JPS6313672A - ホツトワイヤ溶接装置 - 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〕 本発明はホットワイヤ溶接装置に係わり、特に、実質的
にアークの磁気吹きを悪くしまたスパッタの発生を無く
して溶接出来るようにしたホットワイヤ溶接装置に関す
る。

〔従来の技術〕

第６図に、ポットワイヤＴ＋ｃｌ接法として従来から一
般的に用いられている溶接装置の構成を示す。図中の１
は溶接トーチ、２はタングステン電極、３は母材、４ば
アーク電源、５はアーク、６はワイヤ、７はワイヤ送給
装置、８はコンジット、９はコンタクトチップ、１０は
ワイヤ加熱電源、１１は溶融池、１２は溶接ビードであ
る。

ＴｒＧｌ接トーチ１の中のタングステン電極２と刊）Ａ
３に直流溶接用のアーク電源４を接続し、アルゴン・シ
ールドガス中でタングステン電極２を負荷としてアーク
５を形成する。溶接用の添加ワイヤ６はワイヤ送給装Ｗ
７からコンジット８およびそれと連結されたコンタクト
チップ９を通って、アーク形成部に導かれて母材３と接
触する。

コンタクトチップ９とワイヤ加熱電源１０を接続し、直
流電流あるいは交流電流を添加ワイヤ６に流してジュー
ルを発生させ、それにより添加ワイヤ６の溶融速度を高
めている。

ところで、ホットワイヤＴＩＧ溶接では、ことにワイヤ
通電電流を大きくすると、アーク電流との間に電磁力を
生じ、いわゆる磁気吹きによるアークの乱れを起こして
溶接が困難になることが知られている。

その対策としては、′ｒＩＧアークの硬直性を出来るだ
け増す、Ｌ・）にアーク電流をｉ’＋■及的に高く選び
、アーク長は極力短く保ら、またワイヤ加熱電流はアー
ク電流の１／２以下とし、そして直流電流よりも交流電
流を用いてワイヤ加熱するのが良いと言うことが技術常
識として知られ、古くから採用されてきた。しかし、ワ
イヤ溶融速度を増すためにはワイヤ電流を高めなりれば
ならず、適正アーク電流は被溶接物から定まってしまう
ので、アーク長を極力短く保っても磁気吹きを生じて溶
接作業が鑓しくなるなどの問題があり、結局限定された
範囲での実用にとどまつζいた。

そこで、第７図の様なパルス波形の電流をワイヤに通電
する方法が特願昭（ｉｎ−２７１３４３号として提案さ
れた。この様にワイヤ加熱電流をパルス電流として、ア
ークが連続して磁気的に吹かれる期間、即ら、ワイヤ電
流が連続して流れている期間を極力短くすると、アーク
は瞬間的に吹かれるが、直ぐタングステン電流直下に戻
るので、実質的にアークの硬直性は維持され、磁気吹き
による作業性の低下は見られなくなる。これによりホッ
トワイヤＴｌＧ１接の作業性が著しく改善されて、実用
化が進展するようになった。

ところで第６図にて、添加ワイヤ６はコンタクトチップ
９と母材３との間のエクステン９３フ０部で通電加熱さ
れるのであるが、そこへ印加される電力とワイヤ溶融量
とがバランスするように制御する必要がある。ホットワ
イヤＴＩＧ溶接における添加ワイヤ６の最適な溶融状態
と言うのは、添加ワイヤ６の先端を溶融池１１に接触さ
せるのであるが、その接触界面の極く近くでワイヤ６は
すでに完全に溶融していることである。最も望ましいの
は、添加ワイヤ６が溶融池１１に入る直前に完全に溶融
しており、かつ溶融した金属が切れることなく連続的に
溶は落ちる状態が保てることである。この様な場合には
、あたかも、やかんから湯を注ぐ姿でワイヤの溶融と溶
融池１１への溶融金属の移行が進行し、良好な溶融ビー
ド１２が形成される。

