JP6929003B2 - アーク溶接制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、母材の材質が亜鉛メッキ鋼板であり、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（例えば、特許文献１参照）。

日本国特表２００８−５３１２８３号公報

亜鉛メッキ鋼板のアーク溶接においては、溶接中に母材表面の亜鉛がアーク熱によって蒸気となり、溶融池からガスとして噴出し、溶接状態が不安定になる現象が生じる。また、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アーク溶接では、送給速度が一定である通常のアーク溶接に比べて、このガス噴出現象が顕著となる。

そこで、本発明では、母材の材質が亜鉛メッキ鋼板であり、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アーク溶接において、溶接状態を安定化し、スパッタ発生量を削減することができるアーク溶接制御方法を提供することを目的とする。

本開示のアーク溶接制御方法は、
母材の材質が亜鉛メッキ鋼板であり、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おいて、
前記アーク期間中は、第１アーク電流Ｉａ１を通電する第１アーク期間と、第２アーク電流Ｉａ２を通電する第２アーク期間と、第３アーク電流Ｉａ３を通電する第３アーク期間とを経時的に切り換え、Ｉａ１＞Ｉａ２＞Ｉａ３となるように制御し、
前記第２アーク期間中は定電圧制御する、
ことを特徴とするものである。

本開示のアーク溶接制御方法は、前記第１アーク期間中は定電流制御する、
ことを特徴とするものである。

本開示のアーク溶接制御方法は、前記第１アーク期間及び／又は前記第１アーク電流の値は、亜鉛蒸気が溶融池から排出されて溶融池内に残留しない値に設定される、
ことを特徴とするものである。

本開示のアーク溶接制御方法は、前記第１アーク期間及び／又は前記第１アーク電流Ｉａ１の値を、前記母材の単位面積当たりの亜鉛付着量に応じて変化させる、
ことを特徴とするものである。

本開示のアーク溶接制御方法は、前記正送期間と前記逆送期間との繰り返し周波数の平均値が７０Ｈｚ以上９０Ｈｚ以下の範囲になるように前記送給速度の波形パラメータを設定する、
ことを特徴とするものである。

本開示のアーク溶接制御方法は、前記波形パラメータは、少なくとも正送ピーク値及び逆送ピーク値である、
ことを特徴とするものである。

本開示のアーク溶接制御方法は、前記周波数の平均値を前記母材の単位面積当たりの亜鉛付着量が多くなるほど低くなるように前記波形パラメータを設定する、
ことを特徴とするものである。

本発明によれば、母材の材質が亜鉛メッキ鋼板であり、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アーク溶接において、溶接状態を安定化し、スパッタ発生量を削減することができる。

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。母材２の材質は、亜鉛メッキ鋼板である。

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。

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、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、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、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。

第１アーク期間設定回路ＴＡ１Ｒは、予め定めた第１アーク期間設定信号Ｔa1rを出力する。第１アーク期間回路ＳＴＡ１は、上記の短絡判別信号Ｓｄ及び上記の第１アーク期間設定信号Ｔa1rを入力として、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）に変化し予め定めた遅延期間Ｔｃが経過した時点から第１アーク期間設定信号Ｔa1rによって予め定めた第１アーク期間Ｔa1中はＨｉｇｈレベルとなる第１アーク期間信号Ｓta1を出力する。

第１アーク電流設定回路ＩＡ１Ｒは、予め定めた第１アーク電流設定信号Ｉa1rを出力する。

第３アーク期間回路ＳＴＡ３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Ｔｄ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レベルになる第３アーク期間信号Ｓta3を出力する。

第３アーク電流設定回路ＩＡ３Ｒは、予め定めた第３アーク電流設定信号Ｉa3rを出力する。

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、上記のくびれ検出信号Ｎｄ、上記の第１アーク期間信号Ｓta1、上記の第３アーク期間信号Ｓta3、上記の第１アーク電流設定信号Ｉa1r及び上記の第３アーク電流設定信号Ｉa3r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)に変化した時点から第１アーク期間信号Ｓta1がＨｉｇｈレベルに変化するまでの遅延期間中は、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。
２）第１アーク期間信号Ｓta1がＨｉｇｈレベル（第１アーク期間）のときは、第１アーク電流設定信号Ｉa1rとなる電流制御設定信号Ｉcrを出力する。
３）第１アーク期間信号Ｓta1がＬｏｗレベルに変化した時点から第３アーク期間信号Ｓta3がＬｏｗレベルに変化するまでの期間（第２アーク期間及び第３アーク期間）中は、第３アーク電流設定信号Ｉa3rとなる電流制御設定信号Ｉcrを出力する。
４）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。
５）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。

