JP7033517B2 - アーク溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、セラミック製のエンドタブを用いて行うアーク溶接方法に関する。

溶接方法の一つに、消耗電極式のガスシールドアーク溶接法がある。ガスシールドアーク溶接法は、母材の被溶接部に送給された溶接ワイヤと、母材との間にアークを発生させ、アークの熱によって母材を溶接する手法であり、特に高温になった母材の酸化を防ぐために、不活性ガスを溶接部周辺に噴射しながら溶接を行うものである。高速で溶接ワイヤの送給を行い、大電流を供給することによって、９～３０ｍｍの厚板の１パス溶接を実現することができる。具体的には、溶接ワイヤを約５～１００ｍ／分で送給し、３００Ａ以上の大電流を供給することによって、厚板の１パス溶接を実現することができる。溶接ワイヤの高速送給及び大電流供給を行うと、アークの熱によって母材に凹状の溶融池が形成され、溶接ワイヤの先端部が溶融池によって囲まれる空間に進入する。溶接ワイヤの先端部が母材表面より深部に進入することによって、溶融池が母材の厚み方向裏面側にまで貫通し、１パス溶接が可能になる。以下、凹状の溶融池によって囲まれる空間を埋もれ空間と呼び、埋もれ空間に進入した溶接ワイヤの先端部と、母材又は溶融池との間に発生するアークを、適宜、埋もれアークと呼ぶ。また、埋もれアークを用いた溶接を埋もれアーク溶接と呼ぶ。

特開平６－２３４０７４号公報

ところが、セラミック製のエンドタブを用いて埋もれアーク溶接を行うと、大電流によってエンドタブ近傍の始端部に、二酸化ケイ素等の非金属物質からなるスラグが発生し、問題となることが分かった。具体的には、大電流溶接ではあるものの、被溶接部の始端部においては十分な入熱が得られず、セラミックに起因する非金属物質がスラグとして溶融池表面に浮き上がること無く溶接部に残留してしまい、溶接欠陥となることが分かった。なお、非埋もれアーク溶接では、溶接電流が小さいため、セラミック製のエンドタブに起因する上記のような溶接欠陥が問題となることは無かった。

本発明の目的は、セラミック製のエンドタブを用いた埋もれアーク溶接において、被溶接部の始端部における非金属物質の残留を防ぎ、良好な溶接部を得ることができるアーク溶接方法を提供することにある。

本態様に係るアーク溶接方法は、溶接トーチを母材の被溶接部の始端部から終端部へ移動させながら溶接ワイヤを送給すると共に、該溶接ワイヤに溶接電流を供給することによって、前記溶接ワイヤの先端部及び前記被溶接部間にアークを発生させ、該アークにより前記母材に形成される凹状の溶融池によって囲まれる空間に前記先端部を進入させて前記母材を溶接する消耗電極式のアーク溶接方法であって、前記被溶接部の前記始端部にセラミック製のエンドタブを配置し、前記溶接トーチを後退角の状態にして前記始端部へ移動させ、後退角の状態で溶接を開始し、所定時間を経過後に前記溶接トーチを面直にすることで、前記エンドタブに起因するスラグを溶融池表面に浮き上がらせる。

本態様に係るアーク溶接方法は、溶接開始後、前記溶接トーチを前記被溶接部に沿って前記終端部側へ移動させ、溶接開始後、前記所定時間が経過するまでの間に、前記溶接トーチを後退角の状態から面直の状態に戻す。

本態様に係るアーク溶接方法は、溶接開始後、前記所定時間が経過するまでの間に、前記溶接電流を増加させる。

本態様に係るアーク溶接方法は、前記後退角の範囲は、前記母材の法線方向に対する前記溶接トーチの傾斜角度が５度以上２５度以下である。

本態様にあっては、溶接トーチを後退角の状態にして被溶接部の始端部へ移動させ、溶接を開始する。従って溶接トーチを面直にして溶接を開始する場合に比べて、より大きな入熱と、深い溶け込みが得られる。所定時間、後退角の状態で溶接を行うことによって、セラミック製のエンドタブに起因するスラグを溶融池表面に浮き上がらせることができ、始端部の溶接品質が良好なものとなる。

