JPH0249828B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は消耗電極を定速度送給して溶接を行う
アーク溶接法に係り、特に溶接中に発生するスパ
ツタを大幅に減少させるのに好適な溶接法に関す
る。

〔従来の技術〕

消耗電極を定速度送給して溶接を行うアーク溶
接法においては、従来第１図に示すように直流定
電圧特性の電源１と、直流リアクトル２とから成
る回路を構成したものが実用化されている。この
ように構成された回路を用いて溶接を行つた場合
には溶接電流の大きさによつて溶接現象がまつた
く異なる。すなわち比較的溶接電流値の低い領域
では消耗電極先端の溶融金属が母材に接触して移
行する、いわゆる短絡移行現象がみられる。

第２図は短絡とアークを繰り返す時の溶接電
流、アーク電圧の変化を示したもので、図におい
て線KPRは電源の外部特性曲線を示し、L₀，L₁，
L₂はアーク長がされぞれL₀，L₁，L₂の場合のア
ーク特性でL₀はアーク長が零の場合である。短
絡が始まると電流は１から２に急増し２において
短絡が破れるとアーク電圧３が発生し、たちまち
アーク長が延びてアーク長はL₂となりアーク電
圧３′に移る。しかし電極は絶えず送給され続け
ているのでアーク長は次第に短くなつて3′→４→
５の如く変化して５において再び短絡する。

この時の溶接現象を高速度カメラにより観察す
ると、スパツタが発生するのはアークから短絡に
なつた瞬間と短絡からアークになつた瞬間が最も
著しい。このうちアークから短絡になつた時に発
生するスパツタは第１図の直流リアクトルのイン
ダクタンスを適当な値にして、第２図の１から２
への電流の立上がり速度を制御することによつて
減少させることができる。このため従来から種々
の方法が考えられ、実施されてきた。例えばリア
クトルに２次制御巻線を設けて溶接条件に合せて
適切なインダクタンスを選定する方法が考えられ
ている。また短絡時の電流の立上がりと、短絡か
らアークになつた時の電流の立下がりを制御する
方法も考えられている。これらの方法では前述の
アークから短絡になつた時に発生するスパツタを
減少するのに効果がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし短絡からアークになつた瞬間には第２図
に示すように従来法では原理的に必ず高い電流値
になるので、この高い電流によつて生じるアーク
力が強く、またアーク柱の急熱膨張の程度が多い
のでスパツタが発生する。このため溶接中に発生
するスパツタを大幅に減少させるまでには至つて
いない。

一方比較的溶接電流値の高い領域では第３図に
示すようにアークが強く、電極先端の溶融金属を
押し上げるので、なかなか短絡せず、したがつて
溶滴は大きくなり、かつ片溶けがはげしく、大き
なスパツタが数多く発生する。このため従来、こ
の電流域では、積極的にアーク電圧を下げてうも
れアーク法（母材の凹部内に電極先端を挿入する
ようにしつつ電極先端からアークを発生させるア
ーク法のこと）を用いて発生するスパツタを溶融
プールの中にとじ込めて外へ出さないようにする
方法、あるいは電源回路のインダクタンスを非常
に大きく（600μH以上）して短絡した場合の電流
変動を少なくする方法などが考えられているが、
いずれもスパツタを大幅に減少させるまでには至
つていない。

本発明は以上のような事柄に鑑みてなされたも
のであり、その目的は低電流域から大電流域に渡
る広い溶接電流域においてスパツタがほとんど発
せず、しかも安定したアークが得られる新規なア
ーク溶接法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明のアーク溶接法は、消耗電極を定速度送
給して溶接を行い、短絡状態とアークになる直前
の状態を検出し、これらの検出信号によつて低電
流のベース電流I_Bに短絡重畳電流I_PSを短絡後の所
定の遅延時間T_DS経過後からアークになる直前ま
で重畳し、該アーク直前では溶接電流をベース電
流I_Bに下げてアーク移行時点はベース電流I_Bにし
ておくことを特徴とする。また更に、短絡重畳電
流I_PSよりも高く、かつワイヤ送給量に見合つて
設定される一定値のアーク重畳電流I_PAを、アー
クに移行した直後に設定時間重畳し、その後溶接
電流をベース電流I_Bに下げてから短絡移行させる
ことを特徴とする。

