JPS6213107B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、溶接電流を相対的に値が異なる複数
の電流に変化させ、その変化に対応させて被溶接
物の表面に対する略垂直方向のトーチの位置を制
御して溶接する非消耗性電極アーク溶接方法に関
するものである。

通常溶接中においては、被溶接物の表面が波状
になつていても電極の先端と被溶接物の表面との
間隔を一定にするようにアーク電圧とアーク長と
が略比例することを利用してアーク電圧と基準電
圧とを比較し、差電圧が減少する方向に溶接トー
チを被溶接物の表面に対して略垂直方向に退進制
御することによつてアーク電圧を一定に保持する
いわゆるアーク電圧制御が行なわれている。しか
し、溶接中に被溶接物の状態が急激に変化したよ
うな場合には、積極的に溶接電流を変化させる必
要がある。たとえば、溶接線上に仮付け個所が存
在する場合、前加工の際のルートギヤツプが小さ
くなりすぎている場合、溶接線方向にも被溶接物
が突き合わされていて突き合わされた板の厚味が
より大きい場合等においては、これらの位置で溶
接電流を増加させて入熱を増大させる必要が生じ
る。逆にルートギヤツプが大きくなりすぎている
場合や溶接終端部に近づいた場合には溶接電流を
減少させて入熱を減少させる必要が生じる。

第１図は従来の非消耗性電極アーク溶接装置を
示したもので、同図において１は相対的に電流値
の異なる２種類の溶接電流を供給できる溶接電源
である。この溶接電源は例えば、リレー接点CR
１ａが閉路したときは大電流を出力し、リレー接
点CR１ａが開路すると小電流を出力する。２は
溶接トーチ、３は非消耗性電極、４は被溶接物、
５はトーチ支持棒、１０は被溶接物４の表面と略
垂直方向にトーチの位置、すなわち被溶接物４の
表面に対する電極３の先端の位置を調整する駆動
機構であつて、この駆動機構は例えばラツク歯車
６、ピニオン歯車７及び電動機９より成る。PB
１及びPB２はトーチ上下移動用の押ボタンスイ
ツチ、Ｅ１及びＥ２は互に極性の異なる制御電源
である。SW１は切換スイツチであつて、この切
換スイツチは溶接休止期間及び溶接開始時に、図
示の「Ｍ」接点に接続され、溶接期間中は特定の
期間を除いて、図示の「Ａ」接点に接続される。
１６はアーク電圧をそのまま、又はアーク電圧に
対応した信号Eaを出力するトーク電圧検出器で
ある。１７は制御電源、１８はアーク電圧設定器
であつて、アーク電圧設定器１８は例えば可変抵
抗器であり、その摺動端子１８ａから信号Ebを
出力する。１９はアーク電圧検出器１６の出力信
号Eaとアーク電圧設定器１８の出力信号Ebとの
差を演算する比較器でこの比較器から得られる差
信号が増幅器Ａ_np-1に入力される。

上記第１図に示す装置において溶接開始前にお
いては切換スイツチSW１が「Ｍ」接点に接続さ
れている。この状態で押ボタンスイツチPB１を
押すと制御電源Ｅ１が電動機９に接続され、トー
チ２は被溶接物４より離れる。また押ボタンスイ
ツチPB２を押すと制御電源Ｅ２が電動機９に接
続され、トーチ２は被溶接物４に近ずく。これら
の押ボタンスイツチPB１及びPB２の操作により
溶接開始前に高周波によるアークスタートが容易
なようにトーチ２の位置を調整する。このように
トーチの位置を調整してアークを発生させた後、
切換スイツチSW１を「Ａ」接点に接続するとア
ーク長の自動制御、即ちアーク電圧制御が開始さ
れ、比較器１９においてアーク電圧検出器１６の
出力信号Eaとアーク電圧設定器１８の出力信号
Ebとが比較され両信号の差が出力される。この
比較器１９の出力信号は増幅器Ａ_np-1で増幅され
て電動機９に供給されて差信号が減少する方向に
電動機が駆動される。この結果被溶接物の表面の
凹凸によつて電極の先端と被溶接物の表面との間
隔が変化してもトーチがこれに倣つて移動してア
ーク電圧は自動的に一定値になるように制御され
る。

