(57)【要約】【課題】簡便な溶接電源装置を用いてスパッタ発生量を低減させる。【解決手段】溶接装置１は、溶接電源装置８と、溶接トーチ７と、溶接トーチ７に取り付けられ溶融電極１２に溶接電源装置８から与えられる電圧を印加するコンタクトチップ２と、溶接トーチ７に取り付けられたガスノズル５と、第１シールドガスを貯留するガスボンベ１６および第２シールドガスを貯留するガスボンベ１５のガスをガスノズル５に供給するガス供給部６とを備える。好ましくは、ガス供給部６は、第１シールドガス（Ａｒガス）を周期的に増減させながら供給する電磁弁１３と、電磁弁１３を通過する第１シールドガス（Ａｒガス）の流量を測定する第１流量計１７と、第２シールドガス（ＣＯ２ガス）が供給される流量を測定する第２流量計１８とを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融電極を使用するアーク溶接方法であって、
溶接金属形成部に向けて前記溶融電極を取り囲むように第１シールドガスを供給する工程と、
前記第１シールドガスを取り囲むように第２シールドガスを供給する工程と、
前記溶融電極と母材との間にアークが発生するように電圧を印加する工程とを備え、
前記第１シールドガスを供給する工程では、流速を周期的に増減させながら前記第１シールドガスを供給し、
前記第２シールドガスを供給する工程では、前記第２シールドガスを定常的に供給する、アーク溶接方法。
【請求項２】
前記第１シールドガスは、アルゴンガスであり、
前記第２シールドガスは、炭酸ガスを含むシールドガスである、請求項１に記載のアーク溶接方法。
【請求項３】
前記第１シールドガスの最大流速は、前記第２シールドガスの定常的な流速よりも高く、前記第１シールドガスの増減の周期は、少なくとも１秒間に１０回である、請求項１または２に記載のアーク溶接方法。
【請求項４】
前記第１シールドガスの増減は、電磁弁を開閉することによって行なわれ、
前記第１シールドガスの増減の１周期あたりの前記電磁弁の開時間は、少なくとも５ミリ秒であり、かつ前記第１シールドガスの増減の１周期におけるピーク流量は、少なくとも毎分６リットルである、請求項１〜３のいずれか１項に記載のアーク溶接方法。
【請求項５】
溶融電極を使用する溶接装置であって、
前記溶融電極に電圧を印加するコンタクトチップと、
前記コンタクトチップの周囲を取り囲むように形成され、第１シールドガスを吹き出す第１ガス吹き出し口と、前記第１ガス吹き出し口を取り囲むように形成され、第２シールドガスを吹き出す第２ガス吹き出し口とを有するガス供給ノズルと、
前記第１ガス吹き出し口および前記第２ガス吹き出し口にそれぞれ前記第１シールドガスおよび前記第２シールドガスを供給するガス供給部とを備え、
前記ガス供給部は、前記第１シールドガスの流速を周期的に増減させながら供給するとともに、前記第２シールドガスを定常的に供給するように構成される、溶接装置。
【請求項６】
前記第１シールドガスは、アルゴンガスであり、
前記第２シールドガスは、炭酸ガスを含むシールドガスである、請求項５に記載の溶接装置。
【請求項７】
前記ガス供給部は、
前記第１シールドガスを周期的に増減させながら供給する電磁弁と、
前記電磁弁を通過する前記第１シールドガスの流量を測定する第１流量計と、
前記第２シールドガスが供給される流量を測定する第２流量計とを含む、請求項５または６に記載の溶接装置。
【請求項８】
前記第１シールドガスの最大流速が前記第２シールドガスの流速よりも高く、前記第１シールドガスの増減の周期が少なくとも１秒間に１０回となるように、前記電磁弁の開度を制御する制御装置をさらに備える、請求項７に記載の溶接装置。
【請求項９】
前記第１シールドガスの増減は、電磁弁を開閉することによって行なわれ、
