JP4850638B2 - 極性切換短絡アーク溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接中に電極プラス極性溶接と電極マイナス極性溶接とを切り換えて溶接するための極性切換短絡アーク溶接方法に関するものである。

消耗電極アーク溶接を行ったときに、溶接ビード終端部に窪み（クレータ）が形成されることがある。このクレータの形成は溶接品質上問題であるために、クレータが形成されないように溶接電流及び溶接電圧を制御するクレータ処理が行われる。

一般的なクレータ処理は以下のように行われる。すなわち、溶接終端部になると、溶接トーチの移動速度を停止又は遅くさせ、溶接電流及び溶接電圧を低下させてクレータ部に肉盛りしてクレータ処理を行う。

また、消耗電極交流アーク溶接において、クレータ部になると電極マイナス極性比率（ＥＮ比率）を定常溶接時よりも大きくしてクレータ処理する方法が提案されている。ＥＮ比率が大きくなると、母材への入熱が低下すると共にワイヤ溶融量が増加して効率よく肉盛りが行われる。ＥＮ比率＝電極マイナス極性期間／（電極マイナス極性期間＋電極プラス極性期間）である（例えば、特許文献１参照）。

また、短絡状態とアーク状態とを繰り返す消耗電極短絡アーク溶接において、予め定めた極性切換信号に応じて電極プラス極性ＥＰと電極マイナス極性ＥＮとを切り換えて溶接する極性切換短絡アーク溶接方法が提案されている。この溶接方法では、短絡状態にあるときに極性を切り換えることによって、極性切換時の高電圧印加回路が不要となるため、溶接電源のコストが低減される。さらに、短絡状態において極性を切り換えることによって、極性切換時のアーク切れを防止することができ、溶接品質が向上する。この極性切換短絡アーク溶接方法は上述した消耗電極交流アーク溶接のように数十Ｈｚで極性を切り換えるのではなく、溶接部に応じて電極プラス極性溶接又は電極マイナス極性溶接を選択するために極性を切り換える（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−１７４５２３号公報 特開２００６−１４２３１７号公報

上述した溶接電流を低下させるクレータ処理方法では、定常溶接期間及びクレータ処理期間共に電極プラス極性ＥＰで溶接が行われるために、クレータ部への入熱が大きくなり薄板溶接では溶け落ちが発生しやすくなる。さらに、この方法では、クレータ処理時に溶接電流を大幅に低下させるために送給速度を大幅に遅くするので、クレータ処理に時間がかかり作業効率が悪くなっていた。

上述したＥＮ比率を大きくするクレータ処理方法では、高速に極性を切り換えるための高電圧印加回路が必要になり溶接電源のコストが高くなる。これを改善するために短絡時に極性を切り換えるようにした場合、短絡はランダムに発生するのでＥＮ比率が変動して設定値とおりにならない。この結果、クレータ部の品質がバラツクことになる。

そこで、本発明では、極性切換のための高電圧印加回路が不要であり、短時間で高品質なクレータ処理を行うことができる極性切換短絡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、溶接ワイヤを定速で送給すると共に短絡状態とアーク状態とを繰り返す短絡アーク溶接にあって、予め定めた極性切換信号に応じて溶接電源の出力極性を前記短絡状態中に切り換えることによって電極プラス極性溶接と電極マイナス極性溶接とを切り換えて溶接を行う極性切換短絡アーク溶接方法において、
定常溶接期間中は前記極性切換信号を電極プラス極性に対応した値に設定して電極プラス極性溶接を行い、
クレータ処理期間に入ると前記極性切換信号を電極マイナス極性に対応した値に変化させ、この極性切換信号が変化した後に最初の短絡が発生したときに予め定めた短絡初期期間の間は溶接電流を低下させ、この短絡初期期間経過時点で溶接電源の出力極性を電極マイナス極性に切り換え、その後に溶接電流を増加させて短絡状態を解除し、電極マイナス極性溶接によってクレータ処理を行うことを特徴とする極性切換短絡アーク溶接方法である。

