JPS6045034B2 - 直流ｔｉｇウイ−ビング溶接法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ＴＩＧアークを簡単な手段で溶接進行方向の
前方側へ指向させつつ該進行方向と交差する方向にウイ
ーピングさせることにより、ＴＩＧ溶接の高速化及び該
溶接における継手品質の向上を，画り、特に極厚板を各
層１バスで高速溶接する方法に関するものである。

ＴＩＧ溶接法は、ＭＩＧ溶接法やＣＯ２ガスアーク溶接
法に比べて溶接金属の酸化や窒化等が少なく、しかも全
姿勢溶接への適用が可能である等の理由２により、各種
構造物への利用は近年頓に高まつている。

その反面ＴＩＧ溶接法は前記他の２法に比べて溶接能率
が低く、溶接速度の向上を画り得る手段の開発が待望さ
れている。ところが、ＴＩＧ溶接では主として溶融金属
上に３アークが発生し、未溶接部母材の予熱は専ぱら熱
伝導に頼つているから、溶接速度を上げ過ぎると、予熱
の不十分による母材との馴み性（濡れ性）不良が災いし
て溶着金属と母材との間に融合不良を生じるという問題
がある。

又直流電源によ３，るＴｌＧ溶接法ては、被溶接材の帯
磁や形状の変化等による周囲磁場の変動に対してアーク
が極めて敏感であり、磁気吹き等による溶接不能状態に
陥ることもある。或はそこまでは至らないにしても、も
ともとＴＩＧアーク自体高温部との間にアー４１クを発
生しやすく、即ち溶接済みのビード方向にアークが振れ
易い為に、未溶接部母材の予熱は更に不足気味となり、
前記融合不良は一層顕著になつてくる。 本発明者等は
かねてよりこれらの問題点に注目し、非消耗性電極だけ
でなく溶加材にも直流電源を接続して溶接するに当り、
溶加材が非消耗性電極よりも溶接進行方向前方にあると
きは、溶加材及び非消耗性電極に流れる電流方向を同一
とし、溶加材が非消耗性電極よりも溶接進行方向後方に
あるときは、溶加材及び非消耗性電極に流れる電流方向
を反対とし、これらによつて形成される磁界により、ア
ークを溶接進行方向前方へ指向させ１る直流ＴＩＧ溶接
方法に到達した。

しかし本発明者等はこれらの成果に満足せず一層安定し
た高能率直流ＴＩＧ溶接法をめざして研究を進めた。即
ち前記開発法は、本質的に有効な方法であつたが、各種
溶接姿勢において又は／且つ各種鋼材において溶融金属
の母材への馴み性を更に改善すると共に、高速溶接に伴
ないがちなブローホール対策を確立する必要があると思
われた。尚この他、前記開発法は所謂ホットワイヤ法そ
のものではない為、溶加材自体は加熱されておらず、何
らかの理由によつて溶加材先端が溶融プールからはずれ
ると、爾後は凝固ビード上へ送給されることになり、引
続いて溶接することができなくなるという問題もあつた
。 これらの問題を解決する手段の１つとしてアークを
ウイーピングさせる方法があるが、従来のアークウイー
ピング法には次の様な欠点がある。

１溶接ヘッドまわりにウイーバーを取り付けて 機械的
にウイーピングする方法では、前記ウイ 一バーの他、
モーターやスライドベース等の装 備によつて装置全体
が大きくなるから、持ち運 びが不便であると共に狭隘
箇所への適用が困難 となる。

２又上記機械的方法では、通常、アーク点と溶 加材先
端との相対距離を維持することか必要と される。

従つて溶接トーチと溶加材ガイドと は、ウイーバーに
設けられるスライドベース上 に一体的に固定されるが
、ウイーピング時の振 動による相対距離の変動は避け
難く、場合によ つては溶加材の溶融プールへの適正挿
入位置がＣ 保持できなくなることもある。１この他
電磁マグネットを取り付けてアーク近 傍に磁場を形成
する方法もあるが、この磁場を より有効なものとする
為には、電磁マグネット をできる限りアーク点に近付
ける必要がある。

しかし厚鋼板の溶接では、透磁率の良い鋼板の方に磁気
が流れ、電磁マグネット先端を開先内に臨ませる必要が
あり、電磁マグネットの耐熱性を大幅に改善しなければ
ならない。とは言え、この改善には限度もあり、仮に水
冷の併用．を行なうにしても装置が大型化して１の場合
と同様の問題がある。この様な状況であるから、前記以
外のウイーピング法を考慮する必要があり、ＴＩＧアー
クの本質について種々検討を重ねた。

