专利名称：脉冲弧焊方法
技术领域：
本发明涉及将二氧化碳单体或以二氧化碳为主成分含有的混合气体作为保护气体而使用的脉冲弧焊方法，特别涉及通过实施与脉冲同期的熔滴过渡而使焊弧稳定化，并且能够大幅降低飞溅发生量和烟尘发生量的脉冲弧焊方法。
背景技术：
以Ar-5～30％CO2混合气体为保护气体而使用的MAG焊接方法，由于熔滴细粒化而能够降低飞溅发生量，因此一直以来在广泛领域中应用。特别是在要求高品质焊接的领域中，通过将焊接电流作为100～350IIz左右的脉冲电流输出，作为1脉冲1熔滴过渡的脉冲MAG焊接方法的应用展开。
然而，Ar气与二氧化碳相比价格昂贵，因此通常的焊接施工时，大多采用将二氧化碳单体或以二氧化碳为主成分的混合气体作为保护气体。
另一方面，将二氧化碳单体或以二氧化碳为主成分的混合气体作为保护气体使用时，与MAG焊接方法比较，熔滴粗大化达10倍左右的大小，因为借助电弧力而不规则地振动、变形，所以容易发生与母材的短路及断弧，熔滴过渡也不规则，存在飞溅及烟尘多发这样的问题点。
针对上述问题点，在特开平7-290241号公报及特开平7-47473号公报中，提出了在二氧化碳气体保护电弧焊中应用脉冲焊，通过规定脉冲参数及焊丝成分，从而也在二氧化碳气体保护焊中实现1脉冲1熔滴过渡的方法。这些现有技术，是通过在外加峰值电流前使焊丝前端形成充分大小的熔滴，由此峰值电流的电磁收缩力使熔滴的缩颈立刻产生，并能够在熔滴被电弧力推回到焊丝方向之前使熔滴从焊丝脱离。
另外，关于上述的现有焊接方法，在特开平8-267238号公报中提出的焊接方法是，通过进行外部特性转换控制作为焊接电源的输入控制方法，从而能够实现更进一步降低飞溅。
另外，特开2003-236668号公报及特开2001-129668号公报中认为，关于使用以二氧化碳为主体的保护气体的电弧焊方法，通过在1熔滴的过渡时间内振荡7脉冲以上，能够降低飞溅及焊接烟尘。
此外，在特开平8-229680号公报中认为，就使用了以二氧化碳为主成分的保护气体的脉冲弧焊机的输出控制装置来说，利用电压或阻抗的增加而检测熔滴脱离，从检测的期间到一定期间内使电流降低，从而能够抑制飞溅。
再有，在特开平10-263815号公报中认为，使用以二氧化碳为主成分的保护气体，使用输出两种不同的脉冲波形的脉冲弧焊机能够抑制飞溅，该两种不同的脉冲波形是由随着焊丝送给量的增加，而将脉冲期间及基值期间设定得短的第1脉冲，和比第1脉冲的脉冲期间设定得更短的第2脉冲组成。
上述特开平7-290241号公报、特开平7-47473号公报及特开平8-267238号公报所公开的现有的焊接方法，均是使用廉价的二氧化碳作为保护气体，而且可以1脉冲1熔滴过渡，使熔滴过渡的规则性提高，并且与无脉冲焊接比较能够降低大粒的飞溅发生量。然而，这些现有方法由于在脉冲峰值期间中使熔滴脱离，所以存在熔滴脱离时焊丝前端的缩颈部分的飞散导致的小粒飞溅、和熔滴脱离后残留在焊丝上的熔液的飞散导致的小粒飞溅多发这样的问题点。
特开2003-236668号公报及特开2001-129668号公报所公开的方法，认为通过在1熔滴的过渡时间内振荡7脉冲以上，能够达成熔滴的小粒化。但是，采用此现有方法，也使用二氧化碳为主体的气体作为保护气体以后，如果与MAG脉冲焊的熔滴比较，熔滴的大小大到10倍以上，小粒化效果小。熔滴的过渡与熔滴的大小、峰值期间的电磁收缩力、电弧力带来的推动力、由这些引起的熔滴内的对流及振动等的要因复杂地关联。因为脱离的时机取决于作用于熔滴的脱离方向的作用力的平衡，所以如该现有方法，只连续外加单纯的高频脉冲，而脱离时期在每个脱离时机上都不同，熔滴过渡间隔在15～25ms左右的范围变动，从而无法大幅降低飞溅。
另外，该现有方法在为了改善熔滴过渡而单纯地外加高频脉冲的有关系上，就接触片和母材之间的距离变动时的电弧长恒定化控制来说，因为峰值电流、基极电流、脉冲宽度固定，所以将使频率变调。即，在调整焊丝熔化速度时，会使脉冲频率大幅变化，熔滴过渡的规则性紊乱。因此，对接触片和母材之间的距离比起标准状态有±5mm左右变动的这种坡口内进行摆动焊时，很难维持稳定的电弧。
再有，在特开平8-229680号公报所公开的输出控制装置中，通过检测熔滴脱离后，在一定期间使电流降低，有可能控制飞溅，但是该文献所述方法中，无论熔滴是否脱离，因为在全部的脉冲中脉冲峰值电流都相同，所以若设定为熔滴可以脱离的脉冲峰值电流，则残留在熔滴脱离后的焊丝上的熔融金属在强力的电弧力作用下，脱离后接着在脉冲峰值外加时飞散，使大粒飞溅多发。为了对其加以抑制，若将脉冲峰值设定得很低，则有在脉冲峰值期间熔滴不能脱离这样的问题点。
此外，在特开平10-263815号公报中，认为运用输出两种不同的脉冲波形的脉冲弧焊方法，能够降低飞溅，这两种不同的波形是由随着焊丝送给量的增加，而将脉冲期间及基值期间设定得短的第1脉冲、和比第1脉冲的脉冲期间设定得更短的第2脉冲所组成，但是，若随着焊丝送给量的增大很短地设定第1脉冲期间及第1基值期间，则在受到第2脉冲带来的电磁收缩力的前阶段，焊丝前端的熔滴未成形，电磁收缩力无法有效地起作用。每1周期1熔滴的规则性的过渡困难，存在发生大粒飞溅这样的问题点。