本発明にあっては、セラミック製のエンドタブを用いた埋もれアーク溶接において、被溶接部の始端部における非金属物質の残留を防ぎ、良好な溶接部を得ることができる。

アーク溶接装置の一構成例を示す模式図である。 アーク溶接方法を示すフローチャートである。 溶接対象の母材及びエンドタブを示す斜視図である。 溶接対象の母材及びエンドタブを示す平面図である。 溶接開始方法を示す模式図である。 後退角から面直に戻すまでの所定時間の最適範囲を示す説明図である。 後退角の最適範囲を示す説明図である。 ワイヤ突き出し長さの最適範囲を示す説明図である。 溶接終了方法を示す模式図である。 被溶接部の終端部を拡大して示した模式図である。 溶接電流を低下又は停止させるべきエンドタブからの距離の最適範囲を示す説明図である。 適切なタイミングで溶接を終了したときの終端部におけるビード形状を示した説明図である。 不適切なタイミングで溶接を終了したときの終端部におけるビード形状を示した説明図である。

以下、本発明をその実施形態を示す図面に基づいて詳述する。
図１は、アーク溶接装置の一構成例を示す模式図である。本実施形態に係るアーク溶接装置は、３００Ａ以上の大電流埋もれアーク溶接が可能な消耗電極式のガスシールドアーク溶接機であり、溶接トーチ１１及びワイヤ送給部１２が取り付けられた溶接ロボット１と、溶接電源２と、制御装置３と、図示しないシールドガス供給部とを備える。図１中、太線は給電ケーブルＬ、細線は制御通信線である。制御装置３は、動作制御信号を溶接ロボット１へ出力すると共に、所定のタイミングで溶接制御信号を溶接電源２へ出力することによって、溶接ロボット１及び溶接電源２の動作を制御する。

溶接ロボット１は、床面の適宜箇所に固定される基部１３を備える。基部１３には、複数のアーム１４が軸部を介して回動可能に連結している。先端側に連結されたアーム１４の先端部位には、溶接トーチ１１が保持されている。アーム１４の連結部分にはサーボモータが設けられており、サーボモータの回転駆動力によって軸部を中心に各アーム１４が回動する。サーボモータの回転は制御装置３によって制御されている。制御装置３は、各アーム１４を回動させることによって、母材４に対して溶接トーチ１１を上下前後左右に移動させることができる。各アーム１４の連結部分には、アーム１４の回動位置を示す信号を制御装置３へ出力するエンコーダが設けられており、制御装置３は、エンコーダから出力された信号に基づいて、溶接トーチ１１の位置を認識する。また、制御装置３は溶接電源２と通信を行い、溶接ワイヤＷの送給及び溶接電流の供給を制御する。

シールドガス供給部は、溶接トーチ１１へシールドガスを供給する。シールドガスは、アークによって溶融した母材４及び溶接ワイヤＷの酸化を防止するためのものである。シールドガスは、例えばアルゴンＡｒ、二酸化炭素ＣＯ₂ 及びヘリウムＨｅの混合ガス、又はアルゴンＡｒ及びヘリウムＨｅの混合ガスである。

溶接トーチ１１は、銅合金等の導電性材料からなり、母材４の被溶接部へ溶接ワイヤＷを案内すると共に、アークの発生に必要な溶接電流を供給する円筒形状のコンタクトチップを有する。コンタクトチップは、その内部を挿通する溶接ワイヤＷに接触し、溶接電流を溶接ワイヤＷに供給する。また、溶接トーチ１１は、コンタクトチップを囲繞する中空円筒形状をなし、シールドガス供給部から供給されたシールドガスを被溶接部へ噴射するノズルを有する。

