JP2016040046A - パルスアーク溶接方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】シールドガスを用いてパルスアーク溶接を行う方法であって、前記パルスアーク溶接のパルス電流において、パルスピーク電流を550〜950A、パルスベース電流を550A以下、パルスピーク電流とパルスベース電流との差を200〜600A、かつ、パルス周波数を50〜200Hzとしてパルスアーク溶接を行う。
【選択図】なし
Description
特許文献2では、スラグ系フラックス入りワイヤを電極ワイヤとして用い、さらに炭酸ガスをシールドガスとして用い、300A/mm2以上の電流密度で溶接することによって、高溶着量を得ると同時にスラグによるビード平滑効果も得られる溶接方法が提案されている。
特許文献3では、フラックス入りワイヤを用いてパルスアーク溶接を行うにあたり、そのパルス電流において、パルスピーク電流密度、パルスベース電流密度、及び平均電流密度等をそれぞれ特定範囲として溶接する高電流密度ガスシールドアーク溶接方法が提案されている。
また、特許文献2に開示された溶接方法においては、炭酸ガスをシールドガスとして用いて、直流で溶接を行うため、溶滴の移行形態はグロビュラー移行となり、大粒スパッタが多量に発生するという問題がある。
さらに、このパルスアーク溶接方法では、前記パルス周波数と、前記パルスアーク溶接に用いる消耗電極の送給速度の関係が下記式(1)を満たしてもよい。
1.50(mm/1パルス) ≦ 送給速度(mm/秒)/パルス周波数(パルス回数/秒) ≦ 9.00(mm/1パルス) ・・・(1)
前記パルスアーク溶接に用いる溶接電源の外部特性の傾きを、−14.0〜−4.0(V/100A)の範囲としてもよい。
前記シールドガスとして、CO2:0〜40体積%及びO2:0〜10体積%で、残部がAr及び不純物からなる、Arガス又はAr含有混合ガスを用いてもよい。
以下、本実施形態のパルスアーク溶接方法について説明する。
なお、上記パルス波形は、上述の矩形又は台形の形を繰り返す波形以外にも例えば、三角波及びのこぎり波、並びに正弦波(余弦波)等の波形であってもよい。
そこで、本実施形態のパルスアーク溶接方法では、パルス周波数を200Hz以下に規定する。以下、パルス周波数等の規定範囲についてより具体的に説明する。
パルス周波数が200Hzを超えると、アーク長が変動し、スパッタの増加、ビード外観の不良、及びチップ摩耗の増加を招くおそれがある。一方、パルス周波数が50Hz未満であると、パルスピーク期間Tpが長くなり、この期間において、スパッタの増加又はビード外観の不良が発生するおそれがある。
よって、本実施形態のパルスアーク溶接方法では、パルス周波数は、50〜200Hzの範囲に規定される。
パルスピーク電流Ipが550A未満であると、アークの硬直性が不十分である上、パルス化による溶着量向上効果を得難い。また、パルスピーク電流Ipが950Aを超えると、過大な電流により、ワイヤ溶融先端部にかかるアーク圧が大きくなり、溶融部が変形することによって、アーク偏向が生じる。その結果、アークが不安定となり、スパッタの発生量が増加することがある。また、チップ摩耗が増加することがある。よって、本実施形態のパルスアーク溶接方法では、パルスピーク電流Ipは550〜950Aの範囲に規定される。
パルスベース電流Ibが550Aを超えると、パルスベース期間Tbにおける溶滴へのアーク圧が過大になることで、アークが不安定となり、スパッタの発生量が増加することがある。よって、本実施形態のパルスアーク溶接方法では、パルスベース電流Ibは550A以下に規定される。
パルスピーク電流Ipとパルスベース電流Ibとの差が200A未満であると、パルスベース期間Tbにおける溶滴へのアーク圧が過大になることで、不安定なアークを誘発し、スパッタの発生量が増加することがある。さらに、パルスピーク電流Ipとパルスベース電流Ibとの差が600Aを超えると、ワイヤ溶融先端部にかかるアーク圧が大きくなり、溶融部が変形することによって、アーク偏向が生じる。その結果、アークが不安定となり、スパッタの発生量が増加することがある。
よって、本実施形態のパルスアーク溶接方法では、パルスピーク電流Ipとパルスベース電流Ibとの差は、200〜600Aの範囲に規定される。
また、前述のように、パルスアーク溶接は溶滴の離脱タイミングが狂うと、スパッタの発生量の増加や、ビード外観の不良を招くおそれがある。よって、前述した規定溶接条件に加えて、パルスアーク溶接に用いる消耗電極(溶接ワイヤ)の送給速度(mm/秒)を好適な範囲にすることによって、溶滴移行の制御、スパッタ発生量の低減、及びアークの安定を図ることができると考えられる。
