(57)【要約】【課題】  交流電流Ｉｗを通電して交流アークを発生させて溶接する交流ティグ溶接方法において、溶接トーチに磁気攪拌用の励磁コイルを装着することなく、かつ、溶融池に大きな攪拌・揺動を生じさせることなく、溶接部のブローホール発生を大幅に抑制することが本発明の課題である。【解決手段】  本発明は、交流電流Ｉｗを通電して交流アークを発生させて溶接する交流ティグ溶接方法において、前記交流電流Ｉｗの交流周波数を溶融池に高周波振動によるキャビテーションを生じさせる範囲に設定し、溶融池内部からの気泡の放出を促進してブローホールの発生を減少させる交流ティグ溶接方法である。前記交流周波数の範囲は、５ｋＨｚ以上３５ｋＨｚ以下である。【選択図】図１
2007050426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電流を通電して交流アークを発生させて溶接する交流ティグ溶接方法において、
前記交流電流の交流周波数を溶融池に高周波振動によるキャビテーションを生じさせる範囲に設定し、溶融池内部からの気泡の放出を促進してブローホールの発生を減少させる、ことを特徴とする交流ティグ溶接方法。
【請求項２】
請求項１記載の交流周波数の範囲が、５ｋＨｚ以上３５ｋＨｚ以下である、ことを特徴とする交流ティグ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶融池に振動を与えることによってブローホールの発生を抑制するための交流ティグ溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム又はその合金（以下、アルミニウムという）をティグ溶接するときに大きな問題となるのは、溶接部に発生するブローホールである。図５は、このブローホールの発生メカニズムを示す模式図である。同図（Ａ）に示すように、タングステン製の非消耗電極１と溶融池４との間にアーク３が発生している。アルゴンガス等のシールドガス２がアーク３の発生部を空気から遮蔽している。シールドガス２にはわずかな水分が含まれており、また空気中の水分もわずかにシールドガス２の遮蔽内に混入する。これらの水分がアーク３によって分解されて水素５が生成される。そして、この水素５が溶融池４に吸収される。続いて、同図（Ｂ）に示すように、溶融池４内で水素５が気泡６を生成する。続いて、同図（Ｃ）に示すように、溶融池４の底部が凝固を開始する。水素５は固相になると液相のときよりも溶解度が小さくなるために、凝固境界で水素５が液相に放出されて、溶融池内を浮上し外部に放出される。続いて、同図（Ｄ）に示すように、溶融池４の凝固が進行して外部への放出が間に合わなかった気泡６が残留してブローホール７になる。続いて、同図（Ｅ）に示すように、溶融池４の凝固が完了し、その内部にブローホール７が形成されている。
【０００３】
上述したブローホール発生の問題を解決するために、特許文献１に記載する従来技術１では、溶接トーチに励磁コイルを装着して溶融池に磁場を形成することによって溶融池を磁気攪拌する。これにより、図５（Ｃ）で上述した気泡の浮上及び外部放出が促進されてブローホールの発生を抑制することができる。
【０００４】
また、特許文献２に記載する従来技術２では、第１のパルス電流群と第２のパルス電流群とを周期的に切り換えてアーク長を周期変動させるパルスミグ溶接法において，切換周波数を０．５〜２５Ｈｚの範囲に設定することによって溶融池に低周波振動を与えて溶融池を撹拌する。これにより、図５（Ｃ）で上述した気泡の浮上及び外部放出が促進されてブローホールの発生を抑制することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１４８６６６号公報
【特許文献２】特許第２９９３１７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した従来技術１においては、溶接トーチに大型の励磁コイルを装着する必要があり、溶接トーチが大型になる。このために、溶接構造物、治具等と干渉することが多くなり、適用範囲が限定されているという問題がある。さらに、磁気攪拌によって回転する溶融金属の対流の速さ及び大きさは、磁場の強さ及び周波数に大きく影響される。このために、十分なブローホール抑制効果を発揮するための適正条件範囲が狭いという問題がある。この適正条件範囲から逸脱すると、溶融金属が溶融池の外に飛び出してビード外観不良を招いたり，十分なブローホール抑制効果を奏しない場合がある。
