CN102233469B - 消耗电极式气体保护电弧焊接方法和焊接系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种消耗电极式气体保护电弧焊接方法，使用二氧化碳作为保护气体，以一个周期为单位交替输出脉冲峰值电流水平和/或脉冲宽度不同的两种脉冲波形，使用每一个周期过渡一个熔滴的脉冲电弧作为先行电极电弧，形成熔池(M)。将经过通电加热的填充焊丝作为后行电极插入熔池。将通电加热距离设为200～500×10^-3[m]，先行电极基值电流值设定得比后行电极填充电流值大。采用这种方法，即使保护气体使用廉价的二氧化碳，也可以减少飞溅量，即便进行多层叠焊等，也可以得到很高的熔敷量。

Description

消耗电极式气体保护电弧焊接方法和焊接系统

技术领域

本发明涉及使用消耗电极焊丝和经过通电加热的填充焊丝的消耗电极式气体保护电弧焊接方法和消耗电极式气体保护电弧焊接系统。

背景技术

近年，制造业在缩短工期、压低成本方面不遗余力，期望消耗电极式气体保护电弧焊接能进一步提高效率。这里，在基于单电极焊丝的消耗电极式气体保护电弧焊接方法中，为了提高效率采取了加快焊丝熔化速度的做法，其结果不仅发生大量飞溅，还有很多问题频发，例如因焊丝送给速度变动导致电弧不稳定、因熔池下陷导致不规整焊道形成、发生焊接缺陷等等，因此提高焊丝熔速、提高熔敷量对实现焊接的高效化作用有限。

热焊丝GMA(Gas Metal Arc)焊接法是一种消耗电极式气体保护电弧焊接方法，为了进一步提高效率，该方法使用了双电极消耗电极式焊丝(下称双电极焊丝)，由消耗电极式焊丝发生电弧从而形成熔池，将通电加热后的填充焊丝插入该熔池，由此，实现电弧焊接的高效化。

作为应用这种热焊丝GMA焊接法的技术，例如已经提出了以下方案。日本·特开平03-275280号提出了一种消耗电极式电弧焊接法，该方法中在保护气体喷嘴内插入两根焊丝，由先行的消耗电极焊丝产生电弧，将后行的填充焊丝插入熔池，将一部分从消耗电极焊丝流入母材的焊接电流分流，导入填充焊丝，在焊接电源的地线端合流。当使用这种焊接法时，由于相互接近的消耗电极焊丝与填充焊丝中的电流方向相反，所以会产生以下效果：电弧总是朝向前方，在高速焊接时能确保焊透深度。

此外，日本·特开2008-055506号也提出了一种送给两条焊丝的电弧焊接方法，由前行的消耗电极焊丝产生电弧，将后行的不通电的填充焊丝插入熔池，由此促进熔池的冷却，同时填充熔化金属。使用这种焊接法会产生以下效果：在进行高速的薄板接缝焊接时，可以抑制所谓凹割(undercut)或突起的这种的不规整焊道缺陷。

因此，使用填充焊丝的焊接法已经是众所周知的技术，但热焊丝GMA焊接法在技术上很难说已经成熟，仍有以下课题尚未解决，即：两电极间的电磁干扰导致大量飞溅发生。特别是当先行电极使用价格低廉的二氧化碳的电弧焊接时，由于飞溅会非常严重，所以完全没有应用的实例。

例如，在日本·特开平03-275280号提出的焊接法中，由于接近先行电极的后行电极的分流电流，先行电极电弧受到电磁干扰而变得不稳定。其结果，出现先行电极的飞溅量比单电极焊丝时多的问题。此外，还产生了以下问题：为了提高熔敷量而加快填充焊丝熔速，分流电流需要增加到200～400[A]左右，结果就造成来自先行电极电弧的飞溅量显著增加。

另外，在日本·特开平03-275280号提出的焊接法中，先行电极电弧使用廉价的二氧化碳作为保护气体，且使用通常的直流恒压电源进行焊接，由于先行电极的熔滴过渡原本就是不规则的熔滴(globuler)过渡，所以由电磁干扰引起的飞溅量极其显著。此外，在这种情况下，附着在气体喷嘴上的喷溅器(sputter)发生保护不良，会在焊接部周边附着大量飞溅颗粒。此类问题在对后行电极填充焊丝由其它电源提供通电电流而不使用分流电流的情况下也同样存在。

此外，日本·特开2008-055506号的焊接方法存在以下问题，即：填充焊丝没有被通电加热，填充焊丝熔速无法大幅提高。因此，在以中厚板为对象进行多层叠焊时，不能指望焊接量有增加的效果。

发明内容

本发明就是鉴于上述那样的问题而提出的，主要课题是提供一种消耗电极式气体保护电弧焊接方法和消耗电极式气体保护电弧焊接系统，在使用消耗电极焊丝和经通电加热后的填充焊丝的消耗电极式气体保护电弧焊接中，即便使用低价的二氧化碳作为保护气体，也可以使飞溅量很少，而且，在进行例如中厚板的多层叠焊时，得到很高的熔敷量。

为了解决上述课题，本发明涉及的消耗电极式气体保护电弧焊接方法中，在由消耗电极焊丝产生的电弧所形成的熔池中，添加由填充电流通电加热之后的填充焊丝。所述消耗电极式气体保护电弧焊接方法使用二氧化碳作为保护气体，以一个周期为单位交替逐脉冲输出脉冲峰值电流水平和脉冲宽度的至少一方不同的两种脉冲波形，使用每一个周期过渡一个熔滴的脉冲电弧作为先行电极电弧，形成熔池，将经过通电加热的所述填充焊丝作为后行电极，插入所述熔池，将插入所述熔池的所述填充焊丝的前端与所述填充焊丝的通电点之间的距离设为200～500×10^-3[m]，先行电极基值电流值设定得比后行电极填充电流值大。

根据上述步骤，消耗电极式气体保护电弧焊接方法通过使用二氧化碳作为保护气体G，并且利用双电极焊丝也就是消耗电极焊丝和经过通电加热的填充焊丝进行电弧焊接，从而可以实现低成本、高效率的电弧焊接。此外，由于先行电极电弧使用脉冲电弧，所以能够与脉冲电流波形同步、非常规则地进行熔滴的形成和脱落。

此外，将插入熔池的填充焊丝的前端与填充焊丝的通电点之间的距离设置在规定范围内，延长填充焊丝的通电加热距离，可以比以往大幅降低填充焊丝预热所需要的填充电流。另外，使后行电极填充电流值小于先行电极基值电流值，可以抑制由提供给后行电极的填充电流对基值期间中的先行电极电弧的电磁干扰，能够维持先行电极电弧的硬直性。

此外，本发明涉及的消耗电极式气体保护电弧焊接方法优选：所述消耗电极焊丝前端与所述填充焊丝前端之间的距离即电极间距De[m]设在4～15×10^-3[m]范围内，所述电极间距De[m]、作为插入所述熔池的所述填充焊丝的前端与所述填充焊丝的通电点之间的距离的通电加热距离Ex[m]、所述填充焊丝的送给速度Vw[m/s]、所述填充焊丝的电流密度[A/m²]之间的关系满足如下的式(1)。

$4\≤(\frac{{\mathrm{Ex}}^2}{\mathrm{De}\·{\mathrm{Vw}}^2}{j}^2\×{10}^{-18})\≤10$ ···式(1)

根据上述步骤，消耗电极式气体保护电弧焊接方法使电极间距De[m]、通电加热距离Ex[m]、填充焊丝的送给速度Vw[m/s]、填充焊丝的电流密度J[A/m2]之间的关系符合规定的关系，从而优化被送给的填充焊丝的温度分布。这样，可以防止填充焊丝的加热不足或加热过度，也可以防止如下的现象，分别是：例如因未熔化的填充焊丝触碰到被焊接部件由此破坏熔池，先行电极电弧发生飞溅的现象；和由于填充焊丝的过热而软化，出现微小的送给变动填充焊丝侧发生电弧，结果产生飞溅的现象。

此外，本发明的消耗电极式气体保护电弧焊接方法优选将所述后行电极填充电流值设为150[A]以下。

根据上述步骤，消耗电极式气体保护电弧焊接方法将后行电极填充电流值设为规定值以下，由此，可以进一步抑制由提供给后行电极的填充电流对基值期间中的先行电极电弧的电磁干扰。

