２電極アーク溶接方法
【課題】 良好な溶接ビードを形成しつつ、溶接強度を向上させることが可能な２電極アーク溶接方法を提供すること。
【解決手段】 ＧＭＡアーク６ａおよびプラズマアーク６ｂを発生させることにより溶接する２電極アーク溶接方法であって、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍおよびプラズマアーク溶接電流Ｉｐは、ハイレベルとローレベルとを交互にとる直流パルス電流とされており、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍが第１ハイレベルＩｍｐ１をとった後に第２ハイレベルＩｍｐ２をとり、かつプラズマアーク溶接電流Ｉｐが、ハイレベルＩｐｐを１回とるごとに、ワイヤＷの溶滴移行が１回行われる。このような構成により、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍの立ち上がり時におけるスパッタ発生を抑制するとともに、ワイヤＷの溶滴移行をスムーズに行うことができる。
【解決手段】 ＧＭＡアーク６ａおよびプラズマアーク６ｂを発生させることにより溶接する２電極アーク溶接方法であって、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍおよびプラズマアーク溶接電流Ｉｐは、ハイレベルとローレベルとを交互にとる直流パルス電流とされており、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍが第１ハイレベルＩｍｐ１をとった後に第２ハイレベルＩｍｐ２をとり、かつプラズマアーク溶接電流Ｉｐが、ハイレベルＩｐｐを１回とるごとに、ワイヤＷの溶滴移行が１回行われる。このような構成により、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍの立ち上がり時におけるスパッタ発生を抑制するとともに、ワイヤＷの溶滴移行をスムーズに行うことができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シールドガスノズル内に配置された消耗電極および非消耗電極を有する溶接トーチを用いて、消耗電極アークおよび非消耗電極アークを発生させる、２電極アーク溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
消耗電極としてワイヤを送給しながら消耗電極アークを発生させることと、たとえばＡｒなどのプラズマガスを用いて消耗電極アークを囲う非消耗電極アークを発生させることと、を同時に行う２電極アーク溶接が提案されている（たとえば、特許文献１，２参照）。消耗電極アークおよび非消耗電極アークの双方から溶接母材に対して熱を与えるとともに溶融したワイヤを供給するこの手法は、比較的速い溶接速度で溶接する、高効率溶接に適している。
【０００３】
特許文献１に開示された従来技術においては、非消耗電極アークであるプラズマアークを発生させるプラズマアーク溶接電流と消耗電極アークであるＭＩＧアークとを発生させるＭＩＧアーク溶接電流とに、直流パルス電流を用いている。プラズマアーク溶接電流とＭＩＧアーク溶接電流とは、一方がピーク期間であるときに他方がベース期間であるように同期されている。
【０００４】
特許文献２に開示された従来技術においても、図４に示すように、プラズマアーク６ｂを発生させるプラズマアーク溶接電流Ｉｐと、消耗電極アークであるＧＭＡアーク６ａを発生させるためのＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍとに、直流パルス電流を用いている。さらに、この構成においては、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍがハイレベルからローレベルに移行する期間と、プラズマアーク溶接電流Ｉｐがハイレベルをとる期間とが重なる構成とされている。このような構成により、ワイヤＷの溶滴の表面張力を低減させることが可能である。これにより、予期せぬ溶滴の飛散を回避するとともに、溶接母材Ｐに不当な熱影響部が生じることを防止することができる。
【０００５】
特許文献１，２に開示された構成においては、ＧＭＡ（またはＭＩＧ）アーク溶接電流とプラズマアーク溶接電流の１周期ごとにワイヤからの溶滴移行を１回おこなう、いわゆるワンパルスワンドロップ方式が採用されている。そして、図４に示すように、ＧＭＡ溶接電流Ｉｍがハイレベルをとるべく立ち上がるときには、プラズマアーク溶接電流Ｉｐはローレベルをとっている。図５に示すように、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍがハイレベルへと立ち上がるときには、ＧＭＡアークによる熱、およびＧＭＡアーク溶接電流ＩｍがワイヤＷに通電されることによるジュール熱により、ワイヤＷ表面が溶融し液体状態となる。この溶融金属Ｗｌは、薄い膜状となってワイヤＷの表面を覆う。この状態で、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍによってさらに加熱されたワイヤＷは、部分的に昇華する場合がある。これにより、膜状になった溶融金属ＷｌとワイヤＷとの界面に金属蒸気Ｗｇが生じる。この金属蒸気Ｗｇが膜状の溶融金属Ｗｌから噴出するときにチリ状の細かなスパッタが発生してしまうおそれが大きい。
【０００６】
また、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍがハイレベルをとるときには、そのエネルギーによってワイヤＷの溶滴にくびれが生じる。ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍのハイレベル期間の後半からローレベルへの立下りの期間において、溶滴がワイヤＷから離脱し、溶接母材Ｐへと移行する。溶滴が離脱する直前には、溶滴のくびれが非常に小さい状態となる。このくびれ部分は高抵抗な部分となるため、ジュール熱の発生が顕著となる。これに、プラズマアーク溶接電流Ｉｐがハイレベルをとることによって増大するプラズマアーク熱が加わることとなる。このため、ワイヤＷからの金属蒸気Ｗｇの発生が活発となり、スパッタの発生がさらに誘発されてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１０５０３９号公報
