JP5370089B2 - アーク溶接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の送給として正送と逆送を繰り返しながら、短絡状態とアーク状態を交互に発生させて溶接を行うアーク溶接方法およびアーク溶接装置に関するものである。

従来から、溶接作業工程におけるロス工程として、スパッタ除去工程がある。そして、このスパッタ除去工程を少なくするためにはスパッタの低減が必要である。このスパッタの低減を目的とし、溶接ワイヤの送給方法として正送と逆送を繰り返し、短絡状態とアーク状態を交互に発生させて溶接行う消耗電極式アーク溶接が知られている（例えば、特許文献１参照）。

消耗電極である溶接ワイヤを送給しながら短絡状態とアーク状態を交互に発生させて溶接を行うアーク溶接装置は、例えば、次のような構成を有している。ワイヤ送給速度を正送と逆送に周期的に繰り返すようにワイヤ送給モータを制御する送給速度制御器と、この送給速度制御器の増減信号を受け、図７に示すようにワイヤ供給量が少ない期間では溶接出力を低出力とし、ワイヤ供給量が多い期間では溶接出力が高出力となるように制御する出力制御器とを有している。

これにより、短絡時、ワイヤ溶融塊の移行力としてワイヤ送給速度を減じることによる離脱力を利用することができ、スパッタ発生の主要な原因であるくびれ状態における短絡電流を低減しても安定した短絡移行溶接が持続でき、短絡開放時の短絡電流を低減することでスパッタを低減する。

特開昭６２−６７７５号公報

上記従来のアーク溶接制御は、ワイヤ溶融塊の移行力としてワイヤ送給速度を減じることによる離脱力を利用でき、スパッタ発生の主要な原因であるくびれ状態における短絡電流を低減しても、安定した短絡移行溶接を持続できるとしている。

しかしながら、ワイヤ供給量が少ないとはいえ、少しずつでもワイヤが送られている正送状態であり、また、電流も低いこともあり、突出し長さの変化や被溶接物間のギャップなどの外乱によっては短絡開放をスムーズに行うことができない場合が生じるといった課題がある。

その理由は、ワイヤの供給量が電気エネルギーにより溶融するワイヤの量よりも多い場合、ワイヤを適正に溶融することができず、短絡開放させることができない場合が生じるためである。そして、この場合、例えば、ワイヤがはじける、すなわち、ワイヤが途中から溶断するといった望ましくない現象が生じてしまう。

なお、確実に短絡を開放させるためには、短絡を開放するまでワイヤ送給を減速の正送状態ではなく絶えず逆送状態にしておく、あるいは、スパッタの抑制を考慮しなければ、短絡電流を高出力に近い状態にしておく、といった制御を行う必要がある。

上記課題を解決するために、本発明のアーク溶接方法は、消耗電極である溶接ワイヤと被溶接物との間でアーク状態と短絡状態とを繰り返して溶接を行うアーク溶接方法であって、短絡期間中に所定のサンプリング周期毎に溶接電圧の単位時間当たりの変化量を求めてくびれ検出基準閾値と比較するステップと、前記溶接電圧の単位時間当たりの変化が前記くびれ検出基準閾値を前記所定のサンプリング周期で連続して超える回数が所定の設定回数に達したときにくびれを検出したと判定するステップを備えたものである。

また、本発明のアーク溶接方法は、上記に加えて、くびれを検出したと判定し、短絡電流を前記判定した時点の第１の電流値よりも低い第２の電流値に制御し、この第２の電流値を所定時間維持し、前記所定時間経過時にアークが発生しているか否かを判定してアークが発生していない場合にはくびれ検出は誤検出であったと判定し、溶接電流を前記第２の電流値から前記第１の電流値以上に増加させるものである。

また、本発明のアーク溶接方法は、上記に加えて、くびれ検出が誤検出であったと判定し、溶接電流を第２の電流値から第１の電流値以上に増加させる際に、くびれ検出を無効とするくびれ検出無効時間を設けたものである。

また、本発明のアーク溶接方法は、上記に加えて、くびれ検出無効時間は、第１の電流値以上に増加させる前の第２の電流値である時点から開始されるものである。

また、本発明のアーク溶接方法は、上記に加えて、１つの短絡期間中にくびれが誤検出であったと判定した場合でも、その後、前記１つの短絡期間中で再度くびれ検出を行うものである。

