JP3134197B2 - 短絡溶接機 - Google Patents

短絡溶接機

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JP3134197B2 JP11300335A JP30033599A JP3134197B2 JP 3134197 B2 JP3134197 B2 JP 3134197B2 JP 11300335 A JP11300335 A JP 11300335A JP 30033599 A JP30033599 A JP 30033599A JP 3134197 B2 JP3134197 B2 JP 3134197B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は消耗する電極を使う
アーク溶接に関し、さらに詳しくは芯電極を使って２つ
のパイプ部分のような２つの鋼板を短絡アーク溶接する
ための改良された装置と方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】大径パイプの端部を溶接する
技術において、外部傾斜と狭い平坦部を与えるため各パ
イプの端部を機械で仕上げ、その仕上げた端部を平坦部
の近くに、しかし通常は離してパイプの２端間のギャッ
プを含む溶接溝を形成することが伝統的である。パイプ
が適所にあれば、１以上の溶接ヘッドがパイプの回りを
動いて３６０°溶接をさせる。溶接は通常、数ステップ
でなされる。まず、パイプが溶かされる少なくとも内端
でルートパスが作られ、平坦部間のギャップは溶接金属
で埋められる。その後、いくつかのフィラーパスが作ら
れ、そこで傾斜によって形成される空間が埋められて、
溶接金属が少なくともパイプの外面を使って流される。
【０００３】ルートパスの直前およびその間、２つのパ
イプの端部間に好品質の溶接を形成するため、パイプの
端部は互いに正確に配列しなければならない。ルートパ
スは溶接作業の非常に決定的な部分である。ルートパス
が一度でき上がると、パイプ配列が保証され、ラインの
先の次の継手の溶接が開始される。こうして、ルートパ
スの間に、１００％良好な溶接ビーズが置かれなければ
ならない。溶接ビーズの良好さはパイプ内面に通り抜け
る平坦部の完全な溶融と、平坦部の間のギャップを溶接
金属で完全に埋めることを意味している。溶接金属をギ
ャップ内に埋めることは難しい。なぜなら、溶接は溶接
ビーズを、ルートパスがパイプの回りに形成される時、
下手にある溶接から頭上の溶接までその位置を変えるよ
うに、パイプの回りに動かすことによってなされなけれ
ばならないからである。ルートパスの間、パイプ部分は
ルートパス全体にわたって配列を保たれ、好品質の溶接
を形成するようにしなければならない。一般に、溶接の
間、パイプは一緒に締められてパイプ配列を保つ。溶接
位置の複雑さとパイプ配列の配慮に加えて、ルートパス
の間に形成される溶接金属はパイプ部分間のギャップを
埋めなければならないが、溶接金属はギャップを通り抜
けてはならず、またパイプの内部に集積してもならな
い。溶接ビーズは、パイプ内部への非常にわずかな突き
出しがあるなら、パイプ内部に対して比較的平滑な面を
形成しなければならない。パイプ内に過度に突き出す
と、（１）パイプ系の良好さを検知するためパイプ内を
走る装置に問題を生じ、（２）流体がそのパイプ系を通
って輸送されるとき、望ましくない流体混合と乱流を生
じる。
【０００４】パイプ内部に突き出す溶接ビーズの問題を
克服するため、パイプ内部からルートパスを作ることが
一般に行われている。それにより、ルートパスの間溶接
ビーズの平坦部が制御されるのでパイプ内部への望まし
くない突き出しが防がれる。しかし、そのような溶接法
は特別設計の高価な設備を必要とする。さらに、非常に
時間がかかり、さまざまな応用において費用がかかる。
さらにまた、その方法は大径パイプに対してしか使われ
得ない。小径パイプはその内部に溶接装置を入れること
ができない。他の方法は、パイプ内部に位置しパイプ部
分間のギャップの上にある背板あるいはバックアップ・
シューを使う方法である。背板によりルートパスの間、
パイプ内部に溶接ビーズが突き出すのを防ぐことができ
る。しかし、背板を使うこともまた非常に時間がかか
り、比較的大径のパイプに限定される。さらに、多くの
場合、背板はルートパスの間、パイプ内部に溶接されて
しまう。したがって、背板は後から取り除かれねばなら
ず、それは費用がかかるばかりでなく、溶接ビーズを損
なうことにもなる。
【０００５】過去のパイプ溶接法に関する多くの問題を
克服する溶接装置が米国特許第５，６７６，８５７号に
開示されている。この特許は、パイプ周辺の軌道を連続
的に動く２つの溶接バグをもつ溶接装置を使って２つの
パイプの端を溶接する際の改良を開示している。この溶
接バグはパイプの２端間にルートビーズを付けるため特
別の短絡電源を有している。このシステムを使って、わ
ずかな燃焼が傾斜の各端を通して起こり、小さな平坦な
溶接がパイプ内部に形成され、こうして背板のようなパ
イプ内の他のタイプの設備を使うことから、初期ルート
パスを用いる必要をなくす。この特許に開示された方法
はくつかの問題を克服できるが、ルートビーズの溶接金
属の合金組成および雰囲気の悪影響から溶接金属をシー
ルドすることに関する問題は依然として残っている。
【０００６】短絡電源はワイヤ電極を用い、溶接の間、
溶接金属はシールドガスの使用によって雰囲気から保護
されている。それにより、好品質の溶接ビーズが生じる
が、パイプ溶接に用いるといくつかの制限がある。ワイ
ヤ電極を使うと、溶接ビーズの組成が短絡溶接用の電極
の合金組成に限られてしまう。溶接金属の組成は強くて
長持ちする溶接ビーズを形成するため金属パイプの組成
に適合すべきである。パイプの組成はその用途によって
変わるので、最適特性をもつパイプ部分を接合する溶接
金属を形成する固体ワイヤ電極を得ることに関して問題
が生じる。
【０００７】短絡溶接法の別の制限は、環境の悪影響か
ら溶接ビーズを保護するためシールドガスを使わなけれ
