JP2017042778A - 溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＧＭＡ溶接によって突合せ溶接における貫通溶接を達成することにより、溶接の作業効率向上を可能とする溶接方法を提供する。【解決手段】溶接方法は、第１母材５０および第２母材６０を準備する工程と、第１母材５０の第１端面と第２母材６０の第２端面とが対向するように、第１母材５０および第２母材６０を配置する工程と、第１端面と第２端面とが接合されるように第１母材５０と第２母材６０とをＧＭＡ溶接により溶接する工程と、を備える。第１母材５０と第２母材６０とを溶接する工程では、溶接ワイヤ１５が溶融領域１２に取り囲まれる領域にまで侵入した状態でアーク１１が形成されることで、溶融領域１２が第１母材５０および第２母材６０を厚み方向に貫通するように形成される。【選択図】図３

Description

本発明は溶接方法に関するものである。

一対の母材の端面同士が対向するように配置された状態で端面同士が接合されるように溶接される突合せ溶接においては、溶接による溶融領域が母材を厚み方向に貫通するように形成されることで（貫通溶接）、溶接の作業効率を向上させることができる。貫通溶接の達成には、サブマージアーク溶接の採用が有効である。サブマージアーク溶接を採用した突合せ溶接において、溶接部の品質向上等を達成するための方策が提案されている（たとえば、特許文献１および２参照）。

特開２０１０−２２１２９８号公報 特開２００７−２６０６９２号公報

しかし、サブマージアーク溶接においては、粒状のフラックスを溶接部に供給する必要がある。そのため、サブマージアーク溶接においては、溶接の姿勢が制限される。また、サブマージアーク溶接においては、溶接装置が大型化する傾向にある。

サブマージアーク溶接は、貫通溶接の達成が容易である反面、上記のようなデメリットも存在する。そこで、本発明は、ＧＭＡ（Ｇａｓ Ｍｅｔａｌ Ａｒｃ）溶接によって突合せ溶接における貫通溶接を達成することにより、溶接の作業効率向上を可能とする溶接方法を提供することを目的とする。

本発明に従った溶接方法は、第１母材および第２母材を準備する工程と、第１母材の第１端面と第２母材の第２端面とが対向するように、第１母材および第２母材を配置する工程と、第１端面と第２端面とが接合されるように第１母材と第２母材とを溶接する工程と、を備える。第１母材と第２母材とを溶接する工程では、溶接ワイヤと第１母材および第２母材との間にアークが形成され、アークの熱により第１母材および第２母材に溶融領域が形成されることで第１母材と第２母材とが溶接される。第１母材と第２母材とを溶接する工程では、溶接ワイヤが溶融領域に取り囲まれる領域にまで侵入した状態でアークが形成されることで、溶融領域が第１母材および第２母材を厚み方向に貫通するように形成される。

本発明者らは、ＧＭＡ溶接により貫通溶接を達成する方策について検討を行った。その結果、溶接ワイヤが溶融領域に取り囲まれる領域にまで侵入した状態でアークが形成される状態（埋もれアーク状態）を維持しつつ溶接を実施することにより、貫通溶接を達成可能であることを見出した。

本発明の溶接方法においては、溶接ワイヤが溶融領域に取り囲まれる領域にまで侵入した状態でアークが形成されることで、溶融領域が第１母材および第２母材を厚み方向に貫通するように形成される。そのため、本発明の溶接方法によれば、ＧＭＡ溶接によって突合せ溶接における貫通溶接を達成することにより、溶接の作業効率を向上させることができる。

上記溶接方法においては、第１母材と第２母材とを溶接する工程において、溶接ワイヤの送給速度は３０ｍ／ｍｉｎ以上であってもよい。このようにすることにより、埋もれアーク状態を維持することが容易となる。なお、溶接ワイヤの送給速度が６０ｍ／ｍｉｎを超えると、溶摘の移行状態がローテーティング移行となるおそれがある。その結果、溶け込みが浅くなり、貫通溶接の達成が難しくなるおそれがある。そのため、溶接ワイヤの送給速度は６０ｍ／ｍｉｎ以下としてもよい。また、溶け込みが浅くなることをより確実に回避する観点から、溶接ワイヤの送給速度は５０ｍ／ｍｉｎ以下としてもよい。

