JP6581438B2

JP6581438B2 - 溶接方法

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Publication number: JP6581438B2
Application number: JP2015166232A
Authority: JP
Inventors: 塩崎　秀男; 秀男塩崎; 恵良　哲生; 哲生恵良; 勇人馬塲
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 2015-08-25
Filing date: 2015-08-25
Publication date: 2019-09-25
Anticipated expiration: 2035-08-25
Also published as: JP2017042779A

Description

本発明は溶接方法に関するものである。

一対の母材の端面同士が対向するように配置された状態で端面同士が接合されるように溶接される突合せ溶接においては、溶接による溶融領域が母材を厚み方向に貫通するように形成されることで（貫通溶接）、溶接の作業効率を向上させることができる。貫通溶接の達成には、サブマージアーク溶接の採用が有効である。サブマージアーク溶接を採用した突合せ溶接において、溶接部の品質向上等を達成するための方策が提案されている（たとえば、特許文献１および２参照）。

特開２０１０−２２１２９８号公報特開２００７−２６０６９２号公報

しかし、サブマージアーク溶接においては、粒状のフラックスを溶接部に供給する必要がある。そのため、サブマージアーク溶接においては、溶接の姿勢が制限される。また、サブマージアーク溶接においては、溶接装置が大型化する傾向にある。

サブマージアーク溶接は、貫通溶接の達成が容易である反面、上記のようなデメリットも存在する。そこで、本発明は、ＧＭＡ（ＧａｓＭｅｔａｌＡｒｃ）溶接によって突合せ溶接における貫通溶接を達成することにより、溶接の作業効率向上を可能とする溶接方法を提供することを目的とする。

本発明に従った溶接方法は、第１母材および第２母材を準備する工程と、第１母材の第１端面と第２母材の第２端面とが対向するように、第１母材および第２母材を配置する工程と、第１端面と第２端面とが接合されるように第１母材と第２母材とをＧＭＡ溶接により溶接する工程と、を備える。第１母材と第２母材とを溶接する工程では、溶接ワイヤと第１母材および第２母材との間にアークが形成され、アークの熱により第１母材および第２母材に溶融領域が形成されることで第１母材と第２母材とが溶接される。第１母材と第２母材とを溶接する工程では、溶接ワイヤが溶融領域に取り囲まれる領域にまで侵入した状態で、溶接ワイヤの先端の位置が第１母材および第２母材の厚み方向において第１の深さと第１の深さよりも深い第２の深さとの間を往復しつつアークが形成されることで、溶融領域が第１母材および第２母材を厚み方向に貫通するように形成される。

本発明者らは、ＧＭＡ溶接により貫通溶接を達成する方策について検討を行った。その結果、以下のような知見を得て本発明に想到した。溶接ワイヤが溶融領域に取り囲まれる領域にまで侵入した状態でアークが形成される状態（埋もれアーク状態）を維持しつつ溶接を実施することにより、貫通溶接の達成が容易となる。

一方、このようにして貫通溶接を達成した場合、溶融領域が凝固して形成されるビードが、溶融しない状態が維持された母材の主表面（溶接ワイヤが侵入する側の主表面）の一部を覆う状態（オーバーラップ）が発生する場合がある。この場合、母材の主表面とビードとが十分に接合されていない状態となる。そのため、オーバーラップが発生した領域が、接合体の欠陥となり、接合体の強度を低下させるおそれがある。本発明者らの検討によれば、溶接ワイヤの先端の位置が第１母材および第２母材の厚み方向において往復しつつアークが形成されるようにすることで、オーバーラップの発生を抑制しつつ貫通溶接を達成することができる。すなわち、溶接ワイヤが深く（第２の深さまで）侵入した状態では、溶接ワイヤが侵入する側の母材の主表面から遠い領域にアークの熱が付与され、貫通溶接の達成に寄与する。溶接ワイヤが浅く（第１の深さまで）侵入した状態では、溶接ワイヤが侵入する側の母材の主表面に近い領域にアークの熱が付与され、オーバーラップの発生が抑制される。溶接ワイヤが深く侵入した状態と浅く侵入した状態とが繰り返されることにより、オーバーラップの発生を抑制しつつ貫通溶接を達成することができる。

