JP4934363B2 - アーク溶接機の制御方法およびアーク溶接機 - Google Patents

Description

本発明は、アーク溶接機の制御方法およびアーク溶接機に関する。

アーク溶接では、母材と溶加材との間にアーク放電を生じさせることにより、母材と溶加材とを溶融させて接合する。ここで、アークスタートから負荷電流が設定電流に達して安定する定常状態までの間の初期期間においては、負荷電流が安定せず急激に増減することが通常である（特許文献１参照）。
特開２０００−１５８１３３号公報

ところで、アーク溶接が行われる場合、溶接後の母材に多くのスパッタが付着して母材の外観を阻害することがあるが、これらのスパッタは、上記のような初期期間の溶接不安定時において発生した大粒のスパッタによるものが多いと考えられる。例えば、アークスタート時には負荷電流が急増して溶加材が燃え上がるが、このとき、溶滴が大きく成長し、この溶滴が滴下することによって滴が飛び散り、大粒のスパッタが形成される。また、アークスタート後には、溶滴の成長と短絡とが繰り返され、溶滴が滴下することによってスパッタが形成される。このようなスパッタのうち小さなものは、溶接後に自然と母材から脱落することもあるが、大粒のスパッタは自然には脱落し難いため、母材に残留する。この場合、スパッタの除去のために余計な工数が必要となり、コストを増大させてしまう。

本発明の課題は、溶接後の母材に残留するスパッタを低減させることができるアーク溶接機の制御方法およびアーク溶接機を提供することにある。

第１発明に係るアーク溶接機の制御方法では、アークスタートから負荷電流が安定して定常状態に至るまでの初期期間において、少なくともアークスタート時の負荷電流の最大値を４００Ａ以下に抑えると共に、短絡の発生間隔を５０ｍｓｅｃ以下とする初期制御を行う。また、負荷電流が所定の設定電流値に達し、且つ、アークスタートから所定時間が経過した場合に、初期制御から通常制御に移行する。

このアーク溶接機の制御方法では、初期期間において、負荷電流の最大値が４００Ａ以下に抑えられるため、溶滴に与えられるエネルギーが抑えられる。また、短絡の発生間隔が５０ｍｓｅｃ以下とされるため、溶滴が大きく成長する前に短絡が発生する。このため、短絡によって滴下する際の溶滴の大きさが抑えられ、大粒のスパッタの発生が抑えられる。これにより、溶接後の母材に残留するスパッタを低減させることができる。また、初期期間において負荷電流の最大値が抑えられる初期制御が行われると、負荷電流が設定値で安定したと判断され定常状態に移行したと誤認される恐れがある。しかし、このアーク溶接機の制御方法では、負荷電流が所定の設定電流値に達しただけではなく、アークスタートから所定時間が経過した場合に、初期制御から通常制御に移行する。このため、定常状態を誤認して誤って通常制御に移行することを防止することができる。

第２発明に係るアーク溶接機の制御方法は、第１発明のアーク溶接機の制御方法であって、初期制御において、負荷電流の最大値での連続通電時間を３ｍｓｅｃ以下とする。

このアーク溶接機の制御方法では、負荷電流の最大値での連続通電時間が３ｍｓｅｃ以下とされる。このため、溶滴に与えられるエネルギーが抑えられ、大粒のスパッタの発生がさらに抑えられる。

第３発明に係るアーク溶接機の制御方法は、第１発明または第２発明のアーク溶接機の制御方法であって、初期制御において、短絡の発生間隔を２０ｍｓｅｃ以上とする。

大粒の溶滴の発生を低減させるためには、短絡の発生間隔は短いことが望ましいが、あまりに短い場合には、溶加材が十分に溶融しない恐れがある。しかし、このアーク溶接機の制御方法では、短絡の発生間隔が２０ｍｓｅｃ以上とされるため、溶加材を十分に溶融させると共に、大粒のスパッタの発生を抑えることができる。

第４発明に係るアーク溶接機の制御方法は、第１発明から第３発明のいずれかのアーク溶接機の制御方法であって、初期制御において、負荷電流の最大値が４００Ａ以下となるように負荷電圧を制御する。

このアーク溶接機の制御方法では、負荷電圧を制御することにより、負荷電流の最大値を容易に調整することができる。

第５発明に係るアーク溶接機の制御方法は、第１発明から第４発明のいずれかのアーク溶接機の制御方法であって、初期制御において、負荷電流の最大値が４００Ａ以下となるように溶接ワイヤの供給速度を制御する。

