JPWO2017056965A1 - 溶接方法および溶接装置 - Google Patents

Abstract

溶接線に沿って非消耗電極（５）を先行、消耗電極（６）を後行となるように配置する配置工程と、非消耗電極（５）を溶接線に沿って相対的に駆動し、継手部の母材を昇温させる非消耗電極昇温工程と、消耗電極（６）を溶接線に沿って相対的に駆動し、母材に溶け込み（１１）を発生させるとともに、母材に溶着金属（１０）で肉盛りを行う消耗電極溶接工程と、溶接の進行に従い非消耗電極（５）による昇温のための入熱量を下げる制御を行う非消耗電極入熱制御工程とを備えた。

Description

この発明は、少なくとも１つの円筒体を接合しかつその継手がすみ肉継手である圧縮機を対象とし、非消耗電極と消耗電極を使用した溶接方法、およびこの溶接方法を適用する溶接装置に関するものである。

圧縮機の円筒部や鏡板部の溶接においては、気密溶接が必要とされ、その製品形状、板厚寸法から一般的に消耗電極による円周溶接が施されている。特に気密性を必要とされる円周溶接では、円筒部と鏡板部との確実な溶け込みが得られるように溶接しなければならない。しかし、溶接開始時はワークそのものが室温程度と金属の融点に比較すると非常に低温であるため、溶接開始部付近の溶け込み不良により気密性が確保できない不具合が発生する。このため、溶接開始部で溶け込みを得るようにアーク発生直後で速度を低下させたり、電流値を上げたりする方法があるが、溶着金属の増加や溶け込み不足が発生する問題がある。
これを解決するため、非消耗電極と消耗電極を２つ配置し、非消耗電極による溶接で溶接開始部の確実な溶け込みを確保し、続く消耗電極による溶接で肉盛りを行っていく方法が開示されている（例えば、特許文献１）。

国際公開番号ＷＯ２０１２／０１７９１３号公報（段落［００２４］、［００３８］〜［００４７］および図１、２）

しかし、特許文献１開示発明では、突合せ継手等の平板溶接における溶接開始部の溶け込みは確保できるが、すみ肉継手では先行する非消耗溶接によって継手部が溶融すると、溶融した母材が溶接ルート部に流れこみ、溶着金属が電気的アークと母材の間に入り込み、電気的アークによる母材への入熱を妨げ、溶け込み不足が生じる。また、溶接の進行とともに蓄熱が大きくなるため、消耗電極による溶接を一定入熱で行っていると後半になると溶け込み深さが大きくなり、とくに円周溶接では終端部では過入熱となるという問題がある。

この発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、溶接開始部の確実な溶け込み、および安定した溶け込みを確保できる溶接方法および溶接装置を提供することを目的とする。

この発明に係る溶接方法は、非消耗電極と消耗電極とを使用する溶接方法において、溶接線に沿って非消耗電極を先行、消耗電極を後行となるように配置する配置工程と、非消耗電極を溶接線に沿って相対的に駆動し、継手部の母材を昇温させる非消耗電極昇温工程と、非消耗電極昇温工程に追随し、消耗電極を溶接線に沿って相対的に駆動し、母材に溶け込みを発生させるとともに、母材に溶着金属で肉盛りを行う消耗電極溶接工程と、消耗電極溶接工程に追随し、溶接の進行に従い非消耗電極による昇温のための入熱量を下げる制御を行う非消耗電極入熱制御工程とを備えるものである。

この発明に係る溶接装置は、非消耗電極および消耗電極と、非消耗電極に溶接電力を供給する第１電源および消耗電極に溶接電力を供給する第２電源とを備え、非消耗電極は先行として、消耗電極は後行として溶接線に沿って配置され、非消耗電極は継手部の母材を昇温させ、消耗電極は母材に溶け込みを発生させるとともに、母材に溶着金属で肉盛を行い、第１電源は溶接の進行に従い非消耗電極による昇温のための入熱量を下げる制御を行うものである。

この発明に係る溶接方法は、非消耗電極は継手部の母材を昇温させ、消耗電極は母材に溶け込みを発生させるとともに、母材に溶着金属で肉盛を行うため、一定の安定した溶け込みを得ることができ、溶着金属量も一定とすることができる。

