JP2011224611A - 消耗電極式アーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アークの立ち上がり区間で、アーク切れ及びコンタクトチップと溶接ワイヤとの融着を防止し、アークが早期に安定する共に、速やかに適正な溶接ビード形状及び溶け込みが得られる消耗電極式アーク溶接方法を提供する。
【解決手段】炭酸ガスシールドの消耗電極式アーク溶接方法において、アークスタート後、定電圧特性を用いた短絡移行でアーク溶接する第１工程と、その後、溶接電流をグロビュール移行形態の電流範囲（２４０乃至３５０Ａ）に高めて、定電圧特性でアーク溶接する第２工程と、その後、溶融プールが形成された状態で、溶接電流をパルス電流に切り替えて、グロビュール移行でアーク溶接する第３工程と、を有し、第２工程及び第３工程では、グロビュール移行域として、本溶接の送給速度でワイヤを送給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭酸ガスを使用して、パルスアークにより溶接する消耗電極式アーク溶接方法に関し、特に、アークスタート時のアーク安定化を図った消耗電極式アーク溶接方法に関する。

消耗電極式アーク溶接方法においては、従前、溶接開始から、本溶接中と同様のパルス条件で、パルス溶接電流を印加して、アーク溶接していた。即ち、アークスタート時のパルス条件と、本溶接におけるパルス条件とが同一であった。

このように、アークスタート時に、本溶接と同一のパルス条件で電流を印加すると、アークスタート時のアークが不安定になり、不規則な短絡が発生することがある。これにより、スパッタが増大すると共に、アーク切れ（アークの一時停止）等が発生するという問題点がある。

そこで、特許文献１においては、アークスタート時の不規則に発生する短絡を短時間で解除し、アーク切れを抑制し、アークを早期に安定させることを目的として、溶接開始から所定の時間（第一時間）、溶接電流の設定値を本溶接時に比べて低い値とする第一のステップと、第一時間経過後、溶接電流の設定値を本溶接時の値まで増加させる第二のステップとを有し、溶接開始から、第二のステップにおける溶接電流の設定値の増加の過程で溶接電流の設定値が所定の設定値になる第一のポイントまで、パルスの出力を停止するアークスタート方法が開示されている（特許文献１の請求項１）。

特開２０００−６７０号公報

しかしながら、上述の特許文献１に記載の従来技術は、上記第一のステップの当初から第二のステップの第一のポイントまでは、溶着金属量及び溶け込み深さの点で、本溶接とは異なる立ち上がり期間であり、短絡を短時間で解除するという目的を有するものの、このような立ち上がり期間として、所定の期間が必要である。コラム及びパイプ等の周溶接においては、スタート部を含む全溶接線を、本来、本溶接で溶接することが溶接品質上必要であり、従来技術では、この立ち上がり期間が長いことが、スタート部の溶接品質を低下させる要因となる。なお、平板の溶接の場合には、溶接始端部にダミーとしてのタブを設けることにより、始端部の溶接品質を確保することができるが、周溶接の場合には、タブを使用することができない。また、代替タブを使用した直線溶接は、周溶接同様に、アークスタート部も本溶接となる。このように、第一ステップと第二ステップの期間は、アークによる溶着金属の生成及び溶け込みが期待できない区間であり、このため、スタート部が本溶接の一部となる継ぎ手においては、スタート部の健全性を確保しにくいという問題点がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、アークの立ち上がり区間で、アーク切れ及びコンタクトチップと溶接ワイヤとの融着を防止し、アークが早期に安定すると共に、速やかに適正な溶接ビード形状及び溶け込みが得られる消耗電極式アーク溶接方法を提供することを目的とする。

