JP2016187817A - ２ワイヤ溶接のクレータ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】２ワイヤ溶接のクレータ制御において、クレータ部を健全な形状に整形すること。
【解決手段】定常期間中は、溶接ワイヤと母材との間にアークを発生させると共に、このアークによって形成された溶融池に溶接ワイヤから後方の挿入位置にフィラーワイヤを送給して行う２ワイヤ溶接のクレータ制御方法において、クレータ制御期間中は、溶接ワイヤ及び前記フィラーワイヤの送給を継続し、アークを発生させたままで、溶接ワイヤの溶接狙い位置ａを停止させ、フィラーワイヤの挿入位置ｂを溶接狙い位置ａを中心点として破線で示す円周上を回転させながらクレータ制御を行う。これにより、フィラーワイヤを全円周方向から挿入することができるので、健全な形状のクレータ部を形成することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、定常期間中は、溶接ワイヤと母材との間にアークを発生させると共に、このアークによって形成された溶融池に溶接ワイヤから後方の挿入位置にフィラーワイヤを送給して行う２ワイヤ溶接のクレータ制御方法に関するものである。

先行する消耗電極アークによって形成された溶融池に、斜め後方からフィラーワイヤを接触させながら送給して行う２ワイヤ溶接方法は、消耗電極アークの溶接ワイヤとフィラーワイヤとの２つのワイヤを使用するために高速溶接性及び高溶着性に優れている。特に、２ワイヤ溶接方法によって高速溶接を行うときには、ハンピングビードになるのを防止するために、フィラーワイヤを消耗電極アークよりも後方から溶融池に接触させて送給することが重要である。これは、フィラーワイヤを消耗電極アークの発生部内に送給して溶融すると、溶融池の冷却効果が小さくなり、かつ、フィラーワイヤによって溶融池の後半部の盛り上がりを抑えることもできないためにハンピングビードを抑制する効果はほとんどないからである。これに対して、フィラーワイヤをアークの発生部外の溶融池の後半部に接触させて送給し、溶融池の熱によって溶融するようにすれば溶融池が効率よく冷却され、かつ、フィラーワイヤによって溶融池後半部が抑えられてハンピングビードの形成を抑制することができる。以下の説明においては、消耗電極アークのワイヤを溶接ワイヤと記載し、フィラーワイヤとは区別することにする。消耗電極アークを発生させる溶接法としては、炭酸ガスアーク溶接法、マグ溶接法、ミグ溶接法、パルスマグ溶接法、パルスミグ溶接法、消耗電極交流パルスアーク溶接法等が使用される。

２ワイヤ溶接の溶接終了時は、溶接トーチを停止させた状態で、フィラーワイヤの送給を停止又は減速して消耗電極アークによってクレータ制御を行う。クレータ制御期間中にフィラーワイヤの送給を停止又は減速する理由は、以下のとおりである。クレータ制御期間中は、健全なクレータ部を形成するために、溶接ワイヤの送給速度を定常期間よりも４０〜７０％程度に減速する。この結果、消耗電極アークを通電する溶接電流の値も小さくなるので、溶融池の温度も定常期間よりも低下する。このために、クレータ制御期間中にフィラーワイヤを溶融池に定常期間中と同一の送給速度で送給すると充分に溶融することができずに、溶融不良となってしまう場合があるからである。したがって、２ワイヤ溶接では、クレータ制御期間中はフィラーワイヤの送給を停止又は減速してクレータ制御を行うのが一般的であった。

これに対して、特許文献１の発明では、クレータ制御期間中はフィラーワイヤに溶接電流を通電して加熱することによって、クレータ制御期間中も定常期間中と同一の送給速度でフィラーワイヤの送給を継続するものである。

特許文献２の発明では、クレータ制御期間中は溶接ワイヤとフィラーワイヤとのワイヤ間距離を短くしてアークに近づけることによって、クレータ制御期間中も定常期間中と同一の送給速度でフィラーワイヤの送給を継続するものである。

