JP2004017059A - Arc start control method of laser irradiation electric arc welding - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザを照射しながら消耗電極式アーク溶接を行うレーザ照射アーク溶接のアークスタート制御方法に関し、特に、溶接ワイヤをアークスタート時に前進/後退/再前進送給させてアークスタートさせるリトラクトアークスタートとレーザ照射の開始との同期に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、消耗電極式アーク溶接の溶融池又はその周辺部にYAGレーザ、半導体レーザ等を照射して溶接を行うレーザ照射アーク溶接方法が行われている。この溶接法によれば、溶接ワイヤの送給開始に先行してレーザを照射することによってアークスタート性を良好にすることができ、さらに、レーザ照射による母材への入熱量の増大及びレーザ照射によるアーク発生状態の安定化によってアーク溶接単独のときに比べて2〜3倍程度の高速溶接が可能となる。以下、このレーザ照射アーク溶接におけるアークスタート制御方法について図面を参照して説明する。
【0003】
[従来技術1]
図6は、レーザ照射アーク溶接装置の構成図である。溶接電源装置6は、溶接に適した溶接電圧Vw及び溶接電流Iwを出力すると共に、図示していないが溶接ワイヤ1の送給を制御する。溶接ワイヤ1は、ワイヤ送給装置の送給ロール5の回転によって予め定めた送給速度Fwで溶接トーチ4を通って母材2へ送給されると共に、溶接トーチ4の先端に取り付けられた給電チップから給電されて、母材2との間にアーク3が発生して溶融池2aが形成される。レーザ発振装置9は、YAGレーザ、半導体レーザ等の発振装置であって、出力値Pwのレーザ7を出力する。レーザ照射ヘッド8は、溶融池2a又はその周辺部にレーザ7を照射する。先行照射時間タイマ回路TTPは、外部の溶接ロボット制御装置等から溶接開始信号Stが入力されると、その時点から予め定めた先行照射時間Tpの間だけオンディレイされた出力開始信号Onを出力する。したがって、上記の溶接開始信号Stが上記のレーザ発振装置9に入力されるとレーザ7の照射が開始され、その後上記の先行照射時間Tpが経過した後に上記の出力開始信号Onが出力されて上記の溶接電源装置6の出力が開始されると共に、溶接ワイヤ1の送給も開始される。
【0004】
図7は、上記の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。同図(A)は溶接開始信号Stの時間変化を示し、同図(B)は出力開始信号Onの時間変化を示し、同図(C)はレーザの出力値Pwの時間変化を示し、同図(D)は送給速度Fwの時間変化を示し、同図(E)は溶接電圧Vwの時間変化を示し、同図(F)は溶接電流Iwの時間変化を示し、同図(G1)〜(G3)は各時刻でのアーク発生部の状態を示す。以下、同図を参照して説明する。
【0005】
▲1▼ 時刻t1〜t2の期間(先行照射時間Tp)
時刻t1において同図(A)に示すように、溶接開始信号Stが入力(Highレベル)されると、同図(C)に示すように、レーザの照射が開始する。しかし、同図(B)に示すように、この期間中は出力開始信号Onが出力されていない(Lowレベル)ために、同図(D)に示すように、溶接ワイヤの送給は開始されず、かつ、同図(E)に示すように、溶接電圧Vwも出力されない。時刻t1直後のアーク発生部の状態は、同図(G1)に示すように、給電チップ4aを通って送給される溶接ワイヤ1は停止状態であり、レーザ7が母材2へ照射されて照射部にプルーム7a(高温プラズマ)が形成される。この期間中には溶接ワイヤ1と母材2との間にはアークは発生していない。
【0006】
▲2▼ 時刻t2〜t3の期間
時刻t2において上記の先行照射時間Tpが経過すると、同図(B)に示すように、出力開始信号Onが出力(Highレベル)される。これに応動して、同図(D)に示すように、溶接ワイヤの送給が開始されて、送給速度Fwは数m/min程度の遅い初期送給速度設定値Fsiに相当する速度となる。同時に、同図(E)に示すように、溶接電圧Vwの出力が開始され、この期間中は溶接ワイヤと母材との間にはアークは発生していない無負荷状態であるので、その値は最大値の無負荷電圧Vnlとなる。また、同図(F)に示すように、無負荷状態であるので溶接電流Iwは通電しない。この期間中のアーク発生部の状態は、同図(G2)に示すように、溶接ワイヤ1は矢印の方向へ送給されて先端部は次第に母材2に接近する。他方、レーザ7の先行照射によって上記のプルーム7aの占める空間が次第に広がり、時刻t2直前には溶接ワイヤ先端部とプルーム7aとは非常に接近した状態となっている。
【0007】
▲3▼ 時刻t3以降の期間
同図(G3)に示すように、溶接ワイヤ1には溶接電圧Vwが印加されておりかつ溶接ワイヤ先端部と母材との間の空間には高温プラズマのプルーム7aが形成されているので、アーク3が非常に点弧しやすい状態にある。時刻t3においてアーク3が点弧すると、同図(E)に示すように、溶接電圧Vwは予め定めた第1の基準電圧値Vt1以下の電圧設定値Vsに相当するアーク電圧値へと変化する。この変化に応動して、同図(D)に示すように、送給速度Fwは定常の送給速度設定値Fsに相当する速度となり、同図(F)に示すように、溶接電流Iwは定常の溶接電流Icとなる。
【0008】
上記のように、レーザ照射アーク溶接のアークスタート制御方法では、レーザを先行照射することによって溶接ワイヤ先端部と母材との間の空間にプルームを形成して良好なアークスタートを行う。しかしながら、この方法には以下の欠点がある。すなわち、▲1▼レーザを先行照射している間は溶接トーチは移動せず停止しているのが通常であるために、母材への入熱が大きくなり母材が薄板であるときには溶け落ちが発生するおそれがある。▲2▼レーザの母材への照射位置及び溶接ワイヤの送給タイミングが少しでもズレるとプルームの形成状態が変化するために、アークスタートが悪くなる。これらの問題を解決しかつレーザ照射による高速溶接を実現する方法として以下に説明する従来技術2が提案されている。
【0009】
[従来技術2]
