JP5293884B2

JP5293884B2 - アーク溶接制御方法

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Publication number: JP5293884B2
Application number: JP2012508282A
Authority: JP
Inventors: 晶中川; 篤寛川本; 潤司藤原; 将古和
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2010-09-10
Filing date: 2011-07-11
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2031-07-11
Also published as: US20120199567A1; WO2012032703A1; CN102596475A; EP2455177B1; EP2455177A4; EP2455177A1; JPWO2012032703A1; CN102596475B; US8901454B2

Description

本発明は、消耗電極である溶接ワイヤを送給しながらパルスアーク溶接を行うパルスアーク溶接制御方法、特に、アークスタート制御に関する。

近年、溶接業界では、生産性向上のため、溶接の高品位化に対する要求が高まっている。中でも、アークスタート時のスパッタの低減が求められている。アークスタート時は、母材に溶融プールが形成されるまでに時間がかかるため、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、母材にスパッタが付着する場合が多くなる。そして、付着したスパッタを除去するための後処理が必要となり、溶接生産性が低下する場合がある。また、後処理が実施されず、スパッタが母材に付着した状態で製品として流出する場合があると、製品価値を著しく損なう場合もある。

従来のアークスタート制御は、アークスタート時に短絡溶接制御から所定の時間が経過すると、短絡溶接制御からパルス溶接制御に切り替える制御方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図４に、従来のアーク溶接装置の概略構成を示す。図４において、１次側整流素子１０３は、入力電源１０１の出力を整流して出力する。スイッチング素子１０４は、一次整流素子１０３からの直流出力を交流に変換することにより溶接出力を制御する。主変圧器１０２は、スイッチング素子１０４からの交流出力を変換する。主変圧器１０２の出力は、主変圧器１０２の二次側出力を整流する二次側整流素子１０６とリアクトル１０５を介して溶接出力として出力される。

設定部１３５は、図示しない入力手段等により入力される設定電流、設定電圧、ワイヤ送給量、シールドガスの種類、ワイヤの種類、ワイヤ径、溶接法等の設定条件に基づいて、例えばパルス電流の大きさやパルス時間等の種々のパラメータを設定して出力するものである。なお、この設定部１３５は、前記パラメータを求めるためのテーブルや式を記憶するための図示しない記憶部と、演算等を行うための図示しない演算部とを備えており、これらによりパラメータを設定するものである。

溶接電圧検出部１０９は溶接電圧を検出し、溶接電流検出部１０８は溶接電流を検出するものである。短絡溶接制御部１３６は、溶接電流検出部１０８の出力、溶接電圧検出部１０９の出力および設定部１３５の出力を入力として短絡制御を行うための指令を出力するものである。そして、後述するように、アークスタートした後に、短絡溶接制御部１３６は、所定時間の間短絡アークを繰り返す短絡溶接制御を行うものである。パルス溶接制御部１３７は、溶接電流検出部１０８の出力、溶接電圧検出部１０９の出力および設定部１３５の出力を入力としてパルス溶接制御を行うための指令を出力するものである。なお、これらの短絡溶接制御部１３６およびパルス溶接制御部１３７は、一例として、設定部１３５から入力されたパラメータ値（指令値）となるように、溶接電流検出部１０８及び溶接電圧検出部１０９の出力信号とパラメータ値とを比較する。そして、溶接電流検出部１０８及び溶接電圧検出部１０９の出力信号の値とパラメータ値とが一致しない場合には、短絡溶接制御部１３６およびパルス溶接制御部１３７は、出力信号の値がパラメータ値（指令値）に一致するように溶接電流及び溶接電圧を制御する機能を有する。

切り替え部１３８は、設定部１３５の出力を入力として、短絡溶接制御からパルス溶接制御に切り替えるタイミングを駆動部１３４に出力する切り替え部である。この切り替え部１３８は計時機能を有しており、設定部１３５の出力を入力した時点から所定の時間が経過するまでの時間の計時を行うことができる。駆動部１３４は、短絡溶接制御部１３６の出力、パルス溶接制御部１３７の出力および切り替え部１３８の出力を入力とする。そして、駆動部１３４は、切り替え部１３８の出力に応じて、短絡溶接制御部１３６の出力をスイッチング素子１０４に出力するのか、あるいは、パルス溶接制御部１３７の出力をスイッチング素子１０４に出力するのかを切り替える機能を有している。

