JP5743081B2 - ホットワイヤ溶接の加熱制御方法および装置 - Google Patents

Description

本発明はホットワイヤ溶接に係わり、特にホットワイヤの加熱溶融状態を最適にし、高能率溶接を行うのに好適なホットワイヤ溶接の加熱制御方法および装置に関する。

図７にホットワイヤＴＩＧ（Tungsten Inert Gas Arc）溶接法として、従来から一般的に用いられている溶接装置の構成を示す。
ＴＩＧ溶接トーチ１に取り付けられたタングステン電極２と母材３に直流溶接用のＴＩＧ溶接電源４を接続し、アルゴン・シールドガス中でタングステン電極２を負極、母材３を正極とし、アーク５を形成する。溶接用の添加ワイヤ６はワイヤ送給装置７からワイヤリール１４、コンジットチューブ８およびそれと連結されたワイヤトーチ１５を通ってアーク形成部に導かれて母材３と接触させる。ＴＩＧ溶接トーチ１とワイヤトーチ１５は図示していないが連結部材によって機械的に結合されていて一体になって動く。

ワイヤトーチ１５にはワイヤ電流給電部９とセラミックノズル１１が配置されていて、ワイヤ電流給電部９と母材３間にワイヤ加熱電源１０を接続し、直流または交流電流をワイヤ６に流してジュール発熱させ、それによりワイヤ６の溶融速度を高めている。

添加ワイヤ６はワイヤ電流給電部９と母材３間のエクステンションｅ部で通電加熱されるが、そこへ印加される電力とワイヤ溶融量とをバランス良くするように制御する必要がある。ホットワイヤＴＩＧ溶接において、添加ワイヤ６の先端を溶融池１２に接触させるが、その接触界面のごく近くでワイヤ６はすでに完全に溶融していることが、添加ワイヤ６が最適な溶融状態にあるといえる。さらに、最も望ましいのは、添加ワイヤ６が溶融池１２に入る直前に完全に溶融していて、溶融した金属が切れることなく連続的に溶け落ちる状態を保つことができることである。但し、ワイヤ６に投入される熱量は、ワイヤ通電による発熱とアーク５（溶融池１２からの熱伝導も含める）からの熱量になるため、添加ワイヤ６のアーク５への挿入位置により、アーク５からの熱量が変化し、添加ワイヤ６の溶融状態が変化することになる。

このようにホットワイヤＴＩＧ溶接では、添加するワイヤ送給速度とワイヤ６のアーク５への挿入位置に応じて加熱電力を調整することが必要である。加熱電力が不足気味の時には、ワイヤ６が溶融池１２から押し出てきたり、母材３に突き当たって、ワイヤトーチ１５およびそれと連結されたＴＩＧ溶接トーチ１を持ち上げ、その結果、アーク長を非常に長くしてしまうので、溶接が続行できなくなる。また、ワイヤ加熱電力が過少気味のときは、添加ワイヤ６は溶融池１２の中に深く入りこんでから溶融池１２内からの熱伝達を受けてようやく溶融する状態で溶接が進行することになり、これはあまり好ましい状態ではなく、ワイヤの送給量を増やすことが出来ない。逆に加熱電力が過大の時には、ワイヤ６が頻繁に加熱溶断し、スパッタを発生してタングステン電極２に付着して溶接状態を不安定にし、溶接作業性を著しく損なうことになる。

そこで通常は、ワイヤ６が適正溶融状態、即ちワイヤ６の先端が溶融ないし溶融直前の状態になっていて、かつ常に母材３と接触している状態になるよう作業者が溶接部を監視しながら加熱電流を手動で調整することによって、結果的に加熱電力を調整している。

