JP5919399B2 - アークの開始前にワイヤをパルス駆動することを伴うアーク溶接プロセスを開始するための装置及び方法 - Google Patents

アークの開始前にワイヤをパルス駆動することを伴うアーク溶接プロセスを開始するための装置及び方法 Download PDF

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Description

本発明は、溶接に関連する、より具体的には、アーク溶接プロセスを開始することに関連する、装置、システム、及び方法に関する。
溶接アプリケーションを開始するとき、溶接電極(又はフィラーワイヤ)は、電極がワークピースと接触する場合に飛び散る傾向がある。これは典型的には、接触が電極とワークピースとの間でなされた時点で溶接電流が開始されるために生じる。このスパッタは溶接接合部における欠陥を生じさせ得る。
この背景に対して、アーク開始方法を改良することを目的とする。
この課題は、請求項1による溶接の方法によって及び請求項15による溶接システムによって、解決される。さらなる実施形態は従属請求項の主題である。本発明の例示的な実施形態は、溶接システム及び溶接方法であり、方法は溶接されることになる少なくとも1つのワークピースに向かって電極を前進させるステップを含み、前進は、第1の前進率と第2の前進率との間でパルス駆動され、第1の前進率は第2の前進率より高い。検知電圧が電極に供給され、接触が電極と少なくとも1つのワークピースとの間で検出される。次に、少なくとも1つのワークピースからの電極の分離が検出される。分離後、電極のパルス駆動が停止され、電極は、少なくとも1つのワークピースに向かって第1の固定速度で前進させられ、分離後、溶接電流が、少なくとも1つのワークピースを溶接するために電極に供給される。
本発明の上述の及び/又は他の態様は、添付の図面を参照して本発明の例示的な実施形態を詳細に記載することによって、より明らかになるであろう。
本発明の例示的な実施形態による溶接システムの図式的表示である。 本発明の様々な実施形態による溶接開始動作の図式的表示である。 本発明の様々な実施形態による溶接開始動作の図式的表示である。 本発明の様々な実施形態による溶接開始動作の図式的表示である。 本発明の様々な実施形態による溶接開始動作の図式的表示である。
本発明の例示的な実施形態が添付の図面を参照して以下に記載される。記載された例示的な実施形態は、本発明の理解を助けることを意図し、本発明の範囲を如何なる方法においても限定することを意図するものではない。同様の参照数字は、全体を通して同様の要素を示す。
図1は、本発明の実施形態による例示的な溶接システム100を描く。システム100は、溶接電源101、ワイヤ送給機構103、及び電圧、電流、又は両方を検出することができる検出回路115を有する。溶接電源101は、グランド接続部111を通じてワークピースWに及びリード線113を通じてワイヤ送給装置103に結合される。リード線111及び113は、それぞれ負及び正として示されるが、電源101はAC又は逆の極性の溶接も行うことができるので、これは、本発明の実施形態をDC溶接に限定することを意図するものではないことが留意される。ワイヤ送給機構103は、溶接信号をリード線113から溶接トーチ105に供給するためにリード線(図示せず)を使用する。溶接信号は、溶接トーチ105から溶接電極107に伝えられる。溶接電極107は、ソース109からワイヤ送給機構のローラ104を経由して引き出される。
例示的な実施形態では、検出回路115は、溶接電極105とワークピースWとの間の電圧を検知するために、トーチ105に結合されたリード線117及びワークピースWに結合されたリード線119を使用し、システムは、電流を検知するためにリード線111及び113を使用する。このような電流及び電圧検知回路は、一般的に知られている。他の実施形態では、電流はまた、回路115によって検知されることができる。検知された電流及び/又は電圧は、リード線123を通じて溶接電源101に伝達され、制御リード線121はワイヤ送給機構103を電源101に結合する。もちろん、リード線111/113が電流を検知するために使用される場合、電源101は電流を直接検知する。