JPWO2011013321A1 - アーク溶接方法およびアーク溶接装置 - Google Patents

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Abstract

本発明のアーク溶接方法は、設定電流に応じた溶接ワイヤ送給速度を平均送給速度とし、所定の周波数と速度振幅で溶接ワイヤの正送と逆送を周期的に繰り返して、短絡状態とアーク状態とを発生させて溶接を行う消耗電極式のアーク溶接方法であって、周波数および速度振幅のうちの少なくともいずれかを、設定電流に応じた値とする。

Description

本発明は、消耗電極である溶接ワイヤを正送と逆送に繰り返しながら短絡状態とアーク状態とを交互に発生させて溶接を行うアーク溶接方法およびアーク溶接装置に関する。
溶接作業工程でのロス工程であるスパッタ除去工程を少なくするために、スパッタ低減を目的として、溶接ワイヤ送給速度について正送と逆送とを繰り返して、短絡状態とアーク状態とを交互に発生させて行う消耗電極式アーク溶接が、従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。
図７は、従来のアーク溶接制御方法において、ワイヤ送給速度と溶接出力の時間的な変化に対する時間波形を示す図である。
例えば、消耗電極である溶接ワイヤを送給しながら、短絡状態とアーク状態とを交互に発生させて溶接を行うアーク溶接制御方法に関し、下記の方法が知られている。すなわち、ワイヤ送給速度について正送と逆送とを周期的に繰り返すようワイヤ送給モータを制御する送給速度制御器と、この送給速度制御器の増減信号を受けて、図７に示すようにワイヤ供給量が少ない期間は溶接出力が低出力に、ワイヤ供給量が多い期間は溶接出力が高出力になるよう制御する出力制御器とを設けた構成としていた。これにより、短絡状態の時、ワイヤ溶融塊の移行力としてワイヤ送給速度を減じることによる離脱力を利用でき、スパッタ発生の主要な原因とする短絡電流を低減しても安定した短絡移行溶接が持続できるものである。
ワイヤ送給速度を正送と逆送に周期的に繰り返して、短絡状態とアーク状態とを交互に発生させる制御方法において、逆送時に被溶接物と溶接ワイヤの短絡状態を主に機械的に開放させる場合を考える。そのためには、ワイヤ送給速度の平均送給速度よりも大きな送給速度で、ワイヤ送給速度を逆送させる必要があり、それを実現するための速度振幅を設定する必要がある。
設定電流とワイヤ送給速度が比例の関係にあることは一般的に知られている。そして、周期的なワイヤ送給速度の制御においても、ワイヤ送給速度の平均送給速度を設定電流に同期（比例）させることが考えられる。そして、設定電流が高い程、平均送給速度は速くなる。そのため、周期的なワイヤ送給の速度振幅も平均送給速度に同期（比例）して大きくする必要がある。なお、周期的なワイヤ送給を行う際に、ワイヤ送給を行うモータの負荷限界に至るなどの場合は、周期的なワイヤ送給の周波数を下げるなどして、ワイヤ送給を行うモータやギヤなどのモータ周辺部品への負荷を軽減させる必要がある。
しかし、設定電流に関係なく一定の周波数および速度振幅であるならば、特定の設定電流のみにしか対応できない、すなわち、特定の設定電流範囲でしか溶接を行うことができず、設定電流に応じた溶接を行えないといった課題がある。
特開昭６２−６７７５号公報
本発明は、上記課題を解決するもので、ワイヤ送給速度を正送と逆送に周期的に繰り返して、短絡状態とアーク状態とを周期的に発生させて溶接を行うアーク溶接制御方法において、設定電流に応じた溶接を行うことができるアーク溶接方法およびアーク溶接装置を提供する。
