ＭＩＧ溶接方法
【課題】 溶け込み促進が図れて深溶け込みが可能で、安定した溶接を迅速に行えるＭＩＧ溶接方法を提供すること。
【解決手段】 純度の高い不活性ガスをシールドガスとしたＭＩＧ溶接であり、被溶接板１の溶接継手部８の表面２に活性フラックスＦを塗布し、この溶接継手部８をＭＩＧ溶接する。
【解決手段】 純度の高い不活性ガスをシールドガスとしたＭＩＧ溶接であり、被溶接板１の溶接継手部８の表面２に活性フラックスＦを塗布し、この溶接継手部８をＭＩＧ溶接する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＩＧ溶接（Metal Inart Gas Arc Welding）の方法に関し、詳しくは、深溶込みが可能なＭＩＧ溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、アーク溶接の方法として、ＭＩＧ溶接とともに、ＴＩＧ溶接（Tungsten Inart Gas Arc Welding）、ＭＡＧ溶接（Metal Active Gas Arc Welding）が広く知られている。
【０００３】
前記ＴＩＧ溶接は、タングステン電極と被溶接板との間でアークを発生させて溶接するものであり、作業者が溶接状況に応じて溶接ワイヤを供給しながら溶接する。そのため、このＴＩＧ溶接では、ＭＡＧ溶接に比べてアークの集中度が低く、溶接状況に応じて溶接ワイヤを供給するので溶接速度を上げるのが難しく、例えば、板厚が６ｍｍ程度であれば、溶接速度が１００ｍｍ／ｍｉｎ（２５０Ａの場合）程度であり、迅速な溶接は難しい。
【０００４】
また、前記ＭＡＧ溶接とＭＩＧ溶接とは、溶接ワイヤと被溶接板との間でアークを発生させて溶接するものであり、溶接の進行に伴って電極となっている溶接ワイヤが自動的に供給されて迅速な溶接が行える。ＭＡＧ溶接とＭＩＧ溶接とはシールドガスの成分が異なるが、他の構成は基本的には同一であり、例えば、板厚が６ｍｍ程度であれば、溶接速度が５００ｍｍ／ｍｉｎ程度の自動溶接を行うことができる。
【０００５】
一方、前記ＴＩＧ溶接において、開先を形成するための時間と労力を軽減し、突合せ溶接継手のＩ開先でも溶接線を一方向に１回の溶接（以下、「１パス」という。）で結合することができる溶接方法が提案されている。このような溶接方法として、活性フラックスを用いたＡ−ＴＩＧ溶接（アクティブ・ティグ溶接）と呼ばれる溶接方法がある。この溶接方法は、酸化物を主体とした粉末状の活性フラックスを揮発性溶剤に溶いて刷毛で被溶接板の表面に塗布し、その部分をＴＩＧ溶接することにより深溶込みを可能とするものである。
【０００６】
この深溶込みのメカニズムとしては、通常のＴＩＧ溶接の場合、図１４(a) に示すように、プラズマ気流とマランゴニ効果（溶融池内の対流現象）による溶融池Ｍ内の対流は外向きであり、アークからの入熱がこの流れに沿って表面全体に伝わるため、表面温度勾配は緩やかとなる。このため、金属の蒸発が広い範囲で生じて、結果的にメタルプラズマが表面全体に広がる。一方、Ａ−ＴＩＧ溶接の場合、図１４(b) に示すように、酸素による表面張力分布の変化によってマランゴニ対流の向きが変わり、プラズマ気流による摩擦力よりも優勢となるため、溶融池Ｍ内の対流は内向きとなる。このため、アークからの入熱は深さ方向に伝わり、表面温度勾配が大きくなって、金属の蒸発は高温部の局所に集中し、メタルプラズマの分布も局所的で明瞭な陽極ルート部を形成する。この局所的な陽極ルートの形成により電流密度が増加すると、溶融池内対流の下向きに働く電磁力が増加する。そして、マランゴニ対流の向きとこの電磁力の増加との相乗効果によって、深溶込みが達成される、というものである（例えば、非特許文献１）。
【０００７】
また、この種の従来技術として、溶接時に活性フラックスを塗布する工程を省略するために、鋼板の表面全体に活性フラックスの被膜を形成するようにしたものや（例えば、特許文献１参照）、活性フラックスを予め溶接ワイヤの表面に被覆させたものがある（例えば、特許文献２参照）。
【非特許文献１】「ＴＩＧ溶接における活性フラックスによる溶込み促進機構」 ２００２年第２号、Ｐ９５−９９ 溶接学会
【特許文献１】特開２００４−２８５３９５号公報（第５−６頁、図１）
【特許文献２】特開２００４−２８３８５８号公報（第４頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記非特許文献１および特許文献１，２は、いずれもＴＩＧ溶接に関するものであり、作業者が溶接ワイヤを供給しながら溶接線に沿って作業するので溶接速度は前記したように遅く、例えば、船舶の船殻構造のように多くの溶接継手部を溶接するには、非常に多くの時間と労力を要してしまう。
【０００９】
また、溶接に応じて溶接ワイヤを供給する作業は熟練を要するが、近年、熟練作業者が大幅に減少している。そのため、熟練を要することなく安定した溶接品質を保てる溶接方法が望まれている。
【００１０】
さらに、前記非特許文献１や特許文献１，２等に記載されているＴＩＧ溶接によって１パスで溶接できる板厚は比較的薄く、例えば、６ｍｍ程度が板厚貫通溶込みの限界と言われており、さらに厚い板厚の被溶接板の溶接も可能な溶接方法が望まれている。
【００１１】
その上、前記船舶の場合、比較的薄い板を使っている箇所では、溶接歪による外観上および施工上の問題から、要求される板厚以上の厚みの板を使用せざるを得ない場合があり、その場合には船体重量の増加を招いてしまう。この重量増加は、船舶の場合には主機の出力や航行性能に影響するとともに、コスト面でも問題になり、軽量化が望まれている。そのため、溶接歪が小さく生産性の高い溶接方法が望まれている。
【００１２】
そこで、本発明者らは、このような実情に鑑みて、溶け込み促進を図って深溶け込みが可能で安定した溶接を効率良く行える溶接方法として、前記非特許文献１と特許文献１，２に記載されていないＭＩＧ溶接について検討した。
【００１３】
この検討過程で、ＭＩＧ溶接のような消耗式電極では、前記ＴＩＧ溶接のように活性フラックスを用いても一般に深溶込みはないとされていたが、これは通常の消耗式電極法では、鋼もしくはステンレス鋼の溶接に、１００％ＣＯ2ガス、またはＡｒガス＋２０〜４０％ＣＯ2ガス、もしくはＡｒガス＋５％Ｏ2ガス、のいずれかのシールドガスを使用していることによるものではないかと考えた。
【００１４】
ＭＩＧ溶接の場合、図１５(a) に示すように、アーク中にワイヤから被溶接物へのプラズマ流Ｐが発生し、そのプラズマ流Ｐにより溶融池Ｍ内に対流が発生し、ＴＩＧ溶接よりも深溶込みが得られる特性を有する。この効果は、シールドガス（図の二点鎖線）のアルゴン濃度が高いほど起きやすく、純アルゴンで最大となる。
【００１５】
このことから、ＭＩＧ溶接では、シールドガスからの過剰酸素供給が深溶込みの阻害因子と考え、低濃度の酸素を含むシールドガス（純アルゴンから０．２％刻みで酸素添加量を変化）によりＭＩＧ溶接の試験を実施したが、酸素量が低下しても、明確な深溶込みが得られないという結果を得た。
【００１６】
