JP5797633B2 - アーク溶接装置、定電圧特性溶接電源及びアーク溶接方法 - Google Patents
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Description
本装置の基本的なメカニズムは、溶接トーチ、ワイヤ送給モータ、ガス供給口及び冷却管を有する摺動銅板、上昇モータ等を備えた専用装置(溶接機)を、鋼板上に開先長手方向に沿って這わせたレールに取付け、開先内を溶接しながら、溶融池面の上昇に合わせて溶接機自体を上昇させる、というものである。
第1の手法として、リンク機構が存在しないものがある。つまり、完全手動型であり、常時溶融池面を観察しながら、上昇モータの速度を人手で調整する。装置としては最もシンプルであるが、常時観察が必要であり、数mから数十mもの溶接長を施工するには、労働負荷が非常に高く、得られる溶接品質も不安定である。
即ち、第2の手法は、溶融池面の上昇に伴ってアーク光強度が変化する機構を利用し、光センサを装置に取り付け、上昇速度とリンクさせ、制御する手法である。
しかしながら、アークは常時安定しているわけではないので光強度も影響を受け、また同時に発生するヒューム(煙)もまた光を不規則に遮るため、この手法も安定とは言えない。
この手法では、溶接電源として、定電圧特性溶接電源を用い、この定電圧特性溶接電源は、ワイヤ送給速度が決まると、それを溶融するに足る電流を出力させる特性を有する。溶接ワイヤは、電流及びアーク間電位差(アーク電圧)の積に比例するアーク熱と、溶接ワイヤ自身の電気抵抗率、通電間距離、及び電流の2乗の積に比例する抵抗発熱との合算エネルギーによって溶融し、結果的に電流と通電間距離とがバランスする。ここで、溶融池面が上昇すると通電間距離が短くなり、抵抗発熱が減少するので、溶接電源は溶融エネルギー不足を補うべく電流出力を上昇させようとする。そこで、この電流出力の上昇変化を即座に読み取り、溶接機の上昇速度を高めれば、通電間距離は再び長くなり抵抗発熱が増大して、溶融エネルギーが過剰となるため、電流出力は下げられ、上昇速度は再び抑制される。これを常時繰り返せば、溶融池面の上昇と溶接機の上昇とはリンクし、監視は不要となる。
即ち、従来は電流と上昇速度とのフィードバック制御のみが実用化されており、溶接品質に強い影響を与える大きな因子であるアーク長については、定電圧電源による自己制御特性以外には何ら制御はされていなかった。尚、この定電圧電源による自己制御特性とは、適切、不適切にかかわらず、設定されたアーク長を維持する機能と言うことができる。
図12は、電源出力電圧、アーク電圧及びケーブル消費電圧の関係を示した図である。
図示するように、溶接電源が出力する電源出力電圧Vpowerは、アーク間電位差であるアーク電圧Varcだけでなく、溶接電源と溶接トーチ及び溶接電源と母材を結ぶ2次側ケーブル又は結線箇所で消費するケーブル消費電圧ΣVcableを含んでいる(Vpower=Varc+ΣVcable)。
例えば、37Vを良好な溶接条件となる電源出力電圧Vpowerとして定めても、2次側ケーブルの長さによってアーク電圧Varcは変動する。(a)のように2次側ケーブルが長くて電圧消費が多い場合、差分であるアーク電圧Varcは小さくなり、溶融池内対流が弱くなって溶込みは減少する。一方、(b)のように2次側ケーブルが短くて電圧消費が少ない場合、差分であるアーク電圧Varcは大きくなり、溶融池内対流が強くなって溶込みは増加する。このように溶込みは管理されているとは言えないのである。更に、アーク電圧が高くて溶込みが確保される場合でも、過剰になると、アーク内での酸化反応が著しくなったり、不可避的に巻込まれる大気の侵入によって溶接金属の成分が不適切になったりし、溶接金属の機械的性質が劣化することに繋がる。
また、特許文献2、3の技術も同様に、アーク長の絶対値が適切かどうかを制御するための手法を何ら提示するものではない。
また、判定電圧を下回った回数又は時間に関する情報は、予め定められた回数分の判定電圧を下回り続けている時間に基づいて求められた時間であり、設定基準は、予め設定された設定時間であってよい。そして、判定電圧が15Vである場合に、設定時間は0.1msec以上1.0msec以下の何れかの時間であってよい。
更に、速度制御手段は、溶接手段の上昇速度が180mm/min以下に抑制されるように上昇手段を制御するものであってよい。
本実施の形態の目標は、如何なる場合でも最適なアーク長(アーク電圧)が常時一定に保たれるように制御することにある。この目標を達成するために、発明者らはまず適正溶接条件に関する研究を進め、立向上進溶接において、溶込みの確保と良好な溶接金属性能が得られるアーク長条件では、適当間隔で短絡現象が起こることに気付いた。短絡とは、アークが瞬間的に消失して、溶接ワイヤの先端が溶融池面と接触する現象である。