従来技術2の溶接装置の構成は、上述した図1において先行照射時間タイマ回路TTCを除去して溶接開始信号Stをレーザ発振装置9及び溶接電源装置6に同時に入力するようにしたものである。従来技術2は、レーザ照射アーク溶接においてリトラクトアークスタート方法を行うものである。リトラクトアークスタート方法とは、アークスタート時に溶接ワイヤを前進送給/後退送給/再前進送給させてアークスタートさせる方法である。
【0010】
図8は、上記の溶接装置においてリトラクトアークスタート方法を行ったときの各信号のタイミングチャートである。同図(A)は溶接開始信号Stの時間変化を示し、同図(B)はレーザの出力値Pwの時間変化を示し、同図(C)は送給速度Fwの時間変化を示し、同図(D)は溶接電圧Vwの時間変化を示し、同図(E)は溶接電流Iwの時間変化を示し、同図(F)はワイヤ先端・母材間距離又はアーク長Lwの時間変化を示し、同図(G1)〜(G5)は各時刻でのアーク発生部の状態を示す。以下、同図を参照して説明する。
【0011】
▲1▼ 時刻t1〜t2の期間(前進送給)
時刻t1において同図(A)に示すように、溶接開始信号Stが入力(Highレベル)されると、同図(B)に示すように、レーザの照射が開始される。同時に、同図(C)に示すように、溶接ワイヤの送給も開始され、送給速度Fwは初期送給速度設定値Fsiに相当する速度となり、同図(D)に示すように、溶接電圧Vwは無負荷電圧Vnlとなり、同図(E)に示すように、溶接電流Iwは無負荷状態なので通電しない。また、同図(F)に示すように、ワイヤ先端・母材間距離Lwは次第に短くなる。時刻t1のアーク発生部の状態を同図(G1)に示す。
【0012】
▲2▼ 時刻t2〜t3の期間(後退送給)
同図(G2)に示すように、上記の前進送給によって時刻t2において溶接ワイヤ1が母材2と接触すると、同図(D)に示すように、溶接電圧Vwは予め定めた第2の基準電圧値Vt2以下の数V程度の短絡電圧値に変化する。この変化に応動して、同図(C)に示すように、溶接ワイヤの母材からの後退送給が開始されて、送給速度Fwは後退送給速度設定値Fsrに相当する速度となる。ここで、送給速度Fwが負の値であるときは後退送給であることを示している。また、同図(E)に示すように、溶接電流Iwは予め定めた小電流値の初期電流Isとなる。時刻t2から溶接ワイヤの後退送給を開始するが、ワイヤ送給モータの回転方向が反転する時間及び溶接トーチ内の溶接ワイヤの遊び分を後退送給する時間が必要なためた、時刻t2〜t3のこの期間中は、同図(F)に示すように、溶接ワイヤは母材に接触したままである。
【0013】
▲3▼ 時刻t3〜t4の期間(後退送給)
同図(G3)に示すように、時刻t3において上記の後退送給によって溶接ワイヤ1が母材2から離れると、初期アーク3aが発生する。初期アーク3aが発生すると、同図(D)に示すように、溶接電圧Vwは上記の第2の基準電圧値Vt2を超える値のアーク電圧値に変化する。この変化時点から予め定めた遅延時間Tdが経過するまでのこの期間中は、同図(C)に示すように、送給速度Fwは後退送給速度を維持し、同図(E)に示すように、溶接電流Iwは上記の初期電流Isを維持する。また、同図(F)に示すように、アーク長Lwは、初期アーク3aが発生した状態のままで後退送給によって次第に長くなる。
【0014】
▲4▼ 時刻t4以降の期間(再前進送給)
時刻t4において上記の遅延時間Tdが経過すると、同図(C)に示すように、溶接ワイヤは再前進送給されて、送給速度Fwは定常の送給速度設定値Fsに相当する速度となる。同時に、同図(D)に示すように、溶接電圧Vwは電圧設定値Vsに相当するアーク電圧値となり、同図(E)に示すように、溶接電流Iwは定常の溶接電流Icとなる。また、同図(F)に示すように、アーク長Lwは、時刻t4から収束時間Tcを経過した時刻t5において定常のアーク長Lcに収束する。アーク発生部の状態は、同図(G4)に示すように、時刻t4において定常の溶接電流Icが通電する定常のアーク3に移行し、その後同図(G5)に示すように、時刻t5においてそのアーク長が適正値となる。
【0015】
上記のように、リトラクトアークスタート方法では、溶接ワイヤを前進/後退/再前進送給することによってレーザ照射の作用とは関係なくアークスタートを良好にしている。レーザ照射は、溶接中の入熱量の増大及びアーク発生状態の安定化を促進して高速溶接を可能とするために必要となる。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
図9は、従来技術2の課題を説明するための上記図8に対応するタイミングチャートである。同図(A)〜(G3)の各信号は図8のときと同様である。以下、同図を参照して説明する。
【0017】
▲1▼ 時刻t1〜t2の期間
この期間中の同図(A)〜(F)の各信号の動作は上記の図8のときと同様であるので説明は省略する。ただし、同図(G1)に示すように、レーザの一部が溶接ワイヤの先端部にも照射されるために、溶接ワイヤ先端部が溶融して溶滴1aが形成される。レーザは溶接ワイヤと母材との狭い空間を通過して照射されるために、溶接ワイヤにレーザの一部が照射されることは通常である。したがって、この期間中に溶接ワイヤ先端部が溶融することはよく発生することである。
【0018】
▲2▼ 時刻t2以降の期間
同図(G2)に示すように、時刻t2において前進送給によって溶接ワイヤが母材2と接触すると、同図(D)に示すように、溶接電圧Vwは第2の基準電圧値Vt2以下の短絡電圧値に変化する。この変化に応動して、同図(C)に示すように、溶接ワイヤの後退送給が開始されて、送給速度Fwは後退送給速度設定値Fsrに相当する速度となる。同時に、同図(E)に示すように、溶接電流Iwは初期電流Isとなる。同図(G2)に示すように、溶接ワイヤ先端部の溶滴1aが母材と接触したときに、同図(G3)に示すように、レーザが照射されない裏側部分の溶滴1aは冷却して母材との溶着1bを形成する。溶着1bが発生すると、同図(C)に示すように、溶接ワイヤを後退送給しても溶接ワイヤが母材から離れないために初期アークは発生しない。このために、同図(D)に示すように、溶接電圧Vwは短絡電圧値のままであり、同図(E)に示すように、溶接電流Iwは初期電流Isのままである。したがって、いつまでもアークは発生せず、アークスタートは失敗となる。
