WO2017033978A1

WO2017033978A1 - 溶接方法及びアーク溶接装置

Info

Publication number: WO2017033978A1
Application number: PCT/JP2016/074690
Authority: WO
Inventors: 勇人馬塲; 塩崎　秀男; 恵良　哲生
Original assignee: 株式会社ダイヘン
Priority date: 2015-08-25
Filing date: 2016-08-24
Publication date: 2017-03-02

Abstract

溶接方法は、第１母材（５０）および第２母材（６０）を準備する工程と、第１母材（５０）の第１端面と第２母材（６０）の第２端面とが対向するように、第１母材（５０）および第２母材（６０）を配置する工程と、第１端面と第２端面とが接合されるように第１母材（５０）と第２母材（６０）とをＧＭＡ溶接により溶接する工程と、を備える。第１母材（５０）と第２母材（６０）とを溶接する工程では、溶接ワイヤ（１５）が溶融領域（１２）に取り囲まれる領域にまで侵入した状態でアーク（１１）が形成されることで、溶融領域（１２）が第１母材（５０）および第２母材（６０）を厚み方向に貫通するように形成される。

Description

溶接方法及びアーク溶接装置

　本発明は溶接方法及びアーク溶接装置に関するものである。

　一対の母材の端面同士が対向するように配置された状態で端面同士が接合されるように溶接される突合せ溶接においては、溶接による溶融領域が母材を厚み方向に貫通するように形成されることで（貫通溶接）、溶接の作業効率を向上させることができる。貫通溶接の達成には、サブマージアーク溶接の採用が有効である。サブマージアーク溶接を採用した突合せ溶接において、溶接部の品質向上等を達成するための方策が提案されている（たとえば、特許文献１および２参照）。

　一方、溶接方法の一つに、消耗電極式のガスシールドアーク溶接法がある（例えば、特許文献３）。ガスシールドアーク溶接法は、母材の被溶接部に送給された溶接ワイヤと、母材との間にアークを発生させ、アークの熱によって母材を溶接する手法であり、特に高温になった母材の酸化を防ぐために、不活性ガスを溶接部周辺に噴射しながら溶接を行うものである。５ｍｍ程度の薄板であれば、母材の突き合わせ継手を１パスで溶接することもできる。

　ところが、９～３０ｍｍの厚板になると、従来のガスシールドアーク溶接法では１パスで母材を溶接することができない。このため、複数回の溶接操作を繰り返し行う多層溶接によって、厚板の溶接が行われている。しかし、多層溶接においては、溶接工数の増大が問題となる。また、入熱量が大きくなり、母材の変形、溶接部分の脆化が問題となる。

特開２０１０－２２１２９８号公報特開２００７－２６０６９２号公報特開２００７－２２９７７５号公報

　上記サブマージアーク溶接においては、粒状のフラックスを溶接部に供給する必要がある。そのため、サブマージアーク溶接においては、溶接の姿勢が制限される。また、サブマージアーク溶接においては、溶接装置が大型化する傾向にある。

　サブマージアーク溶接は、貫通溶接の達成が容易である反面、上記のようなデメリットも存在する。

　本願発明者等は、かかる問題を解決すべく鋭意検討した結果、一般的なガスシールドアーク溶接法に比して、高速で溶接ワイヤの送給を行い、大電流を供給することによって、厚板の１パス溶接を実現することができるという知見を得た。具体的には、溶接ワイヤを約５～１００ｍ／分で送給し、３００Ａ以上の大電流を供給することによって、厚板の１パス溶接を実現することができる。溶接ワイヤの高速送給及び大電流供給を行うと、アークの熱によって母材に凹状の溶融部分が形成され、溶接ワイヤの先端部が溶融部分によって囲まれる空間に進入する。溶接ワイヤの先端部が母材表面より深部に進入することによって、溶融部分が母材の厚み方向裏面側にまで貫通し、１パス溶接が可能になる。以下、凹状の溶融部分によって囲まれる空間を埋もれ空間と呼び、埋もれ空間に進入した溶接ワイヤの先端部と、母材又は溶融部分との間に発生するアークを、適宜、埋もれアークと呼ぶ。

　本発明は、ＧＭＡ（Gas Metal Arc）溶接によって突合せ溶接における貫通溶接を達成することにより、溶接の作業効率向上を可能とする溶接方法を提供することを目的とする。

　一方、大電流のガスシールドアーク溶接法においては、アークの熱によって溶融した母材及び溶接ワイヤの溶融金属が増加し、アークによる溶融金属の波打ちが生じ、その溶融金属が凝固したビードの形状も周期的に大きく乱れるという問題があった。例えば、溶接ワイヤを３０ｍ／分の速度で送給し、溶接電流４５０Ａ、溶接電圧４０Ｖ、板圧１２ｍｍの突き合わせ炭酸ガス溶接を行うと、溶融金属が大きく波打ち、ビードの蛇行及び垂れが発生することが確認された。

　本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、３００Ａ以上の大電流を用いてガスシールドアーク溶接を行う場合であっても、埋もれアーク溶接における溶融金属の波打ちを抑え、ビードの乱れ及び垂れの発生を防止することができる溶接方法及びアーク溶接装置を提供することにある。

　本発明に従った溶接方法は、第１母材および第２母材を準備する工程と、第１母材の第１端面と第２母材の第２端面とが対向するように、第１母材および第２母材を配置する工程と、第１端面と第２端面とが接合されるように第１母材と第２母材とを溶接する工程と、を備える。第１母材と第２母材とを溶接する工程では、溶接ワイヤと第１母材および第２母材との間にアークが形成され、アークの熱により第１母材および第２母材に溶融領域が形成されることで第１母材と第２母材とが溶接される。第１母材と第２母材とを溶接する工程では、溶接ワイヤが溶融領域に取り囲まれる領域にまで侵入した状態でアークが形成されることで、溶融領域が第１母材および第２母材を厚み方向に貫通するように形成される。

　本発明者らは、ＧＭＡ溶接により貫通溶接を達成する方策について検討を行った。その結果、溶接ワイヤが溶融領域に取り囲まれる領域にまで侵入した状態でアークが形成される状態（埋もれアーク状態）を維持しつつ溶接を実施することにより、貫通溶接を達成可能であることを見出した。

　本発明の溶接方法においては、溶接ワイヤが溶融領域に取り囲まれる領域にまで侵入した状態でアークが形成されることで、溶融領域が第１母材および第２母材を厚み方向に貫通するように形成される。そのため、本発明の溶接方法によれば、ＧＭＡ溶接によって突合せ溶接における貫通溶接を達成することにより、溶接の作業効率を向上させることができる。

　本発明に従った溶接方法は、第１母材および第２母材を準備する工程と、第１母材の第１端面と第２母材の第２端面とが対向するように、第１母材および第２母材を配置する工程と、第１端面と第２端面とが接合されるように第１母材と第２母材とをＧＭＡ溶接により溶接する工程と、を備える。第１母材と第２母材とを溶接する工程では、溶接ワイヤと第１母材および第２母材との間にアークが形成され、アークの熱により第１母材および第２母材に溶融領域が形成されることで第１母材と第２母材とが溶接される。第１母材と第２母材とを溶接する工程では、溶接ワイヤが溶融領域に取り囲まれる領域にまで侵入した状態で、溶接ワイヤの先端の位置が第１母材および第２母材の厚み方向において第１の深さと第１の深さよりも深い第２の深さとの間を往復しつつアークが形成されることで、溶融領域が第１母材および第２母材を厚み方向に貫通するように形成される。

　本発明者らは、ＧＭＡ溶接により貫通溶接を達成する方策について検討を行った。その結果、以下のような知見を得て本発明に想到した。溶接ワイヤが溶融領域に取り囲まれる領域にまで侵入した状態でアークが形成される状態（埋もれアーク状態）を維持しつつ溶接を実施することにより、貫通溶接の達成が容易となる。

　一方、このようにして貫通溶接を達成した場合、溶融領域が凝固して形成されるビードが、溶融しない状態が維持された母材の主表面（溶接ワイヤが侵入する側の主表面）の一部を覆う状態（オーバーラップ）が発生する場合がある。この場合、母材の主表面とビードとが十分に接合されていない状態となる。そのため、オーバーラップが発生した領域が、接合体の欠陥となり、接合体の強度を低下させるおそれがある。本発明者らの検討によれば、溶接ワイヤの先端の位置が第１母材および第２母材の厚み方向において往復しつつアークが形成されるようにすることで、オーバーラップの発生を抑制しつつ貫通溶接を達成することができる。すなわち、溶接ワイヤが深く（第２の深さまで）侵入した状態では、溶接ワイヤが侵入する側の母材の主表面から遠い領域にアークの熱が付与され、貫通溶接の達成に寄与する。溶接ワイヤが浅く（第１の深さまで）侵入した状態では、溶接ワイヤが侵入する側の母材の主表面に近い領域にアークの熱が付与され、オーバーラップの発生が抑制される。溶接ワイヤが深く侵入した状態と浅く侵入した状態とが繰り返されることにより、オーバーラップの発生を抑制しつつ貫通溶接を達成することができる。

　本発明の溶接方法においては、溶接ワイヤが溶融領域に取り囲まれる領域にまで侵入した状態で、溶接ワイヤの先端の位置が第１母材および第２母材の厚み方向において往復しつつアークが形成されることで、溶融領域が第１母材および第２母材を厚み方向に貫通するように形成される。そのため、本発明の溶接方法によれば、ＧＭＡ溶接によって突合せ溶接における貫通溶接を達成することにより、溶接の作業効率を向上させることができる。

　上記溶接方法において、第１母材と第２母材とを溶接する工程では、溶接ワイヤが第１の深さまで侵入し、溶接ワイヤが溶融して形成される溶摘の溶融領域への移行形態がローテーティング移行の状態と、溶接ワイヤが第２の深さまで侵入し、移行形態がローテーティング移行以外の状態とが繰り返されてもよい。

　ローテーティング移行の状態においては、溶接ワイヤの先端が、第１母材および第２母材の厚み方向に沿った軸の周りを回転する。そのため、形成されるアークは、当該軸回りに回転する。溶接ワイヤが浅く（第１の深さまで）侵入した状態でローテーティング移行の状態とすることにより、オーバーラップの発生懸念される領域にアークの熱が供給されやすくなる。その結果、オーバーラップの発生がより確実に抑制される。

　本発明に従った溶接方法は、第１母材および第２母材を準備する工程と、第１母材の第１端面と第２母材の第２端面とが対向するように、第１母材および第２母材を配置する工程と、第１端面と第２端面とが接合されるように第１母材と第２母材とをＧＭＡ溶接により溶接する工程と、を備える。第１母材と第２母材とを溶接する工程では、溶接ワイヤと第１母材および第２母材との間にアークが形成され、アークの熱により第１母材および第２母材に溶融領域が形成されることで第１母材と第２母材とが溶接される。第１母材と第２母材とを溶接する工程では、溶接ワイヤが溶融領域に取り囲まれる領域にまで侵入した状態と、溶融領域に取り囲まれる領域から離脱した状態とが繰り返されつつアークが形成されることで、溶融領域が第１母材および第２母材を厚み方向に貫通するように形成される。

　本発明者らは、ＧＭＡ溶接により貫通溶接を達成する方策について検討を行った。その結果、以下のような知見を得て本発明に想到した。溶接ワイヤが溶融領域に取り囲まれる領域にまで侵入した状態でアークが形成される状態（埋もれアーク状態）で溶接を実施することにより、貫通溶接の達成が容易となる。

　一方、このようにして貫通溶接を達成した場合、溶融領域が凝固して形成されるビードが、溶融しない状態が維持された母材の主表面（溶接ワイヤが侵入する側の主表面）の一部を覆う状態（オーバーラップ）が発生する場合がある。この場合、母材の主表面とビードとが十分に接合されていない状態となる。そのため、オーバーラップが発生した領域が、接合体の欠陥となり、接合体の強度を低下させるおそれがある。本発明者らの検討によれば、溶接ワイヤが溶融領域に取り囲まれる領域にまで侵入した状態（埋もれアーク状態）と、溶融領域に取り囲まれる領域から離脱した状態（埋もれアークが解消した状態）とが繰り返されつつアークが形成されることで、オーバーラップの発生を抑制しつつ貫通溶接を達成することができる。すなわち、埋もれアーク状態では、溶接ワイヤが侵入する側の母材の主表面から遠い領域にアークの熱が付与され、貫通溶接の達成に寄与する。埋もれアークが解消した状態では、溶接ワイヤが侵入する側の母材の主表面に近い領域にアークの熱が付与され、オーバーラップの発生が抑制される。埋もれアーク状態と埋もれアークが解消した状態とが繰り返されることにより、オーバーラップの発生を抑制しつつ貫通溶接を達成することができる。

　本発明の溶接方法においては、埋もれアーク状態と埋もれアークが解消した状態とが繰り返されつつアークが形成されることで、溶融領域が第１母材および第２母材を厚み方向に貫通するように形成される。そのため、本発明の溶接方法によれば、ＧＭＡ溶接によって突合せ溶接における貫通溶接を達成することにより、溶接の作業効率を向上させることができる。

　上記溶接方法において、第１母材と第２母材とをＧＭＡ溶接により溶接する工程では、第１端面および第２端面に垂直な方向における溶融領域の幅に対する第１母材および第２母材の厚みが１．３以下となるように、第１母材と第２母材とが溶接されてもよい。このようにすることにより、溶融領域が凝固して形成されるビードの中央部が第１母材および第２母材の厚み方向にそって割れる現象である梨型ビード割れの発生を抑制することができる。ここで、上記溶接領域の幅とは、第１母材および第２母材の主表面に垂直な方向であって溶接ワイヤが侵入する側から溶融領域を平面的に見た場合の幅をいう。

　上記溶接方法では、第１母材と第２母材とを溶接する工程において、溶接ワイヤの送給速度が増減することにより、溶接ワイヤが溶融領域に取り囲まれる領域にまで侵入した状態と、溶融領域に取り囲まれる領域から離脱した状態とが繰り返されてもよい。

