JPH044074B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

技術分野 本発明は、消耗電極と母材との間で短絡とアー
ク発生とを繰り返す消耗電極式アーク溶接方法に
関する。 従来技術 第１図は短絡とアーク発生とを交互に繰り返す
消耗電極式アーク溶接法の溶滴の形成と移行の過
程を示しており、１は消耗電極（以下、溶接ワイ
ヤという）、２は溶接ワイヤ１の先端に形成され
た溶滴、３はアーク、４は溶融池すなわち母材で
ある。ａは溶滴２が溶融池４と接触した短絡初期
状態、ｂは溶滴２と溶融池４との接触が確実とな
つて溶滴２が溶融池４へ移行している短絡中期状
態、ｃは溶滴２が溶融池４側へ移行して溶接ワイ
ヤ１と溶融池４との間の溶滴２にくびれが生じた
短絡後期状態、ｄは短絡が破れて溶接アーク３が
発生した瞬間、ｅは溶接ワイヤ１の先端が溶融し
て溶滴２が成長するアーク発生状態、ｆ，ｇは溶
滴２が溶融池４と短絡する直前のアーク発生状態
を夫々示し、ａ〜ｇの過程が繰り返し行なわれ
る。 第２図は、リアクトルを併用した定電圧特性を
有する従来の溶接電源を用いた場合の溶接電流と
溶接電圧の波形を示している。この第２図におい
て、波形上の過程を示す符合ａ〜ｇは第１図に示
す溶滴の形成と移行の過程ａ〜ｇに夫々対応して
いる。 この従来の溶接電源を用いた場合には、以下の
様な問題が生じる。過程ａでは、溶滴２と溶融池
４との短絡の直後にある時定数を有して溶接電流
が増加し始め、溶滴２と溶融池４との接触部Ａの
断面積が小さいとき、すなわち、溶滴２の溶融池
４への移行が進まないうちに溶接電流が大きくな
ると、短絡が破れてアークが発生し、この時にス
パツタを発生する。過程ｃ，ｄでは、溶滴２にく
びれが生じ、短絡が破れてアークが再発生する。
このアーク再発生時には電流値は最も高い値とな
り、アークの反撥エネルギーにより、スパツタを
多量に発生させるとともに、溶融池４を大きく振
動させる。アーク発生後の過程ｅ，ｆでは、前の
短絡期間が長いときには溶接電流が増加し、前の
短絡期間が短いときには溶接電流が減少する。し
たがつて、過程ｅ，ｆで形成される溶滴２の大き
さがばらつき、ときには、過程ｇにおいて溶滴が
小さ過ぎると、溶接ワイヤ１の未溶融部が溶融池
４へ突つ込んで、溶接が著しく不安定になること
がある。また、過程ｆ，ｇで、溶滴２と溶融池４
とを短絡に近づけさらに短絡させるためには、溶
接電流が小さいことが必要である。しかるに、こ
のときの溶接電流は、回路のインダクタンスＬと
等価抵抗Ｒに応じて、第２図に示すようにe^-(L/R)t
の値に比例して減少する。このため、溶接ワイヤ
の送給速度が高く、従つて、溶接電流の平均値が
高い場合には、過程ｆ，ｇにおいて電流が高くな
り、短絡が生じにくくなる。さらに、溶接電流が
定電圧特性であるため、アーク長が短くなるにつ
れて電流が増加する。この結果、ますます短絡が
生じにくくなり、溶滴が大きく成長し、規側的な
短絡の周期が期待できないばかりでなく、大粒の
スパツタが発生する。 発明の目的 本発明は上記問題に鑑みてなされたものであ
り、その目的は、短絡とアーク発生とを繰り返す
過程を安定化するとともに、スパツタの発生を減
少させた消耗電極式アーク溶接方法を提供するこ
とである。 発明の概要 消耗電極と母材との間で短絡とアーク発生とを
繰り返す消耗電極式アーク溶接方法であつて、消
耗電極と母材とが短絡すると、溶接電流を比較的
低レベルの第１の電流値に保持する過程と、続い
て溶接電流を比較的高レベルの第２の電流値に保
持する過程と、溶接電流を第２の電流値を保持す
る間に消耗電極と母材との間の溶接部にくびれが
生じると、溶接電流を低レベルの第３の電流値に
低下させる過程と、続いて消耗電極と母材との間
にアークが発生したタイミングで溶接電流を増大
させて、比較的高レベルの第４の電流値に保持す
る過程と、続いて消耗電極と母材とが短絡するま
で溶接電流を比較的低レベルの第５の電流値に保
持する過程とを有し、第５の電流値より比較的低
レベルの第１の電流値を保持する過程へと上記一
連の過程を繰り返す。 実施例 以下、本発明の一実施例について説明する。 本発明では、溶接ワイヤをノズルを介して所定
速度で母材に対して送給する一方、上記ノズルか
らシールドガスを噴射しつつ、溶接ワイヤと母材
との間で発生するアーク部分を包囲するととも
に、溶接ワイヤと母材との間で短絡とアーク発生
