(57)【要約】【課題】ＴＩＧであっても複数枚のアルミニウム合金の薄板が重ねられて構成された被溶接物に対し、短時間で深い溶込みを実現し、溶接ビードが凸状である信頼性の高い溶接部を得ることができる片面アークスポット溶接方法を提供する。【解決手段】トーチノズル１は、非消耗式電極３の周りに第１ガスＧ１を流して非消耗式電極３を外部の雰囲気から遮蔽する第１ガス経路を有する。ガスノズルカップ５は、トーチノズル１の周りを囲むようにトーチノズル１から間隔を設けて配置されている。このガスノズルカップ５とトーチノズル１との間には、第２ガスＧ２を流して非消耗式電極３及び第１ガスＧ１を大気から遮蔽する第２ガス経路６が設けられている。第１ガスＧ１にＨｅガス又はＨｅを２５％以上含有するＨｅ及びＡｒの混合ガス、前記第２ガスＧ２にＨｅ以外の不活性ガスを使用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非消耗式電極及び前記非消耗式電極の周りに第１ガスを流して前記非消耗式電極を外部の雰囲気から遮蔽する第１ガス経路を有するトーチノズルと、このトーチノズルの周りを囲むように前記トーチノズルから間隔を設けて配置されたガスノズルカップと、このガスノズルカップと前記トーチノズルとの間に第２ガスを流して前記非消耗式電極及び前記第１ガスを大気から遮蔽する第２ガス経路と、を有する溶接トーチを使用し、前記第１ガスにＨｅガス又はＨｅを２５体積％以上含有するＨｅ及びＡｒの混合ガス、前記第２ガスにＨｅ以外の不活性ガスを使用し、前記非消耗式電極に交流電源から通電することによって、複数枚のアルミニウム又はアルミニウム合金の薄板が重ねられて構成された被溶接物をアークスポット溶接することを特徴とする片面アークスポット溶接方法。
【請求項２】
前記被溶接物を溶融して溶融池を形成する工程と、前記溶融池に溶加材を添加する工程と、を有することを特徴とする請求項１に記載の片面アークスポット溶接方法。
【請求項３】
前記交流電源から通電される電流は、初期電流、溶接電流及びこの溶接電流よりも小さいクレータ電流の順に変更され、前記溶加材は前記被溶接材が溶融してから添加され、前記クレータ電流が流れている間に添加が終了することを特徴とする請求項２に記載の片面アークスポット溶接方法。
【請求項４】
前記クレータ電流の通電時における単位時間当たりの前記溶加材の添加量を、前記溶接電流の通電時における単位時間当たりの前記溶加材の添加量の６０乃至９０％とすることを特徴とする請求項３に記載の片面アークスポット溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、片面アークスポット溶接方法に関し、特に、アルミニウム又はアルミニウム合金の片面アークスポット溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近時、自動車車体の軽量化に対する要求が高まっており、これに伴い、軽量化素材としてアルミニウムが注目されている。例えば、車体フロアは、板厚（肉厚ともいう。以下、板厚という）１乃至３ｍｍのアルミニウムの板材、板プレス品又は中空形材等で構成され、これらが抵抗スポット法（ＲＳＷ；Resistance Spot Welding、以下、ＲＳＷという）で接合されて組み立てられている。ＲＳＷは、重ね合わせた２枚以上の被溶接材を１対の電極で両側から挟み、加圧した状態で電極に通電し、被溶接材自体の抵抗及び接触抵抗による発熱を利用して複数枚の被溶接材間の界面を短時間で溶融させて接合部を形成する接合法である。
【０００３】
しかしながら、車体フロアにおいては、剛性アップの観点等から板プレス品又は中空形材で閉断面化された部材を適用した部位も多く、これらの閉断面部材で懐の深い接合部は、予めガン挿入用の作業孔を設ける必要がある（特許文献１）。この作業孔は、溶接後に機械的接合法により新たな部材で蓋をしている。構造部材にＲＳＷを適用する場合、継手部の信頼性等の観点から多くの打点数を必要としている。よって、作業用の孔あけ作業に伴う加工工程増加によるコストアップ、蓋に代用される部材増に伴う重量アップ及び機械接合部の腐食の問題等解決すべき課題が多い。
【０００４】
アルミニウム及びアルミニウム合金（以下、アルミニウム材）の溶融溶接では、溶接に悪影響を及ぼす被溶接材表面の酸化皮膜は、母材の前処理及び溶接過程でのクリーニング作用で除去されるが、溶接法もクリーニング作用機能を有する非消耗式電極を使用する交流ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）（以下、ＴＩＧという）及び消耗式電極を使用する直流逆極性ＭＩＧ（Metal Inert Gas）（以下、ＭＩＧという）が一般的であり、板厚、溶接姿勢及び溶接部に対する要求特性等の観点から使い分けられている。なお、両溶接法とも、アークを大気から保護するために不活性ガスをシールドガスとして使用するシールドガス方式で、大電流溶接等で広い領域のシールドを必要とする場合は、通常のガスノズルカップの外側に付属ノズルを装着するダブルシールド方式が採用されている。シールドガス組成はＡｒガスが一般的であるが、厚板溶接等で深溶込みが必要な場合、Ｈｅ単独又はＨｅ及びＡｒの混合ガスが使用される。
【０００５】
近時、自動車アルミニウム化の進展で、薄板が強度を要する構造部材に使用されるようになり、アルミニウム溶接における片面アークスポット溶接法の適用は、ＲＳＷの代替え技術として特に強く要望されるようになっている。
【０００６】
