JP2014159034A - Ｍａｇ溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】狭開先であっても、溶接ワイヤの種類にかかわらず、溶込み不良、開先えぐり、スパッタの発生を抑制して溶接品質を保つことができるＭＡＧ溶接装置を提供する。
【解決手段】本発明に係るＭＡＧ溶接装置１００は、軸方向に向き合った２本の鋼管Ｐの端面同士が形成する開先３を溶接する。開先３の開先角度は、１０〜４０°であり、鋼管Ｐの周方向に沿って移動しながら、開先３に向けて溶接ワイヤ１１を供給する溶接トーチ１と、溶接ワイヤ１１と鋼管Ｐとの間に溶接電流を供給する溶接電源２とを備え、溶接トーチ１は、開先３に向けて、ＡｒとＣＯ_２との混合ガスであってＣＯ_２混合比率が２０〜４０％であるシールドガスを供給し、溶接電源２の外部特性の傾きは、−１７〜−１０Ｖ／１００Ａである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＡＧ溶接装置に関する。特に、本発明は、軸方向に向き合った２本の鋼管の端面同士が形成する開先を溶接するＭＡＧ溶接装置に関する。

水道管やガス管等のパイプラインを施工するにあたり、従来より、軸方向に向き合った２本の鋼管の端面同士を互いに近接して配置し、ＭＡＧ溶接装置が備える溶接トーチを鋼管の周方向に沿って（２本の鋼管の端面同士が形成する開先に沿って）移動させることでＭＡＧ溶接が行われている。

ＭＡＧ溶接では、溶接トーチから供給される溶接ワイヤと鋼管との間に溶接電圧が印加されることにより、溶接ワイヤから開先に向けてアークが発生する。そして、アークによって溶かされた溶接ワイヤが開先に移行することで開先が溶接される。具体的には、例えば、アークによって溶かされた溶接ワイヤの先端が溶滴となって開先に移行することや、アークによって溶かされた溶接ワイヤの先端が開先を形成する鋼管の端面と短絡して開先に移行することで開先が溶接される。

上記のパイプラインの施工では、溶接能率を高めることが望まれている。溶接能率を高めるためには、例えば、溶接する開先の開先角度を１０〜４０°（以下、開先角度が１０〜４０°の開先を狭開先という。）の小さい角度にすることが考えられる。溶接対象を狭開先にすれば、開先角度が小さい分だけ開先断面積が小さくなるため、溶接するのに必要とされる溶接ワイヤの供給量を少なくすることができる。これにより、溶接に必要な時間を短縮する、すなわち、溶接能率を高めることが可能である。

しかしながら、溶接対象を狭開先にすると、溶接能率は高まるものの、開先断面積が小さいため、溶接トーチから供給される溶接ワイヤと鋼管の母材とからなる溶融金属への入熱量が小さくなる。このため、鋼管と溶接ワイヤとの溶込み不良が発生し、溶接品質が低下するおそれがある。そこで、溶接対象を狭開先にしたまま入熱量が大きくなるように溶接電流を大きくして溶接することが考えられる。しかしながら、溶接電流を大きくするとアークが強くなるため、開先がえぐられることに起因した溝（以下、開先えぐりという。）が発生し、溶接品質が低下するおそれがある。

ＭＡＧ溶接では、溶接トーチから供給される溶接ワイヤと鋼管の母材とからなる溶融金属が酸化することを防止するため、溶接トーチからＡｒとＣＯ_２との混合ガス（シールドガス）を開先に向けて供給する。ＣＯ_２混合比率を低くし過ぎると、溶接ワイヤと母材との間に発生するアークが広がるため、溶融金属への入熱量が不十分になり、鋼管と溶接ワイヤとの溶込み不良が発生し易く、溶接品質が低下するおそれがある。一方、ＣＯ_２混合比率を高くし過ぎると、アークが鋭くなるものの、ＣＯ_２の影響により溶滴が大きくなる傾向がある。その結果、大きな溶滴が開先に移行するときに溶融金属が飛び散り易くなるため、スパッタが発生し易くなり、溶接品質が低下するおそれがある。
つまり、溶込み不良やスパッタの発生を抑制するには、ＣＯ_２混合比率を適切な範囲に設定する必要がある。しかしながら、溶込み不良の発生は、上述の通り、溶接対象を狭開先にすることにも起因するため、ＣＯ_２混合比率を適切な範囲に設定しただけでは溶込み不良の発生を抑制することができない。

溶接対象が狭開先であるＭＡＧ溶接については、従来より種々提案されている。例えば、特許文献１には、溶接ワイヤをフラックスコアードワイヤとして、ＡｒとＣＯ_２との混合ガスであってＣＯ_２混合比率が２０〜５０％であるシールドガスを用いて、開先角度が１０〜４０°の狭開先を溶接するＭＡＧ溶接方法が提案されている。

特許文献１に記載のＭＡＧ溶接方法で用いるフラックスコアードワイヤは、一般的なソリッドワイヤに比べて高価であるため、フラックスコアードワイヤが必要な特許文献１に記載のＭＡＧ溶接方法では、溶接コストが上昇するという問題があった。

