JP6754952B2 - アーク溶接方法およびアーク溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、消耗電極である溶接ワイヤを送給しながらアーク溶接を行うアーク溶接方法およびアーク溶接装置に関するものである。

近年の溶接業界では、生産性向上のため、溶接の高品位化および生産効率向上に対する要求が高まっている。中でも、スパッタの低減や溶接の高速度化は市場要望の中で重要な項目である。スパッタの発生が増加するに伴い、スパッタが溶接対象である母材に付着する場合が多くなる。母材にスパッタが付着すると、付着したスパッタを除去するための後処理が必要となり、溶接生産性が低下する。また、後処理が実施されず、スパッタが母材に付着した状態で製品として流出する場合があると、製品価値を著しく損なう。

特許文献１は、パルス溶接と短絡溶接を交互に繰り返す混成溶接を開示している。混成溶接は短絡溶接より入熱が高くパルス溶接より入熱が低い中間の特性を有する。

図１は特許文献１に開示されている混成溶接での溶接電流を示す。図１において、縦軸は溶接電流を示し、横軸は時間を示す。図１において、短絡移行期間Ｔａで短絡溶接が行われ、パルス移行期間Ｔｂではパルス溶接が行われる。短絡溶接において、溶接ワイヤの設定された送給速度で短絡溶接を安定に行わせることができる溶接電圧が予め設定されており、その短絡回数（１回以上）も予め設定されている。一方パルス溶接においては溶接電流の平均電流が臨界電流を越えない溶接ワイヤの送給速度が予め設定されている。また、パルス回数（１回以上）も予め設定されている。

特開昭６０−２５５２７６号公報

母材への入熱に関係する溶接パラメータが第１の閾値未満の場合に第１の溶接法で前記母材を溶接する。前記溶接パラメータが第２の閾値未満でかつ前記第１の閾値より大きい場合に第２の溶接法で前記母材を溶接する。前記溶接パラメータが前記第２の閾値より大きい場合に第３の溶接法で前記母材を溶接する。
前記第１の溶接法は短絡溶接であり、前記第３の溶接法はパルス溶接であり、
前記第２の溶接法は短絡溶接とパルス溶接とを切替え周期で交互に繰り返す混成溶接である。
前記混成溶接は、前記溶接パラメータが前記第２の閾値未満でかつ前記第１の閾値より大きい場合に、前記切替え周期のうちの前記短絡溶接で前記母材を溶接する期間と前記切替え周期のうちの前記パルス溶接で前記母材を溶接する期間との割合を溶接電流あるいは溶接電圧に応じて変更して前記母材を溶接する。

このアーク溶接方法により、母材の厚みに応じて溶接条件を調整することで、母材の厚みに適した溶接法が設定され、スパッタが少なく母材の溶落ちのない溶接が可能となる。

図１は従来のアーク溶接法の溶接電流を示す図である。 図２はアーク溶接における溶接電流と溶接電圧の関係を示す図である。 図３は実施の形態におけるアーク溶接装置の概略構成図である。 図４は実施の形態におけるアーク溶接方法での溶接電流と溶接電圧の関係を示す図である。 図５Ａは実施の形態における他のアーク溶接方法での溶接電流と溶接電圧の関係を示す図である。 図５Ｂは図５Ａに示すアーク溶接方法での混成溶接での溶接電流を示す図である。 図６は実施の形態におけるアーク溶接方法での溶接電流と溶接の結果とを示す図である。 図７は実施の形態におけるアーク溶接方法での溶接電流と溶接の結果とを示す図である。

短絡溶接法やパルス溶接法を溶接機器に組み込む場合は、それぞれの溶接法毎に、溶接機器の最低電流から最大定格電流まで溶接電流、あるいはワイヤ送給量毎に波形制御パラメータをリンクさせて、溶接電流および溶接電圧の設定値を設定することで容易に母材を溶接することを可能としている。

低スパッタ性能を発揮する溶接電流の範囲がそれぞれの溶接法で異なる。

母材２２が鉄系金属材料の軟鋼系材料よりなる場合において、短絡溶接法は、例えば、溶接電流の領域が２００Ａ以下であればスパッタは少ないが、２００Ａを越えて溶接電流が高くなるに伴ってスパッタは増加する。特に２２０Ａから３００Ａの間はグロビュール領域であり大粒スパッタが発生するためスパッタの付着量が多くなる。このスパッタが多量発生する電流域を使用せずに低い電流域で溶接すると低スパッタであるが同じワイヤ溶着量を確保するために溶接速度を低くする必要があるので、生産時間が長くなり生産性が低くなる。

また、パルス溶接法では、例えば、板厚３．２ｍｍ以上の母材の溶接電流の領域が約２７０Ａ以上であればスパッタは少ないが、板厚が２．３ｍｍ未満の薄板を溶接するために溶接電流を約２００Ａより低くするに伴ってパルス溶接は入熱が高いために、溶接時に、母材２２の溶接される部分である溶接部において、例えば主に母材の溶融金属が母材について溶接ワイヤに対して反対側に溶け落ちる現象である溶落ちが発生する。また溶接電流が２００Ａ以下になるとアークの指向性が低くなりアークブローが発生しアーク切れの発生が多くなりスパッタの増加を招くため、この低い電流域の使用は好ましくない。

図２は、母材２２が鉄系金属材料の軟鋼系材料よりなる場合において、短絡溶接での溶接電流に対する適正な溶接電圧の範囲２５と、パルス溶接での溶接電流に対する適正な溶接電圧の範囲２６を示す。図２において、縦軸は溶接電圧を示し、横軸は溶接電流を示す。図２に示すように、例えば同じ２００Ａの溶接電流であっても、短絡溶接での適正な溶接電圧は例えば１７〜１８Ｖであるのに対して、パルス溶接で適正な溶接電圧は例えば２３〜２４Ｖと高くなり、パルス溶接は短絡溶接より入熱が高くなる。このため２００Ａの溶接電流での短絡溶接と同じ入熱をパルス溶接で行う場合、パルス溶接での溶接電流が２００Ａでは高すぎるので、パルス溶接の溶接電流を１５０Ａ程度にまで低くする。但し、この１５０Ａのパルス溶接の溶接電流の値ではアークブローの発生等によってスパッタが増加するため使用するのが困難である。

