JPH0698494B2

JPH0698494B2 - 消耗電極式アーク溶接法

Info

Publication number: JPH0698494B2
Application number: JP9851390A
Authority: JP
Inventors: 英明高野; 実雄中田; 雄治中原; 秀樹宮内
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-02-21
Filing date: 1990-04-13
Publication date: 1994-12-07
Anticipated expiration: 2009-12-07
Also published as: JPH03275280A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野この発明は、炭素鋼、合金鋼、アルミニウム等の消耗電
極式アーク溶接法の改良に関する。

従来の技術炭素鋼、合金鋼、アルミニウム等の消耗電極式アーク溶
接法においては、従来高い溶接品質を確保しながら高速
度、高能率な溶接を実施するため、多くの試みがなされ
ている。

例えば、シールドノズル内に複数の電極を設け、各電極
に加えるパルス状電圧またはパルス状電流の位相を各電
極ごとにずらせて溶接する方法（特開昭63-313674号公
報）、消耗電極からの溶滴移行形態をスプレー状とし、
かつ母材溶融部に接触するようにアーク中に別途フィラ
ーワイヤを通電加熱させながら送給する手段と、さらに
そのワイヤ加熱用の電流の電流値を溶接電流値の1/2以
下に設定する手段とを有する装置（特開昭59-16680号公
報）等が提案されている。

これらの提案においては、複数電極間のアークの干渉や
消耗電極とフィラーワイヤの干渉を防止するため、パル
ス状電流、電圧を用いているが、いずれも制御装置が複
雑になる。また、全自動溶接機としては使用できても、
半自動溶接機としては、作業性の点から使用できない。
このため、溶接の大部分を占める半自動溶接の分野で
は、依然として高速化、高能率化が図れなかった。

ガスシールドアーク溶接において、高速性を阻害する要
因としては、アンダーカットがある。アンダーカットの
延長上に不安定ビードで知られるハンピングビード等の
不整ビードがある。

その発生要因は、アークにより母材が加熱、溶融され、
アーク中に発生するプラズマ気流により堀り込まれる
（ガウジング）。この状態が激しくなると、溶融池側壁
と溶融金属の“ぬれ”が悪くなり、アンダーカットが発
生し、これが加速されるとハンピングビードとなる。

一般に高速溶接においては、所定の溶込み、溶着量を得
るためには溶接電流を増す必要があるが、溶接電流を増
すとプラズマ気流が大きくなり、アンダーカット、ハン
ピング等の不整ビードにつながり、安易に電流を増すこ
とができない。

前記特開昭63-313674号公報等に開示されているような
多電極溶接においては、高速化は容易に達成できるもの
の、外乱等により溶融金属の平衡がくずれやすく、ハン
ピングビードの形成あるいは多量のスパッタが発生する
場合があり、安定して健全なビードを得るのは容易でな
い。

さらに溶着速度を増すことと、溶接速度を上げることは
本質的に異なる。すなわち、溶着速度を高めたとして
も、溶込みを得るために電流を増せば、高速性は得られ
ない。溶着速度を増すのは、単に高能率を得るという意
味である。

また、アルミニウムおよびその合金の消耗電極式アーク
溶接においては、溶接金属割れ、気孔の発生のほかに、
溶接歪みやパッカリング現象も発生し易い。

従来、溶接歪みの発生を防止する方法としては、溶接入
熱をできるだけ少なくすること、パス間温度を制限する
ことおよび逆歪みを加えること等が知られている。しか
し、これらの防止方法は、作業能率上問題があった。

アルミニウム特有のパッカリング現象は、例えば軽金属
溶接VOL.22（1984）、No.9、P395〜P407に記載されてい
るように、溶接電流が大きすぎる場合や、シールド不足
の場合に発生する。このパッカリング現象を防止するた
めには、溶接電流の抑制、シールドガス量の増加等の対
策が取られている。

