JP5017576B2 - 突き合わせtig溶接方法 - Google Patents
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自動車の軽量化を効果的に実現する方法は、ボディの材料を可能な限り鋼板から軽量金属に置換することである。
しかしながら、スポット溶接は、鋼板同士等、同種の金属(母材)を接合するうえでは好適であるが、この方法で鋼板とアルミニウム等の軽量金属を接合しようとすると、溶接部に金属間化合物が形成されるため、健全な溶接部が得られない。また、スポット溶接は、点で接合するため、接合部分を気密的または液密的に封止することができない。
なお、鋼板とアルミニウム等の軽量金属を重ねて面同士を接合する方法として各種の固相溶接が用いられているが、これらの方法は、鋼板とアルミニウム等の軽量金属を同一面上で突き合わせて溶接する方法には適用できない。また、例え適用可能であっても、接合部には脆い金属間化合物が形成される。
溶接施工能率の観点からも、鋼板とアルミニウム等の軽量金属を接合する方法として一般的に広く採用されているアーク溶接を適用することが望まれる。
杉山禎彦:TIG溶接法によるアルミニウムと軟鋼の接合についての検討,溶接学会誌,Vol.34(1965),No4,408-416
作業者が溶融池の観察に基づくトーチスイッチのON/OFF操作により溶接電流をパルス状に変化させる入熱制御方法により予備的に溶接を行ってパルス電流の基礎データを得る工程と、
溶接結果の不具合箇所について、対応するパルス電流の基礎データを修正して、溶接プログラムを得る工程と、
溶接プログラムに基づいて自動溶接を行いつつ、作業者が溶接条件を調整してパルス電流の変化データを再現する工程と、
を有することを特徴とする。
めっき鋼板10とアルミニウムまたはアルミニウム合金12は、図1中、紙面上下方向からそれぞれの端部を突き合わせた状態に配置する。そして、アルミニウムまたはアルミニウム合金側の図1中矢印Bの箇所に電極を位置してアークを発生して溶接をスタートする。なお、このとき、アルミニウムまたはアルミニウム合金12と密着するめっき鋼板10の端面部分のめっきはなくてもよい。
めっき鋼板10のめっきの種類は、特に限定するものではなく、例えば、亜鉛、すず等を用いることができる。また、鋼板の鋼種も特に限定するものではない。また、アルミニウム合金の種類も特に限定するものではなく、例えば、A5052等を用いることができる。
このとき、アーク発生時の電流である初期電流は、アークが不安定とならない電流とする。そして、アルミニウムまたはアルミニウム合金側母材の溶融直径が好ましくは溶加材直径の概ね2、3倍程度となったら、短いアーク長さを保ったまま、トーチを母材に対して垂直に近い状態に保ったまま、線L2上で移動させる。
溶加材の添加は溶接トーチを線L2上で移動しているときに行う。添加位置は、溶融池内の前方とする。そして、形成された溶融池が例えば溶融亜鉛めっき鋼板のめっき膜と融合したと同時に、溶接トーチを線L1方向へ移動させる。突き合わせ線Aと電極のアークを発生する位置(図1中、矢印Bで示す。)の距離(図1中、X2で示す。)は、5mm〜7mmであると、より好ましい。
これにより、アーク発生時にめっき膜の溶融剥離あるいは鋼板を溶融する不具合を避けることができる。距離X2が5mmよりも極端に短いと、めっき膜が溶融剥離しあるいは鋼板を溶融するおそれがある。一方、距離X2が7mmよりも極端に長いと、ビード幅の均一性が失われるとともに、アルミニウム側の溶接変形やコスト高を招くおそれがある。
なお、アルミニウム合金同士のTIG溶接の場合、距離X2は、通常、0mmである。
突き合わせ線Aと電極が移動する線L1との間隔(図1中、X1で示す。)は、2mm〜3mmとすることが好ましい。間隔X1が2mmよりも極端に小さいと、鋼板を溶融するおそれがある。特に、亜鉛めっき鋼板等のめっき鋼板の場合、鋼板自体が溶融しないときであってもめっきが溶融剥離するおそれがある。一方、間隔X1が3mmよりも極端に大きいと、めっき鋼板10とアルミニウムまたはアルミニウム合金12を確実に溶接できないおそれがある。
なお、アルミニウム合金同士のTIG溶接の場合、間隔X1は、通常、0mmである。
ここで、感覚的パルス電流制御溶接は、作業者が溶融池の観察に基づくトーチスイッチのON/OFF操作により溶接電流をパルス状に変化させるものであり、入熱制御方法のひとつとして提案されている。また、この方法に着目し、作業者が行う感覚的な電流変化データをプログラム化し、自動溶接によりプログラムを再現させるプログラム化TIG溶接法も提案されている。
ところが、作業者のトーチ操作が複雑となる、本実施の形態に係る突き合わせTIG溶接方法等の継ぎ手の溶接では、感覚的パルス電流制御溶接やプログラム化TIG溶接法をそのまま適用しても溶接を良好に行うことが難しい。
