CN112770859A - 焊接电源、焊接系统、焊接电源的控制方法以及程序 - Google Patents

Abstract

在通过周期性地重复作为消耗电极的焊丝的前端的正向进给和反向进给而进行电弧焊接的情况下，即使在焊丝流过大电流也能够抑制溅射的发生。向作为消耗电极的焊丝供给焊接电流的消耗电极式电弧焊接电源具有控制机构，该控制机构在焊丝的前端伴随着被正向进给的期间和被反向进给的期间的周期性切换而被朝向母材进给的情况下，使焊接电流根据周期性变动的焊丝的前端位置而变化。

Description

焊接电源、焊接系统、焊接电源的控制方法以及程序

技术领域

本发明涉及焊接电源、焊接系统、焊接电源的控制方法以及程序。

背景技术

气体保护电弧焊被用在机动车、钢铁构架、建筑机械、造船及其他各种行业的焊接中，但在现场谋求作业效率的进一步改善。例如谋求溅射的减少。原因在于，若溅射物附着于母材(工件)，则由于将其去除的作业等而使得作业效率降低。

在减少溅射方面有效的以往的方法中，存在周期性地重复焊丝的正向进给和反向进给的方法。该方法在交替地重复短路状态与电弧产生状态的短路过渡时使用。具体而言，是如下方法：使焊丝的前端与熔池接触而使其短路，然后，通过因电流而产生的夹紧力和因反向进给而产生的拉回来稳定地解除短路，使熔滴被强制地转移到熔池。

在焊丝的进给方面灵活运用上述技术的现有技术中，有例如专利文献1及专利文献2。

在专利文献1中，记载了“在周期性地重复焊丝的正向进给和反向进给的焊接方法中，使焊接状态的稳定性提高。一种焊接控制方法，其通过周期性地重复焊丝的进给速度Fw的正向进给和反向进给来使短路期间和电弧期间产生，在电弧期间中，在接通第一焊接电流Iw1之后接通小于第一焊接电流的第二焊接电流Iw2，在该电弧焊接控制方法中，检测出从电弧期间转移到短路期间的时间点t21的进给速度Fw的相位，根据检测出的相位来使第一焊接电流的值Iw1和/或通电期间Tw1变化。由此，由于能抑制干扰所引起的短路发生时的进给速度的相位变动，因此能提升焊接状态的稳定性”。

另外，在专利文献2中，记载了“一种脉冲电弧焊接控制方法，其在焊丝与焊接对象物之间以脉冲状重复供给峰值电流和基值电流，在从峰值电流期间中的第一时间点到基值电流期间中的第二时间点为止的规定期间中，使所述焊丝的进给速度比所述峰值电流的上升时间点的进给速度低，或者，将所述焊丝的进给速度设为使所述焊丝向从所述焊接对象物离开的方向进给的反向进给速度。由此缩短电弧长度，并且抑制熔滴脱离时的短路”。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2015/163101号

专利文献2：日本国特开2014-83553号公报

发明内容

发明要解决的课题

专利文献1所记载的技术是虽然能够实现溅射的减少，但伴有短路的控制方法，在熔滴过渡的过渡形式为短路过渡这样的性质方面，通常为能够应用的电流范围必然变低。因此，在专利文献1所记载的技术中，适合于优选低输入热量的焊接的薄板焊接，但对于优选高输入热量的焊接的厚板焊接不能确保一定的熔深，因而并不适合。即，在将专利文献1所记载的技术应用于厚板焊接的情况下，不仅产生因输入热量不足导致的熔深不足，还存在焊缝的外观成为凸形状等的课题。具体而言，即使将焊接电流存在上限的专利文献1所记载的技术应用于厚板的结构物，不仅由于熔敷量少而焊接效率差，还因低输入热量而无法充分确保焊接品质。

另外，在专利文献2所记载的技术中，仅记载了，对用于在以脉冲电流的周期性变化为基准而确定的脱离预测期间反向进给焊丝的进给速度的指令值进行控制，没有记载实现稳定的脱离的条件。换言之，没有记载稳定地实现溅射的抑制的条件。

本发明的目的在于，在周期性地重复作为消耗电极的焊丝的前端的正向进给与反向进给的电弧焊接方式中，能够以高的输入热量效率良好地进行焊接，即使是采用短路过渡以外的过渡形式的高电流区域的情况下，也能够实现溅射的减少。

用于解决课题的方案

基于上述目的，本发明提供一种焊接电源，其向作为消耗电极的焊丝供给焊接电流，该焊接电源具有控制机构，控制机构在焊丝的前端伴随着被正向进给的期间和被反向进给的期间的周期性切换而被朝向母材进给的情况下，使焊接电流根据与母材的表面之间的距离周期性变动的焊丝的前端位置而变化。

在此，也可以是，控制机构根据所述焊丝的进给速度的指令值计算出所述焊丝的前端位置。

另外，也可以是，控制机构在周期性变动的焊丝的前端位置位于比以变动范围的上下点限定的波高的1/2的位置靠母材侧的情况下开始使焊接电流比预先确定的电流值降低的低电流期间。

需要说明的是，也可以是，低电流期间在如下范围内开始，即，从自焊丝的前端被正向进给的期间向焊丝的前端被反向进给的期间切换的时间点的焊丝的前端位置到切换为反向进给后的焊丝的进给速度的指令值成为最大的时间点的焊丝的前端位置为止的范围。或者，也可以是，低电流期间在焊丝的前端位置从变动范围的最下点到达波高的1/2为止的期间开始。

并且，也可以是，低电流期间在如下范围内结束，即，从切换为反向进给后的焊丝的进给速度的指令值成为最大的时间点的焊丝的前端位置到自焊丝的前端被反向进给的期间向焊丝的前端被正向进给的期间切换的时间点的焊丝的前端位置为止的范围。或者，也可以是，低电流期间在焊丝的前端位置从波高的1/2到达变动范围的最上点为止的期间结束。

