JPH0241776A - ガスシールドアーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、消耗性電極によって被溶接母材をガスシール
ドアーク溶接するガスシールドアーク溶接方法に関する
。

〔従来の技術） 従来、消耗１陵電極によって被溶接母料をガスシールド
アーク溶接する場合、シールドガスには、アルゴン、ヘ
リウムなどの高価な不活性ガスの代わシに、安価な炭酸
ガスを用いることが望まれる。

そして、炭酸ガスを用いたガスシールドアーク溶接を行
う場合、電極送給モータの駆動により。

ワイヤ状の消耗性電極がトーチを介して被溶接母材の方
向（下方）に送給されるとともに、１・−チ先端のノズ
ルからシールドガスとしての炭酸ガスが母材の方向に供
給される。

また、電極と母材が形成する溶接負荷には、フィードバ
ック制御される直流の溶接出力が供給される。

そして、電極の先端が母材に短絡し、短絡アークが発生
してアーク起動されると、前記フィードバック制御によ
って溶接出力が定電圧に制御され、起動状態から定常状
態に移行し、以降、母材と電極との間で短絡とアーク発
生とが交互にくり返えされ、このとき、電極先端の溶融
金属が母材に溶着して母材がアーク溶接される。

なお、溶接中には、ｌ・−チ又は母材が溶接の進行にし
たがって移動される。

また、溶接の終了あるいは中断により、トーチスイッチ
がオフされて溶接停止が指令されると、電極送給モータ
の駆動が停止されるとともに、前記フィードバック制御
が停止きれて溶接出力が遮断され、母相の溶接が停止さ
れる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ガスシールドアーク溶接のシールドガスに電位傾度の大
きなガス、たとえば炭酸ガスを用いた場合、その電位傾
度にもとづき、アーク発生中には第５図に示すように、
消耗性電極（１）の先端の溶融部（２）が球状に成長す
るとともに、その下側表面の一部の微小な発生点領域（
２トとｌＮ１４Ｊ　（３）との間でアーク（Ａ）が発生
する。

また、常温で不活性のｌｊ５酸ガヌは、高温のアーク雰
囲気中において、その一部が一酸化炭素と酸素に解離す
る。

そして、アーク発生中には、前記酸素が溶融部（２）に
含有されたシリコン　マンガンなどの不純物と結合し、
不純物が酸化ケイ素、酸化マンガンを主成分とするスラ
グとして溶融部（２）から排出され、この作用にもとづ
き、健全な溶融金属が母材（３）に溶着し、良好なアー
ク溶接が行われる。

ところで、溶融部（２）に作用する力には、第５図に示
すように、重力Ｆｇ１表面張力Ｆｓ及びアーク力Ｆａが
ある。

そして１重力Ｆｇは一定の下向きの力として作用し、表
面張力Ｆｓは温度などに依存して変化するゴニ向きの力
として作用する。

まだ、アークの発生中にのみ生じるアーク力Ｆａは、発
生点領域（２）′の直径が電極（１）の直径より小さく
なる炭酸ガス雰囲気中などにおいて、上向きの力として
作用する。

そして、溶接中には、表面張力Ｆｓ及びアーク力Ｆａに
もとづき、前述したように〆副１部（２）が球状に成長
する。

一方、溶接停止によってアーク（Ａ）が消滅し、アーク
力Ｆａが零になると、溶融部（２）には」二向きの力と
して表面張力Ｆｓのみが作用し、主に１表面張力Ｆｓに
よって溶融部（２）の凝固形状が決まシ、凝固時間が短
いときには溶融部（２）が球状に凝固する。

まだ、前記スラグの融点が溶融部（２）の金属より低く
、しかも、前記スラグの比重が溶融部（２）の金属より
大きいだめ、とくに、溶接出力の電流（溶接電流）が１
５０Ａ以下程度の中、小電流のときには、アーク（Ａ）
の消滅によって球状に凝固した溶融部（２）の最下端表
面に、第５図に示すように、フィルム状に凝固したスラ
グ（４）が付着する。