この発明に係る溶接装置によれば、非消耗電極は継手部の母材を昇温させ、消耗電極は母材に溶け込みを発生させるとともに、母材に溶着金属で肉盛を行うため、一定の安定した溶け込みを得ることができ、溶着金属量も一定とすることができる。

この発明の実施の形態１の溶接方法に係る溶接装置の構成図である。 この発明の実施の形態１の溶接方法に係る主要部の模式図である。 この発明の実施の形態１の溶接方法に係る圧縮機の断面模式図である。 この発明の実施の形態１の溶接方法に係る円筒部と鏡板部の継手状態の模式図である。 この発明の実施の形態１の溶接方法に係る溶接状態の説明図である。 この発明の実施の形態１の溶接方法に係る継手部の溶け込み深さの説明図である。 この発明の実施の形態１の溶接方法に係る継手部の溶着金属の説明図である。 この発明の実施の形態１の溶接方法に係る非消耗電極と継手部との位置関係説明図である。 この発明の実施の形態１の溶接方法に係る消耗電極溶接単独溶接の模式図である。 この発明の実施の形態１の溶接方法に係る消耗電極溶接単独溶接における温度推移説明図である。 この発明の実施の形態１の溶接方法に係る溶接状態の模式図である。 この発明の実施の形態１の溶接方法に係る非消耗電極溶接の入熱制御の説明図である。 この発明の実施の形態１の溶接方法に係るフローチャートである。 この発明の実施の形態２の溶接方法に係る溶接装置の構成図である。 この発明の実施の形態３の溶接方法に係る溶接装置の構成図である。 この発明の実施の形態３の溶接方法に係る倣い制御の説明図である。 この発明の実施の形態３の溶接方法に係るフローチャートである。 この発明の実施の形態４の溶接方法に係る溶接装置の構成図である。

実施の形態１．
実施の形態１は、溶接線に沿って非消耗電極を先行、消耗電極を後行となるように配置する配置工程と、溶接対象を回転させる駆動工程と、非消耗電極を溶接線に沿って相対的に駆動し、継手部の母材を昇温させる非消耗電極昇温工程と、消耗電極を溶接線に沿って相対的に駆動し、母材に溶け込みを発生させるとともに、母材に溶着金属で肉盛りを行う消耗電極溶接工程と、溶接の進行に従い非消耗電極による昇温のための入熱量を下げる制御を行う非消耗電極入熱制御工程とを備える溶接方法およびこの溶接方法に用いる溶接装置に関するものである。

以下、本願発明の実施の形態１に係る溶接方法の機能、動作および溶接装置の構成について、溶接装置の構成図である図１、主要部の模式図である図２、圧縮機の断面模式図である図３、円筒部と鏡板部の継手状態の模式図である図４、溶接状態の説明図である図５、継手部の溶け込み深さの説明図である図６、継手部の溶着金属の説明図である図７、非消耗電極と継手部との位置関係説明図である図８、消耗電極溶接単独溶接の模式図である図９、消耗電極溶接単独溶接における温度推移説明図である図１０、溶接状態の模式図である図１１、非消耗電極溶接の入熱制御の説明図である図１２、および溶接方法に係るフローチャートである図１３に基づいて説明する。

まず、本願発明の対象である溶接方法に使用する溶接装置の全体の構成を、図１と図２に基づいて説明する。なお、図２は、図１に示す矢視Ｘからの溶接部付近を示した模式図である。
溶接装置１は、圧縮機２を溶接対象とし、溶接電極として非消耗電極５および消耗電極６と、下向き溶接ができるように圧縮機２を傾けて固定し、回転させる回転治具７と、非消耗電極５に溶接電流を供給する第１電源８と、消耗電極６に溶接電流を供給する第２電源９とから構成される。圧縮機２は、円筒部３と鏡板部４とから成り、嵌め合わせ構造となっている。
図３は、円筒部３と鏡板部４とから成る圧縮機２の構造を示している。図４は、圧縮機２の継手形状を示している。円筒部３と鏡板部４とのすみ肉継手となっており、溶接線はルート部１２である。