本発明の溶接方法においては、溶接ワイヤが溶融領域に取り囲まれる領域にまで侵入した状態で、溶接ワイヤの先端の位置が第１母材および第２母材の厚み方向において往復しつつアークが形成されることで、溶融領域が第１母材および第２母材を厚み方向に貫通するように形成される。そのため、本発明の溶接方法によれば、ＧＭＡ溶接によって突合せ溶接における貫通溶接を達成することにより、溶接の作業効率を向上させることができる。

上記溶接方法において、第１母材と第２母材とを溶接する工程では、溶接ワイヤが第１の深さまで侵入し、溶接ワイヤが溶融して形成される溶摘の溶融領域への移行形態がローテーティング移行の状態と、溶接ワイヤが第２の深さまで侵入し、移行形態がローテーティング移行以外の状態とが繰り返されてもよい。

ローテーティング移行の状態においては、溶接ワイヤの先端が、第１母材および第２母材の厚み方向に沿った軸の周りを回転する。そのため、形成されるアークは、当該軸回りに回転する。溶接ワイヤが浅く（第１の深さまで）侵入した状態でローテーティング移行の状態とすることにより、オーバーラップの発生懸念される領域にアークの熱が供給されやすくなる。その結果、オーバーラップの発生がより確実に抑制される。

上記溶接方法においては、第１母材と第２母材とを溶接する工程において、溶接ワイヤの送給速度は３０ｍ／ｍｉｎ以上であってもよい。このようにすることにより、埋もれアーク状態を維持することが容易となる。

上記溶接方法において、第１母材および第２母材を準備する工程では、厚みが１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下の第１母材および第２母材が準備されてもよい。ＧＭＡ溶接による貫通溶接の達成は、厚み１０ｍｍ以上の母材において、作業効率向上の観点から特に有効である。一方、母材の厚みが３０ｍｍを超えると、貫通溶接の達成が難しくなるおそれがある。そのため、第１母材および第２母材の厚みは１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下とされてもよい。

上記溶接方法において、第１母材と第２母材とを溶接する工程では、開先の形成されていない第１母材と第２母材とが溶接されてもよい。

本発明の溶接方法によれば、開先の形成されていない母材の溶接も可能である。開先が形成された場合、溶接時に開先が形成された領域を充填する必要がある。そのため、たとえば溶接部に供給される溶加材の量が増える等の理由により母材の歪みが大きくなるおそれがある。本発明の溶接方法により開先の形成されていない母材を溶接することにより、このような問題の発生を抑制することができる。

上記溶接方法において、上記溶接ワイヤはソリッドワイヤであってもよい。本発明の溶接方法では、ソリッドワイヤの採用は好適である。

上記溶接方法において、溶接ワイヤの直径は１．２ｍｍ以上１．６ｍｍ以下であってもよい。これにより、溶接時に埋もれアーク状態を維持することが容易となる。

以上の説明から明らかなように、本発明の溶接方法によれば、ＧＭＡ溶接によって突合せ溶接における貫通溶接を達成することにより、溶接の作業効率向上を可能とする溶接方法を提供することができる。

溶接の手順の概略を示すフローチャートである。実施の形態１における溶接の開始前の状態を示す概略図である。実施の形態１における溶接工程の、溶接ワイヤが深く侵入した状態を示す概略図である。実施の形態１における溶接工程の、溶接ワイヤが浅く侵入し、溶滴の移行形態がローテーティング移行である状態を示す概略図である。電流、電圧および溶接ワイヤの送給速度の制御状態を示すタイミングチャートである。実施の形態２における溶接の開始前の状態を示す概略図である。実施の形態２における溶接工程の、溶接ワイヤが深く侵入した状態を示す概略図である。実施の形態２における溶接工程の、溶接ワイヤが浅く侵入し、溶滴の移行形態がローテーティング移行である状態を示す概略図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
まず、実施の形態１における溶接方法について説明する。図１を参照して、実施の形態１の溶接方法においては、まず工程（Ｓ１０）として母材準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、溶接により接合されるべき一対の母材が準備される。具体的には、図２を参照して、第１母材５０および第２母材６０が準備される。第１母材５０および第２母材６０は、たとえば軟鋼、機械構造用炭素鋼、機械構造用合金鋼などの鋼からなる鋼板である。鋼板の厚みは、たとえば１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。