また、本発明のアーク溶接方法は、上記に加えて、設定電流に応じた溶接ワイヤ送給速度を平均送給速度とし、前記設定電流に応じた所定の周波数と所定の速度振幅で溶接ワイヤの正送と逆送を周期的に繰り返して短絡状態とアーク状態を発生させて溶接を行うものである。

また、本発明のアーク溶接方法は、上記に加えて、溶接ワイヤ送給速度を正弦波状または台形波状に変化させて溶接ワイヤの送給を行うものである。

また、本発明のアーク溶接装置方法は、消耗電極である溶接ワイヤと被溶接物との間でアーク状態と短絡状態とを繰り返して溶接を行うアーク溶接装置であって、溶接出力を制御するスイッチング素子と、溶接電流を検出する溶接電流検出部と、溶接電圧を検出する溶接電圧検出部と、前記溶接電圧検出部の検出結果に基づいて短絡状態であるのかアーク状態であるのかを検出する短絡／アーク検出部と、前記短絡／アーク検出部からの短絡状態を示す信号を受けて短絡状態である短絡期間に短絡電流の制御を行う短絡制御部と、前記短絡／アーク検出部からのアーク状態を示す信号を受けてアーク状態であるアーク期間にアーク電圧の制御を行うアーク制御部と、短絡期間中のくびれ検出のためのくびれ検出基準閾値を設定するくびれ検出基準閾値設定部と、前記溶接電圧検出部および／または前記溶接電流検出部と前記くびれ検出基準閾値設定部の出力に基づいて短絡期間の終期に生じる前記溶接ワイヤのくびれを検出するくびれ検出部と、前記くびれ検出部においてくびれ検出基準閾値を超える回数をカウントする際の設定値となる所定回数を設定するくびれ検出回数設定部と、を備え、前記くびれ検出部で前記所定のサンプリング周期毎に求めた溶接電圧の単位時間当たりの変化量または溶接電流の単位時間当たりの変化量または溶接電圧を溶接電流で除して求められる溶接抵抗の単位時間当たりの変化量が、前記くびれ検出基準閾値を前記所定のサンプリング周期で連続して超える回数が前記所定回数に達したときにくびれを検出したと判定するものである。

また、本発明のアーク溶接装置は、上記に加えて、くびれ検出部でくびれを検出してから所定期間内にアークが発生しない場合にはくびれを誤検出したと判定するくびれ誤検出検出部を備えたものである。

また、本発明のアーク溶接装置は、上記に加えて、くびれを誤検出した場合に、その後所定期間くびれ検出を無効とするくびれ検出無効時間を設定するくびれ検出無効時間設定部を備えたものである。

また、本発明のアーク溶接装置は、上記に加えて、設定電流を設定するための設定電流設定部と、前記溶接ワイヤを正送と逆送に周期的に繰り返し送給制御する平均送給速度となる溶接ワイヤ送給速度を前記設定電流設定部で設定された設定電流に基づいて決定する平均送給速度設定部と、前記溶接ワイヤを正送と逆送に周期的に繰り返し送給制御するための周波数を前記設定電流設定部で設定された設定電流に基づいて決定する周波数基本設定部と、前記溶接ワイヤを正送と逆送に周期的に繰り返し送給制御するための速度振幅を前記設定電流設定部で設定された設定電流に基づいて決定する速度振幅基本設定部とを備え、前記設定電流に応じた溶接ワイヤ送給速度を平均送給速度とし、前記設定電流に応じた所定の周波数と所定の速度振幅で溶接ワイヤの正送と逆送を周期的に繰り返して短絡状態とアーク状態を発生させて溶接を行うものである。

以上のように、本発明によれば、溶接電圧の時間変化がくびれ検出閾値を複数回超えることによりくびれを検出するので、くびれの誤検出を抑制することができる。

本発明の実施の形態１におけるワイヤ送給速度（正弦波状）と溶接電圧と溶接電流の波形を示す図 本発明の実施の形態１におけるアーク溶接装置の概略構成を示す図 本発明の実施の形態１におけるくびれ検出状態を示す図 本発明の実施の形態１における他のくびれ検出状態を示す図 本発明の実施の形態１におけるくびれ誤検出した状態を示す図 本発明の実施の形態１におけるワイヤ送給速度（台形波状）と溶接電圧と溶接電流の波形を示す図 従来のワイヤ送給速度と溶接出力の関係を示す図