このアーク溶接機の制御方法では、溶接ワイヤの供給速度を制御することにより、負荷電流の最大値を容易に調整することができる。

第６発明に係るアーク溶接機の制御方法は、第１発明から第５発明のいずれかのアーク溶接機の制御方法であって、初期制御において、短絡の発生間隔が５０ｍｓｅｃ以下となるように負荷電圧および／または溶接ワイヤの供給速度を制御する。

このアーク溶接機の制御方法では、負荷電圧および／または溶接ワイヤの供給速度を制御することにより、短絡の発生間隔を容易に調整することができる。

第７発明に係るアーク溶接機は、アーク放電を生起させるための電力を供給する溶接電源部と、制御部とを備える。制御部は、アークスタートから負荷電流が安定して定常状態に至るまでの初期期間において、少なくともアークスタート時の負荷電流の最大値を４００Ａ以下に抑えると共に、短絡の発生間隔を５０ｍｓｅｃ以下とする初期制御を行う。また、制御部は、負荷電流が所定の設定電流値に達し、且つ、アークスタートから所定時間が経過した場合に、初期制御から通常制御に移行する。

このアーク溶接機では、初期期間において、負荷電流の最大値を４００Ａ以下に抑えられるため、溶滴に与えられるエネルギーが抑えられる。また、短絡の発生間隔が５０ｍｓｅｃ以下とされるため、溶滴が大きく成長する前に短絡が発生する。このため、短絡によって滴下する際の溶滴の大きさが抑えられ、大粒のスパッタの発生が抑えられる。これにより、溶接後の母材に残留するスパッタを低減させることができる。また、初期期間において負荷電流の最大値が抑えられる初期制御が行われると、負荷電流が設定値で安定したと判断され定常状態に移行したと誤認される恐れがある。しかし、このアーク溶接機では、負荷電流が所定の設定電流値に達しただけではなく、アークスタートから所定時間が経過した場合に、初期制御から通常制御に移行する。このため、定常状態を誤認して誤って通常制御に移行することを防止することができる。

本発明に係るアーク溶接機の制御方法では、初期期間において、負荷電流の最大値が４００Ａ以下に抑えられるため、溶滴に与えられるエネルギーが抑えられる。また、短絡の発生間隔が５０ｍｓｅｃ以下とされるため、溶滴が大きく成長する前に短絡が発生する。このため、短絡によって滴下する際の溶滴の大きさが抑えられ、大粒のスパッタの発生が抑えられる。これにより、溶接後の母材に残留するスパッタを低減させることができる。

＜アーク溶接機の構成＞
本発明の一実施形態に係るアーク溶接機１００を図１に示す。このアーク溶接機１００は、母材１と溶加材（溶接ワイヤ２）との間にアークを発生させることにより、母材１および溶加材を溶融させて接合することができる。このアーク溶接機１００は、トーチ３と、ワイヤ送給装置４と、溶接電源装置５と、ガス調節部６とを備える。

トーチ３は、ロボットによって自動的に操作される部分であり、先端から所定の長さだけ溶接ワイヤ２が突出するように溶接ワイヤ２が供給される。

ワイヤ送給装置４は、溶接ワイヤ２をトーチ３に送り込む装置である。ワイヤ送給装置４には、溶接ワイヤ２がロール状に巻回された溶接コイル７がセットされており、溶接コイル７から溶接ワイヤ２を引き出してトーチ３に送り込む。ワイヤ送給装置４は、図２に示すように、モータ４１と、エンコーダ４２と、モータガバナ４３とを有している。モータ４１は、モータガバナ４３によって回転数を制御され、溶接コイル７から溶接ワイヤ２を繰り出す駆動源となる。エンコーダ４２はモータ４１の回転数を検出して、モータカバナ４３に送る。モータガバナ４３は、エンコーダ４２からのモータ回転数に基づいてモータ４１を制御して、所望の回転数に制御することができる。エンコーダ４２によって検出されたモータ回転数はモータガバナ４３を介して後述する溶接電源装置５の制御部に送られる。

