JP6965071B2 - プラズマキーホール溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼板を突合せてプラズマキーホール溶接する方法に関し、特に溶接後の熱ひずみが少なく、突合せギャップが大きい場合でも溶接欠陥が無く、良好なビード形状が得られるなど高能率で高品質な溶接部が得られるプラズマキーホール溶接方法に関する。

近年、自動車・造船・建築などの各分野で構造物の軽量化を目的に鋼板の薄肉化が進んでおり、板厚が３〜９ｍｍの鋼板の突合せ溶接が広く行われている。この鋼板の突合せ溶接には、高能率溶接が可能で高品質な溶接部を得られるガスシールドアーク溶接が広く使用され、例えば特許文献１には、ガスシールドアーク溶接による薄鋼板の突合せ溶接方法が開示されている。

ところで、このガスシールドアーク溶接は、各分野で広く使用されている一方で、比較的薄い鋼板の突合せ溶接の場合には、溶接後の熱ひずみが大きく、溶接後の熱変形量が大きくなるため、構造物の寸法精度が低下するとともに、構造物の寿命が低下するという問題点がある。またガスシールドアーク溶接は、溶接時の熱影響部が広いために溶接部の溶落ちが発生し易いという問題点もある。

これらを解消する方法として、溶接部の溶落ちが少なくすることができ、熱ひずみも少なくすることができる溶接方法としてレーザ溶接やプラズマ溶接等が知られている。

レーザ溶接は、レーザ光を熱源とし、集光したレーザ光を照射して局部的に溶融させることで接合する溶接方法である。レーザ溶接は、エネルギー密度が非常に高い集中熱源を使用しているので、溶接後の熱ひずみが少なく深い溶込みを得られるというメリットがあるが、熱源範囲がガスシールドアーク溶接より非常に狭いので、高い開先精度が必要となり、溶接欠陥が発生し易いという問題点がある。

一方、プラズマ溶接は、プラズマトーチ内にタングステンなどの電極を有し、アルゴンと水素を混合した混合ガスを加熱してプラズマガス状態にした中にプラズマアークを発生させ、そのプラズマアークをノズル先端の穴を通過させることでプラズマアークを狭窄して熱源の集中性を高めた溶接方法である。突合せ溶接にプラズマ溶接を適用する場合には、鋼板にプラズマアークを貫通させながら接合するプラズマキーホール溶接を用いるのが一般的である。プラズマキーホール溶接方法は、ガスシールドアーク溶接に比べて熱源の集中性が高いので溶接後の熱ひずみを少なくすることができるとともに、レーザ溶接より熱源範囲が広いので、熱影響部が広く、開先精度の裕度が広いというメリットがある。またプラズマキーホール溶接方法は、レーザ溶接に比べて装置自体が安価で設備費も低いことから、比較的薄い鋼板の突合せ溶接に適用されることも多い。

このように、溶接後の熱ひずみが少なく溶接時の開先精度の裕度が広いといったメリットを有するプラズマ溶接であるが、耐ギャップ性がガスシールドアーク溶接に比べて劣るという問題がある。近年の自動車・造船・建築などの構造物は複雑な形状をしているため、鋼板を突合せた場合にギャップが生じるものが多く、耐ギャップ性も比較的薄い鋼板の突合せ溶接には重要な要素である。

これを解消する方法として、特許文献２及び特許文献３には、アルミニウム板の突合せ時のギャップが有る状態での突合せ溶接において、ワイヤを２本投入しながらレーザ溶接を行う方法が開示されている。しかし、特許文献２及び特許文献３に記載の技術は、アルミニウム板のレーザ溶接に関するものであり、上述した鋼板の突合せ溶接時における各種課題を満たすものではない。

また、特許文献４には、溶接進行方向と直行する１対のワイヤを熱源と母材の間に投入するプラズマ肉盛溶接方法が開示されている。しかし、特許文献４の開示技術はプラズマ肉盛溶接に関する技術であり、上述したプラズマ溶接による比較的薄い鋼板の突合せ溶接に関する技術ではない。このため、特許文献４に開示されているプラズマ肉盛溶接の技術ではプラズマキーホール溶接での比較的薄い鋼板の突合せ溶接における十分な耐ギャップ性は得られないという問題点があった。

