(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接ワイヤの送給速度に対して、相対的に溶接ワイヤの溶融速度をアーク電流特性の変更により増減させ、溶接ワイヤ溶融端でのアーク発生位置を開先内で溶接ワイヤ先端を一点に留まることなく上下に揺動させることにより変化させ、被溶接材開先面でのアーク熱分布の制御を可能としたことを特徴とする溶接方法。
【請求項２】
開先幅が１０ｍｍ以下の超狭隘な開先を溶接する請求項１の溶接方法。
【請求項３】
アーク電流特性としての電流量を変化させて直流アーク溶接を行う請求項１または２の溶接方法。
【請求項４】
アーク電流特性としてのワイヤ極性を変化させて交流アーク溶接を行う請求項１または２の溶接方法。
【請求項５】
アーク電流特性としての電流波形を変化させてアーク溶接を行う請求項１または２の溶接方法。
【請求項６】
開先溶接を行う請求項１ないし５のいずれかの溶接方法。
【請求項７】
裏波溶接を行う請求項１ないし５のいずれかの溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、溶接方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、従来ではアーク不安定のために施工ができなかった開先幅１０ｍｍ以下の超開先であっても溶接が可能であって、母材開先面へのアーク熱密度分布を自在に制御することのできる、新しい消耗電極式アーク溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
従来から、機械部品や構造材料等の溶接においては、溶接変形の防止や、溶接時の入熱量低減等の観点から、ガスシールドアーク溶接法（ＧＭＡ）、サブマージアーク溶接法（ＳＡＷ）、エレクトロガスアーク溶接法（ＥＧＷ）、被覆アーク溶接法（ＭＭＡＷ）、および、セルフシールドアーク溶接法（ＦＣＡＷ）等が知られており、これらの手法を適用してのＧＭＡ法による開先幅１０〜１２ｍｍ程度の狭開先溶接法（ナロウギャップ溶接法・ＮＧＷ）も知られている。
【０００３】
なかでも、ＣＯ2 、Ａｒ−Ｈｅ、Ａｒ−Ｏ2 、Ａｒ−ＣＯ2 シールドなどのＭＩＧ溶接法、ＭＡＧ溶接法、ＳＡＷ溶接法が代表的なものとしてある。
消耗電極式アーク溶接による狭開先溶接の方法では、たとえば図６に示したように、溶接トーチ（２）の送給溶接ワイヤ（３）に、直流または交流の溶接電源（１）を接続し、溶接ワイヤ（３）から溶接アーク（５）を生じさせ、被溶接物（狭開先継手）（４）を溶接金属（６）によって溶接するようにしている。
【０００４】
だが、この従来の消耗電極アーク溶接方法では、開先間隙が１０ｍｍ以下の場合には溶接が不可能であるという問題があった。溶接継手開先内でのアーク熱の確保が確実なものとならず、溶接効率が悪いという問題が避けられなかった。
また、従来の方法では、アーク熱の集中による溶接継手部での金属学的な特性劣化や溶融変形もが生じやすいことから、このアーク熱の開先面での分散も制御されるべき問題となっていた。
【０００５】
そこで、消耗電極式アーク溶接法においては、溶接継手開先内でのアーク熱を確実に確保し、安定して効率よく溶接を行い、かつ、アーク熱の集中や分散を自在に制御することのできる溶接法の開発が課題となっていた。
このような状況において、アークを機械的にオシレート（振動）させて、アーク熱を確保する方法が採用されてきている。たとえば、ＢＨＫ方式として知られている方法においては、開先幅の方向へ連続的に波状の曲げくせを与えてアークをオシレートさせている。またＴＷＩＳＴ−ＡＲＣ方式では、２本のより合わせ溶接ワイヤによりアークを回転させており、さらに屈曲溶接ワイヤ方式では、溶接ワイヤ屈曲成形歯車により溶接ワイヤを屈曲させてアークをオシレートさせている。
【０００６】
しかしながら、このような従来の機械的オシレート方法においては、アークをオシレートする装置が別途必要となり、しかもアーク熱確保のための根本的な解決策とはなっていないのが実情である。
