JP2005144468A - 交流アーク溶接のガス流量調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電極マイナス極性期間中の電極マイナス電流と電極プラス極性期間中の電極プラス電流とから形成される溶接電流Ｉｗを通電するアルミニウム材の非消耗電極交流アーク溶接又は消耗電極交流アーク溶接において、電極マイナス電流が溶接電流Ｉｗの平均値に占める比率である電極マイナス極性比率の設定信号Ｒensを調整してクリーニング幅を変化させてもシールドガスによるシールド性を常に良好な状態に維持すること。
【解決手段】 本発明は、前記電極マイナス極性比率設定信号Ｒensに応じて、前記シールドガスの流量Ｆ［l/min］を予め定めた関数に従って自動調整する交流アーク溶接のガス流量調整方法である。前記関数はＦ＝ｆ（Ｒens）となり、電極マイナス極性比率設定信号Ｒensが大きくなるに伴ってガス流量Ｆは少なくなるように予め定義される。
【選択図】図１

Description

本発明は、アーク溶接において溶接条件に応じてシールドガスの流量を適正値に自動調整するためのアーク溶接のガス流量調整方法に関するものである。

ＴＩＧ溶接、プラズマ溶接等の非消耗電極アーク溶接及びＭＡＧ溶接、ＭＩＧ溶接等の消耗電極アーク溶接では、溶接トーチからシールドガスを噴出してアーク及び溶接部を大気からシールドすることによって健全な溶接部を形成することができる。シールドガスの流量（以下，ガス流量という）は、種々の溶接条件に応じて適正値に手動で調整されることが多い。

このガス流量の調整を特定の溶接条件の変化に連動して自動的に行う方法が特許文献１に開示されている。この従来技術では、アークを通電する溶接電流値に応じてガス流量を自動調整するものである。図７は、この従来技術におけるアーク発生状態を示す模式図である。同図はＴＩＧ溶接の場合であり、同図（Ａ）は溶接電流値が小さいときのアーク発生状態を示し、同図（Ｂ）は溶接電流値が大きいときのアーク発生状態を示す。溶接トーチ５の先端の非消耗電極１と母材２との間にアーク３が発生する。シールドガス４は、溶接トーチ５の先端から噴出して、アーク３及び母材２上の溶接部をシールドする。同図（Ａ）に示すように、溶接電流が小さいときにはアーク３の広がりが小さいので、一般的にガス流量は少なくて良い。他方、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流値が大きいときにはアーク３の広がりも大きいので、一般的にガス流量は多くする必要がある。したがって、この従来技術では、上述したように、溶接電流値に連動してガス流量を自動調整することによって、シールド状態を常に良好な状態に維持することができる。

ところで、アルミニウム、マグネシウム等のように材料表面に酸化皮膜が形成される材料を溶接する場合には、交流ＴＩＧ溶接、交流ＭＩＧ溶接等の交流アーク溶接が使用されることが多い。図８は、交流ＴＩＧ溶接の溶接電流Ｉｗの波形図の一例である。同図に示すように、電極がマイナス極性（ＥＮ）となる期間（電極マイナス極性期間）Ｔen中は電極マイナス電流Ｉenが通電し、電極がプラス極性（ＥＰ）となる期間（電極プラス極性期間）Ｔep中は電極プラス電流Ｉepが通電する。両期間を１周期Ｔとして通電を繰り返す。アルミニウム等の溶接では、材料表面の酸化皮膜をアークによるクリーニング作用によって除去しながら溶接する必要がある。健全な溶接部を得るためには、クリーニングされた領域（クリーニング幅Ｗ）が適正であることは重要である。このクリーニング幅Ｗは下記に定義される電極マイナス極性比率Ｒen［％］によって調整される。したがって、溶接条件に応じてクリーニング幅Ｗが適正値になるように電極マイナス極性比率Ｒenを調整する必要がある。

