JP2020192587A - アーク溶接装置及びアーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】消耗電極式の埋もれアーク溶接において、溶接ワイヤの突き出し長さが変動した場合であっても、溶融部分に対するワイヤ先端部の位置を一定に維持し、安定した埋もれアーク状態を実現することができるアーク溶接装置を提供する。【解決手段】アーク溶接装置は、埋もれアークにて溶接する第１モード、又はオープンアークにて溶接する第２モードを選択するモード設定回路と、突き出し長さが長くなった場合、溶接ワイヤの送給速度が速くなり、突き出し長さが短くなった場合、送給速度が遅くなるように、送給速度を制御する送給速度制御回路と、突き出し長さが長くなった場合、出力電圧が大きくなり、突き出し長さが短くなった場合、出力電圧が小さくなるように、電源部の出力を制御する電圧制御回路とを備える。溶接ワイヤの突き出し長さに応じた送給速度の変化量に対する出力電圧の変化量は、第１モード設定時の方が第２モード設定時に比べて小さい。【選択図】図１０

Description

本発明は、消耗電極式のアーク溶接装置及びアーク溶接方法に関する。

溶接方法の一つに、消耗電極式のガスシールドアーク溶接法がある。ガスシールドアーク溶接法は、母材に送給された溶接ワイヤと、母材との間にアークを発生させ、アークの熱によって母材を溶接する手法であり、特に高温になった母材の酸化を防ぐために、不活性ガスを溶接部周辺に噴射しながら溶接を行うものである。５ｍｍ程度の薄板であれば、母材の突き合わせ継手を１パスで溶接することもできる。

また、一般的なガスシールドアーク溶接法に比して、高速で溶接ワイヤの送給を行い、大電流を供給することによって、９〜３０ｍｍの厚板の１パス溶接を実現する技術がある。具体的には、溶接ワイヤを約５〜１００ｍ／分で送給し、３００Ａ以上の大電流を供給することによって、厚板の１パス溶接を実現することができる。溶接ワイヤの高速送給及び大電流供給を行うと、アークの熱によって母材に凹状の溶融部分が形成され、溶接ワイヤの先端部が溶融部分によって囲まれた空間に進入する。溶接ワイヤの先端部が母材表面より深部に進入することによって、溶融部分が母材の厚み方向裏面側にまで貫通し、１パス溶接が可能になる。以下、凹状の溶融部分によって囲まれる空間を埋もれ空間と呼び、埋もれ空間に進入した溶接ワイヤの先端部と、母材又は溶融部分との間に発生するアークを、適宜、埋もれアークと呼ぶ。埋もれアークにて行う溶接を埋もれアーク溶接と呼ぶ。一方、凹状の溶融部分が形成されないアーク、または凹状の溶融部分に溶接ワイヤ先端部が侵入しない通常のアークを、オープンアークと呼ぶ。

特許文献１には、溶接ワイヤの突き出し長さが変動した場合であっても、安定したアークを得ることができる消耗電極式のアーク溶接装置が開示されている。
定電圧特性制御ならびにこれに類する特性を有する一般的な消耗式電極アーク溶接においては、ワイヤ突出し長さが変化すると溶接電流が変化するため、これに伴う溶込み深さの変化やアーク状態の変化がしばしば問題となる。ただしここでいう突出し長さとは、コンタクトチップから母材表面までの距離のことを指すものであって、溶接中に個体として存在する溶接ワイヤの長さ（コンタクトチップ先端からアーク発生点までの長さ）を指すものではない。この問題を解決するため、溶接電流と相関のあるワイヤ送給速度を自動的に調整することによって、溶接電流を設定値通りに維持する技術がある。
ただし、ワイヤ送給速度の調整だけでは、溶接電流を設定値通りに維持することができるものの、適切なアーク長を一定に維持することができず溶接が不安定化する。特許文献１に係るアーク溶接装置においては、送給速度と同時に設定電圧を自動的に調整することにより、アーク長を一定保持することができる。

特開平５−２０５４５１号公報

しかしながら、特許文献１に記載のアーク溶接装置においては、埋もれアーク溶接と、オープンアーク溶接の特性が考慮されていない。
通常のオープンアークと比較して、埋もれアークでは下記の理由により、アーク長、すなわちワイヤ先端位置をより精密に制御する必要がある。
第１に、ワイヤ先端位置が溶融部分の上端より上側に上昇すると、埋もれアークでなくなる。
第２に、溶融部分の深い位置でアークを発生させることにより深い溶込みを得ることを特徴とする埋もれアークでは、ワイヤ先端位置の変化が溶込み深さに大きく影響する。
第３に、特にローテーティング移行又は振り子移行を利用して埋もれアークを安定化する場合、ワイヤ先端位置が深くなると、溶融部分の側壁を支えにくくなるため、埋もれアークの安定性が低下する。

また、通常のオープンアークと比較して、埋もれアークでは、ワイヤ先端位置を変化させるために必要な電圧変化量が小さく、特許文献１の制御技術を用いる場合、通常のオープンアークで使用される送給速度変化量/設定電圧変化量をそのまま用いると、後者の影響が大きくワイヤ先端位置を一定に維持することができない。

以上の通り、埋もれアークにおいて、オープンアークと同様の制御を行うと、溶融部分に対するワイヤ先端位置が変動してしまう。埋もれアークにおいては、かかるワイヤ先端位置の変動が埋もれアークの不安定化をもたらすという技術的問題がある。

本発明の目的は、埋もれアーク溶接において、溶接ワイヤの突き出し長さが変動した場合であっても、溶融部分に対するワイヤ先端部の位置を一定に維持し、安定した埋もれアーク状態を実現することができるアーク溶接装置及びアーク溶接方法を提供することにある。