そこで、溶接対象が狭開先であっても、溶接ワイヤの種類にかかわらず、上述した溶込み不良、開先えぐり、スパッタの発生により溶接品質が低下するという問題を解決するＭＡＧ溶接が望まれていた。

特開平１１−１２９０６９号公報

本発明は、斯かる従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、狭開先であっても、溶接ワイヤの種類にかかわらず、溶込み不良、開先えぐり、スパッタの発生を抑制して溶接品質を保つことができるＭＡＧ溶接装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明者らは鋭意検討した結果、開先角度が１０〜４０°という狭開先であっても、溶接トーチから開先に向けてＣＯ_２混合比率が２０〜４０％であるシールドガスを供給し、溶接ワイヤと鋼管との間に溶接電流を供給する溶接電源の外部特性の傾きを−１７〜−１０Ｖ／１００Ａにすることによって、溶接ワイヤの種類にかかわらず、溶込み不良、開先えぐり、スパッタの発生を抑制して、溶接品質を保ちつつ開先を溶接することが可能であるという知見を得た。

本発明は、上記の本発明者らの知見に基づき完成されたものである。すなわち、前記課題を解決するため、本発明は、軸方向に向き合った２本の鋼管の端面同士が形成する開先を溶接するＭＡＧ溶接装置であって、前記開先の開先角度は、１０〜４０°であり、前記鋼管の周方向に沿って移動しながら、前記開先に向けて溶接ワイヤを供給する溶接トーチと、前記溶接ワイヤと前記鋼管との間に溶接電流を供給する溶接電源とを備え、前記溶接トーチは、前記開先に向けて、ＡｒとＣＯ_２との混合ガスであってＣＯ_２混合比率が２０〜４０％であるシールドガスを供給し、前記溶接電源の外部特性の傾きは、−１７〜−１０Ｖ／１００Ａであることを特徴とするＭＡＧ溶接装置を提供する。

ここで、ＣＯ_２混合比率とは、混合されているＡｒガスとＣＯ_２ガスの全体の体積に対して、ＣＯ_２ガスの体積が占める比率を意味する。また、外部特性とは、溶接電源における溶接電流と溶接電圧との関係を示す特性曲線（一般には直線）を意味する。外部特性の傾きとは、前記特性曲線の傾きを意味する。外部特性の傾きは、例えば、１００Ａの溶接電流の変動量に対する溶接電圧の変動量の比で表される。

本発明によれば、溶接トーチが鋼管の周方向に沿って移動しながら開先に向けて溶接ワイヤを供給し、溶接電源が溶接ワイヤと鋼管との間に溶接電流を供給する。具体的には、溶接ワイヤから開先に向けてアークが発生する程度の溶接電圧を印加するため、発生するアークの熱によって開先が溶接される。そして、開先角度が１０〜４０°という狭開先であっても、溶接トーチが開先に向けてＣＯ_２混合比率が２０〜４０％であるシールドガスを供給し、溶接電源の外部特性の傾きを−１７〜−１０Ｖ／１００Ａにすれば、溶接ワイヤの種類にかかわらず、スパッタ、溶込み不良、開先えぐりの発生を抑制して、溶接品質を保ち溶接することができる。溶接品質を保ちつつ溶接対象を狭開先にして溶接することができるため、溶接作業の作業時間を短縮する、すなわち、溶接能率を高めることができる。

前記溶接ワイヤは、ソリッドワイヤであることが好ましい。

前述の通り、本発明に係るＭＡＧ溶接装置は、溶接ワイヤの種類にかかわらず、溶接品質を保ち溶接することができる。このため、斯かる好ましい構成によれば、安価なソリッドワイヤを用いることができる結果、溶接コストを抑えることができる。

前記溶接電流は、立上り時間が０．８〜１．２ｍｓであり、ピーク電流が４００〜５００Ａであり、ピーク時間が１．０〜１．８ｍｓであり、立下り時間が０．８〜１．２ｍｓであり、ベース電流が３０〜５０Ａであるパルス電流とされることが好ましい。

ここで、パルス電流とは、ピーク電流とベース電流を交互に繰り返す電流を意味する。ピーク時間とは、ピーク電流が流れる時間を意味する。ベース時間とは、ベース電流が流れる時間を意味する。立上り時間とは、ベース電流からピーク電流へ変動するまでの時間を意味する。立下り時間とは、ピーク電流からベース電流まで変動するまでの時間を意味する。具体的には、パルス電流とは、ピーク電流がピーク時間流れた後、立下り時間でベース電流に変動し、ベース電流がベース時間流れた後、立上り時間でピーク電流に変動する一連の電流を繰り返しており、パルス電流波形の１周期とは、この一連の電流が流れる時間を意味する。