そして、これらのことから、本発明者らは、活性フラックス（金属酸化物粉末）を添加したＭＩＧ溶接について実験を行った。その結果、図１５(b) に示すように、活性フラックスがアーク熱により加熱されて放出される金属蒸気Ｓによりプラズマ流Ｐが緊縮化し、より集中性の高いプラズマ流Ｐとなって、通常のＭＩＧ溶接よりもさらに溶融池Ｍ内で深溶込みを得ることが可能であるとの結果を得た。また、活性フラックスから供給される酸素が溶融池の溶融金属の粘性を低下させることで、アーク直下の溶融金属が押しのけられやすくなり、プラズマ流が板厚深くまで届くことが深溶込みや板厚貫通溶込みが得られる効果を創出すると考え、種々の実験を行って、本発明を創作した。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、純度の高い不活性ガスをシールドガスとしたＭＩＧ溶接方法であって、被溶接板の溶接継手部の表面に活性フラックスを塗布し、該溶接継手部をＭＩＧ溶接するものである。活性フラックスとしては、例えば、二酸化チタン（ＴｉＯ2）や二酸化珪素（ＳｉＯ2）、酸化クロム（Ｃｒ2Ｏ3）等の金属酸化物の単体もしくは複合体が用いられる。このように、溶接継手部の表面に活性フラックスを塗布し、シールドガスに純度の高い不活性ガス（アルゴン、ヘリウム等）を使用してＭＩＧ溶接をすることにより、溶接部における過剰酸素状態を防止し、溶融金属の表面張力を低下させるとともにプラズマ流を緊縮化させて、溶接速度の速いＭＩＧ溶接で深溶込みが可能な溶接を安定して行うことができる。また、深溶込みで安定した裏波ビードを形成しながら、ＭＩＧ溶接で迅速な溶接を行うことができる。
【００１８】
また、前記溶接継手部の開先に前記活性フラックスを塗布し、該溶接継手部をＭＩＧ溶接するようにしてもよい。これにより、厚板の被溶接板であっても、深溶込みによって安定した裏波ビードを形成できる溶接を迅速に行うことができる。
【００１９】
さらに、前記活性フラックスを前記溶接継手部の裏面側に塗布し、該溶接継手部をＭＩＧ溶接するようにしてもよい。これにより、より安定した深溶込みの溶接を行うことができる。
【００２０】
また、前記溶接継手部の裏面に裏当て材を設ければ、深溶込みによる板厚貫通溶込みにより裏側への溶け落ちを防止して、裏波ビードが安定した溶接を行うことができる。
【００２１】
さらに、前記裏当て材の被溶接板側に活性フラックスを塗布し、前記溶接継手部をＭＩＧ溶接するようにしてもよい。これにより、裏当て材に塗布した活性フラックスによる深溶込みによって、安定した裏波ビードを形成できる溶接を迅速に行うことができる。
【００２２】
また、前記純度の高い不活性ガスが純アルゴンガスであれば、入手し易く、安定した溶接を行うことができる。
【００２３】
さらに、前記被溶接板の溶接継手部に塗布した活性フラックスをアーク熱で加熱して金属蒸気を放出させてプラズマ流を緊縮化させることにより溶融池内での深溶込みを得るようにしてもよい。これにより、緊縮化させたプラズマ流による溶融池内での安定した深溶込みが可能であり、裏波ビードを安定して形成できるＭＩＧ溶接が容易に行える。
【００２４】
また、前記活性フラックスから供給される酸素で溶融池内の溶融金属の粘性を低下させて前記深溶込みが増すようにすれば、より安定した深溶込みが可能なＭＩＧ溶接を行うことができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は、以上説明したような手段により、ＭＩＧ溶接による深溶込みが可能で、迅速なＭＩＧ溶接で安定した溶接を行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、被溶接板の一例を示す図面であり、(a) は平面図、(b) は側面図、(c) はＣ部拡大図である。以下の実施の形態の活性フラックスＦを塗布したＭＩＧ溶接では、Ｉ開先で突合せ継手の溶接を行う例を説明する。また、活性フラックスＦの塗布は、被溶接板１の表面２に塗布した場合と、さらに開先面３、裏面４へ塗布した場合を説明する。また、被溶接板１の裏面４への活性フラックスＦの塗布は労力を要するので、被溶接板１の裏面４に裏当て材５を設け、この裏当て材５の被溶接板１側の面に活性フラックスＦを塗布した例も説明する。この活性フラックスＦとしては、前記した二酸化チタン（ＴｉＯ2）や二酸化珪素（ＳｉＯ2）、酸化クロム（Ｃｒ2Ｏ3）等の金属酸化物の単体もしくは複合体で、化学平衡となるものが好ましい。なお、以下の説明では、「活性フラックスＦを塗布する」ことを、「活性フラックスＦを用いる」と表現する場合もある。
【００２７】
以下、本発明者らが前記した効果を実証すべく、複数の条件で実験を行って確認した実験結果を説明する。
【実施例１】
【００２８】
前記図１に示す被溶接板１を例にした実験結果を説明する。被溶接板１としては、板厚ｔが６ｍｍ、幅Ｗが１００ｍｍ、長さＬが２５０ｍｍで、材質がＳＭ４００（軟鋼）の板材である。そして、この被溶接板１同士を突合せ継手で溶接している。溶接継手部８の溶接線６に沿って設けられた開先は、Ｉ開先でギャップ０ｍｍである。活性フラックスＦとしては、「市販活性フラックス（７０％ＴｉＯ2＋２０％Ｃｒ2Ｏ3＋１０％ＳｉＯ2）」を使用し、６０μｍの膜厚となるように塗布している。図２(a) 〜(d) は、図１の被溶接板に対する活性フラックスＦの塗布方法を示す被溶接板の断面図である。被溶接板１への活性フラックスＦの塗布方法としては、活性フラックスＦを塗布しない場合、表面２にのみ塗布した場合、表面２と開先面３とに塗布した場合、表面２と開先面３と裏面４とに塗布した場合、の４種類について実験した。図３は、溶接施工条件を一覧表形式で示した図面であり、溶接施工条件の主要項目としては、溶接機；ダイヘン インバータオート５００、溶接ワイヤ；ＪＦＥ ＫＭ−５０ １．２ｍｍ径、シールドガス；１００％アルゴンガス、溶接速度；６００ｍｍ／ｍｉｎ、溶接電流；３６０Ａ、等である。溶接電圧は、混合ガス溶接時の標準電圧に設定している。他の溶接施工条件の詳細は、図３に示す。さらに、板厚貫通溶込みにより裏側への溶け落ちが発生して裏波ビードが安定しないのを防止するために、裏当て材５（神戸製鋼所 ＦＢＢ−３ Ａサイズ）を設けた例も説明する。
【００２９】
図４は、図２に示す活性フラックスＦを塗布した被溶接板の溶接部における断面マクロの写真であり、上部から前記図２に示す(a) 〜(d) に対応した溶接部の断面マクロである。また、図５は、図２に示す活性フラックスＦを塗布した被溶接板の溶接部に裏当て材を設けた場合の断面マクロを示す写真であり、上部から前記図２に示す(a) 〜(d) に対応した溶接部の断面マクロを示し、(e) は裏当て材に活性フラックスＦを塗布した場合の断面マクロである。
【００３０】
この実施例１に係るＭＩＧ溶接によれば、図４，５に示すように、板厚中央を境に表面側は通常のＭＩＧ溶接による溶け込みであるが、裏面側は幅の狭い溶け込み形状となる。(a) の活性フラックスＦを塗布しない場合には、板厚の２／３程しか溶込みが与えられないが、(b) の表面２へ活性フラックスＦを塗布した場合には、溶接条件が同じでも板厚貫通溶込みが得られることが確認できる。また、開先面３への活性フラックスＦの塗布、裏面４への活性フラックスＦの塗布により、裏波ビード７の高さが増加していることがわかる。
【００３１】
これは、ＭＩＧ溶接の場合、開先面や裏面へ活性フラックスＦを塗布することにより裏面側での溶接金属の表面張力の低下により、アーク直下では溶融金属がアーク力により押しのけられやすくなり、裏面までアーク熱が到達できたことが主要因であると考えられる。この場合、活性フラックスＦを開先面３や裏面４に塗布することで、深溶込みが促進されている。
【００３２】
また、被溶接板１の裏面にまで強いアーク力が到達しているので、図５に示すように、裏当て材５を設けることによって安定した裏波ビード７を形成している。なお、図５(e) に示すように、アーク力が強いため、裏当て材５の被溶接板１側に活性フラックスＦを塗布しても、前記(d) と同様に深溶込みが可能であるとともに、安定した裏波ビード７の形成が可能である。
