JP2009226443A - ２電極アーク溶接のアークスタート制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマアークを確実に点弧するとともに溶接ビードの幅を均一化することが可能な２電極アーク溶接のアークスタート制御方法を提供すること。
【解決手段】シールドガスノズル内に配置された消耗電極および非消耗電極を備えた溶接トーチＢを用い、ＭＩＧアーク６ａおよびプラズマアーク６ｂを発生させることにより溶接する２電極アーク溶接のアークスタート制御方法であって、距離Ｄを定常溶接距離Ｄ１よりも小さい溶接準備距離Ｄ０とした状態で、ＭＩＧアーク６ａを発生させるステップと、プラズマアーク６ｂを発生させるステップと、ＭＩＧアーク６ａおよびプラズマアーク６ｂを発生させた状態で、距離Ｄを定常溶接距離Ｄ１とするステップと、を有する。このような構成により、プラズマアーク６ｂの点弧失敗を回避するとともに、溶接開始ビードが過度に太くなってしまうことを防止することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、シールドガスノズル内に配置された消耗電極および非消耗電極を有する溶接トーチを用いて、消耗電極アークおよび非消耗電極アークを発生させる、２電極アーク溶接のアークスタート制御方法に関する。

消耗電極と非消耗電極とを備える溶接トーチを用いることにより、消耗電極アークと非消耗電極アークとを発生させながら溶接する２電極アーク溶接が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。図４は、従来の２電極アーク溶接のアークスタート制御方法を示すタイミングチャートである。同図（Ｇｐ１）に示すように、溶接トーチＹから消耗電極としてのワイヤＷが送給される。また、溶接トーチＹには、非消耗電極としてのプラズマ電極（図示略）が備えられている。まず、時刻ｔｐ１において、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベルになると、送給速度Ｆｗを非常に遅いスローダウン送給速度とした状態でワイヤＷの送給が開始される。これと同時に、ＭＩＧアーク溶接電圧Ｖｗａおよびプラズマアーク溶接電圧Ｖｗｂが無負荷電圧に設定される。

次に、時刻ｔｐ２において、同図（Ｇｐ２）に示すようにワイヤＷがスローダウン送給速度で溶接母材Ｐに接触すると、送給速度Ｆｗを負の値とすることにより、ワイヤＷを上昇させる。これと同時にＭＩＧアーク溶接電圧Ｖｗａは、短絡電圧値に低下する。このとき、ＭＩＧアーク溶接電流Ｉｗａは、ワイヤＷおよび溶接母材Ｐを通電によるジュール熱によって加熱しない程度の数十Ａの小電流となる。

次に、時刻ｔｐ３において同図（Ｇｐ３）に示すようにワイヤＷと溶接母材Ｐとの間にＭＩＧアーク９１が発生する。このときのＭＩＧアーク９１は、初期段階のものであって電流値が小さいため、スパッタはほとんど発生しない。ＭＩＧアーク９１が発生すると、ＭＩＧアーク溶接電圧Ｖｗａが、短絡電圧値からアーク電圧に移行する。初期のＭＩＧアーク９１が発生した状態で、送給速度Ｆｗを負の値のままとし、ワイヤＷを後退させ続ける。

次に、時刻ｔｐ３から所定時間経過した後に、時刻ｔｐ４において、送給速度Ｆｗを正の値とし、ワイヤＷを前進させる。これにより、ＭＩＧアーク溶接電流Ｉｗａが定常溶接時の値に上昇し、ＭＩＧアーク９１が初期アークから定常アークに移行する。この時刻ｔｐ４以降、ＭＩＧアーク溶接電圧Ｖｗａは、定常溶接時の値に設定される。時刻ｔｐ２から時刻ｔｐ４にかけてワイヤＷを後退させたことにより、時刻ｔｐ４以降においてＭＩＧアーク９１は比較的そのアーク長が長くなっている。また、ＭＩＧアーク溶接電流Ｉｗａが、定常溶接時の値に上昇している。このため、ＭＩＧアーク９１は、ワイヤＷが溶接母材Ｐに向けて大きく広がる定常アークとなっており、その内部がプラズマ雰囲気空間となっている。上記プラズマ電極は、ワイヤＷと隣接しているため、上記プラズマ電極の直下も、プラズマ雰囲気空間となる。