ここで、クレータ制御とは、溶接終了前に、消耗電極アークの圧力によって窪んだ状態にある溶融池に溶接ワイヤ及びフィラーワイヤを充填して健全なビード部を形成することである。

２ワイヤ溶接は、高溶着溶接が可能であるために、１．５m/min以上の高速溶接で使用されることが多い。高速溶接において、溶融地からの熱によってフィラーワイヤを安定して溶融するためには、アークに大電流を通電して大きな溶融池を形成する必要がある。このために、溶融池は消耗電極アークからの圧力によって大きく窪んだ状態となる。このような状態において、上述した従来技術のようにフィラーワイヤの送給速度を減速すると、大きな窪みを埋めることができずに、不健全な形状のクレータ部となる場合があった。特許文献１及び２の発明を適用すればフィラーワイヤを減速する必要がなくなり、大きな窪みを埋めることができる。しかし、特許文献１の発明を適用するためには、フィラーワイヤに溶接電流を通電するためにもう１台の溶接電源が必要になる。特許文献２の発明を適用するためには、ワイヤ間距離を短くするための駆動機構が必要になる。どちらの場合でも溶接装置が高額になるという問題があった。

特開２０１３−５９７６７号公報 特開２０１３−７５３０３号公報

そこで、本発明では、２ワイヤ溶接によって高速溶接を行うときに、特別な装置を追加することなく、クレータ部を健全な形状に整形することができる２ワイヤ溶接のクレータ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、
定常期間中は、溶接ワイヤと母材との間にアークを発生させると共に、このアークによって形成された溶融池に前記溶接ワイヤから後方の挿入位置にフィラーワイヤを送給して行う２ワイヤ溶接のクレータ制御方法において、
クレータ制御期間中は、前記溶接ワイヤ及び前記フィラーワイヤの送給を継続し、前記アークを発生させたままで、前記溶接ワイヤの溶接狙い位置を停止させ、前記フィラーワイヤの前記挿入位置を前記溶接狙い位置を中心点として回転させながらクレータ制御を行う、
ことを特徴とする２ワイヤ溶接のクレータ制御方法である。

請求項２の発明は、前記フィラーワイヤの前記挿入位置を、１回転させる、
ことを特徴とする請求項１記載の２ワイヤ溶接のクレータ制御方法である。

請求項３の発明は、前記フィラーワイヤの前記挿入位置を、１回転させた後に逆向きにもう１回転させる、
ことを特徴とする請求項１記載の２ワイヤ溶接のクレータ制御方法である。

請求項４の発明は、前記フィラーワイヤの前記挿入位置を、所定角度で一時停止させながら回転させる、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の２ワイヤ溶接のクレータ制御方法である。

本発明によれば、クレータ制御期間中は、フィラーワイヤを、従来技術のように１方向から挿入するのではなく、全円周方向から挿入することができるので、フィラーワイヤが減速して溶着量が減少していても健全な形状のクレータ部を形成することができる。このときに、特別な装置の追加を必要としない。

本発明の実施の形態１に係る２ワイヤ溶接のクレータ制御方法を実施するための溶接装置の構成図である。 本発明の実施の形態１に係る２ワイヤ溶接のクレータ制御方法を説明するための図１における各信号のタイミングチャートである。 クレータ制御期間Ｔｃ中のフィラーワイヤの挿入位置ｂの回転の様子を示す溶接終了部の模式図である。

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の発明では、２ワイヤ溶接のクレータ制御方法において、クレータ制御期間中は、溶接ワイヤ及びフィラーワイヤの送給を継続し、消耗電極アークを発生させたままで、溶接ワイヤの溶接狙い位置を停止させ、フィラーワイヤの挿入位置を溶接狙い位置を中心点として回転させながらクレータ制御を行う。