发明内容
本发明鉴于以上问题点而进行，目的在于提供一种脉冲弧焊方法，该方法是使用二氧化碳为主体的保护气体，实现每1周期1熔滴过渡的规则性极高的熔滴过渡，由此能够降低大粒飞溅的发生量及烟尘发生量，并且能够大幅降低熔滴脱离时因焊丝前端的缩颈部分的飞散导致的小粒飞溅，及熔滴脱离后残留在焊丝上的熔液的飞散导致的飞溅。
本发明的脉冲弧焊方法，是以二氧化碳单体或主成分为二氧化碳的混合气体作为保护气体，以第1脉冲和第2脉冲交互反复的脉冲电流作为焊接电流而进行电弧焊的方法，其中，所述第1脉冲和第2脉冲，具有脉冲峰值电流级别及脉冲宽度相互不同的脉冲波形，第1脉冲的峰值电流Ip1为300至700A，峰值期间Tp1为0.3至5.0ms，基极电流Ib1为30至200A，基值期间Tb1为0.3至10ms，第2脉冲的峰值电流Ip2为200至600A，峰值期间Tp2为1.0至15ms，基极电流Ib2为30至200A，基值期间Tb2为3.0至20ms，另外，Ip1＞Ip2，每1周期使1熔滴过渡，并且在接触片和母材之间的距离变化时，在不扰乱每1周期1熔滴过渡的范围，对从所述Ip2、Ib2、Tp2及Tb2构成的群中选择的至少1种以上加以调整，由此将电弧长控制为恒定。
在本发明中，通过每1周期交互地使脉冲峰值电流级别及脉冲宽度不同的两种脉冲波形连续振荡，每1周期使1熔滴过渡，由此使熔滴过渡的规则性提高，降低大粒飞溅。另外，通过配合熔滴脱离时机而使电流降低到基极电流，能够大幅降低熔滴脱离时因焊丝前端的缩颈部分的飞散导致的小粒飞溅、及熔滴脱离后残留在焊丝上的熔液的飞散导致的小粒飞溅。在本发明中，因为将第1脉冲峰值电流和第2脉冲峰值电流对应其各自的作用而设定为适当的峰值电流，所以能够防止残留在熔滴脱离后的焊死上的熔融金属在第二1脉冲峰值施加时脱离、飞散，熔滴过渡的规则性受到扰乱以及大粒飞溅多发。
该情况下，在接触片和母材之间的距离发生变化时，在不扰乱每1周期熔滴过渡的范围，对从所述Ip2、Ib2、Tp2及Tb2所构成的群中选择的至少1种以上加以调整，由此将电弧长控制为恒定，因此即使接触片和母材之间的距离变动时，如果将电压变化或电流变化反馈，则在不扰乱每1周期1熔滴过渡的范围，能够调整Ip2、Ib2、Tp2及Tb2的1种或2种以上，因此能够调整焊丝熔化速度，将电弧长控制为恒定。
还有，在本发明中，优选在每个焊丝进给速度下要预先设定适当Ip2、Tp2及Ib2，随着焊丝进给速度的增加而能够将Tb2确保在3.0至20ms的范围内，如此来增加从Ip2、Tp2及Ib2所构成的群中选择的至少1种以上，使焊丝熔化速度增加。另外，对所述第1脉冲的起伏以缓慢变化的方式相对于时间轴倾斜设置，对于所述第2脉冲上升以缓慢变化的方式相对于时间轴设置倾斜，第1脉冲的上升倾斜期间为Tup1，第1脉冲的下降倾斜期间为Tdown，第2脉冲的上升倾斜期间为Tup2时，优选Tup1及Tup2均为3ms以下，Tdown均为6ms以下。
再有，在第1脉冲峰值期间Tp1或在与之接续的第1脉冲下降倾斜期间Tdwon中检测熔滴的脱离，同时在第1脉冲峰值期间Tp1中或第1脉冲下降倾斜期间Tdown中，也优选立即转换为比第1脉冲基极电流Ib1或检测时的电流低的规定电流。
再有，在整个1周期，或“Tup1、Tp1、Tdown、Tb1”或“Tup2、Tp2、Tb2”的任何一方或2个以上的期间，优选将脉冲频率500至2000Hz的高频脉冲重叠为焊接电流。
消耗电极焊丝的化学组成优选为，C0.10质量％以下、Si0.20～1.0质量％、Mn0.5～2.0质量％、Ti+Al+Zr0.05～0.40质量％、余量Fe及不可避免的杂质构成。
再有，该消耗电极焊丝，优选对焊丝表面未实施镀铜的。
根据本发明的脉冲弧焊方法，在使用二氧化碳单体或以二氧化碳为主成分的混合气体的消耗电极式电弧焊中，能够达成每1周期1熔滴过渡的规则性极高的熔滴过渡，与现有方法比较，能够使焊弧的稳定化提高，大幅降低大粒飞溅发生量及烟尘发生量，并且能够大幅降低熔滴脱离时因焊丝前端的缩颈部分的飞散导致的小粒飞溅，及熔滴脱离后残留在焊丝上的熔液的飞散导致的飞溅。此外，根据第二发明，即使在接触片与母材间的距离有变动时，通过在不扰乱每1周期1熔滴过渡的范围调整脉冲参数，也能够将电弧长基本控制为恒定。
图1是本发明的焊接电流脉冲的波形图。
图2是表示脉冲电流和焊接过渡机构的关系的模式图。
图3是表示具有起伏坡度的脉冲波形的波形图。
图4是表示飞溅捕集方法的立体图。
图5是表示焊丝进给速度和飞溅发生量的关系的曲线图。
图6是表示焊丝进给速度和烟尘发生量的关系的曲线图。
具体实施例方式
以下，就本发明的实施的方式，参照附图具体加以说明。图1是在本发明的脉冲弧焊方法中使用的脉冲电流的波形图。该脉冲电流是第1脉冲和第2脉冲交互反复。在第1脉冲中，第1脉冲的峰值电流为Ip1，这期间(第1脉冲峰值期间)为Tp1，第1脉冲基极电流为Ib1，这期间(第1脉冲基值期间)为Tb1。另外，在第2脉冲中，第2脉冲的峰值电流为Ip2，这期间(第2脉冲峰值期间)为Tp2，第2脉冲基极电流为Ib2，这期间(第1脉冲基值期间)为Tb2。
