JP2016087609A - アーク溶接制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】送給速度の正送と逆送とを周期的に繰り返す溶接において、溶接電源の出力制御を短絡時間率設定値に基づいて行い、短絡時間率設定値が変化しても溶接状態を安定に保つこと。【解決手段】送給速度Ｆｗを正送と逆送とに周期的に変化させて短絡期間とアーク期間とを発生させ、溶接中の短絡時間率を検出し、この短絡時間率検出値と予め定めた短絡時間率設定値とが等しくなるように溶接電源の出力を制御する。さらに、短絡時間率検出値と短絡時間率設定値とが等しくなるように、送給速度Ｆｗの周期Ｔｆをフィードバック制御する。これにより、短絡時間率設定値の変化に伴う溶滴移行状態の変化に対応して、送給速度Ｆｗの周期Ｔｆが適正化されるので、送給速度Ｆｗの正送と逆送との周期と短絡期間とアーク期間との周期とに同期ズレが発生することを抑制することができ、溶接状態を安定に保つことができる。【選択図】 図２

Description

本発明は、送給速度を正送と逆送とに周期的に変化させて短絡期間とアーク期間とを発生させるアーク溶接制御方法に関するものである。

一般的な消耗電極式アーク溶接では、消耗電極である溶接ワイヤを一定速度で送給し、溶接ワイヤと母材との間にアークを発生させて溶接が行なわれる。消耗電極式アーク溶接では、溶接ワイヤと母材とが短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返す溶接状態になることが多い。

溶接品質をさらに向上させるために、溶接ワイヤの正送と逆送とを周期的に繰り返して溶接する方法が提案されている。例えば、特許文献１の発明では、溶接電流設定値に応じた送給速度の平均値とし、溶接ワイヤの正送と逆送との周波数及び振幅を溶接電流設定値に応じた値としている。溶接ワイヤの正送と逆送とを繰り返す溶接方法では、定速送給の従来技術では不可能であった短絡とアークとの繰り返しの周期を所望値に設定することができるので、スパッタ発生量の削減、ビード外観の改善等の溶接品質の向上を図ることができる。

また、特許文献２の発明では、溶接ワイヤを定速送給し、アーク状態を示す指標として短絡時間率を使用し、平均送給速度に応じて目標値となる短絡時間率設定値を設定し、溶接中の短絡時間率を検出し、この短絡時間率検出値が短絡時間率設定値と等しくなるように溶接電源の出力制御を行っている。ここで、短絡時間率Ｒｓ（％）は、単位時間に占めるアーク期間の合算時間をΣＴａ（秒）、短絡期間の合算時間をΣＴｓ（秒）とすると、下式で算出することができる。
Ｒｓ＝（ΣＴｓ／（ΣＴａ＋ΣＴｓ））×１００ …（１）式
単位時間は、例えば０．１秒、１秒等である。

特許第５２０１２６６号公報 特開平８−１５５６４５号公報

短絡時間率による出力制御を行って溶接するアーク溶接制御方法において、平均送給速度が同一値であっても、継手形状、溶接速度、溶接姿勢等の溶接条件が異なると適正な短絡時間率が異なる。このために、溶接条件に応じて短絡時間率設定値を適正値に変化させる必要がある。しかし、送給速度の正送と逆送とを周期的に繰り返す溶接において、短絡時間率設定値を変化させると溶滴移行状態が変化するために、送給速度の正送と逆送との周期と短絡期間とアーク期間との周期とに同期ズレの状態が生じる。この結果、溶接状態が不安定になるという問題があった。

そこで、本発明では、送給速度の正送と逆送とを周期的に繰り返す溶接において、短絡時間率設定値が変化しても、溶接状態を安定に保つことができる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、
送給速度を正送と逆送とに周期的に変化させて短絡期間とアーク期間とを発生させ、溶接中の短絡時間率を検出し、この短絡時間率検出値が短絡時間率設定値と等しくなるように溶接電源の出力を制御して溶接するアーク溶接制御方法において、
前記短絡時間率設定値に基づいて前記送給速度の周期を変化させる、
ことを特徴とするアーク溶接制御方法である。

請求項２の発明は、前記短絡時間率検出値と前記短絡時間率設定値とが等しくなるように前記周期をフィードバック制御する、
ことを特徴とする請求項１記載のアーク溶接制御方法である。

本発明によれば、短絡時間率設定値に基づいて送給速度の周期を変化させている。これにより、短絡時間率設定値の変化に伴う溶滴移行状態の変化に対応して、送給速度の周期が適正化されるので、送給速度の正送と逆送との周期と短絡期間とアーク期間との周期との同期ズレの発生を抑制することができる。この結果、本発明では、送給速度の正送と逆送とを周期的に繰り返す溶接において、短絡時間率設定値が変化しても、溶接状態を安定に保つことができる。

