JP6969976B2 - アーク溶接装置及びアーク溶接方法 - Google Patents

Description

本発明はアーク溶接装置及びアーク溶接方法に関する。

溶接方法の一つに、消耗電極式のアーク溶接法がある。消耗電極式アーク溶接法は、母材の被溶接部に送給された溶接ワイヤと、母材との間にアークを発生させ、アークの熱によって母材を溶接する手法である。母材が磁性材料である場合、母材に生じる磁界によって、磁気吹きと呼ばれるアーク偏向現象又はアーク切れ現象が起こり、溶接の不安定化及び溶接欠陥の原因となることが知られている。

特に、溶接中に溶接電流を周期的に変動させるアーク溶接では、溶接電流の低下時に磁気吹きによるアーク切れが発生しやすい。磁気吹きが発生する場合、アークが磁気により大きく偏向され、結果としてアーク長が伸びるため、アークの抵抗が大きくなり、溶接電流が低下しアーク電圧が上昇する傾向にある。

従来のパルスアーク溶接技術においては、溶接電流の低下又はアーク電圧の上昇傾向から磁気吹きの発生を検知し、溶接電流を高く保ちアークの硬直性を強くしたり、ワイヤ送給速度を制御してアーク長を短くしたりすることで、磁気吹きを防止している（例えば、特許文献１−４）。

一方、一般的なガスシールドアーク溶接法に比して、高速で溶接ワイヤの送給を行い、大電流を供給することによって、９〜３０ｍｍの厚板の１パス溶接を実現する技術が検討されている。具体的には、溶接ワイヤを約５〜１００ｍ／分で送給し、３００Ａ以上の大電流を供給することによって、厚板の１パス溶接を実現することができる。溶接ワイヤの高速送給及び大電流供給を行うと、アークの熱によって母材に凹状の溶融部分が形成され、溶接ワイヤの先端部が溶融部分によって囲まれた空間に進入する。溶接ワイヤの先端部が母材表面より深部に進入することによって、溶融部分が母材の厚み方向裏面側にまで貫通し、１パス溶接が可能になる。以下、凹状の溶融部分によって囲まれる空間を埋もれ空間と呼び、埋もれ空間に進入した溶接ワイヤの先端部と、母材又は溶融部分との間に発生するアークを、適宜、埋もれアークと呼ぶ。

特開２０１５−１４７２４５号公報 特開２０１５−１５７２９８号公報 特開２０１６−２５６４号公報 特開２０１６−１３５７３号公報

しかしながら、従来の方法では磁気吹きを検知するための時間が必要であるため、磁気吹きが起こってからアーク切れ防止制御がはたらくまでに遅れが生じ、効果的に磁気吹きを防止できない場合がある。また、４００Ａ以上の大電流溶接では、溶接電流自体が作り出す磁界が大きくなり、４００Ａ未満の場合と比較して磁気吹きが発生しやすく、従来の電流制御ではアークの硬直性を十分に維持できない場合がある。特に埋もれアーク溶接においては、アーク力により溶融金属内に空間が形成されるため、アーク長を短くすることが困難である。また過度にアーク電圧を下げて強制的にアーク長を短くしたとしても、アークが非常に深く埋れた状態となり、溶接安定性を担保できず、場合によっては短絡が生じてアークが非常に不安定化する。従って、従来の方法では磁気吹きを効果的に抑制することができない。

本発明の目的は、定電圧特性の埋もれアーク溶接において溶接電流が所定の下限電流値を下回らないように溶接制御を行うことにより、埋もれアーク溶接における磁気吹き及びアーク切れの発生を効果的に抑制することができるアーク溶接装置及びアーク溶接方法を提供することにある。

本発明に係るアーク溶接装置は、溶接ワイヤ及び母材間に溶接電圧を印加することにより溶接電流を供給する電源回路と、溶接電圧に係る前記電源回路の設定電圧を周期的に変動させる制御部とを備え、溶接電流の供給によって前記溶接ワイヤの先端部及び母材間にアークを発生させ、該アークにより前記母材に形成される凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記先端部を進入させて前記母材を溶接する消耗電極式のアーク溶接装置であって、前記電源回路にて印加される溶接電圧を検出する電圧検出部と、前記電源回路にて供給される溶接電流を検出する電流検出部とを備え、前記制御部は、前記電圧検出部及び前記電流検出部にて検出された溶接電圧及び溶接電流に基づいて、定電圧特性が得られるように溶接電流の供給を制御し、溶接電流の低下時においては定電圧特性からの乖離を一時的に許容することにより所定の下限電流値以上の溶接電流を維持する。

本発明にあっては、定電圧特性の埋もれアーク溶接において溶接電圧及び溶接電流が周期的に変動する。当該周期的変動により溶接電流が小さくなると、磁気吹きによるアーク切れが発生し易くなる。そこで、制御部は、定電圧特性が得られように溶接電流の供給を制御し、溶接電流の低下時においては定電圧特性からの乖離を一時的に許容することにより所定の下限電流値以上の溶接電流を維持する。一定の溶接電流を確保することによって、アークの硬直性を維持することができ、埋もれアーク溶接における磁気吹き及びアーク切れの発生を効果的に抑制することができる。また、磁気吹きの発生を検知するための演算時間が不要であり、磁気吹き及びアーク切れの発生を、遅れなく効果的に抑制することができる。

本発明に係るアーク溶接装置は、前記制御部は、定電圧特性が得られるような溶接電流の電流値を算出し、算出された電流値に基づいて、溶接電流の供給を制御する定電圧制御部と、前記電流検出部にて検出された溶接電流の電流値と、閾値とを比較する比較部と、検出された電流値が閾値未満である場合、前記定電圧制御部にて制御される溶接電流の電流値を前記下限電流値以上に制限する制限部とを備える。

