芯入り電極使用の交流溶接方法
【課題】芯入り電極使用の交流溶接プロセスにおいて、コンタミを少なくする減少したアーク長さをもつ交流溶接機及びその使用方法を提供する。
【解決手段】第一の形状でそして第一の時間をもつ正の波形を形成し、第二の形状でそして第二の時間をもつ負の波形を形成し、該第一及び第二の形状の片方を該形状の他方の大きさよりも大きくし、そして該第一及び第二の時間の相関割合を調節して与えられたレベルよりも低いＲＭＳを得ることを特徴とする芯入り電極使用のアーク溶接方法。
【解決手段】第一の形状でそして第一の時間をもつ正の波形を形成し、第二の形状でそして第二の時間をもつ負の波形を形成し、該第一及び第二の形状の片方を該形状の他方の大きさよりも大きくし、そして該第一及び第二の時間の相関割合を調節して与えられたレベルよりも低いＲＭＳを得ることを特徴とする芯入り電極使用のアーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気アーク溶接分野そしてより特徴的には特に芯入り電極のために開発された交流溶接方法及びこの新規な方法を達成するための溶接機に関する
【背景技術】
【０００２】
本発明は交流（ＡＣ）溶接サイクルにおける種々の部分形状波を発生させるための波形発生器又は変調器付き波形調節パルスをもつ変換器ベースの動力源に関する。この種の溶接機及び溶接方法のためのユニークな調節システムは特許文献１に示されている。この特許はここでは参照として取り込まれている。本特許に開示されている調節システム及び溶接機を使用して得られる個々の交流波は、多くの電流パルスが少なくとも１８ｋＨｚの周波数で、波形形成器又は波形発生器によって調節される各電流波の量で起こるような独特な技術を構成している。そのような波形技術は交流溶接技術における波形形状を開示している特許文献２まで遡る。この電気アーク溶接のための交流波の初期形成は主に固体溶接ワイヤーのために使用された。波形発生器又は波形形成器を使用して変換器によって得られる交流波形は芯入り電極で使用するために採用できることが提案されてきた。特に交流波形を構成することによって、波形は特定の芯入り電極と調和しそれにより鞘と芯は所望の速度で燃焼することができる。この場合、交流溶接は芯入り電極で成功裡に使用できることが見出された。過去においては、通常直流（ＤＣ）溶接が芯入り電極用に使用されていた。交流波形用の特定のプロフィールを形成することによって、全体の溶接プロセスは芯入り電極で使用するのに適しているが、芯入り電極で交流波形を調和させるこのタイプは非常に正確な波形形成を必要とする。この目標はクリーブランド、オハイオのザリンカーンエレクトリックカンパニー社によって開拓されたこの種の波形技術を使用することによってのみ到達されてきた。芯入り電極で使用される交流波を正確に制御することによって、ベース金属中への浸透、電極の融解速度、ベース金属への熱入力、及び溶接伝播時間、同様にワイヤー供給速度のような溶接プロセスの特性が最適化される。
【０００３】
【特許文献１】ＵＳＰ６，４７２，６３４
【特許文献２】ＵＳＰ５，２７８，９３０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、芯入り電極使用の交流溶接プロセスにおいて、コンタミを少なくする減少したアーク長さをもつ交流溶接機及び交流溶接機を使用する方法を提供することである。また本発明の別の課題は、コンタミを防ぐ“キリング”剤のアルミニウムを電極の芯中にほとんど含まないレベルまで減少させる方法を提供することである。さらにまた、芯入り電極中で、溶接金属中のアルミニウムのレベルを低下させるか削減して溶接金属の靭性を改良する細かいミクロ構造を形成している新規なスラグ系を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
波形技術はクリーブランド、オハイオのザリンカーンエレクトリックカンパニー社によって開拓されたように芯入り電極の交流（ＡＣ）溶接における使用のために発展してきた。芯入り電極は所望のビーズの機械的な特性に特化された溶接ビーズ合金及び制限の少ない溶接操作条件でより厳密に溶接条件をコントロールすることができる。しかしながら、アーク（電弧）安定性及び適切な融解温度と速度、交流プロセスのための実際の波形コントロールを与えることは非常に困難である。アーク溶接過程での溶接金属のコンタミは芯入り電極のための交流溶接を使用する際にいまだなお問題となっている。溶接操作後における溶接金属中の窒素のようなコンタミは空隙、割れ及びその他のタイプの溶接金属欠陥を引き起こす。
【０００６】
結果として、アーク溶接プロセスに挑戦する主要な設計者は、窒素のような元素をアーク環境から取除くための又はそのような潜在的に有害な不純物を中和するための技術を規定してきた。コンタミの潜在的な発生源としては、溶接電極を構成する材料、作業片それ自身及び周囲の環境中の不純物を包含する。公知のように、フラックス芯入り電極は顆粒状の充填物を内包する管状の金属製鞘から構成される。この充填物はフラックス又はスラグ剤、同様に合金成分を包含する。成分の幾つかは分解してガスを発生して環境から溶接金属をシールド（遮蔽）するように設計される。芯入り電極はアルムニウム、マグネシウム、ジルコニウム及びチタンのような潜在的なコンタミ物質と化学的に結合して溶接金属中での空隙の形成や有害物の内包を防止する“キリング”剤を含む。
【０００７】
本発明は全体のアーク長さを減少させるようにアーク電流又はアーク電圧を修正することによって周囲の雰囲気へのアーク及び熔融金属の曝露を減少させる。アーク長さの減少は熔融金属がアークを横切って移動する過程の曝露時間を減少させそしてまたその熔融状態における金属の温度を低下させる。過去において、フラックス芯入り電極使用の溶接は通常直流を使用しそして一般には負の直流（ＤＣ）電流を使用していた。しかしながら、上述のような新規に開発された溶接用動力源は交流を使用して或るフラックス芯入り電極で溶接することを可能にさせた。そのような動力源は交流波形の正の部分と負の部分の変数をそれぞれ独立に調節することを可能にさせた。このように、本発明は、芯入り電極で溶接するために使用される交流動力源の独特の調節法を採用することによってフラックス芯入り電極を使用するときにより良い溶接結果を得るためのものである。
【０００８】
本発明は芯入り電極で使用するための交流波形の負及び正の部分の実際の形状を調節する能力を利用する。波形発生器又は波形形成器付き変換器ベースの動力源の発達は動力源に交流波形の波形バランスを変化させることを可能にさせた。波形バランスは溶接サイクル時間が合計サイクル時間に対して正である間の相関割合である。これらの動力源はまた直流オフセットを変化させることもできる。直流オフセットは波形の正の部分と波形の負の部分との間の大きさの差でありそして通常２０のような数として表される。−２０のオフセットは波形の負の部分が大きいことを示している。正の部分は負の部分より２０％小さい。同様に、＋２０のオフセットは波形の正の部分が大きいことを示している。負の部分は正の部分より２０％小さい。このオフセットは交流波の電圧又は電流のどちらかであることができる。クリーブランド、オハイオのザリンカーンエレクトリックカンパニー社によって販売されている電力波動力源は波形バランスと直流オフセットの両方を調節する能力をもっている。この特質は本発明においては溶接工業において公知のフラックス芯入り電極の利点を得るために使用されるときに交流溶接プロセスの操作モードを調節するために使用される。
【０００９】
本発明は溶接プロセスの有効アーク長さを減少させそれによって溶接金属のコンタミ傾向を減少させるために波形バランスと直流（ＤＣ）オフセットとの間の相関関係を使用する芯入り電極での使用のための交流溶接機の操作を包含する。負の電圧がアーク安定性を維持するのに十分でない正のオフセットであるときは、溶接プロセスは低い波形バランスから生ずる周期的な高い正の電圧スパイクによって行われることが見出されてきた。換言すれば、＋ＤＣオフセットをもつことによって、波形の負の部分の電圧は、もしそれがアーク安定性を維持するために直流で溶接されるのに必要な電圧よりも低くすることができる。各交流波形の過程で少ない正の部分の使用は溶接プロセスの過程でアークに安定性を与える。このように、波形の電圧ＲＭＳは低くそしてアーク長さもまた小さい。この＋ＤＣオフセットと低波形バランスによる溶接モードは溶接金属中で窒素の低回収率を維持する。このモードは約３５−４０％のような与えられたバランスに到達するまで使用される。それゆえに、本発明を使用する操作の第一のモードは低波形バランスの＋ＤＣオフセットである。このモードは本発明の好ましい操作である。ＡＣ波形の正の部分の大きさよりも大きな負の部分の大きさである−ＤＣオフセットを使用することによって、窒素回収率は波形バランスが増加するに従って減少する。この事実は、＋ＤＣオフセットによる窒素回収率の減少は−ＤＣオフセットでの増加した波形バランスによって起こる増大した窒素回収率よりも小さくなった後で溶接モードを変えるために使用される。このように、本発明は溶接金属の低コンタミを維持するようなＤＣオフセットと波形バランスの調節を包含する。これは低波形バランスで＋ＤＣオフセットを使用しそして高波形バランスで−ＤＣオフセットを使用することによって可能となる。ＡＣ波形のこれらの二つの変数の調節は溶接プロセスのアーク長さを最小化するのに十分低いレベルまで波形の電圧ＲＭＳを低下させるために使用される。
【００１０】
ＡＣ波形のＤＣオフセットと波形バランスは溶接金属中の窒素レベルを調節するために操作することができる。このタイプの操作はまた溶接金属中の酸素と水素のレベルを減少及び調節することが可能である。コンタミの全体レベルを減少させることによって電極の芯中にアルミニウムのような“キリング”剤の必要性が少なくなる。この必要性が少ないことは電極設計者にとって溶接金属中で最適な物理的性質を達成させるための合金剤レベルの最適化に集中させることができる。
【００１１】
フラックス芯入り電極でのアーク溶接プロセス過程で溶接金属の雰囲気からのコンタミを最小化するために、ＡＣ（交流）波形はアーク安定性と電極から溶接パッドルへの金属のスムースな移動のための必要性に一致した平均アーク長さを最小化するために波形バランスと関係するＤＣオフセットを一致させることによって調節される。アーク長さはアーク電圧の関数であり、その関係は線形ではないが、高電圧は長いアークを与えそして逆もまた同じである。それゆえに、芯入り電極を使用するＡＣ溶接のための波形バランスとＤＣオフセットの操作は減少したアーク長さを可能にさせる。この波形の独特な調節は安定なアークを維持するために高電圧が必要な通常のＤＣ溶接に対する改良点である。使用可能なアーク長さの下限は電極の先端で高電圧を必要とする。本発明を使用することによって、ＡＣ波形は芯入り電極のために使用可能でそしてアーク長さは減少する。アーク安定性はたとえ短いアーク長さであったとしてもそれによって達成される。本発明は本目的を達成するために三つの変数を設定する。ＡＣ波形の正部分の過程での電圧ＲＭＳ、ＡＣ波形の負部分の過程での電圧ＲＭＳ及び波形バランスがこれらの変数である。波形の二つの部分のＲＭＳは波形バランスの調節によって決定される低レベルで維持される。＋ＤＣオフセットで、波形のＲＭＳは波形バランスが増加するにつれて増加する。反対に、−ＤＣオフセットで、ＲＭＳは波形バランスが増加するにつれて減少する。このように、低波形バランスにおいては、＋ＤＣオフセットが使用される。高波形バランスにおいては、−ＤＣオフセットが採用される。どちらの場合においても、その目的は溶接プロセスの過程でアーク長さと熔融金属によって曝露されるコンタミ量を減少させるためにＲＭＳを制御することである。
【００１２】
本発明によるより短い全アーク長さの設定はこのように二つの新規な溶接モードに反映されている。正部分における高電圧での短いサイクル又は低波形バランス又は負部分における高電圧での長いサイクルと高波形バランスである。このように、本発明は短い平均アーク長さを生ずる交流サイクルの大部分のための低電圧を含み、一方では反対側で高電圧の短いパルスはアーク安定性を維持する。そのような結果は本発明を採用することによって得られる。最適な波形設定は本発明の制限を使用することによって選択される。このようにして、短いアーク長さと溶接金属で減少したコンタミが実現できる。しかしながら、異なった電極のための実際の波形は異なっている。電極芯中で異なったイオン的性質をもつ材料は正又は負極のいずれかでアーク安定性を変える。本発明の指示どおりの波形オフセットと波形バランスを設定することと組み合わせてイオン化種を適切に選択することは電極特性の別の観点、例えば、溶接形状、浸透性、及び物理的性質を最適化するために使用される。本発明は、スラグ系、又は合金化剤と組み合わせたフラックス系を含むタイプの芯入り電極のためのＡＣ溶接を使用するときにこの結果を達成する。当業界では公知の理由により、溶接プロセスで必要となるキリング剤、特にアルミニウムの量は減少する。この減少はフィル（充填物）中で１０％以下のレベルまでそして好ましくはフィル中で５％以下まで又は実質上アルミニウムを含まないレベルである。本発明の使用は溶接金属中で低コンタミをもたらし、そしてそれゆえに、アルミニウムのようなキリング剤の必要性を減少させる。
【００１３】
本発明に従えば、芯入り電極でのアーク溶接方法が提供される。その方法は、第一の形状でそして第一の時間をもつ正の波形を形成し、第二の形状でそして第二の時間をもつ負の波形を形成し、該第一及び第二の形状の片方を該形状の他方の大きさよりも大きくし、そして該第一及び第二の時間の相関割合を調節して与えられたレベルよりも低い電圧ＲＭＳを得ることを含む。電圧ＲＭＳの与えられたレベルは選択される溶接プロセスのアーク安定性レベル以上である。
【００１４】
アルミニウムは溶接金属中の窒素量を減少させるために電極の芯にしばしば使用される。たしかに、通常芯充填物の５−２０％はアルミニウムである。しかしながら、溶接金属中のアルミニウムは拡散変形を遅くしそしてせん断変形を促進する。特に、アルミニウムの追加がラスベイナイトの形成を引き起こすために、ＦＣＡＷ−Ｓ電極中の針状鉄ミクロ構造に到達するのは困難であった。それゆえに、微小粒ミクロ構造の形成はアルミニウムを含む溶接金属中では本来的に困難である。溶接金属中のアルミニウムのレベルを低下させるか削除することが望ましくそうすればより細かな溶接ミクロ構造が得られ、それは溶接金属の靭性を改良する。本発明を使用することによって、アルミニウムは芯充填物中で５％以下そして或る電極の場合は２％又は実質上アルミニウム０にまで減少させることができる。これは芯入り電極での溶接における実質上の改良である。本発明の好ましい態様においては、ＡＣ波形の正形状は負形状の大きさよりも大きい。この＋ＤＣオフセットモードにおいては、波形バランスは５０％以下でありそして好ましくは約３５％以下である。しかしながら、波形バランスは５％より大きく溶接操作は断続的な高い正電圧スパイクにおいて低い基本負電圧をもつ。これらの短いパルスは溶接操作の安定性を維持しながら低いＤＣ溶接操作の利点を与える。それゆえに、高い正スパイクでの低ＲＭＳは、実際の溶接の電圧又は電流がアーク安定性に十分でなくても、アークを安定に保つ。ＤＣオフセットが負のときは、負電圧又は負電流のためにより高い量がＡＣ波形において使用される。このオフセットが使用されるときは、波形バランスの相関割合は３０％のような値より大きい。両方の例において、低レベルで実質上の電圧がそして高レベルでスパイク電圧が存在する。これは、安定性を維持しながら、ＲＭＳとアーク長さを減少させる。
【００１５】
広義でいえば、本発明は芯入り電極でのアーク溶接方法を提供する。この方法は、第一の形状でそして第一の時間をもつ正の波形を形成し、第二の形状でそして第二の時間をもつ負の波形を形成することを含む。その形状の片方は他方の形状よりも大きく、より大きい形状の時間が実質上他方の形状の時間よりも少なくなるように調節された第一及び第二の時間の相関割合をもつ。正及び負の波形の電圧ＲＭＳは設定されたアーク安定性レベル以上である。この電圧ＲＭＳは正及び負の波形を含むＡＣサイクルの波形バランスを変えることによって調節される。この正及び負の波形はＡＣサイクルを形成するために合体する。この相関関係はしばしば正及び負部分でのＡＣ波形と呼ばれる。この二つの表現は同一の意味である。
【００１６】
本発明の態様に従えば、波形の片方の部分のより大きい時間は他方の部分の時間の少なくとも２倍である。たしかに、大きい時間は他方の時間の少なくとも８倍である。大きさが小さい波形は他方の波形の大きさの約０．７−０．９倍か又はより大きな形状をもつ。この場合、低電圧ＲＭＳは波形の大部分で低電圧又は低電流によって得られ、一方高電圧又は高電流スパイクはアーク安定性を維持するために使用される。小さな高電圧又は高電流部分は約５−１５％の波形バランスである。そのオフセットは低電流又は低電圧が高電圧又は高電流の大きさの約０．７０−０．９０である。これらのオフセットでそして小さなスパイク部分を使用すると、低電圧ＲＭＳはアーク安定性を維持する。溶接金属中のコンタミは減少する。
【００１７】
本発明の別の態様においては、波形発生器付きの変換器を含む電気アーク溶接機を提供することである。発生器は、第一の形状で第一の時間をもつ正の波形を形成するための第一入力及び第二の形状で第二の時間をもつ負の波形を形成するための第二入力をもっている。第一及び第二の形状の片方は該形状の他方の大きさよりも大きく、そして回路は、設定されたアーク安定性レベル以上である与えられたレベルよりも低い電圧ＲＭＳを得るために該第一及び第二の時間の相関割合を調節するために用意される。一方の大きさが他方の大きさを超えそして合計時間の短い時間のみをもつことによって、低電圧ＲＭＳがアーク安定性を維持するための反対側のスパイクにおいて得られる。
【００１８】
ＡＣ波形は公知の周波数で形成される。この周波数は一般に３０−１２０Ｈｚ、そして好ましくは５０−６０Ｈｚの範囲である。
本発明の主要な目的は、アーク長さを減少させ、そして溶接金属のコンタミを起こさせる機械的物理的な性質を減少させるために減少した電圧ＲＭＳをもっている、芯入り電極でのＡＣ溶接の使用方法を提供することである。
【００１９】
本発明のさらに別の目的は、比較的長い小さな部分と比較的短い大きな部分のあるＡＣ波形を含む上記のような方法を提供することである。大きさの大きい部分は合計波形サイクルのほぼ５−１５％である。
【００２０】
本発明の別の目的は、上記で定義したように、芯中のアルミニウムの使用を１０％以下のレベルまでそして好ましくは実質上アルミニウムを芯中にほとんど含まないレベルまで減少させる方法を提供することである。この場合、溶接金属の粒子サイズは改善される。
【００２１】
本発明のさらに別の目的は、波形発生器付きの変換器を含む電気アーク溶接機を提供することである。波形発生器は、第一の形状で第一の時間をもつ正の波形を形成するための第一入力及び第二の形状で第二の時間をもつ負の波形を形成するための第二入力をもっており、そこでは第一及び第二の形状の片方は該形状の他方の大きさよりも大きい。相対的な大きさを調節するために単一波形の個々の部分を描き出す能力は、クリーブランド、オハイオのザリンカーンエレクトリックカンパニー社によって製造されているような波形技術タイプの動力源の能力である。この溶接機はまた、アーク安定性を維持するための電圧又は電流の短いスパイクで低ＲＭＳを得るために第一及び第二の時間の相関割合を調節する能力をもっている。周波数は好ましくはほぼ３０−１２０Ｈｚの範囲である。
【００２２】
本発明の広義な目的は、交流溶接プロセスを使用しそしてコンタミを少なくする減少したアーク長さをもつ交流溶接機及び交流溶接機を使用する方法を提供することである。
【００２３】
本発明のさらなる目的は、芯入り電極中で、溶接金属中のアルミニウムのレベルを低下させるか削減して溶接金属の靭性を改良する細かいミクロ構造を形成している新規なスラグ系を提供することである。スラグ系はアルミニウムを酸化するか又はアルミニウムの代わりにマグネシウム、シリコン、ジルコニウム又はチタンで置換する。このように、スラグ系の使用はアルミニウムの削減で、脱酸化剤として振る舞い、ナトリウムアーク安定剤が芯入り電極中で使用できるようにする。
これらの及び他の目的と利点は添付の図面を参照して以下の記載を読めば明らかとなるであろう。
【００２４】
次に本発明とその好ましい態様について要約して述べる。
１．（ａ）第一の形状でそして第一の時間をもつ正の波形を形成し（ｂ）第二の形状でそして第二の時間をもつ負の波形を形成し、（ｃ）該第一及び第二の形状の片方を該形状の他方の大きさよりも大きくし、そして（ｄ）該第一及び第二の時間の相関割合（ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ）を調節して与えられたレベルよりも低いＲＭＳを得ることを特徴とする芯入り電極使用のアーク溶接方法。
２．該与えられたレベルが設定されたアーク安定性レベル以上である１記載の方法。
３．該芯入り電極が芯中のアルミニウム含有量が１０％以下、好ましくは５％以下、さらに好ましくは２％以下、最も好ましくは実質的に０％である１又は２の方法。
４．該正の波形が該負の波形より大きい１−３の方法。
５．該相関割合が５０％以下である４の方法。
【００２５】
６．該相関割合が５％以上である４又は５の方法。
７．該負の波形が該正の波形より大きい１−３の方法。
８．該相関割合が３０％より大きい７の方法。
９．該波形が電圧波形である１−８の方法。
１０．該波形が電流波形である１−８の方法。
【００２６】
１１．該芯が最終生成物スラグのスラグ系で、ＴｉＯ２：５−３５％、ＺｒＯ２：５−３５％、Ｎａ２Ｏ：０−５％、Ｌｉ２Ｏ：０−５％、ＭｇＯ：１５−４５％（いずれもスラグ当り）を含む１−１０の方法。
１２．該スラグ系が、Ａｌ２Ｏ３：１−３５％、ＭｇＯ：１０−４０％、Ｆｅ２Ｏ３：５−２０％、ＺｎＯ：０−２０％、Ｌｉ２Ｏ：０．５％を含む１−１０の方法。
１３．該芯がＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３及び／又はＺｒＯ２とＭｇＯからなるスラグ成分を含む最終製品スラグのスラグ系をもつ１−１２の方法。
１４．該芯がアルミニウムを酸化させるための化合物粒子を含む１−１３の方法。
１５．さらに（ｅ）波形発生器によって制御される短いパルスの連続によって該波形を形成している１−１４の方法。
【００２７】
１６．波形発生器付きの変換器、第一の形状で第一の時間をもつ正の波形を形成するための該波形発生器への第一入力、第二の形状で第二の時間をもつ負の波形を形成するための該波形発生器への第二入力、ここで該第一及び第二の形状の片方は該形状の他方の大きさよりも大きい、そして、設定されたアーク安定性レベル以上である与えられたレベルよりも低い電圧ＲＭＳを得るために該第一及び第二の時間の相関割合を調節するための回路、からなる電気アーク溶接機。
１７．該正の形状が該負の形状よりも大きい１６の溶接機。
１８．該負の形状が該正の形状よりも大きい１６の溶接機。
１９．該波形が電圧波である１６の溶接機。
２０．該波形が波形発生器によって制御される短いパルスの連続からなる１６の溶接機。
【００２８】
２１．（ａ）正の部分と負の部分をもつ交流波を形成し、（ｂ）該部分の片方を該部分の他方より大きくし、（ｃ）該第一及び第二部分の相関割合を調節し、（ｄ）与えられた第一の量より大きな該正の部分と与えられた第一の量より低い該相関割合をもつ第一の操作モード又は与えられた第二の量より大きな該負の部分と与えられた第二の量より高い該相関割合をもつ第二の操作モードを選択することからなる芯入り電極使用のアーク溶接方法。
２２．（ａ）正の部分と負の部分をもつ交流波を形成し、（ｂ）該部分の片方を該部分の他方より大きくし、（ｃ）該第一及び第二部分の相関割合を調節し、そして（ｄ）与えられた量より大きな該正の部分と与えられた量より低い該相関割合をもつ操作モードを選択することからなる芯入り電極使用のアーク溶接方法。
（ａ）正の部分と負の部分をもつ交流波を形成し、（ｂ）該部分の片方を該部分の他方より大きくし、（ｃ）該第一及び第二部分の相関割合を調節し、そして（ｄ）与えられた量より大きな該負の部分と与えられた量より高い該相関割合をもつ操作モードを選択することからなる芯入り電極使用のアーク溶接方法。
２３．（ａ）第一の形状でそして第一の時間をもつ正の波形を形成し（ｂ）第二の形状でそして第二の時間をもつ負の波形を形成し、（ｃ）該第一及び第二の形状の片方を該形状の他方の大きさよりも大きくし、そして（ｄ）大きな形状の時間が他方の形状の時間より実質上少なくなるように該第一及び第二の時間の相関割合を調節することからなる芯入り電極を使用するアーク溶接方法。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の芯入り電極を使用する交流溶接方法により、アーク長さを減少させ、溶接金属のコンタミを少なくし、低電圧ＲＭＳをもつ効率的な交流溶接が可能になり、芯入り電極中のキリング剤としてのアルミニウム量も少なくでき、また溶接金属の靭性も改良される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
図を参照して本発明を説明するが、図は単に本発明の好ましい態様を説明する目的のためであり本発明を限定する目的のためではない。本発明を実施するための系は図１、２、４、５及び１６に詳細に示される。図２及び６−１５は開示されている背景となる溶接系の態様を記載している。図１７及び１８に記載されている溶接機は図２０に示される特定の電極に特化されている波形形成器又は波形発生器を使用するＡＣ波形の厳密なプロフィールを作成するために使用される。これらの電極プロフィールは図１９−２７に記載された方法で系を形成する溶接方法を実施する際に使用される。まとめとしては、図１−１６はオハイオ、クリーブランドのザリンカーンエレクトリックカンパニー社によって開発された波形技術を使用するＡＣ波形を提供する先行システムを開示している。図１７−２７は与えられた芯入り電極ＡＣ波形を誂えるための公知の技術の使用法を教示している。この情報は図２８−４５に開示されている本発明の背景となっており、そこではＡＣ波形の形状に誂える能力は二つの独特のモードをもつ新規な溶接方法で使用されそしてＲＭＳ又はアーク長さＬＡを減少させることによって溶接金属のコンタミを減少させるために使用される。
【００３１】
波形技術の一般的な開示（図１−１６）
