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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-10-28
(45)【発行日】2022-11-08
(54)【発明の名称】消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法
(51)【国際特許分類】
B23K 9/173 20060101AFI20221031BHJP
【ＦＩ】
B23K9/173 C
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2018145839
(22)【出願日】2018-08-02
(65)【公開番号】P2020019051
(43)【公開日】2020-02-06
【審査請求日】2021-03-24
(73)【特許権者】
【識別番号】306022513
【氏名又は名称】日鉄エンジニアリング株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000637
【氏名又は名称】特許業務法人樹之下知的財産事務所
(72)【発明者】
【氏名】大田 誠大
(72)【発明者】
【氏名】木坂 有治
(72)【発明者】
【氏名】木村 文映
【審査官】後藤 泰輔
(56)【参考文献】
【文献】特開２００７－０４４７３６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭４８－０７６７４８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０９－００１３２７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１６－５３０１０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６３－１５７７６６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６１－１１５６８２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－０３０８４１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２３Ｋ ９／０９５、９／１２、９／１２７、９／１７３
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
溶接対象物の開先内に溶接ワイヤを導入しつつ前記溶接ワイヤの周囲に不活性シールドガスを供給する消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法であって、前記溶接ワイヤの先端から前記開先の底部に向けて高周波パルスアークを発生させ、前記高周波パルスアークに向けて活性ガスを局所的に添加しつつ溶接するとともに、
前記溶接ワイヤの先端から前記開先の底部に至る高周波パルスアークの長さを、前記溶接ワイヤの先端と前記開先の内壁との距離よりも短く維持することを特徴とする消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法。
【請求項2】
請求項１に記載した消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法において、前記溶接ワイヤの先端から前記開先の底部に至る前記アークの長さを２ｍｍ以下に維持することを特徴とする消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法。
【請求項3】
請求項１または請求項２に記載した消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法において、前記溶接ワイヤと前記開先との間の印加電圧の平均値を１５Ｖ以上かつ２１Ｖ以下とすることで、前記溶接ワイヤの先端から前記開先の底部に至る前記アークの長さを制御することを特徴とする消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法。
【請求項4】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載した消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法において、前記開先がベベル角１０度以下であることを特徴とする消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法に関する。
【背景技術】
【0002】
金属材料の接合方法の一つとして、消耗電極式ガスシールドアーク溶接が用いられる場合がある。この溶接方法では、Ａｒ等の不活性ガスもしくはＣＯ２等の活性ガスをシールドガスとして用いることでアークや溶融池を大気（窒素と酸素）から遮断する。
消耗電極式ガスシールドアーク溶接のうち、ＭＩＧ溶接は、Ａｒ等の不活性ガスを専らシールドガスとして用いる。しかしながら、Ａｒ１００％のガスを用いて溶接した場合、母材表面に電子の放出点である陰極点が時々刻々広範囲にわたって移動し、安定したアークが維持できなくなり、溶接ビードが蛇行する現象が見られる。
そこで、通常は微量の酸素源(酸素ガスもしくは炭酸ガス)をシールドガス中に混合し、溶融池表面に安定的な陰極点となる酸化物を常時生成させることで、安定したアークを得ることがなされている。
