JPS61229473A - 溶接用電源 - 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］ この発明は消耗電極式アーク溶接法に用いる溶接電源に
関する。

［従来技術とその問題点］ 桁鯰ｕ　Ｆｌ−Ｅｌシアー々春圧１ｒｌｌｌ！ｎシル埠
ｈ：ｉす１肖托雷極式アーク溶接法において、消耗電極
（以下、溶接ワイヤという）の先端は、溶接アークの熱
エネルギーによって溶融して溶滴が形成され、溶接ワイ
ヤが溶接母材に対して所定の速度で送給されるのに伴っ
て、溶接ワイヤと同様に、溶接アークの熱エネルギー等
によって溶融している溶接母材（以下、溶融池という）
に近づき、接触・短絡すると、溶滴は溶融池へ移行し、
この過程が繰り返される。

第６図は従来の溶接電源の回路の概略を示していて、は
ぼ定電圧特性の直流電源部５１と溶接電流の立ち上がり
を制御するりアクドル５２とが組み合わされたものが多
く用いられている。端子Ａ。

８間には定電圧が常に印加されており、この電圧値は溶
接ワイヤの送給速度等に応じて短絡とアーク発生とが定
常的に繰り返される様に制御される。

溶接ワイヤ５３の先端の溶滴が溶接母材５４に生じた溶
融池と接触し、電気的に短絡すると溶接電流はりアクド
ル５２と外部抵抗等に定まる時定数に応じて増加する。

そして、溶滴の溶融池への移行が終了して溶接アークが
再発生ずると、溶接電流はりアクドル５２と溶接アーク
を含む外部抵抗等により定まる時定数に応じて減少する
。第７図は上述した短絡時とアーク発生時における溶接
電流と溶接電圧を示していて、溶接電圧は上述したほぼ
定電圧特性を有す電源電圧に依存し、この電源電圧は短
絡、アーク発生の区別なく常に印加されており、一方、
溶接電流はこの溶接電圧とりアクドル５２と外部抵抗等
により一義的に定まる。

このアーク溶接法は、溶接ワイヤ５３に与える熱エネル
ギーが他の溶接法に比較して高いので、溶接ワイヤ５３
の溶接速度が大きく、高能率な施工法として、広く普及
してきた。

しかし、近年になって溶接作業の省力化、高能率化のた
めに溶接ロボット等も含めた、溶接の自動化と機械化が
進み、また、溶接する鋼材の種類や溶接する際の姿勢等
が拡大すると、従来の出力制御特性を有した溶接電源で
は解決できない種々の問題が現出したのである。

第１の問題は高速度溶接における溶接ビード欠陥の発生
である。溶接作業の自動化と機械化の結果、その要求が
一段と高まったところの高速度溶接においては、アンダ
カット等の溶接欠陥が発生し易い。このアンダカットは
、溶接ビードの余盛り高さがビード幅に比べて高くなり
、そのビードの両側あるいは片側に、母材表面より低く
なった部分のことである。

この高速度溶接においては、その溶接部に溶融金属を補
うために高溶接電流、即ち、高溶接ワイヤ送給速度にし
なければならないが、溶接電流が大きい程、溶接母材の
表面をビード幅より広い範囲にわたって溶かす上に、溶
接アーク直下の溶融池の温度と、凝固を開始したアーク
直下より後方の溶融池の温度との差から表面張力が作用
し、アーク直下付近の溶融金属が溶接線後方に引き寄せ
られ、溶接ビードが盛り上がり、凸ビードになり易いた
めにアンダカットが生じるものであり、これは、溶接速
度が大なるほど生じ易い。

このアンダカットは、溶接母材の実質的な母材板厚を減
らすばかりでなく、溶接構造物の疲労破壊の原因ともな
るので重大な溶接欠陥とされ、その発生を極力押さえら
れなければならないものである。

このアンダカットの発生を防止するには、発生原因の一
つである溶接アークの広がりを小さくすればよく、これ
には溶接電圧を低くし、溶接アーク長を短くして、溶接
ビード幅より溶接アークが広がらない様にしてやれば良
いが、溶接電圧を低くすると、溶接ワイヤ先端の溶滴と
溶融池との距離とが相対的に短くなり、溶滴は溶融池と
短絡し易くなる。溶滴が溶融池と短絡し、溶融池への移
行が安定して繰り返すためには、溶接ワイヤの送給量と
、溶滴の形成及び移行量とが一致しなければならないが
、溶接電圧を低くし、アーク長を短くしたために、溶滴
が十分な大きさに形成されないうちに溶融池と短絡し、
未溶融の溶接ワイヤが溶融池の中に突っ込み、いわゆる
スタッピング現象により、溶接アークが長時間発生せず
に、非常に不安定な状態になることがある。この原因は
、次の様にして説明される。