本発明で使用されている波形コントロールタイプを説明するために一般的な背景波形技術に転ずると、図１は溶接部署ＷＳでアークとして交流を形成するための単一セル形態の単一電気溶接系Ｓを開示している。この系又はセルはパイプシームジョイントの形態又は他の溶接操作中で電極Ｅ及び作業片Ｗとつながっている出力ライン１０、１２を備えた第一のマスター溶接機Ａを含む。ホール効果電流変換器１４はライン１６で溶接機Ａの電流に比例する電圧を与える。溶接パラメーターのような短時間の臨界データは離れた中央制御１８で生み出される。同様にして、従属溶接機Ｂは溶接部署ＷＳを溶接するための付加的なＡＣ電流に直結するためにライン１０、１２と並列に接続されているライン２０、２２を含む。ホール効果電流変換器２４は溶接操作過程で溶接機Ｂでの電流レベルを具現する電圧をライン２６で形成する。単一の従属制御装置又は従属溶接機Ｂが示されているが、電極Ｅと作業片Ｗを横断する交流を作り出すために、如何なる数の追加の溶接機をマスター溶接機Ａと並列に接続してもよい。交流電流は極性切り替えネットワークに先立つ代わりに溶接部署で結合される。各溶接機はマスター制御器と動力源３０の組み合わせ及び従属制御装置と動力源３２の組み合わせのように示されている制御器と変換器ベースの動力源を含む。制御器３０、３２はパラメーターデータと同期データを比較的低レベルの論理回路から受け取る。パラメーター情報又はデータは各動力源が電流、電圧及び／又はワイヤー供給速度のような所望のパラメーターとして供給されるような特定の動力源である。低レベルのデジタル回路はパラメーター情報を与えることができるが、しかしながら、逆の極性をもつＡＣ電流が同じ時間で生ずる。“同じ”時間は１０μｓ以下の差異をもち好ましくはほぼ１−５μｓの範囲の時間を示す。動力源３０及び動力源３２からのＡＣ電流の厳密な整合性を達成するためには、切り替え点と極性情報は時間が正確でないような一般的な論理回路からは与えることができない。個々のＡＣ動力源は、高速の、“ゲートウエイ”と呼ばれるより厳密なＤＣ論理回路によって整合化される。図１に示すように、動力源３０、３２は、それぞれ４２ｍ、４２ｓの二方向の線によって指示される必要な操作パラメーターとして与えられる。この時間に敏感でない情報は図１に示されるデジタル回路によって与えられる。マスター動力源３０は、単一方向のライン４０によってそのＡＣ出力電流の制御器操作時間に指示されるような同期信号を受け取る。マスター動力源３０のＡＣ電流の極性はライン４６によって指示されるように出力される。マスター動力源３０のＡＣ電流の実際の切り替え命令はライン４４で出力される。切り替え命令は、変換器形態の動力源Sに“切断（ｋｉｌｌ）”、電流の劇的な減少を命令する。言い換えれば、これは極性を逆にする切り替え信号である。“切り替え点（ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ）”又はライン４４上の命令は特許文献４に示される“切り替え点”を利用する“切断”及び電流逆転命令である。このように、時間的な切り替え点又は命令はライン４４によって動力源３０から出力される。切り替え点又は命令は低電流又は単に電流逆転点での切り替え準備（ｒｅａｄｙ）信号によって伴われる“切断”動力源を含む。切り替え“準備（ｒｅａｄｙ）”は変換器が設定電流以下となるまで実際に逆転しないために“切断”概念が遂行されるときに使用される。この概念は図１６によりよく記載されている。制御器３０の切り替え器の極性はライン４６の論理を制御する。従属動力源３２はライン４４ｂ上で切り替え点又は命令論理を受け取りそしてライン４６ｂで極性論理を受け取る。これらの二つの論理信号は、ゲートウエイ５０、変換ゲートウエイ、ゲートウエイ５２、４４ａ、４６ａ上の受容ゲートウエイとして示される高度に正確な論理接点を介してマスター動力源と従属動力源間を連結させている。これらのゲートウエイは、ライン４４ｂ、４６ｂ上の論理がそれぞれライン４４、４６上の論理に時間的に近くなるように各動力源のための回路接点カードである。実際に、回路接点カード又はゲートウエイ５０、５２はこの論理を１０μｓ以内そして好ましくは１−５μｓ以内に制御する。低精度回路は個々の動力源を、ゲートウエイ又は接点カードによって与えられるように示されているライン４２ｍ、４２ｓを介して中央制御器１８からのデータを制御する。これらのラインは、時間に敏感でなくそしてゲートウエイの精度特性を使用しない中央制御器１８のような離れた領域からのデータを含む。逆転切り替えをタイミング良く行うための高度に正確なデータは回路接点カード５０、５２を介して連結されている論理信号を使用する。図１の系は単一のＡＣアーク用の単一セルであるが、しかしながら、本発明は、パイプ溶接で見出される大きな隙間を満たすための二以上のＡＣアークが形成されるようなタンデム電極に限定されない。しかしながら、背景の系はこの用途のために示されている。このように、第一電極用のマスター動力源３０は、第一電極、即ちアーク１のための系Ｓのタイミング又は位相操作を決定する同期信号を受け取る。系Ｓは他の同一の系と一緒に同期出力８４、８６及び８８によってアーク２、３、そして４を時系列的に発生させるために使用できる。この概念は概略、図５に示される。同期又は位相設定信号８２−８８はタンデム電極一個のみについて図１に示される。中央制御コンピューター及び／又はウエブサーバー６０を含む情報ネットワークＮは、幾つかの系における特定の動力源又はタンデム操作での異なった電極を制御するセルに関するデジタル情報又はデータを与える。インターネット情報６２はローカル接続ライン７０ａ、７０ｂ、７０ｃをもつエターネットネットワークの形態でのローカルエリアネットワークに向けられる。同様の接続ラインはタンデム溶接操作のアーク２、３、そして４を形成する４個のセル内で使用される各動力源に向けられる。系又はセルＳの記述は他の電極におけるそれぞれのアークに適用される。もしＡＣ電流が使用されるなら、マスター動力源が使用される。或る場合には、単にマスター動力源が特定の同期信号セルと一緒に使用される。もし高電流が必要なら、系又はセルは、図１の系Ｓに関して記載されているようにマスター及び従属動力源の組み合わせを包含する。二以上のＡＣアークは発生器８０によって同期化される。しばしばＤＣアークがタンデム電極溶接操作のリード電極として使用され、二以上の同期化されたアークがそれに続く。ＤＣ動力源は同期化する必要が無く、極性論理及び切り替え点又は命令の厳密な接続も必要ない。いくつかのＤＣ動力電極は正と負の間で切り替えられるが、しかしＡＣ駆動電極の周波数とは異なる。アークの形成に拘わり無く、エターネット又はローカルエリアネットワーク７０は、タンデム電極操作で使用される種々の系の特定の動力源のために指名されたコード様式で同定されたパラメーター情報を含む。このネットワークはまた系が時間相関関係でオフセットがあるような幾つかのセル又は系のための同期信号を使用する。これらの同期信号は図１のライン４０によって示されるようなマスター動力源によって解読及び受け入れられる。この場合、ＡＣアークは時間基準のオフセットである。これらの同期信号はネットワークカード又はゲートウエイ５０、５２を通して切り替え点として厳密であることを必要としない。データネットワーク上の同期信号は可変パルス発生器８０の形態でネットワーク接続によって受け止められる。発生器はライン８４、８６及び８８においてオフセット同期信号を形成する。これらの同期信号はタンデム操作での分離電極のための個々の交流電流セルの相を定める。同期信号はインターフェース８０によって発生することができ又は実際にネットワーク７０を介して発生器によって受け止められる。ネットワーク７０は単に多くの同期信号パターンの遅れを形成するために発生器８０を活性化する。また、発生器８０は、もしそれがタンデム溶接操作で望ましいなら同期パルスの周波数によって個々のセルの周波数を変化させることができる。
【００３２】
種々の制御器及び動力源が図１に記載されているような系を実施するのに使用できるが、しかしながら、好ましい系の遂行は動力源ＰＳＡが制御器及び動力源３０と組み合わせられそして動力源ＰＳＢが制御器及び動力源３２と組み合わせられている図２に説明されている。これらの二つのユニットは本質的に同一構造でありそして適切なときには同じ数でラベル化されている。動力源ＰＳＡの記述は動力源ＰＳＢにも等しく当てはまる。変換器１００は３相ライン電流Ｌ１、Ｌ２、及びＬ３を受け取るための入力整流器１０２をもつ。出力変換器１１０は出力整流器１１２を介して反対側の極性スイッチＱ１、Ｑ２を駆動する通電された誘導子１２０に接続されている。動力源ＰＳＡの制御器１４０ａ及びＰＳＢの制御器１４０ｂは、制御器１４０ａが調節器１４０ｂにタイミング情報を出力する点を除けば本質的に同一である。切り替え点又はライン１４２、１４４は、ライン１４２、１４４の論理で指示された時間で極性を逆転させるための極性スイッチＱ１、Ｑ２の伝導条件を制御する、これについては、ここでは参照として取り込まれている特許文献４により詳細が説明されている。制御は論理プロセッサーによるデジタル制御であり、それゆえに、Ａ／Ｄ変換器１５０はフィードバックライン１６又はライン２６の情報を、アナログエラーアンプとして示されているエラーアンプ１５２からの出力レベルを制御するデジタル値に変換する。実際に、これはデジタル系でありそして制御様式にはさらなるアナログ信号は含まれない。しかしながら、上述のように、アンプは変換器１５０からの第一入力１５２ａ及び制御器１４０ａ又は１４０ｂからの第二入力をもつ。ライン１５２ｂの電流命令信号は溶接部ＷＳを横切るＡＣ電流に必要な波形を含む。これは特許文献５のようなリンカーンエレクトリック社の幾つかの特許によって教示されている標準的な実践である。また特許文献６も参照されたい。アンプ１５２からの出力は、実行ソフトウエアのタイミングプログラムである、発振器１６４で制御される周波数でパルス幅変調器（ＰＷＭ）１６２を駆動するために変換器１６０によってアナログ電圧信号に変換される。アークの波形形状は電圧又はライン１５２ｂにおけるデジタル数である。発振器１６４の周波数は１８ｋＨｚよりも大きい。この系の全体の様式は本発明の好ましい態様においてデジタル化されそしてアナログ信号への再変換は含まない。この表現は説明目的のための概要であって本発明を実施するために使用される動力源の種類を限定する意図はない。その他の動力源も使用可能である。
【００３３】
図１及び２の概念を利用する背景技術の系を図３及び４に示す。作業片２００はそれぞれ個々の動力源ＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３によって駆動されるタンデム電極２０２、２０４及び２０６によって一緒に溶接される配管の隙間である。動力源は特許７の技術に従った一以上の動力源を含むことができる。例示された態様は鉛電極２０２のためのＤＣアーク及びタンデム電極２０４、２０６のそれぞれのためのＡＣアークを含む。タンデム電極の形成された波形はＡＣ電流でありそして既述の波形技術に従って波形形成器又は波形発生器によって形成される波形を含む。電極２０２、２０４及び２０６が溶接経路ＷＰに沿って動くとき熔融金属パッドルＰはそれぞれ電極２０２、２０４及び２０６からの沈積物２１２、２１４及び２１６によって伴われる開口部２１０でパイプの隙間２００に沈積する。既述のように、二以上のＡＣ駆動電極は図１５の波形によって説明及び例示されるように、隣接する電極のＡＣ電流に関しては本発明によって操作することができる。動力源は、図４に示されるように、それぞれが整流器２２２からＤＣリンクを受け取る変換器２２０を含む。リンカーン波形技術に関しては、内部でプログラム化されたパルス幅変調器（ＰＷＭ）２２４は発振器２２６によって１８ｋＨｚ以上そして好ましくは２０ｋＨｚ以上の周波数で駆動される。発振器２２６はパルス幅変調器２２４を駆動するので、出力電流はライン２４２における電圧又はデジタル数のように波形形成器２４０から出力された波形によって方向付けされた波形をもつ。出力導線２１７、２１８は電極２０２、２０４及び２０６と直列である。リアルタイムでの形状は比較器２３０として例示された段階によってホール効果変換器２２８からのライン２３２の実際のアーク電流と比較され、ライン２３４の出力はＡＣ波形の形状を制御する。ライン２３４のデジタル数又は電圧はライン２２４ａの出力信号を決定しアークの電流波形が波形形成器２４０から出力された選択されたプロフィールに従うように変換器２２０を制御する。これは既述のように標準のリンカーン波形技術である。動力源ＰＳ１は鉛電極２０２でＤＣアークを形成し、それゆえに、この動力源の波形形成器２４０からの出力は定常状態でＤＣ電流の大きさを指示する。本発明はＤＣアークの形成に関するものではない。反対に、本発明は電極２０４、２０６のようなタンデム電極の二つの隣接するＡＣアークでの電流制御である。本発明に従えば、波形形成器２４０はＡＣ波形の所望の形状又はプロフィールを選択するために使用される入力２５０を含む。この形状は変位プログラム２５２として表される内部プログラムによってリアルタイムで変位することができる。波形形状器２４０はライン２５４の優先信号である出力をもつ。実際に、優先信号は論理ビットであり、図７に示される。論理１は波形形成器２４０によって発生した波形の負極を示しそして論理０は正極を示す。この論理信号又は動力源に向けられたビット制御器２２０は図１６に議論される技術に従って読み取られる。変換器はライン２５４の論理ビットの変化によって初期化した特定の“準備”時間で正極から負極へ切り替えるか、又は逆にする。実際に、このビットは図１及び図５に示される可変パルス発生器から受け取る。図３及び４に示される背景技術の溶接系は、有益な結果、即ち一般的に静止した熔融金属パッドル及び／又はアーク溶接で使用される波形と交換可能な合成された正弦波形を得るために電極２０４及び２０６におけるＡＣアーク電流の形状を使用する。図３及び４に示される電気溶接系は波形形成器２４０のための“選択”プログラムで波形を選択するためのプログラムを有する。独特の波形はタンデム電極によって使用される。ＡＣアークを形成するための動力源の一つは概略、図５に例示される。動力源は図１に示される可変パルス発生器８０によって制御される。発生器からの信号２６０は第一アークのための動力源を制御する。この信号は、ライン２５４上の波形形成器２４０によって出力される極性ビットと一緒に波形の同期化を含む。ライン２６０ａ−２６０ｎは本発明の溶接系によって操作される引き続き起こる所望のタンデムＡＣアークを制御する。これらの信号のタイミングは他の波形のスタートを変位する。図５は単に図４と結びつけて説明されるように連続アークを制御するための可変パルス発生器８０の相関関係を示す。
【００３４】
特許文献１の溶接系においては、ＡＣ波形は図６に示されるように形成され、そこでは電極２０４のアークＡＣ１のための波形形成器は正の部分２７２及び負の部分２７４をもつ信号２７０を形成している。電極２０６の第二のアークＡＣ２は正の部分２８２及び負の部分２８７４をもつ波形形成器からの信号２８０によって制御される。これらの二つの信号は同一であるが、しかし図６に示されるように、発生器８０ａから距離ｘの信号によって変位されている。電流パルス又はアークの一つにおける波形を形成する波形技術は図６の底部において示される正の部分２９０及び負の部分２９２をもつ波形である。波形形成器からの論理ビットは、波形が正から負に切り替えられるとき及びその逆のときに、決定される。特許文献４の開示（ここでは参照として取り込まれている）に従えば、パルス幅変調器２２４は一般的に点２９１及び２９１ｂにおいて低レベルに変位している。それから電流波１００アンペアのような固定したレベルに到達するまで減少する。結果として、スイッチは点２９４及び２９４ｂにおいて極性を変化させる。これは、電流が正の部分２９０と負の部分２９２の間で変化するとき垂直ライン又は形状２９６ａ、２９６ｂを作り出す。これは類似の波形が磁気干渉を避けるために変位している特許文献１に開示されている系である。波形部分２９０、２９２はアークＡＣ１及びアークＡＣ２と同一である。これは熔融金属パッドルを制御し及び／又はこれまで採用されなかったやり方で正弦波形を合成する目的のためにＡＣ１及びＡＣ２において波形をカスタマイズすることに関する本発明とは異なっている。図６の開示は波形を変位する概念を示すためになされる。極性間の垂直変化を作り出すための同じ切り替え手順が本発明の好ましい態様において使用される。図６に示される溶接系からバランスしていない波形への変換が一般的に図７に示される。ライン２５４の論理は部分３００での論理１及び部分３０２での論理０として示される。論理又はビット数の変化は図１６の系が極性をシフトするときに時間の信号を出す。これは図６のグラフ下側の点２９４ａ、２９４ｂに概略示される。隣接するＡＣアークのそれぞれに対する波形形成器２４０は極性の片方に対して第一の波形３１０そしてもう一方の極性に対して第二の波形３１２をもつ。３１０、３１２の波形のそれぞれはライン２５４の論理と一緒に取り出されるライン２３４の論理によって形成される。このように、図７に示されるようなパルス３１０、３１２は正の部分と負の部分で異なったパルスとなる。パルス３１０、３１２のそれぞれは図示されるように分離したそして異なった電流パルス３１０ａ、３１２ａによって形成される。極性の切り替えは図６に示されるように実施され、そこでは波形形成器から発生する波形は一般的な波形形状３１０、３１２をもつものとして示されている。正極は浸透を制御し負極は沈積を制御する。波形の正及び負のパルスは異なっておりそして切り替え点は、アークの一つのＡＣ波形が波形形成器２４０の出力によって形成される特定の波形をもつように負極及び正極の両方で制御されるように、制御される。図７に示されている電流をもつアークに隣接しているアークのための波形は図８に示される利点を得るためにそれぞれ別に制御される。アーク１の波形は図８の上側部分にある。それは電流パルス３２０ａによって示される正の部分３２０及びパルス３２２ａによって形成される負の部分３２２をもつ。正の部分３２０は最大値ａ及び幅又は経過時間ｂをもつ。負の部分３２２は最大値ｄ及び時間又は周期ｃをもつ。これら四つのパラメーターは波形形成器２４０によって調節される。例示された態様において、アークＡＣ２は図８の底部で示される波形をもち、そこでは正の部分３３０は電流パルス３３０ａによって形成されそして高さ又は大きさａ’及び時間長さ又は周期ｂ’をもつ。負の部分３３２は電流パルス３３２ａによって形成されそして最大アンペアｄ’及び時間長さ又は周期ｃ’をもつ。これらのパラメーターは波形形成器２４０で調節される。本発明に従えば、アークＡＣ１上の波形成器からの波形はアークＡＣ２の波形と相が異なる。二つの波形は、（ａ）浸透と沈積が制御されそして（ｂ）パッドルＰが類似極性又は反対の極性である特定の極性相関関係になるのに時間が掛からないように調節されるパラメーター又は寸法をもつ。この波形を調合する概念は、図９及び１０に示されているように長期間の極性相関関係を妨げる。図９においては、電極２０４、２０６は或る与えられた時間での隣接する電流波形によって決定される同じ極性をもつ。この場合、電極２０４の磁気フラックス３５０及び電極２０６の磁気フラックス３５２は同じ方向にありそして電極間の中央領域３５４でお互いを相殺し合う。これは、矢印ｃによって表されるように、熔融金属部分３６０、３６２を電極２０４、２０６から熔融パッドルＰ中に互いに移動させる。この内部への一緒の動き又は電極２０４間のパッドルＰ中の熔融金属のつぶれは、もし非常に短時間、即ち約２０ｍｓ以下で停止しなければ、究極的には上方への噴出の動きを引き起こす。図１０に示されるように、パッドルの反対側の動きは電極２０４、２０６が反対の極性をもつときに起こる。それから、磁気フラックス３７０及び磁気フラックス３７２は電極間の中央部３７４に集積し増加する。電極間の強い力はパッドルＰ中の熔融金属部分３６４、３６６をお互いに反発するか又は強制的に離れさせられる。これは矢印ｒで示される。そのようなパッドルＰ中の熔融金属の外側への力は、もしそれが一般的には１０ｍｓ以下である実質的な時間続くならば、溶接ビーズの分裂を引き起こす。図９、１０から明らかなように、電極の波形の極性が同一極性であるか又は反対の極性であるかの時間は限定することが望ましい。図６に示されるような波形は、同じ極性であるか又は反対の極性であるかの特定の極性相関関係が長時間共存することを防止する目的を達成する。図８に示されるように、同一極性と相反する極性はＡＣ１とＡＣ２における波形のサイクル長さよりも非常に短い時間だけ保持される。正及び負領域における異なった形状及び異なった比率をもつパルスの新規な概念での長時間に亘る極性関係の共存を防止するためのこの積極的な開発は、通常の変換動力源またはリンカーン波形技術の通常使用での溶接ではこれまで得られなかったようなパッドル制御、透過制御及び沈積制御に結びついている。
【００３５】
図１１では、波形成器２４０からのＡＣ波形の正及び負の部分は、波形の負の部分に較べて異なった正の部分エネルギーをもつ合成された正弦波形である。合成された正弦波又は波形の正弦波部分は波形を変換器溶接回路と共存させそして正弦波溶接の評価と矛盾しない。図１１において、波形３７０はアークＡＣ１でのものでありそして波形３７２はＡＣ２におけるものである。これらのタンデムアークは図１１に示されるＡＣ溶接電流を使用しており、そこでは小さな正の正弦波部分３７０ａはアークＡＣ１における浸透を制御し、一方大きな負の部分はアークＡＣ１における金属の沈積を制御している。図７で議論したように、論理ビットの変化を伴う極性間には切り替えスイッチがある。正弦波３７０は垂直ライン３７０ｃによって示されるようにゼロ電流から垂直にほぼ１００アンペア落ち込む。負極３７０ｂと正極３７０ａ間の変化はまた切り替え点において垂直変化を開始し、垂直変化３７０ｄとなる。同様にして、相変位したアークＡＣ２の波形３７２は小さな浸透部分３７２ａ及び大きな負の沈積部分３７２ｂをもつ。極性間の変化は垂直ライン３７２ｃ及び３７２ｄによって示される。波形３７２はパッドルの動力学が隣接するアークＡＣ１、ＡＣ２の極性によって引き起こされるパッドル中の熔融金属の過度のつぶれや反発無しで制御されるように波形３７０に対して変位する。図１１においては、正弦波形状は同じで周波数も同じである。それらは単に特定の極性相関関係が長時間発生することを防ぐために変位（シフト）する。
【００３６】
図１２では、波形３８０はアークＡＣ１のために使用されそして波形３８２はＡＣ２のために使用される。部分３８０ａ、３８０ｂ、３８２ａ、及び３８２ｂは正弦波として合成されそしてほぼ同じ大きさであるものとして示される。これらの二つの波形を９０゜シフト（変位）させることによって、発生する極性の領域は領域３９０、３９２、３９４及び３９６として同定される。正弦波プロフィールで変位した波形を使用することによって、同じ極性又は相反する極性は如何なる長さの時間も保持されない。それゆえに、熔融金属パッドルはかき乱されず静止状態を保つ。この利点は、与えられた波形の正極及び負極部間のエネルギーの差異の概念を組み合わせている本発明を使用することによって得られる。図１２は併発する極性相関関係の定義及びそれらがほんの短い時間の間でのみ存在すべきであるという事実を示すための例示である。この目的を達成するために、本発明の別の態様が図１３に例示されており、そこでは前に定義した波形３８０はＡＣ２（ａ）の鋸歯状波形として示される波形４００、又はＡＣ２（ｂ）の波形として示される脈動波形と組み合わされている。波形３８０を異なった波形４００、異なった波形４０２と組み合わせると併発する極性相関関係４１０、４１２、４１４、等々の非常に小さな領域又は時間を生ずる。図１４においては、片方のアークで発生するＡＣ波形は他方のアークで発生するＡＣ波形とは劇的に異なっている。本発明で使用するための劇的に異なった波形の同じ概念は図１４に例示されており、ここでは波形４２０はＡＣパルスプロフィールの波形であり波形４３０は波形４２０の約１．５倍の周期をもつ正弦波プロフィールの波形である。波形４２０は直線的変位点４２０ｃと共に小さな浸透極性部４２０ａ及び大きな沈積部４２０ｂを含む。波形４３０は垂直変位点４３０ｃと共に正の部分４３０ａ及び負の部分４３０ｂを含む。これらの二つの異なった波形をもつことによって、合成された正弦波概念は共に片方の電極で採用されそして併発する極性相関関係は長い時間は続かない。それゆえに、熔融金属パッドルＰはアークＡＣ１、ＡＣ２両者による溶接操作過程で静止したままとなる。
【００３７】
図１５においては、波形４５０、４５２、４５４及び４５６は四つのタンデムアーク、アークＡＣ１、アークＡＣ２、アークＡＣ３及びアークＡＣ４のそれぞれのための動力源の波形成器２４０によって発生する。隣接するアークは対応する波形及び負極から正極に変化するときを規定する同期信号４６０によって指示される様に配列される。この同期信号は開始パルスがあることを除けば、図１に示される発生器８０によって形成される。本発明のこの態様においては、第一の波形４５０は、隣接している波形４５２、４５４及び４５６の正極と負極の両者と同期している正の部分４５０ａをもっている。例えば、正の部分４５０ａは波形４５２の正の部分４５２ａと負の部分４５２ｂと同期しており、そして相関している。同様に、波形４５２の正の部分４５２ａは波形４５４の正の部分４５４ａと負の部分４５４ｂと同期しており、そして相関している。同じ相関関係は正の部分４５４ａ及び波形４５６の部分４５６ａ、４５６ｂ間にも存在する。負の部分４５０ｂは一列に並んだ波形４５２の二つの相反する極性部分と同期しそして相関している。同じタイミング関係が負の部分４５２ｂと波形４５４の間に存在する。換言すれば、各隣接アークにおいて波形の一極性部は隣接するアークの全体の波形と相関している。この場合、パッドルＰの崩壊及び反発力は、図９及び１０を結びつけて議論されたように、正反対に制御される。一以上の正の部分又は負の部分は図１１及び１２に開示された波形を結びつけて議論されたような合成された正弦波であることができる。
【００３８】
図１及び２に示されるように、マスタースイッチコントローラーが切り替えられるとき、切り替え命令は動力源３０のマスターコントローラー１４０ａに出される。これは“切断”信号を、切断信号と極性論理が単一の電極に接続された１以上の従属動力源の制御器に急速に伝達されるようにマスターによって受け取らせる。もし、標準ＡＣ動力源が極性スイッチと平行な大きな切断器と共に使用されるなら、従属制御器または制御器は、マスター動力源が切り替え命令を受け取った後１−１０μｓ以内で直ちに切り替えられる。これは高精度のインターフェースカード又はゲートウエイの利点である。実際に、平行な動力源の電流を逆転させるための現実の切り替えは出力電流が与えられた値、即ち約１００アンペア以下となるまで起こらない。これはより小さなスイッチの使用を許容する。
【００３９】
