(57)【要約】【課題】マグネシウム又はマグネシウム合金の溶接ワイヤを定速で送給すると共に、ピーク期間中のピーク電流及びベース期間中のベース電流の通電を繰り返してマグネシウム又はマグネシウム合金を溶接するＭＩＧパルス溶接方法において、水素に起因する気孔の発生を低減すると共に、適正な溶け込みのフラットなビードを形成することが課題である。【解決手段】本発明は、シールドガスにアルゴンガスとヘリウムガスとの混合ガスを使用し、このヘリウムガスの混合比率を２０容積％以上７０容積％以下に設定し、かつ、前記ピーク電流と前記ピーク期間との乗算値であるパルスエネルギー値を、前記ピーク期間に略同期した溶滴移行ができなくなる下限値以上から溶滴からのスパッタが多く発生する上限値以下の範囲に設定するマグネシウム又はマグネシウム合金のＭＩＧパルス溶接方法である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネシウム又はマグネシウム合金の溶接ワイヤを定速で送給すると共に、ピーク期間中のピーク電流及びベース期間中のベース電流の通電を繰り返してマグネシウム又はマグネシウム合金を溶接するＭＩＧパルス溶接方法において、
シールドガスにアルゴンガスとヘリウムガスとの混合ガスを使用し、このヘリウムガスの混合比率を２０容積％以上７０容積％以下に設定し、かつ、前記ピーク電流と前記ピーク期間との乗算値であるパルスエネルギー値を、前記ピーク期間に略同期した溶滴移行ができなくなる下限値以上から溶滴からのスパッタが多く発生する上限値以下の範囲に設定する、ことを特徴とするマグネシウム又はマグネシウム合金のＭＩＧパルス溶接方法。
【請求項２】
前記溶接ワイヤの直径が１．０ｍｍであり、前記下限値が約４２０Ａ・ｍｓでありかつ前記上限値が約５００Ａ・ｍｓである、ことを特徴とする請求項１記載のマグネシウム又はマグネシウム合金のＭＩＧパルス溶接方法。
【請求項３】
前記溶接ワイヤの直径が１．２ｍｍであり、前記下限値が約５００Ａ・ｍｓでありかつ前記上限値が約６００Ａ・ｍｓである、ことを特徴とする請求項１記載のマグネシウム又はマグネシウム合金のＭＩＧパルス溶接方法。
【請求項４】
前記溶接ワイヤの直径が１．６ｍｍであり、前記下限値が約６００Ａ・ｍｓでありかつ前記上限値が約８００Ａ・ｍｓである、ことを特徴とする請求項１記載のマグネシウム又はマグネシウム合金のＭＩＧパルス溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マグネシウム又はマグネシウム合金のＭＩＧパルス溶接に関し、特に、シールドガスにアルゴンガスガスとヘリウムガスとの混合ガスを使用したＭＩＧパルス溶接によって、気孔の発生防止、溶け込みの改善、ビード形状の改善等を図ることができるマグネシウム又はマグネシウム合金のＭＩＧパルス溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マグネシウム又はマグネシウム合金（以下、マグネシウム等という）は、材料表面に強固な酸化被膜が形成しやすい性質を有する。このために、マグネシウム等を溶接する場合には、アルゴンガス、アルゴンとヘリウムガスとの混合ガス（以下、Ａｒ−Ｈｅ混合ガスという）等の不活性ガスをシールドガスに使用し、かつ、被溶接材の極性をマイナス極性（電極プラス極性）にしてアークによるクリーニング作用によって被溶接材表面の酸化被膜を除去しながら溶接ビードを形成するＭＩＧ溶接が適用される。
【０００３】
マグネシウム等のＭＩＧ溶接では、液相に比べて固相の水素溶解度が著しく少ないために、溶融池が凝固して液相から固相へと変化する過程において水素が気孔（ブローホール）として残留する溶接欠陥が発生しやすいというアルミニウム等のＭＩＧ溶接と同様な性質を有する。すなわち、溶接ワイヤ、被溶接材等の表面に付着した水分から、又はシールド不良による空気の巻き込みから、アークによって水素が生成されると、この水素は水素溶解度の高い液相の溶融池に溶解する。そして、溶融池が凝固する液相から固相への変化の過程において、液相に溶解していた水素は、溶解度の極めて少ない固相から出てビード外部へと排出される。しかし、図７に示すように、溶融池の凝固速度が速いために、一部の水素はビード外部へ排出されずに気孔として残留することになる。アルミニウム等又はマグネシウム等における気孔の発生原因は、上記の水素によるものであることが知れれている。
