JP6601870B2 - 正逆送給交流アーク溶接方法 - Google Patents

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Description

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、電極極性を電極プラス極性と電極マイナス極性とに交互に切り換えて溶接する正逆送給交流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。
また、特許文献２の発明には、溶接ワイヤ(電極)を送給し、電極極性を電極プラス極性と電極マイナス極性とに交互に切り換えて溶接する交流アーク溶接方法が記載されている。
特許第５２０１２６６号公報 特許第５０９０７６５号公報
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、電極極性を電極プラス極性と電極マイナス極性とに交互に切り換えて溶接する正逆送給交流アーク溶接方法において、電極極性の切換時の送給速度の方向及び値が切換ごとに変動するために、溶接状態が不安定になるという問題があった。
そこで、本発明では、電極極性の切換時の溶接状態を安定化することができる正逆送給交流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、電極極性を電極プラス極性と電極マイナス極性とに交互に切り換えて溶接する正逆送給交流アーク溶接方法において、
前記電極極性の切換を、前記送給速度が特定位相であるときに行い、
前記特定位相を、前記正送期間中の前記送給速度が減速している期間中、又は、前記正送期間中の前記送給速度が減速を終了する位相に設定する、
ことを特徴とする正逆送給交流アーク溶接方法である。
本発明によれば、電極極性の切換タイミングが、送給速度の一定の位相で行われることになる。このために、本発明では、電極極性の切換時の溶接状態を安定化することができる。
本発明の実施の形態１に係る正逆送給交流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に係る正逆送給交流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に係る正逆送給交流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。
インバータ回路ＩＮＶは、３相２００Ｖ等の交流商用電源(図氏は省略)を入力として、交流商用電源を整流し平滑して直流電圧を生成し、この直流電圧を後述する駆動信号Ｄｖに従ってインバータ制御して高周波交流を出力する。
高周波変圧器ＩＮＴは、高周波交流を溶接に適した電圧値に変換する。二次整流器群Ｄ２は、変換された高周波交流を整流して、正及び負の直流電圧を出力する。
電極プラス極性スイッチング素子ＰＴＲ及び電極マイナス極性スイッチング素子ＮＴＲをオン／オフ制御することによって溶接装置の出力極性を切り換える。電極プラス極性スイッチング素子ＰＴＲがオン状態のときは電極プラス極性ＥＰになり、電極マイナス極性スイッチング素子ＮＴＲがオン状態のときは電極マイナス極性ＥＮになる。リアクトルＷＬは、出力を平滑する。
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。
極性切換信号生成回路ＳＰＮは、後述する極性切換信号Ｓpn及び後述する送給速度設定信号Ｆｒを入力として、極性切換信号ＳpnがＨｉｇｈレベルに変化した時点から予め定めた第１期間が経過した以降に送給速度設定信号Ｆｒが特定位相になった時点でＬｏｗレベルに変化し、極性切換信号ＳpnがＬｏｗレベルに変化した時点から予め定めた第２期間が経過した以降に送給速度設定信号Ｆｒが特定位相になった時点でＨｉｇｈレベルに変化する極性切換信号Ｓpnを出力する。送給速度設定信号Ｆｒの特定位相としては、以下の３つの中から一つを選択して設定する。極性切換信号ＳpnをＬｏｗレベルに変化させるときの特定位相とＨｉｇｈレベルに変化させるときの特定位相とを、それぞれ異なる位相に設定しても良い。
１）特定位相を正送期間中の送給速度設定信号Ｆｒが減速している期間中に設定する。すなわち、Ｆｒ≧０であり、かつ、送給速度設定信号Ｆｒの微分値ｄＦｒ／ｄｔ＜０である期間中に設定する。
２）特定位相を正送期間中の送給速度設定信号Ｆｒが減速を開始する位相に設定する。すなわち、Ｆｒ≧０であり、かつ、ｄＦｒ／ｄｔが最初に負の値となる位相に設定する。
３）特定位相を正送期間中の送給速度設定信号Ｆｒが減速を終了する位相に設定する。すなわち、Ｆｒ＝０であり、かつ、ｄＦｒ／ｄｔ＜０である位相に設定する。
電極プラス極性スイッチング素子駆動回路ＥＰＤは、上記の極性切換信号ＳpnがＨｉｇｈレベルのとき電極プラス極性スイッチング素子駆動信号Ｅpdを出力する。電極マイナス極性スイッチング素子駆動回路ＥＮＤは、上記の極性切換信号ＳpnがＬｏｗレベルのとき電極マイナス極性スイッチング素子駆動信号Ｅndを出力する。したがって、極性切換信号ＳpnがＨｉｇｈレベルのときは電極プラス極性ＥＰになり、Ｌｏｗレベルのときは電極マイナス極性ＥＮになる。
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、上記の高周波変圧器ＩＮＴの２次出力の交流電圧（出力電圧Ｅ）を検出し絶対値に変換し平滑して、出力電圧検出信号Ｅｄを出力する。
