JP4946785B2 - アーク溶接制御方法およびアーク溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、消耗電極である溶接ワイヤと被溶接物である母材との間にアークを発生させて溶接を行うアーク溶接におけるアークスタート時のアーク溶接制御方法およびアーク溶接装置に関するものである。

近年、溶接業界では生産性向上のために溶接の高品位化に対する要求が高まってきている。中でもアークスタート時のスパッタ低減が挙げられる。アークスタート時は、アークが安定するまでに時間がかかり、スパッタの発生が増加してワークに付着する場合が多くなる。そして、付着スパッタを除去するための後処理が必要となり、溶接生産性を低下させてしまう。

従来のアークスタート制御において、アークスタート時の溶接電圧を定常溶接時の溶接電圧よりも高く設定したいわゆるホット電圧方式や、溶接電圧が一定でもワイヤ送給速度をアークスタート前は定常速度より遅くしてスタートを行うスローダウン方式等が実施されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１−１９７０６８号公報

しかし、従来のアークスタート制御は、図３に示すように、アークスタート直後のアーク安定性の改善を行うものであり、アークスタート直後に瞬時にワイヤ送給速度信号をスローダウン速度から定常溶接時のワイヤ送給速度に、また溶接電圧をホット電圧から定常溶接時の電圧に切り替えるように構成している。
このためアーク発生直後のアーク発生は安定するがその後アークが安定するまでには時間が約１秒〜２秒程度かかり、アークが安定するまではスパッタが急増したりアーク切れが発生するなど好ましいものではなかった。特にこの現象はパルス溶接などに顕著にみられ、スタート後の不安定期間が持続するという欠点があった。

上記課題を解決するために、本発明のアーク溶接制御方法は、定常溶接期間になる前のアークスタート期間において、消耗電極であるワイヤと被溶接物との間に電圧を印加した状態で前記ワイヤを前記被溶接物に接触させてアークスタートを行うアーク溶接制御方法であって、前記ワイヤと前記被溶接物との間に電圧を印加するステップと、前記ワイヤを第一の送給速度で前記被溶接物に向かって送給するステップと、前記ワイヤと前記被溶接物との接触を検出するステップと、前記ワイヤと前記被溶接物との接触を検出すると前記ワイヤの送給速度を前記第一の送給速度から前記第一の送給速度よりも速い定常溶接時の送給速度である定常ワイヤ送給速度に連続的に変化させるステップと、前記第一の送給速度から前記定常ワイヤ送給速度への連続的なワイヤ送給速度の変化に同期して、前記ワイヤと前記被溶接物との間に印加する溶接電圧を前記ワイヤと前記被溶接物とが接触した時点の電圧から定常溶接時の溶接電圧である定常溶接電圧よりも高い第一の溶接電圧に連続的に変化させるステップと、前記ワイヤと前記被溶接物とが接触した時点から第一の時間が経過すると、ワイヤ送給速度に係わらず、溶接電圧を前記第一の溶接電圧から前記定常溶接電圧に向かって連続的に変化させるステップとを備えるものである。

また、本発明のアーク溶接制御方法は、上記に加えて、ワイヤと被溶接物とが接触した時点から溶接電圧が定常溶接電圧になる時点までの時間、あるいは、前記第一の溶接電圧の大きさの少なくとも一方を調整可能としたものである。

