JP2021164941A - アークスポット溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】第１アーク及び第２アークによるアークスポット溶接において、不良な溶接ビードの発生を監視することができるアークスポット溶接装置を提供する。【解決手段】第１電極１ａと母材２との間に第１アーク３ａを発生させて母材表面から窪んだ溶融池を形成し、第１アーク３ａを消弧した後に、第２電極１ｂと母材２との間に第２アーク３ｂを発生させて窪んだ溶融池に溶融金属を充填して溶接部を形成するアークスポット溶接装置において、第１アーク３ａが消弧した時点から第２アーク３ｂが点弧するまでの間隔時間を検出する間隔時間検出部ＴＤＣと、間隔時間が許容時間範囲から外れているときは報知する報知部ＡＲと、を備えている。第１アーク３ａは非消耗電極アークであり、第２アーク３ｂは消耗電極アークである。【選択図】図１

Description

本発明は、第１アーク及び第２アークを使用するアークスポット溶接方法に関するものである。

以下の説明は、第１アークがプラズマアークであり、第２アークが消耗電極アークである場合である。非消耗電極を取り囲むプラズマガスノズルからプラズマガスを流し、非消耗電極と母材との間にプラズマアークを発生させて母材表面から窪んだ溶融池を形成し、消耗電極と母材との間に消耗電極アークを発生させて上記の窪んだ溶融池に溶融金属を充填して溶接部を形成するアークスポット溶接方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１５−１８６８０９号公報

従来技術のアークスポット溶接方法では、第１電極と母材との間に第１アークを発生させて母材表面から窪んだ溶融池を形成し、第１アークを消弧した後に、第２電極と母材との間に第２アークを発生させて窪んだ溶融池に溶融金属を充填して溶接部を形成する。この溶接方法では、第１アークで形成された溶融池が適度の凝固状態になったときに、第２アークを点弧することによって良好な溶接ビードを形成することができる。

しかし、第２アークの点弧タイミングが変動すると、第１アークによって形成された溶融池の凝固状態が適度でなくなり、溶接ビード形状が悪くなるという問題が発生する。第２アークの点弧タイミングの変動は、前回の溶接に伴う溶接ワイヤ突き出し長さの変動、アーク点弧の失敗等によって生じる。

そこで、本発明では、第１アーク及び第２アークによるアークスポット溶接において、不良な溶接ビードの発生を監視することができるアークスポット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、
第１電極と母材との間に第１アークを発生させて前記母材表面から窪んだ溶融池を形成し、
前記第１アークを消弧した後に、第２電極と前記母材との間に第２アークを発生させて前記窪んだ溶融池に溶融金属を充填して溶接部を形成するアークスポット溶接装置において、
前記第１アークが消弧した時点から前記第２アークが点弧するまでの間隔時間を検出する間隔時間検出部と、
前記間隔時間が許容時間範囲から外れているときは報知する報知部と、
を備えたことを特徴とするアークスポット溶接装置である。

請求項２の発明は、
前記第１アークが非消耗電極アークであり、前記第２アークが消耗電極アークである、
ことを特徴とする請求項１に記載のアークスポット溶接装置である。

請求項３の発明は、
前記第１アークがプラズマアークであり、前記第２アークが消耗電極アークである、
ことを特徴とする請求項１に記載のアークスポット溶接装置である。

請求項４の発明は、
前記第１アークが非消耗電極アークであり、前記第２アークがフィラワイヤを添加する非消耗電極アークである、
ことを特徴とする請求項１に記載のアークスポット溶接装置である。

本発明によれば、第１アーク及び第２アークによるアークスポット溶接において、不良な溶接ビードの発生を監視することができる。

本発明の実施の形態１に係るアークスポット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。

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に係るアークスポット溶接装置のブロック図である。同図において、プラズマアークを発生させるためのパイロットアーク回路については、記載を簡潔にするために省略している。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。

破線で囲まれた溶接トーチＷＴは、非消耗電極１ａと、それを取り囲むプラズマガスノズル４と消耗電極である溶接ワイヤ１ｂに給電する給電チップ１０と、プラズマガスノズル４及び給電チップ１０の両方を取り囲むシールドガスノズル５と、を備えている。非消耗電極１ａには、タングステン電極等が使用される。