以上のように構成されたアーク溶接装置におけるアークスタートの制御方法について、図４と図５を用いて説明する。

図５に、消耗電極アーク溶接の溶接時におけるワイヤ送給速度、溶接電圧および溶接電流の時間波形の一例を示す。図６は、母材の溶融プールが小さい場合の、アーク溶接において発生する溶滴の挙動を示す。図５では、時点Ｔ１で溶接起動開始が指示され、時点Ｔ２でアーク発生電流が流れてアークが発生する。その後、短絡溶接制御により短絡溶接が行われ、さらにその後、Ｔ３でパルス溶接制御に切り替わっている波形の例が示されている。

アーク発生時点である時点Ｔ１では、切り替え部１３８からの入力に基づいて、駆動部１３４は、短絡溶接制御部１３６の出力をスイッチング素子１０４に出力するようになっている。また、切り替え部１３８では、溶接電流が検出された時点Ｔ２からの経過時間をカウントする。そして、予め設定された時間が経過する時点Ｔ３において、短絡溶接制御からパルス溶接制御に切り替えるため、駆動部１３４がパルス溶接制御部１３７の出力をスイッチング素子１０４に出力するように制御する。

この制御により、アークが発生する時点である時点Ｔ２を時間起点として、切り替え時点である時点Ｔ３となるまでの間は、短絡溶接制御部１３６の出力に基づいて短絡制御を行う。そして、アーク発生時点である時点Ｔ２から所定の時間が経過して切り替え時点である時点Ｔ３となった時には、切り替え部１３８は駆動部１３４に対して切り替え指示を行う。これにより、パルス溶接制御部１３７の出力がスイッチング素子１０４に出力され、溶接出力制御は短絡溶接制御からパルス溶接制御に切り替えられる。そして、切り替え時点Ｔ３以降はパルス溶接制御部１３７によりパルス溶接制御を行う。

以上のように、従来のアークスタート制御方法及びアーク溶接装置は、アークスタート電流が流れた後に短絡溶接制御を行う。これにより、アークスタート電流が流れた後にパルス溶接制御を始めたときの、アーク不安定によるアーク切れ、スパッタの発生及びスパッタの付着を低減するものである。

従来のアーク溶接機における出力制御は、短絡溶接制御を行うアークスタート時から所定の時間が経過すると、短絡溶接制御からパルス溶接制御に切り替えて溶接を行うものである。これにより、アークスタート時のスパッタの発生量を低減していた。

しかし、例えば図６に示すように、アークスタート初期の短絡溶接中の溶融プールは、パルス溶接に比べ十分な溶融プールが形成されていない。そのため、パルス溶接を出力した直後の溶滴が溶融プールに移行せず、スパッタとして飛散し、母材に付着してとれなくなる状態が発生する。つまり、アークスタート直後のスパッタの発生量は、従来の制御方法においても低減できた。しかしながら、短絡溶接制御からパルス溶接制御に切り替えた直後に発生する場合があるスパッタの対策としては十分ではなく、大きなスパッタが発生して母材に付着する場合があるといった課題が残っている。

特開平３−２９７５６４号公報

本発明は、アークが発生してからアークが安定するまでのスパッタ発生量を低減するアークスタート制御方法を提供する。

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、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でアークを発生させて溶接を行う溶接方法であり、溶接開始を指示した時点から、または、溶接の開始を指示して溶接ワイヤと母材との接触を検出した時点から、短絡溶接を行い、所定の時間経過後に上記短絡溶接からパルス溶接に溶接法を切り替えるアーク溶接制御方法であって、上記パルス溶接を行う期間において、第１のパルス溶接期間と、上記第１のパルス溶接期間に続く第２のパルス溶接期間とを有し、上記第１のパルス溶接期間におけるパルス波形の立ち上がりの傾きおよび立ち下がりの傾きのうちの少なくともいずれかを、上記第２のパルス溶接期間におけるパルス波形の立ち上がりの傾きおよび立ち下がりの傾きのうちの少なくともいずれかよりも緩やかとなるように制御する方法である。