溝央の婉培雷個の絡什は一前述り大二櫓に一溶滴が短絡
すると、その電気的回路の持つ時定数に応じて溶接電流
は、短絡が切れてアークが再発生するまで増加し続ける
。ところが、溶接電圧を低下させると、アーク電圧と同
時に、短絡時の電圧も低下する。すると、短絡電流の立
ち上がりが小さくなり、溶滴の溶融池側への移行を容易
にするだけの十分なジュール熱を供給することができな
くなり、長時間アークが再発生しない状態を呈する。

この様に、従来の溶接電源を用いて高速溶接を行うと、
アンダカットの発生を防止するための手段である溶接電
圧の低下は、逆に、溶接ワイヤの突っ込みによる不安定
な現象を招き、スパッタの発生量が増えたり、溶接作業
そのものが不可能となってしまうのである。

従来電源では解決できない第２の問題は、立向溶接や上
向溶接の作業性の悪さである。一般に、立向溶接や上向
溶接では、溶滴の溶融池への移行方向は、重力方向とは
異なるので、下向溶接の場合に比べて移行しにくく、溶
滴が大きくなって、スパッタも発生し易い。この溶接作
業性を改善するには、溶接電圧を低下させ、溶滴が大き
くなるのを防止すると良いが、高速溶接の場合と同じ様
に、溶接ワイヤが突っ込み易くなる。

第３の問題は、合金元素量の多い溶接ワイヤを用いる場
合の溶接作業性悪化である。合金元素含有量が高いと、
溶滴や溶融池の粘度が高くなることは良く知られている
。しかし、溶滴の粘度が高いと、溶接ワイヤ先端から溶
融池への移行が容易でなくなり、溶滴移行後のアークの
発生が起こりにくくなるので、溶接アーク現象が不安定
となり、作業性が悪化する。この作業性を改善するため
に、溶滴が溶融池と短絡した後、すなわち、短絡期間中
に短絡電流を大きくすると、溶滴中にジュール熱が多く
発生し、温度が高くなり、粘度が低下するので、溶融池
への移行が容易になる。ところが、従来の溶接電源では
、短絡期間中の溶接電流が高くなる様に出力を増加させ
ると、アーク発生期間中の出力も増加してしまい、アー
クの長さが必要以上に長くなってアンダカット発生の原
因ともなるのである。

以上、述べた従来電源での欅々の問題点の原因は、次あ
様な特徴に起因する。すなわち、従来多く知られている
溶接電源は、短絡期間とアーク発生期間の出力が同時に
制御されるものであり、例えば高速度溶接において、短
絡期間の出力が高速溶接に適する様に制御されても、そ
の時のアーク発生期間の出力が適していなかったり、ま
た、アーク発生期間の出力が適しても、短絡期間の出力
が適していなかったりするのである。

［発明の目的］ この発明の目的は、上述の様な種々の問題点を一挙に解
決し、高溶接速度あるいは如何なる溶接姿勢、溶接材料
においても安定した良好な溶接作業性と溶接ビードを得
るための溶接電源を提供することにある。

［発明の構成］ この発明の溶接用電源は、消耗電極を所定速度で母材に
対して送給し、消耗電極と母材間での短絡とアーク発生
と繰り返すことにより溶接する消耗電極式アーク溶接法
に用いる溶接用電源において、短絡期間の電源出力を設
定する短絡期間出力設定器と、アーク発生期間の電源出
力を設定するアーク発生期間出力設定器と、前記短絡期
間出力設定器と、アーク発生期間出力設定器の少なくと
も一方に調整信号を人力する調整器とを具備することを
特徴とする。

［実施例］ この実施例では、短絡時の出力とアーク発生時の出力が
ワイヤ送給速度設定器の出力に応じて個々に設定され、
これらの設定器の少なくとも一方に、別の出力設定信号
を送出する調整器を具備していて、ワイヤ送給速度が同
じであっても下向溶接と立向溶接あるいは上向溶接、又
は、低速度溶接と高速度溶接、更には、溶接材料により
異なる溶接条件に対応して電源出力が制御される。　な
お、以下の実施例は消耗電極を設定速度で母材に対して
送給するとともに、消耗電極と母材とを相対的に制御さ
れた速度で移動させつつ、かつアーク部分の消耗電極の
周囲をシールドガスで包囲して溶接を行なういわゆるシ
ールドガス溶接であって、消耗電極と母材との間で周期
的に短絡とアーク発生をくり返しつつ溶接を行なう溶接
装置について説明する。

