JP4659665B2

JP4659665B2 - 交流ティグ溶接方法及び装置

Info

Publication number: JP4659665B2
Application number: JP2006108505A
Authority: JP
Inventors: 主治長森; 広喜田口
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2006-04-11
Filing date: 2006-04-11
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2026-04-11
Also published as: JP2007275970A

Description

本発明は、溶接時の交流周波数を商用周波数より高く設定すると共にアーク起動時の交流周波数を溶接時の交流周波数よりも低く設定する交流ティグ溶接方法及び装置に関するものである。

交流ティグ溶接では、ＥＮ期間（棒マイナス期間）におけるＥＮ電流の平均値とＥＰ期間（棒プラス期間）におけるＥＰ電流の平均値との比率を変えることにより、溶込み深さを制御する（特許文献１）。また、ＥＰ電流とＥＮ期間を一定にしておき、ＥＮ電流で溶込み深さを制御する場合もある（特許文献２）。

また、アークの起動を容易にするため、アーク起動時の交流周波数を溶接時の交流周波数よりも低く設定する（特許文献３）。
特開昭５４−１２１２５５号公報特開昭６３−１３６７７号公報特開平３−５０７８号

しかし、上記特許文献３の技術を用いた場合であっても、溶接電流が小電流（例えば、２０Ａ以下）である場合、アークの起動に時間を要する場合があった。

したがって、本発明が解決すべき課題は、総ての溶接電流範囲において、アークの起動を安定かつ速やかに行うことができる交流ティグ溶接方法及び装置を提供するにある。

上記課題を解決するため、第１の手段は、溶接時の交流周波数を商用周波数より高く設定すると共にアーク起動時の交流周波数を溶接時の交流周波数よりも低く設定する交流ティグ溶接方法において、アーク起動から溶接までの期間を、ＥＰ期間比率が溶接時よりも高い第１の期間Ｔ１と、この第１の期間に続く交流周波数が前記第１の期間Ｔ１と同じで、ＥＰ期間比率が溶接時と同じである第２の期間Ｔ２と、で構成することを特徴とする。

また、第２の手段は、溶接時の交流周波数を商用周波数より高く設定すると共にアーク起動時の交流周波数を溶接時の交流周波数よりも低く設定する交流ティグ溶接装置において、溶接時の交流周波数よりも低く設定されるアーク起動時の交流周波数の継続期間ｔ１を計測する第１の計測手段と、ＥＰ期間比率が溶接時よりも高い第１の期間Ｔ１を計測する第２の計測手段と、前記第２の計測手段によってアーク起動から溶接までの期間を前記第１の期間Ｔ１として計測し、前記第１の期間Ｔ１が経過した後、前記第１の計測手段が前記継続期間ｔ１の計測を完了するまでの間、交流周波数を前記第１の期間Ｔ１と同一、ＥＰ期間比率を溶接時と同一に設定する制御手段とを備えていることを特徴とする。

なお、後述の実施形態では、第１の計測手段はタイマ２０に、第２の計測手段はタイマ２２に、制御手段は周波数発生部１８、Ｅｐ期間比率制御部２１及びインバータ制御部１３に対応する。

溶接電流が小電流の場合であっても、アークの起動を速やかに行うことができる。

図１は、本発明に係る交流ティグ溶接装置の構成図である。

一点鎖線で囲んで示す主回路部１は、商用周波数の交流を直流に整流する入力側整流器２、入力側整流器２から出力された直流を２０ｋＨｚ程度の高周波交流に変換する入力側インバータ３、入力側インバータ３から出力された交流電流を溶接用の交流電流に変換する高周波トランス４、高周波交流を再び直流に変換する出力側整流器５、出力側整流器５で整流された直流出力を平滑にするための直流リアクタ６、直流を再び交流に変換するための出力側インバータ７、電流検出器８及び高周波の高電圧を出力するカップリングコイル９とから構成されている。電流検出器８によって検出された溶接電流は、絶対値回路１０により絶対値として誤差増幅回路１２に入力される。

誤差増幅回路１２は、出力指令制御部１５から出力される電流指令値と絶対値回路１０から出力される電流値との差に対応する信号をスイッチング制御部１１に出力し、入力側インバータ３のオン幅を変えて高周波トランス４に供給する電流を制御する。

