消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法および消耗電極式ガスシールドアーク溶接システム
【課題】安価な炭酸ガスをシールドガスとして用いた場合であってもスパッタ量を低減でき、多層盛り溶接等においても高溶着量を得ることができる消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法および消耗電極式ガスシールドアーク溶接システムを提供する。
【解決手段】シールドガスＧとして炭酸ガスを用い、１周期あたりパルスピーク電流レベルおよび／またはパルス幅の異なる２種類のパルス波形を交互に出力し、１周期あたり１溶滴を移行させるパルスアークを先行極アークとして用いて溶融池Ｍを形成し、通電加熱されたフィラーワイヤ６ｂを後行極として溶融池Ｍに挿入し、通電加熱距離Ｅｘを２００〜５００×１０−３［ｍ］とし、先行極ベース電流値が後行極フィラー電流値よりも大きくなるように設定する。
【解決手段】シールドガスＧとして炭酸ガスを用い、１周期あたりパルスピーク電流レベルおよび／またはパルス幅の異なる２種類のパルス波形を交互に出力し、１周期あたり１溶滴を移行させるパルスアークを先行極アークとして用いて溶融池Ｍを形成し、通電加熱されたフィラーワイヤ６ｂを後行極として溶融池Ｍに挿入し、通電加熱距離Ｅｘを２００〜５００×１０−３［ｍ］とし、先行極ベース電流値が後行極フィラー電流値よりも大きくなるように設定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、消耗電極ワイヤと通電加熱したフィラーワイヤとを用いた消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法および消耗電極式ガスシールドアーク溶接システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、製造業においては、工期短縮、コストダウンに懸命の努力が払われており、消耗電極式ガスシールドアーク溶接においては更なる高能率化に対する要望が高まっている。ここで、１電極ワイヤによる消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法においては、高能率化を図るためにワイヤ溶融速度を増加させると、スパッタの大量発生のみならず、ワイヤ送給速度の変動によるアーク不安定、溶融池が掘下げられることによる不整ビードの形成、溶接欠陥の発生、等の数々の問題が頻発するため、ワイヤ溶融速度を増加させて高溶着化し、高能率化を図ることには限界がある。
【０００３】
更なる高能率化を図るための２電極消耗電極式ワイヤ（以下、２電極ワイヤという）を用いた消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法であるホットワイヤＧＭＡ（Gas Metal Arc）溶接法は、消耗電極式ワイヤによってアークを発生させて溶融池を形成し、通電加熱したフィラーワイヤを当該溶融池に挿入することで、アーク溶接の高能率化を図る溶接方法である。
【０００４】
このようなホットワイヤＧＭＡ溶接法を用いた技術としては、例えば次のようなものが提案されている。特許文献１では、シールドガスノズル内に２本のワイヤを挿入して先行の消耗電極ワイヤでアークを発生させ、後行のフィラーワイヤを溶融池に挿入する消耗電極式アーク溶接法であって、消耗電極ワイヤから母材に流れる溶接電流の一部を分流してフィラーワイヤに導いて溶接電源のアース端へと合流させる溶接法が提案されている。このような溶接法を用いると、近接している消耗電極ワイヤとフィラーワイヤとに流される電流の向きが逆になるため、アークが常に前方を向くようになり、高速溶接時における溶け込み深さを確保することができるという効果があった。
【０００５】
また、特許文献２では、先行の消耗電極ワイヤでアークを発生させ、後行の無通電フィラーワイヤを溶融池に挿入することにより、溶融池の冷却を促進すると同時に、溶融金属の充填を行う２溶接ワイヤ送給アーク溶接方法が提案されている。このような溶接方法を用いると、薄板重ね継手の高速溶接において、アンダカットやハンピングといった不整ビード欠陥を抑制することができるという効果があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０３−２７５２８０号公報
【特許文献２】特開２００８−０５５５０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように、フィラーワイヤを用いた溶接法は既に広く知られている技術であるが、ホットワイヤＧＭＡ溶接法は、２電極間の磁気干渉によりスパッタが大量発生するという課題が解決されておらず、技術的に定着しているとは言い難かった。特に、ガスコストが安価な炭酸ガスアーク溶接を先行極として用いると、スパッタが極めて多くなるため、その適用例は皆無であった。
【０００８】
例えば、特許文献１で提案された溶接法では、先行極と近接した後行極の分流電流により、先行極アークが磁気干渉を受けて不安定となる。その結果、１電極ワイヤの場合と比較して先行極からのスパッタ量が増加するという問題があった。また、高溶着化を狙ってフィラーワイヤの溶融速度を増加させるには、分流電流を２００〜４００［Ａ］程度まで増加させる必要があるため、先行極アークからのスパッタ量が著しく増加するという問題が生じた。
【０００９】
さらに、特許文献１で提案された溶接法において、先行極アークに安価な炭酸ガスをシールドガスとして用い、かつ、通常の直流定電圧電源を用いて溶接を行うと、先行極の溶滴移行がもともと不規則なグロビュラー移行であるため、磁気干渉によるスパッタ量が極めて著しかった。また、この場合、ガスノズルに付着したスパッタがシールド不良を発生させる上、溶接部周辺に大量の大粒スパッタが付着してしまう。このような問題は、後行極フィラーへの通電電流を分流電流に拠らず別電源から供給する場合であっても同様であった。
【００１０】
また、特許文献２に係る溶接方法では、フィラーワイヤが通電加熱されていないため、フィラーワイヤの溶融速度を大幅に増加させることはできないという問題があった。そのため、中厚板を対象とした多層盛り溶接で望まれる溶着量増加効果が期待できなかった。
【００１１】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであって、消耗電極ワイヤと通電加熱したフィラーワイヤとを用いた消耗電極式ガスシールドアーク溶接において、安価な炭酸ガスをシールドガスとして用いた場合であっても、スパッタ量が少なく、かつ、中厚板の多層盛り溶接等においても高溶着量を得ることができる消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法および消耗電極式ガスシールドアーク溶接システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記した課題を解決するために本発明に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法は、消耗電極ワイヤによるアークで形成された溶融池に、フィラー電流によって通電加熱されたフィラーワイヤを添加する消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法であって、シールドガスとして炭酸ガスを用い、１周期あたりパルスピーク電流レベルおよび／またはパルス幅の異なる２種類のパルス波形を交互に出力し、１周期あたり１溶滴を移行させるパルスアークを先行極アークとして用いて溶融池を形成し、通電加熱された前記フィラーワイヤを後行極として前記溶融池に挿入し、前記溶融池に挿入される前記フィラーワイヤの先端と前記フィラーワイヤの通電点との距離を、２００〜５００×１０−３［ｍ］とし、先行極ベース電流値が後行極フィラー電流値よりも大きくなるように設定する。
【００１３】
このような手順によれば、消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法は、シールドガスとして炭酸ガスを用い、かつ、消耗電極ワイヤと通電加熱したフィラーワイヤの２電極ワイヤを用いてアーク溶接を行うことで、低コストかつ高能率のアーク溶接が可能となる。またパルスアークを先行極アークとして用いることで、溶滴の形成および離脱をパルス電流波形に同期させて規則正しく行うことができる。
【００１４】
また、溶融池に挿入されるフィラーワイヤの先端とフィラーワイヤの通電点との距離を所定範囲内としてフィラーワイヤの通電加熱距離を延長することで、フィラーワイヤの予熱に必要なフィラー電流を従来よりも大幅に低減することができる。さらに、後行極フィラー電流値を先行極ベース電流値以下とすることで、後行極に給電されたフィラー電流による、ベース期間中の先行極アークに対する磁気干渉を抑制することができ、先行極アークの硬直性を維持することができる。
【００１５】
また、本発明に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法は、前記消耗電極ワイヤの先端と前記フィラーワイヤの先端との距離である電極間距離Ｄｅ［ｍ］を、４〜１５×１０−３［ｍ］の範囲内とし、前記電極間距離Ｄｅ［ｍ］と、前記溶融池に挿入される前記フィラーワイヤの先端と前記フィラーワイヤの通電点との距離である通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］と、前記フィラーワイヤの送給速度Ｖｗ［ｍ／ｓ］と、前記フィラーワイヤの電流密度Ｊ［Ａ／ｍ２］と、の関係を、下記式（１）を満たすものとすることが好ましい。
【００１６】
【数１】
【００１７】
このような手順によれば、消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法は、電極間距離Ｄｅ［ｍ］、通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］、フィラーワイヤの送給速度Ｖｗ［ｍ／ｓ］、フィラーワイヤの電流密度Ｊ［Ａ／ｍ２］、の関係を所定の関係とすることにより、送給されるフィラーワイヤの温度分布を最適化することができる。従って、フィラーワイヤの加熱不足や過熱を防止することができ、例えば未溶融フィラーワイヤが被溶接部材を突っつくことにより、溶融池を乱し先行極アークからのスパッタを発生させてしまう現象や、フィラーワイヤが過熱されて軟化することにより、微少な送給変動が生じフィラー側からアークが発生してしまう結果、スパッタを発生させてしまう現象を防止することができる。
【００１８】
また、本発明に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法は、前記後行極フィラー電流値を１５０［Ａ］以下とすることが好ましい。
【００１９】
このような手順によれば、消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法は、後行極フィラー電流値を所定値以下とすることにより、後行極に給電されたフィラー電流による、ベース期間中の先行極アークに対する磁気干渉をより抑制することができる。
【００２０】
そして、本発明に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接システムは、１周期あたりパルスピーク電流レベルおよび／またはパルス幅の異なる２種類のパルス波形を交互に出力し、１周期あたり１溶滴を移行させるパルスアークを先行極アークとして用いて形成した溶融池に、フィラー電流によって通電加熱されたフィラーワイヤを添加する消耗電極式ガスシールドアーク溶接システムであって、シールドガスとして炭酸ガスを用い、先行極ベース電流値が後行極フィラー電流値よりも大きくなるように設定し、先行極である消耗電極ワイヤを被溶接部材に供給する先行極トーチと、前記溶融池に挿入される前記フィラーワイヤの先端と前記フィラーワイヤの通電点との距離が２００〜５００×１０−３［ｍ］である給電部材と、を備え、後行極である前記フィラーワイヤを前記溶融池に供給する後行極トーチと、を備える構成とする。
【００２１】
このような構成を備える消耗電極式ガスシールドアーク溶接システムは、シールドガスとして炭酸ガスを用い、かつ、消耗電極ワイヤと通電加熱したフィラーワイヤの２電極ワイヤを用いてアーク溶接を行うことで、低コストかつ高能率のアーク溶接が可能となる。またパルスアークを先行極アークとして用いることで、溶滴の形成および離脱をパルス電流波形に同期させて規則正しく行うことができる。
【００２２】
また、溶融池に挿入されるフィラーワイヤの先端とフィラーワイヤの通電点との距離を所定範囲内としてフィラーワイヤの通電加熱距離を長くすることで、フィラーワイヤの予熱に必要なフィラー電流を従来よりも大幅に低減することができる。さらに、後行極フィラー電流値を先行極ベース電流値以下とすることで、後行極に給電されたフィラー電流による、ベース期間中の先行極アークに対する磁気干渉を抑制することができ、先行極アークの硬直性を維持することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法および消耗電極式ガスシールドアーク溶接システムによれば、安価な炭酸ガスをシールドガスとして用いても、溶滴の形成と離脱は１電極ワイヤ時と同様に行われ、通常の直流定電圧電源を先行極アーク用として用いたホットワイヤＧＭＡ溶接法と比較してスパッタ量を大幅に低減できる。また、消耗電極ワイヤと通電加熱したフィラーワイヤの２電極ワイヤを用いてアーク溶接を行うため、中厚板の多層盛り溶接等においても高溶着量を得ることができる。従って、低コスト、低スパッタ、高溶着を兼ね備えた溶接方法および溶接システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施形態に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接システムの溶接制御装置が生成するパルス波形の一例を示す波形図である。
【図２】実施形態に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接システムの溶接制御装置が生成するパルス波形による溶接ワイヤ先端部の時系列変化を模式的に示す説明図である。
【図３】実施形態に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接システムの溶接制御装置の制御により測定された溶接電圧および溶接電流のタイミングチャートである。
【図４】実施形態に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接システムの一例を模式的に示す構成図である。
【図５】実施形態に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接システムの溶接電源、フィラー電源および溶接制御装置の内部構成を示すブロック図である。
【図６】図５に示すくびれ検出器の構成例を示すブロック図である。
【図７】本発明の効果を示す実験例に関する図であって、（ａ）は、フィラーワイヤの送給速度とフィラー電流値との関係を通電加熱距離別に示したグラフ、（ｂ）は、フィラーワイヤの送給速度とスパッタ発生量との関係を通電加熱距離別に示したグラフ、である。
【図８】本発明の効果を示す実験例に関する図であって、（ａ）は、パルスベース電流値をフィラー電流値よりも低くした状態でパルスアーク溶接を行った場合における、先行極の溶接電流および溶接電圧と、後行極のフィラー電流値の時間的変化を示すグラフ、（ｂ）は、パルスベース電流値をフィラー電流値よりも高くした状態でパルスアーク溶接を行った場合における、先行極の溶接電流および溶接電圧と、後行極のフィラー電流値の時間的変化を示すグラフ、である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接システムおよび消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法について、詳細に説明する。まず、パルスアーク溶接の概要について説明した後、アーク溶接システムおよびアーク溶接方法について、説明していくこととする。なお、以下の説明では、「消耗電極式ガスシールドアーク溶接システム」を適宜「アーク溶接システム」と略し、「消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法」を適宜「アーク溶接方法」と略すこととする。
【００２６】
［パルスアーク溶接の概要］
アーク溶接システムおよびアーク溶接方法は、一般的な直流定電圧電源を用いたアーク溶接ではなく、アーク溶接システムの溶接制御装置が、予め設定された波形パラメータに基づいて、図１に示すような異なる２種類のパルス波形をパルス周期の１周期の間に交互に生成して溶接電源に出力することで、パルス周期の１周期ごとに１溶滴の移行を行うパルスアーク溶接を前提としている。以下、図１を参照しながらパルスアーク溶接の概要について、簡単に説明する。
【００２７】
パルス波形ＷＰは、図１に示すように、後記する溶接制御装置によって生成される矩形もしくは台形の形を繰り返す電流波形である。パルス波形ＷＰのうち、図１に示す第１パルス２０１は、消耗電極ワイヤ先端からの溶滴を離脱させるための第１パルス波形である。ここで、第１パルス２０１のピーク期間Ｔｐ１およびベース期間Ｔｂ１を含む期間を第１パルス期間と呼ぶ。また、第１パルス２０１には、図１に示すようにピーク電流値Ｉｐ１およびベース電流値Ｉｂ１が設定されている。なお、ピーク電流値Ｉｐ１は、第２パルス２０２のピーク電流値Ｉｐ２よりも大きくなるように設定されている。
【００２８】
パルス波形ＷＰのうち、図１に示す第２パルス２０２は、溶滴を形成するための第２パルス波形である。ここで、第２パルス２０２のピーク期間Ｔｐ２およびベース期間Ｔｂ２を含む期間を第２パルス期間と呼ぶ。また、第２パルス２０２には、図１に示すようにピーク電流値Ｉｐ２およびベース電流値Ｉｂ２が設定されている。なお、図１に示すパルス波形ＷＰにおいて、溶接電流の時間積分を時間的に平均化したものを平均電流値Ｉａと呼ぶ。
【００２９】
パルス周期の１周期は、第１パルス期間と第２パルス期間とからなる。図１では、前回を示す第（ｎ−１）回目のパルス周期をＴｐｂ（ｎ−１）と、今回を示す第（ｎ）回目のパルス周期をＴｐｂ（ｎ）と、示している。なお、図１では、第１パルス２０１および第２パルス２０２の形状を矩形で示したが、より詳細には、ベース電流からピーク電流へ至る立上りスロープ期間である第１パルス立上りスロープ期間および第２パルス立上りスロープ期間や、ピーク電流からベース電流へ至るパルス立下りスロープ期間が含まれている。
【００３０】
実施形態に係るアーク溶接システムが備える溶接制御装置は、後記するように、溶接中に溶接電圧および溶接電流を検出しており、少なくとも一方に基づいて、図２に示すような溶滴のくびれ３０６を検出した場合に、直ちに第１パルス２０１の電流値を検出時の電流値よりも低い所定値に切り替える。なお、図２では低い所定値として、ベース電流に切り替える例を示している。このような電流値の切り替えに伴う溶滴移行の詳細は、以下の通りである。
【００３１】
図２において、符号３１１で示す消耗電極ワイヤ先端３０５は、前回のパルス周期Ｔｐｂ（ｎ−１）にて溶滴が離脱した後の第２パルスピーク期間Ｔｐ２に成長したものである。第２パルスベース期間Ｔｂ２に電流が急激に減少するため、溶滴に作用する上方への押上げ力が弱まり、溶滴は、消耗電極ワイヤ先端３０５に懸垂形成される。
【００３２】
続いて、第１パルスピーク期間Ｔｐ１に入ると、ピーク電流による電磁ピンチ力により、符号３１２で示すように、溶滴は変形し、急速にくびれ３０６が生じる。溶滴の離脱前にくびれ３０６を検知することにより、第１パルスピーク期間Ｔｐ１中あるいは第１パルス立下りスロープ期間中であっても即座に第１パルスベース電流値Ｉｂ１または検知時の電流より低い所定電流に切替え、離脱後のワイヤ側にアークが移動する瞬間においては、符号３１３で示すように電流が下がっている状態にする。これにより、ワイヤのくびれ３０６部分の飛散や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。