　溶接ワイヤの送給速度を増減させることにより、埋もれアーク状態と埋もれアークが解消した状態とを繰り返すように溶接状態を制御することができる。　　　

　上記溶接方法においては、第１母材と第２母材とを溶接する工程において、溶接ワイヤの送給速度は３０ｍ／分以上であってもよい。このようにすることにより、埋もれアーク状態を維持することが容易となる。なお、溶接ワイヤの送給速度が６０ｍ／分を超えると、溶摘の移行状態がローテーティング移行となるおそれがある。その結果、溶け込みが浅くなり、貫通溶接の達成が難しくなるおそれがある。そのため、溶接ワイヤの送給速度は６０ｍ／分以下としてもよい。また、溶け込みが浅くなることをより確実に回避する観点から、溶接ワイヤの送給速度は５０ｍ／分以下としてもよい。

　上記溶接方法において、第１母材および第２母材を準備する工程では、厚みが９ｍｍ以上３０ｍｍ以下の第１母材および第２母材が準備されてもよい。ＧＭＡ溶接による貫通溶接の達成は、厚み９ｍｍ以上の母材において、作業効率向上の観点から特に有効である。一方、母材の厚みが３０ｍｍを超えると、貫通溶接の達成が難しくなるおそれがある。そのため、第１母材および第２母材の厚みは９ｍｍ以上３０ｍｍ以下とされてもよい。

　上記溶接方法において、第１母材と第２母材とを溶接する工程では、開先の形成されていない第１母材と第２母材とが溶接されてもよい。

　本発明の溶接方法によれば、開先の形成されていない母材の溶接も可能である。開先が形成された場合、溶接時に開先が形成された領域を充填する必要がある。そのため、たとえば溶接部に供給される溶加材の量が増える等の理由により母材の歪みが大きくなるおそれがある。本発明の溶接方法により開先の形成されていない母材を溶接することにより、このような問題の発生を抑制することができる。

　上記溶接方法において、第１母材と第２母材とを溶接する工程では、１００Ａの電流増加に対する電圧低下が４Ｖ以上２０Ｖ以下の状態で第１母材と第２母材とが溶接されてもよい。

　溶接時において電源の外部特性（出力特性）をこのように設定することにより、埋もれアーク状態を維持することが容易となる。これは、以下のような理由によるものと考えられる。上記電圧低下が４Ｖ未満の場合、外乱要因によるアーク長の変動に対して電圧の変動が小さく、電流が大きく変動する。その結果、溶融領域が大きく搖動して、埋もれアークの状態を維持することが難しくなる。上記電圧低下を４Ｖ以上とすることにより、溶融領域の搖動が抑制され、埋もれアーク状態を維持することが容易となる。

　また、外乱要因によってアーク長が短くなった場合、電流値が増加して溶接ワイヤの溶融速度が増大し、アーク長が長くなる。一方、外乱要因によってアーク長が長くなった場合、電流値が減少して溶接ワイヤの溶融速度が低下し、アーク長が短くなる（アーク長の自己制御作用）。上記電圧低下が２０Ｖを超える場合、外乱要因によるアーク長の変動に対して電流の変動が小さいため、上記アーク長の自己制御作用が小さくなる。その結果、埋もれアークの状態を維持することが難しくなる。上記電圧低下を２０Ｖ以下とすることにより、上記アーク長の自己制御作用が維持され、埋もれアーク状態を維持することが容易となる。

　上記溶接方法において、上記電圧低下は５Ｖ以上であってもよい。このようにすることにより、溶融領域の搖動がより抑制され、埋もれアーク状態を維持することが一層容易となる。

　上記溶接方法において、上記電圧低下は１５Ｖ以下であってもよい。このようにすることにより、アーク長の自己制御作用がより確実に維持され、埋もれアーク状態を維持することが一層容易となる。

　上記溶接方法において、上記溶接ワイヤはソリッドワイヤであってもよい。本発明の溶接方法では、ソリッドワイヤの採用は好適である。

　上記溶接方法において、溶接ワイヤの直径は０．９ｍｍ以上１．６ｍｍ以下であってもよい。これにより、溶接時に埋もれアーク状態を維持することが容易となる。本発明の溶接方法では、このような範囲の直径を有する溶接ワイヤの採用が好適である。

　本発明に係る溶接方法は、母材の被溶接部に溶接ワイヤを送給すると共に、該溶接ワイヤに溶接電流を供給することによって、前記溶接ワイヤの先端部及び被溶接部間にアークを発生させ、前記母材を溶接する消耗電極式の溶接方法であって、前記先端部及び被溶接部間に発生したアークによって前記母材に形成された凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記先端部が進入する速度で、前記溶接ワイヤを送給し、前記溶接電流の周波数が１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下、平均電流が３００Ａ以上、電流振幅が５０Ａ以上になるように、該溶接電流を変動させる。

　本発明にあっては、溶接ワイヤの先端部は、凹状の溶融部分で囲まれる埋もれ空間に進入し、埋もれアークが発生する。具体的には、溶接ワイヤの先端部は溶融部分に囲まれた状態となり、溶接電流を周期的に変動させることにより、埋もれ空間におけるワイヤ先端位置を上下させることができ、先端部と、溶融部分の底部及び側部との間にアークが発生する。アークの熱によって溶融した母材及び溶接ワイヤの溶融金属は、埋もれ空間が閉口し、溶接ワイヤの先端部が埋没される方向へ流れようとするが、溶接ワイヤの先端部から溶融部分の側部へ照射されるアークの力によって押し返され、先端部が溶融部分に囲まれた状態で安定化する。
　また、埋もれアーク溶接における溶融金属は、大きく波打つおそれがあるが、前記周波数、平均電流及び電流振幅にて溶接電流を周期的に変動させることにより、大きな波打ち周期よりも高周波数で溶融金属を微振動させ、溶融金属の大きな波打ちを抑えることができ、厚板の１パス溶接を実現することができる。

　本発明に係る溶接方法は、母材の被溶接部に溶接ワイヤを送給すると共に、該溶接ワイヤに溶接電流を供給することによって、前記溶接ワイヤの先端部及び被溶接部間にアークを発生させ、前記母材を溶接する消耗電極式の溶接方法であって、前記先端部及び被溶接部間に発生したアークによって前記母材に形成された凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記先端部が進入する速度で、前記溶接ワイヤを送給し、前記溶接電流を周期的に変動させることにより、前記先端部及び前記溶融部分の底部間にアークが発生する第１状態と、前記先端部及び前記溶融部分の側部間にアークが発生する第２状態とを周期的に変動させる。

　本発明にあっては、溶接ワイヤの先端部は、凹状の溶融部分で囲まれる埋もれ空間に進入し、埋もれアークが発生する。具体的には、溶接ワイヤの先端部は溶融部分に囲まれた状態となり、溶接電流を周期的に変動させることにより、埋もれ空間におけるワイヤ先端位置を上下させることができ、先端部と、溶融部分の底部及び側部との間にアークが発生する。アークの熱によって溶融した母材及び溶接ワイヤの溶融金属は、埋もれ空間が閉口し、溶接ワイヤの先端部が埋没される方向へ流れようとするが、溶接ワイヤの先端部から溶融部分の側部へ照射されるアークの力によって押し返され、先端部が溶融部分に囲まれた状態で安定化する。
　また、埋もれアーク溶接における溶融金属は、大きく波打つおそれがあるが、溶接電流を周期的に変動させることにより、凹状の溶融部分の底部にアークが飛ぶ第１状態と、溶融部分の側部にアークが飛ぶ第２状態とを周期的に変動させることができ、溶融金属の波打ちを抑えることができ、厚板の１パス溶接を実現することができる。

　本発明に係る溶接方法は、前記第１状態及び前記第２状態を１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下の周波数で変動させる。

　本発明にあっては、第１状態及び第２状態を１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下の周波数で変動させることにより、大きな波打ち周期よりも高周波数で溶融金属を微振動させ、溶融金属の大きな波打ちを抑えることができる。

　本発明に係る溶接方法は、前記第１状態はドロップ移行の溶滴移行形態を含み、前記第２状態は、前記溶接ワイヤの前記先端部に形成される液柱及びアークが振り子状に揺動する溶滴移行形態を含む。

　本発明にあっては、溶接電流を周期的に変動させることにより、凹状の溶融部分の底部にアークが飛ぶドロップ移行と、振り子移行とを周期的に変動させることができ、溶融金属の波打ちを抑えることができる。

　本発明に係る溶接方法は、前記第１状態はドロップ移行の溶滴移行形態を含み、前記第２状態はローテーティング移行の溶滴移行形態を含む。

　本発明にあっては、溶接電流を周期的に変動させることにより、凹状の溶融部分の底部にアークが飛ぶドロップ移行と、溶融部分の側部にアークが飛ぶローテーティング移行とを周期的に変動させることができ、溶融金属の波打ちを抑えることができる。

　本発明に係る溶接方法は、前記第１状態は、前記溶接ワイヤの前記先端部に形成される液柱及びアークが振り子状に揺動する溶滴移行形態を含み、前記第２状態はローテーティング移行の溶滴移行形態を含む。

　本発明にあっては、溶接電流を周期的に変動させることにより、凹状の溶融部分の底部にアークが飛ぶ振り子移行と、溶融部分の側部にアークが飛ぶローテーティング移行とを周期的に変動させることができ、溶融金属の波打ちを抑えることができる。

　本発明に係る溶接方法は、前記溶接電流の周波数が１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下、平均電流が３００Ａ以上、電流振幅が５０Ａ以上になるように、該溶接電流を変動させる。

　１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下、平均電流が３００Ａ以上、電流振幅が５０Ａ以上の溶接条件によれば、効果的に溶融金属の波打ちを抑え、かつ厚板の１パス溶接を実現することができる。

　本発明に係る溶接方法は、前記溶接電流の周波数が５０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下、平均電流が３００Ａ以上１０００Ａ以下、電流振幅が１００Ａ以上５００Ａ以下である。

　溶接電流の周波数が５０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下、平均電流が３００Ａ以上１０００Ａ以下、電流振幅が１００Ａ以上５００Ａ以下の溶接条件によれば、より効果的に溶融金属の波打ちを抑え、かつ厚板の１パス溶接を実現することができる。

　本発明に係るアーク溶接装置は、母材の被溶接部に溶接ワイヤを送給するワイヤ送給部と、該溶接ワイヤに溶接電流を供給する電源部とを備え、前記溶接ワイヤに溶接電流を供給することによって、前記溶接ワイヤの先端部及び被溶接部間にアークを発生させ、前記母材を溶接する消耗電極式のアーク溶接装置であって、前記ワイヤ送給部は、前記先端部及び被溶接部間に発生したアークによって前記母材に形成された凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記先端部が進入する速度で、前記溶接ワイヤを送給し、前記電源部は、前記溶接電流の周波数が１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下、平均電流が３００Ａ以上、電流振幅が５０Ａ以上になるように、該溶接電流を変動させる。

　本発明にあっては、溶接ワイヤの先端部は、凹状の溶融部分で囲まれた埋もれ空間に進入し、埋もれアークが発生する。上記の通り、溶接ワイヤの先端部は溶融部分に囲まれた状態となり、当該溶融金属は、大きく波打つおそれがあるが、前記周波数、平均電流及び電流振幅にて溶接電流を周期的に変動させることにより、大きな波打ち周期よりも高周波数で溶融金属を微振動させ、溶融金属の大きな波打ちを抑えることができ、厚板の１パス溶接を実現することができる。

　本発明に係るアーク溶接装置は、母材の被溶接部に溶接ワイヤを送給するワイヤ送給部と、該溶接ワイヤに溶接電流を供給する電源部とを備え、前記溶接ワイヤに溶接電流を供給することによって、前記溶接ワイヤの先端部及び被溶接部間にアークを発生させ、前記母材を溶接する消耗電極式のアーク溶接装置であって、前記ワイヤ送給部は、前記先端部及び被溶接部間に発生したアークによって前記母材に形成された凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記先端部が進入する速度で、前記溶接ワイヤを送給し、前記電源部は、前記溶接電流を周期的に変動させることにより、前記先端部及び前記溶融部分の底部間にアークが発生する第１状態と、前記先端部及び前記溶融部分の側部間にアークが発生する第２状態とを周期的に変動させる。

　本発明にあっては、溶接ワイヤの先端部は、凹状の溶融部分に囲まれた埋もれ空間に進入し、埋もれアークが発生する。上記の通り、溶接ワイヤの先端部は溶融部分に囲まれた状態となり、当該溶融金属は、大きく波打つおそれがあるが、溶接電流を周期的に変動させることにより、凹状の溶融部分の底部にアークが飛ぶ第１状態と、溶融部分の側部にアークが飛ぶ第２状態とを周期的に変動させ、溶融金属の波打ちを抑えることができ、厚板の１パス溶接を実現することができる。

　以上の説明から明らかなように、本発明の溶接方法によれば、ＧＭＡ溶接によって突合せ溶接における貫通溶接を達成することにより、溶接の作業効率向上を可能とする溶接方法を提供することができる。

　また、本発明によれば、３００Ａ以上の大電流を用いてガスシールドアーク溶接を行う場合であっても、埋もれアーク溶接における溶融金属の波打ちを抑え、ビードの乱れ及び垂れの発生を防止することができる。

溶接の手順の概略を示すフローチャートである。実施の形態１における溶接方法を説明するための概略図である。実施の形態１における溶接方法を説明するための概略図である。実施の形態２における溶接方法を説明するための概略図である。実施の形態２における溶接方法を説明するための概略図である。実施の形態３における溶接工程の、溶接ワイヤが深く侵入した状態を示す概略図である。実施の形態３における溶接工程の、溶接ワイヤが浅く侵入し、溶滴の移行形態がローテーティング移行である状態を示す概略図である。電流、電圧および溶接ワイヤの送給速度の制御状態を示すタイミングチャートである。実施の形態４における溶接工程の、溶接ワイヤが深く侵入した状態を示す概略図である。実施の形態４における溶接工程の、溶接ワイヤが浅く侵入し、溶滴の移行形態がローテーティング移行である状態を示す概略図である。実施の形態５における溶接工程の、埋もれアーク状態を示す概略図である。実施の形態５における溶接工程の、埋もれアークが解消した状態を示す概略図である。溶接ワイヤの送給速度、電流および電圧の制御状態を示すタイミングチャートである。実施の形態６における溶接工程の、埋もれアーク状態を示す概略図である。実施の形態６における溶接工程の、埋もれアークが解消した状態を示す概略図である。本実施の形態７に係るアーク溶接装置の一構成を示す模式図である。本実施の形態７に係る溶接方法の手順を示すフローチャートである。溶接対象の母材を示す側断面図である。溶接電圧及び溶接電流の変動を示すグラフである。溶接電圧及び溶接電流の変動を示すグラフである。溶接電圧及び溶接電流の変動を示すグラフである。本実施の形態７に係る溶接方法を示す模式図である。埋もれ空間及びビード形状の安定化に関する実験結果を写真で示す図表である。埋もれ空間及びビード形状の安定化に関する実験結果を模式図で示す図表である。埋もれアークを実現する溶接電流及び電圧の条件を示すグラフである。ワイヤ径及びワイヤ突出し長さと、埋もれアークを実現する溶接電流及び電圧の条件との関係を示す概念図である。ワイヤ径１．６ｍｍ、溶接ワイヤの突出し長さ２５ｍｍの場合において埋もれアークを実現する溶接電流及び電圧の条件の一例を示すグラフである。ドロップ移行、振り子移行、ローテーティング移行の各溶滴移行形態を示す図表である。ワイヤ径が１．２ｍｍ、ワイヤ突き出し長さが２５ｍｍのときの溶接電流と、溶接ワイヤの溶滴移行形態との関係を示す概念図である。ワイヤ径及びワイヤ突出し長さと、溶接ワイヤの溶滴移行形態との関係を示す概念図である。ワイヤ径が１．４ｍｍ、ワイヤ突き出し長さが２５ｍｍのときの溶接電流と、溶接ワイヤの溶滴移行形態との関係を示す概念図である。