溶接電源装置５は、アーク放電を生起させるための電力を母材１および溶接ワイヤ２に供給するデジタル電源装置である。溶接電源装置５は、図１に示すように、トーチ用ケーブル３１を介してトーチ３に接続されていると共に、接地ケーブル１１を介して母材１に接続されている。また、溶接電源装置５は、図示しない外部電源に接続されており、外部電源からの電力を制御して母材１および溶接ワイヤ２に供給する。また、溶接電源装置５は、ワイヤ送給装置４およびガス調節部６と図示しない通信線で接続されており、ワイヤ送給装置４における溶接ワイヤ２の供給速度やガス調節部６におけるガスの供給量を制御することができる。なお、ガス調節部６は、ガスボンベ８に充填されたガスをトーチ３に供給する装置である。

溶接電源装置５は、図２に示すように、電源回路５１、電流検出回路５２、電圧検出回路５３、操作部５４、制御部５５を有している。電源回路５１は、外部電源から供給される電力をトーチ３の溶接ワイヤ２および母材１に供給する回路である。電流検出回路５２は、溶接ワイヤ２および母材１に流れている負荷電流を検出する回路であり、検出した負荷電流の値を制御部５５へ送信する。電圧検出回路５３は、溶接ワイヤ２と母材１との間に印可されている負荷電圧を検出する回路であり、検出した負荷電圧の値を制御部５５へ送信する。操作部５４は、作業者が溶接条件を入力するための部分であり、設定電流、設定電圧などを入力して設定することができる。また、アークスタート時の負荷電圧や溶接ワイヤの供給速度などのパラメーターの設定も可能である。また、制御部５５は、ワイヤ送給装置４のモータガバナ４３を制御して、ワイヤ送給装置４からの溶接ワイヤ２の供給速度を制御することができる。このように制御部５５は、負荷電圧と溶接ワイヤ２の供給速度を制御することにより、負荷電流の波形の幅や高さをデジタル制御することができる。

＜アーク溶接機１００における初期制御＞
次に、アークスタートから負荷電流が安定して定常状態に至るまでの初期期間において、アーク溶接機１００の制御部５５が行う初期制御について説明する。この初期制御は、溶接後の母材１に残留するスパッタを低減させるための制御であり、図３に示すフローに従って行われる。

まず、溶接電源装置５のスイッチがオンにされると（Ｓ１）、溶接ワイヤ２と母材１との間に無負荷電圧がかけられ（Ｓ２）、それと共に、ワイヤ送給装置４において溶接ワイヤ２の供給が開始される（Ｓ３）。

ここで、トーチ３が操作されて溶接ワイヤ２の先端が母材１に接触すると、アークが点弧して溶接ワイヤ２が燃え上がる。このとき、溶接電源装置５では、アークスタート時の負荷電流の最大値が４００Ａ以下となるように、且つ、負荷電流の最大値での連続通電時間が３ｍｓｅｃ以下となるように、印可される負荷電圧は予め低い値とされている。アークが点弧して溶接ワイヤ２が燃え上がると、溶接ワイヤ２が溶けて形成される溶滴の成長と短絡が繰り返される。このとき、溶接電源装置５では、負荷電流が検出され（Ｓ４）、負荷電流の最大値が４００Ａ程度になるように負荷電圧が制御される（Ｓ５）。また、負荷電流の最大値での連続通電時間が３ｍｓｅｃ以下となるように負荷電圧が制御される（Ｓ６）。

また、短絡が繰り返される間、負荷電流および負荷電圧が検出され、検出された負荷電流および負荷電圧に基づいて短絡の発生回数が検知される（Ｓ７）。そして、短絡の発生回数が０．１秒間に２〜５回か否か、すなわち、短絡の発生間隔が２０ｍｓｅｃ以上、５０ｍｓｅｃ以下であるか否かが判定される（Ｓ８）。短絡の発生回数が上記の範囲より少ない場合は、負荷電圧が低減される。又は、溶接ワイヤ２の供給速度が増大される。短絡の発生回数が上記の範囲より多い場合は、負荷電圧が増大される。又は、溶接ワイヤ２の供給速度が低減される（Ｓ９，Ｓ１０）。これにより、短絡の発生回数が上記の範囲内になるように制御される。なお、この場合の負荷電圧の変更幅は０．５Ｖ以内であることが望ましい。

この初期制御は、負荷電流が所定の設定電流値に達し、且つ、アークスタートから所定時間が経過するまで行われ（Ｓ１１，Ｓ１２）、その後、通常制御が行われる（Ｓ１３）。これにより、負荷電流が安定して定常状態に移行した状態を誤認することが防止される。

