(57)【要約】【課題】２７０Ａ未満の電流値であっても、シールドガスにおけるアルゴンの割合を低減しつつスプレー移行を実現することが可能な鋼材のＭＡＧ溶接方法を提供する。【解決手段】鋼材２１，２２のＭＡＧ溶接方法は、鋼材２１，２２を準備するステップと、ワイヤ３１および鋼材２１，２２の一部を溶融させるステップと、これを冷却して鋼材２１，２２を接合するステップとを備える。内側吐出口１９Ａからアルゴンを吐出し、アルゴンよりも多い流量の二酸化炭素を外側吐出口１８Ａから吐出する。そして、ワイヤ３１および鋼材２１，２２の一部を溶融させるステップは、ベース電流値で電流が流れるステップと、ベース電流値よりも大きいピーク電流値で電流が流れるステップと、を繰り返すことにより、平均電流値が２７０Ａ未満となるように電流値が制御されて実施される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合されるべき鋼材を準備するステップと、
トーチに保持された溶加材と前記鋼材との間にアークを形成して前記溶加材および前記鋼材の一部を溶融させるステップと、
溶融した前記溶加材および前記鋼材を冷却することにより前記鋼材を接合するステップと、を備え、
前記トーチは、
前記溶加材を保持する保持部と、
前記トーチの軸方向から見て前記保持部に保持された前記溶加材を取り囲むように配置された内側流路と、
前記トーチの軸方向から見て前記内側流路を取り囲むように配置された外側流路と、を含み、
前記内側流路の下流側端部が内側吐出口であり、前記外側流路の下流側端部が外側吐出口である構造を有し、
前記溶加材および前記鋼材の一部を溶融させるステップでは、前記内側流路を通して前記内側吐出口からアルゴンを吐出し、かつ前記内側吐出口から吐出されるアルゴンよりも多い流量の二酸化炭素を前記外側流路を通して前記外側吐出口から吐出しつつ前記アークを形成し、
前記溶加材および前記鋼材の一部を溶融させるステップは、
前記鋼材と前記溶加材との間にベース電流値で電流が流れるステップと、前記鋼材と前記溶加材との間にベース電流値よりも大きいピーク電流値で電流が流れるステップと、を繰り返すことにより、平均電流値が２７０Ａ未満となるように電流値が制御されて実施される、鋼材のＭＡＧ溶接方法。
【請求項２】
前記溶加材および前記鋼材の一部を溶融させるステップは、平均電流値が２５０Ａ以下となるように電流値が制御されて実施される、請求項１に記載のＭＡＧ溶接方法。
【請求項３】
前記溶加材および前記鋼材の一部を溶融させるステップでは、溶接の進行方向に交差する方向に前記トーチを往復させつつ前記溶加材および前記鋼材の一部を溶融させる、請求項１または２に記載のＭＡＧ溶接方法。
【請求項４】
前記鋼材は軟鋼からなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載のＭＡＧ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋼材のＭＡＧ溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＭＡＧ（Ｍｅｔａｌ  Ａｃｔｉｖｅ  Ｇａｓ）溶接は、シールドガスとして不活性ガスであるアルゴンと、活性ガスである二酸化炭素との混合ガスを用いるアーク溶接である。ＭＡＧ溶接では、塗装などの後工程をスムーズに実施することを可能とするため、スパッタの発生を抑制することが求められる。スパッタ発生の抑制は、溶加材の溶滴が大塊とならずにスムーズに溶融池へと移行するスプレー移行の状態を実現することにより達成することができる。
【０００３】
一方、ＭＡＧ溶接では、コスト低減が求められている。コスト低減は、たとえばシールドガスにおいて、価格の高いアルゴンの割合を低減し、価格の低い二酸化炭素の割合を増加させることにより達成することができる。しかし、単にシールドガスにおけるアルゴンの割合を低下させる対応では、スプレー移行が困難となり、スパッタの発生が多くなるという問題が生じる。
【０００４】
