(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記溶接ワイヤを３０ｍ／分以上の送給速度で送給し、
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
アーク溶接方法。
【請求項２】
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アーク溶接方法であって、
前記溶接ワイヤを３０ｍ／分以上の送給速度で送給し、
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
アーク溶接方法。
【請求項３】
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２に記載のアーク溶接方法。
【請求項４】
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２又は請求項３に記載のアーク溶接方法。
【請求項５】
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２又は請求項３に記載のアーク溶接方法。
【請求項６】
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２又は請求項３に記載のアーク溶接方法。
【請求項７】
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２〜請求項６までのいずれか一項に記載のアーク溶接方法。
【請求項８】
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１又は請求項７に記載のアーク溶接方法。
【請求項９】
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３０ｍ／分以上の送給速度で、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。
【請求項１０】
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３０ｍ／分以上の送給速度で、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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２２９７７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
しかしながら、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。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
本発明に係るアーク溶接方法は、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。
【００１３】
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。
【００１４】
本発明に係るアーク溶接方法は、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。
【００１５】
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。
【００１６】
本発明に係るアーク溶接方法は、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。
【００１７】
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。
【００１８】
本発明に係るアーク溶接方法は、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。
【００１９】
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。
【００２０】
本発明に係るアーク溶接方法は、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。
【００２１】
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。
【００２２】
本発明に係るアーク溶接方法は、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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【発明の効果】
【００２８】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】溶接対象の母材を示す側断面図である。
【図４】溶接電圧及び溶接電流の変動を示すグラフである。
【図５】本実施形態１に係るアーク溶接方法を示す模式図である。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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１０】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。
【図１１】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１２】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。
【図１３】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。
【図１４】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。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
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り、溶接電源１、トーチ２及びワイヤ送給部３を備える。
【００３１】
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５参照）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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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、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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。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。
【００３９】
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。
【００４０】
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１１ｈへ出力する。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
溶接電源１の電源部１１は、定電圧特性を有する。例えば、電源部１１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１１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６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６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５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５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。
【００４４】
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。なお、必要に応じて、第１母材４１及び第２母材４２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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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、目標電圧を生成し、溶接電圧をＰＷＭ制御する（ステップＳ１５）。つまり、溶接電源１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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
図４は、溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗの変動を示すグラフ、図５は、本実施形態１に係るアーク溶接方法を示す模式図である。図４に示す各グラフの横軸は時間を示し、図４Ａ〜図４Ｃに示す各グラフの縦軸はそれぞれ、溶接電源１の設定電圧、母材４及び溶接ワイヤ５間の溶接電圧Ｖｗ、アーク７を流れる溶接電流Ｉｗである。
【００５２】
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。具体的には、定電圧特性の溶接電源１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６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。
【００５３】
より好ましくは、電源部１１は、図４Ｃに示すように、溶接電源１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４Ｃ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４を溶接する場合、例えば、溶接ワイヤ５の直径を１．２ｍｍとすると、約４０ｍ／分の速度で溶接ワイヤ５を送給すると良い。以下、溶接ワイヤ５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４Ａ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５及び母材４間には図４Ｂに示すような溶接電圧Ｖｗが印加され、図４Ｃに示すような溶接電流Ｉｗが流れる。溶接電源１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１は、約４０ｍ／分の速度で溶接ワイヤ５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４Ｃ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。
【００５４】
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５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状態とを周期的に変動することが確認された。
【００５５】
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。第１状態は、例えば溶接ワイヤ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。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５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。
【００５６】
図６は、埋もれ空間６ａ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７は、埋もれ空間６ａ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５の突き出し長さが１８ｍｍ、溶接ワイヤ５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６及び図７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６及び図７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６及び図７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。
【００５７】
図６及び図７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６ａ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６ａ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６及び図７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５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。
【００５８】
＜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５の先端部５ａの位置は母材４より上側に位置し、その状態で溶接ワイヤ５の先端部５ａと母材４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５の先端部５ａと、母材４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５の先端部５ａ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５と母材４とが短絡を起こし、アークの維持が困難となる。
【００５９】
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４又は溶融金属表面よりも深い位置に溶接ワイヤ５の先端部５ａ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６ａ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。
【００６０】
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５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５の先端部５ａの位置を母材４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。
【００６１】
図８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８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６ａでアーク７が発生する埋もれアークとなる範囲が存在する。
【００６２】
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５の突出し長さの影響を受ける。
