JPH0938772A - 交流セルフシールドアーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 細径セルフシールド溶接ワイヤを用いて交流
セルフシールドアーク溶接を行うに際し、ワイヤ先端に
大きな溶滴が形成されるような長いワイヤ突出し長さに
おいても、アーク長変動によるアーク不安定現象を起こ
すことなくアークを安定化させ、且つスパッタの発生が
極めて少ない溶接を行えるようにする。 【解決手段】 交流１周期における正極性期間の時間比
率をＥＮ比率とし、交流１周期における正極性期間の正
極性溶接電流の平均値をＩen、逆極性期間の逆極性溶接
電流の平均値をＩepとすると、ＥＮ比率を３０〜９０％
の範囲で設定するとともに、前記Ｉepが前記Ｉenよりも
小であるように溶接電流を通電して溶接を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、細径のフラック
ス入りワイヤを用いる交流セルフシールドアーク溶接方
法に関し、ワイヤ先端に大きな溶滴が形成されるような
長いワイヤ突出し長さにおいても、アーク長変動による
アーク不安定現象を起こすことなくアークを安定化さ
せ、かつ、スパッタの発生が極めて少ない溶接を行うこ
とができるようにした、交流セルフシールドアーク溶接
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、セルフシールドアーク溶
接法は、大気中の窒素が溶融金属に固溶することによる
溶接金属の性能劣化を防ぐためのシールドガスあるいは
フラックスを外部から供給しなくても溶接が行える溶接
法であり、溶融金属に侵入した窒素を固定する成分やア
ーク周囲にガスを発生させて窒素の侵入を防ぐための成
分を、そのフラックス中に含有させたフラックス入りワ
イヤを消耗電極（溶接ワイヤ）として用いて溶接を行う
溶接法である。

【０００３】このセルフシールドアーク溶接法は、鋼管
杭の現場溶接などのように、厚板鋼板を対象として風が
強くてシールドガスが使えない屋外での現場溶接で主と
して用いられてきた。この場合、セルフシールド溶接用
ワイヤとしては、ワイヤ径（ワイヤ直径）が２．４、
３．２ｍｍのような２ｍｍを超える太径の溶接ワイヤを
用い、溶接電源としては、商用周波数の手溶接用交流溶
接電源が用いられている。

【０００４】一方、最近になって、自動車、住宅、農機
具、軽量鉄骨などの主に板厚が０．６〜３．２ｍｍ程度
の薄板鋼板分野において、セルフシールドアーク溶接法
の簡便性が注目されており、薄板溶接用のセルフシール
ド溶接用ワイヤも市販されている。そして、このような
薄板のセルフシールドアーク溶接では、電流値が８０〜
２５０Ａ程度の低電流を使用し、かつ、下向き溶接のみ
ならず立向き溶接、横向き溶接などの全姿勢で溶接が行
われるため、ワイヤ径（ワイヤ直径）が２ｍｍ以下の細
径の溶接ワイヤが用いられている。

【０００５】この細径の溶接ワイヤを用いるセルフシー
ルドアーク溶接では、溶接電源としては、一般に、通常
の消耗電極式ガスシールドアーク溶接に用いる定電圧特
性の直流溶接電源が使用されており、その際、溶接電源
との電気的接続は、溶接ワイヤを陰極にし母材を陽極に
するような正極性に接続し、溶接ワイヤと母材間に正極
性アークを発生させて溶接を行うようになされている。

【０００６】ワイヤ径２ｍｍ以下、特にワイヤ径１．４
ｍｍ以下の細径の溶接ワイヤを用いた正極性アークによ
るセルフシールドアーク溶接を行う際には、ワイヤ先端
に大きな溶滴が形成されるような長いワイヤ突出し長さ
になると、アーク不安定現象が発生していた。このアー
ク不安定現象とは、ワイヤ送給速度、ワイヤ突出し長さ
（母材表面と溶接チップ先端間距離）を一定値に維持し
たままでも、そのワイヤ突出し長さが長い場合には、ア
ーク長が周期的に長くなったり短くなったりする現象の
ことであり、著しい場合にはアーク長が１０ｍｍ以上も
変動することがある。例えば、ワイヤ径１．２ｍｍの場
合、適正ワイヤ突出し長さは１０〜１５ｍｍであり、ワ
イヤ突出し長さが１５ｍｍのときにはアーク長変動によ
るアーク不安定現象の発生は極めて少ないが、ワイヤ突
出し長さを３０ｍｍ程度にすると、アーク長が大きく変
動するアーク不安定現象が発生する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このようなアーク長変
動によるアーク不安定現象が発生すると、溶接ビードの
アンダーカットや溶接ビード幅の不揃いなどの溶接ビー
ド欠陥をもたらす。さらに、溶接ワイヤ中のフラックス
に含まれるガス発生成分や窒素固定成分の働きが弱ま
り、セルフシールドワイヤとしての機能が発揮できず、
気孔欠陥が発生したり溶接金属の靱性が悪くなったりし
て溶接継手部の性能が低下することになる。このため、
人手により溶接トーチを操作することで手振れが生じや
すい半自動溶接では、立向き・横向きなどの難姿勢溶接
や、溶接トーチが入りにくい複雑形状の被溶接物の溶接
などにおいてはワイヤ突出し長さが適正値より長くなる
ことが多く、細径溶接ワイヤを用いたセルフシールドア
ーク溶接の薄板溶接への適用に制限があった。

