JP3681964B2 - Arc welding method and arc welding equipment - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
【0002】
本発明は、自動車ボデーなどの薄板状母材同士のアーク溶接に好適なアーク溶接方法とアーク溶接装置に関する。
【0003】
【従来の技術】
【0004】
自動車ボデーのアッパーパネル等の板金パネル同士を重ねて強固に溶接する溶接法として、板金パネルの表裏両面を一対の電極で挟持してスポット溶接するスポット溶接法と、板金パネルの表面側だけから溶接ワイヤを使いアークを発生させて溶接するアーク溶接法がある。スポット溶接法は、板金パネルの表裏両面側に一対の電極が入るスペース的余裕がある場合に限り採用される。アーク溶接法は、板金パネルの表面側から溶接ワイヤを接近させて板金パネル自体を溶融させると共にこの溶融部分に溶接ワイヤからの溶滴を付着させて溶接するため、板金パネルの裏面側のスペース的余裕の有無にほとんど関係なく溶接ができて、スポット溶接法に比べて溶接できる母材の形状等に対する自由度が高い。そのため、形状の多様化が著しい自動車ボデーの板金パネル同士の溶接にアーク溶接法が多用される傾向にある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
自動車ボデーの板金パネルのような薄板鋼板の母材をアーク溶接する場合、母材の板厚が2mmを越える場合は、アークで溶融した母材溶融部分が溶け落ちる可能性が少ないが、板厚が2mm以下で薄くなるほど母材溶融部分が溶け落ちる可能性が高くなる。この母材の溶け落ち現象を図5(A)〜(D)に基づき説明する。
【0007】
図5(A)に示すように、母材1の表面に接近させたワイヤ2と母材1との間に溶接電圧を印加してアーク3を発生させ、アーク熱で母材1の表面とワイヤ2の先端部を溶融させて母材1表面に溶融金属溜まりである溶融部分4を形成する。この溶融部分4は溶融池や溶融膜と称されている部分で、以下、必要に応じて溶融池4と称する。なお、母材1は、2枚の薄板鋼板の表面側母材1aと裏面側母材1bを重ねたものであり、図5(A)は表面側母材1aに溶融池4が形成された溶接前半期が示される。図5(A)からアーク溶接が継続すると、図5(B)に示すように溶融池4が裏面側母材1bにまで達して、溶融池4の底部が裏面側母材1bの裏面に少し露呈する。この図5(B)が溶接後半期である。さらにアーク溶接が継続されると、図5(C)に示すように溶融池4の面積と容積が拡大する。なお、図5(B)の時点、或いは、図5(B)から(C)に移行するタイミングでアーク溶接終了の処置を施すと、母材1の溶け落ちの可能性が少なくて良好なアーク溶接が可能となる。図5(C)のように溶融池4が面積、容積共に拡大すると、溶融池4の表面に作用するアーク力と溶融池4の溶融金属の自重でもって溶融池4が垂れ下がって短時間で図5(D)に示すように溶融池4が母材1から溶け落ち、母材1に穴開き部5が形成される。このような母材1のアーク溶接部分での溶け落ちは、母材1に加わる外部からの振動、衝撃力で助長される。
【0008】
以上の母材1の溶け落ちは、図5(A)から(B)に移行するタイミングでアーク溶接終了の処置を施すと確実に回避されるが、このようなアーク溶接では母材1の裏面側母材1bの溶融が不十分となって溶接品質が悪くなる。図5(B)の時点や図5(B)から(C)に移行する時点でアーク溶接終了の処置を施して母材1の溶け落ちを少しでも防止する対策として、アーク溶接機電源部の制御特性安定化対策や溶接ワイヤ速度制御対策、溶接ワイヤ材質変更対策、アーク溶接部分でのシールドガスの種類変更対策等が試行されている。しかし、溶接時のアークはその形状や強弱にばらつきがあり、母材が溶けてできる溶融池そのものの高精度な状況把握が難しくて、前記の各対策で母材の溶け落ちを高精度で防止することができない。そこで、母材の溶け落ちが発生すると、溶け落ちた穴開き部を手作業で溶接し修正を行っているが、この手作業での後溶接箇所が多くなると作業性が悪く、アーク溶接のコストダウンが難しくなる。
【0009】
本発明の目的は,板厚2mm以下の薄板鋼板等の母材をアーク溶接する場合でも高い信頼度で溶け落ちを防止可能なアーク溶接方法とアーク溶接装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明方法は前記課題を達成するため、母材と溶接ワイヤ間に発生させたアークで母材の被溶接部分を溶融させるアーク溶接時に、アーク電圧とアーク電流の少なくとも一方の検出信号から母材のアーク溶接されている溶融部分表面での脈動レベルを検知し、この脈動レベル検知信号をアーク溶接時の溶け落ちを抑制する制御信号としたことを特徴とする。また本発明装置は前記課題を達成するため、母材と溶接ワイヤ間に発生させたアークで母材の被溶接部分を溶融するアーク溶接装置において、アーク電圧とアーク電流のうち少なくとも一方の検出信号からアーク溶接による母材溶融部分表面での脈動レベルを検知し、この脈動レベル検知信号をアーク溶接時の溶け落ちを抑制する制御信号として出力する溶け落ち抑制部を備えたことを特徴とする。
【0012】
この溶融池の固有振動については、従来より大きさ、材質等により決定されることが知られている。本発明者は、このことを様々な角度から検証し、アーク発生から溶け落ちに至るまでの振動数の変化に着目し、特に、溶け落ち直前では振動が著しく脈動として現れる現象を突き止めた。さらに、その脈動レベルは、アーク電圧、アーク電流を測定することにより把握できることを知見して前記発明方法と装置を開発した。
【0013】
また、具体的に本発明は、前記アーク電圧のピーク値の間隔のばらつき度合いを検出して母材のアーク溶接されている溶融部分表面の脈動レベルを検知することを特徴とする。
