JPH0317590B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は、アーム溶接に関し、さらに詳述す
ると、ガス金属−アーク（Gas Metal−Arc：
GMA）溶接として一般に知られた方法に係るも
のである。 GMA溶接は、溶接用の熱が溶極
（consumable electrode）と離間した加工物との
間を流れる電流によつて発生される方法である。
電極は溶接区域へ連続的に供給されるにしたがつ
て消耗されて溶加材料となり、この溶加材料は基
体材料と混合しまたは合金になつて溶接継手を形
成する。溶接パドルまたは溶融材料は電極および
溶接パドルを包囲するガス流からなるガスシール
ドによつて汚染から保護される。 この発明は溶接ガス、電極直径および電流密度
の独特に組合せに関するものであり、これにより
既知のGMA溶接方法で達成されるものよりも実
質的に速い溶着速度で形成される溶接継手が得ら
れる。後でさらに明らかになるように、この発明
の溶接ガスシステムは、よりよい溶接形態、硫黄
無含有の溶着物、従来のシールドガス混合物に比
較して大幅に改良された物理的性質、および突合
せ継手のどちらか一方の側に１つのビードを有し
かつプレートの前処理を必要としないところの1/
２インチ厚さまでのプレートに良好溶融の100％溶
接部を生成するのに十分な溶込みを生じるもので
ある。本発明の方法は低炭素軟鋼、中炭素鋼、高
炭素鋼、低合金高力鋼の溶接に特に有用でありか
つステンレス鋼、銅及び各種合金にも適用可能で
あつて、すぐれた結果が得られる。 一般に、アーク特性及び金属が溶極から加工物
へ移行される方法によつて差別される、３つのタ
イプのGMA溶接方法がある。 そのような金属移行方法の第一のものはスプレ
イアークとして知られており金属は溶融小滴の流
れ又は一続きとなつて電極の端から工作物又は溶
融パドルへ移行される。スプレイアーク移行は、
従来比較的に高い電流密度ではあるが平方インチ
当り（電極横断面積）130000アンペアを一般に越
えないものとみなされかつ0.12〜0.30ポンド／分
の溶着密度を有するものにおいて起こる。典型的
には、電極ワイヤの直径は0.030インチから1/16
インチまで変わり、電圧は15ボルトから36ボルト
まで変わる。移行は通常アルゴンまたはアルゴン
リツチガス中で起こる。 次の方法はグロビユール移行と呼ばれるもので
あり、比較的に大きい溶滴が電極の端に形成しか
つ重量が溶滴の表面張力に打ち勝つたとき加工物
へ落下する。溶滴がアークを横切つて移行すると
き、溶滴はアーク中の力を受けて不規則な形状を
とりかつ回転運動をする。このために時々溶滴が
電極及び基体と再結合しかつ短絡が起こつてアー
クを直ちに消す。グロビユール移行はスプレイア
ークの場合よりも低い電流密度で起こりかつ種々
のシールドガスで起こりうる。 第三の方法は短絡移行として知られるものであ
り、比較的に低い移行熱のために、薄いセクシヨ
ン溶接に特に有用である。短絡移行においては液
体金属の溶滴が電極の端に形成されかつ次第に細
長くなつて加工物の方へ移動し、これと溶触して
短絡を生ずる。金属移行はやはり動力と表面張力
によつて起こる。電極と加工物間の溶滴ブリツジ
がピンチ力によつて破断されると、アークは中断
され、ついでアークが更新されてサイクルが再び
開始される。通常このタイプの移行は二酸化炭
素、アルゴン、二酸化炭素混合物又はヘリウム基
シールドガス中で起こる。高電流密度および正規
アーク電圧で使用される場合には、この方法によ
る金属移行は非常に激しいものになり、溶加材料
がスパツタを引起こして外観や形態が不満足な溶
接を生じるようになる。 ３つの方法の金属移行特性を要約すると下記の
通りである。 方 法 材料移行 １ スプレイアーク 超小滴 （長アーク） 短絡なし ２ グロビユール 大滴−ランダムな （長アーク） 短絡超こりうる ３ 短 絡 小 滴 （短アーク） 短 絡 アルゴンとヘリウムは非鉄金属のガス金属−ア
ーク溶接に最もひんぱんに使用される。 これらは完全に不活性である。２つのガスは同
等に使用されるが、それらは他の特性において異
なつている。これらの差異はアーク、溶融継手溶
込み、溶接形状、アンダカツト、その他の溶接変
数を介して金属移行に反映される。 ヘリウムはアルゴンよりも高い熱伝導度を有す
る。特性のアーク長さ及び電流に対して、アーク
電圧はアルゴンシールドの場合よりもヘリウムシ
ールドの方が高い。したがつて、特定電流におい
てヘリウムシールドの場合にはアルゴンシールド
の場合よりも多い熱が発生する。したがつて、ヘ
リウムは、アルミニウム及び銅合金のような、高
熱伝導度の厚い金属の溶接に使用するのに特に好
ましい。 反対に、アルゴンは、発熱量が少ないために、
低熱伝導度の金属の薄いセクシヨンの溶接に使用
するのに好ましい。 余盛及び溶込みパターンはアルゴンシールドと
ヘリウムシールド又は両者の混合物とでは異な
る。ヘリウムで作られる溶接部はアルゴンで作ら
れる溶接部よりも広い余盛を有する。アルゴンで
作られる溶接部は端縁よりも中央部において溶込
みが深い。ヘリウムは溶込みを増大すると共にア
ルゴンの望ましい金属移行特性を保持するために
アルゴンに添加されてきた。 ビート形状と溶込みは金属移行特性によつて大
きく影響される。スプレイアーク移行は、プラズ
マジエツト効果のために、溶接部の中心線に沿つ
て比較的に深い溶込みを生じ、端縁に沿つて比較
的に浅い溶込みを生じる傾向がある。グロビユー
ル及び短絡移行はより広くかつより浅い溶込みを
生じる傾向がある。 一般に、スプレイアーク移行はヘリウムよりも
アルゴンで容易に得られる。 純不活性ガスはある種の非鉄金属の溶接に使用
するのにしばしば重要又は好適であるが、鉄系金
属の溶接では最も満足すべき操作特性を必ずしも
与えない。純アルゴンシールドでは炭素鋼及び大
部分の低合金鋼における溶融線または止端から金
