JP2873715B2 - 消耗電極式交流ガスシールドアーク溶接方法および装置 - Google Patents

消耗電極式交流ガスシールドアーク溶接方法および装置

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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は消耗電極式交流アーク溶接に係り、特にアル
ミニウムなどの非鉄金属を消耗電極として用いるガスシ
ールドアーク溶接に好適な溶接方法およびその装置に関
する。
〔従来の技術〕
たとえば、特開昭57−130770号公報に開示されている
技術においては、電極(以下、ワイヤと呼ぶ)の極性を
プラス、母材の極性をマイナスとし、所定の周期で直流
電流を大(ピーク電流)、小(ベース電流)に変化させ
ることによって、ワイヤ先端に形成される溶滴をピーク
電流に同期させて母材側の溶融池へ移行させている。
次にワイヤの極性とアークの挙動について説明してお
きたい。ワイヤの極性をプラスにすると、比較的移動し
にくい陽極点がワイヤ先端に形成される溶滴下端にほぼ
固定されるため、アークは第4図のように溶滴下端から
発生し、集中したアークとなる。
一方、ワイヤの極性をマイナスにすると、移動しやす
い陰極点が溶滴全面にわたって形成されるためアークは
第5図のようにほぼ溶滴全体を覆うように発生し、分散
したアークとなる。
よって、ワイヤの極性をプラスからマイナスにすると
母材に加えられるアーク圧力は第6図の曲線aから曲線
bに示すように減小し、母材の溶融は抑制される。しか
し、ワイヤ溶融量とワイヤの極性の間には第7図に示す
ような関係があり、ワイヤの極性をマイナスのみにする
と、過大な溶滴が形成されアーク形態は不安定となる。
すなわち、ワイヤの極性がプラスとなる期間とマイナ
スになる期間を交互に繰返す交流を用いることによっ
て、安定なアーク形態を維持しながら、母材の溶融を抑
制することが可能となる。
〔発明が解決しようとする課題〕
ワイヤをプラス、母材をマイナスの極性とするいわゆ
る逆極性で溶接する場合のアーク圧力は、ワイヤをマイ
ナス、母材をプラスの極性とするいわゆる正極性で溶接
する場合のアーク圧力に比べ、大きな値を示すため、逆
極性では母材の溶込みが深くなり、薄板の溶接では溶落
ちを生じ易い。特に母材の融点が底いアルミニウムの溶
接では、その傾向が著しい。
また、銅ワイヤを用いるミグブレーズ溶接では母材を
溶融しすぎると、銅が母材に侵入し溶接ワレを生じるこ
とになるため、母材の溶融は極力少くすることが好まし
い。
さらに母材の溶融を抑制することは、異種金属を母材
に肉盛する場合においても、肉盛金属の希釈率の低減の
立場から、有益である。
本発明の目的は、低融点金属の溶接や肉盛溶接におけ
る母材の溶込みを抑制し、その作業性を向上させること
ができる消耗電極式交流ガスシールドアーク溶接方法お
よびその装置を提供するにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成するために、本発明の消耗電極式交流
ガスシールドアーク溶接方法は、消耗電極と被溶接材と
の間のアーク電圧を設定し交流電力を印加して溶接を行
う消耗電極式交流ガスシールドアーク溶接方法におい
て、臨界電流より大きい第1のレベルの電流を供給する
第1の電極プラス期間と、前記第1のレベルの電流から
第2のレベルの電流に減少する第2の電極プラス期間
と、前記消耗電極の極性をマイナスに保持し第3のレベ
ルの電流を供給する電極マイナス期間とを周期的に繰り
返すとともに、前記消耗電極と被溶接材との間のアーク
電圧が予め定めた判定値以下になると前記第1の電極プ
ラス期間にアーク電圧がこの判定値を越えるまでの前記
第1のレベルより大きい第4のレベルの電流を供給して
溶接を行うことを特徴としている。
そして消耗電極の送給量あるいはアーク電圧の設定値
の増/減に応じて電極マイナス期間を減/増させるとよ
い。
また本発明の消耗電極式交流ガスシールドアーク溶接
装置は、消耗電極と被溶接材との間のアーク電圧を設定
し交流電力を印加して溶接を行う消耗電極式交流ガスシ
ールドアーク溶接装置において、直流電源と、該直流電