而且，在本发明的第一实施方式中，这些脉冲条件按如下设定。
(a)第1脉冲峰值电流Ip1300～700A(b)第1脉冲峰值期间Tp10.3～5.0ms(c)第1脉冲基极电流Ib130～200A(d)第1脉冲基值期间Tb10.3～10ms(e)第2脉冲峰值电流Ip2200～600A(f)第2脉冲峰值期间Tp21.0～15ms(g)第2脉冲基极电流Ib230～200A(h)第2脉冲基值期间Tb23.0～20ms(i)Ip1＞Ip2若根据这样的脉冲条件实施脉冲弧焊，则如图2所示，焊丝前端的熔滴形成及熔滴过渡进行。图2的(a)的熔滴，在前脉冲周期熔滴脱离后的第2脉冲峰值期间中成长。因为第2脉冲基值期间电流急剧减少，所以推升力弱，熔滴如(a)形成为在焊丝前端垂下。若进入第1脉冲峰值期间，则通过焊丝中的峰值电流带来的电磁收缩力，熔滴如(b)这样一边进行形成缩颈的变化，一边急速地脱离，脱离后在焊丝侧有电弧移动的瞬间，如(c)在第1脉冲基值期间处于电流下降状态。据此，能够大幅降低焊丝缩颈部分的飞散及脱离后的残留熔液的飞散造成的小粒飞溅。在(d)的第2脉冲峰值期间，将第2脉冲峰值电流设定为残留在熔滴脱离后的焊丝上的残留熔液不会脱离、飞散的水平之后，使熔滴成长后，在(e)的第2脉冲基值期间因为一边进行熔滴的成形，一边又回到了(a)的状态，所以能够极规则地实现每1周期1熔渡过渡。
作为检测现在的电弧长的方法，在之前的1周期或之前的规定脉冲周期中，使用整个1周期，或者“Tup1、Tp1、Tdown、Tb1”或“Tup2、Tp2、Tb2”的任何一方，或者Tup1、Tp1、Tdown、Tb1、Tup2、Tp2、Tb2的1种以上的期间，例如，电源的外部特性如果是定电压特性则反馈上述期间的电流值，如果是定电流特性则反馈上述期间的电压值，在不扰乱1每1周期1熔滴过渡的范围，调制Ip2、Ib2、Tp2或Tb2的1种以上，由此，即使接触片与母材之间的距离有变化时，也能够将电弧长控制为恒定。
在电弧焊中，为了稳定地维持电弧，需要将电弧长控制为恒定。为了维持恒定的电弧长，焊丝进给速度和焊丝熔化速度必须维持在大体相等的关系。但是，若接触片和母材之间的距离变化，则焊丝突出长度也变化，因此该突出部的焦耳发热量变化。此发热量感应焊丝熔化速度的变化。因此，在本发明中，以使焊丝熔化速度恒定的方式来调整Ip2、Ib2、Tp2或Tb2的1种以上。
通过焊接中的电流、电压波形的计测，能够明确地把握熔滴的脱离时机。另外，详细地说，利用高速摄影机进行摄影，从而可以进行熔滴的脱离时机的观察。为了很好地再现性达成每1周期1熔滴过渡，确保Tb2为规定期间也很重要，如上述，需要确保Tb2在3.0～20ms的范围。就各焊丝进给速度而言，预先在每Tb2，使Ip2、Ib2、Tp2独立地变化时的焊丝熔化速度作为数据库构筑，同时，还将每1周期1熔滴过渡为确实的Ip2、Ib2、Tp2的各允许范围设定为每焊丝进给速度。然后，就各焊丝进给速度来说，接触片和母材之间的距离变化时，一边反馈焊接电压或焊接电流的变化量，一边以保持恒定的电弧长的方式随时调整焊接电压，用于维持该电压所需要的焊接电流波形参照上述数据库，同时就各参数而言在允许范围内进行最佳的选择，则能够实现电弧长控制。
接着，就本发明的第二实施方式具体加以说明。使焊丝进给速度增加时，在受到来自第1脉冲的收缩力时，若焊丝前端的熔滴形状变动，则即使外加同一脉冲，电磁收缩力也不会有效地发挥作用，熔滴的脱离时期变动而使大粒飞溅发生。该熔滴形状，如果将Tb2尽可能长地确保在3.0至20ms的范围内，维持在最佳的电弧长，则该变动衰减，能够使形状恒定化。因此，对每焊丝进给速度预先设定适当的Ip2、Tp2、Ib2，随着焊丝进给速度的增加，使Ip2、Tp2、Ib2的1种以上增加，由此使焊丝熔化速度增加，将Tb2确保在3.0至20ms的范围内。
接着，就本发明的第三实施方式，参照图3具体加以说明。在从基极电流到峰值电流的过程中的Tup1、Tup2的1种或2种中，通过设置3ms以下的上升倾斜期间，从而防止激烈的电弧力的增加，缓缓地使电弧的发生点向熔滴上方部移动。由此，能够实现第1脉冲的熔滴脱离性的提高和第2脉冲的熔滴形成的稳定性的提高。另外，本实施方式比起应用通常的矩形波脉冲的情况，能够减轻磁场的影响，能够使断弧发生频度减少。另一方面，在从峰值电流到基极电流的过程中的Tdown中，通过设置6ms以下的下降倾斜期间以防御激烈的收缩力，能够大幅降低脱离途中向基极电流变化而使熔滴脱离失败的频率。另外，本实施方式比起应用通常的矩形波脉冲的情况，能够减轻磁场的影响，能够使断弧发生频率减少。
接下来，就本发明的第四实施方式具体加以说明。在第1脉冲峰值期间或与其接续的第1脉冲下降倾斜期间中检测熔滴脱离的同时，作为第1脉冲峰值期间中或第1脉冲下降倾斜期间中，也要立即转换为比第1脉冲峰基极电流或检测时的电流低的规定电流，由此能够进一步降低焊丝缩颈部分的飞散及脱离后的残留熔液的飞散导致的小粒飞溅，同时，也能够大幅降低第1脉冲的熔滴的脱离失败带来的大粒飞溅。