　以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

　（実施の形態１）
　まず、実施の形態１における溶接方法について説明する。図１を参照して、実施の形態１の溶接方法においては、まず工程（Ｓ１０）として母材準備工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、溶接により接合されるべき一対の母材が準備される。具体的には、図２を参照して、第１母材５０および第２母材６０が準備される。第１母材５０および第２母材６０は、たとえば軟鋼、機械構造用炭素鋼、機械構造用合金鋼などの鋼からなる鋼板である。鋼板の厚みは、たとえば９ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。

　次に、工程（Ｓ２０）として母材配置工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、図２を参照して、工程（Ｓ１０）において準備された第１母材５０および第２母材６０が溶接装置１００にセットされる。溶接装置１００は、トーチ１９と、電源３０と、ワイヤ送給装置２９とを備えている。トーチ１９は、コンタクトチップ１７と、コンタクトチップ１７を取り囲む中空円筒形状を有するノズル１８とを含む。コンタクトチップ１７は、銅合金などの導電性を有する材料（金属）からなっている。コンタクトチップ１７は、溶加材である溶接ワイヤ１５に接触しつつ、溶接ワイヤ１５を案内する。すなわち、溶接ワイヤ１５とコンタクトチップ１７とは電気的に接続されている。溶接ワイヤ１５は、消耗電極として機能する。本実施の形態において、溶接ワイヤ１５はソリッドワイヤである。溶接ワイヤ１５の直径は、たとえば０．９ｍｍ以上１．６ｍｍ以下である。

　ノズル１８は、コンタクトチップ１７との間にシールドガスを流す流路を形成する。溶接ワイヤ１５は、ノズル１８の中央軸を含む領域に位置する。ワイヤ送給装置２９は、溶接ワイヤ１５をノズル１８内へと送給する。電源３０は、配線３４を介してコンタクトチップ１７に電気的に接続されている。電源３０は、配線６４を介して第２母材６０に電気的に接続される。

　第１母材５０は、一方の主表面５２と、他方の主表面５３と、第１端面５１とを有する。第２母材６０は、一方の主表面６２と、他方の主表面６３と、第２端面６１とを有する。第１端面５１と第２端面６１とが対向するように、第１母材５０および第２母材６０は配置される。第１端面５１と第２端面６１とが接触するように、第１母材５０および第２母材６０は配置される。第１母材５０および第２母材６０には開先は形成されていない。すなわち、第１端面５１と第２端面６１とは、厚み方向の全域にわたって平行となっている。

　次に、工程（Ｓ３０）として溶接工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、工程（Ｓ２０）において配置された第１母材５０と第２母材６０とがＧＭＡ溶接により溶接される。具体的には、図３を参照して、ワイヤ送給装置２９により溶接ワイヤ１５が送給されつつ、電源３０により第１母材５０および第２母材６０と溶接ワイヤ１５との間に電圧が印加されると、溶接ワイヤ１５と第１母材５０および第２母材６０との間にアーク１１が形成される。このとき、たとえば炭酸ガス等のシールドガスがノズル１８内に供給されて、コンタクトチップ１７とノズル１８の内周面との間の空間を流れる。そして、ノズル１８の出口からシールドガスが矢印Ｇに沿って吐出され、アーク１１と外気とが遮断される。このようにして形成されたアーク１１の熱により第１母材５０および第２母材６０に溶融領域１２が形成される。

　このとき、溶接ワイヤ１５が溶融領域１２に取り囲まれる領域にまで侵入した状態（埋もれアーク状態）でアーク１１が形成されることで、溶融領域１２が第１母材５０および第２母材６０を厚み方向に貫通するように形成される。すなわち、第１母材５０の一方の主表面５２および第２母材６０の一方の主表面６２の側から侵入した溶接ワイヤ１５の先端１５Ａが溶融領域１２に取り囲まれる領域内に位置する状態で、アーク１１が形成される。溶融領域１２は、第１母材５０の他方の主表面５３および第２母材６０の他方の主表面６３において露出する。

　第１母材５０および第２母材６０に対してトーチ１９が相対的に移動することにより、溶融領域１２が形成される領域が移動する。先に形成された溶融領域１２は、温度の低下に伴って凝固する。溶接されるべき領域（第１端面５１と第２端面６１とが対向する領域）の延在方向に沿って溶融領域１２が順次形成され、形成された溶融領域１２が凝固することにより、本実施の形態における第１母材５０と第２母材６０との溶接が完了する。

　本実施の形態の溶接方法では、工程（Ｓ３０）において、溶接ワイヤ１５が溶融領域１２に取り囲まれる領域にまで侵入した状態でアーク１１が形成されることで、溶融領域１２が第１母材５０および第２母材６０を厚み方向に貫通するように形成される。そのため、本実施の形態の溶接方法によれば、ＧＭＡ溶接によって突合せ溶接における貫通溶接を達成することにより、溶接の作業効率を向上させることができる。

　上記工程（Ｓ３０）において、溶接ワイヤ１５の送給速度は３０ｍ／分以上とすることが好ましい。これにより、埋もれアーク状態を維持することが容易となる。
　なお、溶接条件によっては、溶接ワイヤ１５の送給速度を５～１００ｍ／分の範囲内で設定することも可能である。

　上記工程（Ｓ３０）において、１００Ａの電流増加に対する電圧低下が４Ｖ以上２０Ｖ以下の状態で第１母材５０と第２母材６０とが溶接されることが好ましい。電源３０の外部特性（出力特性）をこのように設定することにより、埋もれアーク状態を維持することが容易となる。上記電圧低下は５Ｖ以上とすることが好ましい。また、上記電圧低下は１５Ｖ以下とすることが好ましい。

　（実施の形態２）
　次に、本発明の他の実施の形態である実施の形態２における溶接方法について説明する。実施の形態２の溶接方法は、基本的には上記実施の形態１の場合と同様に実施され、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２の溶接方法は、母材の端面の形状において実施の形態１の場合とは異なっている。

　図４を参照して、実施の形態２における溶接方法においては、工程（Ｓ１０）において、開先７０が形成された第１母材５０および第２母材６０が準備される。開先７０は、第１母材５０および第２母材６０の一方の主表面５２，６２側に形成される。開先７０は、第１端面５１と一方の主表面５２とが接続される第１母材５０の角部、および第２端面６１と一方の主表面６２とが接続される第２母材６０の角部を除去するように形成される。そのため、工程（Ｓ２０）において、第１端面５１と第２端面６１とが対向するように第１母材５０および第２母材６０が配置されると、開先７０に対応する領域において、一方の主表面５２，６２に近づくにしたがって第１母材５０と第２母材６０との間隔が広がる。

　そして、工程（Ｓ３０）では、図５を参照して、開先７０が形成された状態で第１母材５０と第２母材６０とが溶接される。このとき、開先７０に対応する領域は、溶接によって充填される。すなわち、開先７０が形成されない上記実施の形態１の場合に比べて、溶融領域１２に供給される溶加材としての溶接ワイヤ１５の量が多くなる。

　このように、開先７０を形成しておくことにより、工程（Ｓ３０）において貫通溶接を達成することが容易となる。そのため、厚みの大きい第１母材５０および第２母材６０が溶接される場合に、本実施の形態の溶接方法は好適である。
（実施例）

　本発明の溶接方法により、ＧＭＡ溶接によって突合せ溶接における貫通溶接を達成可能であることを確認する実験を行った。具体的な実験方法は以下の通りである。

　まず、母材として、厚みの異なる複数の鋼板を準備した。次に、図２を参照して、上記実施の形態１の場合と同様に、開先を形成することなく２枚の鋼板の端面同士が接触するように、同一の厚みの鋼板を溶接装置１００にセットした。そして、溶接速度一定の条件の下で、埋もれアーク状態を維持しつつ溶接ワイヤ１５の送給速度を変化させ、貫通溶接が実現可能な鋼板の厚み（貫通溶接可能な板厚）を調査した。電流値、電圧値およびワイヤ突出し長さは、各ワイヤ送給速度において埋もれアーク状態を維持するために適した値に調整した。また、電源３０の外部特性である１００Ａの電流増加に対する電圧低下は、１０～２０Ｖまたは２０Ｖに設定した。溶接ワイヤ１５としては、直径１．２ｍｍのソリッドワイヤを採用した。実験の条件および結果を表１に示す。

　表１には、種々のワイヤ送給速度において埋もれアーク状態を維持することで貫通溶接可能であることが確認された鋼板の厚みが示されている。なお、表１において外部特性値が負の値となっているのは、１００Ａの電流増加に対して電圧が低下する状態であることを意味する。たとえば、外部特性値が－２０Ｖである状態とは、１００Ａの溶接電流の増加に対して電圧が２０Ｖ低下することを意味する。

　表１を参照して、ワイヤ送給速度に合わせて電流値および電圧値等を調整することで埋もれアーク状態を維持し、貫通溶接が達成できることが確認される。また、ワイヤ送給速度を上昇させることで、貫通可能な板厚（母材の厚み）が大きくなっている。９ｍｍ以上の厚みの鋼板において貫通溶接を達成するためには、ワイヤ送給速度は３０ｍ／分以上とすることが好ましいといえる。

（実施の形態３）
　次に、本発明の他の実施の形態である実施の形態３における溶接方法について説明する。実施の形態３の溶接方法は、基本的には上記実施の形態１の場合と同様に実施され、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態３の溶接方法は、溶接工程が実施の形態１の場合とは異なっている。
　実施の形態３の溶接方法においては、図１に示す実施の形態１と同様の手順で母材準備工程（Ｓ１０）、母材配置工程（Ｓ２０）、溶接工程（Ｓ３０）が実施される。
　図６Ａは、実施の形態３における溶接工程の、溶接ワイヤ１５が深く侵入した状態を示す概略図、図６Ｂは、実施の形態３における溶接工程の、溶接ワイヤが浅く侵入し、溶滴の移行形態がローテーティング移行である状態を示す概略図、図７は、電流、電圧および溶接ワイヤの送給速度の制御状態を示すタイミングチャートである。

　溶接工程（Ｓ２０）では、具体的には、図６Ａおよび図６Ｂを参照して、ワイヤ送給装置２９により溶接ワイヤ１５が送給されつつ、電源３０により第１母材５０および第２母材６０と溶接ワイヤ１５との間に電圧が印加されると、溶接ワイヤ１５と第１母材５０および第２母材６０との間にアーク１１が形成される。

　このとき、溶接ワイヤ１５が溶融領域１２に取り囲まれる領域にまで侵入した状態（埋もれアーク状態）で、溶接ワイヤ１５の先端１５Ａの位置が第１母材５０および第２母材６０の厚み方向において第１の深さと第１の深さよりも深い第２の深さとの間を往復しつつアーク１１が形成されることで、溶融領域１２が第１母材５０および第２母材６０を厚み方向に貫通するように形成される。すなわち、第１母材５０の一方の主表面５２および第２母材６０の一方の主表面６２の側から侵入した溶接ワイヤ１５の先端１５Ａが溶融領域１２に取り囲まれる領域内に位置する状態で、先端１５Ａの位置が第１母材５０および第２母材６０の厚み方向において往復しつつアーク１１が形成される。溶融領域１２は、第１母材５０の他方の主表面５３および第２母材６０の他方の主表面６３において露出する。

　より具体的な制御方法を図６Ａ、図６Ｂ及び図７を参照して説明する。図７において、横軸は時間ｔに対応する。また、図７において縦軸は溶接電流Ｉ、溶接電圧Ｖおよび溶接ワイヤ１５の送給速度Ｗ_ｆに対応する。図６Ａ、図６Ｂ及び図７を参照して、電流Ｉは、閾値電流Ｉ_ＴＨよりも低いＩ_Ｌの状態とＩ_ＴＨよりも高いＩ_Ｈの状態とを繰り返すように制御される。電流ＩがＩ_Ｈの状態である時刻ｔ_１から時刻ｔ_２の間（時間Ｔ_Ｈ）、電圧ＶはＶ_Ｈであり、送給速度Ｗ_ｆはＷ_ｆＨとされる。電流ＩがＩ_Ｌの状態である時刻ｔ_２から時刻ｔ_３の間（時間Ｔ_Ｌ）、電圧ＶはＶ_Ｈよりも低いＶ_Ｌであり、送給速度Ｗ_ｆはＷ_ｆＨよりも小さいＷ_ｆＬとされる。時間Ｔ_Ｈと時間Ｔ_Ｌとの和が１サイクルあたりの時間Ｔである。Ｔの逆数１／Ｔが周波数である。周波数１／Ｔは、たとえば０．２Ｈｚ以上２Ｈｚ以下とすることができる。