そして、スラグ（４）は常温で電気的不導体になり、再
び溶接を開始する場合、溶融部（２）　Ｋスラグ（４）
が付着していると、スラグ（４）によってアーク（Ａ）
の発生がｂ目止され、アーク発生率が低下するとともに
、発生したアークが定常状態に達する前に消滅し易いた
め、とくに、溶接電流が前述の中、小電流のときには、
再起動のアークスタート特性が悪化し、再起動が極めて
困難になる。

ところで、溶接電流と電極（１）の送給速度とが比例関
係を有するとともに、溶接停止によって電極送給モータ
の駆動が停止されても、溶接電流に比例した時間、前記
モータの慣性によって電極（１）が送給され続ける。

まだ、溶接電流が大きくなる程、溶接停止によって沿接
出力が減少して遮断されるまでに時Ｕ慣を要する。

そして、溶接電流が２０ＯＡ以」二の大電流になるとき
は、前記モータの大きな慣性力にもとづき、溶接停止が
指令されてから比較的長い時間、電極（１）が母材（３
）の方向に送給され続け、しかも、そのアーク（Ａ）の
消滅後に溶融部（２）を上方に引き上げて溶融部（２）
の凝固形状を制御し、スラグ（４）の付着位置を制御す
ることが可能になる。

また、溶接電流が大電流になる溶接出力の大きなときは
、溶融部（２）の幌固形状、スラグ（４）の付着位置が
中、小電流のときと同一であっても、再起動時に、溶接
出力の大きなエネルギによって比較的容易にアーク（Ａ
）が発生し、再起動が比較的容易に行える。

しかし、溶接電流が中、小電流になる溶接出力の小さな
ときには、前記モータの慣性力が小さく、溶接停止が指
令されてから短時間で電極（１）の送給が停止され、し
かも、溶接出力が迅速に遮断されるため、前述の燃え上
り現象を発生させることができず、前記したように球状
に凝固した溶融部（２）の下側表面にスラグ（４）が付
着し、かつ、溶接出力のエネルギが小さいだめ、再起動
が極めて困難になる。

そこで、とくに、溶接電流が１５０Ａ程度以下の中、小
電流になるときには、再起動時、前処理として、電極（
１）の先端を斜めに切断し、アークが発生し易いように
金属表面が露出しだ鋭利な形状に加工する煩雑な作業が
必要になる。

そして、前処理を施しても再起動が確実に行えるとは限
らず、そのため、溶接ロボツ）Ｘどの自動装置と組合わ
せて溶接作業を行う場合にも、アークスタートに失敗し
たときに備えて作業員を必ず配置する必要があり、溶接
作業の無人化が図れない。

本発明は、溶接電流が中、小電流であっても、前処理と
しての電極の切断加工などを行うことなく再起動が確実
に行えるようにし、溶接ロボットなどと組合わせて溶接
作業の無人化が図れるガスシールドアーク溶接方法を提
供することを目的とする。

〔課題を解決するだめの手段〕

前記目的を達成するための手段を以下に説明する。

本発明は、電極送給モータの駆動によって送給される消
耗性電極と被溶接母材とが形成する溶接負荷に、定電圧
にフィードバック制御された溶接出力を供給し、前記母
材と前記電極との間で短絡とアーク発生とを交互にくり
返すとともに、発生したアークをガスシールドして前記
母材を溶接するガスシールドアーク溶接方法において、
溶接停止にもとづいて前記モータの駆動及び前記溶接出
力の定電圧制御が停止されるときに、前記溶接停止から
所定の凝固制御時間が経過するまで、前記溶接出力を定
電流にフィードバック制御し、前記電極の先端の凝固形
状を制御してスラグの付着位置を制御するという技術的
手段を講じている。

〔作　用〕 溶接停止にもとづいて電極送給モータの駆動及び溶接出
力の定電圧制御が停止されると、モータの慣性によって
電極が送給され続けるとともに、溶接停止から所定の凝
固制御時間が経過するまで溶接出力が定電流制御され、
溶接電流が中、小電流であっても、電極先端の溶融部に
エネルギが与えられて凝固速度が遅くなるように制御さ
れ、このとき、電極の送給と表面張力の作用とにもとづ
き、溶融部の形状が球形から変形してスラグの付着位置
が電極の最下端からずれる。

