JP6809758B2 - アーク溶接制御方法 - Google Patents

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、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。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している。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に比べて、短絡とアークとの繰り返しの周期を安定化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。

特許第５２０１２６６号公報

溶接ワイヤの正送と逆送とを繰り返す溶接方法は、主に母材が鉄鋼材であるときに使用されている。この溶接方法を、ステンレス鋼材に適用すると、アークが不安定になりスパッタ量が増加するという問題がある。

そこで、本発明では、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る溶接方法において、母材の材質がステンレス鋼であっても、アークが安定し、かつ、スパッタ発生量も少ない溶接が可能とな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、請求項１の発明は、
母材の材質を選択すると送給速度のパラメータが前記母材の前記材質ごとに予め記憶された値に設定され、溶接ワイヤの前記送給速度を正送期間と逆送期間とに交互に切り換え、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、
前記母材の前記材質がステンレス鋼のときの予め記憶された前記送給速度の逆送ピーク値の絶対値が、前記母材の前期材質が鉄鋼のときの予め記憶された前記送給速度の前記逆送ピーク値の絶対値よりも小さな値である、
ことを特徴とするアーク溶接制御方法である。

請求項２の発明は、
前記母材の前記材質がステンレス鋼のときの予め記憶された前記送給速度の正送ピーク値の絶対値が、前記母材の前期材質が鉄鋼のときの予め記憶された前記送給速度の前記正送ピーク値の絶対値よりも小さな値である、
ことを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接制御方法である。

請求項３の発明は、
前記母材の前記材質がステンレス鋼のときの予め記憶された前記送給速度の逆送減速期間が、前記母材の前期材質が鉄鋼のときの予め記憶された前記送給速度の前記逆送減速期間よりも長い期間である、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のアーク溶接制御方法である。

請求項４の発明は、
シールドガスに占める不活性ガスの体積％を設定すると、前記送給速度の前記逆送ピーク値及び前記正送ピーク値の絶対値が前記シールドガスに占める不活性ガスの体積％に応じた値に設定され、
前記シールドガスに占める不活性ガスの体積％が大きくなるほど、前記送給速度の前記逆送ピーク値及び前記正送ピーク値の絶対値は小さな値になる、
ことを特徴とする請求項２に記載のアーク溶接制御方法である。

請求項５の発明は、
溶接トーチの前進角を設定すると、前記送給速度の前記逆送ピーク値及び前記正送ピーク値の絶対値が前記溶接トーチの前記前進角に応じた値に設定され、
前記溶接トーチの前記前進角が大きくなるほど、前記送給速度の前記逆送ピーク値及び前記正送ピーク値の絶対値は小さな値になる、
ことを特徴とする請求項２に記載のアーク溶接制御方法である。

本発明によれば、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る溶接方法において、母材の材質がステンレス鋼であっても、アークが安定し、かつ、スパッタ発生量も少ない溶接が可能となる。

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示す図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。 本発明の実施の形態２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３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、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上記の誤差増幅信号Ｅａ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１００μＨ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、正送と逆送とを交互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。

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。

電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｗを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。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、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、この値が予め定めた短絡判別値（１０Ｖ程度）未満のときは短絡期間にあると判別してＨｉｇｈレベルになり、以上のときはアーク期間にあると判別してＬｏｗレベルになる短絡判別信号Ｓｄを出力する。

材質選択回路ＭＳは、母材の材質に対応した番号を溶接作業者が選択すると、その番号の値となる材質選択信号Ｍｓを出力する。例えば、鉄鋼を選択するとＭｓ＝１となり、ステンレス鋼を選択するとＭｓ＝２となる。