【0019】
上記は溶着した場合であるが、溶着までに至らなくても、時刻t2において溶接ワイヤ先端部の溶滴1aが母材に接触するときに大粒のスパッタが飛散して母材に付着しビード外観が悪くなる場合も生じる。
【0020】
そこで、本発明では、上記の課題を解決してアークスタート性に優れ高速溶接も可能なレーザ照射アーク溶接のアークスタート制御方法を提供する。
【0021】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、消耗電極アーク溶接の溶融池又はその周辺部にレーザを照射して溶接を行うレーザ照射アーク溶接にあって、溶接電源装置に溶接開始信号が入力されると溶接ワイヤの母材への前進送給を開始すると共に上記溶接電源装置の出力を開始し、この前進送給によって溶接ワイヤが母材に接触すると溶接ワイヤの母材からの後退送給を開始すると共に小電流値の初期電流を通電し、この後退送給によって溶接ワイヤが母材から離れて初期アークが発生した後に溶接ワイヤの再前進送給を開始すると共に定常の溶接電流を通電して上記初期アーク発生状態から定常のアーク発生状態へと移行させるアークスタート制御方法において、
上記レーザの照射を、上記初期アークの発生時点又はそれ以降から開始することを特徴とするレーザ照射アーク溶接のアークスタート制御方法である。
【0022】
請求項2の発明は、上記レーザの照射を、再前進送給の開始時点又はそれ以降から開始する請求項1記載のレーザ照射アーク溶接のアークスタート制御方法である。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
[実施の形態1]
本発明の実施の形態1は、上述したリトラクトアークスタート方法において、レーザの照射を初期アークの発生時点又はそれ以降から開始するレーザ照射アーク溶接のアークスタート制御方法である。この方法によれば、前進送給によって溶接ワイヤが母材に接触するまでの期間にはレーザは照射されないので溶接ワイヤ先端部が溶融して溶滴が形成されることはなく、接触後に溶着及びスパッタの付着が発生することはない。以下、実施の形態1について図面を参照して説明する。
【0024】
図1は、本発明の実施の形態1に係るレーザ照射アーク溶接装置の構成図である。同図において、上述した図6と同一構成物には同一符号を付してそれらの説明は省略する。図6のときと異なる点は以下のとおりである。溶接開始信号Stは直接溶接電源装置6に入力されて、溶接電源装置6からレーザ出力開始信号Ponが出力される。レーザ発振装置9は、このレーザ出力開始信号Ponが入力(Highレベル)されるとレーザ照射を開始する。溶接電源装置6は、上記の溶接開始信号Stが入力(Highレベル)されると溶接ワイヤの前進送給及び溶接電圧の出力を開始する。
【0025】
図2は、上記の図1における各信号のタイミングチャートである。同図(A)は溶接開始信号Stの時間変化を示し、同図(B)はレーザ出力開始信号Ponの時間変化を示し、同図(C)は送給速度Fwの時間変化を示し、同図(D)は溶接電圧Vwの時間変化を示し、同図(E)は溶接電流Iwの時間変化を示し、同図(F)はワイヤ先端・母材間距離又はアーク長Lwの時間変化を示し、同図(G1)〜(G5)は各時刻でのアーク発生部の状態を示す。同図において、上述した図8と同一の動作については説明を省略し、図8とは異なる動作についてのみ説明する。
【0026】
時刻t3において同図(G3)に示すように初期アーク3aが発生して同図(D)に示すように溶接電圧Vwが第2の基準電圧値Vt2を超えた時点から、同図(B)に示すように、レーザ出力開始信号PonがHighレベルに変化してレーザの照射が開始される。このように、初期アーク3aが発生した時点からレーザの照射を開始することによって、溶接ワイヤと母材とが接触する時刻t2以前にレーザ照射による溶滴の形成を防止することができる。このために、上述した溶着及びスパッタの付着を防止することができる。アークスタートについては、レーザの照射がなくてもリトラクトアークスタート方法によって良好にすることができる。しかも、良好なアークスタート後の溶接中にはレーザが照射されるので、高速溶接も可能となる。
【0027】
ところで、レーザの照を接触後の時刻t2〜t3の期間から開始しない理由は、接触時にレーザを照射すると接触部の一部が溶融してその後に溶着が発生するおそれがあるためである。また、レーザの照射開始は、初期アークの発生時点ではなくそれ以降の時点でもよい。ただし、定常のアークが定常アーク長Lcとなる時刻t5前後までにはレーザの照射を開始する必要がある。この理由は、高速溶接のアークスタート部の溶け込みは浅くなりやすいために、レーザ照射によってこれを適正値に近づける必要がある。このためには定常アーク長Lcに収束する時点の前後までにはレーザの照射を開始する必要がある。
【0028】
図3は、実施の形態1の溶接電源装置6のブロック図である。以下、同図を参照して説明する。
【0029】
出力制御回路INVは、商用電源(3相200V等)を入力として、後述する駆動信号Dvに従ってインバータ制御、サイリスタ制御等の出力制御を行い、溶接に適した溶接電圧Vw及び溶接電流Iwを出力する。電圧検出回路VDは、溶接電圧Vwを検出して、電圧検出信号Vdを出力する。短絡判別回路SDは、この電圧検出信号Vdが図2(D)に示す第2の基準電圧値Vt2以下であるときにHighレベルとなる短絡判別信号Sdを出力する。遅延回路TTDは、上記の短絡判別信号SdがHighレベルからLowレベルに変化した時点(初期アーク発生時点)から予め定めた遅延時間Tdの間だけHighレベルとなる遅延信号Ttdを出力する。初期送給速度設定回路FSIは、予め定めた初期送給速度設定信号Fsiを出力する。論理否定回路NOTは、上記の短絡判別信号Sdを論理反転して切換信号Notを出力する。初期送給切換回路SIは、この切換信号NotがHighレベルからLowレベル(短絡)に変化するまではa側に接続されて上記の初期送給速度設定信号Fsiを送給速度制御設定信号Fscとして出力し、HighレベルからLowレベルへと変化した後はb側に切り換わり後述する後退送給切換回路出力信号Srを送給速度制御設定信号Fscとして出力する。後退送給速度設定回路FSRは、予め定めた後退送給速度設定信号Fsrを出力する。定常送給速度設定回路FSは、予め定めた定常送給速度設定信号Fsを出力する。後退送給切換回路SRは、上記の遅延信号TtdがHighレベルからLowレベルに変化するまではa側に接続されて上記の後退送給速度設定信号Fsrを後退送給切換回路出力信号Srとして出力し、HighレベルからLowレベルへと変化した後はb側に切り換わり上記の定常送給速度設定信号Fsを後退送給切換回路出力信号Srとして出力する。送給制御回路FCは、外部から入力された溶接開始信号StがHighレベルのときには、上記の送給速度制御設定信号Fscに相当する速度で溶接ワイヤを送給するための送給制御信号Fcをワイヤ送給モータWMへ出力する。
