JP2019147181A - パルスアーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ブローホールを低減することができるパルスアーク溶接方法を提供する。【解決手段】ワーク４０に対して溶接電極を相対的に移動させつつ、溶接電極にパルス電流を供給して溶接するパルスアーク溶接方法。溶接電極がメイン電極１３とサブ電極２３とを備える。サブ電極２３を、メイン電極１３の移動方向後ろ側に配置し、メイン電極１３によって形成された溶融池４１の上方においてメイン電極１３と共に移動させ、サブ電極２３に対し、メイン電極１３に供給する第１のパルス電流Ｐ１と非同期の第２のパルス電流Ｐ２を供給する。【選択図】図１

Description

本発明はパルスアーク溶接方法に関する。

消耗式又は非消耗式の溶接電極にパルス電流を供給するパルスアーク溶接方法が知られている。消耗式溶接電極の溶滴移行や溶融池の状態を制御することによって、例えばブローホールなどの溶接欠陥の発生を抑制することができる。
ところで、特許文献１などに開示されているように、１つの溶融池に対して２本の消耗式溶接電極を用いたアーク溶接方法が知られている。

特開２０１１−１４００７１号公報

発明者らは、パルスアーク溶接方法に関し、以下の問題点を見出した。
溶融池において、溶接電極直下近傍ではブローホールの原因となるガスが抜け易いが、溶接電極から遠ざかるとガスが抜け難くなるという問題があった。特に、溶融池における溶接電極の移動方向後ろ側では、表面近傍にトラップされていた気泡が抜け難く、ブローホールとして残留し易かった。ここで、特許文献１に開示されているように、単純に１つの溶融池に対して２本の溶接電極を用いても、ブローホールを充分に低減することができない。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであって、ブローホールを低減することができるパルスアーク溶接方法を提供するものである。

本発明の一態様に係るパルスアーク溶接方法は、
ワークに対して溶接電極を相対的に移動させつつ、前記溶接電極にパルス電流を供給して溶接するパルスアーク溶接方法であって、
前記溶接電極がメイン電極とサブ電極とを備え、
前記サブ電極を、前記メイン電極の移動方向後ろ側に配置し、前記メイン電極によって形成された溶融池の上方において前記メイン電極と共に移動させ、
前記サブ電極に対し、前記メイン電極に供給する第１のパルス電流と非同期の第２のパルス電流を供給するものである。

本発明の一態様に係るパルスアーク溶接方法では、サブ電極を、メイン電極の移動方向後ろ側に配置し、メイン電極によって形成された溶融池の上方においてメイン電極と共に移動させ、サブ電極に対し、メイン電極に供給する第１のパルス電流と非同期の第２のパルス電流を供給する。そのため、溶融池の後ろ側において、メイン電極とは異なるタイミングでサブ電極からアークを発生させ、表面近傍にトラップされていた気泡を破裂させることができる。その結果、溶融池からブローホールの原因となるガスが排出され、ブローホールを低減することができる。

前記メイン電極及び前記サブ電極が、いずれも消耗式溶接電極であってもよい。より確実にブローホールを低減することができる。
また、前記メイン電極が消耗式溶接電極であり、前記サブ電極が非消耗式溶接電極であっても、ブローホールを低減することができる。

前記ワークが、アルミニウム合金からなるダイカスト部材を含んでもよい。ダイカスト部材の場合、鋳造時に内部に水蒸気が残留し易く、溶接時にブローホールが発生し易いため、ブローホール低減の効果が大きい。

