JP2016215214A - エレクトロスラグ溶接方法及びエレクトロスラグ溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】摺動式当て金を用いたエレクトロスラグ溶接において、スラグ浴深さを予め定めた深さに保ちながら溶接を行い、健全な溶込みを確保して溶接金属の機械的性質の劣化を防止する。
【解決手段】エレクトロスラグ溶接装置１００は、溶接ワイヤ６に給電するコンタクトチップ５を有する溶接トーチ４と、摺動式銅当て金２と、溶接トーチ４及び摺動式銅当て金２を搭載した走行台車１６と、溶融スラグ浴検出器１３と、フラックス供給装置１４と、フラックス供給制御装置１５と、走行台車制御装置１７とを備える。フラックス供給制御装置１５は、コンタクトチップ５の先端から溶融スラグ浴７までの溶接ワイヤ６の長さＬｄが予め定めた長さとなるように、フラックスの供給を制御する。走行台車制御装置１７は、基準電流値に対して溶接電流８が予め定めた関係となるように走行台車１６の走行速度を制御する。そして、スラグ浴深さＬｓを予め定めた深さに保ちつつ溶接が行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は、エレクトロスラグ溶接方法及びエレクトロスラグ溶接装置に関する。

近年、造船や産業機械分野において構造物の大型化に伴って板厚が増大する傾向にある。これらの構造物の立向き溶接は、高能率なエレクトロガスアーク溶接で行われてきた。しかしながら、溶接作業者にとってアーク放射熱、ヒューム、スパッタ等の作業環境上の問題があり、さらに板厚が増すとシールドが劣化し、溶接部の機械的性能が劣化するなどの問題が顕在化してきた。

これに対して、溶融スラグのジュール熱を熱源とするエレクトロスラグ溶接がある。エレクトロスラグ溶接は、露出したアークではなく溶融スラグ内で熱が発生してワイヤ及び母材を溶融するので、アーク放射熱が発生せず、またヒューム、スパッタの発生も少なく、作業環境の改善になる。また溶融スラグで溶接金属を大気から遮蔽するのでシールドガスが不要であり、板厚が大きくなってもシールド効果が劣化することがなく、大気に存在する窒素などの溶融金属内への侵入を板厚に関係なく効果的に防止できるので、溶接金属の機械的な劣化も発生しない。

一方、エレクトロガスアーク溶接は、溶融プールと母材の溶込み状態を監視することができるが、エレクトロスラグ溶接は、溶融プールと母材溶融部が溶融スラグで覆われており、溶込み状態を確認することができない。健全な溶込みが得られているか否かは、ビードを覆っている固まったスラグをハンマーなどで破壊してビードを目視することにより、初めて確認できることとなる。

また、健全な溶込みは、単に溶込み不良が発生するか否かだけではなく、溶込みの程度により、溶接金属の機械的性質が左右されるために重要である。すなわち、溶接金属の化学成分は、溶接ワイヤの化学成分と母材の化学成分と溶込み割合とで決定されるが、溶接ワイヤの化学成分と母材の化学成分とは異なるために、溶込み割合が変化すると溶接金属の化学成分が変化し、これが溶接金属の機械的性質に影響を及ぼす。そのため、溶込み比率をできるだけ一定にしながら溶接することが重要となる。
溶込みに影響する要因としては、溶接電流、溶接電圧、ワイヤ突出し長などに加えて、エレクトロスラグ溶接ではスラグ浴深さがある。溶接電流、溶接電圧、ワイヤ突き出し長などは容易に管理できるパラメータであるが、スラグ浴深さを測定することは難しく、制御することが難しい。

ここで、例えば、特許文献１には、従来のエレクトロガスアーク溶接として、実質上垂直に立てられた鋼板の上下方向ｚに延びる開先にフラックス入りワイヤを供給しつつ、上方向に溶接する立向エレクトロガス溶接装置において、開先内に先端が進入する第１電極、開先内の、第１電極の先端よりも鋼板の板厚方向ｘで開先開口側に近い位置に進入する第２電極、走行駆動用モータを含み、開先に沿って上昇する台車、及び、台車に支持され、第１及び第２電極を、板厚方向ｘに揺動駆動する振動手段を備える立向エレクトロガス溶接装置が開示されている。

また、この特許文献１には、溶接の進行に伴い、開先内には溶融メタルが形成され、さらにその上に溶融スラグが溜まっていき、その表面が上昇して溶接トーチから突き出されるワイヤの突き出し長が短くなって、電源回路と垂直板の間の電流値が所定値より上昇すると、台車に上昇指示を出すことが記載されている。さらに、溶融プール上の溶融スラグは、開先の開口を覆う摺動銅当て金が溶接の進行に伴って上昇するのに従って、順次摺動銅当て金と溶接ビードとの間に流入し、溶接ビード上に固化して行き、これにより消費されていくことが記載されている。

また、例えば、特許文献２には、従来のエレクトロスラグ溶接として、当て金及び母材にて囲み形成された開先を２電極で同時に溶接する非消耗ノズル式２電極エレクトロスラグ溶接において、２電極の給電ノズルを同時にそれらの並び方向に同方向で揺動させ、開先端部及び開先中央部近傍で停止させ、給電ノズル揺動時の電流エネルギＷｍと、開先端部停止時の電流エネルギＷｈと、開先中央部近傍で停止時の電流エネルギＷｃを、Ｗｃ＜Ｗｍ＜Ｗｈとし、更に、溶接電流が目標電流値となる溶接ワイヤ突出長を維持するように給電ノズルを引上げ駆動する非消耗ノズル式２電極エレクトロスラグ溶接方法が開示されている。

また、この特許文献２には、当て金及び母材で四方を囲まれた開先に対して溶接が行われ、溶接中のスラグ浴深さが１５ｍｍになるように、溶接スタート時に二酸化マンガン系フラックスが投入されることが記載されている。

