(57)【要約】【課題】本発明は、フラッシュバット溶接時のシールドガス供給孔へのスパッタ付着に起因する課題を解決し、安全性の高い非可燃性のガスを用いて溶接部のシールドを安定的に長期間使用可能とし、しかもランニングコスト低減の観点からガスの供給量を減少させ溶接部の酸化を抑制し、高い溶接品質を得ることができる鋼板のフラッシュバット溶接方法及び装置を提供することを目的とする。【解決手段】鋼板突合せ部のフラッシュバット溶接において、鋼板上下面のクランプダイおよびクランプダイインサートで挟まれる溶接空間に、該鋼板の幅方向に平行となるよう磁場を印加し、前記磁場とフラッシュバット溶接における前記電流との相互作用により溶接の際生じるスパッタが飛散する方向と、前記鋼板に対し反対側の該溶接空間を、不活性ガス雰囲気とすることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板突合せ部のフラッシュバット溶接において、鋼板上下面のクランプダイおよびクランプダイインサートで挟まれる溶接空間に、該鋼板の幅方向に平行となるよう磁場を印加し、該溶接空間内を不活性ガス雰囲気とすることを特徴とする鋼板のフラッシュバット溶接方法。
【請求項２】
前記フラッシュバット溶接のために構成する電源トランス、配線、鋼板からなる一連の閉回路により、前記磁場を発生させることを特徴とする請求項１に記載の鋼板のフラッシュバット溶接方法。
【請求項３】
不活性ガス雰囲気とする前記溶接空間において、前記磁場とフラッシュバット溶接における前記電流との相互作用により溶接の際生じるスパッタが飛散する方向と前記鋼板に対し反対側の該溶接空間を、不活性ガス雰囲気とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼板のフラッシュバット溶接方法。
【請求項４】
前記磁場と前記フラッシュバット溶接における電流との相互作用により溶接の際生じるスパッタが飛散する方向が重力の方向であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか1項に記載の鋼板のフラッシュバット溶接方法。
【請求項５】
前記不活性ガス雰囲気を構成する不活性ガスに窒素ガスを用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれか1項に記載の鋼板のフラッシュバット溶接方法。
【請求項６】
鋼板のフラッシュバット溶接装置において、クランプダイおよびクランプダイインサートで囲まれる鋼板上下面の溶接空間に、該鋼板の幅方向に平行となるよう磁場を印加する磁場発生装置と、該溶接空間内への不活性ガス供給装置を有することを特徴とする鋼板のフラッシュバット溶接装置。
【請求項７】
前記鋼板のフラッシュバット溶接装置において、前記フラッシュバット溶接のために構成する電源トランス、配線、鋼板からなる一連の回路を前記磁場発生装置とすることを特徴とする請求項６に記載の鋼板のフラッシュバット溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に、自動車用のホイールリムや製鉄ラインにおけるコイル継ぎ溶接などで使用される薄鋼板のフラッシュバット溶接方法に関し、溶接部の酸化を抑制するために不活性ガスにて大気を遮断し、高品質な溶接部を得ることができる鋼板のフラッシュバット溶接方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、鋼材の高強度化が進展し、鋼材成分としてＭｎ、Ｓｉ、Ａｌ等の酸化しやすい元素が多く用いられるようになってきた。一般的に鋼板のフラッシュバット溶接は大気中で溶接されるが、鋼材成分中の酸化性元素の増加により接合部突合せ面に酸化物系の介在物（酸化介在物）が残存し溶接品質の低下につながっている。
【０００３】
