JP7465741B2 - アーク溶接装置及びアーク溶接方法 - Google Patents
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Description
これに対して、埋もれアークを用いる溶接を除く一般のアーク溶接の場合は、印加する電圧を高くする簡単な措置によって、短絡の問題を改善できる。
しかし、埋もれアークを用いる溶接の場合は、複数のパラメータが存在することもあって、単純に印加する電圧を下げる、又は、上げることで、短絡又はアーク切れが改善されることにはならない。即ち、埋もれアークを用いる溶接の場合は、安定した溶接品質を得るために予め対応策を取ることは困難である。
特許文献1の溶接システムにおける溶接パラメータの制御では、埋もれアークを用いる溶接でない一般のアーク溶接を対象にし、かつ予め設定できるパラメータを前提としており、埋もれアークを用いる溶接に対しては適用できず、斯かる問題に対応できない。
図1は、実施形態1に係るアーク溶接装置100の一構成を示す模式図である。実施形態1に係るアーク溶接装置100は、アルゴンを含有するシールドガスを用いる、いわゆる消耗電極式のガスシールドアーク溶接装置であり、手動によるアーク溶接に用いられる。
溶接トーチ2は、丸棒状のコンタクトチップ21と、コンタクトチップ21を囲繞する円筒形状のノズル筒22とを備える。
溶接電源1は、溶接トーチ2のコンタクトチップ21及び母材4に接続され、コンタクトチップ21の前記孔を通る際、溶接ワイヤ5がコンタクトチップ21と接触するので、溶接ワイヤ5と母材4との間にアークが発生する。
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、いわゆる消耗電極として機能する。
計時回路11hは、計時を行い、計時結果を表す信号を選択回路11c及び電圧設定回路11dに出力する。
電圧設定回路11dは、周期的に、現在の印加電圧Eよりも一定値高い印加電圧E1(第1電圧)を電源回路11aが溶接トーチ2に印加するようにするための設定電圧を表す電圧設定信号Er1を生成し、生成した電圧設定信号Er1を電圧制御回路11bへ出力する。
また、電圧設定回路11dは、周期的に、現在の印加電圧Eよりも一定値低い印加電圧E2(第2電圧)を電源回路11aが溶接トーチ2に印加するようにするための設定電圧を表す電圧設定信号Er2を生成し、生成した電圧設定信号Er2を電圧制御回路11bへ出力する。
更に、電圧設定回路11dは、選択回路11cから出力される後述の選択結果信号Dに基づいて、所定の設定電圧を表す電圧設定信号Erを生成し、生成した電圧設定信号Erを電圧制御回路11bへ出力する。
電圧制御回路11bは、電圧検出部11eから出力された電圧値信号Vdと、電流検出部11fから出力された電流値信号Idと、電圧設定回路11dから出力された電圧設定信号Er,Er1,Er2とに基づいて、差分信号eIを算出し、算出した差分信号eIを電源回路11aへ出力する。差分信号eIは、検出された電流値信号Idと、電圧設定信号Er,Er1,Er2に応じて電源回路11aから出力されるべき電流(溶接電流I)との差分を示す信号である。これによって、制御部11iが溶接電流及び印加電圧を制御する。
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、電源部11は、出力指示信号をトリガにして、電源回路11aに電圧の印加を開始させる。出力指示信号は、例えば、ハンドル部13に設けられた前記スイッチが操作された際に溶接電源1へ入力される。
アーク溶接装置100では、アーク溶接の際、ワイヤ送給部3が、送給ローラを回転させることによって、溶接ワイヤ5を溶接トーチ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。送給速度は溶接電流Iに応じて定められるようにしても良い。
ワイヤ送給部3から送給される溶接ワイヤ5は、溶接トーチ2のコンタクトチップ21の孔の一端側から挿入され、他端側から母材4に向かって送り出される。この際、コンタクトチップ21は、母材4の被溶接部へ溶接ワイヤ5を案内すると共に、前記孔を挿通する溶接ワイヤ5と接触し通電する。これによって、溶接ワイヤ5の先端と、母材4との間にアークが発生し、溶接が可能である。