一点鎖線で囲んで示す全体制御部１４は、出力指令制御部１５、溶接動作制御部１６、出力側インバータ制御周波数発生部１８、出力側インバータのＥＰ期間比率制御部２１及びタイマ２０，２２とから構成されている。ここで、
ＥＰ期間比率＝ＥＰ期間／（ＥＮ＋ＥＰ）期間
である。

出力指令制御部１５は、溶接動作制御部１６からの指令に基づいて電流指令設定部１７ａ、１７ｂで設定されたいずれかの電流指令値を誤差増幅回路１２に出力する。なお、電流指令設定部１７ａは溶接電流Ｉｗを、電流指令設定部１７ｂは後述するホット電流Ｉｈを設定するためのものである。

制御周波数発生部１８は、タイマ２０の動作に基づいて出力側インバータ交流周波数の設定部１９ａ、１９ｂで設定されたいずれかの交流周波数を出力側インバータ制御部１３に出力する。なお、設定部１９ａはスタート周波数ｆｓを、設定部１９ｂは溶接周波数ｆｗを、それぞれ設定するためのものである。

ＥＰ期間比率制御部２１は、タイマ２２の動作に基づいてＥＰ期間比率設定部２３ａ、２３ｂで設定されたいずれかのＥＰ期間比率を出力側インバータ制御部１３に出力する。なお、ＥＰ期間比率設定部２３ａはアーク起動時のＥＰ期間比率ｐｓを、ＥＰ期間比率設定部２３ｂは溶接時のＥＰ期間比率ｐｗを、それぞれ設定するためのものである。

ところで、ＥＰ期間比率に応じてクリーニング幅は変化する。そこで、実際の溶接機ではＥＰ期間比率に代えて溶接作業の指標となるクリーニング幅を用いることが多いが、ここでは理解を容易にするため、ＥＰ期間比率をそのまま用いることにする。

タイマ２０は、アーク起動時における交流周波数ｆｓを維持する期間ｔ１を定めるためのものであり、タイマ２２はアーク起動時におけるＥＰ期間比率ｐｓを予め定める値に維持する期間Ｔ１を定めるためのものである。

溶接動作制御部１６は、起動スイッチ２４からの信号により動作を行う。

主回路部１の図示を省略する出力端子には、溶接用トーチ３０に保持された電極３１と母材３２が接続される。

次に、この実施形態の動作を説明する。

図２は、溶接電流の変化の様子を示す図であり、溶接電流Ｉｗが６０Ａ以上の場合である。

予め、アーク起動時の交流周波数であるスタート周波数ｆｓと、溶接時の交流周波数である溶接周波数ｆｗ、アーク起動時のＥＰ期間比率ｐｓと、溶接時のＥＰ期間比率ｐｗとを定めておく。

例えば、電極３１として直径が１．６ｍｍのタングステン電極を使用する場合、スタート周波数ｆｓを７０Ｈｚ、溶接周波数ｆｗを４００Ｈｚ、アーク起動時のＥＰ期間比率ｐｓを５０％、溶接時のＥＰ期間比率ｐｗを３０％とする。

起動信号がオンされると（時刻０）、電極３１の周囲には溶接用シールドガスが供給されると共に、カップリングコイル９により電極３１と母材３２の間に高周波の高電圧が印加される。

電極３１と母材３２間の絶縁が破壊されて電極３１と母材３２との間にアークが発生すると（時刻Ａ）、制御周波数発生部１８は交流周波数としてスタート周波数ｆｓを、また、ＥＰ期間比率制御部２１はＥＰ期間比率ｐｓを、それぞれ出力側インバータ制御部１３に出力する。この結果、ＥＰ期間比率ｐｓ、スタート周波数ｆｓのスタート電流Ｉｓ（＝Ｉｗ）が電極３１と母材３２との間に供給される。

