JP4847291B2 - 開始同期アーク溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、２つの溶接個所に対して２つの溶接トーチを使用し、溶接を開始するタイミングを同期させて同時に溶接を行うための開始同期アーク溶接方法に関するものである。

２つの溶接個所に対して２つの溶接トーチを使用し、溶接を開始するタイミングを同期させて同時に溶接する開始同期アーク溶接方法が従来から行われている。例えば、１つのワークに対称の２個所の溶接個所がある場合、溶接中の熱変形を考慮して２個所を同時に溶接することによって溶接品質を良好にすることができる。また、回転治具にワークを固定し、２個所を２つの溶接トーチを使用して同時に溶接する場合、両溶接トーチの溶接開始及び回転治具の回転開始を同期させる必要がある。以下、２台のロボットを使用した溶接装置において、開始同期アーク溶接方法を実施する場合の従来技術について説明する。

図２は、２台のロボットを使用して２個所を同時に溶接する溶接装置の構成図である。以下、同図を参照して各構成について説明する。

ロボット制御装置ＲＣは、１台で後述する２台のロボットＲＭ１、ＲＭ２及び回転治具ＰＴを動作制御する第１動作制御信号Ｍc1、第２動作制御信号Ｍc2及び外部軸制御信号Ｐｃを出力する。さらに、ロボット制御装置ＲＣは、第１溶接電源ＰＳ１との間で第１溶接制御信号Ｗc1及び第１アーク発生信号Ａc1を送受信すると共に、第２溶接電源ＰＳ２との間で第２溶接制御信号Ｗc2及び第２アーク発生信号Ａc2を送受信する。

第１溶接電源ＰＳ１は、上記のロボット制御装置ＲＣから第１溶接制御信号Ｗc1を受信し、第１アーク発生信号Ａc1を送信すると共に、第１送給モータＭ１を回転制御する第１送給制御信号Ｆc1を出力し第１溶接電圧Ｖw1及び第１溶接電流Ｉw1を出力する。第２溶接電源ＰＳ２は、上記のロボット制御装置ＲＣから第２溶接制御信号Ｗc2を受信し、第２アーク発生信号Ａc2を送信すると共に、第２送給モータＭ２を回転制御する第２送給制御信号Ｆc2を出力し第２溶接電圧Ｖw2及び第２溶接電流Ｉw2を出力する。上記の第１及び第２溶接制御信号Ｗc1、Ｗc2には、図示していないが起動信号、電流設定信号、電圧設定信号、電流波形パラメータ信号等が含まれている。電流波形パラメータ信号とは、ＣＯ2／ＭＡＧ溶接にあっては短絡期間中の溶接電流の波形を設定する信号であり、パルスアーク溶接にあってはパルス電流の波形を設定する信号等である。また、上記の第１及び第２アーク発生信号Ａc1、Ａc2は、溶接開始時にアークが発生したことを判別し上記のロボット制御装置ＲＣに通知する信号である。

第１送給モータＭ１は、第１溶接トーチ４１を通って第１溶接ワイヤ１１を送給し、第１溶接ワイヤ１１とワーク２との間に第１アーク３１が発生して溶接が行われる。第２送給モータＭ２は、第２溶接トーチ４２を通って第２溶接ワイヤ１２を送給し、第２溶接ワイヤ１２とワーク２との間に第２アーク３２が発生して溶接が行われる。回転治具ＰＴは、その上にワーク２を固定し、上記の外部軸制御信号Ｐｃによって回転制御される。

同図では、回転治具ＰＴ上に１つのワーク２が載置されており、第１溶接トーチ４１及び第２溶接トーチ４２を使用して２箇所を同時に溶接する。したがってこの溶接を行うためには、両溶接トーチ４１、４２の溶接開始及び回転治具ＰＴの回転開始を同期させる必要がある。

