(57)【要約】【課題】溶接ワイヤの溶滴の物性の測定評価を、溶接ワイヤを溶滴とすることで、直接行うことができる溶接ワイヤの溶解試験方法および溶接ワイヤの溶解試験装置を提供することを課題とする。【解決手段】電源１と、電源１の正負電極に夫々接続されたタングステン電極２および水冷金属３と、水冷金属３に接続された溶接ワイヤ４より構成された試験装置を用いて、溶接ワイヤ４の溶湯物性を評価する溶解試験方法であって、対峙したタングステン電極２と水冷金属３の間にアーク放電を発生させ、次いで、そのアーク放電の放電領域５内に溶接ワイヤ４の先端部を挿入して、溶接ワイヤ４の先端部に溶滴７を形成させ、溶滴７の物性を測定評価する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源と、前記電源の正負電極に夫々接続されたタングステン電極および水冷金属と、前記水冷金属に接続された溶接ワイヤより構成された試験装置を用いて、前記溶接ワイヤの溶湯物性を評価する溶接ワイヤの溶解試験方法であって、
対峙して配置された前記タングステン電極と前記水冷金属の間にアーク放電を発生させ、
次いで、そのアーク放電の放電領域内に前記溶接ワイヤの先端部を挿入して、その溶接ワイヤの先端部に溶滴を形成させ、
その溶滴の物性を測定評価することを特徴とする溶接ワイヤの溶解試験方法。
【請求項２】
請求項１記載のアーク放電の放電領域内に前記溶接ワイヤの先端部を挿入して、その溶接ワイヤの先端部に溶滴を形成した後に、
前記溶接ワイヤを移動させ、前記溶接ワイヤへのアーク放電および前記溶接ワイヤに流れる電流を制御することを特徴とする溶接ワイヤの溶解試験方法。
【請求項３】
前記溶滴の物性の測定評価は、前記溶接ワイヤの先端部での溶滴の形成が開始された後、その溶接ワイヤを揺動させることによって、前記溶滴の形状を変化させることで実施することを特徴とする請求項１または２記載の溶接ワイヤの溶解試験方法。
【請求項４】
前記溶滴の物性の測定評価は、前記溶接ワイヤの先端部に溶滴を形成後、その溶滴を高速度カメラで撮影し、二色温度計法によって溶滴の温度を測定することで実施することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の溶接ワイヤの溶解試験方法。
【請求項５】
電源と、前記電源の正負電極に夫々接続されたタングステン電極および水冷金属と、前記水冷金属に接続された溶接ワイヤより構成され、
対峙して配置された前記タングステン電極と前記水冷金属の間に発生させるアーク放電の放電領域内に、前記溶接ワイヤの先端部が可動手段によって出入自在に構成されていることを特徴とする溶接ワイヤの溶解試験装置。
【請求項６】
前記アーク放電の放電領域内で、前記溶接ワイヤの先端部が可動手段によって揺動自在に構成されていることを特徴とする請求項５記載の溶接ワイヤの溶解試験装置。
【請求項７】
前記アーク放電の放電領域内に挿入された前記溶接ワイヤの先端部の近傍に、温度計を備えた高速度カメラを配置したことを特徴とする請求項５または６記載の溶接ワイヤの溶解試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属板等をＭＩＧ溶接、ＭＡＧ溶接等のアーク溶接で接合する際に用いられる溶接ワイヤの溶湯物性を評価するために行う溶接ワイヤの溶解試験方法および溶接ワイヤの溶解試験装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、軟鋼、ステンレス鋼やアルミニウム合金等を接合する際の溶接法として、溶接ワイヤを用いたアーク溶接が採用されることがある。このアーク溶接においては、溶接時の溶滴挙動を把握することが重要であると考えられるが、アーク溶接は瞬時に行われるもので、また、アーク溶接に用いられる溶接ワイヤはアーク放電下という特殊な環境のもとで溶融されるため、実際の溶滴挙動を把握することは非常に困難であった。
