JP2018202460A

JP2018202460A - 溶接機

Info

Publication number: JP2018202460A
Application number: JP2017112047A
Authority: JP
Inventors: 満石原; Mitsuru Ishihara
Original assignee: SANWA SHOKO KK
Current assignee: SANWA SHOKO KK
Priority date: 2017-06-06
Filing date: 2017-06-06
Publication date: 2018-12-27
Anticipated expiration: 2037-06-06
Also published as: JP6712967B2

Abstract

【課題】アルミニウム合金に関して、簡易に溶接することができる溶接機を提供する。【解決手段】溶接機１は、アルミニウム合金材をＴＩＧ溶接するためのＴＩＧ溶接用トーチ４と、ＴＩＧ溶接用トーチ４の電極に流す直流溶接電流の電流値を制御する制御部２ｂとを備える。制御部２ｂは、スポット時間ｔＳＰに、予め定めた電流値である溶接電流ＩＭが流れるように制御し、スポット時間ｔＳＰの経過後に、溶接電流ＩＭの半分以下の電流値である溶接電流ＩＮが流れるように制御する。【選択図】図４

Description

本発明は、アルミニウム合金材を溶接することができる溶接機に関する。

アルミニウム合金の表面は、非常に融点の高い酸化被膜で覆われているため、溶接する際には、この酸化被膜を除去する必要があることが知られている。タングステン電極のトーチを用いるＴＩＧ（Tungsten Insert Gas）溶接の場合、母材（アルミニウム）と電極（タングステン）の極性の反転を繰り返すことで、その酸化被膜を除去できるので、アルミニウム合金の溶接には交流溶接機を用いることが一般的になっている。

例えば、特許文献１のアーク溶接制御方法では、非消耗電極の極性がプラスとなるＥＰ期間では、極性切替部は、２次トランジスタ部の第１のトランジスタと第４のトランジスタをオン状態とし、第２のトランジスタと第３のトランジスタをオフ状態とする。一方、非消耗電極の極性がマイナスとなるＥＮ期間では、極性切替部は、２次トランジスタ部の第２のトランジスタと第３のトランジスタをオン状態とし、第１のトランジスタと第４のトランジスタをオフ状態とする。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、交流出力を得ている。

さらに、このアーク溶接制御方法では、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、ある時点からは緩やかに減少し、ピーク電流に到達するように制御する。また、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、ある時点からは緩やかに減少して最下点に到達するように制御する。ＥＰ電流についても同様に、電流の増加傾き、電流の減少傾きが緩やかに変化するように制御する。これにより、溶接を安定化している（段落００２６〜００３６、図２）。

特開２０１５−２０２０６号公報

交流溶接機を用いなければ溶接が行えない材料は、アルミニウムやマグネシウムに限られるが、様々な材料を溶接する可能性がある場合には、高価であっても直流モードと交流モードの切替えが行える溶接機が必要となっていた。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、アルミニウム等の材料に関して、簡易に溶接することができる溶接機を提供することを目的とする。

本発明は、アルミニウム合金材をＴＩＧ溶接により溶接する溶接機であって、前記アルミニウム合金材を溶解する溶接用トーチと、前記溶接用トーチの電極に流す直流溶接電流の電流値を制御する電流制御部と、を備え、前記電流制御部は、第１期間に、予め定めた電流値である前記直流溶接電流の第１電流が流れるように制御し、前記第１期間の経過後の第２期間に、前記第１電流の半分以下の電流値である第２電流が流れるように制御することを特徴とする。

本発明の溶接機は、溶接用トーチに直流溶接電流が流れることで、アルミニウム合金材の溶接を行うことができる。溶接用トーチに流れる電流は電流制御部で制御され、第１期間においては、第１電流（例えば、予め定めた最大電流値）が流れるので、アルミニウム合金材を十分に溶解させることができる。

また、電流制御部は、第２期間に第２電流（第１電流の半分以下の電流値）が流れるように制御することで、アルミニウム合金材の溶解後にわずかな余熱が発生して、その確実な溶け込みが実現される。これにより、この溶接機では、直流電流によりアルミニウム合金材を簡易に溶接することができる。

本発明の溶接機において、前記電流制御部は、溶接位置、溶接に用いる線材の直径、前記第１期間の長さ、前記第１電流の電流値のうちの少なくとも１つに基づいて、前記第２期間の長さを制御することが好ましい。