前記第１シールドガスの増減の１周期あたりの前記電磁弁の開時間は、少なくとも５ミリ秒であり、かつ前記第１シールドガスの増減の１周期におけるピーク流量は、少なくとも毎分６リットルである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アーク溶接方法および溶接装置に関し、特にシールドガスを用いるアーク溶接方法および溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭酸ガス（ＣＯ２ガス）または炭酸ガスとアルゴンガスの混合ガスをシールドガスとして使用するＭＡＧ（Metal  Active  Gas）溶接は、アーク溶接のなかでも最も一般的な溶接法である。ＭＡＧ溶接でのアーク形状および溶接ワイヤ先端に形成される溶滴の挙動は、シールドガスの種類によって大きく変化することが知られている。炭酸ガス系のシールドガスを用いるＭＡＧ溶接では、アークが溶滴下端部に集中して発生するので、溶滴が母材に移行する際に溶滴のワイヤからの離脱を阻害するように電磁力が働き、大電流になると溶滴が押し上げられ、溶滴なサイズが大きいグロビュール移行となり、スムーズな溶滴移行が進まず、多量のスパッタが発生するという問題がある。
【０００３】
シールドガスとしてアルゴンガスまたはヘリウムガスなどの不活性ガスを使用するＭＩＧ（Metal  Inert  Gas）溶接、およびＭＡＧ溶接でもシールドガス中の不活性ガスの比率を多くしたＭＡＧ溶接では、スパッタ発生量が少なく、美麗な溶接部が得られることが知られている。しかしながら、アルゴンガス等の不活性ガスは、炭酸ガスと比較すると高価であるため、コストを重視する場合これらの溶接方法はあまり用いられない。
【０００４】
特開２００７−２３７２７０号公報（特許文献１）には、炭酸ガス単体または炭酸ガスを主成分とする混合ガスを用いた消耗電極式アーク溶接において、溶接アークを安定化させ、溶滴の移行規則性を向上させ、スパッタ発生量を大幅に低減できるパルスアーク溶接方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２３７２７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特開２００７−２３７２７０号公報（特許文献１）に開示されたパルスアーク溶接方法では、複雑なパルス波形を印加可能な特殊な溶接電源装置が必要となる。したがって、一般的に普及している溶接電源装置と同様な装置を用いてスパッタ発生量を低減させる溶接方法が望まれている。
【０００７】
この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、簡便な溶接電源装置を用いてスパッタ発生量を低減させることができるアーク溶接方法および溶接装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本開示は、溶融電極を使用するアーク溶接方法に関する。アーク溶接方法は、溶接金属形成部に向けて溶融電極を取り囲むように第１シールドガスを供給する工程と、第１シールドガスを取り囲むように第２シールドガスを供給する工程と、溶融電極と母材との間にアークが発生するように電圧を印加する工程とを備える。第１シールドガスを供給する工程では、流速を周期的に増減させながら第１シールドガスを供給し、第２シールドガスを供給する工程では、第２シールドガスを定常的に供給する。
【０００９】
好ましくは、第１シールドガスは、アルゴンガスであり、第２シールドガスは、炭酸ガスを含むシールドガスである。
【００１０】
好ましくは、第１シールドガスの最大流速は、第２シールドガスの定常的な流速よりも高く、第１シールドガスの増減の周期は、少なくとも１秒間に１０回である。
【００１１】
好ましくは、第１シールドガスの増減は、電磁弁を開閉することによって行なわれる。第１シールドガスの増減の１周期あたりの電磁弁の開時間は、少なくとも５ミリ秒であり、かつ第１シールドガスの増減の１周期におけるピーク流量は、少なくとも毎分６リットルである。
【００１２】
本開示は、他の局面では、溶融電極を使用する溶接装置に関する。溶接装置は、溶融電極に電圧を印加するコンタクトチップと、ガスノズルと、ガス供給部とを備える。ガスノズルは、コンタクトチップの周囲を取り囲むように形成され、第１シールドガスを吹き出す第１ガス吹き出し口と、第１ガス吹き出し口を取り囲むように形成され、第２シールドガスを吹き出す第２ガス吹き出し口とを有する。ガス供給部は、第１ガス吹き出し口および第２ガス吹き出し口にそれぞれ第１シールドガスおよび第２シールドガスを供給するように構成される。ガス供給部は、第１シールドガスの流速を周期的に増減させながら供給するとともに、第２シールドガスを定常的に供給するように構成される。
【００１３】
好ましくは、第１シールドガスは、アルゴンガスであり、第２シールドガスは、炭酸ガスを含むシールドガスである。
【００１４】
