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溶接の基礎講座
ものづくりにおける接合方法の1つに、「溶接」があります。
本連載では「溶接」について、金属が接合するメカニズムから溶接の種類、また溶接の仕方まで、現場で使える知識をご紹介していきます。
第2章 溶接方法と溶接材

2-9 半自動アーク溶接の設定条件

半自動アーク溶接における溶接条件の設定は、一般的な溶接条件表を頼るような方法は余り推奨できません。むしろ、以下のような、「溶接の基本的な目的、実際の作業状態」に従って求めましょう。

1)溶接条件の設定

溶接の基本的な目的は、(1)必要な溶け込みを得ること、(2)必要な強度を得るための肉(溶着金属)をつけること、です。この中で、(1)の溶け込み深さに関しては、1mm溶接長さ当りに投入される熱量を同じに設定したとしても溶け込み深さは大電流・高速度条件の方が深くなり、一定に取り扱うことができません。一方、(2)の溶着金属量の場合は、図9-1のように、溶接しようとする継手で必要な肉の量で決まり、変化するものではありません。したがって、溶接条件は、この「継手に必要な肉の量」で求められるのです。

図9-1 継手の溶接に必要なVw

図9-1 継手の溶接に必要なVw

2)電流、速度の一元化条件設定

半自動アーク溶接では、一定の電流条件で溶けるワイヤの量が一定です。そこで、例えば100Aの電流条件で1分間に溶けるワイヤの量を求め、この量を溶接速度で割ると1mm溶接長さ当りの各溶接速度でのワイヤ送給量(Vw)が求められます。 この関係を、1.2mm径の軟鋼ソリッドワイヤによる炭酸ガス半自動溶接について、いろいろの電流条件で求め図示したものが図9-2です(この図を、一元化条件設定グラフと呼んでいます)。

図9-2 炭酸ガス半自動アーク溶接の一元化条件設定グラフ

図9-2 炭酸ガス半自動アーク溶接の一元化条件設定グラフ

では、この一元化条件設定グラフを利用した条件設定法を具体的に示しましょう。

1.継手の溶接に必要なVwは、図9-1で示した継手の断面積に1mmの溶接長さを掛けた体積量で容易に求まります(例えば、(a)のI形突合せ継手では、基本的にルート部の空隙を埋め、これに余盛り分を加えたSの量の溶着金属が充填されれば目的の溶接は達せられます)。

2.図9-2の一元化条件設定グラフ縦軸に(1)で求めた継手に必要なVwに該当する点の線上条件(例えばSが10 mm3/mmであれば図9-3の(a)、(b)、(c)条件 )が求める電流、速度条件となります。

3.求めた条件の中で例えば、(a)点のやや遅い毎分20p、100Aでトライアル溶接を行います。その結果、目的の溶接が行えたとしても、溶け込み的にやや不足しているようであれば、溶け込みの良くなる高電流・高速度の(b)もしくは(c)の条件に補正します。 このように、一元化条件設定グラフを利用すれば、ほぼ1回のトライアル溶接で適正な電流、速度条件が見出せるようになります。

図9-3 一元化条件設定グラフによる条件設定

図9-3 一元化条件設定グラフによる条件設定

3)一元化条件設定法の検証結果

図9-4が、一元化条件設定法を、板厚2.3、3.2、4.5mm軟鋼板のI形突合せ片面溶接といった極めて難しい溶接に適用した場合の溶接結果です。 図のように、各板厚の継手に必要な溶着金属量(継手の空隙量に余盛り量を加えた1mm溶接長さあたりの体積量)から求められる理論条件を示す1点鎖線上の条件は、いずれの条件の場合も良好な溶接結果が得られています(例えば、板厚3.2mmの場合、Vw7mm3/mmの理論条件に相当する毎分30cmの時には100A程度、50cmの時が130A程度、75cmの時が170A程度で良好な溶接結果が得られています)。 このように一元化条件設定グラフを利用することで、おおむね満足できる溶接結果の得られる溶接条件が簡単に求められるのです。

図9-4 一元化条件設定グラフによる条件設定

図9-4 一元化条件設定グラフによる条件設定

4)溶接条件の設定

MIGや炭酸ガスの半自動溶接では、作業開始に先立ち電流とともに電圧条件を設定します。これは、設定した電圧によりアーク長さが変化し、ワイヤ溶融金属の移行形態が変わるためです(すなわち、電圧を低く設定するとアーク長さは短くなり、ワイヤ先端の溶融金属は母材プール金属と接触、全電流条件で短絡移行の溶接となります)。図9-5が設定した電圧条件と溶接結果の関係を概念的に示したもので、図の(a)のように過大電圧条件(長いアーク長さ)で溶接するとビード幅が広がり溶着金属が盛れず、平坦でアンダーカットを発生しやすいビードとなります。 逆に、(c)の過小電圧条件では、アークは広がらず短絡を発生することで、溶け込みの少ない盛り上がったビードとなります。

図9-5 高電流条件での電圧条件とビード形成の関係

図9-5 高電流条件での電圧条件とビード形成の関係

そこで、現場的には、上図(b)のような適正な溶接状態を得るため、電圧条件は、実際にアークを出した溶接をする中で、次のような操作で求めます。

大電流溶接の場合、
1. 設定した電流条件で短絡の発生する低い電圧条件に設定しアークを発生させます。
2. 短絡移行のアークを発生させた状態で電圧を高めていくと、「パチ、パチ」あるいは「バチ、バチ」といった短絡を示す発生音が少なくなり、短絡音のなくなる電圧(臨界電圧と云います)に達します。
3. その臨界電圧を少し超える電圧から少しずつ電圧を下げ、少しの間隔を置いて「バチ、バチ」の短絡音となる条件が、推奨条件の目安となります。

また、小電流の短絡移行溶接の場合は、
1. 薄板や全姿勢の溶接の場合は、「バチ、バチ」の音が連続する短絡の多い条件に設定します。
2. 電流を高めて溶着金属量の多い溶接の場合は、「バチ、バチ」の短絡音が連続的ではなく、やや間をおいた短絡発生の少なくなる条件に設定します。

執筆: 溶接道場 安田 克彦

『溶接の基礎講座』の目次

第1章 溶接の基礎

第2章 溶接方法と溶接材料

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