JP2012040594A - アーク溶接方法およびアーク溶接システム - Google Patents

Abstract

【課題】アーク継続期間中に消耗電極と母材とが短絡しにくいアーク溶接方法およびアーク溶接システムを提供すること。
【解決手段】 溶滴移行期間とアーク継続準備期間Ｔ２とアーク継続期間Ｔ３とを含む単位溶接期間を繰り返すアーク溶接方法であって、上記溶滴移行期間中に、消耗電極１５と母材Ｗとの間に溶接電流Ｉｗを、絶対値の時間平均値が第１値であるように且つ絶対値の最大値が第２値であるように流すことにより、消耗電極１５から母材Ｗへと溶滴を移行させる工程と、期間Ｔ２中に、溶接電流Ｉｗを絶対値の最大値が上記第２値より大きい値ｉｈ２であるように流す工程と、期間Ｔ３中に、溶接電流Ｉｗを、絶対値の時間平均値が上記第１値より小さい値ｉｍ２であるように流すことにより、消耗電極１５と母材Ｗとの間にアークａ１が発生している状態を継続させる工程と、を備える。これにより、消耗電極１５と母材Ｗとがアーク継続期間Ｔ３中に短絡することを、抑制することができる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、アーク溶接方法およびアーク溶接システムに関する。

従来から、溶滴移行期間とアーク継続期間とからなる単位溶接期間を繰り返す溶接方法が知られている（たとえば特許文献１参照）。このような溶接方法は、ステッチパルス溶接法と称されている。この溶接方法における溶滴移行期間中は、消耗電極を保持する溶接トーチを、母材に対して停止させる。そして、消耗電極と母材との間に比較的大きな溶接電流を流すことにより消耗電極と母材との間にアークを発生させつつ、消耗電極から母材へと溶滴移行させる。また、溶滴移行期間中は、溶接トーチから消耗電極を大きな送給速度で送給する。一方、アーク継続期間中は、溶接トーチを、母材に対して所定の溶接進行方向に移動させる。そして、消耗電極と母材との間に比較的小さな溶接電流を流すことにより、アークが発生している状態を継続させるものの、溶滴移行を実質的には行わない。また、アーク継続期間中は、溶接トーチから消耗電極を比較的小さな送給速度で送給している。このような溶滴移行期間とアーク継続期間とからなる単位溶接期間を繰り返すことにより、うろこ状のビードを形成する。

当該溶接方法においては、アーク継続期間中に、消耗電極の一部が溶滴となり消耗電極と母材との意図しない短絡が生じるおそれがあった。アーク継続期間中に短絡が生じると、形成されるビードの形状が崩れるおそれがあった。

特開平１１−２６７８３９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、アーク継続期間中に消耗電極と母材とが短絡しにくいアーク溶接方法およびアーク溶接システムを提供することをその課題とする。

本発明の第１の側面によって提供されるアーク溶接方法は、溶滴移行期間と上記溶滴移行期間の後のアーク継続準備期間と上記アーク継続準備期間の後のアーク継続期間とを含む単位溶接期間を繰り返すアーク溶接方法であって、上記溶滴移行期間中に、消耗電極と母材との間に溶接電流を、絶対値の時間平均値が第１値であるように且つ絶対値の最大値が第２値であるように流すことにより、上記消耗電極から上記母材へと溶滴を移行させる工程と、上記アーク継続準備期間中に、上記溶接電流を、絶対値の最大値が上記第２値より大きい値であるように流す工程と、上記アーク継続期間中に、上記溶接電流を、絶対値の時間平均値が上記第１値より小さい値であるように流すことにより、上記消耗電極と上記母材との間にアークが発生している状態を継続させる工程と、を備える。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記アークが発生している状態を継続させる工程においては、上記溶接電流として直流電流を流す。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記溶滴移行期間と上記アーク継続準備期間との期間中常に、上記消耗電極を保持する溶接トーチから上記消耗電極を一定の速度で送給する工程を更に備える。

本発明の第２の側面によって提供されるアーク溶接システムは、溶滴移行期間と上記溶滴移行期間の後のアーク継続期間とを含む単位溶接期間を繰り返し、上記溶滴移行期間中に、消耗電極と母材との間に溶接電流を、絶対値の時間平均値が第１値であるように且つ絶対値の最大値が第２値であるように流し、上記アーク継続期間中に、上記溶接電流を、絶対値の時間平均値が上記第１値より小さいアーク継続電流値であるように流す電源回路と、上記第２値より大きいアーク継続準備電流値を記憶するアーク継続準備電流値記憶部と、上記アーク継続準備電流値に基づき、上記溶接電流の値を指示する溶接電流設定信号を上記電源回路に送る電流制御回路と、上記消耗電極を保持する溶接トーチを上記母材に沿って相対移動させる移動機構と、上記溶接トーチから上記消耗電極を送給する送給機構と、を備え、上記電源回路は、上記溶接電流設定信号を受け、各単位溶接期間における上記溶滴移行期間と上記アーク継続期間との間のアーク継続準備期間中に、上記溶接電流を、絶対値の最大値が上記アーク継続準備電流値であるように流す。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記アーク継続電流値を記憶するアーク継続電流値記憶部を更に備え、上記電流制御回路は、上記アーク継続電流値に基づき、上記溶接電流設定信号を上記電源回路に送り、上記電源回路は、上記アーク継続期間の間常に上記溶接電流として直流電流を流す。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記消耗電極と上記母材との間に印加する溶接電圧の値を指示する溶接電圧設定信号を上記電源回路に送る電圧制御回路を更に備え、上記電源回路は、上記溶接電流設定信号に基づき上記溶接電流を流す定電流特性から上記溶接電圧設定信号に基づき上記溶接電圧を印加する定電圧特性に、上記溶滴移行期間中において切り替える電源特性切替回路を含む。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記送給機構は、上記溶滴移行期間と上記アーク継続準備期間との期間中常に、上記溶接トーチから上記消耗電極を一定の速度で送給する。

