JP6525671B2 - ２ワイヤ溶接の溶接開始方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接ワイヤと母材との間にアークを発生させると共に、このアークによって形成された溶融池の後半部にフィラーワイヤを接触させながら送給して行う２ワイヤ溶接の溶接開始方法に関するものである。

消耗電極アークによって形成された溶融池に、フィラーワイヤを接触させながら送給して行う２ワイヤ溶接方法は、消耗電極アークの溶接ワイヤとフィラーワイヤとの２つのワイヤを使用するために高速溶接性及び高溶着性に優れている。特に、２ワイヤ溶接方法によって高速溶接を行うときには、ハンピングビードになるのを防止するために、フィラーワイヤを消耗電極アークよりも後方から溶融池に接触させて送給することが重要である。これは、フィラーワイヤを消耗電極アーク中に送給して溶融すると、溶融池の冷却効果が小さくなり、かつ、フィラーワイヤによって溶融池の後半部の盛り上がりを抑えることもできないためにハンピングビードを抑制する効果はほとんどないからである。これに対して、フィラーワイヤをアーク周縁部の溶融池の後半部に接触させて送給し、溶融池の熱によって溶融するようにすれば溶融池が効率よく冷却され、かつ、フィラーワイヤによって溶融池後半部が抑えられてハンピングビードの形成を抑制することができる。以下の説明においては、消耗電極アークのワイヤを溶接ワイヤと記載し、フィラーワイヤとは区別することにする。消耗電極アークを発生させる溶接法としては、炭酸ガスアーク溶接法、マグ溶接法、ミグ溶接法、パルスマグ溶接法、パルスミグ溶接法、消耗電極交流パルスアーク溶接法等が使用される。

２ワイヤ溶接の溶接開始方法は、以下のように行われるのが一般的であった(たとえば、特許文献１参照)。溶接装置に外部から起動信号が入力されると、溶接ワイヤの送給が開始されると共に、溶接ワイヤと母材との間に溶接電圧が印加される。溶接ワイヤが母材と接触すると、溶接電流が通電して消耗電極アークが発生する。溶接電流が通電を開始すると、溶接トーチは予め教示された溶接線に沿って移動を開始する。また、溶接電流の通電が開始した時点から所定期間だけ遅延した後に、フィラーワイヤの送給が開始される。この所定期間の間に、消耗電極アークによって溶融池が次第に大きくなる。フィラーワイヤが溶融池と接触すると、フィラーワイヤの先端部は溶融池からの熱によって溶融されて、接触状態が維持されて定常溶接状態へと移行する。フィラーワイヤには電流は通電していない。上記の所定期間は、消耗電極アークによって形成される溶融池がフィラーワイヤの挿入位置を含む大きさまで成長し、かつ、溶融池の温度がフィラーワイヤを溶融することができる値に達するまでの期間である。この所定期間は、継手形状、母材の板厚、母材の材質等によって適正値が変化するが、例えば０．４〜１．０秒程度である。

上述した従来技術の溶接開始方法では、溶接ワイヤが母材に接触して溶接電流が通電した時点で消耗電極アークが発生し、その後も消耗電極アークが継続して発生していることを前提としている。このような状態においては、上記の所定期間を溶接条件に応じて適正化することによって、溶融池が適正サイズまで成長したタイミングでフィラーワイヤの送給が開始されることになり、フィラーワイヤは溶融池に接触した状態で安定した溶融状態へと移行する。

しかし、溶接ワイヤが母材に接触して溶接電流が通電しても、短絡状態が長く続き消耗電極アークの発生が遅れる場合がある。また、溶接電流の通電と略同時に消耗電極アークが一旦発生しても、その後に短絡状態となり消耗電極アークが一時的に消弧する場合もある。このように、溶接開始時において定常溶接状態に移行するまでの過渡期間中には、数回消耗電極アークが一時的に消弧状態となる場合が生じる。このような状態となると、上記の所定期間中に溶融池が適正サイズまで成長する前にフィラーワイヤの送給が開始されることになる。この結果、フィラーワイヤが溶融池と接触した状態で安定して溶融することができずに、溶接開始部の溶接品質が悪くなるという問題が発生していた。