【0014】
さらに本発明は、母材の溶け落ちを尚一層の信頼度で防止する目的を達成するため、前記母材の表面側のアーク溶接されている溶融部分の母材裏面側での露呈形状を、母材裏面側に配置したレーザー距離センサーで測定し、この測定信号をアーク溶接時の溶け落ち抑制の制御信号の1つに役立てることを特徴とする。
【0015】
ここでのレーザー距離センサーは、母材の裏面側に配置されて母材の裏面にアーク溶接される溶融部分が少しでも現れると、現れた溶融部分の大きさを測定する。レーザー距離センサーで測定された母材裏面の溶融部分の測定値信号から、溶融部分が溶け落ちする少し前の段階であるか否かが判定できて、この判定信号をアーク電圧やアーク電流から得られた制御信号と共に溶け落ちを抑制する制御信号に利用すれば、溶け落ち防止がより高精度で実行できる。また、レーザー距離センサーは市販の小型で安価な光学センサーが使用できる。このようなレーザー距離センサーと母材との間には、外来光をカットして測定精度を上げるフィルターが必要に応じて設置される。
【0016】
【発明の実施の形態】
【0017】
本発明方法の第1の実施形態を図1〜図3を参照し、第2の実施形態を図4を参照して順に説明する。
【0018】
図1には、図5の母材1をアーク溶接するアーク溶接機とその電源部10が示される。電源部10は、母材1と溶接ワイヤ2に出力波形のアーク電圧Vxを印加して母材1の表面と溶接ワイヤ2の先端との間にアーク3を発生させる従来同様のアーク溶接機能を有する。この電源部10には、アーク溶接時のアーク電圧Vxを検出するアーク電圧検出手段11と、アーク溶接時のアーク電流Ixを検出するアーク電流検出手段12と、アーク溶接時の溶け落ちを未然に防止するための溶け落ち抑制部20が装備される。溶け落ち抑制部20は、アーク溶接時に検出されるアーク電圧Vxとアーク電流Ixの両方或いはいずれか一方の検出信号から母材1のアーク溶接されている溶融部分である溶融池4の表面の脈動レベル(脈動する表面の上下レベル等)を検知して、この脈動レベル検知信号をアーク溶接時の溶け落ちを防止するための制御信号Cxとして電源部10に出力する。
【0019】
すなわち、本発明者は、図5(B)、(C)の段階にある母材1のアーク溶接されている部分での溶融池4の大きさ、流動性等の物理的状況が高精度に分かる手段、方法を様々な角度から検証したところ、溶融池4が面積、容積共に拡大するほどアーク力等で細かく微振動する脈動現象が目立ち始めること、及び、この脈動現象でもって上下左右に変動する溶融池4表面の脈動レベルにアーク溶接時のアーク電圧Vx、アーク電流Ixがほぼ追従するように変動すること、さらに、溶融池4表面の変動する脈動レベルに時間的なばらつきが目立ち始めると溶融池4が自重と脈動力で母材1から溶け落ちする可能性が急増することを見出した。このような溶融池4表面の変動する脈動レベルと、この脈動レベルと比例的な関係で変動する例えばアーク電圧Vxの関係例を図3に示す。
【0020】
図3(b)に示されるアーク溶接時の母材1における溶融池41は、図5(B)の溶融池4と同等のもので、裏面側母材1bの裏面まで溶融池41の底部が達しており、ここでアーク溶接を終了させる処置を施すと強度、外観共に最も良好なアーク溶接が実行される。図3(c)に示される溶融池42は図5(C)の溶融池4と同等のもので、この溶融池42は面積、容積共に拡大が進み過ぎて溶け落ち寸前となっている。溶融池41から溶融池42に移行するにしたがって、溶融池中の溶融金属がアーク力や他の外部からの振動で揺れ動く脈動が目立ち始め、溶融池表面と溶接ワイヤ2の先端との距離が変動する。溶融池41から溶融池42に移行する間の出力波形のアーク電圧Vxを検出すると、図3(d)に示すような100Hz程度のパルス波形が得られる。このパルス波形のアーク電圧Vxの例えば1サイクルでのピーク値間隔Pを求めると、溶融池41のときの間隔P1は比較的安定したばらつきの少ない値であるが、溶融池42のときの間隔P2は間隔P1より平均的に大きく、而も、個々の間隔P2の間でばらつきが目立って大きく現れる。このような間隔P1,P2のばらつき状況は、対応する溶融池41、42の表面の脈動レベルの大きさを表し、この脈動レベルの大きさがアーク電圧Vxから高い精度で求められるのである。
【0021】
前記アーク電圧Vxを検出して溶け落ちを抑制する溶け落ち抑制部20の回路例を図2に示すと、これは脈動判定回路21,限界脈動検出回路22及び限界脈動設定部23を備える。アーク電圧検出手段11から検出されたアーク電圧Vxが脈動判定回路21に出力されると、脈動判定回路21が前記間隔Pの大きさ、ばらつきのデータを算出して限界脈動検出回路22に出力する。限界脈動検出回路22は、入力された間隔Pの大きさ、ばらつきのデータと限界脈動設定部23で予め設定されたデータを比較等して、アーク溶接中の溶接池4の面積、容積が共に溶け落ち前の許容限界に達しているか否かを検出する。例えば、図3のアーク電圧Vxの間隔P1のデータのときには溶接池4表面の脈動レベルが許容限界に達しないと判定され、間隔P1のデータから間隔P2のデータに変わると間隔P2の大きさ、ばらつき度合いのデータが限界脈動設定部23で予め設定された間隔の大きさ、ばらつき度合いの許容限界データと比較される。この比較結果から図3(c)の溶融池42の状況に近い限界脈動レベルにあると判定されると、限界脈動検出回路22から電源部10に溶け落ち抑制の制御信号Cxが出力される。
【0022】
制御信号Cxの出力タイミングは、図3(b)の溶融池41の状況の最終時点か、遅くても図3(c)の溶融池42の状況に移行するまでの時点に設定される。
制御信号Cxが電源部10に出力されると、例えば電源部10がアーク電圧Vxとアーク電流Ixを共に下げるか、アーク溶接そのものを中断させる動作をして溶け落ちを防止する。
【0023】