特開平１０−１１８７７１号公報 特開平５−４２３７７号公報

エレクトロスラグ溶接は、エレクトロガスアーク溶接と比べて、アーク放射熱が発生せず、またヒュームやスパッタの発生も少ない等の特徴を有している。しかし、従来のエレクトロスラグ溶接では、鋼板で四方を囲まれた開先に対して上方から電極を垂らして溶接を行うため、スラグは消耗せずに適正なスラグ浴深さが維持されるが、母材が大きくなるほど作業性が悪くなり、ノズルの大きさに応じて溶接可能な母材の大きさが制限されていた。そのため、エレクトロスラグ溶接は、例えば数メートルの長さの建築用鋼材などを溶接する際に用いられるのが一般的であった。一方、エレクトロガスアーク溶接のように台車を用いて当て金を摺動させれば、より大きな母材に対して溶接が可能になるが、この場合には鋼板で四方を囲まれた開先に溶接を行うわけではないため、スラグが摺動式当て金と溶接ビードとの間に流入し消費されてしまう。

そこで、摺動式当て金を用いてエレクトロスラグ溶接を行う場合には、健全な溶込みを確保するために、スラグの消費分を補うためのフラックスを上部から投入して、スラグ浴深さをできるだけ一定に保つことが求められる。基本的には消耗分に相当したフラックスを投入すればスラグ浴を一定にすることができるが、開先幅が広くなるとビード幅が広がってスラグの消耗量が増加する。また、当て金の温度によりスラグの流れが変化して消耗量が変化する。さらに、当て金と母材との隙間が変化したり、溶接速度が変化したりすることによっても、消耗量は変化する。

このように、摺動式当て金を用いたエレクトロスラグ溶接においては、様々な要因でスラグの消費量が変化するために、フラックスの投入量を変えなければならないが、スラグ浴深さを測定することは難しく、投入量を溶接作業者の観察と推定で行わざるを得ない。そのため、溶接作業者の技量と推察力に依存してしまい、スラグ浴深さを予め定めた深さに保ち溶込みを健全にすることが極めて難しい。また、溶込みの変化は溶接欠陥の原因となるばかりでなく、溶接金属の機械的性質にも悪影響を及ぼす。
以上、特許文献１と特許文献２に示す方法で摺動式当て金を用いたエレクトロスラグ溶接を行うと、スラグ浴深さが変化し、溶込みや溶接金属の機械的性質に影響を及ぼすため、溶接作業性が優れるものの、残念ながら長い溶接線の構造物溶接に適用不可能であった。

本発明は、摺動式当て金を用いたエレクトロスラグ溶接において、スラグ浴深さを予め定めた深さに保ちながら溶接を行い、健全な溶込みを確保して溶接金属の機械的性質の劣化を防止することを目的とする。

かかる目的のもと、本発明は、エレクトロスラグ溶接において、コンタクトチップ先端からスラグ浴までの溶接ワイヤの長さが予め定めた長さとなるようにフラックスを供給し、基準電流値に対して溶接電流が予め定めた関係となるように溶接トーチと摺動式当て金とを搭載した走行台車の走行速度を調整し、スラグ浴深さを予め定めた深さに保ちつつ溶接を行うエレクトロスラグ溶接方法である。

他の観点から捉えると、本発明は、溶接ワイヤに給電するコンタクトチップを有する溶接トーチと、摺動式当て金と、溶接トーチ及び摺動式当て金を搭載した走行台車と、走行台車制御装置と、スラグ浴検出器と、フラックス供給装置と、フラックス供給制御装置とを備え、スラグ浴検出器は、コンタクトチップの先端から予め定めた長さの位置にスラグ浴が上昇してきた場合にスラグ浴を検出し、フラックス供給制御装置は、コンタクトチップの先端からスラグ浴までの溶接ワイヤの長さが予め定めた長さとなるように、スラグ浴検出器がスラグ浴を検出した場合にはフラックスの供給を停止し、スラグ浴検出器がスラグ浴を検出していない場合にはフラックスの供給を行うようにフラックス供給装置を制御し、走行台車制御装置は、ワイヤ送給速度に応じて定められた基準電流値に対して溶接電流が予め定めた関係となるように走行台車の走行速度を制御し、スラグ浴深さを予め定めた深さに保ちつつ溶接を行うエレクトロスラグ溶接装置である。
また、走行台車制御装置は、予め定めた関係として、溶接電流が基準電流値より大きくなると走行台車の走行速度を増大させ、溶接電流が基準電流値より小さくなると走行台車の走行速度を減少させるように制御することを特徴とすることができる。
さらに、スラグ浴検出器は、スラグ浴検出器の検出端子がスラグ浴と接触したときに溶接電圧を検知して、スラグ浴を検出することを特徴とすることができる。
そして、スラグ浴検出器は、検知した溶接電圧を、ウィービング周期の１/２〜２倍を時定数とするフィルタで処理して、スラグ浴を検出したか否かの判定を行うことを特徴とすることができる。
また、検出端子は、溶接トーチと連結されていることを特徴とすることができる。
さらに、スラグ浴検出器は、スラグ浴検出器の検出端子に直流電源から抵抗を通して電圧を印加し、検出端子がスラグ浴と接触したとき、検出端子の電圧が低下することによりスラグ浴を検出することを特徴とすることができる。
そして、スラグ浴検出器は、フォトセンサーを有し、スラグ浴の光を検出して、スラグ浴を検出することを特徴とすることができる。
また、フラックス供給装置は、ソレノイドにより駆動される弁によりフラックスを供給することを特徴とすることができる。
さらに、フラックス供給装置は、モータによって駆動されるスクリューによりフラックスを供給することを特徴とすることができる。
そして、基準電流値は、ワイヤ送給速度を変更した場合、ワイヤ送給速度と基準電流値との関係を示す予め定められた関数をもとに、自動的に変更されることを特徴とすることができる。
また、基準電流値は、溶接ワイヤの種別に応じて定められる関数により種別ごとに求められることを特徴とすることができる。

