JPH0550247A

JPH0550247A - ダブルガスシールドメタルアーク溶接法

Info

Publication number: JPH0550247A
Application number: JP20577391A
Authority: JP
Inventors: Muneharu Kutsuna; 宗春沓名; Denzo Hayashi; 傳三林; Yasuo Kotani; 安夫小谷
Original assignee: NICHIGO ACETYLEN; NICHIGOU ASECHIREN KK
Current assignee: NICHIGO ACETYLEN; NICHIGOU ASECHIREN KK
Priority date: 1991-08-16
Filing date: 1991-08-16
Publication date: 1993-03-02
Anticipated expiration: 2010-04-26
Also published as: JPH0736958B2

Abstract

(57)【要約】【目的】低スパッター状態を安定して継続させること
ができる溶接法を提供する。【構成】二重ノズルを有する溶接トーチを使用し、電
極と溶接継手とのあいだに安定なアークを発生させ、外
ノズルに炭酸ガスを、内ノズルに不活性ガスまたは不活
性ガスに少量の活性ガスが添加された混合ガスを同時に
流すことを含むダブルガスシールドメタルアーク溶接法
であって、外ノズルガスのＲｅと内ノズルガスのＲｅ数
との差ΔＲｅが０〜500 の範囲内に設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はダブルガスシールドメタ
ルアーク溶接法に関する。さらに詳しくは、炭酸ガスま
たは炭酸ガスとアルゴンなどの不活性ガスとの混合ガス
をシールドガスとして用い、溶接ワイヤーを電極とする
アーク溶接法であるいわゆるマグ（ＭＡＧ）溶接法とし
て一般に知られている方法において、シールドガスの供
給を二つに分け、溶接チップの周りに少なくとも不活性
ガスを、またさらにその外側に環状に炭酸ガス（二酸化
炭素）を供給する二重ガスシールド方式、すなわち一般
にＭＡＧＣＩ溶接法またはＤＭＡＧ溶接法と称せられる
方式のマグ溶接法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ダブルガスシールドメタルアーク溶接法
（以下、ＭＡＧＣＩまたはＤＭＡＧ溶接法という）は19
79年に西ドイツのローメンヘラー社がＭＡＧＣＩ溶接法
として初めて市場に提供したものであり、アレキサンダ
ービュンツェル社がその溶接トーチを製作販売した。こ
の溶接プロセスおよびノズルの概略図をそれぞれ図１お
よび図２に示す。

【０００３】図１において、１はリール、２は溶接ワイ
ヤー、３はキャプタイヤおよび導管、４は二重ノズル溶
接トーチ、５は母材、６は溶接電源、７は移動台車、８
はアルゴン、ヘリウムなどの不活性ガス容器、９は炭酸
ガス容器、10は酸素、水素、炭酸ガスなどの活性ガス容
器である。また、図２において、11は外側ノズル、12は
内側ノズル、13は外側ガス分配器、14はコンタクトチッ
プ、15は溶滴、16は溶融池、17はアークである。

【０００４】しかし、前記溶接プロセスの実用に際し
て、発生するスパッターのノズルへの付着のため、内、
外ノズルのガス流量が変化し、安定した溶接が不可能と
なり、継続して使用することができず、市場に受け入れ
られることなく販売を断念せざるをえなかった。その
後、名古屋大学の益本、沓名らにより、スパッターの低
減について改めて研究が行われ、1988年および1989年の
２度に亘りその成果が発表され、実用化のめどがたてら
れた。その成果の主たる内容は、（１）溶接パラメータ
ー（とくにアーク電圧と溶接電流）を適切に（30Ｖ／30
0 Ａ）選定することにより、また（２）内ノズルガスの
アルゴンと外ノズルガスの炭酸ガスとの流量比を適正値
（28％）以上に選定することにより、安定した溶滴のス
プレー移行が行われ、低スパッターとなった、さらに、
（３）溶接ワイヤーをソリッドワイヤーからフラックス
コアードワイヤーに変えることにより、より低スパッタ
ーの結果をえた、というものである。

【０００５】これらの成果により、従来よりさらにスパ
ッター量の低減が可能になり、溶接部の品質においても
一般に行われている“通常マグ溶接”（80％アルゴン＋
20％炭酸ガスの混合ガスを用いた混合ガスシールドメタ
ルアーク溶接法）や炭酸ガスアーク溶接法に比べて同等
以上の溶接結果がえられ実用技術として提案できるとい
うことであった。