一定時間あたりの短絡回数が多い場合は、アーク長が短いことになるので、溶込み不良が生じた。一方、短絡回数が少ない場合は、アーク長が長いことになるので、溶接金属性能の劣化が生じた。
また、発明者らは、短絡回数ではなく、短絡が起きている時間(短絡時間)を測定して制御すれば、より高精度にアーク長を適正値に保てることも見出した。
この現象を利用し、溶接装置において、電圧をサンプリング、解析、判定し、溶接電源に出力電圧指令を発生する仕組みを発明するに至った。
この場合は、図示するように、Vshortを下回ってから再び超えるまでを短絡を1回としてカウントし、一定時間Tsあたりに発生した短絡回数をTsで除算することによってNshort[回/sec]を求める。尚、Tsを具体的に如何なる値に設定するかは、制御が最も有効となる値を見出すべく自由である。Tsの値としては、0.1〜1sec程度が有効であるが、0.5sec程度で問題ない。但し、過度にTsが小さければ、Nshortのばらつきが大きくなり、制御が不安定となり易い。一方、過度にTsが大きければ、制御の応答速度が遅くなり、急激なアーク長変動が起きた場合に、即座に対応できずやはり不安定となる。
図1において、Tsが0.5secならば、Nshortは8回/secとなる。算出されたNshortを設定回数Nsetと比較してそれに応じた電圧出力指令を発し、これをルーチンとして連続的に行うことでアーク長は常に適正に保たれる。
この場合は、図示するように、Vshortを下回ってから再び超えるまでの時間をTshort1、Tshort2、…として計測し、適当回数分の平均値を算出し、平均短絡時間AveTshortとして比較に供する。具体的には、Tshort1、Tshort2、…の合計値ΣTshortを短絡回数で除算することによってAveTshortを求める。尚、平均値の算出に用いる短絡回数は制御が最も有効となる値を見出すべく自由である。この短絡回数の値としては、3〜20回程度が有効であるが、5回程度で問題ない。但し、平均値の算出に用いる短絡回数が過度に少なければ、AveTshortのばらつきが大きくなり、制御が不安定となり易い。一方、平均値の算出に用いる短絡回数が過度に多ければ、制御の応答速度が遅くなり、急激なアーク長変動が起きた場合に、即座に対応できずやはり不安定となる。
図2において、算出されたAveTshortを設定時間Tsetと比較してそれに応じた電圧出力指令を発し、これをルーチンとして連続的に行うことでアーク長は常に適正に保たれる。
図3は、第1の実施の形態における溶接装置1の概略構成図である。
図示するように、第1の実施の形態における溶接装置1は、電極からアークを発生させて溶接するエレクトロガスアーク溶接用の溶接ロボット10と、溶接ロボット10に関する操作及び情報表示を行うための操作表示ボックス20とを備えている。また、溶接装置1は、溶接のための電力を供給する溶接電源30と、溶接電源30から出力される電流を流す2次側ケーブル40とを備えている。更に、溶接装置1は、2次側ケーブル40を流れる電流に基づいて溶接ロボット10における溶接機の上昇速度を調整する速度調整回路50と、溶接電源30から出力される電圧に基づいて溶接電源30による出力電圧を調整する電圧調整回路60とを備えている。
ワイヤ送給モータ12は、溶接ワイヤが巻かれた図示しないワイヤリールから溶接ワイヤを開先Gへ送るために溶接トーチ11に送給する。その際、ワイヤ送給モータ12が溶接ワイヤを送給する速度Fは、後述する設定電流値Isetを換算することによって決められる。
裏当て材13は、開先Gの裏のルートギャップ部分に装着される部材であり、その材質は金属であっても非金属であってもよい。或いは、裏当て材13は設けずに、母材Bが接触するように突き合わせてもよい。
摺動銅板14は、開先Gの長手方向に沿って開先Gに対して相対的に摺動可能な銅板である。この摺動銅板14にはガス供給口141が設けられており、ガス供給口141から供給されたシールドガスがアークを覆うことによって溶接雰囲気内に空気が侵入することを防止する。また、この摺動銅板14には冷却管142も設けられており、冷却管142から流通された水が摺動銅板14を介して溶融池Pを冷却し溶接金属Mとすることを可能にしている。
キャリッジ15は、レール17にガイドされて開先Gの長手方向に上昇する。これにより、溶接トーチ11、ワイヤ送給モータ12、摺動銅板14も開先Gの長手方向(図中白抜き矢印Uの方向)に上昇する。
