JP2015020206A - アーク溶接制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】交流ＴＩＧ溶接によって例えば板厚１ｍｍのアルミニウム材の突合せ溶接を行う場合、溶け落ちの防止と気孔欠陥の抑制とを両立することは非常に困難である。
【解決手段】非消耗電極の極性がマイナスであるＥＮ期間と、前記非消耗電極の極性がプラスであるＥＰ期間とを繰り返して、交流出力を行う非消耗電極式のアーク溶接制御方法であって、前記ＥＮ期間において、前記ＥＰ期間から前記ＥＮ期間に転流した後の第１の時点の電流値からピーク電流値までの、単位時間当たりの電流の増加量である電流の増加傾きが、前記第１の時点からは時間の経過に伴って大きくなり、その後、前記ピーク電流値に向かって時間の経過に伴って小さくなるように溶接電流を制御し、また、ＥＮ期間のピーク電流値と、ＥＰ期間のピーク電流値とは、大きさが異なるように制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、交流ＴＩＧ溶接等の非消耗電極式のアーク溶接において、特に薄板のアルミニウムの施工を行う際に良好な作業性で溶接が可能であり、ブローホールなどの気孔欠陥を抑制することができるアーク溶接制御方法に関する。

交流ＴＩＧ溶接でアルミニウムの薄板を溶接する際、矩形波や正弦波などの波形が用いられる（例えば、特許文献１や特許文献２参照）。図４に、正弦波の波形の例を示す。そして、用いる波形モードを選択し、溶接電流や非消耗電極の極性がプラスとなるＥｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｐｌｕｓ期間（以下ＥＰ期間とする）を調整し、さらには、適正な溶接速度で作業することにより、裏抜けなく、溶接欠陥を防止し、美麗なビード外観を得ることができる。このように、溶接条件や溶接作業等を工夫することで、アルミニウムの薄板溶接が行われている。

特開平５−６９１４２号公報 特開昭６０−４０６７５号公報

交流ＴＩＧ溶接によりアルミニウムの薄板を溶接する場合、例えば板厚１ｍｍのアルミニウム材の突合せ溶接を行う場合、現状では、非消耗電極がプラスのＥＰ期間も非消耗電極がマイナスのＥＮ期間も、どちらも同じ大きさのピーク電流が出力される。そのため、電流設定値を下げ、溶け落ちが発生しない条件にして溶接を行わなければならない。

また、特許文献１に示すような矩形波や特許文献２に示すような正弦波が一般的によく利用されるが、これらの場合、ＥＰ期間からＥＮ期間もしくはＥＮ期間からＥＰ期間に転流した直後は、単位時間当たりの電流の増加量である電流の増加傾きが急峻である。従って、大きく、かつ、急峻にアーク力が増加し、溶融池を急峻に押し下げる。そのため、溶け落ちが発生し易く、特にアルミニウムの薄板を溶接することは難しい。

また、上述の通り、ＥＰ期間もＥＮ期間も同じピーク電流が流れる。そのため、溶け落ちしないようにピーク電流を下げると、溶融池の揺動も少なくなり、ブローホールなどの気孔欠陥が発生しやすい状況にあった。

このように、溶け落ちの防止と気孔欠陥の抑制とを両立することは非常に困難である。

上記課題を解決するために、本発明のアーク溶接制御方法は、非消耗電極の極性がマイナスであるＥＮ期間と、前記非消耗電極の極性がプラスであるＥＰ期間とを繰り返して、交流出力を行う非消耗電極式のアーク溶接制御方法であって、前記ＥＮ期間において、前記ＥＰ期間から前記ＥＮ期間に転流した後の第１の時点の電流値からピーク電流値までの、単位時間当たりの電流の増加量である電流の増加傾きが、前記第１の時点からは時間の経過に伴って大きくなり、その後、前記ピーク電流値に向かって時間の経過に伴って小さくなるように溶接電流を制御するものである。

また、本発明のアーク溶接制御方法は、上記に加えて、第１の時点の電流値からピーク電流値までの、単位時間当たりの電流の増加量である電流の増加傾きが、前記第１の時点から前記第１の時点の後の第２の時点までは時間の経過に伴って大きくなり、前記第２の時点から前記ピーク電流値となる時点までは時間の経過に伴って小さくなるように溶接電流を制御するものである。