特許文献１に開示されているパルス溶接と短絡溶接を交互に繰り返す混成溶接では、低電流域では入熱が短絡溶接より高いため、溶落ちやパルス出力時のアークブロー発生によりスパッタが増加し、高電流域ではパルス溶接より入熱が低いので溶接速度を高めることができず、特に厚い母材の溶接では生産性が低下する場合がある。また、従来の溶接機器は、溶接する際にまず溶接法をユーザが設定する。溶接法に熟練した作業者であれば母材の板厚に応じて溶接法を切替えて溶接条件を設定することができる。しかし、作業者の多くは溶接法の特徴をあまり理解しておらず、例えばパルス溶接に設定したまま溶接電流の設定値を低くして薄い母材を溶接したり、短絡溶接に設定したまま溶接電流の設定値を２００Ａ〜３００Ａに高くして厚い母材を溶接したりする場合がある。また、多くの溶接個所で母材の厚みが互いに異なる場合は、溶接箇所毎に溶接法等の設定を切替えることは煩雑になるので、厚みに対して適正な溶接法が設定されないために、スパッタの増加や溶滴の落ち等が発生する場合がある。

（実施の形態）
図３は実施の形態におけるアーク溶接装置１００１の概略構成図である。アーク溶接装置１００１は、消耗電極である溶接ワイヤ１９と溶接対象物である母材２２との間でアーク２１を発生させることにより母材２２を短絡溶接とパルス溶接とのうちの少なくともいずれか一方で溶接するように構成されている。言い換えると、短絡溶接、パルス溶接、または、パルス溶接と短絡溶接を交互に繰り返す混成溶接で母材２２を溶接するように構成されている。

アーク溶接装置１００１は、一次側整流部２と、スイッチング部３と、主変圧器４と、二次側整流部５と、リアクトル（ＤＣＬ）６と、駆動部７と、電圧検出部８と、電流検出部９と、パルス波形制御部１０と、短絡溶接制御部１１と、混成溶接制御部１２と、溶接条件設定部１４と、記憶部１５と、送給速度制御部１６と、切替え部１７、２３と、送給モータ１８と、チップ２０とを備える。

一次側整流部２は、入力電源１の出力を整流して出力する。スイッチング部３は、一次側整流部２からの直流出力を交流に変換することにより溶接電圧と溶接電流よりなる溶接出力を制御する。主変圧器４はスイッチング部３の出力する交流の電圧を変換する。主変圧器４の出力は、主変圧器４の二次側出力を整流する二次側整流部５とリアクトル６を介して溶接出力として出力される。電圧検出部８は溶接電圧Ｖを検出し、電流検出部９は溶接電流Ｉを検出する。溶接条件設定部１４は溶接電流Ｉと溶接電圧Ｖを含む溶接条件を設定する。記憶部１５は閾値を格納し、溶接条件設定部１４からの出力にもとづいて予め記憶している溶接法及び適正な制御値や溶接ワイヤ１９の送給速度を出力する。記憶部１５の出力に応じて、切替え部１７は、短絡溶接制御部１１とパルス波形制御部１０と混成溶接制御部１２のいずれかの溶接出力のための信号を出力する。なお、送給速度制御部１６は、溶接条件設定部１４で設定される溶接電流の設定電流に応じて溶接ワイヤ１９の送給速度を制御する。送給速度と溶接電流は互いに相関関係にある。駆動部７はスイッチング部３を制御する。駆動部７とパルス波形制御部１０と短絡溶接制御部１１と混成溶接制御部１２と溶接条件設定部１４と記憶部１５と送給速度制御部１６と切替え部１７、２３とはスイッチング部３を制御する制御部１００１Ａを構成する。

記憶部１５の出力に応じて、切替え部２３は、短絡溶接の制御を行う短絡溶接制御部１１とパルス溶接の制御を行うパルス波形制御部１０と混成溶接の制御を行う混成溶接制御部１２のいずれかの送給速度の出力を選択する。記憶部１５が有する閾値は母材２２に与える入熱に関係する溶接パラメータでの閾値であり、溶接電流Ｉ、送給速度または溶接電圧Ｖである。

次に、実施の形態のアーク溶接装置１００１を用いたアーク溶接制御方法について説明する。

図４は実施の形態におけるアーク溶接方法での溶接電流Ｉ及び溶接電圧Ｖを示す。図４において縦軸は溶接電圧Ｖを示し、横軸は溶接電流Ｉを示す。

記憶部１５（図３参照）は閾値２８を格納する。溶接電流Ｉが閾値２８以下である場合、電気エネルギーが低いので、切替え部１７は薄い母材２２に適している短絡溶接制御部１１の出力を選択して短絡溶接を行う。溶接電流Ｉが閾値２８より大きい場合は、電気エネルギーが高いので、切替え部１７は厚い母材２２に適しているパルス波形制御部１０の出力を選択してパルス溶接を行う。図４に示すように、溶接電流Ｉが閾値２８より大きいと短絡溶接からパルス溶接に切り替えて、母材２２への入熱を高める。

図５Ａは実施の形態における他のアーク溶接方法での溶接電流Ｉ及び溶接電圧Ｖを示す。図５Ａにおいて縦軸は溶接電圧Ｖを示し、横軸は溶接電流Ｉを示す。

記憶部１５（図３参照）は閾値２８と、閾値２８より大きい閾値２９とを格納する。溶接電流Ｉが閾値２８以上、かつ閾値２９以下である場合は、切替え部１７は混成溶接制御部１２の出力を選択して短絡溶接とパルス溶接とを交互に繰り返す混成溶接を行う。

図５Ｂは図５Ａに示すアーク溶接方法での混成溶接での溶接電流Ｉを示す。図５Ｂにおいて、縦軸は溶接電流Ｉを示し、横軸は時間を示す。混成溶接において、制御部１００１Ａは短絡溶接とパルス溶接とを切替え周期Ｔｍで交互に繰り返す。制御部１００１Ａは切替え周期Ｔｍのうちの期間Ｔｓに短絡溶接で母材２２を溶接するようにスイッチング部３を制御し、切替え周期Ｔｍのうちの期間Ｔｐにパルス溶接で母材２２を溶接するようにスイッチング部３を制御する。期間Ｔｓ、Ｔｐの和は切替え周期Ｔｍである。溶接電流Ｉが閾値２８から閾値２９まで大きくなるにしたがって切替え周期Ｔｍに対するパルス溶接の期間Ｔｐの割合を高めていく。これにより、徐々に溶接電流Ｉが大きくなるに伴い適正な溶接電圧Ｖを徐々に高めることができ、溶接電流Ｉを変化させた場合の急激な入熱の変化を抑制して短絡溶接とパルス溶接を円滑に連携して溶接電流Ｉを変化させても安定に母材２２を溶接することができる。