上記の好ましい構成によれば、溶接電源がパルス電流を供給することにより、溶接ワイヤが溶滴となって開先に移行するスプレーアーク溶接が行われる。具体的には、パルス電流の立上り時間が０．８〜１．２ｍｓであり、パルス電流のピーク電流が４００〜５００Ａであり、パルス電流のピーク時間が１．０〜１．８ｍｓであるため、立上り時間からピーク時間にかけて溶接ワイヤの先端が溶け、ピーク時間の途中で溶接ワイヤの先端が溶滴になり、この溶滴がピーク電流に伴う電磁ピンチ力によって溶接ワイヤから離脱する。また、パルス電流の立下り時間が０．８〜１．２ｍｓであるため、立下り時間に後続するベース時間の途中で、溶接ワイヤから離脱した溶滴が開先に移行する。このような溶滴の移行を繰り返すことによって、パルス電流波形の１周期毎に開先に移行する溶滴が１つになる（以下、１パルス１溶滴移行という。）ようにスプレーアーク溶接が行われる。１パルス１溶滴移行となれば、パルス電流波形の１周期毎に開先に移行する溶滴の大きさが均一になる。溶滴の大きさが均一になれば、溶滴の移行が安定するため、より一層、スパッタの発生を抑制し易い。また、立上り時間を０．８〜１．２ｍｓ、ピーク電流を４００〜５００Ａ、ピーク時間を１．０〜１．８ｍｓ、立下り時間を０．８〜１．２ｍｓとすることにより適度なアークの強さで溶接が行われるため、より一層、溶込み不良、開先えぐりの発生を抑制し易い。さらに、斯かる好ましい構成によれば、パルス電流のベース電流を３０〜５０Ａとすることにより、アーク切れを抑制し、溶滴が開先に移行する際に流れる電流が大きくなり過ぎることによる溶融金属の飛び散りを抑制するため、より一層、溶込み不良、スパッタの発生を抑制し易い。従って、斯かる好ましい構成によれば、より一層、スパッタ、溶込み不良、開先えぐりの発生を抑制して、溶接品質を保ち溶接することができる。

以上に説明したように本発明によると、狭開先であっても、溶接ワイヤの種類にかかわらず、溶込み不良、開先えぐり、スパッタの発生を抑制して、溶接品質を保ち溶接することができる。その結果、溶接能率を高めることができる。

図１は、本発明の実施形態に係るＭＡＧ溶接装置の説明図である。 図２は、溶接電源が供給するパルス電流の説明図である。 図３は、溶接トーチがウィービングすることにより、アーク長が変動する一例を説明する説明図である。 図４は、外部特性とアーク特性との一例を示すグラフである。 図５は、シールドガスのＣＯ_２混合比率と外部特性の傾きを変化させたときの溶接品質の結果を示す。 図６は、シールドガスのＣＯ_２混合比率と外部特性の傾きを変化させたときの溶接品質の結果を示す。 図７は、シールドガスのＣＯ_２混合比率を変化させたときの壁面溶込み幅の結果の一例を示す。 図８は、シールドガスのＣＯ_２混合比率を変化させたときのスパッタ発生数の結果の一例を示す。 図９は、溶接位置毎に、ワイヤ供給速度を変化させたときの溶接品質の結果の一例を示す。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態に係るＭＡＧ溶接装置について説明する。図１は、本発明の実施形態に係るＭＡＧ溶接装置の説明図である。図１（ａ）は本発明の実施形態に係るＭＡＧ溶接装置の概略図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す領域Ａの拡大図である。

図１（ａ）に示すように、本実施形態に係るＭＡＧ溶接装置１００は、溶接トーチ１と、溶接電源２とを備える。また、ＭＡＧ溶接装置１００は、台車４と、レール５とを更に備える。そして、本実施形態では、図１（ｂ）に示すように、軸方向に向き合った２本の鋼管Ｐの端面同士が形成する開先３の開先角度が１０〜４０°とされる。

溶接トーチ１は、台車４に取り付けられている。また、溶接トーチ１は、開先３に向けて溶接ワイヤ１１を供給する。そして、台車４は、鋼管Ｐの周方向に沿って配置されたレール５の上を走行することができる。これらによって、台車４がレール５の上を走行することにより、溶接トーチ１が鋼管Ｐの周方向に沿って移動しながら、開先３に向けて溶接ワイヤ１１を供給する。また、台車４は、鋼管Ｐの軸方向に沿って溶接トーチ１を揺動可能である。具体的には、台車４に取り付けられた溶接トーチ１は、鋼管Ｐの軸方向に沿って台車４に対して揺動しながら（以下、ウィービングという。）開先３に向けて溶接ワイヤ１１を供給する。このため、溶接トーチ１は、開先３に溶接ワイヤ１１を均一に供給することができる。なお、本実施形態では、溶接ワイヤ１１の直径は、０．９ｍｍである。

