JP2000280076A - チタン及びチタン合金のアーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 チタンをパルスＭＩＧ溶接によって作業能
率良く溶接するためには、第１に、ワンダリング現象の
発生を防止すること、第２に、溶接部の入熱の集中を避
けるために、アークの指向性を保ちつつ硬直性を緩和す
ること、第３に、溶接金属の酸化を防止すること。 【解決手段】 不活性ガスに微量の酸化性ガスを添加
したシールドガス及びチタン又はチタン合金の消耗電極
を使用してパルス溶接電流を通電して溶接するチタン及
びチタン合金のアーク溶接方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、不活性ガスをシー
ルドガスとしてチタン又はチタン合金の消耗電極を使用
してパルス溶接電流を通電して溶接するチタン及びチタ
ン合金のアーク溶接方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】チタン及びチタン合金は、軽量で耐食性
に優れかつ高温での性質が良好で比重に対する強度が大
であるので、軽量で強度を要求する航空機、船舶、車両
等の材料として、また耐食性を必要とする化学プラント
機器の材料として用途が急拡大しており、近年注目を集
めている材料の一つである。

【０００３】チタンは高温において酸素、窒素、水素等
に対して活性な金属であり、これらの元素と反応する
と、溶接部が硬化し靭性が低下する。チタン材料のアー
ク溶接方法として、従来から、不活性ガスでシールドし
て直流ＴＩＧ（タングステンイナートガス）溶接方法又
は直流ＭＩＧ（メタルイナートガス）溶接方法がある。
これらの従来の溶接方法は、通常、シールドガスにはヘ
リウム、アルゴン等の不活性ガスが使用されている。

【０００４】従来の溶接方法では、これらの不活性ガス
を使用しても、チタンは高温においてかなり活性になる
ために、高温の溶接金属を大気から完全に遮蔽すること
ができない。チタンの溶接部が大気によって汚染する
と、溶接部が着色し汚染の程度に応じて変色するので、
その着色した程度（変色）によつて汚染の程度を判別す
ることができる。

【０００５】図１は、ＪＩＳＺ３８０５が規定するチタ
ン溶接部の変色程度及びチタン溶接検定試験の合否判定
基準を示すチタン溶接部の変色程度・合否判定基準図で
ある。同図に示すように、溶接金属部に金属光沢が無く
なっているときは、かなりの不純物が混入しているとみ
なされる。不純物の混入のために延性が低下するので、
金属光沢が無くなっている溶接金属部は、上記のチタン
溶接検定試験に不合格となる。従って、チタン及びチタ
ン合金を溶接するときは、高温の溶接金属を大気から完
全に遮蔽する必要がある。

【０００６】図２は、従来技術のチタンミグ溶接方法説
明図である。同図において、１はアーク、２は溶滴、３
はチタン電極ワイヤ、４はノズル、５はグラスウール、
６は従来のシールドガス治具、７は溶融池、８は溶接ビ
ード、９はチタン被溶接材である。

【０００７】図３は、従来のシールドガス治具６の断面
図である。同図において、１１はシールドガス治具内の
ガス管であり、このガス管に数箇所の穴を開けてあり、
シールドガスが均一に溶接ビードを覆うように製作され
ている。前述した図２に示すように、ノズル４内にアー
クをシールドする純アルゴンを流すと共に、特殊なシー
ルドガス治具６にも溶接直後の高温の溶接ビードをシー
ルドする純アルゴンを流すことによって、溶接直後の溶
接ビードの温度を約３００℃以下まで低下させて溶接部
の酸化を防止する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】チタンの板厚５［mm］
以下の薄板になると、ＴＩＧ溶接以外の方法では、良好
な溶接結果を得ることが極めて困難である。しかし、こ
のＴＩＧ溶接方法は、ＭＩＧ溶接方法に比べ溶融速度が
遅いために作業能率が悪く、フィラをタングステン電極
の周辺から供給しなければならないために、溶接の自動
化も複雑になる。