なお、図４、図５Ａは母材２２が鉄系材料よりなる場合の溶接電流Ｉと溶接電圧Ｖと閾値２８、２９を示している。

実施の形態におけるアーク溶接装置１００１では、閾値２８、２９は溶接電流Ｉの値である。実施の形態では、閾値２８、２９は母材２２に与える入熱に関係する溶接パラメータである。この溶接パラメータは、溶接電流Ｉまたは溶接電圧Ｖまたは溶接ワイヤ１９の送給速度である送給量または母材２２の厚みである。すなわち閾値２８、２９は、溶接電流Ｉまたは溶接電圧Ｖまたは溶接ワイヤ１９の送給速度である送給量または母材２２の厚みであり、制御部１００１Ａは溶接パラメータを閾値２８、２９と比較する。

図６は母材２２が鉄系金属材料の軟鋼系材料よりなる場合において、溶接電流Ｉの値と、それらの値での母材２２の溶接結果を示す。図６は溶接電流Ｉの値毎に溶接方法を変えた場合の溶接結果を示す。図６において「Ｇ」は良好な溶接結果を示し、「ＮＧ」は良好でない溶接結果を示す。図６における溶接では、ＭＡＧ溶接（Ｍｅｔａｌ ａｃｔｉｖｅ ｇａｓ Ｗｅｌｄｉｎｇ）を行い、溶接ワイヤ１９は軟鋼よりなりφ１．２の径を有する。溶接電流Ｉを溶接パラメータとする場合は、母材２２が鉄系材料であれば、図６に示すように、閾値２８は好ましくは１８０Ａ以上でかつ２００Ａ以下であり、閾値２９は好ましくは２７０Ａ以上でかつ２９０Ａ以下である。

図６を用いて、母材２２が軟鋼系材料よりなる場合での閾値２８、２９について説明するために、溶接電流Ｉの値毎に溶接方法を短絡溶接、混成溶接、パルス溶接と変えた場合の溶接結果について説明する。

溶接電流Ｉが１５０Ａ以上かつ１８０Ａ未満である１５０Ａの領域は、短絡溶接で母材２２を溶接するとアークは安定し、スパッタは少なく良好である。一方、パルス溶接と短絡溶接を所定の割合で交互に出力する混成溶接で母材２２を溶接すると、短絡溶接で形成されるビードの形状は良好であるが、溶接電流Ｉが低いため、短絡溶接で形成されるビードの幅がパルス溶接で形成されるビードの幅より狭くなり、短絡溶接からパルス溶接に切り替えた際にアークが広がらずに溶滴が不規則に離脱してスパッタが多くなる。したがって、溶接電流Ｉが１５０Ａ以上かつ１８０Ａ未満の場合は、短絡溶接の方が混成溶接より適している。なお、パルス溶接で母材２２を溶接すると入熱が多くなり、母材２２の厚みによっては溶滴落ちが発生する。

溶接電流Ｉが１８０Ａ以上かつ２００Ａ未満である１８０Ａの領域と、溶接電流Ｉが２００Ａ以上かつ２２０Ａ未満である２００Ａの領域とでは、すなわち、溶接電流Ｉが１８０Ａ以上かつ２２０Ａ未満である領域Ａ１では短絡溶接で母材２２を溶接するとアークは安定しておりスパッタは少なく良好である。また、混成溶接で母材２２を溶接すると、短絡溶接で形成されたビードの形状は良好である。さらに、溶接電流Ｉが増加しているため、混成溶接での短絡溶接で形成されたビードの幅が広く、パルス溶接で形成されたビードの幅とほぼ同じになる。したがって、混成溶接で、短絡溶接からパルス溶接に切り替えた際にパルス溶接で形成された溶滴は規則的に離脱しスパッタが少ない。したがって溶接電流Ｉが１８０Ａの領域と２００Ａの領域とでは短絡溶接と混成溶接がいずれも良好である。なお、１８０Ａの領域と２００Ａの領域とで混成溶接ではなくパルス溶接で母材２２を溶接すると入熱が多くなり、母材２２の厚みによっては溶滴落ちが発生する。

これにより母材２２が軟鋼材系材料よりなる場合は、溶接法を選択する閾値である閾値２８は、１８０Ａの領域と２００Ａの領域である１８０Ａ以上かつ２２０Ａ未満が好ましい。閾値２８の領域内で、母材２２に短絡溶接および混成溶接を行う場合、短絡溶接で入熱が低くなるので、溶接時に、母材２２の溶接される部分である溶接部において、溶融金属が母材から溶接ワイヤ１９に対して反対側に溶け落ちる現象である溶落ちを低減でき、スパッタも少なく良好に母材２２を溶接することができる。

溶接電流Ｉが２２０Ａ以上かつ２５０Ａ未満の２２０Ａの領域では、短絡溶接を行うとアークは安定しているがスパッタが多い。また、パルス溶接では入熱が高いため母材２２の厚みによっては溶敵の落ちが発生する場合がある。パルス溶接と短絡溶接を所定の割合で交互に繰り返す混成溶接では、短絡溶接で形成されるビードが広いためにアークが広がり、パルス溶接で形成されるビードに溶接ワイヤ１９の溶滴が規則的に離脱するのでスパッタが少ない。したがって２２０Ａの領域では混成溶接が良好である。なお、混成溶接ではなく、パルス溶接で母材２２を溶接すると入熱が多くなり、母材２２の厚みにより溶落ちが発生する。