本態様に係るアーク溶接装置は、母材へ送給される溶接ワイヤに溶接電流を供給する電源部を備えた消耗電極式のアーク溶接装置であって、アークによって前記母材に形成された凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記溶接ワイヤの先端部を進入させて前記母材を溶接する第１モード、又は凹状の前記溶融部分を形成せず若しくは前記溶融部分に前記溶接ワイヤの先端部を進入させずに前記母材を溶接する第２モードを選択するモード設定回路と、前記溶接ワイヤの突き出し長さが長くなった場合、前記溶接ワイヤの送給速度が速くなり、前記溶接ワイヤの突き出し長さが短くなった場合、前記溶接ワイヤの送給速度が遅くなるように、前記溶接ワイヤの送給速度を制御する送給速度制御回路と、前記溶接ワイヤの突き出し長さが長くなった場合、前記電源部の出力電圧が大きくなり、前記溶接ワイヤの突き出し長さが短くなった場合、前記電源部の出力電圧が小さくなるように、前記電源部の出力電圧を制御する電圧制御回路とを備え、前記溶接ワイヤの突き出し長さに応じた前記送給速度の変化量に対する前記出力電圧の変化量は、第１モード設定時の方が第２モード設定時に比べて小さい。

本態様にあっては、溶接ワイヤの突き出し長さが変動した場合、溶接ワイヤの送給速度を変動させることによって、溶接電流を維持することができる（図５参照）。また、送給速度を変動させると共に、電源部の出力電圧を変動させることにより、アーク長を維持することができる（図７、図８参照）。
オープンアークのみならず、埋もれアークにおいても、基本的には、溶接ワイヤの送給速度及び出力電圧を変動させることによって、溶接電流及びアーク長を一定に維持することができる。しかし、埋もれアークにおいては、アーク長の変化が比較的緩やかであり（図９参照）、オープンアークと同様に出力電圧を変動させると、凹状の溶融部分に対するワイヤ先端位置が変化し、埋もれアークが不安定化する。
そこで、本態様では、溶接ワイヤの突き出し長さに応じた送給速度の変化量に対する出力電圧の変化量が、第１モード設定時（埋もれアーク）の方が第２モード設定時（オープンアーク）に比べて小さくなるように制御する。
このように出力電圧を変動させることにより、埋もれアーク溶接及びオープンアークのいずれにおいても、突き出し長さが変動した際、溶接電流及びアーク長さを一定に維持することができる。言い換えると、溶接ワイヤの突き出し長さが変化しても、アークを安定的に維持することができる。

本態様に係るアーク溶接装置は、前記第１モード設定時における前記送給速度の変化量に対する前記出力電圧の変化量と、前記第２モード設定時における前記送給速度の変化量に対する前記出力電圧の変化量との差分は、前記溶接ワイヤの径が大きい程、大きい。

本態様にあっては、ワイヤ径の大きさに拘わらず、アークを安定的に維持することができる。

本態様に係るアーク溶接装置は、母材へ送給される溶接ワイヤに溶接電流を供給する電源部を備え、アークによって前記母材に形成された凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記溶接ワイヤの先端部を進入させて前記母材を溶接する消耗電極式のアーク溶接装置であって、前記溶接ワイヤの突き出し長さが長くなった場合、前記溶接ワイヤの送給速度が速くなり、前記溶接ワイヤの突き出し長さが短くなった場合、前記溶接ワイヤの送給速度が遅くなるように、前記溶接ワイヤの送給速度を制御する送給速度制御回路と、前記溶接ワイヤの突き出し長さが長くなった場合、前記電源部の出力電圧が大きくなり、前記溶接ワイヤの突き出し長さが短くなった場合、前記電源部の出力電圧が小さくなるように、前記電源部の出力電圧を制御する電圧制御回路とを備え、前記溶接ワイヤの突き出し長さに応じた前記送給速度の変化量に対する前記出力電圧の変化量は、前記溶融部分が維持されるように設定されている。

本態様にあっては、上記態様同様、埋もれアーク溶接においても、突き出し長さが変動した際、溶接電流及びアーク長さを一定に維持することができる。言い換えると、溶接ワイヤの突き出し長さが変化しても、アークを安定的に維持することができる。

本態様に係るアーク溶接装置は、前記電源部は定電圧特性を有し、前記電圧制御回路は、前記電源部の設定電圧を周期的に変動させることによって、前記溶接電流を変動させ、前記溶接ワイヤの前記先端部が前記空間に深く進入した第１状態と、前記空間に浅く進入した第２状態とを周期的に変動させるようにしてある。

本発明にあっては、溶接ワイヤの先端部は、凹状の溶融部分で囲まれる埋もれ空間に進入し、埋もれアークが発生する。具体的には、溶接ワイヤの先端部は溶融部分に囲まれた状態となり、溶接電流を周期的に変動させることにより、埋もれ空間におけるワイヤ先端位置を上下させることができ、先端部と、溶融部分の底部及び側部との間にアークが発生する。
第１状態においては、溶接ワイヤの先端部が埋もれ空間に深く進入し、溶融部分の底部に照射されるアークによって、深い溶け込みが得られる。
アークの熱によって溶融した母材及び溶接ワイヤの溶融金属は、埋もれ空間が閉口し、溶接ワイヤの先端部が埋没される方向へ流れようとするが、第２状態においては、溶接ワイヤの先端部が埋もれ空間に浅く進入し、溶融部分の側部に照射されるアークの力によって溶融部分が支えられるため、埋もれ空間は安定した状態で維持される。

