パルスアーク溶接方法
【課題】炭酸ガス主体のシールドガスを使用しても、溶滴及びアークの偏りが少なく、溶滴の大きさ、離脱時期、離脱方向がほぼ完全に一定していると同時に、１パルス群１溶滴移行の規則性が極めて高い溶滴移行を達成しスパッタ発生量及びヒューム発生量を大幅に低減できるパルスアーク溶接方法を提供する。
【解決手段】３０乃至１００Ｈｚの低周波パルスを連続発振させると同時に、パルス周波数５００乃至２０００Ｈｚの高周波パルスを上記低周波パルスに重畳させる。この場合に、溶接電流を平均ピーク電流ＩＰａｖｇ；３００〜７００Ａ、平均ベース電流ＩＢａｖｇ：５０〜３００Ａ、パルスピーク期間Ｔｐ：３〜２５ｍｓ、ベース期間Ｔｂ：５〜３０ｍｓ、高周波パルスのピーク期間の電流振幅ＩＰａ：５０〜６００Ａ、高周波パルスのベース期間の電流振幅ＩＢａ：２０〜２００Ａとする。
【解決手段】３０乃至１００Ｈｚの低周波パルスを連続発振させると同時に、パルス周波数５００乃至２０００Ｈｚの高周波パルスを上記低周波パルスに重畳させる。この場合に、溶接電流を平均ピーク電流ＩＰａｖｇ；３００〜７００Ａ、平均ベース電流ＩＢａｖｇ：５０〜３００Ａ、パルスピーク期間Ｔｐ：３〜２５ｍｓ、ベース期間Ｔｂ：５〜３０ｍｓ、高周波パルスのピーク期間の電流振幅ＩＰａ：５０〜６００Ａ、高周波パルスのベース期間の電流振幅ＩＢａ：２０〜２００Ａとする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は炭酸ガス単体又は炭酸ガスを主成分として含む混合ガスをシールドガスとして用いるパルスアーク溶接方法に関し、特にパルス群に同期した溶滴移行を実現することにより、溶接アーウを安定化すると同時に、スパッタ発生量及びヒューム発生量を大幅に低減できるパルスアーク溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ａｒ−５乃至３０％ＣＯ２混合ガスをシールドガスとして用いるＭＡＧ溶接方法は、溶滴が細粒化することに起因して、スパッタ発生量及びヒューム発生量を低減できることから、従来から広い分野で適用されている。特に、高品質な溶接が要求される分野では、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溶接方法の適用が広がってきている。
【０００３】
しかしながら、Ａｒガスは炭酸ガスと比較すると価格が高価であることから、通常の溶接施工に際しては炭酸ガス単体又は炭酸ガスを主成分とした混合ガスをシールドガスとして用いることが多い。
【０００４】
一方、炭酸ガス単体又は炭酸ガスを主成分とした混合ガスをシールドガスとして用いた場合、ＭＡＧ溶接方法と比較して溶滴が１０倍程度の大きさに粗大化し、アーク力によって不規則に振動・変形するため、母材との短絡及びアーク切れを発生させやすく、溶滴移行も不規則となり、スパッタ及びヒュームが多発するという問題点がある。
【０００５】
このような問題点に対し、特許文献１及び特許文献２では炭酸ガスシールドアーク溶接においてパルス溶接を適用し、パルスパラメータ及び溶接ワイヤ成分を規定することにより、炭酸ガスアーク溶接でも１パルス１溶滴移行を実現する方法が提案されている。この方法はピーク電流印加前にワイヤ先端に充分な大きさの溶滴を形成させておくことにより、ピーク電流の電磁ピンチ力が溶滴のくびれを早く生じさせ、アークカによって溶滴がワイヤ方向に押し戻される前に溶滴をワイヤから離脱させることができるとするものである。
【０００６】
また、上記溶接方法に関し、特許文献３では溶接電源の出力制御方法として外部特性切り替え制御を行うことにより、更に一層スパッタの低減を達成する溶接方法が提案されている。
【０００７】
更に、特許文献４では炭酸ガスを主体とするシールドガスを用いたアーク溶接方法に関し、１溶滴の移行時間内に７パルス以上発振することにより、スパッタ及び溶接ヒュームが低減できるとしている。
【０００８】
【特許文献１】特開平７‐４７４７３号公報
【特許文献２】特開平７‐２９０２４１号公報
【特許文献３】特開平８‐２６７２３８号公報
【特許文献４】特開２００３‐２３６６６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述の特許文献１、特許文献２、及び特許文献３による方法は、いずれもシールドガスとして安価な炭酸ガスを使用しながらも、１パルス１溶滴移行を可能とし、溶滴移行の規則性を向上させると同時に、パルス無し溶接と比較すると、スパッタ発生量を低減できるものである。しかし、炭酸ガスをシールドガスとして使用していることから、ワイヤ先端に形成される溶滴形状は安定したものではないため、溶滴及びアークともに軸対称とはなりにくく、傾いていることが殆どである。溶滴及びアークの偏りに起因して溶滴を離脱させる方向に働く電磁ピンチ力の大きさ及び方向も離脱タイミング毎に異なり、各溶滴の大きさ、離脱時期、離脱方向も完全に一致したものではない。従って、１パルスで移行できなかった溶滴がベース期間に短絡したり、次のパルスピーク期間に移行したりするため、溶滴移行の規則性を乱し、スパッタを増大させるという問題点がある。
【００１０】
また、特許文献４による方法は、１溶滴の移行時間内に７パルス以上を発振することにより、溶滴の小粒化を達成できるとしている。但し、本方法を用いてもシールドガスとして炭酸ガスを主体とするガスを用いている以上、ＭＡＧパルス溶接における溶滴と比較すれば溶滴の大きさは１０倍以上と大きく、その効果は大きくない。溶滴の移行は、溶滴の大きさ、ピーク期間の電磁ピンチ力、アーク力による押上げ力、これらに起因する溶滴内の対流及び振動等が複雑に寄与する。離脱のタイミングは溶滴の離脱方向に働く力のバランスによって決まるため、本方法のように単純な高周波パルスを連続印加するのみでは、離脱時期が離脱タイミング毎に異なり、溶滴移行間隔は１５〜２５ｍｓ程度の範囲でばらつき、スパッタを大幅に低減するには至っていない。
【００１１】
また、本方法は溶滴移行改善のため、高周波パルスを印加している関係上、チップと母材との間の距離が変動した場合のアーク長一定化制御について、ピーク電流、ベース電流及びパルス幅が固定されているため、周波数を変調させることになる。即ち、ワイヤ溶融速度を調整するにあたり、パルス周波数を大きく変化させることになり、溶滴移行の規則性が乱れる。従って、チップと母材との間の距離が標準状態より±５ｍｍ程度変動した場合、安定なアークを維持することが困難となる。
【００１２】
本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、炭酸ガス主体のシールドガスを使用しても、溶滴及びアークの偏りが少なく、溶滴の大きさ、離脱時期、離脱方向がほぼ完全に一定していると同時に、１パルス群１溶滴移行の規則性が極めて高い溶滴移行を達成し、スパッタ発生量及びヒューム発生量を大幅に低減できるパルスアーク溶接方法を提供することを目的とする。
【００１３】
また、本発明の他の目的は、チップと母材との間の距離が変動した場合でも、１パルス群１溶滴移行を乱さない範囲でパルスパラメータを調整することにより、アーク長を一定に制御できるパルス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】
【００１４】
本発明に係るパルスアーク溶接方法は、炭酸ガス単体又は炭酸ガスを主成分とする混合ガスをシールドガスとして使用して、下記（ａ）乃至（ｈ）の溶接パラメータを満足するように、３０乃至１００Ｈｚの低周波パルスを連続発振させると同時に、パルス周波数５００乃至２０００Ｈｚの高周波パルスを上記の低周波パルスに重畳させることを特徴とする。
（ａ）平均ピーク電流ＩＰａｖｇ：３００乃至７００Ａ
（ｂ）平均ベース電流ＩＢａｖｇ：５０乃至３００Ａ
（ｃ）パルスピーク期間Ｔｐ：３乃至２５ｍｓ
（ｄ）ベース期間Ｔｂ：５乃至３０ｍｓ
（ｅ）低周波パルスのパルス周波数Ｆｌｏｗ：３０乃至１００Ｈｚ
（ｆ）高周波パルスのパルス周波数Ｆｈｉｇｈ：５００乃至２０００Ｈｚ
（ｇ）高周波パルスのピーク期間の電流振幅ＩＰａ：５０乃至６００Ａ