本発明によれば、摺動式当て金を用いたエレクトロスラグ溶接において、スラグ浴深さを予め定めた深さに保ちながら溶接を行い、健全な溶込みを確保して溶接金属の機械的性質の劣化を防止することができる。

本実施の形態に係るエレクトロスラグ溶接装置の概略構成の一例を示す図である。 図１に示すエレクトロスラグ溶接装置をＴ方向から見た図である。 溶融スラグ浴の深さ、溶接ワイヤの長さ、溶接電流、溶込み幅の相関関係を示す図である。 溶融スラグ浴の深さ、溶接ワイヤの長さ、溶接電流、溶込み幅の相関関係を示す図である。 溶融スラグ浴の深さ、溶接ワイヤの長さ、溶接電流、溶込み幅の相関関係を示す図である。 溶融スラグ浴検出器の構成例を示す図である。 溶融スラグ浴表面の溶接電圧分布の一例を示す図である。 溶接トーチを板厚方向に揺動させた場合の溶融スラグ浴表面の溶接電圧分布の一例を示す図である。 溶接トーチを板厚方向に揺動させた場合の溶融スラグ浴表面の溶接電圧分布の一例を示す図である。 溶接トーチを板厚方向に揺動させた場合の溶融スラグ浴表面の溶接電圧分布の一例を示す図である。 図４に示す溶融スラグ浴検出装置にフィルタ回路を設けた構成例を示す図である。 フィルタ回路がない場合の溶接電圧波形の一例を示す図である。 フィルタ回路を介した場合の溶接電圧波形の一例を示す図である。 検出端子を溶接トーチに連結させた構成の一例を説明するための図である。 溶融スラグ浴検出器の他の構成例を示す図である。 溶融スラグ浴検出器の他の構成例を示す図である。 フラックス供給装置の構成例を示す図である。 フラックス供給装置の構成例を示す図である。 フラックス供給装置の他の構成例を示す図である。 スラグ浴制御しない場合と本実施の形態にてスラグ浴を制御する場合との比較結果を示す図である。 スラグ浴深さが溶接に及ぼす影響を説明するための図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
＜溶接装置の構成＞
まず、本実施の形態に係るエレクトロスラグ溶接装置１００について説明する。図１は、本実施の形態に係るエレクトロスラグ溶接装置１００の概略構成の一例を示す図である。図１において、矢印Ｚの示す方向を垂直方向（上下方向）の上方向とし、矢印Ｘの示す方向を板厚方向（左右方向）の右方向とするとともに、紙面に対して垂直に裏面より表面に向かう方向を水平横方向Ｙの手前方向とする。また、図２は、図１に示すエレクトロスラグ溶接装置１００を矢印Ｔから見た図である。すなわち、図２は、エレクトロスラグ溶接装置１００を上方より見下ろした図である。ただし、図２では、後述する溶接トーチ４、フラックス供給装置１４、フラックス供給制御装置１５、走行台車１６、走行台車制御装置１７等を省略している。

図１に示すように、本実施の形態に係るエレクトロスラグ溶接装置１００は、固定の銅当て金１及び摺動式銅当て金２と、溶接トーチ４と、溶融スラグ浴検出器１３と、フラックス供給装置１４と、フラックス供給制御装置１５と、走行台車１６と、走行台車制御装置１７とを備える。

エレクトロスラグ溶接装置１００において、開先の裏側には固定の銅当て金１が配置されており、開先の表側には摺動式銅当て金２が配置される。ここで、裏側の銅当て金１の代わりに、耐熱性のセラミックスから構成される裏当て材を用いても良い。また、表側の摺動式銅当て金２は、上下方向に摺動する銅当て金であり、水冷されている。ただし、摺動式銅当て金２として、銅の代わりのものを用いても良い。

溶接トーチ４は、溶接電源（不図示）から供給される溶接電流８により溶接ワイヤ６を給電して溶接母材３を溶接する。また、溶接トーチ４は、コンタクトチップ５を有しており、コンタクトチップ５は、溶接ワイヤ６を案内するとともに溶接ワイヤ６に溶接電流８を供給する。

溶融スラグ浴検出器１３は、溶融スラグ浴７の位置を検出する。
フラックス供給装置１４は、溶融スラグ浴７にフラックス１２を投入する。フラックス１２は溶融して溶融スラグになるため、フラックス１２を投入することにより、溶融スラグ浴７の量が増えることとなる。
フラックス供給制御装置１５は、フラックス供給装置１４の動作を制御し、溶融スラグ浴７に投入されるフラックス１２の量を調整する。

走行台車１６は、摺動式銅当て金２、溶接トーチ４、溶融スラグ浴検出器１３、フラックス供給装置１４、フラックス供給制御装置１５、走行台車制御装置１７を搭載しており、上方向（矢印ｚの示す方向）に移動する。すなわち、走行台車１６は、摺動式銅当て金２、溶接トーチ４、溶融スラグ浴検出器１３、フラックス供給装置１４、フラックス供給制御装置１５、走行台車制御装置１７と一体となって移動するため、それぞれの相対的な位置関係は変わらない。走行台車１６が上昇することにより、上方向に沿って溶接が行われる。
走行台車制御装置１７は、走行台車１６の走行速度を増大させたり減少させたりして、走行台車１６の動作を制御する。

そして、溶接母材３、銅当て金１及び摺動式銅当て金２に囲まれた開先内に、溶接トーチ４のコンタクトチップ５から溶接ワイヤ６が送給され、開先内に形成された溶融スラグ浴７内に送り込まれる。溶接電流８は、溶接ワイヤ６から溶融スラグ浴７を通して溶融金属９に流れる。このとき、溶融スラグ浴７を流れる溶接電流８及び溶融スラグ浴７の抵抗により、ジュール熱が発生し、溶接ワイヤ６及び溶接母材３を溶融しながら溶接が進行する。

