(57)【要約】【課題】亜鉛を含むめっき鋼鈑の溶接において、ブローホールやピットなどの発生を効果的に抑制することのできるガスシールドアーク溶接方法を提供する。【解決手段】本発明によって提供されるガスシールドアーク溶接方法は、亜鉛めっき鋼板である溶接母材Ｐ１，Ｐ２と溶接ワイヤＷとの間にアークＡＣを発生させるとともに、コンタクトチップ３２を囲うように溶接母材Ｐ１，Ｐ２に対してシールドガスＳＧを噴出させるガスシールドアーク溶接方法であって、シールドガスＳＧには、主成分ガスにオゾンが添加された混合ガスが用いられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも亜鉛が含まれためっき鋼板からなる溶接母材と電極との間にアークを発生させるとともに、上記電極を囲うように上記溶接母材に対してシールドガスを噴出させるガスシールドアーク溶接方法であって、
上記シールドガスには、主成分ガスにオゾンが添加された混合ガスが用いられることを特徴とする、ガスシールドアーク溶接方法。
【請求項２】
上記オゾンの添加率は、２００〜１０００ｐｐｍである、請求項１に記載のガスシールドアーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば亜鉛めっき鋼板のガスシールドアーク溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、たとえば亜鉛めっき鋼板は耐食性に優れていることから、自動車のボデーや住宅などの建材などに広く利用されている。亜鉛めっき鋼板からなる溶接母材を溶接する溶接方法としては、溶接母材と電極との間に生じるアークを大気から遮蔽するためのシールドガスを用いたガスシールドアーク溶接方法がある。
【０００３】
ガスシールドアーク溶接方法においては、アーク溶接時に高温のアーク熱によって亜鉛めっき鋼板に含まれる亜鉛が溶融し、溶融した亜鉛が急激に沸騰する現象（以下、「突沸」という）が生じる。そして、突沸した亜鉛が蒸気となって飛散するといった吹き上げが生じ、これによりビード上にピット（表面欠陥）が発生する。また、飛散した蒸気が溶融金属中に残存することがあり、これによりブローホール（気孔）が発生する。そのため、たとえば重ね継手においては、ピットやブローホールによって溶接母材同士の接合部の強度が低下するといった問題がある。
【０００４】
特許文献１には、シールドガスとしてアルゴンガスと少量の酸素ガスとからなる混合ガスが用いられた技術が記載されている。特許文献１に記載の技術によれば、亜鉛めっき鋼板に含まれる亜鉛をシールドガス中の酸素ガスによって酸化させ、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を形成することにより、亜鉛蒸気の突沸を抑えるようにしている。一般に、酸化亜鉛（ＺｎＯ）の昇華点は１７２５℃程度であり、ガスシールドアーク溶接時に亜鉛めっき鋼板が溶融しても上記昇華点に達することはない。そのため、酸化亜鉛（ＺｎＯ）が形成されることによって、亜鉛蒸気の突沸をある程度抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５７−２０９７７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、亜鉛のめっき量が比較的大の亜鉛めっき鋼板をアーク溶接する場合には、アルゴンガスに酸素ガスを混合させたシールドガスを用いたとしても、溶融金属中に混入した亜鉛を十分に酸化させることはできない場合がある。そのため、亜鉛蒸気の突沸を十分に抑えることができず、なおもブローホールやピットが発生するといった問題点があった。
【０００７】
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、少なくとも亜鉛が含まれためっき鋼鈑のアーク溶接において、ブローホールやピットなどの発生を効果的に抑制することのできるガスシールドアーク溶接方法を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によって提供されるガスシールドアーク溶接方法は、少なくとも亜鉛が含まれためっき鋼板からなる溶接母材と電極との間にアークを発生させるとともに、上記電極を囲うように上記溶接母材に対してシールドガスを噴出させるガスシールドアーク溶接方法であって、上記シールドガスには、主成分ガスにオゾンが添加された混合ガスが用いられることを特徴としている。