在此，也可以是，基于焊丝的进给速度的指令值与实测的进给速度的相位差来修正低电流期间的开始，也可以是，基于焊丝的进给速度的指令值与实测的进给速度的相位差来修正低电流期间的结束。

另外，也可以是，焊接电流具有比平均值大的电流流动的第一期间和比平均值小的电流流动的第二期间周期性重复的脉冲波形，低电流期间对应于第二期间，低电流期间以外的期间对应于第一期间。

在此，也可以是，在第二期间的结束端与第一期间的开始端之间设置有上升转变期间，在第一期间的结束端与第二期间的开始端之间设置有下降转变期间。需要说明的是，也可以是，上升转变期间的焊接电流以阶梯状变化。

另外，也可以是，还具有检测焊丝与母材的脱离的检测机构，在焊丝的前端被反向进给的期间中检测机构未检测出焊丝的脱离的情况下，控制机构在焊丝的前端被反向进给的期间结束后开始以预先确定的恒定速度使焊丝正向进给的控制，在焊丝被以恒定速度正向进给的期间由检测机构检测出焊丝的脱离的情况下，控制机构切换为焊丝的前端被正向进给的期间和焊丝的前端被反向进给的期间周期性重复的初始条件。

另外，也可以是，还具有检测焊丝与母材的脱离的检测机构，当在从在焊丝的前端被正向进给的期间焊丝的进给速度的指令值成为最大的时间点到切换为焊丝的前端被反向进给的期间为止的期间，由检测机构检测出焊丝的脱离的情况下，控制机构在从焊丝的前端被反向进给的期间向焊丝的前端被正向进给的期间切换的时间点开始以预先确定的恒定速度使焊丝进给的控制，在焊丝被以恒定速度进给的期间由检测机构检测出焊丝的脱离的情况下，控制机构切换为焊丝的前端被正向进给的期间和焊丝的前端被反向进给的期间周期性重复的初始条件。

另外，本发明提供一种焊接系统，其向作为消耗电极的焊丝供给焊接电流并进行电弧焊接，其中，所述焊接系统具有控制机构，所述控制机构在焊丝的前端伴随着被正向进给的期间和被反向进给的期间的周期性切换而被朝向母材进给的情况下，使所述焊接电流根据与母材的表面之间的距离周期性变动的该焊丝的前端位置而变化。

另外，本发明提供一种焊接电源的控制方法，所述焊接电源向作为消耗电极的焊丝供给焊接电流，所述焊接电源的控制方法在焊丝的前端伴随着被正向进给的期间和被反向进给的期间的周期性切换而被朝向母材进给的情况下，使焊接电流根据与母材的表面之间的距离周期性变动的焊丝的前端位置而变化。

另外，本发明提供一种程序，其使向作为消耗电极的焊丝供给焊接电流并进行电弧焊接的焊接系统的计算机执行如下功能，即，在焊丝的前端伴随着被正向进给的期间和被反向进给的期间的周期性切换而被朝向母材进给的情况下，使焊接电流根据与母材的表面之间的距离周期性变动的焊丝的前端位置而变化。

发明的效果

根据本发明，能够在周期性地重复作为消耗电极的焊丝的前端的正向进给和反向进给的电弧焊接方式中，以高的输入热量且效率良好地进行焊接，即使在采用短路过渡以外的过渡形式的高电流域的情况下也能够实现溅射的减少。

附图说明

图1是示出本实施方式的电弧焊接系统的结构图。

图2是说明焊接电源的控制系统部分的结构例的结构框图。

图3是说明焊丝进给速度的时间变化的波形图。

图4是说明焊丝的前端位置的时间变化的波形图。

图5是说明本实施方式中的焊接电流的控制例的流程图。

图6是示出对焊接电流的电流值进行指定的电流设定信号的控制例的时序图。

图7是示出与焊丝的前端位置相应地使焊接电流变化的控制方法的特征的说明图。

图8是示出与有脱离的情况和无脱离的情况各自有关的事件的转变关系的说明图。

图9是示出变形例的电流设定信号的波形的波形图。图9的(A)～(C)是上升以阶梯状转变的情况，图9的(D)是上升和下降均以阶梯状转变的情况，图9的(E)是上升以阶梯状转变且下降以减少的倾斜转变的情况。

图10是示出其他变形例的电流设定信号的波形的波形图。图10的(A)是上升以增加的倾斜且下降以减少的倾斜转变的情况，图10的(B)是上升以增加的倾斜且下降以带有曲线的倾斜转变的情况，图10的(C)是上升以阶梯状且下降以带有曲线的倾斜转变的情况，图10的(D)是上升以带有倾斜的倾斜且下降以减少的倾斜转变的情况，图10的(E)是频率成分重叠的例子。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的焊接电源、焊接系统、焊接电源的控制方法及程序的实施方式的例子进行说明。需要说明的是，各图是为本发明的说明而作成的，本发明的实施方式不局限于图示的内容。

<系统的整体结构>

图1是示出本实施方式的电弧焊接系统1的结构图。

电弧焊接系统1具备焊接机器人120、机器人控制器160、焊接电源150、进给装置130、以及保护气体供给装置140。

焊接电源150经由正的电力电缆与焊接电极连接，并经由负的电力电缆与被焊接物(以下也称为“母材”或“工件”)200连接。该连接是以反极性进行焊接的情况，在以正极性进行焊接的情况下，焊接电源150经由正的电力电缆与母材200连接，并经由负的电力电缆与焊接电极连接。

另外，焊接电源150与消耗式电极(以下也称为“焊丝”)100的进给装置130通过信号线连接，能够控制焊丝的进给速度。

焊接机器人120作为末端执行器而具备焊炬110。焊炬110具有向焊丝100通电的通电机构(导电嘴)。焊丝100利用来自导电嘴的通电从而自前端产生电弧，并利用其热量来焊接作为焊接对象的母材200。