（ｈ）高周波パルスのベース期間の電流振幅ＩＢａ：２０乃至２００Ａ
更に、本発明においては、下記（ｉ）乃至（ｍ）の溶接パラメータを満足することが好ましい。
（ｉ）平均ピーク電流ＩＰａｖｇ：４００乃至６００Ａ
（ｊ）パルスピーク期間Ｔｐ：５乃至１５ｍｓ
（ｋ）ベース期間Ｔｂ：５乃至１５ｍｓ
（ｌ）低周波パルスのパルス周波数Ｆｌｏｗ：３０乃至７０Ｈｚ
（ｍ）高周波パルスのパルス周波数Ｆｈｉｇｈ：８００乃至１５００Ｈｚ
また、Ｃ：０．１０質量％以下、Ｓｉ：０．２０乃至１．０質量％、Ｍｎ：０．５０乃至２．０質量％、Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｚｒ：総量で０．０５乃至０．４０質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる消耗電極ワイヤを使用することができる。
【００１５】
更に、ワイヤ表面に銅めっきを施していない消耗電極ワイヤを使用することもできる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る炭酸ガス単体又は炭酸ガスを主成分とする混合ガスを用いた消耗電極式アーク溶接では、極めて再現性の高い１パルス群１溶滴移行を達成でき、従来方法と比較して、溶接アークの安定化及び溶滴の移行規則性を向上させ、スパッタ発生量及びヒューム発生量を大幅に低減できる。
【００１７】
また、チップと母材との間の距離が変動した場合でも、電圧変化及び電流変化をフィードバックすることにより、１パルス群１溶滴移行を乱さない範囲で低周波パルスのパルス周波数Ｆｌｏｗ、パルスピーク期間Ｔｐ（パルス幅）、平均ピーク電流ＩＰａｖｇの１種以上を調整することにより、アーク長を容易に一定に維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明について具体的に説明する。図１(ａ)乃至（ｄ）は、溶滴移行の形態を模式的に示すと共に、そのときのパルス電流を示す図である。パルス電流は、図２に示すように、ベース期間Ｔｂにおいては、アーク切れを起こさない程度のベース電流ＩＢを流す。このベース期間Ｔｂにおける電流振幅はＩＢａ、平均ベース電流はＩＢａｖｇである。また、ピーク期間Ｔｐにおいては、溶滴を離脱させる過程において十分な電磁ピンチ力を確保すると共に、溶滴を形成する過程において適当な大きさの溶滴を安定に形成するためのピーク電流ＩＰを流す。このピーク期間Ｔｐにおける電流振幅はＩＰａ、平均ピーク電流はＩＰａｖｇである。
【００１９】
図１（ａ）の溶滴は、前パルス周期にて溶滴が離脱した後のパルスピーク期間Ｔｐ中に成長したものである。ベース期間Ｔｂに電流が急激に減少するため、押し上げ力が弱まり、溶滴は（ａ）のようにワイヤ先端に垂下がるように整形される。パルスピーク期間Ｔｐに入ると、ワイヤ中のピーク電流による電磁ピンチ力により、溶滴は（ｂ）のような変化をしながら急速に離脱し、離脱後は（ｃ）の過程で溶滴を成長させた後、ベース期間Ｔｂに入り、（ｄ）の過程で溶滴の形成を行いながら、再び（ａ）の状態に戻る。
【００２０】
本発明は、図１に示すように、低周波パルスに同期した１パルス群１溶滴移行形態であるが、本発明においては、特に、上記低周波パルスに５００乃至２０００Ｈｚの高周波パルスを重畳させる。このような方法により、パルスピーク期間Ｔｐ及びベース期間Ｔｂの溶滴を上方に押上げるアーク力が断続的となり、高周波パルスが無い場合と比較すると、押し上げ力が大きく緩和される。更に、アークの硬直性が極めて高くなるため、溶滴及びアークともに、軸対称となりやすい。溶滴及びアークが軸対象に近いため、電流経路も軸対象になり、溶滴を離脱させるのに作用する電磁ピンチ力も軸対象となりやすいため、溶滴の離脱方向もワイヤ方向から殆ど反れることがない。また、電磁ピンチ力は電流の２乗に比例するため、高周波パルス無しの場合と比較すると、ピーク期間のより早い段階で溶滴離脱を行うことが可能であるため、溶滴を小粒化できる。従って、小粒溶滴による極めて再現性の高い１パルス群１溶滴移行を達成でき、スパッタ発生量及びヒューム発生量を大幅に低減できる。なお、ここで印加する高周波パルスは、矩形波及び三角波のいずれでも効果があり、仮にリアクタンスの影響で矩形パルスがなまった場合でも効果を失わない。
【００２１】
次に、各パルスパラメータの規定理由について説明する。なお、各パルスパラメータの値は図２に示されている。
【００２２】
平均ピーク電流ＩＰａｖｇ：３００乃至７００Ａ
本パラメータは溶滴を離脱させる過程において充分な電磁ピンチ力を確保すると同時に、溶滴を形成する過程において適当な大きさの溶滴を安定に形成することに大きく寄与する。平均ピーク電流ＩＰａｖｇが３００Ａ未満であると、電磁ピンチ力が弱く、溶滴が大塊となるまで離脱できず、１パルス群１溶滴移行から外れる。大塊となった溶滴が母材と接触してスパッタ及びヒュームの多量発生の原因となる。平均ピーク電流ＩＰａｖｇが７００Ａを超えると、溶滴を押し上げるアーク力が強くなりすぎ、規則的な溶滴離脱が困難となるだけでなく、ピーク期間での溶融量が大きいため、１パルス群ｎ溶滴移行となる。また、装置重量及びコストが上昇するという問題点もある。なお、平均ピーク電流ＩＰａｖｇのより好ましい範囲はＩＰａｖｇ：４００乃至６００Ａである。
【００２３】
平均ベース電流ＩＢａｖｇ：５０乃至３００Ａ
本パラメータは溶滴を整形する過程において、アーク切れを起こさず、安定に溶滴を整形することに大きく寄与する。平均ベース電流ＩＢａｖｇが５０Ａ未満であると、アーク切れ、短絡が発生しやすくなる。また、平均ベース電流ＩＢａｖｇが３００Ａを超えると、溶滴に寄与するアーク力が大きくなると同時にベース期間Ｔｂでの溶融が過大となり、溶滴がふらつき、安定に整形できなくなる。
【００２４】
パルスピーク期間Ｔｐ（パルス幅）：３乃至２５ｍｓ
本パラメータも平均ピーク電流ＩＰａｖｇと同様に、溶滴を離脱させる過程において充分な電磁ピンチ力を確保すると同時に、溶滴を形成する過程において適当な大きさの溶滴を安定に形成することに大きく寄与する。パルスピーク期間Ｔｐが３ｍｓ未満であると、溶滴を離脱させ、充分に成長させることができず、ｎパルス群１溶滴移行となり、溶滴移行の規則性を乱す。一方、パルスピーク期間Ｔｐが２５ｍｓを超えると、溶滴離脱後、次の溶滴が大きく成長しすぎるだけでなく、パルスピーク期間Ｔｐの後半にて再度溶滴が移行する１パルス群ｎ溶滴移行となり、溶滴移行の規則性を乱し、スパッタ及びヒュームが多量に発生する。なお、より好ましいパルスピーク期間Ｔｐの範囲は５乃至１５ｍｓである。
【００２５】
ベース期間Ｔｂ：５乃至３０ｍｓ
本パラメータもＩＢａｖｇと同様に、溶滴を整形する過程において、アーク切れを起こさず、安定に溶滴を形成することに大きく寄与する。ベース期間Ｔｂが５ｍｓ未満であると、溶滴を充分に整形することができず、溶滴の離脱方向にばらつきが生じる。一方、ベース期間Ｔｂが３０ｍｓを超えると、ベース期間Ｔｂでの溶融量が過大となり、溶滴と溶融池との間で短縮が生じやすくなり、溶滴移行の規則性を乱す。なお、より好ましいベース期間Ｔｂの範囲は５乃至１５ｍｓである。
【００２６】
低周波パルスのパルス周波数Ｆｌｏｗ：３０乃至１００Ｈｚ
本パラメータは１パルスあたりの溶滴の大きさ及びパルスと溶滴移行との同期率に大きく寄与する。低周波パルスのパルス周波数Ｆｌｏｗが３０Ｈｚ未満であると、１パルス群当りの溶滴が大きくなりすぎ、溶滴と溶融池との間で短絡が発生しやすくなる。また、低周波パルスのパルス周波数Ｆｌｏｗが１００Ｈｚを超えると、１パルス群１溶滴移行から外れ、パルスに同期しない溶滴移行形態となる。なお、より好ましいＦｌｏｗの範囲は３０乃至７ＯＨｚである。
【００２７】
高周波パルスのパルス周波数Ｆｈｉｇｈ：５００乃至２０００Ｈｚ