この方法により、アークスタートにおいて、短絡溶接制御から所定の時間経過すると、定常溶接とは異なるパルス波形を出力した結果、溶融プールが十分に形成された後に、定常溶接のパルス波形を出力する。これにより、パルス溶接に切り替えた直後に発生する溶滴が溶融プールに移行するのでスパッタとして飛散せず、アークが発生してからアークが安定するまでのスパッタ発生量を低減することができる。

本発明の実施の形態１および２におけるアーク溶接装置の概略構成を示す図本発明の実施の形態１における溶接電流、溶接電圧およびワイヤ送給速度の時間波形を示す図本発明の実施の形態２における溶接電流、溶接電圧およびワイヤ送給速度の時間波形を示す図従来のアーク溶接装置の概略構成を示す図従来のアーク溶接におけるワイヤ送給速度、溶接電圧および溶接電流の時間波形を示す図母材の溶融プールが小さい場合の溶滴の挙動を示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同じ構成要素については同じ符号を付しているので説明を省略する場合がある。

（実施の形態１）
図１に、本実施の形態１におけるアーク溶接装置の概略構成を示す。図１において、溶接電源装置１４は、主変圧器２と、一次側整流素子３と、スイッチング素子４と、リアクトル５（ＤＣＬともいう）と、二次側整流素子６と、溶接電流検出部８と、溶接電圧検出部９と、短絡／アーク検出部１０と、出力制御部１１と、ワイヤ送給速度制御部１３と、計時部２０とを備えている。

一次側整流素子３は、入力電源１の出力を整流して出力する。スイッチング素子４は、一次側整流素子３からの直流出力を交流に変換することにより溶接出力を制御する。主変圧器２は、スイッチング素子４からの交流出力を変換する。主変圧器２の出力は、主変圧器２の二次側出力を整流する二次側整流素子６とリアクトル５を介して溶接出力として出力される。溶接電圧検出部９は溶接電圧を検出し、溶接電流検出部８は溶接電流を検出する。

短絡／アーク検出部１０は、溶接電圧検出部９からの信号に基づいて溶接状態がワイヤと母材が接触して短絡している短絡状態であるのか、あるいは、短絡が開放してアークが発生しているアーク状態であるのかを判定する。出力制御部１１は、スイッチング素子４を制御して溶接出力を制御する。ワイヤ送給速度制御部１３は、ワイヤ送給部１９を制御してワイヤ１６の送給速度を制御する。計時部２０は、アークスタート開始から所定時間ｔ１をカウントする。なお、アークスタートの開始時点とは、図示しない溶接開始指示部により溶接が開始されてワイヤ１６が母材１５へ向けて送給される時点、または、ワイヤ１６と母材１５との間に電圧が印加されてワイヤ１６と母材１５とが接触して電流が流れ、この電流を検出した時点とする。

なお、本実施の形態１のアーク溶接装置が、溶接電源装置１４とワイヤ送給部１９と図示しない溶接用トーチ等から構成される場合には、溶接開始指示部は、溶接用トーチのトーチスイッチ等となる。

また、本実施の形態１のアーク溶接装置が、溶接電源装置１４とワイヤ送給部１９と図示しない溶接用トーチを保持する図示しない産業用ロボットと産業用ロボットに教示等を行うための図示しないティーチングペンダント等から構成される場合には、溶接開始指示部は、ティーチングペンダントに設けられたスイッチ等となる。

有線あるいは無線により溶接電源装置１４と通信可能に接続された、例えばリモコン等の溶接条件設定部１２は、溶接電流や溶接電圧等を設定するためのものである。なお、溶接電源装置１４の２つの出力端子のうちの一方は、チップ１８に接続され、チップ１８を介してワイヤ１６に電力が供給される。また、溶接電源装置１４の２つの出力端子のうちの他方は母材１５に接続され、母材１５に電力が供給される。そして、ワイヤ１６の先端部と母材１５との間でアーク１７が発生する。