ばならないことである。溶接装置はシールドガスを溶接
エリアに導いて貯めるための部材を含んでいなければな
らない。そのような部材には、シールドガス容器、レギ
ュレーター、フロー計、ホースその他を含んでいなけれ
ばならない。シールドガスは雰囲気中の酸素・窒素・水
素その他のガスを溶融金属に達しないように、トラップ
されないようにする。これらによって、溶接ビーズ内に
ひび割れやスパッターを生じ、溶接ビーズの強度と品質
を損なう。室内でシールドガスを使うと雰囲気の悪影響
を防ぐとができるが、屋外で使うと溶接作業の間、風の
影響を受けやすい。それを最小に抑えるため、電極の周
辺に特別のシールドを設けて風を防がなければならな
い。このシールドを設けることは費用がかかり、溶接装
置を複雑にする。
【０００８】このような従来技術に関する問題を解決す
るため、改善された溶接方法と装置が必要である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、好ましくは片
側で、２つの鋼板を短絡アーク溶接する方法と装置に関
するものである。好ましくは、該方法と装置は、パイプ
部分を溶接し２つのパイプ部分の間にルートビーズを形
成するために使われるが、本発明はより広い適用を有
し、さまざまな金属物体をさまざまな方法でさまざまな
環境で溶接するために使われ得る。
【００１０】本発明の実施例によれば、共に位置してそ
の間に溝を形成する２つのパイプ部分、該溝の回りに位
置する溶接キャリッジ、消費される芯電極、正負端子を
もつ電源、パイプ部分と共電極の間で溝を横切ってある
与えられた時間ベースで溶接電流を流す回路が設けられ
る。パイプ部分は好ましくはクランプによって整列され
る。クランプは少なくともルートビーズが溝に付けられ
るまで、パイプ部分を締め続ける。好ましくはパイプ部
分は、小さなギャップが溝内に存在するように並べられ
る。溶接キャリッジは少なくとも１８０°溝の周辺に伸
び、３６０°が好ましい。溶接キャリッジは溝の周辺を
動くとき軌道に沿ってスライドするように設計され、該
軌道はパイプ周辺に固定される。溶接キャリッジはロー
ラーやスライド・ベアリングと結合した駆動モーターを
有し、それによって所定速度で溝の周辺を軌道に沿って
スライドする。また、溶接の間、芯電極を溝に向かって
動かす制御機構も有している。この機構は、キャリッジ
を動かす制御機構と合体し、あるいは別個に設けられ
る。溶接電流回路は短絡状態の間、電流を制御するため
の第１回路を有し、芯電極の端にある溶融金属が表面張
力によって、溝内で溶融金属プールに主に変換する。こ
の変換電流は、短絡溶融金属にわたる高電流ピンチパル
スを有し、電極から溶接プールへの溶融金属の変換を容
易にする。また、溶融電流を発生する第２回路も有して
いる。溶融電流は高電流パルスで、芯電極が溶接プール
から離れているとき、該電極の端で一定の量の金属を溶
かすのに使われる予め選ばれた量のエネルギーすなわち
ワットを好ましくはもっている。
【００１１】本発明の他の面によれば、芯電極は溶接の
間シールドガスを与えるため内部にフラックス系を有し
ている。
【００１２】本発明の他の面によれば、芯電極は芯内に
合金を有し、共に溶接されるパイプの組成と実質的に同
様の溶接ビーズ組成を得る。これにより、強くて長持ち
する高品質の溶接ビーズを形成する。特に合金に対し
て、シールドガスを必要とする芯電極もある。
【００１３】本発明の他の面によれば、第２回路がアー
ク状態の初期の間、高エネルギー、ブーストを与える。
このブーストは好ましくは、消耗ワイヤが溶接プールか
ら離れているとき、ワイヤの端で一定量の金属を溶かす
ための予め選ばれたエネルギーＩ（ｔ）をもつ。このエ
ネルギーは好ましくは溶接ワイヤの直径の２倍未満の直
径をもつ金属球を作るのに十分である。好ましくは、初
期の高電流プラズマブースト電流の後、高電流が予め選
ばれた時間保たれてから、予め選ばれたワット数の電力
が電極に与えられて所定量の電極を溶かすまで、ある時
間にわたって減小する。
【００１４】さらに別の面によれば、溶接電流回路は電
極へのエネルギー量を制限し、パイプ端を不必要に溶か
すことを防ぐことにより、溶融金属がギャップを通って
流れ、パイプ内部に入り込むのを防ぐ。
【００１５】本発明の他の面によれば、溶接電流回路は
背景電流を作る回路を有している。これは低レベル電流
で、短絡状態の終了後アークを維持するのに必要なレベ
ルのちょうど上に保たれる。背景電流は好ましくは溶接
サイクル全体を通して保たれ、溶接の間、アークがうっ
かりと消えないようにする。
【００１６】他の面によれば、溶接機は溶接の間に極性
を切り換えるコントローラをもち、所定の溶接パドル熱
を得る。
【００１７】リンカーン電気社のＳＴＴ溶接機を使うこ
とによって、あるいはこの溶接機で実施されるＳＴＴ短
絡溶接法を芯電極とともに使うことによって、ガスを使
わない溶接法が得られる。これにより離れた場所にある
パイプ溶接ができる。自己シールド芯電極を使うと、電
極の極性は負である。ＳＴＴ溶接機の負プロセスで電極
を使うと、工作物パドルが熱くなり、パドルの冷却がビ
ーズを引きもどさせる時間を要する。したがって、ＳＴ
Ｔプロセスはパドルの熱を冷やすため、背景電流を減ら
すことを含んでいる。これにより全溶接プロセスにおけ
る熱の量が減る。ＳＴＴ溶接機の極性を正に切り換える
と、工作物パドルは冷たくなりすぎる。本発明によれ
ば、ＳＴＴ溶接機あるいはプロセスは、負と正の間で極
性が変わる。こうして、背景電流のレベルを変えずに熱
を制御できる。パドルの熱は負電極と正電極の比を調整
して所定の温度に制御される。
【００１８】本発明の主な目的は、２つの金属板間に高
品質の溶接ビーズを形成する短絡アーク溶接システムと
方法を提供することにある。
【００１９】本発明の他の目的は、２つの金属板を溶接
する間、所定の電流プロフィールを正確に追跡する短絡
アーク溶接システムと方法を提供することにある。
【００２０】さらに他の目的は、２つのパイプ部分の端
の溝に沿って高品質のルートビーズを形成する短絡アー
ク溶接システムと方法を提供することにある。
