JPH03275280A - 消耗電極式アーク溶接法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、炭素鋼、合金鋼、アルミニウム等の消耗電
極式アーク溶接法の改良に関する。

従来の技術 炭素鋼、合金鋼、アルミニウム等の消耗電極式アーク溶
接法においては、従来高い溶接品質を確保しながら高速
度、高能率な溶接を実施するため、多くの試みがなされ
ている。

例えば、シールドノズル内に複数の電極を設け、各電極
に加えるパルス状電圧またはパルス状電流の位相を各電
極ごとにずらせて溶接する方法（特開昭６３−３１３６
７４号公報）、消耗電極からの溶滴移行形態をスプレー
状とし、かつ母材溶融部に接触するようにアーク中に別
途フィラーワイヤを通電加熱させながら送給する手段と
、さらにそのワイヤ加熱用の電流の電流値を溶接電流値
の１７２以下に設定する手段とを有する装置（特開昭５
９−１６６８０号公報）等が提案されている。

これらの提案においては、複数電極間のアークの干渉や
消耗電極とフィラーワイヤの干渉を防止するため、パル
ス状電流、電圧を用いているが、いずれも制御装置が複
雑になる。また、全自動溶接機としては使用できても、
半自動溶接機としては、作業性の点から使用できない。

このため、溶接の大部分を占める半自動溶接の分野では
、依然として高速化、高能率化が図れなかった。

ガスシールドアーク溶接において、高速性を阻害する要
因としては、アンダーカットがある。アンダーカットの
延長上に不安定ビードで知られるハンピングビード等の
不整ビードがある。

その発生要因は、アークにより母材が加熱、溶融され、
アーク中に発生するプラズマ気流により掘り込まれる（
ガウジング）。この状態が激しくなると、溶融池側壁と
溶融金属の゛ぬれ′が悪くなり、アンダーカットが発生
し、これが加速されるとハンピングビードとなる。

一般に高速溶接は、所定の溶込み、溶着量を得るために
は、溶接電流を増す必要がある。溶接電流を増すとプラ
ズマ気流が大きくなり、アンダカット、ハンピング等の
不整ビードにつながり、安易に電流を増すことができな
い。

前記特開昭６３−３１３６７４号公報等に開示されてい
るような多電極溶接においては、高速化は容易に遠戚で
きるものの、外乱等により溶融金属の平衡がくずれやす
く、ハンピングビードの形成あるいは多量のスパッタが
発生ずる場合があり、安定して健全なビードを得るのは
容易でない。

さらに溶着速度を増すことと、溶接速度を上げることは
本質的に異なる。すなわち、溶着速度を高めたとしても
、溶込みを得るために電流を増せば、高速性は得られな
い。溶着速度を増すのは、単に高能率を得るという意味
である。

また、アルミニウムおよびその合金の消耗電極式アーク
溶接においては、溶接金属割れ、気孔の発生のほかに、
溶接歪みやパッカリング現象も発生し易い。

従来、溶接歪みの発生を防止する方法としては、溶接入
熱をできるだけ少なくすること、パス間温度を制限する
ことおよび逆歪みを加えること等が知られている。しか
し、これらの防止方法は、作業能率上問題があった。

アルミニウム特有のパッカリング現象を防止するには、
例えば軽金属溶接ＶＯＬ、　２２　（１９８４）、Ｎｏ
、　９、Ｐ３９５〜Ｐ４０７に記載されているように、
溶接電流が大きすぎる場合や、シールド不足の場合に発
生ずる。このパッカリング現象を防止するためには、溶
接電流の抑制、シールドガス量の増加等の対策が取られ
ている。

しかし上記これらの対策は、必然的に溶接能率の低下、
シールドガス使用量の増加を招き、経済的に有利な方法
ではない。

発明が解決しようとする課題 上記のとおり、炭素鋼、合金鋼、アルミニウム等におけ
る従来の消耗電極式アーク溶接法は、Ｉ／）ずれも溶接
速度、溶接能率、作業性ならびに溶接品質の点で満足で
きるものではない。

この発明は、上記欠点を解消し、溶接速度、溶。

接部率、作業性ならびに溶接品質の点で優れた性能を有
する消耗電極式アーク溶接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 上記目的を遠戚するため、下記の各項目について鋭意試
験研究を行った。

