アーク溶接方法
【課題】レ形開先内の溶接を行う際に、溶接欠陥の発生を抑制すると共にスパッタを大幅に低減させるアーク溶接方法を提供する。
【解決手段】レ形開先２０内のウィービング中心位置に溶接トーチ１７を所定の傾斜角θ１で配置し、ウィービング中心位置を中心として溶接トーチ１７を略円弧状にウィービング振り角θ２でウィービングさせながらアーク倣いを実施するアーク溶接方法である。レ形開先２０の開先角度をθ３（°）としたときに、（ａ）５°≦θ１≦２５°、（ｂ）１°≦θ２≦２０°、（ｃ）２５°≦θ３≦３５°、（ｄ）θ１−５°≦θ３／２≦θ１＋５°、（ｅ）θ２／２−θ１+θ3≧１５°、（ｆ）θ１+θ２／２≧１５°の条件が満たされた状態で、アーク溶接を行う。
【解決手段】レ形開先２０内のウィービング中心位置に溶接トーチ１７を所定の傾斜角θ１で配置し、ウィービング中心位置を中心として溶接トーチ１７を略円弧状にウィービング振り角θ２でウィービングさせながらアーク倣いを実施するアーク溶接方法である。レ形開先２０の開先角度をθ３（°）としたときに、（ａ）５°≦θ１≦２５°、（ｂ）１°≦θ２≦２０°、（ｃ）２５°≦θ３≦３５°、（ｄ）θ１−５°≦θ３／２≦θ１＋５°、（ｅ）θ２／２−θ１+θ3≧１５°、（ｆ）θ１+θ２／２≧１５°の条件が満たされた状態で、アーク溶接を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットにより溶接トーチをウィービングさせながらレ形開先内を溶接するアーク溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な６軸多関節アーク溶接ロボットは、アーム先端部に溶接トーチ（以下「トーチ」という）が取り付けられ、このトーチが任意の姿勢で空間座標の任意の位置に移動することができるように構成されている。そして、各種開先における突合せ溶接やすみ肉溶接を行う場合には、溶込み深さを確保すると共に融合不良等の溶接欠陥の発生を抑制するために、一般的に、トーチ内のコンタクトチップから突出させた溶接ワイヤを、溶接線に対して概ね垂直に揺動させるウィービング動作が実施される（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
また、実際の溶接工程においては、予め溶接ロボットに対して溶接線や開先に応じた溶接動作を教示していたとしても、溶接による熱歪みにより開先位置やその角度は相当に変位し、溶接線に対してトーチの位置ずれが生じてしまう。そこで、トーチをウィービングさせる際に、溶接中の溶接電流と電圧のいずれか一方または両方の変化をモニタリングすることにより、溶接線に対するトーチの位置ずれを修正するアーク倣い等の開先倣いが実施される。
【０００４】
図６（ａ），（ｂ）に公知のウィービング方法をそれぞれ模式的に表した図を示す。図６（ａ）に示すウィービング方法は、第１母材（立板）９１から一定距離離れた位置に第２母材（開先）９２を配置し、これらの間のルートギャップに裏当て金９３を配置してなるレ形開先内を、トーチ９４に傾斜角をつけずに揺動させるウィービング方法を示している。図６（ｂ）に示すウィービング方法は、同構造のレ形開先内をトーチ９４に傾斜角をつけて揺動させるウィービング方法を示している。なお、図６（ａ），（ｂ）に示す符号９５は溶接ワイヤを示している。
【０００５】
また、６軸多関節アーク溶接ロボットにおいて、トーチの先端を溶接線に対して略垂直に、かつ、トーチ傾斜角とトーチ前進角を変化させながら揺動させるウィービング方法、すなわち、トーチを円弧運動させながらトーチを溶接線に沿って移動させるウィービングする方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。このようなトーチ傾斜角を変化させるウィービング方法では、一般的に、位置決め精度が低下しやすいという問題がある。特許文献３に開示された技術は、この問題を解決するものであり、トーチ先端位置の位置決め精度を向上させて、溶接線に沿った溶接が可能となっている旨記載されている。
【特許文献１】特開平９−２５３８５３号公報
【特許文献２】特許第３５３１８１１号公報
【特許文献３】特開２００５−２１９７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のウィービング方法には、以下のような問題点が存在する。すなわち、図６（ａ）に示される、トーチ９４に傾斜角をつけずにトーチ９４をウィービングさせる方法を用いてレ形開先内の溶接を行う場合にルートギャップが狭いと、トーチ９４が第１母材９１に干渉しない範囲で十分なウィービング幅を確保することが困難であり、第１母材９１側の溶込み深さが不足し、融合不良等の溶接欠陥が発生しやすくなる。
【０００７】
また、図６（ｂ）に示される、トーチ９４に傾斜角をつけてトーチ９４をウィービングさせる方法を用いて、レ形開先内の溶接を行った場合には、ウィービングにより第２母材９２側にアーク点が移動した際のトーチ進入角（開先斜面とトーチ９４の軸方向〔溶接ワイヤ９５の軸方向〕とがなす角度）が極めて小さくなる。そのため、第２母材９２側の溶込み深さが不足しやすくなる。また、融合不良等の溶接欠陥が発生しやすくなる。
【０００８】
さらに、アークが開先斜面側へ偏向するために、溶接ワイヤ９５先端の溶滴に働く反力方向がワイヤ送給方向から大きく外れ、離脱した溶滴がスパッタとなって第１母材９１に多量に付着することになる。
【０００９】
さらに、ウィービングにおいてアーク倣いを実施する場合には、ウィービング幅とウィービング周波数が大きくなるため、スパッタの発生は顕著になる。こうして第１母材９１に付着したスパッタは、溶接構造物の外観を損なう。また、溶接構造物の超音波探傷試験において、スパッタは探触子の障害となるため、スパッタを除去する必要が生じる。このようなスパッタの除去作業は、生産性を低下させる。
【００１０】
特許文献３には、トーチ先端の位置決め精度の向上について記載されているものの、ウィービング方法と溶込み深さ、融合不良等の溶接欠陥及びスパッタとの関係については記載されていない。そのため、単純に特許文献３に開示されたウィービング方法を用いれば、溶込み深さを確保し、融合不良等の溶接欠陥の発生を抑制し、スパッタを低減することができるわけではなく、開先形状に対してウィービング条件を適切に設定することによって初めて溶接品質の大きな向上が図られる。
【００１１】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、レ形開先内の溶接を行う際に、溶接欠陥の発生を抑制し、さらにスパッタの発生を大幅に低減させるアーク溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係るアーク溶接方法は、レ形開先内のウィービング中心位置に溶接トーチを所定の傾斜角で配置し、前記ウィービング中心位置を中心として前記溶接トーチを略円弧状に所定のウィービング振り角でウィービングさせながらアーク倣いを実施するアーク溶接方法であって、前記ウィービング中心位置における前記溶接トーチの傾斜角をθ１（°）、前記ウィービング振り角をθ２（°）、前記レ形開先の開先角度をθ３（°）としたときに、（ａ）５°≦θ１≦２５°、（ｂ）１°≦θ２≦２０°、（ｃ）２５°≦θ３≦３５°、（ｄ）θ１−５°≦θ３／２≦θ１＋５°、（ｅ）θ２／２−θ１+θ3≧１５°、（ｆ）θ１+θ２／２≧１５°、の条件が満たされていることを特徴とする。
【００１３】
