電磁力を用いた溶接方法及び溶接装置
【課題】 アーク溶接、レーザ溶接などの溶融溶接において、熱源形態やビード形状制御や形状欠陥防止と冶金的問題を同時に解決できる溶接方法及び溶接装置を提供する。
【解決手段】 母材８に対向してアーク９を発生させて溶融池１０を形成し、アーク９及び溶融池内を流れる電流に交差させる方向で直流磁界成分を含む交流磁界を付与する溶接方法。また、母材８に対向してアーク９を発生させて溶融池１０を形成する溶接装置において、非対称交流磁化電源５と溶融池１０の近傍に対向磁極７a，７ｂを備え、非対称交流磁化電源により対向磁極を励起し、アーク１０及び溶融池内を流れる電流に交差させる方向で直流磁界成分を含む交流磁界を発生させるようにした溶接装置。
【解決手段】 母材８に対向してアーク９を発生させて溶融池１０を形成し、アーク９及び溶融池内を流れる電流に交差させる方向で直流磁界成分を含む交流磁界を付与する溶接方法。また、母材８に対向してアーク９を発生させて溶融池１０を形成する溶接装置において、非対称交流磁化電源５と溶融池１０の近傍に対向磁極７a，７ｂを備え、非対称交流磁化電源により対向磁極を励起し、アーク１０及び溶融池内を流れる電流に交差させる方向で直流磁界成分を含む交流磁界を発生させるようにした溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁力を用いた溶接方法及び溶接装置に関し、さらにくわしくは、アーク溶接、レーザ溶接等の溶融溶接において、重力が溶接ビード形成に及ぼす悪影響を軽減するとともに、凝固時の冶金的性能低下を防止し、高能率・高品質な施工を可能とする手段を提供する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アーク溶接、レーザ溶接などの溶融溶接においては、重力により溶融金属が下方に流動して、アンダーカット・オーバラップなどの形状欠陥やこれに付随する融合不良欠陥が発生しやすい課題があった。特に、裏当材を用いない裏波溶接（片側より施工して母材裏面まで完全に溶け込ませるビードを得る）では、上向、下向溶接で母材上面にアンダーカット欠陥が発生し、下部に過大なビードが形成されたり、裏波ビードの形成が外乱により不安定となりやすいなど実用上多くの課題があった。また、溶融溶接部では凝固時に高温割れ、結晶粗大化、気孔発生などの冶金的課題を内在しており、使用材質によっては継手品質が大きく低下するなどの課題があった。
【０００３】
これを解決するものとして、本発明者らは、溶融池内に一方向電流を形成し、直流磁界を付与して一方向電磁力を発生させ、溶接部のビード形状の制御を可能とする方法（特許文献１）を提案し、また、独自の溶融池磁気制御溶接法として論文発表（非特許文献１、２）もしている。これらの方法は、溶接トーチに同軸な磁化コイルを設置し、溶融池内の一方向電流と直交する直流磁場を付与し、上向方向の電磁力を得て、主として溶接部のビード形状の改善を図るものである。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２８６６７０号公報
【非特許文献１】高温学会誌，Ｖｏｌ．２５（１９９９），Ｎｏ．５，２１１−２１８
【非特許文献２】溶接学会論文集，Ｖｏｌ．１８，（２０００），Ｎｏ．１，４０−５０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の溶接方法は、直流磁場を用いて溶融金属流動制御を可能としたが、これ以外の課題については、有望な解決方法が提案されていない。特に、ビード形状制御や形状欠陥防止とビード形成の安定化、冶金的問題を同時に解決できる効果的な方法が無い現状である。
【０００６】
また、アーク溶接では、溶接時の入熱、速度、アーク電流波形などで溶込み深さがほぼ一義的に決定されてしまい、これらのパラメータを一定に保ったまま溶込み深さを能動的に制御できる手段が無かった。レーザ溶接では、レーザ出力、光学系、溶接速度などで溶け込み深さは、上述と同様にほぼ決定されてしまい、これらのパラメータを一定にしたまま溶込み深さを能動的に制御できる手段が無く、いづれも産業上の大きな課題であった。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、アーク溶接、レーザ溶接などの溶融溶接において、ビード形状制御や形状欠陥防止と冶金的問題を同時に解決できる効果的な溶接方法及び溶接装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、被溶接材に対向してエネルギ束を投入または照射して被溶接材に溶融池を形成し、前記エネルギ束または前記溶融池内に流れる電流と交差させる方向で直流磁界成分を含み交流的に変動する磁界を付与することを特徴とする溶接方法である。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、被溶接材に対向してエネルギ束を投入して溶融池を形成し、前記溶融池内に方向性の強い電流を形成させるとともに、直流磁界成分を含み交流的に変動する磁界を被溶接材面と略平行かつ前記溶融池内の電流またはエネルギ束と交差させる方向で付与することにより、前記溶融池内に電磁力を発生させることを特徴とする溶接方法である。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、被溶接材に対向してエネルギ束を発生させて被溶接材に溶融池を形成し、前記エネルギ束又また前記溶融池内に流れる電流と交差させる方向で交流的に変動する磁場を付与することを特徴とする溶接方法である。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、被溶接材と磁極とを一定間隔に保ち、かつ溶融池と磁極とを一定距離に保つ請求項１〜３のいずれかに記載の溶接方法である。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、時間的に変動する電磁力で溶融金属を板厚方向に振動および／または一方向へ流動させる請求項１〜４のいずれかに記載の溶接方法である。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、直流成分磁界により発生する一方向電磁力で溶融金属を流動制御する請求項１〜５のいずれかに記載の溶接方法である。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、アークが母材に向かう方向と略直交する方向に交流磁界または直流成分を含む交流磁界を付与し、電磁力でアークを溶接線方向に振動および／または偏向させることを特徴とするアーク溶接方法である。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、電磁力でアークを時間平均的に熱源が溶接線方向に長く分布し、溶接線と直行する方向に狭く分布するように偏平化させる請求項７に記載のアーク溶接方法である。
【００１６】
請求項９に記載の発明は、アークが被溶接材に向かう方向と略直交する方向で交流的変動磁場を付与し、前記アークと溶融金属を同時に電磁力駆動する請求項１〜８のいずれかに記載のアーク溶接方法である。
【００１７】
