JP5773478B2 - プラズマミグ溶接のアークスタート制御方法 - Google Patents
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時刻t1において、同図(A)に示すように、外部からの溶接開始信号StがHighレベル(溶接開始)になると、同図(B)及び(G1)に示すように、送給速度Fwは正の小さな値となり、溶接ワイヤ1aは1〜2m/min程度の遅いスローダウン送給速度Fiでの前進送給が開始される。ここで、送給速度Fwが正の値であるときは、溶接ワイヤ1aは母材2に近づく方向へ前進送給され、負の値であるときは、溶接ワイヤ1aは母材2から離れる方向へ後退送給されることを示している。同図(C)に示すように、溶接ワイヤ1aと母材2との間には無負荷電圧が印加され、同図(E)に示すように、プラズマ電極1bと母材2との間にも別の無負荷電圧が印加される。
時刻t2において、同図(G2)に示すように、上記の前進送給によって溶接ワイヤ1aが母材2と接触(短絡)すると、同図(C)に示すように、ミグ溶接電圧Vwmは、無負荷電圧から数V程度の短絡電圧値に低下する。この電圧の低下によって短絡を判別すると、同図(B)に示すように、送給速度Fwは負の値の後退送給速度Fbに切り換わり、溶接ワイヤ1aが母材2から離れる方向へ後退送給される。また、同図(D)に示すように、ミグ溶接電流Iwmは溶接ワイヤをジュール熱でほとんど溶融しない程度の20〜80A程度の一定値の直流電流である初期電流Iiとなる。
時刻t3において、同図(G3)に示すように、上記の後退送給によってワイヤ先端が母材2から離れると初期ミグアーク31aが発生し、同図(D)に示すように、ミグ溶接電流Iwmは上記の初期電流Iiのまま維持される。この初期ミグアーク31aは、後退送給によって発生し、かつ、アークを通電する電流値(初期電流値Ii)も小さいので、スパッタはほとんど発生せず確実なアークスタートが実現できる。初期ミグアーク31aが発生すると、同図(C)に示すように、ミグ溶接電圧Vwmは、短絡電圧値から数十V程度のアーク電圧値に急増する。時刻t3移行も上記の後退送給は継続されるので、同図(G4)に示すように、初期ミグアーク31aのアーク長は次第に長くなる。溶接ワイヤ1aの先端と母材2との間に発生している初期ミグアーク31a内はプラズマ雰囲気となっているので、アーク長が長くなるのに伴い、プラズマ電極1bと母材2との間の空間もプラズマ雰囲気が形成されることになる。
時刻t4において、同図(E)に示すように、プラズマ電極1bと母材2との間に無負荷電圧が既に印加されており、かつ、上述したようにプラズマ電極1bと母材2との間の空間がプラズマ雰囲気になっているために、同図(G5)に示すように、プラズマアーク3bが誘発されて発生する。プラズマアーク3bが発生すると、同図(E)に示すように、プラズマ溶接電圧Vwpは無負荷電圧からアーク電圧値に低下し、同図(F)に示すように、プラズマ溶接電流Iwpは予め定めた定常プラズマ溶接電流値Iwpcとなる。同時に時刻t4にプラズマアーク3bが発生すると、同図(B)に示すように、送給速度Fwは、負の値の後退送給速度Fbから正の値の定常送給速度Fwcへと切り換わり、溶接ワイヤ1aは再前進送給される。この結果、同図(D)に示すように、ミグ溶接電流Iwmは、図5で上述したようにピーク電流Ip及びベース電流Ibから形成されるパルス波形となり、同図(C)に示すように、ミグ溶接電圧Vwmは、図5で上述したようにピーク電圧Vp及びベース電圧Vbから形成されるパルス波形となる。時刻t4移行のミグ溶接電流Iwmの平均値は、定常送給速度Fwcによって略決定される。また、時刻t4移行のミグ溶接電圧Vwmの平均値は、図5で上述したように、電圧設定値と略等しくなるように制御され、アーク長が適正値になるようにフィードバック制御される。