JP4569888B2 - 消耗電極式アーク溶接方法におけるアークスタート方法 - Google Patents

Description

この発明は、消耗電極式アーク溶接方法におけるアークスタート方法に関するもので、特にアークスタート特性の改善されたアークスタート方法に関するものである。

従来より、溶接ロボット等を使用して、アーク溶接を自動的に行う方法が知られている。このような自動溶接において、アークスタートを確実に行うことは重要なことである。そのため、アークスタートを確実に行うための種々の提案がなされている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４参照）。
特開平７―９１４１号公報 特開平９−２５３８５２号公報 特開平７−１８５８１６号公報 特開平１１−３４７７３２号公報

ところで、上記各特許文献に開示されているアークスタート方法においては、溶接速度が遅い場合には、格別の問題は生じない。しかしながら、溶接速度が、例えば、毎分３ｍ程度と高速になると、アークスタートの不安定性に起因する問題が生じることが明らかになった。この問題について検討したところ、次のような知見を得た。すなわち、アーク溶接において、アークスタート不安定状態とは、図１に示すように、アークスタート後、数１００ｍＳ（ミリ秒）以内にアークが一旦、消弧するアーク途切れ現象が生じ、その後に再点弧しているということである。通常速度のアーク溶接においては、溶接速度が遅く、１秒当たりの溶接長が短い（例えば、溶接速度が６０ｃｍ／分であると、１秒あたりの溶接長は１ｃｍである）ために、上記消弧、再点弧の現象が発生しても、ビード不整、溶け込み不足等の溶接欠陥としては現れ難いが、溶接速度が速く、１秒当たりの溶接長が長い（例えば、溶接速度が３ｍ／分であると、１秒当たりの溶接長は５ｃｍである）場合は、上記消弧、再点弧のアーク途切れ現象は、ビード不整、溶け込み不足等の溶接欠陥として現れ易いことになる。

そこで、本発明者等は、上記消弧、再点弧のアーク途切れ現象が生じる理由について検討した。一般に、消耗電極式アーク溶接方法におけるアークスタートは、溶接ワイヤを低速度で送給し、これを母材に短絡させることによって行う。このとき、溶接ワイヤには、短絡に起因する過大なスタート電流が瞬間的に流れる。そうすると、溶接ワイヤは、溶接チップより突出されている部分が、全体的に瞬間的に加熱される。その後のワイヤ送給が遅れるとアーク長が長くなり過ぎてアークが消弧したり、短絡が開放されずに長期的な短絡現象が続いたりすると溶接ワイヤが過熱によってその途中で、あるいは突出している部分が全体として溶断すると共に、その先端側がアーク力によって吹飛ばされ、アークが一旦、消滅したりする。その後再度ワイヤが短絡することによって形成される新たな溶接ワイヤ先端部に再びアークが発生する。そして、瞬間的なアーク途切れ現象の場合、肉眼的には、結果としてアークが継続しているかに見えるのであるが、アーク途切れ時間によっては溶接欠陥となることがある。特に、高速溶接時におけるアーク途切れ現象は、ビード不整等の溶接欠陥となり易い。

この発明は上記した従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、確実なアークスタートを行うことが可能で、そのため溶接欠陥の発生を抑制して高品質な高速溶接を行うことが可能な消耗電極式アーク溶接方法におけるアークスタート方法を提供することにある。

請求項１のアークスタート方法は、ワイヤを送給しながらその先端と母材との間にアークを発生させて溶接を行う消耗電極式アーク溶接方法において、溶接開始前に、予定溶接線の終端部近傍の位置において、スポット状に予熱用アークを発生させることにより、溶接開始点でのアークスタート時に、ワイヤの溶接チップからの突出し部分において、溶接チップに近い部分よりもワイヤ先端部を高温にしておくことを特徴としている。

請求項２のアークスタート方法は、ワイヤ先端部を、３００℃以上の温度に予熱しておくことを特徴としている。

請求項３のアークスタート方法は、ワイヤ先端部を、４５０℃以上の温度に予熱しておくことを特徴としている。

請求項４のアークスタート方法は、上記予熱用アークは、溶接電流よりも低電流とすることを特徴としている。

請求項５のアークスタート方法は、溶接開始前にワイヤ先端温度を計測し、ワイヤ先端温度が基準温度以下であるときに上記ワイヤ先端部の予熱を行うことを特徴としている。

請求項６のアークスタート方法は、溶接開始前に、アーク溶接を最後に行った時刻からの経過時間を計測し、経過時間が基準時間以上のときに上記ワイヤ先端温度の計測を行うことを特徴としている。

