アーク溶接方法
【課題】溶融玉の形状を安定させることにより溶接強度を安定させることができるアーク溶接方法を提供すること。
【解決手段】導体２０，２１と電極１２との間でアーク放電を発生させて溶接を行うＴＩＧ溶接において、溶接電流を一時的に低減することにより、放電中に導体２０，２１の端部２０ａ，２１ａに作用するアーク圧力を放電途中で一時的に低下させて、導体２０，２１ごとに溶融して独立している溶融金属同士を一体化させる。
【解決手段】導体２０，２１と電極１２との間でアーク放電を発生させて溶接を行うＴＩＧ溶接において、溶接電流を一時的に低減することにより、放電中に導体２０，２１の端部２０ａ，２１ａに作用するアーク圧力を放電途中で一時的に低下させて、導体２０，２１ごとに溶融して独立している溶融金属同士を一体化させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アーク放電を利用して溶接を行うアーク溶接方法に関する。より詳細には、溶接時に溶融玉の形状を安定させることができる非消耗電極式のアーク溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ステータなどに装着されるコイルを構成するコイル線の端部には、他のコイル線の端部や接続端子などが接続されている。この接続部分では、両部材が溶接されて電気的に接続されている。このような溶接は、例えば、ＴＩＧ溶接により行われている（特許文献１参照）。
【０００３】
ＴＩＧ溶接によってコイル線同士を接合する場合には、接合するコイル線の先端部を保持して電極をコイル線端部に近接させる。そして、コイル線端部に一定の電流を流す（溶接電流を一定値で制御する）ことにより、コイル線と電極の間に発生させたアークによってもたらされる高熱でコイル線を溶融させる。これにより、コイル線同士を分子原子レベルで融合一体化して接合している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２４３８７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記した溶接方法では、溶け分かれや溶接部の形状が歪になるなどの溶接不良が発生して、接合後における溶接強度が安定しないという問題があった。これは以下の理由によることがわかった。すなわち、ＴＩＧ溶接など非消耗電極式のアーク溶接では溶接中に発生する大きなアーク圧力がコイル線端部に作用することにより、図７に示すように、溶融した金属が押しのけられてしまって接合させたい溶融金属が離れる方向に動いてしまうため、溶融玉が形成され難くなる。そのため、溶け分かれが発生する場合があるのである。
【０００６】
その後、溶融金属の体積が増加していくと、１つの玉に繋がり溶融玉が形成されれば、溶け分かれは発生しないが、溶融金属が１つの玉に繋がった際に、アーク圧力の影響により溶融プールが上下左右に大きく揺れ動いてしまう。このような溶融プールの挙動により、溶融プールが凝固する条件によっては溶接部の形状が歪になってしまう場合が発生するのである。
【０００７】
そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、溶融玉の形状を安定させることにより溶接強度を安定させることができ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】
【０００８】
上記課題を解決するためになされた本発明の一態様は、被溶接部材と電極との間でアーク放電を発生させて溶接を行う非消耗電極式のアーク溶接方法において、放電中に被溶接部材に作用するアーク圧力を放電途中で一時的に低下させて、被溶接部材ごとに溶融して独立している溶融金属同士を一体化させることを特徴とする。
【０００９】
このアーク溶接方法では、溶接途中に被溶接部材ごとに溶融して独立している溶融金属同士を一体化させて溶融玉を形成するため、独立している溶融金属が１つの玉に繋がった際に形成される溶融プールが大きく揺れ動くことを防止することができる。これにより、溶融玉の形状を安定させることができるとともに、溶け分かれの発生を確実に防止することができる。その結果、接合後における溶接強度を安定させることができる。
【００１０】
上記したアーク溶接方法において、アーク圧力を低下させる時間は、溶接時間（全通電時間）の１／２０〜１／３とすれば良い。
【００１１】
アーク圧力の低下時間を上記した時間に設定することにより、溶融玉の形状を確実に安定させることができるとともに、溶け分かれの発生を確実に防止することができるからである。そして、アーク圧力の低下時間が溶接時間の１／２０より短いと、独立している溶融金属を１つの玉に繋げることができないおそれがある一方、アーク圧力の低下時間を長くしても溶接時間が長くなるだけで生産効率が低下するため、アーク圧力の低下時間を上記した範囲に設定している。
【００１２】
上記したアーク溶接方法において、溶接電圧を一定に保ちながら溶接電流を低減することによりアーク圧力を低下させることが望ましい。
【００１３】
