JP2021137817A - パルスアーク溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アーク長を周期的に揺動させて溶接するパルスアーク溶接方法において、給電チップ・母材間距離が変化しても美麗なウロコ状のビード外観を形成すること。【解決手段】溶接ワイヤの送給速度Ｆｗを切換周期Ｔｃで揺動させる送給制御部と、パルス波形の溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗを出力し、出力を切換周期Ｔｃで揺動幅だけ揺動させる出力制御部と、を備えたパルスアーク溶接装置において、切換周期Ｔｃの１以上の整数倍に設定された補正周期Ｔｈごとの溶接電流Ｉｗの平均値を検出する平均電流検出部をさらに備え、上記の送給制御部は、溶接電流Ｉｗの平均値に基づいて送給速度Ｆｗを補正する。さらに、上記の出力制御部は、送給速度Ｆｗの補正に同期して出力の揺動幅を変化させる。【選択図】 図２

Description

本発明は、アーク長を周期的に揺動させて溶接するパルスアーク溶接装置に関するものである。

アーク長を低周波で揺動させて溶接するパルスアーク溶接方法が使用されている（例えば、特許文献１参照）。この低周波を０．５〜２５Ｈｚ程度に設定し、アーク長を周期的に揺動させることによって、ウロコ状の美しいビード外観を形成することができる。また、アーク長を周期的に揺動させることによって、溶融池を攪拌することができ、ブローホールの発生を抑制することができる。

特開２００９−５２８２６号公報

従来技術では、アーク長の周期的な揺動によって母材への入熱形態が変化するので美麗なウロコ状のビード外観を形成することができる。しかし、給電チップ・母材間距離が変化すると、アーク長の揺動幅が変化するので、ウロコ状のメリハリが悪くなり、ビード外観が悪くなるという問題がある。

そこで、本発明では、アーク長を周期的に揺動させて溶接するパルスアーク溶接方法において、給電チップ・母材間距離が変化しても美麗なウロコ状のビード外観を形成することができるパルスアーク溶接装置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、
溶接ワイヤの送給速度を切換周期で揺動させる送給制御部と、
パルス波形の溶接電流及び溶接電圧を出力し、前記出力を前記切換周期で揺動幅だけ揺動させる出力制御部と、
を備えたパルスアーク溶接装置において、
前記切換周期の１以上の整数倍に設定された補正周期ごとの前記溶接電流の平均値を検出する平均電流検出部をさらに備え、
前記送給制御部は、前記溶接電流の平均値に基づいて前記送給速度を補正する、
ことを特徴とするパルスアーク溶接装置である。

請求項２の発明は、
前記出力制御部は、前記送給速度の補正に同期して前記出力の前記揺動幅を変化させる、
ことを特徴とする請求項１に記載のパルスアーク溶接装置である。

本発明によれば、アーク長を周期的に揺動させて溶接するパルスアーク溶接方法において、給電チップ・母材間距離が変化しても美麗なウロコ状のビード外観を形成することができる。

本発明の実施の形態１に係るパルスアーク溶接装置のブロック図である。 図１のパルスアーク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に係るパルスアーク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、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉ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次整流回路と、整流された直流を平滑するコンデンサと、平滑された直流を高周波交流に変換するインバータ回路と、高周波交流をアーク溶接に適した電圧値に降圧するインバータトランスと、降圧された高周波交流を整流する２次整流回路と、整流された直流を平滑するリアクトルと、上記の電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってＰＷＭ変調制御を行ないその結果に基づいてインバータ回路を駆動する駆動回路と、を備えている。

溶接ワイヤ１は、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内を通って送給され、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が印加され、溶接電流Ｉｗが通電する。

電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。電圧平均値算出回路ＶＡＶは、この電圧検出信号Ｖｄの平均値を算出して、電圧平均値信号Ｖavを出力する。

切換信号生成回路ＳＴＣは、予め定めた低パルス期間ＬＴ中はＬｏｗレベルになり、予め定めた高パルス期間ＨＴ中はＨｉｇｈレベルになる切換信号Ｓtcを出力する。

補正周期生成回路ＳＴＨは、上記の切換信号Ｓtcを入力として、切換信号Ｓtcの１以上の整数倍の補正周期ごとに短時間Ｈｉｇｈレベルとなる補正周期信号Ｓthを出力する。