【特許文献２】特開２００９−３４６８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、良好な溶接ビードを形成しつつ、溶接強度を向上させることが可能な２電極アーク溶接方法を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によって提供される２電極アーク溶接方法は、シールドガスを吐出するためのシールドガスノズル内に配置された消耗電極および非消耗電極を備えた溶接トーチを用い、消耗電極アークおよび非消耗電極アークを発生させることにより溶接する２電極アーク溶接方法であって、上記消耗電極アークを生じさせるための消耗電極アーク溶接電流、および上記非消耗電極アークを生じさせるための非消耗電極アーク溶接電流は、ハイレベルとローレベルとを交互にとる直流パルス電流とされており、上記消耗電極アーク溶接電流が、第１ハイレベルをとった後に第２ハイレベルをとり、かつ上記非消耗電極アーク溶接電流が、上記ハイレベルを１回とるごとに、上記消耗電極の溶滴移行が１回行われることを特徴としている。
【００１０】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記第１ハイレベルよりも上記第２ハイレベルの方が小である。
【００１１】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記消耗電極アーク溶接電流が上記ローレベルから上記第１ハイレベルに移行終了するときには、上記非消耗電極アーク溶接電流が上記ハイレベルをとっている。
【００１２】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記消耗電極アーク溶接電流の上記第１ハイレベルから上記ローレベルへの移行終了と、上記非消耗電極アーク溶接電流の上記ハイレベルから上記ローレベルへの移行終了とが、同時に行われる。
【００１３】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記消耗電極アーク溶接電流の上記第２ハイレベルから上記ローレベルへの移行終了と、上記非消耗電極アーク溶接電流の上記ハイレベルから上記ローレベルへの移行終了とが、同時に行われる。
【００１４】
このような構成によれば、上記消耗電極アーク溶接電流が上記第１ハイレベルをとるときは、溶滴の発生を行わせ、上記第２ハイレベルをとるときには、成長した溶滴を離脱させればよい。上記第１ハイレベルをとるときに上記非消耗電極アークによる上記非消耗電極を加熱しておけば、その表面が溶融状態となっている。このため、金属蒸気の発生が突発的におこるおそれが少なく、比較的スムーズに金属蒸気が発生する。したがって、上記消耗電極アーク溶接電流の立ち上がり時におけるチリ状の細かなスパッタの発生を防止することができる。
【００１５】
また、上記第２ハイレベルによって生じるくびれを縮小させる力は、成長した溶滴を移行させるのに十分であればよい。これにより、溶滴のワイヤＷからの離脱を確実に行いつつ、不要な溶融金属の蒸発を防止することが可能である。したがって、溶滴が離脱するときのスパッタ発生を抑制することができる。
【００１６】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る２電極アーク溶接方法に用いられる溶接装置の一例を示すシステム構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態に基づく２電極アーク溶接方法を示すタイミングチャートである。
【図３】本発明の第２実施形態に基づく２電極アーク溶接方法を示すタイミングチャートである。
【図４】従来の２電極アーク溶接方法の一例を示すタイミングチャートである。
【図５】従来の２電極アーク溶接方法の一例における金属蒸気の発生を示す要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。
【００１９】
図１は、本発明に係る２電極アーク溶接方法に用いられる溶接装置の一例を示している。本実施形態の溶接装置Ａは、溶接トーチＢ、ＧＭＡアーク溶接電源（消耗電極アーク溶接電源）ＰＳＭ、およびプラズマアーク溶接電源（非消耗電極アーク溶接電源）ＰＳＰを備えている。溶接トーチＢは、シールドガスノズル４内に、プラズマノズル３、プラズマ電極（非消耗電極）２、およびコンタクトチップ１が同心軸上に配置された構造とされている。シールドガスノズル４とプラズマノズル３との隙間からは、たとえばＡｒなどのシールドガスＧｓが供給される。プラズマノズル３とプラズマ電極２との間には、たとえばＡｒなどのプラズマガスＧｐが供給される。プラズマ電極２とコンタクトチップ１との間には、たとえばＡｒなどのセンターガスＧｃが供給される。
【００２０】
コンタクトチップ１に設けられた貫通孔からは、消耗電極としてのワイヤＷが送給される。コンタクトチップ１は、ワイヤＷに対して導通している。ワイヤＷは、モータＭを駆動源とする送給ローラ５によって送給される。プラズマ電極２は、たとえばＣｕまたはＣｕ合金からなり、図外の経路を通る冷却水によって間接的に水冷されている。プラズマノズル３は、たとえばＣｕまたはＣｕ合金からなり、冷却水を通すチャネルが形成されていることにより、直接水冷されている。溶接トーチＢは、通常ロボット（図示略）によって保持された状態で、溶接母材Ｐに対して移動させられる。
【００２１】
