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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022030719
(43)【公開日】2022-02-18
(54)【発明の名称】アーク溶接方法及びアーク溶接装置
(51)【国際特許分類】
B23K 9/09 20060101AFI20220210BHJP
B23K 9/173 20060101ALI20220210BHJP
B23K 9/095 20060101ALI20220210BHJP
【ＦＩ】
B23K9/09
B23K9/173 C
B23K9/095 501A
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2020134908
(22)【出願日】2020-08-07
(71)【出願人】
【識別番号】000000262
【氏名又は名称】株式会社ダイヘン
(74)【代理人】
【識別番号】100114557
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 英仁
(74)【代理人】
【識別番号】100078868
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 登夫
(72)【発明者】
【氏名】馬塲 勇人
【テーマコード（参考）】
4E001
4E082
【Ｆターム（参考）】
4E001AA03
4E001BB08
4E001CA03
4E001DD02
4E001DD04
4E001DD05
4E001DE04
4E001EA01
4E082AA04
4E082BA04
4E082BB02
4E082DA01
4E082EC03
4E082EF07
4E082JA02
(57)【要約】
【課題】アルゴンを含有するシールドガスを用いる、消耗電極式のアーク溶接において、ブローホールの発生を抑制することができるアーク溶接方法を提供する。
【解決手段】アルゴンを含有するシールドガスを用いる消耗電極式のアーク溶接方法は、溶接ワイヤに中心設定電流よりも小さい第１の溶接電流が供給される第１溶接条件と、溶接ワイヤに中心設定電流よりも大きい第２の溶接電流が供給される第２溶接条件とを周期的に切り換えて設定するステップと、第１及び第２溶接条件を周期的に切り換えて溶接を行ったときの溶接電流及び溶接電圧を検出するステップと、第１及び第２溶接条件を周期的に切り換えて溶接を行ったときの平均出力と、中心設定電流に係る溶接条件で溶接を行ったときの平均出力との差が小さくなるように、検出された溶接電流及び溶接電圧の平均溶接電流及び平均溶接電圧に基づいて、第１又は第２溶接条件を補正する補正ステップとを備える。
【選択図】図１０
【解決手段】アルゴンを含有するシールドガスを用いる消耗電極式のアーク溶接方法は、溶接ワイヤに中心設定電流よりも小さい第１の溶接電流が供給される第１溶接条件と、溶接ワイヤに中心設定電流よりも大きい第２の溶接電流が供給される第２溶接条件とを周期的に切り換えて設定するステップと、第１及び第２溶接条件を周期的に切り換えて溶接を行ったときの溶接電流及び溶接電圧を検出するステップと、第１及び第２溶接条件を周期的に切り換えて溶接を行ったときの平均出力と、中心設定電流に係る溶接条件で溶接を行ったときの平均出力との差が小さくなるように、検出された溶接電流及び溶接電圧の平均溶接電流及び平均溶接電圧に基づいて、第１又は第２溶接条件を補正する補正ステップとを備える。
【選択図】図１０
【特許請求の範囲】
【請求項1】
アルゴンを含有するシールドガスを用いる消耗電極式のアーク溶接方法であって、
溶接ワイヤに中心設定電流よりも小さい第１の溶接電流が供給される第１溶接条件と、溶接ワイヤに前記中心設定電流よりも大きい第２の溶接電流が供給される第２溶接条件とを周期的に切り換えて設定するステップと、
前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件を周期的に切り換えて溶接を行ったときの溶接電流及び溶接電圧を検出するステップと、
前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件を周期的に切り換えて溶接を行ったときの平均出力と、前記中心設定電流に係る溶接条件で溶接を行ったときの平均出力との差が小さくなるように、検出された前記溶接電流及び前記溶接電圧の平均溶接電流及び平均溶接電圧に基づいて、前記第１溶接条件又は前記第２溶接条件を補正する補正ステップと
を備えるアーク溶接方法。
溶接ワイヤに中心設定電流よりも小さい第１の溶接電流が供給される第１溶接条件と、溶接ワイヤに前記中心設定電流よりも大きい第２の溶接電流が供給される第２溶接条件とを周期的に切り換えて設定するステップと、
前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件を周期的に切り換えて溶接を行ったときの溶接電流及び溶接電圧を検出するステップと、
前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件を周期的に切り換えて溶接を行ったときの平均出力と、前記中心設定電流に係る溶接条件で溶接を行ったときの平均出力との差が小さくなるように、検出された前記溶接電流及び前記溶接電圧の平均溶接電流及び平均溶接電圧に基づいて、前記第１溶接条件又は前記第２溶接条件を補正する補正ステップと
を備えるアーク溶接方法。
【請求項2】
設定電流及び設定電圧の組合せに対応付けられた複数の外部特性の中から、検出された前記平均溶接電流及び前記平均溶接電圧を出力することができる外部特性を与える仮想の設定電流を特定するステップを備え、
前記補正ステップは、
前記仮想の設定電流と、前記中心設定電流との差分に基づいて、前記第１溶接条件又は前記第２溶接条件の各設定電流又は前記中心設定電流を補正する
請求項１に記載のアーク溶接方法。
前記補正ステップは、
前記仮想の設定電流と、前記中心設定電流との差分に基づいて、前記第１溶接条件又は前記第２溶接条件の各設定電流又は前記中心設定電流を補正する
請求項１に記載のアーク溶接方法。
【請求項3】
前記補正ステップは、
前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件の各設定電流、又は前記中心設定電流を、各設定電流又は前記中心設定電流から前記差分を減算した値に補正する
請求項２に記載のアーク溶接方法。
前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件の各設定電流、又は前記中心設定電流を、各設定電流又は前記中心設定電流から前記差分を減算した値に補正する
請求項２に記載のアーク溶接方法。
【請求項4】
前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件を周期的に切り換えて溶接を行う場合、前記第１溶接条件における設定電圧を、前記第１の溶接電流に対応付けられた前記設定電圧より高い電圧に補正する
請求項２又は請求項３に記載のアーク溶接方法。
請求項２又は請求項３に記載のアーク溶接方法。
【請求項5】
前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件は、
前記中心設定電流が３５０Ａ以上、電流変動幅が５０Ａ以上１５０Ａ以下とする溶接条件であり、前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件を１Ｈｚ以上５Ｈｚ以下の周期で切り換える
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のアーク溶接方法。
前記中心設定電流が３５０Ａ以上、電流変動幅が５０Ａ以上１５０Ａ以下とする溶接条件であり、前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件を１Ｈｚ以上５Ｈｚ以下の周期で切り換える
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のアーク溶接方法。
【請求項6】
前記第１溶接条件又は前記第２溶接条件は、
アークによって母材に形成された凹状の溶融部分によって囲まれる空間に溶接ワイヤの先端部、又は該先端部に形成された液柱におけるアーク発生点が進入する溶接条件である
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のアーク溶接方法。