機械的オシレート方式とは全く別の方法も提案されている。特開昭４７−１６３５７号の狭開先溶接法においては、従来一般的に、溶接電流を大きくすると、アークの極点が、溶接ワイヤの先端からその溶接ワイヤの表面に沿って移動し、コンタクトチップなどの溶接トーチの電力供給金具の先端まで到達する場合があり、溶接継手開先内でのアーク熱を確実に確保することができず、溶接トーチ先端をも溶融してしまうという問題があったことから、被溶接物の衝合溶接開先間隙内に、溶接トーチを挿入して、ガスシールド消耗電極アーク溶接（狭開先ミグ溶接法）を行うに際し、溶接ワイヤを負極とする直流正極性の溶接電流を低溶接電流に周期的に降下させることにより、アークの這いあがりを防止して安定した直流正極性の高電流による溶接を行うことを提案している。
【０００７】
しかし、この方法においては、理論的な背景がないために、作業者の感や経験に頼ることになり、しかも、実際に、アーク熱の集中や分散といった、アーク熱制御を行うことはできなかった。
実際、この方法でも、狭開先の間隙を１０ｍｍ以下にすると、アークが母材表面上に発生して、開先内を溶融することができないという問題があった。
【０００８】
また、この方法においても、被溶接材（母材）の特性を損わない組織保存型の溶接性は充分でなく、溶接にともなう形状変形、残留応力の問題は解消されずにいた。
そこで、この出願の発明は、以上の通りの従来技術の欠点を解消するためになされたものであって、機械的オシレートを必要とせず、狭開先の間隙が１０ｍｍ以下であっても、母材の開先面に対してアーク熱の分散と集中を自在にコントロールして、安定して効率的な溶接を行うことを可能とする、新しい消耗電極式アーク溶接方法を提供することを課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、溶接ワイヤの送給速度に対して、相対的に溶接ワイヤの溶融速度をアーク電流特性の変更により増減させ、溶接ワイヤ溶融端でのアーク発生位置を開先内で溶接ワイヤ先端を一点に留まることなく上下に揺動させることにより変化させ、一被溶接材開先面でのアーク熱分布の制御を可能としたことを特徴とする溶接方法を提供する。
そして、この出願の発明は、開先幅が１０ｍｍ以下の超狭隘な開先を溶接する上記の溶接方法を提供する。
【００１０】
すなわち、この出願の発明は、発明者らによる詳しい検討から得られた、安定した効率的な溶接と、劣化のない組織保存型の溶接を可能とするためには被溶接材の開先面での最適なアーク熱の分布を得ることが欠かせないのであって、そのためには、溶接ワイヤの溶融速度をアーク極点（アーク電流の通電点）の挙動範囲、すなわちアーク電流通電領域とその移動速度との関係においてコントロールすることが重要であるとの知見、そして、より具体的には、アーク極点に係わるワイヤ端の位置に関しては、溶接ワイヤ端の上下振幅幅は基本的に変動電流波形の周波数、電流波形の最大電流と最低電流の比率に依存し、さらには、溶接ワイヤ端の移動速度は時間に対する電流変化（電流波形勾配）に強く依存するとの知見に基づいて完成されている。
【００１１】
つまり、母材の開先面での最適アーク熱の分布を得るために、溶接ワイヤの送給速度に対して、相対的に溶接ワイヤの溶融速度を、前記のような、アーク電流特性の変更によって増減させることによって、従来法のように、機械的オシレートを加えることなしに、アーク極点の挙動範囲、すなわちアーク電流通電領域、ならびにその移動速度を制御することに大きな特徴がある。
【００１２】
そして、このことは、アーク溶接における熱影響部（ＨＡＺ）領域幅の制御の観点からの熱伝導理論を駆使しての発明者による新しい着想に基づいてもいる。より具体的には、移動線熱源（ｒ＝０）の準定常状態で最高到達温度が融点（Ｔｆ）となる位置（ｒｆ：溶融幅）、および、Ａｃｌ（Ｔｍ）となる位置（ｒｍ：熱源からＨＡＺ母材境界までの距離）を求め、その比ｒｍ／ｒｆをとると、溶接速度がある程度高速であれば、この比は材料物性値によってのみ決定される定数となる。