単一のＡＣアークのための全ての動力源の切り替え手段は実際の切り替えが全ての動力源が与えられた低電流レベル以下になった後でのみ起こるような遅延スイッチ技術を使用する。遅延プロセスはデジタルプロセッサーのソフトウエアで実行されそして図１６の概略レイアウトによって示される。マスター動力源５００の制御器がライン５０２によって表されるような命令信号を受け取るとき、動力源は切り替えシーケンスを開始する。マスターは、マスターの極性切り替えに対応する従属制御機器の切り替えのための所望の極性を与えるためにライン５０４上の論理を出力する。命令されたスイッチシーケンスにおいては、マスター動力源５００の変換器は切断又は停止され、電極Ｅへの電流はホール効果変換器５１０によって読み取られるように減少する。ライン５０２の切り替え命令はライン５１２によって表されるように即座の“切断”信号を並列の従属動力源５２０、５２２の調節器へ与え、ホール効果変換器５３２、５３４によって測定されるように、電流を接続点５３０に流れさせる。全ての動力源は変換器が切断又は停止された切り替えシーケンス中にある。ソフトウエア比較回路５５０、５５２、５５４は減少した電流をライン５５６の電圧によって参照される与えられた低電流と比較する。動力源が与えられた値以下に減少するとき、信号はライン５６０、５６２、及び５６４内でサンプルの入り口に現れそしてそれぞれ回路５７０、５７２、及び５７４を保持する。回路はストロボ信号によって動力源のそれぞれからライン５８０に出力される。設定された論理が回路５７０、５７２、及び５７４内に貯蔵されるとき、イエス論理がストロボ信号の時間内でライン準備１、準備２、及び準備３上に現れる。この信号は動力源内で発生しそして２５μｓの周期をもつが、しかしながら、他の高速度ストロボは使用できない。その信号はマスター動力源の制御器Ｃに向けられ、図１６の破線で示される。アンドゲート５８４によって現されるソフトウエアアンド関数は全ての動力源が極性切り替えの準備中であるときにライン５８２上のイエス論理出力をもつ。この出力条件はライン５０４上に現れるように切り替えられた極性の所望の論理として与えられるそのＤターミナルをもつソフトウエアフリップフロップのターミナルＥＣＬＫ６００を可能にするクロックに向けられる。発振器又はタイマーはライン６０２の信号によって約１ＭＨｚクロックのフリップフロップでターミナルＣＫに作用した。これは、ライン６１２上の同一の論理がマスター動力源５００に切り替えると同時にこのライン６１０の論理を従属制御装置５２０、５２２に切り替えるためにライン５０４の極性命令論理をＱターミナル６０４に移転させる。切り替え後、５０４の極性論理は、マスター動力源が切り替え周波数に基づく次の切り替え命令を待っている間に、相反する極性に変位させる。他の回路が切り替えシーケンスの遅延効果のために使用できるが、しかしながら、図１６の例示が本発明のスキームである。
【００４０】
図１−１６に記載されているように、他の利点を達成するための溶接機のための溶接機、及び制御系は背景情報として提出されている。この背景技術はザリンカーンエレクトリックカンパニー社、本出願の出願人によって開発されてきた。この背景の記述は波形技術溶接機の説明のために提出されている。波形は記載された溶接機によって達成されるようなＤＣ又は同じ技術を使用するＡＣであることができる。この技術は溶接プロセスで使用されるＡＣ波形の正確なプロフィールを“描写”するために使用できることが見出されてきた。
【００４１】
芯入り電極のためのＡＣ波形の“描写”（図１７−２７）
精密なＡＣ波形がプログラム７００を使用することによって芯入り電極用に得られる。この“描写された”ＡＣ波形は図１−１６に示される技術を使用して特定の芯入り電極で調和的に働く。
【００４２】
溶接機及び／又は溶接系の波形技術は図４及び５に示されるように、図１９及び２０に示されるタイプの特定の芯入り電極用に使用するために与えられた精確な波形プロフィールを厳密に設定するために制御プログラム７００によって操作される。プログラム７００は図１７に開示されており、そこでは溶接機７０５は選択電気回路網２５０による溶接波形の一般的なタイプに設定するための波形成器２４０をもつ。選択された波形は、波形の連続によって与えられた溶接プロセスを実施するための所望のＡＣ波形である。本発明に従ったこの波形は特定の芯入り電極用に使用できるように設定される。波形制御プログラム７００は精確な、所望の波形プロフィールと与えられた芯入り電極のために使用できる設定されたプロフィールを実質上変化させること無しで波形のエネルギー又は電力を調節するための大きさ制御回路を設定するためのプロフィール制御電気回路網７１０をもつ。この特定のＡＣプロフィールは、対応する電極が溶接プロセスで使用されるときのために図２１及び２８に開示される溶接機中に供給される。正の部分及び負の部分の両者でＡＣ波形を調節する概念は本発明の性能を可能にする。
【００４３】
プログラム又は制御電気回路網７００はＡＣ溶接プロセスを構成している波形の連続においてそれぞれの波形の一般的な精確なプロフィールを制御するための波形成器２４０に接続されている。波形の一般的なプロフィールの厳密な相乗的な設定を行うこの目的を達成するために、四つの別々のプロフィールパラメーターがそれぞれ調節される。第一のパラメーターは、ライン７２４として表される出力の値を設定するために接続電気回路網７２２によって手動で又は自動で調節される回路７２０によって波形プロフィールに設定される周波数である。この値はＡＣ波形プロフィールの周波数の設定を制御する。もちろん、これは実際に波形の周期である。同様に、波形のデューティーサイクル又は波形バランスは、ＡＣ波形の正の半サイクル及び負の半サイクル間の相関関係を制御するための値を発現させるための調節可能な接続電気回路網７３２及び出力ライン７３４をもつ回路７３０によって制御される。このプロフィールパラメーターは回路７３０からのライン７３４の論理又はデータによって設定される。信号又はライン７２４のデータ及びライン７３４のデータによって、波形のＡＣプロフィールは設定される。これは波形の個々の部分のエネルギーレベルに関係しないが、しかし単に波形の一般的に固定されたプロフィールである。波形の上昇ランプ速度を制御するために、波形の設定されたプロフィールが負極から正極に変化する速度を設定するための手動又は自動で調節する電気回路網７４２及びライン７４４の出力信号をもつ回路７４０が準備される。同様に下降ランプ回路７５０が調節用インターフェース及び出力ライン７５４で用意される。ライン７２４、７３４、７４４及び７５４の値の大きさは個々の波形のプロフィールを設定する。これらのパラメータープロフィールは一緒に設定されるが、しかしながら、好ましくは全てのプロフィールパラメーターは波形プロフィールを規定するために設定される。
【００４４】
溶接プロセスにおけるそれぞれの波形によって変換されるエネルギー又は電力のためのＡＣ波形プロフィールを制御するために、プログラム７００は二つのそれぞれの領域７６０、７６２に分割されている回路又は電気回路網７１２を含む。回路のこれらの領域は、プロフィール制御電気回路網７１０によって設定される一般的なプロフィールに実質上影響を与えること無しで極性のそれぞれの過程でエネルギー又は波形レベルに関連した他の電力を制御する。領域７６０はライン７７４の入力値とライン７７６の出力値間の相関関係を制御するためにインターフェース制御電気回路網７７２によって調節されるレベル制御回路７７０を含む。レベル制御回路７７０は本質的に発生した設定波形プロフィールの正の部分を通じて電流、電圧及び／又は電力を制御するためのデジタルエラーアンプ回路である。選択器２５０ａは回路７７０を電流、電圧又は電力モードにシフトする。領域７６０は、制御電気回路網７１０で設定される一般的なプロフィールの変化をもつ正の部分を通してエネルギー、又は電力又は他の熱レベルを制御する。同様にして、第二の領域７６２は入力ライン７８４の値が出力ライン７８６のレベル又は信号を制御するように制御電気回路網７８２によって設定されるか又は調節されるデジタルエラーアンプ回路をもっている。結果として、ライン７７６及び７８６のデジタルレベルはプロフィール制御電気回路網７１０によって設定される半サイクルのそれぞれを通して電流、電圧及び／又は電力を制御する。選択器２５０ｂは回路７８０を電流、電圧又は電力モードにシフトする。
【００４５】
プログラム７００の別の特徴に関しては、波形成器２４０は高位制御回路７１２のみによって制御されそしてプロフィールは図４及び５に示される背景技術の波形制御系で使用される電気回路網又はプログラム２５０によって設定される。電気回路網２５０はプロフィールを設定しないが、しかし図２１及び２８の開示で説明されるような公知のＡＣ波形タイプを選択する。高められたプログラム７００の利点は高位回路７７０、７８０と一緒に回路７２０、７３０、７４０及び７５０を使用して全てのプロフィールパラメーターを設定することによって実現する。もちろん、これらの回路のいずれか一つによって制御されるＡＣ波形は図１−１６の一般的な背景技術に対して改良されている。プログラム７００は、ＡＣ波形のそれぞれの極性を通して全てのプロフィールパラメーター及び高位の値を相乗的に調節しそれによって波形は特定の芯入り電極に対応する。
【００４６】
プログラム７００の可能性を説明するために、二つのＡＣ波形が図１８に概略例示されている。ＡＣ波形８００は、共に急速に形成された連続的な電流パルス８００ａによって製造される正の部分８０２及び負の部分８０４をもつ。波形８００は、周波数制御又は波形の周期及び正の部分８０２：負の部分８０４の比を説明するために単に矩形波として示されている。これらのパラメーターは、電気回路網４５０によって以前に選択されたＡＣ波形のタイプを変形させるためにプログラム７００を使用することによって厳密に設定される。このＡＣ波形の概略説明において、上昇ランプ速度と下降ランプ速度は本質的に０である。もちろん、特許文献４に教示された切り替え概念は特許文献４に記載された利点を得るために正及び負の波形部分間でシフトさせるために使用される。第二の例示された波形８１０は周波数ｆ、正の部分８１２及び負の部分８１４をもつ。この例示において、上昇ランプ速度８１６は下降ランプ速度８１８とは独立に制御される。これらのランプ速度は、極性間のシフトの過程でそれらが波形のリーディングエッジ及びトレーリングエッジで存在することを示す矢印として例示される。プログラム７００は、回路７２０、７３０、７４０及び７５０によってそれぞれの波形の精確なプロフィールの物理的な設定に関係する。いくつかの波形パラメーターはＡＣ波形を所望のプロフィールに本質的に“描写”するために調節される。ＡＣ波形の一般的なプロフィールを使用する非常に厳密な溶接プロセスは、プログラム７００のような制御プログラムを使用する、ザリンカーンエレクトリックカンパニー社による電力波のような波形技術制御溶接機によって実施される。このプログラムは、それぞれの芯入り電極のＡＣ波形を“描写”し、溶接プロセスで使用されるＡＣ波形と電極を適合させるために使用される。
【００４７】
図１７のプログラム７００は、図１９及び２０に示される電極９１０のようなそれぞれ同定された芯入り電極のそれぞれのために最適化されたそして特別に誂えられたＡＣ波形を構成又は形成するために使用される。溶接機９００は電極９１０を作業片Ｗに向けるためのトーチ９０２を有している。アークＡＣは電極９１０の末端と作業片Ｗの間で形成される。電極は鞘９１２と内部充填芯９１４をもつ芯入り電極である。芯は粒子９１４ａによって表されるようなフラックス成分を含む。これらの成分９１４ａの目的は（ａ）熔融金属をスラグで被覆することによって熔融した溶接金属を大気汚染からシールドし、（ｂ）溶接品質に与える負の効果を最小にするために大気中の汚染物と化学的に結びつき及び／又は（ｃ）アークシールドガスを発生させることである。標準的な実施に関しては、芯９１４は、芯９１４の充填物を与えるために組み合わせられた他の種々の粒子９１４ｃと一緒に粒子９１４ｂと呼ばれる合金成分もまた含んでいる。溶接操作を最適化するために、外部のシールドガスと一緒に固体ワイヤーを使用することが必要になってきた。しかしながら、特定の機械的及び金属学的性質をもつ溶接を行うためには、特定の合金が必要だが、それは固体ワイヤー形態で得ることが困難である。コンタミは外部シールドガスを必要とする溶接プロセスを使用するときには防ぐことが困難である。それゆえに、周囲環境が溶接に影響を与えないような自己シールド芯入り電極を使用することには利点がある。芯入り電極は鞘と芯で異なった燃焼速度となる。これらの困難性の全ては固体ワイヤーと外部シールドガスでなされる多くのパイプライン溶接において生ずる。これらの問題点を克服するために、ＳＴＴ溶接がパイプライン溶接のためにザリンカーンエレクトリックカンパニー社によって開発された。そのような溶接は表面張力が熔融金属を移動させる短回路プロセスを採用する。このプロセスは溶接プロセス、特に開先溶接の過程での熱を低下させる。ＡＣ動力源と芯入り電極での両者の溶接の利点は溶接波形が特定の芯入り電極のために最適化されていないために得られなかった。波形技術を使用するＡＣ波形を制御することによって、これらの困難性は克服することができる。図１７に示されるプログラム７００のようなプログラムを使用することによって、精確なＡＣ波形が溶接操作のために発生しそして与えられた芯入り電極に特別に対応する。与えられた芯入り電極に対応したＡＣ波形のための精確なプロフィール又は形状は溶接操作を最適化する。特定の電極に適応するために正確に描かれた波形での溶接操作を使用することが現在は可能である。芯入り電極を使用するＡＣ溶接は図１７−２７に開示された技術によって容易になる。
【００４８】
溶接機９００は芯入り電極を使用するＡＣ溶接を実施し溶接操作を特定の電極に対して最適化するために本発明に従って組み立てられる。溶接機９００の詳細は図２１に示されそこでは動力源９２０は整流器９２０ａによって駆動される。電極９１０は鞘９１２と芯９１４をもつ芯入り電極である。溶接機９００の動力源９２０は溶接プロセスで使用される特定の電極９１０を同定するためのライン９２４の電極確認信号を形成するための貯蔵装置、ユニット又は回路９２２を有している。読み取り装置９２１は図２１の頂部に示される読み取り装置によって通過する特定の電極９１０を同定する。このように、ライン９２４の信号は電極９１０を同定する。装置９２１ａは手動で特定の電極９１０が使用されている読み取り装置９２１を識別する。換言すれば、読み取り装置９２１は溶接操作で使用されるべき特定の芯入り電極に設定される。この装置は手動で特定の電極を指示するように調節される。電極９１０はバーコード又はその他の読み取り技術を使って保管装置９２２によって同定される。バーコードは電極ワイヤー９１０を含むスプール又はドラム上に置かれる。換言すれば、装置９２１はワイヤー又は電極９１０の同定に自動的に感応するか又はブロック９２１ａによって示されるように電極を示すための手動入力を受け取る。９２１ｂの信号は溶接機９００によって使用されるべき全ての電極のためにデータ形態で信号が保管されている保管装置９２２に向けられる。ライン９１１ｂの信号は特定のデータを特定の芯入り電極に対応している保管装置９２２に回す。このデータはプロフィール信号をライン９２４に適合するようにする。この信号は波形参照装置９２６を活性化させその装置はライン９２８でプロフィール信号を出力する。この信号は選択回路２５０に特定の芯入り電極のためのプログラム７００によって形成された特定の保管プロフィールを選択するように命令する。図１７に示されるプログラム７００は保管した波形を特定の電極に特化させる。動力源９２０の残りは予め記載されてきた。ライン９２８のプロフィール信号は回路２５０と連動したメモリー中に保管された特別に構成され又は形成されたＡＣ波形を選択する。特定の芯入り電極の特定の組み合わせ及び構成体に特化されたＡＣ溶接波形はライン２４２に出力される。別法としては、ライン９２８の特定の信号は電極とワイヤーの供給速度によって決定される。装置９３０はライン９３２に出力される設定点をもっている。それゆえに、ライン９２４及び９２５の論理又はデータはライン９２８のプロフィール選択信号を決定する。波形発生器２５０のメモリー中に保管された所望のプロフィールが使用される。このプロフィールは特定の電極及び／又は特定の設定点ワイヤー供給速度に基づいている。
【００４９】
典型的なＡＣ波形は図２２に例示されており、ここではプロセス曲線９５０は正の部分９５２及び負の部分９５４を含む連続波形を含む。波形は、実質上１８ｋＨｚより大きな速度で形成されそしてパルス幅変調器２２４の出力ライン２２４ａで形成された多くのパルス９６０によって形成されている。これは高切り替え速度変換器を制御している。曲線９５０は、ｚとして示される負の部分９５４の長さで正の高さｘ及び負の高さｙをもつ。溶接操作の熱を制御するために、デューティーサイクル又は波形バランスｚは、図２２に示されるＡＣ波形が特定の芯入り電極のために構成されるときに調節される。図２２の曲線９５０の負部分９５４は作業片に入力される全ての熱を制御する。正の部分９５２は電極に多くの熱を与えそして作業片に少ない熱を与える。それゆえに、デューティーサイクル又は波形バランスの変化によって、作業片に入る全体の熱は変化又は制御することができる。ＡＣ溶接プロセスは波形成器又は特定の波形発生器２４０の出口で形成される。選択された波形は特定の芯入り電極９１０での使用を最適化するために厳密に調節される。溶接操作における熱を制御するために、波形はプログラム７００によって制御されるデューティーサイクルｚをもつ。ＡＣ波形が固定された後で、それは選択回路２５０からの論理に基づく波形発生器２４０にセットされる。溶接機９００は、特定のＡＣ波形を特定の芯入り電極と相関させて電極９１０を形成する構成成分によって示される溶接プロセスの操作を固定する。
【００５０】
ＡＣ波形は好ましくは図２２に示されるような矩形波であるが、しかしながら、初期加熱を制御するために図２３に示されるようなプロセス曲線９７０が正の部分９７２及び負の部分９７４をもつ波形を含む矩形でないＡＣ波形を与えることは溶接機９００の能力範囲内である。これらの部分のそれぞれは図２２の曲線９５０について説明されたように複数のそれぞれのパルス９６０によって形成される。これらのそれぞれのパルス９６０は１８ｋＨｚ以上の周波数で形成されそして通常は変換器タイプの動力源で使用されそして図１−１６を含む一般的な技術部分で記載されている波形技術のパルスである。加熱速度を減少させるために、部分９７２、９７４はランプ部分９７６、９７７、９７８および９７９と共に与えられる。その他のプロフィールもＡＣ溶接を芯入り電極で最適化するために可能である。
【００５１】
芯入り電極をプロフィールの制御無しで使用するときに生ずる一般的な問題点は図２４に示される。溶接プロセスは、熔融した上方末端９８２によって示されるように、電極の周りで上方に熔けた熔融金属９８０部分を与えるために鞘９１２を熔かす。このように、電極の鞘は芯よりも急速に融解する。このことは熔融金属材料を保護ガス又は芯９１４の内部構成成分の熔融によって形成される化学反応無しで電極９１０の出口末端に存在させることになる。このように、アークＡＣは電極９１０の金属を未保護のままの雰囲気中で熔かすことになる。熔融金属をシールドする必要性は鞘と芯が同じ速度で融解するときに起こる。熔融金属を芯よりもより急速に熔かす問題点はさらに図２５の図上説明によって示される。鞘９１２からの熔融金属９９０は、芯が熔ける機会をもつ前に作業片Ｗと既に結合してしまう。それでは溶接プロセスのために必要なシールドを与えることができない。図２４及び２５は、芯入り電極を使用するＡＣ溶接が過疎地のパイプライン溶接及びその他のパイプライン溶接に使用されて来なかった理由を示している。上述のＡＣ波形は電極を使用するときに熱入力を制御する。
【００５２】
溶接プロセスで使用されるＡＣ波形の厳密なプロフィールを制御することによって、鞘９１２及び芯９１４はほぼ同じ速度で熔かすことができる。芯の融解とシールドの融解を適切に調和させることの失敗が芯入り電極でのＡＣ溶接の使用を拒んできた一つの理由である。ＡＣ波形のプロフィールを調節する利点は外部シールドガスが必要ないプロセスの創生である。これが起こるとき、シールドガス及び他のシールド構成成分が鞘９１２からの熔融金属に先立って発生する。この特徴はプログラム７００を使用する溶接操作のための波形を厳密に描くことによって得ることができる。過去のそのような同等物においては可能ではなかった。プログラム７００又は類似のプログラムは、芯入り電極を溶接操作の過程で熔融金属の雰囲気からのコンタミを防ぐようなＡＣ溶接プロセスで使用できるようにするそれぞれの芯入り電極のために特別に誂えられたＡＣ波形を発生させる。
【００５３】
芯入り電極で溶接するときは、鞘と芯を同じ速度で融解させることが望ましい。この操作は、熔融材料混合物が周囲のコンタミの影響に化学的に耐えるように、或る芯材料と外部鞘との均一な混合を促進させる。溶接金属の所望の機械的及び金属学的な性質を生み出すために必要な合金元素が溶接金属中に均一に分散している。さらに、スラグ及び／又はガス生成用構成成分に由来するこの防護的な利点は最適化される。この状態は図２６に示される。これに対して、図２５は鞘が芯よりより急速に熔融する状態を示す。鞘９１２からの熔融金属９９０は芯９１４が熔融する機会を得る前に作業片Ｗと既に結合してしまっている。金属９９０は、もし、未熔融の芯構成成分が実際に熔融してしまったなら得られるであろう程度に周囲のコンタミの影響から防護されない。さらに、所望の機械的及び金属学的な性質を達成するために必要な合金元素は熔融金属９９０から失われてしまう。
【００５４】
代替プロセスは図２７に示され、ここでは選択回路９９２はブロック９９４からのライン９９４ａのデータに従って波形Ｂを選択する。このブロックは特定の電極Ａを同定するデータをもっている。電極は選択回路９９２の波形Ｂに順応する組成をもっている。ワイヤー供給速度ブロック９９６からのライン９９６ａの設定点は、電極のための波形であるのみでなく特定の設定点における電極Ａのためのものでもある波形Ｂを選択するために使用される。これは、ＡＣ溶接プロセスの波形をブロック９９４で同定される芯入り電極Ａに誂えられるように制御するために波形発生器２４０の出力を調節する。電極Ａは波形Ｂを活性化するために使用される。波形は、特定の芯入り電極を使用するとき所望の操作を実施するために形成される。特定の芯入り電極を同定しそれに調和したＡＣ波形を活性化することによって、所望の溶接プロセスが電極と作業片の間で実施される。芯の構成成分と鞘のサイズはＡＣ溶接プロセスで使用される最適な波形プロフィールを決定する。これは、波形技術を使用するタイプの電気アーク溶接プロセスで使用される波形のプロフィールを厳密に設定しそして修飾するための図１７のプログラム７００のようなプログラムの使用によって可能になる。
【００５５】
図１７−２７は図１−１６の波形技術がＡＣ溶接又は芯入り電極を使用するためにどのようにして使用できるかを示している。この可能性を発展させることによって、図２８−４５に開示される本発明の新規な溶接方法が可能となる。
【００５６】
本発明（図２８−４５）
前の節で示したように、波形技術を使用するタイプの電気溶接機は図２８に示される電極１０００のような芯入り電極を使用するＡＣ溶接用に使用できる。そのような電極は、合金金属及びスラグ又はフラックス材料を含む特定の材料で形成された芯１００４の周りの外側に鉄製鞘１００２を含む。内部にフラックス又はスラグ材料をもつことによって、溶接操作過程での外部シールドガスを必要としない。芯１００４に合金材料を含むことにより、作業片１０１０上の溶接金属パッドル１０１２は精確な合金構成成分をもつように修飾する事ができる。これは、合金が溶接ワイヤーの実際の構成成分によって達成されなければならない固体溶接ワイヤーの代わりに、芯入り電極を使用する実質上の利点と理由である。溶接金属のための合金化の調整は固体溶接ワイヤーを使用するとき非常に困難であり、それゆえに、前の節で議論したように、芯入り電極を採用することは高性能溶接において非常に利点がある。アークＡＲは鞘１００２を熔かしそして構成成分又は芯１００４内の充填物を本質的に同じになるように制御できる速度で熔かす。水素、窒素及び酸素のような、溶接金属１０１２のコンタミ成分は空隙の問題、溶接金属中のクラッキングやその他のタイプの物理的欠陥を引き起こす。このように、溶接プロセスを熔融した溶接金属からコンタミを排除するプロセスをデザインすることは挑戦的である。“キリング”剤、典型的には潜在的なコンタミ物質と化学的に結合して空隙の形成や溶接金属中への有害物の取り込みを防止するための、シリコン、アルミニウム、チタン及び／又はジルコニウムを使用するのが普通である。さらに、溶接金属から水素を取除くための薬剤を含む“スカベンジャー”もまた水素と反応させるために添加される。終始一貫して健全な溶接金属１０１２を沈積させるためには、展性や低温靭性のような溶接金属の性質に有害な量のそのようなキリング剤を加える必要がしばしばでてくる。このように、電極１０００から作業片１０１０へ通過する金属のコンタミを防ぐためにアークＡＲ中の熔融金属の曝露を減少させることが望ましく、そうすればキリング剤は最小化することができる。本発明は、ＡＣ波形の正及び負の形状が全体のアーク長さＬＡ を減少させるために修飾されるような芯入り電極１０００のためのＡＣ溶接を使用することである。この方法においては、大気への曝露が少なくそして金属が熔融する過程の時間が短い。もちろん、アーク長さを減少させることによって、電極から溶接金属パッドルへ移るときの熔融金属の温度も下げることができる。正及び負領域で異なった形状をもつＡＣ溶接プロセスを実施できる溶接機を使用することによってのみ、芯入り電極でのＡＣ溶接は現場で効果的に使用することができる。前節で説明したように、交互に変化する波形の正及び負部分のパラメーターは選択された電極１０００のための鞘１００２及び芯１００４の両方を熔かすのを補償及び最適化するために独立に調節することができる。本発明は、正及び負部分の形状が独立に制御されるような芯入り電極でのＡＣ溶接機及び溶接方法におけるさらなる改良に関する。本発明に従った波形制御技術はアーク安定性を維持しながらアーク長さＬＡ を減少させる。このように、芯入り電極でのＡＣ溶接プロセスを実施するための溶接機は、電気アーク溶接分野でこれまで知られていない又は使用されていない特定の方法を実施するために本発明に従って修正される。
【００５７】
改良された電気アーク溶接プロセスの基本的な態様は図２９に示されるグラフ１０２０によって示される。このグラフは、０．０６２インチの直径をもつ自己シールドフラックス芯入り電極で作られた連続溶接試験の結果を示す。特定のフラックス芯入り電極はリンカーン社のインナーシールドＮＲ−２３３であった。溶接は一定のワイヤー供給速度と移動速度で行われた。動力源は三つの通路又は並んだビーズを置くために約６０Ｈｚの周波数の交流で操作された。それから並んだビーズの二つの通路は第一の三つの通路又はビーズ頂点の第二の層に置かれた。板の表面を溶接に先立って、スケール及びコンタミを取除くためにショットブラストした。第二層の溶接金属はフラックス芯入り電極を使用する溶接品質のために取除く必要のあるコンタミの一つである窒素含量を分析した。ＮＲ−２３３中には故意に窒素が含まれているわけではないので、溶接金属中の窒素は周囲の大気中からのコンタミであると仮定した。これらの溶接操作を実施するための動力源はクリーブランド、オハイオのザリンカーンエレクトリックカンパニー社によって販売されている電力波のような可変の波形で電流を変化させるために特に組み立てられた動力源である。ＡＣ波形の二つの性質はグラフ１０２０に示される結果を得るように修正された。第一のテストの場合、２０％の−ＤＣオフセットが形成され正領域の電圧は負領域の電圧より２０％低かった。テストにおいては、負電圧は２３ボルト、正電圧は１８ボルトであった。曲線１０２２は０から５０％に周期的に変化する波形バランスによって形成された。波形バランスはＡＣ波形の正部分：ＡＣ波形の周期の比である。５０％の波形バランスで、ＡＣ波形の正領域と負領域は同一である。窒素回収率は波形バランスの種々の値に対して測定された。これは一般的に曲線１０２２のための統計ラインを作り出し、そのラインは一般的には０．０３６の許容できない窒素レベルから下方に窒素回収率０．０２９をもつ点１０２２ａまで伸びている。曲線１０２２は領域１０２２ｂによって示されるように、減少した窒素回収率のために下方に伸びる。テストの第二セットはＡＣ波形の負領域が正領域より２０％少ない２０％＋ＤＣオフセットで実施された。このテストは曲線１０４４を作り出し、それは一般的には０．０２０の窒素回収率から上方に曲線１０２２の点１０２２ａに対応する点１０２４ａまで伸びている。その後、窒素回収量は曲線１０２４の領域１０２４ｂによって示されるように増加する。曲線１０２２と１０２４は破線１０２６で示される窒素回収レベルである点１０２２ａ、１０２４ａで交差する。グラフ１０２０の曲線１０２２と１０２４は、波形が波形バランス量に応じて変化するとき、−ＤＣオフセットＡＣ波形及び＋ＤＣオフセットＡＣ波形の傾斜のタイプを示す代表例である。テストによって＋ＤＣオフセットは低い波形バランスで低いコンタミレベルをもつことが見出された。同様に、ＡＣ波形の−ＤＣオフセットはより高い波形バランスで低いコンタミレベルをもつ。この知見は芯入り電極のためのＡＣ溶接を使用するときのコンタミを減少させるための波形修正の基礎となる。負のオフセットを使用するときは、波形バランスは点１０２２ｃによって示されるように約３０％以上であるべきである。波形バランスは点１０２４ｃによって示されるように約５０％以下であるべきである。全ての場合において、波形バランスは本発明を使用することによってアークのために十分な電圧ＲＭＳであることを確実にするレベルでなければならない。この低いレベルはライン１０２４を波形バランスが約５％である点１０２４ｄで交差する。このレベルは１０２２の継続によって対応する低い点１０２２ｄを形成する。点１０２２ｄは点１０２４ｄを通る同じ低レベルのラインとライン１０２２の交点である。このように、曲線１０２０によって表されるテストは、低アーク長さ及びこのように減少した雰囲気からのコンタミを生み出すためにオフセットと波形バランスを調節することによってＡＣ波形の制御方法を規定している。テストは６０Ｈｚで行われたが、しかしながら、３０−１２０Ｈｚの間でもまた行われた。