【００３３】
続いて、符号３１４で示すように、第２パルスピーク期間Ｔｐ２では、溶滴離脱後のワイヤに残留した融液が、離脱したり飛散したりしないようなレベルに予め第２パルスピーク電流値Ｉｐ２を設定した上で溶滴を成長させる。そして、符号３１５で示すように、第２パルスベース期間Ｔｂ２で溶滴の形成を行いながら再び、符号３１１で示す状態に戻るため、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。
【００３４】
そしてこのとき、後記するように、第１パルスベース期間Ｔｂ１および第２パルスベース期間Ｔｂ２における電流値がフィラー通電電流以上となるように設定すれば、ベース期間中における先行極アークに対する磁気干渉を抑制することができ、先行極アークの硬直性を維持できる。その結果、安価な炭酸ガスをシールドガスとして用いても、溶滴の形成と離脱は１電極ワイヤ時と同様に行われ、通常の直流定電圧電源を先行極アーク用として用いたホットワイヤＧＭＡ溶接法と比較してスパッタ量を大幅に低減できる。
【００３５】
ここで、実施形態に係るアーク溶接システムが溶接制御装置によって検出する溶接電圧の瞬時値Ｖｏの一例を図３の上段に示し、溶接電流の瞬時値Ｉｏの一例を図３の中段に示す。なお、溶接制御装置は、後記するように下記の式（２）で表す電圧誤差積分値Ｓｖ２の演算を行う。図３の下段に、電圧誤差積分値Ｓｖ２の演算の演算結果の一例を示す。
【００３６】
【数２】
【００３７】
式（２）に示されるパラメータのうち、Ｋｓは、溶接電源の外部特性の傾きであり、予め設定された消耗電極ワイヤの送給速度、溶接電圧の設定やワイヤの種類に応じて決定されている。Ｉｓ２は、第２パルス期間における溶接電流設定値であり、予め設定された溶接電流設定値Ｉｓに応じて決定されている。Ｖｓ２は、第２パルス期間における溶接電圧設定値であり、予め設定された溶接電圧設定値Ｖｓに応じて決定されている。Ｉｏ２は、第２パルス期間において検出された溶接電流の瞬時値である。Ｖｏ２は、第２パルス期間において検出された溶接電圧の瞬時値である。
【００３８】
溶接制御装置が式（２）で表す電圧誤差積分値Ｓｖ２の演算を開始するタイミングは、パルス周期において第１パルス期間を終了して第２パルス期間を開始した時点である。例えば、図３において、ｎパルス目のパルス周期において第１パルス期間の期間では、電圧誤差積分値Ｓｖ２の値は０であるが、第２パルス期間を開始した時点から、Ｓｖ２の値は０から下降していくことがわかる。続いて、第２パルスピーク期間Ｔｐ２が終了すると、Ｓｖ２の値は上昇し始め、０となった時点で、ｎパルス目のパルス周期が終了し、（ｎ＋１）パルス目のパルス周期が開始していることがわかる。
【００３９】
［消耗電極式ガスシールドアーク溶接システム］
次に、実施形態に係るアーク溶接システム１について、図４を参照しながら詳細に説明する。アーク溶接システム１は、前記したように、シールドガスＧとして炭酸ガスを用い、先行極である消耗電極ワイヤ６ａによるアークによって溶融池Ｍを形成し、後行極であるフィラーワイヤ６ｂを溶融池Ｍに添加して溶接を行うシステムである。
【００４０】
アーク溶接システム１は、図４に示すように、ワイヤ送給装置２ａ，２ｂと、溶接電源３ａと、フィラー電源３ｂと、溶接制御装置４と、先端から消耗電極ワイヤ６ａを供給する先行極トーチ５ａと、先端からフィラーワイヤ６ｂを供給する後行極トーチ５ｂと、を備えている。以下、アーク溶接システム１が備える各構成について、詳細に説明する。
【００４１】
ワイヤ送給装置２ａは、消耗電極ワイヤ６ａを先行極トーチ５ａに送給するための装置であり、消耗電極ワイヤ６ａを送り出すローラ等からなる装置である。ワイヤ送給装置２ａは、図４に示すように、溶接制御装置４を介して溶接電源３ａと接続されている。そして、この溶接制御装置４が溶接指令信号を溶接電源３ａに出力すると、溶接電源３ａによってワイヤ送給装置２ａが駆動され、図示しないワイヤ収納容器から図示しないワイヤ送給路を介して、消耗電極ワイヤ６ａが先行極トーチ５ａに送給される。
【００４２】
ワイヤ送給装置２ｂは、フィラーワイヤ６ｂを後行極トーチ５ｂに送給するための装置であり、フィラーワイヤ６ｂを送り出すローラ等からなる装置である。ワイヤ送給装置２ｂは、図４に示すように、溶接制御装置４を介してフィラー電源３ｂと接続されている。そして、この溶接制御装置４が指令信号をフィラー電源３ｂに出力すると、フィラー電源３ｂによってワイヤ送給装置２ｂが駆動され、図示しないワイヤ収納容器から図示しないワイヤ送給路を介して、フィラーワイヤ６ｂが後行極トーチ５ｂに送給される。
【００４３】
溶接電源３ａは、消耗電極ワイヤ６ａを送り出すワイヤ送給装置２ａに回転制御信号を出力して駆動するとともに、消耗電極ワイヤ６ａに溶接電流を供給するための電源である。溶接電源３ａは、溶接制御装置４の制御に従って、被溶接部材Ｗとの間にアークを発生させるために必要な大きさの溶接電流および溶接電圧を、後記する給電チップ２３を介して消耗電極ワイヤ６ａに供給する。なお、溶接電源３ａの詳細については、後記する。
【００４４】
フィラー電源３ｂは、フィラーワイヤ６ｂを送り出すワイヤ送給装置２ｂに回転制御信号を出力して駆動するとともに、フィラーワイヤ６ｂにフィラー電流を供給するための電源である。フィラー電源３ｂは、溶接制御装置４の制御に従って、ジュール熱によってフィラーワイヤ６ｂを加熱するために、フィラー電流およびフィラー電圧を給電ブロック１７を介してフィラーワイヤ６ｂに供給する。なお、フィラー電源３ｂの具体的な内部構成については、後記する。
【００４５】
ここで、フィラー電源３ｂとして通常の定電圧特性の溶接電源を用いると、ワイヤ送給量およびフィラー電流を単独で制御することができない。また、通常の定電圧特性の溶接電源では、アークを発生させずに安定した溶融池Ｍを形成するための条件範囲が小さくなり、本施行法の利点が損なわれる。従って、フィラーワイヤ６ｂから極力アークを発生させることなく良好な溶接ビードを得るためには、ワイヤ送給量およびフィラー電流を単独で制御することができる定電流特性の溶接電源をフィラー電源３ｂとして用いることが好ましい。
【００４６】
また、フィラー電源３ｂは、フィラーワイヤ６ｂと被溶接部材Ｗとの間の電圧を検出し、一定の電圧を超えたとき、すなわちアークの発生が検出されたときは、設定電流にかかわらずフィラー電流値Ｉｆを１０［Ａ］以下に瞬時に低減してフィラーワイヤ６ｂの溶融を抑えて、アークの発生を防止する機能を有することがより好ましい。
【００４７】
溶接制御装置４は、溶接電源３ａによる溶接電流の供給、フィラー電源３ｂによるフィラー電流の供給、および、ワイヤ送給装置２ａ，２ｂの駆動を制御するための装置である。なお、溶接制御装置４の具体的な内部構成については、後記する。
【００４８】
先行極トーチ５ａは、前記したワイヤ送給装置２ａの駆動によって、被溶接部材Ｗに対して消耗電極ワイヤ６ａを供給するものである。先行極トーチ５ａ内部には、後記する給電チップ２３が設けられており、溶接電源３ａからの溶接電流が当該給電チップ２３を介して消耗電極ワイヤ６ａに供給されるように構成されている。
【００４９】
この溶接電流は、前記したように、１周期あたりパルスピーク電流レベルおよび／またはパルス幅が異なる第１パルス２０１および第２パルス２０２を用いたパルス電流である。従って、消耗電極ワイヤ６ａと被溶接部材Ｗとの間には、前記したように１周期あたり１溶滴の移行を行なうパルスアークが発生し、図４に示すような溶融池Ｍが形成される。なお、この際に先行極トーチ５ａから供給する消耗電極ワイヤ６ａの極性は、図４に示すように、ＤＣＥＰとする。
【００５０】
後行極トーチ５ｂは、前記したワイヤ送給装置２ｂの駆動によって、溶融池Ｍに対してフィラーワイヤ６ｂを供給する装置である。後行極トーチ５ｂ内部には、後記する給電ブロック１７が設けられており、フィラー電源３ｂからのフィラー電流が当該給電ブロック１７を介してフィラーワイヤ６ｂに供給されるように構成されている。なお、後行極トーチ５ｂの具体的な内部構成については、後記する。
【００５１】
前記したフィラー電源３ｂからフィラーワイヤ６ｂの給電ブロック１７に対してフィラー電流が給電されると、当該給電ブロック１７内を走行するフィラーワイヤ６ｂはジュール熱によって通電加熱される。そして、このように通電加熱されて溶融しやすくなったフィラーワイヤ６ｂは、図４に示すように、消耗電極ワイヤ６ａによって形成された溶融池Ｍに挿入され、溶接金属となる。なお、この際に後行極トーチ５ｂから供給されるフィラーワイヤ６ｂの極性は、ＤＣＥＰとＤＣＥＮのどちらでもよい。
【００５２】
消耗電極ワイヤ６ａは、前記した先行極トーチ５ａによって被溶接部材Ｗに供給されるワイヤであり、フィラーワイヤ６ｂは、前記した後行極トーチ５ｂによって溶融池Ｍに供給されるワイヤである。消耗電極ワイヤ６ａとフィラーワイヤ６ｂとしては、例えば、ソリッドワイヤ、フラックス入りワイヤ等を用いることができ、それぞれ同じ種類のワイヤ、あるいは異なる種類のワイヤを用いることができる。なお、消耗電極ワイヤ６ａおよびフィラーワイヤ６ｂのワイヤ径は、溶接条件等によって適宜変更されるが、例えば１．０〜１．６［ｍｍφ］とすることができる。
【００５３】
ここで、本発明の実施形態に係るアーク溶接システム１においては、溶接電源３ａの先行極ベース電流値が、フィラー電源３ｂの後行極フィラー電流値よりも大きくなるように予め設定する。このように、先行極ベース電流値を後行極フィラー電流値よりも大きくすることにより、フィラー電流の影響による先行極アークのベース期間中における磁気干渉を抑制することができる。従って、先行極アークの硬直性を維持することができる。なお、先行極ベース電流値および後行極フィラー電流値の設定は、例えばアーク溶接を行う前に作業者が直接これらの設定値を調節することで行う。
【００５４】
次に、アーク溶接システム１が備える後行極トーチ５ｂの具体的な構成について、図４を参照しながら詳細に説明する。後行極トーチ５ｂは、図４に示すように、トーチボディ１１と、ワイヤガイド１２と、接続部材１３ａ，１３ｂと、スプリングライナー１４と、セラミックリング１５と、絶縁カバー１６と、給電ブロック１７と、絶縁ジョイント１８ａ，１８ｂと、押えスプリング１９と、を備えている。以下、後行極トーチ５ｂが備える各構成について、詳細に説明する。なお、図４においては、説明の便宜上後行極トーチ５ｂの縮尺を拡大して表示している。
【００５５】
トーチボディ１１は、後行極トーチ５ｂの基体となる筒状の部材である。トーチボディ１１は、図４に示すように、内部にフィラーワイヤ６ｂが走行可能な径の孔が形成されている。また、トーチボディ１１は、トーチ先端側の一端がワイヤガイド１２と接続され、トーチ後端側の他端が接続部材１３ａを介してスプリングライナー１４、セラミックリング１５および絶縁カバー１６と接続されている。
【００５６】
ワイヤガイド１２は、後行極トーチ５ｂ先端において、フィラーワイヤ６ｂをガイドしながら送り出す筒状の部材である。ワイヤガイド１２は、図４に示すように、内部にフィラーワイヤ６ｂが走行可能な径の孔が形成されている。また、ワイヤガイド１２は、トーチ後端側の他端がトーチボディ１１と接続されている。
【００５７】
スプリングライナー１４は、内部にフィラーワイヤ６ｂを走行させるための筒状の部材である。スプリングライナー１４は、例えばコイルスプリング等の弾性部材で構成することができる。スプリングライナー１４の内部には、図４に示すように、絶縁性のセラミックリング１５によって形成されたワイヤ送給路が形成され、外部は絶縁カバー１６で被覆されている。従って、スプリングライナー１４の内部および外部は、絶縁処理部材によっていずれも絶縁処理されている。スプリングライナー１４は、トーチ先端側の一端が接続部材１３ａを介してトーチボディ１１と接続され、トーチ後端側の他端が接続部材１３ｂを介して絶縁ジョイント１８ａと接続されている。
【００５８】
セラミックリング１５は、走行中のフィラーワイヤ６ｂを絶縁処理するための円筒状の部材である。セラミックリング１５は、図４に示すように、内部にフィラーワイヤ６ｂが走行可能な径の孔が形成されており、フィラーワイヤ６ｂの送給方向に複数並べることで筒状のワイヤ送給路を形成している。また、セラミックリング１５は、トーチ先端側の一端が接続部材１３ａを介してトーチボディ１１と接続され、トーチ後端側の他端が給電ブロック１７と接続されている。なお、セラミックリング１５は、後行極トーチ５ｂにおける絶縁処理部材として機能する。
【００５９】
絶縁カバー１６は、後行極トーチ５ｂ内部の部材を絶縁処理するための筒状の部材である。絶縁カバー１６は、例えばゴム等の絶縁性樹脂で構成することができる。絶縁カバー１６は、図４に示すように、スプリングライナー１４を周囲から被覆するように形成されている。また、絶縁カバー１６は、トーチ先端側の一端が接続部材１３ａを介してトーチボディ１１と接続され、トーチ後端側の他端が接続部材１３ｂを介して絶縁ジョイント１８ａと接続されている。なお、絶縁カバー１６は、後行極トーチ５ｂにおける絶縁処理部材として機能する。
【００６０】
給電ブロック１７は、走行中のフィラーワイヤ６ｂに対して、フィラー電流を給電するための給電部材である。給電ブロック１７は導電性の部材で構成され、図４に示すように、内部にフィラーワイヤ６ｂが走行可能かつ接触可能な径の孔が形成されている。また、給電ブロック１７は、トーチ先端側の一端がセラミックリング１５および絶縁ジョイント１８ａと接続され、トーチ後端側の他端が絶縁ジョイント１８ｂと接続されている。従って、給電ブロック１７は、消耗電極ワイヤ６ａ用の給電チップ２３と絶縁処理されている。
【００６１】
ここで、従来のホットワイヤＧＭＡ溶接法では、後行極トーチの先端近くにフィラー電流の給電点があるため、通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］は２５〜１００×１０−３［ｍ］程度であり、高溶着量を得るためにはフィラーワイヤ６ｂに大電流を通電する必要があった。そのため、従来のホットワイヤＧＭＡ溶接法では、後行極であるフィラーワイヤ６ｂに給電されたフィラー電流によって、先行極アークが磁気干渉を受け、規則的な溶滴形成と離脱が不可能となったり、アーク切れが発生していた。
【００６２】
一方、本発明の実施形態に係るアーク溶接システム１においては、フィラーワイヤ６ｂの通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］が２００〜５００×１０−３［ｍ］となるように、後行極トーチ５ｂの長さを調整する。この通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］とは、図４に示すように、溶融池Ｍに挿入されるフィラーワイヤ６ｂの先端Ｐ１と、フィラーワイヤ６ｂの通電点Ｐ２との距離を指している。また、フィラーワイヤ６ｂの先端Ｐ１とは、図４に示すように、溶融池Ｍ表面においてフィラーワイヤ６ｂが挿入される部分、言い換えると、溶融池Ｍとフィラーワイヤ６ｂとの接触部分のことを示している。そして、給電点Ｐとは、図４に示すように、フィラーワイヤ６ｂと給電ブロック１７との接触部分における最も先端、すなわち、最も溶融池Ｍに近い部分のことを示している。
【００６３】
このように、通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］を従来よりも延長することで、フィラーワイヤ６ｂの予熱に必要なフィラー電流を従来よりも大幅に低減することができる。その結果、先行極アークの磁気干渉によるスパッタ増加を抑制することができ、更なる低スパッタを実現できる。
【００６４】
なお、通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］を前記した範囲内とする方法としては、例えば、先行極トーチ５ａを製造する際に各部材の大きさおよび長さを調整して物理的な距離を調整する方法等が挙げられる。
【００６５】
絶縁ジョイント１８ａ，１８ｂは、フィラー電源３ｂから給電ブロック１７に給電されるフィラー電流が他部材に漏出しないように給電ブロック１７を絶縁するとともに、給電ブロック１７と他部材とを接続するための部材である。絶縁ジョイント１８ａ，１８ｂは、絶縁性の部材で構成され、図４に示すように、給電ブロック１７を両側から挟みこむように支持している。また、絶縁ジョイント１８ａは、トーチ先端側の一端が接続部材１３ｂを介してスプリングライナー１４、セラミックリング１５および絶縁カバー１６と接続され、トーチ後端側の他端が給電ブロック１７と接続されている。また、絶縁ジョイント１８ｂは、トーチ先端側の一端が給電ブロック１７と接続されている。なお、絶縁ジョイント１８ａ，１８ｂは、後行極トーチ５ｂにおける絶縁処理部材として機能する。
【００６６】
ここで、給電ブロック１７、スプリングライナー１４、ワイヤガイド１２からなるフィラーワイヤ送給系においては、給電ブロック１７から先のフィラーワイヤ６ｂは絶縁されている必要がある。そこで、前記したように、セラミックリング１５をワイヤ送給方向に並べてその中心にフィラーワイヤ６ｂが送給されるように構成する。そして、このセラミックリング１５をスプリングライナー１４や絶縁性樹脂等の絶縁カバー１６を用いて単独または両方で被覆することにより、フィラーワイヤ送給系に任意の曲率を付与することが可能となり、後行極トーチ５ｂの配置も容易となる。
【００６７】
押えスプリング１９は、給電ブロック１７内部の孔の径を、フィラーワイヤ６ｂが走行する中心方向に縮径させるための強制給電機構である。このように押えスプリング１９によって給電ブロック１７内部の孔の径を縮径させることで、給電ブロック１７とフィラーワイヤ６ｂとの接触が容易となる。押さえスプリング１９は、例えばコイルスプリング等の弾性部材で構成することができ、フィラーワイヤ６ｂの走行が妨げられない範囲内で、給電ブロック１７の外径を中心方向に縮径させる。
【００６８】
ここで、アーク溶接システム１においては、溶融池Ｍ直上における消耗電極ワイヤ６ａの先端とフィラーワイヤ６ｂの先端との距離である電極間距離Ｄｅ［ｍ］を、４〜１５×１０−３［ｍ］の範囲内となるように各電極を配置することが好ましい。電極間距離Ｄｅ［ｍ］が４×１０−３［ｍ］未満の場合、ワイヤの曲がり癖等によってワイヤ先端がふらつくため、先行極アーク中にフィラーワイヤ６ｂが溶融池Ｍに挿入されると、フィラーワイヤ６ｂが過度に溶融してフィラーワイヤ６ｂ側からもアークが発生してしまう場合がある。また、電極間距離Ｄｅ［ｍ］が１５×１０−３［ｍ］以上の場合、高溶着量を得るためにフィラーワイヤ６ｂの送給速度Ｖｗ［ｍ／ｓ］を増加させると、フィラー電流を増加させたとしても、フィラーワイヤ６ｂが完全に溶融しないまま溶融池Ｍに残り、溶接欠陥が発生してしまう場合がある。従って、アーク溶接システム１においては、電極間距離Ｄｅ［ｍ］を前記した範囲内とすることにより、安定した溶接が可能となる。
【００６９】
［溶接電源、フィラー電源および溶接制御装置の具体的構成］
次に、実施形態に係るアーク溶接システム１が備える溶接電源３ａ、フィラー電源３ｂおよび溶接制御装置４のそれぞれの具体的構成について、図５および図６を参照しながら詳細に説明する。なお、図５においては、先行極トーチ５ａおよび後行極トーチ５ｂを簡略化して図示している。
【００７０】
溶接電源３ａは、図５に示すように、出力制御素子２１と、電流検出器２２と、電圧検出器２４と、を備えている。以下、溶接電源３ａが備える各構成について、詳細に説明する。
【００７１】
出力制御素子２１は、３相２００Ｖ等の商用電源に接続されており、この出力制御素子２１に与えられた電流は、図示しないトランス、ダイオード等の整流部および直流リアクトルを経由して、溶接電流を検出する電流検出器２２を介して、給電チップ２３に与えられる。なお、給電チップ２３は、破線で示すように、先行極トーチ５ａ内に収納されている。
【００７２】