これに対し、内外二重のノズルを有するトーチを用いて内側ノズルからアルゴンを、外側ノズルから二酸化炭素を吐出する技術が知られている。そして、内側ノズルの開口端と外側ノズルの開口端とを同一平面上に位置するようにする技術が提案されている。これにより、シールドガスにおけるアルゴンの割合を低減した場合でも、スプレー移行が実現できるとされている（たとえば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−２０２６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＭＡＧ溶接の終端部におけるクレーター処理の際には、溶接の電流値を低くすることが必要となる場合がある。また、接合されるべき鋼材が厚みの小さい鋼板である場合、溶接の電流値を低くする必要がある。しかしながら、溶接時の電流値を低く設定した場合、具体的には電流値を２７０Ａ未満に設定した場合、上記特許文献１に開示された技術では、スプレー移行を達成することが困難となる。
【０００７】
本発明はこのような問題に対応するためになされたものであって、その目的は、２７０Ａ未満の電流値であっても、シールドガスにおけるアルゴンの割合を低減しつつスプレー移行を実現することが可能な鋼材のＭＡＧ溶接方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に従った鋼材のＭＡＧ溶接方法は、接合されるべき鋼材を準備するステップと、トーチに保持された溶加材と上記鋼材との間にアークを形成して溶加材および鋼材の一部を溶融させるステップと、溶融した溶加材および鋼材を冷却することにより鋼材を接合するステップと、を備える。上記トーチは、溶加材を保持する保持部と、トーチの軸方向から見て上記保持部に保持された溶加材を取り囲むように配置された内側流路と、トーチの軸方向から見て内側流路を取り囲むように配置された外側流路と、を含む。上記トーチは、内側流路の下流側端部が内側吐出口であり、外側流路の下流側端部が外側吐出口である構造を有する。溶加材および鋼材の一部を溶融させるステップでは、上記内側流路を通して上記内側吐出口からアルゴンを吐出し、かつ内側吐出口から吐出されるアルゴンよりも多い流量の二酸化炭素を上記外側流路を通して上記外側吐出口から吐出しつつアークを形成する。そして、溶加材および鋼材の一部を溶融させるステップは、鋼材と溶加材との間にベース電流値で電流が流れるステップと、鋼材と溶加材との間にベース電流値よりも大きいピーク電流値で電流が流れるステップと、を繰り返すことにより、平均電流値が２７０Ａ未満となるように電流値が制御されて実施される。ここで、本願における「平均電流値」は、以下の式（１）により定義される。以下の式（１）において、Ｉは電流値、ｔは時間、Ｔは周期（電流パターンの周期）を意味する。
（平均電流）＝（１／Ｔ）・∫Ｉ・ｄｔ  ・・・  （１）
【０００９】
本発明者らは、電流値が低い場合であってもシールドガスにおけるアルゴンの割合を低減しつつスプレー移行を実現する方策について検討を行った。その結果、溶加材を保持する保持部と、トーチの軸方向から見て上記保持部に保持された溶加材を取り囲むように配置された内側流路と、トーチの軸方向から見て内側流路を取り囲むように配置された外側流路と、を含むトーチ（以下、「二重シールドトーチ」という）を用い、ベース電流値とピーク電流値とを繰り返すように電流値を制御することにより、電流値（平均電流値）を２７０Ａ未満に設定した場合でも、アルゴンの供給量を二酸化炭素の供給量以下としつつスプレー移行を達成できることを見出し、本発明に想到した。
【００１０】
本発明の鋼材のＭＡＧ溶接方法においては、二重シールドトーチの内側吐出口からアルゴンを吐出し、当該アルゴンの吐出量よりも多い流量の二酸化炭素を外側吐出口から吐出しつつ、ベース電流値とピーク電流値とを繰り返すように電流値が制御される。そのため、電流値（平均電流値）を２７０Ａ未満に設定した場合でも、スプレー移行を達成できる。このように、本発明の鋼材のＭＡＧ溶接方法によれば、２７０Ａ未満の電流値であっても、シールドガスにおけるアルゴンの割合を低減しつつスプレー移行を実現することが可能な鋼材のＭＡＧ溶接方法を提供することができる。
【００１１】
上記鋼材のＭＡＧ溶接方法において、溶加材および鋼材の一部を溶融させるステップは、平均電流値が２５０Ａ以下となるように電流値が制御されて実施されてもよい。このようにすることにより、クレーター処理時や薄板の溶接（たとえば、厚み４．５ｍｍ以下の鋼板などの鋼材）に一層適したＭＡＧ溶接を実施することができる。
【００１２】
