パルスアーク溶接方法
【課題】
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において、溶接アークを安定化させ、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パルスアーク溶接方法を提供する。
【解決手段】
相互にパルスピーク電流レベル及びパルス幅の異なるパルス波形を有する第１パルスと第２パルスとが交互に繰り返されるパルス電流を溶接電流としてアーク溶接する方法であって、第１パルスのピーク電流Ｉｐ１が３００〜７００Ａ、ピーク期間Ｔｐ１が０．３〜５．０ｍｓ、ベース電流Ｉｂ１が３０〜２００Ａ、ベース期間Ｔｂ１が０．３〜１０ｍｓであり、第２パルスのピーク電流Ｉｐ２が２００〜６００Ａ、ピーク期間Ｔｐ２が１．０〜１５ｍｓ、ベース電流Ｉｂ２が３０〜２００Ａ、ベース期間Ｔｂ２が３．０〜２０ｍｓである。
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において、溶接アークを安定化させ、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パルスアーク溶接方法を提供する。
【解決手段】
相互にパルスピーク電流レベル及びパルス幅の異なるパルス波形を有する第１パルスと第２パルスとが交互に繰り返されるパルス電流を溶接電流としてアーク溶接する方法であって、第１パルスのピーク電流Ｉｐ１が３００〜７００Ａ、ピーク期間Ｔｐ１が０．３〜５．０ｍｓ、ベース電流Ｉｂ１が３０〜２００Ａ、ベース期間Ｔｂ１が０．３〜１０ｍｓであり、第２パルスのピーク電流Ｉｐ２が２００〜６００Ａ、ピーク期間Ｔｐ２が１．０〜１５ｍｓ、ベース電流Ｉｂ２が３０〜２００Ａ、ベース期間Ｔｂ２が３．０〜２０ｍｓである。
【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、パルス周期に同期した溶滴移行を実現することにより、溶接アークを安定化すると共に、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−５〜３０％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、高品質な溶接を必要とする分野では、溶接電流を１００〜３５０Ｈｚ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】
上記問題点に対し、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。これらの従来技術は、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、アーク力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、上述の従来溶接方法に関し、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、更に一層のスパッタの低減を達成できる溶接方法が提案されている。
【０００７】
また、特許文献４及び特許文献５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パルス以上を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】
更に、特許文献６では、炭酸ガスを主成分とするシールドガスを用いたパルスアーク溶接機の出力制御装置に関し、電圧又は抵抗の増加により溶滴離脱を検知し、検出した期間から一定期間、電流を低下させることによりスパッタを抑制できるとしている。
【０００９】
更にまた、特許文献７では、炭酸ガスを主成分とするシールドガスを使用し、ワイヤ送給量が増加するに伴い、パルス期間及びベース期間を短く設定する第１パルスと、第１パルスよりもパルス期間を短く設定した第２パルスからなる異なる２種類のパルス波形を出力するパルスアーク溶接機を使用して、スパッタを抑制できるとしている。
【００１０】
【特許文献１】特開平７−２９０２４１号公報
【特許文献２】特開平７−４７４７３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で号公報
【特許文献５】特開２００１−１２９６６８号公報
【特許文献６】特開平８−２２９６８０号公報
【特許文献７】特開平１０−２６３８１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述の特許文献１乃至３に開示された従来の溶接方法は、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共に、パルス無し溶接と比較すると大粒のスパッタ発生量を低減できるものである。しかしながら、これらの従来方法は、パルスピーク期間中に溶滴を離脱させることから、溶滴離脱時のワイヤ先端のくびれ部分の飛散による小粒スパッタと、溶滴離脱後のワイヤに残留した融液の飛散による小粒スパッタが多発するという問題点がある。
【００１２】
特許文献４及び５に開示された方法は、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。しかし、この従来方法を用いても、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、小粒化効果は小さい。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の要因が複雑に関連する。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、この従来方法のように、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程度の範囲で変動し、スパッタを大幅に低減するには至っていない。
【００１３】
また、この従来方法は、溶滴移行改善のため、単純に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・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程度変動するような開先内をウィービング溶接した場合、安定なアークを維持することが困難となる。
【００１４】
更に、特許文献６に開示された出力制御装置では、溶滴離脱を検知した後、一定期間、電流を低下させることにより、スパッタを抑制することが可能であるとしているが、この文献に記載された方法では、溶滴離脱の有無に拘わらず、全てのパルスにおいて、パルスピーク電流が同一であるため、溶滴離脱が可能となるパルスピーク電流に設定すると、溶滴離脱後のワイヤに残留した溶融金属が強力なアーク力により、離脱後の次のパルスピーク印加時に飛散し、大粒スパッタを多発させる。これを抑制するため、パルスピーク電流を低く設定すると、パルスピーク期間にて溶滴が離脱できなくなるという問題点があった。
【００１５】
更に、特許文献７においては、ワイヤ供給量が増加するに伴い、パルス期間及びベース期間を短く設定する第１パルスと、第１パルスよりもパルス期間を短く設定した第２パルスからなる異なる２種類のパルス波形を出力するパルスアーク溶接方法により、スパッタを低減できるとしているが、ワイヤ送給量の増大に伴い、第１パルス期間及び第１ベース期間を短く設定すると、第２パルスによる電磁ピンチ力を受ける前段階において、ワイヤ先端の溶滴形状が整えられず、電磁ピンチ力が有効に作用しない。１周期あたり１溶滴の規則的な移行が困難となり、大粒スパッタを発生させるという問題点がある。
【００１６】
本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであって、炭酸ガス主体のシールドガスを使用しても１周期あたり１溶滴移行の規則性が極めて高い溶滴移行を達成することにより、大粒スパッタの発生量及びヒューム発生量を低減できると共に、溶滴離脱時のワイヤ先端のくびれ部分の飛散による小粒スパッタ及び溶滴離脱後のワイヤに残留した融液の飛散によるスパッタ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。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
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、第１パルスと第２パルスとが交互に繰り返されるパルス電流を溶接電流としてアーク溶接する方法であって、前記第１パルスと第２パルスとは、相互にパルスピーク電流レベル及びパルス幅の異なるパルス波形を有し、第１パルスのピーク電流Ｉｐ１が３００乃至７００Ａ、ピーク期間Ｔｐ１が０．３乃至５．０ｍｓ、ベース電流Ｉｂ１が３０乃至２００Ａ、ベース期間Ｔｂ１が０．３乃至１０ｍｓであり、第２パルスのピーク電流Ｉｐ２が２００乃至６００Ａ、ピーク期間Ｔｐ２が１．０乃至１５ｍｓ、ベース電流Ｉｂ２が３０乃至２００Ａ、ベース期間Ｔｂ２が３．０乃至２０ｍｓであり、また、Ｉｐ１＞Ｉｐ２であり、１周期あたり１溶滴を移行させると共に、コンタクトチップと母材との間の距離が変化した場合に、１周期あたり１溶滴移行を乱さない範囲で前記Ｉｐ２、Ｉｂ２、Ｔｐ２及びＴｂ２からなる群から選択された少なくとも１種以上を調整することにより、アーク長を一定に制御することを特徴とする。
【００１８】
本発明においては、１周期あたりパルスピーク電流レベル及びパルス幅の異なる２種類のパルス波形を交互に連続発振させることにより、１周期あたり１溶滴を移行させ、これにより、溶滴移行の規則性を向上させ、大粒スパッタを低減する。また、溶滴離脱タイミングに合わせてベース電流へ電流を低減させることにより、溶滴離脱時のワイヤ先端くびれ部分の飛散による小粒スパッタや溶滴離脱後のワイヤに残留した融液の飛散による小粒スパッタを大幅に低減することができる。本発明においては、第１パルスピーク電流と第２パルスピーク電流をそれぞれの役割に応じて適正なピーク電流となるように設定しているため、溶滴離脱後のワイヤに残留した溶融金属が第２パルスピーク印加時に離脱・飛散して、溶滴移行の規則性を乱すこと及び大粒スパッタを多発させるということを防止できる。
【００１９】
この場合に、コンタクトチップと母材との間の距離が変化した場合に、１周期あたり１溶滴移行を乱さない範囲で前記Ｉｐ２、Ｉｂ２、Ｔｐ２及びＴｂ２からなる群から選択された少なくとも１種以上を調整することにより、アーク長を一定に制御するので、チップと母材との間の距離が変動した場合でも、電圧変化又は電流変化をフィードバックすれば、１周期あたり１溶滴移行を乱さない範囲で、Ｉｐ２、Ｉｂ２、Ｔｐ２及びＴｂ２１種又は２種以上を調整することができるので、ワイヤ溶融速度を調整してアーク長を一定に制御することができる。
【００２０】
なお、本発明においては、ワイヤ送給速度毎に適正なＩｐ２，Ｔｐ２，Ｉｂ２を予め設定し、ワイヤ送給速度の増加に伴い、Ｔｂ２を３．０乃至２０ｍｓの範囲内に確保できるように、Ｉｐ２，Ｔｐ２及びＩｂ２からなる群から選択された少なくとも１種以上を増加させ、ワイヤ溶融速度を増加させることが好ましい。また、前記第１パルスの立ち上がり及び立ち下がりに対し変化が緩やかになるように時間軸に対して傾斜を設け、前記第２パルスの立ち上がりに対し変化が緩やかになるように時間軸に対して傾斜を設け、第１パルスの立ち上がりスロープ期間をＴｕｐ１、第１パルスの立ち下がりスロープ期間をＴｄｏｗｎ、第２パルスの立ち上がりスロープ期間をＴｕｐ２としたとき、Ｔｕｐ１及びＴｕｐ２はいずれも３ｍｓ以下、Ｔｄｏｗｎは６ｍｓ以下であることが好ましい。
【００２１】
更にまた、第１パルスピーク期間Ｔｐ１又はそれに続く第１パルス立下りスロープ期間Ｔｄｏｗｎ中に溶滴の離脱を検知すると同時に、それが第１パルスピーク期間Ｔｐ１中又は第１パルス立下りスロープ期間Ｔｄｏｗｎ中であっても、直ちに第１パルスベース電流Ｉｂ１又は検知時の電流より低い所定電流に切替えることが好ましい。
【００２２】
更にまた、１周期の全て、又は「Ｔｕｐ１、Ｔｐ１，Ｔｄｏｗｎ，Ｔｂ１」若しくは「Ｔｕｐ２、Ｔｐ２、Ｔｂ２」のいずれか一方又は２つ以上の期間において、パルス周波数５００乃至２０００Ｈｚの高周波パルスを溶接電流に重畳することが好ましい。
【００２３】
消耗電極ワイヤの化学組成は、Ｃ：０．１０質量％以下、Ｓｉ：０．２０乃至１．０質量％、Ｍｎ：０．５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とすることが好ましい。
【００２４】
更にまた、この消耗電極ワイヤは、ワイヤ表面に銅めつきを施していないものが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係るパルスアーク溶接方法によれば、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において、１周期あたり１溶滴移行の規則性が極めて高い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を向上させ、大粒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と共に、溶滴離脱時のワイヤ先端のくびれ部分の飛散による小粒スパッタ及び溶滴離脱後のワイヤに残留した融液の飛散によるスパッタを大幅に低減することができる。更に、請求項２によれば、チップと母材間の距離が変動した場合でも１周期あたり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、アーク長を概ね一定に制御できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明のパルスアーク溶接方法において使用するパルス電流の波形図である。このパルス電流は、第１パルスと第２パルスとが交互に繰り返される。第１パルスにおいて、第１パルスピーク電流がＩｐ１、その期間（第１パルスピーク期間）がＴｐ１、第１パルスベース電流がＩｂ１、その期間（第１パルスベース期間）がＴｂ１である。また、第２パルスにおいて、第２パルスピーク電流がＩｐ２、その期間（第２パルスピーク期間）がＴｐ２、第２パルスベース電流がＩｂ２、その期間（第２パルスベース期間）がＴｂ２である。