溶接電流Ｉが２５０Ａ以上かつ２７０Ａ未満の２５０Ａの領域では、母材２２を短絡溶接するとアークは安定するがスパッタが多い。また、パルス溶接で母材２２を溶接すると入熱が高いため母材２２の厚みによっては、溶接時に、母材２２の溶接される部分である溶接部において、溶融金属が母材から溶接ワイヤ１９に対して反対側に溶け落ちる現象である溶落ちが発生する場合がある。パルス溶接と短絡溶接を所定の割合で交互に繰り返す混成溶接では短絡溶接で形成されるビードの幅が広く冷却効果があるので、母材への入熱が抑制され溶落ちを抑制し、かつビードの幅が広がるのでアークが広がりパルス溶接で形成されるビードに溶接ワイヤ１９の溶滴が規則的に離脱してスパッタが少ない。したがって２５０Ａの領域では混成溶接が良好である。２５０Ａの領域以下では、母材２２の厚みは例えば３．２ｍｍ未満が好ましい。

また、２００Ａ，１８０Ａの領域では母材２２の厚みは例えば１．６ｍｍ以上、２．３ｍｍ以下が好ましく、１５０Ａの領域以下では母材２２の厚みは１．６ｍｍ未満が好ましい。

溶接電流Ｉが２７０Ａ以上かつ２９０Ａ未満の２７０Ａの領域と、２９０Ａ以上かつ３２０Ａ未満の２９０Ａの領域では、すなわち、溶接電流Ｉが２７０Ａ以上かつ３２０Ａ未満の領域Ａ２では、母材２２の厚みが３．２ｍｍ以上、８ｍｍ未満と厚くなるので、パルス溶接であっても溶落ちはなく良好である。また、短絡溶接で母材２２を溶接するとアークは安定しているがスパッタが多い。パルス溶接と短絡溶接を所定の割合で交互に繰り返す混成溶接では、短絡溶接で形成されるビードの幅が広く冷却効果があるので溶落ちを抑制し、ビードが広がるのでアークが広がり、パルス溶接で形成されるビードへ溶接ワイヤ１９の溶滴が規則的に離脱してスパッタが少ない。混成溶接ではなくパルス溶接で母材２２を溶接すると、スパッタが少なく溶落ちがないため良好である。したがって２７０Ａの領域と２９０Ａの領域は、混成溶接とパルス溶接がいずれも良好である。

溶接電流Ｉが３２０Ａ以上かつ４００Ａ未満の３２０Ａの領域では、母材２２の厚さは８ｍｍ以上、２０ｍｍ未満と厚くなるのでパルス溶接であっても溶落ちの発生はなく良好である。また、短絡溶接で母材２２を溶接するとアークは安定しているがスパッタが多い。パルス溶接と短絡溶接を所定の割合で交互に繰り返す混成溶接では、溶接電流Ｉが高いため短絡溶接であっても、溶接ワイヤと母材とが短絡せずに、溶接ワイヤの溶滴が落ちて母材へ移行し、溶滴が不安定に離脱してスパッタが多い。また一方、混成溶接ではなくパルス溶接で母材２２を溶接すると、厚い母材２２に対してパルス溶接により十分入熱を加えることができるので溶込みの深いビードを得ることができ、スパッタが少なく溶落ちがないため良好である。このため３２０Ａの領域はパルス溶接が良好である。また、母材２２の厚みがより厚ければ、３２０Ａの領域を超える溶接電流領域にもパルス溶接が適用可能である。

これにより、母材２２が軟鋼系材料よりなる場合、溶接法を選択する閾値２９は、溶接電流Ｉが２７０Ａの領域から２９０Ａの領域であり、２７０Ａ以上かつ３２０Ａ未満が好ましい。閾値２９を３２０Ａ以上として、母材２２の厚みに対して短絡溶接および混成溶接を行う場合、短絡溶接を行う際に母材２２への低い入熱により深い溶け込みを得ることができず、スパッタが多くなる。

図７は、母材２２がアルミ系材料よりなる場合において、溶接電流Ｉの値と、それらの値での溶接結果を示す。図７は溶接電流Ｉの値毎に溶接方法を変えた場合の溶接結果を示す。図７において「Ｇ」は良好な溶接結果を示し、「ＮＧ」は良好でない溶接結果を示す。図７における溶接では、ＭＡＧ溶接を行い、溶接ワイヤ１９は硬質アルミよりなりφ１．２の径を有する。母材２２は硬質アルミよりなる。

母材２２が非鉄系金属材料のアルミ系材料よりなる場合には、閾値２８は８０Ａ以上かつ１２０Ａ未満であることが好ましい。また、閾値２９は１５０Ａ以上かつ２００Ａ未満であることが好ましい。

図７を用いて、母材２２がアルミ系材料よりなる場合の閾値２８、２９について説明するために、溶接電流Ｉの値毎に溶接方法を短絡溶接、混成溶接、パルス溶接と変えた場合の溶接結果について記載する。図７では溶接方法はＭＩＧ溶接（ｍｅｔａｌ ｉｎｅｒｔ ｇａｓ ｗｅｌｄｉｎｇ）である。

溶接電流Ｉが６０Ａ以上かつ８０Ａ未満の６０Ａの領域では、短絡溶接で母材２２を溶接するアークは安定し、スパッタは少なく良好である。パルス溶接と短絡溶接を所定の割合で交互に繰り返す混成溶接で母材２２を溶接すると、短絡溶接で形成されるビードの形状は良好であるが、溶接電流Ｉが低いために、短絡溶接で形成されビードの幅がパルス溶接で形成されるビードの幅より狭くなる。これにより、混成溶接で短絡溶接からパルス溶接に切り替えた際に、アークが広がらずに溶滴が不規則に離脱してスパッタが多くなる。このため溶接電流が６０Ａの領域では短絡溶接の方が混成溶接より適している。なお、混成溶接ではなく、パルス溶接で母材２２を溶接すると入熱が多くなり、母材２２の厚みによっては、溶接時に、母材２２の溶接される部分である溶接部において、溶融金属が母材から溶接ワイヤ１９に対して反対側に溶け落ちる現象である溶落ちが発生する場合がある。

溶接電流Ｉが８０Ａ以上かつ１００Ａ未満の８０Ａの領域と、１００Ａ以上かつ１２０Ａ未満の１００Ａの領域では、すなわち溶接電流Ｉが８０Ａ以上かつ１２０Ａ未満の領域Ａ１では、短絡溶接を行うとアークは安定しておりスパッタは少なく良好である。パルス溶接と短絡溶接を所定の割合で交互に繰り返す混成溶接で母材２２を溶接すると、短絡溶接で形成されるビードの幅が広いためアークが広がり、パルス溶接で形成される溶滴が規則的に離脱してスパッタが少ない。このため８０Ａの領域、１００Ａの領域は、短絡溶接、混成溶接がいずれも良好である。なお、混成溶接ではなく、パルス溶接で溶接を行うと入熱が多くなり、母材２２の厚みによっては溶落ちが発生する場合がある。

