JPH0377029B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は消耗電極と溶接母材との間で短絡とア
ーク発生とを繰り返す消耗電極式アーク溶接方法
における溶接用電源の出力制御方法に関する。

従来技術 第１図は短絡とアーク発生とを交互に繰り返す
消耗電極式アーク溶接方法の溶滴の形成と移行の
過程を示しており、１は消耗電極（以下、溶接ワ
イヤという）、２は溶接ワイヤ１の先端に形成さ
れた溶滴、３はアーク、４は溶融池すなわち母材
である。(a)は溶滴２が溶融池４と接触した短絡初
期状態、(b)は溶滴２と溶融池４との接触が確実と
なつて溶滴２が溶融池４へ移行している短絡中期
状態、(c)は溶滴２が溶融池４側へ移行して溶接ワ
イヤ１と溶融池４との間の溶滴２にくびれが生じ
た短絡後期状態、(d)は短絡が破れて溶接アーク３
が発生した瞬間、(e)は溶接ワイヤ１の先端が溶融
して溶滴２が成長するアーク発生状態、(f)は溶滴
２が溶融池４と短絡する直前のアーク発生状態を
夫々示し、(a)〜(f)の過程が繰り返し行なわれる。

従来の短絡とアーク発生とを繰り返す消耗電極
式アーク溶接方法に用いる溶接電源では、略定電
圧特性の電源と電流の立上りを制限するリアクト
ルとを組み合わせたものを用いていた。この場合
の出力電流及び出力電圧の波形を第２図に示す。
すなわち、短絡により出力電圧は急激に低下し、
出力電流はリアクトルと外部抵抗等により定まる
時定数で上昇していく。溶接ワイヤ先端に形成さ
れた溶滴の溶融池への移行が終了し、アークが再
発生すると、出力電圧は急上昇し、出力電流はリ
アクトルとアークを含む外部抵抗等により定まる
時定数で低下する。

ところが、この略定電圧特性の電源を用いる
と、アーク再発生の瞬間に溶接電流が最大とな
り、この時のエネルギーが溶接ワイヤ先端に残つ
ていた溶液を吹き飛ばし、スパツターを発生させ
るという問題を生じることが知られている。

この点の改良については、既に本発明者等によ
り提案がなされている。即ち、アーク再発生の前
兆を検知し、再発生の瞬間には出力電流を低下さ
せて、スパツターの発生を減少させることを実施
し、大きな効果を得ている。この場合の出力電流
波形は、第３図に示すように、アーク発生期間を
２つの期間に分け、まず、アーク再発生直後から
高アーク電流I_APを印加して溶接ワイヤ先端に溶
滴を形成させる期間とし、それに続き短絡するま
で低アーク電流I_ABを保持する低電流期間とする
ことを提案した。しかし、更に研究を進めると、
上記の低電流期間の長短及び低アーク電流I_ABの
大小が、ビード形状や大粒スパツターの発生量な
どに影響を与えていることが分かつた。

一般に、すみ肉溶接などでは、平坦なビード形
状が望まれる。しかるに、上述の低電流期間を長
く設定すると、アーク発生期間のうち力強いアー
クを発生する高電流期間の比率が小さくなるの
で、アーク力で溶融池表面が充分に押えつけられ
ず、ビード形状が凸状になる。一方、アーク発生
期間の高電流期間を長くして低電流期間を短くす
ると、アーク力で溶融池表面が充分に押えつけら
れるので、平坦なビード形状が得られることが分
かつた。また、平均溶接電流が高い時には、高電
流期間の電流値と共に低電流期間の電流値も高く
しなければ、溶接作業性が劣化することすなわち
ビード形状に不均一によるグラインダ掛けなどの
後処理作業を要することなども分かつた。

しかしながら、第３図に示した電流波形のうち
アーク発生期間の低電流期間を設定した目的は、
高電流期間中に大きく形成されたワイヤ先端の溶
滴が溶融池と短絡する前にアーク力などで吹き飛
ばされない様に、低電流を保持して短絡するのを
待つためである。ところが、溶滴の短絡現象は不
定期的な現象であるので、低電流期間はある程度
広い範囲で設定しておく必要がある。実際には、
低電流期間はアーク発生期間の25％以下にはでき
ない。即ち、低電流期間を25％以下にすると、高
電流期間中に溶滴が溶融池に近づき、アーク力な
どで溶滴が吹き飛ばされ、大粒のスパツターが発
生する場合が生じるのである。

