JP2023042642A - 消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】消耗電極アーク溶接において、種々な溶接条件に対応して良好な溶接終了制御を行うこと。【解決手段】溶接電源に溶接終了信号Ｏｎが入力されると、ピーク電流及びベース電流の通電を１周期として通電して溶接を終了する消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法において、上記の周期を所定回数Ｎｒ繰り返して通電を停止し、所定回数Ｎｒは、溶接電流設定信号Ｉｒ、ワークの板厚Ｄｒ及び溶接継手Ｊｒに応じて設定される。【選択図】 図１

Description

本発明は、消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法に関するものである。

消耗電極アーク溶接においては、溶接終了時に溶接ワイヤが溶融池に溶着（スチック）するのを防止し、溶接終了時に形成されるワイヤ先端粒のサイズを適正化して次のアークスタート性を良好にするための溶接終了制御（アンチスチック制御）が行われる。溶接終了制御は、溶接電源に溶接終了信号が入力されて、送給モータが慣性によって過渡的に減速して停止するまでの慣性期間における溶接電流及び溶接電圧の制御である。

特許文献１及び２には、 溶接電源に溶接終了信号が入力されるとピーク電流及びベース電流の通電を１周期として通電して溶接を終了する消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法が開示されている。特許文献１は、消耗電極アーク溶接が直流アーク溶接の場合である。特許文献２は、消耗電極アーク溶接がパルスアーク溶接の場合である。

特開２００７－３１３５１３号公報 特開２０１２－１３０９６１号公報

そこで、本発明では、消耗電極アーク溶接において、種々な溶接条件に対応して良好な溶接終了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、
溶接電源に溶接終了信号が入力されるとピーク電流及びベース電流の通電を１周期として通電して溶接を終了する消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法において、
前記周期を所定回数繰り返して通電を停止し、
前記所定回数は溶接電流設定信号に応じて設定される、
ことを特徴とする消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法である。

請求項２の発明は、
前記所定回数は前記溶接電流設定信号及びワークの板厚に応じて設定される、
ことを特徴とする請求項１に記載の消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法である。

請求項３の発明は、
前記所定回数は前記溶接電流設定信号、前記ワークの板厚及び溶接継手に応じて設定される、
ことを特徴とする請求項２に記載の消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法である。

本発明によれば、消耗電極アーク溶接において、種々な溶接条件に対応して良好な溶接終了制御方法を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法を実施するための溶接電源ＰＳのブロック図である。 本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法を示す図１の溶接電源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。

図１は、本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法を実施するための溶接電源ＰＳ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、アーク溶接に適した溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力する。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、整流された直流を平滑するコンデンサ、平滑された直流を高周波交流に変換する上記の駆動信号Ｄｖによって駆動されるインバータ回路、高周波交流をアーク溶接に適した電圧値に降圧する高周波トランス、降圧された高周波交流を直流に整流する２次整流回路、整流された直流を平滑するリアクトルを備えている。

溶接ワイヤ１は、送給モータＭ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内を送給されて、ワーク２との間にアーク３が発生する。溶接ワイヤ１とワーク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。溶接トーチ４の先端からはシールドガス(図示は省略)が噴出される。シールドガスは、アルゴンガス、アルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガス、アルゴンガスと酸素との混合ガス等である。

溶接開始・終了回路ＯＮは、溶接を開始するときにＨｉｇｈレベル（溶接開始信号）となり、溶接を終了するときにＬｏｗレベル(溶接終了信号)となる溶接開始・終了信号Ｏｎを出力する。この回路は、溶接トーチ４に取り付けられたスイッチである。また、この回路は、ロボット溶接の場合はロボット制御装置に内蔵されている。

溶接電流設定回路ＩＲは、予め定めた溶接電流設定信号Ｉｒを出力する。

送給速度設定回路ＦＲは、上記の溶接電流設定信号Ｉｒを入力として、予め定めた電流・送給速度変換関数によって算出された送給速度設定信号Ｆｒを出力する。

送給制御回路ＦＣは、上記の溶接開始・終了信号Ｏｎ及び上記の送給速度設定信号Ｆｒを入力として、溶接開始・終了信号ＯｎがＨｉｇｈレベル（溶接開始信号）のときは溶接ワイヤ１を送給速度設定信号Ｆｒによって設定された送給速度Ｆｗで定速送給し、溶接開始・終了信号ＯｎがＬｏｗレベル（溶接終了信号）に変化すると送給モータＭを停止させるための送給制御信号Ｆｃを出力する。溶接開始・終了信号ＯｎがＬｏｗレベル（溶接終了信号）に変化すると、送給速度Ｆｗは慣性によって次第に減速して停止する。この減速する期間が慣性期間となる。

