JP6357204B2 - アークスタッド溶接に用いられるフラックス及びアークスタッド溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、フラックス（ignition flux）及び溶接方法に関するものであり、特に、アークスタッド溶接に用いられるフラックス及びアークスタッド溶接方法に係るものである。

アークスタッド溶接（arc stud welding）は、締結物（fastener）（例えば、ネジ或いはスタッド）の溶接部を金属品（例えば、金属シート或いは金属管）の溶接領域に接触して、電流を流すと、まず金属品から締結物を引き離し、締結物と金属品との間に電弧（electric arc）を発生させ、続いて締結物の溶接部及び金属品の溶接領域を溶融し、前記締結物の溶接部を前記金属品の溶接領域に押し込むように前記締結物に圧力を加えることである。

実際の操作では、一般的に、アークスタッド溶接設備を使用して接合プロセスを補助する。アークスタッド溶接設備は、溶接ガンによって前記締結物を保持し、アークスタッド溶接設備のスイッチをオンにすると電流が流れ、且つ、前記溶接ガンの押し引き機構によって金属品から締結物を引き離すと電弧が生じ、締結物の溶接部及び金属品の溶接領域を同時に溶融する。前記押し引き機構は所定の時間によって作動力を生じると、前記押し引き機構が前記金属品の溶融池に前記締結物を押し込み、最後に電源を切って電弧による熱が冷めると接合箇所を形成させる。前記アークスタッド溶接は効率が高い締結物を接合する方法であり、船、土木、建築、橋の建造などの工事や機械、化学、電力などの設備に広く使われている。

しかしながら、アークスタッド溶接は、大きな径を有する締結物に対して、その溶接部の中心に穴を開け、その穴に突起物（ignition tip）を嵌入しないと、電弧が生じにくく、接合プロセスを完成することができないという問題があった。また、突起物を嵌入しない場合には電弧が生じにくく、前記締結物及び前記金属品は溶融しにくいため、前記締結物と前記金属品を緊密に接合することができないという問題があった。但し、前記突起物を嵌入するには、時間と手間が非常に掛かり、且つ、コストも上がるため、溶接工程の効率は悪くなり、コストが増える問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するために、金属品に塗布することで、締結物に突起物を嵌入しなくても緊密に接合させることができるアークスタッド溶接に用いられるフラックスを提供する。

本発明は、前記フラックスを使用して締結物に突起物を嵌入しなくても緊密に接合させることができるアークスタッド溶接方法を提供する。

本発明に係るアークスタッド溶接に用いられるフラックスは、重量百分率で３０％以上の活性成分を含み、前記活性成分は、二酸化ケイ素及び二酸化チタンからなる群より選択される。これにより、電弧を引き起こしやすくし、締結物に突起物を加工して製作しなくても緊密に接合させることができ、接合箇所の強さを向上させるという効果を達することができる。

また、さらに二元化合物を含み、前記二元化合物の解離エネルギーは前記活性成分の解離エネルギーより低い。前記二元化合物は、酸化ニッケル、フッ化アルミニウム、フッ化ニッケル、酸化マンガン（II）、酸化クロム（III）、酸化亜鉛、酸化コバルト（II）、酸化鉄（II）、酸化鉄（III）、酸化銅（I）からなる群より選択される。これにより、電弧を引き起こしやすく、溶接工程の効率を向上させるという効果を達することができる。

また、前記フラックスは重量百分率で３０〜５５重量％の二酸化ケイ素、３０〜５５重量％の酸化ニッケル、１０〜３５重量％のフッ化アルミニウム及び５〜２５重量％のフッ化ニッケルを含む、或いは、重量百分率で３０〜５５重量％の二酸化チタン、３０〜５５重量％の酸化ニッケル、１０〜３５重量％のフッ化アルミニウム及び５〜２５重量％のフッ化ニッケルを含む。これによって、電弧を引き起こしやすいことだけではなく、電弧の温度も上げることができ、溶接工程の効率を向上させ、溶融の浸透深さを深くするという効果を達することができる。

本発明のアークスタッド溶接方法は、溶接部を有する締結物を提供する段階と、溶接領域を有する金属品を提供する段階と、フラックスを前記金属品の溶接領域に塗布する段階と、前記締結物の溶接部を前記金属品の溶接領域に接触して、前記締結物に電流を印加する段階と、電流が流れている状態で、前記締結物の溶接部及び前記金属品の溶接領域が溶融状態になるまで、前記締結物を前記金属品から引き離し、前記締結物と金属品との間に電弧を発生させる段階と、前記締結物の溶接部を前記金属品の溶接領域に押し込むように前記締結物に圧力を加える段階とを含む。これによって、突起物を製作する作業が不要となり、溶接工程の効率を向上させ、コストも低く抑えることができるという効果を達することができる。

