JP6959941B2 - アーク溶接方法及びアーク溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、消耗電極式のアーク溶接方法及びアーク溶接装置に関する。

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１）。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２００７−２２９７７５号公報

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。

また、本願発明者等は、埋もれアーク溶接において、溶接電流を周期的に変動させることにより、埋もれ空間を安定的に維持することができることを見出した。通常、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る。溶接ワイヤの先端部が閉口した溶融部分に接触して短絡すると、溶接が著しく不安定化する。しかし、溶接電流を周期的に変動させると、埋もれ空間に進入した溶接ワイヤの先端部の位置が電流変動１周期の中で上下移動する。ワイヤ先端位置が高い状態においては、アークが溶融部分の側部に照射され、当該アークの力によって溶融部分の閉口が抑制される。このように、溶接電流を周期的に変動させることにより、埋もれ状態を安定化させ、維持することができる。

しかしながら上記方法では、埋もれ空間におけるワイヤ先端位置が低い状態から高い状態までの状態遷移を一回の溶滴移行で実現することになるため、短期間で急速に溶接ワイヤ５を溶融させる必要があり、溶接ワイヤの先端部に長い液柱が形成される。この長い液柱が電磁気力や重力，アーク力等の力を受けて大きく動き回り、更に場合によっては溶融部分の側部と短絡する等、著しく不安定な挙動をとる。不安定化した液柱は、その一部あるいは全体が埋もれ空間の外部へ吹き飛ばされ、これが大粒のスパッタ粒子となる。

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行う埋もれアーク溶接において、埋もれ空間を安定的に維持しつつ、スパッタの発生を抑制することができ、安定した溶接を可能にするアーク溶接方法及びアーク溶接装置を提供することにある。

本発明に係るアーク溶接方法は、母材の被溶接部に溶接ワイヤを送給すると共に、該溶接ワイヤに平均電流３００Ａ以上の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、前記溶接電流の平均値が小さく、前記先端部から前記溶融部分の底部へ溶滴移行する小電流期間と、前記溶接電流の平均値が大きく、前記先端部から前記溶融部分の側部へ溶滴移行する大電流期間とを周期的に変動させ、更に、前記大電流期間における前記溶接電流を、前記先端部から前記側部への溶滴移行が各大電流期間で複数回行われるように制御する。

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、溶接ワイヤの先端部と、溶融部分の底部及び側部との間にアークが発生する。
小電流期間においては、溶接ワイヤの先端部と、溶融部分の底部との間にアークが発生し、溶融部分の底部へ照射されるアークによって、深い溶込みが得られる。
大電流期間においては、溶接ワイヤの先端部と、溶融部分の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、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。
更に、ワイヤ先端位置が上下する埋もれアーク溶接において、ワイヤ先端位置が低い状態から高い状態へ遷移する過程で溶滴移行を複数回に分けて行うことにより、一回の溶滴移行で形成される液柱の長さを短く制限することができ、スパッタの発生を抑制することができる。
以上の通り、本発明によれば、埋もれアーク溶接において、埋もれ空間を安定的に維持しつつ、スパッタの発生を抑制することができる。

本発明に係るアーク溶接方法は、前記大電流期間でパルス状の大電流を複数回供給する。

本発明にあっては、ワイヤ先端位置が低い状態から高い状態へ遷移する過程において、パルス状の大電流が供給される都度、少しずつ溶接ワイヤの溶滴移行が行われる。従って、埋もれアーク溶接における溶滴移行で形成される液柱の長さを短く制限することができ、スパッタの発生を抑制することができる。

本発明に係るアーク溶接方法は、前記大電流期間は前記小電流期間よりも長く、該大電流期間における前記溶接電流は一定である。

本発明にあっては、長い大電流期間を設け、当該大電流期間に一定の溶接電流を供給する。このため、ワイヤ先端位置が低い状態から高い状態へ遷移する過程において少しずつ溶接ワイヤの溶滴移行が行われる。従って、埋もれアーク溶接における溶滴移行で形成される液柱の長さを短く制限することができ、スパッタの発生を抑制することができる。

本発明に係るアーク溶接方法は、前記大電流期間で前記溶接電流を段階的に増大させる。

本発明にあっては、大電流期間で溶接電流を段階的に増大させることにより、ワイヤ先端位置が低い状態から高い状態へ遷移する過程において、溶接ワイヤの急激な溶融が抑えられ、少しずつ溶接ワイヤの溶滴移行が行われる。従って、埋もれアーク溶接における溶滴移行で形成される液柱の長さを短く制限することができ、スパッタの発生を抑制することができる。