本発明のアーク溶接方法は、設定電流に応じた溶接ワイヤ送給速度を平均送給速度とし、所定の周波数と所定の速度振幅で溶接ワイヤの正送と逆送とを周期的に繰り返して、短絡状態とアーク状態とを発生させて溶接を行う消耗電極式のアーク溶接方法であって、上記所定の周波数および上記所定の速度振幅のうちの少なくともいずれかを、上記設定電流に応じた値とした方法からなる。
この方法により、設定電流毎に適した周波数や速度振幅などを設定することにより、設定電流に応じた溶接を行うことができる。これにより、溶接速度の高速化および突出し長さの変化や被溶接物間のギャップなどの外乱に対して、アーク不安定によるビード欠陥、スパッタ増加、溶け込み不良等の問題を最小限に留めることができる。また、生産効率や作業環境への悪影響を抑えることができ、良好なアーク溶接方法を実現できる。
また、本発明のアーク溶接装置は、消耗電極である溶接ワイヤと被溶接物との間でアーク状態と短絡状態とを繰り返して溶接を行うアーク溶接装置であって、設定電流を設定するための設定電流設定部と、設定電流に基づいて溶接ワイヤを正送と逆送の方向に周期的に繰り返し送給制御する平均送給速度となる溶接ワイヤ送給速度を決定する平均送給速度設定部と、設定電流に基づいて溶接ワイヤを正送と逆送の方向に周期的に繰り返し送給制御するための周波数を決定する周波数基本設定部と、設定電流に基づいて溶接ワイヤを正送と逆送の方向に周期的に繰り返し送給制御するための速度振幅を決定する速度振幅基本設定部と、溶接出力を制御するスイッチング素子と、溶接電圧を検出する溶接電圧検出部と、溶接電圧検出部の検出結果に基づいて、短絡状態またはアーク状態であることを検出する状態検出部と、状態検出部からの短絡の信号を受けて短絡状態である短絡期間に短絡電流の制御を行う短絡制御部と、状態検出部からのアークの信号を受けてアーク状態であるアーク期間にアーク電圧の制御を行うアーク制御部と、を備え、設定電流に基づいた周波数および速度振幅で溶接ワイヤを送給して溶接を行う構成からなる。
この構成により、設定電流毎に適した周波数や速度振幅などを設定することにより、設定電流に応じた溶接を行うことができる。これにより、溶接速度の高速化および突出し長さの変化や被溶接物間のギャップなどの外乱に対して、アーク不安定によるビード欠陥、スパッタ増加、溶け込み不良等の問題を最小限に留めることができる。また、生産効率や作業環境への悪影響を抑えることができ、良好なアーク溶接装置を実現できる。
以上のように、本発明によれば、ワイヤ送給を正送と逆送とに周期的に繰り返して、短絡状態とアーク状態とを周期的に発生させて行う溶接において、設定電流毎に適した周波数や速度振幅などを設定する。これにより、広い設定電流の範囲で、設定電流に応じた溶接を行うことができる。その結果、ワイヤ送給を行うモータやギヤなどのモータ周辺部品への負荷なども軽減できる。
図1は、本発明の実施の形態１におけるワイヤ送給速度、溶接電圧及び溶接電流の時間波形を示す図である。 図２は、本発明の実施の形態１における設定電流に対するワイヤ送給速度の速度振幅の関係の一例を示す図である。 図３は、本発明の実施の形態１における設定電流に対するワイヤ送給の周波数の関係の一例を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態１におけるアーク溶接装置の概略構成を示す構成図である。 図５は、本発明の実施の形態２におけるワイヤ送給速度、溶接電圧及び溶接電流の時間波形を示す図である。 図６は、本発明の実施の形態２におけるアーク溶接装置の概略構成を示す構成図である。 図７は、従来のワイヤ送給速度と溶接出力の時間波形を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同じ構成要素については同じ符号を付しているので説明を省略する場合がある。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
