JP7090227B2 - アーク溶接装置およびアーク溶接制御方法 - Google Patents

アーク溶接装置およびアーク溶接制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、消耗電極である溶接ワイヤの送給として正送と逆送を繰り返しながら、短絡状態とアーク状態を交互に発生させて溶接を行うアーク溶接装置およびアーク溶接制御方法に関する。
亜鉛メッキ鋼板の溶接を行う場合、一般的に、短絡移行溶接（ＣＯ２溶接、ＭＡＧ溶接）やパルスＭＡＧ溶接が広く用いられている。図８は、亜鉛メッキ鋼板の溶接を行う従来のアーク溶接制御方法を説明するための図である。
亜鉛メッキ鋼板の表面にメッキされている亜鉛メッキの亜鉛の沸点は９０７度であり、鉄の融点１５３６度よりも低い。亜鉛メッキ鋼板に対してアーク溶接を行うと、亜鉛が気化し、この亜鉛蒸気が溶融プールの溶融金属を通過して外部に拡散しようとする。しかし、溶融金属の凝固速度が速い場合、亜鉛蒸気が外部に十分に拡散しきれず、溶接ビード内および溶接ビード表面に気孔として残存する。気孔が溶接ビード内に留まる場合はブローホールとなり、溶接ビードの表面に開口する場合はピットとなる。ブローホールやピット等の気孔は、いずれも溶接の強度を低下させる恐れがある。そのため、例えば、亜鉛メッキ鋼板が多く使用されている自動車業界では、気孔の発生の抑制が必要であり、特にピットの発生量を規定して管理する場合が多い。
図８に、従来技術による短絡アーク溶接の波形の例を示す。溶接電流Ｉと、溶接電圧Ｖと、ワイヤ送給速度ＷＳと、モータＯＮ／ＯＦＦ切換信号Ｎと、モータ極性切換信号Ｋの時間変化を示す。
図８において、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの短絡期間では、短絡発生初期の時刻ｔ１から電流制御を行い、溶接電流Ｉを所定の傾きで上昇させる。また、ワイヤ送給速度ＷＳを、基本ワイヤ送給速度ＷＳ１よりも低いワイヤ送給速度ＷＳ２に減速する。なお、短絡期間の終端直前、すなわち、時刻ｔ２の直前においては、従来から知られているように、溶融した溶接ワイヤのくびれを検知して溶接電流Ｉを急峻に低減させるように制御している。
アーク期間のうち時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間は、アーク発生初期の時刻ｔ２から電流制御を行い、溶接電流Ｉを所定の傾きで上昇させる。なお、溶接電流Ｉのピーク電流ＩＰが２００Ａ以上となるまで上昇させる。また、ワイヤ送給速度ＷＳをワイヤ送給速度ＷＳ２から基本ワイヤ送給速度ＷＳ１に加速する。
ここで、例えば、シールドガスにＣＯ２ガスを用いるＣＯ２ガスアーク溶接の場合、アークの集中性が良いため、溶接電流Ｉのピーク電流ＩＰが高いほど溶融プールがアークに押付けられて掘れ込んでしまう傾向が高くなる。そして、最悪の場合、被溶接物の孔開き（溶け落ち）が発生することもある。一方、ピーク電流ＩＰが低すぎると微小短絡を生じてしまうこともある。従って、微小短絡が生じ難く、また、溶融プールが掘れ込まないように、ピーク電流ＩＰを必要最低限の溶接電流Ｉにする必要がある。また、溶接電流Ｉがピーク電流ＩＰとなった後に所定時間このピーク電流ＩＰを維持し、この維持する末端の時間を時刻ｔ３とするようにしてもよい。
そして、アーク発生時直後は、ワイヤ送給速度ＷＳがワイヤ送給速度ＷＳ２から基本ワイヤ送給速度ＷＳ１に加速し始めた低速状態にある。そのため、ピーク電流ＩＰを必要以上に高くしなくても、溶接ワイヤを燃え上がらせてアーク長を確保することができる。従って、微小短絡を抑制することができる。
アーク期間のうち時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間は、定電圧制御を行い、基本溶接電圧ＶＰを出力できるように溶接電流Ｉが出力される。定電圧制御を行うことによりアーク長を維持できる。従って、微小短絡が発生し難いアーク状態を維持することができる。
アーク期間のうち時刻ｔ４から時刻ｔ５までの間は、電流制御を行い、溶接電流Ｉを、微小短絡が発生しても大粒のスパッタが発生し難い電流値である１００Ａ以下のベース電流ＩＢに向けて低減させる。なお、時刻ｔ４から時刻ｔ５にかけて溶接電流Ｉを所定の傾きで低減する。このように、アーク開始時から所定時間後に溶接電流Ｉがベース電流ＩＢとなるように所定の傾きをもって減少させることにより、アーク状態の急激な変化を緩和することができる。
アーク期間のうち時刻ｔ５から時刻ｔ６までの間は、定電流制御を行ってベース電流ＩＢの状態を保ち、次の短絡発生の時刻である時刻ｔ６を待つ状態とする。このように溶接電流Ｉをベース電流ＩＢの状態に保つことで、短絡が発生し易い状態を確保することと、微小短絡が発生したとしても溶接電流Ｉが低いため大粒スパッタが発生し難いという効果がある。
従来技術のアーク溶接制御方法は、上記した短絡期間とアーク期間のサイクルを繰り返すものである。
