JPH0647170B2 - Ｔｉｇア−ク溶接装置の制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はＴＩＧアーク溶接装置の制御方法に係り、特に
半自動ホットワイヤＴＩＧ（タングステン・イナート・
ガス）アーク溶接を行なうのに好適なワイヤ送給方法に
関する。

（従来の技術） 第６図は、従来技術による自動ＴＩＧ溶接の一例を示す
図で、添加ワイヤを通電加熱しながら送給するホットワ
イヤＴＩＧ溶接装置の構成を示したものである。タング
ステン電極１と母材２に直流溶接用のアーク電源３を接
続し、アルゴン・シールド・ガス中でタングステン電極
１を負極としてアーク４を形成する。添加ワイヤ５はワ
イヤ送給装置６からコンジット７およびそれと連結され
たコンタクトチップ８などからなるワイヤガイド９を通
って、アーク発生部に導かれて母材２と接触する。この
場合、コンタクトチップ８と母材２間にワイヤ電源１０
を接続し、直流あるいは交流電流を添加ワイヤ５に流し
てジュール発熱させ、それにより添加ワイヤ５の溶融速
度を高めている。

ところで、通常の手動ＴＩＧ溶接においては、添加棒
（直径２mm、長さ６００mmなど）を左手に持ち、右手に
ＴＩＧトーチを持って、手で溶着させる金属を供給しな
がら、あるいは添加金属なしで溶接している。一方、通
常の自動ＴＩＧ溶接ではモータを用いてワイヤを自動送
りするワイヤ送給装置により添加金属の供給を行なう
が、このワイヤのガイドおよびＴＩＧアーク・トーチと
もスタンドなどで固定的に保持し、それを溶接台車に搭
載するなどして溶接を行なっている。

この両者の中間を行くものとして、半自動ＴＩＧ溶接が
知られている。第７図は、市販の半自動ＴＩＧ溶接トー
チを示したものである。これは、手持ち用のＴＩＧトー
チ本体１１にワイヤガイド９を半固定的に取付けたもの
で、ワイヤ５は図示されていないワイヤ送給装置によっ
て所定の速度で自動送給される。ワイヤ５の先端はアー
ク４によって形成された溶融池１２の中の正しい位置に
添加する必要があるので、ＴＩＧトーチ本体１１にはワ
イヤ添加位置を微調整するためのアジャスタ１３が設け
られている。作業者はこのようなトーチ１４を右手に持
ち、トーチ位置を調整しながら、左手でワイヤ送給装置
の遠隔制御ボックスのつまみを操作してワイヤ送給速度
を調整する。ワイヤ５に通電加熱をしないで送給するコ
ールド・ワイヤ法の場合は、通常、第７図のように溶接
進行方向側からワイヤ５を送給するが、ワイヤ５を通電
加熱するホットワイヤ法では、溶接進行方向に対して後
方からワイヤ５を添加するのが通常である。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、このような溶接方法において、溶接中に溶接
進行方向を変えようとするときには、ワイヤ添加位置も
変える必要がある。これは、左手でアジャスタ１３を調
整してワイヤ５の添加位置で調整できればよいのである
が、微妙なアーク長コントロールも必要なＴＩＧアーク
４に対して、同時にそれらの操作を実行することは至難
の技であり、結局、溶接中にはアジャスタ１３を使うこ
とはできず、溶接トーチ１４全体の向きを変えて、溶接
進行方向を変えるようにトーチ操作せざるを得なかっ
た。このようにしてトーチ本体１１にワイヤ・ガイドを
固定した半自動ＴＩＧ溶接においては、結局トーチ１４
に方向性を生じ、溶接操作の自在さを著しく損なうもの
となってしまっている。

そこでトーチ本体１１を右手に持ち、左手にワイヤガイ
ド９を持って溶接しようとしても、添加ワイヤ５の送給
速度の調整やアーク電流の調整などの遠隔操作を行なう
ことは困難である。また、手で添加棒をもって溶接する
ときは添加棒の溶融を自在に調整できるが、添加ワイヤ
５が定められた一定の速度で自動送給される半自動溶接
では添加ワイヤ５が突っ張る形となって、実際にワイヤ
が溶融する速度とバランスが取りにくくなり、その結
果、次第にワイヤガイド９の先端と母材間の距離、すな
わちエクステンションｅが大きくなってしまい、溶接の
持続が困難固難になる。

更に通常のホットワイヤＴＩＧ溶接の場合には、添加ワ
イヤ５に流れるワイヤ加熱電流によってアーク４は磁気
吹きを生じるので、トーチ本体１１とワイヤガイド９と
がばらばらに動くと磁気吹きの状況も定まらず、安定し
た溶接結果が期待できないという問題が追加される。

