JPH04270072A - パルスマグ溶接法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、パルスマグ溶接法に係
り、より詳しくは、Ａｒなどの不活性ガスを主とした混
合ガスをシールドガスとして用いるスパッタ発生量の少
ないパルスマグ溶接法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】Ａｒ、Ｈｅ、ＣＯ２、Ｏ２などの単体或
いは混合ガスをシールドガスとして用い、比較的細径の
電極（以下、「溶接ワイヤ」という）を連続的に送給し
て行なう溶接法、すなわち、ガスシールドアーク溶接法
は、高能率な溶接が可能であること、及び自動化し易い
溶接法であることから、ロボットを使う溶接などで多く
用いられている。

【０００３】また、このガスシールドアーク溶接法のう
ち、Ａｒ、Ｈｅなどの不活性ガスを主とした混合ガスを
シールドガスとして用いる溶接法は、ＣＯ２ガスだけを
用いる場合に比較すると、アークの安定性が良好でスパ
ッタの発生量が少ないが、低スパッタとなるための溶接
電流域に制限があり、低溶接電流域ではＣＯ２ガスを用
いる場合と同様に、スパッタが多く発生する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】更に、この低電流域で
のスパッタ発生を改善する目的でパルスマグ溶接法も提
案されているが、以下のような問題点が残っている。す
なわち、パルスマグ溶接法は、高電流と低電流を交互に
流し、高電流期間に溶接ワイヤ先端に溶滴を形成させ、
低電流期間に溶滴を溶接ワイヤ先端から離脱させて被溶
接物（以下、「母材」という）の溶融池に移行させて溶
接する方法である（図１参照）。

【０００５】この時、１回のパルスピーク電流（高電流
期間）で形成された溶滴がこれに続く低電流期間に溶融
池と短絡することなく移行（これを「１パルス１溶滴移
行」という）する現象が継続的に行なわれれば、スパッ
タは発生しない。

【０００６】しかし、この溶滴移行は必ずしも継続的か
つ規則的に行なわれるわけではない。低電流期間での離
脱に失敗すると、次の高電流期間に離脱したり、複数の
パルス（高電流）でも離脱しない場合は溶滴が大きく成
長してしまい、溶滴の下端と溶融池表面との離脱が小さ
くなって短絡したりする。

【０００７】高電流期間に離脱するとその強いアークの
ために溶滴が溶融池以外の方へ吹き飛ばされたり、また
短絡する場合は、短絡が破れて再びアークが発生すると
きのアークの反発力で溶滴や溶融池が飛び散ってスパッ
タとなる。

【０００８】また、実際の溶接条件は、被溶接物の形状
（板厚や継手のキャップの度合い等）、溶接姿勢や生産
性などを考慮して様々に設定されるので、アーク長さの
短い低電圧で溶接施工される場合もあり、溶滴と溶融池
とが短絡し易くなってスパッタが多く発生してしまう。

【０００９】これらの問題に対し、例えば、パルスマグ
溶接法の短絡現象に着目し、溶接ワイヤ成分を調整して
短絡時に発生するスパッタ量を抑える技術が提案されて
いる（例えば、特開昭６２−２９６９９３号）。しかし
、短絡現象が起きる以上、スパッタの発生に対して根本
的には解決されていない。

【００１０】本発明は、前述の従来のパルスマグ溶接法
上の問題点を解決し、パルスマグ溶接法においてその溶
滴移行形態を安定した１パルス１溶滴移行（スプレー移
行）とするために、溶接ワイヤの化学成分とパルス電流
波形条件を関連付けた施工条件で溶接するパルスマグ溶
接法を提供することを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記課題
を解決するために鋭意研究を重ねた結果、ここに本発明
をなしたものである。