アークによって母材に形成された凹状の溶融部分によって囲まれる空間に溶接ワイヤの先端部、又は該先端部に形成された液柱におけるアーク発生点が進入する溶接条件である
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のアーク溶接方法。
【請求項7】
アルゴンを含有するシールドガスを用いる消耗電極式のアーク溶接装置であって、
溶接ワイヤに中心設定電流よりも小さい第１の溶接電流が供給される第１溶接条件と、溶接ワイヤに前記中心設定電流よりも大きい第２の溶接電流が供給される第２溶接条件とを周期的に切り換えて設定する設定回路と、
前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件を周期的に切り換えて溶接を行ったときの溶接電流を検出する電流検出部と、
前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件を周期的に切り換えて溶接を行ったときの溶接電圧を検出する電圧検出部と、
前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件を周期的に切り換えて溶接を行ったときの平均出力と、前記中心設定電流に係る溶接条件で溶接を行ったときの平均出力との差が小さくなるように、検出された前記溶接電流及び前記溶接電圧の平均溶接電流及び平均溶接電圧に基づいて、前記第１溶接条件又は前記第２溶接条件を補正する補正部と
を備えるアーク溶接装置。
溶接ワイヤに中心設定電流よりも小さい第１の溶接電流が供給される第１溶接条件と、溶接ワイヤに前記中心設定電流よりも大きい第２の溶接電流が供給される第２溶接条件とを周期的に切り換えて設定する設定回路と、
前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件を周期的に切り換えて溶接を行ったときの溶接電流を検出する電流検出部と、
前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件を周期的に切り換えて溶接を行ったときの溶接電圧を検出する電圧検出部と、
前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件を周期的に切り換えて溶接を行ったときの平均出力と、前記中心設定電流に係る溶接条件で溶接を行ったときの平均出力との差が小さくなるように、検出された前記溶接電流及び前記溶接電圧の平均溶接電流及び平均溶接電圧に基づいて、前記第１溶接条件又は前記第２溶接条件を補正する補正部と
を備えるアーク溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、消耗電極式のアーク溶接方法及びアーク溶接装置に関する。
【背景技術】
【0002】
アーク溶接において発生する溶接欠陥のひとつにブローホールがある。ブローホールは、溶融金属内に低沸点のガス蒸気が巻き込まれた状態で溶融金属が凝固することにより、溶接金属内に球状の空洞が形成される欠陥である。一般的には水素や酸素、窒素などが原因となることが多い。例えば、それらの元素の大気からの混入を防ぐために、シールドガス流量を増やしたり、溶接トーチのノズルを工夫するなどしてシールド状態を良好にする対策が取られる。また溶接母材や溶接ワイヤが濡れていたり汚れていたりすると、同様に上記元素の混入原因となるため、母材やワイヤの清浄度を高める対策も取られる。また例えばプラズマ切断材の溶接では、切断面に形成された窒化層などから上記元素が混入する場合もあるため、切断面の窒化層をグラインダで除去するといった対策も取られる。
上記のように、ブローホール抑制のためには、原因となる元素の混入を防ぐのが最も一般的である。しかし、この対策が取れない場合も存在する。例えば亜鉛メッキ鋼板の溶接では、溶接入熱により気化した低沸点の亜鉛蒸気がブローホールの原因となることが知られているが、溶接部の亜鉛メッキを完全に除去して溶接するのは困難であり、通常、メッキのまま溶接を行う。そこで、亜鉛メッキ鋼板溶接においてブローホールを防ぐ方法として、特許文献１及び特許文献２の従来技術がある。これらは、溶融金属を振動させることで、蒸気が溶融金属外に排出されるのを促進することにより、ブローホール抑制を狙った技術である。
特許文献１には、溶接開始時又はベース電流を供給している期間にワイヤと被溶接物とを短絡させ、亜鉛メッキ鋼板表面に形成された溶融池の溶融金属を振動させることによって、ブローホールの発生を抑制する技術が開示されている。
特許文献２には、溶接ワイヤの送り速度を数十Ｈｚで繰り返し変化させることによって、溶融金属を振動させ、ブローホールの発生を抑制する技術が開示されている。
上記のように、ブローホール抑制のためには、原因となる元素の混入を防ぐのが最も一般的である。しかし、この対策が取れない場合も存在する。例えば亜鉛メッキ鋼板の溶接では、溶接入熱により気化した低沸点の亜鉛蒸気がブローホールの原因となることが知られているが、溶接部の亜鉛メッキを完全に除去して溶接するのは困難であり、通常、メッキのまま溶接を行う。そこで、亜鉛メッキ鋼板溶接においてブローホールを防ぐ方法として、特許文献１及び特許文献２の従来技術がある。これらは、溶融金属を振動させることで、蒸気が溶融金属外に排出されるのを促進することにより、ブローホール抑制を狙った技術である。
特許文献１には、溶接開始時又はベース電流を供給している期間にワイヤと被溶接物とを短絡させ、亜鉛メッキ鋼板表面に形成された溶融池の溶融金属を振動させることによって、ブローホールの発生を抑制する技術が開示されている。
特許文献２には、溶接ワイヤの送り速度を数十Ｈｚで繰り返し変化させることによって、溶融金属を振動させ、ブローホールの発生を抑制する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１４－０６９２２６号公報
【特許文献2】特開２００５－２１９０８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
このように、一般的なアーク溶接や、ブローホールが発生しやすい亜鉛メッキ鋼板の溶接においては、ブローホール抑制方法が十分検討されてきている。
【0005】
一方、近年は新しい溶接プロセスも多く、それらの中にはブローホールが発生しやすい特有のプロセスも存在する。例えば、アルゴンを含有するシールドガスを用いた消耗電極式のアーク溶接方法において、溶接電流を３５０Ａ～６００Ａとすると、ブローホールが大量発生するという知見が本願発明者等によって得られている。このとき発生するブローホールは、シールド状態を十分良好にしても低減されないことから、シールドガス中のアルゴンを溶接金属中に巻き込んだものと考えられる。
溶接電流が３５０Ａ～６００Ａの溶接プロセスにおいては、ときおり短絡が発生するが、その際にアーク雰囲気及び溶融池が一時的に乱れてアルゴンガスを溶融池に巻き込むと考えられる。ただし短絡は稀であり、アーク雰囲気及び溶融池は基本的には安定しており振動が少ないため、巻き込まれたアルゴンガスが溶融池の表面に浮上しにくく、ブローホールの発生につながると考えられている。かかる溶接プロセスでは、短絡によって十分に溶融池を振動させることができず、ブローホールの発生を抑制することができない。
また、溶接電流が３５０Ａ～６００Ａの高電流溶接プロセスにおいては、溶接ワイヤを高速で送給する必要があり、送給速度を数十Ｈｚもの高い周波数で変動させることは好ましく無い。
溶接電流が３５０Ａ～６００Ａの溶接プロセスにおいては、ときおり短絡が発生するが、その際にアーク雰囲気及び溶融池が一時的に乱れてアルゴンガスを溶融池に巻き込むと考えられる。ただし短絡は稀であり、アーク雰囲気及び溶融池は基本的には安定しており振動が少ないため、巻き込まれたアルゴンガスが溶融池の表面に浮上しにくく、ブローホールの発生につながると考えられている。かかる溶接プロセスでは、短絡によって十分に溶融池を振動させることができず、ブローホールの発生を抑制することができない。
また、溶接電流が３５０Ａ～６００Ａの高電流溶接プロセスにおいては、溶接ワイヤを高速で送給する必要があり、送給速度を数十Ｈｚもの高い周波数で変動させることは好ましく無い。
【0006】
かかる問題を解決する溶接方法として、本願発明者は、溶接電流を周期的に変動させる電流振幅制御によって、溶融金属を振動させ、溶融金属に巻き込まれた気泡の排出を促し、ブローホールの発生を抑制する技術を考案した。