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、上記の第１アーク期間信号Ｓta1及び上記の第３アーク期間信号Ｓta3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）第１アーク期間信号Ｓta1がＬｏｗレベルに変化し、第３アーク期間信号Ｓta3がＨｉｇｈレベルに変化するまでの第２アーク期間Ｔa2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。
２）それ以外の期間中は、電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。
この回路によって、溶接電源の特性は、短絡期間、遅延期間、第１アーク期間Ｔa1及び第３アーク期間Ｔa3中は定電流特性となり、第２アーク期間Ｔa2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）は第１アーク期間信号Ｓta1の時間変化を示し、同図(Ｆ)は第３アーク期間信号Ｓta3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。また、例えば、逆送ピーク値Ｗrp＝−２０〜−５０m/minに設定される。

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Ｔｃ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Ｔｃ＝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、同図（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、５ms程度となる。また、例えば、正送ピーク値Ｗsp＝２０〜５０m/minに設定される。

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Ｔｃの間は低レベル電流値を継続する。これは、アークが発生した直後に電流値を上昇させると、溶接ワイヤの逆送と溶接電流による溶接ワイヤの溶融とが加算されて、アーク長が急速に長くなり、溶接状態が不安定になる場合があるためである。

正送加速期間Ｔsu中の時刻ｔ５１において、遅延期間Ｔｃが終了すると、同図(Ｅ)に示すように、第１アーク期間信号Ｓta1がＨｉｇｈレベルに変化し、時刻ｔ５１〜ｔ６１の予め定めた第１アーク期間Ｔa1に移行する。この第１アーク期間Ｔa1中は引き続き定電流制御され、同図(Ｂ)に示すように、図１の第１アーク電流設定信号Ｉa1rによって定まる所定の第１アーク電流Ｉa1が通電する。同図(Ｃ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは電流値及びアーク負荷によって定まる値となり、大きな値となる。例えば、第１アーク期間Ｔa1＝１〜２ms程度に設定され、第１アーク電流Ｉa1＝３００〜５００Ａ程度に設定される。

時刻ｔ６２において、アーク発生時点ｔ４から予め定めた電流降下時間Ｔｄが経過すると、同図(Ｆ)に示すように、第３アーク期間信号Ｓta3がＨｉｇｈレベルに変化する。時刻ｔ６１〜ｔ６２の期間が第２アーク期間Ｔa2となる。この第２アーク期間Ｔa2中は、定電圧制御される。同図(Ｂ)に示すように、第２アーク電流Ｉa2はアーク負荷によって変化するが、第１アーク電流Ｉa1よりも小さい値であり、かつ、第３アーク電流Ｉa3よりも大きな値となる。すなわち、Ｉa1＞Ｉa2＞Ｉa3となるように出力制御される。同図(Ｃ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは定電圧制御によって所定値に制御され、第１アーク期間Ｔa1の電圧値と第３アーク期間Ｔa3の電圧値との中間値となる。第２アーク期間Ｔa2は所定値ではないが、３〜６ms程度となる。

第３アーク期間信号Ｓta3がＨｉｇｈレベルに変化する時刻ｔ６２から短絡が発生する時刻ｔ７までの期間が、第３アーク期間Ｔa3となる。この第３アーク期間Ｔa3中は、定電流制御される。同図(Ｂ)に示すように、図１の第３アーク電流設定信号Ｉa3rによって定まる所定の第３アーク電流Ｉa3が通電する。同図(Ｃ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは電流値及びアーク負荷によって定まる値となる。例えば、第３アーク電流Ｉa3＝６０Ａに設定される。第３アーク期間Ｔa3は所定値ではないが、１〜２ms程度となる。

以下、実施の形態１の作用効果について説明する。実施の形態１によれば、アーク期間を、主に第１アーク電流Ｉa1が通電する第１アーク期間Ｔa1、第２アーク電流Ｉa2が通電する第２アーク期間Ｔa2及び第３アーク電流Ｉa3が通電する第３アーク期間Ｔa3の３つの期間に区分して出力制御している。Ｉa1＞Ｉa2＞Ｉa3である。
(１)第１アーク電流Ｉa1を大電流値とすることによって溶融池への入熱を大きくし、亜鉛蒸気の溶融池からの排出を促進し、かつ、健全な溶け込みを確保している。したがって、第１アーク期間Ｔa1及び／又は第１アーク電流Ｉa1の各値は、亜鉛蒸気が溶融池から排出されて溶融池内に残留しないように設定される。
(２)第２アーク電流Ｉa2を第１アーク電流Ｉa1よりも小電流値とすることによって、亜鉛蒸気の溶融池からの爆発的噴出を抑制し、溶接状態を安定化している。第２アーク電流Ｉa2は、亜鉛蒸気の発生を緩和することができる電流値となる。
(３)第３アーク電流Ｉa3をさらに小電流値とすることによって溶接ワイヤの溶融を抑制し、短絡発生へと導いている。これにより、短絡期間とアーク期間との繰り返し周期を安定化し、溶接状態の安定化を図っている。第３アーク電流Ｉa3は、溶接ワイヤが溶融しない程度の小電流値に設定される。