特開２００７－２１６２６８号公報
図８を用いて説明した従来のアーク溶接制御方法では、アーク期間のうち時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間において、アーク発生初期時刻である時刻ｔ２から電流制御を行って溶接電流Ｉを所定の傾きで上昇させ、溶接電流Ｉのピーク電流ＩＰは２００Ａ以上となるまで上昇させることが記載されている。なお、これまでの溶接装置は、溶接ワイヤのワイヤ材質、ワイヤ径、シールドガス等の使用ガスといった組合せにピーク電流が対応付けられて溶接装置内部に記憶されており、ワイヤ材質、ワイヤ径、使用ガス等に基づいて決定されたピーク電流を出力することが一般的である。
しかしながら、亜鉛メッキ鋼板の溶接では、亜鉛蒸気を放出させ易くするための適正なピーク電流が必要となる。ピーク電流は、高ければ高いほど亜鉛蒸気を放出させ易くなる。しかし、ピーク電流及びピーク電流期間の組合せによっては、亜鉛蒸気がうまく放出できずピット、ブローホール等の気孔やスパッタの増加、または被溶接物の孔開き（溶け落ち）が発生する場合がある。
なお、亜鉛蒸気がうまく放出できないと、亜鉛蒸気は、溶融プール内を浮上して溶融プール表面から放出されることになる。そのため、亜鉛蒸気の放出の際に噴出した溶融金属が、そのままスパッタとして外部に飛散する。あるいは、亜鉛蒸気の放出の際に噴出した溶融金属が、溶接ワイヤと短絡して電気エネルギーによりスパッタとして飛散する。これらにより、スパッタが異常に多量発生するという課題も有していた。
本発明の一態様のアーク溶接装置は、溶接ワイヤが被溶接物と短絡する短絡期間と短絡が開放してアークが発生するアーク期間とを交互に繰り返して被溶接物を溶接するアーク溶接装置である。アーク溶接装置は、溶接出力部と、記憶部と、決定部とを備える。記憶部は、短絡の短絡周波数、ピーク電流およびピーク電流期間を対応付けた組を一つまたは複数記憶する。決定部は、短絡周波数設定部により設定された短絡周波数と記憶部に記憶された一つまたは複数の組に基づいて設定された短絡周波数に対応付けられたピーク電流およびピーク電流期間を決定する。溶接出力部は、決定部で決定されたピーク電流およびピーク電流期間に基づいて溶接出力を行う。
上記に加えて、短絡周波数は、溶接線上の０．５ｍｍ間隔以下で１回短絡するように、溶接速度に応じて決定されてもよい。より好ましくは、短絡周波数は、０．４ｍｍ間隔以下で１回短絡する。
上記に加えて、ピーク電流は、３００Ａ以上７００Ａ以下としてもよい。
上記に加えて、ワイヤ送給速度を、所定の周期と所定の振幅で周期的に変化させてもよい。
上記に加えて、被溶接物を、表面処理が行われた鋼板としてもよい。
上記に加えて、被溶接物を、亜鉛メッキ鋼板としてもよい。
また、本発明の一態様のアーク溶接制御方法は、溶接ワイヤが被溶接物と短絡する短絡期間と短絡が開放してアークが発生するアーク期間とを交互に繰り返して被溶接物を溶接するアーク溶接制御方法である。アーク溶接制御方法は、短絡の短絡周波数を設定するステップと、短絡周波数、ピーク電流およびピーク電流期間を対応付けた一つまたは複数の組の中から、設定された短絡周波数に対応付けられたピーク電流およびピーク電流期間を決定するステップと、決定されたピーク電流およびピーク電流期間に基づいて溶接出力を制御するステップと、を備えたものである。
上記に加えて、短絡周波数は、溶接線上の０．５ｍｍ間隔以下で１回短絡するように、溶接速度に応じて決定されることとしてもよい。
上記に加えて、ピーク電流は、３００Ａ以上７００Ａ以下としてもよい。
上記に加えて、ワイヤ送給速度を、所定の周期と所定の振幅で周期的に変化させてもよい。
上記に加えて、被溶接物を、表面処理が行われた鋼板としてもよい。
上記に加えて、被溶接物を、亜鉛メッキ鋼板としてもよい。
本発明の一態様に係るアーク溶接装置は、溶接ワイヤが被溶接物と短絡する短絡期間と前記短絡が開放してアークが発生するアーク期間とを交互に繰り返して前記被溶接物を溶接するアーク溶接装置である。アーク溶接装置は、溶接出力部と、記憶部と、波形パラメータ決定部とを備える。記憶部は、短絡の短絡周波数と波形パラメータとを対応付けた組を一つまたは複数記憶する。波形パラメータ決定部は、短絡周波数設定部により設定された短絡周波数と記憶部に記憶された一つまたは複数の組に基づいて、波形パラメータを決定する。溶接出力部は、波形パラメータ決定部で決定された波形パラメータに基づいて溶接出力を行う。短絡周波数は、溶接線上の０．５ｍｍ間隔以下で１回短絡するように、溶接速度に応じて決定される。
本発明によれば、溶接出力は、短絡周波数に応じた適切なピーク電流及びピーク電流期間に基づいて行われる。これにより被溶接物への孔開き（溶け落ち）、ブローホール等の気孔およびスパッタの発生を抑制することができる。