溶接が進行するにつれて、溶融金属９は冷却されて溶接金属１０となり、溶融スラグ浴７の一部は、銅当て金１と溶接金属１０との間、及び摺動式銅当て金２と溶接金属１０との間に形成された溶融スラグ層となり、この溶融スラグ層が冷却されて固化スラグ１１となる。このようにして、溶融スラグ浴７は、その一部がビード表面を覆う固化スラグ１１となるので、溶接の進行につれて消費され、溶融スラグ浴７の深さＬｓが減少していくことになる。この溶融スラグ浴７の減少を補うためには、溶融して溶融スラグ浴７となるフラックス１２を追加投入する必要がある。

ビード表面を覆う固化スラグ１１の量は、ビード幅や溶接開先の幅によって変動する。また、固化スラグ１１の量は、銅当て金１及び摺動式銅当て金２の密着度合や冷却状態によっても変動する。そのため、固化スラグ１１の量は一定ではなく、溶融スラグ浴７の深さＬｓを一定に保つためには投入するフラックス１２の量も変化させる必要がある。しかしながら、溶融スラグ浴７の深さＬｓがわからないために、フラックス１２の投入量が適切でない場合には、溶融スラグ浴７の深さＬｓが変動することになる。

そこで、本実施の形態では、溶融スラグ浴７の深さＬｓを一定にするための制御を行う。ここで、一定とは、溶融スラグ浴７の深さＬｓが常に１つの値になる場合に限られず、誤差を考慮して溶融スラグ浴７の深さＬｓが一定の範囲内の値を示す場合も含まれる。すなわち、溶融スラグ浴７の深さＬｓは、予め定めた深さに保つように制御される。

そして、溶融スラグ浴７の深さＬｓを一定にするための第１の要件は、コンタクトチップ５の先端から溶融スラグ浴７の上面までの溶接ワイヤ長Ｌｄ（以下、ドライエクステンションＬｄと称する）が予め定めた長さになるように制御することである。また、溶融スラグ浴７の深さＬｓを一定にするための第２の要件は、ワイヤ送給速度に応じて定められた基準電流値に対して溶接電流８が予め定めた関係、すなわち、基準電流値と溶接電流８とが等しくなるように、走行台車制御装置１７が走行台車１６の走行速度を制御することである。

＜溶融スラグ浴の深さを一定にする要件＞
まず、溶融スラグ浴７の深さＬｓを一定にするための第１の要件について説明する。
フラックス供給制御装置１５は、溶融スラグ浴検出器１３が溶融スラグ浴７を検出していない場合、すなわち、摺動式銅当て金２の上部に設置された溶融スラグ浴検出器１３が溶融スラグ浴７の上面に接触していない場合には、フラックス１２を投入するようにフラックス供給装置１４を制御する。一方、フラックス供給制御装置１５は、溶融スラグ浴検出器１３が溶融スラグ浴７を検出している場合、すなわち、摺動式銅当て金２の上部に設置された溶融スラグ浴検出器１３が溶融スラグ浴７の上面に接触している場合には、フラックス１２の投入を停止するようにフラックス供給装置１４を制御する。このように、フラックス供給装置１４は、溶融スラグ浴検出器１３が溶融スラグ浴７を検出するようにフラックス１２を投入し、溶融スラグ浴７の深さＬｓを調整する。

ここで、溶接トーチ４、摺動式銅当て金２、溶融スラグ浴検出器１３は全て走行台車１６に搭載されており、走行台車１６が移動しても、相対的な位置関係は変わらない。そのため、コンタクトチップ５の先端と溶融スラグ浴検出器１３との間の距離も変わらない。そして、コンタクトチップ５の先端から予め定めた長さの位置（すなわち、溶融スラグ浴検出器１３の位置）に溶融スラグ浴７が上昇してきた場合に、溶融スラグ浴検出器１３は溶融スラグ浴７を検出する。フラックス供給制御装置１５は、溶融スラグ浴検出器１３が溶融スラグ浴７を検出するようにフラックス１２の投入量を制御するため、コンタクトチップ５先端から溶融スラグ浴７の上面までの距離、すなわちドライエクステンションＬｄは、予め定めた長さになるように制御される。

次に、溶融スラグ浴７の深さＬｓを一定にするための第２の要件について説明する。
図３−１〜図３−３は、溶融スラグ浴７の深さ、溶接ワイヤ６の長さ、溶接電流８、溶込み幅の相関関係を示す図である。ここで、図３−１〜図３−３に示すように、ドライエクステンションＬｄが予め定めた長さに制御された状態において、溶融スラグ浴７の深さＬｓが、Ｌｓ１＞Ｌｓ２＞Ｌｓ３と変化すると、溶接ワイヤ６が溶融スラグ浴７に浸漬している長さ（以下、ウェットエクステンションＬｗと称する）は、ほぼ比例してＬｗ１＞Ｌｗ２＞Ｌｗ３と変化し、溶込み幅Ｌｍは、Ｌｍ１＜Ｌｍ２＜Ｌｍ３と変化する。一方、溶接電流８の値をＩｗとすると、溶接電流Ｉｗとワイヤ送給速度Ｖｗとの関係は、次の数１式のように表される。

数１式において、Ｋ１〜Ｋ４は溶接ワイヤ６の径、構造及び材質により定まる定数である。

さらに、ワイヤ送給速度Ｖｗを一定にして溶接している状態で、上述の第１の要件で示したようにフラックス供給制御装置１５によりドライエクステンションＬｄが予め定めた長さに制御される条件下では、数１式は、次の数２式のように表される。