【００２１】さらに他の目的は、溶融金属を溝を通り抜
けさせず、パイプ内部に入り込ませずに、２つのパイプ
部分間の溝に溶接ビーズを形成するため、制御された量
のエネルギーを電極に加えるための短絡アーク溶接シス
テムと方法を提供することにある。
【００２２】本発明のさらにまた別の目的は、外部シー
ルドガスを必要としないで溶接ビーズを形成するシステ
ムと方法を提供することにある。
【００２３】他の目的は、溶接されるパイプの組成と実
質的に同様な組成をもつ溶接ビーズを生じる上記システ
ムと方法を提供することにある。
【００２４】さらに別の目的は、高品質溶接ビーズを形
成するため、短絡溶接装置で芯電極を使うことにある。
【００２５】他の目的は、溶接の間、溶接電流の極性を
変えることを含む短絡溶接装置と方法を提供することに
ある。
【００２６】他の目的は、サイクルの間、あるいはある
サイクルから次のサイクルに移るとき、正電極電流と負
電極電流の比を調整することによって溶接パドルの熱を
制御する装置と方法を提供することにある。
【００２７】本発明のさらに別の目的は、シールドガス
を使う必要なく、かつ極性比の調整によって溶接パドル
温度を制御しながら、ＳＴＴ溶接機を操作することにあ
る。
【００２８】他の目的と利点は、添付図面を参照しなが
ら行う次の記載によって明らかになるであろう。
【００２９】
【実施例】以下、図面を用いて説明するが、図面は本発
明の実施例を説明することが目的で、本発明を図示と同
一のものに限定する目的ではない。図１は本発明のシス
テムのブロック図である。短絡溶接の好ましいタイプは
表面張力移動（ＳＴＴ）タイプの溶接である。そのよう
なタイプの溶接回路と制御装置が、本明細書に取り込ま
れている米国特許第４，９７２，０６４号に開示されて
いる。それゆえ、以下、溶接回路の一般的な議論を述べ
る。
【００３０】電源はガス・モータのようなモータ１０か
ら好ましくはなる直流電源で、発電機１２に電力を与え
て交流電流１３を発生させる。交流電流１３は整流器１
４によって整流され、直流電流２０になる。位相コント
ローラ１６は整流器１４を制御して実質的に均一な直流
電流２０を発生する。直流電流２０は次にパルス幅変調
器（ＰＷＭ）３０に入る。パルス形状は整形回路３２に
よって制御され、出力端子３４・３６から所定の直流パ
ルスを発生する。電源は整流出力である必要はないが、
他のどんな適当な直流電源であってもよい。
【００３１】パルス幅変調器３０からの直流電流は、消
耗芯入り電極５０と工作物６０を含む溶接エリアにわた
って流れる。
【００３２】工作物６０の溶接は、電極５０が工作物６
０と結びつく短絡状態と、電極５０が工作物６０から離
れているアーク状態の間で電極５０が変位して行う。ア
ーク状態の間、電気アークが工作物６０と電極５０の間
に作られて電極の端を溶かし、次の短絡状態に対して電
極が工作物に向かって供給されるときその溶融を維持す
る。このタイプの溶接サイクルを図４・５に示す。すな
わち、溶接サイクルは短絡状態とプラズマ状態の間で交
互に変わる。
【００３３】プラズマ状態の間、平滑で効果的な溶接の
ため、アークを発生させ、常に維持することが必要であ
る。毎秒数回くり返される溶接サイクルは、その間数回
スパッターを減らすため、正確に制御しなければならな
い。パルス幅変調器３０は高い周波数で作動する。実施
例では、その作動周波数は２０ｋＨｚで、整形回路３２
からのライン３３上の電圧で決定される電流パルスの幅
をもっている。フィードバック制御システムにより溶接
サイクルにさらに電流を要するので、ライン３３上によ
り高い電圧が現れ、次のパルスの間、パルス幅変調器３
０からより幅の広いパルスを発生させる。こうして、必
要な電流が毎秒２２万回変化する。溶接サイクルは一般
に毎秒１００〜４００サイクルが最高なので、各溶接サ
イクルの間、多くの最新パルスが供給される。公知の実
施によれば、溶接電流回路は制御スイッチ４２に対する
出力ライン４０をもつ予告回路を含む。
【００３４】ｄｒ／ｄｔ（ここでｒは電極の抵抗）、ｄ
ｉ／ｄｔあるいはｄｒ／ｄｔがピンチ・サイクルの間近
づきつつある溶融を示すまで、パルス幅変調器３０の作
動に従って溶接回路から工作エリアに電流が流れる。溶
融を示すと、ライン４０上の論理が極性を変えてスイッ
チ４２を開く。それにより、抵抗器すなわちスナッバー
３９が主チョーク（コイル）３８と直列になる。主チョ
ークは誘導リアクタンスが小さいので、溶接回路に貯え
られるエネルギーは非常にわずかである。したがって、
電極と工作物の間の溶接回路による電流は抵抗器３７で
決められるレベルまで直ちに下がる。
【００３５】本発明によれば、一般に並列の背景電流回
路が溶接回路に加えられる。背景電流回路は溶接回路の
作動状態に関係なく、工作物を横切って５〜７Ａの電流
を供給し続ける。その結果、背景電流回路によって、溶
接サイクルの間常に電極を工作物の間に少なくとも５〜
７Ａの電流が流れ、溶接サイクルのどんな位相の間も電
極を工作物の間にアークを絶やすことがないようにす
る。
【００３６】図２・３でパイプ端７０はそれぞれ斜面７
２を有し、その間に溝を形成している。パイプ端はその
間にあるギャップ７４で、互いに離れている。公知技術
によれば、パイプ端は少なくともルートビーズが溝につ
けられギャップ７４を埋めるまで、好ましくはクランプ
によって互いに固定されている。パイプ接地７８により
パイプをアースして、電極５０とパイプの間のアーク回
路を完成する。電極５０は電極ノズル８０によって２つ
のパイプ端間の溝内に導かれる。溶接サイクルの間、電
極はノズル８０から供給され、電極の端にある溶融金属
をパイプ端の間にある溝内に移動させてルートビーズを
形成する。
【００３７】図３で、電極５０は外側金属鞘５２と電極
芯５４を有する消耗芯入り電極である。好ましくは、鞘
５２は炭素鋼、ステンレス鋼あるいは他の金属や合金で
ある。好ましくは鞘の組成は、パイプの底金属の組成と
同様のものに選定される。芯５４は好ましくはフラック
ス剤および／または合金と金属を含む。フラックス剤は
溶接ビーズの上にスラグを生じる化合物を含み、溶接ビ