属が退去するあるいは溶接線又は止端へ金属が流
出しない傾向がある。さらに、金属移行は変動性
でありかつスパツタを生じやすい。ヘリウム又は
アルゴン、ヘリウム混合物の使用はこの事態を改
良することができない。 同様に、より高度に合金された鉄系金属を純不
活性ガスシールドで溶接するときには、金属移行
は変動性でありかつスパツタを生じやすい。 アルゴンに酸素又は二酸化炭素のような反応性
ガスを添加すると、アークが安定化されかつ有利
な金属移行が促進されかつスパツタが最少にな
る。同時に、そのような添加は溶接部の横断面の
形状を変更しかつ炭素鋼及び低合金鋼における溶
接部の端縁に沿つた溶着金属のぬれ及び流れを促
進する。反応性ガスは又アンダカツトを低減又は
解消する。この横断面変化、すなわち溶込みの中
央フインガの低減は多孔性を低減する。 短絡金属移行でシールドに使用されるガスは落
下移行でシールドに使用されるガスとはしばしば
異なる。例えば、アルゴン・二酸化炭素混合物は
短絡移行で鋼をシールドするためにひんぱんに使
用されるが、落下移行ではめつたに使用されな
い。アルゴン又はアルゴン・ヘリウム嵌合物は大
部分の非鉄金属をシールドするために使用され
る。反応性ガス又は不活性ガスと反応性ガスの混
合物は鋼の接合に使用される。 多原子又は「高電圧（high voltoge）」ガスは
熱入力を増大しかつぬれを改良するために短絡溶
接において落下移行溶接よりもひんぱんにシール
ドガス混合物中に使用される。反応性ガスの割合
は冶金的に有害であるガス、金属反応を制御する
ために制限されなければならない。アルゴン・二
酸化炭素混合物はステンレス鋼のシールドに良好
であるが、溶接金属の炭素含量を増加しかつ特に
マルチパス溶接において耐食性を低減する。90％
ヘリウムと7.5％アルゴンと2.5％二酸化炭素のシ
ールド混合物は低反応性であり、溶接部の耐食性
を適切にしかつ酸化を低減するために使用されて
きた。このシールド混合物において、ヘリウムと
二酸化炭素は特定の電流に対して熱入力を増加す
る。二酸化炭素はまたアーク安定性を改良する。
その結果として、より良好なぬれおよび溶接形状
が得られる。 シールドガス混合物の効果の別の例として、シ
ールドとして二酸化炭素を使用するグロビユール
移行法においては、移行は電極直径よりも大きい
（通常は２倍）の溶滴を生じることを特徴とする
が、溶滴移行は変動性でありかつ非軸方向であ
る。アルゴンがシールドガスに添加されると、ア
ルゴン添加二酸化炭素ガスは溶滴のサイズを電極
ワイヤの直径よりも小さいサイズに変えかつ溶滴
は電極と共軸に移行される。電磁力と組み合つた
重力は突出材料移行を生じる。アルゴンの量を追
加すると、溶滴のサイズが減少し続けて、短絡の
ないスプレイアーク移行が起こるようになる。 メタルワーキング マネジメント
（Metalworking Management、1975年、１月−
２月号記載の論文において、本発明者であるジヨ
ン チヤーチ（John Church）は彼が1971年に開
発したプラズマ溶接法の背景について記載してい
る。このプラズマ溶接法では、アルゴンと二酸化
炭素と酸素の３ガス混合物が使用されかつヘリウ
ム又は水素のような他のガスを添加する可能性が
示唆されているが、彼の論文の時点ではこのよう
なガスの添加は行なわれていなかつた。このプラ
ズマ溶接法以前には、３ガス混合物は鋼の溶接に
は一般に使用されていなかつた。 本発明者は独特に配合された４ガス混合物を発
見しかつこれから予期しない改良結果を得ること
に成功した。この発見により、溶接品質および溶
接速度に関して溶接技術が大きく進歩すると共に
溶接費が低減されることになつた。 ヴオルフ（Wolf）らの米国特許第3139506号は
軽アーク溶接に向けられ、70体積％のCO₂と、１
〜15体積％のO₂と、残部のArとからなる組成を
有する保護ガス混合を記載している。その明細書
の最後の分において、ヴオルフ（Wolf）らはヘ
リウム又はヘリウムとアルゴンの混合物がアルゴ
ンの代わり保護ガス混合物中に使用されうること
を示唆している。しかしこの特許はヘリウムとア
ルゴンの混合割合については全く記載していな
い。 ヴオルフ（Wolf）らはまた本発明者によつて
利用されるものをはるかに越えたCO₂およびO₂の
体積範囲を開示している。 本発明の目的は溶着速度を実質的に増大すると
共に溶接品質及び外観を改良することである。本
発明はこの結果を新規の電気アークガス金属溶接
装置によつて達するものであり、この溶接装置
は、大いに改良された安全性を有する独特の溶接
プラズマを発生する独特の溶接ガスと組み合つ
た、実質的に高い電流密度、電圧、電極直径を含
むものであり、この溶接装置により、溶接継手の
物理的性質を改良すると共に、この新規方法はま
た従来のスプレイアーク法の２倍の程度の溶着密
度を達成するものである。 本発明の方法はスプレイアーク法（秒当り多数
の溶摘）とグロビユール移行法（大サイズ溶摘）
の両特性を有し、短絡現象を生じない。換言する
と、本発明の方法はスプレイアーク法の安定した
溶摘流でグロビユール移行法と同様の拡大溶摘を
達成することが出来るものである。電極材料のグ
ロビユール（大形溶摘）移行は従来低電流密度溶
接と関係づけられていたため、高溶着速度は予期
されないものであつた。さらに、本発明の方法に
より従来型のシールドガス混合物で実現されるよ
うな横にオフセツトされる溶摘放出とは異なり、
一貫した同軸の溶摘放出が達成されるものであ
る。軸方向溶摘放出は本発明の方法の非スパツタ
効果に寄与するものと信じられる。この新規方法
の最も重要な面は、プラズマの大きさ及び形態を
安定化することの重要性の認識及びこの効果を促
進しかつより高い電流密度及びより大きい電極サ
イズの使用を可能にするところの溶接ガス混合物
の創造である。 電極と加工物間の規則的又は断続的短絡を含む
溶接法は、電流の中断のために、必然的に溶着速
