JP6738628B2

JP6738628B2 - 軽金属溶接物の溶接方法、製造方法及び溶接装置

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Publication number: JP6738628B2
Application number: JP2016062251A
Authority: JP
Inventors: 小林　智; 智小林; 励一鈴木
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2016-03-25
Filing date: 2016-03-25
Publication date: 2020-08-12
Anticipated expiration: 2036-03-25
Also published as: JP2017170516A

Description

本発明は、軽金属溶接物の溶接方法、製造方法及び溶接装置に関する。

Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇのような軽金属は軽量、耐食性にも優れる等の理由で車両、化学容器、建築などの様々な分野で使用されている。これら軽金属の溶接には純ＡｒをシールドガスとしたＴＩＧ溶接やＭＩＧ溶接があるが、いずれの場合においても、溶接欠陥の一種であるブローホールの課題が生じる。これは、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇのような軽金属は酸素との親和性が高く、溶融池の表面に酸化膜を形成するため、溶融池内で発生した気泡の大気放出が妨げられるためである。特に、Ａｌは液体と固体で水素溶解度が異なるため、ブローホールの発生は顕著である。

従来、ＴＩＧ溶接において、Ａｌ、またはＡｌ合金の表面のブローホールを低減する方法として、特許文献１では、溶接トーチの周囲に磁場発生コイルを設け、溶融池に磁場をかけて溶接金属を磁気攪拌する方法が知られている。また、ＭＩＧ溶接において、特許文献２のように、低周波の切換周波数でアーク長を周期的に揺動させて、アーク力の変化によって溶融池表面を揺動させ、ブローホールの発生を低減する方法が知られている。

特開平０５−１４８６６６号公報特開２０１０−１４２８２３号公報

ところで、消耗式電極を送給しながら溶接を行うＭＩＧ溶接法は、高能率である一方、ＴＩＧ溶接法よりもブローホールが発生しやすい。また、特許文献１では、磁気攪拌を行ってブローホールを低減しているが、具体的な磁気攪拌について記載されておらず、例えば、磁気制御によって、一方向のみに回転力を与える磁気攪拌では、攪拌効果が小さい。また、一方向に回転すると、遠心力で陰極点がビードの際に移動し、過度なアーク偏向が発生する。ＭＩＧ溶接の場合、このアーク偏向によって、溶滴移行が不安定となり、ビード形状不良が発生する可能性がある。

さらに、特許文献２に記載のアーク長を周期的に変動させて溶接する方法は、主に亜鉛メッキ鋼板を対象とし、溶融池表面を揺動させるものである。一方、軽金属のように凝固寸前に溶融池中に気泡が発生する場合には、溶融池中全体を攪拌する必要があり、特許文献２のような溶融池表面を搖動するだけでは気泡の排出効果は小さい。また、特許文献２では、ＭＩＧ溶接の溶滴移行に関しては記載されておらず、ビード形状については問題としていない。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、軽金属のＭＩＧ溶接において、ブローホールの抑制と良好なビード形状を達成する軽金属溶接物の溶接方法、製造方法および溶接装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、溶接トーチを介して密度５．０ｇ／ｃｍ^３以下の軽金属の消耗式電極を送給し、シールドガスを流しながら被溶接物との間にアークを発生させて溶接する軽金属溶接物の溶接方法であって、
前記溶接トーチの近傍に配置された中空形状、またはＵ字形のコイルを備え、
前記コイルに、周波数が０．５Ｈｚ〜３０Ｈｚの交流電流を印加して、前記被溶接物の溶融池に対して、磁束密度が１ｍＴ〜１０ｍＴ、且つ前記周波数及び前記磁束密度が、１≦磁束密度／（１／周波数）≦２５０の関係を満足する磁場を形成することを特徴とする。

また、本発明の軽金属溶接物の溶接方法では、好ましくは、前記消耗式電極と前記被溶接物との間に印加する電流は、
前記消耗式電極を正極とする直流電流、または、
前記消耗式電極の電流波形の正極性成分をＥＰ、逆極性成分をＥＮとしたとき、前記消耗式電極が正極性成分である時間の極性比率、ＥＰ時間／（ＥＰ時間＋ＥＮ時間）が０．５以上、且つ、周波数が、５０Ｈｚ〜３００００Ｈｚの交流電流である。