【0030】
電圧設定回路VSは、図2(D)に示す予め定めた電圧設定信号Vsを出力する。初期電流設定回路ISIは、図2(E)に示す予め定めた初期電流設定信号Isiを出力する。電圧誤差増幅回路EVは、上記の電圧設定信号Vsと電圧検出信号Vdとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Evを出力する。この電圧誤差増幅回路EVによるフィードバック制御によって、溶接電源装置の外部特性は定常の溶接電流を通電するための定電圧特性となる。電流検出回路IDは、溶接電流Iwを検出して、電流検出信号Idを出力する。電流誤差増幅回路EIは、上記の初期電流設定信号Isiと電流検出信号Idとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Eiを出力する。この電流誤差増幅回路EIによるフィードバック制御によって、溶接電源装置の外部特性は初期電流を通電するための定電流特性又は垂下特性となる。外部特性切換回路SPは、上記の遅延信号TtdがHighレベルからLowレベルに変化するまではa側に接続されて上記の電流誤差増幅信号Eiを誤差増幅信号Eaとして出力し、HighレベルからLowレベルに変化した後はb側に切り換わり電圧誤差増幅信号Evを誤差増幅信号Eaとして出力する。駆動回路DVは、上記の溶接開始信号StがHighレベルのときには、上記の誤差増幅信号Eaに従って上記の出力制御回路INVを制御するための駆動信号Dvを出力する。
【0031】
本発明に特有の回路であるレーザ出力開始信号生成回路PONは、上記の短絡判別信号SdがHighレベルからLowレベルへと変化(初期アーク発生時点)するとHighレベルとなり以後その状態を保持するレーザ出力開始信号Ponを出力する。また、レーザの照射を初期アークの発生以降に開始する場合には、レーザ出力開始信号生成回路PONは、上記の短絡判別信号SdがHighレベルからLowレベルへと変化した時点から予め定めた一定時間経過後にHighレベルとなり以後その状態を保持するレーザ出力開始信号Ponを出力するようにすればよい。
【0032】
[実施の形態2]
本発明の実施の形態2は、上述したリトラクトアークスタート方法において、レーザの照射を再前進送給の開始時点又はそれ以降から開始するレーザ照射アーク溶接のアークスタート制御方法である。この方法によれば、前進送給によって溶接ワイヤが母材に接触するまでの期間にはレーザは照射されないので、溶接ワイヤ先端部が溶融して溶滴が形成されることはなく、接触後に溶着及びスパッタの付着が発生することはない。以下、本発明の実施の形態2について図面を参照して説明する。
【0033】
実施の形態2に係る溶接装置は、上述した図1と同様である。ただし、後述するように、レーザ出力開始信号Ponの出力タイミングが実施の形態1とは異なる。図4は、上述した図2に対応する実施の形態2における各信号のタイミングチャートである。同図(A)〜(G5)の各信号は図2と同一である。以下、図2とは異なる動作についてのみ説明する。
【0034】
時刻t4において遅延時間Tdが経過して同図(C)に示すように再前進送給が開始されて同図(G4)に示すように定常のアーク3に移行した時点から、同図(B)に示すように、レーザ出力開始信号PonがHighレベルに変化してレーザの照射が開始される。このように、再前進送給の開始時点からレーザの照射を開始することによって、溶接ワイヤと母材とが接触する時刻t2以前にレーザ照射による溶滴の形成を防止することができる。このために、上述した溶着及びスパッタの付着を防止することができる。レーザの照射は、時刻t4に示す再前進送給の開始時点から時刻t5に示す定常のアークが定常のアーク長に収束する時点前後の間に開始すればよい。この理由は上述した実施の形態1のときと同様である。レーザの照射を実施の形態1のときのように初期アーク発生時点からではなく再前進送給の開始時点から開始する理由は、初期アーク発生直後はアーク長がまだ短い状態にあり、このタイミングでレーザが照射されると溶接ワイヤ先端部に大きな溶滴が形成されてスパッタが飛散するおそれがあるためである。ところで、アークスタート性については、レーザの照射がなくともリトラクトアークスタート方法によって良好にすることができる。
【0035】
実施の形態2の溶接電源装置6のブロック図は、上述した図3においてレーザ出力開始信号生成回路PONを下記のように変更すること以外は同一である。実施の形態2のレーザ出力開始信号生成回路PONは、遅延信号TtdがHighレベルからLowレベルへと変化(再前進送給開始時点)するとHighレベルとなり以後その状態を保持するレーザ出力開始信号Ponを出力する。また、レーザの照射を再前進送給開始以降に開始する場合には、レーザ出力開始信号生成回路PONは、遅延信号TtdがHighレベルからLowレベルへと変化した時点から予め定めた一定時間経過後にHighレベルとなり以後その状態を保持するレーザ出力開始信号Ponを出力するようにすればよい。
【0036】
[効果]
図5は、従来技術と本発明との良好アークスタート率の比較図である。同図は、良好なアークスタートを行うことが難しいアルミニウム合金のMIG溶接の場合である。同図は、溶接ワイヤに直径1.2mmのアルミニウム合金ワイヤ(JIS A5356材)を、母材にアルミニウム合金材(JIS A5052材)を使用して、溶接電流100Aにおいて多数回のアークスタートを繰り返し、溶着及び大粒のスパッタの付着がなかった良好アークスタートの比率を測定したものである。同図から明らかなように、従来技術2では良好アークスタート率は47%であった。これに対して、本発明では良好アークスタート率は95%へと大幅に向上した。しかも、アークスタート後のレーザ照射によって高速溶接を行うことができる。