図１は、本発明の実施の形態１に係る２ワイヤ溶接のクレータ制御方法を実施するための溶接装置の構成図である。以下、同図を参照して、各構成物について説明する。

本溶接装置は、破線で囲まれた溶接トーチＷＴ、溶接電源ＰＳ、ロボット制御装置ＲＣ及びロボット（図示は省略）を備えている。

溶接トーチＷＴは、溶接ワイヤ１ａに給電するための給電チップ４ａ、フィラーワイヤ１ｂを挿入位置にガイドするための送給ガイド４ｂを備えている。

溶接トーチＷＴの先端からは炭酸ガス、炭酸ガスとアルゴンガスとの混合ガス等のシールドガス（図示は省略）が噴出している。溶接トーチＷＴは、ロボット（図示は省略）によって保持されて、ロボット制御装置ＲＣ内に記憶されている作業プログラムに従って、溶接線に沿って移動される。したがって、溶接トーチＷＴの移動に伴い溶接ワイヤ１ａ及びフィラーワイヤ１ｂが共に移動する。以下の説明において、溶接トーチＷＴの移動と溶接ワイヤ１ａ及びフィラーワイヤ１ｂの移動とは同じことを意味している。

溶接ワイヤ１ａは、溶接ワイヤ用送給モータＷＭに結合された溶接ワイヤ用送給ロール５ａの回転によって溶接トーチＷＴ内を溶接ワイヤ送給速度Ｗｓで送給されて、母材２との間で消耗電極アーク３ａが発生する。

フィラーワイヤ１ｂは、フィラーワイヤ用送給モータＦＭに結合されたフィラーワイヤ用送給ロール５ｂの回転によって送給ガイド４ｂ内をフィラーワイヤ送給速度Ｆｓで送給されて、溶融池２ａの後半部に接触された状態で挿入される。同図の溶接部は、定常期間の状態を示している。

溶接ワイヤ１ａと母材２との間には溶接電圧Ｖwwが印加されており、消耗電極アーク３ａ中を溶接電流Ｉwwが通電している。同図では、溶接方向は左方向となっている。先行する消耗電極アーク３ａによって溶融池２ａが形成される。フィラーワイヤ１ｂと母材２との間には電圧は印加されておらず、電流も通電していない。フィラーワイヤ１ｂは、溶融池２ａの後半部に接触した状態で挿入されており、溶融池２ａからの熱によって溶融される。フィラーワイヤ１ｂは、消耗電極アーク３ａの発生部外を送給される。これは、上述したように、フィラーワイヤ１ｂが消耗電極アーク３ａによって直接溶融されることを防止するためである。溶接ワイヤ１ａの前進角は、０〜３０°程度の範囲であり、同図では面直（０°）の場合である。フィラーワイヤ１ｂの前進角は、２０〜５０°の範囲である。すなわち、フィラーワイヤ１ｂは、斜め前方方向に挿入されることになる。

溶接ワイヤ１ａの送給方向を示す中心線を一点鎖線で示しており、この中心線が母材２表面と交わる点が、溶接狙い位置ａとなる。フィラーワイヤ１ｂの挿入位置は、挿入位置ｂとなっている。この挿入位置ｂは、消耗電極アーク３ａの発生部よりも後方で、かつ、溶融池２ａの後方端部よりも前方となる範囲に設定される。溶接狙い位置ａと挿入位置ｂとの距離がワイヤ間距離Ｌｗ（mm）となる。ここで、溶接中の溶接トーチＷＴの位置は、上記の溶接狙い位置ａとなる。

溶接電源ＰＳは、給電チップ４ａを介して溶接ワイヤ１ａと母材２との間に、溶接電圧Ｖwwを印加することにより、溶接電流Ｉwwを通電して消耗電極アーク３ａを発生させるための電源である。溶接電源ＰＳからは、溶接ワイヤ用送給モータＷＭに対して溶接ワイヤ送給制御信号Ｗｃが送られ、溶接ワイヤ送給速度Ｗｓが制御されると共に、フィラーワイヤ用送給モータＦＭに対してフィラーワイヤ送給制御信号Ｆｃが送られ、フィラーワイヤ送給速度Ｆｓが制御される。溶接電源ＰＳから給電チップ４ａを介して溶接電圧Ｖwwが印加されるときは、溶接ワイヤ１ａが＋側とされる。給電チップ４ａの先端と溶接狙い位置ａとの距離が給電チップ・母材間距離Ｌｔ（mm）となる。溶接電源ＰＳは、通常と同様に定電圧特性の電源である。したがって、溶接電流（平均値）Ｉwwは、溶接ワイヤ送給速度Ｗｓ及び給電チップ・母材間距離Ｌｔによってその値が定まる。

