JPH03473A - 交流テイグ溶接の制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、アルミニウムやその合金などの交流ティグ溶
接における溶込み深さを制御するための方法および装置
に関する。

〔従来の技術〕

従来の交流ティグ溶接で溶込み深さを制御する方法とし
ては、特開昭５４−１２１２５５や特開昭５５−１２０
４８３などが提案されている。

前者は、正極性（ＥＮ）電流の平均値と逆極性（ＥＰ）
電流の平均値の比率を変化させることによって、各極性
で異なる母材の溶融特性の違いを利用して溶込み深さを
制御する方法であり、後者は、溶接電流の平均値を数Ｈ
ｚ程度で周期的に増減させることによって、母材への入
熱を変化させて溶込み深さを制御する方法であるが、い
ずれの方法でも交流周波数およびアーク長が溶込み深さ
に及ぼす影響については考慮されていない。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、裏波溶接における溶け落ちや全姿勢溶
接におけるビード表面の垂れなどを抑制するための溶込
み制御法として利用されているが、溶接電流やＥＰ時間
比率（ｄ　、、）を変化させるのみでは、溶け込み深さ
を制御できる範囲に限界があった。

本発明の目的は、従来知られていない交流周波数および
アーク長と溶込み深さの関係を利用して、アルミニウム
やその合金などの交流ティグ溶接における溶込み深さを
より広範囲に制御するための、新規かつ有用な方法およ
び装置を提供することにあ′る。

〔課題を解決するための手段〕

溶接電流および溶接速度を一定として商用交流周波数で
の交流ティグ溶接を行う際に、アーク長を変化させると
、アーク圧力Ｐ１は第６図のように変化し、アーク長の
増加とともにＰ、は減少する。一方、アーク長が伸びる
とアーク電圧は上昇するため、母材に加えられる入熱Ｗ
、は第７図のように変化し、アーク長の増加とともにＷ
ｂは増大する。

ティグ溶接などの非消耗電極を用いたアーク溶接では、
母材の溶融に寄与するＷｂと、その溶融金属を押下げる
力すなわちＰ、によって、溶込み深さが決定されると考
えられる。よって、溶込み深さＰＤは、上記Ｐ、とＷ、
を合成して、ＰＤ＝ａＰａ　＋ｂＷ、＋Ｃ （ａ、　　ｂ、　　ｃは溶接条件などで決まる定数〕と
表わすことができ、第６図及び第７図からアーク長とＰ
Ｄの間には第８図のような関係が成立することになる。

すなわち、従来良く知られているＰＤがアーク長に略反
比例する領域（第１の領域）Ａの他に、アーク長に関係
なくＰＤが略一定で、かつ最小のＰＤが得られる領域（
第２の領域）Ｂと、従来公知の現象とは相反する現象で
あるＰＤがアーク長に略比例して変化する領域（第３の
領域）Ｃが存在する。また領域Ｃでは、領域Ａでの最大
値より大きいＰＤを得ることもできる。

第９図は、略定電流特性の溶接電源（無負荷電圧４０ｖ
）を用い、溶接電流１００Ａ、溶接速度３００鰭／ｍｉ
ｎ、シールドガスＡ　ｒ　・１０４！　／ｍｉｎ　％交
流周波数５０Ｈｚで板厚３鶴のアルミニウム合金Ａ３０
５２の交流ティグ溶接を行った場合のアーク長と溶込み
深さの関係について測定例を示したものである。アーク
長が４１ｆｌ以下では、アーク長の増加とともにＰＤは
減少するが、アーク長を４〜５　ｍｍ程度にするとＰＤ
はほとんど変化しなかった。また、アーク長を６ｆ１以
上にするとアーク長の増加とともにＰＤが増加した。

第１０図は、上記と同一の溶接電源を用いて、溶接電流
２０ＯＡ、溶接速度２５０ｍｍ／ｌｌｌ１ｎ　、シール
ドガスＡｒ・１５ｊ２／ｌｌ１ｎ、交流周波数５０Ｈ２
で板厚５鶴のアルミニウムＡｌ１００の交流ティグ溶接
を行った場合の測定例を示したもので、前記第９図と同
様に、アーク長が４〜６ｍ程度ではＰＤがほとんど変化
せず、アーク長を６鶴以上にするとアーク長の増加とと
もにＰＤが増加した。