しかし上記これらの対策は、必然的に溶接能率の低下、
シールドガス使用量の増加を招き、経済的に有利な方法
ではない。

発明が解決しようとする課題上記のとおり、炭素鋼、合金鋼、アルミニウム等におけ
る従来の消耗電極式アーク溶接法は、いずれも溶接速
度、溶接能率、作業性ならびに溶接品質の点で満足でき
るものではない。

この発明は、上記欠点を解消し、溶接速度、溶接能率、
作業性ならびに溶接品質の点で優れた性能を有する消耗
電極式アーク溶接法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段上記目的を達成するため、下記の各項目について鋭意試
験研究を行った。

（１）溶接速度の向上溶接速度を上げるため、フィラーワイヤを溶融池に挿入
し、溶接電流の一部をフィラーワイヤに分流し、溶接電
源のアース端に合流せしめる。これによってフィラーワ
イヤの溶融により“ぬれ”が良くなり、不整ビードが防
止できる。また、近接平行している消耗電極ワイヤとフ
ィラーワイヤとに流れる電流の向きが逆となるため、ア
ークが常に前方を向くこととなり、高速溶接時のもう一
つの問題点である溶込み深さ確保の観点から有効であ
る。

（２）溶接能率の向上ワイヤ溶融速度を増加させるため、フィラーワイヤを溶
融池に挿入する。フィラーワイヤ挿入量と消耗電極ワイ
ヤ溶融量との関係を調査し、適切な範囲を求めた。

（３）溶接作業性の向上（特に半自動溶接において）従来のフィラーワイヤ挿入消耗電極アーク溶接において
は、消耗電極ワイヤとフィラーワイヤとの位置関係が平
行でないため、アーク長さやワイヤ突出し長さの変動に
より、アークとフィラーワイヤの距離が変化し、溶接が
不安定になっていた。

そこで、消耗電極ワイヤとフィラーワイヤを平行に配置
し、それらの適切な位置関係を調査した。また、アーク
力による溶融フィラーワイヤの吹き飛びを防止するた
め、消耗電極ワイヤから母材に流れる溶接電流の一部
を、フィラーワイヤに分流させて溶接電源のアース端に
合流せしめることにより反発力を生じさせ、アークを溶
接進行方向に押圧してフィラーワイヤをスムーズに溶融
池に挿入できるようにした。

（４）溶接欠陥の防止アルミニウムに特有のパッカリング現象の発生原因につ
いて調査した。その結果、前記引用文献に記載のアーク
力による溶融金属の外部への押流し以外に、溶融池表面
に形成される酸化物の影響が考えられた。

以上の知見のに基づいて、パッカリング現象の防止に
は、溶融池にフィラーワイヤを挿入することにより溶融
金属量を増加させ、溶融池の温度を低い温度に抑制する
のが有効であることを究明した。

また、溶接歪みは、溶融池にフィラーワイヤを挿入し、
溶融池温度を低下させることにより、著しく改善される
ことを究明した。

すなわちこの発明は、消耗電極式アーク溶接法におい
て、先行ワイヤ：消耗電極ワイヤ後行ワイヤ：フィラーワイヤ先行ワイヤと後行ワイヤのなす角度：最大20度の条件で
シールドノズル内に２本のワイヤを挿入し、消耗電極ワ
イヤでアークを発生させ、フィラーワイヤを溶融池に挿
入し、消耗電極ワイヤから母材に流れる溶接電流の一部
を分流してフィラーワイヤに導いて溶接電源のアース端
に合流せしめるのである。

また、消耗電極式アーク溶接法において、先行ワイヤ：消耗電極ワイヤ後行ワイヤ：フィラーワイヤ先行ワイヤ挿入角：前進角最大50度、後退角最大50度後行ワイヤ挿入角：前進角最大50度、後退角最大50度先行ワイヤと後行ワイヤのなす角度：最大20度ワイヤ先
端間距離：ただし、υは溶接速度（m/min）挿入用フィラーワイヤ供給量／消耗電極ワイヤ供給量:
0.1〜1.8 の条件でシールドノズル内に２本のワイヤを挿入し、消
耗電極ワイヤでアークを発生させ、フィラーワイヤを溶
融池に挿入し、消耗電極ワイヤから母材に流れる溶接電
流の一部を分流してフィラーワイヤに導いて溶接電源の
アース端に合流せしめるのである。