まず、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を突き合わせる。なお、必要に応じて、第1母材41及び第2母材42に開先を設けても良い。第1母材41及び第2母材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。
なお、ユーザが溶接ワイヤ5の送給速度を設定できるように構成しても良く、ユーザが溶接電流Iを設定することに応じて送給速度が定められるようにしても良い。
送給速度制御回路12が溶接ワイヤ5の送給を制御し、電圧制御回路11bが差分信号eIを電源回路11aへ適宜出力することによって、溶接電流Iの出力が制御され、溶接の制御が開始される(ステップS103)。この際、電圧設定回路11dは電圧設定信号Erを出力し、計時回路11hが計時を開始する。
例えば、アルゴンを含有するシールドガスを用い、平均電流が300A以上の大電流が溶接ワイヤ5に供給され、約5-10mm/分で溶接ワイヤ5が送給されている場合、溶接ワイヤ5の先端には溶融したワイヤが細長く伸びた溶融ワイヤ相8が形成される。また、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に形成される。溶融ワイヤ相8の比較的下部と凹状の溶融部分6の間には、輝度の強いアーク7aが生成される。一方、溶融ワイヤ相8の比較的上部又は固体の溶接ワイヤ5の下端近傍と凹状の溶融部分6との間には、比較的輝度の弱いアーク7bが生成される。
埋もれアーク溶接では、溶融ワイヤ相8においてアーク7aの発生点のみ、又は、アーク7a及びアーク7bの発生点が共に、凹状の溶融部分6の内側の埋もれ空間6a内に進入した状態で埋もれアークが発生し続ける。
例えば、溶接ワイヤ5の先端が母材4から離れ、アークが切れた場合は、アーク電圧Vが急増し、溶接ワイヤ5の先端が溶融ワイヤ相8を介して溶融部分6とつながって短絡した場合は、アーク電圧Vが急減する。即ち、アーク電圧Vの異常変化量(累積時間)はアーク溶接の際に発生する短絡及びアーク切れの程度を示し、アーク電圧Vの異常変化量が大きい程、埋もれアーク状態でのアーク溶接が不安定であることを示す。
また、電圧設定回路11dは、電圧変動周期が到来したと判定した場合(ステップS105:YES)、電圧設定信号Er1を生成し、生成した電圧設定信号Er1を電圧制御回路11bへ出力する。これによって、現在の印加電圧Eよりも一定値高い印加電圧E1(第1電圧)を電源回路11aが溶接トーチ2に印加する(ステップS106)。例えば、印加電圧E1は印加電圧Eより1Vだけ高い。
即ち、選択回路11cは、E1の電圧V変化に係る累積時間が、Eの電圧V変化に係る累積時間よりも20%以上短いかを判定し、E2の電圧V変化に係る累積時間が、Eの電圧V変化に係る累積時間よりも20%以上短いかを判定する。
また、電圧制御回路11bは、入力された電圧設定信号Er1又はEr2に応じて電源回路11aから出力されるべき溶接電流Iと、検出された電流値信号Idとの差分を示す差分信号eIを電源回路11aへ出力する。これによって、電源回路11aから印加電圧E1又は印加電圧E2が溶接トーチ2に印加される。また、計時回路11hはリセット後、再び計時を開始する。
即ち、この場合は、電圧設定回路11dは電圧変動周期到来前と同じ電圧設定信号Erを電圧制御回路11bへ出力する。これによって、電源回路11aからは、引き続き、印加電圧Eが溶接トーチ2に印加される。また、計時回路11hはリセット後、再び計時を開始する。
実施形態2に係るアーク溶接装置100は、実施形態1と同様、溶接電源1、溶接トーチ2及びワイヤ送給部3を備えている。溶接トーチ2はハンドル部13によって溶接電源1及びワイヤ送給部3と接続されている(図1参照)。