正送加速期間設定回路ＴＳＵＲは、予め定めた正送加速期間設定信号Ｔsurを出力する。

正送減速期間設定回路ＴＳＤＲは、予め定めた正送減速期間設定信号Ｔsdrを出力する。

逆送加速期間設定回路ＴＲＵＲは、予め定めた逆送加速期間設定信号Ｔrurを出力する。

逆送減速期間設定回路ＴＲＤＲは、上記の材質選択信号Ｍｓを入力として、材質選択信号Ｍｓに対応して予め定めた逆送減速期間設定信号Ｔrdrを出力する。

正送ピーク値設定回路ＷＳＲは、上記の材質選択信号Ｍｓを入力として、材質選択信号Ｍｓに対応して予め定めた正送ピーク値設定信号Ｗsrを出力する。

逆送ピーク値設定回路ＷＲＲは、上記の材質選択信号Ｍｓを入力として、材質選択信号Ｍｓに対応して予め定めた逆送ピーク値設定信号Ｗrrを出力する。

送給速度設定回路ＦＲは、上記の正送加速期間設定信号Ｔsur、上記の正送減速期間設定信号Ｔsdr、上記の逆送加速期間設定信号Ｔrur、上記の逆送減速期間設定信号Ｔrdr、上記の正送ピーク値設定信号Ｗsr、上記の逆送ピーク値設定信号Ｗrr及び上記の短絡判別信号Ｓｄを入力として、以下の処理によって生成された送給速度パターンを送給速度設定信号Ｆｒとして出力する。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。
１）正送加速期間設定信号Ｔsurによって定まる正送加速期間Ｔsu中は０から正送ピーク値設定信号Ｗsrによって定まる正の値の正送ピーク値Ｗspまで直線状に加速する送給速度設定信号Ｆｒを出力する。
２）続いて、正送ピーク期間Ｔsp中は、上記の正送ピーク値Ｗspを維持する送給速度設定信号Ｆｒを出力する。
３）短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル(アーク期間)からＨｉｇｈレベル(短絡期間)に変化すると、正送減速期間設定信号Ｔsdrによって定まる正送減速期間Ｔsdに移行し、上記の正送ピーク値Ｗspから０まで直線状に減速する送給速度設定信号Ｆｒを出力する。
４）続いて、逆送加速期間設定信号Ｔrurによって定まる逆送加速期間Ｔru中は０から逆送ピーク値設定信号Ｗrrによって定まる負の値の逆送ピーク値Ｗrpまで直線状に加速する送給速度設定信号Ｆｒを出力する。
５）続いて、逆送ピーク期間Ｔrp中は、上記の逆送ピーク値Ｗrpを維持する送給速度設定信号Ｆｒを出力する。
６）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル(短絡期間)からＬｏｗレベル(アーク期間)に変化すると、逆送減速期間設定信号Ｔrdrによって定まる逆送減速期間Ｔrdに移行し、上記の逆送ピーク値Ｗrpから０まで直線状に減速する送給速度設定信号Ｆｒを出力する。
７）上記の１）〜６）を繰り返すことによって正負の台形波状に変化する送給パターンの送給速度設定信号Ｆｒが生成される。

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。

減流抵抗器Ｒは、上記のリアクトルＷＬと溶接トーチ４との間に挿入される。この減流抵抗器Ｒの値は、短絡負荷（０．０１〜０．０３Ω程度）の１０倍以上大きな値（０．５〜３Ω程度）に設定される。この減流抵抗器Ｒが通電路に挿入されると、リアクトルＷＬ及び外部ケーブルのリアクトルに蓄積されたエネルギーが急放電される。

トランジスタＴＲは、上記の減流抵抗器Ｒと並列に接続されて、後述する駆動信号Ｄｒに従ってオン又はオフ制御される。

くびれ検出回路ＮＤは、上記の短絡判別信号Ｓｄ、上記の電圧検出信号Ｖｄ及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）であるときの電圧検出信号Ｖｄの電圧上昇値が基準値に達した時点でくびれの形成状態が基準状態になったと判別してＨｉｇｈレベルとなり、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）に変化した時点でＬｏｗレベルになるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。また、短絡期間中の電圧検出信号Ｖｄの微分値がそれに対応した基準値に達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。さらに、電圧検出信号Ｖｄの値を電流検出信号Ｉｄの値で除算して溶滴の抵抗値を算出し、この抵抗値の微分値がそれに対応する基準値に達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。

低レベル電流設定回路ＩＬＲは、予め定めた低レベル電流設定信号Ｉlrを出力する。電流比較回路ＣＭは、この低レベル電流設定信号Ｉlr及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、Ｉｄ＜ＩlrのときはＨｉｇｈレベルになり、Ｉｄ≧ＩlrのときはＬｏｗレベルになる電流比較信号Ｃｍを出力する。

