JP2007222888A - 消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 消耗電極アーク溶接の溶接開始の際に、溶接ワイヤと母材とが初めから接触状態にある場合、アークスタート時にワイヤ突出し部が加熱されて崩落し多くのスパッタが飛散し溶接品質が悪くなりやすい。接触状態でのアークスタートであっても、スパッタ発生の少ない良好なアークスタート性を実現する。
【解決手段】 本発明は、溶接開始指令Ｓｔが溶接電源ＰＳに入力されると、溶接ワイヤ１の先端と母材２との接触の有無を判別（Ｔｄ）し、接触していないときは溶接ワイヤ１の前進送給及び溶接電源ＰＳの出力を開始してアークスタートさせ、接触しているときはワイヤ先端位置を後退移動させて接触状態を解除し、その後に溶接ワイヤ１の前進送給及び溶接電源ＰＳの出力を開始してアークスタートさせる消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、消耗電極アーク溶接のアークスタート性を向上させるためのアークスタート制御方法に関するものである。

図６は、一般的な消耗電極アーク溶接電源ＰＳのブロック図である。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。

電源主回路ＰＭは、３相２００Ｖ等の商用電源を入力として、後述する駆動信号Ｄｖに従ってインバータ制御、サイリスタ位相制御等による出力制御を行い、溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力する。溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給モータＷＭにつながれた送給ロール５によって溶接トーチ４内を通って送給されて、母材２との間でアーク３が発生して溶接が行われる。

電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。電圧設定回路ＶＲは、予め定めた電圧設定信号Ｖｒを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の電圧設定信号Ｖｒ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。駆動回路ＤＶは、起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベルのときは上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖに対応して上記の電源主回路ＰＭを形成するスイッチング素子を駆動するための駆動信号Ｄｖを出力する。上記の電圧誤差増幅回路ＥＶによって溶接電源ＰＳの外部特性は定電圧特性となる。

短絡検出回路ＳＤは、上記の電圧検出信号Ｖｄの値によって溶接ワイヤ１と母材２との短絡状態を判別して、短絡状態にあるときはＨｉｇｈレベルになる短絡判別信号Ｓｄを出力する。制御回路ＣＣは、外部からの溶接開始指令Ｓｔ及び上記の短絡判別信号Ｓｄを入力として、図７及び図８で後述するシーケンス制御を行い、送給速度設定信号Ｆｒ及び起動信号Ｏｎを出力する。送給制御回路ＦＣは、上記の送給速度設定信号Ｆｒによって設定される送給速度で溶接ワイヤ１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に出力する。

図７は、溶接を開始する際に溶接ワイヤ１と母材２とが非接触状態にある通常状態のときの上述した溶接電源ＰＳにおける各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接開始指令Ｓｔの、同図（Ｂ）は短絡判別信号Ｓｄの、同図（Ｃ）は起動信号Ｏｎの、同図（Ｄ）は溶接電圧Ｖｗの、同図（Ｅ）は送給速度設定信号Ｆｒの、同図（Ｆ）は溶接電流Ｉｗの、同図（Ｇ）はワイヤ先端・母材間距離（アーク発生時は略アーク長）Ｌｗの時間変化を示す。さらに、同図（Ｈ１）〜（Ｈ３）は、各時刻におけるワイヤ先端部近傍の様子を示す模式図である。以下、同図を参照して説明する。

（１）時刻ｔ１〜ｔ２の期間
時刻ｔ１において、同図（Ａ）に示すように、溶接開始指令ＳｔがＨｉｇｈレベルになると、同図（Ｃ）に示すように、起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベルになり、溶接電源は出力を開始する。これにより、同図（Ｄ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは高電圧値の無負荷電圧になる。同時に、同図（Ｅ）に示すように、送給速度設定信号Ｆｒは遅い速度のスローダウン送給速度設定値になり、溶接ワイヤ１はスローダウン送給速度で送給される。この結果、同図（Ｇ）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。

（２）時刻ｔ２以降の期間
時刻ｔ２において、同図（Ｇ）に示すように、ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗが非常に接近すると同図（Ｄ）に示す無負荷電圧によって、同図（Ｈ２）に示すように、初期アーク３ａが発生する。これにより、同図（Ｆ）に示すように、溶接電流Ｉｗが通電し、同図（Ｅ）に示すように、送給速度設定信号Ｆｒは定常送給速度設定値に変化し、溶接ワイヤ１は定常送給速度で送給される。その後、アークによってワイヤ先端部が溶融され、同図（Ｇ）に示すように、ワイヤ先端・母材間距離（アーク長）Ｌｗは長くなり定常アーク長に収束する。この定常アーク３の発生する状態を同図（Ｈ３）に示す。