上記溶接方法において、第１母材および第２母材を準備する工程では、厚みが１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下の第１母材および第２母材が準備されてもよい。ＧＭＡ溶接による貫通溶接の達成は、厚み１０ｍｍ以上の母材において、作業効率向上の観点から特に有効である。一方、母材の厚みが３０ｍｍを超えると、貫通溶接の達成が難しくなるおそれがある。そのため、第１母材および第２母材の厚みは１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下とされてもよい。

上記溶接方法において、第１母材と第２母材とを溶接する工程では、開先の形成されていない第１母材と第２母材とが溶接されてもよい。

本発明の溶接方法によれば、開先の形成されていない母材の溶接も可能である。開先が形成された場合、溶接時に開先が形成された領域を充填する必要がある。そのため、たとえば溶接部に供給される溶加材の量が増える等の理由により母材の歪みが大きくなるおそれがある。本発明の溶接方法により開先の形成されていない母材を溶接することにより、このような問題の発生を抑制することができる。

上記溶接方法において、第１母材と第２母材とを溶接する工程では、１００Ａの電流増加に対する電圧低下が１０Ｖ以上４０Ｖ以下の状態で第１母材と第２母材とが溶接されてもよい。

溶接時において電源の外部特性（出力特性）をこのように設定することにより、埋もれアーク状態を維持することが容易となる。これは、以下のような理由によるものと考えられる。上記電圧低下が１０Ｖ未満の場合、外乱要因によるアーク長の変動に対して電圧の変動が小さく、電流が大きく変動する。その結果、溶融領域が大きく搖動して、埋もれアークの状態を維持することが難しくなる。上記電圧低下を１０Ｖ以上とすることにより、溶融領域の搖動が抑制され、埋もれアーク状態を維持することが容易となる。

また、外乱要因によってアーク長が短くなった場合、電流値が増加して溶接ワイヤの溶融速度が増大し、アーク長が長くなる。一方、外乱要因によってアーク長が長くなった場合、電流値が減少して溶接ワイヤの溶融速度が低下し、アーク長が短くなる（アーク長の自己制御作用）。上記電圧低下が４０Ｖを超える場合、外乱要因によるアーク長の変動に対して電流の変動が小さいため、上記アーク長の自己制御作用が小さくなる。その結果、埋もれアークの状態を維持することが難しくなる。上記電圧低下を４０Ｖ以下とすることにより、上記アーク長の自己制御作用が維持され、埋もれアーク状態を維持することが容易となる。

上記溶接方法において、上記電圧低下は１５Ｖ以上であってもよい。このようにすることにより、溶融領域の搖動がより抑制され、埋もれアーク状態を維持することが一層容易となる。

上記溶接方法において、上記電圧低下は２５Ｖ以下であってもよい。このようにすることにより、アーク長の自己制御作用がより確実に維持され、埋もれアーク状態を維持することが一層容易となる。

上記溶接方法において、上記溶接ワイヤはソリッドワイヤであってもよい。本発明の溶接方法では、ソリッドワイヤの採用は好適である。

上記溶接方法において、溶接ワイヤの直径は１．２ｍｍ以上１．６ｍｍ以下であってもよい。これにより、溶接時に埋もれアーク状態を維持することが容易となる。

以上の説明から明らかなように、本発明の溶接方法によれば、ＧＭＡ溶接によって突合せ溶接における貫通溶接を達成することにより、溶接の作業効率向上を可能とする溶接方法を提供することができる。

