接用ソリッドワイヤを使用し、Ａｒシールドガスを用いた消耗電極式溶接での溶接部の詳細を説明する。図１は、従来の溶接プロセスを用いて、純Ａｒシールドガス中で消耗電極式溶接を行った時に生じる溶融金属液柱を示す側面の写真である。
通常の消耗電極式溶接では、直径が０．９〜１．６ｍｍの溶接用ソリッドワイヤが使用されることが多く、２００Ａ〜４５０Ａの電流が使用される。シールドガスに純Ａｒガス又は酸素を２％以下含むＡｒガスを使用すると、図１に示すようにワイヤ先端部には溶融した金属が液柱状に連なった領域（８）が生じる。これらの溶接挙動は９０００コマ／ｓで撮影できる高速ビデオカメラを用いて、アーク光を強力なバックライトと、減光フィルターを使用して撮影した。０．９ｍｍワイヤや１．２ｍｍワイヤの適正条件である２５０Ａ付近の電流を使用すると溶接ノズル先端から１０〜１４ｍｍの位置付近から溶融した金属が液柱状に連なった溶融金属液柱（３）となる。この他に、溶接用ソリッドワイヤにはアークからの入熱の影響を受けない固相部のみの領域（６）と溶融金属液柱と固相部の間にあり溶融部と固相部が共存した領域（７）がある。

図１に示す固液共存相部の領域（７）の長さや位置は電流、電圧などの溶接条件により変化する。通常のＧＭＡ溶接装置では電流を大きくするとワイヤ送給速度が大きくなり、固液共存相部の領域はワイヤ先端部に移動する。反対に電流を小さくするとワイヤ送給速度が小さくなり、固液共存相部の領域はトーチ側に移動する。電圧を上げるとワイヤの突き出し長さが短くなるので固液共存相部の領域はトーチ側に移動する。反対に電圧を下げるとワイヤの突き出し長さが長くなるので固液共存相部の領域はワイヤ先端部に移動する。このように溶接条件により固液共存相部の領域は変化するが、この領域にレーザを照射できるようにレーザの焦点位置とレーザ照射位置を決めることで本発明の実施が可能である。

更に、固液共存相部の領域の長さや位置は溶接ワイヤの種類、溶接ワイヤの径により変化する。これらに対してもワイヤの種類に応じてレーザの焦点位置とレーザ照射位置を決めることで鋼用溶接ワイヤだけでなく、ステンレス用溶接ワイヤやアルミニウム合金用溶接ワイヤでも本発明を適用することができる。同様にワイヤ径に応じてレーザの焦点位置とレーザ照射位置を適宜決めることで本発明の実施が可能である。

このように、本発明においては、溶融部と固相部が共存した領域にレーザを照射するように適宜条件を選択すれば本発明の実施が可能である。

レーザの波長については、Ａｒシールドガス中でプルームの生じない１．０６μｍ以下であることが必要であり、その一例としてはＹＡＧレーザ（Ｙｔｔｒｉｕｍ、Ａｌｕｍｉｎｕｍ、Ｇａｒｎｅｔ）などが挙げられる。これに対し、波長が１０．６μｍのＣＯ_２レーザではプルームが生じ、レーザの切断能力が低下するので使用できない。

レーザの発振特性としてはＰＷ(パルス発振)とＣＷ（連続発振）があるが、ＰＷを使用することが溶融金属液柱の切断・分散に有効であり、パルスピーク時間が１０ｍｓ以下、周波数を１０Ｈｚ以上に制御するとより安定な溶融金属液柱の切断・分断が可能である。

＜実施例１＞
レーザ発振条件をＰＷ（パルス発振）とし、純Ａｒシールドガスを使用し、溶接時のワイヤ切断状況を観察した。レーザ照射条件と溶接条件を表１に、ワイヤの切断状況を図６に示す。これらの溶接挙動の撮影条件は図１と同じである。ここでは直径０．９ｍｍの鋼用のソリッド溶接ワイヤを使用した。レーザのパルスピークの出力が６ｋＷ、パルスピーク時間が１０ｍｓ、周波数が１０Ｈｚである（試験結果１）。レーザ照射前ではワイヤ先端には溶融金属液柱（３）が生じている（図６（ａ））レーザ（１０）が照射された直後に溶融金属液柱（１３）が切断される（図６（ｂ））。その後も図６（ｃ）に示すように切断が継続的に生じ、溶融金属液柱が生じることは無かった。その結果、図３に示す良好な溶接ビードが形成された。

＜実施例２＞
パルスレーザのピーク時のレーザ出力の効果を調べるために、ピーク出力を６ｋＷから１ｋＷまで変えて試験を行った結果を表１に示す。ピーク出力が３ｋＷ以上の試験結果１、試験結果２、試験結果３、試験結果４ではワイヤの切断が可能で液柱は生成しない。ピーク出力が２ｋＷ以下の試験結果５、試験結果６ではワイヤの切断ができず液柱が生じる。パルスレーザのピーク出力は３ｋＷ以上が必要である。