度、したがつて、電極から加工物への金属移行速
度を低減する。溶接材料の溶着および溶接継手の
品質は、電極から移行する金属の量、加工物継手
の予熱状態、及び溶融移行金属流を溶接継手中に
収容する能力に直接関係づけられる。換言する
と、高電流密度及び電圧は電極金属移行を増大す
ることが知られているが、他の条件がそのような
移行金属を加工物上に保持して所望の溶接継手を
形成する能力を決定し、そして従来の最も速い溶
着法では電流密度を130000アンペア／平方インチ
の範囲に維持してきた。 本発明の溶接方法においては、スプレイアーク
移行におけるような、溶融電極材料の遊離飛行・
非短絡流と、グロビユール移行法と通常関連する
溶滴サイズとが組み合わせられて電極溶接材料の
実質的に増大した移行量を与える。同時に、新規
の溶接ガス混合物およびその独特なかつ制御され
たプラズマ場が、そのように増大した金属流の量
を溶接継手中に保持し、基体の大いに高められた
予熱によつて継手品質及び溶込みを改良する。 本発明において利用される独特な溶接ガス混合
物は、３〜10体積％の二酸化炭素と、01〜１体積
％の酸素と、１体積部のヘリウムに対して0.5〜
3.5体積部のアルゴンの比率のヘリウムとアルゴ
ンの混合物とから本質的になるものである。 本発明は以下の詳細な説明及び図面を参照する
ことによつてさらに明瞭に理解されるであろう。 典型的なガス金属−アーク溶接装置の略図が第
１図に示されている。リール１０は溶接ワイヤ１
２をワイヤ送給装置１４へ供給し、この送給装置
はワイヤを可撓性導管１６を通して押し進め、導
管１６は溶接ガン１８で終わつている。電力供給
源２０は溶接ワイヤ１２へ電流を供給しかつ正規
電圧及び電流制御器を含む。シールドガスタンク
２２はガスを流量制御装置２４へ供給し、この装
置２４はガスを導管１６及び溶接ガン１８へ送給
する。 本発明で達成可能なタイプの溶接継手が第２図
に示され、水平プレート２６、垂直プレート２８
及び溶接材料３０を含む。下記の名称が第２図の
溶接継手に適用される。 Ａ 理論のど厚 Ｂ 垂直脚 Ｃ 水平脚 Ｄ 溶接ルート Ｅ 止端 Ｆ 溶接表面 Ｇ 継手のルート 本発明の溶接は同等の流さの脚Ｂ、Ｃが平坦な
いし軽度に凸状の表面下を生成するように設けら
れている。従来の高電流密度及び高溶着速度法で
は、典型的には、大きさがかなり不等の脚が設け
られ、長い方の脚が水平面上にあり、短い方の脚
が垂直面上にある。 さらに、溶接表面の断面形状は変動していて、
そのため、止端がしばしばプレート中へなめらか
に融合せずかつ止端Ｅのまわりに垂直プレートの
アンダカツトがしばしば生じていた。 第３図は典型的なスプレイアークＡ、グロビユ
ールＢ及び短絡Ｃ移行法の略図を示す。最初にス
プレイアークＡを参照すると、電極３２は基体又
は加工物３４から垂直方向に離間されかつ一連の
分離した小溶滴３６を含み、これらの小溶滴３６
はアーク流となつて溶接パドル３８へ流れる。グ
ロビユール移行Ｂにおいては、大溶滴４０が電極
４２の端に形成し、大溶滴４０に作用する力が電
極４２と大溶滴４０間の表面張力を越えると、大
溶滴４０は溶接パドル４４へ落下する。短絡移行
Ｃにおいては、電極４６の先端が溶融して溶滴４
８を形成し、この溶滴４８は重力の作用で細長く
なり、溶接パドル５０と接触して短絡を形成し、
ついで溶滴４８と電極４６間のブリツジが破断し
てアークを再生し、溶滴形成サイクルが再開され
る。 スプレイアーク移行は比較的に高い電流密度、
しかし、通常は130000アンペア／平方インチを超
えない電流密度で起こるから、この方法は比較的
に高い溶着密度、例えば、0.12〜0.30ポンド／分
を有する。グロビユールおよび短絡移行はそれよ
りも低い電流密度及び遅い溶着速度で起こる。 第４図は６０で示された溶接ガン６０の一部分
の略図でありかつ本発明の金属移行方法を示す。
溶接ガンノズル６２はチツプ６４を同軸に包囲
し、このチツプ６４を通して溶接ワイヤすなわち
電極６６が送給される。電力源からの電流はチツ
プ６４の所で電極６６に導入され、電極６６はチ
ツプの端とノズルの端との間の距離Ｐにわたつて
予熱される。シールドガス６８は溶接ガンノズル
６２中を通つて流れて電極６６および加工物７２
中の溶融パドル７０を包囲する。溶接アークは７
３で示されている。 電極電流は溶接ガスのエネルギーレベルを少な
くとも内層をイオン化する程度に上げて、溶接ガ
ンノズル６２と加工物７２間の電極のまわりにプ
ラズマジエツト７４を発生して溶接パドル７０を
包囲する。 イオン化ガス又はプラズマは物理および熱力学
の既知の法則に従わないから、「物質の第四状態
（fourth state of matter）」と呼ばれてきた。プ
ラズマは加熱目的のために普通のガスよりもすぐ
れた２つの主要利点、すなわち、より高い温度及
び他物体へのよりよい熱移行を有する。明らか
に、溶接においては溶加材料を急速に加熱するこ
とがきわめて望ましく、これはある種のプラズマ
によつて大いに促進される。本発明においては、
制御されたまたは安定化したプラズマが基体の予
熱を大いに促進して溶込みを改良することが見出
されている。 プラズマの発生において、ガス原子はイオンと
自由電子に解離されて帯電ガス粒子を非常に高い
温度、例えば、12000〜40000F（6649〜22204℃）
の温度まで加熱する。このような高温ガス粒子が
アークを横切つて移行するとき、帯電プラズマ粒
子はそれらの熱を放出して電極を溶融しかつ基体
を予熱し、その後冷却ガス粒子が再結合して原ガ
スの分子構造を形成する。 ある種のプラズマはアーク溶接に使用される大
部分のシールドガスで発生されるものと考えられ
るが、そのようなガス又はガス混合物は明確な物
理的及び電気的特性を有する独特なプラズマを有
する。共通して、プラズマ例えば第４図の７４の
熱は電極で発生される熱と結合して電極を溶融す
るために利用できる総合熱を与える。しかしなが
