JP6130254B2 - アーク溶接用電源装置及びアーク溶接用電源装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、消耗電極式のアーク溶接用電源装置及びその制御方法に関する。

消耗電極式のアーク溶接では、溶接ワイヤを放電電極としたその電極先端からアークを生じさせて被溶接物（母材）の溶接が行われるが、その際、溶接ワイヤはアークにより消耗するため、その消耗に応じて溶接ワイヤの送給を行いながら溶接が行われている。また、この消耗電極式のアーク溶接においては、溶接ワイヤの正逆送を含むその送給速度を周期的に繰り返す溶接法が知られている（例えば特許文献１参照）。

特許第４８０７４７４号公報

ところで、被溶接物の溶接品質の向上は常に検討事項の一つとなっているが、ブローホール軽減等により被溶接物の溶接品質の一層向上を図ることの検討が本発明者らでなされている。

本発明の目的は、溶接品質の更なる向上を図ることができるアーク溶接用電源装置及びその制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するアーク溶接用電源装置は、溶接ワイヤを放電電極としたその電極先端にてアークを生じさせて被溶接物のアーク溶接を行うべく、アーク溶接に適した出力電力に調整する出力制御部と、前記溶接ワイヤの正逆送を含むその送給速度を周期的に変化させる送給制御部とを備えたアーク溶接用電源装置であって、前記溶接ワイヤの送給速度の振幅を平均アーク長の周期的な変動が生じるように周期的に変化させる振幅制御部が備えられる。

この構成によれば、溶接ワイヤの送給速度の振幅を周期的に変化させて平均アーク長の周期的な変動を生じさせ、これに伴ってアーク力が同様に変化するため、被溶接物の溶融地（溶融材料）の振動が増大し、溶融地の撹拌が促進される。これにより、ブローホールを軽減できてビード品質を向上できる等、溶接品質の向上に寄与する。

また上記のアーク溶接用電源装置において、前記振幅制御部は、大小２値の振幅値を用い同じ期間長さで交互に適用することが好ましい。
この構成によれば、溶接ワイヤの送給速度の振幅を変化させるのに、大小２値の振幅値を同じ期間長さで交互に適用することで、簡易に実施可能である。

また上記課題を解決するアーク溶接用電源装置の制御方法は、溶接ワイヤを放電電極としたその電極先端にてアークを生じさせて被溶接物のアーク溶接を行うべく、アーク溶接に適した出力電力に調整する出力制御と、前記溶接ワイヤの正逆送を含むその送給速度を周期的に変化させる送給制御とを実施するアーク溶接用電源装置の制御方法であって、前記溶接ワイヤの送給速度の振幅を周期的に変化させ、平均アーク長の周期的な変動を生じさせる。

この構成によれば、上記のアーク溶接用電源装置と同様に、溶融地の撹拌が促進される溶接法でブローホールを軽減できてビード品質を向上できる等、溶接品質の向上に寄与する。

また上記のアーク溶接用電源装置の制御方法において、大小２値の振幅値を用い同じ期間長さで交互に適用し、前記溶接ワイヤの送給速度の振幅を変化させることが好ましい。
この構成によれば、上記のアーク溶接用電源装置と同様に、簡易に実施可能である。

本発明のアーク溶接用電源装置及びその制御方法によれば、溶接品質の更なる向上を図ることができる。

実施形態におけるアーク溶接機（アーク溶接用電源装置）の構成図である。 実施形態の通常溶接モードの制御態様を説明するための波形図である。 実施形態の撹拌溶接モードの制御態様を説明するための波形図である。

以下、アーク溶接用電源装置及びその制御方法の一実施形態を説明する。
図１に示すように、アーク溶接機１０としては、アーク溶接に適した出力電力を生成するアーク溶接用電源装置１１と共に、アークを生じさせる放電電極としての溶接ワイヤ１２への給電及びその保持を行う溶接トーチ１３と、溶接ワイヤ１２の送給を行う送給装置１４と、溶接ワイヤ１２が巻装されるワイヤスタンド１５とを備えている。

