特許 7475218 アーク溶接方法及びアーク溶接装置

(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】2024-04-18

(45)【発行日】2024-04-26

(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 20060101AFI20240419BHJP

   B23K 9/095 20060101ALI20240419BHJP

   B23K 9/173 20060101ALI20240419BHJP

   B23K 9/23 20060101ALI20240419BHJP

【ＦＩ】

B23K9/09

B23K9/095 501A

B23K9/095 501G

B23K9/173 C

B23K9/23 B

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2020113469

(22)【出願日】2020-06-30

(65)【公開番号】P2021102228

(43)【公開日】2021-07-15

【審査請求日】2023-04-10

(31)【優先権主張番号】P 2019235022

(32)【優先日】2019-12-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【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

【審査官】山内 隆平

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１７／１５５０４１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開昭５５－１０６６８７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ９／０９

Ｂ２３Ｋ ９／０９５

Ｂ２３Ｋ ９／１７３

Ｂ２３Ｋ ９／２３

(57)【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、
溶接ワイヤに第１の溶接電流が供給される第１溶接条件を設定するステップと、
溶接ワイヤに第２の溶接電流が供給される第２溶接条件を設定するステップと
を備え、
前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件は、前記溶接電流の基準電流を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と共に、溶接ワイヤ及び母材間に印加される電圧の設定電圧を１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下で変動させる
アーク溶接方法。

【請求項2】

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、
溶接ワイヤに第１の溶接電流が供給される第１溶接条件を設定するステップと、
溶接ワイヤに第２の溶接電流が供給される第２溶接条件を設定するステップと、
前記第１溶接条件における設定電圧及び前記第２溶接条件における設定電圧よりも高い設定電圧を含み、溶滴移行形態がスプレー移行となる溶接条件を設定するスプレー化ステップと
を備え、
前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件は、前記溶接電流の基準電流を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
アーク溶接方法。

【請求項3】

前記スプレー化ステップは、
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行う溶接を開始する前に、所定時間、溶滴移行形態がスプレー移行となる溶接条件を設定する
請求項２に記載のアーク溶接方法。

【請求項4】

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、
溶接ワイヤに第１の溶接電流が供給される第１溶接条件を設定するステップと、
溶接ワイヤに第２の溶接電流が供給される第２溶接条件を設定するステップと
を備え、
前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件は、前記溶接電流の基準電流を３５０Ａ以上、電流変動幅を５０Ａ以上１５０Ａ以下とする溶接条件であり、溶接電流が低電流であるときも溶滴移行形態がスプレー移行となる設定電圧を含み、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
アーク溶接方法。

【請求項5】

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、
溶接ワイヤに第１の溶接電流が供給される第１溶接条件を設定するステップと、
溶接ワイヤに第２の溶接電流が供給される第２溶接条件を設定するステップと
を備え、
前記第１溶接条件及び前記第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って、前記溶接電流の基準電流を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、
更に、
母材を多層溶接する場合、ソリッドワイヤを用い、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非最終層の溶接を行うステップと、
母材を多層溶接する場合、フラックスコアードワイヤを用いて最終層の溶接を行うステップと
を備えるアーク溶接方法。

【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。

【請求項7】

溶接対象の母材はステンレス鋼である
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のアーク溶接方法。

【請求項8】

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、溶接ワイヤに第２の溶接電流が供給される第２溶接条件とを切り換えて設定する設定回路を備え、
前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件は、前記溶接電流の基準電流を３５０Ａ以上、電流変動幅を５０Ａ以上１５０Ａ以下とする溶接条件であり、
前記設定回路は、
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と共に、溶接ワイヤ及び母材間に印加される電圧の設定電圧を１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下で変動させる
アーク溶接装置。

【請求項9】

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、溶接ワイヤに第２の溶接電流が供給される第２溶接条件とを切り換えて設定する設定回路を備え、
前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件は、前記溶接電流の基準電流を３５０Ａ以上、電流変動幅を５０Ａ以上１５０Ａ以下とする溶接条件であり、
前記設定回路は、
前記第１溶接条件における設定電圧及び前記第２溶接条件における設定電圧よりも高い設定電圧を含み、溶滴移行形態がスプレー移行となる溶接条件を設定し、
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
アーク溶接装置。