【０００８】そこでこの発明は、細径のセルフシールド
溶接ワイヤを用いて交流セルフシールドアーク溶接を行
うに際し、ワイヤ先端に大きな溶滴が形成されるような
長いワイヤ突出し長さにおいても、アーク長変動による
アーク不安定現象を起こすことなくアークを安定化さ
せ、かつ、スパッタの発生が極めて少ない溶接を行うこ
とができ、これにより細径溶接ワイヤを用いたセルフシ
ールドアーク溶接の薄板溶接への適用拡大を図ることが
できるようにした、交流セルフシールドアーク溶接方法
を提供することを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、溶接
ワイヤと母材間に、溶接ワイヤを陰極とする正極性期間
に正極性溶接電流を通電し、溶接ワイヤを陽極とする逆
極性期間に逆極性溶接電流を通電し、この正極性期間と
逆極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う交流セルフ
シールドアーク溶接方法において、交流１周期における
正極性期間の時間比率をＥＮ比率とし、交流１周期にお
ける正極性期間の正極性溶接電流の平均値をＩen、逆極
性期間の逆極性溶接電流の平均値をＩepとすると、ＥＮ
比率を３０〜９０％の範囲で設定するとともに、前記Ｉ
epが前記Ｉenよりも小であるように溶接電流を通電して
溶接を行うことを特徴とするものである。

【００１０】請求項２の発明は、請求項１記載の交流セ
ルフシールドアーク溶接方法において、前記Ｉenと前記
Ｉepとの関係が、Ｉep＝ｋ・Ｉenであって、係数ｋ＝
０．２〜０．８を満たすように溶接電流を通電すること
を特徴とするものである。また、請求項３の発明は、請
求項２記載の交流セルフシールドアーク溶接方法におい
て、前記係数ｋを前記ＥＮ比率に比例して設定すること
を特徴とするものである。

【００１１】このような手段により前記課題が解決され
ることについて説明する。本発明者らは、まず、細径の
溶接ワイヤを用いるセルフシールドアーク溶接におい
て、ワイヤ突出し長さが長くなると発生する前述のアー
ク不安定現象の発生機構について調査した。代表的ワイ
ヤ径１．２ｍｍのセルフシールド溶接ワイヤを用いて溶
接を行い、そのセルフシールドアーク溶接現象を高速度
カメラで撮像して観察した結果、次のようなことがわか
った。図７〜図９は高速度カメラで撮像した溶接現象を
スケッチした模式図である。

【００１２】従来の正極性によるセルフシールドアーク
溶接においてワイヤ突出し長さが適正な場合（約１５ｍ
ｍ）には、溶滴は細かく小粒でスプレー状に移行する。
陰極点はワイヤ先端の未溶融部分に発生し、ワイヤ周方
向に不規則に且つ高速に動き回るが、ワイヤ先端の未溶
融部分は、溶融池に対してその一定値上方に位置する。
このため、マクロ的にはアーク長はほぼ一定であり、ア
ークは安定している（図７参照）。

【００１３】一方、従来の正極性によるセルフシールド
アーク溶接においてワイヤ突出し長さが長すぎる場合
（約３０ｍｍ）には、ワイヤ先端に大きな溶滴が形成さ
れて、溶滴移行形態はグロビュラ移行（大粒溶滴移行）
となる。ワイヤ先端の溶滴表面に発生する陰極点は、溶
融池表面に対して最短となる溶滴最下部に常に発生する
のではなく、図８に示すように、溶滴上部にも発生す
る。そして、溶滴上部に陰極点が発生すると、これが引
き金となってマクロ的なアーク長不安定が引き続いて発
生する。図１２の下部に、アーク長変動によるアーク不
安定現象発生時の溶接電流波形を波形記録計で記録し、
それをトレースしたものを示す。平均溶接電流は１５０
Ａであり、図１２に示すように、アーク不安定現象が発
生し、溶接電流は周期的に変動する。アーク不安定現象
は、一度発生するとこのように周期的に継続することに
なる。

【００１４】これに対して、極性を逆極性にし、逆極性
においてワイヤ突出し長さを長くした場合（約３０ｍ
ｍ）には、ワイヤ先端に大きな溶滴が形成されて、グロ
ビュラ移行となるものの、図９に示すように、ワイヤ先
端の溶滴最下部と溶融池との間にアークが発生し、マク
ロ的にはアーク長はほぼ一定である。ただし、スパッタ
発生量が非常に多く、大粒の溶滴がそのままスパッタと
なることもあり、溶接作業性は極めて悪い。なお、逆極
性においてワイヤ突出し長さが短い場合（約１５ｍｍ）
にも、同様に、ワイヤ先端に大きな溶滴が形成されて、
スパッタが多発する。