上昇モータ16は、速度調整回路50からの指令に基づく速度でキャリッジ15を上昇させる。
レール17は、母材B上に開先Gの長手方向に沿って這わせられた鋼材である。
電流サンプリング回路51は、溶接電源30から出力され2次側ケーブル40を流れている電流Ipowerをモニターする。
判定回路52は、電流Ipowerが設定電流値Iset未満であればキャリッジ15の上昇速度Supを低下させる指令を発し、電流Ipowerが設定電流値Isetと同じであればキャリッジ15の上昇速度Supを維持する指令を発し、電流Ipowerが設定電流値Isetより高ければキャリッジ15の上昇速度Supを高める指令を発する。
電圧サンプリング回路61は、溶接時に溶接電源30から出力される電圧Vpowerをモニターする。
波形解析回路62は、電圧Vpowerが所定の判定電圧Vshortを下回った単位時間当たりの回数Nshort[回/sec]をカウントする。或いは、電圧Vpowerが所定の判定電圧Vshortを下回り続けている時間の適当回数分の平均時間AveTshort[sec]を求める。
判定回路63は、回数Nshortが設定回数Nsetを超えていれば電圧Vpowerを高める指令を発し、回数Nshortが設定回数Nsetと同じであれば電圧Vpowerを維持する指令を発し、回数Nshortが設定回数Nset未満であれば電圧Vpowerを下げる指令を発する。或いは、適当回数分の平均時間AveTshortが設定時間Tsetを超えていれば電圧Vpowerを高める指令を発し、平均時間AveTshortが設定時間Tsetと同じであれば電圧Vpowerを維持する指令を発し、平均時間AveTshortが設定時間Tsetを下回れば電圧Vpowerを下げる指令を発する。
この従来の溶接装置1は、図3に示した第1の実施の形態の溶接装置1において、電圧調整回路60を設けず、操作表示ボックス20で指令する溶接条件に、判定電圧Vshort、設定回数Nset、設定時間Tsetを含めず、設定電圧値Vsetを含めたものに過ぎないので、各構成要素の詳しい説明は省略する。
図5は、第2の実施の形態における溶接装置1の概略構成図である。
図示するように、第2の実施の形態における溶接装置1は、電極からアークを発生させて溶接するエレクトロガスアーク溶接用の溶接ロボット10と、溶接ロボット10に関する操作及び情報表示を行うための操作表示ボックス20とを備えている。また、溶接装置1は、溶接のための電力を供給する溶接電源30a,30bと、溶接電源30aから出力される電流を流す2次側ケーブル40aと、溶接電源30bから出力される電流を流す2次側ケーブル40bと、溶接電源30a,30bから出力される電流を流す2次側ケーブル40cとを備えている。更に、溶接装置1は、2次側ケーブル40aを流れる電流に基づいて溶接ロボット10における溶接機の上昇速度を調整する速度調整回路50aと、溶接電源30aから出力される電圧に基づいて溶接電源30aによる出力電圧を調整する電圧調整回路60aと、溶接電源30bから出力される電圧に基づいて溶接電源30bによる出力電圧を調整する電圧調整回路60bとを備えている。
ワイヤ送給モータ12a,12bは、溶接ワイヤが巻かれた図示しないワイヤリールから溶接ワイヤを開先Gへ送るためにそれぞれ溶接トーチ11a,11bに送給する。その際、ワイヤ送給モータ12aが溶接ワイヤを送給する速度F1は、後述する設定電流値Iset1を換算することによって決められ、ワイヤ送給モータ12bが溶接ワイヤを送給する速度F2は、後述する設定電流値Iset2を換算することによって決められる。
裏当て材13、摺動銅板14、キャリッジ15、上昇モータ16、レール17については、第1の実施の形態で説明したものと同じなので、説明を省略する。
電流サンプリング回路51aは、溶接電源30aから出力され2次側ケーブル40aを流れている電流Ipower1をモニターする。
判定回路52aは、電流Ipower1が設定電流値Iset1未満であればキャリッジ15の上昇速度Supを低下させる指令を発し、電流Ipower1が設定電流値Iset1と同じであればキャリッジ15の上昇速度Supを維持する指令を発し、電流Ipower1が設定電流値Iset1より高ければキャリッジ15の上昇速度Supを高める指令を発する。
電圧サンプリング回路61aは、溶接時に溶接電源30aから出力される電圧Vpower1をモニターする。
波形解析回路62aは、電圧Vpower1が所定の判定電圧Vshort1を下回った単位時間当たりの回数Nshort1[回/sec]をカウントする。或いは、電圧Vpower1が所定の判定電圧Vshort1を下回り続けている時間の適当回数分の平均時間AveTshort1[sec]を求める。