【００２７】
そして、本発明の請求項１の実施形態においては、これらのパルス条件は、下記のように設定される。
（ａ）第１パルスピーク電流Ｉｐ１：３００〜７００Ａ
（ｂ）第１パルスピーク期間Ｔｐ１：０．３〜５．０ｍｓ
（ｃ）第１パルスベース電流Ｉｂ１：３０〜２００Ａ
（ｄ）第１パルスベース期間Ｔｂ１：０．３〜１０ｍｓ
（ｅ）第２パルスピーク電流Ｉｐ２：２００〜６００Ａ
（ｆ）第２パルスピーク期間Ｔｐ２：１．０〜１５ｍｓ
（ｇ）第２パルスベース電流Ｉｂ２：３０〜２００Ａ
（ｈ）第２パルスベース期間Ｔｂ２：３．０〜２０ｍｓ
（ｉ）Ｉｐ１＞Ｉｐ２。
【００２８】
このようなパルス条件によりパルスアーク溶接を実施すると、図２に示すように、ワイヤ先端の溶滴形成及び溶滴移行が行われる。図２の（ａ）の溶滴は、前パルス周期にて溶滴が離脱した後の第２パルスピーク期間中に成長したものである。第２パルスベース期間に電流が急激に減少するため、押上げ力が弱まり、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。第１パルスピーク期間に入ると、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）のようにくびれを形成する変化をしながら、急速に離脱を行い、離脱後にワイヤ側にアークが移動する瞬間においては、（ｃ）のように第１パルスベース期間に電流が下がっている状態にする。このことにより、ワイヤくびれ部分の飛散及び離脱後の残留融液の飛散による小粒スパッタを大幅に低減できる。（ｄ）の第２パルスピーク期間では溶滴離脱後のワイヤに残留した残留融液が離脱・飛散しないレベルに第２パルスピーク電流を設定した上で溶滴を成長させた後、（ｅ）の第２のパルスベース期間で溶滴の成形を行いながら、再び（ａ）の状態に戻るため、１周期あたり１溶滴の移行を極めて規則正しく実現できる。
【００２９】
現在のアーク長を検出する手段として、直前の１周期、又は直前の所定パルス周期において、１周期全て、又は「Ｔｕｐ１、Ｔｐ１，Ｔｄｏｗｎ，Ｔｂ１」若しくは「Ｔｕｐ２、Ｔｐ２、Ｔｂ２」のいずれか一方、又はＴｕｐ１、Ｔｐ１，Ｔｄｏｗｎ，Ｔｂ１、Ｔｕｐ２、Ｔｐ２、Ｔｂ２の１種以上の期間を使用して、例えば、電源の外部特性が定電圧特性であれば上記期間の電流値、定電流特性であれば上記期間の電圧値をフィードバックし、１周期あたり１溶滴移行を乱さない範囲で、Ｉｐ２、Ｉｂ２、Ｔｐ２又はＴｂ２の１種以上を調製することにより、コンタクトチップと母材との間の距離が変化した場合でも、アーク長を一定に制御することができる。
【００３０】
溶接中の電流・電圧波形の計測により、溶滴の離脱タイミングは明確に把握することができる。また、詳細には、高速度ビデオカメラにより撮影することにより、溶滴の離脱タイミングの観察が可能である。１周期あたり１溶滴移行を、再現性よく達成するためには、Ｔｂ２を所定期間確保することが最も重要であり、上述の如く、Ｔｂ２を３．０〜２０ｍｓの範囲に確保することが必要である。予め、各ワイヤ送給速度について、Ｔｂ２毎に、Ｉｐ２、Ｉｂ２、Ｔｐ２を独立的に変化させた場合のワイヤ溶融速度をデータベースとして構築しておくと同時に、１周期あたり１溶滴移行を確実とするＩｐ２、Ｉｂ２、Ｔｐ２の各許容範囲もワイヤ送給速度毎に設定しておく。そして、各ワイヤ送給速度について、チップと、母材との間の距離が変化した場合、溶接電圧又は溶接電流の変化量をフィードバックしながら、一定のアーク長となるように時々刻々溶接電圧を調整し、その電圧を維持するために必要な溶接電流波形は上記データベースを参照しながら、各パラメータについて許容範囲内で最適な選択を行っていけば、アーク長制御が実現できる。
【００３１】
次に、請求項２に係る発明の実施形態について具体的に説明する。ワイヤ送給速度を増加させた場合、第１パルスによるピンチ力を受ける際に、ワイヤ先端の溶滴形状が変動していると、同一パルスを印加しても、電磁ピンチ力が有効に作用せず、溶滴の離脱時期が変動して大粒スパッタを発生させる。この溶滴形状は、Ｔｂ２を３．０乃至２０ｍｓの範囲内でできるだけ長く確保して、最適なアーク長に維持すれば、その変動が減衰し、形状を一様化することができる。従って、ワイヤ送給速度毎に適正なＩｐ２，Ｔｐ２，Ｉｂ２を予め設定し、ワイヤ送給速度の増加に伴い、Ｉｐ２，Ｔｐ２，Ｉｂ２の１種以上を増加させることにより、ワイヤ溶融速度を増加させ、Ｔｂ２を３．０乃至２０ｍｓの範囲内に確保する。
【００３２】
次に、本発明の請求項３の実施形態について、図３を参照して具体的に説明する。ベース電流からピーク電流に至る過程におけるＴｕｐｌ、Ｔｕｐ２の１種又は２種において、３ｍｓ以下のアップスロープ期間を設けることによって、急激なアーク力の増加を防ぎ、徐々にアークの発生点を溶滴の上方部へ移動させる。このことにより、第１パルスにおける溶滴離脱性の向上と第２パルスにおける溶滴形成の安定性の向上を図ることができる。また、本実施形態は、通常の矩形波パルスを適用する場合より磁場の影響を軽減することができ、アーク切れ発生頻度を減少させることができる。一方、ピーク電流からベース電流に至る過程におけるＴｄｏｗｎにおいて、６ｍｓ以下のダウンスロープ期間を設けることによって急激なピンチ力の低下を防ぎ、離脱途中でベース電流へ変化して溶滴離脱を失敗する頻度を大幅に低減できる。また、本実施形態は、通常の矩形波パルスを適用する場合より磁場の影響を軽減することができ、アーク切れ発生頻度を減少させることができる。
【００３３】
次に、本発明の請求項４の実施形態について、具体的に説明する。第１パルスピーク期間又はそれに続く第１パルス立ち下がりスロープ期間中に溶滴の離脱を検知すると同時に、第１パルスピーク期間中又は第１パルス立ち下がりスロープ期間中であっても、直ちに、第１パルスベース電流又は検知時の電流より低い所定電流に切り替えることにより、ワイヤくびれ部分の飛散及び離脱後の残留融液の飛散による小粒スパッタを更に低減できると同時に、第１パルスにおける溶滴の離脱ミスによる大粒スパッタも大幅に低減することができる。
【００３４】
溶滴の離脱を検知する手段としては、例えば、第１パルスピーク期間中、第１パルス立ち下がりスロープ期間中の電源外部特性が定電圧特性であれば、溶滴離脱によってアーク長が長くなる際の電流低下を捉えればよい。一方、第１パルスピーク期間中、第１パルス立ち下がりスロープ期間中の電源外部特性が定電流特性であれば、溶滴離脱によるアーク電圧の急増を捉えればよい。また、第１パルスピーク期間中、第１パルス立ち下がりスロープ期間中の電流、電圧又はアークインピーダンス等について、１階又は２階の時間微分信号を離脱検知として使用しても良い。
【００３５】
次に、本発明の請求項５の実施形態について具体的に説明する。請求項１、２及び３は低周波パルスに同期させた１周期あたり１溶滴移行形態であるが、請求項５では上記低周波パルスの１周期の全て、又は「Ｔｕｐ１、Ｔｐ１，Ｔｄｏｗｎ，Ｔｂ１」若しくは「Ｔｕｐ２、Ｔｐ２、Ｔｂ２」のいずれか一方又は２つ以上の期間に、５００〜２０００Ｈｚの高周波パルスを重畳させる。これにより、第２パルスピーク期間の溶滴を上方に押上げるアーク力が断続的となり、高周波パルス無しの場合と比較すると押し上げ力が緩和される。更に、アークの硬直性が高くなるため、溶滴・アークともに軸対称となりやすい。溶滴・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大きく反れることが少なくなる。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、極めて再現性の高い１周期あたり１溶滴移行を達成でき、スパッタ発生量、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、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。
【００３６】
次に、各パルスパラメータの規定理由について説明する。
【００３７】
「Ｉｐ１：３００〜７００Ａ」
第１パルスピーク電流Ｉｐ１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のに大きく寄与する。Ｉｐ１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周期あたり１溶滴の移行から外れる。そして、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。Ｉｐ１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、装置重量及びコストが上昇するという問題点もある。より、好ましいＩｐ１の範囲は４００〜６００Ａである。
【００３８】
「Ｔｐ１：０．３〜５．０ｍｓ」
第１パルスピーク期間Ｔｐ１もＩｐ１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ことに大きく寄与する。パルス幅が０．３ｍｓ未満であると、電磁ピンチ力により溶滴を離脱させることができず、ｎ周期１溶滴移行となり、溶滴移行の規則性を乱す。一方、Ｔｐ１が５．０ｍｓを超えると、パルスピーク期間中に溶滴離脱が起こる確率が増大し、Ｉｂ１へ電流を低下させても小粒スパッタを抑制する効果がなくなると同時に、溶滴移行の規則性を乱し、スパッタ及びヒユームが多量に発生する。
【００３９】
「Ｉｂ１：３０〜２００Ａ」
第１パルスベース電流Ｉｂ１は、溶滴離脱後にワイヤ側にアークが移動する過程において、アーク切れを起こさず、小粒スパッタ発生を抑制することに大きく寄与する。Ｉｂ１が３０Ａ未満であると、アーク切れ及び短絡が発生しやすくなる。また、Ｉｂ１が２００Ａを超えると、溶滴からワイヤへアークが移動する瞬間において、ワイヤ側に残留する融液に寄与するアーク力が大きくなり、小粒スパッタを抑制することができなくなる。
【００４０】
「Ｔｂ１：０．３〜１０ｍｓ」
第１パルスベース期間Ｔｂ１も、Ｉｂ１と同様に、溶滴離脱後にワイヤ側にアークが移動する過程において、アーク切れを起こさず，小粒スパッタ発生を抑制することに大きく寄与する。Ｔｂ１が０．３ｍｓ未満であると、ワイヤに残留した融液を整形するのに不十分であり、小粒スパッタを抑制することができない。一方、Ｔｂ１が１０ｍｓを超えると、溶滴と溶融池との間で短絡が生じやすくなり、溶滴移行の規則性を乱す。また、溶接電流の上限が抑制され、高ワイヤ送給速度条件における溶接が困難となる。
【００４１】
「Ｉｐ２：２００〜６００Ａ」
第２パルスピーク電流Ｉｐ２は、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。Ｉｐ２が２００Ａ未満であると、次の第１パルスでワイヤから離脱させるのに足る溶滴を充分に形成できず、溶滴移行の規則性を乱す。また、溶接電流の上限が抑制され、高ワイヤ送給速度条件における溶接が困難となる。Ｉｐ２が６００Ａを超えると、溶滴形成時のアーク力が強くなりすぎ、溶滴が不規則に振動し、安定な溶滴離脱を阻害すると共に、溶滴離脱後のワイヤに残留した溶融金属が第２パルスピーク印加時に離脱及び飛散して、溶滴移行の規則性を乱す。また、ワイヤ溶融量が大きいため、第２パルスピーク期間中に再度溶滴移行を行う可能性が高くなる。更に、装置重量及びコストが上昇するという問題点もある。より好ましいＩｐ２の範囲は３００〜５００Ａである。
【００４２】
「Ｔｐ２：１．０〜１５ｍｓ」
第２パルスピーク期間Ｔｐ２も、Ｉｐ２と同様に、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。Ｔｐ２が１．０ｍｓ未満であると、次の第１パルスでワイヤから離脱させるのに足る溶滴を充分に形成できず、溶滴移行の規則性を乱す。Ｔｐ２が１５ｍｓを超えると、第２パルス期間中に再度溶滴移行を行なう可能性が高くなり、１周期１溶滴移行から外れてしまう。
【００４３】
「Ｉｂ２：３０〜２００Ａ」
第２パルスベース電流Ｉｂ２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。Ｉｂ２が３０Ａ未満であると、アーク切れ及び短絡が発生しやすくなる。また、Ｉｂ２が２００Ａを超えると、溶滴に寄与するアーク力が大きくなると共に、ベース期間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。
【００４４】
「Ｔｂ２：３．０〜２０ｍｓ」
第２パルスベース期間Ｔｂ２も、Ｉｂ２と同様に、溶満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。Ｔｂ２が３．０ｍｓ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、Ｔｂ２が２０ｍｓを超えると、ベース期間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。
