JP6261614B2 - アーク溶接制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、送給速度の正送期間と逆送期間とを周期的に繰り返し、溶接電源の出力が電圧目標値の値と等しくなるように定電圧制御し、短絡期間とアーク期間とを繰り返して溶接するアーク溶接制御方法に関するものである。
一般的な消耗電極式アーク溶接では、消耗電極である溶接ワイヤを一定速度で送給し、溶接ワイヤと母材との間にアークを発生させて溶接が行なわれる。消耗電極式アーク溶接では、溶接ワイヤと母材とが短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返す溶接状態になることが多い。
溶接品質をさらに向上させるために、溶接ワイヤの正送と逆送とを周期的に繰り返して溶接する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。以下、この溶接方法について説明する。
図3は、送給速度の正送と逆送とを周期的に繰り返す溶接方法における波形図である。同図(A)は送給速度Fwの波形を示し、同図(B)は溶接電流Iwの波形を示し、同図(C)は溶接電圧Vwの波形を示し、同図(D)は定電圧制御の電圧目標値である出力電圧設定信号Erの波形を示す。以下、同図を参照して説明する。
同図(A)に示すように、送給速度Fwは、0以上が正送期間となり、0未満が逆送期間となる。正送とは溶接ワイヤを母材に近づける方向に送給することであり、逆送とは母材から離反する方向に送給することである。送給速度Fwは、正弦波状に変化しており、正送側にシフトした波形となっている。このために、送給速度Fwの平均値は正の値となり、溶接ワイヤは平均的には正送されている。
同図(A)に示すように、送給速度Fwは、時刻t1時点では0であり、時刻t1〜t2の期間は正送加速期間となり、時刻t2で正送の最大値となり、時刻t2〜t3の期間は正送減速期間となり、時刻t3で0となり、時刻t3〜t4の期間は逆送加速期間となり、時刻t4で逆送の最大値となり、時刻t4〜t5の期間は逆送減速期間となる。そして、時刻t5〜t6の期間は再び正送加速期間となり、時刻t6〜t7の期間は再び正送減速期間となる。
消耗電極式アーク溶接には定電圧制御の溶接電源が使用される。この定電圧制御は、溶接電源の出力電圧が予め定めた出力電圧設定信号Erと等しくなるようにフィードバック制御されることによって行なわれる。同図(D)に示すように、出力電圧設定信号Erは溶接中は一定値であるので、定電圧制御によって一定の出力電圧が出力される。
溶接ワイヤと母材との短絡は、時刻t2の正送最大値の前後で発生することが多い。同図は、正送の最大値の後の正送減速期間中の時刻t21で短絡が発生した場合を示している。時刻t21において短絡が発生すると、同図(C)に示すように、溶接電圧Vwは数Vの短絡電圧値に急減し、同図(B)に示すように、溶接電流Iwは次第に増加する。
同図(A)に示すように、送給速度Fwは、時刻t3からは逆送期間になるので、溶接ワイヤは逆送される。この逆送によって短絡が解除されて、時刻t31においてアークが再発生する。アークの再発生は、時刻t4の逆送の最大値の前後で発生することが多い。同図は、逆送の最大値の前の逆送加速期間中の時刻t31でアークが再発生した場合を示している。したがって、時刻t21〜t31の期間が短絡期間となる。
時刻t31においてアークが再発生すると、同図(C)に示すように、溶接電圧Vwは数十Vのアーク電圧値に急増する。同図(B)に示すように、溶接電流Iwは、短絡期間中の最大値の状態から変化を開始する。
時刻t31〜t5の期間中は、同図(A)に示すように、送給速度Fwは逆送状態であるので、溶接ワイヤは引き上げられてアーク長は次第に長くなる。アーク長が長くなると、溶接電圧Vwは大きくなり、定電圧制御されているので溶接電流Iwは小さくなる。したがって、時刻t31〜t5のアーク期間逆送期間Tar中は、同図(C)に示すように、溶接電圧Vwは次第に大きくなり、同図(B)に示すように、溶接電流Iwは次第に小さくなる。