ーズが固化するまでそれを保護して所定位置に保ち、お
よび／または溶接ビーズの形成の間、溶接金属をシール
ドする。また、ルートビーズを環境の悪影響から保護す
るシールドガスを発生する化合物も含んでいる。好まし
くは、フラックス組成はフッ化物および／または炭酸塩
を含み、溶接の間シールドガスを発生して外部シールド
ガスの必要性をなくす。このような電極を使うことによ
り、溶接装置が大いに簡略化される。外部シールドガス
の源と装置が不要になる。さらに、あらゆるタイプの雰
囲気において溶接ビーズを保護する。溶接ビーズ上に形
成されるスラグはさらに、環境からビーズをシールドす
るので、良質の溶接ビーズを形成する。これまで、フラ
ックス芯入り電極はこのタイプの短絡溶接は使われなか
った。驚くべきことに、該電極は短絡溶接機内でうまく
働いて、雰囲気の有害な影響から溶接ビーズを適切に保
護するシールドガスとスラグを形成したのである。合金
も好ましくは芯５４に含まれる。合金は好ましくは、鞘
５４を結合してパイプの金属組成に実質的に同様の組織
をもつ溶接ビーズを形成するように選択される。フラッ
クス芯４７電極は溶接方法を装置に多様性を与え、外部
シールドガスを使わずに溶接ビーズを保護し、パイプと
同一かよく似た組成の溶接ビーズを形成する。それによ
り、あらゆるタイプの環境において広範囲のパイプ金属
組成をもった高品質の溶接ビーズを形成する。
【００３８】図４・５に本発明の実施例の作動を示す。
図４は低スパッターで、溶接ビーズがギャップ７４を通
り抜けてパイプ系内部に入り込むのを防ぐ望ましい電流
プロフィールを示している。このプロフィールは、ピン
チ部、プラズマ・ブースト部、プラズマ部およびアーク
が維持されるべき背景部に分割される。図４で、ピンチ
部１１０は破断点１１２と予告回路作動点１１４を有す
る。プラズマ・ブースト部１２０の次に、プラズマ部と
呼ばれる減衰部１２２が続いている。スパッター制御系
の作動に決定的なプラズマ・ブースト部は減衰部に先立
つ定電流部であるが、減衰部１２２はプラズマ・ブース
ト部の（終）端あるいはプラズマ部の開始とも呼ばれ得
る。減衰部１２２の後、電流制御回路がプラズマあるい
はアークを維持する背景電流レベル１００に移る。
【００３９】本発明によれば、電流制御回路は予め選ば
れた背景電流レベルを維持することにより、アークを通
る電流レベルが予め選ばれた低電流レベルよりも下に落
ちることを防ぎ、アークが消えるのを防ぐ。
【００４０】電流制御回路は溶接サイクルのプラズマ・
ブースト部とプラズマ部の間、電極のあらゆる溶融を生
じさせる。それ以上の電極５０の溶融は、背景を流れに
よってのみ維持されるアークを通して電極を溶かすのに
必要なＩＲが得られないので、背景電流レベル１００が
生じているときには起こらない。こうして、背景電流は
ただアークを維持し、溶融金属球を溶融状態に保つため
にのみ与えられる。プラズマ・ブーストとプラズマによ
って形成される、電極５０の端における溶融金属の量
は、金属の端で予め選ばれた量の金属を溶かすように選
ばれ、その量に達すると、プラズマ部の電流は背景電流
レベルに落ちる。プラズマ・ブースト部とプラズマ部の
持続時間も、パイプ端７０のギャップ７４の回りの金属
を不必要に溶かすことのないように選ばれる。金属を溶
かしすぎると、パイプ部分の中間に溶接金属が浸み出す
ことになる。プラズマ部の間、電極の端で溶融金属球が
形成されている間、予め選ばれた量の溶融金属が得られ
るまで、高電流の噴出力によって溶融金属が溶接プール
から遠ざけている。電流が減小すると、溶融金属はボー
ルを形成し、溝内の溶融金属プールが安定化する。それ
により、実質的に球状のボールを安定化した溶接金属プ
ールの間に平滑な接触がなされる。電極端における溶融
金属の所望量は、プラズマ部の間、予め選ばれた量のエ
ネルギーすなわちワット数を与えることによって制御さ
れる。電極端で溶融金属ボールが形成されている間ずっ
と、芯成分がシールドガスを放出して、溶融ボールとギ
ャップ７４内の溶接金属を雰囲気からシールドする。溶
融ボールがギャップ７４内の溶融金属に変換されるま
で、シールドガスは流し続けられる。
【００４１】プラズマ・ブースト部とプラズマ部の間に
溶融金属ボールがいったん形成されると、電極を溶融プ
ール内に供給することにより溶融ボールがプール内に強
制的に入れられ、短絡状態が形成される。溶融金属ボー
ルが該プールに嵌まると、表面張力によって該ボールは
プール内に移動する。これにより、プールと電極のワイ
ヤとの間に伸びる溶融金属の最終的なネッキングダウン
が生じ、次いで破れてワイヤからボールが離れる。その
分離の間、低いレベルの背景電流だけなので、スパッタ
ーはあったとしてもほとんど生じない。好ましくは、電
流制御回路によって溶融金属ボールのネッキングをモニ
ターし、電気ピットによってネッキングの直径が急に減
小するとき、差し迫った溶融が検知されるまで、ピンチ
部１１０での電流がもっとゆるやかに増大するようにな
る。溶融が検知されると、電極端の溶融金属が溶接プー
ル内に移動するまで、電流は背景電流に減小する。
【００４２】図４・５は標準ＳＴＴ短絡溶接サイクルを
示し、図４は正極性を加えた場合を示している。正極性
では、負極性を加えた図５の場合に比べて、溶融金属パ
ドルは比較的冷たい。負極性を用いる図５の場合の短絡
溶接法は、溶融金属の温度を上げる傾向がある。この状
態は通常、ＳＴＴ溶接機の背景電流を減らすことによっ
て緩和される。本発明の他の面を採用すれば、溶融金属
パドルの温度は図６に示す本発明に従って作動する溶接
機２００によって制御される。電極が工作物６０に向か
って動くとき、溶接機２００から前進するコード金属電
極５０にわたって溶接パルスが加えられる。本発明の主
な面はコード電極の使用である。本発明の付加的な面は
固体ワイヤ電極を使うことである。溶接機２００は、イ
ンバータの形で切換え型電源２０２を有し、これはパル
ス幅変調器２０４によって制御されるスイッチングパル
スを有し、このパルスは誤差アンプ２０６の出力電圧に
よって決定される電流パルスの幅をもっている。このア