特開２００１−３２１９８５号公報 再表２０１０／０２１０９４号公報 特開２０１０−６４０８６号公報 特開２００９−２４１１４２号公報

そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、比較的薄い鋼板を突合せてプラズマキーホール溶接する方法において、溶接後の熱ひずみが少なく、溶接欠陥の無い良好なビード形状が得られ、耐ギャップ性にも優れるプラズマキーホール溶接方法を提供することを目的とする。

本発明の要旨は、板厚（ＴＨ）が３〜９ｍｍの鋼板を突合せてプラズマキーホール溶接する方法において、先行ワイヤを溶接進行方向前方からプラズマキーホール溶接の溶融プール前方に供給し、後行ワイヤを溶接進行方向後方からプラズマアーク後方に供給しながらプラズマキーホール溶接することを特徴とする。

また、前記鋼板の突合せギャップ（ＧＡ）が３ｍｍ以下であることを特徴とする。

さらに、溶接電流（ＰＡ）：１００〜２５０Ａ、パイロットガス流量：０．５〜３．０Ｌ／ｍｉｎ、先行ワイヤ送給量（ＬＱ）：２〜１２ｇ／ｍｉｎ、後行ワイヤ送給量（ＴＱ）：２〜１９ｇ／ｍｉｎ、溶接速度（ＷＳ）：１０〜４０ｃｍ／ｍｉｎで、下記式で示すＸの値が４０〜９５を満足する溶接条件でプラズマキーホール溶接することも特徴とするプラズマキーホール溶接方法にある。

Ｘ＝３０×（ＬＱ＋ＴＱ）／ＴＨ−０．１×ＷＳ−１０×ＧＡ−０．０１×ＰＡ
・・・（式）

但し、ＬＱ：先行ワイヤ送給量（ｇ／ｍｉｎ）、ＴＱ：後行ワイヤ送給量（ｇ／ｍｉｎ）、ＷＳ：溶接速度（ｃｍ／ｍｉｎ）、ＴＨ：板厚（ｍｍ）、ＧＡ：突合せギャップ（ｍｍ）、ＰＡ：溶接電流（Ａ）

上述した構成からなる本発明を適用したプラズマキーホール溶接方法によれば、板厚が３〜９ｍｍの鋼板を突合せてプラズマキーホール溶接をする場合に、溶接後の熱ひずみが少なく、突合せギャップが大きい場合においても溶接欠陥の無い良好なビード形状が得られるなど高能率な溶接が可能となり、且つ、高品質な溶接部が得られる。

以下、本発明を適用したプラズマキーホール溶接方法を実施するための形態について詳細に説明をする。

まず、本発明を適用したプラズマキーホール溶接方法におけるガスシールドアーク溶接に対する優位性を検証するため、各溶接方法を実行した後の熱ひずみにおよぼす影響を調査し、比較した。表１に示すＪＩＳ Ｇ ３１０６に規定される板厚が６ｍｍのＳＭ４９０Ａ鋼板を突合せギャップ無しで組んだ試験体（板幅４００ｍｍ）で、表１に示す溶接条件でガスシールドアーク溶接及びプラズマキーホール溶接を行い、溶接後の熱変形量を調査した。熱変形量の評価方法は、溶接後の試験体を反転させて床面に設置し、床面と溶接部までの高さを測定した。それらの結果を表１に示す。

調査の結果、ガスシールドアーク溶接では熱変形量が１０ｍｍ以上であるのに対し、プラズマキーホール溶接の熱変形量は０．５ｍｍと非常に少ない結果であることから、プラズマキーホール溶接を用いれば、溶接後の熱ひずみを非常に少なくできることを見出した。

次に、板厚（ＴＨ）が３〜９ｍｍの鋼板を付合わせ、各種溶接条件でプラズマキーホール溶接を行った結果、溶接条件の調整のみでは裏及び表ビードともに良好なビード形状は得られないことが判明した。そこで、溶接進行方向前方から溶接ワイヤ（以下、先行ワイヤという。）をプラズマキーホール溶接の溶融プール前方に供給するとともに、溶接進行方向後方から溶接ワイヤ（以下、後行ワイヤという。）をプラズマアーク後方に供給しながらプラズマキーホール溶接をすることで、良好な裏及び表ビード形状が得られることを見出した。

