JP6023991B2 - アーク溶接方法 - Google Patents
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Description
本開示は、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方法に関し、特に、ワイヤ送給速度の制御に関する。
図12は、短絡を伴う従来のアーク溶接制御方法における(a)ワイヤ送給速度WS、(b)溶接電圧Vおよび(c)溶接電流Iを示すタイムチャートである。
図12において、時刻t11から時刻t12までの短絡期間では、時刻t11で短絡が発生すると、ワイヤ送給速度WSは、正送であるワイヤ送給速度WS1から、逆送であるワイヤ送給速度WS2に減速する。これにより、ワイヤの送給は、逆送となる。また、短絡期間には、溶接電流Iは、電流制御により時間の経過に伴って増加する。
時刻t12から時刻t16までのアーク期間では、時刻t12で短絡が開放すると、ワイヤ送給速度WSは、逆送であるワイヤ送給速度WS2から、正送であるワイヤ送給速度WS1に加速する。これにより、ワイヤの送給は、正送となる。また、アーク期間の初期では、溶接電流Iは、電流制御により増加する。
上述したように、短絡期間にワイヤの送給を逆送にすることで、短絡期間に送給されるワイヤの送給量を減少させる。これにより、ワイヤの送給を逆送にしない場合と比べ、短い時間で短絡状態を開放させてアークを発生させることができる。
また、短絡の解放後、すなわちアーク期間の開始後に、ワイヤの送給を正送にすると共に、溶接電流Iを増加させることで、安定してワイヤを燃え上がらせてワイヤの先端に溶滴を形成することができる。
上述の制御により、長時間短絡状態が続くことによるワイヤの飛び散りや短絡周期の乱れを防ぎ、周期的で安定した溶接を実現することができる(例えば、特許文献1参照)。
上述した従来のワイヤ送給制御は、短絡が発生すると直ぐに、ワイヤ送給速度WSを、正送であるワイヤ送給速度WS1から逆送であるワイヤ送給速度WS2に減速させる。また、従来のワイヤ送給制御は、短絡が開放してアークが発生すると直ぐに、ワイヤ送給速度WSを、逆送であるワイヤ送給速度WS2から正送であるワイヤ送給速度WS1に加速させる。すなわち、溶接状態に依存して、ワイヤ送給速度WSを制御している。
しかし、従来のワイヤ送給制御は、短絡やアークを検出するとすぐにワイヤの送給を反転させ、例えば、アーク期間中の微小短絡といった一時的な異常現象でも、すぐにワイヤの送給を反転してしまう。そのため、このような一時的な異常現象でワイヤの送給を反転させてしまうと、規則的で安定したアーク溶接を行うことができない。
上記課題を解決するために、本開示のアーク溶接方法は、溶接ワイヤを溶接対象物の方向に送給する正送と、正送とは反対方向に溶接ワイヤを送給する逆送とを交互に行う往復ワイヤ送給を行い、溶接ワイヤと溶接対象物との間で短絡状態とアーク状態とを交互に発生させる。また、本開示のアーク溶接方法は、通常アーク溶接工程と、通常短絡溶接工程と、異常アーク溶接工程とを有する。通常アーク溶接工程では、溶接ワイヤが往復ワイヤ送給で送給されている間に、アーク状態が第1の判定期間以上継続する。通常短絡溶接工程では、溶接ワイヤが往復ワイヤ送給で送給されている間に、短絡状態が第2の判定期間以上継続する。異常アーク溶接工程では、アーク状態が開始する第1の時点から第2の判定期間が経過する前の第2の時点に、短絡状態が発生する。さらに、異常アーク溶接工程では、第2の時点から第1の期間が経過した第3の時点までは往復ワイヤ送給が継続される。さらに、第3の時点で、往復ワイヤ送給を中断して異常アーク溶接工程が終了する。そして、第3の時点から、溶接ワイヤを減速させて往復ワイヤ送給を再開する。
また、本開示の別のアーク溶接方法は、溶接ワイヤを溶接対象物の方向に送給する正送と、正送とは反対方向に溶接ワイヤを送給する逆送とを交互に行う往復ワイヤ送給を行い、溶接ワイヤと溶接対象物との間で短絡状態とアーク状態とを交互に発生させる。また、本開示のアーク溶接方法は、通常アーク溶接工程と、通常短絡溶接工程と、異常短絡溶接工程とを有する。通常アーク溶接工程では、溶接ワイヤが往復ワイヤ送給で送給されている間に、アーク状態が第1の判定期間以上継続する。通常短絡溶接工程では、溶接ワイヤが往復ワイヤ送給で送給されている間に、短絡状態が第2の判定期間以上継続する。異常短絡溶接工程では、短絡状態が開始する第4の時点から第2の判定期間が経過する前の第5の時点に、アーク状態が発生する。さらに、異常短絡溶接工程では、第5の時点から第2の期間が経過した第6の時点までは往復ワイヤ送給が継続される。さらに、第6の時点で、往復ワイヤ送給を中断して異常短絡溶接工程が終了する。そして、第6の時点から、溶接ワイヤを加速させて往復ワイヤ送給を再開する。
以上のように、本開示によれば、一時的な異常現象でも一定時間だけ溶接ワイヤの送給を継続することで、安定したアーク溶接を行うことができる。さらに、一定時間経過時点で溶接ワイヤの送給を制御するため、一時的な異常現象の再発生を抑制することができる。
