(57)【要約】【課題】  近年のGMA溶接は溶接状態を溶接電源が電圧、あるいは電流から検知し、その時々で電流波形の周期が変化する。このために、一定間隔でGMA溶接と非消耗性溶接を相互に行うと、GMAと非消耗性溶接の位相にズレが生じ、いずれアークの干渉が生じ、安定した溶接が困難となる。【解決手段】  GMA溶接の電流波形を直接検知し、アークの干渉が生じない、低電流領域を判断し、その間に任意のタイミング、任意の時間、非消耗性溶接を行えるような制御をしながら同時溶接を行う。【選択図】  図１
2016036833.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
GMA溶接電源から電流が供給されるGMA電極と、
前記電流の電流値を計測する電流検知部と、
前記電流値に応じた命令信号を出力する制御部と、
アークを発生させる非消耗性電極を備えた非消耗性溶接装置とを備え、
前記命令信号によって前記非消耗性電極に流れる電流が制御されること特徴とする２電極同時溶接装置。
【請求項２】
命令信号は、GMA溶接のアークと非消耗性溶接のアークとが互いに干渉しないように制御する信号であることを特徴とする請求項１に記載の２電極同時溶接装置。
【請求項３】
GMA溶接電源から電流が供給されるGMA電極と、
前記電流の電流値を計測する電流検知部と、
前記電流値に応じた命令信号を出力する制御部と、
アークを発生させるプラズマ電極を備えたプラズマ溶接装置とを備え、
前記命令信号によって前記プラズマ電極に流れる電流が制御されること特徴とする２電極同時溶接装置。
【請求項４】
命令信号は、GMA溶接のアークとプラズマ溶接のアークとが互いに干渉しないように制御する信号であることを特徴とする請求項３に記載の２電極同時溶接装置。
【請求項５】
GMA溶接電源から電流が供給されるGMA電極と、
前記電流の電流値を計測する電流検知部と、
前記電流値に応じた命令信号を出力する制御部と、
アークを発生させる非消耗性電極を備えた非消耗性溶接装置とを用いた２電極同時溶接方法であって、
非消耗性溶接がGMA溶接に先行し、前記命令信号によって前記非消耗性電極に流れる電流を制御する２電極同時溶接方法。
【請求項６】
命令信号は、GMA電極に流れる電流値が所定値以下のときに非消耗性溶接を行うことを特徴とする請求項５に記載の２電極同時溶接方法。
【請求項７】
４５度以上の傾斜又は垂直方向に溶接することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の２電極同時溶接方法。
【請求項８】
GMA溶接電源から電流が供給されるGMA電極と、
前記電流の電流値を計測する電流検知部と、
前記電流値に応じた命令信号を出力する制御部と、
アークを発生させるプラズマ電極を備えたプラズマ溶接装置とを用いた２電極同時溶接方法であって、
非消耗性溶接がGMA溶接に先行し、前記命令信号によって前記非消耗性電極に流れる電流を制御する２電極同時溶接方法。
【請求項９】
命令信号は、GMA電極に流れる電流値が所定値以下のときにプラズマ溶接を行うことを特徴とする請求項８に記載の２電極同時溶接方法。
【請求項１０】
４５度以上の傾斜又は垂直方向に溶接することを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の２電極同時溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属のアーク溶接による２電極同時溶接方法および２電極同時装置関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＧＭＡ（Ｇａｓ  Ｍｅｔａｌ  Ａｒｃ）溶接と非消耗性溶接、例えば、ＴＩＧ（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ  Ｉｎｅｒｔ  Ｇａｓ）溶接とを同時に施すことが可能な溶接装置は、溶接速度の向上や溶け込み深さをより深くすることなどに有利である。また、非消耗性電極のため高品質な溶接部が得られるＴＩＧ溶接法と、肉盛が可能なＧＭＡ溶接法との両方の長所を生かすことができる。しかしながら、一般的にＧＭＡ溶接やＴＩＧ溶接はアーク放電を行う溶接法であるため、同時に溶接するとアークが発生する磁場により、互いのアーク間に引力や斥力が発生する。引力や斥力は溶接電流に比例し大きくなるため、大電流での溶接、あるいはピーク電流が大きくなるパルス溶接では、大きな引力や斥力が発生し、安定した溶接が困難である。