【００１５】さて、正極性における前述したワイヤ突出
し長さの長短による溶滴の大きさの違いは、ワイヤ突出
し長さの違いによるワイヤ溶融速度の違いということで
説明できる。図１０はワイヤ突出し長さが約１５ｍｍに
おける溶接電流とワイヤ溶融速度（ワイヤ送給速度）と
の関係を示す図、図１１はワイヤ突出し長さが約３０ｍ
ｍにおける溶接電流とワイヤ溶融速度（ワイヤ送給速
度）との関係を示す図である。両図において、「白丸」
印は正極性の場合を示し、「黒丸」印は逆極性の場合を
示す。

【００１６】正極性でのセルフシールドアーク溶接にお
いて、ワイヤ突出し長さが短くてワイヤ溶融速度が小さ
い場合には、ワイヤ先端に余分な溶滴が形成されにく
く、陰極点はワイヤ先端の未溶融部分、つまり溶接ワイ
ヤのフープ部分に発生する。そして、陰極点は電離電圧
の低い酸化物が存在するところから優先的に発生するも
のであることから、酸化物で覆われているワイヤフープ
部分は陰極点の安定した発生点となるものと考えられ
る。

【００１７】これに対して、ワイヤ突出し長さが長くな
ると、同一溶接電流ではワイヤ溶融速度が大きくなり、
溶融が過剰になるとワイヤ先端に大きな溶滴が形成され
るものと考えられる。そして、大きな溶滴が形成されて
しまうと、溶融池に対してワイヤフープ部分が遠ざかる
ことになり、また、溶滴表面に電離電圧の低い酸化物が
少ないことから陰極点は酸化物を求めて溶滴表面を不規
則に動きまわり、その結果、アーク長が不安定になる。
なお、正極性でのワイヤ溶融速度は、図１０に示すよう
にワイヤ突出し長さが短い場合には、大きな溶滴が形成
される逆極性のそれに比較して小さく、図１１に示すよ
うにワイヤ突出し長さが長くなると、逆極性のワイヤ溶
融速度とほぼ同じとなり、大きな溶滴が形成される点も
逆極性と同じである。

【００１８】以上のようなことから、細径の溶接ワイヤ
を用いる正極性でのセルフシールドアーク溶接では、次
のようなプロセスでアーク長変動によるアーク不安定現
象が発生するものと考えられる。図１２はアーク不安定
現象を説明するための説明図である。

【００１９】ワイヤ突出し長さが長いとワイヤ溶融速
度が増加し、ワイヤ先端に大きな溶滴が形成される。
陰極点は電離電圧の低い酸化物をさがし求めて溶滴表面
を動き回る。溶滴上部に陰極点が移動すると、アーク
は溶融池表面とこれに対して最短となる溶滴最下部との
間に発生せず、アーク長が長くなる。アーク長が長く
なると、定電圧特性の溶接電源ではアーク長（アーク電
圧）を一定に維持しようとする溶接電源によるアーク長
の自己制御作用が働き、溶接電流が減少し始める。そし
て、溶接ワイヤは一定の速度で送給されているので、ワ
イヤ先端の溶滴は溶融池に近づいて行く。

【００２０】ワイヤ先端の溶滴が離脱すると、陰極点
はワイヤフープ部分に形成されて、短いアーク長とな
る。溶接電源によるアーク長の自己制御作用が働き、
溶接電流が増加する。溶接電流が増加するとさらにワ
イヤ溶融速度も増加し、溶接ワイヤが急激に燃え上が
り、ワイヤ先端に大きな溶滴が形成される。

【００２１】このようなアーク不安定現象の発生機構か
ら、ワイヤ先端に大きな溶滴が形成されるような長いワ
イヤ突出し長さにおいてアークを安定化するには、溶滴
表面に形成される陰極点の安定化が重要であることがわ
かった。先に述べたように、溶接ワイヤを陽極とする逆
極性では、ワイヤ先端の溶滴最下部と溶融池との間にア
ークが発生し、アークは安定している。しかし逆極性で
は、溶滴が大きくて大粒のスパッタが多発するという不
具合がある。

【００２２】そこで、正極性と逆極性の両者の特徴を持
つと考えられる交流溶接（両極性溶接）に着目し、交流
１周期における溶接ワイヤが陰極になる正極性期間の時
間比率をＥＮ比率とし、細径の溶接ワイヤを用い、ワイ
ヤ先端に大きな溶滴が形成されるような長いワイヤ突出
し長さにおいてＥＮ比率を変化させ、交流セルフシール
ドアーク溶接を実施した。なお、交流１周期における溶
接ワイヤを陰極とする正極性期間をＴenとし、溶接ワイ
ヤを陽極とする逆極性期間をＴepとすると、ＥＮ比率＝
〔Ｔen／（Ｔen＋Ｔep）〕×１００％である。