そのため、再起動時には、スラグによってアークの発生
がｍ止されず、しかも１発生したアークが消えることも
なく、アークスタート特性が向上して確実に再起動が行
える。

〔実施例〕

１実施例について第１図ないし第４図を参照して以下に
説明する。

第１図はシールドガスに炭酸ガスを用いた場合を示し、
同図において、　（４）　、　（５）は溶接装置（６）
の第１、第２電源端子であり、それぞれ商用交流電源な
どの交流電源に接続される。（７）は電源端子（４）に
接続されたワイヤ送給制御部であり、電極送給そ−タ（
８）の駆動を制御し、ワイヤ状の電極（１）をトーチ（
９）を介して母材（３）の方向（下方）に送給する。

００）は電源端子（５）に接続された制御出力部であり
、サイリスタ整流又はインバータ駆動によって形成され
た直流の溶接出力を電極（１）、母材（３）が形成する
溶接負荷０υに供給する。０２．θ■は負荷電流、負荷
電圧それぞれを検出する電流検出器、電圧検出器である
。

Ｑ４）は検出器α４．（１■の電流、電圧の検出信号が
入力される定常制御部であり、電流の検出信号が過電流
検出基準値以下になる通常時に、電圧の検出信号と定常
状態の定電圧基準信号との差分信号を定電圧制御信号と
して出力する。００は検出器０２）の電流の検出信号が
入力される定電流制御部であり。

αＱは制御部（１４）　、　Ｑ！９の出力信号が入力さ
れる制御切換部であり１両制御部α４）　、　０句の出
力信号の大きい方（制御量の大きい方）を選択し、選択
した出力信号を出力部αＱにフィードバック制御信号と
して供給する。

α力は溶接開始、溶接終了によってオン、オフされるト
ーチスイッチ、０８）はスイッチａカを介して電源端子
（５）に接続された動作制御リレーであり、通電によっ
て制御部（７）、α４）　、　０５）に接続された接点
（＋８ａ）、（＋８ｂ）、（＋８ｃ）をオンし、制御部
（’？）、（１４３，（＋５）を起動する。

なお、トーチ（９）の先端のノズルからは、アーク（Ａ
）をシールドする炭酸ガヌ（Ｇ）が母材（３）の方向に
噴射される。

そして、第２図（ａ）に示すように、スイッチ（１７１
が＋１時にオンにロックされ、溶Ｖ開始が指令されると
、リレーα８）が通電されて接点（＋８ａ）〜（＋ＳＣ
）がオンし、制御部（７）　、　Ｑ４）　、　ＯＦ９が
起動される。

ところで、起動された制御部（７）は初期のアーク起動
期間に低レベルの起動送給用制御信号をモータ（８）に
供給し、その後、高レベルの定常送給用制御信号をモー
タ（８）に供給する。

そして、−Ｔｌ：−タ（８）は第２図（′ｌ：１）ＶＣ
示すように、動作遅れ時間だけ遅れて＋２時に低速Ｋａ
で回転し始め。

アーク起動期間が終了する１３時まで電極（１）を母材
（３）の方向にゆっくりと送給し、１３時になると、高
速Ｋｂで回転して電極（１）を定常速度で母材（３）の
方向に送給する。

一方、溶接開始が指令された直後は、溶接電流。

電圧が零であシ、このとき、制御部（１４）で形成され
る定電圧制御信号より制御部００で形成される定電流制
御信号の方がレベルが高くなり、制御部ａ均の出力信号
が切換部Ｏ＠を介して制御部Ｏυに供給される。

そして、切換部００の出力信号にもとづき、　＋２時に
なると、出力部α０）が定常状態のときより大容量の溶
接出力を負荷０υに供給し、このとき、電極（１）と母
材（３）Ｋアーク（Ａ）が発生しておらず、負荷インピ
ーダンスが高いだめ、第２図（Ｃ）に示すように、母材
（３）を正、電極（１）を負とする溶接電圧（負荷電圧
）が高電圧Ｖａに制御される。