［従来技術１］
図３は、上述した溶接装置において、従来技術１の開始同期アーク溶接方法を行うときのタイミングチャートである。同図（Ａ）は第１溶接ワイヤ１１先端とワーク２との距離である第１ワイヤ・ワーク間距離Ｌw1を示し、同図（Ｂ）は第１溶接電流Ｉw1を示し、同図（Ｃ）は第１電流設定信号Ｉr1を示し、同図（Ｄ）は第１アーク発生信号Ａc1を示し、同図（Ｅ）は第２溶接ワイヤ１２先端とワーク２との距離である第２ワイヤ・ワーク間距離Ｌw2を示し、同図（Ｆ）は第２溶接電流Ｉw2を示し、同図（Ｇ）は第２電流設定信号Ｉr2を示し、同図（Ｈ）は第２アーク発生信号Ａc2を示す。上記の第１電流設定信号Ｉr1は第１溶接制御信号Ｗc1に含まれており、上記の第２電流設定信号Ｉr2は第２溶接制御信号Ｗc2に含まれている。以下、同図を参照して説明する。

時刻ｔ１において、第１ロボットＲＭ１及び第２ロボットＲＭ２が各々の溶接開始位置に到達する。先に到達したロボットは他のロボットが到達するまで待機する。時刻ｔ１において、両溶接電源ＰＳ１、ＰＳ２に起動信号（図示せず）が入力されると両溶接ワイヤ１１、１２の送給が開始されるので、同図（Ａ）に示すように、第１ワイヤ・ワーク間距離Ｌw1は短くなり、同図（Ｅ）に示すように、第２ワイヤ・ワーク間距離Ｌw2は次第に短くなる。ここで、前回の溶接終了時のワイヤ燃え上がり高さがバラツクためにワイヤ突出し長さがバラツクことになる。この結果、時刻ｔ１時点での上記の第１ワイヤ・ワーク間距離Ｌw1と第２ワイヤ・ワーク間距離Ｌw2とには差が生じる。溶接ワイヤがワークに接触するまでの送給速度であるスローダウン速度は非常に遅い速度に設定されているので、結局、両溶接ワイヤがワークに接触するタイミングに時差（時刻ｔ２とｔ３）が生じることになる。

時刻ｔ２において、同図（Ａ）に示すように、第１溶接ワイヤ１１がワーク２に接触して第１ワイヤ・ワーク間距離Ｌw1がゼロになると、同図（Ｂ）に示すように、第１アーク３１が発生して第１溶接電流Ｉw1が通電する。このときに、同図（Ｃ）に示すように、電流設定信号Ｉr1は第１ロボットＲＭ１が溶接開始位置に到達する以前又は到達した時点で第１定常電流設定値Ｉc1に設定されているので、第１溶接電流Ｉw1は定常電流設定値Ｉc1によって設定された値となる。同図（Ｄ）に示すように、時刻ｔ２において第１アーク３１が発生するので、第１アーク発生信号Ａc1がロボット制御装置ＲＣに送信される。しかし、この時点（時刻ｔ２）ではまだ同図（Ｈ）に示す第２アーク発生信号Ａc2が送信されていないので、両ロボットＲＭ１、ＲＭ２は共に溶接開始位置に停止したままである。

時刻ｔ３において、同図（Ｅ）に示すように、第２溶接ワイヤ１２が遅れてワーク２に接触すると第２ワイヤ・ワーク間距離Ｌw2はゼロになり、同図（Ｆ）に示すように、第２アーク３２が発生して第２溶接電流Ｉw2が通電する。このとき、同図（Ｇ）に示すように、第２電流設定信号Ｉr2は第２ロボットＲＭ２が溶接開始位置に到達する以前又は到達時点において第２定常電流設定値Ｉc2に設定されている。したがって、上記の第２溶接電流Ｉw2はこの第２定常電流設定値Ｉc2によって設定された値となる。時刻ｔ３において第２アーク３２が発生すると、同図（Ｈ）に示すように、第２アーク発生信号Ａc2がロボット制御装置ＲＣに送信される。

上記の結果、時刻ｔ３において同図（Ｄ）に示す第１アーク発生信号Ａc1及び同図（Ｈ）に示す第２アーク発生信号Ａc2が共にＨｉｇｈレベル（ロボット制御装置ＲＣに送信された状態）になるので、第１ロボットＲＭ１及び第２ロボットＲＭ２は予め教示された各々の溶接線に沿って移動を開始して溶接が開始される。これに同期してワーク２を載置した回転治具ＰＴも回転を開始する。