請求項１０に記載の発明は、被溶接材に対向してアークを発生させて溶融池を形成するアーク溶接装置において、非対称交流磁化電源と前記溶融池の近傍に対向磁極を備え、前記非対称交流磁化電源から供給された非対称交流電流により前記対向磁極からから発生させた磁束を前記アークおよび／または溶融池内を流れる電流と交差させる方向で作用させるようにしたことを特徴とするアーク溶接装置である。
【００１８】
請求項１１に記載の発明は、非対称交流磁化電源が、交流または直流成分を含む非対称交流を発生する請求項１０に記載のアーク溶接装置である。
【００１９】
請求項１２に記載の発明は、アークまたはコロナ放電などの放電機構および／または溶融池近傍に直接通電する機構を有し、溶融池に電流を供給しながら被溶接材にレーザビームを照射して溶融池を形成するレーザ溶接装置において、非対称交流磁化電源と前記溶融池の近傍に対向磁極を備え、前記非対称交流磁化電源から供給された非対称交流電流により前記対向磁極からから発生させた磁束を前記放電または前記溶融池内の電流に交差させる方向で作用させるようにしたことを特徴とするレーザ溶接装置である。
【００２０】
請求項１３に記載の発明は、非対称交流磁化電源が、交流または直流成分を含む非対称交流を発生する請求項１２に記載のレーザ溶接装置である。
【００２１】
本発明において、交流磁界とは、一般的なサイン波のような波形や図３に示す矩形波交流及びこれらの入り混じった波形も意味し、時間的に一定の変動則で変化する波形の磁界全てを意味する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明は、交流磁場成分と一方向電流成分の相互作用によって、溶融池内に板厚方向に時間変動する電磁力が発生し、溶融金属の強制流動作用により結晶微細化や偏析防止による割れ防止や脱ガス効果などが得られる。また、板厚方向振動により裏波ビード形成部の微妙なぬれ現象を安定させ、表面状況やワイヤ送給速度、ワイヤ供給位置などの変化（外乱）による不安定性を改善できる。さらに、直流磁場成分と一方向電流の相互作用によって、溶融金属全体を一方向に流動制御する電磁力が発生し、ビード形状の制御も可能となる。そして、溶融池近傍に漏れ出た磁場成分（アークと直交する磁場成分）によって、アークを溶接線方向へと振動および／または偏向させる電磁力が発生し、アーク熱源が溶接線方向へ長く、幅が狭くなるような現象が発生するので、溶込み幅が減少し、溶込み深さが増大する好ましい予想外の効果も得られる。このように、本発明は、熱源形態の改善、ビード形状の改善、ビード形成の安定化、冶金的性能の向上など多くの効果が同時に得られる。
【００２３】
また、本発明は、溶接部の溶込み深さを制御する新しい手段を提供し、従来の溶接法の限界を広げ、生産性の向上、品質向上に有益である。さらに、本発明は、発電設備などのエネルギ機器、航空機、自動車などの輸送機器、大型構造物、各種大型機械の生産方法の改善に広く利用できるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明によるアーク溶接について図面を参照して説明するが、本発明はアーク溶接に限定されるものではなく、電流を供給する手段の追加によりレーザ溶接などの溶融溶接に広く適用できるものである。
【００２５】
図１において、本発明のアーク溶接装置は、溶接電源１に接続された溶接電極２と、添加ワイヤ用電源３に接続された添加ワイヤ４と、非対称交流磁化電源５に接続された磁化コイル６と、磁束を所定部へ誘導する鉄芯７より構成されている。
溶接電極２の先端から被溶接材（以下、母材という）８へアーク９が発生し、溶融池１０を形成している。溶接電極２は、ＴＩＧ溶接のように非消耗性電極でもよいし、ＭＡＧ溶接のように消耗電極でもよいが、ここではＴＩＧ溶接の例を図示している。溶接電極２は、通常、シールドノズルによりシールドされているが、一般的な構造であるので、シールドノズルは図示していない。添加ワイヤ４は、ワイヤ送給装置１１により連続的に送給されている。鉄芯７は、先端が２つに分かれており、図中の左側極を７a、右側極を７ｂとする。
溶接電極２、添加ワイヤ４及び磁極７は、しかるべき固定装置で相対位置を固定されており、相対位置を一定に保って母材上を移動できる機構の上に搭載されている。
磁極７は、適宜の形状に成型されており、溶接電極２と添加ワイヤの適正な配置の邪魔にならないように配置され、溶接作業に適した通常の幾何学的配置としている。
磁極７a，７ｂの先端には、車輪機構１５が設置されており、これらの磁極と母材のわずかな隙間を一定に保ちながら，滑らかに移動できる構造としている。磁極は、一定の高さを保つように、エアーシリンダーなどの駆動機構（図示略）で母材面に押し付けられている。なお、センサで一定距離を検知し、隙間を制御してもよい。
【００２６】
図２の溶融池近傍の断面図に示すように、溶融池１０をはさんで一対の磁極７a、７ｂを対向設置しているので、母材としてオーステナイト系ステンレス鋼などの非磁性体金属を用いた場合は、一方の磁極を漏れ出た磁束１２は、母材８、溶融池１０を貫通して相手磁極に回収される磁束１２や、空気中を通過しアーク部９を貫通して相手磁極に回収される磁束１２も存在する。なお、母材として鋼などの強磁性体を用いた場合でも、本発明の効果は十分発現でき、後の実施例で説明する。
【００２７】
磁化電源５は、図３に示すような非対称交流の磁化電流を発生でき、磁化電流のピーク電流値Ｉｃ、磁化電流の正の時間２４ｔｐと負の時間２５ｔｎの比、及び交流周波数Ｆが調整できる構造を採用しており、溶接条件に応じて適宜ピーク電流値Ｉｃ、周波数Ｆや下記の非対称率Ｄｒを任意に調整可能している。ここで、対称率が任意に調整できるということは、対称率Ｄｒ＝０または１では直流を流せることを意味し、非対称率Ｄｒ＝０．５では対称な交流（直流成分を含まぬ交流）を流せることを意味する。このことから、非対称交流磁化電源とは、直流から交流までを任意に調整できる電源と定義している。なお、非対称交流電流の発生方法及び装置構造は公知技術であり、市販品もあるので記述を省略する。
図３において、磁化電流の非対称率２０Ｄｒは、Ｄｒ＝ｔｐ／（ｔｐ＋ｔｎ）と定義しており、この時間比に応じて正極の電流２１と負極の電流２２が流れている。ここで、ｔｐ間の正極電流２０、ｔｎ間の負極電流２１を時間平均すると、認められる直流成分Ｉav＝Ｉｃ・（ｔｐ−ｔｎ）／（ｔｐ＋ｔｎ）を直流成分２３Ｉavとする。
このような磁化電流が磁化コイルに流れると、この電流波形に略対応した磁場が磁極先端より溶融池近傍に形成され、アークや溶融池内の電流との相互作用により電磁力（ローレンツ力）がアーク及び溶融池内に発生する。
【００２８】
本発明は、アーク溶接だけでなく、レーザ溶接にも適用することができる。図１の溶接電極２とアーク９に代えてレーザ光を照射し、これを溶融熱源として母材９に溶融池１０を形成する。レーザビームは、電流を伴わないが、溶融池に添加されるワイヤに加熱電流を通電しているので、溶融池内には電流が存在する。この電流に対し、母材と平行方向の磁場を付与することにより、直交する電流との相互作用により電磁力が発生する。この電磁力は、板厚方向の電磁力であるので、溶融池内に板厚方向の強制流動力を発生させ、溶込み深さを増減する効果を発揮する。また、熱源としてアークとレーザの両者を用いる併用ハイブリッド溶接の場合も、上記と同様な作用が起こる。
【実施例】
【００２９】
実施例１
