JP3987771B2 - チタンまたはチタン合金のｍｉｇ溶接方法と溶着金属 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、船舶、建築構造物などに使用されるチタンまたはチタン合金部材の溶接の際に使用されるチタンまたはチタン合金のＭＩＧ溶接方法と溶着金属に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、チタンまたはチタン合金は、高い耐食性が要求される船舶、建築構造物、自動車、自動二輪車等に使用されており、最近においてはその使用量が益々増加している。このチタンまたはチタン合金の溶接に際しては、現在では、主に非消耗電極式溶接方法の１種であるＴＩＧ溶接方法（タングステンイナートガスメタル溶接方法）を採用している。これに対して、消耗電極式溶接方法であるＭＩＧ溶接方法（イナートガスメタルアーク溶接方法）では、ＴＩＧ溶接方法に比較して数倍以上の溶接能率が得られるという利点を有するものの、純チタン製の溶接ワイヤを用いてＭＩＧ溶接を行った場合、溶接アークが極めて不安定になる。これは、チタンおよびチタン合金をＭＩＧ溶接方法で溶接した場合、アークは陰極点を維持するために、チタンおよびチタン合金の被溶接材の表面酸化膜が残存する位置にアークが激しく移動して暴れるワンダリング現象が生じるため、溶接スパッタが多量に発生し、母材となるチタンおよびチタン合金にスパッタが付着する。また、このワンダリング現象によって溶接ビードが蛇行するという問題があり、溶接部の外観不良が頻発している。このため、チタンおよびチタン合金をＭＩＧ溶接方法で溶接するという危険は極力忌避されてきた。
【０００３】
一方、ＴＩＧ溶接方法を採用した場合には、高融点の非消耗電極を使用してアークを発生させて、母材に生成される溶融池に、溶接ワイヤを供給しながら溶接を行うためにスパッタ発生はない。また、電極側が負極性で、被溶接側が正極性であるために、被溶接材表面に生成する酸化膜を除去するクリーニング作用がないことから上記ワンダリング現象が生じることはなく、依って、溶接ビードは蛇行はなく、良好な溶接外観形状が得られる。このために、チタンおよびチタン合金の溶接に際しては専らＴＩＧ溶接方法が採用されていた。
【０００４】
また、ＴＩＧ溶接では溶接トーチを適正な位置に保持しつつ、溶接ワイヤも適正な位置に保持する必要がある。そのために、工場等で溶接トーチと溶接ワイヤを適切な位置に保持できる装置を準備できる場合は良いものの、非溶接物が大型の構造物である場合には、溶接作業者がこれら溶接トーチと溶接ワイヤ等を適切な位置に保持しつつ、溶接進行に伴って移動しなければならないために溶接作業者にかかる負担は想像もできない。更に、溶接トーチ内に溶接ワイヤを送給するガイド装置が組み込まれているものは、ＭＩＧ溶接用半自動溶接トーチに比較して極めて高価である。加えて、ＴＩＧ溶接は、ＭＩＧ溶接に比べて溶接入熱が小さいために溶接時間が長く、そのために溶接能率が悪いという問題がある。また、溶接時間が長いためにシールドガスに使用するガス量が多量となり、コスト高となる。
【０００５】
例えば、特開昭５９−２２６１５９号公報には、加工組織をなす２本のチタン帯板の長さ方向端面を突き合わせ、ＴＩＧ溶接して溶接部近傍の母材部を軟化焼鈍することで破断することのないチタン帯板の接続方法が開示されている。このように、従来ではチタン帯板の溶接に際しては専らＴＩＧ溶接方法での溶接が行われている。また、特開２０００−２８００７６号公報には、不活性ガスに微量の酸化性ガスを添加したシールドガス、及びチタン又はチタン合金の消耗電極を使用してパルス溶接電流を通電して溶接するチタン又はチタン合金のアーク溶接方法が開示されている。しかし、シールドガスから酸素或いは酸化物を供給すると溶接アークを安定化させるだけでなく、溶接金属内に大量の酸素が混入するために、溶接部が硬化し、伸びが低下するなどの機械的特性の劣化を招くことになる。
