JP6683891B2 - 短絡溶接方法およびこうした短絡溶接方法を実行するための装置 - Google Patents

短絡溶接方法およびこうした短絡溶接方法を実行するための装置 Download PDF

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Description

本発明は、短絡溶接方法および装置に関する。
本発明は、個々のアーク段階および個々の短絡段階を備えた連続溶接サイクルを伴う短絡溶接方法に関するものであり、短絡溶接方法の溶融電極の少なくとも溶接パラメータ溶接電流および搬送速度が制御または設定され、電極は、少なくともアーク段階の一部の期間中に予め定めた前進最終速度で加工対象のワークピースの方向に搬送され、そして少なくとも短絡段階の一部の期間中に予め定めた後退最終速度でワークピースから遠くへ搬送される。
さらに本発明は、個々のアーク段階および個々の短絡段階を備えた連続溶接サイクルを用いて、こうした短絡溶接方法を実行するための装置に関するものであり、溶融電極の少なくとも溶接パラメータ溶接電流および搬送速度を制御するための装置を備え、電極を、少なくともアーク段階の一部の期間中に予め定めた前進最終速度までで加工対象のワークピースの方向に搬送し、そして少なくとも短絡段階の一部の期間中に予め定めた後退最終速度まででワークピースから遠くへ搬送するための装置を備える。
この主題のタイプの短絡溶接方法は、対応する装置、電極用の搬送装置および溶接トーチとともに溶融電極を用いて実行され、溶融電極は、ワークピースへの前進方向およびワークピースから遠ざかる後退方向の両方に搬送される。溶接トーチは、電極用の搬送装置を備え、手動溶接および自動溶接に使用できる。短絡溶接方法を実行するための装置は、少なくとも溶接パラメータ溶接電流および搬送速度を制御する。溶接電圧は、特に電極とワークピースとの間の短絡を検出するために使用される。溶接電圧を用いて、アークの点火、即ち、短絡の終端も検出される。短絡溶接方法では、短絡段階およびアーク段階が周期的に交互に起こる溶接サイクルが互いに続く。短絡段階では、電極は後方に搬送され、材料転移が起こり、これによりアーク段階において電極は前方に搬送され、アークは、ワークピースまたは電極に熱を導入する。
例えば、米国公開第2006/138115A1号、米国公開第2005/189335A1号、または国際公開第2006/089322A1号は、こうした短絡溶接方法および短絡溶接方法を実施するための装置を記載する。
公知の短絡溶接方法では、特により高い溶接速度で不安定性が生じ、溶接品質の低下を招くことがある。より高い溶接周波数を達成するという示唆はない。
本発明の目的は、上述の短絡溶接方法を創出することであり、これは、可能な限り最高の安定性および高速性によって特徴付けられ、これは、3mmまでの厚さを持つワークピースについて充分な溶融浸透および対応する高い溶接品質を提供する。他の目的は、言及した利点を達成できる短絡溶接方法を実行するための装置の提供である。公知の溶接方法または装置の不利な点は、回避すべきであり、または少なくとも減少されるべきである。
この目的は、搬送速度の変化および後退最終速度が予め定められ、溶接電流が制御または設定される短絡溶接方法によって達成され、そのため短絡段階は、後退最終速度に到達した後に完了し、そして遅くとも3ms後に、遅くとも8ms毎に繰り返され、電極の前進最終速度は、短絡段階の開始前に既に減少しており、溶接パラメータは、溶接サイクルの持続時間が8ms以下になるように制御され、その結果、125Hz以上の溶接周波数をもたらす。搬送速度の変化、即ち、加速度は、短絡段階での所望の持続時間から生じる。本質的にスパッタなしの短絡溶接方法では、電極の前進後退運動を伴う方法が使用される。この前進後退運動は、短絡段階およびアーク段階からなる溶接サイクルの期間を特定する溶接周波数をもたらす。