JP2004050228A

JP2004050228A - アークスポット溶接方法および装置

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Publication number: JP2004050228A
Application number: JP2002211005A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Nagao; 長尾　陽一; Masaji Takechi; 武市　正次; Masaru Sedo; 瀬渡　賢; Takeshi Koike; 小池　健; Hisanori Nakamura; 中村　尚範
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-07-19
Filing date: 2002-07-19
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】溶接開始直後から電流密度の高いアークを安定して発生させるようにして、短時間で深い溶け込みを得ることを可能として溶接時間を短縮するとともに、強度および美観に優れた良質なビードの形成を可能とするアークスポット溶接方法および装置を提供する。
【解決手段】消耗電極式アーク溶接法において、応答性のよいワイヤ電極Ｂの送給機構２０を有する溶接トーチ、例えばサーボトーチ１を備えたアークスポット溶接装置Ａを用い、ワイヤ電極Ｂの送給速度Ｖの指令値Ｅを所定パターンに設定し、送給機構２０を前記指令値Ｅにより駆動してワイヤ電極Ｂを送給しながらアークスポット溶接をなすものである。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アークスポット溶接方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、金属板材を重ね合わせた状態で相互に溶接する溶接方法として、アークスポット溶接が行われている。アークスポット溶接は、母材を両側から挟み込んで加圧・通電する抵抗スポット溶接（例えば特開昭６２−２４４５８２号公報参照）とは異なり、材料片側からの作業が可能であり作業自由度が高いため、溶接点が極めて多い製品の溶接作業を高速化・自動化するのに適した溶接方法として各種分野で利用されている。
【０００３】
このようなアークスポット溶接方法として、融点が高く消耗しにくいタングステン（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ）電極を用い、イナートガス（Ｉｎｅｒｔ−Ｇａｓ：不活性ガス）雰囲気中で溶加材を補給しながら溶接を行うＴＩＧ溶接（例えば、特開昭５８−３８６６３号公報参照）、母材とほぼ同じ材質のワイヤ状の電極（以下、ワイヤ電極という）を用い、これを送給装置によってトーチに送り込みつつ不活性ガス雰囲気中、あるいは酸化性シールドガス雰囲気中で溶接を行うＭＩＧ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｅｒｔ−Ｇａｓ）溶接およびＭＡＧ（Ｍｅｔａｌ−Ａｃｔｉｖｅ−Ｇａｓ）溶接、アークの熱的ピンチ効果を利用したプラズマアーク溶接（特開平７−１４４２７８号公報）がある。
【０００４】
これら各溶接方法の中で、消耗式電極であるワイヤ電極を用いるＭＩＧ溶接およびＭＡＧ溶接においては、従来、ワイヤ電極をトーチに送り込むワイヤ送給装置には、制御性が良好であるといった理由でプリントモータ（ＤＣモータ）が用いられている。
【０００５】
ところが、プリントモータは立ち上がりの反応速度が遅いため、通常のアーク溶接に比して２〜３倍のワイヤ供給速度が要求されるアークスポット溶接においては、目標速度に達するまでに時間を要する。そのため、溶接開始時に速やかなアークスタートが得られずアーク状態が不安定となり、アーク状態が安定化するまでの間に溶着した溶接金属によって板厚が増すこととなって、所定時間内に深い溶け込みが得られないといった問題がある。
