JPH0342997B2

JPH0342997B2 -

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Publication number: JPH0342997B2
Application number: JP15978586A
Authority: JP
Priority date: 1986-07-09
Filing date: 1986-07-09
Publication date: 1991-06-28
Also published as: JPS6316868A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、消耗性電極を用いたアーク溶接法に
係り、特に極低電流においても安定なアーク状態
を維持し、板厚0.6mm以下の極薄板や亜鉛メツキ
鋼板等を溶接するのに好適な小電流溶接方法を関
する。

〔従来の技術〕

CO₂アーク溶接における適正電流範囲は、ワイ
ヤ径によつて異なり、益本・岡田；“半自動・自
動アーク溶接”（産報出版、1978年７月）p.96に
表3.5として記載された第７図のようであること
は良く知られている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上図に示されるように、ワイヤ径が細いものほ
ど下限電流値を低下させることができるが、細径
ワイヤは座屈などを生じやすく、送給性は悪くな
る。またワイヤの価格も高い。

一般に広く用いられているφ0.9mmワイヤでは
60Aが、φ1.2mmワイヤでは80Aが、安定なアーク
状態を維持できる下限電流値である。

この下限電流値をさらに低下させることができ
れば、極薄板の溶接において、価格が高くかつ送
給性の悪い細径ワイヤを敢えて使用する必要はな
くなり、経済性・作業性の面における効果が大き
い。

また、従来の溶接電源を用いて亜鉛メツキ鋼板
を溶接する際、アークによつて亜鉛が溶融・気化
し、その蒸気がアーク雰囲気を乱し、アーク不安
定、多量の母材付着スパツタの発生あるいはビー
ド外観不良などを生じるとされているが、この問
題も、電流値を低くし、溶接速度を遅くして、亜
鉛をその蒸気がアーク雰囲気中に混入する以前に
十分気化させるだけの時間的余裕を持たせること
で解消できる。

本発明は上記の点にかんがみなされたもので、
ワイヤ径によつて決まる適正電流範囲の下限値を
低下させ、極低電流で安定したアーク状態を維持
し、かつスパツタの発生が極めて少ない溶接が可
能なアーク溶接方法を提供することを目的とす
る。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、消耗性電極をほぼ定速度で送給し、
消耗性電極と母材との間で短絡とアークを交互に
繰り返し発生させて行なうアーク溶接において、
短絡発生とアーク発生を検出し、短絡周期ごとに
下記(A)〜(D)の各過程を順次実行することを特徴と
する小電流溶接方法である。

(A) 短絡発生後、所定の時間Tdの間、溶接電流
を短絡直前の定電流設定レベルImに保持する
ように溶接電源出力を定電流制御する過程。

(B) 所定の時間Td経過したとき、溶接電流を所
定の定電流設定レベルIuまで急激に増加させ、
その後、短絡を開放するのに十分なより高い定
電流設定レベレIsに向かつて所定の時定数Suで
徐々に増加させて、短絡を開放する過程。

(C) アーク発生後、所定の時間Tcの間、溶接電
圧を定電圧設定レベルVa近傍に保持するよう
に溶接電源出力を定電圧制御し、消耗性電極の
先端に溶滴を形成・成長させる過程。

(D) 所定の時間Tc経過後、溶接電圧の最大値を
規制する定電圧設定レベルを上記Vaよりも高
いレベルVmに変化させるとともに、定電流設
定レベルを所定の低レベルImに向かつて、比
較的速い所定の時定数Sdで減少させ、アーク
力を低下させるとともに消耗性電極の溶融を抑
制し、短絡を促進する過程。

〔作用〕

第１図は本発明の作用を説明するための溶接電
圧・電流波形図である。時々刻々変化する溶接電
圧を短絡／アークの判定基準電圧Vjと比較し、
その大小によつて短絡状態かアーク状態かを判定
する。Vjは15V程度に設定するのが適当である。

第１図中、の区間は、溶滴を溶融池の短絡状
態を均一化するための区間である。溶滴の一部が
溶融池に接触した瞬間から電流が増加すると、電
流増加にともなうアーク力の増加のために溶滴が
押し上げられ、溶滴が溶融池に十分に移行する前
に、短絡が破れることがある。このような現象が
生じると、電極先端にはかなりの量の溶滴が残
り、次の短絡までにさらに溶滴が成長し、過大な
溶滴となつて短絡する。その結果、短絡を破るた
めには過大な短絡電流が必要になり、アーク状態
が乱れるばかりでなく、スパツタの発生も多くな
る。