【００５８】
図３０は負のオフセット曲線１０３２と正のオフセット曲線１０３４をもつ曲線１０３０を示す。これは図２９に示されるテスト結果から得られ、そこでは曲線１０３２は点１０３２ｃと１０３２ｄの間の操作範囲を与える。この場合、−ＤＣオフセットでＡＣ波形は約３０％と５０％の間のバランスをもつ。＋ＤＣオフセット波形は５％と５０％の間の波形バランスをもつ。図３０に示されるように本発明に従った二つの操作モードは二つの空間点間の範囲をもつが、好ましくは正のオフセット波形は約５と１５％の間の波形バランスをもつ。負のオフセット波形は８５と９５％の間の波形バランスをもつ。これらの方法は低コンタミを生み出しそして本発明の好ましい手段である。図３０のグラフ１０３０は本発明の例示であり、そこではＡＣ波形は＋ＤＣオフセットに対して低波形バランスそして−ＤＣオフセットに対して高波形バランスが使用される。好ましい手段は＋ＤＣオフセット波形の使用である。
【００５９】
図３１及び３２はＡＣ波形１０４０及びＡＣ波形１０４０Ａを示す。波形のそれぞれは波形技術に従った電圧又は電流パルス１０５０の連続によって組み立てられ、好ましくは本発明の実施において採用される。波形技術は波形発生器又は波形成器によって制御されるパルス幅変調器を利用し正領域１０４２、１０４２ａ及び負領域１０４４、１０４４ａの実際のプロフィールは特定の形状に描かれる。図３１において誂えられた形状は本発明の好ましい形態である矩形波であるが、しかしながら、本発明はまた図３２に示されるような矩形波でない形状によって実施することもできる。両方のＡＣ波形において、正の領域はＲＭＳ１として表されるＲＭＳをもちそして負の領域はＲＭＡ２として表されるＲＭＳをもつ。本発明に従えば、オフセットはその差異が既にオフセットとして定義されているような他の領域のＲＭＳより大きい或る領域のＲＭＳを包含する。図３２に示されるように、波形１０４０ａはいかなる特定の芯入り電極に誂えることもできる。しかしながら、本発明は、図２８に示されるように、芯入り電極１０００のためのＡＣ溶接操作において使用されるＡＣ波形の正及び負領域間のＲＭＳの所望の関係を達成するための波形バランスと調和したオフセットという広い概念を包含している。本発明を実施するための好ましい波形は図３１、３２に開示されているような同じ波形技術を使用する図３３及び３４に示されている。本発明の好ましい態様においては、正オフセットの波形１１００は、ＡＣ波形を生み出すための電圧Ｖａの正領域１１０２をもち、負領域１１０４は０．７５−０．９０Ｖａの範囲の大きさの電圧をもっている。高電圧スパイク正領域１１０２は合計波形のほぼ５−１５％の時間をもっている。これは短い正の時間１１１０と長い負の時間１１１２との間の関係である。波形１１００は好ましくは電圧波形であるが、電流波形であることもできる。負領域の電圧はアーク安定性を維持するのに十分ではないが、しかしながら、周期的な高電圧スパイク１１０２はアークを維持している。このように、波形１１００は低電圧で波形の主要部分をもつことによって低ＲＭＳをもち、そして単に反対の極性で周期的なスパイクを使用する。波形１１２０が高電圧の負の部分１１２２及び低電圧の正部分１１２４をもつ−ＤＣオフセット波形であるような同じ一般的な概念が図３４に例示されている。波形１１２０の主要部分でのＲＭＳはＡＣ波形の負領域によって制御されるが、しかしながら、安定性は高電圧の負領域１１２２によって維持される。ＡＣ波形の高電圧と低電圧の相対時間は時間１１３０及び１１３２として説明され、その時間は図３３の波形１１００の対応する時間と同じ相関関係をもっている。本発明は図３０で示される二つの空間点の間で、点１０３２ｃ、１０３２ｄ及び点１０３４ｃと１０３４ｄとしての使用を期待しているのではあるが、図３３及び３４で説明した相関関係が好ましい態様である。操作の第一モードは５−１５％の一般的な範囲の波形バランスをもつ＋ＤＣオフセットでありそして操作の第二モードは８５−９５％の一般的な範囲の波形バランスをもつ−ＤＣオフセットである。波形１１００及び１１２０の両方の波形は調節可能なオフセットと調節可能な波形バランスをもち、それはザリンカーンエレクトリックカンパニー社によって最初に開発されたタイプの波形技術を使用する溶接機の使用によって達成される。もちろん、その他の技術も図３０及び図３３と３４で一般的に説明したように本発明を実施するために使用できる。実際上は、波形１１００及び１１２０の周波数は３０−１２０Ｈｚの一般的な範囲である。
【００６０】
本発明の一つの特徴はＡＣ波形の正領域と負領域の大きさに実質上の差異があるときの波形バランスを変化させることである。この場合、波形バランスは、アーク長さが比較的小さい値にＡＣ波形の電圧ＲＭＳを減少させるためのＡＣ波形の電圧ＲＭＳを調節するために使用できる。これは波形が電圧なら真実であるが、しかし電圧ＲＭＳは電流波形で制御することもできる。この目的を達成するために、ＤＣオフセットは図２９及び３０で議論されたように、好ましくは１０−３０の間の値をもつ。換言すれば、実際の溶接操作に使用されるＡＣ波形のより小さい又はより少ない大きさの領域はアークを安定化させるために使用される短い高電圧領域のより大きな大きさより約１０−３０％小さい。波形バランスを調節することによって、ＡＣ波形の電圧ＲＭＳは減少させることができる。これは正のオフセット曲線１２００が電圧ＲＭＳのためのｘ値に対応する点１２０２及び点１２０４の間で本発明に従って操作している図３５及び３６に例示されている。この値はライン１２１０によって表される。広義にいえば、本発明は正のオフセット曲線１２００が３７％を超えるところで使用できるが、しかしながら、図２９のグラフ１０２０を生み出すために行われたテストにおいては、−２０のＤＣオフセットのための所望の電圧ＲＭＳは３７％の波形バランスで得られた。同様に、負の曲線１３００は約３７％でＲＭＳレベル１２１０で点１３０２に到達した。図３５及び３６の表現は単に本発明が一般的に１０−２０の範囲のＤＣオフセットをもつことによってそして波形バランスを調節することによってＡＣ波形の電圧ＲＭＳを制御するために使用されることを例示しているだけである。波形バランスとオフセットは本発明の目的を達成するために独立に調節されている波形の負及び正領域を作り出している。この波形は波形成器又は波形発生器によって形成される電圧波形として例示されているが、しかしながら、波形は同じ技術によって得られる電流波形として形成することもできる。
【００６１】
本発明の利点は芯入り電極での溶接のためにＡＣ波形を使用してアーク長さを減少させる能力である。過去において、電極はしばしば溶接過程での窒素によるコンタミをなくすために合金化剤として１０％を超えるアルミニウムを含んでいた。本発明の使用によって、ＲＭＳは減少しそれはアーク長さＬＡを減少させそれによってアルミニウムのような“キリング”剤の必要量を減少させる。この概念は概略、図３７及び３８に例示されておりそこでは曲線１４００は芯入り電極中に必要な“キリング”剤又はアルミニウムの％はアーク長さに比例することを示している。アーク長さが減少すると、雰囲気に曝露されるアーク中の熔融金属が少なくなるので、必要な又は要求されるアルミニウム量もまた減少する。通常の実施においては、アルミニウムは電極中で実質上充填物の１０％を越える量で使用される。本発明を使用することによって、アーク長さは、芯充填物中に約２％のアルミニウムを必要とする１４０２より少ないレベルにまで減少させることができる。曲線１４００は代表例でありそしてアーク長さが本発明の使用によって減少するので、アルミニウムの量もまた減少することを示している。前述の曲線は基本的にＲＭＳに比例するが、しかしながら、図３８の曲線１４１０が現れるとき、この関係は厳密には直線ではないが、電圧ＲＭＳ及びアーク長さはほぼ直接の比例関係をもつ。このように、電圧ＲＭＳに関して既に議論された曲線はアーク長さに等しく適用される。
【００６２】
まとめとしては、図３９は窒素回収率が正のオフセット波形１５１０のための曲線１５００によって説明されるときの本発明の操作モードを表す。この曲線は点１５０２の最小窒素回収率から点１５０４で示されるような最大窒素回収率に伸びている。この操作モードに従えば、所望の低ＲＭＳは破線１５０６のように示される。この線はＡＣ溶接プロセスの波形バランスを規定している交点１５０８を与えるために溶接操作の所望のアーク長さに調節される。正のオフセット波形１５１０は、その大きさの差異が所望の窒素回収率を与えるための波形バランスを調節させるような２３ボルトの正の領域１５１２と１８ボルトの負の領域１５１４を含む。所望のＲＭＳの垂直変位は点１５０８で線１５０６を線１５００と交差させる。芯入り電極を使用する−（ゼロ波形バランス）ＤＣでの溶接は不安定なアークを生ずる。この不安定な状態は点１５０２によって表される。しかしながら、この操作点は非常に低い窒素コンタミを生み出す。正の領域１５１２は波形バランスが点１５０２で０値から増加するときにおいてのみ形成される。これが起こるとき、バランスは増大しそして窒素レベルもまた増大する。このように、正のオフセット波形１５１０が本発明の第一の操作モードを実行するために使用されるときには、波形バランスは約５−１５％の間のわずかの量でのみ増加することが好ましい。第二操作モードは図４０に示され、ここでは曲線１６００は小さな正の領域１６１２と大きな負の領域１６１４をもつ負のオフセット波形１６１０によって形成されている。曲線１６００は点１６０２からＤＣ−で、しかし高電圧で進む。点１６０２は高い負電圧のために高い窒素回収率を形成する。曲線１６００は許容できないＤＣ−操作点１６０２から低窒素回収率の点１６０４に進む。点１６０４で、溶接操作は実質上１８ボルトで実質上ＤＣ＋である。これはまた不安定なアークを作り出す。同じことは不安定な１８ボルトの点１５０２で起こるＤＣ−についても当てはまる。曲線１６００上の所望の操作点１６０８を与えるために、ＲＭＳ線１５０６は、図３９に示されるように、交点１６０８を作るように調節される。この交差は第二の操作モードのための所望の波形バランスを同定し、そこでは負のＤＣオフセットＡＣ波形が採用される。図３９及び４０は本発明の二つの手段を例示している。溶接機又は制御器は＋ＤＣオフセット又は−ＤＣオフセットのいずれかで二つの操作モード間でシフトすることができる。
【００６３】
波形技術動力源を使用することによって、本発明の波形バランスは、波形のサイクル長さを一定に維持しながら波形の正領域を変化させることによって変えることができる。しかしながら、波形形状における他の変化は効果的な波形バランスを修正するために作ることができる。代表的な波形バランス概念は概略、図４１−４３に例示されている。ＡＣ波形１６０２はサイクル長さｍをもつ正の領域１６２２と負の領域１６２４をもつ。これは標準技術である。しかしながら、波形技術タイプの電気アーク溶接機を使用することによって、他の組み合わせも使用することができ、その一つは図４２に示される。ＡＣ波形１６３０は正の領域１６３２と負の領域１６３４をもっている。波形バランスは垂れた（ｔｒａｉｌｉｎｇ）末端１６３６の外側への動きにより負領域１６３４を増加させることによって調節できる。このように、サイクル長さはいまやｍ＋ａとなりそして負領域１６３４が増加するにつれ波形バランスは減少する。同様に、図４３のＡＣ波形１６４０は正の領域１６４２と負の領域１６４４を含む。サイクル長さは領域１６４４の垂れた（ｔｒａｉｌｉｎｇ）末端１６４６の左側への動きによりｍ−ｂに減少させることができる。結果として、図４１−４３に示されるように、正の領域と負の領域の異なった形状を作り出し領域の大きさの調節と一緒に波形バランスを修正するためにＡＣ波形に種々の調節を行うことができ、これがＤＣオフセットを変化させる。波形バランスを変えるためのＡＣ波形のその他の調節は熟練した当業者が容易になしうる範囲である。
【００６４】
図４４及び図４５は本発明の二つの操作モードのための二つの波形を示す。図４４の波形１７００は高い正の領域１７１０と低い負の領域１７１２をもつ。これは、波形が小さな波形バランスと調和している好ましい態様で使用される＋ＤＣオフセット波形である。同様に、図４５の−ＤＣオフセット波形１７２０は低い正の領域１７２２と高い負の領域１７２４をもつ。この波形は大きなバランスが採用される操作モードのために使用される。これらの二つの波形は、図４４に示されるような本発明の好ましい操作及び図４５に示されるような波形を使用する他の操作モードを表すために示されている。正及び負の両方のオフセット電圧のための本発明の好ましい態様は図４４及び４５に示される。実際には、図４４に示される概念が使用される。
【００６５】
本発明は波形の正及び負の領域がそれぞれ目的とする小さなアーク長さを達成しそしてコンタミを減少させるために調節されているＡＣ溶接を包含する。この方法を使用する際には、新規なスラグ又はフラックス系が自己シールド性フラックス芯入り電極として使用できるように設計される。これらのフラックス系は第二のスラグ修飾剤としてＭｎＯ、ＳｉＯ２、ＣａＯ及びＢａＦ２を使用する。これらの新規な系を内包している電極はシールドガス無しで使用されそして雰囲気からのコンタミをさらに防止するための芯中の脱酸素剤及び脱窒素剤に依存する。第一の新規なスラグ系は下記に示すが、ここで％は最終製品スラグ中の量である。
【００６６】
【表１】
【００６７】
このスラグ系はＦＣＡＷ−Ｓ電極のためのＦＣＡＷ−Ｇスラグ系に似ている。このスラグ系と本発明のＡＣ法を使用することによって、アルミニウムは脱酸素剤として取除かれ、それゆえに、ナトリウム安定剤がスラグ系で使用できる。
第二の新規なスラグ系は以下の通りである。
【００６８】
【表２】
【００６９】
Ｆｅ２Ｏ３＋２Ａｌ → Ａｌ２Ｏ３＋２Ｆｅ
この第二の新規なスラグ系は溶接金属中のアルミニウムレベルを制御しそしてテルミット反応を促進させるために酸化鉄を使用することによって酸化アルミニウム生成レベルを自発的に制御することを試みる。溶接金属中のアルミニウムレベルを制御することによって、ミクロ構造は許容し得る機械的性質を得るのに最適化される。この酸化物の多いスラグ系の酸化鉄はまた熔融金属の融点を低下させる助けとなる。これは電極を垂直上昇方向の位置からの溶接に適したものとする。
【００７０】
その他のスラグ系も本発明の実施において使用できるが、しかしながら、これらの新規なスラグ系、実施例１及び２がテストされ、そしてＤＣオフセットと波形バランスが前述のように制御されるフラックス芯入り電極のためのＡＣプロセスにおいて有益であることが証明された。
【００７１】
二つの新規なスラグ系の一つを使用して又は使用すること無しで、本発明の概念を用いながら芯入り電極を使用する開示されたＡＣ溶接方法には種々の変形が可能である。
【００７２】
【特許文献４】ＵＳＰ６，１１１，２１６
【特許文献５】ＵＳＰ５，２７８，３９０
【特許文献６】ＵＳＰ６，２０７，９２９
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明の溶接方法は、溶接金属のコンタミが少なく、キリング剤としてのアルミニウムも少なくでき、溶接金属の靭性等が改良されるので、芯入り電極を使用する交流溶接方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明を実施するために使用できる溶接系のブロックダイアグラムである。
【図２】それぞれがスイッチ出力を含みそして本発明を実施するのに使用できる、並列動力源の連結ダイアグラムである。
【図３】図１及び２で開示された動力源によって制御される３個のタンデム型電極の側面断面図である。
【図４】ＵＳＰ６，４７２，６３４及び６，２９１，７９８の開示を使用し、そこでは三つの動力源が図１７に示されるようなプログラムによって厳密に仕立てられた波形形成に使用されている三つの電極のための溶接系のブロック形態の概略レイアウトである。
【図５】ＵＳＰ６，４７２，６３４に開示されそして本発明の実施のために使用される可変パルス発生器の付いた図４に示されるような系によって駆動される単一電極を示すブロックダイアグラムである。
【図６】二つの例示同期パルスの一つとタンデム電極のバランスしたＡＣ波形を示す電流グラフである。
【図７】図１７、２１及び２７に示されるような本発明を実施できる溶接機で使用するときの波形の極性を決定するための論理回路をもつ極性信号に加えられる電流グラフである。
【図８】図８は与えられた芯入り電極のためのそして図２１及び２７で示される溶接機によって出力されるプロフィールをもつ波形の概要を示す電流グラフである。
【図９】タンデム電極の調和極性相関関係の過程で溶接パッドルの動力学を説明する概略図である。
【図１０】タンデム電極の調和極性相関関係の過程で溶接パッドルの動力学を説明する概略図である。
【図１１】本発明の背景を形成している変換器によって発生させることのできる２個の隣接するタンデム電極上の波形を示す電流グラフの一組である。
【図１２】各波形が与えられた電極と調和することのできる調和極性相関関係の領域をもつ隣接するタンデム電極上のＡＣ波形を示す電流グラフの一組である。
【図１３】調和極性相関関係の時間を制限するために片方の電極のＡＣ波形が他方の電極の波形と実質上異なっているような隣接するタンデム電極上の波形を示す電流グラフである。
【図１４】隣接する電極と異なった形状の本発明の系によって操作される隣接している電極の二つの正弦波形の電流グラフである。
【図１５】本発明の態様に従って形状化され同期化されているタンデム電極の四つの隣接しているＡＣアークの波形を示す電流グラフである。
【図１６】同等のスイッチ命令が行われそして次の位置の同じ信号が作り出されるとすぐに並列の動力のスイッチを供給させる公知のソフトウエアプログラムの概略レイアウトである。
【図１７】図２１及び２７に示されるようなプログラムに従って与えられた芯入り電極に誂えた波形を使用してＡＣ溶接操作が実施できるように図１−１６に示される系を使用して実際の波形プロフィールを制御するためのコンピューター化した溶接制御器において使用されるプログラムのブロックダイアグラムである。
【図１８】図１７に示されるプログラムによって与えられた芯入り電極のために使用される特注のＡＣ波形を示す概略説明図である。
【図１９】本発明のＡＣ波形を制御するための図１７及び２７における系の使用法を説明するブロックダイアグラムの側面図である。
【図２０】図１９のほぼ線２０−２０に沿った拡大断面図である。
【図２１】本発明を遂行するために好ましい系を開示するブロックダイアグラムである。
【図２２】図２１に示されるような系を説明する際に溶接プロセス中で使用されるＡＣ波形を示す電流、電圧又は電力曲線のグラフである。
【図２３】与えられた電極のために形成されたＡＣ波形においてそして図２８−４５に示される本発明の好ましい態様を実施するために得ることができる或る変形を示すための図２２のグラフに類似したグラフである。
【図２４】鞘及び芯が異なった速度で融解する芯入り電極を示す拡大した概略図である。
【図２５】芯入り電極での溶接用に特化した波形を採用することに失敗した場合の欠点を示すための図２４と同様の図である。
【図２６】図２１で示された本発明の系を使用した溶接プロセスの操作を示すための図２４及び２５に同様の図である。
【図２７】固定された芯入り電極が波形発生器から出力されるように与えられた波形を活性化している本発明の系の変形を使用する図２１に示される溶接機と同様の溶接機を示すブロックダイアグラムである。
【図２８】本発明で使用されるときのそして長さが本発明の使用によって最小化されるときの芯入り電極を示す部分的側面図である。
【図２９】本発明を実施するための二つの分離モードを使用することによって得られる窒素回収率を示すグラフである。
【図３０】ＡＣ波形の合計波形バランスに対する本発明の手段を説明するための図２９と同様のグラフである。
【図３１】本発明の実施において調節されたパラメーターをもつＡＣ電圧波又は電流波である。
【図３２】本発明を使用するときに可能な追加の変形をもつ図３０の波形と同様の波形である。
【図３３】＋ＤＣオフセットモードであるときの本発明の好ましい態様を示す電圧のグラフである。
【図３４】−ＤＣオフセットモードであるときの本発明の好ましい態様を示す図３３と同様なグラフである。
【図３５】バランスに従ってＲＭＳに相関するときの＋ＤＣオフセット操作モードを説明するグラフである。
【図３６】−ＤＣオフセットモードを使用する好ましい態様の操作を示すための図３７のグラフと同様なグラフである。
【図３７】本発明の使用によって減少させられるときの芯入り電極中のアルミニウム量のグラフである。
【図３８】アーク長さとＲＭＳ間の直接の相関関係を一般的に示すグラフである。
【図３９】本発明の＋ＤＣオフセット操作モードの場合の窒素回収率：バランスの相関関係を示すためのグラフと対応する波形である。
【図４０】本発明の−ＤＣオフセット操作モードの場合のバランス及び窒素回収率間の相関関係を示すための図３９に示したグラフと波形の同様の組み合わせ図である。
【図４１】波形バランスの概念を示すグラフである。
【図４２】波形バランスの概念を示すグラフである。
【図４３】波形バランスの概念を示すグラフである。
【図４４】＋ＤＣオフセットモードのときの本発明の好ましい操作を説明するグラフである。
【図４５】−ＤＣオフセットモード操作のときの本発明の好ましい操作を説明するための図４４のグラフと同様のグラフである。
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気アーク溶接分野そしてより特徴的には特に芯入り電極のために開発された交流溶接方法及びこの新規な方法を達成するための溶接機に関する
【背景技術】
【０００２】
本発明は交流（ＡＣ）溶接サイクルにおける種々の部分形状波を発生させるための波形発生器又は変調器付き波形調節パルスをもつ変換器ベースの動力源に関する。この種の溶接機及び溶接方法のためのユニークな調節システムは特許文献１に示されている。この特許はここでは参照として取り込まれている。本特許に開示されている調節システム及び溶接機を使用して得られる個々の交流波は、多くの電流パルスが少なくとも１８ｋＨｚの周波数で、波形形成器又は波形発生器によって調節される各電流波の量で起こるような独特な技術を構成している。そのような波形技術は交流溶接技術における波形形状を開示している特許文献２まで遡る。この電気アーク溶接のための交流波の初期形成は主に固体溶接ワイヤーのために使用された。波形発生器又は波形形成器を使用して変換器によって得られる交流波形は芯入り電極で使用するために採用できることが提案されてきた。特に交流波形を構成することによって、波形は特定の芯入り電極と調和しそれにより鞘と芯は所望の速度で燃焼することができる。この場合、交流溶接は芯入り電極で成功裡に使用できることが見出された。過去においては、通常直流（ＤＣ）溶接が芯入り電極用に使用されていた。交流波形用の特定のプロフィールを形成することによって、全体の溶接プロセスは芯入り電極で使用するのに適しているが、芯入り電極で交流波形を調和させるこのタイプは非常に正確な波形形成を必要とする。この目標はクリーブランド、オハイオのザリンカーンエレクトリックカンパニー社によって開拓されたこの種の波形技術を使用することによってのみ到達されてきた。芯入り電極で使用される交流波を正確に制御することによって、ベース金属中への浸透、電極の融解速度、ベース金属への熱入力、及び溶接伝播時間、同様にワイヤー供給速度のような溶接プロセスの特性が最適化される。
【０００３】
【特許文献１】ＵＳＰ６，４７２，６３４
【特許文献２】ＵＳＰ５，２７８，９３０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、芯入り電極使用の交流溶接プロセスにおいて、コンタミを少なくする減少したアーク長さをもつ交流溶接機及び交流溶接機を使用する方法を提供することである。また本発明の別の課題は、コンタミを防ぐ“キリング”剤のアルミニウムを電極の芯中にほとんど含まないレベルまで減少させる方法を提供することである。さらにまた、芯入り電極中で、溶接金属中のアルミニウムのレベルを低下させるか削減して溶接金属の靭性を改良する細かいミクロ構造を形成している新規なスラグ系を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
波形技術はクリーブランド、オハイオのザリンカーンエレクトリックカンパニー社によって開拓されたように芯入り電極の交流（ＡＣ）溶接における使用のために発展してきた。芯入り電極は所望のビーズの機械的な特性に特化された溶接ビーズ合金及び制限の少ない溶接操作条件でより厳密に溶接条件をコントロールすることができる。しかしながら、アーク（電弧）安定性及び適切な融解温度と速度、交流プロセスのための実際の波形コントロールを与えることは非常に困難である。アーク溶接過程での溶接金属のコンタミは芯入り電極のための交流溶接を使用する際にいまだなお問題となっている。溶接操作後における溶接金属中の窒素のようなコンタミは空隙、割れ及びその他のタイプの溶接金属欠陥を引き起こす。
【０００６】
