JP7612053B2

JP7612053B2 - 溶接方法

Info

Publication number: JP7612053B2
Application number: JP2023568821A
Authority: JP
Inventors: ジェレミージョン; 俊夫堀
Original assignee: Hitachi Astemo Ltd
Current assignee: Astemo Ltd
Priority date: 2021-12-21
Filing date: 2021-12-21
Publication date: 2025-01-10
Anticipated expiration: 2041-12-21
Also published as: WO2023119419A1; JPWO2023119419A1; US20250121450A1

Description

本発明は、溶接方法に関する。

溶接方法の一種であるガスシールドアーク溶接は、不活性ガスで被溶接材の溶接面を空気から遮断（シールド）しつつ溶接を行うアーク溶接である。すなわち、溶接電源によって加熱溶融された被溶接材が活性化し、大気中の酸素による酸化を起こさないため、被溶接材に不可性ガスを噴射しながら接合を行う。

従来のアーク溶接の技術の例として、例えば特許文献１がある。特許文献１には、消耗電極を有する溶接トーチを用いて二枚の鋼板をアーク溶接する消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法であって、所定の式で示される酸素ポテンシャルαが１．５％～５％であるシールドガスを、溶接トーチから消耗電極に向けて供給しながらアーク溶接を行い、アーク溶接により形成された７００℃以上の状態にある溶接ビードと溶接止端部とに対し、別の所定の式で示される酸素ポテンシャルβが１５％～５０％である酸化促進ガスを、１～３ｍ／秒の流速で吹き付け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方法が記載されている。

上述した特許文献１は、被溶接材の溶接面にあえて酸化促進ガスを吹き付けている。すなわち、アーク溶接により形成された７００℃以上の状態にある溶接ビードと溶接止端部の表面は、酸素ポテンシャルβが高い酸化促進ガスに晒されることになる。従って、溶接ビード及び溶接ビード止端部の表面を導電性の鉄酸化物スラグで覆うことができるため、絶縁性のＳｉ，Ｍｎ系スラグが表面に出現することがない。従って、溶接部を含む構造部材を電着塗装しても溶接部に電着塗装不良が発生せず、このため構造部材の耐食性を高めることができるとされている。

国際公開第２０１７／１２６６５７号

従来のガスシールドアーク溶接の方法では、導体表面に不活性ガスを吹き付けて行うため、導体の表面は酸化されず、光沢を有し、鏡のように周囲の物体の光線を鏡面反射する。このため、カメラなどの光学系による導体の持つ表面や境界情報を撮像しにくい問題がある。また、レーザライン距離センサによる形状計測では、光沢表面の反射光は拡散反射しないため、受光反射光量低下および計測精度低下が発生する。

導体の外観光沢を制御する手段としては、加熱溶融中の不活性ガス量を減らし、意図的に導体を酸化させる方法があるが、このような方法では、ポロシティの凝固欠陥による機械特性の劣化が生じるという問題がある。

上述した特許文献１は、溶接中に酸化促進ガスを吹き付けているが、このような方法ではシールドガスが乱れて被溶接材にボイドが生成し、機械的特性が低下する恐れがある。

本発明は、上記事情に鑑み、被溶接材の表面を撮影する際の鏡面反射を防止し、かつ、被溶接材のポロシティの発生も抑制する溶接方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の溶接方法の一態様は、被溶接材の接合部に不活性ガスを吹き付けながらアーク放電によって接合部を溶融する溶融工程と、溶融した接合部７の一部分が凝固し、他の部分が溶融している状態で、不活性ガスおよび接合部に酸素を含有するガスを供給して接合部を酸化する酸化工程と、を有することを特徴とする。

本発明のより具体的な構成は、特許請求の範囲に記載される。

本発明によれば、被溶接材の表面を撮影する際の鏡面反射を防止し、かつ、被溶接材のポロシティの発生も抑制する溶接方法を提供できる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の溶接方法のフローの一例を示す断面図およびグラフ従来の溶接方法のフローの一例を示す断面図およびグラフ本発明の溶接方法で作製した溶接材と従来の溶接方法で作製した溶接材の表面の酸素原子密度の深さ方向分析の結果を示すグラフ本発明の溶接方法で作製した溶接材と従来の溶接方法で作製した溶接材の２Ｄカメラによる撮影結果およびレーザ測定器による撮影結果を示す写真本発明の溶接方法で用いる酸素供給装置の第１の例を示す斜視図本発明の溶接方法で用いる酸素供給装置の第１の例を示す斜視図本発明の溶接方法で用いる酸素供給装置の第１の例を示す上面図および側面図本発明の溶接方法で用いる酸素照射装置の第２の例を示す上面図および側面図

以下、本発明の溶接方法について、図を参照しながら説明する。

図１は本発明の溶接方法のフローの一例を示す断面図およびグラフである。図１は、本発明の溶接方法のフロー（ａ）～（ｆ）を、被溶接材１、溶接トーチ２、シールドガス３、アーク４、酸素供給装置５、酸素含有ガス６および接合部７の断面模式図とともに示しており、さらに各工程（ａ）～（ｆ）における溶解フェーズ、シールドガス流量、溶接電流、表面温度のグラフを併記している。

図１に示すように、本発明の溶接方法は、被溶接材１の接合部に不活性ガス（シールドガス）３を吹き付けながらアーク放電４によって接合部を溶融する溶融工程（ａ），（ｂ）と、溶融した接合部７の一部分が凝固し、他の部分が溶融している状態で、不活性ガス３および接合部７に酸素を含有するガス６を供給して接合部を酸化する酸化工程（ｄ）と、を有する。図１の比較として、図２に従来の溶接方法のフローの一例を示す断面図およびグラフを示す。

