JP3327457B2 - パルスアーク溶接方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＭＩＧパルス溶接
方法等の消耗電極式パルスアーク溶接方法、ＴＩＧパル
ス溶接方法等の非消耗式パルスアーク溶接方法等のパル
スアーク溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】発明者らは、溶融池を固有振動数に合わ
せて振動させることにより、溶融池に含有される気泡
（ブローホール）を外部に排出したり、溶融金属の結晶
を微細化したりしつつ行う鋼材のアーク溶接方法を提案
した（特開平６−２８５６４３号公報、「ＴＯＹＯＴＡ
Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ」ｖｏｌ．４５
Ｎｏ．１ Ｍａｙ１９９５ 第１１６〜１２５頁）。

【０００３】このアーク溶接方法、例えばＭＩＧパルス
溶接方法では、溶接電源の設定により、図１２（ａ）に
示すように、電流波形として、高く狭い第１パルスＰ１
の群と、低く広い第２パルスＰ２の群とを用いる。つま
り、第１パルスＰ１のピーク電流ＩＨは第２パルスＰ２
のピーク電流ＩＬより大きく、第１パルスＰ１のパルス
時間ｔＨは第２パルスＰ２のパルス時間ｔＬより短い。
また、ワイヤ送給装置の設定により、図１２（ｂ）に示
すように、ワイヤ送給速度を一定とし、アーク長の変動
を抑える。このとき、第１パルスＰ１及び第２パルスＰ
２の１パルスの周期はともにＴＰとする。また、図１３
に示すように、母材１に対する溶接ワイヤ２からは１パ
ルスで１滴の溶滴２ａが生じるようにしている（１パル
ス１溶滴移行条件）。そして、図１２（ａ）に示すよう
に、第１パルスＰ１の群を通電する時間ＴＨと第２パル
スＰ２の群を通電する時間ＴＬとの切り替えを数十Ｈｚ
のうねり周期Ｔｗで規則的に繰り返すようにする。ここ
で、図１３に示すように、うねり周期Ｔｗが母材１に生
じる溶融池４の固有振動数に合えば溶融池４における溶
接線の前後方向（紙面の左右方向）の振動が増幅され、
うねり周期Ｔｗが溶融池４の固有振動数と不一致であれ
ば溶融池４における前後方向の振動が区々となる。

【０００４】このため、かかるＭＩＧパルス溶接方法で
は、溶融池４の固有振動数に合ったうねり周期Ｔｗに応
じてアーク３の電磁力を規則的に変化させることによ
り、溶融池４を溶接線の前後方向に振動させる。このた
め、溶融池４内の気泡６は、矢印で示す溶融金属の流れ
により浮力が積極的に働き、外部に浮き上がろうとす
る。また、溶融金属の結晶が溶融金属の流れにより微細
化される。

【０００５】こうして、このＭＩＧパルス溶接方法で
は、溶融池４内の気泡６を外部に排出することができ、
また溶融金属の結晶を微細化でき、気孔欠陥等のない良
好な溶接品質の溶接部を得ることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、溶接中には、
母材１を支持する治具等が不可避的に微小に振動し、そ
の振動により母材１も微小に振動する。この点、上記パ
ルスアーク溶接方法では、かかる母材１の微小な振動等
による外乱がなければ、溶接電源の設定によりアーク３
の電磁力をうねり周期Ｔｗに応じて規則的に変化させる
だけで良好な溶接品質の溶接部を得ることができるもの
の、外乱のみによっても溶融池４が固有振動数に応じて
振動するため、うねり周期Ｔｗによる溶融池４の振動と
外乱による溶融池４の振動との位相がずれた場合には、
それらによる振動が互いに干渉し合い、溶融池４の全体
的な振動が減衰してしまう。この場合、溶融池４内の気
泡６が効果的に外部に排出されなかったり、溶融金属の
結晶を効果的に微細化できなかったりすることとなり、
気孔欠陥等のある溶接部を得るおそれがある。