また、３ｍｍ以下の鋼板の突合せギャップ（ＧＡ）を有する場合には、各種溶接条件を種々変化させて調査した結果、溶接電流（ＰＡ）、パイロットガス流量、先行ワイヤ送給量（ＬＱ）、後行ワイヤ送給量（ＴＱ）、溶接速度（ＷＳ）を規定するとともに、３０×（ＬＱ＋ＴＱ）／ＴＨ−０．１×ＷＳ−１０×ＧＡ−０．０１×ＰＡから得られるＸの値を規定することにより、溶接欠陥がなく、良好な裏及び表ビード形状が得られることを見出した。

以下、本発明のプラズマキーホール溶接方法の各限定理由について説明する。

［先行ワイヤの供給位置：溶接進行方向前方からプラズマキーホール溶接の溶融プール前方に供給］
鋼板の突合せによるプラズマキーホール溶接では、プラズマアークで溶融プールを形成させ、鋼板を貫通させながらプラズマキーホール溶接するが、溶着量確保の観点から、溶接進行方向前方から先行ワイヤを供給する。その際、先行ワイヤをプラズマキーホール溶接の溶融プール前方に供給することで、先行ワイヤが十分に溶融され、プラズマアークが鋼板を安定して貫通しながらプラズマキーホール溶接できるので、良好な裏ビード形状を得ることができる。一方、先行ワイヤをプラズマアーク中心部へ供給すると、先行ワイヤがプラズマアークによって溶融プールに到達する前に溶融されるため、溶滴が安定して滴下されなくなり、裏及び表ビード形状が不良となる。したがって、先行ワイヤは溶接進行方向前方からプラズマキーホール溶接の溶融プール前方に供給する。

［後行ワイヤの供給位置：溶接進行方向後方からプラズマアーク後方に供給］
後行ワイヤは、表ビードを形成するための十分な溶着量を確保するとともに、表ビード両端を滑らかにして表ビード形状を良好にする効果を有しており、溶接進行方向後方から後行ワイヤをプラズマアーク後方に供給することで、後行ワイヤがプラズマアークによって十分に溶融され、溶融プールが安定するので、良好な表ビード形状が得られる。一方、後行ワイヤをプラズマアーク後方からあまりに離れて供給すると、後行ワイヤが十分に溶融されず、溶融プールが不安定になり、表ビードが凸状になって表ビード形状が不良となる。したがって、後行ワイヤは溶接進行方向後方からプラズマアーク後方に供給する。

［鋼板の突合せギャップ（ＧＡ）：３ｍｍ以下］
鋼板の突合せギャップ（ＧＡ）は、良好な裏及び表ビード形状を得るための溶着量を確保するとともに、安定したプラズマキーホール溶接を行う観点から３ｍｍ以下とする。突合せギャップ（ＧＡ）が３ｍｍを超えると、突合せギャップ（ＧＡ）間を溶融プールが支えきれなくなり、プラズマキーホール溶接自体が困難となる。したがって、鋼板の突合せギャップ（ＧＡ）は３ｍｍ以下とする。

［溶接電流（ＰＡ）：１００〜２５０Ａ］
溶接電流（ＰＡ）は、１００〜２５０Ａとする。溶接電流（ＰＡ）が１００Ａ未満では、プラズマアークが弱くなって鋼板を貫通できなくなり、裏ビード形状が不良となるとともに、溶接欠陥が発生し易くなる。一方、溶接電流（ＰＡ）が２５０Ａを超えると、プラズマアークが過剰に強くなって裏ビード形状が悪くなるとともに、溶落ちが発生し易くなる。したがって、プラズマキーホール溶接の溶接電流（ＰＡ）は１００〜２５０Ａとする。