図示しないトランスを介した出力制御素子２１の低位電源側には、図５に示すように、被溶接部材Ｗが接続されており、給電チップ２３内を挿通して給電される消耗電極ワイヤ６ａと、被溶接部材Ｗとの間にアークが生起される。
【００７３】
電流検出器２２は、溶接電流の瞬時値Ｉｏを検出し、電流検出信号を先行極出力制御器２５に出力するものである。また、電流検出器２２は、第２パルス期間における溶接電流の瞬時値Ｉｏ２も検出し、この検出信号を積分器３６に出力する。
【００７４】
電圧検出器２４は、給電チップ２３と被溶接部材Ｗとの間の溶接電圧の瞬時値Ｖｏを検出し、電圧検出信号を先行極出力制御器２５に出力するものである。また、電圧検出器２４は、第２パルス期間における溶接電圧の瞬時値Ｖｏ２も検出し、この検出信号を積分器３６に出力する。
【００７５】
フィラー電源３ｂは、図５に示すように、出力制御素子２６と、電流検出器２７と、電圧検出器２８と、を備えている。以下、フィラー電源３ｂが備える各構成について、詳細に説明する。
【００７６】
出力制御素子２６は、３相２００Ｖ等の商用電源に接続されており、この出力制御素子２６に与えられた電流は、図示しないトランス、ダイオード等の整流部および直流リアクトルを経由して、フィラー電流を検出する電流検出器２７を介して、給電ブロック１７に与えられる。なお、給電ブロック１７は、破線で示すように、後行極トーチ５ｂに設けられている。
【００７７】
図示しないトランスを介した出力制御素子２６の低位電源側には、図５に示すように、被溶接部材Ｗが接続されている。給電ブロック１７内を挿通して給電されるフィラーワイヤ６ｂは、通電加熱され、被溶接部材Ｗに形成された溶融池Ｍに挿入される。
【００７８】
電流検出器２７は、フィラー電流の瞬時値Ｉｆを検出し、電流検出信号を後行極出力制御器２９に出力するものである。
【００７９】
電圧検出器２８は、給電ブロック１７と被溶接部材Ｗとの間のフィラー電圧の瞬時値Ｖｆを検出し、電圧検出信号を後行極出力制御器２９に出力するものである。
【００８０】
溶接制御装置４は、図５に示すように、先行極出力制御器２５と、後行極出力制御器２９と、波形生成器３１と、波形設定器３２と、くびれ検出器３３と、パラメータ設定器３４と、演算部３５と、積分器３６と、Ｓｖ２比較器３７と、を備えている。以下、溶接制御装置４が備える各構成について、詳細に説明する。
【００８１】
先行極出力制御器２５は、電流検出器２２から入力される溶接電流の検出信号（Ｉｏ）と、電圧検出器２４から入力される溶接電圧の検出信号（Ｖｏ）と、波形生成器３１から入力される第１パルス２０１および第２パルス２０２からなるパルス波形ＷＰを示す信号、とに基づいて、消耗電極ワイヤ６ａに給電する溶接電流および溶接電圧の指令値を決定し、溶接指令信号を出力して出力制御素子２１を制御することによって先行極トーチ５ａによる溶接出力を制御する。
【００８２】
後行極出力制御器２９は、指令信号を出力して出力制御素子２６を制御することによって後行極トーチ５ｂによるフィラー出力を制御する。なお、後行極出力制御器２９は、ジュール熱によってフィラーワイヤ６ｂを加熱するための電流であって、被溶接部材Ｗとの間にアークを発生させない程度の大きさのフィラー電流およびフィラー電圧の指令値を決定する。
【００８３】
また、後行極出力制御器２９は、フィラーワイヤ６ｂと被溶接部材Ｗとの間の電圧を検出し、一定の電圧を超えたとき、すなわちアークの発生が検出されたときは、設定電流にかかわらず、１０Ａ以下に電流値を瞬時に低減してフィラーワイヤ６ｂの溶融を抑え、アークの発生を防止する機能を備えることもできる。
【００８４】
波形生成器３１は、パルス波形ＷＰが異なる２種類のパルス信号として溶滴を離脱させるための第１パルス２０１と、溶滴を形成するための第２パルス２０２とを交互に生成し、出力制御素子２１を介して溶接電源３ａに出力するものである。このために、波形生成器３１には、波形設定器３２で設定された各種波形パラメータが入力される。
【００８５】
また、波形生成器３１は、溶滴のくびれ３０６（図２参照）が検出された場合に直ちに第１パルス２０１の電流値を検出時の電流値よりも低い所定値に切り替える。実施形態では、波形生成器３１には、くびれ検出器３３から、溶滴離脱直前を示す第１パルス期間終了信号（Ｔｐ１ｆ）が入力される。波形生成器３１は、第１パルス期間終了信号（Ｔｐ１ｆ）が入力された場合に、波形設定器３２で設定された設定値に基づいて、第１パルスベース期間Ｔｂ１では、第１パルスベース電流値Ｉｂ１になるように、先行極出力制御器２５の出力を補正するための信号である出力補正信号を先行極出力制御器２５に出力する。また、第１パルス期間終了信号（Ｔｐ１ｆ）が入力されて第１パルスベース期間Ｔｂ１が終了した場合に、波形生成器３１は、波形設定器３２で設定されたパルス形状となるように、第２パルス２０２の波形信号を出力し、続いて、再び第１パルス２０１および第２パルス２０２による交互出力を繰り返す。
【００８６】
また、波形生成器３１には、Ｓｖ２比較器３７から、前記した式（２）の演算結果が０と等しくなったことを示す第２パルスベース期間終了信号（Ｔｂ２ｆ）が入力される。波形生成器３１は、パルス周期毎に、第２パルスベース期間終了信号（Ｔｂ２ｆ）が入力された場合に、当該パルス周期を終了して次回のパルス周期を開始する。
【００８７】
波形設定器３２は、第１パルス２０１および第２パルス２０２における、ピーク電流、パルスピーク期間、ベース電流、パルスベース期間、立上りスロープ期間、立下がりスロープ期間等の波形パラメータを波形生成器３１に設定するものである。実施形態では、波形設定器３２は、図示しない記憶手段に予め記憶された波形パラメータの各値を波形パラメータ設定信号として波形生成器３１に入力する。
【００８８】
くびれ検出器３３は、電流検出器２２で検出された溶接電流および電圧検出器２４で検出された溶接電圧の少なくとも一方に基づいて、前記したように、溶滴離脱直前の状態として溶滴のくびれ３０６を検出するものである。くびれ検出器３３は、溶接電圧あるいはアークインピーダンス等について１階または２階の時間微分信号を用いることで、溶滴のくびれ３０６を検出することが可能である。実施形態では、くびれ検出器３３は、電圧検出器２４で検出された溶接電圧の瞬時値Ｖｏの時間２階微分値に基づいて溶滴のくびれ３０６を検出することとした。
【００８９】
アーク溶接システム１においては、くびれ検出器３３は、図６に示すように、溶接電圧微分器４１と、２階微分器４２と、２階微分値設定器４３と、比較器４４とを備え、波形生成器３１から溶滴離脱検出許可信号が入力されているときに、それぞれの処理を行うこととした。以下、くびれ検出器３３が備える各構成について、詳細に説明する。
【００９０】
溶接電圧微分器４１は、電圧検出器２４により検出された溶接電圧の瞬時値Ｖｏを時間微分する。この時間微分電圧値ｄＶ／ｄｔは、２階微分器４２により、さらに時間微分され、その算出結果である時間２階微分値ｄ２Ｖ／ｄｔ２は、比較器４４に入力される。２階微分値設定器４３は、ワイヤ先端から溶滴が離脱する直前のくびれに相当する溶接電圧の時間２階微分値に相当するしきい値を、時間２階微分値として設定するものである。
【００９１】
比較器４４は、２階微分器４２から入力する溶接中の溶接電圧の瞬時値Ｖｏの時間２階微分値である２階微分検出値と、２階微分値設定器４３で設定された時間２階微分値である２階微分設定値と、を比較するものである。比較器４４は、２階微分検出値が２階微分設定値以上になったときに、溶滴がワイヤ先端から離脱直前であるものと判定し、第１パルス期間終了信号（Ｔｐ１ｆ）を波形生成器３１に出力する。これは、ワイヤ先端に存在する溶滴の根元がくびれ、そのくびれが進行する結果、溶接電圧および抵抗が上昇することを捉えるものである。このように時間２階微分値等を用いて、溶接電圧および抵抗の上昇を検出する場合、溶接中の溶接条件の変化に影響されず、正確に溶滴のくびれ３０６を検出できる。
【００９２】
図５に戻って、溶接制御装置４の説明を続ける。
パラメータ設定器３４は、消耗電極ワイヤ６ａの送給速度、溶接電流設定値Ｉｓ、溶接電圧設定値Ｖｓ等を演算部３５に設定するものである。実施形態では、パラメータ設定器３４は、図示しない記憶手段に予め記憶された溶接パラメータの各値を、設定溶接電流値信号、設定溶接電圧値信号等の設定パラメータ信号として演算部３５に入力する。
【００９３】
演算部３５は、予め定められた各設定値に基づいて、各種パラメータを算出し、算出した各種パラメータを積分器３６に入力するものである。具体的には、演算部３５は、入力される各設定値に応じて溶接電源３ａの外部特性の傾きＫｓを一義的に決定する。外部特性の傾きＫｓは、溶接電流設定値Ｉｓまたは溶接電圧設定値Ｖｓ、消耗電極ワイヤ６ａの送給速度、ワイヤの種類等に応じて適正に設定される。演算部３５は、例えば、変換用のテーブルや関数を用いて外部特性の傾きＫｓを決定する。
【００９４】
また、演算部３５は、入力される設定溶接電流値信号の値Ｉｓに応じて、第２パルス期間における溶接電流設定値Ｉｓ２を一義的に決定する。演算部３５は、例えば、変換用のテーブルや関数を用いて第２パルス期間における溶接電流設定値Ｉｓ２を決定する。
【００９５】
さらに、演算部３５は、入力される設定溶接電圧値信号の値Ｖｓおよび設定溶接電流値信号の値Ｉｓに応じて、第２パルス期間における溶接電圧設定値Ｖｓ２を一義的に決定する。実施形態では、演算部３５は、式（３）の演算を行って第２パルス期間における溶接電圧設定値Ｖｓ２を決定する。
【００９６】
【数３】
【００９７】
式（３）において、Ｖｓ＿ｉｎｉは、溶接電流設定値Ｉｓに応じて決まる一元中央電圧、Ｖｓ２＿ｉｎｉは、第２パルス期間における溶接電流設定値Ｉｓ２に応じて決まる第２パルス期間における一元中央電圧、Ｖｓ２＿ｃｈｇは、設定溶接電圧値信号の値（Ｖｓ）を１［Ｖ］変化させた場合の第２パルス期間における溶接電圧設定値Ｖｓ２の変化量である。
【００９８】
積分器３６は、演算部３５からそれぞれ入力される外部特性の傾きＫｓ、第２パルス期間における溶接電流設定値Ｉｓ２および溶接電圧設定値Ｖｓ２と、電流検出器２２から入力される溶接電流の検出信号（Ｉｏ）と、電圧検出器２４から入力される溶接電圧の検出信号（Ｖｏ）とを用いて、前記した式（２）を演算し、電圧誤差積分値の演算結果を示す積分値信号（Ｓｖ２）をＳｖ２比較器３７に出力する。積分器３６が、前記した式（２）の演算を開始するタイミングは、パルス周期の第２パルス期間の開始時点である。積分器３６は、式（２）で表す電圧誤差積分値Ｓｖ２の演算結果が０となった時点で演算を終了する。
【００９９】
Ｓｖ２比較器３７は、入力される積分値信号（Ｓｖ２）が０と等しくなったか否かを比較するものであり、Ｓｖ２＝０となった時点で、第２パルスベース期間終了信号（Ｔｂ２ｆ）を波形生成器３１に出力する。波形生成器３１は、第２パルスベース期間終了信号（Ｔｂ２ｆ）が入力された場合に、当該パルス周期を終了して次回のパルス周期を開始する。これをパルス周期毎に繰り返すことによって、外部特性の傾きＫｓ上に動作点を形成することができ、１周期１溶滴とするアーク溶接を実現できる。
【０１００】
以上のような構成を備えるアーク溶接システム１は、シールドガスＧとして炭酸ガスを用い、かつ、２電極ワイヤを用いてアーク溶接を行うことで、低コストかつ高能率のアーク溶接が可能となる。また、パルスアークを先行極アークとして用いることで、溶滴の形成および離脱をパルス電流波形に同期させて規則正しく行うことができる。
【０１０１】
なお、１電極ワイヤを用いた従来のアーク溶接方法においては、安価な炭酸ガスをシールドガスＧとして用いたとしても、前記したようなパルスアークを先行極として用いることで、規則正しい溶滴形成と離脱が可能となり低スパッタ溶接が可能である。一方、２電極ワイヤを用いた従来のホットワイヤＧＭＡ溶接法においては、通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］が２５〜１００×１０−３［ｍ］程度と短いため、後行極であるフィラーワイヤ６ｂに大電流を通電する必要がある。従って、この大電流によってベース期間Ｔｂ１，Ｔｂ２の先行極アークが磁気干渉を受け、規則的な溶滴形成と離脱が不可能となったり、アーク切れが発生する。
【０１０２】
一方、実施形態に係るアーク溶接システム１は、溶融池Ｍにおけるフィラーワイヤ６ｂの先端Ｐ１とフィラーワイヤ６ｂの通電点Ｐ２との距離を所定範囲内としてフィラーワイヤ６ｂの通電加熱距離を延長することで、フィラーワイヤ６ｂの予熱に必要なフィラー電流を従来よりも大幅に低減することができる。さらに、後行極フィラー電流値を先行極ベース電流値以下とすることで、後行極であるフィラーワイヤ６ｂに給電されたフィラー電流による、ベース期間Ｔｂ１，Ｔｂ２中の先行極アークに対する磁気干渉を抑制することができ、先行極アークの硬直性を維持することができる。
【０１０３】
そのため、安価な炭酸ガスをシールドガスＧとして用いても、溶滴の形成と離脱は１電極ワイヤ時と同様に行われ、通常の直流定電圧電源を先行極アーク用として用いたホットワイヤＧＭＡ溶接法と比較してスパッタ量を大幅に低減できる。また、消耗電極ワイヤ６ａと通電加熱したフィラーワイヤ６ｂの２電極ワイヤを用いてアーク溶接を行うため、中厚板の多層盛り溶接等においても高溶着量を得ることができる。従って、低コスト、低スパッタおよび高溶着を兼ね備えた溶接システムを提供することができる。
【０１０４】
なお、実施形態に係るアーク溶接システム１は、前記したように電極間距離Ｄｅ［ｍ］を４〜１５×１０−３［ｍ］の範囲内とした上で、電極間距離Ｄｅ［ｍ］、通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］、フィラーワイヤ６ｂの送給速度Ｖｗ［ｍ／ｓ］、フィラーワイヤ６ｂの電流密度Ｊ［Ａ／ｍ２］を、下記式（１）を満たすような関係となるように、予めこれらの値を設定することが好ましい。
【０１０５】
【数４】
【０１０６】
上記式（１）は、フィラーワイヤ６ｂが適切な温度分布となる条件式である。電極間距離Ｄｅ［ｍ］および通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］、フィラーワイヤ６ｂの送給速度Ｖｗ［ｍ／ｓ］、フィラー電流値Ｉｆ［Ａ］あるいはフィラーワイヤ６ｂの電流密度Ｊ［Ａ／ｍ２］が適正値でないと、フィラーワイヤ６ｂの加熱不足や過熱を防止することができない場合がある。
【０１０７】
ここで、フィラーワイヤ６ｂの温度は、電極間距離Ｄｅ［ｍ］が小さい程、先行極アークの輻射熱の影響を受けて高くなる。また、フィラーワイヤ６ｂの温度は、通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］が大きい程、フィラー電流値Ｉｆ［Ａ］が大きいほど、ジュール発熱効果により高くなる。また、フィラーワイヤ６ｂの送給速度Ｖｗ［ｍ／ｓ］が大きい程、加熱時間が短くなり、フィラーワイヤ６ｂの温度は低くなる。本発明者らは、これらのパラメータを変化させて鋭意実験を重ねた結果、上記式（１）の値が４〜１０の範囲内である場合、溶融池Ｍ直上のフィラーワイヤ６ｂの温度が最適となることを見出した。
【０１０８】
一方、上記式（１）の値が４未満の場合、フィラーワイヤ６ｂの加熱が不足し、例えば未溶融のフィラーワイヤ６ｂが被溶接部材を突っつくことにより、溶融池Ｍを乱し先行極アークからのスパッタを発生させてしまう現象が起こる場合がある。また、上記式（１）の値が１０を超える場合、フィラーワイヤ６ｂが過熱されて軟化することにより、微少な送給変動が生じフィラー側からアークが発生してしまう結果、スパッタを発生させてしまう現象が起こる場合がある。従って、上記式（１）の値は４〜１０の範囲内とすることが好ましい。
【０１０９】
また、実施形態に係るアーク溶接システム１は、フィラー電源３ｂのフィラー電流値Ｉｆが１５０［Ａ］以下となるように、予め設定することが好ましい。このように、フィラー電流値Ｉｆを所定値以下とすることにより、後行極であるフィラーワイヤ６ｂに給電されたフィラー電流による、ベース期間Ｔｂ１，Ｔｂ２中の先行極アークに対する磁気干渉をより抑制することができる。
【０１１０】
また、実施形態に係るアーク溶接システム１は、後行極であるフィラーワイヤ６ｂの更に後方にもう１つのフィラーワイヤ６ｂを設けて、３電極ワイヤのアーク溶接システムとすることもできる。なお、このように３電極のアーク溶接システムとするには、別途追加されるフィラーワイヤ６ｂに対応させて、ワイヤ送給装置２ｂ、フィラー電源３ｂ、後行極トーチ５ｂおよびフィラーワイヤ６ｂを１つずつ追加し、かつ、溶接制御装置４にも後行極出力制御器２９を１つ追加すればよい。このように３電極のアーク溶接システムとすることにより、更なる高能率化を図ることができる。
【０１１１】
［消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法］
次に、実施形態に係るアーク溶接方法について、詳細に説明する。実施形態に係るアーク溶接方法は、シールドガスＧとして炭酸ガスを用い、先行極である消耗電極ワイヤ６ａによるアークによって溶融池Ｍを形成し、後行極であるフィラーワイヤ６ｂを溶融池Ｍに添加して溶接を行う溶接方法である。実施形態に係るアーク溶接方法は、消耗電極ワイヤ６ａと被溶接部材Ｗとの間にアークを発生させて溶融池Ｍを形成する第１のステップと、通電加熱したフィラーワイヤ６ｂを溶融池Ｍに挿入する第２のステップと、に大別することができる。
【０１１２】
（１）第１のステップ
第１のステップは、１周期あたりパルスピーク電流レベルおよび／またはパルス幅の異なる２種類のパルス波形を交互に出力し、１周期あたり１溶滴を移行させるパルスアークを発生させ、溶融池Ｍを形成するステップである。
【０１１３】
ここで、２種類のパルス波形である第１パルス２０１および第２パルス２０２については、前記した通りである（図１参照）。また、消耗電極ワイヤ６ａの溶接出力の制御は、前記した溶接制御装置４の先行極出力制御器２５によって行なわれる。すなわち、先行極出力制御器２５は、図５に示すように、電流検出器２２から入力される溶接電流の検出信号（Ｉｏ）と、電圧検出器２４から入力される溶接電圧の検出信号（Ｖｏ）と、波形生成器３１から入力される第１パルス２０１および第２パルス２０２からなるパルス波形ＷＰを示す信号、とに基づいて、消耗電極ワイヤ６ａに給電する溶接電流および溶接電圧の指令値を決定し、溶接指令信号を出力して出力制御素子２１を制御することによって先行極トーチ５ａによる溶接出力を制御する。そして、先行極出力制御器２５によるこのような制御によって、消耗電極ワイヤ６ａと被溶接部材Ｗとの間に、１周期あたり１溶滴の移行を行なうパルスアークが発生する。
【０１１４】
（２）第２のステップ
第２のステップは、フィラー電流によって通電加熱されたフィラーワイヤ６ｂを溶融池Ｍに挿入するステップである。
【０１１５】
前記した第１および第２のステップにおいて、給電ブロック１７と給電チップ２３は絶縁されている。絶縁処理の方法としては、例えば図４に示す後行極トーチ５ｂのように、セラミックリング１５、絶縁カバー１６、絶縁ジョイント１８ａ，１８ｂ等の絶縁処理部材を用いて給電ブロック１７以外の金属部材と絶縁する方法が挙げられる。但し、給電ブロック１７以外の金属部材と絶縁処理可能であればよいため、セラミックリング１５、絶縁カバー１６、絶縁ジョイント１８ａ，１８ｂ、のうちの１つまたは２つ絶縁処理部材のみで絶縁処理を行なってもよい。
【０１１６】
また、前記した第１および第２のステップにおいて、フィラーワイヤ６ｂの通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］は、２００〜５００×１０−３［ｍ］とする。通電加熱距離Ｅｘ「ｍ」とは、前記したように、溶融池Ｍに挿入されるフィラーワイヤ６ｂの先端Ｐ１と、フィラーワイヤ６ｂの通電点Ｐ２との距離を指している。通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］を前記した範囲内に制御する方法としては、前記したように、先行極トーチ５ａを製造する際に各部材の大きさおよび長さを調整して物理的な距離を調整する方法等が挙げられる。
【０１１７】