溶接周波数は、短絡溶接方法の安定性および溶接速度に影響を及ぼす。可能な限り最高の品質で両方を達成するためには、125Hzより大きい溶接周波数が必要であり、そのため新しい溶接サイクルが開始するか、または短絡段階が遅くとも8ms毎に繰り返される。ワークピースへの十分な入熱を確実にするために、特にワークピースの厚さが増すにつれて、アーク段階は可能な限り長くすべきであり、従って短絡段階は可能な限り短くすべきである。短絡段階は、3ms未満、好ましくは2ms〜3msの持続時間を有する。短絡段階の際、電極の搬送方向は、アーク段階時の前進移動から短絡段階時の後退移動へ反転する必要がある。短絡段階の開始前に電極の前進最終速度を既に減少させることによって、短絡段階の所望の短い持続時間または高い溶接周波数が達成できる。前進および後退運動の両方の速度は、溶接の用途、特にワークピースの材料に依存する。典型的な値は、前進後退運動について最大で60m/分である。後退最終速度は、通常は前進最終速度よりも低く、電極は、短絡溶接方法の期間中に平均してワークピースに対して前進方向に搬送される。
好ましくは、電極は、アーク段階時に前進最終速度で搬送され、これは短絡段階時の後退最終速度に本質的に対応している。もし両方の速度が同じで、アーク段階が短絡段階よりも長い場合、電極はまた、短絡溶接方法の期間中に平均して前進方向に搬送される。ここで、この利点は、短絡段階がアーク段階よりもかなり短いため、平均して電極が依然としてワークピースの方向に搬送される点である。
好都合には、電極は、30m/分〜60m/分の範囲で、アーク段階の期間中には前進最終速度で、短絡段階の期間中には後退最終速度で搬送される。
溶接パラメータは、好ましくは、溶接サイクルの持続時間が6.6ms以下となるように制御され、その結果、150Hz以上の溶接周波数をもたらす。
溶接パラメータは、好ましくは、アーク段階の持続時間が短絡段階の持続時間の少なくとも2倍の長さであるように制御される。
溶接電流は、電流パルスの形態で制御可能であり、その持続時間は、短絡段階において、短絡段階の切迫した終端の関数として決定される。
溶接品質に関して、短絡段階の期間中の溶接電流は、最初に予め定めた持続期間中に、好ましくは少なくとも1msの間、予め定めた値で最初に一定に維持され、そして減少することが好都合である。
電極の搬送速度の変化は、所望の時間および速度が達成できるように、好ましくは、30000m/分/秒〜60000m/分/秒の範囲内で予め定められる。
本発明に係る目的は、短絡溶接方法を実行するための上述の装置によっても達成され、制御装置は、短絡段階の開始前に既に電極の搬送速度の前進最終速度を減少させ、そして、それを後退最終速度まで逆転させるように、そして、電極の搬送速度を制御して、短絡段階が遅くとも3ms後に完了し、遅くとも8ms毎に繰り返され、125Hz以上の溶接周波数をもたらすように設計される。それによって達成できる利点に関して、短絡溶接方法の上記の説明が参照される。
好ましくは、電極を搬送するための装置は、ダイレクトドライブ(直接駆動)またはリニアドライブ(線形駆動)によって形成される。
本発明は、添付の図面においてより詳細に説明される。
溶接機または溶接装置の概略図を示す。 本発明による短絡溶接方法の期間中に溶接電流I、溶接電圧Uおよび電極の搬送速度vの時間経過を示す。
図1は、種々の溶接プロセスのための溶接方法を実行するための装置1または溶接装置を示す。装置1は、内部に配置された電源ユニット3を含む電流源2と、例えば、溶接電流Iまたは溶融電極9または溶接ワイヤの搬送速度vなどの溶接パラメータPを制御するための装置4とを備える。制御装置4は、例えば、ガス容器6と溶接トーチ7の間にあるシールドガス5用の供給ラインに配置された制御弁に接続される。さらに制御装置4は、溶融電極9を搬送するための搬送装置8を駆動するために使用でき、これにより電極9は供給ドラム10から供給ラインを介して溶接トーチ7のエリアに搬送される。搬送手段8は、装置1内、特に電源2のハウジング11内に一体化されてもよく、そうではなく、図1に示すように、追加の装置としてキャリッジ12上に位置決めされてもよい。搬送装置8は、電極9を溶接トーチ7の外側にあるプロセスポイントに搬送することも可能である。