このような構成により、レ形開先を構成する母材の溶込み深さを確保し、融合不良等の溶接欠陥の発生が抑制された良好な溶接を行うことができる。また、溶接ワイヤ先端の溶滴に働く反力方向がワイヤ送給方向から大きく外れることがないためにスパッタの発生が低減される。発生したスパッタは、母材に付着しても、その殆どが溶接ビードに含まれることとなる。こうして、スパッタの除去に係る負荷が軽減され、またはスパッタの除去が実質的に不要になることで、生産性を高めることができ、しかも、溶接構造物の外観を損なうこともなくなる。さらに、スパッタの大幅な低減は、溶接ワイヤの利用率を高める利点もある。
【００１４】
本発明においては、溶接電流としてパルス電流を用いることが好ましい。すなわち、本発明に係るウィービング方法は、Ａｒを主成分とする混合ガスを用いて１パルス１溶滴移行するパルスＭＡＧ溶接方法、及び、炭酸ガス（ＣＯ２ガス）を主成分とし、１周期あたりにパルスピーク電流とパルス幅（期間）の異なる２種のパルス波形を交互に出力することにより１周期あたり１溶滴移行させるＣＯ２パルスアーク溶接方法に好適に用いられる。これによりスパッタの発生をさらに低減し、溶込み深さをより確実に確保し、融合不良等の溶接欠陥の発生を防止することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、レ形開先内の溶接において、両母材における溶込み深さを確保し、融合不良等の溶接欠陥の発生を抑制すると共に、スパッタの発生を大幅に低減することができるという顕著な効果を奏する。また、本発明のウィービング方法とパルス電流を用いた溶接方法により、スパッタの発生をさらに低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
＜アーク溶接ロボットの概略構造＞
図１に本発明に係るウィービング方法を実施するために用いられる６軸多関節型アーク溶接ロボットの一例に係る概略構造を示す。このアーク溶接ロボットは、床面に固設されたベース１１と、ベース１１に設けられたアーム１０とを備えている。アーム１０は、基台１２と第１アーム１３と第２アーム１４と手首部材１５とを有している。基台１２は、旋回軸Ｊ１として機能するようにベース１１上に旋回可能に設けられている。基台１２の上面には、第１アーム１３が縦設されており、第１アーム１３は、前後揺動軸Ｊ２として機能するように揺動可能となっている。
【００１７】
第１アーム１３は、主アーム１３ａ及び副アーム１３ｂからなる。主アーム１３ａ及び副アーム３ｂは、上下揺動軸Ｊ３として機能するように、自由端側において第２アーム１４をそれぞれ回動自在に軸支している。第２アーム１４は、アーム回転軸Ｊ４として機能するように回転可能であり、その自由端側に手首部材１５が設けられている。手首部材１５は、手首揺動軸Ｊ５及び手首回転軸Ｊ６として機能するように揺動可能及び回転可能となっている。このように構成されたアーム１０は、各軸Ｊ１〜Ｊ６により複数の自由度を備えることによって、３次元からなる空間座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の任意の位置にアーム先端部１０ａを移動させることができる。
【００１８】
アーム先端部１０ａには、トーチブラケット１８を介して溶接トーチ１７（以下「トーチ１７」と記す）が設けられている。トーチブラケット１８は、手首回転軸Ｊ６の軸線から外れた位置でトーチ１７を支持している。トーチ１７は、先端面から後端面にかけて連通されており、後端面に供給された溶接ワイヤ１６（以下「ワイヤ１６」と記す）をトーチ１７内に挿通させて先端面から送り出す、消耗電極式の構造となっている。トーチ１７の軸心方向とワイヤ１６の長さ方向とは実質的に平行となっている。ワイヤ１６の送り出し方向は、手首回転軸Ｊ６の軸線に対して一定角度で交差するように設定されている。
このように構成されたアーク溶接ロボットを用いて、以下に説明するレ形開先内の溶接を行う。その条件について詳細に説明する。
【００１９】
＜レ形開先の構成とトーチの設定＞
図２にレ形開先の構造及びトーチの設定条件を模式的に表した図を示す。レ形開先２０として、鉛直壁を備えた第１母材２１と、開先加工された第２母材２２と、裏当て金２３から構成されたものを例示している。第１母材２１の鉛直壁と第２母材２２の開先斜面とのなす角度をθ３（以下「開先角度θ３」という）とする。
【００２０】
レ形開先２０内の溶接は、トーチ１７の先端を溶接線に沿って移動させると共に、トーチ１７の先端を溶接線に対して左右に揺動させ、かつ、トーチ１７のトーチ傾斜角とトーチ前進角を変化させながらウィービング動作させる（以下「振り子ウィービング」という）ことにより行い、このときに、基本三軸（旋回軸Ｊ１、前後揺動軸Ｊ２、上下揺動軸Ｊ３）の動きを減少させるように、トーチ１７のトーチ回転角を変化させる。
【００２１】
このような振り子ウィービングを実施するために、トーチ１７は、まず図２中の実線で示されるように、振り子ウィービングの中心位置（以下「ウィービング中心位置」という）に所定の角度θ１（以下「トーチ傾斜角θ１」という）で配置される。そして、このウィービング中心位置を中心としてトーチ１７を所定の角度θ２（以下「ウィービング振り角θ２」という）で振り子ウィービングさせて、アーク溶接を行う。ウィービング振り角θ２でのトーチ１７のウィービングは、例えば、主に手首揺動軸Ｊ５の回転動作により行うことができる。また、ウィービング両端での傾斜角（図２に示すトーチ１７の点線位置での傾斜角であり、後述する「開先側トーチ進入角α」と「立板側トーチ進入角β」に相当する）やウィービング振り角θ２を指定し、トーチ１７の移動は直線補間で行ってもよい。
【００２２】
図２に示されるように、振り子ウィービングを行った際に、第２母材２２側ウィービング端においてトーチ１７の軸心方向と第２母材２２の開先加工面とがなす角度α（以下「開先側トーチ進入角α」という）は、［θ２／２−θ１+θ3］で表される。また、第１母材２１側ウィービング端においてトーチ１７の軸心方向と第１母材２１の鉛直面とがなす角度β（以下「立板側トーチ進入角β」という）は、［θ１+θ２／２］で表される。
【００２３】
振り子ウィービングを用いたレ形開先２０内のアーク溶接では、
（ａ）５°≦θ１≦２５°、
（ｂ）１°≦θ２≦２０°、
（ｃ）２５°≦θ３≦３５°、
（ｄ）θ１−５°≦θ３／２≦θ１＋５°、
（ｅ）α＝θ２／２−θ１+θ3≧１５°、
（ｆ）β＝θ１+θ２／２≧１５°、
の条件が満たされた状態で行われる。これらの全ての条件が満たされた振り子ウィービングを用いたレ形開先２０内のアーク溶接により、スパッタの発生を低減し、かつ、溶込み深さを確保し、融合不良等の溶接欠陥（以下単に「溶接欠陥」という）の発生を抑制した溶接を行うことができる。以下、上記（ａ）〜（ｆ）の各条件について説明する。
【００２４】
［（ａ）５°≦θ１≦２５°］
トーチ傾斜角θ１が５°未満の場合には、ワイヤ１６の先端が第１母材２１と裏当て金２３との接合部への接近が困難になるため、第１母材２１側で溶込み深さが不足しやすく、溶接欠陥が発生しやすくなる。また、前提条件として開先角度θ３を条件（ｃ）の通りに設定するため、トーチ傾斜角θ１が２５°を超える場合には、開先角度θ３との差が小さくなった状態でワイヤ１６が開先斜面に接近することとなる。このとき、アークが開先側へ偏向して、ワイヤ１６先端の溶滴に働く反力方向がワイヤ送給方向から大きく外れ、溶滴がスパッタとなって第１母材２１に付着するため（この現象については、後に条件（ｅ）について説明する際に、図３を参照しながら詳細に説明する）、溶接後にこれを除去する作業が必要となる。さらに、第２母材２２側で溶込み深さが不足しやすく、溶接欠陥が発生しやすくなる。よって、トーチ傾斜角θ１を５〜２５°の範囲（５°≦θ１≦２５°）とする。
【００２５】
［（ｂ）１°≦θ２≦２０°］
