JPH0613146B2

JPH0613146B2 - ア−ク溶接方法

Info

Publication number: JPH0613146B2
Application number: JP61063394A
Authority: JP
Inventors: 保良北澤
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1986-03-19
Filing date: 1986-03-19
Publication date: 1994-02-23
Anticipated expiration: 2009-02-23
Also published as: JPS62234663A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明はアーク溶接方法に関し、特に溶接母材の開先
に沿って、消耗電極を移動しながらこの開先部分に溶接
を行う方法に関するものである。

［従来技術］第３図はこの種の溶接方法の一例を示したものであり、
１は溶接母材であり、この開先２は位置によって幅が異
なっている。開先２の裏側にはセラミック製の裏当材３
が開先２に沿って設置されている。

４は溶接トーチであり、台車５に装着され開先２と同方
向に並設されたレール６上を移動しつつ、該溶接トーチ
４から繰り出される消耗電極式の溶接ワイヤ７によって
開先２にアーク溶接によるビード８が形成される。第３
図に示すような開先ギャップが一定していない突合せ溶
接を行う場合、第３図のaa’の位置ですなわち第４図
イ，ロの位置で溶接条件を調整して適切なものにして
も、溶接条件を一定にしておくと溶接が進行するに従っ
て第３図bb’の位置では第５図イ，ロのようなものとな
る。すなわち、第４図イ，ロでは溶接部の裏波は出る
が、第５図イ，ロでは裏開先が溶かされず裏波は充分出
ていない。溶接ワイヤ７の位置を見ると、第４図イ，第
５図イでは非常に異なったものとなっている。

一般に、溶接ワイヤ７の溶融速度をＶ、溶接速度をυと
すると、開先２の単位長さに供給される溶接金属量Ｓ
は、Ｓ＝Ｖ／υ ……（１）で表わされ、溶接金属高さＨは開先ギャップＧに応じ
て、Ｈ＝Ｓ／Ｇ＝Ｖ／（υＧ） ……（２）となる。溶接金属の供給量Ｓや開先ギャップＧが変化し
て溶接金属の高さＨが表面張力により支えられる高さＨ
_０を越えると、すなわち、Ｈ＞Ｈ_０のなると開先２の溶
接進行方向に溶接金属が流れ出す。流出した溶接金属の
高さＨ_０以下になると、再び表面張力により支えられる
のでそれ以上は流出しない。流出長さｄ、すなわち、溶
接金属先端から溶接ワイヤ７の先端までの距離は（流出
長さｄは小さいので、この範囲で開先ギャップＧはほと
んど変化しないので）ｄ＝(Ｈ−Ｈ₀)／Ｈ₀＝(Ｖ／υＧＨ₀)−１…（３）で与えられる。ｄ＜０の場合、溶接ワイヤ７が溶接金属
より先行し溶接ワイヤ７の先端は裏当材３を突き破る。
なぜならば、裏当材３はガラス繊維あるいはセラミック
でできたものであるから溶接電流が流れなくなるからで
ある。

ｄ＞＞０の場合には、溶接金属に妨げられて開先裏への
アーク熱が充分与えられず、裏波は充分出ていない。従
って、流出長さｄは０≦d≦dpの適切な範囲に保つ必要
がある。ただし、dpは適正最大距離である。

第４図イ，ロでは、溶接条件が適切に調整されているた
めｄは０≦d≦dpの範囲内にあるが、第５図イ，ロでは
溶接条件Ｖ，υは第４図イ，ロと同一であるが、開先ギ
ャップＧが小さくなったため、ｄがｄ＞dpとなり裏波が
充分出ない。このとき、ｄを０≦d≦dpの適切範囲内に
保つためには、溶接ワイヤ７の溶融速度Ｖを小さくする
か又は溶接速度υを大きくする必要がある。

先に出願した特願昭５９−２４１８７２号（特開昭６１
−１１９３８０号公報）では、開先ギャップＧの変動に
対して溶接速度あるいは消耗電極の溶接速度を制御する
方法について述べている。この方法では、溶接金属の先
端から溶接ワイヤ７の先端までの距離である流出長さｄ
が変化すると、これに対応して単位時間内の短絡回数あ
るいは短絡時間率が変化する。このときの単位時間内の
短絡回数あるいは短絡時間率を検出して、溶接金属先端
から溶接ワイヤ７の先端までの距離ｄが０≦d≦dpにな
るように、溶接速度あるいは消耗電極の溶融量が制御さ
れている。