ＧＭＡアーク溶接電源ＰＳＭは、コンタクトチップ１を介してワイヤＷと溶接母材Ｐとの間に、ＧＭＡアーク溶接電圧Ｖｍを印加することにより、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍを流すための電源である。ＧＭＡアーク溶接電源ＰＳＭには、電圧設定回路ＶＲから電圧設定信号Ｖｒｍが送られる。ＧＭＡアーク溶接電源ＰＳＭからは、モータＭに対して送給制御信号Ｆｃが送られる。ＧＭＡアーク溶接電源ＰＳＭからＧＭＡアーク溶接電圧Ｖｍが印加されるときは、ワイヤＷが＋側とされる。
【００２２】
プラズマアーク溶接電源ＰＳＰは、プラズマ電極２と溶接母材Ｐとの間にプラズマアーク溶接電圧Ｖｐを印加することによりプラズマアーク溶接電流Ｉｐを流すための電源である。プラズマアーク溶接電源ＰＳＰには、電圧設定回路ＶＲから電圧設定信号Ｖｒｐが送られる。プラズマアーク溶接電源ＰＳＰからプラズマアーク溶接電圧Ｖｐが印加されるときは、プラズマ電極２が＋側とされる。
【００２３】
次に、本発明に係る２電極アーク溶接方法の第１実施形態について、図２を参照しつつ以下に説明する。本実施形態の２電極アーク溶接は、１．２φ径の溶接ワイヤを用いる溶接において、ワイヤ送給速度が１２．５〜１５ｍ／ｍｉｎ程度の高能率溶接に適用可能である。
【００２４】
ＧＭＡアーク溶接電源ＰＳＭに送られる電圧設定信号Ｖｒｍは、ＧＭＡアーク溶接電圧Ｖｍに周期と振幅とを与える。具体的には、ハイレベルおよびローレベルのときの電圧と、ハイレベルおよびローレベルを切り替えるタイミングとが、電圧設定信号Ｖｒｍによって設定される。これにより、ＧＭＡアーク溶接電圧ＶｍおよびＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍは、ハイレベルとローレベルとの状態を交互にとる直流のパルス電圧およびパルス電流となる。
【００２５】
一方、プラズマアーク溶接電源ＰＳＰに送られる電圧設定信号Ｖｒｐは、プラズマアーク溶接電圧Ｖｐに周期と振幅とを与える。具体的には、ハイレベルおよびローレベルのときの電圧と、ハイレベルおよびローレベルを切り替えるタイミングとが、電圧設定信号Ｖｒｐによって設定される。電圧設定回路ＶＲ内においては、電圧設定信号Ｖｒｍ，Ｖｒｐが互いに同期制御されている。
【００２６】
まず、時刻ｔ１において、プラズマアーク溶接電流ＩｐがローレベルＩｐｂからハイレベルＩｐｐへと立ち上がり始める。このとき、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍは、第１ローレベルＩｍｂ１をとっている。第１ローレベルＩｍｂ１は、たとえば５０〜６０Ａである。
【００２７】
ついで、時刻ｔ２において、プラズマアーク溶接電流ＩｐがハイレベルＩｐｐに達する。これと同時に、ＧＭＡアーク溶接電流ＩｍがローレベルＩｍｂから第１ハイレベルＩｍｐ１へと立ち上がり始める。そして、時刻ｔ３において、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍが第１ハイレベルＩｍｐ１に達する。このときには、同図（ａ）に示すように、ＧＭＡアーク６ａとプラズマアーク６ｂとが発生している。第１ハイレベルＩｍｐ１は、たとえば４００〜４２０Ａである。時刻ｔ１から時刻ｔ２は、たとえば０．５〜０．８ｍｓであり、時刻ｔ２から時刻ｔ３は、たとえば０．６〜０．８ｍｓである。
【００２８】
時刻ｔ３から時刻ｔ４においては、プラズマアーク溶接電流ＩｐがハイレベルＩｐｐをとり、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍが第１ハイレベルＩｍｐ１をとっており、同図（ａ）の状態が継続されている。そして、時刻ｔ４には、ワイヤＷの先端が溶融し、溶融金属にくびれが生じ始める。それとほぼ同時に、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍが第２ローレベルＩｍｂ２に向かって下がり始め、プラズマアーク溶接電流ＩｐがローレベルＩｐｂに向かって下がり始める。時刻ｔ３から時刻ｔ４は、たとえば１．２から１．５ｍｓである。
【００２９】
時刻ｔ５には、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍが第２ローレベルＩｍｂ２をとり、プラズマアーク溶接電流ＩｐがローレベルＩｐｂをとる。時刻ｔ４から時刻ｔ５は、たとえば０．４〜０．６ｍｓである。この状態を時刻ｔ６まで継続する。時刻ｔ５から時刻ｔ６は、たとえば１．５〜２．０ｍｓである。なお、第２ローレベルＩｍｂ２は、第１ローレベルＩｍｂ１よりも若干大きい値であり、たとえば１００〜１２０Ａである。同図（ｂ）に示すように、時刻ｔ５から時刻ｔ６までの期間においては、発生熱量の減少によりワイヤＷの溶滴のくびれは縮小するが、溶滴は徐々に成長を続ける。
【００３０】
そして、時刻ｔ６には、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍを第２ローレベルＩｍｂ２から第２ハイレベルＩｍｐ２へと立ち上げる。第２ハイレベルＩｍｐ２は、第１ハイレベルＩｍｐ１よりも若干小さい値であり、たとえば３００〜３５０Ａである。ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍが第２ハイレベルＩｍｐ２をとることにより、同図（ｃ）に示すようにワイヤＷの溶滴に再びくびれが生じる。時刻ｔ５から時刻ｔ６にかけて溶滴が肥大しているため、第２ハイレベルＩｍｐ２によってくびれを縮小させる力が作用すると、同図（ｄ）に示すように溶滴はワイヤＷから離脱し、溶接母材Ｐへと移行する。時刻ｔ７においては、溶滴移行が完了し、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍが第１ローレベルＩｍｂ１をとる。時刻ｔ６から時刻ｔ７は、たとえば０．５〜０．８ｍｓである。この後は、所定の時間が経過した後に再び時刻ｔ１〜時刻ｔ７を繰り返す。これにより、２電極アーク溶接が継続される。