その結果ＴＩＧ溶接でｊ使用される非消耗性電極は電極
の消耗を少なくする為一般的に太く（例えば４Ｔｒ＄ｔ
φ）、電流密度がＭＩＧ溶接（通常１Ｔｎｍφ程度）に
比べて小さい為ピンチ効果が少ない。この為ＭＩＧ溶接
（活性ガスや金属プラズマが中心）に比べて硬直性が小
さいこＪと等の為に、ＴＩＧアークは極めて可撓性に富
んだ性質を有し、この可撓性はＭＩＧアークのそれに比
して極めて大きいものであることが判つた。そこでＴＩ
Ｇアークの本性を利用しようと考え、前記開発提案の方
法において、複数の溶加材を用意し、非消耗性電極を挾
んで溶接中心線の両側、あるいは溶接中心線の片側で非
消耗性電極から見て溶接進行方向の前後に配置した溶加
材に流れる電流を脈流とすることによつて前記磁界を一
定の又は可変のリズムに従つて変化させ、それにより溶
接進行方向前方寄りに指向しているＴＩＧアークを、そ
の状態を維持しつつ溶接線と直交する方向にウイーピン
グさせることに成功した。即ちこの方法であれは溶加材
に流す電流を脈流とするだけでよいから、トーチまわり
の構成を大型化乃至複雑化する必要もなく、挾隘部への
適用が可能なウイーピング溶接法と言うことができる。
ちなみにＭＩＧ溶接法における類似技術として、特公昭
４５−３９９３１号が知られている。この技術は、消耗
電極以外にワイヤ状電流搬送導体を使用し、消耗電極の
後方から該導体を送給すると共に、消耗電極と該導体に
流す各直流の流れ方向を調整することによつてＭＩＧア
ークを溶接進行方向前方側へ指向させるものであるが、
先にも述べた如くＭＩＧアークはＴＩＧアークに比べて
可撓性が極めて少ないので、前方側への指向自体は同公
報に記載されている程容易なものではない。従つてまた
、本発明で採用する如き脈流付与法によつてアークをウ
イーピングさせることについても種々の困難が予測され
た。即ち、ＭＩＧ溶接の場合前記したようにアークの硬
直性が大きいので、このアークをウイーピングさせよう
とすると溶加材へ供給する電流を高くしなければならず
、溶加材が溶融池へ供給されるまでに溶けてしまうこと
があり、ウイーピングは極めて不安定である。以下本発
明の構成及び作用効果を更に具体的に詳述するが、下記
及び特許請求の範囲に記載した実施態様は本発明を限定
する主旨のものではなく、種々変更実施することができ
る。

第１〜３図は本発明におけるアーク柱偏向の概念を示す
説明図で、第１図は溶接進行方向側から見た正面図、第
２図は平面図、第３図は側面図であり、溶接進行方向は
Ｗで示す。

溶加材６，６″はシールドカップ５の後方にあつて、非
消耗性電極２を挟んで溶接中心線の両側に配置され、母
材１の両開先面１ａ，１ｂを指向する様に矢印Ｙ方向へ
送給されつつ、その先端は溶融池７内に浸漬されている
。そして溶融池７の後方には順次ビード４が形成される
。本図は直流正極性て溶接する場合を示し、母材１を陽
極、非消耗性電極２を陰極としているので、前記の本発
明条件を満足する為に、溶加材６，６″への直流通電に
ついては、溶加材６，６″を陽極、母材１を陰極として
いる。即ち電極２と溶加材６，６″における電流の方向
が逆になり、夫々のまわりには互いに反発し合う方向の
磁界が発生する。その結果可撓性の高いアーク柱３は、
溶加材６，６″から遠ざかる方向に偏向し、母材１を予
熱する。参考写真１Ａ，ノＢ，Ｃは、第１〜３図に準じ
て直流電源を接続したときのアークの偏向状況を示す写
真で、タングステン電極への通電はいずれも、２００Ａ
，１５Ｖ１溶加材６，６″への通電は、（４）が共に零
の場合、Ｂ，Ｃが溶加材６，６″のいずれか一方にのみ
５１６０Ａ，６■の電流を通じた場合で、Ｂ，Ｃではア
ークの偏向が見られる。即ち溶加材６，６″への通電が
零（通常のＴＩＧアーク溶接条件）のときは、アークの
偏向がなく、溶加材への通電電流値が高くなる程、アー
クの偏向角が増大する。θ ところで非消耗性電極への
通電量は、参考写真の場合で２００Ａであつたが、余り
大きな値にすると電流密度が上昇し、逐にはアークの硬
直性が増大して前記偏向及び後記ウイーピングの障害に
なるので、一般的には５００Ａ以下の電流値とすること
が望ましい。尚該電極への通電は通常は定常電流によつ
て行なうがパルスアークとなる様に調整することも勿論
可能であり、ＴＩＧアークの特性自体は本発明を限定し
ない。次に溶加材への通電電流値については、一般のＭ
ＩＧ−ＴＩＧ併用溶接法或はプラズマＭＩＧ溶接法の如
く、溶加材からアークが発生する様な状況、或はホット
ワイヤの如き状況にならぬよう低いめに設定する必要が
あり、少なくとも溶加材におけるワイヤ突出部での電圧
をＴＩＧアーク電圧よりも低くすると共に、２００Ａ又
はそれ以下の電流にすることが望ましく、これらを越え
る溶接条件下では、磁場が強過ぎて可撓性に富んたＴＩ
Ｇアークが吹きとんたり、場合によつては消弧すること
もある。