加熱電力調整については、特開２００３−３２０４５４号公報に記載されている方法がある。図３（Ａ）に添加ワイヤ６の加熱が最適状態を示す模式図とその時のワイヤ６の温度と電気抵抗率の値とそれぞれ溶融池１２から先端までの距離との関係を示すグラフを、図３（Ｂ）に添加ワイヤの加熱が過多状態を示す模式図とその時のワイヤ６の温度と電気抵抗率の値とそれぞれ溶融池１２からワイヤ６先端までの距離との関係を示すグラフを、図３（Ｃ）に添加ワイヤの加熱が不足状態を示す模式図とその時のワイヤ６の温度と電気抵抗率の値とそれぞれ溶融池１２から先端までの距離との関係を示すグラフを示す。

添加ワイヤ６を溶融するために投入される熱量ＱＴは、ワイヤ加熱電源１０（図７）よりワイヤ電流給電部９と母材３間の添加ワイヤ６に通電されるホットワイヤ電流による加熱量ＱＷとアーク５より加えられる熱量ＱＡの和である。
ＱＴ ＝ ＱＷ ＋ ＱＡ （１）

熱量ＱＴは添加ワイヤ６の材質と送給量により決まる値で、例えば軟鋼の場合は１．２７Ｊ／ｇになる。熱量ＱＡは添加ワイヤ６のアーク５と溶融池１２への挿入位置により変わる値であり、図３（Ｂ）に示すように添加ワイヤ６がタングステン電極２に近い位置でアーク５と溶融池１２に挿入された場合はアーク５の端に挿入される場合に比較して増加する。つまり、加熱量ＱＷは熱量ＱＡの変化に合わせて変更する必要がある。また、加熱量ＱＷは添加ワイヤ６に通電される電流Ｉとエクステンションｅ部の抵抗値Ｒにより表される。
ＱＷ ＝ Ｉ² × Ｒ （２）
そして、エクステンションｅ部の抵抗値Ｒはエクステンションｅ部の長さＬと添加ワイヤ６の断面積Ｓと電気抵抗率ρで表される。
Ｒ ＝ ρ × Ｌ ÷ Ｓ （３）

ここで添加ワイヤ６の断面積Ｓは一定であり、エクステンションｅ部の長さＬは自動溶接機の場合にはＴＩＧ溶接トーチ１とワイヤトーチ１５が一体に固定されているため大きな変動はないが、ワイヤ先端の溶融状態により数ｍｍ変動する。電気抵抗率ρは温度に依存して変化し、特に鉄の変化率は非常に大きく、例えば温度２０℃では９．７μΩ・ｃｍ、温度８００℃では１０５．５μΩ・ｃｍに変化する。

また、添加ワイヤ６の材質を軟鋼とすると、添加ワイヤ６の温度は図３（Ａ）に示すようにワイヤ電流給電部９側では外気温であり、溶融池１２側では融点近くの１５００℃まで通電加熱されているのが理想的である。そして添加ワイヤ６の温度分布に合わせて電気抵抗率ρも同様な分布を示す。電気抵抗率ρをワイヤ電流給電部９から溶融池１２まで積分した値が抵抗値Ｒになるので、抵抗値Ｒは添加ワイヤ６の温度つまり加熱状態を示すと考えてよい。

図３（Ｃ）に示すように、添加ワイヤ６の加熱が不足状態の場合は、添加ワイヤ６の温度は溶融池１２側で融点まで上がらず、低い値になる。同様に電気抵抗率ρの分布も図３（Ａ）に比べると下降した状態になり、抵抗値Ｒも低い値になる。逆に図３（Ｂ）に示すように、添加ワイヤ６の加熱が過多状態の場合は、アーク５からの入熱量が多くなる場合で通電加熱量を下げる必要があり、加熱が過多すぎると添加ワイヤ６の先端で溶断現象を起こすことになる。図３（Ｂ）では添加ワイヤ６の先端が溶けながら溶融池１２に流れ込んでいる状態を示していて、この状態においては正常な溶接を続行することができる。このときの添加ワイヤ６の温度分布は、溶融池１２側で高温範囲が少し多くなり、同様に電気抵抗率ρも変化する。但し、添加ワイヤ６が溶断せず溶融池１２につながっている状態ならば、ワイヤ電流給電部９とアーク５間の添加ワイヤ６の温度分布は図３（Ａ）の状態に比べて下がっているので、電気抵抗率ρも図３（Ａ）の状態に比べて低くなり、抵抗値Ｒとしては図３（Ａ）の状態の値に近い値になる。