溶接の手順の概略を示すフローチャートである。 実施の形態１における溶接方法を説明するための概略図である。 実施の形態１における溶接方法を説明するための概略図である。 実施の形態２における溶接方法を説明するための概略図である。 実施の形態２における溶接方法を説明するための概略図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
まず、実施の形態１における溶接方法について説明する。図１を参照して、実施の形態１の溶接方法においては、まず工程（Ｓ１０）として母材準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、溶接により接合されるべき一対の母材が準備される。具体的には、図２を参照して、第１母材５０および第２母材６０が準備される。第１母材５０および第２母材６０は、たとえば軟鋼、機械構造用炭素鋼、機械構造用合金鋼などの鋼からなる鋼板である。鋼板の厚みは、たとえば１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。

次に、工程（Ｓ２０）として母材配置工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、図２を参照して、工程（Ｓ１０）において準備された第１母材５０および第２母材６０が溶接装置１００にセットされる。溶接装置１００は、トーチ１９と、電源３０と、ワイヤ送給装置２９とを備えている。トーチ１９は、コンタクトチップ１７と、コンタクトチップ１７を取り囲む中空円筒形状を有するノズル１８とを含む。コンタクトチップ１７は、銅合金などの導電性を有する材料（金属）からなっている。コンタクトチップ１７は、溶加材である溶接ワイヤ１５に接触しつつ、溶接ワイヤ１５を案内する。すなわち、溶接ワイヤ１５とコンタクトチップ１７とは電気的に接続されている。溶接ワイヤ１５は、消耗電極として機能する。本実施の形態において、溶接ワイヤ１５はソリッドワイヤである。溶接ワイヤ１５の直径は、たとえば１．２ｍｍ以上１．６ｍｍ以下である。

ノズル１８は、コンタクトチップ１７との間にシールドガスを流す流路を形成する。溶接ワイヤ１５は、ノズル１８の中央軸を含む領域に位置する。ワイヤ送給装置２９は、溶接ワイヤ１５をノズル１８内へと送給する。電源３０は、配線３４を介してコンタクトチップ１７に電気的に接続されている。電源３０は、配線６４を介して第２母材６０に電気的に接続される。

第１母材５０は、一方の主表面５２と、他方の主表面５３と、第１端面５１とを有する。第２母材６０は、一方の主表面６２と、他方の主表面６３と、第２端面６１とを有する。第１端面５１と第２端面６１とが対向するように、第１母材５０および第２母材６０は配置される。第１端面５１と第２端面６１とが接触するように、第１母材５０および第２母材６０は配置される。第１母材５０および第２母材６０には開先は形成されていない。すなわち、第１端面５１と第２端面６１とは、厚み方向の全域にわたって平行となっている。

次に、工程（Ｓ３０）として溶接工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、工程（Ｓ２０）において配置された第１母材５０と第２母材６０とがＧＭＡ溶接により溶接される。具体的には、図３を参照して、ワイヤ送給装置２９により溶接ワイヤ１５が送給されつつ、電源３０により第１母材５０および第２母材６０と溶接ワイヤ１５との間に電圧が印加されると、溶接ワイヤ１５と第１母材５０および第２母材６０との間にアーク１１が形成される。このとき、たとえば炭酸ガス等のシールドガスがノズル１８内に供給されて、コンタクトチップ１７とノズル１８の内周面との間の空間を流れる。そして、ノズル１８の出口からシールドガスが矢印Ｇに沿って吐出され、アーク１１と外気とが遮断される。このようにして形成されたアーク１１の熱により第１母材および第２母材に溶融領域１２が形成される。

このとき、溶接ワイヤ１５が溶融領域１２に取り囲まれる領域にまで侵入した状態（埋もれアーク状態）でアーク１１が形成されることで、溶融領域１２が第１母材５０および第２母材６０を厚み方向に貫通するように形成される。すなわち、第１母材５０の一方の主表面５２および第２母材６０の一方の主表面６２の側から侵入した溶接ワイヤ１５の先端１５Ａが溶融領域１２に取り囲まれる領域内に位置する状態で、アーク１１が形成される。溶融領域１２は、第１母材５０の他方の主表面５３および第２母材６０の他方の主表面６３において露出する。