とを繰り返して溶接を行う消耗電極式アーク溶接
法において、溶接電流を制御する。 本発明者らは、短絡とアーク発生とを交互に繰
り返す消耗電極式アーク溶接法において、溶接電
流の出力波形について種々検討した結果、第３図
に示す波形が最適であることが分つた。 第３図は溶接電流と溶接電圧の波形を示してお
り、波形上の過程ａ〜ｇは上述の第１図に示す溶
滴の形成と移行の過程ａ〜ｇに夫々対応してい
る。 溶接ワイヤ１と溶融池４との短絡の直後の過程
ａ〜ｂでは、溶接電流を低レベルである電流I_Dに
保持し、溶滴２と溶融池４との接触を強固にする
ことを阻害する溶接電流のピンチ力が溶滴２と溶
融池４との接触部Ａに働かないようにする。この
低レベルの電流I_Dを保持する期間T_Dは、１〜
4msecであり、最適には1.5〜2.5msecである。電
流I_Dは、溶滴２と溶融池４との接触部Ａに電流ピ
ンチ力が働かないようにするためにはできるだけ
小さい方が望ましく、一般に100A以下である。
溶接ワイヤの送給速度が小さいときには、電流I_D
はさらに低い方が良いことが確認された。 溶滴２と溶融池４との結合が強固になつた過程
ｂから、溶滴２の溶融池４への移行を促進するた
めにジユールエネルギーとピンチ力を与える適当
な高電流I_SPを印加する。この高電流I_SPは、溶接
ワイヤ１の未溶融部分が溶融池４へ突つ込まない
うちに溶滴２を溶融池４へ移行させるとともに、
移行の後に溶滴２にくびれを生じさせるために印
加されるものであり、この高電流I_SPが印加され
ないと、溶接の過程は著しく不安定になる高電流
I_SPを印加する期間は溶滴２にくびれが生じる過
程ｃまでであるが、この期間は通常１〜5msecの
間でばらつくので、予め設定することは不可能で
ある。しかし、溶滴のくびれを溶接ワイヤと母材
間の抵抗変化、電圧変化あるいは電流変化などに
より検知して、短絡の状況に応じて、くびれが生
じたら高電流I_SPの印加を終了するように、自動
的に制御する必要がある。溶滴のくびれの検出は
具体的にはたとえば溶接ワイヤと母材との間の電
圧Ｖの時間変化（微分値dV／dt）が一定値を越
えたことによつて検出する。 溶滴２にくびれが発生した過程ｃにおいて、溶
接電流を低レベルである電流I_RAへ急激に減少さ
せる。そして、過程ｃに続く過程ｄにおいてアー
クが発生する。過程ｃにおいて電流を急激に減少
させるのは、溶滴２のくびれ部Ｂが破断してアー
クが発生した時に溶滴２の一部が飛散するのを防
止するとともに、アークが発生した瞬間に溶融池
にアークにより加えられる圧力を弱めるためであ
る。この圧力が強いと、溶融池４がビード外周に
押され、、ビード外観の均一性を損なうばかりで
なく、時には溶融池の一部を飛散させてスパツタ
となる場合がある。 過程ｃにおいて、電流を低下させてしまうと、
溶滴が破断せず、アークが再発生しないという疑
念が生じるが、溶滴にくびれが生じると、後は表
面張力とでくびれ部は破断する。したがつて、過
程ｂにおいては、溶滴２が表面張力と重力により
破断する程度のくびれが生じるまで高電流I_SPを
印加すればよい。また、低レベルの電流I_RAは、
溶接ワイヤの送給速度などによつても左右される
が、20〜200Aが望ましい。電流I_RAが20A以下に
なると、アーク再発生時にアークが消えるアーク
切れが発生する可能性が増し、また、200A以上
であると、スパツタの発生量が増加する。この電
流I_RAとしては、理想的には、アーク切れが発生
しない電流値でできるだけ小さい方が良いてわけ
であり、20Aに限定されるものではない。 過程ｄにおいてアークが発生したタイミング
で、溶接電流を高レベルである電流I_APまで増加
させ、この高電流I_APを過程ｅまでの予め定めら
れた期間保存する。過程ｄから過程ｅまでの期間
T_APは、次回の短絡で溶融池４へ移行させるため
の溶滴を溶接ワイヤ先端に形成する期間である。
この期間T_APにおいて溶滴が所望の大きさになる
ように、期間T_APと電流値I_APとを定める。この期
間T_APで溶接ワイヤと溶融池との短絡が生じる
と、必要な溶滴が形成されないで短絡するため、
溶接ワイヤの未溶融部分が溶融池に入り、アーク
再発生に時間を要するとともに、溶接の安定性を
著しく損なう。したがつて、期間T_APにおける電
流I_APは、短絡の発生を防止するのに充分である
高レベルな電流を用いる。 この期間T_APにおいて短絡を防止するのに充分