【００１２】すなわち、本発明は、Ｃ：０．０７〜０．
１２％、Ｍｎ：１．０〜１．５％、Ｓｉ：０．２０〜０
．６０％、Ｔｉ：０．０１〜０．０６％を含有し、残部
がＦｅと不可避的不純物からなるガスシールド溶接用ソ
リッドワイヤを用いるパルスマグ溶接法において、パル
ス電流のピーク電流値Ｉｐ（ａｍｐ）とその保持時間Ｔ
ｐ（ｓｅｃ）によって求められる（Ｉｐ）２×Ｔｐの値
が、（Ｉｐ）２×Ｔｐ＝１３０×〔Ｓｉ〕＋１９０±４
０（但し、〔Ｓｉ〕はＳｉ含有量（重量％））を満足す
るＩｐとＴｐのパルス条件で溶接することを特徴とする
パルスマグ溶接法を要旨とするものである。以下に本発
明を更に詳述する。

【００１３】

【作用】施工法上の特徴から考えると、パルスマグ溶接
法でのスパッタ発生という問題点を解決するポイントは
、短いアーク長さ（例えば、溶接電圧の低い溶接条件）
の溶接施工条件でも溶滴と溶融池とが短絡しないように
することである。

【００１４】すなわち、アークが長い条件域では物理的
に溶接ワイヤ先端（或いは溶滴の先端）と溶融池表面と
の距離も長いので、短絡現象そのものは発生しにくいが
、アークが短いと溶滴の形成・離脱現象に僅かな不安定
状態があっても短絡を生じさせることがあるからである
。

【００１５】従来は短絡現象に対して、溶接ワイヤの成
分でその短絡状態を調整し、スパッタの低減を狙ったが
、本発明者らは、短絡現象そのものを可能な限り起こさ
ないようにすることを目的として、種々の化学成分を有
する溶接ワイヤを用いて、上記の施工上のポイントを満
足させる方法を検討した。

【００１６】パルスマグ溶接法においては、図１に示し
たように、ピーク電流（高電流）期間に溶接ワイヤ先端
に溶滴が形成され、これに続く低電流期間に離脱するこ
とが安定した溶滴移行となる条件であり、スパッタ防止
のために必要であることは前述したところである。

【００１７】ところで、溶接ワイヤ先端に溶滴が形成さ
れるときの現象、すなわち、ワイヤの溶融現象は

【数１
】 で表わされる。また、実効電流の２乗は、パルス波形が
方形波の場合、

【数２】 と表わされるので、安定した溶融現象を得るためには、
パルス定数であるＩｐとＴｐの設定が重要である。なお
、ベース電流は、ベース電流が低い値、通常は１．２ｍ
ｍのソリッドワイヤを使用する場合は３０〜１００Ａで
あるので、溶接ワイヤの溶融に寄与する程度は小さく、
考慮しなくてもよい場合が多い。

【００１８】現在市販されているパルス溶接機は、Ｉｐ
とＴｐの値は、溶接ワイヤの種類（例えば、軟鋼、ステ
ンレス鋼、アルミなど）によって事前に設定されている
ものや、溶接電圧をフィードバックしてＴｐを変化させ
るもの等があるが、殆どが固定的である。

【００１９】本発明者らは、パルスマグ溶接時の溶滴の
移行特性を高速度カメラによって直接的に観察した結果
、溶接継手の性能・溶接ビードの外観・溶接作業性（例
えば、高速溶接性）などを考慮したある種の化学成分系
のワイヤ（但し、従来の軟鋼という分類には入る）では
、市販されているパルス溶接機の軟鋼の標準的なパルス
定数では、安定した溶滴の移行、すなわち、１パルス１
溶滴移行が得られないことがわかった。これは、溶接ワ
イヤの化学成分はその使用用途に応じて種々の組成を有
しているにもかかわらず、市販のパルス定数は、単に、
軟鋼用・ステンレス鋼用などと大きく分類された定数が
固定されていることによるものである。

【００２０】そこで、種々の化学成分を持つ溶接ワイヤ
の溶滴移行状態について、更に詳細に検討を進めた結果
、溶接ワイヤ中のＳｉ含有量によってパルス定数のＩｐ
とＴｐを設定すれば、容易に１パルス１溶滴移行が得ら
れることを見出した。