本パラメータはパルスピーク期間Ｔｐ及びベース期間Ｔｂにおける溶滴を上方に押上げるアーク力の緩和及びアークの硬直性に大きく寄与する。高周波パルスのパルス周波数Ｆｈｉｇｈが５００Ｈｚ未満であると、アーク力緩和効果は無く、溶滴の振動が大きくなり安定な溶滴の成長及び整形が行えなくなる。また、高周波パルスのパルス周波数Ｆｈｉｇｈが２０００Ｈｚを超えると、高周波パルス付与効果が弱くなり、アークによる押し上げ力が増大し、溶滴及びアークが軸対象となりにくくなる。なお、より好ましいＦｈｉｇｈの範囲は８００乃至１５００Ｈｚである。
【００２８】
高周波パルスのピーク期間Ｔｐの電流振幅ＩＰａ：５０乃至６００Ａ
本パラメータはパルスピーク期間Ｔｐにおける溶滴を上方に押上げるアーク力の緩和及びアークの硬直性に大きく寄与する。高周波パルスのピーク期間Ｔｐの電流振幅Ｉｐａが５０Ａ未満であると、高周波パルス付与の効果がなくなり、アーク力の緩和効果が無く、アークの硬直性も弱い。一方、ピーク期間Ｔｐの電流振幅Ｉｐが６００Ａを超えると、アーク力の変動が大きくなりすぎ、安定な溶滴の成長が困難となるだけでなく、電磁ピンチ力が強くなりすぎ、溶滴及び溶融池からの微細なスパッタが多量に発生するようになる。
【００２９】
高周波パルスのベース期間Ｔｂの電流振幅ＩＢａ：２０乃至２００Ａ
本パラメータはベース期間Ｔｂにおける溶滴を上方に押上げるアーク力の緩和及びアークの硬直性、特に、アーク切れ発生頻度に大きく寄与する。高周波パルスのベース期間Ｔｂの電流振幅ＩＢａが２０Ａ未満であると、高周波パルス付与の効果が無く、アーク力の緩和効果が無く、アーク硬直性も弱いため、アーク切れが頻発する。一方、電流振幅ＩＢａが２００Ａを超えると、アーク力の変動が大きくなりすぎ、安定な溶滴の整形が困難となる。
【００３０】
次に、消耗電極ワイヤの組成について説明する。本発明のパルスアーク溶接方法において、消耗電極ワイヤの組成は特に限定するものではないが、その好ましい組成として、以下に示すものがある。即ち、消耗電極ワイヤの組成は、Ｃ：０．１０質量％以下、Ｓ：０．２０乃至１．０質量％、Ｍｎ：０．５０乃至２．０質量％、Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｚｒ：０．０５乃至０．４０質量％、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなるものが好ましい。以下に、その組成限定理由について説明する。
【００３１】
Ｃ：０．１０質量％以下
Ｃは溶接金属の強度を確保する上で重要な元素であるが、０．１０質量％を超えると、溶滴及び溶融池の変形及び振動が激しくなり、スパッタ及びヒュームが増大するようになる。従って、Ｃ量は０．１０質量％以下とする。
【００３２】
Ｓｉ：０．２０乃至１．０質量％
Ｓｉは脱酸剤として少なくとも０．２０質量％を必要とする。また、Ｓｉが０．２０質量％以下であると、溶滴の粘性が低くなりすぎ、溶滴がアーク力によって不規則に変形するため、スパッタ及びヒュームが増大する。一方、Ｓｉが１．０質量％を超えると、スラグ量が多くなると同時に、溶滴の粘性が大きくなりすぎ、１パルス群１溶滴移行から外れる場合が出てくる。従って、Ｓｉ量は０．２０乃至１．０質量％とする。
【００３３】
Ｍｎ：０．５０乃至２．０質量％
ＭｎはＳｉと同様に脱酸剤として重要な元素であり、少なくとも０．５０質量％を必要とする。また、Ｍｎが０．５０質量％以下であると、溶滴の粘性が低くなりすぎ、溶滴がアーク力によって不規則に変形するため、スパッタ及びヒュームが増大する。一方、Ｍｎが２．０質量％を超えると、溶接ワイヤ製造時の伸線性が劣化すると同時に、溶滴の粘性が大きくなりすぎ、１パルス群１溶滴移行から外れる場合が出てくる。従って、Ｍｎ含有量は０．５０乃至２．０質量％とする。
【００３４】
Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｚｒ：０．０５乃至０．４０質量％
Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｚｒは脱酸剤として、また溶接金属の強度確保等にも重要な元素であるが、本プロセスにおいては、これらの元素は溶滴の粘性を適正化し、不安定な挙動を抑制する効果があるため添加する。Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｚｒが０．０５質量％未満の場合は、上述の効果が乏しく、小粒スパッタが増大する。一方、Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｚｒが０．４０質量％を超えると、スラグ剥離性及び溶接金属の靭性を劣化させると共に、溶滴の粘性が高くなりすぎ、１パルス群１溶滴移行から外れ、スパッタ及びヒュームを増大させる。従って、Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｚｒは０．０５乃至０．４０質量％とする。
【００３５】
また、本発明のパルスアーク溶接方法において、消耗電極ワイヤは、ワイヤ表面に銅めっきが施されていないものが好ましい。ワイヤ表面に銅めっきを施さないことにより、溶滴くびれ部の表面張力を低下させることができ、電磁ピンチ力により溶滴がワイヤから離脱しやすくなるため、極めて再現性が高い溶滴移行が可能となる。
【実施例１】
【００３６】
以下、本発明の効果を実証するために行った試験の結果について、本発明の範囲に入る実施例と本発明の範囲から外れる比較例とを対比して説明する。
【００３７】
下記溶接条件と、表１に示すパルスパラメータを使用して、炭酸ガスをシールドガスとしてパルスアーク溶接を行い、スパッタ発生量を測定した。即ち、図３に示すように、溶接母材１を挟むように、１対の銅製の捕集箱２をその開口部を母材１に向けて配置し、トーチ３から繰り出す溶接ワイヤチップによりアーク溶接を行い、銅製の捕集箱２内にスパッタを捕集した。そして、ＪＩＳ Ｚ ３９３０に準じた方法により、ヒューム発生量を測定した。
ワイヤ：ＪＩＳ Ｚ３３１２ ＹＧＷ１１ 直径１．２ｍｍ
炭酸ガス：ＣＯ２
試験板：ＳＭ４９０Ａ
チップ母材間距離：２５ｍｍ
溶接速度：４０ｃｍ／分
スパッタ発生量及びヒューム発生量の測定結果を、下記表１に示す。なお、表１において、スパッタ発生量が４．０ｇ／分以下、ヒューム発生量が４００ｍｇ／分以下のものを良好（○）、スパッタ発生量が４．０ｇ／分を超えるもの、又はヒューム発生量が４００ｍｇ／分を超えるものを（×）として、評価欄に示した。
【００３８】
【表１】
【００３９】
表１の実施例Ｎｏ．１乃至１９は本発明の請求項１を満足するものであり、スパッタ量が４．０ｇ／分と少なく、ヒューム量も４００ｍｇ／分以下と少ないものであった。
【００４０】
これに対し、表１示す比較例Ｎｏ．２０乃至３５は請求項１の範囲から外れるものであり、いずれも以下に示すように評価が低いものである。比較例Ｎｏ．２０はＩＰａｖｇが下限値未満であるため、溶滴が大塊となっても離脱ができず、１パルス群１溶滴移行から外れ、不規則な短絡によりスパッタが増大した。比較例Ｎｏ．２１はＩＰａｖｇが上限値を超えるため、ピーク期間に溶滴を押上げるアーク力が強くなりすぎ、規則的な溶滴移行が困難となり、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．２２はＩＢａｖｇが下限値未満であるため、アーク切れ及び短絡が発生しやすくなり、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．２３はＩＢａｖｇが上限値を超えるため、ベース期間における溶滴の安定形成が困難となり、ピーク期間印加前に溶滴が振動及び変形した。これに伴い溶滴移行が不規則となり、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．２４はＴｐが下限値以下であるため、溶滴の離脱及び成長が不十分となり、ｎパルス群１溶滴移行となるため、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．２５はＴｐが上限値以上であるため、溶滴離脱後の次の溶滴が大きく成長し過ぎてしまうばかりでなく、パルスピーク期間の後半にて再度溶滴移行を実施してしまう１パルス群ｎ溶滴移行となりやすく、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．