JP4940449B2 - 消耗電極式アーク溶接方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は、消耗電極式アーク溶接装置に係るものである。
【従来の技術】
従来、ガスシールドアーク溶接等により溶接を行う場合、図１に示すような溶接装置が使用されている。図において、１は溶接される母材、２は溶接電源、３は溶接トーチ、４は溶接トーチのチップ、５は溶接ワイヤ、６は溶接アーク、１１はワイヤ送給ローラ、１０はワイヤ送給ローラ用駆動モータ、９は巻きワイヤスプール、７は溶接トーチ３を固定している簡易台車（図示せず）の固定アーム、あるいは溶接ロボットのアーム、８は溶接ワイヤ５を溶接トーチ３に供給するためのコンジットケーブルである。
このような溶接装置によって溶接を行う場合、まず、溶接電源２から適切な電圧を供給すると、溶接ワイヤ５の先端と母材１との間に溶接アーク６が発生し、溶接ワイヤ５は溶融して、図２に示すように、溶滴２２が形成される。この際、溶接ワイヤ５は、溶滴２２が母材１側に移行する量だけ、駆動モータ１０を駆動源とする、ワイヤ送給ローラ１１を回転させて送給することで、溶接アーク６を安定して、母材１と溶接ワイヤ５の先端の間で発生させることができる。
このように、従来行われている溶接では、チップ４から溶接部への溶接ワイヤ５の送給速度は、溶接中、常に一定速度になるようにしている。例えば、溶接ワイヤ５として、直径１．２ｍｍのソリッドワイヤを使用し、溶接電流を２００から３００アンペア、シールドガスに炭酸ガスを用い２５リットル／分供給した場合には、溶接ワイヤ５の送給速度は、５から１２ｍ／分の間の一定送給としている。
一方、溶接ワイヤ５の先端に形成される溶滴２２が母材１側へ移行する状況を観察すると、例えばシールドガスに炭酸ガスを使用した場合では図２に示すような状況となっている。つまり、図２（ａ）で溶滴が形成されはじめ、図２（ｂ）、図２（ｃ）と、時間の経過とともに、溶滴２２は成長していく。
図２から理解されるように、溶滴２２が形成されはじめ、成長していく段階では、溶接アーク６は、溶滴２２の下面から発生するため、溶滴２２はアーク力によって上方へ押し上げられ、なかなか母材１側へ移行することができず、すなわち図２（ｃ）のような状態なるまで成長する。また、母材１へ移行する際には、図２（ｄ）に示すように、大粒の溶滴２２が飛行するような状態で移行する。このような、溶滴２２の移行では、大粒の溶滴２２が母材１側に形成されている溶融池に取り込まれれば溶融金属となり溶接に寄与するが、溶融池以外の箇所へ落ちるとスパッタとなり、溶接には寄与しないものとなる。
このように、特に、シールドガスに炭酸ガスを用いた従来のガスシールドアーク溶接では、次のような不具合がある。
（１）溶接ワイヤ５の先端から母材１へ移行する溶滴２２が大粒となるため、溶滴２２が溶融池以外の箇所に移行して、大粒のスパッタとなる場合がある。
（２）発生するスパッタが大きくなるため、母材１に付着したスパッタの除去作業に時間を必要とするばかりでなく、溶接ワイヤ５から溶接箇所への溶着効率も低下し、溶接能率が低下することとなる。
上記不具合を解決するため、特開平８−２２９６８２号公報及び特開平９−８５４３９号公報に記載された方法では、以下のような手段を講じている。
特開平８−２２９６８２号公報では、溶接トーチ内部にあるワイヤ供給ノズルを電磁的作用によって揺動させることにより、溶接ワイヤの溶接トーチ内の通路長さを変動させ、チップから溶接箇所へ送り出される溶接ワイヤの送給速度を、一定速度から適切な周期で、瞬間だけ高速送給することで、溶接ワイヤ先端に形成される溶滴を母材側に短絡移行させることにより、スパッタの発生が少なく、溶接効率の良い溶接方法及び溶接装置を提案している。
特開平９−８５４３９号公報では、特開平８−２２９６８２号公報で提案した溶接ワイヤの送給速度を、一定速度から適切な周期で瞬間だけ高速送給するタイミングに同期させて、パルス溶接電流を変化させることにより、スパッタの発生要因となる溶滴の移行を規則的にかつ確実に母材へ行うことができ、スパッタの発生が少ない溶接方法及び溶接装置を提案している。