そこで、従来は、特許文献１の図３に示されるように、ＧＭＡ溶接の電流波形のピークとＴＩＧ溶接の波形のピークとが相互に入れ替わるように位相をずらして溶接することで、アークの干渉を抑制していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２０７２１３（図３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＧＭＡ溶接と非消耗性溶接、例えば、ＴＩＧ溶接の同時溶接にはアークの干渉の回避が必要であるため、両溶接をパルスモードとした上で、互いのピークが重ならないように位相をずらす必要がある。しかしながら、ＧＭＡ溶接は電極が溶融する消耗性電極であるため、溶接中の電極の溶融状態が刻一刻と変化する。そこで、近年のＧＭＡ溶接電源は安定した溶接を行うために、溶接電源が電圧、あるいは電流を検知し、その時々で電流周期を変化させるフィードバック制御機構がついている。このためＧＭＡ溶接とＴＩＧ溶接とを同時に溶接する際、ＧＭＡ溶接のピーク電流時間とＴＩＧ溶接のピーク電流時間とが重なることを避けるように位相をズラして溶接を開始しても、ＧＭＡ電源のフィードバック制御機構の働きによりＧＭＡ溶接の周波数が変化するため、いずれは電流の互いの溶接電源のピークタイミングが重なってしまい、アークの相互作用が発生し、安定した溶接が困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の２電極同時溶接装置では、GMA溶接電源から電流が供給されるGMA電極と、電流の電流値を計測する電流検知部と、電流値に応じた命令信号を出力する制御部と、アークを発生させる非消耗性電極を備えた非消耗性溶接装置とを備え、命令信号によって非消耗性電極に流れる電流が制御される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の２電極同時溶接装置では、GMA溶接電源から電流が供給されるGMA電極と、電流の電流値を計測する電流検知部と、電流値に応じた命令信号を出力する制御部と、アークを発生させる非消耗性電極を備えた非消耗性溶接装置とを備え、命令信号によって非消耗性電極に流れる電流が制御されるので、ＧＭＡ溶接の電流波形を直接検知することで、アークの干渉を確実に避けた同時溶接を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施の形態１における２電極同時溶接装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１におけるパルスＧＭＡ溶接の電流波形図である。
【図３】本発明の実施の形態２における２電極同時溶接装置の構成図である。
【図４】本発明の実施の形態２における比較例を示すための図である。
【図５】本発明の実施の形態３における２電極同時溶接装置の構成図である。
【図６】本発明の実施の形態３における２電極同時溶接装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における２電極同時溶接装置の構成図であり、より具体的には、ＴＩＧ電極１が先行、ＧＭＡ電極２が後行となる同時溶接方法で、ＴＩＧ電極１にはＴＩＧ溶接電源５が、ＧＭＡ電極２にはＧＭＡ溶接電源４が繋がれている。溶接電流が流れるＧＭＡ電源４とＧＭＡ電極２との間には直接電流値を読み取る直接電流検知線６が繋がれており、検出した電流の大きさによってＴＩＧ電源に制御指令を出す制御装置７を備えた構成である。なお、図において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは明細書の全文、図面の全図において共通することである。さらに、明細書全文に表れている構成要素の形態は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。
【０００９】
ここで、２つの電極（ＴＩＧ電極１及びＧＭＡ電極２）から発生するアーク放電による入熱が１つの溶融池に与えられるように、電極間の距離は１０ｍｍ以下とする。両溶接法ともにパルス溶接法である。ＧＭＡ溶接はピーク電流が３００Ａ〜５００Ａ、ベース電流が６０Ａ以下、繰返し周波数が２００Ｈｚ以下であり、また、ＴＩＧ溶接はピーク電流が１５０Ａ以上、ベース電流が６０Ａ以下であることが望ましい。また、溶接速度は１００ｍｍ／ｍｉｎ〜２０００ｍｍ／ｍｉｎが望ましい。具体的な動作は次のとおりである。
【００１０】
図２は、本発明の実施の形態１におけるパルスＧＭＡ溶接の電流波形図である。ＧＭＡ電源の回路内に直接電流検知線６を接続し、ＧＭＡ溶接の溶接電流を直接検知する。例えば、パルスＧＭＡ溶接では図２に示すような電流波形となり、電流値の高い矩形区間が存在する。直接電流検知線６は制御装置７に接続されており、制御装置７は電流の値を読み取り、その値によってＴＩＧ電源へと指令を送る機能を有する。