また、前記した第１および第２のステップにおいて、先行極ベース電流値であるパルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２が後行極フィラー電流値であるフィラー電流値Ｉｆよりも大きくなるように設定する。
【０１１８】
以上のような手順を行なうアーク溶接方法は、シールドガスＧとして炭酸ガスを用い、かつ、２電極ワイヤを用いてアーク溶接を行うことで、低コストかつ高能率のアーク溶接が可能となる。またパルスアークを先行極アークとして用いることで、溶滴の形成および離脱をパルス電流波形に同期させて規則正しく行うことができる。
【０１１９】
また、溶融池Ｍに挿入されるフィラーワイヤ６ｂの先端Ｐ１とフィラーワイヤ６ｂの通電点Ｐ２との距離を所定範囲内としてフィラーワイヤ６ｂの通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］を延長することで、フィラーワイヤ６ｂの予熱に必要なフィラー電流を従来よりも大幅に低減することができる。さらに、後行極フィラー電流値を先行極ベース電流値以下とすることで、後行極であるフィラーワイヤ６ｂに給電されたフィラー電流による、ベース期間Ｔｂ１，Ｔｂ２中の先行極アークに対する磁気干渉を抑制することができ、先行極アークの硬直性を維持することができる。
【０１２０】
そのため、安価な炭酸ガスをシールドガスＧとして用いても、溶滴の形成と離脱は１電極ワイヤ時と同様に行われ、通常の直流定電圧電源を先行極アーク用として用いたホットワイヤＧＭＡ溶接法と比較してスパッタ量を大幅に低減できる。また、消耗電極ワイヤ６ａと通電加熱したフィラーワイヤ６ｂの２電極ワイヤを用いてアーク溶接を行うため、中厚板の多層盛り溶接等においても高溶着量を得ることができる。従って、低コスト、低スパッタおよび高溶着を兼ね備えた溶接方法を行うことができる。
【０１２１】
なお、実施形態に係るアーク溶接方法は、前記したように電極間距離Ｄｅ［ｍ］を４〜１５×１０−３ｍの範囲内とした上で、電極間距離Ｄｅ［ｍ］、通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］、フィラーワイヤ６ｂの送給速度Ｖｗ［ｍ／ｓ］、フィラーワイヤ６ｂの電流密度Ｊ［Ａ／ｍ２］を、下記式（１）を満たすような関係となるように、予めこれらの値を設定することが好ましい。
【０１２２】
【数５】
【０１２３】
上記式（１）を満たすことにより、溶融池Ｍ直上のフィラーワイヤ６ｂの温度分布が最適化するため、フィラーワイヤ６ｂの加熱不足や過熱を防止することができる。従って、例えば未溶融のフィラーワイヤ６ｂが被溶接部材を突っつくことにより、溶融池Ｍを乱し先行極アークからのスパッタを発生させてしまう現象や、フィラーワイヤ６ｂが過熱されて軟化することにより、微少な送給変動が生じフィラー側からアークが発生してしまう結果、スパッタを発生させてしまう現象を防止することができる。
【０１２４】
また、実施形態に係るアーク溶接方法においては、フィラー電源３ｂのフィラー電流値Ｉｆが１５０［Ａ］以下となるように、予め設定することが好ましい。このように、フィラー電流値Ｉｆを所定値以下とすることにより、後行極であるフィラーワイヤ６ｂに給電されたフィラー電流による、ベース期間Ｔｂ１，Ｔｂ２中の先行極アークに対する磁気干渉をより抑制することができる。
【実施例１】
【０１２５】
次に、本発明に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法の効果を確認する実験例について、図７を参照しながら詳細に説明する。本実験例では、２電極ワイヤを用いた消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法によってビードオンプレート溶接を実施した場合における、パルスアーク溶接を行うことの効果、通電加熱距離Ｅｘ［ｍｍ］を２００〜５００［ｍｍ］とすることの効果、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２をフィラー電流値Ｉｆよりも大きくすることの効果、について検証する。表１に本発明の要件を満たす実施例と、本発明の要件を満たさない比較例の溶接条件を示す。なお本実験例では、説明の便宜上、消耗電極ワイヤ送給速度の単位を［ｍ／ｍｉｎ］とし、フィラーワイヤの送給速度Ｖｗの単位を［ｍ／ｍｉｎ］とし、通電加熱距離Ｅｘの単位を［ｍｍ］として説明する。
【０１２６】
【表１】
【０１２７】
なお、表１に示したもの以外の溶接条件は全て共通とし、以下の通りとした。
（その他溶接条件）
シールドガス：ＣＯ２
先行極：ソリッドワイヤ １．２［ｍｍφ］
後行極：フラックス入りワイヤ １．２［ｍｍφ］
試験板：ＳＭ４９０Ａ
先行極のチップ−母材間距離：２５×１０−３［ｍ］
先行極の平均電流値Ｉａ：３００［Ａ］
溶接速度：３０［ｃｍ／ｍｉｎ］
電極間距離Ｄｅ：１０×１０−３［ｍ］
【０１２８】
ここで、表１に示すＮｏ．１，２は、本発明の要件を満たす実施例であって、パルスアーク溶接を行うとともに、通電加熱距離Ｅｘ［ｍｍ］を２００〜５００［ｍｍ］の範囲内とし、かつ、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２をフィラー電流値Ｉｆよりも大きくしてアーク溶接を行ったものである。
【０１２９】
一方、表１に示すＮｏ．３は、本発明の要件を満たさない比較例であって、直流定電圧電源を用いた通常のアーク溶接を行うとともに、通電加熱距離Ｅｘ［ｍｍ］を２００［ｍｍ］未満としたものである。また、Ｎｏ．４も、本発明の要件を満たさない比較例であって、パルスアーク溶接を行うとともに、通電加熱距離Ｅｘ［ｍｍ］を２００〜５００［ｍｍ］の範囲内とし、かつ、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２をフィラー電流値Ｉｆよりも小さくしてアーク溶接を行ったものである。
【０１３０】
図７（ａ）は、表１で示したＮｏ．１〜３における、フィラーワイヤの送給速度Ｖｗ［ｍ／ｍｉｎ］とフィラー電流値Ｉｆとの関係を、通電加熱距離Ｅｘ［ｍｍ］別に示したグラフである。図７（ａ）を参照すると、本発明の要件を満たす実施例であるＮｏ．１，２は、本発明の要件を満たさない比較例であるＮｏ．３と比較してアーク溶接に必要なフィラー電流値Ｉｆを大幅に低減できていることがわかる。特に、通電加熱距離Ｅｘ［ｍｍ］を５００［ｍｍ］としたＮｏ．２は、その低減効果が著しい。
【０１３１】
従って、図７（ａ）の結果により、通電加熱距離Ｅｘ［ｍｍ］とフィラー電流値Ｉｆ［ｍｍ］とが相関関係にあり、かつ、通電加熱距離Ｅｘ［ｍｍ］を２００〜５００［ｍｍ］の範囲内とすることにより、後行極トーチに供給するフィラー電流値Ｉｆを大幅に低減できることが明らかとなった。
【０１３２】
また、図７（ｂ）は、フィラーワイヤの送給速度Ｖｗ［ｍ／ｍｉｎ］とスパッタ発生量［ｇ／ｍｉｎ］との関係を、通電加熱距離Ｅｘ［ｍｍ］別に示したものである。図７（ｂ）を参照すると、本発明の要件を満たす実施例であるＮｏ．１は、本発明の要件を満たさない比較例であるＮｏ．３，４と比較して、スパッタ発生量［ｇ／ｍｉｎ］を大幅に低減できていることがわかる。
【０１３３】
従って、図７（ｂ）の結果により、通電加熱距離Ｅｘ［ｍｍ］およびパルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２とフィラー電流値Ｉｆの大小関係と、スパッタ発生量［ｇ／ｍｉｎ］とが相関関係にあり、かつ、通電加熱距離Ｅｘ［ｍｍ］を２００〜５００［ｍｍ］の範囲内とし、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２をフィラー電流値Ｉｆよりも大きくすることにより、スパッタ発生量を大幅に低減できることが明らかとなった。
【実施例２】
【０１３４】
次に、本発明に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法の効果を確認する別の実験例について、図８を参照しながら詳細に説明する。本実験例では、２電極ワイヤを用いた消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法によってビードオンプレート溶接を実施した場合における、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２をフィラー電流値Ｉｆよりも大きくすることの効果、についてさらに詳細に検証する。なお、本実験例における実施例の溶接条件は、前記した表１のＮｏ．１（実施例）と同様であり、比較例の溶接条件は、前記した表１のＮｏ．４（比較例）と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【０１３５】
図８（ａ）は、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２をフィラー電流値Ｉｆよりも小さくした状態でパルスアーク溶接を行った場合における、先行極の溶接電流および溶接電圧と、後行極のフィラー電流値Ｉｆの時間的変化を示すグラフである。図８（ａ）における上段のパルス波形は、先行極の溶接電圧であり、下段のパルス波形は、先行極の溶接電流であり、下段の直線波形は、後行極のフィラー電流である。
【０１３６】
図８（ａ）を参照すると、溶接電流および溶接電圧のパルス波形が所々乱れ、切断されていることがわかる。これは、ベース期間Ｔｂ１，Ｔｂ２における先行極アークが、フィラー電流によって磁気干渉を受けており、アーク切れが発生していることを示している。従って、図８（ａ）の結果により、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２をフィラー電流値Ｉｆよりも小さくすると、先行極アークに磁気干渉が発生してアーク切れが発生することがわかる。
【０１３７】
図８（ｂ）は、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２をフィラー電流値Ｉｆよりも大きくした状態でパルスアーク溶接を行った場合における、先行極の溶接電流および溶接電圧と、後行極のフィラー電流値Ｉｆの時間的変化を示すグラフである。図８（ｂ）における上段のパルス波形は、先行極の溶接電圧であり、下段のパルス波形は、先行極の溶接電流であり、下段の直線波形は、後行極のフィラー電流である。
【０１３８】
図８（ｂ）を参照すると、溶接電流および溶接電流のパルス波形は乱れることなく一定の周期で繰り返していることがわかる。これは、ベース期間Ｔｂ１，Ｔｂ２における先行極アークが、フィラー電流によって磁気干渉を受けることなく、アーク切れが発生していないことを示している。従って、図８（ｂ）の結果により、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２をフィラー電流値Ｉｆよりも大きくすると、先行極アークの磁気干渉を防止することができることがわかる。
【０１３９】
すなわち、図８（ａ）、（ｂ）の結果により、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２とフィラー電流値Ｉｆとの大小関係と、先行極アークのベース期間Ｔｂ１，Ｔｂ２中における磁気干渉と、が相関関係にあり、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２をフィラー電流値Ｉｆよりも大きくすることにより、ベース期間Ｔｂ１，Ｔｂ２中の先行極アークに対するフィラー電流の磁気干渉を抑制することができ、アーク切れを防止できることが明らかとなった。
【実施例３】
【０１４０】
次に、本発明に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法の効果を確認するさらに別の実験例について、表２を参照しながら詳細に説明する。本実験例では、前記した式（１）、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２とフィラー電流値Ｉｆの大小関係およびパルスアーク溶接と、スパッタ量との関係についてさらに詳細に検証する。まず表２に、本実施例における溶接条件および溶接結果を示す。なお、本実施例では、説明の便宜上、通電加熱距離Ｅｘの単位を［ｍｍ］とし、電極間距離Ｄｅの単位を［ｍｍ］とし、フィラーワイヤの送給速度Ｖｗの単位を［ｍ／ｍｉｎ］として説明する。また、表２に示した溶接結果の評価では、スパッタ量が１．０ｇ／ｍｉｎ未満を◎と、１．０ｇ／ｍｉｎ以上２．０ｇ／ｍｉｎ未満を○と、２．０ｇ／ｍｉｎ以上を×と評価した。
【０１４１】
【表２】
【０１４２】
表２におけるＮｏ．５〜３１は、本発明の要件を満たす実施例である。そしてその中でも特にＮｏ．５〜２２は、パルスアーク溶接を行い、通電加熱距離Ｅｘ［ｍｍ］を２００〜５００［ｍｍ］とし、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２をフィラー電流値Ｉｆよりも大きくし、かつ、前記した式（１）の値である表２のパラメータを４〜１０の範囲内とした例である。従って、Ｎｏ．５〜２２は、他の例と比較して最もスパッタ量を低減できていることがわかる。
【０１４３】
また、Ｎｏ．２３〜３１は、パルスアーク溶接を行い、通電加熱距離Ｅｘ［ｍｍ］を２００〜５００［ｍｍ］とし、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２をフィラー電流値Ｉｆよりも大きくし、前記した式（１）の値である表２のパラメータを４〜１０の範囲外とした例である。Ｎｏ．２３〜３１は、前記したＮｏ．５〜２２には及ばないものの、比較例と比較してスパッタ量を低減できていることがわかる。
【０１４４】
一方、Ｎｏ．３２〜３６は、通電加熱距離Ｅｘ［ｍｍ］を２００［ｍｍ］未満とし、かつ、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２をフィラー電流値Ｉｆよりも小さくしているため、スパッタ量を十分に低減できていないことがわかる。さらに、前記した式（１）の値である表２のパラメータも５〜１５の範囲外となっている。また、Ｎｏ．３７〜４３は、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２をフィラー電流値Ｉｆよりも小さくしているため、スパッタ量を十分に低減できていないことがわかる。さらに、Ｎｏ．３７を除けば、前記した式（１）の値である表２のパラメータも４〜１０の範囲外となっている。
【０１４５】
Ｎｏ．４４，４５は、通電加熱距離Ｅｘ［ｍｍ］が５００［ｍｍ］超えであるため、送給不良が生じてスパッタ量を測定することができなかったが、前記した式（１）の値である表２のパラメータは４〜１０の範囲外となっている。また、Ｎｏ．４６〜４８は、パルスアーク溶接ではなく通常のアーク溶接を行っているため、スパッタ量を十分に低減できていないことがわかる。
【０１４６】
以上、本発明に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法および消耗電極式ガスシールドアーク溶接システムについて、発明を実施するための形態および実施例により具体的に説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変等したものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。
【符号の説明】
【０１４７】
１ 消耗電極式ガスシールドアーク溶接システム
２ａ ワイヤ送給装置
２ｂ ワイヤ送給装置
３ａ 溶接電源
３ｂ フィラー電源
４ 溶接制御装置
５ａ 先行極トーチ
５ｂ 後行極トーチ
６ａ 消耗電極ワイヤ
６ｂ フィラーワイヤ
１１ トーチボディ
１２ ワイヤガイド
１３ａ 接続部材
１３ｂ 接続部材
１４ スプリングライナー
１５ セラミックリング
１６ 絶縁カバー
１７ 給電ブロック
１８ａ 絶縁ジョイント
１８ｂ 絶縁ジョイント
１９ 押えスプリング
２１ 出力制御素子
２２ 電流検出器
２３ 給電チップ
２４ 電圧検出器
２５ 先行極出力制御器
２６ 出力制御素子
２７ 電流検出器
２８ 電圧検出器
２９ 後行極出力制御器
３０ 電流比較器
３１ 波形生成器
３２ 波形設定器
３３ くびれ検出器
３４ パラメータ設定器
３５ 演算部
３６ 積分器
３７ Ｓｖ２比較器
４１ 溶接電圧微分器
４２ ２階微分器
４３ ２階微分値設定器
４４ 比較器
２０１ 第１パルス
２０２ 第２パルス
３０４ アーク
３０５ 消耗電極ワイヤ先端
３０６ 溶滴のくびれ
Ａ アーク、パルスアーク
Ｄｅ 電極間距離
Ｅｘ 通電加熱距離
Ｇ シールドガス
Ｉａ 平均電流値
Ｉｂ１ 第１パルスのベース電流値（第１パルスベース電流値）
Ｉｂ２ 第２パルスのベース電流値（第２パルスベース電流値）
Ｉｆ フィラー電流値（フィラー電流の瞬時値）
Ｉｐ１ 第１パルスのピーク電流値（第１パルスピーク電流値）
Ｉｐ２ 第２パルスのピーク電流値（第２パルスピーク電流値）
Ｉｓ 溶接電流設定値
Ｉｓ２ 溶接電流設定値
Ｊ フィラーワイヤの電流密度
Ｍ 溶融池
Ｐ１ フィラーワイヤ先端
Ｐ２ 給電点
Ｔｂ１ 第１パルスのベース期間（第１パルスベース期間）
Ｔｂ２ 第２パルスのベース期間（第２パルスベース期間）
Ｔｐ１ 第１パルスのピーク期間（第１パルスピーク期間）
Ｔｐ２ 第２パルスのピーク期間（第２パルスピーク期間）
Ｔｐｂ（ｎ） 今回のパルス周期
Ｔｐｂ（ｎ−１） 前回のパルス周期
Ｖｆ フィラー電流の瞬時値
Ｖｓ 溶接電圧設定値
Ｖｓ２ 溶接電圧設定値
Ｖｗ フィラーワイヤの送給速度
Ｗ 被溶接部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、消耗電極ワイヤと通電加熱したフィラーワイヤとを用いた消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法および消耗電極式ガスシールドアーク溶接システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、製造業においては、工期短縮、コストダウンに懸命の努力が払われており、消耗電極式ガスシールドアーク溶接においては更なる高能率化に対する要望が高まっている。ここで、１電極ワイヤによる消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法においては、高能率化を図るためにワイヤ溶融速度を増加させると、スパッタの大量発生のみならず、ワイヤ送給速度の変動によるアーク不安定、溶融池が掘下げられることによる不整ビードの形成、溶接欠陥の発生、等の数々の問題が頻発するため、ワイヤ溶融速度を増加させて高溶着化し、高能率化を図ることには限界がある。
【０００３】
更なる高能率化を図るための２電極消耗電極式ワイヤ（以下、２電極ワイヤという）を用いた消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法であるホットワイヤＧＭＡ（Gas Metal Arc）溶接法は、消耗電極式ワイヤによってアークを発生させて溶融池を形成し、通電加熱したフィラーワイヤを当該溶融池に挿入することで、アーク溶接の高能率化を図る溶接方法である。
【０００４】
このようなホットワイヤＧＭＡ溶接法を用いた技術としては、例えば次のようなものが提案されている。特許文献１では、シールドガスノズル内に２本のワイヤを挿入して先行の消耗電極ワイヤでアークを発生させ、後行のフィラーワイヤを溶融池に挿入する消耗電極式アーク溶接法であって、消耗電極ワイヤから母材に流れる溶接電流の一部を分流してフィラーワイヤに導いて溶接電源のアース端へと合流させる溶接法が提案されている。このような溶接法を用いると、近接している消耗電極ワイヤとフィラーワイヤとに流される電流の向きが逆になるため、アークが常に前方を向くようになり、高速溶接時における溶け込み深さを確保することができるという効果があった。
【０００５】