本発明の実施の形態１に係るアーク溶接制御方法を実施するための溶接電源のブロック図である。 本発明の実施の形態１に係るアーク溶接制御方法を示す図１の溶接電源における各信号のタイミングチャートである。 本発明の実施の形態２に係るアーク溶接制御方法を実施するための溶接電源のブロック図である。

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。

［実施の形態１］
実施の形態１の発明は、短絡時間率設定値に基づいて送給速度の周期を変化させるものである。

図１は、本発明の実施の形態１に係るアーク溶接制御方法を実施するための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。

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、後述する駆動信号Ｄｖに従ってインバータ制御等による出力制御を行い、出力電圧Ｅを出力する。この電源主回路ＰＭは、図示は省略するが、商用電源を整流する１次整流器、整流された直流を平滑する平滑コンデンサ、平滑された直流を高周波交流に変換する上記の駆動信号Ｄｖによって駆動されるインバータ回路、高周波交流を溶接に適した電圧値に降圧する高周波変圧器、降圧された高周波交流を直流に整流する２次整流器を備えている。

リアクトルＷＬは、上記の出力電圧Ｅを平滑する。このリアクトルＷＬのインダクタンス値は、例えば２００μＨである。

送給モータＷＭは、後述する送給制御信号Ｆｃを入力として、正送と逆送とを周期的に繰り返して溶接ワイヤ１を送給速度Ｆｗで送給する。送給モータＷＭには、過渡応答性の速いモータが使用される。溶接ワイヤ１の送給速度Ｆｗの変化率及び送給方向の反転を速くするために、送給モータＷＭは溶接トーチ４の先端の近くに設置される場合がある。また、送給モータＷＭを２個使用して、プッシュプル方式の送給系とする場合もある。

溶接ワイヤ１は、上記の送給モータＷＭに結合された送給ロール５の回転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。溶接トーチ４内の給電チップ（図示は省略）と母材２との間には溶接電圧Ｖｗが印加し、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。短絡判別回路ＳＤは、この電圧検出信号Ｖｄを入力として、この値が短絡判別値（１０Ｖ程度）未満のときは短絡期間にあると判別してＨｉｇｈレベルとなり、以上のときはアーク期間にあると判別してＬｏｗレベルとなる短絡判別信号Ｓｄを出力する。

短絡時間率検出回路ＲＳＤは、上記の短絡判別信号Ｓｄを入力として、単位時間ごとに短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）である期間及びＬｏｗレベル（アーク）である期間をそれぞれ合算し、上記（１）式によって短絡時間率を算出して、短絡時間率検出信号Ｒsdを出力する。

短絡時間率設定回路ＲＳＲは、予め定めた短絡時間率設定信号Ｒsrを出力する。時間率誤差増幅回路ＥＡは、上記の短絡時間率設定信号Ｒsr及び上記の短絡時間率検出信号Ｒsdを入力として、短絡時間率設定信号Ｒsr（＋）と短絡時間率検出信号Ｒsd（−）との誤差を増幅して、時間率誤差増幅信号Ｅａを出力する。この回路によって、溶接電源は短絡時間率検出信号Ｒsdが短絡時間率設定信号Ｒsrと等しくなるようにフィードバック制御（出力制御）される。

出力電圧設定回路ＥＲは、上記の時間率誤差増幅信号Ｅａを入力として、Ｅｒ＝Ｅr0＋∫Ｅａ・ｄｔの積分を溶接中行い、出力電圧設定信号Ｅｒとして出力する。Ｅr0は予め定めた初期値である。

出力電圧検出回路ＥＤは、上記の出力電圧Ｅを検出し平滑して出力電圧検出信号Ｅｄを出力する。

電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の出力電圧設定信号Ｅｒ及び上記の出力電圧検出信号Ｅｄを入力として、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、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。この回路によって溶接電源は定電圧制御される。

駆動回路ＤＶは、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖを入力として、電圧誤差増幅信号Ｅｖに基づいてＰＷＭ変調制御を行い、上記の電源主回路ＰＭ内のインバータ回路を駆動するための駆動信号Ｄｖを出力する。

周期設定回路ＴＦＲは、上記の短絡時間率設定信号Ｒsrを入力とする予め定めた周期設定関数によって周期を算出して、周期設定信号Ｔfrとして出力する。この周期設定関数は、短絡時間率設定信号Ｒsrが大きくなるほど、周期設定信号Ｔfrの値が小さくなる関数である。周期設定関数は、実験によって予め設定されている。