本発明に係る消耗電極式アーク溶接方法は、炭酸ガスシールドの消耗電極式アーク溶接方法において、
アークスタート後、定電圧特性を用いた短絡移行形態でアーク溶接する第１工程と、
その後、溶接電流をグロビュール移行形態の電流範囲に高めて、定電圧特性のままアーク溶接する第２工程と、
その後、溶融プールが形成された状態で、溶接電流をパルス電流に切り替えて、グロビュール移行形態でアーク溶接する第３工程と、
を有し、
第２工程及び第３工程では、グロビュール移行域として、本溶接の送給速度でワイヤを送給することを特徴とする。

この消耗電極式アーク溶接方法において、前記第１工程は、設定条件が、溶接電流が１００乃至２００Ａ、アーク電圧が１５乃至２７Ｖ、経過時間が０．１乃至１．０秒である条件で溶接することが好ましい。

また、前記第２工程は、設定条件が、溶接電流が２４０乃至３５０Ａ、アーク電圧が２９乃至３８Ｖ、経過時間が０．８乃至３．０秒である条件で溶接することが好ましい。

更に、前記第３工程は、設定条件が、平均溶接電流が２２０乃至３４０Ａ、アーク電圧が３２乃至３９Ｖである条件で溶接することが好ましい。

更にまた、前記第３工程のパルスアーク溶接の後、電流値を低下させ、定電圧特性を用いた短絡移行形態で、クレータ部をアーク溶接する第４工程を有することができる。

本発明によれば、第１工程においては、短絡移行であり、通常のアークスタートを切る。その後、第２工程において、グロビュール移行の本溶接に入るが、第２工程においては、パルス電流ではなく、定電圧特性を用いてアーク溶接する。この定電圧特性のグロビュール移行形態でのアーク溶接により、溶け込み深さを確保し、溶融プールが形成された状態で、第３工程のパルス電流による本溶接に入る。このため、第２工程から、グロビュール移行による溶着金属の形成を期待でき、アークスタートから本溶接への移行時間を、従来に比して、短縮することができる。また、第２工程では、パルス溶接ではなく、定電圧特性を用いた溶接であるので、アーク切れ及びコンタクトチップと溶接ワイヤとの融着を防止でき、アークが早期に安定すると共に、適正な溶接ビード形状を得ることができ、十分な溶け込みが得られるので、第３工程への円滑な移行を行うことができる。

本発明の実施形態の溶接電流及びワイヤ送給速度のパターンを示す図である。 従前の消耗電極式アーク溶接方法におけるワイヤ送給速度のパターンを示す図である。 図２により溶接した場合のアーク切れ発生を示す波形図である。 本発明の実施形態の溶接電流及び溶接電圧の波形図である。 本発明の実施形態の溶接電流及び溶接電圧の波形図である。 本発明の実施形態の溶接電流及び溶接電圧の波形図である。 本発明の実施形態の溶接電流及び溶接電圧の波形図である。 図２により溶接した場合の溶接電流及び溶接電圧の波形図である。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。本実施形態は、炭酸ガスを使用した消耗電極式アーク溶接による自動溶接方法である。図１は、本発明の実施形態に係る消耗電極式アーク溶接方法の溶接電流及び溶接ワイヤの送給速度の時間経過を示す図であり、横軸に時間をとり、縦軸に、送給速度及び溶接電流をとって、前記時間経過を示す。

先ず、第１工程において、溶接ワイヤのタッチにより、アークをスタートする。この第１工程は、定電圧特性を用いた溶接であり、電流値が相対的に低く、短絡移行でアークを形成する。例えば、この第１工程における溶接電流は、１００乃至２００Ａ、アーク電圧は１５乃至２７Ｖであり、アークスタートからの経過時間が０．１乃至１．０秒と微小時間である。

次に、この第１工程が経過した後、溶接電流の設定値を、本溶接相当のグロビュール移行形態の電流範囲内の所定値に設定し、定電圧特性を用いたアーク溶接を行う第２工程に入る。例えば、この第２工程における溶接電流は２４０乃至３５０Aの高電流域であり、アーク電圧は２９乃至３８Vである。この第２工程の経過時間は０，８乃至３．０秒である。この第２工程の開始時には、未だ、溶融プールは安定的に形成されていない。しかし、この第２工程の溶接は定電圧特性を用いた本溶接相当の溶接となることから、十分な溶け込みが得られ、アークが安定して、溶融プールが安定形成される。