［発明が解決しようとする問題点］第６図は、ワイヤの直径が１．２mm、溶接電流が１５０
Ａ、溶接電圧が２１Ｖであるときの溶接金属先端・ワイ
ヤ先端間距離ｄ対短絡回数ｎ特性であり、溶接電流が１
５０Ａ前後の低電流域で行う場合、溶接金属が短時間で
凝固するため、溶融池の振動が小さく、従って、第６図
に示すように、溶接金属先端とワイヤ先端間距離ｄに対
して、短絡回数ｎ、すなわち短絡時間率ηの変化がほと
んどなくなるということがわかる。

従って、上述の従来の方法では、例えば直径１．２mmの
ワイヤを用いて溶接電流２００〜３００Ａの範囲で行う
下向溶接の場合には適しているが、立向溶接や上向溶接
のように溶接金属の垂れ落ちを防止するために、１５０
Ａ前後の溶接電流である比較的低電流域で従来の方法を
用いて行う場合、短絡回数ｎ又は短絡時間率ηを検出
し、この検出値で溶接速度あるいは消耗電極の溶融量を
制御して、溶接金属先端とワイヤ先端間距離ｄを０≦ｄ
≦dp（dpは適正最大距離）になるように制御することが
困難になるという問題点があった。

［発明の目的］本発明の目的は以上の問題点を解決し、比較的低電流域
でも精度よく開先寸法の変動に対して良好な溶接が行う
ことができる自動化の容易な溶接方法を提供することに
ある。

［発明の概要］第７図は、ワイヤの直径が１．２mm、溶接電流が１５０
Ａ、溶接電圧が２１Ｖのときの短絡時間Ｔｓの分布特性
を示す図である。

第７図において、短絡時間は、表面張力により溶滴が移
行する短絡時間Ｔｓが２[msec]未満のＡ型短絡と、ピン
チ力により溶滴が移行する短絡時間Ｔｓが２[msec]以上
のＢ型短絡に大別される。

第８図(Ａ)は、第７図と同一の溶接条件の場合の短絡柱
長Ｌ対短絡時間Ｔｓ特性を示す図である。短絡柱長Ｌ
は、第８図(Ｂ)に示すように、短絡直後における溶接ワ
イヤ７の先端からビード８までの溶滴２３の長さであ
る。

第８図(Ａ)に示すように、短絡時間Ｔｓが概略２[msec]
未満のＡ型短絡では、短絡柱長Ｌの変化に対して短絡時
間Ｔｓはほぼ一定であるが、短絡時間Ｔｓが概略２[mse
c]以上のＢ型短絡では短絡柱長Ｌが短くなるにつれて、
短絡時間Ｔｓは長くなり、従って、短絡柱長Ｌは短絡時
間Ｔｓに対しておおむね反比例の関係にある。

第９図は、第７図と同一の溶接条件の場合であって短絡
時間が２〜４[msec]のときの経過時間ｔ対短絡柱長Ｌの
関係を示す図であり、短絡柱長Ｌは時間ｔが経過するに
つれて溶融池のある変化振幅内で変化する。すなわち、
溶融池の振動は溶接ワイヤ７の非溶融部先端と溶融池間
の距離である短絡柱長Ｌの時間変化で表わされ、短絡柱
長Ｌが溶融池の変化振幅の範囲内の短絡柱長値Ｌ_０にな
る単位時間内の回数Ｎは、溶融池の振動数νと、Ｎ＝２
νなる関係がある。

従って、溶融池の振動数の変化を精度よく検出するため
には、短絡柱長Ｌが溶融池の変化振幅の範囲内のある値
Ｌ_０になる単位時間内の回数、すなわち、短絡時間Ｔ_ｓ
がある短絡柱長値Ｌ_０に対応する短絡時間Ｔs₀を示す単
位時間内の短絡回数ntを測定すればよいことがわかる。
すなわち、短絡時間Ｔｓがある一つの値だけでは回数が
少ないので、短絡時間Ｔｓがある範囲のものの回数を選
べば回数が多くなるので、溶融池の振動数の変化を検出
するのに適している場合がある。なお、単位時間内の短
絡回数のかわりに短絡時間率（短絡時間／(短絡時間＋
アーク発生時間)）を検出しても同様に溶融池の振動を
検出できる。