図１に示すアーク溶接装置を用い、母材として板厚３ｍｍのＳＵＳ３０４、トーチマイナスの極性である（マイナス極性ということは集電装置を意味する）。溶接条件は、ＴＩＧ溶接のアーク電流１５５Ａ、溶接速度１２ｃｍ／分、ワイヤ極性プラス、ワイヤ送給速度１．４ｍ／分、ワイヤ加熱電流６０Ａ、磁化電流はピーク電流０．５Ａ、周波数５Ｈｚ、非対称率Ｄｒ＝０．７５で、下向姿勢で裏波溶接を行った。その結果を以下に示す。
【００３０】
＜電磁力の発生作用＞
一例としてＴＩＧ溶接で電極２が負の極性に接続されている場合は、添加ワイヤ４を正の極性に接続する（給電装置に該当する）。これによりアークと添加ワイヤ間にマクロな視野で見ると一方向電流１６Ｉｄが形成される。これに対し、非対称交流磁化電流２６Ｉｄｒを磁化コイル６に通電すると、対向磁極間には図２で示した磁化電流波形にほぼ比例した非対称交流磁場が発生する。この磁場と一方向電流１６Ｉｄの相互作用により図４（溶融池部の拡大図）に示すような溶融金属を上方向に駆動する電磁力１３Ｆｕが発生する時間が長く、溶融金属を下方向に駆動する電磁力１４Ｆｄが発生する時間が短い非対称な変動電磁力（ローレンツ力）が発生する。
これらの電磁力により溶融金属は板厚方向に（図４では上下方向）強制振動させられるが、図２の左側磁極７aの正極時の時間２４ｔｐを負極時の時間２５ｔｎより長くすると、時間平均的には上方向の電磁力１３Ｆｕが優勢となり、溶融金属全体は、上下に振動しながら上方向に押し上げられる。
アークに注目すると、直交する磁束１２は、同様に時間的に変動しているので、図４では、アークを左側に駆動するする電磁力３０Ｆｌと右側に駆動する電磁力３１Ｆｒが交互に発生し、アークを溶接線方向へ左右に偏向させる。この結果、時間平均的に見るとアークは溶接線方向に引き伸ばされた分布となるが、磁化電流の時間比に応じて右に偏った分布となる作用が発生する。
【００３１】
＜溶接現象と熱源形状改善効果：ビード形状制御効果＞
磁場を付与しない通常溶接では、図５（Ａ）に示すように、アーク９は前後左右対称の釣鐘状をしており、アークの足９Ａは広がっている。これに対し、非対称交流磁場を付与した場合、溶接線方向から観察すると図５（Ｂ）に示すように、アーク９Ｂの足が細くなり、９Ａに対し略１／２〜２／３程度に緊縮している。
この現象と、溶接線と直行する方向から観察したアーク現象から判断して、本発明は、アーク９は溶接線方向に長く、溶接幅方向に狭くなる効果が発生していると判断できる。 この熱源形状改善効果は、アーク溶接プロセスにおいて、ビード幅の低減、これに伴う溶落ちの防止や、アーク圧力の分散などによる高速溶接の可能化など好ましい効果を期待できる。
【００３２】
＜溶接結果の図示＞
図６（Ａ）は、前記の溶接条件例で磁場を付与しない実験条件における溶接部の断面マクロ写真である。このような溶接条件ではビード上面に溶接欠陥の一種である幅広いアンダーカット４０が形成され、裏波ビード幅やビード高さも過大となっており、産業上許容されない溶接結果となる。
一方、本発明では、図６（Ｂ）に示すように、全般的にビード幅が低減するとともに、ビード上面にも適正な余盛が形成され、裏面には裏波が形成されており、形状欠陥のない良好な継手が得られている。そして、本実施例では、表ビード幅は磁場を付与した場合２０％低減し、裏波ビード幅は３５％も低減している。このような溶接ビード幅が低減する効果は、熱源形状の改善効果によるものと考えられる。
【００３３】
＜溶融金属への作用・効果＞
電磁力が正の期間、溶融金属は、上方に強制流動させられて上方に凸の形状となり、電磁力が負の期間、溶融金属は、下方に強制流動させられて下方に凸の形状となるが、重力と下方に向かう電磁力で溶落ちしない程度の条件としている。本実施例では、正の方向に非対称な磁化電流を付与しているので、正の電磁力の期間が長く、時間平均的には上方に流動する電磁力が優勢となっている。
これを繰り返しながら凝固が進んでゆくので、図６（Ｂ）に示すように上方に押し上げられるよう制御されたビード形状が形成され、アンダーカットは解消し、大幅なビード改善効果が認められる。
【００３４】
＜凝固結晶微細化効果＞
電磁力振動がない場合は、アーク通過後よりボンド部４１（図中の点線で示す）より凝固が開始され、溶融池中央に向かって凝固が進み、図６（Ａ）に示すように細長く粗大化した柱状晶４２Ａが生成される。なお、図中には参考として粗大化した結晶の輪郭例を示してある。また、溶接部中央では粗大化した結晶同士が直線的に会合しており、割れには至っていないもののミクロ的な欠陥が発生しやすく、靭性、高温クリープ強度、使用中の脆化など金属学の観点からは好ましい状態ではない。
これに対し、本発明の溶接部である図６（Ｂ）では、磁場条件を除いて全く同じ条件で溶接しているが、継手部では全般的に凝固結晶は微細化傾向が強く認められ、図６（Ｂ）の比較的大きな柱状晶４２Ｂでも従来法に比べ１／３〜１／４程度までに大幅に微細化されている。また、溶接ビード中央部では小さい等軸晶状の結晶が多数発生している。
これにより、ミクロボイドの低減、偏析の低減、凝固割れ感受性の高い材料での割れ防止、溶接金属の異方性の低減など多くの効果が期待できる。
【００３５】
この原因としては、図３に示した非対称交流磁場と溶融池内のアーク電流、添加ワイヤ電流の相互作用で発生する非対称電磁力により、溶融金属が板圧方向（本実験では上下に反転流動）に強制流動させられ、（１）板幅方向に成長しようとする樹枝状晶に直交する電磁力や強制流動力が作用し、この先端部が折られて結晶の成長が抑制される、（２）折られた微細結晶破片が溶融池内分散し凝固の核として作用するため、さらに結晶数が増加し、１個あたりの成長寸法が抑制される結果となる、（３）溶融池の表裏面とも磁場周波数に略同期して上下振動していることが明瞭に観察されており、各振動ごとに高温の溶融金属が上下に位置を変動させ、熱流方向が変化する作用が生じて、結晶生長を抑制する効果が生ずるものと考えられる。
このことから、微細化効果の観点でもこれまでの磁気攪拌（溶融池面内での回転）にはない板厚方向の反転流動という新しい作用が発生している。また、溶融池自身の持つ固有振動数近傍に磁場周波数を付与することにより、板厚方向振動では振幅を拡大させることができ、従来の面内回転より振動効果を得やすい特徴がある。
【００３６】
＜裏波ビード形状改善の安定化効果＞
図７（Ａ）に、本発明者らの特許文献１に係わる直流磁界を用いて、同様な溶接を行った結果を示す。これによって、表ビード形状の改善効果は得られるが、裏波ビードの形成が不安定になりやすい課題があった。図７（Ａ）の実験では、磁化電流を連続的に変化させて溶接した場合に、急激な裏波ビード幅が不安定部で局所的に増減し（図７Ａ中の破線部内）、場合によっては裏波ビードが消失し融合不良欠陥が発生するなどの問題が生じている。
一方、本発明の実施例である図７（Ｂ）は、同様な磁化電流の変化に対し、滑らかに追従しており、外乱に対する安定性が極めて良好である。この原因として、本発明では板厚方向電磁力で高温溶融金属を強制的に下方に流動させるため、溶込みの貫通力を増大させる作用が生じ、裏面側の安定溶融効果を発現させていると考えられる。また、溶接線方向に長く分布する熱源形態も好ましい影響を与えており、板厚方向の電磁力と熱源形態の複合効果で、外乱に対する裏波ビード安定化効果が大きく向上している。
【００３７】
＜偏析防止・凝固割れ防止効果＞
電磁力による強制流動効果により偏析が防止されるとともに、結晶微細化効果により凝固結晶数が増加するため、Ｐ、Ｓなどの低融点不純物やＭｏなどの偏析しやすい物質が微細化された小結晶間に分散され、ビードの最終凝固部（多くは溶接ビードの中央部）に濃化しにくくなり、凝固割れの防止が可能となる。
