JP5036979B2 - 芯入り電極使用の交流溶接方法 - Google Patents
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Description
本発明の主要な目的は、アーク長さを減少させ、そして溶接金属のコンタミを起こさせる機械的物理的な性質を減少させるために減少した電圧RMSをもっている、芯入り電極でのAC溶接の使用方法を提供することである。
これらの及び他の目的と利点は添付の図面を参照して以下の記載を読めば明らかとなるであろう。
1.(a)第一の形状でそして第一の時間をもつ正の波形を形成し(b)第二の形状でそして第二の時間をもつ負の波形を形成し、(c)該第一及び第二の形状の片方を該形状の他方の大きさよりも大きくし、そして(d)該第一及び第二の時間の相関割合(percentage relationship)を調節して与えられたレベルよりも低いRMSを得ることを特徴とする芯入り電極使用のアーク溶接方法。
2.該与えられたレベルが設定されたアーク安定性レベル以上である1記載の方法。
3.該芯入り電極が芯中のアルミニウム含有量が10%以下、好ましくは5%以下、さらに好ましくは2%以下、最も好ましくは実質的に0%である1又は2の方法。
4.該正の波形が該負の波形より大きい1−3の方法。
5.該相関割合が50%以下である4の方法。
7.該負の波形が該正の波形より大きい1−3の方法。
8.該相関割合が30%より大きい7の方法。
9.該波形が電圧波形である1−8の方法。
10.該波形が電流波形である1−8の方法。
12.該スラグ系が、Al2O3:1−35%、MgO:10−40%、Fe2O3:5−20%、ZnO:0−20%、Li2O:0.5%を含む1−10の方法。
13.該芯がTiO2、Al2O3、Fe2O3及び/又はZrO2とMgOからなるスラグ成分を含む最終製品スラグのスラグ系をもつ1−12の方法。
14.該芯がアルミニウムを酸化させるための化合物粒子を含む1−13の方法。
15.さらに(e)波形発生器によって制御される短いパルスの連続によって該波形を形成している1−14の方法。
17.該正の形状が該負の形状よりも大きい16の溶接機。
18.該負の形状が該正の形状よりも大きい16の溶接機。
19.該波形が電圧波である16の溶接機。
20.該波形が波形発生器によって制御される短いパルスの連続からなる16の溶接機。
22.(a)正の部分と負の部分をもつ交流波を形成し、(b)該部分の片方を該部分の他方より大きくし、(c)該第一及び第二部分の相関割合を調節し、そして(d)与えられた量より大きな該正の部分と与えられた量より低い該相関割合をもつ操作モードを選択することからなる芯入り電極使用のアーク溶接方法。
(a)正の部分と負の部分をもつ交流波を形成し、(b)該部分の片方を該部分の他方より大きくし、(c)該第一及び第二部分の相関割合を調節し、そして(d)与えられた量より大きな該負の部分と与えられた量より高い該相関割合をもつ操作モードを選択することからなる芯入り電極使用のアーク溶接方法。
23.(a)第一の形状でそして第一の時間をもつ正の波形を形成し(b)第二の形状でそして第二の時間をもつ負の波形を形成し、(c)該第一及び第二の形状の片方を該形状の他方の大きさよりも大きくし、そして(d)大きな形状の時間が他方の形状の時間より実質上少なくなるように該第一及び第二の時間の相関割合を調節することからなる芯入り電極を使用するアーク溶接方法。
本発明で使用されている波形コントロールタイプを説明するために一般的な背景波形技術に転ずると、図1は溶接部署WSでアークとして交流を形成するための単一セル形態の単一電気溶接系Sを開示している。この系又はセルはパイプシームジョイントの形態又は他の溶接操作中で電極E及び作業片Wとつながっている出力ライン10、12を備えた第一のマスター溶接機Aを含む。ホール効果電流変換器14はライン16で溶接機Aの電流に比例する電圧を与える。溶接パラメーターのような短時間の臨界データは離れた中央制御18で生み出される。同様にして、従属溶接機Bは溶接部署WSを溶接するための付加的なAC電流に直結するためにライン10、12と並列に接続されているライン20、22を含む。ホール効果電流変換器24は溶接操作過程で溶接機Bでの電流レベルを具現する電圧をライン26で形成する。単一の従属制御装置又は従属溶接機Bが示されているが、電極Eと作業片Wを横断する交流を作り出すために、如何なる数の追加の溶接機をマスター溶接機Aと並列に接続してもよい。交流電流は極性切り替えネットワークに先立つ代わりに溶接部署で結合される。各溶接機はマスター制御器と動力源30の組み合わせ及び従属制御装置と動力源32の組み合わせのように示されている制御器と変換器ベースの動力源を含む。制御器30、32はパラメーターデータと同期データを比較的低レベルの論理回路から受け取る。