JP5043550B2

JP5043550B2 - ２電極アーク溶接方法

Info

Publication number: JP5043550B2
Application number: JP2007198356A
Authority: JP
Inventors: 登史男大縄
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 2007-07-31
Filing date: 2007-07-31
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2027-07-31
Also published as: JP2009034684A

Description

本発明は、シールドガスノズル内に配置された消耗電極および非消耗電極を有する溶接トーチを用いて、消耗電極アークおよび非消耗電極アークを発生させる、２電極アーク溶接方法に関する。

消耗電極としてワイヤを送給しながら消耗電極アークを発生させることと、たとえばＡｒなどのプラズマガスを用いて消耗電極アークを囲う非消耗電極アークを発生させることと、を同時に行う２電極アーク溶接が提案されている（たとえば、特許文献１，２参照）。消耗電極アークおよび非消耗電極アークの双方から溶接母材に対して熱を与えるとともに溶融したワイヤを供給するこの手法は、比較的速い溶接速度で溶接する、高効率溶接に適している。

上記消耗電極アークを生じさせる消耗電極アーク溶接電流をパルス電流とした場合、このパルス電流の周期ごとに溶融ワイヤが溶接母材に放たれる。この溶融ワイヤの放出に伴って、比較的小粒の溶滴が溶接母材に飛散することがある。この溶滴の飛散は、溶接ビードの外観を損ねる原因となる。この対策として、たとえば非消耗電極アークによって溶融ワイヤの温度を上昇させることが考えられる。昇温によって表面張力が小さくなれば、小粒の溶滴の発生を抑制する効果が期待できるからである。

しかしながら、非消耗電極アークから溶接母材に対する入熱量が過大であると、溶接母材に熱影響部が生じるという不具合が懸念される。熱影響部においては、結晶粒が粗大化し、溶接強度が低下するという問題がある。

実開昭６２−１０９６４号公報特開昭６３−１６８２８３号公報

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、良好な溶接ビードを形成しつつ、溶接強度を向上させることが可能な２電極アーク溶接方法を提供することをその課題とする。

本発明によって提供される２電極アーク溶接方法は、シールドガスを吐出するためのシールドガスノズル内に配置された消耗電極および非消耗電極を備えた溶接トーチを用い、消耗電極アークおよび非消耗電極アークを発生させることにより溶接する２電極アーク溶接方法であって、上記消耗電極アークを生じさせるための消耗電極アーク溶接電流、および上記非消耗電極アークを生じさせるための非消耗電極アーク溶接電流は、ハイレベルとローレベルとを交互にとるパルス電流とされており、上記消耗電極アーク溶接電流がハイレベルからローレベルに移行する期間と、上記非消耗電極アーク溶接電流がハイレベルとされる期間とが重なるとともに、上記消耗電極アーク溶接電流がハイレベルとされる期間と上記非消耗電極アーク溶接電流がハイレベルとされる期間とは重ならない構成とされていることを特徴としている。

このような構成によれば、上記消耗電極の一部が溶融状態となったときに、上記非消耗電極アークからの供給熱量が一時的に増加する。これにより、溶融状態となった部分の表面張力が比較的小となり、予期しない溶滴が生じにくい。したがって、溶接ビードの外観を良好なものとすることができる。また、一時的に増加した上記非消耗電極アークからの熱量は、上記消耗電極の溶融に適切に用いられ、溶接母材に過度に入熱してしまうおそれが少ない。したがって、溶接母材に不当な熱影響部が生じることを防止可能であり、溶接強度を高めることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記消耗電極アーク溶接電流をローレベルに移行させる信号をトリガーとして、上記非消耗電極アーク溶接電流をハイレベルに移行させる。このような構成によれば、上記非消耗電極アークから溶接母材に対して過度に入熱されることを防止するのに好適である。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本発明に係る２電極アーク溶接方法に用いられる溶接装置の一例を示している。本実施形態の溶接装置Ａは、溶接トーチＢ、ＧＭＡアーク溶接電源（消耗電極アーク溶接電源）ＰＳＭ、およびプラズマアーク溶接電源（非消耗電極アーク溶接電源）ＰＳＰを備えている。溶接トーチＢは、シールドガスノズル４内に、プラズマノズル３、プラズマ電極（非消耗電極）２、およびコンタクトチップ１が同心軸上に配置された構造とされている。シールドガスノズル４とプラズマノズル３との隙間からは、たとえばＡｒなどのシールドガスＧｓが供給される。プラズマノズル３とプラズマ電極２との間には、たとえばＡｒなどのプラズマガスＧｐが供給される。プラズマ電極２とコンタクトチップ１との間には、たとえばＡｒなどのセンターガスＧｃが供給される。