電圧誤差増幅回路ＥＡは、上記の出力電圧設定信号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Ｅａを出力する。この回路によって溶接装置は定電圧特性となる。駆動回路ＤＶは、上記の電圧誤差増幅信号Ｅａを入力として、電圧誤差増幅信号Ｅａに基づいてＰＷＭ変調制御を行い、上記のインバータ回路ＩＮＶを駆動するための駆動信号Ｄｖを出力する。
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。
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。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。
送給速度設定回路ＦＲは、上記の平均送給速度設定信号Ｆar、上記の振幅設定信号Ｗfr及び上記の周波数設定信号Ｓfrを入力として、振幅設定信号Ｗfrによって定まる振幅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で正負形状に変化する予め定めた台形波を、１周期ごとの平均送給速度Ｆａが平均送給速度設定信号Ｆarと等しくなる値だけ正送側にシフトした波形となる、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。
図２は、本発明の実施の形態１に係る正逆送給交流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)は極性切換信号Ｓpn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、極性切換信号Ｓpnは、時刻ｔ１７以前の期間中はＬｏｗレベル(電極マイナス極性ＥＮ)となり、時刻ｔ１７〜ｔ３７の期間中はＨｉｇｈレベル(電極プラス極性ＥＰ)となり、時刻ｔ３７〜ｔ５７の期間中はＬｏｗレベル(電極マイナス極性ＥＮ)となり、時刻ｔ５７以降の期間中はＨｉｇｈレベル(電極プラス極性ＥＰ)となる。極性切換信号Ｓpnは、時刻ｔ１７〜ｔ５７を１周期として繰り返される。
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の逆数となる周期で正負形状に変化する予め定めた台形波を、１周期ごとの平均送給速度Ｆａが予め定めた平均送給速度設定信号Ｆarと等しくなる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）の破線で示すように、平均送給速度Ｆａは、電極プラス極性期間中も電極マイナス極性期間中も等しくなる。
同図(Ａ)に示すように、送給速度Ｆｗは、時刻ｔ１〜ｔ２、時刻ｔ２〜ｔ３、時刻ｔ３〜ｔ４、時刻ｔ４〜ｔ５及び時刻ｔ５〜ｔ６がそれぞれ１周期となっている。
同図(Ａ)に示すように、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(Ｄ)に示すように、極性切換信号Ｓpnは、時刻ｔ１７以前はＬｏｗレベルであるので、電極マイナス極性ＥＮとなる。このために、同図(Ｂ)に示す溶接電流Ｉｗ及び同図(Ｃ)に示す溶接電圧Ｖｗは負の値となる。時刻ｔ１７において、極性切換信号ＳpnがＨｉｇｈレベルに変化するので、電極プラス極性ＥＰとなる。このために、溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗは正の値となる。すなわち、時刻ｔ１７において、電極極性が電極マイナス極性ＥＮから電極プラス極性ＥＰに切り換わる。
［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。この期間は電極マイナス極性ＥＮであり、Ｉｗ≦０及びｖｗ≦０である。
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。この期間は電極マイナス極性ＥＮであるので、Ｉｗ≦０及びＶｗ≦０となる。
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。この期間は電極マイナス極性ＥＮであるので、Ｉｗ≦０及びＶｗ≦０である。
［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。この期間は電極マイナス極性ＥＮであるので、Ｉｗ≦０及びＶｗ≦０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。この期間は電極マイナス極性ＥＮであるので、Ｉｗ≦０及びＶｗ≦０である。
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。また、時刻ｔ１５において、極性切換信号ＳpnがＬｏｗレベルである期間が予め定めた第２期間と等しくなるが、送給速度Ｆｗが特定位相になるまではＬｏｗレベルを維持する。ここで、送給速度Ｆｗの特定位相は、時刻ｔ１７〜ｔ２の正送減速期間中に設定される。同図では、特定位相が時刻ｔ１７の正送減速期間の開始時点に設定された場合である。時刻ｔ１７において、極性切換信号ＳpnがＬｏｗレベルである期間が第２期間以上となり、かつ、送給速度Ｆｗが特定位相になったために、極性切換信号ＳpnはＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルへと切り換わる。これに伴い、電極極性は電極マイナス極性ＥＮから電極プラス極性ＥＰへと切り換わる。したがって、この期間中は、Ｉｗ≧０及びＶｗ≧０となる。
時刻ｔ２〜ｔ３の期間中は、上記の逆送期間及び上記の正送期間の動作を繰り返す。但し、極性切換信号ＳpnはＨｉｇｈレベルであるので、電極プラス極性ＥＰとなる。このために、Ｉｗ≧０及びＶｗ≧０となる。
