JPS5868473A - ア−ク溶接法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はアルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスあるいは
酸素、炭酸カスなどを不活性ガスに混合゛したガス中で
消耗電極を用いるガスシールドパルスアーク溶接法に関
するものである。

一般に、この種の溶接法では、第１図に示すように、溶
接ワイヤが溶融して被溶接物へ移行する現象が、ある電
流値を境に不連続的に変化する。

この電流値は臨界電流と呼ばれており、臨界電流値以下
では溶滴の大きさがワイヤ径以上の大塊となって不規則
に移行する。しかし、臨界電流以上になると溶滴が細粒
化し、比較的安定なスプレー移行をするようになる。し
たがって安定な溶接を行うためには、臨界電流以上で溶
接する必要があるが、被溶接物が比較的薄い板厚の場合
には入熱過多になり、満足な溶接物を得ることが不可能
である。このため、第２図に示すようにパルス電流を直
流電流に重畳させる方法が行われている。この方法では
、ベース電流Ｉｓを臨界電流以下にし、ピーク’ｄＬＦ
ｆｔ、　Ｉ　ｐを臨界電流以上にすることによって溶滴
の移行をスムーズにし、かつ平均電流を低くして被溶接
物への入熱量を少なくして良好な溶接部を得ようとする
本のである。

しかし〜従来のパルスアーク溶接法および装置は、出力
電流の制御にサイリスタあるいはトランスを用いる方式
のため、出力電流波形はおのずから制約されてしまい、
最適な溶接電流波形で溶接することが困難である。すな
わち、従来の装置はサイリスタ素子による位相制御がほ
とんどで、そのパルス周波数は第３図に示すように一次
電源周波数に対応し、５０／６０Ｈｚまたはその整数倍
の周波数しか出力でさず、ピーク電流の立ち上がり速度
も限定されてしまう。またピーク電流値を変えるとピー
ク電流時間も変化してしまうので、非常に限定された波
形しか出力できない。また溶接電流を変える場合には、
ピーク電流（あるいはヒ。

−り電圧）とベース電流（あるいはベース電圧）をそれ
ぞれ個別に調整しなければならないといった実用上の問
題点もある。またトランジスタを制御素子とした溶接電
源を用いて、周波数を任意に変えてアークおよび溶滴移
行の安定性を確保し、同一人熱量で溶込み深さを増加さ
せることを目的とする方法がある。しかしこの方法では
、第４図に示すように、溶滴がパルス周期と完全に同期
できるのは約３００Ｈｚまでで、それ以上では同期して
おらず、必ずしも最適波形とは言い難い。

本発明は上述の事柄に鑑みなされたもので、不活性ガス
あるいは不活性ガスに酸素、炭酸ガス等を添加した混合
ガスのシールドガス中で、消耗電極を用いて溶接するパ
ルスアーク溶接法において、非常に低い電流（例えば５
ｏＡ）から高電流域（例えば５００Ａ）までの広範囲な
溶接条件で、どの条件でも常に最適な溶接電流波形を出
力して１回のパルスで溶滴を確実に１何秒行せしめ、ス
ムーズな溶滴移行と安定なアークによって高品質の溶接
部が得られ、しかもアークに外乱（例えばトーチ高さが
変動する。）が加ってもアーク長を一定に保つパルスア
ーク溶接法を提供することを目的とする。

以下本発明の実施例を第５図〜第２０図により説明する
。

第５図はパルス電流波形の模擬図であって、ＩＰはピー
ク電流、ＴＰはピーク電流時間、Ｉｍはベース電流、Ｔ
Ｉはベース電流時間、ｌ１ｌｌは平均電流である。

この時、平均電流■ヨは次式で表わすことができる。

以下パルス電流因子ＩＰ、　ＴＰ、　ＩＩ、　’ｌ”ｍ
が溶滴移行、アークの安定性、溶接部の品質におよぼす
影響について述べる。

第６図はピーク電流ＩＰの溶接部の結晶粒径におよぼす
影響を示したものである。結晶粒径は中央部３ｍの位置
（図示Ａ）での−欠品の数から測定したものである。ピ
ーク電流■？が大きくなるにつれて結晶粒径は微細化す
る傾向を示している。