コンタクトチップ１に設けられた貫通孔からは、消耗電極としてのワイヤＷが送給される。コンタクトチップ１は、ワイヤＷに対して導通している。ワイヤＷは、モータＭを駆動源とする送給ローラ５によって送給される。プラズマ電極２は、たとえばＣｕまたはＣｕ合金からなり、図外の経路を通る冷却水によって間接的に水冷されている。プラズマノズル３は、たとえばＣｕまたはＣｕ合金からなり、冷却水を通すチャネルが形成されていることにより、直接水冷されている。溶接トーチＢは、通常ロボット（図示略）によって保持された状態で、溶接母材Ｐに対して移動させられる。

ＧＭＡアーク溶接電源ＰＳＭは、コンタクトチップ１を介してワイヤＷと溶接母材Ｐとの間に、ＧＭＡアーク溶接電圧Ｖｗａを印加することにより、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｗａを流すための電源である。ＧＭＡアーク溶接電源ＰＳＭには、電圧設定回路ＶＲから電圧設定信号Ｖｒｍが送られる。ＧＭＡアーク溶接電源ＰＳＭからは、モータＭに対して送給制御信号Ｆｃが送られる。ＧＭＡアーク溶接電源ＰＳＭからＧＭＡアーク溶接電圧Ｖｗａが印加されるときは、ワイヤＷが＋側とされる。

プラズマアーク溶接電源ＰＳＰは、プラズマ電極２と溶接母材Ｐとの間にプラズマアーク溶接電圧Ｖｗｂを印加することによりプラズマアーク溶接電流Ｉｗｂを流すための電源である。プラズマアーク溶接電源ＰＳＰには、電圧設定回路ＶＲから電圧設定信号Ｖｒｐが送られる。プラズマアーク溶接電源ＰＳＰからプラズマアーク溶接電圧Ｖｗｂが印加されるときは、プラズマ電極２が＋側とされる。

次に、本発明に係る２電極アーク溶接方法の第１実施形態について、図２を参照しつつ以下に説明する。本実施形態の２電極アーク溶接は、１．２φ径の溶接ワイヤを用いる溶接において、ワイヤ送給速度が１２．５〜１５ｍ／ｍｉｎ程度の高能率溶接に適用可能である。

ＧＭＡアーク溶接電源ＰＳＭに送られる電圧設定信号Ｖｒｍは、ＧＭＡアーク溶接電圧Ｖｗａに周期と振幅とを与える。具体的には、ハイレベルおよびローレベルのときの電圧と、ハイレベルおよびローレベルを切り替えるタイミングとが、電圧設定信号Ｖｒｍによって設定される。これにより、ＧＭＡアーク溶接電圧ＶｗａおよびＧＭＡアーク溶接電流Ｉｗａは、ハイレベルとローレベルとの状態を交互にとるパルス電圧およびパルス電流となる。ＧＭＡアーク溶接電圧ＶｗａおよびＧＭＡアーク溶接電流Ｉｗａがハイレベルにあるとき（図２中（ａ）のとき）は、図２の（ａ）模式図で示される状態にあると考えられる。この状態においては、ＧＭＡアーク６ａが、ワイヤＷの先端から溶接母材Ｐへと向かっている。

たとえば、ＧＭＡアーク溶接電圧ＶｗａおよびＧＭＡアーク溶接電流Ｉｗａは、周波数が２５０Ｈｚ程度とされている。この場合、ハイレベルにある時間は、ローレベルからハイレベルおよびハイレベルからローレベルへの移行時間を含めて２．６ｍｓ程度であり、ローレベルにある時間は、１．４ｍｓ程度である。これらの時間は、１周期に１滴の溶融ワイヤを生じさせることを目的として設定されている。

