JP4803355B2 - 消耗電極式ガスシールドアーク溶接法およびこれに用いられる溶接トーチ - Google Patents

Description

この発明は、消耗電極式ガスシールドアーク溶接（以下、ＧＭＡ（Gas Shielded Metal Arc）溶接と言う）法とこの溶接法に用いられる溶接トーチに関し、溶接金属中の溶存酸素量を極めて低く抑えることができるようにしたものである。

ＧＭＡ溶接にあっては、ＧＴＡ（Gas Shielded Tangsten Arc Welding）溶接に比べて溶着速度が高いという利点があるが、アークの安定性を保つため、酸素や二酸化炭素などの酸化性ガスとアルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスの混合ガス、もしくは二酸化炭素のみをシールドガスとして用いることから、溶接金属中の溶存酸素濃度が高いと言う問題がある。溶存酸素濃度は、溶接金属のじん性と深く関係し、溶存酸素濃度が高いと、じん性が低くなる問題がある。

一般的なＧＭＡ溶接では、溶接金属中の溶存酸素濃度は、最も低いものでも１５０ｐｐｍ以上の値を示す。
このような溶存酸素濃度が高い理由は、シールドガス中に含まれている酸化性ガス中の酸素原子が溶接時に高温となっている消耗電極先端、溶滴および溶融池に持ち込まれるためと考えられている。

このような問題を解決する提案として、特公昭６１−１０２５５号公報には、不活性ガスと活性ガスとからなるアーク安定化ガスと称するガスをアークのうち特に消耗電極先端、つまりはアーク中心部に向けて局所的に供給し、不活性ガスからなるシールドガスを溶融池に向けて供給するＧＭＡ溶接法が提案されている。

また、特公平７−３６９５８号公報には、二重ノズルを有する溶接トーチを用い、スパッタ低減等を目的とし、内側ノズルを取り囲む環状流路とした外ノズルには二酸化炭素を流し、内ノズルには不活性ガスまたは不活性ガスと少量の活性ガスとの混合ガスを流すＧＭＡ溶接法が開示されている。
しかしながら、二重ノズルを用いて、内側流路に不活性ガスからなるシールドガス、外側の環状流路に添加ガスを供給してアークを安定させるためには、大量の添加ガスを供給する必要があり、その結果、溶融池へも大量の酸素が混入することとなり、溶存酸素濃度の低減は図ることができない。

これら先行発明の溶接法にあっても、溶接金属中の溶存酸素濃度を１００ｐｐｍ以下とすることは困難であることが、本出願人によって確かめられている。
特公昭６１−１０２５５号公報 特公平７−３６９５８号公報

よって、本発明における課題は、ＧＭＡ溶接法によって鋼材を溶接する際に、溶接金属中の溶存酸素濃度を１３０ｐｐｍ以下、好ましくは１００ｐｐｍ以下にすることができ、かつアークのふらつきやアーク長の変動がなくアークの安定性も維持しつつ、良好なビード形成が得られるようにすることにある。

かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、不活性ガスからなるシールドガスを消耗電極に向けて供給し、酸化性ガスと不活性ガスとの混合ガスからなる添加ガスを溶融池外縁に向けて供給することを特徴とする消耗電極式ガスシールドアーク溶接法である。

請求項２にかかる発明は、シールドガスを消耗電極の先端部付近に向けて供給することを特徴とする請求項１記載の消耗電極式ガスシールドアーク溶接法である。
請求項３にかかる発明は、酸化性ガスが酸素であって、これを２〜１０ｖｏｌ％含む添加ガスを用いることを特徴とする請求項１記載の消耗電極式ガスシールドガアーク溶接法である。

請求項４にかかる発明は、酸化性ガスが二酸化炭素であって、これを４〜２０ｖｏｌ％含む添加ガスを用いることを特徴とする請求項１記載の消耗電極式ガスシールドガアーク溶接法である。
請求項５にかかる発明は、酸化性ガスが、酸素と二酸化炭素とであり、二酸化炭素濃度に酸素濃度を２倍した濃度の合計が４〜２０ｖｏｌ％とした添加ガスを用いることを特徴とする請求項１記載の消耗電極式ガスシールドアーク溶接法である。

請求項６にかかる発明は、ケースと、このケース内に設けられたチップボデイと、このチップボデイの先端に取り付けられたチップと、このチップを囲むノズルを有し、
ケースとチップボデイとの間に空隙が形成され、この空隙の先端部がシールドガスの噴射口とされ、ケースの先端部で、かつノズルの内側に複数の添加ガスの噴射孔が放射状に設けられたことを特徴とする消耗電極式ガスシールドアーク溶接用溶接トーチである。