第７図はこの時の溶接ビード断面の金属組織を示したも
のである。このように溶接部の強度、特に耐割れ性に重
大な影響をおよぼす結晶粒径を微細化するためには、少
なくともピーク電流■？を３５０Ａ以上にしなければな
らない。

第８図および第９図は、溶滴が確実に１パルスで移行す
るだめのピーク電流ＩＰとピーク電流時間ＴＰとの関係
を、高速度シネカメラで撮影したアーク現象の観察から
求めたものである。溶滴の移行を支配しているのはピー
ク電流とピーク電流時間であり、１回のパルスで溶滴を
確実に１つ移行させるにはピーク電流ＩＰとピーク電流
時間ＴＰをＬ−・ＴＰ＝Ｃなる関係になるよう設定する
ことが必要である。この時のＣはワイヤ径、ワイヤ材質
によって決まる定数である。またＫはワイヤ径、材質に
よってほとんど変化せず１．９〜２．５の値を取りうる
。図中人の領域はエネルギー的に不足して１パルスで確
実に溶滴が移行せず、最悪の場合には溶滴径がワイヤ径
の２〜４倍になってしまう領域、Ｂの領域は人力過多で
１パルスで数個溶滴が移行したり、溶接ワイヤ先端がア
メ状になってむち打ち現象に似た様相を呈してアークが
不安定になる領域である。Ｃの領域が１パルスで確実に
溶滴が１何秒行する適正な範囲である。

第１０図はこの関係に基づき、ＩＰ　＝６０　ＯＡ。

Ｔ、＝Ｑ、５ｍｓの条件で溶接を行った時の溶接電流■
、アーク電圧■を示す。溶滴が移行すると瞬間的にアー
ク長が長くなり、アーク電圧が上昇するのでオンロ波形
から溶滴が移行した時期が確認できる。また第１１図は
アーク現象観察による溶滴の移行形態を示したものであ
るが、第１０図の波形とよく一致しており、ｌパルスで
溶滴が確実に１何秒行しているのがわかる。このように
溶滴の移行はビーク電離とピーク電流時間によって支配
されることがわかる。このことから、ベースイ流工１は
アークを安定、維持できるだけの低い電流値に設定する
ことが可能となり、平均溶接電流を低くして、母材への
入熱過多を防ぐことができる。

以上述べた結果から、第１２図に示すようにピーク電流
ＩＰ％　ピーク電流時間ＴＰおよびベース電流を一定に
し、ベース電流時間Ｔ■のみを変えることにより平均溶
接電流■、を調整することが可能であり、いずれの溶接
電流でも最適なパルス波形を得ることができる。

ピーク電流とピーク電流時間との関係は１パルスで確実
に溶滴を１何秒行させるために常に一定の関係が確保さ
れなければならないが、これは電源の外部特性によって
少なからず影響を受ける。

第１３図は電源の外部特性と溶接電流、アークの安定性
との関係を示したもの゛である。図において（ａ）図は
溶接電流、アーク電圧の平均値を時間軸を遅くして観察
したもので、溶接アークに外乱、例えば半自動溶接にお
ける溶接ドータの手ぶれを想定して１　トーチ高さを２
０■から４０ｍに急激に変化した時の波形を示している
。また（ｂ）図はこの時の１回のパルス電流波形を示し
ている。

アーク安定性に着目すると、定電流特性（ｃ、Ｃ，）で
はアークに外乱を与えるとアーク電圧は外部特性上の任
意の点を取りうるのでアーク長は変化したまま罠なって
しまい、最悪の場合にはワイヤが母材に短絡したままに
なってしまうか、あるいは溶接チップまでアークがはい
上がるいわゆるバーンバックを起こしてしまう。

