JP2002103040A - ホットワイヤ加熱制御装置およびホットワイヤ加熱制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶接開始時のジャミング現象の発生を防止し
ながら、溶接作業全体の作業効率を向上させることがで
きるホットワイヤ加熱制御装置およびホットワイヤ加熱
制御方法を提供する。 【解決手段】 ティグアークを発生させてから間もなく
してワイヤ高速送給開始するのと同期してスイッチング
トランジスタ１８をオンにし、また、一次制御回路１３
に指令信号を送ってワイヤ電源１から出力させることに
よって、ワイヤ６の先端とタングステン電極２或いはワ
イヤ６の先端と母材３との間にアークを発生させてワイ
ヤ６の先端を急速に溶融させ、ワイヤ６が母材３と接触
しないようにし、所定時間経過後、定常時のワイヤ加熱
制御、即ち、ワイヤ６が母材３と接触している時だけ通
電する制御方式に切り替え、ワイヤ６先端からアークを
発生させないで抵抗加熱のみでワイヤ６を溶融させるよ
うにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はアーク電極と母材と
の間に発生させた溶接アークの発生部位に向けて溶着材
ワイヤを高速で送給して母材を溶着すると共に溶着材ワ
イヤに直流電力を供給して加熱する制御を行うようにし
たホットワイヤ加熱制御装置およびホットワイヤ加熱制
御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常のホットワイヤティグ溶接を行う場
合は、溶接アークとなるティグアークで母材が十分溶融
した状態でワイヤ送給を開始している。一方、ワイヤ送
給の開始時から高い溶着速度のティグ溶接を行う場合
は、送給開始当初に未だ加熱されていないワイヤが送給
されることになり、この未加熱のワイヤの先端が母材と
衝突し、その時点から通電が開始されることになる。ワ
イヤトーチの通電チップの通電点から母材までの間のワ
イヤの延伸部分が抵抗加熱で均一に温度上昇する間にも
後続のワイヤが送給されてくるので、延伸部分のワイヤ
が突っかえて、ワイヤトーチと機械的に締結されて一体
になっているアークトーチを押し上げたり、あるいは加
熱軟化したワイヤが屈曲状態となるジャミング現象が暫
く生じた後、安定したワイヤの加熱溶融状態に移る。

【０００３】そこで、このジャミング現象の発生をなる
べく避けて、あるいは、ジャミング現象の発生期間をで
きるだけ短くするために、例えば、図５の溶接因子の制
御シーケンス図に一例として示すように、ワイヤの送給
速度を、ワイヤ送給開始時にワイヤの先端が母材に接触
するまでの期間は低速の送給速度ｖ₀ に設定し、ワイヤ
の先端が母材に接触した後は、ワイヤの送給速度を低速
の送給速度ｖ₀ から次第に高速の定常送給速度ｖ₁ にま
で高めて行くスロープアップ制御を採用すると共に、ワ
イヤ送給開始時にワイヤに流すワイヤ電流は、定常電流
ｉ₁ よりも強い開始電流ｉ₀ に設定し、短時間にワイヤ
を加熱軟化させる溶接電流制御方式が採用されている。
なお、この場合は溶接速度もワイヤの送給速度に対応さ
せて、溶接開始時には遅い溶接速度Ｖ₀ に設定し、その
後、速い定常溶接速度Ｖ₁ にまで高めるような溶接速度
制御が行われる。

【０００４】このようなワイヤ加熱電力制御を自動的に
行うワイヤ加熱電力調整制御方法については本発明者等
が既に提案しており、特公平５−７５５１２号公報に開
示されている。即ち、このワイヤ加熱電力調整制御方法
では、ワイヤ電圧から溶断の発生を検知し、溶断発生時
にはワイヤ加熱電力を多少下げ、そこから徐々に加熱電
力を増加して再び溶断を発生させることを繰り返すこと
により、適正な溶融状態に近い状態にワイヤ加熱電力を
自動的に保つように制御している。また、同様に、特願
平８−３０９５３６号には、ワイヤが母材を軽く突く押
力を検知して、ワイヤ送給速度を遅くすることにより、
アークトーチやワイヤトーチにワイヤの押力が作用しな
いようにした発明を提案した。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】溶接作業が連続して行
われるような場合は、溶接開始時に若干の作業効率の低
下を来すものの、上述の従来技術によりジャミング現象
の発生を可及的に抑制あるいは阻止することができる。
しかしながら、比較的短い溶接ビートが繰り返されるよ
うな溶接作業が行われるような場合には、溶接開始時の
緩やかな立ち上げによる溶接速度の低下も繰り返される
ことになるので、溶接作業全体の作業効率の低下が無視
できない問題点となる。