結果として、アーク溶接プロセスに挑戦する主要な設計者は、窒素のような元素をアーク環境から取除くための又はそのような潜在的に有害な不純物を中和するための技術を規定してきた。コンタミの潜在的な発生源としては、溶接電極を構成する材料、作業片それ自身及び周囲の環境中の不純物を包含する。公知のように、フラックス芯入り電極は顆粒状の充填物を内包する管状の金属製鞘から構成される。この充填物はフラックス又はスラグ剤、同様に合金成分を包含する。成分の幾つかは分解してガスを発生して環境から溶接金属をシールド（遮蔽）するように設計される。芯入り電極はアルムニウム、マグネシウム、ジルコニウム及びチタンのような潜在的なコンタミ物質と化学的に結合して溶接金属中での空隙の形成や有害物の内包を防止する“キリング”剤を含む。
【０００７】
本発明は全体のアーク長さを減少させるようにアーク電流又はアーク電圧を修正することによって周囲の雰囲気へのアーク及び熔融金属の曝露を減少させる。アーク長さの減少は熔融金属がアークを横切って移動する過程の曝露時間を減少させそしてまたその熔融状態における金属の温度を低下させる。過去において、フラックス芯入り電極使用の溶接は通常直流を使用しそして一般には負の直流（ＤＣ）電流を使用していた。しかしながら、上述のような新規に開発された溶接用動力源は交流を使用して或るフラックス芯入り電極で溶接することを可能にさせた。そのような動力源は交流波形の正の部分と負の部分の変数をそれぞれ独立に調節することを可能にさせた。このように、本発明は、芯入り電極で溶接するために使用される交流動力源の独特の調節法を採用することによってフラックス芯入り電極を使用するときにより良い溶接結果を得るためのものである。
【０００８】
本発明は芯入り電極で使用するための交流波形の負及び正の部分の実際の形状を調節する能力を利用する。波形発生器又は波形形成器付き変換器ベースの動力源の発達は動力源に交流波形の波形バランスを変化させることを可能にさせた。波形バランスは溶接サイクル時間が合計サイクル時間に対して正である間の相関割合である。これらの動力源はまた直流オフセットを変化させることもできる。直流オフセットは波形の正の部分と波形の負の部分との間の大きさの差でありそして通常２０のような数として表される。−２０のオフセットは波形の負の部分が大きいことを示している。正の部分は負の部分より２０％小さい。同様に、＋２０のオフセットは波形の正の部分が大きいことを示している。負の部分は正の部分より２０％小さい。このオフセットは交流波の電圧又は電流のどちらかであることができる。クリーブランド、オハイオのザリンカーンエレクトリックカンパニー社によって販売されている電力波動力源は波形バランスと直流オフセットの両方を調節する能力をもっている。この特質は本発明においては溶接工業において公知のフラックス芯入り電極の利点を得るために使用されるときに交流溶接プロセスの操作モードを調節するために使用される。
【０００９】
本発明は溶接プロセスの有効アーク長さを減少させそれによって溶接金属のコンタミ傾向を減少させるために波形バランスと直流（ＤＣ）オフセットとの間の相関関係を使用する芯入り電極での使用のための交流溶接機の操作を包含する。負の電圧がアーク安定性を維持するのに十分でない正のオフセットであるときは、溶接プロセスは低い波形バランスから生ずる周期的な高い正の電圧スパイクによって行われることが見出されてきた。換言すれば、＋ＤＣオフセットをもつことによって、波形の負の部分の電圧は、もしそれがアーク安定性を維持するために直流で溶接されるのに必要な電圧よりも低くすることができる。各交流波形の過程で少ない正の部分の使用は溶接プロセスの過程でアークに安定性を与える。このように、波形の電圧ＲＭＳは低くそしてアーク長さもまた小さい。この＋ＤＣオフセットと低波形バランスによる溶接モードは溶接金属中で窒素の低回収率を維持する。このモードは約３５−４０％のような与えられたバランスに到達するまで使用される。それゆえに、本発明を使用する操作の第一のモードは低波形バランスの＋ＤＣオフセットである。このモードは本発明の好ましい操作である。ＡＣ波形の正の部分の大きさよりも大きな負の部分の大きさである−ＤＣオフセットを使用することによって、窒素回収率は波形バランスが増加するに従って減少する。この事実は、＋ＤＣオフセットによる窒素回収率の減少は−ＤＣオフセットでの増加した波形バランスによって起こる増大した窒素回収率よりも小さくなった後で溶接モードを変えるために使用される。このように、本発明は溶接金属の低コンタミを維持するようなＤＣオフセットと波形バランスの調節を包含する。これは低波形バランスで＋ＤＣオフセットを使用しそして高波形バランスで−ＤＣオフセットを使用することによって可能となる。ＡＣ波形のこれらの二つの変数の調節は溶接プロセスのアーク長さを最小化するのに十分低いレベルまで波形の電圧ＲＭＳを低下させるために使用される。
【００１０】
ＡＣ波形のＤＣオフセットと波形バランスは溶接金属中の窒素レベルを調節するために操作することができる。このタイプの操作はまた溶接金属中の酸素と水素のレベルを減少及び調節することが可能である。コンタミの全体レベルを減少させることによって電極の芯中にアルミニウムのような“キリング”剤の必要性が少なくなる。この必要性が少ないことは電極設計者にとって溶接金属中で最適な物理的性質を達成させるための合金剤レベルの最適化に集中させることができる。
【００１１】
フラックス芯入り電極でのアーク溶接プロセス過程で溶接金属の雰囲気からのコンタミを最小化するために、ＡＣ（交流）波形はアーク安定性と電極から溶接パッドルへの金属のスムースな移動のための必要性に一致した平均アーク長さを最小化するために波形バランスと関係するＤＣオフセットを一致させることによって調節される。アーク長さはアーク電圧の関数であり、その関係は線形ではないが、高電圧は長いアークを与えそして逆もまた同じである。それゆえに、芯入り電極を使用するＡＣ溶接のための波形バランスとＤＣオフセットの操作は減少したアーク長さを可能にさせる。この波形の独特な調節は安定なアークを維持するために高電圧が必要な通常のＤＣ溶接に対する改良点である。使用可能なアーク長さの下限は電極の先端で高電圧を必要とする。本発明を使用することによって、ＡＣ波形は芯入り電極のために使用可能でそしてアーク長さは減少する。アーク安定性はたとえ短いアーク長さであったとしてもそれによって達成される。本発明は本目的を達成するために三つの変数を設定する。ＡＣ波形の正部分の過程での電圧ＲＭＳ、ＡＣ波形の負部分の過程での電圧ＲＭＳ及び波形バランスがこれらの変数である。波形の二つの部分のＲＭＳは波形バランスの調節によって決定される低レベルで維持される。＋ＤＣオフセットで、波形のＲＭＳは波形バランスが増加するにつれて増加する。反対に、−ＤＣオフセットで、ＲＭＳは波形バランスが増加するにつれて減少する。このように、低波形バランスにおいては、＋ＤＣオフセットが使用される。高波形バランスにおいては、−ＤＣオフセットが採用される。どちらの場合においても、その目的は溶接プロセスの過程でアーク長さと熔融金属によって曝露されるコンタミ量を減少させるためにＲＭＳを制御することである。
【００１２】
本発明によるより短い全アーク長さの設定はこのように二つの新規な溶接モードに反映されている。正部分における高電圧での短いサイクル又は低波形バランス又は負部分における高電圧での長いサイクルと高波形バランスである。このように、本発明は短い平均アーク長さを生ずる交流サイクルの大部分のための低電圧を含み、一方では反対側で高電圧の短いパルスはアーク安定性を維持する。そのような結果は本発明を採用することによって得られる。最適な波形設定は本発明の制限を使用することによって選択される。このようにして、短いアーク長さと溶接金属で減少したコンタミが実現できる。しかしながら、異なった電極のための実際の波形は異なっている。電極芯中で異なったイオン的性質をもつ材料は正又は負極のいずれかでアーク安定性を変える。本発明の指示どおりの波形オフセットと波形バランスを設定することと組み合わせてイオン化種を適切に選択することは電極特性の別の観点、例えば、溶接形状、浸透性、及び物理的性質を最適化するために使用される。本発明は、スラグ系、又は合金化剤と組み合わせたフラックス系を含むタイプの芯入り電極のためのＡＣ溶接を使用するときにこの結果を達成する。当業界では公知の理由により、溶接プロセスで必要となるキリング剤、特にアルミニウムの量は減少する。この減少はフィル（充填物）中で１０％以下のレベルまでそして好ましくはフィル中で５％以下まで又は実質上アルミニウムを含まないレベルである。本発明の使用は溶接金属中で低コンタミをもたらし、そしてそれゆえに、アルミニウムのようなキリング剤の必要性を減少させる。
【００１３】
本発明に従えば、芯入り電極でのアーク溶接方法が提供される。その方法は、第一の形状でそして第一の時間をもつ正の波形を形成し、第二の形状でそして第二の時間をもつ負の波形を形成し、該第一及び第二の形状の片方を該形状の他方の大きさよりも大きくし、そして該第一及び第二の時間の相関割合を調節して与えられたレベルよりも低い電圧ＲＭＳを得ることを含む。電圧ＲＭＳの与えられたレベルは選択される溶接プロセスのアーク安定性レベル以上である。
【００１４】
アルミニウムは溶接金属中の窒素量を減少させるために電極の芯にしばしば使用される。たしかに、通常芯充填物の５−２０％はアルミニウムである。しかしながら、溶接金属中のアルミニウムは拡散変形を遅くしそしてせん断変形を促進する。特に、アルミニウムの追加がラスベイナイトの形成を引き起こすために、ＦＣＡＷ−Ｓ電極中の針状鉄ミクロ構造に到達するのは困難であった。それゆえに、微小粒ミクロ構造の形成はアルミニウムを含む溶接金属中では本来的に困難である。溶接金属中のアルミニウムのレベルを低下させるか削除することが望ましくそうすればより細かな溶接ミクロ構造が得られ、それは溶接金属の靭性を改良する。本発明を使用することによって、アルミニウムは芯充填物中で５％以下そして或る電極の場合は２％又は実質上アルミニウム０にまで減少させることができる。これは芯入り電極での溶接における実質上の改良である。本発明の好ましい態様においては、ＡＣ波形の正形状は負形状の大きさよりも大きい。この＋ＤＣオフセットモードにおいては、波形バランスは５０％以下でありそして好ましくは約３５％以下である。しかしながら、波形バランスは５％より大きく溶接操作は断続的な高い正電圧スパイクにおいて低い基本負電圧をもつ。これらの短いパルスは溶接操作の安定性を維持しながら低いＤＣ溶接操作の利点を与える。それゆえに、高い正スパイクでの低ＲＭＳは、実際の溶接の電圧又は電流がアーク安定性に十分でなくても、アークを安定に保つ。ＤＣオフセットが負のときは、負電圧又は負電流のためにより高い量がＡＣ波形において使用される。このオフセットが使用されるときは、波形バランスの相関割合は３０％のような値より大きい。両方の例において、低レベルで実質上の電圧がそして高レベルでスパイク電圧が存在する。これは、安定性を維持しながら、ＲＭＳとアーク長さを減少させる。
【００１５】
広義でいえば、本発明は芯入り電極でのアーク溶接方法を提供する。この方法は、第一の形状でそして第一の時間をもつ正の波形を形成し、第二の形状でそして第二の時間をもつ負の波形を形成することを含む。その形状の片方は他方の形状よりも大きく、より大きい形状の時間が実質上他方の形状の時間よりも少なくなるように調節された第一及び第二の時間の相関割合をもつ。正及び負の波形の電圧ＲＭＳは設定されたアーク安定性レベル以上である。この電圧ＲＭＳは正及び負の波形を含むＡＣサイクルの波形バランスを変えることによって調節される。この正及び負の波形はＡＣサイクルを形成するために合体する。この相関関係はしばしば正及び負部分でのＡＣ波形と呼ばれる。この二つの表現は同一の意味である。
【００１６】
本発明の態様に従えば、波形の片方の部分のより大きい時間は他方の部分の時間の少なくとも２倍である。たしかに、大きい時間は他方の時間の少なくとも８倍である。大きさが小さい波形は他方の波形の大きさの約０．７−０．９倍か又はより大きな形状をもつ。この場合、低電圧ＲＭＳは波形の大部分で低電圧又は低電流によって得られ、一方高電圧又は高電流スパイクはアーク安定性を維持するために使用される。小さな高電圧又は高電流部分は約５−１５％の波形バランスである。そのオフセットは低電流又は低電圧が高電圧又は高電流の大きさの約０．７０−０．９０である。これらのオフセットでそして小さなスパイク部分を使用すると、低電圧ＲＭＳはアーク安定性を維持する。溶接金属中のコンタミは減少する。
【００１７】
本発明の別の態様においては、波形発生器付きの変換器を含む電気アーク溶接機を提供することである。発生器は、第一の形状で第一の時間をもつ正の波形を形成するための第一入力及び第二の形状で第二の時間をもつ負の波形を形成するための第二入力をもっている。第一及び第二の形状の片方は該形状の他方の大きさよりも大きく、そして回路は、設定されたアーク安定性レベル以上である与えられたレベルよりも低い電圧ＲＭＳを得るために該第一及び第二の時間の相関割合を調節するために用意される。一方の大きさが他方の大きさを超えそして合計時間の短い時間のみをもつことによって、低電圧ＲＭＳがアーク安定性を維持するための反対側のスパイクにおいて得られる。
【００１８】
ＡＣ波形は公知の周波数で形成される。この周波数は一般に３０−１２０Ｈｚ、そして好ましくは５０−６０Ｈｚの範囲である。
本発明の主要な目的は、アーク長さを減少させ、そして溶接金属のコンタミを起こさせる機械的物理的な性質を減少させるために減少した電圧ＲＭＳをもっている、芯入り電極でのＡＣ溶接の使用方法を提供することである。
【００１９】
本発明のさらに別の目的は、比較的長い小さな部分と比較的短い大きな部分のあるＡＣ波形を含む上記のような方法を提供することである。大きさの大きい部分は合計波形サイクルのほぼ５−１５％である。
【００２０】
本発明の別の目的は、上記で定義したように、芯中のアルミニウムの使用を１０％以下のレベルまでそして好ましくは実質上アルミニウムを芯中にほとんど含まないレベルまで減少させる方法を提供することである。この場合、溶接金属の粒子サイズは改善される。
【００２１】
本発明のさらに別の目的は、波形発生器付きの変換器を含む電気アーク溶接機を提供することである。波形発生器は、第一の形状で第一の時間をもつ正の波形を形成するための第一入力及び第二の形状で第二の時間をもつ負の波形を形成するための第二入力をもっており、そこでは第一及び第二の形状の片方は該形状の他方の大きさよりも大きい。相対的な大きさを調節するために単一波形の個々の部分を描き出す能力は、クリーブランド、オハイオのザリンカーンエレクトリックカンパニー社によって製造されているような波形技術タイプの動力源の能力である。この溶接機はまた、アーク安定性を維持するための電圧又は電流の短いスパイクで低ＲＭＳを得るために第一及び第二の時間の相関割合を調節する能力をもっている。周波数は好ましくはほぼ３０−１２０Ｈｚの範囲である。
【００２２】
本発明の広義な目的は、交流溶接プロセスを使用しそしてコンタミを少なくする減少したアーク長さをもつ交流溶接機及び交流溶接機を使用する方法を提供することである。
【００２３】
本発明のさらなる目的は、芯入り電極中で、溶接金属中のアルミニウムのレベルを低下させるか削減して溶接金属の靭性を改良する細かいミクロ構造を形成している新規なスラグ系を提供することである。スラグ系はアルミニウムを酸化するか又はアルミニウムの代わりにマグネシウム、シリコン、ジルコニウム又はチタンで置換する。このように、スラグ系の使用はアルミニウムの削減で、脱酸化剤として振る舞い、ナトリウムアーク安定剤が芯入り電極中で使用できるようにする。
これらの及び他の目的と利点は添付の図面を参照して以下の記載を読めば明らかとなるであろう。
【００２４】
次に本発明とその好ましい態様について要約して述べる。
１．（ａ）第一の形状でそして第一の時間をもつ正の波形を形成し（ｂ）第二の形状でそして第二の時間をもつ負の波形を形成し、（ｃ）該第一及び第二の形状の片方を該形状の他方の大きさよりも大きくし、そして（ｄ）該第一及び第二の時間の相関割合（ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ）を調節して与えられたレベルよりも低いＲＭＳを得ることを特徴とする芯入り電極使用のアーク溶接方法。
２．該与えられたレベルが設定されたアーク安定性レベル以上である１記載の方法。
３．該芯入り電極が芯中のアルミニウム含有量が１０％以下、好ましくは５％以下、さらに好ましくは２％以下、最も好ましくは実質的に０％である１又は２の方法。
４．該正の波形が該負の波形より大きい１−３の方法。
５．該相関割合が５０％以下である４の方法。
【００２５】
６．該相関割合が５％以上である４又は５の方法。
７．該負の波形が該正の波形より大きい１−３の方法。
８．該相関割合が３０％より大きい７の方法。
９．該波形が電圧波形である１−８の方法。
１０．該波形が電流波形である１−８の方法。
【００２６】
１１．該芯が最終生成物スラグのスラグ系で、ＴｉＯ２：５−３５％、ＺｒＯ２：５−３５％、Ｎａ２Ｏ：０−５％、Ｌｉ２Ｏ：０−５％、ＭｇＯ：１５−４５％（いずれもスラグ当り）を含む１−１０の方法。
１２．該スラグ系が、Ａｌ２Ｏ３：１−３５％、ＭｇＯ：１０−４０％、Ｆｅ２Ｏ３：５−２０％、ＺｎＯ：０−２０％、Ｌｉ２Ｏ：０．５％を含む１−１０の方法。
１３．該芯がＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３及び／又はＺｒＯ２とＭｇＯからなるスラグ成分を含む最終製品スラグのスラグ系をもつ１−１２の方法。
１４．該芯がアルミニウムを酸化させるための化合物粒子を含む１−１３の方法。
１５．さらに（ｅ）波形発生器によって制御される短いパルスの連続によって該波形を形成している１−１４の方法。
【００２７】
１６．波形発生器付きの変換器、第一の形状で第一の時間をもつ正の波形を形成するための該波形発生器への第一入力、第二の形状で第二の時間をもつ負の波形を形成するための該波形発生器への第二入力、ここで該第一及び第二の形状の片方は該形状の他方の大きさよりも大きい、そして、設定されたアーク安定性レベル以上である与えられたレベルよりも低い電圧ＲＭＳを得るために該第一及び第二の時間の相関割合を調節するための回路、からなる電気アーク溶接機。
１７．該正の形状が該負の形状よりも大きい１６の溶接機。
１８．該負の形状が該正の形状よりも大きい１６の溶接機。
１９．該波形が電圧波である１６の溶接機。
２０．該波形が波形発生器によって制御される短いパルスの連続からなる１６の溶接機。
【００２８】
２１．（ａ）正の部分と負の部分をもつ交流波を形成し、（ｂ）該部分の片方を該部分の他方より大きくし、（ｃ）該第一及び第二部分の相関割合を調節し、（ｄ）与えられた第一の量より大きな該正の部分と与えられた第一の量より低い該相関割合をもつ第一の操作モード又は与えられた第二の量より大きな該負の部分と与えられた第二の量より高い該相関割合をもつ第二の操作モードを選択することからなる芯入り電極使用のアーク溶接方法。
２２．（ａ）正の部分と負の部分をもつ交流波を形成し、（ｂ）該部分の片方を該部分の他方より大きくし、（ｃ）該第一及び第二部分の相関割合を調節し、そして（ｄ）与えられた量より大きな該正の部分と与えられた量より低い該相関割合をもつ操作モードを選択することからなる芯入り電極使用のアーク溶接方法。
（ａ）正の部分と負の部分をもつ交流波を形成し、（ｂ）該部分の片方を該部分の他方より大きくし、（ｃ）該第一及び第二部分の相関割合を調節し、そして（ｄ）与えられた量より大きな該負の部分と与えられた量より高い該相関割合をもつ操作モードを選択することからなる芯入り電極使用のアーク溶接方法。
２３．（ａ）第一の形状でそして第一の時間をもつ正の波形を形成し（ｂ）第二の形状でそして第二の時間をもつ負の波形を形成し、（ｃ）該第一及び第二の形状の片方を該形状の他方の大きさよりも大きくし、そして（ｄ）大きな形状の時間が他方の形状の時間より実質上少なくなるように該第一及び第二の時間の相関割合を調節することからなる芯入り電極を使用するアーク溶接方法。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の芯入り電極を使用する交流溶接方法により、アーク長さを減少させ、溶接金属のコンタミを少なくし、低電圧ＲＭＳをもつ効率的な交流溶接が可能になり、芯入り電極中のキリング剤としてのアルミニウム量も少なくでき、また溶接金属の靭性も改良される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
図を参照して本発明を説明するが、図は単に本発明の好ましい態様を説明する目的のためであり本発明を限定する目的のためではない。本発明を実施するための系は図１、２、４、５及び１６に詳細に示される。図２及び６−１５は開示されている背景となる溶接系の態様を記載している。図１７及び１８に記載されている溶接機は図２０に示される特定の電極に特化されている波形形成器又は波形発生器を使用するＡＣ波形の厳密なプロフィールを作成するために使用される。これらの電極プロフィールは図１９−２７に記載された方法で系を形成する溶接方法を実施する際に使用される。まとめとしては、図１−１６はオハイオ、クリーブランドのザリンカーンエレクトリックカンパニー社によって開発された波形技術を使用するＡＣ波形を提供する先行システムを開示している。図１７−２７は与えられた芯入り電極ＡＣ波形を誂えるための公知の技術の使用法を教示している。この情報は図２８−４５に開示されている本発明の背景となっており、そこではＡＣ波形の形状に誂える能力は二つの独特のモードをもつ新規な溶接方法で使用されそしてＲＭＳ又はアーク長さＬＡを減少させることによって溶接金属のコンタミを減少させるために使用される。
【００３１】
波形技術の一般的な開示（図１−１６）
本発明で使用されている波形コントロールタイプを説明するために一般的な背景波形技術に転ずると、図１は溶接部署ＷＳでアークとして交流を形成するための単一セル形態の単一電気溶接系Ｓを開示している。この系又はセルはパイプシームジョイントの形態又は他の溶接操作中で電極Ｅ及び作業片Ｗとつながっている出力ライン１０、１２を備えた第一のマスター溶接機Ａを含む。ホール効果電流変換器１４はライン１６で溶接機Ａの電流に比例する電圧を与える。溶接パラメーターのような短時間の臨界データは離れた中央制御１８で生み出される。同様にして、従属溶接機Ｂは溶接部署ＷＳを溶接するための付加的なＡＣ電流に直結するためにライン１０、１２と並列に接続されているライン２０、２２を含む。ホール効果電流変換器２４は溶接操作過程で溶接機Ｂでの電流レベルを具現する電圧をライン２６で形成する。単一の従属制御装置又は従属溶接機Ｂが示されているが、電極Ｅと作業片Ｗを横断する交流を作り出すために、如何なる数の追加の溶接機をマスター溶接機Ａと並列に接続してもよい。交流電流は極性切り替えネットワークに先立つ代わりに溶接部署で結合される。各溶接機はマスター制御器と動力源３０の組み合わせ及び従属制御装置と動力源３２の組み合わせのように示されている制御器と変換器ベースの動力源を含む。制御器３０、３２はパラメーターデータと同期データを比較的低レベルの論理回路から受け取る。パラメーター情報又はデータは各動力源が電流、電圧及び／又はワイヤー供給速度のような所望のパラメーターとして供給されるような特定の動力源である。低レベルのデジタル回路はパラメーター情報を与えることができるが、しかしながら、逆の極性をもつＡＣ電流が同じ時間で生ずる。“同じ”時間は１０μｓ以下の差異をもち好ましくはほぼ１−５μｓの範囲の時間を示す。動力源３０及び動力源３２からのＡＣ電流の厳密な整合性を達成するためには、切り替え点と極性情報は時間が正確でないような一般的な論理回路からは与えることができない。個々のＡＣ動力源は、高速の、“ゲートウエイ”と呼ばれるより厳密なＤＣ論理回路によって整合化される。図１に示すように、動力源３０、３２は、それぞれ４２ｍ、４２ｓの二方向の線によって指示される必要な操作パラメーターとして与えられる。この時間に敏感でない情報は図１に示されるデジタル回路によって与えられる。マスター動力源３０は、単一方向のライン４０によってそのＡＣ出力電流の制御器操作時間に指示されるような同期信号を受け取る。マスター動力源３０のＡＣ電流の極性はライン４６によって指示されるように出力される。マスター動力源３０のＡＣ電流の実際の切り替え命令はライン４４で出力される。切り替え命令は、変換器形態の動力源Sに“切断（ｋｉｌｌ）”、電流の劇的な減少を命令する。言い換えれば、これは極性を逆にする切り替え信号である。“切り替え点（ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ）”又はライン４４上の命令は特許文献４に示される“切り替え点”を利用する“切断”及び電流逆転命令である。このように、時間的な切り替え点又は命令はライン４４によって動力源３０から出力される。切り替え点又は命令は低電流又は単に電流逆転点での切り替え準備（ｒｅａｄｙ）信号によって伴われる“切断”動力源を含む。切り替え“準備（ｒｅａｄｙ）”は変換器が設定電流以下となるまで実際に逆転しないために“切断”概念が遂行されるときに使用される。この概念は図１６によりよく記載されている。制御器３０の切り替え器の極性はライン４６の論理を制御する。従属動力源３２はライン４４ｂ上で切り替え点又は命令論理を受け取りそしてライン４６ｂで極性論理を受け取る。これらの二つの論理信号は、ゲートウエイ５０、変換ゲートウエイ、ゲートウエイ５２、４４ａ、４６ａ上の受容ゲートウエイとして示される高度に正確な論理接点を介してマスター動力源と従属動力源間を連結させている。これらのゲートウエイは、ライン４４ｂ、４６ｂ上の論理がそれぞれライン４４、４６上の論理に時間的に近くなるように各動力源のための回路接点カードである。実際に、回路接点カード又はゲートウエイ５０、５２はこの論理を１０μｓ以内そして好ましくは１−５μｓ以内に制御する。低精度回路は個々の動力源を、ゲートウエイ又は接点カードによって与えられるように示されているライン４２ｍ、４２ｓを介して中央制御器１８からのデータを制御する。これらのラインは、時間に敏感でなくそしてゲートウエイの精度特性を使用しない中央制御器１８のような離れた領域からのデータを含む。逆転切り替えをタイミング良く行うための高度に正確なデータは回路接点カード５０、５２を介して連結されている論理信号を使用する。図１の系は単一のＡＣアーク用の単一セルであるが、しかしながら、本発明は、パイプ溶接で見出される大きな隙間を満たすための二以上のＡＣアークが形成されるようなタンデム電極に限定されない。しかしながら、背景の系はこの用途のために示されている。このように、第一電極用のマスター動力源３０は、第一電極、即ちアーク１のための系Ｓのタイミング又は位相操作を決定する同期信号を受け取る。系Ｓは他の同一の系と一緒に同期出力８４、８６及び８８によってアーク２、３、そして４を時系列的に発生させるために使用できる。この概念は概略、図５に示される。同期又は位相設定信号８２−８８はタンデム電極一個のみについて図１に示される。中央制御コンピューター及び／又はウエブサーバー６０を含む情報ネットワークＮは、幾つかの系における特定の動力源又はタンデム操作での異なった電極を制御するセルに関するデジタル情報又はデータを与える。インターネット情報６２はローカル接続ライン７０ａ、７０ｂ、７０ｃをもつエターネットネットワークの形態でのローカルエリアネットワークに向けられる。同様の接続ラインはタンデム溶接操作のアーク２、３、そして４を形成する４個のセル内で使用される各動力源に向けられる。系又はセルＳの記述は他の電極におけるそれぞれのアークに適用される。もしＡＣ電流が使用されるなら、マスター動力源が使用される。或る場合には、単にマスター動力源が特定の同期信号セルと一緒に使用される。もし高電流が必要なら、系又はセルは、図１の系Ｓに関して記載されているようにマスター及び従属動力源の組み合わせを包含する。二以上のＡＣアークは発生器８０によって同期化される。しばしばＤＣアークがタンデム電極溶接操作のリード電極として使用され、二以上の同期化されたアークがそれに続く。ＤＣ動力源は同期化する必要が無く、極性論理及び切り替え点又は命令の厳密な接続も必要ない。いくつかのＤＣ動力電極は正と負の間で切り替えられるが、しかしＡＣ駆動電極の周波数とは異なる。アークの形成に拘わり無く、エターネット又はローカルエリアネットワーク７０は、タンデム電極操作で使用される種々の系の特定の動力源のために指名されたコード様式で同定されたパラメーター情報を含む。このネットワークはまた系が時間相関関係でオフセットがあるような幾つかのセル又は系のための同期信号を使用する。これらの同期信号は図１のライン４０によって示されるようなマスター動力源によって解読及び受け入れられる。この場合、ＡＣアークは時間基準のオフセットである。これらの同期信号はネットワークカード又はゲートウエイ５０、５２を通して切り替え点として厳密であることを必要としない。データネットワーク上の同期信号は可変パルス発生器８０の形態でネットワーク接続によって受け止められる。発生器はライン８４、８６及び８８においてオフセット同期信号を形成する。これらの同期信号はタンデム操作での分離電極のための個々の交流電流セルの相を定める。同期信号はインターフェース８０によって発生することができ又は実際にネットワーク７０を介して発生器によって受け止められる。ネットワーク７０は単に多くの同期信号パターンの遅れを形成するために発生器８０を活性化する。また、発生器８０は、もしそれがタンデム溶接操作で望ましいなら同期パルスの周波数によって個々のセルの周波数を変化させることができる。
