JP4538616B2 - アーク溶接方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、アーク溶接方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、開先アーク溶接施工において、溶接トーチ位置をアーク軸方向へ上下揺動することによって溶接ワイヤのアーク発生点（溶接ワイヤ先端）を上下方向へ揺動させ、この上下揺動と溶接パルス電流間の位相差を制御することによって母材開先面でのアーク熱密度分布を自在に制御することを特徴とした高能率で高品質な溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
従来より、アーク溶接においては、Ｖ，Ｋ，レ型等および狭開先溶接継手の狹隘間隙部（開先底部）での融合不良などの溶接欠陥を防ぐためにその開先底部に十分なアーク入熱を投与することが必要であることが知られている。だが、開先の底部を十分に溶融するために大入熱アーク溶接法を用いると溶接時の熱による溶接継手部での金属学的な特性劣化や溶接変形が問題となる。これらの問題を解決するため、開先内でアーク熱の分散化と集中化を適切に制御することが不可欠である。
【０００３】
しかしながら、従来においては、各種の工夫が試みられているものの、アーク熱分布を自在に制御することは容易ではなく、この制御を可能として高能率で高品質な溶接を行うことは依然としてアーク溶接法の大きな課題になっていた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで、この出願は、上記のとおりの課題を解決するために、第１の発明として、ワイヤ消耗電極方式によるアーク溶接において、溶接トーチの位置を周期的にアーク軸方向で上下揺動することによって溶接ワイヤのアーク発生点を上下方向へ揺動させ、この上下揺動とアーク電流特性の変更時との位相差を制御することによって開先内に任意のアーク熱密度分布を形成して溶接することを特徴とする消耗電極式のアーク溶接方法を提供する。
【０００５】
そして、この第１の発明に関し、この出願は、第２の発明として、アーク電流特性として溶接パルス電流との位相差を制御する方法を、第３の発明として、アーク電流特性として電気量を変化させて直流アーク溶接を行う方法を、第４の発明として、アーク電流特性として溶接ワイヤの極性を変化させて交流アーク溶接を行う方法を、第５の発明として、アーク電流特性として電流波形を変化させてアーク溶接を行う方法を提供する。
【０００６】
すなわち、以上のとおりこの出願の発明では、溶接トーチをアーク軸方向に揺動することを最も本質的な特徴としている。なお、ここで「アーク軸方向」とは、ワイヤの長さ方向と言い換えてもよい。また、溶接トーチの前記の揺動は、原則的に溶接ワイヤの送給速度が一定であることを前提として揺動することを意味している。
【０００７】
そしてまた、この出願の発明では、溶接トーチの位置の揺動に溶接パルス電流を協調させることにより、アーク入熱点（溶接ワイヤ先端）挙動範囲と移動速度を制御し、適切に開先底部へ熱エネルギーを投入しながら開先面のアーク熱密度分布を任意に形成することのできる消耗電極式アーク溶接方法としている。
【０００８】
以上のこの出願の発明の溶接方法では開先内の熱密度分布を適切に制御できるので、過大入熱を回避した母材の特性を損なわない組織保存型の溶接施工が可能となる。また、従来では施工が困難な開先幅１０ｍｍ以下の超狭開先の消耗式電極溶接（ＭＩＧ，ＭＡＧ，ＣＯ₂ ，ＳＡＷ）に有効である。また、溶接時の溶融領域や熱影響部を最小化できるので変形、残留、応力の低減にも効果が大きい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は以上のとおりの特徴をもつものであるが、以下に、詳しくこの発明の実施の形態について説明する。
まず、図１は、この発明の方法に用いることのできる溶接装置を例示したものである。この図１の装置においては、溶接電源（１）に接続されている溶接トーチ（２）と、この溶接トーチ（２）を介して消耗電極としての溶接ワイヤ（３）を送給するワイヤ送給装置（７）とを備えており、しかも、溶接トーチ（２）は、たとえば狭開先継手を形成する被溶接材（４）の開先内において発生されるアーク（５）の軸方向、つまり図１において、矢印で示した上下方向に揺動可能とされている。
【００１０】
ワイヤ送給装置（７）による溶接ワイヤ（３）の送給速度は原則として一定である。