【0037】
【発明の効果】
本発明のレーザ照射アーク溶接のアークスタート制御方法によれば、溶接ワイヤが前進送給されて母材と接触するまではレーザは照射されないので、この期間中に溶接ワイヤ先端部が溶融して溶滴が形成されることがなく上記の接触後に溶着及びスパッタの付着が発生しない。このために、常に良好なアークスタート性を得ることができる。同時に、初期アーク発生後又は再前進送給開始後に同期してレーザ照射が開始されるので、アークスタート性を損なうことなく、アークスタート部の溶け込みを適正化して高速溶接を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1に係る溶接装置の構成図である。
【図2】実施の形態1に係る図1の溶接装置におけるタイミングチャートである。
【図3】実施の形態1に係る溶接電源装置6のブロック図である。
【図4】実施の形態2に係る溶接装置におけるタイミングチャートである。
【図5】本発明の効果を示す良好アークスタート率の比較図である。
【図6】従来技術1に係る溶接装置の構成図である。
【図7】従来技術1に係る図6の溶接装置におけるタイミングチャートである。
【図8】従来技術2に係る溶接装置におけるタイミングチャートである。
【図9】従来技術2の課題を説明するためのタイミングチャートである。
【符号の説明】
1 溶接ワイヤ
1a 溶滴
1b 溶着
2 母材
2a 溶融池
3 アーク/定常のアーク
3a 初期アーク
4 溶接トーチ
4a 給電チップ
5 送給ロール
6 溶接電源装置
7 レーザ
7a プルーム
8 レーザ照射ヘッド
9 レーザ発振装置
DV 駆動回路
Dv 駆動信号
Ea 誤差増幅信号
EI 電流誤差増幅回路
Ei 電流誤差増幅信号
EV 電圧誤差増幅回路
Ev 電圧誤差増幅信号
FC 送給制御回路
Fc 送給制御信号
FS 定常送給速度設定回路
Fs 定常送給速度設定(値/信号)
Fsc 送給速度制御設定信号
FSI 初期送給速度設定回路
Fsi 初期送給速度設定(値/信号)
FSR 後退送給速度設定回路
Fsr 後退送給速度設定(値/信号)
Fw 送給速度
Ic 定常の溶接電流
ID 電流検出回路
Id 電流検出信号
INV 出力制御回路
ISI 初期電流設定回路
Isi 初期電流設定信号
Iw 溶接電流
Lc 定常のアーク長
Lw ワイヤ先端・母材間距離/アーク長
NOT 論理否定回路
Not 切換信号
On 出力開始信号
PON レーザ出力開始信号生成回路
Pon レーザ出力開始信号
Pw レーザ出力値
SD 短絡判別回路
Sd 短絡判別信号
SI 初期送給切換回路
SP 外部特性切換回路
SR 後退送給切換回路
Sr 後退送給切換回路出力信号
St 溶接開始信号
Tc 収束時間
Td 遅延時間
Tp 先行照射時間
TTD 遅延回路
Ttd 遅延信号
TTP 先行照射時間タイマ回路
VD 電圧検出回路
Vd 電圧検出信号
Vnl 無負荷電圧
VS 電圧設定回路
Vs 電圧設定(値/信号)
Vt1 第1の基準電圧値
Vt2 第2の基準電圧値
Vw 溶接電圧[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an arc start control method for laser irradiation arc welding in which consumable electrode arc welding is performed while irradiating a laser, and in particular, a retract arc for starting an arc by advancing / retreating / re-forwarding a welding wire at the start of the arc. It relates to the synchronization between start and start of laser irradiation.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a laser irradiation arc welding method has been performed in which welding is performed by irradiating a YAG laser, a semiconductor laser, or the like on a molten pool of consumable electrode arc welding or its peripheral portion. According to this welding method, it is possible to improve the arc start property by irradiating a laser prior to the start of feeding of the welding wire, and further, an increase in heat input to the base material due to laser irradiation and laser irradiation. The stabilization of the arc generation state by means of this makes it possible to perform high-speed welding about 2 to 3 times that of arc welding alone. Hereinafter, an arc start control method in this laser irradiation arc welding will be described with reference to the drawings.
