JP2019195812A - 交流被覆アーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】交流被覆アーク溶接において、溶接姿勢に関わらず溶接品質を良好にすること。【解決手段】交流の溶接電流Ｉｗを通電して溶接する交流被覆アーク溶接方法において、溶接電流Ｉｗの交流周波数を、溶接姿勢に応じて変化させる。溶接姿勢が縦向き又は上向きであるときは、交流周波数を商用電源周波数よりも高く設定する。さらに、交流周波数は１００Ｈｚ以上に設定することが望ましい。このようにすると、溶融池の振動を小さくすることができるので、溶接姿勢が縦向き又は上向きであるときに、溶融金属の垂れ落ちを抑制することができ、良好な溶接品質を得ることができる。【選択図】図２

Description

本発明は、交流の溶接電流を通電して溶接する交流被覆アーク溶接方法に関するものである。

溶接ホルダによって把持された被覆アーク溶接棒を使用し、交流の溶接電流を通電して溶接する交流被覆アーク溶接方法が慣用されている。

特許文献１の発明では、直流の被覆アーク溶接において、溶接電流を１００Ｈｚ以上のパルス波形に制御することによって、小電流域の溶接状態を安定化している。

特開２０１３−４３２０９号公報

交流被覆アーク溶接において、溶接姿勢が縦向き又は上向きであるときは、溶融金属の垂れ落ちが発生しやすくなり溶接品質が悪くなるという問題があった。

そこで、本発明では、溶接姿勢に関わらず良好な溶接品質を得ることができる交流被覆アーク溶接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、
交流の溶接電流を通電して溶接する交流被覆アーク溶接方法において、
前記溶接電流の交流周波数を、溶接姿勢に応じて変化させる、
ことを特徴とする交流被覆アーク溶接方法である。

請求項２の発明は、前記溶接姿勢が縦向き又は上向きであるときは、前記交流周波数を商用電源周波数よりも高く設定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の交流被覆アーク溶接方法である。

請求項３の発明は、前記溶接姿勢が縦向き又は上向きであるときは、前記交流周波数を１００Ｈｚ以上に設定する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の交流被覆アーク溶接方法である。

請求項４の発明は、前記溶接姿勢を、溶接棒ホルダに設けられたセンサによって自動判別する、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の交流被覆アーク溶接方法である。

本発明によれば、溶接姿勢に関わらず良好な溶接品質を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る交流被覆アーク溶接方法を実施するための溶接装置のブロック図である。 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。 本発明の実施の形態２に係る交流被覆アーク溶接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、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に係る交流被覆アーク溶接方法を実施するための溶接装置のブロック図である。同図において、極性切換時に数百Ｖの高電圧を印加する回路については、図示は省略している。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。

インバータ回路ＩＮＶは、３相２００Ｖ等の交流商用電源（図示は省略）を入力として、整流及び平滑した直流電圧を、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉによるパルス幅変調制御によってインバータ制御を行い、高周波交流を出力する。

インバータトランスＩＮＴは、高周波交流電圧をアーク溶接に適した電圧値に降圧する。

２次整流器Ｄ２ａ〜Ｄ２ｄは、降圧された高周波交流を直流に整流する。

棒プラス極性トランジスタＰＴＲは後述する棒プラス極性駆動信号Ｐｄによってオン状態になり、溶接電源の出力は棒プラス極性ＥＰになる。棒マイナス極性トランジスタＮＴＲは後述する棒マイナス極性駆動信号Ｎｄによってオン状態になり、溶接電源の出力は棒マイナス極性ＥＮになる。

リアクトルＷＬは、リップルのある出力を平滑する。

溶接棒ホルダ４によって被覆溶接棒１が把持されており、被覆溶接棒１と母材２との間にアーク３が発生する。アーク３中を交流の溶接電流Ｉｗが通電し、被覆溶接棒１と母材２との間に交流の溶接電圧Ｖｗが印加する。溶接電流Ｉｗは、母材２→アーク３→被覆溶接棒１の方向に通電するとき（棒マイナス極性期間Ｔenのとき）を＋側としている。被覆溶接棒１は、鉄鋼、ステンレス鋼等の溶接に使用される。

溶接電源の２つの出力端子(図示は省略)と溶接棒ホルダ４又は母材２とは溶接ケーブル５、６で接続されている。この溶接ケーブル５、６が長いときはインダクタンス値が大きくなり、溶接電流Ｉｗの変化速度が緩やかになる。