従来の溶接方法においては、たとえば図１に示した被溶接材（４）の表面からの溶接トーチ（２）までの距離（Ｌ）が一定に保たれているが、この発明の溶接方法においては、溶接トーチ（２）が上下揺動するものとしているため、この距離（Ｌ）は一定でなしに変動することになる。
【００１１】
この発明の方法について例示説明するが、以下の説明においては、溶接条件（溶接入熱量：〜２５ｋＪ／ｃｍを想定）において、開先内を１溶接で開先底部から高さ約１０ｍｍまで溶着金属で埋めることを想定している。そこで、ワイヤ端の上下変動量は、少くとも５ｍｍ以上、最大で１０ｍｍ強を目標とし、この範囲で入熱密度分布を与えることとしている。
【００１２】
まず、図２は、溶接トーチの上下揺動の作用を、入力電圧が一定で、溶接電流が実質的に一定の場合について例示した図であるが、溶接トーチの揺動によって、ワイヤ端位置が開先底部にあっても入熱量を大きくすることができ、開先内の熱密度分布が制御されることがわかる。
さらに位相差を制御するこの発明の方法を従来法との比較として説明すると、たとえば、図３（ａ）は溶接トーチ（２）位置が一定な従来法における直流パルスアークを例示したものであるが、大電流時にワイヤ溶融量が大きくなりワイヤ端がＡ１からＡ２に上昇する。Ａ２に達した後にアーク電流を下げるとワイヤの溶融量が少なくなりワイヤ端がＡ３まで下がる。しかしこの開先底部で、アーク電流が低下するため入熱量は相対的に小さくなり、底部の溶融確保には不適当な状態となる。
【００１３】
一方、パルス周波数が低い（約１０Ｈｚ以下）場合におけるこの発明の方法を例示した図３（ｂ）の溶接トーチ位置を上下揺動する直流パルス溶接では、溶接トーチの位置を一定とせずに揺動可能としている。そして、この溶接トーチの位置揺動時とパルス発生時の位相差を制御することにより、ワイヤ端が開先底部にある時に大電流となるようにすることができる。これによって、開先底部の溶融確保が容易となる。
【００１４】
低周波（約１０Ｈｚ以下）のパルス溶接では、ワイヤ端のアーク発生位置は、溶接電源特性、溶接アーク電流・電圧波形、ワイヤ極性等の変化によって、制御可能であるが、溶接トーチ位置の揺動に応じて、これらの諸条件を協調させて変動するとき入熱分布を自在かつ効果的に制御することができる。
一方、高周波（約１０Ｈｚ以上）のパルス溶接では、パルス電流によるワイヤ溶融速度は平均化され、それによるアーク発生点の変動がほとんど無くなる。これによって、アーク発生点となるワイヤ溶融端の揺動は、溶接トーチの揺動とほぼ同じになる。このため、溶接トーチの揺動に位相を合わせて、溶接電流波形（入熱）を設定することで母材開先面への熱密度分布を自在に制御することができる。
【００１５】
図３（ｃ）は、パルス周波数が高い（約１０Ｈｚ以上）場合におけるこの発明の方法を例示したもので、溶接トーチ位置を上下揺動する直流パルス溶接で、トーチ位置揺動との位相を任意に設定し、かつパルス波形を任意に設定して、開先底部の溶融を確保しながら開先内に任意の熱分布を形成する。
基本的にこのような制御により、開先内のアーク熱密度分布を適正化でき、かつ制御性が高まる。
【００１６】
そこで、溶接トーチの位置変動とアーク電流特性の変更時との位相差を制御するこの発明の方法をより具体的に説明する。
図３（ａ）に示したように、溶接トーチ位置が一定でパルス電流を加えた状態ではパルス電流印加時にアーク発生端（ワイヤ端）は開先底部から上面へ移動状態にあり、開先底部にワイヤ端が存在する時点でパルスが発生していない。そのため、開先底部で充分なパルス入熱が投与されない。そこで、２．５Ｈｚの溶接トーチ位置揺動を基準として、電流波形が一定のパルス電流印加時の位相（θ）を変化した時のワイヤ端挙動をみてみる。すると図４（ａ）に示した位相差０、パルス周期０．４秒、溶接トーチ揺動周期０．４秒では、開先底部においてパルス入熱が投与されない。図４（ｂ）は同一条件で位相差のみ−π／４とした場合で、この場合もパルス入熱が効果的に開先底部に投与されない。位相差を−π／２とした図４（ｃ）の場合では、上記とは逆に開先底部のみに、全入熱が投与され、板厚方向に熱密度分布を設定することができない。図５（ａ）の位相差−３π／４の場合では、開先底部にパルス入熱が効果的に投与され、板厚方向に熱密度分布が設定できる。さらに図５（ｂ）の位相差−πの場合にも開先底部にパルス入熱が効果的に投与される。しかし図５（ｃ）の位相差−３π／２（π／２）では、再びパルス入熱が開先底部に効果的に投与できなくなることがわかる。