ロボット制御装置ＲＣは、起動信号Ｏｎ及びクレータ制御期間信号Ｔcsを上記の溶接電源ＰＳに出力する。起動信号Ｏｎは、定常期間及びクレータ制御期間の間Ｈｉｇｈレベルになり、溶接電源の出力及び送給を制御する。クレータ制御期間信号Ｔcsは、溶接トーチＷＴが予め教示された溶接線上の溶接終了位置に到達した時点から予め定めたクレータ制御期間Ｔｃ中はＨｉｇｈレベルとなる。

図２は、本発明の実施の形態１に係る２ワイヤ溶接のクレータ制御方法を説明するための図１における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は起動信号Ｏｎの時間変化を示し、同図（Ｂ）はクレータ制御期間信号Ｔcsの時間変化を示し、同図（Ｃ）はフィラーワイヤの挿入位置の回転速度Ｓｆの時間変化を示し、同図（Ｄ）は溶接ワイヤ送給速度Ｗｓの時間変化を示し、同図（Ｅ）は溶接電流Ｉwwの時間変化を示し、同図（Ｆ）はフィラーワイヤ送給速度Ｆｓの時間変化を示す。フィラーワイヤ１ｂには、定常期間及びクレータ制御期間の両期間共に電圧は印加しておらず、電流も通電していない。以下、同図を参照して説明する。

同図において、時刻ｔ１以前は定常期間であり、溶接トーチＷＴは予め定めた溶接速度で溶接線に沿って移動しながら、後述するように定常溶接が行われる。時刻ｔ１〜ｔ２の期間が予め定めたクレータ制御期間Ｔｃであり、後述するようにクレータ制御が行われる。時刻ｔ２の後に、溶接ワイヤの溶着を防止するための５０ms程度の短いアンチスティック処理を行う期間があるが、このアンチスティック処理については従来と同様であり、本発明とは直接には関係しないので、ここでは省略している。

（１）時刻ｔ１以前の定常期間
時刻ｔ１以前の定常期間中は、溶接トーチＷＴが予め教示された溶接終了位置に到達していないので、同図（Ａ）に示すように、起動信号ＯｎはＨｉｇｈレベル（起動）となり、同図（Ｂ）に示すように、クレータ制御期間信号ＴcsはＬｏｗレベルとなる。定常期間中は、溶接トーチＷＴは予め定めた溶接速度で溶接線に沿って移動している。同図（Ｄ）に示すように、溶接ワイヤ送給速度Ｗｓは予め定めた値Ｗs1となっている。同図（Ｅ）に示すように、溶接電流Ｉwwは、溶接ワイヤ送給速度Ｗs1によって定まる値Ｉ１となる。同図（Ｆ）に示すように、フィラーワイヤ送給速度Ｆｓは予め定めた値Ｆs1となっている。フィラーワイヤ送給速度Ｆs1は、溶接ワイヤ送給速度Ｗs1の２０〜４０％程度である。同図（Ｃ）に示すように、フィラーワイヤの挿入位置の回転速度Ｓｆは０であり、回転していない。

（２）時刻ｔ１〜ｔ２のクレータ制御期間Ｔｃ
時刻ｔ１において、溶接トーチＷＴが上記の溶接終了位置に到達すると、同図（Ｂ）に示すように、クレータ制御期間信号ＴcsがＨｉｇｈレベルに変化し、クレータ制御期間Ｔｃが経過後の時刻ｔ２においてＬｏｗレベルに戻る。クレータ制御期間Ｔｃ中は、溶接トーチＷＴは溶接終了位置に停止する。したがって、溶接ワイヤ１ａの溶接狙い位置ａはも溶接終了位置で停止する。クレータ制御期間Ｔｃ中も消耗電極アーク３ａは発生状態を継続しており、同図（Ｄ）に示すように、溶接ワイヤ送給速度Ｗｓは定常期間中のＷs1からＷs2へと減速する。溶接ワイヤ送給速度Ｗｓが減速するので、同図（Ｅ）に示すように、溶接電流Ｉwwは定常期間中のＩ１からＩ２へと小さくなる。同図（Ｆ）に示すように、フィラーワイヤ送給速度Ｆｓは定常期間中のＦs1からＦs2へと減速する。上記のＷs2は溶接電流Ｉ２によって溶け落ちが発生しない値に設定され、上記のＦs2は溶接電流Ｉ２で安定して溶融する値に設定される。