特開２０１３−７１１４５号公報

そこで、本発明では、溶接開始時の過渡期間中に溶接ワイヤと母材との間に短絡が発生しても、フィラーワイヤを安定した溶融状態に移行させることができ、溶接開始部の溶接品質を良好に保つことができる２ワイヤ溶接の溶接開始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、請求項１の発明は、
溶接ワイヤと母材との間にアークを発生させると共に、このアークによって形成された溶融池の後半部にフィラーワイヤを接触させながら送給して行う２ワイヤ溶接の溶接開始方法において、
溶接を開始する際に、前記溶接ワイヤの送給を開始し、前記溶接ワイヤが前記母材に接触すると溶接電流が通電し、この溶接電流の通電開始時点からの前記母材への入熱量相関値が予め定めた基準値に達した時点で前記フィラーワイヤの送給を開始し、
前記入熱量相関値は、前記アークの発生期間中の前記溶接電流の積分値、又は、前記アークの発生期間中の前記溶接電流と溶接電圧との乗算値の積分値である、
ことを特徴とする２ワイヤ溶接の溶接開始方法である。

本発明によれば、溶接開始時の過渡期間中に溶接ワイヤと母材との間に短絡が発生しても、母材への入熱量が基準値に達して溶融池が適正サイズに成長した時点でフィラーワイヤの送給を開始するので、フィラーワイヤを安定した溶融状態に移行させることができ、溶接開始部の溶接品質を良好に保つことができる。

本発明の実施の形態１に係る２ワイヤ溶接の溶接開始方法を実施するための溶接装置の構成図である。 本発明の実施の形態１に係る２ワイヤ溶接の溶接開始方法を説明するための図１における各信号のタイミングチャートである。

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］
実施の形態１の発明は、溶接を開始する際に、溶接ワイヤの送給を開始し、溶接ワイヤが母材に接触すると溶接電流が通電し、この溶接電流の通電開始時点からの母材への入熱量相関値が基準値に達した時点でフィラーワイヤの送給を開始するものである。

図１は、本発明の実施の形態１に係る２ワイヤ溶接の溶接開始方法を実施するための溶接装置の構成図である。以下、同図を参照して、各構成物について説明する。

本溶接装置は、破線で囲まれた溶接トーチＷＴ、溶接電源ＰＳ、ロボット制御装置ＲＣ及びロボット（図示は省略）を備えている。

溶接トーチＷＴは、溶接ワイヤ１ａに給電するための給電チップ４ａ及びフィラーワイヤ１ｂの送給をガイドするための送給チップ４ｂを備えている溶接トーチＷＴの先端からは炭酸ガス、炭酸ガスとアルゴンガスとの混合ガス等のシールドガス（図示は省略）が噴出している。溶接トーチＷＴは、ロボット（図示は省略）によって保持されて、ロボット制御装置ＲＣ内に記憶されている作業プログラムに従って、溶接線に沿って移動される。

溶接ワイヤ１ａは、溶接ワイヤ用送給モータＷＭに結合された溶接ワイヤ用送給ロール５ａの回転によって溶接トーチＷＴ内を溶接ワイヤ送給速度Ｗｓで送給されて、母材２との間で消耗電極アーク３ａが発生する。

フィラーワイヤ１ｂは、フィラーワイヤ用送給モータＦＭに結合されたフィラーワイヤ用送給ロール５ｂの回転によって溶接トーチＷＴ内をフィラーワイヤ送給速度Ｆｓで送給される。フィラーワイヤ１ｂには電圧は印加されておらず、電流も通電していない。

溶接ワイヤ１ａと母材２との間には溶接電圧Ｖwwが印加されており、消耗電極アーク３ａ中を溶接電流Ｉwwが通電している。同図では、溶接方向は左方向となっている。先行する消耗電極アーク３ａによって溶融池２ａが形成される。フィラーワイヤ１ｂは、溶融池２ａの後半部に接触した状態で挿入されており、溶融池２ａからの熱によって溶融される。フィラーワイヤ１ｂは、消耗電極アーク３ａの外部を送給される。これは、上述したように、フィラーワイヤ１ｂが消耗電極アーク３ａによって直接溶融されることを防止するためである。溶接ワイヤ１ａの前進角は、０〜３０°程度の範囲であり、同図では面直（０°）の場合である。フィラーワイヤ１ｂの前進角は、２０〜５０°の範囲である。すなわち、フィラーワイヤ１ｂは、斜め前方方向に挿入されることになる。