另外，本发明的消耗电极式气体保护电弧焊接系统是使用二氧化碳作为保护气体的消耗电极式气体保护电弧焊接系统。该消耗电极式气体保护电弧焊接系统由以下各部分组成，分别是：先行电极焊矩，将作为先行电极的消耗电极焊丝供给至被焊接部件，所述先行电极焊矩以一个周期为单位交替逐脉冲输出脉冲峰值电流水平和脉冲宽度至少一方不同的两种脉冲波形，使用每一个周期过渡一个熔滴的脉冲电弧作为先行电极电弧，形成熔池；和后行电极焊矩，将作为后行电极的填充焊丝供给至所述熔池，所述后行电极焊矩具备插入所述熔池的所述填充焊丝的前端与所述填充焊丝的通电点之间的距离是200～500×10^-3[m]的供电部件，所述供电部件利用填充电流对所述填充焊丝进行通电加热。先行电极基值电流值设定得比后行电极填充电流值大。

具有这种构成的消耗电极式气体保护电弧焊接系统通过使用二氧化碳作为保护气体G，并且利用双电极焊丝也就是消耗电极焊丝和经过通电加热的填充焊丝进行电弧焊接，从而可以实现低成本、高效率的电弧焊接。此外，由于先行电极电弧使用脉冲电弧，所以能够与脉冲电流波形同步、非常规则地进行熔滴的形成和脱落。

此外，通过将插入熔池的填充焊丝的前端与填充焊丝的通电点之间的距离设置在规定范围内，从而延长填充焊丝的通电加热距离，可以比以往大幅降低填充焊丝预热所需要的填充电流。另外，使后行电极填充电流值小于先行电极基值电流值，可以抑制由提供给后行电极的填充电流对基值期间中的先行电极电弧的电磁干扰，能够维持先行电极电弧的硬直性。

根据本发明涉及的消耗电极式气体保护电弧焊接方法和消耗电极式气体保护电弧焊接系统，即便使用廉价的二氧化碳作为保护气体，也可以与单电极焊丝时同样地进行熔滴的形成和脱落，相较于先行电极电弧使用通常的直流恒压电源的热焊丝GMA焊接法，可以大幅度减少飞溅量。此外，由于是使用双电极焊丝也就是消耗电极焊丝和通电加热过的填充焊丝来进行电弧焊接，所以，即便进行中厚板的多层叠焊等，也可以得到很高的熔敷量。因此，本发明可以提供成本低、飞溅少、熔敷量高的焊接方法和焊接系统。

附图说明

图1是一例实施方式涉及的消耗电极式气体保护电弧焊接系统中焊接控制装置生成的脉冲波形的波形图。

图2是示意地表示因实施方式涉及的消耗电极式气体保护电弧焊接系统中焊接控制装置生成的脉冲波形引起的焊丝前端部随时间变化的说明图。

图3是通过实施方式涉及的消耗电极式气体保护电弧焊接系统中焊接控制装置的控制测定的焊接电压和焊接电流的时序图。

图4是一例示意地表示实施方式涉及的消耗电极式气体保护电弧焊接系统的构成图。

图5是表示实施方式涉及的消耗电极式气体保护电弧焊接系统的焊接电源、填充电源和焊接控制装置的内部构成框图。

图6是表示图5所示的缩颈检测器的构成例框图。

图7是表示本发明效果的实验例的相关示图，(a)是按照通电加热距离表示填充焊丝送给速度与填充电流值之间关系的图线，(b)是按照通电加热距离表示填充焊丝送给速度与飞溅发生量之间关系的图线。

图8是表示本发明效果的实验例的相关示图，(a)是在脉冲基值电流值小于填充电流值的状态下进行脉冲电弧焊接时先行电极的焊接电流和焊接电压以及后行电极的填充电流值相对于时间变化的图线，(b)是在脉冲基值电流值大于填充电流值的状态下进行脉冲电弧焊接时先行电极的焊接电流和焊接电压以及后行电极的填充电流值相对于时间变化的图线。

具体实施方式

下面，参照附图对与本发明的实施方式有关的消耗电极式气体保护电弧焊接系统和消耗电极式气体保护电弧焊接方法进行详细说明。首先，对脉冲电弧焊接进行概要说明，然后，针对电弧焊接系统和电弧焊接方法进行说明。另外，在以下说明中，将“消耗电极式气体保护电弧焊接系统”适当简化为“电弧焊接系统”，将“消耗电极式气体保护电弧焊接方法”适当简化为“电弧焊接方法”。

[脉冲电弧焊的概要]

电弧焊接系统和电弧焊接方法不是使用常规的直流恒压电源的电弧焊接，而是有前提的脉冲电弧焊接，该前提是：电弧焊接系统中的焊接控制装置根据预先设定的波形参数，在一个脉冲周期中交替生成图1所示的两种不同的脉冲波形，向焊接电源输出，从而在每一个脉冲周期进行一个熔滴的过渡。下面，参照图1简单说明脉冲电弧焊接的概要。

如图1所示，脉冲波形WP是由后述的焊接控制装置所生成的矩形或梯形反复的电流波形。在脉冲波形WP中，图1所示的第1脉冲201是使熔滴脱离消耗电极焊丝前端的第1脉冲波形。这里，将第1脉冲201的包含峰值期间Tp1和基值期间Tb1的期间称为第1脉冲期间。此外，如图1所示，第1脉冲201中还设定了峰值电流值Ip1和基值电流值Ib1。另外，峰值电流值Ip1设定得比第2脉冲202的峰值电流值Ip2大。

在脉冲波形WP中，图1所示的第2脉冲202是用来形成熔滴的第2脉冲波形。这里，将第2脉冲202的包含峰值期间Tp2和基值期间Tb2的期间称为第2脉冲期间。此外，如图1所示，第2脉冲202中还设定了峰值电流值Ip2和基值电流值Ib2。另外，图1所示的脉冲波形WP中将焊接电流对时间的积分的时间平均值称为平均电流值Ia。

一个脉冲周期由第1脉冲期间和第2脉冲期间组成。图1示出了表示前一周期的第(n-1)个脉冲周期的Tpb(n-1)和表示本次周期的第n个脉冲周期的Tpb(n)。另外，在图1中，第1脉冲201和第2脉冲202的形状是用矩形表示的。更加具体地说，一个脉冲周期包含了从基值电流上升到峰值电流的作为上坡期间的第1脉冲上坡期间和第2脉冲上坡期间；以及从峰值电流下降到基值电流的脉冲下坡期间。

如后所述，本实施方式涉及的电弧焊接系统配备的焊接控制装置会在焊接过程中检测焊接电压和焊接电流，根据至少其中一方，检测图2所示的熔滴缩颈306，当检测到该部分时，立刻将第1脉冲201的电流值切换为低于检测时电流值的规定值。另外，图2是表示作为低的规定值切换至基值电流的例子。伴随这种电流值的切换会引起熔滴过渡，详细内容如下。

在图2中，符号311表示的消耗电极焊丝前端305是熔滴在前一个脉冲周期Tpb(n-1)脱落之后、在第2脉冲峰值期间Tp2中生长的部分。由于电流在第2脉冲基值期间Tb2急剧减少，所以作用于熔滴的上抬力减弱，熔滴被悬垂在消耗电极焊丝前端305上。

接下来，当进入第1脉冲峰值期间Tp1时，由峰值电流产生的电磁收缩力会使熔滴变形，如符号312所示迅速形成缩颈306。熔滴脱落前，上述焊接控制装置会对缩颈306进行检测，当检测到该部分时，即便是在第1脉冲峰值期间Tp1或第1脉冲下坡期间，也会立即切换为第1脉冲基值电流值Ib1或低于检测时电流的规定电流，在电弧移动至熔滴脱离后的焊丝一侧的瞬间，电流处于符号313所示那样下降的状态。这样，能够大幅减少因焊丝的缩颈部分306飞散或脱落后的剩余熔液飞散引起的小颗粒飞溅。