溶接電源２は、溶接ワイヤ１１と鋼管Ｐとの間に溶接電圧を印加する。具体的には、溶接電源２は、溶接ワイヤ１１の先端と開先３を形成する鋼管Ｐの端面との間に、溶接電圧を印加し、印加した溶接電圧によって生じる溶接電流を供給する。溶接電源２には、外部特性と称される特性曲線（一般には直線）が記憶されている。具体的には、溶接電源２には、無負荷電圧及び外部特性の傾きが記憶されている。なお、無負荷電圧とは、溶接電流が０Ａのときの溶接電圧を意味する。そして、溶接電源２は、外部特性に従って、溶接電流と溶接電圧を出力する。本実施形態では、溶接電源２の外部特性、すなわち、溶接電源２から出力される溶接電流と溶接電圧との関係を示す特性曲線は負の傾きの直線である。また、直線の傾きは０に近いため、溶接電源２の外部特性は、略定電圧特性である。

前述の通り、溶接トーチ１は、鋼管Ｐの端面同士が形成する開先３に向けて溶接ワイヤ１１を供給する。溶接電源２は、溶接ワイヤ１１の先端と開先３を形成する鋼管Ｐの端面との間に溶接電圧を印加する。これらによって、溶接ワイヤ１１の先端から開先３に向けてアークが発生し、発生するアークの熱により溶接ワイヤ１１の先端や開先３を形成する鋼管Ｐの端面が溶融する。つまり、溶接ワイヤ１１と鋼管Ｐの母材とからなる溶融金属が開先３に溶着する。

溶接トーチ１は、開先３に向けて、ＡｒとＣＯ_２との混合ガスであるシールドガスを供給する。このため、開先３に溶着する溶融金属が酸化することを防止することができる。前述の通り、ＣＯ_２混合比率を低くし過ぎると溶込み不良が発生し易く、ＣＯ_２混合比率を高くし過ぎるとスパッタが発生し易くなるため、本実施形態では、シールドガスのＣＯ_２混合比率は２０〜４０％とされている。

溶接ワイヤ１１が開先３に移行する溶接の状態として、例えば、溶接ワイヤ１１が開先３を形成する鋼管Ｐの端面と短絡するショートアーク溶接や、溶接ワイヤ１１の先端が溶滴となって開先３に移行するスプレーアーク溶接が挙げられる。ショートアーク溶接では、溶接ワイヤ１１が開先３を形成する鋼管Ｐの端面と短絡したときに溶融金属が飛び散り易いため、スパッタが発生するおそれが高い。これに対して、スプレーアーク溶接では、溶接ワイヤ１１の先端が溶滴となって開先３に移行するため、溶融金属が飛び散り難く、スパッタの発生を抑制し易い。本実施形態では、スパッタの発生を抑制し易いという観点から、スプレーアーク溶接とされているが、本発明はこれに限られるものではない。

本実施形態では、図２に示すように、溶接電源２が供給する溶接電流をパルス電流とし、スプレーアーク溶接を行っている（以下、パルスアーク溶接という。）。Ｉ_ｐは溶接電流のピーク電流を、Ｉ_ｂは溶接電流のベース電流を、Ｔ_ｐはピーク時間を、Ｔ_ｂはベース時間を、Ｔ_ｕｐは溶接電流の立上り時間を、Ｔ_ｄｗは溶接電流の立下り時間を表す。
具体的には、溶接電源２が供給するパルス電流について、立上り時間Ｔ_ｕｐからピーク時間Ｔ_ｐにかけて溶接ワイヤ１１の先端が溶け、ピーク時間Ｔ_ｐの途中で溶接ワイヤ１１の先端が溶滴になり、この溶滴がピーク電流Ｉ_ｐに伴う電磁ピンチ力によって溶接ワイヤ１１から離脱する。そして、溶接ワイヤ１１から離脱した溶滴が、立下り時間Ｔ_ｄｗに後続するベース時間Ｔ_ｂの途中で、開先３に移行する。このような溶滴の移行を繰り返すことによって、パルス電流波形の１周期毎に開先３に移行する溶滴が１つ（以下、１パルス１溶滴移行という。）になるようにパルスアーク溶接が行われている。なお、溶接電源２は、ベース時間Ｔ_ｂを変動させてパルス電流を出力することが可能である。このため、ベース時間Ｔ_ｂを短くすれば、ベース電流Ｉ_ｂを供給する時間が短くなるため、パルス電流の平均電流を高めることができる。一方、ベース時間Ｔ_ｂを長くすれば、ベース電流Ｉ_ｂを供給する時間が長くなるため、パルス電流の平均電流を低くすることができる。

ここで、アークが安定する溶接電流（溶接電流がパルス電流の場合には、パルス電流の平均電流）と溶接電圧の関係を示す特性曲線（以下、アーク特性という。）は、溶接ワイヤ１１から開先３に向けて発生するアークの長さ（以下、アーク長という。）に依存する。そして、図３に示すように、例えば、溶接トーチ１が鋼管Ｐの軸方向について開先３の中心にあるとき、溶接ワイヤ１１から溶融金属の表面に発生するアークのアーク長（アーク長Ｌ_２）は最も長くなり、ウィービングにより溶接トーチ１が移動すれば、溶接ワイヤ１１から開先３を形成する鋼管Ｐの端面に発生するアークのアーク長（アーク長Ｌ_１）は短くなる。つまり、溶接ワイヤ１１がウィービングすることによって、アーク長が変動することになる。アーク特性は、アーク長に依存するため、アークを安定させるには、溶接電源２は、アーク長の変動に応じて、出力する溶接電流と溶接電圧の制御を行う必要がある。