そこで、溶接電圧がVjよりも小さくなり、短
絡状態であると判定されたとき、溶接電流をその
直前の定電流設定レベルである、低電流Imに所
定時間Tdの間保持して、電流の増加を抑制し、
溶滴を確実に溶融池に短絡させる。このようにす
ると、その後電流が増加し短絡を開放しても、溶
滴が溶融池に十分移行しないといつた現象を生じ
ない。

の区間は、短絡を開放するための区間であ
り、短絡検出後、所定時間Td経過したとき、電
流を所定の定電流設定レベルIu迄急激に増加さ
せ、その後最大電流値を規制するより高い定電流
設定レベレIsに向かつて、所定の時定数Suで電流
を徐々に増加させて短絡を開放する。

通常の短絡では第１図３のように、Isに達する
前に短絡が破れ、アークが発生するが、比較的短
絡時間が長くなる場合は、Isに到達してから短絡
が開放される。

今仮に、短絡が開放される迄一定の電流値Ipに
保持するものとすると、適正条件でIpを選定した
場合はスパツタの発生等は抑制できるが、ワイヤ
送給変動などに起因する大きい短絡が生じた場
合、Ipでは対処できず、アーク切れなどのアーク
不安定を生じる。逆にIpを十分大きい値に設定す
ると、アーク不安定は防止できるが、短絡時に過
大な電流が流れるため、スパツタやヒレ発生の原
因となる。

しかし、第１図のように、短絡時間に応じて
電流を増加させ、短絡を開放するようにすると、
短絡状態に応じた必要最小限の電流値で短絡が開
放されるので、スパツタやヒレの発生が少なく、
平均電流値も低く抑えられる。

の空間は、電極先端に溶滴を形成するための
区間であり、溶接電圧がVjよりも大きくなり、
アーク状態であると判定されてから所定の時間
Tcの間、溶接電圧を電圧レベルVa近傍に保持す
るように溶接電源出力を定電圧制御し、定電圧特
性によるアーク長制御を行ないながら溶滴を形
成・成長させる。なお、図ではこの区間の最大電
流値を規制する定電流設定レベル（破線で示す）
をIsとしているが、必要に応じて、もつと低いレ
ベルに設定したり、あるいは所定レベルI_Rに向か
つて徐々に減少させるといつた手法を用いてもよ
い。

の区間は、アーク力を低下させるとともに電
極の溶融を抑制し、短絡を促進するための区間で
あり、の区間終了後、すなわちアーク発生から
Tc経過後、定電流設定レベルをIsから所定の設
定低レベルI_Rに変化させ、その後さらに低い所定
のレベルImに向かつて比較的小さい所定の時定
数Sdで減少させるとともに、溶接電圧の最大値
を規制する定電圧設定レベルをVaから、さらに
高い所定のレベルVmに変化させる。

定電圧設定レベルをVmとするのは、低いレベ
ルの電流Imにおけるアーク切れを防止するため
である。Vmを50V程度にすると、CO₂アーク溶
接において、Im＝20Aとしてもアーク切れのな
い安定なアーク状態が得られる。Imをできるだ
け低くすることが、下限電流値の低下にとつて重
要な事項である。なお、シールドガスにCO₂より
電位傾度の低いArガスを添加することにより、
上述のImの下限値（20A）をさらに低下できる
ことは言うまでもない。

以上〜の各区間を順次経過して溶接を行な
うことにより、短絡の開放および溶滴の形成・成
長に必要な最小限の電流値が、アークを維持する
のに必要な最小電流値Imに重畳され、極低電流
域でも安定なアーク状態が得られる。