すなわち、電極の先端と被溶接物との間隔が小
さくなるとアーク電圧が低下するので信号Eaが
信号Ebよりも低くなつて差信号Ea−Ebは負とな
る。この負の信号は増幅されて差信号が零に近づ
く方向、即ち電極の先端が被溶接物から離れる方
向に電動機９が回転してアーク電圧をもとにもど
すように作動する。逆に間隔が大きくなつてアー
ク電圧が高くなると信号Eaが信号Ebよりも高く
なつて差信号Ea−Ebは正方向に増加する。この
正信号は増幅されて差信号が零に近づく方向、即
ち電極の先端が被溶接物に近づく方向に電動機９
が回転してアーク電圧をもとにもどすように作動
する。その結果、電極の先端と被溶接物の表面と
の間隔はアーク電圧検出器１６の出力信号Eaと
アーク電圧設定器１８の出力信号Ebとがほぼ等
しくなる位置に制御される。

こゝで溶接中に被溶接物の溶接条件を変化させ
るためのリレーの接点CR１ａを閉路又は開路さ
せて、溶接電源１の出力電流を増加又は減少させ
た場合の現象につき第２図を参照して説明する。
第２図において、横軸は溶接電流Ｉ、縦軸はアー
ク電圧Ｖであり、直線Ｌ１乃至Ｌ４はそれぞれ被
溶接物の表面と非消耗性電極の先端との間隔（以
下アーク長という）を一定にした場合の溶接電流
値とアーク電圧値との関係を示す。今例えば、実
際のアーク長をL₂に保持して溶接電流値をI₀から
I₁に減少させると動作点はP₀からP₁に移動してア
ーク電圧がV₀からV₁に減少し、逆に、溶接電流
をI₀からI₂に増加させると動作点はP₀からP₂に移
動してアーク電圧がV₀からV₂に増加する。しか
し、第１図の装置においては、溶接中は、アーク
電圧が略一定になるように電極の位置が制御され
ているので、溶接電流をI₀からI₁に減少させると
アーク電圧が下つた分だけ溶接トーチが引上げら
れてアーク電圧がV₀の一定値を保つように動作
して動作点がP₃に移ることになり、このためアー
ク長がL₂からL₄に増加する。従つて溶接電流が
減少しているにも拘らずアーク長が大になり、ア
ークの広がりが増加しアークが不安定になる。逆
に仮付け個所や板厚が大なる被溶接物が突き合わ
されている個所で溶接電流値をたとえばI₀からI₂
に増加させた場合には、アーク電圧をV₀の略一
定値を保つように溶接トーチを下降させるので動
作点がP₄に移つてアーク長がL₂からL₁に減少
し、アークの広がりも小になる。しかし、仮付け
個所、ルートギヤツプが小さくなりすぎた個所、
板厚が大きくなる個所等では溶接電流を大としア
ーク長を大として広範囲に溶融させることが必要
である。それにもかかわらず上述のようにアーク
長が小となるとアークの広がりが小になつて十分
な溶融断面が得られなかつたり、また電流が増加
したにもかかわらずアーク長が小さくなるので溶
融池表面と電極の先端とが接近し、大きな溶接電
流によつて発生しやすい溶融池の動揺などのため
に時には電極が溶融池に接触することがあつた。

そこで溶接電流を大小に切換えて溶接するとき
は一方の溶接電流においてアーク電圧を基準値と
比較して差が零になるようにしてアーク電圧を一
定に保つアーク電圧制御を行い、他方の溶接電流
通電時は溶接電流を切換える直前の電極位置（被
溶接物と電極先端間の距離）を機械的あるいは電
気的に保持する方式の装置が考えられている。し
かし、溶接電流を変化させたときにも同一のアー
ク長を保持することは必らずしも良好な溶接結果
を得ることにはならない。即ちアークの広がりお
よび溶融断面形状はアーク長により大きく影響を
受けるから、溶接電流を例えば小にしてもアーク
長が一定であればアークの広がりはあまり少なく
ならず、このために広い範囲にアークが分散して
しまい入熱不足となり満足な溶融が得られないば
かりでなく、小電流においてアーク長が大になる
ことはアークの不安定を招き、溶接結果の不均一
を発生する原因となる。逆にアーク長を一定のま
ま溶接電流を大にしたときは、電流値に見合つた
アークの広がりが得られず、目的とする溶融断面
形状が得られなくなる。