しかしながら、上記の技術では、変動中心となる中心設定電流及び中心設定電圧が存在するものの、高電流側の溶接条件と低電流側の溶接条件が交互に繰り返されるのみであり、溶接電源の平均的な出力は、電流振幅制御を行わない場合の出力に必ずしも対応しない。電流振幅制御を行う場合も、溶接電源の平均出力が、電流振幅制御を行わない場合の出力と同程度になるような制御が望まれている。
しかしながら、上記の技術では、変動中心となる中心設定電流及び中心設定電圧が存在するものの、高電流側の溶接条件と低電流側の溶接条件が交互に繰り返されるのみであり、溶接電源の平均的な出力は、電流振幅制御を行わない場合の出力に必ずしも対応しない。電流振幅制御を行う場合も、溶接電源の平均出力が、電流振幅制御を行わない場合の出力と同程度になるような制御が望まれている。
【0007】
本発明の目的は、アルゴンを含有するシールドガスを用いる消耗電極式のアーク溶接であって、電流振幅制御を行う場合の平均出力と、電流振幅制御を行わない場合の出力との差を小さくすることができるアーク溶接方法及びアーク溶接装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
アーク溶接方法は、アルゴンを含有するシールドガスを用いる消耗電極式のアーク溶接方法であって、溶接ワイヤに中心設定電流よりも小さい第１の溶接電流が供給される第１溶接条件と、溶接ワイヤに前記中心設定電流よりも大きい第２の溶接電流が供給される第２溶接条件とを周期的に切り換えて設定するステップと、前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件を周期的に切り換えて溶接を行ったときの溶接電流及び溶接電圧を検出するステップと、前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件を周期的に切り換えて溶接を行ったときの平均出力と、前記中心設定電流に係る溶接条件で溶接を行ったときの平均出力との差が小さくなるように、検出された前記溶接電流及び前記溶接電圧の平均溶接電流及び平均溶接電圧に基づいて、前記第１溶接条件又は前記第２溶接条件を補正する補正ステップとを備える。
【0009】
設定電流及び設定電圧の組合せに対応付けられた複数の外部特性の中から、検出された前記平均溶接電流及び前記平均溶接電圧を出力することができる外部特性を与える仮想の設定電流を特定するステップを備え、前記補正ステップは、前記仮想の設定電流と、前記中心設定電流との差分に基づいて、前記第１溶接条件又は前記第２溶接条件の各設定電流又は前記中心設定電流を補正する構成が好ましい。
【0010】
前記補正ステップは、前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件の各設定電流、又は前記中心設定電流を、各設定電流又は前記中心設定電流から前記差分を減算した値に補正する構成が好ましい。
【0011】
アーク溶接装置は、アルゴンを含有するシールドガスを用いる消耗電極式のアーク溶接装置であって、溶接ワイヤに中心設定電流よりも小さい第１の溶接電流が供給される第１溶接条件と、溶接ワイヤに前記中心設定電流よりも大きい第２の溶接電流が供給される第２溶接条件とを周期的に切り換えて設定する設定回路と、前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件を周期的に切り換えて溶接を行ったときの溶接電流を検出する電流検出部と、前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件を周期的に切り換えて溶接を行ったときの溶接電圧を検出する電圧検出部と、前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件を周期的に切り換えて溶接を行ったときの平均出力と、前記中心設定電流に係る溶接条件で溶接を行ったときの平均出力との差が小さくなるように、検出された前記溶接電流及び前記溶接電圧の平均溶接電流及び平均溶接電圧に基づいて、前記第１溶接条件又は前記第２溶接条件を補正する補正部とを備える。
【0012】
本態様にあっては、アルゴンを含有するシールドガスを用いる消耗電極式のアーク溶接において、第１溶接条件と、第２溶接条件とを周期的に変動させることにより、溶融金属を振動させ、溶融金属に巻き込まれた気泡の排出を促し、ブローホールの発生を抑制する。特に、溶融金属に振動を与えるためには溶接電流を上記のように変動させることが効果的である（図１３参照）。
また、電流振幅制御における平均溶接電流及び平均溶接電圧に基づいて、第１溶接条件又は第２溶接条件を補正することにより、第１溶接条件及び第２溶接条件を周期的に切り換えて溶接を行ったときの平均出力と、中心設定電流に係る溶接条件で溶接を行ったときの平均出力との差を小さくすることができる。
また、電流振幅制御における平均溶接電流及び平均溶接電圧に基づいて、第１溶接条件又は第２溶接条件を補正することにより、第１溶接条件及び第２溶接条件を周期的に切り換えて溶接を行ったときの平均出力と、中心設定電流に係る溶接条件で溶接を行ったときの平均出力との差を小さくすることができる。
【0013】
前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件を周期的に切り換えて溶接を行う場合、前記第１溶接条件における設定電圧を、前記第１の溶接電流に対応付けられた前記設定電圧より高い電圧に補正する構成が好ましい。
【0014】
本態様にあっては、第１溶接条件の設定電圧を高めに補正することによって、溶滴移行形態のスプレー移行化を促すことができる。従って、溶接を安定化させることができる。
【0015】
前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件は、前記中心設定電流が３５０Ａ以上、電流変動幅が５０Ａ以上１５０Ａ以下とする溶接条件であり、前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件を１Ｈｚ以上５Ｈｚ以下の周期で切り換える構成が好ましい。
【0016】
本態様にあっては、中心設定電流が３５０Ａ以上のブローホールが発生しやすい溶接プロセスにおいて、電流変動幅を５０Ａ以上１５０Ａ以下、変動周期を１Ｈｚ以上５Ｈｚ以下とすることにより、効果的にブローホールの発生を抑制することができる。
【0017】
前記第１溶接条件又は前記第２溶接条件は、アークによって母材に形成された凹状の溶融部分によって囲まれる空間に溶接ワイヤの先端部（溶融した領域を含む。以降の同様の表現では割愛する。）、又は該先端部に形成された液柱におけるアーク発生点が進入する溶接条件である構成が好ましい。
【0018】
本態様にあっては、母材に形成された凹状の溶融部分によって囲まれる空間に溶接ワイヤの先端部、又は該先端部に形成された液柱におけるアーク発生点が進入する（図５Ｂ及び図５Ｃ参照）。以下、凹状の溶融部分によって囲まれる空間を埋もれ空間と呼び、埋もれ空間に進入した溶接ワイヤの先端部、又は該先端部に形成された液柱におけるアーク発生点と、母材又は溶融部分との間に発生するアークを、適宜、埋もれアークと呼ぶ。また埋もれアークにて行う溶接を埋もれアーク溶接と呼ぶ。埋もれアーク溶接は、例えば、溶接ワイヤを約５～１００ｍ／分で送給し、３００Ａ以上の高電流を供給することによって、実現される。
一方、凹状の溶融部分が形成されないアーク、又は凹状の溶融部分に溶接ワイヤ先端部及びアーク発光点が侵入しない通常のアークを、非埋もれアークと呼ぶ。
埋もれアーク溶接においては、深い溶融池が形成されるため、シールドガス中のアルゴンが溶融金属に残留し、ブローホールが発生しやすい。本態様に係るアーク溶接方法にあっては、埋もれアーク溶接により深溶込みが得られると共に、ブローホールの発生を抑制することができる。
一方、凹状の溶融部分が形成されないアーク、又は凹状の溶融部分に溶接ワイヤ先端部及びアーク発光点が侵入しない通常のアークを、非埋もれアークと呼ぶ。
埋もれアーク溶接においては、深い溶融池が形成されるため、シールドガス中のアルゴンが溶融金属に残留し、ブローホールが発生しやすい。本態様に係るアーク溶接方法にあっては、埋もれアーク溶接により深溶込みが得られると共に、ブローホールの発生を抑制することができる。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば、アルゴンを含有するシールドガスを用いる消耗電極式のアーク溶接であって、電流振幅制御を行う場合の平均出力と、電流振幅制御を行わない場合の出力との差を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本実施形態１に係るアーク溶接装置の一構成を示す模式図である。