ンプは分流器２０８から、実際のアーク電流に比例する
電圧を受ける。入力ライン２１０からアンプに電流電圧
が導かれ、ライン２１２に標準コントローラ２２０から
所望の電流信号が導かれる。コントローラ２２０はライ
ン２１２に電圧を発生させ、その電圧により電源２０２
の出力に急速に発生する各電流パルスの幅がセットされ
る。コントローラ２２０の極性セレクタによって、電源
の出力が正極性をもつとき出力ライン２４０にロジック
を与え、負極性に変えるときには出力ライン２４２にロ
ジックを与える。それぞれ標準スナッバ２４４をもつス
イッチＱ１・Ｑ２は、インダクタＬ１の電流を制御する
ために使われ、この電流はスイッチＱ１で制御される正
極部２５０と、スイッチＱ２で制御される負極部２５２
をもっている。ライン２４０のロジックによって、スイ
ッチＱ１を閉じて正極部２５０に電流を通させる。ライ
ン２４２のロジックによって、極性を変え、負極部２５
２に電流を通させる。極性が正のとき、ＳＴＴ溶接機は
正電流パルスを発生して図７の正極性電流サイクルを与
える。溶接サイクル３００が、すべての電流が正極性を
もつ正サイクルとして示されている。サイクル３００は
ｔ1 に開始点をもち、これは短絡が起こる時点である。
背景電流はゼロに向かって減小する。その後、ピンチ電
流３０２によって３０４で示すようにネックが作られる
まで、短絡した金属ボールが張力移動と電気ピンチによ
って移動させられる。３０６部分に示すように電流は再
びゼロになってスパッタを減らす。金属が電気ピンチ作
用によって移動させられた後、最大アーク電流をもつプ
ラズマ・ブーストパルス３１０によってプラズマ状態に
再びなる。このパルス３１０のエリアは、前進するワイ
ヤ電極５０の端における溶融金属ボールの全体の大きさ
を決める。ブーストパルスの後、電流は時定数テールア
ウト３１２をもち、これは背景電流３１４で終わる。３
１６で次の短絡に移る。ライン２４０にロジック１が現
れている限り、急速に発生した電流パルスは図７のよう
な正極性をもつ。ライン２４２にロジック１が現れる
と、溶接の極性が逆転する。図８のように負極性サイク
ル３２０が作られる。正極性サイクル３００と負極性サ
イクル３２０の数は制御され、溶融金属パドルに所望の
熱量を得るようにする。パドルが冷たすぎると、正極性
サイクル３００の数に対して負極性サイクル３２０の数
が増やされる。所望の比率はコントローラ２２０内の適
当なセレクタ回路によって得られ、このセレクタ回路Ｓ
を図９に示す。図９でセレクタ回路は非逆転出力２４０
と逆転出力２４２をもつスリップフロップ３５０で、ソ
フトを実行する。出力はデジタル・デコーダ３５４によ
って制御されるセット入力ライン３５２ａとリセット入
力ライン３５２ｂをもつ非一致回路３５２によって選択
される。入力３６０はサイクルが短絡によって始まると
き、時点ｔ1 で入力開始パルスを受ける。デコーダ３５
４の調整入力３６２・３６４は、入力３６２での正電流
サイクルの数と入力３６４での負電流サイクルの数との
比をセットする。これらの２つの入力を調整することに
より、正電流サイクル３００と負電流サイクル３２０の
比が選択されて溶融熱を制御する。この熱を変えるた
め、入力３６２・３６４でのデータを変えることによっ
て比が操作される。
【００４３】本発明のこの面の実施例は正極性サイクル
３００と負極性サイクル３２０の比の選択を含んでいる
が、各サイクル３０２が標準負極性サイクルとして開始
され、予め選ばれた時点で正極性に切り換えられるとい
う制御も他の手段として考えられてきた。これを図１０
に示す。図１０で、電流サイクル４００はピンチ部４０
２で負極性として始まり、その後に標準プラズマ・ブー
スト部４０４が続く。パルスの極性はプラズマ・ブース
ト部４０４の終り４１０の後、切り換えられる。点ｘで
の切り換えは時間遅れＴＤの後である。こうして、テー
ルアウト部４２０は負極性部４２２と点ｘで瞬時に切り
換わる正極性部４２４に分割されている。その後、端４
３０まで正極性が続く。図１１のセレクタ回路Ｓ’のよ
うに、フリップフロップ３５０はロジックを追跡端検知
器４５４の次の出力を待つように切り換える。プラズマ
・ブースト部の端で、検知器４５４は入力４５２に追跡
端を読み取り、入力４６０にマニュアル調整時間をもつ
時間遅れ４５６を開始させる。こうして、溶接パドルの
熱は時間遅れの選択によって決定され、サイクル４００
の極性を逆転させる。溶接熱を制御するため、ＳＴＴ溶
接機からの電流パルスの極性を正負の間で交互に替える
ため、他の変更もなされ得る。
【００４４】本発明のいろいろな面をさまざまな実施例
を用いて説明した。他の変更は明らかで、本発明の範囲
内にある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の溶接制御回路の概略を示すブロック
図。
【図２】２つのパイプの間の溝付近を示す断面図。
【図３】電極の断面斜視図。
【図４】正極性の電流サイクルの波形図。
【図５】負極性の電流サイクルの波形図。
【図６】本発明の短絡溶接機の回路図。
【図７】正極性の場合の溶接電流の波形図。
【図８】負極性に逆転する場合の溶接電流の波形図。
【図９】本発明の１実施例よりなるセレクタ回路のブロ
ック図。
【図１０】実施例の変形を示す溶接電流の波形図。
【図１１】他のセレクタ回路のブロック図。
【符号の説明】
