JPH02290674A - ミグ及びマグパルスアーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 く産業上の利用分野〉 本発明は、ミグ及びマグパルスアーク溶接方法（以下、
マグバルス溶接方法という。）において、アーク長を短
くすることにより、特に、高速溶接の溶接欠陥の発生を
防止し、かつスパッタの発生を低減させるマグバルス溶
接方法に関するものである。

く従来の技術〉 最近、製造ラインの生産性を向上させる場合に重要な課
題は、溶接速度の高速化、品質の安定化及びスパッタの
低減を同時に満足させることができるマグバルス溶接方
法の開発である。

第２図は従来及び本発明のマグパルス溶接方法の出力電
圧Ｖａ［Ｖ］（横軸）とスバッタ発生ｆｌ［ｇノＩＩｌ
１ｎ］との関係を示す測定図であって、溶接条件は、彼
溶接物が軟鋼、ワイヤ径が１．２ｍｍ，シールドガスが
炭酸ガス２０％とアルゴン８０％との混合ガス、溶接電
流２ｌＯ［＾］、溶接速度１．５　［ｍ　／ｍｉｎｌで
ある。

同図の曲線Ａは従来のトランジスタスイッチング制御に
よる台形波マグバルス溶接方法における測定図であり、
曲線Ｂはインバータ制御による矩形波マグバルス溶接方
法における測定図であり、曲線Ｃは後述する本発明のマ
グパルス溶接方法における測定図である。

第３図は、第２図の曲線Ａに示す従来の台形波マグバル
ス溶接方法及び曲線Ｂに示す矩形波マグバルス溶接方法
を実施する溶接装置の構成図の一例である。

同図において、４は消耗電極、５は被溶接物、６はアー
ク、７は移行溶滴、２１はパルス電流用電源、２２はベ
ース電流用電源、２３は出力電圧瞬時値検出回路、２４
は短絡時の出力電圧の基準値を設定する短絡電圧設定回
路、２５は比較回路、２６は台形波又は矩形波の補助パ
ルス電流用電源、２７はパルス電流値設定回路、２８は
パルス電流期間（パルス幅）設定回路、２９はベース電
流値設定回路及び３０はパルス周波数設定回路である。

第３図に示す従来のマグパルス溶接装置の動作を説明す
る。同図において、パルス電流値設定回路２７とパルス
電流期間設定回路２８とパルス周波数設定回路３０とに
よって定まる第４図（Ｂ）の出力電流波形図に示すパル
ス電流１ｐをパルス電流用電源２１から出力し、ベース
電流値設定回路２９とパルス周波数設定回路３０とによ
って定まる第４図（Ｂ）に示すベース電流１ｂをベース
電流用電源２２から出力する。溶接中、出力電圧の瞬時
値を出力電圧瞬時値検出回路２３によって検出した検出
電圧Ｓ１と短絡電圧設定回路２４の基準電圧Ｓ２とを比
較回路２５によって比較して、検出電圧Ｓ１が基準電圧
Ｓ２よりも低下して第４図（＾）に示す出力電圧波形に
おいて短絡と判別したときは、補助パルス電流用電源２
６から第４図（Ｂ）の出力電流波形に示す台形波又は矩
形波の補助パルス電流Ｉａを通電して、短絡を解除して
アークを発生させている。

他方、アーク長を短くして平均アーク電圧Ｖａを低くし
たときのスバッタ発生量を低減させる特許出願としては
、短絡した時点から所定時間を経過したときに、短絡解
除のための台形波又は矩形波の補助パルス電流を通電す
るアーク溶接装置（特開昭６１−２８６１８０）　、パ
ルスの立上り時に短絡状態であるときに限り、アークの
再生を待ってバルスＮ流の立上げを行う溶接機（特開昭
６１−　２６２４６９）等がある。

く発明が解決しようとする問題点〉 従来から、アーク長を短くしてもスパッタの発生を少な
くしようとする発明が種々行われているが、本発明は、
マグバルス溶接方法において、スパッタ発生の原因を究
明してその結果にもとずいて、アーク長を短くしてもス
パッタの発生を最小限にすることができる溶接方法を提
案するものである。