本発明によれば、溶接時において、陽極となる消耗電極付近には酸素が殆ど存在しない領域となり、アーク付近のガス中の酸素分圧も極めて低いものとなる。このため、最も高温で酸素が溶け込み易いと思われる消耗電極先端、溶滴および溶融池中心付近の酸素分圧を低く保つことができる。また、添加ガスは、主にアークの外側を流れ、溶融池の外縁に至るため、陰極点の安定に寄与するところが大きく、アークが安定化する。

これにより、ＧＭＡ溶接において、溶接金属中の溶存酸素濃度を極めて低く抑えることでき、１３０ｐｐｍ以下、好ましくは１００ｐｐｍ以下とすることができる。また、アークが安定し、良好なビード形成が可能となる。

さらに、大気からのシールド効果が不十分であると、内部欠陥など溶接品質の劣化原因である窒素が溶接金属中に混入するが、本発明では溶存窒素濃度についても８０ｐｐｍ以下、好ましくは６０ｐｐｍ以下とすることができ、大気からのシールド効果も十分に発揮することができる。

図１および図２は、本発明の溶接トーチの一例を示すものである。図１は図２における破線方向を示す縦断面図である。
これらの図において、符号１は、ケースを示す。このケース１は、中空の円筒状の金属製の部材である。このケース１内には、空隙２を介してチップボデイ３が収容されてトーチ本体に取り付けられている。

空隙２は、後述するシールドガスが流れるシールドガス流路２となっており、その間隔は、１．５ｍｍ程度とされている。
チップボデイ３は、円棒状の金属部材であって、その先端にはチップ４が中心軸を同じくして着脱可能に取り付けられている。チップ４は、やはり円棒状の金属部材であって、その先端に向けて徐々に縮径され、先細りの形状となっている。

チップボデイ３およびチップ４の中心軸には、これらを連続して貫通する細径の通路が形成されており、この通路には、消耗電極となるワイヤ５が送り出し可能に挿通されている。このワイヤ５の先端からアークが母材６に向けて飛ぶようになっている。

このワイヤ５は、図示しない送出リールから送り出され、チップボデイ３、チップ４内の通路を通り、所定の送給速度で連続的に送り出されるようになっている。

また、ケース１の先端部付近には、添加ガス用のガス通路７が形成されている。このガス通路７は、ケース１の外周の一部を削り取って周状の凹溝を形成することによって作られている。
この円筒状のガス通路７は、その下部において添加ガスが噴射される４個の噴射孔８、８・・に連通している。

これらの噴射孔８は、円柱状の貫通孔であって、ケース１の先端面に放射状に均等に間隔を介して形成されており、その軸線がチップ４の先端部に向くように傾斜して形成されている。この例では、図１にあるように、噴射孔８の軸線と水平線とが交差する角度θが６３〜６９度となっている。

また、ケース１の先端には、ノズル９が取り付けられている。このノズル９は、外観が円筒状の金属製の部材であって、チップ４を取り囲むとともに、その先端側が徐々に縮径し、先細りの形状となっている。
さらに、ノズル９の基端側には、２本の添加ガス供給パイプ１０、１０が接続されている。

これらの添加ガス供給パイプ１０、１０には、後述する添加ガスが送られ、この添加ガスがガス通路７を通り、４個の噴射孔８、８・・から噴射されるようになっている。
また、ケース１とチップボデイ３との間のシールドガス流路２の先端部分は、ワイヤ５に対して同心とされた円筒状となったシールドガスの噴射口１１となっている。また、ノズル９の先端部は、チップ４の先端部よりも下方にまで延び、チップ４の先端部がノズル９の先端部で隠れるようになっている。

次に、この溶接トーチを使用したＧＭＡ溶接法について説明する。
溶接トーチのシールドガス流路２にアルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスからなるシールドガスを流し、噴射口１１から噴出させる。
これと同時に、供給パイプ１０、１０から添加ガスを流し、ガス通路７を経て、４個の噴射孔８、８・・から噴射させる。

添加ガスには、酸素、二酸化炭素などの酸素原子を含む酸化性ガスとアルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスとからなる混合ガスが用いられる。酸化性ガスが酸素の場合には、混合ガス中の濃度が２〜１０ｖｏｌ％とされ、より好ましくは３〜７ｖｏｌ％であり、２ｖｏｌ％未満ではアークの安定性が得られず、１０ｖｏｌ％を越えると溶接金属中の酸素濃度が高くなり、不具合を来す。
酸化性ガスが二酸化炭素の場合には、混合ガス中の濃度が ４〜２０ｖｏｌ％とされ、より好ましくは６〜１４ｖｏｌ％であり、４ｖｏｌ％未満ではやはりアークが安定せず、２０ｖｏｌ％を越えると溶接金属中の酸素濃度が高くなる。
さらに、酸化性がすとして酸素と二酸化炭素との混合ガスを用いる場合には。２倍した酸素濃度と二酸化炭素濃度との合計が４〜２０ｖｏｌ％とされ、４ｖｏｌ％未満ではやはりアークが安定せず、２０ｖｏｌ％を越えると溶接金属中の酸素濃度が高くなる。

