JPH038870B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はアルゴン、ヘリウムなどの不活性ガス
中、または酸素、炭素ガスなどを上記不活性ガス
に添加したシールドガス中で行う消耗電極式アー
ク溶接方法に関するものである。

〔従来の技術〕

一般に、不活性ガスを主成分とするガス雰囲気
中で、アルミニウムの消耗電極ワイヤを用いて逆
極性で、（すなわち電極を陽極とし被溶接物を陰
極として）行う従来の直流アーク溶接方法におい
ては、電極材料、電極直径、シールドガス成分に
よつて定まる一定の電流値以上で移行溶滴が細粒
化する現象が見られる。この電流値を臨界電流と
呼び、臨界電流値以上のアーク形態では溶滴の移
行は通常100〜200回／秒のスプレー状で行なわれ
ている。このアーク形態では巨視的にみたアーク
長（電極先端と溶融池表面間距離）の変動がほと
んどなく、アークが安定しているために、実際の
溶接ではスプレー移行が広く用いられている。し
かし、近年、被溶接材料の多様化にともない、従
来から用いられてきたほゞ平滑な直流電源による
溶接方法では、アークの安定化及びビード形状の
改善の面で、その要求を満足できない場合がきわ
めて多くなつてきた。

第１図ａは、従来から用いられている一般的な
直流溶接電源による消耗電極式直流アークのアー
ク電流波形を示している。同図にみられるリツプ
ルは、磁気増巾器またはサイリスタ素子による位
相制御によるもので、一次電源周波数に対応し、
50〜60Hzまたはその２、３、６倍波であり、また
リツプル波高値は通常可能なかぎり小さくしてい
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このような出力電流波形の溶接電源を用い、そ
の平均電流値Iavを臨界電流値Icより大きく設定
して溶接を行つた場合の溶滴移行形態を高速度写
真などで観測すると、第１図ｂのような溶滴の移
行が見られ、溶滴の平均の直径はワイヤ径と同程
度でスプレー状となるが、移行する時期は電流リ
ツプル周期とはまつたく同期していない。このよ
うな移行形態においては、主として溶接電流と溶
接速度で定まる被溶接物への入熱を一定とし、か
つ被溶接物の溶融を充分に確保して溶込み深さを
大幅に変化させることは事実上不可能である。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上記のような場合、すなわち不活性
ガスを主成分とするシールドガス気中で行う消耗
電極式アーク溶接方法において、電極材料、電極
直径、シールドガス成分などで定まる臨界電流値
以上で溶接を行う場合に、溶接電流の平均値を少
なくとも臨界電流以上に設定し、かつ溶滴の移行
と脈動電流の周期とが同期する範囲内の周波数の
周期的脈動電流で波高値の最小値が臨界電流値を
越えないで、溶滴の移行と脈動電流の周期とが同
期する電流波形を用いて溶接を行なうアーク溶接
方法を提案したものである。

〔作用〕

本発明の方法は、不活性ガスを主成分とするシ
ールドガスを使用し、材質がアルミニウム系統の
消耗電極を用いて行う直流アーク溶接方法であつ
て、本発明においては、第２図に示すように、溶
接電流の平均値Iavを少なくとも臨界電流値Ic以
上に設定し、かつ溶滴の移行と脈動電流の周期と
が同期する範囲内の周波数の周期的脈動電流で波
高値の最小値Ilが臨界電流値Icを越えないで、溶
滴の移行と脈動電流の周期とが同期する電流波形
を用いて溶接を行う。

以下図面を参照して本発明の方法を説明する。

第２図ａは、本発明の溶接方法に使用する溶接
電流波形の一例を示したもので、その平均値Iav
は第１図ａと同一値に設定されているが、その脈
動分の振幅は大きく、かつその最小値Ilは臨界電
流値Ic以下である。第２図ｂはこのときの溶滴移
行形態を示すもので、移行回数及び溶滴の直径は
第１図ｂに示した場合と同様であるが、脈動電流
の最小値Ilでは溶滴の移行は起らず、最大値付近
で確実に移行が生じており、脈動周波数との周期
移行が見られる。

不活性ガスを主成分とするシールドガスを使用
し、パルス状電流を通電して行う従来の消耗電極
式直流パルスアーク溶接方法では、平均値Iavが
臨界電流値Ic以下で最大値Ihが臨界電流値Ic以上
のパルス状の脈動電流、すなわちIav＜IcでIh＞
Icの電流を通電して溶滴を同期移行させる。こと
により溶滴を細粒化していた。本発明はこのよう
な従来の方法とは全く異なるもので、平均電流値
Iavが臨界電流値Ic以上でしかも最小値Ilが臨界
電流値Icを越えないような波形の周期的脈動電
流、すなわちIav＞IcでIl＜Icの電流を流して、溶
滴の移行を脈動電流と同期させることに大きな特
徴がある。