また、本発明の軽金属溶接物の溶接方法では、好ましくは、前記消耗式電極と前記被溶接物との間に印加する前記直流電流又は前記交流電流の波形は、パルス波形であり、
ピーク電流を３００〜４５０Ａとし、
前記パルス波形の１周期に対するピーク期間であるピーク期間の比率は、０．１５〜０．８５であり、
前記ピーク電流と前記ピーク期間の比率との積は、７０〜３５０である。

また、本発明の軽金属溶接物の溶接方法では、好ましくは、前記パルス波形の周波数は、５０〜１０００Ｈｚであり、
前記パルス波形の周波数と、前記コイルに印加する前記交流電流の周波数との関係は、
５＜（前記パルス波形の周波数／前記コイルに印加する前記交流電流の周波数）
である。

また、本発明の軽金属溶接物の溶接方法では、好ましくは、前記軽金属の消耗式電極は、
９０重量％以上のＡｌと、
合計で０．００１〜１０．０００重量％含有する、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｍｇの内の少なくとも１種または２種以上の元素と、
を含み、
残部が不可避不純物及びＭｎ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｆｅの内の少なくとも１種または２種以上の元素で、合計の含有量が２．０重量％以下からなる。

また、本発明は、溶接トーチを介して密度５．０ｇ／ｃｍ^３以下の軽金属の消耗式電極を送給し、シールドガスを流しながら被溶接物との間にアークを発生させて溶接する軽金属溶接物の製造方法であって、
前記溶接トーチの近傍に配置された中空形状、またはＵ字形のコイルを備え、
前記コイルに、周波数が０．５Ｈｚ〜３０Ｈｚの交流電流を印加して、前記被溶接物の溶融池に対して、磁束密度が１ｍＴ〜１０ｍＴ、且つ前記周波数及び前記磁束密度が、１≦磁束密度／（１／周波数）≦２５０の関係を満足する磁場を形成することを特徴とする。

また、本発明の軽金属溶接物の溶接装置は、
溶接トーチを介して密度５．０ｇ／ｃｍ^３以下の軽金属の消耗式電極を送給する消耗式電極送給手段と、
前記消耗式電極の周囲に、シールドガスを供給するシールドガス供給手段と、
前記消耗式電極から前記シールドガスによるアークを介して、被溶接物に溶接電流を供給する溶接電流供給手段と、
前記溶接電流の供給に伴って形成された溶融池に周波数が０．５Ｈｚ〜３０Ｈｚ、磁束密度が１ｍＴ〜１０ｍＴの交番磁界を印加する交番磁界印加手段と、
前記周波数及び前記磁束密度が、１≦磁束密度／（１／周波数）≦２５０の関係を満足するように、前記交番磁界印加手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする。

本発明の軽金属溶接物の溶接方法、製造方法及び溶接装置によれば、磁気攪拌を行うためのコイルに適正な周波数および磁束密度の交流電流を印加することにより、溶融池中の溶接金属の攪拌効果を高めると共に、溶滴移行を安定化させることで、軽金属のＭＩＧ溶接におけるブローホールの抑制及び良好なビード形状が可能となる。

本発明に係る軽金属溶接物の溶接装置の概略構成図である。図１の溶接トーチの構成を示す断面図である。制御装置の構成を示すブロック図である。溶接トーチ及び消耗式電極と、溶融池との関係を示す模式図である

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の軽金属溶接物の溶接装置１は、消耗式電極１００を用いたガスシールドアーク溶接法によって、軽金属の被溶接物２００の溶接を行うものである。なお、本明細書で述べる軽金属の被溶接物２００とは、例えば、Ａｌ、Ａｌ系合金、Ｍｇ、Ｍｇ系合金、Ｔｉ、Ｔｉ系合金のような、密度５．０ｇ／ｃｍ^３以下の金属のことを言う。

溶接装置１は、消耗式電極１００を用いて被溶接物２００を溶接する溶接トーチ１０と、溶接トーチ１０に溶接電流を供給する溶接電源２０と、消耗式電極１００を溶接トーチ１０に順次送給するワイヤ送給装置３０と、溶接トーチ１０にシールドガスを供給するシールドガス供給装置４０と、溶接トーチ１０に交流磁界を発生させるためのコイル電流を供給する磁界印加電源５０と、を備えている。

ここで、本実施形態では、ワイヤ送給装置３０が消耗式電極送給手段として、シールドガス供給装置４０及び溶接トーチ１０がシールドガス供給手段として、溶接電源２０および溶接トーチ１０が溶接電流供給手段として、磁界印加電源５０及び溶接トーチ１０が交番磁界印加手段として、それぞれ機能している。