第１０図に示すように、溶接金属８の先端と溶接ワイヤ
７の先端間の距離ｄが比較的大きい場合、溶接ワイヤ７
の先端は溶融池１０のほぼ中央に位置しているので、溶
融池１０の振動の影響を受け溶接ワイヤ７と溶融池１０
間の短絡回数は多くなり短絡時間率は増す。しかし、第
１１図に示すように、溶接金属８の先端と溶接ワイヤ７
の先端間の距離ｄが小さい場合、溶接ワイヤ７と溶接池
１０の間の短絡回数は少なくなる（短絡時間率は小にな
る）。すなわち、溶接金属８の先端と溶接ワイヤ７の先
端間の距離ｄと特定の時間長を有する短絡の単位時間内
の短絡回数ｎｔあるいは短絡時間率ηｔには、上記のよ
うに比較的小電流で溶融池の振動が小さい場合でも明確
な関係があることが明らかとなった。

第１２図及び第１３図はこれを実証した測定データであ
り、短絡時間Ｔsが２[msec]から４[msec]までの短絡回
数ｎｔ及び短絡時間率ηｔを測定したものである。

いま、ある開先ギャップＧ_０で適正溶接速度の場合、溶
接金属８の先端と溶接ワイヤ７の先端間距離がｄ_０とな
り、従って第４図イ，ロのようになり裏波が良好であ
る。このときの短絡回数はnt₀(短絡時間率はηt₀)とな
る。ワイヤ送給速度はそのままで開先ギャップＧ_１と小
さく(Ｇ_１＜Ｇ_０)なると、(３)式の関係により溶接金属
８の先端と溶接ワイヤ７の先端間の距離d₁は大きく(d₁
＞d₀)なり、適正最大距離dpを越えると第５図イ，ロの
ように裏波は充分出ず短絡回数はnt₁（短絡時間率η
t₁）となり、nt₁＞ntp＞nt₀(ηt₁＞ηtp＞ηt₀)（ntp，
ηtpは、それぞれ適正最大距離dpのときの短絡回数及び
短絡時間率）となる。

次に、溶接速度υを増すと(３)式の関係により、ｄは小
さくなりd₀に近づきntはnt₀(ηtはηt₀)に近づく。従っ
て、第４図イ，ロのようになり裏波は良好になる。開先
ギャップが広くなった場合は上記と逆の現象が生じ、溶
接速度υを遅くすることによりnt(ηt)をnt₀(ηt₀)に近
づけることができる。

［発明の構成］この発明の溶接方法は上述の知見に基づいてなされたも
のであり、開先ギャップが変化する開先の形成された開
先形成部材間に間隔を有する溶接継手の開先裏側に裏当
材を設け、消耗電極をその開先に沿って低電流域でアー
ク溶接を行い、前記消耗電極と溶接母材との間で発生す
る短絡のうち、ピンチ力による溶滴移行によって生ずる
時間長の短絡を選択し、上記選択した短絡を単位時間当
たりの短絡回路又は短絡時間率として検出し、この検出
値を常に設定値に保つように溶接速度を制御することを
特徴とする。

このように短絡回数nt(短絡時間率ηt)を検出し、この
検出値を適切な設定値nt₀(ηt₀)に保持するように溶接
速度υを制御することにより、溶接金属先端と溶接ワイ
ヤ先端間距離ｄを裏波の良好な範囲に保持することがで
きる。

［実施例］以下にこの発明の一実施例について説明する。

第１図に短絡回数を検出して、溶接台車の速度を制御す
る装置の一実施例を示す。同図において溶接電極１０の
出力側は溶接トーチ４と被溶接材１に接続されている。
１１は溶接トーチ４と被溶接材１との間に接続された短
絡検出回路であり、溶接ワイヤ７と被溶接材１との間が
短絡したとき所定レベルの信号電圧をパルス発生回路１
３に出力する。短絡検出回路１１には溶接ケーブルに分
流器１２を設けて溶接電流を入力として加えてもよい。

パルス発生回路１３に入力された信号電圧は波形整形さ
れ所定のハイレベルのパルス電圧とされた後、パルス幅
弁別回路１４に出力され、パルス幅弁別回路１４におい
て、２〜４[msec]の時間の間ハイレベルであるパルス電
圧のみを回数検出回路１５に出力する。一方、ハイレベ
ルが２〜４[msec]の時間以外のパルスでは回数検出回路
１５に出力されない。このパルス幅弁別回路１４におい
て、弁別を行う上述の動作によって、短絡時間が２ない
し４[msec]の溶接ワイヤ７と母材１間の短絡のみが検出
され、２ないし４[msec]の短絡が生じた単位時間当たり
の回数が検出される。上記パルス幅は上述の短絡時間Ｔ
ｓに対応し、この回路１４において、他のパルス幅弁別
時間を設定してもよい。

