(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法であって、シールドガスとして、アルゴンガスを主成分とし、一酸化炭素濃度が０．１〜５０容量％の混合ガスを使用することを特徴とする非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法。
【請求項２】
非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法であって、シールドガスとして、アルゴンガスとヘリウムガスを主成分とし、一酸化炭素濃度が０．１〜５０容量％の混合ガスを使用することを特徴とする非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、プラズマアーク溶接方法あるいはガスタングステンアーク（ＧＴＡＷ）溶接方法等の非消耗電極式ガスシールドアーク（ＴＩＧ）溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、溶接箇所を大気から遮断する目的でシールドガスを用いるガスシールドアーク溶接の分野では、シールドガスとしてアルゴン、ヘリウム等の不活性ガスを主成分とした混合ガス、あるいは不活性ガスを単体で用いていた。シールドガスとして不活性ガスを用いる理由は、アーク加熱に伴う高温環境下で、溶融金属および溶融金属周辺の母材金属表面が大気中の酸素および窒素と反応し、溶接欠陥や溶接部性能の劣化を防止するためである。
【０００３】
非消耗電極による溶接方法の一種であるプラズマアーク溶接方法においては、シールドガスのうち、少なくともプラズマ動作ガスとしてアルゴンガスを主成分とし、適量の水素ガスを混合した混合ガスを用いるのが一般的である。同様に、ガスタングステンアーク（ＧＴＡＷ）溶接方法においては、シールドガスとして、水素ガス濃度を７〜２０容量％に調整したアルゴンガスと水素ガスとの混合ガスまたはアルゴンガスとヘリウムガスと水素ガスとの混合ガスを用いる方法（特許公開２０００−１９００７６号公報）が提案されている。
【０００４】
アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスを主成分として適量の水素ガスを混合する目的は、１００％不活性ガスをを用いる場合に比較し、水素ガスの添加によって熱ピンチ効果が作用してアークの緊縮効果が得られ、溶け込み深さが増加して良好な溶接部を得ることができるためである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、シールドガスとして主成分の不活性ガスに適量の水素ガスを添加した混合ガスは、次のような二つの問題点を生じる。
【０００６】
（１）溶接中にシールドガス中の水素が大気中の酸素と反応して水滴を生じ、溶接部周辺の表面に付着し、母材を貫通する裏波溶接の場合に溶接部裏面にも水滴が付着する。この付着した水滴は、溶接部周辺に錆あるいは局部腐食の発生する原因となり、配管等閉断面部材の溶接では閉断面内部に水滴が残留する結果、配管等の閉断面部材内部の流体を汚染するという問題がある。
【０００７】
（２）溶接部材がオーステナイト系合金材料（オーステナイト系ステンレス鋼、オーステナイト系Ｎｉ合金等）以外の低合金鋼、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼の場合は、溶接材料からの水素の侵入によって溶接部の脆化、あるいは割れを生じるという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解消し、十分な溶け込み深さを維持しながら、水滴の発生や、低合金鋼、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼からの水素の侵入による溶接部の脆化、あるいは割れを防止できる非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法の特徴は、シールドガスとして、アルゴンガスを主成分とし、一酸化炭素濃度が０．１〜５０容量％の混合ガスを使用することにある。このように、シールドガスとして、アルゴンガスを主成分とし、一酸化炭素濃度が０．１〜５０容量％の混合ガスを使用することによって、十分な溶け込み深さを維持しながら、水滴の発生や、溶接材料からの水素の侵入による溶接部の脆化、あるいは割れを防止することができる。
【００１０】
また、本発明の請求項２の非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法の特徴は、シールドガスとして、アルゴンガスとヘリウムガスを主成分とし、一酸化炭素濃度が０．１〜５０容量％の混合ガスを使用することにある。このように、シールドガスとして、アルゴンガスとヘリウムガスを主成分とし、一酸化炭素濃度が０．１〜５０容量％の混合ガスを使用することによって、十分な溶け込み深さを維持しながら、水滴の発生や、溶接材料からの水素の侵入による溶接部の脆化、あるいは割れを防止することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に係る非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法においては、溶接材料端面を突合すことにより形成されたＩ型開先またはＹ型開先に対してほぼ垂直にトーチを対向させ、トーチからシールドガスを噴射しつつアーク放電させることにより、溶接材料の突合せ部のＩ型開先またはＹ型開先を溶接する。