また、ワイヤ送給速度に対してワイヤ加熱電力が減少気
味の時には、ワイＡ１は母材３上の溶融池１１の中に深
く入り込んでから溶融池１１内の溶融金属から熱伝達を
受けて漸く溶融する状態で溶接を進行することになるが
、これはあまり好ましい状態ではない。この制御が不十
分で、例えば印加電力が不足の場合には溶接作業性は見
掛上はとんど変わらないが、第８図に示す溶接ビード断
面に見られる様に未溶融のワイヤ１３がそのまま溶融金
属１４の中に残留して溶接欠陥を形成してしまう。また
、印加電力が過剰の場合には、ワイヤ６は過熱されてそ
のまま通電を続けるとスパッタを発生しつつ溶断して１
Ｉｌｌ’ｔＡ’３から分離し、そして添加ワイヤ６の先
端と母材３あるいはタングステン電極２との間でアーク
を介して通電してアーク５を乱したり、ワイヤ先端に大
きな溶滴を形成するなどの現象を！Ｌじ、溶接作業を著
しく損なってしまう。

第８図の様な欠陥形成を防１にするために、パルス電流
を出力してワイヤを加熱する電源を用い、ワイヤを過熱
して溶断したのらにワイヤ加熱電力をワイヤが溶断する
直前の加熱電力より低めに設定し、再びワイヤ加熱電力
をその値から漸増させてワイヤを過熱溶断に至らしめる
ことを繰返す形でワイヤ加熱電力を制御する方法が新た
に提案されている（特願昭６１−１２４８６９号）。

ワイヤ送給速度に対してワイヤ加熱電力が過大気味の時
には、添加ワイヤ６は過熱され母材３上の溶融池１１に
入る直前の所で溶断して、母材３と添加ワイヤ６とが分
離する。このときワイヤ電流が通電中であれば「ピチャ
」という音とともにスパッタを発生する。また添加ワイ
ヤ６の先端はアーク５のプラズマ社内に離れかつ溶融池
１１とも極めて隣接した位置にあるため、添加ワイヤ６
の先端と溶融池１１あるいはタングステン電極２との間
に電流が流れ、ワイヤ先端の溶融を激しく進行さ−１て
ワイヤ先端に大きな溶滴を形成するに至る。またアーク
を激しく乱してしまうので、溶接作業の続行が困難とな
る。これらの溶接性を著しく損なう現象は、もっばら溶
断した直後にもワイヤ電流を流し続けている為に生じる
のである。

ワイヤ加熱電源として第４図の様なパルス電流を出力す
る電源を用い、ソイ’＋’　ｉｊ！ｌ電休止該当期間中
にワイヤが母材と接触しているかどうかを識別し、ワイ
ヤが接触している場合には次の通電該当期間にワイヤ通
電を実施し、非接触の場合には次の通電該当期間になつ
°ζも通電しない欅に制御することが提案された（特願
昭６１−３０６４９号）。

この方法により、添加ワイヤ６の先端からアークを持続
して形成することなく、単にプラズマ社内にさらされて
いるだりなので溶融の進行が極めて遅くなり、その間に
も一定速度でワイヤを送給し続けているので、添加ワイ
ヤ６の先端は大きな溶滴を形成することも無く。そのま
まの姿で再び溶融池１１に接触する。そして、添加ワイ
ヤ６の先端が溶融池１１に接触した事を確認してからワ
イヤ電流の通電を再開し、再び過熱して溶断させる事を
繰返す。この様すると、アークの乱れも少なく、かつ溶
断時に少し倣細なスパッタを形成するが実質的に溶接作
業の支障となるまでは至らないので、添加ワイヤ６の先
端が溶融池１１に接触する界面近くで完全にワイヤを溶
融させることを円滑に進行させることができる様になっ
た。

〔発明が解決しようとする問題点〕

これらの提案によりホットワイヤ溶接は著しく制御性の
良いものとなり、未溶融のワイヤー３がそのまま溶接金
属１４の中に残留して溶接欠陥を生じる様な自体は生じ
なくなった。しかしながら、ホットワイヤの過熱溶断時
に生じる微細なスパッタがタングステン電極にたまたま
付着することがあり、それが次第に蓄積してアークの安
定性を妨げろようになるので、長時間連続してホットワ
イヤＴ　Ｉ　Ｇｌ接するのは龍しかった。

本発明の目的は、ホットワイヤの過熱溶断に伴うスパッ
タの形成を防止ないし非常に少なくし、長時間連続して
ホットワイヤ溶接ができるようにした溶接装置を提供す
るにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するため本発明は、ホットワイヤ溶接
装置において、添加ワイヤへの通電中に該ワイヤが過熱
溶断する瞬間を検出する溶断検出回路と、その１８１０
１検出回路からの信号を入力して直ちにワイヤ電流を急
減ないし１ｆｆｉ電停止する回路を設けたことを特徴と
するものである。