これにより母材がアルミ系材料よりなる場合は、溶接方法を選択する閾値２８は、溶接電流が８０Ａの領域から１００Ａの領域であり、８０Ａ以上かつ１２０Ａ未満であることが好ましい。閾値２８の領域内で母材２２に短絡溶接および混成溶接を行う場合、短絡溶接の際の低い入熱により母材２２の溶接部の溶落ちを抑制でき、またスパッタも少なく良好とすることが出来る。

また溶接電流Ｉが１２０Ａ以上かつ１３０Ａ未満の１２０Ａの領域と、１３０Ａ以上かつ１５０Ａ未満の１３０Ａの領域では、短絡溶接で母材２２を溶接するとアークは安定しているがスパッタが多い。パルス溶接で母材２２を溶接すると入熱が高いため母材２２の厚みによっては溶落ちが発生する場合がある。パルス溶接と短絡溶接を所定の割合で交互に繰り返す混成溶接では、短絡溶接で形成されるビードの幅が広いためアークが広がり、パルス溶接の際に溶接ワイヤ１９の溶滴が規則的に離脱してスパッタが少ない。このため１２０Ａの領域、１３０Ａの領域は混成溶接が良好である。１３０Ａの領域以下では、母材２２の厚みは例えば４ｍｍ未満が好ましい。また、１００Ａ，８０Ａの領域では母材２２の厚みが例えば１．５ｍｍ以上、３ｍｍ以下が好ましく、６０Ａの領域以下では母材２２の厚みが１．５ｍｍ未満が好ましい。

なお、混成溶接ではなく、パルス溶接で母材２２を溶接すると入熱が多くなり、母材２２の厚により溶落ちが発生する場合がある。

溶接電流Ｉが１５０Ａ以上かつ１８０Ａ未満の１５０Ａの領域と、１８０Ａ以上かつ２００Ａ未満の１８０Ａの領域では、すなわち溶接電流Ｉが１５０Ａ以上かつ２００Ａ未満の領域Ａ２では、母材２２の厚みが例えば４ｍｍ以上、８ｍｍ未満と厚くなるのでパルス溶接であっても母材２２の溶接部の溶落ち発生はなく良好である。また、短絡溶接で母材２２を溶接するとアークは安定しているがスパッタが多い。パルス溶接と短絡溶接を所定の割合で交互に繰り返す混成溶接では、短絡溶接で形成されるビードの幅が広く冷却効果があるので母材２２の溶接部の溶落ちを抑制し、ビードが広がるのでアークが広がり、パルス溶接の際に溶接ワイヤ１９の溶滴が規則的に離脱してスパッタが少ない。混成溶接ではなく、パルス溶接で母材２２を溶接すると、スパッタが少なく溶落ちがないため良好である。このため１５０Ａの領域、１８０Ａの領域は、混成溶接、パルス溶接がいずれも良好である。

溶接電流Ｉが２００Ａ以上かつ３００Ａ未満の２００Ａの領域では、母材２２の厚みは例えば８ｍｍ以上、２０ｍｍ未満と厚くなるのでパルス溶接であっても母材２２の溶接部の溶落ちの発生はなく良好である。また、短絡溶接で母材２２を溶接するとアークは安定しているがスパッタが多い。パルス溶接と短絡溶接を所定の割合で交互に繰り返す混成溶接では、溶接電流Ｉが高いため短絡溶接でも溶滴がドロップする状態となり、溶滴が不安定に離脱してスパッタが多い。混成溶接ではなく、パルス溶接で溶接を行うと、スパッタが少なく母材２２の溶接部の溶落ちがないため良好である。このため２００Ａの領域はパルス溶接が良好である。

また、母材２２の厚みがより厚ければ、２００Ａの領域を超える溶接電流領域にもパルス溶接が適用可能である。

これにより、母材がアルミ系材料よりなる場合は、溶接方法を選択する閾値２９は、溶接電流が１５０Ａの領域と１８０Ａの領域であり、１５０Ａ以上かつ２００Ａ未満であることが好ましい。溶接電流Ｉが２００Ａ以上で母材２２に対して短絡溶接および混成溶接が実施される場合、短絡溶接での低い入熱により深い溶け込みを得ることができなく、またスパッタも多くなってしまう。

上述のように、閾値２８と、閾値２８より大きい閾値２９による溶接方法の選択について説明する。

溶接電流Ｉである溶接パラメータが閾値２８以下の場合は、第１の溶接方法として短絡溶接を選択することが出来る。

また、溶接パラメータが閾値２８未満または以下の場合は第１の溶接法として短絡溶接を選択し、溶接パラメータが閾値２８の領域内である場合は、第１の溶接法としての短絡溶接、第２の溶接法としての混成溶接のいずれも選択することが出来る。

または、溶接パラメータが閾値２８を超える場合は、第２の溶接法として混成溶接または、第３の溶接法としてのパルス溶接を選択する。また、溶接パラメータが閾値２８と閾値２９の間は、第１の溶接法としての短絡溶接および第３の溶接法としてのパルス溶接とは異なる第２の溶接法としての混成溶接を選択する。溶接パラメータが閾値２９の領域内の場合は、第２の溶接法としての混成溶接、第３の溶接法としてパルス溶接のいずれも選択することが出来る。溶接パラメータが閾値２９を超えるまたは以上の場合は、第３の溶接法としてパルス溶接を選択する。

閾値２８は、母材２２が軟鋼材系材料よりなる場合は、１８０Ａ以上かつ２２０Ａ未満であり、母材２２がアルミ系材料よりなる場合は、８０Ａ以上かつ１２０Ａ未満である。また、閾値２９は、母材２２が軟鋼材系材料よりなる場合は２７０Ａ以上かつ３２０Ａ未満であり、母材２２がアルミ系材料の場合は、１５０Ａ以上かつ２００Ａ未満である。