【００３１】
次に、本発明に係る２電極アーク溶接方法の作用について説明する。
【００３２】
本実施形態によれば、１回の溶滴移行を行うに際し、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍが第２ローレベルＩｍｂ２を挟んで第１ハイレベルＩｍｐ１と第２ハイレベルＩｍｐ２とをとる。第１ハイレベルＩｍｐ１をとる時刻ｔ３においては、プラズマアーク溶接電流ＩｐがすでにハイレベルＩｐｐをとっている。このため、時刻ｔ３においては、ワイヤＷがプラズマアーク６ｂによってすでに加熱されており、その表面が溶融状態となっている。この状態でＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍが第１ハイレベルＩｍｐ１をとると、金属蒸気の発生が突発的におこるおそれが少なく、比較的スムーズに金属蒸気が発生する。したがって、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍの立ち上がり時におけるチリ状の細かなスパッタの発生を防止することができる。
【００３３】
第１ハイレベルＩｍｐ１をとりつづけると溶滴に顕著なくびれが生じ、溶滴移行が始まる。しかしながら、本実施形態においては、溶滴移行が開始する前に、第２ローレベルＩｍｂ２をとらせる。第２ローレベルＩｍｂ２は、第１ハイレベルＩｍｐ１ほどの熱エネルギーを生じることは無いが、第１ローレベルＩｍｂ１よりも大きな電流である。このため、時刻ｔ５から時刻ｔ６にかけても溶滴が徐々に成長する。この成長が過度に継続されると、自重によって溶滴が鉛直方向に比較的細長い形状となってしまい、短絡やスパッタの発生を誘発する。本実施形態においては、時刻ｔ６においてＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍに第２ハイレベルＩｍｐ２をとらせる。第２ハイレベルＩｍｐ２は第１ハイレベルＩｍｐ１よりも小さい電流であるが、これによって生じるくびれを縮小させる力は、成長した溶滴を離脱させるのに十分である。これにより、溶滴のワイヤＷからの離脱を確実に行いつつ、不要な溶融金属の蒸発を防止することが可能である。したがって、溶滴が離脱するときのスパッタ発生を抑制することができる。
【００３４】
図３は、本発明に係る２電極アーク溶接方法の第２実施形態を示している。なお、本図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。本実施形態においては、プラズマアーク溶接電圧Ｖｐおよびプラズマアーク溶接電流Ｉｐの設定が、上述した実施形態と異なっている。
【００３５】
本実施形態においては、時刻ｔ２においてプラズマアーク溶接電流ＩｐがハイレベルＩｐｐをとった後、時刻ｔ７においてローレベルＩｐｂに下降させる。このため、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍが第１ハイレベルＩｍｐ１および第２ハイレベルＩｍｐ２をとっている期間は、プラズマアーク溶接電流ＩｐはハイレベルＩｐｐをとることとなる。これにより、第１ハイレベルＩｍｐ１および第２ハイレベルＩｍｐ２をとることによって溶滴の成長やくびれ発生がなされるときには、プラズマアーク６ｂはほとんど変動しない。したがって、上述した第１実施形態と同様の効果に加えて、よりスムーズに溶滴のワイヤＷからの離脱および溶接母材Ｐへの移行が期待できる。
【００３６】
本発明に係る２電極アーク溶接方法は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る２電極アーク溶接方法の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
【符号の説明】
【００３７】
Ａ 溶接装置
Ｂ 溶接トーチ
Ｉｍ ＧＭＡアーク溶接電流（消耗電極アーク溶接電流）
Ｉｍｐ１ 第１ハイレベル
Ｉｍｐ２ 第２ハイレベル
Ｉｍｂ１ 第１ローレベル
Ｉｍｂ２ 第２ローレベル
Ｉｐ プラズマアーク溶接電流（非消耗電極アーク溶接電流）
Ｉｐｐ ハイレベル
Ｉｐｂ ローレベル
Ｐ 溶接母材
ＰＳＭ ＧＭＡアーク溶接電源（消耗電極アーク溶接電源）
ＰＳＰ プラズマアーク溶接電源（非消耗電極アーク溶接電源）
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒｍ，Ｖｒｐ 電圧設定信号
Ｖｍ ＧＭＡアーク溶接電圧（消耗電極アーク溶接電圧）
Ｖｐ プラズマアーク溶接電圧（非消耗電極アーク溶接電圧）
Ｗ ワイヤ（消耗電極）
Ｗｇ 金属蒸気
Ｗｌ 溶融金属
１ コンタクトチップ
２ プラズマ電極（非消耗電極）
３ プラズマノズル
４ シールドガスノズル
５ 送給ローラ
６ａ ＧＭＡアーク（消耗電極アーク）
６ｂ プラズマアーク（非消耗電極アーク）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シールドガスノズル内に配置された消耗電極および非消耗電極を有する溶接トーチを用いて、消耗電極アークおよび非消耗電極アークを発生させる、２電極アーク溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
消耗電極としてワイヤを送給しながら消耗電極アークを発生させることと、たとえばＡｒなどのプラズマガスを用いて消耗電極アークを囲う非消耗電極アークを発生させることと、を同時に行う２電極アーク溶接が提案されている（たとえば、特許文献１，２参照）。消耗電極アークおよび非消耗電極アークの双方から溶接母材に対して熱を与えるとともに溶融したワイヤを供給するこの手法は、比較的速い溶接速度で溶接する、高効率溶接に適している。
【０００３】
