JPS60106669A - 要接用電源の出力制御方法 - 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】 技術分野 本発明は短絡とアーク発生とを繰り返す消耗電極式アー
ク溶接における溶接電源の出力制御方法に関する。

従来技術 短絡とアーク発生とを繰り返す消耗電極式アーク溶接法
において、従来多く用いられている定電圧特性を有する
直流電源の溶接電流出力波形は、第１図に示す様１こな
っている。

即ち、従来の定電圧直流電源においては、消耗電極（以
下、溶接ワイヤという）先端に形成された溶滴が溶融池
と接触短絡した瞬間か呟溶接電流はその電源の電気回路
の持つ時定数によって定まる増加率でアークが再発生す
るまで増加し続ける。

また、アークか再発生した後は、時定数によって定まる
減少率で溶接電流は再び短絡するまで減少する。

ところで、溶接中にスパッターか発生するのは、溶滴が
溶接ワイヤ先端で大とく成長し、溶融池と短絡しようと
する瞬間や、その溶滴が電磁的ピンチ力によって溶接ワ
イヤ先端から切断・分離する瞬間に多く観察されること
が報告されている。特に後者の場合、従来の定電圧直流
電源においては、第１図に見られる様に、アーク再発生
の瞬間に溶接電流が最大となり、この時のエネルギーが
溶接ワイヤ先端の溶滴の一部を吹き飛ばし、スパッター
を発生させている様である。

この様に、従来の定電圧直流電源を使用した場合には、
スパッター発生量が多く、溶着効率が低下し、溶接鋼板
に飛散・付着したスパッターの除去作業を必要とするな
ど、溶接作業の能率低下を招くと共に、スパッターが溶
接トーチシールドノズル内部に付着・堆積し、その結果
、シールドガスの流れを阻害し、溶着金属中に大気中の
窒素か渭スして溶接部の機械的性能の劣化を引き起こし
たり、或いは、それを防止しようと、ノスル内のスパッ
ターを除去するために、度々溶接中断を余儀なくされる
などの問題かある。

上述のスパッター発生原因に鑑みて、スパンター発生量
をｊ減少さぜるべく、第２図に示す様に溶接電流出力制
御か試みられている。

即ち、溶滴移行の瞬間（アーク再発生の直前）に短絡電
流を下げ（図中■時点）、溶滴移行完了時のエネルギー
をアーク再発生に要する最低限として、スパッターの発
生を抑制しようとするものである。この制御方法は、従
来の定電圧直流電源と比較して、スパッターを減少させ
ることについてはある程度の効果はあった。しｈ化、溶
滴がｙ１１絡した後の短絡を終了さぜるために必要なピ
ーク電流Ｉｓｌ＋の設定の仕方によって、スパッターの
減少率、あるいは、溶接作業性そのものまで不安定にな
ることがあった。

そこで、種々の実験を重ねた結果４次のことが明らかに
なった。即ち、短絡ピーク電流１ｓｐを出力して、短絡
終了の前兆である溶滴のくびれを検知し、その信号によ
って溶接電流を減少させるのであるが、前述と同様の時
定数により定まる減少率で減少するため、短絡ピーク電
流１ｓｐが高レベルに設定されると、アーク再発生電流
■＆へも高くなり、第１図の様な特性の電源はどではな
いが、スパッターは相当量発生する。逆に、短絡ピーク
電流１ｓｐが低レベルに設定されると、溶滴をくびれさ
せるまでの時間Ｔｓｐを長くすることが必要となり、そ
の開に溶接ワイヤの未溶融部分までが溶融池に入り込み
、溶接ワイヤが母材に溶着して、アーク再発生に至らな
かったりする。

これに対して、短絡ピーク電流１ｓｐの値を溶接ワイヤ
送給速度ＷＦＲの関数すなわちｌ５ｐ＝ｆ（ＷＦＲ）と
して表わし、ワイヤ送給速度’ｖＶＦＲに対応して短絡
ピーク電流Ｉｓｐを適宜選定する方法も考案され、スパ
ッターの発生や溶接ワイヤ突込み現象を防止しようとす
るものがあるが゛、以下の様な欠点を有している。