源の出力電流を少なくとも4レベルに設定する出力設定
手段と、該出力設定手段により前記直流電源を制御する
電流制御手段と、前記直流電源の出力を交流に変換する
変換手段と、該変換手段に接続され電極プラス期間と電
極マイナス期間を時間設定する期間設定手段と、該期間
設定手段の電極プラス期間と電極マイナス期間の信号を
前記電流制御手段と変換手段とに周期的に与える期間制
御手段と、前記消耗電極と被溶接材間のアーク電圧を検
出する電圧検出手段と、該電圧検出手段が予め定めた判
定値以下を検出した時に前記出力設定手段の設定する4
レベルの内の2レベルの出力電流値を選択的に切り替え
る切り替え手段とを備えたことを特徴としている。
〔作用〕
まず本発明の消耗電極式交流ガスシールドアーク溶接
方法における出力特性例を第1図に示す。第1図におい
て、消耗電極なるワイヤと被溶接材なる母材との間に交
流の出力を印加し、アーク状態が安定している定常時に
は、ワイヤの極性をプラスにする第1の期間TEPと、こ
の期間TEPにおける出力レベルとしてワイヤの臨界電流
値(ワイヤ先端の溶融金属の移行形態がドロップ移行か
らスプレー移行に変る最低電流値)より大きい電流値I
EPと、電流値IEPから臨界電流値以下のIERに降下させる
第2の期間TERと、この期間TERにおける上記電流値IEP
からスロープ状あるいは段階状に減少して到達する電流
値IERと、ワイヤの極性をマイナスにする期間TENにおけ
る出力レベルとして臨界電流値よりも小さい電流値IEN
との5条件を、使用するワイヤの材質や径に応じて一定
にしておき、ワイヤ送給量の増/減に応じて、マイナス
にする期間TENを短/長とする。
また、第2図に示すようにアーク電圧が予め定めた電
圧(判定値)Vjより低くなると、電流値は上記IEPから
より大きな値IEP′にアーク電圧が判定値Vjを越えるま
で切り替えて設定する。ここでアーク電圧は、後に説明
する第3図に示すアーク電圧設定器21で設定されるもの
である。なおIEPからIEP′への変化は、実線で示すよう
な階段状としても良いし、一点鎖線で示すようなスロー
プ状としても良い。
さらに、ワイヤの極性によってアークの発生形態は前
記第4図ないし第5図に示すように著しく変化するた
め、アーク形態の急激な変化を防止する意味で、前述の
電流減少期間TERを設定する必要がある。
また、アルミニウムや銅などの電気抵抗は鉄鋼材料に
比べて小さいため、ワイヤの抵抗発熱量が少く、外乱等
によって発生した短絡の解放、あるいはアーク起動をス
ムーズに行うために、アーク電圧が所定の値以下になる
と、通常の出力より大きな出力電流を印加する。
本発明の消耗電極式交流ガスシールドアーク溶接装置
において、出力設定手段により設定される直流電源の出
力電流の第1〜第4のレベルとして、それぞれ第1図に
示すIEP,IER,IEN及び第2図に示すIEP′を設定し、期間
設定手段により第1、第2の電極プラス期間として第1
図に示すTEP,TERをそれぞれまた電極マイナス期間とし
てTENを設定し、期間制御手段はTEP,TER,TENの信号を電
流制御手段と変換手段に与え、その信号に従って電流制
御手段は直流電源の出力電流を制御し、また変換手段は
その出力電流を交流に変換し、切り替え手段は電圧検出
手段が検出するアーク電圧値を入力して、そのアーク電
圧値が第2図に示す予め定めた判定値Vj以下に降下した
時に電流値IEPからIEP′に出力設定値を切り替える。
〔実施例〕
第3図は本発明の消耗電極式交流ガスシールドアーク
溶接装置(以下単に溶接装置という)の一実施例のブロ
ック図である。
第3図に示す溶接装置において、入力側インバータ回
路を備えた直流電源回路1は商用交流を直流に変換し、
直流電源回路1から電流検出器2を介して出力された直
流は出力側インバータ回路3により再度交流に変換さ
れ、出力側インバータ回路3から出力された交流電力は
電圧検出器4を介して消耗電極なる溶接ワイヤ5と被溶
接材なる母材7間に供給される。なお溶接ワイヤ5はワ
イヤ供給装置6により送給される。
電流設定器11,12,13,14は直流電源回路の出力する電
流レベルを設定するもので、それぞれ第1図及び第2図
に示す電流IEP′,IEP,IER,IENの値を設定する。電流設