本実施の形態では、先ず、アーク溶接方法について説明し、その後、アーク溶接装置について説明する。
図１は、本発明の実施の形態１におけるワイヤ送給速度、溶接電圧及び溶接電流の時間波形を示す図である。図１に示すように、短絡状態とアーク状態とを交互に繰り返す消耗電極式のアーク溶接における、ワイヤ送給速度、溶接電流及び溶接電圧の時間波形を示し、これらの時間的な関係を示している。
図１において、Ｐ１は、短絡を開始した時点を示している。短絡初期電流ＩＳ０が所定時間出力した後、短絡電流の第１段目の増加傾き（ｄｉ１／ｄｔ）（以下、図１に示す「ＩＳ１」とする。）を持つ短絡電流が出力され、続けて短絡電流の第２段目の増加傾き（ｄｉ２／ｄｔ）（以下、図１に示す「ＩＳ２」とする。）を持つ短絡電流が出力される。その後、溶融プールと溶接ワイヤ先端との間に出来上がった溶滴のくびれが検出されると、溶接電流は、低電流に瞬時に移行する。Ｐ２は、溶接電流が低電流に移行した後の、溶滴のくびれが離れ、短絡状態が終了して、アークが発生した時点を示している。Ｐ２からのアーク期間Ｔａにおいて、アーク発生直後にピーク電流ＩＰの溶接電流を出力する。その後、ピーク電流ＩＰからベース電流ＩＢへ移行するのは、電流制御でも電圧制御でもどちらの制御でも可能な期間であり、ベース電流ＩＢに移行した段階で次の短絡を待つことになる。Ｐ３は、次の短絡が発生した時点を示している。なお、Ｐ３から次の短絡期間Ｔｓが開始される。
また、図１では、所定の周波数Ｆと所定の速度振幅ＡＶで基本波形である正弦波状に正送と逆送とを周期的に繰り返すワイヤ送給制御を行っている。周波数の逆数である周期Ｔは、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとの和で表される。正送側のピーク時ＰＰではＰ１周辺で短絡が発生し、逆送側のピーク時ＮＰでは、Ｐ２周辺でアークが発生することになる。また、Ｐ２の後の正送のピーク時ＰＰにＰ３周辺で次の短絡が発生する。
以上のように、Ｐ１からＰ３までを制御の１周期とし、これを繰り返して溶接を行う。このように短絡状態またはアーク状態の発生は、基本的にワイヤ送給速度の正送と逆送とを周期的に繰り返すワイヤ送給制御に依存するものである。
次に、正送と逆送を繰り返し行う溶接における設定電流に適した速度振幅ＡＶの設定の方法について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態１における設定電流に対する、ワイヤ送給速度の速度振幅の関係の一例を示す図である。
図２において、例えば、設定電流が６０Ａの場合は、速度振幅ＡＶは１５ｍ／分である。そして、設定電流の増加に応じて速度振幅ＡＶも増加し、設定電流が２４０Ａまで増加すると、速度振幅は３０ｍ／分まで増加する必要がある。その理由は、設定電流が大きくなっても、実際に被溶接物とワイヤ先端の距離を例えば１ｍｍ〜５ｍｍ程度の所定の距離を確保して安定して逆送するために必要であるからである。なぜなら、設定電流が増加するとワイヤ送給速度の平均送給速度も増加する。このため、速度振幅ＡＶが一定であると逆送の送給期間が短くなってしまう。したがって、逆送の距離が短くなるために実際に被溶接物とワイヤ先端の距離とを所定の距離だけ確保し難くなる。そうすると、設定電流に同期して速度振幅ＡＶを大きくしないと、溶接ワイヤの逆送の期間、すなわち逆送の距離を所定の距離だけ確保できないためである。
なお、図２に示す特性は、溶接対象物や溶接条件等に応じて実験等により予め求めておくことができるものである。
次に、正送と逆送とを繰り返し行う溶接の設定電流に適した周波数Ｆの設定の方法について、図３を用いて以下に説明する。図３は、本発明の実施の形態１における設定電流に対するワイヤ送給の周波数の関係の一例を示す図である。