〔実施例〕

以下本発明者が行つた実験の結果について説明
する。

第３図は、アルミニウムのMIG溶接において、
ワイヤ径を1.6mmφ（臨界電流は約180A）とし、
平均電流が250A（一定）、波高値の最大振幅が±
200Aの略正弦波の脈動電流を流した時の脈動電
流の周波数Ｆ（Hz）の影響を調べたものである。
この実験では、脈動電流の周波数を０〜5000Hzま
で変化させて、溶滴の移行回数TN〔回／秒〕と、
溶滴の平均の直径MD〔mm〕と、クリーニング幅
CW〔mm〕と、溶込み深さPD〔mm〕とを周波数Ｆ
に対して測定した。

第３図ａは溶滴の移行回数TN〔回／秒〕の周
波数Ｆに対する変化を示したもので、この結果に
よれば、曲線上の点A0に示すＯHz（直流）では
溶滴移行回数が120回／秒を越える程度であつた
が、10Hz以上の正弦波の脈動電流を加えると逆に
減少し、その後、曲線上の点Ａ１に示すように、
約150HzになるとＯHzの場合を上回る。そして300
Hz程度までの周波数範囲では溶滴移行回数が周波
数に略比例し増大し、400Hz付近で最大になる。
脈動電流の周波数が400Hzを越えると溶滴移行回
数が減少していき、5000HzでＯHz時と略同一の値
に戻る。すなわち、周波数が300Hzまでの範囲で
は、溶滴が脈動電流の脈動周期に略完全に同期し
て、脈動電流が最大になつた時に移行が起つてい
ると見ることができる。溶滴が脈動電流の脈動周
期に略完全に同期する周波数の範囲は、前述した
実施例では150Hz乃至300Hzであつたが、ワイヤ
径、電流波形、シールドガス成分等によつて変化
する。300Hzを越える周波数範囲では、脈動電流
が最大になる時期に溶滴の移行が行われるとは限
らないが、曲線上の点Ａ２に示すように1000Hzま
での範囲では、溶滴移行回数が、曲線上の点Ａ０
に示す直流の場合の回数よりも大であるために、
脈動電流を供給したことの効果が十分に得られて
いる。1000Hz以上においても、直流の場合よりも
溶滴の移行回数が大であるが、溶滴の移行が脈動
電流の周期に追従することができないために、
1000Hzをこえる範囲は実用的ではない。次に第３
図ｂは溶滴の平均直径MDと脈動電流の周波数Ｆ
との関係を示したもので、曲線上のＢ１に示すよ
うに、150Hz以上の周波数範囲では曲線上の点Ｂ
０に示すＯHzの場合よりも溶滴の平均直径が小さ
くなり、この溶滴の平均直径は400〜500Hz付近で
最小になる。また周波数が曲線上の点Ｂ２に示す
ように、1000Hzを越えると、溶滴の平均直径が曲
線上の点Ｂ０に示す直流ＯHzの場合と大差か無く
なり、脈動電流を加えたことの効果が無くなる。

上記の第３図ｂおよびｃに示すように、本発明
の溶滴細粒化変化を与える周波数範囲は、150Hz
以上1000Hz以下が適正であるる。

次に第３図ｃはクリーニング幅CW〔mm〕と脈
動電流の周波数Ｆとの関係を示したもので、クリ
ーニング幅CWは10〜20Hzの範囲で最小値をと
る。クリーニング幅CWは100Hz以上の周波数範
囲では略一定になり、その値はＯHz時よりも明ら
かに大きい。したがつて、上述した本発明の構成
要件の１つとしての周波数150Hz以上1000Hz以下
の範囲は、充分なクリーニング効果が得られてい
る。

第３図ｄは溶接ビードの溶込み深さPD〔mm〕と
脈動電流の周波数Ｆとの間の関係を示したもの
で、ビードの溶込み深さPDは10Hz以上の全周波
数範囲でＯHz時より大きくなる。しかし、50Hz以
下の範囲では溶込み深さに脈動周波数の影響が現
われ、周期的な変動によつて溶込み深さに大きな
バラツキを生じ、例えば10Hzでは、△Phと大き
く実用的でない。しかし、周波数が100Hz以上で
あれば、ビードの溶込み深さのバラツキが△Plと
小さくなるために、良好な溶接結果が得られる。

この適正な溶込み深さが得られる範囲は、本発
明の構成要件の１つとしての周波数150Hz以上
1000Hz以下の範囲を含んでいる。

上記の結果を総合すると、アルミニウムの溶接
においては、脈動電流の最適な周波数は150〜
1000Hzの範囲にある。150Hzより低い周波数範囲
では溶滴の移行回数がＯHzの場合よりもかえつて
少なくなり、小粒のそろつた溶滴移行が行われな
いために、ビードの成形も不安定になり、また逆
に1000Hzを越える周波数範囲では脈動電流を加え
ることの効果がほとんど得られない。

