JPH09295170A - 非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接の溶込み制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶融スラグ浴深さが適正範囲以外であっても
溶融スラグ浴深さが適正状態と同等な溶込みの確保を図
る。 【解決手段】 溶接電流が設定値を超えたときノズルを
上昇させる機構を有する非消耗ノズル式エレクトロスラ
グ溶接において、前記ノズル駆動時に出力されるモータ
の駆動電圧に対してしいき値を設定し、該しきい値を何
秒継続して何回越えたかの判断を行うノズル上昇検出器
とワイヤ送給速度を常時検出するワイヤ送給検出器との
データを判別器に転送し、スラグ浴深さに応じたワイヤ
送給速度とノズル上昇の溶接電流設定値を自動選定器で
自動調整し、溶込み状態を適正に保持させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は非消耗ノズル式エレ
クトロスラグ溶接における溶接金属の溶込み制御方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】高能率で厚板の非消耗ノズル式エレクト
ロスラグ溶接を行う方法として、特開昭５７−１５６８
８４号公報が開示されている。同公報は、ワイヤ径２．
０ｍｍ以下、溶融スラグ浴表面と溶接チップ先端間のワ
イヤ突き出し長さ（以下、ドライエクステンションと称
す）を３０から４０ｍｍ程度に保持して溶接ノズルを自
動上昇させながら良好な溶接を行っている。溶接ノズル
の自動上昇は予め設定した電流設定値を越えると溶接ノ
ズルを自動上昇させ、電流設定値を越えなければ自動上
昇を待機または少しだけ自動上昇を作動させる電流検知
式自動上昇制御を用いている。

【０００３】エレクトロスラグ溶接の溶融スラグ浴は、
溶接開始と同時に開先断面積に適したフラックス量を開
先上部から断続的に添加し、適正な溶融スラグ浴を形成
させる。溶融スラグ浴深さの適正範囲としては３０から
４０ｍｍが最も適しており、この範囲を若干上下しても
溶接は行える。しかし、オペレータが手作業でフラック
スの添加を行い誤って不適切な添加量を投入した場合、
その量の溶融スラグ浴が形成される。水冷銅板を取り付
けての溶接ならば溶融スラグが水冷銅板の表面に付着し
て溶接の進行に伴い減少するが、ここでは一般的によく
用いられている４面鋼材を例に挙げている関係上添加し
た量は終始ほとんど変わらない。

【０００４】例えば、溶融スラグ浴深さが５０ｍｍとか
なり深い場合において、溶融スラグ浴深さが３５ｍｍと
適正範囲に属している時と同じワイヤ送給速度でワイヤ
送給を行うとジュール熱（Ｉ² Ｒ）の抵抗値Ｒが高くな
り、ワイヤの溶融速度が速くなる。こうなるとワイヤが
速く溶けるのでドライエクステンションが短くなり、電
流値は上昇して電流設定値を越え続けてノズルは連続状
態で自動上昇を行う。したがって、適正なドライエクス
テンションを保とうとノズルを引き上げワイヤを延ばす
制御を連続で作動させるので、溶接速度は速くなり適正
スラグ浴範囲の溶込み量に対し、溶融スラグ浴深さ５０
ｍｍの溶け込み量はかなり減少してしまう。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
するところは、上記のような従来の問題点を解決して、
溶融スラグ浴深さが適正範囲以外であっても溶融スラグ
浴深さが適正状態と同等な溶込みの確保を図ったもの
で、作業者の負担軽減と一人で複数台の溶接機の取扱い
を可能にし、作業能率および品質の安定を格段に向上さ
せることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の問題点
に鑑みてなされたものであって、溶接電流が設定値を超
えたときノズルを上昇させる機構を有する非消耗ノズル
式エレクトロスラグ溶接において、前記ノズル駆動時に
出力されるモータの駆動電圧に対してしいき値を設定
し、該しきい値を何秒継続して何回越えたかの判断を行
うノズル上昇検出器とワイヤ送給速度を常時検出してワ
イヤ送給速度に対比した電圧信号に変換させるワイヤ送
給検出器とのデータを判別器に転送し、スラグ浴深さに
応じたワイヤ送給速度とノズル上昇の溶接電流設定値を
自動選定器で自動調整し、溶込み状態を適正に保持させ
ることを特徴とする非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶
接の溶込み制御方法である。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下の図によって、溶接箇所の４
面を鋼板で囲み非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接を
行う場合の本発明例を詳細に説明する。図２は被溶接物
の斜視図、図１は非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接
の状況を示す図である。