一方、溶接電流、溶接速度およびアーク長を一定として
交流周波数を変化させると、アーク圧力Ｐ、は第１１図
のように変化し、交流周波数が高くなるに従ってＰ、は
増大して、直流溶接での値に近付く。

この傾向を前記第６図のＰ、の変化に当てはめると、同
図の曲線は交流周波数の増加とともに上方に、交流周波
数の減少とともに下方に概略平行移動することになるた
め、交流周波数が増加すると溶込み深さＰＤは深くなる
が、第８図で示した傾向は交流周波数が増減しても変化
せず、その−例を示すと第１２図のようになる。

このような現象を基に、請求項１記載の発明は、前記第
１の領域Ａ、第２の領域Ｂおよび第３の領域Ｃが得られ
るような略定電流特性の溶接電源を用いて行う交流ティ
グ溶接において、アーク長が領域ＡとＢに、または領域
ＢとＣに交互に入るように、周期的にアーク長を変化さ
せるとともに、溶接電源の出力の交流周波数を、領域Ａ
およびＣでは商用周波数より高く設定し、領域Ｂでは商
用周波数以下に設定することを特徴とする請求項２記載
の発明は、アーク長が領域ＡとＣに交互に入るように、
周期的にアーク長を変化させるとともに、溶接電源の出
力の交流周波数を、領域Ｃでは商用周波数より高く設定
し、領域Ａでは商用周波数以下に設定することを特徴と
する請求項３記載の発明は、アーク長が領域Ａ、　Ｂお
よびＣに交互に入るように、周期的にアーク長を変化さ
せるとともに、溶接電源の出力の交流周波数を、領域Ｃ
では商用周波数より高く設定し、領域Ｂでは商用周波数
以下に設定し、領域Ａでは領域Ｂでの交流周波数と領域
Ｃでの交流周波数の中間の値に設定することを特徴とす
る 請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載
の発明において、アーク長の変化に応じて、溶接電流お
よび電極プラス時間比率（ｄ　、、）のうちの少なくと
も一方を変化させることを特徴とする 請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載
の発明を実施するこめに、直流を可変周波数の交流に変
換する手段、その交流周波数が変化しても交流に変換さ
れる前の直流電流値を一定に保つ手段、少なくとも２つ
以上のアーク電圧および交流周波数を設定する手段、前
記設定電圧および設定周波数をそれぞれ切換える手段、
設定された時間ごとに前記設定電圧のいずれか１つおよ
び前記設定周波数のいずれか１つを選択するよう前記切
換手段に指令する手段、アーク電圧を検出する手段、検
出されたアーク電圧が選択された前記設定電圧と一致す
るように溶接トーチの位置を制御する手段および前記直
交変換手段の出力の交流周波数を選択された前記設定周
波数になるように制御する手段を備え、前記直交変換手
段の交流出力を電極・母材間に印加するようにしたもの
である。

〔作用〕

第１２図から明らかなように、ＰＤがアーク長に略反比
例する領域ＡおよびＰＤがアーク長に略比例する領域Ｃ
では、交流周波数を商用周波数より高く設定することに
よって従来より深い溶込みが得られ、ＰＤがアーク長に
関係なく略一定となる領域Ｂでは交流周波数を商用周波
数以下に設定することによって、従来より浅い溶込みが
得られる。

よって、アーク長を領域ＡとＢの間あるいはＢとＣの間
で周期的に変化させるとともに、領域ＡおよびＣでの交
流周波数を商用周波数より高く設定し、領域Ｂでの交流
周波数を商用周波数以下に設定すると、従来よりも広い
範囲で溶込み深さを制御することができる。