アーク圧力は、一般的に電流値の２乗で増幅するため、溶接電圧を一定に保ちながら溶接電流を低減することにより、簡単かつ確実にアーク圧力を一時的に低下させることができる。これにより、溶接途中に被溶接部材ごとに溶融して独立している溶融金属同士を一体化させて溶融玉を形成することができる。その結果、溶融玉の形状を安定させることができるとともに、溶け分かれの発生を確実に防止することができるので、接合後における溶接強度を安定させることができる。
【００１４】
そして、溶接電流を最大値の５０％以下に低減させれば良い。なお、この場合、溶接電流値に、０Ａは含まれない。溶接電流が０Ａではアークが消滅してしまい、溶接することができなくなるからである。
【００１５】
このようにするのは、溶接電流を低下させたときの電流値が、最大値の５０％より大きいとアーク圧力を十分に低下させることができず、溶融プールが上下左右に大きく揺れ動いてしまうおそれがあるからである。
【００１６】
また、上記したアーク溶接方法において、被溶接部材に対するアークの照射位置をずらすことにより、被溶接部材に作用するアーク圧力を低下させるようにしても良い。
【００１７】
具体的には、電極あるいは被溶接部材の少なくとも一方をアークの照射方向と直交する方向にずらすようにすれば良い。また、被溶接部材を振動させても良い。このようにしても、被溶接部材に作用するアーク圧力を低下させることができ、上記した効果を得ることができる。
なお、電極又は被溶接部材をずらす範囲は、元の位置（基準位置）から０．５ｍｍ幅（レンジで１．０ｍｍ）以内とする必要がある。これ以上ずらすと、被溶接部材を溶接することができなくおそれがあるからである。被溶接部材を振動させる場合も、同様の範囲内での振幅に設定する必要がある。
【００１８】
あるいは、上記したアーク溶接方法において、アークの照射方向に被溶接部材と電極との距離を離すことにより、被溶接部材に作用するアーク圧力を低下させるようにしても良い。
【００１９】
具体的には、電極あるいは被溶接部材の少なくとも一方を、互いの距離が離れるようにアークの照射方向に移動させれば良い。このようにしても、被溶接部材に作用するアーク圧力を低下させることができ、上記した効果を得ることができる。
なお、電極又は被溶接部材を移動させる距離は、元の位置（基準位置）から０．５ｍｍ以内とする必要がある。これ以上移動させると、被溶接部材を溶接することができなくおそれがあるからである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係るアーク溶接方法によれば、上記した通り、溶融玉の形状を安定させることにより溶接強度を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】溶接装置の概略を示す概略構成図にある。
【図２】溶接時における溶接部分の様子を模式的に示す図である。
【図３】溶接電流の変化と溶融プールの状態変化を示す図である。
【図４】第１変形例を説明するための図である。
【図５】第２変形例を説明するための図である。
【図６】導線と端子とを溶接する場合の一例を示す図である。
【図７】従来の溶接方法における溶接電流の変化と溶融プールの状態変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明のアーク溶接方法を具体化した実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。ここでは、２本の導体を接合するために、その端部をＴＩＧ溶接する場合について例示する。
【００２３】
そこで、まず、本実施の形態に係るＴＩＧ溶接方法を実施する溶接装置の概略構成について、図１及び図２を参照しながら簡単に説明する。図１は、溶接装置の概略を示す概略構成図にある。図２は、溶接時における溶接部分の様子を模式的に示す図である。
【００２４】
図１に示すように、溶接装置１０には、電源制御部１１の負極側に接続される溶接トーチの電極１２と、電源制御部１１の正極側に接続され、導体２０，２１との間にアーク放電を発生させるための電極１３が配設されている。電極１３は、導体２０，２１を添わせて先端を一致させ、その端部２０ａ，２１ａを挟み込んで密着させた状態で、導体２０，２１と電極１２との間に所定の間隔が形成されるように、導体２０，２１を固定している。これにより、導体２０，２１は電極１３を介して、電源制御部１１の正極側に接続されるとともに、溶接トーチの電極１２の中心軸Ｌと導体２０と２１との境目の中心Ｃとが一致する。
【００２５】
導体２０，２１は、絶縁体（エナメル）が被覆された電線であり、その端部２０ａ，２１ａでは、絶縁体を剥離して導体を露出させている。導体２０，２１は、その材質が銅で構成されており、断面形状が矩形状をなす平角導体である。なお、溶接対象となる導体は、その断面形状が円形状の丸線で構成されたものであっても良い。
【００２６】