判定回路63aは、回数Nshort1が設定回数Nset1を超えていれば電圧Vpower1を高める指令を発し、回数Nshort1が設定回数Nset1と同じであれば電圧Vpower1を維持する指令を発し、回数Nshort1が設定回数Nset1未満であれば電圧Vpower1を下げる指令を発する。或いは、適当回数分の平均時間AveTshort1が設定時間Tset1を超えていれば電圧Vpower1を高める指令を発し、平均時間AveTshort1が設定時間Tset1と同じであれば電圧Vpower1を維持する指令を発し、平均時間AveTshort1が設定時間Tset1を下回れば電圧Vpower1を下げる指令を発する。
電圧サンプリング回路61bは、溶接時に溶接電源30bから出力される電圧Vpower2をモニターする。
波形解析回路62bは、電圧Vpower2が所定の判定電圧Vshort2を下回った単位時間当たりの回数Nshort2[回/sec]をカウントする。或いは、電圧Vpower2が所定の判定電圧Vshort2を下回り続けている時間の適当回数分の平均時間AveTshort2[sec]を求める。
判定回路63bは、回数Nshort2が設定回数Nset2を超えていれば、電圧Vpower2を高める指令を発し、回数Nshort2が設定回数Nset2と同じであれば電圧Vpower2を維持する指令を発し、回数Nshort2が設定回数Nset2未満であれば電圧Vpower2を下げる指令を発する。或いは、適当回数分の平均時間AveTshort2が設定時間Tset2を超えていれば電圧Vpower2を高める指令を発し、平均時間AveTshort2が設定時間Tset2と同じであれば電圧Vpower2を維持する指令を発し、平均時間AveTshort2が設定時間Tset2を下回れば電圧Vpower2を下げる指令を発する。
この従来の溶接装置1は、図5に示した第2の実施の形態の溶接装置1において、電圧調整回路60a,60bを設けず、操作表示ボックス20で指令する溶接条件に、判定電圧Vshort1,Vshort2、設定回数Nset1,Nset2、設定時間Tset1,Tset2を含めず、設定電圧値Vset1,Vset2を含めたものに過ぎないので、各構成要素の詳しい説明は省略する。
図示するように、速度調整回路50では、まず、電流サンプリング回路51が、2次側ケーブル40を流れる電流Ipowerをサンプリングする(ステップ501)。
次に、判定回路52が、電流Ipowerを設定電流値Isetと比較する(ステップ502)。その結果、電流Ipowerが設定電流値Iset未満であれば、キャリッジ15の上昇速度Supを低下させる指令を上昇モータ16に発する(ステップ503)。一方、電流Ipowerが設定電流値Isetより高ければ、キャリッジ15の上昇速度Supを高める指令を上昇モータ16に発する(ステップ504)。また、電流Ipowerが設定電流値Isetと同じであれば、キャリッジ15の上昇速度Supを維持する指令を上昇モータ16に発する(ステップ505)。
図示するように、電圧調整回路60では、まず、電圧サンプリング回路61が、溶接電源30から出力される電圧Vpowerをサンプリングする(ステップ601)。
次に、波形解析回路62が、電圧Vpowerの波形を解析することにより、電圧Vpowerが判定電圧Vshortを下回った単位時間当たりの回数Nshort[回/sec]を求める(ステップ602)。
次いで、判定回路63が、回数Nshortを設定回数Nsetと比較する(ステップ603)。その結果、回数Nshortが設定回数Nsetを超えていれば、電圧Vpowerを高める指令を溶接電源30に発する(ステップ604)。一方、回数Nshortが設定回数Nset未満であれば、電圧Vpowerを下げる指令を溶接電源30に発する(ステップ605)。また、回数Nshortが設定回数Nsetと同じであれば、電圧Vpowerを維持する指令を溶接電源30に発する(ステップ606)。
図示するように、電圧調整回路60では、まず、電圧サンプリング回路61が、溶接電源30から出力される電圧Vpowerをサンプリングする(ステップ651)。
次に、波形解析回路62が、電圧Vpowerの波形を解析することにより、電圧Vpowerが判定電圧Vshortを下回り続けている時間の適当回数分の平均時間AveTshort[sec]を求める(ステップ652)。
