JPH0358828B2

JPH0358828B2 -

Info

Publication number: JPH0358828B2
Application number: JP63191093A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Aoyama; Haruo Moriguchi; Kunio Kano; Jun Okada
Original assignee: Sansha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Sansha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1988-07-29
Filing date: 1988-07-29
Publication date: 1991-09-06
Also published as: JPH0241776A

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕本発明は、消耗性電極によつて被溶接母材をガ
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、消耗電極によつて被溶接母材をガスシー
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
りに、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、トーチ
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
イードバツ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、前記フイード
バツク制御によつ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、トーチ又は母材が溶接の進
行にしたがつて移動される。また、溶接の終了あるいは中により、トーチス
イツ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
フイードバツク制御が停止されて溶接出力が遮断
され、母材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′と母材との間でアー
クＡが発生する。また、常温で不活性の炭酸ガスは、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、良好なアーク溶度が行われる。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Fg、表面張力Fs力Faがあ
る。そして、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
る上向きの力として作用する。また、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、前述したように溶融部２が球
状に成長する。一方、溶接停止によつてアークＡが消減し、ア
ーク力Faが零になると、溶融部２には上向きの
力として表面張力Fsのみが作用し、主に、表面
張力Fsによつて溶融部２の凝固形状が決まり、
凝固時間が短いときには溶融部２が球状に凝固す
る。また、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
属より大きいため、とくに、溶接出力の電流（溶
接電流）が150A以下程度の中、小電流のときに
は、アークＡの消減によつ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、フイ
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にスラグ
４が付着していると、スラグ４によつてアークＡ
の発生が阻止され、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、溶接停止によつて電極
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つて電極１が
送給され続ける。また、溶接電流が大くなる程、溶接停止によつ
て溶接出力が減少して遮断されまでに時間を要す
る。そして、溶接電流が200A以上の大電流になる
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
間、溶接出力によつて溶融部２に十分なエネルギ
が与えられるため、いわゆる燃え上り現象を発生
させ、アークＡの消減後に溶融部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の凝固形状、スラグ４の付着
位置が中、電流のときにと同一であつても、再起
動に、溶接出力の大きなエネルギによつて比較的
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の下側表にスラグ４が付着し、かつ、溶接出
力のエネルギが小さいため、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た鋭利な形状に
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、溶接ロボツトなどの自
動装置と組合わせて溶接作を行う場合にも、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、溶接流が中、小電流であつても、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、溶接ロボツトな
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。〔課題を解決するための手段〕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、定電圧にフイードバツク制御された溶接
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イードバツク制御
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
の慣性によつ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
流であつても、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、スラグによつてアー
クの発生が阻止されず、しかも、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、電極送給モ
ータ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。１０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つて
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１１に供給する。１２，１３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。１４は検出器１２，１３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。１５は検
出器１２の電流の検出信号が入力される定電流制
御部であり、電流の検出信号と定電流基準信号と
の差分信号を定電流制御信号として出力する。１６は制御部１４，１５の出力信号が入力され
る制御切換部であり、両制御部１４，１５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１０のフイードバツク
制御信号として供給する。１７は溶接開始、溶接終了によつてオン、オフ
されるトーチスイツチ、１８はスイツチ１７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、通電によつて制御部７，１４，１５に接続さ
れた接点１８ａ，１８ｂ，１８ｃをオンし、制御
部７，１４，１５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ス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、スイツチ１７
がt₁時にオンにロツクされ、溶接開始が指令され
ると、リレー１８が通電されて接点１８ａ〜１８
ｃがオンし、制御部７，１４，１５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、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、モータ８は第２図ｂに示すように、動
作遅れ時間だけ遅れてt₂時に低速Kaで回転し始
め、アーク起動期間が終了するt₃時まで電極１を
母材３の方向にゆつくりと送給し、t₃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、電圧が零であり、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１５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１５の出力信号が切換部１６を介して制御部
１０に供給される。そして、切換部１６の出力信号にもとづき、t₂
時になると、出力部１０が定常状態のときより大
容量の溶接出力を負荷１１に供給し、このとき、
電極１と母材３にアークＡが発生しておらず、負
荷インピーダンスが高いため、第２図ｃに示すよ
うに、母材を正、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１
５の定電流制御信号が起動用の高電圧制御部信号
として出力部１０に供給され、出力部１０の溶接
出力によつて負荷１１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、t₃時にホツ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１５の出力信号が制御部１
４の定電圧制御信号より低レベルになり、制御部
１４の溶接出力が切換部１６を介して出力部１０
に供給される。そのため、起動状態から定常状態に移行するt₃
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
にフイードバツク制御される。なお、定電流基準信号は、定常状態の溶接電流
より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１５の出力信号が制御部１
４の出力信号より大きくなることはない。そして、定常電圧Vbにフイードバツク制御さ
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、何らかの原因によつて溶接電流が過大に
なると、出力部１０の保護などを図るため、制御
部１４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１６を介して出力
部１０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、電流は実線上の点αの電圧Vb、電流Ibに
なる。つぎに、第２図ａに示すようにスイツチ１７が
t₄時にオフされ、リレー１８の通電が停止されて
接点１８ａ〜１８ｃがオフし、制御部７，１４，
１５に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
が慣性によつてt₅時を過ぎるまで回転し、電極１
が送給され続ける。また、消耗性電極１４の動作も停止し、このと
き、制御部１４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１５は内部の遅延手段によつて動
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１５はt₅時まで動作する。そして、溶接電流の減少によつて制御部１５の
出力信号が大くなり、ほぼ、溶接停止が指令され
た直後に、制御部１４の溶接出力より制御部１５
の出力信号の方が高レベルになり、出力部１０に
制御部１５の出力信号が供給される。そのため、溶接停止が指令されると、前記凝固
制御時間が経過するt₅時までの間、溶接出力は制
御部１５の出力信号によつて定電流にフイードバ
ツク制御され、溶接電流の減少が阻止される。したがつて、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以下であつても、第４図に示すように電
極１の先端の溶融部２の急速な凝固が防止され、
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ため、つぎ
にスイツチ１７をオンして再起動したときには、
従来の前処理よる電極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
適用できるのは勿論である。つぎに、実験結果について説明する。 (A) 電極１に1.2mmφ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100Aに
し、凝固制御時間Ｔを0.200ｍsec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
のようになつた。 (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100msec、200msec、300msec
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。

【表】

【表】 (C) 電極１に1.0mmφの市販の炭酸ガス溶接用ワ
イヤを使用し、溶接電流100A、凝固制御時間
Ｔ＝200msec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。

〔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
ため、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、モ
ータの慣性によつ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圧制御され、溶接電流が中、
小電流であつても、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
グの付着位置を電極の最下端からずらすことがで
き、そのため、再起動時には、スラグによるアー
クの発生が阻止されず、しかも、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、溶接ロボツトなどと組
合せて溶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図はブロツ
ク図、第２図ａ〜ｄは動作説明用のタイミングチ
ヤート、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…被溶接母材、８…電極送
給モータ。

Claims

【特許請求の範囲】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、
定電圧にフイードバツ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イードバツク制御
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。