JP5124765B2 - 電磁力を用いた溶接方法及び溶接装置 - Google Patents
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Description
溶接電極2の先端から被溶接材(以下、母材という)8へアーク9が発生し、溶融池10を形成している。溶接電極2は、TIG溶接のように非消耗性電極でもよいし、MAG溶接のように消耗電極でもよいが、ここではTIG溶接の例を図示している。溶接電極2は、通常、シールドノズルによりシールドされているが、一般的な構造であるので、シールドノズルは図示していない。添加ワイヤ4は、ワイヤ送給装置11により連続的に送給されている。鉄芯7は、先端が2つに分かれており、図中の左側極を7a、右側極を7bとする。
溶接電極2、添加ワイヤ4及び磁極7は、しかるべき固定装置で相対位置を固定されており、相対位置を一定に保って母材上を移動できる機構の上に搭載されている。
磁極7は、適宜の形状に成型されており、溶接電極2と添加ワイヤの適正な配置の邪魔にならないように配置され、溶接作業に適した通常の幾何学的配置としている。
磁極7a,7bの先端には、車輪機構15が設置されており、これらの磁極と母材のわずかな隙間を一定に保ちながら,滑らかに移動できる構造としている。磁極は、一定の高さを保つように、エアーシリンダーなどの駆動機構(図示略)で母材面に押し付けられている。なお、センサで一定距離を検知し、隙間を制御してもよい。
図3において、磁化電流の非対称率20Drは、Dr=tp/(tp+tn)と定義しており、この時間比に応じて正極の電流21と負極の電流22が流れている。ここで、tp間の正極電流20、tn間の負極電流21を時間平均すると、認められる直流成分Iav=Ic・(tp−tn)/(tp+tn)を直流成分23Iavとする。
このような磁化電流が磁化コイルに流れると、この電流波形に略対応した磁場が磁極先端より溶融池近傍に形成され、アークや溶融池内の電流との相互作用により電磁力(ローレンツ力)がアーク及び溶融池内に発生する。
図1に示すアーク溶接装置を用い、母材として板厚3mmのSUS304、トーチマイナスの極性である(マイナス極性ということは集電装置を意味する)。溶接条件は、TIG溶接のアーク電流155A、溶接速度12cm/分、ワイヤ極性プラス、ワイヤ送給速度1.4m/分、ワイヤ加熱電流60A、磁化電流はピーク電流0.5A、周波数5Hz、非対称率Dr=0.75で、下向姿勢で裏波溶接を行った。その結果を以下に示す。
一例としてTIG溶接で電極2が負の極性に接続されている場合は、添加ワイヤ4を正の極性に接続する(給電装置に該当する)。これによりアークと添加ワイヤ間にマクロな視野で見ると一方向電流16Idが形成される。これに対し、非対称交流磁化電流26Idrを磁化コイル6に通電すると、対向磁極間には図2で示した磁化電流波形にほぼ比例した非対称交流磁場が発生する。この磁場と一方向電流16Idの相互作用により図4(溶融池部の拡大図)に示すような溶融金属を上方向に駆動する電磁力13Fuが発生する時間が長く、溶融金属を下方向に駆動する電磁力14Fdが発生する時間が短い非対称な変動電磁力(ローレンツ力)が発生する。
これらの電磁力により溶融金属は板厚方向に(図4では上下方向)強制振動させられるが、図2の左側磁極7aの正極時の時間24tpを負極時の時間25tnより長くすると、時間平均的には上方向の電磁力13Fuが優勢となり、溶融金属全体は、上下に振動しながら上方向に押し上げられる。
アークに注目すると、直交する磁束12は、同様に時間的に変動しているので、図4では、アークを左側に駆動するする電磁力30Flと右側に駆動する電磁力31Frが交互に発生し、アークを溶接線方向へ左右に偏向させる。この結果、時間平均的に見るとアークは溶接線方向に引き伸ばされた分布となるが、磁化電流の時間比に応じて右に偏った分布となる作用が発生する。
磁場を付与しない通常溶接では、図5(A)に示すように、アーク9は前後左右対称の釣鐘状をしており、アークの足9Aは広がっている。これに対し、非対称交流磁場を付与した場合、溶接線方向から観察すると図5(B)に示すように、アーク9Bの足が細くなり、9Aに対し略1/2〜2/3程度に緊縮している。
この現象と、溶接線と直行する方向から観察したアーク現象から判断して、本発明は、アーク9は溶接線方向に長く、溶接幅方向に狭くなる効果が発生していると判断できる。 この熱源形状改善効果は、アーク溶接プロセスにおいて、ビード幅の低減、これに伴う溶落ちの防止や、アーク圧力の分散などによる高速溶接の可能化など好ましい効果を期待できる。