ここで、スバッタ発生の原因について究明する。

第５図（Ａ）乃至（Ｃ）は、従来の台形波マグパルス溶
接方法において、溶接電流２１０［Ａ］　、シールドガ
ス２０％炭酸ガスと８０％アルゴンガスとの混合ガス、
ワイヤ径１．２ｍｍにおいて、　１．５　［　ｍ　／ｍ
１ｎ］の高速度溶接をしたとき、平均短絡回数Ｎ［回数
／秒］　（横軸）とスバッタ発生量［　ｇ　／　ｍ１ｎ
ｌ　（縦軸）との関係を示すスバッタ発生量測定図であ
って、同図（＾）はパルス電流定常期間Ｔｐの短絡回数
に対するスバッタ発生量の測定図、同図（Ｂ）はパルス
電流変化期間（パルス電流立上り期間及びパルス電流立
下り期間）Ｔｔの短絡回数に対するスパッタ発生量の測
定図、同図（Ｃ）はベース電流期間Ｔｂの短絡回数に対
するスパッタ発生量の測定図である。同図（Ａ）及び（
Ｂ）に示すように、パルス電流定常期間Ｔｐ及びパルス
電流変化期間Ｔｔにおいては、平均短絡回数Ｎの増加と
ともにスパッタ発生量が増加している。逆に、同図（Ｃ
）に示すように、ベース電流通電期間Ｔｂにおいては、
平均短絡回数Ｎの増加とともにスバッタ発生量が減少し
ていることが判る。このことから、従来の溶接装置にお
いて、短絡解除のために、第４図（Ａ）乃至（Ｃ）に示
すように、台形波又は矩形波の補助パルス電流を通電す
ると、この短絡解除のための補助パルス電流が、第５図
（Ｂ）に示すパルス電流立上り時におけるスバッタ発生
の原因になるという問題点が判明した。すなわち、前述
した第４図（Ａ）の出力電圧波形図のＡ点に示すように
、出力電圧が低下して短絡を生じたとき、同図（Ｂ）の
出力電流波形図のＩａに示すように、台形波又は矩形波
の補助パルス電流を通電すると、同図（Ｃ）に示すよう
に、消耗電極４の先端と披溶接物５との間のアーク６に
よって生じる移行溶滴７が、同図Ｂ点において大粒のス
パッタとなって飛散するという問題点があった。

く問題点を解決するための手段〉 本発明のミグ及びマグパルスアーク溶接方法は、アーク
長を短くしても、スバッタを最小限にするために、次の
構成要件を備えている。

（１）パルス電流の立上り及び立下り速度の大きい矩形
波電流を通電すること。

（２）パルス周波数に同期してベース電流通電期間中に
溶滴移行を行わせること。

（３）ベース電流通電期間中の短絡の継続が予め設定し
た値を超えた後に、短絡解除電流を通電し、アーク発生
後はベース電流値に復帰させること。

（４）前記短絡解除電流は徐々に増加する電流であるこ
と。

また、請求項第２項の発明は、パルス電流通電期間中に
短絡が生じたときは、直ちに、パルス電流値１ｐをベー
ス電流値Ｉｂに低下させる第１項記載のマグバルス溶接
方法である。

く作用〉 本発明のマグバルス溶接方法において、アーク長を短く
してもスバッタを最小限にするための手段及びその作用
について説明する。

（１）矩形波出力電流制御 前述した第５図（Ｂ）に示すように、パルス電流の立上
り期間及び立下り期間のパルス電流変化期間Ｔｔ中の短
絡回数Ｎが増加すると、スバッタ発生二が増加する。し
たがって、パルス電流波形が変化期間の大きい従来の第
２図（Ｃ）に示すトランジスタスイッチング制御による
溶接電源においては、パルス電流波形が台形波となりス
パッタ発生の原因となっている。そこで、本発明に溶接
方法では、スバッタ発生の原因となる台形波パルス電流
のかわりに、インバータ制御をした溶接電源から出力さ
れる矩形波パルス電流を通電することにより、スパッタ
発生の原因を除去している。