上述した従来技術１においては、先行して第１アーク３１が発生したときは第１ロボットＲＭ１を停止したままで第１定常電流設定値Ｉc1に基づく第１溶接電流Ｉw1を通電しながら待機する。そして、遅れて第２アーク３２が発生すると、両ロボットＲＭ１、ＲＭ２の移動及び回転治具ＰＴの回転が同期して開始される。このようにして、従来技術１では開始同期アーク溶接方法を行う。

上記のアーク発生信号は溶接電流が通電したことを判別してアークが発生したと判別することが多い。また、溶接電圧値が、無負荷電圧値ほど高くなく、かつ、短絡電圧値ほど低くない中間の値であるアーク電圧値になったことを判別してアーク発生を判別する場合もある。また、上記においてはアーク発生タイミングがズレる理由として、各溶接トーチのワイヤ突出し長さのバラツキを例示したが、これ以外にも溶接ワイヤがワークに接触してからアークが発生するまでに時間差が生じる場合もある。また、各溶接ワイヤのスローダウン速度が異なる場合もある。

［従来技術２］
図４は、図２で上述した溶接装置を用いた従来技術２の開始同期アーク溶接方法をを示すタイミングチャートである。同図は上述した図３と対応しており、同図（Ａ）〜（Ｈ）の各信号は同一である。以下、図３と異なる動作部分について説明する。

時刻ｔ２において、同図（Ａ）にに示すように、第１溶接ワイヤ１１がワーク２に接触すると第１ワイヤ・ワーク間距離Ｌw1はゼロになり、同図（Ｂ）に示すように、第１アーク３１が発生して第１溶接電流Ｉw1が通電する。このとき、同図（Ｃ）に示すように、第１電流設定信号Ｉr1は第１溶接開始電流設定値Ｉs1に設定されているので、同図（Ｂ）に示すように、この設定値Ｉs1に相当する溶接開始電流が通電する。この溶接開始電流は定常溶接電流よりも小さな値である。この時刻ｔ２において、同図（Ｄ）に示すように、第１アーク発生信号Ａc1が送信される。しかし、この時点では同図（Ｈ）に示す第２アーク発生信号Ａc2は送信（Ｈｉｇｈレベル）されていないので、両ロボットＲＭ１、ＲＭ２は共に停止したままである。

時刻ｔ３において、同図（Ｅ）に示すように、第２溶接ワイヤ１２がワーク２に接触すると第２ワイヤ・ワーク間距離Ｌw2はゼロになり、同図（Ｆ）に示すように、第２アーク３２が発生して第２溶接電流Ｉw2が通電する。このとき、同図（Ｇ）に示すように、第２電流設定信号Ｉr2は、時刻ｔ３までは第２溶接開始電流設定値Ｉs2である、その後は第２定常電流設定値Ｉc2に変化する。これに応動して、同図（Ｆ）に示すように、第２溶接電流Ｉw2は、溶接開始電流から定常溶接電流に変化する。この時刻ｔ３において、同図（Ｈ）に示すように、第２アーク発生信号Ａc2が送信（Ｈｉｇｈレベル）される。この結果、両アーク発生信号Ａc1、Ａc2が共に送信（Ｈｉｇｈレベル）されるので、両ロボットＲＭ１、ＲＭ２の移動及び回転治具ＰＴの回転が同期して開始され溶接は開始される。

上述したように、従来技術２では、先行して第１アーク３１が発生してから遅れて第２アーク３２が発生するまでの待機期間中は、先行した第１アーク３１に定常溶接電流よりも小さな値の溶接開始電流を通電する。これにより、待機期間中の溶け落ちの防止、ビード幅の拡大防止を図るものである（例えば、特許文献１参照）。

特許第３７３３９７９号公報

図３で上述した従来技術１では、第１溶接トーチ４１に第１アーク３１が先行して発生から遅れて第２溶接トーチ４２に第２アーク３２が発生するまでの待機期間中は、第１アーク３１に定常溶接電流を通電する。このために、待機期間が短いときは溶接品質上問題がないが、長くなると停止したままであるので溶け落ちが発生したり、その部分のビード幅が広がり過ぎて溶接品質が悪くなったりすることがある。