ウィービング振り角θ２が１°未満の場合とは、実質的にウィービングが行われていない状態であり、このような条件では、後述する実施例に示すように、スパッタの発生量が多くなり、溶接欠陥も発生しやすくなる。そこで、ウィービング振り角θ２を１°以上とする。また、前提条件として、開先角度θ３を条件（ｃ）の通りに設定し、トーチ傾斜角θ１を５〜２５°とするため、ウィービング振り角θ２の上限を、現実的に振り子ウィービングを行うことができる２０°に設定する。
【００２６】
［（ｃ）２５°≦θ３≦３５°］
開先角度θ３は、実際に溶接される母材の構造、溶接構造物に求められる強度等を考慮して適宜定められるが、振り子ウィービングの条件は、開先角度θ３に応じて変わることが予想されるため、本発明では、前提条件として、開先角度θ３を２５〜３５°（２５°≦θ３≦３５°）に設定する。
【００２７】
［（ｄ）θ１−５°≦θ３／２≦θ１＋５°］
トーチ１７が第１母材２１及び第２母材２２に干渉しない範囲で十分なウィービング幅ΔＷ（図２参照）を確保するために、条件（ｄ）が満たされるように、トーチ傾斜角θ1を開先角θ3に応じて設定することが必要であり、その条件が［θ１−５°≦θ３／２≦θ１＋５°］となることが、本発明により見いだされた。但し、振り子ウィービングでは、条件（ｄ）のみが満たされても、第１母材２１側で溶込み深さが不足しやすく、溶接欠陥を発生させると共に、第２母材２２側で多量のスパッタを発生させ、このスパッタが第１母材２１に付着してしまう。このような問題を回避するために、条件（ｅ），（ｆ）が必要とされる。
【００２８】
［（ｅ）α＝θ２／２−θ１+θ3≧１５°］
条件（ｅ）は開先側トーチ進入角αについて規定したものであり、この条件（ｅ）が満たされることにより、スパッタの発生が低減され、かつ、第２母材２２側で溶込み深さが確保され、溶接欠陥の発生が抑制されることが、鋭意研究の結果、見いだされた。スパッタの発生をより効果的に低減するためには、α≧２０°とすることが好ましい。この理由について図３を参照して説明する。図３に開先側トーチ進入角とスパッタの飛散方向との関係を模式的に表した図を示す。ここで、図３（ａ）は本発明例の場合を示しており、図３（ｂ）は開先側トーチ進入角が小さい（条件（ｅ）を満たさない）参考例の場合を示している。
【００２９】
図３（ｂ）に示されるように、開先側トーチ進入角αが小さくなると、ワイヤ１６の先端の溶滴に働く反力方向がワイヤ送給方向から大きく外れ、ワイヤ１６から離脱した溶滴がスパッタ２６となって、開先斜面と直交する方向に飛散し、第１母材２１に付着する。そのため、スパッタ２６の付着する位置は、最終溶接表面よりも上側となることが多く、第１母材２１に付着したスパッタ２６により、溶接構造物の外観が損なわれる。また、溶接構造物の超音波探傷試験において、スパッタ２６は探触子の障害となるため、スパッタ２６を除去する必要が生じる。このようなスパッタ２６の除去作業は、生産性を低下させる。さらに、第２母材２２側において溶込み深さが不足しやすく、溶接欠陥が発生する可能性が高くなる。
【００３０】
これに対して、図３（ａ）に示されるように、開先側トーチ進入角αに一定の大きさが確保されることにより、ワイヤ１６の先端の溶滴に働く反力方向がワイヤ送給方向から大きく外れることがなくなるため、ワイヤ１６から離脱した溶滴は、スパッタ２６となって飛散して第１母材２１に付着しても、多くの場合、その付着位置が最終溶接表面よりも下側となる。そのため、第１母材２１に付着したスパッタ２６は、溶接構造物の外観を損なうこともないし、スパッタ２６を除去する作業が軽減され、或いは作業の必要がなくなる。また、開先側トーチ進入角αに一定の大きさが確保されることにより、第２母材２２側での溶接欠陥の発生を防止することができる。
【００３１】
［（ｆ）β＝θ１+θ２／２≧１５°］
条件（ｆ）は立板側トーチ進入角βについて、前記条件（ｅ）と同等に規定したものである。したがって、条件（ｆ）が満たされることにより、スパッタの発生が低減されると共に第１母材２１側での溶込み深さが確保され、溶接欠陥の発生が抑制される。スパッタの発生をより効果的に低減するためには、β≧２０°とすることが好ましい。
【００３２】
＜溶接電流のパルス化＞
振り子ウィービングは、パルスＭＡＧ溶接方法及びＣＯ２パルスアーク溶接方法に好適に用いられ、これにより、スパッタの発生をさらに低減し、溶込み深さをより確実に確保して、溶接欠陥の発生をさらに抑制することができる。その理由について、以下に説明する。
【００３３】
Ａｒガスに５〜３０％のＣＯ２ガスを混合してなる混合ガスをシールドガスとして用いるＭＡＧ溶接方法において、溶接電流を２００〜３５０Ｈｚ程度のパルス電流として出力することにより１パルス１溶滴移行としたパルスＭＡＧ溶接方法は、低スパッタ溶接方法として広まってきている。また、ＣＯ２ガスを主成分とするシールドガスを用いるＣＯ２アーク溶接方法において、１周期あたりにパルスピーク電流とパルス幅（期間）の異なる２種のパルス波形を交互に出力するＣＯ２パルスアーク溶接方法では、１周期あたり１溶滴を移行させる極めて規則正しい溶滴移行が実現されるため、スパッタ発生量を低減させることができる。
【００３４】
しかしながら、図６（ａ）に示したようにトーチ９４に傾斜角を付けずに、或いは図６（ｂ）に示したようにトーチ９４に傾斜角を付けてレ形開先内を溶接線に対して垂直方向に揺動させる従来のウィービング方法を、パルスＭＡＧ溶接方法やＣＯ２パルスアーク溶接方法に適用しても、パルスピーク期間中のアーク反力が強力であるため、開先側ウィービング端においては、離脱した溶滴がスパッタとなる場合があり、パルスＭＡＧ溶接方法とＣＯ２パルスアーク溶接方法の利点であるスパッタ低減の効果が小さくなってしまう。
【００３５】
これに対して、パルスＭＡＧ溶接方法やＣＯ２パルスアーク溶接方法に本発明に係る振り子ウィービングを用いたアーク溶接方法を適用してレ形開先２０内の溶接を行った場合には、開先側ウィービング端においても離脱した溶滴がスパッタとなり難く、スパッタ発生量が極めて少ない溶接を行うことが可能となる。さらに、振り子ウィービングを行うこととパルスアークによる強力なアーク圧力が相乗し、第１母材２１及び第２母材２２の溶込み深さを増大させると共に、第１母材２１及び第２母材２２に対するアーク圧力の直接作用により、溶接欠陥の発生を防止することができる。
【００３６】
＜アーク倣い＞
本発明においては、振り子ウィービングを実施しながら、開先倣いとしてのアーク倣いが実行される。一般的には、振り子ウィービングを用いると、従来方法に比して、溶接電流の変化が小さくなり、倣い難くなる。しかし、前記した条件（ｄ）〜（ｆ）を規定することにより、ウィービングによる電流の変化が現れる。そのため、本発明に係る振り子ウィービングを用いれば、アーク倣いの精度も確保される。
【００３７】
なお、Ｘ形、Ｉ形、Ｕ形、Ｋ形、Ｖ形、Ｊ形開先等の各開先内を溶接するに際しても、本発明の思想を用いることにより、容易に、溶接欠陥の発生を抑制し、さらにスパッタの発生を低減させることができる。
【実施例】
【００３８】
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明がこれらの実施例に限定されるものでないことはいうまでもない。
図１に示した構造のアーク溶接ロボットを用い、１００％ＣＯ２ガスをシールドガスとして用いたアーク溶接を行った。以下に溶接試験の共通条件を示す。また、表１，２には、試料ごとに設定された試験条件を示す。さらに、図４（ａ）にアーク溶接に用いた母材の構造とスパッタの捕集ツールの外観を表した斜視図を示し、図４（ｂ）に図４（ａ）に示すＡ−Ａ断面図を示す。また、図５にパルス溶接で用いたパルスパターンを示す。
