(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルゴンまたはヘリウムガス単体に、もしくはアルゴンとヘリウムとの混合ガスに５〜４０体積％の窒素を添加したガスをシールドガスとして用い、かつ、被溶接材の状態に応じて所定の溶接電流およびアーク電圧を得るためにアーク溶接装置で予め設定しておいた駆動電力およびワイヤ送給速度に制御することにより、電極先端から母材表面までのアーク長さを２ｍｍ以下に維持するとともに、前記アークが母材の内部に発生する埋もれアーク状態とすることを特徴とするアルミニウムまたはアルミニウム系合金のアーク溶接方法。
【請求項２】
曲げ延性が要求される突合せ継手を溶接する場合は、前記シールドガスへの窒素の添加量を５〜２０体積％とすることを特徴とする請求項１記載のアルミニウムまたはアルミニウム系合金のアーク溶接方法。
【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またはアルミニウム系合金の深溶け込み溶接に優れたアーク溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平４−２５１６７３号公報には、不活性ガスに他の成分を添加することにより純粋不活性ガス下での溶接に比べて溶接過程及び溶接結果が改良され、しかも有害な副効果を引き起こさないアルミニウムのア−ク溶接用のアルゴン、又はアルゴン／ヘリウム混合物をベ−スとする保護ガスが開示されている。この保護ガスには窒素８０〜２５０ｖｐｍが添加されている。
【０００３】
特表平８−５０４３６６号公報（特願平６−５１３７４２号の明細書等）には、ＷＩＧ溶接およびアルミニウムのＭＩＧ溶接に使用されるア−ク溶接用保護ガスが記載されている。この従来技術では、アーク溶接用保護ガスとして、可能な限り純粋なアルゴンを用いるか、または可能な限り純粋なアルゴンとヘリウムからなる混合物を用いることとし、溶接工程および溶接結果を改善する目的のために、これらの不活性ガスに８０〜２５０ｖｐｍ、とくに１２０〜１８０ｖｐｍの亜酸化窒素が添加されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術のいずれも窒素添加量が少ないので、アーク安定性および集中性が低く、溶込み深さが不足して融合不良を引き起こす場合がある。そこで、従来方法では溶込み深さを確保するために溶接電流を高くするか、もしくは溶接速度を遅くするが、これにより溶接入熱量が大きくなり、ワーク変形量が増大する。
【０００５】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであって、深溶け込み溶接性に優れたアルミニウムまたはアルミニウム系合金のアーク溶接方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るアルミニウムまたはアルミニウム系合金のアーク溶接方法は、アルゴンまたはヘリウムガス単体に、もしくはアルゴンとヘリウムとの混合ガスに５〜４０体積％の窒素を添加したガスをシールドガスとして用い、かつ、被溶接材の状態に応じて所定の溶接電流およびアーク電圧を得るためにアーク溶接装置で予め設定しておいた駆動電力およびワイヤ送給速度に制御することにより、電極先端から母材表面までのアーク長さを２ｍｍ以下に維持するとともに、前記アークが母材の内部に発生する埋もれアーク状態とすることを特徴とする。
【００１０】