好ましくは、ガス供給部は、第１シールドガスを周期的に増減させながら供給する電磁弁と、開状態において第２シールドガスを定常的に供給する開閉弁とを含む。
【００１５】
より好ましくは、溶接装置は、第１シールドガスの最大流速が第２シールドガスの流速よりも高く、第１シールドガスの増減の周期が少なくとも１秒間に１０回となるように、電磁弁の開度を制御する制御装置をさらに備える。
【００１６】
さらに好ましくは、第１シールドガスの増減は、電磁弁を開閉することによって行なわれる。第１シールドガスの増減の１周期あたりの電磁弁の開時間は、少なくとも５ミリ秒であり、かつ第１シールドガスの増減の１周期におけるピーク流量は、少なくとも毎分６リットルである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、溶滴の移行が規則的かつ小滴で行なわれるため、スパッタの発生量を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施の形態に係る溶接装置の構成を示す図である。
【図２】溶接装置の溶接トーチの先端部分の断面図である。
【図３】溶接装置において炭酸ガスとアルゴンガスを供給するガス供給部における弁の開閉状態を示す波形図である。
【図４】本実施の形態に係る溶接装置を用いて溶接した場合の電流および電圧波形を示す波形図である。
【図５】炭酸ガス単一ガスを使用した比較実験におけるアークの状態を撮影した写真である。
【図６】本実施の形態に係る溶接装置を用いて溶接を行なった場合のアークの状態を撮影した写真である。
【図７】Ａｒガスの添加時間とＡｒガスの一周期あたりのピーク流量が変化した場合に、溶滴の移行が周波数に同期する範囲を調べた実験結果を示した図である。
【図８】溶滴が同期滴下する範囲とインナーガスのピーク流速とアウターガスの流速との関係を示す図である。
【図９】Ａｒガスの平均流量を変化させた場合に、Ａｒガスの最大流量も平均流量の増加に伴って変化することを補助実験で確認したことを示す図である（ガス添加周波数５０Ｈｚ、ガス添加時間５ｍｓ、電磁弁１３の開時間比率２５％）。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。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、その説明は繰返さない。
【００２０】
図１は、本実施の形態に係る溶接装置の構成を示す図である。図２は、溶接装置の溶接トーチの先端部分の断面図である。
【００２１】
図１および図２に開示される溶接装置１は、溶融電極１２（以下、溶接ワイヤとも言う）を使用するアーク溶接装置である。溶接装置１は、溶接電源装置８と、溶接トーチ７と、溶接トーチ７に取り付けられ溶融電極１２に溶接電源装置８から与えられる電圧を印加するコンタクトチップ２と、溶接トーチ７に取り付けられたガスノズル５と、第１シールドガスを貯留するガスボンベ１６および第２シールドガスを貯留するガスボンベ１５のガスをガスノズル５に供給するガス供給部６とを備える。
【００２２】
溶接電源装置８は、溶接電圧、ワイヤ送給速度などを設定するボタン、調整つまみなどが設けられた設定部８Ａと、設定部８Ａに設定された内容にしたがって、溶接電圧および溶接電流を調整する電圧発生部８Ｂとを含む。
【００２３】
溶接トーチ７の周辺に設けられたトリガスイッチ１９が操作（ＯＮ）されると、電圧発生部８Ｂが溶接電圧を発生し、設定部８Ａからワイヤ送給装置９にワイヤ送給の指示が出力される。そして、母材２０と溶融電極１２との間にアークが発生し、溶接を行なうことができる。
【００２４】
また、トリガスイッチ１９が操作（ＯＦＦ）されると、電圧発生部８Ｂが溶接電圧の発生を停止し、設定部８Ａからワイヤ送給装置９にワイヤ送給停止の指示が出力される。すると、アークの発生は終了する。
【００２５】
ガスノズル５は、コンタクトチップの周囲を取り囲むように形成され、第１シールドガスを吹き出す第１ガス吹き出し口３と、第１ガス吹き出し口３を取り囲むように形成され、第２シールドガスを吹き出す第２ガス吹き出し口４とを有する。ガス供給部６は、第１ガス吹き出し口３および第２ガス吹き出し口４にそれぞれ第１シールドガスおよび第２シールドガスを供給するように構成される。ガス供給部６は、第１シールドガスの流速を周期的に増減させながら供給するとともに、第２シールドガスを定常的に供給するように構成される。