酸化介在物の残存を抑制する手段として、特許文献１に、溶接部を不活性ガスでシールドする方法が提案されている。特許文献２および３には、シールドガスをプロパンガスなどの可燃性ガスとし、そのガスを溶接時に燃焼させることによって溶接部周辺の酸素を還元し被溶接材の酸化抑制効果が得る方法が提案されている。
【０００４】
しかしながらこれらの方法は、溶接時に発生するスパッタがシールドガスの供給孔に多量に付着し、シールドガスの供給量を低下させるだけでなく、最悪の場合はシールドガス供給孔をふさぎ、溶接部のシールド能力を低下させる原因となっている。
【０００５】
特許文献３では、クランプダイに付着したスパッタを除去するために、カッターバーを有するスペーサプレートをクランプダイに沿って摺動させることによって、溶接前にスパッタを除去する方法が提案されている。本手法ではクランプダイ前面に付着したスパッタ除去は可能であるが、シールドガス供給孔内に付着したスパッタの除去は不可能であるため、シールドガスの供給性能低下につながり長期にわたる溶接機の安定使用ができないという課題がある。
【０００６】
一方、溶接部全体をシールドするためには多量のガスを供給する必要があり、ランニングコストが過大になる問題がある。特許文献２では、シールドガスのランニングコストを下げるために、上側クランプダイのシールドガス供給孔を傾斜させシールドガスの供給方向が溶接部のフラッシュ発生箇所を局所的に狙えるようにするとともに、可燃性ガスを供給し酸素の還元効果を得ることによってシールドガス供給量を抑制し、ランニングコストの低減を図っている。
しかしながら、安全性の観点から不完全燃焼した可燃性ガスの取り扱いに注意を払う必要があり抜本的な対策が必要であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】実開昭５９−１９０４８０号公報
【特許文献２】特開平１０−７１４７３号公報
【特許文献３】特開昭５９−５４４７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、前述したようなフラッシュバット溶接時のスパッタによるシールドガス供給孔への付着に起因する課題を解決し、安全性の高い非可燃性のガスを用いて溶接部のシールドを安定的に長期間使用可能とし、しかもランニングコスト低減の観点からガスの供給量を減少させ溶接部の酸化を抑制し、高い溶接品質を得ることができる鋼板のフラッシュバット溶接方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、鋼板突合せ部のフラッシュバット溶接部に、該鋼板の幅方向にほぼ平行になるように磁場を印加し、前記磁場とフラッシュバット溶接における電流との相互作用により溶接の際生じるスパッタの飛散方向を制御することができることを見出した。
この原理により、スパッタの飛散方向を制御できれば、シールドガス供給孔へのスパッタの付着を抑制できることを発想し、本発明に至った。
【００１０】
また同様に、スパッタだけでなく、突合せ部鋼板端面の溶融金属の流動方向も制御できることから、酸化されていない溶融金属が鋼板突合せ端面を覆い、最終溶接工程である加圧（アップセット）後の酸化介在物の残存を防止することが可能であることを見出した。
【００１１】
この知見により、該鋼板に対し、スパッタの飛散方向と反対側の空間だけをシールドすれば、溶接部の酸化抑制が可能となり良好な溶接品質が得られることを発想し、本発明に至った。
【００１２】
さらに、前記磁場の印加方法についても、別個に磁場発生装置を設置しなくても、フラッシュバット溶接のために構成する電源トランス、配線、鋼板等からなる一連の閉回路により、前記磁場を発生させることが可能であることも見出した。
【００１３】
本発明は、これらの知見を基に成されたものであり、その要旨とするところは以下のとおりである。
（１）鋼板突合せ部のフラッシュバット溶接において、鋼板上下面のクランプダイおよびクランプダイインサートで挟まれる溶接空間に、該鋼板の幅方向に平行となるよう磁場を印加し、該溶接空間内を不活性ガス雰囲気とすることを特徴とする鋼板のフラッシュバット溶接方法。
