JP2008238251A - 消耗電極交流アーク溶接の送給制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】消耗電極交流アーク溶接において、所望のビード形状を得るためのパラメータ設定が容易にできるようにする。
【解決手段】予め定めた送給速度で溶接ワイヤを送給すると共に、アークに印加する溶接電圧Ｖｗを電極プラス極性ＥＰと電極マイナス極性ＥＮとに交互に切り換えて溶接を行う消耗電極交流アーク溶接の送給制御方法において、溶接電流を設定し、前記電極プラス極性期間Ｔｅｐ中の前記送給速度を、電極プラス極性ＥＰ時のワイヤ溶融特性に基づいて前記溶接電流設定値Ｉｒに対応する第１送給速度Ｆｒ１に設定し、前記電極マイナス極性期間Ｔｅｎ中の前記送給速度を、電極マイナス極性ＥＮ時のワイヤ溶融特性に基づいて前記溶接電流設定値Ｉｒに対応する第２送給速度Ｆｒ２に設定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、所望のビード形状を得るための消耗電極交流アーク溶接の送給制御方法に関するものである。

図５は、消耗電極交流アーク溶接の電流・電圧波形図である。同図（Ａ）は極性切換信号Ｓpnを示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｃ）は溶接電圧Ｖｗを示し、同図（Ｄ）は溶接ワイヤの送給速度Ｆｗ（cm/分）を示す。同図は短絡移行アーク溶接の場合であるが、グロビュール移行溶接、スプレー移行溶接等の場合も略同様である。以下の説明において、溶接電流Ｉｗ、溶接電圧Ｖｗ、後述する出力電圧Ｅは絶対値を意味している。したがって、値が大きいという記載は、絶対値が大きいという意味である。以下、同図を参照して説明する。

同図（Ａ）に示すように、消耗電極交流アーク溶接では、極性切換信号Ｓpnに従って予め定めた電極プラス極性期間Ｔepと予め定めた電極マイナス極性期間Ｔenとを交互に切り換えて溶接を行う。このとき、同図（Ｄ）に示すように、送給速度Ｆｗは極性に関係なく所定値である。

時刻ｔ１において、同図（Ａ）に示すように、極性切換信号ＳpnがＨｉｇｈレベルになり、電極プラス極性ＥＰに切り換わると、同図（Ｂ）に示すように、電極プラス極性ＥＰの溶接電流ｉｗが通電し、同図（Ｃ）に示すように、電極プラス極性ＥＰの溶接電圧Ｖｗが溶接ワイヤと母材との間に印加される。時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間Ｔｓ中は、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは次第に増加し、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖ程度の低い短絡電圧値になる。時刻ｔ２〜ｔ３のアーク期間Ｔａ中は、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは次第に減少し、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数十Ｖ程度のアーク電圧値になる。これ以降、時刻ｔ４の電極プラス極性期間Ｔepが終了するまで短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを繰り返す。

時刻ｔ４において、同図（Ａ）に示すように、極性切換信号ＳpnがＬｏｗレベルになり、溶接電源の出力が電極マイナス極性ＥＮに切り換わると、同図（Ｂ）に示すように、電極マイナス極性ＥＮの溶接電流Ｉｗが通電し、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗが印加される。上記と同様に、時刻ｔ４〜ｔ５の短絡期間Ｔｓと時刻ｔ５〜ｔ６のアーク期間Ｔａを繰り返しながら時刻ｔ７の電極マイナス極性期間Ｔenの終了まで続く。

図６は、電極プラス極性ＥＰ時及び電極マイナス極性ＥＮ時のワイヤ溶融特性の一例を示す。同図の横軸は各極性における溶接電流平均値を示し、縦軸は送給速度Ｆｗを示す。同図は、直径１．２mmの鉄鋼ワイヤを使用したＭＡＧ溶接の場合である。以下、同図を参照して説明する。