非特許文献１で、薄板の高速溶接におけるホットワイヤの温度分布が計測されている。溶接条件は以下の通りである。
(a) 供試材料：母材；SUS304、ワイヤ；JIS Z3321 Y308 φ1.4
(b) 溶接条件：溶接電流；250A、アーク長；1mm、溶接速度；3m/min、ワイヤ送給量；6.6m/min
(c) パラメータ：ワイヤ平均電流（94、98、103A）
非特許文献１に開示されたワイヤ電流を変化させた場合のワイヤ温度分布を図４に示す。ワイヤ６の加熱温度分布には適正範囲が存在し、過熱すると溶断するし、加熱不足だとワイヤ６が溶融池の底をつつく現象が発生する。図４に示す過熱範囲と加熱不足範囲の間に在る領域が前記適正範囲である。ワイヤ６の先端側はアーク熱の影響を受けるために適正範囲が狭くなっている。逆にワイヤ電流給電点とワイヤ６の先端の中間では、アーク熱の影響が少なくなりワイヤ電流による抵抗加熱で温度上昇しており、適正範囲は広くなる。

以上より、添加ワイヤ６の抵抗値Ｒにより該ワイヤ６の加熱状態を判定することができ、特に溶断直前の添加ワイヤ６の抵抗値Ｒは、該ワイヤ６が溶融池１２に溶融しながら流れ込んでいる状態の値であり、ワイヤ６の温度分布が最適になっている状態の値である。この溶断直前の抵抗値Ｒを目標値にして、測定した抵抗値Ｒが目標値より低い場合は加熱が不足していて、ワイヤ６の温度分布が最適な状態に比べて低いと判定できるので、添加ワイヤ６の加熱電力を上げる必要があり、逆に測定した抵抗値Ｒが目標値より高い場合は加熱過多気味になっていると判定できるので、添加ワイヤ６の加熱電力を下げる必要がある。このように添加ワイヤ６の通電抵抗値を測定することにより、添加ワイヤ６の加熱状態を最適な状態に自動制御することが可能になる。

添加ワイヤ６の抵抗値Ｒの目標値は、作業者が溶接状況を判断して最適な加熱状態の時の抵抗値Ｒを測定して決める方法がある。

特開２００３−３２０４５４号公報

篠崎、山本、内田、光畑、永島、金沢、荒新；Development of Ultra-High-Speed GTA Welding Process Using Pulse-Heated Hot-Wire、溶接学会全国大会講演概要、Vol.82、PP.137-138 (2008-4)

図５（Ａ）はワイヤ６を溶融池１２の前方から挿入する場合、あるいはワイヤ６を立てて溶融池１２に挿入する場合のワイヤ電流と加熱部の抵抗値の関係を示すグラフであり、図５（Ｂ）はワイヤ６を溶融池１２の後方から挿入する場合、あるいはワイヤ６を寝かせて溶融池１２に挿入する場合のワイヤ電流と加熱部の抵抗値の関係を示すグラフである。

ワイヤ６を溶融池１２の前方から挿入する場合、あるいはワイヤ６を立てて溶融池１２に挿入する場合は、ワイヤ電流を上げると通電部の温度が上がり抵抗値が増加する。ワイヤ電流を更に上げると、ワイヤ６の先端部の温度が融点近くになり溶断する。この場合にワイヤ加熱部の長さＬはほぼ一定であり、最適過熱状態となる目標抵抗値（ワイヤ６の先端部の温度が融点近くになるワイヤ加熱部の電気抵抗値）に該当するのはＡ点になり、測定抵抗値がＡ点に近づくようにワイヤ電流値を調整すればよい。