ら、従来、溶接品質及び溶着速度を改良するため
の手段としてそのようなプラズマの形状及び大き
さを制御又は安定化することの重要性についての
認識がなかつたようである。次に、本発明のプラ
ズマに関してさらに説明する。 本発明の発見の一部として、溶接アークとプラ
ズマ間の電位を制御し、これにより、溶加材料の
スパツタを生じることなくかつ加工物のアンダカ
ツトを生じることなく溶融電極端子又は溶滴の制
御された同軸移行を達成すると共に、溶接継手へ
の電極溶加材料の増加した量の移行を可能にする
ことが必要である。 電流は溶接アークと電極を包囲するプラズマの
両方に存在する。これらの電流は結合して電極を
溶融しかつ加工物を予熱するために利用できる総
合熱を発生する。プラズマ電位はアーク電圧とプ
ラズマ電圧間の差である。アルゴン又はアルゴン
リツチシールドガスで典型的なスプレイアーク法
において発生されるプラズマの場合のように、電
位差が比較的に大きい場合には、プラズマ力は高
電流密度において金属溶着物を吹き出す傾向を有
し、したがつて、良好な溶接継手を維持するため
には電流を低減して溶着速度を低減することが必
要である。 本発明の溶接方法においては、独特なプラズマ
ジエツト又はシユラウドが発生され、プラズマ電
位（アーク電圧とプラズマ電圧間の差）は従来の
スプレイアーク法の場合よりも低く、これにより
より高い電流密度が許容され、溶着金属を吹き出
す又はスパツタすることなく非常に増加した電極
材料を溶接継手へ移行することができる。 従来、GMA溶接においては、使用されうる電
流量に対する制限のために1/16インチよりも大き
い直径を有する電極を使用し、しかも所望の溶接
継手形態を維持することは一般に実施できなかつ
た。そのような電流は従来100〜400アンペア範囲
又は130000アンペア／平方インチ範囲を超過しな
い電流密度に制限されてきた。 本発明においては、独特な溶接ガスが1100アン
ペアまでの範囲内の電流、450000アンペア／平方
インチまでの範囲内の電流密度および直径が5/32
インチまでの電極の使用を可能にする。同時にガ
ス混合物は、より高い電流密度を運ぶためにより
小さい直径のワイヤの使用を可能にし、例えば、
0.030インチのワイヤが通常の120000アンペア／
平方インチよりも高い360000アンペア／平方イン
チの電流密度を運ぶことができる。溶接ガスの流
量は35〜70立方フイート／時の範囲内にある。 本発明の独特なプラズマを発生するために、必
要な溶接ガスは下記の組成範囲内のアルゴン、ヘ
リウム、酸素および二酸化炭素の混合物である。 アルゴン 40 ％〜70％ ヘリウム 25 ％〜60％ 二酸化炭素 3 ％〜10％ 酸素 0.1％〜 1％ 以下に説明されるように、特定ガス混合物なら
びに電流および電圧レベルは溶接される金属又は
金属合金及び所望溶接物の大きさと共に変更され
る。 前述したように、従来最も速い溶着速度はスプ
レイアーク移行法で達成されてきた。 所望の溶込みに応じて、この方法は通常アルゴ
ンと二酸化炭素又はアルゴンと酸素からなるシー
ルドガスを必要としてきた。このようなシールド
ガスで達成される溶接継手と本発明の溶融混合物
で達成される溶接継手との比較が第５〜１３図に
示されている。合理的な比較を達成するために、
基本的に同一の溶接条件が設定され、一次変数は
使用されるシールドガス又はガス混合物であつ
た。比較試験では、Ｔ継手を形成するために垂直
方向及び水平方向に関係づけられた、20mm（0.8
インチ）ゲージの、低炭素、軟鋼板８２，８４が
使用された。溶接電極は0.052インチ直径のE70
S6およびE70 S7鋼ワイヤであつた。使用電極は
銅で被覆された又は被覆されないものであり、溶
接結果には差異を生じなかつた。溶接品質の第一
の標準は溶接継手のルートＧから溶接ルートＤま
での溶込み深さである。溶込み深さの比較は第５
〜７図に示されている。 最初に第５図を参照すると、従来最も有効なシ
ールドガス混合物とみなされてきた85％アルゴン
と15％二酸化炭素のガス混合物を使用したスプレ
イアーク溶接継手が示されている。 Ｘで示された溶込みは溶接継手のルートＧから
溶接ルートＤまで垂直プレート中へ2.5mm（0.10
インチ）である。 第５図に示された溶接継手に対する溶接パラメ
ータおよび結果は下記の通りである。 シールドガス 85％アルゴン 15％二酸化炭
素 ワイヤ送給速度 535インチ／分 溶融速度 19ポンド／時 電流 410アンペア 電圧 33ボルト 溶接速度 19.7インチ／分 二酸化炭素シールドガスの使用は溶込みを改良
することが知られている。したがつて、第６図は
100％二酸化炭素シールドガスを使用した溶接継
手を示す。この場合には溶込みｙは3.4mm（0.13
インチ）に増大している。 第６図に示された溶接継手に対する溶接パラメ
ータおよび結果は下記の通りである。 シールドガス 100％二酸化炭素 ワイヤ送給速度 484インチ／分 溶融速度 18ポンド／時 電流 350アンペア 電圧 33ボルト 溶融速度 19.7インチ／分 第７図の中および低合金鋼に対して本発明の最
も好適な溶接ガス混合物を使用した溶接継手を示
す。この場合には溶込みＺは5.4mm（0.21インチ）
である。第７図の溶接継手に対する溶接パラメー
タおよび結果は下記の通りである。 シールドガス 65.0％アルゴン； 26.5％ヘリウム； 8.0％二酸化炭素； 0.5％酸素 ワイヤ送給速度 630インチ／分 溶融速度 22ポンド／時 電流 400アンペア 電圧 37.5ボルト 溶接速度 31.5インチ／分 上記個々の混合ガスのおのおのを最も好適な値
のプラス又はマイナス５％の範囲内で変えても本
質的に同一の改良結果が得られることが見出され
た。 従来のスプレイアーク法による、第５，６図の
溶接法の結果と、第７図の本発明の溶接法の結果
とを比較するとわかるように、本発明の方法の溶