次に、図２を用いて、本実施の形態１のアーク溶接装置におけるワイヤ送給速度Ｗｆ、溶接電圧Ｖｗおよび溶接電流Ａｗについて説明する。図２は、ワイヤ送給速度Ｗｆ、溶接電圧Ｖｗおよび溶接電流Ａｗの時間波形を示しており、時間の経過に伴って変化する例を示している。

図２において、時点Ｔ１でアーク溶接装置の起動（溶接開始指示）が行われる。そして、ワイヤ送給速度制御部１３がワイヤ送給部１９を制御することで、ワイヤ１６は、ワイヤ送給速度Ｗｆに示すように、予め設定されたワイヤ送給速度で送給される。この予め設定されたワイヤ送給速度は、溶接条件設定部１２により設定される溶接電流に応じて決定される。図示しない記憶部に、平均ワイヤ送給速度と設定溶接電流を対応付けたテーブルまたは式が記憶されている。この記憶部の内容と溶接条件設定部１２により設定される溶接電流から、ワイヤ送給速度が決定される。

時点Ｔ２はアークスタート開始の時点であり、ワイヤ１６と母材１５とが接触して溶接電流が流れると、溶接電流検出部８がこの電流を検出する。これにより、アークスタート開始の時点であることを検出することができる。

そして、時点Ｔ２を時間起点として所定時間ｔ１が経過するまでは、ワイヤ送給速度制御部１３は、予め設定されたワイヤ送給速度でワイヤ１６を送給するようにワイヤ送給部１９を制御する。出力制御部１１は短絡溶接制御を行い、溶接出力が出力される。

時点Ｔ２からの経過時間を計時する計時部２０は、時点Ｔ２から所定時間ｔ１が経過した時点Ｔ３になったことを出力制御部１１に出力する。出力制御部１１は所定時間ｔ１が経過した後に、溶接出力の制御を短絡溶接制御からパルス溶接制御に切り替える。パルス溶接となった最初の期間である第１のパルス溶接期間におけるパルス波形の立ち上がりの傾きをＰＲ１、立ち下がりの傾きをＰＦ１とし、定常溶接時のパルス波形の立ち上がりの傾きをＰＲ２、立ち下がりの傾きをＰＦ２とする。ＰＲ１およびＰＦ１のうちの少なくともいずれかは、ＰＲ２およびＰＦ２のうちの少なくともいずれかよりも緩やかとしたパルス波形を出力するようにパルス溶接制御を行う。

すなわち、本発明のアーク溶接制御方法は、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でアークを発生させて溶接を行う溶接方法である。そして、本発明のアーク溶接制御方法は、溶接開始を指示した時点から、または、溶接の開始を指示して溶接ワイヤと母材との接触を検出した時点から、短絡溶接を行い、所定の時間経過後に上記短絡溶接からパルス溶接に溶接法を切り替えるアーク溶接制御方法である。そして、本発明のアーク溶接制御方法は、上記パルス溶接を行う期間において、第１のパルス溶接期間と、上記第１のパルス溶接期間に続く第２のパルス溶接期間とを有し、上記第１のパルス溶接期間におけるパルス波形の立ち上がりの傾きおよび立ち下がりの傾きのうちの少なくともいずれかを、上記第２のパルス溶接期間におけるパルス波形の立ち上がりの傾きおよび立ち下がりの傾きのうちの少なくともいずれかよりも緩やかとなるように制御する方法である。

また、第１のパルス溶接期間は、所定のパルス数を出力する期間である方法としてもよい。この方法により、アークが発生してからアークが安定するまでの期間をパルス数により明確にし、スパッタ発生量を低減することができる。

また、所定のパルス数は、１以上、８以下である方法としてもよい。この方法により、アークが発生してからアークが安定するまでの期間をさらに明確にし、スパッタ発生量を低減することができる。