しかし、好適な送給速度はパルス周波数によって変わるため、当該送給速度(mm/秒)をパルス周波数(パルス回数/秒)で除した、送給速度(mm/秒)/パルス周波数(回数/秒)とし、1波長あたりの送給速度として好適範囲を規定する。
よって、本実施形態のパルスアーク溶接方法では、パルス周波数と、消耗電極の送給速度とは、下記式(1)を満たす関係であることが好ましい。
1.50(mm/1パルス) ≦ 送給速度(mm/秒)/パルス周波数(パルス回数/秒) ≦ 9.00(mm/1パルス) ・・・(1)
高電流のパルス溶接の場合、パルスピーク電流Ipのアーク圧によって、溶融池の搖動が激しくなるため、アーク長が大きく変動する。アーク長の変動を抑えるため、アーク溶接機の溶接電源の負荷電圧と負荷電流の関係を示す外部特性の傾きを緩やかにすることで、電流の変化を鈍感にして、アーク長の変動をより効果的に抑制することができる。その一方、外部特性の傾きを過剰に大きくすると、アーク長の自己制御作用が失われるおそれがある。そのため、本実施形態のパルスアーク溶接方法では、その溶接に用いる溶接電源の外部特性(出力特性)を定電圧特性とすることが好ましく、また、その外部特性の傾きを後述する所定の範囲とすることが好ましい。
よって、本実施形態のパルスアーク溶接方法では、外部特性の傾きは−14.0〜−4.0(V/100A)の範囲とすることが好ましい。
本実施形態のパルスアーク溶接方法で用いられるシールドガスは、特に限定されず、Arガス、炭酸ガス、及びそれらの混合ガス等を用いることができる。シールドガスとして100%CO2を用いたパルスアーク溶接であっても、本実施形態のパルスアーク溶接方法で採用する前述のパルス条件によって、スパッタの低減効果及びチップ摩耗に対する抑制効果は得られる。シールドガスとしてArガス又はAr含有混合ガスを用いることで、溶滴の移行形態がスプレー移行となり、スパッタの発生量をより低減することが可能となる。よって、シールドガスとして、Arガス又はAr含有混合ガスを用いることが好ましい。
よって、シールドガスとして、CO2:0〜40体積%(0体積%でもよい。)及びO2:0〜10体積%(0体積%でもよい。)を含み、残部がAr及び不純物からなる、Arガス又はAr含有混合ガスを用いることがより好ましい。
本実施形態のパルスアーク溶接方法では、上述のように、パルスの周波数及び電流を規定すれば、高電流の溶接であっても、溶滴の移行が安定するため、使用する溶接材料は特に限定されない。
消耗電極として、高電流溶接時のローテーティング移行をより抑制することができることから、フラックス入りワイヤを用いることが好ましい。このフラックス入りワイヤは、筒状に形成された外皮部と、その筒内に充填されたフラックスとを備えて構成されるものである。したがって、フラックス入りワイヤでは、中心にフラックスが存在する不均一断面であるため、ワイヤ断面の温度分布が不連続となり、高電流時でも突出し部がソリッドワイヤに比べ、軟化・溶融して先端が伸びる現象を低減できる。
まず、本試験例におけるパルスアーク溶接では、消耗電極として、以下の表1に示す組成及び線径を有する4種類のフラックス入りワイヤ(F1〜F4)を用いた。
・パルスピーク電流:450〜1000A
・パルスベース電流:50〜600A
・パルス周波数:30〜310Hz
・平均電流:400〜600A
・溶接ワイヤの送給速度:18〜30m/分
・アーク電圧:適正電圧(30〜50V)
・シールドガス:Ar及びCO2の混合ガス(CO2含有量:0〜20体積%)又はAr及びO2(O2含有量:0〜10体積%)の混合ガス。
なお、後記試験例No.48では、従来方法として、パルス波形を用いない定電圧溶接で、平均電流550Aにてアーク溶接を行った。
アーク長の変動は遮光面を用いた目視と電流波形から判断した。60秒間で設定ピーク電流に対し+50Aを超えた場合、及びベース電流に対し、−50Aを下回った場合をカウントし、そのときのカウント数が500以上の場合は、目視でアークが不安定であることが確認でき、アーク長の変動が大きいものと判断して「×」(不良)と評価した。また、当該カウント数が250以上500未満の場合をアーク長の変動に対する抑制効果はほとんどみられないと判断して「△」(不可)と評価した。当該カウント数が250未満の場合は、目視でアークが安定である状況を確認できることがあり、アーク長の変動に対して良好な抑制効果があると判断して「○」(良)と評価した。