本発明にあっては、制御部は、電流検出部にて検出された溶接電流の電流値が閾値以上である場合、定電圧特性が得られるように溶接電流の供給を制御し、溶接電流の電流値が閾値未満である場合、磁気吹きが発生し易い状態にあるとみなし、溶接電流の電流値を所定の下限電流値以上に制限する。
従って、磁気吹きの予兆に対して遅れなく対応することができ、埋もれアーク溶接における磁気吹き及びアーク切れの発生を効果的に抑制することができる。

本発明に係るアーク溶接装置は、前記制御部は、定電圧特性が得られるような溶接電流の電流値を算出し、算出された電流値に基づいて、溶接電流の供給を制御する定電圧制御部と、前記定電圧制御部にて算出された電流値と、閾値とを比較する比較部と、算出された電流値が閾値未満である場合、前記定電圧制御部にて制御される溶接電流の電流値を前記下限電流値以上に制限する制限部とを備える。

本発明にあっては、制御部は、定電圧特性が得られるような溶接電流の電流値を算出し、算出された電流値に基づいて、溶接電流の供給を制御する。そして、制御部は、算出された電流値が閾値以上である場合、定電圧特性が得られるように溶接電流の供給を制御し、当該電流値が閾値未満である場合、磁気吹きが発生し易い状態にあるとみなし、溶接電流の電流値を所定の下限電流値以上に制限する。
従って、磁気吹きの予兆をより早期に検知し、埋もれアーク溶接における磁気吹き及びアーク切れの発生をより効果的に抑制することができる。

本発明に係るアーク溶接装置は、前記制限部にて前記電流値が制限されている時間を計時する計時部と、前記下限電流値を前記制限部に設定する下限電流設定部とを備え、前記下限電流設定部は、前記電流値が制限されている時間が所定時間以上である場合、前記下限電流値を増大させる。

本発明にあっては、溶接電流の電流値が制限されている時間が所定時間以上継続した場合、磁気吹きが発生し易い状態にあると考えられるため、下限電流設定部は下限電流値を増大させる。下限電流値を増大させることによって、アークの硬直性をより強くすることができ、埋もれアーク溶接における磁気吹き及びアーク切れの発生をより効果的に抑制することができる。

本発明に係るアーク溶接装置は、溶接電流の平均値は４００Ａ以上であり、前記下限電流値は前記平均値の４分の１以上である。

本発明にあっては、溶接電流の平均値が４００Ａ以上の大電流であるため、溶接電流自体が作り出す磁界が大きくなり、４００Ａ未満の場合と比較して磁気吹きが発生し易い。そこで、制御部は、溶接電流が、当該溶接電流の平均値の４分の１を下回らないように制御する。
溶接電流の下限電流値をこのように設定することによって、埋もれアーク溶接における磁気吹き及びアーク切れの発生をより効果的に抑制することができる。

本発明に係るアーク溶接方法は、溶接ワイヤ及び母材間に溶接電圧を印加することにより溶接電流を供給する電源回路の設定電圧を周期的に変動させて前記溶接ワイヤの先端部及び母材間にアークを発生させ、前記アークにより前記母材に形成される凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記先端部を進入させて前記母材を溶接する消耗電極式のアーク溶接方法であって、前記電源回路にて印加及び供給される溶接電圧及び溶接電流を検出し、検出された溶接電圧及び溶接電流に基づいて、定電圧特性が得られように溶接電流の供給を制御し、溶接電流の低下時においては定電圧特性からの乖離を一時的に許容することにより所定の下限電流値以上の溶接電流を維持する。

本発明にあっては、一定の溶接電流を確保しつつ、アークの硬直性を維持することができ、埋もれアーク溶接における磁気吹き及びアーク切れの発生を効果的に抑制することができる。

本発明によれば、定電圧特性の埋もれアーク溶接において溶接電流が所定の下限電流値を下回らないように溶接制御を行うことにより、埋もれアーク溶接における磁気吹き及びアーク切れの発生を効果的に抑制することができる。

本実施形態１に係るアーク溶接装置の一構成を示す模式図である。 本実施形態１に係るアーク溶接方法の手順を示すフローチャートである。 本実施形態１に係るアーク溶接方法を示す模式図である。 溶接電流を制限することによるアーク切れ防止効果を示す説明図である。 溶接電流を制限することによってアーク切れ発生回数が低減したことを示す棒グラフである。 本実施形態２に係るアーク溶接装置の一構成を示す模式図である。 本実施形態３に係るアーク溶接装置の一構成を示す模式図である。

以下、本発明をその実施形態を示す図面に基づいて詳述する。
（実施形態１）
図１は本実施形態１に係るアーク溶接装置の一構成を示す模式図である。本実施形態１に係るアーク溶接装置は、埋もれアーク溶接を行う消耗電極式のガスシールドアーク溶接機であり、溶接電源１、トーチ２及びワイヤ送給部３を備える。

トーチ２は、銅合金等の導電性材料からなり、母材４の被溶接部へ溶接ワイヤ５を案内すると共に、アーク７（図３参照）の発生に必要な溶接電流Ｉを供給する円筒形状のコンタクトチップを有する。コンタクトチップは、その内部を挿通する溶接ワイヤ５に接触し、溶接電流Ｉを溶接ワイヤ５に供給する。また、トーチ２は、コンタクトチップを囲繞する中空円筒形状をなし、被溶接部へシールドガスを噴射するノズルを有する。シールドガスは、アーク７によって溶融した母材４及び溶接ワイヤ５の酸化を防止するためのものである。シールドガスは、例えば炭酸ガス、炭酸ガス及びアルゴンガスの混合ガス、アルゴン等の不活性ガス等である。