并且，焊炬110具备保护气体喷嘴，该保护气体喷嘴具备喷出保护气体的机构。保护气体可以是二氧化碳、氩+二氧化碳(CO₂)等混合气体中的任一种。需要说明的是，更优选二氧化碳，在为混合气体的情况下，优选为在Ar中混合10～30％的二氧化碳而成的气体。保护气体由保护气体供给装置140供给。

在本实施方式中使用的焊丝100可以是不包含助焊剂的实心焊丝和包含助焊剂的药芯焊丝中的任一种。焊丝100的材质没有限制。焊丝100的材质例如可以是软钢、也可以是不锈钢、铝、钛。并且，焊丝100的直径也没有特别限制。在本实施方式的情况下，优选的是，将焊丝100的直径的上限设为1.6mm、下限设为0.8mm。

机器人控制器160控制焊接机器人120的动作。机器人控制器160保持预先确定了焊接机器人120的动作模式、焊接开始位置、焊接结束位置、焊接条件、横摆运条动作等的示教数据，并通过对焊接机器人120指示上述内容而控制焊接机器人120的动作。另外，机器人控制器160根据示教数据来对焊接电源150赋予控制正在焊接作业的电源的指令。

这里的电弧焊接系统1是焊接系统的一例。另外，焊接电源150也是使焊接电流变化的控制机构的一例。

<焊接电源的结构>

图2是说明焊接电源150的控制系统部分的结构例的结构框图。

焊接电源150的控制系统部分例如通过计算机执行程序来执行。

在焊接电源150的控制系统部分包括电流设定部36。本实施方式的电流设定部36具有对用于限定在焊丝100中流动的焊接电流的各种电流值进行设定的功能、对抑制焊接电流的电流值的期间开始的时间和抑制焊接电流的电流值的期间结束的时间进行设定的功能(电流抑制期间设定部36A)、以及求取焊丝100的前端位置的信息的焊丝前端位置变换部36B。

在本实施方式的情况下，焊接电流为脉冲电流，电流设定部36设定峰值电流Ip、基值电流Ib、熔滴脱离用的稳态电流Ia。本实施方式的情况下，焊接电流基本上由峰值电流Ip和基值电流Ib这两个值来控制。因此，抑制电流值的期间开始的时间t1表示基值电流Ib开始的时间(基值电流开始时间)，抑制电流值的期间结束的时间t2表示基值电流Ib结束的时间(基值电流结束时间)。

焊接电源150的电源主电路由交流电源1、一次侧整流器2、平滑电容器3、开关元件4、变压器5、二次侧整流器6、电抗器7构成。交流电源1在此例示了三相交流电源。

从交流电源1输入的交流电力由一次侧整流器2进行全波整流，进而由平滑电容器3进行平滑而变换为直流电力。接着，直流电力在通过基于开关元件4的逆变控制变换为高频的交流电力后，经由变压器5变换为二次侧电力。变压器5的交流输出由二次侧整流器6进行全波整流，进而由电抗器7进行平滑。电抗器7的输出电流作为来自电源主电路的输出而向焊接嘴8赋予，并向作为消耗电极的焊丝100通电。

焊丝100被进给马达24进给，在其与母材200之间产生电弧9。在本实施方式的情况下，进给马达24以使将焊丝100的前端按照比平均速度快的速度向母材200送出的正向进给期间与将焊丝100的前端按照比平均速度慢的速度向母材200送出的反向进给期间周期性地切换的方式来对焊丝100进行进给。反向进给期间的焊丝100的前端向远离母材200的方向移动。

由进给马达24进行的焊丝100的进给被来自进给驱动部23的控制信号Fc控制。进给速度的平均值大致与熔融速度相同。在本实施方式的情况下，由进给马达24进行的焊丝100的进给也通过焊接电源150控制。

由电压设定部34向电流设定部36赋予在焊接嘴8与母材200之间施加的电压的目标值(电压设定信号Vr)。

这里的电压设定信号Vr也被向电压比较部35赋予，并与由电压检测部32检测出的电压检测信号Vo进行比较。电压检测信号Vo为实测值。

电压比较部35将电压设定信号Vr与电压检测信号Vo的差分放大并作为电压误差放大信号Va向电流设定部36输出。

电流设定部36以电弧9的长度(即电弧长度)为恒定的方式控制焊接电流。换言之，电流设定部36通过焊接电流的控制来执行恒定电压控制。

电流设定部36基于电压设定信号Vr与电压误差放大信号Va，对赋予峰值电流Ip的值、基值电流Ib的值、峰值电流Ip的期间或者对峰值电流Ip的值、基值电流Ib的值的大小进行重新设定，根据重新设定的期间或值的大小而向电流误差放大部37输出电流设定信号Ir。

在本实施方式的情况下，赋予峰值电流Ip的期间为赋予基值电流Ib的期间以外的期间。换言之，赋予峰值电流Ip的期间为电流未被抑制的期间(电流非抑制期间)。该赋予峰值电流Ip的期间是第一期间的一例。

另一方面，赋予基值电流Ib的期间也称为电流抑制期间。电流抑制期间是低电流期间的一例，并且也是第二期间的一例。

电流误差放大部37将作为目标值而赋予的电流设定信号Ir与由电流检测部31检测出的电流检测信号Io的差分放大，并作为电流误差放大信号Ed向逆变器驱动部30输出。

逆变器驱动部30利用电流误差放大信号Ed对开关元件4的驱动信号Ec进行修正。

对熔滴从焊丝100的前端脱离进行检知的信号(脱离检测信号Drl)也被输入到电流设定部36。脱离检测信号Drl由脱离检测部33输出。脱离检测部33对电压检测部32所输出的电压检测信号Vo的变化进行监视，并根据该变化对熔滴从焊丝100的脱离进行检知。脱离检测部33是检测机构的一例。