〔作用〕

このようにしてアークになる瞬間には溶接電流
を非常に低い値になるように制御するから、短絡
からアークになる時に発生するスパツタを防止す
ることが可能である。一方、短絡の際はいきなり
短絡重畳電流を流すのではなく遅延時間を設けて
いるからこの区間は低い電流値となり、よつてス
パツタを防止することが可能である。こうして比
較的溶接電流値の低い条件下でもスパツタ発生の
抑制効果がある。

ところで比較的溶接電流値の高い条件では一般
にアークの強さから短絡を起こしにくくなり溶滴
成長ひいては大きなスパツタの発生ということに
なるが、本発明はこれを防ぐべく強制的に短絡移
行するよう工夫を施してある。すなわち所定時間
I_PAを重畳した後I_Bに強制的に下げて短絡準備をす
ることになる。I_Bに強制的に下げれば消耗電極の
定速送給によりアーク長が短かくなつて最終的に
短絡するのである。

尚、アーク重畳電流I_PAを短絡重畳電流I_PSより
高くすることにより消耗電極先端を充分溶融させ
てから短絡に導くことがはじめて可能となる。ま
たI_PAを高くしているから消耗電極送給量を速め
ても消耗電極先端未溶融のままの短絡という事故
は防止できる。この点につき以下に説明する。

短絡重畳電流I_PSは、母材に短絡しているワイ
ヤ先端の溶融金属を母材へ移行させて短絡からア
ークにするためのものであるから、比較的小さな
電流値でよく、約150〜200A程度である。これに
対してアーク重畳電流I_PAは半溶融状態のワイヤ
先端を、ワイヤ送給量に見合つた分、すばやく溶
融させなければならないため、I_PSと比べて高い
値に設定する必要がある（第５図参照）。さもな
くば、半溶融状態のまま母材に短絡するので短絡
時間が非常に長くなり、不安定になる。

通常良く用いられる溶接電流の下限値はφ1.2mm
のワイヤで100A程度であり、この時の短絡回数
は約100回／sec（従つて周期10msec）でこの時の
アーク期間は8msec（従つて短絡期間は2msec）
程度がスパツタの出方や母材の溶融状態から良い
とされている。そこで例えばベース電流を50Aと
し、短絡重畳電流を200A（MAX）とし、短絡重
畳電流期間を短絡時間の内1msecとし、アーク重
畳期間をアーク時間の内2msecにすると I_n（100A）＝200A×1msec＋xA×2msec×50A
×7msec／10msec となり、I_PAつまりｘは225(A)となり、これはI_PS
（つまり200A）よりも大となる。ここで、アーク
重畳期間を2msecとしたのは発明者の実験、経験
によるものであり、次の周期に移行させるために
はすばやくワイヤ先端を溶融させてその後ワイヤ
定速送給に応じて移行するようベース電流に戻し
てやるための必要十分な準備時間である。この例
が示すようにI_PAはI_PSより高くする必要がある。

こうしてI_PAをI_PSより高くすることによつてワ
イヤの先端を直ちに溶融させ得るので、アークの
期間を確保することが可能である。この期間はア
ークによつて母材を溶融させ得るから良好な溶接
が達成される。

加えて溶接量がワイヤ送給量に見合つているの
で一定の短絡回数を持つ安定した溶接が可能とな
る。

こうしてアーク期間中にはワイヤ送給量に見合
い、しかも短絡的の重畳電流値より大きい値のパ
ルス状電流を出力し、しかもアーク期間終端時に
は溶接電流を低い値になるように制御することに
よつて強制的に短絡を行わせしめて、低電流から
大電流に至る広い溶接電流域で、スパツタがほと
んど発生せずしかも安定したアークが得られるよ
うにしたことを特徴とする。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第４図〜第７図によ
り説明する。

第４図において３は変圧器、４は整流器、５は
出力電流を制御する限流素子、６は５の駆動回
路、７は溶接部で７ａは母材、７ｂはアーク、７
ｃは消耗電極、７ｄは給電チツプ、７ｅは消耗電
極を送給する送給ローラ、８は消耗電極送給モー
タ、９は短絡状態を検出する回路、１０は短絡か
らアークになる直前の状態を検出する回路、１１
は比較回路で短絡状態検出回路９で得られた信号
と基準信号発生回路１２の信号とを比較する回
路、１３は遅延回路、１４は短絡電流発生回路、
１５は比較回路でアーク直前状態検出回路１０で
得られた信号と基準信号発生回路１６の信号とを
比較する回路、１７は遅延回路、１８は送給モー
タの回転数すなわち消耗電極の送給量に相当する
信号を発生する回路、１９は信号１７によつて信
号１８に見合つたアーク電流信号を発生する回路
である。

