JPS6297775A - ア−ク溶接方法 - 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】 〔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、炭酸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
わち電極を陽極とじ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っ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はり平滑
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
きわめて多くなってきた。

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。同図にみられるすップルは、磁気項中器
またはサイリスク素子による位相制御によるもので、−
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、またリッ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１　ａｙを臨界電流値１ｃより大きく設定して溶接
を行なっ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ップル周期とはまったく同期
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、ア
ークおよび溶滴移行の安定性を確保しつつビード形状の
改善を図ることを目的とした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って、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Ｉ　ａｖを少
なくとも臨界電流値Ｉｅ以上に設定し、かツ１５０　Ｈ
ｚ以上１，０ＯＯＨ２以下の周波数の周期的脈動電流で
波高値の最小値１１Ｌが臨界電流値１ｃを越えないよう
な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詳細な説明する。

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Ｉ　ａＶ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Ｉ！Ｌは臨界電流値１ｃ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１ｉ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アーク溶
接方法では、平均値１　ａｖ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Ｉ　ａｖ＜　１　ｃでｌｈ＞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１ａｖが臨界電流値Ｉｃ以上でしかも
最小値ｌＬが臨界電流値１ｃ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ＩＪＩ＜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。

本発明者が行った種々の実験の結果によると、」−配本
発明の方法を実施するのに好適な脈動電流の周波数範囲
は１５０Ｈｚないし１．　０００Ｈｚである。

〔実施例〕

以下本発明者が行っ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゜６關φ（臨界電流は約１８０Ａ）とし、平均電
流が２５ＯＡ（一定）、波高値の最大振幅が±２０ＯＡ
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θ〜５，０ＯＯＨ２まで変化させて
、主溶滴の移行回数ＴＮ［回／秒］と、主溶滴の平均の
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）は主溶滴の移行回数ＴＮＥ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ＡＯ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ったが、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Ｏ
Ｈｚの場合を上回る。そして３　Ｄ　ＯＨｚ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て増大
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、５
．０００ＨｚでＯＨｚ時と略同−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っ
た時に移行が起っていると見ることができる。３００Ｈ
ｚ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Ａ
２に示すように１．０００Ｈｚまでの範囲では、主溶滴
移行回数が、曲線上の点ＡＯ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。１．　０００Ｈｚ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、１，０００Ｈｚ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８１に示す
ように、１５０Ｈｚ以上の周波数範囲では曲線上の点Ｂ
Ｏ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、
１．０００Ｈｚを越えると、溶滴の平均直径が曲線上の
点ＢＯに示す直流ＯＨｚの場合と大差が無くなり、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１，０００Ｈｚ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ＯＨ２時よりも明らかに大きい。した
がって、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１．０００Ｈｚ以下の範囲は、充分な
り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【止〕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ＯＨ
ｚ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
よって溶込み深さに大きなバラツキを生じ、例えば１０
Ｈｚ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ΔｐｆＬ　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１．０００Ｈ
ｚ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１５０〜１．０００Ｈｚ
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の場合よりもかえって少なくなり、
小粒のそろった溶滴移行が行われないために、ビルドの
成形も不安定になり、また逆に１．０００Ｈｚ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、溶接目的によってその利用価値が
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、ＩＫＨｚ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
たっ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、従って粘性の大きい鋼糸の金属
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クなどのスイッチング素子に
よるパルス重畳方法では、−次電源周波の整数倍の周波
数の波形しか発生出来ず、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の出力信号によって制御され
、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１，０ＯＯＨ２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ＴＮＣ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. 　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１５０Ｈｚ以上１，０００
   Ｈｚ以下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ような電流波形を用いて溶接を行
   なうアーク溶接方法。