溶接ワイヤＷは、例えばソリッドワイヤ、メタルコアードワイヤ又はフラックスコアードワイヤであり、消耗電極として機能する。溶接ワイヤＷの直径は０．８ｍｍ以上１．６ｍｍ以下である。溶接ワイヤＷは、例えば、螺旋状に巻かれた状態でペールパックに収容されたパックワイヤ、あるいはワイヤリールに巻回されたリールワイヤである。

ワイヤ送給部１２は、溶接ワイヤＷを溶接トーチ１１へ送給する送給ローラと、当該送給ローラを回転させるモータとを有する。ワイヤ送給部１２は、送給ローラを回転させることによって、ペールパック又はワイヤリールから溶接ワイヤＷを引き出し、引き出された溶接ワイヤＷを溶接トーチ１１へ定速で供給する。溶接ワイヤＷの送給速度は、例えば、約５～１００ｍ／分である。なお、かかる溶接ワイヤＷの送給方式は一例であり、特に限定されるものでは無い。

溶接電源２は、定電圧特性の電源であり、給電ケーブルＬを介して、溶接トーチ１１のコンタクトチップ及び母材４に接続された電源回路を備える。電源回路は、ＰＷＭ制御された直流を出力する回路であり、溶接ワイヤＷ及び母材４間に溶接電圧を印加することにより、溶接電流を供給する。特に、本実施形態に係る溶接電源２は３００Ａの溶接電流を供給する。溶接電流は直流又は直流パルスが望ましいが、特に限定されるものでは無く、交流ないし交流パルスであっても良い。溶接電流が変動する場合における３００Ａは、当該溶接電流の平均値を意味する。

このように構成されたアーク溶接装置によれば、母材４の被溶接部にシールドガスを供給しながら溶接ワイヤＷを送給すると共に、溶接ワイヤＷに溶接電流を供給することによって、溶接ワイヤＷの先端部及び被溶接部間にアークを発生させ、当該アークにより母材４に形成される凹状の溶融池によって囲まれる空間に当該先端部を進入させて母材４を溶接することができる。

図２は、アーク溶接方法を示すフローチャート、図３は、溶接対象の母材４及びエンドタブ５，６を示す斜視図、図４は、溶接対象の母材４及びエンドタブ５，６を示す平面図、図５は、溶接開始方法を示す模式図である。まず、溶接により接合されるべき一対の板状の母材４を用意する（ステップＳ１１）。具体的には、図３及び図４に示すように、第１母材４１と、レ型開先が形成された第２母材４２とを用意し、被接合部を突き合わせて配置する。第１母材４１及び第２母材４２は、例えば軟鋼、機械構造用炭素鋼、機械構造用合金鋼等の鋼板であり、厚みは９ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。図３及び図４に示す例では、第１母材４１は例えば方形板状、第２母材４２は短辺が第１母材４１の辺よりも短い矩形板状であり、第１母材４１の一辺に対して、第２母材４２の短辺を突き合わせている。第１母材４１は、例えば柱の長手方向一端面を構成する鋼板であり、第２母材４２は梁を構成する鋼板である。本実施形態では、第１母材４１及び第２母材４２の厚みは１２ｍｍとする。開先の角度は、例えば３５度である。

次いで、図５Ａに示すように、母材４の被溶接部の始端部４ａ及び終端部４ｂにセラミック製のエンドタブ５，６を配置する（ステップＳ１２）。エンドタブ５，６は、被溶接部の始端部４ａ及び終端部４ｂに生じやすい溶接欠陥を外側に逃がすためのものである。
エンドタブ５，６は被溶接部の始端部４ａ及び終端部４ｂを側面側から覆うことが可能な寸法を有する板状であり、開先の形状に倣った凹部を有する。エンドタブ５，６の凹部の深さは例えば、３ｍｍ以上５ｍｍ以下である。図３及び図４は、第１母材４１及び第２母材４２に形成される被溶接部の始端部４ａ及び終端部４ｂにエンドタブ５，６が配置された状態を示している。エンドタブ５，６はクランプ等によって固定される。