パラメーター情報又はデータは各動力源が電流、電圧及び/又はワイヤー供給速度のような所望のパラメーターとして供給されるような特定の動力源である。低レベルのデジタル回路はパラメーター情報を与えることができるが、しかしながら、逆の極性をもつAC電流が同じ時間で生ずる。“同じ”時間は10μs以下の差異をもち好ましくはほぼ1−5μsの範囲の時間を示す。動力源30及び動力源32からのAC電流の厳密な整合性を達成するためには、切り替え点と極性情報は時間が正確でないような一般的な論理回路からは与えることができない。個々のAC動力源は、高速の、“ゲートウエイ”と呼ばれるより厳密なDC論理回路によって整合化される。図1に示すように、動力源30、32は、それぞれ42m、42sの二方向の線によって指示される必要な操作パラメーターとして与えられる。この時間に敏感でない情報は図1に示されるデジタル回路によって与えられる。マスター動力源30は、単一方向のライン40によってそのAC出力電流の制御器操作時間に指示されるような同期信号を受け取る。マスター動力源30のAC電流の極性はライン46によって指示されるように出力される。マスター動力源30のAC電流の実際の切り替え命令はライン44で出力される。切り替え命令は、変換器形態の動力源Sに“切断(kill)”、電流の劇的な減少を命令する。言い換えれば、これは極性を逆にする切り替え信号である。“切り替え点(switching points)”又はライン44上の命令は特許文献4に示される“切り替え点”を利用する“切断”及び電流逆転命令である。このように、時間的な切り替え点又は命令はライン44によって動力源30から出力される。切り替え点又は命令は低電流又は単に電流逆転点での切り替え準備(ready)信号によって伴われる“切断”動力源を含む。切り替え“準備(ready)”は変換器が設定電流以下となるまで実際に逆転しないために“切断”概念が遂行されるときに使用される。この概念は図16によりよく記載されている。制御器30の切り替え器の極性はライン46の論理を制御する。従属動力源32はライン44b上で切り替え点又は命令論理を受け取りそしてライン46bで極性論理を受け取る。これらの二つの論理信号は、ゲートウエイ50、変換ゲートウエイ、ゲートウエイ52、44a、46a上の受容ゲートウエイとして示される高度に正確な論理接点を介してマスター動力源と従属動力源間を連結させている。これらのゲートウエイは、ライン44b、46b上の論理がそれぞれライン44、46上の論理に時間的に近くなるように各動力源のための回路接点カードである。実際に、回路接点カード又はゲートウエイ50、52はこの論理を10μs以内そして好ましくは1−5μs以内に制御する。低精度回路は個々の動力源を、ゲートウエイ又は接点カードによって与えられるように示されているライン42m、42sを介して中央制御器18からのデータを制御する。これらのラインは、時間に敏感でなくそしてゲートウエイの精度特性を使用しない中央制御器18のような離れた領域からのデータを含む。逆転切り替えをタイミング良く行うための高度に正確なデータは回路接点カード50、52を介して連結されている論理信号を使用する。図1の系は単一のACアーク用の単一セルであるが、しかしながら、本発明は、パイプ溶接で見出される大きな隙間を満たすための二以上のACアークが形成されるようなタンデム電極に限定されない。しかしながら、背景の系はこの用途のために示されている。このように、第一電極用のマスター動力源30は、第一電極、即ちアーク1のための系Sのタイミング又は位相操作を決定する同期信号を受け取る。系Sは他の同一の系と一緒に同期出力84、86及び88によってアーク2、3、そして4を時系列的に発生させるために使用できる。この概念は概略、図5に示される。同期又は位相設定信号82−88はタンデム電極一個のみについて図1に示される。中央制御コンピューター及び/又はウエブサーバー60を含む情報ネットワークNは、幾つかの系における特定の動力源又はタンデム操作での異なった電極を制御するセルに関するデジタル情報又はデータを与える。インターネット情報62はローカル接続ライン70a、70b、70cをもつイーサネット(登録商標)ネットワークの形態でのローカルエリアネットワークに向けられる。同様の接続ラインはタンデム溶接操作のアーク2、3、そして4を形成する4個のセル内で使用される各動力源に向けられる。系又はセルSの記述は他の電極におけるそれぞれのアークに適用される。もしAC電流が使用されるなら、マスター動力源が使用される。或る場合には、単にマスター動力源が特定の同期信号セルと一緒に使用される。もし高電流が必要なら、系又はセルは、図1の系Sに関して記載されているようにマスター及び従属動力源の組み合わせを包含する。二以上のACアークは発生器80によって同期化される。