JPH0641032B2 - 非消耗性電極ア−ク溶接方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ＴＩＧ溶接法やプラズマ溶接法のように、非
消耗性電極と母材との間にアークを生じさせて溶接を行
う非消耗性電極アーク溶接方法に関するものである。

［従来の技術］ 非消耗性電極を用いるアーク溶接法により薄板を溶接す
る場合には、母材の溶け落ちを防止するためにできるだ
け低入熱で溶接を行う必要がある。また比較的厚い板を
溶接する場合でも、母材の材質によっては低入熱で溶接
を行った方が良好な溶接結果が得られる場合がある。

周知のように、アーク溶接において電気的に与えられる
溶接入熱Ｈは、Ｈ＝（６０ＥａＩａ）／Ｖ［Ｊ／cm］
（但しＥａはアーク電圧、Ｉａは溶接電流、Ｖは溶接速
度）であるため、低入熱で溶接を行うためには、アーク
電圧をできるだけ低くし、また溶接電流の平均値をでき
るだけ小さくすることが必要である。

一例として、ＴＩＧアーク溶接方法について説明する
と、ＴＩＧアーク溶接においてはシールドガスの種類や
電極の先端形状等によってアーク特性（アーク電圧対電
流特性）が異なるため、低入熱で溶接を行うためには、
できるだけアーク電圧を低くするようにシールドガスの
種類や電極の先端形状を選定する必要がある。

例えば第９図は直流ＴＩＧ溶接においてアーク長を一定
とした場合の一般的なアーク電圧対電流特性を、シール
ドガスがＡｒの場合とＨｅの場合とについて示したもの
であるが、これより、シールドガスとしてＡｒを用いた
場合の方がＨｅを用いた場合に比べて、全体的にアーク
電圧が低くなることが分る。このことからＴＩＧ溶接に
おいて低入熱で溶接を行うためには、シールドガスとし
てＡｒを用いるのが有利であることが分る。

また第１０図はシールドガスとしＡｒを用い、アーク長
をできるだけ短くして溶接を行った場合のアーク電圧対
電流特性を、電極先端の角度を種々変えて測定した結果
を示したものであり、この例では、電極として２．４mm
径の２％トリウム入りタングステン電極を用い、母材と
しては板厚が１２mmの鋼板を用いて、毎分７５cmの速度
で溶接を行っている。この結果より、電極先端の角度を
鈍角にするとアーク電圧を低くできることが分る。

これらのことから、従来のＴＩＧ溶接方法において低入
熱で溶接を行おうとする場合には、シールドガスとして
Ａｒを用い、アーク長をできるだけ短くするとともに、
電極の先端の角度を鈍角にしてアーク電圧を低くするよ
うにしていた。

またＴＩＧ溶接においては、第１１図に示すようにピー
ク電流がＩｐ、ベース電流がＩｂ、パルス周期がＴｏ、
周波数がＦｐ（＝１／Ｔｏ）のパルス波形の電流を流す
と、ピーク電流Ｉｐにより深い溶込を得ることができる
ため、溶接電流の波形をこの様なパルス波形として電流
の平均値を下げても良好な溶接を行うことができる。

そこで低入熱で溶接を行おうとする場合には、溶接電流
の波形を０．５乃至２０Hz程度の低い周波数のパルス波
形として溶接電流の平均値を下げることが行われてい
た。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のように、シールドガスとしてＡｒを用い、アーク
長をできるだけ短くするとともに電極の先端角度を鈍角
にし、且つ０．５乃至２０Hz程度の低い周波数のパルス
波形の溶接電流を流すことにより溶接入熱をある程度低
くすることができる。しかしながら、アーク長を余り短
くすると電極が溶融池に接触して溶接不可能となり、ま
た電極先端の角度を大きくし過ぎるとアークが電極先端
の１か所に集中せずに電極先端部を動きまわるようにな
って溶接をうまく行うことができなくなるため、上記の
方法で溶接入熱を低くすることには限界があり、余り大
きな効果を期待することはできなかった。

