JP6537137B2 - 正逆送給アーク溶接方法 - Google Patents

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本発明は、溶接ワイヤの送給速度を正送期間と逆送期間とに交互に切り換え、溶接トーチをウィービングして溶接する正逆送給アーク溶接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等参照)。

特許文献1の発明では、溶接電流設定値に応じた送給速度の平均値とし、溶接ワイヤの正送と逆送との周波数及び振幅を溶接電流設定値に応じた値とする。

特許第5201266号公報

ビード幅を所望値にするために溶接トーチをウィービングしながら溶接する場合がある。また、溶接トーチを溶接線に倣わせるために溶接トーチをウィービングしてアークセンサとして用いる場合がある。送給速度を正送期間と逆送期間とに周期的に切り替えて溶接する正逆送給アーク溶接において、ウィービングの位相に対する送給速度の位相が変化するために、溶接状態が変動して不安定になることがあった。

そこで、本発明では、ウィービングの位相に対する送給速度の位相が変化することを防止して常に安定した溶接状態を得ることができる正逆送給アーク溶接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、
溶接ワイヤの送給速度を正送期間と逆送期間とに交互に切り換え、溶接トーチをウィービングして溶接する正逆アーク溶接方法において、
前記ウィービングの特定位相と前記送給速度の特定位相とが同期するように制御し、
前記送給速度の周波数Ufと前記ウィービングの周波数Sfとが、Uf=Sf×4×n(nは1以上の整数)の関係にある、
ことを特徴とする正逆送給アーク溶接方法である。

本発明によれば、ウィービングの各位相における送給速度の値が常に一定値となる。このために、本発明では、ウィービングの位相に対する送給速度の位相が変化することを防止して常に安定した溶接状態を得ることができる。

本発明の実施の形態1に係る正逆送給アーク溶接方法を実施するための溶接装置のブロック図である。 本発明の実施の形態1に係る正逆送給アーク溶接方法を示す、図1の溶接装置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]
図1は、本発明の実施の形態1に係る正逆送給アーク溶接方法を実施するための溶接装置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、後述する駆動信号Dv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上記の駆動信号Dvによって駆動されるインバータ回路、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。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、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が印加し、溶接電流Iwが通電する。

ウィービング周波数設定回路UFRは、溶接トーチ4をウィービングする周波数を設定するためのウィービング周波数設定信号Ufrを出力する。ウィービング周波数設定信号Ufrの設定範囲は、0.5〜30Hz程度である。

溶接トーチ移動装置MSは、上記のウィービング周波数設定信号Ufrを入力として、溶接トーチ4をウィービング周波数設定信号Ufrによって定まる周波数でウィービングさせながら予め定めた溶接線に沿って移動させると共に、溶接トーチ4の位置がウィービングの特定位相と一致した時点で短時間Highレベルとなる同期信号Tdを出力する。ウィービングの特定位相とは、例えば溶接トーチ4の位置がウィービングの中心位置、右端位置又は左端位置となる位相である。すなわち、溶接トーチ4の位置がウィービングの中心位置、右端位置又は左端位置になった時点で、短時間Highレベルとなる同期信号Tdが出力される。また、溶接トーチ移動装置MSは、例えばロボットである。溶接トーチ4のウィービング軌跡をWtで表すことにする。

平均送給速度設定回路FARは、予め定めた平均送給速度設定信号Farを出力する。

周波数設定回路SFRは、予め定めた周波数設定信号Sfrを出力する。振幅設定回路WFRは、予め定めた振幅設定信号Wfrを出力する。

送給速度設定回路FRは、上記の同期信号Td、上記の平均送給速度設定信号Far、上記の周波数設定信号Sfr及び上記の振幅設定信号Wfrを入力として、振幅設定信号Wfrによって定まる振幅Wf及び周波数設定信号Sfrの逆数である周期設定値によって定まる周期Tfで正負対称形状に変化する予め定めた台形波を、平均送給速度設定信号Farの値だけ正送側にシフトした送給波形となり、同期信号TdがHighレベルに変化した時点と同期して送給波形の特定位相から周期的な変化を開始する送給速度設定信号Frを出力する。この送給速度設定信号Frについては、図2で詳述する。送給速度設定信号Frの波形は、台形波以外に正弦波、三角波であっても良い。

送給制御回路FCは、上記の送給速度設定信号Frを入力として、送給速度設定信号Frの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。