そして、電源制御部１１により、電極１３を介して導体２０，２１に通電して、図２に示すように、電極１２と導体２０，２１との間にアーク１４を発生させる。アーク１４は、電極１２と導体２０，２１との間を流れるアーク放電であり、高温のプラズマ状となった荷電粒子の流れである。このアーク１４により、導体２０と導体２１とがＴＩＧ溶接される。すなわち、アーク１４によって導体２０，２１の端部２０ａ，２１ａが高温に加熱されて溶融し、導体２０と導体２１とが端部２０ａ，２１ａにおいて一体化されて接合される。
【００２７】
ここで、従来のＴＩＧ溶接では、上記したように、溶接中に発生する大きなアーク圧力（図２中の矢印参照）により、溶融した金属が押しのけられてしまって接合させたい溶融金属が離れる方向に動いてしまう。そのため、溶融玉が形成され難くなることなどが原因で溶接不良が発生していた。
【００２８】
そこで、本実施の形態に係る溶接方法では、溶融玉の形状を安定させるために、次のようにして溶接途中に導体２０，２１の端部２０ａ，２１ａに作用するアーク圧力を一時的に低下させている。この溶接方法について、図３を参照しながら説明する。図３は、溶接電流の変化と溶融プールの状態変化を示す図である。なお、溶融プールの状態変化は、ＴＩＧ溶接の様子を高速度カメラで撮影して確認したものである。
【００２９】
本実施の形態に係る溶接方法では、図３に示すように、溶接途中で溶接電流を一時的に低減させてアーク圧力を低下させている。なお、電圧値は一定である。具体的には、溶接が開始されると、導体２０，２１に所定の電流が流れアーク１４が発生する。そうすると、アーク１４によって導体２０，２１の端部２０ａ，２１ａがそれぞれ高温に加熱されて溶融し始める。このとき、図３（ａ）に示すように、端部２０ａ，２１ａにおいて溶融した金属は、互いに独立した（繋がっていない）状態となっている。そして、時間の経過に伴って、端部２０ａ，２１ａにおける溶融金属の量が増加する（図３（ｂ）参照）。なお、このときも、端部２０ａ，２１ａにおいて溶融した金属は、互いに独立した状態となっている。
【００３０】
そして、溶接電流を一時的に低減させる。アーク圧力は、一般的に電流値の２乗で増幅するため、溶接電圧を一定に保ちながら溶接電流を低減することにより、簡単かつ確実に導体２０，２１の端部２０ａ，２１ａに作用するアーク圧力を一時的に低下させることができる。これにより、図３（ｃ）に示すように、端部２０ａ，２１ａにおいて溶融した金属は、アーク圧力の影響を受け難くなるため、繋がって１つの溶融玉となる。このとき、導体２０，２１の端部２０ａ，２１ａに作用するアーク圧力が小さくなっているため、溶融プールが大きく揺れ動かない。これにより、溶融玉の形状を安定させることができるとともに、溶け分かれの発生を確実に防止することができる。
【００３１】
ここで、アーク圧力を低下させる、言い換えると溶接電流を低減させる時間は、溶接時間（全通電時間）の１／２０〜１／３とすれば良い。電流低減時間が溶接時間の１／２０より短いと、溶融金属同士を１つの玉に繋げることができないおそれがある一方、電流低減時間を長くしても溶接時間が長くなるだけで生産効率が低下するからである。具体的には、全通電時間が数百ｍｓｅｃであるから、電流低減時間は１０ｍｓｅｃ〜１００ｍｓｅｃ程度となる。例えば、全通電時間が３００ｍｓｅｃ程度であれば、電流低減時間は５０ｍｓｅｃ程度に設定すれば良い。
【００３２】
このように、溶接電流を一定時間だけ低減することにより、導体２０，２１の端部２０ａ，２１ａにおいて溶融した金属を、確実に繋げて１つの溶融玉として形状を安定させることができるとともに、溶け分かれの発生を確実に防止することができる。
【００３３】
また、溶接電流の低減は、溶接電流を最大値の５０％以下に低減させれば良い。このようにするのは、溶接電流を低下させたときの電流値が、最大値の５０％より大きいとアーク圧力を十分に低下させることができず、溶融プールが上下左右に大きく揺れ動いてしまうおそれがあるからである。具体的には、溶接電流値は５０〜２００Ａ程度であるから、低減電流値は２５〜１００Ａ程度となる。例えば、溶接電流値が１００Ａ程度であれば、低減電流値としては２５〜５０Ａ程度に設定すれば良い。
なお、溶接電流を低減させた際に電流値を０Ａにはしない。溶接電流を０Ａにするとアークが消滅してしまい、溶接することができなくなるからである。
【００３４】
そして、再度、溶接電流値を所定値まで上昇させる。そうすると、通電時間に応じて溶融プールの容積が増していく。このとき、アーク圧力が再度大きくなるが、導体２０，２１の端部２０ａ，２１ａにおいて溶融した金属は１つの溶融玉となっているため、アーク圧力の影響を受けて溶融プールが大きく揺れ動くことはない（図３（ｄ）参照）。なお、このときの通電時間（電流低減制御終了から溶接終了までの時間）は、１００ｍｓｅｃ〜５００ｍｓｅｃ程度にすれば良い。
【００３５】
その後、通電を終了して溶接を完了する。そうすると、導体２０，２１の端部２０ａ，２１ａの温度が低下していき、溶融プールが凝固して導体２０と導体２１とが接合される（図３（ｅ）参照）。
このように、本実施の形態に係る溶接方法では、導体２０，２１の端部２０ａ，２１ａにおいて溶融した金属を確実に繋げて１つの溶融玉にすることができるとともに、溶融プールが大きく揺れ動くことなく溶融プールを安定させて凝固させることができる。従って、常に良好な溶接品質を確保することができ、溶接強度を安定させることができる。