しばしばDCアークがタンデム電極溶接操作のリード電極として使用され、二以上の同期化されたアークがそれに続く。DC動力源は同期化する必要が無く、極性論理及び切り替え点又は命令の厳密な接続も必要ない。いくつかのDC動力電極は正と負の間で切り替えられるが、しかしAC駆動電極の周波数とは異なる。アークの形成に拘わり無く、イーサネット(登録商標)又はローカルエリアネットワーク70は、タンデム電極操作で使用される種々の系の特定の動力源のために指名されたコード様式で同定されたパラメーター情報を含む。このネットワークはまた系が時間相関関係でオフセットがあるような幾つかのセル又は系のための同期信号を使用する。これらの同期信号は図1のライン40によって示されるようなマスター動力源によって解読及び受け入れられる。この場合、ACアークは時間基準のオフセットである。これらの同期信号はネットワークカード又はゲートウエイ50、52を通して切り替え点として厳密であることを必要としない。データネットワーク上の同期信号は可変パルス発生器80の形態でネットワーク接続によって受け止められる。発生器はライン84、86及び88においてオフセット同期信号を形成する。これらの同期信号はタンデム操作での分離電極のための個々の交流電流セルの相を定める。同期信号はインターフェース80によって発生することができ又は実際にネットワーク70を介して発生器によって受け止められる。ネットワーク70は単に多くの同期信号パターンの遅れを形成するために発生器80を活性化する。また、発生器80は、もしそれがタンデム溶接操作で望ましいなら同期パルスの周波数によって個々のセルの周波数を変化させることができる。
精密なAC波形がプログラム700を使用することによって芯入り電極用に得られる。この“描写された”AC波形は図1−16に示される技術を使用して特定の芯入り電極で調和的に働く。
前の節で示したように、波形技術を使用するタイプの電気溶接機は図28に示される電極1000のような芯入り電極を使用するAC溶接用に使用できる。そのような電極は、合金金属及びスラグ又はフラックス材料を含む特定の材料で形成された芯1004の周りの外側に鉄製鞘1002を含む。内部にフラックス又はスラグ材料をもつことによって、溶接操作過程での外部シールドガスを必要としない。芯1004に合金材料を含むことにより、作業片1010上の溶接金属パドル1012は精確な合金構成成分をもつように修飾する事ができる。これは、合金が溶接ワイヤーの実際の構成成分によって達成されなければならない固体溶接ワイヤーの代わりに、芯入り電極を使用する実質上の利点と理由である。溶接金属のための合金化の調整は固体溶接ワイヤーを使用するとき非常に困難であり、それゆえに、前の節で議論したように、芯入り電極を採用することは高性能溶接において非常に利点がある。アークARは鞘1002を熔かしそして構成成分又は芯1004内の充填物を本質的に同じになるように制御できる速度で熔かす。水素、窒素及び酸素のような、溶接金属1012のコンタミ成分は空隙の問題、溶接金属中のクラッキングやその他のタイプの物理的欠陥を引き起こす。このように、溶接プロセスを熔融した溶接金属からコンタミを排除するプロセスをデザインすることは挑戦的である。“キリング”剤、典型的には潜在的なコンタミ物質と化学的に結合して空隙の形成や溶接金属中への有害物の取り込みを防止するための、シリコン、アルミニウム、チタン及び/又はジルコニウムを使用するのが普通である。さらに、溶接金属から水素を取除くための薬剤を含む“スカベンジャー”もまた水素と反応させるために添加される。終始一貫して健全な溶接金属1012を沈積させるためには、展性や低温靭性のような溶接金属の性質に有害な量のそのようなキリング剤を加える必要がしばしばでてくる。このように、電極1000から作業片1010へ通過する金属のコンタミを防ぐためにアークAR中の熔融金属の曝露を減少させることが望ましく、そうすればキリング剤は最小化することができる。本発明は、AC波形の正及び負の形状が全体のアーク長さLAを減少させるために修飾されるような芯入り電極1000のためのAC溶接を使用することである。この方法においては、大気への曝露が少なくそして金属が熔融する過程の時間が短い。もちろん、アーク長さを減少させることによって、電極から溶接金属パドルへ移るときの熔融金属の温度も下げることができる。正及び負領域で異なった形状をもつAC溶接プロセスを実施できる溶接機を使用することによってのみ、芯入り電極でのAC溶接は現場で効果的に使用することができる。前節で説明したように、交互に変化する波形の正及び負部分のパラメーターは選択された電極1000のための鞘1002及び芯1004の両方を熔かすのを補償及び最適化するために独立に調節することができる。本発明は、正及び負部分の形状が独立に制御されるような芯入り電極でのAC溶接機及び溶接方法におけるさらなる改良に関する。本発明に従った波形制御技術はアーク安定性を維持しながらアーク長さLAを減少させる。このように、芯入り電極でのAC溶接プロセスを実施するための溶接機は、電気アーク溶接分野でこれまで知られていない又は使用されていない特定の方法を実施するために本発明に従って修正される。