上記第１の発明によれば、定常溶接期間は電極プラス極性溶接を行い、クレータ処理機関は電極マイナス極性溶接に切り換えて溶接することによって、薄板溶接でも溶け落ちのないクレータ部を形成することができる。さらに、電極マイナス極性溶接によってワイヤ溶融速度が速くなるために、クレータ処理時間が短くなり作業効率が向上する。さらに、短絡状態が安定化した状態で極性を切り換えるので、高電圧印加回路がなくても安定した極性切換を行うことができる。

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極性切換短絡アーク溶接方法を示す波形図である。同図（Ａ）は極性切換信号Ｓａの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示す。同図は定常溶接期間Ｔｗからクレータ処理期間Ｔｃへの移行時の波形図である。以下、同図を参照して説明する。

時刻ｔ１以前の定常溶接期間Ｔｗ中は、同図（Ｂ）に示すように、電極プラス極性ＥＰの溶接電流Ｉｗが通電し、同図（Ｃ）に示すように、電極プラス極性ＥＰの溶接電圧Ｖｗが溶接ワイヤ・母材間に印加する。

時刻ｔ１においてクレータ処理期間Ｔｃに入ると、同図（Ａ）に示すように、極性切換信号ＳａはＨｉｇｈレベル（電極プラス極性ＥＰ）からＬｏｗレベル（電極マイナス極性ＥＮ）に変化する。しかし、同図（Ｂ）に示すように、この時点ではアーク状態であるので短絡が発生するまで極性切換は遅延される。時刻ｔ２において短絡が発生すると、この時点から予め定めた短絡初期期間Ｔｉのカウントを開始される。時刻ｔ３において短絡初期期間Ｔｉが経過すると、極性を電極マイナス極性ＥＮに切り換える。この結果、同図（Ｂ）に示すように、電極マイナス極性ＥＮの溶接電流Ｉｗが通電し、同図（Ｃ）に示すように、電極マイナス極性ＥＮの溶接電圧Ｖｗが印加する。時刻ｔ１〜ｔ４までの予め定めたクレータ処理期間Ｔｃ中は電極マイナス極性溶接によってクレータ処理を行う。クレータ処理期間Ｔｃは数百ms〜数ｓ程度であり、時刻ｔ１〜ｔ２の遅延時間は長くても２０ms程度であり、短絡初期期間Ｔｉは数ms程度である。したがって、クレータ処理期間Ｔｃに対して、これら遅延期間及び短絡初期期間Ｔｉは短時間であるので、クレータ処理への影響はほとんどない。短絡初期期間Ｔｉを設ける理由は、溶接電流Ｉｗを低下させることによって短絡状態を安定化させて極性切換途中でアークが不要に発生するのを防止するためである。時刻ｔ３において極性が切り換わった後、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗを増加させて短絡を解除に導く。

クレータ処理を電極マイナス極性溶接で行うと、クレータ部への入熱が小さくなるので、薄板溶接であっても溶け落ちが発生しにくくなる。さらに、電極マイナス極性溶接ではワイヤ溶融速度が速くなるので、クレータ部への肉盛りに要する時間が大幅に短縮される。数値例を挙げると以下のようになる。直径１．２mmの鉄鋼ワイヤを使用し、定常溶接期間Ｔｗ中の溶接電流Ｉｗ＝３００Ａとすると送給速度は１０ｍ/分となる。クレータ処理期間Ｔｃ中の溶接電流Ｉｗを２００Ａとすると、従来の電極プラス極性溶接のときの送給速度は５．０m/分となり、本発明の電極マイナス極性溶接のときは８．０m/分となる。したがって、本発明の場合はクレータ処理時の送給速度が８／５＝１．６倍になるために、クレータ処理時間は５／８倍に短縮される。この例では、従来のときの３．０秒から１．８秒に短縮される。これにより作業効率が向上する。

時刻ｔ４〜ｔ５のアンチスチック処理期間Ｔａ中は、溶接終了時のワイヤ先端粒のサイズを小さくするための溶接電流・電圧制御を行う。本発明では、このアンチスチック処理も電極マイナス極性ＥＮで行う。この期間長さは５０〜１００ms程度である。

図２は、上述した本発明の実施の形態に係る極性切換短絡アーク溶接方法を実施するための溶接電源のブロック図である。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。

