JP6019420B2 - アーク溶接制御方法およびアーク溶接装置 - Google Patents

Description

本開示は、消耗電極である溶接ワイヤと被溶接物である母材との間でアークを発生させて溶接を行うアーク溶接制御方法およびアーク溶接装置に関する。

図５は、短絡を伴う従来のアーク溶接制御方法における出力波形を示す図である。上から順番に溶接電流Ａｗ、溶接電圧Ｖｗ、溶接電圧指令値Ｖａについての時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。

図５において、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間は溶接ワイヤと母材との間でアークが発生しているアーク期間、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間は溶接ワイヤと母材とが短絡している短絡期間である。アーク期間において、短絡後のアーク発生から所定時間の間、所定の減衰傾度で低下させた溶接電圧指令値Ｖａを用いて溶接を行う。これにより、出力電圧が溶接電圧指令値通りに低下するので、チップの先端からの溶接ワイヤの突出長さが長くなる場合においても、アーク期間が長くならずに短時間で短絡状態へ移行できる。

また、短絡回数が異なる溶接電流値に応じて、前記所定時間及び前記減衰傾度を変化させて溶接を行う。これにより、出力電圧が溶接電圧指令値通りに低下するので、突出長さが長くなる場合においても、アーク期間が長くならずに短時間で短絡状態へ移行できる。

上述したように、アーク期間において、溶接電流に応じて、溶接電圧指令値の減衰傾度及び前記減衰傾度をつける所定時間を変化させることにより、突出し長さが長くなる場合でも安定した溶接をすることができる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２４８５７３号公報

本開示のアーク溶接制御方法は、短絡期間とアーク期間を繰り返してアーク溶接を行うアーク溶接制御方法であって、アーク期間中に、溶接出力に関連するインダクタンスの値を溶接電流の電流領域に対応して変更する。そしてアーク期間の開始時から所定時間は第１のインダクタンスの値で、所定時間の経過後は第１のインダクタンス値よりも低い第２のインダクタンスの値に変更して電圧制御を行い、アーク期間には、インダクタンスの値を複数回変更するものである。

また、本開示のアーク溶接装置は、短絡期間とアーク期間を繰り返してアーク溶接を行うアーク溶接装置であって、入力した電力を整流する一次側整流部と、一次側整流部の出力を交流に変換するスイッチング部と、スイッチング部の出力を降圧する主変圧部と、主変圧部の出力を整流する二次側整流部及びリアクトルとを備える。さらにスイッチング部を制御する駆動部と、溶接電圧を検出する溶接電圧検出部と、溶接電流を検出する溶接電流検出部と、溶接電圧検出部の出力に基づいて短絡状態かアーク状態かを検出する短絡／アーク検出部と、短絡／アーク検出部の出力に基づいて前記短絡期間の溶接出力の制御を行う短絡制御部とを備える。さらに短絡／アーク検出部の出力に基づいてアーク期間の溶接出力の制御を行うアーク制御部と、アーク期間の開始からの経過時間を計時する計時部と、インダクタンスの値を制御する電子リアクトル制御部と、を備える。そして、アーク期間中に、溶接出力に関連するインダクタンスの値を溶接電流の電流領域に対応して変更し、アーク期間の開始時から所定時間は第１のインダクタンスの値で、所定時間の経過後は第１のインダクタンス値より低い第２のインダクタンス値に変更して電圧制御を行うものである。

図１は、本開示の実施の形態１におけるアーク溶接制御方法による出力波形を示す図である。 図２は、本開示の実施の形態１におけるアーク溶接制御方法による出力波形を示す図である。 図３Ａは、本開示の実施の形態１におけるアーク溶接制御方法によるアーク長変化を示す図である。 図３Ｂは、従来のアーク溶接制御方法によるアーク長変化を示す図である。 図４は、本開示の実施の形態１におけるアーク溶接装置の概略構成を示す図である。 図５は、従来のアーク溶接制御方法による出力波形を示す図である。

従来のアーク溶接制御方法においては、溶接電圧指令値のみを変化させるので、溶接ワイヤの突出し長さが急に変化した場合にアークが不安定になり、安定状態に復帰するまでの時間が長いという課題を有していた。また、インダクタンスの値はアーク溶接装置内のリアクトルで決まるため、低電流から高電流までの全領域で、アークを安定させることが難しかった。