すなわち、数２式より、溶接電流Ｉｗは、ウェットエクステンションＬｗに逆比例して変化し、ウェットエクステンションＬｗが大きくなると、溶接電流Ｉｗは小さくなる。また、上述したように、溶融スラグ浴７の深さＬｓは、ウェットエクステンションＬｗに比例することから、適切な溶融スラグ浴７の深さＬｓ２のときの溶接電流Ｉｗを基準電流値Ｉｗ２として設定しておく。そして、溶接の進行に伴って、溶接電流Ｉｗが基準電流値Ｉｗ２より大きくなった場合は、溶融スラグ浴７の深さＬｓがＬｓ２より小さくなり、溶込み幅ＬｍがＬｍ２より大きくなったと判断して、走行台車制御装置１７は走行台車１６の走行速度を増大させる。走行台車１６の走行速度が増大することにより、ワイヤ突き出し長（Ｌｄ＋Ｌｗ）が大きくなり、溶接電流Ｉｗが小さくなって基準電流値Ｉｗ２になるように制御される。一方、溶接電流Ｉｗが基準電流値Ｉｗ２より小さくなった場合は、溶融スラグ浴７の深さＬｓがＬｓ２より大きくなり、溶込み幅ＬｍがＬｍ２より小さくなったと判断して、走行台車制御装置１７は走行台車１６の走行速度を減少させる。

付言すると、初めに、溶融スラグ浴７の深さＬｓは、予め定めた深さとしてＬｓ２に調整されて、溶接が開始される。また、走行台車１６の走行速度は、溶接電流Ｉｗの大きさに合わせて決定される。そして、溶接の進行に伴い、溶融スラグ浴７の一部は固化スラグ１１となり消費されるため、溶融スラグ浴７の深さＬｓは減少する。摺動式銅当て金２の上部に設置された溶融スラグ浴検出器１３が溶融スラグ浴７の上面に接触しない程度まで減少すると、フラックス供給制御装置１５は、フラックス１２を投入するようにフラックス供給装置１４を制御する。しばらく投入し、フラックス供給制御装置１５は、溶融スラグ浴検出器１３が溶融スラグ浴７を検出する場合、すなわち、摺動式銅当て金２の上部に設置された溶融スラグ浴検出器１３が溶融スラグ浴７の上面に接触すると、フラックス１２の投入を停止するようにフラックス供給装置１４を制御する。このように、コンタクトチップ５先端から溶融スラグ浴７の上面までの距離、すなわちドライエクステンションＬｄは、予め定めた長さになるように制御される。一方、適切な溶融スラグ浴深さの場合の溶接電流Ｉｗが基準電流値Ｉｗ２として設定されているため、ドライエクステンションＬｄが上記の制御で一定となれば、ウェットエクステンションＬｗも一定となり、スラグ浴深さも一定となる。

このように、走行台車制御装置１７は、溶接電流Ｉｗが基準電流値Ｉｗ２と等しくなるように走行台車１６の走行速度を制御することにより、溶融スラグ浴７の深さＬｓが適切な深さＬｓ２で一定になるように制御され、適切な溶込み幅Ｌｍ２を得ることができる。また、安定した機械的性質を有する溶接金属を得ることができる。

また、基準電流値Ｉｗ２を決定するにあたり、まず、エレクトロスラグ溶接装置１００において、ある溶接ワイヤ６を用いて、ワイヤ送給速度Ｖｗを固定として溶接すると、ドライエクステンションＬｄは予め定めた長さに制御される。ここで何種類かの溶接電流Ｉｗを用いて溶接を行うと、それぞれ異なったウェットエクステンションＬｗ及び溶込み幅Ｌｍの溶接が行われる。このとき最適な溶込み幅Ｌｍ２が得られたときの溶接電流Ｉｗが、ワイヤ送給速度Ｖｗの基準電流値Ｉｗ２として決定される。

次に、ワイヤ送給速度Ｖｗを変更して、同様に最適な基準電流値Ｉｗ２を求める。これを繰り返して、基準電流値Ｉｗ２をワイヤ送給速度Ｖｗの関数として得ることができる。この関数（基準電流値Ｉｗ２とワイヤ送給速度Ｖｗとの関係を示す関数）を走行台車制御装置１７に記憶させておき、ワイヤ送給速度設定器の出力、あるいはワイヤ送給速度の検出値を用いて、基準電流値Ｉｗ２を設定するように制御すれば、ワイヤ送給速度Ｖｗに応じて基準電流値Ｉｗ２が設定される。ワイヤ送給速度Ｖｗを変更した場合には、変更後のワイヤ送給速度Ｖｗに合わせて自動的に基準電流値Ｉｗ２も変更される。そして、自動的に最適な溶込みの得られるウェットエクステンションＬｗ（または溶融スラグ浴７の深さＬｓ）で溶接することができる。

また、溶接ワイヤ６を変更して、上記手順を行うことで、各種溶接ワイヤ６についても、ワイヤ送給速度Ｖｗに応じた基準電流値Ｉｗ２を求めることができる。ここで、基準電流値Ｉｗ２は、例えば、溶接ワイヤ６の径、構造及び材質などの溶接ワイヤ６の種別ごとに、ワイヤ送給速度Ｖｗの関数で求められることとなる。付言すると、ワイヤ送給速度Ｖｗの関数は、溶接ワイヤ６の種別に応じて定められ、基準電流値Ｉｗ２は、溶接ワイヤ６の種別ごとの関数により求められる。

＜溶融スラグ浴検出器の構成＞
次に、溶融スラグ浴検出器１３の構成について詳細に説明する。図４は、溶融スラグ浴検出器１３の構成例を示す図である。
図４に示すように、本実施の形態に係る溶融スラグ浴検出器１３は、検出端子１８、差動増幅器１９、接触判定基準信号設定器２０、比較器２１を有し、検出端子１８は導電性金属である銅からなり、一般には水冷されている。検出端子１８は、溶融スラグ浴７に接触すると溶接電圧の一部の電圧を検出する。