本態様に係るアーク溶接装置は、前記電圧制御回路は、前記溶接ワイヤの突き出し長さが変動した場合、変動する前記設定電圧の低電圧側の値を変動させる。

本態様によれば、変動する出力電圧の低電圧側の値を変動させることにより、高電圧側を変動させる場合に比べて、埋もれアークを安定化させることができる。

本態様に係るアーク溶接装置は、前記電圧制御回路は、前記溶接ワイヤの突き出し長さが変動した場合、変動する前記設定電圧の高電圧側の値を変動させる。

本態様によれば、変動する出力電圧の高電圧側の値を変動させることにより、低電圧側を変動させる場合に比べて、磁気吹きに強い埋もれアークを形成することができる。

本態様に係るアーク溶接装置は、前記電圧制御回路は、前記溶接ワイヤの突き出し長さが変動した場合、変動する前記設定電圧の平均値を変動させる。

本態様によれば、変動する出力電圧の平均値を変動させることにより、磁気吹きにもある程度強く、安定性も高い埋もれアークを形成することができる。

本態様に係るアーク溶接方法は、母材へ送給される溶接ワイヤに溶接電流を供給する消耗電極式のアーク溶接方法であって、アークによって前記母材に形成された凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記溶接ワイヤの先端部を進入させて前記母材を溶接する第１モード、又は凹状の前記溶融部分を形成せず若しくは前記溶融部分に前記溶接ワイヤの先端部を進入させずに前記母材を溶接する第２モードを選択するステップと、前記溶接ワイヤの突き出し長さが長くなった場合、前記溶接ワイヤの送給速度が速くなり、前記溶接ワイヤの突き出し長さが短くなった場合、前記溶接ワイヤの送給速度が遅くなるように、前記溶接ワイヤの送給速度を制御するステップと、前記溶接ワイヤの突き出し長さが長くなった場合、出力電圧が大きくなり、前記溶接ワイヤの突き出し長さが短くなった場合、出力電圧が小さくなるように、出力電圧を制御するステップとを備え、前記溶接ワイヤの突き出し長さに応じた前記送給速度の変化量に対する前記出力電圧の変化量は、第１モード設定時の方が第２モード設定時に比べて小さい。

本態様にあっては、上記態様同様、埋もれアーク溶接においても、突き出し長さが変動した際、溶接電流及びアーク長さを一定に維持することができる。言い換えると、溶接ワイヤの突き出し長さが変化しても、アークを安定的に維持することができる。

本態様に係るアーク溶接方法は、母材へ送給される溶接ワイヤに溶接電流を供給し、アークによって前記母材に形成された凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記溶接ワイヤの先端部を進入させて前記母材を溶接する消耗電極式のアーク溶接方法であって、前記溶接ワイヤの突き出し長さが長くなった場合、前記溶接ワイヤの送給速度が速くなり、前記溶接ワイヤの突き出し長さが短くなった場合、前記溶接ワイヤの送給速度が遅くなるように、前記溶接ワイヤの送給速度を制御するステップと、前記溶接ワイヤの突き出し長さが長くなった場合、出力電圧が大きくなり、前記溶接ワイヤの突き出し長さが短くなった場合、出力電圧が小さくなるように、出力電圧を制御するステップとを備え、前記溶接ワイヤの突き出し長さに応じた前記送給速度の変化量に対する前記出力電圧の変化量は、前記溶融部分が維持されるように設定されている。

本態様にあっては、上記態様同様、埋もれアーク溶接においても、突き出し長さが変動した際、溶接電流及びアーク長さを一定に維持することができる。言い換えると、溶接ワイヤの突き出し長さが変化しても、アークを安定的に維持することができる。

上記によれば、埋もれアーク溶接において、溶接ワイヤの突き出し長さが変動した場合であっても、溶融部分に対するワイヤ先端部の位置を一定に維持し、安定した埋もれアーク状態を実現することができる。

本実施形態１に係るアーク溶接装置の一構成を示す模式図である。 本実施形態１に係るアーク溶接方法の手順を示すフローチャートである。 溶接対象の母材を示す側断面図である。 埋もれアーク状態を示す模式図である。 溶接ワイヤの突き出し長さが変動した場合に、溶接ワイヤの送給速度を変動させることによって溶接電流を維持する方法を示す説明図である。 溶接ワイヤの送給速度を変動させ、溶接電流を維持したときのアーク長の変化を示す模式図である。 溶接ワイヤの送給速度を変動させると共に設定電圧を変動させることによって、アーク長を維持する方法を示す説明図である。 溶接ワイヤの送給速度を変動させると共に設定電圧を変動させることによって、アーク長が維持されることを示す模式図である。 埋もれアーク溶接においてワイヤ先端位置が変動した場合のアーク長の変動を示す模式図である。 設定電圧の補正量を示すグラフである。 設定電圧及び溶接電流の変動を示すグラフである。 本実施形態２に係るアーク溶接方法を示す模式図である。 本実施形態２に係る設定電圧の制御方法を示すグラフである。

本発明の実施形態に係るアーク溶接装置及びアーク溶接方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

以下、本発明をその実施形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
（実施形態１）
＜アーク溶接装置＞
図１は、本実施形態に係るアーク溶接装置の一構成を示す模式図である。本実施形態に係るアーク溶接装置は、板厚が９〜３０ｍｍの母材４を１パスで突き合わせ溶接することが可能な消耗電極式のガスシールドアーク溶接機であり、溶接電源１、トーチ２及びワイヤ送給部３を備える。本実施形態に係るアーク溶接装置は、半自動溶接機であり、埋もれアーク溶接及びオープンアーク溶接のいずれの溶接も行うことができる。

トーチ２は、銅合金等の導電性材料からなり、母材４の被溶接部へ溶接ワイヤ５を案内すると共に、アーク７（図４、図８等参照）の発生に必要な溶接電流Ｉを供給する円筒形状のコンタクトチップを有する。コンタクトチップは、その内部を挿通する溶接ワイヤ５に接触し、溶接電流Ｉを溶接ワイヤ５に供給する。また、トーチ２は、コンタクトチップを囲繞する中空円筒形状をなし、被溶接部へシールドガスを噴射するノズルを有する。シールドガスは、アーク７によって溶融した母材４及び溶接ワイヤ５の酸化を防止するためのものである。シールドガスは、例えば炭酸ガス、炭酸ガス及びアルゴンガスの混合ガス、アルゴン等の不活性ガス等である。

溶接ワイヤ５は、例えばソリッドワイヤであり、その直径は０．９ｍｍ以上１．６ｍｍ以下であり、消耗電極として機能する。溶接ワイヤ５は、例えば、螺旋状に巻かれた状態でペールパックに収容されたパックワイヤ、あるいはワイヤリールに巻回されたリールワイヤである。