第４図ａ乃至ｄは、本発明を実施する場合の電
流波形の例を示したもので、同図ａは略正弦波、
同図ｂは略三角波、同図ｃは矩形波、同図ｄは同
図ｂ，ｃなどの波形を複合したものであるが、い
ずれも平均電流値は臨界電流値以上、脈動分の最
小値は臨界電流値以下である。

上記の波形は、各々、溶接目的によつてその利
用価値が異なる。例えば第４図ａ，ｂの波形は高
調波成分が少ないため、1KHz近くの周波数にお
いてアーク音が低く作業者に不快感を与えない。
同図ｃは逆にアーク音はかなり強いが、高い電流
値と低い電流値の時間率やその電流値の比率を変
えることにより広範囲にわたつて波形率を変化さ
せることができるため、溶込み深さやビード幅を
大幅に制御することができる利点がある。また、
同図ｄは、高電流の時間に溶滴に微細な振動を与
え、かつ確実な移行が可能であるため同期移行の
可能周波数が増大でき、従つて粘性の大きい鋼系
の金属の溶接に適している。

なお上記の波形例を実現する手段としては、従
来から広く実用されているサイリスタなどのスイ
ツチング素子によりパルス重畳方法では、一次電
源周波の整数倍の周波数の波形した発生出来ず、
また任意の波形を出力することは不可能であるた
めに、アナログ式のトランジスタ増幅器を主制御
素子した溶接電源を用いる必要がある。

第５図は、アナログトランジスタを用いた溶接
電源による本発明の溶接方法を実施する装置の一
例を示す。

同図において、１は溶接機、２，２は溶接機の
入力端子、３は溶接用変圧器、４は整流器、５は
並列接続された複数のトランジスタ、６は電流検
出器、７は消耗電極、８は電極送給機構、９は被
溶接物である。複数のトランジスタ５は、溶接電
流設定器１１の出力信号とパルス信号発生器１２
の出力信号と電流検出器６の出力信号とを入力す
る演算増幅器１３の出力信号によつて制御され、
例えば第４図ａ乃至ｄに示されたような波形の出
力が消耗電極７と被溶接物９との間に供給され、
本発明の溶接方法が実施される。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明のアルミニウム材を溶接
する不活性ガスシールド消耗電極アーク溶接方法
によれば、溶接電流の平均値を少なくとも臨界電
流値以上に設定し、かつ150乃至1000Hzの周波数
の周期的脈動電流でその波高値の最小値が臨界電
流値をこえないような電流波形を用いて消耗電極
の溶滴を脈動電流の最大値に周期させて強いアー
ク力により移行させることにより、従来のパルス
溶接にくらべて、被溶接物の溶融を充分に確保し
て溶込み深さを大幅に変化させることができ、効
果が大である。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは、従来から用いられている一般的な
直流電源によるアーク電流波形を示す線図、同図
ｂは、同図ａとの関係において溶滴の移行形態を
示す説明図、第２図ａは、本発明の溶接方法に使
用する溶接電流波形の一例を示す線図、同図ｂ
は、同図ａとの関係において、溶滴の移行形態を
示す説明図、第３図ａは、アーク電流の脈動（パ
ルス）周波数Ｆ〔Hz〕と溶滴の移行回数TN〔回／
秒〕との関係を示す線図、同図ｂは、パルス周波
数Ｆ〔Hz〕と平均の溶滴の直径MD〔mm〕との関係
を示す線図、同図ｃは、パルス周波数Ｆ〔Hz〕と
クリーニング幅CW〔mm〕との関係を示す線図、
同図ｄは、パルス周波数Ｆ〔Hz〕と溶込み深さPD
〔mm〕との関係を示す線図、第４図ａ乃至ｄはそ
れぞれ本発明の溶接方法に使用する溶接電流波形
の異なる例を示す線図、第５図は、本発明の溶接
方法を実施する溶接機の回路構成の概略図であ
る。 １……溶接機、３……溶接用変圧器、４……整
流器、５……トランジスタ、６……電流検出器、
７……消耗性電極、９……被溶接物、１１……溶
接電流設定器、１２……パルス信号発生器、１３
……演算増幅器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 不活性ガスを主成分とするシールドガスを使
   用し、材質がアルミニウム系統の消耗電極を用い
   て行なう直流アーク溶接方法において、溶接電流
   の平均値を少なくとも臨界電流以上に設定し、か
   つ溶滴の移行と脈動電流の周期とが同期する範囲
   内の周波数の周期的脈動電流で波高値の最小値が
   臨界電流値を越えないで、溶滴の移行と脈動電流
   の周期とが同期する電流波形を用いて溶接を行な
   うアーク溶接方法。