さらに、曲げ延性が要求される突合せ継手を溶接する場合は、前記シールドガスへの窒素の添加量を５〜２０体積％とすることがより好ましい。窒素ガス添加量を２０体積％より大きくすると溶接金属内部に粗大な窒化物が発生しやすくなり、肉厚や使用条件によっては延性が不十分になるからである。突合せ継手のような曲げ延性が必要な継手では窒素ガス添加量を２０体積％までにとどめることが肝要である。一方、窒素ガス添加量が５体積％未満になると溶込みが低下するからである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。
【００１３】
図２において、溶接機１は、支持台１１に保持された母材１２にアーク１４を作用させるアーク溶接装置２と、溶接部分近傍に所定のシールドガス１３を供給し、この溶接部分近傍を所定ガス雰囲気下にするガス供給装置３とを備えている。
【００１４】
アーク溶接装置２は、母材（被溶接物）１２に近接して設けられた溶接トーチ４と、この溶接トーチ４から突出する溶接電極（ワイヤ）５と、溶接トーチ４にワイヤ５を連続的に送給可能なワイヤ送給装置７と、ワイヤ５及びワイヤ送給装置７に電力を供給する駆動電源６と、この駆動電源６と母材１２とを連結する給電ケーブル８と、この給電ケーブル８に設けられた電流計９及び電圧計１０とを備えている。
【００１５】
本実施形態のアーク溶接装置２はＭＩＧ溶接装置によって構成されているが、これをＴＩＧ溶接等の他のアーク溶接装置によって構成することも可能である。
【００１６】
母材１２は板厚８mmのアルミニウム合金Ａ６Ｎ０１、ワイヤ５は直径１．２ｍｍのアルミニウム合金Ａ５３５６を使用した。
【００１７】
ガス供給装置３は、溶接部近傍にシールドガス１３を供給し、この溶接部近傍をシールドガス１３の雰囲気とするものである。ガス供給装置３は、シールドガス１３を収容したガス収容部（シールドガスボンベ）３ａと、このシールドガスボンベ３ａと溶接トーチ４とを接続する配管３ｂとを備えている。そして、シールドガス１３は、溶接トーチ４から溶接部分に供給されるようになっており、溶接部分近傍はこのシールドガス１３によってシールドされる。なお、溶接部分近傍をシールドボックスで囲み、このシールドボックス内にシールドガス１３を供給する構成とすることも可能である。
【００１８】
シールドガス１３は、アルゴンに対して窒素添加量をゼロから６０体積％までの範囲で種々変えたものである。
【００１９】
上記シールドガス１３の雰囲気下でアーク溶接を行った場合、アーク１４は母材１２の内部（深部）で発生可能となる。すなわち、通常のアーク溶接では、アーク１４は母材１２の表面よりも出た状態となるが、シールドガス１３として上記所定ガスを用いるとともに所定の条件下（所定の駆動電力）で溶接を行うことにより、母材１２の内部でアーク１４を発生させることができる。ここで、母材１２内部にアーク１４が発生する状態を「埋もれアーク状態」と称することとする。また、母材１２内部にまでアーク１４が発生しない状態を「オープンアーク状態」と称することとする。このような「埋もれアーク状態」となる溶接条件を把握することにより、アルミニウムの深溶込み溶接が可能になる。
【００２０】
図１の（ａ）は、シールドガスをアルゴンガス単体とし、ワイヤ径１．２ｍｍのアルミニウム合金Ａ５３５６を用いて、板厚８mmのアルミニウム合金Ａ６Ｎ０１を溶接電流２３０Ａ、アーク電圧１９Ｖ、溶接速度３ｍ／分の条件で上記の溶接機１により溶接したアルミニウム溶接部を示す金属組織写真である。また、図１の（ｂ）は、シールドガスをアルゴンに１０体積％の窒素を添加した混合ガス（Ａｒ＋１０体積％Ｎ２）とし、他の条件は上記（ａ）と同じにして溶接したアルミニウム溶接部を示す金属組織写真である。図１の（ａ）と（ｂ）を比較してみると、後者では前者の２倍以上の溶け込み深さとなった。
【００２１】
ここで、埋もれアーク状態とするための所定の条件は、使用するシールドガス１３の種類やアークの駆動電源の出力に応じて変化するものであるので、予め実証試験によって得ることが可能である。この所定条件を設定するための実証試験結果の一例を図３に示す。