２６はＴｂが下限値未満であるため、ベース期間に溶滴を充分に整形させることができず、溶滴の離脱方向がワイヤ方向から外れ、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．２７はＴｂが上限値を超えるため、ベース期間での溶融量が過大となり、ベース期間中に短縮を発生させやすくなり、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．２８はＦｌｏｗが下限値未満であるため、１パルス群あたりの溶滴が大きくなりすぎ、溶滴と溶融池が接触して不規則な短絡を発生させやくなり、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．２９はＦｌｏｗが上限値を超えるため、１パルス群１溶滴移行から外れ、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．３０はＦｈｉｇｈが下限値未満であるため、溶滴の振動が大きくなり、溶滴の安定な成長・形成が困難となり、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．３１はＦｈｉｇｈが上限値を超えるため、高周波パルスを印加してもアークによる押上げ力が増大し、溶滴が不規則に持上げられるため、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．３２はＩＰａが下限値以下であるため、高周波パルス付与の効果がなくなり、ピーク期間の溶滴が不規則に振動及び変形するため、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．３３はＩＰａが上限値を超えるため、ピーク期間の溶滴に及ぼすアーク力の変動が大きくなり過ぎ、溶滴の安定成長が困難となった。また、電磁ピンチ力が強くなり過ぎ、溶滴及び溶融池からの微細なスパッタが増大した。比較例Ｎｏ．３４はＩＢａが下限値未満であるため、高周波パルス付与の効果がなくなり、ベース期間の溶滴が不規則に振動及び変形するため、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．３５はＩＢａが上限値を超えるため、ベース期間の溶滴に及ぼすアーク力の変動が大きくなり、溶滴の安定整形が困難となり、スパッタが増大した。
【実施例２】
【００４１】
次に、下記溶接条件で、表２示す組成の消耗電極溶接ワイヤを使用し、炭酸ガスをシールドガスとしてパルスアーク溶接を行い、スパッタ発生量及びヒューム発生量を測定した結果について説明する。スバッタ捕集方法及びヒューム量測定方法は前述のとおりである。表２において、スパッタ発生量が２．５ｇ／分以下、ヒューム発生量が３５０ｍｇ／分以下のものを良好（○）、スパッタ発生量が２．５ｇ／分を超えるもの、又はヒューム発生量が３５０ｍｇ／分を超えるものを（×）として、評価欄に示した。
ワイヤ怪：直径１．２ｍｍ
炭酸ガス：ＣＯ２
試験板：ＳＭ４９０Ａ
チップ母材間距離：２５ｍｍ
トーチ前進角：３０°
溶接速度：４０ｃｍ／分
ワイヤ送給速度：１５．５ｍ／分
Ｉｐａｖｇ：５００Ａ
ＩＢａｖｇ：２００Ａ
Ｔｐ：９ｍｓ
Ｔｂ：１０ｍｓ
Ｆｌｏｗ：５０Ｈｚ
Ｆｈｉｇｈ：１０００Ｈｚ
ＩＰａ：３００Ａ
ＩＢａ：１００Ａ
【００４２】
【表２】
【００４３】
表２の実施例Ｎｏ．３６乃至４６は、消耗電極ワイヤが、本発明の請求項３の範囲を満たすものであり、スパッタ量及びヒューム量が少ない良好な溶接を行なうことができた。特に、実施例Ｎｏ．３６と３７、実施例３９と４０、実施例４３と４４とを比較すると、夫々、ほぼ同様の組成をもつワイヤであっても、銅めっきを施さない方がスパッタ量が低いことがわかる。このように、銅めっきを施さないことにより、溶滴くびれ部の表面張力を低下させることができ、電磁ピンチ力により溶滴がワイヤから離脱しやすくなる。従って、極めて再現性の高い溶滴移行が可能となる上、スパッタを更に低減することができる。
【００４４】
一方、比較例Ｎｏ．４４乃至５３は、消耗電極溶接ワイヤの組成が、本願請求項３の範囲から外れるものであり、スパッタ量及びヒューム量がいずれも多いものであった。比較例Ｎｏ．４７はワイヤ中のＣが上限値を超えるため、溶滴及び溶融池の変形及び振動が激しくなり、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．４８はワイヤ中のＳｉが下限値未満であるため、溶滴の粘性が低くなりすぎ、溶滴がアーク力によって不規則に変形するため、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．４９、５０はワイヤ中のＳｉが上限値を超えるため、溶滴の粘性が高くなりすぎ、１パルス群１溶滴移行から外れ、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．５１はワイヤ中のＭｎが下限値未満であるため、溶滴の粘性が低くなりすぎ、溶滴がアーク力によって不規則に変形するため、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．５２、５３はワイヤ中のＭｎが上限値以上であるため、溶滴の粘性が高くなりすぎ、１パルス群１溶滴移行から外れ、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．５４、５５はワイヤ中のＴｉ＋Ａｌ＋Ｚｒが下限値未満であるため、溶滴がアーク力によって不規則に変形するため、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．５６はワイヤ中のＴｉ＋Ａｌ＋Ｚｒが上限値を超えるため、溶滴の粘性が高くなりすぎ、１パルス群１溶滴移行から外れ、スパッタが増大した。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】(ａ)乃至（ｄ）は、溶滴移行の形態を模式的に示すと共に、そのときのパルス電流を示す図である。
【図２】各パラメータの定義を示す図である。
【図３】溶接条件を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１：溶接母材
２：銅箱
３：トーチ
【技術分野】
【０００１】
本発明は炭酸ガス単体又は炭酸ガスを主成分として含む混合ガスをシールドガスとして用いるパルスアーク溶接方法に関し、特にパルス群に同期した溶滴移行を実現することにより、溶接アーウを安定化すると同時に、スパッタ発生量及びヒューム発生量を大幅に低減できるパルスアーク溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ａｒ−５乃至３０％ＣＯ２混合ガスをシールドガスとして用いるＭＡＧ溶接方法は、溶滴が細粒化することに起因して、スパッタ発生量及びヒューム発生量を低減できることから、従来から広い分野で適用されている。特に、高品質な溶接が要求される分野では、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溶接方法の適用が広がってきている。
【０００３】
しかしながら、Ａｒガスは炭酸ガスと比較すると価格が高価であることから、通常の溶接施工に際しては炭酸ガス単体又は炭酸ガスを主成分とした混合ガスをシールドガスとして用いることが多い。
【０００４】
一方、炭酸ガス単体又は炭酸ガスを主成分とした混合ガスをシールドガスとして用いた場合、ＭＡＧ溶接方法と比較して溶滴が１０倍程度の大きさに粗大化し、アーク力によって不規則に振動・変形するため、母材との短絡及びアーク切れを発生させやすく、溶滴移行も不規則となり、スパッタ及びヒュームが多発するという問題点がある。
【０００５】