図３において、例えば、設定電流が１８０Ａまでは周波数は６０Ｈｚで一定とするが、設定電流が１８０Ａを超えると設定電流の増加とは逆に周波数が低くなる。さらに設定電流が２４０Ａまで増加すると周波数は４０Ｈｚまで低くする必要がある場合がある。
その理由は、設定電流が増加してくると、上述のように速度振幅ＡＶを上げる必要があるため、周波数Ｆを下げる必要が出てくる可能性がある。なぜなら、速度振幅を上げることによって、溶接ワイヤ速度の変化率（溶接ワイヤ送給の加速度）が大きくなりワイヤ送給モータやギヤなどが溶接ワイヤの送給に大きい力が必要となる。これにより、ワイヤ送給モータやギヤなどのモータ周辺部品の負荷が増えてしまう。そこで、この負荷を軽減するため、周波数Ｆを抑えて低くすることで、溶接ワイヤ速度の変化率を緩やかにして対応することができる。
なお、ワイヤ送給モータやギヤなどのモータ周辺部品に対する大きい負荷が、モータ周辺部品に影響がない場合であれば、周波数Ｆを一定に維持することも、周波数Ｆをさらに上げていくことも何ら問題ない。
例えば、図２に示す速度振幅ＡＶと図３に示す周波数Ｆは、設定電流が１８０Ａまでは速度振幅が１５ｍ／分から２５ｍ／分に増加するものの、周波数は６０Ｈｚで問題ない。しかし、設定電流が２４０Ａでは速度振幅が３０ｍ／分まで増加すると周波数は４０Ｈｚまで下げてワイヤ送給モータやギヤなどのモータ周辺部品への負荷を抑えることが必要な場合もある。
また、図２や図３では、設定電流に対する速度振幅ＡＶの関係や設定電流に対する周波数の関係が１次関数である例を示しているが、これに限らず、例えば２次関数など１次関数以外でも良い。
また、図２や図３に示すように、設定電流に対する速度振幅ＡＶや周波数Ｆには、各々に上限値または下限値のうち少なくともいずれかを設けるようにしても良い。上限値を設ける理由は、例えば、ワイヤ送給モータの使用限界にならないようにして、ワイヤ送給モータを安全に使用するためである。また、下限値を設ける理由は、例えば、適切なアーク溶接の状態を維持して溶接性を確保するためである。
なお、図２や図３に示す設定電流に応じた速度振幅ＡＶや周波数Ｆは、設定電流と、送給する消耗電極ワイヤのワイヤ径、ワイヤの種類、ワイヤの突出長、供給するシールドガス、のうちの少なくとも１つとに基づいて設定される。
上述したように、本発明のアーク溶接方法は、設定電流に応じた溶接ワイヤ送給速度を平均送給速度とし、所定の周波数Ｆと所定の速度振幅ＡＶで溶接ワイヤの正送と逆送とを周期的に繰り返して、短絡状態とアーク状態とを発生させて溶接を行う消耗電極式のアーク溶接方法であって、所定の周波数Ｆおよび所定の速度振幅ＡＶのうちの少なくともいずれかを、設定電流に応じた値とした方法からなる。
この方法により、設定電流毎に適した周波数Ｆや速度振幅ＡＶなどを設定することにより、設定電流に応じた溶接を行うことができる。これにより、溶接速度の高速化および突出し長さの変化や被溶接物間のギャップなどの外乱に対して、アーク不安定によるビード欠陥、スパッタ増加、溶け込み不良等の問題を最小限に留めることができる。また、生産効率や作業環境への悪影響を抑えることができ、良好なアーク溶接方法を実現できる。
また、溶接ワイヤ送給速度を正弦波状に変化させて溶接ワイヤの送給を行う方法としてもよい。この方法により、矩形波状とは異なりワイヤ送給モータやギヤなどのモータ周辺部品への負荷の時間的な変化が小さく、矩形波状の場合に比べてこれらの寿命を長くすることができる。
また、設定電流に応じた溶接電流のピーク時間、立ち上がり時間および立ち下がり時間のうちの少なくともいずれかの時間により溶接を行う方法としてもよい。この方法により、さらに安定して制御できるアーク溶接方法が実現できる。すなわち、スパッタの大幅な増加や、アークが不安定になることを防止し、安定なアーク溶接方法が実現できる。