【００１４】
（２）前記フラッシュバット溶接のために構成する電源トランス、配線、鋼板からなる一連の閉回路により、前記磁場を発生させることを特徴とする（１）に記載の鋼板のフラッシュバット溶接方法。
【００１５】
（３）不活性ガス雰囲気とする前記溶接空間において、前記磁場とフラッシュバット溶接における前記電流との相互作用により溶接の際生じるスパッタが飛散する方向と前記鋼板に対し反対側の該溶接空間を、不活性ガス雰囲気とすることを特徴とする（１）又は（２）に記載の鋼板のフラッシュバット溶接方法。
【００１６】
（４）前記磁場と前記フラッシュバット溶接における電流との相互作用により溶接の際生じるスパッタが飛散する方向が重力の方向であることを特徴とする（１）〜（３）のいずれか1項に記載の鋼板のフラッシュバット溶接方法。
【００１７】
（５）前記不活性ガス雰囲気を構成する不活性ガスに窒素ガスを用いることを特徴とする（１）〜（４）のいずれか1項に記載の鋼板のフラッシュバット溶接方法。
【００１８】
（６）鋼板のフラッシュバット溶接装置において、クランプダイおよびクランプダイインサートで囲まれる鋼板上下面の溶接空間に、該鋼板の幅方向に平行となるよう磁場を印加する磁場発生装置と、該溶接空間内への不活性ガス供給装置を有することを特徴とする鋼板のフラッシュバット溶接装置。
【００１９】
（７）前記鋼板のフラッシュバット溶接装置において、前記フラッシュバット溶接のために構成する電源トランス、配線、鋼板からなる一連の回路を前記磁場発生装置とすることを特徴とする（６）に記載の鋼板のフラッシュバット溶接装置。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、不活性ガスで溶接部をシールドするフラッシュバット溶接方法において、スパッタによるシールドガス供給孔の付着を抑制し、長期間にわたり安定したシールド性能を発揮することが可能になるため、溶接部の酸化を抑制し高い溶接品質を得ることができる。さらに、メンテナンス負荷を低減するとともに、シールドガス供給量の削減が可能となるためコスト低減に大きく寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】鋼板突合せ部のフラッシュバット溶接方法を示す図である。
【図２】溶接中のスパッタ発生状況及びクランプへのスパッタ付着状況を示す図である。
【図３】溶接中の電磁力による溶融金属の流れを示す図である。
【図４】実施例で用いたフラッシュバット溶接装置を示す図である。
【図５】（ａ）は、クランプダイ前面にシールドガス供給孔を設置するシールド方法を溶接部の上方から見た図であり、（ｂ）は、それをクランプダイの前面から見た図である。
【図６】（ａ）は、鋼板板幅方向の両サイドにシールドガス供給孔を設置するシールド方法を溶接部の上方から見た図であり、（ｂ）は、それをクランプダイの前面から見た図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
フラッシュバット溶接方法について図１を基に説明する。水平方向左右に配置された鋼板１Ｌ、１Ｒ（Ｌは図上の左側を、Ｒは右側を示す。以下、同様。）を突合せ、該鋼板の上下面を挟持するよう配置されたクランプダイ２Ｌ、２Ｒ、３Ｌ、３Ｒとクランプダイに固定されたクランプインサート４Ｌ、４Ｒ、５Ｌ、５Ｒで該鋼板１Ｌ、１Ｒをそれぞれ挟む。次に、溶接トランス６から所定の配線にて接続されているクランプダイおよびクランプインサートを介して鋼板に溶接電圧が印加される。溶接電圧印加と同時に左右に配置された鋼板を低速度で近づけ、互いに軽く接触させることにより、溶接電流を通電させる。溶接電流の通電により、左右の鋼板の相対する面（突合せ端面）で短絡通電とアーク発生が繰り返され（フラッシング）、鋼板の相対する面が溶融状態（フラッシュ）となり、多量の溶接スパッタ８Ｕ、８Ｄ（スパッタはアークにより溶融した鋼材の溶融金属が粒状となって飛散するものである。図には粒状のスパッタ一粒一粒は図示せず、粒状のスパッタが飛散する様子を破線にて図示している。以下、同様。）を発生させながら接合端面がさらに加熱されていく。接合面全体が均一に加熱されるように、所定の溶接時間、通電した後に、左右の鋼板を高速度で押付けて（アップセット）接合を行う。以上が、フラッシュバット溶接の工程である。
