JP5358844B2 - アーク溶接方法 - Google Patents
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Description
板厚が8mm以上のような厚板のワークに対するアーク溶接では、溶接作業の効率・生産性を向上させるために大電流化、高溶着化が要求されている。こうした要求を満たすには単位時間当たりの溶接ワイヤ投入量を出来るだけ多くすることが必要となる。
このため、溶接ワイヤ送給速度を増大させ、さらに溶接ワイヤに大きな電流を供給する方法が従来より検討されている。
厚板の高溶着を行うことを目的としてトーチ数を複数に増やしたタンデム溶接が従来から開示されている(例えば特許文献1参照)。
特許文献1では、2本+1本の3本トーチで溶着量を増す方策が開示されている。トーチの本数を増すと、1本当たりのトーチで発生する電流を減少することができ、強烈な磁界が発生せず、また溶け込みも深くなり過ぎないという利点がある。
また厚板の溶接について太径のフラックスコアードワイヤ又はメタルコアードワイヤを用い、AC600〜1900Aの溶接電流によって先行極と後行極のタンデム溶接によるワンラン施工、または単極による多パス施工を行ってスパッタの少ない溶接を行うという方法も開示されている(例えば特許文献2参照)。
しかしながら、こうした従来技術における溶接ワイヤ送給速度は、特許文献2では7.5m/分、特許文献1でも13m/分に留まっており、溶接ワイヤ送給速度を増大させ高溶着を得るという要求に十分対応できるものではなかった。
また、大電流による消耗電極式アーク溶接において溶接ワイヤ送給速度を増大させると、溶接電流による強烈な磁界が発生しアークが回転し始め、このアーク回転に伴いワイヤの先端が急激に高速回転するという現象が確認されている。例えば径1.4mmのワイヤを用いたMAG(Metal Active Gas)溶接の場合では、溶接電流が600Aを超えた状態で溶接ワイヤ送給速度25m/分以上で溶接を行うとアークが回転し始める。ワイヤ先端が高速回転すると回転による遠心力でワイヤ先端が吹き飛ばされスパッタとなってしまい、溶接自体も不安定となる。
一方、こうした大電流かつ溶接ワイヤ送給速度が大きい状態でのアーク回転の影響を軽減するためにアーク長を短くすると、アーク力が強くなり、アーク力によって形成されるワークの溶け込みが深くなり過ぎるという問題が発生する。
特許文献1および特許文献2に記載された従来技術は、いずれも大電流かつ溶接ワイヤ送給速度が大きい状態で発生するこうした問題に対応できるものではなかった。
また、特許文献1にあるようなタンデム溶接では、曲線を含む溶接部位に対して先行トーチと後行トーチの両方を最適な姿勢に保ちながら溶接を実施することが極めて難しいため、曲線の多いワークについては適用することが容易ではなかった。
さらに、各トーチによる溶接が互いに干渉するため、トーチ間の干渉を回避するための特別な制御が必要となる。各トーチの溶接条件を設定するのも容易ではない。このため、溶接の自動化ラインにおいて複数トーチを適用するには限界があった。
〈特許文献2の方法の更なる欠点〉
また、特許文献2では、溶接ワイヤにフラックスコアードワイヤやメタルコアワイヤといった複合ワイヤを用いているが、これらはソリッドワイヤに比べ高価であり、コスト面で問題があった。
本発明は厚板に対する大電流・高溶着溶接に伴うこのような問題に鑑みてなされたものであり、高速なワイヤ送給を維持しながら1本のトーチで複数本トーチと同等以上の大電流、高溶着を実現し、なおかつワイヤ先端の高速回転を抑え、スパッタの発生を激減させて安定した溶接を行えるアーク溶接方法を提供することを目的とする。
アーク溶接方法に関する本願第1発明は、アルゴンガスを含む混合シールドガスを用い、板状のワークと溶接ワイヤとの間にアークを発生させて前記ワークの溶接を行う消耗電極式のアーク溶接方法であって、