ワイヤ送給部３は、溶接ワイヤ５をトーチ２へ送給する送給ローラと、当該送給ローラを回転させるモータとを有する。ワイヤ送給部３は、送給ローラを回転させることによって、ペールパック又はワイヤリールから溶接ワイヤ５を引き出し、引き出された溶接ワイヤ５をトーチ２へ所定速度で供給する。溶接ワイヤ５の送給速度は、埋もれアーク溶接の場合、溶接ワイヤ５の送給速度は、例えば、約５〜１００ｍ／分である。オープンアーク溶接の場合、例えば、約１〜２２ｍ／分である。なお、かかる溶接ワイヤ５の送給方式は一例であり、特に限定されるものでは無い。

溶接電源１は、給電ケーブルを介して、トーチ２のコンタクトチップ及び母材４に接続され、溶接電流Ｉを供給する電源部１１と、溶接ワイヤ５の送給速度を制御する送給速度制御回路１２とを備える。なお、電源部１１及び送給速度制御回路１２を別体で構成しても良い。電源部１１は、定電圧特性の電源であり、ＰＷＭ制御された直流電流を出力する電源回路１１ａ、電圧制御回路１１ｂ、モード設定回路１１ｃ、電流等設定回路１１ｄ、電圧検出部１１ｅ及び電流検出部１１ｆを備える。

モード設定回路１１ｃは、アーク７によって母材４に形成された凹状の溶融部分６によって囲まれる空間６ａに溶接ワイヤ５の先端部５ａを進入させて母材４を溶接する第１モード（図４、図９等参照）、又は凹状の溶融部分６を形成せずに若しくは溶融部分６に溶接ワイヤ５の先端部５ａを進入させずに母材４を溶接する第２モード（図８参照）を選択し、選択されたモードを示すモード設定信号を電圧制御回路１１ｂ及び電流等設定回路１１ｄへ出力する回路である。
モード設定回路１１ｃは、手動でモードを選択する構成であっても良いし、設定された電流、電圧、送給速度に基づいて、自動的にモードを判定して選択するように構成しても良い。

電流等設定回路１１ｄは、溶接電流Ｉの設定電流値を示す電流設定信号Ｉｒを電圧制御回路１１ｂ及び送給速度制御回路１２へ出力する。モード設定回路１１ｃにて第１モードが選択された場合、つまり埋もれアーク溶接が選択された場合、電流等設定回路１１ｄは、３００Ａ以上の設定電流値、好ましくは３００Ａ以上１０００Ａ以下の設定電流値、より好ましくは５００Ａ以上８００Ａ以下の設定電流値を示す電流設定信号Ｉｒを、電圧制御回路１１ｂ及び送給速度制御回路１２へ出力する。モード設定回路１１ｃにて第２モードが選択された場合、つまりオープンアーク溶接が選択された場合、電流等設定回路１１ｄは、例えば３００Ａの設定電流値を示す電流設定信号Ｉｒを、電圧制御回路１１ｂ及び送給速度制御回路１２へ出力する。
また、電流等設定回路１１ｄは、溶接電源１の設定電圧を示した出力電圧設定信号Ｅｒを電圧制御回路１１ｂへ出力する回路である。

電圧検出部１１ｅは、溶接電圧Ｖを検出し、検出した電圧値を示す電圧値信号Ｖｄを電圧制御回路１１ｂへ出力する。

電流検出部１１ｆは、例えば、溶接電源１からトーチ２を介して溶接ワイヤ５へ供給され、アーク７を流れる溶接電流Ｉを検出し、検出した電流値を示す電流値信号Ｉｄを電圧制御回路１１ｂ及び送給速度制御回路１２へ出力する。

電圧制御回路１１ｂは、定電圧特性で動作し、出力電圧設定信号Ｅｒに応じた電圧が電源回路１１ａから出力されるように、電源回路１１ａの動作を制御する回路である。電圧制御回路１１ｂは、溶接電源１の通電経路に存在する電気抵抗Ｒ及びリアクトルＬを電子的に制御し、定電圧特性を実現する。
電圧制御回路１１ｂは、電圧検出部１１ｅから出力された電圧値信号Ｖｄと、電流検出部１１ｆから出力された電流値信号Ｉｄと、電流等設定回路１１ｄから出力された電流設定信号Ｉｒ及び出力電圧設定信号Ｅｒとに基づいて、差分信号Ｅｉを算出し、算出した差分信号Ｅｉを電源回路１１ａへ出力する。差分信号Ｅｉは、検出された電流値と、電源回路１１ａから出力されるべき電流値との差分を示す信号である。

電源回路１１ａは、商用交流を交直変換するＡＣ−ＤＣコンバータ、交直変換された直流をスイッチングにより所要の交流に変換するインバータ回路、変換された交流を整流する整流回路等を備える。電源回路１１ａは、電圧制御回路１１ｂから出力された差分信号Ｅｉに従って、差分信号Ｅｉが小さくなるようにインバータをＰＷＭ制御し、電圧を溶接ワイヤ５へ出力する。その結果、母材４及び溶接ワイヤ５間に、所定の溶接電圧Ｖが印加され、溶接電流Ｉが通電する。
なお、溶接電源１には、図示しない制御通信線を介して外部から出力指示信号が入力されるように構成されており、電源部１１は、出力指示信号をトリガにして、電源回路１１ａに溶接電流Ｉの供給を開始させる。出力指示信号は、例えば、トーチ２側に設けられた手元操作スイッチが操作された際にトーチ２側から溶接電源１へ出力される信号である。

＜送給速度及び設定電圧の制御＞
図２は、本実施形態に係るアーク溶接方法の手順を示すフローチャート、図３は、溶接対象の母材４を示す側断面図である。まず、溶接により接合されるべき一対の母材４をアーク溶接装置に配置し、溶接モード等、各種設定を行う（ステップＳ１１）。具体的には、図３に示すように板状の第１母材４１及び第２母材４２を用意し、被溶接部である端面４１ａ、４２ａを突き合わせて、所定の溶接作業位置に配する。なお、必要に応じて、第１母材４１及び第２母材４２にＹ形、レ形等の任意形状の開先を設けても良い。第１及び第２母材４１、４２は、例えば軟鋼、機械構造用炭素鋼、機械構造用合金鋼等の鋼板である。