消耗電極式ガスシールドアーク溶接のうち、ＭＩＧ溶接は、Ａｒ等の不活性ガスを専らシールドガスとして用いる。しかしながら、Ａｒ１００％のガスを用いて溶接した場合、母材表面に電子の放出点である陰極点が時々刻々広範囲にわたって移動し、安定したアークが維持できなくなり、溶接ビードが蛇行する現象が見られる。
そこで、通常は微量の酸素源(酸素ガスもしくは炭酸ガス)をシールドガス中に混合し、溶融池表面に安定的な陰極点となる酸化物を常時生成させることで、安定したアークを得ることがなされている。
【0003】
しかし、溶接金属中に多量の酸素が含まれると、溶接金属の靱性の低下を招くことが知られている。このため、溶接金属に含まれる酸素量を低減させることが求められている。
この要求に対し、特許文献１では、酸素分を含む異種ガスを間欠的に添加することで、連続的な添加よりも溶接金属中の酸化成分濃度を低減させること、および、異種ガスの添加を、ワイヤ先端（消耗電極の先端）近傍に局所的に行うことで、酸素添加量を低減することが提案されている。
なお、特許文献１は、狭隘開先でのアークの安定化を図るものであり、そのために異種ガスの間欠的な添加とともに、ガス添加に同期してアーク電流を間欠的に変化させることにより、アークを開先内で上下に変位させている。
一方、特許文献２では、特殊なノズルを装着した溶接トーチを用い、不活性ガスで消耗電極をシールドしつつ、溶融池外縁に向けて酸素を含む活性ガスを局所的に吹き込むことで、アークを安定化させつつ、溶接金属中の酸素量を低減することが提案されている。
この要求に対し、特許文献１では、酸素分を含む異種ガスを間欠的に添加することで、連続的な添加よりも溶接金属中の酸化成分濃度を低減させること、および、異種ガスの添加を、ワイヤ先端（消耗電極の先端）近傍に局所的に行うことで、酸素添加量を低減することが提案されている。
なお、特許文献１は、狭隘開先でのアークの安定化を図るものであり、そのために異種ガスの間欠的な添加とともに、ガス添加に同期してアーク電流を間欠的に変化させることにより、アークを開先内で上下に変位させている。
一方、特許文献２では、特殊なノズルを装着した溶接トーチを用い、不活性ガスで消耗電極をシールドしつつ、溶融池外縁に向けて酸素を含む活性ガスを局所的に吹き込むことで、アークを安定化させつつ、溶接金属中の酸素量を低減することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２００１－２４６４７１号公報
【文献】特開２００７－４４７３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
前述した特許文献２の溶接方法では、簡単なノズル構造で局所的な添加ガス吹込みを行うことができ、溶接金属中の酸素量の低減に効果的である。しかし、狭隘開先での溶接に対して、特許文献２の添加ガス吹込みを適用すると、アークが安定しないという問題があった。
一方、特許文献１の溶接方法では、電極先端位置を上下に振ることで、狭隘開先でも安定したアークが得られる。しかし、特許文献１では、添加ガスを間欠的に吹込み、これに同期してアーク電流を間欠的に変動させるなど、複雑な構成が必要という問題があった。
一方、特許文献１の溶接方法では、電極先端位置を上下に振ることで、狭隘開先でも安定したアークが得られる。しかし、特許文献１では、添加ガスを間欠的に吹込み、これに同期してアーク電流を間欠的に変動させるなど、複雑な構成が必要という問題があった。
【0006】
本発明の目的は、簡単な構造で溶接金属中の酸素量を低減でき、狭隘開先でも安定したアークが得られる消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法は、溶接対象物の開先内に溶接ワイヤを導入しつつ前記溶接ワイヤの周囲に不活性シールドガスを供給する消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法であって、前記溶接ワイヤの先端から前記開先の底部に向けて、前記溶接ワイヤの先端から前記開先の内壁までの距離よりも短いアークを発生させ、前記アークに向けて活性ガスを局所的に添加しつつ溶接することを特徴とする。
【0008】
本発明において、アークの長さは、基本的に＋側の電極となる溶接ワイヤ先端から開先底部までの距離とすることができる。溶接ワイヤ先端から開先内壁までの距離は、例えば溶接ワイヤをウィービングさせる等、状況により変化する場合には、溶接ワイヤ先端と開先内壁との最接近時の最短距離とすることができる。開先底部と開先内壁とが連続的である場合、電極の延長線上にあたる開先最奥部が開先底部にあたり、電極の側方に臨む部分が開先内壁とする。
アークの長さを溶接ワイヤ先端から開先内壁までの距離よりも短い状態に維持する手段としては、例えば、溶接ワイヤへの印加電圧の調整、印加電流の高周波パルス化、溶接ワイヤの導入速度の制御などが利用でき、これらを組み合わせ用いてもよい。
アークの長さを溶接ワイヤ先端から開先内壁までの距離よりも短い状態に維持する手段としては、例えば、溶接ワイヤへの印加電圧の調整、印加電流の高周波パルス化、溶接ワイヤの導入速度の制御などが利用でき、これらを組み合わせ用いてもよい。
【0009】
本発明では、添加ガスを局所的に添加するため、全体に添加される場合よりも添加量の総量を低減でき、結果として溶接金属中に残存する酸素量を低減できる。また、添加ガスにより、微量の酸素源を供給することで、アークを安定させることができる。
とくに、溶接中に、溶接ワイヤ先端から開先底部に至るアークを、溶接ワイヤ先端から開先内壁までの距離よりも短い状態に維持することで、狭隘開先であっても、溶接ワイヤ先端から開先内壁に向かうアークの這い上がりを防止し、安定したアークが得られる。
