(57)【要約】【課題】第１パルス電流群の通電と第２パルス電流群の通電とを予め定めた切換周波数で切り換えることによってアーク長を上下方向に揺動させて溶接を行うアーク長揺動パルスアーク溶接を用いたアルミニウム又はマグネシウム製ダイキャストのアーク溶接方法において、ブローホールの発生を抑制して健全な溶接部を得る。【解決手段】本発明は、前記切換周波数を０．５〜３０Ｈｚに設定し、前記アーク長揺動アーク溶接によって形成される溶融池２ａの溶融部と非溶融部との前方境界部Ａ近傍にレーザを照射しながら溶接を行い、このレーザ照射によって照射部を表面から１ｍｍ以上の深さまで溶融させて、この溶融部に存在する空孔からガスを外部に放出させるレーザのエネルギー密度に設定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１パルス電流群の通電と第２パルス電流群の通電とを予め定めた切換周波数で切り換えることによってアーク長を上下方向に揺動させて溶接を行うアーク長揺動パルスアーク溶接を用いたアルミニウム又はマグネシウム製ダイキャストのアーク溶接方法において、
前記切換周波数を０．５〜３０Ｈｚに設定し、前記アーク長揺動アーク溶接によって形成される溶融池の溶融部と非溶融部との前方境界部近傍にレーザを照射しながら溶接を行い、このレーザ照射によって照射部を表面から１ｍｍ以上の深さまで溶融させてこの溶融部に存在する空孔からガスを外部に放出させるレーザのエネルギー密度に設定することを特徴とするアルミニウム又はマグネシウム製ダイキャストのアーク溶接方法。
【請求項２】
レーザのビームスポットの中心位置を、溶融池の前方境界部から前記ビームスポットの半径だけ前後させた範囲内に設定することを特徴とする請求項１記載のアルミニウム又はマグネシウム製ダイキャストのアーク溶接方法。
【請求項３】
ダイキャストのガス含有量が、１〜５［ｃｃ／１００ｇ］の範囲であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のアルミニウム又はマグネシウム製ダイキャストのアーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム又はマグネシウム製ダイキャストのアーク溶接方法に関し、特に、ダイキャストの溶接において問題となるブローホールの発生を抑制するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム又はアルミニウム合金（以下、合わせてアルミニウムという）、マグネシウム又はマグネシウム合金（以下、合わせてマグネシウムという）は、軽量で強度も高いことから、自動車、車両等に使用されている。これらの材料は、ダイキャストに代表される鋳造材が一般的である。この鋳造材の中で特にダイキャストの内部には、ガスを内包した空孔が多数個存在することが多い。このために、アルミニウム又はマグネシウム製ダイキャストをアーク溶接した場合、溶接中に空孔内のガスが溶融池に溶解し溶接後も残留して溶接部に多量のブローホール及びピット（以下、合わせてブローホールという）を発生する。
【０００３】
このように内部にガスを含有するダイキャストのアーク溶接において、ブローホールの発生を抑制する方法が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。この方法は、パルスアーク溶接において電流波形パラメータ又は送給速度を周期的に変化させることによって、アーク長を上下方向に揺動させて溶融池を攪拌する。この攪拌によって溶融池に溶解したガスを外部に放出してブローホールの発生を抑制する（以下、この溶接方法をアーク長揺動パルスアーク溶接方法という）。
【０００４】
図７は、上述したアーク長揺動パルスアーク溶接の電流波形図の一例である。同図（Ａ）はアーク長切換信号ＳＴｃの、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの波形図である。以下、同図を参照して説明する。
【０００５】
同図（Ａ）に示すように、アーク長切換信号ＳＴｃは、予め定めた高アーク長期間ＨＴｃと予め定めた低アーク長期間ＬＴｃとを切換周期Ｔｃ（切換周波数ｆｃ）ごとに繰り返す。同図（Ｂ）に示すように、高アーク長期間ＨＴｃ中は、下記の第１パルス電流群を通電する。すなわち、第１パルス電流群は、高ピーク期間ＨＴｐ中の高ピーク電流ＨＩｐと高ベース期間ＨＴｂ中の高ベース電流ＨＩｂとを繰り返して通電するパルス電流群である。また、低アーク長期間ＬＴｃ中は、下記の第２パルス電流群を通電する。すなわち、第２パルス電流群は、低ピーク期間ＬＴｐ中の低ピーク電流ＬＩｐと低ベース期間ＬＴｂ中の低ベース電流ＬＩｂとを繰り返して通電するパルス電流群である。