発明の目的 この発明は、上述の欠点を除き、スパツター発
生量が少く、かつ平坦な溶接ビードを得ることが
できる溶接用電源の出力制御方法を提供すること
を目的とする。

発明の概要 消耗電極と溶接母材すなわち溶融池との間で短
絡とアーク発生とを繰り返す消耗電極式アーク溶
接方法において、アーク発生時に高電流を印加す
る高電流期間を設け、アーク発生中に消耗電極先
端の溶滴が溶融池と接触し短絡することの前兆を
検知し、溶滴と溶融池との短絡直前にはアーク電
流をそれまでの電流値より低下せしめることによ
り、スパツター発生量を低減するとともに良好な
ビード形状を得る。

発明の実施例 以下、本発明の一実施例を説明する。

本発明の第１の実施例について説明する。

第４図は、アーク発生から一定時間後に低電流
期間を設定した場合の溶接電流と溶接電圧の波形
を示している。ただし、この場合、溶接電源は高
電流期間T_APは定電圧特性、低電流期間T_ABは定
電流特性としてある。この様な制御においては、
高電流期間T_APを長くすると、溶融池表面の振動
や溶滴の振れなどにより、高電流期間T_APのうち
に溶滴が溶融池と短絡することがあつた。

そこで、本発明者等は、アーク発生中の溶接電
流及び／又は溶接電圧中に溶滴２の短絡を前兆を
見い出すために種々の検討を行つた。第５図は、
この様な検討結果の一つで、短絡現象の直前のア
ーク電流の変化を記録したものである。この場
合、低電流期間を無くし、高電流のまま短絡させ
ているので、大粒のスパツターが発生した。しか
るに、この第５図の定電圧特性であるアーク発生
期間の電流波形を詳細に観察すると、短絡直前に
はアーク電流が増加していることが見られた。こ
れは以下の理由によるものと推定することができ
る。

第１図に示す溶滴の形成及び移行の過程におい
て、アーク発生直後より印加される大電流のため
に、溶接ワイヤ先端は溶融して溶滴が形成され
る。アーク発生直後は、溶接ワイヤ先端が球状の
溶滴になり、所謂燃え上りが大きく、溶滴の先端
と溶融池表面の距離が大きいので短絡することは
ないが、溶接ワイヤが一定の速度で送給されてい
るので、溶滴と溶融池とが徐々に接近し、ついに
は短絡に至る。短絡直前には、溶滴と溶融池とが
接近し、その間に発生している溶接アークの長さ
も短かくなるので、アークによる電気抵抗が小さ
くなり、定電圧特性の電源では、短絡の直前には
アーク電流が増加することになる。

そこで、本発明者等は、このアーク電流の増加
量を検知し、これをもつて短絡の前兆として低電
流期間へ移行する制御方法を発明した。即ち、定
電圧特性を有する溶接電源のアーク発生中の出力
特性において、アーク発生直後に印加された高レ
ベルなアーク電流が時間の経過と共に略減少し、
溶滴の短絡直前に増加に転じる特性を利用し、ア
ーク電流が略減少から増加に転じる時点のアーク
電流値I_APLを記憶し、その後の任意の時間の経過
後のアーク電流値I_APMを測定して、I_APM−I_APL＝
ΔI_APを演算し、この電流値I_APMと電流値I_APLとの
差の電流値ΔI_APが設定値に達した時点でアーク電
流を低下せしめるものである。この電流値ΔI_AP
は、第５図に示した様な実験結果等を基に、溶接
ワイヤの送給速度に関連して適宜設定すればよ
い。