　電流Ｉが閾値電流Ｉ_ＴＨよりも小さい状態では、図６Ａに示すように、溶接ワイヤ１５が第１母材５０および第２母材６０の厚み方向において深く（第２の深さまで）侵入した状態となる。このとき、溶接ワイヤ１５が溶融して形成される溶摘の溶融領域１２への移行形態がローテーティング移行以外の状態、たとえばドロップ移行の状態、または溶接ワイヤ１５の先端１５Ａが振り子状に運動する状態での移行（振り子状移行）の状態となる。一方、電流Ｉが閾値電流Ｉ_ＴＨよりも大きい状態では、図６Ｂに示すように、溶接ワイヤ１５が第１母材５０および第２母材６０の厚み方向において浅く（第１の深さまで）侵入した状態となる。このとき、溶接ワイヤ１５が溶融して形成される溶摘の溶融領域１２への移行形態がローテーティング移行の状態となる。

　ローテーティング移行の状態においては、溶接ワイヤ１５の先端１５Ａに近い領域が、第１母材５０および第２母材６０の厚み方向に沿った軸αから離れるように湾曲する。そして、溶接ワイヤ１５の先端１５Ａが、軸αの周りを回転する。そのため、形成されるアーク１１は、軸α周りに回転する。溶接ワイヤ１５が浅く侵入した状態でローテーティング移行の状態とすることにより、オーバーラップの発生が懸念される領域（第１母材５０の一方の主表面５２および第２母材６０の一方の主表面６２に近い領域）にアーク１１の熱が供給されやすくなる。

　本実施の形態の溶接方法では、工程（Ｓ３０）において、溶接ワイヤ１５が溶融領域１２に取り囲まれる領域にまで侵入した状態で、溶接ワイヤ１５の先端１５Ａの位置が第１母材５０および第２母材６０の厚み方向において第１の深さと第１の深さよりも深い第２の深さとの間を往復しつつアーク１１が形成されることで、溶融領域１２が第１母材５０および第２母材６０を厚み方向に貫通するように形成される。

　このとき、溶接ワイヤ１５が第１母材５０および第２母材６０の厚み方向において浅く（第１深さまで）侵入し、溶接ワイヤ１５が溶融して形成される溶摘の溶融領域１２への移行形態がローテーティング移行の状態と、溶接ワイヤ１５が深く（第２の深さまで）侵入し、移行形態がローテーティング移行以外の状態とが繰り返される。溶接ワイヤ１５が深く侵入した状態でアーク１１が形成されることにより、アーク１１の熱が第１母材５０の他方の主表面５３および第２母材６０の他方の主表面６２に近い領域に供給される。そのため、貫通溶接の達成が容易となる。一方、溶接ワイヤ１５が浅く侵入した状態でローテーティング移行の状態とすることにより、オーバーラップの発生懸念される領域（第１母材５０の一方の主表面５２および第２母材６０の一方の主表面６２に近い領域）にアーク１１の熱が供給されやすくなる。そのため、オーバーラップの発生が抑制される。そして、これらの状態が繰り返されることにより、オーバーラップの発生を抑制しつつ貫通溶接を達成することができる。そのため、本実施の形態の溶接方法によれば、ＧＭＡ溶接によって突合せ溶接における貫通溶接を達成することにより、溶接の作業効率を向上させることができる。

　上記工程（Ｓ３０）において、溶接ワイヤ１５の送給速度は３０ｍ／分以上とすることが好ましい。これにより、埋もれアーク状態を維持することが容易となる。

　（実施の形態４）
　次に、本発明の他の実施の形態である実施の形態４における溶接方法について説明する。実施の形態４の溶接方法は、基本的には上記実施の形態３の場合と同様に実施され、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態４の溶接方法は、母材の端面の形状において実施の形態３の場合とは異なっている。

　母材の端面の形状は、実施の形態２と同様であるため、適宜図４を参照して実施の形態４の溶接方法を説明する。また、図８Ａは、実施の形態４における溶接工程の、溶接ワイヤ１５が深く侵入した状態を示す概略図、図８Ｂは、実施の形態４における溶接工程の、溶接ワイヤ１５が浅く侵入し、溶滴の移行形態がローテーティング移行である状態を示す概略図である。
　図４を参照して、実施の形態４における溶接方法においては、工程（Ｓ１０）において、開先７０が形成された第１母材５０および第２母材６０が準備される。開先７０は、第１母材５０および第２母材６０の一方の主表面５２，６２側に形成される。開先７０は、第１端面５１と一方の主表面５２とが接続される第１母材５０の角部、および第２端面６１と一方の主表面６２とが接続される第２母材６０の角部を除去するように形成される。そのため、工程（Ｓ２０）において、第１端面５１と第２端面６１とが対向するように第１母材５０および第２母材６０が配置されると、開先７０に対応する領域において、一方の主表面５２，６２に近づくにしたがって第１母材５０と第２母材６０との間隔が広がる。

　そして、工程（Ｓ３０）では、図８Ａおよび図８Ｂを参照して、開先７０が形成された状態で第１母材５０と第２母材６０とが溶接される。このとき、開先７０に対応する領域は、溶接によって充填される。すなわち、開先７０が形成されない上記実施の形態３の場合に比べて、溶融領域１２に供給される溶加材としての溶接ワイヤ１５の量が多くなる。

　このように、開先７０を形成しておくことにより、工程（Ｓ３０）において貫通溶接を達成することが容易となる。そのため、厚みの大きい第１母材５０および第２母材６０が溶接される場合に、本実施の形態の溶接方法は好適である。

　なお、上記実施の形態においては、溶接電流、溶接電圧および溶接ワイヤの送給速度を大きくして溶接ワイヤが浅く侵入する状態とし、溶接電流、溶接電圧および溶接ワイヤの送給速度を小さくして溶接ワイヤが深く侵入する状態とすることで、溶接ワイヤの先端の位置を母材の厚み方向に往復させる方法について説明したが、本発明の溶接方法はこれに限られない。たとえば、溶接電圧一定の下で溶接ワイヤの送給速度および溶接電流を大きくして溶接ワイヤが深く侵入する状態とし、溶接ワイヤの送給速度および溶接電流を小さくして溶接ワイヤが浅く侵入する状態とすることで、溶接ワイヤの先端の位置を母材の厚み方向に往復させてもよい。
（実施例）

　まず、母材として、厚み１２ｍｍの２枚の鋼板を準備した。次に、図２を参照して、上記実施の形態３の場合と同様に、開先を形成することなく２枚の鋼板を互いの端面同士が接触するように溶接装置１００にセットした。そして、表２に示す条件で溶接を実施した。

　溶接により接合された鋼板を観察した結果、貫通溶接が達成されていることが確認された。また、オーバーラップの発生は確認されなかった。以上の実験結果から、本発明の溶接方法によれば、溶接ワイヤ１５が深く侵入した状態と浅く侵入した状態とが繰り返されることにより、オーバーラップの発生を抑制しつつ貫通溶接を達成することができることが確認される。

（実施の形態５）
　次に、本発明の他の実施の形態である実施の形態５における溶接方法について説明する。実施の形態５の溶接方法は、基本的には上記実施の形態１の場合と同様に実施され、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態５の溶接方法は、溶接工程が実施の形態１の場合とは異なっている。
　実施の形態５の溶接方法においては、図１に示す実施の形態１と同様の手順で母材準備工程（Ｓ１０）、母材配置工程（Ｓ２０）、溶接工程（Ｓ３０）が実施される。
　図９Ａは、実施の形態５における溶接工程の、埋もれアーク状態を示す概略図、図９Ｂは、実施の形態１における溶接工程の、埋もれアークが解消した状態を示す概略図、図１０は、溶接ワイヤ１５の送給速度、電流および電圧の制御状態を示すタイミングチャートである。

溶接工程（Ｓ２０）では、具体的には、図９Ａおよび図９Ｂを参照して、ワイヤ送給装置２９により溶接ワイヤ１５が送給されつつ、電源３０により第１母材５０および第２母材６０と溶接ワイヤ１５との間に電圧が印加されると、溶接ワイヤ１５と第１母材５０および第２母材６０との間にアーク１１が形成される。

　このとき、溶接ワイヤ１５が溶融領域１２に取り囲まれる領域にまで侵入した状態（埋もれアーク状態）と、溶融領域１２に取り囲まれる領域から離脱した状態（埋もれアークが解消した状態）とが繰り返されつつアーク１１が形成されることで、溶融領域１２が第１母材５０および第２母材６０を厚み方向に貫通するように形成される。すなわち、溶接ワイヤ１５の先端１５Ａが溶融領域１２に取り囲まれる領域に位置する状態と溶融領域１２に取り囲まれる領域の外部に位置する状態とが繰り返されつつアーク１１が形成される。溶融領域１２は、第１母材５０の他方の主表面５３および第２母材６０の他方の主表面６３において露出する。

　より具体的な制御方法を図９Ａ、図９Ｂ及び図１０を参照して説明する。図１０において、横軸は時間ｔに対応する。また、図１０において縦軸は溶接ワイヤ１５の送給速度Ｗ_ｆ、溶接電流Ｉおよび溶接電圧Ｖに対応する。図９Ａ、図９Ｂ及び図１０を参照して、送給速度Ｗ_ｆは、Ｗ_ｆＬの状態と、Ｗ_ｆＬよりも大きいＷ_ｆＨの状態とを繰り返すように制御される。送給速度Ｗ_ｆがＷ_ｆＨの状態である時刻ｔ_１から時刻ｔ_２の間（時間Ｔ_Ｈ）、電圧ＩはＩ_Ｈとされる。送給速度Ｗ_ｆがＷ_ｆＬの状態である時刻ｔ_２から時刻ｔ_３の間（時間Ｔ_Ｌ）、電流ＩはＩ_Ｈよりも小さいＩ_Ｌとされる。電圧Ｖは一定の値Ｖ_Ｃに維持される。時間Ｔ_Ｌと時間Ｔ_Ｈとの和が１サイクルあたりの時間Ｔである。Ｔの逆数１／Ｔが周波数である。周波数１／Ｔは、たとえば０．２Ｈｚ以上２Ｈｚ以下とすることができる。

　送給速度Ｗ_ｆがＷ_ｆＨの状態では、図９Ａに示すように、溶接ワイヤ１５が溶融領域１２に取り囲まれる領域にまで侵入した状態（埋もれアーク状態）となる。一方、Ｗ_ｆがＷ_ｆＨよりも小さいＷ_ｆＬの状態では、図９Ｂに示すように、溶接ワイヤ１５が溶融領域１２に取り囲まれる領域から離脱した状態（埋もれアークが解消した状態）となる。

　本実施の形態の溶接方法では、工程（Ｓ３０）において、埋もれアーク状態と、埋もれアークが解消した状態とが繰り返されつつアーク１１が形成されることで、溶融領域１２が第１母材５０および第２母材６０を厚み方向に貫通するように形成される。

　図９Ｂを参照して、埋もれアークが解消した状態でアーク１１が形成されることにより、アーク１１の幅（第１端面５１および第２端面６１に垂直な方向における幅）が大きくなるとともに、アーク１１が第１母材５０の一方の主表面５２および第２母材６０の一方の主表面６２に近い領域で形成される。そのため、オーバーラップの発生が懸念される領域（第１母材５０の一方の主表面５２および第２母材６０の一方の主表面６２に近い領域）にアーク１１の熱が供給されやすくなる。そのため、オーバーラップの発生が抑制される。一方、図９Ａを参照して、埋もれアーク状態でアーク１１が形成されることにより、アーク１１の幅が小さくなるとともに、アーク１１が第１母材５０の他方の主表面５３および第２母材６０の他方の主表面６３に近い領域で形成される。そのため、貫通溶接の達成が容易となる。そして、これらの状態が繰り返されることにより、オーバーラップの発生を抑制しつつ貫通溶接を達成することができる。そのため、本実施の形態の溶接方法によれば、ＧＭＡ溶接によって突合せ溶接における貫通溶接を達成することにより、溶接の作業効率を向上させることができる。

　図９Ａおよび図９Ｂを参照して、上記工程（Ｓ３０）において、第１端面５１および第２端面６１に垂直な方向における溶融領域１２の幅Ｗに対する第１母材５０および第２母材６０の厚みＨが１．３以下となるように、第１母材５０と第２母材６０とが溶接されることが好ましい。これにより、梨型ビード割れの発生を抑制することができる。

　（実施の形態６）
　次に、本発明の他の実施の形態である実施の形態６における溶接方法について説明する。実施の形態６の溶接方法は、基本的には上記実施の形態５の場合と同様に実施され、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態６の溶接方法は、母材の端面の形状において実施の形態５の場合とは異なっている。

　母材の端面の形状は、実施の形態２と同様であるため、適宜図４を参照して実施の形態４の溶接方法を説明する。また、図１１Ａは、実施の形態６における溶接工程の、埋もれアーク状態を示す概略図、図１１Ｂは、実施の形態６における溶接工程の、埋もれアークが解消した状態を示す概略図である。
　図４を参照して、実施の形態６における溶接方法においては、工程（Ｓ１０）において、開先７０が形成された第１母材５０および第２母材６０が準備される。開先７０は、第１母材５０および第２母材６０の一方の主表面５２，６２側に形成される。開先７０は、第１端面５１と一方の主表面５２とが接続される第１母材５０の角部、および第２端面６１と一方の主表面６２とが接続される第２母材６０の角部を除去するように形成される。そのため、工程（Ｓ２０）において、第１端面５１と第２端面６１とが対向するように第１母材５０および第２母材６０が配置されると、開先７０に対応する領域において、一方の主表面５２，６２に近づくにしたがって第１母材５０と第２母材６０との間隔が広がる。

　そして、工程（Ｓ３０）では、図１１Ａおよび図１１Ｂを参照して、開先７０が形成された状態で第１母材５０と第２母材６０とが溶接される。このとき、開先７０に対応する領域は、溶接によって充填される。すなわち、開先７０が形成されない上記実施の形態１の場合に比べて、溶融領域１２に供給される溶加材としての溶接ワイヤ１５の量が多くなる。

　なお、上記実施の形態においては、溶接ワイヤの送給速度が増減することにより、埋もれアーク状態と埋もれアークが解消した状態とが繰り返される方法について説明したが、本発明の溶接方法はこれに限られない。たとえば、溶接電圧が増減することにより、埋もれアーク状態と埋もれアークが解消した状態とが繰り返されてもよい。　　　

（実施の形態７）
　図１２は、本実施の形態７に係るアーク溶接装置の一構成を示す模式図である。本実施の形態７に係るアーク溶接装置は、板厚が９～３０ｍｍの母材７０４を１パスで突き合わせ溶接することが可能な消耗電極式のガスシールドアーク溶接機であり、溶接電源７０１、トーチ７０２及びワイヤ送給部７０３を備える。