【００３８】
＜脱ガス効果＞
電磁力による上下振動により、溶湯に過飽和に吸収されているガス成分が強制的にパージされ、ブローホール防止などの効果が認められた。特に、上方向に振動時にはガスの浮力による上昇を加速するため、従来の磁気攪拌法よりも脱ガス効果は顕著である。
【００３９】
実施例２
非対称交流は、図３のような時間比率調整以外に、磁化電流のピーク値を正極時と負極時に変えることによっても、同様な効果が得られことを確認した。
【００４０】
実施例１の条件は、実験を行ったうちの一例を示しただけであり、本発明は、通常的に使用されるＴＩＧ、ＭＡＧ、ＭＩＧ、サブマージ溶接法において、アークが安定に点弧され得る範囲のアーク電流、溶接速度、開先形状では、溶接姿勢によらず本発明の効果を発揮することができる。特に、裏波溶接では溶け込み深さが概略裏面まで貫通する溶接条件の組み合わせであれば、母材の板厚、種類を選ばず、裏波ビード形状の制御、安定化効果を得ることができる。また、第２層以降の溶接においても、表面ビード形状の制御、安定化、冶金的改善効果が得られることを確認している。
【００４１】
ただし、凝固結晶の微細化効果を狙う場合は、磁化電流の周波数は、その溶接条件で形成される溶融池形状・寸法、表面張力、密度で決定される固有振動数の１．５〜２倍の範囲とすることが必要であり、この範囲であれば、電磁力振動に対し溶融金属の振動が追従でき、本効果を得ることができる。また、非対称率が０より大きく１より小さい範囲であれば、本発明の目的とするビード形状制御とビート形状の安定化、凝固結晶微細化、脱ガス効果、凝固割れ防止の多機能な制御効果を用途に応じて得ることができる。
【００４２】
また、鋼などの強磁性体の場合は、磁極から出た磁束が母材に吸収されてしまい、溶融池内に十分な磁束密度を得ることができず、本発明の効果を得ることができないのではないかという懸念もあった。しかし、実験の結果、一方の磁極から母材に吸収された磁束が他方の磁極へ吸収される間に、母材部から溶融池へ磁束が漏れ出るため、溶融池を横断する十分な密度の磁束を確保することができ、強磁性体においても非磁性体と同様に良好な効果を得た。図８は、強磁性体である炭素鋼を用い、上向姿勢で実験を行った結果を示すが、アーク形態の偏平化、溶込み幅の低減、ビード形状の制御などが同様に得られている。図８の溶接条件は図６の場合とほぼ同様である。
【００４３】
磁極と溶接電極の位置関係は、母材をはさんで対向するように設置（図１で、コイルと磁極は下側に配置した場合）しても、図１の場合と同様な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明のアーク溶接装置の一例を示す概念図
【図２】図１のＡ−Ａ 断面視図
【図３】非対称交流磁化電流の波形図例
【図４】図１のＢ−Ｂ 断面視図
【図５】溶接線方向から観察したークの形態例 （Ａ）磁場を付与しない場合 （Ｂ）非対称交流磁場を付与した場合
【図６】ビード形状制御と凝固結晶微細化効果を示す写真 （Ａ）磁場を付与しない場合 （Ｂ）非対称交流磁場を付与した場合
【図７】裏波ビード安定化効果を示す写真 （Ａ）磁場を付与しない場合 （Ｂ）非対称交流磁場を付与した場合
【図８】ビード形状制御とビード幅低減効果を示す写真 （Ａ）磁場を付与しない場合 （Ｂ）非対称交流磁場を付与した場合
【符号の説明】
【００４５】
１：溶接電源、２：溶接電極、３：添加ワイヤ用電源、４：添加ワイヤ、５：非対称交流磁化電源、６：磁化コイル、７：鉄芯，７a ：磁極、７ｂ：磁極（７a の逆極性の磁極）、８：母材、９：アーク、９Ａ：磁場がないときのアークの足部，９Ｂ：交流磁場を付与したときのアークの足部，１０：溶融池、１１：ワイヤ送給装置、１２：磁束、
１３Ｆｕ：溶融金属を上方向に駆動する電磁力、１４Ｆｎ：溶融金属を下方向に駆動する電磁力、１５：車輪機構、１６Ｉｄ：一方向電流、２０Ｄｒ：磁化電流の非対称率、２１：正極時の電流、２２：負極時の電流、２３Ｉav：時間平均時の直流成分、２４ｔｐ：正極時の時間、２５ｔｎ：負極時の時間、２６ＩＤｒ：非対称交流磁化電流、３０Ｆｌ：アークを左に駆動する電磁力、３１Ｆｒ：アークを右に駆動する電磁力、４０：アンダーカット欠陥、４１：溶接部のボンドライン、４２Ａ：粗大化した柱状晶、４２Ｂ：微細化した柱状晶、５０：通電チップ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁力を用いた溶接方法及び溶接装置に関し、さらにくわしくは、アーク溶接、レーザ溶接等の溶融溶接において、重力が溶接ビード形成に及ぼす悪影響を軽減するとともに、凝固時の冶金的性能低下を防止し、高能率・高品質な施工を可能とする手段を提供する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アーク溶接、レーザ溶接などの溶融溶接においては、重力により溶融金属が下方に流動して、アンダーカット・オーバラップなどの形状欠陥やこれに付随する融合不良欠陥が発生しやすい課題があった。特に、裏当材を用いない裏波溶接（片側より施工して母材裏面まで完全に溶け込ませるビードを得る）では、上向、下向溶接で母材上面にアンダーカット欠陥が発生し、下部に過大なビードが形成されたり、裏波ビードの形成が外乱により不安定となりやすいなど実用上多くの課題があった。また、溶融溶接部では凝固時に高温割れ、結晶粗大化、気孔発生などの冶金的課題を内在しており、使用材質によっては継手品質が大きく低下するなどの課題があった。
【０００３】
これを解決するものとして、本発明者らは、溶融池内に一方向電流を形成し、直流磁界を付与して一方向電磁力を発生させ、溶接部のビード形状の制御を可能とする方法（特許文献１）を提案し、また、独自の溶融池磁気制御溶接法として論文発表（非特許文献１、２）もしている。これらの方法は、溶接トーチに同軸な磁化コイルを設置し、溶融池内の一方向電流と直交する直流磁場を付与し、上向方向の電磁力を得て、主として溶接部のビード形状の改善を図るものである。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２８６６７０号公報
【非特許文献１】高温学会誌，Ｖｏｌ．２５（１９９９），Ｎｏ．５，２１１−２１８
【非特許文献２】溶接学会論文集，Ｖｏｌ．１８，（２０００），Ｎｏ．１，４０−５０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の溶接方法は、直流磁場を用いて溶融金属流動制御を可能としたが、これ以外の課題については、有望な解決方法が提案されていない。特に、ビード形状制御や形状欠陥防止とビード形成の安定化、冶金的問題を同時に解決できる効果的な方法が無い現状である。
【０００６】