【０００６】ＭＡＧＣＩの発明時においては、前記のよ
うな溶接条件についての厳密な検討やスパッターについ
ての定量評価が不完全であったために実用段階において
は充分な対応や安定した溶滴移行の維持ができなかった
ものと考えられる。

【０００７】本発明者らは、前記名古屋大学における成
果をさらに検討し、最近とくに溶接用ロボットや自動化
に際して要求される安定操業と操業率の向上、また製品
外観、労働作業性などに関して厳しい低スパッターと、
さらにこの低スパッター状態の経時的な安定維持の確保
という条件、すなわち今日的な実用化上の要件にこたえ
るにたる技術、ならびに一方内ノズルガスとしてアルゴ
ンに替えてアルゴンにヘリウムおよび／または酸素、水
素などの活性ガスを添加した混合ガスを使用することに
より、従来のＤＭＡＧ溶接法によるよりもさらに低スパ
ッターおよび溶込みの増大による著しい溶接生産性と溶
接部の品質の向上を図る技術などについて実験研究を行
い、より広い市場において実用技術として実現化される
ことを図った。

【０００８】ＤＭＡＧ溶接法の技術的な主な特徴は、つ
ぎの３点である。

【０００９】（１）内ノズルガスであるアルゴンまたは
アルゴンとヘリウムとの混合ガスなどがアーク領域に作
用し、ここにおける溶滴形成、離脱および移行を安定化
せしめる。具体的には溶滴の小径化と定常的なアクシャ
ル方向への離脱移行によるスプレー移行が行われ、また
溶接ワイヤーと溶融池とのあいだでの短絡によって生ず
るスパッターの発生をも防止する。

【００１０】（２）内ノズルガスにアルゴンの他ヘリウ
ムや酸素、水素を添加するとアークの集中が生じ、溶込
み深さの増大が期待できる。

【００１１】（３）外ノズルガスである炭酸ガスが効果
的に大気の混入を防止すると共に、一部溶融池に作用し
て、物理的にまた金相学的に影響を与え、溶接部の溶込
みその他機械的特性や品質のコントロールを行う。

【００１２】すなわち、内、外ノズル各々のガスが溶滴
形成離脱部と大気および溶融池に対し、個々に重点的に
作用し、その効果を適確に効率よく発揮するものであ
り、通常行われるアルゴンと炭酸ガスの混合ガスによる
溶接法においては前記２つの領域に対して平均的に作用
することに比べると、単に高価なアルゴンやヘリウムな
ど不活性ガス量の節減のみならず、著しくシールドガス
の作用効果が勝っている。そのため、発生スパッター量
の低減や溶接部の機械的性質や溶接欠陥などに関して優
れた結果がえられるのである。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな特徴が確実に発揮されるためには、アーク域および
溶融池の両域において、各々適切なガス組成でありまた
それが経時的に安定維持されることが必要である。その
ためには内、外ノズルを出たガスが一定の組成に混合さ
れ、経時的にも変動があってはならない。つまり、これ
が変動すると、溶滴移行の安定性、スパッター発生量、
溶接部の機械的特性が変動し、安定性がえられないこと
になる。

【００１４】このガス組成を決定する主たる要因は、一
定のノズルを使用したばあい、内外ノズルのガス流の流
動状況の相互関係およびノズルとアーク域との距離やノ
ズルと溶融池間の距離など位置の相互関係などである。

【００１５】これらについては従来の研究の中では充分
行われておらず、ガス総量やアルゴン／炭酸ガスの比率
について若干適正値として例示されている程度であり、
ガスの作用効果についてメカニズムや定量的な検討につ
いては充分にはなされていない。したがって、ガス流量
など最適溶接条件を決定する汎用的な手法は見出されて
いない。ＤＭＡＧのもつ優れた特徴を実用技術として発
揮するためにはこれらの解明が必要である。