【０００６】
アーク長揺動パルスアーク溶接では、上記の第１パルス電流群の通電によってアーク長を高くし、上記の第２パルス電流群の通電によってアーク長を低くし、アーク長を上記の切換周波数ｆｃごとに揺動させる。アーク長が揺動すると溶融池へのアーク力が変動するために、溶融池が攪拌される。この攪拌作用によって溶融池内のガスが外部に放出される。この結果、ガスは溶融池の冷却後に残留することがなく、ブローホールの発生が抑制される。
【０００７】
【特許文献１】
特許第２９９３１７４号公報
【特許文献２】
特開平６−２８５６４３号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術のアーク長揺動パルスアーク溶接では、ブローホールの原因となるガスの含有量が、溶接ワイヤ、シールドガス等から侵入して溶融池に溶解する程度（０．５〜１．０ｃｃ／１００ｇ）と少ない場合には、上述したブローホール低減効果によって健全な溶接部を形成することができる。しかし、アルミニウム又はマグネシウム製ダイキャストのガス含有量は、一般的に３〜５［ｃｃ／１００ｇ］程度と多い。このために、従来技術のアーク長揺動パルスアーク溶接では、アルミニウム又はマグネシウム製ダイキャストのアーク溶接時に発生するブローホールを大幅に低減して健全な溶接部を形成することはできない。
【０００９】
そこで、本発明では、アルミニウム又はマグネシウム製ダイキャストのアーク溶接において、ブローホールの発生を大幅に抑制して健全な溶接部を形成することができるアーク溶接方法を提供する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、第１パルス電流群の通電と第２パルス電流群の通電とを予め定めた切換周波数で切り換えることによってアーク長を上下方向に揺動させて溶接を行うアーク長揺動パルスアーク溶接を用いたアルミニウム又はマグネシウム製ダイキャストのアーク溶接方法において、
前記切換周波数を０．５〜３０Ｈｚに設定し、前記アーク長揺動アーク溶接によって形成される溶融池の溶融部と非溶融部との前方境界部近傍にレーザを照射しながら溶接を行い、このレーザ照射によって照射部を表面から１ｍｍ以上の深さまで溶融させてこの溶融部に存在する空孔からガスを外部に放出させるレーザのエネルギー密度に設定することを特徴とするアルミニウム又はマグネシウム製ダイキャストのアーク溶接方法である。
【００１１】
請求項２の発明は、レーザのビームスポットの中心位置を、溶融池の前方境界部から前記ビームスポットの半径だけ前後させた範囲内に設定することを特徴とする請求項１記載のアルミニウム又はマグネシウム製ダイキャストのアーク溶接方法である。
【００１２】
請求項３の発明は、ダイキャストのガス含有量が、１〜５［ｃｃ／１００ｇ］の範囲であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のアルミニウム又はマグネシウム製ダイキャストのアーク溶接方法である。
【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。本発明の実施の形態は、アルミニウム又はマグネシウム製ダイキャストのアーク溶接方法において下記の構成要件を具備するものである。
（１）アーク長揺動パルスアーク溶接を用い、溶融池の溶融部と非溶融部との前方境界部近傍にレーザを照射しながら溶接を行う。
（２）切換周波数ｆｃを０．５〜３０Ｈｚに設定する。
（３）レーザ照射によって照射部を表面から１ｍｍ以上の深さまで溶融させて、この溶融部に存在する空孔からガスを外部に放出させるレーザのエネルギー密度に設定する。
以下、上記の（１）〜（３）について図面を参照して説明する。
【００１４】
図１は、上記（１）項に対応する溶接装置の構成図である。溶接電源装置６は、アーク長揺動パルスアーク溶接用の溶接電源装置であり、溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力すると共に、ワイヤ送給モータを制御するための送給制御信号Ｍｃを出力する。溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給モータＷＭに直結された送給ロール５の回転によって溶接トーチ４を通って送給されて、母材２との間にアーク３が発生し、溶融池２ａが形成される。溶接電流Ｉｗは、図７で上述した第１パルス電流群及び第２パルス電流群を通電する。
【００１５】
