(57)【要約】【課題】スパッタの発生量を十分に小さくすることができる溶極式パルスアーク溶接方法を提供する。【解決手段】  電極ワイヤの先端と母材間に周期的なパルス電流を供給してパルス毎にアーク放電を生じさせる溶極式パルスアーク溶接方法において、上記パルス電流のパルス立下り領域での電流変化速度を７００Ａ／ms以上に設定するとともに、電極ワイヤの表面に塗布した植物油中のカリウム含有量を、ワイヤ１０kg当たり５mg以上でかつ５０mg以下に設定する。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極ワイヤの先端と母材間に周期的なパルス電流を供給してパルス毎にアーク放電を生じさせる溶極式パルスアーク溶接方法において、前記パルス電流のパルス立下り領域での電流変化速度ｂを７００Ａ／ms以上に設定するとともに、前記電極ワイヤの表面に塗布した植物油中のカリウムの含有量ａを、ワイヤ１０kg当たり５mg以上でかつ５０mg以下に設定したことを特徴とする溶極式パルスアーク溶接方法。
【請求項２】
前記電流変化速度ｂ（Ａ／ms）とカリウムの含有量ａ（mg）を下式で定義されるＸ領域内の値に設定した請求項1に記載の溶極式パルスアーク溶接方法。
ｂ＝０．００１４ａ４−０．１９５ａ3＋９．６５９2−２０４．４ａ＋２３００
ｂ−１００≦Ｘ≦ｂ＋１００
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は溶極式パルスアーク溶接方法に関し、特に、スパッタの発生を十分に低減できるパルスアーク溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶極式アーク溶接には、被覆アーク溶接、ガスシールドアーク溶接、セルフシールドアーク溶接など、様々な溶接方法があるが、いずれにおいてもスパッタの発生を低減させることが重要なテーマとなっている。かかる溶接の中で、ガスシールドアーク溶接に分類されるパルスアーク溶接は母材入熱を少なくでき、スパッタも少ない溶接方法として注目されている。すなわち、溶接電流を繰り返しパルス状に変化させることにより、平均電流は低いが、周期的に高い電流を流して、十分な溶け込みを得ることができ、また、特殊なパルス波形とすることによって、溶接欠陥を防いだり、溶け込み形状を制御する試みが行われている。例えば特許文献１には、溶接開始から、溶接電流の設定値を本溶接時の値まで引き上げる間、電流パルスの立上がりおよび立下がりの傾きを緩やかにし、これによって、磁気吹きの発生を防止するパルスアーク溶接方法が開示されている。そして、この溶接方法によると、アーク切れやスパッタの発生を防止し、アークを安定化できるとされている。
【０００３】
また、パルス電流を調整する他に、スパッタを低減する方法として、特許文献２には、アーク溶接用ソリッドワイヤのワイヤ成分と、当該ワイヤの表面に塗布される潤滑剤を所定成分とする技術が開示されている。
【特許文献１】特開２０００−６７０
【特許文献２】特開２００６−１７５４５２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の溶極式パルスアーク溶接ではスパッタの低減が未だ不十分であるという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明はこのような課題を解決するもので、スパッタの発生量を十分に小さくすることができる溶極式パルスアーク溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本第1発明では、電極ワイヤの先端と母材間に周期的なパルス電流を供給してパルス毎にアーク放電を生じさせる溶極式パルスアーク溶接方法において、上記パルス電流のパルス立下り領域での電流変化速度ｂを７００Ａ／ms以上に設定するとともに、電極ワイヤの表面に塗布した植物油中のカリウムの含有量ａを、ワイヤ１０kg当たり５mg以上でかつ５０mg以下に設定する。
【０００７】