また、本発明のアーク溶接制御方法は、上記に加えて、第１の時点の電流値からピーク電流値までの、単位時間当たりの電流の増加量である電流の増加傾きが、前記第１の時点から前記第１の時点の後の第２の時点までは時間の経過に伴って大きくなり、前記第２の時点から前記第２の時点の後の第３の時点までは一定であり、前記第３の時点から前記ピーク電流値となる時点までは時間の経過に伴って小さくなるように溶接電流を制御するものである。

また、本発明のアーク溶接制御方法は、上記に加えて、ＥＮ期間において、ピーク電流値の時点からＥＮ期間からＥＰ期間に転流する時点までの溶接電流を、前記ピーク電流値の時点を中心として、前記ＥＰ期間から前記ＥＮ期間に転流した時点から前記ピーク電流値の時点までの溶接電流と対称となるように制御するものである。

また、本発明のアーク溶接制御方法は、上記に加えて、前記ＥＰ期間において、前記ＥＮ期間から前記ＥＰ期間に転流した後の第４の時点の電流値からピーク電流値までの、単位時間当たりの電流の増加量である電流の増加傾きが、前記第４の時点からは時間の経過に伴って大きくなり、その後、前記ピーク電流値に向かって時間の経過に伴って小さくなるように溶接電流を制御するものである。

また、本発明のアーク溶接制御方法は、上記に加えて、ＥＰ期間において、ピーク電流値の時点からＥＰ期間からＥＮ期間に転流する時点までの溶接電流を、前記ピーク電流値の時点を中心として、前記ＥＮ期間から前記ＥＰ期間に転流した時点から前記ピーク電流値の時点までの溶接電流と対称となるように制御するものである。

また、本発明のアーク溶接制御方法は、上記に加えて、ＥＮ期間のピーク電流値と、ＥＰ期間のピーク電流値とは、大きさが異なるものである。

また、本発明のアーク溶接制御方法は、上記に加えて、ＥＮ期間のピーク電流値は、ＥＰ期間のピーク電流値よりも大きいものである。

また、本発明のアーク溶接制御方法は、上記に加えて、ＥＮ期間からＥＰ期間に転流する時点の前後の溶接電流値および／または前記ＥＰ期間から前記ＥＮ期間に転流する時点の前後の溶接電流値は、絶対値がゼロよりも大きいものである。

本発明によれば、非消耗電極の交流溶接において、例えばアルミニウムなどの薄板溶接を低速施工でき、かつ溶接部の溶け落ちや気孔欠陥を低減することができ、極めて美麗なビード外観を実現することができる。

本発明の実施の形態１おける交流ＴＩＧ溶接機の概略構成を示す図 本発明の実施の形態１における交流ＴＩＧ溶接機の溶接電流波形の一例を示す図 本発明の実施の形態２における交流ＴＩＧ溶接機の溶接電流波形の一例を示す図 従来の交流ＴＩＧ溶接機の溶接電流波形の一例を示す図

本発明の実施の形態について、図１から図３を用いて説明する。

（実施の形態１）
本実施の形態について、図１と図２を用いて説明する。図１は、交流ＴＩＧ溶接機の概略構成を示す図である。図２は、交流ＴＩＧ溶接機の溶接電流波形の一例を示す図である。

なお、本実施の形態では、非消耗電極式の交流溶接機の一例として、ＴＩＧ溶接機について説明する。

図１において、ＴＩＧ溶接機は、３相交流入力端子１と、１次側整流部２と、平滑コンデンサ３と、１次トランジスタ部４と、溶接トランス５と、２次側整流部６と、リアクトル７と、非消耗電極であるタングステン電極８と、極性切替部１０と、ＥＰ期間電流指令値記憶部１１と、ＥＮ期間電流指令値記憶部１２と、２次トランジスタ部１３と、溶接電流設定部１４と、電流検出器１５と、インバータ駆動回路１６と、極性切替スイッチ１７と、設定部１８を有している。なお、２次トランジスタ部１３は、第１のトランジスタ１３ａと、第２のトランジスタ１３ｂと、第３のトランジスタ１３ｃと、第４のトランジスタ１３ｄを有している。