次いで、判定回路63が、平均時間AveTshortを設定時間Tsetと比較する(ステップ653)。その結果、平均時間AveTshortが設定時間Tsetを超えていれば、電圧Vpowerを高める指令を溶接電源30に発する(ステップ654)。一方、平均時間AveTshortが設定時間Tset未満であれば、電圧Vpowerを下げる指令を溶接電源30に発する(ステップ655)。また、平均時間AveTshortが設定時間Tsetと同じであれば、電圧Vpowerを維持する指令を溶接電源30に発する(ステップ656)。
図10−1及び図10−2は、本発明を適用可能な溶接の例を示したものである。
即ち、本発明は、図10−1(a)に示す平板の立向姿勢の突合せ継手溶接の他に、同図(b)に示す角溶接、同図(c)に示すT字継手のすみ肉溶接、同図(d)に示すT字継手の開先溶接、図10−2(e)に示す丸パイプとフランジの開先溶接、同図(f)に示す丸パイプ同士の円周突合せ溶接等にも適用可能である。図10−1(a)〜(d)では、各図中の白抜き矢印の方向に溶接を進めることにより立向上進溶接となる。一方、図10−2(e),(f)では、溶接トーチを時計の約3時の位置に固定して各図中の白抜き矢印の方向に母材を回転させながら溶接を進めることにより、相対的な立向溶接と捉えることができる。但し、この相対的な立向溶接では、電流値による上昇モータによる上昇速度の制御は、電流値による母材の回転速度の制御に置き換えられる。
即ち、従来の立向溶接装置では、設置された環境に応じた設備変更、作業者の技量や無意識的な溶接条件の設定ミス等が起きた場合には、溶接品質に対する悪影響が避けられず、都度作業者による試行錯誤の調整が余儀なくされていた。そのため、作業者は長時間の溶接において付きっきりであった。しかしながら、本実施の形態における立向溶接装置では、溶接品質に大きな影響を及ぼすアーク長を自動的に最適化収束させることができる。従って、作業者は、アーク発生及び装置稼働の後は、自動調整機能のおかげで無監視とすることができ、品質向上とコストダウンを両立し、その価値は多大である。
まず、設定回数Nsetについて説明する。
設定回数Nsetが小さいということは短絡が少なくなるように制御する、即ち、アーク長が長くなるように狙うことを示唆する。アーク長が長ければ、溶込みは深くなる。しかしながら、アーク長が過大であれば、溶接金属合金元素の過度な酸化消費、大気のアークへの巻込みといった現象が起こり、溶接金属の性能が低下する。Vshort=15Vとすれば、設定回数Nsetが3回未満ではこれらの現象が起きる。
一方、設定回数Nsetが大きいということは短絡が多くなるように制御する、即ち、アーク長が短くなるように狙うことを示唆する。アーク長が短ければ、溶接金属の機械的性質は改善される。しかしながら、アーク長が過小であれば、溶融池P内の対流が弱まり、溶込み不良が発生する。Vshort=15Vとすれば、設定回数Nsetが60回を超えるとこの現象が起きる。
従って、設定回数Nsetは3〜60回/secが望ましい。尚、更に範囲を狭めて設定回数Nsetを5〜20回/secにすると、溶接金属の性能と深溶込み性のバランスがより良くなる。
尚、設定回数Nset1、Nset2についても同様である。
設定時間Tsetが小さいということは短絡が短時間で解消する(微少な短絡しか発生しない)、即ち、アーク長が長くなるように狙うことを示唆する。アーク長が長ければ、溶込みは深くなる。しかしながら、アーク長が過大であれば、溶接金属合金元素の過度な酸化消費、大気のアークへの巻込みといった現象が起こり、溶接金属の性能が低下する。Vshort=15Vとすれば、設定時間Tsetが0.1msec未満ではこれらの現象が起きる。
一方、設定時間Tsetが大きいということは短絡が長時間持続する(短絡の規模が大きい)、即ち、アーク長が短くなるように狙うことを示唆する。アーク長が短ければ、溶接金属の機械的性質は改善される。しかしながら、アーク長が過小であれば、溶融池P内の対流が弱まり、溶込み不良が発生する。Vshort=15Vとすれば、設定時間Tsetが1.0msecを超えるとこの現象が起きる。
従って、設定時間Tsetは0.1〜1.0msecが望ましい。尚、更に範囲を狭めて設定時間Tsetを0.2〜0.5msecにすると、溶接金属の性能と深溶込み性のバランスがより良くなる。
尚、設定時間Tset1、Tset2についても同様である。
本実施の形態では、アーク長の安定化を目的として、電圧サンプリング、解析、判定、溶接電源30(30a,30b)への出力電圧指令というルーチンと、電流サンプリング、判定、上昇モータ16への上昇速度指令というルーチンとを同時に繰り返すので、溶融池Pの表面が平滑で安定なほど効果的である。溶接機及び溶融池Pの表面の上昇方向とアーク長の方向とは同一なので、上昇速度Supが大きくなるほどルーチン期間でのアーク長短縮度合いが大きくなる。従って、本実施の形態における制御の結果として補正される幅が大きくなって粗くなり、アーク長が収束し難くなる。
