JP2017213578A - 非消耗電極式アーク溶接制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フィラーワイヤを使用した非消耗電極式アーク溶接において、ギャップ長の大きな薄板を高品質に溶接すること。【解決手段】フィラーワイヤを使用した非消耗電極式アーク溶接制御方法において、アーク発生状態で溶融池を形成する第１期間Ｔ１と、アークを消弧してフィラーワイヤと溶融池とを短絡状態にしてフィラーワイヤが溶融池からの熱によって溶融する第２期間Ｔ２と、アークを再発生させる第３期間Ｔ３とを備え、一定の溶接速度Ｗｓで第１期間Ｔ１〜第３期間Ｔ３を繰り返す。第２期間Ｔ２中はアークが消弧しているので、母材への入熱を小さくすることができ、薄板における溶け落ちを抑制することができる。第２期間Ｔ２中もフィラーワイヤを送給Ｆｗしているので、大きなギャップを埋めることができる。このため、ギャップ長の大きな薄板を高品質に溶接することができる【選択図】 図２

Description

本発明は、ギャップ長の大きな薄板を溶接するためのフィラーワイヤを使用した非消耗電極式アーク溶接制御方法に関するものである。

フィラーワイヤを使用した非消耗電極式アーク溶接では、タングステン等の非消耗電極と母材との間にアークを発生させ、アーク発生部にフィラーワイヤを送給しながら溶接が行われる。フィラーワイヤは、アークからの熱によって溶融して、溶融池へと移行する。非消耗電極式アーク溶接法としては、ティグ溶接法、プラズマアーク溶接法等がある。

フィラーワイヤを使用した非消耗電極式アーク溶接によってギャップ長の大きな薄板を溶接する場合、溶接電流値を大きくしフィラーワイヤの溶着量を大きくしてギャップを埋めるようにする。しかし、この方法では、母材への入熱が大きくなるために、溶け落ちが発生する場合がある。溶け落ちを防ぐために、溶接電流を小さくすると、ギャップを埋めるだけのフィラーワイヤを溶融することができなくなる。

特許文献１の発明は、いわゆるステッチパルス溶接法に関するものである。ステッチパルス溶接法では、溶接トーチを停止させてアーク発生状態にして溶融池を形成する第１工程と、溶接ワイヤの送給を停止又は非常に低速にし、かつ、アークを消弧又は低入熱のアーク発生状態にして溶接トーチを所定ピッチだけ移動させる第２工程とを繰り返す。ステッチパルス溶接法では、溶接時の入熱(第１工程)と冷却(第２工程)とをコントロールすることができるので、薄板の溶接が可能となる。しかし、この溶接法では、第２工程中は、溶接ワイヤは溶融しないので溶着量には寄与しないために、ギャップ長が大きい場合には適用することが困難となる。さらに、この溶接法では、溶接トーチの移動と停止を繰り返すために、平均溶接速度が遅くなり、溶接作業の効率が低下するという問題がある。

特許文献２の発明では、パルスアーク溶接を行う第１工程と、ショートアーク溶接を行う第２工程とを繰り返すものである。このように溶接法の種類を所定比率で切り換えることによって母材への入熱量をコントロールすることができる。しかし、この溶接法では、一般的な消耗電極式アーク溶接法を切り換えて使用するために母材への入熱が大きくなり、ギャップ長の大きな薄板を高品質に溶接することができないという問題がある。

特開２０１１−７３０３９号公報 特開２０１５−２０５３４７号公報

そこで、本発明では、ギャップ長の大きな薄板を高効率に、かつ、高品質に溶接することができるフィラーワイヤを使用した非消耗電極式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、
フィラーワイヤを使用した非消耗電極式アーク溶接制御方法において、
アーク発生状態で溶融池を形成する第１期間と、
前記アークを消弧して前記フィラーワイヤと前記溶融池とを短絡状態にして前記フィラーワイヤが前記溶融池からの熱によって溶融する第２期間と、
前記アークを再発生させる第３期間と、を備え
一定の溶接速度で前記第１期間〜前記第３期間を繰り返す、
ことを特徴とする非消耗電極式アーク溶接制御方法である。