３０： パルス幅変調機 ５０： 電極 ５４： 電極芯 ６０： 工作物 １００： 背景電流レベル １１０： ピンチ部 １２０： プラズマ・ブースト部 １２２： 減衰部 ２００： 溶接機 ２２０： コントローラ ３００： 正極性サイクル ３２０： 負極性サイクル Ｓ，Ｓ’： セレクタ回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平11−129069（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−297569（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−225639（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−155645（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−320272（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−18580（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−78563（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−42176（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−30765（ＪＰ，Ａ) 米国特許5676857（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B23K 9/073 B23K 9/028 B23K 9/10 B23K 9/173

Claims (66)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 フラックス芯入り金属電極供給用フィー
    ダと、溶接バグを工作物の外周上に形成された軌道に沿
    って駆動する機構とを有する溶接バグを用いて、第１工
    作物の端を第２工作物の端に短縮アーク溶接する方法に
    おいて、該方法は、 （ａ）上記溶接の間、上記軌道に沿って上記バグを連続
    的に移動する工程； （ｂ）第１、第２工作物の外側から、それらの間に空隙
    を形成する上記第１、第２工作物の隣接する端に初期溶
    接用パスを適用し、上記空隙に沿って上記工作物の方向
    にフラックス芯入り金属電極を移動する工程； （ｃ）短絡伝達部と被制御溶接部とを備えた電波により
    上記電極を溶接する工程； （ｄ）上記空隙を形成する上記工作物の間で、延長チャ
    ネルに沿って溶接を開始する目的で上記空隙をブリッジ
    するため上記電波の上記溶接部の電力又はエネルギーを
    制御する工程；及び （ｅ）上記初期パスの間、上記電極の端を溶接パドルの
    先に維持するため、上記溶接バグが上記工作物上で軌道
    の周りを連続的に移動する間、溶接バグを停止すること
    なく、上記溶接バグの速度及びまたは上記電極の送り速
    度を変更する工程； とを具備する短絡アーク溶接方法。
  2. 【請求項２】 初期パスの後、付加パスを付加する工程
    を備えた請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 上記フラックス芯入り金属電極は自己シ
    ールド電極である、請求項２記載の方法。
  4. 【請求項４】 上記フラックス芯入り金属電極が、上記
    ２つの工作物の組成と実質的に同様の組成を持つルート
    ビーズを形成するため芯内に合金用成分を有する、請求
    項３記載の方法。
  5. 【請求項５】 上記被制御溶融部が各溶接サイクルの
    間、比較的一定量の電極を溶融するためあらかじめ選定
    されたＩ（ｔ）領域をもつ請求項１記載の方法。
  6. 【請求項６】 上記電波の上記溶融部が、予め選ばれた
    開始高電流部と減衰電流端部を有する請求項５に記載の
    方法。
  7. 【請求項７】 上記電波が、溶融金属が上記空隙を通り
    抜けるのを阻止する為に、上記フラックス芯入り電極へ
    のエネルギーを制御する、請求項５又は６のいずれか１
    項に記載の方法。
  8. 【請求項８】 上記電波の上記移動部が短絡状態の終了
    時に高電流パルスを有し、短絡状態の予告された終了の
    直前まで該パルスを加える請求項５ないし７のいずれか
    １項に記載の方法。
  9. 【請求項９】 上記電波が背景電流を有し、かつ該背景
    電流が短絡状態の終了後、各溶接サイクルを通じて維持
    されるアークを保持するのに必要なレベルより少し高め
    の低レベルと高インダクタンス成分を持つ請求項５ない
    し８のいずれか１項に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 上記電波の極性が上記溶接ビーズを置
    く間制御される、請求項５ないし７のいずれか１項に記
    載の方法。
  11. 【請求項１１】 上記電極を通過する上記電波の極性が
    上記溶融部の少なくとも一部の間、正極性として維持さ
    れる請求項１０記載の方法。
  12. 【請求項１２】 上記電極を通過する上記電波の極性が
    上記溶融部の少なくとも一部の間、負極性として維持さ
    れる請求項１０又は１１の方法。
  13. 【請求項１３】 上記電波は、上記２個の工作物に対し
    てそれぞれ上記電極の与えられた電気極性をもつ一連の
    小幅の電流パルスを有する請求項１０ないし１２のいず
    れか１項に記載の方法。
  14. 【請求項１４】 上記電波の極性が溶接サイクルの開始
    時において、第１極性と第２極性の間でシフトされる、
    請求項１０ないし１３のいずれか１項に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 上記電波の極性が第１数の連続溶接サ
    イクルに対して選ばれ、上記電波の他の極性が第２数の
    連続サイクルに対して選ばれる、請求項１４の方法。
  16. 【請求項１６】 上記第１数の連続溶接サイクルが上記
    第２数の連続溶接サイクルとは異なるものである、請求
    項１５記載の方法。
  17. 【請求項１７】 上記電流パルスが約１０ｋＨｚよりも
    高い周波数をもつ請求項１３ないし１６のいずれか１項
    に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 上記電源が上記第１極性を作る第１部
    分と上記第２極性を作る第２部分を持つ中央タップ付き