振幅設定回路ＷＦＲは、予め定めた振幅設定信号Ｗfrを出力する。正送側シフト量設定回路ＳＦＲは、予め定めた正送側シフト量設定信号Ｓfrを出力する。

送給速度設定回路ＦＲは、上記の周期設定信号Ｔfr、上記の振幅設定信号Ｗfr及び上記の正送側シフト量設定信号Ｓfrを入力として、周期設定信号Ｔfrによって定まる周期及び振幅設定信号Ｗfrによって定まる振幅から形成される正弦波を、正送側シフト量設定信号Ｓfrによって定まる正送側シフト量だけシフトした送給速度パターンを送給速度設定信号Ｆｒとして出力する。この送給速度設定信号Ｆｒが０以上のときは正送期間となり、０未満のときは逆送期間となる。

送給制御回路ＦＣは、上記の送給速度設定信号Ｆｒを入力として、送給速度設定信号Ｆｒの値に相当する送給速度Ｆｗで溶接ワイヤ１を送給するための送給制御信号Ｆｃを上記の送給モータＷＭに出力する。

図２は、本発明の実施の形態１に係るアーク溶接制御方法を示す図１の溶接電源における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は送給速度Ｆｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｄ）は短絡判別信号Ｓｄの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。

同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは、０よりも上側が正送期間となり、下側が逆送期間となる。正送とは溶接ワイヤを母材に近づける方向に送給することであり、逆送とは母材から離反する方向に送給することである。送給速度Ｆｗは、正弦波状に変化しており、正送側にシフトした波形となっている。このために、送給速度Ｆｗの平均値は正の値となり、溶接ワイヤは平均的には正送されている。送給速度Ｆｗの送給速度パターンは、三角波、台形波等であっても良い。

同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは、時刻ｔ１時点では０であり、時刻ｔ１〜ｔ２の期間は正送加速期間となり、時刻ｔ２で正送の最大値となり、時刻ｔ２〜ｔ３の期間は正送減速期間となり、時刻ｔ３で０となり、時刻ｔ３〜ｔ４の期間は逆送加速期間となり、時刻ｔ４で逆送の最大値となり、時刻ｔ４〜ｔ５の期間は逆送減速期間となる。そして、時刻ｔ５〜ｔ６の期間は再び正送加速期間となり、時刻ｔ６〜ｔ７の期間は再び正送減速期間となる。したがって、送給速度Ｆｗは、時刻ｔ１〜ｔ５の周期Ｔｆ（ms）、時刻ｔ２の正送の最大値と時刻ｔ４の逆送の最大値との差である振幅Ｗｆ（m/min）及び平均送給速度となる正送側シフト量Ｓｆ（m/min）の送給速度パターンで繰り返すことになる。

同図（Ｄ）に示すように、短絡判別信号Ｓｄは、後述するように、時刻ｔ２１以前はＬｏｗレベル（アーク）となり、時刻ｔ２１〜ｔ３１の期間中はＨｉｇｈレベル（短絡）となり、時刻ｔ３１〜ｔ６１の期間中はＬｏｗレベル（アーク）となり、時刻ｔ６１以後はＨｉｇｈレベル（短絡）となる。この短絡判別信号Ｓｄが図１の短絡時間率検出回路ＲＳＤに入力されて、短絡時間率検出信号Ｒsdが出力される。短絡時間率を検出する単位時間が０．１秒であるときは、送給速度Ｆｗの５〜１０周期ごとに短絡時間率が検出されることになる。そして、図１の出力電圧設定回路ＥＲによって、この短絡時間率検出信号Ｒsdと予め定めた短絡時間率設定信号Ｒsrとが等しくなるように出力電圧設定信号Ｅｒが修正される。この結果、図１の電圧誤差増幅回路ＥＶによって、出力電圧検出信号Ｅｄがこの出力電圧設定信号Ｅｒと等しくなるように溶接電源は出力制御（定電圧制御）される。すなわち、溶接電源は、短絡時間率検出信号Ｒsdと短絡時間率設定信号Ｒsrとが等しくなるように出力制御されることになる。

周期Ｔｆは、図１の周期設定回路ＴＦＲによって設定され、短絡時間率設定信号Ｒsrの値に連動して変化する。振幅Ｗｆは、図１の振幅設定回路ＷＦＲによって所定値に設定される。正送側シフト量Ｓｆは、図１の正送側シフト量設定回路ＳＦＲによって所定値に設定される。周期Ｔｆは８〜２０ms程度の範囲で短絡時間率設定信号Ｒsrに連動して変化する。振幅Ｗｆは３０〜１００m/min程度に設定され、正送側シフト量Ｓｆは３〜２０m/min程度に設定される。