回路115は、電極107とワークピースWとの間のリアルタイム電圧及び/又は電流を検出することができる任意の種類の回路であることができ、電源101又はワイヤ送給機構103に一体にされることができる。回路115は、明確さのために図1では分離した構成要素として描かれているが、システム100の分離した構成要素である必要はない。実際、回路115は、溶接信号を制御するために使用されるリアルタイム溶接電流及び/電圧を検出するために電源101によって使用される同じ回路であることができる。リード線123は、回路115から電源101にフィードバック情報を伝え、リード線12は、ワイヤ送給機構103及び電源101が、ワイヤ送給及び溶接作業を必要に応じて制御するために、互いに通信することを可能にする。
また図1に示されるように、幾つかの実施形態では、ロボット式又は半自動移動装置125が、溶接中にトーチ105を動かすとともに位置決めする。他の例示的な実施形態では、トーチ105の位置決めは、ユーザによる半自動溶接作業によるものであることができ、ロボット式溶接装置である必要はない。図示された実施形態では、装置125は、システムコントローラ127に記憶されたプログラムにしたがって、トーチ105を位置決めし、トーチ105及び/又はワークピースWの運動を制御する。ロボット式又は半自動溶接システムのこのような構成要素は一般的に知られており、ここでは詳細に記載する必要はない。図示されるように、システムコントローラ127は、溶接の前に及び/又は溶接中に溶接電源101及びワイヤ送給機構103の動作を制御するために、溶接電源101及びワイヤ送給機構103に結合されることができる。さらに、回路115からのフィードバックが、以下に記載されるように全体的な溶接作業を制御するためにシステムコントローラ127に直接提供されることができる。
前に述べたように、初期溶接アークが作られるとき、スパッタが作られ得るので、溶接作業の開始は難しくなり得る。上述の例示的なシステム100を用いる、以下の方法は、如何なる著しいスパッタも作ることなしに溶接作業の開始を可能にする。図2から5は、本発明の例示的な実施形態にしたがってアーク溶接作業を開始するための様々な方法を描く。
図2に示されるように、溶接作業の初めに、電源101は、検知電圧V1をワイヤ107に供給するとともに調整している。本発明の例示的な実施形態では、電圧V1は少なくとも10ボルトである。さらなる例示的な実施形態では、電圧V1は少なくとも15ボルトであり、また追加的な実施形態では、電圧V1は15から60ボルトの間である。もちろん、他の値が、本発明の精神又は範囲から逸脱することなしに、用いられることができる。電極107とワークピースWとの間に接触及びアークが無いので、電流は無い。さらに(ステップ1において)電極107が、ワークピースWに向かってパルス駆動される方法で前進する。すなわち、電極107は、期間Tの間に第1の速度S1で前進し、次に期間T’の間に第2の速度で前進する。幾つかの実施形態では、時間T及びT’は同じであり得る一方、他の例示的な実施形態では、時間Tは持続時間がより長く、さらなる例示的な実施形態では、時間T’は持続時間がより長い。このパルス駆動は、いくつかの異なる方法で達成されることができる。例えば、ワイヤ送給装置103は、時間Tの間は速度S1でワイヤを送給することができ、次に時間T’の間は送給を停止することができるが、初期パルス駆動の後、ワイヤの中に存在している多少の圧縮力があるので、ワイヤ107が弛緩するとき、ワイヤ107は依然として速度S2で前進する。代替的には、T’の間、ワイヤ送給装置103は単純に、ワイヤ107を第2の速度S2で送給することができる。したがって、幾つかの例示的な実施形態では、ワイヤ送給機構103は、ワイヤ送給機構103を始動及び停止することによって、ワイヤ送給をパルス駆動する一方、他の例示的な実施形態では、パルス駆動は、ワイヤ送給装置103によるある送給速度から他の送給速度であることができる。したがって、例えば、送給パルスの間、電極107の送給の速度は、期間Tの間は第1のレベルS1であり、次に時間T’の間は第2の速度S2であり、この第2速度S2は速度S1より小さい。電極107は、電極がワークピースWと接触するように、ワイヤ送給機構103によって送給/パルス駆動される(ステップ2)。電極107のパルス駆動は、期間Tの間は設定速度S1で電極を送給することを含む、幾つかの異なる方法で制御されることができる、又はワイヤ送給機構は、設定率S1で、各パルス駆動の間設定された距離電極107を前進させることによって、制御されることができる。接触が成されているので、電極107とワークピースWとの間の電圧は、略ゼロに低下し、電流が流れ始める。