これらの理由によって、半自動ＴＩＧ溶接は大きな需要
がありながら、結果的には広く採用されるには至ってい
ない。

本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、ワイヤが自動
送給されるＴＩＧ溶接において、片手でワイヤの送給ガ
イドを持ち、他方の手でＴＩＧアーク・トーチを持って
容易に溶接できるようにしたＴＩＧ溶接装置の制御方法
を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 要するに本発明は、添加ワイヤに電力を印加して加熱し
ながら送給するＴＩＧ溶接において、ワイヤのエクステ
ンションの大きさをエクステンション部におけるワイヤ
の抵抗値から求め、エクステンション溶接機の大きさに
対応してワイヤ送給速度を変化させ、半自動ＴＩＧ溶接
を可能にしたものである。

具体的には、本発明は、ホットワイヤＴＩＧ溶接におい
て、ワイヤのエクステンションの大きさをエクステンシ
ョン部の抵抗値から求め、ホットワイヤのエクステンシ
ョンが大になるとワイヤ送給速度を遅くし、逆にエクス
テンションが小になるとワイヤ送給速度を速くするよう
にしたものである。

本発明は、片手でワイヤ送給用トーチを、および他の手
でアーク用トーチを持って溶接する半自動ホットワイヤ
・スイッチングＴＩＧ溶接に好適に使用される。

以下、本発明を図面によりさらに詳細に説明する。

（実施例） 第１図は、本発明が好適に使用される半自動ホットワイ
ヤ・スイッチングＴＩＧ溶接における溶接電源の機能を
説明するものである。すなわち、ホットワイヤ・スイッ
チングＴＩＧ溶接法においては、パルス・アークが用い
られ、第１図に示すようにアークのピーク電流期間Ｔｐ
にはワイヤ電流は流さず、一方、アーク電流を非常に低
くしたベース電流期間Ｔｂ中にワイヤ電流を通電する。
このような操作により、ホットワイヤＴＩＧ溶接で非常
に問題となるアークの磁気吹きを実質的になくすること
ができる。ワイヤ加熱電流の制御については、ワイヤ通
電期間Ｔｗを制御することにより、ワイヤ送給速度に見
合ったワイヤ加熱電力を供給することができる。

第２図は、第１図の電源を用いた本発明の実施例を示す
装置の作動工程のフローチャートである。以下、本フロ
ーチャートを参照して本発明を説明する。

先ず溶接士はアーク電流、パルス周期などを対象溶接物
に適した任意の値に指定し、第７図を借りて説明する
と、ＴＩＧトーチ本体１１を右手に持ち、添加ワイヤ５
を自動送給しくるワイヤガイド９（本発明ではトーチ本
体１１とは離れている）を左手に持ってアーク・スター
トする。母材２の溶融が進み溶融池１２が形成される
と、ワイヤガイド９を近づけ添加ワイヤ５の先端を溶融
池１２の中に挿入する。このとき、ワイヤ５と母材２と
の間が接触状態となるので、これを検知し、ワイヤ送給
を開始するよう指令信号が発せられる。一方、第１図の
ような方式で周期的にワイヤ通電が行なわれるが、ここ
でワイヤ電流波形およびコンタクトチップ８と母材２間
に生じるワイヤ電圧波形を検出し、割算回路に入れてコ
ンタクトチップ８と母材２間の添加ワイヤ５の長さ（エ
クステンションと呼ぶ）における抵抗値が求められる。
この通電加熱中のホットワイヤの抵抗値とエクステンシ
ョンとの間には、ワイヤ送給速度、ワイヤ電流のピーク
値、パルス周期などとは関係なく、第３図に示すように
両対数方眼紙上に幅広い範囲でほぼ直線的な関係が成立
することが、実験的に確認された（軟鋼、線径1.2mmの
ワイヤ使用）。