这里的脱离检测部33例如通过将对电压检测信号Vo进行微分或二阶微分后的值与检测用的阈值进行比较来检测熔滴的脱离。检测用的阈值被预先存储在未图示的存储部。

需要说明的是，脱离检测部33也可以基于根据实测值即电压检测信号Vo与电流检测信号Io计算出的电阻值的变化来生成脱离检测信号Drl。

电流设定部36也被赋予有被进给的焊丝100的平均进给速度Fave。平均进给速度Fave由平均进给速度设定部20基于在未图示的存储部存储的示教数据而输出。

电流设定部36基于被赋予的平均进给速度Fave来确定峰值电流Ip、基值电流Ib、稳态电流Ia、基值电流Ib开始的时间t1、基值电流Ib结束的时间t2的值。

在本实施方式中，如图2所示，向电流设定部36输入了平均进给速度Fave，但也可以是，向电流设定部36输入的信号将与平均进给速度Fave关联的值作为设定值而置换为平均进给速度Fave来使用。例如，在未图示的存储部存储有平均进给速度、以及相对于该平均进给速度能够进行最佳的焊接的平均电流值的数据库的情况下，可以将平均电流值作为设定值而置换为平均进给速度Fave来使用。

平均进给速度Fave也被向振幅进给速度设定部21和进给速度指令设定部22赋予。

这里的振幅进给速度设定部21基于被输入的平均进给速度Fave来确定振幅Wf和周期Tf的值。振幅进给是指，进给速度比平均进给速度Fave快的期间(正向进给期间)和进给速度相对于平均进给速度Fave慢的期间(反向进给期间)交替地出现的进给方式。振幅Wf赋予相对于平均进给速度Fave的变化幅度，周期Tf赋予作为重复单位的振幅变化的时间。振幅进给速度设定部21生成并输出与所确定的振幅Wf和周期Tf的值相应的振幅进给速度Ff。

进给速度指令设定部22基于振幅进给速度Ff和平均进给速度Fave来输出进给速度指令信号Fw。

在本实施方式的情况下，进给速度指令信号Fw以下式表示。

Fw＝Ff+Fave…式1

其中，式1所示的进给速度指令信号Fw限于在设想的期间内检知熔滴从焊丝100的前端脱离的情况。

在设想的期间内未检测出熔滴的脱离的情况下，进给速度指令设定部22将进给速度指令信号Fw切换为基于恒定速度的进给控制。例如切换为基于平均进给速度Fave的进给。从基于平均进给速度Fave的进给向式1所示的进给控制的切换根据检知到熔滴的脱离的时机来确定。具体的控制例将在后文叙述。

进给速度指令设定部22通过由脱离检测部33赋予的脱离检测信号Drl检知在振幅进给的哪个相位发生了脱离。

进给速度指令信号Fw向相位偏移检测部26、进给误差放大部28、电流设定部36输出。

进给误差放大部28将作为目标速度的进给速度指令信号Fw与对基于进给马达24的焊丝100的进给速度进行实测得到的进给速度检测信号Fo的差分放大，并将对误差量进行修正得到的速度误差放大信号Fd向进给驱动部23输出。

进给驱动部23基于速度误差放大信号Fd生成控制信号Fc，并将其向进给马达24赋予。

这里的进给速度变换部25将进给马达24的旋转量等变换为焊丝100的进给速度检测信号Fo。

本实施方式中的相位偏移检测部26将进给速度指令信号Fw与作为测定值的进给速度检测信号Fo进行比较，并输出相位偏移时间(相位差)Tθd。需要说明的是，相位偏移检测部26也可以对将限定振幅进给的参数(周期Tf、振幅Wf、平均进给速度Fave)设为可变的情况下的进给马达24的进给动作进行测定并求取相位偏移时间Tθd。

相位偏移时间Tθd被向电流设定部36的焊丝前端位置变换部36B赋予。焊丝前端位置变换部36B基于进给速度指令信号Fw与相位偏移时间Tθd来计算以母材200作为基准面的焊丝100的前端位置，并将计算出的前端位置的信息向电流抑制期间设定部36A赋予。

在此，电流抑制期间设定部36A基于焊丝100的前端位置的信息，或者基于焊丝100的前端位置的信息和进给速度指令信号Fw来设定抑制焊接电流的期间、即将电流设定信号Ir控制为基值电流Ib的期间。

这里的电流设定部36是与焊丝100的前端位置相应地使焊接电流变化的控制机构的一例。

<焊接电流的控制例>

以下，对基于焊接电源150的焊接电流的控制例进行说明。

焊接电流的控制利用构成焊接电源150的电流设定部36来实现。如前所述，本实施方式中的电流设定部36通过程序的执行来实现控制。

本实施方式中的电流设定部36基于焊丝100的进给速度指令信号Fw和焊丝100的前端位置的信息来控制焊接电流的电流值的切换。因此，在说明焊接电流的控制之前，对进给速度指令信号Fw的时间变化和焊丝100的前端位置的时间变化进行说明。

图3是说明进给速度指令信号Fw的时间变化的波形图。横轴是时间(相位)，纵轴是速度。纵轴的单位是米/分或旋转数(回転数)。其中，数值是一例。例如在将焊丝100(参照图2)的直径设为1.2mm的情况下，平均进给速度Fave为12～25米/分。当然，为了维持后述的滴状过渡或喷射过渡，也与焊丝100的突出长度有关，但希望将进给速度设为8米/分以上。例如在将焊丝100的突出长度设为25mm的情况下，焊接电流为225A左右。短路过渡和滴状过渡的临界区域大约为250A。

在图3中，以正值表示比平均进给速度Fave快的速度，以负值表示比平均进给速度Fave慢的速度。需要说明的是，焊丝100(参照图2)以接近母材200(参照图2)的方式被送出。

在本实施方式的情况下，进给速度指令信号Fw以由周期Tf和振幅Wf限定的正弦波形状变化。以下，将进给速度比平均进给速度Fave快的期间称为正向进给期间，相反地，将进给速度比平均进给速度Fave慢的期间称为反向进给期间。另外，为了方便说明，将各进给期间的前半称为前期，将各进给期间的后半称为后期。