【００３６】
ここで、上記した溶接方法では、溶接電流を低減することにより、導体端部に作用するアーク圧力を低下させているが、アーク圧力を次のようにして低下させることもできる。そこで、溶接方法の変形例について、図４及び図５を参照しながら説明する。図４は、第１変形例を説明するための図である。図５は、第２変形例を説明するための図である。
【００３７】
まず、第１変形例では、導体２０，２１に対するアークの照射位置をずらすことにより、導体２０，２１の端部２０ａ，２１ａに作用するアーク圧力を低下させている。すなわち、図４に示すように、電極１２あるいは導体２０，２１の少なくとも一方を、電極１２の中心軸Ｌと導体２０，２１の境目の中心Ｃとがアークの照射方向と直交する方向にずらすようにすれば良い。これにより、端部２０ａ，２１ａに作用するアーク圧力を低下させることができ、上記した効果を得ることができる。
また、導体２０，２１を図中左右方向に振動させるようにしても、端部２０ａ，２１ａに作用するアーク圧力を低下させることができる。
【００３８】
なお、この第１変形例において、電極１２又は導体２０，２１をずらす範囲（中心軸Ｌと中心Ｃとのずれ量）は、図中左右方向で０．５ｍｍ（レンジで１．０ｍｍ）以内とする必要がある。これ以上ずらすと、導体２０と導体２１とを溶接することができなくおそれがあるからである。また、導体２０，２１を振動させる場合も、同様の範囲内での振幅に設定する必要がある。
【００３９】
次に、第２変形例では、アークの照射方向において導体２０，２１の端部２０ａ，２１ａと電極１２との距離を離すことにより、導体２０，２１の端部２０ａ，２１ａに作用するアーク圧力を低下させている。すなわち、図５に示すように、電極１２あるいは導体２０，２１の少なくとも一方を、互いの距離が離れるようにアークの照射方向（図中上下方向）に移動させれば良い。これにより、端部２０ａ，２１ａに作用するアーク圧力を低下させることができ、上記した効果を得ることができる。
【００４０】
なお、この第２変形例において、電極１２又は導体２０，２１を移動させる距離は、元の位置（基準位置）から０．５ｍｍ以内とする必要がある。これ以上移動させると、導体２０と導体２１とを溶接することができなくおそれがあるからである。
【００４１】
以上、詳細に説明したように本実施の形態に溶接方法によれば、溶接途中に導体２０，２１の端部２０ａ，２１ａに作用するアーク圧力を低下させて、導体２０，２１ごとに溶融し独立している溶融金属同士を一体化させて溶融玉を形成するため、溶融金属が１つの玉に繋がった際における溶融プールの大きな揺れ動きを防止することができる。従って、溶融玉の形状を安定させることができるとともに、溶け分かれの発生を確実に防止することができるため、接合後における溶接強度を安定させることができる。
【００４２】
なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した実施の形態では、２本の導体を接合する際に本発明を適用する場合を例示したが、３本以上の導体を接合することもできる。
また、本発明は、導体の接合だけではなく、図６に示すように、導体２０と端子（バスバー）２５とを接合する場合にも適用することができる。
さらに、本発明は、導体や端子以外の金属材料を溶接（接合）する場合にも適用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１０ ＴＩＧ溶接装置
１１ 電源制御部
１２ 電極（負極側）
１３ 電極（正極側）
１４ アーク
２０ 導体
２０ａ 端部
２１ 導体
２１ａ 端部
Ｃ 中心
Ｌ 中心軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アーク放電を利用して溶接を行うアーク溶接方法に関する。より詳細には、溶接時に溶融玉の形状を安定させることができる非消耗電極式のアーク溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ステータなどに装着されるコイルを構成するコイル線の端部には、他のコイル線の端部や接続端子などが接続されている。この接続部分では、両部材が溶接されて電気的に接続されている。このような溶接は、例えば、ＴＩＧ溶接により行われている（特許文献１参照）。
【０００３】
ＴＩＧ溶接によってコイル線同士を接合する場合には、接合するコイル線の先端部を保持して電極をコイル線端部に近接させる。そして、コイル線端部に一定の電流を流す（溶接電流を一定値で制御する）ことにより、コイル線と電極の間に発生させたアークによってもたらされる高熱でコイル線を溶融させる。これにより、コイル線同士を分子原子レベルで融合一体化して接合している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２４３８７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記した溶接方法では、溶け分かれや溶接部の形状が歪になるなどの溶接不良が発生して、接合後における溶接強度が安定しないという問題があった。これは以下の理由によることがわかった。すなわち、ＴＩＧ溶接など非消耗電極式のアーク溶接では溶接中に発生する大きなアーク圧力がコイル線端部に作用することにより、図７に示すように、溶融した金属が押しのけられてしまって接合させたい溶融金属が離れる方向に動いてしまうため、溶融玉が形成され難くなる。そのため、溶け分かれが発生する場合があるのである。