【０００４】
従来技術１（例えば、特許文献１参照）では、ＭＩＧ溶接のシールドガスとしてアルゴンガスと窒素ガスとを適当比率で混合して使用することによって、溶滴移行状態を変化させて水素による気孔発生を低減できることが開示されている。しかし、この従来技術１をマグネシウム等のＭＩＧ溶接に適用すると、混合した窒素がマグネシウムと反応してマグネシウム窒化物又はマグネシウム窒素酸化物を形成しやすい。マグネシウムは、アルミニウムよりも極めて酸化物を形成しやすいために、クリーニング作用による酸化皮膜の除去が不十分になやすい。この結果、図８に示すように、上記の窒化物及び酸化物がビード表面を覆い、また溶接部に巻き込まれて溶接品質が悪くなりやすい。
【０００５】
ところで、マグネシウムは、アルミニウムに比べて、溶融点はほぼ同じであるにもかかわらず、熱伝導度は小さいために電気抵抗は大きい。したがって、マグネシウム等のＭＩＧ溶接では、電気抵抗が大きいので大きなジュール熱が発生しアーク熱と加算されてワイヤ溶融が促進されると共に、溶融点が低いので同じ入熱に対するワイヤ溶融量は増加する。この結果、図９に示すように、マグネシウム合金ワイヤは、アルミニウム合金ワイヤに比べて、同一の平均溶接電流に対して２倍以上のワイヤ溶融速度となる。このような特性を有することは、被溶接材への入熱が少ない状態で多くの溶接ワイヤが溶融して多くの溶着金属が形成されることになる。したがって、溶接継手のギャップに対して溶着金属を低入熱で充填する効果がある。しかし、図１０に示すように、熱容量の大きな被溶接材への溶け込み不足を招く問題があった。しかも、過大な高溶着溶接は、図１１に示すように、凸ビードと呼ばれる止端部への応力集中を招きやすいビード形状になりやすい問題もある。
【０００６】
従来技術２（例えば、特許文献２参照）では、アルミニウム等のＭＩＧ溶接において、シールドガスとしてアルゴンガス又はＡｒ−Ｈｅ混合ガスに微量の窒素を混合することによって、溶け込みの改善、ビードの凸形状の改善が図られることが開示されている。しかし、マグネシウム等のＭＩＧ溶接では、上述したように、アルミニウムよりも２倍以上もワイヤ溶融速度が速いために、アルミニウム等に比べて溶け込み不足、凸ビード等になりやすい。このために、従来技術２の溶接方法でも、上記の問題を解決することはできない。
【０００７】
【特許文献１】
特公昭４５−２４４４号公報
【特許文献２】
特許第２９９６７７８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、本発明の課題は、マグネシウム等のＭＩＧ溶接において、溶接部に気孔を発生させることなく、ビード形状が凸状ではなくフラットであり、適正な溶け込みを確保することができる良好な溶接結果を得ることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、マグネシウム又はマグネシウム合金の溶接ワイヤを定速で送給すると共に、ピーク期間中のピーク電流及びベース期間中のベース電流の通電を繰り返してマグネシウム又はマグネシウム合金を溶接するＭＩＧパルス溶接方法において、
シールドガスにアルゴンガスとヘリウムガスとの混合ガスを使用し、このヘリウムガスの混合比率を２０容積％以上７０容積％以下に設定し、かつ、前記ピーク電流と前記ピーク期間との乗算値であるパルスエネルギー値を、前記ピーク期間に略同期した溶滴移行ができなくなる下限値以上から溶滴からのスパッタが多く発生する上限値以下の範囲に設定する、ことを特徴とするマグネシウム又はマグネシウム合金のＭＩＧパルス溶接方法である。
【００１０】
請求項２の発明は、前記溶接ワイヤの直径が１．０ｍｍであり、前記下限値が約４２０Ａ・ｍｓでありかつ前記上限値が約５００Ａ・ｍｓである、ことを特徴とする請求項１記載のマグネシウム又はマグネシウム合金のＭＩＧパルス溶接方法である。
【００１１】