溶接電流検出回路ＩＤは、溶接電流Ｉwwを検出して、溶接電流検出信号Ｉｄを出力する。溶接電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖwwを検出して、溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する。

電流通電判別回路ＣＤは、上記の溶接電流検出信号Ｉｄの値から溶接電流Ｉwwが通電していることを判別してＨｉｇｈレベルとなる電流通電判別信号Ｃｄを出力する。

アーク判別回路ＡＤは、上記の溶接電圧検出信号Ｖｄの値からアークが発生していることを判別してＨｉｇｈレベルとなるアーク判別信号Ａｄを出力する。

相関判別回路ＳＤは、上記の溶接電流検出信号Ｉｄ、上記の溶接電圧検出信号Ｖｄ、上記の電流通電判別信号Ｃｄ及び上記のアーク判別信号Ａｄを入力として、以下の処理１）〜３）から１つを選択して入熱量相関値を算出し、この入熱量相関値が予め定めた基準値に達した時点でＨｉｇｈレベルとなる相関判別信号Ｓｄを出力する。基準値は、溶融池が適正サイズとなる値に実験によって設定される。
処理１）電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルになると入熱量相関値を０にリセットし、アーク判別信号ＡｄがＨｉｇｈレベルである時間を積分して入熱量相関値として算出する。
処理２）電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルになると入熱量相関値を０にリセットし、アーク判別信号ＡｄがＨｉｇｈレベルであるときの溶接電流検出信号Ｉｄの値を積分して入熱量相関値として算出する。
処理３）電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルになると入熱量相関値を０にリセットし、アーク判別信号ＡｄがＨｉｇｈレベルであるときの溶接電流検出信号Ｉｄと溶接電圧検出信号Ｖｄの乗算値(電力値)を積分して入熱量相関値として算出する。

溶接電源ＰＳは、後述するロボット制御装置ＲＣからの起動信号Ｏｎ、上記の電流通電判別信号Ｃｄ及び上記の相関判別信号Ｓｄを入力として、溶接電圧Ｖww及び溶接電流Ｉwwを出力して消耗電極アーク３ａを発生させると共に、上記の溶接ワイヤ用送給モータＷＭに対して溶接ワイヤ送給制御信号Ｗｃを出力し、上記のフィラーワイヤ用送給モータＦＭに対してフィラーワイヤ送給制御信号Ｆｃを出力する。溶接ワイヤ送給制御信号Ｗｃによって溶接ワイヤ送給速度Ｗｓが制御される。フィラーワイヤ送給制御信号Ｆｃによってフィラーワイヤ送給速度Ｆｓが制御される。溶接電源ＰＳは、定電圧特性を有している。溶接電源ＰＳの動作については、図２で詳述する。

ロボット制御装置ＲＣは、予め教示された作業プログラムに従って溶接トーチＷＴを溶接開始位置に移動させて停止し、溶接電源ＰＳに対して起動信号Ｏｎを出力して溶接を開始し、上記の電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルになると溶接トーチＷＴを溶接線に沿って移動させる。

図２は、本発明の実施の形態１に係る２ワイヤ溶接の溶接開始方法を説明するための上述した図１における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は起動信号Ｏｎの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖwwの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電流Ｉwwの時間変化を示し、同図（Ｄ）は溶接ワイヤ送給速度Ｗｓの時間変化を示し、同図（Ｅ）はフィラーワイヤ送給速度Ｆｓの時間変化を示し、同図（Ｆ）は電流通電判別信号Ｃｄの時間変化を示し、同図（Ｇ）はアーク判別信号Ａｄの時間変化を示し、同図（Ｈ）は相関判別信号Ｓｄの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。