【請求項10】

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、溶接ワイヤに第２の溶接電流が供給される第２溶接条件とを切り換えて設定する設定回路を備え、
前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件は、前記溶接電流の基準電流を３５０Ａ以上、電流変動幅を５０Ａ以上１５０Ａ以下とする溶接条件であり、溶接電流が低電流であるときも溶滴移行形態がスプレー移行となる設定電圧を含み、
前記設定回路は、
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
アーク溶接装置。

【請求項11】

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、溶接ワイヤに第２の溶接電流が供給される第２溶接条件とを切り換えて設定する設定回路を備え、
前記第１溶接条件及び前記第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って、前記溶接電流の基準電流を３５０Ａ以上、電流変動幅を５０Ａ以上１５０Ａ以下とする溶接条件であり、
前記設定回路は、
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、
更に、
母材を多層溶接する場合、ソリッドワイヤを用い、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非最終層の溶接を行い、
母材を多層溶接する場合、フラックスコアードワイヤを用いて最終層の溶接を行う
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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１４－０６９２２６号公報

【文献】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の大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】

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、平均溶接電流が３５０Ａ以上の溶接プロセスにおける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】

【0007】

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、溶接ワイヤに第１の溶接電流が供給される第１溶接条件を設定するステップと、溶接ワイヤに第２の溶接電流が供給される第２溶接条件を設定するステップとを備え、前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件は、前記溶接電流の基準電流を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。

【0008】

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、溶接ワイヤに第２の溶接電流が供給される第２溶接条件とを切り換えて設定する設定回路を備え、前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件は、前記溶接電流の基準電流を３５０Ａ以上、電流変動幅を５０Ａ以上１５０Ａ以下とする溶接条件であり、前記設定回路は、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。

【0009】

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８参照）。以下、溶接電流を周期的に変動させる制御を、電流振幅制御と呼ぶ。

【0010】

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。

【0011】

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４参照）。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以上の大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。

【0012】

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と共に、溶接ワイヤ及び母材間に印加される電圧の設定電圧を１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下で変動させるステップを備える構成が好ましい。

【0013】

本態様にあっては、埋もれアーク溶接においては、設定電圧を１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下で変動させることによって、埋もれアーク溶接に係る溶融池を安定化させることができる。埋もれアーク溶接における溶融金属は、大きく波打つおそれがあるが、設定電圧を１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下で変動させることによって、当該波打ち周期よりも高周波数で溶融金属を微振動させ、溶融金属の大きな波打ちを抑えることができる。
従って、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。

【0014】

溶接対象の母材はステンレス鋼である構成が好ましい。

【0015】

本態様にあっては、ブローホールの発生を抑え、ステンレス鋼を溶接することができる。

【0016】

溶滴移行形態がスプレー移行となる溶接条件を設定するスプレー化ステップを備える構成が好ましい。

【0017】

本態様にあっては、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、短絡の発生を抑制し、溶接を安定化させることができる。

【0018】

前記スプレー化ステップは、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行う溶接を開始する前に、所定時間、溶滴移行形態がスプレー移行となる溶接条件を設定する構成が好ましい。

【0019】

本態様にあっては、溶接電流を周期的に変動させて行う溶接を開始する前に、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る。

【0020】

溶滴移行形態がスプレー移行となる溶接条件は、前記第１溶接条件における設定電圧及び前記第２溶接条件における設定電圧よりも高い設定電圧を含む構成が好ましい。

【0021】

本態様にあっては、第１溶接条件及び第２溶接条件における設定電圧よりも高い設定電圧で溶接を行うことにより、溶滴移行形態を確実にスプレー移行化することができる。

【0022】

前記第１溶接条件及び前記第２溶接条件は、溶接電流が低電流であるときも溶滴移行形態がスプレー移行となる設定電圧を含む構成が好ましい。

【0023】

本態様にあっては、第１溶接条件及び第２溶接条件は、溶接電流が低電流であるときも溶滴移行形態がスプレー移行となる設定電圧を含むため、より確実に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る。