また、特許文献２では、先行の消耗電極ワイヤでアークを発生させ、後行の無通電フィラーワイヤを溶融池に挿入することにより、溶融池の冷却を促進すると同時に、溶融金属の充填を行う２溶接ワイヤ送給アーク溶接方法が提案されている。このような溶接方法を用いると、薄板重ね継手の高速溶接において、アンダカットやハンピングといった不整ビード欠陥を抑制することができるという効果があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０３−２７５２８０号公報
【特許文献２】特開２００８−０５５５０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように、フィラーワイヤを用いた溶接法は既に広く知られている技術であるが、ホットワイヤＧＭＡ溶接法は、２電極間の磁気干渉によりスパッタが大量発生するという課題が解決されておらず、技術的に定着しているとは言い難かった。特に、ガスコストが安価な炭酸ガスアーク溶接を先行極として用いると、スパッタが極めて多くなるため、その適用例は皆無であった。
【０００８】
例えば、特許文献１で提案された溶接法では、先行極と近接した後行極の分流電流により、先行極アークが磁気干渉を受けて不安定となる。その結果、１電極ワイヤの場合と比較して先行極からのスパッタ量が増加するという問題があった。また、高溶着化を狙ってフィラーワイヤの溶融速度を増加させるには、分流電流を２００〜４００［Ａ］程度まで増加させる必要があるため、先行極アークからのスパッタ量が著しく増加するという問題が生じた。
【０００９】
さらに、特許文献１で提案された溶接法において、先行極アークに安価な炭酸ガスをシールドガスとして用い、かつ、通常の直流定電圧電源を用いて溶接を行うと、先行極の溶滴移行がもともと不規則なグロビュラー移行であるため、磁気干渉によるスパッタ量が極めて著しかった。また、この場合、ガスノズルに付着したスパッタがシールド不良を発生させる上、溶接部周辺に大量の大粒スパッタが付着してしまう。このような問題は、後行極フィラーへの通電電流を分流電流に拠らず別電源から供給する場合であっても同様であった。
【００１０】
また、特許文献２に係る溶接方法では、フィラーワイヤが通電加熱されていないため、フィラーワイヤの溶融速度を大幅に増加させることはできないという問題があった。そのため、中厚板を対象とした多層盛り溶接で望まれる溶着量増加効果が期待できなかった。
【００１１】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであって、消耗電極ワイヤと通電加熱したフィラーワイヤとを用いた消耗電極式ガスシールドアーク溶接において、安価な炭酸ガスをシールドガスとして用いた場合であっても、スパッタ量が少なく、かつ、中厚板の多層盛り溶接等においても高溶着量を得ることができる消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法および消耗電極式ガスシールドアーク溶接システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記した課題を解決するために本発明に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法は、消耗電極ワイヤによるアークで形成された溶融池に、フィラー電流によって通電加熱されたフィラーワイヤを添加する消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法であって、シールドガスとして炭酸ガスを用い、１周期あたりパルスピーク電流レベルおよび／またはパルス幅の異なる２種類のパルス波形を交互に出力し、１周期あたり１溶滴を移行させるパルスアークを先行極アークとして用いて溶融池を形成し、通電加熱された前記フィラーワイヤを後行極として前記溶融池に挿入し、前記溶融池に挿入される前記フィラーワイヤの先端と前記フィラーワイヤの通電点との距離を、２００〜５００×１０−３［ｍ］とし、先行極ベース電流値が後行極フィラー電流値よりも大きくなるように設定する。
【００１３】
このような手順によれば、消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法は、シールドガスとして炭酸ガスを用い、かつ、消耗電極ワイヤと通電加熱したフィラーワイヤの２電極ワイヤを用いてアーク溶接を行うことで、低コストかつ高能率のアーク溶接が可能となる。またパルスアークを先行極アークとして用いることで、溶滴の形成および離脱をパルス電流波形に同期させて規則正しく行うことができる。
【００１４】
また、溶融池に挿入されるフィラーワイヤの先端とフィラーワイヤの通電点との距離を所定範囲内としてフィラーワイヤの通電加熱距離を延長することで、フィラーワイヤの予熱に必要なフィラー電流を従来よりも大幅に低減することができる。さらに、後行極フィラー電流値を先行極ベース電流値以下とすることで、後行極に給電されたフィラー電流による、ベース期間中の先行極アークに対する磁気干渉を抑制することができ、先行極アークの硬直性を維持することができる。
【００１５】
また、本発明に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法は、前記消耗電極ワイヤの先端と前記フィラーワイヤの先端との距離である電極間距離Ｄｅ［ｍ］を、４〜１５×１０−３［ｍ］の範囲内とし、前記電極間距離Ｄｅ［ｍ］と、前記溶融池に挿入される前記フィラーワイヤの先端と前記フィラーワイヤの通電点との距離である通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］と、前記フィラーワイヤの送給速度Ｖｗ［ｍ／ｓ］と、前記フィラーワイヤの電流密度Ｊ［Ａ／ｍ２］と、の関係を、下記式（１）を満たすものとすることが好ましい。
【００１６】
【数１】
【００１７】
このような手順によれば、消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法は、電極間距離Ｄｅ［ｍ］、通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］、フィラーワイヤの送給速度Ｖｗ［ｍ／ｓ］、フィラーワイヤの電流密度Ｊ［Ａ／ｍ２］、の関係を所定の関係とすることにより、送給されるフィラーワイヤの温度分布を最適化することができる。従って、フィラーワイヤの加熱不足や過熱を防止することができ、例えば未溶融フィラーワイヤが被溶接部材を突っつくことにより、溶融池を乱し先行極アークからのスパッタを発生させてしまう現象や、フィラーワイヤが過熱されて軟化することにより、微少な送給変動が生じフィラー側からアークが発生してしまう結果、スパッタを発生させてしまう現象を防止することができる。
【００１８】
また、本発明に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法は、前記後行極フィラー電流値を１５０［Ａ］以下とすることが好ましい。
【００１９】
このような手順によれば、消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法は、後行極フィラー電流値を所定値以下とすることにより、後行極に給電されたフィラー電流による、ベース期間中の先行極アークに対する磁気干渉をより抑制することができる。
【００２０】
そして、本発明に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接システムは、１周期あたりパルスピーク電流レベルおよび／またはパルス幅の異なる２種類のパルス波形を交互に出力し、１周期あたり１溶滴を移行させるパルスアークを先行極アークとして用いて形成した溶融池に、フィラー電流によって通電加熱されたフィラーワイヤを添加する消耗電極式ガスシールドアーク溶接システムであって、シールドガスとして炭酸ガスを用い、先行極ベース電流値が後行極フィラー電流値よりも大きくなるように設定し、先行極である消耗電極ワイヤを被溶接部材に供給する先行極トーチと、前記溶融池に挿入される前記フィラーワイヤの先端と前記フィラーワイヤの通電点との距離が２００〜５００×１０−３［ｍ］である給電部材と、を備え、後行極である前記フィラーワイヤを前記溶融池に供給する後行極トーチと、を備える構成とする。
【００２１】
このような構成を備える消耗電極式ガスシールドアーク溶接システムは、シールドガスとして炭酸ガスを用い、かつ、消耗電極ワイヤと通電加熱したフィラーワイヤの２電極ワイヤを用いてアーク溶接を行うことで、低コストかつ高能率のアーク溶接が可能となる。またパルスアークを先行極アークとして用いることで、溶滴の形成および離脱をパルス電流波形に同期させて規則正しく行うことができる。
【００２２】
また、溶融池に挿入されるフィラーワイヤの先端とフィラーワイヤの通電点との距離を所定範囲内としてフィラーワイヤの通電加熱距離を長くすることで、フィラーワイヤの予熱に必要なフィラー電流を従来よりも大幅に低減することができる。さらに、後行極フィラー電流値を先行極ベース電流値以下とすることで、後行極に給電されたフィラー電流による、ベース期間中の先行極アークに対する磁気干渉を抑制することができ、先行極アークの硬直性を維持することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法および消耗電極式ガスシールドアーク溶接システムによれば、安価な炭酸ガスをシールドガスとして用いても、溶滴の形成と離脱は１電極ワイヤ時と同様に行われ、通常の直流定電圧電源を先行極アーク用として用いたホットワイヤＧＭＡ溶接法と比較してスパッタ量を大幅に低減できる。また、消耗電極ワイヤと通電加熱したフィラーワイヤの２電極ワイヤを用いてアーク溶接を行うため、中厚板の多層盛り溶接等においても高溶着量を得ることができる。従って、低コスト、低スパッタ、高溶着を兼ね備えた溶接方法および溶接システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施形態に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接システムの溶接制御装置が生成するパルス波形の一例を示す波形図である。
【図２】実施形態に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接システムの溶接制御装置が生成するパルス波形による溶接ワイヤ先端部の時系列変化を模式的に示す説明図である。
【図３】実施形態に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接システムの溶接制御装置の制御により測定された溶接電圧および溶接電流のタイミングチャートである。
【図４】実施形態に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接システムの一例を模式的に示す構成図である。
【図５】実施形態に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接システムの溶接電源、フィラー電源および溶接制御装置の内部構成を示すブロック図である。
【図６】図５に示すくびれ検出器の構成例を示すブロック図である。
【図７】本発明の効果を示す実験例に関する図であって、（ａ）は、フィラーワイヤの送給速度とフィラー電流値との関係を通電加熱距離別に示したグラフ、（ｂ）は、フィラーワイヤの送給速度とスパッタ発生量との関係を通電加熱距離別に示したグラフ、である。
【図８】本発明の効果を示す実験例に関する図であって、（ａ）は、パルスベース電流値をフィラー電流値よりも低くした状態でパルスアーク溶接を行った場合における、先行極の溶接電流および溶接電圧と、後行極のフィラー電流値の時間的変化を示すグラフ、（ｂ）は、パルスベース電流値をフィラー電流値よりも高くした状態でパルスアーク溶接を行った場合における、先行極の溶接電流および溶接電圧と、後行極のフィラー電流値の時間的変化を示すグラフ、である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接システムおよび消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法について、詳細に説明する。まず、パルスアーク溶接の概要について説明した後、アーク溶接システムおよびアーク溶接方法について、説明していくこととする。なお、以下の説明では、「消耗電極式ガスシールドアーク溶接システム」を適宜「アーク溶接システム」と略し、「消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法」を適宜「アーク溶接方法」と略すこととする。
【００２６】
［パルスアーク溶接の概要］
アーク溶接システムおよびアーク溶接方法は、一般的な直流定電圧電源を用いたアーク溶接ではなく、アーク溶接システムの溶接制御装置が、予め設定された波形パラメータに基づいて、図１に示すような異なる２種類のパルス波形をパルス周期の１周期の間に交互に生成して溶接電源に出力することで、パルス周期の１周期ごとに１溶滴の移行を行うパルスアーク溶接を前提としている。以下、図１を参照しながらパルスアーク溶接の概要について、簡単に説明する。
【００２７】
パルス波形ＷＰは、図１に示すように、後記する溶接制御装置によって生成される矩形もしくは台形の形を繰り返す電流波形である。パルス波形ＷＰのうち、図１に示す第１パルス２０１は、消耗電極ワイヤ先端からの溶滴を離脱させるための第１パルス波形である。ここで、第１パルス２０１のピーク期間Ｔｐ１およびベース期間Ｔｂ１を含む期間を第１パルス期間と呼ぶ。また、第１パルス２０１には、図１に示すようにピーク電流値Ｉｐ１およびベース電流値Ｉｂ１が設定されている。なお、ピーク電流値Ｉｐ１は、第２パルス２０２のピーク電流値Ｉｐ２よりも大きくなるように設定されている。
【００２８】
パルス波形ＷＰのうち、図１に示す第２パルス２０２は、溶滴を形成するための第２パルス波形である。ここで、第２パルス２０２のピーク期間Ｔｐ２およびベース期間Ｔｂ２を含む期間を第２パルス期間と呼ぶ。また、第２パルス２０２には、図１に示すようにピーク電流値Ｉｐ２およびベース電流値Ｉｂ２が設定されている。なお、図１に示すパルス波形ＷＰにおいて、溶接電流の時間積分を時間的に平均化したものを平均電流値Ｉａと呼ぶ。
【００２９】
パルス周期の１周期は、第１パルス期間と第２パルス期間とからなる。図１では、前回を示す第（ｎ−１）回目のパルス周期をＴｐｂ（ｎ−１）と、今回を示す第（ｎ）回目のパルス周期をＴｐｂ（ｎ）と、示している。なお、図１では、第１パルス２０１および第２パルス２０２の形状を矩形で示したが、より詳細には、ベース電流からピーク電流へ至る立上りスロープ期間である第１パルス立上りスロープ期間および第２パルス立上りスロープ期間や、ピーク電流からベース電流へ至るパルス立下りスロープ期間が含まれている。
【００３０】
実施形態に係るアーク溶接システムが備える溶接制御装置は、後記するように、溶接中に溶接電圧および溶接電流を検出しており、少なくとも一方に基づいて、図２に示すような溶滴のくびれ３０６を検出した場合に、直ちに第１パルス２０１の電流値を検出時の電流値よりも低い所定値に切り替える。なお、図２では低い所定値として、ベース電流に切り替える例を示している。このような電流値の切り替えに伴う溶滴移行の詳細は、以下の通りである。
【００３１】
図２において、符号３１１で示す消耗電極ワイヤ先端３０５は、前回のパルス周期Ｔｐｂ（ｎ−１）にて溶滴が離脱した後の第２パルスピーク期間Ｔｐ２に成長したものである。第２パルスベース期間Ｔｂ２に電流が急激に減少するため、溶滴に作用する上方への押上げ力が弱まり、溶滴は、消耗電極ワイヤ先端３０５に懸垂形成される。
【００３２】
続いて、第１パルスピーク期間Ｔｐ１に入ると、ピーク電流による電磁ピンチ力により、符号３１２で示すように、溶滴は変形し、急速にくびれ３０６が生じる。溶滴の離脱前にくびれ３０６を検知することにより、第１パルスピーク期間Ｔｐ１中あるいは第１パルス立下りスロープ期間中であっても即座に第１パルスベース電流値Ｉｂ１または検知時の電流より低い所定電流に切替え、離脱後のワイヤ側にアークが移動する瞬間においては、符号３１３で示すように電流が下がっている状態にする。これにより、ワイヤのくびれ３０６部分の飛散や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。
【００３３】
続いて、符号３１４で示すように、第２パルスピーク期間Ｔｐ２では、溶滴離脱後のワイヤに残留した融液が、離脱したり飛散したりしないようなレベルに予め第２パルスピーク電流値Ｉｐ２を設定した上で溶滴を成長させる。そして、符号３１５で示すように、第２パルスベース期間Ｔｂ２で溶滴の形成を行いながら再び、符号３１１で示す状態に戻るため、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。
【００３４】
そしてこのとき、後記するように、第１パルスベース期間Ｔｂ１および第２パルスベース期間Ｔｂ２における電流値がフィラー通電電流以上となるように設定すれば、ベース期間中における先行極アークに対する磁気干渉を抑制することができ、先行極アークの硬直性を維持できる。その結果、安価な炭酸ガスをシールドガスとして用いても、溶滴の形成と離脱は１電極ワイヤ時と同様に行われ、通常の直流定電圧電源を先行極アーク用として用いたホットワイヤＧＭＡ溶接法と比較してスパッタ量を大幅に低減できる。
【００３５】
ここで、実施形態に係るアーク溶接システムが溶接制御装置によって検出する溶接電圧の瞬時値Ｖｏの一例を図３の上段に示し、溶接電流の瞬時値Ｉｏの一例を図３の中段に示す。なお、溶接制御装置は、後記するように下記の式（２）で表す電圧誤差積分値Ｓｖ２の演算を行う。図３の下段に、電圧誤差積分値Ｓｖ２の演算の演算結果の一例を示す。
【００３６】
【数２】
【００３７】
式（２）に示されるパラメータのうち、Ｋｓは、溶接電源の外部特性の傾きであり、予め設定された消耗電極ワイヤの送給速度、溶接電圧の設定やワイヤの種類に応じて決定されている。Ｉｓ２は、第２パルス期間における溶接電流設定値であり、予め設定された溶接電流設定値Ｉｓに応じて決定されている。Ｖｓ２は、第２パルス期間における溶接電圧設定値であり、予め設定された溶接電圧設定値Ｖｓに応じて決定されている。Ｉｏ２は、第２パルス期間において検出された溶接電流の瞬時値である。Ｖｏ２は、第２パルス期間において検出された溶接電圧の瞬時値である。
【００３８】
溶接制御装置が式（２）で表す電圧誤差積分値Ｓｖ２の演算を開始するタイミングは、パルス周期において第１パルス期間を終了して第２パルス期間を開始した時点である。例えば、図３において、ｎパルス目のパルス周期において第１パルス期間の期間では、電圧誤差積分値Ｓｖ２の値は０であるが、第２パルス期間を開始した時点から、Ｓｖ２の値は０から下降していくことがわかる。続いて、第２パルスピーク期間Ｔｐ２が終了すると、Ｓｖ２の値は上昇し始め、０となった時点で、ｎパルス目のパルス周期が終了し、（ｎ＋１）パルス目のパルス周期が開始していることがわかる。
【００３９】
［消耗電極式ガスシールドアーク溶接システム］
次に、実施形態に係るアーク溶接システム１について、図４を参照しながら詳細に説明する。アーク溶接システム１は、前記したように、シールドガスＧとして炭酸ガスを用い、先行極である消耗電極ワイヤ６ａによるアークによって溶融池Ｍを形成し、後行極であるフィラーワイヤ６ｂを溶融池Ｍに添加して溶接を行うシステムである。
【００４０】
アーク溶接システム１は、図４に示すように、ワイヤ送給装置２ａ，２ｂと、溶接電源３ａと、フィラー電源３ｂと、溶接制御装置４と、先端から消耗電極ワイヤ６ａを供給する先行極トーチ５ａと、先端からフィラーワイヤ６ｂを供給する後行極トーチ５ｂと、を備えている。以下、アーク溶接システム１が備える各構成について、詳細に説明する。
【００４１】
