(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送給される電極ワイヤ２と被溶接体５との間のアーク６を維持するように該電極ワイヤ２にパルス状の電流を供給して被溶接体５を溶接するＭＩＧ溶接または、ＭＡＧ溶接方法において、
電流を１パルスごとに１溶滴が発生する値として、
そのパルス間隔の疎密を周期的に変化させ、
疎なるパルス群と密なるパルス群の各々のピーク電流値ならびにピーク時間を同一に設定し、
電極ワイヤ２の送給速度を該パルス密度に比例させ、
前記パルス間隔の密な期間で入熱量を大きくして母材の溶融幅および溶融深さを大きくすると共に、パルス間隔の疎な期間で入熱を制限して溶融金属の流動性を小さくすることを特徴とするＭＩＧ溶接または、ＭＡＧ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は送給される電極ワイヤと被溶接体との間のアークを維持するように該電極ワイヤにパルス状の電流を供給し、溶接部分にうろこ状ビートを形成して溶接することを特徴とするＭＩＧ溶接または、ＭＡＧ溶接方法である。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば金属管の端部間溶接のように、その突き合わせ部の全周を溶接する必要がある場合、電極にパルス電流を供給するものとしてＴＩＧ溶接、ＭＩＧ(metal inert gas) 溶接またはＭＡＧ（metal active gas) 溶接がある。前者のＴＩＧ溶接は電極およびそれと別体の溶接棒を有し、両者を同一方向に周回しながら溶接する方法であり、一回の溶接量が小さいため、溶接時間が長くなる欠点がある。この溶接は、パルス電流を電極に供給し、母材を溶融し次いで電極を溶融つつ溶接作業を行うものである。この溶接において、パルス電流はその間隔を調節することにより母材への入熱量を制御して、最適な溶接を行おうとするものである。
【０００３】
次に、後者のＭＩＧ溶接およびＭＡＧ溶接は、前記ＴＩＧ溶接に比べて一回の溶接量が大きい。この場合のパルス電流は、母材に対する入熱量を制御するのみに留まらず、電極の先端から溶滴を放出するものである。即ち、パルス電流の供給に伴い電極先端に電磁力が働き、いわゆるピンチ効果により電極先端の溶融金属を母材に向けて放出するものである。そのパルス電流の最大値および波形は、ピンチ効果を充分発揮するように設定されている。なお、ＭＡＧ溶接はそのシールドガスがＭＩＧ溶接のそれと異なるが、他は実質的に同一である。そこで、両者をまとめて、ＭＡＧ溶接方法として説明する。
【０００４】
図８は従来のＭＡＧ溶接方法の原理を説明するための装置ブロック図である。
図８において巻取ロール１に巻回された電極ワイヤ２は、一対の駆動ローラを有する送給装置３により一定速度で溶接部に送給される。送給される電極ワイヤ２には電流供給装置４からパルス状の電流が供給され、それによって被溶接体５の溶接部分にアーク６が形成されると共に、電極先端から溶滴が母材に放出される。これら送給装置３の速度の設定および電流供給装置４の電流制御等は、制御装置７により行われる。なお図８では、ガスシールド部分を便宜上省略して示している。
このようなＭＡＧ溶接にて、管の全周を溶接するには、予め管の突き合わせ部に開先加工を施し、その管の下端から上方に電極を移動して片側づつ溶接し、溶融金属の垂れ落ちによる悪影響をなくす必要があった。その場合、溶接垂れが問題となる管の下側の溶接条件で、管の全周を溶接せざるを得なかった。このとき、溶接条件の溶接パルスの周波数は比較的少なくして、所定時間当たりの溶接の入熱を小さくせざるを得なかった。すると、溶接能率が落ちることになる。
【０００５】
次に、平面の突き合わせ部分をＭＡＧ溶接する場合も、通常、溶接部の母材に予め開先加工が施されていた。このとき、電極を開先の谷底に沿って直線的に移動する場合と、開先の谷底に対してジグザグな蛇行状に電極を移動させる場合とがある。何れにしても、一定の間隔でパルス電流を電極に供給するとき、そのパルス間隔が短か過ぎれば入熱量が多くなり、溶融金属が開先の谷底から下面側に流出して溶接不良を起こす虞がある。また、パルス電流の間隔が長すぎれば、入熱量が小さくなり、母材の溶け込み不良となって、溶接の信頼性に欠ける虞がある。それ故、最適なパルス間隔を設定することは極めて面倒で経験を要するものであった。