電極9と少なくとも1つのワークピース14との間にアーク13を確立するための溶接電流Iは、電流源2の電源ユニット3から溶接ライン(不図示)を介して電極9に供給され、電気回路がアーク13を介して形成される。ワークピース14は、追加の溶接ライン(不図示)を介して電源2に接続される。
溶接トーチ7を冷却するために、溶接トーチ7は、冷却装置15を介して、液面インジケータ17を有する液体容器16に接続でき、溶接トーチ7の冷却が達成できる。
さらに、装置1、特に電源2はさらに、種々の溶接パラメータP、動作モードまたは溶接プログラムを設定または呼び出して、表示するために使用できる入出力装置18を備える。入出力装置18を介して設定された溶接パラメータP、動作モードまたは溶接プログラムは、制御装置4に転送され、制御装置4は、装置1の個々のコンポーネントを制御し、または調整もしくは制御のための対応する所望の値を設定する。対応する溶接トーチ7が使用される場合、溶接トーチ7を介して調整プロセスも実行でき、溶接トーチ7には溶接トーチ入出力装置19が装備される。溶接トーチ7は、好ましくはデータバスを介して装置1、特に電源2または搬送装置8に接続される。
溶接プロセスを開始するために、溶接トーチ7は、通常はスタートスイッチ(不図示)を備え、スタートスイッチを作動させることによってアーク13が点火できる。アーク13からの強力な熱への露出から保護するために、溶接トーチ7には熱シールド20を装備することが可能である。さらに、図示した例示の実施形態では、溶接トーチ7は、ホースパッケージ21を介して装置1に接続される。ホースパッケージ21内には、個々のライン、例えば、電極9のため、シールドガス5のため、冷却回路のため、データ伝送のためなどの供給ラインまたは複数の供給ラインが、装置1から溶接トーチ7までに配置される。
一例として、図2は、短絡溶接方法の期間中での溶接電流I、溶接電圧Uおよび電極9の搬送速度vの時間経過を示す。短絡溶接方法は、下記のパラメータまたは値を用いて実行される。
前進最終速度vVe:50m/分
後退最終速度vRe:40m/分
短絡段階KSでの溶接電流I:120A
短絡段階KSの持続時間:平均2.5ms
溶接周波数f:150Hz
時間経過から、短絡段階KSにおける電極の搬送方向は、50m/分の前進最終速度vVeでのワークピースの方向への前進搬送から、40m/分の後退最終速度vReでワークピースから遠ざかる後退運動へと逆転していることが判る。搬送速度vは、短絡段階KSの前に既に減少しており、そのため方向の逆転はより迅速に実行でき、そして電極は、溶融池の中にそれほど深く浸漬していない。例えば、前進最終速度vVeは、ある期間だけ一定であった後、またはアークの特定の燃焼時間の後に減少する。時間t1(即ち、短絡段階KSの開始時)より遅くならずに加速度のための値、即ち、搬送速度の変化dv/dtが、電極を搬送するための装置またはモータコントローラに付与され、そのため時間t2において所望の後退最終速度vReに到達する。
図2に示した例では、このために40000m/分/秒(667m/s)の加速度が必要であり、これは、搬送装置に接続されたモータコントローラに与えられ、よって搬送速度vを調整する。こうしてモータコントローラは、短絡段階KSにおいて時間t2で後退最終速度vReに到達することを確実にする。いったん後退最終速度vReに到達すると、加速度はゼロに設定され、搬送速度vは、短絡が遮断されアークが点火されるまで、維持、減少または増加する。