また、本発明のアーク溶接装置は、定常溶接期間になる前のアークスタート期間において、消耗電極であるワイヤと被溶接物との間に電圧を印加した状態で前記ワイヤを前記被溶接物に接触させてアークスタートを行うアーク溶接装置であって、溶接電流を検出する溶接電流検出部と、前記溶接電流検出部からの信号に基づいて前記ワイヤと前記被溶接物と接触を検出する接触検出部と、前記ワイヤの送給速度を制御するワイヤ送給速度制御部と、前記ワイヤと前記被溶接物との間に印加される溶接電圧を制御する制御部と、前記接触検出部からの信号に基づいて前記ワイヤと前記被溶接物とが接触した時点からの経過時間をカウントするカウンタ部とを備え、前記ワイヤ送給速度制御部は、前記ワイヤを第一の送給速度で前記被溶接物に向かって送給させ、前記ワイヤと前記被溶接物とが接触すると、前記ワイヤの送給速度を前記第一の送給速度から前記第一の送給速度よりも速い定常溶接時の送給速度である定常ワイヤ送給速度に連続的に変化させ、前記制御部は、前記ワイヤと前記被溶接物との間に電圧を印加させ、前記ワイヤと前記被溶接物とが接触すると、前記ワイヤ送給速度制御部による前記第一の送給速度から前記定常ワイヤ送給速度への連続的なワイヤ送給速度の変化に同期して、前記ワイヤと前記被溶接物との間に印加する溶接電圧を前記ワイヤと前記被溶接物とが接触した時点の電圧から定常溶接時の溶接電圧である定常溶接電圧よりも高い第一の溶接電圧に連続的に変化させ、さらに、前記ワイヤと前記被溶接物とが接触した時点から第一の時間が経過すると、ワイヤ送給速度に係わらず、溶接電圧を前記第一の溶接電圧から前記定常溶接電圧に向かって連続的に変化させるものである。

また、本発明のアーク溶接装置は、上記に加えて、溶接条件を設定するための設定部をさらに備え、ワイヤと被溶接物とが接触した時点から溶接電圧が定常溶接電圧になる時点までの時間、あるいは、前記第一の溶接電圧の大きさは、前記設定部により設定された溶接を行うために設定する設定溶接電流、溶接を行うために設定する設定溶接電圧、ワイヤ送給速度、シールドガス種類、ワイヤ材質、ワイヤ径、溶接法の少なくとも１つに基づいて制御部により決定されるものである。

上記のように、本発明によれば、スタート直後に瞬時に定常ワイヤ送給速度や定常溶接電圧に切り替えるのではなく、アークスタート期間において、ワイヤ送給速度と溶接電圧との変化を同期するように連続的に制御し、さらにワイヤ送給速度に対応付けられた溶接電圧を所定時間の長さ印加することにより、アークスタート性を良化させ、スタート直後のアーク不安定を起こすことなくスパッタの発生およびスパッタの付着を低減できる。なお、溶接電圧を連続的に徐々に変化させることで、急激に変化させる場合に比べて溶接状態を安定させることができる。

（実施の形態１）
以下、本実施の形態について、図１と図２を用いて説明する。

図１はアーク溶接装置の概略構成を示す図である。このアーク溶接装置は主に、消耗電極であるワイヤ１３と溶接対象物１６との間に電力を供給する溶接電源部１７と、溶接トーチ１４と、ワイヤ１３を被溶接物１６の方向へ送給するワイヤ送給部１２から構成される。

溶接電源部１７において、入力電源１からの電力は１次整流部２で整流され、スイッチング素子３により交流に変換され、トランス４により降圧され、２次整流部５及びＤＣＬ（インダクタンス）６により整流され、ワイヤ１３と被溶接物１６との間に印加される。そして、ワイヤ１３と被溶接物１６との間でアーク１５が発生する。

また、溶接電源部１７は、出力制御部７に溶接出力を制御する制御信号を出力する制御部８と、溶接電流を検出する溶接電流検出部９と、溶接電圧を検出する溶接電圧検出部１０と、ワイヤ送給装置１２を制御するためのワイヤ送給速度制御部１１と、溶接条件を設定するための設定部１８を備えている。なお、設定部１８で設定する溶接条件としては、溶接を行うために設定する設定溶接電流や、溶接を行うために設定する設定溶接電圧や、ワイヤ送給速度や、シールドガス種類や、ワイヤ材質や、ワイヤ径や、パルス溶接等の溶接法等が挙げられる。なお、設定溶接電流とは、作業者が被溶接物の形状や溶接速度により設定する溶接電流であり、設定溶接電圧とは、作業者が被溶接物の形状や溶接速度により設定する溶接電流である。そして、出力制御部７は制御部８からの制御信号に基づいてスイッチング素子３を制御することで溶接出力を制御する。