なお、図3のアーク溶接の動作は定点溶接時によるもので、母材の直線部分を連続してアーク溶接するライン溶接時においては、前記制御信号Cxでライン溶接速度を制御するようにして溶け落ちを防止するようにすることも可能である。
【0024】
以上はアーク電圧Vxのピーク値間隔Pを検出して溶け落ちを抑制するアーク溶接方法であるが、母材1のアーク溶接される溶融池4の脈動でアーク電圧Vxやアーク電流Ixに周波数変動成分が現れることから、この周波数変動成分を検出して溶け落ちを抑制する制御信号Cxを求めるようにしてもよい。
【0025】
図4の実施形態のアーク溶接機は、母材1の溶け落ちを尚一層の信頼度で防止する目的のために、母材1の裏面側にレーザー距離センサー30とフィルター31を配置している。レーザー距離センサー30は、母材1の表面側のアーク溶接されている溶融池4の母材裏面側での外観状況を測定検査し、フィルター31はレーザー距離センサー30に不要な外来光が入射するのを防止してレーザー距離センサー30の測定精度を上げる。
【0026】
すなわち、母材1をアーク溶接して図3(b)のように溶融池41が形成されると、この溶融池41の底部が母材1の裏面に少し露呈し、この露呈溶融池41の底面の幅wをレーザー距離センサー30が測定して電源部10に出力する。電源部10は入力された幅wのデータから図3(b)の溶融池41か図3(c)の溶融池42へと進行しつつあるかどうかを判断して、アーク電圧Vxやアーク電流Ixに基づく制御信号Cxとの協働で溶け落ち防止の動作をする。このようにレーザー距離センサー30からのデータも併用して二重三重に溶け落ち防止策を図ることで、溶け落ち防止の信頼度が増大する。
【0027】
なお、レーザー距離センサー30やフィルター31は構造簡単で安価、小型のな市販品が適用できて、母材1の裏面側スペースが狭い場合にも使用容易で、アーク溶接機の使用上の自由度をほとんど損なわない。
【0028】
【発明の効果】
本発明は前述したように母材のアーク溶接で溶融する溶融部分(溶融池)の脈動レベルをアーク電圧或いはアーク電流の検出信号に基づいて検知して、溶融部分が溶け落ちするまで溶融が進行しないように制御することで、母材が2mm以下の薄鋼板類であってもアーク溶接時の溶け落ちを高精度で防止でき、この高精度な溶け落ち防止効果でアーク溶接強度を高くして溶接品質の向上と、歩留まり改善によるコスト低減が可能となる。特に、自動車ボデーの板金パネルのような益々薄板化される傾向にある母材のアーク溶接が、歩留まり良く低コストで実施できるようになる。
【0029】
また、母材表面のアーク溶接時に母材裏面からアーク溶接部分をレーザー距離センサーで測定するようにすれば、この測定結果からも溶け落ちが抑制できて、前記溶け落ち防止効果の信頼度が尚一層に増大する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態を示すアーク溶接機のブロック図。
【図2】図1における溶け落ち抑制部のブロック図。
【図3】本発明方法における母材のアーク溶接部分とアーク電圧の相関関係を説明する断面図と電圧波形図。
【図4】本発明の他の実施形態を示すブロック図。
【図5】アーク溶接における溶け落ち現象を説明する断面図であって、(A)はアーク溶接前半期、(B)はアーク溶接後半期、(C)は溶け落ち直前、(D)は溶け落ち時の断面図。
【符号の説明】
1 母材
1a 表面側母材
1b 裏面側母材
2 溶接ワイヤ
3 アーク
4 溶融部分(溶融池)
10 電源部
Vx アーク電圧
11 アーク電圧検出手段
Ix アーク電流
12 アーク電流検出手段
20 溶け落ち抑制部
Cx 溶け落ち抑制の制御信号[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
[0002]
The present invention relates to an arc welding method and an arc welding apparatus suitable for arc welding of thin plate-like base materials such as automobile bodies.
[0003]
[Prior art]
[0004]
As a welding method that firmly welds sheet metal panels such as the upper panel of an automobile body by overlapping each other, spot welding is performed by sandwiching the front and back surfaces of the sheet metal panel with a pair of electrodes, and welding is performed only from the surface side of the sheet metal panel. There is an arc welding method in which a wire is used to generate an arc for welding. The spot welding method is employed only when there is enough space for the pair of electrodes to enter the front and back sides of the sheet metal panel. In the arc welding method, the welding wire is approached from the front surface side of the sheet metal panel to melt the