このように、閾値２８、２９にそれぞれ幅を持たせ、閾値２８、２９でのそれぞれの幅の領域内では複数の溶接方法を選択可能である、少なくとも２つの溶接方法のいずれも選択できる。これにより、少なくとも閾値前後のいずれかの溶接方法に対応可能とすることが出来る。

溶接ワイヤ１９はメーカや銘柄毎に異なる金属組成を有し、短絡発生状況や溶滴離脱に必要な電流値が異なるので、様々な溶接ワイヤ１９に対応する裕度を拡大するために閾値２８、２９に幅を持たせている。

溶接方法を急に切り替えると溶接状況が急変して溶接が不安定（母材２２の溶接部の溶落ち、溶込み不足等）となるため、溶接方法を選択する閾値２８、２９の領域は、上述のように、複数の溶接法を用いる領域が大きいほど溶接状況の変化が緩やかになり溶接が安定する効果がある。

また、例えば母材２２の厚みを溶接パラメータとする場合として、母材２２が鉄系金属材料の軟鋼材料よりなる場合には、閾値２８は１．６ｍｍ以上、２．３ｍｍ未満の範囲に入ることが好ましく、閾値２９は３．２ｍｍ以上、８ｍｍ未満の範囲に入ることが好ましい。

また、母材２２が非鉄系金属材料のアルミ系材料よりなる場合には、閾値２８は１．５ｍｍ以上、３．０ｍｍ未満の範囲に入ることが好ましく、閾値２９は４ｍｍ以上、８ｍｍ未満の範囲に入ることが好ましい。

また、短絡溶接と、混成溶接での短絡溶接とでは、溶接ワイヤ１９を母材２２に向かって送給する前進送給と、溶接ワイヤ１９を母材２２から遠ざかるように送給する後進送給とを交互に実施してもよい。この場合、記憶部１５に格納された閾値２８、２９により短絡溶接あるいは混成溶接が選択された場合、短絡溶接を行っている間、切替え部２３が溶接ワイヤ１９を後進送給で送給して母材２２との間で短絡かつ開放を繰り返すことで機械的に短絡と開放を行うことができスパッタを低減させることができる。

また、混成溶接制御部１２は短絡溶接の期間Ｔｓとパルス溶接の期間Ｔｐとの和である切替え周期Ｔｍに対するパルス溶接の期間Ｔｐの割合は溶接電流Ｉあるいは溶接電圧Ｖあるいは溶接ワイヤ１９の送給量である溶接パラメータが大きくなるにつれて増加させる。

実施の形態におけるアーク溶接装置１００１を用いたアーク溶接方法により、特に溶接をあまり知らない作業者の場合や、多くの溶接個所で互いに厚みが異なる母材２２でも、溶接条件を調整することで、母材２２への入熱に関係する溶接パラメータ（溶接電流Ｉまたは溶接電圧Ｖまたは溶接ワイヤ１９の送給速度または母材２２の厚み）に応じて溶接方法を設定することが出来、低スパッタで母材２２の溶接部の溶落ち等を抑制した生産性の高い高品質な溶接が可能となる。

表１は溶接パラメータＰｗと閾値２８、２９との関係において、選択可能な溶接方法を示す。ここで、第１の溶接法は短絡溶接であり、第２の溶接法はパルス溶接と短絡溶接を所定の割合で交互に繰り返す混成溶接であり、第３の溶接方法はパルス溶接である。

このように、本実施の形態における溶接方法では、溶接電流Ｉである溶接パラメータＰｗが閾値２８未満の場合は、第１の溶接法としての短絡溶接で母材２２を溶接する。また、溶接パラメータＰｗが閾値２８と等しい場合は、第１の溶接法としての短絡溶接と第２の溶接法としての混成溶接とのうちの一方で母材２２を溶接する。溶接パラメータＰｗが閾値２８より大きくかつ閾値２９未満である場合は第２の溶接法としての混成溶接で母材２２を溶接する。溶接パラメータＰｗが閾値２９と等しい場合は、第２の溶接法としての混成溶接と第３の溶接法としてのパルス溶接とのうちの一方で母材２２を溶接する。また、溶接パラメータＰｗが閾値２９より大きい場合は第３の溶接法としてのパルス溶接で母材２２を溶接する。

溶接パラメータが閾値２８の領域Ａ１内である場合は、第１の溶接法としての短絡溶接と第２の溶接法としての混成溶接とのいずれも選択することが出来る。

または、溶接パラメータが閾値２８より大きい場合は、第２の溶接法として混成溶接と第３の溶接法としてのパルス溶接とのうちの一方を選択する。また、溶接パラメータが閾値２８と閾値２９の間である場合は、第１の溶接法としての短絡溶接と第３の溶接法としてのパルス溶接とは異なる第２の溶接法としての混成溶接を選択する。溶接パラメータが閾値２９の領域Ａ２内の場合は、第２の溶接法としての混成溶接と第３の溶接法としてパルス溶接とのいずれも選択することが出来る。

上述のように、母材２２への入熱に関係する溶接パラメータが閾値２８未満の場合に第１の溶接法で母材２２を溶接する。前記溶接パラメータが第１の閾値２８と等しい場合に前記第１の溶接法と第２の溶接法とのうちの一方で前記母材２２を溶接する。溶接パラメータが閾値２９未満でかつ閾値２８より大きい場合に第２の溶接法で母材２２を溶接する。前記溶接パラメータが第２の閾値２９と等しい場合に前記第２の溶接法と第３の溶接法とのうちの一方で前記母材２２を溶接する。溶接パラメータが閾値２９より大きい場合に第３の溶接法で母材２２を溶接する。

閾値２８は領域Ａ１内の値を取ることができる。溶接パラメータが領域Ａ１内にある場合には母材２２は第１の溶接法と第２の溶接法とのいずれでも溶接することができる。閾値２９は領域Ａ２内の値を取ることができる。溶接パラメータが領域Ａ２内にある場合には母材２２は第２の溶接法と第３の溶接法とのいずれでも溶接することができる。