［パイロットガス流量：０．５〜３．０Ｌ／ｍｉｎ］
パイロットガス流量は、０．５〜３．０Ｌ／ｍｉｎとする。パイロットガス流量が０．５Ｌ／ｍｉｎ未満では、パイロットガスの吹付けが低下し、鋼板を安定してプラズマアークが貫通できなくなり、裏ビード形状が不良となるとともに、溶接欠陥が発生し易くなる。一方、パイロットガス流量が３．０Ｌ／ｍｉｎを超えると、パイロットガスの吹付け力が過剰となり、裏ビード形状が悪くなるとともに、表ビードに凹みが発生して表ビード形状も不良となり、また溶落ちが発生し易くなる。したがって、プラズマキーホール溶接のパイロットガス流量は０．５〜３．０Ｌ／ｍｉｎとする。

［先行ワイヤ送給量（ＬＱ）：２〜１２ｇ／ｍｉｎ］
プラズマキーホール溶接の先行ワイヤ送給量（ＬＱ）は、２〜１２ｇ／ｍｉｎとする。先行ワイヤ送給量（ＬＱ）が２ｇ／ｍｉｎ未満では、必要な溶着量が確保できず、裏ビード形状が悪くなるとともに、表ビードに凹みが発生して表ビード形状も不良となる。一方、先行ワイヤ送給量（ＬＱ）が１２ｇ／ｍｉｎを超えると、先行ワイヤが過剰に送給されるので、先行ワイヤがプラズマアークを遮る状態となって鋼板を貫通できなくなり、裏及び表ビード形状が不良となる。したがって、プラズマキーホール溶接の先行ワイヤ送給量（ＬＱ）は２〜１２ｇ／ｍｉｎとする。

［後行ワイヤ送給量（ＴＱ）：２〜１９ｇ／ｍｉｎ］
後行ワイヤ送給量（ＴＱ）は、２〜１９ｇ／ｍｉｎとする。後行ワイヤ送給量（ＴＱ）が２ｇ／ｍｉｎ未満では、表ビードを形成する溶着量が確保できず、表ビードに凹みが発生して表ビード形状が不良となる。一方、後行ワイヤ送給量（ＴＱ）が１９ｇ／ｍｉｎを超えると、後行ワイヤが十分に溶融されず、溶融プールが不安定となって表ビード形状が不良となる。したがって、プラズマキーホール溶接の後行ワイヤ送給量（ＴＱ）は２〜１９ｇ／ｍｉｎとする。

［溶接速度（ＷＳ）：１０〜４０ｃｍ／ｍｉｎ］
溶接速度（ＷＳ）は、１０〜４０ｃｍ／ｍｉｎとする。溶接速度（ＷＳ）が１０ｃｍ／ｍｉｎ未満では、溶着量が過多となり、裏ビード形状が悪くなるとともに、表ビードが凸状となって表ビード形状も不良となり、溶落ちが発生し易くなる。一方、溶接速度（ＷＳ）が４０ｃｍ／ｍｉｎを超えると、必要な溶着量が確保できず、裏ビード形状が悪くなるとともに、表ビードに凹みが発生して表ビード形状も不良となる。したがって、プラズマキーホール溶接の溶接速度（ＷＳ）は１０〜４０ｃｍ／ｍｉｎとする。

［Ｘ＝４０〜９５］
下記式で示す先行ワイヤ送給量（ＬＱ）、後行ワイヤ送給量（ＴＱ）、溶接速度（ＷＳ）、板厚（ＴＨ）、突合せギャップ（ＧＡ）及び溶接電流（ＰＡ）から算出されるＸの値を４０〜９５とすることで、突合せギャップ（ＧＡ）が大きい場合でも良好な裏及び表ビード形状を得ることができる。Ｘの値が４０未満では、必要な溶着量を確保できず、表ビードに凹みが発生して表ビード形状が不良となる。またＸの値が４０未満では、プラズマアークが鋼板を安定して貫通することができないので、裏ビード形状も不良になる。一方、Ｘの値が９５を超えると、溶着量が過剰となり、表ビードが凸状となって表ビード形状が不良となる。またＸの値が９５を超えると、プラズマアークが過剰に強くなり、裏ビード形状も不良となる。したがって、下記式から算出されるＸの値は４０〜９５とする。
Ｘ＝３０×（ＬＱ＋ＴＱ）／ＴＨ−０．１×ＷＳ−１０×ＧＡ−０．０１×ＰＡ
・・・（式）