本発明に係るアーク溶接方法は、前記大電流期間で最大の溶接電流が供給される段階の前段階における前記溶接電流と、前記小電流期間における前記溶接電流との電流差は、前記前段階における前記溶接電流と、前記最大の溶接電流との電流差よりも大きい。

本発明にあっては、溶接ワイヤの先端部が埋もれ空間に深く侵入している段階で、比較的大きな溶接電流を供給することにより、溶滴移行を大方完了させる。溶接ワイヤの先端部の位置が低い状態、つまり溶接ワイヤの先端部が埋もれ空間に深く侵入している状態においては、溶接ワイヤの液柱が長く成長し、溶滴移行が行われても、埋もれ空間からスパッタ粒子が飛び出す可能性は低い。そして、溶接ワイヤの先端部の位置が高い状態、つまり埋もれ空間への溶接ワイヤの侵入が浅い状態になった最終段階で最大の溶接電流を供給することにより、少量の溶滴移行が行われる。従って、埋もれアーク溶接における溶滴移行で形成される液柱の長さを短く制限することができ、スパッタの発生を抑制することができる。

本発明に係るアーク溶接方法は、前記大電流期間及び前記小電流期間を１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下の周期で変動させる。

本発明の埋もれアーク溶接においては、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おそれがある。
しかし、前記周波数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期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、前記溶接ワイヤに平均電流３００Ａ以上の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、前記溶接電流の平均値が小さく、前記先端部から前記溶融部分の底部へ溶滴移行する小電流期間と、前記溶接電流の平均値が大きく、前記先端部から前記溶融部分の側部へ溶滴移行する大電流期間とを周期的に変動させ、かつ、前記大電流期間における前記溶接電流を、前記先端部から前記側部への溶滴移行が各大電流期間で複数回行われるように制御する。

本発明にあっては、上記アーク溶接方法で説明した通り、埋もれアーク溶接において、埋もれ空間を安定的に維持しつつ、スパッタの発生を抑制することができる。

本発明によれば、３００Ａ以上の大電流を用いて行う埋もれアーク溶接において、埋もれ空間を安定的に維持しつつ、スパッタの発生を抑制することができ、安定した溶接が可能になる。

本実施形態１に係るアーク溶接装置の一構成を示す模式図である。 本実施形態１に係るアーク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。 溶接電流を周期的に変動させることによる溶滴移行の様子を示す模式図である。 本実施形態１に係る溶接電流の変動を示すグラフである。 比較例に係る溶接電流の変動を示すグラフである。 本実施形態２に係る溶接電流の変動を示すグラフである。 本実施形態３に係る溶接電流の変動を示すグラフである。 本実施形態３の実施例に係る溶接電流値を示すグラフである。 本実施形態４に係る溶接電流の変動を示すグラフである。

以下、本発明をその実施形態を示す図面に基づいて詳述する。
（実施形態１）
図１は、本実施形態１に係るアーク溶接装置の一構成を示す模式図である。本実施形態１に係るアーク溶接装置は、板厚が９〜３０ｍｍの母材４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る。特に本実施形態１に係るアーク溶接装置は、溶接電流Ｉｗの制御によって、埋もれ空間６ａ（図４参照）に進入した溶接ワイヤ５の先端部５ａの位置を上下させ、溶接ワイヤ５の先端部５ａの位置が低い状態から高い状態へ遷移させる過程で複数回に分けて溶滴移行を行うことにより、埋もれ空間６ａを安定的に維持しつつ、スパッタの発生を抑制することを可能にするものである。
本実施形態１に係るアーク溶接装置は、溶接電源１、トーチ２及びワイヤ送給部３を備える。

