JP3038822B2 - 非消耗性電極交流アーク溶接方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、非消耗性電極を用いる交流アーク溶接方法
の改良に関するものである。

＜従来の技術＞ アルミニュームやその合金のように表面に融点の高い
酸化皮膜を有する金属をアーク溶接するには、この酸化
皮膜を破壊するために溶接電流に電極が正電位となる逆
極性期間を設けることが必要であり、このために通常交
流アーク溶接電源が用いられる。この交流アーク溶接電
源としては、商用周波の正弦波状交流やスイッチング素
子を用いて整形した矩形波状の電流が用いられる。そし
て、このときの溶接電流は、正逆の比率または全電流に
対する逆極性電流の比率を要求されるビード幅や溶け込
み深さによって定まる一定の比率の電流波形のものが用
いられる。一方、電極の材料としては、通常純タングス
テの電極が用いられる。その理由は、通称トリタンやラ
ンタンとよばれる酸化物入りタングステンの方がアーク
のスタート性がよく、また耐消耗性に優れるが、溶接を
続けると電極の先端がいびつに消耗し、このためにアー
クが片よって発生するようになって不安定になる現象が
発生するためである。

＜発明が解決しようとする問題点＞ 上記酸化物入りタングステンを交流アーク溶接の電極
に用いたときの様子を詳細に観察すると第５図のようで
あった。同図は、直径2.4mmφの２％トリウム入りタン
グステンを電極として用い、溶接電流100A、正極性（電
極負）期間10ms、逆極性（電極正）期間4msの矩形波状
の交流電流によってアークを発生させたときの電極先端
形状の変化の様子を示すものである。同図（ａ）は電極
をグラインダ加工によって整形してアークを起動した直
後であり、アークは電極の先端から安定して発生してい
る。同図（ｂ）は、起動後15秒経過したときの様子であ
り、電極の先端には粒状の突起が生じており、アークは
この突起部から片寄って発生することが多くなる。同図
（ｃ）は、アーク起動後30秒経過したときの様子であ
り、粒状突起はさらに成長してアークはほとんどこの部
分に片寄って発生し、極めて不安定となる。これ以後は
同図（ｃ）の状態がほぼ維持されるので、アークの片寄
り、不安定は解消されず、所望の溶接結果が得られなく
なる。

上記の現象は、酸化物入りタングステンを電極として
交流アーク溶接を行ったときにのみ発生し、酸化物入り
タングステンを直流アーク溶接（電極負電位）に用いた
ときや純タングステンを交流アーク溶接に用いたときに
は発生しない。その理由は、およそ次のようであると考
えられる。

（１）純タングステン電極を用いるときには、電極の温
度が純タングステンの融点を超えるために電極先端は交
流、直流にかかわらず丸く溶融し、次第に消耗してゆく
ので目立った変形は発生せず、アークの片寄りや不安定
は発生しない。

（２）酸化物入りタングステンを直流アーク溶接に用い
るときは、電極が負電位とされる正極正で用いられる。
このときは電極に含まれる酸化物からの電子放出が良好
であるために溶接中の電極先端温度は電極材料の融点以
下となって溶融せず、このために変形、消耗がほとんど
発生しない。

（３）酸化物入りタングステンを交流アーク溶接に用い
るときには、電極が負電位となる正極性期間には、上記
の直流正極性のときと同様に電極の溶融は発生しない
が、電極が正電位となる逆極性時には電極に突入する電
子の衝撃により温度が電極材料の融点を超えることにな
り、電極先端の一部が溶融する。次に電流の極性が正極
性に反転すると、今度は電極から電子が放出されるので
温度が低下するが、先の逆極性時の部分的な溶融によっ
て酸化物の分布が不均一となっているために酸化物のあ
る部分と、ない部分とに温度のバラツキが生じ、このた
めに電極先端が次第に変形し、粒状の突起が成長してゆ
くことになる。