また、制御部８は、定常溶接状態となる前のアークスタート時に、溶接電流検出部９から溶接電流を検出したことを示す信号を受信するとワイヤ１３と被溶接物１６との接触を検出し、その時点からの経過時間をカウントするカウンタの機能を有している。さらに、制御部８は、設定部１８により設定された溶接条件に基づいて、後述するホット電圧や定常溶接電圧といった溶接電圧を制御する機能も有している。

なお、アーク溶接装置を構成する各構成部は、必要に応じ、各々単独に構成してもよいし、複数の構成部を複合して構成するようにしてもよい。

図２を用いて、アークスタート時のワイヤ送給速度と溶接電圧の制御の例について説明する。図２（ａ）は溶接起動信号の時間変化を示す図であり、図２（ｂ）はワイヤ送給速度の時間変化を示す図であり、図２（ｃ）は溶接電圧の時間変化を示す図であり、図２（ｄ）は溶接電流の時間変化を示す図である。

図２において、溶接トーチ１４に設けられた図示しないトーチスイッチをＯＮすることにより溶接起動信号をＯＮとする。ワイヤ送給速度制御部１１は制御部８を介して起動信号がＯＮされたことを示す信号を受けると、ワイヤ送給部１２に対してワイヤ送給速度を定常溶接時である定常ワイヤ送給速度よりも低速度であるスローダウン速度でワイヤ１３を送給させるワイヤ送給信号を送信し、ワイヤ送給部１２はスローダウン速度で溶接ワイヤ１３を被溶接物１６の方向へ送給する。それとあわせて、制御部８は、ワイヤ１３と被溶接物１６との間に定常溶接時の電圧である定常溶接電圧よりも高い無負荷電圧を印加させる信号を出力制御部７に出力することにより、ワイヤ１３と被溶接物１６との間に無負荷電圧を印加させる。

無負荷電圧が印加された状態でワイヤ１３が被溶接物１６に接触すると溶接電流が流れ、この溶接電流は電流検出部９により検出され、電流を検出したことを示す信号が制御部８に送信される。

ワイヤ送給速度制御部１１は、制御部８を介して電流を検出したことを示す信号を受信すると、ワイヤ送給部１２に対して、スローダウン速度からこのスローダウン速度よりも速い所定の定常ワイヤ送給速度に向かって一定の割合で徐々にワイヤ１３の送給速度を増加させ、所定の定常ワイヤ送給速度に到達した時点で所定の定常ワイヤ送給速度を維持する信号を送信することでワイヤ送給速度を制御する。

制御部８は、電流を検出したことを示す信号を受信すると、電流を検出した時点の溶接電圧から定常溶接時の溶接電圧である定常溶接電圧よりも高い所定の大きさのホット電圧に向かって一定の割合で徐々に溶接電圧を増加させ、所定のホット電圧に到達した時点で所定のホット電圧を維持する信号を制御部７に送信することで溶接電圧を制御する。なお、制御部８はワイヤ送給速度制御部１１からワイヤ送給速度に関する信号を受信し、ワイヤ送給速度に対応し、ワイヤ送給速度の変化に同期するように溶接電圧を制御するものである。

また、制御部８は、アークスタート時に電流を検出したことを示す信号を受信すると、その時点からの経過時間をカウントする。そして、制御部８は、第１の時間ｔ１が経過すると、この第１の時間ｔ１が経過した時点から第２の時間ｔ２が経過するまでの間に、ホット電圧から定常溶接時の溶接電圧になるように徐々にホット電圧を低下させるように溶接電圧を制御する。