溶接開始時には前記溶接ワイヤがプラス極となる逆極性とし、その後、前記溶接ワイヤがマイナス極となる正極性に少なくとも1回切り換えるアーク溶接方法において、
前記溶接ワイヤの送給速度が25m/分未満の場合には逆極性とし、前記溶接ワイヤの送給速度が25m/分以上の場合には逆極性から正極性へ切り換え、
かつ、前記ワークの板厚が8mm以上、前記溶接ワイヤのワイヤ径が1.2〜1.6mm、前記溶接電流が600A以上であることを特徴としている。
本願第2発明は、上記第1発明において、前記溶接ワイヤの送給速度が25m/分以上の場合に逆極性から正極性へ切り換えた後、再び正極性から逆極性へ切り換える切り換えを10Hz以上の周波数で繰り返すことを特徴としている。
本実施例では、板厚8mm以上のワークに対するアルゴンガスとCO2ガスの混合シールドガスを用いた消耗電極式アーク溶接において、径1.2〜1.6mmの溶接ワイヤを用い、溶接電流を600A以上とする。
上記のような条件でワイヤ送給速度を25m/分以上として溶接を行うと、ワイヤ先端は高速回転を始める。前述のようにワイヤ先端の高速回転はスパッタの発生源になるため、大電流による安定した溶接を行うためには、このワイヤ先端の高速回転を抑制することが必須条件である。
本願発明者は、大電流領域になるとワイヤ先端が高速回を始めるメカニズムを究明した結果、高速回転のメカニズムに関して、以下の(A)および(B)の現象があることに気がついた。
(A)大電流状態では溶接ワイヤ周辺に大きな磁界が発生するため、この磁気の力でアークとワイヤ先端が回転を始める。
しかしながら、ワイヤ先端が吹き飛ぶような速い回転に至るまでには、ある程度の時間がかかる。
(B)大電流状態でワイヤ先端にアークが集中すると、ワイヤ先端の粒滴は常に「ワイヤ先端から離脱する/離脱しない」を繰り返す不安定状態になり、このような不安定な粒滴からアークが発生することがワイヤ先端の高速回転に繋がる。
こうした(A)および(B)の現象に気づいた結果、ワイヤ径1.4mm、溶接電流600A以上、ワイヤ送給速度25m/分以上の条件下で、板厚12mmのワークに対してMAG溶接を行う実験を実施した。
以下、この実験結果に基づき本発明の内容を説明する。
図1は、本発明のアーク溶接方法を実施する溶接装置の構成を示す模式図である。図1において、三相交流電源1から給電される溶接電源2は、ワイヤ送給装置4を制御してワイヤスプール5からワーク7へ向かって供給されるワイヤ3への供給速度を制御すると共に、給電装置6を介してワイヤ3へ高電力を給電してワイヤ3とワーク7との間にアーク放電を発生させる。
このとき、シールドガスを充填したボンベ17からシールドガスがワイヤ3の先端からワーク7へ向かって吹くよう供給される。シールドガスはアルゴンガス80%、CO2ガス20%とする混合シールドガスを用いている。
溶接電源2は、コンバータ8〜制御部16から成る。
三相交流を直流に変換するコンバータ8から直流がインバータ9に供給されると、インバータ9はその直流電流を高周波の交流電流に変換する。インバータ9から出力された高周波交流はトランス10によって電流・電圧が変換された後、コンバータ11によって再び直流電流に変換される。コンバータ11から出力される直流電流は脈動しているのでリアクトル12により平滑化される。
13はEP(逆極性)/EN(正極性)の切り換え部であり、ワイヤ側がプラス極でワーク側がマイナス極の逆(EP)極性、もしくはワイヤ側がマイナス極でワーク側がプラス極の正(EN)極性の設定や切り換えを行いつつ、ワイヤへの給電装置6とワーク7との間に電力を供給する。
14はワイヤとワークとの間の溶接電圧を検出する電圧検出用センサであり、15はワイヤとワークとの間に流れる溶接電流を検出する電流検出用センサである。