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。

本発明の実施形態にかかる溶接システムの一例の構成を示す図である。 図１に示した溶接システムの内部構成を示す図である。 本実施形態にかかる方法における各信号等の一部についてのタイミングチャートである。 本実施形態にかかる方法における各信号等のタイミングチャートである。 本実施形態にかかる方法における各信号等のタイミングチャートである。

以下、本発明の実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本発明の実施形態にかかる溶接システムの一例の構成を示す図である。

本実施形態にかかるアーク溶接システムＡ１は、溶接ロボット１と、ロボット制御装置２と、溶接電源装置３とを備える。溶接ロボット１は、母材Ｗに対してたとえばアーク溶接を自動で行うものである。溶接ロボット１は、ベース部材１１と、複数のアーム１２と、複数のモータ１３と、溶接トーチ１４と、ワイヤ送給装置１６と、コイルライナ１９とを含む。

ベース部材１１は、フロア等の適当な箇所に固定される。各アーム１２は、ベース部材１１に軸を介して連結されている。溶接トーチ１４は、消耗電極１５（溶接ワイヤ）を母材Ｗの近傍の所定の位置に導くものである。溶接トーチ１４には、シールドガスノズル（図示略）が設けられている。シールドガスノズルは、アルゴンなどのシールドガスを供給するためのものである。モータ１３は、移動機構であり、ロボット制御装置２により回転駆動する。この回転駆動により、各アーム１２の移動が制御され、溶接トーチ１４が上下前後左右に自在に移動できる。

モータ１３には、エンコーダ（図示略）が設けられている。エンコーダの出力は、ロボット制御装置２に送られる。ワイヤ送給装置１６は、溶接ロボット１における上部に設けられている。ワイヤ送給装置１６は、溶接トーチ１４に消耗電極１５を送り出すためのものである。ワイヤ送給装置１６は、送給機構１６１（モータ）と、ワイヤリール（図示略）と、ワイヤプッシュ装置（図示略）とを含む。送給機構１６１を駆動源として、上記ワイヤプッシュ装置が、上記ワイヤリールに巻かれた消耗電極１５を溶接トーチ１４へと送り出す。

コイルライナ１９は、その一端がワイヤ送給装置１６に、その他端が溶接トーチ１４に、それぞれ接続されている。コイルライナ１９は、チューブ状を呈し、その内部には消耗電極１５が挿通されている。コイルライナ１９は、ワイヤ送給装置１６から送り出された消耗電極１５を、溶接トーチ１４に導くものである。送り出された消耗電極１５は、溶接トーチ１４から突出する。

図２は、図１に示した溶接システムＡ１の内部構成を示す図である。

ロボット制御装置２は、動作制御回路２１と、ティーチペンダント２３とを含む。ロボット制御装置２は、溶接ロボット１の動作を制御するためのものである。

動作制御回路２１は、図示しないマイクロコンピュータおよびメモリを有している。このメモリには、溶接ロボット１の各種の動作が設定された作業プログラムが記憶されている。また、動作制御回路２１は、後述のロボット移動速度ＶＲを設定する。動作制御回路２１は、上記作業プログラム、上記エンコーダからの座標情報、およびロボット移動速度ＶＲ等に基づき、溶接ロボット１に対して動作制御信号Ｍｓを送る。溶接ロボット１は動作制御信号Ｍｓを受け、各モータ１３が回転駆動させる。これにより、溶接トーチ１４が、母材Ｗにおける所定の溶接開始位置に移動したり、母材Ｗの面内方向に沿って移動したりする。

ティーチペンダント２３は、動作制御回路２１に接続されている。ティーチペンダント２３は、各種動作をアーク溶接システムＡ１のユーザが設定するためのものである。

溶接電源装置３は、電源回路３１と、電流制御回路３２と、設定値記憶部３３と、電圧制御回路３４と、くびれ検出回路３５と、抵抗３６と、スイッチ回路３７と、送給制御回路３８とを含む。溶接電源装置３は、消耗電極１５と母材Ｗとの間に、溶接電圧Ｖｗを印加し、溶接電流Ｉｗを流すための装置であるとともに、消耗電極１５の送給を行うための装置である。

電源回路３１は、電力発生回路ＭＣと、電源特性切替回路ＳＷと、電流誤差計算回路ＥＩと、電圧誤差計算回路ＥＶと、電流検出回路ＩＤと、電圧検出回路ＶＤとを有する。電源回路３１は、消耗電極１５と母材Ｗとの間に指示された値で溶接電圧Ｖｗを印加し、もしくは、消耗電極１５から母材Ｗに指示された値で溶接電流Ｉｗを流すためのものである。