【図2】本実施形態１に係るアーク溶接方法の手順を示すフローチャートである。
【図3】溶接対象の母材を示す側断面図である。
【図4】電流振幅制御の処理手順を示すフローチャートである。
【図5】埋もれアーク状態の説明図である。
【図6】実施形態１に係る溶接条件の切り換え方法を示すタイミングチャートである。
【図7】出力補正の処理手順を示すフローチャートである。
【図8】出力補正を示す説明図である。
【図9】出力補正を示す説明図である。
【図10】出力補正例を示す説明図である。
【図11】溶接継手を模式的に示す断面図である。
【図12】本実施形態１に係る電流振幅制御を行わなかったときの溶接継手の放射線透過試験結果を示す画像である。
【図13】本実施形態１に係る電流振幅制御を行ったときの溶接継手の放射線透過試験結果を示す画像である。
【図14】本実施形態２に係る溶接条件の切り換え方法を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0021】
本発明の実施形態に係るアーク溶接方法及びアーク溶接装置の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【0022】
以下、本発明をその実施形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
（実施形態１）
＜アーク溶接装置＞
図１は、本実施形態に係るアーク溶接装置の一構成を示す模式図である。本実施形態に係るアーク溶接装置は、アルゴンを含有するシールドガスを用いる消耗電極式のガスシールドアーク溶接機であり、溶接電源１、トーチ２及びワイヤ送給部３を備える。本実施形態に係るアーク溶接装置は、埋もれアーク溶接及び非埋もれアーク溶接のいずれの溶接も行うことができる。
（実施形態１）
＜アーク溶接装置＞
図１は、本実施形態に係るアーク溶接装置の一構成を示す模式図である。本実施形態に係るアーク溶接装置は、アルゴンを含有するシールドガスを用いる消耗電極式のガスシールドアーク溶接機であり、溶接電源１、トーチ２及びワイヤ送給部３を備える。本実施形態に係るアーク溶接装置は、埋もれアーク溶接及び非埋もれアーク溶接のいずれの溶接も行うことができる。
【0023】
トーチ２は、銅合金等の導電性材料からなり、母材４の被溶接部へ溶接ワイヤ５を案内すると共に、アーク７ａ、７ｂ（図５参照）の発生に必要な溶接電流Ｉを供給する円筒形状のコンタクトチップを有する。コンタクトチップは、その内部を挿通する溶接ワイヤ５に接触し、溶接電流Ｉを溶接ワイヤ５に供給する。また、トーチ２は、コンタクトチップを囲繞する中空円筒形状をなし、被溶接部へシールドガスを噴射するノズルを有する。シールドガスは、アーク７ａ、７ｂによって溶融した母材４及び溶接ワイヤ５の過度な酸化を防止するためのものである。シールドガスは、例えば炭酸ガス及びアルゴンガスの混合ガス、酸素及びアルゴンガスの混合ガス、アルゴン等の不活性ガス等である。
【0024】
溶接ワイヤ５は、例えばソリッドワイヤであり、その直径は０．９ｍｍ以上１．６ｍｍ以下であり、消耗電極として機能する。溶接ワイヤ５は、例えば、螺旋状に巻かれた状態でペールパックに収容されたパックワイヤ、あるいはワイヤリールに巻回されたリールワイヤである。
【0025】
ワイヤ送給部３は、溶接ワイヤ５をトーチ２へ送給する送給ローラと、当該送給ローラを回転させるモータとを有する。ワイヤ送給部３は、送給ローラを回転させることによって、ペールパック又はワイヤリールから溶接ワイヤ５を引き出し、引き出された溶接ワイヤ５をトーチ２へ所定速度で供給する。埋もれアーク溶接の場合、溶接ワイヤ５の送給速度は、例えば、約５～１００ｍ／分である。非埋もれアーク溶接の場合、溶接ワイヤ５の送給速度は、例えば、約１～２２ｍ／分である。なお、かかる溶接ワイヤ５の送給方式は一例であり、特に限定されるものでは無い。
【0026】
溶接電源１は、給電ケーブルを介して、トーチ２のコンタクトチップ及び母材４に接続され、溶接電流Ｉを供給する電源部１１と、溶接ワイヤ５の送給速度を制御する送給速度制御回路１２とを備える。なお、電源部１１及び送給速度制御回路１２を別体で構成しても良い。電源部１１は、定電圧特性の電源であり、ＰＷＭ制御された直流電流を出力する電源回路１１ａ、電圧制御回路１１ｂ、設定回路１１ｃ、電流等設定回路１１ｄ、電圧検出部１１ｅ、電流検出部１１ｆ及び補正部１１ｇを備える。
【0027】
設定回路１１ｃは、中心設定電流を基準にして、埋もれアーク溶接に係る低電流の第１溶接条件と、高電流の第２溶接条件とを周期的に切り換えて設定し、設定された溶接条件を示す溶接条件設定信号を電圧制御回路１１ｂ及び電流等設定回路１１ｄへ出力する回路である。中心設定電流はユーザによって設定される電流値であり、溶接電源１は、図示しない操作部にて中心設定電流を受け付ける。
第１溶接条件及び第２溶接条件は、少なくとも溶接電流Ｉの中心設定電流を３５０Ａ以上、電流変動幅を５０Ａ以上１５０Ａ以下とする溶接条件である。溶接電流Ｉの中心設定電流は、４００Ａ以上がより好ましい。
例えば、第１溶接条件は溶接電流Ｉが３５０Ａ、第２溶接条件は溶接電流Ｉが４５０Ａとなる条件である（４００Ａ±５０Ａ）。
また、第１溶接条件は溶接電流Ｉが３００Ａ、第２溶接条件は溶接電流Ｉが５００Ａとなる条件としてもよい（４００Ａ±１００Ａ）。
更に、第１溶接条件は溶接電流Ｉが２５０Ａ、第２溶接条件は溶接電流Ｉが５５０Ａとなる条件としてもよい（４００Ａ±１５０Ａ）。
設定回路１１ｃは、第１溶接条件及び第２溶接条件を１Ｈｚ以上５Ｈｚ以下の周期で切り換える。より好ましくは、第１溶接条件及び第２溶接条件を２Ｈｚ以上３Ｈｚ以下の周期で切り換えるように設定回路１１ｃを構成するとよい。
第１溶接条件及び第２溶接条件は、少なくとも溶接電流Ｉの中心設定電流を３５０Ａ以上、電流変動幅を５０Ａ以上１５０Ａ以下とする溶接条件である。溶接電流Ｉの中心設定電流は、４００Ａ以上がより好ましい。
例えば、第１溶接条件は溶接電流Ｉが３５０Ａ、第２溶接条件は溶接電流Ｉが４５０Ａとなる条件である（４００Ａ±５０Ａ）。
また、第１溶接条件は溶接電流Ｉが３００Ａ、第２溶接条件は溶接電流Ｉが５００Ａとなる条件としてもよい（４００Ａ±１００Ａ）。
更に、第１溶接条件は溶接電流Ｉが２５０Ａ、第２溶接条件は溶接電流Ｉが５５０Ａとなる条件としてもよい（４００Ａ±１５０Ａ）。
設定回路１１ｃは、第１溶接条件及び第２溶接条件を１Ｈｚ以上５Ｈｚ以下の周期で切り換える。より好ましくは、第１溶接条件及び第２溶接条件を２Ｈｚ以上３Ｈｚ以下の周期で切り換えるように設定回路１１ｃを構成するとよい。
【0028】
電流等設定回路１１ｄは、溶接電流Ｉの設定電流値を示す電流設定信号Ｉｒを電圧制御回路１１ｂ及び送給速度制御回路１２へ出力する回路である。設定回路１１ｃにて第１溶接条件が設定された場合、電流等設定回路１１ｄは、中心設定電流よりも低い低電流値を示す電流設定信号Ｉｒを、電圧制御回路１１ｂ及び送給速度制御回路１２へ出力する。設定回路１１ｃにて第２溶接条件が設定された場合、中心設定電流よりも高い高電流値を示す電流設定信号Ｉｒを、電圧制御回路１１ｂ及び送給速度制御回路１２へ出力する。ただし、第１溶接条件及び第２溶接条件の設定電流は補正部１１ｇによって適宜補正される。
【0029】
電流等設定回路１１ｄは、補正部１１ｇを備える。補正部１１ｇは、電流振幅制御を行ったときの溶接電源１の平均出力と、中心設定電流を用いた電流振幅制御を行わない場合の出力との差が小さくなるように、第１溶接条件及び第２溶接条件の設定電流を補正する。電流等設定回路１１ｄは、補正部１１ｇによって補正された設定電流を示す電流設定信号Ｉｒを電圧制御回路１１ｂ及び送給速度制御回路１２へ出力する。
【0030】
送給速度制御回路１２は、ワイヤの送給を指示する送給指示信号を、ワイヤ送給部３へ出力し、電流設定信号Ｉｒに応じた速度で溶接ワイヤ５を送給させる。電流設定信号Ｉｒが高電流値を示す場合、高送給速度値を示す送給指示信号を出力し、電流設定信号Ｉｒが低電流値を示す場合、低送給速度値を示す送給指示信号を出力する。
【0031】
