溶接変数とそれが製造プロセスに与える影響

Dec 28, 2023

溶接変数を適切に維持することは、どのような作業においても高い溶接品質を確立するために重要です。

溶接変数を適切に維持することは、どのような作業においても高い溶接品質を確立するために重要です。 多くの企業は、溶接工と部品間で一貫性を保つために推奨パラメータを定義する溶接手順を導入しています。 手順内の各溶接変数が何であるか、またそれが何をするのかを理解することは、溶接工が生産性目標を達成し、ダウンタイムと再作業コストを削減するのに大いに役立ちます。

定電圧 (CV) 溶接または中実ワイヤまたは管状ワイヤを使用した CV 溶接の場合、溶接工は主要な溶接変数とその機能を考慮し、それらがプロセスにどのような影響を与えるかを理解する必要があります。

溶接アンペア数とは、回路内を流れる電気の量と速度を指し、溶接ワイヤと母材を溶かすために利用できる熱に影響します。 これは、溶接部に入る溶加材の速度と量であるワイヤ送給速度 (WFS) に直接相関します。 WFS が増加すると、溶接アンペア数も増加します。 アンペア数が減少するとアンペア数も減少します。 この相関関係は、溶接の溶け込みに影響します。 アンペア数を高く設定すると接合部の貫通力が大きくなり、アンペア数を低く設定すると貫通力が低くなります。

溶接アンペア数は、コンタクトチップの端から母材までの距離であるコンタクトチップからワークまでの距離 (CTWD) と反比例の関係にあります。 また、この用語を突き出しと組み合わせたアーク長、またはワイヤーがノズルと面一になったときにコンタクトチップからどれだけ伸びるかを示すためにこの用語を使用する人もいます。 オペレータが突き出しを増やすと溶接アンペア数が減少し、その逆も同様です。 CTWD への変更は溶接の溶け込みにも影響します。接触チップが母材に近づくほど、溶け込みが大きくなります。

さらに、溶接アンペア数は、溶接ビードの外観や入熱とともに、メルトオフ率、つまり使用されるワイヤの量に影響します。 アンペア数が高すぎると、特に金属芯線を使用して溶接する場合、溶接が鈍くなり、薄片状になる可能性があります。 アンペア数も熱入力を直接増減させ、移動速度と組み合わせることで熱入力に最大の影響を与えます。 入熱量は次のように計算されます。

(60 x アンペア x ボルト)/(1,000 x IPM での移動速度) = KJ/インチ。

WFS はアンペア数に直接相関するだけでなく、溶接伝達モードにも影響します。 WFS と電圧が高くなると、プロセスは球状モードに移行し、ワイヤの大きな液滴がアークを横切って溶接池に移動します。 WFS (したがってアンペア数) と電圧を増やすと、スプレー転送モードの使用が可能になります。 このモードは、ワイヤの小さな液滴を溶接池にスプレーし、生産性を向上させるスムーズで使いやすいプロセスとして知られています。 これは、金属芯線と組み合わせる場合に特に当てはまります。 米国溶接協会 (AWS) の「溶接ハンドブック、第 1 巻」には、球状溶接モードからスプレー搬送モードへの移行に必要なおおよその電流が記載されています。

WFS を増加すると、溶着速度、つまり一定期間内に溶接継手に追加される溶加材の量も増加します。

WFS と電圧を低くすると、プロセスが短絡溶接の範囲内に保たれます。短絡溶接では、ワイヤが母材に接触し、金属を移動させる接点から短絡します。 このショートは 1 秒あたり最大 200 回発生する可能性があります。 全体として、これは遅いプロセスであり、堆積速度は低くなります。

電圧とは、溶接回路内にアンペア数を流す電気圧力を指します。 円弧の長さの調整に直接関与します。 溶接電圧が高いほどアークは長くなります。 ただし、スティックアウトも効果的に減少し、アンペア数が増加します。 そのため、溶接工にとって CV 電源を使用して溶接する際には、一定の突き出しを維持することが重要です。 溶接電圧も入熱と直接相関するため、設定値が高いほど熱量が多くなります。 電圧を上げると、より広いアークコーンも生成されます。