図２に示すように、溶接トーチ１０は、トーチ本体１１と、ノズル１２と、チップ基部１３と、コンタクトチップ１４と、支持部１５と、コイル１７と、コイル保持部１８とを備えている。

ノズル１２は、シールドガス供給装置４０から供給される純Ａｒなどのシールドガスを、被溶接物２００に噴射するためのものであり、略筒状に形成されて、トーチ本体１１の下側となる開口側にはめ込まれることで、トーチ本体１１に固定されている。

チップ基部１３は、導電体で構成され、筒状の形状を有している。チップ基部１３は、トーチ本体１１及びノズル１２の内側に配置されると共に、トーチ本体１１の内周面に接触することで、トーチ本体１１に固定されている。また、チップ基部１３の側面のうちノズル１２の内周面に臨む部位には、複数のガス供給口１３ａが貫通して設けられている。

コンタクトチップ１４は、導電体で構成され、筒状の形状を有している。コンタクトチップ１４は、チップ基部１３のうち下側となる開口側にはめ込まれることで、ノズル１２の内側において、チップ基部１３を介してトーチ本体１１に固定されている。このコンタクトチップ１４は、チップ基部１３に対して着脱可能となっており、長期間の使用に伴ってコンタクトチップ１４が消耗した場合には、コンタクトチップ１４を交換することが可能となっている。

支持部１５は、筒状の形状を有し、トーチ本体１１から上方に突出するチップ基部１３にはめ込まれることで、トーチ本体１１に固定されている。支持部１５は、その上方に配置された不図示の基材に支持されている。

コイル１７は、例えば、銅などの金属製のワイヤが、中空形状、又はＵ字形に巻回されて形成されており、ノズル１２の外周面を囲んで配置されている。コイル１７は、導線により磁界印加電源５０と電気的に接続されて、磁界印加電源５０から交流電流が給電されることで、交番磁界を形成する。なお、コイル１７の磁力を溶融池中の溶接金属に均一に作用させるためには、中空形状のコイルが好ましく、コイル１７がノズル１２の外周面を囲んで配置されていることがより好ましい。

コイル保持部１８は、絶縁体あるいは絶縁体で被覆された素材で構成されている。コイル保持部１８は、ノズル１２の外周面の外側において、ノズル１２を介してトーチ本体１１に固定されており、その内部にコイル１７を収容している。

溶接トーチ１０には、支持部１５、チップ基部１３およびコンタクトチップ１４を貫通して、消耗式電極１００を被溶接物２００に向けて（図中上方から下方）供給するための電極供給路が形成されている。コンタクトチップ１４の内側に形成される電極供給路の内径は、消耗式電極１００の直径よりわずかに大きくなっており、コンタクトチップ１４の電極供給路を貫通する消耗式電極１００は、コンタクトチップ１４と電気的に接続されている。一方、支持部１５及びチップ基部１３の内側に形成される電極供給路の内径は、コンタクトチップ１４の内側に形成される電極供給路の内径よりも大きくなっており、図中上方より、この部位と消耗式電極１００との間に形成される隙間およびチップ基部１３に形成されたガス供給路１３ａを介して、ノズル１２の内側にシールドガスが供給されるようになっている。

また、チップ基部１３には、溶接電源２０が接続されており、溶接電源２０から供給される溶接電流は、チップ基部１３及びコンタクトチップ１４を介して消耗式電極１００に供給される。

図３に示すように、制御手段の一例としての制御部７０は、図示しない設定装置（コンピュータ装置など）から入力される各種設定を受け付ける設定受付部７１と、設定受付部７１で受け付けた設定に基づき、溶接電源２０から溶接トーチ１０を介して消耗式電極１００に供給する溶接電流の大きさを設定する溶接電流設定部７２と、溶接電流設定部７２によって設定された溶接電流の大きさに基づき、磁界印加電源５０からコイル１７に供給するコイル電流の大きさを設定するコイル電流設定部７３と、を備える。また、制御部７０は、設定受付部７１で受け付けた設定に基づき、ワイヤ送給装置３０から溶接トーチ１０に送給する消耗式電極１００の送給速度を設定する送給速度設定部７４をさらに備える。