同図(Ａ)に示すように、送給速度Ｆｗの時刻ｔ３〜ｔ４の周期中の正送加速期間の開始時点ｔ３４において、極性切換信号ＳpnがＨｉｇｈレベルである期間(時刻ｔ１７〜ｔ３４)が予め定めた第１期間と等しくなる。しかし、送給速度Ｆｗが特定位相になる正送減速期間の開始時点ｔ３７まではＨｉｇｈレベルを維持する。同図(Ｄ)に示すように、時刻ｔ３７において、極性切換信号ＳpnがＨｉｇｈレベルである期間が第１期間以上となり、かつ、送給速度Ｆｗが特定位相になったために、極性切換信号ＳpnはＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへと切り換わる。これに伴い、電極極性は電極プラス極性ＥＰから電極マイナス極性ＥＮへと切り換わる。したがって、時刻ｔ３７移行の期間中は、Ｉｗ≦０及びＶｗ≦０となる。
同図(Ａ)に示すように、送給速度Ｆｗの時刻ｔ５〜ｔ６の周期中の正送ピーク期間の開始時点ｔ５５において、極性切換信号ＳpnがＬｏｗレベルである期間(時刻ｔ３７〜ｔ５５)が上記の第２期間と等しくなる。しかし、送給速度Ｆｗが特定位相になる正送減速期間の開始時点ｔ５７まではＬｏｗレベルを維持する。同図(Ｄ)に示すように、時刻ｔ５７において、極性切換信号ＳpnがＬｏｗレベルである期間が第２期間以上となり、かつ、送給速度Ｆｗが特定位相になったために、極性切換信号ＳpnはＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルへと切り換わる。これに伴い、電極極性は電極マイナス極性ＥＮから電極プラス極性ＥＰへと切り換わる。したがって、時刻ｔ５７移行の期間中は、Ｉｗ≧０及びＶｗ≧０となる。
これ以降の期間は、上記の動作を繰り返すことになる。
送給速度Ｆｗの台形波の数値例を以下に示す。送給速度Ｆｗの周波数Ｓｆ＝１００Ｈｚであり、振幅Ｗｆ＝６０m/minである。また、極性切換信号Ｓpnの切換周波数は２５Ｈｚ(周期は４０ms)である。
上記の極性切換信号Ｓpnの切換周波数は送給速度Ｆｗの周波数よりも小さな値に設定され、その設定範囲は約５０Ｈｚ以下である。送給速度の周波数の設定範囲は、６０〜１５０Ｈｚ程度である。
発明者らの実験によれば、電極プラス極性ＥＰへの切換タイミング及び電極マイナス極性ＥＮへの切換タイミングをそれぞれ送給速度ｆｗの一定の位相で行うことによって、溶接状態が安定化することを確認した。この理由は、電極極性の切換タイミングにおける送給速度Ｆｗの位相が一定でない場合には、電極極性の切換タイミングにおける様々な溶融状態が混在することになり、溶接状態が不安定になっていた。これに対して、送給速度Ｆｗの一定の位相で電極極性が切り換わると、切り換わり時の溶融状態が一定となり、溶接状態が安定化することになる。さらに、発明者らは、電極極性の切換タイミングを、逆送加速期間、逆送ピーク期間、逆送減速期間、正送加速期間、正送ピーク期間又は正送減速期間のどの期間に行うと溶接状態がより安定化するかを実験した。この結果、電極極性の切換タイミングを正送減速期間中の特定位相で行うことによって、溶接状態がより安定化することを確認した。
上述した実施の形態１によれば、電極極性の切換を、送給速度が特定位相であるときに行う。望ましくは、特定位相として、正送期間中の送給速度が減速している期間中に設定する。また、望ましくは、特定位相として、正送期間中の送給速度が減速を開始する位相に設定する。また、望ましくは、特定位相として、正送期間中の送給速度が減速を終了する位相に設定する。これにより、本実施の形態では、電極極性の切換タイミングが、送給速度の一定の位相で行われることになる。このために、本実施の形態では、電極極性の切換時の溶接状態を安定化することができる。
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
Ｄ２ 二次整流器群
ＤＶ 駆動回路
Ｄｖ 駆動信号
Ｅ 出力電圧
ＥＡ 電圧誤差増幅回路
Ｅａ 電圧誤差増幅信号
ＥＤ 出力電圧検出回路
Ｅｄ 出力電圧検出信号
ＥＮ 電極マイナス極性
ＥＮＤ 電極マイナス極性スイッチング素子駆動回路
Ｅnd 電極マイナス極性スイッチング素子駆動信号
ＥＰ 電極プラス極性
ＥＰＤ 電極プラス極性スイッチング素子駆動回路
Ｅpd 電極プラス極性スイッチング素子駆動信号
ＥＲ 出力電圧設定回路
Ｅｒ 出力電圧設定信号
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
ＩＮＴ 高周波変圧器
ＩＮＶ インバータ回路
Ｉｗ 溶接電流
ＮＴＲ 電極マイナス極性スイッチング素子
ＰＴＲ 電極プラス極性スイッチング素子
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
ＳＰＮ 極性切換信号生成回路
Ｓpn 極性切換信号
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

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、電極極性を電極プラス極性と電極マイナス極性とに交互に切り換えて溶接する正逆送給交流アーク溶接方法において、
    前記電極極性の切換を、前記送給速度が特定位相であるときに行い、
    前記特定位相を、前記正送期間中の前記送給速度が減速している期間中、又は、前記正送期間中の前記送給速度が減速を終了する位相に設定する、
    ことを特徴とする正逆送給交流アーク溶接方法。
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