以下、本開示の実施の形態について、図1から図11を用いて説明する。
(実施の形態1)
先ず、本実施の形態1のアーク溶接装置1について、図1を用いて説明する。図1は、実施の形態1のアーク溶接装置1の概略構成を示す図である。アーク溶接装置1は、消耗電極である溶接ワイヤ20と被溶接物19(溶接対象物)との間で、アーク状態と短絡状態とを繰り返されるように溶接電流および溶接電圧を出力して被溶接物19を溶接する。
先ず、本実施の形態1のアーク溶接装置1について、図1を用いて説明する。図1は、実施の形態1のアーク溶接装置1の概略構成を示す図である。アーク溶接装置1は、消耗電極である溶接ワイヤ20と被溶接物19(溶接対象物)との間で、アーク状態と短絡状態とを繰り返されるように溶接電流および溶接電圧を出力して被溶接物19を溶接する。
図1に示すように、アーク溶接装置1は、主変圧器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と、ワイヤ送給速度制御部14とを有する。
出力制御部10は、短絡制御部11とアーク制御部12とを有する。ワイヤ送給速度制御部14は、ワイヤ送給速度検出部15と、演算部16と、ワイヤ送給切替制御部17とを有する。
一次側整流部3は、アーク溶接装置1の外部にある電源装置18から入力された交流電圧を整流する。スイッチング部4は、一次側整流部3からの直流電圧を交流電圧に変換するとともに、電流の大きさを制御する。主変圧器2は、スイッチング部4からの交流電圧を溶接に適した交流電圧に変換する。二次側整流部6は、主変圧器2からの交流電圧を整流する。リアクトル5は、二次側整流部6からの直流電流を溶接に適した電流に平滑する。溶接電流検出部7は、アーク溶接装置1から出力される溶接電流を検出する。溶接電圧検出部8は、アーク溶接装置1から出力される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からの溶接電圧を示す信号に基づいて、溶接ワイヤ20と被溶接物19との間の溶接状態が、短絡状態かアーク状態かを判定する。短絡状態とは、溶接ワイヤ20と被溶接物19とが短絡している状態である。アーク状態とは、溶接ワイヤ20と被溶接物19との間でアーク21が発生している状態である。
出力制御部10は、溶接電流検出部7からの溶接電流を示す信号と、溶接電圧検出部8からの溶接電圧を示す信号と、短絡/アーク検出部9からの溶接状態を示す信号とに基づいて、スイッチング部4に制御信号を出力して溶接出力(溶接電流および溶接電圧)を制御する。具体的には、短絡制御部11は、溶接状態が短絡状態である場合に、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、溶接状態がアーク状態である場合に、アーク期間の溶接電流であるアーク電流の制御を行う。
ワイヤ送給速度制御部14は、ワイヤ送給部23を制御して溶接ワイヤ20の送給速度を制御する。具体的には、ワイヤ送給速度検出部15は、ワイヤを送給する速度および方向(正送/逆送)を検出する。なお、正送をプラス、逆送をマイナスとしてワイヤを送給する速度および方向をまとめて「ワイヤ送給速度」とする。演算部16は、ワイヤ送給速度検出部15からのワイヤ送給速度を示す信号に基づいて、所定時間や溶接ワイヤ20の送給量の積算量を演算する。ワイヤ送給切替制御部17は、演算部16からの所定時間や溶接ワイヤ20の送給量を示す信号に基づいて、溶接ワイヤ20の送給の、正送から逆送への切り替えタイミングを遅らせる制御や、逆送から正送への切り替えタイミングを遅らせる制御を行う。
アーク溶接装置1には、溶接条件設定部13と、ワイヤ送給部23とが接続されている。溶接条件設定部13は、ユーザーがアーク溶接装置1に溶接条件を設定するために用いられる。ワイヤ送給部23は、ワイヤ送給速度制御部14からのワイヤ送給速度を示す信号に基づいて、溶接ワイヤ20の送給を制御する。
アーク溶接装置1の溶接出力の一方は、溶接チップ22を介して溶接ワイヤ20に接続される。アーク溶接装置1の溶接出力の他方は、被溶接物19に接続される。アーク溶接装置1の溶接出力により、溶接ワイヤ20と被溶接物19との間にアーク21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1の通常の動作について、図2および図3を用いて説明する。なお、図2および図3は、後述するようなアーク期間初期の一時的な短絡や短絡期間の一時的なアークといった異常現象が生じていない場合の、通常のアーク溶接方法を説明するためのタイムチャートである。なお、従来のアーク溶接制御方法は、溶接状態(短絡状態/アーク状態)に応じて、ワイヤの送給速度を制御(変更)していたが、本実施の形態のアーク溶接装置1による通常の動作では、ワイヤ送給速度を制御することで、溶接状態(短絡状態/アーク状態)を引き起こすものである。