そして、図２に示すように第１のパルス溶接期間の終了後は、第２のパルス溶接期間となる。この第２のパルス溶接期間は、定常溶接を行う定常溶接期間であり、パルス波形の立ち上がりの傾きＰＲ２および立ち下がりの傾きＰＦ２のうちの少なくともいずれかである定常溶接時のパルス波形を出力するようにパルス溶接制御が行われる。

これにより、第１のパルス溶接期間の電磁ピンチ力を弱めることが可能となり、短絡溶接制御による小さい溶融プールの状態からパルス溶接制御に切り替えても溶滴が溶融プールへ移行する。このように、溶融プールが十分に形成された後に定常溶接のパルス溶接制御を行うことで、スパッタの飛散を抑制することができる。

すなわち、本発明のアーク溶接制御方法において、第２のパルス溶接期間は定常溶接期間であり、第２のパルス溶接期間におけるパルス波形は定常溶接時のパルス波形である方法としてもよい。

この方法により、溶融プールが十分に形成された後に定常溶接のパルス溶接制御を行うことができ、スパッタの飛散を抑制することができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２におけるアーク溶接制御方法において、実施の形態１と異なる主な点は、所定時間ｔ１の短絡溶接中のワイヤ送給が、予め設定された周期と振幅で正送と逆送が行われる点である。

本実施の形態２について、図１に示すアーク溶接装置の概略構成と図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態２における溶接電流、溶接電圧およびワイヤ送給速度の時間波形を示す図である。

時点Ｔ２を時間起点として所定時間ｔ１が経過するまでは、ワイヤ送給速度制御部１３は、予め設定された周期と予め設定された振幅とでワイヤ１６を送給するようにワイヤ送給部１９を制御する。そして、時点Ｔ２からの経過時間を計時する計時部２０は、時点Ｔ２から所定時間ｔ１が経過した時点である時点Ｔ３になったことをワイヤ送給速度制御部１３に出力する。ワイヤ送給速度制御部１３は、所定時間ｔ１が経過した後に、ワイヤ送給速度を周期的なものから一定値に切り替えてワイヤ送給を制御する。具体的には、所定時間ｔ１の経過後で、ワイヤ送給速度が逆送から正送になる。そして、溶接条件設定部１２で設定された溶接電流に対応して決定される一定のワイヤ送給速度になった時点から以降は、ワイヤ送給速度制御部１３は、一定のワイヤ送給速度でワイヤ１６を送給する。

なお、時点Ｔ２から時点Ｔ３までの所定期間ｔ１中は、ワイヤ送給として、正送と逆送が周期的に変化する。従って、ワイヤ１６の正送により強制的にワイヤ１６と母材１５との短絡を発生させ、また、ワイヤ１６の逆送により強制的に短絡を開放してアークを再発生させる。

次に、溶接出力の切り替えについて説明する。

図３に示すように、ワイヤ送給状態が時点Ｔ４の正送開始点に到達すると、出力制御部１１は、溶接出力を短絡溶接制御からパルス溶接制御に切り替え、以後はパルス溶接制御を行う。第１のパルス溶接期間においては、定常溶接時のパルス波形の立ち上がりの傾きＰＲ２および立ち下がりの傾きＰＦ２のうちのいずれかよりも、パルス波形の立ち上がりの傾きＰＲ１および立ち下がりの傾きＰＦ１のうちのいずれかが緩やかとなるようにパルス溶接制御を行う。そして、第１のパルス溶接期間の終了後は直ちに第２のパルス溶接期間となる。この第２のパルス溶接期間は定常溶接期間であり、パルス波形の立ち上がりの傾きＰＲ２および立ち下がりの傾きＰＦ２のうちの少なくともいずれかである定常溶接時のパルス波形を出力するようにパルス溶接制御を行う。

これにより、短絡溶接制御中の短絡を溶接電流の電磁ピンチ力によらずに開放することができる。その結果、スパッタの発生を低減することができ、アークスタート直後の短絡溶接制御から定常溶接のパルス溶接制御までの全領域においてスパッタの飛散を抑制することができる。