作为检测熔滴的脱离的方法，例如，第1脉冲峰值期间中，如果第1脉冲下降倾斜期间中的电源外部特性为定电压特性，则通过熔滴脱离来感知电弧长变长时的电流降低即可。另一方面，第1脉冲峰值期间中，如果第1脉冲下降倾斜期间中的电源外部特性为定电流特性，则感知因熔滴脱离带来的电弧电压的激增即可。另外，第1脉冲峰值期间，关于第1脉冲下降倾斜期间中的电流、电压或电弧阻抗等，也可以将1段或2段的时间微分信号作为脱离检测而使用。
接下来，就本发明的第五实施方式具体加以说明。第一、二及三实施方式是使低频脉冲同期的每1周期1熔滴过渡方式，但是在第五实施方式中，是在上述低频脉冲的整个1周期、或“Tup1、Tp1、Tdown、Tb1”或“Tup2、Tp2、Tb2”的任何一方或2个以上的期间，使500～2000Hz的高频脉冲重叠。由此，将第2脉冲峰值期间的熔滴推升到上方的电弧力断断续续，若与无高频脉冲的情况相比，则推升力缓和。再有，因为电弧的硬直性变高，所以熔滴、电弧容易一起成为轴对称。因为近乎熔滴、电弧轴对称，所以电流路径也处于轴对称，为了使熔滴脱离而起作用的电磁收缩力也容易成为轴对称，因此熔滴的脱离方向从焊丝方向大大偏离的情况变少。另外，因为电磁收缩力与电流的平方成比例，所以若与无高频脉冲的情况相比，则能够在峰值期间的更早阶段进行熔滴脱离，因此能够达成再现性极高的每1周期1熔滴过渡，能够大幅降低飞溅发生量、烟尘发生量。还有，在此外加的高频脉冲是矩形波、三角度均有效果，即使在电抗的影响下矩形脉冲恶化时效果也不会丧失。
接下来，就各脉冲参数的规定理由加以说明。
“Ip1300～700A”第1脉冲峰值电流Ip1，有助于在使熔滴脱离过程中确保充分的电磁收缩力。若Ip1低于300A，则电磁收缩力弱，熔滴不能脱离直到成为大块，偏离每1周期1熔滴的过渡。然后，成为大块的熔滴与母材接触而成为飞溅和烟尘大量发生的原因。若Ip1超过700A，则将熔滴推升的电弧力变得过强，不仅规则的熔滴脱离变得困难，而且还有装置重量及成本上升的问题。更优选Ip1的范围为400～600A。
“Tp10.3～5.0ms”第1脉冲值期间Tp1与Ip1一样，有助于在使熔滴脱离的过程中确保充分的电磁收缩力。若脉冲幅低于0.3ms，则不能借助电磁收缩力使熔滴脱离，成为n周期1熔滴过渡，扰乱熔滴过渡的规则性。另一方面，若Tp1超过5.0ms，则在脉冲峰值期间中熔滴脱离发生的概率增大，使电流向Ib1降低，也没有抑制小粒飞溅的效果，同时扰乱熔滴过渡的规则性，飞溅和烟尘大量发生。
“Ib130～200A”第1脉冲基极电流Ib1，有助于在熔滴脱离后电弧向焊丝侧移动的过程中，不会发生断弧，而抑制小粒飞溅发生。若Ib1低于30A，则断弧及短路变得容易发生。另外，若Ib1超过200A，则在电弧从熔滴向焊丝移动的瞬间，施加到残留于焊丝侧的熔液的电弧力变大，将不能抑制小粒飞溅。
“Tb10.3～10ms”
第1脉冲基值期间Tb1也与Ib1同样，有助于在熔滴脱离后电弧向焊丝侧移动的过程中，不会发生断弧，而抑制小粒飞溅发生。若Tb1低于0.3ms，则对残留于焊丝上的熔液成形不充分，不能抑制小粒飞溅。另一方面，若Tb1超过10ms，则在熔滴和熔融池之间容易产生短路，扰乱熔滴过渡的规则性。另外，焊接电流的上限受到抑制，高焊丝进给速度条件下的焊接变得困难。
“Ip2200～600A”第2脉冲峰值电流Ip2，有助于在形成熔滴过程中稳定形成适当大小的熔滴。若Ip2低于200A，则在接下来的第1脉冲不能充分地形成足够使之从焊丝上脱离的熔滴，扰乱熔滴过渡的规则性。另外，焊接电流的上限受到限制，高焊丝进给速度条件下的焊接变得困难。若Ip2超过600A，则熔滴形成时的电弧力变得过强，熔滴不规则地振动，阻碍稳定的熔滴脱离，并且在熔滴脱离后的焊丝上残留的熔化金属在第2脉冲峰值外加时脱离及飞散，扰乱熔滴过渡的规则性。另外，因为焊丝熔化量大，所以在第2脉冲峰值期间中进行再度熔滴过渡的可能性变高。此外，还有装置重量及成本上升的问题。更优选Ip2的范围为300～500A。
“Tp21.0～15ms”第2脉冲峰值期间Tp2也与Ip2一样，有助于在形成熔滴过程中稳定形成适当大小的熔滴。若Tp2低于1.0ms，则由接下来的第1脉冲不能充分地形成足够使之从焊丝上脱离的熔滴，扰乱熔滴过渡的规则性。若Tp2超过15ms，则在第2脉冲期间中进行再度熔滴过渡的可能性变高，偏离1周期1熔滴过渡。
“Ib230～200A”第2脉冲基极电流Ib2，在对熔滴塑形的过程中，不会引起断弧，有助于稳定地形成熔滴。若Ib2低于30A，则容易发生断弧及短路。另外，若Ib2超过200A，则施加给熔滴的电弧力变大，并且基值期间的熔化过大，熔滴不稳，不能稳定地塑形。
“Tb23.0～20ms”第2脉冲基值期间Tb2也与Ib2一样，在对熔滴塑形的过程中，不发生断弧，有助于稳定地形成熔滴。若Tb2低于3.0ms，则不能充分地形成熔滴，在熔滴脱离方向上产生偏差。另一方面，若Tb2超过20ms，基值期间的熔化量过大，在熔滴和熔融池之间容易缩短，扰乱熔滴过渡的规则性。