同図に示すように、電極プラス極性ＥＰ時と電極マイナス極性ＥＮ時とではワイヤ溶融特性が大きく異なる。上述したように消耗電極交流アーク溶接においては送給速度Ｆｗは極性に関わらず一定値であるので、例えば送給速度Ｆｗ＝３５０cm/分に設定すると、電極プラス極性ＥＰ時の溶接電流平均値Ｉep＝１４０Ａになり、電極マイナス極性ＥＮ時の溶接電流平均値Ｉen＝１００Ａになる。したがって、上述した図５において、電極プラス極性期間Ｔepの溶接電流平均値が電極プラス極性溶接電流平均値Ｉepとなり、電極マイナス極性期間Ｔenの溶接電流平均値が電極マイナス極性溶接電流平均値Ｉenになる。消耗電極交流アーク溶接においては、上記の電極プラス極性期間Ｔepと電極マイナス極性期間Ｔenとの時間比率であるＥＮ比率Ｒen［％］＝１００×（Ｔen／（Ｔep＋Ｔen））を変化させることによって、ワイヤ溶融特性を変化させることができるので、所望のビード形状（溶け込み深さ、余盛り高さ等）を得ることができる（例えば、特許文献１、２参照）。

特公昭６２−５５９５２号公報 特開２００４−１１４０８８号公報

各極性期間をまとめた全期間（Ｔep＋Ｔen）にわたる溶接電流平均値Ｉavは、電極プラス極性溶接電流平均値Ｉep、電極マイナス極性溶接電流平均値Ｉen及びＥＮ比率Ｒenをパラメータとして下式で表すことができる。
Ｉav＝(Ｉen−Ｉep)×（Ｒen／１００）＋Ｉep …（１）式

図６で上述した数値例を（１）式に代入する。すなわち、Ｉep＝１４０Ａ、Ｉen＝１００Ａを代入すると、下式となる。
Ｉav＝−０．４×Ｒen＋１００
この式をグラフ化したものが図７である。同図の横軸はＥＮ比率Ｒenを示し、縦軸は溶接電流平均値Ｉavを示す。同図から明らかなように、ＥＮ比率Ｒenが変化すると、溶接電流平均値Ｉavも１４０〜１００Ａまで大きく変化する。

ワークに対してビード形状を所望形状にする場合、溶け込み深さ及び余盛り部の面積を所望値に設定することが多い。一般的に、溶け込み深さは上記の溶接電流平均値Ｉavによって変化し、余盛り部面積はＥＮ比率Ｒenによって変化する。しかし、同図から明らかなように、ＥＮ比率Ｒenを変化させて余盛り部面積を設定しようとすると、同時に溶接電流平均値Ｉavも大きく変化してしまい溶け込み深さも変化する。すなわち、溶け込み深さと余盛り部面積とを独立して所望値に設定することができない。このために、ビード形状を所望値に設定するのに多くの予備試験が必要であり、多くの作業時間がかかっていた。

そこで、本発明は、所望のビード形状に用意に設定することができる消耗電極交流アーク溶接の送給制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、第１の発明は、予め定めた送給速度で溶接ワイヤを送給すると共に、アークに印加する溶接電圧を電極プラス極性と電極マイナス極性とに交互に切り換えて溶接を行う消耗電極交流アーク溶接の送給制御方法において、
溶接電流を設定し、前記電極プラス極性期間中の前記送給速度を、電極プラス極性時のワイヤ溶融特性に基づいて前記溶接電流設定値に対応する第１送給速度に設定し、
前記電極マイナス極性期間中の前記送給速度を、電極マイナス極性時のワイヤ溶融特性に基づいて前記溶接電流設定値に対応する第２送給速度に設定する、ことを特徴とする消耗電極交流アーク溶接の送給制御方法である。

第２の発明は、前記第１送給速度から前記第２送給速度への切換時及び／又は前記第２送給速度から前記第１送給速度への切換時に傾斜を付加したことを特徴とする第１の発明記載の消耗電極交流アーク溶接の送給制御方法である。

上述した第１の発明によれば、予め定めた溶接電流設定値に対応する各極性の送給速度を各極性ごとのワイヤ溶融特性に基づいて設定することによって、ＥＮ比率と溶接電流平均値とを独立して設定することができる。このために、ＥＮ比率によって変化する余盛り部面積及び溶接電流平均値によって変化する溶け込み深さを容易に所望の形状に設定することができる。

さらに、上述した第２の発明によれば、極性切換時の送給速度に傾斜を付加することによって、送給速度のアンダーシュート、オーバーシュートを防止することができる。このために、上記の効果に加えて、極性切換時の溶接状態の安定性を向上させることができる。

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。

図１は、本発明の実施の形態に係る消耗電極交流アーク溶接電源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。