〔作用〕

ワイヤ通電中に過熱溶断が生しる時には、多くの場合「
ピチツ」と言う音とともにスパッタを発生する。このス
パッタは、ワイヤが過熱され溶断する瞬間に溶断部分か
ら形成されるアークによって、周囲雰囲気が急激に加熱
・膨張して、溶断部近傍の熔融金属を吹き飛ばずごとに
よって仕じるものである。したがつＣ，溶断がたまたま
ワイヤ非通電期間に生じると全くスパッタは発律しない
。

またワイヤ電流瞬時値が１３およそ１００Ａより低い状
態で溶断がノ１ニジたときには、非常に小さな弱々しい
アークしか形成されず、スパッタもほとんど発生しない
。

従って、ワイヤが過熱溶断を生じる瞬間を検知し、出来
るだけ速やかにワイヤ・＼の通電を停止すると、アーク
の形成が防止され、ないしはアークにより周囲雰囲気の
加熱・膨張が極めて小さくなリ、その結果、スパッタの
発生を防止ないしは著しく減少させることができる。

〔発明の実施例〕

第１図に、本発明によるワイヤ加熱電源および制御回路
の一実施例を示す。本実施例では、パルス電流を出力す
るワイヤ加熱電源として非常に安価に構成できるトライ
チック方式を採用している。

図中の１５は主トランス、１６はトライチック、１７〜
２０はダイオード、２１はワイヤ加熱電流形成回路、２
２はゲートパルス形成回路、２３はワイヤ接触状態検出
回路、２４．２５はサイリスク、２６は微分センサ、２
７は溶断検出回路である。

本実施例では、主トランス１５の一次側にトライアラ１
６を接続し、ライアック１５の二次側にダイオード１７
〜２０を接続し全波整流して出力するワイヤ加熱電流形
成回路２１を用いている。

前記トライアック１６をゲートパルス形成回路２２によ
って制御して商用周波数の交流電源を位相制御したワイ
ヤ電流を得ているが、アークの磁気吹きを防止する立場
から、０度から９０度まで及び１８０度から２７０度ま
での期間は必ず非通電期間となるよう、トライチック１
６へのゲートパルス印加を制御している。そしてトライ
チック１６を通電する位相制御角は、残りの９０度から
１８０度および２７０度から３６０度の間に取り、ワイ
ヤ送給速度に見合ったワイヤ加熱電力を得るべくワイヤ
に通電しζいる。

ところでワイヤ非１ｆｆｉ１１時のＶｗで示すワイヤ端
子電圧（出力端子電圧）は、ワ・イヤが母材に接触して
いる状態ではほぼＯｖ、そし゛Ｃワイヤ先端が母材から
離れ、アーク・プラズマに接触している時には、タング
ステン電極が負の電位にあるためプラズマ柱の電圧を検
出して負の電圧となる。この性質を利用した特願昭６１
−３０６４９号に記載された回路により、ワイヤ非通電
期間中にワイヤ６の先端が母材と接触しているかどうか
を検出するワイヤ接触状ａ検出回１１Ｗ２３を構成した
。その出力電圧ＶａはワイヤがＩｔ）　＋４と接触して
いる時にはＨ（ハイ）、離れている時にはＬ（ロー）し
ベルの電圧となる。この信号は、ゲートパルス形成回路
２２の中の図示されていない０Ｎ−ＯＦＦ制御回路に加
えられ、ワイヤが非接触となるとその次の通電パルスは
形成しないように動作する。

一方、ゲートパルス形成回路２２の中にある通電位相制
御回路からトライチックの通電位相を決める電圧Ｖｄを
出力するが、この電圧Ｖｄは電圧Ｖａが■１のとき、即
ちワイヤが母材と接触している時にはトライチックの通
電期間を増すようにしてゆき、電圧ＶａがＬとなるとき
、即ちワイヤが母材から離れるときに所定値だけ電圧が
低下するようにしてトライチックの通電期間が短くなる
様に制御する。