次に上記実施例の動作について説明すると、変
圧器３で通常200Vから60〜80Vに変圧され、整
流器４で直流に整流された電圧が出力されると限
流素子５、給電チツプ７ｄを通して電極７ｃに通
電され、電極７ｃと母材７ａとの間にアーク７ｄ
が発生する。この時電極７ｃは送給モータ８によ
つて駆動される送給ローラ７ｅによつて定速送給
される。短絡状態検出回路９はこの時の溶接電流
あるいはアーク電圧の変化から短絡した瞬間を検
出する。アーク電圧を検出した場合には、アーク
から短絡に移行すると前述の第２図に示すように
数十ボルトから零ボルト付近に急変するので、基
準信号発生回路１２で例えば数ボルトを設定して
この値と短絡状態検出回路９で検出した電圧とを
比較器１１で比較することにより短絡したことが
判別できる。短絡状態を判別すると比較回路１１
は短絡信号を発生し、遅延回路１３を通して短絡
電流発生回路１４に起動信号が印加される。遅延
回路１３は比較回路１１からの信号印加された後
あらかじめ設定された遅延時間後に短絡電流発生
回路１４に信号を印加する。ただし設定遅延時間
後に比較器１１からの短絡信号が引き続き印加さ
れている場合にのみ出力する。この結果、電極先
端の溶融金属が溶融プールに瞬間的に触れるだけ
で実際には溶融金属が移行しない約0.5ms以下の
瞬間短絡時に短絡電流が流れてスパツタが発生す
るのを防ぐことができると同時に十分短絡された
後に短絡電流が流れるのでアークから短絡になつ
た時に発生するスパツタを防止することができ
る。

これは比較器１１の前段にフイルター回路を設
け、0.5ms以下の短絡をカツトし、短絡電流の立
上がり速度を遅くしても同様の効果がある。

遅延回路１３からの信号が印加されると短絡電
流発生回路１４はあらかじめ設定された波形を駆
動回路６に出力する。また駆動回路６への短絡電
流発生回路１４の信号は比較回路１５からの信号
が印加されると直ちに停止する。

アーク直前状態検出回路１０はアークになる直
前の状態を検出する回路で、電圧をフイードバツ
クした場合には、第２図に示すように短絡した瞬
間からアークになる瞬間までの電圧は零ボルト付
近から数ボルト付近まで変化し、アークになつた
瞬間に数十ボルトに急変するので、基準信号発生
回路１６で例えば数十ボルトを設定し、この値と
アーク直前状態検出回路１０で検出した値を比較
することによりアークになる直前の状態を判別す
ることができる。また短絡した後、電流によつて
生じる電磁ピンチ力によつて溶融金属はくびれ、
アークになる直前には糸状になるので当然短絡抵
抗は増加する。したがつて電圧（Ｖ）と電流(I)を
フイードバツクし、短絡抵抗Ｒ＝Ｖ／Ｉを演算し、 基準信号１６と比較することによつてアークにな
る直前の時期を判別することができる。

アークになる直前の時期を判別すると比較回路
１５は、遅延回路１７および短絡電流発生回路１
３へ信号を出力する。遅延回路１７は比較器１３
からの信号が印加された後0.5〜5msの遅延時間
後アーク電流発生回路に信号を印加する。アーク
電流発生回路１９は遅延回路１７からの信号が印
加されると送給モータ８の出力すなわち電極７ｃ
の送給速度に相当する回路１８の信号に見合つた
アーク電流波形を駆動回路６へ出力する。