電力発生回路ＭＣは、たとえば３相２００Ｖ等の商用電源を入力として、後述の誤差信号Ｅａに従ってインバータ制御、サイリスタ位相制御等の出力制御を行い、溶接電圧Ｖｗおよび溶接電流Ｉｗを出力する。

電流検出回路ＩＤは、消耗電極１５と母材Ｗとの間に流れる溶接電流Ｉｗの値を検出するためのものである。電流検出回路ＩＤは、溶接電流Ｉｗに対応する電流検出信号Ｉｄを送る。電流誤差計算回路ＥＩは、実際に流れている溶接電流Ｉｗの値と、設定された溶接電流の値との差ΔＩｗを計算するためのものである。具体的には、電流誤差計算回路ＥＩは、電流検出信号Ｉｄと、設定された溶接電流の値に対応する後述の電流設定信号Ｉｒとを受け、差ΔＩｗに対応する電流誤差信号Ｅｉを送る。なお、電流誤差計算回路ＥＩは、電流誤差信号Ｅｉとして、差ΔＩを増幅した値に対応するものを送ってもよい。

電圧検出回路ＶＤは、消耗電極１５と母材Ｗとの間に印加される溶接電圧Ｖｗの値を検出するためのものである。電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗに対応する電圧検出信号Ｖｄを送る。電圧誤差計算回路ＥＶは、実際に印加されている溶接電圧Ｖｗの値と、設定された溶接電圧の値との差ΔＶｗを計算するためのものである。具体的には、電圧誤差計算回路ＥＶは、電圧検出信号Ｖｄと、設定された溶接電圧の値に対応する後述の電圧設定信号Ｖｒとを受け、差ΔＶｗに対応する電圧誤差信号Ｅｖを送る。なお、電圧誤差計算回路ＥＶは、電圧誤差信号Ｅｖとして、差ΔＶｗを増幅した値に対応するものを送ってもよい。

電源特性切替回路ＳＷは、電源回路３１の電源特性（定電流特性もしくは定電圧特性）を切り替えるものである。電源回路３１の電源特性が定電流特性である場合には、溶接電流Ｉｗの値が設定された値となるように、電源回路３１において出力が制御される。一方、電源回路３１の電源特性が定電圧特性である場合には、電源回路３１は溶接電圧Ｖｗの値が設定された値となるように、電源回路３１において出力が制御される。より具体的には、電源特性切替回路ＳＷは、後述の電源特性切替信号Ｓｗと、電流誤差信号Ｅｉと、電圧誤差信号Ｅｖとを受ける。電源特性切替回路ＳＷの受ける電源特性切替信号ＳｗがＨｉｇｈレベルである場合には、電源特性切替回路ＳＷにおけるスイッチは、図２のａ側に接続される。この場合、電源回路３１の電源特性は定電圧特性であり、電源特性切替回路ＳＷは、電圧誤差信号Ｅｖを誤差信号Ｅａとして電力発生回路ＭＣに送る。このとき、電力発生回路ＭＣは、溶接電圧Ｖｗの値が設定された値となる（すなわち上述の差ΔＶｗがゼロとなる）ような制御を行う。一方、電源特性切替回路ＳＷの受けた電源特性切替信号ＳｗがＬｏｗレベルである場合には、電源特性切替回路ＳＷにおけるスイッチは、図２のｂ側に接続される。この場合、電源回路３１の電源特性は定電流特性であり、電源特性切替回路ＳＷは、電流誤差信号Ｅｉを誤差信号Ｅａとして電力発生回路ＭＣに送る。このとき、電力発生回路ＭＣは、溶接電流Ｉｗの値が設定された値となる（すなわち上述の差ΔＩｗがゼロとなる）ような制御を行う。

設定値記憶部３３は、第１遅延時間記憶部ＴＤＲ１と、第２遅延時間記憶部ＴＤＲ２と、高アーク期間記憶部ＴＵＲ１と、アーク継続準備電流出力期間記憶部ＴＵＲ２と、低くびれ電流値記憶部ＩＭＲ１と、高アーク電流値記憶部ＩＨＲ１と、アーク継続準備電流値記憶部ＩＨＲ２と、アーク継続電流値記憶部ＩＭＲ２と、を有する。

第１遅延時間記憶部ＴＤＲ１は、第１遅延時間ｔｄ１の値を記憶する。第２遅延時間記憶部ＴＤＲ２は、第２遅延時間ｔｄ２の値を記憶する。高アーク期間記憶部ＴＵＲ１は、高アーク期間ｔｕ１の値を記憶する。アーク継続準備電流出力期間記憶部ＴＵＲ２は、アーク継続準備電流出力期間ｔｕ２の値を記憶する。低くびれ電流値記憶部ＩＭＲ１は、低くびれ電流値ｉｍ１の値を記憶する。高アーク電流値記憶部ＩＨＲ１は、高アーク電流値ｉｈ１の値を記憶する。アーク継続準備電流値記憶部ＩＨＲ２は、アーク継続準備電流値ｉｈ２の値を記憶する。アーク継続電流値記憶部ＩＭＲ２は、アーク継続電流値ｉｍ２の値を記憶する。第１遅延時間ｔｄ１、第２遅延時間ｔｄ２、高アーク期間ｔｕ１、アーク継続準備電流出力期間ｔｕ２、低くびれ電流値ｉｍ１、高アーク電流値ｉｈ１、アーク継続準備電流値ｉｈ２、およびアーク継続電流値ｉｍ２の各値は、たとえばティーチペンダント２３から入力され動作制御回路２１を経由して、各記憶部に記憶される。