【００４５】
「Ｔｕｐ１：３ｍｓ以下，Ｔｕｐ２：３ｍｓ以下」
第１パルスのアップスロープ期間Ｔｕｐ１は、第２パルスベース電流Ｉｂ２から第１パルスピーク電流Ｉｐ１に至る過程における急激なアーク力の増加を防ぎ、徐々にアークの発生点を溶滴の上方部へ移動させることにより、スパッタの抑制及びアーク切れの抑制に大きく寄与する。また、第２パルスのアップスロープ期間Ｔｕｐ２も、第１パルスベース電流Ｉｂ１から第２パルスピーク電流Ｉｐ２に至る過程における急激なアーク力の増加を防ぎ、徐々にアークの発生点を溶滴の上方部へ移動させることにより、スパッタの抑制及びアーク切れの抑制に大きく寄与する。一方、Ｔｕｐ１及びＴｕｐ２が３．０ｍｓを超えても、その効果はなく、逆に、溶滴離脱及び形成に時間がかかり、溶滴の粗大化を招く。また、溶接電流の上限が抑制され、高ワイヤ送給速度条件における溶接が困難となる。
【００４６】
「Ｔdown：６ｍｓ以下」
第１パルスのダウンスロープ期間Ｔdownは、第１パルスピーク電流Ｉｐ１から第１パルスベース電流Ｉｂ１に至る過程における急激なピンチ力の低下を防ぎ、溶滴の離脱途中でベース電流へ変化して溶滴離脱が失敗する頻度を大幅に低減することにより、スパッタの抑制及びアーク切れの抑制に大きく寄与する。一方、Ｔdownが６ｍｓを超えてもその効果はなく、離脱時に電流レベルの高い状態にあると、小粒スパッタが増加する。また、溶接電流の上限が抑制され、高ワイヤ送給速度条件における溶按が困難となる。
【００４７】
「高周波パルスのパルス周波数：５００〜２０００Ｈｚ」
高周波パルスのパルス周波数は、パルスピーク期間及びベース期間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向上に大きく寄与する。なお、アークの硬直性とは、ワイヤに流れる電流が形成する磁場により、アークをワイヤ延長方向に固定する性質をいい、溶湯中のアークのふらつきを抑制するものである。高周波パルスのパルス周波数が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・整形が行えなくなる。また、高周波パルスのパルス周波数が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・アークが軸対象となりにくくなる。
【００４８】
次に、消耗電極ワイヤの組成について説明する。本発明溶接方法においては、消耗電極ワイヤの組成は特に限定するものではないが、好ましい一例として、その化学成分組成は、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：０．０５乃至０．４０質量％、残部がＦｅ及び不可避不純物からなるものとする。以下に、その組成限定理由について説明する。
【００４９】
「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・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。
【００５０】
「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％未満であると、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共に、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。
【００５１】
「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、このためにはＭｎは少なくとも０．５０質量％を必要とする。また、Ｍｎが０．５０質量％未満であると、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量は０．５２乃至２．０質量％とする。
【００５２】
「Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｚｒ＝０．０５乃至０．４０質量％」
Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｚｒは脱酸剤及び溶接金属の強度確保等にも重要な元素であるが、本発明においては、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。Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｚｒが０．０５質量％以下の場合、上記効果に乏しく小粒スパッタが増大する。一方、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。また、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。
【００５３】
また、本プロセスに好ましい消耗電極ワイヤとして、ワイヤ表面に銅めっきを施さないものが良い。ワイヤ表面に銅めつきを施さないことにより、溶滴の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、極めて再現性の高い溶滴移行が可能となる。
【実施例】
【００５４】
以下、本発明の請求項１に関する実施例について説明する。下記溶接条件及び下記表１及び表２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用いたパルスアーク溶接を行い、スパッタ発生量を測定した。このとき、図４（ａ）、（ｂ）に示す銅製の捕集箱内にて溶接を行ない、スパッタを捕集した。図４（ａ）はその斜視図、（ｂ）は模式的断面図である。銅製の捕集箱１，２間に、被溶接材３を置き、トーチ４を被溶接材３上に配置して溶接を実施した。そのとき発生するスパッタ５を、捕集箱１，２の上半部に設けた開口１ａ、２ａを介して、捕集箱１，２内に補修した。
【００５５】
「溶接条件」
ワイヤ：ＪＩＳ Ｚ３３１２ ＹＧＷ１１ 直径１．２ｍｍ
シールドガス：ＣＯ２単体
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：６．０〜２３．０ｍ／分。
溶接電圧：アーク長２〜３ｍｍにおいて短絡回数が５回／秒となるような溶接電圧。
【００５６】
また、表１及び表２に示すパルスパラメータの溶接電流を使用して、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、ＪＩＳ Ｚ ３９３０に準じた方法を用いてヒユーム発生量を測定した。なお、溶接条件は、上述のスパッタ発生量の測定の場合と同一である。また、従来方法として、溶接電流が３２０Ａ、溶接電圧が３６Ｖ、ワイヤ送給速度が１５．５ｍ／分で一定の場合のスパッタ発生量及びヒューム発生量も求めた。
【００５７】
下記表１及び表２の評価欄では、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／分を超えたもの、又はヒューム発生量が４００ｍｇ／分を超えたものを不良（×）とした。
【００５８】
【表１】
【００５９】
【表２】
【００６０】
表１に示す実施例１〜１８は本発明の範囲に入るものであり、スパッタ発生量及びヒューム発生量がいずれも低いものであり、評価は○であった。
【００６１】
これに対し、比較例１９乃至３４は、従来方法と同様に、スパッタ発生量及びヒューム発生量が多いものであった。先ず、比較例１９はＩｐ１が下限値未満であるため、溶滴が大塊となるまで離脱ができず、１周期あたり１溶滴の移行から外れ、不規則な短絡によるスパッタ及びヒュームが増大した。比較例２１はＩｐ１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、スパッタ及びヒュームが増大した。比較例２１はＴｐ１が下限値未満であるため、溶滴が大塊となるまで離脱ができず、１周期あたり１溶滴の移行から外れ、不規則な短絡によるスパッタ・ヒュームが増大した。比較例２２はＴｐ１が上限値を超えるため、ピーク期間中に溶滴離脱が頻発し、小粒スパッタ及びヒュームが増大した。比較例２３はＩｂ１が下限値未満であるため、アーク切れ及び短絡が頻発し、スパッタ・ヒュームが増大した。比較例２４はＩｂ１が上限値を超えるため、溶滴からワイヤへアークが移動する瞬間において、ワイヤ側に残留する融液を吹き飛ばし、小粒スパッタ及びヒュームが増大した。比較例２５はＴｂ１が下限値未満であるため、溶滴からワイヤへアークが移動する瞬間において、ワイヤ側に残留する融液を整形することができず、小粒スパッタ及びヒュームが増大した。比較例２６はＴｂ１が上限値を超えるため、溶滴と溶融池の間で短絡が生じやすくなり、小粒スパッタ及びヒユームが増大した。
【００６２】
比較例２７はＩｐ２が下限値未満であるため、次の第１パルスでワイヤから離脱させるのに必要な溶滴を充分に形成できず、溶滴移行の規則性を乱し、スパッタ及びヒュームが増大した。比較例２８はＩｐ２が上限値を超えるため、溶滴形成時のアーク力が強くなり過ぎ、溶滴が不規則に振動するため、溶滴移行の規則性が乱れた。また、第２パルス期間に再度、溶滴移行を実施することもあり、スパッタ及びヒュームが増大した。比較例２９はＴｐ２が下限値未満であるため、溶滴を形成する過程において、充分な大きさの溶滴を安定に形成することができず、溶滴移行の規則性が乱れ、スパッタ及びヒュームが増大した。比較例３０はＴｐ２が上限値を超えるため、第２パルス期間中に再度、溶滴移行を実施することもあり、スパッタ及びヒュームが増大した。比較例３１はＩｂ２が下限値未満であるため、アーク切れ及び短絡が頻発し、スパッタ・ヒュームが増大した。比較例３２はＩｂ２が上限値を超えるため、溶滴に寄与するアーク力が過大となり、溶滴の安定整形が困難となるため、溶滴移行の規則性が乱れ、スパッタ・ヒュームが増大した。比較例３３はＴｂ２が下限値未満であるため、充分な大きさの溶滴を安定に形成することができず、溶滴移行の規則性が乱れ、スパッタ及びヒュームが増大した。比較例３４はＴｂ２が上限値を超えるため、溶滴と溶融池の間で短絡が生じやすくなり、小粒スパッタ及びヒュームが増大した。
【００６３】
以下、本発明の請求項２の実施例について説明する。下記表３及び表４に示す溶接条件により炭酸ガスをシールドガスとして使用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。スパッタの捕集方法は前述の図４に示すとおりである。また、ヒューム測定方法は請求項１の実施例と同様に、ＪＩＳ Ｚ ３９３０に準じた方法を使用した。評価基準も同様に、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／分を超えたもの、又はヒューム発生量が４００ｍｇ／分を超えたものを不良（×）とした。
【００６４】
【表３】
【００６５】
【表４】
【００６６】
表３に示す実施例Ｎｏ，３５乃至４５は本発明例であり、ワイヤ送給速度の増加に伴い、Ｔｂ２を３．０乃至２０ｍｓの範囲内に確保できるように、Ｉｐ２，Ｔｐ２，Ｉｂ２の１種以上を増加させ、ワイヤ溶融速度を増加させており、スパッタ及びヒュームの発生量が少ない。
【００６７】
これに対し、表４の比較例Ｎｏ．４６乃至５７は、Ｉｐ１とＩｐ２を同じレベルに設定し、ワイヤ送給量が増加するに伴い、パルス期間及びベース期間を短く設定する第２パルスと第２パルスよりもパルス期間を短く設定した第１パルスを使用した場合であり、第１パルスによる電磁ピンチ力を受ける前段階において、ワイヤ先端の溶滴形状が整えられず、電磁ピンチ力が有効に作用しない。１周期あたり１溶滴の規則的な移行が困難となり、大粒スパッタを発生させると共に、ヒューム発生量も多い。図５及び図６は、本実施例３５乃至４５及び比較例４６乃至５７について、ワイヤ送給速度とスパッタ発生量及びヒューム発生量との関係を示す。
【００６８】
次に、本発明の請求項３，４及び５の実施例について説明する。下記溶接条件及び下記表５及び６に示す溶接条件を使用して炭酸ガスをシールドガスとする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。スバッタ捕集方法は前述と同様に図４に示すものである。ヒューム発生量は、前述と同様に、ＪＩＳ Ｚ ３９３０に準じた方法により測定した。そして、スパッタ発生量が２．０ｇ／分以下、ヒューム発生量が３００ｍｇ／分以下、アーク切れ発生無しのものを良好（○）、スパッタ発生量が２．０ｇ／分を超えたもの、ヒューム発生量が３００ｍｇ／分を超えたもの、又はアーク切れ発生有りのものを不良（×）とした。なお、この評価は、表１及び表２に示す評価基準よりも厳しいものである。また、請求項４の高周波パルスの重畳については、１周期全て、又は「Ｔｕｐ１，Ｔｐ１，Ｔｄｏｗｎ，Ｔｂ１」及び「Ｔｕｐ２，Ｔｐ２，Ｔｂ２」のいずれか一方又は２つ以上の期間に高周波パルスを重畳しており、表５及び表６にはパルス周波数のみ記載している。
【００６９】
「溶接条件」
ワイヤ怪：１．２ｍｍ
シールドガス：ＣＯ２
試験板：ＳＭ４９０Ａ
チップ母材間距離：２５ｍｍ
トーチ前進角：３０°
ワイヤ送給速度：１３〜１５ｍ／分
溶接速度：４０ｃｍ／分
Ｉｐ１：５６０Ａ
Ｔｐ１：２．０ｍｓ
Ｉｂ１：１５０Ａ
Ｔｂ１：１．５ｍｓ
Ｉｐ２：４５０Ａ
Ｔｐ２：５．０ｍｓ
Ｉｂ２：１５０Ａ
Ｔｂ２：８．０ｍｓ。
【００７０】
【表５】
【００７１】
【表６】
【００７２】
表５の実施例３５〜４０は本願請求項２の範囲を満たすものであり、第１及び第２パルス立上り期間Ｔｕｐ１及びＴｕｐ２並びに第１パルス立下り期間Ｔｄｏｗｎにスロープ期間を設けたものである。
