JPH0555230B2 - - Google Patents

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JPH0555230B2
JPH0555230B2 JP59013480A JP1348084A JPH0555230B2 JP H0555230 B2 JPH0555230 B2 JP H0555230B2 JP 59013480 A JP59013480 A JP 59013480A JP 1348084 A JP1348084 A JP 1348084A JP H0555230 B2 JPH0555230 B2 JP H0555230B2
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JP
Japan
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current
arc
wire
welding
weld metal
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JP59013480A
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JPS60158983A (ja
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Koji Tamura
Katsuyoshi Hori
Toshiaki Takuwa
Kazuyoshi Kusano
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Mitsubishi Power Ltd
Original Assignee
Babcock Hitachi KK
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Publication date
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00Arc welding or cutting
    • B23K9/16Arc welding or cutting making use of shielding gas

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Arc Welding In General (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
この発明は溶接継手品質を向上させる溶接方法
に係り、特に溶接金属の結晶粒を微細化しかつ溶
接能率を向上させるTIG溶接方法に関する。 金属の治金的接合方法を溶接と総称するが、こ
れを母材側から見れば、母材をモールドとする鋳
造であると言うこともできる。鋳造の場合と異な
る点は、第1図に示すように、溶接金属が母材1
の溶接熱影響部(以下、「母材HAZ」と記す。)
の結晶粒2の一体となつて成長することである。
しかも、溶接金属の結晶3の成長方向と溶融池の
最大温度勾配が一致するとその方向に選択的な結
晶粒の成長現象が生ずるため、溶接金属の結晶粒
は母材よりも大きくなる。 結晶粒が大きくなると粒界面積が減少するた
め、金属材料中に含まれている不純物元素あるい
は合金元素の一部の粒界における濃度が高くな
る。このため、溶解度が低く、粒界偏析が顕著な
オーステナイト系の高合金材料においては、第2
図に示すように溶接金属の粒界に凝固割れが発生
しやすいことが知られている。ちなみに図示のも
のは材質がインコロイ800で、被覆アーク溶接を
行つた状態を示す。また、クリープ現象によつて
も、第3図に示したように、溶接金属の粒界にき
裂が発生しやすくなり、低延性で破断に致る場合
もある。同図に示す材料はSUS347Hであり、溶
接法は被覆アーク溶接、試験条件は700℃の温度
下において10Kg/mm2の応力を加えたものである。
更に、フエライト系の炭素鋼や低合金鋼の溶接金
属においては、衝撃値が結晶粒の大小に影響され
るのも衆知の事実である。 このように溶接金属の結晶粒が大きくなると溶
接継手の品質が劣化するため、溶接金属の結晶粒
微細化に関する研究が各方面で行なわれており、
種々の対策が提案されているが、その対策は以下
の二つに大別できる。 (1) 溶接池の撹拌 (2) 入熱量の抑制 以下、これらの方法について概説する。まず、
(1)の方法は溶接電流をパルス状に変動させ、アー
ク気柱(arc column)の振動による機械的な撹
拌と、励磁コイルにより交番磁界を発生させる磁
気撹拌に分類できる。しかし、パルスアークによ
る機械的撹拌では、Al合金などに対しては効果
があるが、オーテスナイト鋼などにおいては溶接
金属の結晶粒微細化に対する効果は小さい。ま
た、磁気的撹拌では、30〜50mmの大きさの励磁コ
イルが必要であり、開先が深く、溶接個所が母材
表面から離れる厚板の溶接には使用できないと言
う問題点がある。更に、(2)の入熱量の抑制は溶接
金属の結晶粒成長の抑制と同時に、母材HAZの