以下、本発明の実施の形態における消耗電極式のアーク溶接方法およびアーク溶接装置について図面を用いて説明する。

（実施の形態１）
本実施の形態では、先ず、アーク溶接方法について説明し、その後、アーク溶接装置について説明する。

図１は、短絡状態とアーク状態とを交互に繰り返す消耗電極式のアーク溶接における、ワイヤ送給速度と溶接電流と溶接電圧の時間変化の波形を示している。

図１において、Ｐ１は短絡を開始した時点を示しており、Ｐ１時点から短絡初期電流を所定時間出力した後、短絡電流の第１段目の増加傾きｄｉ／ｄｔとして短絡電流を増加し、続けて第１段目の増加傾きｄｉ／ｄｔよりも傾きが緩やかな短絡電流の第２段目の増加傾きｄｉ／ｄｔとして短絡電流を増加する。

その後、Ｐ２の時点において、短絡の開放が近づくに伴って溶接対象物に形成された溶融プールと溶接ワイヤの先端との間に出来た溶滴のくびれを検出すると、溶接電流をくびれを検出した時点の電流よりも低電流に瞬時に移行させる。なお、本実施の形態におけるくびれ検出方法の詳細については後述する。

Ｐ３は、溶滴のくびれが離れて短絡が開放し、短絡状態が終了してアーク状態が発生した時点を示している。Ｐ３からのアーク期間において、アーク発生直後にピーク電流Ｉｐの溶接電流を出力し、その後、ピーク電流Ｉｐからベース電流Ｉｂへ移行する。この電流の変化は、電流制御でも電圧制御でもどちらの制御でも可能であり、ベース電流Ｉｂに移行した段階で次の短絡を待つことになる。

Ｐ４は、Ｐ１の次の短絡が発生した時点を示しており、Ｐ１の時点と同様の状態である。

また、図１では、所定の周波数と所定の速度振幅であって、これを基本波形とした正弦波状に、正送と逆送とを周期的に繰り返すワイヤ送給制御を行っている例を示している。そして、正送側のピーク時ではＰ１時点周辺で短絡が発生し、逆送側のピーク時ではＰ２時点周辺でアークが発生することとなる。また、Ｐ３時点の後の正送のピーク時に、Ｐ４時点周辺で次の短絡が発生する。

以上のように、Ｐ１からＰ４までを制御の１周期とし、これを繰り返して溶接を行う。このように、短絡状態またはアーク状態の発生は、基本的に、ワイヤ送給速度の正送と逆送を周期的に繰り返すワイヤ送給制御に依存するものである。

次に、本実施の形態のアーク溶接制御を行うアーク溶接装置について、図２を用いて説明する。図２は、本実施の形態におけるアーク溶接装置の概略構成を示す図である。

図２において、入力電源１からアーク溶接装置に供給された電力は、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およびインダクタであるＤＣＬ６により整流され、溶接チップ２４を通る溶接ワイヤ２３と被溶接物２６との間に印加され、これによりアーク２５が発生する。

また、アーク溶接装置は、スイッチング素子３を制御するための駆動部７と、溶接用電源出力端子間に接続されており溶接電圧を検出する溶接電圧検出部８と、溶接出力電流を検出する溶接電流検出部９と、溶接電圧検出部８からの信号に基づいて溶接ワイヤ２３と被溶接物２６とが短絡している短絡状態であるのか溶接ワイヤ２３と被溶接物２６との間で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短絡／アーク検出部１０と、短絡／アーク検出部１０から短絡状態であることを示す信号を受けて短絡期間に短絡電流の制御を行う短絡制御部１２と、短絡／アーク検出部１０からアーク状態であることを示す信号を受けてアーク期間にアーク電圧の制御を行うアーク制御部１１と、設定電流すなわち平均溶接電流を設定するための設定電流設定部１８を備えている。なお、短絡／アーク検出部１０は、溶接電流検出部９からの信号に基づいて短絡状態であるのかアーク状態であるのかを判定する、あるいは、溶接電圧検出部８からの信号および溶接電流検出部９からの信号に基づいて短絡状態であるのかアーク状態であるのかを判定するようにしても良い。