請求項２の発明は、前記第１期間及び／又は前記第２期間を所定値に設定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の非消耗電極式アーク溶接制御方法である。

請求項３の発明は、前記第２期間中は溶接装置からの出力を停止して前記アークを消弧し、前記第３期間中は前記溶接装置からの出力を再開して前記アークを再発生させる、
ことを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載の非消耗電極式アーク溶接制御方法である。

請求項４の発明は、前記第１期間中は、ピーク電流及びベース電流の通電を複数回繰り返すパルスアーク溶接によって前記溶融池を形成する、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の非消耗電極式アーク溶接制御方法である。

本発明によれば、第１期間と第２期間との入熱を変化させ、かつ、第２期間中もフィラーワイヤを送給することによって、ギャップ長の大きな薄板を高効率に、かつ、高品質に溶接することができる。

本発明の実施の形態１に係る非消耗電極式アーク溶接制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る非消耗電極式アーク溶接制御方法を説明するための、図１の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。

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］
図１は、本発明の実施の形態１に係る非消耗電極式アーク溶接制御方法を実施するための溶接装置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、後述するインバータ駆動信号Ｄｖに従ってインバータ制御等の出力制御を行い、溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗ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、平滑された直流を上記のインバータ駆動信号Ｄｖに従って高周波交流に変換するインバータ回路、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、整流された直流を平滑するリアクトルと、を備えている。

送給モータＷＭは、後述する送給制御信号Ｆｃを入力として、送給ロール５を回転させてフィラーワイヤ６を送給速度Ｆｗで送給する。溶接トーチ４に取り付けられた非消耗電極１(以下、単に電極１という)と母材２との間にはアーク３が発生して、溶融池を形成する。アーク３中を溶接電流Ｉｗが通電し、電極１と母材２との間には溶接電圧Ｖｗが印加する。フィラーワイヤ６は、アーク３中に送給される。本発明において、母材２の材質は鋼材であり、薄板とは２mm以下の板厚であり、大きなギャップ長とは２mm以上のギャップ長である。

溶接ロボットＲＭは、上記の溶接トーチ４を把持し、教示プログラムに従って溶接トーチ４を溶接開始位置から溶接終了位置まで所定の溶接速度Ｗｓで移動させる。

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。電流通電判別回路ＣＤは、上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、この値がしきい値以上のときは溶接電流Ｉｗが通電していると判別してＨｉｇｈレベルとなる電流通電判別信号Ｃｄを出力する。しきい値は、例えば１Ａである。

第１期間設定回路Ｔ１Ｒは、予め定めた第１期間設定信号Ｔ1rを出力する。第２期間設定回路Ｔ２Ｒは、予め定めた第２期間設定信号Ｔ2rを出力する。

期間判別回路ＫＨは、上記の第１期間設定信号Ｔ1r、上記の第２期間設定信号Ｔ2r及び上記の電流通電判別信号Ｃｄを入力として、以下の処理を行い、期間判別信号Ｋｈを出力する。
１）第１期間設定信号Ｔ1rによって定まる第１期間Ｔ１中は期間判別信号Ｋｈ＝１を出力する。
２）続けて、第２期間設定信号Ｔ2rによって定まる第２期間Ｔ２中は期間判別信号Ｋｈ＝２を出力する。
３）続けて、第３期間Ｔ３中は期間判別信号Ｋｈ＝３を出力する。
４）その後に、電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベル(通電)に変化すると上記１）に戻る。

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。これにより、フィラーワイヤ６は、一定の速度で送給される。

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、この設定値に相当する送給速度Ｆｗでフィラーワイヤ６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。