電圧設定回路ＶＲは、上記の切換信号Ｓtc、上記の補正周期信号Ｓth及び後述する平均電流誤差増幅信号Ｅiaを入力として、
補正周期信号Ｓthが短時間Ｈｉｇｈレベルとなるごとに、予め定めた低電圧初期値に平均電流誤差増幅信号Ｅiaを累積加算して低電圧設定値ＬＶｒを算出し、予め定めた高電圧初期値に平均電流誤差増幅信号Ｅiaを累積加算して高電圧設定値ＨＶｒを算出し、
切換信号ＳtcがＬｏｗレベル（低パルス期間）のときは低電圧設定値ＬＶｒを電圧設定信号Ｖｒとして出力し、切換信号ＳtcがＨｉｇｈレベル（高パルス期間）のときは高電圧設定値ＨＶｒを電圧設定信号Ｖｒとして出力する。

電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の電圧設定信号Ｖｒと電圧平均値信号Ｖavとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。電圧／周波数変換回路ＶＦは、この電圧誤差増幅信号Ｅｖの値に応じた周波数を有するパルス周期信号Ｔｆを出力する。このパルス周期信号Ｔｆは、パルス周期ごとに短時間だけＨｉｇｈレベルになるトリガ信号である。

ピーク期間設定回路ＴＰＲは、上記の切換信号ＳtcがＬｏｗレベル（低パルス期間）のときは予め定めた低ピーク期間設定値ＬＴprをピーク期間設定信号Ｔprとして出力し、Ｈｉｇｈレベル（高パルス期間）のときは予め定めた高ピーク期間設定値ＨＴprをピーク期間設定信号Ｔprとして出力する。

ピーク期間タイマ回路ＴＰは、上記のパルス周期信号ＴｆがＨｉｇｈレベルになると上記のピーク期間設定信号Ｔprの値によって定まる期間だけＨｉｇｈレベルになるピーク期間信号Ｔｐを出力する。このピーク期間信号ＴｐがＨｉｇｈレベルのときがピーク期間となり、Ｌｏｗレベルのときがベース期間となる。

ベース電流設定回路ＩＢＲは、予め定めたベース電流設定信号Ｉbrを出力する。

ピーク電流設定回路ＩＰＲは、上記の切換信号ＳtcがＬｏｗレベル（低パルス期間）のときは予め定めた低ピーク電流設定値ＬＩprをピーク電流設定信号Ｉprとして出力し、Ｈｉｇｈレベル（高パルス期間）のときは予め定めた高ピーク電流設定値ＨＩprをピーク電流設定信号Ｉprとして出力する。

電流設定制御回路ＩＲＣは、上記のピーク期間信号ＴｐがＬｏｗレベルのときは上記のベース電流設定信号Ｉbrを電流設定制御信号Ｉrcとして出力し、Ｈｉｇｈレベルのときは上記のピーク電流設定信号Ｉprを電流設定制御信号Ｉrcとして出力する。

電流検出回路ＩＤは、溶接電流Ｉｗを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流設定制御信号Ｉrcと電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。この電流誤差増幅信号Ｅｉに従って電源主回路ＰＭの出力制御が行われることによって、低パルス電流群及び高パルス電流群が通電する。主回路ＰＭは、溶接電圧Ｖｗの平均値が電圧設定信号Ｖｒの値と等しくなるようにパルス周期が変化して出力制御されるので、定電圧特性の電源となる。

平均電流設定回路ＩＡＲは、予め定めた平均電流設定信号Ｉarを出力する。

平均電流検出回路ＩＡＤは、上記の電流検出信号Ｉｄ及び上記の補正周期信号Ｓthを入力として、補正周期信号Ｓthが短時間Ｈｉｇｈレベルとなる補正周期ごとの電流検出信号Ｉｄの平均値を検出して、平均電流検出信号Ｉadを出力する。

平均電流誤差増幅回路ＥＩＡは、上記の平均電流検出信号Ｉad、上記の平均電流設定信号Ｉar及び上記の補正周期信号Ｓthを入力として、補正周期信号Ｓthが短時間Ｈｉｇｈレベルとなる補正周期ごとに両値の誤差を増幅して平均電流誤差増幅信号Ｅiaを出力する。