【００１６】前記ＤＭＡＧ溶接法の実用技術上の問題を
解決するための課題は、ロボット溶接などにも適用でき
る厳しい低スパッター化で、しかも溶接品質の優れた溶
接が安定して実施できることを目標に、ダブルガスシー
ルドのメカニズムの解明を行い、（１）内、外ノズルガ
スの種類に関係なく、適正ガス流量および組成を汎用的
に決定する方法、（２）ノズルとアーク域および溶融池
とのあいだの適正な関係位置を決定する方法などの技術
開発を行うことである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明のダブルガスシー
ルドメタルアーク溶接法は、二重ノズルを有する溶接ト
ーチを使用し、電極と溶接継手とのあいだに安定なアー
クを発生させ、溶融池を大気から保護し、併せて溶融池
の物性をコントロールするために、外ノズルに炭酸ガス
を、内ノズルに不活性ガスまたは不活性ガスに少量の活
性ガスが添加された混合ガスを同時に流すことを含むダ
ブルガスシールドメタルアーク溶接法であって、（ａ）
外ノズルを流れる炭酸ガスの流量が常温・大気圧の値で
10〜25リットル／分の範囲内であり、（ｂ）内ノズルを
流れる不活性ガスまたは不活性ガスに少量の活性ガスを
添加した混合ガスの流量が常温・大気圧の値で４〜18リ
ットル／分の範囲内であり、かつ（ｃ）内外両ノズルの
ガス流動は層流域にあり、両ノズル端部における流動状
況をレイノルズ数Ｒｅ＝ＤＵρ／μ（Ｄ：ノズル端部に
おける流路相当直径、Ｕ：ノズル端部におけるガス流
速、ρ：ガスの常温・大気圧における密度、μ：ガスの
常温・大気圧における粘度）で表わしたばあい、内外ノ
ズル端部のレイノルズ数の差（ΔＲｅ＝外ノズルのＲｅ
−内ノズルのＲｅ）が０〜500 の範囲内になるように各
ノズルのガス流量を設定することを特徴としている。

【００１８】

【作用】ダブルガスシールドのばあい、主に内ノズルガ
スは溶滴を形成するアーク域に向って集中する形に、ま
た外ノズルガスは溶融池に作用する形に流れるようなノ
ズル構造になっている。このガスの流れの状態を図３に
模式的に示す。

【００１９】ノズル先端部においては、図３に示される
ようにコンタクトチップおよび内ノズルの各々の外面は
先細りになるようにテーパーがついており、したがって
内ノズルおよび外ノズルガスは共に軸心の方向に焦点を
結ぶように流れる。両ガス共に層流状態になり、しかも
接触する時間はミリセカンドのオーダーと極めて短く、
高温のプラズマアークの近傍にあっても相互拡散するこ
ともなく、互いに混合することはない。一方、ガス流動
状況の程度によってはガス流そのものの形は若干変えら
れるが、ダブルガスシールドのばあい、通常は内ノズル
ガスに比べて外ノズルガスの流動状況が勝るような状態
にあるので、図３に示すように、アーク域近傍において
は外ノズルガスは内側に入り込む形になる。したがっ
て、ノズル先端とアーク域との距離または外ノズルガス
と内ノズルガスの流動状況の差によって、アーク域へ到
達する両ガス量の比は様々に変化する。この模様を図４
〜７に代表的な例を以て模式的に示す。

【００２０】図４は外ノズルガスの流動状況が内ノズル
ガスに対して極めて大きいときであり、内ノズルガスが
殆どアークに到達せず、外ノズルガスが支配的となるば
あいである。図５は前記流動状況の差が小さく、内ノズ
ルガスが充分にアークに到達し、若干外ノズルガスが影
響するばあいである。図６は図４〜５のばあいと異な
り、内ノズルガスの方が外ノズルガスより流動状況が勝
りアーク域にはほとんど内ノズルガスのみが到達するば
あいである。さらに図７はノズルからアーク域までの距
離を著しく大きくしたときであり、通常は外ノズルガス
の方が流動状況が勝っているので、両ガスの混合点がア
ークに到達しないため、アークがほとんどすべて外ノズ
ルガスの影響を受けるばあいである。

【００２１】これらアーク域に到達したガスは高温のプ
ラズマ中で直ちに電離し、たとえば内ノズルがアルゴン
で、外ノズルが炭酸ガスのばあい、通常Ａｒイオン、Ｏ
イオン、ＣＯ分子、電子となり、この段階で両ガスが混
合された形になる。これらのアーク域での存在量や状態
が溶滴形成や離脱の状態に大きく影響を与える。したが
って好ましい安定したスプレー移行と共にスパッターの
ない状態をうるためには、シールドガスのアーク域での
組成が適切であり、それに応じたアーク電圧、溶接電流
などに適応した溶接パラメーターでなくてはならない。