【０００９】逆に、ＭＩＧ溶接方法がチタンの薄板溶接
に実用化されていない理由は、入熱が大きくなりすぎる
ために、溶け落ちが発生するからである。そこで、入熱
を抑えることのできるパルスＭＩＧ溶接方法の採用が提
案されている。しかし、提案されているパルスＭＩＧ溶
接方法では、アークの不安定現象が顕著に現れるため
に、その実用化した事例は報告されていない。

【００１０】この提案されているチタンのパルスＭＩＧ
溶接においてチタン被溶接材を陰極とし消耗電極を陽極
としているために、アークの不安定現象が発生する。そ
の理由は、アークは陰極点を維持するために、チタン被
溶接材の表面酸化皮膜が残存する位置に、アークが激し
く移動する（暴れる）ワンダリング（Wandering）現象
が生じるためであると考えられる。

【００１１】図４は、従来のチタンパルスミグ溶接方法
による溶接ビードの例であり、ワンダリング現象が生じ
た場合の溶接ビードを示すワンダリング現象発生溶接ビ
ード外観図である。同図において、８は溶接ビードであ
り、９はチタン被溶接材であり、１０は被溶接材表面に
付着したスパッタである。ワンダリング現象が現れる
と、同図に示すようなスパッタの多い蛇行した溶接ビー
ドになる。従って、チタンをパルスＭＩＧ溶接によって
作業能率良く溶接するためには、第１に、ワンダリング
現象の発生を防止すること、第２に、溶接部の入熱の集
中を避けるために、アークの指向性を保ちつつ硬直性を
緩和すること、第３に、溶接金属の酸化を防止すること
が課題となる。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１の溶接方法は、
不活性ガスに微量の酸化性ガスを添加したシールドガス
及びチタン又はチタン合金の消耗電極を使用してパルス
溶接電流を通電して溶接するチタン及びチタン合金のア
ーク溶接方法である。

【００１３】請求項２の溶接方法は、パルス溶接電源を
用い、パルス電流波形をパルスに同期した安定な溶滴移
行が得られ、かつワンダリング現象が抑えられた安定し
たビード形成が得られる勾配を持った台形波として消耗
電極に印加するアーク溶接方法である。

【００１４】請求項３の溶接方法は、請求項１のシール
ドガスがアルゴンガスに０.５［％］以上２.０［％］以
下の酸素を混合したガスであって、請求項１のパルス溶
接電流のベース電流からピーク電流への立ち上がり時及
びピーク電流からベース電流への立ち下がり時の勾配が
７０［Ａ／ms］以上３００［Ａ／ms］以下となる台形波
を用いるチタン及びチタン合金のアーク溶接方法であ
る。

【００１５】請求項４の溶接方法は、請求項１のシール
ドガスがアルゴンガスに１.０［％］以上５.０［％］以
下の炭酸ガスを混合したガスであって、請求項１のパル
ス溶接電流のベース電流からピーク電流への立ち上がり
時及びピーク電流からベース電流への立ち下がり時の勾
配が７０［Ａ／ms］以上３００［Ａ／ms］以下となる台
形波を用いるチタン及びチタン合金の溶接方法である。

【００１６】請求項５の溶接方法は、シールドガス治具
内にフラップを設けて溶融池の凝固界面近傍に純アルゴ
ンを噴出させる請求項１又は請求項２又は請求項３又は
請求項４のチタン及びチタン合金のアーク溶接方法であ
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態は、第１に、
不活性ガスを主成分とするシールドガス中に溶接金属に
悪影響を与えない程度に陰極点を安定化させるための酸
化性ガスを付加すること、第２に、入熱を制限する低電
流においてもアークを安定させ、アークの指向性を高め
るために、パルス溶接電流を通電すること、第３に、ア
ークの硬直性を緩和するために、パルスの立ち上がり及
び立ち下がりの勾配を急峻な矩形波ではなく、数［ms］
程度の時間経過後に立ち上がり及び立ち下がる台形波の
パルス電流を通電すること、第４に、溶接金属の酸化を
防ぐために溶融池近傍を純アルゴンでシールドすること
である。パルス溶接電源の波形制御機能によって数［m
s］程度の立ち上がり及び立ち下がる台形波電流を通電
して、ソフトなパルスアークを実現する。