このため、本実施の形態に係る突き合わせTIG溶接方法は、予備的に感覚的パルス電流制御溶接を行って感覚的パルス電流制御溶接により得られるパルス電流の基礎データと溶接結果の関係を解析し、パルス電流の基礎データを修正して、プログラム化TIG溶接のための溶接プログラムを得る。そして、さらに、溶接プログラムに基づいてそのまま自動溶接を行うのではなく、溶接作業者の五感による優れたセンサリング機能に着目し、複雑に変化するプログラム化TIG溶接を作業者の溶接操作により的確に再現しながら溶接を行うものである。これを本発明者らはプログラム化協調溶接と呼ぶ。
このとき、溶接開始部における両母材が融合するまでの溶接操作は作業者の判断で行う。このため、プログラムによるパルス及びベース電流の出力開始には、例えば、作業者が両母材の融合確認後に行うトーチスイッチ操作信号を利用する。
プログラム化協調溶接の条件設定の一例について説明する。
図2は、溶接方法がビード形成に及ぼす影響について調べた結果である。図2A及び図2Bの溶接条件は、それぞれ一定の溶接電流90A及び感覚的パルス電流制御溶接によるベース電流50Aとパルス電流90Aであり、溶接速度はいずれも150mm/minとした。いずれの溶接の場合も、両母材が融合しあう溶融池を形成させた後、電極狙いを継手のルート部からアルミニウム板側に2mmずらした位置とし、溶接ワイヤを亜鉛めっき鋼板側溶融池に1856mm/minの速度で連続送給しながら溶接を行った。
図2Aの一定電流による溶接では、溶接が進むにつれてアルミニウム板側の溶融が進み、終端部では添加されるワイヤの金属量が不足し、図中、左端部に融合不良が発生した。これに対し、感覚的パルス電流制御で行った図2Bの溶接では、母材の溶融状態に合わせた適正な入熱制御が行われたことから溶接線全長で良好な融合が得られた。
そこで、図2Bの溶接で得られた溶接電流の変化データをPLC(プログラマブルロジックコントローラ)で再現するプログラム化溶接に加え、溶接作業者がトーチ操作及びワイヤ添加操作を行う協調溶接を行った。
作業者から抽出した溶接電流の変化及びこのデータを利用して協調溶接を行ったサンプルの表面の外観写真を図3Aに示す。また、このときの、パルス電流変化を図3Bに示す。図3B中、縦軸はパルス電流比(Ratio at pulse current time (%))であり、横軸は、上段が予熱からの経過時間であり、下段が溶接開始位置からの距離(Distance from welding origin)である。図3Aに示すように、溶接は始端から終端まで良好に行われていることがわかる。
溶融亜鉛めっき鋼板(t=3.2mm)とアルミニウム合金板(A5052 t=3mm)の突き合わせTIG溶接を行った。溶接は、入熱条件を精密に制御しながら行った。
図1中、突き合わせ線Aと電極のアークを発生する位置の距離X2を5mmとし、図1中、紙面右側のアルミニウム合金板の端部とアークを発生する位置Bの距離は溶接トーチをアルミニウム合金板始端付近まで戻さなくてよい位置とした。また、アルミニウム合金と電極の先端との距離は1mm〜2mmとした。
溶加材(A4043 Φ1mm)の添加は、1508mm/minの供給速度で行った。
溶接電流はベース電流55A、パルス電流100Aであり、溶接速度は150mm/minとした。
突き合わせ線Aと電極が移動する線(突き合わせ線Aと平行な線)L1の間隔は2mmとした。
なお、参考例として、突き合わせ線Aと電極のアークを発生する位置の距離X2を2mmとし、X1を1mmとした以外は実施例と同様の条件で溶接した。
溶接ビードの拡大写真を実施例について図4に、参考例について図5にそれぞれ示す。
実施例では良好なビードが形成されているが、参考例では、図中ビード右側端部および左側にめっき膜の溶融剥離に伴う融合不良が見られる。
Claims (1)
- めっき鋼板とアルミニウムまたはアルミニウム合金を突き合わせ、アルミニウムまたはアルミニウム合金側に電極を位置してアークを発生して溶接をスタートする工程と、めっき鋼板とアルミニウムまたはアルミニウム合金の突き合わせにより形成される突き合わせ線に近づく方向であってアルミニウムまたはアルミニウム合金側に電極を移動する工程と、突き合わせ線と平行に電極を移動して溶接する工程と、を有する突き合わせTIG溶接方法であって、
作業者が溶融池の観察に基づくトーチスイッチのON/OFF操作により溶接電流をパルス状に変化させる入熱制御方法により予備的に溶接を行ってパルス電流の基礎データを得る工程と、
溶接結果の不具合箇所について、対応するパルス電流の基礎データを修正して、溶接プログラムを得る工程と、
溶接プログラムに基づいて自動溶接を行いつつ、作業者が溶接条件を調整してパルス電流の変化データを再現する工程と、
を有することを特徴とする突き合わせTIG溶接方法。
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