【００３３】
このように、ＭＩＧ溶接で溶接する被溶接板１の溶接継手部８に活性フラックスＦを塗布し、シールドガスとして１００％アルゴンガスを使用することにより、被溶接板１に塗布した活性フラックスＦによってプラズマ流が緊縮化し、安定した裏波ビード７の形成ができる。しかも、前記したように、活性フラックスＦを被溶接板１の表面側にのみ塗布することで深溶け込みが可能であるが、開先面３や裏面４に活性フラックスＦの塗布を追加することで、溶融金属の表面張力が低下し、また裏波ビードの形状も安定化させることができる。この被溶接板１の裏面への活性フラックスＦの塗布は、予め活性フラックスＦを塗布した一時裏当て材５を被溶接板１の裏面に貼り付けても、裏面へ活性フラックスを塗布した場合と同様の効果を得ることができる。
【００３４】
したがって、活性フラックスＦを用いたＭＩＧ溶接によれば、シールドガスに１００％アルゴンガスを用いることによって、活性フラックスＦによる深溶込み効果でＩ開先の突合せ溶接が１パスで可能となり、開先加工コストの低減を図ることができる。しかも、１パスでの板厚貫通溶込みが可能な板厚範囲を拡大することができ、かつ溶接速度を増大させることも可能である。
【実施例２】
【００３５】
図６は、本発明の実施例２に係る被溶接板の開先部拡大図である。この実施例２では、被溶接板１の開先にギャップＧを設けたものである。図７は、図６に示す活性フラックスＦを塗布した被溶接板の溶接部における断面マクロの写真であり、(a) 〜(d) は溶接継手部８のギャップＧ（ルートギャップ）を変化させた場合の溶接部における断面マクロを示している。このギャップＧとしては、０〜３ｍｍの間で、１ｍｍ刻みに変化させている。
【００３６】
この実施例２の結果から、活性フラックスＦを用いたＭＩＧ溶接での施工裕度としては、突合せ継手において、ルートギャップＧを変化させた場合でも、活性フラックスＦの深溶込み効果への影響はなく、１パスで板厚貫通溶込みが得られることがわかる。ただし、ギャップＧの量に応じて、電流・溶接速度による溶着量の調整は必要である。なお、トーチ角度としては、面直に設定したものが板厚貫通溶込みや裏波ビード７の安定化のためには適している。
【実施例３】
【００３７】
図８は、本発明の実施例３に係る被溶接板の施工裕度を示す説明図である。この実施例３は、板厚６ｍｍの被溶接板１における施行裕度の影響を確認するために実験したものである。この実験は、溶接電流と溶接速度との関係から裏波ビードの形成状態をまとめたものであり、溶接電流と溶接速度とをパラメータとして、貫通溶込みが得られる溶接条件を確認している。溶接施工条件としては、前記実施例１と同様である。また、この場合も、トーチ角度は面直に設定している。
【００３８】
図示するように、電流値が低い、２８０Ａ、３００Ａの場合には、溶接速度を遅くしても、表面からの熱伝導による溶融が支配的であり、板厚貫通溶込みを得ることができない。また、３２０Ａでは、部分的に板厚貫通溶込み部分があるが、どの溶接速度でも溶接線全線で板厚貫通溶込みが得られる条件は存在しない。しかし、３４０Ａを越える電流域から溶接線全線で板厚貫通溶込みを得られる溶接速度域が存在するようになり、その板厚貫通溶込みを得られる溶接速度域は溶接電流が増加するにつれて高速側へと拡大していく。
【００３９】
このように、活性フラックスＦを用いたＭＩＧ溶接で板厚貫通溶込みを安定して得るには電流の下限値が存在し、Ｉ開先の１パスのみで板厚貫通溶込みを得られる下限溶接電流は、板厚ｔが６ｍｍの突合せ継手では３４０Ａであり、また、その値以上であれば、電流値が高いほど、板厚貫通溶込みが得られる溶接速度範囲も拡大する傾向がある。
【実施例４】
【００４０】
図９は、本発明の実施例４に係る被溶接板の施工裕度を示す説明図である。この実施例４は、前記実施例３と被溶接板１の板厚が異なっており、板厚９ｍｍの被溶接板１における施行裕度の影響を確認するために実験したものである。溶接施工条件としては、前記実施例１と同様であるが、溶接電圧を混合ガス溶接時の標準電圧よりも１Ｖ程度低めに設定している。この場合も、トーチ角度は面直に設定している。
【００４１】
このように、被溶接板１の板厚ｔが９ｍｍの突合せ継手のＩ開先で、１パスのみで溶接線全線にわたり板厚貫通溶込みを得られる下限溶接電流は、板厚が増加したことにより、板厚６ｍｍの３４０Ａに対して４２０Ａに増加する。また、板厚６ｍｍと同様に、溶接電流の増加に伴い、安定した板厚貫通溶込みを得られる溶接速度域も拡大する傾向が認められる。なお、この場合の溶接電源としては、４６０Ａまで行っている。さらに、前記４２０Ａ以上であれば、電流値が高いほど板厚貫通溶込みが得られる溶接速度範囲も拡大する傾向にある。
【実施例５】
【００４２】
図１０は、本発明の実施例５に係る被溶接板の平面図である。図１１は、図１０に示す被溶接板に生じる溶接変形と従来法による溶接変形との説明図であり、(a) は本発明の断面マクロと面外変形量の３次元グラフ、(b) は従来法のＩ開先における断面マクロと面外変形量の３次元グラフ、(c) は従来法のＶ開先における断面マクロと面外変形量の３次元グラフとを示している。この実施例５で溶接変形量を計測する被溶接板１は、板厚ｔが６ｍｍ、幅Ｗが５００ｍｍ、長さＬが２５０ｍｍ、材質がＳＭ４００の板材を突合せ継手で溶接したものである。また、この実施例５で活性フラックスＦを塗布したＭＩＧ溶接と比較する従来法としては、フラックスコアーワイヤ（神鋼 ＤＷ−１００ １．２ｍｍ径）によるＣＯ２溶接を用いている。なお、ＣＯ２溶接としては、Ｉ開先とＶ開先とで実験している。また、一部の溶接施工条件は図中に示している。さらに、図１１では、被溶接板１の溶接断面と、溶接後の被溶接板１における図１０に示す各溶接変形計測位置９における面外変形量を３次元グラフで示している。この３次元グラフには、縦曲がり変形量、角変形量について合せて示されている。
【００４３】
図１１に示すように、溶接入熱量では、(a) に示す活性フラックスＦ塗布したＭＩＧ溶接では、(b) に示す従来溶接法のＩ開先に比べて約６１％、(c) に示すＶ開先に比べて７８％まで低減されている。また、３次元グラフに示すように、３次元の面外変位量、縦曲がり変形量、角変形量とも、(b) 従来溶接法Ｉ開先＞(c) 従来溶接法Ｖ開先＞(a) 活性フラックスＦを塗布したＭＩＧ溶接、の順に小さくなっている。特に、活性フラックスＦを塗布したＭＩＧ溶接では、従来法の溶接に比べて溶接変形量が格段に小さいことが数値的に明らかである。
【００４４】
これは、活性フラックスＦを用いることによって深溶込みが得られるので、低入熱化や溶融断面積の低減を図ることができて溶接変形を抑えることができるものと考えられる。また、深溶込み効果により、板厚貫通溶込みを得るための入熱量を低減でき、従来の溶接法に比べて溶接変形を低減できる効果があり、これにより溶接後の歪み修正を極小化することができる。なお、溶接電圧は、溶接機の標準設定値よりやや低めの値を設定する方が、板厚貫通溶込みを得やすい。
【実施例６】
【００４５】
図１２は、本発明の実施例６に係る、被溶接板に生じる溶接変形と従来法による溶接変形とを示す説明図であり、(a) は本発明の断面マクロと面外変形量の３次元グラフ、(b) は従来法のＶ開先における断面マクロと面外変形量の３次元グラフとを示している。この実施例６は、前記実施例５における被溶接板１の板厚ｔを６ｍｍから９ｍｍにして実験したものであり、他の条件は同じである。