送給モータＭは、上記の送給制御信号Ｆｃによって回転速度が制御されて、溶接ワイヤ１を送給速度Ｆｗで送給する。

溶接電圧設定回路ＶＲは、予め定めた溶接電圧設定信号Ｖｒを出力する。溶接電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗを検出して、溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の溶接電圧設定信号Ｖｒと上記の溶接電圧検出信号Ｖｄとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。

板厚設定回路ＤＲは、ワーク２の板厚を設定するための板厚設定信号Ｄｒを出力する。例えば、板厚が１．０mmのときはＤｒ＝１となり、２．０mmのときはＤｒ＝２となり、３．０mmのときはＤｒ＝３となる。

溶接継手設定回路ＪＲは、ワーク２の溶接継手を設定するための溶接継手設定信号Ｊｒを出力する。例えば、溶接継手が突合せ継手のときはＪｒ＝１となり、重ねすみ肉継手のときはＪｒ＝２となる。

所定回数設定回路ＮＲは、上記の溶接電流設定信号Ｉｒ、上記の板厚設定信号Ｄｒ及び上記の溶接継手設定信号Ｊｒを入力として、以下の１）～３）のいずれかの処理を行い、所定回数設定信号Ｎｒを出力する。
１）溶接電流設定信号Ｉｒに対応した所定回数設定信号Ｎｒを出力する。
例えば、Ｉｒ＝５０ＡのときはＮｒ＝３とし、Ｉｒ＝１００ＡのときはＮｒ＝４とする。
２）溶接電流設定信号Ｉｒ及び板厚設定信号Ｄｒに対応した所定回数設定信号Ｎｒを出力する。
例えば、
Ｉｒ＝５０Ａ、Ｄｒ＝１．０mmのときはＮｒ＝２
Ｉｒ＝５０Ａ、Ｄｒ＝２．０mmのときはＮｒ＝３
Ｉｒ＝１００Ａ、Ｄｒ＝２．０mmのときはＮｒ＝４
Ｉｒ＝１００Ａ、Ｄｒ＝３．０mmのときはＮｒ＝５
３）溶接電流設定信号Ｉｒ、板厚設定信号Ｄｒ及び溶接継手設定信号Ｊｒに対応した所定回数設定信号Ｎｒを出力する。
例えば、
Ｉｒ＝５０Ａ、Ｄｒ＝１．０mm、Ｊｒ＝突合せのときはＮｒ＝２
Ｉｒ＝５０Ａ、Ｄｒ＝１．０mm、Ｊｒ＝重ねすみ肉のときはＮｒ＝３
Ｉｒ＝５０Ａ、Ｄｒ＝２．０mm、Ｊｒ＝突合せのときはＮｒ＝３
Ｉｒ＝５０Ａ、Ｄｒ＝２．０mm、Ｊｒ＝重ねすみ肉のときはＮｒ＝４
Ｉｒ＝１００Ａ、Ｄｒ＝２．０mm、Ｊｒ＝突合せのときはＮｒ＝４
Ｉｒ＝１００Ａ、Ｄｒ＝２．０mm、Ｊｒ＝重ねすみ肉のときはＮｒ＝５
Ｉｒ＝１００Ａ、Ｄｒ＝３．０mm、Ｊｒ＝突合せのときはＮｒ＝５
Ｉｒ＝１００Ａ、Ｄｒ＝３．０mm、Ｊｒ＝重ねすみ肉のときはＮｒ＝５

パルス電流設定回路ＩＰＲは、後述する切換制御信号Ｓｃ及び上記の所定回数設定信号Ｎｒを入力として、切換制御信号ＳｃがＬｏｗレベルに変化した時点から、予め定めたピーク期間中の予め定めたピーク電流設定値及び予め定めたベース期間中の予め定めたベース電流設定値を１周期として所定回数設定信号Ｎｒの値だけ繰り返すパルス電流設定信号Ｉprを出力すると共に、繰り返しが終了すると短時間Ｈｉｇｈレベルとなる停止信号Ｏffを出力する。

溶接電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｗを検出して、溶接電流検出信号Ｉｄを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記のパルス電流設定信号Ｉprと溶接電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。