とりわけ、アーク長さを２ｍｍ以下とすることで、狭隘開先の形状などに拘わらず、あるいは、溶接条件などに拘わらず、安定したアークが得られる。
このように、本発明では、アーク長さの制御によりアークの安定化が実現でき、複雑な構成が必要ないため、溶接装置を簡単な構造とすることができる。
とくに、溶接中に、溶接ワイヤ先端から開先底部に至るアークを、溶接ワイヤ先端から開先内壁までの距離よりも短い状態に維持することで、狭隘開先であっても、溶接ワイヤ先端から開先内壁に向かうアークの這い上がりを防止し、安定したアークが得られる。
とりわけ、アーク長さを２ｍｍ以下とすることで、狭隘開先の形状などに拘わらず、あるいは、溶接条件などに拘わらず、安定したアークが得られる。
このように、本発明では、アーク長さの制御によりアークの安定化が実現でき、複雑な構成が必要ないため、溶接装置を簡単な構造とすることができる。
【0010】
本発明の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法において、前記溶接ワイヤの先端から前記開先の底部に至る前記アークの長さを２ｍｍ以下に維持することが好ましい。
このような本発明では、アーク長さを２ｍｍ以下とすることで、溶接ワイヤ先端から開先内壁に向かうアークを効果的に防止することができ、溶接ワイヤ先端から開先底部に至るアークを安定させることができる。
このような本発明では、アーク長さを２ｍｍ以下とすることで、溶接ワイヤ先端から開先内壁に向かうアークを効果的に防止することができ、溶接ワイヤ先端から開先底部に至るアークを安定させることができる。
【0011】
本発明の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法において、前記溶接ワイヤと前記開先との間の印加電圧の平均値を１５Ｖ以上かつ２１Ｖ以下とすることで、前記溶接ワイヤの先端から前記開先の底部に至る前記アークの長さを制御することが好ましい。
このような本発明では、溶接ワイヤと開先（開先が形成される溶接対象物）との間の印加電圧の平均値を調整することで、溶接ワイヤ先端から開先底部に至るアークの長さを短くすることができ、操作および装置構成を簡素化できる。
このような本発明では、溶接ワイヤと開先（開先が形成される溶接対象物）との間の印加電圧の平均値を調整することで、溶接ワイヤ先端から開先底部に至るアークの長さを短くすることができ、操作および装置構成を簡素化できる。
【0012】
本発明の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法において、前記溶接ワイヤと前記開先との間の印加電圧制御を高周波パルスアークとすることで、前記溶接ワイヤの先端から前記開先の底部に至る前記アークの長さを制御することが好ましい。
このような本発明では、溶接ワイヤ先端から開先底部に至るアークが高周波パルスアークとなり、印加電圧の平均値を低くしても瞬間的な電流強度を確保して安定的なアークを得ることができ、溶接ワイヤ先端から開先底部に至るアークの長さを短くすることができ、操作および装置構成を簡素にできる。
このような本発明では、溶接ワイヤ先端から開先底部に至るアークが高周波パルスアークとなり、印加電圧の平均値を低くしても瞬間的な電流強度を確保して安定的なアークを得ることができ、溶接ワイヤ先端から開先底部に至るアークの長さを短くすることができ、操作および装置構成を簡素にできる。
【0013】
本発明の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法において、前記開先がベベル角１０度以下であることが好ましい。
このような本発明では、既存のガスシールドアーク溶接では容易でなかったベベル角１０度以下の狭隘開先においても、安定したアークを生成しつつ溶接金属中の酸素量を低減することができる。
このような本発明では、既存のガスシールドアーク溶接では容易でなかったベベル角１０度以下の狭隘開先においても、安定したアークを生成しつつ溶接金属中の酸素量を低減することができる。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、簡単な構造で溶接金属内の酸素量を低減でき、狭隘開先でも安定したアークが得られる消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本発明の一実施形態の溶接トーチを示す縦断面図。
【図2】前記実施形態の溶接トーチを示す横断面図。
【図3】前記実施形態の開先および電極を示す模式図。
【図4】前記実施形態のウィービング動作を示す模式図。
【図5】前記実施形態のアークが長い場合を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１および図２において、本実施形態で用いる溶接トーチ１は、局所パルスガス添加が可能なノズル２０を有する。
溶接トーチ１の中心には筒状のチップ１１が設置され、このチップ１１には消耗電極であるワイヤ２（溶接ワイヤ）が挿通されている。
ワイヤ２は、ワイヤ供給装置３１から溶接部分へ所定の速度Ｖｗで供給され、チップ１１を通して溶接トーチ１の先端側（図１下方）へ送り出される。
チップ１１には電源装置３２が接続され、ワイヤ２と溶接対象物（後述する母材９）との間に所定の電圧Ｅｗが印加される。
図１および図２において、本実施形態で用いる溶接トーチ１は、局所パルスガス添加が可能なノズル２０を有する。
溶接トーチ１の中心には筒状のチップ１１が設置され、このチップ１１には消耗電極であるワイヤ２（溶接ワイヤ）が挿通されている。