電流設定回路ＩＲは、予め定めたピーク期間Ｔｐ中は予め定めたピーク電流設定値となり、予め定めたベース期間Ｔｂ中は予め定めたベース電流設定値となる電流設定信号Ｉｒ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。

インバータ駆動回路ＤＶは、上記の電流誤差増幅信号Ｅｉ及び上記の期間判別信号Ｋｈを入力として、Ｋｈ＝１又は３のときは電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってＰＷＭ変調制御を行い上記の電源主回路ＰＭのインバータ回路を駆動するためのＨｉｇｈレベルとなるインバータ駆動信号Ｄｖを出力し、Ｋｈ＝２のときはインバータ回路の出力を停止させるためのＬｏｗレベルとなるインバータ駆動信号Ｄｖを出力する。したがって、溶接装置は、第１期間Ｔ１及び第３期間Ｔ３中は電力を出力し、第２期間Ｔ２中は出力を停止する。

高電圧印加回路ＨＶは、上記の電源主回路ＰＭの出力端子間に設けられ、上記のインバータ駆動信号Ｄｖ及び上記の電流通電判別信号Ｃｄを入力として、インバータ駆動信号ＤｖがＨｉｇｈレベルになると高電圧を出力し、その後に電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルになると高電圧の出力を停止する。高電圧は、数ｋＶ、数ＭＨｚの高周波高電圧である。アーク３が消弧している状態において、インバータ駆動信号ＤｖがＨｉｇｈレベルに変化すると、電極１と母材２との間に高電圧が印加されてアーク３を点弧する。アーク３が点弧して溶接電流Ｉｗが通電すると、高電圧の印加は停止する。

図２は、本発明の実施の形態１に係る非消耗電極式アーク溶接制御方法を説明するための、図１の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。同図(Ａ)は期間判別信号Ｋｈの時間変化を示し、同図(Ｂ)はインバータ駆動信号Ｄｖの時間変化を示し、同図（Ｃ）はフィラーワイヤ６の送給速度Ｆｗの時間変化を示し、同図（Ｄ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｅ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図(Ｆ)は電流通電判別信号Ｃｄの時間変化を示し、同図(Ｇ)は溶接速度Ｗｓ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、期間判別信号Ｋｈ＝１である時刻ｔ１〜ｔ２の期間が第１期間Ｔ１となる。期間判別信号Ｋｈ＝２である時刻ｔ２〜ｔ３の期間が第２期間Ｔ２となる。期間判別信号Ｋｈ＝３である時刻ｔ３〜ｔ４の期間が第３期間Ｔ３となる。期間判別信号Ｋｈは、階段状の波形として表示しており、一番低いときがＫｈ＝１のときであり、中間のときがＫｈ＝２のときであり、一番高いときがＫｈ＝３のときである。第１期間Ｔ１及び第２期間Ｔ２は各々所定値に設定されている。第３期間Ｔ３は、第２期間Ｔ２の終了時点で開始し、同図(Ｆ）に示す電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベル（通電）に変化した時点で終了する。同図(Ｃ)に示すように、送給速度Ｆｗは全期間中所定値に設定されており、一定の速度である。同図(Ｇ)に示すように、溶接速度Ｗｓは全期間中所定値に設定されており、一定の速度である。第１期間Ｔ１は、例えば１００msであり、第２期間Ｔ２は、例えば２０msである。

(１)時刻ｔ１〜ｔ２の第１期間Ｔ１中の動作
第１期間Ｔ１中は、同図(Ｂ)に示すように、インバータ駆動信号ＤｖはＨｉｇｈレベルであるので溶接装置は電力を出力する。同図(Ｄ)に示すように、溶接電流Ｉｗは、台形波のピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂの通電を１周期として複数回繰り返す波形となる。同図(Ｅ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは、溶接電流Ｉｗと相似形の波形となる。同図(Ｆ)に示すように、電流通電判別信号Ｃｄは、アークが発生した状態であり溶接電流が通電しているのでＨｉｇｈレベルとなる。第１期間Ｔ１中は、通常のフィラーワイヤ６を使用した非消耗電極式アーク溶接が行われ、母材２に溶融池が形成される。