ここで、本実施形態で使用される消耗式電極１００は、密度５．０ｇ／ｃｍ^３以下の軽金属であり、被溶接物２００と同じ軽金属が使用される。例えば、軽金属の被溶接物２００がＡｌ又はＡｌ合金である場合には、消耗式電極１００は、９０重量％以上のＡｌと、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｍｇの内の少なくとも１種または２種以上の元素が合計で０．００１〜１０．０００重量％含有し、残部が不可避不純物及びＭｎ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｆｅの内の少なくとも１種または２種以上の元素で、合計の含有量が２．０重量％以下からなる。Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｍｇの内の少なくとも１種または２種以上の元素が合計で０．００１〜１０．０００重量％の範囲内であると、溶融池上の陰極点数が適正でアークが安定する。

Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｍｇの元素は親和性が高く酸化物となり易い。これらの元素が酸化物として溶融池表面に浮上すると、プラズマ気流によって溶融池の際へ流れる。消耗式電極１００が直流陽極（ＤＣＥＰ）の場合、酸化物が陰極点となって、アークがビードの際へ偏向して溶滴移行が乱れてしまうため、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｍｇなどを含む消耗式電極１００は使用が困難であった。しかし、本実施形態では、溶融池の溶接金属の回転方向を周期的に変えて、溶融池表面を攪拌するため、溶融池の際に陰極点が集中することがなく、アーク偏向が防止される。

次に、溶接装置１を用いた被溶接物２００の製造方法について説明する。
まず、ワイヤ送給装置３０から溶接トーチ１０に対し消耗式電極１００の送給を開始するとともに、シールドガス供給装置４０から溶接トーチ１０に対しシールドガスを供給する。また、溶接電源２０から、溶接トーチ１０に対し電圧（溶接電圧）の供給を開始するとともに、磁界印加電源５０から、溶接トーチ１０（コイル１７）に対しコイル電流を供給する。

これにより、消耗式電極１００と被溶接物２００との間にアークが発生し、消耗式電極１００の先端が溶融して被溶接物２００側へと移行すると共に、被溶接物２００が溶融して溶融池が形成されて溶接が開始される。このとき、溶融池内では、主に水素を原因とした気泡が発生すると共に、Ａｌなどの軽金属は、酸素との親和性が高く、溶融池の表面に酸化膜（スケール）が形成される。溶融池内で発生した気泡は、酸化膜により溶接金属の内部に閉じ込められ易く、溶融池が冷却されて凝固した後の溶融金属には、ブローホールと呼ばれる気孔欠陥を生じやすくなる。

このため、本実施形態では、溶接トーチ１０に設けられたコイル１７に、交流のコイル電流を供給して、溶融池内の溶接金属を攪拌し、溶融池の表面に形成される酸化膜（スケール）を破壊して溶融池内で発生する気泡を放出する。

図４は、溶接トーチ及び消耗式電極と、被溶接物に形成される溶融池との関係を示す模式図であり、消耗式電極１００の先端側では、消耗式電極１００と被溶接物２００とが溶融して溶融池４００が形成される。このとき、溶接トーチ１０に取り付けられた消耗式電極１００から溶融池４００に流れる溶接電流は、直流かつ消耗式電極プラス（ＤＣＥＰ）の場合、溶融池４００内を面方向に沿って放射状に流れる（図中破線で示す）。

また、溶接トーチ１０に設けられたコイル１７には、交流のコイル電流が供給されているので、コイル１７は、溶融池４００の表面に対し、ほぼ垂直となる方向に交番磁界を発生する（図中一点鎖線矢印で示す）。この交番磁界により、溶融池４００内を放射状に広がる溶接電流に対しローレンツ力が作用して、溶融池４００内の溶接金属には、コイル電流の周波数に応じた周期で正逆回転を繰り返す回転力が働く（図中白抜き矢印で示す）。交番磁界による溶融池４００内の溶接金属の攪拌は、溶融池４００内で発生する気泡の放出に有効に作用する。

ここで、本実施形態では、磁界印加電源５０からコイル１７に印加するコイル電流は、周波数が０．５〜３０Ｈｚの交流電流とし、コイル電流によって発生する磁束密度の大きさを１〜１０ｍＴとし、さらに、１≦磁束密度／（１／周波数）≦２５０の関係を満足するように、設定される。コイル電流にかける交流電流の周波数が０．５Ｈｚを下回る、または３０Ｈｚを上回ると、攪拌効果が弱く、ブローホールが溶融池から抜けきらない。また、コイル電流によって発生する磁束密度の大きさが１ｍＴを下回ると攪拌効果が弱く、ブローホールが溶融池から抜けきらない。一方、１０ｍＴを上回ると、溶融池にかかる力が過大になり、溶融池を吹き飛ばすため、スパッタが多量に発生する。なお、磁束密度は、溶接トーチ１０から突出する消耗式電極の先端の位置において、ガウスメータ（テスラメータ）を用いて計測した値（実効値）で定義される。