差動増幅器１９は、検出端子１８の電圧と、摺動式銅当て金２の電圧とを入力として、両電圧の差を出力する。摺動式銅当て金２は溶接母材３と接触しているので、摺動式銅当て金２の電圧は母材電圧である。
接触判定基準信号設定器２０は、検出端子１８が溶融スラグ浴７に接触したときに検出する電圧の半分程度の電圧を、基準信号として出力する。例えば、図５に溶融スラグ浴７表面の溶接電圧分布の一例を示すが、検出端子１８は通常６ボルト（電圧の単位：Ｖ）程度の溶接電圧を検出するので、例えば、基準信号としてはその半分の約３Ｖの電圧に設定される。検出端子１８が溶融スラグ浴７に接触していないときは、溶接電圧が検出端子１８にかからないので、検出端子１８の電圧は０Ｖである。

比較器２１は、差動増幅器１９の出力信号と接触判定基準信号設定器２０の基準信号とを入力として、差動増幅器１９の出力信号が接触判定基準信号設定器２０の基準信号より大きくなったとき、検出端子１８と溶融スラグ浴７とが接触したと判断した信号を作成する。作成された信号は、フラックス供給制御装置１５に送られ、フラックス供給装置１４によりフラックス１２の供給及び停止が行われ、溶融スラグ浴７の上面がコンタクトチップ５の先端から予め定めた長さに位置するように制御され、ドライエクステンションＬｄが予め定めた長さに保たれる。

また、図６−１〜図６−３は、溶接トーチ４を板厚方向に揺動させた場合の溶融スラグ浴７表面の溶接電圧分布の一例を示す図である。まず、図６−２に示す溶接電圧分布は、溶接ワイヤ６が板厚中央にいるときのものであり、検出端子１８が検出する溶接電圧は６Ｖ程度である。そこで、板厚方向の溶込みを均一化するために溶接トーチ４を揺動させ、溶接トーチ４が銅当て金１の近傍にいるときは、摺動式銅当て金２の近傍に配置されている検出端子１８の検出する電圧は、図６−１に示すように、６Ｖの半分の３Ｖ程度に低下する。逆に、図６−３に示すように、溶接トーチ４が摺動式銅当て金２の近傍に来たときには、検出端子１８の検出する溶接電圧は、１２Ｖ程度と高くなる。

ここで、接触判定基準信号設定器２０の基準信号の電圧を１．５Ｖ程度に設定すれば、比較器２１は溶融スラグ浴７と検出端子１８とが接触していることを正しく判断できるが、基準信号の値が小さいため、溶接の状態あるいは外部ノイズ等で正しい判断ができない可能性もある。
この誤検知を防止するため、溶融スラグ浴検出装置１３は、差動増幅器１９の後にフィルタ回路２２が設置され、フィルタ回路２２により処理をした溶接電圧をもとに溶融スラグ浴７を検出したか否かの判定を行うこととしても良い。図７は、図４に示す溶融スラグ浴検出装置１３にフィルタ回路２２を設けた構成例を示す図である。フィルタ回路２２は、溶接トーチ４の揺動周期程度、すなわち周期の１/２から２倍程度の時定数をもったフィルタ回路２２とすることが望ましい。

図８は、フィルタ回路２２がない場合の溶接電圧波形の一例を示す図であり、図９は、フィルタ回路２２を介した場合の溶接電圧波形の一例を示す図である。具体的には、図８に示す波形は、サンプリング周期２５０ｍｓのフィルタのない場合に検出された溶接電圧波形である。また、図９に示す波形は、２７データの移動平均、すなわち６．７５秒（６７５０ｍｓ）の区間の移動平均の溶接電圧波形である。ここで、縦軸の１目盛りは３．０００Ｖを示し、横軸の１目盛りは１秒（ｓｅｃ）を示している。また、図８及び図９に示す例では溶接トーチ４の揺動周期が８秒であるので、溶接電圧波形は溶接トーチ４の揺動周期と同等である。

これらの溶接電圧波形から明らかなように、フィルタがない場合には、溶接トーチ４が銅当て金１の近傍にあるときは、検出端子１８が検出する電圧は３Ｖ程度まで低下し、溶接トーチ４が摺動式銅当て金２の近傍にあるときは、１２Ｖ程度の検出電圧となる。また、検出された溶接電圧は大きな変動をもっている。これに対して、フィルタを介した溶接電圧波形は、９Ｖから１２Ｖの範囲に平均化されている。そのため、フィルタ回路２２を用いた場合には、接触判定の基準信号を３Ｖ〜６Ｖとすることができ、誤判定のリスクは大きく減少する。ここでは、揺動周期とほぼ同等な時定数を用いた例を示したが、揺動周期の１/２から２倍程度の時定数を用いたフィルタでも効果が確認された。

また、検出端子１８は、溶接トーチ４と連結させることとしても良い。図１０は、検出端子１８を溶接トーチ４に連結させた構成の一例を説明するための図である。図１０に示す例では、差動増幅器１９、接触判定基準信号設定器２０、比較器２１、フィルタ回路２２の構成は、図７に示す構成と同様であるが、検出端子１８は溶接トーチ４と連結されている。そして、溶接トーチ４が揺動したときは、検出端子１８も溶接トーチ４とともに揺動するため、検出端子１８は、常に溶接ワイヤ６の近傍に位置する。このため、図６−１〜図６−３に示す溶接電圧分布を参照すると、検出端子１８が溶融スラグ浴７と接触したときには、２４Ｖ程度の溶接電圧を検出することができ、かつ溶接トーチ４の揺動にかかわらず、略一定の電圧を検出することができる。したがって、ノイズ等の影響を受けるリスクが減少する。