さらに、第２アーク期間Ｔa2は、定電圧制御することが望ましい。この期間を定電圧制御することによってアーク長を適正値に維持することができ、溶接状態を安定化することができる。

さらに、第１アーク期間Ｔa1は、定電流制御することが望ましい。定電流制御すると、第１アーク電流Ｉa1の値がアーク負荷によらず所定値となる。このために、この期間中における溶融池への入熱量を所望値に制御することができる。この結果、適正な入熱によって亜鉛蒸気の排出を促進することができる。この期間における入熱量が過大になると、第２アーク期間Ｔa2中の第２アーク電流Ｉa2の平均値が小さくなるので、ビード外観が悪くなる。したがって、この期間中の入熱量を適正化することは重要である。

［実施の形態２］
実施の形態２の発明は、第１アーク期間Ｔa1及び／又は第１アーク電流Ｉａ１の値を母材の単位面積当たりの亜鉛付着量に応じて変化させる。

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に亜鉛付着量設定回路ＺＲを追加し、図１の第１アーク期間設定回路ＴＡ１Ｒを修正第１アーク期間設定回路ＴＡ１Ｒに置換し、図１の第１アーク電流設定回路ＩＡ１Ｒを修正第１アーク電流設定回路ＩＡ１Ｒ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。

亜鉛付着量設定回路ＺＲは、母材の単位面積当たりの亜鉛付着量に相関した亜鉛付着量設定信号Ｚｒを出力する。例えば、この亜鉛付着量設定信号Ｚｒは、溶接電源のフロントパネルに設けられたツマミの位置に対応して１〜５の正数値を出力する信号である。標準値は３となっている。溶接作業者が母材の亜鉛付着量が多いと判断したときはツマミを調整して４又は５にする。逆に亜鉛付着量が少ないと判断したときは１又は２に調整する。

修正第１アーク期間設定回路ＴＡ１Ｒは、上記の亜鉛付着量設定信号Ｚｒを入力として、亜鉛付着量設定信号Ｚｒの値が大きくなるほど第１アーク期間設定信号Ｔa1rの値を長くして出力する。

修正第１アーク電流設定回路ＩＡ１Ｒは、上記の亜鉛付着量設定信号Ｚｒを入力として、亜鉛付着量設定信号Ｚｒの値が大きくなるほど第１アーク電流設定信号Ｉa1rの値を大きくして出力する。

本発明の実施の形態２に係るアーク溶接制御方法を示すタイミングチャートは、上述した図２と同様であるので、説明は繰り返さない。但し、第１アーク期間Ｔa1及び／又は第１アーク電流Ｉa1の値が、亜鉛付着量設定信号Ｚｒの値に応じて変化する点は異なっている。

上述した実施の形態２によれば、第１アーク期間及び／又は第１アーク電流Ｉａ１の値を、母材の単位面積当たりの亜鉛付着量に応じて変化させる。これにより、第１アーク期間中の溶融池への入熱量を母材の亜鉛付着量に応じて適正化することができる。このために、亜鉛付着量に応じて亜鉛蒸気の排出効果を適正化することができる。

［実施の形態３］
実施の形態３の発明は、正送期間と逆送期間との繰り返し周波数の平均値が７０Ｈｚ以上９０Ｈｚ以下の範囲になるように送給速度の波形パラメータを設定する。

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３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３の正送ピーク値設定回路ＷＳＲ及び逆送ピーク値設定回路ＷＲＲを削除し、正送逆送ピーク値設定回路ＷＲを追加したものである。以下、同図を参照して、このブロックについて説明する。

正送逆送ピーク値設定回路ＷＲは、上記の亜鉛付着量設定信号Ｚｒを入力とする予め定めた関数によって算出された正送ピーク値設定信号Ｗsr及び逆送ピーク値設定信号Ｗrrを出力する。この関数は、亜鉛付着量設定信号Ｚｒの値が大きいほど正送ピーク値設定信号Ｗsr及び逆送ピーク値設定信号Ｗrrの値が小さくなる関数である。送給速度Ｆｗの正送期間と逆送期間との繰り返し周波数の平均値が７０Ｈｚ以上９０Ｈｚ以下の範囲になるようにこの関数は設定される。より好ましくは周波数が７５Ｈｚ以上８５Ｈｚ以下の範囲になるようにこの関数は設定される。亜鉛付着量設定信号Ｚｒの値が大きいほど正送ピーク値設定信号Ｗsr及び逆送ピーク値設定信号Ｗrrの値が小さくなるので、周波数は上記の範囲内で低くなるように変化する。

