JPS6035230B2 - 消耗電極シ−ルドガスア−ク溶接方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電位傾度の異なる２種以上の不活性ガスまた
は活性ガスをシールドガスとして使用する消耗電極アー
ク溶接方法に関するものである。

一般に、被溶接物に１開先、Ｖ関先などの一定断面積を
有する間隙を設けて被溶接物を対向させて熔接する消耗
電極シールドガスアーク溶接においては、電源から供給
される入熱および溶接速度によって定まる溶け込み深さ
は、電流値よりもアーク電圧値による方が広範囲に制御
できる。たとえば、第１図に示すように、被熔接物１，
１を間隙幅Ｗ。だけ離して垂直方向に対向させてェレク
トロガス立向溶接をする場合、溶接電流値を増加させて
も溶け込み幅Ｗはほとんど増加しないが、アーク電圧を
上昇させれば溶け込み幅が大きく増加している。すなわ
ち直径１．６柵のアルミニウム材の消耗電極に電流値２
５０Ａを流してァーク電圧２５Ｖで、板厚２５柳のアル
ミニウム材をェレクトロガス立向溶接をした場合の溶け
込み比（Ｗ−Ｗ。）／Ｗ。は、同図の曲線ａから明らか
なように約０．６である。次に、直径２．４側のアルミ
ニウム材の消耗電極に、上記の２倍の電流５００Ａを流
してアーク電圧を上記と同様２５Ｖ‘こ維持した場合の
溶け込み比は、同図の曲線ｂから明らかなように約０．
８である。これに対して、直径１．６脚の電極に電流２
５０Ａを流し、アーク電圧を上記よりも２０％増加して
３０Ｖにした場合の溶け込み比は、同図の曲線ａから明
らかなように約１．１５である。

このようにァーク電圧を２５Ｖの一定値に保っておいて
溶接電流を２５０Ａから２倍に増加させても溶け込み比
は０．６から０．８にわずかしか増加しないのに対して
、溶接電流を２５０Ａの一定値に保っておいてアーク電
圧を２５Ｖから２０％増加するだけで溶け込み比は０．
６から１．１５まで大きく増加することがわかる。この
ように溶接電流を増加させても溶け込み幅が増加しない
原因は下記の通りである。

即ち、垂下特性電源を用いる場合には、通常アーク電圧
をフィードバックして消耗電極の送給速度を制御して常
に一定のアーク電圧を保つように制御するため、溶接電
流を増加させたときは電極溶融量が増加してアーク長が
長くなり、アーク電圧が上昇しようとするとその分だけ
消耗電極の送給速度が増加して消耗電極の溶着量が増加
する。また定電圧特性電源を用いる場合には電極の送給
速度を増加させることにより溶接電流を増加させるので
、同じく消耗電極の熔着量が増加する。このようにいず
れの特性の電源を用いる場合にも、溶接電流を増加させ
ると消耗電極の溶着量が増加するが、開先幅Ｗ。すなわ
ち開先断面積が一定であるので、結局溶接速度が増加し
、溶け込み幅Ｗの増加は小さくなってしまうためである
。このような理由によって、溶接電流を変化させて供給
される入熱を変化させても溶け込み幅を大きく制御する
ことができないが、アーク電圧を変化させて供給される
入熱を変化させると、溶け込み幅を大きく制御すること
ができる。ところが実際の熔接においては、一定の溶接
電流が与えられると、一般に適正なアーク長すなわちこ
のアーク長に対応するアーク電圧が定まるので、逆に溶
け込み比を変化させるためにアーク電圧を変化させれば
アーク長が変化して熔接欠陥が生じやすい。

すなわち、溶接欠陥を発生させないで、ア−ク電圧を調
整できる範囲は、一定成分の不活性ガスをシールドガス
として溶接する場合には極めて狭く、アルミニウムや銅
等の非鉄金属では±（２〜３）Ｖの範囲である。したが
って従来の一定成分のシールドガスを使用した溶接法で
は、アーク電圧を任意に制御して単位面積当りに供給さ
れる入熱および溶け込み幅を変化させると、最も適切な
アーク長から離れるので、安定した溶接結果を得ること
が困難で溶接欠陥を発生しやすい欠点があった。