電流制御回路３２は、消耗電極１５と母材Ｗとの間に流れる溶接電流Ｉｗの値を設定するためのものである。電流制御回路３２は、各記憶部に記憶された、第１遅延時間ｔｄ１、第２遅延時間ｔｄ２、高アーク期間ｔｕ１、アーク継続準備電流出力期間ｔｕ２、低くびれ電流値ｉｍ１、高アーク電流値ｉｈ１、アーク継続準備電流値ｉｈ２、およびアーク継続電流値ｉｍ２の各値の少なくともいずれかに基づき、溶接電流Ｉｗの値を指示するための溶接電流設定信号Ｉｒを生成する。そして電流制御回路３２は、生成した溶接電流設定信号Ｉｒを電源回路３１に送る。また電流制御回路３２は、くびれ検出回路３５からくびれ検出信号Ｎｄを受け、電源特性切替回路ＳＷに電源特性切替信号Ｓｗを送る。

電圧制御回路３４は、消耗電極１５と母材Ｗと間に印加する溶接電圧Ｖｗの値を設定するためのものである。電圧制御回路３４は、図示しない記憶部に記憶された設定電圧値に基づき、溶接電圧Ｖｗの値を指示するための電圧設定信号Ｖｒを電源回路３１に送る。

くびれ検出回路３５は、消耗電極１５と母材Ｗとが短絡した後に発生する溶滴の直上のくびれを検出するためのものである。本実施形態において、くびれ検出回路３５は、溶接電圧Ｖｗの値を検出することにより、くびれの発生を検出する。くびれ検出回路３５は、たとえば、消耗電極１５と母材Ｗとが短絡した後に溶接電圧Ｖｗがある値以上増加した場合に、くびれが生じたと判断する。もしくは、くびれ検出回路３５は、たとえば、消耗電極１５と母材Ｗとが短絡した後に溶接電圧Ｖｗの時間微分値がある値を超えた場合に、くびれが生じたと判断する。そして、くびれ検出回路３５は、ある期間の間Ｌｏｗレベルになるくびれ検出信号Ｎｄを、電流制御回路３２に送る。また、くびれ検出回路３５は、消耗電極１５と母材Ｗとが短絡した後に溶接電圧Ｖｗの値が所定の値Ｖａを超えたときに、アークａ１が再発生したと判断する。

抵抗３６は、電力発生回路ＭＣに接続されている。そして本実施形態において抵抗３６は、消耗電極１５に接続されている。抵抗３６は母材Ｗに接続されていてもよい。スイッチ回路３７は、たとえばトランジスタを含む。スイッチ回路３７は、抵抗３６と並列に接続されている。スイッチ回路３７はくびれ検出信号Ｎｄを受け、オンオフの切替を行う。スイッチ回路３７は、受けているくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルの場合には、オン状態となり抵抗３６が短絡される。一方、スイッチ回路３７は、受けているくびれ検出信号ＮｄがＬｏｗレベルの場合には、オフ状態となり、溶接電流Ｉｗの通電路に抵抗３６が挿入されることとなる。

送給制御回路３８は、溶接トーチ１４から消耗電極１５を送り出す速度（送給速度Ｆｗ）を制御するためのものである。送給制御回路３８は、送給速度Ｆｗを指示するための送給速度制御信号Ｆｃを送給機構１６１に送る。

次に、図３〜図５をさらに用いて、アーク溶接システムＡ１を用いたアーク溶接方法について説明する。図３に、本実施形態にかかる方法における各信号等の一部についてのタイミングチャートを示す。

本実施形態にかかる方法においては、（１）溶滴移行期間Ｔ１と、（２）アーク継続準備期間Ｔ２と、（３）アーク継続期間Ｔ３と、を含む単位溶接期間Ｔαを繰り返す。

（１）溶滴移行期間Ｔ１
図４に、溶滴移行期間Ｔ１におけるタイミングチャートを示す。図４における時間のスケールは、図３における時間のスケールよりも極めて小さい。溶滴移行期間Ｔ１は、消耗電極１５から母材Ｗへと溶滴を移行させるための期間である。本実施形態において、図３、図４に示すように、溶滴移行期間Ｔ１中は、常に、ロボット移動速度ＶＲは一定の値ｖ１であり、送給速度Ｆｗは一定の値ｆｗ１である。値ｖ１は０（すなわち溶接トーチ１４が母材Ｗに対して停止している）であり、値ｆｗ１はたとえば２００〜８００ｃｍ／ｍｉｎである。溶滴移行期間Ｔ１における溶接電流Ｉｗの絶対値の時間平均値は、第１値ｉｗ１である。第１値ｉｗ１は、たとえば、１００〜２５０Ａである。また、溶滴移行期間Ｔ１における溶接電流Ｉｗの絶対値の最大値は、第２値ｉｐ１である。第２値ｉｐ１は、たとえば、２００〜４００Ａである。図４に示すように、溶滴移行期間Ｔ１においては、消耗電極１５と母材Ｗとが短絡している短絡期間Ｔｓと、消耗電極１５と母材Ｗとの間にアークが発生しているアーク発生期間Ｔａとが交互に繰り返される。