【０００８】スキンプレート４、ダイアフラム５、側板
７Ａ、７Ｂで囲んだ開先６の中央に非消耗ノズル３を挿
入する。非消耗ノズル３の内部は中空になっており、そ
の中空内部に溶接ワイヤ１を送通して溶接用チップ９か
らワイヤ１０を突き出す。溶接用チップから突き出した
ワイヤは予め４０ｍｍ程度にセットしておく。

【０００９】溶接開始に伴い溶接用チップ９から突き出
したワイヤ１０はカットワイヤ１６に接触し、アークが
発生する。アークが発生したら続いて開先断面積に適し
たフラックスを開先６の上部から断続的に添加し、適正
な溶融スラグ浴１１を形成して溶接ワイヤ１を溶かし、
開先内を溶接金属１３で埋めていく。図１に示すように
溶融スラグ浴１１の下には溶接金属がまだ溶融している
溶鋼１２があり、その下に凝固した溶接金属１３があ
る。

【００１０】溶融スラグ浴深さの適正範囲としては３０
から４０ｍｍが最も適しており、この範囲を若干上下し
ても溶接は行えるが、深すぎたり浅すぎる場合には不具
合を生じる。図３および図４にそれぞれ溶融スラグ浴深
さが適正な場合と溶融スラグ浴が深く不適性な場合を示
す。溶融スラグ浴Ａ４が適正な場合には開先６の左右を
溶かしたＡ１、Ａ２の溶込みは確実に得られ、Ａ３のよ
うな溶込み幅の広い良好な溶接金属のナゲット形状１７
が得られる。しかし、溶融スラグ浴Ｂ４が深く不適正な
場合には開先６の左右の溶込みＢ１、Ｂ２は過小とな
り、溶込み幅の狭いＢ３のような溶接金属のナゲット形
状１８となる。また、溶融スラグ浴深さが浅くなると溶
接は不安定状態になりやすく、スパッタの多発から溶接
チップが詰まり、溶接中断を起こしやすくなる。

【００１１】非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接は、
図１に示すドライエクステンション１５（ワイヤ突き出
し長さ）の長さを３０から４０ｍｍ程度の適正範囲に保
ちながら溶接ノズルの自動上昇制御を行う。溶接ノズル
の自動上昇原理は、ドライエクステンション１５が３０
から４０ｍｍ程度の時の電流値を基準に、電流値が基準
電流値を越えると溶接ノズルの自動上昇を作動させ、電
流設定値を越えなければ自動上昇を待機又は少しだけ自
動上昇を作動させる電流検知式自動上昇制御を用いてい
る。

【００１２】例えば、溶融スラグ浴深さが適正範囲に属
してる３５ｍｍと溶融スラグ浴深さが深く不適性な５０
ｍｍの場合において、電流、電圧、ノズル上昇速度、ワ
イヤ送給速度をいずれも同じ条件で溶接を行った時、溶
融スラグ浴深さが深くなると抵抗値Ｒが大きくなり、溶
融スラグ浴深さ５０ｍｍのジュール発熱（Ｉ² Ｒ）は適
正スラグ浴深さの３５ｍｍに比べて大きくなる。そのた
め、溶接ワイヤは溶けやすく、ドライエクステンション
１５は適正長さより短くなる。こうなると自動上昇制御
は、非消耗ノズル３を引き上げてドライエクステンショ
ン１５を適正な長さに戻そうとする動作を行う。しか
し、ジュール熱の効果で溶接ワイヤの溶ける速度が加速
しているため自動上昇制御は連続状態で作動し、溶接速
度は一段と速くなる。その影響でワイヤ送給速度が同じ
でも、溶融スラグ浴深さが５０ｍｍの溶込みは溶融スラ
グ浴深さ３５ｍｍに比べて浅くなる。

【００１３】本発明は溶融スラグ浴深さがなんらかの原
因で深くなった場合でも適正な溶融スラグ浴深さ状態と
ほぼ同等な溶接速度に保持させ、良好な溶込みと品質の
安定化を図ったものである。