冷却速度も速くなるため、溶接金属が成長をはじ
める母材HAZの結晶粒の成長をも抑制すること
ができて効果的である。一般にTIG溶接法が最も
低入熱の溶接法であるため、結晶粒の粗大化を是
非とも防止する必要がある場合には、本溶接法が
採用されている。 しかしながら、小入熱のTIG溶接法では溶着量
が少なく、溶接能率が他溶接法に比べて劣ると言
う欠点がある。このため、フイラワイヤに通電
し、抵抗加熱によつてワイヤの温度をあらかじめ
高くして溶着量に増大させるホツトワイヤTIGの
溶接法が開発されているが、入熱量が増すため
に、他の溶接方法と同様に溶接金属の結晶粒が粗
大化するという問題点がある。 以上の様に、溶接金属の結晶粒の粗大化を完全
に防止することは困難であるため、結晶母材より
もグレードが高い溶接材料を使用して溶接金属の
品質を保証するという対策が採用されているのが
現状である。 本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をな
くし、溶着量をホツトワイヤTIG溶接法の場合よ
りも低下させることなく、溶接金属の結晶粒を微
細化できる溶接法を提供することにある。 要するにこの発明は、ワイヤの供給位置を溶接
進行方向につきアーク後方にし、パルス通電アー
クで生ずる溶融池に対しパルス通電で加熱したフ
イラーワイヤを供給するホツトワイヤ型の溶接方
法において、アーク電流は高、低電流に切替える
直流パルス電流で100A以上、高低電流へ切替え
るパルス周期を5〜100Hz、高電流の通電比を50
〜70%、低電流たるベース電流を50A以上とし、
一方ワイヤ電流はアーク電流に同期してアーク電
流が低電流の時にのみ通電する直流パルスで
100A以上、ワイヤ供給速度を20g/min以上と
し、アーク圧力及び前記高電流時のアーク電流で
生ずる磁界と、前記ベース電流により生ずる磁界
とによる溶融池の撹拌により溶着金属の結晶粒を
微細化することを特徴とする溶接継手品質を向上
させる溶接方法である。 以下本発明の実施例を具体的に説明する。 第4図はこの発明に係る方法を実施するための
ホツトワイヤTIG溶接装置の概要を示す図であ
る。図中アーク用電源4のマイナス側出力はアー
ク電流制御用トランジスタ5を経由してタングス
テン電極6に接続され、母材1との間でTIGアー
ク7を形成する。一方、ワイヤ用電源8のマイナ
ス側出力はワイヤ制御用トランジスタ9を経由し
てコンタクトチツプ10に接続され、アーク7に
よつて形成された溶融池と接触しているフイラワ
イヤ11を抵抗加熱する。なお図中矢印は溶接方
向を示す。 第5図は第4図に示した構成を用いて溶接する
ときのアーク電流及びワイヤ電流の波形を例示し
た説明図である。アーク電流は、高電流となるピ
ーク電流Ip(期間a)と低電流となるベース電流
IB(期間b)となるようにアーク電流制御用トラ
ンジスタ5により高速で切替えられて形成され
る。一方、それと同期してワイヤ電流制御用トラ
ンジスタ9によりワイヤ電流はIWの通電期間bと
非通電期間aになるように切替えて形成される。 以上の様な溶接装置により、アーク電流の切替
え周波数、ピーク電流の通電比、ワイヤ電流の極
性、フイラワイヤの添加位置と溶接性の検討を行
なつた結果、溶着量が20g/mm以上の条件におい
ても溶接金属の結晶粒が微細化する特異な現象の
あることが判明した。これは、アーク電流がピー
ク電流Ipとベース電流IBに切替るためにアーク気
柱は振動し、これが溶融池を機械的に撹拌するた
めである。 更に第5図の期間bではワイヤ電流が通電され
ている溶融池がアークのベース電流IBの磁界によ
つて振動を開始する。一方、期間aではワイヤ電
流は通電していないため磁界による溶融池の流動
は止まり、あたかも交番磁界によつて溶融池が撹
拌されているのと同様の現象が生じているものと
考えられる。これは溶融池の直接観察によつて溶
融池表面に十分の数ミリの大きさのさざなみ状の
起状が特定条件によつてみられたことからも裏付
けることができる。このように溶融池が撹拌され
ると結晶の芽が多く形成され、従つて多くの結晶
が同時に成長するために、結晶粒が微細化される
ものと推定される。当然のことながら、ワイヤ電
流IWはアークのベース電流IB時のみに通電するた
めに、ワイヤ電流によるアーク7の偏向(磁気吹
き)による作業性の低下は実用上問題にならず、
200A程度のワイヤ電流を流すことができ、溶着
性は通常のホツトワイヤの場合と同等以上とする
ことがでいる。 次に第1表に本発明による結晶粒の微細化効果
をインコネル600(ワイヤ径1.2mm)を用いて確認
した溶接条件の一例を従来法と比較して示す。ア
ーク電流を切替え周波数は60Hz、ピーク電流の通
電比は70%とし、フイラワイヤの供給位置は溶接
方向に対してタングステン電極の後方としてい
る。
【表】 第6図は第1表による溶接条件で溶接した溶接
金属の凝固組織〔第6図A〕を従来法〔同B〕と
比較して示す。従来法による溶接金属はデンドラ
イトが約3mmの長さにまで大きく成長しているの
に対し、本発明による方法では結晶粒が0.5mm程
度にまで微細化されていることがわかる。 このように溶接金属の結晶粒の微細化は以下の