本発明の目的は、溶接入熱を低くし、しかも安定なアー
クを発生させて良好な溶接結果を得ることができるよう
にした非消耗性電極アーク溶接方法を提案することにあ
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、非消耗性電極と母材との間にアークを生じさ
せて母材の溶接を行う非消耗性電極アーク溶接方法にお
いて、非消耗性電極として酸化ランタンまたは酸化セリ
ウムを０．５ないし２％含んだタングステン電極を用
い、非消耗性電極及び母材間を通して１００Hz以上の高
い周波数のパルス電流を流して溶接を行うことを特徴と
する。

［作用］ 上記のように酸化ランタンまたは酸化セリウムを０．５
乃至２％含有するタングステン電極を使用し、溶接電流
を１００Hz以上の高い周波数のパルス電流とすると、電
極の材質による効果と周波数が高いパルス電流の効果と
の相乗効果により、アーク電圧を下げてしかも安定なア
ークを持続させることができる。特にアークを常に電極
の先端から発生させてアークが電極の上方にはい上るの
を防ぐことができるので、アークのふらつきを無くして
アークの安定化を図ることができる上にアークの集中を
良好にすることができる。従ってアーク電圧を低くして
しかもビード幅が狭く溶込が深い溶接を行うことがで
き、低入熱で良好な溶接結果を得ることができる。

［実施例］ 以下ＴＩＧ溶接の場合を例にとって本発明をその実施例
と共に更に詳細に説明する。

本発明においては、非消耗性電極としてランタンまたは
セリウムを含むタングステンを用いるが、通常ランタン
及びセリウムはそれぞれ酸化ランタン及び酸化セリウム
の形か、または酸化ランタン及び酸化セリウムの外に僅
かな不純物を含有する酸化物の形で得られる。従ってラ
ンタンまたはセリウムを含むタングステンを得るために
は、タングステンに酸化ランタンまたは酸化セリウムを
含有させる必要がある。ここで、酸化ランタンまたは酸
化セリウムには若干の不純物が含まれていてもよい。

以下本発明を得るために行った種々の実験について説明
するが、以下の実験では全てシールドガスとしてＡｒを
用いている。

第１図は電極の材質を変えてアーク電圧対電流特性（ア
ーク特性）を測定した結果を示したもので、同図の縦軸
はアーク電圧の平均値Ｅａを示し、横軸は溶接電流の平
均値Ｉａを示している。第１図において曲線ａ乃至ｃは
それぞれ２％の酸化トリウムを含むタングステン（以下
トリウム入りタングステンという。）、１％の酸化ラン
タンを含むタングステン（以下ランタン入りタングステ
ンという。）及び１％の酸化セリウムを含むタングステ
ン（以下セリウム入りタンスグテンという。）からなる
非消耗性電極を用いてＴＩＧ溶接を行った場合を示して
いる。この実験では、電極の径を１mm、電極のノズルか
らの突出長を４mm、電極先端と母材との間の距離を１mm
とし、シールドガスＡｒの流量を６／minとした。ま
た溶接電流は純直流とした。

これらの曲線から明らかなように、ランタン入りタング
ステンまたはセリウム入りタングステンの電極を用いる
と、トリウム入りタングステンを用いた場合よりも同一
の溶接電流に対してアーク電圧を低くすることができ、
特に５Ａ以下の低電流域で差が大きくなる。このように
ランタン入りタングステンまたはセリウム入りタングス
テンの電極を用いた場合の方が、トリウム入りタングス
テンの電極を用いた場合よりもアーク電圧を低くするこ
とができるということは、ランタン入りタングステンま
たはセリウム入りタングステンの方がトリウム入りタン
グステンよりも熱電子放出性能が高いことを示してい
る。

非消耗性電極アーク溶接方法において実用性が高い良好
な溶接を行わせるためには、アークスタートの成功率が
高い必要があり、また実用上電極の消耗量が少ないこと
が必要とされる。