【０００９】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記オゾンの添加率は、２００〜１０００ｐｐｍである。
【００１０】
このような構成によれば、亜鉛が含まれためっき鋼鈑のアーク溶接においては、アーク溶接時のアーク熱などによってシールドガスに含まれるオゾン（Ｏ3）が単原子の酸素（Ｏ）の状態となり、この単原子の酸素（Ｏ）と溶融金属中に含まれる亜鉛とが結合し、酸化亜鉛（ＺｎＯ）が形成される。そのため、溶融金属中に含まれる亜鉛のほとんどを酸化させることができ、亜鉛蒸気の突沸を抑制することができる。したがって、ブローホールやピットの発生を効果的に抑制することができる。
【００１１】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明にかかるガスシールドアーク溶接方法が適用される溶接装置のシステム構成を示す図である。
【図２】本実施形態のガスシールドアーク溶接方法を実施した場合の、シールドガスにおけるオゾンの添加率と、亜鉛蒸気による吹き上げ回数との関係を示したグラフである。
【図３】本実施形態のガスシールドアーク溶接方法を用いた場合のビード外観図である。
【図４】図３におけるＩＶ−ＩＶ線に沿う要部断面図である。
【図５】従来のガスシールドアーク溶接方法を用いた場合のビード外観図である。
【図６】図５におけるＶＩ−ＶＩ線に沿う要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。
【００１４】
図１は、本発明にかかるガスシールドアーク溶接方法が適用される溶接装置のシステム構成を示す図である。溶接装置Ａは、亜鉛めっき鋼板としての溶接母材Ｐ１，Ｐ２に対してガスシールドアーク溶接を施すための装置である。溶接装置Ａは、溶接電源１、ガスボンベ２、溶接トーチ３およびワイヤ送給機構４などを備えている。
【００１５】
図１では、たとえば溶接母材Ｐ１，Ｐ２を重ね合わせて溶接する重ね継手の隅肉溶接を一例として記載している。すなわち、この隅肉溶接では、図１における紙面の奥行き方向または手前方向に溶接トーチ３が直線移動して、２つの溶接母材Ｐ１，Ｐ２の略直交する２つの面の隅に溶接が行われる。なお、このガスシールドアーク溶接方法が用いられる溶接継手の形態は、上記した重ね継手に限るものではなく、たとえば突合せ継手またはＴ字継手などにこのガスシールドアーク溶接方法が用いられてもよい。
【００１６】
また、このガスシールドアーク溶接が実施される溶接母材Ｐ１，Ｐ２としては、少なくとも亜鉛が含まれためっき鋼板であればよく、たとえばアルミニウムやマグネシウムなどが含まれる合金がめっきされためっき鋼板であってもよい。
【００１７】
溶接電源１は、溶接母材Ｐ１，Ｐ２をアーク溶接するための溶接電圧を発生させるとともに、シールドガスＳＧを溶接トーチ３に供給するためのものである。溶接電源１は、電源主回路１１、ガス流量設定回路１２、およびガス流量調整器１３などを備えている。溶接電源１には、２つの電極（図示略）が設けられており、その一方が溶接トーチ３に設けられたコンタクトチップ３２（後述）を介して溶接ワイヤＷに導通しており、他方が溶接母材Ｐ１に導通している。
【００１８】
電源主回路１１は、溶接電圧として直流のアーク電圧を発生させるための直流電源回路である。電源主回路１１には、図略のガバナ回路が含まれており、このガバナ回路は、ワイヤ送給速度指令信号Ｗｆによってワイヤ送給モータ４２を駆動させるものである。ガス流量設定回路１２は、たとえば電源主回路１１から出力される電流信号Ｉｄに応じてガス流量調整器１３に対してガス流量設定信号Ｆｓを伝達するものである。ガス流量調整器１３は、ガスボンベ２から供給されるシールドガスＳＧの流量をガス流量設定信号Ｆｓにしたがって調整するものである。ガス流量調整器１３は、たとえば金属製のダイヤフラム（図略）を有する流量調整弁によって構成される。なお、ガス流量調整器１３は、溶接電源１とは別の機器として構成されてもよい。
【００１９】
ガスボンベ２は、溶接トーチ３にシールドガスＳＧを供給するためのものであり、予め所望の混合ガスとしてのシールドガスＳＧが注入されている。本実施形態では、シールドガスＳＧには、主成分ガスとして一般的に用いられるアルゴンガスに、微量のオゾンが添加された混合ガスが用いられている。このシールドガスＳＧにおけるオゾンの添加率は、たとえば２００〜１０００ｐｐｍとされている。オゾンの添加率は、後述するように、アーク溶接が実施された際に、亜鉛蒸気の吹き上げが生じない程度の値とされており、実験などにより求められた値である。