溶接姿勢選択回路ＭＣは、溶接作業者によって選択された溶接姿勢信号Ｍｃを出力する。溶接姿勢選択回路ＭＣは、例えば溶接装置のフロントパネルに設けられる。例えば、溶接姿勢選択回路ＭＣは、溶接作業者によって下向き溶接姿勢が選択されるとＭｃ＝１を出力し、縦向き溶接姿勢が選択されるとＭｃ＝２を出力し、上向き溶接姿勢が選択されるとＭｃ＝３を出力する。

交流周波数設定回路ＦＲは、上記の溶接姿勢信号Ｍｃを入力として、溶接電流Ｉｗの繰り返し周波数を設定するための溶接姿勢信号Ｍｃに対応した交流周波数設定信号Ｆｒ［Ｈｚ］を出力する。交流周波数設定信号Ｆｒの設定値については、図２で詳述する。

棒マイナス極性時間比率設定回路ＲＲは、予め定めた棒マイナス極性時間比率設定信号Ｒｒ［％］を出力する。棒マイナス極性時間比率設定信号Ｒｒは、例えば５０％に設定される。

期間設定回路ＴＲは、上記の交流周波数設定信号Ｆｒ及び上記の棒マイナス極性時間比率設定信号Ｒｒを入力として、棒マイナス極性期間設定信号Ｔnr及び棒プラス極性期間設定信号Ｔprを出力する。ここで、Ｔnr［ms］＝(１／Ｆｒ)×１０００×(Ｒｒ／１００)であり、Ｔpr［ms］＝(１／Ｆｒ)×１０００−Ｔnrである。

電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｗの絶対値を検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。

電流比較回路ＣＭは、上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、電流検出信号Ｉｄの値が予め定めた極性切換電流値以下のときはＨｉｇｈレベルとなる電流比較信号Ｃｍを出力する。極性切換電流値は、例えば５０Ａに設定される。

タイマ回路ＴＭは、上記の棒マイナス極性期間設定信号Ｔnr、上記の棒プラス極性期間設定信号Ｔpr及び上記の電流比較信号Ｃｍを入力として、以下の処理を行い、タイマ信号Ｔｍを出力する。タイマ信号Ｔｍが１又は２のときが棒マイナス極性期間Ｔenとなり、３又は４のときが棒プラス極性期間Ｔepとなる。
１）棒マイナス極性期間設定信号Ｔnrによって定まる期間中は、タイマ信号Ｔｍ＝１を出力する。
２）続けて、棒マイナス極性期間設定信号Ｔnrによって定まる期間が経過してから、電流比較信号ＣｍがＨｉｇｈレベルに変化するまでの遷移期間中は、タイマ信号Ｔｍ＝２を出力する。
３）続けて、電流比較信号ＣｍがＨｉｇｈレベルに変化してから、棒プラス極性期間設定信号Ｔprによって定まる期間中は、タイマ信号Ｔｍ＝３を出力する。
４）続けて、棒プラス極性期間設定信号Ｔprによって定まる期間が経過してから、電流比較信号ＣｍがＨｉｇｈレベルに変化するまでの遷移期間中は、タイマ信号Ｔｍ＝４を出力する。
５）上記の１）〜４）を繰り返す。

２次側駆動回路ＤＶは、上記のタイマ信号Ｔｍを入力として、タイマ信号Ｔｍが１又は２のときは上記の棒マイナス極性駆動信号Ｎｄを出力し、タイマ信号Ｔｍが３又は４のときは上記の棒プラス極性駆動信号Ｐｄを出力する。これによって、タイマ信号Ｔｍが１又は２のときは、棒マイナス極性トランジスタＮＴＲがオン状態となり、棒マイナス極性期間Ｔenとなる。タイマ信号Ｔｍが３又は４のときは、棒プラス極性トランジスタＰＴＲがオン状態となり、棒プラス極性期間Ｔepとなる。