【００１４】以下、本発明の溶込み制御方法の動作につ
いて説明する。図５に制御のブロック図、図６（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）に制御動作図を示す。まず非消耗ノズル
３を上昇駆動させる時に出力される駆動電圧を判別器２
０に転送する。判別器２０は、非消耗ノズル駆動時に出
力される電圧を単位時間当たりのノズル上昇時間と上昇
回数とに判別し、溶接速度（ｃｍ／ｍｉｎ）およびスラ
グ浴深さの推定を行う。この推定を精度良く行うため、
溶接開始前に開先寸法の設定を行っている。

【００１５】一方、ワイヤ送給機２２に搭載した溶接ワ
イヤスプール２５から送給される溶接ワイヤ１の送給速
度（ｍ／ｍｉｎ）をワイヤ送給検出器２４で常時検出
し、ワイヤ送給速度に対比した電圧信号に変換してい
る。この信号はノズル上昇駆動電圧と同期をとり、判別
器２０にデータが転送される。

【００１６】このワイヤ送給の出力電圧データは自動設
定器２１で溶接状態に適したワイヤ送給速度を制御する
際に必要なもので、スラグ浴深さおよび溶込みの適正、
不適正の判断には用いていない。スラグ浴深さの適正、
不適正および溶込みの判断は、ノズル上昇時に出力され
るノズル駆動電圧によって制御している。溶接速度が適
正であればノズルの上昇駆動用モータはある程度規則的
に駆動する。その上昇時に出力されるモータ駆動電圧の
出力高さ、出力時間にしきい値を設定し、しきい値を何
秒間連続して何回越えたかによってスラグ浴深さの適
正、不適正および溶込みを判断させている。

【００１７】モータの定格出力電圧が６０Ｖでしきい値
を４０Ｖに設定した場合の一例を表１、表２に示す。表
１は検出時間に応じたカウント数を示し、表２はサンプ
リング中の適正カウント数の一例を示す。スラグ浴深さ
が適正範囲よりも深くなるとノズル上昇回数は増加す
る。この場合、検出器２０にはノズル上昇回数の増加デ
ータとワイヤ送給の出力電圧データが転送される。

【００１８】

【表１】

【００１９】

【表２】

【００２０】表３、表４に示すようにダイアフラム、ス
キンプレート板厚２５ｍｍ、ギャップ（図３、図４の符
号２２）２５ｍｍの時の適正スラグ浴深さ３５ｍｍにお
けるメーターリレーの電流設定値は３８０Ａ、ワイヤ送
給速度は８．５ｍ／ｍｉｎ、ワイヤ送給の出力電圧は
４．８Ｖ、溶接速度２．７ｃｍ／ｍｉｎで良好な溶込み
を得ることができる。この時のノズル上昇検出制御のカ
ウント数は６回以下である。すなわち、サンプリング時
間１０秒中しきい値を越えるカウント数が６回以下なら
ば適正な溶接速度で溶接が行われ、良好な溶込みが得ら
れることを示している。

【００２１】

【表３】

【００２２】

【表４】

【００２３】一方、スラグ浴深さが５０ｍｍに変わった
場合でもメーターリレーの電流設定値は３８０Ａ、ワイ
ヤ送給速度は８．５ｍ／ｍｉｎのままである。スラグ浴
が深くなるとジュール熱が高くなりワイヤの溶融は速く
なるので、ワイヤ送給速度８．５ｍ／ｍｉｎのままでは
ドライエクステンションがつまり、ノズル上昇回数は増
加して溶接速度は３．９ｃｍ／ｍｉｎ程度と速くなる。
したがって、溶込みは浅くなる。適正スラグ浴深さと同
程度の溶込みを得るためには、スラグ浴深さに適したワ
イヤ送給速度とメーターリレーの電流設定値を変更し、
良好な溶込みの得られる溶接速度に保つことが必要であ
る。

【００２４】表４はノズルの上昇駆動時に出力される駆
動電圧がしきい値を何秒継続し、何回越えたかを検出す
ることで現行のスラグ浴深さを判断させ、現行のスラグ
浴深さに適したワイヤ送給速度とメーターリレーの電流
設定値を自動設定させるための検索データの一例であ
る。ノズルの駆動電圧がしきい値を何秒継続し、何回越
えたかの数値処理は表１に示すカウント数を表４の検索
データに当てはめて行う。