ｌ５ｐ＝ｆ（ＷＦＲ）の関数により、溶接ワイヤ送給速
度ＷＦＲが決まると、短絡ピーク電流１ｓｐや平均溶接
電流が定まるが、平均溶接電圧までは定まらない。一般
に、ガスシールドアーク溶接で゛は、一定の溶接電流に
対して平均溶接電圧が低いと、溶滴の短絡移行回数、即
ち短絡回数Ｎの値が犬トくなる。溶接ワイヤ送給速度は
一定なので、Ｎの値が大きい場合は、溶滴１個当りの大
きさく以下、溶滴の形状を球体とし、その大ぎさを直径
１）で表す）は小さくなる。また、逆に、溶接電圧が高
くなると、Ｎの値が小さくなり、溶滴の大きさＤは大き
くなることは良く知られている。

ここで、短絡回数Ｎが大きい時は、溶接アーク長さが短
かくなり、アークは溶融プールに埋れ気味になる。その
結果、溶接ビードが凸状となって、ビードとビード゛の
重ね部分に融合不良などの欠陥を招き易い。逆に、Ｎが
小さい場合は、アーク長さが大きくなり、溶滴が大きく
成長し、大粒となった溶滴がそのまま大粒のスバ・ンタ
ーとなって飛散し易くなることも知られている。

更には、溶滴の大きさと短絡ピーク電流値Ｉｓｐを比較
すると、溶滴か大きい時にＩｓｐが小さいと、短絡移行
中の溶滴の温度が下がり、溶滴の粘度が大となってスム
ーズな移行が出来なくなってしまう。また、溶滴が小さ
い時にＩｓｐが大きいと、溶滴の移行が完全に行なわれ
ないままにアークが再発生し、溶滴が吹き飛ばされてス
パッターとなる。

即ち、ｌ５ｐ＝ｆ（ＷＦＲ）によって短絡ピーク電流を
決定しても、スパッター発生量の少ない安定した溶接作
業性を得るには、更に、溶接電圧など種々の溶接条件を
設定し直さなければならないという欠点を有していたの
である。

１拍 本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目
的は、スパッターの発生量を最小限にするとともに、短
絡とアーク発生とを規則正しく繰り返して安定した溶接
状態を作り出すようにした溶接電源の出力制御方法を提
供することである。

壓 上述の欠点に対し、本発明者らは、鋭意実験を重ねた結
果、スパッター発生量を最小限にするとともに、短絡と
アーク発生とを規則正しく繰り返して安定した溶接状態
を作り出すためには、短絡時のピーク電流は、その短絡
が行なわれる際の溶滴の大きさＤによって選定されるべ
きであることを見い出し本発明に至ったものである。

ヌ１側 以下、本発明の一実施例を説明する。

本実施例においては、溶接ワイヤをノズルを介して所定
送給速度で母材に対して送給する一方、上記ノズルから
シールドガスを噴射しつつ、溶接ワイヤと母材との間で
発生するアーク部分を包囲して溶接を行なうとともに、
溶接ワイヤと母材との開で短絡とアーク発生とを繰り返
す消耗電極式アーク溶接法において溶接電源の溶接電流
出力制御を行なう。

実施例に用いた装置、溶接材料は次の通りである。

溶接電源（Ａ）二本発明による制御が可能な電源 溶接電源（Ｂ）：市販されている直流定電圧電源 溶接ワイヤ：　Ｊ　Ｉ　Ｓ　ＹＣＷ−２（１，２ｍ＋ｏ
φ）シールドガス：炭酸ガス（１００％） 流量２０ρ／ｍｉｎ 母材：　５Ｓ４１　（１２’ｘ７５″ｘｌｏｏｏＬ）溶
接方法：自動走行台車によるｉ−ドオンプレート溶接 第３図は、溶接電源（Ａ）を用いて第２図に示す様な溶
接電流出力制御を行い、短絡ピーク電流工ｓｐを、溶接
ワイヤ送給速度ＷＦＲの関数として（１式の条件で設定
した時あワイヤ送給速度ＷＦＲと短絡回数Ｎとの関係を
めたものである。

ｌ５ｐ＝３５ＸＷＦＲ＋１３０　、、、・（１）この様
に、同一のワイヤ送給速度ＷＦＲに対して、池の溶接条
件である主として溶接電圧によって短絡回数が大ぎく変
化し、溶接状態も大きく変わってくる。例えば、ワイヤ
送給速度が３．６ｍ／ｍｉｎの場合、短絡ピーク電流Ｉ
ｓｐは（１）式から約２５ＯＡとめられるが、短絡回数
Ｎは約８０回／ｓｅｃから約４０回／ｓｅｃまで変化し
た。