請求項３の発明は、前記溶接ワイヤの直径が１．２ｍｍであり、前記下限値が約５００Ａ・ｍｓでありかつ前記上限値が約６００Ａ・ｍｓである、ことを特徴とする請求項１記載のマグネシウム又はマグネシウム合金のＭＩＧパルス溶接方法である。
【００１２】
請求項４の発明は、前記溶接ワイヤの直径が１．６ｍｍであり、前記下限値が約６００Ａ・ｍｓでありかつ前記上限値が約８００Ａ・ｍｓである、ことを特徴とする請求項１記載のマグネシウム又はマグネシウム合金のＭＩＧパルス溶接方法である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［実施の形態１］
本発明の実施の形態１は、マグネシウム等のＭＩＧパルス溶接において、▲１▼ピーク電流とピーク期間との乗算値であるパルスエネルギー値を、ピーク期間に略同期した溶滴移行ができなくなる下限値以上から溶滴からのスパッタが多く発生する上限値以下の範囲に設定し、かつ、▲２▼シールドガスにアルゴンガスとヘリウムガスとの混合ガスを使用し、このヘリウムガス（以下、Ｈｅガスという）の混合比率を２０容積％以上７０容積％（以下、単に％と記す）以下に設定するマグネシウム又はマグネシウム合金のＭＩＧパルス溶接方法である。
【００１４】
▲１▼  ＭＩＧパルス溶接を使用する理由は、以下のとおりである。ピーク期間中のピーク電流及びベース期間中のベース電流の通電を繰り返すＭＩＧパルス溶接においては、溶接ワイヤの溶滴移行がピーク期間と略同期して行われるいわゆる１パルス１溶滴移行の状態にあるときに良好な溶接状態となる。この良好な状態では、アークが広がり被溶接材への入熱も大きくなるので、ビード形状は凸状ではなくフラットになりやすい。また、溶け込みも深くなる効果を有している。溶滴移行が１パルス１溶滴移行となるためには、ピーク電流とピーク期間との乗算値であるパルスエネルギー値が適正範囲にあることが必要である。マグネシウムワイヤにおいても、図２〜４で後述するように、パルスエネルギー値を、ピーク期間に略同期した溶滴移行が不可となる下限値以上であり、かつ、過大なパルスエネルギー値のために溶滴が破裂して爆発して多くのスパッタが飛散する上限値以下の良好な範囲に設定する必要がある。
【００１５】
▲２▼  Ａｒ−Ｈｅ混合ガスを使用して、Ｈｅガスの混合比率Ｍｈｅを２０〜７０％の範囲に限定する理由は、以下のとおりである。
図１は、マグネシウム合金のＭＩＧパルス溶接において、Ａｒ−Ｈｅ混合ガスのＨｅガスの混合比率Ｍｈｅに対する気孔の発生数の変化を示す図である。実験条件としては、被溶接材に板厚３ｍｍの３％Ａｌ−１％Ｚｎを添加したマグネシウム合金（ＪＩＳ  Ｈ４２０１のＭＰ１相当材）を使用し、溶接ワイヤに同材質で直径１．２ｍｍのマグネシウム合金ワイヤを使用してＭＩＧパルス溶接を行った場合である。パルスエネルギー値は１パルス１溶滴移行となる良好値（図３で後述する５５０Ａ・ｍｓ）に設定されている。なお、気孔の発生数は、溶接後のビードをＸ線透過撮影してそのフィルムから測定する一般的な方法で行った。また、気孔の発生数の低減効果を明確にするために、シールドガスに故意に１５０ｐｐｍの水素ガスを添加した。この方法は、気孔の発生数の低減効果を評価するための一般的な方法である。上記以外の実験条件については、平均溶接電流を７０Ａに、平均溶接電圧を２０Ｖに、溶接速度を４０ｃｍ／ｍｉｎに、ビード長（溶接長）を２０ｃｍに、それぞれ設定した。
【００１６】
同図に示すように、Ｈｅガスの混合比率Ｍｈｅが約２０％以上から顕著に気孔の発生数が低減し、約７０％以下までこの状態を維持した。Ａｒ−Ｈｅ混合ガスによって気孔の発生数が低減する理由は、以下のとおりである。すなわち、Ｈｅガスの混合によってアークの電位傾度が大きくなり、この結果、溶滴及び溶融池の温度が上昇して凝固するまでの時間が長くなるためである。凝固速度が遅くなると、溶融金属中に存在する水素が液相から固相へと変化する過程でその界面での水素排出の時間的裕度が増すことになり、溶接部への気孔の残留が著しく低減される。また、アークの電位傾度が大きくなることによって、ワイヤ溶融速度を変化させることなく被溶接材への入熱量を増加させることができるので、溶け込みを深くすることができる。