作用この発明において、溶接条件を上記のように限定した理
由を詳述する。

A.ワイヤのなす角度先行ワイヤと後行ワイヤのなす角度を最大20度としたの
は、20度を超えると溶融池に安定してフィラーワイヤが
挿入できないためであり、また、アーク長さやワイヤ突
出し長さが変動した場合、溶接ビードが不安定いなるか
らである。

B.ワイヤの挿入角先行ワイヤと後行ワイヤの挿入角を前進角の場合最大50
度としたのは、前進角が50度を超えるとアーク力によっ
て溶融金属が前方に吹き飛ばされるためである。

また、先行ワイヤと後行ワイヤの挿入角を後退角の場合
最大50度としたのは、後退角が50度を超えるとアーク力
によって溶融金属が後方に吹き飛ばされ、スティッキン
グ等が発生し、後行のフィラーワイヤがスムーズに溶融
池に入らず、不安定となるからである。

C.ワイヤ先端間距離先行ワイヤと後行ワイヤ先端間距離を、最大で20×▲√
▼（mm）、すなわち溶接速度（υm/min）の平方根の2
0倍としたのは、20×▲√▼（mm）を超えると、第３
図に示すとおりフィラーワイヤがスムーズに溶融池に入
らず、溶接が不安定になるからである。

この発明でいうワイヤ先端間距離とは、先行ワイヤのア
ーク直下部と後行ワイヤの溶融池接触部間の距離をい
う。

なお、第３図は、溶接電流300〜1500A、ワイヤ径1.2〜
4.8mmの条件で、溶接速度とワイヤ先端間距離と溶接品
質の関係を示す図表である。

D.ワイヤ供給量挿入用フィラーワイヤ供給量と消耗電極ワイヤ供給量と
の比を0.1〜1.8としたのは、0.1未満ではフィラーワイ
ヤが少なすぎて溶融金属量の増加が少なく、溶融池の温
度がほとんど低下せず、また、1.8を超えるとフィラー
ワイヤの供給量が多すぎて溶融池の温度が低くなり過
ぎ、スティッキングが発生して溶接が不安定になるから
である。

この発明においては、消耗電極ワイヤとフィラーワイヤ
を特定条件でシールドノズル内に配設し、溶接電流の一
部をフィラーワイヤに分流し、かつ消耗電極ワイヤのア
ークによって形成された溶融池に、フィラーワイヤを上
記条件で挿入するから、溶融池側壁と溶融金属の“ぬ
れ”が良くなり、アークが前方に向くので溶込み深さを
確保でき、さらに溶融金属量が増加すると共に、溶融池
の温度を低い温度に抑制できる。

このため、炭素鋼、合金鋼、アルミニウム等を、全自動
溶接のみならず、半自動溶接においても高速度、高能
率、高品質の溶接を作業性良く、実現できる。

実施例実施例１この発明による溶接方法を第１図に基づいて説明する。

消耗電極ワイヤ（１）を溶接進行方向に対して先行ワイ
ヤとし、消耗電極ワイヤ（１）と実質的に同一材質のフ
ィラーワイヤ（２）を後行ワイヤとし、消耗電極ワイヤ
（１）とフィラーワイヤ（２）を概略平行に配置する。

そして消耗電極ワイヤ（１）から母材（３）に流れる溶
接電流の一部を、フィラーワイヤ（２）と溶接電源
（４）のアース線（５）とをアース線（６）で接続して
分流させる。