溶接ワイヤ５は、例えばソリッドワイヤであり、その直径は０．９ｍｍ以上１．６ｍｍ以下であり、消耗電極として機能する。溶接ワイヤ５は、例えば、螺旋状に巻かれた状態でペールパックに収容されたパックワイヤ、あるいはワイヤリールに巻回されたリールワイヤである。溶接ワイヤ５の材質は、ＹＧＷ１１、ＹＧＷ１２、ＹＧＷ１５、ＹＧＷ１７、ＹＧＷ１８、ＹＧＷ１９等のソリッドワイヤを用いることができる。ただし、フラックスコアードワイヤやメタルコアードワイヤ、その他の新規のワイヤを溶接ワイヤ５として適用しても良い。

ワイヤ送給部３は、溶接ワイヤ５をトーチ２へ送給する送給ローラと、当該送給ローラを回転させるモータとを有する。ワイヤ送給部３は、送給ローラを回転させることによって、ペールパック又はワイヤリールから溶接ワイヤ５を引き出し、引き出された溶接ワイヤ５をトーチ２へ定速で供給する。溶接ワイヤ５の送給速度は、例えば、約５〜１００ｍ／分である。なお、かかる溶接ワイヤ５の送給方式は一例であり、特に限定されるものでは無い。

溶接電源１は、定電圧特性の電源であり、給電ケーブルを介して、トーチ２のコンタクトチップ及び母材４に接続された電源回路１１を備える。電源回路１１は、ＰＷＭ制御された直流を出力する回路であり、溶接ワイヤ５及び母材４間に溶接電圧Ｖを印加することにより、溶接電流Ｉを供給する。また溶接電源１は、溶接電流Ｉの供給を制御する制御部１２と、電圧検出部１３及び電流検出部１４と、溶接ワイヤ５の送給速度を制御する送給速度制御部１５とを備える。

電圧検出部１３は、電源回路１１にて溶接ワイヤ５及び母材４間に印加される溶接電圧Ｖを検出し、検出した電圧値Ｖｄを制御部１２へ出力する。

電流検出部１４は、溶接電源１からトーチ２を介して溶接ワイヤ５へ供給され、アーク７を流れる溶接電流Ｉを検出し、検出した電流値Ｉｄを制御部１２へ出力する。

制御部１２は、出力電圧設定部１２ａ、定電圧制御部１２ｂ、差分増幅部１２ｃ、下限電流設定部１２ｄ、比較部１２ｅ及び制限部１２ｆを備える。制御部１２を構成する各構成部は、ハードウェアで構成しても良いし、ソフトウェアの機能部として構成しても良い。また、言うまでもなく、一部をハードウェアで構成し、その他の部分をソフトとウェア的に構成しても良い。以下、制御部１２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力部等を有するコンピュータであって、制御プログラムを実行するＣＰＵの演算処理によって各構成部をソフトウェア的に実現するものとして説明する。

出力電圧設定部１２ａは、定電圧特性を有する溶接電源１の出力電圧Ｅを示した出力電圧設定値Ｅｒを定電圧制御部１２ｂへ出力する。出力電圧設定部１２ａは、溶接電源１に設定された溶接電流Ｉの平均電流設定値、周波数設定値及び振幅設定値に基づいて、目標とする周波数、電流振幅及び平均電流で溶接電流Ｉを周期的に変動させるための任意波形の出力電圧設定値Ｅｒを生成し、生成した出力電圧設定値Ｅｒを定電圧制御部１２ｂへ出力する。出力電圧設定値Ｅｒは、例えば矩形波状の信号で表される周期的に増減する値である。
上記平均電流設定値は、周期的に変動する溶接電流Ｉの平均電流を設定するための数値である。本実施形態１に係るアーク溶接方法を実施する場合、平均電流設定値は、３００Ａ以上の平均電流、好ましくは平均電流を３００Ａ以上１０００Ａ以下の平均電流、より好ましくは５００Ａ以上８００Ａ以下の平均電流である。
上記周波数設定値は、母材４及び溶接ワイヤ５間の溶接電圧Ｖ及び溶接電流Ｉを周期的に変動させる周波数を設定するための数値である。本実施形態１に係るアーク溶接方法を実施する場合、周波数設定値は、１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下の周波数、好ましくは５０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下の周波数、より好ましくは８０Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下の周波数である。
上記振幅設定値は、周期的に変動する溶接電流Ｉの振幅を設定するための数値である。本実施形態１に係るアーク溶接方法を実施する場合、振幅設定値は、５０Ａ以上の電流振幅、好ましくは、１００Ａ以上５００Ａ以下の電流振幅、より好ましくは２００Ａ以上４００Ａ以下の電流振幅である。

定電圧制御部１２ｂは、溶接電源１のインダクタンスを電子的に変動させることによって、所定の定電圧特性を実現し、溶接電流Ｉの供給を制御する。定電圧制御部１２ｂは、出力電圧設定値Ｅｒに基づいて、所定の定電圧特性が得られるような溶接電流Ｉを示す溶接電流制御設定値Ｉｒｃを算出し、算出された溶接電流制御設定値Ｉｒｃを、制限部１２ｆを介して差分増幅部１２ｃへ出力する。