【００２３】
本発明者らは、磁場によるスパッタ飛散方向と溶融金属流動方向の制御及びシールド方法の最適化を目的に、図１の構成となるフラッシュバット溶接機を用いて、溶接現象について詳細に検討した。検討に用いた溶接試験機は、図２に示すように、クランプダイの溶接部を臨む面にシールドガス供給孔９Ｌ，９Ｒ，１０Ｌ，１０Ｒがそれぞれ配置されている。シールドガスは不活性ガスであれば特に種類は選ばないが、本検討においてはアルゴン(Ar)ガスを使用した。シールドガス噴射時の溶接部の酸素濃度は３〜５％であった。溶接トランス６は、溶接電流回路のインダクタンスをできるだけ小さくし、また、鋼板突合せ端面部分に印加する磁場を溶接電流の閉回路から得るため、溶接電源トランスを該鋼板の下側に配置し、回路長をできるだけ短くした。
【００２４】
以上の設備構成で実際にフラッシュバット溶接を行い、スパッタの飛散状況、鋼板突合せ部の溶接品質の評価を行った。
【００２５】
はじめに、鋼板の上側、下側の両方からシールドガスを噴射しフラッシュバット溶接を行ったところ、溶接時のスパッタは鋼板の上部（溶接トランスの反対側）に多量に発生し、溶接を数回繰り返すと上部のクランプインサート・クランプダイにシールドガス供給孔を塞ぐほど多量のスパッタ１１Ｕが付着した。一方、鋼板の下側（溶接トランス側）のスパッタ発生は比較的少なく、その結果、下部のクランプインサート・クランプダイへのスパッタ付着１１Ｄは少量であった。明らかに鋼板の上面部分と下面部分とでは、スパッタの飛散量が異なった。
【００２６】
次に、スパッタ付着の少ない鋼板の下側のクランプインサートからのみシールドガスを噴射し溶接したところ、鋼板下側のシールドガス供給孔の目詰りはほとんどなく、また、上下両方のクランプインサートからシールドガスを噴射したときと同等の良好な溶接品質が得られた。
【００２７】
このメカニズムは次のように考えられる。
図１に示すように、鋼板の直下に溶接トランスが配置され、溶接トランス６〜配線（図示せず）〜クランプダイ３Ｒ〜クランプインサート５Ｒ〜鋼板１Ｒ〜鋼板１Ｌ〜クランプインサート５Ｌ〜クランプダイ３Ｌ〜配線（図示せず）〜溶接トランス６と閉ループができ、そこを溶接電流７が流れる。溶接電流は数千〜数万アンペアに及ぶ大電流であり、この大電流が前記閉ループを流れるため強い磁場が発生する。図１の場合、閉ループの内側に、紙面の裏から表へ向かう強い磁場が発生する。溶接中は、フラッシングにより、鋼材１Ｌと１Ｒの相対する面が加熱され溶融する。その両側の溶融部１４が一部接触し（図３の１４´）、この部分に電流が流れると、前記した磁場により、電流の閉ループの外側に向かう電磁力１３が発生する。この電磁力１３により、接触した溶融金属部１４´が、電磁力の方向（図１、図３の場合、鋼板の上側）に飛ばされることとなる。電流７の向きが逆であっても、発生する磁場の方向が逆になるため、やはり電磁力の方向は鋼板の上側となる。従って、溶接トランスが鋼板の下側に配置された場合は、鋼板の上側に多量のスパッタが飛散したと考えられる。
【００２８】
更に、フラッシュ発生時はスパッタの発生とともに鋼板突合せ端面の溶融金属１４にも電流ループの外側（図３の場合、該鋼板の上側）に向かう流れが生じていると考えられる。このため、電流ループの内側１５Ｄのシールド状態を良好に保つことによって、鋼板の下側から鋼板の上側に向かって酸化されていない溶融金属が流れ、鋼板突合せ端面が常に非酸化の溶融金属によって覆われるため、酸化介在物の残存しない良好な溶接品質が確保できると考えられる。