後退最終速度vReに到達した後に搬送速度vが変化するか否か、どのように変化するかは、溶接特性の定義の際に決定される。溶接特性は、溶接用途の要件に従って作成され、主にワークピースの材料(Al,CrNi,鋼鉄,…)、厚さおよび溶接速度に依存する。
電極の搬送加速度は、とりわけ後退最終速度vReのように、個々の溶接特性曲線を介して予め定められる。
短絡段階KSにおいて、溶融電極は溶融池の中にあり、液滴は、電極の端部から溶融池に移送される。短絡段階KSの期間中に溶滴が溶接池の中に放出されるのを確実にするために、溶接電流Iは短絡段階KSの期間中に電流パルスの形態で制御または調整される。溶接電流Iは、電流パルスの期間中に溶滴が放出されないように、そしてスパッタが発生しないように制御または設定される。溶接電流Iの振幅および経過は、短絡段階KSの短い期間中に必要なエネルギーに適合され、一つの理由には電極の温度を維持するために、そして他の理由には溶滴放出の準備として適合される。値は、基本的にはワークピースの材料に応じて選択される。図2によれば、120Aの溶接電流Iの振幅は、短絡段階KSの終端が直接に切迫するまで、例えば1msの間、一定に維持される。次の溶滴放出の際に溶接スパッタを防止するために、電流パルスは、短絡段階KSの切迫した終了直前に終端するだけであり、または溶接電流Iの振幅が100Aの最大値まで、例えば50Aまで減少する。電流パルスの持続時間は、それに応じて制御または設定される。液滴放出は、この段階の後、即ち、電流パルスの後に起こり、そして本質的にスパッタ無し(スパッタフリー)である。
電流パルスが制御または設定されるか否かは、溶接特性を用いて基本的に定義または予め定められる。溶接電流I(振幅および持続時間)は、少なくとも1つのイベントの関数として制御され、あるいは、固定値が、溶接電流の振幅および持続時間について予め定められる。溶接電流Iの振幅が減少した値に到達する時間は、必ずしも時間t2に依存する必要はない。図2によれば、これらの時点は本質的に同一であるが、互いに独立している。当然ながら、これはまた、これらが互いに依存するように溶接特性曲線において予め定めてもよい。
短絡段落KSの切迫した終端は、時間t3に見られるように、本質的に溶接電圧Uの変化に基づいて決定される。
しかしながら、短絡段階KSの差し迫った終端は、短絡段階KSの開始時に、実際の溶接電圧Uおよび実際の溶接電流Iから抵抗が計算され保存されるように決定することもできる。短絡段階KSの期間中、実際の抵抗は連続的に決定できる。実際の抵抗が、保存した抵抗よりも所定の係数(factor)だけ高い場合、アークの点火およびアーク段階LBの開始は切迫しており、溶接電流Iは減少する。しかしながら、実際の抵抗を前回決定された抵抗と連続的に比較し、変化または勾配を評価することも可能である。もし変化が本質的に急であれば、アークの点火は切迫している。
短絡段階KSの切迫した終端を解明することによって、短絡段階KSの期間中に後退最終速度vReを達成するために、加速度は電極の搬送に適合させることもできる。
ワークピースから遠ざかる電極の後退搬送に起因して、電極が溶接池から出るとすぐに時刻t3でアークが点弧される。溶滴は既に放出され、溶接電流Iは既に減少しているため、これは溶接スパッタなしで行われる。
アーク点火の時間t3は、溶融池の振動に起因して僅かに変化する。ワークピースの方向への前進搬送中での溶融池への電極の浸漬深さおよび電極の温度も影響を与える。電流パルスの振幅および持続時間は、短絡段階KSの切迫した終端の関数として制御されるため、このことは、溶接プロセスの安定性に本質的に影響を与えない。このようにして溶融池の温度は維持される。
アークの点火およびアーク段階LBの開始では、電極の搬送方向が再び逆転し、または逆転が開始して、40000m/分/秒の加速度、基本的に後退最終速度vReまでの加速度と同じで、前進最終速度vVeの値、例えば、50m/分まで加速される。同様に、溶接電流Iは、アークの点火と共に増加し、そして予め定めた値まで減少し、そして本質的に一定に保持され、そして電極の前進最終速度vVeに到達したときアーク段階LBの終端までに減少する。