以上のメカニズムから、上昇速度Supは小さいほどアーク長安定化制御が良好に作用する。具体的には、本実施の形態における制御は、上昇速度Supが180mm/min以下のときに有効に作用する。また、上昇速度Supを120mm/min以下とするとアーク長はより適正に保たれるので、望ましくは、上昇速度Supは120mm/min以下とするとよい。尚、この上昇速度Supは、立向溶接としては必要十分な実用領域である。
鋼板として板厚12mmの炭素鋼鋼板JIS G3106 SM490Bを用い、50°V型、ルートギャップ5mmの開先加工を施して立向上進溶接を行った。ガスシールドアーク溶接法を適用し、溶接ワイヤはフラックス入りワイヤJIS Z3319 YFEG−22C規格材の1.6mmφ径とし、シールドガスはCO2とした。溶接装置としては、図3又は図4の構成を用いた。溶接条件や判定条件を変えて溶接長500mmの溶接を実施し、溶接後に、溶込み性の評価のための超音波探傷試験、及び、溶接金属の性能評価の1つである断面中央部のシャルピー衝撃試験を行った。超音波探傷試験では、溶込み不良が全く無かったものを◎とし、溶込み不良が1〜3箇所にあったものを○とし、溶込み不良が4箇所以上にあったものを×とした。シャルピー衝撃試験では、試験温度−20℃において、47J以上を◎とし、27J以上47J未満を○とし、27J未満を×とした。
下記表に試験結果を示す。尚、表では、ベースとなる条件に対して変更した条件を斜体の太字で示し、超音波探傷試験及びシャルピー衝撃試験の結果のうち問題となるものを太枠囲みの太字で示している。
実施例1と同様に、鋼板として板厚12mmの炭素鋼鋼板JIS G3106 SM490Bを用い、50゜V型、ルートギャップ5mmの開先加工を施して立向上進溶接を行った。ノンガスシールドアーク溶接法を適用し、溶接ワイヤはJIS Z3313 T49YT4−0NA規格材の2.4mmφ径とした。溶接装置としては、図3又は図4の構成を用いた。溶接条件や判定条件を変えて溶接長500mmの溶接を実施し、溶接後に、溶込み性の評価のための超音波探傷試験、及び、溶接金属の性能評価の1つである断面中央部のシャルピー衝撃試験を行った。超音波探傷試験では、溶込み不良が全く無かったものを◎とし、溶込み不良が1〜3箇所にあったものを○とし、溶込み不良が4箇所以上にあったものを×とした。シャルピー衝撃試験では、試験温度+20℃において、47J以上を◎とし、27J以上47J未満を○とし、27J未満を×とした。
下記表に試験結果を示す。尚、表では、ベースとなる条件に対して変更した条件を斜体の太字で示し、超音波探傷試験及びシャルピー衝撃試験の結果のうち問題となるものを太枠囲みの太字で示している。
鋼板として板厚80mmの炭素鋼鋼板JIS G3106 SM490Cを用い、20゜V型、ルートギャップ8mmの開先加工を施して立向上進溶接を行った。ガスシールドアーク溶接法を適用し、溶接ワイヤとしてはフラックス入りワイヤJIS Z3319 YFEG−22C規格材の1.6mmφ径を2本用い、シールドガスはCO2とした。溶接装置としては、2電極アークにて1つの溶融池を形成して同時上昇する図5又は図6の構成を用いた。溶接条件や判定条件を変えて溶接長500mmの溶接を実施し、溶接後に、溶込み性の評価のための超音波探傷試験、及び、溶接金属の性能評価の1つである断面中央部のシャルピー衝撃試験を行った。超音波探傷試験では、溶込み不良が全く無かったものを◎とし、溶込み不良が1〜3箇所にあったものを○とし、溶込み不良が4箇所以上にあったものを×とした。シャルピー衝撃試験では、試験温度−20℃において、47J以上を◎とし、27J以上47J未満を○とし、27J未満を×とした。
下記表に試験結果を示す。尚、表では、ベースとなる条件に対して変更した条件を斜体の太字で示し、超音波探傷試験及びシャルピー衝撃試験の結果のうち問題となるものを太枠囲みの太字で示している。
実施例3と同様に、鋼板として板厚80mmの炭素鋼鋼板JIS G3106 SM490Cを用い、20゜V型、ルートギャップ8mmの開先加工を施して立向上進溶接を行った。ガスシールドアーク溶接法を適用し、溶接ワイヤとしてはフラックス入りワイヤJIS Z3319 YFEG−22C規格材の1.6mmφ径を2本用い、シールドガスはCO2とした。溶接装置としては、2電極アークにて1つの溶融池を形成して同時上昇する図5又は図6の構成を用いた。溶接条件や判定条件を変えて溶接長500mmの溶接を実施し、溶接後に、溶込み性の評価のための超音波探傷試験、及び、溶接金属の性能評価の1つである断面中央部のシャルピー衝撃試験を行った。超音波探傷試験では、溶込み不良が全く無かったものを◎とし、溶込み不良が1〜3箇所にあったものを○とし、溶込み不良が4箇所以上にあったものを×とした。シャルピー衝撃試験では、試験温度−20℃において、47J以上を◎とし、27J以上47J未満を○とし、27J未満を×とした。