駆動回路ＤＲは、上記の電流比較信号Ｃｍ及び上記のくびれ検出信号Ｎｄを入力として、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルに変化するとＬｏｗレベルに変化し、その後に電流比較信号ＣｍがＨｉｇｈレベルに変化するとＨｉｇｈレベルに変化する駆動信号Ｄｒを上記のトランジスタＴＲのベース端子に出力する。したがって、この駆動信号Ｄｒはくびれが検出されるとＬｏｗレベルになり、トランジスタＴＲがオフ状態になり通電路に減流抵抗器Ｒが挿入されるので、短絡負荷を通電する溶接電流Ｉｗは急減する。そして、急減した溶接電流Ｉｗの値が低レベル電流設定信号Ｉlrの値まで減少すると、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになり、トランジスタＴＲがオン状態になるので、減流抵抗器Ｒは短絡されて通常の状態に戻る。

電流制御設定回路ＩＣＲは、上記の短絡判別信号Ｓｄ、上記の低レベル電流設定信号Ｉlr及び上記のくびれ検出信号Ｎｄを入力として、以下の処理を行い、電流制御設定信号Ｉcrを出力する。
１）短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル(アーク期間)のときは、低レベル電流設定信号Ｉlrとなる電流制御設定信号Ｉcrを出力する。
２）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル(短絡期間)に変化すると、予め定めた初期期間中は予め定めた初期電流設定値となり、その後は予め定めた短絡時傾斜で予め定めた短絡時ピーク設定値まで上昇してその値を維持する電流制御設定信号Ｉcrを出力する。
３）その後に、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルに変化すると、低レベル電流設定信号Ｉlrの値となる電流制御設定信号Ｉcrを出力する。

電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流制御設定信号Ｉcr及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、電流制御設定信号Ｉcr（＋）と電流検出信号Ｉｄ（−）との誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。

小電流期間回路ＳＴＤは、上記の短絡判別信号Ｓｄを入力として、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル(アーク期間)に変化した時点から予め定めた電流降下時間が経過した時点でＨｉｇｈレベルになり、その後に短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル(短絡期間)になるとＬｏｗレベルになる小電流期間信号Ｓtdを出力する。

電源特性切換回路ＳＷは、上記の電流誤差増幅信号Ｅｉ、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖ、上記の短絡判別信号Ｓｄ及び上記の小電流期間信号Ｓtdを入力として、以下の処理を行い、誤差増幅信号Ｅａを出力する。
１）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル(短絡期間)に変化した時点から、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル(アーク期間)に変化して予め定めた遅延期間が経過した時点までの期間中は、電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。
２）その後のアーク期間中は、電圧誤差増幅信号Ｅｖを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。
３）その後のアーク期間中に小電流期間信号ＳtdがＨｉｇｈレベルとなる期間中は、電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。
この回路によって、溶接電源の特性は、短絡期間、遅延期間及び小電流期間中は定電流特性となり、それ以外のアーク期間中は定電圧特性となる。

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示す図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)は短絡判別信号Ｓｄの時間変化を示し、同図(Ｅ)は小電流期間信号Ｓtd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（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Ｆｗは、図１の正送加速期間設定信号Ｔsurによって定まる正送加速期間Ｔsu、短絡が発生するまで継続する正送ピーク期間Ｔsp、図１の正送減速期間設定信号Ｔsdrによって定まる正送減速期間Ｔsd、図１の逆送加速期間設定信号Ｔrurによって定まる逆送加速期間Ｔru、アークが発生するまで継続する逆送ピーク期間Ｔrp及び図１の逆送減速期間設定信号Ｔrdrによって定まる逆送減速期間Ｔrdから形成される。さらに、正送ピーク値Ｗspは図１の正送ピーク値設定信号Ｗsrによって定まり、逆送ピーク値Ｗrpは図１の逆送ピーク値設定信号Ｗrrによって定まる。この結果、送給速度設定信号Ｆｒは、正負の略台形波波状に変化する送給パターンとなる。