【００１８】

【実施例】（実施例１）図５は、本発明の溶接方法を実
施したときのアークの状態を説明するアーク状態説明図
である。図同に記載したＳｕｐはベース電流Ｉｂからピ
ーク電流Ｉｐへの立ち上がりの勾配（立ち上がり勾配）
であり、Ｓｄｎはピーク電流Ｉｐからベース電流Ｉｂへ
の立ち下がり時の勾配（立ち下がり勾配）である。

【００１９】アルゴンとそれに混合する酸素との混合比
率及び各々のピーク電流の立ち上がり及び立ち下がり時
の勾配によって、アークの形状がどのように変化するか
を図示した混合比率電流勾配対応アーク形状図である。
同図において、１はアーク、２は溶滴、３はチタン電極
ワイヤ、４はノズル、７は溶融池、９はチタン被溶接
材、１３はスパッタを示す。

【００２０】シールドガスの酸素混合比率に注目して図
５の記載を参照すると、下記のとおりである。 （１）酸素混合比率が左列の０.５［％］未満である場
合は、アークのワンダリングが発生し、また酸素混合比
率が右列の２.０［％］を超えるとスパッタの発生、溶
接ビード表面の酸化等が著しくなり、溶接結果が良好で
ない。 （２）酸素混合比率が中央の列の０.５［％］以上２.０
［％］以下の場合は、スパッタの発生が比較的少なく、
またアークのワンダリングも抑えられている。

【００２１】さらに、上記の酸素混合比率が中央の列の
０.５［％］以上２.０［％］以下の場合であって、立ち
上がり及び立ち下がり時間に注目して図５の記載を参照
すると、下記のとおりである。立ち上がり勾配Ｓｕｐ及
び立ち下がり勾配Ｓｄｎが図５の３行の７０［Ａ／ms］
以上で３００［Ａ／ms］以下の条件のとき、アークが最
も安定してスプレー移行をさせることができ、スパッタ
発生も極めて少ない。

【００２２】図６は、本発明の溶接方法に適用するパル
ス溶接電流波形図である。同図において、Ｉｂはベース
電流、Ｉｐはピーク電流、Ｔｐはピーク時間、Ｓｕｐは
立ち上がり勾配、Ｓｄｎは立ち下がり勾配である。

【００２３】図７は、実施例１の酸素混合比率（横軸）
と立ち上がり勾配Ｓｕｐ及び立ち下がり勾配Ｓｄｎ（縦
軸）とを変化させたときに得られるアーク安定及び溶接
ビード良好の範囲を示す混合比率・電流勾配対応アーク
安定・溶接ビード良好範囲図である。同図において、横
軸に示す酸素混合比率が０.５［％］未満ではアークが
不安定となり、２.０［％］を越えると酸素が過大とな
って溶接ビード表面が酸化する。また、縦軸に示す立ち
上がり勾配Ｓｕｐ及び立ち下がり勾配Ｓｄｎが７０［Ａ
／ms］未満では平均実効電流値が低下するため、アーク
の電磁力による溶滴の離脱力が低下することによって、
ワイヤ先端の溶滴が成長しすぎて短絡を生じ、短絡が開
放される際にスパッタを生成する。また、３００［Ａ／
ms］を越えると平均実効電流値が増加して、アークの電
磁力やアーク圧力による溶滴の落下速度が大きくなり、
溶滴が溶融池に落下した時にスパッタを生じる。