３相交流入力端子１は、ＴＩＧ溶接機の外部から交流電力を入力する。１次側整流部２は、３相交流入力端子１からの交流電力を整流する。平滑コンデンサ３は、１次側整流部２の出力を平滑する。１次トランジスタ部４は、インバータ制御により、平滑コンデンサ３の出力を交流に変換する。溶接トランス５は、１次トランジスタ部４の出力を、アーク溶接に適した電圧に降圧する。２次側整流部６とリアクトル７は、溶接トランス５の出力を整流する。２次トランジスタ部１３は、極性切替部１０からの信号に基づいて、整流された溶接トランス５の出力を交流に変換し、タングステン電極８と母材９との間に印加する。これにより、タングステン電極８と母材９との間にアークが発生し、溶接が行われる。極性切替部１０は、設定部１８の出力に基づいて、２次トランジスタ部１３と、極性切替スイッチ１７の制御を行う。すなわち、設定部１８から入力した周波数やＥＰ期間（ＥＰ時間）に基づいてＥＮ期間を求め、ＥＮ期間にはＥＮ期間に適した制御を行い、ＥＰ期間にはＥＰ期間に適した制御を行う。設定部１８は、作業者等が、設定電流や、周波数や、ＥＰ期間（クリーニング期間）等を設定するためのものである。ＥＰ期間電流指令値記憶部１１は、ＥＰ期間における溶接電流指令値（波形パラメータ）を複数記憶しており、設定部１８から入力した設定電流の情報に基づいて、適切な溶接電流指令値（波形パラメータ）を出力する。ＥＮ期間電流指令値記憶部１２は、ＥＮ期間における溶接電流指令値（波形パラメータ）を複数記憶しており、設定部１８から入力した設定電流の情報に基づいて、適切な溶接電流指令値（波形パラメータ）を出力する。なお、ＥＰ期間電流指令値記憶部１１から出力される電流指令値と、ＥＮ期間電流指令値記憶部１２から出力される電流指令値は、時々刻々変わるものである。極性切替スイッチ１７は、極性切替部１０からの信号に基づいて、溶接電流設定部１４に対して、ＥＰ期間電流指令値記憶部１１からの電流指令を伝えるのか、ＥＮ期間電流指令値記憶部１２からの電流指令を伝えるのかを切り替える。溶接電流設定部１４は、極性切替スイッチ１７から、時々刻々変わる電流指令値を入力して設定値として設定する。電流検出器１５は、ＴＩＧ溶接機の出力電流を検出する。インバータ駆動回路１６は、溶接電流設定部１４の出力と電流検出器１５の出力との比較結果に基づいて、１次トランジスタ部４を制御する。

以上のように構成されたＴＩＧ溶接機について、その動作を説明する。

交流ＴＩＧ溶接では、図２に示すように、タングステン電極８の極性がマイナスであるＥＮ期間と、タングステン電極８の極性がプラスであるＥＰ期間との、２つの期間が存在する。本実施の形態では、この２つの期間に分けて出力電流の制御を行う。

ＥＰ期間では、極性切替部１０は、２次トランジスタ部１３の第１のトランジスタ１３ａと第４のトランジスタ１３ｄをオン状態とし、第２のトランジスタ１３ｂと第３のトランジスタ１３ｃをオフ状態とする。一方、ＥＮ期間では、極性切替部１０は、２次トランジスタ部１３の第２のトランジスタ１３ｂと第３のトランジスタ１３ｃをオン状態とし、第１のトランジスタ１３ａと第４のトランジスタ１３ｄをオフ状態とする。このようなＥＰ期間とＥＮ期間の制御を行うことにより、電流方向を交番し、交流出力を得る。

先ず、ＥＮ期間の制御について説明し、次に、ＥＰ期間の制御について説明する。

ＥＮ期間では、極性切替部１０により、極性切替スイッチ１７が、ＥＮ期間電流指令値記憶部１２の側に切り替えられる。そして、ＥＮ期間電流指令値記憶部１２に記憶されている電流指令値が時々刻々読み出され、溶接電流設定部１４に設定されていく。ここで、ＥＮ期間電流指令値記憶部１２には、予め電流波形形状を決定するデータが数値として記憶されており、設定部１８で設定された設定電流やＥＰ期間設定（クリーニング幅設定）等に基づいて決定されるＥＮ期間やピーク電流に応じた溶接電流が出力される。