そこで次にアークスタートの成功率を調べる実験を行
い、その結果を第２表に示した。第２図において横軸に
は酸化ランタンまたは酸化セリウムの含有量をとり、縦
軸にはアークスタート成功率をとってある。この実験で
は電極と母材との間に印加する電圧のパルス周波数を２
０ＫHzとし、酸化ランタン及び酸化セリウムの含有量が
異なる各タングステン電極を用いてアークスタートを５
００回繰返してアークスタート性の良否を判定した。尚
この実験で使用した電極の径は全て１．０mmφとした。
実験においては、トーチスイッチを閉じて電極と母材と
の間に無負荷電圧を印加してから平均値が５０Ａの溶接
電流が流れ始めるまでの時間が０．１秒以下の場合にア
ークスタート性が良好であると、良好なアークスタート
が行われた回数の全アークスタート回数に対する割合を
アークスタート成功率とした。なお当然のことながら、
溶接電流が流れ始めた後アークがはい上ってアーク切れ
が生じた場合にはスタート性は悪いと判定した。

第２図において曲線ａはランタン入りタングステンの電
極を用いた場合を示し、曲線ｂはセリウム入りタングス
テンの電極を用いた場合を示している。

第３図は酸化ランタンまたは酸化セリウムの含有量を変
えた場合の電極消耗量の変化を測定した結果を示したも
ので、第２図の実験において５００回のアークスタート
を行った時点での電極消耗量を測定したものである。第
３図において曲線ａはランタン入りタングステンの電極
を用いた場合を示し、曲線ｂはセリウム入りタングステ
ンの電極を用いた場合を示している。この場合も各電極
の径は１．０mmφとした。

第２図の結果から、ランタン入りタングステン及びセリ
ウム入りタングステンのいずれを用いる場合でも、酸化
ランタンまたは酸化セリウムの含有量を０．５％以上と
すれば８０％以上のアークスタート成功率を得ることが
できることが分る。また酸化ランタンまたは酸化セリウ
ムの含有量が０．５％以下の範囲では含有量のばらつき
によりアークスタートの成功率が大幅に変化するため実
用上問題があり、この範囲は避ける必要がある。これに
対し酸化ランタンまたは酸化セリウムの含有量を０．５
％以上とすれば含有量が多少ばらついてもアークスター
ト成功率は殆ど変化しない。従ってランタンまたはセリ
ウムを含む酸化物の量は０．５％以上とするのが適当で
ある。

また第３図の結果から、酸化ランタンまたは酸化セリウ
ムの量が２％以下の範囲では電極の消耗量がほぼ一定で
あるが２％を超えると急に電極消耗量が増加することが
分る。このことから、酸化ランタンまたは酸化セリウム
の含有量は２％以下におさえる必要があることが分る。

以上の結果から、酸化ランタンまたは酸化セリウムを
０．５乃至２％含有するタングウステン電極を用いるこ
とにより、アーク電圧を下げてしかもアークスタート成
功率を高くし、且つ電極の消耗量を少なくできることが
明らかになった。

次に溶接電流のパルス周波数の影響を調べるための実験
を行った。第４図は溶接電流を直流とした場合に第９図
に示すアーク特性を示す条件下で電流をパルス状に変化
させた場合のアーク電圧対電流特性をオシロスコープ上
に直接描いたリサージュ波形を示したもので、同図にお
いて実線はパルス周波数が１Hzの場合を示し、破線はパ
ルス周波数が５００Hzの場合を示している。この結果か
ら、溶接電流のパルス周波数が高くなると、直流または
１Hz程度の極低周波数の範囲で負特性を示していたアー
ク特性が正特性に変化することが分る。

また第５図はパルス周波数Ｆｐに対するアーク電圧の平
均値Ｅｍの変化を示したもので、同図において実線及び
破線はそれぞれ溶接電流の平均値が５Ａ及び１００Ａの
場合を示している。この結果から、溶接電流のパルス周
波数が１００Hz以上の範囲で平均アーク電圧Ｅｍをほぼ
一定にすることができ、しかも１００Hz未満の範囲に比
べてアーク電圧を低くすることができる。従って溶接電
流のパルス周波数は１００Hz以上に選定するのが適当で
ある。