［時刻ｔ１〜ｔ４の短絡期間の動作］
正送ピーク期間Ｔsp中の時刻ｔ１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するので、同図(Ｄ)に示すように、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル(短絡期間)に変化する。これに応動して、時刻ｔ１〜ｔ２の予め定めた正送減速期間Ｔsdに移行し、同図(Ａ)に示すように、送給速度Ｆｗは上記の正送ピーク値Ｗspから０まで減速する。例えば、正送減速期間Ｔsd＝１msに設定される。

同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは時刻ｔ２〜ｔ３の予め定めた逆送加速期間Ｔruに入り、０から上記の逆送ピーク値Ｗrpまで加速する。この期間中は短絡期間が継続している。例えば、逆送加速期間Ｔru＝１msに設定される。

時刻ｔ３において逆送加速期間Ｔruが終了すると、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは逆送ピーク期間Ｔrpに入り、上記の逆送ピーク値Ｗrpになる。逆送ピーク期間Ｔrpは、時刻ｔ４にアークが発生するまで継続する。したがって、時刻ｔ１〜ｔ４の期間が短絡期間となる。逆送ピーク期間Ｔrpは所定値ではないが、４ms程度となる。

同図(Ｂ)に示すように、時刻ｔ１〜ｔ４の短絡期間中の溶接電流Ｉｗは、予め定めた初期期間中は予め定めた初期電流値となる。その後、溶接電流Ｉｗは、予め定めた短絡時傾斜で上昇し、予め定めた短絡時ピーク値に達するとその値を維持する。

同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、溶接電流Ｉｗが短絡時ピーク値となるあたりから上昇する。これは、溶接ワイヤ１の逆送及び溶接電流Ｉｗによるピンチ力の作用により、溶接ワイヤ１の先端の溶滴にくびれが次第に形成されるためである。

その後に溶接電圧Ｖｗの電圧上昇値が基準値に達すると、くびれの形成状態が基準状態になったと判別して、図１のくびれ検出信号ＮｄはＨｉｇｈレベルに変化する。

くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになったことに応動して、図１の駆動信号ＤｒはＬｏｗレベルになるので、図１のトランジスタＴＲはオフ状態となり図１の減流抵抗器Ｒが通電路に挿入される。同時に、図１の電流制御設定信号Ｉcrが低レベル電流設定信号Ｉlrの値に小さくなる。このために、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは短絡時ピーク値から低レベル電流値へと急減する。そして、溶接電流Ｉｗが低レベル電流値まで減少すると、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルに戻るので、トランジスタＴＲはオン状態となり減流抵抗器Ｒは短絡される。同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、電流制御設定信号Ｉcrが低レベル電流設定信号Ｉlrのままであるので、アーク再発生から予め定めた遅延期間が経過するまでは低レベル電流値を維持する。したがって、トランジスタＴＲは、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルに変化した時点から溶接電流Ｉｗが低レベル電流値に減少するまでの期間のみオフ状態となる。同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、溶接電流Ｉｗが小さくなるので一旦減少した後に急上昇する。上述した各パラメータは、例えば以下の値に設定される。初期電流＝４０Ａ、初期期間＝０．５ms、短絡時傾斜＝２ms、短絡時ピーク値＝４００Ａ低レベル電流値＝５０Ａ、遅延期間＝１ms。

［時刻ｔ４〜ｔ７のアーク期間の動作］
時刻ｔ４において、溶接ワイヤの逆送及び溶接電流Ｉｗの通電によるピンチ力によってくびれが進行してアークが発生すると、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ので、図(Ｄ)に示すように、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル(アーク期間)に変化する。これに応動して、時刻ｔ４〜ｔ５の予め定めた逆送減速期間Ｔrdに移行し、同図(Ａ)に示すように、送給速度Ｆｗは上記の逆送ピーク値Ｗrpから０まで減速する。

時刻ｔ５において逆送減速期間Ｔrdが終了すると、時刻ｔ５〜ｔ６の予め定めた正送加速期間Ｔsuに移行する。この正送加速期間Ｔsu中は、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは０から上記の正送ピーク値Ｗspまで加速する。この期間中はアーク期間が継続している。例えば、正送加速期間Ｔsu＝１msに設定される。