【0024】

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り、母材を多層溶接する場合、ソリッドワイヤを用い、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非最終層の溶接を行うステップと、母材を多層溶接する場合、フラックスコアードワイヤを用いて最終層の溶接を行うステップとを備える構成が好ましい。

【0025】

本態様にあっては、ソリッドワイヤを用いた埋もれアーク溶接により、溶接能率の向上及び溶接コストの低減が可能になり、更に最終層をソリッドワイヤ用いて溶接することにより良好なビード外観を得ることができる。

【発明の効果】

【0026】

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る。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【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】埋もれアーク状態の説明図である。

【図5】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6】溶接継手を模式的に示す断面図である。

【図7】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8】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9】本実施形態２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10】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11】本実施形態３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12】実施形態３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13】本実施形態４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14】実施形態４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15】本実施形態５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。

【発明を実施するための形態】

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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４参照）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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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及び電流検出部１１ｆを備える。

【0034】

設定回路１１ｃは、埋もれアーク溶接に係る第１溶接条件と、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。
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の基準電流を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の基準電流は、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。

【0035】

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。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、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、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。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。
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。

【0036】

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へ出力する。

【0037】

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及び送給速度制御回路１２へ出力する。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

＜電流振幅制御＞
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。

【0041】

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。

【0042】

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）、設定回路１１ｃは、例えば初期状態として第１溶接条件を設定する（ステップＳ１１３）。そして、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Ｓ１１４）。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、検出されたアーク電圧Ｖ及び溶接電流Ｉ並びに溶接電源１の外部特性が、設定された溶接条件に一致するように、電源部１１の出力をＰＷＭ制御する。
平均電流が４００Ａ以上とする第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。低電流条件、特に３５０Ａ以下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。

【0043】

図４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３５０Ａ以上の大電流が溶接ワイヤ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４Ａ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４Ｂ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４Ｃ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、深い溶込みが得られる。

【0044】

次いで、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Ｓ１１５）。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Ｓ１１５：ＹＥＳ）、設定回路１１ｃは、溶接条件を切り換える（ステップＳ１１６）。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。

【0045】

図５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、縦軸は溶接電流Ｉを示している。ステップＳ１１５及びステップＳ１１６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５に示すように、溶接電流Ｉが周期的に変動する。

【0046】

ステップＳ１１６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Ｓ１１５：ＮＯ）、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Ｓ１１４へ戻し、溶接電流Ｉの出力を続ける。

【0047】

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、処理をステップＳ１１２へ戻す。

【0048】

＜電流振幅制御の作用効果＞
図６は、溶接継手を模式的に示す断面図である。図６Ａ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６Ｂ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６Ｂ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。

【0049】

図７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７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。

【0050】

そこで本実施形態１では、溶接電流Ｉの基準電流を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。

【0051】

図８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８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８中段に示すように、例えば、平均溶接電流（基準電流）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８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がやや低減させることができる。
更に、図８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。

【0052】

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る。

【0053】

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。

【0054】

更に、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。

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

（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。

【0058】

図９は本実施形態２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１０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１０中、横軸は時間、図１０Ａの縦軸は溶接電流Ｉを示し、図１０Ｂの縦軸は設定電圧を示している。ただし、図１０Ａ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。

【0059】

本実施形態２に係る溶接電源１は、実施形態１のステップＳ１１１～１１４と同様の処理をステップＳ２１１～ステップＳ２１４にて実行する。実施形態２に係る電圧制御回路１１ｂは、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（ステップＳ２１５）。設定電圧の変動により、溶接電流Ｉは例えば電流振幅５０Ａ以上で変動する。以下、ステップＳ２１６～ステップＳ２１８の処理は、実施形態１のステップＳ１１５～ステップＳ１１７と同様の処理であるため、詳細な説明を省略する。

【0060】

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。

【0061】

（実施形態３）
実施形態３に係るアーク溶接方法及びアーク溶接装置は、アルゴンを含有するシールドガスを用い、電流振幅制御を行う埋もれアーク溶接において、溶接開始時にスプレー移行の溶接条件を短時間与えることによって、本溶接期間における溶滴移行のスプレー化を促し、溶接を安定化させつつブローホールを低減する点が実施形態１及び実施形態２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又は実施形態２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。