第１の溶接法は短絡溶接であってもよく、第３の溶接法はパルス溶接であってもよい。

溶接パラメータは溶接電流Ｉと、溶接電圧Ｖと、溶接ワイヤ１９の送給速度と、母材２２の厚みとのうちの１つである。

第１の溶接法は短絡溶接であってもよく、第３の溶接法はパルス溶接であってもよい。この場合は、第２の溶接法は短絡溶接とパルス溶接とを切替え周期Ｔｍで交互に繰り返す混成溶接である。溶接パラメータが閾値２９未満でかつ閾値２８より大きい場合に切替え周期Ｔｍのうちの短絡溶接で母材２２を溶接する期間Ｔｓと切替え周期Ｔｍのうちのパルス溶接で母材２２を溶接する期間Ｔｐとの割合を溶接電流Ｉあるいは溶接電圧Ｖに応じて変更して母材２２を溶接してもよい。

溶接パラメータが閾値２９未満でかつ閾値２８より大きい場合はパルス溶接で母材２２を溶接する期間Ｔｐの切替え周期Ｔｍに対する割合を溶接電流Ｉあるいは溶接電圧Ｖが大きくなるに応じて増加させて母材２２を溶接してもよい。

溶接パラメータが閾値２８未満の場合は、溶接ワイヤ１９を母材２２に向かって送給する前進送給と溶接ワイヤ１９を母材から遠ざかるように溶接ワイヤ１９を送給する後進送給とを交互に繰り返しながら第１の溶接法で母材２２を溶接してもよい。また、溶接パラメータが閾値２９未満でかつ閾値２８より大きい場合は前進送給と後進送給とを交互に繰り返しながら第２の溶接法で母材２２を溶接してもよい。

溶接パラメータは溶接電流Ｉであってもよく、母材２２は軟鋼材系材料よりなっていてもよい。この場合、閾値２８は１８０Ａ以上かつ２２０Ａ未満であり、閾値２９は２７０Ａ以上かつ３２０Ａ未満である。

溶接パラメータは溶接電流Ｉであってもよく、母材２２はアルミ系材料よりなっていてもよい。この場合、閾値２８は８０Ａ以上かつ１２０Ａ未満であり、閾値２９は１５０Ａ以上かつ２００Ａ未満である。

アーク溶接装置１００１は、溶接ワイヤ１９を用いて母材２２を溶接する。アーク溶接装置１００１は、溶接電流Ｉと溶接電圧Ｖとを制御するスイッチング部３と、溶接電流Ｉを検出する電流検出部９と、溶接電圧Ｖを検出する電圧検出部８と、溶接ワイヤ１９を送給速度で送給する送給モータ１８と、スイッチング部３を制御する制御部１００１Ａとを備える。制御部１００１Ａは、溶接電流Ｉまたは送給速度である溶接パラメータが閾値２８未満の場合に第１の溶接法で母材２２を溶接するようにスイッチング部３を制御するよう構成されている。制御部１００１Ａは、溶接パラメータが閾値２８と等しい場合に第１の溶接法と第２の溶接法とのうちの一方で母材２２を溶接するようにスイッチング部３を制御するよう構成されている。制御部１００１Ａは、溶接パラメータが閾値２９未満でかつ閾値２８より大きい場合に第２の溶接法で母材２２を溶接するようにスイッチング部３を制御するよう構成されている。制御部１００１Ａは、溶接パラメータが閾値２９と等しい場合に第２の溶接法と第３の溶接法とのうちの一方で母材２２を溶接するようにスイッチング部３を制御するよう構成されている。制御部１００１Ａは、溶接パラメータが閾値２９より大きい場合に第３の溶接法で母材２２を溶接するようにスイッチング部３を制御するよう構成されている。

１ 入力電源
２ 一次側整流部
３ スイッチング部
４ 主変圧器
５ 二次側整流部
６ リアクトル
７ 駆動部
８ 電圧検出部
９ 電流検出部
１０ パルス波形制御部
１１ 短絡溶接制御部
１２ 混成溶接制御部
１４ 溶接条件設定部
１５ 記憶部
１６ ワイヤ送給速度制御部
１７ 切替え部
１８ 送給モータ
１９ 溶接ワイヤ
２０ チップ
２１ アーク
２２ 母材
２３ 切替え部
２８ 閾値（第１の閾値）
２９ 閾値（第２の閾値）
１００１ アーク溶接装置
１００１Ａ 制御部
Ｔｍ 切替え周期

Claims (14)