トーチ２は、銅合金等の導電性材料からなり、母材４の被溶接部へ溶接ワイヤ５を案内すると共に、アーク７（図４参照）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５に接触し、溶接電流Ｉｗを溶接ワイヤ５に供給する。また、トーチ２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７によって溶融した母材４及び溶接ワイヤ５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５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５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３は、溶接ワイヤ５をトーチ２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３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５を引き出し、引き出された溶接ワイヤ５をトーチ２へ供給する。なお、かかる溶接ワイヤ５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１は、給電ケーブルを介して、トーチ２のコンタクトチップ及び母材４に接続され、溶接電流Ｉｗを供給する電源部１１と、溶接ワイヤ５の送給速度を制御する送給速度制御部１２とを備える。なお、電源部１１及び送給速度制御部１２を別体で構成しても良い。電源部１１は、ＰＷＭ制御された直流電流を出力する電源回路１１ａ、出力電圧設定回路１１ｂ、周波数設定回路１１ｃ、電流振幅設定回路１１ｄ、平均電流設定回路１１ｅ、電圧検出部１１ｆ、電流検出部１１ｇ及び比較回路１１ｈを備える。

電圧検出部１１ｆ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１１ｈへ出力する。

電流検出部１１ｇは、例えば、溶接電源１からトーチ２を介して溶接ワイヤ５へ供給され、アーク７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１１ｂへ出力する。

周波数設定回路１１ｃは、母材４及び溶接ワイヤ５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１１ｂへ出力する。本実施形態１に係るアーク溶接方法を実施する場合、周波数設定回路１１ｃ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１１ｄ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１１ｂへ出力する。振幅は、変動する溶接電流Ｉｗの最小電流値と、最大電流値との電流差である。本実施形態１に係るアーク溶接方法を実施する場合、電流振幅設定回路１１ｄ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１１ｅ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１１ｂ及び送給速度制御部１２へ出力する。本実施形態１に係るアーク溶接方法を実施する場合、平均電流設定回路１１ｅ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１１ｂ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１１ｈへ出力する。

比較回路１１ｈは、電圧検出部１１ｆから出力された電圧値信号Ｅｄと、出力電圧設定回路１１ｂ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１１ａへ出力する。

電源回路１１ａ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１１ａは、比較回路１１ｈ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５へ出力する。その結果、母材４及び溶接ワイヤ５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１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１１は、出力指示信号をトリガにして、電源回路１１ａ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１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２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２側から溶接電源１へ出力される。

図２は、本実施形態１に係るアーク溶接方法の手順を示すフローチャート、図３は、溶接対象の母材４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４をアーク溶接装置に配置し、溶接電源１の各種設定を行う（ステップＳ１１）。具体的には、図３に示すように板状の第１母材４１及び第２母材４２を用意し、被溶接部である端面４１ａ、４２ａを突き合わせて、所定の溶接作業位置に配する。第１及び第２母材４１、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１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１が、本実施形態１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１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１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Ｓ１２）。具体的には、溶接電源１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Ｓ１２：ＮＯ）、溶接電源１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Ｓ１２：ＹＥＳ）、溶接電源１の送給速度制御部１２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３へ出力し、所定速度で溶接ワイヤ５を送給させる（ステップＳ１３）。溶接ワイヤ５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１２は、平均電流設定回路１１ｅ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５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１の電源部１１は、電圧検出部１１ｆ及び電流検出部１１ｇにて溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを検出し（ステップＳ１４）、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、ＰＷＭ制御する（ステップＳ１５）。

次いで、溶接電源１の電源部１１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Ｓ１６）。具体的には、溶接電源１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Ｓ１６：ＮＯ）、電源部１１は、処理をステップＳ１３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Ｓ１６：ＹＥＳ）、電源部１１は、処理をステップＳ１２へ戻す。

以下、溶接電流Ｉｗの周期的変動と溶滴移行の概要を説明する。
本実施形態１に係るアーク溶接方法においては、電源部１１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。
好ましくは、電源部１１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。