＜短絡期間Ｔｓ（時刻ｔ１〜時刻ｔ３）＞
図４の短絡期間Ｔｓでは、消耗電極１５と母材Ｗとが短絡している状態にある。

時刻ｔ１において、溶滴１５１と母材Ｗとが接触し、消耗電極１５と母材Ｗとが短絡する。消耗電極１５と母材Ｗとが短絡すると、溶接電流Ｉｗは、アークａ１を介さずに、消耗電極１５から母材Ｗへと直接流れることとなる。そのため、同図（ｃ）に示すように、消耗電極１５と母材Ｗとが短絡すると、溶接電圧Ｖｗが急激に低下し、値ｖｗ１（たとえば数Ｖ程度）に変化する。同図（ｂ）に示すように、時刻ｔ１〜時刻ｔ２においては、電源特性切替信号Ｓｗは、Ｈｉｇｈレベルとなっている。すなわち、電源回路３１の電源特性は定電圧特性となっている。

時刻ｔ１〜時刻ｔ２において、溶接電流Ｉｗの値はしだいに大きくなる。従来から、消耗電極１５と母材Ｗとの短絡の開放時（本実施形態では時刻ｔ３）における溶接電流Ｉｗの値が大きいほど、短絡の開放時におけるスパッタの発生量が大きいことが知られている。短絡の開放時におけるスパッタの発生量を低減するべく、以下のように、短絡の開放前に溶接電流Ｉｗの値を小さくする。

同図（ｓ２）に示すように、時刻ｔ１〜時刻ｔ２において、消耗電極１５の一部が溶滴１５１に変化する。その後、溶滴１５１を流れる溶接電流Ｉｗによる電磁的ピンチ力によって、溶滴１５１の上部にくびれａ２が発生する。くびれａ２が発生すると、その径は急激に小さくなる。そして、くびれａ２が発生した時点から極めて短い時間（数１００μｓｅｃ）が経過したのちに、消耗電極１５と母材Ｗとの短絡が開放されるとともに消耗電極１５と母材Ｗとの間にアークａ１が再発生する。すなわち、くびれａ２の発生は、短絡の開放の前兆現象といえる。本実施形態においては、このような前兆現象たるくびれａ２の発生を、時刻ｔ２において、くびれ検出回路３５が検出する。

上述のように、くびれ検出回路３５によるくびれの検出は、溶接電圧Ｖｗの値を検出することにより行う。くびれ検出回路３５は、たとえば、消耗電極１５と母材Ｗとが短絡した後に溶接電圧Ｖｗが値ｖｗ１からある値ｖｔｈ以上増加した場合に、くびれが生じたと判断する。もしくは、くびれ検出回路３５は、たとえば、消耗電極１５と母材Ｗとが短絡した後に溶接電圧Ｖｗの時間微分値がある値を超えた場合に、くびれが生じたと判断する。

図４（ｇ）に示すように、時刻ｔ２においてくびれ検出回路３５は、くびれが生じたと判断すると、ある期間の間Ｌｏｗレベルになるくびれ検出信号Ｎｄを、電流制御回路３２とスイッチ回路３７とに送る。同図（ｂ）に示すように、時刻ｔ２において、電流制御回路３２は、Ｌｏｗレベルのくびれ検出信号Ｎｄを受けると、電源特性切替回路ＳＷに送っている電源特性切替信号Ｓｗを、ＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替える。また、同図（ｆ）に示すように、電流制御回路３２は、低くびれ電流値ｉｍ１で溶接電流Ｉｗを流すための電流設定信号Ｉｒを、電流誤差計算回路ＥＩに送る。また、スイッチ回路３７は、Ｌｏｗレベルのくびれ検出信号Ｎｄを受けると、オフ状態となる。これにより、消耗電極１５や母材Ｗが構成する回路に抵抗３６が含まれることとなる。そのため、当該回路の時定数が小さくなり、溶接電流Ｉｗは低くびれ電流値ｉｍ１まで急激に減少する。

＜アーク発生期間Ｔａ（時刻ｔ３〜時刻ｔ６）＞
図４のアーク発生期間Ｔａでは、消耗電極１５と母材Ｗとの間にアークａ１が発生している状態にある。

同図（ｃ）に示すように、時刻ｔ３において、溶接電圧Ｖｗが短絡／アーク判別値ｖａを超えたとき、くびれ検出回路３５は、消耗電極１５と母材Ｗとの間にアークａ１が再発生したと判断する。このとき、同図（ｇ）に示すように、くびれ検出回路３５は、くびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させる。

同図（ｆ）に示すように、時刻ｔ３において電流制御回路３２はＨｉｇｈレベルのくびれ検出信号Ｎｄを受けると、時刻ｔ３から第１遅延期間Ｔｄ１までの間は、低くびれ電流値ｉｍ１で溶接電流Ｉｗを流すための電流設定信号Ｉｒを、電流誤差計算回路ＥＩに送り続ける。これによって、溶滴が溶融池に移行した影響による溶融池の振動がおさまるのを待つことになる。溶融池の振動がおさまってから次の工程で溶接電流Ｉｗを上昇させる。そのため、溶融池の振動と電流変化によるアーク力の変化との共振に起因するスパッタの発生を抑制できる。