【００３２】
種々の制御器及び動力源が図１に記載されているような系を実施するのに使用できるが、しかしながら、好ましい系の遂行は動力源ＰＳＡが制御器及び動力源３０と組み合わせられそして動力源ＰＳＢが制御器及び動力源３２と組み合わせられている図２に説明されている。これらの二つのユニットは本質的に同一構造でありそして適切なときには同じ数でラベル化されている。動力源ＰＳＡの記述は動力源ＰＳＢにも等しく当てはまる。変換器１００は３相ライン電流Ｌ１、Ｌ２、及びＬ３を受け取るための入力整流器１０２をもつ。出力変換器１１０は出力整流器１１２を介して反対側の極性スイッチＱ１、Ｑ２を駆動する通電された誘導子１２０に接続されている。動力源ＰＳＡの制御器１４０ａ及びＰＳＢの制御器１４０ｂは、制御器１４０ａが調節器１４０ｂにタイミング情報を出力する点を除けば本質的に同一である。切り替え点又はライン１４２、１４４は、ライン１４２、１４４の論理で指示された時間で極性を逆転させるための極性スイッチＱ１、Ｑ２の伝導条件を制御する、これについては、ここでは参照として取り込まれている特許文献４により詳細が説明されている。制御は論理プロセッサーによるデジタル制御であり、それゆえに、Ａ／Ｄ変換器１５０はフィードバックライン１６又はライン２６の情報を、アナログエラーアンプとして示されているエラーアンプ１５２からの出力レベルを制御するデジタル値に変換する。実際に、これはデジタル系でありそして制御様式にはさらなるアナログ信号は含まれない。しかしながら、上述のように、アンプは変換器１５０からの第一入力１５２ａ及び制御器１４０ａ又は１４０ｂからの第二入力をもつ。ライン１５２ｂの電流命令信号は溶接部ＷＳを横切るＡＣ電流に必要な波形を含む。これは特許文献５のようなリンカーンエレクトリック社の幾つかの特許によって教示されている標準的な実践である。また特許文献６も参照されたい。アンプ１５２からの出力は、実行ソフトウエアのタイミングプログラムである、発振器１６４で制御される周波数でパルス幅変調器（ＰＷＭ）１６２を駆動するために変換器１６０によってアナログ電圧信号に変換される。アークの波形形状は電圧又はライン１５２ｂにおけるデジタル数である。発振器１６４の周波数は１８ｋＨｚよりも大きい。この系の全体の様式は本発明の好ましい態様においてデジタル化されそしてアナログ信号への再変換は含まない。この表現は説明目的のための概要であって本発明を実施するために使用される動力源の種類を限定する意図はない。その他の動力源も使用可能である。
【００３３】
図１及び２の概念を利用する背景技術の系を図３及び４に示す。作業片２００はそれぞれ個々の動力源ＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３によって駆動されるタンデム電極２０２、２０４及び２０６によって一緒に溶接される配管の隙間である。動力源は特許７の技術に従った一以上の動力源を含むことができる。例示された態様は鉛電極２０２のためのＤＣアーク及びタンデム電極２０４、２０６のそれぞれのためのＡＣアークを含む。タンデム電極の形成された波形はＡＣ電流でありそして既述の波形技術に従って波形形成器又は波形発生器によって形成される波形を含む。電極２０２、２０４及び２０６が溶接経路ＷＰに沿って動くとき熔融金属パッドルＰはそれぞれ電極２０２、２０４及び２０６からの沈積物２１２、２１４及び２１６によって伴われる開口部２１０でパイプの隙間２００に沈積する。既述のように、二以上のＡＣ駆動電極は図１５の波形によって説明及び例示されるように、隣接する電極のＡＣ電流に関しては本発明によって操作することができる。動力源は、図４に示されるように、それぞれが整流器２２２からＤＣリンクを受け取る変換器２２０を含む。リンカーン波形技術に関しては、内部でプログラム化されたパルス幅変調器（ＰＷＭ）２２４は発振器２２６によって１８ｋＨｚ以上そして好ましくは２０ｋＨｚ以上の周波数で駆動される。発振器２２６はパルス幅変調器２２４を駆動するので、出力電流はライン２４２における電圧又はデジタル数のように波形形成器２４０から出力された波形によって方向付けされた波形をもつ。出力導線２１７、２１８は電極２０２、２０４及び２０６と直列である。リアルタイムでの形状は比較器２３０として例示された段階によってホール効果変換器２２８からのライン２３２の実際のアーク電流と比較され、ライン２３４の出力はＡＣ波形の形状を制御する。ライン２３４のデジタル数又は電圧はライン２２４ａの出力信号を決定しアークの電流波形が波形形成器２４０から出力された選択されたプロフィールに従うように変換器２２０を制御する。これは既述のように標準のリンカーン波形技術である。動力源ＰＳ１は鉛電極２０２でＤＣアークを形成し、それゆえに、この動力源の波形形成器２４０からの出力は定常状態でＤＣ電流の大きさを指示する。本発明はＤＣアークの形成に関するものではない。反対に、本発明は電極２０４、２０６のようなタンデム電極の二つの隣接するＡＣアークでの電流制御である。本発明に従えば、波形形成器２４０はＡＣ波形の所望の形状又はプロフィールを選択するために使用される入力２５０を含む。この形状は変位プログラム２５２として表される内部プログラムによってリアルタイムで変位することができる。波形形状器２４０はライン２５４の優先信号である出力をもつ。実際に、優先信号は論理ビットであり、図７に示される。論理１は波形形成器２４０によって発生した波形の負極を示しそして論理０は正極を示す。この論理信号又は動力源に向けられたビット制御器２２０は図１６に議論される技術に従って読み取られる。変換器はライン２５４の論理ビットの変化によって初期化した特定の“準備”時間で正極から負極へ切り替えるか、又は逆にする。実際に、このビットは図１及び図５に示される可変パルス発生器から受け取る。図３及び４に示される背景技術の溶接系は、有益な結果、即ち一般的に静止した熔融金属パッドル及び／又はアーク溶接で使用される波形と交換可能な合成された正弦波形を得るために電極２０４及び２０６におけるＡＣアーク電流の形状を使用する。図３及び４に示される電気溶接系は波形形成器２４０のための“選択”プログラムで波形を選択するためのプログラムを有する。独特の波形はタンデム電極によって使用される。ＡＣアークを形成するための動力源の一つは概略、図５に例示される。動力源は図１に示される可変パルス発生器８０によって制御される。発生器からの信号２６０は第一アークのための動力源を制御する。この信号は、ライン２５４上の波形形成器２４０によって出力される極性ビットと一緒に波形の同期化を含む。ライン２６０ａ−２６０ｎは本発明の溶接系によって操作される引き続き起こる所望のタンデムＡＣアークを制御する。これらの信号のタイミングは他の波形のスタートを変位する。図５は単に図４と結びつけて説明されるように連続アークを制御するための可変パルス発生器８０の相関関係を示す。
【００３４】
特許文献１の溶接系においては、ＡＣ波形は図６に示されるように形成され、そこでは電極２０４のアークＡＣ１のための波形形成器は正の部分２７２及び負の部分２７４をもつ信号２７０を形成している。電極２０６の第二のアークＡＣ２は正の部分２８２及び負の部分２８７４をもつ波形形成器からの信号２８０によって制御される。これらの二つの信号は同一であるが、しかし図６に示されるように、発生器８０ａから距離ｘの信号によって変位されている。電流パルス又はアークの一つにおける波形を形成する波形技術は図６の底部において示される正の部分２９０及び負の部分２９２をもつ波形である。波形形成器からの論理ビットは、波形が正から負に切り替えられるとき及びその逆のときに、決定される。特許文献４の開示（ここでは参照として取り込まれている）に従えば、パルス幅変調器２２４は一般的に点２９１及び２９１ｂにおいて低レベルに変位している。それから電流波１００アンペアのような固定したレベルに到達するまで減少する。結果として、スイッチは点２９４及び２９４ｂにおいて極性を変化させる。これは、電流が正の部分２９０と負の部分２９２の間で変化するとき垂直ライン又は形状２９６ａ、２９６ｂを作り出す。これは類似の波形が磁気干渉を避けるために変位している特許文献１に開示されている系である。波形部分２９０、２９２はアークＡＣ１及びアークＡＣ２と同一である。これは熔融金属パッドルを制御し及び／又はこれまで採用されなかったやり方で正弦波形を合成する目的のためにＡＣ１及びＡＣ２において波形をカスタマイズすることに関する本発明とは異なっている。図６の開示は波形を変位する概念を示すためになされる。極性間の垂直変化を作り出すための同じ切り替え手順が本発明の好ましい態様において使用される。図６に示される溶接系からバランスしていない波形への変換が一般的に図７に示される。ライン２５４の論理は部分３００での論理１及び部分３０２での論理０として示される。論理又はビット数の変化は図１６の系が極性をシフトするときに時間の信号を出す。これは図６のグラフ下側の点２９４ａ、２９４ｂに概略示される。隣接するＡＣアークのそれぞれに対する波形形成器２４０は極性の片方に対して第一の波形３１０そしてもう一方の極性に対して第二の波形３１２をもつ。３１０、３１２の波形のそれぞれはライン２５４の論理と一緒に取り出されるライン２３４の論理によって形成される。このように、図７に示されるようなパルス３１０、３１２は正の部分と負の部分で異なったパルスとなる。パルス３１０、３１２のそれぞれは図示されるように分離したそして異なった電流パルス３１０ａ、３１２ａによって形成される。極性の切り替えは図６に示されるように実施され、そこでは波形形成器から発生する波形は一般的な波形形状３１０、３１２をもつものとして示されている。正極は浸透を制御し負極は沈積を制御する。波形の正及び負のパルスは異なっておりそして切り替え点は、アークの一つのＡＣ波形が波形形成器２４０の出力によって形成される特定の波形をもつように負極及び正極の両方で制御されるように、制御される。図７に示されている電流をもつアークに隣接しているアークのための波形は図８に示される利点を得るためにそれぞれ別に制御される。アーク１の波形は図８の上側部分にある。それは電流パルス３２０ａによって示される正の部分３２０及びパルス３２２ａによって形成される負の部分３２２をもつ。正の部分３２０は最大値ａ及び幅又は経過時間ｂをもつ。負の部分３２２は最大値ｄ及び時間又は周期ｃをもつ。これら四つのパラメーターは波形形成器２４０によって調節される。例示された態様において、アークＡＣ２は図８の底部で示される波形をもち、そこでは正の部分３３０は電流パルス３３０ａによって形成されそして高さ又は大きさａ’及び時間長さ又は周期ｂ’をもつ。負の部分３３２は電流パルス３３２ａによって形成されそして最大アンペアｄ’及び時間長さ又は周期ｃ’をもつ。これらのパラメーターは波形形成器２４０で調節される。本発明に従えば、アークＡＣ１上の波形成器からの波形はアークＡＣ２の波形と相が異なる。二つの波形は、（ａ）浸透と沈積が制御されそして（ｂ）パッドルＰが類似極性又は反対の極性である特定の極性相関関係になるのに時間が掛からないように調節されるパラメーター又は寸法をもつ。この波形を調合する概念は、図９及び１０に示されているように長期間の極性相関関係を妨げる。図９においては、電極２０４、２０６は或る与えられた時間での隣接する電流波形によって決定される同じ極性をもつ。この場合、電極２０４の磁気フラックス３５０及び電極２０６の磁気フラックス３５２は同じ方向にありそして電極間の中央領域３５４でお互いを相殺し合う。これは、矢印ｃによって表されるように、熔融金属部分３６０、３６２を電極２０４、２０６から熔融パッドルＰ中に互いに移動させる。この内部への一緒の動き又は電極２０４間のパッドルＰ中の熔融金属のつぶれは、もし非常に短時間、即ち約２０ｍｓ以下で停止しなければ、究極的には上方への噴出の動きを引き起こす。図１０に示されるように、パッドルの反対側の動きは電極２０４、２０６が反対の極性をもつときに起こる。それから、磁気フラックス３７０及び磁気フラックス３７２は電極間の中央部３７４に集積し増加する。電極間の強い力はパッドルＰ中の熔融金属部分３６４、３６６をお互いに反発するか又は強制的に離れさせられる。これは矢印ｒで示される。そのようなパッドルＰ中の熔融金属の外側への力は、もしそれが一般的には１０ｍｓ以下である実質的な時間続くならば、溶接ビーズの分裂を引き起こす。図９、１０から明らかなように、電極の波形の極性が同一極性であるか又は反対の極性であるかの時間は限定することが望ましい。図６に示されるような波形は、同じ極性であるか又は反対の極性であるかの特定の極性相関関係が長時間共存することを防止する目的を達成する。図８に示されるように、同一極性と相反する極性はＡＣ１とＡＣ２における波形のサイクル長さよりも非常に短い時間だけ保持される。正及び負領域における異なった形状及び異なった比率をもつパルスの新規な概念での長時間に亘る極性関係の共存を防止するためのこの積極的な開発は、通常の変換動力源またはリンカーン波形技術の通常使用での溶接ではこれまで得られなかったようなパッドル制御、透過制御及び沈積制御に結びついている。
【００３５】
図１１では、波形成器２４０からのＡＣ波形の正及び負の部分は、波形の負の部分に較べて異なった正の部分エネルギーをもつ合成された正弦波形である。合成された正弦波又は波形の正弦波部分は波形を変換器溶接回路と共存させそして正弦波溶接の評価と矛盾しない。図１１において、波形３７０はアークＡＣ１でのものでありそして波形３７２はＡＣ２におけるものである。これらのタンデムアークは図１１に示されるＡＣ溶接電流を使用しており、そこでは小さな正の正弦波部分３７０ａはアークＡＣ１における浸透を制御し、一方大きな負の部分はアークＡＣ１における金属の沈積を制御している。図７で議論したように、論理ビットの変化を伴う極性間には切り替えスイッチがある。正弦波３７０は垂直ライン３７０ｃによって示されるようにゼロ電流から垂直にほぼ１００アンペア落ち込む。負極３７０ｂと正極３７０ａ間の変化はまた切り替え点において垂直変化を開始し、垂直変化３７０ｄとなる。同様にして、相変位したアークＡＣ２の波形３７２は小さな浸透部分３７２ａ及び大きな負の沈積部分３７２ｂをもつ。極性間の変化は垂直ライン３７２ｃ及び３７２ｄによって示される。波形３７２はパッドルの動力学が隣接するアークＡＣ１、ＡＣ２の極性によって引き起こされるパッドル中の熔融金属の過度のつぶれや反発無しで制御されるように波形３７０に対して変位する。図１１においては、正弦波形状は同じで周波数も同じである。それらは単に特定の極性相関関係が長時間発生することを防ぐために変位（シフト）する。
【００３６】
図１２では、波形３８０はアークＡＣ１のために使用されそして波形３８２はＡＣ２のために使用される。部分３８０ａ、３８０ｂ、３８２ａ、及び３８２ｂは正弦波として合成されそしてほぼ同じ大きさであるものとして示される。これらの二つの波形を９０゜シフト（変位）させることによって、発生する極性の領域は領域３９０、３９２、３９４及び３９６として同定される。正弦波プロフィールで変位した波形を使用することによって、同じ極性又は相反する極性は如何なる長さの時間も保持されない。それゆえに、熔融金属パッドルはかき乱されず静止状態を保つ。この利点は、与えられた波形の正極及び負極部間のエネルギーの差異の概念を組み合わせている本発明を使用することによって得られる。図１２は併発する極性相関関係の定義及びそれらがほんの短い時間の間でのみ存在すべきであるという事実を示すための例示である。この目的を達成するために、本発明の別の態様が図１３に例示されており、そこでは前に定義した波形３８０はＡＣ２（ａ）の鋸歯状波形として示される波形４００、又はＡＣ２（ｂ）の波形として示される脈動波形と組み合わされている。波形３８０を異なった波形４００、異なった波形４０２と組み合わせると併発する極性相関関係４１０、４１２、４１４、等々の非常に小さな領域又は時間を生ずる。図１４においては、片方のアークで発生するＡＣ波形は他方のアークで発生するＡＣ波形とは劇的に異なっている。本発明で使用するための劇的に異なった波形の同じ概念は図１４に例示されており、ここでは波形４２０はＡＣパルスプロフィールの波形であり波形４３０は波形４２０の約１．５倍の周期をもつ正弦波プロフィールの波形である。波形４２０は直線的変位点４２０ｃと共に小さな浸透極性部４２０ａ及び大きな沈積部４２０ｂを含む。波形４３０は垂直変位点４３０ｃと共に正の部分４３０ａ及び負の部分４３０ｂを含む。これらの二つの異なった波形をもつことによって、合成された正弦波概念は共に片方の電極で採用されそして併発する極性相関関係は長い時間は続かない。それゆえに、熔融金属パッドルＰはアークＡＣ１、ＡＣ２両者による溶接操作過程で静止したままとなる。
【００３７】
図１５においては、波形４５０、４５２、４５４及び４５６は四つのタンデムアーク、アークＡＣ１、アークＡＣ２、アークＡＣ３及びアークＡＣ４のそれぞれのための動力源の波形成器２４０によって発生する。隣接するアークは対応する波形及び負極から正極に変化するときを規定する同期信号４６０によって指示される様に配列される。この同期信号は開始パルスがあることを除けば、図１に示される発生器８０によって形成される。本発明のこの態様においては、第一の波形４５０は、隣接している波形４５２、４５４及び４５６の正極と負極の両者と同期している正の部分４５０ａをもっている。例えば、正の部分４５０ａは波形４５２の正の部分４５２ａと負の部分４５２ｂと同期しており、そして相関している。同様に、波形４５２の正の部分４５２ａは波形４５４の正の部分４５４ａと負の部分４５４ｂと同期しており、そして相関している。同じ相関関係は正の部分４５４ａ及び波形４５６の部分４５６ａ、４５６ｂ間にも存在する。負の部分４５０ｂは一列に並んだ波形４５２の二つの相反する極性部分と同期しそして相関している。同じタイミング関係が負の部分４５２ｂと波形４５４の間に存在する。換言すれば、各隣接アークにおいて波形の一極性部は隣接するアークの全体の波形と相関している。この場合、パッドルＰの崩壊及び反発力は、図９及び１０を結びつけて議論されたように、正反対に制御される。一以上の正の部分又は負の部分は図１１及び１２に開示された波形を結びつけて議論されたような合成された正弦波であることができる。
【００３８】
図１及び２に示されるように、マスタースイッチコントローラーが切り替えられるとき、切り替え命令は動力源３０のマスターコントローラー１４０ａに出される。これは“切断”信号を、切断信号と極性論理が単一の電極に接続された１以上の従属動力源の制御器に急速に伝達されるようにマスターによって受け取らせる。もし、標準ＡＣ動力源が極性スイッチと平行な大きな切断器と共に使用されるなら、従属制御器または制御器は、マスター動力源が切り替え命令を受け取った後１−１０μｓ以内で直ちに切り替えられる。これは高精度のインターフェースカード又はゲートウエイの利点である。実際に、平行な動力源の電流を逆転させるための現実の切り替えは出力電流が与えられた値、即ち約１００アンペア以下となるまで起こらない。これはより小さなスイッチの使用を許容する。
【００３９】
単一のＡＣアークのための全ての動力源の切り替え手段は実際の切り替えが全ての動力源が与えられた低電流レベル以下になった後でのみ起こるような遅延スイッチ技術を使用する。遅延プロセスはデジタルプロセッサーのソフトウエアで実行されそして図１６の概略レイアウトによって示される。マスター動力源５００の制御器がライン５０２によって表されるような命令信号を受け取るとき、動力源は切り替えシーケンスを開始する。マスターは、マスターの極性切り替えに対応する従属制御機器の切り替えのための所望の極性を与えるためにライン５０４上の論理を出力する。命令されたスイッチシーケンスにおいては、マスター動力源５００の変換器は切断又は停止され、電極Ｅへの電流はホール効果変換器５１０によって読み取られるように減少する。ライン５０２の切り替え命令はライン５１２によって表されるように即座の“切断”信号を並列の従属動力源５２０、５２２の調節器へ与え、ホール効果変換器５３２、５３４によって測定されるように、電流を接続点５３０に流れさせる。全ての動力源は変換器が切断又は停止された切り替えシーケンス中にある。ソフトウエア比較回路５５０、５５２、５５４は減少した電流をライン５５６の電圧によって参照される与えられた低電流と比較する。動力源が与えられた値以下に減少するとき、信号はライン５６０、５６２、及び５６４内でサンプルの入り口に現れそしてそれぞれ回路５７０、５７２、及び５７４を保持する。回路はストロボ信号によって動力源のそれぞれからライン５８０に出力される。設定された論理が回路５７０、５７２、及び５７４内に貯蔵されるとき、イエス論理がストロボ信号の時間内でライン準備１、準備２、及び準備３上に現れる。この信号は動力源内で発生しそして２５μｓの周期をもつが、しかしながら、他の高速度ストロボは使用できない。その信号はマスター動力源の制御器Ｃに向けられ、図１６の破線で示される。アンドゲート５８４によって現されるソフトウエアアンド関数は全ての動力源が極性切り替えの準備中であるときにライン５８２上のイエス論理出力をもつ。この出力条件はライン５０４上に現れるように切り替えられた極性の所望の論理として与えられるそのＤターミナルをもつソフトウエアフリップフロップのターミナルＥＣＬＫ６００を可能にするクロックに向けられる。発振器又はタイマーはライン６０２の信号によって約１ＭＨｚクロックのフリップフロップでターミナルＣＫに作用した。これは、ライン６１２上の同一の論理がマスター動力源５００に切り替えると同時にこのライン６１０の論理を従属制御装置５２０、５２２に切り替えるためにライン５０４の極性命令論理をＱターミナル６０４に移転させる。切り替え後、５０４の極性論理は、マスター動力源が切り替え周波数に基づく次の切り替え命令を待っている間に、相反する極性に変位させる。他の回路が切り替えシーケンスの遅延効果のために使用できるが、しかしながら、図１６の例示が本発明のスキームである。
【００４０】
図１−１６に記載されているように、他の利点を達成するための溶接機のための溶接機、及び制御系は背景情報として提出されている。この背景技術はザリンカーンエレクトリックカンパニー社、本出願の出願人によって開発されてきた。この背景の記述は波形技術溶接機の説明のために提出されている。波形は記載された溶接機によって達成されるようなＤＣ又は同じ技術を使用するＡＣであることができる。この技術は溶接プロセスで使用されるＡＣ波形の正確なプロフィールを“描写”するために使用できることが見出されてきた。
【００４１】
芯入り電極のためのＡＣ波形の“描写”（図１７−２７）
精密なＡＣ波形がプログラム７００を使用することによって芯入り電極用に得られる。この“描写された”ＡＣ波形は図１−１６に示される技術を使用して特定の芯入り電極で調和的に働く。
【００４２】
溶接機及び／又は溶接系の波形技術は図４及び５に示されるように、図１９及び２０に示されるタイプの特定の芯入り電極用に使用するために与えられた精確な波形プロフィールを厳密に設定するために制御プログラム７００によって操作される。プログラム７００は図１７に開示されており、そこでは溶接機７０５は選択電気回路網２５０による溶接波形の一般的なタイプに設定するための波形成器２４０をもつ。選択された波形は、波形の連続によって与えられた溶接プロセスを実施するための所望のＡＣ波形である。本発明に従ったこの波形は特定の芯入り電極用に使用できるように設定される。波形制御プログラム７００は精確な、所望の波形プロフィールと与えられた芯入り電極のために使用できる設定されたプロフィールを実質上変化させること無しで波形のエネルギー又は電力を調節するための大きさ制御回路を設定するためのプロフィール制御電気回路網７１０をもつ。この特定のＡＣプロフィールは、対応する電極が溶接プロセスで使用されるときのために図２１及び２８に開示される溶接機中に供給される。正の部分及び負の部分の両者でＡＣ波形を調節する概念は本発明の性能を可能にする。
【００４３】
プログラム又は制御電気回路網７００はＡＣ溶接プロセスを構成している波形の連続においてそれぞれの波形の一般的な精確なプロフィールを制御するための波形成器２４０に接続されている。波形の一般的なプロフィールの厳密な相乗的な設定を行うこの目的を達成するために、四つの別々のプロフィールパラメーターがそれぞれ調節される。第一のパラメーターは、ライン７２４として表される出力の値を設定するために接続電気回路網７２２によって手動で又は自動で調節される回路７２０によって波形プロフィールに設定される周波数である。この値はＡＣ波形プロフィールの周波数の設定を制御する。もちろん、これは実際に波形の周期である。同様に、波形のデューティーサイクル又は波形バランスは、ＡＣ波形の正の半サイクル及び負の半サイクル間の相関関係を制御するための値を発現させるための調節可能な接続電気回路網７３２及び出力ライン７３４をもつ回路７３０によって制御される。このプロフィールパラメーターは回路７３０からのライン７３４の論理又はデータによって設定される。信号又はライン７２４のデータ及びライン７３４のデータによって、波形のＡＣプロフィールは設定される。これは波形の個々の部分のエネルギーレベルに関係しないが、しかし単に波形の一般的に固定されたプロフィールである。波形の上昇ランプ速度を制御するために、波形の設定されたプロフィールが負極から正極に変化する速度を設定するための手動又は自動で調節する電気回路網７４２及びライン７４４の出力信号をもつ回路７４０が準備される。同様に下降ランプ回路７５０が調節用インターフェース及び出力ライン７５４で用意される。ライン７２４、７３４、７４４及び７５４の値の大きさは個々の波形のプロフィールを設定する。これらのパラメータープロフィールは一緒に設定されるが、しかしながら、好ましくは全てのプロフィールパラメーターは波形プロフィールを規定するために設定される。