本発明により、ブローホールを低減することができるパルスアーク溶接方法を提供することができる。

第１の実施形態に係るパルスアーク溶接方法及びそれに用いるパルスアーク溶接装置の構成を示す模式図である。 電極ワイヤ１３に供給するパルス電流Ｐ１及び電極ワイヤ２３に供給するパルス電流Ｐ２の一例を示すタイミングチャートである。 比較例及び実施例に係る溶接試験片の模式的平面図である。 実施例において電極ワイヤ１３に供給したパルス電流Ｐ１及び電極ワイヤ２３に供給したパルス電流Ｐ２を示すタイミングチャートである。 溶接中の溶融池４１における気泡の発生状況を示すＸ線透過画像である。 図３に示した溶接試験片の断面Ａ、Ｂにおけるブローホールの発生状況を示すマクロ写真である。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（第１の実施形態）
＜パルスアーク溶接方法及びそれに用いるパルスアーク溶接装置＞
まず、図１を参照して、第１の実施形態に係るパルスアーク溶接方法及びそれに用いるパルスアーク溶接装置について説明する。図１は、第１の実施形態に係るパルスアーク溶接方法及びそれに用いるパルスアーク溶接装置の構成を示す模式図である。
なお、図１に示したパルスアーク溶接装置は、消耗式溶接電極を用いたＭＩＧ（Metal Inert Gas）溶接装置であるが、これに限定されるものではない。例えば、非消耗式溶接電極を用いたＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接装置などでもよい。

図１に示すように、第１の実施形態に係るパルスアーク溶接方法に用いるパルスアーク溶接装置は、メイントーチ１０、サブトーチ２０、電源装置３０を備えている。図１の例では、このパルスアーク溶接装置によってビードオンプレート溶接を行い、板状のワーク４０の上面に線状の溶接ビード４２を形成している。

ここで、ワーク４０は、特に限定されないが、例えばアルミニウム合金からなるダイカスト部材である。ダイカスト部材の場合、鋳造時に内部に水蒸気が残留し易く、溶接時にブローホールが発生し易い。
なお、当然のことながら、第１の実施形態に係るパルスアーク溶接方法は、ビードオンプレート溶接に限らず、継手溶接その他の溶接に適用することができる。

図１に示すように、メイントーチ１０は、電極ワイヤ（メイン電極）１３を挿通した円筒状のコンタクトチップ１２が円筒状のノズル１１に被覆された構造を有している。ここで、電極ワイヤ１３の先端部は、ノズル１１の先端から突出している。ノズル１１の内部にはアルゴンガスなどの不活性ガスが、ノズル１１の先端に向かって流れている。

また、電極ワイヤ１３は、コンタクトチップ１２に接触しながら、ワーク４０に向かって順次送り出される。コンタクトチップ１２は、例えば銅や銅合金からなり、電源装置３０に電気的に接続されている。そのため、電源装置３０からコンタクトチップ１２を介して電極ワイヤ１３にパルス電流（第１のパルス電流）Ｐ１が供給される。

電極ワイヤ１３にパルス電流Ｐ１が供給されると、アークが発生して電極ワイヤ１３の先端が溶融し、溶滴１３ａとなってワーク４０の上面に形成された溶融池４１に落下する。例えば、１パルス１ドロップ制御では、１回のパルス電流Ｐ１につき１個の溶滴１３ａを発生させる。メイントーチ１０から噴射されるアークによって、溶融池４１が形成される。
なお、上述の通り、電極ワイヤ１３は消耗式溶接電極であるが、電極ワイヤ１３に代えて非消耗式溶接電極のメイン電極を用いてもよい。

サブトーチ２０は、メイントーチ１０と同様の構成を有している。具体的には、図１に示すように、サブトーチ２０は、電極ワイヤ（サブ電極）２３を挿通した円筒状のコンタクトチップ２２が円筒状のノズル２１に被覆された構造を有している。ここで、電極ワイヤ２３の先端部は、ノズル２１の先端から突出している。ノズル２１の内部にはアルゴンガスなどの不活性ガスが、ノズル２１の先端に向かって流れている。

また、電極ワイヤ２３は、コンタクトチップ２２に接触しながら、ワーク４０に向かって順次送り出される。コンタクトチップ２２は、例えば銅や銅合金からなり、電源装置３０に電気的に接続されている。そのため、電源装置３０からコンタクトチップ２２を介して電極ワイヤ２３にパルス電流（第２のパルス電流）Ｐ２が供給される。