ワイヤ107がワークピースWと接触するとき(ステップ2)、検出回路115は、電流の流れ及び/又は接触レベルVcへの電圧の低下を検出し、電源101及び/又はシステムコントローラ127へのそのフィードバックを提供する。幾つかの例示的な実施形態では、電圧接触レベルVcは、2ボルトに設定されるので、電圧が2ボルト、又はそれより下に達するとき、コントローラ127及び/又は電源101は、接触がなされていることを決定する。本発明の他の例示的な実施形態では、電圧接触レベルVcは、1ボルトに設定されることができる。もちろん、他の値が、本発明の精神又は範囲から逸脱することなしに、用いられることができる。
今や接触がなされているので、第1の電流C1がワイヤ107を通ってワークピースWに供給され、この第1の電流C1はアーク溶接電流レベルより小さい。すなわち、電流レベルC1は、小さいアークがワイヤ107とワークピースWとの間に作られることができるが、電流はアーク溶接が始まるほど高くないようなレベルである。本発明の例示的な実施形態では、電流レベルC1は、20アンペア以下である。本発明の他の例示的な実施形態では、電流レベルC1は、10アンペア以下である。更なる実施形態では、電流レベルC1は、10から20アンペアの範囲にある。もちろん、他の値が、本発明の精神又は範囲から逸脱することなしに、用いられることができる。
幾つかの実施形態では、いったん接触がなされると、電源101は、電流レベルC1を調整するために、電圧調整モード(ワイヤ107の接触より前にワイヤ電圧C1を調整するために使用される)から電流調整モードに切り替わる。このような調整回路は知られており、ここで詳細に記載される必要はない。他の例示的な実施形態では、電源101は、電流C1が所望のレベルC1に保たれることを確実にする電流制限能力を持つ電圧調整技術を使用し続けることができる。
接触後(ステップ3に示されるように)ワイヤ107は跳ね返る(リバウンドする)。別の言い方をすれば、ワイヤ送給動作のパルス駆動の性質のため、ワイヤ107は基本的に、ワイヤがワークピースWと接触した後、ワークピースWから跳ね返る。この跳ね返り又は反発は、ワイヤ107のパルス駆動に起因するワイヤ107の固有の屈曲のために生じる。すなわち、ワイヤ107はパルス駆動されるので、ワイヤはワイヤ供給システム内で繰り返し圧縮及び弛緩されている。ワイヤ107の跳ね返り又は反発は、ワイヤ107とワークピースWと間の接触を断つので、電圧は、リバウンド電圧レベルV2に再び上昇し始める。このリバウンド電圧レベルV2は、(電流が今流れているので)初期電圧レベルC1より小さく且つ接触電圧レベルVcより高い。例示的な実施形態では、リバウンド電圧レベルV2は少なくとも5ボルトである一方、他の例示的な実施形態では、リバウンド電圧レベルV2は少なくとも8ボルトである。さらなる実施形態では、リバウンド電圧レベルV2は5から8ボルトの範囲にある。もちろん、他の値が、本発明の精神又は範囲から逸脱することなしに、用いられることができる。さらに、リバウンド電圧レベルV2は、溶接用調整電圧レベルであってもよく又はそうでなくてもよい。
このリバウンド電圧レベルV2は、コントローラ127及び電源101の少なくとも一方に検出された電圧を伝える検出回路115によって検出され、電源101はこの情報を溶接作業を始めるために使用する。したがって、リバウンド電圧レベルV2が達成されるとき、電源101は溶接電流CWを供給し、この溶接電流CWは所望の溶接作業のために使用される電流であることができる。溶接電流CWは、電流C1より高い。本発明の幾つかの実施形態では、電流CWは、溶接作業のためのGMAWパルスタイプ溶接波形で使用されるような、バックグラウンド電流レベルと同じであることができる。例えば、GMAWパルス溶接波形が、60アンペアのバックグラウンドレベルを有して溶接のために使用されることになる場合、電流レベルCWは60アンペアに設定される。