プラズマガスノズル４内をプラズマガス７が流れる。また、シールドガスノズル５内をシールドガス９が流れる。プラズマガス７にはアルゴンガスが使用されることが多い。シールドガス９にはアルゴンガス８０体積％＋炭酸ガス２０体積％の混合ガスが使用されることが多い。

プラズマアーク３ａは非消耗電極１ａと母材２との間に発生する。消耗電極アーク３ｂは溶接ワイヤ１ｂと母材２との間に発生する。プラズマアーク３ａは、非消耗電極１ａが負極となり、母材２が正極となって発生する。消耗電極アーク３ｂは、溶接ワイヤ１ｂが正極となり、母材２が負極となって発生する。母材２は、鋼材等を複数枚重ねたものである。

起動回路ＯＮは、溶接を開始するときにＨｉｇｈレベルとなる起動信号Ｏｎを出力する。起動回路ＯＮは、溶接ロボット（図示は省略）を使用する場合には溶接ロボット制御装置（図示は省略）内に設けられる場合もある。

シーケンス制御回路ＳＣは、上記の起動信号Ｏｎを入力として、以下の処理を行い、シーケンス制御信号Ｓｃを出力する。
１）Ｓｃ＝０の初期状態において、起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベルに変化すると、予め定めたプリフロー期間中はＳｃ＝１を出力する。
２）その後の予め定めたプラズマアーク期間中はＳｃ＝２を出力する。
３）その後の予め定めた休止期間中はＳｃ＝３を出力する。
４）その後の予め定めた消耗電極アーク期間中はＳｃ＝４を出力する。
５）その後の予め定めたアフターフロー期間中はＳｃ＝５を出力する。
６）アフターフロー期間が終了すると、Ｓｃ＝０にリセットされる。

プラズマガス流量設定回路ＦＲは、上記のシーケンス制御信号Ｓｃを入力として、シーケンス制御信号Ｓｃ＝０〜３（プリフロー期間、プラズマアーク期間）のときは予め定めた第１流量となり、シーケンス制御信号Ｓｃ＝３（休止期間）のときに第１流量から予め定めた第２流量へと増加し、シーケンス制御信号Ｓｃ＝４（消耗電極アーク期間）のときは第２流量となり、シーケンス制御信号Ｓｃ＝５（アフターフロー期間）のときは第１流量となるプラズマガス流量設定信号Ｆｒを出力する。ここで、第２流量は第１流量よりも大である。

プラズマガス電磁弁ＧＰは、上記のシーケンス制御信号Ｓｃを入力として、シーケンス制御信号Ｓｃ＝１〜５のときに開状態となり、プラズマガスボンベ６からのプラズマガス７が流れる。

プラズマガス流量調整器ＦＰは、上記のプラズマガス流量設定信号Ｆｒによって定まる値にプラズマガス７の流量を調整する。

シールドガス流量調整器ＦＳは、シールドガスボンベ８からのシールドガス９の流量を調整する。流量の調整は、シールドガス流量調整器ＦＳの本体の回転ツマミを手動で操作することによって行う。シールドガス９の流量は、例えば１０リットル／分に調整される。

シールドガス電磁弁ＧＳは、上記のシーケンス制御信号Ｓｃを入力として、シーケンス制御信号Ｓｃ＝１〜５のときは開状態となり、シールドガスボンベ８からのシールドガス９が流れる。

プラズマアーク用電源ＰＳＡは、上記のシーケンス制御信号Ｓｃを入力として、シーケンス制御信号Ｓｃ＝２（プラズマアーク期間）のときは出力状態となり、プラズマアーク電流Ｉａを通電してプラズマアーク３ａを発生させる。プラズマアーク用電源ＰＳＡは、定電流特性又は垂下特性を有する電源である。プラズマアーク溶接が第１アークに相当する。第１アークは非消耗電極アークであれば良いので、ティグ溶接でも良い。

消耗電極アーク用電源ＰＳＢは、上記のシーケンス制御信号Ｓｃを入力として、シーケンス制御信号Ｓｃ＝４（消耗電極アーク期間）のときは出力状態となり、消耗電極アーク電流Ｉｂを通電して消耗電極アーク３ｂを発生させる。消耗電極アーク用電源ＰＳＢは、定電圧特性を有する電源である。消耗電極アーク溶接が第２アークに相当する。第２アークは溶融池に溶融金属を充填できるものであれば良いので、マグ溶接、炭酸ガスアーク溶接、フィラワイヤを添加する非消耗電極アーク溶接等である。