（１）溶接速度の向上 溶接速度を上げるため：フイラーワイヤを溶融池に挿入
し、溶接電流の一部をフィラーワイヤに分流し、溶接電
源のアース端に合流せしめる。これによってフィラーワ
イヤの溶融により　′ぬれ′。

が良くなり、不整ビードが防止できる。また、近接平行
している消耗電極ワイヤとフィラーワイヤとに流れる電
流の向きが逆となるため、アークが常に前方を向くこと
となり、高速溶接時のもう一つの問題点である溶込み深
さ確保の観点から有効である。

（２）溶接能率の向上 ワイヤ溶融速度を増加させるため：フイラーワイヤを溶
融池に挿入する。フィラーワイヤ挿入量と消耗電極ワイ
ヤ溶融量との関係を調査し、適切な範囲を求めた。

（３）溶接作業性の向上（特に半自動溶接において）従
来のフィラーワイヤ挿入消耗電極アーク溶接においては
、消耗電極ワイヤとフィラーワイヤとの位置関係が平行
でないため、アーク長さやワイヤ突出し長さの変動によ
り、ｒ−りとフィラーワイヤの距離が変化し、溶接が不
安定になっていた。

そこで、消耗電極ワイヤとフィラーワイヤを平行に配置
し、それらの適切な位置関係を調査した。

また、アーク力による溶融フィラーワイヤの吹き飛びを
防止するため、消耗電極ワイヤから母材に流れる溶接電
流の一部を：フイラーワイヤに分流させて溶接電源のア
ース端に合流せしめることにより反発力を生じさせ、ア
ークを溶接進行方向に押出してフィラーワイヤをスムー
ズに溶融池に挿入できるようにした。

（４）溶接欠陥の防止 アルミニウムに特有のパッカリング現象の発生原因につ
いて調査した。その結果、前記引用文献に記載のアーク
力による溶融金属の外部への押流し以外に、溶融池表面
に形成される酸化物の影響が考えられた。

以上の知見のに基づいて、パッカリング現象の防止には
、溶融池にフィラーワイヤを挿入することにより溶融金
属量を増加させ、溶融池の温度を低い温度に抑制するの
が有効であることを究明した。

また、溶接歪みは、溶融池にフィラーワイヤを挿入し、
溶融池温度を低下させることにより、著しく改善される
ことを究明した。

すなわちこの発明は、消耗電極式アーク溶接法において
、 先行ワイヤ：消耗電極ワイヤ 後行ワイヤ：フィラーワイヤ 先行ワイヤと後行ワイヤのなす角度゛最大２０度の条件
でシールドノズル内に２本のワイヤを挿入し、消耗電極
ワイヤでアークを発生させ：フイラーワイヤを溶融池に
挿入し、消耗電極ワイヤがら母材に流れる溶接電流の一
部を分流してフィラーワイヤに導いて溶接電源のアース
端に合流せしめるのである。

また、消耗電極式アーク溶接法において、先行ワイヤ、
消耗電極ワイヤ 後行ワイヤ°フィラーワイヤ 先行ワイヤ挿入角：前進角最大５０度、後退角最大５０
度 後行ワイヤ挿入角　前進角最大５０度、後退角最大５０
度 先行ワイヤと後行ワイヤのなす角度、最大２０度ワイヤ
先端間距離°最大値２０×ｆマ（ｍｍ）　　ただし、υ
は溶接速度（ｍ／ｍｉｎ） 挿入用フィラーワイヤ供給量／消耗電極ワイヤ供給量、
０．１〜１．８ の条件でシールドノズル内に２本のワイヤを挿入し、消
耗電極ワイヤでアークを発生させ、フィラーワイヤを溶
融池に挿入し、消耗電極ワイヤから母材に流れる溶接電
流の一部を分流してフィラーワイヤに導いて溶接電源の
アース端に合流せしめるのである。

作　　　　用 この発明において、溶接条件を上記のように限定した理
由を詳述する。

Ａ、ワイヤのなす角度 先行ワイヤと後行ワイヤのなす角度を最大２０度とした
のは、２０度を超えると溶融池に安定してフィラーワイ
ヤが押入できないためであり、また、アーク長さやワイ
ヤ突出し長さが変動した場合、溶接ビードが不安定にな
るからである。