図6(A)は、前記の溶接条件例で磁場を付与しない実験条件における溶接部の断面マクロ写真である。このような溶接条件ではビード上面に溶接欠陥の一種である幅広いアンダーカット40が形成され、裏波ビード幅やビード高さも過大となっており、産業上許容されない溶接結果となる。
一方、本発明では、図6(B)に示すように、全般的にビード幅が低減するとともに、ビード上面にも適正な余盛が形成され、裏面には裏波が形成されており、形状欠陥のない良好な継手が得られている。そして、本実施例では、表ビード幅は磁場を付与した場合20%低減し、裏波ビード幅は35%も低減している。このような溶接ビード幅が低減する効果は、熱源形状の改善効果によるものと考えられる。
電磁力が正の期間、溶融金属は、上方に強制流動させられて上方に凸の形状となり、電磁力が負の期間、溶融金属は、下方に強制流動させられて下方に凸の形状となるが、重力と下方に向かう電磁力で溶落ちしない程度の条件としている。本実施例では、正の方向に非対称な磁化電流を付与しているので、正の電磁力の期間が長く、時間平均的には上方に流動する電磁力が優勢となっている。
これを繰り返しながら凝固が進んでゆくので、図6(B)に示すように上方に押し上げられるよう制御されたビード形状が形成され、アンダーカットは解消し、大幅なビード改善効果が認められる。
電磁力振動がない場合は、アーク通過後よりボンド部41(図中の点線で示す)より凝固が開始され、溶融池中央に向かって凝固が進み、図6(A)に示すように細長く粗大化した柱状晶42Aが生成される。なお、図中には参考として粗大化した結晶の輪郭例を示してある。また、溶接部中央では粗大化した結晶同士が直線的に会合しており、割れには至っていないもののミクロ的な欠陥が発生しやすく、靭性、高温クリープ強度、使用中の脆化など金属学の観点からは好ましい状態ではない。
これに対し、本発明の溶接部である図6(B)では、磁場条件を除いて全く同じ条件で溶接しているが、継手部では全般的に凝固結晶は微細化傾向が強く認められ、図6(B)の比較的大きな柱状晶42Bでも従来法に比べ1/3〜1/4程度までに大幅に微細化されている。また、溶接ビード中央部では小さい等軸晶状の結晶が多数発生している。
これにより、ミクロボイドの低減、偏析の低減、凝固割れ感受性の高い材料での割れ防止、溶接金属の異方性の低減など多くの効果が期待できる。
このことから、微細化効果の観点でもこれまでの磁気攪拌(溶融池面内での回転)にはない板厚方向の反転流動という新しい作用が発生している。また、溶融池自身の持つ固有振動数近傍に磁場周波数を付与することにより、板厚方向振動では振幅を拡大させることができ、従来の面内回転より振動効果を得やすい特徴がある。
図7(A)に、本発明者らの特許文献1に係わる直流磁界を用いて、同様な溶接を行った結果を示す。これによって、表ビード形状の改善効果は得られるが、裏波ビードの形成が不安定になりやすい課題があった。図7(A)の実験では、磁化電流を連続的に変化させて溶接した場合に、急激な裏波ビード幅が不安定部で局所的に増減し(図7A中の破線部内)、場合によっては裏波ビードが消失し融合不良欠陥が発生するなどの問題が生じている。
一方、本発明の実施例である図7(B)は、同様な磁化電流の変化に対し、滑らかに追従しており、外乱に対する安定性が極めて良好である。この原因として、本発明では板厚方向電磁力で高温溶融金属を強制的に下方に流動させるため、溶込みの貫通力を増大させる作用が生じ、裏面側の安定溶融効果を発現させていると考えられる。また、溶接線方向に長く分布する熱源形態も好ましい影響を与えており、板厚方向の電磁力と熱源形態の複合効果で、外乱に対する裏波ビード安定化効果が大きく向上している。
電磁力による強制流動効果により偏析が防止されるとともに、結晶微細化効果により凝固結晶数が増加するため、P、Sなどの低融点不純物やMoなどの偏析しやすい物質が微細化された小結晶間に分散され、ビードの最終凝固部(多くは溶接ビードの中央部)に濃化しにくくなり、凝固割れの防止が可能となる。
電磁力による上下振動により、溶湯に過飽和に吸収されているガス成分が強制的にパージされ、ブローホール防止などの効果が認められた。特に、上方向に振動時にはガスの浮力による上昇を加速するため、従来の磁気攪拌法よりも脱ガス効果は顕著である。