1. 母材への入熱に関係する溶接パラメータが第１の閾値未満の場合に第１の溶接法で前記母材を溶接するステップと、
   前記溶接パラメータが第１の閾値と等しい場合に前記第１の溶接法と第２の溶接法とのうちの一方で前記母材を溶接するステップと、
   前記溶接パラメータが第２の閾値未満でかつ前記第１の閾値より大きい場合に前記第２の溶接法で前記母材を溶接するステップと、
   前記溶接パラメータが第２の閾値と等しい場合に前記第２の溶接法と第３の溶接法とのうちの一方で前記母材を溶接するステップと、
   前記溶接パラメータが前記第２の閾値より大きい場合に前記第３の溶接法で前記母材を溶接するステップと、
   を含み、
   前記第１の溶接法は短絡溶接であり、
   前記第３の溶接法はパルス溶接であり、
   前記第２の溶接法は短絡溶接とパルス溶接とを切替え周期で交互に繰り返す混成溶接であり、
   前記第２の溶接法で前記母材を溶接する前記ステップは、前記溶接パラメータが前記第２の閾値未満でかつ前記第１の閾値より大きい場合に、前記切替え周期のうちの前記短絡溶接で前記母材を溶接する期間と前記切替え周期のうちの前記パルス溶接で前記母材を溶接する期間との割合を溶接電流あるいは溶接電圧に応じて変更して前記母材を溶接するステップを含む、
   アーク溶接方法。
2. 前記第１の閾値は第１の領域内の値を取ることができ、
   前記溶接パラメータが前記第１の領域内にある場合には前記母材は前記第１の溶接法と前記第２の溶接法とのいずれでも溶接することができ、
   前記第２の閾値は第２の領域内の値を取ることができ、
   前記溶接パラメータが前記第２の領域内にある場合には前記母材は前記第２の溶接法と前記第３の溶接法とのいずれでも溶接することができる、請求項１に記載のアーク溶接方法。
3. 前記第１の溶接法は短絡溶接であり、
   前記第３の溶接法はパルス溶接である、請求項１または２に記載のアーク溶接方法。
4. 前記溶接パラメータは溶接電流と、溶接電圧と、溶接ワイヤのワイヤ送給速度と、前記母材の厚みとのうちの１つである、請求項１または２に記載のアーク溶接方法。
5. 前記溶接パラメータが前記第２の閾値未満でかつ前記第１の閾値より大きい場合に前記切替え周期のうちの前記短絡溶接で前記母材を溶接する前記期間と前記パルス溶接で前記母材を溶接する前記期間との割合を前記溶接電流あるいは前記溶接電圧に応じて変更して前記第２の溶接法で前記母材を溶接するステップは、前記溶接パラメータが前記第２の閾値未満でかつ前記第１の閾値より大きい場合に前記パルス溶接で前記母材を溶接する前記期間の前記切替え周期に対する割合を前記溶接電流あるいは前記溶接電圧が大きくなるに応じて増加させて前記母材を溶接するステップを含む、請求項１に記載のアーク溶接方法。
6. 前記溶接パラメータが前記第１の閾値未満の場合に前記第１の溶接法で前記母材を溶接するステップは、前記溶接パラメータが前記第１の閾値未満の場合に溶接ワイヤを前記母材に向かって送給する前進送給と前記溶接ワイヤを前記母材から遠ざかるように前記溶接ワイヤを送給する後進送給とを交互に繰り返しながら前記第１の溶接法で前記母材を溶接するステップを含み、
   前記溶接パラメータが前記第２の閾値未満でかつ前記第１の閾値より大きい場合に前記第２の溶接法で前記母材を溶接する前記ステップは、前記溶接パラメータが前記第２の閾値未満でかつ前記第１の閾値より大きい場合に前記前進送給と前記後進送給とを交互に繰り返しながら前記第２の溶接法で前記母材を溶接するステップを含む、請求項１に記載のアーク溶接方法。
7. 前記溶接パラメータは溶接電流であり、
   前記母材は軟鋼材系材料よりなり、
   前記第１の閾値は１８０Ａ以上かつ２２０Ａ未満であり、
   前記第２の閾値は２７０Ａ以上かつ３２０Ａ未満である、請求項１から６のいずれか一項に記載のアーク溶接方法。
8. 前記溶接パラメータは溶接電流であり、
   前記母材はアルミ系材料よりなり、
   前記第１の閾値は８０Ａ以上かつ１２０Ａ未満であり、
   前記第２の閾値は１５０Ａ以上かつ２００Ａ未満である、請求項１から６のいずれか一項に記載のアーク溶接方法。
9. 溶接ワイヤを用いて母材を溶接するアーク溶接装置であって、
   溶接電流と溶接電圧とを制御するスイッチング部と、
   前記溶接電流を検出する電流検出部と、
   前記溶接電圧を検出する電圧検出部と、
   前記溶接ワイヤを送給速度で送給する送給モータと、
   前記スイッチング部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記溶接電流または前記送給速度である溶接パラメータが第１の閾値未満の場合に第１の溶接法で前記母材を溶接し、
   前記溶接パラメータが第１の閾値と等しい場合に前記第１の溶接法と第２の溶接法とのうちの一方で前記母材を溶接し、
   前記溶接パラメータが第２の閾値未満でかつ前記第１の閾値より大きい場合に前記第２の溶接法で前記母材を溶接し、
   前記溶接パラメータが第２の閾値と等しい場合に前記第２の溶接法と第３の溶接法とのうちの一方で前記母材を溶接し、
   前記溶接パラメータが前記第２の閾値より大きい場合に前記第３の溶接法で前記母材を溶接する、ように前記スイッチング部を制御するよう構成され、
   前記第２の溶接法は短絡溶接とパルス溶接とを切替え周期で交互に繰り返す混成溶接であり、
   前記制御部は、前記溶接パラメータが前記第２の閾値未満でかつ前記第１の閾値より大きい場合に、前記切替え周期のうちの前記短絡溶接で前記母材を溶接する期間と前記切替え周期のうちの前記パルス溶接で前記母材を溶接する期間との割合を溶接電流あるいは溶接電圧に応じて変更して前記混成溶接で前記母材を溶接するように前記スイッチング部を制御するよう構成されている、アーク溶接装置。
   
10. 前記第１の閾値は第１の領域内の値を取ることができ、
    前記溶接パラメータが前記第１の領域内にある場合には前記母材は前記第１の溶接法と前記第２の溶接法とのいずれでも溶接することができ、
    前記第２の閾値は第２の領域内の値を取ることができ、
    前記溶接パラメータが前記第２の領域内にある場合には前記母材は前記第２の溶接法と前記第３の溶接法とのいずれでも溶接することができる、請求項９に記載のアーク溶接装置。
11. 前記母材は軟鋼材系材料よりなり、
    前記溶接パラメータは前記溶接電流であり、
    前記第１の閾値は１８０Ａ以上かつ２２０Ａ未満であり、
    前記第２の閾値は２７０Ａ以上かつ３２０Ａ未満である、請求項９または１０に記載のアーク溶接装置。
12. 前記母材はアルミ系材料よりなり、
    前記溶接パラメータは前記溶接電流であり、
    前記第１の閾値は８０Ａ以上かつ１２０Ａ未満であり、
    前記第２の閾値は１５０Ａ以上かつ２００Ａ未満である、請求項９または１０に記載のアーク溶接装置。
13. 前記第１の溶接法は短絡溶接であり、
    前記第３の溶接法はパルス溶接であり、
    前記制御部は、
    前記溶接パラメータが前記第１の閾値未満の場合に前記溶接ワイヤを前記母材に向かって送給する前進送給と前記溶接ワイヤを前記母材から遠ざかるように前記溶接ワイヤを送給する後進送給とを交互に繰り返しながら短絡溶接で前記母材を溶接し、
    前記溶接パラメータが第２の閾値未満でかつ前記第１の閾値より大きい場合に前記前進送給と前記後進送給とを交互に繰り返しながら前記混成溶接で前記母材を溶接する、
    ように前記スイッチング部を制御するよう構成されている、請求項９に記載のアーク溶接装置。
14. 前記制御部は、前記溶接パラメータが第２の閾値未満でかつ前記第１の閾値より大きい場合に前記パルス溶接で前記母材を溶接する前記期間の前記切替え周期に対する割合を前記溶接電流あるいは前記溶接電圧が大きくなるに応じて増加させて、前記混成溶接で前記母材を溶接するように前記スイッチング部を制御するよう構成されている、請求項９または１３に記載のアーク溶接装置。

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