（実施の形態１）
以下、本開示の実施の形態について、図１から図４を用いて説明する。

先ず、本実施の形態のアーク溶接制御方法を行うアーク溶接装置について、図４を用いて説明する。図４は、アーク溶接装置２１の概略構成を示す図である。アーク溶接装置２１は、消耗電極である溶接ワイヤ１７と母材２０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２１の溶接電源１５は、主変圧部２と、一次側整流部３と、スイッチング部４と、リアクトル５と、二次側整流部６と、溶接電流検出部７と、溶接電圧検出部８と、短絡／アーク検出部９と、出力制御部１０を有している。出力制御部１０は、短絡制御部１１とアーク制御部１２を有している。アーク制御部１２は、電子リアクトル制御部１３と計時部１４を有している。

一次側整流部３は、溶接電源１５の外部にある入力電源１から入力した入力電圧を整流する。スイッチング部４は、一次側整流部３の出力を溶接に適した出力に制御する。主変圧部２は、スイッチング部４の出力を溶接に適した出力に変換する。二次側整流部６は、主変圧部２の出力を整流する。リアクトル５は、二次側整流部６の出力を溶接に適した電流に平滑する。なお、リアクトル５は直流リアクトルであり、インダクタンスの値は固定である。溶接電流検出部７は、溶接電流を検出する。溶接電圧検出部８は、溶接電圧を検出する。短絡／アーク検出部９は、溶接電圧検出部８の出力に基づいて、溶接状態が、溶接ワイヤ１７と母材２０とが短絡している短絡状態であるのか、溶接ワイヤ１７と母材２０との間でアーク１９が発生しているアーク状態であるのかを判定する。出力制御部１０は、スイッチング部４に制御信号を出力して溶接出力を制御する。短絡制御部１１は、短絡／アーク検出部９が短絡状態であると判定した場合に、短絡期間の溶接電流である短絡電流の制御を行う。アーク制御部１２は、短絡／アーク検出部９がアーク状態であると判定した場合に、アーク期間の溶接電流であるアーク電流の制御を行う。またアーク制御部１２は、電子リアクトル制御部１３と計時部１４を有し、電子リアクトル制御部１３によりインダクタンスの値を変更する回数及びインダクタンスの値が決められ、計時部１４によりインダクタンスの値を出力する時間が決められる。

また、溶接ワイヤ１７は、ワイヤ送給モータ１６により母材２０の方向に出力され、チップ１８を介して給電され、溶接ワイヤ１７と母材２０との間にアーク１９を発生させて溶接を行う。

次に、以上のように構成されたアーク溶接装置２１の動作について、図１を用いて説明する。図１において、時刻ｔ１はアークが発生した時点を示しており、時刻ｔ２は短絡が発生した時点を示しており、時刻ｔ３は短絡が開放してアークが再発生した時点を示している。また、点線で示された波形は従来の制御による電流波形である。時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間がアーク期間Ｔａであり、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間が短絡期間である。アーク期間Ｔａは時刻ｔ１でアークが発生した時点から電圧制御を行い、時刻ｔ２で次の短絡が発生するまでの期間は電圧制御を継続する。時刻ｔ２から時刻ｔ３の短絡期間中、短絡制御部１１は、溶接ワイヤ１７が母材２０に形成される溶融プールと短絡している状態を解放させる短絡開放のための溶接電流を溶接ワイヤ１７に供給する。なお、短絡期間は電流制御が行われる。

図１において、時刻ｔ１から時刻ｔ２までのアーク期間Ｔａの制御について説明する。時刻ｔ１から時刻ｔ４までの期間と、時刻ｔ４から次の短絡が発生する時点である時刻ｔ２までの期間とでは、異なるインダクタンスの値で制御する。これにより、特に手溶接時には手振れ等により突出し長さの変動が発生し易い場合や、チップ１８からの溶接ワイヤ１７の突出し長さの急な変化や母材２０の状態などによって生じる磁気吹き等の外乱があった場合でも、アンダーシュート等の電流波形の変化を小さくすることができ、外乱に強いアーク溶接を実現することができる。さらに、電流変化が小さく、短絡周期が安定しているため、アークが乱れた際に発生するスパッタ量を低減することができる。従来の制御の場合、アーク期間Ｔａの電流がアンダーシュートすると、アーク期間Ｔａの時間が長くなり、溶接ワイヤの先端の溶滴が大きくなり、短絡を解放させるのに高い電流が必要となってくるため、短絡期間の時間も長くなり、短絡周期の乱れが生じていた。なお、時刻ｔ１から時刻ｔ４までの期間中のインダクタンスの値を第１のインダクタンス、時刻ｔ４から時刻ｔ２までの期間中のインダクタンスの値を第２のインダクタンスと呼ぶ。なお、時刻ｔ１から時刻ｔ４までの間において第１のインダクタンスで制御される時間を第１の所定時間と呼ぶ。インダクタンスの値は電子リアクトル制御部１３により変更可能に決められ、所定時間は計時部１４により決められる。