ワイヤ２は、ワイヤ供給装置３１から溶接部分へ所定の速度Ｖｗで供給され、チップ１１を通して溶接トーチ１の先端側（図１下方）へ送り出される。
チップ１１には電源装置３２が接続され、ワイヤ２と溶接対象物（後述する母材９）との間に所定の電圧Ｅｗが印加される。
【0017】
チップ１１の外側にはオリフィス１２が形成され、オリフィス１２を通して整流されたシールドガスＧｓは、溶接トーチ１の先端側の開口１３を通してチップ１１の外周に沿って送り出され、溶接トーチ１の先端側に向かうシールドガスＧｓの流れが形成される。
【0018】
ノズル２０は、外周面が先端部２１に向けて円錐状に縮径された筒状の部材であり、先端部２１と反対側は溶接トーチ１の本体に嵌合されている。
ノズル２０には、リング状のキャビティ２２が形成され、キャビティ２２にはノズル２０の内周面へと抜ける通路２３が連通されている。
キャビティ２２には外部の添加ガス供給装置３４から添加ガスＧｄが供給され、キャビティ２２に供給された添加ガスＧｄは、通路２３を通して導かれ、チップ１１から送り出されたワイヤ２の外周面に向けて局所的に吹き付けられる。
ノズル２０には、リング状のキャビティ２２が形成され、キャビティ２２にはノズル２０の内周面へと抜ける通路２３が連通されている。
キャビティ２２には外部の添加ガス供給装置３４から添加ガスＧｄが供給され、キャビティ２２に供給された添加ガスＧｄは、通路２３を通して導かれ、チップ１１から送り出されたワイヤ２の外周面に向けて局所的に吹き付けられる。
【0019】
図３において、溶接トーチ１による溶接を行う際には、溶接対象物である母材９に開先８を形成しておく。
本実施形態において、開先８は、ベベル角（母材９の底面の法線に対する内壁７の傾斜角度）が１０度以下の狭隘開先とされている。
開先８の溶接にあたって、溶接トーチ１の先端部２１からは十分な長さのワイヤ２が引き出されており、溶接トーチ１はノズル２０が開先８の外にあり、ワイヤ２が開先８の内にある状態に配置される。
本実施形態において、開先８は、ベベル角（母材９の底面の法線に対する内壁７の傾斜角度）が１０度以下の狭隘開先とされている。
開先８の溶接にあたって、溶接トーチ１の先端部２１からは十分な長さのワイヤ２が引き出されており、溶接トーチ１はノズル２０が開先８の外にあり、ワイヤ２が開先８の内にある状態に配置される。
【0020】
溶接トーチ１と母材９との間に所定の電圧Ｅｗを印加すると、ワイヤ２の先端３とこれに対向する開先８の底部６との間にアークＡｎが形成される。
開先８の底部６には、アークＡｎの熱により溶融池５が形成される。アークＡｎからのプラズマ気流により、溶融池５の表面には凹部が形成されることがある。
開先８の底部６には、アークＡｎの熱により溶融池５が形成される。アークＡｎからのプラズマ気流により、溶融池５の表面には凹部が形成されることがある。
【0021】
図４に示すように、溶接作業の間には、溶接トーチ１のウィービング動作が行われる。
ウィービング動作では、作業者またはロボットアーム等により、溶接トーチ１がワイヤ２の交差方向に往復移動され、ワイヤ２の先端３が開先８の底部６に沿って変位される。
ウィービング動作において、ノズル２０を開先８の外に配置しておけば、ワイヤ２は開先８の内壁７の近傍まで接近でき、開先８の底部６の全幅にわたり変位可能である。
ウィービング動作により、ワイヤ２の先端３からのアークＡｎが開先８の底部６の全幅にわたり適用され、品質のよい溶接を行うことができる。
ウィービング動作では、作業者またはロボットアーム等により、溶接トーチ１がワイヤ２の交差方向に往復移動され、ワイヤ２の先端３が開先８の底部６に沿って変位される。
ウィービング動作において、ノズル２０を開先８の外に配置しておけば、ワイヤ２は開先８の内壁７の近傍まで接近でき、開先８の底部６の全幅にわたり変位可能である。
ウィービング動作により、ワイヤ２の先端３からのアークＡｎが開先８の底部６の全幅にわたり適用され、品質のよい溶接を行うことができる。
【0022】
ウィービング動作において、ワイヤ２が開先８の内壁７に接近した際、本来は先端３からワイヤ２の延長方向に延びて開先８の底部６に至るアークＡｎ（図４参照）が形成されるが、溶接環境や条件によって、先端３からワイヤ２と交差する方向に延びて内壁７に至るアークＡｓ（図５参照）が形成されることがある。
このようなアークＡｓの発生は、ワイヤ２の突き出し長さ、シールドガスＧｓや添加ガスＧｄの組成や吹き込み条件などに依存する。
さらに、同じ条件下でも、アークＡｎであったものが、時間経過によってアークＡｓに変化する（向きが底部６から内壁７へ変化する）こともある。すなわち、アークＡｓが生じる条件になったとしても、直ちにアークＡｓに変化するわけではなく、所定時間はアークＡｎが現れ続ける。従って、適切なアークＡｎを確保するためには、多様な条件に関して適切な設定を行ったうえで、効果を確認することが必要である。
このようなアークＡｓの発生は、ワイヤ２の突き出し長さ、シールドガスＧｓや添加ガスＧｄの組成や吹き込み条件などに依存する。
さらに、同じ条件下でも、アークＡｎであったものが、時間経過によってアークＡｓに変化する（向きが底部６から内壁７へ変化する）こともある。すなわち、アークＡｓが生じる条件になったとしても、直ちにアークＡｓに変化するわけではなく、所定時間はアークＡｎが現れ続ける。従って、適切なアークＡｎを確保するためには、多様な条件に関して適切な設定を行ったうえで、効果を確認することが必要である。
【0023】