インバータ回路ＩＮＶは、３相２００Ｖ等の商用電源を入力として、整流した直流電圧を後述するパルス幅変調信号Ｐwmに従ってインバータ制御して、高周波交流を出力する。高周波変圧器ＩＮＴは、高周波交流を溶接に適した電圧値に変換する。二次整流器群Ｄ２は、変換された高周波交流を整流して、正及び負の直流電圧を出力する。電極プラス極性スイッチング素子ＰＴＲ及び電極マイナス極性スイッチング素子ＮＴＲをオン／オフ制御することによって溶接電源の出力極性を切り換える。電極プラス極性スイッチング素子ＰＴＲがオン状態のときは電極プラス極性ＥＰになり、電極マイナス極性スイッチング素子ＮＴＲがオン状態のときは電極マイナス極性ＥＮになる。リアクトルＷＬは、出力を平滑する。

溶接ワイヤ１は、送給モータＭに結合された送給ロール５によって溶接トーチ４内を送給されて、母材２との間にアーク３が発生する。

極性切換信号生成回路ＳＰＮは、予め定めた電極プラス極性期間Ｔep中はＨｉｇｈレベルになり、予め定めた電極マイナス極性期間Ｔen中はＬｏｗレベルになる極性切換信号Ｓpnを出力する。電極プラス極性スイッチング素子駆動回路ＥＰＤは、この極性切換信号ＳpnがＨｉｇｈレベルのとき電極プラス極性スイッチング素子駆動信号Ｅpdを出力する。電極マイナス極性スイッチング素子駆動回路ＥＮＤは、上記の極性切換信号ＳpnがＬｏｗレベルのとき電極マイナス極性スイッチング素子駆動信号Ｅndを出力する。したがって、極性切換信号ＳpnがＨｉｇｈレベルのときは電極プラス極性ＥＰになり、Ｌｏｗレベルのときは電極マイナス極性ＥＮになる。

出力電圧設定回路ＥＲは、予め定めた出力電圧設定信号Ｅｒを出力する。電圧検出回路ＥＤは、高周波変圧器ＩＮＴの２次巻線の交流電圧（出力電圧Ｅ）を検出し絶対値に変換して、出力電圧検出信号Ｅｄを出力する。誤差増幅回路ＥＡは、上記の出力電圧設定信号Ｅｒと出力電圧検出信号Ｅｄとの誤差を増幅して、誤差増幅信号Ｅａを出力する。パルス幅変調回路ＰＷＭは、この誤差増幅信号Ｅａを入力としてパルス幅変調を行い、パルス幅変調信号Ｐwmを出力する。

溶接電流設定回路ＩＲは、上記の溶接電流平均値Ｉavを設定するための溶接電流設定信号Ｉｒを出力する。第１送給速度設定回路ＦＲ１は、上記の溶接電流設定信号Ｉｒを入力として、図２で後述する電極プラス極性ＥＰ時のワイヤ溶融特性によって対応する第１送給速度設定信号Ｆr1を出力する。第２送給速度設定回路ＦＲ２は、上記の溶接電流設定信号Ｉｒを入力として、図２で後述する電極マイナス極性ＥＮ時のワイヤ溶融特性によって対応する第２送給速度設定信号Ｆr2を出力する。図２は、極性ごとのワイヤ溶融特性を示す。同図の横軸は溶接電流設定値Ｉｒを示し、縦軸は送給速度設定値Ｆｒを示す。同図は、上述した図６と同様に、直径１．２mmの鉄鋼ワイヤを使用したＭＡＧ溶接の場合を例示している。ＥＰと記載した特性が電極プラス極性ＥＰ時のワイヤ溶融特性を示し、ＥＮと記載した特性が電極マイナス極性ＥＮ時のワイヤ溶融特性を示す。例えば、溶接電流設定値Ｉｒ＝１００Ａのとき、第１送給速度設定値Ｆr1＝２５０cm/分になり、第２送給速度設定値Ｆr2＝３５０cm/分になる。上記の第１送給速度設定回路ＦＲ１及び第２送給速度設定回路ＦＲ２には、溶接条件（溶接法、溶接ワイヤの直径、材質等）ごとに各極性のワイヤ溶融特性が関数、テーブル等の形式で内蔵されている。