また、設定電流に応じた溶接電流のピーク時間、立ち上がり時間および立ち下がり時間のうちの少なくともいずれかに上限値および下限値のうちの少なくともいずれかを設けた方法としてもよい。
この方法により、ワイヤ送給モータなどの部品を安全に使用することができる、あるいは、適切なアーク溶接の状態を維持して溶接性を確保することができる。
次に、本実施の形態１のアーク溶接制御を行うアーク溶接装置について、図４を用いて説明する。図４は、本実施の形態１におけるアーク溶接装置の概略構成を示す構成図である。
図４に示すように、本実施の形態１のアーク溶接装置は、消耗電極である溶接ワイヤ２０と被溶接物２３との間でアーク状態と短絡状態とを繰り返して溶接を行うアーク溶接装置である。そして、このアーク溶接装置は、設定電流設定部１３と、平均送給速度設定部２４と、周波数基本設定部１４と、速度振幅基本設定部１５と、スイッチング素子３と、溶接電圧検出部８と、状態検出部１０と、短絡制御部１１と、アーク制御部１２と、を備え、設定電流に基づいた周波数Ｆおよび速度振幅ＡＶで溶接ワイヤ２０を送給して溶接を行う構成からなる。ここで、設定電流設定部１３は、設定電流を設定する。平均送給速度設定部２４は、設定電流に基づいて溶接ワイヤ２０を正送と逆送の方向に周期的に繰り返し送給制御する平均送給速度となる溶接ワイヤ送給速度を決定する。周波数基本設定部１４は、設定電流に基づいて溶接ワイヤ２０を正送と逆送の方向に周期的に繰り返し送給制御するための周波数Ｆを決定する。速度振幅基本設定部１５は、設定電流に基づいて溶接ワイヤ２０を正送と逆送の方向に周期的に繰り返し送給制御するための速度振幅ＡＶを決定する。スイッチング素子３は、溶接出力を制御し、溶接電圧検出部８は、溶接電圧を検出する。状態検出部１０は、溶接電圧検出部８の検出結果に基づいて、短絡状態またはアーク状態であることを検出する。短絡制御部１１は、状態検出部１０からの短絡の信号を受けて短絡状態である短絡期間Ｔｓに短絡電流の制御を行う。アーク制御部１２は、状態検出部１０からのアークの信号を受けてアーク状態であるアーク期間Ｔａにアーク電圧の制御を行う。
この構成により、設定電流毎に適した周波数や速度振幅などを設定することにより、後述するように設定電流に応じた溶接を行うことができる。これにより、溶接速度の高速化および突出し長さの変化や被溶接物２３間のギャップなどの外乱に対して、アーク不安定によるビード欠陥、スパッタ増加、溶け込み不良等の問題を最小限に留めることができる。また、生産効率や作業環境への悪影響を抑えることができ、良好なアーク溶接装置を実現できる。
次に本実施の形態１のアーク溶接装置の基本的な動作について説明する。図４に示すように、入力電源１からの電力は１次整流部２で整流され、スイッチング素子３により、例えば交流電圧に変換される。この交流電圧は、トランス４により降圧され、２次整流部５およびインダクタであるＤＣＬ６により整流される。そして、直流電圧は、溶接チップ２１を通る溶接ワイヤ２０と被溶接物２３との間に印加されて溶接アーク２２が被溶接物２３に対して発生する。
また、アーク溶接装置は、スイッチング素子３を制御するための駆動部７と、溶接ワイヤ２０に直流電圧を印加する溶接用電源出力端子間に接続されている溶接電圧検出部８と、溶接出力電流を検出する溶接電流検出部９と、を備えている。そして、アーク溶接装置は、溶接電圧検出部８からの信号に基づいて短絡またはアークを発生しているかを判定する状態検出部１０と、状態検出部１０から短絡の信号を受けて短絡期間Ｔｓに短絡電流の制御を行う短絡制御部１１と、を備えている。そして、アーク溶接装置は、状態検出部１０からのアークの信号を受けてアーク期間Ｔａにアーク電圧の制御を行うアーク制御部１２と、電流を設定するための設定電流設定部１３とを備えている。