アーク制御部１１は、短絡／アーク検出部１０からアーク期間であることを示す信号を入力している場合に、駆動部７を制御してアーク期間における出力制御を行うものである。

短絡制御部１２は、短絡／アーク検出部１０から短絡期間であることを示す信号を入力している場合に、駆動部７を制御して短絡期間における溶接出力制御を行うものである。

短絡制御部１２内のくびれ検出基準閾値設定部１６において、設定電流設定部１８で設定された設定電流毎に適したくびれ検出基準閾値を決定する。なお、くびれ検出基準閾値設定部１６には、設定電流とくびれ検出基準閾値とを関係付けたテーブルあるいは関係式が設けられており、設定電流に基づいてくびれ検出基準閾値を決定する。

また、くびれ検出回数設定部１７において、設定電流設定部１８で設定した設定電流毎に適したくびれ検出回数を決定する。なお、くびれ検出回数設定部１７には、設定電流とくびれ検出回数とを関係付けたテーブルあるいは関係式が設けられており、設定電流に基づいてくびれ検出回数を決定する。

そして、くびれ検出基準閾値設定部１６の出力とくびれ検出回数設定部１７の出力は、くびれ検出部１３に入力され、くびれ検出部１３においてくびれ検出が行われる。

くびれ検出部１３は、短絡／アーク検出部１０から短絡期間であることを示す信号を入力している場合に、溶接電圧検出部８からの信号に基づいて、溶接電圧の単位時間当たりの変化量である溶接電圧微分値ｄｖ／ｄｔを算出する。そして、算出した溶接電圧微分値ｄｖ／ｄｔを、くびれ検出基準閾値を設定するためのくびれ検出基準閾値設定部１６からのくびれ検出閾値である基準電圧微分値ｄｖ／ｄｔと比較する。そして、算出した溶接電圧微分値ｄｖ／ｄｔがくびれ検出基準閾値を超える回数をカウントし、さらに、そのカウント数とくびれ検出回数設定部１７からのくびれ検出回数と比較する。なお、算出した溶接電圧微分値ｄｖ／ｄｔがくびれ検出基準閾値を超えるか否かの検出は、予め決められた所定のサンプリング周期で行われる。また、カウント数は、所定のサンプリング周期で連続して、算出した溶接電圧微分値ｄｖ／ｄｔがくびれ検出基準閾値を超える回数をカウントする。なお、カウント中にくびれ検出基準閾値を超えなかった場合が生じた場合は、カウントをリセットして再度ゼロからカウントを行う。

このように、カウント数とくびれ検出回数とを比較することにより、溶接ワイヤ２３が確実にくびれているか否かを検出し、カウント数がくびれ検出回数と同じになった場合に確実にくびれていると判定し、この状態でくびれを検出したこととなる。そして、くびれを検出した時点よりも溶接電流を低減することでスパッタの発生を抑制する。

また、くびれ誤検出検出部１４は、くびれ検出部１３からのくびれを検出したことを示す信号と、短絡／アーク検出部１０からの短絡を示す信号に基づいて、くびれを検出した時点から所定時間が経過した際にアーク期間となっているか否かを判定し、アーク期間となっていない場合には、くびれ誤検出と判定するものである。

また、くびれ検出無効時間設定部１５は、くびれ誤検出検出部１４の信号を受け、くびれ誤検出であれば、予め設定したくびれ検出無効時間Ｔ１の間は、くびれ検出しないようにくびれ検出部１３に制御信号を出力する。なお、くびれを検出した際にくびれを検出した時点の電流から電流を低減する制御を行い、その後、くびれ誤検出となった場合には、前記くびれを検出した時点の電流値以上に電流を増加する制御を行うが、検出無効時間Ｔ１は、前記くびれを検出した時点の電流値以上に電流を増加する前の時点から始まる。これにより、電流を増加する際にくびれではないにも関わらすくびれを検出してしまうこと、すなわち、くびれの誤検出を抑制することができる。

なお、くびれ検出部１３と、くびれ誤検出検出部１４と、くびれ検出無効時間設定部１５と、くびれ検出基準閾値設定部１６と、くびれ検出回数設定部１７は、短絡制御部１２内に設けられている。

また、図２で示したアーク溶接装置を構成する各構成部は、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。