上述したように、溶接開始の際に溶接ワイヤ１と母材２とが非接触状態であった場合には、ほとんど短絡することなく初期アーク３ａが発生し定常アーク３へと円滑に移行するためにスパッタは少量しか発生しないことが多い。

次に、図８は、溶接を開始する際に、溶接ワイヤ１と母材２とが接触状態にあるときの上述した溶接電源ＰＳにける各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接開始指令Ｓｔの、同図（Ｂ）は短絡判別信号Ｓｄの、同図（Ｃ）は起動信号Ｏｎの、同図（Ｄ）は溶接電圧Ｖｗの、同図（Ｅ）は送給速度設定信号Ｆｒの、同図（Ｆ）は溶接電流Ｉｗの、同図（Ｇ）はワイヤ先端・母材間距離（アーク発生時はアーク長）Ｌｗの時間変化を示す。さらに、同図（Ｈ１）〜（Ｈ３）は、各時刻におけるワイヤ先端部近傍の様子を示す模式図である。以下、同図を参照して説明する。

（１）時刻ｔ１〜ｔ２の期間
時刻ｔ１において、同図（Ａ）に示すように、溶接開始指令ＳｔがＨｉｇｈレベルになると、同図（Ｃ）に示すように、起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベルになり、溶接電源は出力を開始し、同図（Ｆ）に示すように、溶接電流Ｉｗが通電する。同図（Ｈ１）に示すように、溶接ワイヤ１と母材２とが初めから接触状態にあるので、同図（Ｂ）に示すように、短絡判別信号ＳｄはＨｉｇｈレベル（短絡）になり、同図（Ｄ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは低い値の短絡電圧値になる。このときに、同図（Ｅ）に示すように、送給速度設定信号Ｆｒ＝０であるので、溶接ワイヤ１は送給されず停止したままである。このために、同図（Ｇ）に示すように、ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗ＝０のままである。

（２）時刻ｔ２以降の期間
送給停止のままで溶接ワイヤ１に溶接電流Ｉｗが通電するので、ワイヤ突出し部は加熱されて柔らかくなり、時刻ｔ２において、同図（Ｈ２）に示すように、ワイヤ突出し部の一部分が崩落してアーク３が発生する。これに応動して、同図（Ｂ）に示すように、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（非短絡）に変化し、同図（Ｅ）に示すように、送給速度設定信号Ｆｒは定常送給速度設定値に変化し、溶接ワイヤ１は定常送給速度で送給される。その後、同図（Ｈ３）に示すように、定常アーク３に移行する。

上記において、同図（Ｈ２）に示すように、ワイヤ突出し部が崩落してアーク３が発生するために、軟化したワイヤの一部が固まりとなって落下し大粒のスパッタ１ａとして飛散する（例えば、特許文献１等参照）。

特開昭６２−２８０７４号公報

上述した従来技術においては、溶接開始の際に、溶接ワイヤと母材とが非接触状態であるときはスパッタの発生が少ない良好なアークスタートを行うことができる。しかし、溶接開始の際に、初めから溶接ワイヤと母材とが接触状態にあるときは、ワイヤ突出し部が加熱されて崩落してアークスタートする。このために、崩落に起因して大粒のスパッタが多く発生しやすい。

そこで、本発明では、接触状態でのアークスタート性を向上させるための消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法を提供する。

上述した課題を解決するために、第１の発明は、溶接開始指令が溶接電源に入力されると、溶接ワイヤ先端と母材との接触の有無を判別し、接触していないときは溶接ワイヤの前進送給及び溶接電源の出力を開始してアークスタートさせ、接触しているときはワイヤ先端位置を後退移動させて接触状態を解除し、その後に溶接ワイヤの前進送給及び溶接電源の出力を開始してアークスタートさせる、ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法である。

また、第２の発明は、第１の発明記載の後退移動が溶接ワイヤの後退送給である、ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法である。

また、第３の発明は、第１の発明記載の後退移動が溶接トーチの後退移動である、ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法である。

また、第４の発明は、前記後退移動は接触状態が解除された時点から所定時間が経過するまで行われる、ことを特徴とする第１〜第３の発明のいずれか１項に記載の消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法である。