また、図４で上述した従来技術２では、上記の待機期間中は、第１アーク３１に溶接開始電流を通電する。この溶接開始電流は定常溶接電流よりも小さな値に設定される。このために、待機期間が長くなっても溶け落ち又はビード幅の拡大が抑制される。しかし、従来技術２では、上述したように、第１アーク３１及び第２アーク３２共に上記の溶接開始電流でアークスタートを行うことになる。ワーク２の継手、板厚等を考慮して定常溶接電流は設定されている。他方、溶接開始電流は定常溶接電流よりも小さな値であるために、ワーク２の継手、板厚等に対しては適正値ではない。この結果、アークスタート時の安定性はあまりよくない。すなわち、アークスタートに失敗しやすくなったり、スパッタが多く発生したりすることになる。従来技術２では、第１アーク３１及び第２アーク３２共に溶接開始電流からアークスタートするので、上記の問題は両アークに生じることになる。そもそもアークスタート性は、溶接電流値が大きくなるほど良好になる傾向があり、１００Ａ以下程度の小電流域では特に悪くなる傾向がある。待機期間中の溶け落ち等を抑制するためには、溶接開始電流の値を１００Ａ以下にする場合も多いので、結果的にアークスタート性は悪くなることになる。

そこで、本発明では、待機期間中の溶け落ち及びビード幅の拡大を抑制し、かつ、アークスタート時の安定性も確保することができる開始同期アーク溶接方法を提供する。

上述した課題を解決するために、第１の発明は、第１溶接トーチ及び第２溶接トーチを各々予め教示された溶接開始位置に移動させて停止させ、前記第１溶接トーチに定常溶接条件で先行してアークが発生したときはその状態で待機させ、遅れて前記第２溶接トーチに定常溶接条件でアークが発生したときは前記待機状態を終了して両溶接トーチを各々予め教示された溶接線に沿って移動させて溶接する開始同期アーク溶接方法において、
前記第１溶接トーチに発生した先行アークの待機時間が所定切換時間以上になったときは溶接条件を定常溶接条件から予め定めた待機溶接条件に変化させ、待機状態が終了した時点で再び定常溶接条件に復帰させる、ことを特徴とする開始同期アーク溶接方法である。

第２の発明は、前記溶接条件には少なくとも溶接電流の設定条件を含む、ことを特徴とする第１の発明記載の開始同期アーク溶接方法である。

また、第３の発明は、前記待機溶接条件は前記定常溶接条件よりも前記溶接電流条件が小さな値である、ことを特徴とする第２の発明記載の開始同期アーク溶接方法である。

また、第４の発明は、前記切換時間は前記先行アークによって溶接開始部のビードが定常時よりも幅広くならない時間以内に設定される、ことを特徴とする第１〜第３の発明のいずれか１項に記載の開始同期アーク溶接方法である。

また、第５の発明は、前記溶接トーチの溶接線に沿った移動が、溶接トーチは停止したままでワークが移動することによって溶接トーチが相対移動することである、ことを特徴とする第１〜第４の発明のいずれか１項に記載の開始同期アーク溶接方法である。

本発明によれば、第１溶接トーチ及び第２溶接トーチによって発生する第１アーク及び第２アーク共に、ワークに適した定常溶接条件でアークスタートするので、アークスタート時に安定した溶接状態を得ることができる。さらに、先行して発生したアークが切換時間に達したときは待機溶接条件に変化させることによって、先行アークによる溶け落ち、ビード幅の拡大等を抑制することができる。

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開始同期アーク溶接方法を示すタイミングチャートである。溶接装置は上述した図２と同一であるが、制御方法が異なる。したがって、同図は図２における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は第１ワイヤ・ワーク間距離Ｌw1を示し、同図（Ｂ）は第１溶接電流Ｉw1を示し、同図（Ｃ）は第１電流設定信号Ｉr1を示し、同図（Ｄ）は第１アーク発生信号Ａc1を示し、同図（Ｅ）は第２ワイヤ・ワーク間距離Ｌw2を示し、同図（Ｆ）は第２溶接電流Ｉw2を示し、同図（Ｇ）は第２電流設定信号Ｉr2を示し、同図（Ｈ）は第２アーク発生信号Ａc2を示す。以下、同図を参照して説明する。