図2は、通常のアーク溶接方法による、(a)台形波状のワイヤ送給速度Wf、(b)溶接電流Awおよび(c)溶接電圧Vwを示すタイムチャートである。また、短絡期間Tsは溶接状態が短絡状態であり、アーク期間Taは、溶接状態がアーク状態であることをし、短絡状態とアーク状態とは交互に繰り返されている。図2および図3に示す、通常のアーク溶接方法では、短絡期間Tsの間は、短絡状態が継続して維持されており、アーク期間Taの間は、アーク状態が継続して維持されている。
図2に示すように、ワイヤ送給速度Wfは、所定の周波数F(Hz)と所定の速度振幅AV(メートル/秒)で、基本波形である台形波状に、溶接ワイヤの正送と逆送とを周期的に繰り返すように制御される。周波数の逆数(1/F)である周期Tは、時点t1から時点t2までの短絡期間Tsと、時点t2から時点t3までのアーク期間Taとの和である。短絡期間Tsにおけるワイヤ送給速度Wfは、正送の最大ワイヤ送給速度(正送ピーク速度)から逆送の最大ワイヤ送給速度(逆送ピーク速度)に向けて減速するように制御され、逆送ピーク速度に達すると逆送ピーク速度で一定となるように制御される。アーク期間Taにおけるワイヤ送給速度Wfは、逆送ピーク速度から正送ピーク速度に向けて加速するように制御され、正送ピーク速度に達すると正送ピーク速度で一定となるように制御される。なお、図4以降では、通常のアーク溶接方法における短絡期間Tsの開始時点はt1とし、アーク期間Taの開始時点はt2とする。よって、時点t3は時点t1として示す。また、本開示では、短絡期間Tsは、ワイヤ送給速度Wfが正送ピーク速度から減速するタイミングで開始しているが、実際の短絡の開始(アークの消滅)は、多少前後していても構わない。また、本開示では、アーク期間Taは、ワイヤ送給速度Wfが逆送ピーク速度から加速するタイミングで開始しているが、実際の短絡の開放(アークの発生)は、多少前後していても構わない。
なお、本開示では、正送ピーク速度から逆送ピーク速度に向けたワイヤ送給速度の変化を「減速」と呼び、逆送ピーク速度から正送ピーク速度に向けたワイヤ送給速度の変化を「加速」とする。すなわち、ワイヤ送給速度の正負を含めて、加速および減速が定義されるものであり、ワイヤ送給速度の絶対値で定義するものではない。
なお、ワイヤ送給速度Wfの正送ピーク速度、逆送ピーク速度、正送ピーク速度を維持する時間(正送ピーク時間)、逆送ピーク速度を維持する時間(逆送ピーク時間)、ワイヤ送給速度の加速度および減速度、ワイヤ送給速度の周期や振幅といったワイヤ送給速度の波形は、ユーザーがアーク溶接装置に設定する設定電流に応じて、予め決められている。
溶接電流Awは、アーク期間Taにおいて、所定のピーク電流まで増加され、これにより、溶接ワイヤの先端の溶融速度を高めて溶滴を形成するように溶接電流Awを制御する。そして、大きくなった溶滴が溶融プールに移行されて短絡状態となり、短絡期間Tsを開始する。
そして、溶接電流Awは、短絡期間Tsにおいて、短絡状態を開放させるため、時間の経過に伴って増加されるように制御する。溶接電流Awの増加の方法としては、例えば、図2に示すように、溶接電流Awを先ず第1の傾きで増加させ、その後、第1の傾きよりも緩やかな第2の傾きで増加させる。また、溶接電流Awが第1の傾きから第2の傾きに切り替わる時の溶接電流を屈曲点と呼ぶ。そして、溶接ワイヤが逆送されているため、溶接ワイヤの先端はくびれを形成した後に被溶接物から離れる。これにより、溶接ワイヤと被溶接物の間にアークが発生してアーク状態となり、アーク期間Taが開始される。溶接ワイヤの往復ワイヤ送給によって、短絡状態とアーク状態とが交互に繰り返され、溶接が行われている。なお、ほとんどの期間は、このような溶接電流Awを実現するように電流制御がされているが、アーク期間Taにおいて、溶接電流Awをピーク電流に制御した後は、溶接電圧Vwを制御する電圧制御が行われ、そのときの溶接電流Awは、短絡状態になるまで減少する。
また、ワイヤ送給速度Wfの波形は、図3に示すように正弦波状としても良い。この場合、ワイヤ送給速度Wfの波形を図2の台形波状から正弦波状に変更するが、溶接電流Awおよび溶接電圧Vwの制御については、図2において説明した制御と同様の制御を行う。
次に、図4を用いて、アーク期間Taの間に一時的な異常現象である微小短絡が発生した場合のアーク溶接方法について説明する。通常は、アーク期間Taの間は、アーク状態が継続して維持されているが、溶接ワイヤ20と被溶接物19との距離が理想的な距離よりも短くなると、微小短絡といった一時的な短絡が発生しやすくなる。微小短絡は、被溶接物19に形成された図示しない溶融プールが上下に振動し、溶融プールが溶接ワイヤ20の先端に形成された溶滴に接触することにより発生する。そして、微小短絡はすぐに開放されてアークが再発生するが、その際に、溶融金属が飛散するスパッタが発生する。
図4に示すように、時点t2までは、通常のアーク溶接が行われている。このときのワイヤ送給速度Wfは、例えば、正送ピーク速度が10〜24m/秒であり、逆送ピーク速度が−4〜−6m/秒であり、ワイヤ送給速度Wfの平均速度が2〜10m/秒である。すなわち、全体としてはワイヤが溶接箇所に供給される正送が行われている。さらに、ワイヤ送給速度Wfは、例えば、周波数Fが100Hz(周期Tは10ミリ秒)であり、正送ピーク時間が2〜3ミリ秒、逆送ピーク時間が2〜3ミリ秒である。さらに、溶接電流Awのピーク電流は、例えば、300Aである。さらに、溶接電圧Vwは、例えば、上限が40Vであり、下限が10Vである。この溶接ワイヤの送給を「往復ワイヤ送給」とする。