次に本願発明である非消耗電極と消耗電極を使用した溶接方法の機能および効果を明確にするために、まず従来の消耗電極を用いた溶接方法を図５から図７に基づいて説明する。

円筒部３と鏡板部４との継手部の消耗電極による円周溶接は、図５に示すように消耗電極６の先端から供給される溶接ワイヤ６Ａが抵抗発熱および電気的アーク６Ｂにより溶融し、溶接部へ溶着金属として母材と接合されていく。特に気密性が必要とされる円周溶接では、図６のように円筒部３と鏡板部４との確実な溶け込みＷｈが得られるように溶接しなければならない。
しかし、溶接開始部付近の溶け込み不良により気密性が確保できない不具合が発生する可能性がある。これは溶接開始時にはワーク（溶接対象物）そのものが室温程度と金属の融点に比較すると低温であり、温度差が大きいためである。熱輸送の原則から、溶接が進むに従って、円筒部３と鏡板部４は急速に昇温していく。このため、溶接の投入熱量が一定であれば、溶接が後半に進むに従って図６に示す溶け込み深さＷｈが大きくなっていく。
反対に、溶接開始時は円筒部３と鏡板部４が昇温していないため、溶け込み不足となる。

また、すみ肉継手では円筒部３や鏡板部４の母材が溶融し、図７に示すように溶融した母材が溶接のルート部（溶接線）に流れ込む。溶着金属が電気的アークと母材の間に入り込み、電気的アークによる母材への入熱を妨げる現象が発生し、溶け込み不足が生じる。このため気密性が保てなくなる問題がある。

図９は、自動消耗電極（ＭＡＧ）溶接単独での溶接状態を示している。消耗電極６の溶接トーチは溶接開始点Ｏからアークを発生させて一定の速度で溶接する。溶接開始点Ｏ直後は溶着金属１０が盛られているが、母材内部の溶け込み１１がなく、溶接開始点Ｏから少し離れた箇所から溶け込み１１が発生している。溶接開始部ではまず、アークを発生させるためワイヤと母材が短絡し、大電流が流れることでワイヤの温度が上がり、一定以上の温度に達すると絶縁破壊が起こる。これによりアークが生じて、母材とワイヤを溶かしながら溶接がなされていく。絶縁破壊からワイヤによる溶着が行われるまでの間は母材に直接アークが当たり、直接入熱が行われる。このため、溶接開始点Ｏは他の点よりもアークに直接炙られる時間は長い。
しかし、この時間は数１００ｍｓｅｃであり、さらにワークは室温程度であるため、金属材料の融点と比較するとはるかに低温状態である。このため、入熱不足となり、溶接開始点Ｏ直下では溶け込み１１が得られない。なお、溶接中はそれまでの溶接部からの熱伝導により、自然に予熱がされている状態である。アーク直下は高温状態にあり、炙られる時間が溶接開始点Ｏよりも短くても十分な溶け込みが得られる。

図１０に自動消耗電極（ＭＡＧ）溶接単独における円周溶接での溶接進行に伴う最高到達温度の変化を示す。これは溶接電流つまり設定入熱量を一定とした場合であるが、溶接の進行と共に蓄熱が生じ、最高到達温度が上昇する。溶接終了部は溶接開始時の入熱が残留しているため、さらに高温になる。
このように消耗電極溶接単独で円周溶接を一定溶接電流で行うと、周内で温度ムラが生じる。これは溶け込み深さのムラに加え、熱変形のムラも生じるためである。回転体を内部に格納するような圧縮機では真円度が重要であり、周内の熱変形のムラ、つまり真円度の低下は機能低下につながる。

次に、本願発明の溶接方法を説明する。なお、本実施の形態１では、非消耗電極５としてＴＩＧ（ＴＵＮＧＳＴＥＮ ＩＮＥＲＴ ＧＡＳ）溶接トーチを使用し、消耗電極６としてＭＡＧ（ＭＥＴＡＬ ＡＣＴＩＶＥ ＧＡＳ）溶接トーチを使用した例を説明する。

図１、図２において、２つのトーチ、すなわち非消耗電極５のＴＩＧ溶接トーチと消耗電極６のＭＡＧ溶接トーチは固定されており、圧縮機２が矢印Ｙ方向に回転することで溶接が進行していく。
本願発明では溶接に際し、圧縮機２が矢印Ｙ方向に回転することで溶接していくが、非消耗電極５が先行し、消耗電極６が追従する配置となっている。非消耗電極５と消耗電極６は同じ速度で移動するが、別々に動いてもよい。