アーク期間計測回路ＴＡは、短絡が解除されてアークが再発生した時点からのアーク期間の経過時間を計測して、アーク期間計測信号Ｔａを出力する。

切換制御回路ＳＣは、上記の溶接開始・終了信号Ｏｎ及び上記のアーク期間計測信号Ｔａを入力として、溶接開始・終了信号ＯｎがＨｉｇｈレベル(溶接開始)に変化するとＨｉｇｈレベルに変化し、Ｌｏｗレベル(溶接終了)に変化した後にアーク期間計測信号Ｔａの値が予め定めた遅延時間Ｔｄの値と等しくなった時点でＬｏｗレベルに変化する切換制御信号Ｓｃを出力する。遅延時間Ｔｄは、５ms程度であり、０秒に設定して遅延しないようにしても良い。

切換回路ＳＷは、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖ、上記の電流誤差増幅信号Ｅｉ及び上記の切換制御信号Ｓｃを入力として、切換制御信号ＳｃがＨｉｇｈレベル（定常溶接期間）のときはａ側に切り換わり電圧誤差増幅信号Ｅｖを誤差増幅信号Ｅａとして出力し、Ｌｏｗレベル（パルス電流通電期間）のときはｂ側に切り換わり電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。したがって、切換制御信号ＳｃがＨｉｇｈレベルのときは一般的な消耗電極アーク溶接電源と同様に定電圧制御となり、Ｌｏｗレベルのときは定電流制御となりピーク電流及びベース電流から形成されるパルス電流が所定回数だけ通電する。

駆動回路ＤＶは、上記の溶接開始・終了信号Ｏｎ、上記の停止信号Ｏff及び上記の誤差増幅信号Ｅａを入力として、溶接開始・終了信号ＯｎがＨｉｇｈレベルに変化した時点から停止信号Ｏffが短時間Ｈｉｇｈレベルに変化するまでの期間中は、誤差増幅信号Ｅａに基づいてＰＷＭ変調制御を行い、駆動信号Ｄｖを出力する。したがって、溶接電源ＰＳは、溶接開始・終了信号ＯｎがＨｉｇｈレベルに変化した時点から出力を開始し、溶接開始・終了信号ＯｎがＬｏｗレベルに変化して所定回数のパルス電流が通電した時点で停止信号Ｏffが短時間Ｈｉｇｈレベルとなり出力を停止する。

図２は、本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法を示す図１の溶接電源における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接開始・終了信号Ｏｎの時間変化を示し、同図（Ｂ）は送給速度Ｆｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｄ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｅ）は切換制御信号Ｓｃの時間変化を示し、同図（Ｆ）は停止信号Ｏffの時間変化を示す。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、溶接開始・終了信号ＯｎがＨｉｇｈレベル(溶接開始)からＬｏｗレベル(溶接終了)に変化すると、溶接終了制御(アンチスティック制御)が開始する。これに応動して、図１の送給モータＭは停止動作に移行し、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは慣性によって次第に減速して時刻ｔ４で０となる。時刻ｔ１～ｔ４の期間が慣性期間となり、５０～１００ms程度である。

時刻ｔ１の直前に発生した短絡が解除されてアークが再発生した時点からのアーク期間の経過時間が予め定めた遅延時間Ｔｄに達する時刻ｔ２において、同図（Ｅ）に示すように、切換制御信号ＳｃがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変化する。これに応動して、パルス電流通電期間に入り、同図（Ｃ）に示すように、予め定めたピーク期間中の予め定めたピーク電流及び予め定めたベース期間中の予め定めたベース電流から形成されるパルス電流を１周期として所定回数繰り返して溶接電流Ｉｗが通電する。同図（Ｄ）に示すように、溶接電圧Ｖｗについても、ピーク期間中のピーク電圧及びベース期間中のベース電圧が溶接ワイヤとワークとの間に印加する。ピーク電圧及びベース電圧はアーク長に比例した値となる。例えば、ピーク期間は１．５ms程度であり、ピーク電流は４００Ａ程度であり、ベース期間は８ms程度であり、ベース電流は５０Ａ程度である。これらのパラメータは図１のパルス電流設定信号Ｉprによって設定され、１周期ごとに一つの溶滴が移行する状態となるように設定される。

時刻ｔ３において、所定回数のパルス電流の通電が終了すると、同図（Ｆ）に示すように、停止信号Ｏffが短時間Ｈｉｇｈレベルとなる。これに応動して、溶接電源は出力を停止するので、同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗは０Ａとなり、同図（Ｄ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは０Ｖとなる。同図では、時刻ｔ３は、送給速度Ｆｗの慣性期間が終了する時刻ｔ４の直前となっているが、直後となる場合もある。時刻ｔ３は、時刻ｔ４の近傍の時刻となる。