溶接変数は相互に異なる関係にありますが、最終的には連携して望ましい溶接パフォーマンスを提供します。

溶接電圧は最終的な溶接にさまざまな影響を与えます。 高すぎると、ビードが平らになり、溶接プロファイルが凹面になります。 また、電圧が高すぎると、溶接止端付近の母材に溶接金属が充填されていないアンダーカットや溝が発生する可能性があります。

溶接電圧が低すぎると、コールドラップ、つまり溶加材が溶接の先端で母材と完全に融合しないときに発生する欠陥が発生する可能性があります。 なだらかな溶接やこぶ状の溶接や過度のスパッタが発生する可能性があります。 長い電源ケーブルを使用して溶接を行うオペレータにとって、機械の設定に関係なく、溶接点で電圧降下が発生する可能性があることを知っておくことが重要です。 たとえば、電源が 25 V に設定されているにもかかわらず、23 V しか供給されていない場合があります。これもコールドラップを引き起こす可能性があります。

移動速度は単にアークが溶接継手に沿って移動する速度を指し、インチ/分 (IPM) で測定されます。 半自動操作では、多くの溶接オペレータは平均 10 ～ 12 IPM で快適に感じますが、より経験豊富なオペレータは 18 ～ 20 IPM の範囲で溶接する場合があります。 金属入りワイヤを使用して溶接する場合、その構造と内部の複合粉末により移動速度が速くなる傾向があります。

移動速度の変化は入熱に影響するため、アルミニウムなどの熱に弱い材料を溶接する場合は注意が必要です。 溶接を速くすると入熱が減り、焼き付きなどの問題が防止されます。 厚い材料のマルチパス溶接では、各パスを充填して良好な結晶粒の微細化をサポートするために、より遅い移動速度が必要になる場合があります。

移動速度が遅すぎると、熱が過剰になり、溶接ビードが広くなり、溶け込みが不十分になる可能性があります。一方、移動速度が速すぎると、溶接止端の結合が不十分な狭い溶接が形成されます。 特定の溶接継手に対して安定したペースを維持することが重要です。

最も一般的に使用されるシールドガスは、アルゴンであれ二酸化炭素 (CO2) であれ、溶接特性と溶接性能に影響を与えます。 100% CO2 シールド ガスは、厚い材料に深く接合しますが、アークの安定性が低下し、高レベルのスパッタが発生する傾向があります。 CO2 にアルゴンを添加すると、スパッタを抑えて美しい溶接を行うことができます。 高レベルのアルゴンを含むシールドガス混合物は、引張強さと降伏強さは高くなりますが、延性が低くなります。 混合物中の CO2 濃度が高いと、延性と耐亀裂性は向上しますが、引張強度と降伏強度は低下します。

電圧と WFS が溶接伝達モードに影響を与えるのと同様に、シールド ガスも影響します。

たとえば、75% のアルゴンと 25% の CO2 の混合物を使用して、ソリッド ワイヤと金属芯ワイヤを短絡モードで溶接することが可能です。 ガスシールドされたフラックス入りワイヤを使用した球状トランスファー溶接には 100% CO2 が必要ですが、より高い電圧では、メタルコアワイヤを 80% アルゴンと 20% CO2 と組み合わせて、スプレートランスファーモードでより厚い材料を溶接できます。

溶接変数は相互に異なる関係にありますが、最終的には連携して望ましい溶接パフォーマンスを提供します。 たとえば、1/2 インチで溶接する場合。 A36 のような厚い軟鋼の場合、約 250 アンペアが適切な目標であり、ほとんどの場合に十分なルート融着が得られます。 90% アルゴン/10% CO2 混合ガスを使用すると、約 26 ～ 28 V、約 375 ～ 420 IPM WFS のスプレー転写モードで溶接が可能になります。

適切な変数を維持することは、プロセスのコスト効率を高め、生産性目標を維持し、健全な溶接を実現するのに役立ちます。