ワイヤ送給装置２ａは、消耗電極ワイヤ６ａを先行極トーチ５ａに送給するための装置であり、消耗電極ワイヤ６ａを送り出すローラ等からなる装置である。ワイヤ送給装置２ａは、図４に示すように、溶接制御装置４を介して溶接電源３ａと接続されている。そして、この溶接制御装置４が溶接指令信号を溶接電源３ａに出力すると、溶接電源３ａによってワイヤ送給装置２ａが駆動され、図示しないワイヤ収納容器から図示しないワイヤ送給路を介して、消耗電極ワイヤ６ａが先行極トーチ５ａに送給される。
【００４２】
ワイヤ送給装置２ｂは、フィラーワイヤ６ｂを後行極トーチ５ｂに送給するための装置であり、フィラーワイヤ６ｂを送り出すローラ等からなる装置である。ワイヤ送給装置２ｂは、図４に示すように、溶接制御装置４を介してフィラー電源３ｂと接続されている。そして、この溶接制御装置４が指令信号をフィラー電源３ｂに出力すると、フィラー電源３ｂによってワイヤ送給装置２ｂが駆動され、図示しないワイヤ収納容器から図示しないワイヤ送給路を介して、フィラーワイヤ６ｂが後行極トーチ５ｂに送給される。
【００４３】
溶接電源３ａは、消耗電極ワイヤ６ａを送り出すワイヤ送給装置２ａに回転制御信号を出力して駆動するとともに、消耗電極ワイヤ６ａに溶接電流を供給するための電源である。溶接電源３ａは、溶接制御装置４の制御に従って、被溶接部材Ｗとの間にアークを発生させるために必要な大きさの溶接電流および溶接電圧を、後記する給電チップ２３を介して消耗電極ワイヤ６ａに供給する。なお、溶接電源３ａの詳細については、後記する。
【００４４】
フィラー電源３ｂは、フィラーワイヤ６ｂを送り出すワイヤ送給装置２ｂに回転制御信号を出力して駆動するとともに、フィラーワイヤ６ｂにフィラー電流を供給するための電源である。フィラー電源３ｂは、溶接制御装置４の制御に従って、ジュール熱によってフィラーワイヤ６ｂを加熱するために、フィラー電流およびフィラー電圧を給電ブロック１７を介してフィラーワイヤ６ｂに供給する。なお、フィラー電源３ｂの具体的な内部構成については、後記する。
【００４５】
ここで、フィラー電源３ｂとして通常の定電圧特性の溶接電源を用いると、ワイヤ送給量およびフィラー電流を単独で制御することができない。また、通常の定電圧特性の溶接電源では、アークを発生させずに安定した溶融池Ｍを形成するための条件範囲が小さくなり、本施行法の利点が損なわれる。従って、フィラーワイヤ６ｂから極力アークを発生させることなく良好な溶接ビードを得るためには、ワイヤ送給量およびフィラー電流を単独で制御することができる定電流特性の溶接電源をフィラー電源３ｂとして用いることが好ましい。
【００４６】
また、フィラー電源３ｂは、フィラーワイヤ６ｂと被溶接部材Ｗとの間の電圧を検出し、一定の電圧を超えたとき、すなわちアークの発生が検出されたときは、設定電流にかかわらずフィラー電流値Ｉｆを１０［Ａ］以下に瞬時に低減してフィラーワイヤ６ｂの溶融を抑えて、アークの発生を防止する機能を有することがより好ましい。
【００４７】
溶接制御装置４は、溶接電源３ａによる溶接電流の供給、フィラー電源３ｂによるフィラー電流の供給、および、ワイヤ送給装置２ａ，２ｂの駆動を制御するための装置である。なお、溶接制御装置４の具体的な内部構成については、後記する。
【００４８】
先行極トーチ５ａは、前記したワイヤ送給装置２ａの駆動によって、被溶接部材Ｗに対して消耗電極ワイヤ６ａを供給するものである。先行極トーチ５ａ内部には、後記する給電チップ２３が設けられており、溶接電源３ａからの溶接電流が当該給電チップ２３を介して消耗電極ワイヤ６ａに供給されるように構成されている。
【００４９】
この溶接電流は、前記したように、１周期あたりパルスピーク電流レベルおよび／またはパルス幅が異なる第１パルス２０１および第２パルス２０２を用いたパルス電流である。従って、消耗電極ワイヤ６ａと被溶接部材Ｗとの間には、前記したように１周期あたり１溶滴の移行を行なうパルスアークが発生し、図４に示すような溶融池Ｍが形成される。なお、この際に先行極トーチ５ａから供給する消耗電極ワイヤ６ａの極性は、図４に示すように、ＤＣＥＰとする。
【００５０】
後行極トーチ５ｂは、前記したワイヤ送給装置２ｂの駆動によって、溶融池Ｍに対してフィラーワイヤ６ｂを供給する装置である。後行極トーチ５ｂ内部には、後記する給電ブロック１７が設けられており、フィラー電源３ｂからのフィラー電流が当該給電ブロック１７を介してフィラーワイヤ６ｂに供給されるように構成されている。なお、後行極トーチ５ｂの具体的な内部構成については、後記する。
【００５１】
前記したフィラー電源３ｂからフィラーワイヤ６ｂの給電ブロック１７に対してフィラー電流が給電されると、当該給電ブロック１７内を走行するフィラーワイヤ６ｂはジュール熱によって通電加熱される。そして、このように通電加熱されて溶融しやすくなったフィラーワイヤ６ｂは、図４に示すように、消耗電極ワイヤ６ａによって形成された溶融池Ｍに挿入され、溶接金属となる。なお、この際に後行極トーチ５ｂから供給されるフィラーワイヤ６ｂの極性は、ＤＣＥＰとＤＣＥＮのどちらでもよい。
【００５２】
消耗電極ワイヤ６ａは、前記した先行極トーチ５ａによって被溶接部材Ｗに供給されるワイヤであり、フィラーワイヤ６ｂは、前記した後行極トーチ５ｂによって溶融池Ｍに供給されるワイヤである。消耗電極ワイヤ６ａとフィラーワイヤ６ｂとしては、例えば、ソリッドワイヤ、フラックス入りワイヤ等を用いることができ、それぞれ同じ種類のワイヤ、あるいは異なる種類のワイヤを用いることができる。なお、消耗電極ワイヤ６ａおよびフィラーワイヤ６ｂのワイヤ径は、溶接条件等によって適宜変更されるが、例えば１．０〜１．６［ｍｍφ］とすることができる。
【００５３】
ここで、本発明の実施形態に係るアーク溶接システム１においては、溶接電源３ａの先行極ベース電流値が、フィラー電源３ｂの後行極フィラー電流値よりも大きくなるように予め設定する。このように、先行極ベース電流値を後行極フィラー電流値よりも大きくすることにより、フィラー電流の影響による先行極アークのベース期間中における磁気干渉を抑制することができる。従って、先行極アークの硬直性を維持することができる。なお、先行極ベース電流値および後行極フィラー電流値の設定は、例えばアーク溶接を行う前に作業者が直接これらの設定値を調節することで行う。
【００５４】
次に、アーク溶接システム１が備える後行極トーチ５ｂの具体的な構成について、図４を参照しながら詳細に説明する。後行極トーチ５ｂは、図４に示すように、トーチボディ１１と、ワイヤガイド１２と、接続部材１３ａ，１３ｂと、スプリングライナー１４と、セラミックリング１５と、絶縁カバー１６と、給電ブロック１７と、絶縁ジョイント１８ａ，１８ｂと、押えスプリング１９と、を備えている。以下、後行極トーチ５ｂが備える各構成について、詳細に説明する。なお、図４においては、説明の便宜上後行極トーチ５ｂの縮尺を拡大して表示している。
【００５５】
トーチボディ１１は、後行極トーチ５ｂの基体となる筒状の部材である。トーチボディ１１は、図４に示すように、内部にフィラーワイヤ６ｂが走行可能な径の孔が形成されている。また、トーチボディ１１は、トーチ先端側の一端がワイヤガイド１２と接続され、トーチ後端側の他端が接続部材１３ａを介してスプリングライナー１４、セラミックリング１５および絶縁カバー１６と接続されている。
【００５６】
ワイヤガイド１２は、後行極トーチ５ｂ先端において、フィラーワイヤ６ｂをガイドしながら送り出す筒状の部材である。ワイヤガイド１２は、図４に示すように、内部にフィラーワイヤ６ｂが走行可能な径の孔が形成されている。また、ワイヤガイド１２は、トーチ後端側の他端がトーチボディ１１と接続されている。
【００５７】
スプリングライナー１４は、内部にフィラーワイヤ６ｂを走行させるための筒状の部材である。スプリングライナー１４は、例えばコイルスプリング等の弾性部材で構成することができる。スプリングライナー１４の内部には、図４に示すように、絶縁性のセラミックリング１５によって形成されたワイヤ送給路が形成され、外部は絶縁カバー１６で被覆されている。従って、スプリングライナー１４の内部および外部は、絶縁処理部材によっていずれも絶縁処理されている。スプリングライナー１４は、トーチ先端側の一端が接続部材１３ａを介してトーチボディ１１と接続され、トーチ後端側の他端が接続部材１３ｂを介して絶縁ジョイント１８ａと接続されている。
【００５８】
セラミックリング１５は、走行中のフィラーワイヤ６ｂを絶縁処理するための円筒状の部材である。セラミックリング１５は、図４に示すように、内部にフィラーワイヤ６ｂが走行可能な径の孔が形成されており、フィラーワイヤ６ｂの送給方向に複数並べることで筒状のワイヤ送給路を形成している。また、セラミックリング１５は、トーチ先端側の一端が接続部材１３ａを介してトーチボディ１１と接続され、トーチ後端側の他端が給電ブロック１７と接続されている。なお、セラミックリング１５は、後行極トーチ５ｂにおける絶縁処理部材として機能する。
【００５９】
絶縁カバー１６は、後行極トーチ５ｂ内部の部材を絶縁処理するための筒状の部材である。絶縁カバー１６は、例えばゴム等の絶縁性樹脂で構成することができる。絶縁カバー１６は、図４に示すように、スプリングライナー１４を周囲から被覆するように形成されている。また、絶縁カバー１６は、トーチ先端側の一端が接続部材１３ａを介してトーチボディ１１と接続され、トーチ後端側の他端が接続部材１３ｂを介して絶縁ジョイント１８ａと接続されている。なお、絶縁カバー１６は、後行極トーチ５ｂにおける絶縁処理部材として機能する。
【００６０】
給電ブロック１７は、走行中のフィラーワイヤ６ｂに対して、フィラー電流を給電するための給電部材である。給電ブロック１７は導電性の部材で構成され、図４に示すように、内部にフィラーワイヤ６ｂが走行可能かつ接触可能な径の孔が形成されている。また、給電ブロック１７は、トーチ先端側の一端がセラミックリング１５および絶縁ジョイント１８ａと接続され、トーチ後端側の他端が絶縁ジョイント１８ｂと接続されている。従って、給電ブロック１７は、消耗電極ワイヤ６ａ用の給電チップ２３と絶縁処理されている。
【００６１】
ここで、従来のホットワイヤＧＭＡ溶接法では、後行極トーチの先端近くにフィラー電流の給電点があるため、通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］は２５〜１００×１０−３［ｍ］程度であり、高溶着量を得るためにはフィラーワイヤ６ｂに大電流を通電する必要があった。そのため、従来のホットワイヤＧＭＡ溶接法では、後行極であるフィラーワイヤ６ｂに給電されたフィラー電流によって、先行極アークが磁気干渉を受け、規則的な溶滴形成と離脱が不可能となったり、アーク切れが発生していた。
【００６２】
一方、本発明の実施形態に係るアーク溶接システム１においては、フィラーワイヤ６ｂの通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］が２００〜５００×１０−３［ｍ］となるように、後行極トーチ５ｂの長さを調整する。この通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］とは、図４に示すように、溶融池Ｍに挿入されるフィラーワイヤ６ｂの先端Ｐ１と、フィラーワイヤ６ｂの通電点Ｐ２との距離を指している。また、フィラーワイヤ６ｂの先端Ｐ１とは、図４に示すように、溶融池Ｍ表面においてフィラーワイヤ６ｂが挿入される部分、言い換えると、溶融池Ｍとフィラーワイヤ６ｂとの接触部分のことを示している。そして、給電点Ｐとは、図４に示すように、フィラーワイヤ６ｂと給電ブロック１７との接触部分における最も先端、すなわち、最も溶融池Ｍに近い部分のことを示している。
【００６３】
このように、通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］を従来よりも延長することで、フィラーワイヤ６ｂの予熱に必要なフィラー電流を従来よりも大幅に低減することができる。その結果、先行極アークの磁気干渉によるスパッタ増加を抑制することができ、更なる低スパッタを実現できる。
【００６４】
なお、通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］を前記した範囲内とする方法としては、例えば、先行極トーチ５ａを製造する際に各部材の大きさおよび長さを調整して物理的な距離を調整する方法等が挙げられる。
【００６５】
絶縁ジョイント１８ａ，１８ｂは、フィラー電源３ｂから給電ブロック１７に給電されるフィラー電流が他部材に漏出しないように給電ブロック１７を絶縁するとともに、給電ブロック１７と他部材とを接続するための部材である。絶縁ジョイント１８ａ，１８ｂは、絶縁性の部材で構成され、図４に示すように、給電ブロック１７を両側から挟みこむように支持している。また、絶縁ジョイント１８ａは、トーチ先端側の一端が接続部材１３ｂを介してスプリングライナー１４、セラミックリング１５および絶縁カバー１６と接続され、トーチ後端側の他端が給電ブロック１７と接続されている。また、絶縁ジョイント１８ｂは、トーチ先端側の一端が給電ブロック１７と接続されている。なお、絶縁ジョイント１８ａ，１８ｂは、後行極トーチ５ｂにおける絶縁処理部材として機能する。
【００６６】
ここで、給電ブロック１７、スプリングライナー１４、ワイヤガイド１２からなるフィラーワイヤ送給系においては、給電ブロック１７から先のフィラーワイヤ６ｂは絶縁されている必要がある。そこで、前記したように、セラミックリング１５をワイヤ送給方向に並べてその中心にフィラーワイヤ６ｂが送給されるように構成する。そして、このセラミックリング１５をスプリングライナー１４や絶縁性樹脂等の絶縁カバー１６を用いて単独または両方で被覆することにより、フィラーワイヤ送給系に任意の曲率を付与することが可能となり、後行極トーチ５ｂの配置も容易となる。
【００６７】
押えスプリング１９は、給電ブロック１７内部の孔の径を、フィラーワイヤ６ｂが走行する中心方向に縮径させるための強制給電機構である。このように押えスプリング１９によって給電ブロック１７内部の孔の径を縮径させることで、給電ブロック１７とフィラーワイヤ６ｂとの接触が容易となる。押さえスプリング１９は、例えばコイルスプリング等の弾性部材で構成することができ、フィラーワイヤ６ｂの走行が妨げられない範囲内で、給電ブロック１７の外径を中心方向に縮径させる。
【００６８】
ここで、アーク溶接システム１においては、溶融池Ｍ直上における消耗電極ワイヤ６ａの先端とフィラーワイヤ６ｂの先端との距離である電極間距離Ｄｅ［ｍ］を、４〜１５×１０−３［ｍ］の範囲内となるように各電極を配置することが好ましい。電極間距離Ｄｅ［ｍ］が４×１０−３［ｍ］未満の場合、ワイヤの曲がり癖等によってワイヤ先端がふらつくため、先行極アーク中にフィラーワイヤ６ｂが溶融池Ｍに挿入されると、フィラーワイヤ６ｂが過度に溶融してフィラーワイヤ６ｂ側からもアークが発生してしまう場合がある。また、電極間距離Ｄｅ［ｍ］が１５×１０−３［ｍ］以上の場合、高溶着量を得るためにフィラーワイヤ６ｂの送給速度Ｖｗ［ｍ／ｓ］を増加させると、フィラー電流を増加させたとしても、フィラーワイヤ６ｂが完全に溶融しないまま溶融池Ｍに残り、溶接欠陥が発生してしまう場合がある。従って、アーク溶接システム１においては、電極間距離Ｄｅ［ｍ］を前記した範囲内とすることにより、安定した溶接が可能となる。
【００６９】
［溶接電源、フィラー電源および溶接制御装置の具体的構成］
次に、実施形態に係るアーク溶接システム１が備える溶接電源３ａ、フィラー電源３ｂおよび溶接制御装置４のそれぞれの具体的構成について、図５および図６を参照しながら詳細に説明する。なお、図５においては、先行極トーチ５ａおよび後行極トーチ５ｂを簡略化して図示している。
【００７０】
溶接電源３ａは、図５に示すように、出力制御素子２１と、電流検出器２２と、電圧検出器２４と、を備えている。以下、溶接電源３ａが備える各構成について、詳細に説明する。
【００７１】
出力制御素子２１は、３相２００Ｖ等の商用電源に接続されており、この出力制御素子２１に与えられた電流は、図示しないトランス、ダイオード等の整流部および直流リアクトルを経由して、溶接電流を検出する電流検出器２２を介して、給電チップ２３に与えられる。なお、給電チップ２３は、破線で示すように、先行極トーチ５ａ内に収納されている。
【００７２】
図示しないトランスを介した出力制御素子２１の低位電源側には、図５に示すように、被溶接部材Ｗが接続されており、給電チップ２３内を挿通して給電される消耗電極ワイヤ６ａと、被溶接部材Ｗとの間にアークが生起される。
【００７３】
電流検出器２２は、溶接電流の瞬時値Ｉｏを検出し、電流検出信号を先行極出力制御器２５に出力するものである。また、電流検出器２２は、第２パルス期間における溶接電流の瞬時値Ｉｏ２も検出し、この検出信号を積分器３６に出力する。
【００７４】
電圧検出器２４は、給電チップ２３と被溶接部材Ｗとの間の溶接電圧の瞬時値Ｖｏを検出し、電圧検出信号を先行極出力制御器２５に出力するものである。また、電圧検出器２４は、第２パルス期間における溶接電圧の瞬時値Ｖｏ２も検出し、この検出信号を積分器３６に出力する。
【００７５】
フィラー電源３ｂは、図５に示すように、出力制御素子２６と、電流検出器２７と、電圧検出器２８と、を備えている。以下、フィラー電源３ｂが備える各構成について、詳細に説明する。
【００７６】
出力制御素子２６は、３相２００Ｖ等の商用電源に接続されており、この出力制御素子２６に与えられた電流は、図示しないトランス、ダイオード等の整流部および直流リアクトルを経由して、フィラー電流を検出する電流検出器２７を介して、給電ブロック１７に与えられる。なお、給電ブロック１７は、破線で示すように、後行極トーチ５ｂに設けられている。
【００７７】
図示しないトランスを介した出力制御素子２６の低位電源側には、図５に示すように、被溶接部材Ｗが接続されている。給電ブロック１７内を挿通して給電されるフィラーワイヤ６ｂは、通電加熱され、被溶接部材Ｗに形成された溶融池Ｍに挿入される。
【００７８】
電流検出器２７は、フィラー電流の瞬時値Ｉｆを検出し、電流検出信号を後行極出力制御器２９に出力するものである。
【００７９】
電圧検出器２８は、給電ブロック１７と被溶接部材Ｗとの間のフィラー電圧の瞬時値Ｖｆを検出し、電圧検出信号を後行極出力制御器２９に出力するものである。
【００８０】
溶接制御装置４は、図５に示すように、先行極出力制御器２５と、後行極出力制御器２９と、波形生成器３１と、波形設定器３２と、くびれ検出器３３と、パラメータ設定器３４と、演算部３５と、積分器３６と、Ｓｖ２比較器３７と、を備えている。以下、溶接制御装置４が備える各構成について、詳細に説明する。
【００８１】
先行極出力制御器２５は、電流検出器２２から入力される溶接電流の検出信号（Ｉｏ）と、電圧検出器２４から入力される溶接電圧の検出信号（Ｖｏ）と、波形生成器３１から入力される第１パルス２０１および第２パルス２０２からなるパルス波形ＷＰを示す信号、とに基づいて、消耗電極ワイヤ６ａに給電する溶接電流および溶接電圧の指令値を決定し、溶接指令信号を出力して出力制御素子２１を制御することによって先行極トーチ５ａによる溶接出力を制御する。
【００８２】
後行極出力制御器２９は、指令信号を出力して出力制御素子２６を制御することによって後行極トーチ５ｂによるフィラー出力を制御する。なお、後行極出力制御器２９は、ジュール熱によってフィラーワイヤ６ｂを加熱するための電流であって、被溶接部材Ｗとの間にアークを発生させない程度の大きさのフィラー電流およびフィラー電圧の指令値を決定する。
【００８３】
また、後行極出力制御器２９は、フィラーワイヤ６ｂと被溶接部材Ｗとの間の電圧を検出し、一定の電圧を超えたとき、すなわちアークの発生が検出されたときは、設定電流にかかわらず、１０Ａ以下に電流値を瞬時に低減してフィラーワイヤ６ｂの溶融を抑え、アークの発生を防止する機能を備えることもできる。
【００８４】
波形生成器３１は、パルス波形ＷＰが異なる２種類のパルス信号として溶滴を離脱させるための第１パルス２０１と、溶滴を形成するための第２パルス２０２とを交互に生成し、出力制御素子２１を介して溶接電源３ａに出力するものである。このために、波形生成器３１には、波形設定器３２で設定された各種波形パラメータが入力される。
【００８５】