【００２２】前記のようにシールドガス流は各々層流で
あり、それぞれの流動状況の差によってアーク域への到
達ガス組成は変化するが、この流動状況はノズル先端に
おける状態が決定的要因となる。一般に流体の流動状況
を支配するものは、流体の流速、密度、粘度および流路
の相当直径であり、流体力学では流動状況を無次元量で
あるレイノルズ数Ｒｅ＝ＤＵρ／μ（Ｄ：相当直径、
Ｕ：流速、ρ：密度、μ：粘度）で表わす。したがって
Ｒｅ数を用いることによってガスの種類に関係なく一元
的に流動状況を表わすことができ、さらには、外ノズル
ガスと内ノズルガスのノズル先端部におけるＲｅ数の差
（以下、ΔＲｅと表わす）を用いることでアーク域での
混合ガス組成を類推できることになる。実際には溶接パ
ラメーターを適切に選定したばあい、シールドガス組成
と溶滴移行形態のあいだには一定の関係があることが知
られている。たとえば、アルゴンと炭酸ガスの混合ガス
を用いて鋼の溶接を行うばあいについて示すと、純アル
ゴンではアークは不安定であるが、少量の酸素ポテンシ
ャル、たとえば酸素２％（容積％、以下同様に容積％で
表わす）を添加すると、酸素がアルゴンより低いイオン
化ポテンシャルのためにイオン化の促進と共にアークル
ートの移動性を減らしてアークの安定性がよくなる。つ
まり少量の酸素はアーク安定上必要である。しかし、酸
素が５％以上になると増加と共に逆に短絡移行やグロビ
ュラー移行を生ぜしめ、アークの不安定とスパッターの
増大を招く。炭酸ガスも同様の作用が認められ、３〜５
％の添加はアーク安定によいが８〜10％以上ではアーク
が不安定になり、スパッターも多くなる。さらに炭酸ガ
スが30％以上ではいかに電流を上げようともスプレー移
行にはならず炭酸ガス溶接と同様の不安定なアークと、
非常に多いスパッターの状態となる。しかし、一方溶込
みの向上やガスコストの点からは高炭酸ガス組成が好ま
しく、実際には、シングルノズルのばあい、中間的な炭
酸ガス組成15〜20％程度の混合ガスを用いる“通常マグ
溶接法”が一般的に行われている。

【００２３】要するに、シールドガスの種類、組成に応
じて適正な溶接パラメーターを採用して溶接を行ったば
あいにおいては、スパッター量をコントロールすること
はアーク域に混入する炭酸ガス量をコントロールすると
いうことになる。以上のことから、ΔＲｅとアーク域で
の炭酸ガス組成とは比例し、また炭酸ガス組成がスパッ
ター量と比例すると推論し、したがって、ΔＲｅとスパ
ッター量は比例すると仮定し、この関係を実験的に調べ
た結果、非常に有意な相関をうると共に、従来にはなか
った極めて低スパッターの結果をえ、しかも同時にこれ
を継続的に安定維持できる内、外ノズル流量およびノズ
ルの母材に対する関係位置に関する条件を決める方法を
見出した。つぎに具体的に実施例の中でこれを示す。

【００２４】

【実施例】

実施例１外ノズルガスとして炭酸ガスを、内ノズルガスとしてア
ルゴンを用い、内、外ノズルガスの流量を変化させ、最
も安定した溶滴移行をえられるような溶接パラメーター
でビードオンプレートの溶接を行い、ノズル付着スパッ
ター量を測定した。また同時に高速度静止カメラによる
溶滴移行の撮影およびアーク電圧溶接電流の波形の記録
を行い、溶滴移行状況を観察した。溶接条件はつぎのと
おりであった。

【００２５】溶接条件溶接ワイヤー：ソリッドワイヤー 1.2mmφＤＤ50Ｓ母材：ＳＭ−50Ａ 12mm板厚アーク電圧／溶接電流：30Ｖ／300 Ａ溶接速度：400 mm／min 溶接時間：３分溶接トーチ：ビュンツェル社製ダブルガスシールドノズ
ルチップ−母材間距離：18mm 内外両ノズルガスの各流動状況について流量ごとにＲｅ
数として計算し、炭酸ガス流のＲｅ数からアルゴン流の
Ｒｅ数を引いた値をΔＲｅとして表わし、測定したノズ
ルスパッター量と対応してグラフに示したのが図８であ
る。なお、計算に使用した数値は表１のとおりである。