[0003]
[Prior art 1]
FIG. 6 is a configuration diagram of a laser irradiation arc welding apparatus. The welding
[0004]
FIG. 7 is a timing chart of each signal in the above welding apparatus. FIG. 4A shows the time change of the welding start signal St, FIG. 4B shows the time change of the output start signal On, FIG. 4C shows the time change of the laser output value Pw, and FIG. FIG. (D) shows the time change of the feeding speed Fw, FIG. (E) shows the time change of the welding voltage Vw, FIG. (F) shows the time change of the welding current Iw, and FIG. -(G3) show the state of the arc generating part at each time. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.
[0005]
(1) Period from time t1 to t2 (preceding irradiation time Tp)
When the welding start signal St is input (High level) as shown in FIG. 9A at time t1, laser irradiation starts as shown in FIG. However, as shown in FIG. 4B, since the output start signal On is not output during this period (Low level), feeding of the welding wire is started as shown in FIG. In addition, as shown in FIG. 5E, the welding voltage Vw is not output. The state of the arc generating part immediately after time t1 is as shown in (G1) of the figure. The
[0006]
(2) Period from time t2 to t3
When the preceding irradiation time Tp elapses at time t2, the output start signal On is output (High level) as shown in FIG. In response to this, as shown in FIG. 4D, feeding of the welding wire is started, and the feeding speed Fw is a speed corresponding to a slow initial feeding speed set value Fsi of about several m / min. Become. At the same time, as shown in FIG. 5E, the output of the welding voltage Vw is started, and during this period, no arc is generated between the welding wire and the base material, so that value Is the maximum no-load voltage Vnl. Further, as shown in FIG. 5F, the welding current Iw is not energized because it is in a no-load state. The state of the arc generating portion during this period is as shown in FIG. 2G2 where the
[0007]
(3) Period after time t3
As shown in the figure (G3), a welding voltage Vw is applied to the
[0008]
As described above, in the arc start control method of laser irradiation arc welding, a favorable arc start is performed by forming a plume in the space between the tip of the welding wire and the base material by preceding irradiation with a laser. However, this method has the following drawbacks. That is, (1) since the welding torch normally stops without moving during the preceding irradiation of the laser, the heat input to the base metal becomes large, so that it melts down when the base material is a thin plate. May occur. (2) If the laser irradiation position on the base metal and the welding wire feeding timing are slightly shifted, the formation state of the plume changes, and the arc start becomes worse.
[0009]
[Prior Art 2]
The configuration of the welding apparatus of
[0010]
FIG. 8 is a timing chart of each signal when the retract arc start method is performed in the above welding apparatus. FIG. 4A shows the time change of the welding start signal St, FIG. 2B shows the time change of the laser output value Pw, and FIG. 3C shows the time change of the feed speed Fw. Fig. (D) shows the time change of the welding voltage Vw, Fig. (E) shows the time change of the welding current Iw, and Fig. (F) shows the time change of the wire tip-base metal distance or arc length Lw. (G1)-(G5) show the state of the arc generating part at each time. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.
[0011]
(1) Period from time t1 to t2 (forward feed)
When the welding start signal St is input (High level) as shown in FIG. 9A at time t1, laser irradiation is started as shown in FIG. At the same time, as shown in FIG. 6C, feeding of the welding wire is started, and the feeding speed Fw becomes a speed corresponding to the initial feeding speed set value Fsi. As shown in FIG. The voltage Vw becomes the no-load voltage Vnl and, as shown in FIG. 5E, the welding current Iw is in the no-load state and is not energized. Further, as shown in FIG. 5F, the wire tip / base material distance Lw gradually decreases. The state of the arc generating part at time t1 is shown in FIG.
[0012]
(2) Period from time t2 to t3 (reverse feed)
As shown in (G2), when the
[0013]
(3) Period from time t3 to t4 (reverse feed)
As shown in FIG. 4G3, when the
[0014]
(4) Period after time t4 (re-forward feed)
When the delay time Td elapses at time t4, the welding wire is fed forward again as shown in FIG. 5C, and the feeding speed Fw is a speed corresponding to the steady feeding speed set value Fs. Become. At the same time, the welding voltage Vw becomes an arc voltage value corresponding to the voltage set value Vs as shown in FIG. 4D, and the welding current Iw becomes a steady welding current Ic as shown in FIG. Further, as shown in FIG. 5F, the arc length Lw converges to the steady arc length Lc at time t5 when the convergence time Tc has elapsed from time t4. As shown in FIG. 4G4, the state of the arc generating portion shifts to the
[0015]
As described above, in the retract arc start method, the arc start is improved regardless of the effect of laser irradiation by feeding the welding wire forward / backward / re-forwarding. Laser irradiation is necessary to increase the amount of heat input during welding and to stabilize the arc generation state to enable high-speed welding.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
FIG. 9 is a timing chart corresponding to FIG. 8 for explaining the problem of the
[0017]
(1) Period from time t1 to t2
Since the operations of the signals in FIGS. 9A to 9F during this period are the same as those in FIG. 8, description thereof is omitted. However, as shown in FIG. 5G1, since a part of the laser is also applied to the tip of the welding wire, the tip of the welding wire melts to form a droplet 1a. Since the laser is irradiated through a narrow space between the welding wire and the base material, it is usual that a part of the laser is irradiated onto the welding wire. Therefore, the welding wire tip often melts during this period.