【０００６】従来技術では高速の溶接作業の実現につい
ては特に考慮されていないため、かかる問題点に対する
対策は何ら講じられていない。なお、例えば、ワイヤの
送給開始時に短時間にワイヤの温度を上昇させるために
ワイヤに大きな電流を流すと、延伸部分のワイヤ全体が
一様に温度上昇するため、やはりジャミング現象が何回
か発生し、溶接開始時に定常状態における温度分布のよ
うに、ワイヤトーチ側から母材にかけて徐々に温度が上
昇するような温度分布を実現することができない。本発
明の目的は、従来技術におけるかかる不具合を解消し
て、溶接開始時のジャミング現象の発生を防止しなが
ら、溶接作業全体の作業効率を向上させることができる
ホットワイヤ加熱制御装置およびホットワイヤ加熱制御
方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、アーク電極
と母材との間に発生させた溶接アークの発生部位に向け
て溶着材ワイヤを高速で送給して母材を溶着する際に、
溶着材ワイヤを加熱するために溶着材ワイヤへの直流電
力あるいは直流パルス電力の通電の供給と休止を制御す
る場合に、溶着材ワイヤの先端が母材に接触する前に、
溶着材ワイヤの高速送給開始動作に同期して、溶着材ワ
イヤに所定期間だけ連続した直流電力あるいは直流パル
ス電力を供給させ、溶着材ワイヤの先端とアーク電極ま
たは母材との間にアークを発生させることにより達成さ
れる。また、溶着材ワイヤとアーク電極は異極性に接続
されている場合には、ワイヤ電源の出力回路中に介装さ
れたスイッチング用のトランジスタを所定期間だけ導通
させることにより、連続した直流電力あるいは直流パル
ス電力を前記所定期間だけ溶着材ワイヤに供給させるよ
うにしたものでも良い。これにより、溶着材ワイヤはア
ーク電極または母材との間に発生したアークと、溶着材
ワイヤ中を流れる電流によるジュール熱により速やかに
熱せられる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態
に係るホットワイヤティグ溶接装置の加熱回路図、図２
は本実施の形態の主要制御要素の溶接開始時の値の変化
を示す時間経過図である。これらの図において、１はワ
イヤを加熱するためのインバータ方式のワイヤ電源、２
はアーク放電を発生させる負側電極となるタングステン
電極、３は溶接対象となる母材、４はタングステン電極
２の先端と母材３との間に形成されるティグアーク、５
はティグアーク４を惹起させるためのティグアーク電
源、６はティグアーク４内に供給される溶着金属材とし
てのワイヤ、９はワイヤ電源１からの電流をワイヤ６に
伝達する通電チップ、１１ａ，１１ｂは−１５Ｖと接地
電位との間の電圧を分圧する高抵抗値の分圧抵抗、１２
はワイヤ６の先端が母材３と接触していることを検出す
る接触検出回路、１３は次に述べる出力トランスの一次
側の電力を制御する、Ｈブリッジを組んだ大容量スイッ
チングトランジスタ等から構成されている一次側制御回
路、１６は通電チップ９と母材３との間に加熱電力を供
給する高周波の出力トランス、１７ａ，１７ｂは出力ト
ランス１６の二次出力側にそれぞれ接続された整流ダイ
オード、１８はワイヤ６に供給される直流電流を断続す
るためのスイッチングトランジスタである。

【０００９】ティグアーク電源５から供給された直流電
圧はタングステン電極２と母材３とにそれぞれ負電位お
よび正電位として印加され、タングステン電極２の先端
と母材３との間にティグアーク４を惹起させる。ワイヤ
電源１内の出力トランス１６の二次側電圧は整流ダイオ
ード１７ａ，１７ｂで整流されて直流電圧に変換され、
正極側がスイッチングトランジスタ１８を介して図示し
ないワイヤトーチに取り付けられた通電チップ９に、負
極側が母材３に印加される。定常運転時は、接触検出回
路１２からスイッチングトランジスタ１８のベースと一
次側制御回路１３に切替電圧が供給されることにより、
ワイヤ電源１から指令信号が伝達され、通電時間３ms、
休止時間７msのパルス電圧を出力あるいは出力停止する
ようになっている。