【0062】

実施形態１及び２に係るアーク溶接方法及びアーク溶接装置においては、ブローホールの発生を抑制することができるが、溶融池を振動させる結果、溶接が不安定化することがある。埋もれアーク溶接においては、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。

【0063】

短絡を避ける一つの方法として、溶滴移行を常にスプレー移行とする方法がある。例えばワイヤ径φ１．６のステンレスソリッドワイヤ、突出し長さ２０ｍｍの場合、２５０Ａ以上の電流域であれば、溶滴移行をスプレー移行とすることができる。ただし、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、しばしば短絡が生じ、アークが不安定化する。

【0064】

溶滴移行形態は、主にグロビュール移行、短絡移行、スプレー移行の３形態に分類される。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。上記の通り、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。

【0065】

反発移行とスプレー移行の混在領域において、溶滴移行のスプレー化を促進する最も簡単な方法としては、アーク電圧を上昇させ、アーク長を長くとればよい。しかしアーク長が長くなると、アークの集中性が低下し、溶込みの減少やアークのふらつき、磁気吹きによるアーク不安定化につながる。実施形態１及び２に係る埋もれアーク溶接においては、アーク長を相当長くとる必要があり、実用上現実的でない。

【0066】

一方、一旦溶滴移行がスプレー化すると、電流振幅制御を用いても溶接が不安定化しにくく、スプレー移行が安定維持される傾向にある。また溶滴移行として反発移行とスプレー移行が混在する電流域では、一旦溶滴移行がスプレー化すると、反発移行に戻らずスプレー移行を維持しようとする傾向がある。

【0067】

そこで本実施形態３では、溶接開始時に、溶滴移行形態がスプレー移行となる溶接条件を短時間与えることで、本溶接における溶滴移行のスプレー化を促進することを目的とする技術について説明する。

【0068】

図１１は、本実施形態３に係るアーク溶接方法の手順を示すフローチャート、図１２は、実施形態３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１２中、横軸は時間、上図の縦軸は溶接電流Ｉ、下図の縦軸は設定電圧を示している。

【0069】

まず、母材４の配置、溶接モード等の各種設定を行う（ステップＳ３１１）。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Ｓ３１２）。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Ｓ３１２：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。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Ｓ３１２：ＹＥＳ）、設定回路１１ｃは、所定の溶接初期条件を設定し（ステップＳ３１３）、当該溶接初期条件で溶接を行う（ステップＳ３１４）。溶接初期条件は、電流振幅制御を用いた埋もれアーク溶接である本溶接を開始する前に行われる初期溶接の条件である。溶接初期条件の溶接電流Ｉ及び設定電圧は本溶接に比べて低い設定値となっており、本溶接前に溶接初期条件で溶接を行うことにより、スムーズに本溶接に移行することができる。溶接初期条件の溶接電流Ｉは例えば２００Ａであり、設定電圧は３２Ｖである。初期溶接は例えば２～３秒行われる。

【0070】

次いで、設定回路１１ｃは、図１２に示すようにスプレー化条件を設定し（ステップＳ３１５）、当該スプレー化条件で溶接を行う（ステップＳ３１６）。スプレー化条件は、少なくとも設定電圧は、電流振幅制御における高電流側の設定電圧よりも高い電圧を設定電圧とする。溶接電流Ｉの大きさは、特に限定されるものでは無いが、電流振幅制御における低電流値及び高電流値の間の電流をスプレー化条件の設定電流値とすればよい。

【0071】

例えば、平均電流４００Ａ、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としてワイヤ径φ１．６ステンレスソリッドワイヤを用いる埋もれアーク溶接において、溶接電流Ｉを３００Ａ（低電流側）と５００Ａ（高電流側）の２条件で、周波数２Ｈｚで変化させて溶接を行う。３００Ａ（低電流側）時の設定電圧は３３Ｖ、５００Ａ（高電流側）時の設定電圧は３５Ｖである。溶接電流３００Ａ（低電流側）、設定電圧は３３Ｖの条件においては、溶滴移行は反発移行とスプレー移行が混在する。また、溶接電流５００Ａ（高電流側）時、設定電圧３５Ｖの条件においては、溶滴移行はスプレー移行となる。