【００２０】
一般に、オゾンは高濃度になると毒性が強くなる傾向があるので、シールドガスＳＧに高濃度のオゾンを添加してアーク溶接を行うと、たとえば溶接装置Ａで用いられる金属製のガス配管やガス流量調整器１３に用いられる金属製のダイヤフラム（図略）などを腐食させることがある。そのため、オゾンは、一般に、低濃度オゾンとして定義される１０００ｐｐｍまでの添加率でシールドガスＳＧの主成分ガスに添加することが望ましい。
【００２１】
なお、本実施形態においては、シールドガスＳＧの主成分ガスとして、不活性ガスであるアルゴンガスが用いられているが、主成分ガスはこれに限るものではない。たとえばアルゴンガスと酸素ガスとの混合ガス、アルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガス、あるいは炭酸ガスなどの活性ガスが主成分ガスとして用いられてもよい。
【００２２】
溶接トーチ３は、ノズル３１およびコンタクトチップ３２を備えており、たとえば多関節ロボット（図略）によって保持されている。ノズル３１は、たとえば銅などの金属からなる筒状部材であり、適宜水冷構造を有している。コンタクトチップ３２は、たとえば銅などの金属からなり貫通孔が形成されている。この貫通孔には、消耗電極としての溶接ワイヤＷが挿通され、これにより、コンタクトチップ２４は、溶接ワイヤＷと導通している。コンタクトチップ３２は、溶接母材Ｐ１，Ｐ２との間に溶接電圧Ｖを印加するための電極として機能するものである。なお、溶接トーチ３は、アーク溶接時には、図示しない多関節ロボットによって所定の速度で図１における紙面の奥行き方向または手前方向に移動される。
【００２３】
ノズル３１のコンタクトチップ３２には、溶接電源１から溶接電圧Ｖが供給され、この溶接電圧Ｖの供給により、溶接ワイヤＷから溶接母材Ｐ１，Ｐ２に対してアークＡＣが発生される。なお、図１の符号５０は溶融池を示す。
【００２４】
ノズル３１には、ガスボンベ２から溶接電源１を介してシールドガスＳＧが供給され、シールドガスＳＧは、コンタクトチップ３２および溶接ワイヤＷを囲うように溶接母材Ｐ１，Ｐ２に対して噴出される。シールドガスＳＧは、コンタクトチップ３２および溶接ワイヤＷを囲うように噴出されることにより、上記アークＡＣを大気から遮蔽する機能を有する。
【００２５】
ワイヤ送給機構４は、溶接ワイヤＷを溶接トーチ２に送給するための機構であり、図示しないワイヤリール、溶接ワイヤＷを溶接トーチ２に対して送り出す一対の送給ローラ４１、および送給ローラ４１を回転させるワイヤ送給モータ４２などによって構成されている。ワイヤ送給モータ４２は、ＧＭＡアーク溶接電源ＰＳＭから伝達されるワイヤ送給速度指令信号Ｗｆによって回転制御される。
【００２６】
次に、本実施形態のガスシールドアーク溶接方法の作用について説明する。
【００２７】
本実施形態では、ガスシールドアーク溶接が実施される際、アルゴンガスを主成分ガスとし、このアルゴンガスに微量のオゾン（Ｏ3）が添加された混合ガスがシールドガスＳＧとして用いられる。オゾン（Ｏ3）は、溶接ワイヤＷと溶接母材Ｐ１，Ｐ２との間に発生されるアークＡＣの熱によって容易に分解し、酸素（Ｏ2）になる（２Ｏ3→３Ｏ2）。ここで、オゾン（Ｏ3）が酸素（Ｏ2）になる途中の過程では、オゾン（Ｏ3）の状態から不安定な単原子の酸素原子（Ｏ）の状態となることが知られている（Ｏ3→３Ｏ）。
【００２８】
本実施形態では、オゾン（Ｏ3）が添加されたシールドガスＳＧを噴出させて、ガスシールドアーク溶接が行われると、オゾン（Ｏ3）がアーク熱によって単原子である酸素原子（Ｏ）に分解され、その酸素原子（Ｏ）が溶融金属中の亜鉛と容易に結合して酸化亜鉛（ＺｎＯ）が形成される。すなわち、シールドガスにアルゴンガスと酸素ガスとの混合ガスが用いられた、従来のガスシールドアーク溶接においても、亜鉛めっき鋼板に含まれる亜鉛が酸素ガスによって酸化され酸化亜鉛（ＺｎＯ）が形成された。しかし、本実施形態では、オゾン（Ｏ3）から分解された単原子の酸素原子（Ｏ）が溶融金属中の亜鉛と結合するので、その結合の度合いが従来に比べより顕著となり、より好ましく酸化亜鉛（ＺｎＯ）を形成することができる。
【００２９】
そのため、オゾン（Ｏ3）が添加されたシールドガスＳＧを噴出させることにより、アーク溶接時において溶融金属中に溶け込んでいた亜鉛をより一層効果的に酸化させることができる。したがって、亜鉛蒸気の発生を抑制することができるので、溶融金属中におけるブローホールやピットの発生を格段に抑えることができる。