そして、タイマ２２がタイムアップすると、すなわち、ＥＰ期間比率ｐｓの維持期間Ｔ１が経過すると（時刻Ｂ）、ＥＰ期間比率制御部２１はＥＰ期間比率としてＥＰ期間比率ｐｗを出力側インバータ制御部１３に出力する。この結果、ＥＰ期間比率ｐｗ、スタート周波数ｆｓの溶接電流Ｉｓが電極３１と母材３２との間に供給される。

次に、タイマ２０がタイムアップすると、すなわち、スタート周波数ｆｓの維持期間ｔ１が経過すると（時刻Ｃ）、制御周波数発生部１８は交流周波数として溶接周波数ｆｗを出力側インバータ制御部１３に出力する。この結果、ＥＰ期間比率ｐｗ、溶接周波数ｆｗの溶接電流Ｉｗが電極３１と母材３２との間に供給される。以下、従来と同様にして溶接が行われる。

ここで、時刻Ｂから時刻Ｃまでの期間をＴ２として以上をまとめると、アーク起動から溶接までの期間ｔ１は、ＥＰ期間比率が溶接時よりも高い期間Ｔ１と、交流周波数が第１の期間Ｔ１と同じでＥＰ期間比率が溶接時と同じである第２の期間Ｔ２と、で構成されることになる。

なお、上記において、タイマ２０、２２がタイムアップした時点がＥＰ期間またはＥＮ期間の途中である場合には、当該期間が終了してから次の期間を開始する。

ここで、期間ｔ１としては数１０ｍｓ〜数１００ｍｓに、また、期間Ｔ１としては数１０ｍｓ程度とするのが実用的である。

次に、溶接電流Ｉｗが６０Ａ未満（例えば、２０Ａ）の場合の制御について説明する。

図３は、溶接電流の変化の様子を示す図であり、溶接電流Ｉｗが６０Ａ未満の場合である。

予め、アーク起動時の交流周波数であるスタート周波数ｆｓと、溶接時の交流周波数である溶接周波数ｆｗ、アーク起動時のＥＰ期間比率ｐｓと、溶接時のＥＰ期間比率ｐｗとを定めておく。例えば、電極３１として直径が１．６ｍｍのタングステン電極を使用する場合、スタート周波数ｆｓを７０Ｈｚ、溶接周波数ｆｗを４００Ｈｚ、アーク起動時のＥＰ期間比率ｐｓを５０％、溶接時のＥＰ期間比率ｐｗを３０％とする。

電極３１と母材３２間の絶縁が破壊されて電極３１と母材３２との間にアークが発生すると（時刻Ａ）、制御周波数発生部１８は交流周波数としてスタート周波数ｆｓを、また、ＥＰ期間比率制御部２１はＥＰ比率としてＥＰ期間比率ｐｓを、それぞれ出力側インバータ制御部１３に出力する。さらに、出力指令制御部１５は電流指令設定部１７ｂに設定されたホット電流Ｉｈ（ここでは６０Ａ）を誤差増幅回路１２に指令する。この結果、ＥＰ期間比率ｐｓ、スタート周波数ｆｓのホット電流Ｉｈが電極３１と母材３２との間に供給される。また、ホット電流Ｉｈを供給する期間ｔ３を定める図示を省略するタイマがオンされる。

そして、図示を省略するタイマがタイムアップすると（時刻Ｄ）、ＥＰ期間比率ｐｓ、スタート周波数ｆｓのスタート電流Ｉｓ（＝Ｉｗ）が電極３１と母材３２との間に供給される。

そして、タイマ２２がタイムアップすると、すなわち、ＥＰ期間比率ｐｓの維持期間Ｔ１が経過すると（時刻Ｂ）、ＥＰ期間比率制御部２１はＥＰ期間比率ｐｗを出力側インバータ制御部１３に出力する。この結果、ＥＰ期間比率ｐｗ、スタート周波数ｆｓの溶接電流Ｉｓが電極３１と母材３２との間に供給される。

なお、期間ｔ３を期間Ｔ１に等しい長さとしてもよい。

ところで、交流溶接を行う際、アーク起動時に直流スタート、すなわち極性をＥＮあるいはＥＰに固定した状態でアークを起動し、直流の溶接電流が検出された後、所定の期間が経過してから交流の溶接電流に切り替える場合がある。