【００１０】ワイヤ電源１の通電休止期間中はスイッチ
ングトランジスタ１８が断状態となっており、この休止
期間中のワイヤ６の電位は、その先端が母材３と接触し
ている場合はほぼ０Ｖ、母材３から離れてティグアーク
４のプラズマ雰囲気中にある場合はプラズマ電位（例え
ば、−８Ｖ）、さらに、そのプラズマ雰囲気の外にある
場合は分圧抵抗１１ａ，１１ｂにより分圧された定電
圧、例えば、−１２Ｖのプルアップ電圧になる。そこ
で、接触検出回路１２はこの分圧抵抗１１ａ，１１ｂの
分圧点の電位を検出して、ワイヤ６の先端の母材３に対
する位置関係を認識するようになっている。

【００１１】そして、接触検出回路１２はワイヤ６の先
端が母材３と接触していると認識した時は、ワイヤ６に
通電し、ワイヤ６の先端が母材３から離れていると認識
した時は、スイッチングトランジスタ１８と一次側制御
回路１３に断切替電圧を供給して、共に休止状態にす
る。

【００１２】ワイヤ電源１の出力は接触検出回路１２に
より、このように制御されているので、ワイヤ６の送給
開始時に、ワイヤ６の先端がティグアーク４のプラズマ
雰囲気を通過して母材３と接触するまでは、ワイヤ６は
絶縁に近い状態となっているから、ティグアーク電流が
ワイヤ電源１側に回り込むことはなく、ワイヤ６の先端
と母材３との間にアークが発生することもない。従っ
て、ワイヤ６の送給開始動作は通常のコールドワイヤの
送給動作と類似した安定した動作が可能であり、また、
溶接動作時もティグアーク電流のワイヤ電源１側への回
り込みを防止して、コールドワイヤのアーク挿入時のよ
うな安定感のある溶着金属形成が可能になるが、ワイヤ
６の送給開始時にジャミング現象の発生を防止するため
には、以下に述べるような特別の電流制御を行わなけれ
ばならない。

【００１３】即ち、図２に示すように、始めにティグア
ーク電源５からタングステン電極２の先端と母材３との
間にアークスタート電流として弱いアーク電流Ｉ₀ を流
して母材３の溶融を進行させた後、本溶接電流Ｉ₁ に切
り替え、本溶接の過程に入る。一方、時刻ｔ₀ でいきな
りワイヤ６の送給速度を定常運転時の高送給速度Ｖ₁に
まで高めてワイヤ送給を開始するが、このワイヤ送給開
始と同期して接触検出回路１２からスイッチングトラン
ジスタ１８のベースに切替電圧を供給して、スイッチン
グトランジスタ１８をオン状態にし、併せて、接触検出
回路１２から一次制御回路１３にもオン状態にする信号
を出力して、ワイヤスタート電流ｉ₀ を時刻ｔ₁ まで流
すように制御する。このワイヤスタート電流ｉ₀ は連続
した直流電流であることがより好ましいが、定常運転時
と同じパルス電流とすることもできる。

【００１４】このようなワイヤ電流初期通電制御をする
ことにより、ワイヤ６の先端がタングステン電極２の先
端と母材３との間に形成されるティグアーク４のプラズ
マ雰囲気に触れると、タングステン電極２とワイヤ６の
先端あるいは母材３との間にアークが発生する。オン状
態となったスイッチングトランジスタ１８を通って出力
されたワイヤ電流は、図１の矢印で示すように、タング
ステン電極２とワイヤ６のとの間のアークを経てティグ
アーク電源５を通り、母材３を通ってワイヤ電源１に還
流するか、あるいはワイヤ６の先端と母材３との間にも
アークを形成してワイヤ電源１に還流するか、あるいは
それらの両者が併存する状態になる。この時、ワイヤ先
端から流れるアーク電流は主としてワイヤ電源１で設定
されるワイヤスタート電流ｉ₀ にまで高められているの
で、ワイヤ６の先端はアーク加熱で溶融し、大きな溶滴
が形成されて滴下する程になるので、ワイヤ６が時刻ｔ
₀に高速送給が開始された時に、先端部が固形状の儘で
母材３に突き当たるのを防止できる。