【0072】

このような本溶接条件の場合、溶接初期条件終了後、本条件への移行前に、短時間、溶接電流４００Ａ、設定電圧３７Ｖの溶接条件を、スプレー化条件として設定するとよい。このスプレー化条件では、溶滴移行は完全にスプレー移行となる。一旦溶滴移行が完全スプレー化するため、以降の本条件では、低電流側及び高電流側ともにスプレー移行が安定維持され、溶接が安定する。

【0073】

スプレー化条件での溶接は、短時間、例えば０．５秒間行われる。スプレー化条件での溶接を行う時間は、例えば電流振幅制御の１周期又は２周期の時間とすればよい。また、スプレー化条件での溶接を行う時間は、初期溶接を行う時間よりも短く設定するとよい。

【0074】

次いで、設定回路１１ｃは、実施形態１又は実施形態２に係る電流振幅制御を用いた埋もれアーク溶接を本溶接として実施する（ステップＳ３１７）。以下のステップＳ３１８の処理は、実施形態１のステップＳ１１７と同様の処理であるため、詳細な説明を省略する。

【0075】

実施形態３に係るアーク溶接方法及びアーク溶接装置によれば、電流振幅制御を用いた埋もれアーク溶接において、溶接開始時に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る。具体的には、電流振幅制御における高電流側の設定電圧よりも高い電圧で溶接することによって、溶滴移行形態を確実にスプレー移行にすることができる。
従って、溶滴移行形態がスプレー移行で安定化させることにより、短絡の発生を抑制することができ、安定した本溶接を行うことができる。

【0076】

なお、本実施形態３では埋もれアーク溶接における電流振幅制御及びスプレー移行化を説明したが、非埋もれアーク溶接に本実施形態３を適用してもよい。
また、溶接開始時、具体的には初期溶接後、本溶接開始前にスプレー化条件で溶接を行う例を説明したが、本溶接中にスプレー化条件で短時間溶接を行うようにしてもよい。例えば、本溶接中に短絡が発生した場合、アーク再点弧時にスプレー化条件で短時間溶接を行うとよい。短絡発生時、スプレー移行化を促進することにより、溶接を安定化させることができる。

【0077】

（実施形態４）
実施形態４に係るアーク溶接方法及びアーク溶接装置は、アルゴンを含有するシールドガスを用い、電流振幅制御を行う埋もれアーク溶接において、低電流条件時の設定電圧を、直流ＧＭＡ（Gas Metal Arc）溶接に係る標準電圧より高めに補正することによって、短絡発生を防止して溶接を安定化させつつブローホールを低減する点が実施形態１～３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～実施形態３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。

【0078】

実施形態４では、電流振幅制御を用いない非埋もれアーク溶接、例えば直流ＧＭＡ溶接で用いられる第１溶接条件と、第２溶接条件とを用いて、溶接電流Ｉの振幅制御を行う場合を説明する。実施形態４の溶接電源１は、第１溶接条件及び第２溶接条件を、標準的な溶接条件として予め記憶している。

【0079】

３５０Ａ以下の直流ＧＭＡ溶接においては、溶滴移行形態が短絡移行となるように溶接条件のパラメータが調整されている。このため、実施形態１～３のような電流振幅制御を行うと、低電流条件時に短絡が生じやすくなる傾向がある。特に平均電流４００Ａ以上の高電流溶接では、溶融金属量が多く、短絡が発生すると溶接が著しく不安定化する。溶接を不安定化させることなく、ブローホールの発生を抑制する制御方法が望まれる。

【0080】

そこで本実施形態４では、少なくとも電流振幅制御の低電流側条件における設定電圧を高めに補正し、短絡の発生を抑制することで、溶接の安定化を防止しつつブローホールの低減を可能にする技術について説明する。

【0081】

図１３は、本実施形態４に係るアーク溶接方法の手順を示すフローチャート、図１４は、実施形態４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の縦軸は溶接電流Ｉ、図１４Ｂ及び図１４Ｃの縦軸は設定電圧を示している。図１４Ｂは、補正前の設定電圧を示しており、図１４Ｃは補正後の設定電圧を示している。