【０００６】
その後、溶融金属の体積が増加していくと、１つの玉に繋がり溶融玉が形成されれば、溶け分かれは発生しないが、溶融金属が１つの玉に繋がった際に、アーク圧力の影響により溶融プールが上下左右に大きく揺れ動いてしまう。このような溶融プールの挙動により、溶融プールが凝固する条件によっては溶接部の形状が歪になってしまう場合が発生するのである。
【０００７】
そこで、本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、溶融玉の形状を安定させることにより溶接強度を安定させることができ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】
【０００８】
上記課題を解決するためになされた本発明の一態様は、被溶接部材と電極との間でアーク放電を発生させて溶接を行う非消耗電極式のアーク溶接方法において、放電中に被溶接部材に作用するアーク圧力を放電途中で一時的に低下させて、被溶接部材ごとに溶融して独立している溶融金属同士を一体化させることを特徴とする。
【０００９】
このアーク溶接方法では、溶接途中に被溶接部材ごとに溶融して独立している溶融金属同士を一体化させて溶融玉を形成するため、独立している溶融金属が１つの玉に繋がった際に形成される溶融プールが大きく揺れ動くことを防止することができる。これにより、溶融玉の形状を安定させることができるとともに、溶け分かれの発生を確実に防止することができる。その結果、接合後における溶接強度を安定させることができる。
【００１０】
上記したアーク溶接方法において、アーク圧力を低下させる時間は、溶接時間（全通電時間）の１／２０〜１／３とすれば良い。
【００１１】
アーク圧力の低下時間を上記した時間に設定することにより、溶融玉の形状を確実に安定させることができるとともに、溶け分かれの発生を確実に防止することができるからである。そして、アーク圧力の低下時間が溶接時間の１／２０より短いと、独立している溶融金属を１つの玉に繋げることができないおそれがある一方、アーク圧力の低下時間を長くしても溶接時間が長くなるだけで生産効率が低下するため、アーク圧力の低下時間を上記した範囲に設定している。
【００１２】
上記したアーク溶接方法において、溶接電圧を一定に保ちながら溶接電流を低減することによりアーク圧力を低下させることが望ましい。
【００１３】
アーク圧力は、一般的に電流値の２乗で増幅するため、溶接電圧を一定に保ちながら溶接電流を低減することにより、簡単かつ確実にアーク圧力を一時的に低下させることができる。これにより、溶接途中に被溶接部材ごとに溶融して独立している溶融金属同士を一体化させて溶融玉を形成することができる。その結果、溶融玉の形状を安定させることができるとともに、溶け分かれの発生を確実に防止することができるので、接合後における溶接強度を安定させることができる。
【００１４】
そして、溶接電流を最大値の５０％以下に低減させれば良い。なお、この場合、溶接電流値に、０Ａは含まれない。溶接電流が０Ａではアークが消滅してしまい、溶接することができなくなるからである。
【００１５】
このようにするのは、溶接電流を低下させたときの電流値が、最大値の５０％より大きいとアーク圧力を十分に低下させることができず、溶融プールが上下左右に大きく揺れ動いてしまうおそれがあるからである。
【００１６】
また、上記したアーク溶接方法において、被溶接部材に対するアークの照射位置をずらすことにより、被溶接部材に作用するアーク圧力を低下させるようにしても良い。
【００１７】
具体的には、電極あるいは被溶接部材の少なくとも一方をアークの照射方向と直交する方向にずらすようにすれば良い。また、被溶接部材を振動させても良い。このようにしても、被溶接部材に作用するアーク圧力を低下させることができ、上記した効果を得ることができる。
なお、電極又は被溶接部材をずらす範囲は、元の位置（基準位置）から０．５ｍｍ幅（レンジで１．０ｍｍ）以内とする必要がある。これ以上ずらすと、被溶接部材を溶接することができなくおそれがあるからである。被溶接部材を振動させる場合も、同様の範囲内での振幅に設定する必要がある。
【００１８】
あるいは、上記したアーク溶接方法において、アークの照射方向に被溶接部材と電極との距離を離すことにより、被溶接部材に作用するアーク圧力を低下させるようにしても良い。
【００１９】
具体的には、電極あるいは被溶接部材の少なくとも一方を、互いの距離が離れるようにアークの照射方向に移動させれば良い。このようにしても、被溶接部材に作用するアーク圧力を低下させることができ、上記した効果を得ることができる。