図４は、溶接電流Ｉｗを周期的に変動させることによる溶滴移行の様子を示す模式図である。上記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５の先端部５ａ及び被溶接部間に発生したアーク７の熱によって溶融した母材４及び溶接ワイヤ５の溶融金属からなる凹状の溶融部分６が母材４に形成される。そして、アーク７の様子を高速度カメラで撮影したところ、図４左図に示すように、溶接ワイヤ５の先端部５ａ及び溶融部分６の底部６１間にアーク７が発生する第１状態と、先端部５ａ及び溶融部分６の側部６２間にアーク７が発生する第２状態とが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５の先端部５ａから溶融部分６の底部６１へアーク７が飛ぶ第１状態と、溶接ワイヤ５の先端部５ａから溶融部分６の側部６２へアーク７が飛ぶ第２状態とを繰り返す。溶接電流Ｉｗの平均値が小さい小電流期間においては第１状態、溶接電流Ｉｗの平均値が大きい大電流期間においては第２状態となる。第１状態は、溶接ワイヤ５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５の溶滴移行形態がローテーティング移行又は振り子移行の状態である。
ドロップ移行は、溶接ワイヤ５の先端部５ａから溶融部分６の底部６１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５の先端部５ａから溶融部分６の側部６２へ溶滴移行する形態の一例である。また、振り子移行は、溶接ワイヤ５の先端部５ａに形成された液柱及びアーク７が、同一平面上を振り子状に揺動しつつ、溶接ワイヤ５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。
溶融金属は、埋もれ空間６ａが閉口し、溶接ワイヤ５の先端部５ａ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６の側部６２にアーク７が飛び、溶融部分６の溶融金属は溶接ワイヤ５から離隔する方向へ押し返され、埋もれ空間６ａは凹状の状態で安定化する。なお、図４右図では、大電流によって溶融した溶接ワイヤ５の先端部５ａの溶滴が移行した結果、溶接ワイヤ５の先端部５ａが短くなっている。
このような第１状態及び第２状態を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期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。

次に、溶接電流Ｉｗの制御と溶滴移行の詳細を説明する。
図５は、本実施形態１に係る溶接電流Ｉｗの変動を示すグラフである。グラフの横軸は時間を示し、縦軸は溶接電流Ｉｗを示している。また、グラフの上部に、溶接電流Ｉｗの変化に伴う溶滴移行の様子が模式的に図示されている。各模式図は、破線の丸印で示された溶接電流Ｉｗが供給されているときの溶接ワイヤ５及び溶滴移行の状態を示している。以下の図６、図７、図８、図１０における模式図も同様にして、溶接ワイヤ５及び溶滴移行の状態を示している。

本実施形態１においては、電源部１１は、大電流期間における溶接電流Ｉｗを、溶接ワイヤ５の先端部５ａから溶融部分６の側部６２への溶滴移行が各大電流期間で複数回行われるように制御する。具体的には、電源部１１は、図５に示すように大電流期間でパルス状の大電流が複数回供給されるように溶接電流Ｉｗを制御する。例えば、電源部１１は、大電流期間においてパルス状の大電流を３回供給する。パルス状の電流の大きさは、各回で略同一である。小電流期間における溶接電流Ｉｗは例えば２００Ａ、大電流期間におけるパルス状の大電流は例えば８００Ａである。

小電流期間においては、図５左端の模式図に示すように、溶接ワイヤ５の先端部５ａは埋もれ空間６ａに深く侵入しており、アーク７は溶融部分６の底部６１に照射される。アーク７が溶融部分６の底部６１へ照射されると、深い溶け込みが得られる。
大電流期間においては、図５中央の３つの模式図に示すように、パルス状の大電流が供給される都度、溶接ワイヤ５の先端部５ａから溶融部分６の側部６２へ、少量ずつ溶液移行が行われ、ワイヤ先端位置が低い状態から高い状態へ遷移する。溶接ワイヤ５の先端部５ａが高い位置にある場合、アーク７は溶融部分６の側部６２に照射され、埋もれ空間６ａが安定化される。また、溶滴移行が少量ずつ行われるため、スパッタの発生が効果的に抑制される。
再び小電流期間になると、図５右端及び左端の模式図に示すように、ワイヤ先端位置が高い状態から再び低い状態へ遷移する。
以下、上記状態遷移が繰り返し行われる。このように溶接電流Ｉｗを変動させることにより、埋もれアーク溶接において、埋もれ空間６ａを安定的に維持しつつ深い溶け込みが得られ、しかもスパッタの発生を抑えることができ、安定した厚板の１パス貫通溶接が可能になる。

図６は、比較例に係る溶接電流Ｉｗの変動を示すグラフである。グラフの横軸は時間を示し、縦軸は溶接電流Ｉｗを示している。また、グラフの上部に、溶接電流Ｉｗの変化に伴う溶滴移行の様子が模式的に図示されている。

比較例においては、大電流期間及び小電流期間が同一の長さであり、大電流期間においては一度に所要の大電流が定常的に供給される。溶接ワイヤ５の先端部５ａが埋もれ空間６ａに進入している状態で、急激に溶接電流Ｉｗが増大し、一度に大電流が供給されると、図６中央２つの模式図が示すように、溶接ワイヤ５が急激に溶融して長い液柱が形成され、埋もれ空間６ａの開口部付近で大きな溶滴が移行する。図中、破線星印で示す時点で、溶接ワイヤ５及び溶融部分６の短絡が発生しており、その結果、大粒のスパッタ粒子が発生する。