【００２６】
好ましくは、第１シールドガスは、アルゴンガスであり、第２シールドガスは、炭酸ガスを含むシールドガスである。なお、アルゴンガスに代えてヘリウムガスなどの他の不活性ガスを用いても良い。第２シールドガスは、炭酸ガスに不活性ガスを混合させたシールドガスでも良い。なお以下においては、第１シールドガスをインナーガスであるアルゴンガス、第２シールドガスをアウターガスである炭酸ガス（ＣＯ２ガス）として説明する。
【００２７】
図２に示すように、溶接トーチ７は、コンタクトチップ２と、コンタクトチップ２の根元部分を取り囲むように配置される円筒部材２１，２３と、円筒部材２１，２３の外側に配置され、円筒部材２１，２３を支持する外筒部材２２と、ガスノズル５とを含む。ガスノズル５は、コンタクトチップ２を取り囲む円筒状の内筒部材５Ｂと、内筒部材５Ｂをさらに取り囲む円筒状の外筒部材５Ａとを含む。
【００２８】
アルゴンガスは、図２の矢印Ｆ（Ａｒ）に示す経路で第１ガス吹き出し口３からコンタクトチップ２の先端周辺に供給され、炭酸ガスは、図２の矢印Ｆ（ＣＯ２）に示す経路でアルゴンガスを取り囲むように第２ガス吹き出し口４からコンタクトチップ２の先端周辺に供給される。
【００２９】
特に限定されないが、図２の矢印Ｆ（Ａｒ）に示すように、一般的な炭酸ガスを使用する半自動溶接装置の溶接トーチに備えられている炭酸ガスを通すためのガス経路（円筒部材２３とコンタクトチップ２の隙間から孔Ｈ２に至る）を利用して、アルゴンガスをコンタクトチップを取り囲むように流す。また、炭酸ガスは、Ａｒガスとは別経路で流す。外筒部材５Ａの側面に開けた４つの孔Ｈ１にパイプを取り付け、これらのパイプから炭酸ガスを第２ガス吹き出し口に向けて流す。
【００３０】
好ましくは、ガス供給部６は、第１シールドガス（Ａｒガス）を周期的に増減させながら供給する電磁弁１３と、電磁弁１３を通過する第１シールドガス（Ａｒガス）の流量を測定する第１流量計１７と、第２シールドガス（ＣＯ２ガス）が供給される流量を測定する第２流量計１８とを含む。
【００３１】
ガス供給部６は、開状態において第２シールドガス（ＣＯ２ガス）を定常的に供給する開閉弁１４をさらに含む。なお、開閉弁１４は手動の弁でも電磁弁でも良い。また、開閉弁１４は必ずしも設ける必要は無く、第２流量計１８の流量を見ながらガスボンベ１５についているバルブの開度を手動で調整するのでも良い。
【００３２】
図３は、溶接装置において炭酸ガスとアルゴンガスを供給するガス供給部における弁の開閉状態を示す波形図である。溶接時には図３に示すように、炭酸ガス（ＣＯ２ガス）を供給するための開閉弁１４は、常時開状態とされる一方で、アルゴンガスを供給する電磁弁１３は、開時間比率（ＯＮデューティー比とも言う）が２５％となるように間欠的に開閉される。
【００３３】
溶接装置１は、ガス流量制御装置１１をさらに備える。第１流量計１７が示す値に基づいて、ガス流量制御装置１１に電磁弁の開閉の制御状態（開閉周波数、開時間比率、開度など）が設定される。なお、予め、第１流量計１７が示す値と電磁弁１３の開閉制御状態との関係をガス流量制御装置１１の内部の記憶装置に登録しておき、第１流量計１７が示す値に基づいて、ガス流量制御装置１１が自動的に電磁弁１３の開閉を制御するようにしても良い。
【００３４】
本実施の形態に示す溶接装置で溶接を行なう代表的な条件および溶接材料について、以下に一例を示す。
電流：２８０Ａ
電圧：３０〜４０Ｖ（直流）
溶接速度：３０ｃｍ／ｍｉｎ
インナーシールドガス（Ａｒ）平均流量：１〜３Ｌ／ｍｉｎ
インナーシールドガスの電磁弁１３開閉条件：周波数５０Ｈｚ、開時間比率２５％
アウターシールドガス（ＣＯ２）平均流量：１５〜２０Ｌ／ｍｉｎ
アウターシールドガスの開閉弁１４開閉条件：常時開
溶融電極（溶接ワイヤ）：１．２ｍｍφ
溶接した母材（鋼板）：板厚１２ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ４００ｍｍ、鋼種ＳＳ４００
図４は、本実施の形態に係る溶接装置を用いて溶接した場合の電流および電圧波形を示す波形図である。図４において横軸は時間（ｍｓ）を示す。上段の波形は電圧を示し、電圧は３０Ｖ〜４０Ｖの範囲で変動している。下段の波形は電流を示し、電流は、２８０Ａ中心に２５０〜３３０Ａの範囲で変動している。
【００３５】