＜溶接開始方法＞
溶接ロボット１は、図５Ｂに示すように、溶接トーチ１１を後退角の状態にして始端部４ａへ移動させる（ステップＳ１３）。後退角の範囲は、母材４の法線方向に対する前記溶接トーチ１１の傾斜角度が５度以上２５度以下である。また、溶接ワイヤＷの突き出し長さは１５ｍｍ以上３０ｍｍ以下が適当である。本実施形態では、後退角を２０度、突き出し長さを２５ｍｍで溶接を開始するものとする。

次いで、溶接電源２は、溶接トーチ１１を後退角の状態にしたまま低電流で溶接を開始させる（ステップＳ１４）。例えば、埋もれアーク溶接の溶接電流（本電流）が５２０Ａである場合、当該本電流の約８０％の溶接電流４１６Ａで溶接を開始する。溶接電流４００Ａ程度で開始しても良い。溶接電圧は、例えば４３．５Ｖである。

そして、溶接電流を上昇させながら（ステップＳ１５）、直線状の被溶接部に沿って溶接トーチ１１を被溶接部の終端側へ移動させる（ステップＳ１６）。溶接トーチ１１の移動速度は、例えば３０ｃｍ／分である。溶接電流は、溶接トーチ１１の移動開始時点で上記本電流まで上昇させても良いし、後述する所定時間が経過するまでの間に、徐々に溶接電流を上昇させても良い。

次いで、図５Ｃに示すように、溶接開始後、所定時間が経過するまでの間に、溶接トーチ１１を徐々に後退角の状態から面直の状態に戻す（ステップＳ１７）。面直の状態とは、母材４の法線方向に対する溶接トーチ１１の傾斜角度が０度の状態、つまり溶接ワイヤＷの送給方向が鉛直方向になる状態である。溶接開始後、所定時間が経過した時点で、溶接トーチ１１は面直の状態になっている。所定時間は、エンドタブ５に起因するスラグを溶融池表面に浮き上がらせるために必要な時間である。所定時間は、例えば０秒超５秒以内である。本実施形態では所定時間４秒で、溶接トーチ１１を面直にするものとする。そして、面直となったときの溶接ワイヤＷの突き出し長さを２０ｍｍとする。

上記の溶接開始後は、溶接トーチ１１を面直にした状態で終端側へ移動させながら埋もれアーク溶接を継続する（ステップＳ１８）。

図６は、板厚１２ｍｍ、レ型開先、開先角度３５度、下向き突き合わせ溶接という「建築工事標準仕様書 ＪＡＳＳ６ 鉄骨工事」に定める施工対象に対し、適切な溶接条件である溶接電流５２０Ａ、溶接電圧４３．５Ｖ、溶接速度３０ｃｍ／分にて溶接した場合の、後退角から面直に戻すまでの所定時間の最適範囲を示す説明図である。以降の最適範囲を示す説明図は、前記施工対象に対して、前記溶接条件を用いた場合のものである。横軸は、溶接トーチ１１を後退角の状態から面直の状態に戻すために使用した所定時間を示している。所定時間を０秒、１秒、２秒、３秒、４秒、５秒及び６秒で実験を行った所、所定時間が０秒ではスラグが巻き込まれ、融合不良が生じるともに、溶け込み不足も生じた。所定時間が１秒以上５秒以下では、始端部４ａの溶接状態は良好であった。しかし、所定時間が５秒超ではビード幅が不整となり、溶接品質が悪化した。

図７は、後退角の最適範囲を示す説明図である。横軸は後退角の大きさを示している。後退角を０度、５度、１０度、１５度、２０度、２５度及び３０度で実験を行った所、後退角が０度以上５度未満である場合、溶け込みが不足し、始端部４ａの溶接品質は不良であった。後退角が５度以上２５度以下である場合、始端部４ａの溶接品質は良好であった。後退角が２５度超ではビード幅が不整となり、溶接品質が悪化した。