上記アークスタッド溶接方法は、さらに前記フラックスを塗布した後、前記金属品及び前記締結物を不活性ガスの環境下に置いて、前記締結物の溶接部を前記金属品の溶接領域に接触して前記締結物に電流を印加する段階を含む。これによって、前記締結物と前記金属品の溶接工程における高温酸化現象を防ぐことができる。

上記アークスタッド溶接方法は、さらに前記フラックスを塗布した後、セラミックのリングで前記締結物の溶接部と前記金属品の溶接領域とを囲み、前記締結物の溶接部を前記金属品の溶接領域に接触して前記締結物に電流を印加する段階を含む。これによって、前記締結物と前記金属品の溶接工程における高温酸化現象を防ぐことができる。

図１は、本発明のフラックスを使用する状態を示す図。 図２は、第Ａ１組（第Ｂ１組と同じ）の溶接品の断面図 図３は、第Ａ２組の溶接品の断面図 図４は、第Ａ３組の溶接品の断面図 図５は、第Ａ４組の溶接品の断面図 図６は、第Ｂ２組の溶接品の断面図 図７は、第Ｂ３組の溶接品の断面図 図８は、第Ｂ４組の溶接品の断面図 図９は、第Ｃ１組の溶接品の断面図 図１０は、第Ｃ２組の溶接品の断面図 図１１は、第Ｃ３組の溶接品の断面図 図１２は、第Ｄ１組の溶接品の断面図 図１３は、第Ｄ２組の溶接品の断面図 図１４は、第Ｄ３組の溶接品の断面図 図１５は、第Ｄ４組の溶接品の断面図

本発明の実施の一形態について、以下、図面を参照して説明する。

本発明において、重量百分率で３０％以上の活性成分を含有するアークスタッド溶接に用いられるフラックスを提供する。さらに、締結物及び金属品を提供する段階と、前記アークスタッド溶接に用いられるフラックスを金属品の溶接領域に塗布する段階と、前記締結物の溶接部及び金属品の溶接領域が溶融状態になるまで、締結物と金属品との間に電弧を発生させるように電流を印加する段階と、前記締結物の溶接部を前記金属品の溶接領域に押し込むように前記締結物に圧力を加える段階とを含むフラックスを使用するアークスタッド溶接方法を提供する。

具体的に言えば、前記フラックスの活性成分は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）及び二酸化チタン（ＴｉＯ₂）からなる群より選択される。例えば、フラックスとして１００％の二酸化ケイ素或いは１００％の二酸化チタンを用いることができ、或いは、二酸化ケイ素と二酸化チタンをいかなる比率で混合しても用いることができる。二酸化ケイ素及び二酸化チタンは低い解離エネルギーという特性を有するため、電流により、速く解離して電弧を発生させることができる。同時に、二酸化ケイ素及び二酸化チタンは溶融浸透しやすい特性を有するため、溶接強さを向上させることができる。

また、前記フラックスはさらに二元化合物（binary compound）を含んでも良い。前記二元化合物は二種類の異なる原子からなる化合物であり、例えば、酸化ニッケル或いはフッ化アルミニウムなどがある。また、前記二元化合物の解離エネルギーは前記活性成分の解離エネルギーより低くなければならないため、電流を流すと、前記二元化合物が先に解離し、これに伴って前記活性成分が解離するので、電弧を引き起こしやすいだけでなく、電弧の温度を上げることもでき、さらに前記活性成分により、溶融の浸透深さをはるかに深くすることができる。もっと詳しく言えば、前記二元化合物は、酸化ニッケル、フッ化アルミニウム、フッ化ニッケル、酸化マンガン（II）、酸化クロム（III）、酸化亜鉛、酸化コバルト（II）、酸化鉄（II）、酸化鉄（III）、酸化銅（I）のうちの一つ或いはそれらの組み合わせであってもよく、ここでは限定されない。