時刻ｔ６において正送加速期間Ｔsuが終了すると、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは正送ピーク期間Ｔspに入り、上記の正送ピーク値Ｗspになる。この期間中もアーク期間が継続している。正送ピーク期間Ｔspは、時刻ｔ７に短絡が発生するまで継続する。したがって、時刻ｔ４〜ｔ７の期間がアーク期間となる。そして、短絡が発生すると、時刻ｔ１の動作に戻る。正送ピーク期間Ｔspは所定値ではないが、４ms程度となる。

時刻ｔ４においてアークが発生すると、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。他方、同図(Ｂ)に示すように、溶接電流Ｉｗは、時刻ｔ４から遅延期間の間は低レベル電流値を継続する。その後、溶接電流Ｉｗは増加して高電流値となる。この高電流値となるアーク期間中は、図１の電圧誤差増幅信号Ｅｖによって溶接電源のフィードバック制御が行われるので、定電圧特性となる。

時刻ｔ４にアークが発生してから予め定めた電流降下時間が経過する時刻ｔ６１において、同図(Ｅ)に示すように、小電流期間信号ＳtdがＨｉｇｈレベルに変化する。これに応動して、溶接電源は定電圧特性から定電流特性に切り換えられる。このために、同図(Ｂ)に示すように、溶接電流Ｉｗは低レベル電流値に低下し、短絡が発生する時刻ｔ７までその値を維持する。同様に、同図(Ｃ)に示すように、溶接電圧Ｖｗも低下する。小電流期間信号Ｓtdは、時刻ｔ７に短絡が発生するとＬｏｗレベルに戻る。電流降下時間は５ms程度に設定されるので、時刻ｔ６１のタイミングは正送ピーク期間Ｔsp中となる。

実施の形態１の発明においては、図１の材質選択回路ＭＳによって母材の材質が選択されると、材質選択信号Ｍｓが図１の逆送ピーク値設定回路ＷＲＲに入力されて、材質に最適な逆送ピーク値設定信号Ｗrrが出力される。材質選択信号Ｍｓ＝２のステンレス鋼のときはＭｓ＝１の鉄鋼のときに比べて、逆送ピーク値設定信号Ｗrrの絶対値を小さく設定する必要がある。これは、図２の時刻ｔ４においてアークが発生したときの逆送ピーク値Ｗrpが大きいと、溶接ワイヤ先端の残留溶滴に横振れの振動が発生して、スパッタが多く発生するためである。ステンレス鋼は鉄鋼に比べて粘性が大きいために、アークが発生した時点における残留溶滴が大きくなり、これが横振れの原因となる。したがって、ステンレス鋼のときは鉄鋼のときに比べて、逆送ピーク値Ｗrpの絶対値を４０〜７０％に小さくする必要がある。例えば、Ｍｓ＝１（鉄鋼）のときのＷrp＝−５０m/minであり、Ｍｓ＝２(ステンレス鋼)のときのＷrp＝−３０m/minである。特に、溶接電流Ｉｗの平均値が１００〜１８０Ａとなる範囲において、上記の横振れ振動が顕著に発生する。このために、この電流範囲のときにのみ逆送ピーク値Ｗrpを小さくしても良い。この原因は、電流範囲が１００Ａ未満になるとアーク発生時の残留溶滴が小さくなり、横振れ振動が生じにくくなるためである。また、電流範囲が１８０Ａを超えると、残留溶滴が大きくなり、やはり横振れ振動が生じにくくなるためである。すなわち、残留溶滴の大きさが中間的なときに、横振れ振動が発生しやすくなる。

実施の形態１の発明において、より好ましくは、図１の材質選択回路ＭＳによって母材の材質が選択されると、材質選択信号Ｍｓが図１の正送ピーク値設定回路ＷＳＲに入力されて、材質に最適な正送ピーク値設定信号Ｗsrが出力される。材質選択信号Ｍｓ＝２のステンレス鋼のときはＭｓ＝１の鉄鋼のときに比べて、正送ピーク値設定信号Ｗsrの絶対値を小さく設定することが望ましい。これは、図２の時刻ｔ１〜ｔ４の短絡期間中の正送ピーク値Ｗspが大きいと、溶滴が強く溶融池に押し込まれて、スパッタが多く発生するためである。ステンレス鋼は鉄鋼に比べて粘性が大きいために、短絡期間中の溶滴移行が円滑ではないので、強く押し込まれるとスパッタが発生することになる。したがって、ステンレス鋼のときは鉄鋼のときに比べて、正送ピーク値Ｗspの絶対値を４０〜７０％に小さくする必要がある。例えば、Ｍｓ＝１（鉄鋼）のときのＷsp＝５５m/minであり、Ｍｓ＝２(ステンレス鋼)のときのＷsp＝３５m/minである。