振幅設定回路ＩＡＲは、溶接電流Ｉｗの振幅を設定するための予め定めた振幅設定信号Ｉarを出力する。

切換回路ＳＷは、上記のタイマ信号Ｔｍ及び上記の振幅設定信号Ｉarを入力として、以下の処理を行い、電流設定信号Ｉｒを出力する。
１）タイマ信号Ｔｍ＝１のときは、振幅設定信号Ｉarを電流設定信号Ｉｒとして出力する。
２）タイマ信号Ｔｍ＝２のときは、電流設定信号Ｉｒ＝０を出力する。
３）タイマ信号Ｔｍ＝３のときは、振幅設定信号Ｉarを電流設定信号Ｉｒとして出力する。
４）タイマ信号Ｔｍ＝４のときは、電流設定信号Ｉｒ＝０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。これにより、溶接電源は定電流特性となり、交流の溶接電流Ｉｗが通電する。

図２は、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)は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図(Ｂ)は電流比較信号Ｃｍの時間変化を示し、同図(Ｃ)は棒マイナス極性駆動信号Ｎｄの時間変化を示し、同図(Ｄ)は棒プラス極性駆動信号Ｐｄの時間変化を示し、同図(Ｅ)は電流設定信号Ｉｒの時間変化を示し、同図(Ｆ)は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示す。同図(Ａ)に示す溶接電流Ｉｗは、０から上側が棒マイナス極性電流Ｉenであり、０から下側が棒プラス極性電流Ｉepである。同図（Ａ）に示す溶接電流Ｉｗは、台形波の場合であり、棒マイナス極性ＥＮの振幅と棒プラス極性ＥＰの振幅とが等しい平衡波形の場合である。以下、同図を参照して、各信号の動作について説明する。

時刻ｔ１において、同図(Ａ)に示すように、溶接電流Ｉｗ（棒プラス極性電流Ｉep）の絶対値が予め定めた極性切換電流値以下となるので、同図(Ｂ)に示すように、電流比較信号Ｃｍが短時間Ｈｉｇｈレベルとなる。これに応動して、同図(Ｃ)に示すように、棒マイナス極性駆動信号ＮｄがＨｉｇｈレベルとなり、棒マイナス極性トランジスタＮＴＲがオン状態となり、棒マイナス極性ＥＮへと切り換わる。同時に、同図(Ｄ)に示すように、棒プラス極性駆動信号ＰｄはＬｏｗレベルになり、棒プラス極性トランジスタＰＴＲはオフ状態となる。時刻ｔ１において、同図(Ｅ)に示すように、電流設定信号Ｉｒは０から振幅設定信号Ｉarに切り換わる。同図(Ａ)に示すように、溶接電流Ｉｗは、負の値の極性切換電流値から正の値の極性切換電流値へと瞬時的に変化する。

時刻ｔ１〜ｔ２の期間中は、同図(Ａ)に示すように、溶接電流Ｉｗは、極性切換電流値から振幅設定信号Ｉarの値まで傾斜を有して増加する。同図(Ｆ)に示すように、溶接電圧Ｖｗも傾斜を有して増加する。この傾斜は、リアクトルＷＬ及び溶接ケーブルによるインダクタンス値によって決まる。インダクタンス値が大きいほど傾斜は緩やかになる。

時刻ｔ２〜ｔ３の期間中は、同図(Ａ)に示すように、溶接電流Ｉｗは振幅設定信号Ｉarの値となる。同図(Ｆ)に示すように、溶接電圧Ｖｗはアーク長に相関した棒マイナス極性電圧値となる。

時刻ｔ３において、時刻ｔ１からの経過時間が棒マイナス極性期間設定信号Ｔnrの値に達すると、同図(Ｅ)に示すように、電流設定信号Ｉｒは０に変化する。これに応動して、同図(Ａ)に示すように、溶接電流Ｉｗは傾斜を有して減少する。この傾斜もリアクトルＷＬ及び溶接ケーブルによるインダクタンス値によって決まる。そして、時刻ｔ４において、溶接電流Ｉｗの値が極性切換電流値以下となると、同図(Ｂ)に示すように、電流比較信号Ｃｍが短時間Ｈｉｇｈレベルとなる。また、同図(Ｆ)に示すように、溶接電圧Ｖｗも傾斜を有して減少する。