このとき、非消耗電極５と消耗電極６は相互の磁気干渉が低減されるように少なくとも１０ｍｍ以上離して設置する。
なお、非消耗電極５と消耗電極６との距離は、構造や配置上の制約があるが１００ｍｍ離しても、良好な溶接を実施できる。

ここで、非消耗電極５と溶接対象の継手部との位置関係を図８に基づいて説明する。
図８に示すように、非消耗電極５の進行方向に直交する角度θＴを図のようにすみ肉継手のＶの字部分の＋θと−θの中に入るように配置する。
図８では、非消耗電極５について示しているが、消耗電極６と溶接対象の継手部との位置関係も同様である。

図１１は、本願発明の溶接方法を適用した場合の溶接状態の模式図である。消耗電極６による溶接が溶接開始点Ｏでアークを発生させる。このときの現象としては上記の説明の通りであるが、本願発明の溶接方法では非消耗電極５による溶接によって入熱が先行して行われるため、溶接開始点Ｏは既に高温状態にある。これは溶接中のアーク直下と同じ状態である。さらに上記の通り、溶接開始点Ｏはアークに炙られる時間が長いため他の部分よりも入熱が多い。このため、図１１の溶接開始点Ｏでは他の部分と同等かそれ以上の溶け込み１１を得ることができる。

本願発明における先行する非消耗電極５によるＴＩＧ溶接の入熱量の変化を図１２に示す。このように先に説明した消耗電極溶接単独溶接の場合の図１０の温度変化を補正するように、非消耗電極５の溶接電流を移動量に応じて減少させる。この減少量は、予め測定され、設定されている。このように、入熱量の制御を行うことで周内の温度を一定にすることができ、溶着金属１０の量を一定としながら、溶け込み１１の深さも一定とすることができる。
なお、この非消耗電極５の溶接電流の制御は、非消耗電極５に溶接電流を供給する第１電源８内の電流制御部（図示なし）で行われる。

１周溶接が終わりに近づくと、先行している非消耗電極５のＴＩＧ溶接トーチが消耗電極６の溶接によって盛られた開始端部の溶着金属１０に干渉する場合がある。このため、１周溶接後のラップ時に非消耗電極５のＴＩＧ溶接トーチとワークを相対的に離す機構を持たせる必要がある。

通常、非消耗電極５とワークの距離が近いほど、エネルギー密度が高くなる。このため、通常の溶融溶接法では消耗および非消耗電極とワーク間の距離を１ｍｍから２ｍｍとなるように極力近づけなければ効率が悪く、大容量の電源が必要となる。
しかし、本実施の形態１の溶接方法では非消耗電極５のＴＩＧ溶接によって母材を溶かさないため、非消耗電極５とワーク間の距離を離すことができる。このため、１周溶接後、ラップ時の非消耗電極５と初期の溶着金属１０の肉盛部との物理的接触を回避するために、溶接初期の状態から非消耗電極５をワークから離しておいてもよい。

次に上記で従来の溶接方法と対比して説明した本実施の形態１の溶接方法について、図１３のフローチャートに基づいて、図１１も参照して一連の機能、動作を説明する。

ステップ１（Ｓ０１）の配置工程では、円筒部３と鏡板部４とから成る圧縮機２の継手部の溶接線に沿って非消耗電極５を先行、消耗電極６を後行となるように配置する。

ステップ２（Ｓ０２）の駆動工程では、圧縮機２の円筒部３と鏡板部４とを回転治具７により回転させる。

ステップ３（Ｓ０３）の非消耗電極昇温工程では、非消耗電極５を溶接線に沿って相対的に駆動し、圧縮機２の円筒部３と鏡板部４との継手部の母材を溶融することなく昇温させる。

ステップ４（Ｓ０４）の消耗電極溶接工程では、非消耗電極昇温工程（Ｓ０３）に追随し、消耗電極６を溶接線に沿って相対的に駆動し、消耗電極６により、圧縮機２の円筒部３と鏡板部４との継手部の母材に溶け込み１１を発生させるとともに、母材に溶着金属１０で肉盛りを行う。