接着，如符号314所示的那样，上述焊接控制装置在第2脉冲峰值期间Tp2中，预先设定第2脉冲峰值电流值Ip2，使得熔滴脱落后残留在焊丝上的熔液不脱落、不飞散，然后使熔滴生长。而且，如符号315所示那样，在第2脉冲基值期间Tb2形成熔滴，同时再次返回符号311表示的状态，因此，可极其规则地实现一周期一熔滴过渡。

另外，此时如果像后述那样，将第1脉冲基值期间Tb1和第2脉冲基值期间Tb2的电流值设定为填充焊丝通电电流以上，就可以抑制在基值期间对先行电极电弧的电磁干扰，维持先行电极电弧的硬直性。其结果，即便保护气体使用廉价的二氧化碳，也可以与单电极焊丝的情况同样，使熔滴形成并脱落，相较于先行电极电弧使用通常的直流恒压电源的热焊丝GMA焊接法，可以大幅度减少飞溅量。

这里，图3的上段表示由本实施方式涉及的电弧焊接系统中焊接控制装置检测的焊接电压瞬时值Vo的一个实例；图3的中段表示焊接电流瞬时值Io的一个实例。另外，如后所述，焊接控制装置会进行下式(2)表示的电压误差积分值Sv2的运算。图3的下段表示电压误差积分值Sv2的运算结果的一个实例。

Sv2＝∫{Ks(Io2-Is2)+Vs2-Vo2}dt···式(2)

在式(2)所示的参数中，Ks是表示焊接电源外部特性的倾斜度，根据预先设定的消耗电极焊丝的送给速度、焊接电压的设定和焊丝种类来决定。Is2是第2脉冲期间的焊接电流设定值，根据预先设定的焊接电流设定值Is来决定。Vs2是第2脉冲期间的焊接电压设定值，根据预先设定的焊接电压设定值Vs来决定。Io2是第2脉冲期间检测出的焊接电流瞬时值。Vo2是第2脉冲期间检测出的焊接电压瞬时值。

焊接控制装置开始式(2)所示的电压误差积分值Sv2的运算的定时是脉冲周期中第1脉冲期间结束、第2脉冲期间开始的时间点。例如，由图3中可知，在第n个脉冲周期的第1脉冲期间，电压误差积分值Sv2的值为0，在第2脉冲期间开始的时间点，Sv2的值从0开始下降。在接下来的第2脉冲峰值期间Tp2结束时，Sv2的值开始上升，在达到0的时间点，第n个脉冲周期结束，第(n+1)个脉冲周期开始。

[消耗电极式气体保护电弧焊接系统]

下面，参照图4对与实施方式有关的电弧焊接系统1进行详细说明。电弧焊接系统1如前所述是一种如下的焊接系统，保护气体G使用二氧化碳，由作为先行电极的消耗电极焊丝6a的电弧形成熔池M，将作为后行电极的填充焊丝6b添加到熔池M。

如图4所示，电弧焊接系统1包括：焊丝送给装置2a、2b、焊接电源3a、填充电源3b、焊接控制装置4、从前端供给消耗电极焊丝6a的先行电极焊矩(torch)5a、和从前端供给填充焊丝6b的后行电极焊矩5b。下面，详细说明电弧焊接系统1所包括的各个构成部分。

焊丝送给装置2a是用来将消耗电极焊丝6a送给至先行电极焊矩5a的装置，由送出消耗电极焊丝6a的滚轴等组成。焊丝送给装置2a如图4所示，经由焊接控制装置4与焊接电源3a连接。另外，当该焊接控制装置4将焊接指令信号输出到焊接电源3a时，焊丝送给装置2a会被焊接电源3a驱动，使消耗电极焊丝6a从未图示的焊丝收容器经由未图示的焊丝送给通路送至先行电极焊矩5a。

焊丝送给装置2b是用来将填充焊丝6b送给至后行电极焊矩5b的装置，由送出填充焊丝6b的滚轴等组成。焊丝送给装置2b如图4所示，经由焊接控制装置4与填充电源3b连接。另外，当该焊接控制装置4将指令信号输出到填充电源3b时，焊丝送给装置2b会被填充电源3b驱动，使填充焊丝6b从未图示的焊丝收容器经由未图示的焊丝送给通路送至后行电极焊矩5b。

焊接电源3a是用来向送出消耗电极焊丝6a的焊丝送给装置2a输出旋转控制信号并对其进行驱动、并且向消耗电极焊丝6a供给焊接电流的电源。焊接电源3a按照焊接控制装置4的控制，将大小能在消耗电极焊丝6a与被焊接部件W之间产生电弧所需的焊接电流和焊接电压，通过后述的供电芯片23输出至消耗电极焊丝6a。另外，关于焊接电源3a的详细内容将在以后记述。

填充电源3b是用来向送出填充焊丝6b的送给装置2b输出旋转控制信号并对其进行驱动、并且向填充焊丝6b供给填充电流的电源。为了使填充焊丝6b通过焦耳热加热，填充电源6b按照焊接控制装置4的控制，将填充电流和填充电压通过供电模块17输出到填充焊丝6b。另外，关于填充电源3b的详细内容将在以后记述。

在此，作为填充电源3b使用具有通常的恒压特性的焊接电源时，无法单独控制焊丝送给量和填充电流。此外，使用具有通常的恒压特性的焊接电源会缩小不发生电弧的情况下形成稳定熔池M的条件范围，不利于发挥本方法的长处。因此，为了不使填充焊丝6b产生强力电弧而获得良好焊道，优选填充电源3b使用可单独控制焊丝送给量和填充电流的具有恒流特性的焊接电源。

此外，优选填充电源3b具有以下功能，检测填充焊丝6b与被焊接部件W间的电压，当其超出一定的电压时也就是检测到电弧发生时，不论设定电流如何，都将填充电流值If瞬间降低到10[A]以下，抑制填充焊丝6b熔化，防止电弧发生。

焊接控制装置4是用来控制由焊接电源3a输出焊接电流、由填充电源3b输出填充电流、以及驱动送给装置2a、2b的控制装置。另外，焊接控制装置4的具体内部构成将在以后记述。

先行电极焊矩5a通过上述的焊丝送给装置2a的驱动，向被焊接部件W提供消耗电极焊丝6a。后述的供电芯片23设在先行电极焊矩5a内部，构成为：来自焊接电源3a的焊接电流经由该供电芯片23提供给消耗电极焊丝6a。

该焊接电流是如上所述的脉冲电流，每一周期中使用脉冲峰值电流的水平和/或脉冲宽度不同的第1脉冲201和第2脉冲202。所以，如上所述，在消耗电极焊丝6a与被焊接部件W之间，会发生一个周期过渡一个熔滴的脉冲电弧，形成图4所示的熔池M。另外，这时从先行电极焊矩5a提供的消耗电极焊丝6a的极性如图4所示设为DCEP。

后行电极焊矩5b是一种通过上述焊丝送给装置2b的驱动、向熔池M提供填充焊丝6b的装置。后述的供电模块17设在后行电极焊矩5b内部，构成为来自填充电源3b的填充电流经由该供电模块17输出到填充焊丝6b。另外，后行电极焊矩5b的具体内部构成将在以后记述。

当上述的填充电源3b对填充焊丝6b的供电模块17输出填充电流时，该供电模块17内通行的填充焊丝6b会因焦耳热而被通电加热。而且，填充焊丝6b被这样通电加热后，会很容易熔化，如图4所示，填充焊丝6b插入由消耗电极焊丝6a形成的熔池M，成为焊接金属。另外，这时，由后行电极焊矩5b送给的填充焊丝6b的极性可以是DCEP和DCEN中的任何一个。

消耗电极焊丝6a是由上述的先行电极焊矩5a向被焊接部件W提供的焊丝，填充焊丝6b是由上述的后行电极焊矩5b向熔池M提供的焊丝。作为消耗电极焊丝6a和填充焊丝6b，例如可以使用实心焊丝、药芯焊丝等，可以使用相同种类的焊丝，或者分别使用不同种类的焊丝。另外，消耗电极焊丝6a和填充焊丝6b的焊丝直径根据焊接条件等会有适当变化，例如可以选择1.0～1.6[mmφ]。