溶接トーチ１３は、電源装置１１とパワーケーブル１６を介して接続され、電源装置１１から電力供給を受ける。溶接トーチ１３は、溶接ワイヤ１２への給電を行う給電チップ１３ａを備えている。給電チップ１３ａは、溶接ワイヤ１２の送給動作を許容しつつ、電源装置１１にて生成された出力電力を溶接ワイヤ１２に供給すべく電気的に接触している。このような溶接トーチ１３は、溶接ワイヤ１２（給電チップ１３ａ）側が被溶接物（母材）Ｍに対向するように配置されて使用される。

送給装置１４は、駆動源としてモータ１４ａを備え、溶接ワイヤ１２のワイヤスタンド１５からの引き出し及び溶接トーチ１３への送出をそのモータ１４ａの駆動により行っている。放電電極である溶接ワイヤ１２はアークの発生に伴って消耗するため、送給装置１４は溶接ワイヤ１２の消耗を補うべく溶接ワイヤ１２の送給を行っている。また、この溶接ワイヤ１２の送給においては、単なる一方向・一定速度の送給態様ではなく、正送（前進）や逆送（後退）、更にはその時々の送給速度Ｖｆｔをも変更して行われている。このような送給装置１４（モータ１４ａ）は、電源装置１１内の制御回路２０にて制御され、溶接ワイヤ１２の送給動作における正送と逆送の切り替え（モータ１４ａの正逆転）や、溶接ワイヤ１２の送給速度Ｖｆｔ（モータ１４ａの回転速度）等が制御される。

アーク溶接用電源装置１１は、ＣＰＵを含んで構成される制御回路２０を備えている。制御回路２０は、アーク溶接のための出力電力を生成する出力制御部２０ａ、短絡・アーク期間Ｔｓ，Ｔａを検出する期間検出部２０ｂ、溶接ワイヤ１２の送給動作を制御する送給制御部２０ｃ、及び溶接ワイヤ１２の送給速度の周期的変化の振幅を設定する振幅設定部２０ｄ等を備え、これらにてアーク溶接を適切に行うための制御を行っている。

ここで、図２等を参照すると、本実施形態のような消耗電極式のアーク溶接機１０では、溶接ワイヤ１２が被溶接物Ｍに接触する短絡期間Ｔｓと、溶接ワイヤ１２が被溶接物Ｍから離間してアークを生じさせるアーク期間Ｔａとを交互に生じさせている。制御回路２０は、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとが適切に生じるように、出力制御部２０ａによる出力電力（出力電圧（アーク電圧）Ｖｗ、出力電流（溶接電流）Ｉｗ）の調整や、送給制御部２０ｃによる溶接ワイヤ１２の送給方向及び送給速度Ｖｆｔの調整を行っている。

因みに、溶接ワイヤ１２の送給速度Ｖｆｔは、消耗分を考慮した正の一定速度Ｖｆに正弦波状、台形波状（図示略）、三角波状（図示略）等の周波数成分Ｖａが重畳されて設定されている。送給速度Ｖｆｔがゼロより大となる正の領域では、溶接ワイヤ１２を前進させる正送であり、送給速度Ｖｆｔがゼロより小となる負の領域では、溶接ワイヤ１２を後退させる逆送である。

また、溶接ワイヤ１２の逆送初期の時刻ｔ１では、溶接ワイヤ１２の先端位置ｈはゼロでありそこから次第に高くなる。つまり、時刻ｔ１にて溶接ワイヤ１２が被溶接物Ｍから離間し始め、アーク期間Ｔａが始まることを意味する。溶接ワイヤ１２が逆送から正送に切り替わる時刻ｔ２では、溶接ワイヤ１２の先端位置ｈは最大高さ直前となり、溶接ワイヤ１２の送給速度Ｖｆｔが速度Ｖｆ（周波数成分Ｖａがゼロ）となる時刻にて先端位置ｈが最大高さとなる。つまり、溶接ワイヤ１２が被溶接物Ｍから最も離間する。以降は、溶接ワイヤ１２の先端位置ｈは次第に低くなり、溶接ワイヤ１２が被溶接物Ｍに近接していく。溶接ワイヤ１２が正送ピークを若干過ぎた時刻ｔ３では、溶接ワイヤ１２の先端位置ｈは再びゼロとなり、溶接ワイヤ１２が被溶接物Ｍに再接触する。つまり、アーク期間Ｔａが終わって短絡期間Ｔｓが始まることを意味する。そして、動作中は上記を繰り返す。