そして、次の短絡が、時刻t6〜t7の正送減速期間中の時刻t61に発生する。但し、時刻t61に発生した短絡は、時刻t21に発生した短絡よりも正送の最大値からの時間(位相)が遅くなっている。時刻t31〜t61の期間がアーク期間となる。時刻t5〜t61の期間中は、同図(A)に示すように、送給速度Fwは正送状態であるので、溶接ワイヤは正送されてアーク長は次第に短くなる。アーク長が短くなると、溶接電圧Vwは小さくなり、定電圧制御されているので溶接電流Iwは大きくなる。したがって、時刻t5〜t61のアーク期間正送期間Tas中は、同図(C)に示すように、溶接電圧Vwは次第に小さくなり、同図(B)に示すように、溶接電流Iwは次第に大きくなる。
上述したように、溶接ワイヤの正送と逆送とを繰り返す溶接方法では、定速送給の従来技術では不可能であった短絡とアークとの繰り返しの周期を所望値に設定することができるので、スパッタ発生量の削減、ビード外観の改善等の溶接品質の向上を図ることができる。
しかし、上述したように、時刻t5〜t61のアーク期間正送期間Tas中は、アーク長が短くなるのに伴い溶接電流Iwが次第に大きくなるために、溶接ワイヤ先端の溶滴に作用する持ち上げ力が次第に大きくなる。この結果、短絡の発生タイミングがばらつくことになる。短絡発生タイミングのばらつきが大きくなると、短絡とアークとの周期と正送と逆送との周期とが同期しなくなり、短絡とアークとの周期がばらつくことになる。この同期ズレ状態を元の同期状態に戻すための方法が、特許文献1に開示されている。
特許文献1の発明では、溶接ワイヤの正送中で送給速度の減速中に、送給速度が所定の送給速度になるまでに短絡が発生しない場合には、周期的な変化を中止して送給速度を第1の送給速度に一定制御し、第1の送給速度による正送中に短絡が発生すると第1の送給速度から減速を開始して周期的な変化を再開して溶接を行うものである。これにより、同期ズレ状態を同期状態に戻そうとしている。
日本国特許第4807474号公報
特許文献1の発明では、短絡が適正なタイミングで発生しないときは、送給速度を正送の一定速度に切り換え、短絡が発生すると送給速度を元の周期的な変化に戻している。しかし、この制御では、短絡とアークとの周期が送給速度の正送と逆送との周期と同期ズレ状態に陥った後に処置することになり、溶接状態が不安定になりやすいという問題がある。
そこで、本発明では、短絡とアークとの周期と送給速度の正送と逆送との周期とが同期ズレ状態になることを抑制し、安定した溶接を行うことができるアーク溶接制御方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、本発明のアーク溶接制御方法は、
母材に対する電極の送給速度の正送期間と逆送期間とを周期的に繰り返し、溶接電源の出力が電圧目標値と等しくなるように定電圧制御し、短絡期間とアーク期間とを繰り返して溶接するアーク溶接制御方法において、
前記アーク期間中の前記正送期間中は、前記電圧目標値を時間経過に伴って減少させる、
ことを特徴とする。
本発明のアーク溶接制御方法は、前記電圧目標値の前記減少を、前記アーク期間中の前記正送期間の開始時点から行う、
ことを特徴とする。
本発明のアーク溶接制御方法は、前記電圧目標値の前記減少を、前記アーク期間中の前記正送期間の開始から所定期間が経過した時点から行う、
ことを特徴とする。
本発明のアーク溶接制御方法は、前記電圧目標値の前記減少を、前記アーク期間中の前記正送期間の前記送給速度が予め定めた基準値に達した時点から行う、
ことを特徴とする。
本発明のアーク溶接制御方法は、前記電圧目標値の前記減少の変化率を、前記送給速度の特定の値に応じて変化させる、
ことを特徴とする。