【００２５】スラグ浴深さが５０ｍｍ程度の時の数値処
理は、表４に示すように選定カウント数６〜１０回の間
と定義付けを行っている。１０秒のサンプリング時間中
において、仮に１秒以下の出力電圧を１カウント、連続
４秒までの出力電圧を１カウントしたとすると、１０秒
中のカウント数を表４に当てはめて数値処理を施すと６
回カウントになる。

【００２６】選定カウント数だけで判断する場合には６
回以下の適正スラグ浴深さ３０〜４０ｍｍ、５〜８回の
スラグ浴深さ４５ｍｍ、６〜１０回のスラグ浴深さ５０
ｍｍのいずれにも該当する。このような場合には、連続
２秒までの選定回数から連続８秒までの選定回数のどこ
が該当しているかで判断させている。すなわち、しきい
値に対してノズルの駆動電圧が連続して４秒間続く該当
箇所はスラグ浴深さ５０ｍｍ程度の時にしか当てはまら
ない。スラグ浴深さ５０ｍｍより浅い時には連続４秒間
しきい値を越えることはほとんどない。

【００２７】以上の処理結果から現状のスラグ浴深さを
５０ｍｍ程度と判断し、自動設定器２１にデータを転送
する。自動設定器２１では図６（ａ）のＥＸＴ１の状態
を図６（ｂ）のＥＸＴ２の状態に変えて図６（ｃ）に示
す適正スラグ浴深さと同等で良好な溶込みを得るため、
表５に示す適正溶込み条件を基にメーターリレーの電流
設定値を３８０Ａから４８０Ａに自動調整する。それと
同時にワイヤ送給速度を８．５ｍ／ｍｉｎから１１．５
〜１２．５ｍ／ｍｉｎの範囲内に制御させるため、ワイ
ヤ送給検出器１９から転送されてくるワイヤ送給の出力
電圧値を６．５〜７．１Ｖの範囲に自動調整し、次の変
更指令がくるまでワイヤ送給の出力電圧値を６．７〜
７．１Ｖの範囲内に保持させる。また、適正スラグ浴深
さ範囲に有る場合には、ワイヤ送給速度８．５ｍ／ｍｉ
ｎ、メーターリレーの電流設定値は３８０Ａのまま変更
せず継続させる。

【００２８】ワイヤ送給検出器１９でワイヤ送給速度を
電圧信号に変換して制御しているが、電圧信号の数値処
理はサンプリング、平均化処理、データ転送の３工程で
処理する。その中のサンプリング時間については任意に
時間設定を行うことができる。本発明に用いた計器のサ
ンプリング回数は１秒間に２．５回であるが、使用計器
によってはサンプリング特性が異なる。しかし、サンプ
リング時間設定を可変させることでどの機種にも対応さ
せることは可能である。サンプリング時間の設定は溶接
速度の早期推定および制御の円滑化を考慮して１から１
０秒程度とし、サンプリング回数としては２．５回から
２５回分の電圧信号を取り込めるように設定した。

【００２９】以上のようにスラグ浴深さが適正範囲以外
であっても、ワイヤ送給速度とメーターリレーの電流設
定値を自動的に選定し、良好な溶込みを得ることのでき
る非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接の溶込み方法で
ある。なお電流設定の方法として上記ではメーターリレ
ーを具体的手段として述べたが、コンパレータ回路など
同様な機能を有するものであればメーターリレーと称す
るもの以外のものでも使用可能である。

【００３０】

【実施例】直流定電圧特性の電源を用いた非消耗ノズル
式エレクトロスラグ溶接で、本発明の溶込み制御方法を
用いた一実施例について説明する。使用した溶接試験片
はＩ型開先、ダイアフラム、スキンプレート板厚２５ｍ
ｍ、ギャップ２５ｍｍ、溶接ノズルの外径１２ｍｍ、長
さ５００ｍｍの４面鋼材の試験板を製作した。