溶接電流波形の絶対値の平均値を溶接電流平均値Ｉwaで表わし、電極マイナス電流Ｉenのみの平均値を電極マイナス電流平均値Ｉenaで表わすと、電極マイナス極性比率Ｒenは下式で定義される。
Ｒen［％］＝100・（Ｉena／Ｉwa） …（１）式
すなわち、電極マイナス極性比率Ｒenは、溶接電流平均値Ｉwaに占める電極マイナス電流平均値Ｉenaの比率となる。したがって、同図の波形では（１）式は下式と等価になる。
Ｒen＝100・（Ｉen・Ｔen）／（Ｉen・Ｔen＋｜Ｉep｜・Ｔep）
また、上式においてＩen＝｜Ｉep｜の場合には下式に整理される。
Ｒen＝100・Ｔen／Ｔ

電極マイナス極性比率Ｒenを調整するときには、Ｔen、Ｔep、Ｉen及びＩepの電流波形パラメータを変化させることによって行うことができる。すなわち、電極マイナス極性比率Ｒenが設定されるとそれに対応して電流波形パラメータが変化することになる。

図９は、上述したアルミニウム交流ＴＩＧ溶接において電極マイナス極性比率Ｒenを調整してクリーニング幅Ｗを変化させたときのアーク発生状態図である。同図（Ａ）は電極マイナス極性比率Ｒenが大きな値でクリーニング幅Ｗ１が小さい場合であり、同図（Ｂ）は電極マイナス極性比率Ｒenが小さな値でクリーニング幅Ｗ２が大きい場合である。同図に示すように、電極マイナス極性比率Ｒenを小さくするとアーク３の広がりが大きくなり、クリーニング幅も大きくなる。すなわち、Ｗ１＜Ｗ２となる。上述したように、母材２の材質、板厚、溶接継手、溶接速度等の溶接条件によって適正なクリーニング幅Ｗは異なる。このために、電極マイナス極性比率Ｒenを調整してクリーニング幅Ｗを適正値に調整する必要がある。

特開昭５７−１３９４７２号公報

上述したように、交流ＴＩＧ溶接では、電極マイナス極性比率Ｒenを調整することによってクリーニング幅Ｗを適正値に調整する。しかし、図１０に示すように、電極マイナス極性比率Ｒenの設定値を小さくしてクリーニング幅を適正値Ｗｓに調整しようとしても、シールドガス４のシールド範囲内のＷ３に制限される。これは、シールド範囲外の領域では大気中の酸素によって一旦クリーニングされてもすぐに酸化されるので、結果的にシールド範囲内しかクリーニングされないためである。このために、シールド範囲外にクリーニング幅の適正値Ｗｓがある場合には、ガス流量を増加させてシールド範囲を大きくする必要がある。すなわち、電極マイナス極性比率Ｒenを小さくしてクリーニング幅を大きくするときには、同時にガス流量を多くする必要がある。したがってこのような場合にはガス流量を初めから多めに調整してクリーニング幅の調整可能範囲を大きくしておく方法を取ることが多い。しかしこの方法では、適正なクリーニング幅に対してシールド範囲が大きくなり過ぎてアーク状態が不安定になる場合がある。さらには、必要以上にガス流量を多くするのは不経済である。他方、電極マイナス極性比率Ｒenを調整してクリーニング幅を調整する度に、手動でいちいちガス流量を調整するのは非常に手間であった。

そこで、本発明では、電極マイナス極性比率Ｒenを調整してクリーニング幅を適正値に調整したときにガス流量を自動的に適正値に調整することができる交流アーク溶接のガス流量調整方法を提供する。

上述した課題を解決するために、第１の発明は、電極マイナス極性期間中の電極マイナス電流と電極プラス極性期間中の電極プラス電流とから形成される溶接電流を通電する非消耗電極交流アーク溶接又は消耗電極交流アーク溶接におけるシールドガスの流量を溶接条件に応じて調整する交流アーク溶接のガス流量調整方法において、
前記電極マイナス電流が前記溶接電流の平均値に占める比率である電極マイナス極性比率に応じて、前記シールドガスの流量を予め定めた関数に従って自動調整することを特徴とする交流アーク溶接のガス流量調整方法である。