条件で顕著であることが明らかになつた。 先ず最大の影響因子はアーク電流の切替え周波
数である。第7図にインコネル溶接金属のデンド
ライト平均長さとアーク電流切替え周波数の関係
を示す。なお溶接条件はアーク電流のピース電流
Ipが260A(通電比70%)、同ベース電流IBが50A、
ワイヤ電流は60A、フイラワイヤは1.2mmのイン
コネルとした。以上の条件において、周波数が5
Hz以上になれば結晶粒微細化の効果があるが、
100Hz以上ではその効果が逆に減少する傾向が認
められた。以上の結果から、切替え周波数は5〜
100Hzの範囲に限定する必要があり、望ましくは
50〜70Hzが最適である。この条件においては特に
前記した溶融池表面でのさざなみ現象が顕著であ
ることも確認できた。 次にアーク電流のピーク電流通電比が50%以下
になるとアークによる母材の溶融が減少し、溶接
金属とオーバラツプが生ずる等の作業性の問題が
発生する。また70%以上にするとワイヤ電流の通
電期間が短かくなりベース電流とワイヤ電流との
相互作用による溶融池の磁気撹拌効果が小さくな
り結晶粒の微細化効果は減少する。更にフイラワ
イヤの抵抗加熱を十分に行なうためにもワイヤ電
流の通電比を30%以上、すなわちピーク電流の通
電比を70%以下にする必要がある。 また形成される溶融池が溶接方向に対してタン
グステン電極の後方に位置することから、アーク
電流とワイヤ電流との相互作用によつて効果的に
撹拌するためには、フイラワイヤの供給位置は溶
接方向に対してタングステン電極の後方とする。
なおワイヤ電流の極性は、ワイヤ側がマイナスで
もプラスでも溶接金属の結晶粒の微細化には差異
はなかつた。 更にアーク電流、ワイヤ電流は所定の溶け込み
深さや溶着量によつてほぼ自由に決定できるがベ
ース電流IBとワイヤ電流IWは、その相互作用によ
る磁気撹拌を促進するために望ましくはIBを50A
以上、IWを100A以上とする必要がある。 第2表にSUS321鋼管(57〓×12t)を本発明に
よる方法で溶接した溶接条件を示す。フイラワイ
ヤはER16−8−2(1.2〓)を用いた。
【表】 以上の条件で行つた溶接において、溶接部には
何らの溶接欠陥も発生しておらず、溶接金属のデ
ンドライトの平均の長さは0.6mm程度で、従来の
ホツトワイヤTIGの約1/3と結晶粒が微細化して
いた。 第3表にSUS316H厚肉鋼管(546〓×106t)を
本発明による方法で溶接した溶接条件を示す。 フイラワイヤはER16−8−2(1.2〓)を用い
た。
【表】 溶接結果は、上記したSUS321H鋼管の場合と
同様であり、厚板の溶接においても結晶粒の微細
化が可能であることが確認できた。 以上の説明から明らかなように、本発明による
溶接方法によれば20g/mm以上の溶着量が得られ
る高能率なホツトワイヤTIG溶接法においても、
結晶粒の微細な溶接金属を得ることができるよう
になり、溶接金属における高温割れやクリープき
裂が発生することがなく、また衝撃特性も優れた
高品質な溶接継手を得ることが可能であり、大き
な工業的利益をもたらすことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は溶接金属の凝固形態を説明する溶接部
の断面図、第2図は溶接金属の凝固割れを示すミ
クロ組織写真、第3図は溶接金属のクリープき裂
を示すマクロ組織写真、第4図は本発明になる溶
接法を実施する溶接電源の説明図、第5図は本発
明になる溶接法を実施するために必要な電流波形
を示す説明図、第6図は溶接金属横断面のマクロ
組織写真であり同図Aはこの発明に係る方法によ
るもの、同Bは従来方法によるものを示し、第7
図は溶接金属の結晶粒微細化とアーク電流切替え
周波数の関係を示す線図である。 1……母材、7……アーク、11……フイラワ
イヤ。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 ワイヤの供給位置を溶接進行方向につきアー
    ク後方にし、パルス通電アークで生ずる溶融池に
    対しパルス通電で加熱したフイラーワイヤを供給
    するホツトワイヤ型の溶接方法において、アーク
    電流は高、低電流に切替える直流パルス電流で
    100A以上、高低電流へ切替えるパルス周期を5
    〜100Hz、高電流の通電比を50〜70%、低電流た
    るベース電流を50A以上とし、一方ワイヤ電流は
    アーク電流に同期してアーク電流が低電流の時に
    のみ通電する直流パルスで100A以上、ワイヤ供
    給速度を20g/min以上とし、アーク圧力及び前
    記高電流時のアーク電流で生ずる磁界と、前記ベ
    ース電流により生ずる磁界とによる溶融池の撹拌
    により溶着金属の結晶粒を微細化することを特徴
    とする溶接継手品質を向上させる溶接方法。
JP1348084A 1984-01-30 1984-01-30 溶接継手品質を向上させる溶接方法 Granted JPS60158983A (ja)

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