【００１１】
アーク電流が小さい場合、６０Ａ以下ではアークの相互干渉が小さく、溶接を困難にするほどではないため、例えば、６０Ａを閾値として制御装置７に設定する。直接電流検知線６により得られた電流値が閾値以上であれば、ＴＩＧ電源にピークＯＦＦ指令を送り、ピークのアーク発生をストップさせ、低電流、例えば６０Ａでのベースアーク状態とさせる。閾値以下であれば、ＴＩＧ電源にピークＯＮ指令を送り、ＴＩＧアークのピークを発生させ、目的の溶け込みが得られる高電流アーク、例えば、１５０Ａを発生させる。
【００１２】
本形態により、ＧＭＡ溶接は単独溶接時と同様に安定した溶接が行え、ＧＭＡ溶接の溶接電流が低い区間にのみＴＩＧ溶接がピークとなるため、アークの相互干渉を確実に避ける同時溶接が可能である。
【００１３】
ＧＭＡ溶接は消耗性電極であるため、電極そのものが溶融し、肉盛として母材に溶着する。このため、アーク−母材間に肉盛が存在するため、母材へアーク熱が直接伝わらず、入熱が妨げられ、溶融不足が生じることがある。特に、溶接開始時や、熱伝導率の高いアルミや銅などの金属ではその傾向が顕著である。しかしながら、ＴＩＧ溶接は非消耗性電極であるため、先述のような母材へのアーク熱を遮るものがなく、１５０Ａ以上の溶接ピーク電流であれば確実に母材を溶融させることができる。このため、ＴＩＧ溶接法が先行した同時溶接を行うことで、母材を確実に溶融させることができる。GMA溶接の溶接電流を直接検知し、アーク発生のタイミングを毎回確実にずらすことで安定した同時溶接を可能にしている。
【００１４】
また、ＧＭＡ溶接単体では１０００ｍｍ／ｍｉｎ程度が限界であり、それ以上の高速化を進めると溶接ビードの太さが周期的に変化するハンピングビードとなる。これは高速化により、入熱が不足し、母材が十分加熱されないことが主要因であるが、ＴＩＧ電源を先行させると、先行して母材を溶融させることができるため、入熱不足が解消され、最大２倍程度まで溶接の高速化が可能となり、ＴＩＧ溶接法の長所を活かした高速・高品質溶接が可能となる。
【００１５】
さらに、同時溶接における溶接状態を安定させるには、単純に一定間隔で交互に溶接を行うことが適切とは限らない。ＧＭＡ溶接とＴＩＧ溶接とを１対１で交互に行うよりも、例えば、ＧＭＡ溶接が２周期、ＴＩＧ溶接が１周期というように周期バランスが２対１の方がより適切となることもある。
【００１６】
例えば、閾値以下の場合の制御機構７の指令を予めプログラミングしておくことで、ＧＭＡ溶接の低電流区間に発生させるＴＩＧのピーク数（パルス数）を調整することができる。ＴＩＧ溶接法ではパルス間隔を変更させると溶融池がＴＩＧアークの圧力によって振動させられ、その振動数によって溶接部組織を微細化できることがしられているが、２電極同時溶接法においてもパルス数を増やすことで、溶融池に振動を与えることができる。本条件ではＴＩＧ溶接法とＧＭＡ溶接法との溶融池が一連となっているため、ＴＩＧアークによる溶融池の振動はＧＭＡ溶接の溶融池にも有効に働き、溶接部組織を微細化することができる。
【００１７】
GMA溶接電源から電流が供給されるGMA電極と、電流の電流値を計測する電流検知部と、電流値に応じた命令信号を出力する制御部と、アークを発生させる非消耗性電極を備えた非消耗性溶接装置とを備え、命令信号によって非消耗性電極に流れる電流が制御される２電極同時溶接装置によれば、命令信号はGMA溶接のアークと非消耗性溶接のアークとが互いに干渉しないように制御するので、波形周期が変動してもアークの干渉を確実に避けた同時溶接を行うことができる。GMA電極に流れる電流値が所定値以下のときに非消耗性溶接を行うからである。
【００１８】
以上のように、ＧＭＡ溶接の電流波形を直接検知し、アークの干渉が生じない、低電流領域を判断し、その間では、任意のタイミング、任意の時間、ＴＩＧ溶接を行えるような制御ができるので、溶接環境・条件に応じて適切なコントロールで同時溶接を行うことができる。
【００１９】
実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２における２電極同時溶接装置の構成図であり、より具体的には、実施の形態１と同じ構成で垂直方向の溶接を行う例を示している。通常、垂直方向の溶接は溶融池が重力により垂れ下がり、縦向き溶接は溶融池が重力に引っ張られ、垂れ落ちる（図４）。特に、縦向き下進溶接では溶接進行方向に溶融池が垂れ落ち、電極−ワーク間に溶融物が介入するため、アーク放電によるワークへの入熱が妨げられて、安定した溶け込みが得られず品質上の問題となる。一方、縦向き上進溶接では、垂れ落ちを防止するため、連続溶接は行われず、溶融池を素早く凝固させるためアークを切りながら溶接するが、入熱が軽減されるため溶け込み不足が生じる。ここでは、一番厳しい条件となる垂直方向の溶接で説明をしているが、４５度以上の傾斜においても同様の問題がある。