シールドガスの流量は、一般的に用いられる流量でよく、概ね１５〜３０ｌ／分の範囲が好ましい。１５ｌ／分未満ではシールド不良となり不適である。３０ｌ／分を超えるとシールドガスの流れの乱れが大きくなり、大気を巻き込む原因となる。

また、添加ガスの流量は、添加ガス中の酸化性ガス濃度やシールドガス流量に合わせて適宜調整されるべきであるが、概略１〜１０ｌ／分の範囲とされ、１ｌ／分未満では添加ガスの効果が十分に発揮されず、流量制御もやや困難に成り易く、１０ｌ／分を超えると添加ガスの動圧が高くなりすぎ、ビード形状不良を引起したり、シールド状態を乱すなどの理由で不適となる。ひとつの指標としては、（添加ガス流量）÷（シールドガス流量＋添加ガス流量）≦０．３となる範囲のシールドガス流量と添加ガス流量が好ましい。

シールドガスと添加ガスの好適な流量は、相互に影響しあい、また添加ガス中の酸化性ガスの添加量にも影響される。例えば、添加ガス中の酸化性ガスの添加量が大きくなると、添加ガス流量は少量でもよい。
また、添加ガスの噴射孔８の開口断面積によっても影響を受け、ある程度大きな開口断面積を持たせて、添加ガスが拡がって流れ出すようにすることも必要になる。

添加ガスの噴射孔８の角度は、ノズル９の形状にも影響される。ノズル９の先端が図１に示すよう以上に縮径している場合には、噴射角度を９０度に近い角度としても、添加ガスはノズル９の内壁に沿って流れるため、結果として溶融池の外縁へ向かうことになる。この場合、噴射孔に角度を持たせた場合と同様な効果を得ることができる。

図３は、本発明におけるトーチ内のガス中に含まれる酸素ガスの濃度分布を示すシミュレーション図であり、シールドガス流量２０ｌ／分、添加ガス組成アルゴン―7％酸素、添加ガス流量３ｌ／分での結果を示している。
消耗電極とアークが存在しているトーチの中央部のガス中は酸素ガス濃度が低く抑えられており、溶融池外縁と接する外側に近いガス中に酸素ガスが多く含まれることが明確である。本発明ではさまざまな条件でシミュレーションを実施しており、添加ガス組成やシールドガスと添加ガスの好適な流量、また添加ガスの噴射孔８などについても最適なものを選定している。

ついで、ワイヤ５を４５００〜１５０００ｍｍ／分の送給速度で送り出し、同時に直流１５〜４０Ｖの電圧をワイヤ５と母材６との間に印加し、ワイヤ５からアークを飛ばして溶接を行う。
母材６としては、一般の鋼材が用いられ、炭素鋼、低炭素鋼、ステンレス鋼などが用いられる。また、ワイヤ５としては、直径１．０〜１．６ｍｍ程度のソリッドワイヤなどが用いられる。

このようにして溶接トーチからシールドガスと添加ガスとを流すことにより、図４に模式的に示すようなガスの流れが生じる。
ノズル内は、噴射口１１から噴射されたシールドガスＡにより満たされており、シールドガスＡは、チップ、陽極となるワイヤ５を包むように流れている。

４個の噴射孔８、８・・から流入した添加ガスＢは、チップと陽極となるワイヤ５およびアークＥを包むように流れるシールドガスＡの流れに影響されて、アークＥの外側を母材６に向けて流れる。この添加ガスＢに含まれている少量の酸化性ガスがシールドガスの外側付近に存在して流れ、陰極点が形成されている溶融池の外縁に至る。これにより、チップ４の先端からワイヤ５の先端までの領域Ｃは、ほとんど酸素が存在しない空間になる。

そして、ワイヤ５が溶融して生じた溶滴Ｄにも酸素が含まれることがなく、この状態でアークＥ中を滴下し、母材６に溶融池を形成する。従って溶融池をなす金属にも酸素が含まれない状態となる。
一方、領域Ｆで示す溶融池外縁のみに供給された酸化性ガスにより陰極点の安定化が図られる。これにより、溶接金属中の溶存酸素濃度を１３０ｐｐｍ以下と極めて低い値とすることができると同時に、アークの安定を保つことが可能となる。