本発明の実施の形態１におけるアーク溶接装置の概略構成を示す図 本発明の実施の形態１におけるワイヤ送給速度（正弦波状）と溶接電圧と溶接電流の波形を示す図 本発明の実施の形態１における短絡状態での被溶接物の溶接線方向に垂直な断面を示す図 本発明の実施の形態１における短絡開放直後のピーク電流期間ＴＰの開始時の状態での被溶接物の溶接線方向に垂直な断面を示す図 本発明の実施の形態１におけるピーク電流期間ＴＰの終了時の状態での被溶接物の溶接線方向に垂直な断面を示す図 本発明の実施の形態１における短絡周波数の違いによるピーク電流及びピーク電流期間の適用範囲を示す図 本発明の実施の形態１における水平すみ肉の溶接状態と溶接電流を示す図 本発明の実施の形態１における水平すみ肉の溶接状態と溶接電流を示す図 本発明の実施の形態１における水平すみ肉の溶接状態と溶接電流を示す図 本発明の実施の形態１におけるワイヤ送給速度（台形波状）と溶接電圧と溶接電流の波形を示す図 本発明の実施の形態１におけるワイヤ送給速度（矩形波状）と溶接電圧と溶接電流の波形を示す図 従来のアーク溶接制御方法に関する溶接電流Ｉと、溶接電圧Ｖと、ワイヤ送給速度ＷＳと、モータＯＮ／ＯＦＦ切換信号Ｎと、モータ極性切換信号Ｋの時間変化を示す図
以下、本発明の実施の形態における消耗電極式のアーク溶接装置とアーク溶接制御方法について、図１から図７を用いて説明する。
（実施の形態１）
図１に、本実施の形態１におけるアーク溶接装置の概略構成を示す。図１において、溶接電源装置１６は、溶接ワイヤ２１が被溶接物２６と短絡する短絡期間ＴＳと短絡が開放してアークが発生するアーク期間ＴＡとを交互に繰り返して被溶接物を溶接するアーク溶接装置であって、溶接出力部として、１次整流部２と、スイッチング部３と、トランス４と、２次整流部５と、リアクタ６（ＤＣＬともいう）とを備える。１次整流部２は、入力電源１の出力を整流する。スイッチング部３は、１次整流部２の出力を制御することで溶接出力を制御する。トランス４は、スイッチング部３からの電力を絶縁して変換する。２次整流部５は、トランス４の２次側出力を整流する。リアクタ６は、２次整流部５に直列に接続される。ただし、溶接出力部は、この回路構成に限られず、公知の回路構成を採用可能である。
またさらに、溶接電源装置１６は、スイッチング部３を駆動させるための駆動部７と、溶接電圧を検出する溶接電圧検出部８と、溶接電流を検出する溶接電流検出部９と、溶接電圧検出部８の出力および／または溶接電流検出部９の出力に基づいて溶接状態が短絡状態（短絡期間）であるのかアーク状態（アーク期間）であるのかを判定する短絡／アーク検出部１０と、短絡期間中に駆動部７を制御する短絡制御部１１と、アーク期間中に駆動部７を制御するアーク制御部１２とを備える。
またさらに、溶接電源装置１６は、溶接条件や短絡周波数毎の波形パラメータを記憶しておく波形パラメータ記憶部１５と、溶接条件や短絡周波数に応じた波形パラメータを決定する波形パラメータ決定部１４と、波形パラメータ決定部１４から出力されたワイヤ送給速度Ｗｆに基づいて溶接ワイヤ２１の送給を制御するワイヤ送給速度制御部１３を備えている。
溶接電源装置１６において、短絡制御部１１は、短絡／アーク検出部１０から短絡であることを示す信号を受けると、短絡を開放させることができるように、短絡電流を制御する。アーク制御部１２は、短絡／アーク検出部１０から短絡が開放されアークであることを示す信号を受けると、ピーク電流ＩＰを始めとするアーク期間中の溶接波形パラメータを出力する。なお、ピーク電流ＩＰは、短絡開放後のアーク期間中の最大溶接電流値である。
また、ロボット２０の動作を制御するロボット制御装置１９は、溶接条件を設定するための溶接条件設定部１７と、短絡周波数ＳＦＲＱを設定するための短絡周波数設定部１８を備えている。そして、ロボット制御装置１９は、溶接電源装置１６と通信可能に接続されている。なお、アーク溶接装置は溶接電源装置１６とロボット制御装置１９とを含むものであっても良い。または、溶接電源装置１６に溶接条件設定部１７および／または短絡周波数ＳＦＲＱを含むものであっても良い。
波形パラメータ決定部１４において、溶接条件設定部１７で設定された溶接条件の一つである設定溶接電流と、短絡周波数設定部１８で設定された短絡周波数ＳＦＲＱに基づいて、波形パラメータが決定される。波形パラメータ決定部１４で決定された波形パラメータは、短絡制御部１１と、アーク制御部１２と、ワイヤ送給速度制御部１３に出力される。波形パラメータを入力したワイヤ送給速度制御部１３は、ワイヤ送給速度Ｗｆに関する制御信号をロボット２０に設けられたワイヤ送給部２３に出力する。
なお、例えば、作業者が、溶接条件設定部１７を操作して設定溶接電流を設定し、短絡周波数設定部１８を操作して短絡周波数ＳＦＲＱを設定する。また、波形パラメータは、例えば、周期的に変化させるワイヤ送給速度Ｗｆの所定の周期ＷＦおよび所定の振幅ＷＶや、ピーク電流ＩＰやベース電流ＩＢ、ピーク電流期間ＴＰやベース電流期間ＴＢ等の溶接電流のパラメータや、ワイヤ送給速度Ｗｆ等を含む。ピーク電流期間ＴＰは、アーク期間中にピーク電流ＩＰが出力される期間である。また、波形パラメータ記憶部１５は、設定溶接電流と、短絡周波数ＳＦＲＱと、波形パラメータとを対応付けた組を一つまたは複数記憶している。短絡周波数ＳＦＲＱに対応付けられた波形パラメータは、少なくとも、ピーク電流ＩＰおよびピーク電流期間ＴＰを含む。