次いで、時刻ｔｐ５においては、上記プラズマ電極と溶接母材Ｐとの間にプラズマアーク溶接電圧Ｖｗｂが無負荷電圧の大きさで印加され、かつ上記プラズマ電極と溶接母材Ｐとの間がプラズマ雰囲気となった状態となっている。これにより、プラズマアーク９２が誘発される。プラズマアーク９２が発生すると、プラズマアーク溶接電圧Ｖｗｂが無負荷電圧から定常アーク電圧に低下し、プラズマアーク溶接電流Ｉｗｂが通電し始める。この結果、ＭＩＧアーク９１およびプラズマアーク９２がともに発生している状態となる。ｔｐ５において、溶接トーチＹの移動速度Ｖｔを正の値に設定し、溶接トーチＹの移動を開始することにより、アークスタートが完了する。

しかしながら、ＭＩＧアーク９１が定常な長さになった時刻ｔｐ４からプラズマアーク９２が発生する時刻ｔｐ５までの時間は、溶接トーチＹと溶接母材Ｐとの距離が遠いほど長くなりやすく、またばらつきやすい。溶接トーチＹと溶接母材Ｐとの距離は定常溶接を適切に行える程度に設定されるものであり、溶接条件によっては比較的長いものとなる。このような場合、プラズマアーク９２の点弧を失敗するといった問題があった。

また、時刻ｔｐ４においてＭＩＧアーク９１が定常的な状態となり、かつ時刻ｔｐ５においてプラズマアーク９２が発生したのちに、実際の溶接が開始される。これまでの間は溶接トーチＹが溶接母材Ｐに対して停止しているため、比較的アーク長が長いＭＩＧアーク９１が溶接母材Ｐの一部分に対して照射され続ける。このため、溶接母材Ｐへの入熱量が過度となり、図５に示すように、スタートビードＢ０の幅Ｗｂ０が定常ビードＢ１の幅Ｗｂ１よりも顕著に太くなってしまうおそれがある。

特開昭６３−１６８２８３号公報

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、プラズマアークを確実に点弧するとともに溶接ビードの幅を均一化することが可能な２電極アーク溶接のアークスタート制御方法を提供することをその課題とする。

本発明によって提供される２電極アーク溶接のアークスタート制御方法は、シールドガスノズル内に配置された消耗電極および非消耗電極を備えた溶接トーチを用い、消耗電極アークおよび非消耗電極アークを発生させることにより溶接する２電極アーク溶接のアークスタート制御方法であって、上記溶接トーチと溶接母材との距離を定常溶接距離よりも小さい溶接準備距離とした状態で、上記消耗電極アークを発生させるステップと、上記非消耗電極アークを発生させるステップと、上記消耗電極アークおよび上記非消耗電極アークを発生させた状態で、上記溶接トーチと上記溶接母材との距離を上記定常溶接距離とするステップと、を有することを特徴としている。

このような構成によれば、上記非消耗電極アークを点弧させるときには、上記溶接トーチと上記溶接母材との距離が定常溶接状態よりも短い。これにより、上記非消耗電極アークの点弧を確実に行うことが可能である。また、上記非消耗電極アークが点弧完了するまでの間、上記消耗電極アークのアーク長は比較的短い。これにより、上記消耗電極アークから上記溶接母材への入熱量が過大となることを防止できる。したがって、溶接ビード幅の均一化を図ることができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本発明に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法に用いられる溶接装置の一例を示している。本実施形態の溶接装置Ａは、溶接トーチＢ、ＭＩＧアーク溶接電源（消耗電極アーク溶接電源）ＰＳＭ、およびプラズマアーク溶接電源（非消耗電極アーク溶接電源）ＰＳＰを備えている。溶接トーチＢは、シールドガスノズル４内に、プラズマノズル３、プラズマ電極（非消耗電極）２、およびコンタクトチップ１が同心軸上に配置された構造とされている。シールドガスノズル４とプラズマノズル３との隙間からは、たとえばＡｒなどのシールドガスＧｓが供給される。プラズマノズル３とプラズマ電極２との間には、たとえばＡｒなどのプラズマガスＧｐが供給される。プラズマ電極２とコンタクトチップ１との間には、たとえばＡｒなどのセンターガスＧｃが供給される。