溶接ワイヤ１１から開先３に向けて発生するアークについて、アーク長が長くなれば溶接ワイヤ１１の先端と開先３を形成する鋼管Ｐの端面との間の電圧（以下、アーク電圧という。）が高くなり、アーク長が短くなればアーク電圧が低くなる。つまり、アーク長はアーク電圧により導出可能であり、両者は対応関係を有する。本実施形態では、溶接電源２は、アーク電圧を検知可能とされており、例えば、溶接電圧を出力する端子間にアーク電圧検知部（図示せず）を備える。溶接電源２には、アーク電圧とアーク長との対応関係（第１の対応関係）が、テーブル形式又は関数形式で記憶されている。また、溶接電源２には、アーク長とアーク特性との対応関係（第２の対応関係）が、テーブル形式又は関数形式で記憶されている。溶接電源２は、アーク電圧検知部によりアーク電圧を検知すると、検知したアーク電圧と記憶されている第１の対応関係とによりアーク長を導き出すことができる。そして、溶接電源２は、導き出されたアーク長と記憶されている第２の対応関係とにより、導き出されたアーク長に対応するアーク特性を決定する。溶接電源２は、決定されたアーク特性と設定されている外部特性とを用いて、アーク特性と外部特性との交点における溶接電圧と溶接電流を導き出す。導き出された溶接電圧と溶接電流は、溶接電源２の外部特性に従うため、溶接電源２によって出力させることができる。また、前記導き出された溶接電圧と溶接電流は、アーク特性にも従うため、溶接ワイヤ１１から開先３に向けて発生するアークは安定する。つまり、溶接電源２が、導き出された溶接電流を供給することによって、安定してアークを発生させることができる。本実施形態では、溶接電源２がアーク電圧検知部を備えているが、本発明はこれに限られず、アーク電圧検知部は溶接電源２の外部に設けられていてもよい。また、本実施形態では、溶接電源２が供給する溶接電流がパルス電流であるため、パルス電流のベース時間を変動させることで溶接電流（パルス電流の平均電流）の値を変動させている。具体的には、溶接電源２が、アーク長の変動に応じて、ベース時間を変動させることにより、安定してアークを発生させることができる。

図４は、外部特性とアーク長がＬ_１、Ｌ_２（Ｌ_２はＬ_１より大きい値である。）のアーク特性を示すグラフであり、横軸は溶接電源２が供給する溶接電流を示し、縦軸は溶接電源２が印加する溶接電圧を示す。図４に示した外部特性の傾きは、−１７、−１０Ｖ／１００Ａである。図４に示すように、例えば、外部特性の傾きを−１０Ｖ／１００Ａにすると、アーク長がＬ_２の場合、溶接電流（パルス電流の平均電流）がＩ_２になり、溶接電圧がＶ_２になってアークが安定する。ここで、図３に示すように、溶接トーチ１がウィービングすることによってアーク長がＬ_１に変動すると、溶接電流（パルス電流の平均電流）がＩ_１に変動し、溶接電圧がＶ_１に変動してアークが安定する。つまり、アーク長が短くなれば、溶接電流は大きくなり、溶接電圧は低くなる。同様に、アーク長が長くなれば、溶接電流は小さくなり、溶接電圧は高くなる。また、図４に示すように、外部特性の傾きが−１０Ｖ／１００Ａでは、外部特性の傾きが−１７Ｖ／１００Ａよりも、アーク長の変動による溶接電流の変動量が大きい。アーク長の変動による溶接電流の変動量が大きければ、アーク長の自己制御作用が強く働く。ここで、例えば、アーク長が短くなると、溶接電流が大きくなるため、溶接ワイヤ１１の溶融量が多くなり、その結果、アーク長は元の状態に引き戻される。一方、アーク長が長くなると、溶接電流が小さくなるため、溶接ワイヤ１１の溶融量が少なくなり、その結果、アーク長は元の状態に引き戻される。この作用をアーク長の自己制御作用という。