加速度は、前進方向および後退方向の両方で予め定められているため、電極の平均搬送速度v(これは合計してワークピースの方向での電極の搬送を表す)は、本質的に一定に維持できる。こうして短絡溶接方法の安定性を高めることができる。
こうした高い加速度(少なくとも60000m/分/秒まで)では、低い質量慣性を有する供給手段および16.4mmの最大直径を持つロータが必要になる。さらに、電極は、好ましくは供給手段によって直接に、即ちトランスミッションまたはギアボックスなしで駆動される。
安定した溶接プロセスのためには、各溶接サイクルSZにおいて同じ条件が支配することが重要である。この理由のために、短絡段階KSの期間中に後退最終速度vReに到達する必要があり、そのため同じアーク長さ、即ち、ワークピースから同じ距離が、次のアークの点火時に常に達成される。この目的のために、短絡段階KSの期間中に溶接電流Iについて対応する振幅が、個々の溶接用途のために予め定められる。溶接電流Iの振幅が大きくなり過ぎるように選択されると、電極は、溶融池の表面の上方を通って溶融し、望ましくないアークが点火される可能性がある。溶接電流Iの振幅が小さくなり過ぎる場合、電極は充分に予熱されず、点火不良となる可能性がある。
大きい加速度に加えて、電極の搬送速度vが前進方向および後退方向の両方で比較的大きいこと、好ましくは30m/分より大きいことも短絡段階KSでは重要である。電極をワークピースに前進方向に搬送する場合、短絡はより短時間で起こる。搬送方向の逆転もまた迅速に行われるべきであり、そのため短絡段階KSの持続時間は著しくは延びない。電極をワークピースから遠くへ後退方向に搬送する場合、アークが可能な限り迅速に点火されてアーク段階LBが開始することが重要であり、そのため3msの短絡段階KSの最大持続時間を超えない。
アーク段階LBの持続時間は、ワークピースへの所望の入熱を定義しており、それは、短絡段階KSを短縮することによって相応に増加できる。例えば、アーク段階LBは、短絡段階KSの2倍の長さである。
本発明に係る短絡溶接方法によって達成されることは、溶接特性曲線の個々の値に基づいて、短絡段階KSおよびアーク段階LBについて本質的に一定の持続時間が得られることである。さらに、このことは、加速度による溶接速度vの正確な制御、および溶接電流Iの制御によってサポートされる。
さらに、短絡溶接方法の高い安定性と同時に、3m/分までのより高い溶接速度を達成できる。本発明に係る短絡溶接方法は、3mmまでのワークピース厚さでも使用でき、必要な溶融浸透は、より長いアーク段階LBによって確保される。溶接用途(例えば、隅肉(fillet)溶接、突合せ(butt)溶接など)に応じて、厚さ2mmのワークピースが1m/分の溶接速度で、または厚さ0.8mmのワークピースが2m/分の溶接速度で、125Hz〜170Hzの溶接周波数fで溶接できる。

Claims (12)

  1. アーク段階(LB)および短絡段階(KS)をそれぞれ有する連続溶接サイクル(SZ)を備えた短絡溶接方法であって、
    短絡溶接方法の溶融電極(9)の少なくとも溶接パラメータ(P)である溶接電流(I)および搬送速度(v)が制御または設定され、
    電極(9)は、少なくともアーク段階(LB)の一部の期間中に予め定めた前進最終速度(vVe)で加工対象のワークピース(14)の方向に搬送され、そして少なくとも短絡段階(KS)の一部の期間中に予め定めた後退最終速度(vRe)でワークピースから遠くへ搬送され、
    搬送速度の変化(dv/dt)および後退最終速度(vRe)が予め定められ、溶接電流(I)が制御または設定され、
    短絡段階(KS)は、後退最終速度に到達した後に完了し、そして遅くとも3ms後に、遅くとも8ms毎に繰り返され、