【００２２】
図３は、横軸に溶接電流（Ａ）をとり、縦軸にアーク電圧（Ｖ）をとって、シールドガスとしてアルゴンに１０体積％の窒素を添加した混合ガス（Ａｒ＋１０体積％Ｎ２）を用いてワイヤ送給速度を種々変えた場合の溶接電流とアーク電圧との相関を示す特性線図である。この場合は、板厚さ８ｍｍの平板上に溶接ビードをおく平板溶接を行った。
図中にて特性線Ａはワイヤ送給速度を１４．１ｍ／分としたときの電流電圧特性を、特性線Ｂはワイヤ送給速度を１５．６ｍ／分としたときの電流電圧特性を、特性線Ｃはワイヤ送給速度を１７．１ｍ／分としたときの電流電圧特性をそれぞれ示す相関曲線である。
【００２３】
図中にて２つの破線Ｄ，Ｅの間に挟まれた斜線領域では埋もれアーク状態の生成が確認された。ちなみに、図中の丸（○）はアーク長さが２ｍｍ以下となり「埋もれアーク状態」となったサンプルを、四角（□）はアーク長さが２ｍｍ超となり「オープンアーク状態」となったサンプルを、バツ（×）はビード外観が不良となったサンプルをそれぞれプロットした。なお、前記「アーク長さ」とは、電極先端から母材表面までの距離を称する。
【００２４】
図から明らかなようにシールドガスの組成やアーク駆動電力をはじめとする溶接時における様々な条件によって、埋もれアーク状態が生成されるか否かが決定される。
【００２５】
例えば、ワイヤ送給速度１５．６ｍ／ｍｉｎのときには、アーク電圧が１９Ｖを超える領域では埋もれアーク状態からオープンアーク状態に移行するので、深い溶け込みは得られなくなる。また、アーク電圧が１５Ｖを下回る領域ではアークが不安定になるので、ビード外観が不良となる。
【００２６】
なお、図３に示す埋もれアーク状態は一例であって、使用するシールドガス１３やアーク溶接装置２の種類によって、あるいはアーク電圧によって埋もれアーク状態の生成領域は異なるので、予め実験によって最適な条件を求めておく必要がある。予備実験を行うことにより埋もれアーク状態が生成されるか否かの条件を予め把握しておき、この条件に基づいて製造ラインの溶接機を制御することにより実際の製品を高品質に製造することができるようになる。
【００２７】
図４は、横軸に窒素混合量（体積％）をとり、縦軸に溶け込み深さ（ｍｍ）をとって、シールドガス中の窒素ガス混合量に対する溶込み深さの変化をそれぞれ示す特性線図である。溶接電流を２３０Ａ、アーク電圧を１９Ｖ、溶接速度を３ｍ／分、ワイヤ送給速度を１５．６ｍ／分とする条件下で、シールドガスの窒素混合量をゼロから６０体積％までの間で種々変化させて板厚８ｍｍの平板溶接を行った。図中にて特性線Ｒ１は溶込み深さ／窒素混合量の関係を示す相関曲線である。また、図中にて破線Ｆは、ビード外観の良好と不良との境界を示す臨界線である。この臨界線Ｆよりも図中の右側領域（窒素混合量が過大な領域）に斜線を施して示したが、この斜線領域ではビード外観が不良になることが判明した。
【００２８】
この図から明らかなように、シールドガス１３の窒素添加量に応じて溶け込み深さは変化する。例えば、窒素添加量を１０体積％としたもの（Ａｒ＋１０体積％Ｎ２）と窒素添加量ゼロとしたもの（純アルゴンガス）とを比較してみると、前者の溶け込み深さは後者のそれの約２倍に増加する結果となった。さらに、ビード外観においても良好であった。これらのことからアルゴンガスに１０体積％の窒素ガスを添加することによりアルミニウムの深溶け込み溶接が可能になることが判明した。
【００２９】