この発明の電流制御部は、溶接位置（２頂点、３頂点、平面等）、線材の直径、第１期間の長さ、第１電流の電流値のうちの少なくとも１つ（例えば、これらの組合せ）に基づいて、第２期間の長さを制御する。これにより、作業者の技量に依らず、簡単にアルミニウム合金材を溶接することができる。

本実施形態の溶接機の基本構成を示す全体図。溶接機の装置本体の原理を説明する図。 (ａ)溶接機のＴＩＧ溶接通常モード（パルス無し通常）のタイミングチャート。（ｂ）溶接機のＴＩＧ溶接通常モード（パルス無し例外）のタイミングチャート。溶接機のＴＩＧ溶接通常モード（パルス有り）のタイミングチャート。（ａ）溶接機のＴＩＧ溶接アルミモード（通常）のタイミングチャート。（ｂ）溶接機のＴＩＧ溶接アルミモード（例外１）のタイミングチャート。（ｃ）溶接機のＴＩＧ溶接アルミモード（例外２）のタイミングチャート。ＴＩＧ溶接アルミモードの溶接性の結果を説明する図。（ａ）２頂点角（φ０．６）の電圧特性。（ｂ）３頂点角（φ０．４）の電圧特性。（ｃ）平面（φ０．６）の電圧特性。

以下、本発明の溶接機の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態の溶接機１の基本構成を示す全体図である。溶接機１は、直流電流によりＴＩＧ溶接と抵抗溶接の両方が行える溶接機である。ただし、本発明は、ＴＩＧ溶接の電流制御に関するので、ＴＩＧ溶接の場合（ＴＩＧ溶接モード）を中心に説明する。

溶接機１は、装置本体２と、装置本体２とガスホースで接続されたシールドガスボンベ３と、ＴＩＧ溶接を行うためのＴＩＧ溶接用トーチ４（本発明の「溶接用トーチ」に相当）と、抵抗溶接を行うための抵抗溶接用トーチ５と、スポット溶接のトリガとして用いられるフットスイッチ６と、ワークＷ（被溶接材）と接続するワークコード７と、電力を供給するための電源コード８等で構成されている。

装置本体２には、電源コード８からの交流電流を直流電流に変換してＴＩＧ溶接用トーチ４、又は抵抗溶接用トーチ５に供給する溶接電源２ａと、直流電流やシールドガスボンベ３からのアルゴンガスの送出、トーチ電極とワークＷとの間に発生する高周波等を制御する制御部２ｂとが内蔵されている。

ＴＩＧ溶接用トーチ４には、融点が高く溶解しないタングステンの電極が用いられている。溶接の際、ＴＩＧ溶接用トーチ４は、トーチ電極とワークＷとの間に溶接用の熱源となるアーク放電を発生させる。アーク放電により溶解したワークＷは、ＴＩＧ溶接用トーチ４から送出されるアルゴンガスでシールドされるので、溶接が行い易くなる。

ここで、溶接機１の機能の詳細について説明すると、装置本体２の設定パネル２ｃにより、各種設定が行えるようになっている。例えば、溶接場所（２頂点、奥隅、３頂点、平面等）や溶接材料（線材）のサイズを指定することで、適切な電流及び溶接時間が自動的に設定されるナビゲーション機能がある。

また、１本又は２本の線材により仮止め（抵抗溶接）をした後、本溶接（ＴＩＧ溶接）を行うダブルワイヤモードと、１本の線材により直接、ＴＩＧ溶接を行うシングルワイヤモードとを選択することができる機能がある。装置本体２には、両モードの適切な電流及び溶接時間が記憶されているので、作業者は、設定パネル２ｃで何れかのモードを選択するだけで容易に溶接を行うことができる。

次に、図２を参照して、溶接機１の装置本体２の原理図について説明する。

まず、溶接機１用の電力が装置本体２に供給される。異常電圧が装置本体２に印可された場合にはブレーカ１０が作動するが、通常時は、電源コード８（図１参照）を通じて交流電流が装置本体２に流れ込み、入力側整流器１１で直流成分に変換される。

その後、パワースイッチング素子であるＩＧＢＴ(Insulted Gate Bipolar Transistor)１２により、入力側整流器１１から出力された直流成分が高周波に変換される。なお、ＩＧＢＴ１２は、プリント基板１９により制御される。

次に、モード切替器１３により、ＴＩＧ溶接モードと抵抗溶接モードとの切替えが行われる。モードの切替えについても、プリント基板１９により制御される。

ＴＩＧ溶接モードが選択された場合、インバータ変圧器１４ａが変圧器の巻数比に応じて高周波電圧を変換する。そして、出力側整流器１５ａが高周波インバータの出力として直流電流に変換する。