特許文献１に開示された従来技術においては、非消耗電極アークであるプラズマアークを発生させるプラズマアーク溶接電流と消耗電極アークであるＭＩＧアークとを発生させるＭＩＧアーク溶接電流とに、直流パルス電流を用いている。プラズマアーク溶接電流とＭＩＧアーク溶接電流とは、一方がピーク期間であるときに他方がベース期間であるように同期されている。
【０００４】
特許文献２に開示された従来技術においても、図４に示すように、プラズマアーク６ｂを発生させるプラズマアーク溶接電流Ｉｐと、消耗電極アークであるＧＭＡアーク６ａを発生させるためのＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍとに、直流パルス電流を用いている。さらに、この構成においては、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍがハイレベルからローレベルに移行する期間と、プラズマアーク溶接電流Ｉｐがハイレベルをとる期間とが重なる構成とされている。このような構成により、ワイヤＷの溶滴の表面張力を低減させることが可能である。これにより、予期せぬ溶滴の飛散を回避するとともに、溶接母材Ｐに不当な熱影響部が生じることを防止することができる。
【０００５】
特許文献１，２に開示された構成においては、ＧＭＡ（またはＭＩＧ）アーク溶接電流とプラズマアーク溶接電流の１周期ごとにワイヤからの溶滴移行を１回おこなう、いわゆるワンパルスワンドロップ方式が採用されている。そして、図４に示すように、ＧＭＡ溶接電流Ｉｍがハイレベルをとるべく立ち上がるときには、プラズマアーク溶接電流Ｉｐはローレベルをとっている。図５に示すように、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍがハイレベルへと立ち上がるときには、ＧＭＡアークによる熱、およびＧＭＡアーク溶接電流ＩｍがワイヤＷに通電されることによるジュール熱により、ワイヤＷ表面が溶融し液体状態となる。この溶融金属Ｗｌは、薄い膜状となってワイヤＷの表面を覆う。この状態で、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍによってさらに加熱されたワイヤＷは、部分的に昇華する場合がある。これにより、膜状になった溶融金属ＷｌとワイヤＷとの界面に金属蒸気Ｗｇが生じる。この金属蒸気Ｗｇが膜状の溶融金属Ｗｌから噴出するときにチリ状の細かなスパッタが発生してしまうおそれが大きい。
【０００６】
また、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍがハイレベルをとるときには、そのエネルギーによってワイヤＷの溶滴にくびれが生じる。ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍのハイレベル期間の後半からローレベルへの立下りの期間において、溶滴がワイヤＷから離脱し、溶接母材Ｐへと移行する。溶滴が離脱する直前には、溶滴のくびれが非常に小さい状態となる。このくびれ部分は高抵抗な部分となるため、ジュール熱の発生が顕著となる。これに、プラズマアーク溶接電流Ｉｐがハイレベルをとることによって増大するプラズマアーク熱が加わることとなる。このため、ワイヤＷからの金属蒸気Ｗｇの発生が活発となり、スパッタの発生がさらに誘発されてしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１０５０３９号公報
【特許文献２】特開２００９−３４６８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、良好な溶接ビードを形成しつつ、溶接強度を向上させることが可能な２電極アーク溶接方法を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によって提供される２電極アーク溶接方法は、シールドガスを吐出するためのシールドガスノズル内に配置された消耗電極および非消耗電極を備えた溶接トーチを用い、消耗電極アークおよび非消耗電極アークを発生させることにより溶接する２電極アーク溶接方法であって、上記消耗電極アークを生じさせるための消耗電極アーク溶接電流、および上記非消耗電極アークを生じさせるための非消耗電極アーク溶接電流は、ハイレベルとローレベルとを交互にとる直流パルス電流とされており、上記消耗電極アーク溶接電流が、第１ハイレベルをとった後に第２ハイレベルをとり、かつ上記非消耗電極アーク溶接電流が、上記ハイレベルを１回とるごとに、上記消耗電極の溶滴移行が１回行われることを特徴としている。
【００１０】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記第１ハイレベルよりも上記第２ハイレベルの方が小である。
【００１１】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記消耗電極アーク溶接電流が上記ローレベルから上記第１ハイレベルに移行終了するときには、上記非消耗電極アーク溶接電流が上記ハイレベルをとっている。
【００１２】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記消耗電極アーク溶接電流の上記第１ハイレベルから上記ローレベルへの移行終了と、上記非消耗電極アーク溶接電流の上記ハイレベルから上記ローレベルへの移行終了とが、同時に行われる。
【００１３】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記消耗電極アーク溶接電流の上記第２ハイレベルから上記ローレベルへの移行終了と、上記非消耗電極アーク溶接電流の上記ハイレベルから上記ローレベルへの移行終了とが、同時に行われる。
【００１４】