次に、ワイヤ送給速度制御について、説明する。

設定電流設定部１８で設定した設定電流毎に、周波数基本設定部２０において正弦波状の適正なワイヤ送給の周波数を決定し、速度振幅基本設定部２１においてワイヤ送給の速度振幅を決定し、平均送給速度設定部１９においてワイヤ送給の平均送給速度を決定する。そして、周波数基本設定部２０の出力と速度振幅基本設定部２１の出力と平均送給速度設定部１９の出力は、ワイヤ送給モータ２２に入力され、溶接ワイヤ２３の送給が制御される。

なお、周波数基本設定部２０には、設定電流と周波数とを関係付けたテーブルあるいは関係式が設けられており、設定電流に基づいて周波数を決定する。また、速度振幅基本設定部２１には、設定電流と速度振幅とを関係付けたテーブルあるいは関係式が設けられており、設定電流に基づいて速度振幅を決定する。また、平均送給速度設定部１９には、設定電流と平均送給速度とを関係付けたテーブルあるいは関係式が設けられており、設定電流に基づいて平均送給速度を決定する。

次に、設定電流に応じて正弦波状の適正な周波数と速度振幅によりワイヤ送給を行っている際のくびれ検出方法について、図３と図４を用いて説明する。なお、図３と図４は、短絡してから短絡開放するまでのくびれ検出感度である溶接電圧の微分値である溶接電圧微分値ｄｖ／ｄｔの一例を示している。

図３は、くびれ検出回数を２回に設定した場合の例を説明するための図である。

ここで、先ず、一般的に知られているくびれ制御について説明する。例えば、短絡が発生するとこの短絡を開放するために短絡電流が徐々に増加される。そして、短絡電流の増加に伴って溶接電圧も徐々に上昇する。この溶接電圧の上昇に伴い、溶接電圧の微分値（溶接電圧の単時間当たりの変化量）である溶接電圧微分値ｄｖ／ｄｔも上昇する。そして、短絡の開放が近づいてきた時、溶融したワイヤ先端と溶融プールとの間でくびれという状態が形成される。このくびれが発生すると、溶接電圧の微分値である溶接電圧微分値ｄｖ／ｄｔは急峻に上昇する。そこで、この溶接電圧の微分値である溶接電圧微分値ｄｖ／ｄｔを検出し、くびれ検出基準閾値である基準電圧微分値ｄｖ／ｄｔと比較し、これを上回るとくびれを検出したとし、くびれを検出した時点の電流よりも電流を低減するように制御する。これが所謂くびれ制御である。

一方、本実施の形態のように、所定の周波数と所定の速度振幅で基本波形である正弦波状に正送と逆送とを周期的に繰り返すワイヤ送給制御では、従来の一定速度の正送を行うワイヤ送給とは異なり、逆送状態で短絡が開放する。故に、くびれが始まると、短絡が開放するまでの時間が、従来のくびれ状態に比べて短い。そのため、従来のくびれ状態の検出と比べてくびれ検出基準閾値を低く設定しておく必要がある。

しかしながら、単にくびれ検出基準閾値を従来のくびれを検出する場合に比べて低く設定すると、くびれ誤検出の頻度が上がってしまう。そこで、その対策として、本実施の形態では、くびれ検出基準閾値を上回る回数を複数回検出することとしている。その理由は、くびれ検出基準閾値を１回検出した時点でくびれが発生していると判定する場合、稀に、外乱等の何らかの影響により、くびれの発生ではないにも関わらず、溶接電圧微分値ｄｖ／ｄｔが一瞬だけくびれ検出基準閾値を上回る場合もあり、この場合には、くびれ誤検出につながってしまうといった問題が生じる。そこで、溶接電圧微分値ｄｖ／ｄｔがくびれ検出基準閾値を例えば２回上回ることを検出した場合にくびれを検出したと判定、そして電流をくびれ検出時よりも低減させるように制御するものである。なお、図３におけるｔ１の時点が、溶接電圧微分値ｄｖ／ｄｔがくびれ検出基準閾値を上回る１回目の時点であり、ｔ２の時点が、溶接電圧微分値ｄｖ／ｄｔがくびれ検出基準閾値を上回る２回目の時点である。そして、ｔ１の時点とｔ２の時点は所定サンプリング周期のサンプリングタイミングである。また、連続したサンプリングタイミングであるｔ１の時点とｔ２の時点で、連続して溶接電圧微分値ｄｖ／ｄｔがくびれ検出基準閾値を上回わっている。