【0082】

本実施形態４に係る溶接電源１は、実施形態１のステップＳ１１１～１１２と同様の処理をステップＳ４１１～ステップＳ４１２にて実行する。ステップＳ４１２において溶接電流Ｉの出力開始条件を満たすと判定した場合（ステップＳ４１２：ＹＥＳ）、設定回路１１ｃは、例えば初期状態として直流ＧＭＡ溶接における標準の第１溶接条件を補正して設定する（ステップＳ４１３）。具体的には、図１４Ｂ及び図１４Ｃに示すように、第１溶接条件に係る設定電圧を高めに設定する。より具体的には、第１溶接条件に係る設定電圧より４Ｖ高い電圧を設定する。補正前の設定電圧は溶滴移行形態が短絡移行となる設定であるところ、補正後の設定電圧は溶滴移行形態がスプレー移行となる溶接条件である。

【0083】

そして設定回路１１ｃは、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。但し、ステップＳ４１６において溶接条件を切り換える際、設定回路１１ｃは、溶接条件を補正して切り換える（ステップＳ４１６）。第１溶接条件が設定されている場合、設定回路１１ｃは、第２溶接条件を補正して設定する。第２溶接条件が設定されている場合、設定回路１１ｃは、第１溶接条件を補正して設定する。いずれの場合も設定回路１１ｃは、第１溶接条件及び第２溶接条件における設定電圧より所定電圧、高い電圧を設定する。具体的には、設定回路１１ｃは、低電流側条件である第１溶接条件を、溶滴移行形態がスプレー移行となるように、設定電圧を補正する。より具体的には、標準の設定電圧より４Ｖ高い電圧を設定する。同様に、設定回路１１ｃは、第２溶接条件における設定電圧を、標準の設定電圧より４Ｖ高い電圧を設定する。
設定電圧の補正を除くステップＳ４１４～ステップＳ４１７の処理は、実施形態１のステップＳ１１４～ステップＳ１１７と同様の処理であるため、詳細な説明を省略する。

【0084】

（実施例）
溶接ワイヤ５としてワイヤ径φ１．６のステンレスソリッドワイヤを、シールドガスとして９８％アルゴンＡｒ及び２％酸素Ｏ２を用いる、基準電流４００Ａの埋もれアーク溶接で、溶接電流Ｉを±１００Ａを２Ｈｚで変動させる。設定電圧は、基準設定電流である４００Ａに対応する標準電圧（具体的には３１Ｖ）とする。このとき溶接電流Ｉは、高電流側条件の５００Ａと、低電流側条件の３００Ａを周期的に繰り返す。高電流側条件である５００Ａに対応する標準の設定電圧は３３Ｖである。低電流側条件である３００Ａに対応する標準の設定電圧は２９Ｖであり、通常溶滴移行は短絡移行となる。そこで、低電流側条件における設定電圧を＋４Ｖ高めに補正し、３３Ｖとする。このように設定電圧を補正することにより、本溶接中の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、短絡を防止し、短絡発生による溶接不安定化を防止しつつ、電流振幅変動によりブローホールを効果的に低減することができる。

【0085】

実施形態４に係るアーク溶接方法及びアーク溶接装置によれば、溶接電流Ｉが低電流であるときも溶滴移行形態がスプレー移行となる設定電圧とすることにより、より確実に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、短絡発生を防止して溶接を安定化させつつブローホールを低減することができる。

【0086】

本実施形態４では、高電流側条件である第１溶接条件における設定電圧と、低電流側条件である第２溶接条件における設定電圧とを共に補正する例を説明したが、第２溶接条件における設定電圧のみを補正するように構成してもよい。

【0087】

（実施形態５）
実施形態５に係るアーク溶接方法及びアーク溶接装置は、ソリッドワイヤを用いた埋もれアーク溶接と、フラックスコアードワイヤを用いたＧＭＡ溶接の併用により、溶接能率の向上、溶材コストの低減、及びビード表面外観の向上を実現する点が実施形態１～実施形態４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～実施形態４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。