非対称交流は、図3のような時間比率調整以外に、磁化電流のピーク値を正極時と負極時に変えることによっても、同様な効果が得られことを確認した。
13Fu:溶融金属を上方向に駆動する電磁力、14Fn:溶融金属を下方向に駆動する電磁力、15:車輪機構、16Id:一方向電流、20Dr:磁化電流の非対称率、21:正極時の電流、22:負極時の電流、23Iav:時間平均時の直流成分、24tp:正極時の時間、25tn:負極時の時間、26IDr:非対称交流磁化電流、30Fl:アークを左に駆動する電磁力、31Fr:アークを右に駆動する電磁力、40:アンダーカット欠陥、41:溶接部のボンドライン、42A:粗大化した柱状晶、42B:微細化した柱状晶、50:通電チップ
Claims (9)
- 下向き姿勢または上向姿勢溶接において、被溶接材に対向してエネルギ束を投入または照射して被溶接材に溶融池を形成し、前記溶融池に添加されるワイヤを介して加熱電流を溶融池に通電し、母材が形成する面に平行かつ溶接線に交差させる方向の直流磁界成分を含み正側の時間と負側の時間とが異なるまたは正側のピーク値と負側のピーク値が異なる非対称交流として変動する磁界を付与することを特徴とする溶接方法。
- 下向き姿勢または上向姿勢溶接において、被溶接材に対向してエネルギ束を投入して溶融池を形成し、前記溶融池に添加されるワイヤを介して加熱電流を溶融池に通電し、前記溶融池内に方向性の強い電流を形成させるとともに、直流磁界成分を含み正側の時間と負側の時間とが異なるまたは正側のピーク値と負側のピーク値が異なる非対称交流として変動する磁界を被溶接材面と略平行かつ前記溶融池内の電流またはエネルギ束と交差させる方向で付与することにより、前記溶融池内に電磁力を発生させることを特徴とする溶接方法。
- 被溶接材と磁極とを一定間隔に保ち、かつ溶融池と磁極とを一定距離に保つ請求項1〜2のいずれかに記載の溶接方法。
- 直流成分磁界により発生する一方向電磁力で溶融金属を流動制御する請求項1〜3のいずれかに記載の溶接方法。
- 下向き姿勢または上向姿勢溶接において、アークが母材に向かう方向と略直交する方向に直流成分を含み正側の時間と負側の時間とが異なるまたは正側のピーク値と負側のピーク値が異なる非対称交流として変動する磁界を付与し、電磁力でアークを溶接線方向に振動および/または偏向させることを特徴とするアーク溶接方法。
- 電磁力でアークを時間平均的に熱源が溶接線方向に長く分布し、溶接線と直行する方向に狭く分布するように偏平化させる請求項5に記載のアーク溶接方法。
- アークが被溶接材に向かう方向と略直交する方向で正側の時間と負側の時間とが異なるまたは正側のピーク値と負側のピーク値が異なる非対称交流として変動する磁場を付与し、前記アークと溶融金属を同時に電磁力駆動する請求項1〜6のいずれかに記載のアーク溶接方法。
- 下向き姿勢または上向姿勢溶接における被溶接材に対向してアークを発生させて溶融池を形成するアーク溶接装置において、正側の時間と負側の時間とが異なるまたは正側のピーク値と負側のピーク値が異なる非対称交流として変動する磁化電源と前記溶融池の近傍に対向磁極を備え、前記正側の時間と負側の時間とが異なるまたは正側のピーク値と負側のピーク値が異なる非対称交流として変動する磁化電源から供給された正側の時間と負側の時間とが異なるまたは正側のピーク値と負側のピーク値が異なる非対称交流として変動する電流により前記対向磁極からから発生させた磁束を前記アークおよび/または溶融池内を流れる電流と交差させる方向で作用させるようにしたことを特徴とするアーク溶接装置。
- 下向き姿勢または上向姿勢溶接において、アークまたはコロナ放電などの放電機構および/または溶融池近傍に直接通電する機構を有し、溶融池に電流を供給しながら被溶接材にレーザビームを照射して溶融池を形成するレーザ溶接装置において、直流成分を含む正側の時間と負側の時間とが異なるまたは正側のピーク値と負側のピーク値が異なる非対称交流として変動する磁化電源と前記溶融池の近傍に対向磁極を備え、前記正側の時間と負側の時間とが異なるまたは正側のピーク値と負側のピーク値が異なる非対称交流として変動する磁化電源から供給された正側の時間と負側の時間とが異なるまたは正側のピーク値と負側のピーク値が異なる非対称交流として変動する電流により前記対向磁極からから発生させた磁束を前記放電または前記溶融池内の電流に交差させる方向で作用させるようにしたことを特徴とするレーザ溶接装置。
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