電極ワイヤ２３にパルス電流Ｐ２が供給されると、アークが発生して電極ワイヤ２３の先端が溶融し、溶滴２３ａとなってワーク４０の上面に形成された溶融池４１に落下する。例えば、１パルス１ドロップ制御では、１回のパルス電流Ｐ２につき１個の溶滴２３ａを発生させる。詳細には後述するように、サブトーチ２０から噴射されるアークによって、溶融池４１からブローホールの原因となるガスを排出することができる。
なお、上述の通り、電極ワイヤ２３は消耗式溶接電極であるが、電極ワイヤ２３に代えて非消耗式溶接電極のサブ電極を用いてもよい。

図１に示すように、サブトーチ２０は、図１に白抜き矢印で示したメイントーチ１０の移動方向後ろ側に配置されている。サブトーチ２０は、溶融池４１の上方においてメイントーチ１０と共に移動する。すなわち、溶融池４１も、メイントーチ１０及びサブトーチ２０と共に白抜き矢印方向に移動する。この際、溶融池４１の移動方向後端が順次凝固し、溶接ビード４２が形成される。このように、溶融池４１が白抜き矢印方向に移動するにつれて、溶接ビード４２が延伸する。
なお、メイントーチ１０及びサブトーチ２０が移動する代わりに、ワーク４０が移動してもよい。すなわち、メイントーチ１０及びサブトーチ２０は、ワーク４０に対して、相対的に移動すればよい。

図１に示すように、電源装置３０は、パルス電流制御部３１を備えている。パルス電流制御部３１は、メイントーチ１０の電極ワイヤ１３に供給するパルス電流Ｐ１を制御する。同様に、パルス電流制御部３１は、サブトーチ２０の電極ワイヤ２３に供給するパルス電流Ｐ２を制御する。ここで、電極ワイヤ１３、２３をいずれも電源装置３０の正極端子に接続し、ワーク４０を電源装置３０の負極端子に接続する。

図示されていないが、パルス電流制御部３１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算部と、各種制御プログラムやデータなどが格納されたＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）などの記憶部と、を備えている。
なお、電極ワイヤ１３、２３をいずれも電源装置３０の負極端子に接続し、ワーク４０を電源装置３０の正極端子に接続してもよい。

以下に、図２を参照して、パルス電流制御部３１によるパルス電流Ｐ１、Ｐ２の制御方法について説明する。図２は、電極ワイヤ１３に供給するパルス電流Ｐ１及び電極ワイヤ２３に供給するパルス電流Ｐ２の一例を示すタイミングチャートである。図２の横軸は時間、縦軸は電流を示している。図２に示すように、サブトーチ２０の電極ワイヤ２３に供給するパルス電流Ｐ２が、メイントーチ１０の電極ワイヤ１３に供給するパルス電流Ｐ１と非同期となるように、パルス電流制御部３１によって制御されている。

図２の例では、サブトーチ２０の電極ワイヤ２３が消耗式溶接電極であるため、パルス電流Ｐ２のパルス間隔は、パルス電流Ｐ１のパルス間隔よりも長くなっている。サブトーチ２０の電極が非消耗式であれば、パルス電流Ｐ２のパルス間隔が、パルス電流Ｐ１のパルス間隔以下であってもよい。但し、パルス電流Ｐ２のパルス間隔が短い程、消費電力を抑制することができる。
なお、図２に示したパルス電流Ｐ１、Ｐ２は、直流パルスであるが、交流パルスであってもよい。

サブトーチ２０は、上述の通り、メイントーチ１０の移動方向後ろ側（以下、単に「後ろ側」ともいう）に配置されている。そのため、凝固しようとしている溶融池４１の後ろ側で、メイントーチ１０とは異なるタイミングでサブトーチ２０からアークが発生し、溶滴２３ａが溶融池４１に落下する。その結果、溶融池４１の後ろ側において、表面に電流が流れて表面が揺動すると共に温度が上昇し、表面近傍にトラップされていた気泡が破裂する。