時刻ｔ１およびｔ２において、電圧および電流に棘状の変化が見られる。このタイミングで溶滴が母材に移行し、電圧および電流が変化したと考えられる。電圧が増加中であり、かつ電流値が最大値付近で溶滴の移行が発生しており、溶滴の移行周期は２０ｍｓ程度である。これは、周波数５０Ｈｚのインナーシールドガスの増減の周期２０ｍｓに一致している。すなわち、インナーシールドガスの変化の周期に同期して溶滴が移行することが示されている。
【００３６】
言い換えると、インナーシールドガスを周期的に増減させることによって、溶滴のサイズが適正サイズであるうちに、溶滴の母材への移行が促される。このため、大きなサイズの溶滴が移行する際に発生しやすいスパッタの量が抑制されるという効果が期待できる。
【００３７】
好ましくは、ガス流量制御装置１１は、第１シールドガスの最大流速が第２シールドガスの流速よりも高く、第１シールドガスの増減の周期が少なくとも１秒間に１０回となるように、電磁弁１３の開度を制御する。
【００３８】
ドーナツリング状に流されたアウターガスは、鋼板表面に衝突すると中心軸方向にも流れて広がるので中心のアーク発生位置は炭酸ガス雰囲気になる。本実施の形態では、溶滴移行促進のためにある一定時間、中心のアーク発生位置のガス組成を、アルゴンガスに置換する。このためには、中心軸方向に向かうアウターガスの流れに打ち勝つだけの、インナーガスの流速が必要となる。そこで、第１シールドガスの最大流速を第２シールドガスの流速よりも高くするように、シールドガスの流量と電磁弁１３の開閉が制御される。
【００３９】
また、第１シールドガスの添加周波数については、少なくとも１秒間に１０回（１０Ｈｚ）とした。これは、溶接条件（電流２８０Ａ)で１００％炭酸ガス溶接の時の溶滴離脱周波数が、大体十数Ｈｚなので、１０Ｈｚより低い周波数で溶滴離脱を制御しようとしても、溶滴が大きくなりすぎて自然と離脱してしまうため、ガスの添加による溶滴離脱の制御ができないからである。
【００４０】
図５は、炭酸ガス単一ガスを使用した比較実験におけるアークの状態を撮影した写真である。図６は、本実施の形態に係る溶接装置を用いて溶接を行なった場合のアークの状態を撮影した写真である。
【００４１】
図５に示す写真では、（ｃ）６６ｍｓにおいて溶滴が上方向に働く電磁力により落下が阻止され上向きに押し上げられていることが示されている。そして（ｄ）９９ｍｓ、（ｃ）１３２ｍｓと時間の経過にしたがって溶滴のサイズが大きくなっている。さらに、（ｆ）１６５ｍｓでは、大きなサイズの溶滴が母材に落下した際に跳ねが生じスパッタが多数発生することが理解できる。
【００４２】
図６に示す写真では、図５に示す写真ほど溶滴のサイズが成長せずに、インナーシールドガスが間欠的に供給される周期（約２０ｍｓ）前後で落下することが示されている。したがって、母材に移行する溶滴のサイズも図５の写真と比べて小さくなっており、スパッタが減少した。
【００４３】
溶接中の目視でのスパッタ発生量、溶接後の鋼板表面のスパッタ付着状況には明瞭に差があり、スパッタ抑制効果は明らかに確認できた。
【００４４】
（溶滴が同期滴下する条件の各種評価）
以下、電磁弁１３の開時間を変化させ、ガス断続周波数に同期して溶滴の移行が発生するか否かを実験した。
【００４５】
図７は、Ａｒガスの添加時間とＡｒガスの一周期あたりのピーク流量が変化した場合に、溶滴の移行が周波数に同期する範囲を調べた実験結果を示した図である。図７において、横軸はＡｒガスの添加時間（ｍｓ）を示し、縦軸は、Ａｒガスの一周期あたりのピーク流量（Ｌ／ｍｉｎ）を示す。
【００４６】
図７中、●印は、添加周波数と同じ周期で溶滴が１滴ずつ規則的に移行したことを示し、○印は、添加周波数と同じ周期で溶滴が１滴移行後に数滴移行したことを示し（溶滴移行回数が添加周波数よりも多い）、△印は、添加周波数よりも溶滴移行回数がやや少なかったことを示し、×印は、添加周波数と溶滴の移行が非同期であったことを示す。
【００４７】
なお、実験における溶接条件は、溶接電流２８０（Ａ）、溶接電圧３４（Ｖ），アウターガス（炭酸ガス）流量１８（Ｌ／ｍｉｎ）とし、Ａｒガスの添加周波数を５０Ｈｚに固定した。
【００４８】
この条件下で、電磁弁１３の開時間を２〜１５（ｍｓ）の範囲で変化させ、アルゴンガスの流量も変化させた。なお、縦軸に示したピーク流量は、流量計１７で検出される平均流量を電磁弁１３の開時間比率（ＯＮデューティ比）を用いて換算した結果である。（例えば、平均流量が２（Ｌ／ｍｉｎ）であり、開時間比率が２５％（＝１／４）の場合は、ピーク流量は２×４＝８（Ｌ／ｍｉｎ）となる。）