【０００６】
また、可能な限り最適なパルス間隔を設定したとしても、開先部の溶け込み幅および溶け込み深さが充分でない場合がしばしば存在した。これは、パルス間隔の僅かな変化により、溶け込み不足となったり、母材の溶け過ぎが起こったりする場合があるからである。特に、開先幅が極めて狭くなる狭開先の場合には、そのことが顕著に現れる。これは、電極を開先の谷底に沿って直線的に移動せざるを得ないからである。なお、前記のパルス間隔の長短は結果として、各パルスの波形および最大値を一定とすれば、単位時間当たりの電力供給量として現れ、それは単位時間当たりの入熱量になる。また、これを単位時間当たりの実効電流あるいは平均電流と捕らえることもできる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のＭＡＧ溶接方法では、溶接作業の迅速と溶接部の信頼性を確保しつつ溶接パルスの制御を行うことが極めて困難であった。
そこで本発明は、このような従来のＭＡＧ溶接方法における問題を解決することを課題とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明のＭＩＧ溶接または、ＭＡＧ溶接方法は、送給される電極ワイヤ２と被溶接体５との間のアーク６を維持するように該電極ワイヤ２にパルス状の電流を供給して被溶接体５を溶接するＭＩＧ溶接または、ＭＡＧ溶接方法において、
電流を１パルスごとに１溶滴が発生する値としてそのパルス間隔の疎密を周期的に変化させ、
疎なるパルス群と密なるパルス群の各々のピーク電流値ならびにピーク時間を同一に設定し、
電極ワイヤ２の送給速度を該パルス密度に比例させ、
前記パルス間隔の密な期間で入熱量を大きくして母材の溶融幅および溶融深さを大きくすると共に、パルス間隔の疎な期間で入熱を制限して溶融金属の流動性を小さくすることを特徴とするものである。
【０００９】
上記方法によれば溶接部に供給される溶滴が疎密をもって連続的に供給され、しかも電極ワイヤの送給速度がその消耗速度に比例するようになされているので、溶融金属プールの周期的な拡大縮小を滑らかに行うことができ、それによって溶融金属プールからの垂れ落ちが抑制される。これは、パルス間隔が密な期間で入熱量を大きくして母材の溶融幅および溶融深さを大きくとることができると共に、パルス間隔の疎な期間で入熱を制限して溶融金属の流動性を小さくすると共に、溶接の進行方向への熱の移動を可及的に阻止できるからである。それにより、母材の溶け込み幅および深さが大きく且つ、溶融金属の垂れ落ちを防止できる。そのため、配管溶接の全周を一定方向に溶接することができ、溶接を迅速に行い得る。しかも、垂れ落ちが抑制されるので、パルスが密な区間の溶接電流を増大できる共に、ワイヤの供給量を増大できるから、全体として一回の溶接量が増大し、その点からも溶接を迅速に行ない得る。
また、溶接の入熱量を従来のそれと同じとしたとき、本発明では密なパルス区間ではより大きな溶接電流を供給できると共に、ワイヤ供給量を増大できるので、溶接の溶け込み幅および溶け込み深さを大きくできる。それにより、溶接の信頼性が向上する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明のＭＡＧ溶接方法の原理を説明するための装置ブロック図である。巻取ロール１に巻回された電極ワイヤ２は、一対の駆動ローラを有する送給装置１０により調整された所定の速度で溶接部に送給される。送給される電極ワイヤ２には電流供給装置１１からのパルス状の電流が供給され、それによって被溶接体５の溶接部分にアーク６が連続的に形成される。送給装置１０としては、例えばパルス入力により回転するパルスモータと、その出力軸に連結した駆動ローラを備えた装置を使用することができる。また電流供給装置１１としては、この分野で通常使用される溶接電源装置を使用することができる。これら送給装置１０の速度および電流供給装置１１のパルス状の電流等は、制御装置１２により制御される。なお、図１においてもガスシールド部分は便宜上省略して示している。
【００１２】
