JP5122736B2 - 消耗電極アーク溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、板厚の異なる板材から形成される継手を電極プラス極性直流アーク溶接及び電極マイナス極性直流アーク溶接によって高品質に溶接するための消耗電極アーク溶接方法に関するものである。

図７は、薄板の溶接によく使用される３つの溶接法の電圧・電流波形図である。同図（Ａ１）及び（Ａ２）は電極プラス極性直流アーク溶接法の、同図（Ｂ１）及び（Ｂ２）は電極マイナス極性直流アーク溶接法の、同図（Ｃ１）及び（Ｃ２）は交流アーク溶接法の場合の、溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗの波形図である。

電極プラス極性直流アーク溶接では、同図（Ａ１）に示すように、消耗電極である溶接ワイヤが母材に対してプラス極性（電極プラス極性ＥＰ）となる溶接電圧Ｖｗが印加する。薄板溶接であるので溶接電流平均値が小さくなるために、溶滴移行形態は短絡期間とアーク期間とを繰り返す短絡移行溶接となる。この溶接法は溶接状態が安定しているために、薄板から厚板まで広く利用される一般的なアーク溶接法である。この溶接法では、母材への入熱が大きくなるために、板厚数mm以上の板材の溶接に多く使用される。

電極マイナス極性直流アーク溶接は、同図（Ｂ１）に示すように、溶接ワイヤが母材に対してマイナス極性（電極マイナス極性ＥＮ）となる溶接法である。この溶接法は母材への入熱が小さくなるために、板厚１mm以下の極薄板溶接に使用されることが多い。

交流アーク溶接法は、同図（Ｃ１）に示すように、予め定めた電極プラス極性期間Ｔepと予め定めた電極マイナス極性期間Ｔenとを数十Ｈｚで切り換える溶接法である。電極マイナス比率Ｒen＝Ｔen／（Ｔep＋Ｔen）として定義される。この溶接法は、電極マイナス比率Ｒenを調整することによって母材への入熱を調整することができる。この理由は、電極プラス極性期間Ｔep中は入熱が大きく、電極マイナス極性期間Ｔen中は入熱が小さいために、期間比率を変化させることで平均的な入熱を変化させることができるためである。この溶接法は、板厚数mm〜１mm程度までの薄板溶接に使用させることが多い。

図８は、上記の電極プラス極性直流アーク溶接、電極マイナス極性直流アーク溶接及び交流アーク溶接を１台で行うことができる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、３相２００Ｖ等の商用電源ＡＣを入力として整流・平滑し、後述するパルス幅変調制御信号Ｐwmに従ってインバータ制御を行い、高周波交流を出力する。変圧器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する。２次側整流器Ｄ２ａ〜Ｄ２ｄは、この降圧された高周波交流を整流する。電極プラス極性トランジスタＰＴＲは、後述する電極プラス極性駆動信号Ｄｐによってオンされて、溶接電源の出力極性は電極プラス極性ＥＰになる。電極マイナス極性トランジスタＮＴＲは、後述する電極マイナス極性駆動信号Ｄｎによってオンされて、溶接電源の出力極性は電極マイナス極性ＥＮになる。リアクトルＷＬは、出力を平滑しリップルを小さくする。溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給モータＭに結合された送給ロール５の回転によって溶接トーチ４内を送給されて、母材２との間でアーク３が発生し溶接が行われる。

インターフェイス回路ＩＦは、溶接ロボット制御装置等の外部溶接制御装置との間で溶接条件を設定するためのインターフェイス信号Ｉｆを送受信する。ここでは、インターフェイス信号Ｉｆには、少なくとも電圧設定信号Ｖｒ、極性切換信号Ｓｐ及び送給速度設定信号Ｆｒが含まれている場合である。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。誤差増幅回路ＥＡは、上記の電圧設定信号Ｖｒと電圧検出信号Ｖｄとの誤差を増幅して、誤差増幅信号Ｅａを出力する。パルス幅変調制御回路ＰＷＭは、この誤差増幅信号Ｅａを入力としてパルス幅変調を行い、パルス幅変調制御信号Ｐwmを出力する。駆動回路ＤＲは、上記の極性切換信号ＳｐがＨｉｇｈレベルのときは電極プラス極性トランジスタＰＴＲをオンさせるための電極プラス極性駆動信号Ｄｐを出力し、Ｌｏｗレベルのときは電極マイナス極性トランジスタＮＴＲをオンさせるための電極マイナス極性駆動信号Ｄｎを出力する。送給制御回路ＦＣは、上記の送給速度設定信号Ｆｒに対応する回転速度でワイヤ送給モータＭを回転させるための送給制御信号Ｆｃを出力する。