【０００６】
なお、一般的なアーク溶接におけるアークスタートを確実なものとするものとして、特開平１０ー３４３３５号公報には、溶接装置がオンしてから溶接電流が流れるまでの間は、溶接用ワイヤの送給モータの回転数を第１のスローダウン速度とし、溶接電流が流れてから一定期間は、定常速度より高速の第２のスローダウン速度としてなるアーク溶接装置が提案されている。
【０００７】
また、特開２００２ー８６２７０号公報には、溶接開始時にワイヤ送給速度を定常より低速で送給し、溶接開始時にワイヤと母材が短絡した後、溶接ワイヤの送給速度を加速し、予め設定されたワイヤ送給速度に到達後、予め設定された定常溶接におけるワイヤ送給速度より遅いワイヤ送給速度になるまで減速し、さらに定常溶接におけるワイヤ送給速度に加速する消耗電極式アーク溶接方法が提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、溶接開始直後から電流密度の高いアークを安定して発生させるようにして、短時間で深い溶け込みを得ることを可能として溶接時間を短縮するとともに、強度および美観に優れた良質なビードの形成を可能とするアークスポット溶接方法および装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のアークスポット溶接方法は、消耗電極式アーク溶接法において、応答性のよいワイヤ電極の送給機構を有する溶接トーチを備えたアークスポット溶接装置によるアークスポット溶接方法であって、ワイヤ電極の送給速度の指令値を所定パターンに設定し、送給機構を前記指令値により駆動してワイヤ電極の送給をなすことを特徴とする。
【００１０】
本発明のアークスポット溶接方法においては、送給速度の変化割合に上限値が設定されているのが好ましい。
【００１１】
また、本発明のアークスポット溶接方法においては、溶接電流を溶接開始時には貫通孔形成電流とし、その後溶接電流をビード成形電流とするのが好ましい。その場合、例えば、送給速度を段階的に減少させたり、送給速度を漸減させたりするものとされる。
【００１２】
一方、本発明のアークスポット溶接装置は、消耗電極式アーク溶接法において、応答性のよいワイヤ電極の送給機構を有する溶接トーチと、溶接電源部と、制御部とを備えたアークスポット溶接装置であって、制御部によりワイヤ電極の送給速度の指令値が所定パターンに設定され、前記指令値により送給機構が駆動されてワイヤ電極の送給がなされることを特徴とする。
【００１３】
本発明のアークスポット溶接装置においては、送給速度の変化割合に上限値が設定されてなるのが好ましい。
【００１４】
また、本発明のアークスポット溶接装置においては、溶接電流を溶接開始時には貫通孔形成電流とし、その後溶接電流をビード成形電流とするのが好ましい。その場合、送給速度を段階的に減少させるようされたり、送給速度を漸減させるようされたりする。
【００１５】
【作用】
本発明は、前記の如く構成されているので、溶接開始直後から電流密度の高いアークを安定して発生させて、短時間で深い溶け込みを得ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。
【００１７】
実施形態１
図１に、本発明の実施形態１に係るアークスポット溶接方法が適用される溶接装置の概略構成を模式的に示す。
【００１８】
この溶接装置Ａは、例えば多関節形、直交座標形、極座標形および円筒座標形の各種ロボットのロボットアームに装着可能に構成される応答性のよい溶接トーチ、例えばサーボトーチ（以下単にトーチという）１と、溶接電源部２と、制御部３と、を主要構成要素として備え、ＭＩＧ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｅｒｔ−Ｇａｓ）溶接およびＭＡＧ（Ｍｅｔａｌ−Ａｃｔｉｖｅ−Ｇａｓ）溶接などの消耗型電極方式のアークスポット溶接により複数の板材Ｗ１、Ｗ２を重ね合わせた状態で溶接するものとされる。