以下、定電圧制御部１２ｂによるインダクタンスの電子制御について説明する。
溶接電源１の通電経路には、電気抵抗Ｒ及びリアクトルＬが存在する。電気抵抗Ｒの抵抗値Ｒｍは、溶接電源１の内部の配線及び外部の給電ケーブル等に起因する固定分の抵抗を含めた電子的に形成される抵抗である。リアクトルＬのインダクタンス値Ｌｍは、溶接電源１の内部に設けられたコイル及び給電ケーブルの引き回しに起因する固定分のインダクタンスを含めた電子的に形成されるインダクタンスである。通常、抵抗値Ｒｍは０．０１〜０．３Ω、インダクタンス値Ｌｍは２０〜５００μＨである。

図１に示す溶接電源１は、電源回路１１に電気抵抗Ｒ、リアクトルＬ、並びにトーチ２及び母材４が直列接続された回路と等価であり、トーチ２及び母材４における降下電圧を溶接電圧Ｖとすると、電源回路１１の出力電圧は、下記式を満たす。
Ｅ＝Ｒｍ・ｉ＋Ｌｍ・ｄｉ／ｄｔ＋ｖ・・・（１）
但し、
Ｅ：電源回路１１の出力電圧
Ｒｍ：電気抵抗Ｒの抵抗値
Ｌｍ：リアクトルＬのインダクタンス値
ｉ：溶接電流Ｉの値
ｖ：溶接電圧Ｖの値
ｔ：時間

上記式（１）を整理すると、下記式（２）となる。
ｄｉ／ｄｔ＝（Ｅ−ｖ−Ｒｍ・ｉ）／Ｌｍ・・・（２）

上記式（２）の両辺を積分すると、下記式（３）となる。
ｉ＝∫｛（Ｅ−ｖ−Ｒｍ・ｉ）／Ｌｍ｝・ｄｔ・・・（３）

ここで、上記式（３）の左辺の電流値ｉを、電源回路１１の出力を制御するための溶接電流制御設定値（Ｉｒｃ）に、出力電圧Ｅを、出力電圧設定値（Ｅｒ）に、右辺の電流値ｉを、検出された溶接電流Ｉの電流値（Ｉｄ）に、電圧値ｖを、検出された溶接電圧Ｖの電圧値（Ｖｄ）に、抵抗値（Ｒｍ）を外部特性傾き設定値（Ｒｒ）、インダクタンス値（Ｌｍ）を、インダクタンス設定値（Ｌｒ）にそれぞれ置換すると、上記式（３）は、下記式（４）で表される。
Ｉｒｃ＝∫｛（Ｅｒ−Ｖｄ−Ｒｒ・Ｉｄ）／Ｌｒ｝・ｄｔ・・・（４）
但し、
Ｉｒｃ：溶接電流制御設定値
Ｅｒ：出力電圧設定値
Ｒｒ：外部特性傾き設定値
Ｌｒ：インダクタンス設定値
Ｖｄ：溶接電圧Ｖの検出値
Ｉｄ：溶接電流Ｉの検出値

定電圧制御部１２ｂは、入力された電圧値Ｖｄ、電流値Ｉｄ及び出力電圧設定値Ｅｒと、溶接電源１に設定された外部特性傾き設定値Ｒｒ及びインダクタンス設定値Ｌｒとに基づいて、電流設定値の単位時間当たりの変化量（Ｅｒ−Ｖｄ−Ｒｒ・Ｉｄ）／Ｌｒを算出する。そして定電圧制御部１２ｂは、当該変化量を積分し、積分して得た溶接電流制御設定値Ｉｒｃを制限部１２ｆへ出力する。溶接電流制御設定値Ｉｒｃが示す溶接電流Ｉの設定値は、上記式（４）で表される。

下限電流設定部１２ｄは、溶接電流Ｉの下限を制限することにより、磁気吹きによるアーク切れを防止するための下限電流値Ｉｍｉｎを制限部１２ｆへ出力する。下限電流値Ｉｍｉｎは、溶接電流Ｉを所定の下限電流値Ｉｍｉｎ以上に制限するための設定値である。下限電流値Ｉｍｉｎは、溶接電流Ｉの平均電流の１／４以上が望ましく、好ましくは当該平均電流の１／３、より好ましくは当該平均電流の１／２に設定することが望ましい。
例えば、溶接電流Ｉの平均電流が６００Ａ、振幅が３００Ａである場合、下限電流値Ｉｍｉｎを３００Ａに設定すると良い。

比較部１２ｅは、溶接電流Ｉを制限すべきか否かを判断するための構成部であり、電流検出部１４にて検出された溶接電流Ｉの電流値Ｉｄと、所定の閾値とを比較し、比較結果を示す比較値を制限部１２ｆへ出力する。具体的には、比較部１２ｅは、溶接電流Ｉの電流値Ｉｄが閾値未満である場合、負の値の比較値を制限部１２ｆへ出力し、電流値Ｉｄが閾値以上である場合、「０」以上の値を制限部１２ｆへ出力する。
閾値は、少なくとも下限電流値Ｉｍｉｎ以下の値である。

制限部１２ｆは、溶接電流Ｉの下限を制限するための構成部であり、溶接電流制御設定値Ｉｒｃ、下限電流値Ｉｍｉｎ及び比較値が入力される。制限部１２ｆは、「０」以上の比較値が入力されている場合、定電圧制御部１２ｂから出力される溶接電流制御設定値Ｉｒｃを選択し、選択された溶接電流制御設定値Ｉｒｃを差分増幅部１２ｃへ出力する。比較値が負の値である場合、下限電流設定部１２ｄから出力される下限電流値Ｉｍｉｎを選択し、選択された下限電流値Ｉｍｉｎを差分増幅部１２ｃへ出力する。