【００４６】
この実施例６では、(a) に示す活性フラックスＦを塗布したＭＩＧ溶接では、(b) に示す従来の溶接法に比べて、溶接変形量が１／５〜１／４と格段に小さいことがわかる。これは、活性フラックスＦによる深溶込み効果に伴う溶融幅の狭小化と、入熱量の低減によるものと考えられる。
【実施例７】
【００４７】
図１３は、本発明の実施例７に係る、活性フラックスを塗布した被溶接板の溶接部における断面マクロの写真であり、(a),(c) は従来の溶接法による溶接部の断面マクロを示し、(b),(d) は活性フラックスＦを用いた溶接法による断面マクロを示している。この実施例７は、薄板についての実験であり、溶接施工条件としては、被溶接板１の板厚ｔが３．２ｍｍ、材質がＳＭ４００（軟鋼）、開先はＩ開先でギャップＧ；０ｍｍ、溶接ワイヤ；ＪＦＥ ＫＭ−５０ １．２ｍｍ径、シールドガス；１００％アルゴンガス、等である。図示する(a),(b) と(c),(d) とは活性フラックスＦの有無以外は同一条件であり、他の溶接施工条件は図中に示す。活性フラックスＦとしては、「市販活性フラックス（７０％ＴｉＯ2＋２０％Ｃｒ2Ｏ3＋１０％ＳｉＯ2）」を使用し、６０μｍの膜厚となるように塗布している。
【００４８】
図示するように、(a),(c) の活性フラックスＦを用いない場合に比べて、(b),(d) の活性フラックスＦを用いた場合は、深溶込みによって確実な板厚貫通溶込みで裏波ビード７を形成した溶接ができることがわかる。また、(b),(d) に示す断面マクロでは溶接の仕上がりは同等であるが、溶接速度が大きく異なり、被溶接板１の状態や溶接条件等に応じて高速の溶接を行うことができる。
【００４９】
以上のように、各実施例で実証されるように、活性フラックスＦを用いたＭＩＧ溶接によれば、入熱量を低減できる効果があるとともに、溶接溶融幅を従来の溶接法と比べて１／２程度まで狭くできるので、溶接変形量が従来の溶接法と比べて、１／５〜１／４と格段に小さくなり、安定した溶接が可能となる。しかも、入熱範囲を小さくするとともに、入熱時間を短時間にすることにより、溶接後の歪みによる変形量を小さく抑えることがでる。これは、プラズマ流が緊縮化することによって深溶込みが成されているものと判断できる。したがって、溶接速度の速いＭＩＧ溶接で深溶込みが可能な溶接を安定して行うことができ、迅速な溶接作業の実現が可能となる。
【００５０】
なお、前述した実施の形態は一例を示しており、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は前述した実施の形態に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明に係るＭＩＧ溶接方法は、Ｉ開先の１パス溶接を自動的に行う場合に有用であり、特に船舶の船殻構造のように多くの溶接継手部を溶接する場合に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明で溶接する被溶接板の一例を示す図面であり、(a) は平面図、(b) は側面図、(c) はＣ部拡大図である。
【図２】(a) 〜(d) は、図１の被溶接板に対する活性フラックスの塗布方法を示す被溶接板の断面図である。
【図３】溶接施工条件を一覧表形式で示す図面である。
【図４】図２に示す活性フラックスを塗布した被溶接板の溶接部における断面マクロの写真であり、上部から前記図２に示す(a) 〜(d) に対応した溶接部の断面マクロである。
【図５】図２に示す活性フラックスを塗布した被溶接板の溶接部に裏当て材を設けた場合の断面マクロを示す写真であり、上部から前記図２に示す(a) 〜(d) に対応した溶接部の断面マクロを示し、(e) は裏当て材に活性フラックスを塗布した場合の断面マクロである。
【図６】本発明の実施例２に係る被溶接板の開先部拡大図である。
【図７】図６に示す活性フラックスを塗布した被溶接板の溶接部における断面マクロの写真であり、(a) 〜(d) は溶接部のギャップを変化させた場合の溶接部における断面マクロを示している。
【図８】本発明の実施例３に係る被溶接板の施工裕度を示す説明図である。
【図９】本発明の実施例４に係る被溶接板の施工裕度を示す説明図である。
【図１０】本発明の実施例５に係る被溶接板の平面図である。
【図１１】図１０に示す被溶接板に生じる溶接変形と従来法による溶接変形との説明図であり、(a) は本発明の断面マクロと溶接変形量の３次元グラフ、(b) は従来法のＩ開先における断面マクロと溶接変形量の３次元グラフ、(c) は従来法のＶ開先における断面マクロと溶接変形量の３次元グラフとを示している。
【図１２】本発明の実施例６に係る、被溶接板に生じる溶接変形と従来法による溶接変形とを示す説明図であり、(a) は本発明の断面マクロと溶接変形量の３次元グラフ、(b) は従来法のＶ開先における断面マクロと溶接変形量の３次元グラフとを示している。
【図１３】本発明の実施例７に係る、活性フラックスを塗布した被溶接板の溶接部における断面マクロの写真であり、(a),(b) は従来の溶接法による溶接部の断面マクロを示し、(c),(d) は活性フラックスＦを用いた溶接法による断面マクロを示している。
【図１４】(a) は、従来のＴＩＧ溶接における溶融池内対流を示す模式図であり、(b) は、従来のＡ−ＴＩＧ溶接における溶融池内対流を示す模式図である。
【図１５】(a) は、従来のＭＩＧ溶接における溶融池内対流を示す模式図であり、(b) は、本発明のＭＩＧ溶接における溶融池内対流を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５３】
１…被溶接板
２…表面
３…開先面
４…裏面
５…裏当て材
６…溶接線
７…裏波ビード
８…溶接継手部
９…溶接変形計測位置
Ｆ…活性フラックス
Ｍ…溶融池
Ｐ…プラズマ流
Ｓ…金属蒸気
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＩＧ溶接（Metal Inart Gas Arc Welding）の方法に関し、詳しくは、深溶込みが可能なＭＩＧ溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、アーク溶接の方法として、ＭＩＧ溶接とともに、ＴＩＧ溶接（Tungsten Inart Gas Arc Welding）、ＭＡＧ溶接（Metal Active Gas Arc Welding）が広く知られている。
【０００３】
前記ＴＩＧ溶接は、タングステン電極と被溶接板との間でアークを発生させて溶接するものであり、作業者が溶接状況に応じて溶接ワイヤを供給しながら溶接する。そのため、このＴＩＧ溶接では、ＭＡＧ溶接に比べてアークの集中度が低く、溶接状況に応じて溶接ワイヤを供給するので溶接速度を上げるのが難しく、例えば、板厚が６ｍｍ程度であれば、溶接速度が１００ｍｍ／ｍｉｎ（２５０Ａの場合）程度であり、迅速な溶接は難しい。
【０００４】
また、前記ＭＡＧ溶接とＭＩＧ溶接とは、溶接ワイヤと被溶接板との間でアークを発生させて溶接するものであり、溶接の進行に伴って電極となっている溶接ワイヤが自動的に供給されて迅速な溶接が行える。ＭＡＧ溶接とＭＩＧ溶接とはシールドガスの成分が異なるが、他の構成は基本的には同一であり、例えば、板厚が６ｍｍ程度であれば、溶接速度が５００ｍｍ／ｍｉｎ程度の自動溶接を行うことができる。
【０００５】