【００３１】溶接条件は溶接電流３８０Ａ、メーターリ
レーの電流設定値３８０Ａ、溶接電圧４６Ｖ、ワイヤ送
給速度８．５ｍ／ｍｉｎ、揺動なしである。使用した溶
材は軟鋼用Ｓｉ−Ｍｎ系のソリッドワイヤ、フラックス
は中酸化Ｍｎ系のメルトフラックスを用い、ワイヤ送給
速度のサンプリング時間を３秒（サンプリング回数：
７．５回）、ノズル上昇検出制御のしきい値を４０Ｖに
設定し、ノズル上昇駆動電圧のサンプリング時間を１０
秒に設定した。

【００３２】適正溶融スラグ浴深さ３５ｍｍを形成させ
た後、溶融スラグ浴深さを４５ｍｍ、５０ｍｍ、５５ｍ
ｍの３段階に変え、適正な制御が行なえるか調査した。
その結果、溶融スラグ浴深さ４５ｍｍにおいては、メー
ターリレーの電流設定値を３８０Ａから４２０Ａに自動
調整し、ワイヤ送給速度を平均１０．６ｍ／ｍｉｎ、そ
の時のワイヤ送給の出力電圧は５．８から６．４Ｖの範
囲に制御した。

【００３３】溶融スラグ浴深さ５０ｍｍにおいては、メ
ーターリレーの電流設定値を４２０Ａから４８０Ａに自
動調整し、ワイヤ送給速度を平均１２．１ｍ／ｍｉｎ、
その時のワイヤ送給の出力電圧は６．６から６．９Ｖの
範囲に制御した。

【００３４】溶融スラグ浴深さ５５ｍｍにおいては、メ
ーターリレーの電流設定値を４８０Ａから５２０Ａに自
動調整し、ワイヤ送給速度を平均７．５ｍ／ｍｉｎ、そ
の時のワイヤ送給の出力電圧７．３から７．７Ｖの範囲
に制御した。以上、溶融スラグ浴深さに応じたメーター
リレーの電流設定値とワイヤ送給速度に自動設定でき、
適正スラグ浴深さと同等で良好な溶込みを得ることがで
きた。

【００３５】

【発明の効果】本発明の非消耗ノズル式エレクトロスラ
グ溶接の溶込み制御方法は、溶融スラグ浴深さがなんら
かの原因で深くなった場合でも適正な溶融スラグ浴深さ
状態とほぼ同等な溶込みを確保することができ、品質の
安定化を図ることを可能にしたため、本発明の工業的価
値は非常に高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接の状況を
示す説明図

【図２】被溶接物の斜視図

【図３】溶融スラグ浴深さが適正な場合の溶込み状態を
示す説明図

【図４】溶融スラグ浴深さが不適正な場合の溶込み状態
を示す説明図

【図５】溶込み制御動作を示すブロック図

【図６】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ溶込み制御
動作の経過を示す説明図

【符号の説明】

１ 溶接ワイヤ ２ 上昇用ローラー ３ 非消耗ノズル ４ スキンプレート ５ ダイアフラム ６ 開先 ７Ａ、７Ｂ 側板 ８ 銅当金 ９ 溶接用チップ １０ 突き出しワイヤ １１ 溶融スラグ浴 １２ 溶鋼 １３ 溶接金属 １５ ドライエクステンション １６ カットワイヤ １７、１８ 溶接金属のナゲット形状 １９ ノズル上昇検出器 ２０ 判別器 ２１ 自動設定器 ２２ ギャップ ２３ 溶接ワイヤスプール ２４ ワイヤ送給検出器 ２５ 溶接ワイヤ送給機

【表５】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶接電流が設定値を超えたときノズルを
   上昇させる機構を有する非消耗ノズル式エレクトロスラ
   グ溶接において、前記ノズル駆動時に出力されるモータ
   の駆動電圧に対してしいき値を設定し、該しきい値を何
   秒継続して何回越えたかの判断を行うノズル上昇検出器
   とワイヤ送給速度を常時検出してワイヤ送給速度に対比
   した電圧信号に変換させるワイヤ送給検出器とのデータ
   を判別器に転送し、スラグ浴深さに応じたワイヤ送給速
   度とノズル上昇の溶接電流設定値を自動選定器で自動調
   整し、溶込み状態を適正に保持させることを特徴とする
   非消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接の溶込み制御方
   法。