＜溶融スラグ浴検出器の他の構成例＞
次に、溶融スラグ浴検出器１３の他の構成例について説明する。図１１及び図１２は、溶融スラグ浴検出器１３の他の構成例を示す図である。
図１１に示す例では、溶融スラグ浴検出器１３は、検出端子１８、直流電源２３、抵抗２４、差動増幅器１９、フィルタ回路２２、接触判定基準信号設定器２０、比較器２１を有している。直流電源２３は、例えば１００Ｖ〜２００Ｖ程度の電源であり、この直流電源２３の出力は、抵抗２４を通して検出端子１８に接続される。ここで抵抗２４の値は、例えば２０ｋΩ〜５００ｋΩである。

検出端子１８が溶融スラグ浴７に接触していない場合には、電流が流れないので、ほぼ直流電源２３の電圧が検出端子１８に印加される。一方、検出端子１８が溶融スラグ浴７と接触すると、検出端子１８から溶融スラグ浴７を通して摺動式銅当て金２に電流が流れるので、直流電源２３の電圧が抵抗２４によりドロップして、検出端子１８の電圧は溶接電圧の一部、すなわち３Ｖ〜１２Ｖ程度まで低下する。この変化を差動増幅器１９、フィルタ回路２２、接触判定基準信号設定器２０、比較器２１で判定して、溶融スラグ浴７を検出する。これらの動作については、前述の方法と同様であるので説明を省略する。
この方法によれば、検出端子１８と溶融スラグ浴７とが接触していないときの検出端子１８の電圧は１００Ｖ〜２００Ｖであるのに対して、検出端子１８と溶融スラグ浴７とが接触しているときの検出端子１８の電圧は３Ｖ〜１２Ｖとなり、両電圧の差が大きいので、信頼性のある動作が期待される。

また、図１２に示す例では、溶融スラグ浴検出器１３は、フォトセンサーとして、溶融スラグ浴７の表面から放たれる光を受光する受光器２５と、受光器２５の光量があるレベルになったときを判定する受光判定器２６とを有する。光量の判定レベルはあらかじめ決められたものとし、受光器２５の角度等を調整して、ドライエクステンションＬｄが目標とする予め定めた長さとなるように調整する。また、この判定結果は、フラックス供給制御装置１５に送られ、ドライエクステンションＬｄが一定になるようにフラックス１２が供給される。

付言すると、受光判定器２６が受光器２５の光量があるレベルに達していると判定した場合、溶融スラグ浴７がコンタクトチップ５の先端から予め定めた長さの位置まで上昇してきたこととなる。この場合、ドライエクステンションＬｄは予め定めた長さ以下になるため、フラックス供給制御装置１５はフラックス１２の投入を停止するように制御する。一方、受光判定器２６が受光器２５の光量があるレベルに達していないと判定した場合、溶融スラグ浴７はコンタクトチップ５の先端から予め定めた長さの位置まで上昇していないこととなる。この場合、ドライエクステンションＬｄは予め定めた長さより大きい状態であり、フラックス供給制御装置１５はフラックス１２を投入するように制御する。

＜フラックス供給装置の構成＞
次に、フラックス供給装置１４の構成について詳細に説明する。図１３−１及び図１３−２は、フラックス供給装置１４の構成例を示す図である。
図１３−１に示すように、本実施の形態に係るフラックス供給装置１４は、ソレノイド２７が矢印２８のように往復動することにより、回転軸２９を中心として、弁３０が矢印３１のように回転し、フラックス供給ノズル３２が開閉する。この動作により、フラックスホッパー３３のフラックス１２が溶融スラグ浴７に供給される。

ここで、図１３−１は、フラックス供給ノズル３２が閉じている状態を示している。一方、図１３−２は、フラックス供給ノズル３２が開いている状態を示しており、フラックス供給ノズル３２が開くことにより、フラックスホッパー３３のフラックス１２がフラックス供給ノズル３２を介して溶融スラグ浴７に供給される。

＜フラックス供給装置の他の構成例＞
次に、フラックス供給装置１４の他の構成例について説明する。図１４は、フラックス供給装置１４の他の構成例を示す図である。
図１４に示す例では、フラックス供給装置１４において、モータ３４によって駆動されるスクリュー３５の回転により、フラックスホッパー３３からフラックス１２が押し出され、図示していない経路を経て、溶融スラグ浴７へと供給される。

＜実施例＞
次に、実験結果を示し、本実施の形態における実施例について説明する。なお、本実施の形態はこの実施例に限定されるものではない。
図１に示すエレクトロスラグ溶接装置１００において、１．６ｍｍφの溶接ワイヤ６を用い、ワイヤ送給速度１５．４ｍ／ｍｉｎ、溶接電圧４２Ｖ、基準電流値３８０Ａの条件で、板厚６０ｍｍの２０°Ｖ開先溶接を行った。なお、チップ母材距離を４５ｍｍとした。また、スラグ浴深さ２５ｍｍで溶接を開始した。エレクトロスラグ溶接が安定してから、スラグ浴制御しない場合（従来法）と本実施の形態にてスラグ浴を制御する場合との比較結果を図１５に示す。ここで、本実施の形態での結果を実施例、従来法での結果を比較例として示す。

図１５には、エレクトロスラグ溶接が安定してからの距離として、走行台車１６が上昇した距離を示し、各距離において、「アーク発生」、「表ビード幅」、「溶込み」の評価結果を示している。「アーク発生」では、アーク発生ありの場合に「×」、アーク発生なしの場合に「×」とした。また、「溶込み」では、溶込み不良ありの場合に「×」、溶込み不良なしの場合に「○」とした。図１５に示す結果によると、溶融スラグ浴７を制御することで、溶込み深さがほぼ一定となり、表ビード幅が大きく変化していないことがわかる。