ＭＩＧの片面アークスポット溶接法への適用は、アルミニウム製電車製造分野で既に多くの実績がある。しかしながら、この分野は適用板厚が３ｍｍ以上であり、自動車製造分野と比較した場合、厚肉の領域である。アルミニウムにアークスポット接合を適用する場合、特許文献２に示すようなＭＩＧ溶接による点接合方法が知られている。しかし、ＭＩＧ溶接は溶接の間、常に溶滴が溶融部に移行し溶融金属部を形成する方法であり、強度を得るために十分に溶込ませると、溶接部は溶融金属部が大きく盛り上がった形態となる。自動車部品など用途によっては、美観上または他部材との配置上、余盛は低いことが好ましい場合があり、余盛が高い場合には切削などの加工が必要となってしまう。余盛を抑制する手法として上板に貫通孔を設ける方法も考えられるが、工程が増えコストが高くなってしまう。
【０００７】
一方、ＴＩＧは片面アークスポット溶接法が強度を有する継手部に適用されることは少ないが、少ない需要が有ること等から、従来、アルミニウム用の溶接電源にはアークスポット機能が備えられている。以下、ＴＩＧによる片面アークスポット溶接法について説明する。図１５は従来のＴＩＧによる片面アークスポット溶接法を示す模式的概略図、図１６は従来のＴＩＧによる片面アークスポット溶接法の溶接電流と溶加材添加との関係を示す図である。
【０００８】
アークスポット溶接機能を備えた溶接電源で、ＴＩＧで片面アークスポット溶接を行い被溶接材である上板２１と下板２２とを接合する場合、図１５に示すように、ガスノズルカップ３１先端部にスポット用付属ノズル３２を装着し、交流電源（図示せず）から非消耗式電極であるタングステン電極３３に図１６に示す溶接電流Ｉｗを与えることによってタングステン電極３３と上板２１及び下板２２との間にアークを発生させる。上板２１が板厚相当分溶融した後に下板２２が溶融し、溶融池が形成され、上板２１及び下板２２が１つの溶接金属を形成した段階（ｔ１秒経過後）で、ｔ２秒間溶加材挿入孔３４から一定速度で溶加材４１を別途溶融池に添加し、溶接ビード２３を形成する。これにより上板２１と下板２２とが溶接される（以下、スポット法という）。
【０００９】
溶接時間をｔとすると、図１６に示すように、溶加材４１は溶接時間ｔ内で添加を終了するが、溶加材４１が溶融金属と溶着するトラブルを避けるため、溶加材４１を添加している間（ｔ２秒間）の直後に溶加材の未添加時間ｔ３が存在する。
【００１０】
【特許文献１】特公昭４５−３１３７８号公報
【特許文献２】特開２００５−３０６３２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上述の従来の技術には以下に示すような問題点がある。上述の方法によってＴＩＧで片面アークスポット溶接を行う場合、上板２１と下板２２とを溶融させるためには大きな溶接電流及び長い溶接時間を必要とし、特に薄板の場合、大電流・長時間の溶融では溶接変形の問題等の観点から適用ができないという問題点がある。
【００１２】
また、表側の溶接ビードの形状が凹状になった場合、この凹状の溶接ビード形状が溶接割れの発生及び溶接部の肉厚不足による強度低下等溶接部の品質劣化の大きな要因になるため、通常のアーク溶接では、溶接電源のクレータ処理機能を使用し、溶接電流よりも低い電流によってクレータ処理を行い、凹ビードを残さないようにしている。上述のように、大電流・長時間の条件下でＴＩＧによる片面アークスポット溶接を行った場合、上板２１及び下板２２の溶融面積が拡大し、溶融金属量も増加する。この溶融金属量の増大に比例し、凝固における体積収縮量も大きくなる。特に、アルミニウムは鋼に比べ、溶融金属の凝固における体積収縮率が大きいため、形成される溶接ビード２３の形状は最終凝固域である中央部が大きく凹むという問題点もある。
【００１３】
また、上述の方法によって重ねＴＩＧで片面アークスポット溶接を行う場合、非消耗式電極であるタングステン電極３３で上板２１及び下板２２を溶融後、溶加材４１を添加して溶接部を形成するが、アークの特性上、溶込み形状がなべ底状になり、ＭＩＧに比べて溶込みも浅いという問題点もある。
【００１４】
ＴＩＧの片面アークスポット溶接への適用は、ＭＩＧと同様に被溶接材に貫通孔を設ける方法及び深溶込みが得られるＨｅガスの使用等、溶接施工の観点から種々検討されたが、要求特性を満足する溶接部の確保が困難であった。
【００１５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、ＴＩＧであっても複数枚のアルミニウム又はアルミニウム合金の薄板が重ねられて構成された被溶接物に対し、短時間で深い溶込みを実現し、溶接ビードが凸状である信頼性の高い溶接部を得ることができる片面アークスポット溶接方法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】
【００１６】
本発明に係る片面アークスポット溶接方法は、非消耗式電極及び前記非消耗式電極の周りに第１ガスを流して前記非消耗式電極を外部の雰囲気から遮蔽する第１ガス経路を有するトーチノズルと、このトーチノズルの周りを囲むように前記トーチノズルから間隔を設けて配置されたガスノズルカップと、このガスノズルカップと前記トーチノズルとの間に第２ガスを流して前記非消耗式電極及び前記第１ガスを大気から遮蔽する第２ガス経路と、を有する溶接トーチを使用し、前記第１ガスにＨｅガス又はＨｅを２５％以上含有するＨｅ及びＡｒの混合ガス、前記第２ガスにＨｅ以外の不活性ガスを使用し、前記非消耗式電極に交流電源から通電することによって、複数枚のアルミニウム又はアルミニウム合金の薄板が重ねられて構成された被溶接物をアークスポット溶接することを特徴とする。
【００１７】
本発明に係る片面アークスポット溶接方法は、前記被溶接物を溶融して溶融池を形成する工程と、前記溶融池に溶加材を添加する工程と、を有することが好ましい。