【００１３】
例えば、鋼材のｒｍ／ｒｆの値は、約２となる。この結果は、ＨＡＺ幅（ｒｍ−ｒｆ）と溶接幅（ｒｆ）がほぼ等しくなることを意味しており、溶融幅をできるだけ狭めることが、ＨＡＺを狭隘化することにつながることを示している。すなわち溶け込み幅を電子ビームやレーザビーム溶接のように狭隘な溶込みが得られないアーク溶接において、密着突合わせ継手を溶接することは、ＨＡＺ幅を狭隘化するのに最適な手法ではなく、開先間隙を有する継手を使用し、開先壁にアーク熱分布を分散させてそこでの熱密度を最小化し、母材を僅かに溶接する手法が有効である。
【００１４】
そこで、一定溶接ワイヤ送給速度に対して相対的に溶接ワイヤ溶融速度を増減させることによって溶接ワイヤ溶融端（アーク発生主点）を開先内に侵入させると同時に、板厚方向へ揺動させようとする考えが導かれたのである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
まずこの発明の基本を図１に沿って説明する。直流アーク溶接では、図１に例示したように、溶接ワイヤの送給速度が一定であるとすると、溶接ワイヤに大電流が流れると、溶接ワイヤが溶融して、溶接ワイヤ端がＡ１からＡ２に上昇する。
【００１６】
そして、Ａ２に達した後にアーク電流を低下させると、溶接ワイヤの溶融量が少なくなり溶接ワイヤ端がＡ３まで下がることになる。
Ａ２は板厚や溶接施工のパス数により最適値を決めることができる。たとえば板厚２０ｍｍの２パス溶接ではＡ２を１０〜１５ｍｍに設定することができる。Ａ２に達した後にアーク電流を低下するとワイヤの溶融量が少なくなりワイヤ幅がＡ３まで下がる。Ａ３点で溶込を確保するためにＡ３点の位置を保持する。このようにワイヤ端をＡ１−Ａ２−Ａ３と移動させることによりアークの極点によるアーク熱の分散化を行い、併せてＡ３点でのアーク熱の集中化を可能とする。この時アークの極点がＡ１−Ａ２−Ａ３と移動することにより開先内壁面の溶融領域もＡ１−Ａ２−Ａ３と移動し開先内面でのアーク熱の分散化が可能となる。同様にして板厚７０ｍｍ等の板の溶接も可能となる。
【００１７】
交流アーク溶接においては、図２に示したように、溶接ワイヤの溶融量が少ないワイヤ陽極のときにはワイヤ端がＡ１位置にあり、溶融量の多いワイヤ陰極のときにはＡ２位置に上昇する。この後に再びワイヤ陽極にするとワイヤ端がＡ３まで下がる。上記と同様にワイヤ端をＡ１−Ａ２−Ａ３と移動させることによりアークの極点によるアーク熱の分散化を行うことができる。
【００１８】
これにより、１０ｍｍ以下の狭開先溶接であっても可能となる。従来に比して少数層での高効率溶接が実現される。同時に、アーク熱密度を大きく低下させることができ、熱変形を抑制できる。またＡ３位置でアーク熱の集中度を高めるように電流波形制御することにより安定な裏波溶接が可能となる。さらに、溶接継手形状によっては板の表面に熱を集中させる必要がある。また、この発明の方法では、直流、交流のいずれにおいても電流波形を適切に選ぶことによりＡ２での位置を保持して表面に熱を集中させ、止端部の形状制御することも可能である。さらに、狭開先継手ではビード中央になし型割れが生じることがある。このような割れが発生する可能性があればＡ２点近傍で入熱量を多くすることも可能である。
【００１９】
この発明の方法においては、消耗電極式アーク溶接の各種の方式が採用される。なかでもＡｒ−Ｈｅ、Ａｒ−Ｏ2 、Ａｒ−ＣＯ2 、ＣＯ2 等のシールドによるＭＩＧ溶接、ＭＡＧ溶接等が適当なものとして挙げられる。
また、フラックス入り溶接ワイヤを用いる場合には、フラックス成分によって、母材開先壁と溶解金属のぬれ性の向上による溶接欠陥発生防止、極点挙動の制御性の向上によるアーク熱密度分布の高精度化、溶接ワイヤ陰極時の溶接ワイヤ溶融速度向上による交流アーク時の揺動範囲拡大などが可能であり、この発明の溶接法の安定性および制御性が一層高まる。