本発明は、垂下特性電源を使用して、溶接電流を略一定
値にしておいて、消耗電極先端と被溶接物間の最短距離
で表わされる見かけのアーク長を最適な略一定になるよ
うに消耗電極送給速度を設定しておき、一方、単位面積
当りの入熱、溶け込み幅溶け込み深さ等の増減を必要と
する個所に対応する位置又は時限を予め設定するととも
に電位額度の異なる２種類以上のガスをシールドガスと
して使用し、この設定された位置または時限で溶接部に
供給するシールドガスの成分を交互に変化させることに
より、アーク電圧を増減させて、単位面積当りの入熱、
溶け込み幅、溶け込み深さ等を増減させる消耗電極シー
ルドガスアーク熔接方法を提案したものである。以下本
発明の溶接方法の実施例について説明する。

本発明者は、シールドガスのアーク電圧に及ぼす影響を
研究するために第２図に示すような実験を行った。この
実験においては、直径１．６柳のアルミニウム材の消耗
電極を用いて熔接する場合に、熔接電流を２００Ａの一
定値にし、見かけのァーク長を６肌になるよつに、消耗
電極を略一定速度で送給し、シールドガスの成分を変え
て溶接を行った。そしてこの場合、シールドガスとして
アルゴン〜だレナを使用したところ直線イに示すように
アーク電圧は２０Ｖであり、アルゴンＡｒ５０％とヘリ
ウムＨｅ５０％との混合ガスを使用したところ・直線口
に示すようにアーク電圧は２４Ｖであり、ヘリウムガス
Ｈｅだけを使用したところ直線ハに示すようにアーク電
圧は２８Ｖまで上昇した。この結果、溶接中に、ヘリウ
ムとアルゴンとの混合比率または供給する時間比率をか
えることによってアーク電圧を制御することができるこ
とが裏付けられた。本発明は、この原理を利用したもの
である。まず、溶接位置によってアーク電圧を変化させ
るために、電位額度の異なる２種類のシールドガスの混
合比率を交互に変化させる本発明のァーク溶接方法を実
施する装置について説明する。

第３図Ａ，Ｂは、本発明の溶接方法を実施する装置の一
例を示す構成図であって、１は被溶接物、２は図示しな
いワイヤ送給装置により略一定速度で送給される消耗電
極、３は被溶接物の両側に配置されたパッキング材、４
は略垂下特性を有する溶接電源でその出力端子は被溶接
物１及び消耗電極２に接続されている。５は減速機付電
動機６の回転速度を制御する電動機制御装置、７１及び
７２は、それぞれカム、クランク、スクリューとナット
などの回転運動を直線往復運動に変換する往復運動機構
で、一方の機構７１の出力軸７１ａが一往復の直線運動
をする間に他方の機構７２の出力軸７２ａは二往復の直
線往復運動をする。

８１及び８２はそれぞれ出力軸７２ａに運動する流量調
整弁で、これら流量調整弁８１と８２とは互いに流量が
逆方向に増減され、両者の流量の和は略一定となるよう
にされている。

すなわち、出力軸７２ａが、たとえば左右方向に移動す
ると、シールドガスＮｏ．１が供給される流量調整弁８
１のギャップが増加して、シールドガスＮｏ．１の流量
が増加し、逆にシールドガスＮｏ．２が供給される流量
調整弁８２のギャップが減少してシールドガスＮｏ．２
の流量が減少する。また出力軸７１ａは溶接トーチのノ
ズル１２を往復運動させて、第３図Ｂの矢印に示す方向
に消耗電極２の先端をオシレートさせる。通常、立向溶
接では、水冷した銅のパッキング材３，３により溶融金
属の流出を防止しているが、この場合、パッキング材３
，３からの熱放散するために、溶け込み幅は第３図Ｂの
点線で示すように中央が大で、パッキング材３，３に近
づくほど小になり、均一な溶け込み幅が得られない。