本第1発明におけるように、電流変化速度を７００Ａ／ms以上の高い値とすることは、パルスの立下りの傾きを急峻にすることに相当する。パルスの立下りの傾きを急峻としてパルスの立下り時間を短くすると、パルス周波数は高くなるから高周波電流となる。その結果、表皮効果が高まり、電流がワイヤ表面に集中して、溶滴をワイヤ先端から離脱させるピンチ力が有効に働く。したがって、溶滴の離脱がスムーズに行われ、スパッタの発生を低減することができる。加えて、電極ワイヤの表面に塗布した植物油中のカリウムの含有量を、ワイヤ１０kg当たり５mg以上でかつ５０mg以下に設定することで、アークがワイヤ先端に集中するとともに、アークの這い上がりが生じて、くびれ開始位置がワイヤ先端からその上方位置へ移動する。この結果、溶滴の離脱性が向上して、スパッタを低減することができる。かかる電流変化速度と、ワイヤ表面に塗布した植物油中のカリウム含有量との最適化による相乗効果によって、スパッタ発生量は０．３ｇ／min以下に抑えることができる。
【０００８】
本第２発明では、上記電流変化速度ｂ（Ａ／ms）とカリウムの含有量ａ（mg）を下式で定義されるＸ領域内の値から選択する。
ｂ＝０．００１４ａ４−０．１９５ａ3＋９．６５９2−２０４．４ａ＋２３００
ｂ−１００≦Ｘ≦ｂ＋１００
【０００９】
本第２発明におけるように、パルス電流のパルス立下り領域での電流変化速度と電極ワイヤの表面に塗布した植物油中のカリウムの含有量をＸ領域内の値から選択すると、スパッタ発生量を０．２ｇ／min以下とさらに少なくできる。電流変化速度とワイヤ表面に塗布した植物油中のカリウム含有量との関係は技術的には明らかでないが、スパッタの発生量について両者には相関関係がある。上記Ｘ領域内の値を用いて溶接を行うことで、本第１発明よりもさらにスパッタ発生量を低減することができる。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、本発明の溶極式パルスアーク溶接方法によれば、スパッタの発生量を十分に小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
溶極式パルスアーク溶接では、溶接電流を１５０〜２００Ｈｚの繰り返し周波数で図  １に示すようなパルス状にして溶接部へ供給する。なお、図中、Ｉｂはベース電流、Ｉｐはピーク電流、Ｚｕはパルス立上り領域、Ｚｐはピーク領域、Ｚｄはパルス立下り領域である。電流パルスが立ち上がり、これがピークを維持する間、電極ワイヤの先端と母材間にアーク放電が生じ、電流パルスが立ち下がると電極ワイヤ先端から溶滴が母材の溶融池中に分離落下する。そして、次の電流パルスで再びアーク放電が生じた後、溶滴の分離落下がなされ、以後これが繰り返される。この際のアーク電圧は高くしたほうがトーチ高を高くできるからスパッタの低減には有利であるが、アンダーカットの発生を防止するために通常は十分な短絡移行となる範囲に設定される。こうして設定された電圧範囲では従来の溶極式パルスアーク溶接におけるスパッタ発生量は通常１．０ｇ／min程度もある。そこで、本発明は上記電圧範囲で、スパッタ発生量を０．３ｇ／min以下、好ましくは０．２ｇ／min以下に低減させるものである。
【００１２】
スパッタ発生量を０．３ｇ／min以下へ低減するために、パルス立下り領域Ｚｄでの電流変化速度を７００Ａ／ms以上に設定する。７００Ａ／msより小さいとアークが不安定になるからである。具体的には、電流変化速度が７００Ａ／ms未満であると、パルスの立下りの傾きが緩やかとなり、パルス周波数が低くなる。その結果、表皮効果が弱まってピンチ力が低下し、溶滴の離脱が不規則となってスパッタが多く発生する。電流変化速度の上限については特に制限はないが、市販のパルス溶接電源では１５００Ａ／ms程度が限界である。そして、上記電流変化速度を７００Ａ／ms以上にするのと同時に、電極ワイヤの表面に植物油を塗布し、当該植物油中のカリウム含有量を、ワイヤ１０kg当たり５mg以上に設定する。５mgより少ないとアークが不安定になる。カリウム含有量の上限は、ワイヤ１０kg当たり５０mg以下とするのが良い。カリウム含有量が５０mgを越えると、脂肪酸アルカリ塩は植物油から分離して沈殿した状態となる。これは溶解限界量を超えてしまうためである。こうして沈殿した固形物は、ワイヤ表面に付着する。この状態の溶接ワイヤで溶接を行うと、ワイヤの送給経路のコンジットケーブルや溶接トーチ内で固形物が凝集し、ワイヤの送給不良を引き起こすおそれがある。カリウム含有量を５mg〜５０mgの範囲にすると溶滴の離脱性が向上して、スパッタが低減される。なお、電極ワイヤとしては軟鋼用、高張力鋼用のもの、例えばＹＧＷ１５（ＪＩＳ  Ｚ３３１２）や、ステンレス鋼用のもの等が使用でき、植物油としては菜種油等が使用できる。