時刻ｔ１において、溶接トーチＷＴが溶接開始位置に移動して停止すると、同図(Ａ)に示すように、起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベルとなり、溶接電源ＰＳが起動される。これに応動して、同図(Ｂ)に示すように、溶接電圧Ｖwwは最大電圧値の無負荷電圧となり、同図(Ｄ)に示すように、溶接ワイヤ送給速度Ｗｓは予め定めた低速のスローダウン速度になり、溶接ワイヤ１ａは送給を開始する。同図(Ｃ)に示すように、溶接電流Ｉwwは通電しておらず、同図(Ｅ)に示すように、フィラーワイヤ送給速度Ｆｓは０であり、フィラーワイヤ１ｂの送給は停止している。

時刻ｔ２において、上記のスローダウン送給によって溶接ワイヤ１ａが母材２と接触すると、同図(Ｃ)に示すように、溶接電流Ｉwwが通電し、同図(Ｆ)に示すように、電流通電判別信号ＣｄはＨｉｇｈレベルとなる。これに応動して、同図(Ｄ)に示すように、溶接ワイヤ送給速度Ｗｓは予め定めた定常送給速度に加速し、溶接トーチＷＴは溶接線に沿って移動を開始する。これ以降の期間において、時刻ｔ２〜ｔ３の期間は短絡期間となり、時刻ｔ３〜ｔ４の期間はアーク期間となり、時刻ｔ４〜ｔ５の期間は短絡期間となり、時刻ｔ５以降の期間はアーク期間となる。すなわち、溶接開始時において２回の短絡が発生した場合である。

時刻ｔ２〜ｔ３の短絡期間中は、同図(Ｂ)に示すように、溶接電圧Ｖwwは略０Ｖの短絡電圧値となり、同図(Ｃ)に示すように、溶接電流Ｉwwはアーク期間中よりも大電流値の短絡電流値となる。同図(Ｇ)に示すように、アーク判別信号ＡｄはＬｏｗレベルのままである。

時刻ｔ３において消耗電極アーク３ａが発生し、時刻ｔ３〜ｔ４のアーク期間中は、同図(Ｂ)に示すように、溶接電圧Ｖwwは数十Ｖのアーク電圧値となり、同図(Ｃ)に示すように、溶接電流Ｉwwは短絡期間中よりも小電流値のアーク電流値となる。同図(Ｇ)に示すように、アーク判別信号ＡｄはＨｉｇｈレベルとなる。

時刻ｔ４において再び短絡が発生し、時刻ｔ４〜ｔ５の短絡期間中は、同図(Ｂ)に示すように、溶接電圧Ｖwwは略０Ｖの短絡電圧値となり、同図(Ｃ)に示すように、溶接電流Ｉwwはアーク期間中よりも大電流値の短絡電流値となる。同図(Ｇ)に示すように、アーク判別信号ＡｄはＬｏｗレベルとなる。

時刻ｔ５において再び消耗電極アーク３ａが発生し、時刻ｔ５以降はアーク期間となる。このアーク期間中は、同図(Ｂ)に示すように、溶接電圧Ｖwwは数十Ｖのアーク電圧値となり、同図(Ｃ)に示すように、溶接電流Ｉwwは短絡期間中よりも小電流値のアーク電流値となる。同図(Ｇ)に示すように、アーク判別信号ＡｄはＨｉｇｈレベルとなる。

図１の相関判別回路ＳＤは、電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルに変化した時刻ｔ２から、入熱量相関値を算出するための積分(上述した処理１）〜３）のいずれか１つ)を開始する。但し、時刻ｔ２〜ｔ３の短絡期間及び時刻ｔ４〜ｔ５の短絡期間中は、積分を停止し、時刻ｔ３〜ｔ４のアーク期間及び時刻ｔ５以降のアーク期間中は積分を継続する。この結果、時刻ｔ６において入熱量相関値が予め定めた基準値に達すると、同図(Ｈ)に示すように、相関判別信号ＳｄはＨｉｇｈレベルに変化する。これに応動して、同図(Ｅ)に示すように、フィラーワイヤ送給速度Ｆｓは予め定めた定常送給速度となり、フィラーワイヤ１ｂの送給が開始される。したがって、時刻ｔ１〜ｔ６の期間が溶接開始時の過渡期間となり。時刻ｔ６以降の期間が定常期間となる。フィラーワイヤ１ｂの定常送給速度は、溶接ワイヤ１ａの定常送給速度の２０〜４０％程度に設定される。