以下、具体例を示す。
図１および図２に示した溶接トーチを用い、低炭素鋼ＳＭ４９０Ａ（厚さ１２ｍｍ）を母材６とし、ワイヤ５（ＹＧＷ１５径１．２ｍｍ）を消耗電極としてＧＭＡ溶接を行った。母材中の酸素濃度は１９ｐｐｍ、窒素濃度は５４ｐｐｍで、ワイヤ中の酸素濃度は３１ｐｐｍ、窒素濃度は３３ｐｐｍであった。

溶接トーチにおけるシールドガスの噴射口１１の間隔は１．５ｍｍ、角度θは６６度、ノズル開口径は１８．５ｍｍ、チップ先端とノズル開口端との距離は４ｍｍ、添加ガスの噴射孔８は、その数が４個で、開口径が１．８ｍｍ、開口断面積が２．５５ｍｍ^２であり、放射状に配置した。

溶接条件は以下の通りとした。
溶接方法：ＧＭＡＷ
チップ母材間距離：１９ｍｍ
トーチ角度：鉛直
溶接姿勢：下向き
溶接長：１３０ｍｍ
継手形状：ビードオンプレート溶接
ワイヤ送給速度：１３５００ｍｍ／分（約３５０〜３８０Ａ）
設定電圧：スプレー化下限電圧＋１Ｖ
溶接速度：４５０ｍｍ／分

以上の条件下において、添加ガスの種類、添加ガス流量、シールドガス流量を変化させて、溶接時のアーク安定性、ビード外観、溶存酸素濃度、溶存窒素濃度について評価した。溶存酸素濃度は、１００ｐｐｍ以下を○、１００ｐｐｍより大きく１３０ｐｐｍ以下を△、１３０ｐｐｍより大きい場合×とした。溶存窒素濃度は、６０ｐｐｍ以下を○、６０ｐｐｍより大きく８０ｐｐｍ以下を△、８０ｐｐｍより大きい場合×とした。
結果を表１ないし表４に示す。

以上の結果から、溶接金属中の溶存酸素濃度を１３０ｐｐｍ以下とし、かつアークのふらつきやアーク長の変動がないアークの安定性が保たれるシールドガス、添加ガスの流量、酸化性ガスの添加量についての範囲が明らかになった。
なお、表１ないし５に記載された結果は、上記溶接条件、トーチの諸元に応じて変動するものである。

本発明の溶接トーチの一例の要部を示す縦断面図である。 本発明の溶接トーチの一例の要部を示す横断面図である。 本発明におけるトーチ内のガス中に含まれる酸素ガスの濃度分布を示すシミュレーション図である。 本発明におけるシールドガスおよび添加ガスの流れを示す模式図である。

符号の説明

１・・ケース、２・・空隙、３・・チップボデイ、４・・チップ、５・・ワイヤ、８・・噴射孔、１１・・噴射口

Claims (6)

1. 不活性ガスからなるシールドガスを消耗電極に向けて供給し、酸化性ガスと不活性ガスとの混合ガスからなる添加ガスを溶融池外縁に向けて供給することを特徴とする消耗電極式ガスシールドアーク溶接法。
2. シールドガスを消耗電極の先端部付近に向けて供給することを特徴とする請求項１記載の消耗電極式ガスシールドアーク溶接法。
3. 酸化性ガスが酸素であって、これを２〜１０ｖｏｌ％含む添加ガスを用いることを特徴とする請求項１記載の消耗電極式ガスシールドアーク溶接法。
4. 酸化性ガスが二酸化炭素であって、これを４〜２０ｖｏｌ％含む添加ガスを用いることを特徴とする請求項１記載の消耗電極式ガスシールドアーク溶接法。
5. 酸化性ガスが、酸素と二酸化炭素とであり、二酸化炭素濃度に酸素濃度を２倍した濃度の合計が４〜２０ｖｏｌ％とした添加ガスを用いることを特徴とする請求項１記載の消耗電極式ガスシールドアーク溶接法。
6. ケースと、このケース内に設けられたチップボデイと、このチップボデイの先端に取り付けられたチップと、このチップを囲むノズルを有し、
   ケースとチップボデイとの間に空隙が形成され、この空隙の先端部がシールドガスの噴射口とされ、ケースの先端部で、かつノズルの内側に複数の添加ガスの噴射孔が放射状に設けられたことを特徴とする消耗電極式ガスシールドアーク溶接用溶接トーチ。
   

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