そこで従来の溶接方法では、パッキング材３，３の近く
でオシレート動作を停止させて、入熱を増加させている
。しかし、停止中も消耗電極２から、熔融金属が落下す
るので、その部分の熔着量が増加する。特に板厚が大に
なり、オシレート幅が大きくなると、被熔接物１の溶融
池が板厚方向全面に同時に形成されにくいため、溶融金
属が間隙全面に均一に流れず、オシレート動作を停止さ
せたパッキング材付近の溶融金属が中央部分よりも高く
なる。このことは、熔接速度が増加したことになり溶け
込み幅の増加を抑制する方向となる。このような理由で
、従来のように、パッキング材付近でオシレート動作を
停止させる溶接方法では、パッキング材付近の溶け込み
幅を十分に増加させることができなかった。このような
場合に、第３図Ａ，Ｂに示す装置を使用して本発明の溶
接方法を実施すると、パッキング材付近においても十分
な溶け込みを得られる。以下、その具体的方法について
説明する。電動機制御装置５によって減速機付電動機６
を回転させ、往復運動機構７１および７２を往復運動さ
せる。今、消耗電極２の先端が第３図ＢのＣに示す位置
にあるとき、第３図Ａに示す往復運動機構７２の出力軸
７２ａは図面上では右端の位置にあり、流露調整弁８１
のギャップが最少でシールドガスＮｏ．１たとえばヘリ
ウムガスの流量が最小となり、逆に流量調整弁８２のギ
ャップが最大で、シールドガスＮｏ．２たとえばアルゴ
ンガスの流量が最大となっている。この状態から出力軸
７１ａを右方に移動させて消耗電極２の先端を第３図Ｂ
のＣの位置からＲの位置に移動させると、出力軸７２ａ
は、左方向へ移動して、流量調整弁８１のギャップが最
大となり、ヘリウムガスの流量が増加して最大となり、
逆に流量調整弁８２のギャップが最小となり、アルゴン
ガスの流量が減少して最小となるために、消耗電極２の
先端がＣの位置にあった時よりも、アーク電圧が増加し
、入熱が増加して右側のパッキング材付近の溶け込み幅
を中央付近と略同一にすることができる。

さらに消耗電極２の先端がＣの位置にもどると、出力軸
７２ａは右方向へ移動するので、前述したように、ヘリ
ウムガスの流量が最小となり、アルゴンガスの流量が最
大となるために、消耗電極２の先端がＲの位置にあった
時よりもアーク電圧が低下し、入熱を減少させる。さら
に消耗電極２の先端をＣの位置からＬの位置に移動させ
ると、出力軸７２ａは再び右方向へ移動してヘリウムガ
スの流量が最大となり、アルゴンガスの流量が最小とな
るために、消耗電極２の先端がＲ位置にあった場合と同
様にアーク電圧が増加し入熱が増加して、左側のパッキ
ング材付近の溶け込み幅を中央付近と略同一にすること
ができる。第４図Ａ，Ｂは本発明の溶接方法を実施する
他の装置の構成図であって、第３図と同一部分は同一符
号を付してある。

８３及び８４はそれぞれ電磁弁、９はノズル位置検出器
で、たとえば２ケのＩＪミットスイッチから成り、出力
軸７１ａが略右方向及び左方向へ移動した位置で動作す
る。

いずれのりミットスイッチが動作していないときは一方
の電磁弁８３が開路となり、いずれかの１」ミットスイ
ッチが動作すれば他方の電磁弁８４が開路となる。たと
えば、被溶接物１，１がアルミニウム材でパッキング材
３′，３′がグラフアィトなどの自然冷却式の場合には
、パッキング材からの放熱が少ないので、溶け込み幅は
、第４図Ｂの点線で示すように、中央が小で、パッキン
グ材に近ず〈ほど大になり均一な溶け込みが得られない
。このような場合に第４図Ａ，Ｂに示す装置を使用して
本発明の溶接方法を実施すると、中央付近においても十
分な溶け込みを得られる。