【００２６】

【表１】

【００２７】また、ダブルガスシールド流路の相当直径
は、外ノズルが18mmφと11mmφの環状流路でありＤeq＝
18−11＝７mm、内ノズルが8.5mm φと４mmφの環状流路
でありＤeq＝8.5 −４＝4.5mm である。

【００２８】図８より明らかなようにΔＲｅが大体100
の辺りでノズルスパッター量が最低になり、ΔＲｅの増
加と共にスパッター量が比較的増加している。また、一
方ΔＲｅがマイナスすなわち内ノズルのアルゴンの流動
状況が勝ったばあいもスパッター量が増加していること
を示している。これらは前述のように、外ノズルの炭酸
ガスの流動状況が増すと共にアーク域への炭酸ガスの混
入がほぼ比例して増加し、ノズルスパッター量が増加す
ることを示し、逆に炭酸ガスの流動状況がアルゴンに劣
るようになると純アルゴンのアークにみられる不安定に
伴うスパッターの発生が起るものと考えられる。

【００２９】ΔＲｅ＝120 のとき、スパッター量0.0088
グラム／分という極めて低いスパッターの結果をえた。
これは従来の研究でえられている最低値0.06グラム／分
に比べると１桁違う優れた結果である。ΔＲｅの中間域
（400 〜800 ）ではスパッター量が低いときと高いとき
などバラツキがある。中でもΔＲｅが 400〜500 ではバ
ラツキがあるものの比較的低スパッター域にあるが、Δ
Ｒｅが 700〜800 では非常に高い所までバラツキがあ
る。これはΔＲｅが 400〜800 の範囲ではアーク域の炭
酸ガス組成が推定で約12〜22％であり、短絡移行とスプ
レー移行が共存し、炭酸ガス組成のわずかな変動も溶滴
移行形態に微妙に変化を生ずる範囲であるため、溶接中
に経時的にも変動が起ることを示している。しかし、こ
の中でも10％組成に近い低炭酸ガス範囲ではスプレー移
行が主となり、スパッター量およびその変動も少ないこ
とを示している。一方、同時に記録した電流波形を観察
するとΔＲｅ 100〜200 についてはスプレー移行を表わ
す規則正しいきれいな波形（図９参照）が連続するが、
ΔＲｅ＝ 400〜800 では図10に示されるような瞬間的な
短絡を示す不安定な波形が前記のスプレー移行の波形と
経時的に混在することが認められ、前記のバラツキにつ
いての推論を裏づけている。ΔＲｅが1000以上では明ら
かに炭酸ガスアークとなり過大なスパッターを発生して
いる。

【００３０】外ノズルが18リットル／分の炭酸ガス、内
ノズルが７リットル／分のアルゴンの条件においては、
ΔＲｅ＝750 であるが、従来の研究結果ではこの溶滴移
行形態はシングルノズルによる混合ガス（80％Ａｒ＋20
％ＣＯ₂）を用いて行ったばあいとほぼ同様であること
から、前記ΔＲｅ＝750 のばあいのアーク域での炭酸ガ
スは20％になるよう外ノズルから混入したものとし、混
入炭酸ガスがΔＲｅに比例するとすると、ΔＲｅ＝120
では炭酸ガス約４％、ΔＲｅ＝400 では約12％と推定さ
れる。

【００３１】これらは、溶滴移行の形態の観察結果から
みても認められることであり、以上の推論が立証でき
る。したがってΔＲｅを０〜500 、好ましくは100 〜40
0 となるように流量を設定すれば非常に低いスパッター
の安定した溶接がえられることは明らかである。

【００３２】ΔＲｅ＝120 のばあいの実施例におけるノ
ズルガス流量は外ノズルが炭酸ガス13リットル／分、内
ノズルがアルゴン７リットル／分であり、これを平均的
な混合ガス組成とみれば炭酸ガス65％、アルゴン35％と
なり、この組成でシングルノズルに用いれば明らかに炭
酸ガス溶接と同じ極めて高スパッターの状態となる。ダ
ブルノズルのばあい、前記のように、溶滴移行域におい
ては炭酸ガス４％、アルゴン96％の組成が推定され、極
めて良好な溶滴移行と極端に低いスパッターとなる。よ
ってこれと同じような状態をシングルノズル方式でうる
ためには、前記組成値から簡単に分るように約2.7 倍の
アルゴン量が必要であり、ガスコストの点からも大きな
利益がある。