Ｂ、ワイヤの挿入角 　０ 先行ワイヤと後行ワイヤの挿入角を前進角の場合最大５
０度としたのは、前進角が５０度を超えるとアーク力に
よって溶融金属が前方に吹き飛ばされるためである。

また、先行ワイヤと後行ワイヤの挿入角を後退角の場合
最大５０度としたのは、後退角が５０度を超えるとアー
ク力によって溶融金属が後方に吹き飛ばされ、スティッ
キング等が発生し、後行のフィラーワイヤがスムーズに
溶融池に入らず、不安定となるからである。

Ｃワイヤ先端間距離 先行ワイヤと後行ワイヤ先端間距離を、最大で２０Ｘｆ
丁（ｍｍ）、すなわち溶接速度（ｖ　　ｍ／ｍｉｎ）の
平方根の２０倍としたのは、２０×ｆマ（ｍｍ）を超え
ると、第３図に示すとおりフィラーワイヤがスムーズに
溶融池に入らず、溶接が不安定になるからである。

この発明でいうワイヤ先端間距離とは、先行ワイヤのア
ーク直下部と後行ワイヤの溶融池接触部間の距離をいう
。

なお、第３図は、溶接電流３００〜１５００Ａ、ワイヤ
径１．２〜４．８ｍｍの条件で、溶接速度とワイヤ先端
間距離と溶接品質の関係を示す図表である。

Ｄ、ワイヤ供給量 挿入用フィラーワイヤ供給量と消耗電極ワイヤ供給量と
の比を　０．１〜１．８としたのは、　０．１未満では
フィラーワイヤが少なすぎて溶融金属量の増加が少なく
、溶融池の温度がほとんど低下せず、また、　１．８を
超えるとフィラーワイヤの供給量が多ずぎで溶融池の温
度が低くなり過ぎ、スティッキングが発生して溶接が不
安定になるからである。

この発明においては、消耗電極ワイヤとフィラーワイヤ
を特定条件でシールドノズル内に配設し、溶接電流の一
部をフィラーワイヤに分流し、かつ消耗電極ワイヤのア
ークによって形成された溶融池に：フイラーワイヤを上
記条件で挿入するから、溶融池側壁と溶融金属の゛ぬれ
°°が良くなり、アクが前方に向くので溶込み深さを確
保でき、さらに溶融金属量が増加すると共に、溶融池の
温度を低い温度に抑制できる。

このため、炭素鋼、合金鋼、アルミニウム等を、全自動
溶接のみならず、半自動溶接においても高速度、高能率
、高品質の溶接を作業性良く、実現できる。

実　　　施　　　例 実施例Ｉ この発明による溶接方法を第１図に基づいて説明する。

消耗電極ワイヤ（１）　　を溶接進行方向に対して先行
ワイヤとし、消耗電極ワイヤ（１）と実質的に同一材質
のフィラーワイヤ（２）　　を後行ワイヤとし、消耗電
極ワイヤ（１）とフィラーワイヤ（２）を概略平行に配
置する。

そして消耗電極ワイヤ（１）から母材（３）に流れる溶
接電流の一部を：フイラーワイヤ（２）と溶接電源（４
〉　のアース線（５）とをアース線（６）で接続して分
流させる。

なお、（７）はワイヤリール、（８）は溶融池、（９）
はアーク、（１０）はガスノズル、（１１）は溶接金属
であり、図中の矢印は電流の流れを示す。

上記溶接法を高速性が特に要求される溶接鋼管の連続仮
付溶接に適用すべく実験を行った。

板厚：　１２．７ｍｍ、外径゛３０インチ、長さ１１２
ｍ、の低合金鋼の溶接鋼管用素管を用い、第１表に示す
溶接条件のうち、ワイヤ角度を変えて溶接を行い、溶接
速度ならびに溶接状態を判定した。その結果を従来法と
比較し、第２表に示す。