ここで、図２に示すように、ＥＮ期間電流指令値記憶部１２には、単位時間当たりの電流の増加量である電流の増加傾きが、ＥＮ電流開始時からは緩やかに増加し、ある時点（例えば、ＥＮ期間の１／４の時点）からは緩やかに減少し、ピーク電流に到達するような電流指令が記憶されている。ここで、前記ある時点は、固定でなくても良い。

また、ＥＮ期間電流指令値記憶部１２には、ピーク電流からの低下時は、単位時間当たりの電流の減少量である電流の減少傾きが緩やかに増加し、ある時点（例えば、ＥＮ期間の３／４の時点）からは緩やかに減少して最下点に到達するような電流指令が記憶されている。ここで、前記ある時点は、固定でなくてもよい。

また、ＥＰ期間からＥＮ期間に転流した時点からピーク電流値の時点までの立ち上がり時と、ピーク電流値の時点からＥＮ期間からＥＰ期間に転流した時点までの立ち下がり時とで、ピーク電流の時点を境として、溶接電流が対称となるように制御するようにしてもよい。このように溶接電流の波形を対称にすることで、対称にしない場合と比べて溶接を安定化することができる。

次に、ＥＰ期間の制御について説明する。

ＥＰ期間では、極性切替部１０により、極性切替スイッチ１７が、ＥＰ期間電流指令値記憶部１１の側に切り替えられる。そして、ＥＰ期間電流指令値記憶部１１に記憶されている電流指令値が時々刻々読み出され、溶接電流設定部１４に設定されていく。ここで、ＥＰ期間電流指令値記憶部１１には、予め電流波形形状を決定するデータが数値として記憶されており、設定部１８で設定された設定電流やＥＰ期間設定（クリーニング幅設定）等に基づいて決定されるＥＰ期間やピーク電流に応じた溶接電流が出力される。

ここで、図２に示すように、ＥＰ期間電流指令値記憶部１１には、単位時間当たりの電流の増加量である電流の増加傾きが、ＥＰ電流開始時からは緩やかに増加し、ある時点（例えば、ＥＰ期間の１／４の時点）からは緩やかに減少し、ピーク電流に到達するような電流指令が記憶されている。ここで、前記ある時点は、固定でなくてもよい。

また、ＥＰ期間電流指令値記憶部１１には、ピーク電流からの低下時は、単位時間当たりの電流の減少量である電流の減少傾きが緩やかに増加し、ある時点（例えば、ＥＰ期間の３／４の時点）からは緩やかに減少して最下点に到達するような電流指令が記憶されている。ここで、前記ある時点は、固定でなくてもよい。

また、ＥＮ期間からＥＰ期間に転流した時点からピーク電流値の時点までの立ち上がり時と、ピーク電流値の時点からＥＰ期間からＥＮ期間に転流した時点までの立ち下がり時とで、ピーク電流の時点を境として、溶接電流が対称となるように制御するようにしてもよい。このように溶接電流の波形を対称にすることで、対称にしない場合と比べて溶接を安定化することができる。

次に、ブローホールなどの気孔欠陥を低減するためのＥＰ期間とＥＮ期間におけるピーク電流の制御について説明する。

溶接施工を実施した場合にブローホールなどの気孔欠陥が発生する場合がある。この場合の対策として、溶融池の揺動が効果的である。

従来のように、ＥＮ期間とＥＰ期間とでピーク電流が同じ値の場合、溶融池は比較的安定し、揺動は少ない状態となる。そこで、本実施の形態では、図２に示すように、ＥＮ期間のピーク電流ＩＰ（ＥＮ）とＥＰ期間のピーク電流ＩＰ（ＥＰ）とで、大きさに差を設けている。このようにすることで、溶融池が揺動し易くなり、ブローホールなどの気孔欠陥を低減することができる。