そして、時刻t4から100〜700ms後に、ミグアーク3aのアーク長は定常値に収束して、定常状態となる。これにより、プラズマミグ溶接のアークスタートは完了する。プラズマアーク3bが発生するのは、無負荷電圧が印加された状態で、プラズマ電極1bと母材2との空間が初期ミグアーク31aによってプラズマ雰囲気になってくるためであるので、その発生タイミングはある程度の範囲でばらつきがある。したがって、時刻t3〜t4の後退アーク期間は、ある程度のバラツキを有している。
(1)リトラクトスタート方式では、溶接ワイヤを後退送給する期間(図6の時刻t2〜t4の期間)が必要であるために、通常のアークスタート方式に比べてアークスタートに時間がかかるという問題がある。特に、短い溶接長の溶接個所を多数溶接する場合において、タクトタイムが長くなり、この問題がより顕著となる。
(2)アークスタート時にミグアークのみが発生している期間(図6の時刻t3〜t4の期間)中に、ビード表面に黒い煤(スマットと呼ばれる)が付着してビード外観が悪くなるという問題がある。ミグアークがプラズマアークで包まれる状態になると、このスマットは発生しなくなる。
溶接トーチを通して送給される溶接ワイヤと母材との間にピーク期間中のピーク電流及びベース期間中のベース電流を1パルス周期とするミグ溶接電流を通電することによってミグアークを発生させると共に、前記溶接ワイヤを囲むように配置されているプラズマ電極と前記母材との間にプラズマ溶接電流を通電することによってプラズマアークを発生させるプラズマミグ溶接にあって、
溶接開始に際して、前記プラズマ電極と前記母材との間に無負荷電圧を印加すると共に、前記溶接ワイヤを前進送給して前記母材と一旦接触させた後に後退送給して引き離すことによって直流電流が通電する初期ミグアークを発生させ、前記後退送給を継続し前記初期ミグアークのアーク長を次第に長くして前記プラズマ電極と前記母材との間の空間にプラズマ雰囲気を形成することによって前記プラズマ溶接電流が通電する前記プラズマアークを発生させ、このプラズマアークが発生すると前記溶接ワイヤを再前進送給に切り換えると共に前記ピーク電流及び前記ベース電流から形成される前記ミグ溶接電流を通電して定常ミグアークへと移行させる、プラズマミグ溶接のアークスタート制御方法において、
前記後退送給の送給速度を、前記初期ミグアークのアーク長が予め定めた第1基準距離に達するまでは予め定めた第1後退送給速度に設定し、それ以降は予め定めた第2後退送給速度に設定し、前記第1後退送給速度を前記第2後退送給速度よりも高速に設定し、
前記第1基準距離を、前記プラズマ電極と前記母材との距離に予め定めた基準比率を乗じた値、又は、前記プラズマ電極と前記母材との距離から予め定めた第2基準距離を減算した値として設定する、
ことを特徴とするプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法である。
ことを特徴とする請求項1記載のプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法である。
ことを特徴とする請求項1記載のプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法である。