第１図は上述の制御を行うための一実施例を示すブロッ
ク図である。この実施例では、短絡時の出力として短絡
電流を設定し、アーク発生時の出力として、アーク電圧
を設定する例を示している。

１は溶接ワイヤ送給速度を設定するワイヤ送給速度設定
器、２はワイヤ送給速度制御回路で、前記ワイヤ送給速
度設定器１の信号により、溶接ワイヤ３を送給するワイ
ヤ送給モータ４の速度を制御する。上記ワイヤ送給速度
設定器ｌから出力されるワイヤ送給速度設定信号は、溶
接ワイヤ３と溶接母材１１との間の短絡時の電流を設定
する短絡電流設定器５及び溶接ワイヤ３と溶接母材１１
との間でのアーク発生時のアーク電圧を設定するアーク
電圧設定器６にも入力されていて、詳細後述の調整器７
の出力信号はアーク電圧設定器６に入力される一方、溶
接条件によっては短絡電流設定器５にも人力される。前
記短絡電流設定器５或いはアーク電圧設定器６の出力信
号のいづれか一方が制御スイッチ８により選択され出力
制御回路９に人力される。１０は出力制御回路９の信号
により溶接ワイヤ３と溶接母材１１間に所定のアーク電
圧及び短絡電流を含む溶接電力を出力する電源、１２は
電源１０の溶接電圧を検出する溶接電圧検出器である。

短絡・アーク発生判別器１３は溶接電圧検出器１２の信
号により、短絡かアーク発生かを判別し、短絡であれば
短絡電流設定器５の出力信号が、又、アーク発生中であ
ればアーク電圧設定器６の出力信号が出力制御回路９に
入力されるように前記制御スイッチ８を制御する。

上述した溶接用電源により、ワイヤ送給速度設定器１で
設定された所定のワイヤ送給速度及び溶接条件で溶接し
ているとき、短絡電流設定器５からは、ワイヤ送給速度
設定器１の信号により、上記ワイヤ送給速度に最適な短
絡電流設定信号が出力され、又、アーク電圧設定器６か
らは、ワイヤ送給設定器Ｉ及び調整器７との信号により
、上記ワイヤ送給速度及び溶接条件に最適なアーク電圧
設定信号が出力されている。

一方、短絡とアーク発生の繰り返しに応じて切り換わる
制御スイッチ８は、短絡時にはＡ側に切り換えられて、
上記短絡電流設定信号が出力制御回路９に印加され、電
源ｌＯの出力、即ち溶接ワイヤ３と母材１１間の短絡電
流が短絡電流設定信号により制御され、一方、アーク発
生時には制御スイッチ８はＢ側に切り換えられ、上記ア
ーク電圧設定器６のアーク電圧設定信号が出力制御回路
９に印加され、上記溶接速度に最適なアーク長となるよ
うに電源１０の出力、即ちアーク電圧が制御される。

次に調整器７の機能について説明する。

低速度溶接において、ワイヤ送給速度設定器ｌの出力に
応じて、短絡時の出力と、アーク発生時の出力とを設定
すると、高速度溶接においてはアーク発生時の出力が適
せず、アーク長が過大となってアンダカット等の欠陥が
生じ、一方、高速度溶接において、ワイヤ送給速度設定
器ｌの出力に応じて、短絡時の出力と、アーク発生時の
出力とを設定すると、低溶接速度においては各出力共に
不適当になる。これは、ワイヤ送給速度設定器１は、低
速度溶接、高速度溶接の区別なく、設定しているためで
あり、この低速度溶接と高速度溶接において最も適した
アーク長が得られるように、即ち、低速度溶接において
はアーク長が長くなるように、そして、高速度溶接にお
いては、アーク長が短くなるように調整器７の信号がア
ーク電圧設定器６に入力される。この場合、調整器７の
出力は、低速度溶接用と高速度溶接用の２段階に分けて
も良いし、溶接速度に応じて無段階連続的に変化させて
も良い。

また、立向溶接、上向溶接時の調整器７の機能も高速度
溶接の場合と同様であり、立向、上向溶接の場合には、
アーク長さが短くなる様に、調整器７の出力をアーク電
圧設定器６に入力して、溶滴の短絡移行が容易に行なわ
れるようにする。