上記鋼材のＭＡＧ溶接方法において、上記溶加材および上記鋼材の一部を溶融させるステップでは、溶接の進行方向に交差する方向にトーチを往復させつつ溶加材および鋼材の一部を溶融させてもよい。溶接の進行方向に交差する方向にトーチを往復させる動作（ウィービング）を実施する場合、スプレー移行を維持することは、通常の場合よりも難しくなる。スプレー移行の維持が容易な本発明の鋼材のＭＡＧ溶接方法は、このような溶接方法にも好適である。
【００１３】
上記鋼材のＭＡＧ溶接方法において、鋼材は軟鋼からなっていてもよい。本発明のＭＡＧ溶接方法は、軟鋼の溶接にも適している。
【発明の効果】
【００１４】
以上の説明から明らかなように、本発明の鋼材のＭＡＧ溶接方法によれば、２７０Ａ未満の電流値であっても、シールドガスにおけるアルゴンの割合を低減しつつスプレー移行を実現することが可能な鋼材のＭＡＧ溶接方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】ＭＡＧ溶接の手順の一例を示すフローチャートである。
【図２】ＭＡＧ溶接の手順の一例を説明するための概略図である。
【図３】電流パターンの一例を示す図である。
【図４】電流パターンの他の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
【００１７】
（実施の形態１）
まず、図１〜図３を参照して、本発明の一実施の形態である実施の形態１における鋼材のＭＡＧ溶接方法について説明する。図１を参照して、本実施の形態におけるＭＡＧ溶接方法では、まず鋼材（鋼製の部材）が準備される（Ｓ１０）。具体的には、図２を参照して、たとえば互いに接合されるべき第１の鋼板２１と第２の鋼板２２とが準備される。第１の鋼板２１および第２の鋼板２２は、たとえば軟鋼からなっている。
【００１８】
準備された第１の鋼板２１および第２の鋼板２２は、接合後の所望の位置関係となるように配置される。具体的には、たとえば図２に示すように、第１の鋼板２１の主面２１Ａと第２の鋼板２２の端面２２Ｂとが互いに接触するように第１の鋼板２１および第２の鋼板２２が配置される。
【００１９】
次に、図１を参照して、溶加材であるワイヤと第１の鋼板２１および第２の鋼板２２との間にアークが形成される（Ｓ２０）。図２を参照して、ワイヤ３１は、トーチ１に保持される。ワイヤ３１としては、たとえばＭＡＧ溶接用のソリッドワイヤ、具体的にはＪＩＳ規格ＹＧＷ１６などを採用することができる。ここで、トーチ１は、保持部としてのコンタクトチップ１３と、コンタクトチップ１３の外周面に所定間隔をおいて対向する内周面を有する中空円筒状の内筒部材１２と、内筒部材１２の外周面に所定間隔をおいて対向する内周面を有する中空円筒状の外筒部材１１と、を備えている。コンタクトチップ１３、内筒部材１２および外筒部材１１は、共通の中心軸を有するように配置される。コンタクトチップ１３は、当該中心軸を含むように当該中心軸に沿って延在する挿入穴１３Ａを有している。そして、挿入穴１３Ａにはワイヤ３１が挿入されて保持される。ワイヤ３１は、溶接時のワイヤ３１の消耗に応じて、挿入穴１３Ａを通して先端側へと供給される。コンタクトチップ１３の外周面と内筒部材１２の内周面との間の空間が内側流路１９である。また、内筒部材１２の外周面と外筒部材１１の内周面との間の空間が外側流路１８である。
【００２０】
すなわち、トーチ１は、ワイヤ３１を保持するコンタクトチップ１３と、トーチ１の軸方向から見てコンタクトチップ１３に保持されたワイヤ３１を取り囲むように配置された内側流路１９と、トーチ１の軸方向から見て内側流路１９を取り囲むように配置された外側流路１８と、を含んでいる。内側流路１９の下流側端部が内側吐出口１９Ａであり、外側流路１８の下流側端部が外側吐出口１８Ａである。そして、内側流路１９を通して内側吐出口１９Ａからアルゴンが矢印βに沿って吐出される。一方、内側吐出口１９Ａから吐出されるアルゴンよりも多い流量の二酸化炭素が、外側流路１８を通して外側吐出口１８Ａから矢印αに沿って吐出される。
【００２１】