各種設定が行われた後、溶接電源１は、溶接電流Ｉの出力開始条件を満たすか否かを判定する（ステップＳ１２）。具体的には、溶接電源１は、溶接の出力指示信号が入力されたか否かを判定する。出力指示信号が入力されておらず、溶接電流Ｉの出力開始条件を満たさないと判定した場合（ステップＳ１２：ＮＯ）、溶接電源１は、出力指示信号の入力待ち状態で待機する。

溶接電流Ｉの出力開始条件を満たすと判定した場合（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、溶接電源１の送給速度制御回路１２は、ワイヤの送給を指示する送給指示信号を、ワイヤ送給部３へ出力し、電流設定信号Ｉｒに応じた速度で溶接ワイヤ５を送給させる（ステップＳ１３）。

次いで、溶接電源１の電源部１１は、電圧検出部１１ｅ及び電流検出部１１ｆにて溶接電圧Ｖ及び溶接電流Ｉを検出し（ステップＳ１４）、検出された溶接電圧Ｖ及び溶接電流Ｉ並びに溶接電源１の外部特性が、設定された溶接条件に一致するように、電源部１１の出力をＰＷＭ制御する（ステップＳ１５）。

第１モードが設定されている場合、電源部１１は、３００Ａ以上の大電流を溶接ワイヤ５に供給することによって、埋もれアークを実現する。第２モードが設定されている場合、電源部１１は、３００Ａ未満の溶接電流Ｉを溶接ワイヤ５に供給することによってオープンアークを実現する。

図４は、埋もれアーク状態を示す模式図である。３００Ａ以上の大電流が溶接ワイヤ５に供給され、約５〜１００ｍ／分で溶接ワイヤ５が送給されている場合、溶接ワイヤ５の先端部５ａ及び被溶接部間に発生したアーク７の熱によって溶融した母材４及び溶接ワイヤ５の溶融金属からなる凹状の溶融部分６が母材４に形成され、溶接ワイヤ５の先端部５ａが埋もれ空間６ａに進入する。溶接ワイヤ５の先端部５ａが埋もれ空間６ａに深く進入すると、凹状の溶融部分６の底部６１に照射されるアーク７によって、深い溶け込みが得られる。

次いで、電圧制御回路１１ｂは、突き出し長さが変動したか否かを判定する（ステップＳ１６）。電圧制御回路１１ｂは、例えば、電流検出部１１ｆにて検出された溶接電流Ｉに基づいて、突き出し長さの変動を検出する。なお、ここでいう突出し長さとは、コンタクトチップから母材４の表面までの距離のことを指すものであって、溶接中に個体として存在する溶接ワイヤ５の長さ（コンタクトチップ先端からアーク発生点までの長さ）を指すものではない。

突き出し長さが変動したと判定した場合（ステップＳ１６：ＹＥＳ）、送給速度制御回路１２は、突き出し長さの変動量に応じて、溶接ワイヤ５の送給速度を変動させる（ステップＳ１７）。具体的には、送給速度制御回路１２は、電流検出部１１ｆにて検出された溶接電流Ｉが、電流等設定回路１１ｄによって設定された電流値より小さくなった場合、検出された溶接電流Ｉと、設定された電流値との差分に応じて、溶接ワイヤ５の送給速度を増加させる。送給速度制御回路１２は、電流検出部１１ｆにて検出された溶接電流Ｉが、電流等設定回路１１ｄによって設定された電流値より大きくなった場合、検出された溶接電流Ｉと、設定された電流値との差分に応じて、溶接ワイヤ５の送給速度を減少させる。

図５は、溶接ワイヤ５の突き出し長さが変動した場合に、溶接ワイヤ５の送給速度を変動させることによって溶接電流Ｉを維持する方法を示す説明図、図６は溶接ワイヤ５の送給速度を変動させ、溶接電流Ｉを維持したときのアーク長の変化を示す模式図である。図５中、横軸は電流（Ａ）、縦軸は電圧（ｖ）を示している。
まず、一般的な外部特性制御、オープンアーク溶接の場合を考える。突出し長さが、長くなると、溶接ワイヤ５の抵抗値が上昇し、溶接電流Ｉは低下し溶接電圧は上昇する（図１中、状態Ａから状態Ｂ）。なお一般的に、アーク長と溶接電圧に相関があるため、同じワイヤ送給速度においては、溶接電圧の上昇はアーク長が伸びることを意味する。この状態から溶接ワイヤ５の送給速度を上げていくと、溶接電流Ｉが上昇し、最終的に設定電流に一致する（図１中、状態Ｂから状態Ｃ）。ただしこの場合、状態Ｃでは状態Ａと比較して、溶接ワイヤ５の送給速度が上昇しているが、溶接電流Ｉ及び溶接電圧は同じであり、同一のアーク長を得るためには出力が足りない状態となる。従って、状態Ｃでは状態Ａと比較してアーク長が短くなってしまう。