図７において、Ａｒガスの増減の１周期あたりの電磁弁１３の開時間が、少なくとも５ｍｓであり、かつＡｒガスの増減の１周期におけるピーク流量が、少なくとも毎分６リットルである範囲に、スパッタの低減が期待できる●印、○印が分布している。したがって、Ａｒガスの増減の１周期あたりの電磁弁１３の開時間を少なくとも５ｍｓに制御するとともに、かつＡｒガスの増減の１周期におけるピーク流量が、少なくとも毎分６リットルとなるように、Ａｒガスの流量を制御することが好ましい。
【００４９】
さらに、Ａｒガスの増減の１周期あたりの電磁弁１３の開時間が、５ｍｓ〜７ｍｓであり、かつＡｒガスの増減の１周期におけるピーク流量が、毎分６〜２５リットルである範囲に、スパッタの低減が最も期待できる●印が分布している。したがって、Ａｒガスの増減の１周期あたりの電磁弁１３の開時間を５ｍｓ以上７ｍｓ以下に制御するとともに、かつＡｒガスの増減の１周期におけるピーク流量が、毎分６リットル以上２５リットル以下となるように、Ａｒガスの流量を制御することがより好ましい。
【００５０】
図７では、Ａｒガスの添加周波数が５０Ｈｚの場合について代表的に示したが、Ａｒガスの添加周波数が２０Ｈｚ〜１００Ｈｚの場合についても同様なことが確認されている。
【００５１】
このような現象の理解としては、以下のように考えることができる。Ａｒガスパルス１つで１溶滴を落とすには、必要なパルスの幅（添加時間）と高さ（ピーク流量）が決まっていると考えられる。最低限のパルス幅はアーク近傍で炭酸ガスからＡｒ混合ガスへのガス置換が生じ、溶滴がピンチ力により離脱するまでの時間に関連する。また、高さ（ピーク流量）はアーク近傍局所においてＡｒガス濃度を必要な濃度まで高めるために必要な流量であると考えることができる。Ａｒガスの必要な濃度は、実験結果（電圧とアーク長から計算した電位傾度）から推定した計算値では約８０％以上である。
【００５２】
図８は、溶滴が同期滴下する範囲とインナーガスのピーク流速とアウターガスの流速との関係を示す図である。この図の流速は、流量を以下の方法で換算して示した。なお、インナーガスの流速については、ガスが間欠添加されているときの平均流量をピーク流速に換算した値を示す。
【００５３】
インナーガスについては、ノズル出口面積が４４ｍｍ2であったので、流速Ｖ＝流量Ｆ／出口断面積Ｓと考えると、流量Ｆ＝２．５（Ｌ／ｍｉｎ）の時は、
Ｖ＝２．５（Ｌ／ｍｉｎ）／４４（ｍｍ2）＝２５００（ｃｍ3／ｍｉｎ）／４４（ｍｍ2）＝２５００×１０-6（ｍ3／ｍｉｎ）／４４×１０-6（ｍ2）＝５６．８（ｍ／ｍｉｎ）
この平均流速に、電磁弁１３の開時間比率２５％（＝１／４）を考慮すると、流速Ｖ＝５６．８×４＝２２７．２（ｍ／ｍｉｎ）と換算できる。
【００５４】
アウターガスについて出口断面積が１７０．４３ｍｍ2であったので、同様に計算して流量１５Ｌ／ｍｉｎの場合、８８ｍ／ｍｉｎと換算できる。
【００５５】
ここで、Ａｒガスを供給する電磁弁１３は、添加周波数５０Ｈｚ、開時間比率２５％で制御した。
【００５６】
図８中、●印は、添加周波数と同じ周期で溶滴が１滴ずつ規則的に移行したことを示し、△印は、添加周波数よりも溶滴移行回数がやや少なかったことを示し、×印は、添加周波数と溶滴の移行が非同期であったことを示す。
【００５７】
この結果は、同期の範囲がアウターガスの流速が４０（ｍ／ｍｉｎ）の時であれば、アウターガス流速＜インナーガスピーク流速であるという推定と矛盾しない。
【００５８】
アウターガスはリング（ドーナツ）状にアーク部分に供給されている。アウターガスは、鋼板に衝突すると外側に方向を変えて流れるとともに、その一部はドーナツの中心に向かって向きを変えて流れる。さらにドーナツの中心に向かったガスは、ドーナツ中心で衝突し上方に向かう流れになることも考えられる。アーク発生点はドーナツの中央部であり、この場所のアルゴン濃度を推定では８０％以上としなければならない。インナーガスによって、アウターガス（炭酸ガス）を押しのけてアルゴンガスを供給してガスを置換する必要があり、そのためには、ある程度の流速をもったガスの流れをドーナツ中央部に供給してやる必要がある。実験結果としては、インナーガスのピーク流速が、アウターガス流速以上であるという条件がこれを満たす条件に相当する。