上記した、磁束密度／（１／周波数）は、１周期当たりに必要な磁束密度を規定している。溶接金属を回転させる回転力は、磁束密度の大きさに略比例し、溶接金属の回転方向切換え周期は、コイル１７に印加するコイル電流の周波数によって決まる。回転方向が切り換わる瞬間が最も攪拌され、溶融池表面の酸化膜が破壊し、気泡が出やすくなると考えられる。したがって、回転方向切換え周期が短い方が、回転方向の切換えが早く行われるため、低い磁束密度でも攪拌力が確保できる。一方、回転方向切換え周期が長いと、磁束密度を大きくしないと攪拌力が確保できない。

即ち、磁束密度が大きく、回転方向切換え周期が短いほど、攪拌効果は大きくなり、気泡の放出効果は高くなる。しかし、磁束密度／（１／周波数）の値が２５０を上回る場合、例えば、磁束密度が高くなりすぎると溶融池が乱れ、適正なビード形成を阻害する可能性がある。逆に、磁束密度／（１／周波数）の値が１を下回る場合、例えば、磁束密度が低く、回転方向切換え周期が長いと効果的に気泡を放出することができない。このため、周波数及び磁束密度が、１≦磁束密度／（１／周波数）≦２５０の関係を満足するように、制御部７０で磁界印加電源５０を制御することで、溶接金属からの高い気泡放出効果が得られると共に、美しいビードが形状される。
なお、磁束密度は、気泡放出効果をより高めるためには、２〜６ｍＴとすることが好ましい。

また、溶接電源２０から消耗式電極１００に印加する溶接電流は、直流電流の場合、溶融池表面の酸化膜除去を目的とした陰極点のクリーニング効果を促すため、消耗式電極１００を正極とする直流電流（ＤＣＥＰ）であることが好ましい。また、交流電流の場合には、消耗式電極１００が正極性成分ＥＰである極性比率（ＥＰ時間／（ＥＰ時間＋ＥＮ時間））を０．５以上、好ましくは０．８以上とすることでよりクリーニング効果を促すことができる。また、周波数を、５０Ｈｚ〜３００００Ｈｚの範囲内に設定することが好ましく、より溶融池を揺動させることができるため、溶融池中の気泡排出が促進される。

このように、消耗式電極１００の極性を規定することで、アーク電流が、陰極点である酸化物に向かって流れることで生じるクリーニング効果によって、酸化膜が効果的に破壊され、気泡の放出が促進される。また、消耗式電極１００の極性を高周波数で切換えることで、磁気攪拌との相乗効果により気泡の放出が容易になる。

また、本実施形態では、溶滴移行を安定化させるため、消耗式電極１００と被溶接物２００との間に印加する直流電流又は交流電流は、パルス波形とすることが好ましい。また、パルス波形は、溶滴移行がより安定となる条件範囲として、ピーク電流を３００〜４５０Ａとし、パルス波形の１周期に対するピーク期間であるピーク期間の比率を、０．１５〜０．８５とすることが好ましく、且つ、ピーク電流とピーク期間の比率との積が、７０〜３５０となるように制御される。

ピーク電流とピーク期間の比率との積が７０以上であると、酸化膜の破壊効果がより大きく、また、この積が３５０以下であると、溶滴移行が安定し、ビードの蛇行をより抑制できる。このため、ピーク電流とピーク期間の比率との積が、７０〜３５０となるように制御することで、溶滴移行が安定化して酸化膜の破壊効果が向上する。

更に、パルス波形は、溶滴移行がより安定となる条件範囲として周波数が５０〜１０００Ｈｚであることが好ましく、パルス波形の周波数と、コイル１７に印加する交流電流の周波数との関係は、５＜（パルス波形の周波数／コイルに印加する交流電流の周波数）となるように制御される。パルス波形の周波数／コイルに印加する交流電流の周波数の値が、５倍以上であると、顕著な酸化膜の破壊効果が得られ、溶接金属からの高い気泡放出効果が得られる。なお、スパッタの発生をより抑制できる範囲として、パルス波形の周波数／コイルに印加する交流電流の周波数の値は、４００以下とするのが好ましい。