その後、出力電流検出器１６ａが出力側整流器１５ａから出力された直流電流を検出する。この電流値は、プリント基板１９にも出力され、さらに、平滑回路１７により出力電流が平滑される。

最後に、カップリングコイル１８は、イグナイタ回路（図示省略）から発生した高周波電圧を主回路に重畳して直流電流を出力する。なお、抵抗溶接モードが選択された場合には、インバータ変圧器１４ｂが高周波電圧を変換し、出力側整流器１５ｂが直流電流に変換し、さらに、出力電流検出器１６ｂが直流電流を検出した後、直流電流が出力される。

次に、図３Ａ、図３Ｂを参照して、溶接機１のＴＩＧ溶接通常モードのタイミングチャートを説明する。

まず、図３Ａ(ａ)は、パルス無しモード（通常時）のタイミングチャートを示している。フットスイッチがオンされるとアルゴンガスの送出が開始され、アルゴンガスの送出から期間ｔ_Ｐのプリフローを経て高周波が短時間発生する。そして、高周波の発生の直後に溶接電流Ｉ_Ｍが流れ始める。

この溶接電流Ｉ_Ｍは、スポット時間ｔ_ＳＰだけ流れた後にオフとなる。そして、期間ｔ_Ａのアフターフローを経てアルゴンガスの送出が中止される。なお、今回は、フットスイッチをある程度の時間オンした場合を示している。

次に、図３Ａ（ｂ）は、パルス無しモードにおいて、スポット時間ｔ_ＳＰにフットスイッチをオフした場合のタイミングチャートを示している。図示するように、フットスイッチがオンされてから溶接電流Ｉ_Ｍが流れ始めるまでは通常時と同じであるが、予め定めたスポット時間ｔ_ＳＰ内にフットスイッチがオフされると、その時点で溶接電流Ｉ_Ｍがオフとなる。そして、期間ｔ_Ａのアフターフローを経てアルゴンガスの送出が中止される。

次に、図３Ｂは、パルス有りモードのタイミングチャートを示している。フットスイッチがオンされるとアルゴンガスの送出が開始され、アルゴンガスの送出から期間ｔ_Ｐのプリフローを経て高周波が短時間発生する。そして、高周波の発生の直後に溶接電流Ｉ_Ｍが流れ始める。

ここで、高周波のパルスは、フットスイッチがオンしている期間に３回発生する。そして、高周波の発生の直後に溶接電流Ｉ_Ｍが流れ始める。溶接電流Ｉ_Ｍのオンは、周期Ｔで繰り返され、フットスイッチのオフから時間ｔ_Ａのアフターフローを経てアルゴンガスの送出が中止される。

なお、スポット時間ｔ_ＳＰにフットスイッチがオフされた場合には、その時点で溶接電流Ｉ_Ｍがオフとなり、アフターフローに移行する。

次に、図４を参照して、溶接機１のＴＩＧ溶接アルミモードのタイミングチャートを説明する。

まず、図４(ａ)は、アルミモード（通常時）のタイミングチャートを示している。図示するように、フットスイッチがオンされるとアルゴンガスの送出が開始され、アルゴンガスの送出から期間ｔ_Ｐのプリフローを経て高周波が短時間発生する。そして、高周波の発生の直後に溶接電流Ｉ_Ｍが流れ始める。なお、溶接電流Ｉ_Ｍは、本発明の「第１電流」に相当する。

この溶接電流Ｉ_Ｍはスポット時間ｔ_ＳＰだけ流れ、その後は、溶接電流Ｉ_Ｍの半分以下の溶接電流Ｉ_Ｎが時間ｔ_Ｎの期間流れる。溶接電流Ｉ_Ｍと溶接電流Ｉ_Ｎとが流れる合計時間がインターバル時間ｔ_ＩＮＴであり、溶接電流Ｉ_Ｎが流れる時間に関しては、インターバル時間ｔ_ＩＮＴの中で任意に変更することができる。なお、スポット時間ｔ_ＳＰは本発明の「第１期間」に相当し、時間ｔ_Ｎは本発明の「第２期間」に相当し、溶接電流Ｉ_Ｎは本発明の「第２電流」に相当する。

インターバル期間ｔ_ＩＮＴの経過により溶接電流Ｉ_Ｎがオフとなると、期間ｔ_Ａのアフターフローを経てアルゴンガスの送出が中止される。なお、今回は、フットスイッチをある程度の時間オンした場合を示している。