上記の溶接電源において、極性切換信号Ｓｐ＝Ｈｉｇｈレベルのときは電極プラス極性直流アーク溶接になり、極性切換信号Ｓｐ＝Ｌｏｗレベルのときは電極マイナス極性直流アーク溶接になり、極性切換信号ＳｐがＨｉｇｈレベルとＬｏｗレベルとを数十Ｈｚで変化するときは交流アーク溶接になる。

特開昭５８−３８６６４号公報 特公平３−４２９９６号公報

図９に示すように、厚板２ａと極薄板２ｂとの板厚違いの板材から形成されるＴ字すみ肉継手、重ね継手等を溶接する場合、電極プラス極性直流アーク溶接法を使用すると極薄板２ｂ側で説け落ちが生じやすく良好な溶接結果を得ることは難しい。電極マイナス極性直流アーク溶接法を使用すると、厚板２ａ側で十分な溶込みを確保することが難しい。交流アーク溶接法を使用すると、極薄板２ｂで溶け落ちを生じさせずに、かつ、厚板２ａでは適正な溶込みを確保することは、条件裕度が非常に狭いために実施工で安定した溶接品質を保証することは難しい。このように、厚板２ａと極薄板２ｂとの板厚違いの板材から形成される継手を、上述した従来技術によって高品質に溶接することは困難であった。

そこで、本発明では、板厚の異なる板材から形成される継手を高品質に溶接することができる消耗電極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、板厚が異なる板材から形成される継手の消耗電極アーク溶接方法において、
溶接トーチをウィービングさせ、ウィービング中の溶接トーチ位置が予め定めた溶接法切換位置を第１の境界として厚板側にあるときは電極プラス極性直流アーク溶接を行い、ウィービング中の溶接トーチ位置が前記第１の境界よりも薄板側にあるときは電極マイナス極性直流アーク溶接を行い、
ウィービング中の溶接トーチ位置が前記第１の境界とは異なる予め定めた送給速度切換位置を第２の境界として厚板側にあるときは送給速度を予め定めた電極プラス極性送給速度にし、ウィービング中の溶接トーチ位置が前記第２の境界よりも薄板側にあるときは送給速度を予め定めた電極マイナス極性送給速度にする、
ことを特徴とする消耗電極アーク溶接方法である。

上記第１の発明によれば、板厚の異なる板材から形成される継手の溶接において、溶接トーチをウィービングさせ、溶接トーチ位置が厚板側にあるときは電極プラス極性直流アーク溶接を行い、薄板側にあるときは電極マイナス極性直流アーク溶接を行う。このために、厚板に対しては適正な溶込みを確保し、かつ、薄板に対しては溶け落ちを生じることがなく、高品質な溶接を条件裕度も広く行うことができる。また、溶接法切換位置をウィービングの所望の位置に設定することによって、さらに高品質で条件裕度の広い溶接が可能となる。したがって、薄板が１mm以下の極薄板であっても高品質な溶接を行うことができる。さらに、上記第１の発明によれば、上記第１の発明の効果に加えて、ウィービングの所望の位置で送給速度を切り換えることができる。このために、電極プラス極性直流アーク溶接に適した送給速度及び電極マイナス極性直流アーク溶接に適した送給速度に設定することができ、溶接条件の裕度が拡大するので適用範囲も拡大する。

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。以下の説明において、実施の形態１は本発明の参考となる実施の形態であり、実施の形態１を基礎とした実施の形態２が本発明に対応している。

