JP5314463B2 - ２電極アーク溶接のアーク終了制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、シールドガスノズル内に配置された消耗電極および非消耗電極を有する溶接トーチを用いて、消耗電極アークおよび非消耗電極アークを発生させる、２電極アーク溶接において、良好な溶接ビードを形成するための２電極アーク溶接のアーク終了制御方法に関する。

消耗電極としてワイヤを送給しながら消耗電極アークを発生させることと、たとえばＡｒなどのプラズマガスを用いて消耗電極アークを囲う非消耗電極アークを発生させることと、を同時に行う２電極アーク溶接が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。消耗電極アークおよび非消耗電極アークの双方から溶接母材に対して熱を与えるとともに溶融したワイヤを供給するこの手法は、比較的速い溶接速度で溶接する、高効率溶接に適している。

しかしながら、高効率溶接においては、溶接速度が速いほど、溶接処理を適切に終了させることが困難である。終了処理が不適切であると、溶接ビードの終端に欠陥が生じる。このような欠陥は溶接強度を低下させる原因となる。たとえば、溶接中に生じた溶融池が非消耗電極アークの動圧によって凹んだ形状のまま凝固してしまうと、欠陥となる。

消耗電極アークのみを用いた溶接方法に対しては、いくつかの終了処理が提案されている（たとえば特許文献２，３参照）。しかし、これらの終了処理は、非消耗電極アークを用いる場合は全く考慮されていない。このため、これらを２電極アーク溶接に適用しただけでは、上述した不具合を解消するには不十分である。

特開昭６３−１６８２８３号公報 特開昭５９−７４８０号公報 特開平９−１９２８３２号公報

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、良好な溶接ビードを形成可能な２電極アーク溶接終了制御方法を提供することをその課題とする。

本発明によって提供される２電極アーク溶接のアーク終了制御方法は、シールドガスを吐出するためのシールドガスノズル内に配置された消耗電極および非消耗電極を備えた溶接トーチを用い、消耗電極アークおよび非消耗電極アークを発生させることにより溶接する２電極アーク溶接のアーク終了制御方法であって、消耗電極アークおよび非消耗電極アークを発生させながら上記溶接トーチを溶接順方向に移動させる定常溶接処理の後に、上記消耗電極を送給する消耗電極送給速度を、上記定常溶接処理における大きさよりも小さくして行われる第１の溶接終了処理と、上記消耗電極の送給および上記消耗電極アークを停止して行われる第２の溶接終了処理と、を行うことを特徴とする。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記第１の溶接終了処理においては、上記消耗電極アークを発生させるための消耗電極アーク電圧を、上記定常溶接処理における大きさよりも小とする。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記第１の溶接終了処理においては、上記非消耗電極アークを発生させるための非消耗電極アーク電流を、上記定常溶接処理における大きさよりも小とする。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記第２の溶接終了処理においては、上記非消耗電極アークを発生させるための非消耗電極アーク電流を、上記定常溶接処理における大きさよりも小とする。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記第２の溶接終了処理においては、上記非消耗電極アークを発生させるための非消耗電極アーク電流を上記第１の溶接終了処理における大きさよりも大とする。

本発明の好ましい実施の形態においては、上記消耗電極アークを停止させた後に、上記定常溶接処理における上記消耗電極の送給方向とは逆方向に上記消耗電極を移動させる第３の溶接終了処理を行う。

本発明にかかる２電極アーク溶接のアーク終了制御方法は、上記第１の溶接終了処理により、定常溶接処理の終了時点において溶融池であった部分に、消耗電極である溶融ワイヤが供給される。これにより、溶融池が凹んだ形状のまま凝固してしまうことを防止することができる。さらにこの間も溶融ワイヤは、消耗電極アークおよび非消耗電極アークにより溶融されるため、スパッタが発生しにくくなっている。したがって、溶接トーチの先端および非消耗電極にスパッタが付着するのを防ぎつつ、良好な形状の溶接ビードを形成することが可能であり、溶接強度を高めることができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