sheet metal panel itself, and droplets from the welding wire are attached to the melted portion for welding. Welding is possible regardless of whether there is room or not, and the degree of freedom for the shape of the base metal that can be welded is higher than that of spot welding. For this reason, the arc welding method tends to be frequently used for welding between sheet metal panels of automobile bodies whose shapes are remarkably diversified.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
[0006]
When arc-welding a base material of a thin steel plate such as a sheet metal panel of an automobile body, if the thickness of the base material exceeds 2 mm, the possibility that the melted portion of the base metal melted by the arc is less likely to melt down. As the thickness becomes thinner at 2 mm or less, the possibility that the base material melted portion melts increases. This base metal melting phenomenon will be described with reference to FIGS.
[0007]
As shown in FIG. 5A, a welding voltage is applied between the
[0008]
The above melt-down of the base material 1 can be surely avoided if the end of the arc welding is performed at the timing of transition from FIG. 5A to FIG. 5B. Insufficient melting of the
[0009]
An object of the present invention is to provide an arc welding method and an arc welding apparatus capable of preventing burn-off with high reliability even when arc welding a base material such as a thin steel plate having a thickness of 2 mm or less.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
[0011]
In order to achieve the above object, the method of the present invention is based on a detection signal of at least one of an arc voltage and an arc current during arc welding in which a welded portion of a base material is melted by an arc generated between the base material and a welding wire. The pulsation level on the surface of the melted part that is arc welded is detected, and this pulsation level detection signal is used as a control signal that suppresses burn-out during arc welding. According to another aspect of the present invention, there is provided an arc welding apparatus for melting a welded portion of a base metal with an arc generated between the base metal and a welding wire in order to achieve the above-described object. And a burn-out suppression unit for detecting a pulsation level on the surface of the base metal melted part by arc welding and outputting this pulsation level detection signal as a control signal for suppressing burn-off during arc welding.