送給機ＷＭは、上記のシーケンス制御信号Ｓｃを入力として、シーケンス制御信号Ｓｃ＝４（消耗電極アーク期間）のときは溶接ワイヤ１ｂを送給する。

プラズマアーク電流判別回路ＩＡＤは、上記のプラズマアーク電流Ｉａの通電を判別するとＨｉｇｈレベルとなるプラズマアーク電流判別信号Ｉａｄを出力する。

消耗電極アーク電流判別回路ＩＢＤは、上記の消耗電極アーク電流Ｉｂの通電を判別するとＨｉｇｈレベルとなる消耗電極アーク電流判別信号Ｉｂｄを出力する。

間隔時間検出回路ＴＤＣは、上記のプラズマアーク電流判別信号Ｉａｄ及び上記の消耗電極アーク電流判別信号Ｉｂｄを入力として、プラズマアーク電流判別信号ＩａｄがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変化した時点（プラズマアークの消弧時点）から消耗電極アーク電流判別信号ＩｂｄがＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化した時点（消耗電極アークの点弧時点）までの間隔時間Ｔｄを検出して、間隔時間検出信号Ｔｄｃを出力する。

報知回路ＡＲは、上記の間隔時間検出信号Ｔｄｃを入力として、間隔時間Ｔｄが予め定めた許容時間範囲から外れているときは報知する。許容時間範囲は、プラズマアーク３ａによって形成された溶融池が適度の凝固状態となる時間範囲である。間隔時間Ｔｄが許容時間範囲内にあるときは、溶接ビードが良好となる。報知手段は、報知信号を外部装置に出力する報知、音による報知、表示による報知等である。

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）は起動信号Ｏｎの時間変化を示し、同図(Ｂ)はシーケンス制御信号Ｓｃの時間変化を示し、同図(Ｃ)はプラズマガス流量Ｆｐ［リットル／分］の時間変化を示し、同図(Ｄ)はシールドガス流量Ｆｓ［リットル／分］の時間変化を示し、同図(Ｅ)はプラズマアーク電流Ｉａの時間変化を示し、同図（Ｆ）は消耗電極アーク電流Ｉｂの時間変化を示す。以下、同図及び図１を参照して動作について説明する。

溶接トーチＷＴのシールドガスノズル５の先端を母材２の表面に押し付けた状態にし、時刻ｔ１において、同図（Ａ）に示すように、起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベルに変化すると、アークスポット溶接が開始される。母材２としては、複数枚の鋼材を重ねたものである。起動信号Ｏｎは時刻ｔ７においてＬｏｗレベルに戻る。

時刻ｔ１において、起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベルに変化すると、同図（Ｂ）に示すように、シーケンス制御信号Ｓｃの値が０から５まで自動的に変化する。ここでは、シーケンス制御信号Ｓｃの変化を数値として表示している。シーケンス制御信号Ｓｃは、時刻ｔ１以前は０であり、時刻ｔ１〜ｔ２の予め定めたプリフロー期間中は１となり、時刻ｔ２〜ｔ３の予め定めたプラズマアーク期間中は２となり、時刻ｔ３〜ｔ４の予め定めた休止期間中は３となり、時刻ｔ４〜ｔ５の予め定めた消耗電極アーク期間中は４となり、時刻ｔ５〜ｔ６の予め定めたアフターフロー期間中は５となり、時刻ｔ６において０に戻る。例えば、プリフロー期間は０．５秒に設定され、アフターフロー期間は１秒に設定される。その他の期間は母材２の重ね枚数、各板厚、材質等に応じて適正値に設定される。例えば、母材２が、０．８mm、１．２mm及び１．６mmの３枚の鋼材を重ねたものであるときは、プラズマアーク期間は０．５秒に設定され、休止期間は１秒に設定され、消耗電極アーク期間は３秒に設定される。また、プラズマアーク電流Ｉａは２２０Ａに設定され、消耗電極アーク電流Ｉｂは１５０Ａに設定される。