“Tup13ms以下、Tup23ms以下”第1脉冲的上升倾斜期间Tup1，防止从第2脉冲基极电流Ib2到第1脉冲峰值电流Ip1的过程中的剧烈的电弧力的增加，缓缓地使电弧的发生点向熔滴的上方部移动，由此有助于飞溅的抑制及断弧的抑制。另外，第2脉冲的上升倾斜期间Tup2，也防止从第1脉冲基极电流Ib1到第2脉冲峰值电流Ip2的过程中的剧烈的电弧力的增加，缓缓地使电弧的发生点向熔滴的上方部移动，由此有助于飞溅的抑制及断弧的抑制。另一方面Tup1及Tup2超过3.0ms也没有此效果，相反在熔滴脱离及形成上花费时间，招致熔滴的粗大化。另外，焊接电流的上限受到抑制，高焊丝进给速度条件下的焊接变得困难。
“Tdown6ms以下”第1脉冲的下降倾斜期间Tdown，防止从第1脉冲峰值电流Ip1到第1脉冲基极电流Ib1的过程中的急剧的收缩力的降低，大幅降低熔滴的脱离途中向基极电流变化而使熔滴脱离失败的频率，由此有助于飞溅的抑制及断弧的抑制。另一方面，Tdown超过6ms也没有此效果，若脱离时处在电流水平高的状态，则小粒飞溅增加。另外，焊接电流的上限被抑制，高焊丝进给速度条件下的焊接变得困难。
“高频脉冲的脉冲频率500～2000Hz”高频脉冲的脉冲频率，有助于将脉冲峰值期间及基值期间的熔滴推升到上方的电弧力的缓和及电弧的硬直性提高。还有，所谓电弧的硬直性，是指通过在焊丝上流动的电流形成的磁场，将电弧固定在焊丝延长方向的性质，抑制熔液中的电弧的摇摆。若高频脉冲的脉冲频率低于500Hz，则没有电弧力缓和效果，熔滴的振动变大，稳定的熔滴的成长、形成无法进行。另外，若高频脉冲的脉冲频率超过2000Hz，高频脉冲施加效果变弱，来自电弧的推升力增大，熔滴、电弧难以成为轴对称。
接下来，就消耗电板焊丝的组成加以说明。在本发明焊接方法中，消耗电板焊丝的组成没有特别限定，但是作为优选的一例，其化学成分组成为C0.10质量％以下、Si0.20～1.0质量％、Mn0.50～2.0质量％、Ti+Al+Zr0.05～0.40质量％、余量由Fe及不可避免的杂质构成。以下，就该组成限定理由加以说明。
“C0.10质量％以下”C在确保焊接金属的强度上是重要的元素，但是若超过0.10质量％，则熔滴及熔融池的变形、振动激烈，使飞溅及烟尘增大。因此，C量为0.10质量％以下。
“Si0.20～1.0质量％”Si作为脱氧剂至少需要0.20质量％。另外，若Si低于0.20质量％，则熔滴的粘性变得过低，熔滴在电弧力作用下不规则地变形，因此飞溅及烟尘增大。另一方面，若Si超过1.0质量％，则熔渣量变多，并且熔滴的粘性变得过大，出现从1脉冲群1熔滴过渡偏离的情况。因此，Si量为0.20～1.0质量％。
“Mn0.5～2.0质量％”Mn与Si一样作为脱氧剂是重要元素，因此Mn至少需要0.50质量％。另外，若Mn低于0.50质量％，则熔滴的粘性变得过低，熔滴在电弧力的作用下不规则地变形，因此飞溅及烟尘增大。另一方面，若Mn超过2.0质量％，则焊丝制造时的拉丝性劣化，同时熔滴的粘性变得过大，出现从1脉冲群1熔滴过渡偏离的情况。因此，Mn量为0.52～2.0质量％。
“Ti+Al+Zr＝0.05～0.40质量％”Ti+Al+Zr在脱氧剂及焊接金属的强度确保等上也是重要的元素，但在本发明中，有着使熔滴的粘性适当化，抑制其不稳定的举动的效果。如果Ti+Al+Zr在0.05质量％以下时，上述效果缺乏，小粒飞溅增大。另一方面，若高于0.40质量％，则使熔渣剥离性及焊接金属的韧性劣化。另外，熔滴的粘性变得过高，偏离1脉冲群1熔滴过渡，使飞溅及烟尘增大。因此，Ti+Al+Zr为0.05～0.40质量％。
另外，作为本工艺优选的消耗电极焊丝，最好在焊丝表面不实施镀铜。由于在焊丝表面不实施镀铜，能够使熔滴的缩颈部的表面张力降低，在电磁收缩力的作用下，熔滴将易从焊丝脱离，因此能够实现再现性极高的熔滴过渡。
本发明的脉冲弧焊方法，适用于焊丝径为1.0～1.6mm的焊丝，焊丝的进给速度最好为9～20m/min的情况。
实施例以下，就本发明的第一实施方式的实施例加以说明。使用下述焊接条件及下述表1及表2所示的脉冲参数，进行以二氧化碳为保护气体而使用的脉冲弧焊，测定飞溅发生量。这时，在图4(a)、(b)所示的铜制的捕集箱内进行焊接，捕集飞溅。图4(a)是其立体图，(b)是模式化的剖面图。在铜制的捕集箱1、2间放置被焊接材3，将焊炬4配置于被焊接材3上而实施焊接。将这时发生的飞溅5，通过设于捕集箱1、2的上半部的开口1a、2a，修补在捕集箱1、2内。
“焊接条件”焊丝JIS Z3312YGW11直径1.2mm保护气体CO2单体试验板SM490A接触片母材间距离25mm焊炬前进角30°焊接速度40cm/分焊丝进给速度6.0～23.0/分焊接电压在电弧长2～3mm中短路次数为5次/秒这样的焊接电压。
另外，使用表1及表2所示的脉冲参数的焊接电流，以二氧化碳为保护气体进行脉冲弧焊，采用依据JIS Z 3930的方法来测定烟尘发生量。还有，焊接条件与上述的飞溅发生量的测定的情况相同。另外，作为现有方法，在焊接电流为320A、焊接电压为36V、焊丝进给速度为15.5m/分条件下也求得一定的情况下的飞溅发生量及烟尘发生量。
在下述表1及表2的评价栏中，飞溅发生量为4.0g/分以下，烟尘发生量为400mg/分以下的为良好(○)，飞溅发生量超过4.0g/分，或者烟尘发生量超过400mg/分的为不良(×)。
表1