また電流等設定回路１１ｄは、溶接電源１の設定電圧を示した出力電圧設定信号Ｅｒを電圧制御回路１１ｂへ出力する回路である。電流等設定回路１１ｄは、設定電流及び設定電圧の組合せに対応付けられた複数の外部特性を記憶している。また、設定電流に対して、推奨環境における定常溶接状態において推奨される設定電圧（一元電圧とも称される）を記憶しており、電流等設定回路１１ｄは、設定電流に基づいて推奨の設定電圧を決定する。なお上記一元電圧とは、推奨環境での定常溶接状態における推奨設定電流であるが、実際の溶接では必ずしも推奨の環境では溶接されず、環境に応じて設定電圧は一元電圧から適宜調整される。ただし表記を簡潔にするため、以後、環境に応じて調整された後の一元電圧についても、単に一元電圧と表記する。
具体的には、電流等設定回路１１ｄは、第１溶接条件が設定された場合、第１溶接条件の設定電流に基づいて、設定電圧（一元電圧）を決定し、決定された設定電圧を示した出力電圧設定信号Ｅｒを電圧制御回路１１ｂへ出力する。同様に、電流等設定回路１１ｄは、第２溶接条件が設定された場合、第２溶接条件の設定電流に基づいて、設定電圧（一元電圧）を決定し、決定された設定電圧を示した出力電圧設定信号Ｅｒを電圧制御回路１１ｂへ出力する。
ただし、電流振幅制御において、溶滴移行形態をスプレー移行で安定化させるためには、設定電圧を一元電圧よりも高めの電圧に補正することが望ましい。具体的には、低電流側の第１溶接電流に対応する設定電圧を一元電圧よりも４Ｖ高めに設定するとよい。なお、第１溶接電流及び第２溶接電流に対応する設定電圧の双方を高めに補正してもよい。
具体的には、電流等設定回路１１ｄは、第１溶接条件が設定された場合、第１溶接条件の設定電流に基づいて、設定電圧（一元電圧）を決定し、決定された設定電圧を示した出力電圧設定信号Ｅｒを電圧制御回路１１ｂへ出力する。同様に、電流等設定回路１１ｄは、第２溶接条件が設定された場合、第２溶接条件の設定電流に基づいて、設定電圧（一元電圧）を決定し、決定された設定電圧を示した出力電圧設定信号Ｅｒを電圧制御回路１１ｂへ出力する。
ただし、電流振幅制御において、溶滴移行形態をスプレー移行で安定化させるためには、設定電圧を一元電圧よりも高めの電圧に補正することが望ましい。具体的には、低電流側の第１溶接電流に対応する設定電圧を一元電圧よりも４Ｖ高めに設定するとよい。なお、第１溶接電流及び第２溶接電流に対応する設定電圧の双方を高めに補正してもよい。
【0032】
本実施形態１に係る溶接電源１は定電圧特性を有する電源として振る舞う。例えば、溶接電源１は、１００Ａの溶接電流Ｉの増加に対する溶接電圧Ｖの低下が２Ｖ以上２０Ｖ以下となる外部特性を記憶している。なお、外部特性は、設定電流及び設定電圧の組合せ毎に異なるものであってもよいし、共通であってもよい。
【0033】
電圧検出部１１ｅは、アーク電圧Ｖを検出し、検出した電圧値を示す電圧値信号Ｖｄを電圧制御回路１１ｂ及び補正部１１ｇへ出力する。
【0034】
電流検出部１１ｆは、例えば、溶接電源１からトーチ２を介して溶接ワイヤ５へ供給され、アーク７ａ、７ｂを流れる溶接電流Ｉを検出し、検出した電流値を示す電流値信号Ｉｄを電圧制御回路１１ｂ、送給速度制御回路１２及び補正部１１ｇへ出力する。
【0035】
電圧制御回路１１ｂは、定電圧特性で動作し、出力電圧設定信号Ｅｒに応じた電圧が電源回路１１ａから出力されるように、電源回路１１ａの動作を制御する回路である。電圧制御回路１１ｂは、溶接電源１の通電経路に存在する電気抵抗Ｒ及びリアクトルＬを電子的に制御し、定電圧特性を実現する。
電圧制御回路１１ｂは、電圧検出部１１ｅから出力された電圧値信号Ｖｄと、電流検出部１１ｆから出力された電流値信号Ｉｄと、電流等設定回路１１ｄから出力された電流設定信号Ｉｒ及び出力電圧設定信号Ｅｒとに基づいて、差分信号Ｅｉを算出し、算出した差分信号Ｅｉを電源回路１１ａへ出力する。差分信号Ｅｉは、検出された電流値と、電源回路１１ａから出力されるべき電流値との差分を示す信号である。
電圧制御回路１１ｂは、電圧検出部１１ｅから出力された電圧値信号Ｖｄと、電流検出部１１ｆから出力された電流値信号Ｉｄと、電流等設定回路１１ｄから出力された電流設定信号Ｉｒ及び出力電圧設定信号Ｅｒとに基づいて、差分信号Ｅｉを算出し、算出した差分信号Ｅｉを電源回路１１ａへ出力する。差分信号Ｅｉは、検出された電流値と、電源回路１１ａから出力されるべき電流値との差分を示す信号である。
【0036】
電源回路１１ａは、商用交流を交直変換するＡＣ－ＤＣコンバータ、交直変換された直流をスイッチングにより所要の交流に変換するインバータ回路、変換された交流を整流する整流回路等を備える。電源回路１１ａは、電圧制御回路１１ｂから出力された差分信号Ｅｉに従って、差分信号Ｅｉが小さくなるようにインバータをＰＷＭ制御し、電圧を溶接ワイヤ５へ出力する。その結果、母材４及び溶接ワイヤ５間に、所定のアーク電圧Ｖが印加され、溶接電流Ｉが通電する。
なお、溶接電源１には、図示しない制御通信線を介して外部から出力指示信号が入力されるように構成されており、電源部１１は、出力指示信号をトリガにして、電源回路１１ａに溶接電流Ｉの供給を開始させる。出力指示信号は、例えば、トーチ２側に設けられた手元操作スイッチが操作された際にトーチ２側から溶接電源１へ出力される信号である。
なお、溶接電源１には、図示しない制御通信線を介して外部から出力指示信号が入力されるように構成されており、電源部１１は、出力指示信号をトリガにして、電源回路１１ａに溶接電流Ｉの供給を開始させる。出力指示信号は、例えば、トーチ２側に設けられた手元操作スイッチが操作された際にトーチ２側から溶接電源１へ出力される信号である。
【0037】
図２は、本実施形態に係るアーク溶接方法の手順を示すフローチャート、図３は、溶接対象の母材４を示す側断面図である。まず、溶接により接合されるべき一対の母材４をアーク溶接装置に配置し、溶接モード、電流振幅制御を利用するか否か等、各種設定を行う（ステップＳ１１１）。具体的には、図３に示すように板状の第１母材４１及び第２母材４２を用意し、被溶接部である端面４１ａ、４２ａを突き合わせて、所定の溶接作業位置に配する。第１母材４１及び第２母材４２は、例えばステンレス鋼である。なお、必要に応じて、第１母材４１及び第２母材４２にＹ形、レ形等の任意形状の開先を設けても良い。また第１及び第２母材４１、４２は、例えば軟鋼、機械構造用炭素鋼、機械構造用合金鋼等の鋼板であってもよい。なお上記は突合せ溶接継手の例の説明であるが、すみ肉溶接継手やＴ継手などを含め、溶接継手の種類によって制限されるものではない。
【0038】
各種設定が行われた後、溶接電源１は、溶接電流Ｉの出力開始条件を満たすか否かを判定する（ステップＳ１１２）。具体的には、溶接電源１は、溶接の出力指示信号が入力されたか否かを判定する。出力指示信号が入力されておらず、溶接電流Ｉの出力開始条件を満たさないと判定した場合（ステップＳ１１２：ＮＯ）、溶接電源１は、出力指示信号の入力待ち状態で待機する。
【0039】
溶接電流Ｉの出力開始条件を満たすと判定した場合（ステップＳ１１２：ＹＥＳ）、溶接電源１は、電流振幅制御を実行するか否かを判定する（ステップＳ１１３）。ユーザは電流振幅制御の利用の有無は選択することができ、溶接電源１は、図示しない操作部にて電流振幅制御の有無の設定を受け付ける。
【0040】
電流振幅制御を実行しないと判定した場合（ステップＳ１１３：ＮＯ）、溶接電源１は、電流振幅制御を用いない溶接制御を実行する（ステップＳ１１４）。電流振幅制御を実行すると判定した場合（ステップＳ１１３：ＹＥＳ）、溶接電源１は、電流振幅制御を用いた溶接制御を実行する（ステップＳ１１５）。また、溶接電源１は、電流振幅制御を行ったときの溶接電源１の平均出力と、中心設定電流のみを設定電流として用いたときの出力との差が小さくなるように、第１溶接条件及び第２溶接条件の設定電流を補正する（ステップＳ１１６）。ステップＳ１１５及びステップＳ１１６の処理の詳細は後述する。
【0041】
ステップＳ１１４又はステップＳ１１６の処理を終えた場合、溶接電源１の電源部１１は、溶接電流Ｉの出力を停止するか否かを判定する（ステップＳ１１７）。具体的には、溶接電源１は、出力指示信号の入力が継続しているか否かを判定する。出力指示信号の入力が継続しており、溶接電流Ｉの出力を停止しないと判定した場合（ステップＳ１１７：ＮＯ）、電源部１１は、処理をステップＳ１１３へ戻し、溶接電流Ｉの出力を続ける。溶接電流Ｉの出力を停止すると判定した場合（ステップＳ１１７：ＹＥＳ）、電源部１１は、処理を終える。
【0042】
＜電流振幅制御＞