時刻ｔ１において、第１ロボットＲＭ１及び第２ロボットＲＭ２が溶接開始位置に到達しその位置に停止する。一方のロボットが先に到達したときは、他のロボットが到達するまで待機する。時刻ｔ１において、同図（Ａ）に示すように、第１溶接ワイヤ１１のスローダウン送給を開始するので第１ワイヤ・ワーク間距離Ｌw1は次第に短くなり、同図（Ｅ）に示すように、第２溶接ワイヤ１２もスローダウン送給を開始するので第２ワイヤ・ワーク間距離Ｌw2は次第に短くなる。ここで、第１溶接ワイヤ１１及び第２溶接ワイヤ１２はワイヤ突出し長さに各々バラツキがある。同図は第１溶接ワイヤ１１のワイヤ突出し長さが長いために時刻ｔ１における第１ワイヤ・ワーク間距離Ｌw1の方が第２ワイヤ・ワーク間距離Ｌw2よりも短い場合である。この結果、第１溶接ワイヤ１１の方が第２溶接ワイヤ１２よりも先にワーク２に接触する。

時刻ｔ２において、同図（Ａ）に示すように、第１溶接ワイヤ１１がワーク２に接触すると第１ワイヤ・ワーク間距離Ｌw1はゼロになるので、同図（Ｂ）に示すように、第１アーク３１が発生して第１溶接電流Ｉw1が通電する。ここで、同図（Ｃ）に示すように、第１電流設定信号Ｉr1は、時刻ｔ１時点又は以前において定常電流設定値Ｉc1に設定されている。このために、第１アーク３１は、定常電流設定値Ｉc1に相当する定常溶接電流によってアークスタートする。したがって、安定したアークスタート性を確保することができる。時刻ｔ２において、同図（Ｄ）に示すように、第１アーク発生信号Ａc1がＨｉｇｈレベルになりロボット制御装置ＲＣに送信される。しかし、同図（Ｈ）に示すように、第２アーク発生信号Ａc2がまだＬｏｗレベルであるので、第１ロボットＲＭ１及び第２ロボットＲＭ２は溶接開始位置に停止したままである。

時刻ｔ２１において、第１アーク３１が発生してから予め定めた切換時間Ｔｃが経過すると、同図（Ｃ）に示すように、第１電流設定信号Ｉr1が予め定めた待機電流設定値Ｉｔに変化する。これに応動して、同図（Ｂ）に示すように、第１溶接電流Ｉw1は待機電流設定値Ｉｔに相当する待機溶接電流が通電する。この待機溶接電流の値は、定常溶接電流よりも小さな値に設定される。

時刻ｔ３において、同図（Ｅ）に示すように、第２溶接ワイヤ１２がワーク２に接触すると第２ワイヤ・ワーク間距離Ｌw2はゼロになるので、同図（Ｆ）に示すように、第２アーク３２が発生して第２溶接電流Ｉw2が通電する。ここで、同図（Ｇ）に示すように、第２電流設定信号Ｉr2は時刻ｔ１時点又は以前において第２定常電流設定値Ｉc2に設定されているので、第２溶接電流Ｉw2は定常溶接電流となる。したがって、第２アーク３２のアークスタート性は良好になる。

時刻ｔ３において、同図（Ｈ）に示すように、第２アーク発生信号Ａc2がＨｉｇｈレベルになりロボット制御装置ＲＣに送信される。これに応動して、同図（Ｃ）に示すように、第１電流設定信号Ｉr1は第１定常電流設定値Ｉc1に復帰するので、同図（Ｂ）に示すように、第１溶接電流Ｉw1は定常溶接電流が通電する。この結果、時刻ｔ３において、同図（Ｄ）に示す第１アーク発生信号Ａc1及び同図（Ｈ）に示す第２アーク発生信号Ａc2が共にＨｉｇｈレベルになるので、第１ロボットＲＭ１及び第２ロボットＲＭ２が予め教示された各々の溶接線に沿って移動を開始すると共に回転治具ＰＴの回転を開始して溶接を行う。