なお、上記では、一例としてくびれ検出回数を２回と設定した例を示しているが、３回以上でも何ら問題ない。

また、図３に示す特性中のくびれ検出基準閾値やくびれ検出回数は、溶接対象物や溶接条件等に応じて実験等により予め求めておくことができるものである。

次に、外乱等によりくびれ検出基準閾値を一瞬だけ（１回だけ）超えて、連続して超えなかった場合の例について、図４を用いて説明する。

図４では、図３と同じく、くびれ検出回数を２回に設定した場合の例を示している。図４は、先ず、ｔ３の時点において溶接電圧微分値ｄｖ／ｄｔがくびれ検出基準閾値を１回だけ上回り、その後ｔ４の時点でくびれ検出基準閾値を下回った場合を示している。この場合、くびれ検出回数は１回であり、くびれ検出回数が２回に達していないので、くびれを検出したとは判定せず、故に、電流を低減させる制御は行わない。その後、同じ１回の短絡中にくびれ検出を継続して行っており、溶接電圧微分値ｄｖ／ｄｔがくびれ検出基準閾値をｔ５の時点で上回り、続けて次のサンプルリングタイミングであるｔ６の時点でも上回り、設定されたくびれ検出回数の２回となったので、くびれを検出したと判定し、電流をくびれ検出時点よりも低減させる制御を行う。

このように、くびれ検出回数を設定することにより、くびれ検出基準閾値を低く設定した場合であっても、くびれ誤検出を抑制することができる。そして、くびれ検出基準閾値を低く設定することができるので、くびれ検出基準閾値を超える検出を複数回行うが、誤検出を行わないように単に１つの高めのくびれ検出閾値を決定してくびれ検出を行う場合と比べ、くびれを早期に検出することができる。

次に、図５を用いて、くびれ誤検出した際の処理、特に、くびれ検出誤検出後のくびれ検出を行わない無効時間について説明する。図５は、短絡状態とアーク状態とを交互に繰り返す消耗電極式のアーク溶接における、ワイヤ送給速度と溶接電流と溶接電圧の時間変化の波形を示している。

図５において、溶接電圧微分値ｄｖ／ｄｔがくびれ検出基準閾値を所定回数上回り、くびれを検出したとして電流を低減させておく所定期間Ａは、短絡が開放してからアーク期間に十分移行していると考えられる時間とし、実験等により求めておき、予め設定しておく。そして、電流を低減しておく時間が所定期間Ａを上回った時点で、アーク状態になっているか否かを判定し、アーク状態になっていない場合、くびれ誤検出と判定し、短絡電流を低減する前の電流値以上の電流で、かつ、短絡電流の増加傾きｄｉ／ｄｔに戻し、短絡電流の増加傾きｄｉ／ｄｔを継続するようにする。

次に、くびれ誤検出後に再度くびれ誤検出を生じないように、くびれ誤検出後に所定時間くびれ検出を無効にする制御について説明する。

くびれを誤検出しても、１つの短絡期間中に何回でもくびれ検出を行うことを可能とする場合において、くびれ検出したとして電流を低減し、その後、くびれが誤検出であったと判定した場合、短絡電流を低減する前の電流以上の電流に急上昇させて短絡電流の増加傾きｄｉ／ｄｔに戻るように溶接電流を制御する。しかし、この溶接電流の急上昇を行うと、溶接電圧の微分値である溶接電圧微分値がくびれ検出閾値である基準電圧微分値を上回ってしまう。この場合、短絡が開放していないにも関わらず、くびれ制御を行うこととなり、再度電流を低減させる制御が働いてしまう。そして、このような状態を繰り返してしまい、適切な溶接を実行することができなくなってしまう。

このような状態を防止するため、短絡を開放したとして電流を低減し、アーク期間に十分移行していると考えられる所定時間Ａが経過して電流が急上昇する時点で、くびれ検出を行わないように、すなわち、くびれ誤検出を行わないように、くびれ検出を無効とする無効時間Ｔ１を設けている。このように、くびれ誤検出と判定した後にくびれ検出を行わない無効時間Ｔ１を設けることで、同じ短絡期間中に何回でもくびれ検出を行うことが可能となる。そして、本当のくびれを検出する可能性が高まる。なお、このくびれ検出無効時間Ｔ１は、電流を急上昇する前の時点から開始する。