アーク期間中は電圧制御にて定電圧制御を行い、時刻ｔ１から時刻ｔ４までの期間中の第１の所定期間で第１のインダクタンスにて、スパッタの発生の抑制を行い、第１の所定時間経過後の時刻ｔ４から時刻ｔ２までの期間中で第２のインダクタンスにて安定した溶滴形成とアンダーシュートの抑制を行う。

なお、短絡期間は、短絡期間でのインダクタンスに切替えて、電流制御を行い、溶滴離脱を安定させ短絡開放を安定させるように、短絡開放に向かう一つ以上の一定の増加傾きにて溶接電流を電流制御する定電流制御を行う。

また、電子リアクトル制御部で決められるインダクタンスの値は、図２に示すように３回以上の複数回で制御してもよい。図２において、時刻ｔ５から時刻ｔ６までの期間と、時刻ｔ６から時刻ｔ７までの期間と、時刻ｔ７から次の短絡が発生する時点である時刻ｔ８までの期間とでは、異なるインダクタンスの値で制御する。これにより、徐々に電流を安定して小さくすることが可能で、外乱が発生した際の電流の変化がより小さくなり、２つのインダクタンスの値で制御する時よりも、安定したアークを実現することができる。なお、時刻ｔ５から時刻ｔ６までの期間中のインダクタンスの値を第１のインダクタンス、時刻ｔ６から時刻ｔ７までの期間中のインダクタンスの値を第２のインダクタンス、時刻ｔ７から時刻ｔ８までの期間中のインダクタンスの値を第３のインダクタンスと呼ぶ。なお、時刻ｔ５から時刻ｔ６までの第１のインダクタンスで制御される時間を第１の所定時間、時刻ｔ６から時刻ｔ７までの第２のインダクタンスで制御される時間を第２の所定時間と呼ぶ。インダクタンスの値は電子リアクトル制御部１３により決められ、所定時間は計時部１４により決められる。

アーク期間に、インダクタンスの値を変更して制御する理由について、図３Ａおよび図３Ｂを用いて説明する。図３Ａおよび図３Ｂは、段差のある母材２０を溶接した際のアーク長（Ｌ１〜Ｌ３）の変化を示した図である。段差を下るとチップ１８からの溶接ワイヤ１７の突出長さが変化し、アーク不安定になり、安定状態に復帰するのに時間がかかる傾向がある。図３Ａは本開示のアーク溶接制御によるもの、図３Ｂは従来のアーク溶接制御によるものを示している。段差を下る前のアーク長をＬ１とし、段差を下った後のアーク長がＬ１に戻るまでの時間を比較する。また、段差を下った直後の時点をＴａとし、その後の時点をＴｂ、Ｔｃ、Ｔｄとする。なお、時点Ｔａから時点Ｔｂまでの時間、時点Ｔｂから時点Ｔｃまでの時間、時点Ｔｃから時点Ｔｄまでの時間は同じとする。図３Ａにおいて、段差を下った直後の時点Ｔａでのアーク長はＬ１からＬ２に長くなる。その後、時点Ｔｂでアーク長はＬ２からＬ１に戻る。この時にかかった時間をＴ１とする。図３Ｂにおいて、段差を下った直後の時点Ｔａでのアーク長はＬ１からＬ３に長くなる。その後、時点Ｔｄでアーク長はＬ３からＬ１に戻る。この時にかかった時間をＴ２とする。なお、アーク長の長さは、Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３の順に長くなっている。このように、アーク期間のインダクタンスの値を変更して制御することにより、従来の制御と比較して、段差を下った直後のアーク長の変化を小さくすることができ、さらに、変化したアーク長が元のアーク長に復帰するまでの時間を約１／３にすることができる。

なお、インダクタンスの値は、溶接電流の設定電流、あるいは設定ワイヤ送給速度により、テーブルあるいは数式で決められるので、溶接電流の電流域に対応するように、電流域毎に適正なインダクタンスの値を設定することが可能である。例えば、１５０Ａ以下の低電流域では、インダクタンスの値を小さくした方がよく、２５０Ａ以上の高電流域では、インダクタンスの値を大きくした方がよい。インダクタンスの値は実験等により決められ、例えば、アーク期間Ｔａにおいて、徐々に溶接電流の波形の傾斜を小さくするように第２のインダクタンスの値は第１のインダクタンスの値よりも小さい値で制御する。