本発明によれば、アーク期間中の正送期間中にアーク長が次第に短くなり、溶接電圧が次第に小さくなっても、溶接電流が小さくなるので、溶滴が持ち上げられることを防止することができる。この結果、短絡が発生するタイミングのばらつきを抑制することができる。このために、本発明では、短絡とアークとの周期と送給速度の正送と逆送との周期とが同期ズレ状態になることを抑制し、安定した溶接を行うことができる。
本発明の実施の形態1に係るアーク溶接制御方法を実施するための溶接電源のブロック図である。 本発明の実施の形態1に係るアーク溶接制御方法を説明するための図1の溶接電源における各信号のタイミングチャートである。 従来技術において、送給速度の正送と逆送とを周期的に繰り返す溶接方法における波形図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
[実施の形態1]
図1は、本発明の実施の形態1に係るアーク溶接制御方法を実施するための溶接電源のブロック図である。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。
電源主回路PMは、3相200V等の商用電源(図示は省略)を入力として、後述する誤差増幅信号Eaに従ってインバータ制御等による出力制御を行い、出力電圧Eを出力する。この電源主回路PMは、図示は省略するが、商用電源を整流する1次整流器、整流された直流を平滑する平滑コンデンサ、平滑された直流を高周波交流に変換するインバータ回路、高周波交流を溶接に適した電圧値に降圧する高周波変圧器、降圧された高周波交流を直流に整流する2次整流器、上記の誤差増幅信号Eaを入力としてパルス幅変調制御を行う変調回路、パルス幅変調制御信号を入力としてインバータ回路のスイッチング素子を駆動するインバータ駆動回路を備えている。
リアクトルWLは、上記の出力電圧Eを平滑する。このリアクトルWLのインダクタンス値は、例えば200μHである。
送給モータWMは、後述する送給制御信号Fcを入力として、正送と逆送とを周期的に繰り返して溶接ワイヤ1を送給速度Fwで送給する。この送給モータWMには、過渡応答性の速いモータが使用される。溶接ワイヤ1の送給速度Fwの変化率及び送給方向の反転を速くするために、送給モータWMは溶接トーチ4の先端の近くに設置される場合がある。また、送給モータWMを2個使用して、プッシュプル方式の送給系とする場合もある。
溶接ワイヤ1は、上記の送給モータWMに結合された送給ロール5の回転によって溶接トーチ4内を送給されて、溶接ワイヤ1と母材2との間にアーク3が発生する。溶接トーチ4内の給電チップ(図示は省略)と母材2との間には溶接電圧Vwが印加され、溶接電流Iwが通電する。
電圧検出回路VDは、上記の溶接電圧Vwを検出して、電圧検出信号vdを出力する。短絡判別回路SDは、この電圧検出信号vdを入力として、この値が予め定めた短絡判別値未満のときは短絡期間であると判別してHighレベルとなり、電圧検出信号vdが予め定めた短絡判別値以上のときはアーク期間であると判別してLowレベルとなる短絡判別信号Sdを出力する。この短絡判別値は、15V程度に設定される。
送給速度設定回路FRは、図2(A)で詳述するように、正送と逆送とが周期的に繰り返される予め定めたパターンの送給速度設定信号Frを出力する。この送給速度設定信号Frが0以上のときは正送期間となり、0未満のときは逆送期間となる。
送給制御回路FCは、この送給速度設定信号Frを入力として、この設定値に相当する送給速度Fwで溶接ワイヤ1を送給するための送給制御信号Fcを上記の送給モータWMに出力する。
出力電圧設定回路ERは、予め定めた出力電圧設定信号Erを出力する。出力電圧検出回路EDは、上記の出力電圧Eを検出し平滑して、出力電圧検出信号Edを出力する。