Ｎ＝８０回の場合は、溶接アークが溶融プールの中で発
生するいわゆる埋れアーク状態となり、ビード形状は凸
ビード状となった。逆に、Ｎ＝４（）回の場合は、アー
ク長さが大となり、大粒のスパッターが発生し、いわゆ
るアークのばたつき状態が現出し、いずれの場合でも溶
接作業性は不良であった。即ち、ワイヤ送給速度によっ
てｌ５ｐ＝２５ＯＡと定めた後に、更に溶接アーク状態
を観察し、適正なアーク状態となる様に溶接条件を調整
する必要があった。この溶接条件調整は、溶接作業に熟
練した者であれば容易であろうが、溶接作業の初心者に
とってはわずられしく、困難なものである。

この事象に対し、本発明者らは溶接アークか良好な状態
になる様な短絡ピーク電流値を容易に設定できる方法を
めるために、短絡移行中の溶滴の火とさＤと短絡ピーク
電流ｌ５ＩＩ及び溶接作業性の関係を調査したところ、
第４図に示す様なｌｓｐとＤの関係が得られた。ここで
、Ｄは溶滴の直径であり、図中、白丸のプロットは作業
性か良好な場合、黒丸のプロットは作業性か悪くスバ・
ンタ−の発生が多い場合を示している。なお、溶接の大
外さＤは、溶接電圧の他、アーク発生中の溶接電流など
によっても変化させた。Ｄの値は、ワイヤ送給速度がら
めた単位時間当りの溶融量を単位時間当りの短絡回数で
除してめたが、Ｄの測定方法は他に光学的、電気的観察
など如何なる方法でも良いことは当然である。

第４図に示される通り、一定の短絡ピーク電流Ｉｓρに
対し種々の溶滴の大きさＤを取り得るが、溶接作業性が
良好でスパッター発生量の少い範囲は限られておりＩｓ
ｐとＤとの開には一定の関係のあることが分かった。即
ち、本発明の主旨であるところの短絡時のピ〜り電流Ｉ
ｓｐは、短絡移行する溶滴の大きさＤにより、作業性が
良好て゛スパッター発生量が少い様に設定できることが
知見されたのである。

第４図より、ＩＳｐとＤ＆の関係を以下の式に近Ｖ、す
ることができる。

Ｉｓ、＝１５５ｘＤ＋？　Ｏ−＝・（２）また、溶滴の
大きさＤをワイヤ送給速度ＷＦＲと短ｉ回数Ｎの開数ｆ
（ＷＦＲ，Ｎ）でめることができ、 という関係式が得られる。ただし、ＷＦＲの単位はｍｍ
／ｓｅｃ、　ｄはワイヤ径で単位はｍｍである。

次に、溶接ワイヤ送給速度ＷＦＲが３．６ｍ７＋ｎｉｎ
でワイヤ径１　、２　ｍｔｎの場合について、上述の方
法で・短絡ピーク電流１８１１をめると、（実施例１） 短絡回数Ｎ＝７Ｑ回／ｓｅｃのときには、（３）式よｔ
）溶滴の大きさはＤ＝１　、２３ｍｍとなり、短絡ピー
ク電流ｒｓｐは（２）式より、 ｌ５ｐ＝１５５Ｘ１．２３＋７０＋２６０　（Ａ）とな
る。

（実施例２） 短絡回数Ｎ＝４０回／粕１ｎのときには、溶滴の大きさ
はＤ＝１．４８ｍｍとなり、短絡ピーク電流１ｓｐは、
ｌ５ＩＩ：１５５Ｘ１，４８＋７（＋＝Ｆ３０１）（Ａ
）となる。