【００６３】
図９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９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５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。
【００６４】
図１０は、ワイヤ径１．６ｍｍ、溶接ワイヤ５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１０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１０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６ａでアーク７が発生する埋もれアークとなる範囲が存在する。
【００６５】
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５の先端部５ａ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５の先端部５ａの位置を母材４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１０に示す溶接電流及び電圧の範囲を基準としつつ、図８及び図９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。
【００６６】
＜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６ａ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。
【００６７】
以上の通り、本実施形態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。本実施形態１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。
【００６８】
なお本実施形態１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５の先端部５ａ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５の先端部５ａが、溶融部分６の底部６１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４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。
【００６９】
（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等の溶接条件が実施形態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。
【００７０】
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１１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１１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６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１１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。
【００７１】
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５の直径、溶接ワイヤ５の材質、溶接ワイヤ５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４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。
【００７２】
ドロップ移行は、溶接ワイヤ５の先端部５ａが溶融し、溶滴が粒状に溶接ワイヤ５から離脱する溶滴移行形態であり、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。つまり、ドロップ移行においては、アーク７は下向き、つまり溶接ワイヤ５の延長方向となる。
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。
ローテーティング移行は、溶接ワイヤ５の先端部５ａ及び溶融部分６の側部６２間にアーク７が発生し、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が凹状の溶融部分６の側部６２方向を向きながら回転を続ける溶滴移行形態である。
【００７３】
一例として、ワイヤ突出し長さが２５ｍｍ、溶接ワイヤ５の直径が１．２ｍｍ、溶接ワイヤ５の材質がＹＧＷ１２、溶接ワイヤ５の送給速度が３０ｍ／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１２にまとめる。
【００７４】
図１２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５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１２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。
【００７５】
埋もれアーク溶接においては、溶融金属中に埋もれ空間６ａ、つまり凹状の溶融部分６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。しかし、溶接ワイヤ５の先端部５ａから溶融部分６の側部６２へ照射されるアークの力によって、溶融部分６が支えられ、埋もれ空間６ａは安定した状態で保持される。埋もれ空間６ａをアーク７によって支え切れなかった場合、埋もれ空間６ａの開口部は狭まり、最終的には溶接ワイヤ５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７によって溶融部分６の側部６２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６の側部６２にアーク７が照射され、埋もれ空間６ａの開口部を支えて埋もれ空間６ａ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７が溶融部分６の側部６２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６ａ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７は下向き、つまり溶融部分６の底部６１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６ａを安定化することができるものの、アーク７が埋もれ空間６ａの底部６１に照射されないため、溶接電流の出力に対する母材４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７が溶融部分６の底部６１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６の底部６１にアーク７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。
【００７６】
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６ａ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６ａ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７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６ａ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。
【００７７】
次に、以上の事情を踏まえた実施形態２に係るアーク溶接方法について説明する。本発明の実施形態２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６ａの安定化と深い溶込みの両立を実現する。
【００７８】
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７が凹状の溶融部分６の側部６２に照射され、埋もれ空間６ａ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７は凹状の溶融部分６の底部６１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６ａの安定化と深い溶込みを両立することが可能となる。
【００７９】
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７が溶融部分６の底部６１及び側部６２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５の直径は０．９ｍｍ以上１．６ｍｍ以下、溶接ワイヤ５の送給速度は３０ｍ／分以上に設定すると良い。溶接ワイヤ５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。
【００８０】
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状態とが周期的に繰り返される。
【００８１】
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状態とが周期的に繰り返される。
【００８２】
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状態とが周期的に繰り返される。
【００８３】
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。
【００８４】
なお上述の溶接条件は、一例であり、溶接ワイヤ５の材質、ワイヤ系、突出し長さ、溶接ワイヤ５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。
【００８５】
溶接ワイヤ５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５として適用しても良い。
【００８６】
溶接ワイヤ５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５の突出し長さは移行形態の遷移電流に影響する（図１３参照）。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。
【００８７】
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１３参照）。この観点からも、極端に太い溶接ワイヤ５や細い溶接ワイヤ５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。
【００８８】
溶接ワイヤ５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６ａが形成されるように適宜決定すれば良い。
【００８９】
図１３は、ワイヤ径及びワイヤ突出し長さと、溶接ワイヤ５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５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１３は、溶接ワイヤ５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１３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５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５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。
【００９０】
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１４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５の溶滴移行形態との関係を示す概念図である。図１４は、図１１と同様、ワイヤ突出し長さが２５ｍｍ、溶接ワイヤ５の直径が１．４ｍｍ、溶接ワイヤ５の材質がＹＧＷ１２、溶接ワイヤ５の送給速度が３０ｍ／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１１及び図１４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。
【００９１】
以上の通り、溶接ワイヤ５のワイヤ径及び突出し長さは、図１２又は図１４を基準にして、図１３に示す傾向を考慮して、適宜決定することができる。
【００９２】
上記溶接方法を実施する溶接電源１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５の送給速度を設定する。なお、溶接電源１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１は、設定された溶接条件に基づいて、溶接ワイヤ５の送給を制御し、溶接電流を周期的に変動させる。
【００９３】
以上の通り、本実施形態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６ａの安定化と深い溶け込みを実現することができる。
【００９４】
なお、アーク７が溶融部分６の側部６２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７が溶融部分６の底部６１に照射される場合がある。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
更にまた、実施形態２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７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６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６ａ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６ａ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６ａの安定化を実現できる。
【００９８】
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、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。
【符号の説明】
【００９９】
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
【図１】
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【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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