この様にしてワイヤは周期的に加熱溶断する形をとって
、溶接中におけるワイヤ送給速度やエクステンションの
変化に対して追従して制御するので、常に適正ワイヤ加
熱電力に極めて近い値に自動的に保たれる。本実施例で
は、更に主トランス１５の二次側の全波整流回路を構成
するダイオード１９．２０とそれぞれ逆並列にサイリス
タ２４゜２５を接続している。また、ワイヤ電流の微分
波形を検出するためのトＩ：Ｊイダルコアからなる微分
センサ２６、およびその出力信号を受けてサイリスタ２
１．２２のゲート信号形成する溶断検出回路２７から構
成している。

この実施例に係るｆ８接装置はこのように構成されてい
るので、以下のような動作する。第２図にワイヤ電１ｗ
波形、微分センサ２３の出力波形ｄｉｗ／ｄｔを示ず。

ワイヤが母材と接触して通電しているときの電流波形は
図中のａの様であり、その微分波形はｂの様であるが、
ワイヤに通電中のｔ時点でワイヤが加熱溶断した時には
、ワイヤ電流はＣに示す様に通常の場合よりもかなり速
く減少する、従って、微分センサ２６によって検出され
るワイヤ電流の微分波形は定常時のワイヤ通電波形すと
異なって、ｄに示す様に鋭（高い弾圧を出力する。そこ
で溶断検出制御回路２７内に微分センサ２６の出力より
やや高めのスレッショルドレベルを１１した比較器を設
けて人力することにより、ワイヤが溶断したことを容易
に検知しζ、直ちにサイリスク２４．２５のゲートにイ
ンパルス信号を送ってそれを導通状態にする。すると主
トランス１５がらの出力電流は、例えばダイオード２０
．２４を通っであるいはその逆の半波の場合、溶断時に
ダイオード１９．サイリスタ２５を通って短絡されるの
で、ワイヤへの通電電流は急激に減少する。実際には、
従来例ではワイヤ電流は溶断開始からワイヤ電流が零に
なるまでに０．８ｍ秒かかっていたのが、本実施例のサ
イリスク短絡の場合には、溶断開始後０．１ｍ秒以内に
ワイヤ電流は零になった。

この様に本発明によれば、ワイヤ溶断後のワイヤ電流が
従来法の場合に幀べて非常に短時間に零となるので、ワ
イヤの過熱溶断に伴って生じていたスパッタの形成を著
しく減少した。なお、本実施例の特有の効果として、ワ
イヤが溶断してサイリスタ２４または２５が導通状態に
なるため、主トランス１５に流れる電流はほぼ定常の場
合に近い電流波形のままゼロクロス点まで通電が従属さ
れ、そのあと１１１びワ・ｆヤ先端が１υ（４と接触す
るまで一次側のＩ・う・イアツクで通電が禁止されるの
で、主トランス１５に流れる電流の正の半波と負の半波
における電流の不均衡がより少なくなり、直流成分によ
る主トランス１５の偏磁などがより生じ難くなる効果も
もたらされ°Ｃいる。

第３図は、本発明の他の実施例を示すものである。主ト
ランス１５の二次出力端子にトライチック２８を接続し
て溶断直後の二次出力を短絡して、ワイヤへの通電を少
なくしている。

第４図は、本発明のさらに曲の実施例を示すものである
。主トランス１５の二次側をセンタータップ方式とした
場合で、二次側にサイリスク２９゜３０を接続し゛（い
る。

これまでは、ユ１コとし“ζｌ・ワイアックを用いた方
式のワイヤ加熱電源について記述したが、本発明はこの
方式に限定されるものではなく、トランジスタを用いた
インバータ方式など他の回路方式のワイヤ加熱電源であ
っ′Ｃもよい。

さらに他の実施例として、第５図にワイヤ加熱電源とし
てインバータ方式の回路を用いた場合のワイヤ電流波形
ｉｗ、出力電圧波形Ｖｗの例を示した。基本的には方形
波に近い電流波形であるので、ワイヤ通電中に過熱溶断
するときはワイヤ電流がかなり速く減少することから、
やはり電流の微分波形から容易に検知することができ、
２０ｋＨｚなどの高速でスイッチングしている一次側の
トランジスタを用いてワイヤへの通電を早急に停止でき
る。なお、本来のパルス電流を形成するために周期的に
電流が減少するが、それを過熱溶断信号と誤って検出し
てワイヤ通電を停止する操作をしても、実質的には通常
のパルス電流形成になんら影響しない様にできる。また
、第１図と同様に二次側にサイリスクを接続して二次出
力を短絡する事によっても同様な効果を得る事ができる
。この様な組合わせは、ことにスイッチング周波数が３
　ｋ　ｌｌｚなど低い場合に有効である。