また、アーク溶接では、溶接時の入熱、速度、アーク電流波形などで溶込み深さがほぼ一義的に決定されてしまい、これらのパラメータを一定に保ったまま溶込み深さを能動的に制御できる手段が無かった。レーザ溶接では、レーザ出力、光学系、溶接速度などで溶け込み深さは、上述と同様にほぼ決定されてしまい、これらのパラメータを一定にしたまま溶込み深さを能動的に制御できる手段が無く、いづれも産業上の大きな課題であった。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、アーク溶接、レーザ溶接などの溶融溶接において、ビード形状制御や形状欠陥防止と冶金的問題を同時に解決できる効果的な溶接方法及び溶接装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、被溶接材に対向してエネルギ束を投入または照射して被溶接材に溶融池を形成し、前記エネルギ束または前記溶融池内に流れる電流と交差させる方向で直流磁界成分を含み交流的に変動する磁界を付与することを特徴とする溶接方法である。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、被溶接材に対向してエネルギ束を投入して溶融池を形成し、前記溶融池内に方向性の強い電流を形成させるとともに、直流磁界成分を含み交流的に変動する磁界を被溶接材面と略平行かつ前記溶融池内の電流またはエネルギ束と交差させる方向で付与することにより、前記溶融池内に電磁力を発生させることを特徴とする溶接方法である。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、被溶接材に対向してエネルギ束を発生させて被溶接材に溶融池を形成し、前記エネルギ束又また前記溶融池内に流れる電流と交差させる方向で交流的に変動する磁場を付与することを特徴とする溶接方法である。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、被溶接材と磁極とを一定間隔に保ち、かつ溶融池と磁極とを一定距離に保つ請求項１〜３のいずれかに記載の溶接方法である。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、時間的に変動する電磁力で溶融金属を板厚方向に振動および／または一方向へ流動させる請求項１〜４のいずれかに記載の溶接方法である。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、直流成分磁界により発生する一方向電磁力で溶融金属を流動制御する請求項１〜５のいずれかに記載の溶接方法である。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、アークが母材に向かう方向と略直交する方向に交流磁界または直流成分を含む交流磁界を付与し、電磁力でアークを溶接線方向に振動および／または偏向させることを特徴とするアーク溶接方法である。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、電磁力でアークを時間平均的に熱源が溶接線方向に長く分布し、溶接線と直行する方向に狭く分布するように偏平化させる請求項７に記載のアーク溶接方法である。
【００１６】
請求項９に記載の発明は、アークが被溶接材に向かう方向と略直交する方向で交流的変動磁場を付与し、前記アークと溶融金属を同時に電磁力駆動する請求項１〜８のいずれかに記載のアーク溶接方法である。
【００１７】
請求項１０に記載の発明は、被溶接材に対向してアークを発生させて溶融池を形成するアーク溶接装置において、非対称交流磁化電源と前記溶融池の近傍に対向磁極を備え、前記非対称交流磁化電源から供給された非対称交流電流により前記対向磁極からから発生させた磁束を前記アークおよび／または溶融池内を流れる電流と交差させる方向で作用させるようにしたことを特徴とするアーク溶接装置である。
【００１８】
請求項１１に記載の発明は、非対称交流磁化電源が、交流または直流成分を含む非対称交流を発生する請求項１０に記載のアーク溶接装置である。
【００１９】
請求項１２に記載の発明は、アークまたはコロナ放電などの放電機構および／または溶融池近傍に直接通電する機構を有し、溶融池に電流を供給しながら被溶接材にレーザビームを照射して溶融池を形成するレーザ溶接装置において、非対称交流磁化電源と前記溶融池の近傍に対向磁極を備え、前記非対称交流磁化電源から供給された非対称交流電流により前記対向磁極からから発生させた磁束を前記放電または前記溶融池内の電流に交差させる方向で作用させるようにしたことを特徴とするレーザ溶接装置である。
【００２０】
請求項１３に記載の発明は、非対称交流磁化電源が、交流または直流成分を含む非対称交流を発生する請求項１２に記載のレーザ溶接装置である。
【００２１】
本発明において、交流磁界とは、一般的なサイン波のような波形や図３に示す矩形波交流及びこれらの入り混じった波形も意味し、時間的に一定の変動則で変化する波形の磁界全てを意味する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明は、交流磁場成分と一方向電流成分の相互作用によって、溶融池内に板厚方向に時間変動する電磁力が発生し、溶融金属の強制流動作用により結晶微細化や偏析防止による割れ防止や脱ガス効果などが得られる。また、板厚方向振動により裏波ビード形成部の微妙なぬれ現象を安定させ、表面状況やワイヤ送給速度、ワイヤ供給位置などの変化（外乱）による不安定性を改善できる。さらに、直流磁場成分と一方向電流の相互作用によって、溶融金属全体を一方向に流動制御する電磁力が発生し、ビード形状の制御も可能となる。そして、溶融池近傍に漏れ出た磁場成分（アークと直交する磁場成分）によって、アークを溶接線方向へと振動および／または偏向させる電磁力が発生し、アーク熱源が溶接線方向へ長く、幅が狭くなるような現象が発生するので、溶込み幅が減少し、溶込み深さが増大する好ましい予想外の効果も得られる。このように、本発明は、熱源形態の改善、ビード形状の改善、ビード形成の安定化、冶金的性能の向上など多くの効果が同時に得られる。
【００２３】
また、本発明は、溶接部の溶込み深さを制御する新しい手段を提供し、従来の溶接法の限界を広げ、生産性の向上、品質向上に有益である。さらに、本発明は、発電設備などのエネルギ機器、航空機、自動車などの輸送機器、大型構造物、各種大型機械の生産方法の改善に広く利用できるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明によるアーク溶接について図面を参照して説明するが、本発明はアーク溶接に限定されるものではなく、電流を供給する手段の追加によりレーザ溶接などの溶融溶接に広く適用できるものである。
【００２５】
図１において、本発明のアーク溶接装置は、溶接電源１に接続された溶接電極２と、添加ワイヤ用電源３に接続された添加ワイヤ４と、非対称交流磁化電源５に接続された磁化コイル６と、磁束を所定部へ誘導する鉄芯７より構成されている。
溶接電極２の先端から被溶接材（以下、母材という）８へアーク９が発生し、溶融池１０を形成している。溶接電極２は、ＴＩＧ溶接のように非消耗性電極でもよいし、ＭＡＧ溶接のように消耗電極でもよいが、ここではＴＩＧ溶接の例を図示している。溶接電極２は、通常、シールドノズルによりシールドされているが、一般的な構造であるので、シールドノズルは図示していない。添加ワイヤ４は、ワイヤ送給装置１１により連続的に送給されている。鉄芯７は、先端が２つに分かれており、図中の左側極を７a、右側極を７ｂとする。
溶接電極２、添加ワイヤ４及び磁極７は、しかるべき固定装置で相対位置を固定されており、相対位置を一定に保って母材上を移動できる機構の上に搭載されている。
磁極７は、適宜の形状に成型されており、溶接電極２と添加ワイヤの適正な配置の邪魔にならないように配置され、溶接作業に適した通常の幾何学的配置としている。
