JP7428610B2 - ２ワイヤ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、消耗電極と母材との間に溶接電圧を印加してアークを発生させ溶融池を形成し、フィラーワイヤを溶融池の後半部に挿入しながら溶接する２ワイヤ溶接方法に関するものである。

消耗電極（以下、溶接ワイヤという）と母材との間に溶接電圧を印加してアークを発生させ溶融池を形成すると共に、その溶融池にフィラーワイヤを挿入して溶接する２ワイヤ溶接方法（特許文献１参照）が従来から知られている。この２ワイヤ溶接方法では、溶接ワイヤの溶融金属にフィラーワイヤの溶融金属が加わるために、溶融金属量が増加し、高溶着で高速な溶接が可能となる。特に、２ワイヤ溶接方法によって高速溶接を行うときには、ハンピングビードになるのを防止するために、フィラーワイヤを消耗電極アークよりも後方から溶融池に接触させて送給することが重要である。これは、フィラーワイヤを消耗電極アーク中に送給して溶融すると、溶融池はほとんど冷却されず、かつ、フィラーワイヤによって溶融池後半部の盛り上がりを押さえることもできないためにハンピングビードを抑制する効果はないからである。これに対して、フィラーワイヤをアーク発生部の溶融池の後半部に接触させて送給し、溶融池の熱によって溶融するようにすれば溶融池が冷却され、かつ、フィラーワイヤによって溶融池後半部が抑えられてハンピングビードの形成を抑制することができる。したがって、従来技術の２ワイヤ溶接方法では、フィラーワイヤには電流を通電せずに冷たい状態で溶融池と接触させることによって、溶融池を冷却するようにしている。

特開２０１０－１６７４８９号公報

２ワイヤ溶接方法において、溶接ワイヤと母材との間に発生するアークを埋もれアーク状態にすると、深い溶け込みを得ることができ、かつ、さらなる高溶着化を図ることができる。埋もれアーク状態は、少しの外乱によって不安定になりやすい。溶接電圧を高電圧値と低電圧値とに振動させることによって、埋もれアーク状態が不安定になることを抑制することができる。しかし、溶接電圧値が変化すると母材への入熱量が変化するので溶融池の温度も変動する。フィラーワイヤは溶融池からの熱によって溶融するので、溶融池の温度が変動するとフィラーワイヤの溶融状態が不安定になるという問題がある。

そこで、本発明では、埋もれアークを使用した２ワイヤ溶接方法において、溶接電圧を振動させてもフィラーワイヤの溶融状態を安定に維持することができる２ワイヤ溶接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、
消耗電極と母材との間に溶接電圧を印加してアークを発生させ溶融池を形成し、フィラーワイヤを前記溶融池の後半部に挿入しながら溶接する２ワイヤ溶接方法において、
前記アークを埋もれアーク状態にし、
前記溶接電圧を高電圧値と低電圧値とに振動させ、前記溶接電圧の前記振動に同期して前記フィラーワイヤの送給速度を高送給速度と低送給速度とに振動させる、
ことを特徴とする２ワイヤ溶接方法である。

請求項２の発明は、
前記溶接電圧の振幅が大きくなるほど前記フィラーワイヤの前記送給速度の振幅を大きくする、
ことを特徴とする請求項１に記載の２ワイヤ溶接方法である。

請求項３の発明は、
前記フィラーワイヤの前記送給速度の平均値が一定となるように前記振幅を変化させる、
ことを特徴とする請求項２に記載の２ワイヤ溶接方法である。

本発明によれば、埋もれアークを使用した２ワイヤ溶接方法において、溶接電圧を振動させてもフィラーワイヤの溶融状態を安定に維持することができる。

本発明の実施の形態に係る２ワイヤ溶接方法を示す溶接部の概要図である。 本発明の実施の形態に係る２ワイヤ溶接方法を実施するための溶接装置のブロック図である。 図２の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。

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。

図１は、本発明の実施の形態に係る２ワイヤ溶接方法を示す溶接部の概要図である。同図は、溶接部を横から見た図であり、矢印で示すように左方向に溶接は進行している。以下、同図を参照して説明する。