    インダクタを備え、上記第１部分が第１スイッチを閉じ
    ることによって上記電極と工作物にわたって接続され、
    上記第２部分が第２スイッチを閉じることによって上記
    電極と工作物にわたって接続され、及び上記第１スイッ
    チ及び／または上記第２スイッチは与えられた溶接サイ
    クルで選ばれた位置において閉止されるものである、請
    求項１０ないし１７のいずれか１項に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 上記選ばれた位置は上記与えられた溶
    接サイクルの開始時点にある、請求項１８記載の方法。
  20. 【請求項２０】 上記電波の極性が、一方の極性で上記
    電極と溶接パドルに加えられる蓄積エネルギー量の関数
    として、また他方の極性で上記電極と溶接パドルに印加
    される蓄積エネルギー量の関数として交互に切り換えら
    れる、請求項１０ないし１９のいずれか１項に記載の方
    法。
  21. 【請求項２１】 上記電源が整流器を駆動する出力変成
    器を持つインバータである、請求項３ないし２０のいず
    れか１項に記載の方法。
  22. 【請求項２２】 上記電波が表面張力移動（ＳＴＴ）型
    電源を使って作られる、請求項３ないし２１のいずれか
    １項に記載の方法。
  23. 【請求項２３】 該電極の端が上記溶接パドルに関して
    観測される、請求項１ないし２２のいずれか１項に記載
    の方法。
  24. 【請求項２４】 溶接バグが周囲を動くとき溶接バドル
    の観測に対応して上記バグの速度および／又は電極の送
    り速度の変更を含む、請求項１ないし２３のいずれか１
    項に記載の方法。
  25. 【請求項２５】 電極フィーダによって供給される電極
    の速度が変更され、上記溶接バグの速度も変更される請
    求項１ないし２４のいずれか１項に記載の方法。
  26. 【請求項２６】 電極フィーダによって供給される電極
    の速度が軌道の回りの溶接バグ速度の関数である、請求
    項１ないし２５のいずれか１項に記載の方法 。
  27. 【請求項２７】 溶接バグの速度が遠隔操作で変化され
    る、請求項１ないし２６のいずれか１項に記載の方法。
  28. 【請求項２８】 上記溶接ヘッドが上記第１および第２
    工作物の端の間で振動させられる、請求項１ないし２７
    のいずれか１項に記載の方法。
  29. 【請求項２９】 上記振動の幅が調整可能である、請求
    項２８記載の方法。
  30. 【請求項３０】 上記第１及び第２工作物の端からの上
    記溶接ヘッドの高さが調整可能である、請求項１ないし
    ２９のいずれか１項に記載の方法。
  31. 【請求項３１】 上記第１および第２工作物の端に対す
    る上記溶接ヘッドの角度が調整可能である請求項１ない
    し３０のいずれか１項に記載の方法。
  32. 【請求項３２】 ２つの間隔のあいた端で、その間にギ
    ャップを形成する長手方向チャネルを形成している第１
    と第２の工作物を短絡アーク溶接するための装置であっ
    て、該装置は、 ａ．上記ギャップに極めて隣接して位置する溶接キャリ
    ッジ、 ｂ．上記電気キャリッジに接続された電源、 ｃ．フラックス芯入り金属電極フィーダ、溶接ヘッド、
    フラックス芯入り金属電極、および溶接バグを上記工作
    物の周囲に案内する機構を備えた溶接バグ、 ｄ．上記バグの溶接ヘッドを上記電源に接続するための
    コネクタ、 ｅ．溶接ビーズの形成の間、溶接バグを上記工作物の回
    りに連続的に動かし、上記溶接形成の間上記溶接バグの
    速度を制御する速度コントローラ、および ｆ．上記電極に電流を供給する溶接電流回路であって、
    該溶接電流回路は移動電流を作成する第１回路と溶着電
    流を作成する第２回路とを備え、上記第２回路は、上記
    チャンネル内にルートビードを形成するために十分な量
    の電流を上記電極に供給するもの、 とを具備する短絡アーク溶接用装置。
  33. 【請求項３３】 上記電極フィーダは上記電極を上記ギ
    ャップに向けて制御可能なごとく移動する請求項３２記
    載の装置。
  34. 【請求項３４】 上記フラックス芯入り電極が自己シー
    ルド電極である請求項３２記載の装置。
  35. 【請求項３５】 上記フラックス芯入り電極が、上記工
    作物の組成と実質的に同様の組成をもつ溶接ビーズを形
    成するため、芯内に合金成分を有する請求項３４記載の
    装置。
  36. 【請求項３６】 上記第２回路が各溶接サイクルの間、
    比較的一定量の上記電極を溶解するために予め選ばれた
    量のエネルギーを上記電極に注ぐ請求項３２に記載の装
    置。
  37. 【請求項３７】 上記溶接回路は、溶融金属が上記ギャ
    ップを通り抜けるのを防ぐため、上記電極へ注がれるエ
    ネルギーの量を制限するものである請求項３６記載の装
    置。
  38. 【請求項３８】 上記第１回路が、電極上の溶融金属が
    ギャップと短絡状態を形成する前に、上記電極への電流
    量を減少させるものである請求項３６と３７のいずれか
    １項に記載の装置。
  39. 【請求項３９】 上記第２回路が減衰電流プロフィール
    を生じる請求項３６ないし３８のいずれか１項に記載の
    装置。
  40. 【請求項４０】 上記第１回路が短絡状態の最後に高電
    流パルスを導き、上記短絡状態の予告終了の直前まで該
    パルスを加える請求項３６ないし３９のいずれか１項に
    記載の装置。
  41. 【請求項４１】 上記電源が極性コントローラを有し、
    該極性コントローラが上記溶融電流の少なくとも一部の
    間上記電極を通って正極性を維持する請求項３６ないし
    ４０のいずれか１項に記載の装置。
  42. 【請求項４２】 上記電源が極性コントローラを有し、