例えば、ワイヤ送給速度が5.2ｍ／minの場合、
溶接電源を、第３図の溶接電流波形において、ア
ーク発生中の高電流期間T_APを定電圧特性、それ
にひき続く低電流期間T_ABを定電流特性として、
高電流期間T_APを大きな値に設定し、この高電流
期間T_AP中に短絡が発生する状態にしたところ、
アークが再発生してから略減少していたアーク電
流は、短絡発生の約２〜４ｍsec前に増加傾向に
転じ、その増加量はアーク電流の最小値の約20％
であつた。この波形は第５図に示してある。次に
アーク発生中のアーク電流の最小値I_APLを記憶
し、続いてアーク電流値が最小値I_APLの15〜20％
増加した時点で、あらかじめ設定した低電流値
I_ABにアーク電流を低下せしめたところ、直ちに
短絡に至る様になつた。このようにして、アーク
発生中はアーク力の強い高電流、短絡直前にはア
ーク力の弱い低電流とすることが可能となり、ス
パツター発生量が少く、かつ平坦なビード形状が
得られた。

第６図は上述の第１の実施例の溶接電源の出力
制御方法を行なう制御装置の構成を示しており、
最小アーク電流記憶器１４は、アーク発生検知器
１３がアーク発生を検知して出力する信号により
動作を開始する。アーク発生検知器１３は、溶接
電圧検出器１２からの溶接ワイヤと母材間の電圧
を示す信号によりアーク発生を検知し、最小アー
ク電流記憶器１４へ信号を出力する。最小アーク
電流記憶器１４は、アークが発生すると溶接電流
検出器１１から溶接ワイヤと母材間に流れる溶接
電流を示す信号を入力し、アーク発生期間におけ
るアーク電流の最小値I_APLを記憶する。演算器１
５は、溶接電流検出器１１からのアーク発生中の
アーク電流I_APMと最小アーク電流記憶器１４から
の最小アーク電流I_APLを入力し、アーク電流I_APM
と最小アーク電流I_APLとの差ΔI_APを算出する。比
較器１７はこの演算器１５からのΔI_APと基準電流
設定器１６からの予じめ定められた基準電流と比
較し、ΔI_APが基準電流値と一致すると、溶接電流
切替回路１８に対して信号を出力する。ここで、
溶接電流切替回路１８は、溶接電源１９に対して
溶接電流をこれまでの高電流から低電流に低下さ
せるための信号を出力する。

次に、本発明の第２の実施例について説明す
る。アーク発生中の溶接電源の出力特性を略定電
圧特性とした場合について検討を行つた。第７図
は、アーク発生期間を２分割にし、アーク発生直
後より始まる高電流期間とそれにひき続く低電流
期間としいずれも略定電流特性としたときの溶接
電圧と溶接電源の波形を示す。この時のアーク電
圧と観察すると、アーク発生中の高電流期間には
略増加傾向、低電流期間には略減少傾向を示して
いることが分かる。

一般に、消耗電極式アーク溶接方法において、
アーク電圧が所定値以下に低下すると、アークが
消滅し易くなり短絡を起こし易くなることが経験
的に知られている。例えば、溶接ワイヤが直径
1.2mmのソリツドワイヤで、CO₂ガスシールドの
場合、この電圧は17〜20Vである。この点を利用
するとアーク発生中において、アーク電圧を観察
することにより短絡の予知をすることが可能とな
る。即ち、減少傾向のアーク電圧を観察し、アー
ク電圧が所定値V_APLに達した時点で、アーク電
流値を低下せしめればよく、また、V_APLの値は、
溶接ワイヤの種類、シールドガスの種類などによ
つて適宜選定すればよい。

しかし、ここで問題となるのは、アーク電流の
値である。第７図に示されている様に、アーク電
流が大きい高電流期間では、溶接ワイヤ先端に形
成された溶滴は溶融池に近づくことはなく、極端
の場合は、所謂、バーンバツク現象となつて、溶
接ワイヤご通電チツプまで燃え上り、溶滴が溶融
池と短絡することはない。従つて、アーク発生中
にアーク電圧を観察して短絡の前兆を検知するに
は、そのアーク電流値は、アーク電圧が減少傾向
を示すものでなければならないことが分かつた。

そこで、本発明者等は、溶接ワイヤの送給速
度、アーク電流などの諸条件によつて変化する溶
滴先端と溶接池表面との距離ｌに注目して検討を
行つたところ、短絡の前兆を検知する際のアーク
電流値は、溶接ワイヤの送給速度の値によつて適
宜選定すれば良いことが分かつた。

ここで、溶接ワイヤ先端の溶滴先端と溶融池表
面との距離ｌについて計算すると、以下の式が求
められた。即ち、アークが発生してからｔ秒後の
距離ｌは、(1)式で求められる。