このように、従来の溶接方法及び溶接装置で
は、被溶接物の形状の急激な変化に応じて溶接電
流を変化させた場合に良好な溶接結果を得ること
ができない欠点があつた。さらに難姿勢の溶接、
薄板の溶接、特殊材質の溶接等において大電流と
小電流とを略交互にくり返すことにより溶融池に
拡大及び縮小を制御するような場合においても、
電流値の変化に応じた最適のアーク長を得ること
ができずビード幅が変化したり、電極の先端が異
常に振動したり、小電流時にアークが不安定にな
つたり、大電流時に目的の溶融断面形状が得られ
ない等の欠点があつた。

本発明は、前記従来の装置の欠点を解消し、複
数の溶接電流のうち少なくとも１つの溶接電流の
通電期間は、アーク電圧を略一定にするアーク電
圧制御を行ないつつ溶接し、残りの溶接電流の通
電期間は、被溶接物の表面に対する垂直方向のト
ーチ位置をアーク電圧制御中に記憶した位置から
溶接電流の変化に略比例して予め定めた量だけ修
正した位置に保つトーチ位置制御を行なうように
したアーク溶接方法を提供したものである。

以下、本発明の実施例について図面を参照して
詳細に説明する。

第３図において、第１図と同一の構成部分には
同一の符号を付してある。第１図と異なる部分に
ついて説明すると、１１は、被溶接物の表面に対
する略垂直方向のトーチの位置を検出するトーチ
位置検出器、たとえば可変抵抗器であつて、その
両端子は制御電源１２に接続され、摺動端子１１
ａは電動機９すなわちトーチ２の動きと連動して
いる。SHは記憶回路で、この記憶回路はリレー
CR１の接点CR１ｄが閉路ししているときにトー
チ位置検出器１１の出力信号Ecをサンプルし、
接点CR１ｄが開路したときにサンプルした信号
をホールドして、そのホールドした信号から所定
量修正した信号Edを比較器１３に供給する。

次に第３図の装置を用いて行なう溶接法を説明
する。溶接開始後、溶接電源１に接続されたリレ
ーの接点CR１ａが閉路して、大きな溶接電流が
通電している期間中は、接点CR１ｃが閉路し、
CR１ｂが開路しているので、第１図と同様のア
ーク電圧制御が行われている。又、この期間中に
おいては、接点CR１ｄが閉路しているので、記
憶回路SHは、トーチ位置検出器１１の出力信号
Ecをサンプルする。次にリレーの接点CR１ａ，
CR１ｃ及びCR１ｄが開路し、接点CR１ｂが閉
路した場合には溶接電源１は小さな溶接電流を通
電する一方アーク電圧制御が中断され、記憶回路
SHはサンプルした信号をホールドし、このホー
ルドした信号から所定量修正した信号、例えば溶
接電流の変化量に応じた一定の比率で減衰させた
信号Edを出力する。この信号Edとトーチ位置検
出器１１の出力信号Ecとが比較器１３に供給さ
れ、両信号の差の信号がリレー接点CR１ｂ、増
幅器Ａ_np-1を通じて駆動機構１０に供給される。
この実施例においては、溶接電流の増減に応じて
トーチ高さも増減してそれぞれの溶接電流に対し
て最適のトーチ位置に調整されるので、アークが
常に安定しかつ溶接ビード巾が変動することがな
い。

第３図においては、接点CR１ａによる溶接電
源１の電流値の切換操作と、接点CR１ｂ乃至CR
１ｄによるアーク電圧制御信号とトーチ位置制御
信号の切換え操作とが同時に行なわれるが、実際
の溶接電流値の変化が制御信号の変化よりも遅れ
るために、この切換え操作時点において、トーチ
位置が不安定になることがある。この現象は、溶
接電流値を交互に切換える場合には、その切換え
の度ごとに生じ、溶接トーチ及び駆動機構の振動
の原因となり、さらに、溶接ビードの外観を損う
ことにもなる。したがつて、このような場合に
は、溶接電流に切換える時点と、アーク電圧制御
とトーチ位置制御とを切換える時点とに時間差を
設ける必要がある。しかし、必らずしも、溶接電
流を切換える毎に時間差を設ける必要性はなく、
上記のような現象を生じる原因となる場合のみ時
間差を設ければよい。たとえば、ある特定の溶接
電流値が残りの溶接電流値よりも大であつて、大
なる溶接電流の通電期間中にアーク電圧制御を行
い、残りの溶接電流の通電期間中にトーチ位置制
御を行うようにしておき、トーチ位置制御からア
ーク電圧制御に切換える時点のみを、溶接電流を
切換える時点よりも遅らせればよい。