同図（Ｄ）に示すように、シールドガス流量Ｆｓは、時刻ｔ１においてシーケンス制御信号Ｓｃが１に変化すると、予め定めた流量での放流を開始し、時刻ｔ６においてシーケンス制御信号Ｓｃが０になると放流を停止する。例えば、流量は１０リットル／分に設定される。

同図（Ｃ）に示すように、プラズマガス流量Ｆｐは、時刻ｔ１においてシーケンス制御信号Ｓｃが１に変化すると、予め定めた第１流量での放流を開始する。シーケンス制御信号Ｓｃ＝３（休止期間）になると、プラズマガス流量Ｆｐは、第１流量から予め定めた第２流量へと増加する。その後に、シーケンス制御信号Ｓｃ＝５（アフターフロー期間）になると、プラズマガス流量Ｆｐは第１流量に減少する。時刻ｔ６においてシーケンス制御信号Ｓｃが０になると、プラズマガス流量Ｆｐは０となり放流を停止する。第２流量は第１流量よりも大である。例えば、第１流量は１．５リットル／分に設定され、第２流量は４リットル／分に設定される。

時刻ｔ２においてシーケンス制御信号Ｓｃが２に変化すると、プラズマアーク用電源ＰＳＡが出力を開始しプラズマアーク３ａが点弧して、同図（Ｅ）に示すように、プラズマアーク電流Ｉａが通電する。時刻ｔ３においてシーケンス制御信号Ｓｃが３に変化すると、プラズマアーク用電源ＰＳＡが出力を停止しプラズマアーク３ａが消弧して、プラズマアーク電流Ｉａの通電が停止する。プラズマアーク３ａを点弧するためにパイロットアークが先に発生するが、パイロットアークについては、本発明の記載を簡潔にするために省略している。したがって、プラズマアーク３ａは、時刻ｔ２〜ｔ３のプラズマアーク期間中のみ発生している。

時刻ｔ４においてシーケンス制御信号Ｓｃが４に変化すると、消耗電極アーク用電源ＰＳＢが出力を開始し溶接ワイヤ１ｂが送給されて、時刻ｔ４１に消耗電極アーク３ｂが点弧する。時刻ｔ４１に消耗電極アーク３ｂが点弧すると、同図（Ｆ）に示すように、消耗電極アーク電流Ｉｂが通電する。時刻ｔ４の消耗電極アーク用電源ＰＳＢの出力開始と、時刻ｔ４１の消耗電極アーク３ｂの点弧とにズレがあるのは、溶接ワイヤ１ｂが母材２と接触するまでに時間が必要なためである。時刻ｔ３にプラズマアーク３ａが消弧してから時刻ｔ４１に消耗電極アーク３ｂが点弧するまでの間隔時間Ｔｄが図１の間隔時間検出回路ＴＤＣによって検出される。時刻ｔ５においてシーケンス制御信号Ｓｃが５に変化すると、消耗電極アーク用電源ＰＳＢが出力を停止し消耗電極アーク３ｂが消弧して、消耗電極アーク電流Ｉｂの通電が停止する。したがって、消耗電極アーク３ｂは、時刻ｔ４〜ｔ５の消耗電極アーク期間中の時刻ｔ４１〜ｔ５の期間に発生している。

以下、本実施の形態の作用効果について説明する。第１の工程は、アーク発生予定空間を大気から遮蔽するためにプラズマガス７及びシールドガス９を流すプリフロー期間である。第２の工程は、プラズマアーク３ａを点弧させて母材２の表面から窪んだ溶融池を形成するプラズマアーク期間である。第３の工程は、プラズマアーク３ａが消弧してから消耗電極アーク３ｂが点弧するまでの休止期間である。この休止期間中に、溶接ワイヤ１ｂの狙い位置がプラズマアーク３ａによって形成された溶融池の中心になるように溶接トーチＷＴを移動させる場合もある。この休止期間中に、プラズマアーク３ａによって形成された溶融池が適度な凝固状態となる。また、この休止期間中に、プラズマガス７の流量を第１流量から第２流量に増加させる。第４の工程は、消耗電極アーク３ｂを点弧させて上記の窪んだ溶融池に溶融金属を充填して溶接部を形成する消耗電極アーク期間である。第５の工程は、溶接ビードを大気から遮蔽するためにプラズマガス７及びシールドガス９を流すアフターフロー期間である。これらの工程によって、１回のアークスポット溶接が完了する。