溶接トーチ４から溶接ワイヤ１が送給されており、溶接ワイヤの先端と母材２との間にはアーク３が発生している。溶接ワイヤ１は定速送給される。ここでは、溶接トーチ４の前進角は０°の場合であり、溶接ワイヤ１は母材２に垂直に送給されている。このアーク３によって、母材２に溶融池２ａが形成されている。溶接ワイヤ１の送給方向を示す中心線を一点鎖線で示しており、この中心線が母材２表面と交わる点が、溶接狙い位置ａとなる。

アーク３は、埋もれアーク状態となっている。埋もれアーク状態とは、溶接ワイヤ１の先端がアーク力によって凹部となっている溶融領域の内部に入り込んだ状態である。したがって、アーク３も凹部の内部で発生している。安定した埋もれアーク状態を維持するためには、図２の溶接ワイヤ送給速度設定信号Ｗｒによって設定される溶接電流Ｉｗが少なくとも３００Ａ以上の大電流値であり、図２の溶接電圧設定信号Ｖｒによって設定される溶接電圧Ｖｗが埋もれアーク状態となる適正値に設定される必要がある。埋もれアーク状態で溶接すると、スパッタ発生の少ない、深い溶け込みの溶融部を形成することができる。

図２の溶接電圧設定信号Ｖｒに高設定値と低設定値とを設け、両値を切り換えることによって、溶接電圧Ｖｗを高電圧値と低電圧値とに振動させている。このようにすると、アーク長が振動することになり、埋もれアーク状態が安定化する。振動周波数は、１０～１０００Hzの範囲である。電圧振幅は、溶接電流の振幅が５０Ａ以上になるように設定される。

フィラーワイヤ６は、フィラーワイヤガイド７内を送給されて、溶融池２ａの後半部の挿入位置ｂに接触状態で挿入される。フィラーワイヤ６の送給速度は溶接電圧の振動に同期して高送給速度と低送給速度とに振動する。フィラーワイヤ６の平均送給速度は、溶接ワイヤ１の送給速度の１０～２０％程度である。

溶接狙い位置ａと挿入位置ｂとの距離がワイヤ間距離Ｌｗ（mm）となる。フィラーワイヤ６の挿入位置ｂは、溶融池２ａの凹部外の周縁部である。ワイヤ間距離Ｌｗが適正値よりも小さい場合は、溶接ワイヤ１と溶融池２ａとの間に短絡が発生してアーク状態が不安定になる。したがって、ワイヤ間距離Ｌｗは、短絡が発生しなくなる値以上に調整される。他方、ワイヤ間距離Ｌｗは、フィラーワイヤ６が溶融池２ａからの熱によって溶融することができる値未満に調整される。

溶接中において、溶融池２ａの形状が変動したために、フィラーワイヤ６の挿入位置ｂが適正位置から外れてしまい、埋もれアーク状態が不安定になる場合が発生する。この埋もれアーク状態が不安定になったことを判別すると、フィラーワイヤ６の挿入位置ｂを後方に自動的に移動させる。埋もれアーク状態が不安定になるのは、フィラーワイヤ６の挿入位置ｂが溶融池２ａの凹部内に入り込んだ場合である。このために、挿入位置ｂを後方に移動させることによって、不安定状態を解消することができる。

上記の埋もれアーク状態が不安定になったことは、溶接ワイヤ１と溶融池２ａとの短絡が発生したことによって判別することができる。さらに、埋もれアーク状態が不安定になったことは、溶接ワイヤ１と溶融池２ａとの短絡が単位時間当たりに基準回数以上発生したことによって判別することができる。

図２は、図１で上述した本発明の実施の形態に係る２ワイヤ溶接方法を実施するための溶接装置のブロック図である。同図は、消耗電極式アーク溶接が直流の炭酸ガスアーク溶接、マグ溶接又はミグ溶接の場合である。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、後述する駆動信号Ｄｖに従ってインバータ制御によって出力制御を行い、アーク３を発生させるための溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗ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次整流回路、整流された直流を平滑するコンデンサ、平滑された直流を上記の駆動信号Ｄｖに従って高周波交流に変換するインバータ回路、高周波交流をアーク３を発生させるために適正な電圧値に降圧する高周波トランス、降圧された高周波交流を整流する２次整流回路、整流された直流を平滑するリアクトルを備えている。