【０００７】
また、上述した従来技術２においては、溶融金属の大きな揺動・攪拌を伴うために、溶接姿勢、継手形状等によってはビード外観が悪くなるという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、上述した課題を解決した上でブローホールの発生を抑制することができる交流ティグ溶接方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するために、第１の発明は、交流電流を通電して交流アークを発生させて溶接する交流ティグ溶接方法において、
前記交流電流の交流周波数を溶融池に高周波振動によるキャビテーションを生じさせる範囲に設定し、溶融池内部からの気泡の放出を促進してブローホールの発生を減少させる、ことを特徴とする交流ティグ溶接方法である。
【００１０】
また、第２の発明は、第１の発明記載の交流周波数の範囲が、５ｋＨｚ以上３５ｋＨｚ以下である、ことを特徴とする交流ティグ溶接方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の交流ティグ溶接方法によれば、５〜３５ｋＨｚの交流周波数を有する交流電流をアーク及び溶融池に通電することによって、溶融池に高周波振動によるキャビテーションを生じさせて溶融池内部からの水素ガスによる気泡の放出を促進し、ブローホールの発生を大幅に減少させることができる。本発明では、従来技術１のように溶接トーチに励磁コイルを装着する必要がなく通常の溶接トーチを使用することができるので、干渉により適用個所が限定されることはない。また、本発明では、交流周波数をキャビテーションが発生する値に設定するだけで他の溶接条件は通常の交流ティグ溶接と略同様であるので、溶接条件範囲が狭くなることはない。さらに、本発明では、溶融池に攪拌・揺動を生じさせることがないので、溶接姿勢、継手形状等によってビード外観が悪くなることはない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施の形態に係る交流ティグ溶接方法を実施するための溶接電源のブロック図である。３相ブリッジダイオードＤＰは、３相２００Ｖ等の商用電源ＡＣを入力として３相全波整流して直流電圧を出力する。平滑コンデンサＣは、直流電圧を平滑する。スイッチング素子ＴＲ１〜ＴＲ４は、フルブリッジ方式のインバータ回路を形成し、高周波交流を出力する。このインバーら回路の方式は、プッシュ・プル方式又はハーフブリッジ方式でも良い。還流ダイオードＤ１〜Ｄ４は、それぞれのスイッチング素子に逆並列に接続されて、スイッチング素子がオフ状態のときの変圧器Ｔｒの励磁インダクタンスからの還流電流を通電する。変圧器Ｔｒは、上記の高周波交流の電圧値をアーク溶接に適した電圧値に降圧する。変圧器Ｔｒの２次側出力はそのまま電極・母材間に供給される。したがって、交流電流Ｉｗ及び交流電圧Ｖｗの交流周波数ｆは、インバータ回路のキャリア周波数と同一値になる。通常のインバータ溶接電源では、変圧器Ｔｒの２次出力を整流して２次側インバータ回路によって数十Ｈｚ程度の低周波交流を出力する。これに対して、本発明のインバータ溶接電源では、数十ｋＨｚの高周波交流を出力する。パルス幅変調回路ＰＷＭは、交流出力を制御するためのパルス幅変調信号Ｐwmを出力する。駆動回路ＤＶは、上記のスイッチング素子ＴＲ１及びＴＲ４を起動する信号Ｓａと、スイッチング素子ＴＲ２及びＴＲ３を駆動する信号Ｓｂとを出力する。したがって、交流電流Ｉｗ及び交流電圧Ｖｗの交流周波数ｆ（ｋＨｚ）は、パルス幅変調回路ＰＷＭによって所望値に設定することができる。
【００１４】
図２は、交流周波数ｆとブローホール発生数ととの関係図である。同図は、上述した図１の溶接電源を使用してアルミニウム材に対して交流ティグ溶接を行い、溶接長さ５０mm当たりのブローホール発生数を測定したものである。同図に示すように、ブローホール発生数は、ｆ≧５ｋＨｚで急減し、ｆ＞３５ｋＨｚで再び急増する。したがって、５≦ｆ≦３５の範囲にあるときは、ブローホール発生数は大幅に減少する。
【００１５】