上記第１の発明によれば、溶接開始の際に、溶接ワイヤと母材とが接触状態にあるときにはワイヤ先端を引き上げて接触状態を解除し通常の非接触状態にし、その後に溶接ワイヤを前進送給してアークスタートさせる。このために、接触状態でのアークスタート時に発生しやすい大粒のスパッタを抑制することができ、良好なアークスタート性を得ることができる。さらに、溶接開始に際して非接触状態であるときはワイヤ先端の引き上げを行わず通常のアークスタートを行うので、引き上げに伴う時間ロスを削除することができ、生産効率を低下させることがない。

上記第２の発明によれば、ワイヤ先端の引き上げ（後退移動）を溶接ワイヤを後退送給することによって行い、上述した第１の発明の効果を奏することができる。

上記第３の発明によれば、ワイヤ先端の引き上げ（後退移動）を溶接トーチを後退移動することによって行い、上述した第１の発明の効果を奏することができる。

上記第４の発明によれば、ワイヤ先端の引き上げをワイヤ先端・母材間距離が適正高さになるまで行う。このために、常に一定高さから溶接ワイヤを前進送給してアークスタートさせるので、上述した第１の発明の効果に加えてアークスタート性を安定化することができる。

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に係る消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法を実施するための溶接電源ＰＳのブロック図である。同図において、上述した図６と同一ブロックには同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図６とは異なる点線で示すブロックについて説明する。

接触判別回路ＴＤは、図２に詳細ブロック図を示すように、接触判別用の電源Ｅ、抵抗器Ｒ、ダイオードＤ及び電圧比較器ＣＰからなる。電源Ｅは例えば１５Ｖとし、抵抗器Ｒは例えば１ｋΩとすると、接触状態時（ａ、ｂ端子短絡時）には１５ｍＡの微小電流が溶接ワイヤから母材へと通電する。したがって、ワイヤ先端が母材から離れても、この微小電流ではアークは発生しまいし、ワイヤ突出し部も加熱されることもない。ダイオードＤの耐圧は数百Ｖ程度であり、溶接電源ＰＳの出力電圧を阻止するためのものである。電圧比較器ＣＰの入力電圧は、非接触状態のときは１５Ｖになり接触状態のときは略０Ｖになる。電圧比較器ＣＰは、この入力電圧の変化を判別して、非接触状態のときはＬｏｗレベルになり接触状態のときはＨｉｇｈレベルになる接触判別信号Ｔｄを出力する。

第２制御回路ＣＣ２は、溶接開始指令Ｓｔ及び上記の接触判別信号Ｔｄを入力として、図７及び図３に示すシーケンス制御を行い、起動信号Ｏｎ及び送給速度設定信号Ｆｒを出力する。溶接開始に際して溶接ワイヤと母材とが非接触状態であるときは上記の接触判別信号ＴｄがＬｏｗレベルになり、これに対応して図７で上述した通常のアークスタートのシーケンス制御となる。他方、溶接開始に際して溶接ワイヤと母材とが接触状態にあるときは上記の接触判別信号ＴｄはＨｉｇｈレベルになり、シーケンス制御は以下に説明する図３のようになる。

図３は、溶接を開始する際に溶接ワイヤ１と母材２とが接触状態にあるときの上述した溶接電源ＰＳにおける各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接開始指令Ｓｔの、同図（Ｂ）は接触判別信号Ｔｄの、同図（Ｃ）は起動信号Ｏｎの、同図（Ｄ）は溶接電圧Ｖｗの、同図（Ｅ）は送給速度設定信号Ｆｒの、同図（Ｆ）は溶接電流Ｉｗの、同図（Ｇ）はワイヤ先端・母材間距離（アーク発生時はアーク長）Ｌｗの時間変化を示す。さらに、同図（Ｈ１）〜（Ｈ４）は、各時刻におけるワイヤ先端部近傍の様子を示す模式図である。以下、同図を参照して説明する。

（１）時刻ｔ１〜ｔ２の期間
時刻ｔ１において、同図（Ａ）に示すように、溶接開始指令ＳｔがＨｉｇｈレベルになった時点で、同図（Ｈ１）に示すように、溶接ワイヤ１と母材２とが接触状態にあると、同図（Ｂ）に示すように、接触判別信号ＴｄはＨｉｇｈレベルになる。このために、同図（Ｄ）に示すように、溶接ワイヤ・母材間の電圧は略０Ｖになる。また、同図（Ｅ）に示すように、送給速度設定信号Ｆｒは負の値の後退送給速度設定値になるので、溶接ワイヤ１は後退送給される。