そこで、第４図に示すように、実際の操作に合わせてエ
クステンションが４０mm以上のときワイヤ送給速度を
０、エクステンションが１０mm以下のときワイヤ送給速
度を４０ｇ／ｍｉｎとし、その間を直接で結んだ形の折
れ線関係を形成し、エクステンションに対応してワイヤ
送給速度が定められるようにした。一方、アークのない
状態でワイヤを通電加熱したときのワイヤ加熱電力とワ
イヤ溶融速度との関係は、第５図のように直線関係にあ
ることが実験的に認められた。しかし、実際のアーク溶
接時には、アークからの放射熱、溶融池からの熱伝達お
よびアーク・プラズマとの接触等によりワイヤに通電し
ない、いわゆるコールド・ワイヤの状態でもワイヤは少
量ではあるが溶融する。またこの状態で適正に溶融され
る最大の溶融速度は、アーク電流値の他、ワイヤの挿入
位置や方向によってもかなり変化する。そして、ホット
ワイヤの場合には、ワイヤ溶融速度が大きくなるに従っ
て、第５図の値に近づくことが認められた。これらの実
験結果をもとにして Ｖ（ｇ／ｍｉｎ）＝0.05Ｐ（Ｗ） ＋0.05Ｉａｍ（Ａ） すなわち、 Ｐ（Ｗ）＝２０Ｖ（ｇ／ｍｉｎ）−Ｉａｍ（Ａ） なる実験式に従ってワイヤ加熱電力を決定するように制
御回路を構成した。ここで、Ｖはワイヤの溶融速度、Ｐ
はワイヤ加熱のための印加電力、Ｉａｍは平均アーク電
流である。そして実際に検出したワイヤ電流波形とワイ
ヤ電圧波形の積として求めた実際のワイヤ加熱電力の時
間的な平均値と上記の実験式による加熱電力を比較し、
ワイヤ通電時間を増減する形で、ワイヤ印加電力をフィ
ードバック制御するようにした。

また、ワイヤ通電を指示している期間内であってもワイ
ヤ電流が０のとき、すなわち、母材２とワイヤ５が接触
していない状態が頻繁に生じるが、そのような場合には
１秒間は元のワイヤ送給速度を保つようにし、それでも
ワイヤ通電しないときには、ワイヤ送給を停止するよう
に回路を構成した。

上記実施例によれば、エクステンション部のワイヤの抵
抗値からエクステンションを求め、このエクステンショ
ンに好適なワイヤ溶融速度になるようにワイヤ加熱電力
が制御されるので、溶接士は通常の添加棒を持ってＴＩ
Ｇ溶接するのと全く同様な感覚でワイヤ送給速度を制御
しながら、容易に半自動ＴＩＧ溶接を行なうことができ
る。

本発明は、ホットワイヤ・スイッチングＴＩＧ溶接への
適用に限らず、通常のホットワイヤＴＩＧ溶接において
も、ワイヤ電流が比較的低い場合に十分に適用すること
ができる。更に、ワイヤには加熱を目的とせず、エクス
テンション部の抵抗値を検知するためだけのごく低い電
流を流し、実質的にコールド・ワイヤによる半自動ＴＩ
Ｇ溶接を行なうこともできる。

（発明の効果） 本発明によれば、これまで困難であった半自動ＴＩＧ溶
液を、非常に容易に行なうことができる。またＴＩＧ溶
接の作業能率が大幅に改善され、ＴＩＧ溶接の適用分野
を著しく拡張することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に採用した溶接電源の出力電流の説明
図、第２図は、本発明のＴＩＧアーク溶接の制御系統を
説明するブロック図、第３図および第５図は、それぞれ
本発明に用いた実験データを示す図、第４図は、本発明
におけるエクステンションとワイヤ溶融速度との関係を
示す図、第６図は、一般に用いられているホットワイヤ
ＴＩＧ溶接装置の機器構成を示す図、第７図は、従来の
半自動ＴＩＧ溶接用のトーチを示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 草野 和喜 広島県呉市宝町６番９号 バブコツク日立 株式会社呉工場内 (72)発明者 田桑 俊明 広島県呉市宝町６番９号 バブコツク日立 株式会社呉工場内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】添加ワイヤに電力を印加して加熱しながら
   送給するＴＩＧアーク溶接装置において、ワイヤのエク
   ステンションの大きさをエクステンション部におけるワ
   イヤの低抗値から求め、該エクステンションの大きさに
   対応してワイヤ送給速度を制御することを特徴とするＴ
   ＩＧアーク溶接装置の制御方法。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項において、ワイヤに
   印加する電力を下式によって求め、 Ｐ（Ｗ）＝２０Ｖ（ｇ／ｍｉｎ）−Ｉａｍ（Ａ） （ここでＰはワイヤ加熱のための印加電力、Ｖはワイヤ
   の溶融速度、Ｉａｍは平均アーク電流） 実際に検出したワイヤ電流波形およびワイヤ電圧波形の
   積として求めたワイヤ加熱電力の時間的な平均値と比較
   し、ワイヤ通電時間を増減する形でワイヤ印加電力をフ
   ィードバック制御することを特徴とするＴＩＧアーク溶
   接装置の制御方法。
3. 【請求項３】クレーム１または２において、溶接装置が
   片手でワイヤ送給用トーチを、および他の手でアーク用
   トーチを持って溶接する半自動ホットワイヤ・スイッチ
   ングＴＩＧ溶接装置であるＴＩＧアーク溶接装置の制御
   方法。