次に、図４（ｂ）は、アルミモードにおいて、スポット時間ｔ_ＳＰにフットスイッチをオフした場合のタイミングチャートを示している。図示するように、フットスイッチがオンされてから溶接電流Ｉ_Ｍが流れ始めるまでは通常時と同じであるが、スポット時間ｔ_ＳＰ内にフットスイッチがオフされると、その時点で溶接電流Ｉ_Ｍがオフとなる。そして、期間ｔ_Ａのアフターフローを経てアルゴンガスの送出が中止される。

最後に、図４（ｃ）は、アルミモードにおいて、時間ｔ_Ｎにフットスイッチをオフした場合のタイミングチャートを示している。図示するように、フットスイッチがオンされてから溶接電流Ｉ_Ｍが流れ始めるまでは通常時と同じであるが、時間ｔ_Ｎ内にフットスイッチがオフされると、その時点で溶接電流Ｉ_Ｎがオフとなる。そして、期間ｔ_Ａのアフターフローを経てアルゴンガスの送出が中止される。

次に、図５を参照して、ＴＩＧ溶接アルミモードの溶接性を説明する。なお、以下では説明を補足するため、適宜、図６の実際の測定値（溶接電流がやや小さい条件）を参照する。

図５は、２頂点角、３頂点角及び平面を溶接する場合における線材の線径、溶接電流Ｉ_Ｍ（Ａ）、スポット時間ｔ_ＳＰ（ｍｓ）及びインターバル時間ｔ_ＩＮＴ（ｍｓ）に対して、溶接性を確認した結果である。

溶接機１では、線径、溶接電流等の条件を変えて溶接性の確認を行い、作業者が簡易にアルミニウムの溶接を行えるような条件を抽出して、本装置の簡易溶接機能として搭載している。

例えば、図５において、「２頂点角」の欄の中列は、線径がφ０．６（０．６ｍｍ）、溶接電流Ｉ_Ｍが７０（Ａ）、スポット時間ｔ_ＳＰが７０（ｍｓ）である。そして、溶接性が良いとされる「○」以上のインターバル時間ｔ_ＩＮＴは、１６０〜２３０（ｍｓ）の範囲となっている。なお、インターバル時間ｔ_ＩＮＴ２００（ｍｓ）においては「◎」が示されているが、今回の条件におけるインターバル時間のデフォルト値に設定されていることを意味する。

また、インターバル時間ｔ_ＩＮＴからスポット時間ｔ_ＳＰを減算することで、小さな溶接電流Ｉ_Ｎが流れる時間ｔ_Ｎを算出することができる。今回、インターバル時間ｔ_ＩＮＴが２００（ｍｓ）であるため、時間ｔ_Ｎは１３０（ｍｓ）となる。

ここで、図６（ａ）の「２頂点角（φ０．６）」の溶接時間と直流電圧のグラフを確認する。横軸が溶接時間であるが、電圧が立ち上がってから完全に立ち下がるまで８目盛りある。１目盛りが２５．０（ｍｓ）であるから、インターバル時間ｔ_ＩＮＴは２００（ｍｓ）である。

溶接電流Ｉ_Ｍが流れるスポット時間ｔ_ＳＰは２．８目盛り程度であるので、条件の７０（ｍｓ）とほぼ合致する。また、縦軸が電圧であり、スポット時間ｔ_ＳＰの電圧値は、５目盛り程度である。１目盛りが１００（ｍＶ）であるが、測定の際に１０ｍＶ／Ａの電流プローブを用いているので、１目盛りが１０（Ａ）に相当し、ここでの電流値は約５５（Ａ）である。

同様に、溶接電流Ｉ_Ｎが流れる時間ｔ_Ｎの電圧値は０．５目盛り程度であるから、約５（Ａ）である。従って、今回の条件では、時間ｔ_Ｎでの電流値は、スポット時間ｔ_ＳＰでの電流値の約１／１１となる。

他の例では、「３頂点角」の欄の左列は、線径がφ０．４（０．４ｍｍ）、溶接電流Ｉ_Ｍが５０（Ａ）、スポット時間ｔ_ＳＰが５０（ｍｓ）であるが、溶接性が良いとされる「○」以上のインターバル時間ｔ_ＩＮＴは、１３０〜２００（ｍｓ）の範囲である。なお、インターバル時間ｔ_ＩＮＴ１５０（ｓ）においては「◎」が示され、デフォルト設定となっている。

ここで、図６（ｂ）の「３頂点角（φ０．４）」の溶接時間と直流電圧のグラフを確認する。まず、電圧が立ち上がってから完全に立ち下がるまで６目盛りあり、１目盛りが２５．０（ｍｓ）であるから、インターバル時間ｔ_ＩＮＴは１５０（ｍｓ）である。