なお、（７）はワイヤリール、（８）は溶融池、（９）
はアーク、（10）はガスノズル、（11）は溶接金属であ
り、図中の矢印は電流の流れを示す。

上記溶接法を高速性が特に要求される溶接鋼管の連続仮
付溶接に適用すべく実験を行った。

板厚:12.7mm、外径:30インチ、長さ:12m、の低合金鋼の
溶接鋼管用素管を用い、第１表に示す溶接条件のうち、
ワイヤ角度を変えて溶接を行い、溶接速度ならびに溶接
状態を判定した。その結果を従来法と比較し、第２表に
示す。

第２表に示すとおり、従来法では溶接速度が7m/minが限
界であったが、この発明方法では、ワイヤ間角度
（θ₃）を20度以下とし、消耗電極ワイヤを先行させ、
フィラーワイヤを後行させることによって、溶接速度12
m/minの高速溶接が安定して得られた。

実施例２実施例１で説明したこの発明による溶接法により、、板
厚12mmの鋼板を用いてビードオンプレート溶接を行い、
アンダーカット発生限界を試験した。

溶接条件は、溶接電流:270A、シールドガス：CO₂100
％、シールドガス流量:20L/min、消耗電極ワイヤ材質:J
IS YGW12、消耗電極ワイヤ角度：前進角５度、消耗電極
ワイヤ径:1.2mm、フィラーワイヤ材質:JIS YGW12、フィ
ラーワイヤ角度：前進角５度、フィラーワイヤ径:0.9m
m、消耗電極ワイヤとフィラーワイヤのなす角度:0度、
ワイヤ先端間距離:8mmとした。

その結果を従来法と比較し、第３表に示す。

第３表に示すとおり、従来法では溶接速度が1.6m/minを
超えると、外観、内質、スパッタ共に悪くなり、1.8m/m
inを超えると、アンダーカットが発生する。これに対し
本発明法では、溶接速度が2.4m/minまではアンダーカッ
ト、外観、内質、スパッタ共に良好であり、2.6m/minま
ではアンダーカットの発生は見られなかった。

実施例３実施例１に記載の溶接法により、第４表に示す溶接条件
のうち、ワイヤ角度、ワイヤ先端間距離およびワイヤ供
給量を第５表に示すとおり変化せしめてアルミニウム合
金の溶接を行った。その結果を第５表に示す。

第５表に示すとおり、アルミニウム合金の溶接において
は、ワイヤ挿入角（θ₁、θ₂）は、前進角および後退角
ともに50度まで、ワイヤ間角度（θ₃）は20度まで、ワ
イヤ先端間距離（Ｌ）は20mmまで、消耗電極ワイヤとフ
ィラーワイヤの供給量比（ｒ）は、0.1〜1.8の範囲であ
れば、溶接結果は良好であった。

実施例４この発明法と従来のMIG溶接法でアルミニウムの溶接を
行い、パッカリング発生を調査した。その結果を第２図
に示す。

なお、溶接は、溶接電流300〜500A、溶接速度1m/min、
フィラーワイヤ供給量40g/minで行った。

第２図に示すとおり、この発明法は、従来法に比較して
溶着速度を大きくしてもパッカリングが発生し難いこと
がわかる。

また、溶接金属の機械的性質、ブローホールの発生につ
いては、従来法と大差がなく、溶接歪みの発生量につい
ては、著しい改善がみられた。

実施例５第６表に示す溶接条件のうち、ワイヤ角度、ワイヤ先端
間距離およびワイヤ供給量を第７表に示すとおり変化せ
しめて炭素鋼の溶接を行った。その結果を第７表に示
す。

第７表に示すとおり、炭素鋼の溶接においても、ワイヤ
挿入角（θ₁、θ₂）は、前進角および後退角が50度ま
で、ワイヤ間角度（θ₃）は20度まで、ワイヤ先端間距
離（Ｌ）は20mmまで、消耗電極ワイヤとフィラーワイヤ
の供給量比（ｒ）は、0.1〜1.8の範囲であれば、溶接結
果は良好であった。また、溶接金属の機械的性質、ブロ
ーホールの発生については、従来法と大差がなく、溶融
歪みの発生量については、著しい改善が見られた。