【００３９】
［溶接試験の共通条件］
溶接ワイヤ ： ＪＩＳ Ｚ３３１２ ＹＧＷ１１ φ１．２ｍｍ
シールドガス ： １００％炭酸ガス（ＣＯ２）
母材材質 ： ＳＭ４９０Ａ
コンタクトチップ
−母材間距離 ： ２５ｍｍ
溶接速度 ： ４０ｃｍ／ｍｉｎ
溶接ワイヤ送給速度 ： １３．０〜１８．０ｍ／ｍｉｎ
平均ルートギャップ ： ３〜１６ｍｍ
開先倣い方法 ： アーク倣い（電流制御）
【００４０】
図４（ａ），（ｂ）に示される第１母材２１は、図２に示したものと同じである。第１母材２１は、厚さ：３２ｍｍ、幅（図４（ｂ）では高さ）：２００ｍｍ、長さ：５００ｍｍである。第２母材２２ａは、開先加工前には第１母材２１と同じ形状であったものを、平均ルートギャップが３〜１６ｍｍの範囲の所定値に設定され、かつ、表１，２に示される開先角度θ３となるように開先加工したものである。
【００４１】
なお、ルートギャップが長さ方向において７ｍｍとなるように開先加工された第２母材２２ａを用いた場合の実際の溶接試験においては、ルートギャップには５ｍｍ〜９ｍｍ程度の幅でばらつきが生じる。但し、その平均は、大凡７ｍｍとなる。こうしてルートギャップが変化しても、アーク倣いを実施しているために、ウィービング幅ΔＷは、ルートギャップに応じて適正なウィービング幅ΔＷに修正されながら、溶接が進められる。また、ルートギャップとルートギャップに応じてウィービング幅ΔＷが変化しても、振り子ウィービング端におけるトーチ傾斜角θ１を固定しているため、ウィービング振り角θ２は変化しない。したがって、開先側トーチ進入角αと立板側トーチ進入角βの値も変化しない（適宜、図２参照）。
【００４２】
図５に示すパルスパターンについて、Ｔｐ１は第１パルスのピーク期間を、Ｔｂ１は第１パルスのベース期間を、Ｔｐ２は第２パルスのピーク期間を、Ｔｂ２は第２パルスのベース期間を、Ｉｐ１は第１パルスのピーク電流を、Ｉｂ１は第１パルスのベース電流を、Ｉｐ２は第２パルスのピーク電流を、Ｉｂ２は第２パルスのベース電流を、それぞれ表しており、ここでは、Ｔｐ１＝２．０ｍｓｅｃ、Ｔｂ１＝２．０ｍｓｅｃ、Ｔｐ２＝３．５ｍｓｅｃ、Ｉｐ１＝５００Ａ、Ｉｂ１＝１５０Ａ、Ｉｐ２＝４００Ａ、Ｉｂ２＝１５０Ａとし、基本的に、１周期１溶滴移行によるパルス溶接を実行しながら、Ｔｂ２を変化させることにより、溶接ワイヤの溶融バランスを維持している。
【００４３】
試験条件について、表１，２に示す「ｆ」はウィービングの周波数である。また、表１，２に示すウィービング幅ΔＷは、初期設定値である。通常、レ形開先内の溶接では多層盛り溶接が行われるため、本試験においても、このような多層盛り溶接を想定した試験を行っている。すなわち、実施例及び比較例において、ウィービング幅ΔＷの設定値２〜６ｍｍ、６〜９ｍｍ、９〜１２ｍｍ、１２〜１６ｍｍはそれぞれ、初層溶接、２層目溶接、３層目溶接、４層目溶接をそれぞれ想定している。なお、例えば、表１の試料４におけるΔＷ：６〜１６は、２層目から４層目まで角度に関する条件を同一とした場合を想定している。
【００４４】
溶接試験は、第１母材２１と第２母材２２ａの側面に銅製の捕集箱３１を配置した状態で行い、このとき発生するスパッタを捕集箱３１で捕集し、その重量を測定することにより、スパッタ発生量を求めた。また、超音波探傷装置を用いて、溶接欠陥の有無を検査した。
【００４５】
【表１】
【００４６】
【表２】
【００４７】
表１，２に試験結果を併記する。スパッタ発生量については、連続電流で行った場合（表１，２の「パルス無し」の欄）には、その発生量が３ｇ／ｍｉｎ以上であったものを不合格として「×」で、３ｇ／ｍｉｎ未満であったものを合格として「○」でそれぞれ示している。パルス電流による溶接を行った場合（表１，２の「パルス有り」の欄）には、その発生量が１ｇ／ｍｉｎ以上であったものを不合格として「×」で、１ｇ／ｍｉｎ未満であったものを合格として「○」でそれぞれ示している。溶接欠陥の有無は、超音波探傷装置を用いた斜角探傷法により検査し、欠陥エコーが現れなかったものを合格として「○」で、欠陥エコーが現れたものを不合格として「×」でそれぞれ示している。
【００４８】
表１に示す番号１〜２９の試験条件は、前記した条件（ａ）〜（ｆ）が満たされた本発明に係るアーク溶接方法によるものであり、パルス無しのアーク溶接であっても十分にスパッタ発生量が小さく、パルス電流を用いることによりスパッタ発生量をさらに低減することができることが確認された。また、溶接欠陥の発生も確認されなかった。また、アーク倣いも問題なく実施されている。
【００４９】
これに対して、番号３０〜４７は、ウィービング振り角θ２が０°の場合であり、前記した条件（ｂ）を満たしていない。そのため、評価項目であるスパッタと溶接欠陥の少なくとも一方が不合格になっているという結果が得られた。なお、パルス電流による溶接を行うことにより、例えば、試料３１のように溶接欠陥が改善されるものも現れたが、スパッタの発生の改善効果は現れていない。また、開先側トーチ進入角αが大きいものほど、スパッタの発生が改善される傾向にあることが窺える。
【００５０】
番号４８，４９，５２，５３，５４，５５，５８，５９では、第１母材２１側に配置された捕集箱３１でのスパッタ捕集量が多くなった。この結果は、これらの番号の溶接条件では、開先側トーチ進入角αが小さいために、開先側でのスパッタ発生量が極めて多くなったことを示していると考えられる。これらのうち番号４９，５２，５３，５５，５８，５９では、特に開先側トーチ進入角αが小さいため、開先側で溶接欠陥が発生した。一方、番号５０，５１，５４，５６，５７では、第１母材２１側で溶接欠陥が発生した。これは、立板側トーチ進入角βが小さいためと考えられる。このような溶接欠陥の発生は、トーチ進入角の大きさのみに起因するとは考え難く、アーク倣いの精度が得られておらず、その影響が加味された結果と考えられる。なお、これらの試料でも、パルス電流を用いることで、溶接欠陥を改善することができる傾向が現れている。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】アーク溶接ロボットの概略構造図である。
【図２】レ形開先の構造及びトーチの設定条件を模式的に示す図である。
【図３】開先側トーチ進入角とスパッタの飛散方向との関係を模式的に示す図であり、（ａ）は本発明例、（ｂ）は参考例である。
【図４】試験方法を模式的示す図であり、（ａ）は概略斜視図であり、（ｂ）は概略断面図である。
【図５】パルス溶接に用いたパルスパターンを示す図である。
【図６】（ａ），（ｂ）はそれぞれ、公知のウィービング方法を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
θ１ トーチ傾斜角
θ２ ウィービング振り角
θ３ 開先角度
α 開先側トーチ進入角
β 立板側トーチ進入角
１０ アーム
１０ａ アーム先端部
１６ 溶接ワイヤ（ワイヤ）
１７ 溶接トーチ（トーチ）
１８ トーチブラケット
２０ レ形開先
２１ 第１母材
２２，２２ａ 第２母材
２３ 裏当て金
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットにより溶接トーチをウィービングさせながらレ形開先内を溶接するアーク溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な６軸多関節アーク溶接ロボットは、アーム先端部に溶接トーチ（以下「トーチ」という）が取り付けられ、このトーチが任意の姿勢で空間座標の任意の位置に移動することができるように構成されている。そして、各種開先における突合せ溶接やすみ肉溶接を行う場合には、溶込み深さを確保すると共に融合不良等の溶接欠陥の発生を抑制するために、一般的に、トーチ内のコンタクトチップから突出させた溶接ワイヤを、溶接線に対して概ね垂直に揺動させるウィービング動作が実施される（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