以下その具体的方法について説明する。電動制御装置５
によって減速機付電動機６を回転させ往復運動機構７１
を往復運動させる。

消耗電極２の先端がオシレート幅の略両端に近づいた位
置、すなわち第４図ＢのＲ又はＬに示す位置に来たとき
は、出力軸７１ａに設けられた突起７１ｂかりミットス
イッチを動作させ、電磁弁８３を開賂しシールドガスＮ
ｏ．１たとえばアルゴンガスを供給して、電磁弁８４を
開路し、逆に、消耗電極２の先端がＲ又はＬもこ示す位
置以外の場合には、電磁弁８３を閉略し、電磁弁８４を
閉路してシールドガスＮｏ．２すなわちアルゴンとヘリ
ウムとの混合ガスを供給するので、消耗電極２の先端が
Ｒ又はＬの位置にあるときよりも、アーク電圧が上昇し
、入熱も増加して溶け込み幅が均一となる。第５図は本
発明の熔接方法を実施する更に他の装置の構成図であっ
て、上向姿勢で溶接する場合を示す。図において、１は
被熔接物、２は消耗電極、１１は電磁弁８３及び８４を
設定された時間ずつ交互に動作をさせる繰り返しタイマ
である。従来、上向姿勢、立向突合せ姿勢、横向姿勢等
の難姿勢‘主容接、又は薄板の溶接においては、溶融金
属の垂れ落ち又は抜け落ちを防ぐために、非消耗電極ア
ーク溶接法により熔接電流を増減させることによって、
熔融プールを小面積ごとに区切って溶接をする方法が行
なわれているが、能率を向上させるために消耗電極アー
ク溶接法によって、同様の方法を採用しようとすれば、
溶接電流の変化により、溶着金属が変化し、ビード表面
の凹凸が大となり、アンダーカット又はオーバーラップ
が生じやすい欠点があった。このよな場合に第５図に示
す装置を使用して本発明の溶接方法を実施し、シールド
ガスＭ．１として炭酸ガスを使用し、シールドガスＮｏ
．２として炭ガスとアルゴンガスとの混合ガスを使用し
て交互に供給すると、アーク電圧を交互に変化させるこ
とができ、入熱を交互に制御して、前述したように溶融
プールを小面積ごとに区切って溶接することができる。
しかも本発明の溶接方法では、溶接電流及び消耗電極送
給速度が略一定なので、溶着金属量がどの部分において
も均一になり、ビード表面の凹凸が小さくなるために、
アンダーカット又はオーバーラップの生じることがなく
、良好な溶薮結果を得ることができる。さらに本発明の
溶接方法において、シールドガスの種類と供給時間比率
を任意に選定すれば、下向姿勢で溶接した場合には、良
好な袋波を得ることができ、又アルミニウム材の溶接で
は溶融金属の先流れを防止することもでき、更に固定管
の全姿勢溶接においても、溶け込み深さ、溶け込み形状
を制御することができる。

本発明の溶接方法によれば、略垂下特性の溶接電源から
略一定の溶接電流を供給し、消耗電極を略一定速度で送
給して、アーク長を略一定に維持し、かつ消耗電極から
供給される落着金属量を略一定にしたままで、電位懐度
の兼なる２種以上のシ−ルドガス成分を入熱の増減を必
要とする設定された位置または設定された時限に応じて
交互に変化させることにより、ァーク電圧を増減させ、
入熱を増減させて溶け込み幅、溶け込み深さ、溶け込み
形状等を任意に制御することができる。

従って、応用範囲は極めて広く、かつ、溶接電流値及び
消耗電極送給速度が略一定値であるため、装置が簡単で
あり、操作も容易であるので、実益が大である。

【図面の簡単な説明】

第１図はアーク電圧又は溶接電流と溶け込み比との関係
を示す線図、第２図は溶接電流又はシールドガス成分と
ァーク電圧との関係を示す線図、第３図Ａ，Ｂ乃至第５
図は、本発明の溶接方法を実施する装置の種々の例の構
成を示す図である。 １・・・・・・被溶接物、２・・…・消耗電極、３・・
・・・・パッキング材、４・・・・・・溶接電源、５・
・・・・・電動機制御装置、６・・・・・・減速機付電
動機、７１，７２・・・・・・往復運動機構、８１，８
２・・・・・・流量調整弁、８３，８４・・・・・・電
磁弁、９…・・・ノズル位置検出器、１１・・・…繰り
返しタイマ、１２……ノズル。 第１図 第２図 第３図 第４図 第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 溶接電源に消耗電極と被溶接物とを接続して溶接す
   るガスシールドアーク溶接方法において、前記溶接電源
   として垂下特性電源を用い、前記消耗電極の先端と被溶
   接物間の最短距離で表わされた見かけのアーク長を最適
   な略一定値を保持する速度で前記消耗電極を送給すると
   ともにシールドガスとして電位傾度の異なる２種以上の
   ガスを使用し、入熱の増減を必要とする設定された位置
   又は設定された時限に応じて溶接部に供給するシールド
   ガス成分を交互に変化させることにより、アーク電圧を
   増減させ、被溶接物に供給される入熱を増減させて溶接
   することを特徴とする消耗電極ガスシールドアーク溶接
   方法。 ２ 前記シールドガス成分の変化は、電位傾度の異なる
   ２種以上のシールドガスの混合比率を交互にかえること
   により行なうことを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載の消耗電極ガスシールドアーク溶接方法。 ３ 前記シールドガス成分の変化は、電位傾度の異なる
   ２種以上のシールドガスを供給する時間比率を交互にか
   えることにより行うことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項に記載の消耗電極ガスシールドアーク溶接方法。