なお、電極又は被溶接部材を移動させる距離は、元の位置（基準位置）から０．５ｍｍ以内とする必要がある。これ以上移動させると、被溶接部材を溶接することができなくおそれがあるからである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係るアーク溶接方法によれば、上記した通り、溶融玉の形状を安定させることにより溶接強度を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】溶接装置の概略を示す概略構成図にある。
【図２】溶接時における溶接部分の様子を模式的に示す図である。
【図３】溶接電流の変化と溶融プールの状態変化を示す図である。
【図４】第１変形例を説明するための図である。
【図５】第２変形例を説明するための図である。
【図６】導線と端子とを溶接する場合の一例を示す図である。
【図７】従来の溶接方法における溶接電流の変化と溶融プールの状態変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明のアーク溶接方法を具体化した実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。ここでは、２本の導体を接合するために、その端部をＴＩＧ溶接する場合について例示する。
【００２３】
そこで、まず、本実施の形態に係るＴＩＧ溶接方法を実施する溶接装置の概略構成について、図１及び図２を参照しながら簡単に説明する。図１は、溶接装置の概略を示す概略構成図にある。図２は、溶接時における溶接部分の様子を模式的に示す図である。
【００２４】
図１に示すように、溶接装置１０には、電源制御部１１の負極側に接続される溶接トーチの電極１２と、電源制御部１１の正極側に接続され、導体２０，２１との間にアーク放電を発生させるための電極１３が配設されている。電極１３は、導体２０，２１を添わせて先端を一致させ、その端部２０ａ，２１ａを挟み込んで密着させた状態で、導体２０，２１と電極１２との間に所定の間隔が形成されるように、導体２０，２１を固定している。これにより、導体２０，２１は電極１３を介して、電源制御部１１の正極側に接続されるとともに、溶接トーチの電極１２の中心軸Ｌと導体２０と２１との境目の中心Ｃとが一致する。
【００２５】
導体２０，２１は、絶縁体（エナメル）が被覆された電線であり、その端部２０ａ，２１ａでは、絶縁体を剥離して導体を露出させている。導体２０，２１は、その材質が銅で構成されており、断面形状が矩形状をなす平角導体である。なお、溶接対象となる導体は、その断面形状が円形状の丸線で構成されたものであっても良い。
【００２６】
そして、電源制御部１１により、電極１３を介して導体２０，２１に通電して、図２に示すように、電極１２と導体２０，２１との間にアーク１４を発生させる。アーク１４は、電極１２と導体２０，２１との間を流れるアーク放電であり、高温のプラズマ状となった荷電粒子の流れである。このアーク１４により、導体２０と導体２１とがＴＩＧ溶接される。すなわち、アーク１４によって導体２０，２１の端部２０ａ，２１ａが高温に加熱されて溶融し、導体２０と導体２１とが端部２０ａ，２１ａにおいて一体化されて接合される。
【００２７】
ここで、従来のＴＩＧ溶接では、上記したように、溶接中に発生する大きなアーク圧力（図２中の矢印参照）により、溶融した金属が押しのけられてしまって接合させたい溶融金属が離れる方向に動いてしまう。そのため、溶融玉が形成され難くなることなどが原因で溶接不良が発生していた。
【００２８】
そこで、本実施の形態に係る溶接方法では、溶融玉の形状を安定させるために、次のようにして溶接途中に導体２０，２１の端部２０ａ，２１ａに作用するアーク圧力を一時的に低下させている。この溶接方法について、図３を参照しながら説明する。図３は、溶接電流の変化と溶融プールの状態変化を示す図である。なお、溶融プールの状態変化は、ＴＩＧ溶接の様子を高速度カメラで撮影して確認したものである。
【００２９】
本実施の形態に係る溶接方法では、図３に示すように、溶接途中で溶接電流を一時的に低減させてアーク圧力を低下させている。なお、電圧値は一定である。具体的には、溶接が開始されると、導体２０，２１に所定の電流が流れアーク１４が発生する。そうすると、アーク１４によって導体２０，２１の端部２０ａ，２１ａがそれぞれ高温に加熱されて溶融し始める。このとき、図３（ａ）に示すように、端部２０ａ，２１ａにおいて溶融した金属は、互いに独立した（繋がっていない）状態となっている。そして、時間の経過に伴って、端部２０ａ，２１ａにおける溶融金属の量が増加する（図３（ｂ）参照）。なお、このときも、端部２０ａ，２１ａにおいて溶融した金属は、互いに独立した状態となっている。
【００３０】
そして、溶接電流を一時的に低減させる。アーク圧力は、一般的に電流値の２乗で増幅するため、溶接電圧を一定に保ちながら溶接電流を低減することにより、簡単かつ確実に導体２０，２１の端部２０ａ，２１ａに作用するアーク圧力を一時的に低下させることができる。これにより、図３（ｃ）に示すように、端部２０ａ，２１ａにおいて溶融した金属は、アーク圧力の影響を受け難くなるため、繋がって１つの溶融玉となる。このとき、導体２０，２１の端部２０ａ，２１ａに作用するアーク圧力が小さくなっているため、溶融プールが大きく揺れ動かない。これにより、溶融玉の形状を安定させることができるとともに、溶け分かれの発生を確実に防止することができる。