一方、前記ＴＩＧ溶接において、開先を形成するための時間と労力を軽減し、突合せ溶接継手のＩ開先でも溶接線を一方向に１回の溶接（以下、「１パス」という。）で結合することができる溶接方法が提案されている。このような溶接方法として、活性フラックスを用いたＡ−ＴＩＧ溶接（アクティブ・ティグ溶接）と呼ばれる溶接方法がある。この溶接方法は、酸化物を主体とした粉末状の活性フラックスを揮発性溶剤に溶いて刷毛で被溶接板の表面に塗布し、その部分をＴＩＧ溶接することにより深溶込みを可能とするものである。
【０００６】
この深溶込みのメカニズムとしては、通常のＴＩＧ溶接の場合、図１４(a) に示すように、プラズマ気流とマランゴニ効果（溶融池内の対流現象）による溶融池Ｍ内の対流は外向きであり、アークからの入熱がこの流れに沿って表面全体に伝わるため、表面温度勾配は緩やかとなる。このため、金属の蒸発が広い範囲で生じて、結果的にメタルプラズマが表面全体に広がる。一方、Ａ−ＴＩＧ溶接の場合、図１４(b) に示すように、酸素による表面張力分布の変化によってマランゴニ対流の向きが変わり、プラズマ気流による摩擦力よりも優勢となるため、溶融池Ｍ内の対流は内向きとなる。このため、アークからの入熱は深さ方向に伝わり、表面温度勾配が大きくなって、金属の蒸発は高温部の局所に集中し、メタルプラズマの分布も局所的で明瞭な陽極ルート部を形成する。この局所的な陽極ルートの形成により電流密度が増加すると、溶融池内対流の下向きに働く電磁力が増加する。そして、マランゴニ対流の向きとこの電磁力の増加との相乗効果によって、深溶込みが達成される、というものである（例えば、非特許文献１）。
【０００７】
また、この種の従来技術として、溶接時に活性フラックスを塗布する工程を省略するために、鋼板の表面全体に活性フラックスの被膜を形成するようにしたものや（例えば、特許文献１参照）、活性フラックスを予め溶接ワイヤの表面に被覆させたものがある（例えば、特許文献２参照）。
【非特許文献１】「ＴＩＧ溶接における活性フラックスによる溶込み促進機構」 ２００２年第２号、Ｐ９５−９９ 溶接学会
【特許文献１】特開２００４−２８５３９５号公報（第５−６頁、図１）
【特許文献２】特開２００４−２８３８５８号公報（第４頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記非特許文献１および特許文献１，２は、いずれもＴＩＧ溶接に関するものであり、作業者が溶接ワイヤを供給しながら溶接線に沿って作業するので溶接速度は前記したように遅く、例えば、船舶の船殻構造のように多くの溶接継手部を溶接するには、非常に多くの時間と労力を要してしまう。
【０００９】
また、溶接に応じて溶接ワイヤを供給する作業は熟練を要するが、近年、熟練作業者が大幅に減少している。そのため、熟練を要することなく安定した溶接品質を保てる溶接方法が望まれている。
【００１０】
さらに、前記非特許文献１や特許文献１，２等に記載されているＴＩＧ溶接によって１パスで溶接できる板厚は比較的薄く、例えば、６ｍｍ程度が板厚貫通溶込みの限界と言われており、さらに厚い板厚の被溶接板の溶接も可能な溶接方法が望まれている。
【００１１】
その上、前記船舶の場合、比較的薄い板を使っている箇所では、溶接歪による外観上および施工上の問題から、要求される板厚以上の厚みの板を使用せざるを得ない場合があり、その場合には船体重量の増加を招いてしまう。この重量増加は、船舶の場合には主機の出力や航行性能に影響するとともに、コスト面でも問題になり、軽量化が望まれている。そのため、溶接歪が小さく生産性の高い溶接方法が望まれている。
【００１２】
そこで、本発明者らは、このような実情に鑑みて、溶け込み促進を図って深溶け込みが可能で安定した溶接を効率良く行える溶接方法として、前記非特許文献１と特許文献１，２に記載されていないＭＩＧ溶接について検討した。
【００１３】
この検討過程で、ＭＩＧ溶接のような消耗式電極では、前記ＴＩＧ溶接のように活性フラックスを用いても一般に深溶込みはないとされていたが、これは通常の消耗式電極法では、鋼もしくはステンレス鋼の溶接に、１００％ＣＯ2ガス、またはＡｒガス＋２０〜４０％ＣＯ2ガス、もしくはＡｒガス＋５％Ｏ2ガス、のいずれかのシールドガスを使用していることによるものではないかと考えた。
【００１４】
ＭＩＧ溶接の場合、図１５(a) に示すように、アーク中にワイヤから被溶接物へのプラズマ流Ｐが発生し、そのプラズマ流Ｐにより溶融池Ｍ内に対流が発生し、ＴＩＧ溶接よりも深溶込みが得られる特性を有する。この効果は、シールドガス（図の二点鎖線）のアルゴン濃度が高いほど起きやすく、純アルゴンで最大となる。
【００１５】
このことから、ＭＩＧ溶接では、シールドガスからの過剰酸素供給が深溶込みの阻害因子と考え、低濃度の酸素を含むシールドガス（純アルゴンから０．２％刻みで酸素添加量を変化）によりＭＩＧ溶接の試験を実施したが、酸素量が低下しても、明確な深溶込みが得られないという結果を得た。
【００１６】
そして、これらのことから、本発明者らは、活性フラックス（金属酸化物粉末）を添加したＭＩＧ溶接について実験を行った。その結果、図１５(b) に示すように、活性フラックスがアーク熱により加熱されて放出される金属蒸気Ｓによりプラズマ流Ｐが緊縮化し、より集中性の高いプラズマ流Ｐとなって、通常のＭＩＧ溶接よりもさらに溶融池Ｍ内で深溶込みを得ることが可能であるとの結果を得た。また、活性フラックスから供給される酸素が溶融池の溶融金属の粘性を低下させることで、アーク直下の溶融金属が押しのけられやすくなり、プラズマ流が板厚深くまで届くことが深溶込みや板厚貫通溶込みが得られる効果を創出すると考え、種々の実験を行って、本発明を創作した。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、純度の高い不活性ガスをシールドガスとしたＭＩＧ溶接方法であって、被溶接板の溶接継手部の表面に活性フラックスを塗布し、該溶接継手部をＭＩＧ溶接するものである。活性フラックスとしては、例えば、二酸化チタン（ＴｉＯ2）や二酸化珪素（ＳｉＯ2）、酸化クロム（Ｃｒ2Ｏ3）等の金属酸化物の単体もしくは複合体が用いられる。このように、溶接継手部の表面に活性フラックスを塗布し、シールドガスに純度の高い不活性ガス（アルゴン、ヘリウム等）を使用してＭＩＧ溶接をすることにより、溶接部における過剰酸素状態を防止し、溶融金属の表面張力を低下させるとともにプラズマ流を緊縮化させて、溶接速度の速いＭＩＧ溶接で深溶込みが可能な溶接を安定して行うことができる。また、深溶込みで安定した裏波ビードを形成しながら、ＭＩＧ溶接で迅速な溶接を行うことができる。
【００１８】
また、前記溶接継手部の開先に前記活性フラックスを塗布し、該溶接継手部をＭＩＧ溶接するようにしてもよい。これにより、厚板の被溶接板であっても、深溶込みによって安定した裏波ビードを形成できる溶接を迅速に行うことができる。
【００１９】
さらに、前記活性フラックスを前記溶接継手部の裏面側に塗布し、該溶接継手部をＭＩＧ溶接するようにしてもよい。これにより、より安定した深溶込みの溶接を行うことができる。
【００２０】
また、前記溶接継手部の裏面に裏当て材を設ければ、深溶込みによる板厚貫通溶込みにより裏側への溶け落ちを防止して、裏波ビードが安定した溶接を行うことができる。
【００２１】
さらに、前記裏当て材の被溶接板側に活性フラックスを塗布し、前記溶接継手部をＭＩＧ溶接するようにしてもよい。これにより、裏当て材に塗布した活性フラックスによる深溶込みによって、安定した裏波ビードを形成できる溶接を迅速に行うことができる。
【００２２】