電圧誤差増幅回路EVは、上記の出力電圧設定信号Er及び上記の出力電圧検出信号Edを入力として、出力電圧設定信号Er(+)と出力電圧検出信号Ed(−)との誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Evを出力する。この回路によって、溶接装置は定電圧制御される。

駆動回路DVは、上記の電圧誤差増幅信号Evを入力として、電圧誤差増幅信号Evに基づいてPWM変調制御を行い、上記の電源主回路PM内のインバータ回路を駆動するための駆動信号Dvを出力する。

図2は、本発明の実施の形態1に係る正逆送給アーク溶接方法を示す、図1の溶接装置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)は溶接トーチのウィービング軌跡Wtの時間変化を示し、同図(E)は同期信号Tdの時間変化を示す。以下、同図を参照して各信号の動作について説明する。

同図(D)に示すように、溶接トーチのウィービング軌跡Wtは、図1のウィービング周波数設定回路UFRから出力されるウィービング周波数設定信号Ufrによって定まる周波数Ufで三角波状に変化する。溶接トーチのウィービング軌跡Wtは、時刻t1〜t5を1周期としている。時刻t1において、Wtは負の値から0になった時点であり、溶接トーチ4の位置がウィービングの左端位置から移動してウィービングの中心位置と一致したときである。時刻t2において、Wtは正の最大値になった時点であり、溶接トーチ4の位置がウィービングの右端位置と一致したときである。時刻t3において、Wtは正の値から0になった時点であり、溶接トーチ4の位置がウィービングの右端位置から移動してウィービングの中心位置と一致したときである。時刻t4において、Wtは負の最大値になった時点であり、溶接トーチ4の位置がウィービングの左端位置と一致したときである。時刻t5において、溶接トーチ4の位置は再び時刻t1と同じ位置に戻る。溶接トーチのウィービング軌跡Wtは、正弦波状、台形波状等に変化するパターンでも良い。

同図(E)に示すように、同期信号Tdは時刻t1及びt5において短時間Highレベルとなる。すなわち、溶接トーチ4の位置がウィービングの左端位置から移動してウィービングの中心位置となった時点で、同期信号Tdは短時間Highレベルとなる。したがって、この場合のウィービングの特定位相は、ウィービングの中心位置となる。ウィービングの特定位相を、時刻t2の右端位置又は時刻t4の左端位置に設定しても良い。さらには、ウィービングの特定位相を、時刻t1〜t5の1周期上の特定時点に設定しても良い。

同図(A)に示す送給速度Fwは、図1の送給速度設定回路FRから出力される送給速度設定信号Frの値に制御される。送給速度設定信号Frは、振幅設定信号Wfrによって定まる振幅Wf及び周波数設定信号Sfrによって定まる周波数Sfの逆数となる周期Tf=1/Sfで正負対称形状に変化する予め定めた台形波を、平均送給速度設定信号Farの値だけ正送側にシフトした波形となる。このために、同図(A)に示すように、送給速度Fwは、平均送給速度設定信号Farによって定まる破線で示す平均送給速度Faを基準線として、上下に対称となる振幅Wf及び周期Tfで予め定めた台形波状の送給速度パターンとなる。すなわち、基準線から上側の振幅と下側の振幅とは同一値であり、基準線より上側の期間と下側の期間とは同一値となっている。

ここで、0を基準線として送給速度Fwの台形波を見ると、同図(A)に示すように、時刻t1〜t2、時刻t2〜t3、時刻t3〜t4及び時刻t4〜t5がそれぞれ1周期となっている。送給速度Fwは、時刻t1〜t14の逆送期間は、それぞれ所定の逆送加速期間、逆送ピーク期間、逆送ピーク値及び逆送減速期間から形成され、時刻t14〜t2の正送期間は、それぞれ所定の正送加速期間、正送ピーク期間、正送ピーク値及び正送減速期間から形成される。

同図においては、送給速度Fwの特定位相は、正送期間から逆送期間に移行する送給速度が0となる時点に設定されている場合である。したがって、同期信号Tdが短時間Highレベルに変化する時点と、送給速度Fwが特定位相となる時点とが同期することになる。送給速度Fwの特定位相は、送給速度が特定値となる位相である。この送給速度Fwの特定値を、送給速度が逆送の最大値又は正送の最大値に設定しても良い。具体的には、同図(A)に示す送給速度Fwの波形において、時刻t11、時刻t13、時刻t15又は時刻t17に設定しても良い。