【００７３】
実施例４１〜４２は請求項３の実施例であり、実施例４１は溶滴離脱検知を実施したもの、実施例４２は第１及び第２パルス立上り期間並びに第１パルス立下り期間にスロープ期間を設けた上、溶滴離脱検知を実施したものである。
【００７４】
実施例４３〜４７は請求項３の実施例であり、実施例４３〜４４は高周波パルスを重畳したもの、実施例４５は第１及び第２パルス立上り期間並びに第１パルス立下り期間にスロープ期間を設けた上、高周波パルスを重畳したもの、実施例４６は溶滴離脱検知を実施した上、高周波パルスを重畳したもの、実施例４７は第１及び第２パルス立上り期間並びに第１パルス立下り期間にスロープ期間を設けた上、溶滴離脱検知を実施し、高周波パルスを重畳したものである。
【００７５】
次に、表６に示す比較例について説明する。但し、これらの比較例４８〜６１は、本発明の請求項１を満足するものである。比較例４８は第１及び第２パルス立上り期間並びに第１パルス立下り期間にスロープ期間を設けていないため、離脱失敗時に大粒スパッタ及びヒュームが発生し、また、アーク切れも発生した。この比較例４８を実施例４１と比較すると、比較例４８は離脱検知無しであるため、若干の離脱タイミングのずれに起因する小粒スパッタも生じた。比較例４８を、実施例４３及び４４と比較すると、高周波パルス付与無しであるため、溶滴の押し上げがやや大きく、溶滴の離脱方向がワイヤ方向から大きく反れる場合もあった。
【００７６】
比較例４９は第１パルス立上り期間Ｔｕｐ１を設けていないため、第２ベース電流から第１パルスピーク電流に至る過程における急激なアーク力の増加による離脱失敗時に大粒スパッタ及びヒュームが発生し、また、アーク切れも発生した。比較例５０は第１パルス立上り期間Ｔｕｐ１が上限値を超えるため、離脱に時間がかかり、溶滴の粗大化による離脱ミスを招く。比較例５１は第１パルス立下り期間Ｔｄｏｗｎを設けていないため、第１パルスピーク電流から第１ベース電流に至る過程における急激なピンチ力の低下により、離脱途中でベース電流へ変化して溶滴離脱を失敗した場合、大粒スパッタ及びヒュームが発生した。比較例５２は第１パルス立下り期間Ｔｄｏｗｎが上限値を超えるため、離脱時に電流レベルの高い状態にある場合が多く、小粒スパッタが増加した。比較例５３は第２パルス立上り期間ＴＵｐ２を設けていないため、第１ベース電流から第２パルスピーク電流に至る過程における急激なアーク力の増加による残留融液の飛散スパッタ及びヒュームが発生し、また、アーク切れも発生した。比較例５４は第２パルス立上り期間Ｔｕｐ２が上限値を超えるため、溶滴の形成に時間がかかり、評価溶滴の粗大化による離脱ミスが生じた。比較例５５は高周波パルスの周波数が下限値未満であるため、実施例４３と比較すると、アーク力緩和効果は少なく、溶滴の振動が大きくなり、安定な溶滴の成長・整形が行えなくなり、スパッタが増大した。また、第１及び第２パルス立上り期間及び第１パルス立下り期間にスロープ期間を設けていないため、離脱失敗時に大粒スパッタ及びヒュームが発生し、また、アーク切れも発生した。比較例５６は高周波パルスの周波数が上限値を超えるため、実施例４３と比較すると、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・アークが軸対象となりにくくなり、スパッタが増大した。また、第１及び第２パルス立上り期間並びに第１パルス立下り期間にスロープ期間を設けていないため、離脱失敗時に大粒スパッタ及びヒュームが発生し、また、アーク切れも発生した。比較例５７は高周波パルスの周波数が下限値未満であるため、第１及び第２パルス立上り期間並びに第１パルス立下り期間にスロープ期間を設けているのにもかかわらず、実施例４５と比較すると、アーク力緩和効果が少なく、溶滴の振動が大きくなり、安定な溶滴の成長・整形が行えなくなり、スパッタが増大した。比較例５８は高周波パルスの周波数が上限値を超えるため、第１及び第２パルス立上り期間並びに第１パルス立下り期間にスロープ期間を設けているのにもかかわらず、実施例４５と比較すると、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・アークが軸対象となりにくくなり、スパッタを増大させた。比較例５９は高周波パルスの周波数が下限値未満であるため、溶滴離脱検知を実施しているのにもかかわらず、実施例４６と比較すると、アークカ緩和効果が少なく、溶滴の振動が大きくなり、安定な溶滴の成長・整形が行えなくなり、スパッタが増大した。比較例６０は高周波パルスの周波数が下限値未満であるため、第１及び第２パルス立上り期間並びに第１パルス立下り期間にスロープ期間を設け、溶滴離脱検知を実施しているのにもかかわらず、実施例４７と比較すると、アーク力緩和効果が少なく、溶滴の振動が大きくなり、安定な溶滴の成長・整形が行えなくなり、スパッタが増大した。比較例６１は高周波パルスの周波数が上限値を超えるため、第１及び第２パルス立上り期間並びに第１パルス立下り期間にスロープ期間を設け、溶滴離脱検知を実施しているのにもかかわらず、実施例４７と比較すると、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・アークが軸対象となりにくくなり、スパッタが増大した。
【００７７】
以下、本発明の請求項５及び６に関する実施例について説明する。下記溶接条件及びパラメータ並びに下記表５及び６に示す溶接ワイヤを用いて炭酸ガスをシールドガスとして用いた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。スバッタ捕集方法及びヒューム量測定方法は前述と同様である。スパッタ発生量が２．０ｇ／分以下、ヒューム発生量が３００ｍｇ／分以下のものを良好（○）、スパッタ発生量が２．０ｇ／分を超えるもの、又はヒューム発生量が３００ｍｇ／分を超えるものを、不良（×）とした。
【００７８】
「溶接条件」
ワイヤ径：１．２ｍｍ
シールドガス：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／ｍｉｎ
ワイヤ送給速度１５．５ｍ／ｍｉｎ
Ｉｐ１：５６０Ａ
Ｔｐ１：２．０ｍｓ
Ｉｂ１：１５０Ａ
Ｔｂ１：１．５ｍｓ
Ｉｐ２：４５０Ａ
Ｔｐ２：５．０ｍｓ
Ｉｂ２：１５０Ａ
Ｔｂ２：８．０ｍｓ。
【００７９】
【表７】
【００８０】
【表８】
【００８１】
表５の実施例６５〜７５は本願請求項５を満たすものであり、スパッタ及びヒュームが少ない良好な溶接を行なえたものである。特に、実施例６５と比較して実施例６、実施例６８と比較して実施例６９、実施例７２と比較して実施例７３では、ほぼ同様の組成をもつワイヤにおいて、銅めつ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ことがわかる。
【００８２】
従って、銅めっきを施さないことにより、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。
【００８３】
これに対し、比較例７６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・振動が激しくなり、スパッタが増大した。比較例７７はワイヤ中のＳｉが下限値以下であるため、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７８，７９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、スパッタを増大させる。比較例８０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８１，８２はワイヤ中のＭｎが上限値を超えるため、溶滴の粘性が高くなりすぎ、１周期あたり１溶滴移行から外れ、スパッタが増大した。比較例８３，８４はワイヤ中のＴｉ＋Ａｌ＋Ｚｒ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８５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周期あたり１溶滴移行から外れ、スパッタが増大した。なお、比較例７６〜８５は本願請求項１の要件を満たすものである。
【００８４】
次に、チップと母材との間の距離が変化した場合について、アーク長を一定に維持するための各パラメータの調整に関する実施例について説明する。下記表９は直径が１．２ｍｍのワイヤ（ＪＩＳ Ｚ３３１２ＹＧＷ１１）を使用して、ワイヤ送給速度を１０．５ｍ／分として溶接した場合において、基準条件（チップ母材間距離２５ｍｍ）からチップ母材間距離を変化させた場合の収束条件を示す。また、下記表１０は直径が１．２ｍｍのワイヤ（ＪＩＳ Ｚ３３１２ＹＧＷ１１）を使用して、ワイヤ送給速度を１６．０ｍ／分として溶接した場合において、基準条件（チップ母材間距離２５ｍｍ）からチップ母材間距離を変化させた場合の収束条件を示す。いずれの場合も、シールドガスはＣＯ２単体であり、試験板（被溶接板）はＳＭ４９０Ａ、溶接速度は４０ｃｍ／分であった。
【００８５】
【表９】
【００８６】
【表１０】
【００８７】
実施例９１乃至９８及び１０２乃至１０７は、チップ母材間の距離が変化しても、１周期あたり１溶滴移行を乱さない範囲で、Ｉｐ２，Ｉｂ２，Ｔｐ２及びＴｂ２の１種以上を調整することにより、溶融バランスを維持し、アーク長を一定に制御している。一方、比較例９９乃至１０１及び１０８乃至１１１は、チップ母材間の距離が変化することに応じてＩｐ２、Ｉｂ２、Ｔｐ２及びＴｂ２を調整することにより、溶融バランスを維持したが、各パラメータが本発明の範囲から外れるため、１周期あたり１溶滴移行が達成されず、スパッタ及びヒュームが増加した。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の溶接電流パルスの波形図である。
【図２】パルス電流と溶接移行機構との関係を示す模式図である。
【図３】立ち上がりスロープ及び立ち下がりスロープを持つパルス波形を示す波形図である。
【図４】スパッタ捕集方法を示す斜視図である。
【図５】ワイヤ送給速度とスパッタ発生量との関係を示すグラフ図である。
【図６】ワイヤ送給速度とヒューム発生量との関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００８９】
１，２：銅箱
１ａ、２ａ：開口
３：被溶接材
４：トーチ
５：スパッタ
【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、パルス周期に同期した溶滴移行を実現することにより、溶接アークを安定化すると共に、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−５〜３０％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、高品質な溶接を必要とする分野では、溶接電流を１００〜３５０Ｈｚ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】
上記問題点に対し、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。これらの従来技術は、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、アーク力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、上述の従来溶接方法に関し、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、更に一層のスパッタの低減を達成できる溶接方法が提案されている。
【０００７】
また、特許文献４及び特許文献５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パルス以上を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】
更に、特許文献６では、炭酸ガスを主成分とするシールドガスを用いたパルスアーク溶接機の出力制御装置に関し、電圧又は抵抗の増加により溶滴離脱を検知し、検出した期間から一定期間、電流を低下させることによりスパッタを抑制できるとしている。
【０００９】
更にまた、特許文献７では、炭酸ガスを主成分とするシールドガスを使用し、ワイヤ送給量が増加するに伴い、パルス期間及びベース期間を短く設定する第１パルスと、第１パルスよりもパルス期間を短く設定した第２パルスからなる異なる２種類のパルス波形を出力するパルスアーク溶接機を使用して、スパッタを抑制できるとしている。
【００１０】
【特許文献１】特開平７−２９０２４１号公報
【特許文献２】特開平７−４７４７３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で号公報
【特許文献５】特開２００１−１２９６６８号公報
【特許文献６】特開平８−２２９６８０号公報
【特許文献７】特開平１０−２６３８１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述の特許文献１乃至３に開示された従来の溶接方法は、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共に、パルス無し溶接と比較すると大粒のスパッタ発生量を低減できるものである。しかしながら、これらの従来方法は、パルスピーク期間中に溶滴を離脱させることから、溶滴離脱時のワイヤ先端のくびれ部分の飛散による小粒スパッタと、溶滴離脱後のワイヤに残留した融液の飛散による小粒スパッタが多発するという問題点がある。