【０００６】
一方、交流電流を使用するＭＩＧ溶接については、例えば、２００〜４００Ａの交流電流を通電し、チタン材等の被溶接物を不活性ガスを充満した密閉したチャンバー内で手溶接する技術が特開昭６３−１０１０７９号公報に開示されている。また、交流アーク溶接方法として、正極性溶接と逆極性溶接を交互に繰り返す方法もあるが、正極性期間と逆極性期間の比率が難しく実用化されていない現状にある。そこで、消耗電極と母材間に直流電圧を印加し、消耗電極の極性を反転してアークを形成する手段も提案されているが、何れにしろ工業的に交流電流を用いるチタン又はチタン合金のＭＩＧ溶接は実用化されていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑み、交流電流によるチタン又はチタン合金をＭＩＧ溶接において、安定、かつ高能率に、かつ半自動溶接による現場溶接を可能とし、溶接時間短縮によるシールドガス使用量低減によるコスト削減を図ったチタンまたはチタン合金のＭＩＧ溶接方法および溶着金属を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その要旨は、チタンまたはチタン合金のＭＩＧ溶接方法において、好ましくは断面外径が、１．６ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の溶接ワイヤの組成が、Ａｌ：０．５〜１０質量％、好ましくはＯ≦１．０質量％を含み、残部チタン及び不可避的不純物からなるチタン合金ワイヤを用い、ＭＩＧ溶接に際し、下記電流条件を満足する交流パルス溶接電流でチタン母材またはチタン合金母材を溶接することを特徴とするチタンまたはチタン合金のＭＩＧ溶接方法、
２００Ａ≦正極性のピーク電流≦５００Ａ
−５０Ａ≧負極性のピーク電流
１．０≦｜正極性のピーク電流／負極性のピーク電流｜
また、本発明は、上述の溶接方法で得た溶着金属の組成が、Ａｌ：０．５〜１０質量％、Ｏ≦１．０質量％、残部チタン及び不可避的不純物からなる溶着金属、
である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
先ず、ＭＩＧ溶接に使用する溶接装置について図１を用いて説明する。図１において、被溶接材１に対し、溶接部位の直上に、中心に溶接ワイヤ８、その外周に別途設けたシールドガス供給装置３から供給されるシールドガス４を溶融地５に向けて噴射する噴射口を備えたＭＩＧ溶接用トーチ２を配置し、溶接電流を通電して溶接作業を行い、溶接ビード６を形成する。一般に、チタンまたはチタン合金は鋼などに比べて低温で酸化し易く、鋼で用いる溶接トーチ先端のみのガスシールドでは、溶接金属が酸化して硬化し、溶接金属の良好な伸びが得られなくなる。そのために、溶接直後の溶接トーチの後方にシールドボックスを設けて、溶接アーク点の後方もＡｒガスなどの不活性ガスでシールドする。本発明で用いる上記シールドガス供給装置３は、シールドガス供給パイプ３−１から供給されたシールドガスをシールドボックス３−２内に一旦取り込み、このシールドボックス３−２内に、シールドガスが溶接ビード６の表面に均一に供給されるように、溶接方向と平行にガス供給パイプ３−３を配置し、ガス出口３−４を溶接ビード６と反対の出口に複数箇所設けてガス出口から噴射するシールドガス４′をシールドボックス３−２内の上壁に当ててから、下面の溶接ビード６に当てる方法が採用される。
【００１０】