这里，在与本发明的实施方式有关的电弧焊接系统1中，将焊接电源3a的先行电极的基值电流值预先设定得大于填充电源3b的后行电极的填充电流值。这样，通过使先行电极的基值电流值比后行电极的填充电流值大，可以抑制先行电极的电弧在基值期间受填充电流的影响而发生电磁干扰，从而能够维持先行电极电弧的硬直性。另外，对于先行电极基值电流值和后行电极填充电流值，其设定值例如由操作者在进行电弧焊接前直接调节。

下面，参照图4对电弧焊接系统1具备的后行电极焊矩5b的具体构成进行详细说明。后行电极焊矩5b如图4所示，包括：焊矩本体11、焊丝导件12、连接部件13a、13b、弹性套管(spring liner)14、瓷环(ceramicring)15、绝缘外壳16、供电模块17、绝缘接头18a、18b、和压簧19。下面，对后行电极焊矩5b包括的各个构成部分进行详细说明。另外，为了便于说明，图4在显示后行电极焊矩5b时放大了它的比例尺。

焊矩本体11是作为后行电极焊矩5b主体的筒状部件。焊矩本体11如图4所示，内部形成了直径可使填充焊丝6b通行的孔。此外，对于焊矩本体11，焊矩前端侧的一端与焊丝导件12连接，焊矩后端侧的一端经由连接部件13a与弹性套管14、磁环15和绝缘外壳16连接。

焊丝导件12是在后行电极焊矩5b前端将填充焊丝6b导出的筒状部件。焊丝导件12如图4所示，内部形成了直径可使填充焊丝6b通过的孔。此外，对于焊丝导件12，焊矩后端侧的那一端与焊矩本体11连接。

弹性套管14是使填充焊丝6b在内部通行的筒状部件。弹性套管14可以由例如盘簧(coil spring)等弹性部件构成。弹性套管14内部如图4所示，形成了由绝缘性瓷环15所组成的焊丝送给通路，外部被绝缘外壳16包裹。这样，通过绝缘处理部件，弹性套管14的内部和外部均得到了绝缘处理。对于弹性套管14，焊矩前端侧的一端经由连接部件13a与焊矩本体11连接，焊矩后端侧的另一端经由连接部件13b与绝缘接头18a连接。

瓷环15是用来对通行的填充焊丝6b进行绝缘处理的圆筒状部件。瓷环15如图4所示，内部形成了直径可使填充焊丝6b通行的孔。由于在填充焊丝6b的送给方向上排列了多个瓷环15，所以形成了筒状的焊丝送给通路。此外，对于瓷环15，其焊矩前端侧的一端经由连接部件13a与焊矩本体11连接，焊矩后端侧的另一端与供电模块17连接。另外，瓷环15对于后行电极焊矩5b起到绝缘处理部件的作用。

绝缘外壳16是用来对后行电极焊矩5b内部的部件进行绝缘处理的筒状部件。绝缘外壳16可以由例如橡胶等绝缘性树脂构成。绝缘外壳16如图4所示，以从周围包裹弹性套管14的方式形成。此外，对于绝缘外壳16，其焊矩前端侧的一端经由连接部件13a与焊矩本体11连接，焊矩后端侧的另一端经由连接部件13b与绝缘接头18a连接。另外，绝缘外壳16对于后行电极焊矩5b起到绝缘处理部件的作用。

供电模块17是向通行的填充焊丝6b输出填充电流的供电部件。供电模块17由导电性部件构成，如图4所示，内部形成了直径可使填充焊丝6b通行且可接触上的孔。此外，对于供电模块17，其焊矩前端侧的一端与瓷环15和绝缘接头18a连接，焊矩后端侧的另一端与绝缘接头18b连接。这样，供电模块17与消耗电极焊丝6a用的供电芯片23就得到了绝缘处理。

这里要提到现有的热焊丝GMA焊接法，在该方法中，由于填充电流的供电点接近后行电极焊矩的前端，因此通电加热距离Ex[m]约为25～100×10^-3[m]，要得到高熔敷量，必需以大电流对填充焊丝6b进行通电。因此，在现有的热焊丝GMA焊接法中，输出到作为后行电极的填充焊丝6b的填充电流，会使先行电极电弧受到电磁干扰，有时无法进行规则的熔滴形成和脱落，有时发生电弧中断。

另一方面，在本发明的实施方式涉及的电弧焊接系统1中，可调整后行电极焊矩5b的长度，使得填充焊丝6b的通电加热距离Ex[m]是200～500×10^-3[m]。所谓通电加热距离Ex[m]如图4所示，是指插入熔池M的填充焊丝6b的前端P1与填充焊丝6b的通电点P2之间的距离。此外，所谓填充焊丝6b的前端P1如图4所示是表示填充焊丝6b插入熔池M表面的部分，换言之就是熔池M与填充焊丝6b的接触部分。另外，所谓供电点P2如图4所示是表示填充焊丝6b与供电模块17的接触部分的最前端，也就是离熔池M较近的部分。

这样，相较于以往，延长通电加热距离Ex[m]，可以大幅降低填充焊丝6b预热所需要的填充电流。其结果，就可以抑制因先行电极电弧的电磁干扰而产生大量飞溅，进而实现飞溅的极小化。

另外，将通电加热距离Ex[m]设为上述范围的方法例如有，在制造先行电极焊矩5a时调整各部件的大小和长短，从而调整物理距离等等。

绝缘接头18a、18b是一种连接部件，用于使供电模块17绝缘，避免填充电源3b输出到供电模块17的填充电流漏到其它部件，并且用于将供电模块17与其它部件连接起来。绝缘接头18a、18b由绝缘性部件构成，如图4所示，它从两侧夹持供电模块17，对其形成支撑。此外，对于绝缘接头18a，其焊矩前端侧的一端经由连接部件13b与弹性套管14、瓷环15和绝缘外壳16连接，焊矩后端侧的另一端与供电模块17连接。此外，对于绝缘接头18b，其焊矩前端侧的一端与供电模块17连接。另外，绝缘接头18a、18b对于后行电极焊矩5b起到绝缘处理部件的作用。

这里，由供电模块17、弹性套管14、焊丝导件12组成填充焊丝送给系统，在该系统中，供电模块17需要与前面的填充焊丝6b绝缘。为此，如上所述，上述填充焊丝送给系统构成为：将瓷环15排列在焊丝送给方向上，使填充焊丝6b通过其中心送给。另外，利用弹性套管14和绝缘性树脂等绝缘外壳16中的一方或双方包裹瓷环15，由此可以使填充焊丝送给系统任意弯曲，使后行电极焊矩5b也比较容易配置。

压簧19是一种强制供电机构，用来使供电模块17内部的孔径向填充焊丝6b通行的中心方向压缩。这样，利用压簧19压缩供电模块17内部的孔径，从而会使供电模块17很容易与填充焊丝6b接触。压簧19可以由例如盘簧等弹性部件构成，它在不妨碍填充焊丝6b通行的范围内，使供电模块17的外径向中心方向压缩。

在电弧焊接系统1中，优选将各电极配置成电极间距De[m]在4～15×10^-3[m]的范围内。电极间距De[m]是指熔池M正上方的消耗电极焊丝6a的前端与填充焊丝6b的前端之间的距离。当电极间距De[m]小于4×10^-3[m]时，由于焊丝的弯曲特性等原因，焊丝前端会摇摆，填充焊丝6b在先行电极发生电弧的过程中插入熔池M。这时，填充焊丝6b会过度熔化，填充焊丝6b侧有时也发生电弧。此外，当电极间距De[m]在15×10^-3[m]以上时，为了得到高熔敷量，要增加填充焊丝6b的送给速度Vw[m/s]，这时，即便增加填充电流，填充焊丝6b有时也不会完全熔化原样留在熔池M中，产生焊接缺陷。因此，电弧焊接系统1将电极间距De[m]设在上述范围内，可以实现稳定的焊接。

[焊接电源、填充电源和焊接控制装置的具体构成]

下面，参照图5和图6，对与实施方式有关的电弧焊接系统1具备的焊接电源3a、填充电源3b和焊接控制装置4各自的具体构成进行详细说明。另外，在图5中，先行电极焊矩5a和后行电极焊矩5b的图示被简化。