これに対して、ワイヤ６を溶融池１２の後方から挿入する場合、あるいはワイヤ１２を寝かせて溶融池１２に挿入する場合、ワイヤ電流を上げると通電部の温度が上がり抵抗値が増加するが、更にワイヤ電流を上げるとワイヤ先端部の温度が融点近くになるところで、ワイヤ６の先端が軟化し、たれてワイヤ６の挿入予定位置よりも後方の溶融池１２に挿入し始めるので加熱部の長さＬが短くなって抵抗値が図５（Ｂ）のピーク値を越えて減少するようになり、更に電流を上げると溶断する。

この場合に最適過熱状態となる目標抵抗値に該当するワイヤ電流値はＡ点とＢ点の２点になり、どちらの点で制御するか判定できないことから制御不可能となる。つまり、Ａ点では測定抵抗値が低い場合は電流値を上げる必要があるが、Ｂ点では測定抵抗値が低い場合は電流値を下げる必要があり、制御方向が逆になる。加熱部全体の抵抗値を制御対象としてワイヤ加熱状態を制御する場合に、加熱部の長さＬが変動してしまうと加熱状態の判定が不可能になり、加熱電力を制御することができない。

また、スタート時におけるワイヤ送給のアップスロープシーケンスにおいては、ワイヤ送給量の増加に合わせてワイヤ電流を上げる必要がある。ワイヤ６の送給量に合わせて溶融池１２が形成されるために、エクステンションｅ部の長さＬが短くなる方向で変化し、抵抗値が高めになり加熱が遅れる傾向があった。このため、抵抗の違いによる電流値変更の感度を上げると、ワイヤ６の送給量が定常状態になった時に感度が良過ぎてハンチング現象を起こしてしまうという問題があった。

そこで本発明の課題は、ワイヤ加熱部一定長さの温度分布を一定にすることで、ワイヤ加熱部全体の加熱状態も一定に制御することができるようにしたホットワイヤ溶接の加熱制御方法及び装置を提供することである。

本発明の上記課題は次の解決手段により解決される。
請求項１記載の発明は、母材（３）とワイヤ（６）に電流を供給するワイヤ電流給電部（９）との間の添加ワイヤ（６）に電流を通電し、ワイヤ（６）を抵抗加熱しながら溶接を行うホットワイヤ溶接の加熱制御方法において、ワイヤ電流給電部（９）と溶融池（１２）の間のワイヤ加熱部の長さの中間部とワイヤ電流給電部（９）との間の抵抗測定値によりワイヤ（６）の加熱電力を制御することを特徴とするホットワイヤ溶接の加熱制御方法である。

請求項２記載の発明は、予めワイヤ電流給電部（９）と溶融池（１２）の間のワイヤ加熱部の長さの中間部とワイヤ電流給電部（９）との間の抵抗目標値を設定しておき、測定した抵抗値が前記設定した目標値になるように、ワイヤの加熱電力を制御することを特徴とする請求項１記載のホットワイヤ溶接の加熱制御方法である。

請求項３記載の発明は、母材（３）とワイヤ（６）に電流を供給するワイヤ電流給電部（９）との間の添加ワイヤにワイヤ加熱電力を供給するワイヤ加熱電源（１０）と、該ワイヤ加熱電源（１０）から添加ワイヤ（６）に電流を供給する前記ワイヤ電流給電部（９）と母材（３）側のワイヤ先端部を残してワイヤ（６）を被覆するワイヤ（６）の先端側に設けられるセラミックノズル（１１）とワイヤ電流給電部（９）と溶融池（１２）の間の加熱部の長さの中間部分に位置するセラミックノズル（１１）に設けられた切り窓（１１ａ）からセラミックノズル（１１）内のワイヤ（６）に接触する電圧測定端子（１９）と該電圧測定端子（１９）をワイヤ（６）に押し当てる押当機構を有するホットワイヤトーチ（１５）と、ワイヤ電流給電部（９）と電圧測定端子（１９）間のワイヤ（６）の電圧測定をするワイヤ電圧測定手段（１６）と、該ワイヤ電圧測定手段（１６）の電圧測定値に基づきワイヤ加熱電源（１０）のワイヤ加熱電力を制御するワイヤ加熱制御手段を備えたことを特徴とするホットワイヤ溶接の加熱装置である。
なお、本発明は母材とＴＩＧ溶接トーチ間にアークを発生させるアーク溶接法に限らず、レーザ溶接法にも適用できる。