なお、短絡周波数ＳＦＲＱと波形パラメータとを対応付けるとは、言い換えると短絡周波数ＳＦＲＱと直接的に波形パラメータとを対応付けても良いし、短絡周波数ＳＦＲＱの逆数である短絡周期ＴＳＣと波形パラメータとを直接的に対応付けることにより短絡周波数ＳＦＲＱと波形パラメータとを間接的に対応付けるものであっても良い。
アーク制御部１２は、波形パラメータ決定部１４からピーク電流ＩＰを含む波形パラメータを入力し、ピーク電流ＩＰを始めとするアーク期間中のパラメータを駆動部７に出力することで溶接出力の制御を行う。なお、ロボット２０には、溶接用のトーチ２２、および溶接ワイヤ２１を案内すると共に溶接電流を供給するチップ２４が取り付けられている。そして、送給ローラを備えたワイヤ送給部２３は、ワイヤ送給速度制御部１３からのワイヤ送給速度Ｗｆの制御信号に基づいて、溶接ワイヤ２１の送給の制御を行う。溶接ワイヤ２１は、ワイヤ保存部２５から補給される。
図２は、短絡期間（短絡状態）とアーク期間（アーク状態）とを交互に繰り返す消耗電極式のアーク溶接における、ワイヤ送給速度Ｗｆと、溶接電圧Ｖｗと、溶接電流Ａｗの時間変化の波形を示している。
先ず、図２において、ワイヤ送給制御について説明する。
図２では、所定の一定のワイヤ送給速度Ｗｆ１を基準とした、所定の周期ＷＦ（所定の周波数）と所定の速度振幅ＷＶを有する正弦波状の基本波形で、正送と逆送とを周期的に繰り返すワイヤ送給制御を行っている例を示している。ワイヤ供給速度Ｗｆは、正送時のピークＷｆ２および逆送時のピークＷｆ３を有する。そして、正送側のピーク時では、時点Ｐ１の周辺で短絡が発生し、逆送側のピーク時では、時点Ｐ２の周辺でアークが発生する。また、時点Ｐ２の後の正送のピーク時である時点Ｐ３の周辺で次の短絡が発生する。
時点Ｐ１から時点Ｐ３までを制御の１周期とし、これを繰り返して溶接を行う。
言い換えると、短絡状態である短絡期間ＴＳとアーク状態であるアーク期間ＴＡとを繰り返し、この短絡期間から次の短絡期間までの周期を一周期とする場合、所定の周期ＷＦは短絡周期ＴＳＣに相当する。この短絡周期ＴＳＣの逆数（１／ＴＳＣ）が所定時間あたりの短絡回数を示す短絡周波数ＳＦＲＱとなる。
このように、短絡状態またはアーク状態の発生は、基本的に、ワイヤ送給速度の正送と逆送とを周期的に繰り返すワイヤ送給制御に依存する。
次に、図２において、溶接制御について説明する。
時点Ｐ１は、短絡を開始した時点を示している。時点Ｐ１から所定期間の間、短絡初期電流ＳＡを出力した後、短絡電流の第１段目の増加傾きｄｉ／ｄｔとして短絡電流を増加し、続けて、第１段目の増加傾きｄｉ／ｄｔよりも傾きが緩やかな短絡電流の第２段目の増加傾きｄｉ／ｄｔとして短絡電流を増加する。
その後、時点Ｐ２の手前の時点において、短絡の開放が近づくに伴って被溶接物２６に形成された溶融プールと溶接ワイヤ２１の先端側との間にできた溶滴のくびれを検出すると、溶接電流を、くびれを検出した時点の電流ＩＡよりも低電流であるくびれ電流ＮＡに瞬時に低下させる。
時点Ｐ２は、溶滴のくびれが離れて、短絡が開放し、短絡状態が終了してアーク状態が発生した時点を示している。時点Ｐ２からのアーク期間において、短絡開放直後（アーク発生直後）にピーク電流ＩＰである溶接電流をピーク電流期間ＴＰの間出力し、その後、ピーク電流ＩＰからベース電流ＩＢへ向けて溶接電流を低下する。その後に、ベース電流ＩＢに達した段階でベース電流ＩＢを維持し、次の短絡を待つことになる。
時点Ｐ３は、時点Ｐ１の次の短絡が発生した時点を示しており、時点Ｐ１の時点と同様の状態である。
ここで、メッキ処理等の表面処理がされた鋼板である亜鉛メッキ鋼板の溶接に関し、亜鉛蒸気を放出させるためのメカニズムについて説明する。
図３Ａから図３Ｃは、水平すみ肉の溶接で溶接線方向に垂直な被溶接物の断面図を示す。図３Ａは短絡状態（図２の時点Ｐ１）を示しており、図３Ｂは短絡開放直後のピーク電流期間ＴＰの開始時の状態（図２の時点Ｐ２）を示しており、図３Ｃはピーク電流期間ＴＰの終了時の状態（図２の時点Ｐ２－２）を示している。
図３Ａの短絡状態では、被溶接物２６を溶接するルートである溶接線としてのルート部３２が、溶融金属３３で覆われている。しかし、図３Ｂの短絡開放直後のピーク電流期間ＴＰの開始時の状態では、被溶接物２６のルート部３２にある溶融金属３３をアーク３４が押し始め、図３Ｃの短絡開放後のピーク電流期間ＴＰの終了時の状態では、被溶接物２６のルート部３２にあった溶融金属３３をアーク３４により完全に押し出すことができたことを表している。