【０００７】また、溶接電源による入熱条件が不可避的
に変化してしまう場合もある。この場合、溶融池４の容
量が変化することとなるため、これに伴って溶融池４の
固有振動数が変化する。こうして、溶融池４の固有振動
数が異なってしまう場合、良好な溶接品質の溶接部を得
るためには、実際には測定不能な溶融池４の固有振動数
に合わせてうねり周期Ｔｗを個別に設定し直す等、溶接
電源による電流波形を設定し直さなければならない。か
かる操作は試行錯誤的な煩雑なものであり、現実には複
雑な形状の部品をこうして溶接することは非常な困難を
伴う。

【０００８】さらに、入熱条件が同じであっても、母材
１を構成する継手の形状が異なると、溶融池４の形状も
変化し、これに伴って溶融池４の固有振動数も変化する
ため、同様の不具合を生じる。本発明は、上記実状に鑑
みてなされたものであって、外乱等による環境変化があ
ったとしても、気孔欠陥等のない良好な溶接品質の溶接
部を確実かつ容易に得ることのできるパルスアーク溶接
方法を提供することを解決課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のパルスアーク溶
接方法は、溶融池を固有振動数に合わせて振動させるこ
とにより、該溶融池に含有される気泡を外部に排出しつ
つ又は溶融金属の結晶を微細化しつつ行うパルスアーク
溶接方法において、前記溶融池の振動の位相を検知して
アークの電磁力を大きくすることを特徴とする。

【００１０】本発明のパルスアーク溶接方法では、うね
り周期による溶融池の振動と、母材の微小な振動等の外
乱による溶融池の振動との位相がずれ、それらによる振
動が互いに干渉し合って溶融池の全体的な振動が減衰し
ようとしても、その際に溶融池の振動の位相を検知して
アークの電磁力を大きくする。また、入熱条件の変化や
継手の形状変化があり、それらにより溶融池の固有振動
数が異なってしまっても、その際に溶融池の振動の位相
を検知してアークの電磁力を大きくする。この場合、溶
融池の固有振動数に合ったうねり周期を個別に設定し直
す等、溶接電源による電流波形を設定し直す必要がな
い。

【００１１】こうして、このパルスアーク溶接方法で
は、溶融池の全体的な振動の減衰を抑制し、ひいては溶
融池の全体的な振動を増幅するため、溶融池内の気泡は
外部に確実に浮き上がり、溶融金属の結晶は確実に微細
化される。したがって、本発明のパルスアーク溶接方法
によれば、外乱等の環境変化があったとしても、気孔欠
陥等のない良好な溶接品質の溶接部を確実かつ容易に得
ることができる。

【００１２】溶融池の振動の位相を検知する手段として
は、溶融池の振動によって溶接ワイヤが溶融池と接触す
るようにし、それによって生じる短絡を溶接電流や溶接
電圧の変化として検知する手段を採用し得る。また、他
の手段として、溶融池の振動によって生じるアーク長の
変化を溶接電圧の変化として検知する手段も採用し得
る。

【００１３】アークの電磁力を大きくする手段として
は、次のいづれかを少なくとも一つ以上用いることがで
きる。 １．第１パルス又は第２パルスとして、溶接部に溶融池
を確保するピーク電流と、ピーク電流より入熱の小さい
ベース電流とを用いる場合、溶接ワイヤの溶滴に移行す
るピーク電流や溶接電極によるピーク電流の電流又は電
圧を大とする。

【００１４】２．上記ピーク電流の１パルスの幅を大と
する。 ３．第１パルスの群を通電する時間を長くする。 ４．トーチの先端でのワイヤ送給速度を大とする。 ５．トーチの高さを低くする。 ６．トーチを溶接線の後方に移動する。