込みは第５図のものよりも216％良好であり、第
６図のものよりも159％良好である。第５，６図
の方法の溶接速度したがつて溶着速度は両方とも
19.7インチ／分であり、これに対し本発明の溶接
速度は31.5インチ／分であつた。換言すると、本
発明の溶着速度は同等の電流及び電圧を使用する
スプレイアーク法のものよりも160％速い。 かくして、本発明の溶接法は従来最もよく知ら
れたスプレイアーク法の場合よりも良好な溶込み
及び溶着速度を達成することが出来るものであ
る。 溶接継手の品質を測定するための別の標準は溶
加材料の硬さ（ロツクウエルＢ）と基体又は加工
物の硬さと比較することである。理想的には、溶
加材料の硬さと溶接継手のまわりの基体又は加工
物の硬さとが同一であるならば溶接継手は最良で
ある。しかしながら、従来溶加材料が加工物より
も通常硬いことが容認されてきた。 しかしながら、第５，６図のスプレイアーク溶
接と第７図の本発明の溶接法とにより溶加材料及
び加工物の硬度の測定において見られるように、
本発明の溶接法の溶加材料の硬さは加工物の硬さ
と本質的に同一である。これらの結果は第８〜１
０図に示されている。 第８〜１０図において図面上に示された数値
は、溶接継手のまわりの加工物上の種々の点及び
溶加材料において取られたロツクウエル硬さ数値
（225ポンドウエイトを使用した）である。 第８図は85％アルゴンと15％二酸化炭素からな
るシールドガスを使用した第５図の溶接継手に対
応する。この場合には溶接継手のまわりの加工物
の硬さは66から72まで変わり、溶加材料の硬さは
ほぼ96である。したがつて、溶加材料は加工物よ
りも146％〜134％硬い。 第９図は100％の二酸化炭素からなるシールド
ガスを使用した第６図の溶接継手に対応する。こ
の場合には、継手のまわりの加工物の硬さは65か
らほぼ67まで変わり、溶加材料の硬さはほぼ88で
ある。したがつて、溶加材料は加工物よりも135
〜131％硬い。 第１０図は本発明の溶接ガスを使用した第７図
の溶接継手に対応する。この場合には、溶接継手
のまわりの加工物の硬さは86から87まで変わり、
溶加材料の硬さはほぼ86である。したがつて、溶
加材料の硬さは加工物の硬さと本質的に同一であ
る。 溶接継手に対するさらに別の試験として、加工
物及び溶加材料の引張強さはできる限り同等であ
ることが最も望ましい。 そのような比較引張り強さが第１１〜１３図に
示されている。第１１〜１３図に示した数値は
Kg／mm²で測定した代表的引張強さである。 第１１図は85％アルゴンと15％二酸化炭素から
なるシールドガスを使用した第５図の溶接継手に
対応する。この場合には、加工物の引張強さはほ
ぼ43から47まで変わり、溶加材料の引張強さはほ
ぼ75である。したがつて、溶加材料の引張強さは
加工物の引張強さよりもほぼ172％大きい。 第１２図は100％二酸化炭素シールドガスを使
用した第６図の溶接継手に対応する。 この場合には、加工物の引張強さはほぼ43であ
り、溶加材料の引張強さは64である。 したがつて、溶加材料の引張強さは加工物の引
張強さよりもほぼ149％大きい。 第１３図は本発明の溶接ガスを使用した第７図
の溶接継手に対応する。この場合には、加工物の
引張強さと溶加材料の引張強さとほぼ等しく61で
ある。 別の標準工業試験はシヤルピー衝撃試験として
知られているものである。この試験は特定温度に
おいて所定衝撃に耐える溶接部の能力を定量す
る。比較目的のたむに、ホバート ブラザーズ
カンパニ（Hobert Brothers Company）から
1979年に出版されたポケツト ウエルデイング
ガイド（Pocket Welding Guide）を参照する。
その74ページを参照すると、AWS E70S−６電
極材料に対する、CO₂シールドガスを使用したシ
ヤルピー試験結果は0.045インチワイヤに対して
−20〓で22ft・lbの衝撃値を示している。 別個の試験機構で行われた比較試験では、前記
E70S−６電極材料と本発明の前記中低合金鋼用
溶接ガス混合物が使用され、−20〓で５個の試料
に対して下記の範囲の結果が得られた。 試 料 衝撃値Ft・Lb １ 120.0 ２ 85.0 ３ 104.0 ４ 75.0 ５ 83.0 手順に従つて、高（120.0）および低（75.0）
結果を捨てて平均値をとるとほぼ90ft・lbの衝撃
値が得られ、これは前記出版物に示されたものの
３〜４倍である。 この意外にすぐれた衝撃試験結果の原因を決定
するために、同一試験機構がサルフアプリントの
顕微鏡写真を含む種々の追加検査を行なつた結
果、溶接部は硫黄を実質的に含まないことが示さ
れた。かくして、大幅に改良された衝撃試験結果
は本発明の方法およびガス混合物によつて得られ
る溶接部の清浄さ又は硫黄を含まない状態に起因
するものであることが決定された。本発明の方法
では、溶接パドルが高温度に加熱されかつ大形電
極溶滴によつて異常に高い速度で衝撃されて溶接
継手を清浄にするのに役立つものである。 本発明によつて達成される溶接の溶加材料及び
溶接継手の硬さ、引張強さの合致、改良された溶
込みおよび大幅に改良された衝撃強さは、本発明
の方法で得られる、基体の予熱を含む、実質的に
高い熱によつて引起こされる溶加材料および基体
材料の非常に改良された混合または合金化に起因
することが理論化される。そのような結果はまた
大量の大形溶滴による溶接継手の急速衝撃及び溶
接部の硫黄を含有しないことに起因するものと信
じられる。 かくして、本発明の溶接方法は、衝撃強さ、溶
込み、溶着速度に関して実質的によりよいと共に
硬さ及び引張強さに関して溶加材料と加工物とが
合致するところの溶接継手を与えるものである。 溶接結果が本発明によつて大いに改良されると
ころの鋼の別の重要なカテゴリは低合金、焼入
れ、焼戻し型のものである。このカテゴリに対す
る本発明の最も好適な溶接ガス混合物は下記の通
