JP2878383B2 - 炭酸ガスアーク溶接における低スパッタ溶接方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、炭酸ガスアーク溶接方法に係り、より詳細
には、炭酸ガスアーク溶接に際し、溶滴の短絡移行とグ
ロビュラ移行の混在するスパッタの多発する電流域にお
いて、アークの安定性及びスパッタの低減を改良した炭
酸ガスアーク溶接方法に関するものである。

（従来の技術及び解決しようとする課題） ソリッドワイヤを用いた炭酸ガスアーク溶接では、比
較的低電流域では溶滴は短絡移行する。しかし、電流を
上げても、不活性ガスアーク溶接のようにスプレー移行
にはならず、溶滴が極めて大きくなり、短絡移行とグロ
ビュラ移行とが混在するだけであるため、アークの安定
性を損ない、スパッタが多発することになる。

したがって、スパッタの低減を図るには、電流を下げ
て短絡域で行なうか、或いは電流を極端に上げて完全な
グロビュラ移行とするかのいずれかが採用されている。
しかし、前者の場合には能率が低下するという問題があ
る。また、後者の場合には、薄板溶接へ適用すると溶け
落ちや高速溶接の面で良くないという問題がある。

結局、この短絡移行とグロビュラ移行とが混在する電
流域ではスパッタの発生を低減できないのが現状であ
る。

本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、短絡移行
とグロビュラ移行とが混在する電流域においても、アー
クの安定性を確保し、スパッタ発生を低減できる炭酸ガ
スアーク溶接方法を提供することを目的とするものであ
る。

（課題を解決するための手段） 前記課題を解決するため、本発明者は、スパッタ発生
の機構及びアーク安定性について鋭意検討を重ねた。そ
の結果、溶接材料と溶接電源との最も効果的な組み合わ
せを確立し、炭酸ガスアーク溶接における短絡移行とグ
ロビュラ移行とが混在する電流域でのスパッタの発生を
大幅に抑え、溶接作業性に優れた低スパッタ溶接を見い
出したものである。

すなわち、本発明に係る炭酸ガスアーク溶接方法は、
C:0.02〜0.08％、Si:0.6〜1.2％、Mn:1.3〜1.9％、P:0.
030％以下、S:0.005〜0.030％、Ti:0.04〜0.12％及びA
l:0.020％以下を含有し、かつ、Si/Mn＝0.47〜0.71、C/
Ti＝0.2〜1.0、Al/Ti＝0.17以下であり、残部がFe及び
不可避的不純物からなるソリッドワイヤを用い、かつ、
溶接電源として、 短絡直後一定期間だけ電流を抑制する、 短絡初期に再アークが生じた時、溶滴のくびれ検知に
より再アーク直後に電流を下げる、 短絡後期に再アークが生じた時、溶滴のくびれ検知に
より再アーク直後に電流を下げる、 短絡後の再アーク発生直後に一定期間、高電流を流
し、その後電流を下げる、 の４条件のうち、、、及びを満たす出力波形制
御した溶接電流、或いは及びを満たす出力波形制御
した溶接電源を用いて、低スパッタ化することを特徴と
するものである。

以下に本発明を更に詳述する。

（作用） 本発明は、要するに、溶滴の粘度及び表面張力をTi、
Mn、Ｃ等で調整すると共に、COガス爆発の抑制をした溶
接ワイヤとこのワイヤの溶滴の短絡・再アークの状態に
応じて出力波形制御した溶接電源を組み合わせることに
より、低スパッタ化を可能にしたものである。

まず、スパッタ低減のメカニズムを検討するに当たっ
て、従来ワイヤ（後述の第２表参照）と従来電源（後述
の第３表参照）とを組み合わせでの高速度ビデオによる
溶滴移行とアーク電圧波形のオシログラフより、スパッ
タ発生状況を観察した。その結果、第１表に示すよう
に、次のことが判明した。

短絡移行とグロビュラ移行とが混在する比較的高電流
域では、低電流域の短絡移行域と比べ溶滴形状が不安定
で径も大きくなり、短絡周期や短絡時間も不規則とな
る。その結果、スパッタ発生量が多くなり、大粒のスパ
ッタも多くなる。また、大粒のスパッタが発生した時や
溶滴の爆発時にアークも不安定になり易い。

また、スパッタ発生過程を、 （１）短絡した瞬間、 （２）再アーク発生時点、 で整理してみると、Ａ型短絡（完全溶滴移行）及びＢ型
短絡（不完全移行、瞬間短絡）のいずれにおいても、再
アーク時にスパッタの発生が多くみられた。更に、Ｂ型
短絡よりもＡ型短絡の方での発生が多い。