【００２０】
また、この発明では、変形を抑制するので、これと関連する残留応力低減化を可能とする。
そして、この発明においては、開先幅１５〜１０ｍｍ狭開先や、通常の開先（Ｕ開先、Ｖ開先）に対しても有効である。特に開先幅１０ｍｍ以下の超狭開先では、その効果が非常に大きい。
【００２１】
この発明が対象とする被溶接材についてはその種類に特に制限はない。一般鋼、ステンレス鋼、アルミニウムや耐熱鋼、耐蝕鋼等の適宜なものであってよい。溶接ワイヤに関しても一般溶接用ワイヤ等でよい。またＧＭＡのガス条件についても一般的に使用されるＭＩＧガス、ＭＡＧガスでよい。
以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発明について説明する。
【００２２】
【実施例】
実施例１
実際に電流波形を変化させて、溶接ワイヤ端がどのように挙動するか測定した。図３は、大電流時の電圧を４４Ｖで０．２秒とし、小電流時の電圧を２２Ｖから２５Ｖで０．３秒としたときの結果であり、下図の点線は、そのときの溶接電流を示し、また、実線はワイヤー先端位置を示すものである。
【００２３】
この図３のように電圧を変化させることは、開先底部にアーク熱を増大させ溶融を確保し、裏波溶接に適用する。
一方、図４は、大電流時の電圧を５０Ｖから鋸歯的に０．２秒間変化させ、小電流時の電圧を２５Ｖで０．３秒としたときの結果であり、下図の点線は、そのときの溶接電流を示し、また、実線はワイヤー先端位置を示すものである。
【００２４】
この図４のように電圧を変化させることは、揺動上端部にアーク熱を増大させ溶融を確保し、止端部のビード形状をなめらかにする場合に適用する。
実施例２
実施例１の図３の電圧条件、すなわち、大電流時の電圧を４４Ｖ、小電流時の電圧を２２Ｖから２５Ｖとし、その変動電流の周波数を変化させて、ワイヤ上下揺動幅の関係を調べた。その結果は、図５の通りであった。この図から、変動電流の周波数を大きくすると、ワイヤ上下揺動幅が小さくなることがわかる。
実施例３
板厚２０ｍｍの開先幅５ｍｍのＩ型狭開先において、大電流時６００Ａを０．０６秒、小電流時２５０Ａを０．３秒、平均アーク電流３００Ａの溶接施工条件において直流アークＧＭＡ溶接を行った。その結果、溶込み深さ１０ｍｍ、母材溶融部片幅０．５ｍｍ、熱影響部片幅１ｍｍで２層の高効率溶接が可能となった。
【００２５】
またさらに、この方法においては板厚７０ｍｍまで高効率溶接が可能であった。
【００２６】
【発明の効果】
この発明により、母材の開先面にアーク熱の分散化と集中化を自在に制御できる溶接システムを提供することが可能となる。
さらに、この発明においては、開先内の熱密度分布を自在に制御できるので、小入熱密度分布時では母材の特性を損なわない組織保存型の溶接施工や、従来では施工ができない開先幅１０ｍｍ以下の超狭開先溶接およびＶ型開先等の裏波溶接、溶接時の溶融領域や熱影響部を最小化できるので変形、残留応力の低減や止端部形状制御による応力集中の低減をも可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】直流アーク溶接時の溶接ワイヤ位置と電流の関係を示した概略図である。
【図２】交流アーク溶接時の溶接ワイヤ位置と電流の関係を示した概略図である。
【図３】電流波形の変化によるワイヤ端の挙動変化を示した関係図である。
【図４】図３とは別の挙動変化を示した関係図である。
【図５】変動電流の周波数とワイヤ上下揺動幅の関係を示した関係図である。
【図６】従来の溶接装置を示した概略図である。
【符号の説明】
１  溶接電源
２  溶接トーチ
３  溶接ワイヤ
４  被溶接物（狭開先継手）
５  溶接アーク
６  溶接金属
【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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