実施の形態１の発明において、さらにより好ましくは、図１の材質選択回路ＭＳによって母材の材質が選択されると、材質選択信号Ｍｓが図１の逆送減速期間設定回路ＴＲＤＲに入力されて、材質に最適な逆送減速期間設定信号Ｔrdrが出力される。材質選択信号Ｍｓ＝２のステンレス鋼のときはＭｓ＝１の鉄鋼のときに比べて、逆送減速期間設定信号Ｔrdrの値を長く設定することが望ましい。これは、図２の時刻ｔ４〜ｔ５のアークが発生して溶接ワイヤが逆送されている期間が短いと、送給速度Ｆｗの変化が急峻になり、残留溶滴が横振れ振動を発生して、スパッタが多く発生するためである。したがって、ステンレス鋼のときは鉄鋼のときに比べて、逆送減速期間Ｔrdの値を１５０〜２００％に長くする必要がある。例えば、Ｍｓ＝１（鉄鋼）のときのＴrd＝１．０msであり、Ｍｓ＝２(ステンレス鋼)のときのＴrd＝１．５msである。

上記において、ステンレス鋼のときに逆送ピーク値Ｗrpを小さくすることは、スパッタが多く発生して溶接品質が著しく悪くなるので必須条件である。これに加えて、正送ピーク値Ｗspを小さくすると、スパッタが少し少なくなるので、必須条件ではなく、より好ましい条件である。同様に、逆送減速期間Ｔrdを長くすることは、よりスパッタを少なくすることになり、必須条件ではなく、さらにより好ましい条件である。

［実施の形態２］
実施の形態２の発明は、送給速度の逆送ピーク値及び正送ピーク値の絶対値を、シールドガスに占める不活性ガスの体積％が大きくなるほど小さな値に設定するものである。

図３は、本発明の実施の形態２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。同図は、上述した図１と対応しており、同一ブロックには同一符号を付して、それらの説明は繰り返さない。同図は、図１の材質選択回路ＭＳを不活性ガス比率設定回路ＡＲに置換し、図１の逆送ピーク値設定回路ＷＲＲを第２逆送ピーク値設定回路ＷＲＲ２に置換し、図１の正送ピーク値設定回路ＷＳＲを第２正送ピーク値設定回路ＷＳＲ２に置換し、図１の逆送減速期間設定回路ＴＲＤＲを第２逆送減速期間設定回路ＴＲＤＲ２に置換したものである。以下、同図を参照して、これらのブロックについて説明する。

不活性ガス比率設定回路ＡＲは、シールドガスに占める不活性ガスの体積％を設定するための不活性ガス比率設定信号Ａｒを出力する。シールドガスが、炭酸ガス１００％の場合にはＡｒ＝０となり、炭酸ガス８０％＋アルゴンガス２０％のマグガスの場合はＡｒ＝２０となり、炭酸ガス２％＋アルゴンガス９８％のＭ２ガスの場合はＡｒ＝９８となり、アルゴンガス１００％の場合はＡｒ＝１００となる。

第２逆送ピーク値設定回路ＷＲＲ２は、上記の不活性ガス比率設定信号Ａｒを入力として、不活性ガス比率設定信号Ａｒを入力とする予め定めた逆送ピーク値算出関数に基づいて逆送ピーク値を算出して、逆送ピーク値設定信号Ｗrrを出力する。逆送ピーク値算出関数は、不活性ガス比率設定信号Ａｒが大きいほど逆送ピーク値が小さくなる関数である。

第２正送ピーク値設定回路ＷＳＲ２は、上記の不活性ガス比率設定信号Ａｒを入力として、不活性ガス比率設定信号Ａｒを入力とする予め定めた正送ピーク値算出関数に基づいて正送ピーク値を算出して、正送ピーク値設定信号Ｗsrを出力する。正送ピーク値算出関数は、不活性ガス比率設定信号Ａｒが大きいほど正送ピーク値が小さくなる関数である。