【００４４】
溶接プロセスにおけるそれぞれの波形によって変換されるエネルギー又は電力のためのＡＣ波形プロフィールを制御するために、プログラム７００は二つのそれぞれの領域７６０、７６２に分割されている回路又は電気回路網７１２を含む。回路のこれらの領域は、プロフィール制御電気回路網７１０によって設定される一般的なプロフィールに実質上影響を与えること無しで極性のそれぞれの過程でエネルギー又は波形レベルに関連した他の電力を制御する。領域７６０はライン７７４の入力値とライン７７６の出力値間の相関関係を制御するためにインターフェース制御電気回路網７７２によって調節されるレベル制御回路７７０を含む。レベル制御回路７７０は本質的に発生した設定波形プロフィールの正の部分を通じて電流、電圧及び／又は電力を制御するためのデジタルエラーアンプ回路である。選択器２５０ａは回路７７０を電流、電圧又は電力モードにシフトする。領域７６０は、制御電気回路網７１０で設定される一般的なプロフィールの変化をもつ正の部分を通してエネルギー、又は電力又は他の熱レベルを制御する。同様にして、第二の領域７６２は入力ライン７８４の値が出力ライン７８６のレベル又は信号を制御するように制御電気回路網７８２によって設定されるか又は調節されるデジタルエラーアンプ回路をもっている。結果として、ライン７７６及び７８６のデジタルレベルはプロフィール制御電気回路網７１０によって設定される半サイクルのそれぞれを通して電流、電圧及び／又は電力を制御する。選択器２５０ｂは回路７８０を電流、電圧又は電力モードにシフトする。
【００４５】
プログラム７００の別の特徴に関しては、波形成器２４０は高位制御回路７１２のみによって制御されそしてプロフィールは図４及び５に示される背景技術の波形制御系で使用される電気回路網又はプログラム２５０によって設定される。電気回路網２５０はプロフィールを設定しないが、しかし図２１及び２８の開示で説明されるような公知のＡＣ波形タイプを選択する。高められたプログラム７００の利点は高位回路７７０、７８０と一緒に回路７２０、７３０、７４０及び７５０を使用して全てのプロフィールパラメーターを設定することによって実現する。もちろん、これらの回路のいずれか一つによって制御されるＡＣ波形は図１−１６の一般的な背景技術に対して改良されている。プログラム７００は、ＡＣ波形のそれぞれの極性を通して全てのプロフィールパラメーター及び高位の値を相乗的に調節しそれによって波形は特定の芯入り電極に対応する。
【００４６】
プログラム７００の可能性を説明するために、二つのＡＣ波形が図１８に概略例示されている。ＡＣ波形８００は、共に急速に形成された連続的な電流パルス８００ａによって製造される正の部分８０２及び負の部分８０４をもつ。波形８００は、周波数制御又は波形の周期及び正の部分８０２：負の部分８０４の比を説明するために単に矩形波として示されている。これらのパラメーターは、電気回路網４５０によって以前に選択されたＡＣ波形のタイプを変形させるためにプログラム７００を使用することによって厳密に設定される。このＡＣ波形の概略説明において、上昇ランプ速度と下降ランプ速度は本質的に０である。もちろん、特許文献４に教示された切り替え概念は特許文献４に記載された利点を得るために正及び負の波形部分間でシフトさせるために使用される。第二の例示された波形８１０は周波数ｆ、正の部分８１２及び負の部分８１４をもつ。この例示において、上昇ランプ速度８１６は下降ランプ速度８１８とは独立に制御される。これらのランプ速度は、極性間のシフトの過程でそれらが波形のリーディングエッジ及びトレーリングエッジで存在することを示す矢印として例示される。プログラム７００は、回路７２０、７３０、７４０及び７５０によってそれぞれの波形の精確なプロフィールの物理的な設定に関係する。いくつかの波形パラメーターはＡＣ波形を所望のプロフィールに本質的に“描写”するために調節される。ＡＣ波形の一般的なプロフィールを使用する非常に厳密な溶接プロセスは、プログラム７００のような制御プログラムを使用する、ザリンカーンエレクトリックカンパニー社による電力波のような波形技術制御溶接機によって実施される。このプログラムは、それぞれの芯入り電極のＡＣ波形を“描写”し、溶接プロセスで使用されるＡＣ波形と電極を適合させるために使用される。
【００４７】
図１７のプログラム７００は、図１９及び２０に示される電極９１０のようなそれぞれ同定された芯入り電極のそれぞれのために最適化されたそして特別に誂えられたＡＣ波形を構成又は形成するために使用される。溶接機９００は電極９１０を作業片Ｗに向けるためのトーチ９０２を有している。アークＡＣは電極９１０の末端と作業片Ｗの間で形成される。電極は鞘９１２と内部充填芯９１４をもつ芯入り電極である。芯は粒子９１４ａによって表されるようなフラックス成分を含む。これらの成分９１４ａの目的は（ａ）熔融金属をスラグで被覆することによって熔融した溶接金属を大気汚染からシールドし、（ｂ）溶接品質に与える負の効果を最小にするために大気中の汚染物と化学的に結びつき及び／又は（ｃ）アークシールドガスを発生させることである。標準的な実施に関しては、芯９１４は、芯９１４の充填物を与えるために組み合わせられた他の種々の粒子９１４ｃと一緒に粒子９１４ｂと呼ばれる合金成分もまた含んでいる。溶接操作を最適化するために、外部のシールドガスと一緒に固体ワイヤーを使用することが必要になってきた。しかしながら、特定の機械的及び金属学的性質をもつ溶接を行うためには、特定の合金が必要だが、それは固体ワイヤー形態で得ることが困難である。コンタミは外部シールドガスを必要とする溶接プロセスを使用するときには防ぐことが困難である。それゆえに、周囲環境が溶接に影響を与えないような自己シールド芯入り電極を使用することには利点がある。芯入り電極は鞘と芯で異なった燃焼速度となる。これらの困難性の全ては固体ワイヤーと外部シールドガスでなされる多くのパイプライン溶接において生ずる。これらの問題点を克服するために、ＳＴＴ溶接がパイプライン溶接のためにザリンカーンエレクトリックカンパニー社によって開発された。そのような溶接は表面張力が熔融金属を移動させる短回路プロセスを採用する。このプロセスは溶接プロセス、特に開先溶接の過程での熱を低下させる。ＡＣ動力源と芯入り電極での両者の溶接の利点は溶接波形が特定の芯入り電極のために最適化されていないために得られなかった。波形技術を使用するＡＣ波形を制御することによって、これらの困難性は克服することができる。図１７に示されるプログラム７００のようなプログラムを使用することによって、精確なＡＣ波形が溶接操作のために発生しそして与えられた芯入り電極に特別に対応する。与えられた芯入り電極に対応したＡＣ波形のための精確なプロフィール又は形状は溶接操作を最適化する。特定の電極に適応するために正確に描かれた波形での溶接操作を使用することが現在は可能である。芯入り電極を使用するＡＣ溶接は図１７−２７に開示された技術によって容易になる。
【００４８】
溶接機９００は芯入り電極を使用するＡＣ溶接を実施し溶接操作を特定の電極に対して最適化するために本発明に従って組み立てられる。溶接機９００の詳細は図２１に示されそこでは動力源９２０は整流器９２０ａによって駆動される。電極９１０は鞘９１２と芯９１４をもつ芯入り電極である。溶接機９００の動力源９２０は溶接プロセスで使用される特定の電極９１０を同定するためのライン９２４の電極確認信号を形成するための貯蔵装置、ユニット又は回路９２２を有している。読み取り装置９２１は図２１の頂部に示される読み取り装置によって通過する特定の電極９１０を同定する。このように、ライン９２４の信号は電極９１０を同定する。装置９２１ａは手動で特定の電極９１０が使用されている読み取り装置９２１を識別する。換言すれば、読み取り装置９２１は溶接操作で使用されるべき特定の芯入り電極に設定される。この装置は手動で特定の電極を指示するように調節される。電極９１０はバーコード又はその他の読み取り技術を使って保管装置９２２によって同定される。バーコードは電極ワイヤー９１０を含むスプール又はドラム上に置かれる。換言すれば、装置９２１はワイヤー又は電極９１０の同定に自動的に感応するか又はブロック９２１ａによって示されるように電極を示すための手動入力を受け取る。９２１ｂの信号は溶接機９００によって使用されるべき全ての電極のためにデータ形態で信号が保管されている保管装置９２２に向けられる。ライン９１１ｂの信号は特定のデータを特定の芯入り電極に対応している保管装置９２２に回す。このデータはプロフィール信号をライン９２４に適合するようにする。この信号は波形参照装置９２６を活性化させその装置はライン９２８でプロフィール信号を出力する。この信号は選択回路２５０に特定の芯入り電極のためのプログラム７００によって形成された特定の保管プロフィールを選択するように命令する。図１７に示されるプログラム７００は保管した波形を特定の電極に特化させる。動力源９２０の残りは予め記載されてきた。ライン９２８のプロフィール信号は回路２５０と連動したメモリー中に保管された特別に構成され又は形成されたＡＣ波形を選択する。特定の芯入り電極の特定の組み合わせ及び構成体に特化されたＡＣ溶接波形はライン２４２に出力される。別法としては、ライン９２８の特定の信号は電極とワイヤーの供給速度によって決定される。装置９３０はライン９３２に出力される設定点をもっている。それゆえに、ライン９２４及び９２５の論理又はデータはライン９２８のプロフィール選択信号を決定する。波形発生器２５０のメモリー中に保管された所望のプロフィールが使用される。このプロフィールは特定の電極及び／又は特定の設定点ワイヤー供給速度に基づいている。
【００４９】
典型的なＡＣ波形は図２２に例示されており、ここではプロセス曲線９５０は正の部分９５２及び負の部分９５４を含む連続波形を含む。波形は、実質上１８ｋＨｚより大きな速度で形成されそしてパルス幅変調器２２４の出力ライン２２４ａで形成された多くのパルス９６０によって形成されている。これは高切り替え速度変換器を制御している。曲線９５０は、ｚとして示される負の部分９５４の長さで正の高さｘ及び負の高さｙをもつ。溶接操作の熱を制御するために、デューティーサイクル又は波形バランスｚは、図２２に示されるＡＣ波形が特定の芯入り電極のために構成されるときに調節される。図２２の曲線９５０の負部分９５４は作業片に入力される全ての熱を制御する。正の部分９５２は電極に多くの熱を与えそして作業片に少ない熱を与える。それゆえに、デューティーサイクル又は波形バランスの変化によって、作業片に入る全体の熱は変化又は制御することができる。ＡＣ溶接プロセスは波形成器又は特定の波形発生器２４０の出口で形成される。選択された波形は特定の芯入り電極９１０での使用を最適化するために厳密に調節される。溶接操作における熱を制御するために、波形はプログラム７００によって制御されるデューティーサイクルｚをもつ。ＡＣ波形が固定された後で、それは選択回路２５０からの論理に基づく波形発生器２４０にセットされる。溶接機９００は、特定のＡＣ波形を特定の芯入り電極と相関させて電極９１０を形成する構成成分によって示される溶接プロセスの操作を固定する。
【００５０】
ＡＣ波形は好ましくは図２２に示されるような矩形波であるが、しかしながら、初期加熱を制御するために図２３に示されるようなプロセス曲線９７０が正の部分９７２及び負の部分９７４をもつ波形を含む矩形でないＡＣ波形を与えることは溶接機９００の能力範囲内である。これらの部分のそれぞれは図２２の曲線９５０について説明されたように複数のそれぞれのパルス９６０によって形成される。これらのそれぞれのパルス９６０は１８ｋＨｚ以上の周波数で形成されそして通常は変換器タイプの動力源で使用されそして図１−１６を含む一般的な技術部分で記載されている波形技術のパルスである。加熱速度を減少させるために、部分９７２、９７４はランプ部分９７６、９７７、９７８および９７９と共に与えられる。その他のプロフィールもＡＣ溶接を芯入り電極で最適化するために可能である。
【００５１】
芯入り電極をプロフィールの制御無しで使用するときに生ずる一般的な問題点は図２４に示される。溶接プロセスは、熔融した上方末端９８２によって示されるように、電極の周りで上方に熔けた熔融金属９８０部分を与えるために鞘９１２を熔かす。このように、電極の鞘は芯よりも急速に融解する。このことは熔融金属材料を保護ガス又は芯９１４の内部構成成分の熔融によって形成される化学反応無しで電極９１０の出口末端に存在させることになる。このように、アークＡＣは電極９１０の金属を未保護のままの雰囲気中で熔かすことになる。熔融金属をシールドする必要性は鞘と芯が同じ速度で融解するときに起こる。熔融金属を芯よりもより急速に熔かす問題点はさらに図２５の図上説明によって示される。鞘９１２からの熔融金属９９０は、芯が熔ける機会をもつ前に作業片Ｗと既に結合してしまう。それでは溶接プロセスのために必要なシールドを与えることができない。図２４及び２５は、芯入り電極を使用するＡＣ溶接が過疎地のパイプライン溶接及びその他のパイプライン溶接に使用されて来なかった理由を示している。上述のＡＣ波形は電極を使用するときに熱入力を制御する。
【００５２】
溶接プロセスで使用されるＡＣ波形の厳密なプロフィールを制御することによって、鞘９１２及び芯９１４はほぼ同じ速度で熔かすことができる。芯の融解とシールドの融解を適切に調和させることの失敗が芯入り電極でのＡＣ溶接の使用を拒んできた一つの理由である。ＡＣ波形のプロフィールを調節する利点は外部シールドガスが必要ないプロセスの創生である。これが起こるとき、シールドガス及び他のシールド構成成分が鞘９１２からの熔融金属に先立って発生する。この特徴はプログラム７００を使用する溶接操作のための波形を厳密に描くことによって得ることができる。過去のそのような同等物においては可能ではなかった。プログラム７００又は類似のプログラムは、芯入り電極を溶接操作の過程で熔融金属の雰囲気からのコンタミを防ぐようなＡＣ溶接プロセスで使用できるようにするそれぞれの芯入り電極のために特別に誂えられたＡＣ波形を発生させる。
【００５３】
芯入り電極で溶接するときは、鞘と芯を同じ速度で融解させることが望ましい。この操作は、熔融材料混合物が周囲のコンタミの影響に化学的に耐えるように、或る芯材料と外部鞘との均一な混合を促進させる。溶接金属の所望の機械的及び金属学的な性質を生み出すために必要な合金元素が溶接金属中に均一に分散している。さらに、スラグ及び／又はガス生成用構成成分に由来するこの防護的な利点は最適化される。この状態は図２６に示される。これに対して、図２５は鞘が芯よりより急速に熔融する状態を示す。鞘９１２からの熔融金属９９０は芯９１４が熔融する機会を得る前に作業片Ｗと既に結合してしまっている。金属９９０は、もし、未熔融の芯構成成分が実際に熔融してしまったなら得られるであろう程度に周囲のコンタミの影響から防護されない。さらに、所望の機械的及び金属学的な性質を達成するために必要な合金元素は熔融金属９９０から失われてしまう。
【００５４】
代替プロセスは図２７に示され、ここでは選択回路９９２はブロック９９４からのライン９９４ａのデータに従って波形Ｂを選択する。このブロックは特定の電極Ａを同定するデータをもっている。電極は選択回路９９２の波形Ｂに順応する組成をもっている。ワイヤー供給速度ブロック９９６からのライン９９６ａの設定点は、電極のための波形であるのみでなく特定の設定点における電極Ａのためのものでもある波形Ｂを選択するために使用される。これは、ＡＣ溶接プロセスの波形をブロック９９４で同定される芯入り電極Ａに誂えられるように制御するために波形発生器２４０の出力を調節する。電極Ａは波形Ｂを活性化するために使用される。波形は、特定の芯入り電極を使用するとき所望の操作を実施するために形成される。特定の芯入り電極を同定しそれに調和したＡＣ波形を活性化することによって、所望の溶接プロセスが電極と作業片の間で実施される。芯の構成成分と鞘のサイズはＡＣ溶接プロセスで使用される最適な波形プロフィールを決定する。これは、波形技術を使用するタイプの電気アーク溶接プロセスで使用される波形のプロフィールを厳密に設定しそして修飾するための図１７のプログラム７００のようなプログラムの使用によって可能になる。
【００５５】
図１７−２７は図１−１６の波形技術がＡＣ溶接又は芯入り電極を使用するためにどのようにして使用できるかを示している。この可能性を発展させることによって、図２８−４５に開示される本発明の新規な溶接方法が可能となる。
【００５６】
本発明（図２８−４５）
前の節で示したように、波形技術を使用するタイプの電気溶接機は図２８に示される電極１０００のような芯入り電極を使用するＡＣ溶接用に使用できる。そのような電極は、合金金属及びスラグ又はフラックス材料を含む特定の材料で形成された芯１００４の周りの外側に鉄製鞘１００２を含む。内部にフラックス又はスラグ材料をもつことによって、溶接操作過程での外部シールドガスを必要としない。芯１００４に合金材料を含むことにより、作業片１０１０上の溶接金属パッドル１０１２は精確な合金構成成分をもつように修飾する事ができる。これは、合金が溶接ワイヤーの実際の構成成分によって達成されなければならない固体溶接ワイヤーの代わりに、芯入り電極を使用する実質上の利点と理由である。溶接金属のための合金化の調整は固体溶接ワイヤーを使用するとき非常に困難であり、それゆえに、前の節で議論したように、芯入り電極を採用することは高性能溶接において非常に利点がある。アークＡＲは鞘１００２を熔かしそして構成成分又は芯１００４内の充填物を本質的に同じになるように制御できる速度で熔かす。水素、窒素及び酸素のような、溶接金属１０１２のコンタミ成分は空隙の問題、溶接金属中のクラッキングやその他のタイプの物理的欠陥を引き起こす。このように、溶接プロセスを熔融した溶接金属からコンタミを排除するプロセスをデザインすることは挑戦的である。“キリング”剤、典型的には潜在的なコンタミ物質と化学的に結合して空隙の形成や溶接金属中への有害物の取り込みを防止するための、シリコン、アルミニウム、チタン及び／又はジルコニウムを使用するのが普通である。さらに、溶接金属から水素を取除くための薬剤を含む“スカベンジャー”もまた水素と反応させるために添加される。終始一貫して健全な溶接金属１０１２を沈積させるためには、展性や低温靭性のような溶接金属の性質に有害な量のそのようなキリング剤を加える必要がしばしばでてくる。このように、電極１０００から作業片１０１０へ通過する金属のコンタミを防ぐためにアークＡＲ中の熔融金属の曝露を減少させることが望ましく、そうすればキリング剤は最小化することができる。本発明は、ＡＣ波形の正及び負の形状が全体のアーク長さＬＡ を減少させるために修飾されるような芯入り電極１０００のためのＡＣ溶接を使用することである。この方法においては、大気への曝露が少なくそして金属が熔融する過程の時間が短い。もちろん、アーク長さを減少させることによって、電極から溶接金属パッドルへ移るときの熔融金属の温度も下げることができる。正及び負領域で異なった形状をもつＡＣ溶接プロセスを実施できる溶接機を使用することによってのみ、芯入り電極でのＡＣ溶接は現場で効果的に使用することができる。前節で説明したように、交互に変化する波形の正及び負部分のパラメーターは選択された電極１０００のための鞘１００２及び芯１００４の両方を熔かすのを補償及び最適化するために独立に調節することができる。本発明は、正及び負部分の形状が独立に制御されるような芯入り電極でのＡＣ溶接機及び溶接方法におけるさらなる改良に関する。本発明に従った波形制御技術はアーク安定性を維持しながらアーク長さＬＡ を減少させる。このように、芯入り電極でのＡＣ溶接プロセスを実施するための溶接機は、電気アーク溶接分野でこれまで知られていない又は使用されていない特定の方法を実施するために本発明に従って修正される。
【００５７】
改良された電気アーク溶接プロセスの基本的な態様は図２９に示されるグラフ１０２０によって示される。このグラフは、０．０６２インチの直径をもつ自己シールドフラックス芯入り電極で作られた連続溶接試験の結果を示す。特定のフラックス芯入り電極はリンカーン社のインナーシールドＮＲ−２３３であった。溶接は一定のワイヤー供給速度と移動速度で行われた。動力源は三つの通路又は並んだビーズを置くために約６０Ｈｚの周波数の交流で操作された。それから並んだビーズの二つの通路は第一の三つの通路又はビーズ頂点の第二の層に置かれた。板の表面を溶接に先立って、スケール及びコンタミを取除くためにショットブラストした。第二層の溶接金属はフラックス芯入り電極を使用する溶接品質のために取除く必要のあるコンタミの一つである窒素含量を分析した。ＮＲ−２３３中には故意に窒素が含まれているわけではないので、溶接金属中の窒素は周囲の大気中からのコンタミであると仮定した。これらの溶接操作を実施するための動力源はクリーブランド、オハイオのザリンカーンエレクトリックカンパニー社によって販売されている電力波のような可変の波形で電流を変化させるために特に組み立てられた動力源である。ＡＣ波形の二つの性質はグラフ１０２０に示される結果を得るように修正された。第一のテストの場合、２０％の−ＤＣオフセットが形成され正領域の電圧は負領域の電圧より２０％低かった。テストにおいては、負電圧は２３ボルト、正電圧は１８ボルトであった。曲線１０２２は０から５０％に周期的に変化する波形バランスによって形成された。波形バランスはＡＣ波形の正部分：ＡＣ波形の周期の比である。５０％の波形バランスで、ＡＣ波形の正領域と負領域は同一である。窒素回収率は波形バランスの種々の値に対して測定された。これは一般的に曲線１０２２のための統計ラインを作り出し、そのラインは一般的には０．０３６の許容できない窒素レベルから下方に窒素回収率０．０２９をもつ点１０２２ａまで伸びている。曲線１０２２は領域１０２２ｂによって示されるように、減少した窒素回収率のために下方に伸びる。テストの第二セットはＡＣ波形の負領域が正領域より２０％少ない２０％＋ＤＣオフセットで実施された。このテストは曲線１０４４を作り出し、それは一般的には０．０２０の窒素回収率から上方に曲線１０２２の点１０２２ａに対応する点１０２４ａまで伸びている。その後、窒素回収量は曲線１０２４の領域１０２４ｂによって示されるように増加する。曲線１０２２と１０２４は破線１０２６で示される窒素回収レベルである点１０２２ａ、１０２４ａで交差する。グラフ１０２０の曲線１０２２と１０２４は、波形が波形バランス量に応じて変化するとき、−ＤＣオフセットＡＣ波形及び＋ＤＣオフセットＡＣ波形の傾斜のタイプを示す代表例である。テストによって＋ＤＣオフセットは低い波形バランスで低いコンタミレベルをもつことが見出された。同様に、ＡＣ波形の−ＤＣオフセットはより高い波形バランスで低いコンタミレベルをもつ。この知見は芯入り電極のためのＡＣ溶接を使用するときのコンタミを減少させるための波形修正の基礎となる。負のオフセットを使用するときは、波形バランスは点１０２２ｃによって示されるように約３０％以上であるべきである。波形バランスは点１０２４ｃによって示されるように約５０％以下であるべきである。全ての場合において、波形バランスは本発明を使用することによってアークのために十分な電圧ＲＭＳであることを確実にするレベルでなければならない。この低いレベルはライン１０２４を波形バランスが約５％である点１０２４ｄで交差する。このレベルは１０２２の継続によって対応する低い点１０２２ｄを形成する。点１０２２ｄは点１０２４ｄを通る同じ低レベルのラインとライン１０２２の交点である。このように、曲線１０２０によって表されるテストは、低アーク長さ及びこのように減少した雰囲気からのコンタミを生み出すためにオフセットと波形バランスを調節することによってＡＣ波形の制御方法を規定している。テストは６０Ｈｚで行われたが、しかしながら、３０−１２０Ｈｚの間でもまた行われた。
【００５８】
図３０は負のオフセット曲線１０３２と正のオフセット曲線１０３４をもつ曲線１０３０を示す。これは図２９に示されるテスト結果から得られ、そこでは曲線１０３２は点１０３２ｃと１０３２ｄの間の操作範囲を与える。この場合、−ＤＣオフセットでＡＣ波形は約３０％と５０％の間のバランスをもつ。＋ＤＣオフセット波形は５％と５０％の間の波形バランスをもつ。図３０に示されるように本発明に従った二つの操作モードは二つの空間点間の範囲をもつが、好ましくは正のオフセット波形は約５と１５％の間の波形バランスをもつ。負のオフセット波形は８５と９５％の間の波形バランスをもつ。これらの方法は低コンタミを生み出しそして本発明の好ましい手段である。図３０のグラフ１０３０は本発明の例示であり、そこではＡＣ波形は＋ＤＣオフセットに対して低波形バランスそして−ＤＣオフセットに対して高波形バランスが使用される。好ましい手段は＋ＤＣオフセット波形の使用である。
【００５９】
図３１及び３２はＡＣ波形１０４０及びＡＣ波形１０４０Ａを示す。波形のそれぞれは波形技術に従った電圧又は電流パルス１０５０の連続によって組み立てられ、好ましくは本発明の実施において採用される。波形技術は波形発生器又は波形成器によって制御されるパルス幅変調器を利用し正領域１０４２、１０４２ａ及び負領域１０４４、１０４４ａの実際のプロフィールは特定の形状に描かれる。図３１において誂えられた形状は本発明の好ましい形態である矩形波であるが、しかしながら、本発明はまた図３２に示されるような矩形波でない形状によって実施することもできる。両方のＡＣ波形において、正の領域はＲＭＳ１として表されるＲＭＳをもちそして負の領域はＲＭＡ２として表されるＲＭＳをもつ。本発明に従えば、オフセットはその差異が既にオフセットとして定義されているような他の領域のＲＭＳより大きい或る領域のＲＭＳを包含する。図３２に示されるように、波形１０４０ａはいかなる特定の芯入り電極に誂えることもできる。しかしながら、本発明は、図２８に示されるように、芯入り電極１０００のためのＡＣ溶接操作において使用されるＡＣ波形の正及び負領域間のＲＭＳの所望の関係を達成するための波形バランスと調和したオフセットという広い概念を包含している。本発明を実施するための好ましい波形は図３１、３２に開示されているような同じ波形技術を使用する図３３及び３４に示されている。本発明の好ましい態様においては、正オフセットの波形１１００は、ＡＣ波形を生み出すための電圧Ｖａの正領域１１０２をもち、負領域１１０４は０．７５−０．９０Ｖａの範囲の大きさの電圧をもっている。高電圧スパイク正領域１１０２は合計波形のほぼ５−１５％の時間をもっている。これは短い正の時間１１１０と長い負の時間１１１２との間の関係である。波形１１００は好ましくは電圧波形であるが、電流波形であることもできる。負領域の電圧はアーク安定性を維持するのに十分ではないが、しかしながら、周期的な高電圧スパイク１１０２はアークを維持している。このように、波形１１００は低電圧で波形の主要部分をもつことによって低ＲＭＳをもち、そして単に反対の極性で周期的なスパイクを使用する。波形１１２０が高電圧の負の部分１１２２及び低電圧の正部分１１２４をもつ−ＤＣオフセット波形であるような同じ一般的な概念が図３４に例示されている。波形１１２０の主要部分でのＲＭＳはＡＣ波形の負領域によって制御されるが、しかしながら、安定性は高電圧の負領域１１２２によって維持される。ＡＣ波形の高電圧と低電圧の相対時間は時間１１３０及び１１３２として説明され、その時間は図３３の波形１１００の対応する時間と同じ相関関係をもっている。本発明は図３０で示される二つの空間点の間で、点１０３２ｃ、１０３２ｄ及び点１０３４ｃと１０３４ｄとしての使用を期待しているのではあるが、図３３及び３４で説明した相関関係が好ましい態様である。操作の第一モードは５−１５％の一般的な範囲の波形バランスをもつ＋ＤＣオフセットでありそして操作の第二モードは８５−９５％の一般的な範囲の波形バランスをもつ−ＤＣオフセットである。波形１１００及び１１２０の両方の波形は調節可能なオフセットと調節可能な波形バランスをもち、それはザリンカーンエレクトリックカンパニー社によって最初に開発されたタイプの波形技術を使用する溶接機の使用によって達成される。もちろん、その他の技術も図３０及び図３３と３４で一般的に説明したように本発明を実施するために使用できる。実際上は、波形１１００及び１１２０の周波数は３０−１２０Ｈｚの一般的な範囲である。