【００２３】図５はワイヤ径１．２ｍｍの溶接ワイヤを
用いた交流セルフシールドアーク溶接において、ワイヤ
突出し長さとＥＮ比率とを変化させた場合におけるアー
ク安定領域を示す図である。この場合、交流周波数は約
５０Ｈｚであり、交流１周期における逆極性期間に通電
する逆極性溶接電流の平均値をＩep、正極性期間の正極
性溶接電流の平均値をＩenとすると、Ｉep＝Ｉenとなる
ように溶接電流を通電した。

【００２４】図５に示されるように、ワイヤ突出し長さ
の増加につれてＥＮ比率を低下させるように設定し、ワ
イヤ先端の溶滴最下部と溶融池との間でアーク長一定の
アークが発生する逆極性期間を徐々に増加させること
で、ワイヤ突出し長さが適正長さ（１０〜１５ｍｍ）よ
りも長い場合においても、正極性アークのみにおけるア
ーク不安定現象の発生をなくして、アークの安定化した
交流セルフシールドアーク溶接を行うことができる。ワ
イヤ径１．２ｍｍの場合（適正ワイヤ突出し長さ：１０
〜１５ｍｍ）、ワイヤ先端に大きな溶滴が形成されるワ
イヤ突出し長さは約２０ｍｍ以上であり、図５に示すよ
うに、ＥＮ比率は、ワイヤ突出し長さに対応して、ワイ
ヤ突出し長さが２０ｍｍのときには９０％以下に設定
し、３０ｍｍのときには８０％以下に設定する必要があ
る。なお、このＥＮ比率は、３０〜９０％の範囲で設定
されるものであり、その理由についてはスパッタ発生量
にも関係するので後述する。

【００２５】図６はワイヤ径１．２ｍｍの溶接ワイヤを
用いた交流セルフシールドアーク溶接において、ワイヤ
突出し長さとＥＮ比率とを変化させた場合におけるスパ
ッタ漸増領域及びスパッタ多発領域を示す図である。こ
の場合、交流周波数は約５０Ｈｚであり、交流１周期に
おける逆極性溶接電流の平均値Ｉepと正極性溶接電流の
平均値ＩenとがＩep＝Ｉenとなるように通電した。

【００２６】図６から理解されるように、ＥＮ比率を小
さく設定するに従って、アーク不安定現象の発生をより
確実になくすことができるものの、逆に、スパッタの発
生が徐々に多くなる。そして、このスパッタ漸増領域を
経てスパッタ多発領域にいたり、図６に示す「黒丸」印
を結ぶ境界線以下のスパッタ多発領域では、逆極性の影
響が強すぎてスパッタが多発することがわかった。

【００２７】そこで、前記スパッタ漸増領域におけるス
パッタの発生低減を目的として、スパッタ漸増領域やス
パッタ多発領域において、交流セルフシールドアーク溶
接現象を高速度カメラで撮影して観察した。その結果、
溶接ワイヤが陽極となる逆極性期間にて、ワイヤ先端に
大きく溶滴が成長し、かつ、この溶滴がアーク力で吹き
飛ばされて大粒のスパッタになることがわかった。

【００２８】そして、この観察結果に基づいて実験を重
ねた結果、交流１周期における正極性期間の正極性溶接
電流の平均値をＩen、その交流１周期における逆極性期
間の逆極性溶接電流の平均値をＩepとすると、逆極性溶
接電流平均値Ｉepを正極性溶接電流平均値Ｉenよりも小
さくすることにより、逆極性期間での溶滴成長を抑制
し、かつ、アーク力を弱めることができ、スパッタ漸増
領域におけるスパッタの発生を大幅に減らすことができ
た。

【００２９】なお、先に示した図１１から理解されるよ
うに、定電圧特性の電源を使用し、溶接ワイヤを定速度
送給して行う交流セルフシールドアーク溶接では、ワイ
ヤ先端に大きな溶滴が形成されるような長いワイヤ突出
し長さでは、同一ワイヤ送給速度に対して逆極性溶接電
流平均値Ｉepと正極性溶接電流平均値Ｉenとの値は、そ
の各電流値制御を行わない場合には、ほぼ同じ電流値に
なるものである。

【００３０】さて、スパッタの発生低減のために逆極性
溶接電流平均値Ｉepを正極性溶接電流平均値Ｉenよりも
小さくする必要があり、好ましくは、０．２・Ｉen≦Ｉ
ep≦０．８・Ｉenの範囲の関係を満たすように溶接電流
を通電することがよい。ＩepがＩen値の８０％（０．８
倍）を上回ると、逆極性期間で溶接ワイヤ先端に大きい
溶滴が形成されるとともにこれがアーク力によって吹き
飛ばされて大粒のスパッタになりやすく、スパッタ低減
効果が十分発揮されない。一方、ＩepがＩen値の２０％
（０．２倍）を下回ると、溶接ワイヤを溶融させるエネ
ルギが不足し、アーク長が急激に短くなって溶接ワイヤ
が溶融池に突っ込んでアーク不安定になることがあるの
で好ましくない。