平均进给速度Fave可看作为焊丝熔融速度Fm。

以下，如图3所示，有时将正向进给期间和反向进给期间周期性重复的振幅进给称为初始条件。

图4是对焊丝100(参照图2)的前端位置(焊丝前端位置)的时间变化进行说明的波形图。横轴是时间(相位)，纵轴表示从母材200的表面(母材表面)向法线方向上方的距离(高度)。

其中，在图4中，将焊丝100被以平均进给速度Fave进给的情况下的距离(高度)为基准距离，以正值表示比基准距离大的距离，以负值表示比基准距离小的距离。

如图4所示，焊丝100的前端位置随着时间的经过接近母材表面的期间为正向进给期间，焊丝100的前端位置随着时间的经过远离母材表面的期间为反向进给期间。

在图4中，将与焊丝100的前端位置最接近母材表面的位置(最下点)对应的时间点用T0、T4表示，将与焊丝100的前端位置距母材表面最远的位置(顶点)对应的时间点用T2表示。这里的顶点是最上点的一例。

另外，将对应于基准距离的时间点设为T1、T3。T1是焊丝100的前端位置从最接近母材表面的位置(最下点)去往距母材表面最远的位置(顶点)的中间的时间点。T3是焊丝100的前端位置从距母材表面最远的位置去往最接近母材表面的位置的中间的时间点。如图4所示，焊丝100的前端位置与平均进给速度Fave的差分为振幅。另外，周期性变动的焊丝100的前端位置的变化幅度，也就是说，由前端位置的变动范围的上下点限定的变化幅度为波高。

图5是说明本实施方式中的焊接电流的控制例的流程图。图5所示的控制在电流设定部36(参照图2)执行。图中的附图标记S为步骤。

图5所示的控制对应于焊丝100的前端位置的变化(1个周期)。因此，在图5中，将时间T为时间点T0的状态作为步骤1。

本实施方式中的电流设定部36计算焊丝100的前端位置以用于电流设定信号Ir的控制。

平均进给速度Fave与焊丝熔融速度Fm等同。因此，若对进给速度指令信号Fw与焊丝熔融速度

的差分进行积分，则能够求取焊丝100的前端位置。

因此，电流设定部36基于下式来设定焊丝100的前端位置。

焊丝前端位置＝∫(Fw-Fave)·dt…式2

由式2计算的前端位置的变化对应于图4。

其中，在将进给马达24(参照图2)用于焊丝100的进给的情况下，存在指令与实际的进给速度、即进给速度检测信号Fo之间产生相位偏移的情况。因此，电流设定部36利用由相位偏移检测部26赋予的相位偏移时间Tθd来修正与根据平均进给速度Fave以及进给速度指令信号Fw计算的焊丝100的前端位置相应地计算的基值电流开始时间t1。具体而言，如下式所示那样对基值电流开始时间t1的值进行重新设定。

t1＝t1+Tθd…式3

同样，电流设定部36利用相位偏移时间Tθd来修正根据平均进给速度Fave及进给速度指令信号Fw计算出的基值电流结束时间t2。

t2＝t2+Tθd…式4

在此，从进给速度的观点对控制基值电流开始时间t1与基值电流结束时间t2的情况进行了说明，但从位置控制的观点来讲也是同样的。

图6是示出对焊接电流的电流值进行指定的电流设定信号Ir的控制例的时序图。横轴是时间，纵轴是电流检测信号Io。图中的时间点T0、T1、T2、T3、T4分别对应于图4中的时间点T0、T1、T2、T3、T4。这里的时间点T0、T1、T2、T3、T4根据由平均进给速度Fave以及进给速度指令信号Fw计算出的焊丝100的前端位置来确定。

如图6所示，基值电流开始时间t1表示相对于焊丝100的前端位于最下点的时间点T0、即从正向进给期间向反向进给期间切换的时间点延迟的相位。需要说明的是，在图6中，以t1’表示基值电流开始时间t1的最大值。

返回图5的说明。

当焊丝100的前端位置为时间点T0的最下点时，电流设定部36判定从时间点T0起开始计测的时间T是否为基值电流开始时间t1以上(步骤2)。

在步骤2的判定结果为否定(伪(False))的期间，电流设定部36输出峰值电流Ip作为电流设定信号Ir(步骤3)。

该期间对应于图6中的电流非抑制期间。

但是，即将切换为基值电流Ib之前的峰值电流Ip的供给期间是基于峰值电流Ip的焊丝100的熔融进展且在其前端形成的熔滴长大的期间。另外，也是焊丝100的前端位置逐渐接近母材表面的期间。该期间也是容易发生短路，并容易发生伴随短路的溅射的期间。

因此，在本实施方式中，赋予峰值电流Ip直到经过时间t1为止，防止或抑制短路的发生。换言之，以不发生短路的方式来控制焊接电流的供给。

在本实施方式的情况下，峰值电流Ip的优选范围为300A～650A。另外，基值电流Ib的优选范围为10A～250A。

需要说明的是，在存在发生短路的可能性的期间，希望在反向进给期间开始之后也供给峰值电流Ip。该期间大约是时间点T0～T1的期间。换言之，是焊丝100的前端位置从变动范围的最下点到达波高的1/2为止的期间。因此，希望的是，在时间点T0～T1的期间执行供给峰值电流Ip的期间(电流非抑制期间)的结束。即，在时间点T0及其附近成为焊丝前端的熔滴以被包围的方式位于由电弧的力推开的熔池中的、所谓的“埋弧”状态，而成为容易短路的状况，因此，通过在时间点T0～T1的期间执行供给峰值电流Ip的期间的结束，能够维持由电弧产生的熔池表面的压下作用、熔滴的顶起作用，能够防止“埋弧”时发生短路。

因此，希望的是，以在从焊丝100的前端位于最下点的时间点T0稍微经过的时间点，例如以时间点T0为起点的约π/18～π/3(10°～60°)的时间点执行向基值电流Ib的切换的方式来设定时间t1。