（２）時刻ｔ２〜ｔ３４の期間
時刻ｔ２において、同図（Ｇ）に示すように、後退送給によってワイヤ先端が母材２から離れると、同図（Ｂ）に示すように、接触判別信号ＴｄはＬｏｗレベルになる。その後、後退送給は所定時間Ｔｋの間継続され、ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗは次第に長くなる。所定時間Ｔｋは、時刻ｔ３時点でのワイヤ先端・母材間距離Ｌｗが適正になるように設定される。時刻ｔ２〜ｔ３の所定中は、同図（Ｄ）に示すように、非接触状態であるので図２の電源Ｅの電圧１５Ｖが印加する。

（３）時刻ｔ３〜ｔ４の期間
時刻ｔ３において、同図（Ｃ）に示すように、起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベルになるので溶接電源の出力が開始し、同図（Ｄ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは無負荷電圧になる。同時に、同図（Ｅ）に示すように、送給速度設定信号Ｆｒはスローダウン送給速度設定値になるので、溶接ワイヤ１はスローダウン送給速度での前進送給に切り換わる。時刻ｔ３時点でのワイヤ先端部の様子を同図（Ｈ２）に示す。

（４）時刻ｔ４以降の期間
時刻ｔ４において、同図（Ｈ３）に示すように、スローダウン送給速度による前進送給によってワイヤ先端と母材２とが非常に接近すると、無負荷電圧によって初期アーク３ａが発生し、同図（Ｆ）に示すように、溶接電流Ｉｗが通電する。同時に、同図（Ｅ）に示すように、送給速度設定信号Ｆｒは定常送給速度設定値になるので、溶接ワイヤ１は定常送給速度で前進送給される。その後、同図（Ｈ４）に示すように、定常アーク３に円滑に移行する。

上述した実施の形態１によれば、溶接開始の際に溶接ワイヤと母材とが接触状態にあるときにはワイヤ先端を引き上げて接触状態を解除して通常の非接触状態にし、その後に溶接ワイヤを前進送給してアークスタートさせる。このために、接触状態でのアークスタート時に発生する大粒のスパッタを抑制することができ、良好なアークスタート性を得ることができる。

［実施の形態２］
図４は、本発明の実施の形態２に係る消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法を実施するための溶接電源ＰＳのブロック図である。同図において、上述した図１と同一ブロックには同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図１と異なる点線で示すブロックについて説明する。

第３制御回路ＣＣ３は、溶接開始指令Ｓｔ及び接触判別信号Ｔｄを入力として、図７及び図５に示すシーケンス制御を行い、起動信号Ｏｎ、送給速度設定信号Ｆｒ及び後退移動信号Ｕｐを出力する。溶接開始に際して溶接ワイヤと母材とが非接触状態であるときは接触判別信号ＴｄがＬｏｗレベルになり、これに対応して図７で上述した通常のシーケンス制御となる。他方、溶接開始に際して溶接ワイヤと母材とが接触状態にあるときは接触判別信号ＴｄはＨｉｇｈレベルになり、シーケンス制御は図５のようになる。後退移動手段ＵＰは、上記の後退移動信号ＵｐがＨｉｇｈレベルの間は溶接トーチ４を後退移動させる。後退移動手段ＵＰとしては、溶接ロボット、自動機等でｓる。

図５は、溶接を開始する際に溶接ワイヤと母材とが接触状態にあるときの上述した溶接電源ＰＳにおける各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接開始指令Ｓｔの、同図（Ｂ）は接触判別信号Ｔｄの、同図（Ｃ）は起動信号Ｏｎの、同図（Ｄ）は溶接電圧Ｖｗの、同図（Ｅ）は送給速度設定信号Ｆｒの、同図（Ｅ２）は後退移動信号Ｕｐの、同図（Ｆ）は溶接電流Ｉｗの、同図（Ｇ）はワイヤ先端・母材間距離（アーク発生時はアーク長）Ｌｗの時間変化を示す。さらに、同図（Ｈ１）〜（Ｈ４）は、各時刻におけるワイヤ先端部近傍の様子を示す模式図である。以下、同図の説明は、上述した図３と異なる部分である時刻ｔ１〜ｔ３の期間について行う。