同図においては、溶接条件が電流設定信号である場合について説明したが、これ以外にも溶接条件には電圧設定信号、波形パラメータ設定信号等も含まれる。また、上記の切換時間は、先行して発生した第１アークによって溶接開始部のビードが定常時よりも幅広くならない時間以内に設定される。また、溶接トーチが移動する代わりに、溶接トーチは停止したままで治具が移動してワークが移動することによって溶接トーチが相対移動するような場合でも良い。

上述した実施の形態によれば、第１溶接トーチ及び第２溶接トーチによって発生する第１アーク及び第２アーク共に、ワークに適した定常溶接条件でアークスタートするので、アークスタート時に安定した溶接状態を得ることができる。さらに、先行して発生したアークが切換時間に達したときは待機溶接条件に変化させることによって、先行アークによる溶け落ち、ビード幅の拡大等を抑制することができる。

本発明の実施の形態に係る開始同期アーク溶接方法を示すタイミングチャートである。 従来技術の開始同期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。 従来技術１の開始同期アーク溶接方法を示すタイミングチャートである。 従来技術２の開始同期アーク溶接方法を示すタイミングチャートである

符号の説明

２ ワーク
１１ 第１溶接ワイヤ
１２ 第２溶接ワイヤ
３１ 第１アーク
３２ 第２アーク
４１ 第１溶接トーチ
４２ 第２溶接トーチ
Ａc1 第１アーク発生信号
Ａc2 第２アーク発生信号
Ｆc1 第１送給制御信号
Ｆc2 第２送給制御信号
Ｉc1 第１定常電流設定値
Ｉc2 第２定常電流設定値
Ｉr1 第１電流設定信号
Ｉr2 第２電流設定信号
Ｉs1 第１溶接開始電流設定値
Ｉs2 第２溶接開始電流設定値
Ｉｔ 待機電流設定値
Ｉw1 第１溶接電流
Ｉw2 第２溶接電流
Ｌw1 第１ワイヤ・ワーク間距離
Ｌw2 第２ワイヤ・ワーク間距離
Ｍ１ 第１送給モータ
Ｍ２ 第２送給モータ
Ｍc1 第１動作制御信号
Ｍc2 第２動作制御信号
Ｐｃ 外部軸制御信号
ＰＳ１ 第１溶接電源
ＰＳ２ 第２溶接電源
ＰＴ 回転治具
ＲＣ ロボット制御装置
ＲＭ１ 第１ロボット
ＲＭ２ 第２ロボット
Ｔｃ 切換時間
Ｖw1 第１溶接電圧
Ｖw2 第２溶接電圧
Ｗc1 第１溶接制御信号
Ｗc2 第２溶接制御信号

Claims (5)

1. 第１溶接トーチ及び第２溶接トーチを各々予め教示された溶接開始位置に移動させて停止させ、前記第１溶接トーチに定常溶接条件で先行してアークが発生したときはその状態で待機させ、遅れて前記第２溶接トーチに定常溶接条件でアークが発生したときは前記待機状態を終了して両溶接トーチを各々予め教示された溶接線に沿って移動させて溶接する開始同期アーク溶接方法において、
   前記第１溶接トーチに発生した先行アークの待機時間が所定切換時間以上になったときは溶接条件を定常溶接条件から予め定めた待機溶接条件に変化させ、待機状態が終了した時点で再び定常溶接条件に復帰させる、ことを特徴とする開始同期アーク溶接方法。
2. 前記溶接条件には少なくとも溶接電流の設定条件を含む、ことを特徴とする請求項１記載の開始同期アーク溶接方法。
3. 前記待機溶接条件は前記定常溶接条件よりも前記溶接電流の設定条件が小さな値である、ことを特徴とする請求項２記載の開始同期アーク溶接方法。
4. 前記切換時間は前記先行アークによって溶接開始部のビードが定常時よりも幅広くならない時間以内に設定される、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の開始同期アーク溶接方法。
5. 前記溶接トーチの溶接線に沿った移動が、溶接トーチは停止したままでワークが移動することによって溶接トーチが相対移動することである、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の開始同期アーク溶接方法。
   
   

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