すなわち、溶接開始が指令されると、制御部００の定電
流制御信号が起動用の高電圧制御信号として出力部００
）に供給され、出力部００の溶接出力によって負荷０υ
に高電圧が印加される。

そして、電極（１）が母材（３）に近づいて短絡アーク
（Ａ）が発生し、１３時にホットスタートでアーク起動
が行われると、溶接電流が増加するとともに溶接電圧が
低下し、制御部α０の出力信号が制御部（１４）の定電
圧制御信号より低レベルになり、制御部（イ）の出力信
号が切換部００を介して出力部００に供給される。

そのだめ、起動状態から定常状態に移行する１３時にな
ると、第２図（Ｃ）に示すように、制御部（１４）の出
力信号にもとづき、溶接出力が定常′電圧ｖｂにフィー
ドバック制御される。

なお、定電流基準信号は、定常状態の溶接電流よシ少し
低い電流にもとづいて設定され、定常状態の溶接中に、
制御部００の出力信号が制御部Ｑ４）の出力信号よシ大
きくなることはない。

そして、定常電圧ｖｂにフィードバック制御された溶接
出力にもとづき、従来と同様に、母材（３）と電極（１
）との間で短絡とアーク発生とが交互にくり返えされ、
電極（１）の先端の溶融金属が母材（３）に溶着して母
材（３）がアーク溶接される。

なお、溶接中には、トーチ（９）又は母材（３）が移動
されて溶接個所が移動する。

また、何らかの原因によって溶接電流が過大になると、
出力部００の保護などを図るだめ、制御部０４）が定電
圧制御信号の代わりに、過電流保護用の電流クランプ信
号を切換部叫を介して出力部θＯに供給し、溶接電流を
たとえば定格最大電流Ｉａに制御する。

すなわち、溶接出力の電圧、電流特性は第３図の実線の
ようになり、通常の溶接中の溶接出力の電圧、電流は実
線」−の点αの電圧■ｂ、電流Ｉｂになる。

つぎに、第２図（ａ）に示すようにスイッチα力がｔ４
時にオフされ、リレー０８）の通電が停止されて接点（
１８ａ）　−（１８ｃ）がオフし、制御部（７）　、　
（１４）　、　（ｌ　Ｋ溶接停止が指令されると、この
とき、制御部（７）の動作が停止して制御部（７）から
の制御信号は遮断されるが、第２図（ｂ）に示すように
、モータ（８）が慣性によって１５時を過ぎるまで回転
し、電極（１）が送給され続ける。

まだ、制御部α４）の動作も停止し、このとき、制御部
０４）の出力信号のレベルが低下して溶接電圧が第２図
（Ｃ）に示すように低下する。

そして、電極（１）の送給速度の低下と溶接出力の電圧
低下とにもとづき、溶接電流も第３図の破線に示すよう
に減少する。

一方、制御部００は内部の遅延手段によって動作の停止
タイミングが接点（１８Ｃ）のオフタイミングから所定
の凝固制御時間だけ遅れ、第２図（ｄ）に示すように、
制御部α■は１５時まで動作する。

そして、溶接電流の減少によって制御部０ｅの出力信号
が大きくなり、はぼ、溶接停止が指令された直後に、制
御部０４）の出力信号より制御部ａ■の出力信号の方が
高レベルになり、出力部００に制御部αＯの出力信号が
供給される。

そのだめ、溶接停止が指令されると、前記凝固制御時間
が経過する１５時までの間、溶接出力は制御部αυの出
力信号によって定電流にフィードバック制御され、溶接
電流の減少が阻止される。

したがって、溶接停止が指令されても、一定の時間、次
第に減速されながら送給される電極（１）に凝固制御用
のエネルギが供給され続け、溶接電流が１５０Ａ以下で
あっても、第４図に示すように電極（１）の先端の溶融
部（２）の急速な澁固が防止され、このとき、表面張力
にもとづき、溶融部（２）の形状が制御され、溶融部（
２）が球形から変形し、その表面に凝固して付着するス
ラグ（４）の位置が電極（１）の下端面（１）′からず
れる。