（作用）
本発明によれば、ワイヤ加熱部の一定長さの抵抗値を制御対象とすることにより、ワイヤ電流値に対する目標抵抗値が一点になり、ワイヤ加熱部一定長さの温度分布を一定にすることが出来ることより、ワイヤ加熱部全体の加熱状態も一定に制御することが可能になる。

同様に、スタート時におけるワイヤ６の送給のアップスロープシーケンスにおいても、ワイヤ加熱部一定長さの温度分布を一定にすることが出来ることより、エクステンションｅの長さＬの変化による影響がなくなり、ワイヤ加熱部全体の加熱状態を一定に制御することができる。

また、図４のワイヤ温度分布よりワイヤ先端の適正条件範囲はアーク熱の影響より狭くなり、エクステンションｅの長さＬが多少変化した時に、ワイヤ加熱部の抵抗値が適正条件範囲から外れやすい。これに対してワイヤ加熱部一定長さの抵抗値では、適正条件範囲が広くなるため、エクステンションｅの長さＬが多少変化しても、ワイヤ加熱部一定長さの抵抗値が適正条件範囲から外れることはない。

制御対象とするワイヤ加熱部一定長さの抵抗値は、ワイヤ電流給電部９から先端のワイヤ部分ワイヤ加熱部長さ（Ｌ）の中間点Ｍ±１５％点間の抵抗値とするのがよい。

なお中間点Ｍ±１５％点の「±１５％点」の根拠は、±１５％の温度が４５０℃〜７５０℃となる範囲、すなわち中間点Ｍ（図２参照）は６００℃となるようにしたものである。

ワイヤ６の加熱状態が最適な場合に、ワイヤ加熱部（給電部９と溶融池１２の間）の中間点Ｍの温度は約６００℃と考えられる。この温度より低いワイヤ電流給電部９側の抵抗値は絶対値が小さく、目標値と測定値の温度差の偏差も小さくなるため制御精度が落ちる。逆にこの温度より高い溶融池１２側では高温になるため抵抗値を測定するための電圧測定端子（銅合金）１９の摩耗が激しくなる。これより抵抗値を測定するための電圧測定端子１９は加熱部の中間点Ｍ近傍がよく、セラミックノズル部になるため、セラミックノズルを分割するか、セラミックノズル１１に測定のための切込み窓を設けることになる。また、ワイヤ６は高速で送給されているので、抵抗値の測定を確実にするために電圧測定端子１９はワイヤ６に加圧して押付ける必要がある。

請求項１，３記載の発明によれば、ワイヤ加熱部の長さＬが変動してしまう場合でも、ワイヤ加熱部一定長さの抵抗値で、すなわちワイヤ電流給電部と溶融池の間のワイヤ加熱部の長さの中間部とワイヤ電流給電部との間の抵抗測定値から加熱状態を判定すればワイヤ加熱部全体の加熱状態を判定できるので加熱電力を制御することが可能となる。これより、ホットワイヤ溶接においてワイヤの加熱不足下でのワイヤの突っ張りによるトーチの持ち上げの発生等のトラブルを防ぎ、加熱溶断によるスパッタの発生頻度をより少なくして、適正なワイヤ溶融状態に保つことができ、ワイヤ加熱電流の自動調整を行うことが可能になることにより、ホットワイヤ溶接による高能率化を促進し、溶接欠陥の発生頻度を低下させ、省人化に貢献することができる。

請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、ワイヤ加熱部一定長さの測定した抵抗値、すなわちワイヤ電流給電部と溶融池の間のワイヤ加熱部の長さの中間部とワイヤ電流給電部との間の抵抗測定値が前記設定した目標抵抗値になるように、ワイヤの加熱電力を制御することによりワイヤの加熱電力の制御が容易に行える。