［実施の形態１］
図１は、本発明の消耗電極アーク溶接方法における溶接トーチのウィービング状態を示す図である。同図（Ａ）は溶接トーチ位置Ｐｔをウィービング位相角θに対する＋ｗ〜−ｗ［mm］のウィービング振幅でで表示しており、同図（Ｂ）は継手２ａ、２ｂと溶接トーチ４との位置関係を示す。同図（Ｂ）に示す継手は、厚板２ａと薄板２ｂとの板厚違いの板材から形成される図９で上述したＴ字すみ肉継手の場合である。以下、同図を参照して説明する。

位相角θ＝０°ときに、同図（Ｂ）に示すように、溶接トーチ４は継手の中心位置にあり溶接トーチ位置Ｐｔ＝０となり、溶接ワイヤ１と継手との間でアーク３が発生している。同図（Ｂ）に示すように、ウィービングによって溶接トーチ４が右端に移動すると、同図（Ａ）に示すように、位相角θ＝９０°となり溶接トーチ位置Ｐｔ＝＋ｗになる。続いて、ウィービングによって溶接トーチ４が中心位置に戻ると、同図（Ａ）に示すように、位相角θ＝１８０°となり溶接トーチ位置Ｐｔ＝０になる。続いて、同図（Ｂ）に示すように、ウィービングによって溶接トーチ４が左端に移動すると、同図（Ａ）に示すように、位相角θ＝２７０°となり溶接トーチ位置Ｐｔ＝−ｗになる。続いて、ウィービングによって溶接トーチ４が中心位置に戻ると、同図（Ａ）に示すように、位相角θ＝３６０°となり溶接トーチ位置Ｐｔ＝０になる。これによってウィービング１周期Ｏｆが終了し、同図（Ａ）に示すように、溶接方向に進行しながらウィービングが繰り返し行われる。したがって、Ｐｔ＝０〜＋ｗの期間は、溶接トーチ４は厚板２ａ側にあり、Ｐｔ＝０〜−ｗの期間中は、溶接トーチ４は薄板２ｂ側にある。

図２は、本発明の実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接方法を示すタイミングチャートである。同図（Ａ）は図１で上述した溶接トーチ位置Ｐｔの、同図（Ｂ）は極性切換信号Ｓｐの、同図（Ｃ）は溶接電流Ｉｗの、同図（Ｄ）は送給速度設定信号Ｆｒの変化を横軸位相角θで示したものである。同図では、ウィービング１周期分を表示しており、溶接中はこのウィービング周期が繰り返し行われる。同図は、図１で上述した溶接を行っているときのタイミングチャートである。以下、同図を参照して説明する。

位相角θ１＝０°において、同図（Ａ）に示すように、溶接トーチ位置Ｐｔ＝０になると、同図（Ｂ）に示すように、極性切換信号ＳｐがＨｉｇｈレベル（ＥＰ）に変化する。これに応動して、溶接電源の出力極性は電極プラス極性ＥＰに切り換わり、同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗは電極プラス極性ＥＰの電流になる。位相角θ２＝１８０°において、同図（Ａ）に示すように、溶接トーチ位置Ｐｔ＝０になると、同図（Ｂ）に示すように、極性切換信号ＳｐはＬｏｗレベル（ＥＮ）に変化する。これに応動して、溶接電源の出力極性は電極マイナス極性ＥＮに切り換わり、同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗは電極マイナス極性ＥＮの電流になる。位相角θ３において、同図（Ａ）に示すように、溶接トーチ位置Ｐｔ＝０になり、上述した動作を繰り返す。

したがって、溶接トーチ位置Ｐｔ＝０〜＋ｗにあり、溶接トーチが厚板２ａ側にあるときは、電極プラス極性直流アーク溶接を行い、溶接トーチ位置Ｐｔ＝０〜−ｗにあり、溶接トーチが薄板２ｂ側にあるときは、電極マイナス極性直流アーク溶接を行う。同図（Ｄ）に示すように、送給速度設定信号Ｆｒは、全期間にわたり一定値である。本溶接法は、ウィービングに同期させて電極プラス極性直流アーク溶接と電極マイナス極性直流アーク溶接とを切り換える溶接法である。これにより、厚板２ａ側は電極プラス極性直流アーク溶接によって十分な溶込みを確保し、かつ、薄板２ｂ側は電極マイナス極性直流アーク溶接によって溶け落ちを防止して、良好な溶接品質を得ることができる。

