JP2023170737A - 送給速度可変速制御アーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】消耗電極式アーク溶接において、給電チップ・母材間距離が変動しても、溶け込み深さを均一化し、かつ、シールドガスの流出状態も適正化すること。【解決手段】溶接電流の平均値Ｉｗａが設定値になるように溶接ワイヤの送給速度Ｆｗを可変速制御して溶接する送給速度可変速制御アーク溶接方法において、溶接トーチに取り付けられたノズルの先端位置Ｌｎが溶接トーチの軸方向に移動可能であり、可変速制御による送給速度Ｆｗの変化分に基づいて、ノズルの先端位置Ｌｎを移動させる。【選択図】 図２

Description

本発明は、溶接電流の平均値が設定値になるように溶接ワイヤの送給速度を可変速制御して溶接する送給速度可変速制御アーク溶接方法に関するものである。

溶接電流の平均値が設定値になるように溶接ワイヤの送給速度を可変速制御して溶接する送給速度可変速制御アーク溶接方法が慣用されている(特許文献１参照)。通常の消耗電極アーク溶接では、溶接中の送給速度は一定値である。これに対して、特許文献１の発明では、給電チップ・母材間距離が変化しても溶接電流の平均値が一定になるように、送給速度が可変速制御される。母材の溶け込み深さは溶接電流の平均値に略比例するので、溶接電流の平均値が一定になると溶け込み深さが均一化される。通常のアーク溶接においては、給電チップ・母材間距離を一定に保持して溶接が行われる。しかし、深い開先の溶接、多層盛り溶接等の場合には、給電チップ・母材間距離を一定値に保持することが、溶接トーチと母材との干渉の問題等から困難な場合も生じる。このように給電チップ・母材間距離が変動する溶接において、特許文献１の発明では、送給速度を可変速制御して溶接電流の平均値を一定に維持するので、重要な溶接品質の一つである溶け込み深さの変動を抑制して、均一化することができる。

溶接トーチの先端にはノズルが取り付けられており、ノズルの内側からアークを大気から遮蔽するためのシールドガスが流出している。給電チップ・母材間距離が変動すると、ノズルの先端位置と母材との距離も変動することになる。給電チップ・母材間距離が適正長さよりも長くなると、ノズル先端位置・母材間距離も長くなり、シールドガスの流出状態が広がって大気からの遮蔽状態が不十分になる場合も生じる。他方、給電チップ・母材間距離が適正長さよりも短くなると、ノズル先端位置・母材間距離も短くなり、シールドガスの流出状態が絞り込まれて溶接状態が不安定になる場合も生じる。

特許文献２の発明では、溶接継手の開先状態に応じて、ノズルの先端位置を外部からの信号によって制御することができる溶接トーチを開示している。すなわち、この発明の溶接トーチは、トーチ本体に対してトーチ軸方向に相対移動可能なノズルを備えている。ノズル２は、トーチ軸方向のガイド筒に筒軸方向に摺動自在に嵌挿して設けるか、あるいは軸方向に伸縮可能な蛇腹構造の筒体などにより、ノズル口を進退（トーチ軸方向に移動）自在にして装着されている。このノズル２は、ＮＣ制御によりストローク制御可能なサーボシリンダなどの進退駆動装置５に連結されて、ノズル口２２が移動及び位置決めされる。トーチ先端から溶接ワイヤの先端までの距離は、設定された所定の距離に保持され、ノズル口の進退動作により、ノズル口から溶接ワイヤの先端までの距離（突出量）が変化する。

特開平７－５１８５４号公報 特開２０１１－２３５３０２号公報

そこで、本発明では、給電チップ・母材間距離が変動しても、溶け込み深さを均一化し、かつ、シールドガスの流出状態も適正化することができる送給速度可変速制御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、
溶接電流の平均値が設定値になるように溶接ワイヤの送給速度を可変速制御して溶接する送給速度可変速制御アーク溶接方法において、
溶接トーチに取り付けられたノズルの先端位置が軸方向に移動可能であり、
前記可変速制御による前記送給速度の変化分に基づいて前記ノズルの先端位置を移動させる、
ことを特徴とする送給速度可変速制御アーク溶接方法である。

請求項２の発明は、
前記送給速度の変化分は、前記送給速度と基準速度との差分値であり、
前記差分値が０であるときは前記ノズルの先端位置を基準位置に移動させ、
前記差分値が正の値であるときは前記ノズルの先端位置を前記基準位置よりも前進方向に移動させ、
前記差分値が負の値であるときは前記ノズルの先端位置を前記基準位置よりも後退方向に移動させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の送給速度可変速制御アーク溶接方法である。