【００３３】なお、溶接電流としては通常 150〜800 ア
ンペアの範囲内であるのが好ましく、またアーク電圧は
（Ｉ／50＋20）〜（Ｉ／50＋37）（Ｉ：アンペアで表わ
した溶接電流）の範囲であるのが好ましい。

【００３４】実施例２外ノズルガスに炭酸ガス、内ノズルガスにアルゴンとヘ
リウムの混合ガスを用いて、内、外ノズルガス流量を変
化させ、実施例１と同じ溶接パラメーターでビードオン
プレートの溶接を行い、ノズル付着スパッター量を測定
した。内ノズルガス組成は４Ａｒ／３Ｈｅの割合であっ
た。実施例１と同じ手法でΔＲｅとノズルスパッター量
を対応させたグラフを図11に示す。図11から明らかなよ
うに、アルゴンとヘリウムの混合ガスのばあいにおいて
もアルゴンのみのばあい（実施例１）と同様にΔＲｅと
ノズルスパッター量とのあいだに明らかに比例的関係が
認められる。このばあいも、ΔＲｅの中間域において
は、アルゴンのみのばあいと同じくノズルスパッター量
に大きなバラツキがあり、定常性に問題があることを示
している。また、本実施例のばあい、比較的低いΔＲｅ
でもアルゴンのみのばあいに比べて２倍程度のスパッタ
ー量がみられるが、これはイオン化ポテンシャルの高い
ヘリウムが存在するために、この実験で採用した30Ｖと
いうアーク電圧では不充分であり、完全なスプレー移行
がえられなかったため若干アークの不安定が生じた結果
によるものである。本実施例の目的はアルゴンとヘリウ
ムの混合ガスのばあいにおいてもアルゴンのみのばあい
と同様の関係があることを見出すためであり、この点予
想通りの結果をえた。

【００３５】実施例３前記実施例１〜２により、内ノズルガスの種類に関係な
く、同じようなΔＲｅとノズルスパッター量また溶滴移
行の関係がえられることを確認したので、本実施例にお
いてはアルゴンとヘリウムの混合ガスを内ノズルに用い
たとき最適パラメーターを採用すればアルゴンのみのば
あい以上に低スパッター性をうることができることを確
認した。溶接条件はつぎのとおりであった。

【００３６】溶接条件シールドガス：外ノズル炭酸ガス15リットル／分、内
ノズル 7.5リットル／分アルゴン＋2.5 リットル／分
ヘリウムアーク電圧：34〜40Ｖ溶接電流：300 〜500 Ａ溶接速度：500 mm／min 溶接時間：１分チップ−母材間距離：20mm その他の条件は実施例１と同様にしてビードオンプレー
トの溶接を行った。また、ワイヤー送給量を増加し溶着
量を変化させ、それに応じて適正な電圧／電流の組み合
わせを選んで好ましい溶滴移行を保つようにした。ノズ
ルスパッター量について結果を表２に示す。

【００３７】

【表２】

【００３８】本実施例では前記実施例１〜２によって見
出した好ましいΔＲｅの範囲をもとにして、溶接品質特
性上好ましいシールドガス組成を考慮し、前記シールド
ガス組成と流量を選定した結果、ΔＲｅ＝360 であっ
た。

【００３９】表２のスパッター量の値を実施例２の結果
と対比すると、図11より分るようにΔＲｅ＝360 のばあ
い明らかに１／３近くまで減少している。

【００４０】これは前述したように適正なパラメーター
を採用することにより安定した溶滴移行がえられた結果
によるものである。また一方、実施例１の結果を示す図
８と対比しても同じくΔＲｅ＝360 付近ではスパッター
量は60％位まで減少している。これはヘリウムの添加に
よる高入熱の結果、溶滴がさらに小径化し、飛散スパッ
ターが減少したものである。なお、実施例１〜２におい
ては溶着量一定であるが、本実施例ではこれより段階的
に大きく変化させ、最大約1.9 倍まで増大させているの
で溶着量当りでみたときは、さらに低スパッターの結果
をえたことが分る。

【００４１】このばあいのアーク域におけるガス組成を
推定すると大体70％Ａｒ＋23％Ｈｅ＋８％ＣＯ₂であ
り、軟鋼用として好適とされている組成にほぼ同じであ
る。

【００４２】実施例４外ノズルに炭酸ガス、内ノズルにアルゴン、ヘリウムお
よび酸素の混合ガスを用い、適正溶接パラメーターにて
実施例２と同様の条件で溶接を行なった。結果を表３に
示す。