電圧検出用センサ14、電流検出用センサ15の各出力は制御部16に入力される。制御部16は両センサの各出力を基に溶接電源内のインバータ9を制御する。
また、ワイヤ送給装置4にはここに図示していないがエンコーダとモータが内蔵されており、制御部16はこのモータを制御して指定のワイヤ送給速度でワイヤスプール5からワイヤ3をワーク7側へ送給する。
制御部16は、そのほかEP/EN切り換え部13に対しても切り換えを指令する。
図1のような構成において、ボンベ17からアルゴンガスとCO2ガスの混合シールドガスを供給し、径1.4mmの溶接ワイヤを用い、ワイヤ3の側をプラス極としワーク7の側をマイナス極とする逆極性(EP極性)にて直流アーク溶接を行った。このような消耗電極式アーク溶接の場合のワイヤ先端部のアーク状況を図2の概略図で説明する。
ワイヤ3の先端はアークの熱で加熱され、ワイヤ先端球滴18を形成する。ワイヤ先端球滴18は溶けた金属玉である。ワイヤ先端球滴18は表面張力と粘性によってワイヤ3の先端に付着しているが、金属玉が大きくなると溶接電流のピンチ力及び重力によってワーク7に向かって落下する。ワイヤ送給装置4から送給されるワイヤ量とワーク7に向かって落下するワイヤ先端溶滴18のワイヤ量とが釣り合って、アーク19のアーク長は一定となる。
図2の状態において溶接電流を600A以上に設定し、ワイヤを25m/分以上の送給速度で送り出すと、ワイヤ先端溶滴18およびアーク19は図3(a)のようにワイヤ先端球滴18がワイヤ3の先端から一方の横方向に偏倚した状態での放電から、(b)のように逆方向に偏倚した状態での放電となるといった2状態の放電を繰り返し磁気力により回転を始める。
そして回転が速くなると、ワイヤ先端溶滴18は直下のワーク7に落下せず、遠心力によってスパッタとして周囲に飛散するようになる。
図3のようなアークの回転を抑制するため、本発明では次のようにしている。
図1の溶接装置にて溶接条件が溶接電流600A以上、ワイヤ送給速度25m/分以上に設定された場合(溶接装置への溶接電流、溶接電圧、ワイヤ送給速度等の設定方法については周知であるため、ここではその詳細を割愛する)、制御部16は、EP/EN切り換え部13に対し、所定の周波数によってEP極性とEN極性を切り換えるよう指令を出す。
図4はEP極性でのアーク状況の概略図であり、図5はEN極性でのアーク状況の概略図である。
図4のようなEP極性の場合はワイヤ先端球滴18の形状は図2と同様であるが、EN極性の場合は、図5のように発生するアーク19がワイヤ3の上部に這い上がるため、ワイヤ先端球滴18は図4の場合と異なり下方に長く伸びた逆円錐滴18’となる。
そこで所定の周波数によってEP極性とEN極性の切り換えを行うと、その切り換え毎にワイヤ先端部はこのような図4の球滴状態18と図5の逆円錐滴状態18’とを繰り返すこととなる。
このようにEP極性とEN極性の切り換えを行うと、溶接電流方向が反転するため、溶接電流に伴って発生する磁気力の方向も反転する。磁気力の方向が反転するとワイヤ先端溶滴18、アーク19を回転させる力の方向が反転することになり、この反転を周期的に行うことによりアークの回転が停止する。アークの回転が停止すると遠心力が作用せずスパッタの発生を大幅に抑制することができる。
本願発明者による実験では、ワイヤ送給速度25m/分以上の条件化において、EP極性とEN極性の切り換え周波数すなわち交流周波数を10Hz以上とするとアークの回転を停止する効果があることを確認した。