本発明の実施の形態３に係るアーク溶接制御方法を示すタイミングチャートは、上述した図２と同様であるので、説明は繰り返さない。但し、以下の点は異なっている。実施の形態３によれば、送給速度の正送期間と逆送期間との繰り返し周波数の平均値が７０Ｈｚ以上９０Ｈｚ以下の範囲になるように送給速度の波形パラメータを設定する。送給速度の波形パラメータとしては、少なくとも正送ピーク値及び逆送ピーク値である。周波数が７０Ｈｚよりも小さくなると、アーク期間中の母材への入熱が過大となり、亜鉛蒸気の噴出が激しくなる。この結果、溶接状態が不安定になり、スパッタ発生量も多くなる。周波数が９０Ｈｚを超えると、アーク期間が短くなり、第３アーク期間を確保することが難しくなる。この結果、スパッタ発生量が多くなり、溶接状態も悪くなる。周波数が７５Ｈｚ以上８５Ｈｚ以下の範囲にあると、溶接状態はさらに安定化し、スパッタ発生量もより少なくなる。

さらに、周波数の平均値を亜鉛メッキ鋼板の単位面積当たりの亜鉛付着量が多くなるほど低くなるように前記波形パラメータを設定する。母材の亜鉛付着量が多くなるほど亜鉛蒸気の噴出が激しくなるので、周波数の平均値が上記の範囲内において低くなるようにした方が、溶接状態は安定化する。

本発明によれば、母材の材質が亜鉛メッキ鋼板であり、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アーク溶接において、溶接状態を安定化し、スパッタ発生量を削減することができるアーク溶接制御方法を提供することができる。

以上、本発明を特定の実施形態によって説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、開示された発明の技術思想を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

本出願は、２０１６年１０月３１日出願の日本特許出願（特願２０１６−２１３２６９）と、２０１６年１１月３０日出願の日本特許出願（特願２０１６−２３２０３９）と、に基づくものであり、その内容はここに取り込まれる。

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
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
Ｉa1 第１アーク電流
ＩＡ１Ｒ (修正)第１アーク電流設定回路
Ｉa1r 第１アーク電流設定信号
Ｉa2 第２アーク電流
Ｉa3 第３アーク電流
ＩＡ３Ｒ 第３アーク電流設定回路
Ｉa3r 第３アーク電流設定信号
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
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
ＳＴＡ１ 第１アーク期間回路
Ｓta1 第１アーク期間信号
ＳＴＡ３ 第３アーク期間回路
Ｓta3 第３アーク期間信号
ＳＷ 電源特性切換回路
Ｔa1 第１アーク期間
ＴＡ１Ｒ (修正)第１アーク期間設定回路
Ｔa1r 第１アーク期間設定信号
Ｔa2 第２アーク期間
Ｔa3 第３アーク期間
Ｔｃ 遅延期間
Ｔｄ 電流降下時間
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
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
ＷＲ 正送逆送ピーク値設定回路
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
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
ＺＲ 亜鉛付着量設定回路
Ｚｒ 亜鉛付着量設定信号

Claims (7)

1. 母材の材質が亜鉛メッキ鋼板であり、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おいて、
   前記アーク期間中は、第１アーク電流Ｉａ１を通電する第１アーク期間と、第２アーク電流Ｉａ２を通電する第２アーク期間と、第３アーク電流Ｉａ３を通電する第３アーク期間とを経時的に切り換え、Ｉａ１＞Ｉａ２＞Ｉａ３となるように制御し、
   前記第２アーク期間中は定電圧制御する、
   アーク溶接制御方法。
2. 前記第１アーク期間中は定電流制御する、
   請求項１に記載のアーク溶接制御方法。
3. 前記第１アーク期間及び／又は前記第１アーク電流の値は、亜鉛蒸気が溶融池から排出されて溶融池内に残留しない値に設定される、
   請求項１〜２のいずれか１項に記載のアーク溶接制御方法。
4. 前記第１アーク期間及び／又は前記第１アーク電流Ｉａ１の値を、前記母材の単位面積当たりの亜鉛付着量に応じて変化させる、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載のアーク溶接制御方法。
5. 前記正送期間と前記逆送期間との繰り返し周波数の平均値が７０Ｈｚ以上９０Ｈｚ以下の範囲になるように前記送給速度の波形パラメータを設定する、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載のアーク溶接制御方法。
6. 前記波形パラメータは、少なくとも正送ピーク値及び逆送ピーク値である、
   請求項５に記載のアーク溶接制御方法。
7. 前記周波数の平均値を前記母材の単位面積当たりの亜鉛付着量が多くなるほど低くなるように前記波形パラメータを設定する、
   請求項５又は６に記載のアーク溶接制御方法。

Images