時刻ｔ４において、同図(Ｂ)に示すように、電流比較信号Ｃｍが短時間Ｈｉｇｈレベルになると、同図(Ｄ)に示すように、棒プラス極性駆動信号ＰｄがＨｉｇｈレベルとなり、棒プラス極性トランジスタＰＴＲがオン状態となり、棒プラス極性ＥＰへと切り換わる。同時に、同図(Ｃ)に示すように、棒マイナス極性駆動信号ＮｄはＬｏｗレベルになり、棒マイナス極性トランジスタＮＴＲはオフ状態となる。時刻ｔ４において、同図(Ｅ)に示すように、電流設定信号Ｉｒは０から正の値の振幅設定信号Ｉarに切り換わる。同図(Ａ)に示すように、溶接電流Ｉｗは、正の値の極性切換電流値から負の値の極性切換電流値へと瞬時的に変化する。

時刻ｔ４〜ｔ５の期間中は、同図(Ａ)に示すように、溶接電流Ｉｗは、極性切換電流値から振幅設定信号Ｉarの値まで傾斜を有して増加する。この傾斜もリアクトルＷＬ及び溶接ケーブルによるインダクタンス値によって決まる。同図(Ｆ)に示すように、溶接電圧Ｖｗも傾斜を有して増加する。

時刻ｔ５〜ｔ６の期間中は、同図(Ａ)に示すように、溶接電流Ｉｗは振幅設定信号Ｉarの値となる。同図(Ｆ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは、アーク長と相関する値の棒プラス極性電圧となる。

時刻ｔ６において、時刻ｔ４からの経過時間が棒プラス極性期間設定信号Ｔprの値に達すると、同図(Ｅ)に示すように、電流設定信号Ｉｒは０に変化する。これに応動して、同図(Ａ)に示すように、溶接電流Ｉｗは傾斜を有して減少する。この傾斜もリアクトルＷＬ及び溶接ケーブルによるインダクタンス値によって決まる。そして、時刻ｔ７において、溶接電流Ｉｗの値が極性切換電流値以下となると、同図(Ｂ)に示すように、電流比較信号Ｃｍが短時間Ｈｉｇｈレベルとなる。また、同図(Ｆ)に示すように、溶接電圧Ｖｗも傾斜を有して減少する。

以後、上記の動作を繰り返すことになる。

同図は、棒マイナス極性時間比率設定信号Ｒｒが５０％の場合であるので、時刻ｔ１〜ｔ４の棒マイナス極性期間Ｔenの時間長さと時刻ｔ４〜ｔ７の棒プラス極性期間Ｔepの時間長さが等しい場合である。また、同図は、棒マイナス極性ＥＮと棒プラス極性ＥＰの電流振幅が等しい平衡波形の場合である。本発明においては、棒マイナス極性時間比率設定信号Ｒｒは５０％以外の値であっても良い。また、本発明においては、電流振幅が極性によって異なる非平衡波形であっても良い。さらに、本発明においては、電流波形が台形波以外の正弦波等であっても良い。

同図において、時刻ｔ１〜ｔ７の期間が１周期となる。１周期は、時刻ｔ３〜ｔ４及び時刻ｔ６〜ｔ７の遷移期間分だけ図１の交流周波数設定信号Ｆｒの値よりも長くなる。しかし、遷移期間は通常短い期間となるので、交流周波数設定信号Ｆｒによって１周期が設定されると見なして良い。

上述したように、図１の交流周波数設定回路ＦＲは、溶接姿勢信号Ｍｃに応じて変化する交流周波数設定信号Ｆｒを出力する。

溶接姿勢信号Ｍｃ＝１（下向き溶接姿勢）のときは、交流周波数設定信号Ｆｒは商用電源周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）に設定される。このようにすると、アークの硬直性、アーク力による溶融池の振動、アーク音当のアーク特性が従来技術と同様になるために、溶接作業者は違和感なしに溶接作業を行うことができる。

溶接姿勢信号Ｍｃ＝２（縦向き溶接姿勢）又は３（上向き溶接姿勢）のときは、交流周波数設定信号Ｆｒは商用電源周波数よりも高く設定される。さらに、１００Ｈｚ以上に設定されることが望ましい。縦向き溶接姿勢又は上向き溶接姿勢の場合には、溶融金属の垂れ落ちが発生しやすいために、溶接品質が悪くなる。これを解決するためには、交流周波数を商用電源周波数よりも高くすると、アーク力による溶融池の振動が小さくなり、垂れ落ちを抑制することができる。このために、縦向き溶接姿勢又は上向き溶接姿勢あっても、良好な溶接品質を得ることができる。さらに、交流周波数を１００Ｈｚ以上にすると、数Ｈｚ〜数十Ｈｚとなる溶融池の固有振動数よりも高くなるので、溶融池が共振状態になることを回避することができる。この結果、アーク力による溶融池の振動をさらに小さくすることができ、垂れ落ちをより抑制することができる。