交流周波数を20Hzとした溶接実験時の電流波形を図6(a)で示し、電圧波形を図6(b)で示している。また、そのときの他の詳しい溶接条件を図7(a)で示している。溶接条件は、(イ)使用するワイヤ径が1.4mmで、(ロ)ワイヤ送給速度が35m/分で、(ハ)ワイヤび給電する交流の周波数が20Hzで、(ニ)交流比率が50%で、(ホ)溶接電流が670Aで、(ヘ)溶接電圧が42Vで、(ト)溶接対象のワーク板厚が12mmである。なお、(ホ)の「溶接電流」とは、交流電流の平均値を意味している。すなわち図6(a)の電流波形のピークは750A超であるが、電流値が正となる半周期分の平均をもって溶接電流としている。また、混合比率をアルゴンガス80%、CO2ガス20%とする混合シールドガスを用いた。
その結果、溶接実験で生じた溶接ビードの外観を図7(b)の外観図で示している。図7の交流周波数20Hzでの溶接ビードは、スパッタとして周囲に飛散することなく、また、直下のワーク上にできたビードは従来のものと比べて幅が狭く、高さが高い形状となり、満足のいくものとなった。
交流周波数を40Hzとした溶接実験時の電流波形を図8(a)で示し、電圧波形を図8(b)で示している。また、そのときの他の詳しい溶接条件を図9(a)で示している。溶接条件は、(イ)使用するワイヤ径が1.4mmで、(ロ)ワイヤ送給速度が35m/分で、(ハ)ワイヤび給電する交流の周波数が40Hzで、(ニ)交流比率が50%で、(ホ)溶接電流が670Aで、(ヘ)溶接電圧が42Vで、(ト)溶接対象のワーク板厚が12mmである。(ホ)の「溶接電流」の定義は図7の場合と同じである。
その結果、溶接実験で生じた溶接ビードの外観を図9(b)の外観図で示している。図9の交流周波数40Hzでの溶接ビードは、スパッタとして周囲に飛散することなく、また、直下のワーク上にできたビードは従来のものと比べて幅が狭く、高さが高い凸型形状となり、満足のいくものとなった。
図9(b)の交流周波数40Hzでの溶接ビードが図7(b)の交流周波数20Hzでの溶接ビードと比べやや凸型形状なのは、交流周波数が高いと単位時間あたりで電流・電圧がゼロになる回数が多いため、ワークへの入熱量が減少することが原因と考えられる。
この方法によって、ワイヤ先端の高速回転を停止させ、結果としてスパッタの発生を大幅に抑制して安定した溶接が行うことができるという効果が確認された。
《電流やワイヤ送給速度が低い時点でENにすると不利な理由》
実施例1では、溶接電流600A以上、ワイヤ送給速度25m/分以上の条件下において所定の周波数(図6〜図7では20Hz、図8〜図9では40Hz)でEP極性とEN極性の切り換えを行った。しかしながら溶接開始当初においては、溶接電流値が600A以上に達するまでにはある程度の時間を要する。同様にワイヤ送給速度についても25m/分以上といった速度に達するまでにはある程度の時間を要する。電流やワイヤ送給速度が低い時点でEN極性とすると、ワークの溶け込みが不十分となり、アーク19の直下に十分に加熱された溶融プールを得ることができないという問題が発生する。またワイヤ送給速度が低い時点でEN極性とすると、EN時のアークによってワイヤが燃え上がり、コンタクトチップへの溶着、ビード不整合、ブローホール発生等の不具合の原因となる。
逆に、ワイヤ送給速度が十分に速く、かつ大電流の状態では、EN極性でもワーク7のアーク19直下部分は十分に加熱され、ワーク7の溶け込み不足が発生しない。
また、ワイヤ送給速度が十分に速ければ、EN時のアークによる燃え上がりが防止され、前述の不具合は発生しない。
また、上記(B)の現象を逆に利用すれば、EN極性では図5に示すようにアークはワイヤの上部まで這い上がった位置からも発生するため、アークが先端に集中しない状態となると考えられる。
そこで、本願発明者は実際にワイヤ径1.4mmの溶接ワイヤを用い、EN極性にてワイヤ送給速度30m/分の場合と35m/分の場合でワイヤ先端部を高速度カメラで観察したところ、ワイヤ先端は図5の形状を保ち、ワイヤ先端球滴の回転やアークの回転は観察されなかった。
ワイヤ先端全体からアークが発生するような状態では、アーク力が分散し、ワイヤ先端が針状になるため、ワイヤ先端球滴の回転、アークの回転が抑制されるものと推定される。