[0018]
(2) Period after time t2
As shown in FIG. 4G2, when the welding wire comes into contact with the
[0019]
The above is the case of welding, but even if welding does not occur, when the droplet 1a at the tip of the welding wire comes into contact with the base material at time t2, large spatter is scattered and adheres to the base material, and the bead appearance May also worsen.
[0020]
Accordingly, the present invention provides an arc start control method for laser irradiation arc welding that solves the above-described problems and is excellent in arc start performance and capable of high-speed welding.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
The invention of
An arc start control method for laser irradiation arc welding, characterized in that the laser irradiation is started at or after the occurrence of the initial arc.
[0022]
The invention according to
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Embodiment 1]
[0024]
FIG. 1 is a configuration diagram of a laser irradiation arc welding apparatus according to
[0025]
FIG. 2 is a timing chart of each signal in FIG. (A) shows the time change of the welding start signal St, (B) shows the time change of the laser output start signal Pon, (C) shows the time change of the feeding speed Fw, Fig. (D) shows the time change of the welding voltage Vw, Fig. (E) shows the time change of the welding current Iw, and Fig. (F) shows the time change of the wire tip-base metal distance or arc length Lw. (G1)-(G5) show the state of the arc generating part at each time. In the figure, the description of the same operation as that of FIG. 8 is omitted, and only the operation different from that of FIG. 8 will be described.
[0026]
From time t3 when the initial arc 3a is generated as shown in (G3) and the welding voltage Vw exceeds the second reference voltage value Vt2 as shown in (D), (B) in FIG. As shown in FIG. 4, the laser output start signal Pon changes to the high level, and laser irradiation is started. Thus, by starting laser irradiation from the time when the initial arc 3a is generated, formation of droplets by laser irradiation can be prevented before time t2 when the welding wire comes into contact with the base material. For this reason, adhesion of the above-mentioned welding and spatter can be prevented. The arc start can be improved by the retract arc start method even without laser irradiation. In addition, since laser is irradiated during welding after a good arc start, high-speed welding is also possible.
[0027]
By the way, the reason why laser irradiation is not started from the period of time t2 to t3 after contact is that if the laser is irradiated at the time of contact, a part of the contact portion may melt and welding may occur thereafter. Further, the laser irradiation may be started not at the time when the initial arc is generated but at a time after that. However, it is necessary to start laser irradiation before time t5 when the steady arc becomes the steady arc length Lc. This is because the arc start portion of high-speed welding tends to become shallow, and it is necessary to bring this close to an appropriate value by laser irradiation. For this purpose, it is necessary to start the laser irradiation before and after the time when it converges to the steady arc length Lc.
[0028]
FIG. 3 is a block diagram of welding
[0029]
The output control circuit INV receives a commercial power supply (3-phase 200V, etc.) as input, performs output control such as inverter control and thyristor control according to a drive signal Dv described later, and outputs a welding voltage Vw and a welding current Iw suitable for welding. . The voltage detection circuit VD detects the welding voltage Vw and outputs a voltage detection signal Vd. The short circuit determination circuit SD outputs a short circuit determination signal Sd that is at a high level when the voltage detection signal Vd is equal to or lower than the second reference voltage value Vt2 shown in FIG. The delay circuit TTD outputs a delay signal Ttd that is at a high level only for a predetermined delay time Td from the time point when the short circuit determination signal Sd changes from a high level to a low level (at the time of initial arc occurrence). The initial feed speed setting circuit FSI outputs a predetermined initial feed speed setting signal Fsi. The logic negation circuit NOT logically inverts the short circuit determination signal Sd and outputs a switching signal Not. The initial feeding switching circuit SI is connected to the a side until the switching signal Not changes from the High level to the Low level (short circuit), and the initial feeding speed setting signal Fsi is used as the feeding speed control setting signal Fsc. After the output is changed from the High level to the Low level, the mode is switched to the b side, and a backward feed switching circuit output signal Sr, which will be described later, is output as the feed speed control setting signal Fsc. The reverse feed speed setting circuit FSR outputs a predetermined reverse feed speed setting signal Fsr. The steady feeding speed setting circuit FS outputs a predetermined steady feeding speed setting signal Fs. The reverse feed switching circuit SR is connected to the a side until the delay signal Ttd changes from the High level to the Low level, and outputs the reverse feed speed setting signal Fsr as the reverse feed switching circuit output signal Sr. Then, after changing from the High level to the Low level, it switches to the b side and outputs the above-mentioned steady feeding speed setting signal Fs as the backward feeding switching circuit output signal Sr. The feed control circuit FC receives a feed control signal Fc for feeding the welding wire at a speed corresponding to the feed speed control setting signal Fsc when the welding start signal St input from the outside is at a high level. Output to the wire feed motor WM.
[0030]
The voltage setting circuit VS outputs a predetermined voltage setting signal Vs shown in FIG. The initial current setting circuit ISI outputs a predetermined initial current setting signal Isi shown in FIG. The voltage error amplification circuit EV amplifies an error between the voltage setting signal Vs and the voltage detection signal Vd and outputs a voltage error amplification signal Ev. By the feedback control by this voltage error amplifier circuit EV, the external characteristic of the welding power source device becomes a constant voltage characteristic for supplying a steady welding current. The current detection circuit ID detects the welding current Iw and outputs a current detection signal Id. The current error amplification circuit EI amplifies an error between the initial current setting signal Isi and the current detection signal Id and outputs a current error amplification signal Ei. By the feedback control by the current error amplifier circuit EI, the external characteristic of the welding power source device becomes a constant current characteristic or a drooping characteristic for supplying an initial current. The external characteristic switching circuit SP is connected to the a side until the delay signal Ttd changes from the High level to the Low level, and outputs the current error amplification signal Ei as the error amplification signal Ea, and from the High level to the Low level. Then, the voltage is switched to the b side, and the voltage error amplified signal Ev is output as the error amplified signal Ea. The drive circuit DV outputs a drive signal Dv for controlling the output control circuit INV according to the error amplification signal Ea when the welding start signal St is at a high level.