また、第２の発明は、第１の発明記載の電極マイナス極性比率を、前記溶接電流の検出値から算出することを特徴とする交流アーク溶接のガス流量調整方法である。

上記第１の発明によれば、非消耗電極又は消耗電極交流アーク溶接においてクリーニング幅Ｗを適正値に調整するために電極マイナス極性比率Ｒenを調整すると、予め定めた関数に従ってシールドガスの流量がそのクリーニング幅Ｗに適した値に自動調整される。このために、ガス流量の過大又は過少によるアーク不安定、ガス流量の過大による不経済等の従来技術の課題を解決することができる。

さらに、上記第２の発明によれば、ガス流量制御装置を溶接電源の外部に設け、このガス流量制御装置内で電極マイナス極性比率Ｒenを溶接電流Ｉｗの検出値から算出することによって、溶接電源の内部回路を改良する必要がなく通常の汎用的な溶接電源を使用して本発明を実施するための溶接装置を構成することができる。このために、本発明の溶接装置を構成することが容易かつ安価になる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る交流アーク溶接のガス流量調整方法を実施するための溶接装置の構成図である。同図は交流ＴＩＧ溶接の場合である。以下、同図を参照して説明する。

溶接装置は溶接電源６、溶接トーチ５及びガスボンベ７から構成される。溶接電源６は以下の各回路ブロックからなる。電極マイナス極性比率設定回路ＲＥＮＳは、予め定めた電極マイナス極性比率設定信号Ｒensを出力する。電源主回路ＭＣは、上記の電極マイナス極性比率設定信号Ｒensによって定まる図８で上述したような電流波形パラメータの溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗを出力する。ガス流量設定回路ＦＳは、上記の電極マイナス極性比率設定信号Ｒensを入力として予め定めた関数によってガス流量設定信号Ｆｓを出力する。この関数については後述する。ガス流量調整器ＧＣは、上記のガス流量設定信号Ｆｓの値に相当するガス流量Ｆ［l/min］でシールドガスを流す。シールドガスは、ガスボンベ７からガスホース７ａ、７ｂを通って溶接トーチ５に供給されて、アーク発生部に噴出される。本発明の溶接電源６によれば、電極マイナス極性比率設定信号Ｒensによって適正なガス流量設定信号Ｆｓが出力されて、これに相当するガス流量Ｆに自動調整される。したがって、クリーニング幅を調整するために従来から存在する電極マイナス極性比率設定信号Ｒensに連動してガス流量Ｆが自動調整されるので、クリーニング幅に適したガス流量Ｆとなり、アーク不安定、ガスの流し過ぎによる不経済等の問題は解決される。

図２は、上述した電極マイナス極性比率Ｒenとガス流量Ｆとの関係を予め定めた関数の一例である。同図はアルミニウム交流ＴＩＧ溶接の場合である。同図に示すグラフのように関数Ｆ＝ｆ（Ｒen）を定義すれば良い。すなわち、０＜Ｒen＜２０ではＦ＝１５l/minとし、２０≦Ｒen＜８０では１５l/minから８l/minへと直線的に少なくし、８０≦Ｒen＜１００では８l/minとすれば良い。これは、電極マイナス極性比率Ｒenが大きくなるほどクリーニング幅は小さくなり適正なガス流量Ｆも少なくなるからである。

図３は、本発明において電極マイナス極性比率Ｒenを調整してクリーニング幅Ｗを調整したときのアーク発生状態図である。同図（Ａ）は調整したクリーニング幅Ｗ１が小さいときであり、アーク３の広がりも小さく、シールドガス４のガス流量Ｆが少なく自動調整されてシールド範囲も小さくなる。他方、同図（Ｂ）は調整したクリーニング幅Ｗ４が大きいときであり、アーク３の広がりも大きくなり、ガス流量Ｆが多くなるように自動調整されてシールド範囲も大きくなる。このように、調整されたクリーニング幅Ｗに適したガス流量Ｆに自動調整される。