ｌ＝l₀＋ｒ＋（ｍ−ｖ）ｔ−ｈ ……(1) (1)、(2)式において、 l₀：アーク発生時、（ｔ＝ｏ）の距離 ｒ：ｒ＝Ｄ／２、Ｄ：溶接ワイヤ径 ｍ：溶接速度 ｖ：溶接ワイヤ送給速度 また、溶融速度ｍは(3)式で表わされる。

ｍ＝４×（Ｉ×Va＋I²×Ｒ）／11.1×π×D²……
(3) Ｉ：アーク電流 Va：アノードドロツプ（陰極降下） Ｒ：溶接ワイヤ電気抵抗 次に、(1)、(2)、(3)式により、各種の溶接ワイヤ
送給速度に対し、アーク発生からの時間ｔ＝25ｍ
sec以内に距離ｌの値が常に減少傾向を示すアー
ク電流の最大値を求めたところ、第８図に示す関
係が得られた。即ち、アーク発生中において、溶
滴先端と溶融池表面が近づき、アーク電圧が減少
傾向を示す限界電流値曲線を求めることができ
た。従つて、アーク発生中のアーク電流は、第８
図に示す限界電流値以下であれば、アーク電圧は
減少傾向を示し、すなわち、溶滴は溶融池に徐々
に接近して短絡に至るので、アーク電圧を観察す
ることにより短絡の前兆を検知してアーク電流を
低下せしめることが可能となつたのである。ここ
で、ｔ＝25ｍsecとしたのは、25ｍsec以内で短絡
すれば（短絡回数40回／sec以上）、比較的作業性
の良好なアーク現象が得られるからであり、短絡
回数が少なければ、溶滴は大粒となつて溶接作業
者に良い印象を与えないためで、溶接作業者の好
みによつては、ｔの値を自由に設定されるべきも
のである。また、このｔの値は、本発明に何ら影
響を与えるものではない。

第９図は上述の第２の実施例の溶接電源の出力
制御方法を行なう制御装置の構成を示しており、
アーク発生検知器２３は、溶接電圧検出器２１か
ら入力される溶接ワイヤと母材間の電圧を示す信
号によりアーク発生を検知すると、比較器２４に
対して信号を出力する。比較器２４は、アーク発
生検知器２３から信号が入力されると動作を開始
する。比較器２４では、溶接電圧検出器２１から
の溶接電圧V_APLと基準電圧設定器２２からの予
じめ定められた基準で電圧とを比較し、アーク発
生中の溶接電圧V_APLが基準電圧と一致すると、
溶接電流切替回路２５に対して信号を出力する。
溶接電流切替回路２５は、比較器２４から信号が
入力されると、溶接電源２６に対して溶接電流を
高電流から低電流に低下させるための信号を出力
する。

上述の第２の実施例に関連して、ワイヤ送給速
度が大きい場合には、第８図に示されたアーク電
流値では、平均電流が不足し、溶接作業性が悪化
する。そこで、本発明者等は、アーク発生期間を
第１段階から第ｎ段階まで順番に推移していく期
間とし、第ｎ段階を、溶滴が溶融池と短絡する下
記する第１低電流期間におけるよりもさらに電流
値を低くした第２低電流期間、第ｎ−１段階を、
アーク電圧を観察し、短絡の前兆を検知するため
に第８図に示された限界電流以下にアーク電流を
保持する不定期的な期間である第１低電流期間、
そして、第１段階から第ｎ−２段階を溶接ワイヤ
の送給速度に見合つた電流値とし、溶接条件によ
つて定まる一定の期間である高電流期間とすれば
良いことを見出した。第ｎ−１段階の始まる時点
は、第１段階から第ｎ−２段階までは高電流であ
り短絡することはないので、任意の時点に設定し
て、その時点からアーク電圧を観察し、短絡の前
兆を検知することができる。この場合の溶接電流
と溶接電圧の波形の例を第１０図に示す。第１０
図はｎ＝３の場合であり、アーク発生期間の第１
低電流期間の電流は第８図の限界電流以下にす
る。

ちなみに、前記第５図はｎ＝２の場合に該当
し、アーク発生から差の電流値ΔI_APが設定値に達
する迄の高電流期間が第１段階で、差の電流値
ΔI_APが設定値に達した後、短絡までの低電流期間
が第２段階となる。なお、ｎは３より大きい整数
であつてもよい。