インバータ回路ＩＮＶは、交流商用電源ＡＣ（３相２００Ｖ等）を入力として整流・平滑し、後述する駆動信号Ｄｖに従ってインバータ制御を行い高周波交流を出力する。高周波トランスＩＮＴは、この高周波交流をアーク溶接に適した電圧値に降圧した降圧高周波交流を出力する。２次側整流ダイオードＤ２ａ〜Ｄ２ｄは、降圧高周波交流を直流に整流する。電極プラス極性スイッチング素子ＰＴＲは、後述する電極プラス極性駆動信号Ｐｄに従ってオン／オフされ、オン状態のときは電極プラス極性ＥＰになる。電極マイナス極性スイッチング素子ＮＴＲは、後述する電極マイナス極性駆動信号Ｎｄに従ってオン／オフされ、オン状態のときは電極マイナス極性ＥＮになる。リアクトルＷＬは、リップルのある直流・電圧を平滑する。溶接ワイヤ１はワイヤ送給装置（図示省略）の送給ロール５によって溶接トーチ４内を通って送給され、母材２との間にアーク３が発生する。同図においては、送給に関するブロックは省略している。

電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して電圧検出信号Ｖｄを出力する。短絡判別回路ＳＤは、この電圧検出信号Ｖｄの値によって短絡状態を判別してＨｉｇｈレベルとなる短絡判別信号Ｓｄを出力する。

起動回路ＯＮは、溶接を開始させ定常溶接期間Ｔｗに移行させるときはその値が０→１に変化し、クレータ処理期間Ｔｃに移行させるときはその値が１→２に変化する起動信号Ｏｎを出力する。極性切換信号生成回路ＳＡは、図１（Ａ）で上述したように、この起動信号Ｏｎの値が１（定常溶接期間Ｔｗ）のときはＨｉｇｈレベル（電極プラス極性ＲＰ）になり、値が２（クレータ処理期間Ｔｃ）になるとＬｏｗレベル（電極マイナス極性ＲＮ）になる極性切換信号Ｓａを出力する。短絡初期期間設定回路ＴＩＲは、予め定めた短絡初期期間設定信号Ｔirを出力する。極性切換開始回路ＳＢは、上記の極性切換信号Ｓａが変化して上記の短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）になった時点から上記の短絡初期期間設定信号Ｔirによって定まる短絡初期期間Ｔｉ中はＨｉｇｈレベルとなる短絡初期期間信号Ｔiaを出力する。さらに、極性切換開始回路ＳＢは、上記の短絡初期期間期間Ｔｉが経過した時点で変化する極性切換開始信号Ｓｂを出力する。すなわち、上述した図１において、上記の短絡初期期間信号Ｔiaは時刻ｔ２〜ｔ３の間Ｈｉｇｈレベルとなり、上記の極性切換開始信号Ｓｂは時刻ｔ３時点でＬｏｗレベルに変化する。電圧低下設定回路ΔＶＲは、上記の短絡初期期間信号ＴiaがＨｉｇｈレベルの間は所定値となりそれ以外の期間は０となる電圧低下設定信号ΔＶｒを出力する。

電圧設定回路ＶＲは、予め定めた電圧設定信号Ｖｒを出力する。減算回路ＳＵＢは、この電圧設定信号Ｖｒから上記の電圧低下設定信号ΔＶｒを減算して、電圧制御設定信号Ｖcr＝Ｖｒ−ΔＶｒを出力する。したがって、短絡初期期間Ｔｉ中の電圧制御設定信号Ｖcrの値を低下させることになり、これによって溶接電圧Ｖｗを低下させて溶接電流Ｉｗを低下させる。誤差増幅回路ＡＭＰは、上記の電圧制御設定信号Ｖcrと上記の電圧検出信号Ｖｄとの誤差を増幅して誤差増幅信号Ａmpを出力する。この回路によって溶接電源は定電圧特性となる。インバ−タ駆動回路ＤＶは、上記の起動信号Ｏｎが０以外（１又は２）の値のときは、上記の誤差増幅信号Ａmpに従って上記のインバータ回路ＩＮＶを駆動するための駆動信号Ｄｖを出力する。