本発明では、図１に示すように２本の被溶接材（導体）１を設置し、それぞれの先端同士をアーク（熱源）４の制御により接触融合し、接合部（溶融部）７を得る。この際、接合部７は、下部から上部（表面）に向かって凝固するが、表面が溶融している状態、すなわち表面の凝固が終了しないうちに、酸素を含有するガス６を不活性ガス３および接合部７に吹き付け、接合部７の表面を酸化させるようにする。

このように、接合部７の表面に酸素を含有するガスを噴射することで、接合部７の周辺に残留する不活性ガス３を除去し、接合部７の表面を意図的に酸化することで、接合部７の表面の光沢を低減し、撮影する際の鏡面反射を防止することができる。

また、本発明は溶接終了後の接合部７の凝固過程において酸素を導入するので、溶接中に酸素を導入する場合と異なり、被溶接材１の内部にポロシティを発生させることなく、被溶接材１の機械特性を低下させる恐れがない。

本発明は、不活性ガス３に酸素含有ガス６を噴射して不活性ガス３を除去する構成としているので、不活性ガス３の供給を停止する必要が無い。このため、溶接トーチ２の電極を保存することもできる。

酸素供給工程は、被溶接材１の接合部７の表面の温度が４００℃以上である時に実施することが好ましい。被溶接材１の接合部７の表面の温度が４００℃未満である場合は、被溶接材１の接合部７の表面を効率的に酸化させることができなくなる。

酸素含有ガス６は、酸素を含むガスであれば特に限定は無いが、空気を用いることが簡便である。また、酸素供給装置５も特に限定は無く、接合部７の表面に効率的に酸素含有ガス６を供給できるものであれば、どのような形態であっても良い。

図３は発明の溶接方法で作製した溶接材と従来の溶接方法で作製した被溶接材の表面の酸素原子密度の深さ方向分析の結果を示すグラフである。図３に示すように、図１に示した本発明の方法によれば、被溶接材の表面の酸素濃度は従来の方法の被溶接材よりも高いことが分かる。被溶接材の表面は、多少は自然に酸化されるものの、本発明のように酸素供給工程を実施する場合は、自然酸化よりも酸素濃度が大幅に高くなっていることが分かる。なお、表面の酸素原子の濃度は、ＳＥＭ（ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）やＥＳＣＡ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙｆｏｒＣｈｅｍｉｃａｌＡｎａｌｙｓｉｓ）によって分析することができる。

図４は本発明の溶接方法で作製した溶接材と従来の溶接方法で作製した溶接材の２Ｄカメラによる撮影結果およびレーザ測定器による撮影結果を示す写真である。図４の２Ｄカメラ撮影の結果に示すように、従来の溶接方法によって作製した被溶接材の表面は、周辺物体による反射、カメラの鏡反射、照明の鏡反射により外観の観察が妨げられている。一方、本発明の溶接方法によって作製した被溶接材の表面は、表面光沢が無く、はっきりしたエッジを確認できる。

また、図４のレーザ測定器撮影の写真を比較すると、従来の溶接方法によって作製した被溶接材の表面は、鏡反射している部分が受光できず、計測できないことにより、データの欠け（点線部分）が生じている。一方、本発明の溶接方法によって作製した被溶接材の表面は、このようなデータ欠けが生じていないことが分かる。

図５Ａおよび図５Ｂは本発明の溶接方法で用いる酸素供給装置の第１の例を示す斜視図であり、図５Ｃは本発明の溶接方法で用いる酸素供給装置の第１の例を示す上面図および側面図である。酸素供給装置５は、例えば、図５Ａ～５Ｂに示すような、ガスの吹き出し口を複数有する形態を有していても良い。

図６は本発明の溶接方法で用いる酸素供給装置の第２の例を示す上面図および側面図である。図６に示す酸素供給装は、酸素含有ガスを噴き出す噴射部８と、酸素含有ガスを吸い込む吸い込み部９を有する。このように酸素含有ガスを回収する構成としても良い。このような構成によれば、酸素含有ガスの供給量を容易に制御できる。

以上、本発明によれば、被溶接材の表面を撮影する際の鏡面反射を防止し、かつ、被溶接材のポロシティの発生も抑制する溶接方法を提供できることが示された、
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…被溶接材、２…トーチ、３…シールドガス、４…アーク、５…酸素供給装置、６…酸素含有ガス、７…被溶接材の溶融部位。

Claims

被溶接材の接合部に不活性ガスを吹き付けながらアーク放電によって前記接合部を溶融する溶融工程と、
溶融した前記接合部の一部分が凝固し、他の部分が溶融している状態で、前記不活性ガスおよび前記接合部に酸素を含有するガスを供給して前記接合部を酸化する酸化工程と、を有することを特徴とする溶接方法。
前記被溶接材の前記接合部の表面に対向して溶接トーチが設置され、
前記溶融工程において、前記不活性ガスは前記溶接トーチから前記被溶接材に向かう方向に供給され、前記接合部の溶融は前記溶接トーチに対向する前記被溶接材の前記表面から開始し、
前記酸化工程は、前記接合部のうちの少なくとも前記溶接トーチに対向する前記表面を酸化させることを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
前記酸化工程は、前記被溶接材の表面の温度が４００℃以上のときに行うことを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
前記溶融工程は、２つの前記被溶接材の端部同士を溶融することを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
前記酸化工程は、２つの前記被溶接材の前記端部が溶融しているときに、前記不活性ガスを除去して前記被溶接材の端部を酸化させる請求項４に記載の溶接方法。