　トーチ７０２は、銅合金等の導電性材料からなり、母材７０４の被溶接部へ溶接ワイヤ７０５を案内すると共に、アーク７０７（図１６参照）の発生に必要な溶接電流Ｉｗを供給する円筒形状のコンタクトチップを有する。コンタクトチップは、その内部を挿通する溶接ワイヤ７０５に接触し、溶接電流Ｉｗを溶接ワイヤ７０５に供給する。また、トーチ７０２は、コンタクトチップを囲繞する中空円筒形状をなし、被溶接部へシールドガスを噴射するノズルを有する。シールドガスは、アーク７０７によって溶融した母材７０４及び溶接ワイヤ７０５の酸化を防止するためのものである。シールドガスは、例えば炭酸ガス、炭酸ガス及びアルゴンガスの混合ガス、アルゴン等の不活性ガス等である。

　溶接ワイヤ７０５は、例えばソリッドワイヤであり、その直径は０．９ｍｍ以上１．６ｍｍ以下であり、消耗電極として機能する。溶接ワイヤ７０５は、例えば、螺旋状に巻かれた状態でペールパックに収容されたパックワイヤ、あるいはワイヤリールに巻回されたリールワイヤである。

　ワイヤ送給部７０３は、溶接ワイヤ７０５をトーチ７０２へ送給する送給ローラと、当該送給ローラを回転させるモータとを有する。ワイヤ送給部７０３は、送給ローラを回転させることによって、ワイヤリールから溶接ワイヤ７０５を引き出し、引き出された溶接ワイヤ７０５をトーチ７０２へ供給する。なお、かかる溶接ワイヤ７０５の送給方式は一例であり、特に限定されるものでは無い。

　溶接電源７０１は、給電ケーブルを介して、トーチ７０２のコンタクトチップ及び母材７０４に接続され、溶接電流Ｉｗを供給する電源部７１１と、溶接ワイヤ７０５の送給速度を制御する送給速度制御部７１２とを備える。なお、電源部７１１及び送給速度制御部７１２を別体で構成しても良い。電源部７１１は、定電圧特性の電源であり、ＰＷＭ制御された直流電流を出力する電源回路７１１ａ、出力電圧設定回路７１１ｂ、周波数設定回路７１１ｃ、電流振幅設定回路７１１ｄ、平均電流設定回路７１１ｅ、電圧検出部７１１ｆ、電流検出部７１１ｇ及び比較回路７１１ｈを備える。

　電圧検出部７１１ｆは、溶接電圧Ｖｗを検出し、検出した電圧値を示す電圧値信号Ｅｄを比較回路７１１ｈへ出力する。

　電流検出部７１１ｇは、例えば、溶接電源７０１からトーチ７０２を介して溶接ワイヤ７０５へ供給され、アーク７０７を流れる溶接電流Ｉｗを検出し、検出した電流値を示す電流値信号Ｉｄを出力電圧設定回路７１１ｂへ出力する。

　周波数設定回路７１１ｃは、母材７０４及び溶接ワイヤ７０５間の溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを周期的に変動させる周波数を設定するための周波数設定信号を出力電圧設定回路７１１ｂへ出力する。本実施の形態７に係る溶接方法を実施する場合、周波数設定回路７１１ｃは、１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下の周波数、好ましくは５０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下の周波数、より好ましくは８０Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下の周波数を示す周波数設定信号を出力する。

　電流振幅設定回路７１１ｄは、周期的に変動する溶接電流Ｉｗの振幅を設定するための振幅設定信号を出力電圧設定回路７１１ｂへ出力する。本実施の形態７に係る溶接方法を実施する場合、電流振幅設定回路７１１ｄは、５０Ａ以上の電流振幅、好ましくは、１００Ａ以上５００Ａ以下の電流振幅、より好ましくは２００Ａ以上４００Ａ以下の電流振幅を示す振幅設定信号を出力する。

　平均電流設定回路７１１ｅは、周期的に変動する溶接電流Ｉｗの平均電流を設定するための平均電流設定信号を出力電圧設定回路７１１ｂ及び送給速度制御部７１２へ出力する。本実施の形態７に係る溶接方法を実施する場合、平均電流設定回路７１１ｅは、３００Ａ以上の平均電流、好ましくは平均電流を３００Ａ以上１０００Ａ以下の平均電流、より好ましくは５００Ａ以上８００Ａ以下の平均電流を示す平均電流設定信号を出力する。

　出力電圧設定回路７１１ｂは、各部から出力された電流値信号Ｉｄ、周波数設定信号、振幅設定信号、平均電流設定信号に基づいて、溶接電流Ｉｗが目標とする周波数、電流振幅及び平均電流となるように、例えば、矩形波状又は三角波状等の任意波形の目標電圧を示す出力電圧設定信号Ｅｃｒを生成し、生成した出力電圧設定信号Ｅｃｒを比較回路７１１ｈへ出力する。

　比較回路７１１ｈは、電圧検出部７１１ｆから出力された電圧値信号Ｅｄと、出力電圧設定回路７１１ｂから出力された出力電圧設定信号Ｅｃｒとを比較し、その差分を示す差分信号Ｅｖを電源回路７１１ａへ出力する。

　電源回路７１１ａは、商用交流を交直変換するＡＣ－ＤＣコンバータ、交直変換された直流をスイッチングにより所要の交流に変換するインバータ回路、変換された交流を整流する整流回路等を備える。電源回路７１１ａは、比較回路７１１ｈから出力された差分信号Ｅｖに従って、インバータをＰＷＭ制御し、電圧を溶接ワイヤ７０５へ出力する。その結果、母材７０４及び溶接ワイヤ７０５間に、周期的に変動する溶接電圧Ｖｗが印加され、溶接電流Ｉｗが通電する。なお、溶接電源７０１には、図示しない制御通信線を介して外部から出力指示信号が入力されるように構成されており、電源部７１１は、出力指示信号をトリガにして、電源回路７１１ａに溶接電流Ｉｗの供給を開始させる。出力指示信号は、例えば、溶接ロボットから溶接電源７０１へ出力される。また、手動の溶接機の場合、出力指示信号は、トーチ７０２側に設けられた手元操作スイッチが操作された際にトーチ７０２側から溶接電源７０１へ出力される。

　溶接電源７０１の電源部７１１は、定電圧特性を有する。例えば、電源部７１１は、１００Ａの溶接電流の増加に対する溶接電圧の低下が４Ｖ以上２０Ｖ以下となる外部特性を有する。電源部７１１の外部特性をこのように設定することにより、埋もれアーク状態を維持することが容易となる。

　上記溶接電圧の低下が４Ｖ未満の場合、外乱要因によるアーク長の変動に対して溶接電圧の変動が小さく、溶接電流が大きく変動する。その結果、溶融部分７０６が大きく搖動して、埋もれアークの状態を維持することが難しくなる。上記溶接電圧の低下を４Ｖ以上とすることにより、溶融部分７０６の搖動が抑制され、埋もれアーク状態を維持することが容易となる。
　また、外乱要因によってアーク長が短くなった場合、溶接電流の値が増加して溶接ワイヤ７０５の溶融速度が増大し、アーク長が長くなる。一方、外乱要因によってアーク長が長くなった場合、溶接電流の値が減少して溶接ワイヤ７０５の溶融速度が低下し、アーク長が短くなる（アーク長の自己制御作用）。上記溶接電圧の低下が２０Ｖを超える場合、外乱要因によるアーク長の変動に対して溶接電流の変動が小さいため、上記アーク長の自己制御作用が小さくなる。その結果、埋もれアークの状態を維持することが難しくなる。上記溶接電圧の低下を２０Ｖ以下とすることにより、上記アーク長の自己制御作用が維持され、埋もれアーク状態を維持することが容易となる。
　なお、上記電圧低下は５Ｖ以上とすることが好ましい。また、上記電圧低下は１５Ｖ以下とすることが好ましい。　　　

　図１３は、本実施の形態７に係る溶接方法の手順を示すフローチャート、図１４は、溶接対象の母材７０４を示す側断面図である。まず、溶接により接合されるべき一対の母材７０４をアーク溶接装置に配置し、溶接電源７０１の各種設定を行う（ステップＳ７１１）。具体的には、図１４に示すように板状の第１母材７４１及び第２母材７４２を用意し、被溶接部である端面７４１ａ、７４２ａを突き合わせて、所定の溶接作業位置に配する。なお、必要に応じて、第１母材７４１及び第２母材７４２にＹ形、レ形等の任意形状の開先を設けても良い。第１及び第２母材７０４１、４２は、例えば軟鋼、機械構造用炭素鋼、機械構造用合金鋼等の鋼板であり、厚みは９ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。
　そして、溶接電源７０１は、周波数１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下、平均電流３００Ａ以上、電流振幅５０Ａ以上の範囲内で溶接電流Ｉｗの溶接条件を設定する。

　なお、溶接電流Ｉｗの条件設定は、全て溶接作業者が行っても良いし、溶接電源７０１が、本実施の形態７に係る溶接方法の実施を操作部にて受け付け、全ての条件設定を自動的に行うように構成しても良い。また、溶接電源７０１が、平均電流等、一部の溶接条件を操作部にて受け付け、受け付けた一部の溶接条件に適合する残りの溶接条件を決定し、条件設定を半自動的に行うように構成しても良い。

　各種設定が行われた後、溶接電源７０１は、溶接電流Ｉｗの出力開始条件を満たすか否かを判定する（ステップＳ７１２）。具体的には、溶接電源７０１は、溶接の出力指示信号が入力されたか否かを判定する。出力指示信号が入力されておらず、溶接電流Ｉｗの出力開始条件を満たさないと判定した場合（ステップＳ７１２：ＮＯ）、溶接電源７０１は、出力指示信号の入力待ち状態で待機する。

　溶接電流Ｉｗの出力開始条件を満たすと判定した場合（ステップＳ７１２：ＹＥＳ）、溶接電源７０１の送給速度制御部７１２は、ワイヤの送給を指示する送給指示信号を、ワイヤ送給部７０３へ出力し、所定速度で溶接ワイヤ７０５を送給させる（ステップＳ７１３）。溶接ワイヤ７０５の送給速度は、例えば、約５～１００ｍ／分の範囲内で設定される。送給速度制御部７１２は、平均電流設定回路７１１ｅから出力された平均電流設定信号に応じて、送給速度を決定する。なお、溶接ワイヤ７０５の送給速度は一定速度であっても良いし、周期的に変動させても良い。また、溶接作業者が、ワイヤの送給速度を直接設定するように構成しても良い。

　次いで、溶接電源７０１の電源部７１１は、電圧検出部７１１ｆ及び電流検出部７１１ｇにて溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを検出し（ステップＳ７１４）、検出された溶接電流Ｉｗの周波数、電流振幅及び平均電流が設定された溶接条件に一致し、溶接電流Ｉｗが周期的に変動するように、目標電圧を生成し、溶接電圧をＰＷＭ制御する（ステップＳ７１５）。つまり、溶接電源７０１は、定電圧特性において、溶接電流Iｗが周波数１０Hｚ以上１０００Hｚ未満、平均電流３００A以上、電流振幅５０A以上で周期的に変動するように、目標電圧を周期的に変動させて出力を制御する。

　次いで、溶接電源７０１の電源部７１１は、溶接電流Ｉｗの出力を停止するか否かを判定する（ステップＳ７１６）。具体的には、溶接電源７０１は、出力指示信号の入力が継続しているか否かを判定する。出力指示信号の入力が継続しており、溶接電流Ｉｗの出力を停止しないと判定した場合（ステップＳ７１６：ＮＯ）、電源部７１１は、処理をステップＳ７１３へ戻し、溶接電流Ｉｗの出力を続ける。

　溶接電流Ｉｗの出力を停止すると判定した場合（ステップＳ７１６：ＹＥＳ）、電源部７１１は、処理をステップＳ７１２へ戻す。

　図１５Ａ～図１５Ｃは、溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗの変動を示すグラフ、図１６は、本実施の形態７に係る溶接方法を示す模式図である。図１５Ａ～図１５Ｃに示す各グラフの横軸は時間を示し、図１５Ａ～図１５Ｃに示す各グラフの縦軸はそれぞれ、溶接電源７０１の設定電圧、母材７０４及び溶接ワイヤ７０５間の溶接電圧Ｖｗ、アーク７０７を流れる溶接電流Ｉｗである。

　本実施の形態７に係る溶接方法においては、電源部７１１は、溶接電流Ｉｗの周波数が１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下、平均電流が３００Ａ以上、電流振幅が５０Ａ以上になるように、溶接電流Ｉｗを制御する。具体的には、定電圧特性の溶接電源７０１は、このように溶接電流Ｉｗが変動するように、目標電圧を設定し、当該目標電圧を周期的に変動させる。以下の溶接電流Ｉｗの制御についても同様である。定電圧特性で溶接電流Ｉを周期的に変動させることにより、埋もれアークの溶融部分７０６をより効果的に安定化させることができる。
　好ましくは、電源部７１１は、溶接電流Ｉｗの周波数が５０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下、平均電流が３００Ａ以上１０００Ａ以下、電流振幅が１００Ａ以上５００Ａ以下になるように、溶接電流Ｉｗを制御する。

　より好ましくは、電源部７１１は、図１５Ｃに示すように、溶接電源７０１の周波数が８０Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下、電流振幅が２００Ａ以上４００Ａ以下、平均電流が５００Ａ以上８００Ａ以下になるように、溶接電流Ｉｗを制御する。なお、図１５Ｃにおいては、溶接電流の周波数が約１００Ｈｚ、電流振幅が約２４０Ａ、平均電流が約５３０Ａである。かかる溶接電流Ｉｗの溶接条件で、板圧１２ｍｍの母材７０４を溶接する場合、例えば、溶接ワイヤ７０５の直径を１．２ｍｍとすると、約４０ｍ／分の速度で溶接ワイヤ７０５を送給すると良い。以下、溶接ワイヤ７０５の直径を、適宜、ワイヤ径と呼ぶ。このように溶接電流Ｉｗ及びワイヤ送給速度が設定された場合、設定電圧は、例えば図１５Ａに示すように、周波数１００Ｈｚ、電圧振幅３０Ｖの矩形波状の電圧となり、溶接ワイヤ７０５及び母材７０４間には図１５Ｂに示すような溶接電圧Ｖｗが印加され、図１５Ｃに示すような溶接電流Ｉｗが流れる。溶接電源７０１は、例えば溶接電流Ｉｗの電流振幅が２４０Ａ、平均電流が５３０Ａになるように、周波数１００Ｈｚで設定電圧の制御を行う。また、溶接電源７０１は、約４０ｍ／分の速度で溶接ワイヤ７０５の送給を制御する。なお、溶接電圧Ｖｗは４１Ｖ以上２７以下の範囲で変動しているが、溶接電圧Ｖｗの変動範囲は、各種インピーダンスの影響によって変化する。また、図１５Ｃに示す電流波形は一例であり、特に限定されるものでは無い。例えば、電流波形は略矩形波状であっても良いし、三角波状であっても良い。