【0088】

ステンレスの溶接方法には、ＧＭＡ溶接やＴＩＧ溶接、サブマージアーク溶接、レーザ溶接など様々な溶接方法がある。ＧＭＡ溶接は、これらの中でも特に汎用な溶接方法のひとつであり、溶接ワイヤ５としてフラックスコアードワイヤを使用する方法と、ソリッドワイヤを使う方法の、大きく２種類に代表される。

【0089】

フラックスコアードワイヤを用いる場合は、シールドガスに二酸化炭素を用いる場合が多い。ソリッドワイヤを用いる場合と比較して、スパッタ発生量が少なく、溶接安定性に優れ、ビード外観が美しいことが特徴である。このような特徴が好まれ、ステンレスの特に厚板の溶接においては、フラックスコアードワイヤが使用される場合が多い。

【0090】

一方ソリッドワイヤを用いる場合は、アルゴンを主体とするシールドガスに溶接安定化の目的で２％程度の酸素を混合される場合が多い。シールドガスは二酸化炭素より高コストであるが、ワイヤはフラックスコアードワイヤよりも低コストである。総合的な溶材コストとしては、フラックスコアードワイヤを用いる場合よりも、ソリッドワイヤを用いる場合の方が低コストである場合が多い。ただし、高電流域ではブローホールが発生しやすく、またビード表面が著しく酸化し外観が悪いため、厚板溶接ではあまり使用されていない。

【0091】

そこで、本実施形態５では、ソリッドワイヤを用いた電流３００Ａ以上の高電流埋もれアーク溶接と、フラックスコアードワイヤを用いたＧＭＡ溶接を併用することで、溶接能率の向上、溶接コストの低減、及び良好なビード外観を実現する技術について説明する。

【0092】

ビード外観が重要となるのは溶接の最表面のみであるため、最終パス以外を、ソリッドワイヤを用いた高電流埋もれアーク溶接により高能率及び低コストで溶接する。そして、最終パスをフラックスコアードワイヤを用いて溶接することで、良好なビード外観を得ることができる。

【0093】

図１５は、本実施形態５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。
母材４を多層溶接する場合、まず、ソリッドワイヤを用いた埋もれアーク溶接により非最終層の溶接を行う（ステップＳ５１１）。ステップＳ５１１では、実施形態１～４に係るアーク溶接方法を用いて、電流振幅制御を行いながら埋もれアーク溶接を行う。ソリッドワイヤを用いた埋もれアーク溶接によれば、溶接パス数を低減し、安価なソリッドワイヤを用いることにより、効率的、低コストで母材４を溶接することができる。また、上記の通り、電流振幅制御により、ブローホールの発生を抑えることができる。

【0094】

次いで、フラックスコアードワイヤを用いたＧＭＡ溶接により最終層の溶接を行う（ステップＳ５１２）。最終層の溶接は、埋もれアークである必要は無く、非埋もれアーク、例えば通常のＧＭＡ溶接で足りる。もちろん、最終層も、埋もれアーク溶接により溶接することもできる。なお、フラックスコアードワイヤによる溶接は、最終パスだけでなくてもよい。例えば２パス目以降を全てフラックスコアードワイヤで溶接してもよい。

【0095】

（実施例）
母材４の板厚１９ｍｍ、裏当て板厚６ｍｍ、開先角度３５°のレ型開先、ギャップ６ｍｍのＳＵＳ３０４突合せ溶接継手において、１層目及び２層目はソリッドワイヤを用いた平均電流４５０Ａの埋もれアーク溶接で溶接し、３層目はフラックスコアードワイヤによる２５０Ａの直流ＧＭＡ溶接で溶接する。フラックスコアードワイヤによる従来溶接法で全パスを溶接する場合と比較して、溶接パス数、溶材コストを低減しつつ、良好なビード表面外観を得ることができる。

【0096】

実施形態５に係るアーク溶接方法及びアーク溶接装置によれば、ステンレスの厚板溶接において、溶接能率の向上、溶接コストの低減、及び良好なビード外観を実現できる。

【符号の説明】

【0097】

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、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】

【図15】