次に、時点t2(第1の時点)の後の時点t4(第2の時点)において、溶接ワイヤの加速中に微小短絡が発生した場合の制御について説明する。アーク期間Taの間に短絡を検出すると、発生した短絡が正常な短絡であるか、異常な短絡であるかを判定する必要がある。そのために、第1の判定期間をあらかじめ設定しておく。本実施の形態では、例えば、第1の判定期間は2ミリ秒とし、時点t4は時点t2の1ミリ秒後とする。第1の判定期間は、アーク期間Taの20%〜50%程度、もしくは、ワイヤ送給速度Wfの周期Tの10%〜25%程度に設定される。そして、アーク期間Taが開始してから、第1の判定期間が経過するまでに発生する短絡は一時的な異常現象と判定し、異常アーク溶接工程を行う。アーク期間Taが開始してから、第1の判定期間の経過後に発生する短絡は正常な現象と判定して、異常アーク溶接工程は行われず、往復ワイヤ送給が継続される。
異常アーク溶接工程について、さらに詳細に説明する。アーク期間Ta中の時点t4(第2の時点)で発生した短絡が一時的な異常現象であると判定されると、時点t4から第1の期間T1後の時点t5(第3の時点)が設定される。第1の期間T1は、例えば、250マイクロ秒〜1ミリ秒である。そして、溶接ワイヤ20は、時点t5になるまでは、往復ワイヤ送給を継続し、時点t5でワイヤ送給速度Wfを減速に切り替える。そして、時点t5以降は、通常の往復ワイヤ送給を再開する。なお、図4では、異常アーク溶接工程のときのワイヤ送給速度Wf、溶接電流Aw、溶接電圧Vwを実線で示し、異常アーク溶接工程を行わなかった場合のワイヤ送給速度Wf、溶接電流Aw、溶接電圧Vwを点線で示している。そして、第1の期間T1は、実験によって導き出した、次の短絡が確実に起こる時間以上の長さに設定されている。
また、第1の期間T1の設定方法、すなわち時点t5の設定方法として、溶接ワイヤの送給量に基づいて設定しても構わない。図4において、ワイヤ送給速度Wfの加速から減速への切り替えのタイミングを、微小短絡を検出してからの溶接ワイヤ20の送給量に基づいて設定しても構わない。
具体的には、通常の往復ワイヤ送給において、正送中であり、かつ、減速中の溶接ワイヤ20の送給量を基準送給量S0として設定する。図4に示すように、基準送給量S0は、時点t1からワイヤ送給速度Wfが初めてゼロになる時点までのタイムチャートの面積に相当する。これは、ワイヤ送給速度Wfが設定されていれば、自動的に求めることが可能である。そして、ワイヤ送給速度Wfは前述したようにユーザーが設定した設定電流に応じて設定されるため、同時に基準送給量S0を求めることができる。
そして、時点t4から時点t5の後に初めてワイヤ送給速度Wfがゼロとなる時までの溶接ワイヤ20の送給量S1が、基準送給量S0と一致するように第1の期間T1を設定する。図4に示すように、送給量S1は、時点t4から時点t5の後にワイヤ送給速度Wfが初めてゼロになる時点までのタイムチャートの面積に相当する。ワイヤ送給速度Wfの加速度および減速度は、ワイヤ送給速度Wfによって定められているため、時点t4において、今後の加速および減速から、溶接ワイヤ20の送給量S1を予測することが可能である。なお、溶接ワイヤ20の送給量S1は、ワイヤ送給速度Wfが逆送中は負であり、正送中の送給量は正である。
このように、一時的な異常を検出しても、第1の期間T1の間は往復ワイヤ送給を継続することで、溶接ワイヤ20の送給を急に変化させることなく、アーク溶接を安定して行うことができる。また、第1の期間T1が経過した時点で、溶接ワイヤ20の送給を減速に切り替えることで、微小短絡の原因となっていた、溶接ワイヤ20と被溶接物19との距離が小さすぎるという状態を改善でき、以降の微小短絡の発生を抑制できる。
なお、第1の期間T1は、アーク溶接装置1に設定される設定電流毎に予め設定された値である。第1の期間T1は、設定電流に基づいて、ワイヤ送給速度制御部14内の演算部16により決定される。演算部16で決定された第1の期間T1は、ワイヤ送給切替制御部17に送られる。ワイヤ送給切替制御部17は、第1の期間T1に基づいて、ワイヤ送給速度Wfの加速から減速への切り替えタイミングを制御している。
なお、図4に示すように、ワイヤ送給速度Wfに加えて溶接電流Awを制御しても構わない。図4に示すように、時点t4で微小短絡を検出すると、溶接電流Awのピーク電流を、例えば、300Aから250Aに下げることが好ましい。異常アーク溶接工程の間において、溶接電流Awのピーク電流を下げることで、異常アーク溶接工程中に更なる微小短絡が発生することを抑制できる。
(実施の形態1の変形例)
次に、図5を用いて、実施の形態1の変形例について説明する。実施の形態1と同様の構成については同じ符号をつけ、説明を省略する。
次に、図5を用いて、実施の形態1の変形例について説明する。実施の形態1と同様の構成については同じ符号をつけ、説明を省略する。