ワイヤ３１は、プラス側電極（図示しない）に接続されている。一方、第１の鋼板２１および第２の鋼板２２は、マイナス側電極（図示しない）に接続されている。そして、このプラス側電極とマイナス側電極との間に電圧が負荷されることにより、ワイヤ３１と第１の鋼板２１および第２の鋼板２２との間にアークＡが形成される。このアークＡの熱によりワイヤ３１、第１の鋼板２１および第２の鋼板２２の一部が溶融し、ビードＢが形成される。ビードＢは、第１の鋼板２１の主面２１Ａと第２の鋼板２２の主面２２Ａとが交差する領域を含むように形成される。このとき、上述のようにシールドガスである二酸化炭素およびアルゴンが、それぞれ外側吐出口１８Ａおよび内側吐出口１９Ａから吐出され、アークＡと外気とが遮断される。
【００２２】
ワイヤ３１と第１の鋼板２１および第２の鋼板２２との間に流れる電流は、図３を参照して、ベース電流値Ｉ０からピーク電流値Ｉ１まで時間ｔ１で上昇した後、時間ｔ２の間、ピーク電流値Ｉ１に保持される。その後、ワイヤ３１と第１の鋼板２１および第２の鋼板２２との間に流れる電流は、ピーク電流値Ｉ１からベース電流値Ｉ０まで時間ｔ３で下降し、時間ｔ０の間、ベース電流値Ｉ０に保持される。そして、この電流制御のパターンがその後も繰り返される。この間の平均電流値は２７０Ａ未満とされる。
【００２３】
すなわち、このステップ（Ｓ２０）は、ワイヤ３１と第１の鋼板２１および第２の鋼板２２との間にベース電流値Ｉ０で電流が流れるステップと、ワイヤ３１と第１の鋼板２１および第２の鋼板２２との間にベース電流値Ｉ０よりも大きいピーク電流値Ｉ１で電流が流れるステップと、が繰り返されることにより、平均電流値が２７０Ａ未満となるように電流値が制御されて実施される。
【００２４】
次に、トーチ１を所望のビードＢを形成すべき領域の形状に沿って移動させる（Ｓ３０）。これにより、接合されるべき領域に沿って所望の形状のビードＢが形成される。このとき、溶接の進行方向に交差する方向にトーチ１を往復させつつビードＢを形成してもよい。すなわち、ウィービングが実施されてもよい。
【００２５】
次に、電極間に負荷された電圧が解除され、ステップ（Ｓ３０）において形成されたビードＢ（溶融したワイヤ３１、第１の鋼板２１、および第２の鋼板２２）が冷却されて凝固する（Ｓ４０）。これにより、第１の鋼板２１と第２の鋼板２２とが接合される。以上の手順により、本実施の形態におけるＭＡＧ溶接が完了する。
【００２６】
本実施の形態のＭＡＧ溶接では、二重シールドトーチであるトーチ１の内側吐出口１９Ａからアルゴンを吐出し、かつ当該アルゴンの吐出量よりも多い流量の二酸化炭素を外側吐出口１８Ａから吐出しつつ、ベース電流値Ｉ０とピーク電流値Ｉ１とを繰り返すように電流値が制御される。そのため、電流値（平均電流値）を２７０Ａ未満に設定した場合でも、スプレー移行を達成できる。このように、本実施の形態の鋼材のＭＡＧ溶接方法は、２７０Ａ未満の電流値であっても、シールドガスにおけるアルゴンの割合を低減しつつスプレー移行を実現することが可能となっている。
【００２７】
ここで、上記実施の形態のステップ（Ｓ２０）および（Ｓ３０）は、平均電流値が２５０Ａ以下となるように電流値が制御されて実施されてもよい。これにより、クレーター処理時や薄板の溶接に一層適したＭＡＧ溶接を実施することができる。
【００２８】
（実施の形態２）
次に、本発明の他の実施の形態である実施の形態２について説明する。実施の形態２における鋼のＭＡＧ溶接方法は、基本的には実施の形態１の場合と同様に実施され、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２のステップ（Ｓ２０）および（Ｓ３０）は、電流パターンにおいて実施の形態１の場合とは異なっている。
【００２９】
具体的には、実施の形態２のステップ（Ｓ２０）および（Ｓ３０）においてワイヤ３１と第１の鋼板２１および第２の鋼板２２との間に流れる電流は、図４を参照して、ベース電流値Ｉ１０から第１ピーク電流値Ｉ１１まで時間ｔ１１で上昇した後、時間ｔ１２の間、第１ピーク電流値Ｉ１１に保持される。その後、ワイヤ３１と第１の鋼板２１および第２の鋼板２２との間に流れる電流は、第１ピーク電流値Ｉ１１から第２ピーク電流値Ｉ１２まで時間ｔ１３で下降した後、時間ｔ１４の間、第２ピーク電流値Ｉ１２に保持される。さらに、ワイヤ３１と第１の鋼板２１および第２の鋼板２２との間に流れる電流は、第２ピーク電流値Ｉ１２からベース電流値Ｉ１０まで時間ｔ１５で下降し、時間ｔ１０の間、ベース電流値Ｉ１０に保持される。そして、この電流制御のパターンがその後も繰り返される。この間の平均電流値は２７０Ａ未満とされる。