上述した実施の形態１によれば、交流周波数を、溶接姿勢に応じて変化させる。さらに、実施の形態１によれば、溶接姿勢が縦向き又は上向きであるときは、交流周波数を商用電源周波数よりも高く設定する。さらに、実施の形態１によれば、溶接姿勢が縦向き又は上向きであるときは、交流周波数を１００Ｈｚ以上に設定する。このようにすると、溶接姿勢に関わらず良好な溶接品質を得ることができる。

［実施の形態２］
実施の形態２の発明は、溶接姿勢を、溶接棒ホルダに設けられたセンサによって自動判別するものである。

図３は、本発明の実施の形態２に係る交流被覆アーク溶接方法を実施するための溶接装置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に加速度センサ４１を追加し、図１の溶接姿勢選択回路ＭＣを溶接姿勢判別回路ＭＤ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。

加速度センサ４１は、溶接棒ホルダ４に設けられており、溶接棒の軸方向の加速度を検出する。

溶接姿勢判別回路ＭＤは、上記の加速度センサ４１からの加速度信号を入力として溶接姿勢を判別し、溶接姿勢信号Ｍｃを出力する。この回路は、下向き溶接姿勢を判別するとＭｃ＝１を出力し、縦向き溶接姿勢を判別するとＭｃ＝２を出力し、上向き溶接姿勢を判別するとＭｃ＝３を出力する。

上述した実施の形態２によれば、溶接姿勢を、溶接棒ホルダに設けられたセンサによって自動判別する。このために、実施の形態２では、実施の形態１の効果に加えて、以下の効果を奏する。実施の形態２では、溶接姿勢をセンサによって自動判別して交流周波数を適正化するので、溶接作業者が溶接姿勢を設定する必要がなく、操作性が向上する。

1 被覆溶接棒
2 母材
3 アーク
4 溶接棒ホルダ
41 加速度センサ
５、６ 溶接ケーブル
ＣＭ 電流比較回路
Ｃｍ 電流比較信号
Ｄ２ａ〜Ｄ２ｄ ２次整流器
ＤＶ ２次側駆動回路
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＮ 棒マイナス極性
ＥＰ 棒プラス極性
ＦＲ 交流周波数設定回路
Ｆｒ 交流周波数設定信号
ＩＡＲ 振幅設定回路
Ｉar 振幅設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉen 棒マイナス極性電流
Ｉep 棒プラス極性電流
ＩＮＴ インバータトランス
ＩＮＶ インバータ回路
Ｉｒ 電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＭＣ 溶接姿勢選択回路
Ｍｃ 溶接姿勢信号
ＭＤ 溶接姿勢判別回路
Ｎｄ 棒マイナス極性駆動信号
ＮＴＲ 棒マイナス極性トランジスタ
Ｐｄ 棒プラス極性駆動信号
ＰＴＲ 棒プラス極性トランジスタ
ＲＲ 棒マイナス極性時間比率設定回路
Ｒｒ 棒マイナス極性時間比率設定信号
ＳＷ 切換回路
Ｔen 棒マイナス極性期間
Ｔep 棒プラス極性期間
ＴＭ タイマ回路
Ｔｍ タイマ信号
Ｔnr 棒マイナス極性期間設定信号
Ｔpr 棒プラス極性期間設定信号
ＴＲ 期間設定回路
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＬ リアクトル

Claims (4)

1. 交流の溶接電流を通電して溶接する交流被覆アーク溶接方法において、
   前記溶接電流の交流周波数を、溶接姿勢に応じて変化させる、
   ことを特徴とする交流被覆アーク溶接方法。
2. 前記溶接姿勢が縦向き又は上向きであるときは、前記交流周波数を商用電源周波数よりも高く設定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の交流被覆アーク溶接方法。
3. 前記溶接姿勢が縦向き又は上向きであるときは、前記交流周波数を１００Ｈｚ以上に設定する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の交流被覆アーク溶接方法。
4. 前記溶接姿勢を、溶接棒ホルダに設けられたセンサによって自動判別する、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の交流被覆アーク溶接方法。

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