そこで、電源部１１は、状態Ｂから溶接電流Ｉを上げる際、溶接ワイヤ５の送給速度だけでなく設定電圧を同時に上昇させる制御を行う。

図７は溶接ワイヤ５の送給速度を変動させると共に設定電圧を変動させることによって、アーク長を維持する方法を示す説明図、図８は溶接ワイヤ５の送給速度を変動させると共に設定電圧を変動させることによって、アーク長が維持されることを示す模式図である。図７中、横軸は電流（Ａ）、縦軸は電圧（ｖ）を示している。
電源部１１は、溶接ワイヤ５の突き出し長さが伸び、溶接ワイヤ５の送給速度を上昇させる場合、設定電圧を電圧ＶＡから電圧ＶＣ'に上昇させる。設定電圧を上昇さえることによって、図８中、状態Ｃ'に示すようにアーク長を一定に維持することができる。図６に示す状態Ｃと、図８に示す状態Ｃ'を比較すると、図８に示す状態Ｃ'の方が設定電圧は高く、溶接ワイヤ５の送給速度は小さい。従って、図６の状態Ｃと、図８の状態Ｃ'では、後者の方がアーク長が長くなる。
このとき、送給速度の変化量に対する設定電圧の変化量が大きい程、アーク長が長くなるため、過大あるいは過小でない適正な値を用いることで、突出し長さの変動前後（図８中、状態Ａと状態Ｃ'）のアーク長を同じにすることができる。

上記では第２モード、つまりオープンアーク溶接における溶接電流Ｉとアーク長の維持方法を説明したが、埋もれアーク溶接においても、基本的には同様のメカニズムで溶接電流Ｉとアーク長を一定維持することができる。
しかしながら、埋もれアーク溶接においてはワイヤ先端位置が変動しても、アーク長が変動し難いという事情がある。

図９は、埋もれアーク溶接においてワイヤ先端位置が変動した場合のアーク長の変動を示す模式図である。図９に示すように、アーク力により溶融金属表面を押し下げる埋もれアークにおいては、ワイヤ先端位置が変化した場合、それに伴い溶融金属表面の位置も同じ方向に変化する（図９中、破線部分）。したがって埋もれアークでは、ワイヤ先端位置が変化してもアーク長が変化しにくく、すなわち電圧変化量が小さくなる。言い換えると、オープンアークと比較して、ワイヤ先端位置を変化させるために必要な設定電圧の変化量が小さくなる。このためオープンアークを用いて調整された、溶接ワイヤ５の送給速度の変化量に対する設定電圧の補正量パラメータをそのまま埋もれアークに適用すると、電圧の変化が過大となり、ワイヤ先端位置を一定位置に保持できない。例えば突出しが伸びた場合、送給速度と設定電圧をともに上げようとするが、設定電圧の影響が過剰となりワイヤ先端位置が引き上がる。突出し長さが短くなった場合は、ワイヤ先端位置が深くなる。

上記した埋もれアークの特性を踏まえ、電源部１１は、以下のように設定電圧の変動を制御する。

まず電圧制御回路１１ｂは、溶接モード及びワイヤ径に応じた、溶接ワイヤ５の設定電圧の補正量を選択する（ステップＳ１８）。当該補正量は、溶接ワイヤ５の送給速度の変化量に対する出力電圧の変化量の割合を示すパラメータである。第１モードにおける当該補正量は、第２モードにおける当該補正量に比べて小さい。

図１０は、設定電圧の補正量を示すグラフである。横軸は設定電流（Ａ）、縦軸は設定電圧の補正量（Ｖ・（ｍ／分））を示す。具体的な補正量として、ワイヤ径がφ１．２、φ１．４、φ１．６（ソリッドワイヤ）、シールドガスがＣＯ２、埋もれアーク溶接の場合における適正範囲を、通常のオープンアークの場合の適正範囲と併せて図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃに示す。つまり、本実施形態１では、溶接ワイヤ５の送給速度の変化量に対する設定電圧の変化量を示す補正量パラメータとして、オープンアークより低い、埋もれアークに適した値を用いる。つまり、溶接ワイヤ５の突き出し長さに応じた送給速度の変化量に対する設定電圧の変化量は、凹状の溶融部分６が維持されるように設定されている。このように補正量パラメータを設定することにより、埋もれアークにおいても設定電流及びワイヤ先端位置を一定に保持することが可能になる。
なお、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃに示すように、第１モードにおける当該補正量と、第２モードにおける当該補正量との差分は、ワイヤ径が大きい程、大きくなるように設定されている。

図２に戻り、ステップＳ１８で補正量を選択した電圧制御回路１１ｂは、突き出し長さの変動量と、ステップＳ１８で選択された補正量に応じて、設定電圧を変動させる（ステップＳ１９）。具体的には、電圧制御回路１１ｂは、突き出し長さの変動量に応じて溶接ワイヤ５の送給速度が増加した場合、設定電圧が大きくなるように設定電圧を制御する。電圧制御回路１１ｂは、突き出し長さの変動量に応じて溶接ワイヤ５の送給速度が減少した場合、設定電圧が小さくなるように設定電圧を制御する。

次いで、溶接電源１の電源部１１は、溶接電流Ｉの出力を停止するか否かを判定する（ステップＳ２０）。具体的には、溶接電源１は、出力指示信号の入力が継続しているか否かを判定する。出力指示信号の入力が継続しており、溶接電流Ｉの出力を停止しないと判定した場合（ステップＳ２０：ＮＯ）、電源部１１は、処理をステップＳ１３へ戻し、溶接電流Ｉの出力を続ける。

溶接電流Ｉの出力を停止すると判定した場合（ステップＳ２０：ＹＥＳ）、電源部１１は、処理をステップＳ１２へ戻す。

（実施例）
本実施形態１に係るアーク溶接方法の実施例を説明する。
ワイヤ径φ１．４、ソリッドワイヤ、シールドガスＣＯ２、ワイヤ送給速度１５．９ｍ／分、設定電流５００Ａ、設定電圧４２．５Ｖの溶接条件で埋もれアーク溶接を行う際、ワイヤ送給速度の変化量に対する設定電圧変化量を０．７Ｖ（ｍ／分）に設定する。かかる条件で実施形態１に係るアーク溶接方法を実施すると、溶接ワイヤ５の突出し長さを２５ｍｍ±１０ｍｍに変化させても、設定電流を維持しつつ、ワイヤ先端位置を一定に維持した状態で安定的に埋もれアーク溶接を行うことができた。