時刻t2においては、溶接ワイヤは母材と短絡状態にあり、ミグアーク及びプラズマアークは共に発生していない状態である。溶接ワイヤは後退送給されているので、同図(A)に示すように、送給速度Fwは負の値の第1後退送給速度Fb1となっている。ここで、符号は送給方向を示しており、負の値は後退送給の状態を示し、正の値は前進送給状態を示している。この第1後退送給速度Fb1は、図6のときの後退送給速度よりも高速に設定される。第1後退送給速度Fb1は、例えば10〜30m/min程度に設定される。第1後退送給速度Fb1が図6のときに比べて高速であるので、時刻t2〜t3の後退送給短絡期間が短縮される。同図(B)に示すように、ミグ溶接電流Iwmは、図6と同様に、初期電流Iiとなっている。同図(C)に示すように、プラズマ溶接電流Iwpは通電していないので0Aである。同図(D)に示すように、アーク長Laは、ミグアークが発生しておらず溶接ワイヤは母材と短絡しているので、0mmである。ここで、同図(D)において、横軸と平行に描かれた破線は、プラズマ電極・母材間距離Lpを示しており、一点鎖線は予め定めた第1基準距離Lt1を示している。Lp>Lt1である。
後退送給によって、時刻t3に溶接ワイヤ先端が母材から離れると、初期ミグアークが発生する。同図(A)に示すように、送給速度Fwは上記の第1後退送給速度Fb1のままである。初期ミグアークが発生しているが、同図(B)に示すように、ミグ溶接電流Iwmは上記の初期電流Iiのままである。他方、プラズマアークはまだ発生していないので、同図(C)に示すように、プラズマ溶接電流Iwpは0Aのままである。高速な第1後退送給速度Fb1によって後退送給されているので、同図(D)に示すように、初期ミグアークのアーク長Laは急速に長くなる。そして、時刻t31において、同図(D)に示すように、アーク長Laが一点鎖線で示す第1基準距離Lt1に達すると、同図(A)に示すように、送給速度Fwは予め定めた第2後退送給速度Fb2に切り換えられる。ここで、|Fb2|<|Fb1|であり、第2後退送給速度Fb2は低速の送給速度となる。この第2後退送給速度Fb2は、図6の後退送給速度と略同一値に設定され、例えば1〜5m/min程度に設定される。この結果、同図(D)に示すように、アーク長Laは緩やかに長くなる。そして、時刻t4において、プラズマアークが誘発されて発生する。時刻t3〜t4の後退送給アーク期間は、第1後退送給速度Fb1によって高速に後退送給されるので時刻t3〜t31の期間が短縮されて、全体として短縮されることになる。同図(D)に示すように、アーク長Laが第1基準距離に達すると、アーク長Laは緩やかに長くなる。すなわち、アーク長Laがプラズマ電極にある程度近づいたときに、アーク長Laが緩やかに長くなるようにしている。初期ミグアーク中はプラズマ雰囲気となっているので、アーク長Laが緩やかに長くなるのに伴い、このプラズマ雰囲気も緩やかに上昇してプラズマ電極の下の空間を満たすことになる。この結果、プラズマアークが誘発されて発生したときに、初期ミグアークのアーク長Laが長くなり過ぎることがないので、アーク状態が不安定になることもない。
時刻t4において、プラズマ電極と母材との間に無負荷電圧が既に印加されており、かつ、上述したようにプラズマ電極1bと母材2との間の空間がプラズマ雰囲気になっているために、プラズマアークが誘発されて発生する。プラズマアークが発生すると、同図(C)に示すように、プラズマ溶接電流Iwpは、図6と同様に、予め定めた定常プラズマ溶接電流値Iwpcとなる。同時に、同図(A)に示すように、送給速度Fwは、負の値の第2後退送給速度Fb2から正の値の定常送給速度Fwcへと切り換えられて、溶接ワイヤは再前進送給される。この結果、初期ミグアークは定常ミグアークへと移行するので、同図(B)に示すように、ミグ溶接電流Iwmは、図5で上述したようにピーク電流Ip及びベース電流Ibから形成されるパルス波形となる。時刻t4移行の期間中は、上述したように、ミグ溶接電圧の平均値が電圧設定値と等しくなるように周波数変調制御によるアーク長制御が行なわれる。同図(D)に示すように、アーク長Laは、時刻t4の送給方向反転時に少しオーバーシュートしたのちに、アーク長制御によって次第に短くなり定常アーク長に収束する。これによりアークスタートは完了する。この送給方向反転時のアーク長Laのオーバーシュートは、第2後退送給速度Fb2が低速であるので、少しだけとなり、アーク状態が不安定になることはない。