本実施形態では、狭隘な開先８においても適切なアークＡｎが得られるように、前述したノズル２０の通路２３からワイヤ２の外周面に添加ガスＧｄを局所的に吹き付けてアークＡｎの安定化を図るとともに、ワイヤ２の先端３の位置、とくに底部６との距離（アークＡｎの長さに相当する）と内壁７との距離（アークＡｓの長さに相当する）との関係を適切に設定すること、具体的にはワイヤ２の先端３から開先８の内壁７までの距離よりも短いアークＡｎ（図６参照）を発生させ、これにより開先８の内壁７に逸れるアークＡｓ（図７参照）を防止する。
【0024】
図６において、適切なアークＡｎは、ワイヤ２の先端３と開先８の底部６との間に形成される。この際、アークＡｎの長さＬｎは、ワイヤ２の先端３から開先８の底部６の溶融池５の表面までの距離となっている。
ウィービング動作により、ワイヤ２が開先８の内壁７が最も接近した状態では、ワイヤ２の先端３と開先８の内壁７との距離Ｌｓが最小となる。距離Ｌｓが最小となることで、底部６に向かうアークＡｎは内壁７に向かう可能性もある。
しかし、アークＡｎの長さＬｎが距離Ｌｓより短く維持されていれば、アークＡｎは最短距離に、つまり専らワイヤ２の先端３と開先８の底部６との間に形成される。
ウィービング動作により、ワイヤ２が開先８の内壁７が最も接近した状態では、ワイヤ２の先端３と開先８の内壁７との距離Ｌｓが最小となる。距離Ｌｓが最小となることで、底部６に向かうアークＡｎは内壁７に向かう可能性もある。
しかし、アークＡｎの長さＬｎが距離Ｌｓより短く維持されていれば、アークＡｎは最短距離に、つまり専らワイヤ２の先端３と開先８の底部６との間に形成される。
【0025】
図７において、アークＡｎの長さＬｎが、距離Ｌｓより長くなると、アークＡｎは最寄りとなる内壁７へと偏向され、先端３から内壁７に向かうアークＡｓが生じる。
例えば、図３の状態よりワイヤ２が短い（底部６から遠い）場合など、ワイヤ２の先端３から開先８の内壁７に向かう最短距離にアークＡｓが形成される。
従って、アークＡｎの長さＬｎを距離Ｌｓより短く維持することが、適切なアークＡｎを形成するために好適な条件となる。
例えば、図３の状態よりワイヤ２が短い（底部６から遠い）場合など、ワイヤ２の先端３から開先８の内壁７に向かう最短距離にアークＡｓが形成される。
従って、アークＡｎの長さＬｎを距離Ｌｓより短く維持することが、適切なアークＡｎを形成するために好適な条件となる。
【0026】
前述のように、アークＡｎの長さＬｎを距離Ｌｓより短く維持するべく、本実施形態ではワイヤ２の先端３を開先８の底部６に近づけて配置する。
ただし、ワイヤ２の先端３を開先８の底部６に近づけることで、アークＡｎの長さＬｎを短縮できるが、一般にアーク長さと印加電圧とは比例するため、アークＡｎを短縮する際には印加する電圧Ｅｗを低くせざるを得ず、アークＡｎの安定性が低下する可能性がある。
そこで、本実施形態では、電源装置３２から印加される電圧Ｅｗおよび同電圧に基づく電流を高周波パルス化し、ワイヤ２の先端３から開先８の底部６に至るアークＡｎを高周波パルスアーク化することで、電圧Ｅｗの平均値（平均印加電圧）を低く保ちつつ間欠的な通電時の電流値を高め、間欠的に形成されるアークＡｎの瞬間的な強度を高め、これによりアークＡｎを安定化させている。
ただし、ワイヤ２の先端３を開先８の底部６に近づけることで、アークＡｎの長さＬｎを短縮できるが、一般にアーク長さと印加電圧とは比例するため、アークＡｎを短縮する際には印加する電圧Ｅｗを低くせざるを得ず、アークＡｎの安定性が低下する可能性がある。
そこで、本実施形態では、電源装置３２から印加される電圧Ｅｗおよび同電圧に基づく電流を高周波パルス化し、ワイヤ２の先端３から開先８の底部６に至るアークＡｎを高周波パルスアーク化することで、電圧Ｅｗの平均値（平均印加電圧）を低く保ちつつ間欠的な通電時の電流値を高め、間欠的に形成されるアークＡｎの瞬間的な強度を高め、これによりアークＡｎを安定化させている。
【0027】
具体的には、電源装置３２からの平均印加電圧（電圧Ｅｗの平均値）は１５Ｖ以上かつ２１Ｖ以下とし、パルスの周波数は２０Ｈｚ以上かつ４０Ｈｚ以下Ｈｚとする。
このような電圧Ｅｗのもとで、シールドガスＧｓを供給しつつ、添加ガスＧｄをワイヤ２に吹き付け、ワイヤ２をチップ１１から所定の速度Ｖｗで送り出し、アークＡｎの長さＬｎが２ｍｍ以下となるように、ワイヤ２の先端３の位置を制御する。
このような電圧Ｅｗのもとで、シールドガスＧｓを供給しつつ、添加ガスＧｄをワイヤ２に吹き付け、ワイヤ２をチップ１１から所定の速度Ｖｗで送り出し、アークＡｎの長さＬｎが２ｍｍ以下となるように、ワイヤ２の先端３の位置を制御する。
【0028】
このような本実施形態によれば、以下のような効果が得られる。
本実施形態では、添加ガスＧｄを局所的に添加するので、全体に添加される場合よりも添加量を低減でき、溶接金属中の酸素量を低減できる。また、添加ガスＧｄにより、電極であるワイヤ２の先端３から開先８の底部６に向かうアークＡｎを安定させることができる。
とくに、溶接の間に、ワイヤ２の先端３から開先８の底部６に至るアークＡｎの長さＬｎを、ワイヤ２の先端３から開先８の内壁７までの距離である長さＬｎよりも短い状態に維持することで、狭隘な開先８であっても、ワイヤ２の先端３から開先８の内壁７に向かう不適切なアークＡｓを防止し、安定したアークＡｎが得られる。
本実施形態では、添加ガスＧｄを局所的に添加するので、全体に添加される場合よりも添加量を低減でき、溶接金属中の酸素量を低減できる。また、添加ガスＧｄにより、電極であるワイヤ２の先端３から開先８の底部６に向かうアークＡｎを安定させることができる。
とくに、溶接の間に、ワイヤ２の先端３から開先８の底部６に至るアークＡｎの長さＬｎを、ワイヤ２の先端３から開先８の内壁７までの距離である長さＬｎよりも短い状態に維持することで、狭隘な開先８であっても、ワイヤ２の先端３から開先８の内壁７に向かう不適切なアークＡｓを防止し、安定したアークＡｎが得られる。