従前の消耗電極式アーク溶接方法においては、図２に示すように、アーク発生直後から、本溶接のパルス電流及びワイヤ送給条件でスタートしていた。

この場合、アーク発生直後から溶融プールが生成されるが、アークが安定するまでの時間においては、パルス電流によりアーク長が大きく変化しやすく、アークが途切れて図３及び図８に示すアーク切れが発生し、バーンバックによるチップとワイヤとの融着、及び多量のスパッタ発生等が起こる可能性がある。なお、図３及び図８において、下方の波形が溶接電流、上方の波形が溶接電圧である。この図３及び図８に示すように、アークスタート初期において、溶接電流が０になるアーク切れが発生している。

パルスアーク溶接のアークスタート時におけるワイヤ送給速度は、ワイヤが母材にタッチするまでのスローダウン速度からアーク発生後、所定の送給速度に切り替えて溶接を行う。パルスマグ溶接では、スプレー移行であるため、パルス周波数が数百Ｈｚとなり、その制御周期の高さから良好なスタート性能が得られやすいが、炭酸ガスを使用した消耗電極式パルスアーク溶接方法では、グロビュール移行であるため、制御周期が数十から１００Ｈｚ程度であり、アークスタート時の溶融バランスが崩れやすい。このため、図８に示す「アーク切れ」及び「アーク長変動」が生じる。

これに対し、本発明においては、アークスタートの第１工程の後、第２工程においては、本溶接の電流又はそれに近い（相当の）電流値で、定電圧特性を用いたアーク溶接を行う。この本溶接に近い電流値とは、前述のごとく、例えば、２４０乃至３５０Aであり、グロビュール移行でアークが形成される。しかし、本実施形態においては、第２工程は、定電圧特性を用いた溶接であるので、パルス電流の場合のようなアーク切れが発生しにくく、安定してアークが形成され、このアークが安定した状態で、溶融プールが安定的に形成される。

溶融プールが形成された後の適宜時点で、第３工程に移る。この第３工程においては、本溶接の平均溶接電流値で、パルスアーク溶接を行う。このときの溶滴移行形態は、グロビュール移行である。この第３工程においては、パルス電流の平均溶接電流が２２０乃至３４０Ａ、アーク電圧が３２乃至３９Ｖである。この溶接条件は、通常の本溶接の条件であり、溶接線の端部までこの条件でパルス溶接する。なお、図１には、第３工程において、平均溶接電流は、第２工程と同一であるが、溶接ワイヤの送給速度が、第３工程においては、第２工程よりも上昇している。これは、定電圧特性を用いた溶接からパルス溶接に切り替えると、溶接ワイヤの送給速度が速くなるからである。このように、パルス溶接により、定電圧特性を用いた溶接よりも、ワイヤ送給速度を速くして、溶着金属の溶着速度を上昇させ、溶接を速やかに進行させることができる。

通常、消耗電極式アーク溶接においては、溶接終端部のクレータ処理を行う。このクレータ処理においては、例えば，電流を１００乃至２００Ａに落とし、電圧を１５乃至２７Ｖに落として、短絡移行に切り替える。また、溶接電流及びアーク電圧は一定値である。

上述のごとく構成された本実施形態の消耗電極式アーク溶接方法の動作について説明する。図４乃至図７は、本発明の実施形態の電流波形を示す。各図において、下方の波形は、左縦軸に示す溶接電流であり、上方の波形は右縦軸に示すアーク電圧である。いずれも横軸は時間（ｍｓ）である。図４は、第２工程の溶接電流が２２０Ａの場合、図５は、第２工程の溶接電流が２５０Ａの場合、図６は、第２工程の溶接電流が２８０Ａの場合、図７は、第２工程の溶接電流が３６０Ａの場合である。いずれも、アークスタート後、４００ｍｓで第２工程に移行し、更に１３００ｍｓで第３工程に移行している。第２工程が２２０Ａの場合（図４）及び３６０Ａの場合（図７）は、溶接電流が請求項３の規定から外れるので、パルス切り替え後の電圧がやや乱れている。また、第２工程と第３工程との間におけるワイヤ送給速度差が大きいと、切替直後の溶融のバランスをとりにくい。

