JP2011189396A - 非消耗電極アーク溶接制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フィラーワイヤを送給しながら行う非消耗電極アーク溶接において、アーク長を一定に保つトーチ高さ制御を行なっても、フィラーワイヤの挿入高さを常に所定値に維持することができるようにする。
【解決手段】溶接中の非消耗電極１の消耗に伴うアーク長Ｌａの変化を抑制するトーチ高さ制御を行うと共に、取付部材５１を介してトーチ４に取り付けられたワイヤガイド５２内を通ってフィラーワイヤ５を送給しながら溶接する非消耗電極アーク溶接制御方法において、前記フィラーワイヤ５のアーク発生部への挿入高さＬｈが一定になるように前記取付部材５１を前記トーチ４の長手軸方向に昇降制御する。これにより、アーク長制御に伴うフィラーワイヤ５の挿入高さの変化を抑制することができ、良好な溶接品質を得ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アーク長が所定値になるようにトーチ高さ制御を行いながら溶接する非消耗電極アーク溶接制御方法に関するものである。

非消耗電極アーク溶接としては、ティグ溶接、プラズマアーク溶接等がある。非消耗電極アーク溶接では、電極にタングステン電極等の非消耗電極を使用し、アルゴンガス等のシールドガスによって大気から遮蔽した状態中で、非消耗電極と母材との間にアークを発生させて溶接を行う。このときに、フィラーワイヤを送給して、アーク発生部に挿入しながら溶接を行うこともよくある。以下の説明では、非消耗電極のことを単に電極と記載する。

図３は、フィラーワイヤ送給非消耗電極アーク溶接に使用される溶接装置の概要構成図である。以下、同図を参照して、各構成物について説明する。

溶接電源ＰＳは、アーク３を発生させるための溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗを出力すると共に、トーチ昇降モータＴＭにトーチ昇降制御信号Ｔｃ及びフィラーワイヤ５の送給モータＦＭに送給制御信号Ｆｃを出力する。非消耗電極アーク溶接では、定電流特性が使用されるので、この溶接電源ＰＳは定電流制御の電源であり、溶接電流Ｉｗが所定値になるように制御される。溶接トーチ４の先端にはノズル４１が装着されており、この内側からシールドガス（図示は省略）が噴出している。また、溶接トーチ４の先端には電極１が、ノズル４１の先端から数mm突出した状態で装着されている。電極１と母材２との間にはアーク３が発生している。

溶接トーチ４には取付部材５１を介してワイヤガイド５２が取り付けられている。フィラーワイヤ５は、送給モータＦＭによってワイヤガイド５２内を送給されて、アーク発生部に挿入される。送給モータＦＭは、上述した溶接電源ＰＳからの送給制御信号Ｆｃによって送給速度が制御される。

トーチ昇降機構６は、溶接トーチ４を上下方向に昇降するための機構である。トーチ昇降モータＴＭは、溶接トーチ４を上下方向に昇降させるためのモータである。このトーチ昇降モータＴＭは、上述したように溶接電源ＰＳからのトーチ昇降制御信号Ｔｃによって、昇降方向及び昇降距離が制御される。図示は省略するが、母材２は自動台車上に設置されており、溶接中は自動台車が予め定められた溶接速度で移動する。

同図において、電極１の先端と母材２との距離が、アーク長Ｌａとなる。そして、フィラーワイヤ５の送給方向を示す一点鎖線ｙ１と、電極１の先端と母材２とを結ぶ一点鎖線ｙ２との交点をＰとする。この交点Ｐと母材２との距離を、フィラーワイヤ５の挿入高さＬｈと定義することにする。良好な溶接品質を得るためには、溶接中のアーク長Ｌａ及びフィラーワイヤの挿入高さＬｈが適正値に設定されている必要がある。