ここで、溶接品質の向上としてビード品質の向上を図るためには、ブローホールを軽減することが有効であるが、被溶接物Ｍの溶融池（溶融材料）の撹拌を増大させて溶接することがブローホールを軽減することの有効手段の一つである。本実施形態の制御回路２０は、例えば通常溶接モード（図２参照）と撹拌溶接モード（図３参照）とが選択可能に構成されている。

電源装置１１には設定器（図示略）が備えられており、溶接作業者による設定器の操作に基づいて、被溶接物Ｍの材質や溶接部分の形状等に応じた出力電圧Ｖｗ、出力電流Ｉｗ等を含む各種パラメータの設定や上記溶接モードの設定が行われ、各種設定値に基づいて出力制御部２０ａは出力制御を、送給制御部２０ｃは送給制御を実施する。またこの送給制御に関し、振幅設定部２０ｄは、通常溶接モードでは出力電圧Ｖｗの設定電圧等に基づいて溶接ワイヤ１２の送給速度Ｖｆｔの振幅（周波数成分Ｖａの振幅）を設定し、撹拌溶接モードでは溶接ワイヤ１２の送給速度Ｖｆｔの振幅（周波数成分Ｖａの振幅）の大小２値の設定と、その２つを切り替える速度振幅切替タイミングＴｘとを設定する。本書における振幅の設定とは、周波数成分Ｖａの最大ピーク値と最小ピーク値との差分を設定すること、又はその差分は一定のままで周波数成分Ｖａの正負の波形形状（台形波等の場合はその台形の形状）を設定することを含む。

「通常溶接モード」
振幅設定部２０ｄは、出力電圧Ｖｗの設定電圧等に基づいて、溶接ワイヤ１２の送給速度Ｖｆｔの周波数成分Ｖａの振幅を図２のように例えばＶａ１に設定し、送給制御部２０ｃは、その送給速度Ｖｆｔの振幅設定に基づいて溶接ワイヤ１２の送給制御を行う。この通常溶接モードでは、溶接ワイヤ１２の送給速度Ｖｆｔの振幅値は固定で、溶接中に変更しない。

「撹拌溶接モード」
振幅設定部２０ｄは、出力電圧Ｖｗの設定電圧等に基づいて、溶接ワイヤ１２の送給速度Ｖｆｔの周波数成分Ｖａの振幅を図３のように例えばＶａ１とそれよりも振幅の大きいＶａ２という大小２値を設定すると共に、その２つの速度振幅Ｖａ１，Ｖａ２を切り替える切替タイミングＴｘを設定する。速度振幅切替タイミングＴｘは、振幅小の第１の振幅Ｖａ１を用いる期間をＴ１に、振幅大の第２の振幅Ｖａ２を用いる期間をＴ２に設定し、本実施形態では例えば期間Ｔ１，Ｔ２は同じ期間長さに設定される。因みに、速度振幅の切替タイミングＴｘは、周波数成分Ｖａがゼロとなるタイミングとしている。

このように、溶接ワイヤ１２の送給速度Ｖｆｔの振幅を周期的に変化させることで、平均アーク長の周期的な変動が生じてアーク力が同様に変化し、溶融地（溶融材料）の振動が増大する。これにより、溶融地の撹拌が促進され、ブローホールの軽減、ビード品質の向上が図られる。また、溶接ワイヤ１２の送給速度Ｖｆｔの振幅の周期的変化を溶融池（溶融材料）の振動との共振を考慮して設定すれば、溶融地の撹拌作用をより適切に生じさせることが可能である。

因みに、溶接ワイヤの正逆送を含むその送給速度を周期的に変化させる溶接において、本実施形態とは異なり電流値、電流パルス周期等の電気的なパラメータを変化させて溶融地を振動させることも考えられるが、溶接ワイヤ１２の送給速度Ｖｆｔの振幅の周期的変化を行う本実施形態の制御態様の方が溶融地を振動（撹拌）させるのに直接的に作用するため、溶融地の撹拌作用をより適切に生じさせることが可能である。

次に、本実施形態の特徴的な効果を記載する。
（１）溶接ワイヤ１２の送給速度Ｖｆｔの振幅（周波数成分Ｖａの振幅）を周期的に変化させて平均アーク長の周期的な変動を生じさせるため、アーク力が同様に変化して被溶接物Ｍの溶融地（溶融材料）の振動が増大し、溶融地の撹拌が促進される。これにより、ブローホールを軽減できてビード品質を向上できる等、溶接品質の向上に寄与することができる。