出力電圧制御設定回路ECRは、上記の出力電圧設定信号Er、上記の短絡判別信号Sd及び上記の送給速度設定信号Frを入力として、短絡判別信号SdがLowレベル(アーク期間)であるときに、送給速度設定信号Frが0以上(正送期間)になった時点から短絡判別信号SdがHighレベル(短絡期間)になるまでの第一の期間中は、出力電圧設定信号Erの値を基点として時間経過に伴って減少する出力電圧制御設定信号Ecrを出力する。出力電圧制御設定回路ECRは、アーク期間の第一の期間以外の期間中は、出力電圧設定信号Erの値をそのまま出力電圧制御設定信号Ecrとして出力する。本実施の形態では、この出力電圧制御設定信号Ecrが、定電圧制御の電圧目標値となる。
誤差増幅回路EAは、上記の出力電圧制御設定信号Ecr及び上記の出力電圧検出信号Edを入力として、出力電圧制御設定信号Ecr(+)と出力電圧検出信号Ed(−)との誤差を増幅して、誤差増幅信号Eaを出力する。この回路によって、溶接電源は定電圧制御される。
図2は、本発明の実施の形態1に係るアーク溶接制御方法を説明するための図1の溶接電源における各信号のタイミングチャートである。同図(A)は送給速度Fwの時間変化を示し、同図(B)は溶接電流Iwの時間変化を示し、同図(C)は溶接電圧Vwの時間変化を示し、同図(D)は定電圧制御の電圧目標値である出力電圧制御設定信号Ecrの時間変化を示す。同図は上述した図3と対応しており、時刻t5〜t61のアーク期間正送期間Tas中の動作が異なる。以下、同図を参照して説明する。
同図(A)に示すように、送給速度Fwは、0以上が正送期間となり、0未満が逆送期間となる。送給速度Fwは、正弦波状に変化しており、正送側にシフトした波形となっている。このために、送給速度Fwの平均値は正の値となり、溶接ワイヤは平均的には正送されている。送給速度Fwの変化パターンは、三角波状又は台形波状でも良い。
同図(A)に示すように、送給速度Fwは、時刻t1時点では0であり、時刻t1〜t2の期間は正送加速期間となり、時刻t2で正送の最大値となり、時刻t2〜t3の期間は正送減速期間となり、時刻t3で0となり、時刻t3〜t4の期間は逆送加速期間となり、時刻t4で逆送の最大値となり、時刻t4〜t5の期間は逆送減速期間となる。そして、時刻t5〜t6の期間は再び正送加速期間となり、時刻t6〜t7の期間は再び正送減速期間となる。この正送と逆送との繰り返し周期は、所定値に設定されている。例えば、時刻t1〜t2の正送加速期間は2.7msであり、時刻t2〜t3の正送減速期間は2.7msであり、時刻t3〜t4の逆送加速期間は2.3msであり、時刻t4〜t5の逆送減速期間は2.3msである。また、正送の最大値は50m/minであり、逆送の最大値は−50m/minである。この場合は、正送と逆送との繰り返し周期は10msとなり、送給速度Fwの平均値は約4m/min(平均溶接電流は約150A)となる。
溶接ワイヤと母材との短絡は、時刻t2の正送の最大値の前後で発生することが多い。同図では、正送の最大値の後の正送減速期間中の時刻t21で短絡が発生した場合を示している。時刻t21において短絡が発生すると、同図(C)に示すように、溶接電圧Vwは数Vの短絡電圧値に急減し、同図(B)に示すように、溶接電流Iwは次第に増加する。
同図(A)に示すように、送給速度Fwは、時刻t3からは逆送期間になるので、溶接ワイヤは逆送される。この逆送によって短絡が解除されて、時刻t31においてアークが再発生する。アークの再発生は、時刻t4の逆送の最大値の前後で発生することが多い。同図では、逆送の最大値の前の逆送加速期間中の時刻t31でアークが発生した場合を示している。したがって、時刻t21〜t31の期間が短絡期間となる。この短絡期間中は、同図(D)に示すように、出力電圧制御設定信号Ecrは予め定めた一定の値となっている。この点は、従来技術と同一である。
時刻t31においてアークが再発生すると、同図(C)に示すように、溶接電圧Vwは数十Vのアーク電圧値に急増する。同図(B)に示すように、溶接電流Iwは、短絡期間中の最大値の状態から変化を開始する。