【００１７】
たとえば以上のように、位相差の制御が最適とされる（この例では、−３π／４および−π）ことによって、パルス入熱が効果的に開先底部に投与されることがわかる。
さらに、機械的に溶接トーチ位置を上下揺動する場合には、極短周期（周波数で約１０Ｈｚ以上）においてもトーチ位置の上下振幅が確保できる。図６は、パルス周波数およびトーチ揺動周波数を５０Ｈｚとした場合である。高周波パルス電流によるワイヤ溶融速度は平均化され、その変動がほとんど無くなり、アーク発生点となるワイヤ溶融端の揺動は、溶接トーチの揺動とほぼ同じになる。このため、溶接トーチ揺動に位相を図６のような設定（θ＝π）とし、溶接電流波形（入熱）を任意に設定することで母材開先面への熱密度分布を自在に制御できる。
【００１８】
また交流溶接の場合にも入熱密度を高めたい領域にワイヤ端が位置した時にワイヤ極性が正あるいは電流値を大に設定することで上記と同様の熱密度分布を制御できる。また以上の制御においては、高周波揺動により溶込み形状変動を抑制することが可能となる。
なお、交流アークの場合について例示すると、ワイヤ側が正の極性となるときに被溶接材が効果的に溶融できる。またワイヤ側が負の極性時には正の極性に比較してワイヤの溶融速度が大きくなることから、トーチ位置の揺動挙動とワイヤの溶融速度変動の相対関係によってワイヤ端位置が複雑に変化する。図７では、位相差π／４（ａ）、５π／８（ｂ）、５π／４（ｃ）の場合を示した。位相差３π／８が適正条件の場合で、ワイヤ端が開先底部に達したときにワイヤ側が正の極性となり（溶接電流が正のとき）、開先底部の溶融を確保できるようになる。
【００１９】
以上のとおりのこの発明によって、開先内の熱密度分布を自在に制御でき、通常Ｖ，レ，Ｋ型等開先内および開先幅１０ｍｍ以下の超狹開先内での開先底部の溶融確保とビード表面形状平滑化が同時に制御可能な溶接施工が行え、また、このことから過大な溶接入熱とならず母材の特性を損なわない組織保存型の溶接施工が可能となる。
【００２０】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、母材の開先面にアーク熱の分散化と集中化を自在に制御できる溶接システムが提供される。アークの入熱密度分布の制御を行うことによって、過大な溶接入熱となるのを抑制しながら母材溶融の確保を可能とする。また同時に、溶接時の熱密度を低減できるので、母材の特性を損なわない組織保存型の溶接施工が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】溶接装置の構成を例示した概要図である。
【図２】溶接トーチの揺動による作用を、入力電圧一定とした場合についてワイヤ端の挙動変化として示した図である。
【図３】従来法（ａ）と溶接トーチ位置揺動とパルス電流との位相制御（ｂ，ｃ）によるワイヤ端の挙動変化を示した図である。
【図４】実施例としての位相差が０（ａ），−π／４（ｂ），および−π／２（ｃ）の場合のワイヤ端の挙動変化を示した図である。
【図５】図４と同様に、位相差が−３π／４（ａ），−π（ｂ）および−３π／２，π／２（ｃ）の場合のワイヤ端の挙動を示した図である。
【図６】極短周期で、位相差がπの場合のワイヤ端の挙動を示した図である。
【図７】交流溶接について例示した図である。
【符号の説明】
１ 溶接電源
２ 溶接トーチ
３ 溶接ワイヤ
４ 被溶接材
５ 溶接アーク
６ 溶融金属
７ ワイヤ送給装置

Claims (5)

1. ワイヤ消耗電極方式によるアーク溶接において、被溶接材の開先において、溶接トーチの位置を周期的にアーク軸方向で上下揺動することによって溶接ワイヤのアーク発生点を上下方向へ揺動させ、この上下揺動とアーク電流特性の変更時との位相差を制御することによって開先内に任意のアーク熱密度分布を形成して溶接することを特徴とする消耗電極式のアーク溶接方法。
2. アーク電流特性として溶接パルス電流との位相差を制御することを特徴とする請求項１の消耗電極式のアーク溶接方法。
3. アーク電流特性として電気量を変化させて直流アーク溶接を行う請求項１または２の溶接方法。
4. アーク電流特性として溶接ワイヤの極性を変化させて交流アーク溶接を行う請求項１または２の溶接方法。
5. アーク電流特性として電流波形を変化させてアーク溶接を行う請求項１ないし４のいずれかの溶接方法。

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