図５は、横軸に窒素混合量（体積％）をとり、縦軸に曲げ角度（°）および最大窒化物長さ（ｍｍ）をとって、シールドガス中の窒素ガス混合量に対する曲げ角度および最大窒化物長さの変化をそれぞれ示す特性線図である。溶接電流を２３０Ａ、アーク電圧を１９Ｖ、溶接速度を３ｍ／分、ワイヤ送給速度を１５．６ｍ／分とする条件下で、シールドガスの窒素混合量をゼロから４０体積％までの間で種々変化させて板厚８ｍｍの平板溶接を行った。
【００３０】
図中にて特性線Ｒ２は最大窒化物長さ／窒素混合量の関係を、特性線Ｒ３は曲げ角度／窒素混合量の関係をそれぞれ示す相関曲線である。また、図中にて破線Gは、曲げ延性の良好と不良との境界を示す臨界線である。この臨界線Gよりも図中の右側領域（窒素混合量が過大な領域）に斜線を施して示したが、この斜線領域では粗大窒化物が発生し、曲げ延性が不良になることが判明した。
【００３１】
したがって、窒素ガスの添加量を２０体積％より更に大きくすると、溶接金属内部に粗大な窒化物が発生し、曲げ延性が低下するようになる。すなわち、隅肉継手のような曲げ延性が必要でなく、深い溶込みを得たい場合は、窒素ガス添加量の上限値は４０体積％とすることが肝要である。一方、突合せ継手のような曲げ延性が必要な継手では窒素ガス添加量の上限値は２０体積％とすることが肝要である。一方、窒素ガスの添加量が５体積％未満になると、母材の溶込みが極端に低下するので、その下限値は５体積％とする。したがって窒素ガスの添加量は５体積％以上２０体積％以下の範囲とすることが望ましい。
【００３２】
なお、上記実施例ではシールドガスとしてアルゴンに窒素を添加した２種混合ガスを用いた場合について説明したが、本発明はこれのみに限られることなく、ヘリウムガス単体に窒素を添加した２種混合ガス、アルゴンの一部をヘリウムに置き換えた３種混合ガスをシールドガスに用いた場合も同様の深溶け込み効果が得られる。Ｈｅ＋Ｎ２からなる２種混合ガスをシールドガスとして用いる場合は、Ｈｅ：Ｎ２＝８０〜９５：５〜２０の体積比率で混合することが望ましい。
【００３３】
Ａｒ＋Ｈｅ＋Ｎ２からなる３種混合ガスをシールドガスとして用いる場合は、Ａｒ：Ｈｅ：Ｎ２＝５〜６５：３０〜７５：５〜２０の体積比率で混合することが望ましい。
【００３４】
また、母材としてアルミニウム合金Ａ６Ｎ０１を用いた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、溶接対象（母材）はアルミニウムまたはアルミニウム系合金であればよい。
【００３５】
【発明の効果】
本発明のシールドガスを用いることによりアルミニウムおよびアルミニウム合金のミグ、ティグ等のアーク溶接においてアークの集中性が向上し、深溶け込み溶接が可能となる。その結果、高速かつ低歪みのアルミニウム溶接が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は従来の溶接部を示す金属組織写真、（ｂ）は本発明の溶接部を示す金属組織写真。
【図２】本発明の実施形態に係るアーク溶接方法に用いられる装置の概要を示すブロック構成図。
【図３】本発明の実施形態に係るアーク溶接方法において埋もれアーク状態になる溶接条件を示す特性線図。
【図４】窒素添加量と溶込み深さとの関係を示す特性線図。
【図５】窒素添加量と曲げ延性および最大窒化物長さの関係を示す特性線図。
【符号の説明】
１…溶接機、
２…アーク発生装置、
３…ガス供給装置、
４…溶接トーチ、
５…電極、
６…駆動電源、
７…ワイヤ供給装置、
９…電流計、
１０…電圧計、
１１…支持台、
１２…母材、
１３…シールドガス、
１４…アーク。
【図１】
0003735274.tif 000002
【図２】
0003735274.tif 000003
【図３】
0003735274.tif 000004
【図４】
0003735274.tif 000005
【図５】
0003735274.tif 000006