焊接电源3a如图5所示，包括：输出控制元件21、电流检测器22和电压检测器24。下面，对焊接电源3a具备的各构成部分进行详细说明。

输出控制元件21与三相200V等的商用电源连接，提供给该输出控制元件21的电流经由未图示的变压器、二极管等整流部以及直流扼流圈，通过检测焊接电流的电流检测器22之后提供给供电芯片23。另外，供电芯片23如虚线所示，收容在先行电极焊矩5a内。

如图5所示，经由未图示的变压器的输出控制元件21的低电位电源侧与被焊接部件W连接，在贯通供电芯片23内被供电的消耗电极焊丝6a与被焊接部件W之间产生电弧。

电流检测器22对焊接电流的瞬时值Io进行检测，将电流检测信号输出到先行电极输出控制器25。此外，电流检测器22也检测第2脉冲期间的焊接电流的瞬时值Io2，将其检测信号输出到积分器36。

电压检测器24对供电芯片23与被焊接部件W之间的焊接电压的瞬时值Vo进行检测，将电压检测信号输出到先行电极输出控制器25。此外，电压检测器24也检测第2脉冲期间的焊接电压的瞬时值Vo2，将其检测信号输出到积分器36。

填充电源3b如图5所示，包括：输出控制元件26、电流检测器27和电压检测器28。下面，对填充电源3b具备的各构成部分进行详细说明。

输出控制元件26与例如三相200V等的商用电源连接，提供给该输出控制元件26电流经由未图示的变压器、二极管等整流部以及直流扼流圈，通过检测填充电流的电流检测器27，提供给供电模块17。另外，供电模块17如虚线所示，设置在后行电极焊矩5b内。

如图5所示，经由未图示的变压器的输出控制元件26的低电位电源侧与被焊接部件W连接。填充焊丝6b贯通供电模块17，由供电模块17供电，填充焊丝6b被通电加热后，插入被焊接部件W上形成的熔池M。

电流检测器27对填充电流的瞬时值If进行检测，将电流检测信号输出到后行电极输出控制器29。

电压检测器28对供电模块17与被焊接部件W之间的填充电压的瞬时值Vf进行检测，将电压检测信号输出到后行电极输出控制器29。

焊接控制装置4如图5所示，包括：先行电极输出控制器25、后行电极输出控制器29、波形生成器31、波形设定器32、缩颈检测器33、参数设定器34、运算部35、积分器36、和Sv2比较器37。下面，对焊接控制装置4具备的各构成部分进行详细说明。

先行电极输出控制器25根据电流检测器22输入的焊接电流检测信号(Io)、电压检测器24输入的焊接电压检测信号(Vo)、波形生成器31输入的由第1脉冲201和第2脉冲202组成的脉冲波形WP的信号，决定对消耗电极焊丝6a供给的焊接电流和焊接电压的指令值，输出焊接指令信号，控制输出控制元件21，从而控制先行电极焊矩5a的焊接输出。

后行电极输出控制器29通过输出指令信号来控制输出控制元件26，从而控制后行电极焊矩5b的填充焊丝输出。另外，后行电极输出控制器29决定填充电流和填充电压的指令值，该填充电流是用于通过焦耳热对填充焊丝6b加热的电流，电流大小是填充焊丝6b与被焊接部件W之间不发生电弧。

此外，后行电极输出控制器29也可以具备以下功能，即：对填充焊丝6b与被焊接部件W之间的电压进行检测，当检测电压超过一定电压时，也就是检测出电弧发生时，不论设定电流如何，立即将电流值降低至10A以下，抑制填充焊丝6b熔化，防止电弧发生。

波形生成器31交替生成脉冲波形WP不同的两种脉冲信号，经由输出控制元件21向焊接电源3a输出。该两种脉冲信号是用来使熔滴脱落的第1脉冲201和用来形成熔滴的第2脉冲202。为此，波形生成器31中会输入由波形设定器32设定的各种波形参数。

此外，在检测到熔滴的缩颈306(参照图2)时，波形生成器31会立刻将第1脉冲201的电流值切换为低于检测时电流值的规定值。在实施方式中，表示熔滴即将脱落的第1脉冲期间结束信号(Tp1f)从缩颈检测器33输入至波形生成器31。当第1脉冲期间结束信号(Tp1f)输入时，为了使第1脉冲基值期间Tb1的电流值变为第1脉冲基值电流值Ib1，波形生成器31根据波形设定器32设定的设定值，将输出修正信号输出到先行电极输出控制器25。该输出修正信号是用来对先行电极输出控制器25的输出进行修正的信号。此外，当第1脉冲期间结束信号(Tp1f)输入、第1脉冲基值期间Tb1结束时，波形生成器31输出第2脉冲202的波形信号，形状是波形设定器32设定的脉冲形状，接着，再一次反复第1脉冲201和第2脉冲202的交替输出。

此外，波形生成器31中从Sv2比较器37输入表示上述式(2)的运算结果等于0的第2脉冲基值期间结束信号(Tb2f)。波形生成器31在第2脉冲基值期间结束信号(Tb2f)以脉冲周期为单位输入的情况下，结束当前的脉冲周期，开始下一个脉冲周期。

波形设定器32将第1脉冲201和第2脉冲202的峰值电流、脉冲峰值期间、基值电流、脉冲基值期间、上坡期间、下坡期间等波形参数设定到波形生成器31中。在实施方式中，波形设定器32将预先保存在未图示的存储机构中的波形参数的各值作为波形参数设定信号输入到波形生成器31。

缩颈检测器33根据电流检测器22检测到的焊接电流和电压检测器24检测到的焊接电压中的至少一方，如上所述那样检测熔滴的缩颈306来作为熔滴即将脱落的状态。通过利用对焊接电压或电弧阻抗等的一阶或二阶时间微分信号，缩颈检测器33可以检测出熔滴的缩颈306。在实施方式中，缩颈检测器33根据电压检测器24检测出的焊接电压的瞬时值Vo对时间的二阶微分值来检测熔滴的缩颈306。

在电弧焊接系统1中，缩颈检测器33如图6所示，包括：焊接电压微分器41、二阶微分器42、二阶微分值设定器43和比较器44，当由波形生成器31输入熔滴脱落检测许可信号时，进行各自的处理。下面，对缩颈检测器33具备的各构成部分进行详细说明。

焊接电压微分器41对电压检测器24检测出的焊接电压的瞬时值Vo进行时间微分。该时间微分电压值dV/dt进一步由二阶微分器42进行时间微分，时间的二阶微分值dV²/dt²作为算出结果被输入到比较器44。二阶微分值设定器43将如下阈值设定为时间二阶微分值，该阈值相当于熔滴即将从焊丝前端脱落、出现缩颈时的焊接电压对时间的二阶微分值。

比较器44对二阶微分检测值和二阶微分设定值进行比较。二阶微分检测值是由二阶微分器42输入的、焊接过程中焊接电压的瞬时值Vo对时间的二阶微分值。二阶微分设定值是二阶微分值设定器43设定的时间二阶微分值。当二阶微分检测值在二阶微分设定值以上时，比较器44判定为熔滴即将从焊丝前端脱落，向波形生成器31输出第1脉冲期间结束信号(Tp1f)。由此可知焊丝前端存在的熔滴始于缩颈，缩颈拉伸的结果导致焊接电压和电阻上升。这样，利用时间二阶微分值等，检测焊接电压和电阻的上升的情况下，可以正确检测熔滴的缩颈306，而不受到焊接过程中的焊接条件变化的影响。

返回图5，继续说明焊接控制装置4。

参数设定器34将消耗电极焊丝6a的送给速度、焊接电流设定值Is、焊接电压设定值Vs等设定到运算部35。在实施方式中，参数设定器34将预先保存在未图示的存储机构中的焊接参数的各值，作为设定焊接电流值信号、设定焊接电压值信号等设定参数信号输入到运算部35。

运算部35根据预先规定的各设定值算出各种参数，将算出的各种参数输入积分器36。具体而言，运算部35按照输入的各设定值，唯一地决定焊接电源3a的外部特性的倾斜度Ks。外部特性的倾斜度Ks根据焊接电流设定值Is或焊接电压设定值Vs、消耗电极焊丝6a的送给速度、焊丝种类等适当设定。举例来讲，运算部35使用转换表或转换函数，来决定外部特性的倾斜度Ks。