りである。 アルゴン 44.00% ヘリウム 52.00% 二酸化炭素 3.82％ 酸 素 0.18％ 上記溶接ガス混合物を使用して低合金焼入れ、
焼戻し鋼の一対の５ 3/4インチ厚さのセクシヨン
を突合せ溶接し、溶接継手の上部分（Ａ側）及び
下部分（Ｂ側）のおのおのから取られた５個の10
mmセクシヨンについて−60〓でシヤルピー衝撃試
験が行われ、下記の結果が得られた。 Ａ 側 Ｂ 側 １ 68ft.lb １ 103ft.lb ２ 81 〃 ２ 101 〃 ３ 102 〃 ３ 97.5 〃 ４ 93 〃 ４ 62 〃 ５ 103 〃 ５ 63.5 〃 やはり高、低結果を除去すると、平均衝撃値は
Ａ側で92ft.lbであり、Ｂ側で86ft.lbであつた。こ
れらの結果は前記材料の溶接の衝撃強さに対して
これまでに設定された最高標準よりもほぼ２倍良
好である。 ステンレス鋼に対する本発明の最も好適な溶接
ガス混合物は下記の通りである。 アルゴン 41.66％ ヘリウム 55.00％ 二酸化炭素 3.20％ 酸 素 0.14％ 本発明以前には、GMA溶接中形成されるプラ
ズマの特性、例えば、形状、大きさおよび密度に
はほとんど注意が払われなかつた。 本発明によつて達成される改良溶接を促進した
ものは本発明のプラズマの独自性である。 従来、ガスは溶接継手を汚染から保護し
（Lesnewichらの米国特許第3496323号参照）、溶
込みを変更し（Wolffらの米国特許第3139506号
参照）、アークを安定化するLesnewichの米国特
許第2916601号参照）目的で選択されたが、これ
らはすべて重要な溶接要件である。しかしなが
ら、発生されるシールドガスプラズマはこれらの
要件に偶然伴うものであつた。従来知られたかつ
好適なガス混合物を使用して以下に説明されるよ
うに、得られるプラズマは形状に関して不規則又
は無制御でありかつ時には溶接中消失する。 本発明者は溶接品質及び溶着速度を改良するた
めにはプラズマを制御し安定化することが重要で
あることを発見した。かくして、本発明の主目的
は、電極及び溶接パドル又は溶接継手を包囲する
プラズマの形状、大きさ及び密度を制御すること
である。プラズマの形状及び大きさを制御し、さ
らに、プラズマを電極及び溶接区域に局限するこ
とにより、プラズマ熱が集中されて、電極材料を
急速に溶融しかつ溶接区域を予熱し、これにより
溶込み、溶着速度及び溶接品質を高める。 その独自性を実施するために、一連の高速（毎
秒4000こま）映画フイルムが作られ、本発明のプ
ラズマを他の２つのシールドガスのプラズマと比
較した。特定的には、他の２つのシールドガス
は、(1)85％アルゴンと15％二酸化炭素の混合物及
び(2)100％二酸化炭素であつた。これらのシール
ドガスを使用した溶着速度および溶接品質は第５
〜１３図に関連して比較かつ説明された。 そのような高速フイルムのこまを特許図面に再
生することは困難であるため、近似的こま又は画
像の図が第１４〜２２図に表わされている。 第１４〜２２図のおのおのは1/4000秒でとられ
た写真を表わしている。 アーク溶接工程中アルゴンを添加することによ
つて発生されるプラズマの場合には、そして高速
映画の研究で明瞭に示されたように、シールドガ
スプラズマの形状、寸法及び最も重要なものであ
る方向は溶接サイクル中ある程度まで連続的に変
化する。換言すると、第４図に７４で示されたプ
ラズマは本発明のプラズマの瞬間的表示である
が、他の瞬間にはプラズマの特性が変化する。し
かしながら、第１４〜２２図を比較するとわかる
ように、各種のシールドガスのプラズマは全体と
して異なる物理的及び電気的特性を有し、その結
果として溶接特性が非常に異なる。 第１４〜２２図に示された高速フイルム研究に
おいては、電極サイズは0.032インチであり、電
圧は33〜38ボルトの範囲内にあり、電流は350〜
410アンペアの範囲内にあつた。これらの電極サ
イズ、電圧および電流は比較シールドガスすなわ
ちアルゴン・二酸化炭素および二酸化炭素のみで
実際に使用可能な最大値であつた。 個々のこまが第１４〜１６図に示されていると
ころの、第一の高速映画において、シールドガス
は85％アルゴンと15％二酸化炭素からなるもので
あつた。この場合には、プラズマ９０はチツプ９
４上方の電極９２を密接に包囲しないで、チツプ
において開始するように見えかつチツプから落下
する微細溶滴を吸込む。注目されるように、微細
溶滴のおのおのは電極直径よりも実質的に小さ
い、プラズマ９０は基体プレート９６，９８に突
き当り、第１４〜１６図に見られるように、溶接
パドル１００のまわりのほぼ0.2〜0.4インチの底
幅Ｗから無制御のまたランダムなパターンをなし
て上昇しかつ約0.4インチの一般的高さｈまで延
在する。電流密度が特定値以下、一般に130000ア
ンペア／平方インチ以下に維持されない限り、変
動的又は無制御の性質のプラズマが延在して溶接
パドル１００から溶融金属を洗い出す。電極アー
クとプラズマ間の電位差は明らかに両者がそれら
の熱エネルギーを効果的に結合して電極溶融及び
基体予熱効果を最大にすることを可能にしない。
フイルムはまた電極の端からの溶滴１０２の大き
さが規則的パターンをなして電極を離れないとこ
ろの微細スプレイを生じることを示している。む
しろ、溶滴は電極チツプの一方の側から、ついで
他方の側からランダムに分離する。無制御のプラ
ズム９０の性質及び電極からの溶滴の不規則な分
離のために、溶融金属が溶接パドルから洗い出さ
れる傾向を低減するために電流密度を制限するこ
とが必要である。 溶着速度比較目的のため、第一のフイルム（85
％アルゴン・15％二酸化炭素）のパラメータは下
記の通りである。 ワイヤ速度 540インチ／分 溶融速度 17ポンド／時 溶接速度 19インチ／分 個々のこまが第１７〜１９図に示されていると
ころの、第三の高速映画フイルムにおいては、シ