【００１５】通電期間Ｔ中のワイヤスタート電流ｉ₀ の
通電により、ワイヤ６の延伸部分が抵抗加熱されて定常
温度分布に近付くから、通電期間Ｔが経過した後、時刻
ｔ₁に接触検出回路１２による通常の通電制御を開始す
る。この制御切替え直後はワイヤ６の先端部は母材３か
ら離れているから、スイッチングトランジスタ１８が開
路してワイヤ電流通電は瞬時休止するが、その間にワイ
ヤ６が高速送給されているから、時刻ｔ₂ に接触検出回
路１２によりワイヤ６の先端部の母材３との接触が検出
されると、スイッチングトランジスタ１８が閉じると共
に定常運転時のワイヤ電流ｉ₂ によるパルス通電制御が
開始される。

【００１６】なお、通電期間Ｔ中に既にワイヤ６の先端
部が溶融して溶着が始まるので、そのタイミングで溶接
送りを定常速度Ｖ₁ で開始する。本実施の形態ではこの
ように、定常運転時のパルス通電制御に先立って、通電
期間Ｔに亘る初期連続通電制御を行うようにしたから、
ワイヤ送給開始時に、いきなり定常運転時の高速送給速
度ｖ₁ でワイヤ送給を行っても、ジャミング現象の発生
を防止することができる。また、本実施の形態ではワイ
ヤ６のワイヤ電源１からの電位をティグアーク電源５に
対するタングステン電極２の電位と逆極性となるように
接続することにより、所望の効果を奏するようにした
が、上記両電位を同極性となるように接続しても同様の
効果を奏することができる。

【００１７】図３は本発明の他の実施の形態に係るホッ
トワイヤティグ溶接装置の加熱回路図、図４は本実施の
形態の主要制御要素の溶接開始時の値の変化を示す時間
経過図である。先の実施の形態と同一または同一と見做
せる個所には同一の符号を付し、その重複する説明を省
略する。構成上、先の実施の形態と異なるのはスイッチ
ングトランジスタを具えていないことと、整流ダイオー
ド１７ａ，１７ｂの極性が逆であることだけである。

【００１８】この結果、図４に示すように、ワイヤ電流
の極性は先の実施の形態の場合の反対になっているが、
それぞれの動作特性は同様のものになっている。上述の
ように、本実施の形態では整流ダイオード１７ａ，１７
ｂの極性が先の実施の形態と逆になっているので、ティ
グアーク電源５から出力された直流電力によりタングス
テン電極２と母材３との間にティグアーク４が形成され
ると、母材３からワイヤ電源１を介してワイヤ６側に回
り込もうとする破線矢印で示した電流は先の実施の形態
と逆極性に接続された整流ダイオード１７ａ，１７ｂに
より阻止される。

【００１９】そこで、本実施の形態では時刻ｔ₀ の時に
ワイヤ電源１から出力される直流の電圧を高電圧とし、
ワイヤ６の先端がタングステン電極２の先端と母材３と
の間に形成されるティグアーク４のプラズマ雰囲気に触
れると直ちに、母材３とワイヤ６の先端との間にアーク
が発生するようにしている。これにより、定常運転時と
同じ強いアーク電流Ｉ₁ によってワイヤ６の先端が溶融
するので、先の実施の形態と同様にワイヤ６が時刻ｔ₀
に高速送給が開始されても先端部が固形状の儘で母材３
に突き当たるのを防止できる。以下、前述した接触検出
回路１２による定常運転時のパルス通電制御が開始され
る。

【００２０】上述の実施の形態ではホットワイヤティグ
溶接装置の例について説明したが、ホットワイヤ溶接法
ではミグやマグ等の消耗電極アークと組み合わせて溶接
する方法についても知られており、これらの方法を用い
る場合であっても、ティグ溶接法を採用した上述の二つ
の実施の形態と同様の構成を採ることができ、ワイヤ送
給開始時に、いきなり定常運転時の高速送給速度でワイ
ヤ送給を行っても、ジャミング現象の発生を防止するこ
とができる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、溶
着材ワイヤの先端が母材に接触する前に、溶着材ワイヤ
の高速送給開始動作に同期して、溶着材ワイヤに所定期
間だけ連続した直流電力あるいは直流パルス電力を供給
させ、溶着材ワイヤの先端とアーク電極または母材との
間にアークを発生させるようにしたので、溶着材ワイヤ
はアーク電極または母材との間に発生したアークと、溶
着材ワイヤ中を流れる電流によるジュール熱により速や
かに熱せられるから、溶着材ワイヤを高速送給させる溶
接作業の開始時のジャミング現象の発生を防止しなが
ら、溶接作業全体の作業効率を向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係るホットワイヤティグ
溶接装置の加熱回路図である。