次に、工程（Ｓ２０）として母材配置工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、図２を参照して、工程（Ｓ１０）において準備された第１母材５０および第２母材６０が溶接装置１００にセットされる。溶接装置１００は、トーチ１９と、電源３０と、ワイヤ送給装置２９とを備えている。トーチ１９は、コンタクトチップ１７と、コンタクトチップ１７を取り囲む中空円筒形状を有するノズル１８とを含む。コンタクトチップ１７は、銅合金などの導電性を有する材料（金属）からなっている。コンタクトチップ１７は、溶加材である溶接ワイヤ１５に接触しつつ、溶接ワイヤ１５を案内する。すなわち、溶接ワイヤ１５とコンタクトチップ１７とは電気的に接続されている。溶接ワイヤ１５は、消耗電極として機能する。本実施の形態において、溶接ワイヤ１５はソリッドワイヤである。溶接ワイヤ１５の直径は、たとえば１．２ｍｍ以上１．６ｍｍ以下である。

ノズル１８は、コンタクトチップ１７との間にシールドガスを流す流路を形成する。溶接ワイヤ１５は、ノズル１８の中央軸を含む領域に位置する。ワイヤ送給装置２９は、溶接ワイヤ１５をノズル１８内へと送給する。電源３０は、配線３４を介してコンタクトチップ１７に電気的に接続されている。電源３０は、配線６４を介して第２母材６０に電気的に接続される。

第１母材５０は、一方の主表面５２と、他方の主表面５３と、第１端面５１とを有する。第２母材６０は、一方の主表面６２と、他方の主表面６３と、第２端面６１とを有する。第１端面５１と第２端面６１とが対向するように、第１母材５０および第２母材６０は配置される。第１端面５１と第２端面６１とが接触するように、第１母材５０および第２母材６０は配置される。第１母材５０および第２母材６０には開先は形成されていない。すなわち、第１端面５１と第２端面６１とは、厚み方向の全域にわたって平行となっている。

次に、工程（Ｓ３０）として溶接工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、工程（Ｓ２０）において配置された第１母材５０と第２母材６０とがＧＭＡ溶接により溶接される。具体的には、図３および図４を参照して、ワイヤ送給装置２９により溶接ワイヤ１５が送給されつつ、電源３０により第１母材５０および第２母材６０と溶接ワイヤ１５との間に電圧が印加されると、溶接ワイヤ１５と第１母材５０および第２母材６０との間にアーク１１が形成される。このとき、たとえば炭酸ガス等のシールドガスがノズル１８内に供給されて、コンタクトチップ１７とノズル１８の内周面との間の空間を流れる。そして、ノズル１８の出口からシールドガスが矢印Ｇに沿って吐出され、アーク１１と外気とが遮断される。このようにして形成されたアーク１１の熱により第１母材５０および第２母材６０に溶融領域１２が形成される。

このとき、溶接ワイヤ１５が溶融領域１２に取り囲まれる領域にまで侵入した状態（埋もれアーク状態）で、溶接ワイヤ１５の先端１５Ａの位置が第１母材５０および第２母材６０の厚み方向において第１の深さと第１の深さよりも深い第２の深さとの間を往復しつつアーク１１が形成されることで、溶融領域１２が第１母材５０および第２母材６０を厚み方向に貫通するように形成される。すなわち、第１母材５０の一方の主表面５２および第２母材６０の一方の主表面６２の側から侵入した溶接ワイヤ１５の先端１５Ａが溶融領域１２に取り囲まれる領域内に位置する状態で、先端１５Ａの位置が第１母材５０および第２母材６０の厚み方向において往復しつつアーク１１が形成される。溶融領域１２は、第１母材５０の他方の主表面５３および第２母材６０の他方の主表面６３において露出する。