a1)アーク長Laが第1基準距離Lt1に達したことを、初期ミグアークが発生した時点からの第1後退送給速度Fb1による後退送給距離が上記の第1基準距離Lt1に達したことによって判別する。同図において、時刻t3〜t31の期間をT1とすると、T1=Lt1/|Fb1|となる。したがって、同図(A)に示すように、、溶接ワイヤが母材に接触した時点t2から第1後退送給速度Fb1による後退送給が開始され、初期ミグアークが発生した時点t3から上記のT1が経過した時点t31において第2後退送給速度Fb2に切り換えられることになる。
a2)アーク長Laが第1基準距離Lt1に達したことを、ミグ溶接電圧Vwmが予め定めた基準電圧値Vt1に達したことによって判別する。アーク長Laはミグ溶接電圧Vwmに略比例する。基準電圧値Vt1を、第1基準距離Lt1に相当する値に設定する。そうすると、ミグ溶接電圧Vwmが基準電圧値Vt1に達する時点は、アーク長Laが第1基準距離Lt1に達した時点となる。
b1)第1基準距離Lt1を、プラズマ電極・母材間距離Lpに予め定めた基準比率αを乗じた値として設定する。すなわち、Lt1=Lp×αである。αは、0.6〜0.8程度に設定する。このようにすると、プラズマ電極・母材間距離Lpが変化しても、適正な第1基準距離Lt1に設定することができる。プラズマ電極・母材間距離Lpは、溶接中は一定値であるのが通常であるので、溶接を開始する前に測定すれば良い。20mm≦Lp≦30mm程度で使用されることが多い。ここで、α=0.7とすると、Lpの変化に対応して、14mm≦Lt1≦21mmとなる。
b2)第1基準距離Lt1を、プラズマ電極・母材間距離Lpから予め定めた第2基準距離Lt2を減算した値として設定する。すなわち、Lt1=Lp−Lt2である。第2基準距離Lt2は、5〜10mm程度に設定する。第2基準距離Lt2を、プラズマ電極・母材間距離Lpが変化しても一定値に設定することによって、アーク長Laが長くなり過ぎることを抑制した上で、タクトタイムを最大限短縮することができる。この第2基準距離Lt2は、送給モータの応答性、溶接ワイヤの材質、直径等に応じて適正値に設定する。
1b プラズマ電極
2 母材
3a ミグアーク
31a 初期ミグアーク
3b プラズマアーク
4 給電チップ
51 プラズマノズル
52 シールドガスノズル
61 センターガス
62 プラズマガス
63 シールドガス
7 送給ロール
AD プラズマアーク発生判別回路
Ad プラズマアーク発生判別信号
DV 駆動回路
Dv 駆動信号
EI 電流誤差増幅回路
Ei 電流誤差増幅信号
EV 電圧誤差増幅回路
Ev 電圧誤差増幅信号
Fb 後退送給速度
Fb1 第1後退送給速度
FB1R 第1後退送給速度設定回路
Fb1r 第1後退送給速度設定信号
Fb2 第2後退送給速度
FB2R 第2後退送給速度設定回路
Fb2r 第2後退送給速度設定信号
Fbr 後退送給速度設定信号
FC 送給制御回路
Fc 送給制御信号
Fi スローダウン送給速度
FR 送給速度設定回路
Fr 送給速度設定信号
Fw 送給速度
Fwc 定常送給速度
Ib ベース電流
IBR ベース電流設定回路
Ibr ベース電流設定信号
ID 電流検出回路
Id 電流検出信号
IDP プラズマ溶接電流検出回路
Idp プラズマ溶接電流検出信号
Ii 初期電流
IIR 初期電流設定回路
Iir 初期電流設定信号
Ip ピーク電流
IPR ピーク電流設定回路
Ipr ピーク電流設定信号
Ir 電流設定信号
Irc パルス電流設定信号
Iwm ミグ溶接電流
Iwp プラズマ溶接電流