また、前記純度の高い不活性ガスが純アルゴンガスであれば、入手し易く、安定した溶接を行うことができる。
【００２３】
さらに、前記被溶接板の溶接継手部に塗布した活性フラックスをアーク熱で加熱して金属蒸気を放出させてプラズマ流を緊縮化させることにより溶融池内での深溶込みを得るようにしてもよい。これにより、緊縮化させたプラズマ流による溶融池内での安定した深溶込みが可能であり、裏波ビードを安定して形成できるＭＩＧ溶接が容易に行える。
【００２４】
また、前記活性フラックスから供給される酸素で溶融池内の溶融金属の粘性を低下させて前記深溶込みが増すようにすれば、より安定した深溶込みが可能なＭＩＧ溶接を行うことができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は、以上説明したような手段により、ＭＩＧ溶接による深溶込みが可能で、迅速なＭＩＧ溶接で安定した溶接を行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、被溶接板の一例を示す図面であり、(a) は平面図、(b) は側面図、(c) はＣ部拡大図である。以下の実施の形態の活性フラックスＦを塗布したＭＩＧ溶接では、Ｉ開先で突合せ継手の溶接を行う例を説明する。また、活性フラックスＦの塗布は、被溶接板１の表面２に塗布した場合と、さらに開先面３、裏面４へ塗布した場合を説明する。また、被溶接板１の裏面４への活性フラックスＦの塗布は労力を要するので、被溶接板１の裏面４に裏当て材５を設け、この裏当て材５の被溶接板１側の面に活性フラックスＦを塗布した例も説明する。この活性フラックスＦとしては、前記した二酸化チタン（ＴｉＯ2）や二酸化珪素（ＳｉＯ2）、酸化クロム（Ｃｒ2Ｏ3）等の金属酸化物の単体もしくは複合体で、化学平衡となるものが好ましい。なお、以下の説明では、「活性フラックスＦを塗布する」ことを、「活性フラックスＦを用いる」と表現する場合もある。
【００２７】
以下、本発明者らが前記した効果を実証すべく、複数の条件で実験を行って確認した実験結果を説明する。
【実施例１】
【００２８】
前記図１に示す被溶接板１を例にした実験結果を説明する。被溶接板１としては、板厚ｔが６ｍｍ、幅Ｗが１００ｍｍ、長さＬが２５０ｍｍで、材質がＳＭ４００（軟鋼）の板材である。そして、この被溶接板１同士を突合せ継手で溶接している。溶接継手部８の溶接線６に沿って設けられた開先は、Ｉ開先でギャップ０ｍｍである。活性フラックスＦとしては、「市販活性フラックス（７０％ＴｉＯ2＋２０％Ｃｒ2Ｏ3＋１０％ＳｉＯ2）」を使用し、６０μｍの膜厚となるように塗布している。図２(a) 〜(d) は、図１の被溶接板に対する活性フラックスＦの塗布方法を示す被溶接板の断面図である。被溶接板１への活性フラックスＦの塗布方法としては、活性フラックスＦを塗布しない場合、表面２にのみ塗布した場合、表面２と開先面３とに塗布した場合、表面２と開先面３と裏面４とに塗布した場合、の４種類について実験した。図３は、溶接施工条件を一覧表形式で示した図面であり、溶接施工条件の主要項目としては、溶接機；ダイヘン インバータオート５００、溶接ワイヤ；ＪＦＥ ＫＭ−５０ １．２ｍｍ径、シールドガス；１００％アルゴンガス、溶接速度；６００ｍｍ／ｍｉｎ、溶接電流；３６０Ａ、等である。溶接電圧は、混合ガス溶接時の標準電圧に設定している。他の溶接施工条件の詳細は、図３に示す。さらに、板厚貫通溶込みにより裏側への溶け落ちが発生して裏波ビードが安定しないのを防止するために、裏当て材５（神戸製鋼所 ＦＢＢ−３ Ａサイズ）を設けた例も説明する。
【００２９】
図４は、図２に示す活性フラックスＦを塗布した被溶接板の溶接部における断面マクロの写真であり、上部から前記図２に示す(a) 〜(d) に対応した溶接部の断面マクロである。また、図５は、図２に示す活性フラックスＦを塗布した被溶接板の溶接部に裏当て材を設けた場合の断面マクロを示す写真であり、上部から前記図２に示す(a) 〜(d) に対応した溶接部の断面マクロを示し、(e) は裏当て材に活性フラックスＦを塗布した場合の断面マクロである。
【００３０】
この実施例１に係るＭＩＧ溶接によれば、図４，５に示すように、板厚中央を境に表面側は通常のＭＩＧ溶接による溶け込みであるが、裏面側は幅の狭い溶け込み形状となる。(a) の活性フラックスＦを塗布しない場合には、板厚の２／３程しか溶込みが与えられないが、(b) の表面２へ活性フラックスＦを塗布した場合には、溶接条件が同じでも板厚貫通溶込みが得られることが確認できる。また、開先面３への活性フラックスＦの塗布、裏面４への活性フラックスＦの塗布により、裏波ビード７の高さが増加していることがわかる。
【００３１】
これは、ＭＩＧ溶接の場合、開先面や裏面へ活性フラックスＦを塗布することにより裏面側での溶接金属の表面張力の低下により、アーク直下では溶融金属がアーク力により押しのけられやすくなり、裏面までアーク熱が到達できたことが主要因であると考えられる。この場合、活性フラックスＦを開先面３や裏面４に塗布することで、深溶込みが促進されている。
【００３２】
また、被溶接板１の裏面にまで強いアーク力が到達しているので、図５に示すように、裏当て材５を設けることによって安定した裏波ビード７を形成している。なお、図５(e) に示すように、アーク力が強いため、裏当て材５の被溶接板１側に活性フラックスＦを塗布しても、前記(d) と同様に深溶込みが可能であるとともに、安定した裏波ビード７の形成が可能である。
【００３３】
このように、ＭＩＧ溶接で溶接する被溶接板１の溶接継手部８に活性フラックスＦを塗布し、シールドガスとして１００％アルゴンガスを使用することにより、被溶接板１に塗布した活性フラックスＦによってプラズマ流が緊縮化し、安定した裏波ビード７の形成ができる。しかも、前記したように、活性フラックスＦを被溶接板１の表面側にのみ塗布することで深溶け込みが可能であるが、開先面３や裏面４に活性フラックスＦの塗布を追加することで、溶融金属の表面張力が低下し、また裏波ビードの形状も安定化させることができる。この被溶接板１の裏面への活性フラックスＦの塗布は、予め活性フラックスＦを塗布した一時裏当て材５を被溶接板１の裏面に貼り付けても、裏面へ活性フラックスを塗布した場合と同様の効果を得ることができる。
【００３４】
したがって、活性フラックスＦを用いたＭＩＧ溶接によれば、シールドガスに１００％アルゴンガスを用いることによって、活性フラックスＦによる深溶込み効果でＩ開先の突合せ溶接が１パスで可能となり、開先加工コストの低減を図ることができる。しかも、１パスでの板厚貫通溶込みが可能な板厚範囲を拡大することができ、かつ溶接速度を増大させることも可能である。
【実施例２】
【００３５】
図６は、本発明の実施例２に係る被溶接板の開先部拡大図である。この実施例２では、被溶接板１の開先にギャップＧを設けたものである。図７は、図６に示す活性フラックスＦを塗布した被溶接板の溶接部における断面マクロの写真であり、(a) 〜(d) は溶接継手部８のギャップＧ（ルートギャップ）を変化させた場合の溶接部における断面マクロを示している。このギャップＧとしては、０〜３ｍｍの間で、１ｍｍ刻みに変化させている。
【００３６】
この実施例２の結果から、活性フラックスＦを用いたＭＩＧ溶接での施工裕度としては、突合せ継手において、ルートギャップＧを変化させた場合でも、活性フラックスＦの深溶込み効果への影響はなく、１パスで板厚貫通溶込みが得られることがわかる。ただし、ギャップＧの量に応じて、電流・溶接速度による溶着量の調整は必要である。なお、トーチ角度としては、面直に設定したものが板厚貫通溶込みや裏波ビード７の安定化のためには適している。
