JPS6050544B2 - 狭開先溶接方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は狭開先のアーク溶接において溶接部の溶け込
みを充分にした欠陥のない溶接部を得る溶接方法とその
装置の構造に関するものである。

例えば溶接特にシールドガスとして不活性ガスを用いる
イナートガスメタルアーク溶接（ＭＩＧ溶接と略称する
。）は欠陥のない良質な溶接接続をする手段として知ら
れている。しかしその溶接に際しては不活性ガス（イナ
ートガス）例えはアルゴンガスと炭酸ガスの混合ガス等
を溶接部に供給するためノズルが開先寸法にくらべ大き
なものとなり溶接ノズルの動きが制限されある程度以上
の厚みをもつ材料を接続する狭開先の溶接作業は困難な
ものとなつてきた。これに加えて狭開先溶接では開先幅
６〜１ヒ、母材厚み２００〜３００７ｗｔ程度のものを
対象としており、溶接後の補修手直しは極めて困難であ
る。

・ 即ちこれらの困難は厚母材狭開先の溶接における全
く新規な解決すべき課題てもある。ぞのため本発明者は
さきに狭い開先、即ち狭開先において溶接ノズル自身を
溶接進行方向に対し左右に揺動させることなく溶接線材
（以下ワイヤｉと称す。

）自身が揺動して狭開先において良質の溶接部が得られ
る手段と装置を提案した。しかしこのワイヤ揺動手段を
採用しても溶接部をさらに欠陥の少い良質なものとする
ために実験、検討を重ね、この結果に基きこの発明にか
かる狭開先の溶接方法とその装置を提案するものである
。狭開先溶接においてはＭＩＧ溶接、ＴＩＧ（タングス
テンイナートガス）溶接についても他の溶接手段による
溶接部におけると同様にその欠陥の種類は母材開先側壁
との溶け込み不良、ブローホール、スラグ巻き込み、前
層部との融合不足等である。ＭＩＧ溶接に際してのアー
クによる溶融部を子細に観察すると、その状態は第１図
に示すようなものである。

ワイヤ１の下側で溶接進行方向に対しやや後方寄りに溶
融金属よりなる溶融池２があり、溶接の進行に伴い溶接
進行方向ａに対し後方に逐次固つた金属の層たる後続ビ
ード３を形成して行くものてある。溶融金属は表面張力
が大なることから第１図に示すごとくその縦断面で楕円
形に近いものてあり、前層部４の表面についての接触角
θは９００より大な所謂５ヌレ性ョ（濡れ性）の悪いも
のとなつている。また第１図のＡ″−Ａ″断面を示す第
２図においてもビード３と母材５との間ては所謂１ヌレ
性ョが悪く隅角部イを生じアンダーカット及びスラグ巻
き込みの機会をもつ状態となつている。これらのことは
特に第２図に示すようなビードー層につきーバスの狭開
先溶接においては実用化の可否を左右する問題となる。
従来イナートガスの供給は第１図に示すようにコンタク
トチューブ６の廻りの通路１７から流出．させたり、更
に空気との遮断を充分にするために前記通路１７を囲み
第２のイナートガスの通路１７ａを設けている。

これら従来のイナートガスの供給は例えは特公昭５１−
２３４６１に記載されているようにすべて空気遮断を目
的としており、溶融池．に影響を与える構造とはなつて
おらずまた影響を与えようとする意図を有するものでは
ない。この発明の目的は一層一バスによる狭開先溶接に
おいて、シールドガスの使用をアーク部を空気から遮断
する効果とともに、より積極的に溶融池・の形状を変化
させ、ＭＩＧ，ＴＩＧ等の狭開先アーク溶接による溶接
部の欠陥発生の防止をはかる溶接方法とその装置を提案
することにある。そこて本願発明者は、良質の溶接部を
得るためには開先の両側壁への溶け込み及び前層ビード
への溶け込みが良いことが必要との見解にもとづき、上
記目的を達成するため数多くの実験と検討を行なつた。