なお、この初期制御においては、短絡が繰り返されながら負荷電流が上昇し、アークスタートから３００ｍｓｅｃ〜５００ｍｓｅｃ程度で設定電流に到達するように負荷電圧と溶接ワイヤ２の供給速度が制御される。これにより、スパッタが形成されやすい初期期間をできるだけ短くすると共に、初期期間が過度に短くなることによる不安定な溶接の状態を回避することができる。

＜特徴＞
（１）
このアーク溶接機１００では、初期期間において、負荷電流の最大値が４００Ａ程度に抑えられると共に、負荷電流の最大値での連続通電時間が３ｍｓｅｃ以下に抑えられる。このため、溶滴に与えられるエネルギーが抑えられ、溶滴が過度に大きくなることが防止される。また、短絡の発生間隔も５０ｍｓｅｃ以下に抑えられているため、短絡が成長する時間が短くなっており、溶滴が過度に大きくなることが防止される。また、負荷電流の最大値が抑えられるため、スパッタを弾き飛ばす力も抑えられる。これにより、大粒のスパッタの発生が抑えられ、溶接後の母材１に残留するスパッタを低減することができる。

（２）
このアーク溶接機１００では、負荷電圧を制御することによって、負荷電流の最大値や最大値での通電時間を容易に制御することができる。

また、負荷電圧や溶接ワイヤ２の供給速度を制御することによって、短絡の発生間隔と、アークスタートから定常状態に移行するまでの時間を容易に制御することができる。

（３）
本発明に係るアーク溶接機１００によるアーク溶接時（以下、「本発明例」と呼ぶ）の電流波形を図４に示す。この電流波形は、図５に示すテストピース９１の４隅９３〜９６をベース９２に溶接した際のものであり、縦軸が負荷電流値を示し、横軸が時間を示している。なお、このテストピース９１の溶接は、６：４のＭＡＧガス（アルゴンガス６に対してＣＯ２ガス４）供給の元で行われ、溶接電源装置５での設定電流は３００Ａ、設定電圧は３１Ｖである。テストピース９１の大きさは、１００×５０×１６ｔ（ｍｍ）であり、ベース９２の大きさは、３００×２５０×９ｔ（ｍｍ）である。また、テストピース９１およびベース９２の材質は、一般構造用圧延鋼材ＳＳ４００（黒皮材）である。なお、使用した溶接ワイヤ２はφ１．４のＪＩＳ：ＹＧＷ−１１相当の溶接ワイヤ（キスウェル社製ＺＯ−２６）である。

図４に示す本発明例の電流波形では、アークスタート時の負荷電流の最大値Ｉｓｍ１が低く抑えられていると共に、その後の短絡時の負荷電流の最大値も４００Ａ程度に抑えられている。また、短絡の発生間隔も５０ｍｓｅｃ以下に抑えられている
次に、比較例として、従来のアーク溶接機（松下溶接システム株式会社製、ＨＦ５００）によるアーク溶接時の電流波形を図６に示す。溶接条件等については、上記の本発明例の条件と同様である。

この電流波形では、アークスタート時の負荷電流の最大値Ｉｓｍ２が大きくなっており、６００Ａを越えている。また、アークスタート後に短絡が繰り返されている状態においては、負荷電流値の変化幅が大きくなっている。

図７に、本発明例および比較例における溶接後のスパッタ付着量を示す。図７に示されているスパッタの付着量は、溶接後の母材１を皮手で払った後のものであり、簡易に取り除かれる微細なスパッタは除かれている。また、各条件で溶接を２回ずつ行った合計のスパッタ付着量が示されている。

この表から分かるように、本発明例では、溶接後の母材１に付着しているスパッタが比較例よりも少ない。特に、比較例では２ｍｍ以上の大粒のスパッタが多数付着しているのに対して、本発明例ではゼロである。このように、本発明例では、母材１からの除去が困難であり母材１に残留しやすい大粒のスパッタの付着が大幅に低減されていることが分かる。
＜他の実施形態＞
（ａ）
上記の本発明例では、黒皮鉄の鉄鋼材料が用いられているが、本発明はこれ以外の材料に対しても有効である。ただし、黒皮鉄の鉄鋼材料を用いることにより、微少なスパッタの付着が防止され、全体としてスパッタの発生を低減することができる。すなわち、黒皮の層によって微少なスパッタの付着を低減することができると共に、黒皮の層を破って下層まで到達するような大粒のスパッタの発生を抑えることができ、残留するスパッタを芸源することができる。