ステップ５（Ｓ０５）の非消耗電極入熱制御工程では、消耗電極溶接工程（Ｓ０４）に追随し、溶接の進行に従い非消耗電極５による昇温のための入熱量を下げる制御を行う。

本実施の形態１では、先行する非消耗電極５によるＴＩＧ溶接の平均電流は１００Ａから５００Ａ、後行する消耗電極６によるＭＡＧ溶接の平均電流は１００Ａから５００Ａである。また溶接速度は３００ｍｍ／ｍｉｎから２０００ｍｍ／ｍｉｎで使用される。

本実施の形態１では、消耗電極６としてＭＡＧ溶接トーチを使用する例を説明したが、消耗電極６としてＭＩＧ（ＭＥＴＡＬ ＩＮＥＲＴ ＧＡＳ）溶接トーチを使用することもできる。

本実施の形態１では、圧縮機２を回転治具７により傾けて、固定し回転させる構成として説明した。しかし、圧縮機２は固定しておき、非消耗電極５と消耗電極６を継手部の溶接線に沿って、相対的に移動させる構成とすることもできる。

以上説明したように、実施の形態１の溶接方法は、溶接線に沿って非消耗電極を先行、消耗電極を後行となるように配置する配置工程と、溶接対象を回転させる駆動工程と、非消耗電極を溶接線に沿って相対的に駆動し、継手部の母材を昇温させる非消耗電極昇温工程と、消耗電極を溶接線に沿って相対的に駆動し、母材に溶け込みを発生させるとともに、母材に溶着金属で肉盛りを行う消耗電極溶接工程と、溶接の進行に従い非消耗電極による昇温のための入熱量を下げる制御を行う非消耗電極入熱制御工程とを備えたものである。また、実施の形態１の溶接装置は、この溶接方法に用いるものである。したがって、溶接開始部の確実な溶け込み、および全周に渡って安定した溶け込みを確保でき、溶着金属量も一定とすることができる。

さらに、溶接品質が向上することで、溶接対象である圧縮機の小型化、耐久性の向上、製品の安全性向上および生産工程改善の効果が見込める。

実施の形態２．
実施の形態２の溶接方法および溶接装置は、実施の形態１において非消耗電極によるＴＩＧ溶接をエネルギービーム溶接としたものである。

以下、実施の形態２の溶接方法および装置について、溶接装置の構成図である図１４に基づいて、実施の形態１との差異を中心に説明する。図１４において、実施の形態１の図１１と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。
なお、円筒部３と鏡板部４とから成る圧縮機２および圧縮機２を固定し回転させる回転治具７は、実施の形態１と同じであるため、省略している。図１４には、実施の形態１との差異を説明するために必要な構成要素のみを記載している。
また、実施の形態１の溶接装置１と区別するために、溶接装置１００としている。

図１４に基づいて、実施の形態１の図１、２を参照して、本発明の実施の形態２の溶接方法の機能、動作および溶接装置の構成について説明する。
実施の形態１の溶接装置１との違いは、本実施の形態２の溶接装置１００では非消耗電極によるＴＩＧ溶接をプラズマ溶接や非接触の熱源であるレーザ等のエネルギービーム溶接としたことである。

溶接装置１００は、非消耗電極２１と、消耗電極６と、非消耗電極２１に電力を供給する第３電源２２と、消耗電極６に溶接電流を供給する第２電源９とを備える。
本実施の形態２の溶接装置１００では、非消耗電極２１としてレーザビームトーチを使用し、消耗電極６としてＭＡＧ溶接トーチを使用した例を説明する。
２つのトーチ、すなわち非消耗電極２１のレーザと消耗電極６のＭＡＧ溶接トーチは、非消耗電極２１が先行し、消耗電極６が追従する配置で固定されており、圧縮機２が矢印Ｙ方向に回転することで溶接が進行していく。

先行する熱源をレーザ等のエネルギービームとすることで、磁気干渉が生じない。実施の形態１では、非消耗電極５のＴＩＧ溶接と消耗電極６のＭＡＧ溶接の間で磁気干渉が生じるため、非消耗電極５と消耗電極６とは相互の磁気干渉が低減されるように少なくとも１０ｍｍ以上離して設置する必要があった。
実施の形態２では、この磁気干渉が生じないため、非消耗電極２１によるレーザビームの照射位置を後行の消耗電極６の直前にすることができる。
非消耗電極２１によるレーザビームの照射位置を消耗電極６に近づけるほど熱拡散による損失を抑えることができるため、溶接の効率が向上する。