アーク長を領域ＡとＣの間で周期的に変化させるととも
に、領域Ｃでの交流周波数を商用周波数より高く設定し
、領域Ａでの交流周波数を商用周波数以下に設定するこ
とによっても、上記と類似の広い範囲での溶込み深さの
制御が可能である。

また、継手形状や施工方法によっては、アーク長を領域
Ａ、Ｂおよび０間で３段階に変化させるとともに、領域
Ｃでの交流周波数を商用周波数より高く設定し、領域Ｂ
での交流周波数を商用周波数以下に設定し、領域Ａでの
交流周波数を領域Ｂでの交流周波数と領域Ｃでの交流周
波数の中間の値に設定するといったように、アーク長と
交流周波数を同時に変化させると、良い結果が得られる
場合もある。

〔実施例〕

本発明の方法を実施するための溶接装置の構成の一例を
第１図に示す。図において、１．２はそれぞれ商用交流
入力を高周波交流に変換するための整流器および一次イ
ンバータ回路で、−次インバータ回路２はパルス幅制御
回路３で制御された高周波交流出力を溶接変圧器４に入
力する。５は溶接変圧器４の二次側出力を直流に変換す
るための整流器、６は直流に変換された電圧ｉの検出回
路、７は交流溶接を行うために直流を再び交流に変換す
るための二次インバータ回路である。

二次インバータ回路７で生成される交流の周波数および
ＥＰ時間比率ｄｏｐ（ＥＰ時間／１交流周期）は、第１
の周波数設定器１２または第２の周波数設定器１３とｄ
、、、設定器１０でパルス周波数、パルス幅を規定され
る矩形波発生器９からの信号に基づいて駆動回路８で制
御され、所定の交流出力が溶接トーチ１４と母材１５の
間に印加される。

なお出力電流の値は、二次インバータ回路７で交流に変
換される前の直流電流値を電流検出回路６で検出し、そ
の検出値が出力電流設定器１７で設定された値と一致す
るように、第１の誤差増幅器１６を介して一次インバー
タ回路２の出力をフィードバック制御することによって
所定の値に保たれる。

１８はアーク電圧信号の０Ｎ１０ＦＦスイツチで、電流
検出回路６で電流が検出されている場合のみＯＮとなっ
て、電圧検出回路１９にアーク電圧■、を入力する。

２０はに溶接トーチ１４の位置を制御するためのトーチ
移動機構で、第１の電圧設定器２８または第２の電圧設
定器２９で設定されたアーク電圧の値と電圧検出回路１
９で検出されるアーク電圧の値が一致するように第２の
誤差増幅器２３から出力される信号に基づいて、トーチ
位置制御回路２２によって制御されるモータ２１で工藤
され、アーク長を変化させる。

２５は、第１の溶接条件持続時間設定器２６および第２
の溶接条件持続時間設定器２７の設定時間Ｔ１゜Ｔｚに
よりその高・低レベル信号時間が規定される第２の矩形
波発生器で、第１の周波数設定器１２と第２の周波数設
定器１３の設定周波数ｆ、、ｆ、の切換を行う条件切換
スイッチ１１および第１の電圧設定器２８と第２の電圧
設定器２９の設定電圧Ｖ、、Ｖ。

の切換を行う条件切換スイッチ２４に、いずれの設定周
波数および設定電圧を選択するかを指令する。

なお、第１図には示していないが、出力電流設定器１７
あるいはｄ、ｐ設定器１０を２個設けるとともにそれぞ
れに対応する切換スイッチを付加することによって、第
２の矩形波発生器２５の出力を利用して、周波数や電圧
と同様に、出力電流やｄｌ１９も変化させることができ
る。

上記第１図の溶接装置を用いた溶接における主な動作の
代表例を示すと、第２図〜第４図のようである。第２図
は、溶込み深さとアーク長が略反比例する領域Ａと熔込
み深さがアーク長に関係なく略一定となる領域Ｂでアー
ク長を変化させるとともに、領域Ａでの交流周波数を高
く、領域Ｂでの交流周波数を低く設定した例であり、ア
ーク長が領域Ａにある場合には深い溶込みが、領域Ｂに
ある場合には浅い溶込みが得られる。