【００１８】
また、前記交流電源から通電される電流は、初期電流、溶接電流及びこの溶接電流よりも小さいクレータ電流の順に変更され、前記溶加材は前記被溶接材が溶融してから添加され、前記クレータ電流が流れている間に添加が終了することが好ましい。この場合に、前記クレータ電流の通電時における単位時間当たりの前記溶加材の添加量を、前記溶接電流の通電時における単位時間当たりの前記溶加材の添加量の６０乃至９０％とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、被溶接材がアルミニウム又はアルミニウム合金の薄板であっても、アークプラズマ用ガス用及びシールドガス用の２個のガス経路からなる溶接トーチを使用し、アークプラズマ用ガスとして質量が空気より軽くガスの解離電圧が高いＨｅガスか又はＨｅを２５％以上含有するＨｅ及びＡｒの混合ガス、シールドガスとして質量が空気より重いＨｅ以外の不活性ガスを使用することでアーク力及びシールド性を高めることによって、短時間で深い溶込みを実現し、溶接ビードが凸状である信頼性の高い溶接部を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第１の実施形態に係る片面アークスポット溶接方法について説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る片面アークスポット溶接方法に使用する溶接トーチ１０を示す模式的断面図、図２はアークプラズマ用ガスＧ１のＨｅ混合率（同一温度、圧力での総ガス体積にしめるＨｅ体積％）と溶込み深さの関係を示す模式図、図３は本実施形態に係る片面アークスポット溶接方法における電流と溶加材添加の関係を示す模式図、図４（ａ）は図３に示すスロープ法で片面アークスポット溶接を行ったときの溶接ビードの形状を示す断面マクロ写真、図４（ｂ）はスポット法で片面アークスポット溶接を行ったときの溶接ビードの形状を示す断面マクロ写真、図５は図３に示すスロープ法及びスポット法で片面アークスポット溶接を行って作成した引張せん断試験片の引張せん断強度を示すグラフ、図６（ａ）は母材を３枚重ねにして図３に示すスロープ法で片面アークスポット溶接を行ったときの溶接ビードの形状を示す断面マクロ写真、図６（ｂ）は母材を３枚重ねにしてスポット法で片面アークスポット溶接を行ったときの溶接ビードの形状を示す断面マクロ写真である。
【００２１】
溶接トーチ１０は、図１に示すように、非消耗式電極挿入孔１ｂを有し、トーチノズル１の内部に同軸状に、筒形状を有し下部に電極締め付け孔２ａが設けられたコレット２が配置され、このコレット２の内部に同軸状に、タングステン電極（非消耗式電極）３が先端部の突出し長さ調節可能に配置されている。コレット２の内径は、コレット２上部においてタングステン電極３の外径よりも大きく、下部に向かうにつれてその内径は小さくなっており、コレット２下端部においてタングステン電極３と接触している。また、タングステン電極３は交流電源（図示せず）に接続されている。
【００２２】
第１ガスとしてのアークプラズマ用ガスＧ１は、非消耗式電極挿入孔１ｂから導入され、コレット２下部に設けられた電極締め付け孔２ａからトーチノズル１の先端部１ａの内周面とコレット２の外周面とからなる環状路４を通じ、タングステン電極３周囲に誘導される。これにより、第１ガス経路が構成され、アークプラズマ用ガスＧ１によってタングステン電極３周囲が外部の雰囲気から遮蔽される。
【００２３】
また、トーチノズル１の外周にはトーチノズル１の周りを囲むようにトーチノズル１から間隔を設けてガスノズルカップ５が設けられている。
【００２４】
第２ガスとしてのシールドガスＧ２は、トーチノズル１の外周面とガスカップノズル５の内周面とからなる環状路６を通じてアークプラズマ用ガスＧ１周囲に誘導される。これにより、第２ガス経路が構成され、シールドガスＧ２によってタングステン電極３及びアークプラズマ用ガスＧ１周囲全体が大気から遮蔽される。
【００２５】
ＴＩＧで片面アークスポット溶接を行うことによって複数枚重ねられたアルミニウム材（被溶接材）を短時間で接合するためには、アークを絞り、集中させることによってアーク力を高め、深い溶込みを得ることが必要である。そこで、アークプラズマ用ガスＧ１としては、例えばガスの解離電圧が高く、アークプラズマのエネルギー密度がＡｒガスより高くアーク集中性が良好であるＨｅガスを使用することが好ましい。これによりアークの集中性の向上を図ることができる。
【００２６】
ここで、母材に板厚４ｍｍのＡ５０５２Ｐ−Ｈ３４を使用し、後述するスポット法の溶接電流Ｉｗを１４０Ａ、アークタイムｔを５秒とし、シールドガスＧ２としてＡｒガスを使用し、アークプラズマ用ガスＧ１として、Ａｒガス、Ｈｅを２５乃至７５％含有するＨｅ及びＡｒの混合ガス、並びにＨｅガスを使用して溶加材を使用せずに片面アークスポット溶接を行った結果を図２に示す。アークプラズマ用ガスＧ１及びシールドガスＧ２のガス流量は夫々１０Ｌ／分である。
【００２７】
図２に示すように、アークプラズマ用ガスＧ１としてＨｅ及びＡｒの混合ガスのＨｅ混合率（同一温度、圧力での総ガス体積にしめるＨｅ体積％）が大きいものを使用したもの程溶込み深さＰは大きくなり、特に、Ｈｅ混合率が５０％以上のものを使用したもので顕著である。そして、Ｈｅガスを使用したもので最大である。アークプラズマ用ガスＧ１としてＨｅ及びＡｒの混合ガスのＨｅ混合率が２５％のものを使用したもので溶込み深さＰは２．４ｍｍであり、これは十分な溶込み深さであると判断できる。よって、本発明においては、アークプラズマ用ガスＧ１として、Ｈｅガス又はＨｅを２５％以上含有するＨｅ及びＡｒの混合ガスを使用する。