実施例６第８表に示す溶接条件のうち、ワイヤ角度、ワイヤ先端
間距離およびワイヤ供給量を第９表に示すとおり変化せ
しめてステンレス鋼の溶接を行った。その結果を第９表
に示す。

第９表に示すとおり、ステンレス鋼の溶接においても、
ワイヤ挿入角（θ₁、θ₂）は、前進角および後退角が50
度まで、ワイヤ間角度（θ₃）は20度まで、ワイヤ先端
間距離（Ｌ）は20mmまで、消耗電極ワイヤとフィラーワ
イヤの供給量比（ｒ）は、0.1〜1.8の範囲であれば、溶
接結果は良好であった。

また、溶接金属の機械的性質、ブローホールの発生につ
いては、従来法と比較したが大差がなく、溶接歪みの発
生量については、著しい改善が見られた。

以上の実施例においては、溶融池挿入フィラーワイヤに
分流する電流値を３〜25Aとしたが、分流電流をさらに
多くしても同様な結果を得ることができる。

また、消耗電極ワイヤと溶融池挿入フィラーワイヤのな
す角度を、最大20度としたが、この角度は小さければ小
さいほと、すなわち平行に近いほど安定して高速度、高
能率で溶接作業を行うことができる。

発明の効果この発明による消耗電極式アーク溶接法は、消耗電極ワ
イヤを先行に、フィラーワイヤを後行に、かつ各々概略
平行に配設し、消耗電極ワイヤでアークを発生させ、フ
ィラーワイヤを溶融池に挿入し、消耗電極ワイヤから母
材に流れる溶接電流の一部を、分流してフィラーワイヤ
に導いて溶接電源のアース端に合流せしめることによっ
て、炭素鋼、合金鋼、アルミニウム等を高速度、高能率
で、高品質の溶接を作業性良く、全自動、半自動で実施
でき、溶接コストの低減に大きく寄与することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明方法を実施する際の概略説明図、第２
図は実施例４におけるこの発明方法と従来法とによりMI
G溶接した際のバッカリング発生域を示す図表、第３図
は溶接速度とワイヤ間距離と溶接品質の関係を示す図表
である。１……消耗電極ワイヤ、２……フィラーワイヤ、３……母材、４……溶接電源、５、６……アース線、７……ワイヤリール、８……溶融池、９……アーク、 10……ガスノズル、11……溶接金属、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宮内秀樹和歌山県和歌山市湊1850番地共同酸素株式会社内審査官松本貢

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】消耗電極式アーク溶接法において、先行ワイヤ：消耗電極ワイヤ後行ワイヤ：フィラーワイヤ先行ワイヤと後行ワイヤのなす角度：最大20度の条件で
シールドノズル内に２本のワイヤを挿入し、消耗電極ワ
イヤでアークを発生させ、フィラーワイヤを溶融池に挿
入し、消耗電極ワイヤから母材に流れる溶接電流の一部
を分流してフィラーワイヤに導いて溶接電源のアース端
に合流せしめることを特徴とする消耗電極式アーク溶接
法。
【請求項２】消耗電極式アーク溶接法において、先行ワイヤ：消耗電極ワイヤ後行ワイヤ：フィラーワイヤ先行ワイヤ挿入角：前進角最大50度、後退角最大50度後行ワイヤ挿入角：前進角最大50度、後退角最大50度先行ワイヤと後行ワイヤのなす角度：最大20度ワイヤ先
端間距離：ただし、υは溶接速度（m/min）フィラーワイヤ供給量／消耗電極ワイヤ供給量:0.1〜1.
8 の条件でシールドノズル内に２本のワイヤを挿入し、消
耗電極ワイヤでアークを発生させ、フィラーワイヤを溶
融池に挿入し、消耗電極ワイヤから母材に流れる溶接電
流の一部を分流してフィラーワイヤに導いて溶接電源の
アース端に合流せしめることを特徴とする消耗電極式ア
ーク溶接法。