また、溶接電源1は、溶接トーチ2及び母材4に接続され、電圧を印加する電源部11と、溶接ワイヤ5の送給速度を制御する送給速度制御回路12とを備える。電源部11は、電源回路11a、電圧制御回路11b、選択回路11c、電圧設定回路11d、電圧検出部11e、電流検出部11f、記憶回路11g及び計時回路11hを備える。これらの各構成部分については、実施形態1にて既に説明しており、詳しい説明を省略する。
更に、実施形態2に係るアーク溶接装置100においては、記憶回路11gが第1閾値に加え、第2閾値を記憶している。第2閾値は第1閾値よりも小さい。
即ち、選択回路11cは、E1の電圧V変化である累積時間が、Eの電圧V変化である累積時間よりも20%以上短いかを判定する。また、選択回路11cは、E2の電圧V変化である累積時間が、Eの電圧V変化である累積時間よりも20%以上短いかを判定する。
これによって、電源回路11aから印加電圧E1又は印加電圧E2が溶接トーチ2に印加される。また、計時回路11hはリセット後、再び計時を開始する。
具体的には、選択回路11cは、E1の電圧V変化である累積時間が、Eの電圧V変化である累積時間に対して10%内で増減しているかを判定する。また、選択回路11cは、E2の電圧V変化である累積時間が、Eの電圧V変化である累積時間に対して10%内で増減しているかを判定する。
この場合は、電圧設定回路11dは、電圧変動周期到来前と同じ電圧設定信号Erを電圧制御回路11bへ出力する。これによって、電源回路11aからは、引き続き、印加電圧Eが溶接トーチ2に印加される。また、計時回路11hはリセット後、再び計時を開始する。
次いで、選択回路11cは、ステップS211での判定結果が1周期(10秒)前に続く連続した同じ判定結果であるか否かを判定する(ステップS212)。即ち、選択回路11cは、1周期前も、E1の電圧V変化及びE2の電圧V変化と、Eの電圧V変化との差異が前記第2閾値以下であったか否かを判定する。斯かる判定は、選択回路11cが記憶回路11gの前記フラグ及び対応する時刻を確認することによって行われる。
また、制御部11iは、電圧変動周期毎に、現在の印加電圧Eよりも一定値高い印加電圧E1に係るアーク電圧Vの異常変化量と、現在の印加電圧Eよりも一定値低い印加電圧E2に係るアーク電圧Vの異常変化量とを求める一連の処理を中止する。
一方、制御部11iによって、アーク電圧Vが所定の閾値以上に急増又は急減したと判定された場合(ステップS214:YES)、処理はステップS206に進み、印加電圧を周期的に増減させて異常変化量を求める上述した一連の処理が再開される。
よって、処理を簡素化でき、より効率的に、印加電圧の最適化によって埋もれアーク状態を安定化できる。
実施形態1,2のアーク溶接装置100では、溶接トーチ2に印加される印加電圧Eが定電圧である場合について説明したが、実施形態3のアーク溶接装置100においては、印加電圧Eが変動する。
また、溶接電源1は、溶接トーチ2及び母材4に接続され、電圧を印加する電源部11と、溶接ワイヤ5の送給速度を制御する送給速度制御回路12とを備える。電源部11は、電源回路11a、電圧制御回路11b、選択回路11c、電圧設定回路11d、電圧検出部11e、電流検出部11f、記憶回路11g及び計時回路11hを備える。
これらの各構成部分については、実施形態1にて既に説明しており、詳しい説明を省略する。
電圧設定信号Erを周期的に変動させると、溶接ワイヤ5の先端部5a及び母材4の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、溶融部分6の内側である埋もれ空間6aに進入する。
そして、電圧設定信号Erが低電圧である場合、図7左図に示すように、溶接ワイヤ5の先端部5aが埋もれ空間6aの深い所に位置し、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状態が生じる。また、電圧設定信号Erが高電圧である場合、図7右図に示すように、溶接ワイヤ5の先端部5aが埋もれ空間6aの浅い所に位置し、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状態が生じる。