電流制御回路３２は、時刻ｔ４（時刻ｔ３から第１遅延期間Ｔｄ１が経過した時）から高アーク期間ｔｕ１の間、高アーク電流値ｉｈ１で溶接電流Ｉｗを流すための電流設定信号Ｉｒを、電流誤差計算回路ＥＩに送る。また、同図（ｂ）に示すように、時刻ｔ５までは電源特性切替信号ＳｗがＬｏｗレベルであるために電源回路３１の電源特性は定電流特性である。そのため、同図（ｄ）に示すように、溶接電流Ｉｗは急激に上昇して高アーク電流値ｉｈ１に到達する。

その後、時刻ｔ５（時刻ｔ４から高アーク期間ｔｕ１が経過した時）において電源特性切替信号ＳｗがＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化する。すると、電源回路３１の電源特性は定電圧特性に切り替わる。そして時刻ｔ６に至るまで消耗電極１５と母材Ｗとの間にアークａ１が発生した状態が継続し、時刻ｔ６において、消耗電極１５と母材Ｗとが短絡する。時刻ｔ６より後は、上述の時刻ｔ１〜時刻ｔ６における工程を再び繰り返す。

このように短絡期間Ｔｓとアーク発生期間Ｔａとを複数回繰り返して、アーク継続準備期間Ｔ２に移行する。なお、一回の溶滴移行期間Ｔ１において、短絡期間Ｔｓとアーク発生期間Ｔａは、たとえば、３０〜１００回程度繰り返される。

図５は、溶滴移行期間Ｔ１からアーク継続準備期間Ｔ２に移行する際のタイミングチャートを示している。図５における時間のスケールは、図３における時間のスケールよりも極めて小さい。

＜アーク継続準備期間Ｔ２直前の短絡期間Ｔｓ（時刻ｔ７〜時刻ｔ９）＞
時刻ｔ７〜時刻ｔ９までの工程は、上述の時刻ｔ１〜時刻ｔ３までの工程と同様に行われるため、説明を省略する。

＜アーク継続準備期間Ｔ２直前のアーク発生期間Ｔａ（時刻ｔ９〜時刻ｔ１０）＞
同図（ｃ）に示すように、時刻ｔ９において、溶接電圧Ｖｗが短絡／アーク判別値ｖａを超えたとき、くびれ検出回路３５は、消耗電極１５と母材Ｗとの間にアークａ１が再発生したと判断する。このとき、同図（ｇ）に示すように、くびれ検出回路３５は、くびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させる。くびれ検出回路３５がくびれ検出信号ＮｄをＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化させる時は、この時に限られず、時刻ｔ１０以降（たとえば時刻ｔ１１）であってもよい。

同図（ｆ）に示すように、時刻ｔ９において電流制御回路３２はＨｉｇｈレベルのくびれ検出信号Ｎｄを受けると、時刻ｔ９から第２遅延期間Ｔｄ２の間は、低くびれ電流値ｉｍ１で溶接電流Ｉｗを流すための電流設定信号Ｉｒを、電流誤差計算回路ＥＩに送り続ける。これによって、溶滴が溶融池に移行した影響による溶融池の振動がおさまるのを待つことになる。溶融池の振動がおさまってから次の工程で溶接電流Ｉｗを上昇させる。そのため、溶融池の振動と電流変化によるアーク力の変化との共振に起因するスパッタの発生を抑制できる。

（２）アーク継続準備期間Ｔ２（時刻ｔ１０〜時刻ｔ１１）
電流制御回路３２は、時刻ｔ１０（時刻ｔ９から第２遅延期間Ｔｄ２が経過した時）からアーク継続準備期間Ｔ２の間、絶対値の最大値をアーク継続準備電流値ｉｈ２とする溶接電流Ｉｗを流すための電流設定信号Ｉｒを、電流誤差計算回路ＥＩに送る。本実施形態においては、アーク継続準備期間Ｔ２における溶接電流Ｉｗの波形は、一つの矩形波である。アーク継続準備電流出力期間ｔｕ２は、たとえば１０〜数１０ｍｓｅｃである。アーク継続準備電流値ｉｈ２は、上述の第２値ｉｐ１よりも大きい。アーク継続準備電流値ｉｈ２は、たとえば４００〜６００Ａである。同図（ｂ）に示すように、時刻ｔ１１までは電源特性切替信号ＳｗがＬｏｗレベルであるために電源回路３１の電源特性は定電流特性である。そのため、同図（ｄ）に示すように、溶接電流Ｉｗは急激に上昇してアーク継続準備電流値ｉｈ２に到達する。これにより、消耗電極１５は燃えあがり、消耗電極１５と母材Ｗとの離間距離は比較的大きくなる。本実施形態では、図３、図５に示すように、アーク継続準備期間Ｔ２中は、常に、ロボット移動速度は一定の値ｖ１（＝０）であり、送給速度Ｆｗは一定の値ｆｗ１である。