アーク長は一時変化するが比較的速く元のアーク長へ戻
るのは３０Ｖ／１００Ａから定電圧特性（Ｃ，ｐ）の範
囲の外部特性である。

またの）図のパルス電流波形を見ると、定電流特性（ｃ
、　ｃ、　）においては供給電圧が高いためＫｅ定した
波形が再現されている。電流の立ち上がり、立ち下がり
時にスパイク波形が埃ゎれているのは回路定数あるいは
回路中のインピーダンスにょるものである。この場合、
回路のインピーダンス例えば、キャブタイヤケーブルの
長さが変っても波形は正確に再現される。しかし定電圧
特性（Ｃ，ｐ、）の場合には供給電圧がアーク電圧と同
一のため、設定した波形が再現されずに図のように鈍っ
てしまう。また回路のインピーダンスが変わると電流値
は大きく変化してしまう。設定したパルス波形が何とか
確保できるのは２Ｖ／１００Ａから定電流特性（Ｃ，ｃ
、）の外部特性である。

また溶滴が移行すると、瞬間的にアーク電圧が上昇する
が、定電圧特性域ではその特性上、電圧が少しでも上昇
すると電流が急激に下がるので、アーク切れを起こし、
安定したアークが得られない。アーク切れを起こさずに
安定したアークが得られるのは、５Ｖ／１００Ａから定
電流特性（ｃ。

ｃ、）の外部特性である。しかしこのアーク切れは、低
電流域で定電流特性を有する回路すなわちスーパーボー
ズ回路を用いるととＫよって低減することができる。

以上の結果から、電源外部特性は５ｖ７１ｏ０Ａ〜３０
Ｖ／１００Ａの範囲内に設定しなければならない。

一方）第１４図は、アークに外乱例えば半自動溶接にお
けるトーチの手ぶれを想定し、トーチ高さを１０閣から
２０ｍに変化させた場合、アーク長を一定（５Ｍ）にし
た時のアーク電圧の変化を示したものであるが、アーク
電圧はほとんど変化していない。このことからトーチ高
さが変化しても、アーク電圧を一定に保つように制（財
）することニヨってアーク長は変化せず、安定したアー
クが得られることが判る。トーチ高さが１０＋ｗから２
０ｍＫ変化した場合にはワイヤの突出し長さが長くなり
、この突出し部の抵抗熱によってワイヤ溶融量が増し、
このためアーク長は長くなり、アーク電圧は高くなる。

この時、入熱量（溶接電流）を下げることＫよってワイ
ヤ送給量と溶接１１Ｌ流によって溶融するワイヤ溶融量
とがバランスするところまでアーク長は短くなる。パル
ス電流波形の場合、溶接電流を変化させるＫは、ピーク
電流ｂ、ピーク電流時間Ｔｐ、ベース電流Ｉｓ、ベース
電流時間Ｔｍのいずれかを変化させる必要があるが、前
述のようにピーク電流ＩＰ、ピーク′＃ＬＩ５Ｉｔ時間
Ｔｐは溶滴の離脱を支配しているので、第８図および第
９図に示す範囲内でしか変えることができない。またベ
ース電流時間Ｔｍを変化させる方法では、半自動溶接を
行った場合、多少の手ぶれを生じているので、パルス周
波数が常に変化し、アークが不安定になりやすいといっ
た問題がある。

一方ベース電流Ｉｓは、前述のように、低すぎてアーク
が不安定になる最低電流（１，１，）からスプレー移行
になる臨界電流Ｉｃの間（Ｉ−＋−〈Ｉ＋＜Ｉｃ）の広
い範囲で任意に変えることができる。

例えばφ１．６　ｍ　ｎのＡ４０４３アルミニウムワイ
ヤの場合には３０　Ａ　＜　Ｉ　ｎ　＜　１４　ＯＡの
範囲で自由に変更することが可能である。したがってベ
ース電流ニーを変える方法が最も有効な方法である。

第１５図は、前述の目的達成のための一実施例である第
１５図において１は整流器、２はトランジスタ、３はコ
ントローラ、４は信号設定器、５は溶接電流検出器、６
はアーク電圧検出器である。