本発明の実施の形態に係るホットワイヤ溶接装置の制御回路の回路構成図である。 本発明の実施の形態に係るホットワイヤ溶接装置の電圧測定端子をワイヤに押付ける機構の構成図である。 図３（Ａ）はワイヤの加熱が最適状態を示す模式図とその時の添加ワイヤの温度と電気抵抗率のグラフであり、図３（Ｂ）はワイヤの加熱が過多状態を示す模式図とその時のワイヤの温度と電気抵抗率のグラフであり、図３（Ｃ）はワイヤの加熱が不足状態を示す模式図とその時のワイヤの温度と電気抵抗率のグラフである。 ワイヤ電流値の違いによるワイヤ温度分布のグラフである。 図５（Ａ）はワイヤを溶融池の前方から挿入する場合、あるいはワイヤを立てて溶融池に挿入する場合のワイヤ電流と加熱部の抵抗値の関係を示すグラフであり、図５（Ｂ）はワイヤを溶融池の後方から挿入する場合、あるいはワイヤを寝かせて溶融池に挿入する場合のワイヤ電流と加熱部の抵抗値の関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係るホットワイヤ溶接の加熱電力制御のフローチャートを示す図である。 従来技術のホットワイヤＴＩＧ溶接装置の機器構成を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態を図面と共に説明する。
図１において、ＴＩＧ溶接トーチ１がタングステン電極２を保持し、該タングステン電極２は被溶接金属物の母材３との間でアーク５を発生する。添加ワイヤ６にはワイヤ加熱電源１０からの電流がワイヤ電流給電部９により接触通電され、ワイヤ電流給電部９には加熱された添加ワイヤ６の溶融池１２への挿入位置を正確に一定にするためのセラミックノズル１１が取り付けられている。また、アーク熱により母材３が溶けて形成した溶融池１２が凝固すると溶接ビード１３が形成される。

また、給電部９と溶融池１２の間のワイヤ加熱部の中間点Ｍ±１５％に存在するセラミックノズル１１には切込み窓１１ａを設け、該切込み窓１１ａを通して電圧測定端子１９をワイヤ６に加圧接触させる機構になっている。

ワイヤ電流給電部９側のワイヤ６の加熱端部と電圧測定端子１９の接触する部分のワイヤ６の間の電圧をワイヤ電圧測定回路１６で測定し、測定電圧Ｅｗをワイヤ加熱制御回路１７に送り、既知のワイヤ電流Ｉｗとワイヤ電圧Ｅｗからワイヤ抵抗値Ｒｗを計算して添加ワイヤ６の加熱状態を判定する。前記添加ワイヤ６の加熱状態の判定結果によりワイヤ加熱電源１０の加熱電力を調整するためのワイヤ加熱制御回路１７とワイヤ電圧測定回路１６から制御装置１８が構成される。また、ワイヤ加熱制御回路１７の出力（出力値Ｃｗ）により、ワイヤ加熱電源１０が制御される。

セラミックノズル１１には、図２に示すようにワイヤ加熱部の中間部Ｍ±１５％の部分に切込み窓１１ａを設けて、この切込み窓１１ａに電圧測定端子（銅合金）１９を設置し、該電圧測定端子１９とワイヤ電流給電部９に設けられた支点２２を挟んで電圧測定端子１９の反対側に取り付けたばね２１との間をアーム２０で連結することにより、ばね２１の力で電圧測定端子１９をワイヤ６に押し付ける機構とする。セラミックノズル１１は電圧測定端子１９により押し付けられる部分から２分割してもよい。

ＴＩＧアーク溶接とホットワイヤ溶接方法と溶接手順は従来の方法と同様であるので説明は省略し、本実施の形態の特徴点であるホットワイヤ溶接制御方法および装置について図１と図２により説明する。
ワイヤ電流給電部９と電圧測定端子１９の間の添加ワイヤ６の通電抵抗値によりワイヤ６の加熱状態を判定することが可能であり、まずこの通電抵抗値の測定方法を説明する。
通電抵抗Ｒｗはワイヤ電流給電部９と電圧測定端子１９間の添加ワイヤ６に印加される電圧Ｅｗと電流Ｉｗで表される。
Ｒｗ ＝ Ｅｗ ÷ Ｉｗ （４）