従って、サブトーチ２０を用いずにメイントーチ１０のみを用いた場合よりも、溶融池４１からブローホールの原因となるガスが排出され、ブローホールを低減することができる。従来のように、メイントーチ１０のみを用いた場合、溶融池４１の後ろ側において表面近傍にトラップされていた気泡が抜け難く、ブローホールとして残留し易かった。

以上に説明した通り、本実施形態に係るパルスアーク溶接方法では、サブトーチ２０をメイントーチ１０の移動方向後ろ側に配置し、メイントーチ１０によって形成された溶融池４１の上方においてメイントーチ１０と共に移動させる。そして、パルス電流Ｐ１と非同期であるパルス電流Ｐ２をサブトーチ２０に供給する。

そのため、溶融池４１の後ろ側において、メイントーチ１０とは異なるタイミングでサブトーチ２０からアークを発生させ、表面近傍にトラップされていた気泡を破裂させることができる。その結果、メイントーチ１０のみを用いた場合よりも、溶融池４１からブローホールの原因となるガスが排出され、ブローホールを低減することができる。

以下に、第１の実施形態に係るパルスアーク溶接方法について、比較例及び実施例を挙げて詳細に説明する。しかしながら、第１の実施形態に係るパルスアーク溶接方法は、以下の実施例のみに限定されるものではない。以下の説明においても、図１に示したパルスアーク溶接装置を適宜参照する。

＜試験条件＞
まず、比較例及び実施例に係る共通の試験条件について説明する。ここで、図３は、比較例及び実施例に係る溶接試験片の模式的平面図である。図３に示すように、比較例及び実施例において、図１に示したパルスアーク溶接装置を用いて、アルミニウム合金からなるダイカスト部材である板状のワーク４０の上面に線状の溶接ビード４２を形成した。Ｘ線透過観察を用いて、溶接中の溶融池４１における気泡の発生状況を録画して確認した。さらに、マクロ写真観察によって、図３に示した溶接試験片の断面Ａ、Ｂにおけるブローホールの発生状況を確認した。ここで、断面Ａ、Ｂの位置に特別な意味はなく、単に異なる２カ所においてマクロ写真観察を行った。

メイントーチ１０のノズル１１及びサブトーチ２０のノズル２１の直径は、いずれも１２ｍｍとした。メイントーチ１０のノズル１１及びサブトーチ２０の内部には、いずれも１５Ｌ／ｍｉｎのアルゴンガスを流した。
比較例及び実施例に係る溶接速度は、いずれも１０ｍｍ／ｓとした。

（比較例）
次に、比較例に係るパルスアーク溶接方法の試験条件について説明する。比較例では、図１に示したパルスアーク溶接装置において、サブトーチ２０を用いずにメイントーチ１０のみを用いて溶接した。

メイントーチ１０に供給するパルス電流Ｐ１としては、１パルス１ドロップに制御された直流の低周波重畳パルスを用いた。重畳する低周波の周波数は、７Ｈｚとした。電極ワイヤ１３の送り速度は、９．５ｍ／ｍｉｎ、平均溶接電流は、１５２Ａ、アーク電圧は、２３．２Ｖとした。

（実施例）
次に、実施例に係るパルスアーク溶接方法の試験条件について説明する。実施例では、図１に示したパルスアーク溶接装置において、メイントーチ１０及びサブトーチ２０の両方を用いて溶接した。

メイントーチ１０に供給するパルス電流Ｐ１としては、比較例と同様に、１パルス１ドロップに制御された直流の低周波重畳パルスを用いた。重畳する低周波の周波数も７Ｈｚとした。電極ワイヤ１３の送り速度は８．０ｍ／ｍｉｎ、平均溶接電流は１２７Ａ、アーク電圧は２２．１Ｖとした。