以上説明したように、本発明の軽金属溶接物の溶接方法、及び製造方法によれば、溶接トーチ１０を介して密度５．０ｇ／ｃｍ^３以下の軽金属の消耗式電極１００を送給し、シールドガスを流しながら被溶接物２００との間にアークを発生させて溶接する際、溶接トーチ１０の近傍に備えたコイル１７に、周波数が０．５Ｈｚ〜３０Ｈｚの交流電流を印加して、被溶接物２００の溶融池４００に対して磁束密度が１ｍＴ〜１０ｍＴ、且つ１≦磁束密度／（１／周波数）≦２５０の関係を満足する磁場を形成して、溶融池４００中の溶接金属の攪拌効果を高めると共に、溶滴移行を安定化させることで、軽金属溶接におけるブローホールの抑制及び良好なビード形状のビード形成が可能となる。

また、本発明の軽金属溶接物の溶接装置によれば、ワイヤ送給装置３０が密度５．０ｇ／ｃｍ^３以下の軽金属の消耗式電極１００を送給し、シールドガス供給装置４０が溶接トーチ１０にシールドガスを供給し、溶接電源２０が消耗式電極１００からシールドガスによるアークを介して被溶接物２００に溶接電流を供給すると共に、磁界印加電源５０がコイル１７に交流電流を印加する。これにより、被溶接物２００の溶融池４００に対して、磁束密度が１ｍＴ〜１０ｍＴ、且つ１≦磁束密度／（１／周波数）≦２５０の関係を満足する磁場を発生させて、溶融池４００中の溶接金属を攪拌すると共に溶滴移行を安定化させて、ブローホールの発生を抑制すると共に、良好なビードを形成できる。

以下、本発明の効果を確認するため、以下の条件にて溶接を行い、実施例及び比較例について評価を行った。まず、実施例及び比較例共に、基本溶接条件を以下に示す通りとした。

・母材：
実施例１〜３１，３４〜４２、比較例１〜９；ＪＩＳＡ５０８３Ｐ−Ｏ（Ａｌ系合金）、実施例３２；ＪＩＳＴＰ２７０（Ｔｉ系合金）、
実施例３３；ＪＩＳＡＺ３１（Ｍｇ系合金）
・消耗式電極の直径：１．６ｍｍφ
・溶接方法：下向きビードオンプレート
・溶接平均電流：２００〜２５０Ａ
・アーク電圧：２４〜２５Ｖ
・溶接トーチからの消耗式電極突き出し長さ：２０ｍｍ
・シールドガス：１００％Ａｒ

実施例及び比較例の溶接で使用した消耗式電極の化学組成（重量％）を表１に示す。

Ｗ１〜Ｗ５の消耗式電極は、９０重量％以上のＡｌと、合計で０．００１〜１０．０００重量％含有する、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｍｇの内の少なくとも１種または２種以上の元素と、を含み、残部が合計で２．０重量％以下の不可避不純物及びＭｎ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｆｅの内の少なくとも１種または２種以上の元素とからなる、消耗式電極の化学組成を満足する。一方、Ｗ６の消耗式電極は、Ａｌが９０重量％以下であり、Ｗ７の消耗式電極は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｍｇの合計が、０．００１〜１０．０００重量％の範囲外である。さらに、Ｗ８，Ｗ９の消耗式電極は、母材がＴｉ合金、Ｍｇ合金の場合にそれぞれ使用される。

実施例１〜実施例４２、及び比較例１〜比較例９の各溶接結果について、ビード形状、耐ブローホール性、及びスパッタを評価項目とし、以下の基準に従って評価した。

ビード形状は、溶接後のビードを目視により評価した。
評価Ａ：アンダーカット、ラップ、ハンピングなし。蛇行なし。
評価Ｂ：アンダーカット、ラップ、ハンピングなし。１ｍｍ以内の蛇行。
評価Ｃ：アンダーカット、ラップ、ハンピングあり。１ｍｍを超える蛇行。

耐ブローホール性は、溶接部のＸ線検査により、長さ１００ｍｍの溶接部中に発生するブローホールの個数で判断した。従来の溶接法で発生するブローホールは６０個のため、６０個を基準として評価した。但し、±１０％程度のバラツキがあるため、発生率９０％未満から、ブローホールの低減効果ありとした。なお、本試験においては、油を塗布した加速試験で行った。
ＡＡ：従来個数の５０％未満。（３０個未満）
Ａ：従来個数の５０％以上、７０％未満（３０〜４１個）
Ｂ：従来個数の７０％以上、９０％未満（４２〜５３個）
Ｃ：従来個数の９０％以上（５４個以上）