また、本実施の形態に係るエレクトロスラグ溶接装置１００を用いて上記ワイヤ送給速度で溶接し、スラグ浴深さを変化させた場合の溶接結果について説明する。図１６は、スラグ浴深さが溶接に及ぼす影響を説明するための図である。図１６には、それぞれのスラグ浴深さにおいて、「アーク発生」、「表ビード幅」、「溶込み」、「靭性」の評価結果を示している。「靭性」では、温度−２０度の条件で、３９Ｊ（ジュール）以上の場合に「○」、３９Ｊより小さい場合に「×」とした。図１６に示す結果によると、この場合の適正スラグ浴深さが２０〜６０ｍｍであることがわかる。ここでは一例のみを示しているが、実際に溶接で使用されるフラックス種類、ワイヤ種類、溶接電圧によって作業性が変化し、適正なフラグ浴深さも変化する。

また、本実施の形態では、エレクトロスラグ溶接装置１００は１電極で溶接を行うこととしたが、このような構成に限られるものではなく、多電極で溶接を行うこととしても良い。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記の実施形態には限定されない。本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々に変更したり代替態様を採用したりすることが可能なことは、当業者に明らかである。

１…銅当て金、２…摺動式銅当て金、３…溶接母材、４…溶接トーチ、５…コンタクトチップ、６…溶接ワイヤ、７…溶融スラグ浴、８…溶接電流、９…溶融金属、１０…溶接金属、１１…固化スラグ、１２…フラックス、１３…溶融スラグ浴検出器、１４…フラックス供給装置、１５…フラックス供給制御装置、１６…走行台車、１７…走行台車制御装置、１８…検出端子、１９…差動増幅器、２０…接触判定基準信号設定器、２１…比較器、２２…フィルタ回路、２３…直流電源、２４…抵抗、２５…受光器、２６…受光判定器、２７…ソレノイド、２８…矢印、２９…回転軸、３０…弁、３１…矢印、３２…フラックス供給ノズル、３３…フラックスホッパー、３４…モータ、３５…スクリュー、１００…エレクトロスラグ溶接装置

Claims (12)

1. エレクトロスラグ溶接において、
   コンタクトチップ先端からスラグ浴までの溶接ワイヤの長さが予め定めた長さとなるようにフラックスを供給し、
   基準電流値に対して溶接電流が予め定めた関係となるように溶接トーチと摺動式当て金とを搭載した走行台車の走行速度を調整し、
   スラグ浴深さを予め定めた深さに保ちつつ溶接を行うエレクトロスラグ溶接方法。
2. 溶接ワイヤに給電するコンタクトチップを有する溶接トーチと、摺動式当て金と、
   前記溶接トーチ及び前記摺動式当て金を搭載した走行台車と、走行台車制御装置と、
   スラグ浴検出器と、フラックス供給装置と、フラックス供給制御装置とを備え、
   前記スラグ浴検出器は、前記コンタクトチップの先端から予め定めた長さの位置にスラグ浴が上昇してきた場合にスラグ浴を検出し、
   前記フラックス供給制御装置は、前記コンタクトチップの先端からスラグ浴までの溶接ワイヤの長さが前記予め定めた長さとなるように、前記スラグ浴検出器がスラグ浴を検出した場合にはフラックスの供給を停止し、当該スラグ浴検出器がスラグ浴を検出していない場合にはフラックスの供給を行うように前記フラックス供給装置を制御し、
   前記走行台車制御装置は、ワイヤ送給速度に応じて定められた基準電流値に対して溶接電流が予め定めた関係となるように前記走行台車の走行速度を制御し、
   スラグ浴深さを予め定めた深さに保ちつつ溶接を行うエレクトロスラグ溶接装置。
3. 前記走行台車制御装置は、前記予め定めた関係として、前記溶接電流が前記基準電流値より大きくなると前記走行台車の走行速度を増大させ、当該溶接電流が当該基準電流値より小さくなると当該走行台車の走行速度を減少させるように制御すること
   を特徴とする請求項２に記載のエレクトロスラグ溶接装置。
4. 前記スラグ浴検出器は、当該スラグ浴検出器の検出端子がスラグ浴と接触したときに溶接電圧を検知して、スラグ浴を検出すること
   を特徴とする請求項２に記載のエレクトロスラグ溶接装置。
5. 前記スラグ浴検出器は、検知した前記溶接電圧を、ウィービング周期の１／２から２倍を時定数とするフィルタで処理して、スラグ浴を検出したか否かの判定を行うこと
   を特徴とする請求項４に記載のエレクトロスラグ溶接装置。
6. 前記検出端子は、前記溶接トーチと連結されていること
   を特徴とする請求項４に記載のエレクトロスラグ溶接装置。
7. 前記スラグ浴検出器は、当該スラグ浴検出器の検出端子に直流電源から抵抗を通して電圧を印加し、当該検出端子がスラグ浴と接触したとき、当該検出端子の電圧が低下することによりスラグ浴を検出すること
   を特徴とする請求項２に記載のエレクトロスラグ溶接装置。
8. 前記スラグ浴検出器は、フォトセンサーを有し、スラグ浴の光を検出して、スラグ浴を検出すること
   を特徴とする請求項２に記載のエレクトロスラグ溶接装置。
9. 前記フラックス供給装置は、ソレノイドにより駆動される弁によりフラックスを供給すること
   を特徴とする請求項２に記載のエレクトロスラグ溶接装置。
10. 前記フラックス供給装置は、モータによって駆動されるスクリューによりフラックスを供給すること
    を特徴とする請求項２に記載のエレクトロスラグ溶接装置。
11. 前記基準電流値は、ワイヤ送給速度を変更した場合、当該ワイヤ送給速度と当該基準電流値との関係を示す予め定められた関数をもとに、自動的に変更されること
    を特徴とする請求項２に記載のエレクトロスラグ溶接装置。
12. 前記基準電流値は、前記溶接ワイヤの種別に応じて定められる前記関数により当該種別ごとに求められること
    を特徴とする請求項１１に記載のエレクトロスラグ溶接装置。