上記の理由によって電極先端の変形が発生するので酸
化物入りタングステンを交流アーク溶接用の電極として
用いることは実用上ほとんど不可能であった。

＜問題点を解決するための手段＞ 本発明は、上記のようにアークの起動性および耐消耗
性に優れているにもかかわらず従来は、交流アーク溶接
に用いることができなかった酸化物入りタングステンを
溶接電流波形に適宜常時よりも大なる逆極性期間を設け
ることによって使用可能としたものである。

＜実施例＞ 第１図に本発明の溶接方法に用いる電流波形の例を示
す。同図においてIspは溶接用正極性電流の値、Tspは正
極性期間、Irpは溶接用逆極性電流の値、Trpは溶接用逆
極性期間を示し、またIrpは一時的に大なる値にすると
きの逆極性電流の値、Trpは電流Ircを流す期間、Tcはこ
の電流Irpを流す間隔をそれぞれ示している。

ここで第５図にて説明した従来装置と同じ条件、即ち
Isp＝Irp＝100A,Tsp＝10ms,Trp＝4msとしたときに、Irc
＝200A,Trc＝20msの逆極性電流をTc＝10秒毎に流すと、
電極に先と同じ2.4mmφ,2％トリウム入りタングステン
電極を使用したときにもほとんど電極先端の変形は発生
しなかった。この理由は、大なる逆極性期間Irc,Trcを
設けることによってこの期間に大なる入熱が電極に一時
的に供給され、これによって電極先端全体が溶融し、成
長し始めた突起状物が除去されるものと考えられる。

この一時的に大とする逆極性電流の大きさIrcや期間T
rcおよび間隔Tcは、使用する電極の直径や溶接電流によ
って適宜選定されるものであり、また同じ電極に対して
も間隔Tcが短いときにはIrc,Trcを比較的小さな値（但
しIrc＞Irp,Trc＞Trp）でもよい。また、これらの値、I
rc,Trc,Tcの少なくとも一つが調整可能であればよく、
またIrc,Trcはその少なくともいずれかが正常溶接時の
逆極性電流Irp,Trpよりも大であればよい。

また、このように一時的に逆極性時に供給する電流値
やその期間を大にすると、その期間を含む前後の期間に
おいて正極性の占める比率が減少してビード形状や溶け
込み深さに変化が生じることが考えられる。これを防止
するには、この一時的に逆極性の供給電力を大にする期
間の前または後の少なくとも一方における正極性期間に
供給される電流値または期間を第２図に示すようにこれ
に応じて大とすると、正極性の占める比率の変化を少な
くすることができる。

第３図は、本発明の溶接方法を実施する装置の例を示
す接続図である。同図において１は交流電源であり、単
相または三相の商用交流電源が用いられる。２は出力調
整回路であり、交流電源１からの電力を一旦整流して直
流とし、外部からの出力制御信号に応じてパルス幅制御
を行う高周波インバータ回路によって高周波交流とした
後に変圧器にてアーク溶接に適した電圧に変換し、その
後に再度整流して直流出力を得る公知の回路が用いられ
る。３は出力平滑用直流リアクトル、4aないし4dはブリ
ッジ接続された出力極性切替用のスイッチング素子であ
り、通常トランジスタが用いられる。５は溶接用トーチ
に設けられた電極、６は被溶接物、７は出力電流検出器
であり、溶接電流に比例した直流信号を出力する。８は
バイナリカウンタ、9sは正極性期間計数用のタイマ、9r
は逆極性期間計数用のタイマであり、それぞれトリガ端
子Ｔの入力信号が立下ったときから時間設定器10s,10r
または10cの設定に応じた時間だけ出力端子Ｑにハイレ
ベル信号を出力する。11s,11r,11cはそれぞれ正極性電
流Ispの設定器、逆極性電流Irpの設定器および一時的に
大にするときの逆極性電流Icの設定器であり、12ないし
14はアナログスイッチ、15はNAND回路、16はスイッチン
グ素子駆動回路であり、タイマ9rの出力ｂがハイレベル
の間はスイッチング素子4a,4bを導通させ、逆にタイマ9
rの出力ｂがローレベルの間はスイッチング素子4c,4bを
導通させる信号jr,jsを出力する。17は比較回路であ
り、アナログスイッチ14の出力eoと出力電流検出器７の
出力efとの差信号Δｅ＝eo−efを出力調整回路２に対し
て出力電流指令信号として供給する。同図の装置におい
て、バイナリカウンタ８のQn出力がローレベル（以下Ｌ
と略記する）の間はアナログスイッチ12,13はそれぞれ
ｒ側にあり、またタイマ9rの出力ｂがＬのときはアナロ
グスイッチ14はｓ側にあり、各信号がハイレベル（以下
Ｈと略記する）となると反転するものとする。またバニ
ナリカウンタ８はクロック端子CRに入力信号が到来する
たびに１カウント計数し、かつクリア端子CLの入力信号
の立下りによって初期状態（QoないしQn各端子がすべて
Ｌ）に戻るものとする。