表2
表1所示的实施例1～18进入到本发明的范围，飞溅发生量及烟尘发生量均低，评价为○。
相对于此，比较例19至34，与现有方法一样，飞溅发生量和烟尘发生量多。首先，比较例19因为Ip1低于下限值，所以熔滴不能脱离直至成为大块，从每1周期1熔滴的过渡脱离，不规则的短路带来的飞溅及烟尘增大。比较例21因为Ip1超过上限值，所以在峰值期间推升熔滴的电弧力变得过强，规则的熔滴过渡困难，飞溅及烟尘增大。比较例21因为Tp1低于下限值，所以熔滴不能脱离直至成为大块，从每1周期1熔滴的过渡脱离，不规则的短路带来的飞溅及烟尘增大。比较例22因为Tp1超过上限值，所以在峰值期间中熔滴脱离频发，小粒飞溅及烟尘增大。比较例23因为Ib1低于下限值，所以断弧及短路频发，飞溅、烟尘增大。比较例24因为Ib1超过上限值，所以在电弧从熔滴向焊丝移动的瞬间，会吹飞残留在焊丝侧的熔液，小粒飞溅及烟尘增大。比较例25因Tb1低于下限值，所以在电弧从熔滴向焊丝移动的瞬间，不能形成残留在焊丝侧的熔液，小粒飞溅及烟尘增大。比较例26因为Tb1超过上限值，所以在熔滴和熔融池之间容易产生短路，小粒飞溅及烟尘增大。
比较例27因为Ip2低于下限值，所以在接下来的第1脉冲不能充分地形成使之从焊丝上脱离所需要的熔滴，扰乱熔滴过渡的规则性，飞溅及烟尘增大。比较例28因为Ip2超过上限值，所以熔滴形成时的电弧力变得过强，因为熔滴不规则地振动，所以扰乱熔滴过渡的规则性。另外，在第2脉冲期间再度实施熔滴过渡，飞溅及烟尘增大。比较例29因为Tp2低于下限值，所以在形成熔滴的过程中，不能稳定地形成充分大小的熔滴，扰乱熔滴过渡的规则性，飞溅及烟尘增大。比较例30因为Tp2超过上限值，所以在第2脉冲期间再度实施熔滴过渡，飞溅及烟尘增大。比较例31因为Ib2低于下限值，所以断弧及短路频发，飞溅、烟尘增大。比较例32因为Ib2超过上限值，所以施加给熔滴的电弧力过大，因为熔滴的稳定形成困难，所以熔滴过渡的规则性混乱，飞溅、烟尘增大。比较例33因为Tb2低于下限值，所以不能稳定地形成充分大小的熔滴，熔滴过渡的规则性混乱，飞溅及烟尘增大。比较例34因为Tb2超过上限值，所以在熔滴和熔融池之间容易产生短路，小粒飞溅及烟尘增大。
以下，就本发明的第二实施方式的实施例加以说明。基本的焊接条件与所述第一实施方式涉及的实施例相同。根据表3及表4所示的焊接条件，使用二氧化碳作为保护气体进行脉冲弧焊，测定飞溅发生量及烟尘发生量。飞溅捕集方法如前述的图4所示。另外，烟尘测定方法与第一实施方式的实施例一样，使用遵循JIS Z 3930的方法。评价标准也一样，飞溅发生量为4.0g/分以下，烟尘发生量为400mg/分以下的为良好(○)，飞溅发生量超过4.0g/分，或者烟尘发生量超过400mg/分的为不良(×)。
表3
表4
表3所示的实施例No.35至45是本发明例，随着焊丝进给速度的增加，能够将Tb2确保于3.0至20ms的范围内，如此使Ip2、Tp2、Ib2的1种以上增加，使焊丝熔化速度增加，飞溅及烟尘的发生量小。
相对于此，表4的比较例No.46至57将Ip1和Ip2设定为相同级别，随着焊丝送给量增加，作为使用脉冲期间及基值期间设定得短的第2脉冲、和比起第2脉冲脉冲期间设定得更短的第1脉冲的情况，在受到来自第1脉冲的电磁收缩力的前阶段，焊丝前端的熔滴形状不成形，电磁收缩力未有效地发挥作用。每1周期1熔滴的规则的过渡困难，使大粒飞溅发生，并且烟尘发生量也多。图5及图6针对本实施例35至45及比较例46至57，显示了焊丝进给速度和飞溅发生量及烟尘发生量的关系。
接下来，就本发明的第三、四及五的实施方式的实施例加以说明。使用下述焊接条件及下述表5及6所示的焊接条件，进行以二氧化碳为保护气体的脉冲弧焊，测定飞溅发生量及烟尘发生量。飞溅捕集方法与前述一样为图4所示。烟尘发生量与前述一样，根据遵循于JIS Z 3930的方法来测定。然后，飞溅发生量在2.0g/分以下，烟尘发生量在300mg/分以下，无断弧发生的为良好(○)，飞溅发生量超过2.0g/分，烟尘发生量超过300mg/分，或者有断弧发生的为不良(×)。还有，该评价比表1及表2所示的评价标准严格。另外，关于第四实施方式的高频脉冲的重叠，在整个1周期，或“Tup1、Tp1、Tdown、Tb1”或“Tup2、Tp2、Tb2”的任何一方或2个以上的期间重叠高频脉冲，在表5及表6中只记载脉冲频率。
“焊接条件”焊丝径1.2mm保护气体CO2试验板SM490A接触片母材间距离25mm焊炬前进角30°焊丝进给速度13～15m/分焊接速度40cm/分Ip1560ATp12.0msIb1150ATb11.5msIp2450ATp25.0ms
Ib2150ATb28.0ms。
表5
表6
表5的实施例35～40满足本发明的范围，在第1及第2脉冲上升期间Tup1及Tup2，和在第1脉冲下落期间Tdown设置坡度期间。
实施例41～42是第三实施方式的实施例，实施例41实施了熔滴脱离检测，实施例42在第1及第2脉冲上升期间和在第1脉冲下落期间设置坡度期间后，实施了熔滴脱离检测。