【００３１】ここで、Ｉep＝ｋ・Ｉenとすると、前記の
ことから、係数ｋは０．２〜０．８の範囲に設定される
ことが好ましいものであるが、この係数ｋはＥＮ比率に
比例して設定するようにするとよい。ＥＮ比率が大きく
なるに従って交流１周期における逆極性期間が短くなっ
て逆極性溶接電流による溶接ワイヤ溶融エネルギが不足
しやすくなるので、ＥＮ比率が大きくなるに従って、係
数ｋを大きくなる設定してＩep値を増加させるようにす
ることにより、逆極性期間での溶接ワイヤ溶融エネルギ
不足によって溶接ワイヤが溶融池に突っ込んでアーク不
安定でスパッタ発生量が増えるようなことがない。

【００３２】さて、先に述べたＥＮ比率は、３０〜９０
％の範囲で設定する必要がある。アーク不安定現象を解
消できるＥＮ比率は、ワイヤ突出し長さにより異なり、
ワイヤ突出し長さが長くなるにつれてその値が小さくな
る。また、アーク不安定現象を解消できるもののスパッ
タが多発するＥＮ比率は、同様にしてワイヤ突出し長さ
が長くなるにつれてその値が小さくなる。細径のセルフ
シールド溶接ワイヤ（フラックス入りワイヤ）の代表的
ワイヤ径は１．２ｍｍである。ワイヤ径１．２ｍｍの場
合（適正ワイヤ突出し長さ：１０〜１５ｍｍ）、ワイヤ
先端に大きな溶滴が形成されるワイヤ突出し長さは約２
０ｍｍ以上であり、図５に示すように、ＥＮ比率はワイ
ヤ突出し長さが２０ｍｍのときには９０％以下に設定す
る必要があり、この９０％をＥＮ比率の上限値としてい
る。一方、下限値については、図６から、ワイヤ径１．
２ｍｍでの実用的な限界突出し長さであるワイヤ突出し
長さ３０ｍｍのときのスパッタが多発するＥＮ比率が３
０％以下であることから、この３０％をＥＮ比率の下限
値としている。この３０〜９０％の範囲内であれば、図
１２から分かるように、ＥＮ比率は、ワイヤ突出し長さ
に応じて変化させても良いし、例えば、ワイヤ突出し長
さが１５〜４０ｍｍの範囲では４５％の一定値に設定し
ても良い。

【００３３】

【発明の実施の形態】図１はこの発明による方法を実施
するための溶接用電源の一例を示すブロック図である。

【００３４】図１に示すように、三相交流電力供給部１
から供給される交流電力は、１次整流器２で直流に整流
され、平滑用コンデンサ３により平滑される。この直流
は、トランジスタをスイッチング素子として用いた１次
インバータ４によって高周波交流に変換される。トラン
ス５は１次インバータ４の出力を溶接に適した電圧レベ
ルに降圧する。トランス５からの溶接用に降圧された高
周波交流は２次整流器６により直流に整流される。そし
て、リアクトル７を介して平滑された直流が２次インバ
ータ８によって再度交流に変換され、この交流電力がセ
ルフシールド溶接ワイヤ１０と母材９間に供給されて、
交流セルフシールドアーク溶接が行われるようになって
いる。前記１次インバータ４は出力電流（Ｉen及びＩe
p）の電流値制御を行うものであり、２次インバータ８
は出力極性の切替え制御（ＥＮ比率の制御）を行うもの
である。

【００３５】１１は溶接電流を検出する溶接電流検出
器、１２は溶接電圧を検出する溶接電圧検出器である。
これらの検出器１１，１２の出力は後述する制御部に与
えられる。溶接ワイヤ１０はワイヤ送給モータ１３で駆
動されるワイヤ送給ローラによって母材９に向けて送給
され、溶接ワイヤ１０と母材９間にアークを発生させて
溶接が行われる。ワイヤ送給モータ制御回路１４は、ワ
イヤ送給速度設定器１５からのワイヤ送給速度の設定信
号に基づき送給モータ１３の回転速度を制御するもので
ある。

【００３６】制御部は、溶接電流検出器１１及び溶接電
圧検出器１２からの検出出力に基づいて１次インバータ
４及び２次インバータ８を制御し、図２に模式的に示す
ように、正極性溶接電流を供給する正極性期間Ｔen及び
逆極性溶接電流を供給する逆極性期間Ｔepからなる交流
波形を形成するためのものである。

【００３７】この制御部の構成について説明する。ワイ
ヤ送給速度設定器１５は、ワイヤ送給モータ制御回路１
４、逆極性溶接電流値（平均値）Ｉepを設定するＩep設
定器１６、及び正極性溶接電流値（平均値）Ｉenを設定
するＩen設定器１７に、それぞれ、ワイヤ送給速度の設
定信号を与える。