[0012]
It is known that the natural vibration of the molten pool is determined by the size, material, and the like. The present inventor has verified this from various angles, paying attention to the change in the frequency from the generation of the arc to the melt-off, and in particular, has found a phenomenon in which the vibration appears as pulsation immediately before the melt-down. Furthermore, the inventors found that the pulsation level can be grasped by measuring arc voltage and arc current, and developed the method and apparatus of the invention.
[0013]
More specifically, the present invention is characterized in that the pulsation level of the surface of the melted part where the base metal is arc welded is detected by detecting the degree of variation in the peak value of the arc voltage.
[0014]
Furthermore, the present invention achieves the purpose of preventing the base material from being melted down with a further degree of reliability, so that the exposed shape on the back surface side of the base material of the molten part that is arc welded on the surface side of the base material, It is measured by a laser distance sensor disposed on the back side of the base material, and this measurement signal is used as one of control signals for suppressing burn-off during arc welding.
[0015]
The laser distance sensor here measures the size of the melted portion that appears on the back side of the base material and is arc welded to the back side of the base material. From the measurement value signal of the melted part on the back of the base metal measured by the laser distance sensor, it can be determined whether or not it is a stage just before the melted part melts, and this judgment signal can be obtained from the arc voltage or arc current. By using the control signal as a control signal for suppressing burn-off, it is possible to prevent burn-out with higher accuracy. As the laser distance sensor, a commercially available small and inexpensive optical sensor can be used. Between such a laser distance sensor and a base material, a filter that cuts extraneous light and increases measurement accuracy is installed as necessary.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0017]
A first embodiment of the method of the present invention will be described in order with reference to FIGS. 1 to 3 and a second embodiment with reference to FIG.
[0018]
FIG. 1 shows an arc welder for arc-welding the base material 1 of FIG. 5 and its
[0019]
That is, the present inventor is able to accurately determine the physical conditions such as the size and fluidity of the
[0020]
[0021]
FIG. 2 shows a circuit example of the burn-
[0022]
The output timing of the control signal Cx is set to a point in time until the migration to the situation of the
When the control signal Cx is output to the
[0023]
The arc welding operation in FIG. 3 is based on fixed point welding. In line welding in which the straight portion of the base metal is continuously arc welded, melting is performed by controlling the line welding speed with the control signal Cx. It is also possible to prevent dropping.
[0024]
The above is an arc welding method that detects the peak value interval P of the arc voltage Vx and suppresses burn-through, but the frequency fluctuations in the arc voltage Vx and the arc current Ix are caused by the pulsation of the
[0025]
In the arc welder of the embodiment of FIG. 4, a
[0026]
That is, when the
[0027]
The
[0028]
【The invention's effect】
In the present invention, as described above, the pulsation level of the molten portion (molten pool) that is melted by arc welding of the base metal is detected based on the detection signal of the arc voltage or arc current, and melting proceeds until the molten portion is melted down. By controlling so as not to melt, even if the base metal is a thin steel sheet of 2 mm or less, burn-off during arc welding can be prevented with high accuracy, and this high-precision burn-out prevention effect increases arc welding strength. Costs can be reduced by improving welding quality and improving yield. In particular, arc welding of a base material, which tends to be made thinner and thinner like a sheet metal panel of an automobile body, can be carried out with a high yield and low cost.
[0029]
Also, if the arc welded part is measured from the back side of the base metal with a laser distance sensor during arc welding of the base metal surface, the burn-out can be suppressed from this measurement result, and the reliability of the burn-out prevention effect is still low. Further increase.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of an arc welder showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram of a burn-off suppression unit in FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view and a voltage waveform diagram for explaining a correlation between an arc welding portion of a base material and an arc voltage in the method of the present invention.
FIG. 4 is a block diagram showing another embodiment of the present invention.
FIGS. 5A and 5B are cross-sectional views for explaining a burn-out phenomenon in arc welding, where FIG. 5A is the first half of arc welding, FIG. 5B is the second half of arc welding, FIG. Sectional drawing at the time of falling.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Base material 1a Front
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