(２)時刻ｔ２〜ｔ３の第２期間Ｔ２中の動作
時刻ｔ２において、第１期間Ｔ１が所定値に達すると、同図(Ａ)に示すように、期間判別信号Ｋｈ＝２に変化する。これに応動して、同図(Ｂ)に示すように、インバータ駆動信号ＤｖはＬｏｗレベルに変化するので、溶接装置からの出力は停止する。このために、アーク３は消弧する。但し、同図(Ｃ)に示すように、送給速度Ｆｗは所定値を維持する。同図(Ｅ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは０Ｖとなる。同図(Ｄ)に示すように、溶接電流Ｉｗも０Ａとなる。同図(Ｆ)に示すように、電流通電判別信号Ｃｄは、溶接電流Ｉｗ＝０となるので、時刻ｔ２にＬｏｗレベル(非通電状態)に変化する。しかし、フィラーワイヤ６と溶融池とが実際に短絡状態となるのは、フィラーワイヤ６が送給されて溶融池に到達するまでの数ms程度遅延した時点となる。フィラーワイヤ６と溶融池との短絡状態は、第２期間Ｔ２が終了するまで維持される。短絡状態において、フィラーワイヤ６は溶融池からの熱によって溶融する。換言すれば、第２期間Ｔ２の長さは、フィラーワイヤ６が溶融池からの熱によって溶融することができる時間長さの範囲内で設定される。

(３)時刻ｔ３〜ｔ４の第３期間Ｔ３中の動作
時刻ｔ３において、第２期間Ｔ２が所定値に達すると、同図(Ａ)に示すように、期間判別信号Ｋｈ＝３に変化する。これに応動して、同図(Ｂ)に示すように、インバータ駆動信号ＤｖはＨｉｇｈレベルに変化するので、溶接装置からの出力が再開する。時刻ｔ３〜ｔ４の期間中は、アーク３は消弧した状態のままであるので、同図(Ｅ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは無負荷電圧値となり、同図(Ｄ)に示すように、溶接電流Ｉｗ＝０となる。時刻ｔ３においてインバータ駆動信号ＤｖがＨｉｇｈレベルに変化するので、図１の高電圧印加回路ＨＶから高電圧が電極１と母材２との間に印加される。そして、時刻ｔ４において、アーク３が再発生する。アーク３が再発生すると、同図(Ｄ)に示すように、溶接電流Ｉｗが通電し、同図(Ｆ)に示すように、電流通電判別信号ＣｄはＨｉｇｈレベルとなる。これに応動して、同図(Ａ)に示すように、期間判別信号Ｋｈ＝１に戻る。これ以降は、上述した第１期間Ｔ１の動作に戻る。このようにして、第１期間Ｔ１〜第３期間Ｔ３の動作を繰り返すことになる。

上述した実施の形態１においては、第１期間Ｔ１中の溶接法をパルスアーク溶接法としたが、非消耗電極式アーク溶接法であればどのような溶接法であっても良い。上述した実施の形態１においては、第１期間Ｔ１を所定値としたが、以下のようにしても良い。溶接法がパルスアーク溶接法である場合には、ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂの通電を１周期として、周期が所定回数繰り返す期間としても良い。また、第１期間Ｔ１中の溶接電流Ｉｗの積分地が所定値に達する期間としても良い。上述した実施の形態１においては、第２期間Ｔ２を所定値としたが、フィラーワイヤが溶融されているかを判別して、溶融している期間としても良い。フィラーワイヤが溶融しているかは、送給モータＷＭのトルクから判別する。