本実施例において、フラックスは、重量百分率で３０〜５５重量％の二酸化ケイ素、３０〜５５重量％の酸化ニッケル、１０〜３５重量％のフッ化アルミニウム及び５〜２５重量％のフッ化ニッケルが選択される、或いは、重量百分率で３０〜５５重量％の二酸化チタン、３０〜５５重量％の酸化ニッケル、１０〜３５重量％のフッ化アルミニウム及び５〜２５重量％のフッ化ニッケルが選択される。上記の組成及び比率により、電弧を引き起こしやすくし、電弧の温度を上げることができるので、溶融の浸透深さをはるかに深くすることができる。前記フラックスの形は粒或いは粉末であってもよいが、高温電弧を引き起こしやすくするためには、好ましいくは、粉末である。

本発明のアークスタッド溶接方法は、上記のフラックスを用いて前記締結物を前記金属品に接合する。また、前記締結物は金属材料からなるネジ、スタッド或いは溶接に適用するナットであってもよく、前記金属品は金属シート、或いは金属管であってもよく、ここでは限定されない。溶接作業を行う前に、場合によって前記締結物及び前記金属品を予め洗浄、例えば、揮発性溶剤で塵や油脂性の汚れを洗い落とし、或いは、ブラストや研磨などの方法で錆びを落としてもよい。

続いて、図１に示されるように、フラックス１を金属品２の溶接領域に塗布する。そして、好ましくは、フラックス１を塗布する面積を締結物３の寸法よりも少し広く塗布する。締結物３がネジ或いはスタッドである場合、その溶接部は一般的に前記ネジ或いはスタッドのテーパー面であり、締結物３がナットである場合、その溶接部はナットの底面である。また、金属品２の溶接領域は、通常、平面或いは円弧形の曲面である。フラックス１は、予め溶剤と共に混合して泥状にし、ブラシで金属品２の溶接領域に塗布してもよく、或いは、粉末の状態で金属品２の溶接領域に撒いてもよい。

フラックスを塗布した後、前記締結物の溶接部を金属品の溶接領域に接触させ、電流が締結物を通して金属品に流れるように前記締結物に電流を印加する。溶接するとき、前記金属品を地面に置き、或いは棚に固定し、溶接ガンによって前記締結物を保持すると共に電流をその締結物に流す。電流が流れている状態で締結物を金属品から引き離す、例えば、前記溶接ガンを移動したり上げたりすることにより、前記締結物と金属品との距離を調整する。同時に、前記締結物の溶接部と金属品の溶接領域との間に電弧を引き起こし、そして、高温電弧により、前記締結物の溶接部に溶融池が形成されると共に、前記金属品の溶接領域が溶融してもう一つの溶融池が形成される。前記締結物及び金属品の溶融程度を変更し、異なる要望を満たすために選択されるフラックスの成分及び前記締結物の直径に応じて、溶接電流、溶接時間及び前記溶接ガンを上げる距離などの因子を調整することができる。

前記締結物の溶接部及び前記金属品の溶接領域の両方が溶融状態になった場合、それぞれの溶融池を互いに融着させるように、前記締結物と金属品に圧力を加えて前記締結物と金属品とを接触させる。従って、それぞれの溶融池が冷めると、前記締結物の溶接部が前記金属品の溶接領域に接合した状態になる。具体例を挙げると、前記溶接ガンにより前記締結物を前記金属品に移動し接触させ、前記溶接ガンにより圧力を加えることで、前記締結物と金属品とを緊密に接合させる。

上記の溶接作業において、前記締結物と金属品の溶接作業における高温酸化現象を防ぐために、前記フラックスを塗布した後、さらに前記金属品及び締結物を不活性ガスの環境下に置き、その不活性ガスにより保護された状態で次の作業を行う。または、前記フラックスを塗布した後、セラミックのリングで前記締結物の溶接部と金属品の溶接領域を囲み、そのセラミックのリングの保護で次の作業を行う。このようにすることにより、前記締結物と金属品の溶接作業における高温酸化現象を防ぐことができる。

前記フラックスを用いることにより、締結物に突起物を加工して製作しなくても緊密に接合することができ、溶接工程の効率を向上させ、コストを低く抑えることができる。さらに、アークスタッド溶接方法において、フラックスを用いることにより、電弧を引き起こしやすくし、電弧の温度を上げ、溶融の浸透深さをはるかに深くすることができる。