【００１２】
特許文献４及び５に開示された方法は、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。しかし、この従来方法を用いても、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、小粒化効果は小さい。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の要因が複雑に関連する。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、この従来方法のように、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程度の範囲で変動し、スパッタを大幅に低減するには至っていない。
【００１３】
また、この従来方法は、溶滴移行改善のため、単純に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・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程度変動するような開先内をウィービング溶接した場合、安定なアークを維持することが困難となる。
【００１４】
更に、特許文献６に開示された出力制御装置では、溶滴離脱を検知した後、一定期間、電流を低下させることにより、スパッタを抑制することが可能であるとしているが、この文献に記載された方法では、溶滴離脱の有無に拘わらず、全てのパルスにおいて、パルスピーク電流が同一であるため、溶滴離脱が可能となるパルスピーク電流に設定すると、溶滴離脱後のワイヤに残留した溶融金属が強力なアーク力により、離脱後の次のパルスピーク印加時に飛散し、大粒スパッタを多発させる。これを抑制するため、パルスピーク電流を低く設定すると、パルスピーク期間にて溶滴が離脱できなくなるという問題点があった。
【００１５】
更に、特許文献７においては、ワイヤ供給量が増加するに伴い、パルス期間及びベース期間を短く設定する第１パルスと、第１パルスよりもパルス期間を短く設定した第２パルスからなる異なる２種類のパルス波形を出力するパルスアーク溶接方法により、スパッタを低減できるとしているが、ワイヤ送給量の増大に伴い、第１パルス期間及び第１ベース期間を短く設定すると、第２パルスによる電磁ピンチ力を受ける前段階において、ワイヤ先端の溶滴形状が整えられず、電磁ピンチ力が有効に作用しない。１周期あたり１溶滴の規則的な移行が困難となり、大粒スパッタを発生させるという問題点がある。
【００１６】
本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであって、炭酸ガス主体のシールドガスを使用しても１周期あたり１溶滴移行の規則性が極めて高い溶滴移行を達成することにより、大粒スパッタの発生量及びヒューム発生量を低減できると共に、溶滴離脱時のワイヤ先端のくびれ部分の飛散による小粒スパッタ及び溶滴離脱後のワイヤに残留した融液の飛散によるスパッタ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。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
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、第１パルスと第２パルスとが交互に繰り返されるパルス電流を溶接電流としてアーク溶接する方法であって、前記第１パルスと第２パルスとは、相互にパルスピーク電流レベル及びパルス幅の異なるパルス波形を有し、第１パルスのピーク電流Ｉｐ１が３００乃至７００Ａ、ピーク期間Ｔｐ１が０．３乃至５．０ｍｓ、ベース電流Ｉｂ１が３０乃至２００Ａ、ベース期間Ｔｂ１が０．３乃至１０ｍｓであり、第２パルスのピーク電流Ｉｐ２が２００乃至６００Ａ、ピーク期間Ｔｐ２が１．０乃至１５ｍｓ、ベース電流Ｉｂ２が３０乃至２００Ａ、ベース期間Ｔｂ２が３．０乃至２０ｍｓであり、また、Ｉｐ１＞Ｉｐ２であり、１周期あたり１溶滴を移行させると共に、コンタクトチップと母材との間の距離が変化した場合に、１周期あたり１溶滴移行を乱さない範囲で前記Ｉｐ２、Ｉｂ２、Ｔｐ２及びＴｂ２からなる群から選択された少なくとも１種以上を調整することにより、アーク長を一定に制御することを特徴とする。
【００１８】
本発明においては、１周期あたりパルスピーク電流レベル及びパルス幅の異なる２種類のパルス波形を交互に連続発振させることにより、１周期あたり１溶滴を移行させ、これにより、溶滴移行の規則性を向上させ、大粒スパッタを低減する。また、溶滴離脱タイミングに合わせてベース電流へ電流を低減させることにより、溶滴離脱時のワイヤ先端くびれ部分の飛散による小粒スパッタや溶滴離脱後のワイヤに残留した融液の飛散による小粒スパッタを大幅に低減することができる。本発明においては、第１パルスピーク電流と第２パルスピーク電流をそれぞれの役割に応じて適正なピーク電流となるように設定しているため、溶滴離脱後のワイヤに残留した溶融金属が第２パルスピーク印加時に離脱・飛散して、溶滴移行の規則性を乱すこと及び大粒スパッタを多発させるということを防止できる。
【００１９】
この場合に、コンタクトチップと母材との間の距離が変化した場合に、１周期あたり１溶滴移行を乱さない範囲で前記Ｉｐ２、Ｉｂ２、Ｔｐ２及びＴｂ２からなる群から選択された少なくとも１種以上を調整することにより、アーク長を一定に制御するので、チップと母材との間の距離が変動した場合でも、電圧変化又は電流変化をフィードバックすれば、１周期あたり１溶滴移行を乱さない範囲で、Ｉｐ２、Ｉｂ２、Ｔｐ２及びＴｂ２１種又は２種以上を調整することができるので、ワイヤ溶融速度を調整してアーク長を一定に制御することができる。
【００２０】
なお、本発明においては、ワイヤ送給速度毎に適正なＩｐ２，Ｔｐ２，Ｉｂ２を予め設定し、ワイヤ送給速度の増加に伴い、Ｔｂ２を３．０乃至２０ｍｓの範囲内に確保できるように、Ｉｐ２，Ｔｐ２及びＩｂ２からなる群から選択された少なくとも１種以上を増加させ、ワイヤ溶融速度を増加させることが好ましい。また、前記第１パルスの立ち上がり及び立ち下がりに対し変化が緩やかになるように時間軸に対して傾斜を設け、前記第２パルスの立ち上がりに対し変化が緩やかになるように時間軸に対して傾斜を設け、第１パルスの立ち上がりスロープ期間をＴｕｐ１、第１パルスの立ち下がりスロープ期間をＴｄｏｗｎ、第２パルスの立ち上がりスロープ期間をＴｕｐ２としたとき、Ｔｕｐ１及びＴｕｐ２はいずれも３ｍｓ以下、Ｔｄｏｗｎは６ｍｓ以下であることが好ましい。
【００２１】
更にまた、第１パルスピーク期間Ｔｐ１又はそれに続く第１パルス立下りスロープ期間Ｔｄｏｗｎ中に溶滴の離脱を検知すると同時に、それが第１パルスピーク期間Ｔｐ１中又は第１パルス立下りスロープ期間Ｔｄｏｗｎ中であっても、直ちに第１パルスベース電流Ｉｂ１又は検知時の電流より低い所定電流に切替えることが好ましい。
【００２２】
更にまた、１周期の全て、又は「Ｔｕｐ１、Ｔｐ１，Ｔｄｏｗｎ，Ｔｂ１」若しくは「Ｔｕｐ２、Ｔｐ２、Ｔｂ２」のいずれか一方又は２つ以上の期間において、パルス周波数５００乃至２０００Ｈｚの高周波パルスを溶接電流に重畳することが好ましい。
【００２３】
消耗電極ワイヤの化学組成は、Ｃ：０．１０質量％以下、Ｓｉ：０．２０乃至１．０質量％、Ｍｎ：０．５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とすることが好ましい。
【００２４】
更にまた、この消耗電極ワイヤは、ワイヤ表面に銅めつきを施していないものが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係るパルスアーク溶接方法によれば、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において、１周期あたり１溶滴移行の規則性が極めて高い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を向上させ、大粒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と共に、溶滴離脱時のワイヤ先端のくびれ部分の飛散による小粒スパッタ及び溶滴離脱後のワイヤに残留した融液の飛散によるスパッタを大幅に低減することができる。更に、請求項２によれば、チップと母材間の距離が変動した場合でも１周期あたり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、アーク長を概ね一定に制御できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明のパルスアーク溶接方法において使用するパルス電流の波形図である。このパルス電流は、第１パルスと第２パルスとが交互に繰り返される。第１パルスにおいて、第１パルスピーク電流がＩｐ１、その期間（第１パルスピーク期間）がＴｐ１、第１パルスベース電流がＩｂ１、その期間（第１パルスベース期間）がＴｂ１である。また、第２パルスにおいて、第２パルスピーク電流がＩｐ２、その期間（第２パルスピーク期間）がＴｐ２、第２パルスベース電流がＩｂ２、その期間（第２パルスベース期間）がＴｂ２である。
【００２７】
そして、本発明の請求項１の実施形態においては、これらのパルス条件は、下記のように設定される。
（ａ）第１パルスピーク電流Ｉｐ１：３００〜７００Ａ
（ｂ）第１パルスピーク期間Ｔｐ１：０．３〜５．０ｍｓ
（ｃ）第１パルスベース電流Ｉｂ１：３０〜２００Ａ
（ｄ）第１パルスベース期間Ｔｂ１：０．３〜１０ｍｓ
（ｅ）第２パルスピーク電流Ｉｐ２：２００〜６００Ａ
（ｆ）第２パルスピーク期間Ｔｐ２：１．０〜１５ｍｓ
（ｇ）第２パルスベース電流Ｉｂ２：３０〜２００Ａ
（ｈ）第２パルスベース期間Ｔｂ２：３．０〜２０ｍｓ
（ｉ）Ｉｐ１＞Ｉｐ２。
【００２８】
このようなパルス条件によりパルスアーク溶接を実施すると、図２に示すように、ワイヤ先端の溶滴形成及び溶滴移行が行われる。図２の（ａ）の溶滴は、前パルス周期にて溶滴が離脱した後の第２パルスピーク期間中に成長したものである。第２パルスベース期間に電流が急激に減少するため、押上げ力が弱まり、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。第１パルスピーク期間に入ると、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）のようにくびれを形成する変化をしながら、急速に離脱を行い、離脱後にワイヤ側にアークが移動する瞬間においては、（ｃ）のように第１パルスベース期間に電流が下がっている状態にする。このことにより、ワイヤくびれ部分の飛散及び離脱後の残留融液の飛散による小粒スパッタを大幅に低減できる。（ｄ）の第２パルスピーク期間では溶滴離脱後のワイヤに残留した残留融液が離脱・飛散しないレベルに第２パルスピーク電流を設定した上で溶滴を成長させた後、（ｅ）の第２のパルスベース期間で溶滴の成形を行いながら、再び（ａ）の状態に戻るため、１周期あたり１溶滴の移行を極めて規則正しく実現できる。
【００２９】
現在のアーク長を検出する手段として、直前の１周期、又は直前の所定パルス周期において、１周期全て、又は「Ｔｕｐ１、Ｔｐ１，Ｔｄｏｗｎ，Ｔｂ１」若しくは「Ｔｕｐ２、Ｔｐ２、Ｔｂ２」のいずれか一方、又はＴｕｐ１、Ｔｐ１，Ｔｄｏｗｎ，Ｔｂ１、Ｔｕｐ２、Ｔｐ２、Ｔｂ２の１種以上の期間を使用して、例えば、電源の外部特性が定電圧特性であれば上記期間の電流値、定電流特性であれば上記期間の電圧値をフィードバックし、１周期あたり１溶滴移行を乱さない範囲で、Ｉｐ２、Ｉｂ２、Ｔｐ２又はＴｂ２の１種以上を調製することにより、コンタクトチップと母材との間の距離が変化した場合でも、アーク長を一定に制御することができる。
【００３０】
溶接中の電流・電圧波形の計測により、溶滴の離脱タイミングは明確に把握することができる。また、詳細には、高速度ビデオカメラにより撮影することにより、溶滴の離脱タイミングの観察が可能である。１周期あたり１溶滴移行を、再現性よく達成するためには、Ｔｂ２を所定期間確保することが最も重要であり、上述の如く、Ｔｂ２を３．０〜２０ｍｓの範囲に確保することが必要である。予め、各ワイヤ送給速度について、Ｔｂ２毎に、Ｉｐ２、Ｉｂ２、Ｔｐ２を独立的に変化させた場合のワイヤ溶融速度をデータベースとして構築しておくと同時に、１周期あたり１溶滴移行を確実とするＩｐ２、Ｉｂ２、Ｔｐ２の各許容範囲もワイヤ送給速度毎に設定しておく。そして、各ワイヤ送給速度について、チップと、母材との間の距離が変化した場合、溶接電圧又は溶接電流の変化量をフィードバックしながら、一定のアーク長となるように時々刻々溶接電圧を調整し、その電圧を維持するために必要な溶接電流波形は上記データベースを参照しながら、各パラメータについて許容範囲内で最適な選択を行っていけば、アーク長制御が実現できる。
【００３１】
次に、請求項２に係る発明の実施形態について具体的に説明する。ワイヤ送給速度を増加させた場合、第１パルスによるピンチ力を受ける際に、ワイヤ先端の溶滴形状が変動していると、同一パルスを印加しても、電磁ピンチ力が有効に作用せず、溶滴の離脱時期が変動して大粒スパッタを発生させる。この溶滴形状は、Ｔｂ２を３．０乃至２０ｍｓの範囲内でできるだけ長く確保して、最適なアーク長に維持すれば、その変動が減衰し、形状を一様化することができる。従って、ワイヤ送給速度毎に適正なＩｐ２，Ｔｐ２，Ｉｂ２を予め設定し、ワイヤ送給速度の増加に伴い、Ｉｐ２，Ｔｐ２，Ｉｂ２の１種以上を増加させることにより、ワイヤ溶融速度を増加させ、Ｔｂ２を３．０乃至２０ｍｓの範囲内に確保する。