【０００３】
従って、従来は簡便な方法として、溶接ワイヤと同一化学組成の金属を溶解炉で溶解し、その溶湯の物性を測定評価することで代用し、溶接ワイヤが溶融したときの溶滴（溶湯）の物性であると判断しており、溶接ワイヤの物性（表面張力、粘性等）を正確に測定する方法がないのが現状であった。
【０００４】
このように溶解炉で金属を溶解して溶湯とし、その溶湯の物性を測定評価する場合、その溶湯は雰囲気中および溶湯に含まれるＯ、Ｎ、或いはＳといった物質を表面吸着してしまうことになるため、通常の物性測定では、厳密な雰囲気制御を行い測定することになる。一方、溶接ワイヤの溶滴（溶湯）は極短時間で溶融するものの、酸化性雰囲気中の場合が多く、表面吸着する可能性は高い。そのため、溶解炉で金属を溶解して得られる溶湯と比較して、その状態が大きく異なることになる。
【０００５】
雰囲気ガスの違いを例にあげると、溶解炉で金属を溶解して溶湯とし、その溶湯の物性を測定評価する場合、Ａｒ、Ａｒ＋Ｈ２、Ｈｅ等の雰囲気ガスで、極力酸素分圧を抑えた雰囲気で実施される。一方、アーク溶接時の雰囲気は、ＣＯ２ガスを混入することもあり、溶解炉で金属を溶解する場合と比較して、酸素分圧が高くなる。
【０００６】
以上、説明したように、アーク溶接時の溶接ワイヤの溶滴（溶湯）の状態は、単に溶解炉で溶解した溶湯の状態とは異なる。従って、溶接ワイヤが溶融したときの溶滴（溶湯）の物性の測定評価に、溶解炉で溶解した溶湯の物性の測定評価を代用する従来の方法では、実際の溶接時の溶接ワイヤの溶滴の物性の測定評価を正確に行うことはできてはおらず、溶接時の溶滴挙動を確実に把握することできていなかったということができる。
【０００７】
また、溶湯等の高温融体の物性を測定する方法としては、非特許文献１に記載されたような様々な測定法がある。物性のうち表面張力を測定する方法に限って挙げると、静滴法、最大泡圧法、懸滴法、滴重量法、レビテーション法、毛管法等が、測定法の例として挙げられている。しかしながら、これら全ての測定法は、厳密な雰囲気制御のもと行われる測定法であって、酸化性の高い溶接雰囲気におけるアーク溶接時の溶滴の物性測定に適用することができる測定法ではない。
【０００８】
また、高温の融体の物性を測定する方法としては、特許文献１〜３に記載された方法が提案されている。
【０００９】
特許文献１には、高温融液を電磁浮遊により浮遊させて、高温融液から汚染物質を蒸発除去した後、高温融液の振動からその高温融液の表面張力を測定する方法が記載されており、測定対象としてシリコンが例示されている。また、特許文献２には、液体試料表面のリプロンによるブリリュアン錯乱の２次元的分布を検出することにより、液体の表面張力と粘性率の２次元分布を高速に測定する方法が記載されている。また、特許文献３には、はんだ合金などの液体状態とされた物質の表面張力を簡便に測定するための装置とその方法が記載されている。
【００１０】
これらの方法で、特許文献１〜３に夫々記載された高温の融体の物性を測定することは可能であるが、それら融体は高温とはいうものの、アーク溶接時の溶接ワイヤの溶滴（溶湯）と比べればまだ低温であり、これらの特許文献に記載された方法を、アーク溶接時の溶接ワイヤの溶滴の物性の測定評価に、適用することは不可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平７−３３３１３４号公報
【特許文献２】特開２００１−３１８０４２号公報