此外，运算部35按照输入的设定焊接电流值信号的值Is，唯一地决定第2脉冲期间的焊接电流设定值Is2。举例来讲，运算部35使用转换表或转换函数，来决定第2脉冲期间的焊接电流设定值Is2。

另外，运算部35还按照输入的设定焊接电压值信号的值Vs和设定焊接电流值信号的值Is，唯一地决定的第2脉冲期间的焊接电压设定值Vs2。在实施方式中，运算部35通过式(3)的运算，来决定第2脉冲期间的焊接电压设定值Vs2。

Vs2＝Vs2_ini+Vs2_chg(Vs-Vs_ini)···式(3)

在式(3)中，Vs_ini是根据焊接电流设定值Is决定的一元中央电压，V2_ini是根据第2脉冲期间的焊接电流设定值Is2决定的第2脉冲期间的一元中央电压，Vs2_chg是使设定焊接电压值信号的值(Vs)改变1[V]时的第2脉冲期间的焊接电压设定值Vs2的变化量。

积分器36利用从运算部35分别输入的外部特性的倾斜度Ks、第2脉冲期间的焊接电流设定值Is2和焊接电压设定值Vs2、从而电流检测器22输入的焊接电流的检测信号(Io)、以及从而电压检测器24输入的焊接电压的检测信号(Vo)，对上述式(2)进行运算，将表示电压误差积分值的运算结果的积分值信号(Sv2)输出到Sv2比较器37。积分器36开始上述式(2)运算的定时是脉冲周期的第2脉冲期间的开始时间点。当式(2)表示的电压误差积分值Sv2的运算结果为0时，积分器36结束运算。

Sv2比较器37对输入的积分值信号(Sv2)是否等于0进行比较，在Sv2＝0的时间点，将第2脉冲基值期间结束信号(Tb2f)输出到波形生成器31。波形生成器31会在第2脉冲基值期间结束信号(Tb2f)输入时，结束当前的脉冲周期，开始下一个脉冲周期。每个脉冲周期都重复以上动作，可以在外部特性的倾斜度Ks上形成动作点，实现一个周期一个熔滴的电弧焊接。

对于具备以上构成的电弧焊接系统1，保护气体G使用二氧化碳，并且使用双电极焊丝进行电弧焊接，从而可以降低成本，实现高效的电弧焊接。此外，由于作为先行电极电弧使用脉冲电弧，所以能够与脉冲电流波形同步、非常规则地进行熔滴的形成和脱落。

另外，在使用单电极焊丝的现有电弧焊接方法中，即便使用廉价的二氧化碳作为保护气体G，通过使用上述脉冲电弧来作为先行电极电弧，可以进行规则的熔滴形成和脱落，实现飞溅很少的焊接。另一方面，对于使用双电极焊丝的现有热焊丝GMA焊接法，由于通电加热距离Ex[m]较短，约为25～100×10^-3[m]，所以，需要以大电流对作为后行电极的填充焊丝6b进行通电。这样，由于该大电流基值期间Tb1、Tb2的先行电极电弧会受到电磁干扰，有时无法进行规则的熔滴形成和脱落，有时发生电弧中断。

另一方面，对于本实施方式涉及的电弧焊接系统1，将熔池M中的填充焊丝6b的前端P1与填充焊丝6b的通电点P2之间的距离设在规定范围内，延长填充焊丝6b的通电加热距离，可以比以往大幅降低填充焊丝6b预热所需要的填充电流。另外，将后行电极填充电流值设定得小于先行电极基值电流值，可以抑制由供给到作为后行电极的填充焊丝6b的填充电流对基值期间Tb1、Tb2中的先行电极电弧的电磁干扰，能够维持先行电极电弧的硬直性。

因此，即便使用廉价的二氧化碳作为保护气体G，也可以与单电极焊丝时同样地进行熔滴的形成和脱落，相较于先行电极电弧中使用通常的直流恒压电源的热焊丝GMA焊接法，可以大幅度减少飞溅量。此外，由于使用双电极焊丝，也就是使用消耗电极焊丝6a和通电加热过的填充焊丝6b来进行电弧焊接，所以，即便进行中厚板的多层叠焊等，也可以得到很高的熔敷量。因此，本实施方式可以提供成本低、飞溅少、熔敷量高的焊接系统。

另外，对于本实施方式涉及的电弧焊接系统1，电极间距De[m]如上所述被设在4～15×10^-3[m]的范围内，在此基础上，为了使电极间距De[m]、通电加热距离Ex[m]、填充焊丝6b的送给速度Vw[m/s]、填充焊丝6b的电流密度J[A/m²]之间的关系满足下式(1)，优选预先对这些值进行设定。

$4\≤(\frac{{\mathrm{Ex}}^2}{\mathrm{De}\·{\mathrm{Vw}}^2}{j}^2\×{10}^{-18})\≤10$ ···式(1)

上式(1)是填充焊丝6b温度分布适宜的条件式。当电极间距De[m]、通电加热距离Ex[m]、填充焊丝6b的送给速度Vw[m/s]、填充电流值If[A]或填充焊丝6b的电流密度J[A/m²]的值不合适时，有时无法防止填充焊丝6b的加热不足或加热过度。

这里，电极间距De[m]越小，填充焊丝6b越受先行电极电弧辐射热的影响，填充焊丝6b的温度越高。此外通电加热距离Ex[m]越大，填充电流值If[A]越大，填充焊丝6b的温度越会因焦耳热的作用而提高。另外，填充焊丝6b的送给速度Vw[m/s]越大，加热时间越短，填充焊丝6b的温度越低。发明者对这些参数进行了改变，通过刻苦实验发现：上式(1)的值在4～10的范围内时，熔池M正上方的填充焊丝6b的温度最合适。

另一方面，当上式(1)的值小于4时，填充焊丝6b会加热不足，有时引发以下现象：例如未熔化的填充焊丝6b触碰到被焊接部件，从而破坏熔池M，先行电极电弧发生飞溅。此外，当上式(1)的值大于10时，填充焊丝6b会过热、软化，有时引发以下现象：出现微小的送给变动填充焊丝侧发生电弧，结果产生飞溅。因此，优选上式(1)的值在4～10的范围内。

此外，对于与实施方式有关的电弧焊接系统1，优选预先设定填充电源3b的填充电流值If为150[A]以下。这样，通过将填充电流值If设为规定值以下，更能抑制因提供给作为后行电极的填充焊丝6b的填充电流而对基值期间Tb1、Tb2中的先行电极电弧的电磁干扰。

此外，对于与实施方式有关的电弧焊接系统1，在作为后行电极的填充焊丝6b的后方再设置一个填充焊丝6b，也能够形成三电极焊丝的电弧焊接系统。另外，要形成这样的三个电极电弧焊接系统，只要对应另行追加的填充焊丝6b，逐个追加焊丝送给装置2b、填充电源3b、后行电极焊矩5b和填充焊丝6b，并且在焊接控制装置4中追加一个后行电极输出控制器29即可。采用这种三电极电弧焊接系统，可以进一步提高效率。

[消耗电极式保护气体电弧焊接方法]

下面，对与实施方式有关的电弧焊接方法进行详细说明。与实施方式有关的电弧焊接方法是一种如下的焊接方法，即：保护气体G使用二氧化碳，由作为先行电极的消耗电极焊丝6a的电弧形成熔池M，将作为后行电极的填充焊丝6b添加到熔池M中进行焊接。本实施方式涉及的电弧焊接方法大致可分为两个步骤，分别是：第一步骤，使消耗电极焊丝6a与被焊接部件W之间发生电弧，从而形成熔池M；和第二步骤，将通电加热过的填充焊丝6b插入熔池M。