パルス電流を繰り返す所定回数は、図１の所定回数設定信号Ｎｒによって設定される。所定回数設定信号Ｎｒは、図１の溶接電流設定信号Ｉｒ、図１の板厚設定信号Ｄｒ及び図１の溶接継手設定信号Ｊｒに対応して自動設定される。これらの対応関係は、予め実験によって算出し、表形式、関数形式等で溶接電源に内蔵されている。

上述した実施の形態においては、定常溶接期間が直流アーク溶接(短絡移行アーク溶接)の場合について説明したが、パルスアーク溶接であっても良い。

以下、本実施の形態の作用効果について説明する。本実施の形態によれば、溶接電源に溶接終了信号が入力されると、ピーク電流及びベース電流の通電を１周期として通電して溶接を終了する消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法において、周期を所定回数繰り返して通電を停止し、所定回数は溶接電流設定信号に応じて設定される。溶接電流設定信号の値によって、送給速度が減速して停止するまでの慣性期間の時間の長さが変化する。本実施の形態では、溶接電流設定信号の値によってパルス電流を繰り返す所定回数が適正化されるので、慣性期間が終了する近傍のタイミングでパルス電流の通電が停止することになる。このために、本実施の形態では、消耗電極アーク溶接において、溶接電流設定信号の値に対応して良好な溶接終了制御を行うことができる。この結果、溶接終了時に溶接ワイヤが溶融池に溶着することを防止し、溶接終了時に形成されるワイヤ先端粒のサイズを適正化して次のアークスタート性を良好にすることができる。

さらに好ましくは、本実施の形態によれば、所定回数は、溶接電流設定信号及びワークの板厚に応じて設定される。溶接電流設定信号の値が同一であっても、ワークの板厚が薄くなると、パルス電流の通電によって溶け落ちが発生する場合がある。これに対処するために、本実施の形態では、板厚によってパルス電流の繰り返し所定回数を適正化している。このために、本実施の形態では、板厚が薄い場合でも溶け落ちを防止することができる。

さらに好ましくは、本実施の形態によれば、所定回数は、溶接電流設定信号、ワークの板厚及び溶接継手に応じて設定される。溶接電流設定信号及び板厚の値が同一であっても、溶接継手が異なると、溶接終了時のワイヤ先端粒のサイズが変化する。これに対処するために、本実施の形態では、溶接継手によってパルス電流の繰り返し所定回数を適正化している。このために、本実施の形態では、溶接継手が異なっても、ワイヤ先端粒のサイズを適正化することができるので、アークスタート性を良好にすることができる。

１ 溶接ワイヤ
２ ワーク
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
ＤＲ 板厚設定回路
Ｄｒ 板厚設定信号
ＤＶ 駆動回路
Ｄｖ 駆動信号
Ｅａ 誤差増幅信号
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 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
ＩＤ 溶接電流検出回路
Ｉｄ 溶接電流検出信号
ＩＰＲ パルス電流設定回路
Ｉpr パルス電流設定信号
ＩＲ 溶接電流設定回路
Ｉｒ 溶接電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＪＲ 溶接継手設定回路
Ｊｒ 溶接継手設定信号
Ｍ 送給モータ
ＮＲ 所定回数設定回路
Ｎｒ 所定回数設定信号
Ｏff 停止信号
ＯＮ 溶接開始・終了回路
Ｏｎ 溶接開始・終了信号
ＰＭ 電源主回路
ＰＳ 溶接電源
ＳＣ 切換制御回路
Ｓｃ 切換制御信号
ＳＷ 切換回路
ＴＡ アーク期間計測回路
Ｔａ アーク期間計測信号
Ｔｄ 遅延時間
ＶＤ 溶接電圧検出回路
Ｖｄ 溶接電圧検出信号
ＶＲ 溶接電圧設定回路
Ｖｒ 溶接電圧設定信号
Ｖｗ 溶接電圧

Claims (3)

1. 溶接電源に溶接終了信号が入力されるとピーク電流及びベース電流の通電を１周期として通電して溶接を終了する消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法において、
   前記周期を所定回数繰り返して通電を停止し、
   前記所定回数は溶接電流設定信号に応じて設定される、
   ことを特徴とする消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法。
2. 前記所定回数は前記溶接電流設定信号及びワークの板厚に応じて設定される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法。
3. 前記所定回数は前記溶接電流設定信号、前記ワークの板厚及び溶接継手に応じて設定される、
   ことを特徴とする請求項２に記載の消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法。

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