（２）パルス周期同期溶滴移行制御 前述した第５図（Ａ）に示すように、パルス電流定常期
間Ｔｐ中の短絡回数Ｎが増加すると、スパッタ発生量が
増加し、他方、同図（Ｃ）に示すように、ベース電流通
電期間Ｔｂ中の短絡回数Ｎが増加すると、スパッタ発生
量が減少する。したがって、本発明の溶接方法は、パル
ス電流通電期間Ｔｐの間に、消耗電極先端に移行のため
の溶滴を形成しておき、ベース電流期間Ｔｂ中に分離し
て移行させるように、消耗電極送給速度に対応させて、
パルス電流通電期間Ｔｐ１バルス電流値ｒｐ及びパルス
周波数Ｆを設定及び制御するパルス周期同期溶滴移行（
ユニットパルス移行）制御を行っている。このように、
ベース期間中に溶滴を移行させることにより、短絡が生
じても、スバッタは発生せず、このベース期間中の短絡
回数Ｎが増加することによって、パルス電流通電期間Ｔ
ｐ中の短絡が減少するので、ベース電流期間Ｔｂの短絡
回数Ｎの増加にしたがって、スパッタ発生量が減少して
いる。

（３）短絡解除電流通電 前述した　（２）項に記載したように、ベース電流通電
期間中に溶滴移行を行わせるようにしたとき、溶滴移行
の際に短絡が生じたときは、第１図（Ａ）の出力電圧波
形図のＰ点に示すように、短絡の継続が設定値例゛えば
設定時間Ｔｄよりも小のときは、同図（Ｂ）の出力電流
波形図に示すように、通常のベース電流Ｉｂをそのまま
継続して通電し、また同図（Ａ）のＱ点に示すように、
短絡継続時間が設定値Ｔｄよりも長くなったときは、同
図（［３）の短絡解除電流１ｄを、短絡検出後の設定時
間Ｔｄの経過した後に通電してアークを再生させる。こ
の短絡解除電流の通電によって、短絡が約１　　［ｍｓ
］以上の長時間継続しないようにして、アーク不安定を
防止することができ、また短絡がパルス電流期間まで継
続してパルス電流によりアークが再生してスパッタが発
生することを防止することができる。アーク発生後は、
ベース電流値に復帰される。

なお、上記の短絡中か否かの判別は、出力電圧の瞬時値
を検出して設定値以下の値になっている継続時間を計測
したり、アーク光を検出したりすることにより行うこと
ができる。また、短絡の継続が予め設定した値を超えた
か否かの判別は、短絡の継続時間を計測したり、出力電
圧の設定値からの各瞬時の低下値とその継続時間の積分
値を求めて行ってもよい。

（４）短絡解除電流の波形制御 前述した第４図に示すように、従来の装置では、短絡時
に補助パルス電流を通電すると、パルス電流立上り時に
おけるスパッタ発生の原因となっている。

そこで、本発明のマグパルス溶接方法においては、第１
図（Ａ）のＱ点に示すように、短絡継続時間Ｔｄを経過
した後に、電子リアクトル制御によって、第１図（Ｂ）
に示すように、短絡補助電流Ｉｄの電流値を徐々に増加
させる短絡解除電流の波形制御を行っている。この短絡
解除電流の波形は、スバッタを発生させない程度の電流
の立上り速度であれば、直線的に増加させても、曲線的
に増加させてもよい。

（５）パルス電流期間中の短絡制御 前述した第５図（Ａ）に示すように、従来の装置では、
パルス電流定常期間中に短絡が生じるとスパッタ発生の
原因となっている。

そこで、請求項第１項の発明においてパルス周期同期溶
滴移行制御を行い、ベース電流通電期間中に溶滴移行又
は短絡が行われるようにしているので、パルス電流通電
期間中の短絡が極めて少なくなり、スパッタ発生量が低
減しているが、さらに、請求項第２項の発明は、パルス
電流通電期間中の短絡制御によって、スバッタ発生量を
低減している。