実施の形態1と本変形例との相違点は、ワイヤ送給速度Wfの波形である。図4に示すように、実施の形態1ではワイヤ送給速度Wfは台形波状であるが、図5に示すように、本変形例ではワイヤ送給速度Wfは正弦波状である。
本変形例のワイヤ送給速度Wfについて、正送ピーク速度、逆送ピーク速度、ワイヤ送給速度Wfの平均速度、周波数Fは実施の形態1で例示したものと同様である。ただし、正送ピーク時間、逆送ピーク時間は存在しない。また、溶接電流Awのピーク電流、溶接電圧Vwの上限および下限も実施の形態1で例示したものと同様である。そして、ワイヤ送給速度Wfが正弦波状である本変形例でも、溶接ワイヤの送給を「往復ワイヤ送給」とする。
時点t5によるワイヤ送給速度Wfの減速への切り替えについては、実施の形態1と同様であり、さらに、本変形例においても、溶接電流Awのピーク電流を下げても構わない。
(実施の形態2)
次に、図6を用いて、短絡期間Tsの間に一時的な異常現象としてアークが発生した場合のアーク溶接方法について説明する。実施の形態1と同様の構成については同じ符号をつけ、説明を省略する。
次に、図6を用いて、短絡期間Tsの間に一時的な異常現象としてアークが発生した場合のアーク溶接方法について説明する。実施の形態1と同様の構成については同じ符号をつけ、説明を省略する。
通常は、短絡期間Tsの間は、短絡状態が継続して維持されているが、溶接ワイヤ20と被溶接物19との距離が理想的な距離よりも長くなると、突発的な短絡開放によるアーク(以下、突発性アークとする)が発生しやすくなる。突発性アークは、溶接ワイヤ20と被溶接物19との距離が遠ざかっているときに発生する。そして、ワイヤの短絡はすぐに再開されるが、突発性アークによって溶融金属が飛散するスパッタが発生する。
図6に示すように、時点t6までは、通常の短絡溶接が行われている。このときのワイヤ送給速度Wfは、正送ピーク速度、逆送ピーク速度、ワイヤ送給速度Wfの平均速度、正送ピーク時間、逆送ピーク時間、周波数Fは実施の形態1で例示したものと同様である。また、溶接電流Awのピーク電流、溶接電圧Vwの上限および下限も実施の形態1で例示したものと同様である。
次に、時点t1(第4の時点)の後の時点t6(第5の時点)において、溶接ワイヤの減速中に突発性アークが発生した場合の制御について説明する。短絡期間Tsの間にアークを検出すると、発生したアークが正常な短絡であるか、異常な短絡であるかを判定する必要がある。そのために、第2の判定期間をあらかじめ設定しておく。本実施の形態では、例えば、第2の判定期間は2ミリ秒とし、時点t6は時点t1の1ミリ秒後とする。第2の判定期間は、短絡期間Tsの20%〜50%程度、もしくは、ワイヤ送給速度Wfの周期Tの10%〜25%程度に設定される。そして、短絡期間Tsが開始してから、第2の判定期間が経過するまでに発生するアークは一時的な異常現象と判定し、異常短絡溶接工程を行う。短絡期間Tsが開始してから、第2の判定期間の経過後に発生するアークは正常な現象と判定して、異常短絡溶接工程は行われず、往復ワイヤ送給が継続される。
異常短絡溶接工程について、さらに詳細に説明する。短絡期間Ts中の時点t6(第5の時点)で発生したアークが一時的な異常現象であると判定されると、時点t6から第2の期間T2後の時点t7(第6の時点)が設定される。第2の期間T2は、例えば、250マイクロ秒〜1ミリ秒である。そして、溶接ワイヤ20は、時点t7になるまでは、往復ワイヤ送給を継続し、時点t7でワイヤ送給速度Wfを加速に切り替える。そして、時点t7以降は、通常の往復ワイヤ送給を再開する。なお、図6では、異常短絡溶接工程のときのワイヤ送給速度Wf、溶接電流Aw、溶接電圧Vwを実線で示し、異常短絡溶接工程を行わなかった場合のワイヤ送給速度Wf、溶接電流Aw、溶接電圧Vwを点線で示している。そして、第2の期間T2は、実験によって導き出した、次のアークが確実に発生する時間以上の長さに設定されている。
また、第2の期間T2の設定方法、すなわち時点t7の設定方法として、溶接ワイヤの送給量に基づいて設定しても構わない。図6において、ワイヤ送給速度Wfの減速から加速への切り替えのタイミングを、突発性アークを検出してからの溶接ワイヤ20の送給量に基づいて設定しても構わない。
具体的には、通常の往復ワイヤ送給において、逆送中であり、かつ、加速中の溶接ワイヤ20の送給量を基準送給量S2として設定する。図6に示すように、基準送給量S2は、時点t2からワイヤ送給速度Wfが初めてゼロになるまでのタイムチャートの面積に相当する。これは、ワイヤ送給速度Wfが設定されていれば、自動的に求めることが可能である。そして、ワイヤ送給速度Wfは前述したようにユーザーが設定した設定電流に応じて設定されるため、同時に基準送給量S2を求めることができる。
そして、時点t6から時点t7の後に初めてワイヤ送給速度Wfがゼロとなる時点までの溶接ワイヤ20の送給量S3が、基準送給量S2と一致するように第2の期間を設定する。図6に示すように、送給量S3は、時点t6から時点t7の後にワイヤ送給速度Wfが初めてゼロになる時点までのタイムチャートの面積に相当する。ワイヤ送給速度Wfの加速度および減速度は、ワイヤ送給速度Wfによって定められているため、時点t6において、今後の加速および減速から、溶接ワイヤ20の送給量S3を予測することが可能である。なお、溶接ワイヤ20の送給量S3は、ワイヤ送給速度Wfが逆送中は負であり、正送中の送給量は正である。