ここで、第１の時間ｔ１と第２の時間ｔ２を合わせた時間がホット電圧印加時間であり、このホット電圧印加期間に印加される電圧がホット電圧である。すなわち、ホット電圧は、第１の時間ｔ１の開始時点から徐々に増加され、その後所定の大きさ維持され、さらにその後定常溶接電圧に向かって低減される電圧のことである。そして、アークが発生する初期の期間もしくはアークが発生してから安定するまでの期間に印加される定常溶接電圧よりも大きな値を有する溶接電圧のことである。

また、第１の時間ｔ１は、例えば、２００ｍｓ〜２０００ｍｓ程度であり、第２の時間ｔ２は例えば、１００ｍｓである。これらの時間は、実験等から求めた固定としても良いし、設定部１８により設定される設定溶接電流や、設定溶接電圧や、ワイヤ送給速度や、シールドガス種類や、ワイヤ材質や、ワイヤ径や、溶接法等に基づいて制御部８により決定するようにしてもよい。また、ホット電圧についても、第１の時間ｔ１や第２の時間ｔ２と同様に、設定部１８により設定される設定溶接電流や設定溶接電圧や、ワイヤ送給速度や、シールドガス種類や、ワイヤ材質や、ワイヤ径や、溶接法等に基づいて制御部８により決定するようにしてもよい。例えば、ワイヤ送給速度に関しては、送給速度が速ければホット電圧印加時間は長く、ホット電圧の最大値は高くなるように決定される。また、ワイヤ径に関しては、径が大きければホット電圧印加時間は長く、ホット電圧の最大値は高くなるように決定される。また、溶接法に関しては、パルス溶接を行う場合にはホット電圧印加時間は長く、ホット電圧の最大値は高くなるように決定される。

上記のように、ワイヤ送給速度とホット電圧との変化を同期するように連続的に制御し、さらにワイヤ送給速度に対応付けられたホット電圧を所定時間の長さ印加することにより、アークスタートを確実に行うことはもちろん、スタート直後のアーク不安定を起こすことなくスパッタの発生およびスパッタの付着を低減できる。なお、ホット電圧を徐々に変化させることで、急激に変化させる場合に比べて溶接状態を安定させることができる。

また、スパッタの増加やアーク切れ等は例えばＡｒ−ＣＯ２系シールドガスを用いるパルス溶接で顕著にみられるので、このようなパルス溶接に本実施の形態で説明した制御を適用することは非常に有効である。

本発明のアーク溶接制御方法およびアーク溶接装置は、アークスタート時のスパッタ発生およびスパッタ付着を低減して溶接作業の生産性向上することができるので、消耗電極である溶接ワイヤと被溶接物である母材との間にアークを発生させて溶接を行うアーク溶接等に有用である。

実施の形態１におけるアーク溶接装置の概略構成を示す図 （ａ）実施の形態１における起動信号の時間変化を示す図（ｂ）実施の形態１におけるワイヤ送給速度の時間変化を示す図（ｃ）実施の形態１における溶接電圧の時間変化を示す図（ｄ）実施の形態１における溶接電流の時間変化を示す図 （ａ）従来の起動信号を示す図（ｂ）従来のワイヤ送給信号の変化を示す図（ｃ）従来の溶接電圧の変化を示す図（ｄ）従来の溶接電流の変化を示す図

符号の説明

１ 入力電源
２ １次整流部
３ スイッチング素子
４ トランス
５ ２次整流部
６ ＤＣＬ（インダクタンス）
７ 出力制御部
８ 制御部
９ 溶接電流検出部
１０ 溶接電圧検出部
１１ ワイヤ送給速度制御部
１２ ワイヤ送給部
１３ ワイヤ（消耗電極）
１４ 溶接トーチ
１５ アーク
１６ 被溶接物
１７ 溶接電源部（溶接機）
１８ 設定部

Claims (4)

