JPS59202175A - 短絡を伴なう溶接の電流制御方法 - 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】 技術分野 この発明は短絡を伴なう溶接方法に関し、特に短絡時に
おける溶接電流の制御方法に関する。

従来技術 消耗電極である溶接ワイヤを母材に対して所定速度で送
給しながら、該溶接ワイヤと母材との間で短絡とアーク
発生をくり返しつつ溶接を行なう、短絡移行溶接におけ
る溶滴の移行過程を第１図を用いて説明する。第１図に
おいて、■は溶接ワイヤ、２は母材であり、 （ａｌは短絡直前のアーク発生状態 （ｂ）は溶滴が溶融池に接触した短絡初期状態（Ｃ１は
溶滴と溶融池の接触が確実となり溶滴が移行している短
絡中期状態 、！ｄ）は溶滴が溶融池側に移行し、溶接ワイヤと溶滴
との間にくびれが生じた短絡後期状態（ｅ）は短絡が破
れ、溶接アークが発生した瞬間（ｆｌは溶接ワイヤが溶
融し、溶滴が成長するアーク発生状態 を示し、（ａ）〜（ｆ）の過程がくり返し行なわれる。

この過程において、スパッターは、短絡が破れ、溶接ア
ークが再発生する瞬間ｔｅｌに発生することが明らかに
なっており、またスパッター発生量は溶接アーク再発生
時の溶接電流が大きいほど多くなる。

従来、消耗電極式アーク溶接法においては、定電圧特性
を有する直流電源装置が多く用いられてきているが、こ
の定電圧直流電源を用いた場合の短絡移行溶接時の電流
出力波形は第２図に示す様になる。

即ち、溶滴が溶融池に接触して短絡した瞬間から電流出
力は、その電気回路の持つ時定数によって定まる増加率
で、溶接アークが再発生するまで増加し続ける。また溶
接アークが再発生した後は、時定数によって定まる減少
率で、再び短絡するまで減少する。この様に、従来の電
源装置では、短絡を伴う溶接においてスパッターの発生
し易い時点、即ち短絡が破れ、アークが再発生する瞬時
に溶接電流出力が最大となるので、スパッター発生量が
多く、溶接ワイヤの溶着効率の低下や、スパッターの除
去作業も必要とするなど溶接作業の能率低下・作業環境
の悪化、また飛散したスパッターがシールドノズルに付
着しその結果として、シールドガスの流れを阻害し、溶
融金属中に大気中の窒素が混入して溶接部の機械的性能
の劣化を招＜ナトの種々の問題が残されていた。

これらの問題に対して、従来なされてきた対策は、溶接
電流の増加率あるいは減少率を定める電源装置の電気回
路内の電気抵抗（ｋ）、インダクタンス（Ｔ、）の値を
適当に設定することであるが、ＲまたはＬの値は、実際
に溶接する際の状況たとえば、電源装置とアーク発生点
までのパワーケーブルの設置状態によっても大きく変化
するので、アーク溶接に適した値に固定することは困難
であった。また定電圧直流電源は、本質的に溶接アーク
が再発生する瞬時の電流出力が最大値となることは避け
られず、スパッターの発生量を減少させるための効果的
な手段とはなり得なかった。

また、シールドガスとして不活性ガス（たとえがＡｒ　
、　Ｈｅなど）と活性ガス（たとえばＣＯ２など）の混
合ガスを用いることにより、スパッター発生量を減少さ
せることが可能であるが、この場合はある一定の溶接電
流値以上の高電流でアーク溶接することが必要で溶滴が
自由移行いわゆるスプレー移行状態で用いなければ効果
的な手段とはなり得ないのである。例えば、直径が１．
２調の実体溶接ワイヤを用いて溶接する場合、溶接電流
を２８０〜３００八以上に設定しなければ溶滴がスプレ
ー移行とならないことが知られている。２８０〜３００
Ａ以下の溶接電流で溶接すると、シールドガスとして不
活性ガスと活性ガスの混合ガスを用いているにもかかわ
らず、図−１に示す様な溶滴の短絡移行状態が現出し、
スパッターが発生するのである。

更に被溶接物の形状などから受ける制限のために、スパ
ッターが最も発生し易い条件（たとえば、１．２馴径の
実体溶接ワイヤでは、略２００〜２５ＯＡ）で溶接を行
なっているのが一般的で、スパッターの発生に対する改
善はほとんどなされていないのが現状である。

第１図に示した様に、短絡を伴う消耗電極式アーク溶接
法においてスパッターが最も発生し易いのは、溶接アー
クが再発生する瞬時であるが他には第１図の（ａｌから
（ｂ）に移る際、即ち溶滴が溶融池に接触して短絡しよ
うとする際に、そのアークによる反発力のために短絡が
行なわれず、溶滴が吹き飛ばされて、結果的にスパッタ
ーとなって溶接部周囲に飛散する場合もある。いずれの
場合でも溶接アークの反発力などによって溶滴あるいは
溶滴の一部が吹き飛ばされてスパッターとなるのが主原
因と考えられるので、溶滴が溶融池に接触して短絡する
瞬時及び短絡が破れ、アークが再発生する瞬時に溶接電
流出力を低下せしめ、溶接アークの反発エネルギーを小
さくすることが必要である。