ワイヤ電圧測定回路１６で電圧Ｅｗを測定し、測定した電圧値をワイヤ加熱制御回路１７に送る。ワイヤ加熱電源は定電流特性の電源が用いられ、ワイヤ加熱制御回路１７からの指令値Ｃｗにより電流が出力されるため、電流Ｉｗは既知情報であり、抵抗値Ｒｗを求めることができる
添加ワイヤ６の一定長さの抵抗値Ｒｗの目標値は、作業者が溶接状況を判断して最適な加熱状態のときの抵抗値Ｒｗを測定し、その値をワイヤ加熱制御回路１７に登録する方法がある。

なお、抵抗値Ｒｗの目標値（目標抵抗値）は、給電点と電圧測定端子間の長さ、ワイヤ６の材質、ワイヤ６の径、アーク熱の影響により違ってくるので、溶接状況を判断して最適な加熱状態のときの抵抗値を目標抵抗値とした。

ワイヤ加熱制御回路１７では、以上の方法で設定した目標抵抗値に対して、溶接中に測定した抵抗値が目標値より低い場合は、加熱が足りずワイヤ６の温度分布が最適な状態に比べて低いと判定できるので、添加ワイヤ６の加熱電力を上げる必要があり、ワイヤ加熱電源１０に対して加熱電流を上げる指令を出す。逆に測定した抵抗値が目標値より高い場合は、加熱過多気味になっていると判定できるので、添加ワイヤ６の加熱電力を下げる必要があり、ワイヤ加熱電源１０に対して加熱電流を下げる指令を出す。このように添加ワイヤ６の通電抵抗値を測定することにより、添加ワイヤ６の加熱状態を最適な状態に自動制御することが可能になる。

同様に、スタート時におけるワイヤ送給のアップスロープシーケンスにおいても、ワイヤ加熱部一定長さの温度分布を一定にすることが出来ることより、エクステンションｅの長さＬの変化による影響がなくなり、ワイヤ加熱部全体の加熱状態を一定に制御することができる。

制御のフローチャートは図６に示すように、電圧の測定、抵抗値の計算、加熱電流の変更の手順となり、ワイヤ加熱電流は１００Ｈｚのパルス電流であるので、電圧降下の測定はピーク電流出力時に同期して行い、制御の応答性によって制御ループの周期を変更可能とした。試験の結果、制御ループの周期は７０〜１００ｍｓｅｃであった。

また、フィードバック制御式は以下の通りである。
Inew ＝ Iold ＋ a(CR − SR) （５）
Inew：制御後の平均電流値 [A] Iold：制御前の平均電流値 [A]
CR：抵抗計算値 [mΩ] SR：目標抵抗値 [mΩ] a：制御係数

初期のスロープアップからワイヤ送給量が一定になる定常状態まで制御を行うが、スロープアップでは応答性を上げたいので制御係数を大きくしたいが、定常状態では制御の振れを小さくしたいので制御係数は小さくしたい。
この調整を行うために制御周期の変更、一つのループでの制御最大値と初期加熱電流値の設定を行えるようにした。

また、図４のワイヤ温度分布のデータによれば、ワイヤ６の先端の適正条件範囲はアーク熱の影響により狭くなり、エクステンションｅの長さＬが多少変化した時に、ワイヤ加熱部の抵抗値が適正条件範囲から外れやすい。これに対してワイヤ加熱部一定長さの抵抗値では、適正条件範囲が広くなるため、エクステンションｅの長さＬが多少変化しても、ワイヤ加熱部一定長さの抵抗値が適正条件範囲から外れることはない。