また、図３と図４に示すくびれ検出閾値およびくびれ検出回数や、図５に示す短絡が開放してアーク期間に十分移行していると考えられる所定時間Ａは、例えば、設定電流や設定ワイヤ送給速度と１次線あるいは２次曲線などの関係を求めておき、この１次線や２次曲線を用いて設定電流やワイヤ送給速度に基づいて決定するようにしても良い。

また、各々に上限値および／または下限値を設けるようにしても良い。なお、上下限値は溶接対象物などで異なり、各々の溶接対象物や溶接条件等に基づいて実験等により予め求めておけば良い。

また、図３から図５に示したくびれ検出基準閾値や、くびれ検出回数や、くびれ検出無効時間Ｔ１や、くびれ検出後にくびれ検出前よりも低電流とする所定時間Ａ等の値は、例えば、送給する消耗電極ワイヤのワイヤ径、ワイヤ種類、ワイヤ突出長、供給するシールドガス、の少なくとも１つに基づいて設定される。

以上のように、本実施の形態によれば、ワイヤ送給速度を正送と逆送で正弦波状に周期的に繰り返して短絡状態とアーク状態を周期的に発生させて溶接を行う制御方法において、設定電流毎に適したくびれ検出基準閾値やくびれ検出回数を設定することにより、低電流から高電流までの設定電流においても、くびれ誤検出を抑制することができる。

そして、くびれ誤検出を抑制することでくびれ誤検出時の溶接電流の低下を行う期間がなくなる、あるいは少なくすることができるので、短絡開放まで電気エネルギーを供給することができ、短絡開放直前を確実に見極めることができる。また、短絡開放時の電流を低くすることができるので、ワイヤがはじけることなく安定した短絡開放を実現でき、安定した短絡周期も得ることができる。

なお、本実施の形態では、設定電流に基づいてくびれ検出基準閾値やくびれ検出回数を決定する例を示した。しかし、設定電流はワイヤ送給速度やワイヤ送給量と比例の関係にあることは広く知られている。そこで、設定電流に替えて、ワイヤ送給速度やワイヤ送給量に基づいてくびれ検出閾値やくびれ検出回数等を決定するようにしても同様の効果を得ることができる。

また、上記では、ワイヤ送給速度の変化が図１や図５に示しように正弦波状である場合の例を説明したが、図６に示すようにワイヤ送給速度の変化が台形波状である場合でも同様の効果を得ることができる。

本発明によれば、溶接速度の高速化や、突出し長さの変化および被溶接物間のギャップなどといった外乱に対し、アーク不安定によるスパッタ増加に加えてビード欠陥、溶け込み不良等の問題を最小限に留めることができ、溶接作業工程でのロス工程であるスパッタ除去工程を少なくすることができ、生産効率や作業環境への悪影響を抑えることが可能であり、例えば消耗電極式アーク溶接施工を行う自動車などの薄板での高速溶接を主としている業界で使用する溶接方法および溶接装置として産業上有用である。

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
７ 駆動部
８ 溶接電圧検出部
９ 溶接電流検出部
１０ 短絡／アーク検出部
１１ アーク制御部
１２ 短絡制御部
１３ くびれ検出部
１４ くびれ誤検出検出部
１５ くびれ検出無効時間設定部
１６ くびれ検出基準閾値設定部
１７ くびれ検出回数設定部
１８ 設定電流設定部
１９ 平均送給速度設定部
２０ 周波数基本設定部
２１ 速度振幅基本設定部
２２ ワイヤ送給モータ
２３ 溶接ワイヤ
２４ チップ
２５ アーク
２６ 被溶接物

Claims (11)