レーザ発振装置７は、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ等のレーザ９を出力値Ｐｗ［Ｗ］で出力する。レーザトーチ８は、レーザ９を溶融池２ａの溶融部と非溶融部との前方境界部Ａ近傍に照射する。この照射位置の詳細については、図４及び５で後述する。
【００１６】
図２は、上記（２）項に対応する切換周波数ｆｃ［Ｈｚ］とブローホールの発生総数との関係図である。同図は、上述した図１の溶接装置を使用して、レーザのエネルギー密度は上記（３）項の条件を満たした値である。レーザ照射位置は、溶融池の前方境界部近傍である。試験材は、ガス含有量が４［ｃｃ／１００ｇ］の厚さ６ｍｍのマグネシウム製ダイキャストである。この試験材に１００ｍｍの溶接長のビードを形成し、このビード内部に存在するブローホールの総数を計数した。同図から明らかなように、切換周波数ｆｃが０．５〜３０Ｈｚの範囲でブローホールは大幅に減少している。これは、切換周波数ｆｃと溶融池の固有周波数とが近い値であるときに溶融池が共振して攪拌作用が大きくなるためである。
【００１７】
図３は、上記（３）項に対応するレーザのエネルギー密度の設定値を説明するための照射部溶融深さとブローホールの発生総数との関係図である。溶接条件は上述した図２と同一である。レーザのエネルギー密度を大きくすると、照射部の溶融深さが深くなる。同図は、この照射部溶融深さを変化させて、ブローホールの発生総数を計数したものである。同図から明らかなように、照射部の溶融深さが１ｍｍに達するまではブローホールは急減しており、１ｍｍ以上で飽和状態となる。したがって、照射部の溶融深さが１ｍｍ以上になるように、レーザのエネルギー密度を設定すれば良い。エネルギー密度は、レーザ出力値Ｐｗ［Ｗ］／ビームスポット直径によって算出されるので、出力値Ｐｗ又はビームスポット直径を調整することによって設定することができる。
【００１８】
上述したように、照射部の溶融深さが１ｍｍまではブローホールが急減する理由は、以下のとおりである。すなわち、アルミニウム又はマグネシウム製ダイキャストの空孔は、表面から１ｍｍ深さに多く存在している。このために、レーザの照射によって１ｍｍ以上溶融すると、この部分の空孔内のガスは外部に放出される。この後にアーク溶接による溶融池が既に照射されてガスが放出された位置に移動するために、溶融池にガスが溶解する量が大幅に減少する。そして、溶融池に溶解した少量のガスは、アーク長揺動パルスアーク溶接による攪拌作用によって外部に放出される。この結果、ブローホールの発生総数は激減して、健全な溶接部が形成される。
【００１９】
図４は、レーザ照射位置の設定範囲を説明するための照射位置説明図である。同図（Ａ）は側面から溶接部を見た図であり、同図（Ｂ）は上面から溶接部を見た図である。同図（Ａ）に示すように、右方向に溶接が進行しており、ビード２ｂの前方に溶融池２ａが形成されている。レーザ９は、溶融池２ａの溶融部と非溶融部との前方境界部Ａを中心位置としてそこからの前後の所定範囲に照射する必要がある。同図（Ｂ）に示すように、ビームスポットが前方に移動したとき（９ａ）と後方に移動したとき（９ｂ）のビームスポットの中心位置と、前方境界部Ａとの距離をＬａ［ｍｍ］とする。この前方境界部Ａからの距離Ｌａは、前方向を正としている。
【００２０】
図５は、上記の前方境界部Ａからの距離Ｌａとブローホールの発生総数との関係図である。溶接条件は上述した図２と同一である。同図は、ビームスポット直径ＤＢ［ｍｍ］を２ｍｍ、４ｍｍ及び５ｍｍの３段階に設定し、Ｌａ［ｍｍ］とブローホールの発生総数との関係を測定したものである。
【００２１】
同図に示すように、どのビームスポット直径ＤＢの場合でも、Ｌａが所定範囲内であればブローホールが激減している。Ｌａがこの所定範囲外になると、ブローホールは急激に増加する。この所定範囲は、同図から−ＤＢ／２≦Ｌａ≦＋ＤＢ／２の範囲として整理することができる。したがって、レーザ照射位置は、前方境界部Ａからの距離Ｌａをビームスポット半径（ＤＢ／２）だけ前後に移動させた範囲内に設定する必要がある。この範囲が上記（１）項でいう前方境界部近傍の範囲となる。
【００２２】
レーザ照射位置が上記の所定範囲に制限される理由は、以下のとおりである。まず、レーザ照射位置が後方に設定されると（Ｌａ＜０）、溶融池の前方境界部Ａの方が前方となり、ガスが大量に溶融池に溶解する。溶融池にガスが一旦溶解した後に、レーザ照射してもガスは外部に多く放出させない。このために、レーザ照射位置は、ｌａ＝−ＤＢ／２が後方限界位置となる。他方、レーザ照射位置が前方に設定されると、ビームスポット直径の範囲は溶融するがその周辺部の溶融深さが不十分になり、溶融池へのガスの溶解を招くことになる。Ｌａ≦＋ＤＢ／２の範囲では、レーザ照射による入熱と溶融池からの入熱とが合わさってビームスポット直径よりも幅広い領域が十分な溶融深さとなる。このために、溶融池へのガスの溶解を阻止してブローホールの発生を激減させることができる。