【0029】
とりわけ、アークＡｎの長さＬｎを２ｍｍ以下とすることで、狭隘な開先８の形状などに拘わらず、あるいは、溶接条件などに拘わらず、安定したアークＡｎが得られる。
このように、本実施形態では、アークＡｎの長さＬｎの制御により、アークＡｎの安定化が実現でき、複雑な構成が必要ないため、溶接トーチ１を含む溶接装置を簡単な構造とすることができる。
このように、本実施形態では、アークＡｎの長さＬｎの制御により、アークＡｎの安定化が実現でき、複雑な構成が必要ないため、溶接トーチ１を含む溶接装置を簡単な構造とすることができる。
【0030】
本実施形態では、ワイヤ２と母材９との間に印加する電圧Ｅｗの平均値（平均印加電圧）を１５Ｖ以上かつ２１Ｖ以下とすることで、ワイヤ２の先端３から開先８の底部６に至るアークＡｎの長さＬｎを短くすることができ、操作および装置構成を簡素化できる。
さらに、ワイヤ２と母材９との間に印加する電圧Ｅｗを高周波パルスとし、ワイヤ２の先端３から開先８の底部６に至るアークＡｎを間欠化することで、アークＡｎの長さＬｎを短縮させるために電圧Ｅｗの平均値（平均印加電圧）を低くしても、通電時の電流値を高く、瞬間的な電流強度を確保でき、これによりアークＡｎの強度を高めることができ、アークＡｎの長さＬｎを短縮させても安定したアークＡｎが得られる。その結果、アークＡｎの長さＬｎを短くすることができ、操作および装置構成を簡素にできる。
さらに、ワイヤ２と母材９との間に印加する電圧Ｅｗを高周波パルスとし、ワイヤ２の先端３から開先８の底部６に至るアークＡｎを間欠化することで、アークＡｎの長さＬｎを短縮させるために電圧Ｅｗの平均値（平均印加電圧）を低くしても、通電時の電流値を高く、瞬間的な電流強度を確保でき、これによりアークＡｎの強度を高めることができ、アークＡｎの長さＬｎを短縮させても安定したアークＡｎが得られる。その結果、アークＡｎの長さＬｎを短くすることができ、操作および装置構成を簡素にできる。
【0031】
次に、前述した実施形態による試験結果について説明する。
装置構成および試験条件は表１の通り、試験結果は表２の通りである。なお、表１および表２中の実施例１，２が、前述した本発明の実施形態に該当し、比較例１～１２は本発明には該当しない。
装置構成および試験条件は表１の通り、試験結果は表２の通りである。なお、表１および表２中の実施例１，２が、前述した本発明の実施形態に該当し、比較例１～１２は本発明には該当しない。
【0032】
【表1】
【0033】
【表2】
【0034】
〔装置構成〕
試験には、前述した実施形態の溶接トーチ１を用いた。ノズル２０に関しては、表１の「ガス導入方法」欄に示す通り、基本的に局所添加ノズルを用い、一部でストレートノズルを用いた。開先８に関しては、基本的に溝開先を用い、一部で突合わせ開先とした。
溶接トーチ１には、ワイヤ供給装置３１からワイヤ２を供給した。ワイヤ２の速度Ｖｗは８．７ｍ毎分、チップ１１からワイヤ２の先端３までの距離１５ｍｍとした。
溶接トーチ１には、シールドガス供給装置３３からシールドガスＧｓとしてＡｒガス１００％を供給し、添加ガス供給装置３４から添加ガスＧｄとしてＣＯ２ガス１００％を供給した。シールドガスＧｓおよび添加ガスＧｄは、それぞれ流量を調節可能とした。表１の「狙い位置」欄は、添加ガスＧｄをワイヤ２に吹き付ける位置（母材９の表面からの距離）であり、一部で調整可能とした。
ワイヤ２と母材９との間には、電源装置３２により電圧Ｅｗを印加した。印加する電圧および電流は、連続した直流と、高周波パルスとを切り替えて用いた。印加する電圧Ｅｗは、平均値（平均印加電圧）が２０～２５Ｖとなるように調整した。なお、電源装置３２から電圧Ｅｗを印加してアークＡｎを形成している状態の電流は１６０～２８０Ａである。
試験には、前述した実施形態の溶接トーチ１を用いた。ノズル２０に関しては、表１の「ガス導入方法」欄に示す通り、基本的に局所添加ノズルを用い、一部でストレートノズルを用いた。開先８に関しては、基本的に溝開先を用い、一部で突合わせ開先とした。
溶接トーチ１には、ワイヤ供給装置３１からワイヤ２を供給した。ワイヤ２の速度Ｖｗは８．７ｍ毎分、チップ１１からワイヤ２の先端３までの距離１５ｍｍとした。
溶接トーチ１には、シールドガス供給装置３３からシールドガスＧｓとしてＡｒガス１００％を供給し、添加ガス供給装置３４から添加ガスＧｄとしてＣＯ２ガス１００％を供給した。シールドガスＧｓおよび添加ガスＧｄは、それぞれ流量を調節可能とした。表１の「狙い位置」欄は、添加ガスＧｄをワイヤ２に吹き付ける位置（母材９の表面からの距離）であり、一部で調整可能とした。
ワイヤ２と母材９との間には、電源装置３２により電圧Ｅｗを印加した。印加する電圧および電流は、連続した直流と、高周波パルスとを切り替えて用いた。印加する電圧Ｅｗは、平均値（平均印加電圧）が２０～２５Ｖとなるように調整した。なお、電源装置３２から電圧Ｅｗを印加してアークＡｎを形成している状態の電流は１６０～２８０Ａである。
【0035】
〔試験条件〕
前述した装置構成のもとで、表１に示す各条件で溶接を実施した。
溶接対象は母材９に開先８として溝開先を形成したものである。実施例２では開先８として突き合わせ開先を用いている。
比較例１～３では、それぞれ電圧Ｅｗがパルス無しかつ平均値が２５Ｖのもとで、添加ガス流量を０．７５リットル毎分から１．２５リットル毎分、２．００リットル毎分まで変化させている。
比較例４は、比較例３の条件のもとで、ストレートノズルを用いて添加ガスＧｄをシールドガスＧｓと混合して添加した例である。