【００３８】Ｉep設定器１６は、ワイヤ送給速度設定器
１５からのワイヤ送給速度の設定信号に基づいてワイヤ
送給速度に応じた標準的値の逆極性溶接電流を通電する
ためのＩep設定信号を波形選択回路２４に与える。一
方、電圧誤差増幅回路２２は、溶接電圧設定器２３から
の溶接電圧設定値と溶接電圧検出器１２からの溶接電圧
検出値とが一致するように電流値Ｉenを微調整するため
の微調整信号をＩen設定器１７に与えるものである。

【００３９】Ｉen設定器１７は、ワイヤ送給速度設定器
１５からのワイヤ送給速度の設定信号と電圧誤差増幅回
路２２からの微調整信号とを受けて、ワイヤ送給速度に
応じた標準的電流値に溶接電圧変動解消用の微調整を施
したものを正極性溶接電流として通電するためのＩen設
定信号を、波形選択回路２４に与える。

【００４０】なお、Ｉep設定器１６にはＩep調整器１８
が接続されており、逆極性溶接電流値（平均値）Ｉep
は、Ｉep設定器１６によりワイヤ送給速度の設定信号に
基づき予め定められた値に一元的に設定されるが、前記
Ｉep調整器１８により一元設定値を変更して個別設定可
能になっている。同様に、Ｉen設定器１７に接続された
Ｉen調整器１９により、正極性溶接電流値（平均値）Ｉ
enは個別設定可能になされている。

【００４１】ＥＮ比率設定器２１はＥＮ比率を設定する
設定器であり、Ｔen設定器２０は、ＥＮ比率設定器２１
からのＥＮ比率設定信号を基づき交流周期に応じて正極
性期間Ｔenの値を設定し、これを波形選択回路２４に与
えるものである。そして、波形選択回路２４は、前記Ｉ
en設定信号、Ｉep設定信号を順次選択して電流設定値と
して電流誤差増幅回路２５に与えるとともに、極性制御
回路２７に対して、ＩenまたはＩepのいずれが電流設定
値として増幅回路２５に出力されているかを示す電流選
択信号を与える。

【００４２】電流誤差増幅回路２５は、溶接電流検出器
１１によって検出した電流値と波形選択回路２４から与
えられた電流設定値（ＩenまたはＩep設定値）とを比較
し、その偏差を出力する。出力制御回路２６は、この電
流誤差増幅回路２５の出力に基づいて、溶接電流検出器
１１を流れる電流値が設定された正極性溶接電流値（平
均値）Ｉen、または逆極性溶接電流値（平均値）Ｉepに
なるように１次インバータ４をスイッチング制御する。

【００４３】そして同時に、極性制御回路２７は、波形
選択回路２４からの前記電流選択信号を受けて、Ｉen設
定信号が選択されているときには、正極性となるよう
に、つまり、溶接ワイヤ側がマイナス、母材側がプラス
となるように２次インバータ８をスイッチング制御し、
逆にＩep設定信号が選択されているときには、逆極性と
なるように、つまり、溶接ワイヤ側がプラス、母材側が
マイナスとなるように２次インバータ８をスイッチング
制御するように構成されている。

【００４４】なお、係数ｋ〔ｋ＝（Ｉep／Ｉen）〕の設
定については、ＥＮ比率設定器２１からのＥＮ比率設定
信号を入力信号とし、係数ｋをＥＮ比率の増加につれて
大きくなるようにＥＮ比率の関数として設定するように
したｋ値設定器を設け、このｋ値設定器で設定された係
数ｋの値となるように、Ｉep設定器１６及びＩen設定器
１７を自動設定する回路を設けるようにしてもよい。

【００４５】

【実施例】以下、前記構成になる溶接用電源を使用して
交流セルフシールドアーク溶接を行い、アーク安定性、
スパッタの発生量を測定・調査した。図４はスパッタの
捕集方法を説明するための斜視図である。同図に示すよ
うに、幅２５ｍｍの長尺の試験板Ｍを水平に置き、この
試験板Ｍを両側から挟むようにして試験板長手方向（溶
接方向）に沿って断面がほぼコ字型のスパッタ捕集板Ｓ
Ｐをセットした。ＷＴは溶接トーチを示す。そして、試
験板Ｍをビードオンプレートで後述する溶接条件にて溶
接し、そのとき発生したスパッタを捕集し、秤量して１
分間あたりのスパッタ発生量を求め評価した。

【００４６】表１及び表２に実施例及び比較例の結果と
各個別溶接条件を示す。共通の溶接条件は、溶接ワイ
ヤ：ワイヤ径１．２ｍｍのフラックス入りセルフシール
ド用ワイヤ、母材：板厚２５ｍｍの軟鋼板（ＳＳ４０
０）、溶接電流（平均値）：１４０〜１６０Ａ、溶接速
度：２０ｃｍ／ｍｉｎ、交流周波数：約５０Ｈｚ、であ
る。なお、表１及び表２中の電流値は、溶接電流波形を
波形記録計で記録し、その波形記録計の持つ波形演算機
能により算出して得た値である。