切換回路ＳＷは、上記の極性切換信号ＳpnがＨｉｇｈレベル（ＥＰ）のときは上記の第１送給速度設定信号Ｆr1を送給速度設定信号Ｆｒとして出力し、Ｌｏｗレベル（ＥＮ）のときは上記の第２送給速度設定信号Ｆr2を送給速度設定信号Ｆｒとして出力する。送給制御回路ＦＣは、この送給速度設定信号Ｆｒの値に相当す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を出力する。送給モータＭは、この送給制御信号Ｆｃによって駆動されて、上記の送給ロール５によって溶接ワイヤ１を送給する。

図３は、図１で上述した溶接電源の各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は極性切換信号Ｓpnを示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｃ）は溶接電圧Ｖｗを示し、同図（Ｄ）は電極プラス極性スイッチング素子駆動信号Ｅpdを示し、同図（Ｅ）は電極マイナス極性スイッチング素子駆動信号Ｅndを示し、同図（Ｆ）は送給速度設定信号Ｆｒを示す。以下、同図を参照して説明する。

同図（Ａ）に示すように、極性切換信号ＳpnがＨｉｇｈレベルになると、同図（Ｄ）に示すように、電極プラス極性スイッチング素子駆動信号Ｅpdが出力（Ｈｉｇｈレベル）されるので、電極プラス極性スイッチング素子ＰＴＲはオン状態になり、溶接電源の出力は電極プラス極性ＥＰになる。この電極プラス極性期間Ｔep中は、同図（Ｂ）に示すように、電極プラス極性ＥＰの溶接電流Ｉｗが通電し、同図（Ｃ）に示すように、電極プラス極性ＥＰの溶接電圧Ｖｗが溶接ワイヤ１と母材２との間に印加される。また、同図（Ｆ）に示すように、送給速度設定信号Ｆｒの値は、図２で上述した電極プラス極性ＥＰ時のワイヤ溶融特性に基づき溶接電流設定信号Ｉｒに対応する第１送給速度設定信号Ｆr1の値になる。

時刻ｔ２において、同図（Ａ）に示すように、極性切換信号ＳpnがＬｏｗレベルになると、同図（Ｅ）に示すように、電極マイナス極性スイッチング素子駆動信号Ｅndが出力（Ｈｉｇｈレベル）されるので、電極マイナス極性スイッチング素子ＮＴＲはオン状態になり、溶接電源の出力は電極マイナス極性ＥＮになる。この電極マイナス極性期間Ｔen中は、同図（Ｂ）に示すように、電極マイナス極性ＥＮの溶接電流Ｉｗが通電し、同図（Ｃ）に示すように、電極マイナス極性ＥＮの溶接電圧Ｖｗが印加される。また、同図（Ｆ）に示すように、送給速度設定信号Ｆｒの値は、図２で上述した電極マイナス極性ＥＮ時のワイヤ溶融特性に基づき溶接電流設定信号Ｉｒに対応する第２送給速度設定信号Ｆr2の値になる。

同図（Ｆ）に示すように、送給速度設定信号Ｆｒは、電極プラス極性ＥＰから電極マイナス極性ＥＮへの切換時及び／又は電極マイナス極性ＥＮから電極プラス極性ＥＰへの切換時において傾斜を付加している。これは、切換時に送給速度がアンダーシュート及びオーバーシュートしないようにするためである。この傾斜は、必要に応じて付加すれば良い。

図４は、上述した実施の形態においてＥＮ比率Ｒenを変化させたときの溶接電流平均値Ｉavの変化を示す図である。同図は上述した図７と対応している。本実施の形態では、電極プラス極性溶接電流平均値Ｉep及び電極マイナス極性溶接電流平均値Ｉenは共に溶接電流設定値Ｉｒと等しくなるように各極性の送給速度が設定される。したがって、Ｉav＝Ｉｒとなり、ＥＮ比率Ｒenには依存しない。同図は、上述した図７と同様に、直径１．２mmの鉄鋼ワイヤを使用して溶接電流設定値Ｉｒ＝１００ＡでＭＡＧ溶接を行った場合である。同図に示すように、ＥＮ比率Ｒenが変化しても溶接電流平均値Ｉav＝１００Ａのまま変化しない。このために、本実施の形態では、溶接電流平均値ＩavとＥＮ比率Ｒenとを独立して設定することができる。