【００２８】
また、シールドガスＧ２としては、Ｈｅよりも重い不活性ガス、例えばＡｒガスを使用することができる。このとき、Ａｒガスは空気よりも質量が重いため、シールド性の向上を図ることができる。例えばシールドガスＧ２としてＨｅガスを使用すると、Ｈｅガスは空気よりも質量が軽いため、シールド性を損なう要因になる。シールド性を改善するためにＨｅガス流量を増加させるとガスの流速が増し、乱流を引き起こすので、シールド性の改善には結びつかない。また、ＨｅガスはＡｒガスに比べ高価でありコスト増にもなる。よって、シールドガスＧ２としてはＡｒガスを使用することが好ましい。このような理由により、本発明においては、溶接中に溶接部に供給するシールドガスＧ２として、Ａｒを使用することが好ましい。
【００２９】
また、ＴＩＧで片面アークスポット溶接を行う際に凸状の溶接ビードを得る方法は、以下の２通りの方法が考えられる。一方は、溶融金属量を少なくし、凝固・収縮による体積減少を極力小さくするとともに、凝固・収縮で形成された凹部を、溶加材を添加して埋める方法であり、これは通常のアーク溶接でクレータ処理方法として使用されている。他方は、多くの溶加材を溶融部に添加して溶融金属を強制冷却し、形成される凹部を被溶接材表面よりもタングステン電極３側に位置させる方法である。この方法は、溶込み確保が前提とすれば、溶融時間（図１６に示すｔ１）を保持し、短時間で多くの溶加材を添加するためには溶加材を高速度で溶融池に添加する必要がある。高速度での溶加材添加は添加位置の変動による溶接ビード形状の悪化、溶加材と溶融金属の溶着による溶接作業性の悪化並びに溶融金属とタングステン電極３との溶着等のトラブル発生の要因になる。また、溶加材の送給速度を緩和するために太径溶加材（例えば線径１．６乃至２．４ｍｍ）を使用することも考えられるが、ＴＩＧにおいて太径溶加材を安定的に送給するワイヤ送給装置は実用化に至っていない。よって、クレータ処理方法が最も有効である。
【００３０】
ここで、溶接トーチ１０を使用し、アークプラズマ用ガスＧ１としてＨｅを５０体積％含有するＨｅ及びＡｒの混合ガス、シールドガスＧ２としてＡｒを使用し、アークプラズマ用ガスＧ１及びシールドガスＧ２のガス流量を夫々１０Ｌ／分とし、母材に板厚１ｍｍのＡ５１８２Ｐ−Ｏを２枚重ね、溶加材にＡ５３５６ＷＹ−直径１．６ｍｍを使用し、交流の溶接電源（図示せず）からタングステン電極３に、図３に示すように、夫々電流量が異なる初期電流Ｉｓ、溶接電流Ｉｗ及びクレータ電流Ｉｃを順次供給し、溶接電流Ｉｗが供給されている溶接電流時間から溶接電流Ｉｗよりも低いクレータ電流Ｉｃが供給されているクレータ処理時間にわたって溶加材の添加を行う（以下、スロープ法という）ことによってアークスポット溶接を行い、引張せん断試験片を作成した。また、図１６に示すスポット法で交流の溶接電源（図示せず）からタングステン電極３に溶接電流Ｉｗを供給し、同様にアークスポット溶接を行い、引張せん断試験片を作成した。
【００３１】
以下、スロープ法で片面アークスポット溶接を行う方法について説明する。図３に示すように、スロープ法においてタングステン電極３に供給される電流は、初期電流Ｉｓ、溶接電流Ｉｗ及びクレータ電流Ｉｃであり、Ｉｗ＞Ｉｃである。初期電流Ｉｓは特に溶接条件に基づく制約はない。初期電流時間をＴｓ、アップスロープ時間をＴｕ、溶接電流において被溶接材が溶融するまでの時間をＴ１、被溶接材が溶融してからの時間をＴ２（即ち溶接電流時間＝Ｔ１＋Ｔ２）、ダウンスロープ時間をＴｄ、クレータ処理時間をＴｃとすると、アークタイムＴはこれらの時間の合計、即ちＴ＝Ｔｓ＋Ｔｕ＋Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔｄ＋Ｔｃである。
【００３２】
溶加材は溶接電流Ｉｗによって被溶接材が溶融した後、溶接電流時間からクレータ処理時間の途中までＴ２＋Ｔ３秒間所定の送給速度で溶融池に添加される。被溶接材が溶融した後に溶加材の添加を開始し、クレータ処理時間の途中で溶加材の添加を終了することによって溶融金属の凝固を促進し溶融金属量を減少させ、これにより凝固時の収縮量を抑制することができる。更に、溶加材の添加を終了した後のクレータ処理時間を溶接の最終工程とし、この時間をＴ４とすると、この最終工程において短時間のアーク印加で溶接ビードを修正する。以上の工程によりスロープ法で片面アークスポット溶接を行う。
【００３３】
上述の如く、スロープ法で片面アークスポット溶接を行った場合、図４（ａ）に示す断面マクロ写真のように、十分な大きさの溶融径を確保した凸状の溶接ビードが得られる。一方、スポット法で片面アークスポット溶接を行った場合に得られる溶接ビードは、図４（ｂ）に示す断面マクロ写真のように、被溶接材の表面及び裏面の双方が凹状で、溶融金属の肉厚が板厚以下になっている。
【００３４】
また、各引張せん断試験片について、引張せん断試験を行った結果、図５に示すように、スロープ法で片面アークスポット溶接を行って作成した引張せん断試験片は、溶接ビードの形状の改善と共に溶融径が増大した結果、スポット法で片面アークスポット溶接を行って作成した引張せん断試験片よりも引張せん断強度が３０％弱向上しており、これにより、スロープ法で片面アークスポット溶接を行うことによって継手強度が向上することが分かる。
【００３５】
次に、溶接トーチ１０を使用し、アークプラズマ用ガスＧ１としてＨｅを７５％含有するＨｅ及びＡｒの混合ガス、シールドガスＧ２としてＡｒを使用し、母材に板厚１ｍｍのＡ５１８２Ｐ−Ｏの３枚重ね、溶加材にＡ５３５６ＷＹ−直径２．４ｍｍを使用し、スロープ法で片面アークスポット溶接を行った。また、同様に、スポット法で片面アークスポット溶接を行った。