また、実際の溶接工程においては、予め溶接ロボットに対して溶接線や開先に応じた溶接動作を教示していたとしても、溶接による熱歪みにより開先位置やその角度は相当に変位し、溶接線に対してトーチの位置ずれが生じてしまう。そこで、トーチをウィービングさせる際に、溶接中の溶接電流と電圧のいずれか一方または両方の変化をモニタリングすることにより、溶接線に対するトーチの位置ずれを修正するアーク倣い等の開先倣いが実施される。
【０００４】
図６（ａ），（ｂ）に公知のウィービング方法をそれぞれ模式的に表した図を示す。図６（ａ）に示すウィービング方法は、第１母材（立板）９１から一定距離離れた位置に第２母材（開先）９２を配置し、これらの間のルートギャップに裏当て金９３を配置してなるレ形開先内を、トーチ９４に傾斜角をつけずに揺動させるウィービング方法を示している。図６（ｂ）に示すウィービング方法は、同構造のレ形開先内をトーチ９４に傾斜角をつけて揺動させるウィービング方法を示している。なお、図６（ａ），（ｂ）に示す符号９５は溶接ワイヤを示している。
【０００５】
また、６軸多関節アーク溶接ロボットにおいて、トーチの先端を溶接線に対して略垂直に、かつ、トーチ傾斜角とトーチ前進角を変化させながら揺動させるウィービング方法、すなわち、トーチを円弧運動させながらトーチを溶接線に沿って移動させるウィービングする方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。このようなトーチ傾斜角を変化させるウィービング方法では、一般的に、位置決め精度が低下しやすいという問題がある。特許文献３に開示された技術は、この問題を解決するものであり、トーチ先端位置の位置決め精度を向上させて、溶接線に沿った溶接が可能となっている旨記載されている。
【特許文献１】特開平９−２５３８５３号公報
【特許文献２】特許第３５３１８１１号公報
【特許文献３】特開２００５−２１９７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のウィービング方法には、以下のような問題点が存在する。すなわち、図６（ａ）に示される、トーチ９４に傾斜角をつけずにトーチ９４をウィービングさせる方法を用いてレ形開先内の溶接を行う場合にルートギャップが狭いと、トーチ９４が第１母材９１に干渉しない範囲で十分なウィービング幅を確保することが困難であり、第１母材９１側の溶込み深さが不足し、融合不良等の溶接欠陥が発生しやすくなる。
【０００７】
また、図６（ｂ）に示される、トーチ９４に傾斜角をつけてトーチ９４をウィービングさせる方法を用いて、レ形開先内の溶接を行った場合には、ウィービングにより第２母材９２側にアーク点が移動した際のトーチ進入角（開先斜面とトーチ９４の軸方向〔溶接ワイヤ９５の軸方向〕とがなす角度）が極めて小さくなる。そのため、第２母材９２側の溶込み深さが不足しやすくなる。また、融合不良等の溶接欠陥が発生しやすくなる。
【０００８】
さらに、アークが開先斜面側へ偏向するために、溶接ワイヤ９５先端の溶滴に働く反力方向がワイヤ送給方向から大きく外れ、離脱した溶滴がスパッタとなって第１母材９１に多量に付着することになる。
【０００９】
さらに、ウィービングにおいてアーク倣いを実施する場合には、ウィービング幅とウィービング周波数が大きくなるため、スパッタの発生は顕著になる。こうして第１母材９１に付着したスパッタは、溶接構造物の外観を損なう。また、溶接構造物の超音波探傷試験において、スパッタは探触子の障害となるため、スパッタを除去する必要が生じる。このようなスパッタの除去作業は、生産性を低下させる。
【００１０】
特許文献３には、トーチ先端の位置決め精度の向上について記載されているものの、ウィービング方法と溶込み深さ、融合不良等の溶接欠陥及びスパッタとの関係については記載されていない。そのため、単純に特許文献３に開示されたウィービング方法を用いれば、溶込み深さを確保し、融合不良等の溶接欠陥の発生を抑制し、スパッタを低減することができるわけではなく、開先形状に対してウィービング条件を適切に設定することによって初めて溶接品質の大きな向上が図られる。
【００１１】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、レ形開先内の溶接を行う際に、溶接欠陥の発生を抑制し、さらにスパッタの発生を大幅に低減させるアーク溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係るアーク溶接方法は、レ形開先内のウィービング中心位置に溶接トーチを所定の傾斜角で配置し、前記ウィービング中心位置を中心として前記溶接トーチを略円弧状に所定のウィービング振り角でウィービングさせながらアーク倣いを実施するアーク溶接方法であって、前記ウィービング中心位置における前記溶接トーチの傾斜角をθ１（°）、前記ウィービング振り角をθ２（°）、前記レ形開先の開先角度をθ３（°）としたときに、（ａ）５°≦θ１≦２５°、（ｂ）１°≦θ２≦２０°、（ｃ）２５°≦θ３≦３５°、（ｄ）θ１−５°≦θ３／２≦θ１＋５°、（ｅ）θ２／２−θ１+θ3≧１５°、（ｆ）θ１+θ２／２≧１５°、の条件が満たされていることを特徴とする。
【００１３】
このような構成により、レ形開先を構成する母材の溶込み深さを確保し、融合不良等の溶接欠陥の発生が抑制された良好な溶接を行うことができる。また、溶接ワイヤ先端の溶滴に働く反力方向がワイヤ送給方向から大きく外れることがないためにスパッタの発生が低減される。発生したスパッタは、母材に付着しても、その殆どが溶接ビードに含まれることとなる。こうして、スパッタの除去に係る負荷が軽減され、またはスパッタの除去が実質的に不要になることで、生産性を高めることができ、しかも、溶接構造物の外観を損なうこともなくなる。さらに、スパッタの大幅な低減は、溶接ワイヤの利用率を高める利点もある。
【００１４】
本発明においては、溶接電流としてパルス電流を用いることが好ましい。すなわち、本発明に係るウィービング方法は、Ａｒを主成分とする混合ガスを用いて１パルス１溶滴移行するパルスＭＡＧ溶接方法、及び、炭酸ガス（ＣＯ２ガス）を主成分とし、１周期あたりにパルスピーク電流とパルス幅（期間）の異なる２種のパルス波形を交互に出力することにより１周期あたり１溶滴移行させるＣＯ２パルスアーク溶接方法に好適に用いられる。これによりスパッタの発生をさらに低減し、溶込み深さをより確実に確保し、融合不良等の溶接欠陥の発生を防止することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、レ形開先内の溶接において、両母材における溶込み深さを確保し、融合不良等の溶接欠陥の発生を抑制すると共に、スパッタの発生を大幅に低減することができるという顕著な効果を奏する。また、本発明のウィービング方法とパルス電流を用いた溶接方法により、スパッタの発生をさらに低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
＜アーク溶接ロボットの概略構造＞