溶接ワイヤと母材との短絡は、時刻ｔ２の正送最大値の前後で発生することが多い。同図では、正送最大値の後の正送減速期間中の時刻ｔ２１で発生した場合である。時刻ｔ２１において短絡が発生すると、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖの短絡電圧値に急減し、これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、短絡判別信号ＳｄはＨｉｇｈレベル（短絡）に変化する。同時に、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは短絡期間中次第に増加する。

同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは、時刻ｔ３からは逆送期間になるので、溶接ワイヤは逆送される。この逆送及び溶接電流Ｉｗの通電によるピンチ力によって短絡が解除されて、時刻ｔ３１においてアークが再発生する。アークの再発生は、時刻ｔ４の逆送最大値の前後で発生することが多い。同図では、逆送ピーク値の前の逆送加速期間中の時刻ｔ３１で発生した場合である。したがって、時刻ｔ２１〜ｔ３１の期間が短絡期間となり、この期間中は同図（Ｄ）に示すように、短絡判別信号ＳｄはＨｉｇｈレベルとなる。る。

時刻ｔ３１においてアークが再発生すると、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数十Ｖのアーク電圧値に急増し、これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、短絡判別信号ＳｄはＬｏｗレベル（アーク）に変化する。同時に、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、短絡期間中の最大値の状態から変化を開始する。

時刻ｔ３１〜ｔ５の期間中は、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは逆送状態であるので、溶接ワイヤは引き上げられてアーク長は次第に長くなる。アーク長が長くなると、溶接電圧Ｖｗは大きくなり、図１の電圧誤差増幅回路ＥＶによって定電圧制御されているので溶接電流Ｉｗは小さくなる。したがって、時刻ｔ３１〜ｔ５のアーク期間逆送期間Ｔar中は、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは次第に大きくなり、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは次第に小さくなる。

そして、次の短絡が、時刻ｔ６〜ｔ７の正送減速期間中の時刻ｔ６１に発生する。但し、時刻ｔ６１に発生した短絡は、時刻ｔ２１に発生した短絡よりも正送最大値からの時間（位相）が遅くなっている。このように短絡が発生するタイミングは、ある程度のばらつきを有している。時刻ｔ３１〜ｔ６１の期間がアーク期間となり、この期間中は、同図（Ｄ）に示すように、短絡判別信号ＳｄはＬｏｗレベルとなる。時刻ｔ５〜ｔ６１の期間中は、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは正送状態であるので、溶接ワイヤは正送されてアーク長は次第に短くなる。アーク長が短くなると、溶接電圧Ｖｗは小さくなり、図１の電圧誤差増幅回路ＥＶによって定電圧制御されているので溶接電流Ｉｗは大きくなる。したがって、時刻ｔ５〜ｔ６１のアーク期間正送期間Ｔas中は、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは次第に小さくなり、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは次第に大きくなる。

上述したように、平均送給速度が同一値であっても、継手形状、溶接速度、溶接姿勢等の溶接条件が異なると適正な短絡時間率が異なる。このために、溶接条件に応じて短絡時間率設定値を適正値に変化させる必要がある。しかし、送給速度の正送と逆送とを周期的に繰り返す溶接において、短絡時間率設定値を変化させると溶接電源の出力が変化するために、溶滴移行状態が変化して、送給速度の正送と逆送との周期と短絡期間とアーク期間との周期とに、同期ズレの状態が生じる。

実施の形態１の発明によれば、短絡時間率設定値（短絡時間率設定信号Ｒsr）が変化すると、連動して送給速度の周期を変化させている。これにより、短絡時間率設定値の変化に伴う溶滴移行状態の変化に対応して、送給速度の周期が適正化されるので、送給速度の正送と逆送との周期と短絡期間とアーク期間との周期との同期ズレの発生を抑制することができる。この結果、本実施の形態では、送給速度の正送と逆送とを周期的に繰り返す溶接において、短絡時間率設定値が変化しても、溶接状態を安定に保つことができる。

［実施の形態２］
実施の形態２の発明は、短絡時間率検出値と短絡時間率設定値とが等しくなるように送給速度の周期をフィードバック制御するものである。

図３は、本発明の実施の形態２に係るアーク溶接制御方法を実施するための溶接電源のブロック図である。同図は上述した図１と対応しており、同一ブロックには同一符号を付して、それらの説明は繰り返さない。同図は、図１に送給誤差増幅回路ＥＦを追加し、図１の周期設定回路ＴＦＲを第２周期設定回路ＴＦＲ２に置換したものである。以下、同図を参照して、これらのブロックについて説明する。