な電流I_APは、溶接ワイヤの送給速度に応じて変
化し、例えば、ワイヤ送給速度が5.2ｍ／min（平
均溶接電流180A）のときには260A程度であり、
ワイヤ送給速度が8.4ｍ／min（平均溶接電流
240A）のときには340A程度である。この電流I_AP
は、平均溶接電流より高いレベルでなければなら
ない。また、この期間T_APにおいて、短絡を生じ
させないためには、上述のように電流を充分に高
くすることもひとつの手段であるが、アーク長が
短くなると電流が増加して短絡が生じにくくなる
定電圧特性にすることも有効である。この場合、
電流が増加すると、アーク力が強くなり、且つ、
溶接ワイヤの燃え上り量を増加させ、溶滴と溶融
池との間隙を増加させる。 期間T_APにおいて溶滴が形成された後の過程ｅ
〜ｆでは、溶滴２を溶融池４へできるだけ早く短
絡させるために溶接電流を低レベルの電流I_ABに
保つ。この場合、アーク長が短くなると電流が増
加する定電圧特性では、短絡が近づくと、電流が
増加してアーク力が大きくなり、このアーク力に
よつて溶融池を押圧するので、溶滴と溶融池との
間隙を保つて短絡が生じにくい状況をつくること
になる。従つて、過程ｅ〜ｆでは、アーク長が短
くなつても電流値が不変である略定電流特性とす
ることが望ましい。また、電流I_ABが高すぎると、
短絡が発生しにくくなつて溶滴が必要以上大きく
なるとともに、短絡の周期が一定しないばかりで
はなく、大粒のスパツタの発生を助長する。この
アーク発生時における低レベルの電流I_ABは、短
絡が生じる過程ｇまで保持される。 以上の５段階の状態は連続しており、この５段
階の一連の状態が繰り返される。そして、夫々の
段階は互いに相関関係を有しており、どのひとつ
の段階を除いても、スパツタの減少、良好なビー
ド外観、良好なアークの安定性の３つの条件を満
足させることができない。 実験例 以下、本発明の実験例について説明する。 ３種類の実験例１，２，３は、上述のように、
溶接ワイヤ１と溶融池４とが短絡すると、溶接電
流を比較的低レベルの第１の電流値I_Dに保持する
第１の過程と、この第１の過程に続いて溶接電流
を比較的高レベルの第２の電流値I_SPに保持する
第２の過程と、この第２の電流値I_SPを保持する
間に溶接ワイヤ１と溶融池４との間の溶融部にく
びれが生じると、溶接電流を低レベルの第３の電
流値I_RAに低下させる第３の過程と、この第３の
過程に続いて、溶接１と溶融池４との間にアーク
が発生したタイミングで溶接電流を増大させて、
比較的高レベルの第４の電流値I_APに保持する第
４の過程と、この第４の過程に続いて溶融ワイヤ
１と溶融池４とが短絡するまで溶接電流が比較的
低レベルの第５の電流値I_ABに保持する第５の過
程とを設け、かつ第１の電流値I_Dを第５の電流値
I_ABよりも低くし、上記第１ないし第５の一連の
過程を繰り返すようにして行なつた。 さらに、具体的には、各実験例１，２，３にお
いて共通に用いた溶接条件は次の通りである。 溶接ワイヤ ：YCW−２，1.2φ シールドガス：CO₂，20／min 溶接母材 ：SS41，板厚12mm 溶接方法 ：溶接トーチを台車に保持し、ビー
ドオンプレート溶接を10分間行なつた。 上記以外の溶接条件であるワイヤ送給速度、期
間T_D，T_AP、電流I_D，I_SP，I_RA，I_APを実験例１，
２，３の夫々について第１表に示す。また、第１
表には３種類の従来例１，２，３について溶接条
件であるワイヤ送給速度と平均電流を示す。

【表】 評価の方法は、スパツタの発生量については10
分間にノズルに付着したスパツタの重量を測定
し、アークの安定性についてはオシロスコープに
より溶接電流波形の安定性を観察した。さらに、
ビード外観を観察した。この評価の結果を第２表
に示す。第２表にはまた従来例１，２，３につい
て実験例と同じ方法で評価を行なつた結果を示
す。

【表】

【表】 第４図と第５図はオシロスコープにより観察し
た実験例２における溶接電流と溶接電圧の波形を
示しており、第５図は第４図より時間軸のスケー
ルを小さくしたときの波形を示す。また、第６図
と第７図はオシロスコープにより観察した従来例
２における溶接電流と溶接電圧の波形を示してお
り、第７図は第６図より時間軸のスケールを小さ
くしたときの波形を示す。 第２表から明らかなように、本発明による溶接
方法の実験例１，２，３のいずれにおいても、従