差分増幅部１２ｃは、電流検出部１４から出力された電流値Ｉｄと、制限部１２ｆから出力された溶接電流制御設定値Ｉｒｃ又は下限電流値Ｉｍｉｎとの差分を増幅し、当該差分を示す増幅された差分値ΔＩを電源回路１１へ出力する。つまり、溶接電流Ｉの電流値Ｉｄが閾値以上である場合、差分増幅部１２ｃは、溶接電流制御設定値Ｉｒｃから当該電流値Ｉｄを減算して得た差分値ΔＩを電源回路１１へ出力する。溶接電流Ｉの電流値Ｉｄが閾値未満である場合、差分増幅部１２ｃは、下限電流値Ｉｍｉｎから電流値Ｉｄを減算して得た差分値ΔＩを電源回路１１へ出力する。

電源回路１１は、商用交流を交直変換するＡＣ−ＤＣコンバータ、交直変換された直流をスイッチングにより所要の交流に変換するインバータ回路、変換された交流を整流する整流回路等を備える。電源回路１１は、差分増幅部１２ｃから出力された差分値ΔＩに従って、差分値ΔＩが小さくなるようにインバータをＰＷＭ制御し、直流電圧を溶接ワイヤ５へ出力する。その結果、母材４及び溶接ワイヤ５間に、周期的に変動する溶接電圧Ｖが印加され、溶接電流Ｉが通電する。電源回路１１は、差分値ΔＩに従って、上記式（４）が満たされるように出力を制御するため、溶接電源１のインダクタンス設定値Ｌｒ、外部特性傾き設定値Ｒｒを電子的に生成することができる。つまり、電源回路１１は、基本的には定電圧特性を有する電源として振る舞い、溶接電流Ｉの低下時においては定電圧特性からの乖離を一時的に許容して所定の下限電流値Ｉｍｉｎ以上の溶接電流Ｉが維持されるように、溶接電流Ｉを溶接ワイヤ５に供給することができる。

なお、溶接電源１には、図示しない制御通信線を介して外部から出力指示信号が入力されるように構成されており、制御部１２は、出力指示信号をトリガにして、電源回路１１に溶接電流Ｉの供給を開始させる。出力指示信号は、例えば、図示しない溶接ロボットから溶接電源１へ出力される。また、手動の溶接機の場合、出力指示信号は、トーチ２側に設けられた手元操作スイッチが操作された際にトーチ２側から溶接電源１へ出力される。

図２は本実施形態１に係るアーク溶接方法の手順を示すフローチャート、図３は本実施形態１に係るアーク溶接方法を示す模式図である。まず、溶接により接合されるべき一対の母材４をアーク溶接装置に配置し、溶接電源１の各種設定を行う（ステップＳ１１）。具体的には、図３に示すように板状の第１母材４１及び第２母材４２を用意し、被溶接部である端面４１ａ、４２ａを突き合わせて、所定の溶接作業位置に配する。なお、必要に応じて、第１母材４１及び第２母材４２にＹ形、レ形、Ｉ開先等の任意形状の開先を設けても良い。第１及び第２母材４１、４２は、例えば軟鋼、機械構造用炭素鋼、機械構造用合金鋼等の鋼板であり、厚みは９ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。
そして、溶接電源１は、周波数１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下、平均電流３００Ａ以上、電流振幅５０Ａ以上の範囲内で溶接電流Ｉの溶接条件を設定する。

なお、溶接電流Ｉの条件設定は、全て溶接作業者が行っても良いし、溶接電源１が、本実施形態１に係る溶接方法の実施を操作部にて受け付け、全ての条件設定を自動的に行うように構成しても良い。また、溶接電源１が、平均電流等、一部の溶接条件を操作部にて受け付け、受け付けた一部の溶接条件に適合する残りの溶接条件を決定し、条件設定を半自動的に行うように構成しても良い。

各種設定が行われた後、溶接電源１は、溶接電流Ｉの出力開始条件を満たすか否かを判定する（ステップＳ１２）。具体的には、溶接電源１は、溶接の出力指示信号が入力されたか否かを判定する。出力指示信号が入力されておらず、溶接電流Ｉの出力開始条件を満たさないと判定した場合（ステップＳ１２：ＮＯ）、溶接電源１は、出力指示信号の入力待ち状態で待機する。

溶接電流Ｉの出力開始条件を満たすと判定した場合（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、溶接電源１の送給速度制御部１５は、ワイヤの送給を指示する送給指示信号を、ワイヤ送給部３へ出力し、所定速度で溶接ワイヤ５を送給させる（ステップＳ１３）。溶接ワイヤ５の送給速度は、定速であり、例えば、約５〜１００ｍ／分の範囲内で設定される。送給速度は、定電圧制御部１２ｂから出力される溶接電流制御設定値Ｉｒｃに応じて、送給速度制御部１５が送給速度を決定しても良いし、溶接作業者が、ワイヤの送給速度を直接設定するように構成しても良い。