以上の通り、本実施形態１に係るアーク溶接装置及びアーク溶接方法においては、埋もれアーク溶接において、溶接ワイヤ５の突き出し長さが変動した場合であっても、溶融部分６に対するワイヤ先端部の位置を一定に維持し、安定した埋もれアーク状態を実現することができる。
埋もれアーク溶接及びオープンアークのいずれにおいても、突き出し長さが変動した際、溶接電流Ｉ及びアーク長さを一定に維持することができる。言い換えると、溶接ワイヤ５の突き出し長さが変化しても、アークを安定的に維持することができる。

また、ワイヤ径の大きさに拘わらず、アーク７を安定的に維持することができる。

（実施形態２）
実施形態２に係るアーク溶接装置及びアーク溶接方法は、溶接電流Ｉを周期的に変動させる点、設定電圧の制御方法が実施形態１と異なるため、以下では主に上記相違点を説明する。その他の構成及び作用効果は実施形態１と同様であるため、対応する箇所には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。

図１１は設定電圧及び溶接電流Ｉの変動を示すグラフである。図１１に示す各グラフの横軸は時間を示し、図１１Ａ〜図１１Ｃに示す各グラフの縦軸はそれぞれ、溶接電源１の設定電圧、母材４及び溶接ワイヤ５間の溶接電圧Ｖ、溶接電流Ｉである。

本実施形態に係るアーク溶接方法においては、定電圧特性の電源部１１は、図１１Ａに示すように、設定電圧を周期的に変動させる。本実施形態２に係るアーク溶接方法を実施する場合、１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下の周波数、好ましくは５０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下の周波数、より好ましくは８０Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下の周波数で設定電圧を周期的に変動させると良い。溶接電流Ｉの振幅は、５０Ａ以上、好ましくは、１００Ａ以上５００Ａ以下、より好ましくは２００Ａ以上４００Ａ以下である。溶接電流Ｉの平均値は、好ましくは平均電流を３００Ａ以上１０００Ａ以下、より好ましくは５００Ａ以上８００Ａ以下である。
このように設定電圧を周期的に変動させると、図４Ｂ及び図４Ｃに示すように、溶接電圧Ｖ及び溶接電流Ｉが周期的に変動する。

図１２は本実施形態２に係るアーク溶接方法を示す模式図である。第１モードにおいて平均電流３００Ａ以上の溶接電流Ｉが供給されると、溶接ワイヤ５の先端部５ａ及び被溶接部間に発生したアーク７の熱によって溶融した母材４及び溶接ワイヤ５の溶融金属からなる凹状の溶融部分６が母材４に形成され、溶接ワイヤ５の先端部５ａが埋もれ空間６ａに進入する。アーク７の様子を高速度カメラで撮影したところ、溶接電流Ｉを周期的に変動させると、図１１左図に示すように、溶接ワイヤ５が埋もれ空間６ａに深く進入し、溶接ワイヤ５の先端部５ａ及び溶融部分６の底部６１間にアーク７が発生する第１状態と、溶接ワイヤ５が埋もれ空間６ａに浅く進入し、先端部５ａ及び溶融部分６の側部６２間にアーク７が発生する第２状態とを周期的に変動することが確認された。

このように、溶接ワイヤ５の先端部５ａは、埋もれ空間６ａに進入して凹状の溶融部分６に囲まれた状態となり、溶接電流Ｉを周期的に変動させることにより、埋もれ空間６ａにおける先端部５ａの位置を上下させることができる。
第１状態においては、溶接ワイヤ５の先端部５ａが埋もれ空間６ａに深く進入し、溶融部分６の底部６１に照射されるアーク７によって、深い溶け込みが得られる。
第２状態においては、溶接ワイヤ５の先端部５ａが埋もれ空間６ａに浅く進入し、溶融部分６の側部６２に照射されるアーク７の力によって溶融部分６が支えられるため、埋もれ空間６ａは安定した状態で維持される。
従って、溶接電流Ｉを周期的に変動させることによって埋もれ空間６ａを安定的に維持することができる。

図１３は本実施形態２に係る設定電圧の制御方法を示すグラフである。上記のように設定電圧が周期的に変動している場合、電圧制御回路１１ｂは、溶接ワイヤ５の突き出し長さが変動した場合、例えば、図１３Ａに示すように、変動する設定電圧の低電圧側の値を変動させる。

また、電圧制御回路１１ｂは、図１３Ｂに示すように、溶接ワイヤ５の突き出し長さが変動した場合、変動する設定電圧の高電圧側の値を変動させても良い。

更に、電圧制御回路１１ｂは、図１３Ｃに示すように、溶接ワイヤ５の突き出し長さが変動した場合、変動する設定電圧の平均値を変動させても良い。

実施形態２に係るアーク溶接装置及びアーク溶接方法においては、溶接電流Ｉを周期的に変動させ、ワイヤ先端部を埋もれ空間６ａに深く進入した第１状態と、ワイヤ先端部を引き上げた第２状態とを周期的に繰り替えることによって、埋もれ空間６ａを安定した状態で維持しつつ、深い溶け込みを得ることができる。

また、図１３Ａに示すように、変動する設定電圧の低電圧側の値を変動させることにより、高電圧側の値を変動さえる場合に比べて埋もれアークを安定化させることができる。

更に、図１３Ｂに示すように、変動する設定電圧の高電圧側の値を変動させることにより、低電圧側の値を変動させる場合に比べて磁気吹きに強い埋もれアークを形成することができる。低電圧側の値を変動させると、磁気吹きに対して強くなることもあれば弱くなることもあり挙動が不安定になる。設定電圧の高電圧側の値を変動させることにより、磁気吹きに対する挙動が安定し、磁気吹きに弱くなることが無くなる。

更に、図１３Ｃに示すように、変動する設定電圧の平均値を変動させることにより、磁気吹きにもある程度強く、安定性も高い埋もれアークを形成することができる。

なお、本実施形態１及び２では、設定電圧が一定である場合、周期的に変動させる例を説明したが、その他の定電圧特性制御あるいは、これらに類するアーク制御方法に基づく埋もれアーク安定化制御にも本発明を適用することが可能である。