送給速度設定回路ＦＲは、上記の切換信号Ｓtc、上記の補正周期信号Ｓth及び上記の平均電流誤差増幅信号Ｅiaを入力として、
補正周期信号Ｓthが短時間Ｈｉｇｈレベルとなるごとに、予め定めた低送給速度初期値に平均電流誤差増幅信号Ｅiaを累積加算して低送給速度設定値ＬＦｒを算出し、予め定めた高送給速度初期値に平均電流誤差増幅信号Ｅiaを累積加算して高送給速度設定値ＨＦｒを算出し、
切換信号ＳtcがＬｏｗレベル（低パルス期間）のときは低送給速度設定値ＬＦｒを送給速度設定信号Ｆｒとして出力し、切換信号ＳtcがＨｉｇｈレベル（高パルス期間）のときは高送給速度設定値ＨＦｒを送給速度設定信号Ｆｒとして出力する。

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、溶接ワイヤ１を送給速度設定信号Ｆｒの値で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、図１のパルスアーク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）は送給速度Ｆｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は補正周期信号Ｓthの時間変化を示し、同図（Ｃ）は切換信号Ｓtcの時間変化を示し、同図（Ｄ）は電圧設定信号Ｖｒの時間変化を示し、同図（Ｅ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｆ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｇ）はアーク長Ｌａの時間変化を示す。同図は、溶接中のタイミングチャートである。以下、同図を参照して各信号の動作について説明する。

上述したように、同図（Ｂ）に示す補正周期信号Ｓthが短時間Ｈｉｇｈレベルとなる補正周期Ｔｈは、同図（Ｃ）に示す切換信号Ｓtcの切換周期Ｔｃの１以上の整数倍に設定される。同図では、整数＝１の場合を表示しているので、補正周期Ｔｈ＝切換周期Ｔｃとなっている。

（１）時刻ｔ１〜ｔ３の第ｎ回目の補正周期Ｔｈの動作（ｎは１以上の整数）
時刻ｔ１において、同図（Ｂ）に示すように、補正周期信号Ｓthは短時間Ｈｉｇｈレベルとなる。同時に、同図（Ｃ）に示すように、切換信号Ｓtcは、時刻ｔ１〜ｔ２の予め定めた高パルス期間ＨＴ中はＨｉｇｈレベルとなり、時刻ｔ２〜ｔ３の予め定めた低パルス期間ＬＴ中はＬｏｗレベルとなる。この高パルス期間ＨＴと低パルス期間ＬＴとを合わせた期間が、切換周期Ｔｃとなる。切換周波数＝１／Ｔｃである。切換周波数の設定範囲は０．５〜２５Ｈｚ程度であるので、切換周期Ｔｃの設定範囲は０．０４〜２秒程度である。

（１１）時刻ｔ１〜ｔ２の高パルス期間ＨＴ中の動作
高パルス期間ＨＴ中は、同図（Ｅ）に示すように、高ピーク期間ＨＴｐ中の高ピーク電流ＨＩｐ及び高ベース期間ＨＴｂ中のベース電流Ｉｂから成る高パルス電流群が通電する。この高ピーク期間ＨＴｐと高ベース期間ＨＴｂとを合わせて高パルス周期ＨＴｆになる。高ピーク期間ＨＴｐは図１の高ピーク期間設定値ＨＴprによって定まり、高ピーク電流ＨＩｐは図１の高ピーク電流設定値ＨＩprによって定まり、高パルス周期ＨＴｆは図１のパルス周期信号Ｔｆによって定まる。そして、この高パルス電流群の通電に対応して、同図（Ｆ）に示すように、高ピーク期間ＨＴｐ中は高ピーク電圧ＨＶｐが溶接ワイヤ・母材間に印加し、高ベース期間ＨＴｂ中は高ベース電圧ＨＶｂが印加する。同図では、高パルス期間ＨＴ中に高パルス周期ＨＴｆが２周期含まれる場合を表示しているが、実際には２〜１００周期程度が含まれる。例えば、高ピーク期間ＨＴｐ＝２．０ms、高ピーク電流ＨＩｐ＝５５０Ａ、ベース電流Ｉｂ＝５０Ａに設定される。