このように、一時的な異常を検出しても、第2の期間T2の間は往復ワイヤ送給を継続することで、溶接ワイヤ20の送給を急に変化させることなく、アーク溶接を安定して行うことができる。また、第2の期間T2が経過した時点で、溶接ワイヤ20の送給を加速に切り替えることで、突発性アークの原因となっていた、溶接ワイヤ20と被溶接物19との距離が大きすぎるという状態を改善でき、以降の突発性アークの発生を抑制できる。
なお、第2の期間T2は、アーク溶接装置1に設定される設定電流毎に予め設定された値である。第2の期間T2は、設定電流に基づいて、ワイヤ送給速度制御部14内の演算部16により決定される。演算部16で決定された第2の期間T2は、ワイヤ送給切替制御部17に送られる。ワイヤ送給切替制御部17は、第2の期間T2に基づいて、ワイヤ送給速度Wfの減速から加速への切り替えタイミングを制御している。
なお、図6に示すように、ワイヤ送給速度Wfに加えて溶接電流Awを制御しても構わない。図6に示すように、時点t6で微小短絡を検出すると、溶接電流Awの傾きを、緩やかに変更することが好ましい。異常短絡溶接工程の間において、溶接電流Awの傾きを緩やかにすることで、異常短絡溶接工程中に更なる突発性アークが発生することを抑制できる。
(実施の形態2の変形例)
次に、図7を用いて、実施の形態2の変形例について説明する。実施の形態2と同様の構成については同じ符号をつけ、説明を省略する。
次に、図7を用いて、実施の形態2の変形例について説明する。実施の形態2と同様の構成については同じ符号をつけ、説明を省略する。
実施の形態2と本変形例との相違点は、ワイヤ送給速度Wfの波形である。図6に示すように、実施の形態2ではワイヤ送給速度Wfは台形波状であるが、図7に示すように、本変形例ではワイヤ送給速度Wfは正弦波状である。
本変形例のワイヤ送給速度Wfについて、正送ピーク速度、逆送ピーク速度、ワイヤ送給速度Wfの平均速度、周波数Fは実施の形態2で例示したものと同様(すなわち実施の形態1と同様)である。ただし、正送ピーク時間、逆送ピーク時間は存在しない。また、溶接電流Awのピーク電流、溶接電圧Vwの上限および下限も実施の形態2で例示したものと同様(すなわち実施の形態1と同様)である。そして、正弦波状である場合も、溶接ワイヤの送給を「往復ワイヤ送給」とする。
時点t7によるワイヤ送給速度Wfの加速への切り替えについては、実施の形態2と同様であり、さらに、本変形例においても、溶接電流Awの傾きを緩やかにしても構わない。
(実施の形態3)
次に、図8を用いて、アーク期間Taの間に一時的な異常現象である微小短絡が発生した場合のアーク溶接方法について説明する。実施の形態1と同様の構成については同じ符号をつけ、説明を省略する。
次に、図8を用いて、アーク期間Taの間に一時的な異常現象である微小短絡が発生した場合のアーク溶接方法について説明する。実施の形態1と同様の構成については同じ符号をつけ、説明を省略する。
本実施の形態と実施の形態1との相違点は、ワイヤ送給速度Wfは、微小短絡を検出しても、通常の往復ワイヤ送給を継続することである。さらに、本実施の形態と実施の形態1との相違点は、実施の形態1では任意としていた溶接電流Awのピーク電流の低下を必ず行うものである。
時点t4で微小短絡を検出すると、溶接電流Awのピーク電流を低下させることにより、微小短絡が発生したアーク期間Taの間に更なる微小短絡が発生することを抑制できる。よって、通常の溶接ワイヤの往復ワイヤ送給を行うことで、次の短絡状態が引き起こされるまでに、更なる微小短絡の発生を低減できる。なお、次の短絡状態が引き起こされれば、微小短絡の原因となっていた、溶接ワイヤ20と被溶接物19との距離が小さすぎるという状態はある程度改善されるため、本開示の目的とする効果は達成できるものである。
(実施の形態3の変形例)
次に、図9を用いて、実施の形態3の変形例について説明する。実施の形態3と同様の構成については同じ符号をつけ、説明を省略する。
次に、図9を用いて、実施の形態3の変形例について説明する。実施の形態3と同様の構成については同じ符号をつけ、説明を省略する。
実施の形態3と本変形例との相違点は、ワイヤ送給速度Wfの波形である。図8に示すように、実施の形態3ではワイヤ送給速度Wfは台形波状であるが、図9に示すように、本変形例ではワイヤ送給速度Wfは正弦波状である。
本変形例のワイヤ送給速度Wfについて、正送ピーク速度、逆送ピーク速度、ワイヤ送給速度Wfの平均速度、周波数Fは実施の形態1で例示したものと同様である。ただし、正送ピーク時間、逆送ピーク時間は存在しない。また、溶接電流Awのピーク電流、溶接電圧Vwの上限および下限も実施の形態1で例示したものと同様である。そして、ワイヤ送給速度Wfが正弦波状である本変形例でも、溶接ワイヤの送給を「往復ワイヤ送給」とする。