第２逆送減速期間設定回路ＴＲＤＲ２は、予め定めた逆送減速期間設定信号Ｔrdrを出力する。

母材の材質が鉄鋼である場合には不活性ガス比率設定信号Ａｒ＝０〜２０％の範囲のシールドガスが使用される。ステンレス鋼の場合にはＡｒ＝９８〜１００％のシールドガスが使用される。不活性ガス比率設定信号Ａｒが大きいほど逆送ピーク値及び正送ピーク値の絶対値は小さくなる。このために、実施の形態１と同様に、ステンレス鋼のときは鉄鋼のときよりも両値は小さくなる。但し、実施の形態２では、母材がステンレス鋼であっても、不活性ガス比率が異なると両値が変化して適正化されるので、よりアークの安定性が向上する。

上述した実施の形態２の発明によれば、不活性ガス比率が大きくなるほど逆送ピーク値及び正送ピーク値の絶対値が小さくなるようにしている。このために、使用するシールドガスの不活性ガス比率に応じて適正な逆送ピーク値及び正送ピーク値の絶対値を設定することができるので、アークの安定性をさらに向上させることができる。

［実施の形態３］
実施の形態３の発明は、送給速度の逆送ピーク値及び正送ピーク値の絶対値を、溶接トーチの前進角が大きくなるほど小さな値に設定するものである。

図４は、本発明の実施の形態３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。同図は、上述した図１と対応しており、同一ブロックには同一符号を付して、それらの説明は繰り返さない。同図は、図１に前進角設定回路ＢＲを追加し、図１の逆送ピーク値設定回路ＷＲＲを第３逆送ピーク値設定回路ＷＲＲ３に置換し、図１の正送ピーク値設定回路ＷＳＲを第３正送ピーク値設定回路ＷＳＲ３に置換したものである。以下、同図を参照して、これらのブロックについて説明する。

前進角設定回路ＢＲは、溶接作業者が溶接トーチの前進角を入力して前進角設定信号Ｂｒを出力する。溶接トーチがロボットに把持されている場合には、ロボット制御装置にこの前進角設定回路ＢＲが内蔵されている。また、溶接トーチにジャイロセンサを組み込み、前進角を自動検出するようにしても良い。

第３逆送ピーク値設定回路ＷＲＲ３は、上記の材質選択信号Ｍｓ及び上記の前進角設定信号Ｂｒを入力として、材質選択信号Ｍｓに対応して予め定めた逆送ピーク値を算出し、この逆送ピーク値を前進角設定信号Ｂｒを入力とする予め定めた逆送ピーク値修正関数によって修正し、逆送ピーク値設定信号Ｗrrを出力する。逆送ピーク値修正関数は、前進角設定信号Ｂｒが大きいほど逆送ピーク値が小さくなるように修正する関数である。

第３正送ピーク値設定回路ＷＳＲ３は、上記の材質選択信号Ｍｓ及び上記の前進角設定信号Ｂｒを入力として、材質選択信号Ｍｓに対応して予め定めた正送ピーク値を算出し、この正送ピーク値を前進角設定信号Ｂｒを入力とする予め定めた正送ピーク値修正関数によって修正し、正送ピーク値設定信号Ｗsrを出力する。正送ピーク値修正関数は、前進角設定信号Ｂｒが大きいほど正送ピーク値が小さくなるように修正する関数である。

溶接トーチの前進角が大きくなるほど、アーク再発生時の残留溶滴に発生する横振れの振動が大きくなる。さらに、溶接トーチの前進角が大きくなるほど、短絡期間中の溶接ワイヤの押し込みによるスパッタ量が多くなる。このために、実施の形態２の発明では、前進角が大きくなるほど、逆送ピーク値及び正送ピーク値を小さくすることによって、横振れ振動を緩和してアーク安定性を向上させ、短絡期間中のスパッたの発生量を削減している。