(1)第一步骤

在第一步骤中，以一个周期为单位，交替输出脉冲峰值电流的水平和/或脉冲宽度不同的两种脉冲波形，发生一个周期使一个熔滴过渡的脉冲电弧，形成熔池M。

这里，关于作为两种脉冲波形的第1脉冲201和第2脉冲202如上所述(参照图1)。此外，消耗电极焊丝6a的焊接输出控制由上述的焊接控制装置4的先行电极输出控制器25实行。也就是说，先行电极输出控制器25如图5所示，根据从电流检测器22输入的焊接电流的检测信号(Io)、从电压检测器24输入的焊接电压的检测信号(Vo)、从波形生成器31输入的由第1脉冲201和第2脉冲202组成的脉冲波形WP的信号，决定输出给消耗电极焊丝6a的焊接电流和焊接电压的指令值，通过输出焊接指令信号来控制输出控制元件21，从而控制由先行电极焊矩5a进行的焊接输出。然后，通过由先行电极输出控制器25进行的这种控制，在消耗电极焊丝6a与被焊接部件W之间，发生一个周期过渡一个熔滴的脉冲电弧。

(2)第二步骤

在第二步骤中，将通过填充电流通电加热之后的填充焊丝6b插入熔池M。

在上述的第一和第二步骤中，供电模块17和供电芯片23是绝缘的。绝缘处理的方法例如有：像图4所示的后行电极焊矩5b那样，使用磁环15、绝缘外壳16、绝缘接头18a、18b等绝缘处理部件，与供电模块17以外的其它金属部件绝缘。不过，也可以只使用磁环15、绝缘外壳16、绝缘接头18a、18b中的一个或两个绝缘处理部件进行绝缘处理，因为只要能做到与供电模块17以外的其它金属部件绝缘即可。

此外，在上述的第一和第二步骤中，填充焊丝6b的通电加热距离Ex[m]设为200～500×10^-3[m]。所谓通电加热距离Ex[m]是指上述的插入熔池M中的填充焊丝6b的前端P1与填充焊丝6b的通电点P2之间的距离。如上所述，将通电加热距离Ex[m]控制在上述范围内的方法有：在制造先行电极焊矩5a时调整各部件的大小和长度，调整物理距离等等。

此外，在上述的第一和第二步骤中，作为先行电极基值电流值的脉冲基值电流值Ib1、Ib2设定得比作为后行电极填充电流值的填充电流值If大。

对于执行以上步骤的电弧焊接方法而言，由于保护气体G是使用二氧化碳，使用双电极焊丝进行电弧焊接，所以，可以实现低成本、高效率的电弧焊接。此外，通过将脉冲电弧作为先行电极电弧使用，能够与脉冲电流波形同步、非常规则地进行熔滴的形成和脱落。

此外，通过将插入熔池M的填充焊丝6b的前端P1与填充焊丝6b的通电点P2之间的距离设置在规定范围内，延长填充焊丝6b的通电加热距离Ex[m]，可以比以往大幅降低填充焊丝6b预热所需要的填充电流。另外，通过使后行电极填充电流值在先行电极基值电流值以下，可以抑制因提供给作为后行电极的填充焊丝6b的填充电流而对基值期间Tb1、Tb2中的先行电极电弧的电磁干扰，能够维持先行电极电弧的硬直性。

因此，即便使用廉价的二氧化碳作为保护气体G，也可以与单电极焊丝时同样地进行熔滴的形成和脱落，相较于先行电极电弧使用通常的直流恒压电源的热焊丝GMA焊接法，可以大幅度减少飞溅量。此外，由于使用双电极焊丝、也就是消耗电极焊丝6a和通电加热过的填充焊丝6b来进行电弧焊接，所以即便进行中厚板的多层叠焊等，也可以得到很高的熔敷量。因此，本实施方式可以提供成本低、飞溅少、高熔敷的焊接方法。

另外，对于与实施方式有关的电弧焊接方法，将电极间距De[m]如上所述那样设在4～15×10^-3[m]的范围内，并且为了使电极间距De[m]、通电加热距离Ex[m]、填充焊丝6b的送给速度Vw[m/s]、填充焊丝6b的电流密度J[A/m²]之间的关系满足下式(1)，优选预先对这些值进行设定。

$4\≤(\frac{{\mathrm{Ex}}^2}{\mathrm{De}\·{\mathrm{Vw}}^2}{j}^2\×{10}^{-18})\≤10$ ···式(1)

通过满足上式(1)，由于熔池M正上方的填充焊丝6b的温度分布会得到优化，所以可以防止填充焊丝6b加热不足或加热过度。因此，可以防止如下的现象，例如分别是：未熔化的填充焊丝6b触碰到被焊接部件破坏熔池M，先行电极电弧发生飞溅的现象；和由于填充焊丝6b的过热软化，出现微小的送给变动填充焊丝侧发生电弧，其结果产生飞溅的现象。

此外，对于与实施方式有关的电弧焊接方法，优选预先设定填充电源3b的填充电流值If在150[A]以下。这样，通过将填充电流值If设为规定值以下，可以进一步抑制因提供给作为后行电极的填充焊丝6b的填充电流而对基值期间Tb1、Tb2中的先行电极电弧的电磁干扰。

[实施例1]

下面，针对本发明涉及的消耗电极式气体保护电弧焊接方法，参照图7详细说明用来确认其效果的实验例。本实验例是使用双电极焊丝的消耗电极式气体保护电弧焊接方法来实施焊缝堆焊(bead-on-plate)，在这种情况下，对进行脉冲电弧焊接的效果、将通电加热距离Ex[m]设为200～500[mm]的效果、使脉冲基值电流值Ib1、Ib2大于填充电流值If的效果进行验证。表1示出了满足本发明要件的实施例与不满足本发明要件的比较例的焊接条件。另外，为了便于说明，本实验例将消耗电极焊丝的送给速度单位设为[m/min]，将填充焊丝的送给速度Vw的单位设为[m/min]，将通电加热距离Ex[m]的单位设为[mm]。

【表1】

另外，表1所示内容以外的其它焊接条件全部通用，如下所示。

(其它焊接条件)

保护气体：CO₂

先行电极：实芯焊丝1.2[mmφ]

后行电极：药芯焊丝1.2[mmφ]

实验板：SM490A

先行电极芯片-母材间距：25×10^-3[m]

先行电极平均电流值Ia：300[A]

焊接速度：30[cm/min]

电极间距De：10×10^-3[m]

这里，表1所示的No.1、2是满足本发明要件的实施例，进行脉冲电弧焊接，并且将通电加热距离Ex[mm]设在200～500[mm]的范围内，且使脉冲基值电流值Ib1、Ib2大于填充电流值If。

另一方面，表1所示的No.3是不满足本发明要件的比较例，使用直流恒压电源进行通常的电弧焊接，并且将通电加热距离Ex[mm]设为小于200[mm]。此外，表1所示的No.4也是不满足本发明要件的比较例，进行脉冲电弧焊接，并且将通电加热距离Ex[mm]设在200～500[mm]的范围内，且使脉冲基值电流值Ib1、Ib2小于填充电流值If。

图7(a)是按通电加热距离Ex[mm]表示表1所示的No.1～3的填充焊丝送给速度Vw[m/min]与填充电流值If之间关系的图线。参照图7(a)可知，满足本发明要件的No.1、2的实施例与不满足本发明要件的No.3的比较例相比，电弧焊接所需要的填充电流值If大幅降低。特别是通电加热距离Ex[mm]为500[mm]的No.2，其降低效果尤为显著。

因此，由图7(a)的结果可知，通电加热距离Ex[mm]与填充电流值If[mm]存在相关关系，而且，通过将通电加热距离Ex[mm]设在200～500[mm]的范围内，可以大幅降低供给至后行电极焊矩的填充电流值If。

此外，图7(b)是按通电加热距离Ex[mm]表示填充焊丝送给速度Vw[m/min]与飞溅发生量[g/min]之间关系的图线。参照图7(b)可知，满足本发明要件的No.1的实施例与不满足本发明要件的No.3、4的比较例相比，飞溅发生量[g/min]大幅降低。

因此，由图7(b)的结果可知，通电加热距离Ex[mm]、脉冲基值电流值Ib1、Ib2和填充电流值If的大小关系与飞溅发生量[g/min]存在相关关系，而且，通过将通电加热距离Ex[mm]设在200～500[mm]的范围内，使脉冲基值电流值Ib1、Ib2大于填充电流值If，可以大幅降低飞溅发生量。

[实施例2]