【００１５】７．溶接ワイヤや溶接電極の先端が溶接線
の後方に向くようにトーチの角度を後退角にする。 上記１〜７の手段では溶融池を溶接線の前後方向に振動
させることとなり、こうして溶融池を溶接線の前後方向
に振動させることが好ましい。また、溶融池の振動の位
相を検知する手段として上記短絡を採用する場合、アー
クの電磁力は、検知の後、遅延時間を経て大きくするこ
とが好ましい。これは、溶融池の振動の状態によっては
その後もアークの電磁力が働く溶融池の表面が上昇する
場合もあり、その際にすぐにアークの電磁力を大きくし
ても、溶融池の全体的な振動を増幅しにくいからであ
る。このため、遅延時間は、溶融池がその容量に応じて
もつ固有振動数による周期のほぼ半分を上限とする期間
である。固有振動数は溶融池の長さ、幅、深さ、溶融金
属の粘度や表面張力等の影響を受けるので、一定の数値
にはならないが、一般には数Ｈｚから数十Ｈｚの場合が
多い。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した実施形
態１〜８を図面を参照しつつ説明する。 （実施形態１）実施形態１では、図１（ａ）に示す電流
波形の入熱条件及び図１（ｂ）に示すワイヤ送給速度で
ガスシールドＭＩＧパルス溶接方法を実行する。

【００１７】すなわち、溶接電源の設定により、高く狭
い第１パルスＰ１の群と低く広い第２パルスＰ２の群と
を用いる。また、ワイヤ送給装置の設定により、ワイヤ
送給速度を一定とし、アーク長の変動を抑える。ここ
で、図２に示すように、一定のワイヤ送給速度と対応し
て平均電流Ａ０を定めた場合、第１パルスＰ１の群の平
均電流値Ａ１は平均電流Ａ０より大きく、第２パルスＰ
２の群の平均電流値Ａ２は平均電流Ａ０より小さくす
る。また、設定ではうねり周期Ｔｗが溶融池の固有振動
数に合うようにしている。

【００１８】また、溶接電源と接続されたＭＩＧパルス
用トーチは溶接ロボットに把持されており、トーチには
図３に示す溶接ワイヤ２がワイヤ送給装置により送給可
能に設けられている。この実施形態１の方法では、溶融
池４が全体的に振動する。そして、第２パルスＰ２の群
を通電中、溶接ワイヤ２が溶滴２ａを落下させる速度よ
りもワイヤ送給速度の方が大きくなっているので、図３
（Ａ）に示すように、溶融池４における溶接ワイヤ２の
直下の表面が上昇する際に溶接ワイヤ２が溶融池４と接
触し、短絡Ｓがほぼ定期的に生じる。かかる短絡Ｓは溶
接電流や溶接電圧の変化として検知される。

【００１９】このため、仮に母材１を支持する治具等が
不可避的に微小に振動し、その振動により母材１が微小
に振動することにより、うねり周期Ｔｗによる溶融池４
の振動と、母材１の微小な振動による溶融池４の振動と
の位相がずれ、それらによる振動が互いに干渉し合って
溶融池４の全体的な振動が減衰しようとしても、その際
には溶融池４の振動の位相を検知してアーク３の電磁力
を大きくする。

【００２０】すなわち、短絡Ｓを検知した後から遅延時
間Δｔ１が経過するまで待機し、溶融池４における溶接
ワイヤ２の直下の表面が下降過程に入ったら、図３
（Ｂ）に示すように、溶接電源の入熱条件に変更を加え
る。ここでは、仮に第２パルスＰ２の群の通電中であっ
ても、ピーク電流を大きくした第１パルスＰ１をΔｔ２
時間だけ通電する。

【００２１】また、仮に入熱条件の変化や継手の形状変
化があり、それらにより溶融池４の固有振動数が異なっ
てしまっても、その際に溶融池４の振動の位相を検知し
てアーク３の電磁力を大きくする。この場合、溶融池４
の固有振動数に合ったうねり周期Ｔｗを個別に設定し直
す等、溶接電源による電流波形を設定し直す必要がな
い。