また、非消耗電極２１による溶接がレーザ等のエネルギービームであれば非接触であるため、１周溶接時に溶接開始部の溶着金属１０の肉盛りへの物理的な接触がない。このため非消耗電極２１とワークとを相対的に離す機構を設ける必要がない。

さらに、一般的にレーザを用いた溶接では酸化防止および金属蒸気のレンズへの付着対策としてシールドガスを噴出させる。本実施の形態２では、レーザビームは継手部の母材の上昇温度を融点以下にとどめるため、シールドガスは必要なく、簡易なレーザヘッド構成で対応できる。

本実施の形態２では、消耗電極６としてＭＡＧ溶接トーチを使用する例を説明したが、消耗電極６としてＭＩＧ溶接トーチを使用することもできる。

以上説明したように、実施の形態２の溶接方法および溶接装置は、非消耗電極による溶接をエネルギービーム溶接としたものである。このため、実施の形態１と同様に、溶接開始部の確実な溶け込み、および全周に渡って安定した溶け込みを確保でき、溶着金属量も一定とすることができる。さらに、磁気干渉が生じないため、非消耗電極によるレーザビームの照射位置を消耗電極の直前にすることができるため、溶接の効率を向上させることができる。

実施の形態３．
実施の形態３の溶接方法および溶接装置は、実施の形態１の溶接方法の各工程にさらに非消耗電極倣い制御工程を追加したものである。

以下、実施の形態３の溶接方法および装置について、溶接装置の構成図である図１５、倣い制御の説明図である図１６および溶接方法に係るフローチャートである図１７に基づいて、実施の形態１との差異を中心に説明する。図１５において、実施の形態１の図１１と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。
なお、円筒部３と鏡板部４とから成る圧縮機２および圧縮機２を固定し回転させる回転治具７は、実施の形態１と同じであるため、省略している。図１５には、実施の形態１との差異を説明するために必要な構成要素のみを記載している。
また、実施の形態１の溶接装置１と区別するために、溶接装置２００としている。

図１５および図１７に基づいて、実施の形態１の図１、２を参照して、本発明の実施の形態３の溶接方法の機能、動作および溶接装置の構成について説明する。
実施の形態１の溶接方法との違いは、非消耗電極倣い制御工程を追加したことである。この非消耗電極倣い制御工程の追加に関連して、非消耗電極に溶接電流を供給する第１電源を制御するとともに非消耗電極の位置の制御を行う倣い制御装置を追加している。

まず、図１５に基づいて、図１、２を参照して本発明の実施の形態３の溶接装置２００の構成を説明する。
本実施の形態３では、非消耗電極５としてＴＩＧ溶接トーチを使用し、消耗電極６としてＭＡＧ溶接トーチを使用した例を説明する。
２つのトーチ、すなわち非消耗電極５のＴＩＧ溶接トーチと消耗電極６のＭＡＧ溶接トーチは、非消耗電極５が先行し、消耗電極６が追従する配置で固定されており、圧縮機２が矢印Ｙ方向に回転することで溶接が進行していく。

溶接装置２００は、非消耗電極５に溶接電流を供給する第１電源８と、消耗電極６に溶接電流を供給する第２電源９とを備える。溶接装置２００は、さらに、後で説明する先行する非消耗電極５のＴＩＧアーク電圧による倣い制御を行うための倣い制御装置３１を備える。倣い制御装置３１は、非消耗電極５に溶接電流を供給する第１電源を制御するために第１電源８に接続されている。また、倣い制御装置３１は、非消耗電極５の位置を最適な位置に調整するために、非消耗電極５の保持部（図示なし）に接続されている。

まず、通常のＴＩＧ溶接トーチによるアーク電圧を利用した倣い制御の原理と問題点について、図１６に基づいて説明する。
すみ肉溶接では非消耗電極５とワークとの相対位置関係が同じとき、非消耗電極５との直線距離が最も長くなるルート部１２の溶け込みが最も重要である。しかし、継手部の形状の問題からルート部１２へ電気的アークを飛ばすことが難しい。
そこで、先行するＴＩＧ溶接によるアーク電圧を利用して倣い制御を行う。図１６にアーク電圧を利用した倣い制御であるアークセンサの原理を記載する。