（２）溶接ワイヤ１２の送給速度Ｖｆｔの振幅を変化させるのに、大小２値の振幅Ｖａ１，Ｖａ２を同じ期間長さの期間Ｔ１，Ｔ２で交互に適用することで、簡易に実施することができ、制御回路２０（ＣＰＵ）の負荷軽減に寄与できる。

尚、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・撹拌溶接モードにおいて、第１の振幅Ｖａ１を通常時の振幅Ｖａ１と同じ（同符号）としたが、これに限らず例えば通常時の振幅Ｖａ１を第２の振幅Ｖａ２と同じとし、この時の第１の振幅Ｖａ１を通常時の振幅Ｖａ１よりも小さい振幅値としてもよい。また、通常時の振幅Ｖａ１が第１及び第２の振幅Ｖａ１，Ｖａ２の中間値となるように設定してもよい。また、大小２値の速度振幅値（第１及び第２の振幅Ｖａ１，Ｖａ２）を用いたが、３以上の振幅値を用いてもよい。また、その時々の状況に応じて振幅値を逐次変更してもよい。

・撹拌溶接モードにおいて、速度振幅切替タイミングＴｘを同じ期間長さの期間Ｔ１，Ｔ２としたが、期間Ｔ１，Ｔ２は予め異なる長さでもよく、また期間Ｔ１，Ｔ２の長さをその時々の状況に応じて逐次変更してもよい。

・振幅Ｖａ１，Ｖａ２等の速度振幅値とその切り替える切替タイミングＴｘとの設定を出力電圧Ｖｗの設定電圧等に基づいて行ったが、これ以外のパラメータにて設定してもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想を以下に追記する。
（イ） 溶接ワイヤへの給電及びその保持を行う溶接トーチと、前記溶接ワイヤの送給を行いその送給動作が制御される送給装置と、請求項１又は２に記載のアーク溶接用電源装置とを備えたことを特徴とするアーク溶接機。

この構成によれば、溶融地の撹拌が促進される溶接法でブローホールを軽減できてビード品質を向上できる等、溶接品質の向上が可能なアーク溶接機として提供することができる。

１１ アーク溶接用電源装置
１２ 溶接ワイヤ
２０ａ 出力制御部
２０ｃ 送給制御部（振幅制御部）
２０ｄ 振幅設定部（振幅制御部）
Ｍ 被溶接物
Ｉｗ 出力電流（出力電力）
Ｖｗ 出力電圧（出力電力）
Ｖｆｔ 送給速度
Ｖａ 送給速度の周波数成分
Ｖａ１，Ｖａ２ 振幅（振幅値）
Ｔ１，Ｔ２ 期間

Claims (4)

1. 溶接ワイヤを放電電極としたその電極先端にてアークを生じさせて被溶接物のアーク溶接を行うべく、アーク溶接に適した出力電力に調整する出力制御部と、前記溶接ワイヤの正逆送を含むその送給速度を周期的に変化させる送給制御部とを備えたアーク溶接用電源装置であって、
   前記溶接ワイヤの送給速度の振幅を平均アーク長の周期的な変動が生じるように周期的に変化させる振幅制御部を備えたことを特徴とするアーク溶接用電源装置。
2. 請求項１に記載のアーク溶接用電源装置において、
   前記振幅制御部は、大小２値の振幅値を用い同じ期間長さで交互に適用することを特徴とするアーク溶接用電源装置。
3. 溶接ワイヤを放電電極としたその電極先端にてアークを生じさせて被溶接物のアーク溶接を行うべく、アーク溶接に適した出力電力に調整する出力制御と、前記溶接ワイヤの正逆送を含むその送給速度を周期的に変化させる送給制御とを実施するアーク溶接用電源装置の制御方法であって、
   前記溶接ワイヤの送給速度の振幅を周期的に変化させ、平均アーク長の周期的な変動を生じさせるようにしたことを特徴とするアーク溶接用電源装置の制御方法。
4. 請求項３に記載のアーク溶接用電源装置の制御方法において、
   大小２値の振幅値を用い同じ期間長さで交互に適用し、前記溶接ワイヤの送給速度の振幅を変化させるようにしたことを特徴とするアーク溶接用電源装置の制御方法。