【００３０】
本実施の形態の鋼材のＭＡＧ溶接においても、二重シールドトーチであるトーチ１の内側吐出口１９Ａからアルゴンを吐出し、かつ当該アルゴンの吐出量よりも多い流量の二酸化炭素を外側吐出口１８Ａから吐出しつつ、ベース電流値Ｉ１０とピーク電流値Ｉ１１，Ｉ１２とを繰り返すように電流値が制御される。そのため、電流値（平均電流値）を２７０Ａ未満に設定した場合でも、スプレー移行を達成できる。このように、本実施の形態の鋼材のＭＡＧ溶接方法は、２７０Ａ未満の電流値であっても、シールドガスにおけるアルゴンの割合を低減しつつスプレー移行を実現することが可能となっている。
【００３１】
なお、上記実施の形態におけるＭＡＧ溶接方法は、溶接プロセス全体において実施されてもよいし、必要な部分のみ、具体的にはたとえば低電流での溶接が好ましい溶接の終端におけるクレーター処理時のみ実施されてもよい。
【実施例】
【００３２】
電流パターンの異なる条件でＭＡＧ溶接を実施し、本発明の効果を確認する実験を行った。実験の手順は以下の通りである。
【００３３】
軟鋼の鋼板を準備し、上記実施の形態１の場合と同様に溶接を実施した。第１の鋼板２１および第２の鋼板２２として、厚み４．５ｍｍの鋼板を準備し、実施の形態１の場合と同様に配置した。ワイヤ３１には、ＪＩＳ規格ＹＧＷ１６（直径１．２ｍｍ）を採用した。シールドガスとして、内側吐出口１９Ａからアルゴンを毎分７Ｌの流量で、外側吐出口１８Ａから二酸化炭素を毎分１４Ｌの流量で吐出させた。平均電流値は２３０Ａ、平均電圧は３０Ｖ、溶接速度は毎分２０ｃｍとした。また、片振り幅１ｍｍ、周波数２Ｈｚ、振り幅方向両端での停止時間０．１ｓの条件でウィービングを行った。そして、ベース電流値Ｉ０を４３Ａ、ピーク電流値Ｉ１を４７２Ａ、時間ｔ０を３．３ｍｓ（時間ｔ０は定電圧制御によって定まる値）、時間ｔ１を０．４ｍｓ、時間ｔ２を１．８ｍｓ、時間ｔ３を０．７ｍｓとした電流パターンでＭＡＧ溶接を実施した（条件１）。
【００３４】
また、条件１の電流パターンのみを変更した条件でもＭＡＧ溶接を実施した。電流パターンは実施の形態２の場合と同様とした。ベース電流値Ｉ１０は４３Ａ、第１ピーク電流値Ｉ１１は４９２Ａ、第２ピーク電流値Ｉ１２は４５２Ａ、時間ｔ１０は３．３ｍｓ（時間ｔ１０は定電圧制御によって定まる値）、時間ｔ１１は０．４ｍｓ、時間ｔ１２は０．７ｍｓ、時間ｔ１３は０．４ｍｓ、時間ｔ１４は０．７ｍｓ、時間ｔ１５は０．７ｍｓとした（条件２）。
【００３５】
また、条件１の電流パターンのみを変更し、電流値を２３０Ａ一定とした条件でもＭＡＧ溶接を実施した（条件３）。条件１および２は、本発明の範囲内のＭＡＧ溶接方法であり、条件３は本発明の範囲外のＭＡＧ溶接方法である。
【００３６】
次に、実験結果について説明する。本発明の範囲外のＭＡＧ溶接方法である条件３では、スプレー移行の状態を達成することができず、スパッタが多く発生した仕上がり状態となった。これに対し、本発明の範囲内のＭＡＧ溶接方法である条件１および２では、スプレー移行の状態が達成され、スパッタの発生が抑制された仕上がり状態となった。
【００３７】
以上の実験結果から、本発明の鋼材のＭＡＧ溶接方法によれば、２７０Ａ未満の電流値であっても、シールドガスにおけるアルゴンの割合を低減しつつスプレー移行を実現できることが確認された。
【００３８】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって規定され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明の鋼のＭＡＧ溶接方法は、シールドガスのコスト低減が求められる鋼のＭＡＧ溶接方法に、特に有利に適用され得る。
【符号の説明】
【００４０】
１  トーチ、１１  外筒部材、１２  内筒部材、１３  コンタクトチップ、１３Ａ  挿入穴、１８  外側流路、１８Ａ  外側吐出口、１９  内側流路、１９Ａ  内側吐出口、２１  第１の鋼板、２１Ａ  主面、２２  第２の鋼板、２２Ａ  主面、２２Ｂ  端面、３１  ワイヤ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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