上述のように、アーク期間中に、溶接出力に関連するインダクタンスの値を溶接電流の電流領域に対応して変更し、アーク期間の開始時から所定時間は第１のインダクタンスの値で、所定時間の経過後は第１のインダクタンス値よりも低い第２のインダクタンスの値に変更して電圧制御を行い、アーク期間には、インダクタンスの値を複数回変更する。

このようにして、アンダーシュート等の電流変化を抑制し、溶接ワイヤの突出長さが急に変化した場合でも安定したアーク状態を維持することができる。

なお、アーク期間Ｔａにおける溶接出力に関連するインダクタンスの値は、リアクトル５のインダクタンスの値と、電子リアクトル制御部で決められるインダクタンスの値との加算値となる。

以上のように、本実施の形態のアーク溶接制御方法およびアーク溶接装置によれば、電流域に応じてアーク期間のインダクタンスの値を複数回変更する。これにより、アーク期間中に、インダクタンスの値を変更することにより、溶接ワイヤの突出し長さが急に変化した場合でも安定したアーク状態を維持することができ、また、全領域でアークを安定させることができる。

また、外乱が起こった際のアンダーシュート等の電流変化を抑制し、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとの周期が安定し一定に保たれて、外乱に強くスパッタ発生量の少ない溶接を実現することができる。さらに、溶接電流の電流域に応じて、インダクタンスの値を選定できるので、低電流から高電流までの全電流域において、アークの安定性を高めることができる。

本開示によれば、アーク期間中にインダクタンスの値を変更することにより、低スパッタ及びアークの安定性の向上、高品位なビード外観を実現することができ、消耗電極である溶接ワイヤと被溶接物である母材との間でアークを発生させて溶接を行うアーク溶接制御方法やアーク溶接装置として産業上有用である。

１ 入力電源
２ 主変圧部（トランス）
３ 一次側整流部
４ スイッチング部
５ リアクトル
６ 二次側整流部
７ 溶接電流検出部
８ 溶接電圧検出部
９ 短絡／アーク検出部
１０ 出力制御部（駆動部）
１１ 短絡制御部
１２ アーク制御部
１３ 電子リアクトル制御部
１４ 計時部
１５ 溶接電源
１６ ワイヤ送給モータ
１７ 溶接ワイヤ
１８ チップ
１９ アーク
２０ 母材
２１ アーク溶接装置

Claims (4)

1. 短絡期間とアーク期間を繰り返してアーク溶接を行うアーク溶接制御方法であって、
   前記アーク期間中に、溶接出力に関連するインダクタンスの値を溶接電流の電流領域に対応して変更し、前記アーク期間の開始時から所定時間は第１のインダクタンスの値で、前記所定時間の経過後は第１のインダクタンス値よりも低い第２のインダクタンスの値に変更して電圧制御を行い、
   前記アーク期間には、前記インダクタンスの値を複数回変更するアーク溶接制御方法。
2. 電子リアクトル制御により、前記インダクタンスの値を変更する請求項１記載のアーク溶接制御方法。
3. 前記インダクタンスの値は、アーク溶接装置のリアクトルのインダクタンスの値と、電子リアクトルのインダクタンスの値との加算値である請求項１または２に記載のアーク溶接制御方法。
4. 短絡期間とアーク期間を繰り返してアーク溶接を行うアーク溶接装置であって、
   入力した電力を整流する一次側整流部と、
   前記一次側整流部の出力を交流に変換するスイッチング部と、
   前記スイッチング部の出力を降圧する主変圧部と、
   前記主変圧部の出力を整流する二次側整流部及びリアクトルと、
   前記スイッチング部を制御する駆動部と、
   溶接電圧を検出する溶接電圧検出部と、
   溶接電流を検出する溶接電流検出部と、
   前記溶接電圧検出部の出力に基づいて短絡状態かアーク状態かを検出する短絡／アーク検出部と、
   前記短絡／アーク検出部の出力に基づいて前記短絡期間の溶接出力の制御を行う短絡制御部と、
   前記短絡／アーク検出部の出力に基づいて前記アーク期間の溶接出力の制御を行うアーク制御部と、
   前記アーク期間の開始からの経過時間を計時する計時部と、
   インダクタンスの値を制御する電子リアクトル制御部と、を備え、
   前記アーク期間中に、溶接出力に関連するインダクタンスの値を溶接電流の電流領域に対応して変更し、前記アーク期間の開始時から所定時間は第１のインダクタンスの値で、前記所定時間の経過後は第１のインダクタンス値より低い第２のインダクタンス値に変更して電圧制御を行うアーク溶接装置。

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