こうした結果に鑑み、ワイヤ送給速度によってEP極性からEN極性へと切り換えるようにしたのが実施例2である。
具体的には、ワイヤ送給速度が5m/分未満の場合は、制御部16はEP/EN切り換え部13に対し、EP極性を維持するように指令する。
時間の経過とともに電流値およびワイヤ送給速度が大きくなりワイヤ送給速度が5m/分以上になると、ワイヤ送給速度が25m/分を超える前に制御部16はEP/EN切り換え部13に対し、EP極性からEN極性への切り換えを行うよう指令する。
図10はワイヤ送給速度の増加に伴ってEP極性からEN極性へと切り換えを行うタイミングを示した図である。
ワイヤ径1.4mmの溶接ワイヤを用い、ワイヤ送給速度が5m/分未満のように低い場合には、EP極性を維持してもワイヤ先端球滴の回転やアークの回転は発生しない。
また、ワイヤ送給速度が25m/分以上と高い場合には、EN極性の状態を維持することで、アークがワイヤの先端から上部まで這い上がった位置からも発生し、アークが先端に集中しないため同じくワイヤ先端球滴の回転やアークの回転は発生しない。
この方法によって、溶接開始時から定常状態を通して、ワイヤ先端の高速回転を停止させ、結果としてスパッタの発生を大幅に抑制して安定した溶接が行うことができるという効果が確認された。
以上の説明ではワイヤ送給速度によってEP極性からEN極性への切り換えを行ったが、ワイヤ送給開始からの経過時間によってEP極性からEN極性への切り換えを行ってもよい。具体的にはワイヤ送給開始当初はEP極性を維持し、ワイヤ送給開始から所定の時間(数秒程度)が経過しワイヤ送給速度が上昇した時点でEN極性への切り換えを行うようにするものである。
なお実施例1および2ではワイヤ径1.4mmの溶接ワイヤを用いた実験に基づき説明したが、ワイヤ径を1.4mm前後(1.2〜1.6mm)とした場合においても同様の効果を得ることができる。
すなわち、ワイヤに流れる電流密度によって本願発明による効果が得られる範囲を明らかにするならば、600A/(π・(0.8mm)2)≒300A/mm2以上となる。
また、実施例1および2で用いたアルゴンガスとCO2ガスの混合シールドガスは、その比率をアルゴンガス80%、CO2ガス20%としたが、CO2ガスに加えヘリウムガスや酸素を数%混合したシールドガスを用いてもよい。
2 溶接電源
3 ワイヤ
4 ワイヤ送給装置
5 ワイヤスプール
6 ワイヤへの給電装置
7 ワーク
8 コンバータ
9 インバータ
10 トランス
11 コンバータ
12 リアクトル
13 EP/EN切り換え部
14 電圧検出用センサ
15 電流検出用センサ
16 制御部
17 ボンベ
18 ワイヤ先端球滴
18’ ワイヤ先端逆三角錐滴
19 アーク
Claims (2)
- アルゴンガスを含む混合シールドガスを用い、板状のワークと溶接ワイヤとの間にアークを発生させて前記ワークの溶接を行う消耗電極式のアーク溶接方法であって、
溶接開始時には前記溶接ワイヤがプラス極となる逆極性とし、その後、前記溶接ワイヤがマイナス極となる正極性に少なくとも1回切り換えるアーク溶接方法において、
前記溶接ワイヤの送給速度が25m/分未満の場合には逆極性とし、前記溶接ワイヤの送給速度が25m/分以上の場合には逆極性から正極性へ切り換え、
かつ、前記ワークの板厚が8mm以上、前記溶接ワイヤのワイヤ径が1.2〜1.6mm、前記溶接電流が600A以上であることを特徴とするアーク溶接方法。 - 前記溶接ワイヤの送給速度が25m/分以上の場合に逆極性から正極性へ切り換えた後、再び正極性から逆極性へ切り換える切り換えを10Hz以上の周波数で繰り返すことを特徴とする請求項1記載のアーク溶接方法。
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