溶接ワイヤ１は、溶接ワイヤ送給モータＷＭに結合された溶接ワイヤ送給ロール５の回転によって溶接トーチ４内を送給され、上記の電源主回路ＰＭから給電チップ（図示は省略）を介して給電されて、母材２との間にアーク３が発生する。溶接ワイヤ１と母材２との間には溶接電圧Ｖｗが印加され、溶接電流Ｉｗが通電する。

フィラーワイヤ６は、フィラーワイヤ送給モータＦＭに結合されたフィラーワイヤ送給ロール８の回転によってフィラーワイヤガイド７内を送給され、アーク３によって形成された溶融池２ａに挿入される。フィラーワイヤ６は、溶融池２ａと接触した状態で図１で上述した挿入位置ｂに挿入される。

移動機構９は、後述する埋もれアーク状態判別信号Ａｄを入力として、埋もれアーク状態判別信号Ａｄが短時間Ｈｉｇｈレベルになるごとにフィラーワイヤ６の挿入位置ｂを所定距離だけ後方に移動させるためのモータを含む機構である。したがって、埋もれアーク状態判別信号Ａｄが短時間Ｈｉｇｈレベルになるごとに、ワイヤ間距離Ｌｗは所定距離だけ長くなる。上記の機構としては、従来から、モータの回転運動を滑子クランク機構により直線運動に変換する機構、モータの回転運動をクランクと揺動梃により揺動運動に変換する機構等が用いられている。上記の所定距離は、例えば１mmである。

溶接電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗを検出して、溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する。

溶接電圧設定回路ＶＲは、予め定めた高電圧期間ＨＴ中は予め定めた高電圧設定値ＨＶｒとなり、予め定めた低電圧期間ＬＴ中は予め定めた低電圧設定値ＬＶｒとなる溶接電圧設定信号Ｖｒを出力する。溶接ワイヤ送給速度設定回路ＷＲは、予め定めた溶接ワイヤ送給速度設定信号Ｗｒを出力する。溶接ワイヤ送給速度設定信号Ｗｒによって溶接ワイヤ１の送給速度が設定され、溶接電流Ｉｗの値が決まる。上記の溶接電圧設定信号Ｖｒ及び上記の溶接ワイヤ送給速度設定信号Ｗｒの値は、図１で上述したように、安定した埋もれアーク状態になるように設定される。

電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の溶接電圧設定信号Ｖｒと上記の溶接電圧検出信号Ｖｄとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。

駆動回路ＤＶは、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖを入力として、この信号に基づいてＰＷＭ変調制御を行い、その結果に基づいて上記の電源主回路ＰＭ内のインバータ回路を駆動するための駆動信号Ｄｖを出力する。この回路によって、溶接装置は定電圧特性の電源となる。

溶接ワイヤ送給制御回路ＷＣは、上記の溶接ワイヤ送給速度設定信号Ｗｒの値に相当する送給速度で溶接ワイヤ１を送給するための溶接ワイヤ送給制御信号Ｗｃを上記の溶接ワイヤ送給モータＷＭに出力する。

フィラーワイヤ送給速度設定回路ＦＲは、上記の電圧設定信号Ｖｒを入力として、電圧設定信号Ｖｒが高電圧設定値ＨＶｒのときは予め定めた高送給速度設定値ＨＦｒとなり、電圧設定信号Ｖｒが低電圧設定値ＬＶｒのときは予め定めた低送給速度設定値ＬＦｒとなるフィラーワイヤ送給速度設定信号Ｆｒを出力する。電圧設定信号Ｖｒの高電圧設定値ＨＶｒと低電圧設定値ＬＶｒとの振幅が大きくなるほど、フィラーワイヤ送給速度設定信号Ｆｒの高送給速度設定値ＨＦｒと低送給速度設定値ＬＦｒとの振幅を大きくする。このときに、フィラーワイヤ送給速度設定信号Ｆｒの平均値が一定となるように、フィラーワイヤ送給速度設定信号Ｆｒの振幅を変化させる。