図３は特開平９−８５４３９号公報の溶接トーチの構成を示すものであり、図中、３は溶接トーチ、４はチップ、５は溶接ワイヤ、８はコンジットケーブル、１２はトーチ基部、１３はシールドガス供給パイプ、１４はシールドガス噴孔、１５はスプリング、１６はワイヤ供給ノズル、１７はチップ固定具、１８Ａ及び１８Ｂは磁性体鉄心、１９Ａ及び１９Ｂは電磁コイル、２０Ａ及び２０Ｂは直流電圧発生器、２１は電圧発生調整器である。
【発明が解決しようとする課題】
図３に示すように、特開平９−８５４３９号公報記載の装置では、溶接トーチ３の構造が特殊であり、溶接トーチ３内部にあるワイヤ供給ノズル１６を電磁的作用によって揺動させるための電圧発生調整器２１が必要であり、複雑で高価なものであった。また、溶接ワイヤ５の送給速度は、溶接トーチ３内部にあるワイヤ供給ノズル１６の変動に対する幅しか変化できないという制限があった。
また、従来の技術は、溶接速度が遅い領域（略１．５ｍ／分以下）での大粒スパッタ発生の抑制に関して実現されている。ところが、略２ｍ／分以上の溶接では、溶接電流が３００Ａから４００Ａと高いため、ワイヤの溶融速度は速くなり、大量の溶滴が生成され、アーク不安定になるという問題があった。
そこで、本発明が解決しようとする課題は、略２ｍ／分以上の溶接においても、溶接中に発生し飛散するスパッタが極端に減少し、かつ簡単で安価な溶接方法及び装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、被溶接材に溶接ワイヤを送り、前記被溶接材と前記溶接ワイヤ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において、アーク発生後に前記被溶接材と前記溶接ワイヤの短絡を検出後、短絡時間の計測を開始するとともに溶接ワイヤ送給速度を予め設定した減速率で通常溶接の溶接ワイヤ送給速度以下に減速し、短絡開放を検出すると前記短絡時間の計測を終了するとともに前記溶接ワイヤ送給速度を一旦前記通常溶接の溶接ワイヤ送給速度に戻した後、前記短絡時間の計測値の間だけ前記溶接ワイヤ送給速度を前記減速率と大きさの等しい加速率で前記通常溶接の溶接ワイヤ送給速度以上に加速し、再度前記溶接ワイヤ送給速度を前記通常溶接の溶接ワイヤ送給速度に戻すことで、前記短絡時間に前記溶接ワイヤ送給速度が減速している間の溶接ワイヤ送給量の不足分と前記溶接ワイヤ送給速度が加速している間の溶接ワイヤ送給量の過剰分を等しくすることを特徴とする。
更に、溶接ワイヤを被溶接材に送給する溶接ワイヤ送給装置と、前記溶接ワイヤと前記被溶接材との短絡と短絡開放を検出する短絡／短絡開放検出器と、前記溶接ワイヤと前記被溶接材との短絡から短絡開放までの短絡時間を計測する短絡時間保存器と、前記短絡／短絡開放検出器からの信号に基づいて、アーク発生後に前記被溶接材と前記溶接ワイヤが短絡した場合は溶接ワイヤ送給速度を予め設定した減速率で通常溶接の溶接ワイヤ送給速度以下に減速し、短絡開放を検出すると前記溶接ワイヤ送給速度を一旦前記通常溶接の溶接ワイヤ送給速度に戻した後、前記短絡時間の計測値の間だけ前記溶接ワイヤ送給速度を前記減速率と大きさの等しい加速率で前記通常溶接の溶接ワイヤ送給速度以上に加速し、再度前記溶接ワイヤ送給速度を前記通常溶接の溶接ワイヤ送給速度に戻すことで、前記溶接ワイヤ送給速度が減速している間の溶接ワイヤ送給量の不足分と前記溶接ワイヤ送給速度が加速している間の前記溶接ワイヤ送給量の過剰分を等しくする溶接ワイヤ送給指令を前記溶接ワイヤ送給装置に与える溶接ワイヤ送給指令装置と、溶接条件を設定する溶接条件設定器と、溶接速度設定器と、前記溶接速度設定器にて設定された溶接速度に従って溶接トーチを移動させる溶接トーチ移動装置とを具備した消耗電極式アーク溶接装置を使用して溶接を行うことも特徴としている。
本発明によれば、消耗電極式アーク溶接において、溶接装置に特別な構成を必要とせず、短絡、短絡開放に同期して溶接ワイヤ送給速度を減速、加速して溶接を行うため、
・簡単で安価な溶接装置である。
・短絡開放が速やかに行われ、溶接中に発生し飛散するスパッタが極端に減少する。
・短絡からアークへ速やかに移行し、アーク切れを防止できる。
・良好なビードが得られる。