（３）アーク継続期間Ｔ３（時刻ｔ１１〜時刻１２）
時刻ｔ１１から、アーク継続期間Ｔ３が開始する。図５（ｄ）に示すように、アーク継続期間Ｔ３においては、溶接電流Ｉｗを絶対値の平均値をアーク継続電流値ｉｍ２で流す電流設定信号Ｉｒを、電流制御回路３２が電流誤差計算回路ＥＩに送る。アーク継続期間Ｔ３においては、溶接電流Ｉｗを直流電流として流すことが好ましい。アーク継続期間Ｔ３中は、電源特性切替信号Ｓｗは、Ｌｏｗレベルのまま維持されている。そのため、溶接電流Ｉｗは、アーク継続電流値ｉｍ２で流れることとなる。アーク継続電流値ｉｍ２は、上述の第１値ｉｗ１より小さい。アーク継続電流値ｉｍ２は、たとえば、３０〜１００Ａである。本実施形態では、図３、図５に示すように、アーク継続期間Ｔ３中は、常に、ロボット移動速度ＶＲは一定の値ｖ２であり、送給速度Ｆｗは一定の値ｆｗ２である。値ｖ２は、上述の値ｖ１より大きく、たとえば、１００ｃｍ／ｍｉｎである。値ｆｗ２は、上述の値ｆｗ１より小さく、たとえば、７０ｃｍ／ｍｉｎである。

以上のように、（１）溶滴移行期間Ｔ１と、（２）アーク継続準備期間Ｔ２と、（３）アーク継続期間Ｔ３と、を含む単位溶接期間Ｔαを繰り返すことにより、溶接を行う。

このような構成においては、アーク継続期間Ｔ３が開始する前のアーク継続準備期間Ｔ２において、絶対値の最大値をアーク継続準備電流値ｉｈ２とする溶接電流Ｉｗを流している。アーク継続準備電流値ｉｈ２は、溶滴移行期間Ｔ１における溶接電流Ｉｗの絶対値の最大値であるピーク電流値ｉｐ１よりも大きい。そのため、アーク継続準備期間Ｔ２において消耗電極１５が燃えあがり、アーク継続期間Ｔ３の開始時における、消耗電極１５と母材Ｗとの離間距離を大きくすることができる。これにより、アーク継続期間Ｔ３中に消耗電極１５と母材Ｗとが接触しにくくなる。したがって、アーク継続期間Ｔ３中に消耗電極１５と母材Ｗとが短絡することを、抑制することができる。

アーク継続期間Ｔ３においては、溶接電流Ｉｗの絶対値の平均電流値が、溶滴移行期間Ｔ１における第１値ｉｗ１より小さいアーク継続電流値ｉｈ２となっている。そのため、アーク継続期間Ｔ３中に消耗電極１５と母材Ｗとが短絡すると、この短絡はしばらくのあいだ開放されず、うろこ状のビード形状が崩れることとなる。しかしながら、本実施形態では、消耗電極１５と母材Ｗとが短絡することを抑制することができるため、ビード形状が崩れることを防止することが可能となる。

本発明の範囲は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。たとえば、上述の説明では、溶滴移行期間Ｔ１においては、短絡期間Ｔｓとアーク発生期間Ｔａとを繰り返す短絡溶接を行う例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、溶滴移行期間Ｔ１において消耗電極１５と母材Ｗとを短絡させずに溶接を行ってもよい。また、この場合、溶滴移行期間Ｔ１においては、溶接電流Ｉｗを、交流のパルス電流として出力してもよいし直流のパルス電流として出力してもよい。

また、消耗電極１５の径の大小、もしくは、溶滴移行期間Ｔ１の送給速度ｆｗ１の大小によって、アーク継続準備電流値Ｉｈ２の大きさ及び／又はアーク継続準備電流出力期間ｔｕ２の長さを変更してもよい。もしくは、消耗電極１５の径の大小、もしくは、溶滴移行期間Ｔ１の送給速度ｆｗ１の大小によって、アーク継続準備期間Ｔ２において出力する溶接電流Ｉｗを、複数個のパルス波（より具体的には矩形波）としてもよい。

消耗電極１５の径が大きい場合等には、１回のパルスによって移行させる溶滴１５１のサイズが大きくなる。移行する溶滴１５１のサイズが大きくなると、溶滴移行時にスパッタが発生することがある。溶接電流Ｉｗを複数個のパルス波として出力すると、溶滴１５１を複数個に分けて母材Ｗに移行させることができる。これにより、消耗電極１５の径が大きい場合等多くの溶滴１５１を移行させる必要があるときにも、スパッタの発生を抑制することができる。