すなわち、本発明のアーク溶接制御方法は、溶接開始を指示した時点から、または、溶接の開始を指示して溶接ワイヤと母材との接触を検出した時点から行う短絡溶接の期間において、所定の周波数と所定の振幅により正送と逆送を周期的に繰り返すワイヤ送給速度で溶接ワイヤの送給を行う方法としている。

この方法により、スパッタの発生を低減することができ、アークスタート直後の短絡溶接制御から定常溶接のパルス溶接制御までの全領域においてスパッタの飛散を抑制することができる。

また、ワイヤ送給速度が逆送から正送に向かって変化している期間に第１のパルス溶接期間を開始してパルス溶接を行う方法としてもよい。

また、所定の周波数と所定の振幅で正送と逆送を周期的に繰り返すワイヤ送給を所定時間行った後にワイヤ送給速度を一定とするワイヤ送給制御を行い、ワイヤ送給速度が正送に向かって変化して一定速度になるまでの期間に、第１のパルス溶接期間を開始してパルス溶接を行う方法としてもよい。

本発明のアークスタート制御方法は、アークスタート時のスパッタ発生及びスパッタ付着を低減して溶接作業の生産性を向上することができるので、特に、消耗電極を用いた溶接方法として産業上有用である。

１入力電源
２主変圧器
３一次側整流素子
４スイッチング素子
５リアクトル
６二次側整流素子
８溶接電流検出部
９溶接電圧検出部
１０短絡／アーク検出部
１１出力制御部
１２溶接条件設定部
１３ワイヤ送給速度制御部
１４溶接電源装置
１５母材
１６ワイヤ
１７アーク
１８チップ
１９ワイヤ送給部
２０計時部

Claims

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でアークを発生させて溶接を行う溶接方法であり、溶接開始を指示した時点から、または、溶接の開始を指示して溶接ワイヤと母材との接触を検出した時点から、短絡溶接を行い、所定の時間経過後に前記短絡溶接からパルス溶接に溶接法を切り替えるアーク溶接制御方法であって、
前記パルス溶接を行う期間において、第１のパルス溶接期間と、前記第１のパルス溶接期間に続く第２のパルス溶接期間とを有し、前記第１のパルス溶接期間におけるパルス波形の立ち上がりの傾きおよび立ち下がりの傾きのうちの少なくともいずれかを、前記第２のパルス溶接期間におけるパルス波形の立ち上がりの傾きおよび立ち下がりの傾きのうちの少なくともいずれかよりも緩やかとなるように制御するアーク溶接制御方法。
前記第１のパルス溶接期間は、所定のパルス数を出力する期間である請求項１記載のアーク溶接制御方法。
前記所定のパルス数は、１以上、８以下である請求項２記載のアーク溶接制御方法。
前記第２のパルス溶接期間は定常溶接期間であり、前記第２のパルス溶接期間におけるパルス波形は定常溶接時のパルス波形である請求項１から３のいずれか１項に記載のアーク溶接制御方法。
前記溶接開始を指示した時点から、または、前記溶接の開始を指示して溶接ワイヤと母材との接触を検出した時点から行う前記短絡溶接の期間において、所定の周波数と所定の振幅により正送と逆送を周期的に繰り返すワイヤ送給速度で溶接ワイヤの送給を行う請求項１から４のいずれか１項に記載のアーク溶接制御方法。
前記ワイヤ送給速度が逆送から正送に向かって変化している期間に前記第１のパルス溶接期間を開始してパルス溶接を行う請求項５記載のアーク溶接制御方法。
前記所定の周波数と前記所定の振幅で正送と逆送を周期的に繰り返すワイヤ送給を所定時間行った後にワイヤ送給速度を一定とするワイヤ送給制御を行い、前記ワイヤ送給速度が正送に向かって変化して一定速度になるまでの期間に、前記第１のパルス溶接期間を開始してパルス溶接を行う請求項５記載のアーク溶接制御方法。