回数検出回路１５は入力されたパルス電圧の回数を検出
し、単位時間当たりの短絡回数に対応した信号電圧をス
イッチ１６のａ端子を介して比較器２０に出力するとと
もに、サンプリング回路１７に出力する。

１８a、１８bおよび１８cはそれぞれウィービング左端
検出回路、ウィービング中央検出回路及びウィービング
右端検出回路であり、各回路１８a、１８b及び１８cは
それぞれウィービングの左端、中央部及び右端又はそれ
らの近傍で短絡が生じたときハイレベル信号をサンプリ
ング回路１７に出力する。

サンプリング回路１７は、ウィービング左端検出回路１
８a、ウィービング中央検出回路１８b及びウィービング
右端検出回路１８cからのハイレベル信号に応答して、
入力された信号電圧を所定の周期でサンプリングを行
い、サンプリングされた信号を保持回路１９に出力す
る。サンプリング回路１７においては、上記各回路１８
a、１８b及び１８cから出力されるハイレベル信号のい
ずれかを操作者の設定により選択して上記所望の動作を
行う。

保持回路１９は入力されたサンプリング信号のレベルを
次のサンプリング信号が入力されるまで一時的に保持
し、その保持された信号をスイッチ１６のb端子を介し
て比較器２０に出力する。

スイッチ１６は、短絡回路の検出をウィービングの中央
部又は端部で行うか否かを切り換える切換スイッチであ
り、短絡回数の検出をウィービングの中央部又は端部で
行う場合スイッチ１６をb側に切り換え、一方短絡回数
の検出をウィービング位置にかかわらず行う場合スイッ
チ１６をa側に切り換える。

２１は予め設定される基準短絡回路nt₀に対応する基準
電圧発生装置で、この基準電圧は比較回路２０で回数検
出回路１５又は保持回路１９からの信号電圧と比較され
て、その差電圧を溶接台車モータ制御装置２２に入力と
して加える。溶接台車モータ制御装置２２の出力は溶接
台車モータ５ａに加えられて溶接台車５の走行速度を調
整する。

以下、スイッチ１６をa側に切り換え、下向き突合わせ
溶接のＩ形開先の場合について説明すると、この場合、
溶接台車モータ制御装置２２は、入力信号すなわち回数
検出回路１５又は保持回路１９の出力と基準電圧との差
が正のときは、この差電圧を無くするように溶接台車モ
ータ５ａの速度を制御して台車速度を上げるように動作
する。すなわち、短絡回数ntが第２図に示す基準値Ｍ点
より高いＮ点にある場合は、溶接台車モータ制御装置２
２に正の値の入力信号が印加されて溶接台車モータ５ａ
の回転数をあげ、台車速度を上昇せしめる。溶接速度が
上昇すると第２図のように短絡回数ntの値は減少してゆ
き、基準値(Ｍ点)に達してその差が無くなり、溶接台車
モータ制御装置２２の入力信号は零となって台車速度の
上昇が停止する。短絡回路ntが基準値Ｍより低いＬ点の
場合は、上記と逆の動作を行い、溶接速度が低下し短絡
回数ntの値は増加してゆき、基準値(Ｍ点)に達すると台
車速度の低下は停止する。従って、溶接台車速度は常に
短絡回数ntが基準値と合致するように調整されるため、
裏波の状態を常に良好に保つことができる。ある一定の
開先ギャップでの溶接速度υと短絡回数ntの関係を示す
と第２図のようになるので、この図から開先ギャップで
は溶接速度をυ_０にすれば短絡回数が設定値nt₀にな
り、溶接速度がυ_０より遅れれば短絡回数が増し、溶接
速度がυ_０より速ければ短絡回数は減ずることがわか
る。それ故、上述の制御により、溶接速度υと短絡回数
ntとを第２図の適正溶接速度域に保てば良好な裏波のあ
る溶接をすることができる。前記実施例は短絡回数ntで
溶接速度を調整する場合を示したが、短絡時間とアーク
発生時間を検出し両者の比、すなわち短絡時間率ηｔで
溶接速度を調整するように構成してもよい。

以上の実施例では短絡時間が２[msec]から４[msec]まで
の短絡の回数あるいは短絡時間率について説明したが、
最適な短絡時間はワイヤ径、ワイヤ成分、溶接電流、溶
接電圧及び突出し長さ等によって異なるので、それぞれ
の場合に応じて決める必要がある。