溶接開始時において、母材への入熱は主にアーク期間中に行われ、短絡期間中には少ししか行われない。このために、従来技術のように、溶接電流が通電を開始してから所定期間が経過した時点で溶融池が適正サイズに成長しているとしてフィラーワイヤの送給を開始すると、所定期間中に短絡が発生した場合には、母材への入熱量が不足することになり、溶融池のサイズが適正サイズに成長する前にフィラーワイヤの送給が開始されることになる。この結果、フィラーワイヤを安定した溶融状態へと移行させることができず、溶接開始時の溶接品質が悪くなっていた。これに対して、本実施の形態では、溶接電流の通電開始時点からの母材への入熱量相関値が予め定めた基準値に達した時点で、溶融池が適正サイズに成長したと判断してフィラーワイヤの送給を開始する。入熱量相関値としては、１）アークの発生期間の時間積分値、２）アークの発生期間中の溶接電流の積分値又は３）アークの発生期間中の溶接電流と溶接電圧との乗算値の積分値である。これにより、溶接開始時の過渡期間中に短絡が発生しても、フィラーワイヤの送給開始が常に母材への入熱量が基準値に達した時点となる。このために、溶融池が適正サイズに成長した時点でフィラーワイヤの送給が開始されることになり、フィラーワイヤは安定した溶融状態となる。

上述した実施の形態１によれば、溶接を開始する際に、溶接ワイヤの送給を開始し、溶接ワイヤが母材に接触すると溶接電流が通電し、この溶接電流の通電開始時点からの母材への入熱量相関値が予め定めた基準値に達した時点でフィラーワイヤの送給を開始する。これにより、本実施の形態では、溶接開始時の過渡期間中に溶接ワイヤと母材との間に短絡が発生しても、母材への入熱量が基準値に達して溶融池が適正サイズに成長した時点でフィラーワイヤの送給を開始するので、フィラーワイヤを安定した溶融状態に移行させることができ、溶接開始部の溶接品質を良好に保つことができる。

１ａ 溶接ワイヤ
１ｂ フィラーワイヤ
２ 母材
２ａ 溶融池
３ａ 消耗電極アーク
４ａ 給電チップ
４ｂ 送給チップ
５ａ 溶接ワイヤ用送給ロール
５ｂ フィラーワイヤ用送給ロール
ＡＤ アーク判別回路
Ａｄ アーク判別信号
ＣＤ 電流通電判別回路
Ｃｄ 電流通電判別信号
Ｆｃ フィラーワイヤ送給制御信号
ＦＭ フィラーワイヤ用送給モータ
Ｆｓ フィラーワイヤ送給速度
ＩＤ 溶接電流検出回路
Ｉｄ 溶接電流検出信号
Ｉww 溶接電流
Ｏｎ 起動信号
ＰＳ 溶接電源
ＲＣ ロボット制御装置
ＳＤ 相関判別回路
Ｓｄ 相関判別信号
ＶＤ 溶接電圧検出回路
Ｖｄ 溶接電圧検出信号
Ｖww 溶接電圧
Ｗｃ 溶接ワイヤ送給制御信号
ＷＭ 溶接ワイヤ用送給モータ
Ｗｓ 溶接ワイヤ送給速度
ＷＴ 溶接トーチ

Claims (1)

1. 溶接ワイヤと母材との間にアークを発生させると共に、このアークによって形成された溶融池の後半部にフィラーワイヤを接触させながら送給して行う２ワイヤ溶接の溶接開始方法において、
   溶接を開始する際に、前記溶接ワイヤの送給を開始し、前記溶接ワイヤが前記母材に接触すると溶接電流が通電し、この溶接電流の通電開始時点からの前記母材への入熱量相関値が予め定めた基準値に達した時点で前記フィラーワイヤの送給を開始し、
   前記入熱量相関値は、前記アークの発生期間中の前記溶接電流の積分値、又は、前記アークの発生期間中の前記溶接電流と溶接電圧との乗算値の積分値である、
   ことを特徴とする２ワイヤ溶接の溶接開始方法。

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