非消耗電極アーク溶接においては、アーク長は、電極１の先端と母材２との距離となる。したがって、溶接開始前には、この電極１の先端と母材２との距離が適正値となるように、トーチ昇降モータＴＭを動作させて調整する。溶接中にアーク長Ｌａが変化する要因としては、主に２つの場合がある。第１番目としては、母材２の表面高さが変化する場合である。母材２の表面高さが変化すると、電極１との距離が変化するので、アーク長Ｌａが変化することになる。第２番目としては、アーク３によって電極１の先端が消耗して短くなり、アーク長Ｌａが変化する場合である。電極１の消耗の進行は、電極１の材質、直径、溶接電流値、溶接電流の波形（交流又は直流）、アークスタートの頻度等によって異なる。特に、交流電流を通電する場合には、電極プラス極性においてその消耗が速く進行する。このようなアーク長Ｌａの変化を抑制して一定値に維持するためのトーチ高さ制御方法が、従来から行われている（例えば、特許文献１参照）。この従来技術のトーチ高さ制御方法では、アーク長Ｌａを溶接電圧Ｖｗ又はアーク光の照度によって検出し、この検出値が設定値と等しくなるようにトーチ昇降モータＴＭを制御するものである。

他方、フィラーワイヤ５の挿入高さＬｈの調整については、従来から種々の調整機構が使用されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２等に記載された調整機構を設けて、溶接開始前に主導によってフィラーワイヤ５の挿入方向及び挿入高さＬｈを適正状態に調整している。

特開２００２−２３９７２８号公報 特開２００９−１０７００３号公報

上述したように、トーチ高さ制御を行うことによって、溶接中のアーク長の変化を抑制することができる。このときに、アーク長が変化する第１番目の要因である母材表面高さが変化する場合には、トーチの先端と母材の表面との距離が一定になるようにトーチ高さ制御が行われる。このために、アーク長Ｌａ及びフィラーワイヤの挿入高さＬｈは共に適正値を維持することになり、良好な溶接品質を得ることができる。

他方、アーク長が変化する第２番目の要因である電極が消耗して先端が短くなる場合には、トーチ高さ制御によってトーチの先端と母材の表面との距離が短くなるように制御されることになる。この結果、電極先端と母材表面との距離であるアーク長Ｌａは一定値を維持することができる。しかし、トーチ高さが低くなっているので、フィラーワイヤの挿入高さＬｈは低くなる。アーク長Ｌａは一定値で変化しないにも関わらず、フィラーワイヤの挿入高さＬｈは変化するので、溶接品質が悪くなる場合が生じる。フィラーワイヤの挿入高さＬｈが変化するのは、図３で上述したように、ワイヤガイド５２が取付部材５１を介して溶接トーチ４と結合されているので、トーチ高さが変化するとフィラーワイヤの挿入高さＬｈも変化するためである。

そこで、本発明では、電極の消耗によるアーク長の変化を抑制し、かつ、フィラーワイヤの挿入高さの変化も抑制することができる非消耗電極アーク溶接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、請求項１の発明は、溶接中の非消耗電極の消耗に伴うアーク長の変化を抑制するトーチ高さ制御を行うと共に、取付部材を介してトーチに取り付けられたワイヤガイド内を通ってフィラーワイヤを送給しながら溶接する非消耗電極アーク溶接制御方法において、
前記フィラーワイヤのアーク発生部への挿入高さが一定になるように前記取付部材を前記トーチの長手軸方向に昇降制御する、
ことを特徴とする非消耗電極アーク溶接制御方法である。

請求項２の発明は、
前記トーチ高さ制御が、予め定めた制御周期ごとに、予め定めた電圧設定値Ｖｒと溶接電圧の検出値Ｖｄとの差ΔＶに基づいて修正量Δｈを算出し、この修正量Δｈだけトーチ高さを変化させる制御であり、
前記取付部材の昇降制御が、前記修正量Δｈの符号を反転させた反転修正量−Δｈだけ前記取付部材を昇降させる制御である、
ことを特徴とする請求項１記載の非消耗電極アーク溶接制御方法である。