【００１３】
結局、パルス立下り領域Ｚｄでの電流変化速度と植物油中のカリウム含有量の値を、図２の四角で囲った領域Ｙ、すなわち電流変化速度が７００Ａ／ms以上で１５００Ａ／ms以下、カリウム含有量が５mg以上で５０mg以下の領域内で設定すると、スパッタ発生量を０．３ｇ／min以下へ大きく低減することができる。この際、上記領域Ｙ中で、上記電流変化速度およびカリウム含有量を、下式で表される領域Ｘ内の値から選択設定すると、スパッタ発生量はさらに少ない０．２ｇ／min以下に抑えることができる。なお、下式中、ａはカリウム含有量（mg）、ｂは電流変化速度（Ａ／ms）である。
ｂ＝０．００１４ａ４−０．１９５ａ3＋９．６５９ａ2−２０４．４ａ＋２３００
ｂ−１００≦Ｘ≦ｂ＋１００
【実施例】
【００１４】
２ｍｍ厚の２枚の溶接用冷延鋼板（ＳＰＣＣ）１，２の端縁を図３に示すように重ねて、矢印で示す部分に対しマグパルスアーク溶接による重ねすみ肉溶接を行った。電極ワイヤはＪＩＳ  Ｚ３３１２  ＹＧＷ１５相当品を使用し、溶接部にはＡｒ＋２０％ＣＯ２のシールドガスを２０L／minの流量で供給した。アーク電圧は２５Ｖで、溶接パルス電流の繰返し周波数は２００Ｈｚ、平均電流は２００Ａ、ベース電流Ｉｂは４５Ａ、ピーク電流Ｉｐは４５０Ａとした。溶接速度は１００cm／minとし、チップ・母材間距離は１５mmとした。
【００１５】
パルス立下り領域での電流変化速度と植物油中のカリウムの含有量を種々変更し、それぞれについて銅製の囲いの内部で１４秒間のパルスアーク溶接を３回繰り返した。この銅製の囲いはスパッタを捕集する治具であり、溶接時に発生したスパッタをハケで収集して、これを１分間のスパッタ発生量に換算した。その結果を表１、表２に示す。なお、表中の「評価」の欄の二重丸印はスパッタ発生量が０．２g／min以下であった場合、一重丸印はスパッタ発生量が０．３g／min以下であった場合、掛け印はスパッタ発生量が０．３g／minより多い場合をそれぞれ示している。
【００１６】
（実施例）
表１の実施例１〜６では、ワイヤ１０kg当たりの植物油中のカリウム含有量を５．０mgとし、パルス立下り領域Ｚｄ（図１）での電流変化速度を７００Ａ／ms〜１５００Ａ／msまで６段階で変化させた。この場合のスパッタ発生量は全て０．３g／min以下であり、良好な結果が得られた。特に、カリウム含有量と電流変化速度を実施例６の値にするとスパッタ発生量は０．２g／min以下となった。このカリウム含有量と電流変化速度の値は、図２のＸ領域内の値である。
【００１７】
表１の実施例７〜１２では、ワイヤ１０kg当たりの植物油中のカリウム含有量を１２．３mgとし、パルス立下り領域Ｚｄでの電流変化速度を７００Ａ／ms〜１５００Ａ／msまで６段階で変化させた。この場合のスパッタ発生量は全て０．３g／min以下であり、良好な結果が得られた。特に、カリウム含有量と電流変化速度を実施例９、１０の値にするとスパッタ発生量は０．２g／min以下となった。このカリウム含有量と電流変化速度の値は、図２のＸ領域内の値である。
【００１８】
表１の実施例１３〜１８では、ワイヤ１０kg当たりの植物油中のカリウム含有量を２０．７mgとし、パルス立下り領域Ｚｄでの電流変化速度を７００Ａ／ms〜１５００Ａ／msまで６段階で変化させた。この場合のスパッタ発生量は全て０．３g／min以下であり、良好な結果が得られた。特に、カリウム含有量と電流変化速度を実施例１３、１４の値にするとスパッタ発生量は０．２g／min以下となった。このカリウム含有量と電流変化速度の値は、図２のＸ領域内の値である。
【００１９】
表１の実施例１９〜２３では、ワイヤ１０kg当たりの植物油中のカリウム含有量を３３．６mgとし、パルス立下り領域Ｚｄでの電流変化速度を７００Ａ／ms〜１５００Ａ／msまで５段階で変化させた。この場合のスパッタ発生量は全て０．３g／min以下であり、良好な結果が得られた。特に、カリウム含有量と電流変化速度を実施例１９、２０の値にするとスパッタ発生量は０．２g／min以下となった。このカリウム含有量と電流変化速度の値は、図２のＸ領域内の値である。
【００２０】
表１の実施例２４〜２８では、ワイヤ１０kg当たりの植物油中のカリウム含有量を５０．０mgとし、パルス立下り領域Ｚｄでの電流変化速度を７００Ａ／ms〜１５００Ａ／msまで５段階で変化させた。この場合のスパッタ発生量は全て０．３g／min以下であり、良好な結果が得られた。特に、カリウム含有量と電流変化速度を実施例２４の値にするとスパッタ発生量は０．２g／min以下となった。このカリウム含有量と電流変化速度の値は、図２のＸ領域内の値である。