返回图5的说明。

当步骤2的判定结果成为肯定(真(True))时，电流设定部36开始输出基值电流Ib作为电流设定信号Ir(步骤4)。如前所述，在向基值电流Ib的切换开始的时间点，焊丝100的进给已经切换为反向进给期间，焊丝100的前端开始向从母材表面远离的方向移动。

在峰值电流Ip大的情况下，从焊丝100的前端脱离的熔滴因根据采用的保护气体、电流域来变化的过渡形式而不同，例如，在为滴状过渡的情况下成为比焊丝100的直径大的大粒的形状，在为喷射过渡的情况下成为小粒的形状。

需要说明的是，在将二氧化碳用于保护气体的情况下，电弧收缩，从而在与熔池表面对置的熔滴的底部电弧反作用力集中，由此将熔滴顶起的力变大，成为滴状过渡。另外，在保护气体采用氩气或氩的混合率高的气体的情况下，成为喷射过渡。

焊丝100的前端位于最下点的时间点T0附近的熔滴由于位于熔池附近，因此电弧长度变短。另外，在时间点T0以后切换为反向进给期间。即，焊丝100的前端以提升的方式移动。在生长了的熔滴整体中，作用有向接近母材200(参照图2)的方向即正向进给方向的惯性力，相对于此，由于焊丝100向成为与其相反的方向即远离母材200的方向移动，因此熔滴向更悬垂的形状变化，进而促进脱离。

而且，在预测脱离的期间，将焊接电流的电流值预先切换为基值电流Ib，由此与供给峰值电流Ip的期间相比，能够使电弧反作用力减少。其结果是，顶起熔滴的力进一步变弱，从而熔滴成为更加容易成为悬垂形状的状况。

需要说明的是，如前所述，T0～T1的期间成为焊丝前端的熔滴埋入熔池的“埋弧”状态，因此，对于熔滴，因夹紧力(pinch strength)等而引起的剪切力发挥较大作用，进一步促进脱离。

这样，通过在对焊接电流进行抑制的期间(电流抑制期间)中使熔滴从焊丝100的前端脱离，能够期待溅射的减少。

返回图5的说明。

将电流设定信号Ir切换为基值电流Ib的电流设定部36(参照图2)判定时间T是否为基值电流结束时间t2以上(步骤5)。在图6中以t2’表示基值电流结束时间t2的最大值。

在步骤5的判定结果为否定(伪)的期间，电流设定部36输出基值电流Ib作为电流设定信号Ir(步骤4)。

在开始供给基值电流Ib之后，焊丝100的前端以如下方式移动：伴随着熔滴的脱离被提起至顶点、即前端距母材200最远的位置。

在熔滴脱离后，为了使焊丝100熔融而形成熔滴，需要结束基值电流Ib的供给期间(电流抑制期间)，而切换为供给峰值电流Ip的期间(电流非抑制期间)。

因此，希望的是，在时间点T1～T2的期间结束基值电流Ib的供给。

另一方面，若过早从基值电流Ib切换为峰值电流Ip，则熔滴的生长过多，会产生在焊丝100位于最下点的时间点容易发生短路、肥大化的熔滴被过度顶起、肥大化的熔滴难以脱离等问题。

因此，更希望的是，将基值电流Ib的供给期间的结束的期间、即基值电流结束时间t2设为2π/3～π(120～180°)的期间。

当步骤5的判定结果成为肯定(真)时，电流设定部36开始输出峰值电流Ip作为电流设定信号Ir(步骤6)。

接下来，电流设定部36判定从时间点T0起开始计测的时间T是否成为时间点T4(步骤7)。

在步骤7的判定结果为否定(伪)的期间，电流设定部36输出峰值电流Ip作为电流设定信号Ir(步骤6)。

另一方面，当步骤7的判定结果成为肯定(真)时，电流设定部36回归到步骤1。

通过以上的控制，电流设定信号Ir成为周期地重复峰值电流Ip和基值电流Ib的脉冲波形。

图7是示出与焊丝100的前端位置相应地使焊接电流变化的控制方法的特征的说明图。

图7中的以往例是以专利文献1为代表的、在振幅进给中采用的方法，具体而言对应于以进给速度的相位为基准使通电期间变化的方法。

在本实施方式的情况下，过渡形式以滴状过渡或喷射过渡等短路过渡以外的过渡形式作为适合的对象，相对于此，以往例为短路过渡。因此，实施方式的方法能够实现比以往例高输入热量且高效化的焊接。另外，在本实施方式的情况下，形成的焊缝的外观平坦，相对于此，使用短路过渡形式的以往例的外观为凸形状。

另外，在本实施方式的情况下，熔深较深且熔敷量也较多，相对于此，以往例存在熔深较浅且熔敷量电较少这样的差异。

根据该特性的差异，以往例将约9mm以下的薄板的电弧焊接作为用途，相对于此，本实施方式的方法将约9mm以上的中厚板的电弧焊接作为用途。

<熔滴的脱离时机与控制的关系>

图5所示的焊接电流的控制是以在供给基值电流Ib的期间(电流抑制期间)熔滴从焊丝100的前端脱离为前提，在现实的焊接中，需要考虑不发生如预想那样的脱离的可能性。

熔滴的脱离由脱离检测部33(参照图2)检测出，并作为脱离检测信号Drl向电流设定部36(参照图2)及进给速度指令设定部22(参照图2)赋予。

本实施方式中的进给速度指令设定部22在预定期间内未检测出液滴脱离的情况下，将焊丝100的进给速度从基于进给速度指令信号Fw的控制切换为基于恒定速度的控制，并且将电流设定信号Ir设定为稳态电流Ia。在这里的进给速度的控制中使用速度切换信号SW。

以下，将以恒定速度进给焊丝100的期间称为定速进给期间。定速进给期间的焊接电流被设定为以恒定电压控制流动的稳态电流Ia。

即，在熔滴的脱离未在预想期间内执行的情况下，焊丝100的进给从振幅进给被切换为定速进给，焊接电流被切换为稳态电流Ia。

例如在成为时间点T2的时间点，在时间点T0～T2的期间内、即反向进给期间内未检测出熔滴的脱离的情况下，进给速度指令设定部22将控制从振幅进给期间切换为定速进给期间。