ールドガスは100％二酸化炭素からなる。この場
合にも、プラズマ１０４はチツプ１０８上方の電
極１０６をあまり包囲しないで、チツプと溶接パ
ドル１１０間を一般に延在しかつ溶接パドル１１
０のまわりのほぼ0.08〜0.12インチの非常に狭い
幅及び約0.1インチの高さを有する。この溶接工
程中、プラズマは周期的に消失するように見える
ことが観察された。プラズマ全体がきわめて小さ
いことも注目されるべきである。フイルム上に置
かれたオシログラフトレースは、電極溶滴１１２
が加工物１１４，１１６と溶触しかつ溶接パドル
に入るときに起こる短絡に起因する変動性アーク
挙動を確認する。 第二のフイルム（100％二酸化炭素）の溶着速
度パラメータは下記の通りである。 ワイヤ速度 500インチ／分 溶融速度 16ポンド／時 溶接速度 19インチ／分 個々のこまが第２０〜２２図に示されていると
ころの、第三の高速映画フイルムにおいては、溶
接ガスは本発明に係る65〜70％アルゴン、25〜35
％ヘリウム、５〜10％二酸化炭素及び01〜１酸素
の混合物からなる。この場合には、プラズマ１２
０は一般に円錐形状を有しかつ電極１２４のチツ
プ１２２の上方から溶接パドル１２６を包囲する
底部まで延在しかつほぼ0.4インチの実質的に一
定の底幅及び0.3〜0.5インチの高さを維持する。
前述したように、プラズマ１２０の大きさ及び形
状は溶接工程中変動するが。プラズマは一般にそ
の円錐形状を保持しかつ電極及び溶接パドルに対
する密接包囲関係を維持する。 前記本発明の低炭素鋼用のシールドガス混合物
を使用した第三のフイルムの溶着速度パラメータ
は下記の通りである。 ワイヤ速度 650インチ／分 溶融速度 23ポンド／時 溶接速度 36インチ／分 第２０〜２２図に示された、本発明の方法の第
三のフイルムに見られるように、溶滴１２８の形
成と関連してプラズマ中で起こるパルス形作用が
あり、溶滴１２８は電極から分離する前には電極
直径よりもわずかにないし実質的に大きい。その
ような大形溶滴は毎秒800個の割合で形成された
ことも記録されている。比較目的のために、典型
的な短絡又は短アーム法では電極溶滴は毎秒90個
の割合で溶接パドルへ移行することも注目される
べきである。本発明の方法の溶滴はスパツタする
又は流れ出る傾向なしに溶接パドルに入ることも
また観察されている。密接に包囲するプラズマ１
２０の持続性及び基体１３０，１３２の実質的な
予熱が溶接パドル中に溶滴の保持及びスパツタの
回避に大きく寄与するものと信じられる。 本発明の溶滴１２８は少なくとも電極直径
（0.052インチ）の大きさ、実際には0.056〜0.126
インチの範囲内の大きさのものであつたことも注
目されるべきである。第１４〜１６図に示された
スプレイアーク移行方法の微細溶滴１０２は小さ
すぎて実際の測定ができなかつた。一方、第１７
〜１９図の溶滴１１２は通常短絡によつて移行さ
れたから、それらの大きさを正確に決定すること
は実行不可能であつたが、多分電極の直径に近い
ものであろう。 本発明の方法において、大形溶滴が毎秒400〜
1200個の高率で形成されて溶接パドル中へ移行す
ることと関連するパルス形作用が、第５〜１３図
に関連して説明された改良溶接品質に寄与するも
のと信じられる。 前述したように、従来の高溶着速度のGMA溶
接法で使用可能な最大値に等しい又は近い電極サ
イズ及び電流密度を利用することにより、本発明
は実質的に改良された溶着速度及び品質を達成し
た。例えば、シールドガスを除いては、類似の操
作パラメータを使用した、第５〜１３図に関連し
て前述したように、本発明は、大いに改良された
溶接継手品質と共に、従来技術溶接法よりも160
％速い溶着速度を達成する。 従来知られたシールドガス又はガス混合物で実
際に有用なものよりも実質的に大きい電極サイズ
及び電流密度を使用することにより、本発明は大
いに改良された溶接継手品質及び溶着速度を達成
した。別の例として、本発明者は0.052インチ直
径の電極を使用して軟鋼プレートを溶接し、その
パラメータ及び結果は下記の通りであつた。 シールドガス 65.0％アルゴン； 26.5％ヘリウム； 8.0％二酸化炭素； 0.5％酸素 ワイヤ送給速度 1300インチ／分 溶融速度 46.8ポンド／時 電流密度 450アンペア／平方インチ 電圧 38〜42ボルト 上記および他のすべての好適溶接ガス混合物に
おいて、アルゴンはヘリウムの１体積部当り0.5
〜3.5体積部の量で存在する。 本発明の方法で達成される別の独特の結果は1/
２インチ厚さまでの鋼板の100％溶接部を達成する
能力である。例えば、一対の整合した1/2インチ
鋼板が当接端縁の前処理を行なうことなく当接・
整合姿勢に置かれる。前述した、本発明の軟鋼溶
接ガス混合物を使用して、第一の溶接継手又はビ
ードが鋼板の片側で当接端縁の長さに沿つて作ら
れ、ついで、第二のビードが鋼板の反対側で当接
端縁の長さに沿つて作られる。溶接継手の横断面
は第一および第二のビードが融合して100％溶接
部を形成したことを示す。本発明者の知る限りで
は、1/2インチ鋼板中のそのような100％溶接部は
どのガス金属−アーク法でも達成されたことがな
い。 特許請求の範囲で規定された本発明の範囲内で
他の改良結果が可能である。 本願についての実施例及び比較の評及びその説
明は下記の通りである。 １ 炭素鋼では、表１に示す通り実施例として、
酸素量0.1〜１％、二酸化炭素3.9〜10％、ヘリ
ウム25〜56.9％、アルゴン40〜70％で変化させ
た場合、アーク安定性、スパツター発生量、ス
ラグ発生量、いずれも満足すべき結果を得るこ
とが出来るが、それに対する表２の比較例では
いずれかのガスを特許請求範囲からはずれると
アーク安定、スパツター量、スラグ発生量の点
で満足するものが得られない。 即ち、アルゴン比率が40％以下、ヘリウム比
率56.9％以上、二酸化炭素、酸素比率は範囲以