本発明によれば、非消耗電極の消耗によるアーク長の変化をトーチ高さ制御によって抑制し、かつ、フィラーワイヤの挿入高さ制御を行うことによって、アーク長及びフィラーワイヤの挿入高さを常に適正値に維持することができる。このために、良好な溶接品質を得ることができる。

本発明の実施の形態に係る非消耗電極アーク溶接制御方法を実施するための溶接装置の概要構成図である。 図１を構成する溶接電源ＰＳの詳細ブロック図である。 従来技術の非消耗電極アーク溶接装置の概要構成図である。

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非消耗電極アーク溶接制御方法を実施するための溶接装置の概要構成図である。同図において、上述した図３と同一構成物には同一符号を付してそれらの説明は省略する。同図は、図３に、取付部材昇降機構７１及び取付部材昇降モータＨＭを追加したものである。以下、これらについて同図を参照して説明する。

取付部材昇降機構７１は、取付部材５１を溶接トーチ４の長手軸方向に昇降させるための機構である。
取付部昇降機構７１は、溶接トーチ４の長手軸方向に平行に取り付けられたボールねじと、ボールねじの回転によって溶接トーチの長手軸方向に平行にスライドする部位で構成されており、スライドする部分に取付部材５１を取り付け、ボールねじを回転させることで取付部材を任意の高さに昇降させる機構である。
取付部材５１は、取付部材昇降モータＨＭによって取付部材昇降機構７１上を昇降する。取付部材昇降モータＨＭは、溶接電源ＰＳからの取付部材昇降制御信号Ｈｃによって昇降方向及び昇降距離が制御される。取付部材５１が昇降すると、フィラーワイヤ５の挿入高さＬｈを調整することができる。

図２は、図１を構成する溶接電源ＰＳの詳細なブロック図である。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（図示は省略）を入力として、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってインバータ制御等の出力制御を行い溶接電流Ｉｗを出力する。この溶接電流Ｉｗは、溶接トーチ４、電極１、アーク３及び母材２を通って通電し、溶接トーチ４と母材２との間に溶接電圧Ｖｗが印加する。

電流設定回路ＩＲは、予め定めた電流設定信号Ｉｒを出力する。電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｗを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流設定信号Ｉｒと上記の電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。この電流誤差増幅信号Ｅｉに従って溶接電源の出力制御が行われることによって定電流制御され、所望値の溶接電流Ｉｗが通電する。

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、所定のアーク長に対応した電圧設定信号Ｖｒを出力する。修正量算出回路ＤＨは、上記の電圧設定信号Ｖｒ及び上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、予め定めた制御周期ごとに、電圧設定信号Ｖｒの値と電圧検出信号Ｖｄの値との差に予め定めた増幅率Ｋを乗じて、修正量信号Δｈ＝Ｋ・（Ｖｒ−Ｖｄ）を出力する。ここで、制御周期は、図１のトーチ昇降モータＴＭ及び取付部材昇降モータＨＭを制御する周期であり、これらのモータの応答速度に対して充分に短い時間であれば良く、例えば０．１〜１０ms程度に設定される。増幅率Ｋは、フィードバック系のゲインを設定することになるので、フィートバック系が安定になる値に設定される。ここでは、修正量信号Δｈを慣用技術であるＰ制御で算出する場合を例示したが、同様に慣用技術であるＰＩ制御及びＰＩＤ制御に基づいて算出するようにしても良い。

送給速度設定回路ＦＲは、予め定めた送給速度設定信号Ｆｒを出力する。送給モータ制御回路ＦＣは、フィラーワイヤ５を上記の送給速度設定信号Ｆｒの値で送給するための送給制御信号Ｆｃを送給モータＦＭに出力する。送給モータＦＭは、上記の送給制御信号Ｆｃに従って回転速度が制御される。