实施例43～47是第三实施方式的实施例，实施例43～44重叠了高频脉冲，实施例45在第1及第2脉冲上升期间和在第1脉冲下落期间设置坡度期间后，重叠了高频脉冲，实施例47在第1及第2脉冲上升期间和在第1脉冲下落期间设置坡度期间后，实施了熔滴脱离检测，并重叠了高频脉冲。
接下来，就表6所示的比较例加以说明。不过这些比较例48～61满足本发明的范围。比较例48因为在第1及第2脉冲上升期间和在第1脉冲下落期间没有设置坡度期间，所以在脱离失败时有大粒飞溅及烟尘发生，另外，也有断弧发生。若拿此比较例48与实施例41相比，则比较例48没有进行脱离检测，因此也会发生由若干脱离时机的偏差引起的小粒飞溅。若拿比较例48与实施例43及44相比，则因为未施加高频脉冲，所以熔滴的推升稍大，也有熔滴的脱离方向从焊丝方向偏离的情况。
比较例49因为没有设置第1脉冲上升期间Tup1，所以在从第2基极电流到第1脉冲峰值电流的过程中由激烈的电弧力的增加导致的脱离失败时有大粒飞溅和烟尘发生，另外，也有断弧发生。比较例50因为第1脉冲上升期间Tup1超过上限值，所以脱离费时，招致熔滴的粗大化引起脱离失败。比较例51因为没有设置第1脉冲下落期间Tdown，所以，由于从第1脉冲峰值电流至第1基极电流过程中激烈的收缩力的降低，在脱离为途中向基极电流变化而使熔滴脱离失败时，发生了大粒飞溅及烟尘。比较例52因为第1脉冲下落期间Tdown超过上限值，所以在脱离时处于电流水平高的状态下的情况多，小粒飞溅增加。比较例53因为没有设置第2脉冲上升期间Tup2，所以从第1基极电流到第2脉冲峰值电流的过程中由于激烈的电弧力的增加导致的残留熔液的飞散飞溅及烟尘发生，另外也有断弧发生。比较例54因为第2脉冲上升期间Tup2超过上限值，所以熔滴的形成费时，评价熔滴的粗大化导致的脱离失败发生。比较例55因为高频脉冲的频率低于下限值，所以若与实施例43相比较，则电弧力缓和效果小，熔滴的振动变大，无法进行稳定的熔滴的成长、形成，飞溅增大。另外，因为在第1及第2脉冲上升期间和第1脉冲下落期间没有设置坡度期间，所以在脱离失败时有大粒飞溅及烟尘发生，另外也有断弧发生。比较例56因为高频脉冲的频率超过上限值，所以若与实施例43比较，则高频脉冲施加效果变弱，来自电弧的推升力增大，熔滴、电弧难以成为轴对称，飞溅增大。另外，因为在第1及第2脉冲上升期间和第1脉冲下落期间没有设置坡度期间，所以在脱离失败时有大粒飞溅及烟尘发生，另外也有断弧发生。比较例57因为高频脉冲的频率低于下限值，所以尽管在第1及第2脉冲上升期间和第1脉冲下落期间设置有坡度期间，但是若与实施例45比较，则电弧力缓和效果小，熔滴的振动变大，无法进行稳定的熔滴的成长、形成，飞溅增大。比较例58因为高频脉冲的频率超过上限值，所以尽管在第1及第2脉冲上升期间和第1脉冲下落期间设置有坡度期间，但是若与实施例45比较，则高频脉冲施加效果弱，来自电弧的推升力增大，熔滴、电弧难以成为轴对趁，使飞溅增大。比较例59因为高频脉冲的频率低于下限值，所以尽管实施了熔滴脱离检测，但是若与实施例46比较，则电弧力缓和效果小，熔滴的振动变大，无法进行稳定的熔滴的成长、形成，飞溅增大。比较例60因为高频脉冲的频率低于下限值，尽管在第1及第2脉冲上升期间和第1脉冲下落期间设置有坡度期间，并实施了熔滴脱离检测，但若与实施例47比较，则电弧力缓和效果小，熔滴的振动变大，无法进行稳定的熔滴的成长、形成，飞溅增大。比较例61因为高频脉冲的频率超过上限值，所以尽管在第1及第2脉冲上升期间和第1脉冲下落期间设置有坡度期间，并实施了熔滴脱离检测，但若与实施例47比较，则高频脉冲施加效果弱，来自电弧的推升力增大，熔滴、电弧难以成为轴对称，飞溅增大。
以下，就本发明的第五及六的实施方式的实施例加以说明。使用下述焊接条件及参数和下述表5及6所示的焊丝，采用二氧化碳为保护气体进行脉冲弧焊，测定飞溅发生量及烟尘发生量。飞溅捕集方法及烟尘量测定方法与前述一样。飞溅发生量在2.0g/分以下，烟尘发生量在300mg/分以下的为良好(○)，飞溅发生量超过2.0g/分，或者烟尘发生量超过300mg/分的，或者有断弧发生的为不良(×)。
“焊接条件”焊丝径1.2mm保护气体CO2
试验板SM490A接触片母材间距离25mm焊炬前进角30°焊接速度40cm/min焊丝进给速度15.5m/minIp1560ATp12.0msIb1150ATb11.5msIp2450ATp25.0msIb2150ATb28.0ms。
表7
表8
表5的实施例65～75满足本发明的范围，可进行飞溅及烟尘少的良好的焊接。特别是在与实施例65比较的实施例66，与实施例68比较的实施例69，与实施例72比较的实施例73中，可知在具有大体同样的组成的焊丝中，由于不实施镀铜，能够使熔滴缩颈部的表面张力降低，在电磁收缩力作用下熔滴容易从焊丝脱离。
因此，通过不实施镀铜，在能够实现极高的再现性的熔滴过渡胡基础上，还能够进一步降低飞溅。