【実施例３】
【００３７】
図８は、本発明の実施例３に係る被溶接板の施工裕度を示す説明図である。この実施例３は、板厚６ｍｍの被溶接板１における施行裕度の影響を確認するために実験したものである。この実験は、溶接電流と溶接速度との関係から裏波ビードの形成状態をまとめたものであり、溶接電流と溶接速度とをパラメータとして、貫通溶込みが得られる溶接条件を確認している。溶接施工条件としては、前記実施例１と同様である。また、この場合も、トーチ角度は面直に設定している。
【００３８】
図示するように、電流値が低い、２８０Ａ、３００Ａの場合には、溶接速度を遅くしても、表面からの熱伝導による溶融が支配的であり、板厚貫通溶込みを得ることができない。また、３２０Ａでは、部分的に板厚貫通溶込み部分があるが、どの溶接速度でも溶接線全線で板厚貫通溶込みが得られる条件は存在しない。しかし、３４０Ａを越える電流域から溶接線全線で板厚貫通溶込みを得られる溶接速度域が存在するようになり、その板厚貫通溶込みを得られる溶接速度域は溶接電流が増加するにつれて高速側へと拡大していく。
【００３９】
このように、活性フラックスＦを用いたＭＩＧ溶接で板厚貫通溶込みを安定して得るには電流の下限値が存在し、Ｉ開先の１パスのみで板厚貫通溶込みを得られる下限溶接電流は、板厚ｔが６ｍｍの突合せ継手では３４０Ａであり、また、その値以上であれば、電流値が高いほど、板厚貫通溶込みが得られる溶接速度範囲も拡大する傾向がある。
【実施例４】
【００４０】
図９は、本発明の実施例４に係る被溶接板の施工裕度を示す説明図である。この実施例４は、前記実施例３と被溶接板１の板厚が異なっており、板厚９ｍｍの被溶接板１における施行裕度の影響を確認するために実験したものである。溶接施工条件としては、前記実施例１と同様であるが、溶接電圧を混合ガス溶接時の標準電圧よりも１Ｖ程度低めに設定している。この場合も、トーチ角度は面直に設定している。
【００４１】
このように、被溶接板１の板厚ｔが９ｍｍの突合せ継手のＩ開先で、１パスのみで溶接線全線にわたり板厚貫通溶込みを得られる下限溶接電流は、板厚が増加したことにより、板厚６ｍｍの３４０Ａに対して４２０Ａに増加する。また、板厚６ｍｍと同様に、溶接電流の増加に伴い、安定した板厚貫通溶込みを得られる溶接速度域も拡大する傾向が認められる。なお、この場合の溶接電源としては、４６０Ａまで行っている。さらに、前記４２０Ａ以上であれば、電流値が高いほど板厚貫通溶込みが得られる溶接速度範囲も拡大する傾向にある。
【実施例５】
【００４２】
図１０は、本発明の実施例５に係る被溶接板の平面図である。図１１は、図１０に示す被溶接板に生じる溶接変形と従来法による溶接変形との説明図であり、(a) は本発明の断面マクロと面外変形量の３次元グラフ、(b) は従来法のＩ開先における断面マクロと面外変形量の３次元グラフ、(c) は従来法のＶ開先における断面マクロと面外変形量の３次元グラフとを示している。この実施例５で溶接変形量を計測する被溶接板１は、板厚ｔが６ｍｍ、幅Ｗが５００ｍｍ、長さＬが２５０ｍｍ、材質がＳＭ４００の板材を突合せ継手で溶接したものである。また、この実施例５で活性フラックスＦを塗布したＭＩＧ溶接と比較する従来法としては、フラックスコアーワイヤ（神鋼 ＤＷ−１００ １．２ｍｍ径）によるＣＯ２溶接を用いている。なお、ＣＯ２溶接としては、Ｉ開先とＶ開先とで実験している。また、一部の溶接施工条件は図中に示している。さらに、図１１では、被溶接板１の溶接断面と、溶接後の被溶接板１における図１０に示す各溶接変形計測位置９における面外変形量を３次元グラフで示している。この３次元グラフには、縦曲がり変形量、角変形量について合せて示されている。
【００４３】
図１１に示すように、溶接入熱量では、(a) に示す活性フラックスＦ塗布したＭＩＧ溶接では、(b) に示す従来溶接法のＩ開先に比べて約６１％、(c) に示すＶ開先に比べて７８％まで低減されている。また、３次元グラフに示すように、３次元の面外変位量、縦曲がり変形量、角変形量とも、(b) 従来溶接法Ｉ開先＞(c) 従来溶接法Ｖ開先＞(a) 活性フラックスＦを塗布したＭＩＧ溶接、の順に小さくなっている。特に、活性フラックスＦを塗布したＭＩＧ溶接では、従来法の溶接に比べて溶接変形量が格段に小さいことが数値的に明らかである。
【００４４】
これは、活性フラックスＦを用いることによって深溶込みが得られるので、低入熱化や溶融断面積の低減を図ることができて溶接変形を抑えることができるものと考えられる。また、深溶込み効果により、板厚貫通溶込みを得るための入熱量を低減でき、従来の溶接法に比べて溶接変形を低減できる効果があり、これにより溶接後の歪み修正を極小化することができる。なお、溶接電圧は、溶接機の標準設定値よりやや低めの値を設定する方が、板厚貫通溶込みを得やすい。
【実施例６】
【００４５】
図１２は、本発明の実施例６に係る、被溶接板に生じる溶接変形と従来法による溶接変形とを示す説明図であり、(a) は本発明の断面マクロと面外変形量の３次元グラフ、(b) は従来法のＶ開先における断面マクロと面外変形量の３次元グラフとを示している。この実施例６は、前記実施例５における被溶接板１の板厚ｔを６ｍｍから９ｍｍにして実験したものであり、他の条件は同じである。
【００４６】
この実施例６では、(a) に示す活性フラックスＦを塗布したＭＩＧ溶接では、(b) に示す従来の溶接法に比べて、溶接変形量が１／５〜１／４と格段に小さいことがわかる。これは、活性フラックスＦによる深溶込み効果に伴う溶融幅の狭小化と、入熱量の低減によるものと考えられる。
【実施例７】
【００４７】
図１３は、本発明の実施例７に係る、活性フラックスを塗布した被溶接板の溶接部における断面マクロの写真であり、(a),(c) は従来の溶接法による溶接部の断面マクロを示し、(b),(d) は活性フラックスＦを用いた溶接法による断面マクロを示している。この実施例７は、薄板についての実験であり、溶接施工条件としては、被溶接板１の板厚ｔが３．２ｍｍ、材質がＳＭ４００（軟鋼）、開先はＩ開先でギャップＧ；０ｍｍ、溶接ワイヤ；ＪＦＥ ＫＭ−５０ １．２ｍｍ径、シールドガス；１００％アルゴンガス、等である。図示する(a),(b) と(c),(d) とは活性フラックスＦの有無以外は同一条件であり、他の溶接施工条件は図中に示す。活性フラックスＦとしては、「市販活性フラックス（７０％ＴｉＯ2＋２０％Ｃｒ2Ｏ3＋１０％ＳｉＯ2）」を使用し、６０μｍの膜厚となるように塗布している。
【００４８】
図示するように、(a),(c) の活性フラックスＦを用いない場合に比べて、(b),(d) の活性フラックスＦを用いた場合は、深溶込みによって確実な板厚貫通溶込みで裏波ビード７を形成した溶接ができることがわかる。また、(b),(d) に示す断面マクロでは溶接の仕上がりは同等であるが、溶接速度が大きく異なり、被溶接板１の状態や溶接条件等に応じて高速の溶接を行うことができる。
【００４９】
以上のように、各実施例で実証されるように、活性フラックスＦを用いたＭＩＧ溶接によれば、入熱量を低減できる効果があるとともに、溶接溶融幅を従来の溶接法と比べて１／２程度まで狭くできるので、溶接変形量が従来の溶接法と比べて、１／５〜１／４と格段に小さくなり、安定した溶接が可能となる。しかも、入熱範囲を小さくするとともに、入熱時間を短時間にすることにより、溶接後の歪みによる変形量を小さく抑えることがでる。これは、プラズマ流が緊縮化することによって深溶込みが成されているものと判断できる。したがって、溶接速度の速いＭＩＧ溶接で深溶込みが可能な溶接を安定して行うことができ、迅速な溶接作業の実現が可能となる。