第２図は、上記〜の過程を再度、溶接電源
外部特性との関連で説明するための図である。

(1) 短絡発生後Tdの間は、定電圧設定レベル
Vm・定電流設定レベルImである外部特性上の
点に保持される。

(2) Td経過後、外部特性は定電圧設定レベル
Va・定電流設定レベルIuに切り換わり、動作
点はに移動する。

(3) 次に、定電圧設定レベルVaはそのままで、
定電流設定レベルをIuからIsまで時定数Suで増
加させる。今、IuからIsに向かう途中の定電流
設定レベルをI₁上の点で短絡が開放されたと
すると、アーク発生に伴う電圧の上昇によつ
て、動作点は→Ａ→と移動する。

(4) アーク発生後、所定時間Tcの間は定電圧設
定レベルVaで定電圧制御された状態に保持さ
れ、動作点はアーク長に応じての近傍を移動
する。

(5) アーク発生からTc経過後、定電流設定レベ
ルはIsからI_Rまで急激に低下するので、動作点
は定電流設定レベルの点となる。なお、定電
流設定レベルがIsからI_Rまで低下するのと同時
に、定電圧設定レベルはVaからVmに増加し、
この時の外部特性はVm−Ｂ−I_Rである。

(6) その後、定電流設定レベルのI_RからImへの
時定数Sdでの減少により規制されて溶接電流
は減少し、外部特性Vm−Ｃ−Im上の点に動
作点を持つに至る。

(7) 時間の経過とともに、動作点はＣ−Im上を
下降し、次の短絡が生じるとに戻り、以後、
上述の動作を繰り返す。

〔実施例〕

第３図は本発明を実施するための溶接電源の一
例を示す回路ブロツク図である。

１は交流を直流に変換するための一次整流回
路、２は出力を制御するためのインバータ回路、
３は溶接トランス、４は高周波交流を直流に変換
するための二次整流回路である。５は、母材７を
溶接するために送給ローラ６で送給される溶接ワ
イヤ、１１は分流器８の出力によつて電流を検出
する溶接電流検出器、１２は溶接電圧検出器であ
る。

２７は短絡／アーク判定回路であり、判定基準
電圧Vjの設定器２４の出力を溶接電圧検出器１
２の出力の大小を比較し、短絡であるかアークで
あるかの判定信号をTdタイマ２１および入出力
装置（ｉ／ｏ）２２に送る。

Tdタイマ２１は短絡が発生した時点から動作
を開始し、所定の時間Tdが経過しても短絡が続
いている場合に割り込み信号iRQ２をマイクロプ
ロセツサ（MPU）２３に送る。ｉ／ｏ２２は、
短絡からアークに移行した際に、割り込み信号
iRQ３をMPU２３に送る。

２５は溶接に使用する出力パタンを指定するた
めの条件選定器、２６はアーク長を微調整すため
に定電圧設定レベルVaを増減させる設定器であ
り、２５，２６からの信号はＡ／Ｄ変換器２８，
２９およびｉ／ｏ３０を介して、MPU２３に入
力される。

１９は、ワイヤ送給速度あるいはワイヤ径など
に応じた出力のパタンの波形因子のデータを記憶
しているメモリであり、条件選定器２５および微
調整設定器２６からの信号に応じて所定の波形因
子のデータをMPU２３に送る。

２０はTcを制御するためのタイマであり、ア
ークが発生したことを知らせる割り込み信号iRQ
３がMPU２３に入力されると動作を開始し、所
定時間Tc経過後、割り込み信号iRQ１をMPU２
３に送る。

ワイヤ送給の制御指令は、MPU２３からｉ／
ｏ１８およびＤ／Ａ変換器１４を介して送給ロー
ラ駆動回路１３に入力され、電圧制御指令は
MPU２３からｉ／ｏ１８およびＤ／Ａ変換器１
７を介してパルス幅制御回路１０に入力される。
電流制御指令はMPU２３からｉ／ｏ１８および
Ｄ／Ａ変換器１６を介してCR積分回路１５に入
力される。CR積分回路１５は、所定の時定数で
電流の設定レベルを変化させるスロープ制御を行
なうためのもので、いずれの時定数を選択するか
の指令は別途ｉ／ｏ１８から送られる。

第４図はCR積分回路１５の構成例を示す図で、
抵抗R₁〜RnとアナログスイツチS₁〜Snをラダー
形に接続した回路と積分コンデンサC₁とで構成
され、各抵抗に並列接続されたアナログスイツチ
をｎビツトの時定数選択信号で開閉することによ
り、時定数を可変にしている。