【００２２】こうして、この実施形態１の方法では、図
３（Ｃ）に示すように、アーク３が大きな電磁力で溶融
池４を押すため、溶接ワイヤ２直下の溶融池４の表面が
下降し、溶融金属全体が後方へ流される。その速度は溶
融金属の容積や粘度の影響を受ける。その際、溶融池４
の底部においても後方への湯流れが生じる。なお、図３
（Ｄ）に示すように、第１パルスＰ１をΔｔ２時間通電
した後、溶融池４の固有振動数による周期の半分で溶融
金属は反動で逆に流れる。その際、駆動力となるのが溶
融金属の表面張力と重力であり、抵抗となるのが溶融金
属の粘性である。こうして、溶融池４の全体的な振動の
減衰を抑制し、ひいては溶融池４の全体的な振動を増幅
する。このため、溶融池４内の気泡は外部に確実に浮き
上がり、溶融金属の結晶は確実に微細化される。

【００２３】この後、溶接電源の入熱条件を元に戻し、
溶接を継続する。そして、かかる一連の動作を繰り返
す。したがって、この実施形態１の方法によれば、外乱
等の環境変化があったとしても、気孔欠陥等のない良好
な溶接品質の溶接部を確実かつ容易に得ることができ
る。

【００２４】なお、実施形態１のようにΔｔ２時間だけ
ピーク電流が高くなると、平均電流が高くなり、溶接ワ
イヤ２の溶融量が大となり、好適な溶接品質を得るため
の１パルス１溶滴移行条件を損なうこととなりやすい。
このため、この場合において、溶接ワイヤ２の溶融量の
変動を小さくするため、パルスの面積が小さくならない
程度に同時にパルス時間を小さくしてもよい。 （実施形態２）実施形態１において、図４に示すよう
に、第２パルスＰ２の群の平均電流値Ａ２が平均電流Ａ
０より大きくなってしまう場合がある。例えば、設定の
過誤、入熱条件の変化又は継手の形状変化の場合であ
る。この場合、第２パルスＰ２の群を通電中であって
も、溶接ワイヤ２が溶滴２ａを落下させる速度よりワイ
ヤ送給速度の方が大きいという訳ではないため、短絡Ｓ
が生じないこととなる。

【００２５】このため、実施形態２の方法では、図５に
示すように、第２パルスＰ２の群の平均電流値Ａ２を時
間の経過とともに小さくすることとしている。他の構
成、条件等は実施形態１の方法と同様である。こうすれ
ば、第２パルスＰ２の群を通電中、溶接ワイヤ２が溶滴
２ａを落下させる速度が次第に小さくなり、短絡Ｓを確
実に生じさせることができる。

【００２６】したがって、実施形態２の方法では、設定
の過誤等があっても、実施形態１の方法と同様の作用効
果を奏することができる。 （実施形態３）実施形態３では、図６に示すように、ピ
ーク電流を高くする代わりに、ピーク電流の１パルスの
周期ＴＰを大としている。他の構成、条件等は実施形態
１の方法と同様である。

【００２７】この実施形態３の方法では、１パルスの幅
の拡大に応じてアーク３の電磁力すなわち溶融池４の表
面を押し下げる力が大となる。したがって、この実施形
態３の方法においても実施形態１の方法と同様の作用効
果を奏することができる。 （実施形態４）実施形態４では、図７に示すように、ピ
ーク電流を高くする代わりに、ピーク電流の群を通電す
る時間ＴＨを短くしている。他の構成、条件等は実施形
態１の方法と同様である。

【００２８】この実施形態４の方法では、パルス数が増
加してアーク３の電磁力が大となる。したがって、この
実施形態４の方法においても実施形態１の方法と同様の
作用効果を奏することができる。 （実施形態５）実施形態５では、図８（Ａ）、（Ｂ）に
示すように、ピーク電流を高くする代わりに、トーチ８
の先端から溶接ワイヤ２を下方に送給する送給ローラ１
０ａによるワイヤ送給速度を大としている。他の構成、
条件等は実施形態１の方法と同様である。