また、波形生成器３１は、溶滴のくびれ３０６（図２参照）が検出された場合に直ちに第１パルス２０１の電流値を検出時の電流値よりも低い所定値に切り替える。実施形態では、波形生成器３１には、くびれ検出器３３から、溶滴離脱直前を示す第１パルス期間終了信号（Ｔｐ１ｆ）が入力される。波形生成器３１は、第１パルス期間終了信号（Ｔｐ１ｆ）が入力された場合に、波形設定器３２で設定された設定値に基づいて、第１パルスベース期間Ｔｂ１では、第１パルスベース電流値Ｉｂ１になるように、先行極出力制御器２５の出力を補正するための信号である出力補正信号を先行極出力制御器２５に出力する。また、第１パルス期間終了信号（Ｔｐ１ｆ）が入力されて第１パルスベース期間Ｔｂ１が終了した場合に、波形生成器３１は、波形設定器３２で設定されたパルス形状となるように、第２パルス２０２の波形信号を出力し、続いて、再び第１パルス２０１および第２パルス２０２による交互出力を繰り返す。
【００８６】
また、波形生成器３１には、Ｓｖ２比較器３７から、前記した式（２）の演算結果が０と等しくなったことを示す第２パルスベース期間終了信号（Ｔｂ２ｆ）が入力される。波形生成器３１は、パルス周期毎に、第２パルスベース期間終了信号（Ｔｂ２ｆ）が入力された場合に、当該パルス周期を終了して次回のパルス周期を開始する。
【００８７】
波形設定器３２は、第１パルス２０１および第２パルス２０２における、ピーク電流、パルスピーク期間、ベース電流、パルスベース期間、立上りスロープ期間、立下がりスロープ期間等の波形パラメータを波形生成器３１に設定するものである。実施形態では、波形設定器３２は、図示しない記憶手段に予め記憶された波形パラメータの各値を波形パラメータ設定信号として波形生成器３１に入力する。
【００８８】
くびれ検出器３３は、電流検出器２２で検出された溶接電流および電圧検出器２４で検出された溶接電圧の少なくとも一方に基づいて、前記したように、溶滴離脱直前の状態として溶滴のくびれ３０６を検出するものである。くびれ検出器３３は、溶接電圧あるいはアークインピーダンス等について１階または２階の時間微分信号を用いることで、溶滴のくびれ３０６を検出することが可能である。実施形態では、くびれ検出器３３は、電圧検出器２４で検出された溶接電圧の瞬時値Ｖｏの時間２階微分値に基づいて溶滴のくびれ３０６を検出することとした。
【００８９】
アーク溶接システム１においては、くびれ検出器３３は、図６に示すように、溶接電圧微分器４１と、２階微分器４２と、２階微分値設定器４３と、比較器４４とを備え、波形生成器３１から溶滴離脱検出許可信号が入力されているときに、それぞれの処理を行うこととした。以下、くびれ検出器３３が備える各構成について、詳細に説明する。
【００９０】
溶接電圧微分器４１は、電圧検出器２４により検出された溶接電圧の瞬時値Ｖｏを時間微分する。この時間微分電圧値ｄＶ／ｄｔは、２階微分器４２により、さらに時間微分され、その算出結果である時間２階微分値ｄ２Ｖ／ｄｔ２は、比較器４４に入力される。２階微分値設定器４３は、ワイヤ先端から溶滴が離脱する直前のくびれに相当する溶接電圧の時間２階微分値に相当するしきい値を、時間２階微分値として設定するものである。
【００９１】
比較器４４は、２階微分器４２から入力する溶接中の溶接電圧の瞬時値Ｖｏの時間２階微分値である２階微分検出値と、２階微分値設定器４３で設定された時間２階微分値である２階微分設定値と、を比較するものである。比較器４４は、２階微分検出値が２階微分設定値以上になったときに、溶滴がワイヤ先端から離脱直前であるものと判定し、第１パルス期間終了信号（Ｔｐ１ｆ）を波形生成器３１に出力する。これは、ワイヤ先端に存在する溶滴の根元がくびれ、そのくびれが進行する結果、溶接電圧および抵抗が上昇することを捉えるものである。このように時間２階微分値等を用いて、溶接電圧および抵抗の上昇を検出する場合、溶接中の溶接条件の変化に影響されず、正確に溶滴のくびれ３０６を検出できる。
【００９２】
図５に戻って、溶接制御装置４の説明を続ける。
パラメータ設定器３４は、消耗電極ワイヤ６ａの送給速度、溶接電流設定値Ｉｓ、溶接電圧設定値Ｖｓ等を演算部３５に設定するものである。実施形態では、パラメータ設定器３４は、図示しない記憶手段に予め記憶された溶接パラメータの各値を、設定溶接電流値信号、設定溶接電圧値信号等の設定パラメータ信号として演算部３５に入力する。
【００９３】
演算部３５は、予め定められた各設定値に基づいて、各種パラメータを算出し、算出した各種パラメータを積分器３６に入力するものである。具体的には、演算部３５は、入力される各設定値に応じて溶接電源３ａの外部特性の傾きＫｓを一義的に決定する。外部特性の傾きＫｓは、溶接電流設定値Ｉｓまたは溶接電圧設定値Ｖｓ、消耗電極ワイヤ６ａの送給速度、ワイヤの種類等に応じて適正に設定される。演算部３５は、例えば、変換用のテーブルや関数を用いて外部特性の傾きＫｓを決定する。
【００９４】
また、演算部３５は、入力される設定溶接電流値信号の値Ｉｓに応じて、第２パルス期間における溶接電流設定値Ｉｓ２を一義的に決定する。演算部３５は、例えば、変換用のテーブルや関数を用いて第２パルス期間における溶接電流設定値Ｉｓ２を決定する。
【００９５】
さらに、演算部３５は、入力される設定溶接電圧値信号の値Ｖｓおよび設定溶接電流値信号の値Ｉｓに応じて、第２パルス期間における溶接電圧設定値Ｖｓ２を一義的に決定する。実施形態では、演算部３５は、式（３）の演算を行って第２パルス期間における溶接電圧設定値Ｖｓ２を決定する。
【００９６】
【数３】
【００９７】
式（３）において、Ｖｓ＿ｉｎｉは、溶接電流設定値Ｉｓに応じて決まる一元中央電圧、Ｖｓ２＿ｉｎｉは、第２パルス期間における溶接電流設定値Ｉｓ２に応じて決まる第２パルス期間における一元中央電圧、Ｖｓ２＿ｃｈｇは、設定溶接電圧値信号の値（Ｖｓ）を１［Ｖ］変化させた場合の第２パルス期間における溶接電圧設定値Ｖｓ２の変化量である。
【００９８】
積分器３６は、演算部３５からそれぞれ入力される外部特性の傾きＫｓ、第２パルス期間における溶接電流設定値Ｉｓ２および溶接電圧設定値Ｖｓ２と、電流検出器２２から入力される溶接電流の検出信号（Ｉｏ）と、電圧検出器２４から入力される溶接電圧の検出信号（Ｖｏ）とを用いて、前記した式（２）を演算し、電圧誤差積分値の演算結果を示す積分値信号（Ｓｖ２）をＳｖ２比較器３７に出力する。積分器３６が、前記した式（２）の演算を開始するタイミングは、パルス周期の第２パルス期間の開始時点である。積分器３６は、式（２）で表す電圧誤差積分値Ｓｖ２の演算結果が０となった時点で演算を終了する。
【００９９】
Ｓｖ２比較器３７は、入力される積分値信号（Ｓｖ２）が０と等しくなったか否かを比較するものであり、Ｓｖ２＝０となった時点で、第２パルスベース期間終了信号（Ｔｂ２ｆ）を波形生成器３１に出力する。波形生成器３１は、第２パルスベース期間終了信号（Ｔｂ２ｆ）が入力された場合に、当該パルス周期を終了して次回のパルス周期を開始する。これをパルス周期毎に繰り返すことによって、外部特性の傾きＫｓ上に動作点を形成することができ、１周期１溶滴とするアーク溶接を実現できる。
【０１００】
以上のような構成を備えるアーク溶接システム１は、シールドガスＧとして炭酸ガスを用い、かつ、２電極ワイヤを用いてアーク溶接を行うことで、低コストかつ高能率のアーク溶接が可能となる。また、パルスアークを先行極アークとして用いることで、溶滴の形成および離脱をパルス電流波形に同期させて規則正しく行うことができる。
【０１０１】
なお、１電極ワイヤを用いた従来のアーク溶接方法においては、安価な炭酸ガスをシールドガスＧとして用いたとしても、前記したようなパルスアークを先行極として用いることで、規則正しい溶滴形成と離脱が可能となり低スパッタ溶接が可能である。一方、２電極ワイヤを用いた従来のホットワイヤＧＭＡ溶接法においては、通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］が２５〜１００×１０−３［ｍ］程度と短いため、後行極であるフィラーワイヤ６ｂに大電流を通電する必要がある。従って、この大電流によってベース期間Ｔｂ１，Ｔｂ２の先行極アークが磁気干渉を受け、規則的な溶滴形成と離脱が不可能となったり、アーク切れが発生する。
【０１０２】
一方、実施形態に係るアーク溶接システム１は、溶融池Ｍにおけるフィラーワイヤ６ｂの先端Ｐ１とフィラーワイヤ６ｂの通電点Ｐ２との距離を所定範囲内としてフィラーワイヤ６ｂの通電加熱距離を延長することで、フィラーワイヤ６ｂの予熱に必要なフィラー電流を従来よりも大幅に低減することができる。さらに、後行極フィラー電流値を先行極ベース電流値以下とすることで、後行極であるフィラーワイヤ６ｂに給電されたフィラー電流による、ベース期間Ｔｂ１，Ｔｂ２中の先行極アークに対する磁気干渉を抑制することができ、先行極アークの硬直性を維持することができる。
【０１０３】
そのため、安価な炭酸ガスをシールドガスＧとして用いても、溶滴の形成と離脱は１電極ワイヤ時と同様に行われ、通常の直流定電圧電源を先行極アーク用として用いたホットワイヤＧＭＡ溶接法と比較してスパッタ量を大幅に低減できる。また、消耗電極ワイヤ６ａと通電加熱したフィラーワイヤ６ｂの２電極ワイヤを用いてアーク溶接を行うため、中厚板の多層盛り溶接等においても高溶着量を得ることができる。従って、低コスト、低スパッタおよび高溶着を兼ね備えた溶接システムを提供することができる。
【０１０４】
なお、実施形態に係るアーク溶接システム１は、前記したように電極間距離Ｄｅ［ｍ］を４〜１５×１０−３［ｍ］の範囲内とした上で、電極間距離Ｄｅ［ｍ］、通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］、フィラーワイヤ６ｂの送給速度Ｖｗ［ｍ／ｓ］、フィラーワイヤ６ｂの電流密度Ｊ［Ａ／ｍ２］を、下記式（１）を満たすような関係となるように、予めこれらの値を設定することが好ましい。
【０１０５】
【数４】
【０１０６】
上記式（１）は、フィラーワイヤ６ｂが適切な温度分布となる条件式である。電極間距離Ｄｅ［ｍ］および通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］、フィラーワイヤ６ｂの送給速度Ｖｗ［ｍ／ｓ］、フィラー電流値Ｉｆ［Ａ］あるいはフィラーワイヤ６ｂの電流密度Ｊ［Ａ／ｍ２］が適正値でないと、フィラーワイヤ６ｂの加熱不足や過熱を防止することができない場合がある。
【０１０７】
ここで、フィラーワイヤ６ｂの温度は、電極間距離Ｄｅ［ｍ］が小さい程、先行極アークの輻射熱の影響を受けて高くなる。また、フィラーワイヤ６ｂの温度は、通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］が大きい程、フィラー電流値Ｉｆ［Ａ］が大きいほど、ジュール発熱効果により高くなる。また、フィラーワイヤ６ｂの送給速度Ｖｗ［ｍ／ｓ］が大きい程、加熱時間が短くなり、フィラーワイヤ６ｂの温度は低くなる。本発明者らは、これらのパラメータを変化させて鋭意実験を重ねた結果、上記式（１）の値が４〜１０の範囲内である場合、溶融池Ｍ直上のフィラーワイヤ６ｂの温度が最適となることを見出した。
【０１０８】
一方、上記式（１）の値が４未満の場合、フィラーワイヤ６ｂの加熱が不足し、例えば未溶融のフィラーワイヤ６ｂが被溶接部材を突っつくことにより、溶融池Ｍを乱し先行極アークからのスパッタを発生させてしまう現象が起こる場合がある。また、上記式（１）の値が１０を超える場合、フィラーワイヤ６ｂが過熱されて軟化することにより、微少な送給変動が生じフィラー側からアークが発生してしまう結果、スパッタを発生させてしまう現象が起こる場合がある。従って、上記式（１）の値は４〜１０の範囲内とすることが好ましい。
【０１０９】
また、実施形態に係るアーク溶接システム１は、フィラー電源３ｂのフィラー電流値Ｉｆが１５０［Ａ］以下となるように、予め設定することが好ましい。このように、フィラー電流値Ｉｆを所定値以下とすることにより、後行極であるフィラーワイヤ６ｂに給電されたフィラー電流による、ベース期間Ｔｂ１，Ｔｂ２中の先行極アークに対する磁気干渉をより抑制することができる。
【０１１０】
また、実施形態に係るアーク溶接システム１は、後行極であるフィラーワイヤ６ｂの更に後方にもう１つのフィラーワイヤ６ｂを設けて、３電極ワイヤのアーク溶接システムとすることもできる。なお、このように３電極のアーク溶接システムとするには、別途追加されるフィラーワイヤ６ｂに対応させて、ワイヤ送給装置２ｂ、フィラー電源３ｂ、後行極トーチ５ｂおよびフィラーワイヤ６ｂを１つずつ追加し、かつ、溶接制御装置４にも後行極出力制御器２９を１つ追加すればよい。このように３電極のアーク溶接システムとすることにより、更なる高能率化を図ることができる。
【０１１１】
［消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法］
次に、実施形態に係るアーク溶接方法について、詳細に説明する。実施形態に係るアーク溶接方法は、シールドガスＧとして炭酸ガスを用い、先行極である消耗電極ワイヤ６ａによるアークによって溶融池Ｍを形成し、後行極であるフィラーワイヤ６ｂを溶融池Ｍに添加して溶接を行う溶接方法である。実施形態に係るアーク溶接方法は、消耗電極ワイヤ６ａと被溶接部材Ｗとの間にアークを発生させて溶融池Ｍを形成する第１のステップと、通電加熱したフィラーワイヤ６ｂを溶融池Ｍに挿入する第２のステップと、に大別することができる。
【０１１２】
（１）第１のステップ
第１のステップは、１周期あたりパルスピーク電流レベルおよび／またはパルス幅の異なる２種類のパルス波形を交互に出力し、１周期あたり１溶滴を移行させるパルスアークを発生させ、溶融池Ｍを形成するステップである。
【０１１３】
ここで、２種類のパルス波形である第１パルス２０１および第２パルス２０２については、前記した通りである（図１参照）。また、消耗電極ワイヤ６ａの溶接出力の制御は、前記した溶接制御装置４の先行極出力制御器２５によって行なわれる。すなわち、先行極出力制御器２５は、図５に示すように、電流検出器２２から入力される溶接電流の検出信号（Ｉｏ）と、電圧検出器２４から入力される溶接電圧の検出信号（Ｖｏ）と、波形生成器３１から入力される第１パルス２０１および第２パルス２０２からなるパルス波形ＷＰを示す信号、とに基づいて、消耗電極ワイヤ６ａに給電する溶接電流および溶接電圧の指令値を決定し、溶接指令信号を出力して出力制御素子２１を制御することによって先行極トーチ５ａによる溶接出力を制御する。そして、先行極出力制御器２５によるこのような制御によって、消耗電極ワイヤ６ａと被溶接部材Ｗとの間に、１周期あたり１溶滴の移行を行なうパルスアークが発生する。
【０１１４】
（２）第２のステップ
第２のステップは、フィラー電流によって通電加熱されたフィラーワイヤ６ｂを溶融池Ｍに挿入するステップである。
【０１１５】
前記した第１および第２のステップにおいて、給電ブロック１７と給電チップ２３は絶縁されている。絶縁処理の方法としては、例えば図４に示す後行極トーチ５ｂのように、セラミックリング１５、絶縁カバー１６、絶縁ジョイント１８ａ，１８ｂ等の絶縁処理部材を用いて給電ブロック１７以外の金属部材と絶縁する方法が挙げられる。但し、給電ブロック１７以外の金属部材と絶縁処理可能であればよいため、セラミックリング１５、絶縁カバー１６、絶縁ジョイント１８ａ，１８ｂ、のうちの１つまたは２つ絶縁処理部材のみで絶縁処理を行なってもよい。
【０１１６】
また、前記した第１および第２のステップにおいて、フィラーワイヤ６ｂの通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］は、２００〜５００×１０−３［ｍ］とする。通電加熱距離Ｅｘ「ｍ」とは、前記したように、溶融池Ｍに挿入されるフィラーワイヤ６ｂの先端Ｐ１と、フィラーワイヤ６ｂの通電点Ｐ２との距離を指している。通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］を前記した範囲内に制御する方法としては、前記したように、先行極トーチ５ａを製造する際に各部材の大きさおよび長さを調整して物理的な距離を調整する方法等が挙げられる。
【０１１７】
また、前記した第１および第２のステップにおいて、先行極ベース電流値であるパルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２が後行極フィラー電流値であるフィラー電流値Ｉｆよりも大きくなるように設定する。
【０１１８】
以上のような手順を行なうアーク溶接方法は、シールドガスＧとして炭酸ガスを用い、かつ、２電極ワイヤを用いてアーク溶接を行うことで、低コストかつ高能率のアーク溶接が可能となる。またパルスアークを先行極アークとして用いることで、溶滴の形成および離脱をパルス電流波形に同期させて規則正しく行うことができる。
【０１１９】
また、溶融池Ｍに挿入されるフィラーワイヤ６ｂの先端Ｐ１とフィラーワイヤ６ｂの通電点Ｐ２との距離を所定範囲内としてフィラーワイヤ６ｂの通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］を延長することで、フィラーワイヤ６ｂの予熱に必要なフィラー電流を従来よりも大幅に低減することができる。さらに、後行極フィラー電流値を先行極ベース電流値以下とすることで、後行極であるフィラーワイヤ６ｂに給電されたフィラー電流による、ベース期間Ｔｂ１，Ｔｂ２中の先行極アークに対する磁気干渉を抑制することができ、先行極アークの硬直性を維持することができる。
【０１２０】
そのため、安価な炭酸ガスをシールドガスＧとして用いても、溶滴の形成と離脱は１電極ワイヤ時と同様に行われ、通常の直流定電圧電源を先行極アーク用として用いたホットワイヤＧＭＡ溶接法と比較してスパッタ量を大幅に低減できる。また、消耗電極ワイヤ６ａと通電加熱したフィラーワイヤ６ｂの２電極ワイヤを用いてアーク溶接を行うため、中厚板の多層盛り溶接等においても高溶着量を得ることができる。従って、低コスト、低スパッタおよび高溶着を兼ね備えた溶接方法を行うことができる。
【０１２１】
なお、実施形態に係るアーク溶接方法は、前記したように電極間距離Ｄｅ［ｍ］を４〜１５×１０−３ｍの範囲内とした上で、電極間距離Ｄｅ［ｍ］、通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］、フィラーワイヤ６ｂの送給速度Ｖｗ［ｍ／ｓ］、フィラーワイヤ６ｂの電流密度Ｊ［Ａ／ｍ２］を、下記式（１）を満たすような関係となるように、予めこれらの値を設定することが好ましい。
【０１２２】
【数５】
【０１２３】
上記式（１）を満たすことにより、溶融池Ｍ直上のフィラーワイヤ６ｂの温度分布が最適化するため、フィラーワイヤ６ｂの加熱不足や過熱を防止することができる。従って、例えば未溶融のフィラーワイヤ６ｂが被溶接部材を突っつくことにより、溶融池Ｍを乱し先行極アークからのスパッタを発生させてしまう現象や、フィラーワイヤ６ｂが過熱されて軟化することにより、微少な送給変動が生じフィラー側からアークが発生してしまう結果、スパッタを発生させてしまう現象を防止することができる。
【０１２４】
また、実施形態に係るアーク溶接方法においては、フィラー電源３ｂのフィラー電流値Ｉｆが１５０［Ａ］以下となるように、予め設定することが好ましい。このように、フィラー電流値Ｉｆを所定値以下とすることにより、後行極であるフィラーワイヤ６ｂに給電されたフィラー電流による、ベース期間Ｔｂ１，Ｔｂ２中の先行極アークに対する磁気干渉をより抑制することができる。
【実施例１】
【０１２５】
次に、本発明に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法の効果を確認する実験例について、図７を参照しながら詳細に説明する。本実験例では、２電極ワイヤを用いた消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法によってビードオンプレート溶接を実施した場合における、パルスアーク溶接を行うことの効果、通電加熱距離Ｅｘ［ｍｍ］を２００〜５００［ｍｍ］とすることの効果、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２をフィラー電流値Ｉｆよりも大きくすることの効果、について検証する。表１に本発明の要件を満たす実施例と、本発明の要件を満たさない比較例の溶接条件を示す。なお本実験例では、説明の便宜上、消耗電極ワイヤ送給速度の単位を［ｍ／ｍｉｎ］とし、フィラーワイヤの送給速度Ｖｗの単位を［ｍ／ｍｉｎ］とし、通電加熱距離Ｅｘの単位を［ｍｍ］として説明する。