・２ｍ／分以上の速度でも安定したアーク状態が得られる。
などの効果がある。
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を説明する。図４は本発明における溶接電圧、溶接電流、溶接ワイヤ送給速度、溶滴移行の関係図である。
図４に見られるように、短絡が発生して電圧が所定の値より下がり、短絡を検出すると、溶接電流は予め定める遅延時間経過後、短絡を開放するために増加する。また、短絡検に同期して溶接ワイヤ送給速度を減速することにより、溶融池内の溶融金属の流れあるいは表面張力が、ワイヤ先端からの溶滴の離脱に有効に作用して、短絡開放を促進する。
短絡が開放された後、溶接ワイヤ送給速度を加速し、溶滴離脱によるアーク切れを防止してアークへの移行と溶滴の形成を速やかに行う。ここで、溶接ワイヤ送給速度の減速による溶接ワイヤ送給量低下分Ｓと、溶接ワイヤ送給速度の加速による溶接ワイヤ送給量増加分Ｓ’とを等しくすることにより、平均的な溶着量は一定となり、良好なビードが得られる。また、溶接電源２３による溶接電流制御のみならず溶接ワイヤ送給速度制御により短絡が速やかに開放されることで、スパッタの発生なども抑制される。
図５は本発明に係る溶接装置の構成を示すブロック図である。同図において２３は溶接電源、２４は溶接条件設定器、２５は溶接ワイヤ送給装置、２６は溶接ワイヤ送給指令、２７は溶接速度設定器、２８は溶接トーチ移動装置、２９は短絡／短絡開放検出器、３０短絡時間保存器である。
溶接ワイヤ送給指令装置２６は、ワイヤ送給指令を溶接ワイヤ送給装置２５に与える。溶接ワイヤ送給装置２５は溶接ワイヤ送給指令に基づき、溶接ワイヤを母材へ送給する。溶接条件設定器２４は、所望の溶接を行う溶接条件を設定する。溶接速度設定器２７は、所望の溶接を行う溶接速度、例えば略２ｍ／分を設定し、溶接トーチ移動装置２８は、設定された溶接速度に従って溶接トーチを移動させ、溶接は行われる。
溶接中に短絡が発生した場合、短絡／短絡開放検出器２９により溶接電圧等の情報で短絡を検出する。短絡を検出すると短絡／短絡開放検出器２９は短絡検出信号を溶接電源２３と溶接ワイヤ送給速度指令装置２６及び短絡時間保存器３０に送る。短絡時間保存器３０は短絡時間の計測を始める、溶接電源２３は予め定める遅延時間経過後、短絡を開放するために溶接電流を増加させる。ここで、溶接速度２ｍ／分以上の高速溶接においては、溶接電流を増加させる割合を少なくとも通常の３〜１０倍の５００Ａ／ｍｓｅｃとし、短絡開放に費やす時間を少なくし、溶滴を肥大させずに短絡開放させ、大粒スパッタの発生を防止し、アークを安定させる。溶接ワイヤ送給速度指令装置２６は、予め設定されていた減速率に従い溶接ワイヤ送給速度の減速指令を溶接ワイヤ送給装置２５に送り、溶接ワイヤ送給装置２６は減速された指令に従い溶接ワイヤを母材へ送る。短絡が開放されると短絡／短絡開放検出器２９は溶接電圧等の情報で短絡開放を検出し、短絡開放検出信号を溶接電源２３と溶接ワイヤ送給速度指令装置２６、短絡時間保存器３０に送る。短絡時間保存器３０は短絡時間の計測を終了し、短絡時間を保存し、溶接ワイヤ送給速度指令装置２６に短絡時間を送る。このように短絡時間保存器３０で短絡時間を計測することによってワイヤ送給量減少分Ｓとワイヤ送給量増加分Ｓ’を等しくすることができる。
溶接電源２３は短絡時に対応した電圧の供給を停止し、アークが発生すると溶接電流は減少し、溶接ワイヤ送給速度指令装置２６は予め設定されていた加速率と送られてきた短絡時間に従い溶接ワイヤ送給速度の加速指令を溶接ワイヤ送給装置２６に送り、溶接ワイヤ送給装置２６は加速された指令に従い溶接ワイヤを母材へ送る。
なお、送給モータと溶接トーチとを例えばコンジットで接続すると、コンジットの内部で溶接ワイヤが蛇行し、ワイヤ送給速度を増減するときの応答が遅れる場合がある。そこで、溶接トーチ部に送給モータを配置し、送給モータからアークまでの距離を短くすると、ワイヤ送給速度の応答をさらに速くすることができる。
以上述べたように、本発明における溶接装置は特別な構成を必要とせず、簡単で安価に短絡に同期した消耗電極式アーク溶接を行うことができ、溶接速度２ｍ／分の高速溶接においてもスパッタの発生を抑制できる。