　かかる溶接条件で溶接電流Ｉｗを周期的に変動させると、溶接ワイヤ７０５の先端部７０５ａ及び被溶接部間に発生したアーク７０７の熱によって溶融した母材７０４及び溶接ワイヤ７０５の溶融金属からなる凹状の溶融部分７０６が母材７０４に形成される。そして、アーク７０７の様子を高速度カメラで撮影したところ、図１６左図に示すように、溶接ワイヤ７０５の先端部７０５ａ及び溶融部分７０６の底部７６１間にアーク７０７が発生する第１状態と、先端部７０５ａ及び溶融部分７０６の側部７６２間にアーク７０７が発生する第２状態とを周期的に変動することが確認された。

　具体的には、溶接ワイヤ７０５の先端部７０５ａから溶融部分７０６の底部７６１へアーク７０７が飛ぶ第１状態と、溶接ワイヤ７０５の先端部７０５ａから溶融部分７０６の側部７６２へアーク７０７が飛ぶ第２状態とを繰り返す。第１状態は、例えば溶接ワイヤ７０５の溶滴移行形態がドロップ移行の状態である。第２状態は、例えば溶接ワイヤ７０５の溶滴移行形態がローテーティング移行の状態である。ドロップ移行は、溶接ワイヤ７０５の先端部７０５ａから溶融部分７０６の底部７６１へ溶滴移行する形態の一例であり、ローテーティング移行は、溶接ワイヤ７０５の先端部７０５ａから溶融部分７０６の側部７６２へ溶滴移行する形態の一例である。溶融金属は、埋もれ空間７０６ａが閉口し、溶接ワイヤ７０５の先端部７０５ａが埋没される方向へ流れようとするが、第２状態において溶融部分７０６の側部７６２にアーク７０７が飛び、溶融部分７０６の溶融金属は溶接ワイヤ７０５から離隔する方向へ押し返され、埋もれ空間７０６ａは凹状の状態で安定化する。なお、図１６右図では、大電流によって溶融した溶接ワイヤ７０５の先端部７０５ａの溶滴が移行した結果、溶接ワイヤ７０５の先端部７０５ａが短くなっている。
　このような第１状態及び第２状態を１０Ｈｚ以上、好ましくは５０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下、より好ましくは８０Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下で変動させることによって、大きな波打ち周期よりも高周波数で溶融金属を微振動させることができ、溶融金属の波打ちが抑えられる。

　図１７は、埋もれ空間７０６ａ及びビード形状の安定化に関する実験結果を写真で示す図表、図１８は、埋もれ空間７０６ａ及びビード形状の安定化に関する実験結果を模式図で示す図表である。ワイヤ径が１．４ｍｍ、溶接ワイヤ７０５の突き出し長さが１８ｍｍ、溶接ワイヤ７０５の送給速度が１７．５ｍ／分、平均溶接電流が５３０Ａの溶接条件のもと、溶接電流の周波数及び振幅を変更させて、厚板の埋もれアーク溶接を行った。
　図１７及び図１８の上図は、溶接電流の周波数が０Ｈｚ、振幅が０Ａのときの実験結果、つまり溶接電流を振動させずに溶接を行ったときのビードの外観及び形状を示している。図１７及び図１８の中図は、溶接電流の周波数が１０Ｈｚ、振幅が５０Ａの条件で溶接を行ったときのビード形状を示し、図１７及び図１８下図は、溶接電流の周波数が５０Ｈｚ、振幅が１００Ａの条件で溶接を行ったときのビードの外観及び形状を示している。

　図１７及び図１８に示す実験結果から分かるように、溶接電流を周波数１０Ｈｚ以上及び電流振幅５０Ａ以上の溶接条件で振動させることによって、周波数０Ｈｚの場合に比べて、良好なビード形状が得られることが分かる。このような良好なビード形状は、溶接電流を周波数１０Ｈｚで振動させることによって埋もれ空間７０６ａが安定化し、短絡の発生が抑えられていることを示している。
　また、溶融金属を高周波で振動させることによって、溶融金属の波打ちを抑える動作原理より、溶接電流の周波数が１０Ｈｚ以上であっても、同様にして溶融金属の波打ちを抑え、埋もれ空間７０６ａを安定化させることができると予想される。また、５０Ａの電流振幅で溶融金属の波打ちを十分に抑えることができることから、５０Ａ以上の電流振幅であっても、溶融金属の波打を抑えることができることが予想される。実際、溶融電流の周波数５０Ｈｚ、溶接電流１００Ａ以上の溶接条件で溶接を行うと、図１７及び図１８に示すように、より良好なビード形状が得られた。なお、ワイヤ径、溶接ワイヤ７０５の突出し長さ、送給速度、平均電流は、以下に説明する埋もれアークを実現できる範囲であれば、特に限定されるものでは無く、溶接電流の周波数が１０Ｈｚ以上及び電流振幅が５０Ａの条件であれば、同様にして良好なビード形状が得られる。特に、周波数５０Ｈｚ及び電流振幅１００Ａ以上であれば、より良好なビード形状が得られる。

＜埋もれアークの溶接条件＞
　以下、埋もれアークを実現する溶接条件について説明する。
　アーク溶接では一般的に、溶接ワイヤ７０５の先端部７０５ａの位置は母材７０４より上側に位置し、その状態で溶接ワイヤ７０５の先端部７０５ａと母材７０４の間にアークが発生する。かかる状態で発生したアークを、非埋もれアークと呼ぶ。非埋もれアークにおいては、溶接ワイヤ７０５の先端部７０５ａと、母材７０４の表面に形成された溶融金属表面との間の距離をアーク長と呼ぶが、このアーク長は溶接電圧が低くなるにしたがって短くなることが知られている。通常のアーク溶接では、溶接電圧を下げてアーク長が短くなると、溶融金属と溶接ワイヤ７０５の先端部７０５ａの位置の距離が近くなり、最終的にはアーク長が0となって溶接ワイヤ７０５と母材７０４とが短絡を起こし、アークの維持が困難となる。

　しかし、高電流溶接においては、アーク圧力によって溶融金属が押しのけられるため、電圧を下げても短絡が起きにくくなる。その結果、母材７０４又は溶融金属表面よりも深い位置に溶接ワイヤ７０５の先端部７０５ａが位置していても、アーク圧力によって溶融金属が押しのけられて形成された空間、即ち埋もれ空間７０６ａの存在により短絡が起きず、アークを維持することができる。これが埋もれアーク現象である。

　つまり、アーク圧力が強くなる高電流領域において、低い電圧条件でアークを発生させることにより、埋もれアークを実現することができる。具体的には、溶接電流は３００Ａ以上必要である（例えば、浅井知、「工場溶接の高効率化－重電機器溶接の事例－」、一般社団法人日本溶接協会　溶接情報センター、ＷＥ－ＣＯＭマガジン第１６号、２０１５年４月）。埋もれアークを実現することが可能な電圧値は、溶接電流、ワイヤ径、溶接ワイヤ７０５の突出し長さによって変動するが、前述のように溶接ワイヤ７０５の先端部７０５ａの位置を母材７０４又は溶融金属表面よりも低い位置まで下げられるだけの低い電圧とすることで、埋もれアークを実現することができる。

　図１９は、埋もれアークを実現する溶接電流及び電圧の条件を示すグラフである。横軸は溶接電流を示し、縦軸は溶接電圧を示している。白抜き部分は、埋もれアークを実現することができる溶接電流及び電圧を示している。図１９に示すように、溶接電流に対して溶接電圧が高いと、通常のアーク溶接、即ち非埋もれアーク溶接となり、逆に溶接電圧が低すぎると出力が足りず、アークの維持が困難となる。その中間の領域に、埋もれ空間７０６ａでアーク７０７が発生する埋もれアークとなる範囲が存在する。

　また、埋もれアークを実現する溶接条件の範囲は、前述のようにワイヤ径と、溶接ワイヤ７０５の突出し長さの影響を受ける。

　図２０は、ワイヤ径及びワイヤ突出し長さと、埋もれアークを実現する溶接電流及び電圧の条件との関係を示す概念図である。図２０に示すように、ワイヤ径が大きくなるほど、又は溶接ワイヤ７０５の突出し長さが短くなるほど、埋もれアークを実現できる溶接電流及び電圧の範囲は、符号Ａｒｃ３、Ａｅｃ２、Ａｒｃ１に示すように、この順で同じ電流に対して低い電圧領域側へシフトする。

　図２１は、ワイヤ径１．６ｍｍ、溶接ワイヤ７０５の突出し長さ２５ｍｍの場合において埋もれアークを実現する溶接電流及び電圧の条件の一例を示すグラフである。図２１の横軸は溶接電流、縦軸は溶接電圧を示している。黒丸プロットは、非埋もれアークと、埋もれアークとの境界を示している。図２１中、上側の折れ線上にある黒丸プロットは、当該黒丸プロットが示す溶接電流において、溶接電圧を上昇させると、非埋もれアークとなり、溶接電圧を減少させると、埋もれアークになる。また、下側の折れ線上にある黒丸プロットは、当該黒丸プロットが示す溶接電流において、溶接電圧を上昇させると、埋もれアークとなり、溶接電圧を減少させると、非埋もれアークになる。要するに、溶接電流に対して溶接電圧が高いと、通常のアーク溶接、即ち非埋もれアーク溶接となり、逆に溶接電圧が低すぎると出力が足りず、アークの維持が困難となる。その中間の領域に、埋もれ空間７０６ａでアーク７０７が発生する埋もれアークとなる範囲が存在する。

　以上の通り、埋もれアークを実現する溶接電流は、３００Ａ以上であって、溶接ワイヤ７０５の先端部７０５ａが溶融金属に接近した場合に、当該溶融金属を押しのけるアーク圧力を生じさせることが可能な電流値である。また、埋もれアークを実現する溶接電圧は、溶接ワイヤ７０５の先端部７０５ａの位置を母材７０４又は溶融金属表面よりも低い位置まで下げることが可能な電圧値である。
　具体的な溶接電流及び電圧は、図２１に示す溶接電流及び電圧の範囲を基準としつつ、図１９及び図２０に示す傾向を考慮して溶接電流及び電圧を適宜決定すれば良い。

＜埋もれ空間の安定化及び溶融金属の波打を抑えることが可能な溶接条件＞
　埋もれ空間７０６ａを安定化させると共に、溶融金属の波打を抑えることができるその他の好適な溶接条件を説明する。
　かかる好適な溶接条件は、例えば、溶接電流の周波数が２０Ｈｚ以上６００Ｈｚ以下、振幅が５０Ａ以上５００Ａ以下、平均電流が３００Ａ以上１０００Ａ以下である。
　また、溶接電流の周波数が４０Ｈｚ以上３８０Ｈｚ以下、振幅が１００Ａ以上５００Ａ以下、平均電流が３００Ａ以上１０００Ａ以下であっても良い。
　更に、溶接電流の周波数が６０Ｈｚ以上２８０Ｈｚ以下、振幅が１００Ａ以上５００Ａ以下、平均電流が３００Ａ以上９００Ａ以下であっても良い。
　更にまた、溶接電流の周波数が６０Ｈｚ以上１８０Ｈｚ以下、振幅が１５０Ａ以上５００Ａ以下、平均電流が３００Ａ以上８００Ａ以下であっても良い。

　以上の通り、本実施の形態７に係る溶接方法及びアーク溶接装置によれば、３００Ａ以上の大電流を用いてガスシールドアーク溶接を行う場合であっても、溶接電流Ｉｗを周期的に変動させることによって、溶融金属の波打ちを抑えることができ、ビードの乱れ及び垂れの発生を防止することができる。
　また、溶融金属の波打ちをより効果的に抑えるためには、アーク長を一定に保つ必要がある。一般的な定電流パルス溶接の場合はアーク長の自己制御作用が得られないため、一定のアーク長を保証するための何らかの制御を行う必要がある。本実施の形態７に係るアーク溶接装置は定電圧特性であり、アーク長の自己制御作用が得られるため、アーク長が一定に保たれ、溶融金属の波打ちをより効果的に抑えることができる。

　なお本実施の形態７では、溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗが大きい期間と、小さい期間とが略同一である場合を説明したが、各期間の比率を変化させても良い。当該期間の比率を変化させることによって、溶融金属の波打ちを抑えつつ、溶接ワイヤ７０５の先端部７０５ａの上下位置変動の幅を調整することができる。例えば、溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗが大きい期間の比率を大きくすることによって、溶接ワイヤ７０５の先端部７０５ａが、溶融部分７０６の底部７６１より高い位置に保持される割合が高くなる。その結果、母材７０４への入熱量を増加させ、ビード成形性を向上させることができる。

（実施の形態８）
　実施の形態８に係る溶接方法及びアーク溶接装置は、溶接電流Ｉｗ等の溶接条件が実施の形態７と異なるため、以下では主にかかる相違点について説明する。その他の構成及び作用効果は実施の形態７と同様であるため、対応する箇所には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。

　まず、埋もれアーク溶接における溶滴移行形態と、その特徴について説明する。
　図２２は、ドロップ移行、振り子移行、ローテーティング移行の各溶滴移行形態を示す図表である。図２２中、左列は溶接条件、右欄は複数の異なる溶滴移行形態を示している。中央列は、高速度カメラを用いて、各溶滴移行形態にある溶融部分７０６を０．４ｍ秒毎に撮影して得られた画像を示す模式図を示している。埋もれアーク溶接においては、複数の溶滴移行形態が存在する。複数の溶滴移行形態には、例えば図２２に示す３種類の溶滴移行形態、即ちドロップ移行、振り子移行、ローテーティング移行が含まれる。なお、ドロップ移行及びローテーティング移行は一般名称であるが、振り子移行は発明者による造語である。