時点t4で微小短絡を検出すると、溶接電流Awのピーク電流を減少させることにより、微小短絡が発生したアーク期間Taの間に更なる微小短絡が発生することを抑制できる。よって、通常の溶接ワイヤの往復ワイヤ送給を行うことで、次の短絡状態が引き起こされるまでに、更なる微小短絡の発生を低減できる。なお、次の短絡状態が引き起こされれば、微小短絡の原因となっていた、溶接ワイヤ20と被溶接物19との距離が小さすぎるという状態はある程度改善されるため、本開示の目的とする効果は達成できるものである。
(実施の形態4)
次に、図10を用いて、短絡期間Tsの間に一時的な異常現象としてアークが発生した場合のアーク溶接方法について説明する。実施の形態2と同様の構成については同じ符号をつけ、説明を省略する。
次に、図10を用いて、短絡期間Tsの間に一時的な異常現象としてアークが発生した場合のアーク溶接方法について説明する。実施の形態2と同様の構成については同じ符号をつけ、説明を省略する。
本実施の形態と実施の形態2との相違点は、ワイヤ送給速度Wfは、微小短絡を検出しても、通常の往復ワイヤ送給を継続することである。さらに、本実施の形態と実施の形態2との相違点は、実施の形態2では任意としていた溶接電流Awの傾きを緩やかにすることを必ず行うものである。
時点t6で突発性アークを検出すると、溶接電流Awの傾きを緩やかにすることにより、突発性アークが発生した短絡期間Tsの間に更なる突発性アークが発生することを抑制できる。よって、通常の溶接ワイヤの往復ワイヤ送給を行うことで、次のアーク状態が引き起こされるまでに、更なる突発性アークの発生を低減できる。なお、次のアーク状態が引き起こされれば、突発性アークの原因となっていた、溶接ワイヤ20と被溶接物19との距離が大きすぎるという状態はある程度改善されるため、本開示の目的とする効果は達成できるものである。
(実施の形態4の変形例)
次に、図11を用いて、実施の形態4の変形例について説明する。実施の形態4と同様の構成については同じ符号をつけ、説明を省略する。
次に、図11を用いて、実施の形態4の変形例について説明する。実施の形態4と同様の構成については同じ符号をつけ、説明を省略する。
実施の形態4と本変形例との相違点は、ワイヤ送給速度Wfの波形である。図10に示すように、実施の形態4ではワイヤ送給速度Wfは台形波状であるが、図11に示すように、本変形例ではワイヤ送給速度Wfは正弦波状である。
本変形例のワイヤ送給速度Wfについて、正送ピーク速度、逆送ピーク速度、ワイヤ送給速度Wfの平均速度、周波数Fは実施の形態4で例示したものと同様である。ただし、正送ピーク時間、逆送ピーク時間は存在しない。また、溶接電流Awのピーク電流、溶接電圧Vwの上限および下限も実施の形態4で例示したものと同様である。そして、ワイヤ送給速度Wfが正弦波状である本変形例でも、溶接ワイヤの送給を「往復ワイヤ送給」とする。
時点t6で突発性アークを検出すると、溶接電流Awの傾きを緩やかにすることにより、突発性アークが発生した短絡期間Tsの間に更なる突発性アークが発生することを抑制できる。よって、通常の溶接ワイヤの往復ワイヤ送給を行うことで、次のアーク状態が引き起こされるまでに、更なる突発性アークの発生を低減できる。なお、次のアーク状態が引き起こされれば、突発性アークの原因となっていた、溶接ワイヤ20と被溶接物19との距離が大きすぎるという状態はある程度改善されるため、本開示の目的とする効果は達成できるものである。
本開示によれば、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方法において、一時的な異常現象でも一定時間だけ溶接ワイヤの送給を継続することで、安定したアーク溶接を行うことができ、産業上有用である。
1 アーク溶接装置
2 主変圧器
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
11 短絡制御部
12 アーク制御部
13 溶接条件設定部
14 ワイヤ送給速度制御部
15 ワイヤ送給速度検出部
16 演算部
17 ワイヤ送給切替制御部
18 電源装置
19 被溶接物
20 溶接ワイヤ
21 アーク
22 溶接チップ
23 ワイヤ送給部
F 周波数
T 周期
Ts 短絡期間
Ta アーク期間
t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7 時点
t11,t12,t16 時刻
2 主変圧器
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
11 短絡制御部
12 アーク制御部
13 溶接条件設定部
14 ワイヤ送給速度制御部
15 ワイヤ送給速度検出部
16 演算部
17 ワイヤ送給切替制御部
18 電源装置
19 被溶接物
20 溶接ワイヤ
21 アーク
22 溶接チップ
23 ワイヤ送給部
F 周波数
T 周期
Ts 短絡期間
Ta アーク期間
t1,t2,t3,t4,t5,t6,t7 時点
t11,t12,t16 時刻
Claims (13)