【００１９】
トーチ１は、イナートガスまたは酸化性混合ガス（炭酸ガスとアルゴンガスとの混合ガス）を溶接部（ｗｅｌｄ　ｚｏｎｅ）をシールドするように噴出させる、トーチ１の先端部分に配設されるノズル１０と、ノズル１０を通してワイヤ電極Ｂを送り出すように送給する送給機構２０と、送給機構２０の駆動源としてのサーボモータ３０と、を一体化するようにして構成された送給機構内蔵トーチとされている。
【００２０】
送給機構２０は、サーボモータ３０の出力軸と接続されるギア機構２１と、ワイヤ電極Ｂを送るようワイヤ電極Ｂを間に挟んだ状態でギア機構２１を介して伝達される回転駆動力により回転する１対のローラ２２，２２とから構成されている。
【００２１】
サーボモータ３０は、サーボ回路３１を用いたフィードバック制御によって、送給機構２０によるワイヤ電極Ｂの送給速度Ｖを制御部３からの指令値Ｅと一致させるよう回転数が制御されるものとされる。
【００２２】
次に、溶接電源部２を説明する。溶接電源部２は、送給機構２０によるワイヤ電極Ｂの送給速度Ｖ、制御部３が出力する指令値Ｅに応じた電流値のアークを発生させるようパルス周期が調整される矩形波パルス電流をワイヤ電極Ｂと板材Ｗ１、Ｗ２との間に通電する。
【００２３】
制御部３は、所定の速度パターンでワイヤ電極Ｂが送給されるようにサーボモータ３０の各時点における回転数を指示する指令値Ｅを生成し、サーボ回路３１および溶接電源装置２に出力する。
【００２４】
図２に、溶接装置Ａにおけるワイヤ電極Ｂの送給速度パターンを示す。同図に示すように、溶接装置Ａにおいては、破線Ｌ１で示す矩形波状の指令値Ｅが制御部３から出力され、これに僅少の遅れで追随するように実線Ｌ２で示す送給速度パターンで、サーボモータ３０により駆動される送給機構２０によってワイヤ電極Ｂが送給される。
【００２５】
また、同図に点線Ｌ３により比較例として、従来のプリントモータによる送給機構を使用したアークスポット溶接装置における同様の指令値Ｅに対する応答を示す。
【００２６】
このように、この実施形態１の溶接装置Ａにおいては、送給機構２０の駆動源としてサーボモータ３０を使用するようにしたので、指令値Ｅに対する送給速度Ｖの高い応答性を得ることが可能となり、送給速度Ｖのスムーズで速い立ち上がりを実現することが可能となる。これによって、溶接開始直後から電流密度の高いアークを安定させて発生させることができ、従来装置におけるアークスタートの遅れを解消することができる。
【００２７】
実施形態２
次に、図３を参照して本発明の実施形態２に係るアークスポット溶接方法が適用される溶接装置を説明する。実施形態２の溶接装置は、実施形態１の溶接装置Ａにおける送給速度Ｖの制御態様を改変したものであって、その余の構成は溶接装置Ａと同様とされる。以下、改変された部分のみを説明する。
【００２８】
すなわち、実施形態２においては、サーボ回路３１に、アーク不良が発生しないよう溶接機（トーチ１および溶接電源装置２）の応答性に応じて規定される、送給速度Ｖの変化割合に対する上限値（以下、単に上限値という）Ｖ_ＲＬが予め設定されるものとされる。例えば、送給速度Ｖを８ｍ／分から２８ｍ／分に変化させる場合に０．２秒以上必要とすると、送給速度Ｖの変化割合の上限値は１．７ｍ／秒^２とされる。
【００２９】
サーボ回路３１は、指令値Ｅに対応するサーボモータ３０の回転数と図示しないエンコーダにより検出される回転数との差分を演算し、その差分を表す差分信号に基づいて送給速度Ｖの変化割合が上限値Ｖ_ＲＬを超えない範囲でサーボモータ３０を増速および減速するものとされる。
【００３０】
これにより、図３に示すように、実線Ｌ４で示すワイヤ電極Ｂの送給速度パターンは破線Ｌ５で示す送給速度Ｖの変化割合に上限値を設けない場合のパターンと比較して送給速度Ｖの立ち上がりおよび立ち下がりの傾斜が緩やかなものとなる。