　これらの溶滴移行形態は、溶接電流、ワイヤ突出し長さ、溶接ワイヤ７０５の直径、溶接ワイヤ７０５の材質、溶接ワイヤ７０５の送給速度等を含む、種々の要因による影響を受けて総合的に決定されるが、特に溶接電流の影響を強く受ける。なお、ワイヤ突き出し長さは、コンタクトチップの先端と、母材７０４との距離である。溶接電流が比較的小さい場合はドロップ移行を呈し、溶接電流の上昇に伴い溶滴移行形態は振り子移行、ローテーティング移行へと遷移する。

　ドロップ移行は、溶接ワイヤ７０５の先端部７０５ａが溶融し、溶滴が粒状に溶接ワイヤ７０５から離脱する溶滴移行形態であり、溶接ワイヤ７０５の先端部７０５ａ及び溶融部分７０６の底部７６１間にアーク７０７が発生する。つまり、ドロップ移行においては、アーク７０７は下向き、つまり溶接ワイヤ７０５の延長方向となる。
　振り子移行は、溶接ワイヤ７０５の先端部７０５ａに形成された液柱及びアーク７０７が、同一平面上を振り子状に揺動しつつ、溶接ワイヤ７０５の突き出し方向を中心軸として当該平面が全体として少しずつ回転していく特徴的な溶滴移行形態である。
　ローテーティング移行は、溶接ワイヤ７０５の先端部７０５ａ及び溶融部分７０６の側部７６２間にアーク７０７が発生し、溶接ワイヤ７０５の先端部７０５ａに形成された液柱及びアーク７０７が凹状の溶融部分７０６の側部７６２方向を向きながら回転を続ける溶滴移行形態である。

　一例として、ワイヤ突出し長さが２５ｍｍ、溶接ワイヤ７０５の直径が１．２ｍｍ、溶接ワイヤ７０５の材質がＹＧＷ１２、溶接ワイヤ７０５の送給速度が３０ｃｍ／分の条件における、溶接電流と溶滴移行形態との関係を図２３にまとめる。

　図２３は、ワイヤ径が１．２ｍｍ、ワイヤ突き出し長さが２５ｍｍのときの溶接電流と、溶接ワイヤ７０５の溶滴移行形態との関係を示す概念図である。太線矢印は溶接電流を示し、細線矢印は各溶滴移行形態となる溶接電流の範囲を示している。なお、図２３に示す溶接電流と、溶滴移行形態との関係は、上記のワイヤ径、ワイヤ突き出し長さ等の条件下におけるものであり、あくまで一例である。
　溶接電流が３００Ａ以上４５０Ａ未満の電流域の場合、ドロップ移行の溶滴移行形態が支配的となる。
　溶接電流が４５０Ａ以上５５０Ａ未満の電流域の場合、ドロップ移行及び振り子移行の溶滴移行形態が混在した状態となる。
　溶接電流が５５０Ａ以上６００Ａ未満の電流域の場合、振り子移行の溶接移行形態が支配的となる。
　溶接電流が６００Ａ以上７００Ａ未満の電流域の場合、振り子移行及びローテーティング移行の溶接移行形態が混在した状態となる。
　溶接電流が７００Ａ以上の電流域の場合、ローテーティング移行の溶滴移行形態が支配的となる。

　埋もれアーク溶接においては、溶融金属中に埋もれ空間７０６ａ、つまり凹状の溶融部分７０６で囲まれた空間が形成されるが、溶融金属は、常に埋もれ空間７０６ａが閉口し、溶接ワイヤ７０５の先端部７０５ａが埋没される方向へ流れようとする。しかし、溶接ワイヤ７０５の先端部７０５ａから溶融部分７０６の側部７６２へ照射されるアークの力によって、溶融部分７０６が支えられ、埋もれ空間７０６ａは安定した状態で保持される。埋もれ空間７０６ａをアーク７０７によって支え切れなかった場合、埋もれ空間７０６ａの開口部は狭まり、最終的には溶接ワイヤ７０５に接触して短絡を起こす。短絡すると、溶接状態が著しく不安定化する。例えば、ドロップ移行が支配的な状況では、アーク７０７によって溶融部分７０６の側部７６２を十分に支えることができず、上記短絡によって溶接が不安定化するおそれがある。
　これに対し、ローテーティング移行では、凹状の溶融部分７０６の側部７６２にアーク７０７が照射され、埋もれ空間７０６ａの開口部を支えて埋もれ空間７０６ａを安定化することができる。
　また、振り子移行でも一定間隔でアーク７０７が溶融部分７０６の側部７６２に照射されるため、ローテーティング移行と同様、埋もれ空間７０６ａを安定化させる類似の効果が得られる。ドロップ移行ではアーク７０７は下向き、つまり溶融部分７０６の底部７６１に照射されるため、上記の安定化効果は得られない。
　一方、ローテーティング移行では埋もれ空間７０６ａを安定化することができるものの、アーク７０７が埋もれ空間７０６ａの底部７６１に照射されないため、溶接電流の出力に対する母材７０４の溶込みが比較的浅くなる傾向にある。これに対してドロップ移行においては、アーク７０７が溶融部分７０６の底部７６１に照射されるため、溶接電流の単位出力あたりの溶込みは比較的深くなる。振り子移行でも一定間隔で溶融部分７０６の底部７６１にアーク７０７が照射されるため、ドロップ移行と同様、比較的深い溶け込みが得られる。

　以上を考慮すると、ドロップ移行とローテーティング移行では規則的な溶滴移行を呈するが、埋もれ空間７０６ａの安定化と深い溶け込みを両立することはできないことが分かる。また、振り子移行においては、埋もれ空間７０６ａの安定化と深い溶け込みを両立できると考えられるが、液柱及びアーク７０７が変則的な挙動をとることから、必ずしも常に安定した溶接を実現することができない。
　すなわち、３つの溶液移行形態のいずれを用いても、単独の溶滴移行形態のみでは、埋もれ空間７０６ａの安定化と深い溶込みの両立を実現することはできない。また、前述のように溶滴移行形態は溶接電流の電流域によって変化するため、特定の溶滴移行形態のみを汎用的に利用するのは困難である。

　次に、以上の事情を踏まえた実施の形態８に係る溶接方法について説明する。本発明の実施の形態８においては、これら３つの溶滴移行形態を複合的に用いることにより、埋もれ空間７０６ａの安定化と深い溶込みの両立を実現する。

　例えば、溶接電流の大きさを周期的に変動させる際、小電流期間における溶接電流Ｉｗを、ドロップ移行を呈する電流域とし、大電流期間における溶接電流Ｉｗを振り子移行又はローテーティング移行を呈する電流域とすることで、ドロップ移行と、振り子移行又はローテーティング移行とを周期的に繰り返すことが可能となる。大電流期間において溶滴移行形態が振り子移行あるいはローテーティング移行になると、アーク７０７が凹状の溶融部分７０６の側部７６２に照射され、埋もれ空間７０６ａを安定化することが可能となる。一方、小電流期間において溶滴移行形態がドロップ移行になると、アーク７０７は凹状の溶融部分７０６の底部７６１に照射され、深い溶け込みが得られる。これらを周期的に繰り返すことで、埋もれ空間７０６ａの安定化と深い溶込みを両立することが可能となる。

　なお、小電流期間における溶接電流Ｉｗをドロップ移行の電流域、大電流期間における溶接電流Ｉｗを振り子移行又はローテーティング移行の電流域として説明したが、小電流期間及び大電流期間における溶接電流Ｉｗの電流域はこれに限定されるものでは無い。
　具体的には、３００Ａ以上４５０Ａ未満の電流域、４５０Ａ以上５５０Ａ未満の電流域、５５０Ａ以上６００Ａ未満の電流域、６００Ａ以上７００Ａ未満の電流域、及び７００Ａ以上の電流域の内、少なくともいずれか二つの電流域間で周期的に変動させ、アーク７０７が溶融部分７０６の底部７６１及び側部７６２に照射されるように、溶接電流を周期的に変動させると良い。溶接電流の変動周期は１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下の範囲、好ましくは５０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下の範囲で設定すると良い。溶接ワイヤ７０５の直径は０．９ｍｍ以上１．６ｍｍ以下、溶接ワイヤ７０５の送給速度は３０ｍ／分以上に設定すると良い。溶接ワイヤ７０５の送給速度は３０ｍ／分、５０ｍ／分、６０ｍ／分等、一定の送給速度であっても良いし、溶接電流の大きさに応じて、変動させても良い。

　例えば、アーク溶接装置は、小電流期間における溶接電流Ｉｗが３００Ａ以上４５０Ａ未満の電流域、大電流期間における溶接電流Ｉｗが５５０Ａ以上６００Ａ未満の電流域となるように、溶接電流を周期的に変動させると良い。この場合、ドロップ移行及び振り子移行の溶滴移行形態が周期的に切り替えられ、溶接ワイヤ７０５の先端部７０５ａ及び溶融部分７０６の底部７６１間にアーク７０７が発生する第１状態と、先端部７０５ａ及び溶融部分７０６の側部７６２間にアーク７０７が発生する第２状態とが周期的に繰り返される。

　また、アーク溶接装置は、小電流期間における溶接電流Ｉｗが３００Ａ以上４５０Ａ未満の電流域、大電流期間における溶接電流Ｉｗが７００Ａ以上の電流域となるように、溶接電流を周期的に変動させると良い。この場合、ドロップ移行及びローテーティング移行の溶滴移行形態が周期的に切り替えられ、溶接ワイヤ７０５の先端部７０５ａ及び溶融部分７０６の底部７６１間にアーク７０７が発生する第１状態と、先端部７０５ａ及び溶融部分７０６の側部７６２間にアーク７０７が発生する第２状態とが周期的に繰り返される。

　更に、アーク溶接装置は、小電流期間における溶接電流Ｉｗが５５０Ａ以上６００Ａ未満の電流域、大電流期間における溶接電流Ｉｗが７００Ａ以上の電流域となるように、溶接電流を周期的に変動させると良い。この場合、振り子移行及びローテーティング移行の溶滴移行形態が周期的に切り替えられ、溶接ワイヤ７０５の先端部７０５ａ及び溶融部分７０６の底部７６１間にアーク７０７が発生する第１状態と、先端部７０５ａ及び溶融部分７０６の側部７６２間にアーク７０７が発生する第２状態とが周期的に繰り返される。

　更にまた、２つの溶滴移行形態が混在する電流領域を用いて、溶接電流を周期的に変動させても良い。
　例えば、アーク溶接装置は、小電流期間における溶接電流Ｉｗが４５０Ａ以上５５０Ａ未満の電流域、大電流期間における溶接電流Ｉｗが７００Ａ以上の電流域となるように、溶接電流を周期的に変動させても良い。この場合、ドロップ移行及び振り子移行が混在した状態と、ローテーティング移行とが周期的に切り替えられる。
　また、アーク溶接装置は、小電流期間における溶接電流Ｉｗが３００Ａ以上４５０Ａ未満の電流域、大電流期間における溶接電流Ｉｗが６００Ａ以上７００Ａ未満の電流域となるように、溶接電流を周期的に変動させても良い。この場合、ドロップ移行と、振り子移行及びローテーティング移行が混在した状態とが周期的に切り替えられる。

　なお上述の溶接条件は、一例であり、溶接ワイヤ７０５の材質、ワイヤ系、突出し長さ、溶接ワイヤ７０５の送給速度は、溶接電流の範囲は、上記の数値範囲に限定されるものでは無い。以下、埋もれアークにおけるドロップ移行、振り子移行、ローテーティング移行の溶滴移行形態の相互遷移を可能する各種条件について説明する。

　溶接ワイヤ７０５の材質は、ＹＧＷ１２以外にも、ＹＧＷ１１、ＹＧＷ１５、ＹＧＷ１７、ＹＧＷ１８、ＹＧＷ１９等、ソリッドワイヤを用いることができる。ただし、フラックスコアードワイヤやメタルコアードワイヤ、その他の新規のワイヤを溶接ワイヤ７０５として適用しても良い。

　溶接ワイヤ７０５の突出し長さは、１０ｍｍ以上３５ｍｍ以下が好ましい。突出し長さが長くなるほど溶込みは浅くなるため、長くても３５ｍｍに留めておくのが良い。一方、突出し長さが短くなるとチップ先端が溶融池に近づき、チップ消耗が激しくなる。大電流溶接のため、特にその傾向が顕著であり、１０ｍｍを下回ると頻繁なチップ交換が必要となる。
　更に、溶接ワイヤ７０５の突出し長さは移行形態の遷移電流に影響する（図２４参照）。そのバランスの観点からも、突出し長さには適正範囲が存在し、１０～３５ｍｍ程度が適正である。

　ワイヤ径は、例えば０．９ｍｍ以上１．６ｍｍ以下が好ましい。ワイヤ径は、溶接条件を適切に変更することにより、基本的にはどのようなワイヤ径にも対応することができ、特に限定されるものでは無いが、一般流通性を考慮すると、０．９ｍｍ～１．６ｍｍ程度が現実的である。また、ワイヤ径は溶滴移行形態の遷移電流に影響を及ぼす（図２４参照）。この観点からも、極端に太い溶接ワイヤ７０５や細い溶接ワイヤ７０５を使用すると、溶滴移行形態の遷移領域が大きく広がり、任意の溶滴移行形態を利用することが困難となる。したがって、０．９～１．６ｍｍ程度が適正である。

　溶接ワイヤ７０５の送給速度は、溶接電流と相関するため、溶接電流に応じて、埋もれ空間７０６ａが形成されるように適宜決定すれば良い。

　図２４は、ワイヤ径及びワイヤ突出し長さと、溶接ワイヤ７０５の溶滴移行形態との関係を示す概念図である。横軸は溶接電流、縦軸は、溶接ワイヤ７０５の突出し長さの長短及びワイヤ系の大小を示している。溶滴移行形態の遷移電流は、ワイヤ径および突出し長さの影響を強く受ける。図２４は、溶接ワイヤ７０５の突き出し長さ及びワイヤ径が、溶滴移行形態の遷移電流に与える影響を示したものである。図２４に示すように、ワイヤ径が大きいほど、又は突出し長さが短いほど、遷移電流が全体的に高電流域側にシフトする。これは溶接ワイヤ７０５の抵抗発熱の差に起因しており、ワイヤ径が大きくなる、あるいは突出し長さが短くなるとワイヤの抵抗が減少し、抵抗発熱による溶接ワイヤ７０５への入熱量が減少する。そのため、同じ溶滴移行現象を再現するためには、その分溶接電流を上げて入熱を増やす必要があるため、遷移電流が全体的に高電流側にシフトするのである。