図８は、ワイヤ突き出し長さの最適範囲を示す説明図である。横軸は溶接ワイヤＷの突き出し長さを示している。突き出し長さを、５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍ、３０ｍｍ及び３５ｍｍで実験を行った所、突き出し長さが１５ｍｍ未満である場合、溶接トーチ１１のチップに溶融金属が付着するという問題が発生する。突き出し長さが１５ｍｍ以上３０ｍｍ以下である場合、始端部４ａの溶接品質は良好であった。突き出し長さが３０ｍｍ超では溶接状態が不安定になった。

＜溶接終了方法＞
図９は、溶接終了方法を示す模式図、図１０は、被溶接部の終端部４ｂを拡大して示した模式図である。溶接トーチ１１が終端側に近づいてきた場合、以下の終端処理を実行する。溶接トーチ１１から送給される溶接ワイヤＷが、終端側のエンドタブ６から第１所定距離ｄ手前に到達した場合、溶接電流を低下させる（ステップＳ１９）。第１所定距離ｄはエンドタブ６の凹部の終端面、つまり、溶接線方向に直行する面からの溶接ワイヤＷの中心線までの距離である。第１所定距離ｄは、溶融池がエンドタブ６の凹部に進入することを防ぐことが可能な距離である。また、第１所定距離ｄは、溶接ワイヤＷがエンドタブ６の凹部に進入することを防ぐことが可能な距離である。第１所定距離ｄは、例えば３ｍｍ超１０ｍｍ以下である。
溶接電流の低下の度合いは、埋もれアークを維持することができる範囲内で任意に設定すれば良い。例えば、３００Ａ以上５２０Ａ未満の範囲内で、溶接電流を低下させれば良い。

そして、溶接装置は、低溶接電流のまま溶接を継続し（ステップＳ２０）、溶接ワイヤＷが、終端側のエンドタブ６から第２所定距離ａ手前に到達した場合、溶接を停止させ（ステップＳ２１）、溶接を終了する。第２所定距離ａはエンドタブ６の凹部の終端面、つまり、溶接線方向に直行する面からの溶接ワイヤＷの中心線までの距離である。第２所定距離ａは、溶接ワイヤＷがエンドタブ６に接触することを防ぐことが可能な距離である。また、第２所定距離ａは、終端部４ｂで発生するスラグ溜まり７に溶接ワイヤＷが接触することを防ぐことが可能な距離である。具体的には、第２所定距離ａは、エンドタブ６の凹部の終端面の直前、例えば１ｍｍ以上３ｍｍ以下である。

図１１は、溶接電流を低下又は停止させるべきエンドタブ６からの距離の最適範囲を示す説明図、図１２は、適切なタイミングで溶接を終了したときの終端部４ｂにおけるビード形状を示した説明図、図１３は、不適切なタイミングで溶接を終了したときの終端部４ｂにおけるビード形状を示した説明図である。
図１２Ａ及び図１３Ａは終端部４ｂに形成されたビードの外観を示す写真、図１２Ｂ及び図１３Ｂは終端部４ｂに形成されたビードの外観を示した模式図である。

図１１中、横軸はセラミックタブからの距離を示している。溶接電流を停止させるタイミングであるセラミックタブからの距離を、６ｍｍ、５ｍｍ、４ｍｍ、３ｍｍ、２ｍｍ、１ｍｍ及び０ｍｍで実験を行った所、エンドタブ６の凹部の手前３ｍｍ超で溶接電流を停止させた場合、終端部４ｂにおける溶融金属が不足し、ビード端形成が不良となる。エンドタブ６の凹部の手前１ｍｍ以上３ｍｍ以下で溶接電流を停止させた場合、図１２に示すように、終端部４ｂにおける溶接品質が良好であった。被溶接部の終端部４ｂまで、過不足無くビードが形成されている。エンドタブ６の凹部の手前１ｍｍ未満で溶接電流を停止させた場合、図１３に示すようにセラミック製のエンドタブ６に起因する終端部４ｂで大量に生成されたスラグがビードへ噛み込み、溶接品質が悪化した。被溶接部の終端部４ｂに大量生成されたスラグが母材４側に溢れ、スラグの噛み込みが発生している。