【００３１】
このように、実施形態２の溶接装置においては、溶接機の応答性に応じてアーク不良が発生しないようにワイヤ電極Ｂの送給速度Ｖの変化割合に上限値が設定されるので、アークスタート時ならびに溶接電流変更時のように送給速度Ｖが変更される際に、ワイヤ電極Ｂと溶接部分との接触の発生等を防止して、アーク状態を常に安定な状態に保つことが可能となる。これによって、アークの安定性を維持しつつ溶接施工時間の最小化を図ることができるので、作業効率向上の要求と溶接品質向上の要求とを両立させることが可能となる。
【００３２】
実施形態３
次に、図４を参照して本発明の実施形態３に係るアークスポット溶接方法が適用される溶接装置を説明する。実施形態３の溶接装置は、実施形態１および実施形態２の溶接装置における溶接条件の設定態様を改変したものであって、その余の構成は実施形態１および実施形態２と同様とされる。以下、改変された部分のみを説明する。
【００３３】
すなわち、図４に実線Ｌ６で示すように、実施形態３の溶接装置においては、制御部３によって、溶接開始時のアークスタート時に送給速度Ｖが水平部分Ｐ１で示すように高速（例えば、板材Ｗ１、Ｗ２の板厚：２．３ミリ・メートル、ワイヤ電極Ｂの径：１．０ミリ・メートル、である場合、２８メートル毎秒）となるように指令値Ｅが設定されるとともに、溶接開始から所定時間経過後には送給速度Ｖが水平部分Ｐ２で示すように比較的低速（例えば１７メートル毎秒）となるように指令値Ｅが設定される。
【００３４】
すなわち、溶接開始直後は一方の板材（鉛直方向上側の板材）Ｗ１を貫通する深い溶け込みを短時間で得るよう溶接電流を高く設定し、つまり溶接電流を貫通孔形成電流とし、一方の板材Ｗ１が貫通した後はビード外観を整えつつ他方の板材（鉛直方向下側の板材）Ｗ２が貫通して溶け落ちが発生するのを防止するよう溶接電流を低く設定する、つまり溶接電流をビード成形電流とするというように溶接条件が溶接開始からの経過時間に応じて切り替えられるものとされる。図５にこのようにして得られたビード断面を模式図で示す。図５中、符号Ｃ１はビードを示す。
【００３５】
この場合、溶接電流を単純に高電流化すると、図６に示すように、ビードのへこみ（同図（ａ）参照）やクレータ割れ（同図（ｂ）参照）が発生し、溶接品質が低下するといった問題が生じたり、あるいは溶接される板材間にギャップがある場合には、アンダーフィル（同図（ｃ）参照）やアンダーカット（同図（ｄ）参照）などが発生するという問題が生ずる。図６中、符号Ｗ１’，Ｗ２’は板材を示し、符号Ｃ１’，Ｃ２’，Ｃ３’，Ｃ４’はビードを示す。
【００３６】
このように、実施形態３の溶接装置においては、溶接条件が溶接開始からの経過時間に応じて切り替えられるので、１サイクルの溶接期間を例えば溶け込みの形成期間とビードの成形期間とに区分して実施することができ、各期間の役割分担を行うことで作業の高速化と溶接品質の向上との両立をさらに確実なものとすることができる。また、これによって、条件裕度を拡げることができるという効果も得られる。
【００３７】
なお、溶接条件を溶接開始からの経過時間に応じて切り替える態様としては、図７に実線Ｌ７で示すように、１サイクルの溶接期間を水平部分Ｐ１１により示される高速域と、水平部分Ｐ１２により示される中速域と、水平部分Ｐ１３により示される低速域とに区分するように、溶接条件を３段階に切り替えることも可能である。図８にこのようにして得られたビード断面を模式図で示す。図８中、符号Ｃ２はビードを示し、符号Ｗ３，Ｗ４，Ｗ５は板材を示す。
【００３８】
また、図９に実線Ｌ８で示すように、送給速度Ｖを水平部分Ｐ２１により示される高速域と、傾斜部分Ｐ２２により示される漸減域と、水平部分Ｐ２３により示される低速域とに区分することも可能である。また、同図に破線Ｌ９で示すように、送給速度Ｖを水平部分Ｐ３１により示される高速域と傾斜部分Ｐ３２により示される漸減域とに区分してもよい。このようにすることにより、実線Ｌ８に示す場合に比して、送給速度Ｖの減少に伴ってアークが穏やかに変化する。それにより、溶融池に与える振動が抑えられ溶け落ちが発生しにくいという効果が得られる。