これらの問題に対する対策として、従来は溶滴が短絡す
る時点と溶接アークが再発生する時点で溶接電流を低下
させる方法が知られている。しかしスパッタを防止する
ためには、溶接アークが再発生した瞬間にはアークの反
発力が、溶融池に完全に移行しきれないで溶接ワイヤ先
端に残っていた溶滴の一部を吹き飛ばさない程度にまで
、小さくしておく必要がある。したがって上述の従来方
法のように溶接アークが再発生してから電流出力を低下
させてもスパッタは防止できない。

またさらにこの欠点を除くために、短絡移行を伴なう溶
接において、短絡開始からアーク発生までの時間を記憶
しておきその時間によって、短絡開始からアーク再発生
までの時間を予想してアーク再発生前に溶接電流を低下
させる方法も従来知られている。

しかしながら短絡時間はランダムに広範囲に変化するの
で上述の方法は所定の時間後に溶接電流出力を低下させ
た直後にアーク再発生が偶然に起こった場合にのみ効果
があるにすぎず、大部分は、溶接電流が高いうちに溶接
アークが発生したり、あるいは、溶滴が移行中に溶接電
流が低下してアークが発生せず、いわゆるワイヤ溶込み
が起って溶接作業能率を低下していた。

発明の目的 この発明は上述従来方法における欠点を除くためになさ
れたものであって、短絡移行溶接においてスパッタの発
生を確実に防止できる溶接方法を提供することを目的と
するものである。

発明の要点 この発明においては、第４図に示すように、短絡時にお
いて、溶接ワイヤに流れる電流を短絡初期には、低いＩ
　中期は大きいＩ２、終期は、Ｉ２よ１層 り低いＩ３に制御する。

上述の制御方法をさらにくわしく説明する。

溶滴が溶融池に接触した短絡初期（第１図（ｂ））には
、その接触面積は小さく、この時、溶接電流出力が犬で
あると、小さな接触面積の短絡部分に電磁ピンチ力が溶
滴と溶融池とを引き離す方向に働き溶滴が移行できない
ままにアークが再発生し、短絡移行が不安定となる。こ
のため、短絡開始から溶滴の接触面積が大となり短絡が
確実となるまで溶接電流出力をＩ　とする。この電流Ｉ
０は、溶接ワイヤと母材間の短絡が確実となるまで流す
もので、その値は、短絡直後に溶滴と溶融池の接触面積
が小さな場合でもアークが発生することのない十分に低
い値とすることが必要である。実験の結果、電流Ｉ□の
値は、溶接ワイヤの送給速度に応じた値に設定すること
が必要で、例えば、直径１゜２馴のソリッドワイヤの場
合、 ワイヤ送給速度　　　　　　電流Ｉ０ ３．６　（ｍ／ｍ１ｎ）　　　　　　　８０（Ａ）以下
５．２　（ｍ／ｍ１ｎ）　　　　　　１００（Ａ）以下
であった。

また、電流Ｉ０を流す時間（以後Ｔｓｓとする）は、溶
滴と溶融池との短絡が確実となるまでの時間であれは、
任意の時間とすることができるが、実験の結果、時間Ｔ
ｓｓは、Ｑ、　５　ｍ５ｅｃ〜３　ｍ５ｅｃとすること
により、ワイヤ送給速度に大きな影響を受けることなく
、短絡が確実となることが分った。しかし、短絡が確実
となるまでの時間も溶滴の大きさ、溶融池の状態などに
よって影響を受け、ランダムに変化するものと考えられ
るので、時間Ｔｓｓは、一定時間としてあらかじめ設定
することもできるが、短絡現象１回毎に、短絡状態を検
知して設定することもできる。要は、短絡開始から大き
な短絡電流Ｉ２を出力するまで０．５　ｍ５ｅｃ　〜３
　ｍ５ｅｃ　の低い電流Ｉ□を出力する時間を設定する
ことである。

−例としては、溶接回路のインダクタンスＬ−３０ｐＨ
１抵抗Ｒ＝　１５　ｍΩの場合、時間Ｔｓｓは、２ｍ５
ｅｃである。

次に電流Ｉ２及びＩ３であるが、溶滴と溶融池との短絡
か確実なものとなってから流すので、大電流でも良い。

本発明者らは、当初の実験において、Ｉ２−１３とした
電流波形の電流を用いていたが、以下の理由によりＩ　
２　＞　１３とすることによって、スパッターの減少効
果を更に高めることができたのである。

前述した様に電気回路内のインダクタンスし及び抵抗に
のために、電源内で出力をＯＦＦ　しても溶接電流出力
は直ちには低下せず、Ｉ−及びｋで定まる時定数に応し
て低下する。ここで、Ｉ２−１３ミ。