発明の効果 以上説明したように、本発明においては、アー
ク発生中において、溶接電源が定電圧特性であれ
ばアーク電流の変化を検出し、定電圧特性であれ
ばアーク電圧の変化を検出することにより、溶滴
と溶融池との短絡の前兆を検知して、アーク電流
をそれまでより低下せしめるようにしたから、ス
パツター発生量が少く且つ平坦なビードが得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は溶滴の形成と移行の過程を示す図、第
２図は従来の溶接電源を用いたときの溶接電流と
溶接電圧の波形を示す図、第３図はスパツターの
発生量を低減するようにした溶接電流の波形を示
す図、第４図はアーク発生から一定時間後に低電
流期間を設定した場合の溶接電流と溶接電圧の波
形を示す図、第５図は短絡直前のアーク電流の変
化を示す波形図、第６図は本発明の第１の実施例
を示すブロツク図、第７図は高電流期間と低電流
期間を略定電流特性としたときの溶接電圧と溶接
電流の波形を示す図、第８図は溶滴と溶融池との
距離ｌが減少傾向を示す限界電流値を示すグラ
フ、第９図は本発明の第２の実施例を示すブロツ
ク図、第１０図はｎ＝３の場合の溶接電流と溶接
電圧の波形を示す図である。 １……溶接ワイヤ、２……溶滴、３……アー
ク、４……溶融池、１１……溶接電流検出器、１
２，２１……溶接電圧検出器、１３，２３……ア
ーク発生検知器、１４……最小アーク電流記憶
器、１５……演算器、１６……基準電流設定器、
１７，２４……比較器、１８，２５……溶接電流
切替回路、１９，２６……溶接電源、２２……基
準電圧設定器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 消耗電極と溶接母材すなわち溶融池との間で
   短絡とアーク発生とを繰り返す消耗電極式アーク
   溶接方法において、アーク発生時に高電流を印加
   する高電流期間を設け、前記アークによる電気抵
   抗が小さくなることにより生じるアーク電流値、
   或はアーク電圧値の変化を、アーク発生中に消耗
   電極先端の溶滴が溶融池と接触し短絡することの
   前兆として検知し、溶滴と溶融池との短絡直前に
   はアーク電流をそれまでの高電流値より低電流値
   に低下せしめることを特徴とする溶接用電源の出
   力制御方法。 ２ アーク発生中の溶接用電源の出力特性を略定
   電圧特性とし、アーク発生時における、アーク電
   流が略減少から増加に転じる時点の最小アーク電
   流値I_APLと、この最小アーク電流値を示した時点
   より後のアーク電流値I_APMとを測定し、アーク電
   流値I_APMとアーク電流値I_APLとの差の電流値ΔI_AP
   ＝I_APM−I_APLを演算して、この電流値ΔI_APが設定
   値に達したことを溶滴と溶融池との短絡の前兆と
   して検知し、アーク電流をそれまでの高電流値よ
   り低電流値に低下せしめることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の溶接用電源の出力制御方
   法。 ３ アーク発生中の溶接用電源の出力特性を略定
   電流特性とし、アーク発生時より後の減少傾向の
   アーク電圧値を測定し、このアーク電圧値が設定
   値V_APLに達したことを溶滴と溶融池との短絡の
   前兆として検知し、アーク電流をそれまでの電流
   値よりもさらに低い電流値に低下せしめることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の溶接用電
   源の出力制御方法。 ４ アーク発生中の溶接用電源の出力特性を略定
   電流特性とすると共に、アーク発生期間を第１段
   階から第ｎ段階まで順番に推移していく期間と
   し、第ｎ段階を、溶滴が溶融池と短絡する低電流
   期間とし、第ｎ−１段階を、アーク電圧を観察
   し、前記アークによる電気抵抗が小さくなること
   により生じるアーク電圧値の変化を溶滴と溶融池
   との短絡と前兆として検知する第１低電流期間と
   することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の溶接用電源の出力制御方法。 ５ 第ｎ−１段階の電流値は、その時のアーク電
   圧が減少傾向特性を有する電流値であることを特
   徴とする特許請求の範囲第４項記載の溶接用電源
   の出力制御方法。