電流制御用CR積分回路１５から出た電流設定
信号は、加算器３１で溶接電流検出器１１からの
電流フイードバツク信号との差分をとつてパルス
幅制御回路１０に入力される。

パルス幅制御回路１０では、電流制御指令と電
圧制御指令を比較し、パルス幅が狭くなる方のど
ちらか一方のパルス幅を選択し、パルス幅制御信
号としてインバータ駆動回路９に送る。

第５図はパルス幅制御回路１０の構成例を示す
図で、入力された電流設定信号を増幅器３３で増
幅した制御バイアスと鋸歯状波発生器３２からの
鋸歯状波とを比較器３５で比較して得られる電流
設定信号に対応したパルス幅のパルス列P_Aを
NAND回路３７の一方の入力とし、電圧設定信
号を増幅器３４で増幅した制御バイアスと鋸歯状
波発生器３２からの鋸歯状波とを比較器３６で比
較して得られる電圧設定信号に対応したパルス幅
のパルス列P_BをNAND回路３７の他方の入力と
して、どちらか幅狭い方のパルス列をNAND回
路３７、NOT回路３８により選択し、パルス幅
制御信号としてインバータ駆動回路９へ送る。イ
ンバータ回路２のスイツチング素子である
MOSFETの導通幅は印加されるパルス幅制御信
号のパルス幅で決まり、それによつて溶接電源の
出力が制御される。

第３図において、短絡／アーク判定回路２７よ
り短絡が発生したことを検知する信号が出力され
ると、Tdタイマ２１が動作を開始し、所定時間
Td経過後に割り込み信号iRQ２を発生する。そ
れまで、電圧・電流の設定レベルは短絡前の設定
レベルに維持される。

割り込み信号iRQ２が発生すると、定電流設定
レベルはIuに、定電圧設定レベルはVaになり、
その後、定電圧設定レベルはVaのままで、定電
流設定レベルのみIuからIsに向かつて、MPU２
３で設定されたCR積分回路１５の時定数Suで
徐々に増加する。次に、短絡／アーク判定回路２
７からの信号に基づいて、アークが発生したこと
を知らせる割り込み信号iRQ３がMPU２３に入
力されると、MPU２３からの指令によりタイマ
２０が動作を開始し、所定時間Tc経過後、割り
込み信号iRQ１を発生する。割り込み信号iRQ１
がMPU２３に入力されると、定電流設定レベル
はIsからI_Rに急激に低下し、その後、I_RからImに
向いMPU２３で設定されるCR積分回路１５の時
定数Sdで徐々に減少する。また、定電流設定レ
ベルがIsからI_Rに低下するのと同時に、定電圧設
定レベルはVaからVmに増加し、次の短絡が発
生すまで定電圧設定レベルVm、定電流設定レベ
ルImの状態に維持される。

次に、第３図に示すインバータ制御溶接電源を
用いて極薄鋼板（板厚0.6mm）の溶接を行なつた
実施例を示す。

(A) φ0.9mm、YGW12ワイヤを用い、ワイヤ送給
量２ｍ／minで、各波形因子を、 Iu＝100A、Is＝400A、I_R＝100A、Im＝
20A、 Va＝28V、Vm＝50V Td＝1.5ｍｓ、Tc＝５ｍｓ、Su＝20ｍｓ、
Sd＝２ｍｓに設定した場合、平均溶接電流Iave、平均溶接
電圧Vaveは、 Iave＝35A、Vave＝18.5V であつた。

(B) φ1.2mm、YGM11ワイヤを用い、ワイヤ送給
量２ｍ／minで、各波形因子を、 Iu＝150A、Is＝550A、I_R＝150A、Im＝
20A、 Va＝27V、Vm＝50V Td＝１ｍｓ、Tc＝５ｍｓ、Su＝20ｍｓ、
Sd＝３ｍｓに設定した場合、平均溶接電流Iave、平均溶接
電圧Vaveは、 Iave＝60A、Vave＝19V であつた。

いずれの場合も、第７図に示す従来の適正電流
範囲の下限値より、平均溶接電流値Iaveを20〜
25A低下させることができるとともに、アーク状
態が安定で、スパツタの発生を極めて少なく、良
好な溶接結果が得られることが実証された。な
お、本実験に用いたシールドガスはCO₂（流量10
／min）、溶接電源出力回路中の直流リアクタ
のインダクタンスは55μHである。