高電流とすると、アークが再発生することの前兆を検知
し、短絡電流（Ｉ２−Ｉ３）を低下させようとしても電
流が十分に下がりきらないうちにアークが再発生してし
まい、スパッターを飛散させてしまうことになる。−例
として、ｌ２＝１３”３００Ａとすると、アークが再発
生することを予知してから短絡電流を低下させると、ア
ークが再発生する際には、電流は約５０〜７０Ａ程度ま
で下がり、アークの反発力も小さいのでスパッター発生
量を減少させることができた。しかし■２−■３−４５
ＯＡとすると約２００〜２５０Ａ程度にしか下がらず、
高い電流のままアークが再発生しスパッターを飛散させ
ているということが分かった。

更に、溶接ワイヤの送給速度と短絡電流（Ｉ２−Ｉ　３
）との関係を調査したところ、溶接ワイヤの送給速度が
高いほど電流（Ｉ２−Ｉ３）を大きくしなければ、溶滴
の短絡移行が不安定となることが分かった。即ち、溶接
の安定化のためには電流■２（−Ｉ３）を大きくしなけ
ればならず、また、電流ｌ２（＝Ｉ３）を大きくすると
溶滴の移行が不安定となり、スパッターの発生量が多く
なった。

そこで、本発明者らは、Ｉ　２　＞　Ｉ　３とし、電流
■２は溶接ワイヤの送給速度に応じて設定し、電流Ｉ３
の値は、アーク再発生を予知してからアークが再発生す
るまでのわずかな時間（０，１〜０．５　ｍｓ　ｅ　ｃ
　）　　に短絡電流が十分に低下することができる値と
することにより、スパッター発生量の少ない溶接を可能
ならしめることができた。

ここで、電流Ｉ２から電流Ｉ３に変わるタイミングは、
電流Ｉ２の値などに応じて設定される。即ち、電流Ｉ２
の値が大きければ、短絡している溶滴部分に大きなジュ
ール熱が加わり溶滴の移行が容易となる。また、電流Ｉ
２の値が小さければ長い時間電流を流す必要がある。−
例として、１．２馴直径のソリッドワイヤの場合、電流
Ｉ２を流す時間を１２とすると 電流Ｉ２　　　　　　　時間　　Ｔ２ ２５０Ａ　　　　　　　　　　　　　１〜２　ｍ５ｅｃ
３００　Ａ　　　　　　　　　　　　　０．５〜１．５
　ｍ５ｅｃの範囲内であれば溶滴の移行が容易となり、
電流Ｉ３まで低下した後にアークが再発生することを予
知し、アークが再発生する瞬間には、更に低い電流値ま
で低下させておくことができた。

ここでアーク再発生の予知は、溶滴の光学的観察、溶接
電流・電圧などの電気的な情報を基にした予知など、如
何なる方法でもよい。

以上説明した様に、短絡を伴う消耗電極式アーク溶接法
において、短絡時やアーク発生時のアーク反発力を小さ
くするために電流出力波形を図−３の様にすることによ
りスパッターの発生量を減少することが可能となった。

実施例 以下にこの発明による実施例を示す。

溶接ワイヤ　ＹＣＷ−２（１，２馴φ）母　材　　　　
５Ｍ４１　ビードオンプレート溶接平均溶接電流　　　
　　１５０Ａ 平均溶接電圧　　　　　　２１Ｖ 溶接ワイヤ送給速度　　３．５ｍ／ｓｅｃ電流　Ｉ２　
４００Ａ　　Ｉ□−３ＯＡＩ　　　　２５ＯＡ Ｔｓｓ　　　２　ｍ５ｅｃ　　Ｔ２＝Ｑ、７ｍ５ｅｃ以
上の条件で溶接を行なった。短絡時の電流波形を第３図
に示す。

上述の溶接を１０分間行った後シールドノズルに付着し
たスパッタの重量を測定した結果を表１に示す。

（単位　ｇ、／１０分） なお表１における従来の溶接法（Ａｌは溶接ワイヤと母
材との短絡時においても電流制御を行なわない方法によ
る。

発明の効果 以上詳述したように、この発明は短絡移行溶接において
、短絡初期に一部時間Ｔｓｓだけ溶接ワイヤ電流を０に
近くし、かつＴｓｓ後大きい第１の値に設定し適宜時間
後節１の値より小さい第２の値に低下させることによっ
て、アーク再生直前の電流低下を効果的に行なうことが
できるようになり、スパッタの発生を低減し、かつ作業
能率も向上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は短絡移行溶接の種々の状態を示す図、第２図は
従来用いられてきた定電圧直流電源の電流を示す図、第
３図はこの発明の一実施例における電流を示す図、第４
図はこの発明の電流制御方法を示す図である。 特許出願人　株式会社　神戸製鋼所 代理人弁理士青山　葆外２名 ４１７−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 溶接ワイヤと母材間で短絡とアーク発生とをくり返す溶
   接において、短絡時に溶接ワイヤに流れる電流を短絡開
   始から一部時間小さな第１の値とし、その一定時間後、
   大きい第２の値に設定し、さらに、所望時間後節２の値
   より小さい第３の値まで低下させ、かつこの第３の値を
   保持し、アークが再発生の前兆を検知することにより、
   アークが再発生する時には第３の値より更に小さな値ま
   で低下させることを特徴とする短絡を伴う溶接の電流制
   御方法。