サブトーチ２０に供給するパルス電流Ｐ２としては、１パルス１ドロップに制御された直流の標準パルスを用いた。電極ワイヤ２３の送り速度は１．５ｍ／ｍｉｎ、平均溶接電流は２０Ａ、アーク電圧は１８．５Ｖとした。ここで、比較例の電極ワイヤ１３の送り速度９．５ｍ／ｍｉｎは、実施例の電極ワイヤ１３の送り速度８．０ｍ／ｍｉｎと電極ワイヤ２３の送り速度１．５ｍ／ｍｉｎとの合計に一致させた。

ここで、図４は、実施例において電極ワイヤ１３に供給したパルス電流Ｐ１及び電極ワイヤ２３に供給したパルス電流Ｐ２を示すタイミングチャートである。図４の横軸は時間（ｓ）、縦軸は電流（Ａ）を示している。図４に示すように、メイントーチ１０に供給したパルス電流Ｐ１は、弱区間と強区間とを有する直流の低周波重畳パルスである。低周波重畳パルスを用いることによって、アーク圧力が変動し、溶融池４１が揺動するため、気泡の排出が促進される。

図４に示すように、サブトーチ２０の電極ワイヤ２３に供給したパルス電流Ｐ２は、メイントーチ１０の電極ワイヤ１３に供給したパルス電流Ｐ１と非同期とした。パルス電流Ｐ１の周波数は、弱区間では１２４．０Ｈｚ、強区間では１５８．７Ｈｚであった。パルス電流Ｐ２は、２４．４Ｈｚであった。

＜試験結果＞
次に、図５、図６を参照して、比較例及び実施例に係る試験結果について説明する。図５は、溶接中の溶融池４１における気泡の発生状況を示すＸ線透過画像である。図６は、図３に示した溶接試験片の断面Ａ、Ｂにおけるブローホールの発生状況を示すマクロ写真である。図５に示すように、比較例に比べて実施例では、破線楕円によって囲まれた溶融池４１の表面近傍に発生した気泡が減少することを録画した動画によって確認することができた。また、図６に示すように、溶接試験片の断面Ａ、Ｂのいずれにおいても、比較例に比べて実施例では、ブローホールが減少した。

以上の通り、実施例では、溶融池４１の後ろ側において、メイントーチ１０とは異なるタイミングでサブトーチ２０からアークを発生させることによって、図５に示すように、比較例において表面近傍にトラップされていた気泡を破裂させることができた。そのため、溶融池４１からブローホールの原因となるガスが排出され、図６に示すように、ブローホールを低減することができたものと推察される。

なお、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１０ メイントーチ
１１ ノズル
１２ コンタクトチップ
１３ 電極ワイヤ
１３ａ 溶滴
２０ サブトーチ
２１ ノズル
２２ コンタクトチップ
２３ 電極ワイヤ
２３ａ 溶滴
３０ 電源装置
３１ パルス電流制御部
４０ ワーク
４１ 溶融池
４２ 溶接ビード
Ｐ１、Ｐ２ パルス電流

Claims (4)

1. ワークに対して溶接電極を相対的に移動させつつ、前記溶接電極にパルス電流を供給して溶接するパルスアーク溶接方法であって、
   前記溶接電極がメイン電極とサブ電極とを備え、
   前記サブ電極を、前記メイン電極の移動方向後ろ側に配置し、前記メイン電極によって形成された溶融池の上方において前記メイン電極と共に移動させ、
   前記サブ電極に対し、前記メイン電極に供給する第１のパルス電流と非同期の第２のパルス電流を供給する、
   パルスアーク溶接方法。
2. 前記メイン電極及び前記サブ電極が、いずれも消耗式溶接電極である、
   請求項１に記載のパルスアーク溶接方法。
3. 前記メイン電極が消耗式溶接電極であり、前記サブ電極が非消耗式溶接電極である、
   請求項１に記載のパルスアーク溶接方法。
4. 前記ワークが、アルミニウム合金からなるダイカスト部材を含む、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のパルスアーク溶接方法。