なお、ＴＩＧ溶接の場合、ＥＰ期間では非消耗電極であるタングステン電極８の消耗が大きくなることと、ＥＮ期間の方が母材９への熱輸送が大きいことから、特に、ＥＮ期間のピーク電流をＥＰ期間のピーク電流よりも大きくすることが有効である。

次に、転流時のアーク切れ抑制のための電流制御について説明する。

交流ＴＩＧ溶接において、ＥＮ期間からＥＰ期間へ転流する際、もしくは、ＥＰ期間からＥＮ期間へ転流する際、転流前や転流後の電流値によっては、アーク切れが発生する場合がある。

従って、図２に示すように、転流前後の溶接電流値Ｉ（ＥＮ１）、Ｉ（ＥＮ２）、Ｉ（ＥＰ１）、Ｉ（ＥＰ２）を、絶対値がゼロよりも大きな値となるように制御する。これにより、転流時のアーク切れを抑制することが可能となる。

以上のように、本実施の形態によれば、交流ＴＩＧ溶接において、転流後の単位時間当たりの電流の増加量である電流の増加傾きを低減することで、溶接部にアーク力が急峻に加わらないように制御する。これにより、溶接速度を下げて行うことが可能となり、特に、アルミニウムの薄板の溶接を行う場合に有効である。そして、このような低速溶接を可能とすることにより、作業者の作業の裕度を高めることができ、また、ロボット等自動機による溶接も可能となる。

また、本実施の形態によれば、ＥＰ期間とＥＮ期間のピーク電流に差を設けることで溶融池の揺動を誘発させ、溶融池内部の気泡を放出し易くすることができる。これにより、気孔欠陥も低減することができる。

また、本実施の形態によれば、転流前後の溶接電流値を絶対値がゼロよりも大きな値を設定することで、アーク切れを回避することが可能となる。

このように、本実施の形態によれば、溶け落ちの防止と気孔欠陥の抑制とを両立することが可能となる。

（実施の形態２）
本実施の形態について、図３を用いて説明する。図３は、交流ＴＩＧ溶接機の溶接電流波形の一例を示す図である。本実施の形態において、実施の形態１と同様の箇所については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

実施の形態１と異なるのは、ＥＮ電流開始時から電流増加量単位時間当たりの電流の増加量である電流の増加傾きが緩やかに増加し、その後のある期間では増加傾きが一定となり、その後は増加傾きが緩やかに減少してピーク電流に到達するようにした点である。すなわち、増加傾きが一定となる期間を設けた点である。また、ＥＰ電流開始時から電流増加量単位時間当たりの電流の増加量である電流の増加傾きが緩やかに増加し、その後のある期間では増加傾きが一定となり、その後は増加傾きが緩やかに減少してピーク電流に到達するようにした点である。すなわち、増加傾きが一定となる期間を設けた点である。

このようにすることで、波形の形状の自由度を高めることができる。

なお、このような波形は、ＥＰ期間電流指令値記憶部１１とＥＮ期間電流指令値記憶部１２に記憶しておく。

また、ＥＰ期間からＥＮ期間に転流した時点からピーク電流値の時点までの立ち上がり時と、ピーク電流値の時点からＥＮ期間からＥＰ期間に転流した時点までの立ち下がり時とで、ピーク電流の時点を境として、溶接電流が対称となるように制御するようにしてもよい。そして、ＥＮ期間からＥＰ期間に転流した時点からピーク電流値の時点までの立ち上がり時と、ピーク電流値の時点からＥＰ期間からＥＮ期間に転流した時点までの立ち下がり時とで、ピーク電流の時点を境として、溶接電流が対称となるように制御するようにしてもよい。このように溶接電流の波形を対称にすることで、対称にしない場合と比べて溶接を安定化することができる。

また、実施の形態１と同様に、ＥＮ期間のピーク電流ＩＰ（ＥＮ）とＥＰ期間のピーク電流ＩＰ（ＥＰ）とで、大きさに差を設けることで、溶融池が揺動し易くなり、ブローホールなどの気孔欠陥を低減することができる。

また、実施の形態１と同様に、転流前後の溶接電流値Ｉ（ＥＮ１）、Ｉ（ＥＮ２）、Ｉ（ＥＰ１）、Ｉ（ＥＰ２）を絶対値がゼロよりも大きな値となるように制御することで、転流時のアーク切れを抑制することが可能となる。