本実施の形態では、短絡移行溶接の場合を例示したが、グロビュール移行溶接、スプレー移行溶接、パルスアーク溶接等の場合にも適用することができる。

上述した実施の形態によれば、予め定めた溶接電流設定値に対応する各極性の送給速度を各極性ごとのワイヤ溶融特性に基づいて設定することによって、ＥＮ比率と溶接電流平均値とを独立して設定することができる。このために、ＥＮ比率によって変化する余盛り部面積及び溶接電流平均値によって変化する溶け込み深さを容易に所望の形状に設定することができる。

さらに、本実施の形態において、極性切換時の送給速度に傾斜を付加することによって、送給速度のアンダーシュート、オーバーシュートを防止することができる。このために、上記の効果に加えて、極性切換時の溶接状態の安定性を向上させることができる。

本発明の実施の形態に係る消耗電極交流アーク溶接電源のブロック図である。 本実施の形態に係る溶接電流設定値Ｉｒと各極性の送給速度設定値Ｆｒとの関係図である。 図１の溶接電源の各信号のタイミングチャートである。 本実施の形態の効果の一例を示すＥＮ比率Ｒenと溶接電流平均値Ｉavとの関係図である。 従来技術における消耗電極交流アーク溶接の電流・電圧波形図である。 従来技術における各極性のワイヤ溶融特性を示す図である。 従来技術の課題を示すためのＥＮ比率Ｒenと溶接電流平均値Ｉavとの関係図である。

符号の説明

１ 溶接ワイヤ
２ 母材
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
Ｄ２ 二次整流器群
Ｅ 出力電圧
ＥＡ 誤差増幅回路
Ｅａ 誤差増幅信号
ＥＤ 電圧検出回路
Ｅｄ 出力電圧検出信号
ＥＮ 電極マイナス極性
ＥＮＤ 電極マイナス極性スイッチング素子駆動回路
Ｅnd 電極マイナス極性スイッチング素子駆動信号
ＥＰ 電極プラス極性
ＥＰＤ 電極プラス極性スイッチング素子駆動回路
Ｅpd 電極プラス極性スイッチング素子駆動信号
ＥＲ 出力電圧設定回路
Ｅｒ 出力電圧設定信号
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
Ｆｒ 送給速度設定信号
ＦＲ１ 第１送給速度設定回路
Ｆr1 第１送給速度設定信号
ＦＲ２ 第２送給速度設定回路
Ｆr2 第２送給速度設定信号
Ｆｗ 送給速度
Ｉav 溶接電流平均値
Ｉen 電極マイナス極性溶接電流平均値
Ｉep 電極プラス極性溶接電流平均値
ＩＮＴ 高周波変圧器
ＩＮＶ インバータ回路
ＩＲ 溶接電流設定回路
Ｉｒ 溶接電流設定信号
ｉｗ 溶接電流
Ｍ 送給モータ
ＮＴＲ 電極マイナス極性スイッチング素子
ＰＴＲ 電極プラス極性スイッチング素子
ＰＷＭ パルス幅変調回路
Ｐwm パルス幅変調信号
Ｒen ＥＮ比率
ＳＰＮ 極性切換信号生成回路
Ｓpn 極性切換信号
ＳＷ 切換回路
Ｔａ アーク期間
Ｔen 電極マイナス極性期間
Ｔep 電極プラス極性期間
Ｔｓ 短絡期間
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＬ リアクトル

Claims (2)

1. 予め定めた送給速度で溶接ワイヤを送給すると共に、アークに印加する溶接電圧を電極プラス極性と電極マイナス極性とに交互に切り換えて溶接を行う消耗電極交流アーク溶接の送給制御方法において、
   溶接電流を設定し、前記電極プラス極性期間中の前記送給速度を、電極プラス極性時のワイヤ溶融特性に基づいて前記溶接電流設定値に対応する第１送給速度に設定し、
   前記電極マイナス極性期間中の前記送給速度を、電極マイナス極性時のワイヤ溶融特性に基づいて前記溶接電流設定値に対応する第２送給速度に設定する、ことを特徴とする消耗電極交流アーク溶接の送給制御方法。
2. 前記第１送給速度から前記第２送給速度への切換時及び／又は前記第２送給速度から前記第１送給速度への切換時に傾斜を付加したことを特徴とする請求項１記載の消耗電極交流アーク溶接の送給制御方法。

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