本発明の実施例は下向突合せ溶接のＩ形開先の場合につ
いて説明したが、Ｖ形開先でウィービングを行う場合
は、スイッチ１６をb側に切り換え、サンプリング回路
１７においてウィービング中央検出回路１８bからのハ
イレベル信号のみに応答してサンプリングを行うように
し、短絡回数ntあるいは短絡時間率ηｔの検出を、ウィ
ービングの中央部もしくはその近傍で断続的に行う方法
が好ましい。

また、横向姿勢溶接の場合、溶接線に対して斜め上下方
向にウィービングするが、その溶接金属が重力の影響で
下に垂れ下がり厚みが上下不均一になる。従って、スイ
ッチ１６をb側に切り換え、サンプリング回路１７にお
いてウィービング左端検出回路１８a又はウィービング
右端検出回路１８cからのハイレベル信号のみに応答し
てサンプリングを行うようにし、短絡回数nt又は短絡時
間率ηtの検出をウィービングの上端又は下端のいずれ
かの端部もしくはその近傍で断続的に行う方法が好まし
い。

さらに、本発明は下向姿勢に限らず、立向姿勢、上向姿
勢にも適用できることは云うまでもない。

その他、溶接金属先端とワイヤ先端の距離が常に一定し
ているので、下方へ与えられるアーク熱は一定となり、
下層への溶込みが一定となる。従って、多層溶接での２
層目以降の溶込みの安定化（制御）や薄板での溶落防止
にも使用できる。

［発明の効果］以上のように本発明によれば、ピンチ力による溶滴移行
によって生ずる時間長の短絡を選択し、上記選択した短
絡を単位時間当たりの短絡回数又は短絡時間率として検
出し、この検出値を常に設定値に保つように溶接速度を
制御するので、短絡柱長すなわち溶接池の状態に応じた
溶接ができ、開先寸法が変化する溶接の場合でも良好な
溶接が可能となる。そして、各種溶接姿勢での片面裏波
溶接にて開先ギャップの変動に対応して安定した溶け込
みのある表・裏波溶接ビードを完全無人化で得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】第１図はこの発明の溶接方法に適用される制御装置の一
実施例を示すブロック図、第２図は溶接速度と短絡回数
の関係を示すグラフ、第３図は従来の溶接方法を説明す
るための斜視図、第４図イは第３図のｃ−ｃ’線断面
図、第４図ロは第３図のａ−ａ’線断面図、第５図イは
第３図のｃ−ｃ’線断面図、第５図ロは第３図のｂ−
ｂ’線断面図、第６図は低電流域における溶接金属先端
とワイヤ先端間の距離と短絡回数の関係を説明するため
の図、第７図は低電流域における短絡時間の分布を示す
図、第８図(Ａ)は短絡柱長Ｌと短絡時間Ｔｓの関係を示
す図、第８図(Ｂ)は短絡柱長Ｌを示す図、第９図は時間
ｔ対短絡柱長Ｌの関係を示す図、第１０図と第１１図は
溶接条件と溶融池の関係を示す側断面図、第１２図と第
１３図は溶接金属先端と溶接ワイヤ先端間の距離と特定
の短絡時間を有する短絡回数あるいは短絡時間率の関係
を示すグラフ図である。１……溶接母材、２……開先、３……裏当材、４……溶
接トーチ、５……台車、６……レール、７……溶接ワイ
ヤ、８……溶接金属、１０……溶接電源、１１……短絡
検出回路、１３……パルス発生回路、１４……パルス幅
弁別回路、１５……回数検出回路、１６……切換スイッ
チ、１７……サンプリング回路、１８a……ウィービン
グ左端検出回路、１８b……ウィービング中央検出回
路、１８c……ウィービング右端検出回路、１９……保
持回路、２０……比較器、２１……基準電圧発生装置、
２２……台車モータ制御装置、２３……溶滴。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】開先ギャップが変化する開先の形成された
開先形成部材間に間隔を有する溶接継手の開先裏側に裏
当材を設け、消耗電極をその開先に沿って低電流域でア
ーク溶接を行い、前記消耗電極と溶接母材との間で発生
する短絡のうち、ピンチ力による溶滴移行によって生ず
る時間長の短絡を選択し、上記選択した短絡を単位時間
当たりの短絡回数又は短絡時間率として検出し、この検
出値を常に設定値に保つように溶接速度を制御すること
を特徴とするアーク溶接方法。
【請求項２】上記短絡回数あるいは上記短絡時間率の検
出をウィービングの中央部もしくはその近傍で断続的に
行うことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のアー
ク溶接方法。
【請求項３】上記短絡回数あるいは上記短絡時間率の検
出をウィービングの端部もしくはその近傍で断続的に行
なうことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のアー
ク溶接方法。