またホットワイヤの状況を呈し、溶融プールへの短絡接
触を確保する為にはワイヤの送給速度を上ける必要が生
じ、溶着金属過剰等の不都合を生じる。次にアーク柱の
ウイーピングであるが、本発明においては溶加材への通
電電流を脈流とする手段，が採用され、この脈流の態様
としては、第４図の如きものが例示される。

第４図は溶加材における脈流のパターンを左側にＡ−Ｃ
として示し、これら脈流によつて形成されるウイーピン
グの状況を右側に示す。まずＡでは、溶加材６への通電
時と７非通電時が溶加材６″への非通電時と通電時に対
応しており、ｎは通電時時限間隔、Ｔ１は非通電時時限
間隔を示し、又Ａｈは通電時の電流を示す。そして第４
図の右側のうち、上方の図は溶加材６の通電がオフの状
態、下方の図は溶加材６″の通電がオフの状態を示し、
いずれの場合もアーク３は溶接進行方向を指向している
が、前者では図面の左方向へ、後者て図面の右方向へ夫
々偏向し、これを交互に繰返すことによつて溶接線と交
差する方向へのウイーピングが完成する。又Ｂ（７）ｊ
図例は、溶加材６への比較的大電流Ａｈ通電時と比較的
小電流Ｎ通電時が、溶加材６゛への比較的小電流Ａ１通
電時と比較的大電流Ａｈ通電時に対応しており、交互に
オン−オフする場合と同様のウイーピングパターンが得
られる。尚へ，Ｂにおい弓て夫々の脈流に示すパターン
中鎖線で表わしているのは、通電量を更に微小のオーダ
ーで変動する場合であり、より微細なウイーピング管理
を行なうことができる。又Ｃの脈流パターンは更に他の
実施例で、前記Ａ，Ｂの考え方を折衷したものである。
尚上記各例は、いずれも溶加材６，６″を連続的に送給
する場合であつたが、これらを交番に間欠的に送給する
場合は、溶加材６，６″と溶融池７の接触及び離反が交
互に起こるので、上記Ａで述べたオン−オフと同様のウ
イーピングパターンを示す。いずれにせよ以上述べた如
く、Ａｈ，Ａｌ，Ｔｈ，ｎを種々選定することによつて
ウイーピング幅（ウイーピング角）及びウイーピンフグ
サイクルが自在に調整されるし、このウイーピング経過
或振幅の両端における各挙動も、電流値の変動によつて
自由に調整できる。従つて極厚板の溶接に際しても、母
材による磁場の乱れを可及的に抑制することができ、且
つ大がかりな装置を使用しないから開発奥部に対しても
十分なウイーピングを与えることができ、且つ１層を１
バスで溶接し得るに十分なウイービツグパターンが容易
に得られるということも本発明の有意義な効果の１つと
言える。 又一般の片面裏被溶接等において、開発ルー
トギャップの変動、目違い或はルートフェースの誤差等
の如く溶接線に沿つた異常に遭遇すると、これらに対応
してＴＩＧアーク電流値を変動させているが、これに応
じてアークの温度や形状、更には溶融プールの大きさ等
が変動する。