制御装置１２は、電流パルス制御部１３，送給速度制御部１４およびタイマー装置１５を有している。電流パルス制御部１３は内部にパルス間隔が疎または密の２種類のパルス列信号を発生するパルス発生手段と、タイマ装置１５に予め設定された時間間隔でその疎密を周期的に切り換える切換手段と、切換手段により切り換えられた疎または密のパルス制御信号を電流供給装置１１に出力する出力手段を含む。そして電流供給装置１１は、例えば図２のようなパルス間隔の電流を電極ワイヤ２に供給する。すなわち、パルス間隔が密な期間Ａとパルス間隔が疎な期間Ｂが所定周期で交互に繰り返されるような電流が電極ワイヤ２に供給され、期間Ａにおける各パルス状の電流に応じて５つの溶滴が電極ワイヤから発生し溶接部の溶融金属プールを拡大させ、期間Ｂにおける各パルス状の電流に応じて３つの溶滴が電極ワイヤから発生する。そして溶滴間隔の密度が高い期間Ａによって溶融金属プールを拡大させ、溶滴密度が低い期間Ｂによって溶融金属プールを縮小させる。
【００１３】
図１において送給速度制御部１４は、電流パルス制御部１３からの前記制御信号と送給装置１０の速度を検出する速度検出器１６からの信号とを比較する比較手段と、比較手段からの正負の信号により送給速度を増減させる送給速度制御信号を送給装置１０に出力する出力手段を含む。なお速度検出器１６としては、例えば送給装置１０の出力軸に連結した回転エンコーダやタコメータなどを使用することができる。
【００１４】
図３は溶接の入熱量を一定とすると共に、電極の振り幅を一定としたときの、従来のＭＡＧ溶接方法により溶接した溶接部と、本発明のＭＡＧ溶接方法により溶接した溶接部との比較図である。後述する実施例でさらに詳説するが  この例では、電極を突き合わせ開先部内で溶接部の幅方向にウィビングし、図で左右停止位置およびその近傍において、本発明では疎密のパルス電流を供給し、従来型方法では一定のパルス電流を供給したものである。なお、左右の停止位置およびウィビング位置でも、溶接電極は溶接の開先の谷底線の方向に一定速度で移動している。
そして両方法の入熱量が一定の場合、従来型ではその平均的実効電流が一定であるから、その溶融金属の供給量が均一である。それに対して本発明では、左右両停止位置およびその近傍において、供給電流およびそのワイヤ供給量が増し、中間位置では平均的供給電流およびワイヤ供給量が減る。その結果、本発明の方が各停止時における溶融面積および溶融深さが増大する。すると開先した突き合わせ溶接において、両溶接方法で溶接幅および溶接状態が図３の最下段の如く異なる。そして、本発明では溶接の溶け込み深さおよび溶接の溶け込み幅が大きく、溶接部が開先の壁面内に深く達する。これに対して、従来方法では、溶接の溶け込み幅および溶け込み深さが充分でない場合が存在する。
【００１５】
次に上記装置を使用してＭＡＧ溶接する方法について説明すると、先ず電流供給装置１１の出力電流を１パルス１溶滴になる値に設定すると共に、タイマ装置１５により電流パルスの疎密周期の時間間隔を設定しておく。図示しない起動スイッチを押すことにより装置は起動し、電流パルス制御部１３から設定された時間間隔で疎または密な間隔のパルス制御信号が電流供給装置１１に出力され、それによって電極ワイヤ２には図２に示す如く一定のベース電流に重畳して周期的に疎または密な間隔のパルス状の電流が供給される。
一方送給速度制御部１４は、電流パルス制御部１３からの疎密パルス制御信号に対応する送給速度制御信号をその出力手段から送給装置１０に出力し、送給装置１０はその送給速度制御信号により電極ワイヤ２の送給速度を増減させる。そして電極ワイヤ２の送給速度は速度検出器１６により検出され、電流パルス制御部１３の比較手段にフィードバックされる。その結果、例えば送給装置１０の出力軸などにガタが存在するような場合でも、電極ワイヤ２はその消耗速度に正確に比例した速度で溶接部に供給されるので、溶接部におけるアークが安定して、均一な溶接を継続することができる。
【００１６】
このように電極ワイヤ２へ疎密パルス状の電流を供給すると共に、その送給量を消耗速度に比例させることにより、安定したアークのもとで溶融金属プールの拡大縮小が連続して滑らかに繰り返され、それによって溶融金属プールからの垂れ落ちを抑制しながら、連続する均一なうろこ状ビートを高能率で溶接部に形成することができる。
【００１７】
【実施例１】
次に図１のような装置を使用して金属管の端部間溶接を本発明の方法によるＭＡＧ溶接した例を示す。金属管として口径３００ｍｍφ、厚み１０．３ｍｍ、周長１０００ｍｍの２つの管（材質：ＳＴＰＧ３７０）を準備し、それらの端部間を図４の如く突き合わせ溶接した。このとき、突き合わせ部の谷部間は幅４ｍｍ開け、開先を３２．５°とした。そして電極ワイヤ２は、ＪＩＳ規格のＺ３３１２−ＹＧＷ１２の直径１．２ｍｍを使用する。