（ｂ）
上記のアーク溶接後にショットブラストがさらに行われてもよい。これによって、微少なスパッタを母材１から容易に除去することができる。また、ショットブラストでは除去することができないような大粒のスパッタの発生は上記の初期制御によって低減される。このため、母材１に残留するスパッタを低減することができる。

（ｃ）
上記の実施形態では、初期制御において負荷電流の最大値が４００Ａ程度とされているが、負荷電流の最大値はこの値に限られるものではなく、４００Ａより小さい値であればよく、例えば３００Ａ程度であってもよい。また、４００Ａ以下であり、且つ、アーク放電の生起が可能な程度の電流値が選択可能であるが、スパッタ低減の観点からは、２００Ａ以上であることが望ましい。

（ｄ）
上記の実施形態では、負荷電圧が制御されることによって負荷電流の調整が行われているが、負荷電圧と共に、又は、負荷電圧に代えて溶接ワイヤ２の供給速度が制御されてもよい。

また、上記の実施形態では、負荷電圧と溶接ワイヤ２の供給速度が制御されることによって短絡の発生回数が調整されているが、負荷電圧と溶接ワイヤ２とのいずれか一方のみによって短絡の発生回数の調整が行われてもよい。

（ｅ）
上記の実施形態では、トーチ３がロボットによって自動的に操作される全自動のアーク溶接機１００に本発明が適用されているが、トーチ３が作業者によって操作される半自動のアーク溶接機に本発明が適用されてもよい。

（ｆ）
上記の本発明例では、６：４（Ａｒ＋Ｃｏ２）のＭＡＧガス供給の元で溶接が行われているが、８：２（Ａｒ＋Ｃｏ２）のＭＡＧガス供給の元で溶接が行われてもよい。

本発明は、溶接後の母材に残留するスパッタを低減させることができる効果を有し、アーク溶接機の制御方法およびアーク溶接機として有用である。

アーク溶接機の構成を示す概略図。 溶接電源装置とワイヤ送給装置との構成を示すブロック図。 アーク溶接機における初期制御のフロー。 本発明例における初期期間の電流波形を示すグラフ。 本発明例および比較例におけるテストピースを示す図。 比較例における初期期間の電流波形を示すグラフ。 本発明例と比較例におけるスパッタ付着量の比較を示す表。

５ 溶接電源装置（溶接電源部）
５５ 制御部
１００ アーク溶接機

Claims (7)

1. アークスタートから負荷電流が安定して定常状態に至るまでの初期期間において、
   少なくともアークスタート時の前記負荷電流の最大値を４００Ａ以下に抑えると共に、短絡の発生間隔を５０ｍｓｅｃ以下とする初期制御を行い、
   前記負荷電流が所定の設定電流値に達し、且つ、アークスタートから所定時間が経過した場合に、前記初期制御から通常制御に移行する、
   アーク溶接機の制御方法。
2. 前記初期制御において、前記負荷電流の最大値での連続通電時間を３ｍｓｅｃ以下とする、
   請求項１に記載のアーク溶接機の制御方法。
3. 前記初期制御において、前記短絡の発生間隔を２０ｍｓｅｃ以上とする、
   請求項１または２に記載のアーク溶接機の制御方法。
4. 前記初期制御において、前記負荷電流の最大値が４００Ａ以下となるように負荷電圧を制御する、
   請求項１から３のいずれかに記載のアーク溶接機の制御方法。
5. 前記初期制御において、前記負荷電流の最大値が４００Ａ以下となるように溶接ワイヤの供給速度を制御する、
   請求項１から４のいずれかに記載のアーク溶接機の制御方法。
6. 前記初期制御において、前記短絡の発生間隔が５０ｍｓｅｃ以下となるように負荷電圧および／または溶接ワイヤの供給速度を制御する、
   請求項１から５のいずれかに記載のアーク溶接機の制御方法。
7. アーク放電を生起させるための電力を供給する溶接電源部と、
   アークスタートから負荷電流が安定して定常状態に至るまでの初期期間において、少なくともアークスタート時の前記負荷電流の最大値を４００Ａ以下に抑えると共に、短絡の発生間隔を５０ｍｓｅｃ以下とする初期制御を行い、前記負荷電流が所定の設定電流値に達し、且つ、アークスタートから所定時間が経過した場合に、前記初期制御から通常制御に移行する制御部と、
   を備えるアーク溶接機。

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