その為溶加材の溶融速度も変化させる必要があり、ＴＩ
Ｇアークの電流値と溶加材の送給速度は同期させなけれ
はならなかつた。しかしこの調整は極めて繁雑であり、
本発明の如く溶加材への通電量を変化させる了・ だけ
で前記異常に対処できるということは極めて好都合なこ
とである。この様な対処について幾つかの例を挙げて説
明すると下記の如くである。″１）例えば前記第４図Ｂ
のパターンで溶接してい る時に、ルートフェースが急
に厚くなつた場合？Ｌ を考えると、当該部分の裏ビ
ードは、そのまま では出にくくなる。そこでＡｈ及び
Ａ１で示す電 流値を更に大きくする様に調整すると、
アーク 柱の前方への振れ角度が大きくなり、該前方に
おける未溶着部の開先ルート面に直接アークが′ｏ
作用する。その結果ルート部の溶触が十分に行 なわ
れ、裏ビードの形成が十分になる。））同上の場合にお
いて、溶加材への通電時限を 長くすれば、アークが前
方へ指向している時間 が長くなつてやはり十分な溶け
込みが得られる。

（３）同上の楊合において、（１）と（２）の対処を組
み合わせる方法がある。

（４） 同上の場合において、例えば第４図Ｃの如きパ
ターンに変更し、必要であればＡｈを更に高５くする。

（５）前記（４）において、（２）の手段を併用する方
法がある。（６）前記（４）と（５）のの組み合わせて
もよい。

（７）その他これらに準じて種々微調整を加えれ五ば、
更に幾つかの態様が考えられる。以上は直流正極性で且
つ溶加材を非消耗性電極の後方から供給する場合で、こ
れに脈流付与を加えることによつて容易に且つ微妙なウ
イーピングパターンを得ることに成功したが、溶加材を
非消１耗性電極の前方から加える場合には夫々の通電方
向を同一にすればよい。

又直流逆極性の場合には非消耗性電極と溶加材への通電
方向を、上記正極性の場合と逆に考えればよく、いずれ
も同様の成果が得られる。又非消耗性電極の前後から溶
加材乏を送給する場合も、これらの方法に準じて行なえ
ばよい。上記各説明では、溶加材６，６″を溶接中心線
の両側へほぼ対称的に配置した場合を説明したが、既に
述べた様に、溶接中心線の片側で且つ非２消耗性電極か
ら見て溶接進行方向の前後に配置して行なう方法でも同
様の効果が得られる。第５図はその一例を示す平面図で
、図中の記号はこれまてと同じ意味てあり、非消耗性電
極２及び溶加材６への通電方向は同じ、溶加材６″への
通電方向．はその反対にしている。まずＡの状態では溶
加材６″への通電のみ停止させているので、アーク柱３
は溶加材６側（右前方）へ引き寄せられている。逆にＤ
では溶加材６への通電のみ停止されているのて、アーク
柱３は溶加材６″の磁界により左前方へ反発指向されて
おり、Ａ，Ｄがウイーピングの両端側であることを理解
できる。他方Ｂは両溶加材６，６″へ共に通電されてい
る場合で、アーク柱３はＡ，Ｄの均衡状態であるＢの状
態を示し、又Ｃは両溶加材６，６″への通電を共に停止
した場合で磁界は消失するのでアーク柱３は非消耗性電
極２の直下を指向している。従つて第６図に示す様な脈
流パターンを与えれば、ウイーピングパターンは第５図
のＡ−＋Ｂ−＋Ｄ−＋Ｂ−＋Ａ・・・・り如くなり、第
７図に示す様な脈流パターンを与ｔれば、ウイーピング
パターンは第５図のＡ−＋Ｃ〉Ｄ→Ｃ→Ａ・・・・・・
の如くなり、これらはいずれも仁発明の要件を満足させ
ることができる。尚第７知こ示す無通電時間ｂを実質的
に零とすればＡ一）→Ａのパターンとなる。次に、本発
明の実施例を説明する。

起施例１ 第１表に示す条件で本発明法による管の下向溶妾、上向
溶接について検討した。

参考写真２ａ，ｂはそれぞれ下向姿勢、上向姿勢の溶接
部のビード断面マクロ組織を示し、参考写真３ａ，ｂは
それぞれ下向姿勢、上向姿勢のサイドベンドを示す。尚
開先形状は第８図に示す通りとする。本発明は以上の如
く構成されており、その効果を要約すると下記の通りて
ある。１非消耗性電極の前及ひ／又は後に複数の溶加材
を配し、それらによつてアークを溶接進行方向前方に指
向させると共に、溶加材に脈流を与えることによつてこ
のアークを溶接線と直交する方向にウイーピングさせる
ことができる。