電流供給装置１１から供給されるパルス電流の諸元は表４のとおりである。即ち、パルスのピーク電流はＩmax ＝４３０Ａ，そのピーク時間が２msec，ベース電流はＩ0 ＝３０Ａ，ベース時間＝４．８〜１６．３msecとしている。そのときの各パルス数は、５５Ｈｚ〜１４７Ｈｚである。また、そのワイヤ送り量は５．５ｍ／ｍｉｎ〜２．７５ｍ／ｍｉｎである。夫々の電流の実効値は、１５３Ａ〜７６Ａである。
【００１８】
そして、初層をＴＩＧの手溶接とし、残層を本発明の方法によるＭＡＧ自動溶接で周回するように行なった。即ち、密パルス域と疎パルス域とを交互に繰り返すと共に、そのパルスの疎密に比例してワイヤ送り量をかえた。そのＭＡＧ溶接の設定条件は２パス目が表１、３パス目が表２の通りである。これらの条件は実験に基づき、溶接の安定性と溶接の迅速性とを考慮して定めた。その結果表３に示す如く、突き合わせ溶接を完了するまでの時間を２３分必要とした。
【００１９】
本発明の方法による溶接（パルス周期に疎密有り）
初層（１パス目）  手溶接（ＴＩＧ溶接)
２パス目（０°〜３６０°）
【表１】
0004317998.tif 000002
【００２０】
３パス目（０°〜３６０°）
【表２】
0004317998.tif 000003
【００２１】
【表３】
0004317998.tif 000004
【００２２】
全姿勢ＭＡＧ溶接で使用した条件
【表４】
0004317998.tif 000005
【００２３】
次に、比較例として従来のＭＡＧ溶接方法による自動溶接を試みた。その溶接条件は、表５のとおりである。その結果は、表６の如く溶接の完了時間が３７分３０秒要した。
【００２４】
比較例（パルス周期一定）
初層（１パス目  手溶接）
２パス〜４パス目
【表５】
0004317998.tif 000006
【００２５】
【表６】
0004317998.tif 000007
【００２６】
従って、本発明の溶接方法は従来方法に比べて、３９％迅速に溶接できることが判った。このときの従来型溶接における溶接条件は前記同様初層をＴＩＧの手溶接とし、残層をＭＡＧ自動溶接で管の下面から夫々左右に半周づつするように行なった。なお、この従来方法の場合にはパルスの周波数およびワイヤ送り量を一定とした。その溶接条件は、表５の通りである。この溶接条件は従来型溶接方法において実験に基づき、溶接の安定性と溶接の迅速性とを考慮して最適なものに定めた。
【００２７】
またこのパルス周波数およびワイヤ供給速度は、溶融金属が溶接中に垂れ落ちない最大の値に設定したものである。その結果、従来型溶接方法では溶接棒からの溶融金属供給量が２１ｇ／min であり、本発明の方法の方は供給量が１／３増加し、溶接作業が迅速に行えることが判った。さらに、多層に溶融金属を重ね合わす場合には、本発明では同一方向に何度も周回すればよく、その溶接作業を連続的に行える。これに対して、左右振り分け方法では半周ごとに管の下端に電極を戻す作業およびそのための復帰時間を必要とし、全体として多くの作業時間を必要としていた。
【００２８】
【実施例２】
次に、平面上で同一入熱量の溶接条件で、ウィビング溶接したときの本発明の溶接方法と従来型溶接方法とを比較実験した。即ち、図７の如く厚さ６ｍｍの板材を重ね合わせ、上側の板材には開先Ｖを１８ｍｍにし、次の条件比較実験を行なった。パルス電流の最大値４８０Ａ、ベース電流５０Ａ、最大値電流時間２msecとし、ベース電流時間２．８msecとする。
そして本発明の方法では、密パルス周波数３３３Ｈｚ（実効電流３３３Ａ）、疎パルス周波数８７Ｈｚ（実効電流１２５Ａ）とし、交互に両者同一時間繰り返しその平均実効電流を２３０Ａとする。
従来方法では、パルス周波数を２０８Ｈｚ（実効電流２３０Ａ）の一定とした。その結果、本発明による方法の方はその溶け込み幅Ｗが２２ｍｍ、従来方法での溶け込み幅は１８ｍｍであった。また、本発明の方法では下側の金属板の裏面側に溶け込み斑点が表れたが、従来方法ではそれがなかった。それにより本発明の方法は従来型の方法に比べて、溶け込み幅および溶け込み深さ共に優れていることが判った。このときのウィビング幅は共に１０ｍｍ、溶接速度１００mm／min で電極を平面台形状に移動した。