請求項第２項のマグパルス溶接方法においては、第１図
（Ａ）のＲ点に示すように、短絡が生じると、第１図（
Ｂ）に示すように、パルス電流値１ｐを直ちにベース電
流値に低下させてスパッタの発生量をさらに低減させる
パルス電流通電期間中の短絡制御を行っている。

以上の制御を総合的に行うことにより、本発明のマグバ
ルス溶接方法は、前述した第２図において、曲線Ｃに示
すように、従来のトランジスタスイッチング制御による
台形波マグパルス溶接方法（曲線Ａ）よりも大幅に、ス
バッタ発生量を低減し、またインバータ制御による矩形
波マグパルス溶接方法（曲線Ｂ）よりもスパッタ発生量
を低減している。

さらに、本発明のマグパルス溶接方法は、第８図に示す
ように、出力電圧の低い範囲で実用範囲をＪＪだけ、従
来のマグパルス溶接方法の実用範囲ＨＨよりも拡大して
いる。すなわち、同図は、出力電流１［Ａ］（横軸）と
出力電圧Ｖａ［Ｖ］（縦軸）との実用限界を示す実用可
能領域比較図である。

同図において、一点鎖線Ｅよりも上方は短絡を生じない
でスプレー移行するマグパルス溶ｉ方法となる限界線で
あり、実！ＩＦよりも下方はアーク不安定となり本発明
のマグパルス溶接方法においても実用不可能となる限界
線である。これらの限界線Ｅ及びＦで囲まれた範囲内で
点線Ｇよりも上方の範囲は、従来のマグバルスで実用可
能な瞬時短絡領域ＨＨであって、安定したアーク発生が
可能な範囲であるのに対して、点線Ｇよりも下方の斜線
の範囲ＪＪは、本発明のマグパルス溶接方法に適用した
各種制御によって実用可能となった拡大実用領域を示す
。なお、領域比較図を求める溶接条件は、シールドガス
として２０％炭酸ガスと８０％のアルゴンガスとの混合
ガスを使用し、直径１．２鰭の軟鋼の消耗電極を突出し
長さ１５ｍ＋ｓで、軟鋼板を突合せ溶接したときの値で
ある。

本発明のマグパルス溶接方法は、軟鋼の薄板高速度のマ
グバルス溶接方法に限定されることなく、ステンレス鋼
、アルミニウムのミグ溶接、その他の材質のミグ溶接又
はマグ溶接に適用しても、従来のマグパルス溶接方法よ
りも実用領域を拡大することができる。

く実施例〉 本発明のマグパルス溶接方法を実施する溶接装置につい
て説明する。

第６図は、本発明のマグパルス溶接方法を実施する実際
の溶接装置の全体の構成図、第７図は第６図の構成図を
、本発明のマグバルス溶接方法について説明するために
書きかえた構成図である。

第６図において、４ｌは商用電源から入力された３相電
源電圧を直流に変換する第１の整流回路、４２はトラン
ジスタ等から形成されるインバータ、４３は溶接出力電
圧に降圧する高周波溶接変圧器、４４は高周波電圧を直
流に変換する第２の整流回路、４５は直流リアクトル、
４６は出力電流瞬時値検出回路、４７は出力電流設定回
路、４８は出力制御回路である。

また、第６図及び第７図において、２ｌ乃至３０は、第
３図において説明した従来のマグパルス溶接方法を実施
する溶接装置と同様で、２１はパルス電流用電源、２２
はベース電流用電源、２３は出力電圧瞬時値検出回路、
２４は短絡電圧設定回路、２５は比較回路、２７はパル
ス電流値設定回路、２８はパルス本流期間設定回路、２
９はベース電流値設定回路、３０はパルス周波数設定回
路である。

さらに、第６図及び第７図において、３ｌは短絡解除電
流遅延タイマ、３２は短絡解除電流波形制御用の関数発
生回路、３３は短絡解除電流用電源、３４はパルス電流
又はベース電流と短絡解除電流との出力電流切替回路で
ある。