このように、アーク３４の直下において、被溶接物２６のルート部３２にある溶融プール（溶接の際に溶接ワイヤ２１や被溶接物２６が溶けてできた溶融金属３３が溜まったもの）がアーク３４のアーク力により押し出され、ルート部３２が露出する。このことで、被溶接物２６である上板と下板との重ね部分である亜鉛メッキの気化部分から、亜鉛蒸気３０を外部に放出し易くなるというメカニズムである。すなわち、被溶接物２６のルート部３２が露出するように溶融プールがアーク３４により押される。被溶接物２６から発生した亜鉛蒸気３０は、露出した部分から抜けることができる。これにより、ブローホール等の気孔およびスパッタの発生を抑制することができる。
このようなメカニズムを実現するためには、ＣＯ２アーク溶接のようにアークの集中性が高いガスを使用する方が、被溶接物２６のルート部３２の溶融金属３３を押し出すことができ易いので、望ましい。また、トーチ２２の姿勢を後退角にする方が、溶接進行方向の反対方向に溶融金属３３を押すことができるので、更に亜鉛蒸気３０の放出効果を発揮できる。
なお、アーク３４のアーク力により、図３Ｃに示すルート部３２が完全に露出している場合には、亜鉛蒸気３０の放出に際しては、スパッタの発生等がなく、亜鉛蒸気３０は容易に放出される。また、溶融金属３３の一部分がルート部３２を覆っていても、その厚さが約０．５ｍｍ程度以下の薄い状態であれば、亜鉛蒸気３０の放出を阻害することはなく、被溶接物２６のルート部３２が亜鉛の体積膨張による放出により容易に露出し、亜鉛蒸気３０が容易に外部に放出される。すなわち、被溶接物２６である上板や下板から発生した亜鉛蒸気３０が、体積膨張により被溶接物２６のルート部３２を覆っている溶融金属３３を突き破って抜けることが可能な厚さとなるように、アーク３４によるアーク力により溶融金属３３を押すようにしても良い。
なお、ルート部３２とは、図３Ａから図３Ｃに示すように、被溶接物２６である上板と下板とを重ねた際の重ね部分の端の部分であり、被溶接物２６の溶接方向の長さと同じ長さの部分である。
以上のように、亜鉛蒸気３０が規則的に適切に放出されるように溶接電流を制御する、すなわち、アーク３４によるアーク力を制御することで、スパッタの発生を大幅に抑制することができる。
このようなメカニズムを規則的に安定させるには、正送と逆送を繰り返すワイヤ送給制御を行うことが望ましい。正送と逆送を繰り返すことで短絡状態とアーク状態を規則的に発生させることができると共に、短絡開放直後のアーク長を瞬時に長くできる。アーク長を長くできることで、微小短絡の発生を抑制できるとともに、アーク３４によって溶融金属３３を広範囲に押すことができる。
ここで、従来技術では、ピーク電流ＩＰが適正でない場合、溶融金属３３中に亜鉛蒸気３０が滞留し、ブローホール（ピット）を発生させてしまう。また、亜鉛蒸気３０が溶融金属３３から勢いよく放出される時に溶接ワイヤ２１に短絡したりすることで、スパッタの発生を増加させてしまう。
次に、亜鉛メッキ鋼板の溶接において、所定時間あたりの短絡の回数である短絡周波数ＳＦＲＱに応じて適正なピーク電流ＩＰ及びピーク電流期間ＴＰを使い分ける必要性について、図４、図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃを用いて説明する。なお、図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃは溶接線方向に対する断面図である。なお、短絡周波数ＳＦＲＱに対する、ピーク電流ＩＰ及びピーク電流期間ＴＰの組合せによっては、亜鉛蒸気３０がうまく放出できず、または被溶接物２６に孔開きが発生する場合がある。そして、亜鉛蒸気３０の放出と被溶接物２６の孔開きの抑制の両方を、短絡周波数ＳＦＲＱに対して満足させることが難しい。
そこで、短絡周波数ＳＦＲＱに適したピーク電流ＩＰ及びピーク電流期間ＴＰが必要となってくる。そのため、溶接電流の設定値である設定溶接電流に応じて、単に一つの、ピーク電流ＩＰ及びピーク電流期間ＴＰでは対応することができない。すなわち、短絡周波数ＳＦＲＱを加味してピーク電流ＩＰ及びピーク電流期間ＴＰの決定が必要となる。言い換えると、短絡周波数ＳＦＲＱに応じたピーク電流ＩＰ及びピーク電流期間ＴＰの決定が必要となる。
図５Ａは、水平すみ肉の溶接で亜鉛蒸気３０を安定して排出できている状態を示している。図５Ｂは、水平すみ肉の溶接で亜鉛蒸気３０を安定して排出できているが、被溶接物２６に孔開きが発生している状態を示している。図５Ｃは、水平すみ肉の溶接で亜鉛蒸気３０を安定して排出できている状態を示している。
図５Ａに示すように、短絡周波数ＳＦＲＱが６０Ｈｚと低めの場合は、ピーク電流ＩＰが４００Ａと低めでピーク電流期間ＴＰが６．０ｍｓと長めが望ましい。なぜなら、ピーク電流ＩＰを４００Ａとし、ピーク電流期間ＴＰを６．０ｍｓとすることで、アーク３４の直下において、被溶接物２６のルート部３２にある溶融金属３３がアーク３４のアーク力により長時間押し出され、ルート部３２が露出する。ルート部３２が露出することで、上板と下板との重ね部分である亜鉛メッキ気化部３１から亜鉛蒸気３０を外部に放出しやすくなる。