加えて、リバウンド電圧V2の検出後、ワイヤ送給機構103は、ワイヤの送給のパルス駆動を停止するように且つ第2の速度S1’でワイヤを連続的に送給するように、信号を送られる。幾つかの例示的な実施形態では、第2の速度S1’は、初期速度S1と同じであることができるが、パルス駆動されない。加えて、これらの実施形態では、第2の速度S1’は、初期アーク201が作られるとともに安定化されることを可能にするように、期間T”の間使用され、その後ワイヤは、所望の溶接作業のための速度である溶接速度SWで送給される。初期アーク201は、基本的に最終的な溶接アークの開始であり、ワークピースW及び溶接のためのワイヤ107の少なくとも一方を溶かし始めるのに十分なエネルギを有する。ステップ5に示されるように、完全な溶接アーク203が存在し、溶接作業が生じている。代替実施形態では、第2の速度S1’は、速度S1より高く、溶接作業が実行されることになる速度(SW)であることができる。
ステップ5において、溶接アーク203は、完全に確立され、溶接作業は、所望の電流、電圧及びワイヤ送給速度レベルで、要望通り進行する。もちろん、溶接作業は、限定されるものではないが、パルス、非パルス、MIG、GMAW、SAW、FCAW等を含む、任意のタイプの溶接作業であることができる。本発明の実施形態は、溶接作業の間に用いられる溶接波形の種類によって限定されるものではない。
図3は、図2に示されたものと同様の他の例示的な開始方法を描く。しかし、この実施形態では、中間電流レベルC2が、反発(ステップ3)の後且つ溶接電流CWの開始より前に、開始される。この中間電流C2は、初期アーク201を確立するために使用され、初期電流C1より上且つ溶接電流CWより下のレベルである。この中間電流C2は、ワイヤが溶接速度SWようり小さく且つ初期パルス速度S1以上である速度S1’で送給される期間T”の間使用される。加えて、この実施形態では、ワイヤ107は、ワイヤ107が基本的にパルスの間停止するように、パルスの間の時間T’の間は送給されない。
図4は、図2に示されたものと同様の他の例示的な実施形態を描く。しかし、この実施形態では、ワイヤ送給速度は、リバウンド電圧V2及び/又は溶接電流CWが電源101によって達成された後、溶接ワイヤ送給速度レベルSWまで増加される。したがって、この実施形態では、中間ワイヤ送給速度S1’が無く、ワイヤ送給速度は、いったん反発が検出されると、溶接速度SWで送給される。
図5は、本発明の他の例示的な実施形態を描く。この場合もやはり、開始方法の多くの態様が他の図と同様である。しかし、この実施形態では、ワイヤ107は、接触が検出された後、ワイヤ送給装置103によって後退させられる。したがって、ワイヤ接触が検出された後、ワイヤ送給装置103は、ワイヤ107を後退させる又は逆方向に動かすように指示される。これは、幾つかの方法で達成されることができる。例えば、幾つかの実施形態では、ワイヤ送給装置103は、期間TRの間、逆転速度SRでワイヤ107を後退させるように指示されることができる。代替的には、ワイヤ送給装置103は、ワイヤ107を所定距離後退させるように指示されることができる。次に、ワイヤが後退させられるとともに適切な電圧及び/又は電流レベルが検出された後、溶接作業が開始できる。図5は、溶接電流CW及び溶接ワイヤ送給速度SWが、後退後に、達成されているが、図3に示された実施形態のように、中間電流及びワイヤ送給速度レベルが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなしに、用いられることができる。