第５図は上記実施例による電流、電圧波形の一
例を示す。図中Ａ点およびＤ点は短絡した瞬間、
Ｂ点はアークになる直前、Ｃ点はアークになつた
瞬間である。

先ずI_PSについて説明する。Ａ点で短絡すると
短絡検出回路９で検出し遅延回路１３でT_DS遅れ
て短絡電流発生回路１４から信号が出力されて限
流素子５によつてI_PSなる短絡重畳電流が出力さ
れる。この短絡重畳電流I_PSは比較器１５からの
信号が印加されるまで出力されるので短絡重畳電
流の幅（T_PS）は短絡の状態によつて異なる。第
６図ａは短絡時間が比較的短かくて定常値I_PSに
なる途中で比較器１５からの信号が印加された場
合、ｂ図は定常値I_PSに到達した後に印加された
場合を示す。このように短絡からアークになる直
前に短絡電流は低電流に移行する。またＢ点でア
ーク直前の状態を検出すると比較器１５は遅延回
路１７に信号を出力するが遅延回路１７はT_DAの
遅延時間後アーク電流発生回路１９へ信号を出力
する。

以上の結果短絡からアークになる時にはアーク
を維持するための低い電流を流すことになるの
で、短絡からアークになる時点でのスパツタの発
生を防止することができる。

次にI_PAについて説明する。アーク重畳電流は
比較的高いアーク重畳電流I_PAを一定期間T_PA重畳
させる。この場合出力側にリアクトル（遅延素
子）があるとI_Bを一定期間T_PS流すように制御す
る。ここで第５図のT_PA相当区間の電流波形は台
形を呈しているが、立ち上がり時間と立ち下がり
時間がほぼ同じであるからこれを相殺してみれ
ば、この台形と同面積のI_PA値×T_PA時間（すなわ
ち長方形）となる。

電極の溶融量はほぼアーク期間の平均電流値に
比例するので（I_PA×T_PA＋I_B×T_AS）／（T_PA＋
T_PS）を電極の送給量に見合うように制御する。
尚、アーク期間用の遅延素子１７を用いない場合
は立ち上がり、立ち下がりの態様が異なるが、前
記式の関係は基本的には変わらない。この時電流
I_PAが流れている間は電極が十分溶融されアーク
力によつて電極先端の溶融金属は押し上げられて
容易に短絡しない。低電流I_Bに制御されると電極
はほとんど溶融されずしかもアーク力が弱まるの
で溶融金属は母材側に下がりＤ点で短絡する。こ
のように短絡を強制的に行わせしめるので、従来
法では不可能であつた中、高電流域での短絡移行
溶接ができる。第７図はアーク時の他の電流、波
形例を示したものであるが本発明ではいずれも同
様の効果がある。

以上のように本発明法によれば、短絡状態とア
ークになる直前の状態を検出し、この信号によつ
て短絡した瞬間から一定遅延時間後に最適な短絡
電流をアークになる直前まで出力し、アークにな
る瞬間には溶接電流を低い値になるように制御
し、アーク期間中にはワイヤ送給量に見合つたパ
ルス状電流を出力し、しかもアーク期間終端時に
は溶接電流を低い値になるように制御することに
よつて強制的に短絡を行わせしめることができる
ので低電流から大電流までの広い溶接電流域で、
スパツタがほとんど発生せずしかも安定したアー
クを得ることができる。したがつてビード外観が
美しくなり、溶接後の後処理を必要とせず、また
高速溶接が可能になるので、作業効率は著しく向
上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のアーク溶接電源の回路図、第２
図、第３図は従来のアーク溶接電源による動作お
よび現象の説明図、第４図は本発明法による一実
施例の回路図、第５図は実施例による波形図、第
６図、第７図は実施例による他の波形図である。 ５……限流素子、６……駆動回路、９……短絡
状態検出回路、１０……アーク直前状態検出回
路、１３，１７……遅延回路、１４……短絡電流
発生回路、１９……アーク電流発生回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 消耗電極を定速度送給して溶接を行い、短絡
   状態とアークになる直前の状態を検出し、これら
   の検出信号によつて低電流のベース電流I_Bに短絡
   重畳電流I_PSを短絡後の所定の遅延時間T_DS経過後
   からアークになる直前まで重畳し、該アーク直前
   では溶接電流をベース電流I_Bに下げてアーク移行
   時点はベース電流I_Bにしておくことにより、スパ
   ツタを低減するアーク溶接法において、前記短絡
   重畳電流I_PSよりも高く、かつワイヤ送給量に見
   合つて設定される一定値のアーク重畳電流I_PAを、
   アークに移行した直後に設定時間重畳し、その後
   溶接電流をベース電流I_Bに下げてから短絡移行さ
   せるようにしたことを特徴とするアーク溶接法。