＜実施例３＞
レーザのパルス周波数の影響を調べるために周波数を５Ｈｚ、１０Ｈｚ、２０Ｈｚ、５０Ｈｚと変えた条件で試験を行った結果を表１に示す。周波数が１０Ｈｚ以上の試験結果１（１０Ｈｚ）、試験結果８（２０Ｈｚ）、試験結果９（５０Ｈｚ）ではワイヤの切断が可能となり液柱は生じないが、５Ｈｚの時（試験結果７）には液柱が連なり安定な切断はできなかった。

＜実施例４＞
レーザ照射位置を変えた条件での溶接試験結果を表１に示す。レーザの照射条件は同じにしてレーザ照射位置を変え、レーザシフトを＋４ｍｍから−２ｍｍまで変えた結果を表１に示す。ワイヤと溶融金属液柱の観察結果を図７に示す。これらの溶接挙動の撮影条件は図１と同じである。ここでは直径０．９ｍｍの鋼用のソリッド溶接ワイヤを使用した。
レーザシフトが−１ｍｍや（試験結果１２）、−２ｍｍの時（試験結果１３）には、レーザが溶融金属液柱（３）に照射される場合である。この時は図７（ｂ）に示すようにレーザ照射直後に溶融金属液柱が切断されるものの、しばらくすると、溶融金属液は図７（ｃ）に示すように折れ曲り溶融金属液柱を切断することができなかった。

これに対し、レーザシフトを０ｍｍ（試験結果２）や＋２ｍｍ（試験結果１１）とすると、溶融金属液柱の安定な切断が可能となり図３に示す良好なビード形状が得られた。レーザシフトを＋４ｍｍ（試験結果１０）とし、トーチに近い固相部にレーザを照射した場合にはワイヤの切断が可能となり液柱は生じない。
しかし、トーチ位置に近い位置でワイヤが切断された直後では、アーク長が長くなるため電流の減少と電圧の増加が急に生じるため、溶接条件の変動が大きくなり溶接が不安定になる傾向が認められた。このため、固液共存相部の領域から離れてトーチに近い固相部を切断することは溶接安定性を確保する上で望ましくない。すなわち、溶融部と固相部が共存した領域からワイヤ４個分以上トーチ側の固相部では溶接条件の変動が生じる。

＜比較例１＞
レーザの発振形態と切断挙動の関係を調べた結果を表２に示す。溶接条件は試験結果１と同じにしてレーザの発振形態をＣＷ（連続発振）とした。レーザの出力を５ｋＷから２ｋＷまで変えた。比較例１から比較例４では切断ができず溶融金属液柱が生じた。ワイヤの切断にはパルスレーザが有効である。

本発明の溶接方法を使用すれば、従来の市販の溶接用ソリッドワイヤを使用した安定した純Ａｒ−ＧＭＡ溶接可能となる。その結果、多種多様な市販の溶接ワイヤを用いた安定な純Ａｒ−ＧＭＡ溶接を適用できる。Ｏ_２やＣＯ_２などを混合したシールドガスを用いて溶接すると性能低下が生じる高合金材料や高強度鋼などに対し、高品質な溶接継ぎ手を容易に作製できる。

１ 溶接ノズル
２ 溶接ワイヤ
３ 溶融金属液柱
４ アーク
５ 試験片の表面
６ 溶接ワイヤの固相部
７ 溶接ワイヤの固液共存部
８ 溶接ワイヤの液相部
９ レーザ照射ヘッド
１０ レーザ光
１１ トーチ角度 （角度＝４５°）
１２ 試験片
１３ 切断された溶融金属液柱
１４ レーザの焦点位置（焦点＝０ｍｍ）
１５ レーザシフトが０の位置（レーザシフト＝０ｍｍ）
１６ 折れ曲がった溶融金属液柱

Claims (5)

1. 溶接用ソリッドワイヤを使用し、Ａｒシールドガスを用いた消耗電極式溶接方法（純Ａｒ−ＧＭＡ溶接方法）であって、溶接中に前記ワイヤの固相部あるいは固液共存相部の領域にレーザを照射し、前記ワイヤを切断又は分散化することを特徴とするＡｒ−ＧＭＡ溶接方法。
2. 請求項１に記載の溶接方法であって、レーザの発振形態がＰＷ（パルス発振）であることを特徴とするＡｒ−ＧＭＡ溶接方法。
3. 請求項２に記載のレーザパルス発振のパルスピーク時間が１０ｍｓ以下、周波数を１０Ｈｚ以上に制御することを特徴とするＡｒ−ＧＭＡ溶接方法。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の溶接方法であって、波長１．０６μｍ以下のレーザ光を使用することを特徴とするＡｒ−ＧＭＡ溶接方法。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の溶接方法であって、ソリッドワイヤとして鋼用ソリッドワイヤ、ステンレス鋼用ソリッドワイヤ、アルミニウム合金用ソリッドワイヤのいずれかを使用することを特徴とするＡｒ−ＧＭＡ溶接方法。