第１母材５０および第２母材６０に対してトーチ１９が相対的に移動することにより、溶融領域１２が形成される領域が移動する。先に形成された溶融領域１２は、温度の低下に伴って凝固する。溶接されるべき領域（第１端面５１と第２端面６１とが対向する領域）の延在方向に沿って溶融領域１２が順次形成され、形成された溶融領域１２が凝固することにより、本実施の形態における第１母材５０と第２母材６０との溶接が完了する。

本実施の形態の溶接方法では、工程（Ｓ３０）において、溶接ワイヤ１５が溶融領域１２に取り囲まれる領域にまで侵入した状態でアーク１１が形成されることで、溶融領域１２が第１母材５０および第２母材６０を厚み方向に貫通するように形成される。そのため、本実施の形態の溶接方法によれば、ＧＭＡ溶接によって突合せ溶接における貫通溶接を達成することにより、溶接の作業効率を向上させることができる。

上記工程（Ｓ３０）において、溶接ワイヤの送給速度は３０ｍ／ｍｉｎ以上とすることが好ましい。これにより、埋もれアーク状態を維持することが容易となる。

上記工程（Ｓ３０）において、１００Ａの電流増加に対する電圧低下が１０Ｖ以上４０Ｖ以下の状態で第１母材５０と第２母材６０とが溶接されることが好ましい。電源３０の外部特性（出力特性）をこのように設定することにより、埋もれアーク状態を維持することが容易となる。上記電圧低下は１５Ｖ以上とすることが好ましい。また、上記電圧低下は２５Ｖ以下とすることが好ましい。

（実施の形態２）
次に、本発明の他の実施の形態である実施の形態２における溶接方法について説明する。実施の形態２の溶接方法は、基本的には上記実施の形態１の場合と同様に実施され、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２の溶接方法は、母材の端面の形状において実施の形態１の場合とは異なっている。

図４を参照して、実施の形態２における溶接方法においては、工程（Ｓ１０）において、開先７０が形成された第１母材５０および第２母材６０が準備される。開先７０は、第１母材５０および第２母材６０の一方の主表面５２，６２側に形成される。開先７０は、第１端面５１と一方の主表面５２とが接続される第１母材５０の角部、および第２端面６１と一方の主表面６２とが接続される第２母材６０の角部を除去するように形成される。そのため、工程（Ｓ２０）において、第１端面５１と第２端面６１とが対向するように第１母材５０および第２母材６０が配置されると、開先７０に対応する領域において、一方の主表面５２，６２に近づくにしたがって第１母材５０と第２母材６０との間隔が広がる。

そして、工程（Ｓ３０）では、図５を参照して、開先７０が形成された状態で第１母材５０と第２母材６０とが溶接される。このとき、開先７０に対応する領域は、溶接によって充填される。すなわち、開先７０が形成されない上記実施の形態１の場合に比べて、溶融領域１２に供給される溶加材としての溶接ワイヤ１５の量が多くなる。

このように、開先７０を形成しておくことにより、工程（Ｓ３０）において貫通溶接を達成することが容易となる。そのため、厚みの大きい第１母材５０および第２母材６０が溶接される場合に、本実施の形態の溶接方法は好適である。

本発明の溶接方法により、ＧＭＡ溶接によって突合せ溶接における貫通溶接を達成可能であることを確認する実験を行った。具体的な実験方法は以下の通りである。

まず、母材として、厚みの異なる複数の鋼板を準備した。次に、図２を参照して、上記実施の形態１の場合と同様に、開先を形成することなく２枚の鋼板の端面同士が接触するように、同一の厚みの鋼板を溶接装置１００にセットした。そして、溶接速度一定の条件の下で、埋もれアーク状態を維持しつつ溶接ワイヤの送給速度を変化させ、貫通溶接が実現可能な鋼板の厚み（貫通溶接可能な板厚）を調査した。電流値、電圧値およびワイヤ突出し長さは、各ワイヤ送給速度において埋もれアーク状態を維持するために適した値に調整した。また、電源３０の外部特性である１００Ａの電流増加に対する電圧低下は、１０〜２０Ｖまたは２０Ｖに設定した。溶接ワイヤ１５としては、直径１．２ｍｍのソリッドワイヤを採用した。実験の条件および結果を表１に示す。