1. 定常溶接期間になる前のアークスタート期間において、消耗電極であるワイヤと被溶接物との間に電圧を印加した状態で前記ワイヤを前記被溶接物に接触させてアークスタートを行うアーク溶接制御方法であって、
   前記ワイヤと前記被溶接物との間に電圧を印加するステップと、
   前記ワイヤを第一の送給速度で前記被溶接物に向かって送給するステップと、
   前記ワイヤと前記被溶接物との接触を検出するステップと、
   前記ワイヤと前記被溶接物との接触を検出すると前記ワイヤの送給速度を前記第一の送給速度から前記第一の送給速度よりも速い定常溶接時の送給速度である定常ワイヤ送給速度に連続的に変化させるステップと、
   前記第一の送給速度から前記定常ワイヤ送給速度への連続的なワイヤ送給速度の変化に同期して、前記ワイヤと前記被溶接物との間に印加する溶接電圧を前記ワイヤと前記被溶接物とが接触した時点の電圧から定常溶接時の溶接電圧である定常溶接電圧よりも高い第一の溶接電圧に連続的に変化させるステップと、
   前記ワイヤと前記被溶接物とが接触した時点から第一の時間が経過すると、ワイヤ送給速度に係わらず、溶接電圧を前記第一の溶接電圧から前記定常溶接電圧に向かって連続的に変化させるステップとを備えるアーク溶接制御方法。
2. ワイヤと被溶接物とが接触した時点から溶接電圧が定常溶接電圧になる時点までの時間、あるいは、前記第一の溶接電圧の大きさの少なくとも一方を調整可能とした請求項１記載のアーク溶接制御方法。
3. 定常溶接期間になる前のアークスタート期間において、消耗電極であるワイヤと被溶接物との間に電圧を印加した状態で前記ワイヤを前記被溶接物に接触させてアークスタートを行うアーク溶接装置であって、
   溶接電流を検出する溶接電流検出部と、
   前記溶接電流検出部からの信号に基づいて前記ワイヤと前記被溶接物と接触を検出する接触検出部と、
   前記ワイヤの送給速度を制御するワイヤ送給速度制御部と、
   前記ワイヤと前記被溶接物との間に印加される溶接電圧を制御する制御部と、
   前記接触検出部からの信号に基づいて前記ワイヤと前記被溶接物とが接触した時点からの経過時間をカウントするカウンタ部とを備え、
   前記ワイヤ送給速度制御部は、前記ワイヤを第一の送給速度で前記被溶接物に向かって送給させ、前記ワイヤと前記被溶接物とが接触すると、前記ワイヤの送給速度を前記第一の送給速度から前記第一の送給速度よりも速い定常溶接時の送給速度である定常ワイヤ送給速度に連続的に変化させ、
   前記制御部は、前記ワイヤと前記被溶接物との間に電圧を印加させ、前記ワイヤと前記被溶接物とが接触すると、前記ワイヤ送給速度制御部による前記第一の送給速度から前記定常ワイヤ送給速度への連続的なワイヤ送給速度の変化に同期して、前記ワイヤと前記被溶接物との間に印加する溶接電圧を前記ワイヤと前記被溶接物とが接触した時点の電圧から定常溶接時の溶接電圧である定常溶接電圧よりも高い第一の溶接電圧に連続的に変化させ、さらに、前記ワイヤと前記被溶接物とが接触した時点から第一の時間が経過すると、ワイヤ送給速度に係わらず、溶接電圧を前記第一の溶接電圧から前記定常溶接電圧に向かって連続的に変化させるアーク溶接装置。
4. 溶接条件を設定するための設定部をさらに備え、
   ワイヤと被溶接物とが接触した時点から溶接電圧が定常溶接電圧になる時点までの時間、あるいは、前記第一の溶接電圧の大きさは、前記設定部により設定された溶接を行うために設定する設定溶接電流、溶接を行うために設定する設定溶接電圧、ワイヤ送給速度、シールドガス種類、ワイヤ材質、ワイヤ径、溶接法の少なくとも１つに基づいて制御部により決定される請求項３に記載のアーク溶接装置。