次に、高合金含有の溶接ワイヤを用いる場合の調整器７
の機能は次の通りである。高合金含有溶接ワイヤは、溶
滴の粘度が大きく、溶滴が溶融池に短絡しても移行しに
くい。そこで、この場合、調整器の出力を短絡電流設定
器５にも入力し、高合金溶接ワイヤの溶滴が短絡した期
間に低合金ワイヤの場合に比較して短絡電流が大きくな
る様に設定すると、短絡中の溶滴には、ジュール熱が大
きく発生し、温度が上昇するために粘度が下がり、溶滴
の移行を容易にさせる。また、短絡電流は溶滴の移行を
促進させるピンチ力を発生させ、このピンチ力の増大に
より、溶滴の移行が更に容易となる。このように、高合
金ワイヤで高速度溶接を行なう場合には、調整器７の信
号を短絡電流設定器５及びアーク電圧設定器６の双方に
入力し、短絡電流を低合金ワイヤを用いる時よりも高く
設定し、アーク電圧を低速度溶接の時よりも低くなるよ
うに設定する。尚、調整器７の信号を用いずに最初から
短絡電流を大きくなるように設定しておくと、低合金ワ
イヤを用いたときに溶滴移行中にアークが発生し、溶滴
が吹き飛ばされスパッタを発生させるので好ましくない
。

このように、いかなる溶接条件においても調整器７の信
号により、短絡時及びアーク発生時の出力を適切に設定
することができ、欠陥のない溶接ビードと安定した溶接
アークによりすぐれた溶接特性が得られる。

次に、第１図に示した溶接用電源を用い、板厚２ｍｍの
溶接母材を下向き重ねすみ自溶接法により次の条件で高
溶接速度で実施した場合の結果を示す。

溶接ワイヤ：　ＭＩＸ５０−１．２φ（ＪＩＳ　ＹＧｌ
ｌｌ１６）溶接母材　・５ＰＣＣ シールドガス：炭酸ガス（１００％） 最初に短絡電流の設定について示す。

第２図はそれぞれのワイヤ送給速度に対して短絡電流を
変えた場合の溶接アークを調べたグラフであり、溶接ア
ークが安定となる短絡電流の値は、ワイヤ送給速度に対
して一次関数として近似することができ、短絡時の電流
をＩ　ｓｐ、ワイヤ送給速度をＷＦＲとすると、 ｌ５ｐ＝ｆ（ＷＦＲ）・・・・・・■となる。

次に、アーク電圧の設定について示す。

第３図は、比較的溶接速度が遅いときは、アーク電圧を
溶接ワイヤの送給速度に応じて設定し、溶接速度が速い
ときは、アンダカットの発生を防ぐために、その設定さ
れたアーク電圧から一定の電圧量Ｅを差し引いたアーク
電圧のもとで溶接をした場合の溶接ビードの外観を調べ
た結果である。

第３図において○印はビードの外観が良好、Δ印は普通
、Ｘ印はビード外観不良であることを示す。

この第３図で示すように、各々の差引き電圧量Ｅに対し
、ある溶接速度においては良好な溶接ビードが得られる
が、同一の差引き電圧量に対して他の溶接速度において
は、差引き電圧量Ｅが大きすぎてアーク電圧が不足した
り、或いは前記差引き電圧Ｅが小さすぎてアーク電圧を
下げた効果がなく、ビード外観が不良になることを示し
ている。

従って、比較的低速度の溶接では溶接ワイヤの送給速度
に応じてアーク電圧Ｖｖｆｒを設定し、高速度の溶接で
は前記所定のアーク電圧Ｖｗｆｒから溶接速度Ｗｓに応
じた電圧量Ｅｗｓを減じた値をアーク電圧Ｖａｐとして
設定すればよく、Ｖ　ａｐ＝　Ｖ　ｗｆｒ　−Ｅ　ｗｓ ＝ｇ（ＷＦ　Ｒ）−ｈ（Ｗｓ）・・・・・・■となる。