図３は、本発明の実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接方法を示す図２とは異なる場合のタイミングチャートである。同図（Ａ）〜（Ｄ）の各信号は、図２と同様である。以下、図２とは異なる点について説明する。

同図（Ａ）に示すように、溶接トーチが中心位置から少し厚板２ａ側に入った溶接法切換位置ｐ１［mm］を予め設定する。図２ではｐ１＝０の場合である。位相角θ１１において、同図（Ａ）に示すように、溶接トーチ位置Ｐｔ＝ｐ１になると、同図（Ｂ）に示すように、極性切換信号ＳｐはＨｉｇｈレベル（ＥＰ）に変化し、同図（Ｃ）に示すように、電極プラス極性直流アーク溶接に切り換わる。位相角θ１２において、同図（Ａ）に示すように、溶接トーチ位置Ｐｔ＝ｐ１になると、同図（Ｂ）に示すように、極性切換信号ＳｐはＬｏｗレベル（ＥＮ）に変化し、同図（Ｃ）に示すように、電極マイナス極性直流アーク溶接に切り換わる。このように、溶接法を切り換える位置ｐ１を継手又はウィービングの中心位置とは異なる位置に設定することで、継手形状又は溶接条件に最適な溶接法切換位置を選択することができ、溶接品質がさらに向上する。

図４は、上述した実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接方法を実施するための溶接ロボットを使用した溶接装置のブロック図である。溶接電源ＰＳは、図８で上述した溶接電源であり、インターフェイス信号Ｉｆによって設定される溶接条件に応じた溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗを出力すると共に、送給制御信号Ｆｃをワイヤ送給モータＭに出力する。マニピュレータＲＭは、後述する動作制御信号Ｍｃに従って移動する。また、マニピュレータＲＭはワイヤ送給モータＭ及び溶接トーチ４を搭載している。

ロボット制御装置ＲＣは、上記のマニピュレータＲＭを教示された軌道に沿って移動させるための動作制御信号Ｍｃを出力すると共に、上記の溶接電源ＰＳに電圧設定信号Ｖｒ、極性切換信号Ｓｐ及び送給速度設定信号Ｆｒを含むインターフェイス信号Ｉｆを出力する。以下、ロボット制御装置ＲＣの詳細なブロックについて説明する。動作制御部ＭＣは、上記の動作制御信号Ｍｃを出力する。溶接トーチ位置算出部ＰＴは、この動作制御信号Ｍｃを入力としてウィービング中の溶接トーチ位置を算出し、溶接トーチ位置信号Ｐｔを出力する。極性切換信号生成部ＳＰは、この溶接トーチ位置信号Ｐｔが予め定めた溶接法切換位置と一致したときにその値が変化する極性切換信号Ｓｐを出力する。送給速度設定部ＦＲは、予め定めた送給速度設定信号Ｆｒを出力する。電圧設定部ＶＲは、予め定めた電圧設定信号Ｖｒを出力する。インターフェイス回路ＩＦは、上記の電圧設定信号Ｖｒ、極性極性信号Ｓｐ及び送給速度設定信号Ｆｒをインターフェイス信号Ｉｆとして出力する。

［実施の形態２］
図５は、本発明の実施の形態２に係る消耗電極アーク溶接方法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、以下、図３と異なる点について説明する。

図３で上述したように、同図（Ａ）の位相角θ１１及びθ１２において溶接法が切り換わる。この溶接法を切り換えるときに、同図（Ｄ）に示すように、送給速度設定信号Ｆｒも同期して変化させることで、さらに溶接品質が向上する場合がある。このときに、溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗは即時に切り換わるが、送給速度は緩やかに変化するために、溶接法切換位置ｐ１とは異なる送給速度切換位置ｐ２を設けて切り換える方が良い。したがって、同図（Ｄ）に示すように、位相角θａにおいて溶接トーチ位置Ｐｔ＝ｐ２になると、送給速度設定信号Ｆｒは電極プラス極性送給速度設定値Ｆrpに切り換わる。同様に、同図（Ｄ）に示すように、位相角θｂにおいて溶接トーチ位置Ｐｔ＝ｐ２になると、送給速度設定信号Ｆｒは電極マイナス極性送給速度設定値Ｆrnに切り換える。