定器11及び12に接続する選択スイッチ10は、電圧検出器
4の検出値vと判定電圧Vj設定器22の設定値の大小を比
較する比較器23の信号で作動し、v>Vjの場合は電流設
定器12の接続してIEPを選択し、v≦Vjの場合には電流
設定器11に切り替わってIEP′を選択する。また電流設
定値選択回路9は電流設定値IEP′又はIEPとIERとIEN
順次選択する。
時間設定器17,18及び19は、それぞれ第1図に示す期
間TEP,TER,TENを設定するものである。制御回路16はこ
れらの設定時間により電流設定値の選択回路9を制御す
る回路であり、TEP期間中はIEPとIEP′の選択スイッチ1
0を、TEP経過後TER期間中はIERを、TER経過後TEN期間中
はIENを、選択するための指令を選択回路9に出力す
る。さらに制御回路16は出力側インバータ回路3の制御
回路15に、TEP及びTERの期間中はワイヤ6の極性がプラ
ス、TEN期間中はワイヤ6の極性がマイナスとなるよう
に、制御指令を出力する。
電流誤差増幅器8は、電流検出器2により検出された
直流電源回路1の出力電流の検出値が、電流設定値の選
択回路9で選択された電流設定値と一致するように直流
電源回路1を制御する。一方、電圧誤差増幅器20は、電
圧検出器4で検出されたワイヤ6と母材7間のアーク電
圧の値とアーク電圧設定器21で設定された電圧値が一致
するようにTENの時間設定器19を制御する。
次に本実施例の消耗電極式交流ガスシールドアーク溶
接装置を用いて行う溶接施工例について説明する。
第1表は、φ1.2mmのアルミ合金ワイヤ(A5356)を用
いて、シールドガスArの交流ミグ溶接を行った場合の電
流波形設定の一例である。
電流波形パラメータを第1表に示すように設定し、ワ
イヤ送給量やアーク電圧の増/減に応じてTENを減/増
させることにより、良好なアーク形態が得られ、板厚1m
mのアルミ合金(A5083)の突合せ溶接およびすみ肉溶接
でも良好な溶接結果が得られた。
また第2表は、φ1.0mmの銅ワイヤを用いて、Arガス
シールド軟鋼のミグブレーズ溶接を行った場合の一例で
ある。
この場合のアーク形態も良好で、母材の溶融はほとん
ど生じず、ワレやビードのハクリは生じなかった。ま
た、溶接速度を速くするためにアーク電圧の設定を低く
(TENの設定を短く)して、ワイヤと母材の短絡が頻ぱ
んに生じる短いアーク長での溶接も実施したが、短絡時
にはピーク電流がIEP′まで増加するため、ワイヤが母
材に接する短絡の解放はすみやかに行なわれ、短絡電流
不足に起因するアーク不安定も防止できることが分っ
た。
なお、第3図では定電流制御の例について説明した
が、各種の電流を設定する代りに、それぞれに対応した
電圧を設定するとともに、電圧検出による期間TENのフ
ィードバック制御を省略し、期間TENの設定によってア
ーク電流を変化させる、いわゆる定電圧制御方式にする
と、回路構成はより簡略化されることは言うまでもな
い。
また、上記実施例では非鉄金属について実施したが、
本発明を鉄鋼材料に用いても良好な溶接結果が得られる
ことも容易に推考できる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、消耗電極式交流ガスシールドアーク
溶接方法及び装置を、臨界電流より大きい第1のレベル
の電流を供給する第1の電極プラス期間と、電流を第1
のレベルから第2のレベルまで減少させる第2の電極プ
ラス期間と、電極マイナス期間とを繰り返し、アーク電
圧が予め定めた判定値以下になると第1の電極プラス期
間にアーク電圧がこの判定値を越えるまで第1のレベル
より大きい電流を供給して溶接するように構成したの
で、以下に記載するような効果を奏する。
(a)常に電極プラスの逆極性溶接によるよりも被溶接
材の溶け込みを小さくでき、薄板の溶接が容易にでき、
ひいては構造物の板厚を薄くすることを可能とする。
(b)電極マイナス期間で消耗電極の表面がクリーニン
グ作用を受けるため、消耗電極表面の酸化物やよごれに
起因する溶接欠陥を防止することができ、溶接継手性能
が向上する。
(c)第2の電極プラス期間で電流を減少させるため、
矩形波交流で生ずるアーク音より音のレベルを下げるこ
とができ、電流変化に起因する騒音を抑制することがで