より具体的な制御方法を図３〜図５を参照して説明する。図５において、横軸は時間ｔに対応する。また、図５において縦軸は溶接電流Ｉ、溶接電圧Ｖおよび溶接ワイヤ１５の送給速度Ｗ_ｆに対応する。図３〜図５を参照して、電流Ｉは、閾値電流Ｉ_ＴＨよりも低いＩ_Ｌの状態とＩ_ＴＨよりも高いＩ_Ｈの状態とを繰り返すように制御される。電流ＩがＩ_Ｈの状態である時刻ｔ_１から時刻ｔ_２の間（時間Ｔ_Ｈ）、電圧ＶはＶ_Ｈであり、送給速度Ｗ_ｆはＷ_ｆＨとされる。電流ＩがＩ_Ｌの状態である時刻ｔ_２から時刻ｔ_３の間（時間Ｔ_Ｌ）、電圧ＶはＶ_Ｈよりも低いＶ_Ｌであり、送給速度Ｗ_ｆはＷ_ｆＨよりも小さいＷ_ｆＬとされる。時間Ｔ_Ｈと時間Ｔ_Ｌとの和が１サイクルあたりの時間Ｔである。Ｔの逆数１／Ｔが周波数である。周波数１／Ｔは、たとえば０．２Ｈｚ以上２Ｈｚ以下とすることができる。

電流Ｉが閾値電流Ｉ_ＴＨよりも小さい状態では、図３に示すように、溶接ワイヤ１５が第１母材５０および第２母材６０の厚み方向において深く（第２の深さまで）侵入した状態となる。このとき、溶接ワイヤ１５が溶融して形成される溶摘の溶融領域１２への移行形態がローテーティング移行以外の状態、たとえばドロップ移行の状態、または溶接ワイヤ１５の先端１５Ａが振り子状に運動する状態での移行（振り子状移行）の状態となる。一方、電流Ｉが閾値電流Ｉ_ＴＨよりも大きい状態では、図４に示すように、溶接ワイヤ１５が第１母材５０および第２母材６０の厚み方向において浅く（第１の深さまで）侵入した状態となる。このとき、溶接ワイヤ１５が溶融して形成される溶摘の溶融領域１２への移行形態がローテーティング移行の状態となる。

ローテーティング移行の状態においては、溶接ワイヤ１５の先端１５Ａに近い領域が、第１母材５０および第２母材６０の厚み方向に沿った軸αから離れるように湾曲する。そして、溶接ワイヤ１５の先端１５Ａが、軸αの周りを回転する。そのため、形成されるアーク１１は、軸α周りに回転する。溶接ワイヤ１５が浅く侵入した状態でローテーティング移行の状態とすることにより、オーバーラップの発生が懸念される領域（第１母材５０の一方の主表面５２および第２母材６０の一方の主表面６２に近い領域）にアーク１１の熱が供給されやすくなる。

第１母材５０および第２母材６０に対してトーチ１９が相対的に移動することにより、溶融領域１２が形成される領域が移動する。先に形成された溶融領域１２は、温度の低下に伴って凝固する。溶接されるべき領域（第１端面５１と第２端面６１とが対向する領域）の延在方向に沿って溶融領域１２が順次形成され、形成された溶融領域１２が凝固することにより、本実施の形態における第１母材５０と第２母材６０との溶接が完了する。

本実施の形態の溶接方法では、工程（Ｓ３０）において、溶接ワイヤ１５が溶融領域１２に取り囲まれる領域にまで侵入した状態で、溶接ワイヤ１５の先端１５Ａの位置が第１母材５０および第２母材６０の厚み方向において第１の深さと第１の深さよりも深い第２の深さとの間を往復しつつアーク１１が形成されることで、溶融領域１２が第１母材５０および第２母材６０を厚み方向に貫通するように形成される。