需要说明的是，当在定速进给期间中检测出熔滴的脱离的情况下，进给速度指令设定部22恢复成振幅进给期间。在此，从时间点T1恢复。

也会考虑即使检测出熔滴的脱离，但在预想外的期间产生脱离的情况。例如在时间点T3～T4的期间、即在焊丝100的进给速度成为最大到开始反向进给为止的期间检测出熔滴的脱离的情况下，进给速度指令设定部22从时间点T4起将控制切换为定速进给期间。

即，焊丝100的进给从振幅进给切换为定速进给，焊接电流被切换为稳态电流Ia。

当在定速进给期间中检测出熔滴的脱离的情况下，进给速度指令设定部22恢复成振幅进给期间。在此，从时间点T1恢复。

图8是示出与有脱离的情况和无脱离的情况各自有关的事件的转变关系的说明图。

在图8中，将反向进给期间的前期(时间点T0～T1)表示为状态A，将反向进给期间的后期(时间点T1～T2)表示为状态B，将正向进给期间的前期(时间点T2～T3)表示为状态C，将正向进给期间的后期(时间点T3～T4)表示为状态D，将定速进给期间表示为状态E。

在状态A中，无论检测出熔滴的脱离还是未检测出熔滴的脱离，进给速度指令设定部22的控制都过渡到状态B。

在状态B中，在检测出熔滴的脱离的情况下，进给速度指令设定部22的控制过渡到状态C，在未检测出熔滴的脱离的情况下，进给速度指令设定部22的控制过渡到定速进给期间即状态E。

在状态C中，无论检测出熔滴的脱离还是未检测出熔滴的脱离，进给速度指令设定部22的控制都过渡到状态D。

在状态D中，在检测出熔滴的脱离的情况下，进给速度指令设定部22的控制过渡到定速进给期间即状态E，在未检测出熔滴的脱离的情况下，电流设定部36的控制过渡到状态A。

在状态E中，在检测出熔滴的脱离的情况下，进给速度指令设定部22的控制过渡到状态B，在未检测出熔滴的脱离的情况下，维持进给速度指令设定部22的控制。

需要说明的是，也可以代替进给速度指令设定部22而由进给驱动部23进行进给控制的切换。

<其他实施方式>

以上，关于本发明的实施方式进行了说明，本发明的技术范围不局限于上述的实施方式所记载的范围。从技术方案的记载可以明确，对上述的实施方式附加了各种变更或改良的方式也包含在本发明的技术的范围内。

例如在前述的实施方式的说明中，对进给驱动部23(参照图2)和电流设定部36(参照图2)均内置于焊接电源150(参照图2)的情况进行了说明，但也可以将上述两者或一者内置于机器人控制器160(参照图1)、进给装置130。

例如也可以是将进给驱动部23和电流设定部36这两者内置于机器人控制器160。另外，也可以是将进给驱动部23和电流设定部36这两者内置于进给装置130。另外，也可以是，进给驱动部23内置于焊接电源150，电流设定部36内置于机器人控制器160或进给装置130。另外，也可以是进给驱动部23内置于机器人控制器160，电流设定部36内置于进给装置130。

另外，在前述的实施方式中，对在电流设定部36的内部设置电流抑制期间设定部36A及焊丝前端位置变换部36B的情况进行了说明，但也可以将各部分作为独立的功能与电流设定部36分开地设置。在该情况下，作为独立的功能而抽出到电流设定部36的外部的功能也可以内置于机器人控制器160、进给装置130。

另外，在前述的实施方式中，将电流设定信号Ir(参照图6)定义为由峰值电流Ip和基值电流Ib这两个值限定的矩形波，但为了防止熔滴的过多生长，从基值电流Ib向峰值电流Ip的转变可以是阶梯状，可以是增加的倾斜，也可以是带有曲线的倾斜。同样地，从峰值电流Ip向基值电流Ib的转变可以是阶梯状，可以是减少的倾斜，也可以是带有曲线的倾斜。

图9及图10中示出了电流设定信号Ir的变形例。在图9及图10中，在电流抑制期间(第二期间)的结束端和电流非抑制期间(第一期间)的开始端之间设有上升转变期间，在电流非抑制期间(第一期间)的结束端和(电流抑制期间)第二期间的开始端之间设有下降转变期间。

图9是示出变形例的电流设定信号Ir的波形的波形图。图9的(A)～(C)是上升以阶梯状转变的情况，图9的(D)是上升和下降均以阶梯状转变的情况，图9的(E)是上升以阶梯状且下降以减少的倾斜转变的情况。

在图9中，阶梯的级数为两级，但也可以是三级以上。

需要说明的是，图9的(A)是第一级和第二级的变化均等的例子，图9的(B)是第一级的变化小且第二级的变化大的例子，图9的(C)是第一级的变化大且第二级的变化小的例子。

图10是示出其他变形例的电流设定信号Ir的波形的波形图。图10的(A)是上升以增加的倾斜且下降以减少的倾斜转变的情况，图10的(B)是上升以增加的倾斜且下降以带有曲线的倾斜转变的情况，图10的(C)是上升以阶梯状且下降以带有曲线的倾斜转变的情况，图10的(D)是上升以带有倾斜的倾斜且下降以减少的倾斜转变的情况，图10的(E)是频率成分重叠的例子。

图10的情况也不局限于阶梯的级数为两级。另外，也可以是上升和下降这两者为带有曲线的倾斜。

另外，在前述的实施方式中，通过直流的恒定电压来控制焊接电流(参照图2)，但焊接电流也可以通过规定的恒定电流来控制。

本申请以2018年9月26日申请的日本专利申请(特愿2018-180184)为基础，上述申请的内容通过参照援引于本申请。

附图标记说明

1…电弧焊接系统，23…进给驱动部，33…脱离检测部，36…电流设定部，36A…电流抑制期间设定部，36B…焊丝前端位置变换部，100…消耗式电极(焊丝)，110…焊炬，120…焊接机器人，130…进给装置，140…保护气体供给装置，150…焊接电源，160…机器人控制器，200…母材。