【００３９】
以上、本発明を実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではなく、種々改変が可能である。例えば、各実施形態では溶接トーチはサーボトーチとされているが、溶接トーチはサーボトーチに限定されるものではなく、応答性のよい各種溶接トーチとすることができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、溶接開始直後から電流密度の高いアークを安定して発生させて、短時間で深い溶け込みを得ることができるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係るアークスポット溶接方法が適用される溶接装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】実施形態１の溶接装置におけるワイヤ電極の送給速度パターンを示すグラフ図である。
【図３】本発明の実施形態２に係る溶接装置におけるワイヤ電極の送給速度パターンを示すグラフ図である。
【図４】本発明の実施形態３に係る溶接装置におけるワイヤ電極の送給速度パターンを示すグラフ図である。
【図５】同実施形態により得られたビード断面の模式図である。
【図６】同実施形態においてワイヤ電極の送給速度を一定とした場合の問題点を示す模式図である。
【図７】同実施形態におけるワイヤ電極の送給速度パターンの他の例を示すグラフ図である。
【図８】図７に示すワイヤ電極の送給速度パターンにより得られたビード断面の模式図である。
【図９】実施形態３におけるワイヤ電極の送給速度パターンのさらに他の例を示すグラフ図である。
【符号の説明】
Ａ　　　　溶接装置
Ｂ　　　　ワイヤ電極
Ｃ　　　　ビード
Ｅ　　　　指令値
Ｌ　　　　送給速度パターン
Ｗ　　　　板材
１　　　　サーボトーチ
２　　　　溶接電源装置
３　　　　制御部
１０　　　ノズル
２０　　　ワイヤ送給装置
３０　　　サーボモータ

Claims

消耗電極式アーク溶接法において、応答性のよいワイヤ電極の送給機構を有する溶接トーチを備えたアークスポット溶接装置によるアークスポット溶接方法であって、
ワイヤ電極の送給速度の指令値を所定パターンに設定し、送給機構を前記指令値により駆動してワイヤ電極の送給をなすことを特徴とするアークスポット溶接方法。
送給速度の変化割合に上限値が設定されていることを特徴とする請求項１記載のアークスポット溶接方法。
溶接電流を溶接開始時には貫通孔形成電流とし、その後溶接電流をビード成形電流とすることを特徴とする請求項１記載のアークスポット溶接方法。
送給速度を段階的に減少させることを特徴とする請求項３記載のアークスポット溶接方法。
送給速度を漸減させることを特徴とする請求項３記載のアークスポット溶接方法。
消耗電極式アーク溶接法において、応答性のよいワイヤ電極の送給機構を有する溶接トーチと、溶接電源部と、制御部とを備えたアークスポット溶接装置であって、
制御部によりワイヤ電極の送給速度の指令値が所定パターンに設定され、前記指令値により送給機構が駆動されてワイヤ電極の送給がなされることを特徴とするアークスポット溶接装置。
送給速度の変化割合に上限値が設定されてなることを特徴とする請求項６記載のアークスポット溶接装置。
溶接電流を溶接開始時には貫通孔形成電流とし、その後溶接電流をビード成形電流とすることを特徴とする請求項６記載のアークスポット溶接装置。
送給速度を段階的に減少させるようされてなることを特徴とする請求項８記載のアークスポット溶接装置。
送給速度を漸減させるようされてなることを特徴とする請求項８記載のアークスポット溶接装置。