図５及び図６を比較すると分かるように、大電流期間において、パルス状の大電流を複数回に分けて供給することにより、少量ずつ溶滴を移行させることができ、スパッタの発生を抑制することができる。

以上の通り、このように構成された実施形態１に係るアーク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行う埋もれアーク溶接において、埋もれ空間６ａを安定的に維持しつつ、スパッタの発生を抑制することができ、安定した厚板の１パス貫通溶接が可能になる。

また、３００Ａ以上の大電流を用いて埋もれ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。

（実施形態２）
実施形態２に係るアーク溶接方法及びアーク溶接装置は、溶接電流Ｉｗの制御方法が実施形態１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形態１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。

図７は、本実施形態２に係る溶接電流Ｉｗの変動を示すグラフである。グラフの横軸は時間を示し、縦軸は溶接電流Ｉｗを示している。また、グラフの上部に、溶接電流Ｉｗの変化に伴う溶滴移行の様子が模式的に図示されている。

本実施形態２においては、電源部１１は、大電流期間が小電流期間よりも長く、大電流期間における溶接電流Ｉｗが一定になるように制御する。大電流期間の長さ及び電流値は、当該大電流期間において溶滴移行が複数回行われ得るような期間及び電流値である。例えば、小電流期間の溶接電流Ｉｗは２００Ａ、大電流期間における溶接電流Ｉｗは５００Ａである。

このように構成された実施形態２に係るアーク溶接方法及びアーク溶接装置によれば、少しずつ溶接ワイヤ５の溶滴移行を行うことができ、液柱の長さを低減し、スパッタの発生を抑制することができる。よって、埋もれアーク溶接において、埋もれ空間６ａを安定的に維持しつつ、スパッタの発生を抑制することができ、安定した厚板の１パス貫通溶接が可能になる。

（実施形態３）
実施形態３に係るアーク溶接方法及びアーク溶接装置は、溶接電流Ｉｗの制御方法が実施形態１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形態１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。

図８は、本実施形態３に係る溶接電流Ｉｗの変動を示すグラフである。グラフの横軸は時間を示し、縦軸は溶接電流Ｉｗを示している。また、グラフの上部に、溶接電流Ｉｗの変化に伴う溶滴移行の様子が模式的に図示されている。

本実施形態３においては、電源部１１は、大電流期間において溶接電流Ｉｗが段階的に増大するように溶接電流Ｉｗの出力を制御する。例えば、電源部１１は、図８に示すように、最大の溶接電流Ｉｗに到達するまで３段階で溶接電流Ｉｗを増大させる。各段階で所要の溶接電流Ｉｗが出力される期間は略同一であり、溶接電流Ｉｗの増加量も略同一である。

（実施例）
溶接ワイヤ５の直径は１．２ｍｍであり、溶接電源１は、溶接ワイヤ５の送給速度が４０ｍ／分、溶接電流Ｉｗの平均電流は５４０Ａ，平均電圧が５１Ｖの溶接条件にて母材４の埋もれアーク溶接を実行する。

図９は、実施例に係る溶接電流Ｉｗ値を示すグラフである。グラフの横軸は時間を示し、縦軸は溶接電流Ｉｗを示している。溶接電源１は、図９に示すように、小電流期間において２００Ａの溶接電流Ｉｗを供給し、大電流期間において４００Ａ、６００Ａ、８００Ａと、３段階で電流値を増大させながら溶接電流Ｉｗを供給する。小電流期間及び大電流期間からなる単位波形が繰り返される周期は１００Ｈｚである。大電流期間で溶接電流Ｉｗが増大する各段階で一回ずつ溶滴移行が起こるため、溶接ワイヤ５に長い液柱が形成されることを抑制しつつ、溶接ワイヤ５の先端位置を引き上げることができ、埋もれ空間６ａを安定化させることができる。

このように構成された実施形態３に係るアーク溶接方法及びアーク溶接装置によれば、埋もれアーク溶接において、埋もれ空間６ａを安定的に維持しつつ、スパッタの発生を抑制することができ、安定した厚板の１パス貫通溶接が可能になる。

（実施形態４）
実施形態４に係るアーク溶接方法及びアーク溶接装置は、溶接電流Ｉｗの制御方法が実施形態１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形態１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。