このような構成によれば、上記消耗電極アーク溶接電流が上記第１ハイレベルをとるときは、溶滴の発生を行わせ、上記第２ハイレベルをとるときには、成長した溶滴を離脱させればよい。上記第１ハイレベルをとるときに上記非消耗電極アークによる上記非消耗電極を加熱しておけば、その表面が溶融状態となっている。このため、金属蒸気の発生が突発的におこるおそれが少なく、比較的スムーズに金属蒸気が発生する。したがって、上記消耗電極アーク溶接電流の立ち上がり時におけるチリ状の細かなスパッタの発生を防止することができる。
【００１５】
また、上記第２ハイレベルによって生じるくびれを縮小させる力は、成長した溶滴を移行させるのに十分であればよい。これにより、溶滴のワイヤＷからの離脱を確実に行いつつ、不要な溶融金属の蒸発を防止することが可能である。したがって、溶滴が離脱するときのスパッタ発生を抑制することができる。
【００１６】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る２電極アーク溶接方法に用いられる溶接装置の一例を示すシステム構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態に基づく２電極アーク溶接方法を示すタイミングチャートである。
【図３】本発明の第２実施形態に基づく２電極アーク溶接方法を示すタイミングチャートである。
【図４】従来の２電極アーク溶接方法の一例を示すタイミングチャートである。
【図５】従来の２電極アーク溶接方法の一例における金属蒸気の発生を示す要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。
【００１９】
図１は、本発明に係る２電極アーク溶接方法に用いられる溶接装置の一例を示している。本実施形態の溶接装置Ａは、溶接トーチＢ、ＧＭＡアーク溶接電源（消耗電極アーク溶接電源）ＰＳＭ、およびプラズマアーク溶接電源（非消耗電極アーク溶接電源）ＰＳＰを備えている。溶接トーチＢは、シールドガスノズル４内に、プラズマノズル３、プラズマ電極（非消耗電極）２、およびコンタクトチップ１が同心軸上に配置された構造とされている。シールドガスノズル４とプラズマノズル３との隙間からは、たとえばＡｒなどのシールドガスＧｓが供給される。プラズマノズル３とプラズマ電極２との間には、たとえばＡｒなどのプラズマガスＧｐが供給される。プラズマ電極２とコンタクトチップ１との間には、たとえばＡｒなどのセンターガスＧｃが供給される。
【００２０】
コンタクトチップ１に設けられた貫通孔からは、消耗電極としてのワイヤＷが送給される。コンタクトチップ１は、ワイヤＷに対して導通している。ワイヤＷは、モータＭを駆動源とする送給ローラ５によって送給される。プラズマ電極２は、たとえばＣｕまたはＣｕ合金からなり、図外の経路を通る冷却水によって間接的に水冷されている。プラズマノズル３は、たとえばＣｕまたはＣｕ合金からなり、冷却水を通すチャネルが形成されていることにより、直接水冷されている。溶接トーチＢは、通常ロボット（図示略）によって保持された状態で、溶接母材Ｐに対して移動させられる。
【００２１】
ＧＭＡアーク溶接電源ＰＳＭは、コンタクトチップ１を介してワイヤＷと溶接母材Ｐとの間に、ＧＭＡアーク溶接電圧Ｖｍを印加することにより、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍを流すための電源である。ＧＭＡアーク溶接電源ＰＳＭには、電圧設定回路ＶＲから電圧設定信号Ｖｒｍが送られる。ＧＭＡアーク溶接電源ＰＳＭからは、モータＭに対して送給制御信号Ｆｃが送られる。ＧＭＡアーク溶接電源ＰＳＭからＧＭＡアーク溶接電圧Ｖｍが印加されるときは、ワイヤＷが＋側とされる。
【００２２】
プラズマアーク溶接電源ＰＳＰは、プラズマ電極２と溶接母材Ｐとの間にプラズマアーク溶接電圧Ｖｐを印加することによりプラズマアーク溶接電流Ｉｐを流すための電源である。プラズマアーク溶接電源ＰＳＰには、電圧設定回路ＶＲから電圧設定信号Ｖｒｐが送られる。プラズマアーク溶接電源ＰＳＰからプラズマアーク溶接電圧Ｖｐが印加されるときは、プラズマ電極２が＋側とされる。
【００２３】
次に、本発明に係る２電極アーク溶接方法の第１実施形態について、図２を参照しつつ以下に説明する。本実施形態の２電極アーク溶接は、１．２φ径の溶接ワイヤを用いる溶接において、ワイヤ送給速度が１２．５〜１５ｍ／ｍｉｎ程度の高能率溶接に適用可能である。
【００２４】
ＧＭＡアーク溶接電源ＰＳＭに送られる電圧設定信号Ｖｒｍは、ＧＭＡアーク溶接電圧Ｖｍに周期と振幅とを与える。具体的には、ハイレベルおよびローレベルのときの電圧と、ハイレベルおよびローレベルを切り替えるタイミングとが、電圧設定信号Ｖｒｍによって設定される。これにより、ＧＭＡアーク溶接電圧ＶｍおよびＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍは、ハイレベルとローレベルとの状態を交互にとる直流のパルス電圧およびパルス電流となる。
【００２５】
一方、プラズマアーク溶接電源ＰＳＰに送られる電圧設定信号Ｖｒｐは、プラズマアーク溶接電圧Ｖｐに周期と振幅とを与える。具体的には、ハイレベルおよびローレベルのときの電圧と、ハイレベルおよびローレベルを切り替えるタイミングとが、電圧設定信号Ｖｒｐによって設定される。電圧設定回路ＶＲ内においては、電圧設定信号Ｖｒｍ，Ｖｒｐが互いに同期制御されている。
【００２６】
まず、時刻ｔ１において、プラズマアーク溶接電流ＩｐがローレベルＩｐｂからハイレベルＩｐｐへと立ち上がり始める。このとき、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍは、第１ローレベルＩｍｂ１をとっている。第１ローレベルＩｍｂ１は、たとえば５０〜６０Ａである。
【００２７】