電気的アークは放電現象であるため、アーク放出の一端である電極先端ともう一端であるワークのアーク発生点との直線距離に応じた抵抗が発生する。この距離が長いほど高抵抗になる。ＴＩＧ溶接電源は定電流特性を持つため、放電距離である抵抗が変化しても電流を一定値に保とうとする。このため、オームの法則（電圧＝電流×抵抗）より、電流が一定の条件下では抵抗と電圧は比例関係にある。つまり、ＴＩＧ電極とワーク間距離が遠くなると高電圧に、近くなると低電圧になる。
狙い位置であるルート部１２は非消耗電極５から最も距離が遠いため、最も高電圧になるようにＴＩＧ溶接トーチの位置を進行方向に直交する方向に移動させて調整する。

この制御方法は一般にアークセンサと呼ばれており、通常は継手部を溶融させながらセンシングする。継手部が溶融すると図１６に示すように非消耗電極５の直下にも溶融した継手の溶着金属が流れ込み、本来の狙い位置であるルート部１２を覆う。このため、非消耗電極５と継手溶融時のルート部との距離Ｌ１が、継手溶接初期状態の非消耗電極５とルート部１２との距離Ｌ０に対し短くなる。このため、倣い位置がずれて、アークがルート部以外にとんだ際の電圧との差異が小さくなるため倣い感度が低下する。

これに対し、本実施の形態３では、非消耗電極５のＴＩＧ溶接トーチ直下では母材は溶融しておらず、すみ肉継手の形状が非消耗電極５による溶接（加熱）時も初期状態のままである。このため、非消耗電極５とルート部１２との距離が長い状態を維持でき、高感度の倣い制御が可能となる。非消耗電極５と消耗電極６の相対位置関係を固定しておくと、この倣い制御機能が消耗電極６にも有効となり、両方の溶接トーチにおいて高感度の倣い制御が可能となる。

これにより、非消耗電極５と消耗電極６の両方が最も入熱を必要とし、かつ溶融しにくいルート部１２に正確に入熱を行うことができ、安定した溶け込み１１を得ることができる。

次に、本実施の形態３の溶接方法について、図１７のフローチャートに基づいて、一連の機能、動作を説明する。ただし、ステップ１（Ｓ０１）からステップ５（Ｓ０５）までは、実施の形態１の図１３のフローチャートと同じであるため、追加となったステップ６（Ｓ０６）のみを説明する。

ステップ６（Ｓ０６）の非消耗電極倣い制御工程では、非消耗電極のアーク電圧を利用した倣い制御を行う。具体的には、第１電源８に接続された倣い制御装置３１が非消耗電極５のアーク電圧を利用して、アーク電圧が最も高電圧になるように非消耗電極５の位置を調整する。
なお、本非消耗電極倣い制御工程は、非消耗電極昇温工程、消耗電極溶接工程、および非消耗電極入熱制御工程に追随して行われる。

本実施の形態３では、消耗電極６としてＭＡＧ溶接トーチを使用する例を説明したが、消耗電極６としてＭＩＧ溶接トーチを使用することもできる。

以上説明したように、実施の形態３の溶接方法および溶接装置は、実施の形態１の溶接方法の各工程にさらに非消耗電極倣い制御工程を追加したものである。このため、実施の形態１と同様に、溶接開始部の確実な溶け込み、および全周に渡って安定した溶け込みを確保でき、溶着金属量も一定とすることができる。さらに、高精度の倣い制御が可能であるため、溶接の品質を向上させることができる。

実施の形態４．
実施の形態４の溶接方法および溶接装置は、実施の形態１において、非消耗電極と消耗電極の間に金属板を、さらに追加したものである。

以下、実施の形態４の溶接方法および装置について、溶接装置の構成図である図１８に基づいて、実施の形態１との差異を中心に説明する。図１８において、実施の形態１の図１１と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。

溶接装置３００は、非消耗電極５と、消耗電極６と、非消耗電極５に電力を供給する第１電源８と、消耗電極６に溶接電流を供給する第２電源９と、非消耗電極５と消耗電極６との間に金属板４１をさらに備える。