【００２４】図８は、実施例１の立ち下がり勾配Ｓｄｎ
（横軸）と立ち上がり勾配Ｓｕｐ（縦軸）とを変化させ
たときに得られるアーク安定及び溶接ビード良好の範囲
を示す立ち上がり立ち下がり勾配対応アーク安定・溶接
ビード良好範囲図である。同図において、横軸に示す立
ち下がり勾配Ｓｄｎが７０［Ａ／ms］未満になると溶滴
移行が不安定になり、３００［Ａ／ms］を越えるとアー
ク力が過大となって溶融池からスパッタが発生する。ま
た、縦軸に示す立ち上がり勾配Ｓｕｐが７０［Ａ／ms］
未満では溶滴移行が不安定になり、３００［Ａ／ms］を
越えるとアーク力が過大となって溶融池からスパッタが
発生する。

【００２５】図９は、酸素混合比率（横軸）と従来技術
及び本発明で溶接して測定した溶接ビードの溶接ブロー
ホール個数（縦軸）との関係を示す混合比率対従来技術
・本発明ブローホール個数図である。同図において、点
線は従来技術で溶接して測定した溶接ビードの溶接ブロ
ーホール個数であり、実線は本発明の方法で溶接した溶
接ビードの溶接ブローホール個数である。従来技術では
点線で示すように、酸素混合比率が０.５［％］未満で
も溶接ブローホールが発生するが、本発明の方法で溶接
すると、酸素混合比率が２.０［％］になっても溶接ブ
ローホールの無い良好な溶接ビードが得られている。

【００２６】上記の図７及び図８に示した良好溶接ビー
ドが得られる条件においては、図９に示すように、従来
技術ではブローホールが発生して溶接不良が発生する
が、本発明の溶接方法では、従来技術と同様の酸素混合
比率のシールドガスを使用しても２.０［％］まではブ
ローホールの無い良好な溶接ビードが得られている。

【００２７】（実施例２）図１０は、実施例２の炭酸ガ
ス混合比率（横軸）と立ち上がり勾配Ｓｕｐ及び立ち下
がり勾配Ｓｄｎ（縦軸）とを変化させたときに得られる
アーク安定及び溶接ビード良好の範囲を示す混合比率・
電流勾配対応アーク安定・溶接ビード良好範囲図であ
る。

【００２８】実施例１では、シールドガスに添加する酸
化性ガスを酸素としたが、炭酸ガスであっても、同図に
示した範囲内で良好な溶接ビードを得ることができる。
同図において、横軸に示す炭酸ガス混合比率が１.０
［％］未満ではアークが不安定となり、また５.０
［％］を越えると酸素成分が過大となって溶接ビード表
面が酸化する。溶接部が過度に酸化すると、脆い金属組
織や金属化合物を生じるため、溶接強度に問題が生じ
る。また、縦軸に示す立ち上がり勾配Ｓｕｐ及び立ち下
がり勾配Ｓｄｎが７０［Ａ／ms］未満では短絡が生じて
スパッタが発生し、３００［Ａ／ms］を越えるとアーク
力が過大となって溶融池からスパッタが発生する。

【００２９】図１１は、実施例２の溶接方法を説明する
ための図である。同図において、図２と同一機能は図２
と同一符号を付して説明を省略する。図２に示した従来
のシールドガス治具６を使用して請求項１乃至請求項４
に適用すると、溶接トーチのノズル４から噴出する微量
の酸化性ガスが、溶融池７の近傍の酸化性ガスと反応す
る高温に達している高温度溶接金属７ａ上に流れ込むお
それがある。高温度溶接金属７ａ上に流れ込むと、高温
度溶接金属７ａと酸化性ガスとが反応し、図１に示した
着色を生じ、酸化の程度が進むと、図１２に示すような
溶接ビード外観となり溶接不良と判定されるおそれがあ
る。