本発明の例示的な実施形態では、システムコントローラ127及び/又は電源101によって実行される制御部、並びに使用される任意の他の制御電子装置は、高速制御電子装置である。高速制御電子装置の使用は、接触が電極107とワークピースWとの間でなされた後、アーク201の迅速な確立を確実にするよう、システムの迅速な制御を可能にする。本発明の例示的な実施形態では、システムコントローラ127は、電極107のワークピースWとの接触(ステップ2)とアーク201の開始(ステップ4)との間のタイミングが20から50μsの範囲であるように、電源101及びワイヤ送給機構103を制御する。他の実施形態では、タイミングは30から40μsの範囲である。このタイミングを用いて、従来のアーク開始方法とは異なり、アークが最小のスパッタ又はスパッタ無しで、すぐに確立されることができる。本発明の他の実施形態では、上述のタイミングは、電極107のワークピースWとの接触(ステップ2)と、ワイヤ送給機構が溶接ワイヤ送給速度SWで電極を送給することを開始する時間との間のタイミングである。
上述の実施形態では、システムコントローラ127及び/又は電源101は、開始方法を制御するために検出された電圧及び/又は電流レベルを用いている。しかし、他の例示的な実施形態は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなしに、他の検出方法を使用することができる。例えば、本発明の実施形態は、上述の電圧及び電流検出それぞれの代わりに、電圧変化の速度dv/dt及び電流変化の速度di/dtをモニタすることができる。すなわち、電圧及び/又は電流の変化の速度をモニタすることによって、コントローラ127及び電源101は、上述の開始方法を実行することができる。このような実施形態は、上述の同じ方法論が用いられるように、電圧及び/又は電流予測回路を使用することができる。このような回路タイプの構成及び利用は、一般的に知られており、ここに詳細に記載される必要はない。
本発明は特にその例示的な実施形態を参照して図示されるとともに説明されているが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。形態及び詳細における様々な変更が、以下の特許請求の範囲によって定められる本発明の精神及び範囲から逸脱することなしに、行われ得ることは、当業者によって理解されるであろう。
100 溶接システム
101 電源
103 送給機構
105 溶接トーチ
107 電極/ワイヤ
111 グランド接続部
113 リード線
115 検出回路
117 リード線
119 リード線
121 制御リード線
123 リード線
125 装置
127 コントローラ
201 初期アーク
203 溶接アーク
C1 電流
C2 電流
CW 電流
i 電流
S1 速度
S1’ 速度
S2 速度
SR 速度
SW 速度
t 時間
T 時間
T’ 時間
T” 時間
TR 時間
v 電圧
V1 電圧
V2 電圧
Vc 接触レベル
W ワークピース

Claims (18)

  1. 溶接されることになる少なくとも1つのワークピースに向かって電極を前進させるステップであって、前記前進は第1の前進率と第2の前進率との間でパルス駆動され、前記第1の前進率は前記第2の前進率より高い、ステップ;
    検知電圧を前記電極に初期電圧で供給するステップ;
    前記電極と前記少なくとも1つのワークピースとの間の接触を検出するステップ;
    前記初期電圧より低いリバウンド電圧を検出することによって、前記少なくとも1つのワークピースからの前記電極の分離を検出するステップ;
    前記分離の検出後、前記電極の前記パルス駆動を停止するステップ;
    前記パルス駆動の前記停止するステップの後、前記電極を前記少なくとも1つのワークピースに向かって第1の固定速度で前進させるステップ;及び
    前記分離の前記検出後、前記少なくとも1つのワークピースを溶接するために前記電極に溶接電流を供給するステップ;を有し、
    前記電極は、第1の期間の間に前記第1の固定速度で前進させられ、前記第1の期間後に前記電極は、前記第1の固定速度とは異なる第2の固定速度で前進させられ、
    前記分離の前記検出後、前記溶接電流が前記電極に供給される前に中間電流が前記電極に供給され、前記中間電流は前記溶接電流より小さい、
    溶接の方法。
  2. 前記前進は、第1の期間、前記第1の前進率で、及び第2の期間、前記第2の前進率でパルス駆動され、前記第1及び前記第2の期間は同じではない、
    請求項1に記載の方法。
  3. 前記検知電圧は少なくとも10ボルトである、
    請求項1に記載の方法。