（１）時刻ｔ１〜ｔ２の期間
時刻ｔ１において、同図（Ａ）に示すように、溶接開始指令ＳｔがＨｉｇｈレベルになった時点で、同図（Ｈ１）に示すように、溶接ワイヤ１と母材２とが接触状態にあるので、同図（Ｂ）に示すように、接触判別信号ＴｄはＨｉｇｈレベルになる。このために、同図（Ｄ）に示すように、溶接ワイヤ・母材間の電圧は略０Ｖになる。また、同図（Ｅ）に示すように、送給速度設定信号Ｆｒ＝０なので、溶接ワイヤ１は停止したままである。同時に、同図（Ｅ２）に示すように、後退移動信号ＵｐがＨｉｇｈレベルになるので、溶接トーチ４の後退移動が開始される。

（２）時刻ｔ２〜ｔ３の期間
時刻ｔ２において、同図（Ｇ）に示すように、溶接トーチ４の後退移動によってワイヤ先端が母材２から離れると、同図（Ｂ）に示すように、接触判別信号ＴｄはＬｏｗレベルになる。その後、所定時間Ｔｋの間後退移動が継続されてワイヤ先端・母材間距離Ｌｗは次第に長くなる。

（３）時刻ｔ３以降の期間
時刻ｔ３において、同図（Ｃ）に示すように、起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベルになるので溶接電源の出力が開始し、同図（Ｄ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは無負荷電圧になる。同時に、同図（Ｅ）に示すように、送給速度設定信号Ｆｒはスローダウン送給速度設定値になるので、溶接ワイヤ１はスローダウン送給速度での前進送給に切り換わる。これ以降は上述した図３と同一なので省略する。

上述した実施の形態２によれば、接触状態にある溶接ワイヤを引き上げる方法として溶接トーチを後退移動させることで実施の形態１と同様の効果を得ている。実施の形態１では溶接ワイヤの引き上げを溶接ワイヤを後退送給して行う。ロボット溶接、自動機溶接においては、溶接トーチを後退移動させる方が後退送給させるよりも応答性が良いので、アークスタートにかかる時間を短くすることができ、生産効率が良い。さらに、引き上げ高さもより正確に制御することができ、アークスタートの安定性が良くなる。

本発明の実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法を実施するための溶接電源ＰＳのブロック図である。 図１における接触判別回路ＴＤの詳細ブロック図である。 溶接を開始する際に溶接ワイヤと母材とが接触状態にあるときの図１の溶接電源ＰＳにおける各信号のタイミングチャートである。 本発明の実施の形態２に係る消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法を実施するための溶接電源ＰＳのブロック図である。 溶接を開始する際に溶接ワイヤと母材とが接触状態にあるときの図４の溶接電源ＰＳにおける各信号のタイミングチャートである。 従来技術の消耗電極アーク溶接電源のブロック図である。 溶接を開始する際に溶接ワイヤと母材とが非接触状態にある通常状態にあるときの図６の溶接電源ＰＳにおける各信号のタイミングチャートである。 溶接を開始する際に溶接ワイヤと母材とが接触状態にあるときの図６の溶接電源ＰＳにおける各信号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 スパッタ
２ 母材
３ アーク
３ａ 初期アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
ＣＣ 制御回路
ＣＣ２ 第２制御回路
ＣＣ３ 第３制御回路
ＣＰ 電圧比較器
Ｄ ダイオード
ＤＶ 駆動回路
Ｄｖ 駆動信号
Ｅ 電源
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
Ｆｒ 送給速度設定信号
Ｉｗ 溶接電流
Ｌｗ ワイヤ先端・母材間距離
Ｏｎ 起動信号
ＰＭ 電源主回路
ＰＳ 溶接電源
Ｒ 抵抗器
ＳＤ 短絡検出回路
Ｓｄ 短絡判別信号
Ｓｔ 溶接開始指令
ＴＤ 接触判別回路
Ｔｄ 接触判別信号
Ｔｋ 所定時間
ＵＰ 後退移動手段
Ｕｐ 後退移動信号
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＭ ワイヤ送給モータ

Claims (4)

1. 溶接開始指令が溶接電源に入力されると、溶接ワイヤ先端と母材との接触の有無を判別し、接触していないときは溶接ワイヤの前進送給及び溶接電源の出力を開始してアークスタートさせ、接触しているときはワイヤ先端位置を後退移動させて接触状態を解除し、その後に溶接ワイヤの前進送給及び溶接電源の出力を開始してアークスタートさせる、ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法。
2. 請求項１記載の後退移動が溶接ワイヤの後退送給である、ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法。
3. 請求項１記載の後退移動が溶接トーチの後退移動である、ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法。
4. 前記後退移動は接触状態が解除された時点から所定時間が経過するまで行われる、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の消耗電極アーク溶接のアークスタート制御方法。
   
   

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