表１には、種々のワイヤ送給速度において埋もれアーク状態を維持することで貫通溶接可能であることが確認された鋼板の厚みが示されている。なお、表１において外部特性値が負の値となっているのは、１００Ａの電流増加に対して電圧が低下する状態であることを意味する。たとえば、外部特性値が−２０Ｖである状態とは、１００Ａの溶接電流の増加に対して電圧が２０Ｖ低下することを意味する。

表１を参照して、ワイヤ送給速度に合わせて電流値および電圧値等を調整することで埋もれアーク状態を維持し、貫通溶接が達成できることが確認される。また、ワイヤ送給速度を上昇させることで、貫通可能な板厚（母材の厚み）が大きくなっている。１０ｍｍ以上の厚みの鋼板において貫通溶接を達成するためには、ワイヤ送給速度は３０ｍ／ｍｉｎ以上とすることが好ましいといえる。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって規定され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の溶接方法は、作業効率の向上が求められる溶接に、特に有利に適用され得る。

１１ アーク、１２ 溶融領域、１５ 溶接ワイヤ、１５Ａ 先端、１７ コンタクトチップ、１８ ノズル、１９ トーチ、２９ ワイヤ送給装置、３０ 電源、３４ 配線、５０ 第１母材、５１ 第１端面、５２，５３ 主表面、６０ 第２母材、６１ 第２端面、６２，６３ 主表面、６３ 配線、７０ 開先、１００ 溶接装置。

Claims (9)

1. 第１母材および第２母材を準備する工程と、
   前記第１母材の第１端面と前記第２母材の第２端面とが対向するように、前記第１母材および前記第２母材を配置する工程と、
   前記第１端面と前記第２端面とが接合されるように前記第１母材と前記第２母材とをＧＭＡ溶接により溶接する工程と、を備え、
   前記第１母材と前記第２母材とを溶接する工程では、溶接ワイヤと前記第１母材および前記第２母材との間にアークが形成され、前記アークの熱により前記第１母材および前記第２母材に溶融領域が形成されることで前記第１母材と前記第２母材とが溶接され、
   前記第１母材と前記第２母材とを溶接する工程では、前記溶接ワイヤが前記溶融領域に取り囲まれる領域にまで侵入した状態で前記アークが形成されることで、前記溶融領域が前記第１母材および前記第２母材を厚み方向に貫通するように形成される、溶接方法。
2. 前記第１母材と前記第２母材とを溶接する工程において、前記溶接ワイヤの送給速度は３０ｍ／ｍｉｎ以上である、請求項１に記載の溶接方法。
3. 前記第１母材および前記第２母材を準備する工程では、厚みが１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下の前記第１母材および前記第２母材が準備される、請求項１または２に記載の溶接方法。
4. 前記第１母材と前記第２母材とを溶接する工程では、開先の形成されていない前記第１母材と前記第２母材とが溶接される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の溶接方法。
5. 前記第１母材と前記第２母材とを溶接する工程では、１００Ａの電流増加に対する電圧低下が１０Ｖ以上４０Ｖ以下の状態で前記第１母材と前記第２母材とが溶接される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の溶接方法。
6. 前記電圧低下は１５Ｖ以上である、請求項５に記載の溶接方法。
7. 前記電圧低下は２５Ｖ以下である、請求項５または６に記載の溶接方法。
8. 前記溶接ワイヤはソリッドワイヤである、請求項１〜７のいずれか１項に記載の溶接方法。
9. 前記溶接ワイヤの直径は１．２ｍｍ以上１．６ｍｍ以下である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の溶接方法。

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