一層一バスの狭開先溶接においても、ワイヤ材質、母材
の材質、電源特性（電圧、電流）、溶接速度等の諸条件
を考慮せねばならぬことは当然であるが、前記の実験と
検討の結果、本願発明の対象となる狭開先（例えは開先
幅６〜１０７７！１７り厚母材（例えば厚み２００〜３
００Ｗ＄Ｌ）溶接にお冫いては溶融池を制御するシール
ドガスの吹き付け位置を定めることが最も重要な溶接条
件の一つであることが判つた。即ち溶融池へのガスの吹
き付け位置を定めさえすれば、前記の溶接条件はその溶
接仕様に応じ適宜決定することにより所望の溶門接部を
得ることができるという知見が得られた。要するにこの
発明の第１の特徴は、１狭開先をシールドガスを用いて
ビードー層一バスでアーク溶接する方法において、溶接
進行方向につきアーク後方側に形成される溶融池がその
後ｊ方部において後続ビードと重なる部分の溶融金属表
面に二次ガスを吹きつけ、その風圧により前記溶融金属
表面を押し拡げることによつて両開先側壁へのヌレ性を
良くすると同時に前記アーク直前の前層ビード表面上に
一次ガスを吹きつけ、その風圧によつて前記溶融池前方
部の溶融金属の押し戻しを行ない前層ビードとのヌレ性
を良くして溶接を行なうことョであり、第２の特徴は、
。

前記第１の特徴に加え、一次ガスと二次ガスの夫々の供
給量を制御することョである。第３の特徴は、１狭開先
をシールドガスを用いてアーク溶接するものにおいて、
コンタクトチューブの溶接進行方向後方側であつて、か
つアーク後方に形成される溶融池がその後方部において
おいて後続ビードと重なる部分に対応する位置に溶融池
の溶融金属表面の押し拡げを行なうガスを噴出する二次
ガスノズルを配置し、前記コンタクトチューブと二次ガ
スノズルとの間へコンタクトチューブに密着させて冷却
水管を配置し、前記コンタクトチューブ直前に溶融金属
の押し戻しを行なうガスを噴出する一次ガスノズルを配
置したことョである。この発明の一実施例を以下図面に
よりＭＩＧ溶接を例にとり説明する。

第３図は溶接装置を溶接進行方向前方より見た状態を示
す図面（第４図のＡ−Ａ断面視図）てある。溶接ノズル
は通常その横断面が長方形の長柱状をなしその内部にワ
イヤの通る孔６ａをもつコンタクトチューブ６が配置さ
れている。このコンタクトチューブ６は熱伝導がよく電
気伝導度の大なる材料で形成され孔６ａ内には発明者の
先に提案した装置により波状に形成されたワイヤが第３
図において上方より連続して供給され、下端でアークを
発生し消耗しながらかつ左右にワイヤ端部を揺動させて
ビードを形成し溶接するものである。第４図は第３図の
Ｂ−Ｂ断面を示すもので、コンタクトチューブ６の溶接
進行方向ａについてアーク１８の直前にこのコンタクト
チューブに密着して一次ガスノズル７を取付けする。

そのイナートガスの通路は第５図に示すごとく横断面形
状が一つの長方形の孔をもつものであつてもよく、複数
のガス通路をブ七ツクに穿孔して設けた第６図に示すよ
うなものでもよく、更に第７図に示すごとく複数本の管
を接続して一つのブロックとしたものてあつてもよい。
コンタクトチューブ６の溶接進行方向につき後方にこの
コンタクトチューブ６を冷却する冷却水管８を密着して
位置させ、この冷却水管８のさらに後方に二次ガスノズ
ル９を外“密着して位置させる。二次ガスノズル９の形
状は一次ガスノズル７と類似又は同様のものとし、かつ
そのガス通路形状については第５図乃至第７図の何れか
を採用してもよい。この発明の実施による溶接部の溶融
池の性状及び母材に対する影響を確認するため、発明者
は実験検討を行なつた。

供試試験片の形状は第１１図に示すようなものとし、ｘ
は３００Ｔ０ｎ，ｙは３０？，ｗは９瓢の開先幅とした
。

また使用するトーチは狭開先に対応するものとし、トー
チの横断面図たる第１０図に示す断面をもつものとした
。イナートガスの通路となる管材、コンタクトチューブ
の管材、冷却水管の管材の肉厚は夫々１７ｒ０１１とし
、芯間距離ｅは７．５？，ｆは１７．５？，ｈは４？，
ｇは６＝とした。Ｅ，ｆはアークの中心（アークポイン
ト）からの一次ガスノズル中心及び二次ガスノズルの中
心との距離を言い、溶融池の押し戻し、押し広げかつ冷
却の効果より定めたものである。なおビード形状調査実
験溶接条件は下記第１表に示すものてある。つぎにこの
発明にかかる溶接装置を使用した場合の溶融池形状につ
いて説明する。