【００５９】
このため、上記の関係を満たすようにガス流量と電磁弁１３の開閉を制御することが好ましい。ただし、Ａｒガスのピーク流速については、平均流速よりもピーク流速が高くなることを示すために、電磁弁を作動させた場合の最大流量はどのようになっているのかを確認するために補助実験を行なった。
【００６０】
図９は、Ａｒガスの平均流量を変化させた場合に、Ａｒガスの最大流量も平均流量の増加に伴って変化することを補助実験で確認したことを示す図である（ガス添加周波数５０Ｈｚ、ガス添加時間５ｍｓ、電磁弁１３の開時間比率２５％）。図９の波形図では、ピーク流量が得られるパルス期間（ｔ＝６〜１４ｍｓあたり）を抽出して示した。補助実験は、実際のガスバルブ出口における流速を測定する代わりに、溶接ガス管と同じウレタンチューブを溶接トーチ先端までの距離に相当する長さだけ電磁弁１３に接続し、平均流量を計測しつつ、ウレタンチューブ出口において応答性の良い他の流量計でガスの流量を計測した結果である。図９に示すように、平均流量が２．１（Ｌ／ｍｉｎ）の場合に最大流量は約１２（Ｌ／ｍｉｎ）であり、平均流量が４．２（Ｌ／ｍｉｎ）の場合に最大流量は約２１（Ｌ／ｍｉｎ）であり、平均流量が８．４（Ｌ／ｍｉｎ）の場合に最大流量は約３６（Ｌ／ｍｉｎ）であり、平均流量が１２．６（Ｌ／ｍｉｎ）の場合に最大流量は約４７（Ｌ／ｍｉｎ）であった。
【００６１】
したがって、インナーガスの流量を増加させると、最大流量も増加することがわかる。ただし、流量の増加に対して等倍では増加せず、ある程度ロスが生じている。具体的には、上記の平均流量が２．１Ｌ／ｍｉｎのときを基準とすると、流量が２倍，４倍，６倍になった場合に最大流量は、それぞれ約１．８倍、３倍、３．９倍と少し小さな倍率になった。したがって、インナーパルスのピーク流速についても同様な倍率で平均流速よりも速度が増加すると考えられる。
【００６２】
最後に、本実施の形態で開示した溶接方法について総括する。
本開示は、溶融電極を使用するアーク溶接方法に関する。本実施の形態で示したアーク溶接方法は、溶接金属形成部に向けて溶融電極１２を取り囲むように第１シールドガスを供給する工程と、第１シールドガスを取り囲むように第２シールドガスを供給する工程と、溶融電極１２と母材２０との間にアークが発生するように電圧を印加する工程とを備える。図３で説明したように、第１シールドガスを供給する工程では、流速を周期的に増減させながら第１シールドガスを供給し、第２シールドガスを供給する工程では、第２シールドガスを定常的に供給する。
【００６３】
好ましくは、第１シールドガスは、アルゴンガスであり、第２シールドガスは、炭酸ガスを含むシールドガスである。
【００６４】
好ましくは、第１シールドガスの最大流速は、第２シールドガスの定常的な流速よりも高い。これは、第２シールドガスよりも高速に第１シールドガスが流れる瞬間がないと、溶滴離脱を促進する効果が得られないからである。また、第１シールドガスの増減の回数は、少なくとも１秒間に１０回である。これは、増減の周期がこれ以上長くなると溶滴が成長しすぎるため、第１シールドガスに無関係に自然に落下してしまうからである。
【００６５】
なお、図７の結果を考慮すると、第１シールドガスの増減が、電磁弁を開閉することによって行なわれるとき、第１シールドガスの増減の１周期あたりの前記電磁弁の開時間は、少なくとも５ｍｓ（ミリ秒）であり、かつ前記第１シールドガスの増減の１周期におけるピーク流量は、少なくとも毎分６リットルであるように、電磁弁と第１シールドガスの流量が制御されることが好ましい。
【００６６】
今回開示された実施の形態は、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、上記した実施の形態の説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許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。
【符号の説明】
【００６７】
１  溶接装置、２  コンタクトチップ、３，４  ガス吹き出し口、５  ガスノズル、５Ａ，２２  外筒部材、５Ｂ  内筒部材、６  ガス供給部、７  溶接トーチ、８  溶接電源装置、８Ａ  設定部、８Ｂ  電圧発生部、９  送給装置、１１  ガス流量制御装置、１２  溶融電極、１３  電磁弁、１４  開閉弁、１５，１６  ガスボンベ、１７  第１流量計、１８  第２流量計、１９  トリガスイッチ、２０  母材、２１，２３  円筒部材。