【００３１】
ここで、アーク圧力を低下させる、言い換えると溶接電流を低減させる時間は、溶接時間（全通電時間）の１／２０〜１／３とすれば良い。電流低減時間が溶接時間の１／２０より短いと、溶融金属同士を１つの玉に繋げることができないおそれがある一方、電流低減時間を長くしても溶接時間が長くなるだけで生産効率が低下するからである。具体的には、全通電時間が数百ｍｓｅｃであるから、電流低減時間は１０ｍｓｅｃ〜１００ｍｓｅｃ程度となる。例えば、全通電時間が３００ｍｓｅｃ程度であれば、電流低減時間は５０ｍｓｅｃ程度に設定すれば良い。
【００３２】
このように、溶接電流を一定時間だけ低減することにより、導体２０，２１の端部２０ａ，２１ａにおいて溶融した金属を、確実に繋げて１つの溶融玉として形状を安定させることができるとともに、溶け分かれの発生を確実に防止することができる。
【００３３】
また、溶接電流の低減は、溶接電流を最大値の５０％以下に低減させれば良い。このようにするのは、溶接電流を低下させたときの電流値が、最大値の５０％より大きいとアーク圧力を十分に低下させることができず、溶融プールが上下左右に大きく揺れ動いてしまうおそれがあるからである。具体的には、溶接電流値は５０〜２００Ａ程度であるから、低減電流値は２５〜１００Ａ程度となる。例えば、溶接電流値が１００Ａ程度であれば、低減電流値としては２５〜５０Ａ程度に設定すれば良い。
なお、溶接電流を低減させた際に電流値を０Ａにはしない。溶接電流を０Ａにするとアークが消滅してしまい、溶接することができなくなるからである。
【００３４】
そして、再度、溶接電流値を所定値まで上昇させる。そうすると、通電時間に応じて溶融プールの容積が増していく。このとき、アーク圧力が再度大きくなるが、導体２０，２１の端部２０ａ，２１ａにおいて溶融した金属は１つの溶融玉となっているため、アーク圧力の影響を受けて溶融プールが大きく揺れ動くことはない（図３（ｄ）参照）。なお、このときの通電時間（電流低減制御終了から溶接終了までの時間）は、１００ｍｓｅｃ〜５００ｍｓｅｃ程度にすれば良い。
【００３５】
その後、通電を終了して溶接を完了する。そうすると、導体２０，２１の端部２０ａ，２１ａの温度が低下していき、溶融プールが凝固して導体２０と導体２１とが接合される（図３（ｅ）参照）。
このように、本実施の形態に係る溶接方法では、導体２０，２１の端部２０ａ，２１ａにおいて溶融した金属を確実に繋げて１つの溶融玉にすることができるとともに、溶融プールが大きく揺れ動くことなく溶融プールを安定させて凝固させることができる。従って、常に良好な溶接品質を確保することができ、溶接強度を安定させることができる。
【００３６】
ここで、上記した溶接方法では、溶接電流を低減することにより、導体端部に作用するアーク圧力を低下させているが、アーク圧力を次のようにして低下させることもできる。そこで、溶接方法の変形例について、図４及び図５を参照しながら説明する。図４は、第１変形例を説明するための図である。図５は、第２変形例を説明するための図である。
【００３７】
まず、第１変形例では、導体２０，２１に対するアークの照射位置をずらすことにより、導体２０，２１の端部２０ａ，２１ａに作用するアーク圧力を低下させている。すなわち、図４に示すように、電極１２あるいは導体２０，２１の少なくとも一方を、電極１２の中心軸Ｌと導体２０，２１の境目の中心Ｃとがアークの照射方向と直交する方向にずらすようにすれば良い。これにより、端部２０ａ，２１ａに作用するアーク圧力を低下させることができ、上記した効果を得ることができる。
また、導体２０，２１を図中左右方向に振動させるようにしても、端部２０ａ，２１ａに作用するアーク圧力を低下させることができる。
【００３８】
なお、この第１変形例において、電極１２又は導体２０，２１をずらす範囲（中心軸Ｌと中心Ｃとのずれ量）は、図中左右方向で０．５ｍｍ（レンジで１．０ｍｍ）以内とする必要がある。これ以上ずらすと、導体２０と導体２１とを溶接することができなくおそれがあるからである。また、導体２０，２１を振動させる場合も、同様の範囲内での振幅に設定する必要がある。
【００３９】
次に、第２変形例では、アークの照射方向において導体２０，２１の端部２０ａ，２１ａと電極１２との距離を離すことにより、導体２０，２１の端部２０ａ，２１ａに作用するアーク圧力を低下させている。すなわち、図５に示すように、電極１２あるいは導体２０，２１の少なくとも一方を、互いの距離が離れるようにアークの照射方向（図中上下方向）に移動させれば良い。これにより、端部２０ａ，２１ａに作用するアーク圧力を低下させることができ、上記した効果を得ることができる。
【００４０】
なお、この第２変形例において、電極１２又は導体２０，２１を移動させる距離は、元の位置（基準位置）から０．５ｍｍ以内とする必要がある。これ以上移動させると、導体２０と導体２１とを溶接することができなくおそれがあるからである。