【特許文献３】特開平６−７４８８９号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】荻野和己、「高温界面化学（上）」、アグネ技術センター、２００８年８月３１日、Ｐ．１０〜６２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上記従来の問題を解消せんとしてなされたもので、溶接ワイヤの溶滴の物性の測定評価を、溶解炉で溶接ワイヤと同一化学組成の金属（合金）を溶解したときの溶湯の物性を測定評価することで代用することなく、試験装置を用いて溶接ワイヤを溶滴とすることで、直接、溶接ワイヤの溶滴の物性評価を行うことができる溶接ワイヤの溶解試験方法および溶接ワイヤの溶解試験装置を提供することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
請求項１記載の発明は、電源と、前記電源の正負電極に夫々接続されたタングステン電極および水冷金属と、前記水冷金属に接続された溶接ワイヤより構成された試験装置を用いて、前記溶接ワイヤの溶湯物性を評価する溶接ワイヤの溶解試験方法であって、対峙して配置された前記タングステン電極と前記水冷金属の間にアーク放電を発生させ、次いで、そのアーク放電の放電領域内に前記溶接ワイヤの先端部を挿入して、その溶接ワイヤの先端部に溶滴を形成させ、その溶滴の物性を測定評価することを特徴とする溶接ワイヤの溶解試験方法である。
【００１５】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のアーク放電の放電領域内に前記溶接ワイヤの先端部を挿入して、その溶接ワイヤの先端部に溶滴を形成した後に、前記溶接ワイヤを移動させ、前記溶接ワイヤへのアーク放電および前記溶接ワイヤに流れる電流を制御することを特徴とする溶接ワイヤの溶解試験方法である。
【００１６】
請求項３記載の発明は、前記溶滴の物性の測定評価は、前記溶接ワイヤの先端部での溶滴の形成が開始された後、その溶接ワイヤを揺動させることによって、前記溶滴の形状を変化させることで実施することを特徴とする請求項１または２記載の溶接ワイヤの溶解試験方法である。
【００１７】
請求項４記載の発明は、前記溶滴の物性の測定評価は、前記溶接ワイヤの先端部に溶滴を形成後、その溶滴を高速度カメラで撮影し、二色温度計法によって溶滴の温度を測定することで実施することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の溶接ワイヤの溶解試験方法である。
【００１８】
請求項５記載の発明は、電源と、前記電源の正負電極に夫々接続されたタングステン電極および水冷金属と、前記水冷金属に接続された溶接ワイヤより構成され、対峙して配置された前記タングステン電極と前記水冷金属の間に発生させるアーク放電の放電領域内に、前記溶接ワイヤの先端部が可動手段によって出入自在に構成されていることを特徴とする溶接ワイヤの溶解試験装置である。
【００１９】
請求項６記載の発明は、前記アーク放電の放電領域内で、前記溶接ワイヤの先端部が可動手段によって揺動自在に構成されていることを特徴とする請求項５記載の溶接ワイヤの溶解試験装置である。
【００２０】
請求項７記載の発明は、前記アーク放電の放電領域内に挿入された前記溶接ワイヤの先端部の近傍に、温度計を備えた高速度カメラを配置したことを特徴とする請求項５または６記載の溶接ワイヤの溶解試験装置である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の請求項１記載の溶接ワイヤの溶解試験方法によると、溶接ワイヤの溶滴の物性の測定評価を、溶解炉で溶接ワイヤと同一化学組成の金属を溶解したときの溶湯の物性を測定評価することで代用することなく、試験装置を用いて溶接ワイヤを溶滴とすることで、形成された溶滴を溶接ワイヤの先端部に保持したままの状態で、溶融直後の溶滴の物性評価を直接行うことができ、従来と比較してより正確な溶接ワイヤの溶滴の物性評価を行うことができる。