以下、第１図及び第７図を参照して本発明のマグパルス
溶接方法を実施する溶接装置の動作について説明する。

同図において、第３図の従来の溶接装置と同様に、パル
ス電流設定回路２７とパルス電流期間設定回路２８とパ
ルス周波数設定回路３０とによって定まる第１図（Ｂ）
の出力電流波形図に示すパルス電流１ｐをパルス電流用
電［２１から出力し、ベース電流値設定回路２９とパル
ス周波数設定回路３０とによって定まる第１図（Ｂ）に
示すベース電流１ｂをベース電流用電源２２から出力す
る。溶接中、出力電圧の瞬時値を出力電圧瞬時値検出回
路２３によって検出した検出電圧Ｓｌと短絡電圧設定回
路２４の基準電圧Ｓ２とを比較回路２５によって比較し
て、検出電圧Ｓ１が基準電圧Ｓ２よりも低下したとき、
第１図（Ａ）に示す出力電圧波形において短絡と判別し
て比較回路２５から短絡判別信号Ｓ３を出力する。この
判別した時点において、出力電流がベース電流通電期間
Ｔｂか、パルス電流通電期間Ｔｐかによってつぎのよう
に動作が異なる。

■ベース電流期間中の短絡（請求項第１項）短絡の検出
が第１図（Ａ）の出力電圧波形図のＰ点又はＱ点に示す
ようにベース電流通電期間Ｔｂ中であるときは、短絡判
別信号Ｓ３によって短絡解除電流通電遅延タイマ３ｌの
時限動作を開始する。

短絡継続時間が第１図（Ａ）のＰ点に示すようｉ′こ、
タイマの設定時間Ｔｄ内にアークが発生したときは、タ
イマを復帰させ、第１図（Ｂ）の出力電流波形図に示す
ように、ベース電流値のままで、短絡解除電流は通電し
ない。しかし、短絡継続時間が第１図（Ａ）のＱ点に示
すように、タイマの設定時間Ｔｄ以上となり、その間に
アークが発生しなかったときは、タイマから短絡解除電
流通電信号Ｓ４が短絡解除電流波形制御用の関数発生回
路３２に出力される。この関数発生回路３２の短絡解除
電流制御信号Ｓ５によって定まる第１図（Ｂ）の出力電
流波形図に示す短絡解除電流１ｄが、短絡解除電流用電
源３３から消耗電極４に供給され、時間Ｔｑ後にアーク
が発生する。アークが発生すると出力電圧瞬時値検出回
路２３の出力信号Ｓ１を出力電流切替回路３４に出力し
て短絡解除電流値からベース電流値に復帰させる。

■パルス電流通電期間中の短絡（請求項第２項）短絡の
検出が第１図（＾）の出力電圧波形のＲ点に示すように
パルス電流通電期間Ｔｐであるときは、短絡判別信号Ｓ
３によって、出力電流切替回路３４は、直ちに、第１図
（Ｂ）の出力電流波形図のパルス電流波形Ｉ『に示すよ
うに、出力電流値をパルス電流値！ｐからベース電流値
１ｂに切替える。したがって、通電期間がＴｐである正
規のパルス電流（ユニットパルス）の通電時間がＴｒだ
け短くなってＴｐ−Ｔｒになる。

く発明の効果〉 本発明のマグバルス溶接方法は、請求項第１項のインバ
ータ制御による矩形波出力電流、パルス周期同期溶滴移
行制御及び短絡解除電流の波形制御さらに請求項第２項
のパルス電流通電期間中の短絡制御を組合せることによ
り、次の効果を達成することができる。なお、溶接条件
が最適であるときは、請求項第１項構成の効果と請求項
第２項の構成の効果とは略同一になる。以下の効果のデ
ータは、溶接条件を広範囲に選定しているため必ずしも
最適の溶接条件だけを選定していないので、請求項第２
項の構成によるデータに基いた効果について記載する。