同様に、図２に示すように、短絡移行のアークスタート後、第２工程を減ることなく、パルスアークの本溶接に移行した場合の電圧−電流パターンを図８に示す。この図８に示すように、アークスタート直後（短絡移行を経て）からパルスアークに移行した場合、アークスタート後、２００~６００ｍｓの間、アーク切れが生じている。

これに対し、本実施形態においては、図４乃至図７に示すように、第１工程から第２工程に移行するまで、アーク切れが生じていない。そして、第２工程においては、定電圧特性を用いた溶接で、本溶接相当のグロビュール移行のアーク形態で溶接が進行し、十分な溶着金属が得られる。その後、第２工程から第３工程に円滑に移行し、第３工程のパルス溶接により、本溶接が高効率で行われる。特に、本発明の請求項３を満たす図５及び図６の場合は、パルス切り替え後の電圧が安定しており、パルス切り替え直後の溶融のバランスもとれている。

また、この第３工程の終了後、クレータ処理として、電流値を落とし、定電圧特性を用いた溶接で、短絡移行で溶接を行い、クレータ部の凹部を溶着金属で埋める。

このようにして、炭酸ガスを使用した消耗電極式アーク溶接の自動溶接において、アークスタート時とクレータ処理時のアークを安定化させ、アークの途切れ、バーンバックによるチップとワイヤの融着といった異常発生によって自動溶接が中断することを防止し、スパッタ発生量を低減し、ビード形成も容易であり、ビード外観形状も良好になる。また、本溶接への移行時間を短くすることができるため、アークスタート部の溶込み不良の発生を防止することができる。

本発明においては、アークの安定及び適正な溶接ビード形状を得ることができると共に、本溶接への移行を速やかに行うことができるので、短絡移行という助走期間を極力短くしたいコラム又はパイプの周溶接に、極めて有効である。

Claims (5)

1. 炭酸ガスシールドの消耗電極式アーク溶接方法において、
   アークスタート後、定電圧特性を用いた短絡移行形態でアーク溶接する第１工程と、
   その後、溶接電流をグロビュール移行形態の電流範囲に高めて、定電圧特性のままアーク溶接する第２工程と、
   その後、溶融プールが形成された状態で、溶接電流をパルス電流に切り替えて、グロビュール移行形態でアーク溶接する第３工程と、
   を有し、
   第２工程及び第３工程では、グロビュール移行域として、本溶接の送給速度でワイヤを送給することを特徴とする消耗電極式アーク溶接方法。
2. 前記第１工程は、設定条件が、溶接電流が１００乃至２００Ａ、アーク電圧が１５乃至２７Ｖ、経過時間が０．１乃至１．０秒である条件で溶接することを特徴とする請求項１に記載の消耗電極式アーク溶接方法。
3. 前記第２工程は、設定条件が、溶接電流が２４０乃至３５０Ａ、アーク電圧が２９乃至３８Ｖ、経過時間が０．８乃至３．０秒である条件で溶接することを特徴とする請求項１又は２に記載の消耗電極式アーク溶接方法。
4. 前記第３工程は、設定条件が、平均溶接電流が２２０乃至３４０Ａ、アーク電圧が３２乃至３９Ｖである条件で溶接することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の消耗電極式アーク溶接方法。
5. 前記第３工程のパルスアーク溶接の後、電流値を低下させ、定電圧特性を用いた短絡移行形態で、クレータ部をアーク溶接する第４工程を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の消耗電極式アーク溶接方法。

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