　一例として、ワイヤ径が変化したときの遷移電流の変化を具体的に示す。
　図２５は、ワイヤ径が１．４ｍｍ、ワイヤ突き出し長さが２５ｍｍのときの溶接電流と、溶接ワイヤ７０５の溶滴移行形態との関係を示す概念図である。図２５は、図２２と同様、ワイヤ突出し長さが２５ｍｍ、溶接ワイヤ７０５の直径が１．４ｍｍ、溶接ワイヤ７０５の材質がＹＧＷ１２、溶接ワイヤ７０５の送給速度が３０ｃｍ／分の条件における、溶接電流と溶滴移行形態との関係を示したものであり、溶接条件はワイヤ径のみが異なる。ワイヤ径が１．２ｍｍの場合と、１．４ｍｍの場合を比較すると、図２２及び図２５に示すように、溶滴移行形態の遷移電流は全体的に高電流側へ遷移する。

　以上の通り、溶接ワイヤ７０５のワイヤ径及び突出し長さは、図２３又は図２５を基準にして、図２４に示す傾向を考慮して、適宜決定することができる。

　上記溶接方法を実施する溶接電源７０１は、上記溶接方法で説明した溶接電流、溶接電流の周波数、溶接ワイヤ７０５の送給速度を設定する。なお、溶接電源７０１は、当該溶接条件を操作部にて受け付けて記憶しても良いし、予め記憶しておいても良い。溶接電源７０１は、設定された溶接条件に基づいて、溶接ワイヤ７０５の送給を制御し、溶接電流を周期的に変動させる。

　以上の通り、本実施の形態８に係る溶接方法及びアーク溶接装置にあっては、溶接電流を上記の条件で変動させた場合、ドロップ移行、振り子移行及びローテーティング移行、並びにこれらが混在した二つの状態間で周期的に変動し、溶融金属の波打ちを抑えることができ、埋もれ空間７０６ａの安定化と深い溶け込みを実現することができる。

　なお、アーク７０７が溶融部分７０６の側部７６２に照射されるのは必ずしも大電流期間でなくてもよい。高い周波数で電流期間が切り替わると、溶滴移行形態は過渡的に遷移するため、例えば本来の定常状態では振り子移行又はローテーティング移行となる電流域、即ち大電流期間の間であっても、必ずしも溶滴移行形態が振り子移行又はローテーティング移行へ遷移せず、その後、小電流期間になってから、やや遅れて振り子移行又はローテーティング移行を呈する場合がある。
　同様に、大電流期間であっても、ドロップ移行を呈し、又はアーク７０７が溶融部分７０６の底部７６１に照射される場合がある。

　また、小電流期間は必ずしも定常的にドロップ移行を呈する電流域でなくてもよいし、大電流期間は必ずしも定常的に振り子移行又はローテーティング移行を呈する電流域でなくてもよい。溶滴移行形態の遷移は過渡的であるため、定常的に該当の溶滴移行形態を呈する電流域でなくても、一時的又は過渡的には異なる溶滴移行形態をとる場合がある。

　更に、大電流期間及び小電流期間は、溶接電流が一定の電流値に保持された状態にある必要は無く、周期的に変動する溶接電流の電流波形は矩形波等、特定の波形に限定されるものでは無い。例えば、溶接電流の電流波形は三角波であっても良い。大電流期間は、平均的に溶接電流が大きい期間、小電流期間は平均的に溶接電流が小さい期間である。

　更にまた、実施の形態８では、溶接電流の電流域を周期的に変動させることによって、溶滴移行形態を変動させる例を説明したが、溶接電流の変動に上記の溶滴移行形態の遷移が伴わない場合であっても、アーク７０７の力は大電流期間と小電流期間で周期的に変動し、溶融部分７０６に一定の微細な、比較的大きい周波数の振動が付与される。これにより、比較的小さい周波数、あるいは突発的に生じる、埋もれ空間７０６ａの大きな搖動が抑制されるため、これだけでも埋もれ空間７０６ａの安定化に一定の効果を奏する。従って、必ずしも上記の溶滴移行形態の遷移を伴わなくても、本発明によりある程度の埋もれ空間７０６ａの安定化を実現できる。

　今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、請求の範囲によって規定され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　なお、上記実施形態１～８の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。また、実施形態１～６に記載の溶接方法を、実施形態７で説明した溶接装置にて実施しても良い。

　本発明の溶接方法は、作業効率の向上が求められる溶接に、特に有利に適用され得る。

　１１　アーク
　１２　溶融領域
　１５　溶接ワイヤ
　１５Ａ　先端
　１７　コンタクトチップ
　１８　ノズル
　１９　トーチ
　２９　ワイヤ送給装置
　３０　電源
　３４　配線
　５０　第１母材
　５１　第１端面
　５２，５３　主表面
　６０　第２母材
　６１　第２端面
　６２，６３　主表面
　６４　配線
　７０　開先
　１００　溶接装置
　７０１　溶接電源
　７０２　トーチ
　７０３　ワイヤ送給部
　７０４　母材
　７０５　溶接ワイヤ
　７０５ａ　先端部
　７０６　溶融部分
　７０６ａ　埋もれ空間
　７０６１　底部
　７６２　側部
　７０７　アーク
　７１１　電源部
　７１１ａ　電源回路
　７１１ｂ　出力電圧設定回路
　７１１ｃ　周波数設定回路
　７１１ｄ　電流振幅設定回路
　７１１ｅ　平均電流設定回路
　７１１ｆ　電圧検出部
　７１１ｇ　電流検出部
　７１１ｈ　比較回路
　７１２　送給速度制御部
　７４１　第１母材
　７４２　第２母材
　Ｖｗ　溶接電圧
　Ｉｗ　溶接電流
　Ｅｃｒ　出力電圧設定信号
　Ｅｄ　電圧値信号
　Ｉｄ　電流値信号
　Ｅｖ　差分信号

Claims

　第１母材および第２母材を準備する工程と、
　前記第１母材の第１端面と前記第２母材の第２端面とが対向するように、前記第１母材および前記第２母材を配置する工程と、
　前記第１端面と前記第２端面とが接合されるように前記第１母材と前記第２母材とをＧＭＡ溶接により溶接する工程と、を備え、
　前記第１母材と前記第２母材とを溶接する工程では、溶接ワイヤと前記第１母材および前記第２母材との間にアークが形成され、前記アークの熱により前記第１母材および前記第２母材に溶融領域が形成されることで前記第１母材と前記第２母材とが溶接され、
　前記第１母材と前記第２母材とを溶接する工程では、前記溶接ワイヤが前記溶融領域に取り囲まれる領域にまで侵入した状態で前記アークが形成されることで、前記溶融領域が前記第１母材および前記第２母材を厚み方向に貫通するように形成される溶接方法。
　前記第１母材と前記第２母材とを溶接する工程では、前記溶接ワイヤが前記溶融領域に取り囲まれる領域にまで侵入した状態で、前記溶接ワイヤの先端の位置が前記第１母材および前記第２母材の厚み方向において第１の深さと前記第１の深さよりも深い第２の深さとの間を往復しつつ前記アークが形成されることで、前記溶融領域が前記第１母材および前記第２母材を厚み方向に貫通するように形成される
　請求項１に記載の溶接方法。
前記第１母材と前記第２母材とを溶接する工程では、前記溶接ワイヤが前記第１の深さまで侵入し、前記溶接ワイヤが溶融して形成される溶摘の前記溶融領域への移行形態がローテーティング移行の状態と、前記溶接ワイヤが前記第２の深さまで侵入し、前記移行形態がローテーティング移行以外の状態とが繰り返される
　請求項２に記載の溶接方法。
　前記第１母材と前記第２母材とを溶接する工程では、前記溶接ワイヤが前記溶融領域に取り囲まれる領域にまで侵入した状態と、前記溶融領域に取り囲まれる領域から離脱した状態とが繰り返されつつ前記アークが形成されることで、前記溶融領域が前記第１母材および前記第２母材を厚み方向に貫通するように形成される
　請求項１に記載の溶接方法。
　前記第１母材と前記第２母材とをＧＭＡ溶接により溶接する工程では、前記第１端面および前記第２端面に垂直な方向における前記溶融領域の幅に対する前記第１母材および前記第２母材の厚みが１．３以下となるように、前記第１母材と前記第２母材とが溶接される
　請求項４に記載の溶接方法。
　前記第１母材と前記第２母材とを溶接する工程において、前記溶接ワイヤの送給速度が増減することにより、前記溶接ワイヤが前記溶融領域に取り囲まれる領域にまで侵入した状態と、前記溶融領域に取り囲まれる領域から離脱した状態とが繰り返される
　請求項４又は５に記載の溶接方法。
　前記第１母材と前記第２母材とを溶接する工程において、前記溶接ワイヤの送給速度は３０ｍ／分以上である
　請求項１～請求項６までのいずれか一項に記載の溶接方法。
　前記第１母材および前記第２母材を準備する工程では、厚みが９ｍｍ以上３０ｍｍ以下の前記第１母材および前記第２母材が準備される
　請求項１～請求項７までのいずれか一項に記載の溶接方法。
　前記第１母材と前記第２母材とを溶接する工程では、開先の形成されていない前記第１母材と前記第２母材とが溶接される
　請求項１～８までのいずれか一項に記載の溶接方法。
　前記第１母材と前記第２母材とを溶接する工程では、１００Ａの電流増加に対する電圧低下が４Ｖ以上２０Ｖ以下の状態で前記第１母材と前記第２母材とが溶接される
　請求項１～９までのいずれか一項に記載の溶接方法。
　前記電圧低下は５Ｖ以上である
　請求項１０に記載の溶接方法。
　前記電圧低下は１５Ｖ以下である
　請求項１０又は請求項１１に記載の溶接方法。
　前記溶接ワイヤはソリッドワイヤである
　請求項１～１２までのいずれか一項に記載の溶接方法。
前記溶接ワイヤの直径は０．９ｍｍ以上１．６ｍｍ以下である
　請求項１～１３までのいずれか一項に記載の溶接方法。
　母材の被溶接部に溶接ワイヤを送給すると共に、該溶接ワイヤに溶接電流を供給することによって、前記溶接ワイヤの先端部及び被溶接部間にアークを発生させ、前記母材を溶接する消耗電極式の溶接方法であって、
　前記先端部及び被溶接部間に発生したアークによって前記母材に形成された凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記先端部が進入する速度で、前記溶接ワイヤを送給し、
　前記溶接電流の周波数が１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下、平均電流が３００Ａ以上、電流振幅が５０Ａ以上になるように、該溶接電流を変動させる
　溶接方法。
　母材の被溶接部に溶接ワイヤを送給すると共に、該溶接ワイヤに溶接電流を供給することによって、前記溶接ワイヤの先端部及び被溶接部間にアークを発生させ、前記母材を溶接する消耗電極式の溶接方法であって、
　前記先端部及び被溶接部間に発生したアークによって前記母材に形成された凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記先端部が進入する速度で、前記溶接ワイヤを送給し、
　前記溶接電流を周期的に変動させることにより、前記先端部及び前記溶融部分の底部間にアークが発生する第１状態と、前記先端部及び前記溶融部分の側部間にアークが発生する第２状態とを周期的に変動させる
　溶接方法。
　前記第１状態及び前記第２状態を１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下の周波数で変動させる
　請求項１６に記載の溶接方法。
　前記第１状態はドロップ移行の溶滴移行形態を含み、
　前記第２状態は、前記溶接ワイヤの前記先端部に形成される液柱及びアークが振り子状に揺動する溶滴移行形態を含む
　請求項１６又は請求項１７に記載の溶接方法。
　前記第１状態はドロップ移行の溶滴移行形態を含み、
　前記第２状態はローテーティング移行の溶滴移行形態を含む
　請求項１６又は請求項１７に記載の溶接方法。
　前記第１状態は、前記溶接ワイヤの前記先端部に形成される液柱及びアークが振り子状に揺動する溶滴移行形態を含み、
　前記第２状態はローテーティング移行の溶滴移行形態を含む
　請求項１６又は請求項１７に記載の溶接方法。
　前記溶接電流の周波数が１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下、平均電流が３００Ａ以上、電流振幅が５０Ａ以上になるように、該溶接電流を変動させる
　請求項１６～請求項２０までのいずれか一項に記載の溶接方法。
　前記溶接電流の周波数が５０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下、平均電流が３００Ａ以上１０００Ａ以下、電流振幅が１００Ａ以上５００Ａ以下である
　請求項１５又は請求項２１に記載の溶接方法。
　母材の被溶接部に溶接ワイヤを送給するワイヤ送給部と、該溶接ワイヤに溶接電流を供給する電源部とを備え、前記溶接ワイヤに溶接電流を供給することによって、前記溶接ワイヤの先端部及び被溶接部間にアークを発生させ、前記母材を溶接する消耗電極式のアーク溶接装置であって、
　前記ワイヤ送給部は、
　前記先端部及び被溶接部間に発生したアークによって前記母材に形成された凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記先端部が進入する速度で、前記溶接ワイヤを送給し、
　前記電源部は、
　前記溶接電流の周波数が１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下、平均電流が３００Ａ以上、電流振幅が５０Ａ以上になるように、該溶接電流を変動させる
　アーク溶接装置。
　母材の被溶接部に溶接ワイヤを送給するワイヤ送給部と、該溶接ワイヤに溶接電流を供給する電源部とを備え、前記溶接ワイヤに溶接電流を供給することによって、前記溶接ワイヤの先端部及び被溶接部間にアークを発生させ、前記母材を溶接する消耗電極式のアーク溶接装置であって、
　前記ワイヤ送給部は、
　前記先端部及び被溶接部間に発生したアークによって前記母材に形成された凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記先端部が進入する速度で、前記溶接ワイヤを送給し、
　前記電源部は、
　前記溶接電流を周期的に変動させることにより、前記先端部及び前記溶融部分の底部間にアークが発生する第１状態と、前記先端部及び前記溶融部分の側部間にアークが発生する第２状態とを周期的に変動させる
　アーク溶接装置。