【００４７】

【表１】

【００４８】

【表２】

【００４９】Ｎｏ１，２の比較例では、直流逆極性溶接
によるものであり、アークは安定しているものの、大粒
のスパッタが多発する。Ｎｏ３の比較例は、細径ワイヤ
を使用する直流正極性による従来のセルフシールドアー
ク溶接によるものであり、ワイヤ突出し長さが１５ｍｍ
と短いのでスパッタ発生量はＮｏ１の1/6 程度と極めて
少なく、かつ、アークも安定している。しかし、ワイヤ
突出し長さが３０ｍｍと長いＮｏ４の比較例では、スパ
ッタ発生量は少ないものの、アーク長変動によるアーク
不安定現象が発生した。

【００５０】Ｎｏ５〜１２は、ワイヤ突出し長さを３０
ｍｍ、ＥＮ比率を８０％とし、係数ｋ〔ｋ＝（Ｉep／Ｉ
en）〕の値を種々変化させた場合のものである。Ｎｏ
５，６の比較例では、アーク不安定現象の発生はないも
のの、逆極性溶接電流平均値Ｉepが正極性溶接電流平均
値Ｉenより大きいことから、スパッタ発生量が多く、Ｎ
ｏ３，４の比較例の２．５倍程度のスパッタが発生し
た。これに対して、Ｎｏ７〜１２の実施例では、アーク
不安定現象の発生がなく、かつ、Ｉep＜Ｉenのように設
定したので、スパッタ発生量を少なくすることができ
た。特に、係数ｋを０．２〜０．８の範囲内に設定した
Ｎｏ８〜１１の発明例では、スパッタ発生量をＮｏ３，
４の比較例と同程度にまで減少させたものが得られてい
る。

【００５１】Ｎｏ１３〜２０は、ワイヤ突出し長さを３
０ｍｍ、ＥＮ比率を７０％とし、係数ｋの値を種々変化
させた場合のものである。Ｎｏ１３，１４の比較例で
は、アーク不安定現象の発生はないものの、Ｉep≧Ｉen
であるため、スパッタ発生量が多く、Ｎｏ３，４の比較
例の３倍程度のスパッタが発生した。これに対して、Ｎ
ｏ１５〜２０の実施例では、アーク不安定現象の発生が
なく、かつ、Ｉep＜Ｉenのように設定したので、スパッ
タ発生量を少なくすることができた。特に、係数ｋを
０．２〜０．８の範囲内に設定したＮｏ１６〜１９の実
施例では、スパッタ発生量をＮｏ３，４の比較例と同程
度にまで減少させたものが得られている。

【００５２】Ｎｏ２１〜２７は、ワイヤ突出し長さを３
０ｍｍ、ＥＮ比率を５５％とし、係数ｋの値を種々変化
させた場合のものである。Ｎｏ２１の比較例では、アー
ク不安定現象の発生はないものの、Ｉep＞Ｉenであるた
め、スパッタ発生量が多く、Ｎｏ３，４の比較例の４倍
程度のスパッタが発生した。これに対して、Ｎｏ２２〜
２７の実施例では、アーク不安定現象の発生がなく、か
つ、Ｉep＜Ｉenのように設定したので、スパッタ発生量
を少なくすることができた。特に、係数ｋを０．２〜
０．８の範囲内に設定したＮｏ２３〜２６の実施例で
は、スパッタ発生量をＮｏ３，４の比較例と同程度にま
で減少させたものが得られている。

【００５３】Ｎｏ２８〜３４は、ワイヤ突出し長さを３
０ｍｍ、ＥＮ比率を４０％とし、係数ｋの値を種々変化
させた場合のものである。Ｎｏ２８の比較例では、アー
ク不安定現象の発生はないものの、Ｉep＞Ｉenであるた
め、スパッタ発生量が多く、Ｎｏ３，４の比較例の４．
５倍程度のスパッタが発生した。これに対して、Ｎｏ２
９〜３４の実施例では、アーク不安定現象の発生がな
く、かつ、Ｉep＜Ｉenのように設定したので、スパッタ
発生量を少なくすることができた。特に、係数ｋを０．
２〜０．８の範囲内に設定したＮｏ２９〜３３の実施例
では、スパッタ発生量をＮｏ３，４の比較例と同程度に
まで減少させたものが得られている。

【００５４】図３は各ＥＮ比率における係数ｋとスパッ
タ発生量との関係を示す図であり、表１，表２のデータ
をプロットしたものである。同図より、ＥＮ比率の増加
につれてスパッタ発生量が最少となる係数ｋの値も大き
くなっており、係数ｋをＥＮ比率に比例して設定するよ
うにすればよいことがわかる。