    該極性コントローラが上記溶融電流の少なくとも一部の
    間上記電極を介して負極性を維持する請求項３６ないし
    ４１のいずれか１項に記載の装置。
  43. 【請求項４３】 上記電源が短絡移動部とプラズマアー
    ク溶融部をもつサイクルを構成する一連の小幅の電流パ
    ルスを生成し、上記サイクルにおける該電流パルスがそ
    れぞれ上記２つの工作物に対して上記前の電極の与えら
    れた電気極性をもち、かつ電源が、上記電極が正である
    第１極性と上記電極が負である第２極性との間で上記サ
    イクルのパルスの極性を選択する極性セレクタを有する
    請求項３６ないし４２のいずれか１項に記載の装置。
  44. 【請求項４４】 上記極性セレクタが溶接サイクルの開
    始時に上記第１極性と上記第２極性との間のシフトを有
    する請求項４３の装置。
  45. 【請求項４５】 上記極性セレクタが、第１数の連続溶
    接サイクルに対して上記第１または第２極性の１つを選
    ぶための第１状態と、第２数の連続サイクルに対して他
    の上記極性を選ぶための第２状態をもつデコーダと、溶
    接操作の間、該第１・第２状態の間で交互に換えるため
    の部材を有する請求項４３または４４のいずれかの装
    置。
  46. 【請求項４６】 第１数が第２数と異なる請求項４５に
    記載の装置。
  47. 【請求項４７】 上記サイクルがそれぞれ所望のアーク
    電流を有し、実際のアーク電流を検知するための分流器
    と、上記電流パルスの幅を制御するために上記実際のア
    ーク電流と上記所望のアーク電流とを比較する誤差アン
    プとを備えた請求項４３ないし４６のいずれか１項に記
    載の装置。
  48. 【請求項４８】 上記電源が約１０ｋＨｚよりも高い周
    波数で上記電流パルスを発生するため、パルス幅変調器
    を備えた請求項４３ないし４７のいずれか１項に記載の
    装置。
  49. 【請求項４９】 上記電源が上記第１極性を作る第１部
    分と、上記第２極性を作る第２部分を持つ中央タップ付
    きインダクタ、該第１部分を上記電極と上記工作物の間
    に接続するための第１スイッチ、および上記第２部分を
    上記電極と上記工作物の間に接続するための第２スイッ
    チを有し、セレクタ手段が与えられた溶接サイクルの
    間、第１スイッチあるいは第２スイッチのいずれかを閉
    じるための部材を有する請求項４３ないし４８のいずれ
    か１項に記載の装置。
  50. 【請求項５０】 上記スイッチを閉じる動作が溶接サイ
    クルの開始時に起こる請求項４９記載の装置。
  51. 【請求項５１】 上記電源が整流器を駆動する出力変成
    器を持つインバータである請求項３６ないし５０のいず
    れか１項に記載の装置。
  52. 【請求項５２】 上記電源がＳＴＴ電源である請求項３
    ６ないし５０のいずれか１項に記載の装置。
  53. 【請求項５３】 上記溶接バグが上記工作物の周辺を動
    くとき、上記溶接バグの速度および／または上記電極の
    供給率を換える機構を有する請求項３２ない し５２のい
    ずれか１項に記載の装置。
  54. 【請求項５４】 溶接バグの速度が遠隔操作で変わる請
    求項３２ないし５３のいずれか１項に記載の装置。
  55. 【請求項５５】 上記電極フィーダがそれによって供給
    される電極の速度を変える請求項３２ないし５４のいず
    れか１項に記載の装置。
  56. 【請求項５６】 上記電極フィーダから供給される電極
    の速度が軌道の回りの溶接バグの速度の関数である請求
    項３２ないし５５のいずれか１項に記載の装置。
  57. 【請求項５７】 上記溶接ヘッドを上記第１及び第２の
    工作物の端の間で振動させる機構を有する請求項３２な
    いし５６のいずれか１項に記載の装置。
  58. 【請求項５８】 振動の幅が調製可能である請求項５７
    の装置。
  59. 【請求項５９】 上記第１および第２工作物の端からの
    上記溶接ヘッドの高さを調整するための機構を有する請
    求項３２ないし５８のいずれか１項に記載の装置。
  60. 【請求項６０】 上記第１および第２工作物の端に対す
    る溶接ヘッドの角度を調製するための機構を有する請求
    項３２ないし５９のいずれか１項に記載の装置。
  61. 【請求項６１】 上記第１および第２工作物の端からの
    溶接ヘッドの高さを調製するための機構を有する請求項
    ３２ないし６０のいずれか１項に記載の装置。
  62. 【請求項６２】 上記第１及び第２回路は、それぞれの
    溶接サイクルを通じて維持される短絡状態の終了後にア
    ークを保持するのに必要なレベルより僅かに高い程度の
    低いレベルにおける背景電流を維持するのに十分な高イ
    ンダクタンス成分を有する事を特徴とする、請求項３６
    ないし４０のいずれか１項に記載の装置。
  63. 【請求項６３】 上記フラックス芯入り金属電極は溶接
    用ワイヤで置き換えられる請求項３６ないし６１のいず
    れか１項に記載の装置。
  64. 【請求項６４】 電極溶接用ワイヤと溶接用ワイヤフィ
    ーダとはそれぞれフラックス芯入り電極と電極フィーダ
    とを置き換えることが可能なステップを備え た請求項１
    ０ないし３１のいずれか１項に記載の方法。
  65. 【請求項６５】 該工作物はパイプであり、単一のバグ
    はパイプの回りに境界線を描いた溶接を実行するステッ
    プを備えた請求項１ないし３１のいずれか１項に記載の
    方法。
  66. 【請求項６６】 上記工作物はパイプであり、上記バグ
    はパイプの回りに境界線を描いたルートビーズを設けて
    なる請求項３２ないし６１のいずれか１項に記載の装
    置。
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