第３図は、溶込み深さがアーク長に関係なく略一定とな
る領域Ｂと溶込み深さがアーク長に略比例する領域Ｃの
間でアーク長を変化させるとともに、領域Ｂでの交流周
波数を低く、領域Ｃでの交流周波数を高く設定した例で
あり、アーク長が領域Ｂにある場合の溶込みは浅く、領
域Ｃにある場合の溶込みは深くなる。

深い溶込みを得るため、単にアーク長を長くするのみで
は、アークの集中性が低下する傾向があるが、上記第３
図のようにアーク長を長くすると同時に交流周波数を増
加させると、■交流周期内でのアークの陰極点が動き回
る電極プラス時間（ＥＰ待時間が短くなることからアー
クの集中性が改善され、ビート外観の乱れをなくするこ
とができる。

第４図は、アーク長、交流周波数の他に、出力電流も変
化させた例であり、上記第３図の例に比べ熔込み深さの
変化をより大きくすることができる。

なお第４図では、第３図中の電流値を変化させる例を示
したが、第２図においてアーク長が領域Ａにある場合の
電流値を大きく、領域Ｂにある場合の電流値を小さくす
ることによっても、第４図の例と類似の作用が得られる
。また、施工方法によっては、アーク長の変化に応じて
ｄｏの設定値を増減させると、より良好な作業性が得ら
れる場合もある。

第５図は、板厚３ｆｌのアルミニウム合金Ａ　５０５２
の突合せ継手の溶接に適用した、本発明の実施例におけ
る主な溶接条件の設定例を図表で示したものである。

条件■は前記第２図の例に対応する設定値の一例、■は
前記第３図の例に対応する設定値の一例、■は前記第４
図の例に対応する設定値の一例である。また、■は前記
第２図での電流値を増減させた場合、■はアーク長を領
域Ａと領域Ｃの間で変化させた場合、■は第１の溶接条
件の持続時間と第２の溶接条件の持続時間が異なるよう
にした場合、■は第１の溶接条件と第２の溶接条件でｄ
＠。

が異なるようにした場合の設定値の一例である。

なお、前記第５図に示した溶接条件の切換周波数はすべ
てＩＨ２としているが、この周波数はＩＨｚのみに限定
されるものではなく、トーチ移動機構が追随できる周波
数、例えば数１０Ｈｚ以下であれば本発明の作用が損わ
れることはない。

また、溶接条件の切換は２段階のみに限定されるもので
はな（，３段階以上として良いことは言うまでもない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、溶接電流やＢＰ時間比率（ｄ、、）を
一定としたままで溶込み深さを広い範囲で制御すること
ができ、裏波溶接での溶け落ちや全姿勢でのビード表面
の垂れを抑制して良好な溶接が行える。また、深い溶込
みが得られるようにアーク長を長くした場合のアークの
集中性の低下を交流周波数の増加によって補正できるた
め、ビード外観が乱れることはない。また、溶接条件の
切換段数を２〜３段とふやし、各段階でアーク長と交流
周波数を同時に変化させることにより、溶融金属に振動
を与えて母材の溶融池を撹拌させ、凝固後の金属組織を
微細化するといった効果も期待できる。