このとき、溶接ワイヤ１５が第１母材５０および第２母材６０の厚み方向において浅く（第１深さまで）侵入し、溶接ワイヤ１５が溶融して形成される溶摘の溶融領域１２への移行形態がローテーティング移行の状態と、溶接ワイヤ１５が深く（第２の深さまで）侵入し、移行形態がローテーティング移行以外の状態とが繰り返される。溶接ワイヤ１５が深く侵入した状態でアーク１１が形成されることにより、アーク１１の熱が第１母材５０の他方の主表面５３および第２母材６０の他方の主表面６２に近い領域に供給される。そのため、貫通溶接の達成が容易となる。一方、溶接ワイヤ１５が浅く侵入した状態でローテーティング移行の状態とすることにより、オーバーラップの発生懸念される領域（第１母材５０の一方の主表面５２および第２母材６０の一方の主表面６２に近い領域）にアーク１１の熱が供給されやすくなる。そのため、オーバーラップの発生が抑制される。そして、これらの状態が繰り返されることにより、オーバーラップの発生を抑制しつつ貫通溶接を達成することができる。そのため、本実施の形態の溶接方法によれば、ＧＭＡ溶接によって突合せ溶接における貫通溶接を達成することにより、溶接の作業効率を向上させることができる。

上記工程（Ｓ３０）において、溶接ワイヤの送給速度は３０ｍ／ｍｉｎ以上とすることが好ましい。これにより、埋もれアーク状態を維持することが容易となる。

（実施の形態２）
次に、本発明の他の実施の形態である実施の形態２における溶接方法について説明する。実施の形態２の溶接方法は、基本的には上記実施の形態１の場合と同様に実施され、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２の溶接方法は、母材の端面の形状において実施の形態１の場合とは異なっている。

図６を参照して、実施の形態２における溶接方法においては、工程（Ｓ１０）において、開先７０が形成された第１母材５０および第２母材６０が準備される。開先７０は、第１母材５０および第２母材６０の一方の主表面５２，６２側に形成される。開先７０は、第１端面５１と一方の主表面５２とが接続される第１母材５０の角部、および第２端面６１と一方の主表面６２とが接続される第２母材６０の角部を除去するように形成される。そのため、工程（Ｓ２０）において、第１端面５１と第２端面６１とが対向するように第１母材５０および第２母材６０が配置されると、開先７０に対応する領域において、一方の主表面５２，６２に近づくにしたがって第１母材５０と第２母材６０との間隔が広がる。

そして、工程（Ｓ３０）では、図７および図８を参照して、開先７０が形成された状態で第１母材５０と第２母材６０とが溶接される。このとき、開先７０に対応する領域は、溶接によって充填される。すなわち、開先７０が形成されない上記実施の形態１の場合に比べて、溶融領域１２に供給される溶加材としての溶接ワイヤ１５の量が多くなる。

このように、開先７０を形成しておくことにより、工程（Ｓ３０）において貫通溶接を達成することが容易となる。そのため、厚みの大きい第１母材５０および第２母材６０が溶接される場合に、本実施の形態の溶接方法は好適である。

なお、上記実施の形態においては、溶接電流、溶接電圧および溶接ワイヤの送給速度を大きくして溶接ワイヤが浅く侵入する状態とし、溶接電流、溶接電圧および溶接ワイヤの送給速度を小さくして溶接ワイヤが深く侵入する状態とすることで、溶接ワイヤの先端の位置を母材の厚み方向に往復させる方法について説明したが、本発明の溶接方法はこれに限られない。たとえば、溶接電圧一定の下で溶接ワイヤの送給速度および溶接電流を大きくして溶接ワイヤが深く侵入する状態とし、溶接ワイヤの送給速度および溶接電流を小さくして溶接ワイヤが浅く侵入する状態とすることで、溶接ワイヤの先端の位置を母材の厚み方向に往復させてもよい。

本発明の溶接方法により、ＧＭＡ溶接によって突合せ溶接における貫通溶接を達成可能であることを確認する実験を行った。具体的な実験方法は以下の通りである。

まず、母材として、厚み１２ｍｍの２枚の鋼板を準備した。次に、図２を参照して、上記実施の形態１の場合と同様に、開先を形成することなく２枚の鋼板を互いの端面同士が接触するように溶接装置１００にセットした。そして、表１に示す条件で溶接を実施した。