コンタクトチップ１に設けられた貫通孔からは、消耗電極としてのワイヤＷが送給される。コンタクトチップ１は、ワイヤＷに対して導通している。ワイヤＷは、サーボモータＭを駆動源とする送給ローラ５によって送給される。プラズマ電極２は、たとえばＣｕまたはＣｕ合金からなり、図外の経路を通る冷却水によって間接的に水冷されている。プラズマノズル３は、たとえばＣｕまたはＣｕ合金からなり、冷却水を通すチャネルが形成されていることにより、直接水冷されている。溶接トーチＢは、通常ロボット（図示略）によって保持された状態で、溶接母材Ｐに対して移動させられる。

ＭＩＧアーク溶接電源ＰＳＭは、コンタクトチップ１を介してワイヤＷと溶接母材Ｐとの間に、ＭＩＧアーク溶接電圧Ｖｗａを印加することにより、ＭＩＧアーク溶接電流Ｉｗａを流すための電源である。ＭＩＧアーク溶接電源ＰＳＭには、電圧設定回路ＶＲから電圧設定信号Ｖｒが送られる。また、ＭＩＧアーク溶接電源ＰＳＭには、溶接開始回路ＳＴから溶接開始信号Ｓｔが送られる。ＭＩＧアーク溶接電源ＰＳＭからは、モータＭに対して送給制御信号Ｆｃが送られる。ＭＩＧアーク溶接電源ＰＳＭからＭＩＧアーク溶接電圧Ｖｗａが印加されるときは、ワイヤＷが＋側とされる。

プラズマアーク溶接電源ＰＳＰは、プラズマ電極２と溶接母材Ｐとの間にプラズマアーク溶接電圧Ｖｗｂを印加することによりプラズマアーク溶接電流Ｉｗｂを流すための電源である。プラズマアーク溶接電源ＰＳＰには、溶接開始回路ＳＴから溶接開始信号Ｓｔが送られる。プラズマアーク溶接電源ＰＳＰからプラズマアーク溶接電圧Ｖｗｂが印加されるときは、プラズマ電極２が＋側とされる。

次に、本発明に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法の一例について、図２を参照しつつ以下に説明する。

まず、溶接トーチＢを溶接母材Ｐに対して接近させ、時刻ｔ１において、溶接トーチＢの先端と溶接母材Ｐとの距離Ｄを溶接準備距離Ｄ０とする。溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベルになると、同図（Ｇ１）に示すように送給速度Ｆｗを非常に遅いスローダウン送給速度とした状態でワイヤＷの送給が開始される。これと同時に、ＭＩＧアーク溶接電圧Ｖｗａおよびプラズマアーク溶接電圧Ｖｗｂが無負荷電圧に設定される。

次に、時刻ｔ２において、同図（Ｇ２）に示すようにワイヤＷがスローダウン送給速度で溶接母材Ｐに接触すると、送給速度Ｆｗを負の値とすることにより、ワイヤＷを上昇させる。これと同時にＭＩＧアーク溶接電圧Ｖｗａは、短絡電圧値に低下する。このとき、ＭＩＧアーク溶接電流Ｉｗａは、ワイヤＷおよび溶接母材Ｐを通電によるジュール熱によって加熱しない程度の数十Ａの小電流となる。

次に、時刻ｔ３において、同図（Ｇ３）に示すようにワイヤＷと溶接母材Ｐとの間にＭＩＧアーク６ａが発生する。ＭＩＧアーク６ａが発生すると、ＭＩＧアーク溶接電圧Ｖｗａが、短絡電圧値からアーク電圧に移行する。初期のＭＩＧアーク６ａが発生した状態で、送給速度Ｆｗを負の値とし、ワイヤＷを後退させ続ける。時刻ｔ３から時刻ｔ４にかけては、同図（Ｇ４）に示すようにＭＩＧアーク６ａのアーク長が徐々に長くなり、ＭＩＧアーク溶接電圧Ｖｗａが上昇する。ワイヤＷの後退は、時刻ｔ４まで継続する。