（１）本発明のマグバルス溶接方法は、第２図の曲線Ｃ
に示すように、従来のトランジスタスイッチング制御に
よるマグパルス溶接方法（曲線Ａ）及びインバータ制御
によるマグバルス溶接方法（曲線Ｂ）よりも、スバッタ
発生量が低減している。

（２）本発明のマグバルス溶接方法は、第８図の本発明
による拡大実用領域ＪＪに示すように、従来のトランジ
スタスイッチング制御によるマグバルス溶接方法及びイ
ンバータ制御によるマグパルス溶接方法においてスパッ
タ発生量の許容値内における瞬時短絡領域ＨＨよりも、
溶接条件の選定範囲が大幅に拡大している。

したがって、本発明のマグバルス溶接方法によれば、出
力電圧を従来方法よりも低くすることができるので、ア
ークの集中がよく、高速度溶接においてもアンダーカッ
トが発生せず、ビード形状も良好となり、また、周辺に
磁性体があっても磁気吹き（アークブロー）が発生しに
＜＜、かつ、空気の巻込みによるブローホールの発生の
可能性も極めて少ない。

【図面の簡単な説明】 第１図（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ本発明のマグバル
ス溶接方法に適用した短絡解除電流の波形制御及びパル
ス電流通電期間中の短絡制御を説明する出力電圧波形図
及び出力電流波形図である。 第２図は、従来及び本発明のマグパルス溶接方法の出力
電圧とスパッタ発生量との関係を示す図である。 第３図は、従来のマグパルス溶接方法を実施する溶接装
置の構成図を示す。 第４図（Ａ）乃至（Ｃ）は、それぞれ、第３図に示す従
来のマグパルス溶接装置によって従来のマグパルス溶接
方法に適用された短絡時に補助パルス電流を通電する出
力電圧波形図、出力電流波形図及び消耗電極先端付近の
状態図を示す。 第５図（Ａ）乃至（Ｃ）は、それぞれ、従来のマグバル
ス溶接方法における短絡回数Ｎとスバツタ発生量との関
係を示すスパツタ発生量測定図であって、同図（＾）は
パルス電流通電期間中、同図（Ｂ）はパルス電流変化期
間中及び同図（Ｃ）はベース電流通電期間中の短絡回数
とスバッタ発生量との計１定図である。 第６図は、本発明マグパルス溶接方法を実施する実際の
溶接装置の全体の構成図である。 第７図は、第６図の構成図を、本発明のマグパルス溶接
方法について説明するために書きかえた構成図である。 第８図は、従来のマグパルス溶接方法による実用可能な
瞬時短絡領域ＨＨと、本発明のマグバルス溶接方法によ
って実用可能となった拡大実用領域ＪＪとを示す実用可
能領域比較図である。 ２１・・・パルス電流用電源 ２２・・・ベース電流用電源 ２３・・・出力電圧瞬時値検出回路 ２４・・・短絡電圧設定回路 ２５・・・比較回路 （２６・・・従来の台形波又は矩形波の補助パルス電流
用電源） ２７・・・パルス電流値設定回路 ２８・・・パルス電流期間（パルス幅）設定回路２９・
・・ベース電流値設定回路 ３０・・・パルス周波数設定回路 ３ｌ・・・短絡解除電流通電遅延タイマ３２・・・短絡
解除電流波形制御用の関数発生回路３３・・・短絡解除
電流用電源 ３４・・・出力電流切替回路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ミグ及びマグパルスアーク溶接方法において、パル
   ス電流の立上り及び立下り速度の大きい矩形波電流を通
   電し、アーク長を短くするとともに、パルス周波数に同
   期してベース電流通電期間中に溶滴移行を行わせ、ベー
   ス電流期間中の短絡の継続が予め設定した値を超えた後
   に、短絡解除電流を徐々に増加し、アーク発生後にベー
   ス電流値に復帰させるミグ及びマグパルスアーク溶接方
   法。 ２、パルス電流通電期間中に短絡が発生したとき、直ち
   に、パルス電流値をベース電流値に低下させる第１項記
   載のミグ及びマグパルスアーク溶接方法。