フィラーワイヤ送給制御回路ＦＣは、上記のフィラーワイヤ送給速度設定信号Ｆｒの値に相当するフィラーワイヤ送給速度Ｆｗでフィラーワイヤ６を送給するためのフィラーワイヤ送給制御信号Ｆｃを上記のフィラーワイヤ送給モータＦＭに出力する。

短絡判別回路ＳＤは、上記の溶接電圧検出信号Ｖｄを入力として、この値が短絡判別値（１０Ｖ程度）以下のときは溶接ワイヤ１と溶融池２ａとが短絡状態にあると判別してＨｉｇｈレベルとなる短絡判別信号Ｓｄを出力する。

埋もれアーク状態判別回路ＡＤは、上記の短絡判別信号Ｓｄ及び上記の溶接電圧検出信号Ｖｄを入力として、以下の１）～３）から一つを選択して処理を行い、埋もれアーク状態判別信号Ａｄを出力する。
１）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベルになるごとに短時間Ｈｉｇｈレベルとなる埋もれアーク状態判別信号Ａｄを出力する。短絡が発生する状態は、埋もれアーク状態が不安定になる前兆である。
２）単位時間ごとに短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベルに変化した回数を検出し、この短絡回数が予め定めた基準回数以上になると短時間Ｈｉｇｈレベルとなる埋もれアーク状態判別信号Ａｄを出力する。例えば、単位時間は１００msであり、基準回数は３回である。単位時間当たりの短絡回数が基準回数以上になる状態は、埋もれアーク状態が不安定になる前兆である。
３）溶接電圧検出信号Ｖｄの変動幅が基準値以上になると短時間Ｈｉｇｈレベルとなる埋もれアーク状態判別信号Ａｄを出力する。溶接電圧の変動幅が基準値以上になる状態は、埋もれアーク状態が不安定になる前兆である。

図３は、図２の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は電圧設定信号Ｖｒの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｄ）はフィラーワイヤ送給速度設定信号Ｆｒの時間変化を示し、同図（Ｅ）はフィラーワイヤ送給速度Ｆｗ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。

同図において、図示していない溶接ワイヤの送給速度は、図２の溶接ワイヤ送給速度設定信号Ｗｒによって設定された所定値となっている。

同図（Ａ）に示すように、電圧設定信号Ｖｒは、時刻ｔ１～ｔ２の予め定めた高電圧期間ＨＴ中は予め定めた高電圧設定値ＨＶｒとなり、時刻ｔ２～ｔ３の予め定めた低電圧期間ＬＴ中は予め定めた低電圧設定値ＬＶｒとなる。これに応動して、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、時刻ｔ１から傾斜を有して高電圧値まで増加し、時刻ｔ２から傾斜を有して低電圧値まで減少する。したがって、溶接電圧Ｖｗは、高電圧値と低電圧値とに振動している。同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、時刻ｔ１から傾斜を有して高電流値まで増加し、時刻ｔ２から傾斜を有して低電流値まで減少する。溶接電流Ｉｗは、溶接電圧Ｖｗが振動しているので高電流値と低電流値とに振動している。

同図（Ｄ）に示すように、フィラーワイヤ送給速度設定信号Ｆｒは、時刻ｔ１～ｔ２の高電圧期間ＨＴ中は予め定めた高送給速度設定値ＨＦｒとなり、時刻ｔ２～ｔ３の予め定めた低電圧期間ＬＴ中は予め定めた低フィラーワイヤ送給速度設定値ＬＦｒとなる。これに応動して、同図（Ｅ）に示すように、フィラーワイヤ送給速度Ｆｗは、時刻ｔ１から傾斜を有して高送給速度まで加速し、時刻ｔ２から傾斜を有して低送給速度まで減速する。したがって、フィラーワイヤ送給速度Ｆｗは、溶接電圧Ｖｗの振動に同期して、高送給速度と低送給速度とに振動している。