上記は交流ＴＩＧ溶接の場合であるが、交流ＭＩＧ溶接でも同様である。一般的に交流ＭＩＧ溶接では交流パルスＭＩＧ溶接が使用されることが多い。図４は、この交流パルスＭＩＧ溶接の溶接電流Ｉｗの波形例である。１周期Ｔの期間中に電極マイナス電流及び電極プラス電流が通電する。この場合も電極マイナス極性比率Ｒenは上述した（１）式で定義される。そして、電流波形の各パラメータを変化させることによって電極マイナス極性比率Ｒenを所定値に調整することができる。図５は、アルミニウム交流パルスＭＩＧ溶接における電極マイナス極性比率Ｒenとガス流量Ｆとの関係を予め定めた関数の一例を示す図である。同図に示すように、関数をＦ＝ｆ（Ｒen）で定義することができる。すなわち、０＜Ｒen＜４０ではＦ＝２５l/minから１５l/minへと直線的に少なくなり、４０≦Ｒen＜１００ではＦ＝１５l/minとなる。この場合の溶接装置は、上述した図１に溶接ワイヤの送給機構を追加することで実現することができる。

［実施の形態２］
本発明の実施の形態２は、実施の形態１における電極マイナス極性比率Ｒenを、電極マイナス極性比率設定信号Ｒensではなく実際の溶接電流Ｉｗの検出波形から算出するものである。このことで溶接電源とは独立したガス流量制御装置８によって本発明を実施することが可能となる。このために、通常の汎用的な溶接電源をそのままで改良することなく使用することができるメリットがある。

図６は、本発明の実施の形態２に係る交流アーク溶接のガス流量調整方法を実施するための溶接装置の構成図である。同図は上述した図１とガス流量制御装置８の部分以外は同様であるので、この同一部分についての説明は省略する。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。電極マイナス極性比率算出回路ＣＲＥＮは、上記の電流検出信号Ｉｄによる電流波形から上述した（１）式に基づいて電極マイナス極性比率信号Ｒenを算出し出力する。これ以外の回路説明は図１と同様である。

本発明の実施の形態１に係る溶接装置の構成図である。 本発明の実施の形態１において電極マイナス極性比率Ｒenとガス流量Ｆとの関数の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１におけるアーク発生状態図である。 本発明の実施の形態１における交流パルスＭＩＧ溶接の電流波形図である。 交流パルスＭＩＧ溶接において電極マイナス極性比率Ｒenとガス流量Ｆとの関数の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る溶接装置の構成図である。 従来技術のＴＩＧ溶接におけるアーク発生状態図である。 従来技術における交流ＴＩＧ溶接の電流波形図である。 従来技術において交流ＴＩＧ溶接のアーク発生状態図である。 課題を説明するための適正クリーニング幅が大きいときのアーク発生状態図である。

符号の説明

１ 非消耗電極
２ 母材
３ アーク
４ シールドガス
５ 溶接トーチ
６ 溶接電源
７ ガスボンベ
７ａ、７ｂ ガスホース
８ ガス流量制御装置
ＣＲＥＮ 電極マイナス極性比率算出回路
Ｆ ガス流量
ＦＳ ガス流量設定回路
Ｆｓ ガス流量設定信号
ＧＣ ガス流量調整器
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉen 電極マイナス電流
Ｉena 電極マイナス電流平均値
Ｉep 電極プラス電流
Ｉｗ 溶接電流
Ｉwa 溶接電流平均値
ＭＣ 電源主回路
Ｒen 電極マイナス極性比率（信号）
ＲＥＮＳ 電極マイナス極性比率設定回路
Ｒens 電極マイナス極性比率設定信号
Ｔ 周期
Ｔen 電極マイナス極性期間
Ｔep 電極プラス極性期間
Ｖｗ 溶接電圧
Ｗ クリーニング幅
Ｗｓ クリーニング幅適正値

Claims (2)

1. 電極マイナス極性期間中の電極マイナス電流と電極プラス極性期間中の電極プラス電流とから形成される溶接電流を通電する非消耗電極交流アーク溶接又は消耗電極交流アーク溶接におけるシールドガスの流量を溶接条件に応じて調整する交流アーク溶接のガス流量調整方法において、
   前記電極マイナス電流が前記溶接電流の平均値に占める比率である電極マイナス極性比率に応じて、前記シールドガスの流量を予め定めた関数に従って自動調整することを特徴とする交流アーク溶接のガス流量調整方法。
2. 請求項１記載の電極マイナス極性比率を、前記溶接電流の検出値から算出することを特徴とする交流アーク溶接のガス流量調整方法。
   
   

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