請求項３の発明は、
前記送給速度の変化分は、前記送給速度と基準速度との差分値であり、
前記差分値が０又は正の値であるときは前記ノズルの先端位置を基準位置に移動させ、
前記差分値が正の値であるときは前記ノズルの先端位置を前記基準位置よりも前進方向に移動させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の送給速度可変速制御アーク溶接方法である。

本発明によれば、給電チップ・母材間距離が変動しても、溶け込み深さを均一化し、かつ、シールドガスの流出状態も適正化することができる。

本発明の実施の形態１に係る送給速度可変速制御アーク溶接方法を実施するための溶接装置の構成図である。 本発明の実施の形態１に係る送給速度可変速制御アーク溶接方法を示す図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に係る送給速度可変速制御アーク溶接方法を示す図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に係る送給速度可変速制御アーク溶接方法を実施するための溶接装置の構成図である。以下、同図を参照して各構成物について説明する。

溶接電源ＰＳは、３相２００Ｖ等の交流商用電源（図示は省略）を入力として、インバータ制御等の出力制御を行い、アーク３を発生させるための溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力する。溶接電源ＰＳは、消耗電極式アーク溶接を行うために、定電圧特性の電源である。

溶接電流設定回路ＩＲは、上記の溶接電流Ｉｗの平均値Ｉwaを設定するための予め定めた溶接電流設定信号Ｉｒを出力する。

溶接電流平均値検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｗの平均値Ｉwaを検出して、溶接電流平均値検出信号Ｉｄを出力する。

電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の溶接電流設定信号Ｉｒ及び上記の溶接電流平均値検出信号Ｉｄを入力として、両値の誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。

基準送給速度設定回路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基準送給速度設定信号Ｆｒを出力する。電流送給速度変換関数は、給電チップ・母材間距離が基準距離（例えば２０mm）であるときに、溶接電流の平均値が溶接電流設定信号Ｉｒの値となる送給速度Ｆｗを算出する関数であり、予め実験によって定義されている。

送給速度修正回路ＦＣＲは、上記の基準送給速度設定信号Ｆｒ及び上記の電流誤差増幅信号Ｅｉを入力として、Ｆcr＝Ｆｒ＋∫Ｅｉ・ｄｔの演算を行い、送給速度修正信号Ｆcrを出力する。この回路によって、溶接電流平均値検出信号Ｉｄの値が溶接電流設定信号Ｉｒの値と等しくなるように可変速制御が行われて送給速度修正信号Ｆcrが出力される。

差分値回路ＥＦは、上記の送給速度修正信号Ｆcr及び上記の基準送給速度設定信号Ｆｒを入力として、Ｅｆ＝Ｆcr－Ｆｒの演算を行い、差分値信号Ｅｆを出力する。

送給機ＷＦは、上記の送給速度修正信号Ｆcrを入力として、この値に相当する送給速度Ｆｗで溶接ワイヤ１を送給する。

溶接トーチＷＴは、装着された給電チップ（図示は省略）を介して溶接ワイヤ１に給電し、溶接ワイヤ１を母材２の被溶接部に送出する。溶接ワイヤ１と母材２との間にアーク３が発生する。給電チップと母材２との間に溶接電圧Ｖｗが印加し、溶接電流Ｉｗが通電する。給電チップの先端と母材２との距離が給電チップ・母材間距離Ｌｗ（mm）となる。

ノズル４は、溶接トーチＷＴの先端部に取り付けられており、その内側をシールドガス５が流出されて、アーク３を大気から遮蔽する。シールドガス５は、炭酸ガス、炭酸ガスとアルゴンガスとの混合ガス等である。

ノズル移動機構６は上記のノズル４に連結しており、上記の差分値信号Ｅｆを入力として、この値に応じて以下のように、ノズル先端位置を移動させる。この機構によって、ノズル４は溶接トーチＷＴの本体に対して軸方向に相対移動する。ノズル４は、軸方向のガイド筒に筒軸方向に摺動自在に嵌挿して設けられている。そして、ノズル４はサーボシリンダ等の進退駆動装置に連結されており、ノズル先端位置が差分値信号Ｅｆの値に応じて移動する。ノズル移動機構は、特許文献２に記載されているように、従来から使用されている機構であるので、詳細な説明は省略する。下記の差分距離Ｌｎ（mm）は、ノズル先端位置の修正後の位置と基準位置との距離であり、基準位置よりも前進移動しているときは正の値となり、後退移動しているときは負の値となる。
１）差分値信号Ｅｆが０であるときはノズルの先端位置を予め定めた基準位置に移動させる。
２）差分値信号Ｅｆが正の値であるときは、ノズル先端位置を、基準位置よりも前進方向に差分値信号Ｅｆの値に比例した差分距離Ｌｎだけ移動させる。
３）差分値信号Ｅｆが負の値であるときは、ノズル先端位置を、基準位置よりも後退方向に差分値信号Ｅｆの値に比例した差分距離Ｌｎだけ移動させる。