【００３６】
スロープ法で片面アークスポット溶接を行った場合、図６（ａ）に示すように、十分な大きさの溶融径を有する凸状の溶接ビードが得られる。一方、スポット法で片面アークスポット溶接を行った場合に得られる溶接ビードは、図６（ｂ）に示すように、被溶接材の表面及び裏面ともに凹状で、溶融金属の肉厚が板厚以下になっている。
【００３７】
これにより、本発明においては、図３に示す上述のスロープ法で片面アークスポット法を行うものとする。
【００３８】
次に、上述の如く構成された本実施形態に係る片面アークスポット溶接方法の動作について説明する。
【００３９】
溶接トーチ１０の非消耗式電極挿入孔１ｂからアークプラズマ用ガスＧ１としてＨｅガス又はＨｅを２５％以上含有するＨｅ及びＡｒの混合ガスを供給すると、アークプラズマ用ガスＧ１はコレット２下部に設けられた電極締め付け孔２ａからトーチノズル１の先端部１ａの内周面とコレット２の外周面とからなる環状路４を通じ、タングステン電極３周囲に流出する。Ｈｅガスは、ガスの解離電圧が高く、アークプラズマのエネルギー密度がＡｒガスより高くアーク集中性が良好であるため、アークの集中性の向上を図ることができる。
【００４０】
また、ガスノズルカップ５の内側にシールドガスＧ２としてＡｒを供給すると、シールドガスＧ２はトーチノズル１の外周面とガスカップノズル５の内周面とからなる環状路６を通じ、アークプラズマ用ガスＧ１周囲全体を遮蔽する。Ａｒガスは空気よりも質量が重いため、シールド性の向上を図ることができる。
【００４１】
溶接トーチ１０にアークプラズマ用ガスＧ１及びシールドガスＧ２を供給した状態で、図３に示す模式図のように、交流電源（図示せず）からタングステン電極３に先ず初期電流Ｉｓを供給し、所望の時間（初期電流時間Ｔｓ）保持し、次に溶接電流Ｉｗを供給する。そして、被溶接材が溶融した時点で溶融池に溶加材を所定の送給速度で添加する。溶接電流Ｉｗを所望の時間（溶接電流時間Ｔ１＋Ｔ２）保持し、次に、溶接電流Ｉｗよりも低いクレータ電流Ｉｃへダウンスロープ時間Ｔｄ経過後、移行する。これにより、タングステン電極３に流れる電流値はクレータ電流Ｉｃとなる。この状態を所望の時間保持した段階で溶加材の添加を終了し、クレータ電流Ｉｃ下で短時間（Ｔ４）アークによって溶接ビードを修正する工程を行う。これによって、被溶接材表面よりタングステン電極３側に溶接金属が位置する凸状の溶接ビードが得られる。また、溶接電流時間からクレータ処理時間の途中まで溶加材を添加することによって溶融金属量を減少させ、これにより凝固時の収縮量を抑制することができる。
【００４２】
本発明に係る片面アークスポット溶接方法は、図１に示す溶接トーチ１０を使用し、アークプラズマ用ガスＧ１として質量が空気より軽くガスの解離電圧が高いＨｅガスか又はＨｅを２５％以上含有するＨｅ及びＡｒの混合ガスを使用することでアークの集中性を高め、シールドガスＧ２として質量が空気より重いＡｒを使用することでシールド性を高め、図３に示すスロープ法で片面アークスポット溶接を行うことにより、短時間で深い溶込みを実現し、溶接ビードが凸状であり信頼性の高い溶接部を得ることができる。
【００４３】
次に、本発明の第２の実施形態に係る片面アークスポット溶接方法について説明する。図７は、本実施形態に係る片面アークスポット溶接方法における溶接電流と溶加材添加の関係を示す模式図である。なお、本実施形態において、溶接トーチ１０並びにアークプラズマ用ガスＧ１及びシールドガスＧ２の構成は、図１に示す第１の実施形態と同様である。
【００４４】
次に、本実施形態の動作について説明する。図７に示すように、本実施形態のスロープ法における時間と電流との関係は、第１の実施形態と同様である。即ち、タングステン電極３に供給される電流は、初期電流Ｉｓ、溶接電流Ｉｗ及びクレータ電流Ｉｃであり、Ｉｗ＞Ｉｃである。初期電流Ｉｓは特に溶接条件に基づく制約はない。なお、アークタイムＴ、初期電流時間Ｔｓ、アップスロープ時間Ｔｕ、ダウンスロープ時間Ｔｄ及びクレータ処理時間をＴｃについては図示を省略している。
【００４５】
図７に示すように、溶加材は溶接電流Ｉｗによって被溶接材が溶融した後、時間Ｔ２（秒）の間送給速度Ｆｗ（ｍ／分）で溶融池に添加される。ここまでは、第１の実施形態と同様である。本実施形態においては、次に、時間Ｔ２が経過した後、図７に示すＡ点の時点から、溶加材送給速度をＦｃ（＜Ｆｗ）に減少させる。この状態で時間Ｔ３（秒）の間溶加材を送給し、クレータ処理時間の途中で溶加材の送給を終了する。その後、時間Ｔ４（秒）経過後にクレータ処理が終了されることは第１の実施形態と同様である。
【００４６】
上述の第１の実施形態で説明したように、電流を初期電流Ｉｓ、溶接電流Ｉｗ、及び溶接電流より小さいクレ−タ電流Ｉｃと順次変化させ、溶加材を被溶接材が溶融してから添加しクレ−タ電流が流れている間に添加を終了することにより、所望の凸状の溶接部を形成することができる。しかし、溶接電流より小さいクレ−タ電流の領域では、溶融部に添加された溶加材量を溶融する速度が溶接電流の領域に比べて遅くなる。これに対して、被溶接材溶融に相当する溶加材添加量（溶加材送給速度）は、添加の開始から終了まで一定である。このため、条件によっては溶加材の供給が必要量に比べて過多となる場合がある。このような場合には、溶融金属部に冷たい溶加材が添加されることで凝固が促進され、溶加材溶融や溶融金属の湯流れが不釣り合いとなる結果、形成される溶接ビ−ドはより大きい凸状となる。
【００４７】