【図１】
2020089907.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年9月26日(2019.9.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融電極を使用するアーク溶接方法であって、
溶接金属形成部に向けて前記溶融電極を取り囲むように第１シールドガスを供給する工程と、
前記第１シールドガスを取り囲むように第２シールドガスを供給する工程と、
前記溶融電極と母材との間にアークが発生するように電圧を印加する工程とを備え、
前記第１シールドガスを供給する工程では、流速を周期的に増減させながら前記第１シールドガスを供給し、
前記第２シールドガスを供給する工程では、前記第２シールドガスを定常的に供給し、
前記第１シールドガスの最大流速は、前記第２シールドガスの定常的な流速よりも高く、
前記第１シールドガスの増減の周期は、少なくとも１秒間に１０回である、アーク溶接方法。
【請求項２】
前記第１シールドガスは、アルゴンガスであり、
前記第２シールドガスは、炭酸ガスを含むシールドガスである、請求項１に記載のアーク溶接方法。
【請求項３】
前記第１シールドガスの増減は、電磁弁を開閉することによって行なわれ、
前記第１シールドガスの増減の１周期あたりの前記電磁弁の開時間は、少なくとも５ミリ秒であり、かつ前記第１シールドガスの増減の１周期におけるピーク流量は、少なくとも毎分６リットルである、請求項１または２に記載のアーク溶接方法。
【請求項４】
溶融電極を使用する溶接装置であって、
前記溶融電極に電圧を印加するコンタクトチップと、
前記コンタクトチップの周囲を取り囲むように形成され、第１シールドガスを吹き出す第１ガス吹き出し口と、前記第１ガス吹き出し口を取り囲むように形成され、第２シールドガスを吹き出す第２ガス吹き出し口とを有するガス供給ノズルと、
前記第１ガス吹き出し口および前記第２ガス吹き出し口にそれぞれ前記第１シールドガスおよび前記第２シールドガスを供給するガス供給部とを備え、
前記ガス供給部は、前記第２シールドガスを定常的に供給するとともに、前記第１シールドガスの最大流速が前記第２シールドガスの流速よりも高くなるように前記第１シールドガスの流速を周期的に増減させながら供給するように構成され、
前記第１シールドガスの最大流速が前記第２シールドガスの流速よりも高く、かつ、前記第１シールドガスの増減の周期が少なくとも１秒間に１０回となるように、前記ガス供給部を制御する制御装置をさらに備える、溶接装置。
【請求項５】
前記第１シールドガスは、アルゴンガスであり、
前記第２シールドガスは、炭酸ガスを含むシールドガスである、請求項４に記載の溶接装置。
【請求項６】
前記ガス供給部は、
前記第１シールドガスを周期的に増減させながら供給する電磁弁と、
前記電磁弁を通過する前記第１シールドガスの流量を測定する第１流量計と、
前記第２シールドガスが供給される流量を測定する第２流量計とを含む、請求項４または５に記載の溶接装置。
【請求項７】
前記第１シールドガスの増減は、前記電磁弁を開閉することによって行なわれ、
前記第１シールドガスの増減の１周期あたりの前記電磁弁の開時間は、少なくとも５ミリ秒であり、かつ前記第１シールドガスの増減の１周期におけるピーク流量は、少なくとも毎分６リットルである、請求項６に記載の溶接装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
炭酸ガス（ＣＯ２ガス）または炭酸ガスとアルゴンガスの混合ガスをシールドガスとして使用するＭＡＧ（Metal  Active  Gas）溶接は、アーク溶接のなかでも最も一般的な溶接法である。ＭＡＧ溶接でのアーク形状および溶接ワイヤ先端に形成される溶滴の挙動は、シールドガスの種類によって大きく変化することが知られている。炭酸ガス系のシールドガスを用いるＭＡＧ溶接では、アークが溶滴下端部に集中して発生するので、溶滴が母材に移行する際に溶滴のワイヤからの離脱を阻害するように電磁力が働き、大電流になると溶滴が押し上げられ、溶滴のサイズが大きいグロビュール移行となり、スムーズな溶滴移行が進まず、多量のスパッタが発生するという問題がある。