図１０は、本実施形態４に係る溶接電流Ｉｗの変動を示すグラフである。グラフの横軸は時間を示し、縦軸は溶接電流Ｉｗを示している。また、グラフの上部に、溶接電流Ｉｗの変化に伴う溶滴移行の様子が模式的に図示されている。

本実施形態４においては、電源部１１は、大電流期間において溶接電流Ｉｗが段階的に増大するように溶接電流Ｉｗの出力を制御する。例えば、電源部１１は、図１０に示すように、最大の溶接電流Ｉｗに到達するまで２段階で溶接電流Ｉｗを増大させる。前段階の期間は後段の期間よりも長く、前段階における溶接電流Ｉｗの増加量は、後段における溶接電流Ｉｗの増加量よりも大きい。具体的には、前段階の期間は、後段の期間の約２倍であり、前段階における溶接電流Ｉｗの増加量は、前段階から後段における溶接電流Ｉｗの増加量の約２倍である。

溶接ワイヤ５の先端部５ａが埋もれ空間６ａに深く又は中程度、侵入している状態においては、液柱が長くてもスパッタが発生しない。そこで、溶接ワイヤ５を溶融させることによって、溶接ワイヤ５の先端部５ａを埋もれ空間６ａの下部から上部へ引き上げる際、図１０に示すように、その初期段階では溶接ワイヤ５を比較的急激に溶融させて溶滴移行させ、その後、更に溶接電流Ｉｗを増大させて少量の溶滴移行を起こすことで、より効率的に溶接ワイヤ５を引き上げることができる。

このように構成された実施形態４に係るアーク溶接方法及びアーク溶接装置によれば、埋もれアークにおいて埋もれ空間６ａを安定的に維持しつつ、スパッタの発生を抑制することができ、安定した厚板の１パス貫通溶接が可能になる。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及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。

１ 溶接電源
２ トーチ
３ ワイヤ送給部
４ 母材
５ 溶接ワイヤ
５ａ 先端部
６ 溶融部分
６ａ 埋もれ空間
６１ 底部
６２ 側部
７ アーク
１１ 電源部
１１ａ 電源回路
１１ｂ 出力電圧設定回路
１１ｃ 周波数設定回路
１１ｄ 電流振幅設定回路
１１ｅ 平均電流設定回路
１１ｆ 電圧検出部
１１ｇ 電流検出部
１１ｈ 比較回路
１２ 送給速度制御部
４１ 第１母材
４２ 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 (7)

1. 母材の被溶接部に溶接ワイヤを送給すると共に、該溶接ワイヤに平均電流３００Ａ以上の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、
   前記溶接電流の平均値が小さく、前記先端部から前記溶融部分の底部へ溶滴移行する小電流期間と、前記溶接電流の平均値が大きく、前記先端部から前記溶融部分の側部へ溶滴移行する大電流期間とを周期的に変動させ、
   更に、前記大電流期間における前記溶接電流を、前記先端部から前記側部への溶滴移行が各大電流期間で複数回行われるように制御する
   アーク溶接方法。
2. 前記大電流期間でパルス状の大電流を複数回供給する
   請求項１に記載のアーク溶接方法。
3. 前記大電流期間は前記小電流期間よりも長く、該大電流期間における前記溶接電流は一定である
   請求項１に記載のアーク溶接方法。
4. 前記大電流期間で前記溶接電流を段階的に増大させる
   請求項１に記載のアーク溶接方法。
5. 前記大電流期間で最大の溶接電流が供給される段階の前段階における前記溶接電流と、前記小電流期間における前記溶接電流との電流差は、前記前段階における前記溶接電流と、前記最大の溶接電流との電流差よりも大きい
   請求項４に記載のアーク溶接方法。
6. 前記大電流期間及び前記小電流期間を１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下の周期で変動させる
   請求項１〜請求項５までのいずれか一項に記載のアーク溶接方法。
7. 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、前記溶接ワイヤに平均電流３００Ａ以上の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、
   前記溶接電流の平均値が小さく、前記先端部から前記溶融部分の底部へ溶滴移行する小電流期間と、前記溶接電流の平均値が大きく、前記先端部から前記溶融部分の側部へ溶滴移行する大電流期間とを周期的に変動させ、かつ、前記大電流期間における前記溶接電流を、前記先端部から前記側部への溶滴移行が各大電流期間で複数回行われるように制御する
   アーク溶接装置。

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