下記表に試験結果を示す。尚、表では、ベースとなる条件に対して変更した条件を斜体の太字で示し、超音波探傷試験及びシャルピー衝撃試験の結果のうち問題となるものを太枠囲みの太字で示している。
Claims (10)
- 被溶接鋼板の開先内でアークを発生させて溶融池を形成しながら溶接開先面を1パス施工で充填させる立向上進溶接を行うアーク溶接装置であって、
前記被溶接鋼板の開先内で溶接ワイヤから前記アークを略鉛直下方向に発生させて前記溶融池を形成することによりアーク溶接を行う溶接手段と、
前記溶接手段を、前記被溶接鋼板に対して相対的に略鉛直上方向に上昇させる上昇手段と、
前記溶接ワイヤに電流を給電して前記アークを発生させる溶接電源と、
前記溶接電源から出力される出力電流をモニターし、当該出力電流の値が予め設定された設定電流値よりも小さい場合に、前記溶接手段の上昇速度が低くなるように前記上昇手段を制御し、当該出力電流の値が前記設定電流値よりも大きい場合に、前記溶接手段の上昇速度が高くなるように前記上昇手段を制御する速度制御手段と、
前記速度制御手段により前記上昇手段が制御された結果、前記溶融池の表面と前記溶接ワイヤとの間の距離が安定的に保たれた状態で、溶接時に前記溶接電源から出力される出力電圧をモニターし、当該出力電圧の値が予め判定基準として定められた判定電圧を下回った回数又は時間に関する情報を把握し、当該回数又は時間に関する情報が予め設定された設定基準を上回っている場合に、当該出力電圧の値が高くなるように当該溶接電源を制御し、当該回数又は時間に関する情報が前記設定基準を下回っている場合に、当該出力電圧の値が低くなるように当該溶接電源を制御する電圧制御手段と
を備えたことを特徴とするアーク溶接装置。 - 前記判定電圧を下回った回数又は時間に関する情報は、当該判定電圧を下回った単位時間当たりの回数であり、
前記設定基準は、単位時間当たりの回数として予め設定された設定回数であることを特徴とする請求項1に記載のアーク溶接装置。 - 前記判定電圧が15Vである場合に、前記設定回数は3回/sec以上60回/sec以下の何れかの回数であることを特徴とする請求項2に記載のアーク溶接装置。
- 前記判定電圧を下回った回数又は時間に関する情報は、予め定められた回数分の当該判定電圧を下回り続けている時間に基づいて求められた時間であり、
前記設定基準は、予め設定された設定時間であることを特徴とする請求項1に記載のアーク溶接装置。 - 前記判定電圧が15Vである場合に、前記設定時間は0.1msec以上1.0msec以下の何れかの時間であることを特徴とする請求項4に記載のアーク溶接装置。
- 前記速度制御手段は、前記溶接手段の上昇速度が180mm/min以下に抑制されるように前記上昇手段を制御することを特徴とする請求項3又は請求項5に記載のアーク溶接装置。
- 被溶接鋼板の開先内でアークを発生させて溶融池を形成しながら溶接開先面を1パス施工で充填させる立向上進溶接を行うアーク溶接装置であって、
前記被溶接鋼板の開先の裏側に設けられたルートギャップに設置された裏当て材と、
前記被溶接鋼板の開先の表側に配置され、当該開先内に溶接ワイヤを供給する溶接トーチ、当該溶接トーチを当該開先幅方向へ揺動させるウィービング機構、及び、前記被溶接鋼板の表面を相対的に略鉛直上方向に摺動する摺動銅板を含み、当該開先内で当該溶接ワイヤから前記アークを略鉛直下方向に発生させて前記溶融池を形成することによりアーク溶接を行う溶接手段と、
前記溶接手段を、前記被溶接鋼板に対して相対的に略鉛直上方向に上昇させる上昇手段と、
前記溶接ワイヤに電流を給電して前記アークを発生させる溶接電源と、
前記溶接電源から出力される出力電流をモニターし、当該出力電流の値が予め設定された設定電流値よりも小さい場合に、前記溶接手段の上昇速度が低くなるように前記上昇手段を制御し、当該出力電流の値が前記設定電流値よりも大きい場合に、前記溶接手段の上昇速度が高くなるように前記上昇手段を制御する速度制御手段と、
前記速度制御手段により前記上昇手段が制御された結果、前記溶融池の表面と前記溶接ワイヤとの間の距離が安定的に保たれた状態で、溶接時に前記溶接電源から出力される出力電圧をモニターし、当該出力電圧の値が予め判定基準として定められた判定電圧を下回った回数又は時間に関する情報を把握し、当該回数又は時間に関する情報が予め設定された設定基準を上回っている場合に、当該出力電圧の値が高くなるように当該溶接電源を制御し、当該回数又は時間に関する情報が前記設定基準を下回っている場合に、当該出力電圧の値が低くなるように当該溶接電源を制御する電圧制御手段と