【００２０】
本実施の形態では母材の溶け込みをＴＩＧ溶接が担い、肉盛りをＧＭＡ溶接が担う。ＧＭＡ溶接は電流波形を逆極性とすることで、ワイヤを優先して溶かすことができることが知られている。本構成では、ＴＩＧ溶接が先行し、母材を溶融させているため、ＧＭＡ溶接による入熱はワイヤを溶融させるのに必要な分だけでよい。
【００２１】
従来はＧＭＡ溶接単独で母材の溶融とワイヤによる肉盛りを同時に行うため、広範囲にわたり、金属の融点を超える必要であった。ピーク温度が一点である場合、温度分布はその拡散性から、ピーク温度を中心に放射状に温度が低下する分布をとる。このため、広範囲を高温、ここでは融点にするためにはピーク温度を融点よりも高くする必要がある。融点以上にする範囲が大きくなるほど、ピーク温度も高くしなければならない。
【００２２】
しかしながら、本構成のように熱源を２分割することにより、ピーク温度が２点となる温度分布では、ピーク温度が１つのときと比較し、低いピーク温度で同等の範囲が融点となる温度分布が得られる。このような原理によって２つの熱源を持つ同時溶接では溶融池の最高温度抑制することができる。金属は一般に高温になるほど粘性が低下するため、本構成を用いることにより、最高温度を抑制することで溶融池の垂れ落ちを解決でき、良好な垂直方向の溶接が可能となる。さらに、先行のＴＩＧ溶接時は確実に母材に入熱が行われるため、安定した溶け込みが得られ、４５度以上の傾斜又は垂直方向での溶接でも、溶け込み不足を解消することができる。
【００２３】
GMA溶接電源から電流が供給されるGMA電極と、電流の電流値を計測する電流検知部と、電流値に応じた命令信号を出力する制御部と、アークを発生させる非消耗性電極を備えた非消耗性溶接装置とを備え、命令信号によって非消耗性電極に流れる電流が制御される２電極同時溶接装置によれば、命令信号はGMA溶接のアークと非消耗性溶接のアークとが互いに干渉しないように制御するので、波形周期が変動してもアークの干渉を確実に避けた同時溶接を行うことができる。GMA電極に流れる電流値が所定値以下のときに非消耗性溶接を行うからである。
【００２４】
実施の形態３．
図６および図７は、本発明の実施の形態３における２電極同時溶接装置の構成図である。実施の形態１および２とは、ＴＩＧ溶接電源による熱源をプラズマ熱源とする構成の点で異なっている。制御装置７からの命令信号によってプラズマ電極１０に流れる電流が制御されている。図６および図７に示すようにプラズマ電極１０が先行するプラズマ−ＧＭＡ同時溶接法であり、図６は水平方向の溶接例、図７は垂直方向の溶接例を示しており、プラズマ溶接が先行し、ＧＭＡ溶接が続くことになる。
【００２５】
２つの電極から発生するアーク放電による入熱が１つの溶融池に与えられるように、電極間の距離は１０ｍｍ以下とする。ＧＭＡ溶接はこれまでの構成と同様、パルス溶接法でピーク電流が３００Ａ〜５００Ａ、ベース電流が６０Ａ以下、繰返し周波数が２００Ｈｚ以下であることが望ましい。プラズマ溶接法はピーク電流が１００Ａ以上、ベース電流は６０Ａ以下が望ましい。プラズマ溶接を用いることにより、ＴＩＧ溶接使用時よりも溶接速度を向上させることができ、溶接速度は１００ｍｍ／ｍｉｎ〜３０００ｍｍ／ｍｉｎが望ましい。さらに、プラズマ溶接を用いることにより、ＴＩＧ溶接時よりも先行熱源として約３０％の入熱を減らすことができ、溶融池の最高温度を抑制できるため、さらに溶融池の垂れ落ちを抑制することができる。
【００２６】
以上のように、GMA溶接電源から電流が供給されるGMA電極と、電流の電流値を計測する電流検知部と、電流値に応じた命令信号を出力する制御部と、アークを発生させるプラズマ電極を備えたプラズマ溶接装置とを用いた２電極同時溶接方法であって、非消耗性溶接がGMA溶接に先行し、GMA電極に流れる電流値が所定値以下のときに非消耗性溶接を行う２電極同時溶接方法であり、４５度以上の傾斜又は垂直方向に溶接する場合でも、アークの干渉を確実に避けた同時溶接を行うことができる。
【符号の説明】
【００２７】
１  ＴＩＧ電極、２  ＧＭＡ電極、３  母材、４  ＧＭＡ溶接電源、５  ＴＩＧ溶接電源、６  直接電流検知線、７  制御装置、８  ＧＭＡ溶接の溶接電流波形、９  重力によるビードの垂れ落ち、１０  プラズマ電極、１１  プラズマ溶接電源。
【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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