Claims (17)

1.一种焊接电源，其向作为消耗电极的焊丝供给焊接电流，其中，

所述焊接电源具有控制机构，所述控制机构在所述焊丝的前端伴随着被正向进给的期间和被反向进给的期间的周期性切换而被朝向母材进给的情况下，使所述焊接电流根据与母材的表面之间的距离周期性变动的该焊丝的前端位置而变化。

2.根据权利要求1所述的焊接电源，其特征在于，

所述控制机构根据所述焊丝的进给速度的指令值计算出所述焊丝的前端的位置。

3.根据权利要求1所述的焊接电源，其特征在于，

所述控制机构在周期性变动的所述焊丝的前端位置位于比以变动范围的上下点限定的波高的1/2的位置靠所述母材侧的情况下，开始使所述焊接电流比预先确定的电流值降低的低电流期间。

4.根据权利要求3所述的焊接电源，其特征在于，

所述低电流期间在如下范围内开始，即，从自所述焊丝的前端被正向进给的期间向所述焊丝的前端被反向进给的期间切换的时间点的该焊丝的前端位置到切换为反向进给后的该焊丝的进给速度的指令值成为最大的时间点的该焊丝的前端位置为止的范围。

5.根据权利要求3所述的焊接电源，其特征在于，

所述低电流期间在所述焊丝的前端位置从所述变动范围的最下点到达所述波高的1/2为止的期间开始。

6.根据权利要求3所述的焊接电源，其特征在于，

所述低电流期间在如下范围内结束，即，从切换为反向进给后的所述焊丝的进给速度的指令值成为最大的时间点的该焊丝的前端位置到自该焊丝的前端被反向进给的期间向该焊丝的前端被正向进给的期间切换的时间点的该焊丝的前端位置为止的范围。

7.根据权利要求3所述的焊接电源，其特征在于，

所述低电流期间在所述焊丝的前端位置从所述波高的1/2到达所述变动范围的最上点为止的期间结束。

8.根据权利要求4或5所述的焊接电源，其特征在于，

基于所述焊丝的进给速度的指令值与实测的进给速度的相位差来修正所述低电流期间的开始。

9.根据权利要求6或7所述的焊接电源，其特征在于，

基于所述焊丝的进给速度的指令值与实测的进给速度的相位差来修正所述低电流期间的结束。

10.根据权利要求1所述的焊接电源，其特征在于，

所述焊接电流具有比平均值大的电流流动的第一期间和比该平均值小的电流流动的第二期间周期性重复的脉冲波形，

低电流期间对应于所述第二期间，该低电流期间以外的期间对应于所述第一期间。

11.根据权利要求10所述的焊接电源，其特征在于，

在所述第二期间的结束端与所述第一期间的开始端之间设置有上升转变期间，

在所述第一期间的结束端与所述第二期间的开始端之间设置有下降转变期间。

12.根据权利要求11所述的焊接电源，其特征在于，

所述上升转变期间的所述焊接电流以阶梯状变化。

13.根据权利要求1所述的焊接电源，其特征在于，

所述焊接电源还具有检测所述焊丝与所述母材的脱离的检测机构，

在所述焊丝的前端被反向进给的期间中所述检测机构未检测出该焊丝的脱离的情况下，所述控制机构在该焊丝的前端被反向进给的期间结束后开始以预先确定的恒定速度使该焊丝正向进给的控制，

在所述焊丝被以恒定速度正向进给的期间由所述检测机构检测出该焊丝的脱离的情况下，所述控制机构切换为该焊丝的前端被正向进给的期间和该焊丝的前端被反向进给的期间周期性重复的初始条件。

14.根据权利要求1所述的焊接电源，其特征在于，

所述焊接电源还具有检测所述焊丝与所述母材的脱离的检测机构，

当在从在所述焊丝的前端被正向进给的期间该焊丝的进给速度的指令值成为最大的时间点到切换为该焊丝的前端被反向进给的期间为止的期间，由所述检测机构检测出该焊丝的脱离的情况下，所述控制机构在从该焊丝的前端被反向进给的期间向该焊丝的前端被正向进给的期间切换的时间点开始以预先确定的恒定速度使该焊丝正向进给的控制，

在所述焊丝被以恒定速度正向进给的期间由所述检测机构检测出该焊丝的脱离的情况下，所述控制机构切换为该焊丝的前端被正向进给的期间和该焊丝的前端被反向进给的期间周期性重复的初始条件。

15.一种焊接系统，其向作为消耗电极的焊丝供给焊接电流并进行电弧焊接，其中，

所述焊接系统具有控制机构，所述控制机构在所述焊丝的前端伴随着被正向进给的期间和被反向进给的期间的周期性切换而被朝向母材进给的情况下，使所述焊接电流根据与母材的表面之间的距离周期性变动的该焊丝的前端位置而变化。

16.一种焊接电源的控制方法，所述焊接电源向作为消耗电极的焊丝供给焊接电流，所述焊接电源的控制方法的特征在于，

在所述焊丝的前端伴随着被正向进给的期间和被反向进给的期间的周期性切换而被朝向母材进给的情况下，使所述焊接电流根据与母材的表面之间的距离周期性变动的所述焊丝的前端位置而变化。

17.一种程序，其中，

所述程序使向作为消耗电极的焊丝供给焊接电流并进行电弧焊接的焊接系统的计算机执行如下功能，即，

在所述焊丝的前端伴随着被正向进给的期间和被反向进给的期间的周期性切换而被朝向母材进给的情况下，使所述焊接电流根据与母材的表面之间的距离周期性变动的所述焊丝的前端位置而变化。

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