【００２９】
シールドガスの低コスト化について検討する。シールドガスとしてAｒガスを使用することにより良好な溶接品質を確保できることが、前記したように分かった。しかし、Aｒガスは高価であるため、より安価な窒素（N2）ガスの適用を考えた。
【００３０】
一般的に、アーク溶接などでは、溶接金属に多量の窒素が溶解するとブローホールや溶接金属の靭性低下の原因となり、溶接品質上の問題となる。しかしながら、フラッシュバット溶接では、鋼板の突合せ端面に生成された溶融金属の大部分をアップセット工程で突合せ、面外に排出してしまうので、溶融金属に溶解した窒素の影響は軽微であり、通常では問題とならないことが分かった。
【００３１】
前記検討におけるAｒガスの代わりにN2ガスを用い、鋼板下側だけからN2ガスを噴射しフラッシュバット溶接を行ったところ、Arガスの時と変わらぬ良好な溶接品質が得られることを確認した。
【００３２】
本検討で明らかになったように、本発明を構成する主要な要素は、通常のフラッシュバット溶接において、鋼板突合せ部（溶接部分）に磁場を印加させることと、溶接部周囲の空間を不活性ガス雰囲気にすることである。
【００３３】
磁場の印加については、上記実施例では、フラッシュバット溶接に関わる装置にて構成する電流回路（閉ループ）を活用し、これにより磁場を発生させた。しかし、言うまでもなく、鋼板やフラッシュバット装置の外部に磁場発生装置を設置し、該接合部分に磁場を印加させてもよい。例えば、トランスバース式の電磁石対を、溶接部となる鋼板突合せ部を挟んで対峙するよう設置し、該鋼鈑突合せ部に磁場を印加することもできる。磁場の印加方法については、これらの方法に限定する必要はない。要は、溶接部となる鋼板突合せ部に磁場を印加せしめればよい。
【００３４】
ただ、フラッシュバット溶接自体大電流を要するため、できるだけインダクタンスを小さくすることが求められていることを考えれば、フラッシュバット溶接設備を活用し、できるかぎり閉回路を小さく設置することで、強い磁場を発生させ、本発明の効果を得ることができる。また、わざわざ磁場発生設備を付加することに比べると、作業性、メンテナンス性、コスト等を鑑みて望ましい。
【００３５】
フラッシュバット溶接の回路を利用して磁場を発生させる場合、本検討では鋼板の下側に溶接機トランスを配置したが、溶接部に印加される磁場の方向と電流の方向からスパッタの飛散方向が決定するので、これを考慮して、各機器（溶接トランスや配線）の配置を決めればよい。
【００３６】
溶接部周囲空間を不活性ガス雰囲気にするやり方は、本実施例に限定される必要はまったくない。溶接部周囲を広く不活性ガス雰囲気にすることは、経済的ではないので、例えば、鋼板の上面と下面において、それぞれ左右のクランプダイとクランプインサート（例えば、図１で鋼板１Ｌ、１Ｒの上面であれば、左のクランプダイ２Ｌとクランプインサート４Ｌ、右のクランプダイ２Ｒとクランプインサート４Ｒ）に挟まれる空間を、不活性ガス雰囲気にすればよい。
【００３７】
もちろん、本実施例からも確認されたが、電磁力によりスパッタが飛散する方向と、鋼板に対して逆側部分の空間を不活性ガス雰囲気にしても、本発明の効果は得られる。
【００３８】
さらに、空気の混入を防止するために、図４のように、両クランプダイを覆うように、遮蔽板１６を設置することが望ましい。図４は、鋼板上面部に設置した遮蔽板を図示しているが、もちろん側面部にも設置することが望ましい。少なくとも、不活性ガス雰囲気を必要とする部分に設置することが望ましい。さらに、、空気の混入を防止し、溶接部に酸化介在物を残存させない観点からは、言うまでもなく鋼板の上下部両方に設置することがより望ましい。
【実施例】
【００３９】