このようにブローホール発生数が抑制される理由は以下のとおりである。すなわち、交流電流Ｉｗの通電によって溶融池に高周波振動が生じる。この高周波振動によって溶融池内部に真空状態に近い空孔が多数形成される。この現象はキャビテーションと呼ばれる。このキャビテーションは液体の流動が圧力変化に追随できなくなった場合に発生する。このときに、交流周波数ｆが低くなると、圧力変化が液体の流動で緩和され、かつ、振動のエネルギーが液面の振動等の溶融池全体としての振動に消費されるために、キャビテーションは発生しにくくなる。キャビテーションが発生するのに必要な音圧（キャビテーション閾値）は、所定周波数以上では大きくなることが知られている。これは、空孔の発生に必要とされる時間よりも高周波による圧力変化が速くなるためである。他方、交流周波数ｆが高くなるほど振動の減衰は大きくなる。したがって、所定周波数以上ではキャビテーションは発生しにくくなる。このように、交流周波数ｆが適正範囲内にあるときに、キャビテーションは発生する。このキャビテーションによる空孔に、溶融池内の水素が凝集されて大きな気泡を形成する。大きな気泡は浮力も大きくなり、溶融池内を浮上して外部に放出される。このようにして、水素ガスの放出が促進されるので、ブローホール発生数が抑制される。同図に示すように、交流周波数ｆが５〜３５ｋＨｚの範囲内にあるときはキャビテーションが発生してブローホールの発生が抑制される。
【００１６】
図３は、通常のティグ溶接方法及び本発明の交流ティグ溶接方法のブローホール発生数を比較した図である。アルミニウム材には純アルミニウム合金Ａ１０５０（板厚５mm）を使用して、交流電流の平均値１００Ａ、溶接速度１０ｃｍ／ｍｉｎでティグ溶接した場合である。なお、ブローホール抑制効果を明確に検証するために、９９．５容積％アルゴン＋０．５容積％水素の試験用混合ガスをシールドガスとして用いた。通常のティグ溶接とは、上述したように低周波交流出力を使用する溶接法である。本発明の交流周波数ｆはキャビテーションが発生する値に設定されている。同図に示すように、本発明のブローホール発生数は、通常のティグ溶接に比べて大幅に減少している。
【００１７】
図４は、Ｔ字継手のブローホール抑制効果を従来技術１と本発明とで比較した図である。継手を除く溶接条件は上述した図３と同一である。従来技術１では、溶接トーチに装着した励磁コイルが継手のウエブ材及びフランジ材に干渉するのを回避するために、電極と母材間の距離を長くする必要がある。このために、磁気撹拌作用が弱くなり、ブローホールが多数発生している。これに対して、本発明では、溶接トーチは通常のものであるので継手と干渉することがなく、適正な電極・母材間距離を確保することができる。このために、高周波振動によってブローホール発生数が大幅に減少している。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態に係る交流ティグ溶接方法を実施するための溶接電源のブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態における交流周波数ｆとブローホール発生数との関係図である。
【図３】本発明と通常ティグ溶接とのブローホール発生数の比較図である。
【図４】Ｔ字継手溶接における本発明と従来技術１とのブローホール発生数の比較図である。
【図５】従来技術におけるブローホールの発生メカニズムを示す図である。
【符号の説明】
【００１９】
１            電極
２            シールドガス
３            アーク
４            溶融池
５            水素
６            気泡
７            ブローホール
ＡＣ            商用電源
Ｃ            平滑コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ４        還流ダイオード
ＤＰ            ３相ブリッジダイオード
ＤＶ            駆動回路
ｆ            交流周波数
Ｉｗ            交流電流
ＰＷＭ            パルス幅変調回路
Ｐwm            パルス幅変調信号
Ｓａ、Ｓｂ        駆動信号
Ｔｒ            変圧器
ＴＲ１〜ＴＲ４        スイッチング素子
Ｖｗ            交流電圧
【図１】
2007050426.tif 000003
【図２】
2007050426.tif 000004
【図３】
2007050426.tif 000005
【図４】
2007050426.tif 000006
【図５】
2007050426.tif 000007