磁極７a，７ｂの先端には、車輪機構１５が設置されており、これらの磁極と母材のわずかな隙間を一定に保ちながら，滑らかに移動できる構造としている。磁極は、一定の高さを保つように、エアーシリンダーなどの駆動機構（図示略）で母材面に押し付けられている。なお、センサで一定距離を検知し、隙間を制御してもよい。
【００２６】
図２の溶融池近傍の断面図に示すように、溶融池１０をはさんで一対の磁極７a、７ｂを対向設置しているので、母材としてオーステナイト系ステンレス鋼などの非磁性体金属を用いた場合は、一方の磁極を漏れ出た磁束１２は、母材８、溶融池１０を貫通して相手磁極に回収される磁束１２や、空気中を通過しアーク部９を貫通して相手磁極に回収される磁束１２も存在する。なお、母材として鋼などの強磁性体を用いた場合でも、本発明の効果は十分発現でき、後の実施例で説明する。
【００２７】
磁化電源５は、図３に示すような非対称交流の磁化電流を発生でき、磁化電流のピーク電流値Ｉｃ、磁化電流の正の時間２４ｔｐと負の時間２５ｔｎの比、及び交流周波数Ｆが調整できる構造を採用しており、溶接条件に応じて適宜ピーク電流値Ｉｃ、周波数Ｆや下記の非対称率Ｄｒを任意に調整可能している。ここで、対称率が任意に調整できるということは、対称率Ｄｒ＝０または１では直流を流せることを意味し、非対称率Ｄｒ＝０．５では対称な交流（直流成分を含まぬ交流）を流せることを意味する。このことから、非対称交流磁化電源とは、直流から交流までを任意に調整できる電源と定義している。なお、非対称交流電流の発生方法及び装置構造は公知技術であり、市販品もあるので記述を省略する。
図３において、磁化電流の非対称率２０Ｄｒは、Ｄｒ＝ｔｐ／（ｔｐ＋ｔｎ）と定義しており、この時間比に応じて正極の電流２１と負極の電流２２が流れている。ここで、ｔｐ間の正極電流２０、ｔｎ間の負極電流２１を時間平均すると、認められる直流成分Ｉav＝Ｉｃ・（ｔｐ−ｔｎ）／（ｔｐ＋ｔｎ）を直流成分２３Ｉavとする。
このような磁化電流が磁化コイルに流れると、この電流波形に略対応した磁場が磁極先端より溶融池近傍に形成され、アークや溶融池内の電流との相互作用により電磁力（ローレンツ力）がアーク及び溶融池内に発生する。
【００２８】
本発明は、アーク溶接だけでなく、レーザ溶接にも適用することができる。図１の溶接電極２とアーク９に代えてレーザ光を照射し、これを溶融熱源として母材９に溶融池１０を形成する。レーザビームは、電流を伴わないが、溶融池に添加されるワイヤに加熱電流を通電しているので、溶融池内には電流が存在する。この電流に対し、母材と平行方向の磁場を付与することにより、直交する電流との相互作用により電磁力が発生する。この電磁力は、板厚方向の電磁力であるので、溶融池内に板厚方向の強制流動力を発生させ、溶込み深さを増減する効果を発揮する。また、熱源としてアークとレーザの両者を用いる併用ハイブリッド溶接の場合も、上記と同様な作用が起こる。
【実施例】
【００２９】
実施例１
図１に示すアーク溶接装置を用い、母材として板厚３ｍｍのＳＵＳ３０４、トーチマイナスの極性である（マイナス極性ということは集電装置を意味する）。溶接条件は、ＴＩＧ溶接のアーク電流１５５Ａ、溶接速度１２ｃｍ／分、ワイヤ極性プラス、ワイヤ送給速度１．４ｍ／分、ワイヤ加熱電流６０Ａ、磁化電流はピーク電流０．５Ａ、周波数５Ｈｚ、非対称率Ｄｒ＝０．７５で、下向姿勢で裏波溶接を行った。その結果を以下に示す。
【００３０】
＜電磁力の発生作用＞
一例としてＴＩＧ溶接で電極２が負の極性に接続されている場合は、添加ワイヤ４を正の極性に接続する（給電装置に該当する）。これによりアークと添加ワイヤ間にマクロな視野で見ると一方向電流１６Ｉｄが形成される。これに対し、非対称交流磁化電流２６Ｉｄｒを磁化コイル６に通電すると、対向磁極間には図２で示した磁化電流波形にほぼ比例した非対称交流磁場が発生する。この磁場と一方向電流１６Ｉｄの相互作用により図４（溶融池部の拡大図）に示すような溶融金属を上方向に駆動する電磁力１３Ｆｕが発生する時間が長く、溶融金属を下方向に駆動する電磁力１４Ｆｄが発生する時間が短い非対称な変動電磁力（ローレンツ力）が発生する。
これらの電磁力により溶融金属は板厚方向に（図４では上下方向）強制振動させられるが、図２の左側磁極７aの正極時の時間２４ｔｐを負極時の時間２５ｔｎより長くすると、時間平均的には上方向の電磁力１３Ｆｕが優勢となり、溶融金属全体は、上下に振動しながら上方向に押し上げられる。
アークに注目すると、直交する磁束１２は、同様に時間的に変動しているので、図４では、アークを左側に駆動するする電磁力３０Ｆｌと右側に駆動する電磁力３１Ｆｒが交互に発生し、アークを溶接線方向へ左右に偏向させる。この結果、時間平均的に見るとアークは溶接線方向に引き伸ばされた分布となるが、磁化電流の時間比に応じて右に偏った分布となる作用が発生する。
【００３１】
＜溶接現象と熱源形状改善効果：ビード形状制御効果＞
磁場を付与しない通常溶接では、図５（Ａ）に示すように、アーク９は前後左右対称の釣鐘状をしており、アークの足９Ａは広がっている。これに対し、非対称交流磁場を付与した場合、溶接線方向から観察すると図５（Ｂ）に示すように、アーク９Ｂの足が細くなり、９Ａに対し略１／２〜２／３程度に緊縮している。
この現象と、溶接線と直行する方向から観察したアーク現象から判断して、本発明は、アーク９は溶接線方向に長く、溶接幅方向に狭くなる効果が発生していると判断できる。 この熱源形状改善効果は、アーク溶接プロセスにおいて、ビード幅の低減、これに伴う溶落ちの防止や、アーク圧力の分散などによる高速溶接の可能化など好ましい効果を期待できる。
【００３２】
＜溶接結果の図示＞
図６（Ａ）は、前記の溶接条件例で磁場を付与しない実験条件における溶接部の断面マクロ写真である。このような溶接条件ではビード上面に溶接欠陥の一種である幅広いアンダーカット４０が形成され、裏波ビード幅やビード高さも過大となっており、産業上許容されない溶接結果となる。
一方、本発明では、図６（Ｂ）に示すように、全般的にビード幅が低減するとともに、ビード上面にも適正な余盛が形成され、裏面には裏波が形成されており、形状欠陥のない良好な継手が得られている。そして、本実施例では、表ビード幅は磁場を付与した場合２０％低減し、裏波ビード幅は３５％も低減している。このような溶接ビード幅が低減する効果は、熱源形状の改善効果によるものと考えられる。
【００３３】
＜溶融金属への作用・効果＞
電磁力が正の期間、溶融金属は、上方に強制流動させられて上方に凸の形状となり、電磁力が負の期間、溶融金属は、下方に強制流動させられて下方に凸の形状となるが、重力と下方に向かう電磁力で溶落ちしない程度の条件としている。本実施例では、正の方向に非対称な磁化電流を付与しているので、正の電磁力の期間が長く、時間平均的には上方に流動する電磁力が優勢となっている。
これを繰り返しながら凝固が進んでゆくので、図６（Ｂ）に示すように上方に押し上げられるよう制御されたビード形状が形成され、アンダーカットは解消し、大幅なビード改善効果が認められる。
【００３４】
＜凝固結晶微細化効果＞
電磁力振動がない場合は、アーク通過後よりボンド部４１（図中の点線で示す）より凝固が開始され、溶融池中央に向かって凝固が進み、図６（Ａ）に示すように細長く粗大化した柱状晶４２Ａが生成される。なお、図中には参考として粗大化した結晶の輪郭例を示してある。また、溶接部中央では粗大化した結晶同士が直線的に会合しており、割れには至っていないもののミクロ的な欠陥が発生しやすく、靭性、高温クリープ強度、使用中の脆化など金属学の観点からは好ましい状態ではない。