  4. 前記電極と前記少なくとも1つのワークピースとの間の前記接触の前記検出するステップは、前記電極と前記少なくとも1つのワークピースとの間の電圧を検出するステップ及び前記電極と前記少なくとも1つのワークピースとの間の電流を検出するステップの少なくとも一方を含む、
    請求項1に記載の方法。
  5. 前記電極と前記少なくとも1つのワークピースとの間の前記接触の前記検出するステップは、いつ前記電極と前記少なくとも1つのワークピースとの間の接触電圧が、接触電圧レベル以下になるかを決定することを含む、
    請求項1に記載の方法。
  6. 前記接触電圧レベルは2ボルト以下である、
    請求項5に記載の方法。
  7. 前記接触の前記検出後、接触後電流を前記電極に供給するステップをさらに有し、前記接触後電流は、前記溶接電流より小さい、
    請求項1に記載の方法。
  8. 前記接触後電流は20アンペア以下である、
    請求項7に記載の方法。
  9. 前記分離の前記検出は、前記電極と前記少なくとも1つのワークピースとの間の電圧をモニタするステップを含み、前記分離は、前記電圧がリバウンド電圧レベルに達する又は超えるとき、決定される、
    請求項1に記載の方法。
  10. 前記リバウンド電圧レベルは前記検知電圧未満である、
    請求項に記載の方法。
  11. 前記リバウンド電圧は少なくとも5ボルトである、
    請求項9に記載の方法。
  12. 前記第2の固定速度は、前記第1の固定速度より早い、
    請求項1乃至11のいずれか1項に記載の方法。
  13. 前記電極の前記第1の固定速度は、前記電極の前記第1の前進率と同じである、
    請求項1に記載の方法。
  14. 前記接触の前記検出後前記分離が検出されるまで、前記電極に接触後電流を供給するステップをさらに有し、前記中間電流は、前記接触後電流より大きく且つ前記溶接電流より小さい、
    請求項1に記載の方法。
  15. 前記接触の検出後、逆転期間の間、前記電極の方向を逆転させるステップをさらに有する、
    請求項1に記載の方法。
  16. 前記第1の固定速度は、前記電極のための溶接速度である、
    請求項1に記載の方法。
  17. 記中間電流は、前記第1の期間の間供給され、前記第1の期間の後、前記電極は、前記第2の固定速度で供給され、前記溶接電流が供給される、
    請求項1に記載の方法。
  18. 検知電圧を溶接電極に初期電圧で供給する電源;
    前記溶接電極を少なくとも1つのワークピースに向かって前進させるワイヤ送給機構;及び
    前記溶接電極と前記少なくとも1つのワークピースとの間の電圧及び電流の少なくとも一方を検出する検出回路;を有し、
    前記ワイヤ送給機構は、複数のワイヤ送給速度パルスを使用して前記溶接電極を前進させ、前記パルスは、第1の期間に対する第1のワイヤ送給速度率及び第2の期間に対する第2のワイヤ送給速度率を有し;
    前記検出回路は、前記溶接電極と前記少なくとも1つのワークピースとの間の接触を検出するとともに、前記初期電圧より低いリバウンド電圧を検出することによって、前記溶接電極及び前記少なくとも1つのワークピースの分離を検出し;
    前記検出回路が前記分離を検出した後、前記ワイヤ送給機構は、前記溶接電極を第1の固定速度で前進させ、前記電源は、溶接電流を前記溶接電極に供給し、
    前記ワイヤ送給機構は、
    第1の期間の間に前記第1の固定速度で前記溶接電極を前進させ、前記第1の期間後に
    前記ワイヤ送給機構は、前記第1の固定速度とは異なる第2の固定速度で前記溶接電極を前進させ、
    前記検出回路が前記分離を検出した後、前記電源は、前記電源が前記溶接電流を前記溶接電極に供給する前に中間電流を前記溶接電極に供給し、前記中間電流は前記溶接電流より小さい、
    溶接システム。
JP2014559305A 2012-03-02 2013-02-26 アークの開始前にワイヤをパルス駆動することを伴うアーク溶接プロセスを開始するための装置及び方法 Expired - Fee Related JP5919399B2 (ja)

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