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高電流埋もれアークを用いた高能率アーク溶接システム「D-Arc」の開発

株式会社ダイヘン
馬 塲 勇 人

1. はじめに

施工に多大な工数がかかる厚板溶接においては、能率の向上を目的として様々な溶接法が開発・適用されてきた。それらの中でも最も汎用的に用いられる溶接プロセスのひとつとして、ガスシールドアーク溶接による多層溶接が挙げられる。

厚板のガスシールドアーク溶接においては、母材底部を十分に溶融させるために、開先を広く取る必要がある。広い開先を埋めるために溶接パス数が増加し、その結果として、溶接作業工数の増大や、角変形などの溶接変形量の増大といった問題が生じる。

そこで筆者らは、図1に示すように、これらの問題を解決することを目的として、埋もれアークという特徴的なアーク現象を用いた高能率アーク溶接システム「D-Arc」の開発に取り組んだ。本稿では、高電流埋もれアークの安定化技術ならびにD-Arcを用いた溶接施工例について紹介する。

図1 高能率アーク溶接システム「D-Arc」の開発コンセプト

2. 埋もれアーク現象について

埋もれアーク現象は、一般的には図2および動画1のように、ワイヤ先端位置が溶融金属表面よりも深い位置にある状態でアークが発生する現象として理解されている。埋もれアーク現象はガスシールドアーク溶接におけるアーク現象のひとつとして従来から知られており、溶接に関する一般的な文献において紹介されている例もある1)。埋もれアークでは、母材のより深い部分にアークによる入熱が与えられるため、一般的なアーク現象と比較して、より深い溶込みを得ることができるという特徴があり、厚板溶接に適したアーク現象といえる。

図2 一般的なアークと埋もれアークのイメージ図

動画1 埋もれアークのイメージ動画

しかしながら埋もれアークには、アークが不安定化しやすいという欠点がある。埋もれアーク現象においては、アーク力によって溶融金属が押し広げられて空間が形成され(以後「埋もれ空間」と呼ぶ)、その空間にワイヤ先端が侵入して埋もれアークとなる。埋もれ空間は揺動しやすく、その結果として埋もれアークの不安定化につながるが、動画2に例を示すように、一般的な定電圧特性の溶接電源では埋もれ空間の安定化は困難である。埋もれ空間が大きく揺動することにより、溶融池の不安定化や不定期な短絡が生じ、アークは著しく不安定化する。溶接ビードは図3に示すように大きく乱れ、大粒のスパッタも多量に発生する。

動画2 一般的な定電圧特性の溶接電源による不安定な埋もれアーク現象

図3 不安定な埋もれアーク溶接における溶接ビード