【００６０】
本発明の一つの特徴はＡＣ波形の正領域と負領域の大きさに実質上の差異があるときの波形バランスを変化させることである。この場合、波形バランスは、アーク長さが比較的小さい値にＡＣ波形の電圧ＲＭＳを減少させるためのＡＣ波形の電圧ＲＭＳを調節するために使用できる。これは波形が電圧なら真実であるが、しかし電圧ＲＭＳは電流波形で制御することもできる。この目的を達成するために、ＤＣオフセットは図２９及び３０で議論されたように、好ましくは１０−３０の間の値をもつ。換言すれば、実際の溶接操作に使用されるＡＣ波形のより小さい又はより少ない大きさの領域はアークを安定化させるために使用される短い高電圧領域のより大きな大きさより約１０−３０％小さい。波形バランスを調節することによって、ＡＣ波形の電圧ＲＭＳは減少させることができる。これは正のオフセット曲線１２００が電圧ＲＭＳのためのｘ値に対応する点１２０２及び点１２０４の間で本発明に従って操作している図３５及び３６に例示されている。この値はライン１２１０によって表される。広義にいえば、本発明は正のオフセット曲線１２００が３７％を超えるところで使用できるが、しかしながら、図２９のグラフ１０２０を生み出すために行われたテストにおいては、−２０のＤＣオフセットのための所望の電圧ＲＭＳは３７％の波形バランスで得られた。同様に、負の曲線１３００は約３７％でＲＭＳレベル１２１０で点１３０２に到達した。図３５及び３６の表現は単に本発明が一般的に１０−２０の範囲のＤＣオフセットをもつことによってそして波形バランスを調節することによってＡＣ波形の電圧ＲＭＳを制御するために使用されることを例示しているだけである。波形バランスとオフセットは本発明の目的を達成するために独立に調節されている波形の負及び正領域を作り出している。この波形は波形成器又は波形発生器によって形成される電圧波形として例示されているが、しかしながら、波形は同じ技術によって得られる電流波形として形成することもできる。
【００６１】
本発明の利点は芯入り電極での溶接のためにＡＣ波形を使用してアーク長さを減少させる能力である。過去において、電極はしばしば溶接過程での窒素によるコンタミをなくすために合金化剤として１０％を超えるアルミニウムを含んでいた。本発明の使用によって、ＲＭＳは減少しそれはアーク長さＬＡを減少させそれによってアルミニウムのような“キリング”剤の必要量を減少させる。この概念は概略、図３７及び３８に例示されておりそこでは曲線１４００は芯入り電極中に必要な“キリング”剤又はアルミニウムの％はアーク長さに比例することを示している。アーク長さが減少すると、雰囲気に曝露されるアーク中の熔融金属が少なくなるので、必要な又は要求されるアルミニウム量もまた減少する。通常の実施においては、アルミニウムは電極中で実質上充填物の１０％を越える量で使用される。本発明を使用することによって、アーク長さは、芯充填物中に約２％のアルミニウムを必要とする１４０２より少ないレベルにまで減少させることができる。曲線１４００は代表例でありそしてアーク長さが本発明の使用によって減少するので、アルミニウムの量もまた減少することを示している。前述の曲線は基本的にＲＭＳに比例するが、しかしながら、図３８の曲線１４１０が現れるとき、この関係は厳密には直線ではないが、電圧ＲＭＳ及びアーク長さはほぼ直接の比例関係をもつ。このように、電圧ＲＭＳに関して既に議論された曲線はアーク長さに等しく適用される。
【００６２】
まとめとしては、図３９は窒素回収率が正のオフセット波形１５１０のための曲線１５００によって説明されるときの本発明の操作モードを表す。この曲線は点１５０２の最小窒素回収率から点１５０４で示されるような最大窒素回収率に伸びている。この操作モードに従えば、所望の低ＲＭＳは破線１５０６のように示される。この線はＡＣ溶接プロセスの波形バランスを規定している交点１５０８を与えるために溶接操作の所望のアーク長さに調節される。正のオフセット波形１５１０は、その大きさの差異が所望の窒素回収率を与えるための波形バランスを調節させるような２３ボルトの正の領域１５１２と１８ボルトの負の領域１５１４を含む。所望のＲＭＳの垂直変位は点１５０８で線１５０６を線１５００と交差させる。芯入り電極を使用する−（ゼロ波形バランス）ＤＣでの溶接は不安定なアークを生ずる。この不安定な状態は点１５０２によって表される。しかしながら、この操作点は非常に低い窒素コンタミを生み出す。正の領域１５１２は波形バランスが点１５０２で０値から増加するときにおいてのみ形成される。これが起こるとき、バランスは増大しそして窒素レベルもまた増大する。このように、正のオフセット波形１５１０が本発明の第一の操作モードを実行するために使用されるときには、波形バランスは約５−１５％の間のわずかの量でのみ増加することが好ましい。第二操作モードは図４０に示され、ここでは曲線１６００は小さな正の領域１６１２と大きな負の領域１６１４をもつ負のオフセット波形１６１０によって形成されている。曲線１６００は点１６０２からＤＣ−で、しかし高電圧で進む。点１６０２は高い負電圧のために高い窒素回収率を形成する。曲線１６００は許容できないＤＣ−操作点１６０２から低窒素回収率の点１６０４に進む。点１６０４で、溶接操作は実質上１８ボルトで実質上ＤＣ＋である。これはまた不安定なアークを作り出す。同じことは不安定な１８ボルトの点１５０２で起こるＤＣ−についても当てはまる。曲線１６００上の所望の操作点１６０８を与えるために、ＲＭＳ線１５０６は、図３９に示されるように、交点１６０８を作るように調節される。この交差は第二の操作モードのための所望の波形バランスを同定し、そこでは負のＤＣオフセットＡＣ波形が採用される。図３９及び４０は本発明の二つの手段を例示している。溶接機又は制御器は＋ＤＣオフセット又は−ＤＣオフセットのいずれかで二つの操作モード間でシフトすることができる。
【００６３】
波形技術動力源を使用することによって、本発明の波形バランスは、波形のサイクル長さを一定に維持しながら波形の正領域を変化させることによって変えることができる。しかしながら、波形形状における他の変化は効果的な波形バランスを修正するために作ることができる。代表的な波形バランス概念は概略、図４１−４３に例示されている。ＡＣ波形１６０２はサイクル長さｍをもつ正の領域１６２２と負の領域１６２４をもつ。これは標準技術である。しかしながら、波形技術タイプの電気アーク溶接機を使用することによって、他の組み合わせも使用することができ、その一つは図４２に示される。ＡＣ波形１６３０は正の領域１６３２と負の領域１６３４をもっている。波形バランスは垂れた（ｔｒａｉｌｉｎｇ）末端１６３６の外側への動きにより負領域１６３４を増加させることによって調節できる。このように、サイクル長さはいまやｍ＋ａとなりそして負領域１６３４が増加するにつれ波形バランスは減少する。同様に、図４３のＡＣ波形１６４０は正の領域１６４２と負の領域１６４４を含む。サイクル長さは領域１６４４の垂れた（ｔｒａｉｌｉｎｇ）末端１６４６の左側への動きによりｍ−ｂに減少させることができる。結果として、図４１−４３に示されるように、正の領域と負の領域の異なった形状を作り出し領域の大きさの調節と一緒に波形バランスを修正するためにＡＣ波形に種々の調節を行うことができ、これがＤＣオフセットを変化させる。波形バランスを変えるためのＡＣ波形のその他の調節は熟練した当業者が容易になしうる範囲である。
【００６４】
図４４及び図４５は本発明の二つの操作モードのための二つの波形を示す。図４４の波形１７００は高い正の領域１７１０と低い負の領域１７１２をもつ。これは、波形が小さな波形バランスと調和している好ましい態様で使用される＋ＤＣオフセット波形である。同様に、図４５の−ＤＣオフセット波形１７２０は低い正の領域１７２２と高い負の領域１７２４をもつ。この波形は大きなバランスが採用される操作モードのために使用される。これらの二つの波形は、図４４に示されるような本発明の好ましい操作及び図４５に示されるような波形を使用する他の操作モードを表すために示されている。正及び負の両方のオフセット電圧のための本発明の好ましい態様は図４４及び４５に示される。実際には、図４４に示される概念が使用される。
【００６５】
本発明は波形の正及び負の領域がそれぞれ目的とする小さなアーク長さを達成しそしてコンタミを減少させるために調節されているＡＣ溶接を包含する。この方法を使用する際には、新規なスラグ又はフラックス系が自己シールド性フラックス芯入り電極として使用できるように設計される。これらのフラックス系は第二のスラグ修飾剤としてＭｎＯ、ＳｉＯ２、ＣａＯ及びＢａＦ２を使用する。これらの新規な系を内包している電極はシールドガス無しで使用されそして雰囲気からのコンタミをさらに防止するための芯中の脱酸素剤及び脱窒素剤に依存する。第一の新規なスラグ系は下記に示すが、ここで％は最終製品スラグ中の量である。
【００６６】
【表１】
【００６７】
このスラグ系はＦＣＡＷ−Ｓ電極のためのＦＣＡＷ−Ｇスラグ系に似ている。このスラグ系と本発明のＡＣ法を使用することによって、アルミニウムは脱酸素剤として取除かれ、それゆえに、ナトリウム安定剤がスラグ系で使用できる。
第二の新規なスラグ系は以下の通りである。
【００６８】
【表２】
【００６９】
Ｆｅ２Ｏ３＋２Ａｌ → Ａｌ２Ｏ３＋２Ｆｅ
この第二の新規なスラグ系は溶接金属中のアルミニウムレベルを制御しそしてテルミット反応を促進させるために酸化鉄を使用することによって酸化アルミニウム生成レベルを自発的に制御することを試みる。溶接金属中のアルミニウムレベルを制御することによって、ミクロ構造は許容し得る機械的性質を得るのに最適化される。この酸化物の多いスラグ系の酸化鉄はまた熔融金属の融点を低下させる助けとなる。これは電極を垂直上昇方向の位置からの溶接に適したものとする。
【００７０】
その他のスラグ系も本発明の実施において使用できるが、しかしながら、これらの新規なスラグ系、実施例１及び２がテストされ、そしてＤＣオフセットと波形バランスが前述のように制御されるフラックス芯入り電極のためのＡＣプロセスにおいて有益であることが証明された。
【００７１】
二つの新規なスラグ系の一つを使用して又は使用すること無しで、本発明の概念を用いながら芯入り電極を使用する開示されたＡＣ溶接方法には種々の変形が可能である。
【００７２】
【特許文献４】ＵＳＰ６，１１１，２１６
【特許文献５】ＵＳＰ５，２７８，３９０
【特許文献６】ＵＳＰ６，２０７，９２９
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明の溶接方法は、溶接金属のコンタミが少なく、キリング剤としてのアルミニウムも少なくでき、溶接金属の靭性等が改良されるので、芯入り電極を使用する交流溶接方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明を実施するために使用できる溶接系のブロックダイアグラムである。
【図２】それぞれがスイッチ出力を含みそして本発明を実施するのに使用できる、並列動力源の連結ダイアグラムである。
【図３】図１及び２で開示された動力源によって制御される３個のタンデム型電極の側面断面図である。
【図４】ＵＳＰ６，４７２，６３４及び６，２９１，７９８の開示を使用し、そこでは三つの動力源が図１７に示されるようなプログラムによって厳密に仕立てられた波形形成に使用されている三つの電極のための溶接系のブロック形態の概略レイアウトである。
【図５】ＵＳＰ６，４７２，６３４に開示されそして本発明の実施のために使用される可変パルス発生器の付いた図４に示されるような系によって駆動される単一電極を示すブロックダイアグラムである。
【図６】二つの例示同期パルスの一つとタンデム電極のバランスしたＡＣ波形を示す電流グラフである。
【図７】図１７、２１及び２７に示されるような本発明を実施できる溶接機で使用するときの波形の極性を決定するための論理回路をもつ極性信号に加えられる電流グラフである。
【図８】図８は与えられた芯入り電極のためのそして図２１及び２７で示される溶接機によって出力されるプロフィールをもつ波形の概要を示す電流グラフである。
【図９】タンデム電極の調和極性相関関係の過程で溶接パッドルの動力学を説明する概略図である。
【図１０】タンデム電極の調和極性相関関係の過程で溶接パッドルの動力学を説明する概略図である。
【図１１】本発明の背景を形成している変換器によって発生させることのできる２個の隣接するタンデム電極上の波形を示す電流グラフの一組である。
【図１２】各波形が与えられた電極と調和することのできる調和極性相関関係の領域をもつ隣接するタンデム電極上のＡＣ波形を示す電流グラフの一組である。
【図１３】調和極性相関関係の時間を制限するために片方の電極のＡＣ波形が他方の電極の波形と実質上異なっているような隣接するタンデム電極上の波形を示す電流グラフである。
【図１４】隣接する電極と異なった形状の本発明の系によって操作される隣接している電極の二つの正弦波形の電流グラフである。
【図１５】本発明の態様に従って形状化され同期化されているタンデム電極の四つの隣接しているＡＣアークの波形を示す電流グラフである。
【図１６】同等のスイッチ命令が行われそして次の位置の同じ信号が作り出されるとすぐに並列の動力のスイッチを供給させる公知のソフトウエアプログラムの概略レイアウトである。
【図１７】図２１及び２７に示されるようなプログラムに従って与えられた芯入り電極に誂えた波形を使用してＡＣ溶接操作が実施できるように図１−１６に示される系を使用して実際の波形プロフィールを制御するためのコンピューター化した溶接制御器において使用されるプログラムのブロックダイアグラムである。
【図１８】図１７に示されるプログラムによって与えられた芯入り電極のために使用される特注のＡＣ波形を示す概略説明図である。
【図１９】本発明のＡＣ波形を制御するための図１７及び２７における系の使用法を説明するブロックダイアグラムの側面図である。
【図２０】図１９のほぼ線２０−２０に沿った拡大断面図である。
【図２１】本発明を遂行するために好ましい系を開示するブロックダイアグラムである。
【図２２】図２１に示されるような系を説明する際に溶接プロセス中で使用されるＡＣ波形を示す電流、電圧又は電力曲線のグラフである。
【図２３】与えられた電極のために形成されたＡＣ波形においてそして図２８−４５に示される本発明の好ましい態様を実施するために得ることができる或る変形を示すための図２２のグラフに類似したグラフである。
【図２４】鞘及び芯が異なった速度で融解する芯入り電極を示す拡大した概略図である。
【図２５】芯入り電極での溶接用に特化した波形を採用することに失敗した場合の欠点を示すための図２４と同様の図である。
【図２６】図２１で示された本発明の系を使用した溶接プロセスの操作を示すための図２４及び２５に同様の図である。
【図２７】固定された芯入り電極が波形発生器から出力されるように与えられた波形を活性化している本発明の系の変形を使用する図２１に示される溶接機と同様の溶接機を示すブロックダイアグラムである。
【図２８】本発明で使用されるときのそして長さが本発明の使用によって最小化されるときの芯入り電極を示す部分的側面図である。
【図２９】本発明を実施するための二つの分離モードを使用することによって得られる窒素回収率を示すグラフである。
【図３０】ＡＣ波形の合計波形バランスに対する本発明の手段を説明するための図２９と同様のグラフである。
【図３１】本発明の実施において調節されたパラメーターをもつＡＣ電圧波又は電流波である。
【図３２】本発明を使用するときに可能な追加の変形をもつ図３０の波形と同様の波形である。
【図３３】＋ＤＣオフセットモードであるときの本発明の好ましい態様を示す電圧のグラフである。
【図３４】−ＤＣオフセットモードであるときの本発明の好ましい態様を示す図３３と同様なグラフである。
【図３５】バランスに従ってＲＭＳに相関するときの＋ＤＣオフセット操作モードを説明するグラフである。
【図３６】−ＤＣオフセットモードを使用する好ましい態様の操作を示すための図３７のグラフと同様なグラフである。
【図３７】本発明の使用によって減少させられるときの芯入り電極中のアルミニウム量のグラフである。
【図３８】アーク長さとＲＭＳ間の直接の相関関係を一般的に示すグラフである。
【図３９】本発明の＋ＤＣオフセット操作モードの場合の窒素回収率：バランスの相関関係を示すためのグラフと対応する波形である。
【図４０】本発明の−ＤＣオフセット操作モードの場合のバランス及び窒素回収率間の相関関係を示すための図３９に示したグラフと波形の同様の組み合わせ図である。
【図４１】波形バランスの概念を示すグラフである。
【図４２】波形バランスの概念を示すグラフである。
【図４３】波形バランスの概念を示すグラフである。
【図４４】＋ＤＣオフセットモードのときの本発明の好ましい操作を説明するグラフである。
【図４５】−ＤＣオフセットモード操作のときの本発明の好ましい操作を説明するための図４４のグラフと同様のグラフである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）第一の形状でそして第一の時間をもつ正の波形を形成し（ｂ）第二の形状でそして第二の時間をもつ負の波形を形成し、（ｃ）該第一及び第二の形状の片方を該形状の他方の大きさよりも大きくし、そして（ｄ）該第一及び第二の時間の相関割合を調節して与えられたレベルよりも低いＲＭＳを得ることを特徴とする芯入り電極使用のアーク溶接方法。
【請求項２】
該与えられたレベルが設定されたアーク安定性レベル以上である請求項１記載の方法。
【請求項３】
該正の形状が該負の形状よりも大きい請求項１記載の方法。
【請求項４】
該負の形状が該正の形状よりも大きい請求項１記載の方法。
【請求項５】
該波形が電圧波である請求項１記載の方法。
【請求項６】
該波形が電流波である請求項１記載の方法。
【請求項７】
該芯が実質上アルミニウムを含まない請求項１記載の方法。
【請求項８】
該芯がＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＺｒＯ２及びそれらの組み合わせ及びＭｇＯからなるクラスから選択されるスラグ成分を含む最終製品スラグのスラグ系をもつ請求項１記載の方法。
【請求項９】
該芯がアルミニウムを酸化させるための化合物粒子を含む請求項１記載の方法。
【請求項１０】
さらに（ｅ）波形発生器によって制御される短いパルスの連続によって該波形を形成している請求項１記載の方法。
【請求項１１】
波形発生器付きの変換器、第一の形状で第一の時間をもつ正の波形を形成するための該波形発生器への第一入力、第二の形状で第二の時間をもつ負の波形を形成するための該波形発生器への第二入力、ここで該第一及び第二の形状の片方は該形状の他方の大きさよりも大きい、そして、設定されたアーク安定性レベル以上である与えられたレベルよりも低い電圧ＲＭＳを得るために該第一及び第二の時間の相関割合を調節するための回路、からなる電気アーク溶接機。
【請求項１２】
該正の形状が該負の形状よりも大きい請求項１１記載の溶接機。
【請求項１３】
該負の形状が該正の形状よりも大きい請求項１１記載の溶接機。
【請求項１４】
該波形が電圧波である請求項１１記載の溶接機。
【請求項１５】
該波形が波形発生器によって制御される短いパルスの連続からなる請求項１１記載の溶接機。
【請求項１６】
（ａ）正の部分と負の部分をもつ交流波を形成し、（ｂ）該部分の片方を該部分の他方より大きくし、（ｃ）該第一及び第二部分の相関割合を調節し、（ｄ）与えられた第一の量より大きな該正の部分と与えられた第一の量より低い該相関割合をもつ第一の操作モード又は与えられた第二の量より大きな該負の部分と与えられた第二の量より高い該相関割合をもつ第二の操作モードを選択することからなる芯入り電極使用のアーク溶接方法。
【請求項１７】
（ａ）正の部分と負の部分をもつ交流波を形成し、（ｂ）該部分の片方を該部分の他方より大きくし、（ｃ）該第一及び第二部分の相関割合を調節し、そして（ｄ）与えられた量より大きな該正の部分と与えられた量より低い該相関割合をもつ操作モードを選択することからなる芯入り電極使用のアーク溶接方法。
【請求項１８】
（ａ）正の部分と負の部分をもつ交流波を形成し、（ｂ）該部分の片方を該部分の他方より大きくし、（ｃ）該第一及び第二部分の相関割合を調節し、そして（ｄ）与えられた量より大きな該負の部分と与えられた量より高い該相関割合をもつ操作モードを選択することからなる芯入り電極使用のアーク溶接方法。
【請求項１９】
（ａ）第一の形状でそして第一の時間をもつ正の波形を形成し（ｂ）第二の形状でそして第二の時間をもつ負の波形を形成し、（ｃ）該第一及び第二の形状の片方を該形状の他方の大きさよりも大きくし、そして（ｄ）大きな形状の時間が他方の形状の時間より実質上少なくなるように該第一及び第二の時間の相関割合を調節することからなる芯入り電極を使用するアーク溶接方法。
【請求項１】
（ａ）第一の形状でそして第一の時間をもつ正の波形を形成し（ｂ）第二の形状でそして第二の時間をもつ負の波形を形成し、（ｃ）該第一及び第二の形状の片方を該形状の他方の大きさよりも大きくし、そして（ｄ）該第一及び第二の時間の相関割合を調節して与えられたレベルよりも低いＲＭＳを得ることを特徴とする芯入り電極使用のアーク溶接方法。
【請求項２】
該与えられたレベルが設定されたアーク安定性レベル以上である請求項１記載の方法。
【請求項３】
該正の形状が該負の形状よりも大きい請求項１記載の方法。
【請求項４】
該負の形状が該正の形状よりも大きい請求項１記載の方法。
【請求項５】
該波形が電圧波である請求項１記載の方法。
【請求項６】
該波形が電流波である請求項１記載の方法。
【請求項７】
該芯が実質上アルミニウムを含まない請求項１記載の方法。
【請求項８】
該芯がＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＺｒＯ２及びそれらの組み合わせ及びＭｇＯからなるクラスから選択されるスラグ成分を含む最終製品スラグのスラグ系をもつ請求項１記載の方法。
【請求項９】
該芯がアルミニウムを酸化させるための化合物粒子を含む請求項１記載の方法。
【請求項１０】
さらに（ｅ）波形発生器によって制御される短いパルスの連続によって該波形を形成している請求項１記載の方法。
【請求項１１】
波形発生器付きの変換器、第一の形状で第一の時間をもつ正の波形を形成するための該波形発生器への第一入力、第二の形状で第二の時間をもつ負の波形を形成するための該波形発生器への第二入力、ここで該第一及び第二の形状の片方は該形状の他方の大きさよりも大きい、そして、設定されたアーク安定性レベル以上である与えられたレベルよりも低い電圧ＲＭＳを得るために該第一及び第二の時間の相関割合を調節するための回路、からなる電気アーク溶接機。
【請求項１２】
該正の形状が該負の形状よりも大きい請求項１１記載の溶接機。
【請求項１３】
該負の形状が該正の形状よりも大きい請求項１１記載の溶接機。
【請求項１４】
該波形が電圧波である請求項１１記載の溶接機。
【請求項１５】
該波形が波形発生器によって制御される短いパルスの連続からなる請求項１１記載の溶接機。
【請求項１６】
（ａ）正の部分と負の部分をもつ交流波を形成し、（ｂ）該部分の片方を該部分の他方より大きくし、（ｃ）該第一及び第二部分の相関割合を調節し、（ｄ）与えられた第一の量より大きな該正の部分と与えられた第一の量より低い該相関割合をもつ第一の操作モード又は与えられた第二の量より大きな該負の部分と与えられた第二の量より高い該相関割合をもつ第二の操作モードを選択することからなる芯入り電極使用のアーク溶接方法。
【請求項１７】
（ａ）正の部分と負の部分をもつ交流波を形成し、（ｂ）該部分の片方を該部分の他方より大きくし、（ｃ）該第一及び第二部分の相関割合を調節し、そして（ｄ）与えられた量より大きな該正の部分と与えられた量より低い該相関割合をもつ操作モードを選択することからなる芯入り電極使用のアーク溶接方法。
【請求項１８】
（ａ）正の部分と負の部分をもつ交流波を形成し、（ｂ）該部分の片方を該部分の他方より大きくし、（ｃ）該第一及び第二部分の相関割合を調節し、そして（ｄ）与えられた量より大きな該負の部分と与えられた量より高い該相関割合をもつ操作モードを選択することからなる芯入り電極使用のアーク溶接方法。
【請求項１９】
（ａ）第一の形状でそして第一の時間をもつ正の波形を形成し（ｂ）第二の形状でそして第二の時間をもつ負の波形を形成し、（ｃ）該第一及び第二の形状の片方を該形状の他方の大きさよりも大きくし、そして（ｄ）大きな形状の時間が他方の形状の時間より実質上少なくなるように該第一及び第二の時間の相関割合を調節することからなる芯入り電極を使用するアーク溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【公開番号】特開２００６−１０２８１３（Ｐ２００６−１０２８１３Ａ）
【公開日】平成１８年４月２０日（２００６．４．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１４４９３４（Ｐ２００５−１４４９３４）
【出願日】平成１７年５月１８日（２００５．５．１８）
【出願人】（３９９０１１５９７）リンカーン グローバル インコーポレーテッド (24)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月２０日（２００６．４．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月１８日（２００５．５．１８）
【出願人】（３９９０１１５９７）リンカーン グローバル インコーポレーテッド (24)
【Ｆターム（参考）】
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