図２に従来方法によるＭＩＧ溶接を行った場合のワンダリング現象によるスパッタの飛散状況を、また図３に溶接ビード外観の模式図をそれぞれ示した。図２に示すように、従来のチタンおよびチタン合金のＭＩＧ溶接においては、アークが陰極点を維持するために溶接アークが極めて不安定になり、被溶接材の表面酸化膜が残存する位置にアークが激しく移動して暴れるワンダリング現象のために溶接スパッタが多量に発生し、母材表面にスパッタ７が飛散して付着する。また、図３に示すように、上記スパッタの飛散・付着に加え、ワンダリング現象によって溶接ビードが蛇行し、溶接部の外観不良の発生および溶接金属の強度低下となる。図３において、ワンダリング現象が起こると溶接ビード始端部の外側に、上記ワンダリング現象によってアークがうねり幅方向に移動した痕跡が残り、極めて劣悪な溶接ビード形状となる。
【００１１】
一方、ガスシールドアーク溶接において、トーチ（棒）プラスの直流ＭＩＧ溶接法は、母材表面の酸化皮膜が除去されるクリーニング作用がある反面、このクリーニング作用が大き過ぎてワンダリング現象が大きくなり、同一入熱ではトーチマイナスに比較して溶け込みが深く、溶着金属量が少ないという欠点がある。また、交流ＭＩＧ溶接は、トーチプラス、トーチマイナスの両者があり、前者では母材のクリーニング作用があり、後者では母材のクリーニング作用が抑制され、ワンダリング現象が小さくなるという利点に加え、トーチプラスに比べて溶け込みが浅くなり、溶着金属量が多くなるという利点がある。特に、この交流ＭＩＧ溶接は、薄板の溶接では溶け落ちが出にくくなるというメリットがあるが、厚板の溶接では同一入熱でトーチプラスの直流に比べ溶着金属量が少なくなるので溶接能率が低下するというデメリットがある。
【００１２】
上述した母材のクリーニング作用について詳細に説明する。この母材のクリーニング作用は、トーチプラスの極性で発生するが、トーチマイナスの極性では発生しない。一般に、アルミニウム材の溶接に際しては表面に存在する電気伝導度の小さい酸化膜（Ａｌ_２Ｏ_３）を除去してアークが安定し、酸素が溶接金属内に入りにくくなるために継手特性が向上する。一方、チタン材のＴＩＧ溶接では上述したアルミニウム材と同一の効果を奏する。しかし、チタン材のＭＩＧ溶接では、使用する溶接電流が大きいためにクリーニング作用も大きくなり、ワンダリング現象が発生する。そこで、交流を使用してＭＩＧ溶接を行うことで上記ワンダリング現象を抑制することが可能となり、優れたビード形状が得られることになる。
【００１３】
そこで、本発明は上記知見を元に、チタンまたはチタン合金のＭＩＧ溶接方法において、溶接ワイヤの組成が、Ａｌ：０．５〜１０質量％、必要に応じてＯ≦１．０質量％含有し、残部チタン及び不可避的不純物からなる、ワイヤの断面外径が、１．６ｍｍ以上２．０ｍｍ以下のチタン合金ワイヤを用い、ＭＩＧ溶接に際し、電流条件として、
２００Ａ≦正極性のピーク電流≦５００Ａ
−５０Ａ≧負極性のピーク電流
１．０≦｜正極性のピーク電流／負極性のピーク電流｜
の条件を満足する交流パルス溶接電流でチタン母材またはチタン合金母材を溶接することで、ワンダリング現象を抑制し、優れたビード形状を有するチタンまたはチタン合金のＭＩＧ溶接が可能となったものである。
【００１４】
このような溶接ワイヤを用い、かつ上述で特定した溶接条件を採用してチタン或いはチタン合金をＭＩＧ溶接した場合には、チタンまたはチタン合金の溶着部の組成が、質量％で、Ａｌ：０．５〜１０％、Ｏ：０〜１．０％、残部チタンである溶接金属を得ることができる。
【００１５】
【実施例】