本発明によれば、溶接部の溶け落ちや気孔欠陥を低減することができ、例えば非消耗電極式の交流溶接機を用いてアルミニウムの薄板を溶接する際のアーク溶接制御方法として産業上有用である。

１ ３相交流入力端子
２ １次側整流部
３ 平滑コンデンサ
４ １次トランジスタ部
５ 溶接トランス
６ ２次側整流部
７ リアクトル
８ タングステン電極
９ 母材
１０ 極性切替部
１１ ＥＰ期間電流指令値記憶部
１２ ＥＮ期間電流指令値記憶部
１３ ２次トランジスタ部
１４ 溶接電流設定部
１５ 電流検出器
１６ インバータ駆動回路
１７ 極性切替スイッチ
１８ 設定部

Claims (9)

1. 非消耗電極の極性がマイナスであるＥＮ期間と、前記非消耗電極の極性がプラスであるＥＰ期間とを繰り返して、交流出力を行う非消耗電極式のアーク溶接制御方法であって、
   前記ＥＮ期間において、前記ＥＰ期間から前記ＥＮ期間に転流した後の第１の時点の電流値からピーク電流値までの、単位時間当たりの電流の増加量である電流の増加傾きが、前記第１の時点からは時間の経過に伴って大きくなり、その後、前記ピーク電流値に向かって時間の経過に伴って小さくなるように溶接電流を制御するアーク溶接制御方法。
2. 第１の時点の電流値からピーク電流値までの、単位時間当たりの電流の増加量である電流の増加傾きが、前記第１の時点から前記第１の時点の後の第２の時点までは時間の経過に伴って大きくなり、前記第２の時点から前記ピーク電流値となる時点までは時間の経過に伴って小さくなるように溶接電流を制御する請求項１記載のアーク溶接制御方法。
3. 第１の時点の電流値からピーク電流値までの、単位時間当たりの電流の増加量である電流の増加傾きが、前記第１の時点から前記第１の時点の後の第２の時点までは時間の経過に伴って大きくなり、前記第２の時点から前記第２の時点の後の第３の時点までは一定であり、前記第３の時点から前記ピーク電流値となる時点までは時間の経過に伴って小さくなるように溶接電流を制御する請求項１記載のアーク溶接制御方法。
4. ＥＮ期間において、ピーク電流値の時点からＥＮ期間からＥＰ期間に転流する時点までの溶接電流を、前記ピーク電流値の時点を中心として、前記ＥＰ期間から前記ＥＮ期間に転流した時点から前記ピーク電流値の時点までの溶接電流と対称となるように制御する請求項１から３のいずれか１項に記載のアーク溶接制御方法。
5. 前記ＥＰ期間において、前記ＥＮ期間から前記ＥＰ期間に転流した後の第４の時点の電流値からピーク電流値までの、単位時間当たりの電流の増加量である電流の増加傾きが、前記第４の時点からは時間の経過に伴って大きくなり、その後、前記ピーク電流値に向かって時間の経過に伴って小さくなるように溶接電流を制御する請求項１から４のいずれか１項に記載のアーク溶接制御方法。
6. ＥＰ期間において、ピーク電流値の時点からＥＰ期間からＥＮ期間に転流する時点までの溶接電流を、前記ピーク電流値の時点を中心として、前記ＥＮ期間から前記ＥＰ期間に転流した時点から前記ピーク電流値の時点までの溶接電流と対称となるように制御する請求項５記載のアーク溶接制御方法。
7. ＥＮ期間のピーク電流値と、ＥＰ期間のピーク電流値とは、大きさが異なる請求項１から６のいずれか１項に記載のアーク溶接制御方法。
8. ＥＮ期間のピーク電流値は、ＥＰ期間のピーク電流値よりも大きい請求項７記載のアーク溶接制御方法。
9. ＥＮ期間からＥＰ期間に転流する時点の前後の溶接電流値および／または前記ＥＰ期間から前記ＥＮ期間に転流する時点の前後の溶接電流値は、絶対値がゼロよりも大きい請求項１から８のいずれか１項に記載のアーク溶接制御方法。

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