上記の０．０式の各関数ｆ（Ｗ　Ｆ　Ｒ）、ｇ（Ｗ　Ｆ
　Ｒ）、ｈ（Ｗｓ）はたとえば実験により求められる。

次に各関数の一例を示す。

ｆ（ＷＦＲ）＝　５４ｘＷＦＲ＋８０　　ＣＡ）・−・
−■ｇ（ＷＦＲ）−１，４８ＸＷＦＲ＋２２　（Ｖ）−
・−・■ｈ　（Ｗｓ）　　＝　Ｗｓ（Ｗｓ＋　１）／３
　　（Ｖ）−・・■従って、短絡電流設定器５は、ワイ
ヤ送給設定ｍ＋の出力信号により、上記０式を満たすよ
うな信号を出力する関数発生器を、又、アーク電圧設定
器６は、ワイヤ送給速度設定器ｌの出力信号と調整器７
からの溶接速度に対応する信号とにより、上記０式を満
たすような信号出力するを関数発生器をそれぞれ内蔵し
ている。

第４図は上述の関数発生器を用いた第１図の短絡電流設
定器５、アーク電圧設定器６の一例を示す図であり、短
絡電流設定器５は０式の関数ｒ（ＷＦＲ）を発生する関
数発生器６ａて構成される。一方、アーク電圧発生器６
は０式ｇ（ＷＦＲ）を発生する回路６ａと、■式ｈ（Ｗ
ｓ）を発生する回路６ｂと０式ｇ（ＷＦ　Ｒ）−ｈ（Ｗ
ｓ）を演算する回路６ｃとにより構成される。この構成
により短絡電流設定器５は■式ｆ（ＷＦ’Ｒ）に対応し
た短絡電流設定信号を出力し、またアーク電圧発生器５
は０式ｇ（ＷＦＲ）−ｈ（Ｗｓ）に対応したアーク電圧
設定信号が出力される。

上述の制御により短絡時には、ワイヤ送給速度と対応し
た値の短絡電流を溶接ワイヤ３に流し、一方、アーク発
生時の高速度の溶接では所定のアーク電圧からこの溶接
速度に対応する値を差し引いた０式で表示される電圧を
溶接ワイヤ３と母材１１間に印加するようにしたので、
溶接速度が増加するにつれ、アーク電圧のみが低下し、
アーク長を短くすることにより、アンダカットの発生を
防止し、一方、短絡時には短絡部を溶融するに十分な短
絡電流を供給するので長時間のアーク切れをなくすこと
か可能となる。

第５図は、上述の制御方法により、溶接ビードの形状を
良好に保つことのできる状態でのワイヤ送給速度と溶接
速度との関係を示しており、破線で示した従来の制御方
法と比較して高速の溶接が可能となっている。

［発明の効果］ 以上詳述したように、この発明は、例えば短絡時の短絡
電流或いはアーク・発生時のアーク電圧の少なくとも一
方に入力する調整器を備え、いかなる溶接速度や溶接姿
勢或いは溶接材料においても、適正な短絡電流とアーク
電圧を出力するようにしたので、欠陥のない溶接ビード
と良好な溶接作業性が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の１実施例を示すブロック図、第２図
はワイヤ送給速度と短絡電流の変化に対する溶接の作業
性を示す図、第３図は溶接速度と差引き電圧量とに対す
るビード形状を示す図、第４図は第１図の短絡電流設定
器とアーク電圧設定器とに用いられる関数発生器のブロ
ック図、第５１１はワイヤ送給速度に対して溶接特性が
良好な溶接速度を示す図、第６図は従来の溶接用電源の
概略を示す回路図、第７図は第６図の溶接用電源におけ
る溶接電流と溶接電圧の波形を示す図である。 ■・・・ワイヤ送給速度設定器、２・・・ワイヤ送給速
度制御回路、５・・・短絡電流設定器、６・・・アーク
電圧設定器、７・・・調整器、８・・・制御スイッチ、
９・・・出力制御回路、ｌＯ・・・電源、１２・・・溶
接７ｔＥ検出器、１３・・・短絡・アーク発生判別器、
５ａ、６ａ・・・関数発生器。 特許出願人　株式会社　神戸製鋼所 代理人　弁理士　青　山　　葆　外２名短！＠−電、＃
：、ＣＡ） 第５図 ７１マ医鈴速虐＋ｍ／介） 第６図 第７ｔ！１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）消耗電極を所定速度で母材に対して送給し、消耗
   電極と母材間での短絡とアーク発生と繰り返すことによ
   り溶接する消耗電極式アーク溶接法に用いる溶接用電源
   において、短絡期間の電源出力を設定する短絡期間出力
   設定器と、アーク発生期間の電源出力を設定するアーク
   発生期間出力設定器と、前記短絡期間出力設定器と、ア
   ーク発生期間出力設定器の少なくとも一方に調整信号を
   入力する調整器とを具備することを特徴とする溶接用電
   源。