上述した実施の形態によれば、溶接電圧を高電圧値と低電圧値とに振動させ、溶接電圧の振動に同期してフィラーワイヤの送給速度を高送給速度と低送給速度とに振動させる。溶接電圧を高電圧値と低電圧値とに振動させることによって、アーク長が振動することになり、埋もれアーク状態が安定化する。振動周波数は、１０～１０００Hzの範囲である。溶接電圧の振幅は、溶接電流の振幅が５０Ａ以上になるように設定されることが好ましい。溶接電圧が振動すると、溶融池への入熱量が変化して溶融池の温度が変化する。溶融池の温度が変化すると、フィラーワイヤの溶融状態が変化することになる。そこで、溶接電圧の振動に同期してフィラーワイヤの送給速度を変化させることによって、フィラーワイヤの溶融状態を安定化することができる。この結果、良好な溶接品質を得ることができる。

さらに、本実施の形態によれば、溶接電圧の振幅が大きくなるほどフィラーワイヤの送給速度の振幅を大きくすることが好ましい。溶接電圧の振幅が大きくなるほと、溶融池の温度変化も大きくなる。そこで、溶接電圧の振幅が大きくなるほど、フィラーワイヤの送給速度の振幅も大きくすることによって、フィラーワイヤの溶融状態をより安定化することができる。

さらに、本実施の形態によれば、フィラーワイヤの送給速度の平均値が一定となるように、振幅を変化させることが好ましい。溶接電圧の振幅に応じてフィラーワイヤの送給速度の振幅を変化させたときは、フィラーワイヤの送給速度の平均値が一定となるように振幅を変化させる。このようにすると、フィラーワイヤの溶着量が一定となるので、良好な溶接ビードを形成することができる。

１ 溶接ワイヤ（消耗電極）
２ 母材
２ａ 溶融池
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 溶接ワイヤ送給ロール
６ フィラーワイヤ
７ フィラーワイヤガイド
８ フィラーワイヤ送給ロール
９ 移動機構
ａ 溶接狙い位置
ＡＤ 埋もれアーク状態判別回路
Ａｄ 埋もれアーク状態判別信号
ｂ フィラーワイヤの挿入位置
ＤＶ 駆動回路
Ｄｖ 駆動信号
ＥＶ 電圧誤差増幅回路
Ｅｖ 電圧誤差増幅信号
ＦＣ っフィラーワイヤ送給制御回路
Ｆｃ フィラーワイヤ送給制御信号
ＦＭ フィラーワイヤ送給モータ
ＦＲ フィラーワイヤ送給速度設定回路
Ｆｒ フィラーワイヤ送給速度設定信号
Ｆｗ フィラーワイヤ送給速度
ＨＦｒ 高送給速度設定値
ＨＶｒ 高電圧設定値
Ｉｗ 溶接電流
ＬＦｒ 低送給速度設定値
ＬＶｒ 低電圧設定値
Ｌｗ ワイヤ間距離
ＰＭ 電源主回路
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
ＶＤ 溶接電圧検出回路
Ｖｄ 溶接電圧検出信号
ＶＲ 溶接電圧設定回路
Ｖｒ 溶接電圧設定信号
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＣ 溶接ワイヤ送給制御回路
Ｗｃ 溶接ワイヤ送給制御信号
ＷＭ 溶接ワイヤ送給モータ
ＷＲ 溶接ワイヤ送給速度設定回路
Ｗｒ 溶接ワイヤ送給速度設定信号

Claims (3)

1. 消耗電極と母材との間に溶接電圧を印加してアークを発生させ溶融池を形成し、フィラーワイヤを前記溶融池の後半部に挿入しながら溶接する２ワイヤ溶接方法において、
   前記アークを埋もれアーク状態にし、
   前記溶接電圧を高電圧値と低電圧値とに振動させ、前記溶接電圧の前記振動に同期して前記フィラーワイヤの送給速度を高送給速度と低送給速度とに振動させる、
   ことを特徴とする２ワイヤ溶接方法。
2. 前記溶接電圧の振幅が大きくなるほど前記フィラーワイヤの前記送給速度の振幅を大きくする、
   ことを特徴とする請求項１に記載の２ワイヤ溶接方法。
3. 前記フィラーワイヤの前記送給速度の平均値が一定となるように前記振幅を変化させる、
   ことを特徴とする請求項２に記載の２ワイヤ溶接方法。

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