請求項７のアークスタート方法は、溶接開始前に、アーク溶接を最後に行った時刻からの経過時間と周囲温度を計測しておき、現在のワイヤ先端温度を推定することで上記ワイヤ先端部の予熱の要否を判断することを特徴としている。

上記請求項１のアークスタート方法によれば、溶接チップから突出された溶接ワイヤにおいては、ワイヤ先端側が、溶接チップに近い部分よりも高い温度になっている。従って、アークスタート時のスタート電流によって溶接ワイヤが加熱されても、先端側の温度は高温に維持される。この結果、溶接ワイヤの突出し部分は、根元よりも先端側が溶断し易いことになり、突出し部分の途中で、あるいはその全体が溶断するのが抑制される。従って、このアークスタート方法によれば、確実なアークスタートを行うことが可能で、そのため溶接欠陥の発生を抑制して高品質な高速溶接を行うことが可能となる。また、溶接開始前に、予定溶接線の終端部近傍の位置において、スポット状に予熱用アークを発生させるようにしたので、その実施が容易であるし、溶接終端部において生じる余盛不足（凹み）等の欠陥の解消に寄与できる。

請求項２、請求項３のアークスタート方法によれば、確実なアークスタートを行うことが可能である。溶接ワイヤ先端部の加熱温度は、請求項２のように３００℃以上であれば十分であるが、請求項３のように、４５０℃以上にしておけば、一段と確実なアークスタートが行える。

請求項４のように低電流で実施すれば、周囲に及ぼす影響を軽減できる。

請求項５〜請求項７のアークスタート方法によれば、必要のある場合にだけ、溶接ワイヤの先端部の温度を上昇させるので、溶接作業能率が向上する。

次にこの発明のアークスタート方法の具体的な実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

この実施例は、アーク溶接を開始直前にダミーアークを発生させ、溶接ワイヤの溶接チップからの突出し部分において、溶接チップに近い部分よりもワイヤ先端部を高温にしておく方法である。まず、具体的な溶接手順について説明する。図２に示すように、溶接トーチを溶接開始点に移動させ、アークスタート信号が出力して溶接が開始されると（ステップＳ１）、ステップＳ２において、前回の溶接終了時刻から現在までの経過時間を演算し、次いで経過時間が設定時間Ａ以内であるか否かの判断を行う（ステップＳ３）。経過時間が設定時間Ａ以上であれば、ステップＳ４に移行し、また、経過時間が設定時間Ａ未満であれば、ステップＳ５に移行する。ステップＳ５は、通常通りにアークスタート位置でアークスタートを行うステップであり、このステップＳ５の後、ステップＳ６において、アークスタートが成功したか否かの判断を行い、成功していれば、ステップＳ７において、溶接をそのまま続行する。ステップＳ６において、アークスタートが成功していなければ、ステップＳ８に移行し、アークの再スタート信号を出力すると共に、ステップＳ９において、アークを再スタートさせ、ステップＳ７に移行して溶接を継続する。一方、上記ステップＳ４に移行した場合、つまり前回の溶接終了時刻から現在までの経過時間が設定時間Ａ以上である場合には、このステップＳ４において、溶接ワイヤの先端温度を測定する。そして、次のステップＳ１０において、溶接ワイヤの先端温度を基準温度Ｂと比較し、溶接ワイヤの先端温度が基準温度Ｂよりも高ければ、上記ステップＳ５以降の通常溶接作業を実施し、溶接ワイヤの先端温度が基準温度Ｂ以下であれば、ステップＳ１１に移行して、溶接終了端部（溶接終端部）において、アークスポット溶接を実施した後、ステップＳ５に移行して、通常の溶接作業を実施する。

上記ステップＳ１１において、アークスポット溶接を行うのは、溶接ワイヤの溶接チップからの突出し部分において、溶接チップに近い部分よりもワイヤ先端部を高温にしておくためである。図３には、溶接ワイヤ先端温度とアークスタート成功率との関係を示している。ここで、アークスタート成功率とは、ワイヤ先端温度毎のアークスタート時のアーク途切れ時間が基準値以下の溶接数良品率を表し、具体的には、アーク途切れ時間５０ｍｓ以下の溶接数良品率で表している。

図３から明らかなように、溶接ワイヤ先端温度が、３００℃以上においてアークスタート成功率が改善され、特に、溶接ワイヤ先端温度が、４５０℃以上で、アークスタート成功率が顕著に改善されることが明らかである。