【０１２６】
【表１】
【０１２７】
なお、表１に示したもの以外の溶接条件は全て共通とし、以下の通りとした。
（その他溶接条件）
シールドガス：ＣＯ２
先行極：ソリッドワイヤ １．２［ｍｍφ］
後行極：フラックス入りワイヤ １．２［ｍｍφ］
試験板：ＳＭ４９０Ａ
先行極のチップ−母材間距離：２５×１０−３［ｍ］
先行極の平均電流値Ｉａ：３００［Ａ］
溶接速度：３０［ｃｍ／ｍｉｎ］
電極間距離Ｄｅ：１０×１０−３［ｍ］
【０１２８】
ここで、表１に示すＮｏ．１，２は、本発明の要件を満たす実施例であって、パルスアーク溶接を行うとともに、通電加熱距離Ｅｘ［ｍｍ］を２００〜５００［ｍｍ］の範囲内とし、かつ、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２をフィラー電流値Ｉｆよりも大きくしてアーク溶接を行ったものである。
【０１２９】
一方、表１に示すＮｏ．３は、本発明の要件を満たさない比較例であって、直流定電圧電源を用いた通常のアーク溶接を行うとともに、通電加熱距離Ｅｘ［ｍｍ］を２００［ｍｍ］未満としたものである。また、Ｎｏ．４も、本発明の要件を満たさない比較例であって、パルスアーク溶接を行うとともに、通電加熱距離Ｅｘ［ｍｍ］を２００〜５００［ｍｍ］の範囲内とし、かつ、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２をフィラー電流値Ｉｆよりも小さくしてアーク溶接を行ったものである。
【０１３０】
図７（ａ）は、表１で示したＮｏ．１〜３における、フィラーワイヤの送給速度Ｖｗ［ｍ／ｍｉｎ］とフィラー電流値Ｉｆとの関係を、通電加熱距離Ｅｘ［ｍｍ］別に示したグラフである。図７（ａ）を参照すると、本発明の要件を満たす実施例であるＮｏ．１，２は、本発明の要件を満たさない比較例であるＮｏ．３と比較してアーク溶接に必要なフィラー電流値Ｉｆを大幅に低減できていることがわかる。特に、通電加熱距離Ｅｘ［ｍｍ］を５００［ｍｍ］としたＮｏ．２は、その低減効果が著しい。
【０１３１】
従って、図７（ａ）の結果により、通電加熱距離Ｅｘ［ｍｍ］とフィラー電流値Ｉｆ［ｍｍ］とが相関関係にあり、かつ、通電加熱距離Ｅｘ［ｍｍ］を２００〜５００［ｍｍ］の範囲内とすることにより、後行極トーチに供給するフィラー電流値Ｉｆを大幅に低減できることが明らかとなった。
【０１３２】
また、図７（ｂ）は、フィラーワイヤの送給速度Ｖｗ［ｍ／ｍｉｎ］とスパッタ発生量［ｇ／ｍｉｎ］との関係を、通電加熱距離Ｅｘ［ｍｍ］別に示したものである。図７（ｂ）を参照すると、本発明の要件を満たす実施例であるＮｏ．１は、本発明の要件を満たさない比較例であるＮｏ．３，４と比較して、スパッタ発生量［ｇ／ｍｉｎ］を大幅に低減できていることがわかる。
【０１３３】
従って、図７（ｂ）の結果により、通電加熱距離Ｅｘ［ｍｍ］およびパルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２とフィラー電流値Ｉｆの大小関係と、スパッタ発生量［ｇ／ｍｉｎ］とが相関関係にあり、かつ、通電加熱距離Ｅｘ［ｍｍ］を２００〜５００［ｍｍ］の範囲内とし、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２をフィラー電流値Ｉｆよりも大きくすることにより、スパッタ発生量を大幅に低減できることが明らかとなった。
【実施例２】
【０１３４】
次に、本発明に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法の効果を確認する別の実験例について、図８を参照しながら詳細に説明する。本実験例では、２電極ワイヤを用いた消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法によってビードオンプレート溶接を実施した場合における、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２をフィラー電流値Ｉｆよりも大きくすることの効果、についてさらに詳細に検証する。なお、本実験例における実施例の溶接条件は、前記した表１のＮｏ．１（実施例）と同様であり、比較例の溶接条件は、前記した表１のＮｏ．４（比較例）と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【０１３５】
図８（ａ）は、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２をフィラー電流値Ｉｆよりも小さくした状態でパルスアーク溶接を行った場合における、先行極の溶接電流および溶接電圧と、後行極のフィラー電流値Ｉｆの時間的変化を示すグラフである。図８（ａ）における上段のパルス波形は、先行極の溶接電圧であり、下段のパルス波形は、先行極の溶接電流であり、下段の直線波形は、後行極のフィラー電流である。
【０１３６】
図８（ａ）を参照すると、溶接電流および溶接電圧のパルス波形が所々乱れ、切断されていることがわかる。これは、ベース期間Ｔｂ１，Ｔｂ２における先行極アークが、フィラー電流によって磁気干渉を受けており、アーク切れが発生していることを示している。従って、図８（ａ）の結果により、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２をフィラー電流値Ｉｆよりも小さくすると、先行極アークに磁気干渉が発生してアーク切れが発生することがわかる。
【０１３７】
図８（ｂ）は、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２をフィラー電流値Ｉｆよりも大きくした状態でパルスアーク溶接を行った場合における、先行極の溶接電流および溶接電圧と、後行極のフィラー電流値Ｉｆの時間的変化を示すグラフである。図８（ｂ）における上段のパルス波形は、先行極の溶接電圧であり、下段のパルス波形は、先行極の溶接電流であり、下段の直線波形は、後行極のフィラー電流である。
【０１３８】
図８（ｂ）を参照すると、溶接電流および溶接電流のパルス波形は乱れることなく一定の周期で繰り返していることがわかる。これは、ベース期間Ｔｂ１，Ｔｂ２における先行極アークが、フィラー電流によって磁気干渉を受けることなく、アーク切れが発生していないことを示している。従って、図８（ｂ）の結果により、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２をフィラー電流値Ｉｆよりも大きくすると、先行極アークの磁気干渉を防止することができることがわかる。
【０１３９】
すなわち、図８（ａ）、（ｂ）の結果により、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２とフィラー電流値Ｉｆとの大小関係と、先行極アークのベース期間Ｔｂ１，Ｔｂ２中における磁気干渉と、が相関関係にあり、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２をフィラー電流値Ｉｆよりも大きくすることにより、ベース期間Ｔｂ１，Ｔｂ２中の先行極アークに対するフィラー電流の磁気干渉を抑制することができ、アーク切れを防止できることが明らかとなった。
【実施例３】
【０１４０】
次に、本発明に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法の効果を確認するさらに別の実験例について、表２を参照しながら詳細に説明する。本実験例では、前記した式（１）、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２とフィラー電流値Ｉｆの大小関係およびパルスアーク溶接と、スパッタ量との関係についてさらに詳細に検証する。まず表２に、本実施例における溶接条件および溶接結果を示す。なお、本実施例では、説明の便宜上、通電加熱距離Ｅｘの単位を［ｍｍ］とし、電極間距離Ｄｅの単位を［ｍｍ］とし、フィラーワイヤの送給速度Ｖｗの単位を［ｍ／ｍｉｎ］として説明する。また、表２に示した溶接結果の評価では、スパッタ量が１．０ｇ／ｍｉｎ未満を◎と、１．０ｇ／ｍｉｎ以上２．０ｇ／ｍｉｎ未満を○と、２．０ｇ／ｍｉｎ以上を×と評価した。
【０１４１】
【表２】
【０１４２】
表２におけるＮｏ．５〜３１は、本発明の要件を満たす実施例である。そしてその中でも特にＮｏ．５〜２２は、パルスアーク溶接を行い、通電加熱距離Ｅｘ［ｍｍ］を２００〜５００［ｍｍ］とし、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２をフィラー電流値Ｉｆよりも大きくし、かつ、前記した式（１）の値である表２のパラメータを４〜１０の範囲内とした例である。従って、Ｎｏ．５〜２２は、他の例と比較して最もスパッタ量を低減できていることがわかる。
【０１４３】
また、Ｎｏ．２３〜３１は、パルスアーク溶接を行い、通電加熱距離Ｅｘ［ｍｍ］を２００〜５００［ｍｍ］とし、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２をフィラー電流値Ｉｆよりも大きくし、前記した式（１）の値である表２のパラメータを４〜１０の範囲外とした例である。Ｎｏ．２３〜３１は、前記したＮｏ．５〜２２には及ばないものの、比較例と比較してスパッタ量を低減できていることがわかる。
【０１４４】
一方、Ｎｏ．３２〜３６は、通電加熱距離Ｅｘ［ｍｍ］を２００［ｍｍ］未満とし、かつ、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２をフィラー電流値Ｉｆよりも小さくしているため、スパッタ量を十分に低減できていないことがわかる。さらに、前記した式（１）の値である表２のパラメータも５〜１５の範囲外となっている。また、Ｎｏ．３７〜４３は、パルスベース電流値Ｉｂ１，Ｉｂ２をフィラー電流値Ｉｆよりも小さくしているため、スパッタ量を十分に低減できていないことがわかる。さらに、Ｎｏ．３７を除けば、前記した式（１）の値である表２のパラメータも４〜１０の範囲外となっている。
【０１４５】
Ｎｏ．４４，４５は、通電加熱距離Ｅｘ［ｍｍ］が５００［ｍｍ］超えであるため、送給不良が生じてスパッタ量を測定することができなかったが、前記した式（１）の値である表２のパラメータは４〜１０の範囲外となっている。また、Ｎｏ．４６〜４８は、パルスアーク溶接ではなく通常のアーク溶接を行っているため、スパッタ量を十分に低減できていないことがわかる。
【０１４６】
以上、本発明に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法および消耗電極式ガスシールドアーク溶接システムについて、発明を実施するための形態および実施例により具体的に説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈されなければならない。また、これらの記載に基づいて種々変更、改変等したものも本発明の趣旨に含まれることはいうまでもない。
【符号の説明】
【０１４７】
１ 消耗電極式ガスシールドアーク溶接システム
２ａ ワイヤ送給装置
２ｂ ワイヤ送給装置
３ａ 溶接電源
３ｂ フィラー電源
４ 溶接制御装置
５ａ 先行極トーチ
５ｂ 後行極トーチ
６ａ 消耗電極ワイヤ
６ｂ フィラーワイヤ
１１ トーチボディ
１２ ワイヤガイド
１３ａ 接続部材
１３ｂ 接続部材
１４ スプリングライナー
１５ セラミックリング
１６ 絶縁カバー
１７ 給電ブロック
１８ａ 絶縁ジョイント
１８ｂ 絶縁ジョイント
１９ 押えスプリング
２１ 出力制御素子
２２ 電流検出器
２３ 給電チップ
２４ 電圧検出器
２５ 先行極出力制御器
２６ 出力制御素子
２７ 電流検出器
２８ 電圧検出器
２９ 後行極出力制御器
３０ 電流比較器
３１ 波形生成器
３２ 波形設定器
３３ くびれ検出器
３４ パラメータ設定器
３５ 演算部
３６ 積分器
３７ Ｓｖ２比較器
４１ 溶接電圧微分器
４２ ２階微分器
４３ ２階微分値設定器
４４ 比較器
２０１ 第１パルス
２０２ 第２パルス
３０４ アーク
３０５ 消耗電極ワイヤ先端
３０６ 溶滴のくびれ
Ａ アーク、パルスアーク
Ｄｅ 電極間距離
Ｅｘ 通電加熱距離
Ｇ シールドガス
Ｉａ 平均電流値
Ｉｂ１ 第１パルスのベース電流値（第１パルスベース電流値）
Ｉｂ２ 第２パルスのベース電流値（第２パルスベース電流値）
Ｉｆ フィラー電流値（フィラー電流の瞬時値）
Ｉｐ１ 第１パルスのピーク電流値（第１パルスピーク電流値）
Ｉｐ２ 第２パルスのピーク電流値（第２パルスピーク電流値）
Ｉｓ 溶接電流設定値
Ｉｓ２ 溶接電流設定値
Ｊ フィラーワイヤの電流密度
Ｍ 溶融池
Ｐ１ フィラーワイヤ先端
Ｐ２ 給電点
Ｔｂ１ 第１パルスのベース期間（第１パルスベース期間）
Ｔｂ２ 第２パルスのベース期間（第２パルスベース期間）
Ｔｐ１ 第１パルスのピーク期間（第１パルスピーク期間）
Ｔｐ２ 第２パルスのピーク期間（第２パルスピーク期間）
Ｔｐｂ（ｎ） 今回のパルス周期
Ｔｐｂ（ｎ−１） 前回のパルス周期
Ｖｆ フィラー電流の瞬時値
Ｖｓ 溶接電圧設定値
Ｖｓ２ 溶接電圧設定値
Ｖｗ フィラーワイヤの送給速度
Ｗ 被溶接部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
消耗電極ワイヤによるアークで形成された溶融池に、フィラー電流によって通電加熱されたフィラーワイヤを添加する消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法であって、
シールドガスとして炭酸ガスを用い、
１周期あたりパルスピーク電流レベルおよび／またはパルス幅の異なる２種類のパルス波形を交互に出力し、１周期あたり１溶滴を移行させるパルスアークを先行極アークとして用いて溶融池を形成し、
通電加熱された前記フィラーワイヤを後行極として前記溶融池に挿入し、
前記溶融池に挿入される前記フィラーワイヤの先端と前記フィラーワイヤの通電点との距離を、２００〜５００×１０−３［ｍ］とし、
先行極ベース電流値が後行極フィラー電流値よりも大きくなるように設定することを特徴とする消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法。
【請求項２】
前記消耗電極ワイヤの先端と前記フィラーワイヤの先端との距離である電極間距離Ｄｅ［ｍ］を、４〜１５×１０−３［ｍ］の範囲内とし、
前記電極間距離Ｄｅ［ｍ］と、前記溶融池に挿入される前記フィラーワイヤの先端と前記フィラーワイヤの通電点との距離である通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］と、前記フィラーワイヤの送給速度Ｖｗ［ｍ／ｓ］と、前記フィラーワイヤの電流密度Ｊ［Ａ／ｍ２］と、の関係を、下記式（１）を満たすものとすることを特徴とする請求項１に記載の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法。
【数１】
【請求項３】
前記後行極フィラー電流値を１５０［Ａ］以下とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法。
【請求項４】
１周期あたりパルスピーク電流レベルおよび／またはパルス幅の異なる２種類のパルス波形を交互に出力し、１周期あたり１溶滴を移行させるパルスアークを先行極アークとして用いて形成した溶融池に、フィラー電流によって通電加熱されたフィラーワイヤを添加する消耗電極式ガスシールドアーク溶接システムであって、
シールドガスとして炭酸ガスを用い、
先行極ベース電流値が後行極フィラー電流値よりも大きくなるように設定し、
先行極である消耗電極ワイヤを被溶接部材に供給する先行極トーチと、
前記溶融池に挿入される前記フィラーワイヤの先端と前記フィラーワイヤの通電点との距離が２００〜５００×１０−３［ｍ］である給電部材と、を備え、後行極である前記フィラーワイヤを前記溶融池に供給する後行極トーチと、
を備えることを特徴とする消耗電極式ガスシールドアーク溶接システム。
【請求項１】
消耗電極ワイヤによるアークで形成された溶融池に、フィラー電流によって通電加熱されたフィラーワイヤを添加する消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法であって、
シールドガスとして炭酸ガスを用い、
１周期あたりパルスピーク電流レベルおよび／またはパルス幅の異なる２種類のパルス波形を交互に出力し、１周期あたり１溶滴を移行させるパルスアークを先行極アークとして用いて溶融池を形成し、
通電加熱された前記フィラーワイヤを後行極として前記溶融池に挿入し、
前記溶融池に挿入される前記フィラーワイヤの先端と前記フィラーワイヤの通電点との距離を、２００〜５００×１０−３［ｍ］とし、
先行極ベース電流値が後行極フィラー電流値よりも大きくなるように設定することを特徴とする消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法。
【請求項２】
前記消耗電極ワイヤの先端と前記フィラーワイヤの先端との距離である電極間距離Ｄｅ［ｍ］を、４〜１５×１０−３［ｍ］の範囲内とし、
前記電極間距離Ｄｅ［ｍ］と、前記溶融池に挿入される前記フィラーワイヤの先端と前記フィラーワイヤの通電点との距離である通電加熱距離Ｅｘ［ｍ］と、前記フィラーワイヤの送給速度Ｖｗ［ｍ／ｓ］と、前記フィラーワイヤの電流密度Ｊ［Ａ／ｍ２］と、の関係を、下記式（１）を満たすものとすることを特徴とする請求項１に記載の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法。
【数１】
【請求項３】
前記後行極フィラー電流値を１５０［Ａ］以下とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の消耗電極式ガスシールドアーク溶接方法。
【請求項４】
１周期あたりパルスピーク電流レベルおよび／またはパルス幅の異なる２種類のパルス波形を交互に出力し、１周期あたり１溶滴を移行させるパルスアークを先行極アークとして用いて形成した溶融池に、フィラー電流によって通電加熱されたフィラーワイヤを添加する消耗電極式ガスシールドアーク溶接システムであって、
シールドガスとして炭酸ガスを用い、
先行極ベース電流値が後行極フィラー電流値よりも大きくなるように設定し、
先行極である消耗電極ワイヤを被溶接部材に供給する先行極トーチと、
前記溶融池に挿入される前記フィラーワイヤの先端と前記フィラーワイヤの通電点との距離が２００〜５００×１０−３［ｍ］である給電部材と、を備え、後行極である前記フィラーワイヤを前記溶融池に供給する後行極トーチと、
を備えることを特徴とする消耗電極式ガスシールドアーク溶接システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２３０１４２（Ｐ２０１１−２３０１４２Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１０１１１０（Ｐ２０１０−１０１１１０）
【出願日】平成２２年４月２６日（２０１０．４．２６）
【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２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２６日（２０１０．４．２６）
【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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