より大きい凸状ビ−ドが形成されると、溶融金属がタングステン電極と融着する可能性がある。融着した場合には溶接が中断されることがあり、また、溶接部へのタングステン巻き込み等を補修するための再溶接が必要となることもある。その他に、タングステン電極の再装着及び溶接ビ−ドの手直し等が必要となる場合もある。このように、溶加材の添加量が過多となることが溶接作業性を低下させる一因となる。以上のことから、本実施形態においては、電流が溶接電流Ｉｗからクレ−タ電流Ｉｃに変化する時点（図７のＡ点）で溶加材送給速度を溶接電流域における送給速度Ｆｗより小さいＦｃとすることとした。なお、本実施形態の説明においては、単位時間当たりの溶加材添加量の減少を溶加材（ワイヤ）送給速度の減少として表しているが、例えば溶加材の質量で表す等、溶加材送給速度以外の方法によることとしてもよい。
【００４８】
本実施形態における効果を確認するため、以下に示すように、クレータ電流における溶加材送給速度を０乃至５０％の範囲で減少させて片面アークスポット溶接を行い、その際の溶接作業性、ビード形状及び余盛高さについての試験を行った。
【００４９】
本試験においては、母材として板厚１ｍｍのＡ５１８２Ｐ−Ｏの２枚重ね、溶加材としてＡ５３５６ＷＹ−直径１．６ｍｍを使用し、図７に示すスロープ法で片面アークスポット溶接を行った。溶接条件は、溶接電流が１００Ａ、クレ−タ電流が７０Ａ、及び、溶接電流時における溶加材送給速度Ｆｗが２５０ｃｍ／分である。なお、表１において、◎及び○はいずれも良好の評価であるが、◎の方がより良好である。また、△は○に比べてやや劣る評価とした。
【００５０】
ここで、溶接作業性について、クレータ電流Ｉｃにおける溶加材送給速度が過大となると、以下の現象が起こる場合がある。即ち、（１）溶加材の添加量と溶融、及びビ−ド形成がアンバランスとなり、クレータ電流Ｉｃにおいて溶融金属の盛り上がりが大きくなる。条件によってはタングステン電極と溶融金属が接触し溶接が中断する。（２）溶加材（ワイヤ）の溶融速度はクレ−タ電流への切り替わりで低下するが、添加速度は溶接電流相当速度の為に、ワイヤに衝撃が加わる。条件によってはワイヤ添加位置のずれが生じる。なお、このワイヤ添加位置のずれは、ビ−ド形状不良の一因となる。
【００５１】
以上のことから、溶接作業性の評価については、上記（１）及び（２）が共に認められなかった場合を◎、（２）の現象が認められた場合を○、並びに、（１）及び（２）が共に認められた場合を△とした。
【００５２】
また、ビード形状について、溶接金属の最終凝固部と溶接前の被溶接材の表面との位置関係において、電極側に位置する場合を凸状、被溶接材側に位置する場合を凹状とする。これは、余盛高さによって表すことができる。被溶接材の表面に対して余盛高さが正の値であるときは凸状、負の値であるときは凹状である。なお、凹状ビードは、たとえ溶着金属部の厚さが大きくても、引張変形を受けた際に凹状部に特に応力が集中しやすいため、好ましくない。
【００５３】
表１に、クレータ電流における溶加材送給速度の減少率と、溶接作業性、ビード形状及び余盛高さについての試験結果との関係を示す。また、図８（ａ）乃至（ｄ）に、減少率が０％、１０％、３０％及び５０％の場合の溶接ビードの形状を示す断面マクロ写真を示す。
【００５４】
【表１】
2008200750.tif 000003
【００５５】
表１に示すように、溶加材送給速度を変化させない手法（減少率０％）では凸状の溶接ビ−ドは形成されるが、電流がクレ−タ電流へ変化する際に溶加材に若干の衝撃が発生することにより、添加位置の変動が生じる。このため、溶接作業性が若干劣る結果となった。これに対して、クレ−タ電流における溶加材添加量を溶接電流における添加量より減少させることにより溶接作業性が改善された。具体的には、溶加材の減少率を１０％以上とすることで溶接作業性が良好域となり、２０％以上とすることでより良好な溶接作業性が得られた。
【００５６】
また、ビード形状については、溶加材減少率が０乃至４０％のときに凸状ビードが得られたが、溶加材減少率を５０％とするとビード形状が凹状となった。図８（ａ）乃至（ｃ）に示すように、溶加材減少率が０％、１０％及び３０％のときは、いずれも溶接中央部が被溶接材の表面よりも上に位置しており、余盛高さと併せて良好な凸状のビード形状が得られた。これに対して、図８（ｄ）に示すように、溶加材減少率が５０％のときは、溶接中央部が被溶接材の表面より凹んでおり、余盛高さは負の値となった。以上のことから、ビード形状については、溶加材減少率が４０％以下で良好であるという結果が得られた。
【００５７】
上記の試験結果により、クレータ電流における溶加材添加量を溶接電流における溶加材添加量に対して１０乃至４０％減少させ、６０乃至９０％とすることで、溶接作業性及びビード形状が共に良好な片面アークスポット溶接を行うことができる。また、溶加材添加量を２０乃至４０％減少させ、６０乃至８０％とすることで、より好ましい片面アークスポット溶接を行うことができる。
【００５８】
なお、本実施形態においては、図７に示すように、Ａ点の時点で溶加材送給速度をＦｗからＦｃへ階段状に１段階減少させているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図７のＡ点以降、溶加材送給速度を２段階以上の階段状に減少させることとしてもよく、連続的に減少させることとしてもよい。
【実施例】
【００５９】
以下、本発明の効果を実証するための実施例について説明する。
【００６０】