そして、スラグ（４）が下端面（１）′からずれて付着
し。

下端面（１）′に金属表面が露出するだめ、つぎにスイ
ッチ０力をオンして再起動したときには、従来の前処理
による電極（１）の切断加工などを施すことなく、アー
ク（Ａ）が発生して確実に再起動される。

なお、凝固制御時間は溶接電流の大きさなどにもとづい
て設定すればよい。

また、慣性による電極（１）の送給時間が著しく短いと
きなどには、制御部（７）の制御信号の出力遮断タイミ
ングを遅延して調整してもよい。

そして、シールドガスが炭酸ガス以外のときに適用でき
るのけ勿論である。

つぎに、実験結果について説明する。

（Ａ）電極（１）に１．２］＠の市販の炭酸ガス溶接用
ワイヤを使用するとともに、溶接電流を１０ＯＡにし、
凝固制御時間Ｔを０　、２００ｍ５ｅｃのいずれかにし
て再起動を行うことにより、再起動の成功率、失敗率、
瞬時アーク不良率がつぎの第１表のようになった。

（Ｂ）電極（１）、溶接電流を（Ａ）と同一の条件にし
、凝固遅延時間Ｔを＋００ｍ５ｅｃ　、　２００ｍ５ｅ
ｃ　、　３００ｍ５ｅｃにして再起動を行うことにより
、つぎの第２表の結果が得られた。

第１表 第２表 （Ｃ）電極（１）に１．０凸の市販の炭酸ガス溶接用ワ
イヤを使用し、溶接電流＋００　Ａ　、　＠固制御時間
Ｔ２Ｏ０ｍ５ｅｃの条件で再起動をくり返すことにより
、つぎの第３表の結果が得られた。

（２行　　余　　白） 第３表 〔発明の効果〕 本発明は、以上説明したように構成されているだめ、以
下に記載するような効果を奏する。

溶接停止にもとづいて電極送給モータの駆動及び溶接出
力の定電圧制御が停止されたときに、そ−タの慣性によ
って電極が送給され続けるとともに、溶接停止から所定
の凝固制御時間が経過するまで溶接出力が定電流制御さ
れ、溶接電流が中。

小電流であっても、電極先端の溶融部にエネルギが与え
られて凝固速度が遅くなるように制御され。

このとき、電極の送給と表面張力の作用とにもとづき、
溶融部の形状が球形から変形してスラグの付着位置記、
電極の最下端からずらすことができ、そのだめ、再起動
時には、スラグによるアークの発生が目止されず、しか
も１発生したアークが消えることもなく、アークスター
ト特性が向上して確実に再起動が行え、溶接ロボッ１−
などと組合せてｇ接作業の無人化を図ることなどができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は本発明のガスシールドアーク溶接
方法の１実施例を示し、第１図はブロック図、第２図（
ａ）〜（ｄ）は動作説明用のタイミングチャート、第３
図は溶接電流と溶接電圧との関係図。 第４図は電極先端の凝固形状説明図、第５図は従来のガ
スシールドアーク溶接方法の電極先端の形状説明図であ
る。 （１）・・消耗性電極、（３）・・被溶接母料、（８）
・・・電極送給モータ。 代理人　弁理士　　藤田ｆ’Ａ−ｊ大部ｔ５ 第 図 陣・

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）電極送給モータの駆動によつて送給される消耗性
   電極と被溶接母材とが形成する溶接負荷に、定電圧にフ
   ィードバック制御された溶接出力を供給し、前記母材と
   前記電極との間で短絡とアーク発生とを交互にくり返す
   とともに、発生したアークをガスシールドして前記母材
   を溶接するガスシールドアーク溶接方法において、 溶接停止にもとづいて前記モータの駆動及び前記溶接出
   力の定電圧制御が停止されるときに、前記溶接停止から
   所定の凝固制御時間が経過するまで、前記溶接出力を定
   電流にフィードバック制御し、前記電極の先端の凝固形
   状を制御してスラグの付着位置を制御するようにしたこ
   とを特徴とするガスシールドアーク溶接方法。