２次側駆動回路ＤＶ２は、上記の極性切換開始信号ＳｂがＨｉｇｈレベルのときは上記の電極プラス極性駆動信号Ｐｄを出力し、Ｌｏｗレベルのときは上記の電極マイナス極性駆動信号Ｎｄを出力する。上記においては、短絡初期期間Ｔｉ中の電圧制御設定信号Ｖcrを低下させることによって溶接電流Ｉｗを低下させる方法を説明した。これ以外にも、短絡初期期間Ｔｉ中は溶接電源を定電流特性に切り換えて、電流設定信号を低い値に設定することによって溶接電流Ｉｗを低下させても良い。また、上記の短絡初期期間Ｔｉは、出力極性、送給速度、溶接ワイヤの種類、シールドガスの種類等に応じて適正値に設定する。

上述した実施の形態によれば、定常溶接期間は電極プラス極性溶接を行い、クレータ処理期間
は電極マイナス極性溶接に切り換えて溶接することによって、薄板溶接でも溶け落ちのないクレータ部を形成することができる。さらに、電極マイナス極性溶接によってワイヤ溶融速度が速くなるために、クレータ処理時間が短くなり作業効率が向上する。さらに、短絡状態が安定化した状態で極性を切り換えるので、高電圧印加がなくても安定した極性切換を行うことができる。また、アンチスティック処理も電極マイナス極性で行うことによって、その処理時間を短くすることができる。

本発明の実施の形態に係る極性切換短絡アーク溶接方法を示す極性切換信号Ｓａ、溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗの波形図である。 本発明の実施の形態に係る溶接電源のブロック図である。

符号の説明

１ 溶接ワイヤ
２ 母材
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
ＡＣ 交流商用電源
ＡＭＰ 誤差増幅回路
Ａmp 誤差増幅信号
Ｄ2a〜Ｄ2d ２次側整流ダイオード
ＤＶ インバータ駆動回路
Ｄｖ 駆動信号
ＤＶ２ ２次側駆動回路
ＥＮ 電極マイナス極
ＥＰ 電極プラス極性
ＩＮＴ 高周波トランス
ＩＮＶ インバータ回路
Ｉｗ 溶接電流
Ｎｄ 電極マイナス極性駆動信号
ＮＴＲ 電極マイナス極性スイッチング素子
ＯＮ 起動回路
Ｏｎ 起動信号
Ｐｄ 電極プラス極性駆動信号
ＰＴＲ 電極プラス極性スイッチング素子
ＳＡ 極性切換信号生成回路
Ｓａ 極性切換信号
ＳＢ 極性切換開始回路
Ｓｂ 極性切換開始信号
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
ＳＵＢ 減算回路
Ｔａ アンチスチック処理期間
Ｔｃ クレータ処理期間
Ｔｉ 短絡初期期間
Ｔia 短絡初期期間信号
ＴＩＲ 短絡初期期間設定回路
Ｔir 短絡初期期間設定信号
Ｔｗ 定常溶接期間
Ｖcr 電圧制御設定信号
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＬ リアクトル
ΔＶＲ 電圧低下設定回路
ΔＶｒ 電圧低下設定信号

Claims (1)

1. 溶接ワイヤを定速で送給すると共に短絡状態とアーク状態とを繰り返す短絡アーク溶接にあって、予め定めた極性切換信号に応じて溶接電源の出力極性を前記短絡状態中に切り換えることによって電極プラス極性溶接と電極マイナス極性溶接とを切り換えて溶接を行う極性切換短絡アーク溶接方法において、
   定常溶接期間中は前記極性切換信号を電極プラス極性に対応した値に設定して電極プラス極性溶接を行い、
   クレータ処理期間に入ると前記極性切換信号を電極マイナス極性に対応した値に変化させ、この極性切換信号が変化した後に最初の短絡が発生したときに予め定めた短絡初期期間の間は溶接電流を低下させ、この短絡初期期間経過時点で溶接電源の出力極性を電極マイナス極性に切り換え、その後に溶接電流を増加させて短絡状態を解除し、電極マイナス極性溶接によってクレータ処理を行うことを特徴とする極性切換短絡アーク溶接方法。
   
   

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