第　　１　　表 ３ ４ （注） 第２表 （表中＋は前進角、 は後退角） （１）試料Ｎｏ、　１．２は、従来法の単電極溶接の場
合である。

（２） ワイヤ先端間距離は、試料Ｎｏ、　３〜７が５０ｍｍで
ある。

（３）試料Ｎｏ、　７は、 ワイヤ ワイヤを先行させた場合の結果である。

第２表に示すとおり、従来法では溶接速度が７ｍ／ｍｉ
ｎが限界であったが、この発明方法では、ワイヤ間角度
（θ３）を２０度以下とし、消耗電極ワイヤを先行させ
：フイラーワイヤを後行させることによって、溶接速度
１２ｍ／ｍｉｎの高速溶接が安定して得られた。

実施例２ 実施例１で説明したこの発明による溶接法により、板厚
１２ｍ＋ｍの鋼板を用いてビードオンプレート溶接を行
い、アンダーカット発生限界を試験した。

溶接条件は、溶接電流：　２７ＯＡ、シールドガス。

ＣＯ２１００％、シールドガス流量：　２０　Ｌ／ｍｉ
ｎ、消耗電極ワイヤ材質：　ＪＩＳ　ＹＧＷ１２　、消
耗電極ワイヤ角度：前進角５度、消耗電極ワイヤ径：１
．２ｎｕｎ。

フィラーワイヤ材質：　ＪＩＳ　ＹＧＷ１２　：フイラ
ーワイヤ角度：前進角５度：フイラーワイヤ径：０．９
ｍｍ　、消耗電極ワイヤとフィラーワイヤのなす角度：
　０度、ワイヤ先端間距離：８ｍｍとした。

その結果を従来法と比較し、第３表に示す。

第 表 溶接条件のうち、ワイヤ角度、ワイヤ先端間距離および
ワイヤ供給量を第５表に示すとおり変化せしめてアルミ
ニウム合金の溶接を行った。その結果を第５表に示す。

以下余白 第３表に示すとおり、従来法では溶接速度が１．６　ｍ
／ｍｉｎを超えると、外観、肉質、スパッタ共に悪くな
り、　１．８　ｍ／ｍｉｎを超えると、アンダーカット
が発生ずる。これに対し本発明法では、溶接速度が２．
４　ｍ／ｍｉｎまではアンダーカット、外観、内質、ス
パッタ共に良好であり、２．６　ｍ／ｍｉｎまではアン
ダーカットの発生は見られながった。

実施例３ 実施例１に記載の溶接法により、第４表に示す１７ １８− 第５表　（表中子は前進角、−は後退角）第５表に示す
とおり、アルミニウム合金の溶接においては、ワイヤ挿
入角（θｌ、θ２）は、前進角および後退角ともに５０
度まで、ワイヤ間角度（θ３）は２０度まで、ワイヤ先
端間距離（Ｌ）は２０ｍｍまで、消耗電極ワイヤとフィ
ラーワイヤの供給量比（ｒ）は、０．１〜１．８の範囲
であれば、溶接結果は良好であった。

実施例４ この発明法と従来のＭＩＧ溶接法でアルミニウムの溶接
を行い、パッカリング発生を調査した。

その結果を第２図に示す。

なお、溶接は、溶接電流３００〜５００Ａ、溶接速度１
　　ｍ／ｍｉｎ　：フイラーワイヤ供給量４０ｇ／ｍｉ
ｎで行った。

第２図に示すとおり、この発明法は、従来法に比較して
溶着速度を大きくしてもパッカリングが発生し難いこと
がわがる。

また、溶接金属の機械的性質、ブローホールの発生につ
いては、従来法と大差がなく、溶接歪みの発生量につい
ては、著しい改善がみられた。

実施例５ 第６表に示す溶接条件のうち、ワイヤ角度、ワイヤ先端
間距離およびワイヤ供給量を第７表に示すとおり変化せ
しめて炭素鋼の溶接を行った。その結果を第７表に示す
。

以下余白 ２１− ２２− 第 ６ 表 第７表に示すとおり、炭素鋼の溶接においても、ワイヤ
挿入角（θＩ、θ２）は、前進角および後退角が５０度
まで、ワイヤ間角度（θ３）は２０度まで、ワイヤ先端
間距離（Ｌ）は２０ｍｍまで、消耗電極ワイヤとフィラ
ーワイヤの供給量比（ｒ）は、０．１〜１．８の範囲で
あれば、溶接結果は良好であった。