その他の実施例について説明する。本実施例に用いた溶接機は、図４に示すように、溶接トランスが溶接部の上部に配置されたものを使用した。溶接トランスを上側に配置することによって、溶接時のスパッタの多くは溶接部（鋼板突合せ部）下側（本実施例では重力側に相当）に発生するので溶接機のメンテナンス性に優れる。溶接トランスが溶接部の上部に配置される場合は、溶接部上部の空間１５Ｕのシールド状態を良好に保つ必要がある。そこで、溶接部上部に遮蔽板１６を設置して、空気の侵入を抑制した。
【００４０】
評価した被溶接材は、難溶接材料として７８０ＭＰａ級のハイテン材、および比較例として４００ＭＰａ級の軟鋼を用いた。板厚３ｍｍ×板幅１２０ｍｍ×板長１５０ｍｍの鋼板の突合せ溶接を行った。溶接条件はフラッシュ電圧８Ｖ、フラッシュ時間7秒、フラッシュ代１２ｍｍ、アップセット量4ｍｍとした。
【００４１】
シールドガス供給方法は、図５に示すような上側クランプダイの前面にシールドガス供給孔９Ｌを離散的に複数孔設置する方法（片側クランプダイシールド方法）と、図６に示すような鋼板の板幅方向両サイドの斜め上方にシールドガス供給孔１７を設置する方法（片側サイドシールド方法）を採用し評価した。比較のために、下側クランプダイの前面にもシールドガス供給孔を設置し、溶接部の下側空間をシールドする方法（下側クランプダイシールド方法）と、上側下側両方の空間をシールドする方法（両側クランプダイシールド方法）も評価した。シールドガスの供給量は片側（鋼板の上側または下側）当り５０ｌ／分とした。
【００４２】
表１に結果を示す。なお溶接部の品質は、曲げ試験（曲げ半径6ｍｍ）を行い、溶接部の割れの有無にて評価した。表１のＮｏ．１〜５は本発明の実施例で、比較的少ないシールドガス流量で良好な溶接品質示した。また、Ｎｏ．２〜５のように安価なＮ２ガスを用いた場合も良好な溶接品質であった。
【００４３】
表１のＮｏ．６〜８は比較例の試験結果を示す。Ｎｏ．６はシールドガスを用いない場合で、溶接部の曲げ試験にて割れが発生した。Ｎｏ．７は溶接部下部のみにシールドガスを流した場合で、溶接部の曲げ試験にて割れが発生した。Ｎｏ．８は溶接部の上下部ともにシールドガスを流した場合で、良好な溶接品質を確保できたが、Ｎｏ．１〜５と同等な評価結果であり、シールドガス流量が多量となった分、コスト増加となった。
【００４４】
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明の実施の態様は、前記した態様に限らず、その要件を満たせば、いかなる態様であっても問題ない。また、鉄鋼業における鋼板の突合せ接合への適用を例として検討したが、フラッシュバット溶接は鉄鋼用途に限らず、多種の産業分野で活用されているため、鉄鋼業での適用に限らず、フラッシュバット溶接を活用している産業であれば、本発明を容易に適用できることは言うまでもない。従って、本発明は、フラッシュバット溶接を通して、広く産業へ貢献するものと確信する。
【符号の説明】
【００４６】
１Ｌ、１Ｒ    鋼板
２Ｌ、２Ｒ    上方のクランプダイ
３Ｌ、３Ｒ    下方のクランプダイ
４Ｌ、４Ｒ    上方のクランプインサート
５Ｌ、５Ｒ    下方のクランプインサート
６    溶接トランス
７    溶接電流の流れ
８Ｕ、８Ｄ    溶接スパッタ発生状況
９Ｌ、９Ｒ    上方のクランプダイに設置されたシールドガス供給孔
１０Ｌ、１０Ｒ    下方のクランプダイに設置されたシールドガス供給孔
１１Ｕ、１１Ｄ    クランプダイに付着した溶接スパッタ
１２    シールドガスの噴射状況
１３    溶融金属に働く電磁力
１４    溶融金属
１４´    両側の溶融金属が接触した部分
１５Ｕ、１５Ｄ    シールド領域
１６    遮蔽板
１７    サイドシールドノズル
【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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