本発明に係る２電極アーク溶接のアーク終了制御方法に用いられる溶接装置の一例を示すシステム構成図である。 本発明に係る２電極アーク溶接のアーク終了制御方法の一例を示すタイミングチャートである。 本発明に係る２電極アーク溶接のアーク終了制御方法のその他の例を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本発明に係る２電極アーク溶接のアーク終了制御方法に用いられる溶接装置の一例を示している。本実施形態の溶接装置Ａは、溶接トーチＢ、ＧＭＡ溶接電源（消耗電極アーク溶接電源）ＰＳＭ、およびプラズマアーク溶接電源（非消耗電極アーク溶接電源）ＰＳＰを備えている。溶接トーチＢは、シールドガスノズル４内に、プラズマノズル３、プラズマ電極（非消耗電極）２、およびコンタクトチップ１が同心軸上に配置された構造とされている。シールドガスノズル４とプラズマノズル３との隙間からは、たとえばＡｒなどのシールドガスＧｓが供給される。プラズマノズル３とプラズマ電極２との間には、たとえばＡｒなどのプラズマガスＧｐが供給される。プラズマ電極２とコンタクトチップ１との間には、たとえばＡｒなどのセンターガスＧｃが供給される。

コンタクトチップ１に設けられた貫通孔からは、消耗電極としてのワイヤＷが送給される。コンタクトチップ１は、ワイヤＷに対して導通している。ワイヤＷは、モータＭを駆動源とする送給ローラ５によって送給される。プラズマ電極２は、たとえばＣｕまたはＣｕ合金からなり、図外の経路を通る冷却水によって間接的に水冷されている。プラズマノズル３は、たとえばＣｕまたはＣｕ合金からなり、冷却水を通すチャネルが形成されていることにより、直接水冷されている。溶接トーチＢは、通常ロボット（図示略）によって保持された状態で、溶接母材Ｐに対して移動させられる。

ＧＭＡ溶接電源ＰＳＭは、コンタクトチップ１を介してワイヤＷと溶接母材Ｐとの間に、ＧＭＡ溶接電圧Ｖｗｍを印加することにより、ＧＭＡ溶接電流Ｉｗｍを流すための電源である。ＧＭＡ溶接電源ＰＳＭには、電圧設定回路ＶＲから電圧設定信号Ｖｒが送られる。ＧＭＡ溶接電源ＰＳＭは、定電圧特性の電源であるので、ＧＭＡ溶接電圧Ｖｗｍは電圧設定信号Ｖｒの値に制御される。また、ＧＭＡ溶接電源ＰＳＭには、溶接開始回路ＳＴから溶接開始信号Ｓｔが、溶接終了回路ＣＲから溶接終了信号Ｃｒが、それぞれ送られる。ＧＭＡ溶接電源ＰＳＭからは、モータＭに対して送給制御信号Ｆｃが送られる。ＧＭＡ溶接電源ＰＳＭからＧＭＡ溶接電圧Ｖｗｍが印加されるときは、ワイヤＷが＋側とされる。

プラズマアーク溶接電源ＰＳＰは、プラズマ電極２と溶接母材Ｐとの間にプラズマアーク溶接電圧Ｖｗｐを印加することによりプラズマアーク溶接電流Ｉｗｐを流すための電源である。プラズマアーク溶接電源ＰＳＰには、電流設定回路ＩＲから電流設定信号Ｉｒが送られる。プラズマアーク溶接電源ＰＳＰは、定電流特性の電源であるので、プラズマアーク溶接電源ＰＳＰは電流設定信号Ｉｒの値に制御される。プラズマアーク溶接電源ＰＳＰには、溶接開始回路ＳＴから溶接開始信号Ｓｔが、溶接終了回路ＣＲから溶接終了信号Ｃｒが、それぞれ送られる。プラズマアーク溶接電源ＰＳＰからプラズマアーク溶接電圧Ｖｗｐが印加されるときは、プラズマ電極２が＋側とされる。

次に、本発明に係る２電極アーク溶接のアーク終了制御方法の一例について、図２を参照しつつ以下に説明する。本実施形態の２電極アーク溶接は、定常溶接処理におけるワイヤＷの送給速度がたとえば１２．５〜１５ｍ／ｍｉｎ程度の高効率溶接に分類されるものである。

溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈ状態となることにより、一般的には、過渡的な溶接開始処理を経た後に、定常溶接がなされる。定常溶接処理においては、ワイヤ送給速度Ｆｗが定常ワイヤ送給速度Ｆｗｎに、ＧＭＡ溶接電圧Ｖｗｍが定常ＧＭＡ溶接電圧Ｖｗｍｎに、プラズマアーク溶接電流Ｉｗｐが定常プラズマアーク溶接電流Ｉｗｐｎに、それぞれ設定される。また、センターガスＧｃ、プラズマガスＧｐ、および、シールドガスＧｓが、それぞれ一定の流量で供給される。溶接トーチＢは、たとえばロボット（図示略）によって移動させられる。定常溶接処理がなされる間は、ＧＭＡ溶接電流Ｉｗｍは定常ワイヤ送給速度Ｆｗｍによって定まる定常ＧＭＡ溶接電流Ｉｗｍｎの大きさで流れている。また、プラズマアーク溶接電圧Ｖｗｐは、定常プラズマアーク溶接電流Ｉｗｐｎを流すために必要な定常プラズマアーク溶接電圧Ｖｗｐｎとなっている。このように、消耗電極アーク６ａおよびプラズマアーク６ｂは設定された強さで発生している。

定常溶接処理においては、消耗電極アーク６ａおよびプラズマアーク６ｂから供給される熱によって、溶接母材Ｐの溶接対象箇所が溶融状態となる。この溶融状態とされた部分に、溶融したワイヤＷが供給される。これにより、いわゆる溶融池が形成される。プラズマアーク６ｂの動圧や、シールドガスＧｓのガス圧によって、溶融池は部分的に凹んだ形状となる。溶接トーチＢの移動により、プラズマアーク６ｂの動圧やシールドガスＧｓのガス圧が及ばない領域に溶融池が移動する。すると、溶融池の表面張力が作用することにより、溶融池の凹んだ形状が解消される。この結果、溶融池が凝固することにより形成される溶接ビードは、一般的に凸型の形状となる。これにより、溶接トーチＢが移動した経路に溶接ビードが形成される。

定常溶接を終えるときには、時刻ｔ１において溶接開始信号ＳｔがＬｏｗ状態となり、溶接終了信号ＣｒがＨｉｇｈ状態となる。そして、時刻ｔ１から時刻ｔ５の間、溶接トーチＢは停止し、第１〜第３の溶接終了処理が行われる。

まず、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間に第１の溶接終了処理が行われる。第１の溶接終了処理においては、ワイヤ送給速度Ｆｗが終了ワイヤ送給速度Ｆｗｅに、ＧＭＡ溶接電圧Ｖｗｍが終了ＧＭＡ溶接電圧Ｖｗｍｅに設定され、ＧＭＡ溶接電流Ｉｗｍは終了ワイヤ送給速度Ｆｗｅによって定まる終了ＧＭＡ溶接電流Ｉｗｍｅになる。また、プラズマアーク溶接電流Ｉｗｐが終了プラズマアーク溶接電流Ｉｗｐｅに設定され、プラズマアーク溶接電圧Ｖｗｐは終了プラズマアーク溶接電圧Ｖｗｐｅになる。

終了ワイヤ送給速度Ｆｗｅおよび終了ＧＭＡ溶接電圧Ｖｗｍｅは、いずれも定常ワイヤ送給速度Ｆｗｎおよび定常ＧＭＡ溶接電圧Ｖｗｍｎよりも小さな値である。これにより、終了ＧＭＡ溶接電流Ｉｗｍｅは、定常ＧＭＡ溶接電流Ｉｗｍｎよりも小さな値となっている。このとき発生する消耗電極アーク６ａの大きさは、定常溶接処理における消耗電極アーク６ａの大きさよりも小さなものとなっている。

終了プラズマアーク溶接電流Ｉｗｐｅの大きさは、定常プラズマアーク溶接電流Ｉｗｐｎの大きさよりも小さく設定されている。このとき発生するプラズマアーク６ｂは、定常溶接処理におけるプラズマアーク６ｂよりも弱くなっている。

第１の溶接終了処理の終了時である時刻ｔ２には、ワイヤ送給速度Ｆｗ、および、ＧＭＡ溶接電圧Ｖｗｍは０に設定され、ＧＭＡ溶接電流Ｉｗｍは０になる。このとき、消耗電極アーク６ａは消弧する。