下面，针对本发明的消耗电极式气体保护电弧焊接方法，参照图8详细说明用来确认其效果的其他实验例。本实验例是使用双电极焊丝的消耗电极式气体保护电弧焊接方法来实施焊缝堆焊，在这种情况下，对使脉冲基值电流值Ib1、Ib2大于填充电流值If的效果进一步详细验证。另外，由于在本实验例中，实施例的焊接条件与上述表1的No.1(实施例)相同，比较例的焊接条件与上述表1的No.4(比较例)相同，所以，详细说明省略。

图8(a)是在脉冲基值电流值Ib1、Ib2小于填充电流值If的状态下进行脉冲电弧焊接时先行电极的焊接电流和焊接电压以及后行电极的填充电流值If相对于时间变化的图线。图8(a)上段的脉冲波形是先行电极的焊接电压；下段的脉冲波形是先行电极的焊接电流；下段的直线波形是后行电极的填充电流。

参照图8(a)可知，焊接电流和焊接电压的脉冲波形散乱而且有中断，这表示基值期间Tb1、Tb2中的先行电极电弧因填充电流而受到电磁干扰、发生电弧中断的情况。因此，由图8(a)的结果可知，当脉冲基值电流值Ib1、Ib2小于填充电流值If时，先行电极电弧会受电磁干扰，发生电弧中断。

图8(b)是表示在脉冲基值电流值Ib1、Ib2大于填充电流值If的状态下进行脉冲电弧焊接时先行电极的焊接电流和焊接电压以及后行电极的填充电流值If相对于时间变化的图线。图8(b)上段的脉冲波形是先行电极的焊接电压；下段的脉冲波形是先行电极的焊接电流；下段的直线波形是后行电极的填充电流。

参照图8(b)可知，焊接电流和焊接电压的脉冲波形不散乱，按固定周期反复，这表示基值期间Tb1、Tb2中的先行电极电弧不因填充电流而受到电磁干扰、不发生电弧中断的情况。因此，由图8(b)的结果可知，当脉冲基值电流值Ib1、Ib2大于填充电流值If时，可以防止先行电极电弧受到电磁干扰。

也就是说，由图8(a)、(b)的结果可知，脉冲基值电流值Ib1、Ib2和填充电流值If的大小关系与先行电极电弧在基值期间Tb1、Tb2受到的电磁干扰存在相关关系，通过使脉冲基值电流值Ib1、Ib2大于填充电流值If，可以抑制填充电流对基值期间Tb1、Tb2的先行电极电弧的电磁干扰，能够防止电弧中断。

[实施例3]

下面，针对本发明涉及的消耗电极式气体保护电弧焊接方法，参照表2详细说明用来确认其效果的其他实验例。本实验例将对上式(1)的脉冲基值电流值Ib1、Ib2与填充电流值If的大小关系以及脉冲电弧焊接与飞溅量的关系进一步详细验证。首先，表2示出了本实施例的焊接条件和焊接结果。另外，为了便于说明，本实施例将通电加热距离Ex的单位设为[mm]，将电极间距De的单位设为[mm]，将填充焊丝的送给速度Vw的单位设为[m/min]。此外，在表2所示的焊接结果的评价中，飞溅量小于1.0g/min时评为◎；1.0g/min以上2.0g/min以下时评为○；2.0g/min以上时评为×。

【表2】

表2的No.5～31是满足本发明要件的实施例。而且，其中No.5～22是实行脉冲电弧焊接、通电加热距离Ex[mm]为200～500[mm]、脉冲基值电流值Ib1、Ib2大于填充电流值If、且表2的参数也就是上述式(1)的值设在4～10的范围内的实例。因此，与其它例子相比可知，No.5～22的飞溅量最少。

此外，No.23～31是实行脉冲电弧焊接、通电加热距离Ex[mm]为200～500[mm]、脉冲基值电流值Ib1、Ib2大于填充电流值If、表2的参数也就是上述式(1)的值设在4～10的范围以外的实例。可知，No.23～31虽然不及上述的No.5～22，但飞溅量低于比较例。

另一方面，由No.32～36可知，由于通电加热距离Ex[mm]小于200[mm]、且脉冲基值电流值Ib1、Ib2小于填充电流值If，所以无法充分减少飞溅量。另外，表2的参数也就是上述式(1)的值在5～15的范围之外。此外，由No.37～43可知，由于脉冲基值电流值Ib1、Ib2小于填充电流值If，所以无法充分减少飞溅量。另外，除No.37以外，表2的参数也就是上述式(1)的值也在4～10的范围之外。

对于No.44、45，由于通电加热距离Ex[mm]超过500[mm]，所以，会导致送给不良，无法测定飞溅量。表2的参数也就是上述式(1)的值在4～10的范围之外。此外，由No.46～48可知，由于进行的是通常的电弧焊接，不是脉冲电弧焊接，所以无法充分减少飞溅量。

至此，对本发明涉及消耗电极式气体保护电弧焊接方法和消耗电极式气体保护电弧焊接系统，已经通过发明的实施方式和实施例进行了具体说明，本发明的主旨并不限于这些记述，应该按照发明内容的记述进行广义的解释。此外，毋庸置疑本发明的主旨也包含基于这些记述的各种变更、改变等等。

Claims (3)

1.一种消耗电极式气体保护电弧焊接方法，在由消耗电极焊丝产生的电弧所形成的熔池中，添加由填充电流通电加热之后的填充焊丝，所述消耗电极式气体保护电弧焊接方法特征在于，

使用二氧化碳作为保护气体，

以一个周期为单位，交替逐脉冲输出脉冲峰值电流水平和脉冲宽度的至少一方不同的两种脉冲波形，使用每一个周期过渡一个熔滴的脉冲电弧作为先行电极电弧，形成熔池，

将经过通电加热的所述填充焊丝作为后行电极，插入所述熔池，

将插入所述熔池的所述填充焊丝的前端与所述填充焊丝的通电点之间的距离设为200～500×10^-3m，

先行电极基值电流值设定得比后行电极填充电流值大，

将所述消耗电极焊丝的前端与所述填充焊丝的前端之间的距离即电极间距De设在4～15×10^-3m范围内，

使所述电极间距De，单位为m、作为插入所述熔池的所述填充焊丝的前端与所述填充焊丝的通电点之间的距离的通电加热距离Ex，单位为m、所述填充焊丝的送给速度Vw，单位为m/s、所述填充焊丝的电流密度J，单位为A/m²之间的关系满足如下的式(1)，

$4\≤(\frac{{\mathrm{Ex}}^2}{\mathrm{De}\·{\mathrm{Vw}}^2}{j}^2\×{10}^{-18})\≤10$     ···式(1)。

2.根据权利要求1所述的消耗电极式气体保护电弧焊接方法，其特征在于，

将所述后行电极填充电流值设为150A以下。

3.一种消耗电极式气体保护电弧焊接系统，使用二氧化碳作为保护气体，其特征在于由以下各部分组成，分别是：

先行电极焊矩，将作为先行电极的消耗电极焊丝供给至被焊接部件，所述先行电极焊矩以一个周期为单位交替逐脉冲输出脉冲峰值电流水平和脉冲宽度的至少一方不同的两种脉冲波形，使用每一个周期过渡一个熔滴的脉冲电弧作为先行电极电弧，形成熔池；和

后行电极焊矩，将作为后行电极的填充焊丝供给至所述熔池，所述后行电极焊矩具备插入所述熔池的所述填充焊丝的前端与所述填充焊丝的通电点之间的距离是200～500×10^-3m的供电部件，所述供电部件利用填充电流对所述填充焊丝进行通电加热，

先行电极基值电流值设定得比后行电极填充电流值大，

将所述消耗电极焊丝的前端与所述填充焊丝的前端之间的距离即电极间距De设在4～15×10^-3m范围内，

使所述电极间距De，单位为m、作为插入所述熔池的所述填充焊丝的前端与所述填充焊丝的通电点之间的距离的通电加热距离Ex，单位为m、所述填充焊丝的送给速度Vw，单位为m/s、所述填充焊丝的电流密度J，单位为A/m²之间的关系满足如下的式(1)，

$4\≤(\frac{{\mathrm{Ex}}^2}{\mathrm{De}\·{\mathrm{Vw}}^2}{j}^2\×{10}^{-18})\≤10$     ···式(1)。