本発明のフラックスを用いることにより、溶融の浸透深さを深くすることができることを証明するために、以下に示す試験を行った。

（Ａ）活性成分として二酸化ケイ素を選択：
本試験では活性成分として二酸化ケイ素を選択し、表１に示すように、Ａ２〜Ａ４の組成でそれぞれフラックスを調製し、Ａ１組はフラックスを用いず、本発明の方法でそれぞれアークスタッド溶接試験を行った。本試験では締結物としてＭ６スタッドを用い、金属品として２ｍｍのステンレスシートを用い、溶接条件として溶接電流３００Ａ、溶接時間０．４秒、引き上げ距離２ｍｍを設定し、アークスタッド溶接装置を使用して溶接を行った。図２〜５は溶接を完成した後、Ａ１〜Ａ４組の溶接品をそれぞれ切り取って金属顕微鏡で撮影した溶接ビードを示す。

図２〜５から明らかなように、フラックスを用いなかったＡ１組（図２）は溶融の浸透深さが比較的浅かったため、接合箇所の強さが不足であった。これに対し、フラックスとして１００重量％の二酸化ケイ素を用いたＡ２組（図３）は溶融の浸透深さが明らかに深くなり、アークスタッド溶接で実用に供することができる。そして、フラックスとして３５重量％の二酸化ケイ素と他の二元化合物と共に用いたＡ３組（図４）はさらに溶融の浸透深さを深くし、ひいては接合箇所の強さを向上させることができた。一方、３０重量％より低い二酸化ケイ素を用いたＡ４組（図５）は、フラックスを用いなかったＡ１組に比べて、溶融の浸透深さについて顕著な改善は見られなかった。

（Ｂ）活性成分として二酸化チタンを選択：
上記の試験（Ａ）のように、本試験では活性成分として二酸化チタンを選択し、表２に示すように、Ｂ２〜Ｂ４の組成でそれぞれフラックスを調製し、Ｂ１組はフラックスを用いず、本発明の方法でアークスタッド溶接試験を行った。溶接条件は上記の試験（Ａ）と同様にして、アークスタッド溶接装置を使用して溶接を行った。図２、及び図６〜８は、溶接を完成した後、Ｂ１〜Ｂ４組の溶接品をそれぞれ切り取って金属顕微鏡で撮影した溶接ビードを示す。

図２及び図６〜８から明らかなように、フラックスを用いなかったＢ１組（Ａ１組と同じ：図２）は溶融の浸透深さが比較的浅かったため、接合箇所の強さが不足であった。これに対し、フラックスとして１００重量％の二酸化チタンを用いたＢ２組（図６）は溶融の浸透深さが明らかに深くなり、アークスタッド溶接で実用に供することができる。そして、フラックスとして３５重量％の二酸化チタンと他の二元化合物と共に用いたＢ３組（図７）はさらに溶融の浸透深さを深くし、ひいては接合箇所の強さを向上させることができた。一方、３０重量％より低い二酸化チタンを用いたＢ４組（図８）は、フラックスを用いなかったＢ１組に比べて、溶融の浸透深さについて顕著な改善は見られなかった。

（Ｃ）電流の強さの影響：
フラックスを用いなかったＣ１組は比較対照のものであり、上記のＡ３組のフラックスをＣ２組とし、上記のＢ３組のフラックスをＣ３組とした。溶接電流は４００Ａを設定し、他の条件は上記の試験（Ａ）と同じで、それぞれ本発明の方法でアークスタッド溶接試験を行った。図９〜１１は、溶接を完成した後、Ｃ１〜Ｃ３組の溶接品をそれぞれ切り取って金属顕微鏡で撮影した溶接ビードを示す。

フラックスを用いなかった組において、溶接電流３００Ａの組（Ａ１組：図２）と溶接電流４００Ａの組（Ｃ１組：図９）を比較すると、溶接電流を上げた場合、溶融の浸透深さが僅かしか深くならなかったため、溶接の実用基準を達することができなかった。フラックスを用いた組においては、溶接電流３００Ａの組（Ａ３組及びＢ３組：図４、７）と溶接電流４００Ａの組（Ｃ２組及びＣ３組：図１０、１１）を比較すると、電流の強さを調整することで、溶融の浸透深さが変更され、異なる要望を満たすことができることが判明した。
（Ｄ）締結物の寸法及び電流の強さの影響：
本試験では、フラックスを用いなかったＤ１組とＤ３組を比較対照用の組とし、上記のＡ３組のフラックスをＤ２組とＤ４組とした。本試験では、締結物としてＭ４スタッドを用い、Ｄ１組とＤ２組の溶接電流を２５０Ａに設定し、Ｄ３組とＤ４組の溶接電流を３００Ａに設定し、その他の条件は上記の試験（Ａ）と同様にし、それぞれ本発明の方法でアークスタッド溶接試験を行った。図１２〜１５は、溶接を完成した後、Ｄ１〜Ｄ４組の溶接品をそれぞれ切り取って金属顕微鏡で撮影した溶接ビードを示す。