    電極(9)の前進最終速度(vVe)は、短絡段階(KS)の開始前に既に減少しており、
    溶接パラメータ(P)は、溶接サイクル(SZ)の持続時間が8ms以下になるように制御され、その結果、125Hz以上の溶接周波数(f)をもたらすことを特徴とする、短絡溶接方法。
  2. 電極(9)は、アーク段階(LB)の期間中に前進最終速度(vVe)で搬送され、これは、短絡段階(KS)の期間中の後退最終速度(vRe)に実質的に等しいことを特徴とする、請求項1に記載の短絡溶接方法。
  3. 電極(9)は、30m/分〜60m/分の範囲で、アーク段階(LB)の期間中には前進最終速度(vVe)で、短絡段階(KS)の期間中には後退最終速度(vRe)で搬送されることを特徴とする、請求項1または2に記載の短絡溶接方法。
  4. 溶接パラメータ(P)は、溶接サイクル(SZ)の持続時間が6.6ms以下になるように制御され、その結果、150Hz以上の溶接周波数(f)をもたらすことを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の短絡溶接方法。
  5. 溶接パラメータ(P)は、アーク段階(LB)の持続時間が短絡段階(KS)の持続時間の少なくとも2倍の長さであるように制御されることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の短絡溶接方法。
  6. 溶接電流(I)は、電流パルスの形態で制御され、その持続時間は、短絡段階(KS)おいて、短絡段階(KS)の切迫した終端の関数として決定されることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の短絡溶接方法。
  7. 短絡段階(KS)の期間中の溶接電流(I)は、最初に予め定めた持続期間中に予め定めた値で一定に維持され、そして減少することを特徴とする、請求項1〜6のいずれかに記載の短絡溶接方法。
  8. 短絡段階(KS)の期間中の溶接電流(I)は、少なくとも1msの持続時間中に予め定めた値で一定に維持されることを特徴とする、請求項7に記載の短絡溶接方法。
  9. 搬送速度の変化(dv/dt)は、30000m/分/秒〜60000m/分/秒の範囲内で予め定められることを特徴とする、請求項1〜8のいずれかに記載の短絡溶接方法。
  10. 個々のアーク段階(LB)および個々の短絡段階(KS)を備えた連続溶接サイクル(SZ)を含む短絡溶接方法を実行するための装置(1)であって、
    溶融電極(9)の少なくとも溶接パラメータ(P)である溶接電流(I)および搬送速度(v)を制御するための装置(4)を備え、
    電極(9)を、少なくともアーク段階(LB)の一部の期間中に予め定めた前進最終速度(vVe)までで加工対象のワークピース(14)の方向に搬送し、そして少なくとも短絡段階(KS)の一部の期間中に予め定めた後退最終速度(vRe)まででワークピースから遠くへ搬送するための装置(8)を備え、
    制御装置(4)は、短絡段階(KS)の開始前に既に電極(9)の搬送速度(v)の前進最終速度(vVe)を減少させ、そして、それを後退最終速度(vRe)までに逆転させるように、そして、電極(9)の搬送速度(v)を制御して、短絡段階(KS)が遅くとも3ms後に完了し、遅くとも8ms毎に繰り返され、125Hz以上の溶接周波数(f)をもたらすように設計されることを特徴とする、装置(1)。
  11. 電極(9)を搬送するための装置(8)は、ダイレクトドライブによって形成されることを特徴とする、請求項10に記載の装置(1)。
  12. 電極(9)を搬送するための装置(8)は、リニアドライブによって形成されることを特徴とする、請求項10に記載の装置(1)。
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