これに対し、本発明の溶接部である図６（Ｂ）では、磁場条件を除いて全く同じ条件で溶接しているが、継手部では全般的に凝固結晶は微細化傾向が強く認められ、図６（Ｂ）の比較的大きな柱状晶４２Ｂでも従来法に比べ１／３〜１／４程度までに大幅に微細化されている。また、溶接ビード中央部では小さい等軸晶状の結晶が多数発生している。
これにより、ミクロボイドの低減、偏析の低減、凝固割れ感受性の高い材料での割れ防止、溶接金属の異方性の低減など多くの効果が期待できる。
【００３５】
この原因としては、図３に示した非対称交流磁場と溶融池内のアーク電流、添加ワイヤ電流の相互作用で発生する非対称電磁力により、溶融金属が板圧方向（本実験では上下に反転流動）に強制流動させられ、（１）板幅方向に成長しようとする樹枝状晶に直交する電磁力や強制流動力が作用し、この先端部が折られて結晶の成長が抑制される、（２）折られた微細結晶破片が溶融池内分散し凝固の核として作用するため、さらに結晶数が増加し、１個あたりの成長寸法が抑制される結果となる、（３）溶融池の表裏面とも磁場周波数に略同期して上下振動していることが明瞭に観察されており、各振動ごとに高温の溶融金属が上下に位置を変動させ、熱流方向が変化する作用が生じて、結晶生長を抑制する効果が生ずるものと考えられる。
このことから、微細化効果の観点でもこれまでの磁気攪拌（溶融池面内での回転）にはない板厚方向の反転流動という新しい作用が発生している。また、溶融池自身の持つ固有振動数近傍に磁場周波数を付与することにより、板厚方向振動では振幅を拡大させることができ、従来の面内回転より振動効果を得やすい特徴がある。
【００３６】
＜裏波ビード形状改善の安定化効果＞
図７（Ａ）に、本発明者らの特許文献１に係わる直流磁界を用いて、同様な溶接を行った結果を示す。これによって、表ビード形状の改善効果は得られるが、裏波ビードの形成が不安定になりやすい課題があった。図７（Ａ）の実験では、磁化電流を連続的に変化させて溶接した場合に、急激な裏波ビード幅が不安定部で局所的に増減し（図７Ａ中の破線部内）、場合によっては裏波ビードが消失し融合不良欠陥が発生するなどの問題が生じている。
一方、本発明の実施例である図７（Ｂ）は、同様な磁化電流の変化に対し、滑らかに追従しており、外乱に対する安定性が極めて良好である。この原因として、本発明では板厚方向電磁力で高温溶融金属を強制的に下方に流動させるため、溶込みの貫通力を増大させる作用が生じ、裏面側の安定溶融効果を発現させていると考えられる。また、溶接線方向に長く分布する熱源形態も好ましい影響を与えており、板厚方向の電磁力と熱源形態の複合効果で、外乱に対する裏波ビード安定化効果が大きく向上している。
【００３７】
＜偏析防止・凝固割れ防止効果＞
電磁力による強制流動効果により偏析が防止されるとともに、結晶微細化効果により凝固結晶数が増加するため、Ｐ、Ｓなどの低融点不純物やＭｏなどの偏析しやすい物質が微細化された小結晶間に分散され、ビードの最終凝固部（多くは溶接ビードの中央部）に濃化しにくくなり、凝固割れの防止が可能となる。
【００３８】
＜脱ガス効果＞
電磁力による上下振動により、溶湯に過飽和に吸収されているガス成分が強制的にパージされ、ブローホール防止などの効果が認められた。特に、上方向に振動時にはガスの浮力による上昇を加速するため、従来の磁気攪拌法よりも脱ガス効果は顕著である。
【００３９】
実施例２
非対称交流は、図３のような時間比率調整以外に、磁化電流のピーク値を正極時と負極時に変えることによっても、同様な効果が得られことを確認した。
【００４０】
実施例１の条件は、実験を行ったうちの一例を示しただけであり、本発明は、通常的に使用されるＴＩＧ、ＭＡＧ、ＭＩＧ、サブマージ溶接法において、アークが安定に点弧され得る範囲のアーク電流、溶接速度、開先形状では、溶接姿勢によらず本発明の効果を発揮することができる。特に、裏波溶接では溶け込み深さが概略裏面まで貫通する溶接条件の組み合わせであれば、母材の板厚、種類を選ばず、裏波ビード形状の制御、安定化効果を得ることができる。また、第２層以降の溶接においても、表面ビード形状の制御、安定化、冶金的改善効果が得られることを確認している。
【００４１】
ただし、凝固結晶の微細化効果を狙う場合は、磁化電流の周波数は、その溶接条件で形成される溶融池形状・寸法、表面張力、密度で決定される固有振動数の１．５〜２倍の範囲とすることが必要であり、この範囲であれば、電磁力振動に対し溶融金属の振動が追従でき、本効果を得ることができる。また、非対称率が０より大きく１より小さい範囲であれば、本発明の目的とするビード形状制御とビート形状の安定化、凝固結晶微細化、脱ガス効果、凝固割れ防止の多機能な制御効果を用途に応じて得ることができる。
【００４２】
また、鋼などの強磁性体の場合は、磁極から出た磁束が母材に吸収されてしまい、溶融池内に十分な磁束密度を得ることができず、本発明の効果を得ることができないのではないかという懸念もあった。しかし、実験の結果、一方の磁極から母材に吸収された磁束が他方の磁極へ吸収される間に、母材部から溶融池へ磁束が漏れ出るため、溶融池を横断する十分な密度の磁束を確保することができ、強磁性体においても非磁性体と同様に良好な効果を得た。図８は、強磁性体である炭素鋼を用い、上向姿勢で実験を行った結果を示すが、アーク形態の偏平化、溶込み幅の低減、ビード形状の制御などが同様に得られている。図８の溶接条件は図６の場合とほぼ同様である。
【００４３】
磁極と溶接電極の位置関係は、母材をはさんで対向するように設置（図１で、コイルと磁極は下側に配置した場合）しても、図１の場合と同様な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明のアーク溶接装置の一例を示す概念図
【図２】図１のＡ−Ａ 断面視図
【図３】非対称交流磁化電流の波形図例
【図４】図１のＢ−Ｂ 断面視図
【図５】溶接線方向から観察したークの形態例 （Ａ）磁場を付与しない場合 （Ｂ）非対称交流磁場を付与した場合
【図６】ビード形状制御と凝固結晶微細化効果を示す写真 （Ａ）磁場を付与しない場合 （Ｂ）非対称交流磁場を付与した場合
【図７】裏波ビード安定化効果を示す写真 （Ａ）磁場を付与しない場合 （Ｂ）非対称交流磁場を付与した場合
【図８】ビード形状制御とビード幅低減効果を示す写真 （Ａ）磁場を付与しない場合 （Ｂ）非対称交流磁場を付与した場合
【符号の説明】
【００４５】
１：溶接電源、２：溶接電極、３：添加ワイヤ用電源、４：添加ワイヤ、５：非対称交流磁化電源、６：磁化コイル、７：鉄芯，７a ：磁極、７ｂ：磁極（７a の逆極性の磁極）、８：母材、９：アーク、９Ａ：磁場がないときのアークの足部，９Ｂ：交流磁場を付与したときのアークの足部，１０：溶融池、１１：ワイヤ送給装置、１２：磁束、
１３Ｆｕ：溶融金属を上方向に駆動する電磁力、１４Ｆｎ：溶融金属を下方向に駆動する電磁力、１５：車輪機構、１６Ｉｄ：一方向電流、２０Ｄｒ：磁化電流の非対称率、２１：正極時の電流、２２：負極時の電流、２３Ｉav：時間平均時の直流成分、２４ｔｐ：正極時の時間、２５ｔｎ：負極時の時間、２６ＩＤｒ：非対称交流磁化電流、３０Ｆｌ：アークを左に駆動する電磁力、３１Ｆｒ：アークを右に駆動する電磁力、４０：アンダーカット欠陥、４１：溶接部のボンドライン、４２Ａ：粗大化した柱状晶、４２Ｂ：微細化した柱状晶、５０：通電チップ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接材に対向してエネルギ束を投入または照射して被溶接材に溶融池を形成し、前記エネルギ束または前記溶融池内に流れる電流と交差させる方向で直流磁界成分を含み交流的に変動する磁界を付与することを特徴とする溶接方法。