一方、プラズマアーク溶接電源ＰＳＰに送られる電圧設定信号Ｖｒｐは、プラズマアーク溶接電圧Ｖｗｂに周期と振幅とを与える。具体的には、ハイレベルおよびローレベルのときの電圧と、ハイレベルおよびローレベルを切り替えるタイミングとが、電圧設定信号Ｖｒｐによって設定される。電圧設定回路ＶＲ内においては、電圧設定信号Ｖｒｍ，Ｖｒｐが互いに同期制御されている。これにより、ＧＭＡアーク溶接電圧ＶｗａおよびＧＭＡアーク溶接電流Ｉｗａがハイレベルにあるときは、プラズマアーク溶接電圧Ｖｗｂおよびプラズマアーク溶接電流Ｉｗｂは、ローレベルとされている。図２の（ａ）の模式図がこれにあたり、ＧＭＡアーク６ａを囲うようにプラズマアーク６ｂが形成されている。

次に、電圧設定信号Ｖｒｍの設定にしたがい、ＧＭＡアーク溶接電圧ＶｗａおよびＧＭＡアーク溶接電流Ｉｗａがローレベルに移行し始める。この移行開始と同時に、プラズマアーク溶接電圧Ｖｗｂおよびプラズマアーク溶接電流Ｉｗｂがハイレベルに移行し始める。上述した前提で１周期の長さが定められているため、この移行のときには、ワイヤＷの一部が溶融状態となり、溶滴になりかけている。そして、ワイヤＷの一部が、溶滴として溶接母材Ｐへと放たれる。この溶滴がワイヤＷから放たれる直前（図２中（ｂ）のとき）には、図２（ｂ）模式図が示すように、溶滴になりかけた部分を含むワイヤＷと溶接母材Ｐとの距離が最短となり、これらの間の電気抵抗が最小となると考えられる。この瞬間に、ＧＭＡアーク溶接電圧Ｖｗａが一時的に最小値をとる。

ワイヤＷから溶滴が放たれるのに十分な時間を経過させた後に、電圧設定信号Ｖｒｐにより、プラズマアーク溶接電圧Ｖｗｂおよびプラズマアーク溶接電流Ｉｗｂをローレベルへと移行させる。本実施形態においては、プラズマアーク溶接電圧Ｖｗｂおよびプラズマアーク溶接電流Ｉｗｂがハイレベルへの移行を開始してからローレベルへの移行が完了するまでの時間は、０．５ｍｓ程度に設定されている。また、ハイレベルにあるプラズマアーク溶接電圧Ｖｗｂおよびプラズマアーク溶接電流Ｉｗｂの大きさは、ローレベルにあるプラズマアーク溶接電圧Ｖｗｂおよびプラズマアーク溶接電流Ｉｗｂの大きさの２〜３倍程度とされている。図２（ｃ）の状態においては、図２（ｃ）模式図が示すように、溶滴が溶接母材Ｐに付着している。

このような溶接動作をたとえば２５０Ｈｚの周期で繰り返し行うことにより、溶接母材Ｐに対して２電極アーク溶接が施される。

次に、本発明に係る２電極アーク溶接方法の作用について説明する。

本実施形態によれば、ワイヤＷの一部が溶融状態となったときに、プラズマアーク６ｂからの供給熱量が一時的に増加する。これにより、溶融状態となった部分の表面張力が比較的小となる。本実施形態とは異なり、溶融部分の表面張力が比較的大きい状態で溶滴が放たれると、この放出に伴って比較的小粒の溶滴が不当に生じやすい。これらの予期しない溶滴が溶接母材Ｐに飛散すると溶接ビードの外観を損なってしまう。本実施形態においては、溶滴の表面張力が小さいため、予期しない溶滴が生じにくい。したがって、溶接ビードの外観を良好なものとすることができる。

また、プラズマアーク溶接電圧Ｖｗｂおよびプラズマアーク溶接電流Ｉｗｂがハイレベルとされる期間は、溶融したワイヤＷが溶滴となって放たれる期間にほぼ限定される。このため、一時的に増加したプラズマアーク６ｂからの熱量は、ワイヤＷの溶融に適切に用いられ、溶接母材Ｐに過度に入熱してしまうおそれが少ない。したがって、溶接母材Ｐに不当な熱影響部が生じることを防止可能であり、溶接強度を高めることができる。