第４図はこのような溶接方法を行うときに用い
る装置の実施例を示す構成図である。前述した第
３図の装置と異なる個所について説明する。第４
図においては第３図のリレー接点CR１ｂ乃至CR
１ｄの代りに、接点CR１ｅによつて付勢される
タイマTRaが用いられ、このタイマの接点
TRb，TRc及びTRdは図示のとおり接続されて
いる。SHは記憶回路であるが、第３図の場合と
異なり接点TRdの閉路中にサンプリングした信
号をそのまま記憶し、接点TRdの開路により信
号Edとして出力するものである。また２１，２
２は電源、２３はトーチ位置修正量設定器であ
り、例えば可変抵抗器を用い、その摺動子２３ａ
から信号ΔEdを出力する。この出力信号ΔEdは
大電流時にアーク電圧制御を行うときは、トーチ
位置制御を行う小電流時におけるアーク長を小に
してアークの不安定を防止するよう信号Edに対
して負の信号とし、逆に小電流時にアーク電圧制
御を行うときは大電流時にアーク長を大とし所要
のアークの広がりを得るよう信号Edに対して正
の信号となる方向に可変抵抗器２３の摺動子を中
央位置から偏倚させて設定する。いまこの装置に
おいて、リレーCR１ａが開路しているときは溶
接電源１が小電流を出力するものとする。このと
きは接点CR１ｅが開路でありタイマTRaが消勢
されているため、接点TRc及びTRdが開路で接
点TRbが閉路である。またこのときトーチ位置
修正信号ΔEdは大電流時にアーク電圧制御を行
うので信号Edに対して負信号としておく。リレ
ーCR１ａが開路している間中はトーチ位置検出
器１１の出力信号Ecと記憶回路SHの出力信号Ed
とトーチ位置修正量設定器の出力信号ΔEdとが
比較器１３に入力され、これらの合成信号即ち信
号Edから信号EcとΔEdとを差引いた信号が接点
TRb及び増巾器Ａ_np-1を通じて駆動機構１０に供
給されてトーチ位置制御を行う。つぎに、接点
CR１ａが閉路して、溶接電源１が大電流を出力
するように切換えられたときを考えると、溶接電
源１には固有の応答遅れがあるためすぐには出力
電流は指令値にまで増加せず一定の時定数をもつ
て所定の大電流にまで増加する。又、一方、この
接点CR１ａと同時に閉路する接点CR１ｅ、の閉
路によつてタイマTRaが付勢されて時限を開始
し、溶接電源１の出力電流が略設定値に達して安
定したころに、接点TRc及びTRdが閉路し、接
点TRbが開路する。この時点以後においては、
アーク電圧検出器１６の出力信号Eaとアーク電
圧設定器１８の出力電流Ebとが比較器１９に供
給され、その差の信号が、接点TRc及び増幅器Ａ
_np-1を通じて駆動機構１０に供給されアーク電圧
制御が行なわれる。そのときの動作は第３図で説
明した場合と同様である。次に、接点CR１ａが
開路して大電流から小電流になる場合には、接点
CR１ｅの開路、タイマTRaの消勢、接点TRcの
開路及びTRbの閉路がほとんど瞬時に行なわ
れ、積極的な時間遅れは与えられていない。

第４図の装置において、タイマTRaの時限を溶
接電源１が出力電流を切換えるための指令信号を
受けてから実際に設定値にまで出力が増加するま
でに要する時間に略等しくしておけば溶接電流の
立上り時の不安定動作を防止することができる。

第５図はタイマを用いずに出力電流を検出する
ことによつて出力電流の増加を判別し電流切換時
の不安定を防止し得る別の実施例を示す構成図で
ある。同図において、２３は、溶接電流検出器２
２の出力信号と、両端が制御電源２６に接続され
た溶接電流設定器２４の出力信号とを比較する比
較器であつて、接点CR１ｆ及びCR１ｇが閉路
し、接点CR１ｈが開路すると、溶接電流検出器
２２の出力信号が、溶接電流設定器２４に予め設
定された出力信号に達したときリレーのコイル
CR２ａを励磁し、接点CR２ｂを開路、接点CR
２ｃ及びCR２ｄを閉路して、トーチ位置制御か
らアーク電圧制御に切換える。逆に接点CR１ｈ
が閉路して、接点CR１ｆ及びCR１ｇが開路した
ときは、リレーのコイルCR２ａが直ちに非励磁
となり、接点CR２ｃ及びCR２ｄを開路して接点
CR２ｂを閉路し、アーク電圧制御からトーチ位
置制御に切換わる。その他の動作については、第
３図と同様であるので省略する。