第３図の装置の動作を第４図に従って説明する。第４
図（ａ）ないし（ｈ）は、第３図中に示した各ａないし
ｈ点の信号の変化の様子をそれぞれ示す線図である。

第３図および第４図においてバイナリカウンタ８の出
力QnがＬの間は、タイマ9rはアナログスイッチ12のｒ側
から供給される逆極性期間設定器10rによって定まる時
間だけＨとなる信号ｂを出力し、スイッチング素子駆動
回路16を経て信号jrとなり、スイッチング素子4a,4bを
導通させる。この結果、第４図（ａ）に示すように電極
５から被溶接物６に向って流れる逆極性電流Irpが流れ
る。タイマ9rの設定時限が終了して信号ｂがＨからＬに
変化すると、信号jrもＨからＬとなり、スイッチング素
子4a,bは遮断する。一方、信号6bの立下りによってタイ
マ9sが起動し、信号ｃがＨとなってバイナリカウンタ８
が１カウント前進する。また信号ｂの立下りによってス
イッチング素子駆動回路16の出力信号jsがＨとなり、ス
イッチング素子4c,4dが導通する。これによって溶接電
流Ioは逆極性から正極性に反転する。タイマ9sは正極性
期間設定器10sによって設定された時限が経過したとき
に出力信号ｃがＨからＬとなり、これによって、タイマ
9Rrが再び時限を開始し、出力信号ｂがＨに反転し、こ
れによってスイッチング素子4c,4dが遮断し、スイッチ
ング素子4a,4bが導通して逆極性電流が流れるもとの状
態に戻る。これらの間において信号ｂがＨの間はアナロ
グスイッチ14がｒ側となり、信号ｂがＬの間はｓ側とな
るのでスイッチング素子4a,4bが導通している逆極性の
期間は（アナログスイッチ13がｒ側であるので）出力電
流設定器11rの出力が基準信号eoとしての出力電流検出
器７の出力信号efと比較されて差信号Δｅ＝eo−efが出
力調整回路２に供給されて出力電流が設定値になるよう
にフィードバック制御される。また信号ｂがＬになる正
極性期間は、アナログスイッチ14がｓ側にかわり、出力
電流設定器11sの出力が基準信号eoとなって検出信号ef
と比較される。この結果、逆極性期間は出力設定器11r
の設定値に、また正極性期間は出力設定器11sの設定値
に対応した出力電流が得られることになる。この正極性
期間信号ｃがＨになる回数がバイナリカウンタ８の設定
値に達すると、端子Qnの出力がハイレベルとなる。そし
て、アナログスイッチ12および13がｒからｃに切りかわ
る。この結果、これに続く正極性期間の終り、即ち次の
逆極性期間においては逆極性期間設定器10rにかわって1
0cが有効となり、また逆極性電流設定器11rにかわって1
1cが有効となって、これらによって定まる期間の長さと
電流値の逆極性期間が開始される。この逆極性期間の終
了によって信号ｂがＨからＬになると、タイマ9sが起動
して信号ｃがＨとなり、これによってバイナリカウンタ
８が１ステップ進み、端子QoもＨとなる。この結果、NA
ND回路15の出力はＨからＬになり、これによってバイナ
リカウンタ８は初期状態、即ちQoないしQnのすべてがＬ
となる。これによって信号ｄはＬとなり、アナログスイ
ッチ12および13はｒ側に戻り、再び通常の逆極性期間と
電流設定に戻る。ここで逆極性期間設定器10rの設定値T
rpと10cの設定値Tcとの関係をTrp＜Tcとし、また逆極性
電流設定器11rの設定値Irpと11cの設定値Icとの関係をI
rp＜Icとすれば、第４図（ａ）に示すように正極性と逆
極性を所定回数（2ⁿ回）だけくりかえしたときに、逆極
性期間における出力が１回だけ大きくなるようにするこ
とができる。