上述の試験の結果から、２５０Ａの溶接電流においてフラックスを用いなかったＤ１組（図１２）は溶融の浸透深さが比較的浅かったため、接合箇所の強さが不足であった。これに対し、フラックスを用いたＤ２組（図１３）は優れた溶融の浸透深さを有するものであった。そして、３００Ａの溶接電流に電流を上げることにより、フラックスを用いなかったＤ３組（図１４）の溶融の浸透深さを深くすることはできたが、フラックスを用いたＤ４組（図１５）におけるような溶融の浸透深さに達することはできなかった。従って、本発明のフラックスは比較的小さな電流で、溶融の浸透深さを深くすることができることが判明した。

綜合すると、本発明のアークスタッド溶接に用いられるフラックスは、重量百分率で３０％以上の活性成分を含有し、前記活性成分として二酸化ケイ素、二酸化チタン或いはそれらの組み合わせを用いることで、電弧を引き起こしやすくし、電弧の温度を上げ、締結物に突起物を加工して製作しなくても緊密に接合することができ、溶接工程の効率を向上させ、溶融の浸透深さを深くするという効果を達することができる。

また、本発明のアークスタッド溶接に用いられるフラックスは、さらに二元化合物を含み、前記二元化合物の解離エネルギーが前記活性成分の解離エネルギーより低いことにより、電弧を引き起こしやすくし、溶接工程の効率を向上させるという効果を達することができる。

また、本発明のアークスタッド溶接方法は、フラックスを金属品の溶接領域に塗布することで、締結物に突起物を加工して製作しなくても緊密に接合することができ、突起物を製作する作業が不要になり、コストも低く抑えることができるという効果を達することができる。

本発明は、その精神と必須の特徴事項から逸脱することなく他のやり方で実施することができる。従って、本明細書に記載した好ましい実施形態は例示的なものであり、本発明の範囲を限定するものではない。

１ フラックス
２ 金属品
３ 締結物

Claims (5)

1. 活性成分及び二元化合物を含み、前記活性成分は重量百分率で３０〜５５％の二酸化ケイ素であり、前記二元化合物は重量百分率で３０〜５５％の酸化ニッケル、１０〜３５％のフッ化アルミニウム及び５〜２５％のフッ化ニッケルであり、前記二元化合物の解離エネルギーは前記活性成分の解離エネルギーより低い、アークスタッド溶接に用いられるフラックス。
2. 活性成分及び二元化合物を含み、前記活性成分は重量百分率で３０〜５５％の二酸化チタンであり、前記二元化合物は重量百分率で３０〜５５％の酸化ニッケル、１０〜３５％のフッ化アルミニウム及び５〜２５％のフッ化ニッケルであり、前記二元化合物の解離エネルギーは前記活性成分の解離エネルギーより低い、アークスタッド溶接に用いられるフラックス。
3. 溶接部を有する締結物を提供する段階と、
   溶接領域を有する金属品を提供する段階と、
   請求項１または２に記載のフラックスを前記金属品の溶接領域に塗布する段階と、
   前記締結物の溶接部を前記金属品の溶接領域に接触して、前記締結物に電流を印加する段階と、
   電流が流れている状態で、前記締結物の溶接部及び前記金属品の溶接領域が溶融状態になるまで、前記締結物を前記金属品から引き離し、前記締結物と金属品との間に電弧を発生させる段階と、
   前記締結物の溶接部を前記金属品の溶接領域に押し込むように前記締結物に圧力を加える段階と
   を含む、アークスタッド溶接方法。
4. 前記フラックスを塗布した後、前記金属品及び前記締結物を不活性ガスの環境下に置いて、前記締結物の溶接部を前記金属品の溶接領域に接触して前記締結物に電流を印加する段階を含むことを特徴とする請求項３に記載のアークスタッド溶接方法。
5. 前記フラックスを塗布した後、セラミックのリングで前記締結物の溶接部と前記金属品の溶接領域を囲み、前記締結物の溶接部を前記金属品の溶接領域に接触して前記締結物に電流を印加する段階を含むことを特徴とする請求項３に記載のアークスタッド溶接方法。