【００２１】
（比較例）
これに対して比較例１〜３に示すように、ワイヤ１０kg当たりの植物油中のカリウム含有量を０にすると、パルス立下り領域Ｚｄでの電流変化速度を７００Ａ／ms以上にしてもスパッタ発生量は０．５４g／min以上となって、良好な結果が得られない。
【００２２】
また、比較例４〜６に示すように、ワイヤ１０kg当たりの植物油中のカリウム含有量が３．６mgでは、パルス立下り領域Ｚｄでの電流変化速度を７００Ａ／ms以上にしてもスパッタ発生量は０．３９g／min以上となり、良好な結果が得られない。  
【００２３】
一方、比較例７〜９に示すように、ワイヤ１０kg当たりの植物油中のカリウム含有量を５．０mgにしても、パルス立下り領域での電流変化速度が３００Ａ／ms〜６７０Ａ／msの範囲ではスパッタ発生量は０．６１g／min以上となって、良好な結果が得られない。
【００２４】
また、比較例１０〜１２に示すように、ワイヤ１０kg当たりの植物油中のカリウム含有量を１２．３mgにしても、パルス立下り領域Ｚｄでの電流変化速度が３００Ａ／ms〜６７０Ａ／msの範囲ではスパッタ発生量は０．４９g／min以上となって、良好な結果が得られない。
【００２５】
比較例１３〜１５に示すように、ワイヤ１０kg当たりの植物油中のカリウム含有量を２０．７mgにしても、パルス立下り領域Ｚｄでの電流変化速度が３００Ａ／ms〜６７０Ａ／msの範囲ではスパッタ発生量は０．３３g／min以上となって、良好な結果が得られない。
【００２６】
さらに、比較例１６〜１８に示すように、ワイヤ１０kg当たりの植物油中のカリウム含有量を３３．６mgにしても、パルス立下り領域での電流変化速度が３００Ａ／ms〜６７０Ａ／msの範囲ではスパッタ発生量は０．３２g／min以上となって、良好な結果が得られない。
【００２７】
比較例１９〜２１に示すように、ワイヤ１０kg当たりの植物油中のカリウム含有量を５０．０mgにしても、パルス立下り領域での電流変化速度が３００Ａ／ms〜６７０Ａ／msの範囲ではスパッタ発生量は０．３３g／min以上となって、良好な結果が得られない。
【００２８】
また、比較例２２〜２４に示すように、ワイヤ１０kg当たりの植物油中のカリウム含有量を、５０．０mgを越えた５３．４mgにした場合、パルス立下り領域Ｚｄでの電流変化速度を７００Ａ／ms〜１０００Ａ／msの範囲にするとスパッタ発生量については０．２４g／min以下と良好な結果が得られるものの、ワイヤ送給部を閉塞させるおそれのあるカリウムの沈殿が生じる。
【００２９】
同様に、比較例２５〜２７に示すように、ワイヤ１０kg当たりの植物油中のカリウム含有量を、５０．０mgを越えた６２．８mgにした場合、パルス立下り領域Ｚｄでの電流変化速度を７００Ａ／ms〜１０００Ａ／msの範囲にするとスパッタ発生量については０．２６g／min以下と良好な結果が得られるものの、ワイヤ送給部を閉塞させるおそれのあるカリウムの沈殿が生じる。
【００３０】
【表１】
2009214148.tif 000002
【００３１】
【表２】
2009214148.tif 000003
【００３２】
以上のように、本発明の溶極式パルスアーク溶接方法によれば、パルス電流のパルス立下り領域での電流変化速度と電極ワイヤの表面に塗布した植物油中のカリウムの含有量とを調節することで、ピンチ力とアークの這い上がりを最適化することができる。その結果、溶接ワイヤ先端からの溶滴の離脱性を向上させることができ、スパッタの発生を低減することができる。また、単に、電流変化速度を増大し、含有量を増大するのではなく、本第２発明のようにＸ領域内の値を用いて溶接を行うことで、更なるスパッタの低減を実現することができる。  
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】パルス電流波形を示す図である。
【図２】カリウム含有量と電流変化速度の関係を示す図である。
【図３】溶接部の断面図である。
【図１】
2009214148.tif 000004
【図２】
2009214148.tif 000005
【図３】
2009214148.tif 000006