但し、ＬＱ：先行ワイヤ送給量（ｇ／ｍｉｎ）、ＴＱ：後行ワイヤ送給量（ｇ／ｍｉｎ）、ＷＳ：溶接速度（ｃｍ／ｍｉｎ）、ＴＨ：板厚（ｍｍ）、ＧＡ：突合せギャップ（ｍｍ）、ＰＡ：溶接電流（Ａ）

なお、溶接ワイヤには、ＪＩＳ Ｚ３３１２ ＹＧＷ１２を用い、ワイヤ径は１．０〜１．２ｍｍ、プラズマトーチのノズル径は２．５〜３．５ｍｍ、シールドガスはＡｒガスを使用、シールドガス流量は１０〜２０Ｌ／ｍｉｎ、先行ワイヤと鋼板との角度は２０〜４０°、後行ワイヤと鋼板との角度は３０〜４０°とすることが好ましい。

以下、実施例により本発明の効果をさらに具体的に説明する。

ＪＩＳ Ｇ ３１０６に規定されるＳＭ４９０Ａ鋼板を用い、表２に示す各板厚で突合せギャップ有無の試験体を、表２に示す溶接条件で鋼板の突合せのプラズマキーホール溶接を行い、プラズマキーホール溶接時の溶接性、裏及び表ビード形状の良否を目視観察にて調査した。

溶接欠陥の評価については、試験後の試験体をＪＩＳ Ｚ ３１０６に準じてＸ線透過試験を実施し、溶接欠陥の有無を調査した。これらの調査結果を表２にまとめて示す。

表２中のＮｏ．１Ａ〜Ｎｏ．６Ａは本発明例、Ｎｏ．７Ａ〜Ｎｏ．１０Ａは比較例である。本発明例であるＮｏ．２Ａ、Ｎｏ．３Ａ、Ｎｏ．５Ａ及びＮｏ．６Ａは、先行ワイヤ及び後行ワイヤを使用し、先行ワイヤ及び後行ワイヤのワイヤ供給位置が適正であるので、プラズマアークが鋼板を安定して貫通しながらプラズマキーホール溶接ができ、溶接状態が良好で、溶接欠陥が無く、良好な裏及び表ビード形状が得られ、極めて満足な結果であった。なお、Ｎｏ．１Ａは、表ビードがやや凸状であり、裏ビードはやや不良であったが、表及び裏ビード形状は問題無かった。また、Ｎｏ．４Ａは突合せギャップがあるので、表ビードにやや凹みが発生したが、表ビード形状は問題無く、良好な結果であった。

比較例中Ｎｏ．７Ａは、先行ワイヤのワイヤ供給位置がプラズマアーク前方であったので、裏及び表ビード形状が不良であった。

Ｎｏ．８Ａは、後行ワイヤのワイヤ供給位置が溶融プールより後方であったので、表ビードが凸状となって表ビード形状が不良であった。

Ｎｏ．８Ａは、後行ワイヤのワイヤ供給位置が溶融プール後方であったので、表ビードが凸状となって表ビード形状が不良であった。

Ｎｏ．１０Ａは、後行ワイヤが供給されていないので、表ビードに凹みが発生して表ビード形状が不良であった。

なお、溶接後の熱変形量は全ての試験で非常に少なかった。

次いで、プラズマキーホール溶接における耐ギャップ性を調査するため、ＪＩＳ Ｇ ３１０６に規定されるＳＭ４９０Ａ鋼板を用い、表３に示す各種突合せギャップ（ＧＡ）を有する試験体を、表３に示す溶接条件でプラズマキーホール溶接を行い、プラズマキーホール溶接時の溶接状態、裏及び表ビード形状の良否、溶接欠陥の有無を調査した。これらの試験結果を表３にまとめて示す。

表３中のＮｏ．１Ｂ〜Ｎｏ．１１Ｂは本発明例、Ｎｏ．１２Ｂ〜Ｎｏ．２４Ｂは比較例である。本発明例であるＮｏ．１Ｂ〜Ｎｏ．１１Ｂは、先行ワイヤ及び後行ワイヤのワイヤ供給位置が本発明で規定した範囲内で、且つ、プラズマキーホール溶接時の突合せギャップ（ＧＡ）、溶接電流（ＰＡ）、パイロットガス流量、先行ワイヤ送給量（ＬＱ）、後行ワイヤ送給量（ＴＱ）、溶接速度（ＷＳ）、Ｘの値が適正であるので、プラズマアークが鋼板を安定して貫通しながらプラズマキーホール溶接ができ、溶接状態が良好で、溶接欠陥が無く、良好な裏及び表ビード形状が得られ、極めて満足な結果であった。