【００３０】（実施例３）図１３は、請求項４のフラッ
プ付きシールドガス治具を使用した実施例３の溶接方法
を説明するための図である。同図において、図２と同一
機能は図２と同一符号を付して説明を省略する。請求項
５の実施例の溶接方法では、溶融池方向にシールドガス
を流すために、本発明に係るシールドガス治具１６にフ
ラップ１２が追加されている。

【００３１】図１４は、上記のフラップ付きシールドガ
ス治具を使用した実施例３の方法で溶接した溶接ビード
を示すフラップガス治具使用時の溶接ビード外観図であ
る。アークの陰極点を安定させるために混合した酸化性
ガスが、図１１に示した溶融池７に隣接した高温溶接金
属７ａにできる限り接触させないようにするために、シ
ールドガス治具６にフラップ１２を設けた本発明に係る
シールドガス治具１６を使用する。このフラップ１２に
よって、酸化性ガスはアーク直下の溶融池７のみと接触
し、高温溶接金属７ａに接触しなくなるので、高温溶接
金属７ａの酸化を最小限にすることができ、同図に示す
ような良好な溶接ビード外観が得られる。

【００３２】

【発明の効果】請求項１の溶接方法は、不活性ガスに微
量の酸化性ガスを添加したシールドガス及びチタン又は
チタン合金の消耗電極を使用して、パルス溶接電流を通
電して主として薄板を溶接すると、アークが表面酸化皮
膜か残存する位置に激しく移動するワンダリング現象を
防止してアークを安定させ、スパッタを減少させて良好
な溶接結果を能率良く得ることができる。

【００３３】請求項２の溶接方法は、不活性ガスに微量
の酸化性ガスを添加したシールドガス及びチタン又はチ
タン合金の消耗電極を使用して、パルス電流波形をパル
スに同期した安定な溶滴移行が得られ、かつワンダリン
グ現象が抑えられた安定したビード形成が得られる勾配
を持った台形波として消耗電極に印加させることによっ
て、チタン及びチタン合金の主に薄板溶接において良好
な溶接結果を能率良く得ることができる。

【００３４】請求項３の溶接方法は、アルゴンガスに
０.５［％］以上２.０［％］以下の酸素を混合したシー
ルドガス及びチタン又はチタン合金の消耗電極を使用し
て、ベース電流からピーク電流への立ち上がり時及びピ
ーク電流からベース電流への立ち下がり時の勾配が７０
［Ａ／ms］以上で３００［Ａ／ms］以下となる台形波パ
ルス溶接電流を通電してパルスアークを安定させたパル
スミグアークによって、チタン及びチタン合金の主に薄
板溶接において良好な溶接結果を能率良く得ることがで
きる。

【００３５】請求項４の溶接方法は、アルゴンガスに
１.０［％］以上５.０［％］以下の炭酸ガスを混合した
シールドガス及びチタン又はチタン合金の消耗電極を使
用して、ベース電流からピーク電流への立ち上がり時及
びピーク電流からベース電流への立ち下がり時の勾配が
７０［Ａ／ms］以上で３００［Ａ／ms］以下となる台形
波パルス溶接電流を通電してパルスアークを安定させた
パルスミグアークによって、チタン及びチタン合金の主
に薄板溶接において良好な溶接結果を能率良く得ること
ができる。

【００３６】請求項５の溶接方法は、請求項１の溶接方
法の効果に加えて、シールドガス治具内にフラップを設
けて溶融池の凝固界面近傍に純アルゴンを噴出させて、
請求項１の溶接方法よりもさらに良好な溶接ビード溶接
外観が得られるパルスミグアークによって、チタン及び
チタン合金の主に薄板溶接において溶接金属部に金属光
沢がある良好な溶接結果を能率良く得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＪＩＳＺ３８０５が規定するチタン溶接部の変
色程度と合否判定基準を示す図である。