したがって、スパッタ発生を少なくするには、短絡回
数を少なくし、且つ溶滴形状を球状にして短絡周期を規
則的にすれば良いこと、更に、溶滴の爆発は、炭素と酸
素の反応によるCO爆発を抑制すれば良いことも知見され
た。

前者は、ワイヤのTi、Mn、Si等による酸素の抑制及び
Ｓの抑制により、溶滴の粘度及び表面張力が大きく、且
つ溶滴をやや大きく球状にすることと、短絡時及び再ア
ーク時の溶接電源出力波形制御による短絡回数の減少
化、更には短絡と再アークの規則化により実現した。

一方、後者は、ワイヤへのＣ添加の抑制と、溶接電源
の出力制御にて溶滴短絡初期及び再アーク時の溶接電流
の抑制によるエネルギー制御により実現した。

また、本発明法においては、短絡時の溶滴移行もスム
ーズである。これは、表面張力が大きいことと、溶滴径
が大なることによる移行力増大に起因すると推定され
る。

次に、本発明に用いるソリッドワイヤの化学成分の限
定理由について説明する。

C:0.02〜0.08％ Ｃ量を減少すれば、スパッタは少なくなっていく傾向
が見られる（第３図参照）。また、溶滴径も大きくな
り、短絡回数も少なくなると共にアークもソフトになり
安定する。これは、CO爆発の減少によるためと思われ
る。この効果は0.08％以下でみられる。

しかし、0.02％未満になると、スパッタが逆に多少増
加傾向になるだけでなく、機械的性能の引張強さが低下
してしまう。

したがって、Ｃ量は、0.02〜0.08％の範囲とし、更に
望ましくは0.02〜0.06％である。

Si:0.6〜1.2％ Si量を増加すれば、スパッタは減少の傾向にある（第
４図参照）。しかし、1.2％を超えるとスラグの発生が
多くなったり、ビードが凸になり、更には溶接金属の靭
性も低下する。一方、0.6％未満ではスパッタの減少効
果が少なくなり、健全な溶接金属を得るための脱酸効果
も薄れる。

したがって、Si量は0.6〜1.2％の範囲とし、更に望ま
しくは0.8〜1.0％である。

Mn:1.3〜1.9％ Mnは、Siと同様、その量が増加するとスパッタは減少
の傾向にある（第５図参照）。しかし、1.9％を超える
と生産時の伸線性が極端に悪くなる。一方、1.3％未満
に減少させるとスパッタの減少効果が弱くなるだけでな
く、溶接金属の引張強度も保持できなくなる。

したがって、Mn量は1.3〜1.9％の範囲とし、更に望ま
しくは1.4〜1.7％である。

P:0.030％以下 Ｐは、割れ発生防止の点より、0.030％以下に抑制す
るのが良い。

S:0.005〜0.030％ Ｓを抑制すれば、スパッタは減少の傾向にある（第６
図参照）。しかし、通常の生産上では0.005％以下に抑
制するのはコストアップになる。また、0.005％未満で
はビード形状が凸になりすぎる。一方、0.030％を超え
ると高温割れの発生、ビードの波目の不揃いが発生す
る。

したがって、Ｓ量は0.005〜0.030％の範囲とする。

Ti:0.04〜0.12％ Ti量を増加すれば、スパッタ減少の傾向は大きい（第
７図参照）。しかし、0.12％を超えるとスパッタ減少の
傾向は飽和し、逆にスラグが多くなる。また、0.04％未
満ではスパッタの減少は見られなく、増加傾向にある。

したがって、Ti量は0.04〜0.12％の範囲とし、更に望
ましくは0.06〜0.10％である。

Al:0.020％以下 Alはスパッタ減少には良くない。したがって極力少な
い方が良い（第８図参照）。しかし、ビード外観を整え
るために、0.020％以下で若干量を含有させるのが良
い。

Si/Mn:0.47〜0.71 スパッタ発生量は、Si/Mn比にあまり左右されない
が、ビード形状に影響を与えることが判明した。すなわ
ち、この比が0.71より大きすぎるとビード形状が凸とな
り、逆に0.47より小さくなるとビードが偏平になりすぎ
る。したがって、本発明においては、Si/Mn:0.47〜0.71
に規制するものである。

C/Ti:0.2〜1.0 C/Ti比が小さくなるにつれて、スパッタ発生量は減少
していく傾向がある。しかし、この比が0.2より小さく
なると、スパッタは逆に増加し、しかも大粒のスパッタ
が多くなる。一方、この比が1.0を超えるとスパッタの
減少が望めなくなる（第１図参照）。したがって、本発
明においては、C/Ti:0.2〜1.0に規制するものである。