きる。
(d)電極マイナス期間で消耗電極の溶融量が増加する
ため、従来の逆極性溶接よりも消耗電極の溶融効率が向
上する。
(e)被溶接材への溶け込みが小さく溶着金属の希釈率
を低くできるため、良好なミグブレーズあるいは肉盛溶
接が可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による消耗電極式交流ガスシールド溶接
方法における出力特性例を示す図、第2図はアーク電圧
が低下した場合に制御する電流増加を示す図、第3図は
本発明による消耗電極式交流ガスシールド溶接装置の実
施例のブロック図、第4図はワイヤの極性がプラス時の
アークの形態を示す図、第5図はワイヤの極性がマイナ
ス時のアークの形態を示す図、第6図はワイヤの極性が
プラス時とマイナス時のアーク圧力分布を比較する説明
図、第7図はワイヤの極性がプラス時とマイナス時の溶
融特性を示す図である。 1……交流電源回路、2……電流検出器、3……出力側
インバータ、4……電圧検出器、5……溶接ワイヤ、6
……ワイヤ供給装置、7……母材、8……電流誤差増幅
器、9……選択回路、10……選択スイッチ、15,16……
制御回路、17〜19……時間設定器、20……電圧誤差増幅
器、21……アーク電圧設定器、22……判定電圧Vj設定
器、23……比較器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−73180(JP,A) 特開 平2−52769(JP,A) 特開 昭63−268570(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B23K 9/073 B23K 9/173 B23K 9/09

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】消耗電極と被溶接材との間のアーク電圧を
    設定し交流電力を印加して溶接を行う消耗電極式交流ガ
    スシールドアーク溶接方法において、臨界電流より大き
    い第1のレベルの電流を供給する第1の電極プラス期間
    と、前記第1のレベルの電流から第2のレベルの電流に
    減少する第2の電極プラス期間と、前記消耗電極の極性
    をマイナスに保持し第3のレベルの電流を供給する電極
    マイナス期間とを順次周期的に繰り返すとともに、前記
    消耗電極と被溶接材との間のアーク電圧が予め定めた判
    定値以下になると前記第1の電極プラス期間にアーク電
    圧が該判定値を越えるまで前記第1のレベルより大きい
    第4のレベルの電流を供給して溶接を行うことを特徴と
    する消耗電極式交流ガスシールドアーク溶接方法。
  2. 【請求項2】一方では消耗電極の送給量あるいはアーク
    電圧の設定値の増加に応じて電極マイナス期間を減少
    し、他方では前記設定値の減少に応じて電極マイナス期
    間を増加させることを特徴とする請求項1記載の消耗電
    極式交流ガスシールドアーク溶接方法。
  3. 【請求項3】消耗電極と被溶接材との間のアーク電圧を
    設定し交流電力を印加して溶接を行う消耗電極式交流ガ
    スシールドアーク溶接装置において、直流電源と、該直
    流電源の出力電流を少なくとも4レベルに設定する出力
    設定手段と、該出力設定手段により前記直流電源を制御
    する電流制御手段と、前記直流電源の出力を交流に変換
    する変換手段と、該変換手段に接続され電極プラス期間
    と電極マイナス期間を時間設定する期間設定手段と、該
    期間設定手段の電極プラス期間と電極マイナス期間の信
    号を前記電流制御手段と変換手段とに周期的に与える期
    間制御手段と、前記消耗電極と被溶接材間のアーク電圧
    を検出する電圧検出手段と、該電圧検出手段が予め定め
    た判定値以下を検出した時に前記出力設定手段の設定す
    る4レベルの内の2レベルの出力電流値を選択的に切り
    替える切り替え手段とを備えたことを特徴とする消耗電
    極式交流ガスシールドアーク溶接装置。
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