例えば、短絡周波数ＳＦＲＱが６０Ｈｚと低めの場合に、ピーク電流ＩＰが７００Ａと高めで、ピーク電流期間ＴＰが２．０ｍｓと短い場合では、アーク力は非常に高く、ルート部３２が露出しやすくできるが、アーク力の弱いベース電流期間ＴＢが長くなるため、露出回数が少ない上に露出時間が短いため、亜鉛蒸気３０の排出には不向きな波形パラメータといえる。
ちなみに図５Ｂに示すように、ピーク電流ＩＰを７００Ａでピーク電流期間ＴＰを６．０ｍｓにすると、ピーク電流ＩＰより低く、相対的にアーク力の弱いベース電流期間ＴＢが短くできるが、強いアーク力でルート部３２の露出時間が長いため、特に上板側に対してアーク力が強すぎることになり、裏なみが発生する。そして、最悪の場合には、被溶接物２６の孔開き（溶け落ち）が発生してしまう。ピーク電流ＩＰとピーク電流期間ＴＰとのバランスが重要である。
図５Ｃのように、短絡周波数ＳＦＲＱを１２０Ｈｚと高くすることで、短絡周期ＴＳＣは短くなり、ピーク電流ＩＰを７００Ａ、ピーク電流期間ＴＰを２．０ｍｓと短くおさえることにより、強いアーク力によるルート部３２の露出時間が短くなるとともに、アーク力の弱いベース電流期間ＴＢが短くなり、ルート部３２の露出回数も多くなる。これにより、特に上板側の孔開きがなく、アーク直下において被溶接物２６のルート部３２において溶融金属３３が押し出され、ルート部３２を露出させることができる。そして、被溶接物２６の上板と下板との重ね部分の亜鉛メッキ気化部３１から、亜鉛蒸気３０を外部に放出しやすくすることができる。従って、ルート部３２の露出時間は短いが、短絡周波数ＳＦＲＱが高いことで、ルート部３２の露出回数を高めることでき、トータル露出時間を高めて、亜鉛蒸気３０の排出を促すことができる。
図４に、短絡周波数ＳＦＲＱに対するピーク電流ＩＰ及びピーク電流期間ＴＰの相関表を示す。図４に示す相関表は、一例として、使用ガスとしてＣＯ２を用いて溶接を行うＣＯ２アーク溶接で設定溶接電流が２５０Ａ時の場合の各パラメータの例である。
図４より、短絡周波数ＳＦＲＱが６０Ｈｚの場合は、ピーク電流ＩＰが４００Ａ、ピーク電流期間ＴＰが６．０ｍｓが適正なパラメータの組合せである。８０Ｈｚの場合は、ピーク電流ＩＰが５００Ａ、ピーク電流期間ＴＰが４．０ｍｓ、１２０Ｈｚの場合は、ピーク電流ＩＰが７００Ａ、ピーク電流期間ＴＰが２．０ｍｓが適正なパラメータの組合せである。
例えば、短絡周波数ＳＦＲＱの１周期に対して、短絡期間ＴＳとアーク期間ＴＡが１：１とした場合、アーク期間ＴＡに対してピーク電流期間ＴＰは１／２から２／３以上を占める形となる。言い換えると、アーク力の弱いベース電流期間ＴＢをアーク期間ＴＡにおいて、ピーク電流期間ＴＰに比べて相対的に短くすることが亜鉛メッキ溶接にとって良いことを表している。
以上のように、短絡周波数ＳＦＲＱに応じて、ピーク電流ＩＰ及びピーク電流期間ＴＰを適正な値に設定する必要がある。なお、上述の適正範囲は、実際に予め実験等により導き出した数値である。
なお、短絡周波数ＳＦＲＱの選択は、溶接速度に応じて使い分けることが望ましい。ルート部３２が露出することで、被溶接物２６である上板と下板との重ね部分である亜鉛メッキの気化部分から、亜鉛蒸気３０を外部に放出し易くする。そのために、溶融金属３３を強いアーク力により、溶接線であるルート部３２上を高い頻度で押すように、言い換えると密な間隔で押すように、溶接速度に応じて短絡周波数を設定することが望ましい。
例えば、溶接速度１．２ｍ／ｍｉｎの場合、短絡周波数が８０Ｈｚとすると、０．２５ｍｍ間隔毎に１回短絡することになる。言い替えると、０．２５ｍｍ間隔毎に溶融金属３３を強いアーク力で押すことができ、亜鉛蒸気３０の排出が円滑に行え、ブローホールを抑制できることになる。
しかし、同じ溶接速度１．２ｍ／ｍｉｎの場合、短絡周波数を４０Ｈｚより大きくすると、２倍の間隔である０．５ｍｍより大きい間隔毎に溶融金属３３を強いアーク力で押すため、亜鉛蒸気３０の排出が円滑に行われにくくなる。言い換えると０．５ｍｍ間隔を超える粗い間隔で溶融金属３３を押すと、亜鉛蒸気３０の排出が円滑に行えず、ブローホールが発生しやすくなる。できるだけ、密に強いアーク力で溶融金属３３を押すように短絡周波数を選択できるようにした方が良い。
なお、溶接速度が０．６ｍ／ｍｉｎの場合では、０．２５ｍｍ間隔毎の密な間隔で、強いアーク力で溶融金属３３を押すことができる短絡周波数となる４０Ｈｚ以上であれば亜鉛蒸気３０の排出が円滑に行え、問題ないことになる。
また、溶接速度が０．９６ｍ／ｍｉｎの場合では、０．４ｍｍ間隔毎の密な間隔で、強いアーク力で溶融金属３３を押すことができる短絡周波数となる４０Ｈｚ以上であれば亜鉛蒸気３０の排出が円滑に行え、問題ないことになる。