また、他の実験例として、板厚3.2mm、亜鉛付
着量90ｇ／m²の溶融亜鉛メツキ鋼板の重ね隅肉継
手を、上記(A)の条件で、溶接速度150mm／minで
溶接したところ、アーク不安定は生ぜず、スパツ
タの発生も極く微量で、母材への付着は全くな
く、良好なビード外観、溶接結果が得られた。

上記(B)の条件で、溶接速度200mm／minで同様
の溶接を行なつた場合も、(A)の条件による場合に
比べ若干スパツタ発生量が増加するものの、従来
に比べれば極めて少なく、母材への付着は全くな
かつた。

その理由を第６図により説明すると、３９は溶
接ワイヤ、４０はアーク、４１は母材、４２は溶
接部、４３はビード、白抜き矢印は溶接進行方向
を示しており、電流値を低くし、溶接速度を遅く
すると、熱伝導によるアーク前方の溶融部の長さ
ｌが長くなるので、この間で母材表面の亜鉛が溶
融・気化して、亜鉛蒸気がアーク雰囲気中に混入
する以前に亜鉛を十分気化させるだけの時間的余
裕がとれ、その結果、亜鉛蒸気によりアーク雰囲
気が乱されることがなくなるものと考えられる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、以下述べるような効果が得ら
れる。

(1) ワイヤ径によつて決まる適正電流範囲の下限
値を従来より20〜25A程度低下させることがで
きるので、極薄板の溶接において、ワイヤ送給
性が悪く、かつ価格の高い細径ワイヤを使用し
なくてもよくなり、経済性、作業性の面で有利
となる。

(2) 極低電流で、安定したアーク状態を維持し、
かつスパツタの発生が極めて少ない溶接が可能
となるので、極薄板（板厚0.6mm以下）への適
用範囲が拡大する。

(3) 電流値を低くして、溶接速度を遅くすること
ができるので、亜鉛メツキ鋼板の溶接では、亜
鉛蒸気がアーク雰囲気中に混入する以前に溶融
池の熱伝導によつて母材表面の亜鉛を十分気化
させるだけの時間的余裕がとれ、スパツタの発
生がほとんどない、安定な溶接が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の作用を説明するための溶接電
圧・電流波形図、第２図は同溶接電源外部特性
図、第３図は本発明を実施するための溶接電源の
構成例を示す回路ブロツク図、第４図は第３図中
のCR積分回路の詳細図、第５図は同パルス幅制
御回路の詳細図、第６図は溶接状態を説明するた
めの溶接部断面略図、第７図は従来知られている
ワイヤ径と溶接電流範囲の関係を示す図表であ
る。

Claims

【特許請求の範囲】１消耗性電極をほぼ定速度で送給し、消耗性電
極と母材との間で短絡とアークを交互に繰り返し
発生させて行なうアーク溶接において、短絡発生
とアーク発生を検出し、短絡周期ごとに下記(A)〜
(D)の各過程を順次実行することを特徴とする小電
流溶接方法。 (A) 短絡発生後、所定の時間Tdの間、溶接電流
を短絡直前の定電流設定レベルImに保持する
ように溶接電源出力を定電流制御する過程。 (B) 所定の時間Td経過したとき、溶接電流を所
定の定電流設定レベルIuまで急激に増加させ、
その後、短絡を開放するのに十分なより高い定
電流設定レベレIsに向かつて所定の時間定数Su
で徐々に増加させて、短絡を開放する過程。 (C) アーク発生後、所定の時間Tcの間、溶接電
圧を定電圧設定レベルVa近傍に保持するよう
に溶接電源出力を定電圧制御し、消耗性電極の
先端に溶滴を形成・成長させる過程。 (D) 所定の時間Tc経過後、溶接電圧の最大値を
規制する定電圧設定レベルを上記Vaよりも高
いレベルVmに変化させるとともに、定電流設
定レベルを所定の低レベルImに向かつて比較
的速い所定の時定数Sdで減少させ、アーク力
を低下させるとともに消耗性電極の溶融を抑制
し、短絡を促進する過程。