このような問題点に対し、特許文献１及び特許文献２では炭酸ガスシールドアーク溶接においてパルス溶接を適用し、パルスパラメータ及び溶接ワイヤ成分を規定することにより、炭酸ガスアーク溶接でも１パルス１溶滴移行を実現する方法が提案されている。この方法はピーク電流印加前にワイヤ先端に充分な大きさの溶滴を形成させておくことにより、ピーク電流の電磁ピンチ力が溶滴のくびれを早く生じさせ、アークカによって溶滴がワイヤ方向に押し戻される前に溶滴をワイヤから離脱させることができるとするものである。
【０００６】
また、上記溶接方法に関し、特許文献３では溶接電源の出力制御方法として外部特性切り替え制御を行うことにより、更に一層スパッタの低減を達成する溶接方法が提案されている。
【０００７】
更に、特許文献４では炭酸ガスを主体とするシールドガスを用いたアーク溶接方法に関し、１溶滴の移行時間内に７パルス以上発振することにより、スパッタ及び溶接ヒュームが低減できるとしている。
【０００８】
【特許文献１】特開平７‐４７４７３号公報
【特許文献２】特開平７‐２９０２４１号公報
【特許文献３】特開平８‐２６７２３８号公報
【特許文献４】特開２００３‐２３６６６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述の特許文献１、特許文献２、及び特許文献３による方法は、いずれもシールドガスとして安価な炭酸ガスを使用しながらも、１パルス１溶滴移行を可能とし、溶滴移行の規則性を向上させると同時に、パルス無し溶接と比較すると、スパッタ発生量を低減できるものである。しかし、炭酸ガスをシールドガスとして使用していることから、ワイヤ先端に形成される溶滴形状は安定したものではないため、溶滴及びアークともに軸対称とはなりにくく、傾いていることが殆どである。溶滴及びアークの偏りに起因して溶滴を離脱させる方向に働く電磁ピンチ力の大きさ及び方向も離脱タイミング毎に異なり、各溶滴の大きさ、離脱時期、離脱方向も完全に一致したものではない。従って、１パルスで移行できなかった溶滴がベース期間に短絡したり、次のパルスピーク期間に移行したりするため、溶滴移行の規則性を乱し、スパッタを増大させるという問題点がある。
【００１０】
また、特許文献４による方法は、１溶滴の移行時間内に７パルス以上を発振することにより、溶滴の小粒化を達成できるとしている。但し、本方法を用いてもシールドガスとして炭酸ガスを主体とするガスを用いている以上、ＭＡＧパルス溶接における溶滴と比較すれば溶滴の大きさは１０倍以上と大きく、その効果は大きくない。溶滴の移行は、溶滴の大きさ、ピーク期間の電磁ピンチ力、アーク力による押上げ力、これらに起因する溶滴内の対流及び振動等が複雑に寄与する。離脱のタイミングは溶滴の離脱方向に働く力のバランスによって決まるため、本方法のように単純な高周波パルスを連続印加するのみでは、離脱時期が離脱タイミング毎に異なり、溶滴移行間隔は１５〜２５ｍｓ程度の範囲でばらつき、スパッタを大幅に低減するには至っていない。
【００１１】
また、本方法は溶滴移行改善のため、高周波パルスを印加している関係上、チップと母材との間の距離が変動した場合のアーク長一定化制御について、ピーク電流、ベース電流及びパルス幅が固定されているため、周波数を変調させることになる。即ち、ワイヤ溶融速度を調整するにあたり、パルス周波数を大きく変化させることになり、溶滴移行の規則性が乱れる。従って、チップと母材との間の距離が標準状態より±５ｍｍ程度変動した場合、安定なアークを維持することが困難となる。
【００１２】
本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、炭酸ガス主体のシールドガスを使用しても、溶滴及びアークの偏りが少なく、溶滴の大きさ、離脱時期、離脱方向がほぼ完全に一定していると同時に、１パルス群１溶滴移行の規則性が極めて高い溶滴移行を達成し、スパッタ発生量及びヒューム発生量を大幅に低減できるパルスアーク溶接方法を提供することを目的とする。
【００１３】
また、本発明の他の目的は、チップと母材との間の距離が変動した場合でも、１パルス群１溶滴移行を乱さない範囲でパルスパラメータを調整することにより、アーク長を一定に制御できるパルス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】
【００１４】
本発明に係るパルスアーク溶接方法は、炭酸ガス単体又は炭酸ガスを主成分とする混合ガスをシールドガスとして使用して、下記（ａ）乃至（ｈ）の溶接パラメータを満足するように、３０乃至１００Ｈｚの低周波パルスを連続発振させると同時に、パルス周波数５００乃至２０００Ｈｚの高周波パルスを上記の低周波パルスに重畳させることを特徴とする。
（ａ）平均ピーク電流ＩＰａｖｇ：３００乃至７００Ａ
（ｂ）平均ベース電流ＩＢａｖｇ：５０乃至３００Ａ
（ｃ）パルスピーク期間Ｔｐ：３乃至２５ｍｓ
（ｄ）ベース期間Ｔｂ：５乃至３０ｍｓ
（ｅ）低周波パルスのパルス周波数Ｆｌｏｗ：３０乃至１００Ｈｚ
（ｆ）高周波パルスのパルス周波数Ｆｈｉｇｈ：５００乃至２０００Ｈｚ
（ｇ）高周波パルスのピーク期間の電流振幅ＩＰａ：５０乃至６００Ａ
（ｈ）高周波パルスのベース期間の電流振幅ＩＢａ：２０乃至２００Ａ
更に、本発明においては、下記（ｉ）乃至（ｍ）の溶接パラメータを満足することが好ましい。
（ｉ）平均ピーク電流ＩＰａｖｇ：４００乃至６００Ａ
（ｊ）パルスピーク期間Ｔｐ：５乃至１５ｍｓ
（ｋ）ベース期間Ｔｂ：５乃至１５ｍｓ
（ｌ）低周波パルスのパルス周波数Ｆｌｏｗ：３０乃至７０Ｈｚ
（ｍ）高周波パルスのパルス周波数Ｆｈｉｇｈ：８００乃至１５００Ｈｚ
また、Ｃ：０．１０質量％以下、Ｓｉ：０．２０乃至１．０質量％、Ｍｎ：０．５０乃至２．０質量％、Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｚｒ：総量で０．０５乃至０．４０質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる消耗電極ワイヤを使用することができる。
【００１５】
更に、ワイヤ表面に銅めっきを施していない消耗電極ワイヤを使用することもできる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る炭酸ガス単体又は炭酸ガスを主成分とする混合ガスを用いた消耗電極式アーク溶接では、極めて再現性の高い１パルス群１溶滴移行を達成でき、従来方法と比較して、溶接アークの安定化及び溶滴の移行規則性を向上させ、スパッタ発生量及びヒューム発生量を大幅に低減できる。
【００１７】
また、チップと母材との間の距離が変動した場合でも、電圧変化及び電流変化をフィードバックすることにより、１パルス群１溶滴移行を乱さない範囲で低周波パルスのパルス周波数Ｆｌｏｗ、パルスピーク期間Ｔｐ（パルス幅）、平均ピーク電流ＩＰａｖｇの１種以上を調整することにより、アーク長を容易に一定に維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明について具体的に説明する。図１(ａ)乃至（ｄ）は、溶滴移行の形態を模式的に示すと共に、そのときのパルス電流を示す図である。パルス電流は、図２に示すように、ベース期間Ｔｂにおいては、アーク切れを起こさない程度のベース電流ＩＢを流す。このベース期間Ｔｂにおける電流振幅はＩＢａ、平均ベース電流はＩＢａｖｇである。また、ピーク期間Ｔｐにおいては、溶滴を離脱させる過程において十分な電磁ピンチ力を確保すると共に、溶滴を形成する過程において適当な大きさの溶滴を安定に形成するためのピーク電流ＩＰを流す。このピーク期間Ｔｐにおける電流振幅はＩＰａ、平均ピーク電流はＩＰａｖｇである。
【００１９】
図１（ａ）の溶滴は、前パルス周期にて溶滴が離脱した後のパルスピーク期間Ｔｐ中に成長したものである。ベース期間Ｔｂに電流が急激に減少するため、押し上げ力が弱まり、溶滴は（ａ）のようにワイヤ先端に垂下がるように整形される。パルスピーク期間Ｔｐに入ると、ワイヤ中のピーク電流による電磁ピンチ力により、溶滴は（ｂ）のような変化をしながら急速に離脱し、離脱後は（ｃ）の過程で溶滴を成長させた後、ベース期間Ｔｂに入り、（ｄ）の過程で溶滴の形成を行いながら、再び（ａ）の状態に戻る。