溶接により接合された鋼板を観察した結果、貫通溶接が達成されていることが確認された。また、オーバーラップの発生は確認されなかった。以上の実験結果から、本発明の溶接方法によれば、溶接ワイヤが深く侵入した状態と浅く侵入した状態とが繰り返されることにより、オーバーラップの発生を抑制しつつ貫通溶接を達成することができることが確認される。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって規定され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の溶接方法は、作業効率の向上が求められる溶接に、特に有利に適用され得る。

１１アーク、１２溶融領域、１５溶接ワイヤ、１５Ａ先端、１７コンタクトチップ、１８ノズル、１９トーチ、２９ワイヤ送給装置、３０電源、３４配線、５０第１母材、５１第１端面、５２，５３主表面、６０第２母材、６１第２端面、６２，６３主表面、６４配線、７０開先、１００溶接装置。

Claims

第１母材および第２母材を準備する工程と、
前記第１母材の第１端面と前記第２母材の第２端面とが対向するように、前記第１母材および前記第２母材を配置する工程と、
前記第１端面と前記第２端面とが接合されるように前記第１母材と前記第２母材とをＧＭＡ溶接により溶接する工程と、を備え、
前記第１母材と前記第２母材とを溶接する工程では、溶接ワイヤと前記第１母材および前記第２母材との間にアークが形成され、前記アークの熱により前記第１母材および前記第２母材に溶融領域が形成されることで前記第１母材と前記第２母材とが溶接され、
前記第１母材と前記第２母材とを溶接する工程では、前記溶接ワイヤが前記溶融領域に取り囲まれる領域にまで侵入した状態で、前記溶接ワイヤの先端の位置が前記第１母材および前記第２母材の厚み方向において第１の深さと前記第１の深さよりも深い第２の深さとの間を往復しつつ前記アークが形成されることで、前記溶融領域が前記第１母材および前記第２母材を厚み方向に貫通するように形成され、
前記第１母材と前記第２母材とを溶接する工程において、前記溶接ワイヤの送給速度は３０ｍ／ｍｉｎ以上である、溶接方法。
前記第１母材と前記第２母材とを溶接する工程では、開先の形成されていない前記第１母材と前記第２母材とが溶接される、請求項１に記載の溶接方法。
第１母材および第２母材を準備する工程と、
前記第１母材の第１端面と前記第２母材の第２端面とが対向するように、前記第１母材および前記第２母材を配置する工程と、
前記第１端面と前記第２端面とが接合されるように前記第１母材と前記第２母材とをＧＭＡ溶接により溶接する工程と、を備え、
前記第１母材と前記第２母材とを溶接する工程では、溶接ワイヤと前記第１母材および前記第２母材との間にアークが形成され、前記アークの熱により前記第１母材および前記第２母材に溶融領域が形成されることで前記第１母材と前記第２母材とが溶接され、
前記第１母材と前記第２母材とを溶接する工程では、前記溶接ワイヤが前記溶融領域に取り囲まれる領域にまで侵入した状態で、前記溶接ワイヤの先端の位置が前記第１母材および前記第２母材の厚み方向において第１の深さと前記第１の深さよりも深い第２の深さとの間を往復しつつ前記アークが形成されることで、前記溶融領域が前記第１母材および前記第２母材を厚み方向に貫通するように形成され、
前記第１母材と前記第２母材とを溶接する工程では、開先の形成されていない前記第１母材と前記第２母材とが溶接される、溶接方法。
前記第１母材と前記第２母材とを溶接する工程では、前記溶接ワイヤが前記第１の深さまで侵入し、前記溶接ワイヤが溶融して形成される溶摘の前記溶融領域への移行形態がローテーティング移行の状態と、前記溶接ワイヤが前記第２の深さまで侵入し、前記移行形態がローテーティング移行以外の状態とが繰り返される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の溶接方法。
前記第１母材および前記第２母材を準備する工程では、厚みが１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下の前記第１母材および前記第２母材が準備される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の溶接方法。
前記溶接ワイヤはソリッドワイヤである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の溶接方法。
前記溶接ワイヤの直径は１．２ｍｍ以上１．６ｍｍ以下である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の溶接方法。