図１に本発明に係るウィービング方法を実施するために用いられる６軸多関節型アーク溶接ロボットの一例に係る概略構造を示す。このアーク溶接ロボットは、床面に固設されたベース１１と、ベース１１に設けられたアーム１０とを備えている。アーム１０は、基台１２と第１アーム１３と第２アーム１４と手首部材１５とを有している。基台１２は、旋回軸Ｊ１として機能するようにベース１１上に旋回可能に設けられている。基台１２の上面には、第１アーム１３が縦設されており、第１アーム１３は、前後揺動軸Ｊ２として機能するように揺動可能となっている。
【００１７】
第１アーム１３は、主アーム１３ａ及び副アーム１３ｂからなる。主アーム１３ａ及び副アーム３ｂは、上下揺動軸Ｊ３として機能するように、自由端側において第２アーム１４をそれぞれ回動自在に軸支している。第２アーム１４は、アーム回転軸Ｊ４として機能するように回転可能であり、その自由端側に手首部材１５が設けられている。手首部材１５は、手首揺動軸Ｊ５及び手首回転軸Ｊ６として機能するように揺動可能及び回転可能となっている。このように構成されたアーム１０は、各軸Ｊ１〜Ｊ６により複数の自由度を備えることによって、３次元からなる空間座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の任意の位置にアーム先端部１０ａを移動させることができる。
【００１８】
アーム先端部１０ａには、トーチブラケット１８を介して溶接トーチ１７（以下「トーチ１７」と記す）が設けられている。トーチブラケット１８は、手首回転軸Ｊ６の軸線から外れた位置でトーチ１７を支持している。トーチ１７は、先端面から後端面にかけて連通されており、後端面に供給された溶接ワイヤ１６（以下「ワイヤ１６」と記す）をトーチ１７内に挿通させて先端面から送り出す、消耗電極式の構造となっている。トーチ１７の軸心方向とワイヤ１６の長さ方向とは実質的に平行となっている。ワイヤ１６の送り出し方向は、手首回転軸Ｊ６の軸線に対して一定角度で交差するように設定されている。
このように構成されたアーク溶接ロボットを用いて、以下に説明するレ形開先内の溶接を行う。その条件について詳細に説明する。
【００１９】
＜レ形開先の構成とトーチの設定＞
図２にレ形開先の構造及びトーチの設定条件を模式的に表した図を示す。レ形開先２０として、鉛直壁を備えた第１母材２１と、開先加工された第２母材２２と、裏当て金２３から構成されたものを例示している。第１母材２１の鉛直壁と第２母材２２の開先斜面とのなす角度をθ３（以下「開先角度θ３」という）とする。
【００２０】
レ形開先２０内の溶接は、トーチ１７の先端を溶接線に沿って移動させると共に、トーチ１７の先端を溶接線に対して左右に揺動させ、かつ、トーチ１７のトーチ傾斜角とトーチ前進角を変化させながらウィービング動作させる（以下「振り子ウィービング」という）ことにより行い、このときに、基本三軸（旋回軸Ｊ１、前後揺動軸Ｊ２、上下揺動軸Ｊ３）の動きを減少させるように、トーチ１７のトーチ回転角を変化させる。
【００２１】
このような振り子ウィービングを実施するために、トーチ１７は、まず図２中の実線で示されるように、振り子ウィービングの中心位置（以下「ウィービング中心位置」という）に所定の角度θ１（以下「トーチ傾斜角θ１」という）で配置される。そして、このウィービング中心位置を中心としてトーチ１７を所定の角度θ２（以下「ウィービング振り角θ２」という）で振り子ウィービングさせて、アーク溶接を行う。ウィービング振り角θ２でのトーチ１７のウィービングは、例えば、主に手首揺動軸Ｊ５の回転動作により行うことができる。また、ウィービング両端での傾斜角（図２に示すトーチ１７の点線位置での傾斜角であり、後述する「開先側トーチ進入角α」と「立板側トーチ進入角β」に相当する）やウィービング振り角θ２を指定し、トーチ１７の移動は直線補間で行ってもよい。
【００２２】
図２に示されるように、振り子ウィービングを行った際に、第２母材２２側ウィービング端においてトーチ１７の軸心方向と第２母材２２の開先加工面とがなす角度α（以下「開先側トーチ進入角α」という）は、［θ２／２−θ１+θ3］で表される。また、第１母材２１側ウィービング端においてトーチ１７の軸心方向と第１母材２１の鉛直面とがなす角度β（以下「立板側トーチ進入角β」という）は、［θ１+θ２／２］で表される。
【００２３】
振り子ウィービングを用いたレ形開先２０内のアーク溶接では、
（ａ）５°≦θ１≦２５°、
（ｂ）１°≦θ２≦２０°、
（ｃ）２５°≦θ３≦３５°、
（ｄ）θ１−５°≦θ３／２≦θ１＋５°、
（ｅ）α＝θ２／２−θ１+θ3≧１５°、
（ｆ）β＝θ１+θ２／２≧１５°、
の条件が満たされた状態で行われる。これらの全ての条件が満たされた振り子ウィービングを用いたレ形開先２０内のアーク溶接により、スパッタの発生を低減し、かつ、溶込み深さを確保し、融合不良等の溶接欠陥（以下単に「溶接欠陥」という）の発生を抑制した溶接を行うことができる。以下、上記（ａ）〜（ｆ）の各条件について説明する。
【００２４】
［（ａ）５°≦θ１≦２５°］
トーチ傾斜角θ１が５°未満の場合には、ワイヤ１６の先端が第１母材２１と裏当て金２３との接合部への接近が困難になるため、第１母材２１側で溶込み深さが不足しやすく、溶接欠陥が発生しやすくなる。また、前提条件として開先角度θ３を条件（ｃ）の通りに設定するため、トーチ傾斜角θ１が２５°を超える場合には、開先角度θ３との差が小さくなった状態でワイヤ１６が開先斜面に接近することとなる。このとき、アークが開先側へ偏向して、ワイヤ１６先端の溶滴に働く反力方向がワイヤ送給方向から大きく外れ、溶滴がスパッタとなって第１母材２１に付着するため（この現象については、後に条件（ｅ）について説明する際に、図３を参照しながら詳細に説明する）、溶接後にこれを除去する作業が必要となる。さらに、第２母材２２側で溶込み深さが不足しやすく、溶接欠陥が発生しやすくなる。よって、トーチ傾斜角θ１を５〜２５°の範囲（５°≦θ１≦２５°）とする。
【００２５】
［（ｂ）１°≦θ２≦２０°］
ウィービング振り角θ２が１°未満の場合とは、実質的にウィービングが行われていない状態であり、このような条件では、後述する実施例に示すように、スパッタの発生量が多くなり、溶接欠陥も発生しやすくなる。そこで、ウィービング振り角θ２を１°以上とする。また、前提条件として、開先角度θ３を条件（ｃ）の通りに設定し、トーチ傾斜角θ１を５〜２５°とするため、ウィービング振り角θ２の上限を、現実的に振り子ウィービングを行うことができる２０°に設定する。
【００２６】
［（ｃ）２５°≦θ３≦３５°］
開先角度θ３は、実際に溶接される母材の構造、溶接構造物に求められる強度等を考慮して適宜定められるが、振り子ウィービングの条件は、開先角度θ３に応じて変わることが予想されるため、本発明では、前提条件として、開先角度θ３を２５〜３５°（２５°≦θ３≦３５°）に設定する。
【００２７】
［（ｄ）θ１−５°≦θ３／２≦θ１＋５°］
トーチ１７が第１母材２１及び第２母材２２に干渉しない範囲で十分なウィービング幅ΔＷ（図２参照）を確保するために、条件（ｄ）が満たされるように、トーチ傾斜角θ1を開先角θ3に応じて設定することが必要であり、その条件が［θ１−５°≦θ３／２≦θ１＋５°］となることが、本発明により見いだされた。但し、振り子ウィービングでは、条件（ｄ）のみが満たされても、第１母材２１側で溶込み深さが不足しやすく、溶接欠陥を発生させると共に、第２母材２２側で多量のスパッタを発生させ、このスパッタが第１母材２１に付着してしまう。このような問題を回避するために、条件（ｅ），（ｆ）が必要とされる。
【００２８】
［（ｅ）α＝θ２／２−θ１+θ3≧１５°］