なお、参考として、図7Aに後記試験例No.1における時間−アーク電圧の波形図、図7Bに後記試験例No.32における時間−アーク電圧の波形図を示す。
発生したスパッタの測定は、各例とも共通して、溶接部の両側面に銅板で作製した箱を設置し、溶接を行い、1分間に発生したスパッタ全てを箱中(箱内)から採取し、集めたスパッタの全質量を測定してスパッタ量(g/min)とした。スパッタ量は、1.50g/分を超えると、従来の定電圧溶接のスパッタ量よりも悪くなると判断して「×」(不良)と評価した。スパッタ量が1.50g/分の半分の値である0.75g/分以下となると、スパッタの低減効果が著しく良好である判断して「○」(良)と評価した。スパッタ量が0.75g/分を超え、1.50g/分以下である場合は、スパッタの低減効果があると判断して「△」(可)と評価した。
ビードの蛇行、ハンピング、及びアンダカットの溶接欠陥等のビード表面について、目視で判断した。これらのいずれかの溶接欠陥が一つでも確認された場合を「×」(不良)と評価し、溶接欠陥が確認されなかった場合を「○」(良)と評価した。
なお、参考として、図8Aに後記試験例No.1で得られたビード外観を撮影した図面代用写真を示し、図8Bに後記試験例No.32で得られたビード外観を撮影した図面代用写真を示す。
チップ摩耗は、650mm四方で厚さ25mmのサイズの大板上をビードオンプレート溶接で行い、溶接前のチップ穴面積と30分溶接後のチップ穴面積との差をチップの摩耗面積として判断した。チップの摩耗面積が1.00mm2以上である場合を、チップ摩耗に対する抑制効果がないと判断して「×」(不良)と評価し、チップの摩耗面積が0.65mm2を下回る場合を、パルスをかけても従来の定電流溶接と同等以上に、チップ摩耗に対する抑制効果があると判断して「○」(良)と評価した。また、チップ摩耗面積が0.65mm2以上1.00mm2未満の場合を耐摩耗効果がほとんど見られないと判断して「△」(不可)と評価した。
なお、表2及び表3中に示した表記は、それぞれ以下を意味する。
・f.rate:溶接ワイヤの送給速度
・Ip:パルスピーク電流
・Tp:パルスピーク期間
・Ib:パルスベース電流
・Ip−Ib:パルスピーク電流とパルスベース電流との差
・Ia:平均電流
・Fp:パルス周波数
試験例No.34及びNo.35は、パルス周波数が低すぎたために、アークが不安定になり、ビード蛇行が発生した。
試験例No.37は、パルスピーク電流とパルスベース電流との差が大きくなり、アークが不安定となって、スパッタやチップ摩耗が増加した。
試験例No.38〜47は、パルス周波数が本発明で規定する範囲外であったため、アークが不安定になり、スパッタが多く発生した。試験例No.42及びNo.43は、線径1.2mmの溶接ワイヤを用いた場合であるが、試験例No.42はパルス周波数が低すぎたため、試験例No.43はパルス周波数が高すぎたため、アークが不安定になり、スパッタの低減効果が得られなかった。試験例No.44〜47は、組成の異なる溶接ワイヤを用いた場合であるが、パルス周波数が本発明で規定する範囲外であったため、アークが安定せず、スパッタの低減効果が得られなかった。
2 先端溶融部
3 溶滴
4 アーク
Tp パルスピーク期間
Tb パルスベース期間
Ip パルスピーク電流
Ib パルスベース電流
Claims (4)
- シールドガスを用いてパルスアーク溶接を行う方法であって、
前記パルスアーク溶接のパルス電流において、
パルスピーク電流を550〜950A、
パルスベース電流を550A以下、
パルスピーク電流とパルスベース電流との差を200〜600A、及び
パルス周波数を50〜200Hzとして溶接するパルスアーク溶接方法。 - 前記パルス周波数と、前記パルスアーク溶接に用いる消耗電極の送給速度の関係が下記式(1)を満たす請求項1に記載のパルスアーク溶接方法。
1.50(mm/1パルス) ≦ 送給速度(mm/秒)/パルス周波数(パルス回数/秒) ≦ 9.00(mm/1パルス) ・・・(1) - 前記パルスアーク溶接に用いる溶接電源の外部特性の傾きが、−14.0〜−4.0(V/100A)の範囲である請求項1又は2に記載のパルスアーク溶接方法。
- 前記シールドガスは、CO2:0〜40体積%及びO2:0〜10体積%で、残部がAr及び不純物からなる、Arガス又はAr含有混合ガスである請求項1〜3のいずれか1項に記載のパルスアーク溶接方法。
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