従来のイナートガスによる空気遮断のみを行なつて溶接
をした場合の溶融池の縦断面形状は第４図に一点鎖線で
示す凸状の表面曲線１０で示すようなものになるもので
ある。この発明にかかる溶接装置においては、二次ガス
ノズル９の位置はワイヤ端部即ちアーク１８に対して設
定された距離の接触進行の後方で、第４図より明かなよ
うに溶融池全体の後方部に対応する位置、即ち後続ビー
ド１５とその一部が重なつている部分に対向するように
してある。溶融池１１は二次ガスノズルからのイナート
ガスの風圧により押し拡げられその表面は第４図及び第
８図の曲線１０ａで示すような凹状の断面９形状を示す
ものとなり母材の開先側壁への融け込み部１４も十分な
ものとなりアンダーカットやスラグ巻き込みの機会をな
くすものである。また一次ガスノズルの位置はワイヤ端
部に対して設定された溶接進行方向直前位置にあるので
一次ガスはアーク直前に吹付けされ、前記の二次ガスノ
ズルから噴出するイナートガスで押し拡げられた溶融池
の溶融金属は一次ガスノズルからのイナートガスにより
さらに押し戻され第４図に示すようにその表面は断面て
凹状の表面曲線１０ａを示すものとなり、アークは前層
部１２を充分に溶融する。従つてこの高温の溶融金属と
溶触する前層部１２との融合は符号１３で示すように十
分にとけ込みの良いものとなる。このようにして溶接ノ
ズルの進行に伴い欠陥のないビード１５が形成されて行
くものである。また複数個のガス通路をもつ一次又は二
次ガスノズルにおいては一例を第９図に示すごとくガス
通路１６１，１６２，１６３のガス噴出方向をそれぞれ
変化させたものとし前記の溶融池の表面を押し戻し又は
溶融池押し拡げの効果の良いものとすることができる。
またこれら一次、二次のガスノズルのガス通路からの噴
出ガス量を通路ことに異つたものとすることとし溶融池
変形の効果を高めた最適の条件にすることができる。上
記したごとくコンタクトチューブ軸心（アーク位置）と
一次ガスの前方吹きつけ位置間の距離（第１距離）をｅ
、コンタクトチューブ軸心（アーク位置）と二次ガスの
吹きつけ位置間の距離（第２距離）をｆとするるときは
、ｆ＞ｅ即ちｆはｅより大にすることが良好な結果が得
られることを確めた。

最適のものはｅは７．５ＴｆＵｎｆは１７．５Ｔ！Ｕｎ
てあつた。冷却水管８は図示の配置に限定されるもので
はなく、コンタクトチューブ６を囲むようにしてもよく
、それによりＦ．ｌ５ｅの寸法！は適当なものにするこ
とができる。一次ガスノズル、コンタクトチューブ、冷
却水管、二次ガスノズルはコンタクトチューブの放熱の
ため密着させて伝熱を良くすることと構造をできるだけ
小さくする目的からも相互に密着させることが望まし５
い。また一例では一次ガスノズル、二次ガスノズルは第
１０図に示すごとく断面は１かどョの丸いほぼ長方形に
形成され、その断面は長辺は１０７Ｔ＄ｉ１短辺は６ｗ
！ｎ１管肉厚は１悶のものとしている。

４この一次ガスノズル７からのガス供給量は１０ｆ
／Ｍｉｎｌ二次ガスノズル９からのガス供給量も１０ｆ
／Ｍｉｎであるとき最適な溶融池の形状とすることがで
きた。第１２図でＡはビード、溶融池とトーチの関係を
示し、ＢはＡに関連した溶融池及び溶融池近傍の温度状
態を示すものである。

実測では符号イは溶融池よソー寸前方の母材の温度で２
５０℃、二次ガスノズル下の符号口は凝固前の溶融池の
温度で約１４００゜Ｃ１ハ部では約５０００Ｃあり凝固
の状態であつた。

この口部が最も温度の高いのは既に形成された後続ビー
ド（第１２図Ａノの斜線なしのの部分）上に溶融池が重
なり後続ビードの保有熱が加わることによるものである
。口部は溶融金属が周辺より凝固し始めるところであり
、溶融池表面形状を制御することによりヌレ性の良いビ
ード形状を得るに最適の位置を示している。なお前記一
次、二次ガスノズルに供給するガス量を１０ｅ／Ｍｉｎ
とするときは、ガス速度は出口で１５ｒｎ／ｓとなる。

また第１２図より明かなように、アーク位置と一次ガス
、二次ガスの位置関係を本発明のごとくしたため、溶接
進行方向につき溶融池先端近傍に一次ガス、後端近傍に
二次ガスを吹きつけることとなる。