比較例中Ｎｏ．１２Ｂは、溶接電流（ＰＡ）が低いので、プラズマアークが鋼板を安定して貫通できず、裏ビード形状が不良であった。また、融合不良が発生した。

Ｎｏ．１３Ｂは、溶接電流（ＰＡ）が高いので、溶落ちが発生した。

Ｎｏ．１４Ｂは、突合せギャップ（ＧＡ）が大きいので、プラズマキーホール溶接自体が不可であった。

Ｎｏ．１５Ｂは、パイロットガス流量が少ないので、吹き付けが弱く、裏ビード形状が不良であった。また、融合不良が発生した。

Ｎｏ．１６Ｂは、パイロットガス流量が多いので、吹き付けが強く、溶落ちが発生した。

Ｎｏ．１７Ｂは、先行ワイヤ送給量（ＬＱ）が少ないので、裏ビード形状が不良で、表ビードに凹みが発生して表ビード形状も不良であった。

Ｎｏ．１８Ｂは、先行ワイヤ送給量（ＬＱ）が多いので、プラズマアークが鋼板を安定して貫通できず、裏及び表ビード形状が不良であった。

Ｎｏ．１９Ｂは、後行ワイヤ送給量（ＴＱ）が少ないので、表ビードに凹みが発生して表ビード形状が不良であった。

Ｎｏ．２０Ｂは、後行ワイヤ送給量（ＴＱ）が多いので、表ビード形状が不良であった。

Ｎｏ．２１Ｂは、溶接速度（ＷＳ）が遅いので、溶落ちが発生した。

Ｎｏ．２２Ｂは、溶接速度（ＷＳ）が速いので、裏ビード形状が不良で、表ビードに凹みが発生して表ビード形状も不良であった。

Ｎｏ．２３Ｂは、Ｘの値が小さいので、プラズマアークが鋼板を安定して貫通できず、裏ビード形状が不良で、表ビード形状には凹みが発生して表ビード形状も不良であった。

Ｎｏ．２４Ｂは、Ｘの値が大きいので、裏ビード形状が不良で、表ビードは凸状となって表ビード形状も不良であった。

なお、溶接後の熱変形量は全ての試験で非常に少なかった。

Claims (2)

1. 板厚（ＴＨ）が３〜９ｍｍの鋼板を突合せてプラズマキーホール溶接する方法において、
   先行ワイヤを溶接進行方向前方からプラズマキーホール溶接の溶融プール前方に供給し、
   後行ワイヤを溶接進行方向後方からプラズマアーク後方に供給しながらプラズマキーホール溶接し、
   溶接電流（ＰＡ）：１００〜２５０Ａ、
   パイロットガス流量：０．５〜３．０Ｌ／ｍｉｎ、先行ワイヤ送給量（ＬＱ）：２〜１２ｇ／ｍｉｎ、
   後行ワイヤ送給量（ＴＱ）：２〜１９ｇ／ｍｉｎ、
   溶接速度（ＷＳ）：１０〜４０ｃｍ／ｍｉｎで、
   下記式で示すＸの値が４０〜９５を満足する溶接条件でプラズマキーホール溶接することを特徴とするプラズマキーホール溶接方法。
   Ｘ＝３０×（ＬＱ＋ＴＱ）／ＴＨ−０．１×ＷＳ−１０×ＧＡ−０．０１×ＰＡ・・・（式）
   但し、ＬＱ：先行ワイヤ送給量（ｇ／ｍｉｎ）、ＴＱ：後行ワイヤ送給量（ｇ／ｍｉｎ）、ＷＳ：溶接速度（ｃｍ／ｍｉｎ）、ＴＨ：板厚（ｍｍ）、ＧＡ：突合せギャップ（ｍｍ）、ＰＡ：溶接電流（Ａ）
2. 前記鋼板の突合せギャップ（ＧＡ）が３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記
   載のプラズマキーホール溶接方法。