次に、溶接ワイヤの先端部、溶接ワイヤ溶接チップからの突出し部分において、ワイヤ先端部を加熱すると共に、溶接チップに近い基端部を冷却する場合の参考例について説明する。図４には、そのための装置構成例を示している。同図において、１は高周波誘導加熱コイルであって、溶接ワイヤの先端部の周囲に配置され、この部分を加熱するためのものであり、高周波電源２、高周波トランス３を備えている。また、４は、水冷銅板であって、溶接ワイヤの基端側に配置され、この部分を冷却するようになっている。上記装置においては、ワイヤ先端部は、上記高周波コイル１によって加熱される一方、ワイヤ基端部は、水冷銅板４によって冷却されることになる。

図５、及び図６に上記装置によるテスト結果を示している。図５のように、溶接ワイヤ先端温度が、３００℃以上においてアークスタート成功率が改善され、特に、溶接ワイヤ先端温度が、４５０℃以上で、アークスタート成功率が顕著に改善される。また、図６にアークスタートの成功率を示している。同図から明らかなように、溶接ワイヤ先端部を加熱（４５０℃〜５２０℃）した場合（加熱有の場合）には、良好なアークスタート成功率が得られる。これに対して、加熱しない場合（加熱無の場合）にはアークスタート成功率の向上が望めない。なお、図６におけるデータは複数の実験例（この場合、第１から第４の実験例）を示している。また、上記各テストにおいて、溶接ワイヤの基端部分（水冷銅板４による冷却部分）の温度は、約８０℃〜１２０℃程度に保持されていた。

さらに、上記同様のテストを実施した。これは、上記同様に、ワイヤ先端部は、上記高周波コイル１によって加熱する一方、ワイヤ基端部は、水冷銅板４によって冷却せず、そのままの状態で温度上昇を許容したものである。この場合のアークスタート成功率は、２０〜３０％程度に止まり、充分な改善効果は得られなかった。このことから、溶接ワイヤの先端部を単に加熱しただけでは不十分であり、溶接ワイヤ先端部は加熱しながらも、基端部分は、それよりも低温に保持する必要のあることが明らかである。

以上にこの発明のアークスタート方法の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記実施の形態に限られるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施形態では、溶接開始前に、アーク溶接を最後に行った時刻からの経過時間を計測し、経過時間が基準時間以上のときに上記ワイヤ先端温度の計測を行うようにしているが、溶接開始前に、アーク溶接を最後に行った時刻からの経過時間と周囲温度とを計測しておき、現在のワイヤ先端温度を推定することで上記ワイヤ先端部の予熱の要否を判断するようにしてもよい。

従来のアークスタート方法において生じている問題点を説明するための溶接電圧・電流波形である。 この発明のアークスタート方法の実施形態を説明するためのフローチャート図である。 上記実施形態におけるアークスタート方法において、ワイヤ先端温度とアークスタート成功率との関係を示すグラフである。 参考例において、ワイヤ先端部の加熱・冷却方法を説明するための模式図である。 上記参考例において、ワイヤ先端温度とアークスタート成功率との関係を示すグラフである。 上記参考例において、アークスタート成功率を示すグラフである。

Claims (7)

1. ワイヤを送給しながらその先端と母材との間にアークを発生させて溶接を行う消耗電極式アーク溶接方法において、溶接開始前に、予定溶接線の終端部近傍の位置において、スポット状に予熱用アークを発生させることにより、溶接開始点でのアークスタート時に、ワイヤの溶接チップからの突出し部分において、溶接チップに近い部分よりもワイヤ先端部を高温にしておくことを特徴とするアークスタート方法。
2. ワイヤ先端部を、３００℃以上の温度に予熱しておくことを特徴とする請求項１のアークスタート方法。
3. ワイヤ先端部を、４５０℃以上の温度に予熱しておくことを特徴とする請求項１のアークスタート方法。
4. 上記予熱用アークは、溶接電流よりも低電流とすることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかのアークスタート方法。
5. 溶接開始前にワイヤ先端温度を計測し、ワイヤ先端温度が基準温度以下であるときに上記ワイヤ先端部の予熱を行うことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかのアークスタート方法。
6. 溶接開始前に、アーク溶接を最後に行った時刻からの経過時間を計測し、経過時間が基準時間以上のときに上記ワイヤ先端温度の計測を行うことを特徴とする請求項５のアークスタート方法。
7. 溶接開始前に、アーク溶接を最後に行った時刻からの経過時間と周囲温度を計測しておき、現在のワイヤ先端温度を推定することで上記ワイヤ先端部の予熱の要否を判断することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかのアークスタート方法。