時刻t31〜t5の期間中は、同図(A)に示すように、送給速度Fwは逆送状態であるので、溶接ワイヤは引き上げられてアーク長は次第に長くなる。アーク長が長くなると、溶接電圧Vwは大きくなり、定電圧制御されているので溶接電流Iwは小さくなる。したがって、時刻t31〜t5のアーク期間逆送期間Tar中は、同図(C)に示すように、溶接電圧Vwは次第に大きくなり、同図(B)に示すように、溶接電流Iwは次第に小さくなる。このアーク期間逆送期間Tar中は、同図(D)に示すように、出力電圧制御設定信号Ecrは一定の値のままである。この期間の動作は従来技術と同一である。
そして、次の短絡が、時刻t6〜t7の正送減速期間中の時刻t61に発生する。但し、図3とは異なり、時刻t61に発生した短絡と時刻t21に発生した短絡とは正送の最大値からの時間(位相)が略一致している。時刻t31〜t61の期間がアーク期間となる。時刻t5〜t61の期間中は、同図(A)に示すように、送給速度Fwは正送状態であるので、溶接ワイヤは正送されてアーク長は次第に短くなる。このアーク期間正送期間Tas中は、同図(D)に示すように、出力電圧制御設定信号Ecrは時間経過に伴い次第に減少する。アーク長が短くなると、同図(C)に示すように、溶接電圧Vwは小さくなる。ここで、同図(D)に示すように、出力電圧制御設定信号Ecrが減少するために、溶接電圧Vwの減少率は図3の従来技術のときよりも大きくなる。この結果、同図(B)に示すように、溶接電流Iwは、従来技術とは異なり、次第に小さくなる。したがって、時刻t5〜t61のアーク期間正送期間Tas中は、同図(C)に示すように、溶接電圧Vwは大きな減少率で次第に小さくなり、同図(B)に示すように、溶接電流Iwも次第に小さくなる。
同図(D)に示すように、出力電圧制御設定信号Ecrは、アーク期間正送期間Tas以外の期間中は一定値となり、アーク期間正送期間Tas中は時間経過に伴って減少する。この減少の方法は、以下のようにして行う。
1)同図(D)に示すように、出力電圧制御設定信号Ecrは、時刻t5のアーク期間正送期間Tasの開始時点から減少を開始し、時刻t61の短絡期間まで継続する。この場合の出力電圧制御設定回路ECRは図1の通りである。
2)出力電圧制御設定信号Ecrは、時刻t5のアーク期間正送期間Tasの開始から所定期間が経過した時点から減少を開始し、時刻t61の短絡期間まで継続するようにしても良い。この場合の出力電圧制御設定回路ECRは、出力電圧設定信号Er、短絡判別信号Sd及び送給速度設定信号Frを入力として、短絡判別信号SdがLowレベル(アーク期間)であるときに、送給速度設定信号Frが0以上(正送期間)になってから所定期間が経過した時点から短絡判別信号SdがHighレベル(短絡期間)になるまでの第二の期間中は、出力電圧設定信号Erの値を基点として時間経過に伴って減少する出力電圧制御設定信号Ecrを出力する。出力電圧制御設定回路ECRは、アーク期間の第二の期間以外の期間中は、出力電圧設定信号Erの値をそのまま出力電圧制御設定信号Ecrとして出力する。
3)出力電圧制御設定信号Ecrは、アーク期間正送期間Tas中の送給速度Fwが予め定めた基準値に達した時点から減少を開始し、時刻t61の短絡期間まで継続するようにしても良い。この場合の出力電圧制御設定回路ECRは、出力電圧設定信号Er、短絡判別信号Sd及び送給速度設定信号Frを入力として、短絡判別信号SdがLowレベル(アーク期間)であるときに、送給速度設定信号Frが予め定めた正の値の基準値に達した時点から短絡判別信号SdがHighレベル(短絡期間)になるまでの第三の期間中は、出力電圧設定信号Erの値を基点として時間経過に伴って減少する出力電圧制御設定信号Ecrを出力する。出力電圧制御設定回路ECRは、アーク期間の第三の期間以外の期間中は、出力電圧設定信号Erの値をそのまま出力電圧制御設定信号Ecrとして出力する。