ついで、時刻ｔ２において、プラズマアーク溶接電流ＩｐがハイレベルＩｐｐに達する。これと同時に、ＧＭＡアーク溶接電流ＩｍがローレベルＩｍｂから第１ハイレベルＩｍｐ１へと立ち上がり始める。そして、時刻ｔ３において、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍが第１ハイレベルＩｍｐ１に達する。このときには、同図（ａ）に示すように、ＧＭＡアーク６ａとプラズマアーク６ｂとが発生している。第１ハイレベルＩｍｐ１は、たとえば４００〜４２０Ａである。時刻ｔ１から時刻ｔ２は、たとえば０．５〜０．８ｍｓであり、時刻ｔ２から時刻ｔ３は、たとえば０．６〜０．８ｍｓである。
【００２８】
時刻ｔ３から時刻ｔ４においては、プラズマアーク溶接電流ＩｐがハイレベルＩｐｐをとり、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍが第１ハイレベルＩｍｐ１をとっており、同図（ａ）の状態が継続されている。そして、時刻ｔ４には、ワイヤＷの先端が溶融し、溶融金属にくびれが生じ始める。それとほぼ同時に、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍが第２ローレベルＩｍｂ２に向かって下がり始め、プラズマアーク溶接電流ＩｐがローレベルＩｐｂに向かって下がり始める。時刻ｔ３から時刻ｔ４は、たとえば１．２から１．５ｍｓである。
【００２９】
時刻ｔ５には、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍが第２ローレベルＩｍｂ２をとり、プラズマアーク溶接電流ＩｐがローレベルＩｐｂをとる。時刻ｔ４から時刻ｔ５は、たとえば０．４〜０．６ｍｓである。この状態を時刻ｔ６まで継続する。時刻ｔ５から時刻ｔ６は、たとえば１．５〜２．０ｍｓである。なお、第２ローレベルＩｍｂ２は、第１ローレベルＩｍｂ１よりも若干大きい値であり、たとえば１００〜１２０Ａである。同図（ｂ）に示すように、時刻ｔ５から時刻ｔ６までの期間においては、発生熱量の減少によりワイヤＷの溶滴のくびれは縮小するが、溶滴は徐々に成長を続ける。
【００３０】
そして、時刻ｔ６には、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍを第２ローレベルＩｍｂ２から第２ハイレベルＩｍｐ２へと立ち上げる。第２ハイレベルＩｍｐ２は、第１ハイレベルＩｍｐ１よりも若干小さい値であり、たとえば３００〜３５０Ａである。ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍが第２ハイレベルＩｍｐ２をとることにより、同図（ｃ）に示すようにワイヤＷの溶滴に再びくびれが生じる。時刻ｔ５から時刻ｔ６にかけて溶滴が肥大しているため、第２ハイレベルＩｍｐ２によってくびれを縮小させる力が作用すると、同図（ｄ）に示すように溶滴はワイヤＷから離脱し、溶接母材Ｐへと移行する。時刻ｔ７においては、溶滴移行が完了し、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍが第１ローレベルＩｍｂ１をとる。時刻ｔ６から時刻ｔ７は、たとえば０．５〜０．８ｍｓである。この後は、所定の時間が経過した後に再び時刻ｔ１〜時刻ｔ７を繰り返す。これにより、２電極アーク溶接が継続される。
【００３１】
次に、本発明に係る２電極アーク溶接方法の作用について説明する。
【００３２】
本実施形態によれば、１回の溶滴移行を行うに際し、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍが第２ローレベルＩｍｂ２を挟んで第１ハイレベルＩｍｐ１と第２ハイレベルＩｍｐ２とをとる。第１ハイレベルＩｍｐ１をとる時刻ｔ３においては、プラズマアーク溶接電流ＩｐがすでにハイレベルＩｐｐをとっている。このため、時刻ｔ３においては、ワイヤＷがプラズマアーク６ｂによってすでに加熱されており、その表面が溶融状態となっている。この状態でＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍが第１ハイレベルＩｍｐ１をとると、金属蒸気の発生が突発的におこるおそれが少なく、比較的スムーズに金属蒸気が発生する。したがって、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍの立ち上がり時におけるチリ状の細かなスパッタの発生を防止することができる。
【００３３】
第１ハイレベルＩｍｐ１をとりつづけると溶滴に顕著なくびれが生じ、溶滴移行が始まる。しかしながら、本実施形態においては、溶滴移行が開始する前に、第２ローレベルＩｍｂ２をとらせる。第２ローレベルＩｍｂ２は、第１ハイレベルＩｍｐ１ほどの熱エネルギーを生じることは無いが、第１ローレベルＩｍｂ１よりも大きな電流である。このため、時刻ｔ５から時刻ｔ６にかけても溶滴が徐々に成長する。この成長が過度に継続されると、自重によって溶滴が鉛直方向に比較的細長い形状となってしまい、短絡やスパッタの発生を誘発する。本実施形態においては、時刻ｔ６においてＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍに第２ハイレベルＩｍｐ２をとらせる。第２ハイレベルＩｍｐ２は第１ハイレベルＩｍｐ１よりも小さい電流であるが、これによって生じるくびれを縮小させる力は、成長した溶滴を離脱させるのに十分である。これにより、溶滴のワイヤＷからの離脱を確実に行いつつ、不要な溶融金属の蒸発を防止することが可能である。したがって、溶滴が離脱するときのスパッタ発生を抑制することができる。
【００３４】
図３は、本発明に係る２電極アーク溶接方法の第２実施形態を示している。なお、本図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。本実施形態においては、プラズマアーク溶接電圧Ｖｐおよびプラズマアーク溶接電流Ｉｐの設定が、上述した実施形態と異なっている。
【００３５】