本発明においては相対的に電流値が異なる複数
の溶接電流を切換えて通電するが、この場合溶接
電流設定器の数は任意である。例えば溶接電流設
定器を１つだけ設けて、この設定器により１つの
溶接電流を設定し、他の溶接電流は、この設定し
た１つの溶接電流に対応して予め定めた比率で変
化させてもよい。また第５図に示したように２個
の溶接電流設定器を備えてこれらの設定器を交互
に使用するようにしたり、３個以上の溶接電流設
定器を設けて、これらをプログラムに従つて切り
換えて使用するようにしてもよい。

以上のように、本発明によれば、従来のアーク
電圧制御において、溶接電流値を変化させた場合
に、アーク長の変動によつて、アーク不安定、ア
ークの広がりの変化による溶接結果の種々の不
良、振動等の欠陥をなくし、複数の溶接電流のう
ち特定の溶接電流の通電期間はアーク電圧を略一
定にするアーク電圧制御を行ない、残りの溶接電
流の通電期間は、アーク電圧制御中に定つた一定
値に修正を加えて、溶接電流を変化させたことに
よる欠陥を逆に補償したり、さらに溶接電流を変
化させて得ようとする効果を促進するために積極
的に被溶接物の表面に対する垂直方向のトーチ位
置を設定器の設定値に応じて変化させたりするこ
とができるので効果が大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の非消耗性電極アーク溶接装置の
構成図、第２図はアーク長をパラメータにした溶
接電流とアーク電圧との関係を示す線図、第３図
乃至第５図はそれぞれ本発明の非消耗性電極アー
ク溶接方法を実施する溶接装置の異なる実施例を
示す構成図である。 ２…溶接トーチ、４…被溶接物、１０…駆動機
構、１１…トーチ位置検出器、１３…比較器、１
６…アーク電圧検出器、１８…アーク電圧設定
器、SH…記憶回路、Ａ_np-1…増巾器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被溶接物及び溶接トーチに、溶接電流を複数
   の値に切換えて通電する非消耗性電極アーク溶接
   方法において、前記切換えて通電する溶接電流の
   うち特定の溶接電流の通電期間は、アーク電圧を
   検出し基準電圧との差が減少する方向に溶接トー
   チを被溶接物に向つて進退させてアーク電圧を略
   一定にするアーク電圧制御を行ない、かつ残りの
   溶接電流の通電期間は、基準位置信号とトーチ位
   置検出信号との差が減少する方向に溶接トーチを
   被溶接物に向つて進退させて前記被溶接物の表面
   に対する垂直方向のトーチの位置を略一定値にす
   るトーチ位置制御を行ない、前記トーチ位置制御
   は、前記特定の溶接電流の通電期間中にサンプリ
   ングされかつ前記残りの溶接電流の通電期間中は
   ホールドされるトーチ位置に対応した信号と、前
   記残りの溶接電流の通電期間中に検出されるトー
   チ位置に対応する信号との差の信号によつて定ま
   るトーチ位置から溶接電流の変化に略比例して予
   め定められた量だけ修正した位置にトーチ位置を
   制御して溶接する非消耗性電極アーク溶接方法。 ２ 前記溶接電流が大なる値の溶接電流と小なる
   値の溶接電流とが交互にくりかえされる２種類の
   溶接電流である特許請求の範囲第１項に記載の非
   消耗性電極アーク溶接方法。 ３ 前記切換えて通電する溶接電流のうちで、特
   定の溶接電流から残りの溶接電流に切換える時点
   と、前記アーク電圧制御と前記トーチ位置制御と
   を切換える時点とに時間差を設けたことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載の非消耗性電極
   アーク溶接方法。 ４ 前記特定の溶接電流値が前記残りの溶接電流
   値よりも大であつて、前記特定の溶接電流の通電
   期間中はアーク電圧制御を行い、前記残りの溶接
   電流の通電期間中はトーチ位置制御を行い、かつ
   トーチ位置制御からアーク電圧制御に切換える時
   点のみを溶接電流を切換える時点よりも遅らせた
   特許請求の範囲第３項に記載の非消耗性電極アー
   ク溶接方法。 ５ 前記時間差は溶接電流値を設定する指令信号
   を切換えた時点から前記溶接電流指令信号と溶接
   電流に対応する信号との差が予め定めた値以下と
   なる時点までの時間である特許請求の範囲第３項
   に記載の非消耗性電極アーク溶接方法。