【００２１】図２は実験結果の一例で、Ｓｉ含有量だけ
が異なる２種の軟鋼用溶接ワイヤについて、１パルス１
溶滴移行となるＩｐとＴｐとの関係を求めた実験結果で
ある。なお、溶接ワイヤの化学成分及び溶接条件は

【表
１】 に示す。図２より明らかなように、溶接ワイヤの化学成
分が変わると、１パルス１溶滴移行となるとＩｐとＴｐ
の適正範囲も変わるのである。

【００２２】そして、溶接ワイヤの溶融速度を決定する
大きなファクターである実効電流を示す式のうち、溶接
ワイヤの溶融に大きく寄与するＩｐとＴｐによって計算
されるＩｐ２・Ｔｐの値と溶接ワイヤ中のＳｉ含有量と
の間に、１パルス１溶滴移行となるための関係式

【数３
】 を見出した。

【００２３】様々なＳｉ含有量の溶接ワイヤに対して、
上式（［数３］）を満足するように（Ｉｐ）２×Ｔｐの
値を決定し、更に溶接機の特性に応じてＩｐとＴｐを決
定すると、１パルス１溶滴移行が安定して継続的に行な
われ、短絡現象やパルスピーク電流中の離脱現象が無い
ためにスパッタは発生しなくなった。

【００２４】溶接ワイヤ中のＳｉ含有量とＩｐ２・Ｔｐ
との間の関係は次のように説明される。すなわち、溶接
ワイヤの溶融は、上式（［数１］）に示した通りである
。第１項は、溶接ワイヤが電極として作用する場合に生
ずる熱（陽極効果、アークからの熱伝導など）に支配さ
れ、また第２項は溶接ワイヤの突出し部分に発生するジ
ュール熱によって支配される項である。

【００２５】上式（［数１］）で分かるように、溶接ワ
イヤの溶融には第２項が大きな影響を与えている。また
、実効電流の２乗の値のうち、溶接ワイヤの溶融に寄与
するのはパルスピーク電流期間であるから、Ｉｐ２・Ｔ
ｐが溶接ワイヤの溶融特性を決定づけるファクターであ
る。すなわち、Ｉｐ２・Ｔｐの値の大きいほど、溶接ワ
イヤの溶融速度が大きくなる。

【００２６】一方、溶接ワイヤの先端が溶融して形成さ
れた溶滴には、電流が流れているために、溶接ワイヤの
軸方向に溶滴を絞り込むような力（これを「ピンチ力」
という）が働き、溶滴を離脱させようとする。しかし、
実際に溶滴が離脱するか否かは、その溶滴の物性（例え
ば、表面張力や粘度）にも左右されると考えられ、溶滴
の粘度が高い場合、又は表面張力が高い場合は溶接ワイ
ヤ先端からの離脱に時間をより多く必要とすると考えら
れる。

【００２７】溶接ワイヤ中のＳｉ、Ｍｎ、Ｔｉは、溶接
継手の強度などを調整する元素であると同時に、脱酸剤
としての作用も有している。その含有量が多いと溶滴中
での脱酸効果が大きく、溶滴中の酸素量が少なくなる。 溶鋼中の酸素は、その溶鋼の表面張力を大きく低下させ
る元素として知られている。すなわち、脱酸剤を多く含
有する溶接ワイヤを用いると溶滴の表面張力が上昇し、
ピンチ力が作用して溶滴を絞り切る力が働いても溶接ワ
イヤ先端から離脱しにくくなると考えられる。

【００２８】離脱を促進させるためには、溶滴により多
くのエネルギーを与えて温度を上昇させ、粘度や表面張
力を低下させれば良く、実効電流の２乗に支配されるエ
ネルギー（すなわち、Ｉｐ２・Ｔｐの値）を脱酸剤の含
有量に応じて加減することが必要である。

【００２９】本発明者らが種々の化学成分を有する溶接
ワイヤを用いて溶接実験した結果、脱酸剤のうち、Ｓｉ
についてＩｐ２・Ｔｐとの関係を求めれば、１パルス１
溶滴移行となるパルス定数を設定できることがわかった
。