内でもアーク電圧が高くなりアークは安定しな
い。よつてスパツター量が多大となる。アルゴ
ン、ヘリウム、酸素は範囲内でも二酸化炭素が
多すぎると同じようにアークは荒れ、スパツタ
ー、スラグ量も多くなる。これは酸素のみが範
囲をはずれても同様の結果となる。 これらの中でも最も安定した炭素鋼用４種混
合ガスは、アルゴン65％、ヘリウム26.5％、二
酸化炭素８％、酸素0.5％である。 ２ ステンレス鋼溶接では、炭素鋼に比較してス
テンレス鋼の適正溶接条件は非常に狭い。表３
に示す実施例通り、酸素量0.1〜1.0％、二酸化
炭素３〜５％、ヘリウム31〜55％、アルゴン
41.44〜65％ではアーク安定、スパツター量、
スラグ発生量とも満足すべき結果であるが、そ
れに対する表４の比較例を見ると４種類ガスの
１つでも範囲からはずれるとアーク安定が悪
く、スパツター発生量が著しく多くなる。特に
酸素量、二酸化炭素比率が多くなるとスラグ発
生が多くなり、ビード表面の酸化は多くなり実
用的でない。 ステンレス鋼に関して最も安定する組合せ
は、アルゴン41.66％、ヘリウム55％、二酸化
炭素3.2％、酸素0.14％である。 ３ 表に示す電流Ａ、電圧Ｖの値は、各ガス混合
比及びワイヤー送給に対して一番良い結果が得
られる値である。 ４ 表において“少量”は“少ない”よりもわず
かに量が多いことをいう。

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】 【図面の簡単な説明】

第１図はガス金属−アーク溶接方式の略図であ
る。第２図は本発明で達成される理論的溶接継手
の図である。第３図はガス金属−アーク移行法の
３つの基本的タイプを示す略図である。第４図は
本発明によつて実施されるガス溶接方式の略図で
ある。第５〜１３図は本発明の溶接ガスと比較し
た異なるシールドガスで形成される溶接継手の図
である。第１４〜１６図は85％アルゴンと15％二
酸化炭素からなるシールドガスをして発生された
プラズマを示す高速写真フイルムからのこまの表
示である。第１７〜１９図は100％二酸化炭素か
らなるシールドガスを使用して発生されたプラズ
マを示す高速写真フイルムからのこまの表示であ
る。第２０〜２２図は本発明の独特な溶接ガス混
合物を使用して発生されたプラズマを示す高速写
真フイルムからのこまの表示である。 １０……リール、１２……溶接ワイヤ、１４…
…ワイヤ送給装置、１６……導管、１８……溶接
ガン、２０……電力供給源、２２……シールドガ
スタンク、２４……流量制御装置、２６，２８…
…プレート、３０……溶接材料、３２……電極、
３４……加工物、３６……溶滴、３８……溶接パ
ドル、４０……大形溶滴、４２……電極、４４…
…溶接パドル、４６……電極チツプ、４８……溶
滴、５０……溶接パドル、６０……溶接ガン、６
２……ノズル、６４……チツプ、６６……電極、
６８……シールドガス、７０……溶融パドル、７
２……加工物、７３……溶接アーク、７４……プ
ラズマジエツト、８２，８４……鋼板、９０……
プラズマ、９２……電極、９４……チツプ、２
９，９８……プレート、１００……溶接パドル、
１０２……溶滴、１０４……プラズマ、１０６…
…電極、１０８……チツプ、１１０……溶接パド
ル、１１２……電極溶滴、１１４，１１６……加
工物、１２０……プラズマ、１２２……チツプ、
１２４……電極、１２６……溶接パドル、１２８
……溶滴。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 溶極受入れチツプと、前記チツプと同軸であ
   りかつ環状ガス通路を形成するために前記チツプ
   から半径方向に離間したノズルとを有する溶接ガ
   ンを使用し、溶接されるべき金属継手に向つて溶
   接電極を送給すること、前記電極の端と金属継手
   との間に電気アークを発生するために前記電極に
   電流を流し、前記電流が前記電極の端部分を溶融
   して溶極材料を溶接継手へ移行させてこれを溶加
   するようにすること、前記電極と前記溶接継手間
   にアークプラズマを発生するためにノズルを通し
   てガスを流すことを含む型の溶接方法であつて、 (a) 前記溶極が0.030〜0.156インチ（0.762〜
   3.9624mm）の範囲内の直径を有すること； (b) 前記電極電流が前記溶極を通る100〜1100ア
   ンペアの範囲内であること； (c) 前記ガスが (1) 40％〜70％のアルゴン (2) 25％〜60％のヘリウム (3) ３％〜10％の二酸化炭素 (4) 0.10％〜１％の酸素 からなる溶接ガス混合物であること； を特徴とする溶接方法。 ２ 前記電極電流が電極のチツプに毎秒400〜
   1200個割合で溶滴を形成する大きさであることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の溶接方
   法。 ３ 前記溶滴が前記電極の直径と少なくとも同じ
   大きさの直径寸法を有する特許請求の範囲第２項
   記載の溶接方法。 ４ 前記ガスが (1) 65.0％のアルゴン (2) 26.5％のヘリウム (3) 8.0％の二酸化炭素 (4) 0.5％の酸素 からなることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の溶接方法。 ５ 前記溶滴が前記電極の直径と少なくとも同じ
   大きさの直径寸法を有する特許請求の範囲第４項
   記載の溶接方法。 ６ 前記ガスが (1) 41.66％のアルゴン (2) 55.00％のヘリウム (3) 3.20％の二酸化炭素 (4) 0.14％の酸素 からなることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の溶接方法。 ７ 前記溶滴が前記電極の直径と少なくとも同じ
   大きさの直径寸法を有する特許請求の範囲第６項
   記載の溶接方法。