スパッタは、ビードを中心とした１００ｍｍ×１００ｍｍの範囲内に付着する１ｍｍ以上のスパッタの数で評価した。
Ａ：１ｍｍ以上のスパッタなし。
Ｂ：１ｍｍ以上のスパッタ数、１〜２０個。
Ｃ：１ｍｍ以上のスパッタ数、２１個以上。

各実施例１〜４２及び各比較例１〜９の評価結果を溶接条件と共に表２、表３にそれぞれ示す。

表２に示すように、実施例１〜４２の結果では、中空又はＵ字形状の磁気コイルに、周波数が０．５Ｈｚ〜３０Ｈｚの交流電流を印加し、磁束密度を１ｍＴ〜１０ｍＴとし、さらに、１≦磁束密度／（１／周波数）≦２５０の関係を満足する磁場を形成することで、ビード形状、耐ブローホール性、及びスパッタの評価において、いずれもＢ以上の結果が得られているのがわかる。
特に、実施例１〜５の結果を比較すると、磁束密度を２ｍＴ〜６ｍＴの範囲内とすることで、耐ブローホール性が向上することがわかる。

一方、表３に示すように、比較例１〜９では、印加電流が直流である比較例１及び比較例２、磁気コイルを備えていない比較例３、磁気コイルに印加した周波数が０．５Ｈｚ〜３０Ｈｚの範囲外である比較例４及び比較例５、磁束密度が１ｍＴ〜１０ｍＴの範囲外である比較例６及び比較例７、１≦磁束密度／（１／周波数）≦２５０の範囲外である比較例８及び比較例９のいずれの比較例においても、ビート形状、耐ブローホール性、スパッタの評価で良好な結果が得られなかった。これは、主に、溶融池４００内の溶接金属の磁気攪拌が不十分であったためと推定される。

また、実施例１０〜１２の結果を比較すると、溶接電流が交流電流である場合、極性比率、ＥＰ時間／（ＥＰ時間＋ＥＮ時間）を０．５以上とすることで、耐ブローホール性をより向上できることがわかる。
さらに、実施例１０及び実施例３７の結果を比較すると、溶接電流が交流電流である場合に、パルス波形とすることで、ビード形状及びスパッタの評価が向上していることがわかる。

また、実施例１３〜１６の結果を比較すると、溶接電流が直流電流である場合、ピーク電流を３００〜４５０Ａとするパルス波形とすることで、耐ブローホール性をより向上できることがわかる。
さらに、実施例２１〜２４の結果を比較すると、ピーク期間の比率が０．１５〜０．８５、且つ、ピーク電流とピーク期間の比率との積が７０〜３５０を満足することで、耐ブローホール性をより向上することができる。
また、実施例２及び実施例２５の結果を比較すると、溶接電流が直流電流である場合にも、パルス波形とすることで、ビート形状、耐ブローホール性、スパッタの評価がいずれも向上していることがわかる。

また、実施例１７〜２０の結果を比較すると、パルス波形の周波数が５０〜１０００Ｈｚを満足することで、スパッタの評価をより向上することができる。なお、実施例２０においては、５＜（前記パルス波形の周波数／前記コイルに印加する前記交流電流の周波数）の関係も満足していない。

また、実施例２、実施例２６〜３１の結果を比較すると、９０重量％以上のＡｌと、合計で０．００１〜１０．０００重量％含有する、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｍｇの内の少なくとも１種または２種以上の元素と、を含み、残部が合計で２．０重量％以下の不可避不純物及びＭｎ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｆｅの内の少なくとも１種または２種以上の元素とからなる、消耗式電極を用いることで、ビード形状、耐ブローホール性、及びスパッタの評価において、良好な結果が得られることがわかる。

尚、本発明は、前述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。

１溶接装置
１０溶接トーチ
１７コイル
２０溶接電源（溶接電流供給手段）
３０ワイヤ送給装置（消耗式電極送給手段）
４０シールドガス供給装置（シールドガス供給手段）
５０磁界印加電源（交番磁界印加手段）
７０制御部（制御手段）
１００消耗式電極
２００被溶接物（軽金属溶接物）
４００溶融池