【産業上の利用可能性】
本発明は、アーク溶接の分野で利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のガスシールドガス溶接装置の概略図。
【図２】従来のガスシールドガス溶接における溶滴移行の様子を示す説明図。
【図３】特開平８−２２９６８２、特開平９−８５４３９における溶接トーチの構造を示す一部切欠正面図。
【図４】本発明における溶滴移行、溶接電圧、溶接電流、溶接ワイヤ送給速度の関係図。
【図５】発明における溶接装置の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１：溶接される母材、２：溶接電源、３：溶接トーチ、４：溶接トーチのチップ、５：溶接ワイヤ、６：溶接アーク、７：固定アーム、あるいは溶接ロボットのアーム、８：コンジットケーブル、９：巻きワイヤスプール、１０：ワイヤ送給ローラ用駆動モータ、１１：ワイヤ送給ローラ、１２：トーチ基部、１３：シールドガス供給パイプ、１４：シールドガス噴孔、１５：スプリング、１６：ワイヤ供給ノズル、１７：チップ固定具、１８Ａ，１８Ｂ：磁性体鉄心、１９Ａ，１９Ｂ：電磁コイル、２０Ａ，２０Ｂ：直流電圧発生器、２１は電圧発生調整器、２２：溶滴、２３：溶接電源、２４：溶接条件設定器、２５：溶接ワイヤ送給装置、２６：溶接ワイヤ送給指令、２７：溶接速度設定器、２８：溶接トーチ移動装置、２９：短絡／短絡開放検出器、３０：短絡時間保存器

Claims (3)

1. 被溶接材に溶接ワイヤを送り、前記被溶接材と前記溶接ワイヤ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において、
   アーク発生後に前記被溶接材と前記溶接ワイヤの短絡を検出後、短絡時間の計測を開始するとともに溶接ワイヤ送給速度を予め設定した減速率で通常溶接の溶接ワイヤ送給速度以下に減速し、
   短絡開放を検出すると前記短絡時間の計測を終了するとともに前記溶接ワイヤ送給速度を一旦前記通常溶接の溶接ワイヤ送給速度に戻した後、前記短絡時間の計測値の間だけ前記溶接ワイヤ送給速度を前記減速率と大きさの等しい加速率で前記通常溶接の溶接ワイヤ送給速度以上に加速し、
   再度前記溶接ワイヤ送給速度を前記通常溶接の溶接ワイヤ送給速度に戻すことで、前記短絡時間に前記溶接ワイヤ送給速度が減速している間の溶接ワイヤ送給量の不足分と前記溶接ワイヤ送給速度が加速している間の溶接ワイヤ送給量の過剰分を等しくすることを特徴とする消耗電極式アーク溶接方法。
2. 溶接ワイヤを被溶接材に送給する溶接ワイヤ送給装置と、
   前記溶接ワイヤと前記被溶接材との短絡と短絡開放を検出する短絡／短絡開放検出器と、
   前記溶接ワイヤと前記被溶接材との短絡から短絡開放までの短絡時間を計測する短絡時間保存器と、
   前記短絡／短絡開放検出器からの信号に基づいて、アーク発生後に前記被溶接材と前記溶接ワイヤが短絡した場合は溶接ワイヤ送給速度を予め設定した減速率で通常溶接の溶接ワイヤ送給速度以下に減速し、短絡開放を検出すると前記溶接ワイヤ送給速度を一旦前記通常溶接の溶接ワイヤ送給速度に戻した後、前記短絡時間の計測値の間だけ前記溶接ワイヤ送給速度を前記減速率と大きさの等しい加速率で前記通常溶接の溶接ワイヤ送給速度以上に加速し、再度前記溶接ワイヤ送給速度を前記通常溶接の溶接ワイヤ送給速度に戻すことで、前記溶接ワイヤ送給速度が減速している間の溶接ワイヤ送給量の不足分と前記溶接ワイヤ送給速度が加速している間の前記溶接ワイヤ送給量の過剰分を等しくする溶接ワイヤ送給指令を前記溶接ワイヤ送給装置に与える溶接ワイヤ送給指令装置と、
   溶接条件を設定する溶接条件設定器と、
   溶接速度設定器と、
   前記溶接速度設定器にて設定された溶接速度に従って溶接トーチを移動させる溶接トーチ移動装置とを具備したことを特徴とする消耗電極式アーク溶接装置。
3. 前記溶接トーチに送給モータを取り付けて前記溶接トーチから前記溶接ワイヤを前記被溶接材に送給する溶接ワイヤ送給装置を用いたことを特徴とする請求項２に記載の消耗電極式アーク溶接装置。

Images