従つて両ガス吹き付け位置間にある溶融池の部分は両ガ
スの噴出圧のバランスにより溶融池表面に対し静圧のみ
が作用することになり、溶融池表面を乱すことなく、即
ちブローホール等の欠陥を発生することなく、前層ビー
ド及び開先両側壁へのヌレ性を良くすることがてきる。
本発明は以上説明したことく、厚母材、狭開先溶接を一
層一バスで行なう際のシールドガスの一次ガスと二次ガ
スの吹き付け位置を特定したものである。

前記したごとく溶接を行なうためには、各種溶接条件を
決定しなければならないが、本願発明の対象であるアー
ク溶接においては、一次ガス、二次ガスの位置さえ特定
されれば他の溶接諸条件は対象となる溶接仕様に応じて
適宜決定することにより実機に適用可能である。

代表的な実機への適用例を第２表に示す。この発明を重
施することにより、溶融池の押し戻し押し拡げは適切に
行なわれ、凹面の溶融金属表面が形成され、母材と前層
部への融け込みは十分に行なわれ、スラグ巻き込み、ア
ンダカツト、ブローホール等の欠陥発生も少なく、また
装置も小型になり、下向きの作業を容易にするのみなら
ず狭開先による溶融金属の保持効果とあいまつて横向き
など全姿勢の作業も容易にできるなど種々の効果を奏す
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の溶接方法及び装置により狭開先部を溶接
したときの溶接装置及びビードの縦断面図、第２図はそ
のビードの横断面図、第３図はこの発明にかかる装置の
第４図のＡ−Ａ断面視図、第４図はこの発明にかかる装
置の縦断面図て第３図のＢ−Ｂ断面視図、第５図、第６
図、第７図は一次又は二次ガスノズルの横断面図でガス
通路の各種形状を示す図面、第８図はこの発明にかかる
溶接装置で溶接をしたときの融け込みを示すビードの横
断面図、第９図は一次又は二次ガスノズルの複数個のガ
ス通路のガス噴出方向をそれぞれ異にする場合の一例を
示す縦断面図、第１０図はトーチの横断面図、第１１図
は実験に使用した試験片形状を示す斜視図、第１２図Ａ
はトーチ端部と溶接ビードの関係を模式に示す断面図、
第１２図ＢはＡ図との関連と溶融池と溶融池先端母材の
温度を示す線図てある。 １・・・・・・ワイヤ、２・・・・・・溶融池、３・・
・・・・後続ビード、４・・・・・・前層部、５・・・
・・・母材、６・・・・・コンタクトチューブ、６ａ・
・・・・・孔、７・・・・・一次ガスノズル、８・・・
・・・冷却水管、９・・・・・・二次ガスノズル、１０
・・・・・凸状の表面曲線、１０ａ・・・・・・凹状の
表面曲線、１１・・・・・・溶融池、１２・・・・・・
前層部、１３・・前層部への融け込み部、１４・・・・
・・母材への融け込み部、１５・・・・・・後続ビード
、１６１，１６。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 狭開先をシールドガスを用いてビード一層一パスで
   アーク溶接する方法において、溶接進行方向につき、ア
   ーク後方側に形成される溶融池がその後方部において後
   続ビードと重なる部分の溶融金属表面に二次ガスを吹き
   つけ、その風圧により前記溶融金属表面を押し拡げるこ
   とによつて両開先側壁へのヌレ性を良くすると同時に、
   前記アーク直前の前層ビード表面上に一次ガスを吹きつ
   け、その風圧によつて前記溶融池前方部の溶融金属の押
   し戻しを行ない前層ビードとのヌレ性を良くして溶接を
   行なうことを特徴とする狭開先溶接方法。 ２ 前記一次ガスと二次ガスの夫々の供給量を制御する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の狭開先溶
   接方法。 ３ 狭開先をシールドガスを用いてアーク溶接するもの
   において、コンタクトチューブの溶接進行方向後方側で
   あつて、かつアーク後方に形成される溶融池がその後方
   部において後続ビードと重なる部分に対応する位置に、
   溶融池の溶融金属表面の押し拡げを行なうガスを噴出す
   る二次ガスノズルを配置し、前記コンタクトチューブと
   二次ガスノズルとの間へコンタクトチューブに密着させ
   て冷却水管を配置し、前記コンタクトチューブ直前に溶
   融金属の押し戻しを行なうガスを噴出する一次ガスノズ
   ルを配置したことを特徴とする狭開先溶接装置。