また７は電流遅れ素子、８Ｊ”ｔワイヤ、９は被溶接物
、１０は送給モータである。

トランジスタ２によって出力された波形を、電流検出器
５および電圧検出器６によりフィードバークし、信号設
定器４で設定した所定の値と比較Ｌ、Ｐｆｒ定ノ値にな
るように差動増幅する。この場合、トランジスタの駆動
は第１６図に示すようなチョッパ方式によりスイッチン
グトランジスタとして用い、電流遅れ素子７によって平
滑して所定の値になるようにする。

トーチ高さが変動し、それに伴ってアーク長が変化する
と、アーク電圧検出器６でフィードバックした値が、あ
らかじめ設定した値になるまで、ベース電流を変更して
調整される。このベース電流の変更は、第１６図に示す
ベース′暖流時間Ｔｍの期間でのチョッパのパルス幅Ｔ
ｃ５ｅｆえテ行う。

この場合、ベース電流Ｉｓの値は前述の臨界電流以下に
制限しないとベース電流期間中に、ベース電流によって
溶滴が移行し、１パルスで１つの溶滴移行が規則正しく
行われず、良好な結果が得られない。したがってベース
電流を臨界電流値近傍に上げてもアーク長を制画しきれ
ない場合にはベース電流時間ＴｍＫよって行う。

本発明の一施工列を述べると、φ１．４　ｍの浴接ワイ
ヤを用いて、板厚１．６　ｔｘｓのアルミニウム合金板
の突合せ溶接を行ったところ、スパッタの付着がない良
好なビードが得られてた。また、軟鋼に適用したところ
同様にスパッタの付着しない良好なピードが得られた。

以上のように、本発明法によれば、従来非常に困難であ
った大径ワイヤ（工、４〜２．　Ｏｙｍ　）によるアル
ミニウム合金薄板の溶接を低電流で行う場合でも非常に
安定したアークと規則正しい溶滴の移行が行えるので、
良好な結果が得られるばかりでなく、軟鋼へ適用しても
非常にスパッタの少ない溶接を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はガスシールドアーク溶接法の基本説明図、第２
〜４図は従来のアーク溶接法の説明図、第５，６図Ｆｉ
本発明のアーク溶接法の説明図、第７図はピーク電流Ｉ
Ｐの溶接部の結晶粒径に及ぼす影響を示す金属組織、第
８〜１４図は本発明のアーク溶接法の説明図、第１５図
は本発明のアーク溶接法を実施するだめの溶接機のブロ
ック図、第１６図は第１５図の溶接機におけるトランジ
スタの駆動を説明するための図である。 １・・・整流１器、２・・・トランジスタ、３・・・コ
ントローラ、４・・・信号設定器、５・・・電流検出器
、６．・６電圧検出器、７・・・電流遅れ素子、８・・
・溶接ワイヤ、９・・・被溶接物、ｌＯ・・・送給モー
タ。 代理人　弁理＋　噂田利幸 ＹＪ／　　　図 電　メ武Ａ／４ノ 第　２　　図 葛３図 第４図 周液数（Ｈ２） 第５図 １に図 第　θ　　図 ヒ′−７情１　シＥ　ＩＰ　（Ａ） 桑　　９　　図 ｔ−’−７’を胤　Ｌｐ　　（Ａ） 第　　ｌθ　　図 ← １０領β ￥ｌｌｊ図 ！ ヒ、−１−？ ｌ命Ｅ 第１ｚ図 市１３図 渚播宅充（Ａ） 【　　７４　　図 了−フィシ　　５冷れψｔ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、消耗電極を用いるパルスアーク溶接法において、定
   電流特性のパルス電流ＩＦと、定電圧特性のベース電流
   Ｉｓとの電流変化幅（Ｉｐ　　ｂ）が３００Ａ以上で、
   かつパルス電流Ｉｐの立上り開始から立下り開始までの
   時間ＴがＱ、’ｌ　ｍ　ｓ≦Ｔ≦４ｍｓであり、かつア
   ーク電圧の変化に対応してベース電流Ｉｓを変更するこ
   とによりアーク長を一定にするようにすることを特徴と
   するアーク溶接法。