【００２９】この実施形態５の方法では、アーク３の電
磁力の作用が溶接ワイヤ２の直下の溶融池４の表面に集
中する。また、この場合、溶接ワイヤ２の溶融を促進す
るように溶接電源の自己制御作用が働き、電流が増加す
るため、アーク３の電磁力が大となる。したがって、こ
の実施形態５の方法においても実施形態１の方法と同様
の作用効果を奏することができる。 （実施形態６）実施形態６では、図９（Ａ）、（Ｂ）に
示すように、ピーク電流を高くする代わりに、トーチ８
の高さを小としている。他の構成、条件等は実施形態１
の方法と同様である。

【００３０】この実施形態６の方法では、実施形態４の
方法と同じく、アーク３の電磁力を溶接ワイヤ２の直下
の溶融池４の表面へ集中するとともに、溶接電源の自己
制御作用によるアーク３の電磁力増大の効果が得られ
る。したがって、この実施形態６の方法においても実施
形態１の方法と同様の作用効果を奏することができる。 （実施形態７）実施形態７では、図１０（Ａ）、（Ｂ）
に示すように、ピーク電流を高くする代わりに、トーチ
８を後方に移動させている。他の構成、条件等は実施形
態１の方法と同様である。

【００３１】この実施形態７の方法では、アーク３の電
磁力で溶融池４を凹ます位置に溶接ワイヤ２をずらすこ
とによって、後方への湯流れを引き起こすことができ
る。したがって、この実施形態７の方法においても実施
形態１の方法と同様の作用効果を奏することができる。 （実施形態８）実施形態８では、図１１（Ａ）、（Ｂ）
に示すように、ピーク電流を高くする代わりに、トーチ
８を後退角とし、先端側を後方へ向けている。他の構
成、条件等は実施形態１の方法と同様である。

【００３２】この実施形態８の方法では、アーク３の電
磁力によって溶融金属を後方へ押しやることができる。
したがって、この実施形態８の方法においても実施形態
１の方法と同様の作用効果を奏することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態１の方法に係り、溶接電源に設定する
入熱条件である電流波形及びワイヤ送給速度を示す模式
図である。

【図２】実施形態１の方法に係り、平均電流を示す模式
図である。

【図３】実施形態１の方法による電流波形、電圧波形及
び溶接部の模式断面図である。

【図４】過誤等による平均電流を示す模式図である。

【図５】実施形態２の方法に係り、平均電流を示す模式
図である。

【図６】実施形態３の方法による電流波形及び電圧波形
である。

【図７】実施形態４の方法による電流波形及び電圧波形
である。

【図８】実施形態５の方法によるトーチ及び溶接部の模
式断面図である。

【図９】実施形態６の方法によるトーチ及び溶接部の模
式断面図である。

【図１０】実施形態７の方法による溶接ワイヤ及び溶接
部の模式断面図である。

【図１１】実施形態８の方法による溶接ワイヤ及び溶接
部の模式断面図である。

【図１２】従来の方法に係り、溶接電源に設定する入熱
条件である電流波形及びワイヤ送給速度を示す模式図で
ある。

【図１３】従来の方法による溶接部の模式断面図であ
る。

【符号の説明】

２…溶接ワイヤ ４…溶融池 ６…気泡 Ｓ…短絡 ３…アーク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 9/09 B23K 9/08 B23K 9/167 B23K 9/173

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】溶融池を固有振動数に合わせて振動させる
   ことにより、該溶融池に含有される気泡を外部に排出し
   つつ又は溶融金属の結晶を微細化しつつ行うパルスアー
   ク溶接方法において、 前記溶融池の振動の位相を検知してアークの電磁力を大
   きくすることを特徴とするパルスアーク溶接方法。