次いで、溶接電源１の制御部１２は、電圧検出部１３及び電流検出部１４にて溶接電圧Ｖ及び溶接電流Ｉを検出し（ステップＳ１４）、溶接電流制御設定値Ｉｒｃを算出する（ステップＳ１５）。
そして、制御部１２は、電流検出部１４にて検出された溶接電流Ｉの電流値Ｉｄが閾値未満であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。溶接電流Ｉが閾値未満であると判定した場合（ステップＳ１６：ＹＥＳ）、制御部１２は、溶接電流制御設定値Ｉｒｃが所定の下限電流値Ｉｍｉｎを下回らないように制限する（ステップＳ１７）。ステップＳ１７の処理を終えた場合、又は検出された溶接電流Ｉが閾値以上であると判定した場合（ステップＳ１６：ＮＯ）、制御部１２は、溶接電流制御設定値Ｉｒｃ又は下限電流値Ｉｍｉｎと、溶接電流Ｉの電流値Ｉｄの差分値ΔＩを電源回路１１へ出力し、溶接電流Ｉの供給を制御する（ステップＳ１８）。電源回路１１は、制御部１２から出力された差分値ΔＩに従って、溶接電流Ｉが溶接電流制御設定値Ｉｒｃ又は下限電流値Ｉｍｉｎに一致するように溶接電源１の出力をＰＷＭ制御する。つまり、溶接電源１は、定電圧特性において、溶接電流Ｉを下限電流値Ｉｍｉｎ以上に維持しつつ、溶接電流Ｉが周波数１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ未満、平均電流３００Ａ以上、電流振幅５０Ａ以上で周期的に変動するように、出力電圧設定値Ｅｒを周期的に変動させて出力を制御する。

次いで、溶接電源１の制御部１２は、溶接電流Ｉの出力を停止するか否かを判定する（ステップＳ１９）。具体的には、溶接電源１は、出力指示信号の入力が継続しているか否かを判定する。出力指示信号の入力が継続しており、溶接電流Ｉの出力を停止しないと判定した場合（ステップＳ１９：ＮＯ）、制御部１２は、処理をステップＳ１３へ戻し、溶接電流Ｉの出力を続ける。溶接電流Ｉの出力を停止すると判定した場合（ステップＳ１９：ＹＥＳ）、制御部１２は、処理をステップＳ１２へ戻す。

上記溶接条件及び手順で溶接電流Ｉを周期的に変動させると、磁気吹き及びアーク切れが発生していない安定状態においては、図３に示すように、溶接ワイヤ５の先端部５ａ及び被溶接部間に発生したアーク７の熱によって溶融した母材４及び溶接ワイヤ５の溶融金属からなる凹状の溶融部分６が母材４に形成され、溶接ワイヤ５の先端部５ａが埋もれ空間６ａに進入する。そして、アーク７の様子を高速度カメラで撮影したところ、図３左図に示すように、溶接ワイヤ５が埋もれ空間６ａに深く進入し、溶接ワイヤ５の先端部５ａ及び溶融部分６の底部６１間にアーク７が発生する第１状態と、溶接ワイヤ５が埋もれ空間６ａに浅く進入し、先端部５ａ及び溶融部分６の側部６２間にアーク７が発生する第２状態とを周期的に変動することが確認された。

このように、溶接ワイヤ５の先端部５ａは、埋もれ空間６ａに進入して溶融部分６に囲まれた状態となり、溶接電流Ｉを周期的に変動させることにより、埋もれ空間６ａにおける先端部５ａの位置を上下させることができる。
第１状態においては、溶接ワイヤ５の先端部５ａが埋もれ空間６ａに深く進入し、溶融部分６の底部６１に照射されるアーク７によって、深い溶け込みが得られる。
第２状態においては、溶接ワイヤ５の先端部５ａが埋もれ空間６ａに浅く進入し、溶融部分６の側部６２に照射されるアーク７の力によって溶融部分６が支えられるため、埋もれ空間６ａは安定した状態で維持される。
従って、溶接電流Ｉを周期的に変動させることによって埋もれ空間６ａを安定的に維持することができる。

図４は溶接電流Ｉを制限することによるアーク切れ防止効果を示す説明図である。図４Ａ及び図４Ｂに示すグラフの横軸は時間、縦軸は溶接電流Ｉの値を示している。図４Ａは、溶接電流Ｉの下限を制限しなかった場合の溶接電流Ｉの時間変化し示しており、図４Ｂは、溶接電流Ｉの下限を制限したときの溶接電流Ｉの時間変化を示している。
アーク切れ防止の効果を検証するための埋もれアーク溶接の実施条件は以下の通りである。母材４の板厚は１９ｍｍ、溶接ワイヤ５のワイヤ径は１．４ｍｍ、ワイヤ送給速度は２２ｍ／分、溶接電流Ｉの平均値は６００Ａ、出力電圧設定値Ｅｒは４８Ｖである。溶接電源１は、溶接電流Ｉを概ね±３００Ａの振幅、周波数１４０Ｈｚで周期的に変動させる。母材４はＩ開先で、ギャップを４ｍｍとり、裏当てに水冷銅板を用いる。

上記溶接条件においては、磁気吹きの発生に伴い溶接電流Ｉが全体的に低下する。図４Ａに示すように、特に低電流領域において溶接電流Ｉが２００Ａ程度まで減少すると、アーク７の硬直性を維持できずにアーク切れに至る場合がある。図４Ａに示す例では、時間＝３０（ｍｓ）のときにアーク７を維持することができず、アーク７切れが発生している。
これに対して、図４Ｂに示すように、同溶接条件で溶接電流Ｉの下限を３００Ａに制限すると、低電流領域でも十分にアーク７の硬直性が維持され、アーク切れを防止することができる。

図５は溶接電流Ｉを制限することによってアーク切れ発生回数が低減したことを示す棒グラフである。図５中、左側の２本のバーは溶接電流Ｉの電流制限を行わなかった場合のアーク切れ発生回数を示し、右側の２本のバーは溶接電流Ｉの電流制限を行った場合のアーク切れ発生回数を示す。ハッチングを付したバー及び黒塗りバーは、溶接実験を２回行って得られた結果をそれぞれ示している。図５に示す実験結果の棒グラフから明らかなように、溶接電流Ｉを制限することによって、アーク切れの発生回数を劇的に低減させることができる。ハッチングを付したバーで示す実験結果では、電流制限を行うことによって、アーク切れ発生回数を８９回から１５回にまで低減させることに成功している。