【００１７】
同図において、Ｈｅガスの混合比率Ｍｈｅが２０％を下回ると、電位傾度があまり大きくならないために、溶滴及び溶融池の温度が上記の効果が得られるほど上昇しないためである。また、Ｈｅガスの混合比率Ｍｈｅが７０％を超えると、アークが不安定となり、シールドガスによるシールドが乱れて空気を巻き込んだりするために、気孔低減効果が無くなるためである。上記以外の溶接条件の場合でも、気孔低減効果が表われるＨｅガスの混合比率Ｍｈｅの範囲は、同図と略同一であった。
【００１８】
［実施の形態２］
本発明の実施の形態２では、実施の形態１において、マグネシウムワイヤの直径を１．０ｍｍに設定し、かつ、パルスエネルギー値を下限値＝約４２０Ａ・ｍｓ以上とし上限値＝約５００Ａ・ｍｓ以下とする範囲内に設定する。以下、図面を参照して説明する。
【００１９】
図２は、マグネシウムワイヤの直径が１．０ｍｍのときのＡｒ−Ｈｅ混合ガスのＨｅガスの混合比率Ｍｈｅとパルスエネルギー値Ｅｐの良好範囲との関係図である。Ｈｅガスの混合比率Ｍｈｅは、上述した気孔低減効果を発揮する２０〜７０％の範囲とした。同図に示すように、パルスエネルギー値Ｅｐが下限値約４２０Ａ・ｍｓ未満になると、ピーク期間と略同期した１パルス１溶滴移行ができなくなり、アーク状態の良好な状態から外れることになる。他方、パルスエネルギー値Ｅｐが上限値約５００Ａ・ｍｓを超えると、溶滴に過剰なエネルギーが注入されることになり、急激な温度上昇によって溶滴破裂が発生してスパッタが多く飛散する。このように、パルスエネルギー値Ｅｐが良好範囲から外れると、適正な溶け込みのフラットなビードを得ることができなくなる。また、アーク状態も不安定になりやすく、上述したように空気の巻き込みによる気孔が発生する。したがって、気孔発生数を著しく低減し、適正な溶け込みのフラットなビードを得るためには、Ｈｅガスの混合比率Ｍｈｅを２０〜７０％に設定し、かつ、パルスエネルギー値Ｅｐを約４２０〜５００Ａ・ｍｓに設定する必要がある。
【００２０】
［実施の形態３］
本発明の実施の形態３では、実施の形態１において、マグネシウムワイヤの直径を１．２ｍｍに設定し、かつ、パルスエネルギー値を下限値＝約５００Ａ・ｍｓ以上とし上限値＝約６００Ａ・ｍｓ以下とする範囲内に設定する。以下、図面を参照して説明する。
【００２１】
図３は、マグネシウムワィヤの直径が１．２ｍｍのときのＡｒ−Ｈｅ混合ガスのＨｅガスの混合比率Ｍｈｅとパルスエネルギー値Ｅｐの良好範囲との関係図である。Ｈｅガスの混合比率Ｍｈｅは、上述した気孔低減効果を発揮する２０〜７０％の範囲とした。同図に示すように、パルスエネルギー値Ｅｐが下限値約５００Ａ・ｍｓ未満になると、ピーク期間と略同期した１パルス１溶滴移行ができなくなり、アーク状態の良好な状態から外れることになる。他方、パルスエネルギー値Ｅｐが上限値約６００Ａ・ｍｓを超えると、溶滴に過剰なエネルギーが注入されることになり、急激な温度上昇によって溶滴破裂が発生してスパッタが多く飛散する。このように、パルスエネルギー値Ｅｐが良好範囲から外れると、適正な溶け込みのフラットなビードを得ることができなくなる。また、アーク状態も不安定になりやすく、上述したように空気の巻き込みによる気孔が発生する。したがって、気孔発生数を著しく低減し、適正な溶け込みのフラットなビードを得るためには、Ｈｅガスの混合比率Ｍｈｅを２０〜７０％に設定し、かつ、パルスエネルギー値Ｅｐを約５００〜６００Ａ・ｍｓに設定する必要がある。
【００２２】
［実施の形態３］
本発明の実施の形態３では、実施の形態１において、マグネシウムワイヤの直径を１．６ｍｍに設定し、かつ、パルスエネルギー値を下限値＝約６００Ａ・ｍｓ以上とし上限値＝約８００Ａ・ｍｓ以下とする範囲内に設定する。以下、図面を参照して説明する。
【００２３】