比較例５～７は、それぞれ比較例３の条件のもとで、添加ガスＧｄの添加を間欠的に行った例である。
比較例８，９は、それぞれ比較例３の条件のもとで、添加ガスＧｄの狙い位置を増減させた例である。
比較例１０～１１は、それぞれ比較例３に対し、電圧Ｅｗの平均値を２５Ｖよりも低下させ、併せて添加ガスＧｄの流量を１．５０リットル毎秒に減らした例である。
比較例１２は、比較例３に対し、印加する電圧および電流を高周波パルス化しつつ、電圧Ｅｗの平均値を２５Ｖとし、併せて添加ガスＧｄの流量を１．５０リットル毎秒に減らした例である。
実施例１，２は、それぞれ比較例３に対し、印加する電圧および電流を高周波パルス化しつつ電圧Ｅｗの平均値を２５Ｖよりも低下させ、併せて添加ガスＧｄの流量を１．５０リットル毎秒に減らした例である。前述の通り、実施例１は開先８が溝開先、実施例２は開先８が突き合わせ開先である。
〔評価方法〕
溶接結果を目視確認し、外観が良好なものに関してブローホールの数（ＢＨ数）をカウントした。また、外観が良好なものに関して、溶接金属を採取して分析し、溶接金属中の酸素量および窒素量を評価した。
前述した装置構成のもとで、表１に示す各条件で溶接を実施した。
溶接対象は母材９に開先８として溝開先を形成したものである。実施例２では開先８として突き合わせ開先を用いている。
比較例１～３では、それぞれ電圧Ｅｗがパルス無しかつ平均値が２５Ｖのもとで、添加ガス流量を０．７５リットル毎分から１．２５リットル毎分、２．００リットル毎分まで変化させている。
比較例４は、比較例３の条件のもとで、ストレートノズルを用いて添加ガスＧｄをシールドガスＧｓと混合して添加した例である。
比較例５～７は、それぞれ比較例３の条件のもとで、添加ガスＧｄの添加を間欠的に行った例である。
比較例８，９は、それぞれ比較例３の条件のもとで、添加ガスＧｄの狙い位置を増減させた例である。
比較例１０～１１は、それぞれ比較例３に対し、電圧Ｅｗの平均値を２５Ｖよりも低下させ、併せて添加ガスＧｄの流量を１．５０リットル毎秒に減らした例である。
比較例１２は、比較例３に対し、印加する電圧および電流を高周波パルス化しつつ、電圧Ｅｗの平均値を２５Ｖとし、併せて添加ガスＧｄの流量を１．５０リットル毎秒に減らした例である。
実施例１，２は、それぞれ比較例３に対し、印加する電圧および電流を高周波パルス化しつつ電圧Ｅｗの平均値を２５Ｖよりも低下させ、併せて添加ガスＧｄの流量を１．５０リットル毎秒に減らした例である。前述の通り、実施例１は開先８が溝開先、実施例２は開先８が突き合わせ開先である。
〔評価方法〕
溶接結果を目視確認し、外観が良好なものに関してブローホールの数（ＢＨ数）をカウントした。また、外観が良好なものに関して、溶接金属を採取して分析し、溶接金属中の酸素量および窒素量を評価した。
【0036】
〔試験結果〕
試験結果は表２に示す通りである。
比較例１，２は、それぞれ外観が不良であり、適切なアークＡｎが得られてない。
比較例３では外観が良好であるが、アーク長が４．４ｍｍあり、ＢＨ数が１４、酸素量１８５ｐｐｍとなっている。
比較例４～９では、それぞれ外観が良好であるが、ＢＨ数が比較例３と同じまたは増加しており、酸素量も１００ｐｐｍを上回っている。
比較例１０では、比較例３の条件のもとで、電圧Ｅｗの平均値および添加ガスＧｄの流量を減少させることで、酸素量が１６１ｐｐｍと比較例３よりも低下した。しかし、酸素量が１６１ｐｐｍで１００ｐｐｍを上回っている。
比較例１１では、比較例１０よりもさらに電圧Ｅｗの平均値を減少させた結果、アーク長３．１ｍｍとさらに短くなった。しかし、ＢＨ数が３２と比較例３よりも増加し、外観も不良となっている。
比較例１２では、比較例３の条件のもとで、電圧Ｅｗの平均値を２５Ｖのまま、高周波パルス化し、添加ガスＧｄの流量を減少させたが、外観が不良となっている。
試験結果は表２に示す通りである。
比較例１，２は、それぞれ外観が不良であり、適切なアークＡｎが得られてない。
比較例３では外観が良好であるが、アーク長が４．４ｍｍあり、ＢＨ数が１４、酸素量１８５ｐｐｍとなっている。
比較例４～９では、それぞれ外観が良好であるが、ＢＨ数が比較例３と同じまたは増加しており、酸素量も１００ｐｐｍを上回っている。
比較例１０では、比較例３の条件のもとで、電圧Ｅｗの平均値および添加ガスＧｄの流量を減少させることで、酸素量が１６１ｐｐｍと比較例３よりも低下した。しかし、酸素量が１６１ｐｐｍで１００ｐｐｍを上回っている。
比較例１１では、比較例１０よりもさらに電圧Ｅｗの平均値を減少させた結果、アーク長３．１ｍｍとさらに短くなった。しかし、ＢＨ数が３２と比較例３よりも増加し、外観も不良となっている。
比較例１２では、比較例３の条件のもとで、電圧Ｅｗの平均値を２５Ｖのまま、高周波パルス化し、添加ガスＧｄの流量を減少させたが、外観が不良となっている。
【0037】
実施例１では、比較例３の条件のもとで、電圧Ｅｗを高周波パルス化し、電流強度を確保しつつ電圧Ｅｗの平均値を低下させ、添加ガスＧｄの流量を減少させることで、電圧Ｅｗの平均値２０．９Ｖおよびアーク長１．９ｍｍが得られ、ＢＨ数が４、酸素量が９９ｐｐｍと１００ｐｐｍを下回ることができた。
実施例２では、突き合わせ開先についても、電圧Ｅｗを高周波パルス化し、電流強度を確保しつつ電圧Ｅｗの平均値を低下させ、添加ガスＧｄの流量を減少させることで、電圧Ｅｗの平均値２０．０Ｖが得られ、ＢＨ数が４、酸素量が９６ｐｐｍと１００ｐｐｍを下回ることができた。なお、実施例２ではアーク長が測定できなかったが、電圧値２０．０Ｖから実施例１の１．９ｍｍより小さいと推定される。