上昇ボタンＵＢは、押されたときにＨｉｇｈレベルになる上昇信号Ｕｂを出力する。下降ボタンＤＢは、押されたときにＨｉｇｈレベルになる下降信号Ｄｂを出力する。トーチ昇降制御回路ＴＣは、上記の修正量信号Δｈ、上記の上昇信号Ｕｂ及び上記の下降信号Ｄｂを入力として、上昇信号ＵｂがＨｉｇｈレベルのときは溶接トーチの高さを予め定めた低速度で上昇させるトーチ昇降制御信号Ｔｃを出力し、下降信号ＤｂがＨｉｇｈレベルのときは溶接トーチの高さを上記の低速度で下降させるトーチ昇降制御信号Ｔｃを出力し、溶接中は上記の制御周期ごとに修正量信号Δｈの値だけ溶接トーチの高さを変化させるトーチ昇降制御信号Ｔｃを出力する。トーチ昇降モータＴＭは、上記のトーチ昇降制御信号Ｔｃに従ってその回転方向及び回転速度が制御される。上記の修正量信号Δｈが正の値であるときは溶接トーチの高さがΔｈだけ上昇するように制御され、負の値であるときは溶接トーチの高さがΔｈの絶対値だけ下降するように制御される。溶接トーチの高さがアーク長Ｌａとなるので、溶接トーチの高さを制御することは、アーク長Ｌａを制御することと等価である。溶接を開始する前に、上昇ボタンＵＢ又は下降ボタンＤＢを押して、溶接トーチの高さが所定値になるように調整し、その後に溶接を開始する。

取付部材昇降制御回路ＨＣは、上記の修正量信号Δｈを入力として、溶接中は上記の制御周期ごとに修正量信号Δｈの符号を反転した値だけ取付部材の高さを変化させる取付部材昇降制御信号Ｈｃを出力する。取付部材昇降モータＨＭは、上記の取付部材昇降制御信号Ｈｃに従ってその回転方向及び回転速度が制御される。上記の修正量信号Δｈが正の値であるときは取付部材の高さがΔｈだけ下降するように制御され、負の値であるときは取付部材の高さがΔｈの絶対値だけ上昇するように制御される。取付部材の高さがフィラーワイヤの挿入高さＬｈを決めるので、取付部材の高さを制御することは、フィラーワイヤの挿入高さＬｈを制御することと等価である。溶接を開始する前に、手動によって取付部材の高さが基準位置になるように調整し、その後に溶接を開始する。

アーク長Ｌａ及びフィラーワイヤの挿入高さＬｈの制御を数値例を用いて説明する。溶接中の第ｎ回目の制御周期において、電圧検出信号Ｖｄ＝２０．２Ｖであったとし、電圧設定信号Ｖｒ＝２０．０Ｖであったとする。すなわち、電極が消耗してアーク長Ｌａが所定値よりも長くなった場合である。このときの修正量信号Δｈ＝２×（２０．０−２０．２）＝−０．４mmとなる。ここで増幅率Ｋ＝２としている。この修正量信号Δｈによって、溶接トーチの高さは、この第ｎ回目の制御周期中に、０．４mmだけ下降し、アーク長Ｌａが０．４mmだけ短くなり所定値に近づくことになる。同時に、取付部材の高さは、この第ｎ回目の制御周期中に、０．４mmだけ上昇して溶接トーチの上昇分を相殺するので、フィラーワイヤの挿入高さＬｈはＬｈ−０．４＋０．４＝Ｌｈとなって所定値のままで維持されることになる。ここでは、増幅率Ｋ＝２としたが、増幅率Ｋは上述したように、トーチ高さ制御系及びフィラーワイヤの挿入高さ制御系の安定性を考慮して設定される。

上述したように、溶接中にアーク長が変化する主な要因は、第１番目に母材の表面高さの変化であり、第２番目に電極の消耗である。母材の表面高さの変化は、溶接を開始する前に確認することができる。確認によって母材の表面高さの変化がある場合には、本発明は適用しないようにする。すなわち、トーチ高さ制御のみを行い、フィラーワイヤの挿入高さ制御は動作停止とする。他方、母材の表面高さの変化がない場合には、トーチ高さ制御及びフィラーワイヤの挿入高さ制御を同時に行うようにする。