【００４３】

【表３】

【００４４】本実施例ではシールドガス流のΔＲｅは40
0 〜500 の範囲であるが、適正電圧を選べば同一ΔＲｅ
のばあいについて内ノズルガスアルゴン（実施例１）の
ときと対比するとノズルスパッター量は約１／３まで低
減し、またアルゴンとヘリウムの混合ガス（実施例３）
の同一ΔＲｅのときの推定値と対比しても１／２程度の
減少となっている（図11参照）。これは実施例３におい
て述べたヘリウムの効果に加えて、酸素が溶滴の表面張
力の低下をもたらし、溶滴が小径化すると共に、スプレ
ー移行をうるためにこえなければならない電流値である
“遷移電流”の低下などにより溶滴移行がより安定化す
るため飛散スパッターが非常に減少する結果によるもの
である。

【００４５】本実施例では0.1 リットル／分の酸素を不
活性ガスに添加したが、種々検討の結果、不活性ガスに
0.1 〜５％の酸素および0.1 〜３％の水素の少なくとも
一つを活性ガスとして添加したばあいにスパッター量が
低減することがわかった。

【００４６】実施例５外ノズルに炭酸ガス、内ノズルにアルゴン、ヘリウムお
よび炭酸ガスの混合ガスを用い、実施例２と同様の溶接
を行った。結果を表４に示す。

【００４７】

【表４】

【００４８】本実施例では、いずれも極めて高いスパッ
ター量を記録したが、これはシールドガス流のΔＲｅは
420 以下で低いが、外ノズルからの炭酸ガスと内ノズル
内の炭酸ガスが合算され、アーク域での炭酸ガス組成は
高くなる。たとえばシールドガスが、外ノズルが炭酸ガ
ス１リットル／分、内ノズル（４アルゴン／３ヘリウ
ム）が６リットル／分＋炭酸ガス１リットル／分のばあ
い、アーク域での炭酸ガス組成は約23％と高い値が推定
される。もし、内ノズル中の炭酸ガスがすべて外ノズル
から混入されたと仮定したときの仮のΔＲｅを推算する
と、790 となりΔＲｅの高い状態と同じでこの換算ΔＲ
ｅを用いればΔＲｅとノズルスパッター量との関係は他
の実施例と同様の関係となる。

【００４９】また本実施例のばあい、外ノズルガスの炭
酸ガス流量は11リットル／分と低く抑えてΔＲｅを小さ
くしているが、さらにΔＲｅを小さくするためにこの流
量を減少させることは大気とのシールドにも影響があ
る。したがって、内ノズルに炭酸ガスを入れることはス
パッター対策上好ましくなく、アーク域の炭酸ガスの組
成のコントロールは、外ノズルの炭酸ガス量によってア
ーク域への混入炭酸ガス量のコントロールによることが
適切である。

【００５０】実施例６実施例１〜５ではノズルと母材との関係位置は同じであ
り、いずれもノズルから両ガス流がアーク域で焦点を結
ぶような関係に配置されていた。本実施例ではこの関係
位置を変えて、ノズルを母材からより離したばあいの溶
滴移行状況とスパッターについての実施例である。