従つてウイーバー等の機械的オシレータや、電磁マグネ
ットなどが不要となり溶接ヘッドまわりに何ら負荷をか
ける必要がなく、装置全体をコンパクトにできる。従つ
て狭隘部への適用が容易である。２アーク点に極めて近
い溶加材からの磁場を利用しているので、母材の板厚に
関係なく、しかも開先形状や開先間隙に関係なく有効な
磁場を得ることができるので、アークのウイーピングを
確実に行なうことがでできる。

３開先ルートギャップの変動、目違い、ルートフェース
の誤差があつても開先ルート部の溶融状態を簡単にコン
トロールすることができる。

４Ｔ１Ｇアークを溶接線前方方向に指向させつつウイー
ピングさせているので高速溶接を良好に実施することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１〜３図は本発明の原理を示す説明図、第４，６，７
図は脈流電流の波形を示す説明図、第５図はアークの偏
向状況を示す平面図、第８図は実施例で使用した開先の
説明図である。 ２・・・・・・非消耗性電極、６，６″・・・・・溶加
材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 単一の非消耗性電極及び複数の溶加材を使用し、こ
   れらをいずれも直流電源に接続して行なう直流ＴＩＧ溶
   接法であつて、溶加材は非消耗性電極を挾んで溶接中心
   線の両側、あるいは溶接中心線の片側で非消耗性電極か
   ら見て溶接進行方向の前後に配置して溶融池内に送給す
   ると共に、溶加材が非消耗性電極よりも溶接進行方向前
   方にあるときは、溶加材及び非消耗性電極に流れる電流
   方向を同一方向とし、溶加材が非消耗性電極よりも溶接
   進行方向後方にあるときは、溶加材及び非消耗性電極に
   流れる電流方向を反対方向とする他、前記溶加材に通電
   される電流を脈流とすることにより、アークを溶接進行
   方向前方側へ指向させた状態で溶接線と交差する方向に
   ウイービングさせることを特徴とする直流ＴＩＧウイー
   ビング溶接法。 ２ 特許請求の範囲第１項において、溶加材への脈流は
   、連続的に送給される複数の溶加材のうち、溶接中心線
   の一方側と他方側に配置される各溶加材への通電を交互
   にオン−オフさせて行なう溶接法。 ３ 特許請求の範囲第１項において、溶加材への脈流は
   、連続的に送給される複数の溶加材のうち、非消耗性電
   極の溶接進行方向前方側と後方側に配置される各溶加材
   への通電を交互にオン−オフさせて行なう溶接法。 ４ 特許請求の範囲第１項において、溶加材への脈流は
   、連続的に送給される複数の溶加材のうち、溶接中心線
   の一方側と他方側に配置される各溶加材への通電電流値
   を交互に高電流と低電流、及び低電流と高電流になる様
   に夫々繰返して行なう溶接法。 ５ 特許請求の範囲第１項において、溶加材への脈流は
   、連続的に送給される複数の溶加材のうち、非消耗性電
   極の溶接進行方向前方側と後方側に配置される各溶加材
   への通電電流値を交互に高電流と低電流、及び低電流と
   高電流になる様に夫々繰返して行なう溶接法。 ６ 特許請求の範囲第２又は３項において、通電されて
   いる側における溶加材への通電電流値を変化させて行な
   う溶接法。 ７ 特許請求の範囲第２，３又は６項において、オン−
   オフの切換え時間間隔を変化させて行なう溶接法。 ８ 特許請求の範囲第４又は５項において、各溶加材へ
   の電流値切換え時間間隔を変化させて行なう溶接法。 ９ 特許請求の範囲第４，５又は８項において、通電電
   流値が多い側の溶加材における電流のピーク値と、通電
   電流値が少ない側の溶加材における電流のベース値の一
   方又は両方を変化させて行なう溶接法。 １０ 特許請求の範囲第１項において、夫々の溶加材を
   交番に送給することによつて、溶加材に脈流を与える溶
   接法。 １１ 特許請求の範囲第１〜９又は１０項において、管
   構造物の円周突き合わせ横向き溶接に適用する溶接法。 １２ 特許請求の範囲第１〜１０又は１１項において、
   溶加材への通電量の上限を２００Ａとする溶接法。１３
   特許請求の範囲第１〜１１又は１２項において、非消
   耗性電極への通電量の上限を５００Ａとする溶接法。 １４ 特許請求の範囲第１〜１２又は１３項において、
   溶加材への通電電圧を、非消耗性電極への通電電圧より
   低くする溶接法。