上述した実施の形態によれば、非消耗電極の消耗によるアーク長の変化をトーチ高さ制御によって抑制し、かつ、フィラーワイヤの挿入高さ制御を行うことによって、アーク長及びフィラーワイヤの挿入高さを常に適正値に維持することができる。このために、良好な溶接品質を得ることができる。特に、電極の消耗が激しい交流ティグ溶接及び交流プラズマアーク溶接においては、本実施の形態は大きな効果を奏する。

上述した実施の形態では、自動溶接装置の場合を例示したが、溶接トーチをロボットに把持させて行うロボット溶接装置の場合も同様である。この場合には、図２で上述したトーチ高さ制御に関するブロックである電圧設定回路ＶＲ、電圧検出回路ＶＤ、修正量算出回路ＤＨ、トーチ昇降制御回路ＴＣ及び取付部材昇降制御回路ＨＣをロボット制御装置に内蔵するようにする。また、溶接トーチの高さ制御はロボットの各軸によって行うので、トーチ昇降モータＴＭは不要となる。取付部材昇降モータＨＭは、ロボットの手首軸に設けられる。上昇ボタンＵＢ及び下降ボタンＤＢと同様の操作を、教示用のティーチペンダントによって行う。トーチ昇降制御回路ＴＣからのトーチ昇降制御信号Ｔｃによってロボットの各軸が制御されて溶接トーチの高さが変化する。

１ （非消耗）電極
２ 母材
３ アーク
４ 溶接トーチ
４１ ノズル
５ フィラーワイヤ
５１ 取付部材
５２ ワイヤガイド
６ トーチ昇降機構
７１ 取付部材昇降機構
ＤＢ 下降ボタン
Ｄｂ 下降信号
ＤＨ 修正量算出回路
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＦＣ 送給モータ制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＦＭ 送給モータ
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
ＨＣ 取付部材昇降制御回路
Ｈｃ 取付部材昇降制御信号
ＨＭ 取付部材昇降モータ
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＲ 電流設定回路
Ｉｒ 電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
Ｋ 増幅率
Ｌａ アーク長
Ｌｈ フィラーワイヤ挿入高さ
Ｐ 交点
ＰＭ 電源主回路
ＰＳ 溶接電源
ＴＣ トーチ昇降制御回路
Ｔｃ トーチ昇降制御信号
ＴＭ トーチ昇降モータ
ＵＢ 上昇ボタン
Ｕｂ 上昇信号
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／値）
Ｖｗ 溶接電圧
ｙ１ フィラーワイヤ送給方向
ｙ２ 電極長手方向
Δｈ 修正量（信号）
ΔＶ 電圧設定信号と電圧検出信号との差

Claims (2)

1. 溶接中の非消耗電極の消耗に伴うアーク長の変化を抑制するトーチ高さ制御を行うと共に、取付部材を介してトーチに取り付けられたワイヤガイド内を通ってフィラーワイヤを送給しながら溶接する非消耗電極アーク溶接制御方法において、
   前記フィラーワイヤのアーク発生部への挿入高さが一定になるように前記取付部材を前記トーチの長手軸方向に昇降制御する、
   ことを特徴とする非消耗電極アーク溶接制御方法。
2. 前記トーチ高さ制御が、予め定めた制御周期ごとに、予め定めた電圧設定値Ｖｒと溶接電圧の検出値Ｖｄとの差ΔＶに基づいて修正量Δｈを算出し、この修正量Δｈだけトーチ高さを変化させる制御であり、
   前記取付部材の昇降制御が、前記修正量Δｈの符号を反転させた反転修正量−Δｈだけ前記取付部材を昇降させる制御である、
   ことを特徴とする請求項１記載の非消耗電極アーク溶接制御方法。

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