１溶接電源、２トーチ、３ワイヤ送給部、４母材、５溶接ワイヤ、６溶融部分、６ａ埋もれ空間、１１電源部、１２送給速度制御回路、１１ａ電源回路、１１ｂ電圧制御回路、１１ｃモード設定回路、１１ｄ電流等設定回路

Claims (9)

1. 母材へ送給される溶接ワイヤに溶接電流を供給する電源部を備えた消耗電極式のアーク溶接装置であって、
   アークによって前記母材に形成された凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記溶接ワイヤの先端部を進入させて前記母材を溶接する第１モード、又は凹状の前記溶融部分を形成せず若しくは前記溶融部分に前記溶接ワイヤの先端部を進入させずに前記母材を溶接する第２モードを選択するモード設定回路と、
   前記溶接ワイヤの突き出し長さが長くなった場合、前記溶接ワイヤの送給速度が速くなり、前記溶接ワイヤの突き出し長さが短くなった場合、前記溶接ワイヤの送給速度が遅くなるように、前記溶接ワイヤの送給速度を制御する送給速度制御回路と、
   前記溶接ワイヤの突き出し長さが長くなった場合、前記電源部の出力電圧が大きくなり、前記溶接ワイヤの突き出し長さが短くなった場合、前記電源部の出力電圧が小さくなるように、前記電源部の出力電圧を制御する電圧制御回路と
   を備え、
   前記溶接ワイヤの突き出し長さに応じた前記送給速度の変化量に対する前記出力電圧の変化量は、第１モード設定時の方が第２モード設定時に比べて小さい
   アーク溶接装置。
2. 前記第１モード設定時における前記送給速度の変化量に対する前記出力電圧の変化量と、前記第２モード設定時における前記送給速度の変化量に対する前記出力電圧の変化量との差分は、前記溶接ワイヤの径が大きい程、大きい
   請求項１に記載のアーク溶接装置。
3. 母材へ送給される溶接ワイヤに溶接電流を供給する電源部を備え、アークによって前記母材に形成された凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記溶接ワイヤの先端部を進入させて前記母材を溶接する消耗電極式のアーク溶接装置であって、
   前記溶接ワイヤの突き出し長さが長くなった場合、前記溶接ワイヤの送給速度が速くなり、前記溶接ワイヤの突き出し長さが短くなった場合、前記溶接ワイヤの送給速度が遅くなるように、前記溶接ワイヤの送給速度を制御する送給速度制御回路と、
   前記溶接ワイヤの突き出し長さが長くなった場合、前記電源部の出力電圧が大きくなり、前記溶接ワイヤの突き出し長さが短くなった場合、前記電源部の出力電圧が小さくなるように、前記電源部の出力電圧を制御する電圧制御回路と
   を備え、
   前記溶接ワイヤの突き出し長さに応じた前記送給速度の変化量に対する前記出力電圧の変化量は、前記溶融部分が維持されるように設定されている
   アーク溶接装置。
4. 前記電源部は定電圧特性を有し、
   前記電圧制御回路は、
   前記電源部の設定電圧を周期的に変動させることによって、前記溶接電流を変動させ、前記溶接ワイヤの前記先端部が前記空間に深く進入した第１状態と、前記空間に浅く進入した第２状態とを周期的に変動させるようにしてある
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のアーク溶接装置。
5. 前記電圧制御回路は、
   前記溶接ワイヤの突き出し長さが変動した場合、変動する前記設定電圧の低電圧側の値を変動させる
   請求項４に記載のアーク溶接装置。
6. 前記電圧制御回路は、
   前記溶接ワイヤの突き出し長さが変動した場合、変動する前記設定電圧の高電圧側の値を変動させる
   請求項４に記載のアーク溶接装置。
7. 前記電圧制御回路は、
   前記溶接ワイヤの突き出し長さが変動した場合、変動する前記設定電圧の平均値を変動させる
   請求項４に記載のアーク溶接装置。
8. 母材へ送給される溶接ワイヤに溶接電流を供給する消耗電極式のアーク溶接方法であって、
   アークによって前記母材に形成された凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記溶接ワイヤの先端部を進入させて前記母材を溶接する第１モード、又は凹状の前記溶融部分を形成せず若しくは前記溶融部分に前記溶接ワイヤの先端部を進入させずに前記母材を溶接する第２モードを選択するステップと、
   前記溶接ワイヤの突き出し長さが長くなった場合、前記溶接ワイヤの送給速度が速くなり、前記溶接ワイヤの突き出し長さが短くなった場合、前記溶接ワイヤの送給速度が遅くなるように、前記溶接ワイヤの送給速度を制御するステップと、
   前記溶接ワイヤの突き出し長さが長くなった場合、出力電圧が大きくなり、前記溶接ワイヤの突き出し長さが短くなった場合、出力電圧が小さくなるように、出力電圧を制御するステップと
   を備え、
   前記溶接ワイヤの突き出し長さに応じた前記送給速度の変化量に対する前記出力電圧の変化量は、第１モード設定時の方が第２モード設定時に比べて小さい
   アーク溶接方法。
9. 母材へ送給される溶接ワイヤに溶接電流を供給し、アークによって前記母材に形成された凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記溶接ワイヤの先端部を進入させて前記母材を溶接する消耗電極式のアーク溶接方法であって、
   前記溶接ワイヤの突き出し長さが長くなった場合、前記溶接ワイヤの送給速度が速くなり、前記溶接ワイヤの突き出し長さが短くなった場合、前記溶接ワイヤの送給速度が遅くなるように、前記溶接ワイヤの送給速度を制御するステップと、
   前記溶接ワイヤの突き出し長さが長くなった場合、出力電圧が大きくなり、前記溶接ワイヤの突き出し長さが短くなった場合、出力電圧が小さくなるように、出力電圧を制御するステップと
   を備え、
   前記溶接ワイヤの突き出し長さに応じた前記送給速度の変化量に対する前記出力電圧の変化量は、前記溶融部分が維持されるように設定されている
   アーク溶接方法。

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