上記のように、酸化ランタンまたは酸化セリウムを含有
するタングステンの電極を用いるとアーク電圧を低くし
て低入熱でしかも安定なアークで溶接を行うことがで
き、また溶接電流のパルス周波数を１００Hz以上に設定
することによってもアーク電圧を低くして低入熱で溶接
を行うことができるが、これらの双方を採用すると両者
の相乗効果により更に低入熱で安定したアークを得て良
好な溶接を行わせることができる。

従って本発明の方法では非消耗性電極として酸化ランタ
ンまたは酸化セリウムを０．５ないし２％含んだタング
ステン電極を用い、非消耗性電極及び母材間を通して１
００Hz以上の高い周波数のパルス電流を流して溶接を行
う。

第６図は本発明の実施例と従来例とを比較するための実
験の結果を示したもので、同図において曲線ａはトリウ
ム入りタングステンの電極を用いて溶接電流を直流とし
た従来例を示し、曲線ｃは酸化ランタンを１％含有する
ランタン入りタングステン電極を用いて溶接電流のパル
ス周波数を２０ＫHzとした本発明の実施例を示し、また
曲線ｄは酸化セリウムを１．０％含有するセリウム入り
タングステン電極を用いて溶接電流のパルス周波数を２
０ＫHzとした本発明の実施例を示している。また曲線ｂ
は参考例として、トリウム入りタングステンを用いて溶
接電流のパルス周波数を２０ＫHzとした場合を示してい
る。なおこの実験ではアーク長を１．０mmとし、電極先
端の径を１．６mm、電極先端の角度を２５度乃至３５度
とした。

第６図から明らかなように、本発明の方法によれば、従
来よりアーク電圧を大幅に低くして溶接入熱を低くする
ことができる。

また第６図の例において、トリウム入りタングステンの
電極を用いた従来例におけるアークＡの形態は第８図に
示す通りで、アークが広がる傾向にあるが、本発明の実
施例においては、第７図に示したようにアークの中心が
集中して高温の中心部Ａｃが形成されてこの中心部が電
極先端に集中していることが観察され、アークのふらつ
きが無く、安定したアークが得られることが明らかにな
った。

上記の説明ではＴＩＧ溶接の場合を例にとったが、トー
チの構造が異なる点を除きＴＩＧ溶接と殆ど同じ条件で
溶接が行われるプラズマ溶接にも本発明を適用すること
ができる。

［発明の効果］ 以上のように、本発明によれば、酸化ランタンまたは酸
化セリウムを０．５乃至２％含有するタングステン電極
を使用し、溶接電流を１００Hz以上の周波数のパルス電
流としたので、電極の材質による効果と周波数が高いパ
ルス電流の効果との相乗効果により、アーク電圧を下げ
てしかも安定なアークを持続させることができる。従っ
てアーク電圧を低くしてしかもビード幅が狭く溶込が深
い溶接を行うことができ、低入熱で良好な溶接結果を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は電極の材質を変えた場合のアーク特性を示す線
図、第２図は電極の材質に対するアークスタート成功率
の特性を示す線図、第３図は電極の材質と電極の消耗量
との関係を示す線図、第４図は溶接電流とアーク電圧と
の関係を示しリサージュ波形を示す線図、第５図はパル
ス周波数とアーク電圧の平均値との関係を示す線図、第
６図は本発明の実施例のアーク特性と従来例のアーク特
性とを比較して示した線図、第７図は本発明の方法によ
る場合のアークの形態を示す説明図、第８図は従来の方
法による場合のアークの形態を示す説明図、第９図はシ
ールドガスを変えた場合のアーク特性を示す線図、第１
０図は電極の先端角度を変えた場合のアーク特性を示す
線図、第１１図はパルス電流の波形を説明する説明図で
ある。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】非消耗性電極と母材との間にアークを生じ
   させて母材の溶接を行う非消耗性電極アーク溶接方法に
   おいて、 前記非消耗性電極として酸化ランタンまたは酸化セリウ
   ムを０．５ないし２％含んだタングステン電極を用い、 前記非消耗性電極及び母材間を通して１００Hz以上の周
   波数のパルス電流を流して溶接を行うことを特徴とする
   非消耗性電極アーク溶接方法。