また、溶接金属の機械的性質、ブローホールの発生につ
いては、従来法と大差がなく、溶融歪みの発生量につい
ては、著しい改善が見られた。

実施例６ 第８表に示す溶接条件のうち、ワイヤ角度、ワイヤ先端
間距離およびワイヤ供給量を第９表に示すとおり変化せ
しめてステンレス鋼の溶接を行った。その結果を第９表
に示す。

以下余白 ２５ 第７表 （表中＋は前進角、 は後退角） ２６− 第９表 （表中＋は前進角、 は後退角） 第９表に示すとおり、ステンレス鋼の溶接においても、
ワイヤ挿入角（θ１、θ２）は、前進角および後退角が
５０度まで、ワイヤ間角度（θ３）は２０度まで、ワイ
ヤ先端間距離（Ｌ）は２０ｍｍまで、消耗電極ワイヤと
フィラーワイヤの供給量比（ｒ）は、０．１〜１．８の
範囲であれば、溶接結果は良好であった。

また、溶接金属の機械的性質、ブローホールの発生につ
いては、従来法と比較したが大差がなく、溶融歪みの発
生量については、著しい改善が見られた。

以上の実施例においては、溶融池挿入フィラーワイヤに
分流する電流値を３〜２５Ａとしたが、分流電流をさら
に多くしても同様な結果を得ることができる。

また、消耗電極ワイヤと溶融池挿入フィラーワイヤのな
す角度を、最大２０度としたが、この角度は小さければ
小さいほど、すなわち平行に近いほど安定して高速度、
高能率で溶接作業を行うことができる。

発明の効果 この発明による消耗電極式アーク溶接法は、消耗電極ワ
イヤを先行に：フイラーワイヤを後行に、かつ各々概略
平行に配設し、消耗電極ワイヤでアークを発生させ：フ
イラーワイヤを溶融池に挿入し、消耗電極ワイヤから母
材に流れる溶接電流の一部を、分流してフィラーワイヤ
に導いて溶接電源のアース端に合流せしめることによっ
て、炭素鋼、合金鋼、アルミニウム等を高速度、高能率
で、高品質の溶接を作業性良く、全自動、半自動で実施
でき、溶接コストの低減に大きく寄与することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明方法を実施する際の概略説明図、第２
図は実施例４におけるこの発明方法と従来法とによりＭ
ＩＧ溶接した際のパッカリング発生域を示す図表、第３
図は溶接速度とワイヤ間距離と溶接品質の関係を示す図
表である。 ３・・・母材、 ５．６・・・アース線、 ８・・・溶融池、 Ｏ・・ガスノズル、 ４・・・溶接電源、 ７・・ワイヤリール、 ９・・・アーク、 １１・・・溶接金属、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　消耗電極式アーク溶接法において、 先行ワイヤ：消耗電極ワイヤ 後行ワイヤ：フイラーワイヤ 先行ワイヤと後行ワイヤのなす角度：最大２０度の条件
   でシールドノズル内に２本のワイヤを挿入し、消耗電極
   ワイヤでアークを発生させ、フィラーワイヤを溶融池に
   挿入し、消耗電極ワイヤから母材に流れる溶接電流の一
   部を分流してフィラーワイヤに導いて溶接電源のアース
   端に合流せしめることを特徴とする消耗電極式アーク溶
   接法。 ２　消耗電極式アーク溶接法において、 先行ワイヤ：消耗電極ワイヤ 後行ワイヤ：フィラーワイヤ 先行ワイヤ挿入角：前進角最大５０度、後退角最大５０
   度 後行ワイヤ挿入角：前進角最大５０度、後退角最大５０
   度 先行ワイヤと後行ワイヤのなす角度：最大２０度ワイヤ
   先端間距離：最大値２０×√υ（ｍｍ）、ただし、υは
   溶接速度（ｍ／ｍｉｎ） フィラーワイヤ供給量／消耗電極ワイヤ供給量：０．１
   〜１．８ の条件でシールドノズル内に２本のワイヤを挿入し、消
   耗電極ワイヤでアークを発生させ、フィラーワイヤを溶
   融池に挿入し、消耗電極ワイヤから母材に流れる溶接電
   流の一部を分流してフィラーワイヤに導いて溶接電源の
   アース端に合流せしめることを特徴とする消耗電極式ア
   ーク溶接法。