Al/Ti:0.17以下 Al/Ti比は小さい方がスパッタ減少には良いことが判
明した。具体的には0.17以下が良い（第２図参照）。な
お、ビードの外観を保つためには、この比が若干の値と
なるようにするのが望ましい。

なお、本発明においては、ワイヤに含まれる総酸素量
を30〜180ppmの範囲に規制するのが望ましい。酸素量が
上限値を超えると溶滴の表面張力低下によってスパッタ
がやや多くなり、また溶接金属の衝撃値低下が生じる。
逆に、下限値を割るとアークの安定性が悪くなる。

以上、本発明で用いるワイヤの化学成分の限定理由に
ついて述べたが、スパッタ発生量については、各成分を
変化させ、スパッタ発生量、ビード形状、スラグ発生量
等について比較検討した結果、得られたものである。

なお、ワイヤ径は特に限定されないが、0.8〜1.6mmφ
の範囲が特に実用範囲である。

次に、本発明において溶接電源を限定した理由を以下
に説明する。

従来電源では、出力電流や電圧はアーク現象（溶滴移
行）に応じて制御されていないため、第９図に示すよう
に、溶滴が溶融池と接触した瞬間から、その電源のもつ
時定数により定まる増加率でアークが再発生するまで増
加し続け、また、溶接アークが再発生した後はこの時定
数によって定まる減少率で再び短絡するまで減少する。

このような電源では、ワイヤ先端の溶滴が溶融池と短
絡した瞬間、高い電流が流れ、溶滴を吹き飛ばし、スパ
ッタが多発する。更に、再アークの瞬間には溶接電流も
高いため、同様にスパッタが多発し易い。

一方、本発明に用いる溶接電源は、ワイヤと母材の短
絡時に、短絡初期に流れる過大短絡電流を一定時間制御
し、その後ワイヤ先端溶滴のくびれを検出し、このくび
れに応じて再アーク時初期の電流を低下させる出力波形
制御をする溶接電源である。

すなわち、この溶接電源の出力波形制御過程を時間的
経過でみると、以下の条件が挙げられる。

短絡直後一定期間だけ電流を抑制する。

短絡初期に再アークが生じた時（Ｂ型短絡）、溶滴の
くびれ検知により再アーク直後に電流を下げる。

短絡後期に再アークが生じた時（Ａ型短絡）、溶滴の
くびれ検知により再アーク直後に電流を下げる。

再アーク後一定期間、パルス的に高電流を流す。

本発明者は、これらを総合的に検討した結果、以下の
２種類のタイプの電源を開発した。

電源タイプＩ このタイプは、前記条件〜のすべてを備えた電源
である。

すなわち、溶滴が短絡した直後と再アークの瞬間の両
方において溶接電流を低下せしめ、アークの反発のエネ
ルギーを溶滴が吹き飛ばない程度に制御することによ
り、スパッタの発生を減少させるものである。溶滴の短
絡や再アークの判別は、溶滴の短絡時や溶滴のくびれ時
の溶接電流やアーク電圧の値やその値及び電圧と電流の
比の時間的変化（時間微分等）により行う。

更に、再アーク時には、アークが発生した後のアーク
圧力による溶融池の振動による溶滴と溶融池の短絡によ
るスパッタの発生を防止するために、再アーク後一定時
間経過すると溶接電流の制御により一定時間アークの圧
力を大きくし、溶融池を押し下げ、短絡を防止する。

電源タイプII このタイプは、前記条件のうち、とを備えた電源
である。

すなわち、溶滴が短絡した直後と再アークの瞬間の両
方において溶接電流を低下せしめ、アークの反発のエネ
ルギーを溶滴が吹き飛ばない程度に制御することによ
り、スパッタの発生を減少させるものである。溶滴の短
絡や再アークの判別は、溶滴の短絡時や溶滴のくびれ時
の溶接電流やアーク電圧の値やその値及び電圧と電流の
比の時間的変化（時間微分等）により行う。

具体的には、例えば、条件において、一定期間とし
ては、0.5〜1.5msecが望ましい。0.5msec以下ではスパ
ッタが多くなり、1.5msec以上ではワイヤが溶融池に突
っ込み、再アークしにくく、アーク不安定となるためで
ある。このような期間での電流は、設定溶接電流（平均
電流）の1/3程度に制御するのが望ましい。これより小
さすぎると再アークしなくなり、大きすぎるとスパッタ
が多くなるためである。

条件、において、電流を下げるには、設定溶接電
流（平均電流）の1/2程度が望ましい。これより小さす
ぎるとワイヤ先端の溶滴のくびれが進行せず、再アーク
がスムーズでなくなり、スパッタが多くなる。また、大
きすぎてもスパッタは少なくならないためである。