図４は電流振幅制御の処理手順を示すフローチャートである。溶接電源１の設定回路１１ｃは、切り換え周期が到来したか否かを判定する（ステップＳ１３１）。切り換え周波数は１Ｈｚ～５Ｈｚであり、設定回路１１ｃは現在の溶接条件が設定されてから、当該切り換え周波数の周期に相当する時間が経過したか否かを判定する。切り換え周期が到来したと判定した場合（ステップＳ１３１：ＹＥＳ）、設定回路１１ｃは、溶接条件を切り換える（ステップＳ１３２）。第１溶接条件が設定されている場合、設定回路１１ｃは、第２溶接条件を設定する。第２溶接条件が設定されている場合、設定回路１１ｃは、第１溶接条件を設定する。なお、溶接開始時、初回においては、第１溶接条件を設定するとよい。
図４は電流振幅制御の処理手順を示すフローチャートである。溶接電源１の設定回路１１ｃは、切り換え周期が到来したか否かを判定する（ステップＳ１３１）。切り換え周波数は１Ｈｚ～５Ｈｚであり、設定回路１１ｃは現在の溶接条件が設定されてから、当該切り換え周波数の周期に相当する時間が経過したか否かを判定する。切り換え周期が到来したと判定した場合（ステップＳ１３１：ＹＥＳ）、設定回路１１ｃは、溶接条件を切り換える（ステップＳ１３２）。第１溶接条件が設定されている場合、設定回路１１ｃは、第２溶接条件を設定する。第２溶接条件が設定されている場合、設定回路１１ｃは、第１溶接条件を設定する。なお、溶接開始時、初回においては、第１溶接条件を設定するとよい。
【0043】
次いで、溶接電源１は、設定電圧を補正する（ステップＳ１３３）。設定電圧として一元電圧をそのまま用いて、電流振幅制御を行うと、短絡が生じ、溶接が不安定化することがある。高電流溶接で溶融金属量が多く、溶接電流Ｉの変動も大きいため、短絡が発生すると、溶接が著しく不安定化すると共に、大粒かつ多量のスパッタが発生する。
【0044】
溶滴移行形態は、主に短絡移行、グロビュール移行、スプレー移行の３形態に分類される。短絡移行は、溶接ワイヤ５が溶融池と短絡及び解放を繰り返す溶滴移行形態であり、低電流域では短絡及び解放サイクルの周期が小さく規則的で、アークは比較的安定する。ただし高電流域では短絡及び解放サイクルの周期が大きく不規則であり、アークは不安定化しやすい。グロビュール移行は、溶滴が溶接ワイヤ５の直径以上の大きさになって移行する形態であり、ドロップ移行と、反発移行とに細分される。反発移行は、溶接ワイヤ５の先端部５ａに、ワイヤ径よりも大きな溶滴が形成され、アークの反力によって押し上げられ、溶滴が不規則で不安定な挙動を示す移行形態である。反発移行になると、アークが不安定化する。スプレー移行は、溶接ワイヤ５より小さい溶滴が移行する形態であり、アークは安定化する。
２５０Ａ以上４００Ａ以下の電流域は、反発移行とスプレー移行の混在領域であり、必ずしも溶滴移行がスプレー移行とならない。溶滴移行が反発移行になると、しばしば不規則な短絡が生じ、アークが不安定化する。
２５０Ａ以上４００Ａ以下の電流域は、反発移行とスプレー移行の混在領域であり、必ずしも溶滴移行がスプレー移行とならない。溶滴移行が反発移行になると、しばしば不規則な短絡が生じ、アークが不安定化する。
【0045】
そこで、溶接電源１は、設定電圧を、溶滴移行形態がスプレー移行となる設定電圧に補正する。具体的には、溶接電源１は、低電流側の第１溶接条件における設定電圧を高めに補正する。より具体的には、４Ｖ高めに設定する。このように設定電圧を補正することによって、溶滴移行形態をスプレー移行で安定化させることができ、短絡を抑制し、溶接を安定化させることができる。なお、第１溶接条件及び第２溶接条件の設定電圧の双方を高めに補正するように構成してもよい。
【0046】
ステップＳ１３３の処理を終えた場合、又は切り換え周期が到来していないと判定した場合（ステップＳ１３１：ＮＯ）、溶接電源１は、設定回路１１ｃによって設定された溶接条件に基づいて、溶接ワイヤ５の送給、電源部１１の出力を制御することによって溶接制御を行う（ステップＳ１３４）。具体的には、溶接電源１の送給速度制御回路１２は、ワイヤの送給を指示する送給指示信号を、ワイヤ送給部３へ出力し、電流設定信号Ｉｒに応じた速度で溶接ワイヤ５を送給させる。また、溶接電源１の電源部１１は、電圧検出部１１ｅ及び電流検出部１１ｆにてアーク電圧Ｖ及び溶接電流Ｉを検出し、検出された溶接電流Ｉ及び溶接電圧Ｖが、設定電流及び設定電圧に対応する外部特性線上に存在するように、電源部１１の出力をＰＷＭ制御する。
埋もれアーク状態を取り得る臨界電流は、溶接ワイヤ５やシールドガスの種類によって異なるが、例えば溶接ワイヤ５としてステンレスソリッドワイヤ、シールドガスとして９８％Ａｒ＋２％Ｏ２混合ガスを用いる場合、平均電流が３５０Ａ以上となる第１溶接条件及び第２溶接条件が設定されると、埋もれアーク状態となる。なお、第１溶接条件又は第２溶接条件の少なくとも一方が、埋もれアークの条件を満たせば良い。上記溶接ワイヤ５及びシールドガスの場合、低電流条件、特に３５０Ａ未満では埋もれアークを維持することが困難であるが、高電流条件時に埋もれアークとなっていれば、深溶込みが得られる。また埋もれアークは、後述の完全埋もれアークと、準埋もれアークとの両方を含む。
電源部１１は、１００Ａの溶接電流Ｉの増加に対するアーク電圧Ｖの低下が２Ｖ以上２０Ｖ以下となる外部特性を有するように構成するとよい。電源部１１の外部特性をこのように設定することにより、埋もれアーク状態を維持することが容易となる。
埋もれアーク状態を取り得る臨界電流は、溶接ワイヤ５やシールドガスの種類によって異なるが、例えば溶接ワイヤ５としてステンレスソリッドワイヤ、シールドガスとして９８％Ａｒ＋２％Ｏ２混合ガスを用いる場合、平均電流が３５０Ａ以上となる第１溶接条件及び第２溶接条件が設定されると、埋もれアーク状態となる。なお、第１溶接条件又は第２溶接条件の少なくとも一方が、埋もれアークの条件を満たせば良い。上記溶接ワイヤ５及びシールドガスの場合、低電流条件、特に３５０Ａ未満では埋もれアークを維持することが困難であるが、高電流条件時に埋もれアークとなっていれば、深溶込みが得られる。また埋もれアークは、後述の完全埋もれアークと、準埋もれアークとの両方を含む。
電源部１１は、１００Ａの溶接電流Ｉの増加に対するアーク電圧Ｖの低下が２Ｖ以上２０Ｖ以下となる外部特性を有するように構成するとよい。電源部１１の外部特性をこのように設定することにより、埋もれアーク状態を維持することが容易となる。
【0047】
図５は、埋もれアーク状態の説明図である。アルゴンを含有するシールドガスを用いる埋もれアーク溶接であって、平均電流が３００Ａ以上の高電流が溶接ワイヤ５に供給され、約５～１００ｍ／分で溶接ワイヤ５が送給されている場合、溶接ワイヤ５の先端部５ａには溶融したワイヤが細長く伸びた液柱８が形成される。また母材４及び溶接ワイヤ５の溶融金属からなる凹状の溶融部分６が母材４に形成される。液柱８の比較的下部と凹状の溶融部分６の間には、輝度の強いアーク７ａが形成される。一方、液柱８の比較的上部あるいは固体の溶接ワイヤ５と凹状の溶融部分６の間には、比較的輝度の弱いアーク７ｂが形成される。
図５Ａは、溶接ワイヤ５あるいは液柱８側における、アーク７ａ及び７ｂの発生点が、凹状の溶融部分６に取り囲まれた埋もれ空間に進入していないアーク状態を示している。図５Ｂは、液柱８側におけるアーク７ｂの発生点のみが埋もれ空間に進入した準埋もれアーク状態、図５Ｃは、溶接ワイヤ５あるいは液柱８側におけるアーク７ａの発生点まで埋もれ空間に進入した完全埋もれアーク状態を示している。
準埋もれアーク溶接あるいは埋もれアーク溶接では、凹状の溶融部分６の底部６１に照射されるアーク７ａ又は７ｂによって、深溶込みが得られる。
図５Ａは、溶接ワイヤ５あるいは液柱８側における、アーク７ａ及び７ｂの発生点が、凹状の溶融部分６に取り囲まれた埋もれ空間に進入していないアーク状態を示している。図５Ｂは、液柱８側におけるアーク７ｂの発生点のみが埋もれ空間に進入した準埋もれアーク状態、図５Ｃは、溶接ワイヤ５あるいは液柱８側におけるアーク７ａの発生点まで埋もれ空間に進入した完全埋もれアーク状態を示している。
準埋もれアーク溶接あるいは埋もれアーク溶接では、凹状の溶融部分６の底部６１に照射されるアーク７ａ又は７ｂによって、深溶込みが得られる。
【0048】
図６は、実施形態１に係る溶接条件の切り換え方法を示すタイミングチャートである。横軸は時間、縦軸は設定電流を示している。ステップＳ１３１～ステップＳ１３３の処理によって、第１及び第２溶接条件が周期的に切り換えられ、図６に示すように、第１溶接電流及び第２の溶接電流の設定値が周期的に変動する。
このように、溶接電流Ｉの中心設定電流を３５０Ａ以上、電流変動幅を５０Ａ以上１５０Ａ以下とする第１溶接条件及び第２溶接条件を１Ｈｚ以上５Ｈｚ以下の周期で切り換えて変動させることによって、溶融金属を振動させ、ブローホールの発生を抑制することができる。