【００１２】
溶接材料としては、オーステナイト系合金材料（オーステナイト系ステンレス鋼、オーステナイト系Ｎｉ合金等）、低合金鋼、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼の鋼管、鋼板等が挙げられる。
【００１３】
肉厚が４ｍｍ以下の溶接材料においては、溶接材料端面を切断面のまま突合せ、溶接端面にＩ型開先を形成する。一方、肉厚が４ｍｍを超える溶接材料においては、溶接材料端面の上面あるいは外周にそれぞれ４５°程度の面取り加工を施し、その溶接端面を突合せてＹ型開先を形成する。
【００１４】
トーチは、一般の非消耗電極式ガスシールドアーク溶接に使用されるトーチと同様の構成であり、溶接材料との間にアーク放電を発生させるタングステン電極と、アーク放電の周囲にシールドガスを噴出するガスノズルとを備えている。
【００１５】
トーチによる溶接作業は、一般の非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法と異なり、溶接棒（溶加棒）を使用せずに行う。その際トーチは、溶接材料に対してほぼ垂直に支持し、タングステン電極の先をＩ型開先またはＹ型開先に向ける。
【００１６】
本発明に係る非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法においては、シールドガスとしてアルゴンと一酸化炭素との混合ガス、またはアルゴンとヘリウムと一酸化炭素との混合ガスを使用する。混合ガスにおける一酸化炭素の濃度は、０．１〜５０容量％に調整する。すなわち、シールドガスとしては、例えば、一酸化炭素が０．１〜５０容量％、アルゴンが９９．９〜５０容量％の二種の混合ガス、または、一酸化炭素が０．１〜５０容量％、ヘリウムが５〜２０容量％およびアルゴンが９４．９〜３０容量％の三種の混合ガスを使用する。
【００１７】
シールドガスにおける一酸化炭素濃度は、非消耗電極式ガスシールドアーク溶接におけるアーク放電の熱効率に大きく影響し、一酸化炭素濃度が上昇すると溶着金属の理想的な溶け込み量を得るのに必要な電流値が低下する。例えば、シールドガスがアルゴン１００容量％の場合、必要なパルス電流値は１７０Ａ程度、ベース電流値は７０Ａ程度であるが、シールドガスがアルゴン９５容量％、一酸化炭素５容量％の混合ガスの場合、必要なパルス電流値は４０Ａ程度、ベース電流値は３０Ａ程度に低下する。しかし、一酸化炭素濃度が０．１容量％未満の場合、一酸化炭素添加による熱ピンチ効果が作用することに伴ってアークの緊縮効果が十分でなく、１００容量％アルゴンガスあるいはアルゴンガスとヘリウムガスの混合ガスを用いる場合と同等の溶接結果となる。換言すれば、シールドガスにおける一酸化炭素濃度が０．１容量％以上に上昇すると、同じ電流値でもアーク放電の熱効率が上昇して溶着金属の溶け込み量が増大する。したがって、シールドガスにおける一酸化炭素濃度は、０．１容量％以上とする。
【００１８】
一方、シールドガスにおける一酸化炭素濃度は、非消耗電極式ガスシールドアーク溶接におけるアーク放電のシール性に影響し、一酸化炭素濃度が５０容量％を超えると、シールドガスの比重が軽くなるため上方に拡散し、アーク放電のシール性が低下するばかりでなく、アーク放電の側面付近でシールドガス中の一酸化炭素が燃焼し、タングステン電極が酸化消耗して溶接ビードの外観の悪化およびタングステン混入等の溶接欠陥を生じる。したがって、シールドガスにおける一酸化炭素濃度は、５０容量％以下とする。
【００１９】
本発明の非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法においては、シールドガスとして一酸化炭素濃度が０．１〜５０容量％の混合ガスを使用するため、アーク放電の熱効率が上昇し、溶着金属の溶け込み量が増大する。その結果、小さなＹ型開先やＩ型開先によっても、呼び径２５０Ａ程度までのステンレス鋼管を単層の溶接パスで容易に溶接可能できる。
【００２０】
また、単層の溶接パスによりステンレス鋼管に対する総入熱量を低減できるため、溶着部の組織の粗大化を抑制でき、かつ、溶着部の残留応力を低減できる。さらに、溶着部のビード幅も狭くすることができる。しかも、本発明の非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法においては、シールドガスの一酸化炭素濃度が５０容量％以下に設定されているため、アーク放電のシール性の低下およびシールドガスの燃焼という問題がなく、良好な状態で溶接作業を行うことができる。
【００２１】
【実施例】
実施例１
図１に示すように、外径１５０ｍｍ、肉厚２．８ｍｍ、長さ５００ｍｍのＪＩＳ  Ｇ３４５９に規定のＳＵＳ３１６Ｌ  ＴＰＡステンレス鋼管１、１の端面をＩ型開先で突合わせ、その溶接端面を点付け溶接によって仮止めしたのち、鋼管内面には表１に示すように一定量の１００％アルゴン（不純物水分量１０ｐｐｂ）をバックシールドガス２として供給し、事前に鋼管１、１内面を十分にパージした後、トーチ３固定、下向き溶接、パイプ回転方式により、表１に示す各条件でガスタングステンアーク円周自動溶接（ＧＴＡＷ）を実施した。そして、溶接部への水滴の付着量、ビード４の外観品質を評価した。その結果を表１に示す。