先ず、本発明の第１実施例について説明する。本実施例においては、溶接トーチ１０を使用し、シールドガスＧ２としてＡｒを使用し、アークプラズマ用ガスＧ１として、Ｈｅガス又はＨｅを５０％以上含有するＨｅ及びＡｒの混合ガスを使用し、片面アークスポット溶接を行うことで引張せん断試験片を作成した。アークプラズマ用ガスＧ１及びシールドガスＧ２のガス流量は夫々１０Ｌ／分とした。母材として板厚１乃至３ｍｍのＡ５１８２−Ｏを貫通孔を設けずに下記表２に示す組み合わせで２枚重ねにし、溶加材としてＡ５３５６ＷＹを使用した。下記表２に示す板厚組み合わせにおいて、例えば、１＋２は、板厚１ｍｍの母材と板厚２ｍｍの母材を、板厚１ｍｍの母材をアーク発生側に配して２枚重ねにしたことを示している。剥離試験では、試験片の両端をペンチで保持し、人力で引剥がし、剥離しないものを評価○とし、剥離したり接合が不可能だったりしたものを評価×とした。その結果を下記表２に示す。図９は１ｍｍの板厚の母材を２枚重ねにして図３に示す第１の実施形態のスロープ法で片面アークスポット溶接を行ったときの溶接ビードの形状を示す断面マクロ写真である。
【００６１】
【表２】
2008200750.tif 000004
【００６２】
アークプラズマ用ガスＧ１として、Ｈｅガス及びＨｅを５０％以上含有するＨｅ及びＡｒの混合ガスのいずれのガスを使用した場合においても、板厚１ｍｍ同士の同板厚組み合わせ、及び１ｍｍの母材をアーク発生側に配した１ｍｍ＋２ｍｍ及び１ｍｍ＋３ｍｍの板厚が異なるものの組み合わせが接合可能であった。これらにおいては、図９に示す板厚１ｍｍ同士を溶接した溶接ビードのように、十分な大きさの溶融径を有する凸状の溶接ビードが得られた。
【００６３】
次に、本発明の第２実施例について説明する。本実施例においては上述の第１実施例と同様のシールド条件において、母材として板厚１乃至３ｍｍのＡ５１８２−Ｏを貫通孔を設けずに下記表３に示す組み合わせ、即ち同板厚の母材を３枚重ねにし、溶加材としてＡ５３５６ＷＹを使用して図３に示す第１の実施形態のスロープ法で片面アークスポット溶接を行うことで剥離試験片を作成し、剥離評価を行った結果を下記表３に示す。評価方法は上述の第１実施例と同様である。
【００６４】
【表３】
2008200750.tif 000005
【００６５】
本発明に係る片面アークスポット溶接方法によって、１ｍｍの板厚の母材を３枚重ねた組み合わせが接合可能であった。図１０は１ｍｍの板厚の母材を３枚重ねにして図３に示すスロープ法で片面アークスポット溶接を行ったときの溶接ビードの形状を示す断面マクロ写真である。１ｍｍの板厚の母材を３枚重ねたものにおいては、図１０に示すように、十分な大きさの溶融径を有する凸状の溶接ビードが得られた。
【００６６】
次に、本発明の第３実施例について説明する。本実施例においては上述の第１実施例と同様のシールド条件において、母材として板厚１ｍｍのＡ５０５２−Ｈ３４を貫通孔を設けずに２枚重ねにし、溶加材としてＡ５３５６ＷＹを使用して図３に示す第１の実施形態のスロープ法で片面アークスポット溶接を行うことで引張せん断試験片を作成した。また、ＲＳＷで接合によっても引張せん断試験片を作成した。これらの引張せん断試験片について引張せん断強度を測定した結果を図１１に示す。図１１に示すように、本発明に係る片面アークスポット溶接方法によって作成した引張せん断強度試験片は、ＲＳＷによって作成した引張せん断強度試験片と同等の引張せん断強度が得られる。なお、本発明に係る片面アークスポット溶接方法によって上述の条件で作成した引張せん断試験片の溶融径はいずれも８．０ｍｍであった。
【００６７】
次に、本発明の第４実施例について説明する。本実施例においては上述の第１実施例と同様のシールド条件において、母材として板厚１乃至３ｍｍのＡ５１８２−Ｏを下記表４に示す組み合わせで２枚又は３枚重ねにし、アーク発生側に位置する母材に所定の貫通孔を設け（３枚重ねの場合は最大でもアーク発生側に位置する母材の次に位置する母材までの２枚）、溶加材としてＡ５３５６ＷＹを使用し、図３に示す第１の実施形態のスロープ法で貫通孔を通じて接合することで試験片を作成した。夫々の試験片について評価を行った結果を下記表４に示す。評価方法は上述の第１実施例と同様である。
【００６８】
【表４】
2008200750.tif 000006
【００６９】
アークプラズマ用ガスＧ１として、Ｈｅガス及びＨｅを５０％以上含有するＨｅ及びＡｒの混合ガスのいずれのガスを使用した場合においても、アーク発生側に位置する母材に貫通孔を設けた場合、本発明に係る片面アークスポット溶接方法によって、板厚が異なるものの組み合わせでは薄板をアーク発生側に配した２ｍｍ＋３ｍｍまで可能であり、接合可能な板厚の組み合わせが拡大する。また、貫通孔を設けることで、被溶接材を溶融させる溶接電流Ｉｗを低減することができ、溶接作業性の改善が可能になる。
【００７０】
次に、本発明の第４実施例について説明する。本実施例においては上述の第１実施例と同様のシールド条件において、母材として板厚１ｍｍのＡ５１８２Ｐ−Ｏを２枚重ねにし、溶加材としてＡ５３５６ＷＹ−直径１．６ｍｍを使用して、図７に示す第２の実施形態のスロープ法で片面アークスポット溶接を行うことで試験片を作成した。溶接条件は、溶接電流が８０Ａ、クレ−タ電流が５０Ａ、溶接電流時における溶加材送給速度が２６０ｃｍ／分、及び、クレ−タ電流時における溶加材送給速度が２２０ｃｍ／分である。なお、溶加材送給速度の減少率は約１５％である。
【００７１】
図１２は、第４実施例において作成した試験片の断面マクロ写真である。本実施例においては、図１２に示すように、良好な凸状の溶接ビードが得られた。また、作業性についても特に悪化は認められず良好であった。
【００７２】