即ち、周期的に、現在の印加電圧Eよりも中心電圧、振幅又は周波数が一定値高い印加電圧E1に係るアーク電圧Vの異常変化量と、現在の印加電圧Eよりも中心電圧、振幅又は周波数が一定値低い印加電圧E2に係るアーク電圧Vの異常変化量と求め、現在の印加電圧Eに係るアーク電圧Vの異常変化量と対比して、アーク電圧Vの変化が少ない方、即ち、短絡及びアーク切れの程度が小さく、より埋もれアーク状態が安定である方の中心電圧、振幅又は周波数を選択する。
なお、中心電圧のみではなく、波状の印加電圧Eの最高電圧又は最低電圧を増減させるようにしても良い。
また、上述の一連の処理で増減される周波数値の変動幅は、例えば、現在の印加電圧Eの周波数の15%以下である。好ましくは、5%より大きく15%以下である。
例えば、図5のステップS212のように、E1の電圧V変化及びE2の電圧V変化が、Eの電圧V変化に対して10%内で変動する状態が所定期間続く場合、埋もれアーク溶接が安定化できたものと判定し、以降、他のパラメータ(溶接電流I、リアクトルL等)の値を周期的に増減させる一連の処理を行う。
このように、他のパラメータを制御する上述の一連の処理によって埋もれアーク溶接の安定化ができた場合、再び印加電圧を制御する上述の一連の処理を実行しても良い。そして、印加電圧を制御する一連の処理と、他のパラメータを制御する一連の処理とを交互に実行しても良く、印加電圧を制御する一連の処理を、他のパラメータを制御する一連の処理よりも多く実行しても良い。
5 溶接ワイヤ
6 溶融部分
11b 電圧制御回路
11e 電圧検出部
11f 電流検出部
Claims (5)
- アークによって母材に形成される凹状の溶融部分に取り囲まれた空間に溶接ワイヤの先端部を挿入してアーク溶接を行うアーク溶接装置において、
前記溶接ワイヤ及び前記母材に印加されている現在の印加電圧よりも高い第1電圧、及び、現在の印加電圧よりも低い第2電圧が印加された場合における、前記溶接ワイヤ及び前記母材間のアーク電圧、又は、前記溶接ワイヤ及び前記母材を流れる溶接電流を検出する検出部と、
現在の印加電圧に係る前記アーク電圧又は前記溶接電流の異常変化量よりも、前記第1電圧又は前記第2電圧に係る前記アーク電圧又は前記溶接電流の異常変化量が小さい場合、前記溶接ワイヤ及び前記母材に印加される印加電圧を前記第1電圧又は前記第2電圧に変更する電圧制御部とを備えるアーク溶接装置。 - 前記溶接ワイヤ及び前記母材には300A-800Aの溶接電流が流れる請求項1に記載のアーク溶接装置。
- 前記アーク電圧又は前記溶接電流の前記異常変化量は前記アーク溶接の際に生じる短絡及びアーク切れの程度を示し、
前記第1電圧又は前記第2電圧のうち、前記短絡及びアーク切れの程度が、現在の印加電圧に係る短絡及びアーク切れの程度よりも小さく、現在の印加電圧に係る短絡及びアーク切れの程度に対して第1閾値以上の差を有する方に、前記電圧制御部は前記印加電圧を変更する請求項1又は2に記載のアーク溶接装置。 - 現在の印加電圧に係る前記短絡及びアーク切れの程度と、前記第1電圧又は前記第2電圧に係る前記短絡及びアーク切れの程度との差が前記第1閾値よりも小さい第2閾値以下である場合、前記アーク電圧又は前記溶接電流に特定の変化が検出されるまで、前記第1電圧及び前記第2電圧に係る前記アーク電圧又は前記溶接電流の前記異常変化量の検出が中止される請求項3に記載のアーク溶接装置。
- アークによって母材に形成される凹状の溶融部分に取り囲まれた空間に溶接ワイヤの先端部を挿入してアーク溶接を行うアーク溶接方法において、
前記溶接ワイヤ及び前記母材に印加されている現在の印加電圧よりも高い第1電圧、及び、現在の印加電圧よりも低い第2電圧が印加された場合における、前記溶接ワイヤ及び前記母材間のアーク電圧、又は、前記溶接ワイヤ及び前記母材を流れる溶接電流を検出し、
現在の印加電圧に係る前記アーク電圧又は前記溶接電流の異常変化量よりも、前記第1電圧又は前記第2電圧に係る前記アーク電圧又は前記溶接電流の異常変化量が小さい場合、前記溶接ワイヤ及び前記母材に印加される印加電圧を前記第1電圧又は前記第2電圧に変更するアーク溶接方法。
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