ロボットＲＭは、上記の溶接トーチＷＴを搭載しており、後述する動作制御信号Ｍｃに従って移動する。

ロボット制御装置ＲＣは、予め定めた作業プログラムに従って上記のロボットＲＭを溶接線にそって移動させるための動作制御信号Ｍｃを出力する。

図２は、本発明の実施の形態１に係る送給速度可変速制御アーク溶接方法を示す図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）は給電チップ・母材間距離Ｌｗ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）はノズル先端位置の修正後の位置と基準位置との差分距離Ｌｎの時間変化を示し、同図(Ｄ)は溶接電流平均値Ｉwa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。

、同図（Ａ）に示すように、給電チップ・母材間距離Ｌｗは、時刻ｔ１～ｔ２の期間中は予め定めた適正な基準距離であり、時刻ｔ２～ｔ３の期間中は基準距離よりも長い距離であり、時刻ｔ３～ｔ４の期間中は基準距離よりも短い距離である。

時刻ｔ１～ｔ２の期間中は、給電チップ・母材間距離Ｌｗが基準距離であるので、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは図１の基準送給速度設定信号Ｆｒによって定まる値となる。そして、同図（Ｄ）に示すように、溶接電流平均値Ｉwaは、図１の溶接電流設定信号Ｉｒの値が溶接電流平均値検出信号Ｉｄの値と等しくなるように送給速度Ｆｗの可変速制御が行われるので、全期間を通して溶接電流設定信号Ｉｒの値となる。この結果、給電チップ・母材間距離Ｌｗが変動しても、溶け込み深さを均一にすることができる。

同図（Ｃ）に示すように、差分距離Ｌｎは、図１の差分値信号Ｅｆ＝Ｆｗ－Ｆｒ＝０であるので、０となる。したがって、ノズル先端位置は基準位置となる。基準位置は、給電チップ・母材間距離Ｌｗが適正値の基準距離（２０mm）であるときに、シールドガスの流出状態が良好になり溶接状態が安定化する位置である。基準位置は、給電チップの先端位置と略同一の位置である。

時刻ｔ２～ｔ３の期間中は、給電チップ・母材間距離Ｌｗが基準距離よりも長い距離に変化すると、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは、図１の送給速度修正回路ＦＣＲによる可変速制御によって時刻ｔ１～ｔ２の期間中よりも速い速度にスロープを有して変化する。同図（Ｃ）に示すように、差分距離Ｌｎは、図１の差分値信号Ｅｆ＝Ｆｗ－Ｆｒ＞０であるので、０から正の値へとスロープを有して変化する。したがって、ノズル先端位置は、差分値信号Ｅｆが正の値であるので、基準位置よりも全身方向に移動する。例えば、給電チップ・母材間距離Ｌｗが２０mmから３０mmへと長くなった場合には、ノズル先端位置は基準位置よりも前進方向に５mm移動した位置となる。給電チップ・母材間距離が適正長さよりも長くなると、ノズル先端位置・母材間距離も長くなり、シールドガスの流出状態が広がって大気からの遮蔽状態が不十分になる場合も生じる。本実施の形態によれば、給電チップ・母材間距離が長くなると、ノズル先端位置が前進方向に自動的に移動するので、シールドガスによる遮蔽状態を良好に維持することができる。

時刻ｔ３～ｔ４の期間中は、給電チップ・母材間距離Ｌｗが基準距離よりも短い距離に変化すると、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは、図１の送給速度修正回路ＦＣＲによる可変速制御によって時刻ｔ１～ｔ２の期間中よりも遅い速度にスロープを有して変化する。同図（Ｃ）に示すように、差分距離Ｌｎは、図１の差分値信号Ｅｆ＝Ｆｗ－Ｆｒ<０であるので、正の値から負の値へとスロープを有して変化する。したがって、ノズル先端位置は、差分値信号Ｅｆが負の値であるので、基準位置よりも後退方向に移動する。例えば、給電チップ・母材間距離Ｌｗが１０mmへと短くなった場合には、ノズル先端位置は基準位置よりも後退方向に５mm移動した位置となる。給電チップ・母材間距離が適正長さよりも短くなると、ノズル先端位置・母材間距離も短くなり、シールドガスの流出状態が絞り込まれて溶接状態が不安定になる場合も生じる。本実施の形態によれば、給電チップ・母材間距離が短くなると、ノズル先端位置が後退方向に自動的に移動するので、シールドガスによる遮蔽状態を良好にして安定した溶接状態を維持することができる。