【００５１】溶接条件は実施例１と全く同じであり、ノ
ズルと母材との関係位置を、図８において、実施例１と
実施例６とを対比して示す。

【００５２】内、外ガス流量の組合せを変化させて、Δ
Ｒｅの広い範囲に亘って、溶接を行った結果を図８の中
に実施例１と対比して点線で表示する。

【００５３】図８から明らかなように、本実施例ではΔ
Ｒｅに関係なく、比較的低いスパッター量で一定してお
り、実施例１〜５とは全く異なった様態を示している。
本実施例ではいずれのばあいも両ノズルガス流の混合点
よりアーク域が離れてしまい、過剰な炭酸ガスの状態か
もしくは純アルゴンの状態になり、極めてアークが不安
定となり、スパッターが多くなっているが、いずれも比
較的低いスパッター量であるのは、アーク開始位置から
ノズルまでの距離が内ノズルは13mmが20mmに、また外ノ
ズルは５mmが13mmと著しく大きくなっているために付着
量が減ったものと考えられる。また溶滴移行の不安定は
記録された電流波形に多数の短絡を示す不規則な波形が
みられることからも裏づけることができる。ノズル付着
量を減少させるために、母材との距離を大きくすること
は、アーク域を大気から遮断する効果および溶融池への
ガスの効果から考えて好ましくなく、通常10〜15mmにさ
れている。したがって外ノズル端と母材間は15〜20mmに
保つのが好ましい。一方、内ノズルはアーク域へのガス
の効果から考えて、前述のように、離れすぎるのは好ま
しくなく、ノズルの構造寸法からみて、内ノズルと母材
の距離は15〜25mmが好ましい。チップと母材間距離では
18〜23mmが好ましい。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明のダブルガ
スシールドメタルアーク溶接においては、外ノズルガス
のＲｅと内ノズルガスのＲｅとの差ΔＲｅを０〜500 の
範囲内になるように設定しているので、極めて低スパッ
ター量の状態を安定して継続的に達成できるという効果
がえられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の溶接法に用いる溶接装置の一例を示す
説明図である。

【図２】ＤＭＡＧ溶接トーチの概略断面図である。

【図３】ＤＭＡＧ溶接法におけるノズル先端付近の説明
図である。

【図４】ΔＲｅが大きいばあいのノズル先端付近の説明
図である。

【図５】ΔＲｅが小さいばあいのノズル先端付近の説明
図である。

【図６】ΔＲｅが負の値であるばあいのノズル先端付近
の説明図である。

【図７】ノズルと母材間の距離が過大であるばあいのノ
ズル先端付近の説明図である。

【図８】実施例１における、ΔＲｅとノズルスパッター
量との関係を示すグラフである。

【図９】実施例１においてΔＲｅが100 〜200 の範囲内
であるばあいの電流波形を表わすグラフである。

【図１０】実施例１においてΔＲｅが400 〜800 である
ばあいの電流波形を表わすグラフである。

【図１１】実施例２における、ΔＲｅとノズルスパッタ
ー量との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

２溶接ワイヤー４二重ノズル溶接トーチ５、20 母材 11 外側ノズル 12 内側ノズル 15 溶滴 16 溶融池 17 アーク 18 炭酸ガス流

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】二重ノズルを有する溶接トーチを使用
し、電極と溶接継手とのあいだに安定なアークを発生さ
せ、溶融池を大気から保護し、併せて溶融池の物性をコ
ントロールするために、外ノズルに炭酸ガスを、内ノズ
ルに不活性ガスまたは不活性ガスに少量の活性ガスが添
加された混合ガスを同時に流すことを含むダブルガスシ
ールドメタルアーク溶接法であって、（ａ）外ノズルを
流れる炭酸ガスの流量が常温・大気圧の値で10〜25リッ
トル／分の範囲内であり、（ｂ）内ノズルを流れる不活
性ガスまたは不活性ガスに少量の活性ガスを添加した混
合ガスの流量が常温・大気圧の値で４〜18リットル／分
の範囲内であり、かつ（ｃ）内外両ノズルのガス流動は
層流域にあり、両ノズル端部における流動状況をレイノ
ルズ数Ｒｅ＝ＤＵρ／μ（Ｄ：ノズル端部における流路
相当直径、Ｕ：ノズル端部におけるガス流速、ρ：ガス
の常温・大気圧における密度、μ：ガスの常温・大気圧
における粘度）で表わしたばあい、内外両ノズル端部の
レイノルズ数の差ΔＲｅ＝外ノズル端部のＲｅ−内ノズ
ル端部のＲｅが０〜500 の範囲内になるように各ノズル
のガス流量を設定することを特徴とするダブルガスシー
ルドメタルアーク溶接法。
【請求項２】前記ΔＲｅが100 〜400 の範囲内である
請求項１記載の溶接法。
【請求項３】溶接電流が150 〜800 アンペアの範囲内
である請求項１または２記載の溶接法。
【請求項４】アーク電圧が（Ｉ／50＋20）〜（Ｉ／50
＋37）（Ｉ：アンペアで表わした溶接電流）の範囲であ
る請求項１または２記載の溶接法。
【請求項５】前記内ノズルを流れる混合ガスが、不活
性ガスに0.1 〜５容積％の酸素および0.1 〜３容積％の
水素の少なくとも一つを活性ガスとして添加したもので
ある請求項１または２記載の溶接法。
【請求項６】外ノズル端と溶接母材との距離を15〜20m
m、内ノズル端と溶接母材との距離を15〜25mmに設定す
る請求項１または２記載の溶接法。