【００３０】
図２は、本実施形態のガスシールドアーク溶接方法を実施した場合の、シールドガスＳＧにおけるオゾンの添加率と、亜鉛蒸気による吹き上げ回数との関係を示したグラフである。
【００３１】
このガスシールドアーク溶接方法では、溶接電源１から供給される溶接電流は２００Ａ、溶接電圧は２１Ｖに設定され、溶接速度（溶接トーチ３の移動速度）は７０ｃｍ／分に設定されている。また、シールドガスＳＧの主成分ガスには、アルゴンガスが用いられている。図２における亜鉛蒸気による吹き上げ回数は、溶接長１０ｃｍ当たりにおける値である。
【００３２】
図２に示すように、オゾンの添加率が２００ｐｐｍ程度以下のシールドガスＳＧを用いた場合では、亜鉛蒸気の吹き上げが著しく生じているが、オゾンの添加率が２００〜４００ｐｐｍ程度のシールドガスＳＧを用いた場合では、亜鉛蒸気の吹き上げは全く発生しなかった。したがって、シールドガスＳＧにおけるオゾンの添加率が２００ｐｐｍ程度を境にして、亜鉛蒸気の吹き上げが生じないことがわかる。
【００３３】
図３は、本実施形態のガスシールドアーク溶接方法を用いた場合の、溶接母材Ｐ１，Ｐ２の重ね継手の溶接接合部におけるビード外観図である。図４は、図３におけるＩＶ−ＩＶ線に沿う要部断面図である。このガスシールドアーク溶接方法では、溶接電源１から供給される溶接電流は２２０Ａ、溶接電圧は２２Ｖに設定され、溶接速度は６０ｃｍ／分に設定されている。また、溶接母材Ｐ１，Ｐ２として板厚３ｍｍ程度の亜鉛めっき鋼板が用いられている。
【００３４】
図５は、比較例として従来のガスシールドアーク溶接方法を用いた場合の、溶接母材Ｐ１，Ｐ２の重ね継手の溶接接合部におけるビード外観図である。図６は、図５におけるＶＩ−ＶＩ線に沿う要部断面図である。溶接条件は、図３および図４に示すガスシールドアーク溶接方法とほぼ同様であるが、シールドガスとしてアルゴンガスと酸素ガスとの混合ガスが用いられている。
【００３５】
図５および図６に示すように、従来のガスシールドアーク溶接方法では、ビード５１の複数個所にピット５２が表出したり、溶融金属中にブローホール５３が発生したりした。一方、図３および図４に示すように、主成分ガスにオゾン（Ｏ3）が添加されたシールドガスＳＧが用いられた、本実施形態のガスシールドアーク溶接方法では、ビード５１にピット５２やブローホール５３の発生が見られず、良好なビード５１を形成することができた。
【００３６】
上記のように、本実施形態のガスシールドアーク溶接方法においては、シールドガスＳＧに含まれるオゾン（Ｏ3）によってアーク溶接中に溶融金属中のほとんどの亜鉛を酸化亜鉛（ＺｎＯ）にすることができる。そのため、亜鉛蒸気の突沸による吹き上げを抑制でき、溶融金属中のブローホール５３、ビード５１に表出されるピット５２などを効果的に抑制することができる。したがって、亜鉛を含むめっき鋼板のガスシールドアーク溶接において、その溶接品質を向上させることができる。
【００３７】
本発明に係るガスシールドアーク溶接方法は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係るガスシールドアーク溶接方法の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。たとえば、上記実施形態では、溶接電源１から直流の溶接電圧が供給されたが、これに限らず、たとえば交流の溶接電圧が供給されてもよい。また、本発明のガスシールドアーク溶接方法は、プラズマ溶接やＴＩＧ溶接などに適用されてもよい。
【符号の説明】
【００３８】
Ａ      溶接装置
ＡＣ    アーク
Ｐ１，Ｐ２    溶接母材
ＳＧ    シールドガス
Ｗ      溶接ワイヤ
１      溶接電源
１１    電源主回路
１２    ガス流量調整器
１３    ガス流量設定回路
２      ガスボンベ
３      溶接トーチ
３１    ノズル
３２    コンタクトチップ
４      ワイヤ送給機構
４１    送給ローラ
４２    ワイヤ送給モータ
５１    ビード
５２    ピット
５３    ブローホール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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