【００２０】
本発明は、図１に示すように、低周波パルスに同期した１パルス群１溶滴移行形態であるが、本発明においては、特に、上記低周波パルスに５００乃至２０００Ｈｚの高周波パルスを重畳させる。このような方法により、パルスピーク期間Ｔｐ及びベース期間Ｔｂの溶滴を上方に押上げるアーク力が断続的となり、高周波パルスが無い場合と比較すると、押し上げ力が大きく緩和される。更に、アークの硬直性が極めて高くなるため、溶滴及びアークともに、軸対称となりやすい。溶滴及びアークが軸対象に近いため、電流経路も軸対象になり、溶滴を離脱させるのに作用する電磁ピンチ力も軸対象となりやすいため、溶滴の離脱方向もワイヤ方向から殆ど反れることがない。また、電磁ピンチ力は電流の２乗に比例するため、高周波パルス無しの場合と比較すると、ピーク期間のより早い段階で溶滴離脱を行うことが可能であるため、溶滴を小粒化できる。従って、小粒溶滴による極めて再現性の高い１パルス群１溶滴移行を達成でき、スパッタ発生量及びヒューム発生量を大幅に低減できる。なお、ここで印加する高周波パルスは、矩形波及び三角波のいずれでも効果があり、仮にリアクタンスの影響で矩形パルスがなまった場合でも効果を失わない。
【００２１】
次に、各パルスパラメータの規定理由について説明する。なお、各パルスパラメータの値は図２に示されている。
【００２２】
平均ピーク電流ＩＰａｖｇ：３００乃至７００Ａ
本パラメータは溶滴を離脱させる過程において充分な電磁ピンチ力を確保すると同時に、溶滴を形成する過程において適当な大きさの溶滴を安定に形成することに大きく寄与する。平均ピーク電流ＩＰａｖｇが３００Ａ未満であると、電磁ピンチ力が弱く、溶滴が大塊となるまで離脱できず、１パルス群１溶滴移行から外れる。大塊となった溶滴が母材と接触してスパッタ及びヒュームの多量発生の原因となる。平均ピーク電流ＩＰａｖｇが７００Ａを超えると、溶滴を押し上げるアーク力が強くなりすぎ、規則的な溶滴離脱が困難となるだけでなく、ピーク期間での溶融量が大きいため、１パルス群ｎ溶滴移行となる。また、装置重量及びコストが上昇するという問題点もある。なお、平均ピーク電流ＩＰａｖｇのより好ましい範囲はＩＰａｖｇ：４００乃至６００Ａである。
【００２３】
平均ベース電流ＩＢａｖｇ：５０乃至３００Ａ
本パラメータは溶滴を整形する過程において、アーク切れを起こさず、安定に溶滴を整形することに大きく寄与する。平均ベース電流ＩＢａｖｇが５０Ａ未満であると、アーク切れ、短絡が発生しやすくなる。また、平均ベース電流ＩＢａｖｇが３００Ａを超えると、溶滴に寄与するアーク力が大きくなると同時にベース期間Ｔｂでの溶融が過大となり、溶滴がふらつき、安定に整形できなくなる。
【００２４】
パルスピーク期間Ｔｐ（パルス幅）：３乃至２５ｍｓ
本パラメータも平均ピーク電流ＩＰａｖｇと同様に、溶滴を離脱させる過程において充分な電磁ピンチ力を確保すると同時に、溶滴を形成する過程において適当な大きさの溶滴を安定に形成することに大きく寄与する。パルスピーク期間Ｔｐが３ｍｓ未満であると、溶滴を離脱させ、充分に成長させることができず、ｎパルス群１溶滴移行となり、溶滴移行の規則性を乱す。一方、パルスピーク期間Ｔｐが２５ｍｓを超えると、溶滴離脱後、次の溶滴が大きく成長しすぎるだけでなく、パルスピーク期間Ｔｐの後半にて再度溶滴が移行する１パルス群ｎ溶滴移行となり、溶滴移行の規則性を乱し、スパッタ及びヒュームが多量に発生する。なお、より好ましいパルスピーク期間Ｔｐの範囲は５乃至１５ｍｓである。
【００２５】
ベース期間Ｔｂ：５乃至３０ｍｓ
本パラメータもＩＢａｖｇと同様に、溶滴を整形する過程において、アーク切れを起こさず、安定に溶滴を形成することに大きく寄与する。ベース期間Ｔｂが５ｍｓ未満であると、溶滴を充分に整形することができず、溶滴の離脱方向にばらつきが生じる。一方、ベース期間Ｔｂが３０ｍｓを超えると、ベース期間Ｔｂでの溶融量が過大となり、溶滴と溶融池との間で短縮が生じやすくなり、溶滴移行の規則性を乱す。なお、より好ましいベース期間Ｔｂの範囲は５乃至１５ｍｓである。
【００２６】
低周波パルスのパルス周波数Ｆｌｏｗ：３０乃至１００Ｈｚ
本パラメータは１パルスあたりの溶滴の大きさ及びパルスと溶滴移行との同期率に大きく寄与する。低周波パルスのパルス周波数Ｆｌｏｗが３０Ｈｚ未満であると、１パルス群当りの溶滴が大きくなりすぎ、溶滴と溶融池との間で短絡が発生しやすくなる。また、低周波パルスのパルス周波数Ｆｌｏｗが１００Ｈｚを超えると、１パルス群１溶滴移行から外れ、パルスに同期しない溶滴移行形態となる。なお、より好ましいＦｌｏｗの範囲は３０乃至７ＯＨｚである。
【００２７】
高周波パルスのパルス周波数Ｆｈｉｇｈ：５００乃至２０００Ｈｚ
本パラメータはパルスピーク期間Ｔｐ及びベース期間Ｔｂにおける溶滴を上方に押上げるアーク力の緩和及びアークの硬直性に大きく寄与する。高周波パルスのパルス周波数Ｆｈｉｇｈが５００Ｈｚ未満であると、アーク力緩和効果は無く、溶滴の振動が大きくなり安定な溶滴の成長及び整形が行えなくなる。また、高周波パルスのパルス周波数Ｆｈｉｇｈが２０００Ｈｚを超えると、高周波パルス付与効果が弱くなり、アークによる押し上げ力が増大し、溶滴及びアークが軸対象となりにくくなる。なお、より好ましいＦｈｉｇｈの範囲は８００乃至１５００Ｈｚである。
【００２８】
高周波パルスのピーク期間Ｔｐの電流振幅ＩＰａ：５０乃至６００Ａ
本パラメータはパルスピーク期間Ｔｐにおける溶滴を上方に押上げるアーク力の緩和及びアークの硬直性に大きく寄与する。高周波パルスのピーク期間Ｔｐの電流振幅Ｉｐａが５０Ａ未満であると、高周波パルス付与の効果がなくなり、アーク力の緩和効果が無く、アークの硬直性も弱い。一方、ピーク期間Ｔｐの電流振幅Ｉｐが６００Ａを超えると、アーク力の変動が大きくなりすぎ、安定な溶滴の成長が困難となるだけでなく、電磁ピンチ力が強くなりすぎ、溶滴及び溶融池からの微細なスパッタが多量に発生するようになる。
【００２９】
高周波パルスのベース期間Ｔｂの電流振幅ＩＢａ：２０乃至２００Ａ
本パラメータはベース期間Ｔｂにおける溶滴を上方に押上げるアーク力の緩和及びアークの硬直性、特に、アーク切れ発生頻度に大きく寄与する。高周波パルスのベース期間Ｔｂの電流振幅ＩＢａが２０Ａ未満であると、高周波パルス付与の効果が無く、アーク力の緩和効果が無く、アーク硬直性も弱いため、アーク切れが頻発する。一方、電流振幅ＩＢａが２００Ａを超えると、アーク力の変動が大きくなりすぎ、安定な溶滴の整形が困難となる。
【００３０】
次に、消耗電極ワイヤの組成について説明する。本発明のパルスアーク溶接方法において、消耗電極ワイヤの組成は特に限定するものではないが、その好ましい組成として、以下に示すものがある。即ち、消耗電極ワイヤの組成は、Ｃ：０．１０質量％以下、Ｓ：０．２０乃至１．０質量％、Ｍｎ：０．５０乃至２．０質量％、Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｚｒ：０．０５乃至０．４０質量％、残部Ｆｅ及び不可避不純物からなるものが好ましい。以下に、その組成限定理由について説明する。
【００３１】
Ｃ：０．１０質量％以下
Ｃは溶接金属の強度を確保する上で重要な元素であるが、０．１０質量％を超えると、溶滴及び溶融池の変形及び振動が激しくなり、スパッタ及びヒュームが増大するようになる。従って、Ｃ量は０．１０質量％以下とする。
【００３２】
Ｓｉ：０．２０乃至１．０質量％
Ｓｉは脱酸剤として少なくとも０．２０質量％を必要とする。また、Ｓｉが０．２０質量％以下であると、溶滴の粘性が低くなりすぎ、溶滴がアーク力によって不規則に変形するため、スパッタ及びヒュームが増大する。一方、Ｓｉが１．０質量％を超えると、スラグ量が多くなると同時に、溶滴の粘性が大きくなりすぎ、１パルス群１溶滴移行から外れる場合が出てくる。従って、Ｓｉ量は０．２０乃至１．０質量％とする。
【００３３】
Ｍｎ：０．５０乃至２．０質量％