を備えたことを特徴とするアーク溶接装置。 - 被溶接鋼板の開先内でアークを発生させて溶融池を形成しながら溶接開先面を1パス施工で充填させる立向上進溶接を行うアーク溶接装置であって、
前記被溶接鋼板の開先内で複数の溶接ワイヤの各々からアークを略鉛直下方向に発生させて1つの前記溶融池を形成することによりアーク溶接を行う溶接手段と、
前記溶接手段を、当該被溶接鋼板に対して相対的に略鉛直上方向に上昇させる上昇手段と、
前記複数の溶接ワイヤの各々に電流を給電して前記アークを発生させる複数の溶接電源と、
前記複数の溶接電源のうちの1つの溶接電源から出力される出力電流をモニターし、当該出力電流の値が予め設定された設定電流値よりも小さい場合に、前記溶接手段の上昇速度が低くなるように前記上昇手段を制御し、当該出力電流の値が前記設定電流値よりも大きい場合に、前記溶接手段の上昇速度が高くなるように前記上昇手段を制御する速度制御手段と、
前記速度制御手段により前記上昇手段が制御された結果、前記溶融池の表面と前記溶接ワイヤとの間の距離が安定的に保たれた状態で、溶接時に前記複数の溶接電源の各溶接電源から出力される出力電圧をモニターし、当該出力電圧の値が予め判定基準として定められた判定電圧を下回った回数又は時間に関する情報を把握し、当該回数又は時間に関する情報が予め設定された設定基準を上回っている場合に、当該出力電圧の値が高くなるように当該各溶接電源を制御し、当該回数又は時間に関する情報が前記設定基準を下回っている場合に、当該出力電圧の値が低くなるように当該各溶接電源を制御する複数の電圧制御手段と
を備えたことを特徴とするアーク溶接装置。 - 被溶接鋼板の開先内で溶接ワイヤからアークを略鉛直下方向に発生させて溶融池を形成することにより溶接を行う溶接機を、当該被溶接鋼板に対して相対的に略鉛直上方向に上昇させることにより、溶接開先面を1パス施工で充填させる立向上進溶接を行うアーク溶接装置において用いられる定電圧特性溶接電源であって、
前記溶接ワイヤに電流を給電して前記アークを発生させる電源手段と、
前記電源手段から出力される出力電流をモニターし、当該出力電流の値が予め設定された設定電流値よりも小さい場合に、前記溶接機の上昇速度が低くなるように制御し、当該出力電流の値が前記設定電流値よりも大きい場合に、前記溶接機の上昇速度が高くなるように制御する速度制御手段と、
前記速度制御手段により前記上昇速度が制御された結果、前記溶融池の表面と前記溶接ワイヤとの間の距離が安定的に保たれた状態で、溶接時に前記電源手段から出力される出力電圧をモニターし、当該出力電圧の値が予め判定基準として定められた判定電圧を下回った回数又は時間に関する情報を把握し、当該回数又は時間に関する情報が予め設定された設定基準を上回っている場合に、当該出力電圧の値が高くなるように制御し、当該回数又は時間に関する情報が前記設定基準を下回っている場合に、当該出力電圧の値が低くなるように制御する電圧制御手段と
を備えたことを特徴とする定電圧特性溶接電源。 - 被溶接鋼板の開先内で溶接ワイヤからアークを略鉛直下方向に発生させて溶融池を形成することにより溶接を行う溶接機を、当該被溶接鋼板に対して相対的に略鉛直上方向に上昇させることにより、溶接開先面を1パス施工で充填させる立向上進溶接を行うアーク溶接方法であって、
前記溶接ワイヤに電流を給電して前記アークを発生させる溶接電源から出力される出力電流をモニターし、当該出力電流の値が予め設定された設定電流値よりも小さい場合に、前記溶接機の上昇速度が低くなるように制御し、当該出力電流の値が前記設定電流値よりも大きい場合に、前記溶接機の上昇速度が高くなるように制御するステップと、
前記上昇速度を制御するステップでの制御の結果、前記溶融池の表面と前記溶接ワイヤとの間の距離が安定的に保たれた状態で、溶接時に前記溶接電源から出力される出力電圧をモニターし、当該出力電圧の値が予め判定基準として定められた判定電圧を下回った回数又は時間に関する情報を把握し、当該回数又は時間に関する情報が予め設定された設定基準を上回っている場合に、当該出力電圧の値が高くなるように制御し、当該回数又は時間に関する情報が前記設定基準を下回っている場合に、当該出力電圧の値が低くなるように制御するステップと
を含むことを特徴とするアーク溶接方法。
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