さらに、本発明のアーク長および交流周波数の変化によ
る溶込み制御法を従来公知の溶接電流やｄｌ１９の変化
による溶込み制御法と組み合せることによって、より広
範囲な溶込み深さの制御を実現でき、厚板の裏波溶接や
高速での溶接が一層良好に行えるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を実施するための溶接装置の構成
例を示すブロック図、第２図〜第４図は本発明の実施例
のタイムチャートによる説明図、第５図は本発明の実施
例における主な因子の設定値の代表例を示す図表、第６
図〜第８図および第１１図は本発明の基になった現象に
ついての説明図、第９図および第１０図はアーク長と溶
込み深さの関係についての測定例を示す線図、第１２図
は本発明の基本的な作用についての説明図である。 ２・・・電流制御用−次インバータ回路、３・・・パル
ス幅制御回路、６・・・電流検出回路、７・・・交流出
力用二次インバータ回路、８・・・駆動回路、９，２５
・・・条件選択指令用矩形波発生器、１０・・・ｄ、ｐ
設定器、１１、２４・・・条件切換スイッチ、１２．１
３・・・交流周波数設定器、１４・・・溶接トーチ、１
５・・・母材、１６．２３・・・誤差増幅器、１７・・
・出力電流設定器、１９・・・アーク電圧検出回路、２
０・・・トーチ移動機構、２１・・・モータ、２２・・
・トーチ位置制御回路、２６．２７・・・溶接条件持続
時間設定器、２８．２９・・・アーク電圧設定器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、アーク長と溶込み深さが略反比例する第１の領域、
   第１の領域より長いアーク長で溶込み深さがアーク長に
   よってほとんど変化しない第２の領域および第２の領域
   より長いアーク長で溶け込み深さとアーク長が略比例す
   る第３の領域が得られるような略定電流特性の溶接電源
   を用いて行う交流ティグ溶接において、アーク長が前記
   第１の領域と第２の領域に、または前記第２の領域と第
   ３の領域に交互に入るように、周期的にアーク長を変化
   させるとともに、溶接電源の出力の交流周波数を、前記
   第１および第３の領域は商用周波数より高く設定し、前
   記第２の領域では商用周波数以下に設定することを特徴
   とする交流ティグ溶接の制御方法。 ２、アーク長と溶込み深さが略反比例する第１の領域、
   第１の領域より長いアーク長で溶込み深さがアーク長に
   よってほとんど変化しない第２の領域および第２の領域
   より長いアーク長で溶込み深さとアーク長が略比例する
   第３の領域が得られるような略定電流特性の溶接電源を
   用いて行う交流ティグ溶接において、アーク長が前記第
   １の領域と第３の領域に交互に入るように、周期的にア
   ーク長を変化させるとともに、溶接電源の出力の交流周
   波数を、前記第３の領域では商用周波数より高く設定し
   、前記第１の領域では商用周波数以下に設定することを
   特徴とする交流ティグ溶接の制御方法。 ３、アーク長と溶込み深さが略反比例する第１の領域、
   第１の領域より長いアーク長で溶込み深さがアーク長に
   よってほとんど変化しない第２の領域および第２の領域
   より長いアーク長で溶込み深さとアーク長が略比例する
   第３の領域が得られるような略定電流特性の溶接電源を
   用いて行う交流ティグ溶接において、アーク長が前記第
   １、第２および第３の領域に交互に入るように、周期的
   にアーク長を変化させるとともに、溶接電源の出力の交
   流周波数を、前記第３の領域では商用周波数より高く設
   定し、前記第２の領域では商用周波数以下に設定し、前
   記第１の領域では前記第２の領域での交流周波数と前記
   第３の領域での交流周波数の中間の値に設定することを
   特徴とする交流ティグ溶接の制御方法。 ４、アーク長の変化に応じて、溶接電流および電極プラ
   ス時間比率のうちの少なくとも一方を変化させることを
   特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の交流ティグ
   溶接の制御方法。 ５、請求項１〜４のいずれかに記載の方法を実施するた
   めに、直流を可変周波数の交流に変換する手段、その交
   流周波数が変化しても交流に変換される前の直流電流値
   を一定に保つ手段、少なくとも２つ以上のアーク電圧お
   よび交流周波数を設定する手段、前記設定電圧および設
   定周波数をそれぞれ切換える手段、設定された時間ごと
   に前記設定電圧のいずれか１つおよび前記設定周波数の
   いずれか１つを選択するよう前記切換手段に指令する手
   段、アーク電圧を検出する手段、検出されたアーク電圧
   が選択された前記設定電圧と一致するように溶接トーチ
   の位置を制御する手段および前記直交変換手段の出力の
   交流周波数を選択された前記設定周波数になるように制
   御する手段を備え、前記直交変換手段の交流出力を電極
   ・母材間に印加するようにした交流ティグ溶接装置。