Iwpc 定常プラズマ溶接電流値
IWPR プラズマ溶接電流設定回路
Iwpr プラズマ溶接電流設定信号
La (ミグアークの)アーク長
LD 第1基準距離到達判別回路
Ld 第1基準距離到達判別信号
Lp プラズマ電極・母材間距離
Lt1 第1基準距離
LT1R 第1基準距離設定回路
Lt1r 第1基準距離設定信号
Lt2 第2基準距離
MD ミグアーク発生判別回路
Md ミグアーク発生判別信号
PM 電源主回路
PSM ミグ溶接電源
PSP プラズマ溶接電源
SD 短絡判別回路
Sd 短絡判別信号
ST 溶接開始回路
St 溶接開始信号
SWF 後退送給速度設定切換回路
SWI 電流設定切換回路
SWP パルス電流設定切換回路
Tb ベース期間
Tf パルス周期(信号)
TP ピーク期間タイマ回路
Tp ピーク期間(信号)
TPR ピーク期間設定回路
Tpr ピーク期間設定信号
VAV 電圧平均値算出回路
Vav 電圧平均値信号
Vb ベース電圧
VD 電圧検出回路
Vd 電圧検出信号
VF 電圧/周波数変換回路
Vp ピーク電圧
VR 電圧設定回路
Vr 電圧設定信号
Vt1 基準電圧値
Vwm ミグ溶接電圧
Vwp プラズマ溶接電圧
WM 送給モータ
WT 溶接トーチ
α 基準比率
Claims (3)
- 溶接トーチを通して送給される溶接ワイヤと母材との間にピーク期間中のピーク電流及びベース期間中のベース電流を1パルス周期とするミグ溶接電流を通電することによってミグアークを発生させると共に、前記溶接ワイヤを囲むように配置されているプラズマ電極と前記母材との間にプラズマ溶接電流を通電することによってプラズマアークを発生させるプラズマミグ溶接にあって、
溶接開始に際して、前記プラズマ電極と前記母材との間に無負荷電圧を印加すると共に、前記溶接ワイヤを前進送給して前記母材と一旦接触させた後に後退送給して引き離すことによって直流電流が通電する初期ミグアークを発生させ、前記後退送給を継続し前記初期ミグアークのアーク長を次第に長くして前記プラズマ電極と前記母材との間の空間にプラズマ雰囲気を形成することによって前記プラズマ溶接電流が通電する前記プラズマアークを発生させ、このプラズマアークが発生すると前記溶接ワイヤを再前進送給に切り換えると共に前記ピーク電流及び前記ベース電流から形成される前記ミグ溶接電流を通電して定常ミグアークへと移行させる、プラズマミグ溶接のアークスタート制御方法において、
前記後退送給の送給速度を、前記初期ミグアークのアーク長が予め定めた第1基準距離に達するまでは予め定めた第1後退送給速度に設定し、それ以降は予め定めた第2後退送給速度に設定し、前記第1後退送給速度を前記第2後退送給速度よりも高速に設定し、
前記第1基準距離を、前記プラズマ電極と前記母材との距離に予め定めた基準比率を乗じた値、又は、前記プラズマ電極と前記母材との距離から予め定めた第2基準距離を減算した値として設定する、
ことを特徴とするプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法。 - 前記初期ミグアークのアーク長が前記第1基準距離に達したことを、初期ミグアークが発生した時点からの前記第1後退送給速度による後退送給距離が前記第1基準距離に達したことによって判別する、
ことを特徴とする請求項1記載のプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法。 - 前記初期ミグアークのアーク長が前記第1基準距離に達したことを、ミグ溶接電圧が予め定めた基準電圧値に達したことによって判別する、
ことを特徴とする請求項1記載のプラズマミグ溶接のアークスタート制御方法。
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