4)上記の1)〜3)において、出力電圧制御設定信号Ecrの減少の変化率を、送給速度Fwの特定の値に応じて変化させるようにしても良い。送給速度Fwの特定の値とは、送給速度Fwの平均値、正送の最大値又はアーク期間正送期間Tas中の送給速度Fwの変化率である。
5)上記の1)〜4)において、減少中の出力電圧制御設定信号Ecrが予め定めた下限値に達したら、減少を停止するようにしても良い。
6)上記の1)〜5)において、出力電圧制御設定信号Ecrの減少は、直線状又は曲線状であっても良い。
上述した実施の形態1によれば、アーク期間中の正送期間(アーク期間正送期間Tas)中は、電圧目標値(出力電圧制御設定信号Ecr)を時間経過に伴って減少させている。これにより、実施の形態1では、アーク期間中の正送期間中にアーク長が次第に短くなり、溶接電圧が次第に小さくなっても、溶接電流が小さくなるので、溶滴が持ち上げられることを防止することができる。この結果、短絡が発生するタイミングのばらつきを抑制することができる。このために、本実施の形態では、短絡とアークとの周期と送給速度の正送と逆送との周期とが同期ズレ状態になることを抑制し、安定した溶接を行うことができる。
本発明によれば、送給速度の正送期間と逆送期間とを周期的に繰り返し、溶接電源の出力が電圧目標値の値と等しくなるように定電圧制御し、短絡期間とアーク期間とを繰り返して溶接するアーク溶接制御方法を提供することができる。
以上、本発明を特定の実施形態によって説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、開示された発明の技術思想を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
本出願は、2013年12月25日出願の日本特許出願(特願2013−266768)に基づくものであり、その内容はここに取り込まれる。
1 溶接ワイヤ
2 母材
3 アーク
4 溶接トーチ
5 送給ロール
EA 誤差増幅回路
Ea 誤差増幅信号
ECR 出力電圧制御設定回路
Ecr 出力電圧制御設定信号
ED 出力電圧検出回路
Ed 出力電圧検出信号
ER 出力電圧設定回路
Er 出力電圧設定信号
FC 送給制御回路
Fc 送給制御信号
FR 送給速度設定回路
Fr 送給速度設定信号
Fw 送給速度
Iw 溶接電流
PM 電源主回路
SD 短絡判別回路
Sd 短絡判別信号
Tar アーク期間逆送期間
Tas アーク期間正送期間
VD 電圧検出回路
vd 電圧検出信号
Vw 溶接電圧
WL リアクトル
WM 送給モータ

Claims (5)

  1. 母材に対する電極の送給速度の正送期間と逆送期間とを周期的に繰り返し、溶接電源の出力が電圧目標値と等しくなるように定電圧制御し、短絡期間とアーク期間とを繰り返して溶接するアーク溶接制御方法において、
    前記アーク期間中の前記正送期間中は、前記電圧目標値を時間経過に伴って減少させる、
    ことを特徴とするアーク溶接制御方法。
  2. 前記電圧目標値の前記減少を、前記アーク期間中の前記正送期間の開始時点から行う、
    ことを特徴とする請求項1記載のアーク溶接制御方法。
  3. 前記電圧目標値の前記減少を、前記アーク期間中の前記正送期間の開始から所定期間が経過した時点から行う、
    ことを特徴とする請求項1記載のアーク溶接制御方法。
  4. 前記電圧目標値の前記減少を、前記アーク期間中の前記正送期間の前記送給速度が予め定めた基準値に達した時点から行う、
    ことを特徴とする請求項1記載のアーク溶接制御方法。
  5. 前記電圧目標値の前記減少の変化率を、前記送給速度の特定の値に応じて変化させる、
    ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のアーク溶接制御方法。
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