プラズマアーク３ａの消弧時点から消耗電極アーク３ｂの点弧時点までの間隔時間Ｔｄは、上述したように、消耗電極アーク３ｂの点弧タイミングが変動するために変動する。消耗電極アーク３ｂの点弧タイミングの変動は、前回の溶接に伴うワイヤ突き出し長さの変動、アーク点弧の失敗等によって生じる。間隔時間Ｔｄが許容時間範囲から外れると、プラズマアーク３ａによって形成された溶融池の凝固状態が適度でなくなり、最終的な溶接ビードが不良となる。本実施の形態では、間隔時間Ｔｄが許容時間範囲から外れると報知される。これにより、溶接ビードの不良の発生を確実に検出することができる。

本実施の形態に係るアークスポット溶接装置は、第１アークが消弧した時点から第２アークが点弧するまでの間隔時間を検出する間隔時間検出部と、間隔時間が許容時間範囲から外れているときは報知する報知部と、を備えている。このために、本実施の形態では、第１アーク及び第２アークによるアークスポット溶接において、不良な溶接ビードの発生を監視することができる。

さらに、本実施の形態において、第１アークが非消耗電極アークであり、第２アークが消耗電極アークであることが望ましい。

さらに、本実施の形態において、第１アークがプラズマアークであり、第２アークが消耗電極アークであることが望ましい。

さらに、本実施の形態において、第１アークが非消耗電極アークであり、第２アークがフィラワイヤを添加する非消耗電極アークであることが望ましい。

１ａ 非消耗電極
１ｂ 溶接ワイヤ（消耗電極）
2 母材
３ａ プラズマアーク
３ｂ 消耗電極アーク
4 プラズマガスノズル
5 シールドガスノズル
6 プラズマガスボンベ
7 プラズマガス
8 シールドガスボンベ
9 シールドガス
10 給電チップ
ＡＲ 報知回路
ＦＰ プラズマガス流量調整器
Ｆｐ プラズマガス流量
ＦＲ プラズマガス流量設定回路
Ｆｒ プラズマガス流量設定信号
ＦＳ シールドガス流量調整器
Ｆｓ シールドガス流量
ＧＰ プラズマガス電磁弁
ＧＳ シールドガス電磁弁
Ｉａ プラズマアーク電流
ＩＡＤ プラズマアーク電流判別回路
Ｉａｄ プラズマアーク電流判別信号
Ｉｂ 消耗電極アーク電流
ＩＢＤ 消耗電極アーク電流判別回路
Ｉｂｄ 消耗電極アーク電流判別信号
ＯＮ 起動回路
Ｏｎ 起動信号
ＰＳＡ プラズマアーク用電源
ＰＳＢ 消耗電極アーク用電源
ＳＣ シーケンス制御回路
Ｓｃ シーケンス制御信号
Ｔｄ 間隔時間
ＴＤＣ 間隔時間検出回路
Ｔｄｃ 間隔時間検出信号
ＷＭ 送給機
ＷＴ 溶接トーチ

Claims (4)

1. 第１電極と母材との間に第１アークを発生させて前記母材表面から窪んだ溶融池を形成し、
   前記第１アークを消弧した後に、第２電極と前記母材との間に第２アークを発生させて前記窪んだ溶融池に溶融金属を充填して溶接部を形成するアークスポット溶接装置において、
   前記第１アークが消弧した時点から前記第２アークが点弧するまでの間隔時間を検出する間隔時間検出部と、
   前記間隔時間が許容時間範囲から外れているときは報知する報知部と、
   を備えたことを特徴とするアークスポット溶接装置。
2. 前記第１アークが非消耗電極アークであり、前記第２アークが消耗電極アークである、
   ことを特徴とする請求項１に記載のアークスポット溶接装置。
3. 前記第１アークがプラズマアークであり、前記第２アークが消耗電極アークである、
   ことを特徴とする請求項１に記載のアークスポット溶接装置。
4. 前記第１アークが非消耗電極アークであり、前記第２アークがフィラワイヤを添加する非消耗電極アークである、
   ことを特徴とする請求項１に記載のアークスポット溶接装置。

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