このように、溶接電流Ｉの中心設定電流を３５０Ａ以上、電流変動幅を５０Ａ以上１５０Ａ以下とする第１溶接条件及び第２溶接条件を１Ｈｚ以上５Ｈｚ以下の周期で切り換えて変動させることによって、溶融金属を振動させ、ブローホールの発生を抑制することができる。
【0049】
＜出力補正＞
図７は、出力補正の処理手順を示すフローチャート、図８及び図９は、出力補正を示す説明図である。図８及び図９中、横軸は電流及び縦軸は電圧を示している。黒丸は、電流振幅制御を用いる場合における中心設定電流及び中心設定電圧を示している。太線は、当該中心設定電流及び中心設定電圧に基づく外部特性線を示している。電流振幅制御を用いない場合は、溶接電源１によって、溶接電流及び溶接電圧がこの外部特性線で表される関係を満たすように出力制御される。
図７は、出力補正の処理手順を示すフローチャート、図８及び図９は、出力補正を示す説明図である。図８及び図９中、横軸は電流及び縦軸は電圧を示している。黒丸は、電流振幅制御を用いる場合における中心設定電流及び中心設定電圧を示している。太線は、当該中心設定電流及び中心設定電圧に基づく外部特性線を示している。電流振幅制御を用いない場合は、溶接電源１によって、溶接電流及び溶接電圧がこの外部特性線で表される関係を満たすように出力制御される。
【0050】
溶接電源１は、電圧検出部１１ｅ及び電流検出部１１ｆにて、電流振幅制御を用いて溶接を行っているときの溶接電圧及び溶接電流を検出する（ステップＳ１５１）。そして、溶接電源１の補正部１１ｇは、電圧検出部１１ｅ及び電流検出部１１ｆによって検出された溶接電圧及び溶接電流に基づいて、平均溶接電圧及び平均溶接電流を算出する（ステップＳ１５２）。
【0051】
図８及び図９中、星印は、平均溶接電圧及び平均溶接電流で定まる仮想的な安定動作点を示している。実際には、電流振幅制御により、溶接電流及び溶接電圧は周期的に切り換えられて変動しているため、厳密な意味で安定動作点は一点に定まらない。ここでは、平均溶接電圧及び平均溶接電流を定常的な仮想の溶接電圧及び溶接電流として考え、この溶接電圧及び溶接電流で定まる動作点を、仮想安定動作点と呼んでいる。
【0052】
次いで、補正部１１ｇは、図９中破線で示すように、仮想安定動作点がのる外部特性線を特定する（ステップＳ１５３）。溶接電源１は、設定電流及び設定電圧の組合せに対応する複数の外部特性を記憶している。補正部１１ｇは、設定電流及び設定電圧の組合せに対応付けられた複数の外部特性の中から、検出された前記平均溶接電流及び前記平均溶接電圧を出力することができる外部特性を与える仮想の設定電流を特定する。
【0053】
補正部１１ｇは、ステップＳ１５３で特定した外部特性線に係る設定電流（以下、仮想設定電流と呼ぶ）と、中心設定電流との差分ΔＩを算出する（ステップＳ１５４）。そして、補正部１１ｇは、差分ΔＩに基づいて、中心設定電流を補正する（ステップＳ１５５）。具体的には、補正部１１ｇは、ステップＳ１５３で特定した外部特性線に係る設定電流から中心設定電流を減算した差分ΔＩを算出する。そして、補正部１１ｇは、第１溶接電流から差分ΔＩを減算することによって、溶接電流を補正する。同様に補正部１１ｇは第２溶接電流から差分ΔＩを減算することによって、溶接電流を補正する。
【0054】
図９に示すように、仮想動作点で定まる外部特性線と、中心設定電流で定まる外部特性線とが乖離している場合、仮想動作点で定まる外部特性線における仮想設定電流と、中心設定電流との差分だけ、出力が過大になっていると考えられる。そこで、中心設定電流を差分ΔＩだけ小さく設定することによって、電流振幅制御を行ったときの出力と、中心設定電流を設定電流として用いた定電流溶接を行ったときの出力との差を小さくすることができる。
【0055】
図１０は、出力補正例を示す説明図である。図１０Ａは溶接電流補正前の状態、図１０Ｂは溶接電流補正後の状態を示している。例えば、溶接ワイヤ５としてワイヤ径１．６ｍｍのステンレスソリッドワイヤを用い、シールドガスとして９８％アルゴン＋２％酸素Ｏ２を用いる。補正前の中心設定電流は４００Ａである。電流振幅制御を行う場合、溶接電源１は、４００Ａを中心設定電流として、例えば振幅を１００Ａで溶接電流を２Ｈｚで周期的に変動させて埋もれアーク溶接を行う。
このとき実際に出力された平均溶接電流は４５０Ａであり、仮想安定動作点は星印で示す点になったとする。仮想安定動作点は、破線で示す外部特性線にある。この外部特性線における仮想設定電流及びそれに対応する一元電圧は白丸で示す点にあり、この仮想設定電流は４２０Ａである。
この場合、補正前は、設定電流４２０Ａに対応する出力が得られていると考えられる。そこで、溶接電源１は、図１０Ｂに示すように、補正前の中心設定電流４００Ａから差分２０Ａ（＝４２０Ａ－４００Ａ）を減算することにより、補正する。補正後の中心設定電流は３８０Ａである。補正後の中心設定電流３８０Ａを用いて電流振幅制御を行うと、図１０Ｂ中の星印で示すように仮想安定動作点は、およそ設定電流４００Ａに対応する外部特性線上に移動する。中心設定電流の補正により、溶接電源１の出力は、設定電流４００Ａで、電流振幅制御を行わない場合に想定される出力と同等になる。
このとき実際に出力された平均溶接電流は４５０Ａであり、仮想安定動作点は星印で示す点になったとする。仮想安定動作点は、破線で示す外部特性線にある。この外部特性線における仮想設定電流及びそれに対応する一元電圧は白丸で示す点にあり、この仮想設定電流は４２０Ａである。
この場合、補正前は、設定電流４２０Ａに対応する出力が得られていると考えられる。そこで、溶接電源１は、図１０Ｂに示すように、補正前の中心設定電流４００Ａから差分２０Ａ（＝４２０Ａ－４００Ａ）を減算することにより、補正する。補正後の中心設定電流は３８０Ａである。補正後の中心設定電流３８０Ａを用いて電流振幅制御を行うと、図１０Ｂ中の星印で示すように仮想安定動作点は、およそ設定電流４００Ａに対応する外部特性線上に移動する。中心設定電流の補正により、溶接電源１の出力は、設定電流４００Ａで、電流振幅制御を行わない場合に想定される出力と同等になる。
【0056】
なお、図１０Ｂに示すように、補正後の仮想安定動作点は、黒丸で示す補正前の設定電流及び一元電圧に一致していないが、本実施形態１は、仮想安定動作点を標準の設定電流及び一元電圧に一致させることを目的とするものではない。電流振幅制御を用いた溶接を行ったときの出力を、電流振幅制御を用いずに溶接を行ったときの実際の出力に合わせることを目的としている。つまり、仮想安定動作点を、中心設定電流に係る溶接条件で電流振幅制御を用いずに溶接を行ったときの動作点（当該動作点は、当該中心設定電流に基づく外部特性線上にある）に一致させ、又は近づけることによって、出力を合わせることを目的としているため、必ずしも補正後の仮想安定動作点は、設定電流及び一元電圧に一致するとは限らない。
【0057】
以上の制御により、電流振幅制御を用いたときも、電流振幅制御を用いないときの溶接電源１の出力と同程度の出力を得ることができる。
【0058】
＜電流振幅制御の作用効果＞
図１１は、溶接継手を模式的に示す断面図である。図１１Ａは非埋もれアーク溶接によって得られる溶接継手の断面図であり、図１１Ｂは埋もれアーク溶接によって得られる溶接継手の断面図である。埋もれアーク溶接では、図１１Ｂに示すように、ビード９中央部の溶込みが通常のアーク溶接で得られるビード９よりも深い、いわゆるフィンガー状の溶込みを呈する。この傾向は、シールドガス中のＡｒ含有量が増加するほど顕著であり、最深部にブローホールが残留しやすいことが知られている。またアルゴンは不活性ガスであり、溶融金属内に巻き込まれるとブローホールの一因となる。従って、アルゴンを含有するシールドガスを用いる埋もれアーク溶接では、ブローホールが非常に発生しやすい。
図１１は、溶接継手を模式的に示す断面図である。図１１Ａは非埋もれアーク溶接によって得られる溶接継手の断面図であり、図１１Ｂは埋もれアーク溶接によって得られる溶接継手の断面図である。埋もれアーク溶接では、図１１Ｂに示すように、ビード９中央部の溶込みが通常のアーク溶接で得られるビード９よりも深い、いわゆるフィンガー状の溶込みを呈する。この傾向は、シールドガス中のＡｒ含有量が増加するほど顕著であり、最深部にブローホールが残留しやすいことが知られている。またアルゴンは不活性ガスであり、溶融金属内に巻き込まれるとブローホールの一因となる。従って、アルゴンを含有するシールドガスを用いる埋もれアーク溶接では、ブローホールが非常に発生しやすい。
【0059】