相对于此，比较例76因为焊丝中的C超过上限值，所以熔滴及熔融池的变形、振动激烈，飞溅增大。比较例77因为焊丝中的Si在下限值以下，所以熔滴的粘性变得过低，因为熔滴在电弧力的作用下发生不规则地变形，所以飞溅增大。比较例78、79，因为焊丝中的Si超过上限值，所以熔滴的粘性变得过低，偏离1脉冲群1熔滴过渡，使飞溅增大。比较例80因为焊丝中的Mn低于下限值，所以熔滴的粘性变得过低，因为熔滴在电弧力的作用下发生不规则地变形，所以飞溅增大。比较例81、82因为焊丝中的Mn超过上限值，所以熔滴的粘性变得过高，偏离每1周期1熔滴过渡，飞溅增大。比较例83、84因为焊丝中的Ti+Al+Zr低于下限值，所以熔滴的粘性变得过低，因为熔滴在电弧力的作用下发生不规则地变形，所以飞溅增大。比较例85因为焊丝中的Ti+Al+Zr超过上限值，所以熔滴的粘性变得过高，偏离每1周期1熔滴过渡，飞溅增大。还有，比较例76～85满足本发明的必要条件。
接下来，就接触片与母材之间的距离变化的情况，就用于将电弧长维持为恒定的各参数的调整所涉及的实施例加以说明。下述表9显示的是，在使用直径1.2mm的焊丝(JIS Z3312YGW11)，焊丝进给速度为10.5m/分而进行焊接时，从基准条件(接触片母材间距离25mm)使接触片母材间距离变化时的收束条件。任何情况下，均是保护气体为CO2单体，试验板(被焊接板)为SM490A，焊接速度为40cm/分。
表9
表10
实施例91至98及102至107，即使接触片母材间的距离变化，也不会扰乱每1周期1熔滴过渡，通过在此范围调整Ip2、Ib2、Tp2及Tb2的1种以上，以维持熔融平衡，将电弧长控制为恒定。另一方面，比较例99至101及108至111，接触片母材间的距离变化，据此调整Ip2、Ib2、Tp2及Tb2，从而维持熔融平衡，但是，因为各参数偏离本发明的范围，所以达不到每1周期1熔滴过渡，飞溅及烟尘增加。
权利要求
1.一种脉冲弧焊方法，以二氧化碳单体或主成分为二氧化碳的混合气体作为保护气体，以第1脉冲和第2脉冲交互反复的脉冲电流作为焊接电流，其特征在于，所述第1脉冲和第2脉冲，具有脉冲峰值电流级别及脉冲宽度相互不同的脉冲波形，第1脉冲的峰值电流Ip1为300～700A，峰值期间Tp1为0.3～5.0ms，基极电流Ib1为30～200A，基值期间Tb1为0.3～10ms，第2脉冲的峰值电流Ip2为200～600A，峰值期间Tp2为1.0～15ms，基极电流Ib2为30～200A，基值期间Tb2为3.0～20ms，另外Ip1＞Ip2，每1周期使1熔滴过渡，并且在接触片和母材之间的距离变化时，以不扰乱每1周期1熔滴过渡的范围，对于从所述Ip2、Ib2、Tp2及Tb2构成的群中选择的至少1种以上进行调整，由此将电弧长控制为恒定。
2.根据权利要求1所述的脉冲弧焊方法，其特征在于，对每个焊丝进给速度预先设定适当的Ip2、Tp2、Ib2，随着焊丝进给速度的增加，使从Ip2、Tp2及Ib2构成的群中选择的至少1种以上增加，并使焊丝熔融速度增加，以便能够将Tb2确保在3.0～20ms的范围内。
3.根据权利要求1所述的脉冲弧焊方法，其特征在于，对于所述第1脉冲的上升与下降以变化缓慢的方式相对于时间轴设置倾斜，对于所述第2脉冲的上升以变化缓慢的方式相对于时间轴设置倾斜，设第1脉冲的上升倾斜期间为Tup1，第1脉冲的下降倾斜期间为Tdown，第2脉冲的上升倾斜期间为Tup2时，Tup1及Tup2均为3ms以下，Tdown为6ms以下。
4.根据权利要求1所述的脉冲弧焊方法，其特征在于，在第1脉冲峰值期间Tp1或在与其接续的第1脉冲下降倾斜期间Tdwon中检测熔滴的脱离，同时其在第1脉冲峰值期间Tp1中或第1脉冲下降倾斜期间Tdown中，也立即转换为比第1脉冲基极电流Ib1或检测时的电流低的规定电流。
5.根据权利要求1所述的脉冲弧焊方法，其特征在于，在整个1周期、或“Tup1、Tp1、Tdown、Tb1”或“Tup2、Tp2、Tb2”中的任一个或2个以上的期间中，将脉冲频率500～2000Hz的高频脉冲与焊接电流重叠。
6.根据权利要求1所述的脉冲弧焊方法，其特征在于，使用的消耗电极焊丝包括C0.10质量％以下、Si0.20～1.0质量％、Mn0.5～2.0质量％、Ti+Al+Zr0.05～0.40质量％，余量由Fe及不可避免的杂质构成。
7.根据权利要求6所述的脉冲弧焊方法，其特征在于，使用焊丝表面未实施镀铜的消耗电极焊丝。
全文摘要
一种以具有脉冲峰值电流级及脉冲宽度相互不同的脉冲波形的第1脉冲和第2脉冲被交互反复的脉冲电流作为焊接电流，而进行电弧焊的方法，第1脉冲的峰值电流Ip1为300～700A，峰值期间Tp1为0.3～5.0ms，基极电流Ib1为30～200A，基值期间Tb1为0.3～10ms，第2脉冲的峰值电流Ip2为200～600A，峰值期间Tp2为1.0～15ms，基极电流Ib2为30～200A，基值期间Tb2为3.0～20ms。根据这一方法，在使用了二氧化碳单体或以二氧化碳为主成分的混合气体的消耗电檄式电弧焊中，能够使焊弧稳定化，提高熔滴的过渡规则性，大幅降低飞溅发生量及烟尘发生量。
文档编号B23K9/095GK101032778SQ20071008469
公开日2007年9月12日 申请日期2007年3月1日 优先权日2006年3月10日
发明者舆石房树, 铃木启一, 山崎圭, 本间正浩 申请人:株式会社神户制钢所