外部特性の傾きの値が−１０Ｖ／１００Ａより大きくなれば（傾きが小さくなれば）、溶接トーチ１のウィービングによってアーク長が変動したときに溶接電流の変動量が大きくなる。このため、鋼管Ｐの軸方向における開先３の中心では溶接品質を保ち溶接できていたとしても、ウィービングによってアーク長が短くなるときに溶接電流が大きくなり過ぎる結果、アークが強くなることにより開先えぐりが発生するおそれがある。そこで、ウィービングによってアーク長が短くなったときに開先えぐりを発生させないような溶接電流としたとしても、鋼管Ｐの軸方向についての開先３の中心において、溶接電流が低くなり過ぎる結果、溶込み不良が発生するおそれがある。一方、外部特性の傾きの値が−１７Ｖ／１００Ａより小さくなれば（傾きが大きくなれば）、溶接トーチ１のウィービングによってアーク長が変動したときに溶接電流の変動量が小さくなる。このため、アーク長の自己制御作用が働き難くなる。アーク長の自己制御作用が働き難くなれば、ウィービングによって溶接ワイヤ１１の先端が開先３を形成する鋼管Ｐの端面に近づいても溶接電流の増加量は小さいため、溶接ワイヤ１１の先端が溶融する前に開先３を形成する鋼管Ｐの端面と短絡し易くなる結果、スパッタが発生するおそれがある。また、溶接ワイヤ１１の先端が開先３を形成する鋼管Ｐの端面と短絡するとアークが消弧するため、溶込み不良が発生するおそれがある。そこで、ウィービングによって溶接ワイヤ１１の先端が開先３を形成する鋼管Ｐの端面と短絡しない程度に溶接電流を出力すると、溶接電流が高くなり過ぎる結果、開先えぐりが発生するおそれがある。本実施形態では、溶接電源の外部特性の傾きは、−１７〜−１０Ｖ／１００Ａであるため、スパッタ、溶込み不良、開先えぐりの発生を抑制して、溶接品質を保ち溶接することができる。

ピーク電流Ｉ_ｐが４００Ａより小さくなると、電磁ピンチ力が弱まるため、溶滴が溶接ワイヤ１１から開先３に移行し難くなる。このため、パルス電流波形の１周期毎に開先３に移行する溶滴が１つにならず、パルス電流波形の複数周期毎に溶滴が開先３に移行する。そうすると、パルス電流波形の周期を同じにした１パルス１溶滴移行と比較して、溶接効率が悪くなるという問題が生じる。また、電磁ピンチ力が弱まると、溶滴が大きくならなければ溶接ワイヤ１１から離脱できなくなるため、大きな溶滴が開先３に移行することになる。その結果、大きな溶滴が開先３に移行するときに溶融金属が飛び散ることによってスパッタが発生し易くなり、溶接品質が低下するおそれがある。一方、ピーク電流Ｉ_ｐが５００Ａより大きくなるとアークが強くなるため、開先えぐりが発生し、溶接品質が低下するおそれがある。本実施形態では、ピーク電流Ｉ_ｐは、４００〜５００Ａである。このため、より一層、スパッタや開先えぐりの発生を抑制し易い。

本実施形態では、立上り時間Ｔ_ｕｐが０．８〜１．２ｍｓであり、かつ、ピーク時間Ｔ_ｐは、１．０〜１．８ｍｓである。斯かる構成によれば、溶接電流が立上ってピーク電流Ｉ_ｐが供給される間に、溶かされる溶接ワイヤ１１の量が調整されるため、前述のように、立上り時間Ｔ_ｕｐからピーク時間Ｔ_ｐにかけて溶接ワイヤ１１の先端が溶け、ピーク時間Ｔ_ｐの途中で溶接ワイヤ１１の先端が溶滴になり、この溶滴がピーク電流Ｉ_ｐに伴う電磁ピンチ力によって溶接ワイヤ１１から離脱する。その結果、１パルス１溶滴移行が行われる。１パルス１溶滴移行となれば、パルス電流波形の１周期毎に開先３に移行する溶滴の大きさが均一になる。溶滴の大きさが均一になれば、溶滴の移行が安定するため、より一層、スパッタの発生を抑制し易い。

ベース電流Ｉ_ｂが３０Ａより小さくなると、アーク切れが発生し易くなるため、溶込み不良が発生し易くなり、溶接品質が低下するおそれがある。一方、ベース電流Ｉ_ｂが５０Ａより大きくなると、溶滴が溶融金属に移行する際に流れる電流が大きくなり過ぎるため、溶融金属に乱流が発生し、溶融金属が暴れる状態になる。溶融金属が暴れる結果、溶融金属が飛び散り易くなるため、スパッタが発生し易くなり、溶接品質が低下するおそれがある。本実施形態では、ベース電流Ｉ_ｂは、３０〜５０Ａである。このため、より一層、溶込み不良やスパッタの発生を抑制し易い。

立下り時間Ｔ_ｄｗが０．８ｍｓより短くなると、アークが細くなる現象が生じることによりアークが集中してアークが強くなるため、開先えぐりが発生し、溶接品質が低下するおそれがある。一方、立下り時間Ｔ_ｄｗが１．２ｍｓより長くなると、パルス電流がピーク電流Ｉ_ｐからベース電流Ｉ_ｂに立下る前に、溶接ワイヤ１１から離脱した溶滴が開先３に移行するため、前述のように、溶滴が開先３に移行するときに溶融金属に流れる電流が大きくなり過ぎることによって、溶融金属に乱流が発生し、溶融金属が暴れる状態になる。溶融金属が暴れる結果、溶融金属が飛び散り易くなるため、スパッタが発生し易くなり、溶接品質が低下するおそれがある。本実施形態では、立下り時間Ｔ_ｄｗは、０．８〜１．２ｍｓである。このため、より一層、開先えぐりやスパッタの発生を抑制し易い。