[0031]
The laser output start signal generation circuit PON, which is a circuit unique to the present invention, becomes a high level when the short-circuit determination signal Sd changes from the high level to the low level (at the time of initial arc occurrence), and thereafter the laser output that maintains that state. A start signal Pon is output. Further, when laser irradiation is started after the initial arc is generated, the laser output start signal generation circuit PON determines a predetermined time from the time when the short circuit determination signal Sd changes from the High level to the Low level. A laser output start signal Pon that becomes a high level after the lapse of time and holds the state thereafter may be output.
[0032]
[Embodiment 2]
[0033]
The welding apparatus according to the second embodiment is the same as that shown in FIG. However, as will be described later, the output timing of the laser output start signal Pon is different from that of the first embodiment. FIG. 4 is a timing chart of each signal in the second embodiment corresponding to FIG. 2 described above. The signals in FIGS. 5A to 5G are the same as those in FIG. Hereinafter, only operations different from those in FIG. 2 will be described.
[0034]
From the point in time when the delay time Td has elapsed at time t4 and re-forward feeding is started as shown in FIG. 10C and the state moves to the
[0035]
The block diagram of the welding
[0036]
[effect]
FIG. 5 is a comparison diagram of good arc start rates between the prior art and the present invention. This figure shows the case of MIG welding of an aluminum alloy that is difficult to perform a good arc start. This figure uses a 1.2 mm diameter aluminum alloy wire (JIS A5356 material) as a welding wire and an aluminum alloy material (JIS A5052 material) as a base material, and repeatedly starts arcs at a welding current of 100 A. The ratio of the good arc start in which there was no adhesion of welding and large-sized spatter was measured. As is clear from the figure, in the
[0037]
【The invention's effect】
According to the arc start control method of laser irradiation arc welding of the present invention, the laser beam is not irradiated until the welding wire is fed forward and comes into contact with the base material. No droplets are formed, and no welding or spatter deposition occurs after the contact. For this reason, it is possible to always obtain a good arc start property. At the same time, since the laser irradiation is started after the initial arc is generated or after the re-forward feeding is started, high-speed welding can be performed by optimizing the melting of the arc start portion without impairing the arc start performance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a welding apparatus according to
2 is a timing chart in the welding apparatus of FIG. 1 according to
3 is a block diagram of a welding
FIG. 4 is a timing chart in the welding apparatus according to the second embodiment.
FIG. 5 is a comparative diagram of a good arc start rate showing the effect of the present invention.
6 is a configuration diagram of a welding apparatus according to
7 is a timing chart in the welding apparatus of FIG. 6 according to
FIG. 8 is a timing chart in the welding apparatus according to
FIG. 9 is a timing chart for explaining a problem of the
[Explanation of symbols]
1 Welding wire
1a droplet
1b welding
2 Base material
2a molten pool
3 arc / steady arc
3a initial arc
4 Welding torch
4a Feeding chip
5 Feeding roll
6 Welding power supply
7 Laser
7a plume
8 Laser irradiation head
9 Laser oscillator
DV drive circuit
Dv drive signal
Ea Error amplification signal
EI current error amplifier circuit
Ei Current error amplification signal
EV voltage error amplifier circuit
Ev Voltage error amplification signal
FC feed control circuit
Fc feed control signal
FS steady feed speed setting circuit
Fs Constant feed speed setting (value / signal)
Fsc Feeding speed control setting signal
FSI initial feed speed setting circuit
Fsi Initial feed speed setting (value / signal)
FSR reverse feed speed setting circuit
Fsr Reverse feed speed setting (value / signal)
Fw Feeding speed
Ic Steady welding current
ID current detection circuit
Id Current detection signal
INV output control circuit
ISI initial current setting circuit
Isi initial current setting signal
Iw welding current
Lc Steady arc length
Lw Distance between wire tip and base metal / arc length
NOT logic negation circuit
Not switching signal
On output start signal
PON laser output start signal generation circuit
Pon laser output start signal
Pw laser output value
SD short-circuit detection circuit
Sd Short circuit detection signal
SI initial feed switching circuit
SP external characteristic switching circuit
SR Reverse feed switching circuit
Sr Reverse feed switching circuit output signal
St welding start signal
Tc convergence time
Td delay time
Tp preceding irradiation time
TTD delay circuit
Ttd delay signal
TTP Pre-irradiation time timer circuit
VD voltage detection circuit
Vd Voltage detection signal
Vnl No-load voltage
VS voltage setting circuit
Vs Voltage setting (value / signal)
Vt1 first reference voltage value
Vt2 Second reference voltage value
Vw welding voltage
Claims (2)
前記レーザの照射を、前記初期アークの発生時点又はそれ以降から開始することを特徴とするレーザ照射アーク溶接のアークスタート制御方法。In laser irradiation arc welding, in which welding is performed by irradiating laser to the weld pool or its peripheral part of consumable electrode arc welding, when a welding start signal is input to the welding power source, the welding wire is fed forward to the base material. When the welding wire comes into contact with the base metal by this forward feeding, the welding wire starts to be retracted from the base material and an initial current having a small current value is applied. After the welding wire is separated from the base metal by this backward feeding and the initial arc is generated, the welding wire is re-forwarded and the steady welding current is supplied to the steady arc generating state from the initial arc generating state. In the arc start control method to shift to
An arc start control method for laser irradiation arc welding, wherein the laser irradiation is started at or after the initial arc is generated.
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