ＭｎはＳｉと同様に脱酸剤として重要な元素であり、少なくとも０．５０質量％を必要とする。また、Ｍｎが０．５０質量％以下であると、溶滴の粘性が低くなりすぎ、溶滴がアーク力によって不規則に変形するため、スパッタ及びヒュームが増大する。一方、Ｍｎが２．０質量％を超えると、溶接ワイヤ製造時の伸線性が劣化すると同時に、溶滴の粘性が大きくなりすぎ、１パルス群１溶滴移行から外れる場合が出てくる。従って、Ｍｎ含有量は０．５０乃至２．０質量％とする。
【００３４】
Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｚｒ：０．０５乃至０．４０質量％
Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｚｒは脱酸剤として、また溶接金属の強度確保等にも重要な元素であるが、本プロセスにおいては、これらの元素は溶滴の粘性を適正化し、不安定な挙動を抑制する効果があるため添加する。Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｚｒが０．０５質量％未満の場合は、上述の効果が乏しく、小粒スパッタが増大する。一方、Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｚｒが０．４０質量％を超えると、スラグ剥離性及び溶接金属の靭性を劣化させると共に、溶滴の粘性が高くなりすぎ、１パルス群１溶滴移行から外れ、スパッタ及びヒュームを増大させる。従って、Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｚｒは０．０５乃至０．４０質量％とする。
【００３５】
また、本発明のパルスアーク溶接方法において、消耗電極ワイヤは、ワイヤ表面に銅めっきが施されていないものが好ましい。ワイヤ表面に銅めっきを施さないことにより、溶滴くびれ部の表面張力を低下させることができ、電磁ピンチ力により溶滴がワイヤから離脱しやすくなるため、極めて再現性が高い溶滴移行が可能となる。
【実施例１】
【００３６】
以下、本発明の効果を実証するために行った試験の結果について、本発明の範囲に入る実施例と本発明の範囲から外れる比較例とを対比して説明する。
【００３７】
下記溶接条件と、表１に示すパルスパラメータを使用して、炭酸ガスをシールドガスとしてパルスアーク溶接を行い、スパッタ発生量を測定した。即ち、図３に示すように、溶接母材１を挟むように、１対の銅製の捕集箱２をその開口部を母材１に向けて配置し、トーチ３から繰り出す溶接ワイヤチップによりアーク溶接を行い、銅製の捕集箱２内にスパッタを捕集した。そして、ＪＩＳ Ｚ ３９３０に準じた方法により、ヒューム発生量を測定した。
ワイヤ：ＪＩＳ Ｚ３３１２ ＹＧＷ１１ 直径１．２ｍｍ
炭酸ガス：ＣＯ２
試験板：ＳＭ４９０Ａ
チップ母材間距離：２５ｍｍ
溶接速度：４０ｃｍ／分
スパッタ発生量及びヒューム発生量の測定結果を、下記表１に示す。なお、表１において、スパッタ発生量が４．０ｇ／分以下、ヒューム発生量が４００ｍｇ／分以下のものを良好（○）、スパッタ発生量が４．０ｇ／分を超えるもの、又はヒューム発生量が４００ｍｇ／分を超えるものを（×）として、評価欄に示した。
【００３８】
【表１】
【００３９】
表１の実施例Ｎｏ．１乃至１９は本発明の請求項１を満足するものであり、スパッタ量が４．０ｇ／分と少なく、ヒューム量も４００ｍｇ／分以下と少ないものであった。
【００４０】
これに対し、表１示す比較例Ｎｏ．２０乃至３５は請求項１の範囲から外れるものであり、いずれも以下に示すように評価が低いものである。比較例Ｎｏ．２０はＩＰａｖｇが下限値未満であるため、溶滴が大塊となっても離脱ができず、１パルス群１溶滴移行から外れ、不規則な短絡によりスパッタが増大した。比較例Ｎｏ．２１はＩＰａｖｇが上限値を超えるため、ピーク期間に溶滴を押上げるアーク力が強くなりすぎ、規則的な溶滴移行が困難となり、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．２２はＩＢａｖｇが下限値未満であるため、アーク切れ及び短絡が発生しやすくなり、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．２３はＩＢａｖｇが上限値を超えるため、ベース期間における溶滴の安定形成が困難となり、ピーク期間印加前に溶滴が振動及び変形した。これに伴い溶滴移行が不規則となり、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．２４はＴｐが下限値以下であるため、溶滴の離脱及び成長が不十分となり、ｎパルス群１溶滴移行となるため、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．２５はＴｐが上限値以上であるため、溶滴離脱後の次の溶滴が大きく成長し過ぎてしまうばかりでなく、パルスピーク期間の後半にて再度溶滴移行を実施してしまう１パルス群ｎ溶滴移行となりやすく、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．２６はＴｂが下限値未満であるため、ベース期間に溶滴を充分に整形させることができず、溶滴の離脱方向がワイヤ方向から外れ、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．２７はＴｂが上限値を超えるため、ベース期間での溶融量が過大となり、ベース期間中に短縮を発生させやすくなり、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．２８はＦｌｏｗが下限値未満であるため、１パルス群あたりの溶滴が大きくなりすぎ、溶滴と溶融池が接触して不規則な短絡を発生させやくなり、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．２９はＦｌｏｗが上限値を超えるため、１パルス群１溶滴移行から外れ、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．３０はＦｈｉｇｈが下限値未満であるため、溶滴の振動が大きくなり、溶滴の安定な成長・形成が困難となり、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．３１はＦｈｉｇｈが上限値を超えるため、高周波パルスを印加してもアークによる押上げ力が増大し、溶滴が不規則に持上げられるため、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．３２はＩＰａが下限値以下であるため、高周波パルス付与の効果がなくなり、ピーク期間の溶滴が不規則に振動及び変形するため、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．３３はＩＰａが上限値を超えるため、ピーク期間の溶滴に及ぼすアーク力の変動が大きくなり過ぎ、溶滴の安定成長が困難となった。また、電磁ピンチ力が強くなり過ぎ、溶滴及び溶融池からの微細なスパッタが増大した。比較例Ｎｏ．３４はＩＢａが下限値未満であるため、高周波パルス付与の効果がなくなり、ベース期間の溶滴が不規則に振動及び変形するため、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．３５はＩＢａが上限値を超えるため、ベース期間の溶滴に及ぼすアーク力の変動が大きくなり、溶滴の安定整形が困難となり、スパッタが増大した。
【実施例２】
【００４１】
次に、下記溶接条件で、表２示す組成の消耗電極溶接ワイヤを使用し、炭酸ガスをシールドガスとしてパルスアーク溶接を行い、スパッタ発生量及びヒューム発生量を測定した結果について説明する。スバッタ捕集方法及びヒューム量測定方法は前述のとおりである。表２において、スパッタ発生量が２．５ｇ／分以下、ヒューム発生量が３５０ｍｇ／分以下のものを良好（○）、スパッタ発生量が２．５ｇ／分を超えるもの、又はヒューム発生量が３５０ｍｇ／分を超えるものを（×）として、評価欄に示した。
ワイヤ怪：直径１．２ｍｍ
炭酸ガス：ＣＯ２