非消耗電極５、消耗電極６はともに高電流が流れるため、磁場が発生する。このため、２つの電極では相互の磁気干渉が発生し、この干渉によりアーク放電が不安定になり、その結果、入熱量も安定せず、当初の目的である溶け込み深さも不安定になる可能性がある。
この磁気干渉を低減させるために実施の形態４では、非消耗電極５と消耗電極６との間に比透磁率の高い金属板４１を配置する。金属板４１としては、例えば、鉄、ニッケル、およびコバルトなどが使用できる。
なお、実施の形態４の溶接方法では、配置工程において、非消耗電極５と消耗電極６との間に金属板４１を配置する。

以上説明したように、実施の形態４の溶接方法および溶接装置は、非消耗電極と消耗電極の間に金属板を、さらに追加したものである。このため、実施の形態１と同様に、溶接開始部の確実な溶け込み、および全周に渡って安定した溶け込みを確保でき、溶着金属量も一定とすることができる。さらに、磁気干渉を低減させ、非消耗電極と消耗電極との位置を近づけることができるため、溶接の効率を向上させることができる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。また、各実施の形態で説明した溶接方法および溶接装置は、円周溶接、すなわち、溶接線が環状である溶接に限らず、あらゆる形状の溶接に適用可能である。

この発明は、非消耗電極と消耗電極を使用した溶接方法、およびこの溶接方法を適用する溶接装置に関するものであり、溶接開始部の確実な溶け込み、および溶接線全体に渡って安定した溶け込みを確保できる溶接方法および溶接装置に広く適用できる。

Claims (12)

1. 非消耗電極と消耗電極とを使用する溶接方法において、
   溶接線に沿って前記非消耗電極を先行、消耗電極を後行となるように配置する配置工程と、
   前記非消耗電極を前記溶接線に沿って相対的に駆動し、継手部の母材を昇温させる非消耗電極昇温工程と、
   前記非消耗電極昇温工程に追随し、前記消耗電極を前記溶接線に沿って相対的に駆動し、前記母材に溶け込みを発生させるとともに、前記母材に溶着金属で肉盛りを行う消耗電極溶接工程と、
   前記消耗電極溶接工程に追随し、溶接の進行に従い前記非消耗電極による前記昇温のための入熱量を下げる制御を行う非消耗電極入熱制御工程と、を備える溶接方法。
2. 前記配置工程の後の各工程に追随する、前記非消耗電極のアーク電圧による非消耗電極倣い制御を行う倣い制御工程をさらに備えた請求項１に記載の溶接方法。
3. 前記非消耗電極はＴＩＧ溶接トーチを使用し、前記配置工程において、前記非消耗電極と前記非消耗電極との配置間隔を１０ｍｍから１００ｍｍとする請求項１または請求項２に記載の溶接方法。
4. 前記非消耗電極はレーザビームトーチを使用する請求項１に記載の溶接方法。
5. 前記配置工程において、前記非消耗電極と前記消耗電極との間に、さらに金属板を配置する請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の溶接方法。
6. 前記溶接線は環状である請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の溶接方法。
7. 非消耗電極および消耗電極と、
   前記非消耗電極に溶接電力を供給する第１電源および前記消耗電極に溶接電力を供給する第２電源と、を備え、
   前記非消耗電極は先行として、前記消耗電極は後行として溶接線に沿って配置され、
   前記非消耗電極は継手部の母材を昇温させ、
   前記消耗電極は前記母材に溶け込みを発生させるとともに、前記母材に溶着金属で肉盛を行い、
   前記第１電源は溶接の進行に従い前記非消耗電極による前記昇温のための入熱量を下げる制御を行う溶接装置。
8. 前記非消耗電極のアーク電圧による倣い制御を行う倣い制御装置をさらに備えた請求項７に記載の溶接装置。
9. 前記非消耗電極はＴＩＧ溶接トーチを使用し、前記非消耗電極と前記非消耗電極との配置間隔を１０ｍｍから１００ｍｍとする請求項７または請求項８に記載の溶接装置。
10. 前記非消耗電極はレーザビームトーチを使用する請求項７に記載の溶接装置。
11. 前記非消耗電極と前記消耗電極との間に、金属板が配置されている請求項７から請求項１０のいずれか１項に記載の溶接装置。
12. 前記溶接線は環状である請求項７から請求項１１のいずれか１項に記載の溶接装置。

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