（１２）時刻ｔ２〜ｔ３の低パルス期間ＬＴ中の動作
低パルス期間ＬＴ中は、同図（Ｅ）に示すように、低ピーク期間ＬＴｐ中の低ピーク電流ＬＩｐ及び低ベース期間ＬＴｂ中のベース電流Ｉｂから成る低パルス電流群が通電する。この低ピーク期間ＬＴｐと低ベース期間ＬＴｂとを合わせて低パルス周期ＬＴｆになる。低ピーク期間ＬＴｐは図１の低ピーク期間設定値ＬＴprによって定まり、低ピーク電流ＬＩｐは図１の低ピーク電流設定値ＬＩprによって定まり、低パルス周期ＬＴｆは図１のパルス周期信号Ｔｆによって定まる。そして、この低パルス電流群の通電に対応して、同図（Ｆ）に示すように、低ピーク期間ＬＴｐ中は低ピーク電圧ＬＶｐが溶接ワイヤ・母材間に印加し、低ベース期間ＬＴｂ中は低ベース電圧ＬＶｂが印加する。同図では、低パルス期間ＬＴ中に低パルス周期ＬＴｆが２周期含まれる場合を表示しているが、実際には２〜１００周期程度が含まれる。例えば、低ピーク期間ＬＴｐ＝１．２ms、低ピーク電流ＬＩｐ＝４５０Ａに設定される。

同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは、高パルス期間ＨＴ中は図１の予め定めた高送給速度設定値ＨＦｒの値となり、低パルス期間ＬＴ中は図１の予め定めた低送給速度設定値ＬＦｒの値となる。 同図（Ｄ）に示すように、電圧設定信号Ｖｒは、高パルス期間ＨＴ中は図１の予め定めた高電圧設定値ＨＶｒとなり、低パルス期間ＬＴ中は図１の予め定めた低電圧設定値ＬＶｒとなる。この電圧設定信号Ｖｒの値によって溶接装置の出力が切換周期Ｔｃで揺動される。アーク長Ｌａは、送給速度Ｆｗ、電圧設定信号Ｖｒの値及びパルス波形のパラメータによって定まる。同図（Ｇ）に示すように、アーク長Ｌａは、高パルス期間ＨＴ中は高送給速度設定値ＨＦｒ、高電圧設定値ＨＶｒ、高ピーク期間ＨＴｐ、高ピーク電流ＨＩｐによって定まる高アーク長ＨＬａとなり、低パルス期間ＬＴ中は低送給速度設定値ＬＦｒ、低電圧設定値ＬＶｒ、低ピーク期間ＬＴｐ、低ピーク電流ＬＩｐによって定まる低アーク長Ｌａとなる。

（２）時刻ｔ３〜ｔ５の第ｍ＋１回目の補正周期Ｔｈの動作
時刻ｔ３において、同図（Ｂ）に示すように、補正周期信号Ｓthは短時間Ｈｉｇｈレベルとなり、第ｍ＋１回目の補正周期Ｔｈが開始される。これに応動して、図１の平均電流検出回路ＩＡＤによって前補正周期Ｔｈ中の平均溶接電流値が算出されて平均電流検出信号Ｉadとして出力される。そして、図１の平均電流誤差増幅回路ＥＩＡによって目標値となる平均電流設定信号Ｉarと平均電流検出信号Ｉadとの平均電流誤差増幅信号Ｅiaが出力される。この平均電流誤差増幅信号Ｅiaに基づいて、図１の送給速度設定回路ＦＲによって平均溶接電流値が平均電流設定信号Ｉarの値と等しくなるように高送給速度設定値ＨＦｒ及び低送給速度設定値ＬＦｒが補正される。同図ではＩar＞Ｉadの場合であるので、時刻ｔ３において、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗの高送給速度及び低送給速度が共に加速される。Ｉar＜Ｉadの場合は、両値は減速される。さらに、この平均電流誤差増幅信号Ｅiaに基づいて、図１の電圧設定回路ＶＲによって高電圧設定値ＨＶｒ及び低電圧設定値ＬＶｒが補正されて、溶接装置の出力の揺動幅が補正される。送給速度Ｆｗが加速されたときは揺動幅が大きくなるように補正され、減速されたときは揺動幅が小さくなるように補正される。この結果、時刻ｔ３において、同図（Ｄ）に示すように、電圧設定信号Ｖｒの高電圧設定値ＨＶｒ及び低電圧設定値ＬＶｒが補正される。これに伴い、同図（Ｇ）に示すように、高アーク長ＨＬａ及び低アーク長ＬＬａが適正値へと変化する。