また、溶接電流Ｉ_Ｍが流れるスポット時間ｔ_ＳＰは２目盛り程度であるので、条件の５０（ｍｓ）とほぼ合致する。スポット時間ｔ_ＳＰの電圧値は３．８目盛り程度であるので、ここでの電流値は約３８（Ａ）である。

同様に、溶接電流Ｉ_Ｎが流れる時間ｔ_Ｎの電圧値は０．５目盛り程度であるから、約５（Ａ）である。従って、今回の条件では、時間ｔ_Ｎでの電流値は、スポット時間ｔ_ＳＰでの電流値の約１／７となる。

また、他の例では、「平面」の欄の中列は、線径がφ０．６（０．６ｍｍ）、溶接電流Ｉ_Ｍが１００（Ａ）、スポット時間ｔ_ＳＰが１００（ｍｓ）であるが、溶接性が良いとされる「○」以上のインターバル時間ｔ_ＩＮＴは、１８０〜２５０（ｍｓ）の範囲である。なお、インターバル時間ｔ_ＩＮＴ２００（ｍｓ）において「◎」が示され、デフォルト設定となっている。

ここで、図６（ｃ）の「平面（φ０．４）」の溶接時間と直流電圧のグラフを確認する。まず、電圧が立ち上がってから完全に立ち下がるまで８目盛りあり、１目盛りが２５．０（ｍｓ）であるから、インターバル時間ｔ_ＩＮＴは２００（ｍｓ）である。

また、溶接電流Ｉ_Ｍが流れるスポット時間ｔ_ＳＰは４目盛り程度であるので、条件の１００（ｍｓ）とほぼ合致する。スポット時間ｔ_ＳＰの電圧値は３．８目盛り程度であるので、１目盛りが２００（ｍＶ）であることを考慮して、電圧値は約７６（Ａ）である。

同様に、溶接電流Ｉ_Ｎが流れる時間ｔ_Ｎの電圧値は０．２目盛り程度であるから、約４（Ａ）である。従って、今回の条件では、時間ｔ_Ｎでの電流値は、スポット時間ｔ_ＳＰでの電流値の約１／１９程度となる。

以上のように、スポット時間ｔ_ＳＰに溶接電流Ｉ_Ｍを流し、その後、小さな溶接電流Ｉ_Ｎを流すことで、直流電流によりアルミニウムの溶接を実現した。溶接電流Ｉ_Ｎは、溶接電流Ｉ_Ｍの半分以下であり、１／５以下であるとさらに好ましい。

従来、アルミニウムを溶接する場合、交流電流を用いてアルミニウムの酸化被膜を除去しながら溶接する必要があった。溶接機１のＴＩＧ溶接アルミモードでは、図４（ａ）のように溶接電流を制御することで、アルミニウムの酸化被膜が一時的に除去されると考えられる。また、このような電流制御により、溶解後にわずかな余熱が発生し、アルミニウムがより確実に溶け込み、溶接が可能になると考えられる。

１溶接機
２装置本体
２ａ溶接電源
２ｂ制御部（電流制御部）
２ｃ設定パネル
３シールドガスボンベ
４ＴＩＧ溶接用トーチ（溶接用トーチ）
５抵抗溶接用トーチ
６フットスイッチ
７ワークコード
８電源コード
１０ブレーカ
１１入力側整流器
１２ＩＧＢＴ
１３モード切替器
１４ａ,１４ｂインバータ変圧器
１５ａ，１５ｂ出力側整流器
１６ａ，１６ｂ出力電流検出器
１７平滑回路
１８カップリングコイル
１９プリント基板

Claims

アルミニウム合金材をＴＩＧ溶接により溶接する溶接機であって、
前記アルミニウム合金材を溶解する溶接用トーチと、
前記溶接用トーチの電極に流す直流溶接電流の電流値を制御する電流制御部と、を備え、
前記電流制御部は、
第１期間に、予め定めた電流値である前記直流溶接電流の第１電流が流れるように制御し、
前記第１期間の経過後の第２期間に、前記第１電流の半分以下の電流値である第２電流が流れるように制御することを特徴とする溶接機。
請求項１に記載の溶接機において、
前記電流制御部は、溶接位置、溶接に用いる線材の直径、前記第１期間の長さ、前記第１電流の電流値のうちの少なくとも１つに基づいて、前記第２期間の長さを制御することを特徴とする溶接機。