被溶接材料として、板厚：１２．７ｍｍのＶ開先（９０°）を有する純チタン材を、交流パルス溶接電流として、正のピーク溶接電流値を１５０〜５５０Ａ、負のピーク溶接電流値を−３０〜−５５０Ａの範囲に変動させ、溶接速度：１００ｃｍ／ｍｉｎ、流量：２５ｌ／ｍｉｎのＡｒガスをシールドガスとして用い、ワイヤの断面外径１．２ｍｍφ、１．６ｍｍφの溶接ワイヤでＭＩＧ溶接を行った。表１に本発明で使用した交流パルス溶接電流とビード外観評価を示した。なお、図５は、表１の評価をそのまま図示したものであり、同図では負のピーク溶接電流値を横軸に、正のピーク溶接電流値を縦軸にとり、それぞれのビード外観評価が「極めて良好」な場合を◎印で、また、「良好」な場合を○印で表している。この表１から分かるように、正のピーク溶接電流と負のピーク溶接電流の値、或いはそれらの比を適切に選択することにより優れたビード外観を得ることができる（図４参照）。また、表２に溶接ワイヤ径と溶接状態および外観評価の結果を示した。この表２からも分かるように、本発明で規定するような、正のピーク溶接電流と負のピーク溶接電流値と１．６ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の径を有する溶接ワイヤを用いることで優れたビード外観を得ることができる。
【００１６】
【表１】

【００１７】
【表２】

【００１８】
なお、表２において、ワンダリング現象幅とは、ワンダリング現象によりアークが不安定となってワンダリング現象が大きくなり、溶接ビード始端部の外側にワンダリング現象の痕跡が残る幅をいい、溶接ビード蛇行幅とは、溶接ビード始端部が最も凹んでいる位置を通って溶接方向に平行な直線と、溶接ビード始端部が最も出っ張っている位置を通って溶接方向に平行な直線との最短距離をいう。（図３参照）
【００１９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明は、チタン又はチタン合金をＭＩＧ溶接方法を用いて、安定、かつ高能率に、かつ半自動溶接による現場溶接を可能とし、溶接時間短縮によるシールドガス使用量低減によるコスト削減を図ったＭＩＧ溶接用チタン合金溶接ワイヤ、溶接方法および溶接金属の提供を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＭＩＧ溶接装置の外観模式図。
【図２】 ＭＩＧ溶接法の外観模式図。
【図３】 従来のＭＩＧ溶接による溶接ビードの平面模式図。
【図４】 本発明によるＭＩＧ溶接による溶接ビードの平面模式図。
【図５】 パルス溶接時の適正溶接電流範囲を示す図。
【符号の説明】
１…被溶接材
２…ＭＩＧ溶接用トーチ
３…シールドガス供給装置
３−１…シールドガス供給パイプ
３−２…シールドボックス
３−３…ガス供給パイプ
３−４…ガス出口
４、４’…シールドガス
５…溶融池
６…溶接ビード
７…スパッタ
８…溶接ワイヤ

Claims (4)

1. チタンまたはチタン合金のＭＩＧ溶接方法において、溶接ワイヤの組成が、Ａｌ：０．５〜１０質量％、残部チタン及び不可避的不純物からなるチタン合金ワイヤを用い、ＭＩＧ溶接に際し、下記電流条件を満足する交流パルス溶接電流でチタン母材またはチタン合金母材を溶接することを特徴とするチタンまたはチタン合金のＭＩＧ溶接方法。
   ２００Ａ≦正極性のピーク電流≦５００Ａ
   −５０Ａ≧負極性のピーク電流
   １．０≦｜正極性のピーク電流／負極性のピーク電流｜
2. 前記チタン合金ワイヤが、更に、Ｏ≦１．０質量％含有することを特徴とする請求項１記載のチタンまたはチタン合金のＭＩＧ溶接方法。
3. 前記チタン合金ワイヤの断面外径が、１．６ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載のチタンまたはチタン合金のＭＩＧ溶接方法。
4. 請求項１〜３の何れかの溶接方法で溶接した溶着金属の組成が、Ａｌ：０．５〜１０質量％、Ｏ≦１．０質量％、残部チタン及び不可避的不純物からなる溶着金属。

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