【００３２】
次に、本発明の請求項３の実施形態について、図３を参照して具体的に説明する。ベース電流からピーク電流に至る過程におけるＴｕｐｌ、Ｔｕｐ２の１種又は２種において、３ｍｓ以下のアップスロープ期間を設けることによって、急激なアーク力の増加を防ぎ、徐々にアークの発生点を溶滴の上方部へ移動させる。このことにより、第１パルスにおける溶滴離脱性の向上と第２パルスにおける溶滴形成の安定性の向上を図ることができる。また、本実施形態は、通常の矩形波パルスを適用する場合より磁場の影響を軽減することができ、アーク切れ発生頻度を減少させることができる。一方、ピーク電流からベース電流に至る過程におけるＴｄｏｗｎにおいて、６ｍｓ以下のダウンスロープ期間を設けることによって急激なピンチ力の低下を防ぎ、離脱途中でベース電流へ変化して溶滴離脱を失敗する頻度を大幅に低減できる。また、本実施形態は、通常の矩形波パルスを適用する場合より磁場の影響を軽減することができ、アーク切れ発生頻度を減少させることができる。
【００３３】
次に、本発明の請求項４の実施形態について、具体的に説明する。第１パルスピーク期間又はそれに続く第１パルス立ち下がりスロープ期間中に溶滴の離脱を検知すると同時に、第１パルスピーク期間中又は第１パルス立ち下がりスロープ期間中であっても、直ちに、第１パルスベース電流又は検知時の電流より低い所定電流に切り替えることにより、ワイヤくびれ部分の飛散及び離脱後の残留融液の飛散による小粒スパッタを更に低減できると同時に、第１パルスにおける溶滴の離脱ミスによる大粒スパッタも大幅に低減することができる。
【００３４】
溶滴の離脱を検知する手段としては、例えば、第１パルスピーク期間中、第１パルス立ち下がりスロープ期間中の電源外部特性が定電圧特性であれば、溶滴離脱によってアーク長が長くなる際の電流低下を捉えればよい。一方、第１パルスピーク期間中、第１パルス立ち下がりスロープ期間中の電源外部特性が定電流特性であれば、溶滴離脱によるアーク電圧の急増を捉えればよい。また、第１パルスピーク期間中、第１パルス立ち下がりスロープ期間中の電流、電圧又はアークインピーダンス等について、１階又は２階の時間微分信号を離脱検知として使用しても良い。
【００３５】
次に、本発明の請求項５の実施形態について具体的に説明する。請求項１、２及び３は低周波パルスに同期させた１周期あたり１溶滴移行形態であるが、請求項５では上記低周波パルスの１周期の全て、又は「Ｔｕｐ１、Ｔｐ１，Ｔｄｏｗｎ，Ｔｂ１」若しくは「Ｔｕｐ２、Ｔｐ２、Ｔｂ２」のいずれか一方又は２つ以上の期間に、５００〜２０００Ｈｚの高周波パルスを重畳させる。これにより、第２パルスピーク期間の溶滴を上方に押上げるアーク力が断続的となり、高周波パルス無しの場合と比較すると押し上げ力が緩和される。更に、アークの硬直性が高くなるため、溶滴・アークともに軸対称となりやすい。溶滴・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大きく反れることが少なくなる。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、極めて再現性の高い１周期あたり１溶滴移行を達成でき、スパッタ発生量、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、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。
【００３６】
次に、各パルスパラメータの規定理由について説明する。
【００３７】
「Ｉｐ１：３００〜７００Ａ」
第１パルスピーク電流Ｉｐ１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のに大きく寄与する。Ｉｐ１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周期あたり１溶滴の移行から外れる。そして、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。Ｉｐ１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、装置重量及びコストが上昇するという問題点もある。より、好ましいＩｐ１の範囲は４００〜６００Ａである。
【００３８】
「Ｔｐ１：０．３〜５．０ｍｓ」
第１パルスピーク期間Ｔｐ１もＩｐ１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ことに大きく寄与する。パルス幅が０．３ｍｓ未満であると、電磁ピンチ力により溶滴を離脱させることができず、ｎ周期１溶滴移行となり、溶滴移行の規則性を乱す。一方、Ｔｐ１が５．０ｍｓを超えると、パルスピーク期間中に溶滴離脱が起こる確率が増大し、Ｉｂ１へ電流を低下させても小粒スパッタを抑制する効果がなくなると同時に、溶滴移行の規則性を乱し、スパッタ及びヒユームが多量に発生する。
【００３９】
「Ｉｂ１：３０〜２００Ａ」
第１パルスベース電流Ｉｂ１は、溶滴離脱後にワイヤ側にアークが移動する過程において、アーク切れを起こさず、小粒スパッタ発生を抑制することに大きく寄与する。Ｉｂ１が３０Ａ未満であると、アーク切れ及び短絡が発生しやすくなる。また、Ｉｂ１が２００Ａを超えると、溶滴からワイヤへアークが移動する瞬間において、ワイヤ側に残留する融液に寄与するアーク力が大きくなり、小粒スパッタを抑制することができなくなる。
【００４０】
「Ｔｂ１：０．３〜１０ｍｓ」
第１パルスベース期間Ｔｂ１も、Ｉｂ１と同様に、溶滴離脱後にワイヤ側にアークが移動する過程において、アーク切れを起こさず，小粒スパッタ発生を抑制することに大きく寄与する。Ｔｂ１が０．３ｍｓ未満であると、ワイヤに残留した融液を整形するのに不十分であり、小粒スパッタを抑制することができない。一方、Ｔｂ１が１０ｍｓを超えると、溶滴と溶融池との間で短絡が生じやすくなり、溶滴移行の規則性を乱す。また、溶接電流の上限が抑制され、高ワイヤ送給速度条件における溶接が困難となる。
【００４１】
「Ｉｐ２：２００〜６００Ａ」
第２パルスピーク電流Ｉｐ２は、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。Ｉｐ２が２００Ａ未満であると、次の第１パルスでワイヤから離脱させるのに足る溶滴を充分に形成できず、溶滴移行の規則性を乱す。また、溶接電流の上限が抑制され、高ワイヤ送給速度条件における溶接が困難となる。Ｉｐ２が６００Ａを超えると、溶滴形成時のアーク力が強くなりすぎ、溶滴が不規則に振動し、安定な溶滴離脱を阻害すると共に、溶滴離脱後のワイヤに残留した溶融金属が第２パルスピーク印加時に離脱及び飛散して、溶滴移行の規則性を乱す。また、ワイヤ溶融量が大きいため、第２パルスピーク期間中に再度溶滴移行を行う可能性が高くなる。更に、装置重量及びコストが上昇するという問題点もある。より好ましいＩｐ２の範囲は３００〜５００Ａである。
【００４２】
「Ｔｐ２：１．０〜１５ｍｓ」
第２パルスピーク期間Ｔｐ２も、Ｉｐ２と同様に、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。Ｔｐ２が１．０ｍｓ未満であると、次の第１パルスでワイヤから離脱させるのに足る溶滴を充分に形成できず、溶滴移行の規則性を乱す。Ｔｐ２が１５ｍｓを超えると、第２パルス期間中に再度溶滴移行を行なう可能性が高くなり、１周期１溶滴移行から外れてしまう。
【００４３】
「Ｉｂ２：３０〜２００Ａ」
第２パルスベース電流Ｉｂ２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。Ｉｂ２が３０Ａ未満であると、アーク切れ及び短絡が発生しやすくなる。また、Ｉｂ２が２００Ａを超えると、溶滴に寄与するアーク力が大きくなると共に、ベース期間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。
【００４４】
「Ｔｂ２：３．０〜２０ｍｓ」
第２パルスベース期間Ｔｂ２も、Ｉｂ２と同様に、溶満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。Ｔｂ２が３．０ｍｓ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、Ｔｂ２が２０ｍｓを超えると、ベース期間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。
【００４５】
「Ｔｕｐ１：３ｍｓ以下，Ｔｕｐ２：３ｍｓ以下」
第１パルスのアップスロープ期間Ｔｕｐ１は、第２パルスベース電流Ｉｂ２から第１パルスピーク電流Ｉｐ１に至る過程における急激なアーク力の増加を防ぎ、徐々にアークの発生点を溶滴の上方部へ移動させることにより、スパッタの抑制及びアーク切れの抑制に大きく寄与する。また、第２パルスのアップスロープ期間Ｔｕｐ２も、第１パルスベース電流Ｉｂ１から第２パルスピーク電流Ｉｐ２に至る過程における急激なアーク力の増加を防ぎ、徐々にアークの発生点を溶滴の上方部へ移動させることにより、スパッタの抑制及びアーク切れの抑制に大きく寄与する。一方、Ｔｕｐ１及びＴｕｐ２が３．０ｍｓを超えても、その効果はなく、逆に、溶滴離脱及び形成に時間がかかり、溶滴の粗大化を招く。また、溶接電流の上限が抑制され、高ワイヤ送給速度条件における溶接が困難となる。
【００４６】
「Ｔdown：６ｍｓ以下」
第１パルスのダウンスロープ期間Ｔdownは、第１パルスピーク電流Ｉｐ１から第１パルスベース電流Ｉｂ１に至る過程における急激なピンチ力の低下を防ぎ、溶滴の離脱途中でベース電流へ変化して溶滴離脱が失敗する頻度を大幅に低減することにより、スパッタの抑制及びアーク切れの抑制に大きく寄与する。一方、Ｔdownが６ｍｓを超えてもその効果はなく、離脱時に電流レベルの高い状態にあると、小粒スパッタが増加する。また、溶接電流の上限が抑制され、高ワイヤ送給速度条件における溶按が困難となる。
【００４７】
「高周波パルスのパルス周波数：５００〜２０００Ｈｚ」
高周波パルスのパルス周波数は、パルスピーク期間及びベース期間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向上に大きく寄与する。なお、アークの硬直性とは、ワイヤに流れる電流が形成する磁場により、アークをワイヤ延長方向に固定する性質をいい、溶湯中のアークのふらつきを抑制するものである。高周波パルスのパルス周波数が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・整形が行えなくなる。また、高周波パルスのパルス周波数が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・アークが軸対象となりにくくなる。
【００４８】
次に、消耗電極ワイヤの組成について説明する。本発明溶接方法においては、消耗電極ワイヤの組成は特に限定するものではないが、好ましい一例として、その化学成分組成は、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：０．０５乃至０．４０質量％、残部がＦｅ及び不可避不純物からなるものとする。以下に、その組成限定理由について説明する。
【００４９】
「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・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。
【００５０】
「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％未満であると、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共に、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。
【００５１】
「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、このためにはＭｎは少なくとも０．５０質量％を必要とする。また、Ｍｎが０．５０質量％未満であると、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量は０．５２乃至２．０質量％とする。
【００５２】
「Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｚｒ＝０．０５乃至０．４０質量％」
Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｚｒは脱酸剤及び溶接金属の強度確保等にも重要な元素であるが、本発明においては、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。Ｔｉ＋Ａｌ＋Ｚｒが０．０５質量％以下の場合、上記効果に乏しく小粒スパッタが増大する。一方、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。また、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。
【００５３】