【図２】本発明の実施の形態の主要制御要素の溶接開始
時の値の変化を示す時間経過図である。

【図３】本発明の他の実施の形態に係るホットワイヤテ
ィグ溶接装置の加熱回路図である。

【図４】本発明の他の実施の形態の主要制御要素の溶接
開始時の値の変化を示す時間経過図である。

【図５】従来例に係る溶接因子の制御シーケンス図であ
る。

【符号の説明】

１ ワイヤ電源 ２ タングステン電極 ３ 母材 ４ ティグアーク ５ ティグアーク電源 ６ ワイヤ ９ 通電チップ １１ａ，１１ｂ 分圧抵抗 １２ 接触検出回路 １３ 一次側制御回路 １６ 出力トランス １７ａ，１７ｂ 整流ダイオード １８ スイッチングトランジスタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中澤 信雄 広島県呉市宝町３番36号 バブコック日立 株式会社呉研究所内 (72)発明者 永島 利治 広島県呉市宝町５番３号 バブ日立工業株 式会社内 Ｆターム(参考） 4E001 AA03 BB07 DC02

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アーク電極と母材との間に溶接アークを
   発生させるアーク電源と、前記母材の前記溶接アーク発
   生部位に向けて溶着材ワイヤを高速で送給するワイヤ高
   速送給手段と、前記溶着材ワイヤと前記母材との間に加
   熱用の直流電力を供給するワイヤ電源とを具え、該ワイ
   ヤ電源からの前記溶着材ワイヤへの通電の供給と休止を
   制御するホットワイヤ加熱制御装置において、前記溶着
   材ワイヤの先端が前記母材に接触する前に、前記ワイヤ
   高速送給手段による前記溶着材ワイヤの高速送給開始動
   作に同期して、前記溶着材ワイヤに前記ワイヤ電源から
   所定期間だけ連続した直流電力あるいは直流パルス電力
   を供給させ、前記溶着材ワイヤの先端と前記アーク電極
   または前記母材との間にアークを発生させるワイヤ加熱
   制御手段を有したことを特徴とするホットワイヤ加熱制
   御装置。
2. 【請求項２】 溶着材ワイヤとアーク電極は異極性に接
   続されており、ワイヤ加熱制御手段はワイヤ電源の出力
   回路中に介装されたスイッチング用のトランジスタを所
   定期間だけ導通させることにより、連続した直流電力あ
   るいは直流パルス電力を前記所定期間だけ溶着材ワイヤ
   に供給させるようにしたことを特徴とする請求項１記載
   のホットワイヤ加熱制御装置。
3. 【請求項３】 ワイヤ加熱制御手段はパルス電流を供給
   するワイヤ電源の通電休止期間中の溶着材ワイヤと母材
   との間の電位差を検出することにより、前記溶着材ワイ
   ヤの先端と前記母材との接触の有無を判定する接触検出
   回路で構成したことを特徴とする請求項１または請求項
   ２記載のホットワイヤ加熱制御装置。
4. 【請求項４】 アーク電極と母材との間に発生させた溶
   接アークの発生部位に向けて溶着材ワイヤを高速で送給
   して前記母材を溶着する際に、前記溶着材ワイヤを加熱
   するために前記溶着材ワイヤへの直流電力の通電の供給
   と休止を制御するホットワイヤ加熱制御方法において、
   前記溶着材ワイヤの先端が前記母材に接触する前に、前
   記溶着材ワイヤの高速送給開始動作に同期して、前記溶
   着材ワイヤに所定期間だけ連続した直流電力あるいは直
   流パルス電力を供給させ、前記溶着材ワイヤの先端と前
   記アーク電極または前記母材との間にアークを発生させ
   るようにしたことを特徴とするホットワイヤ加熱制御方
   法。