- 溶接ワイヤを溶接対象物の方向に送給する正送と、前記正送とは反対方向に前記溶接ワイヤを送給する逆送とを交互に行う往復ワイヤ送給を行い、前記溶接ワイヤと前記溶接対象物との間で短絡状態とアーク状態とを交互に発生させるアーク溶接方法であって、
前記溶接ワイヤが前記往復ワイヤ送給で送給されている間に、アーク状態が第1の判定期間以上継続する通常アーク溶接工程と、
前記溶接ワイヤが前記往復ワイヤ送給で送給されている間に、短絡状態が第2の判定期間以上継続する通常短絡溶接工程と、
アーク状態が開始する第1の時点から前記第2の判定期間が経過する前の第2の時点に、短絡状態が発生する異常アーク溶接工程と、を備え、
前記異常アーク溶接工程では、前記第2の時点から第1の期間が経過した第3の時点までは前記往復ワイヤ送給が継続され、
前記第3の時点で、前記往復ワイヤ送給を中断して前記異常アーク溶接工程が終了し、
前記第3の時点から、前記溶接ワイヤを減速させて前記往復ワイヤ送給を再開するアーク溶接方法。 - 前記通常アーク溶接工程では、前記溶接ワイヤと前記溶接対象物との間に、第1のピーク電流値を最大値とする溶接電流が流れており、
前記異常アーク溶接工程では、前記溶接ワイヤと前記溶接対象物との間に、第1のピーク電流値よりも小さい第2のピーク電流値を最大値とする溶接電流が流れている請求項1に記載のアーク溶接方法。 - 前記往復ワイヤ送給は、
正送ピーク時間の間、正送の最大ワイヤ送給速度である正送ピーク速度で前記溶接ワイヤを送給する正送ピーク送給と、
前記正送ピーク速度からワイヤ送給速度を減らす減速送給と、
逆送ピーク時間の間、逆送の最大ワイヤ送給速度である逆送ピーク速度で前記溶接ワイヤを送給する逆送ピーク送給と、
前記逆送ピーク速度からワイヤ送給速度を増加させる加速送給と、をこの順に繰り返し行う請求項1または2に記載のアーク溶接方法。 - 前記通常短絡溶接工程における、前記減速送給が開始された時点からワイヤ送給速度がゼロになる時点までの前記溶接ワイヤの送給量が、前記異常アーク溶接工程における、前記第2の時点から前記第3の時点の後に初めてワイヤ送給速度がゼロになる時点までの前記溶接ワイヤの送給量と等しくなる請求項3に記載のアーク溶接方法。
- 前記第1の期間は250マイクロ秒〜1ミリ秒である請求項1〜4のいずれかに記載のアーク溶接方法。
- 溶接ワイヤを溶接対象物の方向に送給する正送と、前記正送とは反対方向に前記溶接ワイヤを送給する逆送とを交互に行う往復ワイヤ送給を行い、前記溶接ワイヤと前記溶接対象物との間で短絡状態とアーク状態とを交互に発生るアーク溶接方法であって、
前記溶接ワイヤが前記往復ワイヤ送給で送給されている間に、アーク状態が第1の判定期間以上継続する通常アーク溶接工程と、
前記溶接ワイヤが前記往復ワイヤ送給で送給されている間に、短絡状態が第2の判定期間以上継続する通常短絡溶接工程と、
短絡状態が開始する第4の時点から前記第2の判定期間が経過する前の第5の時点に、アーク状態が発生する異常短絡溶接工程と、を備え、
前記異常短絡溶接工程では、前記第5の時点から第2の期間が経過した第6の時点までは前記往復ワイヤ送給が継続され、
前記第6の時点で、前記往復ワイヤ送給を中断して異常短絡溶接工程が終了し、
前記第6の時点から、前記溶接ワイヤを加速させて前記往復ワイヤ送給を再開するアーク溶接方法。 - 前記通常短絡溶接工程では、前記溶接ワイヤと前記溶接対象物との間に、第1の傾きを有する溶接電流が流れており、
前記異常短絡溶接工程では、前記溶接ワイヤと前記溶接対象物との間に、第1の傾きよりも緩やかな第2の傾きを有する溶接電流が流れている請求項6に記載のアーク溶接方法。 - 前記往復ワイヤ送給は、
正送ピーク時間の間、正送の最大ワイヤ送給速度である正送ピーク速度で前記溶接ワイヤを送給する正送ピーク送給と、
前記正送ピーク速度からワイヤ送給速度を減らす減速送給と、
逆送ピーク時間の間、逆送の最大ワイヤ送給速度である逆送ピーク速度で前記溶接ワイヤを送給する逆送ピーク送給と、
前記逆送ピーク速度からワイヤ送給速度を増加させる加速送給と、をこの順に繰り返し行う請求項6または7に記載のアーク溶接方法。 - 前記通常アーク溶接工程における、前記加速送給が開始された時点からワイヤ送給速度がゼロになる時点までの前記溶接ワイヤの送給量が、前記異常短絡溶接工程における、前記第5の時点から前記第6の時点の後に初めてワイヤ送給速度がゼロになる時点までの前記溶接ワイヤの送給量と等しくなる請求項8に記載のアーク溶接方法。
- 前記第2の期間は250マイクロ秒〜1ミリ秒である請求項6〜9のいずれかに記載のアーク溶接方法。
- 前記往復ワイヤ送給は、前記溶接ワイヤのワイヤ送給速度を所定の周期と所定の振幅で周期的に変化させる請求項1から10のいずれかに記載のアーク溶接方法。
- 前記往復ワイヤ送給は、前記溶接ワイヤのワイヤ送給速度を所定の周期と所定の振幅で正弦波状に変化させる請求項1,2,6,7のいずれかに記載のアーク溶接方法。
- 前記第1の判定期間および前記第2の判定期間は、前記所定の周期の25%〜50%程度である請求項11または12に記載のアーク溶接方法。
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