1. 消耗電極である溶接ワイヤと被溶接物との間でアーク状態と短絡状態とを繰り返して溶接を行うアーク溶接方法であって、
   短絡期間中に所定のサンプリング周期毎に溶接電圧の単位時間当たりの変化量を求めてくびれ検出基準閾値と比較するステップと、
   前記溶接電圧の単位時間当たりの変化が前記くびれ検出基準閾値を前記所定のサンプリング周期で連続して超える回数が所定の設定回数に達したときにくびれを検出したと判定するステップを備えたアーク溶接方法。
2. くびれを検出したと判定し、短絡電流を前記判定した時点の第１の電流値よりも低い第２の電流値に制御し、この第２の電流値を所定時間維持し、前記所定時間経過時にアークが発生しているか否かを判定してアークが発生していない場合にはくびれ検出は誤検出であったと判定し、溶接電流を前記第２の電流値から前記第１の電流値以上に増加させる請求項１記載のアーク溶接方法。
3. くびれ検出が誤検出であったと判定し、溶接電流を第２の電流値から第１の電流値以上に増加させる際に、くびれ検出を無効とするくびれ検出無効時間を設けた請求項２記載のアーク溶接方法。
4. くびれ検出無効時間は、第１の電流値以上に増加させる前の第２の電流値である時点から開始される請求項３記載のアーク溶接方法。
5. １つの短絡期間中にくびれが誤検出であったと判定した場合でも、その後、前記１つの短絡期間中で再度くびれ検出を行う請求項２から４のいずれか１項に記載のアーク溶接方法。
6. 設定電流に応じた溶接ワイヤ送給速度を平均送給速度とし、前記設定電流に応じた所定の周波数と所定の速度振幅で溶接ワイヤの正送と逆送を周期的に繰り返して短絡状態とアーク状態を発生させて溶接を行う請求項１から５のいずれか１項に記載のアーク溶接方法。
7. 溶接ワイヤ送給速度を正弦波状または台形波状に変化させて溶接ワイヤの送給を行う請求項６記載のアーク溶接方法。
8. 消耗電極である溶接ワイヤと被溶接物との間でアーク状態と短絡状態とを繰り返して溶接を行うアーク溶接装置であって、
   溶接出力を制御するスイッチング素子と、
   溶接電流を検出する溶接電流検出部と、
   溶接電圧を検出する溶接電圧検出部と、
   前記溶接電圧検出部の検出結果に基づいて短絡状態であるのかアーク状態であるのかを検出する短絡／アーク検出部と、
   前記短絡／アーク検出部からの短絡状態を示す信号を受けて短絡状態である短絡期間に短絡電流の制御を行う短絡制御部と、
   前記短絡／アーク検出部からのアーク状態を示す信号を受けてアーク状態であるアーク期間にアーク電圧の制御を行うアーク制御部と、
   短絡期間中のくびれ検出のためのくびれ検出基準閾値を設定するくびれ検出基準閾値設定部と、
   前記溶接電圧検出部および／または前記溶接電流検出部と前記くびれ検出基準閾値設定部の出力に基づいて短絡期間の終期に生じる前記溶接ワイヤのくびれを検出するくびれ検出部と、
   前記くびれ検出部においてくびれ検出基準閾値を超える回数をカウントする際の設定値となる所定回数を設定するくびれ検出回数設定部と、を備え、
   前記くびれ検出部で前記所定のサンプリング周期毎に求めた溶接電圧の単位時間当たりの変化量または溶接電流の単位時間当たりの変化量または溶接電圧を溶接電流で除して求められる溶接抵抗の単位時間当たりの変化量が、前記くびれ検出基準閾値を前記所定のサンプリング周期で連続して超える回数が前記所定回数に達したときにくびれを検出したと判定するアーク溶接方法。
9. くびれ検出部でくびれを検出してから所定期間内にアークが発生しない場合にはくびれを誤検出したと判定するくびれ誤検出検出部を備えた請求項８記載のアーク溶接装置。
10. くびれを誤検出した場合に、その後所定期間くびれ検出を無効とするくびれ検出無効時間を設定するくびれ検出無効時間設定部を備えた請求項９記載のアーク溶接装置。
11. 設定電流を設定するための設定電流設定部と、
    前記溶接ワイヤを正送と逆送に周期的に繰り返し送給制御する平均送給速度となる溶接ワイヤ送給速度を前記設定電流設定部で設定された設定電流に基づいて決定する平均送給速度設定部と、
    前記溶接ワイヤを正送と逆送に周期的に繰り返し送給制御するための周波数を前記設定電流設定部で設定された設定電流に基づいて決定する周波数基本設定部と、
    前記溶接ワイヤを正送と逆送に周期的に繰り返し送給制御するための速度振幅を前記設定電流設定部で設定された設定電流に基づいて決定する速度振幅基本設定部とを備え、
    前記設定電流に応じた溶接ワイヤ送給速度を平均送給速度とし、前記設定電流に応じた所定の周波数と所定の速度振幅で溶接ワイヤの正送と逆送を周期的に繰り返して短絡状態とアーク状態を発生させて溶接を行う請求項８から１０のいずれか１項に記載のアーク溶接装置。

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