図３は、本発明に係る２電極アーク溶接方法の第２実施形態を示している。なお、本図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。本実施形態においては、プラズマアーク溶接電圧Ｖｗｂおよびプラズマアーク溶接電流Ｉｗｂの設定が、上述した実施形態と異なっている。

本実施形態における、プラズマアーク溶接電圧Ｖｗｂおよびプラズマアーク溶接電流Ｉｗｂのローレベルからハイレベルへの移行開始タイミングは、上述した実施形態と同様である。一方、プラズマアーク溶接電圧Ｖｗｂおよびプラズマアーク溶接電流Ｉｗｂのハイレベルからローレベルへの移行開始タイミングは、ＧＭＡアーク溶接電圧ＶｗａおよびＧＭＡアーク溶接電流Ｉｗａがローレベルに移行完了したタイミングとされている。

このような設定とするには、たとえば、溶滴が溶接母材Ｐに放たれるのに要する時間を予備実験の結果から設定すればよい。または、ＧＭＡアーク溶接電圧Ｖｗａの微分値を算出し、この微分値が急変することをトリガーとしてプラズマアーク溶接電圧Ｖｗｂおよびプラズマアーク溶接電流Ｉｗｂをローレベルへと移行させる手法を採用してもよい。

このような実施形態によれば、一時的に増加されたプラズマアーク６ｂの熱量を、実質的にワイヤＷを溶融させることのみに用いることが可能である。これにより、溶接母材Ｐへの入熱過多を最小限にとどめることができる。

本発明に係る２電極アーク溶接方法は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る２電極アーク溶接方法の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

本発明に係る２電極アーク溶接方法に用いられる溶接装置の一例を示すシステム構成図である。本発明に係る２電極アーク溶接方法の第１実施形態を示すタイミングチャートである。本発明に係る２電極アーク溶接方法の第２実施形態を示すタイミングチャートである。

符号の説明

Ａ溶接装置
Ｂ溶接トーチ
ＩｗａＧＭＡアーク溶接電流（消耗電極アーク溶接電流）
Ｉｗｂプラズマアーク溶接電流（非消耗電極アーク溶接電流）
Ｐ溶接母材
ＰＳＭＧＭＡアーク溶接電源（消耗電極アーク溶接電源）
ＰＳＰプラズマアーク溶接電源（非消耗電極アーク溶接電源）
ＶＲ電圧設定回路
Ｖｒｍ，Ｖｒｐ電圧設定信号
ＶｗａＧＭＡアーク溶接電圧（消耗電極アーク溶接電圧）
Ｖｗｂプラズマアーク溶接電圧（非消耗電極アーク溶接電圧）
Ｗワイヤ（消耗電極）
１コンタクトチップ
２プラズマ電極（非消耗電極）
３プラズマノズル
４シールドノズル
５送給ローラ
６ａＧＭＡアーク（消耗電極アーク）
６ｂプラズマアーク（非消耗電極アーク）

Claims

シールドガスを吐出するためのシールドガスノズル内に配置された消耗電極および非消耗電極を備えた溶接トーチを用い、消耗電極アークおよび非消耗電極アークを発生させることにより溶接する２電極アーク溶接方法であって、
上記消耗電極アークを生じさせるための消耗電極アーク溶接電流、および上記非消耗電極アークを生じさせるための非消耗電極アーク溶接電流は、ハイレベルとローレベルとを交互にとるパルス電流とされており、
上記消耗電極アーク溶接電流がハイレベルからローレベルに移行する期間と、上記非消耗電極アーク溶接電流がハイレベルとされる期間とが重なるとともに、上記消耗電極アーク溶接電流がハイレベルとされる期間と上記非消耗電極アーク溶接電流がハイレベルとされる期間とは重ならない構成とされていることを特徴とする、２電極アーク溶接方法。
上記消耗電極アーク溶接電流をローレベルに移行させる信号をトリガーとして、上記非消耗電極アーク溶接電流をハイレベルに移行させる、請求項１に記載の２電極アーク溶接方法。