図６は、上述した実施の形態２に係る消耗電極アーク溶接方法を実施するための溶接装置のブロック図である。同図において上述した図４と同一のブロックには同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図４とは異なる点線で示すブロックについて説明する。

第２送給速度設定部ＦＲ２は、溶接トーチ位置信号Ｐｔの値が予め定めた送給速度切換位置と一致したときにその値が変化する送給速度設定信号Ｆｒを出力する。

本発明の消耗電極アーク溶接方法における溶接トーチのウィービング状態を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接方法を示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接方法を示す図２とは異なる場合のタイミングチャートである。 本発明の実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接方法を実施するための溶接装置のブロック図である。 本発明の実施の形態２に係る消耗電極アーク溶接方法を示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態２に係る消耗電極アーク溶接方法を実施するための溶接装置のブロック図である。 従来技術における電極プラス極性直流アーク溶接、電極マイナス極性直流アーク溶接及び交流アーク溶接の電圧・電流波形図である。 従来技術において図７の３つの溶接法を１台で行うことができる溶接電源のブロック図である。 板厚の異なる板材から形成されるＴ字すみ肉継手を示す図である。

符号の説明

１ 溶接ワイヤ
２ａ、２ｂ 板材
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
Ｄ２ａ〜Ｄ２ｄ ２次側整流器
Ｄｎ 電極マイナス極性駆動信号
Ｄｐ 電極プラス極性駆動信号
ＤＲ 駆動回路
ＥＡ 誤差増幅回路
Ｅａ 誤差増幅信号
ＥＮ 電極マイナス極性
ＥＰ 電極プラス極性
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＦＲ 送給速度設定部
Ｆｒ 送給速度設定信号
Ｆrn 電極マイナス極性送給速度設定値
Ｆrp 電極プラス極性送給速度設定値
ＦＲ２ 第２送給速度設定部
ＩＦ インターフェイス回路
Ｉｆ インターフェイス信号
ＩＮＴ 変圧器
ＩＮＶ インバータ回路
Ｉｗ 溶接電流
Ｍ ワイヤ送給モータ
ＭＣ 動作制御部
Ｍｃ 動作制御信号
ＮＴＲ 電極マイナス極性トランジスタ
Ｏｆ ウィービング周期
ｐ１ 溶接法切換位置
ｐ２ 送給速度切換位置
ＰＳ 溶接電源
ＰＴ 溶接トーチ位置算出部
Ｐｔ 溶接トーチ位置（信号）
ＰＴＲ 電極プラス極性トランジスタ
ＰＷＭ パルス幅変調制御回路
Ｐwm パルス幅変調制御信号
ＲＣ ロボット制御装置
Ｒen 電極マイナス比率
ＲＭ マニピュレータ
ＳＰ 極性切換信号生成部
Ｓｐ 極性切換信号
Ｔen 電極マイナス極性期間
Ｔep 電極プラス極性期間
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
ＶＲ 電圧設定部
Ｖｒ 電圧設定信号
＋ｗ、−ｗ ウィービング振幅
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＬ リアクトル
θ 位ウィービングの相角

Claims (1)

1. 板厚が異なる板材から形成される継手の消耗電極アーク溶接方法において、
   溶接トーチをウィービングさせ、ウィービング中の溶接トーチ位置が予め定めた溶接法切換位置を第１の境界として厚板側にあるときは電極プラス極性直流アーク溶接を行い、ウィービング中の溶接トーチ位置が前記第１の境界よりも薄板側にあるときは電極マイナス極性直流アーク溶接を行い、
   ウィービング中の溶接トーチ位置が前記第１の境界とは異なる予め定めた送給速度切換位置を第２の境界として厚板側にあるときは送給速度を予め定めた電極プラス極性送給速度にし、ウィービング中の溶接トーチ位置が前記第２の境界よりも薄板側にあるときは送給速度を予め定めた電極マイナス極性送給速度にする、
   ことを特徴とする消耗電極アーク溶接方法。

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