第１の溶接終了処理においては、溶接母材Ｐのうち時刻ｔ１に溶接トーチＢがあった箇所に対して、終了ワイヤ供給速度Ｆｗｅで溶融したワイヤＷを供給することとなる。この箇所は、定常溶接処理の最終時点において、凹んだ溶融池とされた部分である。この箇所は、定常溶接処理が完全に施されていない部分であり、凹んだ形状のまま凝固する可能性がある。溶接終了処理においては、この部分に適量のワイヤＷを供給する。

時刻ｔ２から時刻ｔ３の間に第３の溶接終了処理が行われる。第３の溶接終了処理では、ワイヤＷの巻き戻しを行う。時刻ｔ２から時刻ｔ３の間において、ワイヤ供給速度Ｆｗは−の値に設定され、ワイヤＷは送給方向とは逆方向に進行する。時刻ｔ３には、ワイヤＷの先端は、コンタクトチップ１の先端とプラズマ電極２の先端との間に位置している。なお、時刻ｔ２から時刻ｔ３の間において、プラズマアーク溶接電流Ｉｗｐは、終了プラズマアーク溶接電流Ｉｗｐｅに、設定されたままである。

時刻ｔ３から時刻ｔ４の間に第２の溶接終了処理が行われる。第２の溶接終了処理においては、ワイヤ送給速度Ｆｗ、ＧＭＡ溶接電圧Ｖｗｍ、および、ＧＭＡ溶接電流Ｉｗｍが、いずれも０となる。一方、プラズマアーク溶接電流Ｉｗｐは、終了プラズマアーク溶接電流Ｉｗｐｅに設定されたままである。

第２の溶接終了処理の終了時である時刻ｔ４には、プラズマアーク溶接電流Ｉｗｐも０に設定され、プラズマアーク溶接電圧Ｖｍｐも０になる。このとき、プラズマアーク６ｂも消弧する。

第２の溶接終了処理においては、ワイヤ送給速度Ｆｗが０であるため、上記した溶融池に新たにワイヤＷは供給されない。この第２の溶接終了処理では、プラズマアーク６ｂを用いて上記の溶融池が形成されていた部分を平滑化する作業が行われる。

さらに、時刻ｔ４から時刻ｔ５の間には、ワイヤ供給速度Ｆｗを＋の値として、ワイヤＷを送給方向に移動させる。時刻ｔ５において、ワイヤＷの先端は、溶接トーチＢと溶接母材Ｐとの間に位置している。この時刻ｔ５に、溶接終了信号ＣｒがＬｏｗ状態となり、溶接装置Ａによる溶接が完全に終了する。

次に、本発明に係る２電極アーク溶接のアーク終了制御方法の作用について説明する。

本実施形態によれば、定常溶接終了時点において凹んだ溶融池であった部分に、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間にワイヤＷが供給され、凹みが解消される。さらに、時刻ｔ３から時刻ｔ４の間に、プラズマアーク６ｂを用いて溶融池であった部分の平滑化が行われる。このため、定常溶接によって形成された溶接ビードの部分だけでなく、溶接ビードの終端に至るまで、不当に凹んだ部分ができるおそれがない。したがって、良好な溶接ビードを全域にわたって形成可能であり、溶接強度の向上を図ることができる。

さらに、本実施形態によれば、第１の溶接終了処理において、消耗電極アーク６ａおよびプラズマアーク６ｂの双方を発生させているため、必要な量のワイヤＷを速やかに溶融させることが可能である。このため、発生するスパッタの量を抑えることが可能となっている。したがって、溶接トーチＢの内部にスパッタが付着しにくくなっている。またさらに、プラズマ電極２にスパッタが付着しにくいため、アークスタート時にプラズマアーク６ｂの点弧性を良好に保つことが可能であり、均一なアークの分布を得ることができる。

さらに、本実施形態によれば、ワイヤＷを溶接トーチＢ内に収納してから第２の溶接終了処理が行われるため、第２の溶接終了処理の間にワイヤＷが、不当に加熱されるのを防ぐことが可能となっている。このため、第２の溶接終了処理の間に、ワイヤＷの先端は、溶けることなく、鋭い形状が維持される。さらに、時刻ｔ５には、ワイヤＷの先端は、溶接トーチＢと溶接母材Ｐとの間に戻されている。したがって、上記の２電極アーク溶接のアーク終了制御方法によれば、次のアークを点弧しやすくなっている。