条件において、一定期間としては、0.1〜1.0msecが
望ましく、この範囲を外れるとスパッタの減少効果がな
い。また、この期間に流す高電流としては、設定溶接電
流（平均電流）の1.5〜２倍程度が望ましい。1.5倍以下
ではスパッタが減少せず、一方、２倍以上では溶融池を
大きく乱すことになり、アーク不安定となり、スパッタ
が多発するためである。

したがって、出力波形は、例えば、電源タイプＩの場
合は第10図に示す波形に制御され、電源タイプIIの場合
は第11図に示す波形に制御される。勿論、これらの波形
のみに限定されないことは云うまでもない。

なお、前記出力波形制御条件〜の組合せは、前記
電源タイプＩ（＋＋＋）及び電源タイプII（
＋）がスパッタ低減効果には特に有効であるが、それ
以外の組合せにおいても、無論かゝる効果はある。つま
り、任意の３条件又は２条件及び１条件等により構成さ
れる出力波形制御を持つ電源においても、従来タイプ電
源よりスパッタ発生は少ない。

次に本発明の実施例を示す。

（実施例） 第２表に示す化学成分を有するワイヤを試作し、これ
らの各ワイヤと第３表に示す電源を用いて、第４表に示
す条件で溶接試験を行い、スパッタを調べた。その結果
を第２表に併記する。なお、スパッタは第12図に示す装
置を用いて採取した。

第２表より、次のように考察される。

試験No.1は、本発明範囲内のワイヤと電源タイプＩと
の組み合わせによる本発明例であり、スパッタの発生量
が少ない。

試験No.2は、本発明範囲内のワイヤと電源タイプIIと
の組み合わせによる本発明例であり、スパッタの発生量
は試験No.1より少し多いものの、比較例よりも少ない。

試験No.3は、本発明範囲内のワイヤと従来電源との組
み合わせによる比較例であり、パッタの発生量は本発明
例の倍となり、多くなっている。

試験No.4は、本発明範囲内の電源タイプＩを用いて従
来ワイヤで溶接した比較例であり、スパッタ発生量が多
い。

試験No.5は、ワイヤ及び電源共に従来のものを用いて
溶接した比較例であり、特にスパッタ量が非常に多い。

（発明の効果） 以上詳述したように、本発明によれば、ソリッドワイ
ヤを用いた炭酸ガスアーク溶接で、成分調整されたソリ
ッドワイヤと出力波形制御された電源とを組み合わせた
ので、特に短絡移行とグロビュラ移行とが混在する電流
域でスパッタの発生を顕著に低減でき、用途範囲を拡張
できる効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はスパッタ発生量とワイヤの成分比の
関係を示す図、 第３図〜第８図はスパッタ発生量とワイヤの各成分との
関係を示す図、 第９図は従来電源による出力波形を示し、 第10図及び第11図は本発明における電源を用いた場合の
出力波形の一例を示す図で、第10図は電源タイプＩの場
合、第11図は電源タイプIIの場合を示し、 第12図はスパッタ発生量の測定装置を示す図である。 １……スパッタ補集板、２……ワイヤ送給装置、３……
トーチ、４……母材、５……台車。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−285791（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−150494（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−46994（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−157794（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 9/173 B23K 9/09 B23K 9/073 B23K 35/30

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】重量％で（以下、同じ）、C:0.02〜0.08
   ％、Si:0.6〜1.2％、Mn:1.3〜1.9％、P:0.030％以下、
   S:0.005〜0.030％、Ti:0.04〜0.12％及びAl:0.020％以
   下を含有し、かつ、Si/Mn＝0.47〜0.71、C/Ti＝0.2〜1.
   0、Al/Ti＝0.17以下であり、残部がFe及び不可避的不純
   物からなるソリッドワイヤを用い、かつ、溶接電源とし
   て、 短絡直後一定期間だけ電流を抑制する、 短絡初期に再アークが生じた時、溶滴のくびれ検知に
   より再アーク直後に電流を下げる、 短絡後期に再アークが生じた時、溶滴のくびれ検知に
   より再アーク直後に電流を下げる、 短絡後の再アーク発生直後に一定期間、高電流を流
   し、その後電流を下げる、 の４条件を満たす出力波形制御した溶接電流を用いて、
   低スパッタ化することを特徴とする炭酸ガスアーク溶接
   方法。
2. 【請求項２】請求項１に記載の溶接方法において、前記
   ソリッドワイヤを用い、かつ、溶接電源として、前記４
   条件のうち、 短絡直後一定期間だけ電流を抑制する、 短絡後期に再アークが生じた時、溶滴のくびれ検知に
   より再アーク直後に電流を下げる、 の２条件を満たす出力波形制御した溶接電源を用いて、
   低スパッタ化することを特徴とする炭酸ガスアーク溶接
   方法。