来の方法に較べてスパツタの発生量を1/5ないし
１／６に減少させることができる。 また、第４図に示すように、本発明の方法によ
る溶接電流の波形の周期や波高値が規則的でほぼ
一定であることは、短絡とアーク発生とが規則正
しく繰り返され、アーク力、アーク長、溶滴径、
短絡状態並びに溶融池の状態がいずれも安定して
いることを示している。これは、本発明による方
法を用いると、スパツタの発生量を少なくすると
ともに、均一で美しいビード外観が得られ、後処
理工程を必要としない所謂作業性が良好な溶接が
行なえることの証明である。一方、第６図に示す
従来の方法による溶接電流の波形が周期や波高値
が不規則であることは、短絡とアーク発生とが規
則正しく行なわれず、アーク力、アーク長、溶滴
径などが変動することを示している。すなわち、
従来の方法では、アークの不安定と溶融池の乱れ
などが生じ、スパツタの発生量が多くなるととも
に、時として非常に大きなアーク力が働いて溶融
池を飛散させ、ビード端部にヒゲ状の突出部が生
じ、ビード外観を損なうことなどにより作業性を
悪くする。 なお、実際には溶接状態の目視、アーク音など
からも、本発明の溶接方法においてはアークが安
定していることが確認され、第４図の溶接電流波
形の状態と一致している。 発明の効果 以上説明したように、本発明においては、溶接
ワイヤが母材と短絡すると溶接電流を比較的低レ
ベルな電流とし、続いて溶接電流を比較的高レベ
ルな電流とし、溶滴にくびれが生じると溶接電流
を低レベルな電流へ低下させ、アークが生じたタ
イミングで溶接電流を増大させて、比較的高レベ
ルな電流とし、続いて溶接ワイヤと母材とが短絡
するまで溶接電流を比較的低レベルな電流とする
上記一連の過程を繰り返すようにしたから、スパ
ツタの発生量が少なく且つアークが安定したビー
ド外観が良好な溶接を行なうことができる。この
結果、ノズルに付着したスパツタの除去作業のた
めに溶接を中断する回数が減少し、長時間の連続
溶接が可能となる。これはロボツトなどによる自
動溶接に対して有効である。また、スパツタの発
生量が少ないので溶接加工を終了した後の製品に
付着したスパツタの除去作業に時間がかからず、
さらに、ビード外観の不良部に対するグラインダ
による整形作業が不要になることなどから、経済
上の直接効果があるばかりでなく、溶接作業者の
安全上にも寄与するなどの効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は消耗電極式アーク溶接法の溶滴の形成
と移行の過程を示す図、第２図は従来の消耗電極
式アーク溶接法における溶接電流と溶接電圧の波
形を示す図、第３図は本発明の方法に適用した消
耗電極式アーク溶接法における溶接電流と溶接電
圧の波形を示す図、第４図と第５図はオシロスコ
ープにより観測した実験例２における溶接電流と
溶接電圧の波形を示す図、第６図と第７図はオシ
ロスコープにより観測した従来例２における溶接
電流と溶接電圧の波形を示す図である。 １…溶接ワイヤ、２…溶滴、３…アーク、４…
溶融池。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 消耗電極を所定速度で母材に対して送給する
   一方、ノズルからシールドガスを噴射しつつ、消
   耗電極と母材との間で発生するアーク部分を包囲
   するとともに、消耗電極と母材との間で短絡とア
   ーク発生とを繰り返して溶接を行う消耗電極式ア
   ーク溶接法であつて、 消耗電極と母材とが短絡すると、溶接電流を比
   較的低レベルの第１の電流値に保持する第１の過
   程と、この第１の過程に続いて溶接電流を比較的
   高レベルの第２の電流値に保持する第２の過程
   と、この第２の電流値を保持する間に消耗電極と
   母材との間の溶融部にくびれが生じると、溶接電
   流を低レベルの第３の電流値に低下させる第３の
   過程と、この第３の過程に続いて、消耗電極と母
   材との間にアークが発生したタイミングで溶接電
   流を増大させて、比較的高レベルの第４の電流値
   に保持する第４の過程と、この第４の過程に続い
   て消耗電極と母材とが短絡するまで溶接電流を比
   較的低レベルの第５の電流値に保持する第５の過
   程とを有し、かつ第１の電流値を第５の電流値よ
   りも低くし、上記第１ないし第５の一連の過程を
   繰り返すことを特徴とする消耗電極式アーク溶接
   方法。