図４は、交流溶接を行うのに先立ち、直流でアークスタートを行う場合の溶接電流の変化の様子を示す図であり、溶接電流Ｉｗが６０Ａ未満の場合である。

このような場合には、同図に示すように、直流期間をホット電流Ｉｈが供給される期間とし、直流期間が終了した時点（時刻Ｄ）以降は図２の場合と同じ（すなわち、時刻Ｄを図２における時刻Ａとする）制御を行えばよい。

また、ホット電流Ｉｈの大きさとしては、上記図３の場合と同様に、溶接電流Ｉｗが６０Ａ未満の場合には、６０Ａとするのが実用的である。

なお、図４ではＥＮでスタートした場合を示したが、ＥＰでスタートする場合も同様の制御を行えばよい。

また、上記においては溶接電流Ｉｗが６０Ａ未満の場合のホット電流Ｉｈを６０Ａとしたが、被溶接物の板厚が薄い場合（この場合は、電極も１．６ｍｍよりも細径のものが使用される。）には、ホット電流Ｉｈを例えば４０Ａ程度にしてもよい。さらに、被溶接物の材質等に応じて変えてもよい。

さらに、第２の期間Ｔ２を０にしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、アーク起動時にＥＰ期間比率を高くし、電極の温度を速やかに上昇させて熱電子を放出しやすい状態にするので、アークの起動を安定かつ速やかに行うことができる。

なお、図１における全体制御部１４はマイクロプロセッサによる制御に置き換えることができる。

本発明に係る交流ティグ溶接装置の構成図である。本発明における溶接電流の時間的変化を示すタイミングチャートである。本発明における溶接電流の時間的変化を示すタイミングチャートである。本発明における溶接電流の時間的変化を示すタイミングチャートである。

符号の説明

Ｔ1 ＥＰ期間比率が溶接時よりも高い期間
Ｔ２交流周波数が期間Ｔ１と同じで、ＥＰ期間比率が溶接時と同じである期間

Claims

溶接時の交流周波数を商用周波数より高く設定すると共にアーク起動時の交流周波数を溶接時の交流周波数よりも低く設定する交流ティグ溶接方法において、
アーク起動から溶接までの期間に、
ＥＰ期間比率が溶接時よりも高い第１の期間Ｔ１と、
この第１の期間に続く交流周波数が前記第１の期間Ｔ１と同じで、ＥＰ期間比率が溶接時と同じである第２の期間Ｔ２と、
が設定されていることを特徴とする交流ティグ溶接方法。
予めスタート電流の最小値を定めておき、溶接時の電流が前記最小値よりも小さい場合は、前記第１の期間Ｔ１の開始から予め定める期間ｔ３（ただし、ｔ３≦Ｔ１）におけるスタート電流値を前記最小値とすることを特徴とする請求項１に記載の交流ティグ溶接方法。
アーク起動時の極性が予め指定されている場合、アーク起動から予め定める期間ｔ３の極性を前記指定された極性とし、その後、前記第１の期間Ｔ１を開始することを特徴とする請求項１に記載の交流ティグ溶接方法。
溶接時の電流が前記最小値よりも小さい場合は、前記期間ｔ３におけるスタート電流値を前記最小値とすることを特徴とする請求項３に記載の交流ティグ溶接方法。
前記第２の期間Ｔ２が０であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の交流ティグ溶接方法。
溶接時の交流周波数を商用周波数より高く設定すると共にアーク起動時の交流周波数を溶接時の交流周波数よりも低く設定する交流ティグ溶接装置において、
溶接時の交流周波数よりも低く設定されるアーク起動時の交流周波数の継続期間ｔ１を計測する第１の計測手段と、
ＥＰ期間比率が溶接時よりも高い第１の期間Ｔ１を計測する第２の計測手段と、
前記第２の計測手段によってアーク起動から溶接までの期間を前記第１の期間Ｔ１として計測し、前記第１の期間Ｔ１が経過した後、前記第１の計測手段が前記継続期間ｔ１の計測を完了するまでの間、交流周波数を前記第１の期間Ｔ１と同一、ＥＰ期間比率を溶接時と同一に設定する制御手段と、
を備えていることを特徴とする交流ティグ溶接装置。