条件（ｅ）は開先側トーチ進入角αについて規定したものであり、この条件（ｅ）が満たされることにより、スパッタの発生が低減され、かつ、第２母材２２側で溶込み深さが確保され、溶接欠陥の発生が抑制されることが、鋭意研究の結果、見いだされた。スパッタの発生をより効果的に低減するためには、α≧２０°とすることが好ましい。この理由について図３を参照して説明する。図３に開先側トーチ進入角とスパッタの飛散方向との関係を模式的に表した図を示す。ここで、図３（ａ）は本発明例の場合を示しており、図３（ｂ）は開先側トーチ進入角が小さい（条件（ｅ）を満たさない）参考例の場合を示している。
【００２９】
図３（ｂ）に示されるように、開先側トーチ進入角αが小さくなると、ワイヤ１６の先端の溶滴に働く反力方向がワイヤ送給方向から大きく外れ、ワイヤ１６から離脱した溶滴がスパッタ２６となって、開先斜面と直交する方向に飛散し、第１母材２１に付着する。そのため、スパッタ２６の付着する位置は、最終溶接表面よりも上側となることが多く、第１母材２１に付着したスパッタ２６により、溶接構造物の外観が損なわれる。また、溶接構造物の超音波探傷試験において、スパッタ２６は探触子の障害となるため、スパッタ２６を除去する必要が生じる。このようなスパッタ２６の除去作業は、生産性を低下させる。さらに、第２母材２２側において溶込み深さが不足しやすく、溶接欠陥が発生する可能性が高くなる。
【００３０】
これに対して、図３（ａ）に示されるように、開先側トーチ進入角αに一定の大きさが確保されることにより、ワイヤ１６の先端の溶滴に働く反力方向がワイヤ送給方向から大きく外れることがなくなるため、ワイヤ１６から離脱した溶滴は、スパッタ２６となって飛散して第１母材２１に付着しても、多くの場合、その付着位置が最終溶接表面よりも下側となる。そのため、第１母材２１に付着したスパッタ２６は、溶接構造物の外観を損なうこともないし、スパッタ２６を除去する作業が軽減され、或いは作業の必要がなくなる。また、開先側トーチ進入角αに一定の大きさが確保されることにより、第２母材２２側での溶接欠陥の発生を防止することができる。
【００３１】
［（ｆ）β＝θ１+θ２／２≧１５°］
条件（ｆ）は立板側トーチ進入角βについて、前記条件（ｅ）と同等に規定したものである。したがって、条件（ｆ）が満たされることにより、スパッタの発生が低減されると共に第１母材２１側での溶込み深さが確保され、溶接欠陥の発生が抑制される。スパッタの発生をより効果的に低減するためには、β≧２０°とすることが好ましい。
【００３２】
＜溶接電流のパルス化＞
振り子ウィービングは、パルスＭＡＧ溶接方法及びＣＯ２パルスアーク溶接方法に好適に用いられ、これにより、スパッタの発生をさらに低減し、溶込み深さをより確実に確保して、溶接欠陥の発生をさらに抑制することができる。その理由について、以下に説明する。
【００３３】
Ａｒガスに５〜３０％のＣＯ２ガスを混合してなる混合ガスをシールドガスとして用いるＭＡＧ溶接方法において、溶接電流を２００〜３５０Ｈｚ程度のパルス電流として出力することにより１パルス１溶滴移行としたパルスＭＡＧ溶接方法は、低スパッタ溶接方法として広まってきている。また、ＣＯ２ガスを主成分とするシールドガスを用いるＣＯ２アーク溶接方法において、１周期あたりにパルスピーク電流とパルス幅（期間）の異なる２種のパルス波形を交互に出力するＣＯ２パルスアーク溶接方法では、１周期あたり１溶滴を移行させる極めて規則正しい溶滴移行が実現されるため、スパッタ発生量を低減させることができる。
【００３４】
しかしながら、図６（ａ）に示したようにトーチ９４に傾斜角を付けずに、或いは図６（ｂ）に示したようにトーチ９４に傾斜角を付けてレ形開先内を溶接線に対して垂直方向に揺動させる従来のウィービング方法を、パルスＭＡＧ溶接方法やＣＯ２パルスアーク溶接方法に適用しても、パルスピーク期間中のアーク反力が強力であるため、開先側ウィービング端においては、離脱した溶滴がスパッタとなる場合があり、パルスＭＡＧ溶接方法とＣＯ２パルスアーク溶接方法の利点であるスパッタ低減の効果が小さくなってしまう。
【００３５】
これに対して、パルスＭＡＧ溶接方法やＣＯ２パルスアーク溶接方法に本発明に係る振り子ウィービングを用いたアーク溶接方法を適用してレ形開先２０内の溶接を行った場合には、開先側ウィービング端においても離脱した溶滴がスパッタとなり難く、スパッタ発生量が極めて少ない溶接を行うことが可能となる。さらに、振り子ウィービングを行うこととパルスアークによる強力なアーク圧力が相乗し、第１母材２１及び第２母材２２の溶込み深さを増大させると共に、第１母材２１及び第２母材２２に対するアーク圧力の直接作用により、溶接欠陥の発生を防止することができる。
【００３６】
＜アーク倣い＞
本発明においては、振り子ウィービングを実施しながら、開先倣いとしてのアーク倣いが実行される。一般的には、振り子ウィービングを用いると、従来方法に比して、溶接電流の変化が小さくなり、倣い難くなる。しかし、前記した条件（ｄ）〜（ｆ）を規定することにより、ウィービングによる電流の変化が現れる。そのため、本発明に係る振り子ウィービングを用いれば、アーク倣いの精度も確保される。
【００３７】
なお、Ｘ形、Ｉ形、Ｕ形、Ｋ形、Ｖ形、Ｊ形開先等の各開先内を溶接するに際しても、本発明の思想を用いることにより、容易に、溶接欠陥の発生を抑制し、さらにスパッタの発生を低減させることができる。
【実施例】
【００３８】
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明がこれらの実施例に限定されるものでないことはいうまでもない。
図１に示した構造のアーク溶接ロボットを用い、１００％ＣＯ２ガスをシールドガスとして用いたアーク溶接を行った。以下に溶接試験の共通条件を示す。また、表１，２には、試料ごとに設定された試験条件を示す。さらに、図４（ａ）にアーク溶接に用いた母材の構造とスパッタの捕集ツールの外観を表した斜視図を示し、図４（ｂ）に図４（ａ）に示すＡ−Ａ断面図を示す。また、図５にパルス溶接で用いたパルスパターンを示す。
【００３９】
［溶接試験の共通条件］
溶接ワイヤ ： ＪＩＳ Ｚ３３１２ ＹＧＷ１１ φ１．２ｍｍ
シールドガス ： １００％炭酸ガス（ＣＯ２）
母材材質 ： ＳＭ４９０Ａ
コンタクトチップ
−母材間距離 ： ２５ｍｍ
溶接速度 ： ４０ｃｍ／ｍｉｎ
溶接ワイヤ送給速度 ： １３．０〜１８．０ｍ／ｍｉｎ
平均ルートギャップ ： ３〜１６ｍｍ
開先倣い方法 ： アーク倣い（電流制御）
【００４０】
図４（ａ），（ｂ）に示される第１母材２１は、図２に示したものと同じである。第１母材２１は、厚さ：３２ｍｍ、幅（図４（ｂ）では高さ）：２００ｍｍ、長さ：５００ｍｍである。第２母材２２ａは、開先加工前には第１母材２１と同じ形状であったものを、平均ルートギャップが３〜１６ｍｍの範囲の所定値に設定され、かつ、表１，２に示される開先角度θ３となるように開先加工したものである。
【００４１】
なお、ルートギャップが長さ方向において７ｍｍとなるように開先加工された第２母材２２ａを用いた場合の実際の溶接試験においては、ルートギャップには５ｍｍ〜９ｍｍ程度の幅でばらつきが生じる。但し、その平均は、大凡７ｍｍとなる。こうしてルートギャップが変化しても、アーク倣いを実施しているために、ウィービング幅ΔＷは、ルートギャップに応じて適正なウィービング幅ΔＷに修正されながら、溶接が進められる。また、ルートギャップとルートギャップに応じてウィービング幅ΔＷが変化しても、振り子ウィービング端におけるトーチ傾斜角θ１を固定しているため、ウィービング振り角θ２は変化しない。したがって、開先側トーチ進入角αと立板側トーチ進入角βの値も変化しない（適宜、図２参照）。
【００４２】