図３は、本発明の他の実施形態を示している。なお、これらの図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。

図３は、本発明に係る２電極アーク溶接のアーク終了制御方法の第２実施形態を示している。なお、図３において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。本実施形態においては、第２の溶接終了処理におけるプラズマアーク溶接電流Ｉｗｐの値は、定常プラズマアーク溶接電流Ｉｗｐｎよりも小さく、終了プラズマアーク溶接電流Ｉｗｐｅよりも大きくなるように設定されている。このために、第２の溶接終了処理におけるプラズマアーク溶接電圧Ｖｗｐの値は、定常プラズマアーク溶接電圧Ｖｗｐｎよりも小さく終了プラズマアーク溶接電圧Ｖｗｐｅよりも大きくなる。

本実施形態によれば、第２の溶接終了処理にかかる時間を短縮することが可能である。

本発明に係る２電極アーク溶接のアーク終了制御方法は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る２電極アーク溶接のアーク終了制御方法の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

Ａ 溶接装置
Ｂ 溶接トーチ
ＣＲ 溶接終了回路
Ｃｒ 溶接終了信号
Ｆｃ 送給制御信号
Ｆｗ 送給速度
Ｉｗｍ ＧＭＡ溶接電流（消耗電極アーク溶接電流）
Ｉｗｐ プラズマアーク溶接電流（非消耗電極アーク溶接電流）
Ｐ 溶接母材
ＰＳＭ ＧＭＡ溶接電源（消耗電極アーク溶接電源）
ＰＳＰ プラズマアーク溶接電源（非消耗電極アーク溶接電源）
ＳＴ 溶接開始回路
Ｓｔ 溶接開始信号
Ｖｗｍ ＧＭＡ溶接電圧（消耗電極アーク溶接電圧）
Ｖｗｐ プラズマアーク溶接電圧（非消耗電極アーク溶接電圧）
Ｗ ワイヤ（消耗電極）
１ コンタクトチップ
２ プラズマ電極（非消耗電極）
３ プラズマノズル
４ シールドガスノズル
５ 送給ローラ
６ａ 消耗電極アーク
６ｂ プラズマアーク（非消耗電極アーク）

Claims (5)

1. シールドガスを吐出するためのシールドガスノズル内に配置された消耗電極および非消耗電極を備えた溶接トーチを用い、消耗電極アークおよび非消耗電極アークを発生させることにより溶接する２電極アーク溶接のアーク終了制御方法であって、
   消耗電極アークおよび非消耗電極アークを発生させながら上記溶接トーチを溶接順方向に移動させる定常溶接処理の後に、
   上記消耗電極を送給する消耗電極送給速度を、上記定常溶接処理における大きさよりも小さくして行われる第１の溶接終了処理と、
   上記消耗電極の送給および上記消耗電極アークを停止して行われる第２の溶接終了処理と、を行うとともに、
   上記第２の溶接終了処理においては、上記非消耗電極アークを発生させるための非消耗電極アーク電流を、０より大きく上記定常溶接処理における大きさよりも小とすることを特徴とする、２電極アーク溶接のアーク終了制御方法。
2. 上記第２の溶接終了処理においては、上記非消耗電極アークを発生させるための非消耗電極アーク電流を上記第１の溶接終了処理における大きさよりも大とする、請求項１に記の２電極アーク溶接のアーク終了制御方法。
3. 上記第１の溶接終了処理においては、上記消耗電極アークを発生させるための消耗電極アーク電圧を、上記定常溶接処理における大きさよりも小とする、請求項１または２に記載の２電極アーク溶接のアーク終了制御方法。
4. 上記第１の溶接終了処理においては、上記非消耗電極アークを発生させるための非消耗電極アーク電流を、上記定常溶接処理における大きさよりも小とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の２電極アーク溶接のアーク終了制御方法。
5. 上記消耗電極アークを停止させた後に、上記定常溶接処理における上記消耗電極の送給方向とは逆方向に上記消耗電極を移動させる第３の溶接終了処理を行う、請求項１ないし４のいずれかに記載の２電極アーク溶接のアーク終了制御方法。

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