Ａ１ アーク溶接システム
１ 溶接ロボット
１１ ベース部材
１２ アーム
１３ モータ（移動機構）
１４ 溶接トーチ
１５ 消耗電極
１５１ 溶滴
１６ ワイヤ送給装置
１６１ 送給機構
１９ コイルライナ
２ ロボット制御装置
２１ 動作制御回路
２３ ティーチペンダント
３ 溶接電源装置
３１ 電源回路
３２ 電流制御回路
３３ 設定値記憶部
３４ 電圧制御回路
３５ くびれ検出回路
３６ 抵抗
３７ スイッチ回路
３８ 送給制御回路
Ｅａ 誤差信号
ＥＩ 電流誤差計算回路
Ｅｉ 電流誤差信号
ＥＶ 電圧誤差計算回路
Ｅｖ 電圧誤差信号
Ｆｃ 送給速度制御信号
Ｆｗ 送給速度
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＨＲ１ 高アーク電流値記憶部
ｉｈ１ 高アーク電流値
ＩＨＲ２ アーク継続準備電流値記憶部
ｉｈ２ アーク継続準備電流値
ＩＭＲ１ 低くびれ電流値記憶部
ｉｍ１ 低くびれ電流値
ｉｍ２ 第１値
ＩＭＲ２ アーク継続電流値記憶部
ｉｍ２ アーク継続電流値
Ｉｒ 電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＭＣ 電力発生回路
Ｍｓ 動作制御信号
Ｎｄ くびれ検出信号
ＳＷ 電源特性切替回路
Ｓｗ 電源特性切替信号
Ｔ１ 溶滴移行期間
Ｔ２ アーク継続準備期間
Ｔ３ アーク継続期間
Ｔａ アーク発生期間
ＴＤＲ１ 第１遅延時間記憶部
ｔｄ１ 第１遅延時間
ＴＤＲ２ 第２遅延時間記憶部
ｔｄ２ 第２遅延時間
Ｔｓ 短絡期間
ＴＵＲ１ 高アーク期間記憶部
ｔｕ１ 高アーク期間
ＴＵＲ２ アーク継続準備電流出力期間記憶部
ｔｕ２ アーク継続準備電流出力期間
Ｔα 単位溶接期間
ｖａ 短絡／アーク判別値
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖｒ 電圧設定信号
ＶＲ ロボット移動速度
Ｖｗ 溶接電圧
Ｖａ 値
Ｗ 母材

Claims (7)

1. 溶滴移行期間と上記溶滴移行期間の後のアーク継続準備期間と上記アーク継続準備期間の後のアーク継続期間とを含む単位溶接期間を繰り返すアーク溶接方法であって、
   上記溶滴移行期間中に、消耗電極と母材との間に溶接電流を、絶対値の時間平均値が第１値であるように且つ絶対値の最大値が第２値であるように流すことにより、上記消耗電極から上記母材へと溶滴を移行させる工程と、
   上記アーク継続準備期間中に、上記溶接電流を、絶対値の最大値が上記第２値より大きい値であるように流す工程と、
   上記アーク継続期間中に、上記溶接電流を、絶対値の時間平均値が上記第１値より小さい値であるように流すことにより、上記消耗電極と上記母材との間にアークが発生している状態を継続させる工程と、を備える、アーク溶接方法。
2. 上記アークが発生している状態を継続させる工程においては、上記溶接電流として直流電流を流す、請求項１に記載のアーク溶接方法。
3. 上記溶滴移行期間と上記アーク継続準備期間との期間中常に、上記消耗電極を保持する溶接トーチから上記消耗電極を一定の速度で送給する工程を更に備える、請求項１または２に記載のアーク溶接方法。
4. 溶滴移行期間と上記溶滴移行期間の後のアーク継続期間とを含む単位溶接期間を繰り返し、上記溶滴移行期間中に、消耗電極と母材との間に溶接電流を、絶対値の時間平均値が第１値であるように且つ絶対値の最大値が第２値であるように流し、上記アーク継続期間中に、上記溶接電流を、絶対値の時間平均値が上記第１値より小さいアーク継続電流値であるように流す電源回路と、
   上記第２値より大きいアーク継続準備電流値を記憶するアーク継続準備電流値記憶部と、
   上記アーク継続準備電流値に基づき、上記溶接電流の値を指示する溶接電流設定信号を上記電源回路に送る電流制御回路と、
   上記消耗電極を保持する溶接トーチを上記母材に沿って相対移動させる移動機構と、
   上記溶接トーチから上記消耗電極を送給する送給機構と、を備え、
   上記電源回路は、上記溶接電流設定信号を受け、各単位溶接期間における上記溶滴移行期間と上記アーク継続期間との間のアーク継続準備期間中に、上記溶接電流を、絶対値の最大値が上記アーク継続準備電流値であるように流す、アーク溶接システム。
5. 上記アーク継続電流値を記憶するアーク継続電流値記憶部を更に備え、
   上記電流制御回路は、上記アーク継続電流値に基づき、上記溶接電流設定信号を上記電源回路に送り、上記電源回路は、上記アーク継続期間の間常に上記溶接電流として直流電流を流す、請求項４に記載のアーク溶接システム。
6. 上記消耗電極と上記母材との間に印加する溶接電圧の値を指示する溶接電圧設定信号を上記電源回路に送る電圧制御回路を更に備え、
   上記電源回路は、上記溶接電流設定信号に基づき上記溶接電流を流す定電流特性から上記溶接電圧設定信号に基づき上記溶接電圧を印加する定電圧特性に、上記溶滴移行期間中において切り替える電源特性切替回路を含む、請求項４または５に記載のアーク溶接システム。
7. 上記送給機構は、上記溶滴移行期間と上記アーク継続準備期間との期間中常に、上記溶接トーチから上記消耗電極を一定の速度で送給する、請求項４ないし６のいずれかに記載のアーク溶接システム。

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