また、設定電流設定部１３で設定した設定電流毎に適したワイヤ送給の周波数Ｆは、周波数基本設定部１４で決定し、ワイヤ送給の速度振幅ＡＶは、速度振幅基本設定部１５で決定される。ワイヤ送給の平均送給速度は、平均送給速度設定部２４で決定される。そして、周波数基本設定部１４の出力、速度振幅基本設定部１５の出力及び平均送給速度設定部２４の出力は、ワイヤ送給モータ１９に入力され、溶接ワイヤ２０の送給が制御される。なお、周波数基本設定部１４には、設定電流と周波数Ｆとを関係付けたテーブルあるいは関係式が設けられており、設定電流に基づいて、このテーブルなどから周波数Ｆが決定される。また、速度振幅基本設定部１５には、設定電流と速度振幅とを関係付けたテーブルあるいは関係式が設けられており、設定電流に基づいて、このテーブルなどから速度振幅ＡＶが決定される。また、平均送給速度設定部２４には、設定電流と平均送給速度とを関係付けたテーブルあるいは関係式が設けられており、設定電流に基づいて、このテーブルなどから平均送給速度が決定される。
まず、アーク溶接装置のワイヤ送給制御について、以下に具体的に説明する。ワイヤ送給の周波数基本設定部１４とワイヤ送給の速度振幅基本設定部１５は、設定電流設定部１３で設定される設定電流毎に、ワイヤ送給速度指令をワイヤ送給モータ１９に出力する。ワイヤ送給速度指令は、この設定電流の電流値に適したワイヤ送給速度の平均送給速度に応じて、周波数Ｆと速度振幅ＡＶによる正弦波状の正送と逆送とを繰り返す指令である。なお、設定電流毎に設定される周波数Ｆおよび速度振幅ＡＶとの関係は、例えば、図示しない記憶部に、テーブルあるいは数式として記憶されており、設定電流に基づいてこのテーブルを利用して決定される。
次に、アーク溶接装置の溶接制御について、以下に具体的に説明する。図４に示すように、溶接電圧検出部８は、アーク溶接装置の出力端子間に接続され、検出した電圧に対応した信号を状態検出部１０に出力する。状態検出部１０は、溶接電圧検出部８からの信号に基づいて、溶接出力電圧が一定値以上か未満かを判定する。この判定結果により、溶接ワイヤ２０が被溶接物２３に接触し短絡している短絡状態であるのか、それとも非接触状態で溶接アークを発生しているアーク状態であるのかを判定し、判定信号が、短絡制御部１１やアーク制御部１２に出力される。
そして、短絡制御部１１は、設定した設定電流に基づいて短絡初期電流ＩＳ０に続き、短絡電流の第１段目の増加傾きＩＳ１と、短絡電流の第１段目の増加傾きＩＳ１に続く短絡電流の第２段目の増加傾きＩＳ２を出力するように駆動部７に指令を出力する。
また、アーク制御部１２は、アーク期間Ｔａにピーク電流ＩＰ及びベース電流ＩＢを所定時間の間、出力するように駆動部７に指令を出力する。なお、アーク期間Ｔａにおいて、ピーク電流ＩＰからベース電流ＩＢへ移行する期間の制御は、電圧制御または電流制御のどちらの制御でもよい。
以上のように、設定電流毎に正送と逆送とを周期的に繰り返す周波数Ｆおよび速度振幅ＡＶを設定することにより、低電流（例えば、３０Ａ）から高電流（例えば、３５０Ａ）まで対応して、設定電流を広い範囲の所望の電流値に設定して溶接を行うことができる。
なお、図４で示したアーク溶接装置を構成する各構成部は、各々単独に構成してもよいし、複数の構成部を複合して構成するようにしてもよい。
以上のように、本実施の形態１のアーク溶接装置によれば、ワイヤ送給速度を正送と逆送について、例えば正弦波状に、周期的に繰り返して、短絡状態とアーク状態とを周期的に発生させて溶接を行う。このような制御方法による溶接動作において、設定電流毎に適したワイヤ送給速度の平均送給速度に周波数Ｆおよび速度振幅ＡＶを設定する。これにより、低電流から高電流までの設定電流に対応して安定したアーク溶接を行うことができる。