前述のように、本実施形態では、シールドガスは、ＡｒとＣＯ_２との混合ガスであってＣＯ_２混合比率が２０〜４０％とされ、溶接電源２の外部特性の傾きは、−１７〜−１０Ｖ／１００Ａとされる。そこで、シールドガスのＣＯ_２混合比率と、溶接電源２の外部特性の傾きとを規定することによる効果について確認する試験を行った。

具体的には、シールドガスのＣＯ_２混合比率と、溶接電源２の外部特性の傾きとを変化させて、狭開先をＭＡＧ溶接したときの溶接品質を確認する試験を行った。より具体的には、溶接電源２が供給するパルス電流は、ピーク電流Ｉ_ｐが４５０Ａであり、ピーク時間Ｔ_ｐが１．８ｍｓであり、立上り時間Ｔ_ｕｐが１．２ｍｓであり、立下り時間Ｔ_ｄｗが１．２ｍｓであり、ベース電流Ｉ_ｂが３０Ａとして試験を行った。また、ワイヤ供給速度は１０．６ｍ／ｍｉｎであり、溶接トーチ１の走行速度は３６６ｍｍ／ｍｉｎとして確認を行った。なお、溶接ワイヤ１１は、ソリッドワイヤであり、ソリッドワイヤの直径は０．９ｍｍとし、ルートギャップは、３．８ｍｍとして試験を行った。ここで、ルートギャップとは、図１（ｂ）に示すように、軸方向に向き合った２本の鋼管Ｐの端面間の隙間の距離である。

図５（ａ）〜（ｃ）、図６（ａ）、（ｂ）は、以上に説明した試験の結果を示す。具体的には、開先角度が２０°のＶ開先に対して、シールドガスのＣＯ_２混合比率をそれぞれ、１５、２０、３０、４０、４５％にしたときに、外部特性の傾きの値を−２５〜−２Ｖ／１００Ａの間に変化させて溶接し、スパッタ量、開先えぐり、溶込み不良について評価した結果を示す。

なお、図５、６について、スパッタ量の評価として、「◎」は０．３ｍｍ以上の大きさのスパッタ発生数が３個／ｃｍ以下であったことを、「○」は０．３ｍｍ以上の大きさのスパッタの発生数が３個／ｃｍより多く６個／ｃｍ以下であったことを、「×」は０．３ｍｍ以上の大きさのスパッタ発生数が６個／ｃｍより多かったことを意味する。
また、開先えぐりの評価として、「○」は溶接部の止端に沿って鋼管Ｐの母材が掘られて、溶融金属が満たされないで溝となって残っている部分がないことを、「×」は溶接部の止端に沿って鋼管Ｐの母材が掘られて、溶融金属が満たされないで溝となって残っている部分があることを意味する。
また、溶込み不良の評価として、「◎」は壁面溶込み幅が１ｍｍ以上であったことを、「○」は壁面溶込み幅が０．４ｍｍ以上１ｍｍ未満であったことを、「×」は壁面溶込み幅が０．４ｍｍ未満であったことを意味する。
さらに、総合の評価として、「◎」はスパッタ量及び溶込み不良の評価が◎であり開先えぐりの評価が○であったことを、「○」は総合の評価が◎の条件を満たしていないがスパッタ量、開先えぐり及び溶込み不良の評価のいずれも×でなかったことを、「×」はスパッタ量、開先えぐり又は溶込み不良のうち少なくともいずれかひとつの評価が×であったことを意味する。

ここで、０．３ｍｍ以上の大きさのスパッタ発生数とは、溶接後に開先３に付着した０．３ｍｍ以上の大きさのスパッタの数に基づく値である。具体的には、開先３に付着したスパッタの大きさを測定し、３０ｃｍあたりに０．３ｍｍ以上の大きさのスパッタの数を確認することを１０回繰り返し、その平均値を１ｃｍ当りのスパッタ数に換算した値である。
また、溶接部の止端とは、図３に示すように、開先を形成する鋼管の端面と溶融金属の表面とが交わる点を意味する。
さらに、壁面溶込み幅とは、開先を形成する鋼管の端面から、鋼管の母材が溶けた部分のうち最も離れた点までの長さを意味する。

図７は、上記確認試験について、外部特性の傾きを−１０Ｖ／１００Ａとした場合に、ＣＯ_２混合比率を１５〜４５％に変化させたときの壁面溶込み幅を示すグラフである。図７に示すように、ＣＯ_２混合比率を２０％以上にすれば、壁面溶込み幅が０．４ｍｍ以上になるため、溶込み不良を防止できることが確認できた。