また、本プロセスに好ましい消耗電極ワイヤとして、ワイヤ表面に銅めっきを施さないものが良い。ワイヤ表面に銅めつきを施さないことにより、溶滴の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、極めて再現性の高い溶滴移行が可能となる。
【実施例】
【００５４】
以下、本発明の請求項１に関する実施例について説明する。下記溶接条件及び下記表１及び表２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用いたパルスアーク溶接を行い、スパッタ発生量を測定した。このとき、図４（ａ）、（ｂ）に示す銅製の捕集箱内にて溶接を行ない、スパッタを捕集した。図４（ａ）はその斜視図、（ｂ）は模式的断面図である。銅製の捕集箱１，２間に、被溶接材３を置き、トーチ４を被溶接材３上に配置して溶接を実施した。そのとき発生するスパッタ５を、捕集箱１，２の上半部に設けた開口１ａ、２ａを介して、捕集箱１，２内に補修した。
【００５５】
「溶接条件」
ワイヤ：ＪＩＳ Ｚ３３１２ ＹＧＷ１１ 直径１．２ｍｍ
シールドガス：ＣＯ２単体
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：６．０〜２３．０ｍ／分。
溶接電圧：アーク長２〜３ｍｍにおいて短絡回数が５回／秒となるような溶接電圧。
【００５６】
また、表１及び表２に示すパルスパラメータの溶接電流を使用して、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、ＪＩＳ Ｚ ３９３０に準じた方法を用いてヒユーム発生量を測定した。なお、溶接条件は、上述のスパッタ発生量の測定の場合と同一である。また、従来方法として、溶接電流が３２０Ａ、溶接電圧が３６Ｖ、ワイヤ送給速度が１５．５ｍ／分で一定の場合のスパッタ発生量及びヒューム発生量も求めた。
【００５７】
下記表１及び表２の評価欄では、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／分を超えたもの、又はヒューム発生量が４００ｍｇ／分を超えたものを不良（×）とした。
【００５８】
【表１】
【００５９】
【表２】
【００６０】
表１に示す実施例１〜１８は本発明の範囲に入るものであり、スパッタ発生量及びヒューム発生量がいずれも低いものであり、評価は○であった。
【００６１】
これに対し、比較例１９乃至３４は、従来方法と同様に、スパッタ発生量及びヒューム発生量が多いものであった。先ず、比較例１９はＩｐ１が下限値未満であるため、溶滴が大塊となるまで離脱ができず、１周期あたり１溶滴の移行から外れ、不規則な短絡によるスパッタ及びヒュームが増大した。比較例２１はＩｐ１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、スパッタ及びヒュームが増大した。比較例２１はＴｐ１が下限値未満であるため、溶滴が大塊となるまで離脱ができず、１周期あたり１溶滴の移行から外れ、不規則な短絡によるスパッタ・ヒュームが増大した。比較例２２はＴｐ１が上限値を超えるため、ピーク期間中に溶滴離脱が頻発し、小粒スパッタ及びヒュームが増大した。比較例２３はＩｂ１が下限値未満であるため、アーク切れ及び短絡が頻発し、スパッタ・ヒュームが増大した。比較例２４はＩｂ１が上限値を超えるため、溶滴からワイヤへアークが移動する瞬間において、ワイヤ側に残留する融液を吹き飛ばし、小粒スパッタ及びヒュームが増大した。比較例２５はＴｂ１が下限値未満であるため、溶滴からワイヤへアークが移動する瞬間において、ワイヤ側に残留する融液を整形することができず、小粒スパッタ及びヒュームが増大した。比較例２６はＴｂ１が上限値を超えるため、溶滴と溶融池の間で短絡が生じやすくなり、小粒スパッタ及びヒユームが増大した。
【００６２】
比較例２７はＩｐ２が下限値未満であるため、次の第１パルスでワイヤから離脱させるのに必要な溶滴を充分に形成できず、溶滴移行の規則性を乱し、スパッタ及びヒュームが増大した。比較例２８はＩｐ２が上限値を超えるため、溶滴形成時のアーク力が強くなり過ぎ、溶滴が不規則に振動するため、溶滴移行の規則性が乱れた。また、第２パルス期間に再度、溶滴移行を実施することもあり、スパッタ及びヒュームが増大した。比較例２９はＴｐ２が下限値未満であるため、溶滴を形成する過程において、充分な大きさの溶滴を安定に形成することができず、溶滴移行の規則性が乱れ、スパッタ及びヒュームが増大した。比較例３０はＴｐ２が上限値を超えるため、第２パルス期間中に再度、溶滴移行を実施することもあり、スパッタ及びヒュームが増大した。比較例３１はＩｂ２が下限値未満であるため、アーク切れ及び短絡が頻発し、スパッタ・ヒュームが増大した。比較例３２はＩｂ２が上限値を超えるため、溶滴に寄与するアーク力が過大となり、溶滴の安定整形が困難となるため、溶滴移行の規則性が乱れ、スパッタ・ヒュームが増大した。比較例３３はＴｂ２が下限値未満であるため、充分な大きさの溶滴を安定に形成することができず、溶滴移行の規則性が乱れ、スパッタ及びヒュームが増大した。比較例３４はＴｂ２が上限値を超えるため、溶滴と溶融池の間で短絡が生じやすくなり、小粒スパッタ及びヒュームが増大した。
【００６３】
以下、本発明の請求項２の実施例について説明する。下記表３及び表４に示す溶接条件により炭酸ガスをシールドガスとして使用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。スパッタの捕集方法は前述の図４に示すとおりである。また、ヒューム測定方法は請求項１の実施例と同様に、ＪＩＳ Ｚ ３９３０に準じた方法を使用した。評価基準も同様に、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／分を超えたもの、又はヒューム発生量が４００ｍｇ／分を超えたものを不良（×）とした。
【００６４】
【表３】
【００６５】
【表４】
【００６６】
表３に示す実施例Ｎｏ，３５乃至４５は本発明例であり、ワイヤ送給速度の増加に伴い、Ｔｂ２を３．０乃至２０ｍｓの範囲内に確保できるように、Ｉｐ２，Ｔｐ２，Ｉｂ２の１種以上を増加させ、ワイヤ溶融速度を増加させており、スパッタ及びヒュームの発生量が少ない。
【００６７】
これに対し、表４の比較例Ｎｏ．４６乃至５７は、Ｉｐ１とＩｐ２を同じレベルに設定し、ワイヤ送給量が増加するに伴い、パルス期間及びベース期間を短く設定する第２パルスと第２パルスよりもパルス期間を短く設定した第１パルスを使用した場合であり、第１パルスによる電磁ピンチ力を受ける前段階において、ワイヤ先端の溶滴形状が整えられず、電磁ピンチ力が有効に作用しない。１周期あたり１溶滴の規則的な移行が困難となり、大粒スパッタを発生させると共に、ヒューム発生量も多い。図５及び図６は、本実施例３５乃至４５及び比較例４６乃至５７について、ワイヤ送給速度とスパッタ発生量及びヒューム発生量との関係を示す。
【００６８】
次に、本発明の請求項３，４及び５の実施例について説明する。下記溶接条件及び下記表５及び６に示す溶接条件を使用して炭酸ガスをシールドガスとする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。スバッタ捕集方法は前述と同様に図４に示すものである。ヒューム発生量は、前述と同様に、ＪＩＳ Ｚ ３９３０に準じた方法により測定した。そして、スパッタ発生量が２．０ｇ／分以下、ヒューム発生量が３００ｍｇ／分以下、アーク切れ発生無しのものを良好（○）、スパッタ発生量が２．０ｇ／分を超えたもの、ヒューム発生量が３００ｍｇ／分を超えたもの、又はアーク切れ発生有りのものを不良（×）とした。なお、この評価は、表１及び表２に示す評価基準よりも厳しいものである。また、請求項４の高周波パルスの重畳については、１周期全て、又は「Ｔｕｐ１，Ｔｐ１，Ｔｄｏｗｎ，Ｔｂ１」及び「Ｔｕｐ２，Ｔｐ２，Ｔｂ２」のいずれか一方又は２つ以上の期間に高周波パルスを重畳しており、表５及び表６にはパルス周波数のみ記載している。
【００６９】
「溶接条件」
ワイヤ怪：１．２ｍｍ
シールドガス：ＣＯ２
試験板：ＳＭ４９０Ａ
チップ母材間距離：２５ｍｍ
トーチ前進角：３０°
ワイヤ送給速度：１３〜１５ｍ／分
溶接速度：４０ｃｍ／分
Ｉｐ１：５６０Ａ
Ｔｐ１：２．０ｍｓ
Ｉｂ１：１５０Ａ
Ｔｂ１：１．５ｍｓ
Ｉｐ２：４５０Ａ
Ｔｐ２：５．０ｍｓ
Ｉｂ２：１５０Ａ
Ｔｂ２：８．０ｍｓ。
【００７０】
【表５】
【００７１】
【表６】
【００７２】
表５の実施例３５〜４０は本願請求項２の範囲を満たすものであり、第１及び第２パルス立上り期間Ｔｕｐ１及びＴｕｐ２並びに第１パルス立下り期間Ｔｄｏｗｎにスロープ期間を設けたものである。
【００７３】
実施例４１〜４２は請求項３の実施例であり、実施例４１は溶滴離脱検知を実施したもの、実施例４２は第１及び第２パルス立上り期間並びに第１パルス立下り期間にスロープ期間を設けた上、溶滴離脱検知を実施したものである。
【００７４】
実施例４３〜４７は請求項３の実施例であり、実施例４３〜４４は高周波パルスを重畳したもの、実施例４５は第１及び第２パルス立上り期間並びに第１パルス立下り期間にスロープ期間を設けた上、高周波パルスを重畳したもの、実施例４６は溶滴離脱検知を実施した上、高周波パルスを重畳したもの、実施例４７は第１及び第２パルス立上り期間並びに第１パルス立下り期間にスロープ期間を設けた上、溶滴離脱検知を実施し、高周波パルスを重畳したものである。
【００７５】
次に、表６に示す比較例について説明する。但し、これらの比較例４８〜６１は、本発明の請求項１を満足するものである。比較例４８は第１及び第２パルス立上り期間並びに第１パルス立下り期間にスロープ期間を設けていないため、離脱失敗時に大粒スパッタ及びヒュームが発生し、また、アーク切れも発生した。この比較例４８を実施例４１と比較すると、比較例４８は離脱検知無しであるため、若干の離脱タイミングのずれに起因する小粒スパッタも生じた。比較例４８を、実施例４３及び４４と比較すると、高周波パルス付与無しであるため、溶滴の押し上げがやや大きく、溶滴の離脱方向がワイヤ方向から大きく反れる場合もあった。
【００７６】
比較例４９は第１パルス立上り期間Ｔｕｐ１を設けていないため、第２ベース電流から第１パルスピーク電流に至る過程における急激なアーク力の増加による離脱失敗時に大粒スパッタ及びヒュームが発生し、また、アーク切れも発生した。比較例５０は第１パルス立上り期間Ｔｕｐ１が上限値を超えるため、離脱に時間がかかり、溶滴の粗大化による離脱ミスを招く。比較例５１は第１パルス立下り期間Ｔｄｏｗｎを設けていないため、第１パルスピーク電流から第１ベース電流に至る過程における急激なピンチ力の低下により、離脱途中でベース電流へ変化して溶滴離脱を失敗した場合、大粒スパッタ及びヒュームが発生した。比較例５２は第１パルス立下り期間Ｔｄｏｗｎが上限値を超えるため、離脱時に電流レベルの高い状態にある場合が多く、小粒スパッタが増加した。比較例５３は第２パルス立上り期間ＴＵｐ２を設けていないため、第１ベース電流から第２パルスピーク電流に至る過程における急激なアーク力の増加による残留融液の飛散スパッタ及びヒュームが発生し、また、アーク切れも発生した。比較例５４は第２パルス立上り期間Ｔｕｐ２が上限値を超えるため、溶滴の形成に時間がかかり、評価溶滴の粗大化による離脱ミスが生じた。比較例５５は高周波パルスの周波数が下限値未満であるため、実施例４３と比較すると、アーク力緩和効果は少なく、溶滴の振動が大きくなり、安定な溶滴の成長・整形が行えなくなり、スパッタが増大した。また、第１及び第２パルス立上り期間及び第１パルス立下り期間にスロープ期間を設けていないため、離脱失敗時に大粒スパッタ及びヒュームが発生し、また、アーク切れも発生した。比較例５６は高周波パルスの周波数が上限値を超えるため、実施例４３と比較すると、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・アークが軸対象となりにくくなり、スパッタが増大した。また、第１及び第２パルス立上り期間並びに第１パルス立下り期間にスロープ期間を設けていないため、離脱失敗時に大粒スパッタ及びヒュームが発生し、また、アーク切れも発生した。比較例５７は高周波パルスの周波数が下限値未満であるため、第１及び第２パルス立上り期間並びに第１パルス立下り期間にスロープ期間を設けているのにもかかわらず、実施例４５と比較すると、アーク力緩和効果が少なく、溶滴の振動が大きくなり、安定な溶滴の成長・整形が行えなくなり、スパッタが増大した。比較例５８は高周波パルスの周波数が上限値を超えるため、第１及び第２パルス立上り期間並びに第１パルス立下り期間にスロープ期間を設けているのにもかかわらず、実施例４５と比較すると、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・アークが軸対象となりにくくなり、スパッタを増大させた。比較例５９は高周波パルスの周波数が下限値未満であるため、溶滴離脱検知を実施しているのにもかかわらず、実施例４６と比較すると、アークカ緩和効果が少なく、溶滴の振動が大きくなり、安定な溶滴の成長・整形が行えなくなり、スパッタが増大した。比較例６０は高周波パルスの周波数が下限値未満であるため、第１及び第２パルス立上り期間並びに第１パルス立下り期間にスロープ期間を設け、溶滴離脱検知を実施しているのにもかかわらず、実施例４７と比較すると、アーク力緩和効果が少なく、溶滴の振動が大きくなり、安定な溶滴の成長・整形が行えなくなり、スパッタが増大した。比較例６１は高周波パルスの周波数が上限値を超えるため、第１及び第２パルス立上り期間並びに第１パルス立下り期間にスロープ期間を設け、溶滴離脱検知を実施しているのにもかかわらず、実施例４７と比較すると、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・アークが軸対象となりにくくなり、スパッタが増大した。