また、ワイヤ送給速度の正送と逆送を、例えば正弦波状とした場合には、矩形波状とは異なり、ワイヤ送給モータやギヤなどのモータ周辺部品への負荷の時間的な変化が連続で小さい。したがって、負荷の時間的な変化が不連続で大きくなることがある矩形波状の場合に比べて、ワイヤ送給モータやギヤなどのモータ周辺部品に過大な負荷が急激にかかることがなく、これらのモータ周辺部品の寿命を長くすることができる。
なお、本実施の形態１では、設定電流に基づいて周期的に行うワイヤ送給の周波数Ｆや速度振幅ＡＶを決定する例を示した。しかしながらが、設定電流はワイヤ送給速度やワイヤ送給量と比例の関係にあり、設定電流に替えてワイヤ送給速度やワイヤ送給量に基づいて周波数Ｆや速度振幅ＡＶを決定するようにしても同様の効果を得ることができる。
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２におけるワイヤ送給速度、溶接電圧及び溶接電流の時間波形を示す図である。
本実施の形態２において、実施の形態１と異なる主な点は、ワイヤ送給が正弦波状ではなく、台形波状である点である。そして、設定電流に基づいて台形波状のワイヤ送給制御のピーク時間Ｔｐ、立ち上がり時間Ｔｒおよび立ち下がり時間Ｔｆのうちの少なくともいずれかを決定するようにした点である。
すなわち、本実施の形態２のアーク溶接方法は、設定電流に応じた溶接ワイヤ送給速度を平均送給速度とし、所定の周波数Ｆと所定の速度振幅ＡＶで溶接ワイヤの正送と逆送とを周期的に繰り返して、短絡状態とアーク状態とを発生させて溶接を行う消耗電極式のアーク溶接方法である。そして、このアーク溶接方法は、所定の周波数Ｆおよび所定の速度振幅ＡＶのうちの少なくともいずれかを、設定電流に応じた値とし、溶接ワイヤ送給速度を台形波状に変化させて溶接ワイヤの送給を行う方法としている。
この方法により、設定電流毎に適した周波数Ｆや速度振幅ＡＶなどを設定することにより、設定電流に応じた溶接を行うことができる。これにより、溶接速度の高速化および突出し長さの変化や被溶接物間のギャップなどの外乱に対して、アーク不安定によるビード欠陥、スパッタ増加、溶け込み不良等の問題を最小限に留めることができる。また、生産効率や作業環境への悪影響を抑えることができ、良好なアーク溶接方法を実現できる。
なお、ワイヤ送給が所定の周波数Ｆと速度振幅ＡＶで正送と逆送を周期的に繰り返す制御であれば、このように台形波状でも正弦波状と同様の性能を出すことができる。
正弦波状の制御と異なる点は、台形波状のピーク時間Ｔｐ、立ち上がり時間Ｔｒ及び立ち下がり時間Ｔｆを設定電流毎に適した値が設定できることである。
図５に示すワイヤ送給制御は、所定の周波数Ｆと速度振幅ＡＶで基本波形である台形波状に正送と逆送を周期的に繰り返すワイヤ送給制御である。そして、このワイヤ送給制御は、正送側または逆送側のピーク時にピーク時間Ｔｐを設け、さらにピーク送給速度への立ち上がり時間Ｔｒとピーク送給速度から立ち下がり時間Ｔｆを追加し、設定電流毎に適した値を決定できるものである。
設定電流毎に適したパラメータを調整できる数が増えることで、被溶接物２３と溶接ワイヤ２０の先端との距離を所定の距離に確保し易くなる。
なお、図示していないが、設定電流とピーク時間Ｔｐとの関係、設定電流と立ち上がり時間Ｔｒとの関係、設定電流と立ち下がり時間Ｔｆとの関係は、１次関数でも、２次関数など１次関数以外でも良い。
また、図示していないが、ピーク時間Ｔｐ、立ち上がり時間Ｔｒ及び立ち下がり時間Ｔｆのうちの少なくともいずれかには、上限値及び下限値のうちの少なくともいずれかを設けるようにしても良い。
また、設定電流に対するピーク時間Ｔｐ、立ち上がり時間Ｔｒ及び立ち下がり時間Ｔｆは、設定電流と、送給する消耗電極ワイヤのワイヤ径、ワイヤの種類、ワイヤ突出長及び供給するシールドガスのうちの少なくとも１つとに基づいて設定される。