試験板：ＳＭ４９０Ａ
チップ母材間距離：２５ｍｍ
トーチ前進角：３０°
溶接速度：４０ｃｍ／分
ワイヤ送給速度：１５．５ｍ／分
Ｉｐａｖｇ：５００Ａ
ＩＢａｖｇ：２００Ａ
Ｔｐ：９ｍｓ
Ｔｂ：１０ｍｓ
Ｆｌｏｗ：５０Ｈｚ
Ｆｈｉｇｈ：１０００Ｈｚ
ＩＰａ：３００Ａ
ＩＢａ：１００Ａ
【００４２】
【表２】
【００４３】
表２の実施例Ｎｏ．３６乃至４６は、消耗電極ワイヤが、本発明の請求項３の範囲を満たすものであり、スパッタ量及びヒューム量が少ない良好な溶接を行なうことができた。特に、実施例Ｎｏ．３６と３７、実施例３９と４０、実施例４３と４４とを比較すると、夫々、ほぼ同様の組成をもつワイヤであっても、銅めっきを施さない方がスパッタ量が低いことがわかる。このように、銅めっきを施さないことにより、溶滴くびれ部の表面張力を低下させることができ、電磁ピンチ力により溶滴がワイヤから離脱しやすくなる。従って、極めて再現性の高い溶滴移行が可能となる上、スパッタを更に低減することができる。
【００４４】
一方、比較例Ｎｏ．４４乃至５３は、消耗電極溶接ワイヤの組成が、本願請求項３の範囲から外れるものであり、スパッタ量及びヒューム量がいずれも多いものであった。比較例Ｎｏ．４７はワイヤ中のＣが上限値を超えるため、溶滴及び溶融池の変形及び振動が激しくなり、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．４８はワイヤ中のＳｉが下限値未満であるため、溶滴の粘性が低くなりすぎ、溶滴がアーク力によって不規則に変形するため、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．４９、５０はワイヤ中のＳｉが上限値を超えるため、溶滴の粘性が高くなりすぎ、１パルス群１溶滴移行から外れ、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．５１はワイヤ中のＭｎが下限値未満であるため、溶滴の粘性が低くなりすぎ、溶滴がアーク力によって不規則に変形するため、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．５２、５３はワイヤ中のＭｎが上限値以上であるため、溶滴の粘性が高くなりすぎ、１パルス群１溶滴移行から外れ、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．５４、５５はワイヤ中のＴｉ＋Ａｌ＋Ｚｒが下限値未満であるため、溶滴がアーク力によって不規則に変形するため、スパッタが増大した。比較例Ｎｏ．５６はワイヤ中のＴｉ＋Ａｌ＋Ｚｒが上限値を超えるため、溶滴の粘性が高くなりすぎ、１パルス群１溶滴移行から外れ、スパッタが増大した。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】(ａ)乃至（ｄ）は、溶滴移行の形態を模式的に示すと共に、そのときのパルス電流を示す図である。
【図２】各パラメータの定義を示す図である。
【図３】溶接条件を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１：溶接母材
２：銅箱
３：トーチ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭酸ガス単体又は炭酸ガスを主成分とする混合ガスをシールドガスとして使用して、下記（ａ）乃至（ｈ）の溶接パラメータを満足するように、３０乃至１００Ｈｚの低周波パルスを連続発振させると同時に、パルス周波数５００乃至２０００Ｈｚの高周波パルスを上記の低周波パルスに重畳させることを特徴とするパルスアーク溶接方法。
（ａ）平均ピーク電流ＩＰａｖｇ：３００乃至７００Ａ
（ｂ）平均ベース電流ＩＢａｖｇ：５０乃至３００Ａ
（ｃ）パルスピーク期間Ｔｐ：３乃至２５ｍｓ
（ｄ）ベース期間Ｔｂ：５乃至３０ｍｓ
（ｅ）低周波パルスのパルス周波数Ｆｌｏｗ：３０乃至１００Ｈｚ
（ｆ）高周波パルスのパルス周波数Ｆｈｉｇｈ：５００乃至２０００Ｈｚ
（ｇ）高周波パルスのピーク期間の電流振幅ＩＰａ：５０乃至６００Ａ
（ｈ）高周波パルスのベース期間の電流振幅ＩＢａ：２０乃至２００Ａ
【請求項２】
下記（ｉ）乃至（ｍ）の溶接パラメータを満足することを特徴とする請求項１に記載のパルスアーク溶接方法。
（ｉ）平均ピーク電流ＩＰａｖｇ：４００乃至６００Ａ
（ｊ）パルスピーク期間Ｔｐ：５乃至１５ｍｓ
（ｋ）ベース期間Ｔｂ：５乃至１５ｍｓ
（ｌ）低周波パルスのパルス周波数Ｆｌｏｗ：３０乃至７０Ｈｚ
（ｍ）高周波パルスのパルス周波数Ｆｈｉｇｈ：８００乃至１５００Ｈｚ
【請求項３】
Ｃ：０．１０質量％以下、Ｓｉ：０．２０乃至１．０質量％、Ｍｎ：０．５０乃至２．０質量％、Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｚｒ：総量で０．０５乃至０．４０質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる消耗電極ワイヤを使用することを特徴とする請求項１に記載のパルスアーク溶接方法。
【請求項４】
ワイヤ表面に銅めっきを施していない消耗電極ワイヤを使用することを特徴とする請求項２に記載のパルスアーク溶接方法。
【請求項１】
炭酸ガス単体又は炭酸ガスを主成分とする混合ガスをシールドガスとして使用して、下記（ａ）乃至（ｈ）の溶接パラメータを満足するように、３０乃至１００Ｈｚの低周波パルスを連続発振させると同時に、パルス周波数５００乃至２０００Ｈｚの高周波パルスを上記の低周波パルスに重畳させることを特徴とするパルスアーク溶接方法。
（ａ）平均ピーク電流ＩＰａｖｇ：３００乃至７００Ａ
（ｂ）平均ベース電流ＩＢａｖｇ：５０乃至３００Ａ
（ｃ）パルスピーク期間Ｔｐ：３乃至２５ｍｓ
（ｄ）ベース期間Ｔｂ：５乃至３０ｍｓ
（ｅ）低周波パルスのパルス周波数Ｆｌｏｗ：３０乃至１００Ｈｚ
（ｆ）高周波パルスのパルス周波数Ｆｈｉｇｈ：５００乃至２０００Ｈｚ
（ｇ）高周波パルスのピーク期間の電流振幅ＩＰａ：５０乃至６００Ａ
（ｈ）高周波パルスのベース期間の電流振幅ＩＢａ：２０乃至２００Ａ
【請求項２】
下記（ｉ）乃至（ｍ）の溶接パラメータを満足することを特徴とする請求項１に記載のパルスアーク溶接方法。
（ｉ）平均ピーク電流ＩＰａｖｇ：４００乃至６００Ａ
（ｊ）パルスピーク期間Ｔｐ：５乃至１５ｍｓ
（ｋ）ベース期間Ｔｂ：５乃至１５ｍｓ
（ｌ）低周波パルスのパルス周波数Ｆｌｏｗ：３０乃至７０Ｈｚ
（ｍ）高周波パルスのパルス周波数Ｆｈｉｇｈ：８００乃至１５００Ｈｚ
【請求項３】
Ｃ：０．１０質量％以下、Ｓｉ：０．２０乃至１．０質量％、Ｍｎ：０．５０乃至２．０質量％、Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｚｒ：総量で０．０５乃至０．４０質量％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる消耗電極ワイヤを使用することを特徴とする請求項１に記載のパルスアーク溶接方法。
【請求項４】
ワイヤ表面に銅めっきを施していない消耗電極ワイヤを使用することを特徴とする請求項２に記載のパルスアーク溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００７−１３０６４７（Ｐ２００７−１３０６４７Ａ）
【公開日】平成１９年５月３１日（２００７．５．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３２４０７３（Ｐ２００５−３２４０７３）
【出願日】平成１７年１１月８日（２００５．１１．８）
【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１９年５月３１日（２００７．５．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月８日（２００５．１１．８）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]