【００２２】
なお、溶接部への水滴の付着は、溶接開始から終了までの間に、バックシールドガス放出口からの放出ガス５を図示しないＡＰＩＭＳ（Ａｔｏｍｏｓｕｐｈａｒｉｃ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）に全量導入して水分量を評価し、１０ｐｐｍ未満を良好（○）とし、１０ｐｐｍ以上を不可（×）とした。ビード４の外観品質は、図２に示すように、外面ビード４のへこみ量ｈで評価し、ｈ＜０．５ｍｍを良好（○）とし、ｈ≧０．５ｍｍを不可（×）とした。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
表１に示すように、シールドガスとしてＡｒ：９５容量％、ＣＯ：５容量％の混合ガスを用いた本発明例１、Ａｒ：７０容量％、Ｈｅ：２５容量％、ＣＯ：５容量％の混合ガスを用いた本発明例２では、管内面ガス中の水分は１ｐｐｍを大きく下回り、外面ビードの凹みも問題なく、全周良好な溶け込みが得られた。一方、シールドガスとしてＡｒ：９５容量％、Ｈ２：５容量％の混合ガスを用いた比較例１では、外面ビードの凹みおよび溶け込みは問題なかったが、管内面ガス中の水分が５００ｐｐｍと高く、塩酸（ＨＣｌ）等水分の混入によって腐食性をもつガスの配管等、水分の混入を避けるべき用途に使用するには、溶接施工後に別途水分の除去工程が必要となる。シールドガスとしてＡｒ：１００容量％を用いた比較例２では、管内面ガス中の水分は本発明例同様に１ｐｐｍを大きく下回り問題ないが、管内面まで貫通する溶接ビードを得るためには、溶接電流を高くして幅の広いビードを形成する必要があり、外面ビードの凹みが０．８ｍｍと過大となる。
【００２５】
実施例２
肉厚３．２ｍｍのＳＵＳ４３６Ｌフェライト系ステンレス鋼板の端面をＩ型開先で突合わせ、表２に示す条件でプラズマアーク溶接を実施した。そして、溶接品質は、溶接部裏側の目視検査およびＪＩＳ  Ｚ３１２２に規定の裏曲げ試験によって評価した。その結果を表２に示す。
【００２６】
【表２】
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【００２７】
表２に示すように、シールドガスとしてＡｒ：９５容量％、ＣＯ：５容量％の混合ガスを用いた本発明例３では、正常なキーホール溶接となり、板裏側に貫通したビードが形成され、裏曲げ試験も良好であった。一方、シールドガスとしてＡｒ：９５容量％、Ｈ２：５容量％の混合ガスを用いた比較例３では、正常なキーホール溶接となり、板裏側に貫通したビードが形成されているが、溶接金属の脆化により裏曲げ試験で割れが生じた。また、シールドガスとしてＡｒ：１００容量％を用いた比較例４では、板裏側にビードが貫通せず、裏曲げ試験で破断した。
【００２８】
実施例３
図１に示すように、外径１５０ｍｍ、肉厚２．８ｍｍ、長さ５００ｍｍのＪＩＳ  Ｇ３４５９に規定のＳＵＳ３１６Ｌ  ＴＰＡステンレス鋼管１、１の端面どうしをＩ型開先で突合わせ、その溶接端面を点付け溶接によって仮止めしたのち、鋼管内面には１００％アルゴン（不純物水分量１０ｐｐｂ）をバックシールドガス２として５ｌ／ｍｉｎで供給し、事前に鋼管１、１内面を十分にパージした後、シールドガスとしてＣＯ濃度０．０１〜７０容量％、残部Ａｒまたは残部ＡｒとＨｅ２０容量％の範囲で変化させ、トーチ３固定、下向き溶接、パイプ回転方式により、ガスタングステンアーク円周自動溶接（ＧＴＡＷ）を実施した。そして、外面ビード４のへこみ量ｈと一酸化炭素濃度との関係を調査した。その結果を図３に示す。ビード４の外観品質は、前記図２に示すように、外面ビード４のへこみ量ｈで評価し、ｈ≧０．５ｍｍを不可とした。
【００２９】
図３に示すように、ＣＯ濃度０．１〜５０容量％の本発明の範囲では、外面ビード４のへこみ量は問題なく、全周良好な溶け込みが得られた。しかし、ＣＯ濃度が本発明の下限の０．１容量％を下回る０．０１容量％では、外面ビード４のへこみ量が０．６〜０．８ｍｍと過大であり、ＣＯ濃度が本発明の上限の５０容量％を超えると、タングステン電極の酸化消耗が激しく、ビード４の外観品質も悪化して実用にはならなかった。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の非消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法は、シールドガスとしてアルゴンガスあるいはアルゴンガスとヘリウムガスを主成分とし、一酸化炭素濃度が０．１〜５０容量％の混合ガスを用いることによって、十分な溶け込み深さを維持しながら、溶接部への水分の付着や、水素による溶接部の劣化のない溶接を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における溶接方法の説明図である。
【図２】実施例１におけるビード外観品質の評価方法の外面ビードのへこみ量ｈの説明図である。
【図３】実施例３における一酸化炭素（ＣＯ）濃度と外面ビードのへこみ量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  ステンレス鋼管
２  バックシールドガス
３  トーチ
４  ビード
５  放出ガス
【図１】
0003588330.tif 000004
【図２】
0003588330.tif 000005
【図３】
0003588330.tif 000006