【図２】従来のチタンミグ溶接方法説明図である。

【図３】従来のチタンミグ溶接方法のシールドガス治具
の断面図である。

【図４】従来のチタンパルスミグ溶接方法による溶接ビ
ード外観図である。

【図５】実施例１の溶接方法によるアークの状態を説明
する図である。

【図６】本発明の溶接方法に適用するパルス溶接電流波
形図である。

【図７】実施例１の溶接方法で良好な溶接ビードが得ら
れるパルス条件と酸素濃度を示す図である。

【図８】実施例１の立ち上がり立ち下がり勾配対応アー
ク安定・溶接ビード良好範囲図である。

【図９】実施例１の溶接方法で得た溶接ビードと従来の
方法で得た溶接ビードのブローホール個数を示す図であ
る。

【図１０】実施例２の溶接方法で良好な溶接ビードが得
られるパルス条件と酸素濃度を示す図である。

【図１１】実施例２の溶接方法を説明するための図であ
る。

【図１２】高温度溶接金属と酸化性ガスとが反応した溶
接ビード外観図である。

【図１３】実施例３の溶接方法を説明するための図であ
る。

【図１４】実施例３の溶接方法によるビード外観図であ
る。

【符号の説明】

１ アーク ２ 溶滴 ３ チタン電極ワイヤ ４ ノズル ５ グラスウール ６ 従来のシールドガス治具 ７ 溶融池 ７ａ 溶接金属 ８ 溶接ビード ９ チタン被溶接材 １０ 被溶接材に付着したスパッタ １１ シールドガス治具内のガス管 １２ フラップ １３ 溶接中のスパッタ １６ 本発明に係るシールドガス治具 Ｓｕｐ 立ち上がり勾配 Ｓｄｎ 立ち下がり勾配

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上山 智之 大阪市淀川区田川２丁目１番11号 株式会 社ダイヘン内 (72)発明者 大縄 登史男 大阪市淀川区田川２丁目１番11号 株式会 社ダイヘン内 (72)発明者 吉原 昇 大阪市淀川区田川２丁目１番11号 株式会 社ダイヘン内 Ｆターム(参考） 4E001 AA03 BB06 BB08 CB04 DB04 DD01 DD02 DD04 DD05 DD09 DE04 DF09 DG04 EA01 EA08

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 不活性ガスに微量の酸化性ガスを添加し
   たシールドガス及びチタン又はチタン合金の消耗電極を
   使用してパルス溶接電流を通電して溶接するチタン及び
   チタン合金のアーク溶接方法。
2. 【請求項２】 請求項１の溶接方法において、パルス溶
   接電源を用い、パルス電流波形をパルスに同期した安定
   な溶滴移行が得られ、かつワンダリング現象が抑えられ
   た安定したビード形成が得られる勾配を持った台形波と
   して消耗電極に印加するアーク溶接方法。
3. 【請求項３】 請求項１のシールドガスがアルゴンガス
   に０.５［％］以上２.０［％］以下の酸素を混合したガ
   スであって、請求項１のパルス溶接電流のベース電流か
   らピーク電流への立ち上がり時及びピーク電流からベー
   ス電流への立ち下がり時の勾配が７０［Ａ／ms］以上３
   ００［Ａ／ms］以下となる台形波を用いるチタン及びチ
   タン合金のアーク溶接方法。
4. 【請求項４】 請求項１のシールドガスがアルゴンガス
   に１.０［％］以上５.０［％］以下の炭酸ガスを混合し
   たガスであって、請求項１のパルス溶接電流のベース電
   流からピーク電流への立ち上がり時及びピーク電流から
   ベース電流への立ち下がり時の勾配が７０［Ａ／ms］以
   上で３００［Ａ／ms］以下となる台形波を用いるチタン
   及びチタン合金のアーク溶接方法。
5. 【請求項５】 シールドガス治具内にフラップを設けて
   溶融池の凝固界面近傍に純アルゴンを噴出させる請求項
   １又は請求項２又は請求項３又は請求項４のチタン及び
   チタン合金のアーク溶接方法。