時刻ｔ３〜ｔ４の高パルス期間ＨＴ及び時刻ｔ４〜ｔ５の低パルス期間ＬＴ中の動作は、上記と同様であるので、説明は繰り返さない。

補正周期Ｔｈには、１周期以上の切換周期Ｔｃが含まれる。補正周期Ｔｈの設定範囲は、切換周期Ｔｃの１〜５周期分程度である。

上述した実施の形態１によれば、切換周期の１以上の整数倍に設定された補正周期ごとの溶接電流の平均値を検出する平均電流検出部を備え、送給制御部は、溶接電流の平均値に基づいて送給速度を補正する。送給速度の補正を行う補正周期は、アーク長を揺動させる切換周期の１以上の整数倍に設定されるので、平均溶接電流を正確に検出することができる。そして、平均溶接電流値が目標値と等しくなるように送給速度を補正する。これにより、本実施の形態では、給電チップ・母材間距離が溶接中に変化しても、母材への入熱形態を適正状態に補正することができる。このために、本実施の形態では、アーク長を周期的に揺動させて溶接するパルスアーク溶接方法において、給電チップ・母材間距離が変化しても美麗なウロコ状のビード外観を形成することができる。

さらに、本実施の形態によれば、出力制御部は、送給速度の補正に同期して出力の揺動幅を変化させることが望ましい。このようにすると、送給速度の補正に対応して電圧設定値等の出力の揺動幅が適正化されるので、母材への入熱形態を適正化することができる。この結果、本実施の形態では、ウロコ状のビード外観をさらに美麗にすることができる。

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
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＩＡ 平均電流誤差増幅回路
Ｅia 平均電流誤差増幅信号
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
ＨＦｒ 高送給速度設定値
ＨＩｐ 高ピーク電流
ＨＩpr 高ピーク電流設定値
ＨＬａ 高アーク長
ＨＴ 高パルス期間
ＨＴｂ 高ベース期間
ＨＴｆ 高パルス周期
ＨＴｐ 高ピーク期間
ＨＴpr 高ピーク期間設定値
ＨＴpr 高ピーク電流設定値
ＨＶｂ 高ベース電圧
ＨＶｐ 高ピーク電圧
ＨＶｒ 高電圧設定値
ＩＡＤ 平均電流検出回路
Ｉad 平均電流検出信号
ＩＡＲ 平均電流設定回路
Ｉar 平均電流設定信号
Ｉｂ ベース電流
ＩＢＲ ベース電流設定回路
Ｉbr ベース電流設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＰＲ ピーク電流設定回路
Ｉpr ピーク電流設定信号
ＩＲＣ 電流設定制御回路
Ｉrc 電流設定制御信号
Ｉｗ 溶接電流
Ｌａ アーク長
ＬＦｒ 低送給速度設定値
ＬＩｐ 低ピーク電流
ＬＩpr 低ピーク電流設定値
ＬＬａ 低アーク長
ＬＴ 低パルス期間
ＬＴｂ 低ベース期間
ＬＴｆ 低パルス周期
ＬＴｐ 低ピーク期間
ＬＴpr 低ピーク期間設定値
ＬＶｂ 低ベース電圧
ＬＶｐ 低ピーク電圧
ＬＶｒ 低電圧設定値
ＰＭ 電源主回路
ＳＴＣ 切換信号生成回路
Ｓtc 切換信号
ＳＴＨ 補正周期回路
Ｓth 補正周期信号
Ｔｃ 切換周期
Ｔｆ パルス周期信号
Ｔｈ 補正周期
ＴＰ ピーク期間タイマ回路
Ｔｐ ピーク期間信号
ＴＰＲ ピーク期間設定回路
Ｔpr ピーク期間設定信号
ＶＡＶ 電圧平均値算出回路
Ｖav 電圧平均値信号
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
ＶＦ 電圧／周波数変換回路
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＭ 送給モータ

Claims (2)

1. 溶接ワイヤの送給速度を切換周期で揺動させる送給制御部と、
   パルス波形の溶接電流及び溶接電圧を出力し、前記出力を前記切換周期で揺動幅だけ揺動させる出力制御部と、
   を備えたパルスアーク溶接装置において、
   前記切換周期の１以上の整数倍に設定された補正周期ごとの前記溶接電流の平均値を検出する平均電流検出部をさらに備え、
   前記送給制御部は、前記溶接電流の平均値に基づいて前記送給速度を補正する、
   ことを特徴とするパルスアーク溶接装置。
2. 前記出力制御部は、前記送給速度の補正に同期して前記出力の前記揺動幅を変化させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載のパルスアーク溶接装置。

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