図５に示すパルスパターンについて、Ｔｐ１は第１パルスのピーク期間を、Ｔｂ１は第１パルスのベース期間を、Ｔｐ２は第２パルスのピーク期間を、Ｔｂ２は第２パルスのベース期間を、Ｉｐ１は第１パルスのピーク電流を、Ｉｂ１は第１パルスのベース電流を、Ｉｐ２は第２パルスのピーク電流を、Ｉｂ２は第２パルスのベース電流を、それぞれ表しており、ここでは、Ｔｐ１＝２．０ｍｓｅｃ、Ｔｂ１＝２．０ｍｓｅｃ、Ｔｐ２＝３．５ｍｓｅｃ、Ｉｐ１＝５００Ａ、Ｉｂ１＝１５０Ａ、Ｉｐ２＝４００Ａ、Ｉｂ２＝１５０Ａとし、基本的に、１周期１溶滴移行によるパルス溶接を実行しながら、Ｔｂ２を変化させることにより、溶接ワイヤの溶融バランスを維持している。
【００４３】
試験条件について、表１，２に示す「ｆ」はウィービングの周波数である。また、表１，２に示すウィービング幅ΔＷは、初期設定値である。通常、レ形開先内の溶接では多層盛り溶接が行われるため、本試験においても、このような多層盛り溶接を想定した試験を行っている。すなわち、実施例及び比較例において、ウィービング幅ΔＷの設定値２〜６ｍｍ、６〜９ｍｍ、９〜１２ｍｍ、１２〜１６ｍｍはそれぞれ、初層溶接、２層目溶接、３層目溶接、４層目溶接をそれぞれ想定している。なお、例えば、表１の試料４におけるΔＷ：６〜１６は、２層目から４層目まで角度に関する条件を同一とした場合を想定している。
【００４４】
溶接試験は、第１母材２１と第２母材２２ａの側面に銅製の捕集箱３１を配置した状態で行い、このとき発生するスパッタを捕集箱３１で捕集し、その重量を測定することにより、スパッタ発生量を求めた。また、超音波探傷装置を用いて、溶接欠陥の有無を検査した。
【００４５】
【表１】
【００４６】
【表２】
【００４７】
表１，２に試験結果を併記する。スパッタ発生量については、連続電流で行った場合（表１，２の「パルス無し」の欄）には、その発生量が３ｇ／ｍｉｎ以上であったものを不合格として「×」で、３ｇ／ｍｉｎ未満であったものを合格として「○」でそれぞれ示している。パルス電流による溶接を行った場合（表１，２の「パルス有り」の欄）には、その発生量が１ｇ／ｍｉｎ以上であったものを不合格として「×」で、１ｇ／ｍｉｎ未満であったものを合格として「○」でそれぞれ示している。溶接欠陥の有無は、超音波探傷装置を用いた斜角探傷法により検査し、欠陥エコーが現れなかったものを合格として「○」で、欠陥エコーが現れたものを不合格として「×」でそれぞれ示している。
【００４８】
表１に示す番号１〜２９の試験条件は、前記した条件（ａ）〜（ｆ）が満たされた本発明に係るアーク溶接方法によるものであり、パルス無しのアーク溶接であっても十分にスパッタ発生量が小さく、パルス電流を用いることによりスパッタ発生量をさらに低減することができることが確認された。また、溶接欠陥の発生も確認されなかった。また、アーク倣いも問題なく実施されている。
【００４９】
これに対して、番号３０〜４７は、ウィービング振り角θ２が０°の場合であり、前記した条件（ｂ）を満たしていない。そのため、評価項目であるスパッタと溶接欠陥の少なくとも一方が不合格になっているという結果が得られた。なお、パルス電流による溶接を行うことにより、例えば、試料３１のように溶接欠陥が改善されるものも現れたが、スパッタの発生の改善効果は現れていない。また、開先側トーチ進入角αが大きいものほど、スパッタの発生が改善される傾向にあることが窺える。
【００５０】
番号４８，４９，５２，５３，５４，５５，５８，５９では、第１母材２１側に配置された捕集箱３１でのスパッタ捕集量が多くなった。この結果は、これらの番号の溶接条件では、開先側トーチ進入角αが小さいために、開先側でのスパッタ発生量が極めて多くなったことを示していると考えられる。これらのうち番号４９，５２，５３，５５，５８，５９では、特に開先側トーチ進入角αが小さいため、開先側で溶接欠陥が発生した。一方、番号５０，５１，５４，５６，５７では、第１母材２１側で溶接欠陥が発生した。これは、立板側トーチ進入角βが小さいためと考えられる。このような溶接欠陥の発生は、トーチ進入角の大きさのみに起因するとは考え難く、アーク倣いの精度が得られておらず、その影響が加味された結果と考えられる。なお、これらの試料でも、パルス電流を用いることで、溶接欠陥を改善することができる傾向が現れている。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】アーク溶接ロボットの概略構造図である。
【図２】レ形開先の構造及びトーチの設定条件を模式的に示す図である。
【図３】開先側トーチ進入角とスパッタの飛散方向との関係を模式的に示す図であり、（ａ）は本発明例、（ｂ）は参考例である。
【図４】試験方法を模式的示す図であり、（ａ）は概略斜視図であり、（ｂ）は概略断面図である。
【図５】パルス溶接に用いたパルスパターンを示す図である。
【図６】（ａ），（ｂ）はそれぞれ、公知のウィービング方法を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
θ１ トーチ傾斜角
θ２ ウィービング振り角
θ３ 開先角度
α 開先側トーチ進入角
β 立板側トーチ進入角
１０ アーム
１０ａ アーム先端部
１６ 溶接ワイヤ（ワイヤ）
１７ 溶接トーチ（トーチ）
１８ トーチブラケット
２０ レ形開先
２１ 第１母材
２２，２２ａ 第２母材
２３ 裏当て金
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レ形開先内のウィービング中心位置に溶接トーチを所定の傾斜角で配置し、前記ウィービング中心位置を中心として前記溶接トーチを略円弧状に所定のウィービング振り角でウィービングさせながらアーク倣いを実施するアーク溶接方法であって、
前記ウィービング中心位置における前記溶接トーチの傾斜角をθ１（°）、前記ウィービング振り角をθ２（°）、前記レ形開先の開先角度をθ３（°）としたときに、
（ａ）５°≦θ１≦２５°、
（ｂ）１°≦θ２≦２０°、
（ｃ）２５°≦θ３≦３５°、
（ｄ）θ１−５°≦θ３／２≦θ１＋５°、
（ｅ）θ２／２−θ１+θ3≧１５°、
（ｆ）θ１+θ２／２≧１５°、
の条件が満たされていることを特徴とするアーク溶接方法。
【請求項２】
溶接電流としてパルス電流を用いることを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接方法。
【請求項１】
レ形開先内のウィービング中心位置に溶接トーチを所定の傾斜角で配置し、前記ウィービング中心位置を中心として前記溶接トーチを略円弧状に所定のウィービング振り角でウィービングさせながらアーク倣いを実施するアーク溶接方法であって、
前記ウィービング中心位置における前記溶接トーチの傾斜角をθ１（°）、前記ウィービング振り角をθ２（°）、前記レ形開先の開先角度をθ３（°）としたときに、
（ａ）５°≦θ１≦２５°、
（ｂ）１°≦θ２≦２０°、
（ｃ）２５°≦θ３≦３５°、
（ｄ）θ１−５°≦θ３／２≦θ１＋５°、
（ｅ）θ２／２−θ１+θ3≧１５°、
（ｆ）θ１+θ２／２≧１５°、
の条件が満たされていることを特徴とするアーク溶接方法。
【請求項２】
溶接電流としてパルス電流を用いることを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−２４８１７１（Ｐ２００９−２４８１７１Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１０１７３９（Ｐ２００８−１０１７３９）
【出願日】平成２０年４月９日（２００８．４．９）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月９日（２００８．４．９）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]