【００２２】
本発明の請求項２記載の溶接ワイヤの溶解試験方法によると、溶滴の温度状態および体積をより現実に近い状態とすることができ、より実際の溶接雰囲気に近い状態で、溶接ワイヤの溶滴の物性評価を行うことができる。
【００２３】
本発明の請求項３記載の溶接ワイヤの溶解試験方法によると、溶接ワイヤを揺動することで、溶融直後の溶滴の粘性、表面張力といった溶湯物性を測定評価することができる。
【００２４】
本発明の請求項４記載の溶接ワイヤの溶解試験方法によると、高速度カメラを通して二色温度計法で強度差を測定し、溶滴の温度を測定することで、溶融直後の溶滴の温度状態を測定評価することができる。
【００２５】
本発明の請求項５記載の溶接ワイヤの溶解試験装置によると、溶接ワイヤの溶滴の物性の測定評価を、溶解炉で溶接ワイヤと同一化学組成の金属を溶解したときの溶湯の物性を測定評価することで代用することなく、溶融直後の溶滴の物性評価を行うことができ、従来と比較してより溶接雰囲気に近い状態で溶接ワイヤの溶滴の物性評価を行うことが可能になる。
【００２６】
本発明の請求項６記載の溶接ワイヤの溶解試験装置によると、溶滴を揺動させることで、溶融直後の溶滴の粘性、表面張力といった溶湯物性を測定評価することが可能になる。
【００２７】
本発明の請求項７記載の溶接ワイヤの溶解試験装置によると、高速度カメラで溶滴を撮影することで、溶融直後の溶滴の温度状態を測定評価することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の溶接ワイヤの溶解試験装置の一実施形態の概略を示す正面図である。
【図２】本発明の溶接ワイヤの溶解試験装置に設ける高速度カメラの詳細構成を示す説明図である。
【図３】溶接ワイヤを上下に移動させて揺動させることで溶滴形状を変化させた状態を示す溶滴の正面図である。
【図４】実施例で、溶接ワイヤを上下へ揺動させたときのその周期と変位量の関係を示すグラフ図である。
【図５】高速度カメラで撮影して得られた溶滴の温度状態の画像を示す高速度カメラ写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明を図面に示す実施形態に基づいて更に詳細に説明する。
【００３０】
図１に本発明の溶接ワイヤの溶解試験装置の一実施形態を示す。この図１に示す試験装置は、アーク溶接を模擬した試験装置であり、１は電源、２はタングステン電極、３は水冷金属、４は溶接ワイヤである。
【００３１】
電源１には正負の電極１ａ，１ｂが夫々並べた状態で設けられており、例えば、正電極１ａには水冷金属３が、負電極１ｂにはタングステン電極２が接続されている。尚、正電極１ａに接続されるのがタングステン電極２、負電極１ｂに接続されるのが水冷金属３であっても構わない。
【００３２】
タングステン電極２は、電極を融点が非常に高い金属の一種であるタングステンで形成した非消耗の電極であり、電圧をかけることで、水冷金属３との間にアーク放電を発生させることができる。
【００３３】
水冷金属３は、水冷銅板、円筒状の水冷放電管等であって、タングステン電極２と対峙した状態で配置されている。尚、図１に示す水冷金属３は水冷銅板である。また、電源１と逆側（上方）には溶接ワイヤ４が接続されている。
【００３４】
溶接ワイヤ４は、実際のアーク溶接（ＭＡＧ溶接）で使用される溶接ワイヤ４を試験用に短尺に切断して用いる。この溶接ワイヤ４は、試験を開始するまでは、対峙した状態のタングステン電極２と水冷金属３とは離した状態、すなわち、図１に点線で示す待機状態に配置しておき、タングステン電極２と水冷金属３の間にアーク放電を発生させた状態で、アーク放電の放電領域５内に溶接ワイヤ４の先端部を挿入することができるよう、シリンダ等の可動手段６によって支持されている。