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
ＡＲ 不活性ガス比率設定回路
Ａｒ 不活性ガス比率設定信号
ＢＲ 前進角設定回路
Ｂｒ 前進角設定信号
ＣＭ 電流比較回路
Ｃｍ 電流比較信号
ＤＲ 駆動回路
Ｄｒ 駆動信号
Ｅ 出力電圧
Ｅａ 誤差増幅信号
ＥＤ 出力電圧検出回路
Ｅｄ 出力電圧検出信号
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
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
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
ＩＣＲ 電流制御設定回路
Ｉcr 電流制御設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＬＲ 低レベル電流設定回路
Ｉlr 低レベル電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＭＳ 材質選択回路
Ｍｓ 材質選択信号
ＮＤ くびれ検出回路
Ｎｄ くびれ検出信号
ＰＭ 電源主回路
Ｒ 減流抵抗器
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
ＳＴＤ 小電流期間回路
Ｓtd 小電流期間信号
ＳＷ 電源特性切換回路
ＴＲ トランジスタ
Ｔrd 逆送減速期間
ＴＲＤＲ 逆送減速期間設定回路
Ｔrdr 逆送減速期間設定信号
Ｔrp 逆送ピーク期間
Ｔru 逆送加速期間
ＴＲＵＲ 逆送加速期間設定回路
Ｔrur 逆送加速期間設定信号
Ｔsd 正送減速期間
ＴＳＤＲ 正送減速期間設定回路
Ｔsdr 正送減速期間設定信号
ＴＳＤＲ２ 第２正送減速期間設定回路
Ｔsp 正送ピーク期間
Ｔsu 正送加速期間
ＴＳＵＲ 正送加速期間設定回路
Ｔsur 正送加速期間設定信号
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
Ｗrp 逆送ピーク値
ＷＲＲ 逆送ピーク値設定回路
Ｗrr 逆送ピーク値設定信号
ＷＲＲ２ 第２逆送ピーク値設定回路
ＷＲＲ３ 第３逆送ピーク値設定回路
Ｗsp 正送ピーク値
ＷＳＲ 正送ピーク値設定回路
Ｗsr 正送ピーク値設定信号
ＷＳＲ２ 第２正送ピーク値設定回路
ＷＳＲ３ 第３正送ピーク値設定回路

Claims (5)

1. 母材の材質を選択すると送給速度のパラメータが前記母材の前記材質ごとに予め記憶された値に設定され、溶接ワイヤの前記送給速度を正送期間と逆送期間とに交互に切り換え、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、
   前記母材の前記材質がステンレス鋼のときの予め記憶された前記送給速度の逆送ピーク値の絶対値が、前記母材の前期材質が鉄鋼のときの予め記憶された前記送給速度の前記逆送ピーク値の絶対値よりも小さな値である、
   ことを特徴とするアーク溶接制御方法。
2. 前記母材の前記材質がステンレス鋼のときの予め記憶された前記送給速度の正送ピーク値の絶対値が、前記母材の前期材質が鉄鋼のときの予め記憶された前記送給速度の前記正送ピーク値の絶対値よりも小さな値である、
   ことを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接制御方法。
3. 前記母材の前記材質がステンレス鋼のときの予め記憶された前記送給速度の逆送減速期間が、前記母材の前期材質が鉄鋼のときの予め記憶された前記送給速度の前記逆送減速期間よりも長い期間である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のアーク溶接制御方法。
4. シールドガスに占める不活性ガスの体積％を設定すると、前記送給速度の前記逆送ピーク値及び前記正送ピーク値の絶対値が前記シールドガスに占める不活性ガスの体積％に応じた値に設定され、
   前記シールドガスに占める不活性ガスの体積％が大きくなるほど、前記送給速度の前記逆送ピーク値及び前記正送ピーク値の絶対値は小さな値になる、
   ことを特徴とする請求項２に記載のアーク溶接制御方法。
5. 溶接トーチの前進角を設定すると、前記送給速度の前記逆送ピーク値及び前記正送ピーク値の絶対値が前記溶接トーチの前記前進角に応じた値に設定され、
   前記溶接トーチの前記前進角が大きくなるほど、前記送給速度の前記逆送ピーク値及び前記正送ピーク値の絶対値は小さな値になる、
   ことを特徴とする請求項２に記載のアーク溶接制御方法。

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