制御対象とするワイヤ加熱部一定長さの抵抗値は、ワイヤ電流給電部９と溶融池１２の間にあるワイヤ加熱部の中間点Ｍ±１５％点間のワイヤの抵抗値とするのがよい。ワイヤ６の加熱状態が最適な場合に、ワイヤ加熱部の中間点Ｍの温度は４５０〜７５０℃と考えられる。この温度より低い給電部９側の抵抗値は絶対値が小さく、目標値と測定値の温度差の偏差も小さくなるため制御精度が落ちる。逆にこの温度より高い溶融池１２側では高温になるため抵抗値を測定するための電圧測定端子（銅合金）１９の摩耗が激しくなる。これより抵抗値を測定するための電圧測定端子１９は加熱部の中間点Ｍ近傍がよく、当該加熱部の中間点Ｍ近傍はセラミックノズル部になるため、セラミックノズル１１を前記中間点Ｍ近傍で分割するか、セラミックノズル１１に前記中間点Ｍ近傍で電圧を測定するための切込み窓１１ａを設けることになる。また、ワイヤ６は高速で送給されているので、抵抗値の測定を確実にするために電圧測定端子１９はワイヤ６に加圧して押付ける必要がある。

なお、本発明は母材３とＴＩＧ溶接トーチ１の間にアーク５を発生させるアーク溶接法に限らず、レーザ溶接法にも適用できる。

１ ＴＩＧ溶接トーチ ２ タングステン電極
３ 母材 ４ ＴＩＧ溶接電源
５ アーク ６ 添加ワイヤ
７ ワイヤ送給装置 ８ コンジットチューブ
９ ワイヤ電流給電部 １０ ワイヤ加熱電源
１１ セラミックノズル １２ 溶融池
１３ 溶接ビード １４ ワイヤリール
１５ ワイヤトーチ １６ ワイヤ電圧測定回路
１７ ワイヤ加熱制御回路 １８ 制御装置
１９ 電圧測定端子 ２０ アーム
２１ ばね ２２ 支点
ｅ エクステンション部 Ｌ ワイヤ加熱部長さ
Ｉ 電流 Ｉａ 溶接電流
Ｉｗ ワイヤ加熱電流 Ｒ 抵抗
Ｒｗ 通電抵抗 Ｖ 電圧
Ｃｗ ワイヤ加熱電源への出力値
Ｅｗ ワイヤに印加される電圧
Ｍ 中間点

Claims (3)

1. 母材とワイヤに電流を供給するワイヤ電流給電部との間の添加ワイヤに電流を通電し、ワイヤを抵抗加熱しながら溶接を行うホットワイヤ溶接の加熱制御方法において、
   ワイヤ電流給電部と溶融池の間のワイヤ加熱部の長さの中間部とワイヤ電流給電部との間の抵抗測定値によりワイヤの加熱電力を制御することを特徴とするホットワイヤ溶接の加熱制御方法。
2. 予めワイヤ電流給電部と溶融池の間のワイヤ加熱部の長さの中間部とワイヤ電流給電部との間の抵抗目標値を設定しておき、測定した抵抗値が前記設定した目標値になるように、ワイヤの加熱電力を制御することを特徴とする請求項１記載のホットワイヤ溶接の加熱制御方法。
3. 母材とワイヤに電流を供給するワイヤ電流給電部との間の添加ワイヤにワイヤ加熱電力を供給するワイヤ加熱電源と、
   該ワイヤ加熱電源からワイヤに電流を供給する前記ワイヤ電流給電部と母材側のワイヤ先端部を残してワイヤを被覆するワイヤの先端側に設けられるセラミックノズルとワイヤ電流給電部と溶融池の間の加熱部の長さの中間部分に位置するセラミックノズルに設けられた切り窓からセラミックノズル内のワイヤに接触する電圧測定端子と該電圧測定端子を ワイヤに押し当てる押当機構を有するホットワイヤトーチと、
   ワイヤ電流給電部と電圧測定端子間のワイヤの電圧測定をするワイヤ電圧測定手段と、
   該ワイヤ電圧測定手段の電圧測定値に基づきワイヤ加熱電源のワイヤ加熱電力を制御するワイヤ加熱制御手段
   を備えたことを特徴とするホットワイヤ溶接の加熱装置。

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