【００３５】
また、溶接ワイヤ４の先端部が、アーク放電の放電領域５内に挿入される位置の近傍には、図２に示すような構成の高速度カメラ８を配置しておくことが推奨される。この高速度カメラ８には温度測定手段が具備されている。
【００３６】
次に、この試験装置を用いて溶接ワイヤ４の溶解試験を行う方法について説明する。
【００３７】
まず、試験開始前は、図１に点線で示すように、溶接ワイヤ４を、対峙した状態で配置されたタングステン電極２と水冷金属３（正確には、タングステン電極２と水冷金属３の間のアーク放電の放電領域５）とは離した状態、すなわち、待機状態に配置しておく。この状態で、電源１に電圧をかけ、タングステン電極２と水冷金属３の間にアーク放電を発生させる。
【００３８】
このアーク放電を発生させた状態で、シリンダ等の可動手段６で溶接ワイヤ４を下方に移動させ、アーク放電の放電領域５内に溶接ワイヤ４の先端部を挿入させる。アーク放電の放電領域５内に挿入した溶接ワイヤ４の先端部は、アーク放電により溶融して溶滴７となる。より詳しく述べると、水冷金属３と溶接ワイヤ４を同電位とすることで、溶接ワイヤ４にアーク放電の電流が分流し、抵抗発熱による熱量が加わり、溶接ワイヤ４の先端部が溶融して溶滴７となる。
【００３９】
本発明では、この溶滴７の物性を測定評価するのであるが、溶滴７が形成された後、溶接ワイヤ４を上方へ移動させ、溶接ワイヤ４へのアーク放電および溶接ワイヤ４に流れる電流を制御すれば、溶滴７の温度状態および体積をより現実に近い状態とすることができ、より実際の溶接現場に近い状態で、溶接ワイヤ４の溶滴７の物性評価を行うことができる。
【００４０】
また、アーク放電の放電領域５内に溶接ワイヤ４を単に挿入するだけではなく、その溶接ワイヤ４の挿入後、溶接ワイヤ４を放電領域５内から一旦取り出して更に挿入するといった動作を一定周期で繰り返せば、その溶接ワイヤ４を挿入する回数で、溶滴７の温度状態および体積を制御することも可能である。
【００４１】
このようにして形成された溶滴７は、実際のアーク溶接での溶融直後の溶滴７と同じ条件で形成される溶滴７となるため、本発明の溶接ワイヤの溶解試験方法では、溶融直後の溶滴７の物性評価を直接行うことが可能になる。
【００４２】
測定評価する溶滴７の物性は、粘性、表面張力、温度状態等であり、その測定評価方法は種々考えることができるが、その測定評価を行う方法の代表的な事例を、以下に説明する。
【００４３】
溶滴７の粘性、表面張力等は、溶接ワイヤ４の先端部での溶滴７の形成が開始された後に、シリンダ等の可動手段６で溶接ワイヤ４を上下に移動させて揺動させることで、測定評価することが可能である。すなわち、溶接ワイヤ４を上下に移動させることで、図３に示すように、溶滴７を揺動させその形状を変化させることができ、その変位量（例えば、溶滴７の高さ）から粘性、表面張力等の溶湯物性を、解析等により求めることができる。
【００４４】
また、前述したように、アーク放電の放電領域５内に挿入された溶接ワイヤ４の先端部の近傍に、図２に示すような構成の高速度カメラ８が配置されている場合は、溶接ワイヤ４の先端部に形成された溶滴７を高速度カメラ８で撮影し、二色温度計法等によって溶滴７の詳細な温度分布を測定することができる。
【００４５】
図２に示すように、この高速度カメラ８は、対物レンズ８ａと、リレーレンズ８ｂと、光を分岐する分岐ミラー８ｃと、一対の反射ミラー８ｄと、干渉フィルター８ｅと、温度センサー（温度計）８ｆを備えて構成されている。高速度カメラ８で撮影すると、主光軸は、対物レンズ８ａ、リレーレンズ８ｂを通り、分岐ミラー８ｃで分岐される。分岐された光は反射ミラー８ｄで反射され、干渉フィルター８ｅを介して温度センサー（温度計）８ｆに到達し、２種の画像を得ることができる。
【００４６】