次に、本発明の第５実施例について説明する。本実施例においては上述の第１実施例と同様のシールド条件において、母材として板厚２ｍｍのＡ５１８２Ｐ−Ｏを２枚重ねにし、溶加材としてＡ５３５６ＷＹ−直径２．４ｍｍを使用して、図７に示す第２の実施形態のスロープ法で片面アークスポット溶接を行うことで試験片を作成した。溶接条件は、溶接電流が２２０Ａ、クレ−タ電流が１１０Ａ、溶接電流時における溶加材送給速度が２６０ｃｍ／分、及び、クレ−タ電流時における溶加材送給速度が２００ｃｍ／分である。なお、溶加材送給速度の減少率は約２３％である。
【００７３】
図１３は、第５実施例において作成した試験片の断面マクロ写真である。本実施例においては、図１３に示すように、良好な凸状の溶接ビードが得られた。また、作業性についても特に悪化は認められず良好であった。
【００７４】
次に、本発明の第６実施例について説明する。本実施例においては上述の第１実施例と同様のシールド条件において、母材として板厚１ｍｍのＡ５１８２Ｐ−Ｏを３枚重ねにし、溶加材としてＡ５３５６ＷＹ−直径２．４ｍｍを使用して、図７に示す第２の実施形態のスロープ法で片面アークスポット溶接を行うことで試験片を作成した。溶接条件は、溶接電流が１７０Ａ、クレ−タ電流が８０Ａ、溶接電流時における溶加材送給速度が２２０ｃｍ／分、及び、クレ−タ電流時における溶加材送給速度が１７０ｃｍ／分である。なお、溶加材送給速度の減少率は約２３％である。
【００７５】
図１４は、第６実施例において作成した試験片の断面マクロ写真である。本実施例においては、図１４に示すように、良好な凸状の溶接ビードが得られた。また、作業性についても特に悪化は認められず良好であった。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る片面アークスポット溶接方法に使用する溶接トーチ１０を示す模式的断面図である。
【図２】アークプラズマ用ガスＧ１のＨｅ混合率と溶込み深さの関係を示す模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る片面アークスポット溶接方法における溶接電流と溶加材添加の関係を示す模式図である。
【図４】（ａ）は図３に示すスロープ法で片面アークスポット溶接を行ったときの溶接ビードの形状を示す断面マクロ写真、（ｂ）はスポット法で片面アークスポット溶接を行ったときの溶接ビードの形状を示す断面マクロ写真である。
【図５】図３に示すスロープ法及びスポット法で片面アークスポット溶接を行って作成した引張せん断試験片の引張せん断強度を示すグラフである。
【図６】（ａ）は母材を３枚重ねにして図３に示すスロープ法で片面アークスポット溶接を行ったときの溶接ビードの形状を示す断面マクロ写真、（ｂ）は母材を３枚重ねにしてスポット法で片面アークスポット溶接を行ったときの溶接ビードの形状を示す断面マクロ写真である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る片面アークスポット溶接方法における溶接電流と溶加材添加の関係を示す模式図である。
【図８】（ａ）乃至（ｄ）はクレータ電流における溶加材減少率を夫々０％、１０％、３０％及び５０％としたときの溶接ビードの形状を示す断面マクロ写真である。
【図９】１ｍｍの板厚の母材を２枚重ねにして図３に示すスロープ法で片面アークスポット溶接を行ったときの溶接ビードの形状を示す断面マクロ写真である。
【図１０】１ｍｍの板厚の母材を３枚重ねにして図３に示すスロープ法で片面アークスポット溶接を行ったときの溶接ビードの形状を示す断面マクロ写真である。
【図１１】引張せん断試験片について引張せん断強度を示すグラフである。
【図１２】１ｍｍの板厚の母材を２枚重ねにして図７に示すスロープ法で片面アークスポット溶接を行ったときの溶接ビードの形状を示す断面マクロ写真である。
【図１３】２ｍｍの板厚の母材を２枚重ねにして図７に示すスロープ法で片面アークスポット溶接を行ったときの溶接ビードの形状を示す断面マクロ写真である。
【図１４】１ｍｍの板厚の母材を３枚重ねにして図７に示すスロープ法で片面アークスポット溶接を行ったときの溶接ビードの形状を示す断面マクロ写真である。
【図１５】従来の重ねＴＩＧによる片面アークスポット溶接法を示す模式的概略図である。
【図１６】従来の重ねＴＩＧによる片面アークスポット溶接法の溶接電流と溶加材添加との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００７７】
１；トーチノズル
１ａ；先端部
１ｂ；非消耗式電極挿入孔
２；コレット
２ａ；電極締め付け孔
３；タングステン電極
４；環状路
５；ガスノズルカップ
６；環状路
１０；溶接トーチ
２１；上板
２２；下板
２３；溶接ビード
３１；ガスノズルカップ
３２；スポット用付属ノズル
３３；タングステン電極
３４；溶加材挿入孔
４１；溶加材
Ｇ１；アークプラズマ用ガス
Ｇ２；シールドガス
【図１】
2008200750.tif 000007
【図２】
2008200750.tif 000008
【図３】
2008200750.tif 000009
【図４】
2008200750.tif 000010
【図５】
2008200750.tif 000011
【図６】
2008200750.tif 000012
【図７】
2008200750.tif 000013
【図８】
2008200750.tif 000014
【図９】
2008200750.tif 000015
【図１０】
2008200750.tif 000016
【図１１】
2008200750.tif 000017
【図１２】
2008200750.tif 000018
【図１３】
2008200750.tif 000019
【図１４】
2008200750.tif 000020
【図１５】
2008200750.tif 000021
【図１６】
2008200750.tif 000022