［実施の形態２］
本発明の実施の形態２に係る送給速度可変速制御アーク溶接方法を実施するための溶接装置の構成図は、上述した図１においてノズル移動機構６の動作を以下のように変更したものである。それ以外の構成物については同一であるので、説明は繰り返さない。

ノズル移動機構６は上記のノズル４に連結しており、上記の差分値信号Ｅｆを入力として、この値に応じて以下のように、ノズル先端位置を移動させる。
１）差分値信号Ｅｆが０又は負の値であるときはノズルの先端位置を予め定めた基準位置に移動させる。
２）差分値信号Ｅｆが正の値であるときは、ノズル先端位置を、基準位置よりも前進方向に差分値信号Ｅｆの値に比例した差分距離Ｌｎだけ移動させる。

図３は、本発明の実施の形態２に係る送給速度可変速制御アーク溶接方法を示す図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）は給電チップ・母材間距離Ｌｗ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）はノズル先端位置の修正後の位置と基準位置との差分距離Ｌｎの時間変化を示し、同図(Ｄ)は溶接電流平均値Ｉwa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。

同図において、時刻ｔ３～ｔ４以外の期間の動作は、上述した図２と同一であるので、説明は繰り返さない。以下、異なる動作である時刻ｔ３～ｔ４の期間について説明する。

時刻ｔ３～ｔ４の期間中は、給電チップ・母材間距離Ｌｗが基準距離よりも短い距離に変化すると、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは、図１の送給速度修正回路ＦＣＲによる可変速制御によって時刻ｔ１～ｔ２の期間中よりも遅い速度にスロープを有して変化する。同図（Ｃ）に示すように、差分距離Ｌｎは、図１の差分値信号Ｅｆ＝Ｆｗ－Ｆｒ<０であるので、正の値から０へとスロープを有して変化する。したがって、ノズル先端位置は、差分値信号Ｅｆが負の値であるので、基準位置に移動する。給電チップ・母材間距離が適正長さよりも短くなると、ノズル先端位置・母材間距離も短くなり、シールドガスの流出状態が絞り込まれて溶接状態が不安定になる場合も生じる。しかし、このような不安定状態が生じるのは稀である。また、不安定状態が生じても溶接品質にはあまり影響しない程度であることも多い。これらの事から、実施の形態２では、給電チップ・母材間距離Ｌｗが基準距離よりも短くなった場合でもノズル先端位置を基準位置に停止させるようにしている。

1 溶接ワイヤ
2 母材
3 アーク
４ ノズル
５ シールドガス
６ ノズル移動機構
ＥＦ 差分値回路
Ｅｆ 差分値信号
ＦＣＲ 送給速度修正回路
Ｆcr 送給速度修正信号
ＦＲ 基準送給速度設定回路
Ｆｒ 基準送給速度設定信号
Ｆｗ 送給速度
ＩＤ 溶接電流平均値検出回路
Ｉｄ 溶接電流平均値検出信号
ＩＲ 溶接電流設定回路
Ｉｒ 溶接電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
Ｉwa 溶接電流平均値
Ｌｎ 差分距離
Ｌｗ 給電チップ・母材間距離
ＰＳ 溶接電源
ＲＣ ロボット制御装置
ＲＭ ロボット
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＦ 送給機
ＷＴ 溶接トーチ

Claims (3)

1. 溶接電流の平均値が設定値になるように溶接ワイヤの送給速度を可変速制御して溶接する送給速度可変速制御アーク溶接方法において、
   溶接トーチに取り付けられたノズルの先端位置が軸方向に移動可能であり、
   前記可変速制御による前記送給速度の変化分に基づいて前記ノズルの先端位置を移動させる、
   ことを特徴とする送給速度可変速制御アーク溶接方法。
2. 前記送給速度の変化分は、前記送給速度と基準速度との差分値であり、
   前記差分値が０であるときは前記ノズルの先端位置を基準位置に移動させ、
   前記差分値が正の値であるときは前記ノズルの先端位置を前記基準位置よりも前進方向に移動させ、
   前記差分値が負の値であるときは前記ノズルの先端位置を前記基準位置よりも後退方向に移動させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の送給速度可変速制御アーク溶接方法。
3. 前記送給速度の変化分は、前記送給速度と基準速度との差分値であり、
   前記差分値が０又は正の値であるときは前記ノズルの先端位置を基準位置に移動させ、
   前記差分値が正の値であるときは前記ノズルの先端位置を前記基準位置よりも前進方向に移動させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の送給速度可変速制御アーク溶接方法。

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