送給誤差増幅回路ＥＦは、短絡時間率設定信号Ｒsr（＋）と短絡時間率検出信号Ｒsd（−）との誤差を増幅して、送給誤差増幅信号Ｅｆを出力する。この回路と上記の時間率誤差増幅回路ＥＡとは増幅率が異なっている。

第２周期設定回路ＴＦＲ２は、上記の送給誤差増幅信号Ｅｆを入力として、送給誤差増幅信号Ｅｆを溶接中積分して、周期設定信号Ｔfrを出力する。積分は、Ｔfr＝Ｔf0＋∫Ｅｆ・ｄｔとして表すことができる。ここで、Ｔf0は予め定めた初期値である。この回路によって、短絡時間率検出信号Ｒsdが短絡時間率設定信号Ｒsrと等しくなるように周期設定信号Ｔfrがフィードバック制御されて、溶接中刻々と変化する。

本発明の実施の形態２に係るアーク溶接制御方法を示す図３の溶接電源における各信号のタイミングチャートは、上述した図２と同一であるので、説明は繰り返さない。但し、図２に示す周期Ｔｆは、図３の送給誤差増幅回路ＥＦ及び第２周期設定回路ＴＦＲ２によって、短絡時間率検出信号Ｒsdが短絡時間率設定信号Ｒsrと等しくなるようにフィードバック制御される点は異なる。

実施の形態２の発明によれば、短絡時間率検出値と短絡時間率設定値とが等しくなるように送給速度の周期をフィードバック制御している。これにより、短絡時間率設定値の変化に伴う溶滴移行状態の変化に対応して、短絡時間率検出値が短絡時間率設定値と等しくなるように送給速度の周期がフィードバック制御される。短絡時間率検出値が短絡時間率設定値と等しくなる状態とは、送給速度の正送と逆送との周期と短絡期間とアーク期間との周期との同期ズレが発生しておらず、溶接状態が安定している状態である。実施の形態２の発明では、実施の形態１の発明のように周期設定関数を実験によって求めておく必要がないために、生産準備を効率化することができる。さらに、種々な溶接条件において、短絡時間率設定値が変化しても、フィードバック制御によって送給速度の周期が最適化されるので、常に安定した溶接状態を得ることができる。

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
ＤＶ 駆動回路
Ｄｖ 駆動信号
Ｅ 出力電圧
ＥＡ 時間率誤差増幅回路
Ｅａ 時間率誤差増幅信号
ＥＤ 出力電圧検出回路
Ｅｄ 出力電圧検出信号
ＥＦ 送給誤差増幅回路
Ｅｆ 送給誤差増幅信号
ＥＲ 出力電圧設定回路
Ｅｒ 出力電圧設定信号
ＥＶ 電圧誤差増幅回路
Ｅｖ 電圧誤差増幅信号
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
Ｆｗ 送給速度
Ｉｗ 溶接電流
ＰＭ 電源主回路
Ｒｓ 短絡時間率
ＲＳＤ 短絡時間率検出回路
Ｒsd 短絡時間率検出信号
ＲＳＲ 短絡時間率設定回路
Ｒsr 短絡時間率設定信号
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
Ｓｆ 正送側シフト量
ＳＦＲ 正送側シフト量設定回路
Ｓfr 正送側シフト量設定信号
Ｔar アーク期間逆送期間
Ｔas アーク期間正送期間
Ｔｆ 送給速度の周期
ＴＦＲ 周期設定回路
Ｔfr 周期設定信号
ＴＦＲ２ 第２周期設定回路
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖｗ 溶接電圧
Ｗｆ 振幅
ＷＦＲ 振幅設定回路
Ｗfr 振幅設定信号
ＷＬ リアクトル
ＷＭ 送給モータ

Claims (2)

1. 送給速度を正送と逆送とに周期的に変化させて短絡期間とアーク期間とを発生させ、溶接中の短絡時間率を検出し、この短絡時間率検出値が短絡時間率設定値と等しくなるように溶接電源の出力を制御して溶接するアーク溶接制御方法において、
   前記短絡時間率設定値に基づいて前記送給速度の周期を変化させる、
   ことを特徴とするアーク溶接制御方法。
2. 前記短絡時間率検出値と前記短絡時間率設定値とが等しくなるように前記周期をフィードバック制御する、
   ことを特徴とする請求項１記載のアーク溶接制御方法。

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