クレータ制御期間Ｔｃ中は、消耗電極アーク３ａを発生させた状態で、溶接狙い位置ａは溶接終了位置に停止している。溶接狙い位置ａを中心点として、ロボットの動作によって溶接トーチＷＴを回転させて、フィラーワイヤの挿入位置ｂを回転させる。このために、同図（Ｃ）に示すように、フィラーワイヤの挿入位置の回転速度Ｓｆは、クレータ制御期間Ｔｃ中は正の値となる。Ｓｆが正の値であることは時計回りに回転していることを示している。Ｓｆが負の値であるときは、時計と逆回りに回転していることを示している。時計回りとは、母材２を上面（溶接ワイヤ１ａの送給方向）から観察した場合である。

時刻ｔ２において、クレータ制御期間Ｔｃが終了すると、同図（Ｂ）に示すように、クレータ制御期間信号ＴcsはＬｏｗレベルに変化し、同図（Ａ）に示すように、起動信号ＯｎはＬｏｗレベルに変化する。起動信号ＯｎがＬｏｗレベルになると、溶接電源ＰＳは出力を停止するので、同図（Ｄ）に示すように、溶接ワイヤ送給速度Ｗｓは０となり送給は停止し、同図（Ｄ）に示すように、溶接電流Ｉwwは０となり、通電は停止して消耗電極アーク３ａは消弧する。同時に、同図（Ｆ）に示すように、フィラーワイヤ送給速度Ｆｓも０となり、送給を停止する。同図（Ｃ）に示すように、フィラーワイヤの挿入位置の回転速度Ｓｆは０となり、回転は停止する。

図３は、クレータ制御期間Ｔｃ中のフィラーワイヤの挿入位置ｂの回転の様子を示す溶接終了部の模式図である。同図は、母材２を上面から見た図であり、母材２上の溶接終了位置に溶融池２ａが形成されており、その後方にはビードが形成されている。溶接終了位置が停止中の溶接狙い位置ａとなり、黒点で示している。この溶接狙い位置ａが回転の中心点となる。溶接狙い位置ａを中心点として円が破線で描画されている。この円周が、フィラーワイヤの挿入位置ｂの回転軌跡となる。溶接狙い位置ａから後方の円周上の位置が回転角０°となり、その対向位置が回転角１８０°となる。クレータ制御期間Ｔｃ中のフィラーワイヤの挿入位置ｂの回転方法は、以下の３つの方法から選択される。

１）第１の回転方法
図２（ｃ）に示すように、フィラーワイヤの挿入位置ｂを、クレータ制御期間Ｔｃ中に、０°から時計回りに３６０°回転（１回転）させる。すなわち、消耗電極アーク３ａが溶接狙い位置ａで発生している状態で、フィラーワイヤ１ｂが円周上を挿入されながら１回転してクレータ制御が行われる。回転方向は、反時計回りでも良い。この方法においては、クレータ制御期間Ｔｃ中に溶接ワイヤ１ａ及びフィラーワイヤ１ｂの送給速度を定常期間中よりも減速させて、送給を継続する。そして、フィラーワイヤの挿入位置ｂを消耗電極アーク３ａを中心点として１回転させる。これにより、フィラーワイヤ１ｂを、従来技術のように１方向から挿入するのではなく、全円周方向から挿入することができるので、フィラーワイヤ１ｂが減速して溶着量が減少していても健全な形状のクレータ部を形成することができる。