【００２３】
図６は、従来技術及び本発明におけるダイキャストのガス含有量［ｃｃ／１００ｇ］とブローホールの発生総数との関係図である。従来技術はアーク長揺動パルスアーク溶接方法であり、本発明は上記（１）〜（３）を具備したアーク溶接方法である。溶接条件は上述した図２と同一である。ブローホール発生総数が数個以下である場合には健全な溶接部となるので、基準値を２個以下とする。同図から明らかなように、従来技術では、ブローホール発生総数が２個以下になる範囲は、ガス含有量が１［ｃｃ／１００ｇ］未満の範囲である。これに対して、本発明では、この範囲は５［ｃｃ／１００ｇ］以下となる。したがって、本発明では、アルミニウム又はマグネシウム製ダイキャストのガス含有量が１〜５［ｃｃ／１００ｇ］の範囲であっても健全な溶接部を形成することができる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明のアルミニウム又はマグネシウム製ダイキャストのアーク溶接方法によれば、（１）アーク長揺動パルスアーク溶接による溶融池の前方境界部近傍にレーザを照射し、（２）切換周波数を０．５〜３０Ｈｚの範囲に設定し、（３）レーザ照射部の溶融深さが１ｍｍ以上となるエネルギー密度に設定することによって、ブローホールの発生を大幅に低減することができ、健全な溶接部を得ることができる。特に、アルミニウム又はマグネシウム製ダイキャストのガス含有量が１〜５［ｃｃ／１００ｇ］である場合、従来技術では健全な溶接部を形成することができなかったが、本発明では可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る溶接装置の構成図である。
【図２】本発明において、切換周波数ｆｃとブローホール発生総数との関係図である。
【図３】本発明において、レーザ照射部の溶融深さとブローホール発生総数との関係図である。
【図４】本発明において、レーザ照射位置の説明図である。
【図５】本発明において、前方境界部Ａからのレーザ照射位置までの距離Ｌａとブローホール発生総数との関係図である。
【図６】本発明において、ダイキャストのガス含有量とブローホール発生総数との関係図である。
【図７】従来技術のアーク長揺動パルスアーク溶接の電流波形図である。
【符号の説明】
１            溶接ワイヤ
２            母材
２ａ            溶融池
２ｂ            ビード
３            アーク
４            溶接トーチ
５            送給ロール
６            溶接電源装置
７            レーザ発振装置
８            レーザトーチ
９            レーザ
Ａ            前方境界部
ＤＢ            ビームスポット直径
ｆｃ            切換周波数
ＨＩｂ            高ベース電流
ＨＩｐ            高ピーク電流
ＨＴｂ            高ベース期間
ＨＴｃ            高アーク長期間
ＨＴｐ            高ピーク期間
Ｉｗ            溶接電流
Ｌａ            前方境界部からの距離
ＬＩｂ            低ベース電流
ＬＩｐ            低ピーク電流
ＬＴｂ            低ベース期間
ＬＴｃ            低アーク長期間
ＬＴｐ            低ピーク期間
Ｍｃ            送給制御信号
Ｐｗ            レーザ出力値
ＳＴｃ            アーク長切換信号
Ｔｃ            切換周期
Ｖｗ            溶接電圧
ＷＭ            ワイヤ送給モータ
【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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【図６】
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【図７】
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