Claims

溶接トーチを介して密度５．０ｇ／ｃｍ^３以下の軽金属の消耗式電極を送給し、シールドガスを流しながら被溶接物との間にアークを発生させて溶接する軽金属溶接物の溶接方法であって、
前記溶接トーチの近傍に配置された中空形状、またはＵ字形のコイルを備え、
前記コイルに、周波数が０．５Ｈｚ〜３０Ｈｚの交流電流を印加して、前記被溶接物の溶融池に対して、磁束密度が１ｍＴ〜１０ｍＴ、且つ前記周波数及び前記磁束密度が、１≦磁束密度／（１／周波数）≦２５０の関係を満足する磁場を形成し、
前記消耗式電極と前記被溶接物との間に印加する電流を、波形がパルス波形である直流電流又は交流電流とし、
前記パルス波形は、ピーク電流を３００〜４５０Ａとし、前記パルス波形の１周期に対するピーク期間であるピーク期間の比率を、０．１５〜０．８５とし、前記ピーク電流と前記ピーク期間の比率との積が、７０〜３５０となるように制御されることを特徴とする軽金属溶接物の溶接方法。
前記消耗式電極と前記被溶接物との間に印加する前記電流は、
前記消耗式電極を正極とする前記直流電流、または、
前記消耗式電極の電流波形の正極性成分をＥＰ、逆極性成分をＥＮとしたとき、前記消耗式電極が正極性成分である時間の極性比率、ＥＰ時間／（ＥＰ時間＋ＥＮ時間）が０．５以上、且つ、周波数が、５０Ｈｚ〜３００００Ｈｚの前記交流電流であることを特徴とする請求項１に記載の軽金属溶接物の溶接方法。
前記パルス波形の周波数は、５０〜１０００Ｈｚであり、
前記パルス波形の周波数と、前記コイルに印加する前記交流電流の周波数との関係は、５＜（前記パルス波形の周波数／前記コイルに印加する前記交流電流の周波数）
であることを特徴とする請求項１又は２に記載の軽金属溶接物の溶接方法。
前記軽金属の消耗式電極は、
９０重量％以上のＡｌと、
合計で０．００１〜１０．０００重量％含有する、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｍｇの内の少なくとも１種または２種以上の元素と、
を含み、
残部が不可避不純物及びＭｎ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｆｅの内の少なくとも１種または２種以上の元素で、合計の含有量が２．０重量％以下からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の軽金属溶接物の溶接方法。
溶接トーチを介して密度５．０ｇ／ｃｍ^３以下の軽金属の消耗式電極を送給し、シールドガスを流しながら被溶接物との間にアークを発生させて溶接する軽金属溶接物の製造方法であって、
前記溶接トーチの近傍に配置された中空形状、またはＵ字形のコイルを備え、
前記コイルに、周波数が０．５Ｈｚ〜３０Ｈｚの交流電流を印加して、前記被溶接物の溶融池に対して、磁束密度が１ｍＴ〜１０ｍＴ、且つ前記周波数及び前記磁束密度が、１≦磁束密度／（１／周波数）≦２５０の関係を満足する磁場を形成し、
前記消耗式電極と前記被溶接物との間に印加する電流を、波形がパルス波形である直流電流又は交流電流とし、
前記パルス波形は、ピーク電流を３００〜４５０Ａとし、前記パルス波形の１周期に対するピーク期間であるピーク期間の比率を、０．１５〜０．８５とし、前記ピーク電流と前記ピーク期間の比率との積が、７０〜３５０となるように制御されることを特徴とする軽金属溶接物の製造方法。
溶接トーチを介して密度５．０ｇ／ｃｍ^３以下の軽金属の消耗式電極を送給する消耗式電極送給手段と、
前記消耗式電極の周囲に、シールドガスを供給するシールドガス供給手段と、
前記消耗式電極から前記シールドガスによるアークを介して、被溶接物に溶接電流を供給する溶接電流供給手段と、
前記溶接トーチの近傍に配置された中空形状、またはＵ字形のコイルと、
前記コイルに、周波数が０．５Ｈｚ〜３０Ｈｚの交流電流を印加して、前記溶接電流の供給に伴って形成された溶融池に周波数が０．５Ｈｚ〜３０Ｈｚ、磁束密度が１ｍＴ〜１０ｍＴの交番磁界を印加する交番磁界印加手段と、
前記周波数及び前記磁束密度が、１≦磁束密度／（１／周波数）≦２５０の関係を満足するように、前記交番磁界印加手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記溶接電流供給手段は、前記消耗式電極と前記被溶接物との間に印加する電流を、波形がパルス波形である直流電流又は交流電流とし、
前記パルス波形は、ピーク電流を３００〜４５０Ａとし、前記パルス波形の１周期に対するピーク期間であるピーク期間の比率を、０．１５〜０．８５とし、前記ピーク電流と前記ピーク期間の比率との積が、７０〜３５０となるように制御されることを特徴とする軽金属溶接物の溶接装置。