【００３０】本発明では、使用する溶接ワイヤのＣ、Ｓ
ｉ、Ｍｎ、Ｔｉの含有量について制限を設けているが、
これは、溶接作業性（高速溶接時のビード形成能など）
、ビードの外観、溶接継手の強度、溶接部の耐ブローホ
ール性（耐気孔欠陥性）などを考慮して決定したもので
ある。

【００３１】次に本発明における溶接ワイヤの化学成分
の限定理由について説明する。Ｃ：Ｃは溶接部を硬化さ
せ、溶接継手の強度を高める元素であるが、特に高速溶
接においては高温割れを誘発するので、０．１２％を上
限とした。また、含有量が少なすぎると継手の強度が低
下するだけでなく、溶滴が溶接ワイヤ先端から離脱する
際に、溶滴を絞りきる力が働いた部分（溶滴と溶接ワイ
ヤの間にできるくびれ部分）が異常に長くなって離脱現
象が不安定になるため、その下限を０．０７％とした。

【００３２】Ｓｉ：Ｓｉは上述したように溶滴の物性を
大きく左右する元素であると同時に、母材の溶融池の物
性にも影響を与える元素である。その含有量が多いと溶
融池の表面張力が大となり、特に高速溶接においては、
ハンピングビードと呼ばれる溶接欠陥が発生し易くなる
ため、上限を０．６０％とし、逆に少なすぎると脱酸不
足になってブローホールなどの気孔欠陥が発生するので
、０．２０％を下限とする。

【００３３】Ｍｎ、Ｔｉ：Ｍｎ及びＴｉも同様に溶滴の
物性に影響を与える元素で、Ｍｎが１．５％、Ｔｉが０
．０６％を超えるとハンピングビードが発生し易くなり
、またＭｎが１．０％、Ｔｉが０．０１％未満ではブロ
ーホールなどの気孔欠陥が発生する。

【００３４】これらのうち、Ｍｎ、Ｔｉの脱酸剤（各々
１．０〜１．５％、０．０１〜０．０６％）については
、その含有量の範囲では、前述のＳｉ含有量と（Ｉｐ）
２・Ｔｐの関係式が充分に成り立つものである。

【００３５】次に本発明の実施例を示す。

【００３６】

【実施例】

【表２】 に示す溶接条件で種々の化学成分を有する溶接ワイヤを
用いて溶接試験を行なった。その溶接結果を表２に示す
。表２より明らかなように、本発明によるＳｉ含有量と
（Ｉｐ）２・Ｔｐとの関係式を満足するように設定した
パルス条件で、安定した１パルス１溶滴移行が得られ、
スパッタの発生が大幅に低減された。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
パルスマグ溶接法において、溶接ワイヤの化学成分とパ
ルス電流波形条件を関連付けた施工条件で溶接するので
、溶滴移行形態を安定した１パルス１溶滴移行（スプレ
ー移行）とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】パルスマグ溶接での電流波形と短絡移行の摸式
図である。

【図２】１パルス１溶滴移行となるパルス定数範囲を示
す図である。

【符号の説明】

１　　アーク ２　　溶滴 ３　　母材

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　重量％で（以下、同じ）、Ｃ：０．０
   ７〜０．１２％、Ｍｎ：１．０〜１．５％、Ｓｉ：０．
   ２０〜０．６０％、Ｔｉ：０．０１〜０．０６％を含有
   し、残部がＦｅと不可避的不純物からなるガスシールド
   溶接用ソリッドワイヤを用いるパルスマグ溶接法におい
   て、パルス電流のピーク電流値Ｉｐ（ａｍｐ）とその保
   持時間Ｔｐ（ｓｅｃ）によって求められる（Ｉｐ）２×
   Ｔｐの値が、（Ｉｐ）２×Ｔｐ＝１３０×〔Ｓｉ〕＋１
   ９０±４０（但し、〔Ｓｉ〕はＳｉ含有量（重量％））
   を満足するＩｐとＴｐのパルス条件で溶接することを特
   徴とするパルスマグ溶接法。