時刻ｔ４において、同図（Ｇ４）に示すようにプラズマアーク６ｂが点弧する。プラズマアーク６ｂの点弧は、ＭＩＧアーク６ａの成長によって、ワイヤＷおよびプラズマ電極２の直下がプラズマ雰囲気空間となることにより促される。プラズマアーク６ｂの点弧により、プラズマアーク溶接電圧Ｖｗｂが無負荷電圧から定常アーク電圧に低下し、プラズマアーク溶接電流Ｉｗｂが通電し始める。このとき、ワイヤ送給速度Ｆｗを定常速度に上昇させる。これにより、ＭＩＧアーク６ａのアーク長が短縮し始める。そして、溶接トーチＢを溶接母材Ｐから遠ざけ始める。

時刻ｔ５には、距離Ｄを定常溶接距離Ｄ１とする。これにより、ＭＩＧアーク６ａおよびプラズマアーク６ｂの双方が定常溶接時の状態となる。そして、溶接トーチＢの移動速度Ｖｔを定常溶接状態の速度とすることにより、定常溶接を開始する。

次に、本発明に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法の作用について説明する。

本実施形態によれば、プラズマアーク６ｂを点弧させる時刻ｔ４には、距離Ｄが溶接準備距離Ｄ０とされている。溶接準備距離Ｄ０は、定常溶接距離Ｄ１よりも小さいため、プラズマアーク６ｂの点弧を確実に行うことが可能である。

また、本実施形態においては、プラズマアーク６ｂが点弧完了するまでの間距離Ｄが溶接準備距離Ｄ０に保たれているため、ＭＩＧアーク６ａのアーク長は、たとえば図４に示した２電極アーク溶接のアークスタート制御方法による場合と比べて短くなっている。これにより、ＭＩＧアーク６ａから溶接母材Ｐへの入熱量が過大となることを防止できる。したがって、図３に示すように、スタートビードＢ０の幅Ｗｂ０を定常ビードＢ１の幅Ｗｂ１とほぼ同等とすることが可能であり、溶接ビード幅の均一化を図ることができる。

本発明に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

本発明に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法の一例に用いられる溶接装置を示すシステム構成図である。 本発明に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法の一例を示すタイミングチャートである。 図２に示す２電極アーク溶接のアークスタート制御方法によって形成された溶接ビードの一例を示す平面図である。 従来の２電極アーク溶接のアークスタート制御方法の一例を示すタイミングチャートである。 図４に示す２電極アーク溶接のアークスタート制御方法によって形成された溶接ビードの一例を示す平面図である。

符号の説明

Ａ 溶接装置
Ｂ 溶接トーチ
Ｄ 距離
Ｄ０ 溶接準備距離
Ｄ１ 定常溶接距離
Ｆｃ 送給制御信号
Ｆｗ 送給速度
Ｉｗａ ＭＩＧアーク溶接電流（消耗電極アーク溶接電流）
Ｉｗｂ プラズマアーク溶接電流（非消耗電極アーク溶接電流）
Ｐ 溶接母材
ＰＳＭ ＭＩＧアーク溶接電源（消耗電極アーク溶接電源）
ＰＳＰ プラズマアーク溶接電源（非消耗電極アーク溶接電源）
ＳＴ 溶接開始回路
Ｓｔ 溶接開始信号
Ｖｔ 移動速度
Ｖｗａ ＭＩＧアーク溶接電圧（消耗電極アーク溶接電圧）
Ｖｗｂ プラズマアーク溶接電圧（非消耗電極アーク溶接電圧）
Ｗ ワイヤ（消耗電極）
１ コンタクトチップ
２ プラズマ電極（非消耗電極）
３ プラズマノズル
４ シールドガスノズル
５ 送給ローラ
６ａ ＭＩＧアーク（消耗電極アーク）
６ｂ プラズマアーク（非消耗電極アーク）

Claims (1)

1. シールドガスノズル内に配置された消耗電極および非消耗電極を備えた溶接トーチを用い、消耗電極アークおよび非消耗電極アークを発生させることにより溶接する２電極アーク溶接のアークスタート制御方法であって、
   上記溶接トーチと溶接母材との距離を定常溶接距離よりも小さい溶接準備距離とした状態で、上記消耗電極アークを発生させるステップと、
   上記非消耗電極アークを発生させるステップと、
   上記消耗電極アークおよび上記非消耗電極アークを発生させた状態で、上記溶接トーチと上記溶接母材との距離を上記定常溶接距離とするステップと、
   を有することを特徴とする、２電極アーク溶接のアークスタート制御方法。

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