実施形態１に係るアーク溶接装置及びアーク溶接方法によれば、定電圧特性の埋もれアーク溶接において溶接電流Ｉが所定の下限電流値Ｉｍｉｎを下回らないように溶接制御を行うことにより、埋もれアーク溶接における磁気吹き及びアーク切れの発生を効果的に抑制することができる。

また、本実施形態１に係る制御部１２は、電流検出部１４にて検出された溶接電流Ｉの電流値Ｉｄが閾値未満である場合、磁気吹きが発生し易い状態にあるとみなし、溶接電流制御設定値Ｉｒｃを所定の下限電流値Ｉｍｉｎ以上に制限する。従って、磁気吹きの予兆に対して遅れなく対応することができ、埋もれアーク溶接における磁気吹き及びアーク切れの発生を効果的に抑制することができる。

（実施形態２）
実施形態２に係るアーク溶接装置は、下限電流値Ｉｍｉｎの設定に係る構成が実施形態１と異なるため、以下では主に上記相違点を説明する。その他の構成及び作用効果は実施形態と同様であるため、対応する箇所には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。

図６は本実施形態２に係るアーク溶接装置の一構成を示す模式図である。実施形態２に係るアーク溶接装置は、実施形態１と同様の溶接電源２０１を備える。実施形態２に係る制御部２１２は、制限部１２ｆによって溶接電流Ｉの電流値が制限させている時間を計時する計時部１２ｇを備える。計時部１２ｇには比較部１２ｅから出力された比較値が入力されており、計時部１２ｇは負の比較値が入力されている時間を計時し、所定時間以上を計時した場合、下限電流値Ｉｍｉｎを増大させる変更指示を下限電流設定部１２ｄへ出力する。計時部１２ｇに正の比較値が入力された場合、計時をリセットする。また、所定時間以上、負の比較値が入力された後に正の比較値が入力された場合、計時部１２ｇは、下限電流値Ｉｍｉｎを変更前の値に変更させる解除指示を下限電流設定部１２ｄへ出力する。

下限電流設定部１２ｄは、計時部１２ｇから変更指示が出力された場合、下限電流値Ｉｍｉｎを増大させ、増大させた下限電流値Ｉｍｉｎを制限部１２ｆへ出力する。また、下限電流設定部１２ｄは、計時部１２ｇから解除指示が出力された場合、下限電流値Ｉｍｉｎを増大前の値に戻し、元の下限電流値Ｉｍｉｎを制限部１２ｆへ出力する。

実施形態２に係るアーク溶接装置及びアーク溶接方法によれば、溶接電流Ｉの電流値Ｉｄが閾値未満の状態が所定時間以上継続している場合、磁気吹きが発生し易い状態にあると考えられ、下限電流設定部１２ｄは下限電流値Ｉｍｉｎを増大させる。このように制御することによって、アーク７の硬直性をより強くすることができ、埋もれアーク溶接における磁気吹き及びアーク切れの発生をより効果的に抑制することができる。

なお、上記実施形態では下限電流値Ｉｍｉｎのみを変更する例を説明したが、下限電流値Ｉｍｉｎと共に閾値も増減させても良い。

（実施形態３）
実施形態３に係るアーク溶接装置は、磁気吹きの検知方法が実施形態１と異なるため、以下では主に上記相違点を説明する。その他の構成及び作用効果は実施形態と同様であるため、対応する箇所には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。

図７は本実施形態３に係るアーク溶接装置の一構成を示す模式図である。実施形態３に係るアーク溶接装置は、実施形態１と同様の溶接電源３０１を備える。実施形態３に係る制御部３１２の比較部１２ｅは、電流検出部１４にて検出された溶接電流Ｉの電流値Ｉｄでは無く、定電圧制御部１２ｂから出力される溶接電流制御設定値Ｉｒｃと、所定の閾値とを比較し、比較結果を示す比較値を制限部１２ｆへ出力する。具体的には、比較部１２ｅは、溶接電流制御設定値Ｉｒｃが閾値未満である場合、負の値の比較値を制限部１２ｆへ出力し、溶接電流制御設定値Ｉｒｃが閾値以上である場合、「０」以上の値を制限部１２ｆへ出力する。

実施形態３に係るアーク溶接装置及びアーク溶接方法によれば、磁気吹きの予兆に対して遅れなく対応することができ、埋もれアーク溶接における磁気吹き及びアーク切れの発生を効果的に抑制することができる。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，２０１，３０１ 溶接電源
２ トーチ
３ ワイヤ送給部
４ 母材
５ 溶接ワイヤ
５ａ 先端部
６ 溶融部分
６ａ 埋もれ空間
６１ 底部
６２ 側部
７ アーク
１１ 電源回路
１２，２１２，３１２ 制御部
１２ａ 出力電圧設定部
１２ｂ 定電圧制御部
１２ｃ 差分増幅部
１２ｄ 下限電流設定部
１２ｅ 比較部
１２ｆ 制限部
１２ｇ 計時部
１３ 電圧検出部
１４ 電流検出部
１５ 送給速度制御部
４１ 第１母材
４２ 第２母材
Ｒ 電気抵抗
Ｌ リアクトル
Ｅ 設定電圧
Ｖ 溶接電圧
Ｉ 溶接電流
Ｖｄ 溶接電圧の電圧値
Ｉｄ 溶接電流の電流値
Ｅｒ 出力電圧設定値
Ｉｒｃ 溶接電流制御設定値
ΔＩ 差分値
Ｉｍｉｎ 下限電流値