上述した実施の形態１においては、第２期間Ｔ２中の送給速度Ｆｗの値を第１期間Ｔ１中と同一としたが、ギャップを埋めることができれば異なる値に設定しても良い。

以下、上述した本発明の実施の形態１に係る非消耗電極式アーク溶接制御方法の作用効果について説明する。本実施の形態では、アーク発生状態で溶融池を形成する第１期間と、アークを消弧してフィラーワイヤと溶融池とを短絡状態にしてフィラーワイヤが溶融池からの熱によって溶融する第２期間と、アークを再発生させる第３期間と、を備え、一定の溶接速度で第１期間〜第３期間を繰り返して溶接を行う。第２期間中は、アークが消弧しているのでアークから母材への入熱がなくなるので、母材への入熱の平均値を小さくすることができる。このために、薄板溶接において溶け落ちを抑制することができる。また、第２期間中は、フィラーワイヤの送給を継続して、溶融池からの熱によってフィラーワイヤを溶融するので、ギャップ長が大きい場合でも、ギャップを埋めることができる。この結果、ギャップ長の大きな薄板に対して、高品質な溶接を行うことができる。さらに、本実施の形態では、第１期間〜第３期間中は、一定の溶接速度であるので、従来技術のように溶接の生産効率を低下させることもない。したがって、本実施の形態によれば、ギャップ長の大きな薄板を高効率に、かつ、高品質に溶接することができる。

さらに、本実施の形態において、第１期間及び／又は第２期間を所定値に設定しても良い。このようにすると、第１期間及び／又は第２期間の設定のための複雑な回路を必要としない。

さらに、本実施の形態において、第２期間中は溶接装置からの出力を停止してアークを消弧し、第３期間中は溶接装置からの出力を再開してアークを再発生させても良い。このようにすると、アークの消弧及びアークの再発生を簡便に行うことができる。

さらに、本実施の形態において、第１期間中は、ピーク電流及びベース電流の通電を複数回繰り返すパルスアーク溶接によって溶融池を形成するようにしても良い。このようにすると、パルスアーク溶接に適用することができる。

１ 非消耗電極
２ 母材
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
６ フィラーワイヤ
ＣＤ 電流通電判別回路
Ｃｄ 電流通電判別信号
ＤＶ インバータ駆動回路
Ｄｖ インバータ駆動信号
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
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
ＨＶ 高電圧印加回路
Ｉｂ ベース電流
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｐ ピーク電流
ＩＲ 電流設定回路
Ｉｒ 電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＫＨ 期間判別回路
Ｋｈ 期間判別信号
ＰＭ 電源主回路
ＲＭ 溶接ロボット
Ｔ１ 第１期間
Ｔ１Ｒ 第１期間設定回路
Ｔ1r 第１期間設定信号
Ｔ２ 第２期間
Ｔ２Ｒ 第２期間設定回路
Ｔ2r 第２期間設定信号
Ｔ３ 第３期間
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＭ 送給モータ
Ｗｓ 溶接速度

Claims (4)

1. フィラーワイヤを使用した非消耗電極式アーク溶接制御方法において、
   アーク発生状態で溶融池を形成する第１期間と、
   前記アークを消弧して前記フィラーワイヤと前記溶融池とを短絡状態にして前記フィラーワイヤが前記溶融池からの熱によって溶融する第２期間と、
   アークを再発生させる第３期間と、を備え
   一定の溶接速度で前記第１期間〜前記第３期間を繰り返す、
   ことを特徴とする非消耗電極式アーク溶接制御方法。
2. 前記第１期間及び／又は前記第２期間を所定値に設定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の非消耗電極式アーク溶接制御方法。
3. 前記第２期間中は溶接装置からの出力を停止して前記アークを消弧し、前記第３期間中は前記溶接装置からの出力を再開して前記アークを再発生させる、
   ことを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載の非消耗電極式アーク溶接制御方法。
4. 前記第１期間中は、ピーク電流及びベース電流の通電を複数回繰り返すパルスアーク溶接によって前記溶融池を形成する、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の非消耗電極式アーク溶接制御方法。

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