【請求項２】
被溶接材に対向してエネルギ束を投入して溶融池を形成し、前記溶融池内に方向性の強い電流を形成させるとともに、直流磁界成分を含み交流的に変動する磁界を被溶接材面と略平行かつ前記溶融池内の電流またはエネルギ束と交差させる方向で付与することにより、前記溶融池内に電磁力を発生させることを特徴とする溶接方法。
【請求項３】
被溶接材に対向してエネルギ束を発生させて被溶接材に溶融池を形成し、前記エネルギ束又また前記溶融池内に流れる電流と交差させる方向で交流的に変動する磁場を付与することを特徴とする溶接方法。
【請求項４】
被溶接材と磁極とを一定間隔に保ち、かつ溶融池と磁極とを一定距離に保つ請求項１〜３のいずれかに記載の溶接方法。
【請求項５】
時間的に変動する電磁力で溶融金属を板厚方向に振動および／または一方向へ流動させる請求項１〜４のいずれかに記載の溶接方法。
【請求項６】
直流成分磁界により発生する一方向電磁力で溶融金属を流動制御する請求項１〜５のいずれかに記載の溶接方法。
【請求項７】
アークが母材に向かう方向と略直交する方向に交流磁界または直流成分を含む交流磁界を付与し、電磁力でアークを溶接線方向に振動および／または偏向させることを特徴とするアーク溶接方法。
【請求項８】
電磁力でアークを時間平均的に熱源が溶接線方向に長く分布し、溶接線と直行する方向に狭く分布するように偏平化させる請求項７に記載のアーク溶接方法。
【請求項９】
アークが被溶接材に向かう方向と略直交する方向で交流的変動磁場を付与し、前記アークと溶融金属を同時に電磁力駆動する請求項１〜８のいずれかに記載のアーク溶接方法。
【請求項１０】
被溶接材に対向してアークを発生させて溶融池を形成するアーク溶接装置において、非対称交流磁化電源と前記溶融池の近傍に対向磁極を備え、前記非対称交流磁化電源から供給された非対称交流電流により前記対向磁極からから発生させた磁束を前記アークおよび／または溶融池内を流れる電流と交差させる方向で作用させるようにしたことを特徴とするアーク溶接装置。
【請求項１１】
非対称交流磁化電源が、交流または直流成分を含む非対称交流を発生する請求項１０に記載のアーク溶接装置。
【請求項１２】
アークまたはコロナ放電などの放電機構および／または溶融池近傍に直接通電する機構を有し、溶融池に電流を供給しながら被溶接材にレーザビームを照射して溶融池を形成するレーザ溶接装置において、非対称交流磁化電源と前記溶融池の近傍に対向磁極を備え、前記非対称交流磁化電源から供給された非対称交流電流により前記対向磁極からから発生させた磁束を前記放電または前記溶融池内の電流に交差させる方向で作用させるようにしたことを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項１３】
非対称交流磁化電源が、交流または直流成分を含む非対称交流を発生する請求項１２に記載のレーザ溶接装置。
【請求項１】
被溶接材に対向してエネルギ束を投入または照射して被溶接材に溶融池を形成し、前記エネルギ束または前記溶融池内に流れる電流と交差させる方向で直流磁界成分を含み交流的に変動する磁界を付与することを特徴とする溶接方法。
【請求項２】
被溶接材に対向してエネルギ束を投入して溶融池を形成し、前記溶融池内に方向性の強い電流を形成させるとともに、直流磁界成分を含み交流的に変動する磁界を被溶接材面と略平行かつ前記溶融池内の電流またはエネルギ束と交差させる方向で付与することにより、前記溶融池内に電磁力を発生させることを特徴とする溶接方法。
【請求項３】
被溶接材に対向してエネルギ束を発生させて被溶接材に溶融池を形成し、前記エネルギ束又また前記溶融池内に流れる電流と交差させる方向で交流的に変動する磁場を付与することを特徴とする溶接方法。
【請求項４】
被溶接材と磁極とを一定間隔に保ち、かつ溶融池と磁極とを一定距離に保つ請求項１〜３のいずれかに記載の溶接方法。
【請求項５】
時間的に変動する電磁力で溶融金属を板厚方向に振動および／または一方向へ流動させる請求項１〜４のいずれかに記載の溶接方法。
【請求項６】
直流成分磁界により発生する一方向電磁力で溶融金属を流動制御する請求項１〜５のいずれかに記載の溶接方法。
【請求項７】
アークが母材に向かう方向と略直交する方向に交流磁界または直流成分を含む交流磁界を付与し、電磁力でアークを溶接線方向に振動および／または偏向させることを特徴とするアーク溶接方法。
【請求項８】
電磁力でアークを時間平均的に熱源が溶接線方向に長く分布し、溶接線と直行する方向に狭く分布するように偏平化させる請求項７に記載のアーク溶接方法。
【請求項９】
アークが被溶接材に向かう方向と略直交する方向で交流的変動磁場を付与し、前記アークと溶融金属を同時に電磁力駆動する請求項１〜８のいずれかに記載のアーク溶接方法。
【請求項１０】
被溶接材に対向してアークを発生させて溶融池を形成するアーク溶接装置において、非対称交流磁化電源と前記溶融池の近傍に対向磁極を備え、前記非対称交流磁化電源から供給された非対称交流電流により前記対向磁極からから発生させた磁束を前記アークおよび／または溶融池内を流れる電流と交差させる方向で作用させるようにしたことを特徴とするアーク溶接装置。
【請求項１１】
非対称交流磁化電源が、交流または直流成分を含む非対称交流を発生する請求項１０に記載のアーク溶接装置。
【請求項１２】
アークまたはコロナ放電などの放電機構および／または溶融池近傍に直接通電する機構を有し、溶融池に電流を供給しながら被溶接材にレーザビームを照射して溶融池を形成するレーザ溶接装置において、非対称交流磁化電源と前記溶融池の近傍に対向磁極を備え、前記非対称交流磁化電源から供給された非対称交流電流により前記対向磁極からから発生させた磁束を前記放電または前記溶融池内の電流に交差させる方向で作用させるようにしたことを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項１３】
非対称交流磁化電源が、交流または直流成分を含む非対称交流を発生する請求項１２に記載のレーザ溶接装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−５５４４６（Ｐ２００８−５５４４６Ａ）
【公開日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２３３０１０（Ｐ２００６−２３３０１０）
【出願日】平成１８年８月３０日（２００６．８．３０）
【出願人】（５０４２３７０５０）独立行政法人国立高等専門学校機構 (656)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月１３日（２００８．３．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月３０日（２００６．８．３０）
【出願人】（５０４２３７０５０）独立行政法人国立高等専門学校機構 (656)
【Ｆターム（参考）】
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