実施例２では、突き合わせ開先についても、電圧Ｅｗを高周波パルス化し、電流強度を確保しつつ電圧Ｅｗの平均値を低下させ、添加ガスＧｄの流量を減少させることで、電圧Ｅｗの平均値２０．０Ｖが得られ、ＢＨ数が４、酸素量が９６ｐｐｍと１００ｐｐｍを下回ることができた。なお、実施例２ではアーク長が測定できなかったが、電圧値２０．０Ｖから実施例１の１．９ｍｍより小さいと推定される。
【0038】
以上の試験結果から、実施例１，２においては、電圧Ｅｗの平均値を低減することでアーク長を短縮できるとともに、電圧Ｅｗを高周波パルス化することで、電圧Ｅｗの平均値を低くしても電流強度が確保できるようにし、アーク長を短縮しても安定したアークＡｎを得ることができる。そして、安定したアークＡｎが得られることで、アークＡｎを安定化させるための添加ガスＧｄを低減することが可能となり、その結果、溶接金属中の酸素量を低減することができることが解る。
【0039】
なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形などは本発明に含まれる。
前記実施形態では、アークＡｎの長さＬｎを電極であるワイヤ２の先端３から開先８の内壁７までの距離よりも短い状態に維持する手段として、ワイヤ２と母材９との間に電圧Ｅｗの平均値を１５Ｖ以上かつ２１Ｖ以下の範囲とすること（一般的な２５Ｖよりも下げること）と、印加される電圧Ｅｗを高周波パルス化すること、の２つを採用した。
しかし、溶接条件などによって電圧Ｅｗの平均値が１５Ｖ以上かつ２１Ｖ以下の範囲としてもアークＡｎが安定化できれば、電圧Ｅｗを高周波パルス化することは省略してもよい。
さらに、電極（ワイヤ２）を供給する速度Ｖｗの制御により、電圧Ｅｗの平均値が１５Ｖ以上かつ２１Ｖ以下の範囲とした際のアークＡｎの安定化を図ってもよい。
前記実施形態では、アークＡｎの長さＬｎを電極であるワイヤ２の先端３から開先８の内壁７までの距離よりも短い状態に維持する手段として、ワイヤ２と母材９との間に電圧Ｅｗの平均値を１５Ｖ以上かつ２１Ｖ以下の範囲とすること（一般的な２５Ｖよりも下げること）と、印加される電圧Ｅｗを高周波パルス化すること、の２つを採用した。
しかし、溶接条件などによって電圧Ｅｗの平均値が１５Ｖ以上かつ２１Ｖ以下の範囲としてもアークＡｎが安定化できれば、電圧Ｅｗを高周波パルス化することは省略してもよい。
さらに、電極（ワイヤ２）を供給する速度Ｖｗの制御により、電圧Ｅｗの平均値が１５Ｖ以上かつ２１Ｖ以下の範囲とした際のアークＡｎの安定化を図ってもよい。
【0040】
前述したアークＡｎの安定化により、添加ガスＧｄの添加量を削減し、溶接金属中の酸素量を低減できるが、添加ガスＧｄの削減の程度つまり溶接金属中の酸素量の低減については、溶接跡に要求される数値に応じて調整すればよく、添加ガスＧｄの削減の程度が小さい場合には、電圧Ｅｗの平均値の低減についても緩和することが可能である。
【0041】
前記実施形態では、ワイヤ２の先端３から開先８の底部６に至るアークＡｎの長さＬｎを２ｍｍ以下に維持するとしたが、溶接条件によっては長さＬｎが２ｍｍ以上であっても、開先８の内壁７までの距離Ｌｓより小さければ、先端３から内壁７に至るアークＡｓを防止することができる。
前記実施形態では、平坦な底部６を有する開先８に本発明を適用したが、本発明は底部６がない開先つまり一対の内壁７が向かい合うＶ溝状の突合せ開先にも適用できる。
前記実施形態では、平坦な底部６を有する開先８に本発明を適用したが、本発明は底部６がない開先つまり一対の内壁７が向かい合うＶ溝状の突合せ開先にも適用できる。
【0042】
前記実施形態では、シールドガスＧｓとして不活性ガスであるＡｒガス１００％を用いたが、ＣＯ２などの活性成分を一部含むものであってもよい。ただし、溶接金属中の酸素量低減の目的からは、シールドガスＧｓには酸素を含まないことが望ましい。
前記実施形態では、添加ガスＧｄとして活性成分であるＣＯ２ガス１００％を用いたが、Ａｒガスなどの不活性成分を一部含むものであってもよい。ワイヤ２に局所的に添加されるものであるため、添加ガスＧｄでの活性成分の抑制は溶接金属中の酸素量低減にさほど効果はない。一方、アークＡｎの安定化に関しては、ワイヤ２に吹き付けられる酸素分の絶対量が確保できていればよく、添加ガスＧｄにおける活性成分は適宜変更してよい。
前記実施形態では、添加ガスＧｄとして活性成分であるＣＯ２ガス１００％を用いたが、Ａｒガスなどの不活性成分を一部含むものであってもよい。ワイヤ２に局所的に添加されるものであるため、添加ガスＧｄでの活性成分の抑制は溶接金属中の酸素量低減にさほど効果はない。一方、アークＡｎの安定化に関しては、ワイヤ２に吹き付けられる酸素分の絶対量が確保できていればよく、添加ガスＧｄにおける活性成分は適宜変更してよい。
【産業上の利用可能性】
【0043】
本発明は、消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法として利用できる。
【符号の説明】
【0044】
１…溶接トーチ、１１…チップ、１２…オリフィス、１３…開口、２…ワイヤ（溶接ワイヤ）、２０…ノズル、２１…先端部、２２…キャビティ、２３…通路、３…先端、３１…ワイヤ供給装置、３２…電源装置、３３…シールドガス供給装置、３４…添加ガス供給装置、５…溶融池、６…底部、７…内壁、８…開先、９…母材、Ａｎ…適切なアーク、Ａｓ…内壁に向かうアーク、Ｅｗ…印加する電圧、Ｇｄ…活性成分を含む添加ガス、Ｇｓ…不活性のシールドガス、Ｌｎ…アークの長さ、Ｌｓ…内壁との距離、Ｖｗ…ワイヤの送り速度。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】