尚、本発明で述べる二色温度計法とは、二種類の波長の光強度比をもって物質の温度を測定する方法である。以下、この二色温度計法について詳しく説明する。
【００４７】
物質は、ある強度を持った赤外線や可視光線をその温度に応じて放出する。式１に示すプランクの法則に従うと、その熱放射の強度から物質の温度を測定することが可能となる。
Ｉ＝｛ε（２ｈｃ２）／λ５｝×｛１／ｅｘｐ（ｈｃ／λｋＴ）−１｝…式１
但し、Ｉ：強度、ε：放射率、ｈ：プランク定数、ｋ：ボルツマン定数、ｃ：光速度、λ：波長、Ｔ：温度、である。
【００４８】
しかしながら、単色の放射では、物質の表面状態、雰囲気（煙など）の条件によって、放射率が変動し、測定誤差が大きくなる問題がある。そこで、その問題を解消するために、本発明では、二色温度計法を採用した。二色温度計法による二色放射では、放射率の見積もり誤差がそのまま温度計測の誤差となる欠点を、式２に示すように、放射率を消去することで、測定誤差を低減することができる。
Ｔ＝｛ｈｃ（λ１−λ２）／ｋλ１λ２｝×｛１／（Ｉ１λ１５／Ｉ２λ２５）｝…式２
但し、λ１、λ２：各光の波長、Ｉ１、Ｉ２：各光の強度、である。
【００４９】
このように、高速度カメラ８で溶滴７の詳細な温度分布を測定することで、実際のアーク溶接での溶融直後の溶滴７の温度状態を測定評価することができる。
【実施例】
【００５０】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で適宜変更を加えて実施することも可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００５１】
図１に示す溶接ワイヤの溶解試験装置を用い、電源に電圧をかけ、タングステン電極と水冷銅板の間にアーク放電を発生させた。この時点では、溶接ワイヤは実線で示す待機位置で待機させ、溶接ワイヤにアーク放電による電流が流れないようにした。
【００５２】
この実施例で用いた溶接ワイヤの材質は純Ｆｅであり、その径は１．２ｍｍとした。アーク長は７ｍｍ、トーチからのタングステン電極の突き出し長は２ｍｍとした。また、ＴＩＧの溶接電流は１００Ａとし、シールドガスはＡｒガスとした。
【００５３】
その後、タングステン電極と水冷銅板の間に形成された放電領域内に溶接ワイヤを挿入して溶接ワイヤの先端部を溶融し、溶滴を形成した。
【００５４】
まず、溶接ワイヤの先端部を溶融して溶滴を形成後、溶接ワイヤを上下に揺動して溶滴に振幅を与え、溶滴（溶湯）の形状変化の測定を行った。揺動条件は、図４に示すように、９Ｈｚ、±２ｍｍで溶接ワイヤを上下に揺動させることを条件とし、図３に示す溶滴の変位量（高さ）を測定した結果、溶滴が上下に最も伸びた状態で３．４５ｍｍ、最も縮んだ状態で３．０５ｍｍであることを確認した。この試験結果から、溶滴（溶湯）の表面張力を相対評価することができる。
【００５５】
また、溶接ワイヤの先端部に形成された溶滴を高速度カメラで撮影した。二色温度計法では、取り扱う光の波長により多少ではあるが精度が異なってくるが、本測定では、９５０ｎｍと９８０ｎｍの異なる波長の光を選定し、二色温度計法による温度測定を実施した。図５に、その撮影で得られた溶滴の温度状態（温度分布）画像を例示する。この試験では溶滴の平均温度を、実際のアーク溶接時の溶接ワイヤの溶滴の平均温度である２３００Ｋ以上にまで昇温でき、実際の溶滴の温度状態を再現できることを確認した。
【符号の説明】
【００５６】
１…電源
２…タングステン電極
３…水冷金属
４…溶接ワイヤ
５…放電領域
６…可動手段
７…溶滴
８…高速度カメラ
【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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