第二の新規なスラグ系は以下の通りである。
この第二の新規なスラグ系は溶接金属中のアルミニウムレベルを制御しそしてテルミット反応を促進させるために酸化鉄を使用することによって酸化アルミニウム生成レベルを自発的に制御することを試みる。溶接金属中のアルミニウムレベルを制御することによって、ミクロ構造は許容し得る機械的性質を得るのに最適化される。この酸化物の多いスラグ系の酸化鉄はまた熔融金属の融点を低下させる助けとなる。これは電極を垂直上昇方向の位置からの溶接に適したものとする。
Claims (17)
- 芯入り電極を使用したアーク溶接方法であって、
(a)第一の時間をもつ正の第一の波形を形成し、
(b)第二の時間をもつ負の第二の波形を形成し、
(c)該第一の波形及び該第二の波形の一方の波形の振幅を他方の波形の振幅よりも大きくし、そして
(d)該第一の時間と該第二の時間との割合を調節して、該第一の時間と該第二の時間との合計に対する該第一の時間の比である波形バランス値を得て、
該第一の波形の振幅が、該第二の波形の振幅より大きいとき、該波形バランス値を小さくして、安定なアークを維持せしめ、又、
該第一の波形の振幅が、該第二の波形の振幅より小さいとき、該波形バランス値を大きくして、安定なアークを維持せしめるように構成し、
該波形バランス値は、設定されたアーク安定性レベル以上の値である基準のRMS値以下のRMS値を定義する、
ことを特徴とするアーク溶接方法。 - 該正の波形の振幅が該負の波形の振幅よりも大きいことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 該負の波形の振幅が該正の波形の振幅よりも大きいことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 該波形が電圧の波形であることを特徴とする請求項1記載の方法。
- 該波形が電流の波形であることを特徴とする請求項1記載の方法。
- 該電極の芯が実質的にアルミニウムを含まないことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 該電極の芯がTiO2、Al2O3、Fe2O3、ZrO2及びそれらの組み合わせ及びMgOからなる群から選択されるスラグ成分を含む最終製品スラグのスラグ系をもつことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 該電極の芯がアルミニウムを酸化させるための化合物粒子を含むことを特徴とする請求項1記載の方法。
- さらに、(e)波形発生器によって制御される短いパルスの連続によって該波形を形成していることを特徴とする請求項1記載の方法。
- 波形発生器を有するインバータと、
第一の時間をもつ正の第一の波形を形成するための該波形発生器への第一入力と、
第二の時間をもつ負の第二の波形を形成するための該波形発生器への第二入力とからなり、該第一の波形及び該第二の波形の一方の波形の振幅が、他方の波形の振幅よりも大きく、更に、
該第一の時間と該第二の時間との割合を調節して、該第一の時間と該第二の時間との合計に対する該第一の時間の比である波形バランス値を得るようにした回路とからなり、
該第一の波形の振幅が、該第二の波形の振幅より大きいとき、該波形バランス値を小さくして、安定なアークを維持せしめ、又、
該第一の波形の振幅が、該第二の波形の振幅より小さいとき、該波形バランス値を大きくして、安定なアークを維持せしめるように構成し、
該波形バランス値は、設定されたアーク安定性レベル以上の値である基準のRMS値以下のRMS値を定義する、
ことを特徴とする電気アーク溶接機。 - 該正の波形の振幅が該負の波形の振幅よりも大きいことを特徴とする請求項10記載の溶接機。
- 該負の波形の振幅が該正の波形の振幅よりも大きいことを特徴とする請求項10記載の溶接機。
- 該波形が電圧の波形であることを特徴とする請求項10記載の溶接機。
- 該波形が波形発生器によって制御される短いパルスの連続からなることを特徴とする請求項10記載の溶接機。
- 該波形を用い、該芯入り電極の芯と鞘とをほぼ同じ速度で溶融せしめることを特徴とする請求項1記載の方法。
- 該正の波形と負の波形とをそれぞれ独立して制御するように構成したことを特徴とする請求項1記載の方法。
- 該第一の波形の振幅と第二の波形の振幅との差異を調節し、安定なアークを維持せしめるように構成したことを特徴とする請求項1記載の方法。
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