【００７７】
以下、本発明の請求項５及び６に関する実施例について説明する。下記溶接条件及びパラメータ並びに下記表５及び６に示す溶接ワイヤを用いて炭酸ガスをシールドガスとして用いた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。スバッタ捕集方法及びヒューム量測定方法は前述と同様である。スパッタ発生量が２．０ｇ／分以下、ヒューム発生量が３００ｍｇ／分以下のものを良好（○）、スパッタ発生量が２．０ｇ／分を超えるもの、又はヒューム発生量が３００ｍｇ／分を超えるものを、不良（×）とした。
【００７８】
「溶接条件」
ワイヤ径：１．２ｍｍ
シールドガス：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／ｍｉｎ
ワイヤ送給速度１５．５ｍ／ｍｉｎ
Ｉｐ１：５６０Ａ
Ｔｐ１：２．０ｍｓ
Ｉｂ１：１５０Ａ
Ｔｂ１：１．５ｍｓ
Ｉｐ２：４５０Ａ
Ｔｐ２：５．０ｍｓ
Ｉｂ２：１５０Ａ
Ｔｂ２：８．０ｍｓ。
【００７９】
【表７】
【００８０】
【表８】
【００８１】
表５の実施例６５〜７５は本願請求項５を満たすものであり、スパッタ及びヒュームが少ない良好な溶接を行なえたものである。特に、実施例６５と比較して実施例６、実施例６８と比較して実施例６９、実施例７２と比較して実施例７３では、ほぼ同様の組成をもつワイヤにおいて、銅めつ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ことがわかる。
【００８２】
従って、銅めっきを施さないことにより、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。
【００８３】
これに対し、比較例７６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・振動が激しくなり、スパッタが増大した。比較例７７はワイヤ中のＳｉが下限値以下であるため、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７８，７９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、スパッタを増大させる。比較例８０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８１，８２はワイヤ中のＭｎが上限値を超えるため、溶滴の粘性が高くなりすぎ、１周期あたり１溶滴移行から外れ、スパッタが増大した。比較例８３，８４はワイヤ中のＴｉ＋Ａｌ＋Ｚｒ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８５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周期あたり１溶滴移行から外れ、スパッタが増大した。なお、比較例７６〜８５は本願請求項１の要件を満たすものである。
【００８４】
次に、チップと母材との間の距離が変化した場合について、アーク長を一定に維持するための各パラメータの調整に関する実施例について説明する。下記表９は直径が１．２ｍｍのワイヤ（ＪＩＳ Ｚ３３１２ＹＧＷ１１）を使用して、ワイヤ送給速度を１０．５ｍ／分として溶接した場合において、基準条件（チップ母材間距離２５ｍｍ）からチップ母材間距離を変化させた場合の収束条件を示す。また、下記表１０は直径が１．２ｍｍのワイヤ（ＪＩＳ Ｚ３３１２ＹＧＷ１１）を使用して、ワイヤ送給速度を１６．０ｍ／分として溶接した場合において、基準条件（チップ母材間距離２５ｍｍ）からチップ母材間距離を変化させた場合の収束条件を示す。いずれの場合も、シールドガスはＣＯ２単体であり、試験板（被溶接板）はＳＭ４９０Ａ、溶接速度は４０ｃｍ／分であった。
【００８５】
【表９】
【００８６】
【表１０】
【００８７】
実施例９１乃至９８及び１０２乃至１０７は、チップ母材間の距離が変化しても、１周期あたり１溶滴移行を乱さない範囲で、Ｉｐ２，Ｉｂ２，Ｔｐ２及びＴｂ２の１種以上を調整することにより、溶融バランスを維持し、アーク長を一定に制御している。一方、比較例９９乃至１０１及び１０８乃至１１１は、チップ母材間の距離が変化することに応じてＩｐ２、Ｉｂ２、Ｔｐ２及びＴｂ２を調整することにより、溶融バランスを維持したが、各パラメータが本発明の範囲から外れるため、１周期あたり１溶滴移行が達成されず、スパッタ及びヒュームが増加した。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の溶接電流パルスの波形図である。
【図２】パルス電流と溶接移行機構との関係を示す模式図である。
【図３】立ち上がりスロープ及び立ち下がりスロープを持つパルス波形を示す波形図である。
【図４】スパッタ捕集方法を示す斜視図である。
【図５】ワイヤ送給速度とスパッタ発生量との関係を示すグラフ図である。
【図６】ワイヤ送給速度とヒューム発生量との関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００８９】
１，２：銅箱
１ａ、２ａ：開口
３：被溶接材
４：トーチ
５：スパッタ
【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、第１パルスと第２パルスとが交互に繰り返されるパルス電流を溶接電流としてアーク溶接する方法であって、前記第１パルスと第２パルスとは、相互にパルスピーク電流レベル及びパルス幅の異なるパルス波形を有し、第１パルスのピーク電流Ｉｐ１が３００乃至７００Ａ、ピーク期間Ｔｐ１が０．３乃至５．０ｍｓ、ベース電流Ｉｂ１が３０乃至２００Ａ、ベース期間Ｔｂ１が０．３乃至１０ｍｓであり、第２パルスのピーク電流Ｉｐ２が２００乃至６００Ａ、ピーク期間Ｔｐ２が１．０乃至１５ｍｓ、ベース電流Ｉｂ２が３０乃至２００Ａ、ベース期間Ｔｂ２が３．０乃至２０ｍｓであり、また、Ｉｐ１＞Ｉｐ２であり、１周期あたり１溶滴を移行させると共に、コンタクトチップと母材との間の距離が変化した場合に、１周期あたり１溶滴移行を乱さない範囲で前記Ｉｐ２、Ｉｂ２、Ｔｐ２及びＴｂ２からなる群から選択された少なくとも１種以上を調整することにより、アーク長を一定に制御することを特徴とするパルスアーク溶接方法。
【請求項２】
ワイヤ送給速度毎に適正なＩｐ２，Ｔｐ２，Ｉｂ２を予め設定し、ワイヤ送給速度の増加に伴い、Ｔｂ２を３．０乃至２０ｍｓの範囲内に確保できるように、Ｉｐ２，Ｔｐ２及びＩｂ２からなる群から選択された少なくとも１種以上を増加させ、ワイヤ溶融速度を増加させ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３】
前記第１パルスの立ち上がり及び立ち下がりに対し変化が緩やかになるように時間軸に対して傾斜を設け、前記第２パルスの立ち上がりに対し変化が緩やかになるように時間軸に対して傾斜を設け、第１パルスの立ち上がりスロープ期間をＴｕｐ１、第１パルスの立ち下がりスロープ期間をＴｄｏｗｎ、第２パルスの立ち上がりスロープ期間をＴｕｐ２としたとき、Ｔｕｐ１及びＴｕｐ２はいずれも３ｍｓ以下、Ｔｄｏｗｎは６ｍｓ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のパルスアーク溶接方法。
【請求項４】
第１パルスピーク期間Ｔｐ１又はそれに続く第１パルス立下りスロープ期間Ｔｄｏｗｎ中に溶滴の離脱を検知すると同時に、それが第１パルスピーク期間Ｔｐ１中又は第１パルス立下りスロープ期間Ｔｄｏｗｎ中であっても、直ちに第１パルスベース電流Ｉｂ１又は検知時の電流より低い所定電流に切替えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパルスアーク溶接方法。
【請求項５】
１周期の全て、又は「Ｔｕｐ１、Ｔｐ１，Ｔｄｏｗｎ，Ｔｂ１」若しくは「Ｔｕｐ２、Ｔｐ２、Ｔｂ２」のいずれか一方又は２つ以上の期間において、パルス周波数５００乃至２０００Ｈｚの高周波パルスを溶接電流に重畳することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のパルスアーク溶接方法。
【請求項６】
Ｃ：０．１０質量％以下、Ｓｉ：０．２０乃至１．０質量％、Ｍｎ：０．５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組成を有す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乃至５のいずれか１項に記載のパルスアーク溶接方法。
【請求項７】
ワイヤ表面に銅めつ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６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、第１パルスと第２パルスとが交互に繰り返されるパルス電流を溶接電流としてアーク溶接する方法であって、前記第１パルスと第２パルスとは、相互にパルスピーク電流レベル及びパルス幅の異なるパルス波形を有し、第１パルスのピーク電流Ｉｐ１が３００乃至７００Ａ、ピーク期間Ｔｐ１が０．３乃至５．０ｍｓ、ベース電流Ｉｂ１が３０乃至２００Ａ、ベース期間Ｔｂ１が０．３乃至１０ｍｓであり、第２パルスのピーク電流Ｉｐ２が２００乃至６００Ａ、ピーク期間Ｔｐ２が１．０乃至１５ｍｓ、ベース電流Ｉｂ２が３０乃至２００Ａ、ベース期間Ｔｂ２が３．０乃至２０ｍｓであり、また、Ｉｐ１＞Ｉｐ２であり、１周期あたり１溶滴を移行させると共に、コンタクトチップと母材との間の距離が変化した場合に、１周期あたり１溶滴移行を乱さない範囲で前記Ｉｐ２、Ｉｂ２、Ｔｐ２及びＴｂ２からなる群から選択された少なくとも１種以上を調整することにより、アーク長を一定に制御することを特徴とするパルスアーク溶接方法。
【請求項２】
ワイヤ送給速度毎に適正なＩｐ２，Ｔｐ２，Ｉｂ２を予め設定し、ワイヤ送給速度の増加に伴い、Ｔｂ２を３．０乃至２０ｍｓの範囲内に確保できるように、Ｉｐ２，Ｔｐ２及びＩｂ２からなる群から選択された少なくとも１種以上を増加させ、ワイヤ溶融速度を増加させ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３】
前記第１パルスの立ち上がり及び立ち下がりに対し変化が緩やかになるように時間軸に対して傾斜を設け、前記第２パルスの立ち上がりに対し変化が緩やかになるように時間軸に対して傾斜を設け、第１パルスの立ち上がりスロープ期間をＴｕｐ１、第１パルスの立ち下がりスロープ期間をＴｄｏｗｎ、第２パルスの立ち上がりスロープ期間をＴｕｐ２としたとき、Ｔｕｐ１及びＴｕｐ２はいずれも３ｍｓ以下、Ｔｄｏｗｎは６ｍｓ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のパルスアーク溶接方法。
【請求項４】
第１パルスピーク期間Ｔｐ１又はそれに続く第１パルス立下りスロープ期間Ｔｄｏｗｎ中に溶滴の離脱を検知すると同時に、それが第１パルスピーク期間Ｔｐ１中又は第１パルス立下りスロープ期間Ｔｄｏｗｎ中であっても、直ちに第１パルスベース電流Ｉｂ１又は検知時の電流より低い所定電流に切替えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパルスアーク溶接方法。
【請求項５】
１周期の全て、又は「Ｔｕｐ１、Ｔｐ１，Ｔｄｏｗｎ，Ｔｂ１」若しくは「Ｔｕｐ２、Ｔｐ２、Ｔｂ２」のいずれか一方又は２つ以上の期間において、パルス周波数５００乃至２０００Ｈｚの高周波パルスを溶接電流に重畳することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のパルスアーク溶接方法。
【請求項６】
Ｃ：０．１０質量％以下、Ｓｉ：０．２０乃至１．０質量％、Ｍｎ：０．５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組成を有す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乃至５のいずれか１項に記載のパルスアーク溶接方法。
【請求項７】
ワイヤ表面に銅めつ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６に記載のパルスアーク溶接方法。
【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２００７−２３７２７０（Ｐ２００７−２３７２７０Ａ）
【公開日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−６５６５０（Ｐ２００６−６５６５０）
【出願日】平成１８年３月１０日（２００６．３．１０）
【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９月２０日（２００７．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月１０日（２００６．３．１０）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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