また、溶接速度が１．４４ｍ／ｍｉｎの場合では、０．４ｍｍ間隔毎の密な間隔で、強いアーク力で溶融金属３３を押すことができる短絡周波数となる６０Ｈｚ以上であれば亜鉛蒸気３０の排出が円滑に行え、問題ないことになる。
以上のように、好ましくは０．５ｍｍ間隔以下、より好ましくは０．４ｍｍ間隔以下で１回短絡するように、溶接速度に応じて短絡周波数を設定することがより好ましい。
ロボット制御装置１９（図１参照）が、溶接速度を短絡周波数ＳＦＲＱとは独立して設定できることとしてもよい。この場合、作業者が、溶接線上において０．５ｍｍ間隔以下（好ましくは０．４ｍｍ間隔以下）で１回短絡するように、溶接速度および短絡周波数ＳＦＲＱを決定する。そして、作業者が、決定した溶接速度および短絡周波数をロボット制御装置１９に入力する。
それに代えて、溶接電源装置１６および／またはロボット制御装置１９（以下、「アーク溶接装置、または溶接装置」という）が、作業者による短絡周波数ＳＦＲＱの設定を受けて、その短絡周波数ＳＦＲＱに適した溶接速度を自動的に決定してもよい。短絡周波数ＳＦＲＱに適した溶接速度とは、溶接線上において０．５ｍｍ間隔以下（好ましくは０．４ｍｍ間隔以下）で１回短絡するための溶接速度である。この場合、溶接装置が、短絡周波数ＳＦＲＱ毎に適切な溶接速度を予め記憶する。そして、溶接装置が、作業者による短絡周波数ＳＦＲＱの設定を受けて、その短絡周波数ＳＦＲＱに適した溶接速度を決定する。なお、溶接装置は、一つの短絡周波数ＳＦＲＱに複数の適切な溶接速度を予め記憶していてもよい。この場合、溶接装置は、作業者による短絡周波数ＳＦＲＱの設定を受けて、その短絡周波数ＳＦＲＱに適した複数の溶接速度を溶接速度の候補として作業者に提示する。溶接装置は、作業者による候補の選択を受けて、選択された候補を溶接速度として決定する。
本実施の形態１のアーク溶接装置において、短絡周波数ＳＦＲＱに応じた適正なピーク電流ＩＰを設定するために、短絡周波数毎に対応する適正な少なくともピーク電流ＩＰおよびピーク電流期間ＴＰを含む波形パラメータを、溶接電源装置１６の波形パラメータ記憶部１５が記憶している。そして、ロボット制御装置１９内にある溶接条件設定部１７で設定した設定内容と短絡周波数設定部１８で設定した設定内容に基づいて、波形パラメータ決定部１４が、その短絡周波数に適正なピーク電流ＩＰおよびピーク電流期間ＴＰを含む溶接パラメータを決定する。なお、基本的には溶接条件を設定するための溶接条件設定部１７があらかじめ持っている標準の短絡周波数ＳＦＲＱに適したピーク電流ＩＰ及びピーク電流期間ＴＰを出力するものであり、短絡周波数ＳＦＲＱの変更は微調整命令などにより変更するものである。
波形パラメータ記憶部１５は、例えば、短絡周波数ＳＦＲＱ、ピーク電流ＩＰおよびピーク電流期間ＴＰを対応付けた組を複数含むテーブルを記憶する。テーブルは、例えば、図４に示されるような相関表に基づいて作成される。このテーブルでは、短絡周波数ＳＦＲＱが大きいほどピーク電流ＩＰが大きい。また、短絡周波数ＳＦＲＱが大きいほどピーク電流期間ＴＰが小さい。
なお、本実施の形態１では、設定溶接電流と短絡周波数ＳＦＲＱに基づいてピーク電流ＩＰ及びピーク電流期間ＴＰを決定する例を示した。しかし、設定溶接電流はワイヤ送給速度Ｗｆやワイヤ送給量と比例の関係にある。そこで、設定溶接電流に替えて、ワイヤ送給速度Ｗｆやワイヤ送給量に基づいてピーク電流ＩＰ及びピーク電流期間ＴＰにまつわるパラメータなどを決定するようにしても、同様の効果を得ることができる。
また、上記では、ワイヤ送給速度Ｗｆの変化が図２に示すように正弦波状である場合の例を説明した。しかし、図６に示すように、ワイヤ送給速度Ｗｆの変化が台形波状である場合でも同様の効果を得ることができる。
また、図２や図６に示すような周期的な送給制御ではなく、図７に示すように、溶接状態に応じて送給制御を矩形波状に行うようにしても、同様の効果を得ることができる。すなわち、溶接状態が短絡状態であることを検出すると逆送を行い、溶接状態がアーク状態であることを検出すると正送を行う送給制御を取り入れても、同様の効果を得ることができる。
また、上記では、時点Ｐ２の手前において、短絡の開放が近づくに伴って被溶接物に形成された溶融プールと溶接ワイヤとの間に出来た溶接ワイヤの先端側に形成される溶滴のくびれを検出すると、溶接電流をくびれ検出した時点の電流ＩＡよりも低電流であるくびれ電流ＮＡに瞬時に移行させるくびれ制御を行う例について説明した。しかし、図示していないが、前記くびれ制御を行わない場合でも、本実施の形態１の溶接制御を行うことで、ブローホール等の気孔やスパッタに対する亜鉛メッキの影響を低減させる効果は大きい。