図８は、上記確認試験について、外部特性の傾きを−１０Ｖ／１００Ａとした場合に、ＣＯ_２混合比率を１５〜４５％に変化させたときの０．３ｍｍ以上の大きさのスパッタ発生数を示すグラフである。図８に示すように、ＣＯ_２混合比率を４０％以下にすれば、０．３ｍｍ以上の大きさのスパッタ発生数が６個以下になるため、スパッタの発生を抑制できることが確認できた。

図５〜８による結果により、開先角度が２０°の開先に対して、シールドガスがＡｒとＣＯ_２との混合ガスであってＣＯ_２混合比率が２０〜４０％であり、溶接電源２の外部特性の傾きが−１７〜−１０Ｖ／１００Ａであれば、溶込み不良、開先えぐり、スパッタの発生を抑制して、溶接品質を保ち溶接できることが確認できた。
なお、上記確認試験では開先角度が２０°のＶ開先についての結果を示しているが、例えば、Ｙ開先やＸ開先等であっても良い。また、開先角度が１０〜４０°であれば、溶接品質は図５、６に示す結果と同様の結果になる。

以上の結果により、シールドガスは、ＡｒとＣＯ_２との混合ガスであってＣＯ_２混合比率が２０〜４０％とされ、溶接電源２の外部特性の傾きは、−１７〜−１０Ｖ／１００Ａとされることにより、狭開先であっても、溶込み不良、開先えぐり、スパッタの発生を抑制して、溶接品質を保ち溶接できることがわかった。

開先角度を２０°とし、ＣＯ_２混合比率を３０％とし、外部特性の傾きを−１７〜−１０Ｖ／１００Ａとしたときに、溶接位置毎に、ワイヤ供給速度に対する溶接品質を確認する試験を行った。具体的には、多層盛溶接を行い、溶接ワイヤ１１は、ソリッドワイヤであり、ソリッドワイヤの直径は０．９ｍｍとし、溶着金属量は１．６〜１．８ｇ／ｃｍとし、ルートギャップは、３．８ｍｍとして試験を行った。
ここで、溶着金属量とは、溶接トーチ１の走行距離（ｃｍ）あたりに溶着した金属量（ｇ）を意味する。具体的には、溶接トーチ１の走行距離あたりに、溶接ワイヤ１１から開先３に移行した溶滴の重さを意味する。

図９は、以上に説明した試験の結果を示す。なお、「○」は溶接品質を保ち溶接できたことを、「×」は溶接不良であったことを意味する。
また、溶接位置に示されている角度は、鋼管Ｐの管軸から鉛直上方に延びる直線から、溶接が行われている箇所と管軸とを結ぶ直線までの時計回り方向の角度を意味する。銅板融着とは、開先の底部に当てる裏当て材がアークにより鋼管に融着したことを意味する。溶け落ちとは、溶融金属が開先から溶け落ちたことを意味する。外観不良とは、溶接により生じたビード形状に明らかな凸部が生じたことを意味する。

溶着金属量を所定の範囲内で開先を溶接するため、ワイヤ供給速度を高めることにより、溶接トーチ１の走行速度を高めることができる。図９に示すように、できるだけ早い速度のワイヤ供給速度でＭＡＧ溶接を行えば、溶接トーチ１の走行速度を高めて溶接することができるため、溶接能率が高まることが期待できる。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限られるものではなく、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では、溶接ワイヤ１１の直径は０．９ｍｍであるが、本発明はこれに限られるものではない。また、本実施形態では、溶接ワイヤ１１がソリッドワイヤの場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、フラックスコードワイヤ等であっても良い。

１・・・溶接トーチ
２・・・溶接電源
３・・・開先
４・・・台車
５・・・レール
１１・・・溶接ワイヤ
１００・・・ＭＡＧ溶接装置
Ｐ・・・鋼管

Claims (3)

1. 軸方向に向き合った２本の鋼管の端面同士が形成する開先を溶接するＭＡＧ溶接装置であって、
   前記開先の開先角度は、１０〜４０°であり、
   前記鋼管の周方向に沿って移動しながら、前記開先に向けて溶接ワイヤを供給する溶接トーチと、
   前記溶接ワイヤと前記鋼管との間に溶接電流を供給する溶接電源とを備え、
   前記溶接トーチは、前記開先に向けて、ＡｒとＣＯ_２との混合ガスであってＣＯ_２混合比率が２０〜４０％であるシールドガスを供給し、
   前記溶接電源の外部特性の傾きは、−１７〜−１０Ｖ／１００Ａであることを特徴とするＭＡＧ溶接装置。
2. 前記溶接ワイヤは、ソリッドワイヤであることを特徴とする請求項１に記載のＭＡＧ溶接装置。
3. 前記溶接電流は、立上り時間が０．８〜１．２ｍｓであり、ピーク電流が４００〜５００Ａであり、ピーク時間が１．０〜１．８ｍｓであり、立下り時間が０．８〜１．２ｍｓであり、ベース電流が３０〜５０Ａであるパルス電流とされることを特徴とする請求項１又は２に記載のＭＡＧ溶接装置。

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