これまで、ワイヤの過熱溶断の検出は主にワイヤ電流の
微分波形から検出する場合について述べてきたが、殊に
インバータ電源などのようにワイア６ ヤ 示したようなワイヤ電圧Ｖｗの変化からも容易に検出で
きる。即ら、過熱溶断によって二次電流が減少すると、
加熱電源内部の電圧降下が少なくなるなどにより二次電
圧が」−昇する電源に対しては、溶断の瞬間を出力電圧
の微分値あるいは絶対値の変化から検知出来る。

以」ニワイヤ加熱電源をｉ”　Ｉ　Ｇアークと組合わせ
たホットワイヤ’ＶＩ　Ｇ溶接の場合に′つぃて述べた
が、スパッタの形成が電極のＩＮ傷に繁がらない消耗電
極アークと組合わせたホ・ンチヮイヤ溶接に対しても、
本発明を適用するとホットワイヤがらのスパッタ形成カ
ミ．［とんど無くなる。

〔発明の効果〕

本発明は前述のような構成になっており、スパッタをほ
とんど発生゛りることなく、全く自動的に適用ワイヤ加
熱電力状態を保つことができ、長期間連続してホットワ
イヤ溶接ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る溶接装置のワイヤ加熱電
源およびその制御回路の回路構成を示す図、第２図はワ
イヤ電流およびその微分波形を説明する波形図、第３図
および第４図は本発明の他の実施例に係る回路構成図、
第５図はインバータ方式のワイヤ加熱電源におけるワイ
ヤ電流およびその微分波形を説明する波形図、第６図は
従来のホットワイヤＴＩＣ溶接装置の概略構成図、第７
図は先行技術におけるワイヤ加熱電源のワイヤ電流波形
図、第８図は従来技術による溶接ビードの断面を示す拡
大断面図である。 ■・・・・・・溶接トーチ、２・・・・・・タングステ
ン電極、３・・・・・・母材、４・・・・・・アーク電
源、６・・・・・・ワイヤ、１０・・・・・・ワイヤ加
熱電源、１５・・・・・・トランス、ｌｆｉ、２８・・
・・・・トノイアツク、１７〜２０・・・・・・ダイオ
ード、２１・・・・・・ワイヤ加熱電流形成回路、２２
・・・・・・ゲートパルス形成回路、２３・・・・・・
ワイヤ接触状態検出回路、２４，２５．２９．３０・・
・・・・サイリスク、２６・・・・・・微分センサ、２
７・・・・・・溶断検出回路。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 ≦２閤ｎ匪−′” ど／Ｗ −１／ｌ　　　　　　　　　　　　　　　　！ｆ第６図 第７図 第８図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）アーク電源と、このアーク電源に接続されたアー
   ク電極と、アーク発生部に導かれる添加ワイヤと、該添
   加プワイヤを通電加熱する電源とを備えたホットワイヤ
   溶接装置において、添加プワイヤへの通電中に該ワイヤ
   が加熱溶断する瞬間を検出する溶断検出回路と、その溶
   断検出回路からの信号を受けて直ちにワイヤ電流を急減
   ないし通電停止する回路を設けたことを特徴とするホッ
   トワイヤ溶接装置。
2. （２）特許請求の範囲第（１）項において、前記ワイヤ
   加熱電源が添加ワイヤにパルス電流を流して加熱する構
   成になつていることを特徴とするホットワイヤ溶接装置
   。
3. （３）特許請求の範囲第（１）項または第（２）項にお
   いて、前記溶断検出回路がワイヤ電流の微分波形変化か
   ら溶断を検出する構成になつていることを特徴とするホ
   ットワイヤ溶接装置。
4. （４）特許請求の範囲第（１）項または第（２）項にお
   いて、前記溶断検出回路がワイヤ電圧波形の変化から溶
   断を検出する構成になつていることを特徴とするホット
   ワイヤ溶接装置。
5. （５）特許請求の範囲第（１）項または第（２）項にお
   いて、ワイヤと並列に接続した半導体スイッチング素子
   を導電状態にして電流を分流することによつてワイヤへ
   の通電電流を急激に減少させる回路を設けたことを特徴
   とするホットワイヤ溶接装置。