本発明によれば、亜鉛メッキ鋼板等の表面処理が行われた被溶接物を、溶接ワイヤを用いて溶接する場合に、アーク期間において短絡周波数に対応付けたピーク電流及びピーク電流期間を採用する。これにより被溶接物の孔開き（溶け落ち）を防止できる。加えて、被溶接物のルート部が露出するように溶融プールをアークで押すことができ、被溶接物から発生した気体が露出部から抜けるようにできる。そのため、ブローホール等の発生およびスパッタの発生を著しく抑制することができる。したがって、本発明は、亜鉛メッキ鋼板等のように表面処理が行われており溶接時に気体が発生する被溶接物に対して溶接を行うアーク溶接装置およびアーク溶接制御方法として産業上有用である。
１ 入力電源
２ １次整流部
３ スイッチング部
４ トランス
５ ２次整流部
６ ＤＣＬ
７ 駆動部
８ 溶接電圧検出部
９ 溶接電流検出部
１０ 短絡／アーク検出部
１１ 短絡制御部
１２ アーク制御部
１３ ワイヤ送給速度制御部
１４ 波形パラメータ決定部（決定部）
１５ 波形パラメータ記憶部（記憶部）
１６ 溶接電源装置
１７ 溶接条件設定部
１８ 短絡周波数設定部
１９ ロボット制御装置
２０ ロボット
２１ 溶接ワイヤ
２２ トーチ
２３ ワイヤ送給部
２４ チップ
２５ ワイヤ保存部
２６ 被溶接物
３０ 亜鉛蒸気
３１ 亜鉛メッキ気化部
３２ ルート部
３３ 溶融金属
３４ アーク

Claims (11)

  1. 溶接ワイヤが、表面処理が行われた鋼板である被溶接物と短絡する短絡期間と前記短絡が開放してアークが発生するアーク期間とを交互に繰り返して、前記被溶接物を溶接するアーク溶接装置であって、
    溶接出力を行う溶接出力部と、
    溶接時の前記被溶接物から発生する気体の排出を促すように、所定時間当たりの前記短絡の回数である短絡周波数に対する、ピーク電流およびピーク電流期間を予め対応付けた組を一つまたは複数記憶する記憶部と、
    短絡周波数設定部により設定された短絡周波数と前記記憶部に記憶された前記一つまたは複数の組に基づいて、前記設定された短絡周波数に対応付けられたピーク電流およびピーク電流期間を決定する決定部を備え、
    前記溶接出力部は、前記決定部で決定された前記ピーク電流および前記ピーク電流期間に基づいて溶接時の前記被溶接物から発生する気体の排出を促す前記溶接出力を行うアーク溶接装置。
  2. 前記短絡周波数は、溶接線上の０．５ｍｍ間隔以下で１回短絡するように、溶接速度に応じて決定される請求項１記載のアーク溶接装置。
  3. 前記ピーク電流は、３００Ａ以上７００Ａ以下である請求項１または２記載のアーク溶接装置。
  4. ワイヤ送給速度を、所定の周期と所定の振幅で周期的に変化させる請求項１から３のいずれか１項に記載のアーク溶接装置。
  5. 前記被溶接物は、亜鉛メッキ鋼板である請求項１記載のアーク溶接装置。
  6. 溶接ワイヤが、表面処理が行われた鋼板である被溶接物と短絡する短絡期間と前記短絡が開放してアークが発生するアーク期間とを交互に繰り返して、前記被溶接物を溶接するアーク溶接制御方法であって、
    所定時間当たりの前記短絡の回数である前記短絡の短絡周波数を設定するステップと、
    溶接時の被溶接物から発生する気体の排出を促すように、前記短絡周波数に対する、ピーク電流およびピーク電流期間を予め対応付けた一つまたは複数の組の中から、設定された前記短絡周波数に対応付けられた前記ピーク電流および前記ピーク電流期間を決定するステップと、
    決定された前記ピーク電流および前記ピーク電流期間に基づいて溶接時の被溶接物から発生する気体の排出を促す溶接出力を制御するステップと、
    を備えたアーク溶接制御方法。
  7. 前記短絡周波数は、溶接線上の０．５ｍｍ間隔以下で１回短絡するように、溶接速度に応じて決定される請求項６記載のアーク溶接制御方法。
  8. 前記ピーク電流は、３００Ａ以上７００Ａ以下である請求項６または７に記載のアーク溶接制御方法。
  9. ワイヤ送給速度を、所定の周期と所定の振幅で周期的に変化させる請求項６から８のいずれか１項に記載のアーク溶接制御方法。
  10. 前記被溶接物は、亜鉛メッキ鋼板である請求項６記載のアーク溶接制御方法。
  11. 溶接ワイヤが、表面処理が行われた鋼板である被溶接物と短絡する短絡期間と前記短絡が開放してアークが発生するアーク期間とを交互に繰り返して、前記被溶接物を溶接するアーク溶接装置であって、
    溶接出力を行う溶接出力部と、溶接時の前記被溶接物から発生する気体の排出を促すように、所定時間当たりの前記短絡の回数である短絡周波数と波形パラメータとを予め対応付けた組を一つまたは複数記憶する記憶部と、短絡周波数設定部により設定された短絡周波数と前記記憶部に記憶された前記一つまたは複数の組に基づいて、前記波形パラメータを決定する波形パラメータ決定部とを備え、
    前記溶接出力部は、前記波形パラメータ決定部で決定された前記波形パラメータに基づいて前記溶接出力を行い、
    前記短絡周波数は、溶接線上の０．５ｍｍ間隔以下で１回短絡するように、溶接速度に応じて決定されるアーク溶接装置。
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