図３は、マグネシウムワィヤの直径が１．６ｍｍのときのＡｒ−Ｈｅ混合ガスのＨｅガスの混合比率Ｍｈｅとパルスエネルギー値Ｅｐの良好範囲との関係図である。Ｈｅガスの混合比率Ｍｈｅは、上述した気孔低減効果を発揮する２０〜７０％の範囲とした。同図に示すように、パルスエネルギー値Ｅｐが下限値約６００Ａ・ｍｓ未満になると、ピーク期間と略同期した１パルス１溶滴移行ができなくなり、アーク状態の良好な状態から外れることになる。他方、パルスエネルギー値Ｅｐが上限値約８００Ａ・ｍｓを超えると、溶滴に過剰なエネルギーが注入されることになり、急激な温度上昇によって溶滴破裂が発生してスパッタが多く飛散する。このように、パルスエネルギー値Ｅｐが良好範囲から外れると、適正な溶け込みのフラットなビードを得ることができなくなる。また、アーク状態も不安定になりやすく、上述したように空気の巻き込みによる気孔が発生する。したがって、気孔発生数を著しく低減し、適正な溶け込みのフラットなビードを得るためには、Ｈｅガスの混合比率Ｍｈｅを２０〜７０％に設定し、かつ、パルスエネルギー値Ｅｐを約６００〜８００Ａ・ｍｓに設定する必要がある。
【００２４】
［効果］
図５は、本発明の効果の一例を示すマグネシウム合金のＭＩＧパルス溶接のビード外観図及びビード断面図である。同図は、Ａｒ５０％−Ｈｅ５０％の混合ガスを使用し、直径１．２ｍｍのマグネシウム合金ワイヤを使用し、パルスエネルギー値を５５０Ａ・ｍｓに設定してＭＩＧパルス溶接を行った場合である。それ以外の溶接条件は図１のときと同様である。同図から明らかなように、適正な溶け込みを有するフラットなビード形状となっている。また、気孔発生数も図１で上述したように著しく低減されている。
【００２５】
図６は、図１０に対応する本発明による重ね隅肉溶接及びＴ字隅肉要のビード断面図である。同図から明らかなように、適正な溶け込みのフラットなビード形状となっており、良好な溶接品質である。
【００２６】
【発明の効果】
本発明のマグネシウム又はマグネシウム合金のＭＩＧパルス溶接方法によれば、シールドガスにＨｅガスの混合比率が２０〜７０％のＡｒ−Ｈｅ混合ガスを使用しかつパルスエネルギー値をワイヤ径に応じた良好範囲に設定することによって、気孔の発生数を著しく低減させた適正な溶け込みのフラットなビード形状となり、良好な溶接品質を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるＡｒ−Ｈｅ混合ガスのＨｅガスの混合比率Ｍｈｅと気孔の発生数との関係図である。
【図２】本発明におけるマグネシウムワイヤの直径が１．０ｍｍであるときのパルスエネルギー値Ｅｐの良好範囲を示す図である。
【図３】本発明におけるマグネシウムワイヤの直径が１．２ｍｍであるときのパルスエネルギー値Ｅｐの良好範囲を示す図である。
【図４】本発明におけるマグネシウムワイヤの直径が１．６ｍｍであるときのパルスエネルギー値Ｅｐの良好範囲を示す図である。
【図５】本発明による溶接サンプルのビード外観及びビード断面を示す図である。
【図６】本発明による重ね隅肉溶接及びＴ字隅肉溶接のサンプルのビード断面図である。
【図７】従来技術によるマグネシウムＭＩＧ溶接のビード断面図である。
【図８】従来技術１によるマグネシウムＭＩＧ溶接のビード外観図及びビード断面図である。
【図９】マグネシウム合金ワイヤ及びアルミニウム合金ワイヤのワイヤ溶融特性図である。
【図１０】従来技術による重ね隅肉溶接及びＴ字隅肉溶接のビード断面図である。
【図１１】従来技術によるビード形状が凸状になることを示すビード断面図である。
【符号の説明】
Ｅｐ            パルスエネルギー値
Ｍｈｅ            Ｈｅガスの混合比率
【図１】
2004154848.tif 000003
【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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【図７】
2004154848.tif 000009
【図８】
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【図９】
2004154848.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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