さらに、ウィービングの1/4周期中に、送給速度Fwが1以上の整数の周期が含まれるようにすることが望ましい。このために、送給速度Fwの周波数Ufとウィービングの周波数Sfとが、Uf=Sf×4×n(nは1以上の整数)の関係になるようにする。同図では、n=1の場合である。このようにすれば、ウィービングの各位相に対する送給速度Fwの値が常に同一となるので、溶接状態が安定化する。

[時刻t1〜t14の逆送期間の動作]
同図(A)に示すように、送給速度Fwは時刻t1〜t11の逆送加速期間に入り、0から上記の逆送ピーク値まで加速する。この期間中は短絡状態が継続している。

時刻t11において逆送加速期間が終了すると、同図(A)に示すように、送給速度Fwは時刻t11〜t13の逆送ピーク期間に入り、上記の逆送ピーク値になる。この期間中の時刻t12において、逆送及び溶接電流Iwの通電によるピンチ力によってアークが発生する。これに応動して、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し、同図(B)に示すように、溶接電流Iwはこれ以降のアーク期間中は次第に減少する。

時刻t13において逆送ピーク期間が終了すると、同図(A)に示すように、時刻t13〜t14の逆送減速期間に入り、上記の逆送ピーク値から0へと減速する。この期間中は、アーク期間が継続している。

[時刻t14〜t2の正送期間の動作]
同図(A)に示すように、送給速度Fwは時刻t14〜t15の正送加速期間に入り、0から上記の正送ピーク値まで加速する。この期間中は、アーク期間のままである。

時刻t15において正送加速期間が終了すると、同図(A)に示すように、送給速度Fwは時刻t15〜t17の正送ピーク期間に入り、上記の正送ピーク値になる。この期間中の時刻t16において、正送によって短絡が発生する。これに応動して、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はこれ以降の短絡期間中は次第に増加する。

時刻t17において正送ピーク期間が終了すると、同図(A)に示すように、時刻t17〜t2の正送減速期間に入り、上記の正送ピーク値から0へと減速する。この期間中は、短絡期間が継続している。

これ以降は、上記の逆送期間及び上記の正送期間の動作を繰り返す。

送給速度Fwの台形波の数値例を以下に示す。このときのウィービングの周波数は25Hz(周期は40ms)である。
周波数Sf=100Hz(周期Tf=10ms)、振幅Wf=60m/min、平均送給速度Fa=5m/min、半周期の各傾斜期間=1.2ms、ピーク期間=2.6ms、ピーク値=30m/minの台形波に設定すると、この台形波を平均送給速度Fa=5m/minだけ正送側にシフトした波形となる。平均溶接電流は約250Aとなる。この場合の各波形パラメータは、以下のようになる。
逆送期間=4.6ms、逆送加速期間=1.0ms、逆送ピーク期間=2.6ms、逆送ピーク値=−25m/min、逆送減速期間=1.0ms
正送期間=5.4ms、正送加速期間=1.4ms、正送ピーク期間=2.6ms、正送ピーク値=35m/min、正送減速期間=1.4ms

上述した実施の形態1によれば、ウィービングの特定位相と送給速度の特定位相とが同期するように制御される。これにより、本実施の形態では、ウィービングの各位相における送給速度の値が常に一定値となる。このために、本実施の形態では、ウィービングの位相に対する送給速度の位相が変化することを防止して常に安定した溶接状態を得ることができる。

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
DV 駆動回路
Dv 駆動信号
E 出力電圧
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
EV 電圧誤差増幅回路
Ev 電圧誤差増幅信号
Fa 平均送給速度
FAR 平均送給速度設定回路
Far 平均送給速度設定信号
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
MS 溶接トーチ移動装置
PM 電源主回路
Sf 送給速度の周波数
SFR 周波数設定回路
Sfr 周波数設定信号
Td 同期信号
Tf 送給速度の周期
Uf ウィービング周波数
UFR ウィービング周波数設定回路
Ufr ウィービング周波数設定信号
Vw 溶接電圧
Wf 送給速度の振幅
WFR 振幅設定回路
Wfr 振幅設定信号
WL リアクトル
WM 送給モータ
Wt 溶接トーチのウィービング軌跡

Claims (1)

  1. 溶接ワイヤの送給速度を正送期間と逆送期間とに交互に切り換え、溶接トーチをウィービングして溶接する正逆アーク溶接方法において、
    前記ウィービングの特定位相と前記送給速度の特定位相とが同期するように制御し、
    前記送給速度の周波数Ufと前記ウィービングの周波数Sfとが、Uf=Sf×4×n(nは1以上の整数)の関係にある、
    ことを特徴とする正逆送給アーク溶接方法。
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