Claims (5)

1. 溶接ワイヤ及び母材間に溶接電圧を印加することにより溶接電流を供給する電源回路と、溶接電圧に係る前記電源回路の設定電圧を周期的に変動させる制御部とを備え、溶接電流の供給によって前記溶接ワイヤの先端部及び母材間にアークを発生させ、該アークにより前記母材に形成される凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記先端部を進入させて前記母材を溶接する消耗電極式のアーク溶接装置であって、
   前記電源回路にて印加される溶接電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電源回路にて供給される溶接電流を検出する電流検出部と
   を備え、
   前記制御部は、
   前記電圧検出部及び前記電流検出部にて検出された溶接電圧及び溶接電流に基づいて、定電圧特性が得られるような溶接電流の電流値を算出し、算出された電流値に基づいて、溶接電流の供給を制御する定電圧制御部と、
   前記電流検出部にて検出された溶接電流の電流値と、閾値とを比較する比較部と、
   溶接電流の低下時においては定電圧特性からの乖離を一時的に許容することにより所定の下限電流値以上の溶接電流を維持するよう、検出された電流値が閾値未満である場合、前記定電圧制御部にて制御される溶接電流の電流値を前記下限電流値以上に制限する制限部と
   を備え、
   更に、
   前記制限部にて前記電流値が制限されている時間を計時する計時部と、
   前記下限電流値を前記制限部に設定する下限電流設定部と
   を備え、
   前記下限電流設定部は、
   前記電流値が制限されている時間が所定時間以上である場合、前記下限電流値を増大させる
   アーク溶接装置。
2. 溶接ワイヤ及び母材間に溶接電圧を印加することにより溶接電流を供給する電源回路と、溶接電圧に係る前記電源回路の設定電圧を周期的に変動させる制御部とを備え、溶接電流の供給によって前記溶接ワイヤの先端部及び母材間にアークを発生させ、該アークにより前記母材に形成される凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記先端部を進入させて前記母材を溶接する消耗電極式のアーク溶接装置であって、
   前記電源回路にて印加される溶接電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電源回路にて供給される溶接電流を検出する電流検出部と
   を備え、
   前記制御部は、
   前記電圧検出部及び前記電流検出部にて検出された溶接電圧及び溶接電流に基づいて、定電圧特性が得られるような溶接電流の電流値を算出し、算出された電流値に基づいて、溶接電流の供給を制御する定電圧制御部と、
   前記定電圧制御部にて算出された電流値と、閾値とを比較する比較部と、
   溶接電流の低下時においては定電圧特性からの乖離を一時的に許容することにより所定の下限電流値以上の溶接電流を維持するよう、算出された電流値が閾値未満である場合、前記定電圧制御部にて制御される溶接電流の電流値を前記下限電流値以上に制限する制限部と
   を備え、
   更に、
   前記制限部にて前記電流値が制限されている時間を計時する計時部と、
   前記下限電流値を前記制限部に設定する下限電流設定部と
   を備え、
   前記下限電流設定部は、
   前記電流値が制限されている時間が所定時間以上である場合、前記下限電流値を増大させる
   アーク溶接装置。
3. 溶接電流の平均値は４００Ａ以上であり、
   前記下限電流値は前記平均値の４分の１以上である
   請求項１又は請求項２に記載のアーク溶接装置。
4. 溶接ワイヤ及び母材間に溶接電圧を印加することにより溶接電流を供給する電源回路の設定電圧を周期的に変動させて前記溶接ワイヤの先端部及び母材間にアークを発生させ、前記アークにより前記母材に形成される凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記先端部を進入させて前記母材を溶接する消耗電極式のアーク溶接方法であって、
   前記電源回路にて印加及び供給される溶接電圧及び溶接電流を検出し、
   検出された溶接電圧及び溶接電流に基づいて、定電圧特性が得られるような溶接電流の電流値を算出し、算出された電流値に基づいて溶接電流の供給を制御し、
   検出された溶接電流の電流値と、閾値とを比較し、
   溶接電流の低下時においては定電圧特性からの乖離を一時的に許容することにより所定の下限電流値以上の溶接電流を維持するよう、検出された電流値が閾値未満である場合、溶接電流の電流値を前記下限電流値以上に制限し、
   前記電流値が制限されている時間を計時し、
   前記電流値が制限されている時間が所定時間以上である場合、前記下限電流値を増大させる
   アーク溶接方法。
5. 溶接ワイヤ及び母材間に溶接電圧を印加することにより溶接電流を供給する電源回路の設定電圧を周期的に変動させて前記溶接ワイヤの先端部及び母材間にアークを発生させ、前記アークにより前記母材に形成される凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記先端部を進入させて前記母材を溶接する消耗電極式のアーク溶接方法であって、
   前記電源回路にて印加及び供給される溶接電圧及び溶接電流を検出し、
   検出された溶接電圧及び溶接電流に基づいて、定電圧特性が得られるような溶接電流の電流値を算出し、算出された電流値に基づいて溶接電流の供給を制御し、
   算出された電流値と、閾値とを比較し、
   溶接電流の低下時においては定電圧特性からの乖離を一時的に許容することにより所定の下限電流値以上の溶接電流を維持するよう、算出された電流値が閾値未満である場合、溶接電流の電流値を前記下限電流値以上に制限し、
   前記電流値が制限されている時間を計時し、
   前記電流値が制限されている時間が所定時間以上である場合、前記下限電流値を増大させる
   アーク溶接方法。

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