図１２は、本実施形態１に係る電流振幅制御を行わなかったときの溶接継手の放射線透過試験結果を示す画像である。例えばステンレス鋼板ＳＵＳ３０４に対して、ステンレスソリッドワイヤを用いて、溶接電流４００Ａ、溶接速度３０ｃｍ／分で埋もれアーク溶接を行うと、図１２の放射線透過試験結果のように多くのブローホールが発生する。
【0060】
そこで本実施形態１では、溶接電流Ｉの中心設定電流を３５０Ａ以上、電流変動幅を５０Ａ以上１５０Ａ以下とする第１溶接条件及び第２溶接条件を１Ｈｚ以上５Ｈｚ以下の周期で切り換えて変動させることによって、ブローホールの発生を抑制する。
【0061】
図１３は、本実施形態１に係る電流振幅制御を行ったときの溶接継手の放射線透過試験結果を示す画像である。図１３中、「Ａ（優）」は、ブローホールが発生していないことを示し、「Ｂ（良）」は、ブローホールの発生量が減少していることを示し、「Ｃ（可）」は、ブローホールの発生量がやや減少していることを示す。
図１３中段に示すように、例えば、平均溶接電流（中心設定電流）４００Ａ、アーク電圧３１．５Ｖ、ワイヤ突出し長さ２０ｍｍ、溶接速度３０ｃｍ／分の条件で、母材４としてステンレス鋼板ＳＵＳ３０４、溶接ワイヤ５としてステンレスソリッドワイヤを用いて溶接を行うとき、溶接電流Ｉを３００Ａとする第１溶接条件と、溶接電流Ｉを５００Ａとする第２溶接条件とを、周波数２Ｈｚ又は３Ｈｚで変動させて溶接を行うことにより、ブローホールの発生を抑制することができる。なお、上記第１溶接条件と、第２溶接条件とを、周波数１Ｈｚで変動させた場合、周波数２Ｈｚ以上の場合と比べて効果は劣るものの、ブローホールの発生量を低減させることはできる。
また、図１３上段に示すように、上記と同様の条件で、溶接電流Ｉを３５０Ａとする第１溶接条件と、溶接電流Ｉを４５０Ａとする第２溶接条件とを、周波数１Ｈｚ以上で変動させて溶接を行うことにより、ブローホールの発生量をやや低減させることができる。
更に、図１３下段に示すように、上記と同様の条件で、溶接電流Ｉを２５０Ａとする第１溶接条件と、溶接電流Ｉを５５０Ａとする第２溶接条件とを、周波数１Ｈｚで変動させて溶接を行うことにより、ブローホールの発生を抑制することができる。
以上の放射線透過試験の結果から、電流変動幅を５０Ａ以上、より好ましくは１００Ａ以上とすることで、ブローホールを効果的に抑制することができることが分かる。また変動周波数を１Ｈｚ以上、より好ましくは２Ｈｚ以上とすることで、ブローホールを効果的に抑制することができることが分かる。
図１３中段に示すように、例えば、平均溶接電流（中心設定電流）４００Ａ、アーク電圧３１．５Ｖ、ワイヤ突出し長さ２０ｍｍ、溶接速度３０ｃｍ／分の条件で、母材４としてステンレス鋼板ＳＵＳ３０４、溶接ワイヤ５としてステンレスソリッドワイヤを用いて溶接を行うとき、溶接電流Ｉを３００Ａとする第１溶接条件と、溶接電流Ｉを５００Ａとする第２溶接条件とを、周波数２Ｈｚ又は３Ｈｚで変動させて溶接を行うことにより、ブローホールの発生を抑制することができる。なお、上記第１溶接条件と、第２溶接条件とを、周波数１Ｈｚで変動させた場合、周波数２Ｈｚ以上の場合と比べて効果は劣るものの、ブローホールの発生量を低減させることはできる。
また、図１３上段に示すように、上記と同様の条件で、溶接電流Ｉを３５０Ａとする第１溶接条件と、溶接電流Ｉを４５０Ａとする第２溶接条件とを、周波数１Ｈｚ以上で変動させて溶接を行うことにより、ブローホールの発生量をやや低減させることができる。
更に、図１３下段に示すように、上記と同様の条件で、溶接電流Ｉを２５０Ａとする第１溶接条件と、溶接電流Ｉを５５０Ａとする第２溶接条件とを、周波数１Ｈｚで変動させて溶接を行うことにより、ブローホールの発生を抑制することができる。
以上の放射線透過試験の結果から、電流変動幅を５０Ａ以上、より好ましくは１００Ａ以上とすることで、ブローホールを効果的に抑制することができることが分かる。また変動周波数を１Ｈｚ以上、より好ましくは２Ｈｚ以上とすることで、ブローホールを効果的に抑制することができることが分かる。
【0062】
以上の通り、本実施形態１に係るアーク溶接方法及びアーク溶接装置によれば、アルゴンを含有するシールドガスを用いた、平均溶接電流が３５０Ａ以上の消耗電極式のアーク溶接において、ブローホールの発生を抑制することができ、しかも電流振幅制御を行う場合の平均出力を、電流振幅制御を行わない場合の出力と同定に制御することができる。
【0063】
また、本実施形態１によれば、埋もれアーク溶接により深溶込みが得られると共に、ブローホールの発生を抑制することができる。
【0064】
更に、定電流側の設定電圧を一元電圧よりも高めに補正することによって、溶滴移行形態をスプレー移行化し、溶接を安定化することができる。
【0065】
更にまた、本実施形態１によれば、ステンレス鋼の埋もれアーク溶接において、ブローホールの発生を効果的に抑制することができる。
【0066】
なお、本実施形態１では、第１溶接条件と、第２溶接条件の２条件を周期的に変動させる例を説明したが、３つ以上の溶接条件を周期的に切り換えるように構成してもよい。
【0067】
また、本実施形態１では主に埋もれアーク溶接におけるブローホールの発生を抑制する例を説明したが、非埋もれアーク溶接に本発明を適用してもよい。
【0068】
更に、本実施形態１では、定常的に溶接電流を補正する例を説明したが、補正タイミングは特に限定されるものではない。設定電流の切り換えタイミングで補正処理を実行しても良いし、半周期、２周期毎等、適宜のタイミングで補正処理を実行すればよい。
【0069】
更にまた、本実施形態では、中心設定電流、又は第１及び第２設定電流から差分ΔＩを減算することによって、溶接電流を補正する例を説明したが、差分ΔＩに１倍超のゲインを乗じて補正前溶接電流から減算するようにしてもよい。
【0070】
（実施形態２）
実施形態２に係るアーク溶接方法及びアーク溶接装置は、更に設定電圧を１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下で変動させる点が実施形態１と異なるため、以下では主に上記相違点を説明する。その他の構成及び作用効果は実施形態１と同様であるため、対応する箇所には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
実施形態２に係るアーク溶接方法及びアーク溶接装置は、更に設定電圧を１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下で変動させる点が実施形態１と異なるため、以下では主に上記相違点を説明する。その他の構成及び作用効果は実施形態１と同様であるため、対応する箇所には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
【0071】
図１４は本実施形態２に係る溶接条件の切り換え方法を示すタイミングチャートである。図１４中、横軸は時間、図１４Ａの縦軸は設定電流Ｉを示し、図１４Ｂの縦軸は設定電圧を示している。ただし、図１４Ａは、第１及び第２溶接条件に対応する第１溶接電流及び第２溶接電流の設定値を示しており、設定電圧の高周波振動による変動は図示されていない。
【0072】
実施形態２に係る電圧制御回路１１ｂは、電流振幅制御において、更に、設定電圧を１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下の周波数、好ましくは５０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下の周波数、より好ましくは８０Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下の周波数で設定電圧を周期的に変動させる。設定電圧の変動により、出力される溶接電流Ｉは例えば電流振幅５０Ａ以上で変動する。
【0073】
実施形態２に係るアーク溶接方法及びアーク溶接装置によれば、微振動によって溶融池を安定化させることによってビード９の乱れ及び垂れの発生を防止することができ、かつ１Ｈｚ以上５Ｈｚの周波数で溶融池をゆっくりかつ大きく振動させることによって、ブローホールの発生を抑制することができる。
【符号の説明】
【0074】
１溶接電源、２トーチ、３ワイヤ送給部、４母材、５溶接ワイヤ、６溶融部分、１１電源部、１１ａ電源回路、１１ｂ電圧制御回路、１１ｃ設定回路、１１ｄ電流等設定回路、１１ｇ補正部、１２送給速度制御回路
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】