【００４１】
以上、詳細に説明したように本実施の形態に溶接方法によれば、溶接途中に導体２０，２１の端部２０ａ，２１ａに作用するアーク圧力を低下させて、導体２０，２１ごとに溶融し独立している溶融金属同士を一体化させて溶融玉を形成するため、溶融金属が１つの玉に繋がった際における溶融プールの大きな揺れ動きを防止することができる。従って、溶融玉の形状を安定させることができるとともに、溶け分かれの発生を確実に防止することができるため、接合後における溶接強度を安定させることができる。
【００４２】
なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。例えば、上記した実施の形態では、２本の導体を接合する際に本発明を適用する場合を例示したが、３本以上の導体を接合することもできる。
また、本発明は、導体の接合だけではなく、図６に示すように、導体２０と端子（バスバー）２５とを接合する場合にも適用することができる。
さらに、本発明は、導体や端子以外の金属材料を溶接（接合）する場合にも適用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１０ ＴＩＧ溶接装置
１１ 電源制御部
１２ 電極（負極側）
１３ 電極（正極側）
１４ アーク
２０ 導体
２０ａ 端部
２１ 導体
２１ａ 端部
Ｃ 中心
Ｌ 中心軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接部材と電極との間でアーク放電を発生させて溶接を行う非消耗電極式のアーク溶接方法において、
放電中に被溶接部材に作用するアーク圧力を放電途中で一時的に低下させて、被溶接部材ごとに溶融して独立している溶融金属同士を一体化させる
ことを特徴とするアーク溶接方法。
【請求項２】
請求項１に記載するアーク溶接方法において、
アーク圧力を低下させる時間が、溶接時間の１／２０〜１／３である
ことを特徴とするアーク溶接方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載するアーク溶接方法において、
溶接電圧を一定に保ちながら溶接電流を低減することにより、被溶接部材に作用するアーク圧力を低下させる
ことを特徴とするアーク溶接方法。
【請求項４】
請求項３に記載するアーク溶接方法において、
溶接電流は、最大値の５０％以下に低減させる
ことを特徴とするアーク溶接方法。
【請求項５】
請求項１又は請求項２に記載するアーク溶接方法において、
被溶接部材に対するアークの照射位置をずらすことにより、被溶接部材に作用するアーク圧力を低下させる
ことを特徴とするアーク溶接方法。
【請求項６】
請求項１又は請求項２に記載するアーク溶接方法において、
アークの照射方向にて被溶接部材と電極との距離を離すことにより、被溶接部材に作用するアーク圧力を低下させる
ことを特徴とするアーク溶接方法。
【請求項１】
被溶接部材と電極との間でアーク放電を発生させて溶接を行う非消耗電極式のアーク溶接方法において、
放電中に被溶接部材に作用するアーク圧力を放電途中で一時的に低下させて、被溶接部材ごとに溶融して独立している溶融金属同士を一体化させる
ことを特徴とするアーク溶接方法。
【請求項２】
請求項１に記載するアーク溶接方法において、
アーク圧力を低下させる時間が、溶接時間の１／２０〜１／３である
ことを特徴とするアーク溶接方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載するアーク溶接方法において、
溶接電圧を一定に保ちながら溶接電流を低減することにより、被溶接部材に作用するアーク圧力を低下させる
ことを特徴とするアーク溶接方法。
【請求項４】
請求項３に記載するアーク溶接方法において、
溶接電流は、最大値の５０％以下に低減させる
ことを特徴とするアーク溶接方法。
【請求項５】
請求項１又は請求項２に記載するアーク溶接方法において、
被溶接部材に対するアークの照射位置をずらすことにより、被溶接部材に作用するアーク圧力を低下させる
ことを特徴とするアーク溶接方法。
【請求項６】
請求項１又は請求項２に記載するアーク溶接方法において、
アークの照射方向にて被溶接部材と電極との距離を離すことにより、被溶接部材に作用するアーク圧力を低下させる
ことを特徴とするアーク溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−９９７５５（Ｐ２０１３−９９７５５Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４３８６２（Ｐ２０１１−２４３８６２）
【出願日】平成２３年１１月７日（２０１１．１１．７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月７日（２０１１．１１．７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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