【００５０】
なお、前述した実施の形態は一例を示しており、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は前述した実施の形態に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明に係るＭＩＧ溶接方法は、Ｉ開先の１パス溶接を自動的に行う場合に有用であり、特に船舶の船殻構造のように多くの溶接継手部を溶接する場合に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明で溶接する被溶接板の一例を示す図面であり、(a) は平面図、(b) は側面図、(c) はＣ部拡大図である。
【図２】(a) 〜(d) は、図１の被溶接板に対する活性フラックスの塗布方法を示す被溶接板の断面図である。
【図３】溶接施工条件を一覧表形式で示す図面である。
【図４】図２に示す活性フラックスを塗布した被溶接板の溶接部における断面マクロの写真であり、上部から前記図２に示す(a) 〜(d) に対応した溶接部の断面マクロである。
【図５】図２に示す活性フラックスを塗布した被溶接板の溶接部に裏当て材を設けた場合の断面マクロを示す写真であり、上部から前記図２に示す(a) 〜(d) に対応した溶接部の断面マクロを示し、(e) は裏当て材に活性フラックスを塗布した場合の断面マクロである。
【図６】本発明の実施例２に係る被溶接板の開先部拡大図である。
【図７】図６に示す活性フラックスを塗布した被溶接板の溶接部における断面マクロの写真であり、(a) 〜(d) は溶接部のギャップを変化させた場合の溶接部における断面マクロを示している。
【図８】本発明の実施例３に係る被溶接板の施工裕度を示す説明図である。
【図９】本発明の実施例４に係る被溶接板の施工裕度を示す説明図である。
【図１０】本発明の実施例５に係る被溶接板の平面図である。
【図１１】図１０に示す被溶接板に生じる溶接変形と従来法による溶接変形との説明図であり、(a) は本発明の断面マクロと溶接変形量の３次元グラフ、(b) は従来法のＩ開先における断面マクロと溶接変形量の３次元グラフ、(c) は従来法のＶ開先における断面マクロと溶接変形量の３次元グラフとを示している。
【図１２】本発明の実施例６に係る、被溶接板に生じる溶接変形と従来法による溶接変形とを示す説明図であり、(a) は本発明の断面マクロと溶接変形量の３次元グラフ、(b) は従来法のＶ開先における断面マクロと溶接変形量の３次元グラフとを示している。
【図１３】本発明の実施例７に係る、活性フラックスを塗布した被溶接板の溶接部における断面マクロの写真であり、(a),(b) は従来の溶接法による溶接部の断面マクロを示し、(c),(d) は活性フラックスＦを用いた溶接法による断面マクロを示している。
【図１４】(a) は、従来のＴＩＧ溶接における溶融池内対流を示す模式図であり、(b) は、従来のＡ−ＴＩＧ溶接における溶融池内対流を示す模式図である。
【図１５】(a) は、従来のＭＩＧ溶接における溶融池内対流を示す模式図であり、(b) は、本発明のＭＩＧ溶接における溶融池内対流を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５３】
１…被溶接板
２…表面
３…開先面
４…裏面
５…裏当て材
６…溶接線
７…裏波ビード
８…溶接継手部
９…溶接変形計測位置
Ｆ…活性フラックス
Ｍ…溶融池
Ｐ…プラズマ流
Ｓ…金属蒸気
【特許請求の範囲】
【請求項１】
純度の高い不活性ガスをシールドガスとしたＭＩＧ溶接方法であって、
被溶接板の溶接継手部の表面に活性フラックスを塗布し、該溶接継手部をＭＩＧ溶接することを特徴とするＭＩＧ溶接方法。
【請求項２】
前記溶接継手部の開先に前記活性フラックスを塗布し、該溶接継手部をＭＩＧ溶接する請求項１に記載のＭＩＧ溶接方法。
【請求項３】
前記活性フラックスを前記溶接継手部の裏面側に塗布し、該溶接継手部をＭＩＧ溶接する請求項１又は請求項２に記載のＭＩＧ溶接方法。
【請求項４】
前記溶接継手部の裏面に裏当て材を設けた請求項１〜３のいずれか１項に記載のＭＩＧ溶接方法。
【請求項５】
前記裏当て材の被溶接板側に活性フラックスを塗布し、前記溶接継手部をＭＩＧ溶接するようにした請求項４に記載のＭＩＧ溶接方法。
【請求項６】
前記純度の高い不活性ガスが純アルゴンガスである請求項１〜５のいずれか１項に記載のＭＩＧ溶接方法。
【請求項７】
前記被溶接板の溶接継手部に塗布した活性フラックスをアーク熱で加熱して金属蒸気を放出させてプラズマ流を緊縮化させることにより溶融池内での深溶込みを得るようにした請求項１〜６のいずれか１項に記載のＭＩＧ溶接方法。
【請求項８】
前記活性フラックスから供給される酸素で溶融池内の溶融金属の粘性を低下させて前記深溶込みが増すようにした請求項７に記載のＭＩＧ溶接方法。
【請求項１】
純度の高い不活性ガスをシールドガスとしたＭＩＧ溶接方法であって、
被溶接板の溶接継手部の表面に活性フラックスを塗布し、該溶接継手部をＭＩＧ溶接することを特徴とするＭＩＧ溶接方法。
【請求項２】
前記溶接継手部の開先に前記活性フラックスを塗布し、該溶接継手部をＭＩＧ溶接する請求項１に記載のＭＩＧ溶接方法。
【請求項３】
前記活性フラックスを前記溶接継手部の裏面側に塗布し、該溶接継手部をＭＩＧ溶接する請求項１又は請求項２に記載のＭＩＧ溶接方法。
【請求項４】
前記溶接継手部の裏面に裏当て材を設けた請求項１〜３のいずれか１項に記載のＭＩＧ溶接方法。
【請求項５】
前記裏当て材の被溶接板側に活性フラックスを塗布し、前記溶接継手部をＭＩＧ溶接するようにした請求項４に記載のＭＩＧ溶接方法。
【請求項６】
前記純度の高い不活性ガスが純アルゴンガスである請求項１〜５のいずれか１項に記載のＭＩＧ溶接方法。
【請求項７】
前記被溶接板の溶接継手部に塗布した活性フラックスをアーク熱で加熱して金属蒸気を放出させてプラズマ流を緊縮化させることにより溶融池内での深溶込みを得るようにした請求項１〜６のいずれか１項に記載のＭＩＧ溶接方法。
【請求項８】
前記活性フラックスから供給される酸素で溶融池内の溶融金属の粘性を低下させて前記深溶込みが増すようにした請求項７に記載のＭＩＧ溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１４】
【図１５】
【図４】
【図５】
【図７】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１４】
【図１５】
【図４】
【図５】
【図７】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００８−１７３６７０（Ｐ２００８−１７３６７０Ａ）
【公開日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−９８１２（Ｐ２００７−９８１２）
【出願日】平成１９年１月１９日（２００７．１．１９）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月１９日（２００７．１．１９）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
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