なお、本発明の溶接方法は、交流アーク溶接を行うに
際して一定間隔で逆極性の電力を他の期間におけるより
も大なる電力となる期間を設けることによって非消耗性
電極に対する入熱を一時的に大とすることによって電極
の先端の変形を修正するものであるので、電流波形は例
示のように矩形波状に限るものではなく、正弦波状、台
形波状、三角波状など何ら制限はなく、また一時的に大
とする逆極性時の電力を供給するためには、その期間の
みを大とするもの、電流値のみを大とするもの、あるい
はこれらの両方を共に大とするもののいずれでも本発明
の目的を達成することができる。

＜発明の効果＞ 本発明の溶接方法によるときは、酸化物入りタングス
テンを交流アーク溶接に用いたときに発生する電極先端
の変形が大きく成長しない間に修正されるので、アーク
の片寄りが発生したり、アークが不安定になったりする
ことがない。このため、従来は交流アーク溶接では用い
ることができなかった酸化物入りタングステン電極を使
用することが可能となり、酸化物入りタングステン電極
の有する優れたアークの起動性および耐消耗性を十分に
活用することができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の溶接方法に用いる電流波形の例を示す
線図、第２図は別の例を示す線図、第３図は本発明の溶
接方法を実施する装置の例を示す接続図、第４図は第３
図の装置の動作を説明するための線図、第５図は従来の
溶接方法を行ったときの電極の先端形状の変化の様子を
示す図である。 １……交流電源、２……出力調整回路、 4aないし4d……スイッチング素子、 ５……電極、６……被溶接物、７……出力電流検出器、 ８……バイナリカウンタ、9r,9s……タイマ、 10r,10s,10c……期間設定器、 11r,11s,11c……電流設定器、 12,13,14……アナログスイッチ、 15……NAND回路、 16……スイッチング素子駆動回路、 17……比較回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−26278（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−2571（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−127168（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−75471（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−248777（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−215468（ＪＰ，Ａ) 特公 昭54−44253（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 9/167 B23K 9/073 B23K 35/32

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】非消耗性電極を用い正極性期間と逆極性期
   間の比があらかじめ定めた比で繰り返えされる交流アー
   ク溶接方法において、前記非消耗性電極に酸化物入りタ
   ングステン電極を用い、溶接電源として逆極性時の逆極
   性電流値または逆極性期間の少なくとも一方が調整可能
   な溶接電源を用いるとともに、前記正極性期間と逆極性
   期間を繰り返しながら、あらかじめ定めた一定時間毎
   に、前記逆極性電流値または逆極性期間の少なくとも一
   方により電極の先端の変形を修正する値の逆極性電流値
   及び逆極性期間の少なくとも一方を、一時的に定常溶接
   時よりも大にして溶接する非消耗性電極交流アーク溶接
   方法。
2. 【請求項２】前記逆極性電流値または逆極性期間が定常
   溶接時より大となる逆極性期間に前後する正極性期間の
   正極性電流値または正極性期間の少なくとも一方が前記
   逆極性期間の変化量に対応して増加する電流波形とした
   請求項１に記載の非消耗性電極交流アーク溶接方法。