本実施形態においては、時刻ｔ２においてプラズマアーク溶接電流ＩｐがハイレベルＩｐｐをとった後、時刻ｔ７においてローレベルＩｐｂに下降させる。このため、ＧＭＡアーク溶接電流Ｉｍが第１ハイレベルＩｍｐ１および第２ハイレベルＩｍｐ２をとっている期間は、プラズマアーク溶接電流ＩｐはハイレベルＩｐｐをとることとなる。これにより、第１ハイレベルＩｍｐ１および第２ハイレベルＩｍｐ２をとることによって溶滴の成長やくびれ発生がなされるときには、プラズマアーク６ｂはほとんど変動しない。したがって、上述した第１実施形態と同様の効果に加えて、よりスムーズに溶滴のワイヤＷからの離脱および溶接母材Ｐへの移行が期待できる。
【００３６】
本発明に係る２電極アーク溶接方法は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る２電極アーク溶接方法の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
【符号の説明】
【００３７】
Ａ 溶接装置
Ｂ 溶接トーチ
Ｉｍ ＧＭＡアーク溶接電流（消耗電極アーク溶接電流）
Ｉｍｐ１ 第１ハイレベル
Ｉｍｐ２ 第２ハイレベル
Ｉｍｂ１ 第１ローレベル
Ｉｍｂ２ 第２ローレベル
Ｉｐ プラズマアーク溶接電流（非消耗電極アーク溶接電流）
Ｉｐｐ ハイレベル
Ｉｐｂ ローレベル
Ｐ 溶接母材
ＰＳＭ ＧＭＡアーク溶接電源（消耗電極アーク溶接電源）
ＰＳＰ プラズマアーク溶接電源（非消耗電極アーク溶接電源）
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒｍ，Ｖｒｐ 電圧設定信号
Ｖｍ ＧＭＡアーク溶接電圧（消耗電極アーク溶接電圧）
Ｖｐ プラズマアーク溶接電圧（非消耗電極アーク溶接電圧）
Ｗ ワイヤ（消耗電極）
Ｗｇ 金属蒸気
Ｗｌ 溶融金属
１ コンタクトチップ
２ プラズマ電極（非消耗電極）
３ プラズマノズル
４ シールドガスノズル
５ 送給ローラ
６ａ ＧＭＡアーク（消耗電極アーク）
６ｂ プラズマアーク（非消耗電極アーク）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールドガスを吐出するためのシールドガスノズル内に配置された消耗電極および非消耗電極を備えた溶接トーチを用い、消耗電極アークおよび非消耗電極アークを発生させることにより溶接する２電極アーク溶接方法であって、
上記消耗電極アークを生じさせるための消耗電極アーク溶接電流、および上記非消耗電極アークを生じさせるための非消耗電極アーク溶接電流は、ハイレベルとローレベルとを交互にとる直流パルス電流とされており、
上記消耗電極アーク溶接電流が、第１ハイレベルをとった後に第２ハイレベルをとり、かつ上記非消耗電極アーク溶接電流が、上記ハイレベルを１回とるごとに、上記消耗電極の溶滴移行が１回行われることを特徴とする、２電極アーク溶接方法。
【請求項２】
上記第１ハイレベルよりも上記第２ハイレベルの方が小である、請求項１に記載の２電極アーク溶接方法。
【請求項３】
上記消耗電極アーク溶接電流が上記ローレベルから上記第１ハイレベルに移行終了するときには、上記非消耗電極アーク溶接電流が上記ハイレベルをとっている、請求項１または２に記載の２電極アーク溶接方法。
【請求項４】
上記消耗電極アーク溶接電流の上記第１ハイレベルから上記ローレベルへの移行終了と、上記非消耗電極アーク溶接電流の上記ハイレベルから上記ローレベルへの移行終了とが、同時に行われる、請求項３に記載の２電極アーク溶接方法。
【請求項５】
上記消耗電極アーク溶接電流の上記第２ハイレベルから上記ローレベルへの移行終了と、上記非消耗電極アーク溶接電流の上記ハイレベルから上記ローレベルへの移行終了とが、同時に行われる、請求項３に記載の２電極アーク溶接方法。
【請求項１】
シールドガスを吐出するためのシールドガスノズル内に配置された消耗電極および非消耗電極を備えた溶接トーチを用い、消耗電極アークおよび非消耗電極アークを発生させることにより溶接する２電極アーク溶接方法であって、
上記消耗電極アークを生じさせるための消耗電極アーク溶接電流、および上記非消耗電極アークを生じさせるための非消耗電極アーク溶接電流は、ハイレベルとローレベルとを交互にとる直流パルス電流とされており、
上記消耗電極アーク溶接電流が、第１ハイレベルをとった後に第２ハイレベルをとり、かつ上記非消耗電極アーク溶接電流が、上記ハイレベルを１回とるごとに、上記消耗電極の溶滴移行が１回行われることを特徴とする、２電極アーク溶接方法。
【請求項２】
上記第１ハイレベルよりも上記第２ハイレベルの方が小である、請求項１に記載の２電極アーク溶接方法。
【請求項３】
上記消耗電極アーク溶接電流が上記ローレベルから上記第１ハイレベルに移行終了するときには、上記非消耗電極アーク溶接電流が上記ハイレベルをとっている、請求項１または２に記載の２電極アーク溶接方法。
【請求項４】
上記消耗電極アーク溶接電流の上記第１ハイレベルから上記ローレベルへの移行終了と、上記非消耗電極アーク溶接電流の上記ハイレベルから上記ローレベルへの移行終了とが、同時に行われる、請求項３に記載の２電極アーク溶接方法。
【請求項５】
上記消耗電極アーク溶接電流の上記第２ハイレベルから上記ローレベルへの移行終了と、上記非消耗電極アーク溶接電流の上記ハイレベルから上記ローレベルへの移行終了とが、同時に行われる、請求項３に記載の２電極アーク溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−７３０２５（Ｐ２０１１−７３０２５Ａ）
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２５７７７（Ｐ２００９−２２５７７７）
【出願日】平成２１年９月３０日（２００９．９．３０）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月３０日（２００９．９．３０）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
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