以上の通り、本実施形態に係るアーク溶接方法によれば、セラミック製のエンドタブ５を用いた埋もれアーク溶接において、被溶接部の始端部４ａにおける非金属物質の残留を防ぎ、良好な溶接部を得ることができる。

具体的には、図６に示すように、１秒以上５秒以下の時間をかけて溶接トーチ１１を後退角の状態から面直の状態に徐々に戻すことによって、始端部４ａにおける良好な溶接結果を得ることができる。

また、溶接トーチ１１を後退角の状態から面直の状態に戻す過程で、徐々に溶接電流を上昇させることにより、始端部４ａにおける良好な溶接結果を得ることができる。また、始端部４ａ及び終端部４ｂ以外の部位の溶接に適した溶接電流に徐々に移行させることにより、始端部４ａから当該部位にかけても良好な溶接結果を得ることができる。

更に、図７に示すように、後退角を５度以上２５度以下にして溶接を開始することによって、始端部４ａにおける良好な溶接結果を得ることができる。

更にまた、図８に示すように、ワイヤ突き出し長さを１５ｍｍ以上３０ｍｍ以下にして溶接を開始することによって、始端部４ａにおける良好な溶接結果を得ることができる。

更にまた、埋もれアーク溶接によって形成された溶融池がエンドタブ６の凹部に進入する前に溶接電流を低下させることにより、大電流埋もれアークと、セラミック製のエンドタブ５，６に起因するスラグの発生を抑えることができ、終端部４ｂの溶接品質が良好なものとなる。
具体的には、溶接ワイヤＷがエンドタブ６に接触する前、好ましくは溶接ワイヤＷがエンドタブ６の凹部に進入する前に溶接電流を低下させることにより、大電流埋もれアークと、セラミック製のエンドタブ５，６に起因するスラグの発生を抑えることができる。

更にまた、溶接ワイヤＷがスラグ及びエンドタブ６に接触する前に溶接電流を停止させることにより、大電流埋もれアークと、セラミック製のエンドタブ５，６に起因するスラグの発生を抑え、スラグの噛み込みを防ぐことができ、終端部４ｂの溶接品質が良好なものとなる。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 溶接ロボット
２ 溶接電源
３ 制御装置
４ 母材
４ａ 始端部
４ｂ 終端部
５，６ エンドタブ
７ スラグ溜まり
１１ 溶接トーチ
１２ ワイヤ送給部
１３ 基部
１４ アーム
４１ 第１母材
４２ 第２母材
Ｌ ケーブル
Ｗ 溶接ワイヤ

Claims (4)

1. 溶接トーチを母材の被溶接部の始端部から終端部へ移動させながら溶接ワイヤを送給すると共に、該溶接ワイヤに溶接電流を供給することによって、前記溶接ワイヤの先端部及び前記被溶接部間にアークを発生させ、該アークにより前記母材に形成される凹状の溶融池によって囲まれる空間に前記先端部を進入させて前記母材を溶接する消耗電極式のアーク溶接方法であって、
   前記被溶接部の前記始端部にセラミック製のエンドタブを配置し、
   前記溶接トーチを後退角の状態にして前記始端部へ移動させ、
   後退角の状態で溶接を開始し、
   所定時間を経過後に前記溶接トーチを面直にすることで、
   前記エンドタブに起因するスラグを溶融池表面に浮き上がらせる
   アーク溶接方法。
2. 溶接開始後、前記溶接トーチを前記被溶接部に沿って前記終端部側へ移動させ、
   溶接開始後、前記所定時間が経過するまでの間に、前記溶接トーチを後退角の状態から面直の状態に戻す
   請求項１に記載のアーク溶接方法。
3. 溶接開始後、前記所定時間が経過するまでの間に、前記溶接電流を増加させる
   請求項１又は請求項２までのいずれか一項に記載のアーク溶接方法。
4. 前記後退角の範囲は、
   前記母材の法線方向に対する前記溶接トーチの傾斜角度が５度以上２５度以下である
   請求項１～請求項３までのいずれか一項に記載のアーク溶接方法。

Images