一方、溶滴の大きさＤを、アーク発生中の溶接電流ＩΔ
の関数ｇ（ＩＡ）としてめるには次の方法による。

第２図に示した波形の溶接電流で溶接を行なう場合、ア
ーク発生中の電流■Δは、ＩａｐとＩａｂの２段階に分
かれている。ここで、アーク発生中に１個の溶滴を形成
するために与えられるエネルギー（Ｅ）は、 Ｅ＝（ＩａｐＸＴａｐ十ＩａｂＸＴａｂ）Ｘφ十ＲｅＸ
（ｌａｐ２Ｘ　Ｔａｐ十Ｉ　ａｂ２Ｘ　Ｔａｂ） ここで、Ｅの単位はＪｏｕｌｅ／ｓｅｅ、φはアノード
ポテンシャル（ｖｏｌｔ）、Ｒｅは溶接ワイヤのトーチ
からの突出部分の抵抗（Ω）である。一方、文献Ａｒｃ
　Ｐｌ＋ｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｗｅｌｄ　ＰｏｏｌＢｅ
ｂａｖｉｏｒ、　Ｐａｐｅｒ２９’７９．５によれば、
溶滴が持つエネルギーＨｏは Ｈｏ＝１１．Ｉ　Ｊｏｕｌｅ／ｍｍ３ とめられている。したがって、アーク発生中に形成され
た溶滴の体積Ｖｏｌは Ｖｏｌ＝Ｅ／Ｈ。

でめられるので、溶滴の大きさＤは、 Ｄ＝ｇ（ＩＡ　）＝　（普）３−・・・・・（４）と計
算される。

表１に（４）式によりアーク発生中の電流値からめた溶
滴の大きさＤｉと（３）式によりワイヤ送給速度ＷＦＲ
及び短絡回数Ｎとからめた溶滴の大きさＤＩｌｌを比較
して示した。両者の値は良く一致しでおり、この溶滴の
大きさから短絡時のピーク電流値１ｓｐを定める方法は
前述した通りで・ある。

第５図は、溶接電源（Ａ）を用いて短絡ピーク電流を実
施例１のＩｓｐ：２６０（Ａ）及び実施例２のＩｓｐ＋
３００（Ａ＞として夫々溶接を行なった場合、及び、溶
接電源（Ｂ）を用いて溶接を行なった場合の夫々のスパ
ッター発生量とワイヤ送給速度との関係を示している。

この図から明らかなように、溶接電源（Ａ）を用いて本
発明の方法を適用すると、溶接電源（Ｂ）を用いる従来
の場合に較べて、スパッターの発生量を顕著に少なくす
ることができ、作業性を良好にすることができる。

カ港 以上説明したように、本発明においては、短絡とアーク
発生とを繰り返す消耗電極式アーク溶接において、短絡
中のピーク電流ｌ５Ｉ）を短絡する溶滴の大外さによっ
て定めるようにしたか呟スパッター発生量を最小限にし
、且つ、短絡とアーク発生とを規則正しく繰り返して安
定した溶接状態を作り出すことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電源による溶接電流出力波形を示す波形
図、第２図は本発明を適用した溶接電流出力波形を示す
波形図、第３図はワイヤ送給速度と短絡回数との関係を
示すグラフ、第４図は溶滴の大きさと短絡ピーク電流と
の関係を示すグラフ、第５図は従来の溶接電源と本発明
を適用した溶接電源により溶接を行たったときのワイヤ
送給速度とスパッター発生量との関係を示すグラフであ
る。 特許出願人　株式会社　神戸製鋼所 代　理　人　弁理士　青白　葆　外２名第１図 第３図 第４因 Ｄ＋ｍｍｌ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）消耗電極をノズルを介して所定送給速度Ｗｍ材に
   対して送給する一方、上記ノズルからシールドガスを噴
   射しつつ、消耗電極と母材との間で発生するアーク部分
   を包囲して溶接を行なうとともに、消耗電極とは材との
   開で短絡とアーク発生とを繰り返す消耗電極式アーク溶
   接法におし）て、短絡直後に電流を下げ、その後、所定
   の短絡ピーク電流に上昇させ、短絡終了の前兆である溶
   滴のくびれを検知して電流を下げ、アーク再発生に至ら
   しめる溶接用電源の出力制御方法であって、短絡中のピ
   ーク電流値ｌ５ＩＩを短絡する溶滴の大きさによって定
   める溶接電源出力制御力法。
2. （２）短絡する溶滴の大きさＤを、消耗電極の送給速度
   ＷＦＲと短絡回数Ｎの関数Ｄ＝ｆ（ＷＦＲ。 Ｎ）によってめることを特徴とする特許請求の範囲第（
   １）項記載の溶接電源出力制御方法。
3. （３）短絡する溶滴の大きさＤを、アーク発生中の電流
   Ｉへの関数Ｄ＝８（Ｉ八）によってめることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載の溶接電源出力制御方法
   。