２）第２の回転方法
フィラーワイヤの挿入位置ｂを、クレータ制御期間Ｔｃ中に、０°から時計回りに３６０°回転（１回転）させ、その後に逆回りにもう１回転させる。すなわち、消耗電極アーク３ａが溶接狙い位置ａで発生している状態で、フィラーワイヤ１ｂが円周上を挿入されながら１回転した後に逆回りにもう１回転してクレータ制御が行われる。１回転目の回転方向は反時計回りでも良い。この方法では、１）の方法の効果に加えて、溶接トーチＷＴのケーブルが１回転目にロボットの回転軸に巻きついた状態になるのを２回転目で戻すことができるので、次の溶接個所への移動がスムーズになる。

３）第３の回転方法
フィラーワイヤの挿入位置ｂを上記の第１又は第２の回転方法で回転中に、所定角度で一時停止させる。所定角度は、例えば０°及び１８０°である。この方法では、第１及び第２の回転方法の効果に加えて、一時停止している時間を調整することによってクレータ制御期間Ｔｃの時間長さを簡単に調整することができるので、溶接条件の設定が容易になる。

上述した実施の形態１によれば、クレータ制御期間中は、溶接ワイヤ及びフィラーワイヤの送給を継続し、アークを発生させたままで、溶接ワイヤの溶接狙い位置を停止させ、フィラーワイヤの挿入位置を溶接狙い位置を中心点として回転させながらクレータ制御を行う。これにより、実施の形態１では、フィラーワイヤを、従来技術のように１方向から挿入するのではなく、全円周方向から挿入することができるので、フィラーワイヤが減速して溶着量が減少していても健全な形状のクレータ部を形成することができる。このときに、特別な装置を追加する必要はない。

１ａ 溶接ワイヤ
１ｂ フィラーワイヤ
２ 母材
２ａ 溶融池
３ａ 消耗電極アーク
４ａ 給電チップ
４ｂ 送給ガイド
５ａ 溶接ワイヤ用送給ロール
５ｂ フィラーワイヤ用送給ロール
ａ 溶接ワイヤの溶接狙い位置
ｂ フィラーワイヤの挿入位置
Ｆｃ フィラーワイヤ送給制御信号
ＦＭ フィラーワイヤ用送給モータ
Ｆｓ フィラーワイヤ送給速度
Ｉww 溶接電流
Ｌｔ 給電チップ・母材間距離
Ｌｗ ワイヤ間距離
Ｏｎ 起動信号
ＰＳ 溶接電源
ＲＣ ロボット制御装置
Ｓｆ フィラーワイヤの挿入位置の回転速度
Ｔｃ クレータ制御期間
Ｔcs クレータ制御期間信号
Ｖww 溶接電圧
Ｗｃ 溶接ワイヤ送給制御信号
ＷＭ 溶接ワイヤ用送給モータ
Ｗｓ 溶接ワイヤ送給速度
ＷＴ 溶接トーチ

Claims (4)

1. 定常期間中は、溶接ワイヤと母材との間にアークを発生させると共に、このアークによって形成された溶融池に前記溶接ワイヤから後方の挿入位置にフィラーワイヤを送給して行う２ワイヤ溶接のクレータ制御方法において、
   クレータ制御期間中は、前記溶接ワイヤ及び前記フィラーワイヤの送給を継続し、前記アークを発生させたままで、前記溶接ワイヤの溶接狙い位置を停止させ、前記フィラーワイヤの前記挿入位置を前記溶接狙い位置を中心点として回転させながらクレータ制御を行う、
   ことを特徴とする２ワイヤ溶接のクレータ制御方法。
2. 前記フィラーワイヤの前記挿入位置を、１回転させる、
   ことを特徴とする請求項１記載の２ワイヤ溶接のクレータ制御方法。
3. 前記フィラーワイヤの前記挿入位置を、１回転させた後に逆向きにもう１回転させる、
   ことを特徴とする請求項１記載の２ワイヤ溶接のクレータ制御方法。
4. 前記フィラーワイヤの前記挿入位置を、所定角度で一時停止させながら回転させる、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の２ワイヤ溶接のクレータ制御方法。

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