【００２９】
【実施例３】
前記実施例１では初層を手溶接したので、次に初層からＭＡＧ溶接した実施例を説明する。
即ち、図１のような装置を使用して金属管の端部間溶接を本発明の方法によるＭＡＧ溶接した例を示す。
金属管として口径３００ｍｍφ、厚み１０．３ｍｍ、周長１０００ｍｍの２つの管（材質：ＳＴＰＧ３７０）を準備し、それらの端部間を図４の如く突き合わせ溶接した。このとき、突き合わせ部の谷部間は幅１ｍｍ開け、開先を３０°とした。そして電極ワイヤ２は、ＪＩＳ規格のＺ３３１２−ＹＧＷ１２の直径０．９ｍｍを使用する。
電流供給装置１１から供給されるパルス電流の諸元は、パルスのピーク電流はＩmax ＝４３０Ａ，そのピーク時間が２msec，ベース電流はＩ0 ＝３０Ａ，ベース時間０．６〜７．９msecとしている。そのときの各パルス数は１０１Ｈｚ〜３８０７Ｈｚである。また、そのワイヤ送り量は４．０ｍ／ｍｉｎ〜１２．０ｍ／ｍｉｎである。夫々の電流の実効値は、１３１３Ａ〜３１０Ａである。
【００３０】
そして、初層からＭＡＧ自動溶接で周回するように行なった。即ち、密パルス域と疎パルス域とを交互に繰り返すと共に、そのパルスの疎密に比例してワイヤ送り量をかえた。そのＭＡＧ溶接の設定条件は１パス目が表７、２パス目が表８の通りである。これらの条件は実験に基づき、溶接の安定性と溶接の迅速性とを考慮して定めた。その結果表９に示す如く、突き合わせ溶接を完了するまでの時間を２１分必要とした。
【００３１】
本発明の方法による溶接（パルス周期に疎密有り）
初層（１パス目）
【表７】
0004317998.tif 000008
【００３２】
２パス目（０°〜３６０°）
【表８】
0004317998.tif 000009
【００３３】
【表９】
0004317998.tif 000010
【００３４】
【発明の効果】
以上のように請求項１に記載のＭＩＧ溶接または、ＭＡＧ溶接方法は、電流を１パルスごとに１溶滴が発生する値としてそのパルス間隔の疎密を周期的に変化させ且つ、電極ワイヤの送給速度を該パルス密度に比例させるようにしたので、溶融金属プールの周期的な拡大縮小を安定して滑らかに行うことができ、それによって溶融金属プールからの垂れ落ちが有効に抑制されると共に、パルスが密な区間における溶接電流およびそのときのワイヤ供給量を増加することができるから、一回の溶接量および溶融深さを増大させ、迅速な溶接と信頼性の高い溶接とを同時に確保できる。また溶融金属の垂れ落ちが効果的に防止できるので、配管の外周を一定方向に周回して溶接することが可能となり、迅速な溶接ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＭＡＧ溶接方法の原理を説明するための装置ブロック図。
【図２】本発明のＭＡＧ溶接方法における電流供給装置により電極ワイヤに供給されるパルス状の電流の周期的変化を示す図。
【図３】溶接の入熱量を一定としたときの、従来のＭＡＧ溶接方法により溶接した溶接部と、本発明のＭＡＧ溶接方法により溶接した溶接部との比較図。
【図４】本発明のＭＡＧ溶接方法および従来のＭＡＧ溶接方法により夫々自動溶接する配管の断面説明図。
【図５】本発明のＭＡＧ溶接方法による溶接手順の説明図。
【図６】従来型のＭＡＧ溶接方法による溶接手順の説明図。
【図７】本発明のＭＡＧ溶接方法および従来のＭＡＧ溶接方法により夫々平面を自動溶接する対象物の断面説明図。
【図８】従来のＭＡＧ溶接方法の原理を説明するための装置ブロック図。
【符号の説明】
１  巻取ロール
２  電極ワイヤ
３  送給装置
４  電流供給装置
５  被溶接体
６  アーク
７  制御装置
１０  送給装置
１１  電流供給装置
１２  制御装置
１３  電流パルス制御部
１４  送給速度制御部
１５  タイマ装置
１６  速度検出器
【図１】
0004317998.tif 000011
【図２】
0004317998.tif 000012
【図３】
0004317998.tif 000013
【図４】
0004317998.tif 000014
【図５】
0004317998.tif 000015
【図６】
0004317998.tif 000016
【図７】
0004317998.tif 000017
【図８】
0004317998.tif 000018