【００５５】

【発明の効果】以上述べたように、請求項１の発明によ
る交流セルフシールドアーク溶接方法によると、細径の
セルフシールド溶接ワイヤを用いて交流セルフシールド
アーク溶接を行うに際し、交流１周期における正極性期
間の時間比率を３０〜９０％の範囲で設定し、かつ、交
流１周期における逆極性溶接電流が正極性溶接電流より
も小であるように溶接電流を通電して溶接を行うように
したものであるから、ワイヤ先端に大きな溶滴が形成さ
れるような長いワイヤ突出し長さにおいても、アーク長
変動によるアーク不安定現象を起こすことなくアークを
安定化させ、かつ、スパッタの発生が極めて少ない溶接
を行うことができ、これにより細径溶接ワイヤを用いた
セルフシールドアーク溶接の薄板溶接への適用拡大を図
ることができる。また、請求項２、３の発明による交流
セルフシールドアーク溶接方法によると、スパッタ発生
量をより低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による方法を実施するための溶接用電
源の一例を示すブロック図である。

【図２】この発明における交流溶接電流の波形を模式的
に示す図である。

【図３】各ＥＮ比率における係数ｋとスパッタ発生量と
の関係を示す図である。

【図４】スパッタの捕集方法を説明するための斜視図で
ある。

【図５】ワイヤ径１．２ｍｍの溶接ワイヤを用いた交流
セルフシールドアーク溶接において、ワイヤ突出し長さ
とＥＮ比率とを変化させた場合におけるアーク安定領域
を示す図である。

【図６】ワイヤ径１．２ｍｍの溶接ワイヤを用いた交流
セルフシールドアーク溶接において、ワイヤ突出し長さ
とＥＮ比率とを変化させた場合におけるスパッタ漸増領
域及びスパッタ多発領域を示す図である。

【図７】ワイヤ径１．２ｍｍ、正極性でワイヤ突出し長
さが約１５ｍｍの場合における溶接現象を示す模式図で
ある。

【図８】ワイヤ径１．２ｍｍ、正極性でワイヤ突出し長
さが約３０ｍｍの場合における溶接現象を示す模式図で
ある。

【図９】ワイヤ径１．２ｍｍ、逆極性でワイヤ突出し長
さが約３０ｍｍの場合における溶接現象を示す模式図で
ある。

【図１０】ワイヤ径１．２ｍｍ、ワイヤ突出し長さが約
１５ｍｍにおける溶接電流とワイヤ溶融速度（ワイヤ送
給速度）との関係を示す図である。

【図１１】ワイヤ径１．２ｍｍ、ワイヤ突出し長さが約
３０ｍｍにおける溶接電流とワイヤ溶融速度（ワイヤ送
給速度）との関係を示す図である。

【図１２】アーク不安定現象を説明するための説明図で
ある。

【符号の説明】

１…三相交流電力供給部 ２…１次整流器 ３…平滑用
コンデンサ ４…１次インバータ ５…トランス ６…
２次整流器 ７…リアクトル ８…２次インバータ ９
…母材 １０…溶接ワイヤ １１…溶接電流検出器 １
２…溶接電圧検出器 １３…ワイヤ送給モータ １４…
ワイヤ送給モータ制御回路 １５…ワイヤ送給速度設定
器 １６…Ｉep設定器 １７…Ｉen設定器 １８…Ｉep
調整器 １９…Ｉen調整器 ２０…Ｔen設定器 ２１…ＥＮ比率
設定器 ２２…電圧誤差増幅回路 ２３…溶接電圧設定
器 ２４…波形選択回路 ２５…電流誤差増幅回路 ２
６…出力制御回路 ２７…極性制御回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶接ワイヤと母材間に、溶接ワイヤを陰
   極とする正極性期間に正極性溶接電流を通電し、溶接ワ
   イヤを陽極とする逆極性期間に逆極性溶接電流を通電
   し、この正極性期間と逆極性期間とを交互に繰り返して
   溶接を行う交流セルフシールドアーク溶接方法におい
   て、交流１周期における正極性期間の時間比率をＥＮ比
   率とし、交流１周期における正極性期間の正極性溶接電
   流の平均値をＩen、逆極性期間の逆極性溶接電流の平均
   値をＩepとすると、ＥＮ比率を３０〜９０％の範囲で設
   定するとともに、前記Ｉepが前記Ｉenよりも小であるよ
   うに溶接電流を通電して溶接を行うことを特徴とする交
   流セルフシールドアーク溶接方法。
2. 【請求項２】 前記Ｉenと前記Ｉepとが下記式の関係を
   満たすように溶接電流を通電することを特徴とする請求
   項１記載の交流セルフシールドアーク溶接方法。 Ｉep＝ｋ・Ｉen ただし、係数ｋ＝０．２〜０．８
3. 【請求項３】 前記係数ｋを前記ＥＮ比率に比例して設
   定することを特徴とする請求項２記載の交流セルフシー
   ルドアーク溶接方法。