次に、本実施の形態２のアーク溶接装置の制御について、図６を用いて具体的に説明する。図６は、本発明の実施の形態２におけるアーク溶接装置の概略構成を示す構成図である。なお、実施の形態１において図４を用いて説明したアーク溶接装置と異なる主な点は、ピーク時間基本設定部１６と、ピーク立ち上がり時間基本設定部１７と、ピーク立ち下がり時間基本設定部１８を設けた点である。
すなわち、本発明のアーク溶接装置は、実施の形態1の図４に示すアーク溶接装置に加えて、平均送給速度設定部２４は、溶接ワイヤ２０を正送と逆送に台形波状に周期的に繰り返し送給制御するための周波数を決定し、速度振幅基本設定部１５は、溶接ワイヤ２０を正送と逆送に台形波状に周期的に繰り返し送給制御するための速度振幅を決定する。そして、本実施の形態２のアーク溶接装置は、ピーク時間基本設定部１６と、ピーク立ち上がり時間基本設定部１７と、ピーク立ち下がり時間基本設定部１８と、を備え、設定電流に基づいたピーク時間、立ち上がり時間および立ち下がり時間のうちの少なくともいずれかの時間で溶接ワイヤ２０を送給して溶接を行う構成としている。ここで、ピーク時間基本設定部１６は、設定電流に基づいて、台形波状のピーク時間Ｔｐを決定する。ピーク立ち上がり時間基本設定部１７は、設定電流に基づいて、台形波状の立ち上がり時間Ｔｒを決定する。ピーク立ち下がり時間基本設定部１８は、設定電流に基づいて台形波状の立ち下がり時間Ｔｆを決定する。
この構成により、設定電流毎に適した周波数や速度振幅などを設定することにより、設定電流に応じた溶接を行うことができる。これにより、溶接速度の高速化および突出し長さの変化や被溶接物２３間のギャップなどの外乱に対して、アーク不安定によるビード欠陥、スパッタ増加、溶け込み不良等の問題を最小限に留めることができる。また、生産効率や作業環境への悪影響を抑えることができ、良好なアーク溶接装置を実現できる。
なお、設定電流設定部１３で設定した設定電流毎に適したピーク時間Ｔｐは、ピーク時間基本設定部１６で決定される。立ち上がり時間Ｔｒは、ピーク立ち上がり時間基本設定部１７で決定され、立ち下がり時間Ｔｆは、ピーク立ち下がり時間基本設定部１８で決定される。そして、ピーク時間基本設定部１６の出力、ピーク立ち上がり時間基本設定部１７の出力及びピーク立ち下がり時間基本設定部１８の出力は、ワイヤ送給モータ１９に入力され、溶接ワイヤ２０の送給が制御される。
また、ピーク時間基本設定部１６には、設定電流とピーク時間Ｔｐとを関係付けたテーブルあるいは関係式が設けられており、このテーブルなどを利用し設定電流に基づいて、ピーク時間Ｔｐは決定される。また、ピーク立ち上がり時間基本設定部１７には、設定電流と立ち上がり時間Ｔｒとを関係付けたテーブルあるいは関係式が設けられており、このテーブルなどを利用し設定電流に基づいて、立ち上がり時間Ｔｒは決定される。また、ピーク立ち下がり時間基本設定部１８には、設定電流と立ち下がり時間Ｔｆとを関係付けたテーブルあるいは関係式が設けられており、このテーブルなどを利用し設定電流に基づいて、立ち下がり時間Ｔｆは決定される。
次に、アーク溶接装置のワイヤ送給制御について、以下に説明する。台形波状のワイヤ送給制御を行うためのピーク時間基本設定部１６、ピーク立ち上がり時間基本設定部１７及びピーク立ち下がり時間基本設定部１８は、ワイヤ送給速度指令をワイヤ送給モータ１９に出力する。このワイヤ送給速度指令は、設定電流設定部１３で設定された設定電流毎に適したピーク時間Ｔｐ、立ち上がり時間Ｔｒ及び立ち下がり時間Ｔｆによる台形波状の正送と逆送を繰り返すものである。
なお、アーク溶接装置の溶接制御についての説明は、実施の形態１のアーク溶接装置と同様であるため割愛する。
以上のように、本実施の形態２によれば、ワイヤ送給速度を正送と逆送を台形波状に周期的に繰り返して短絡状態とアーク状態を周期的に発生させて溶接を行う制御方法において、設定電流毎に適したワイヤ送給速度の平均送給速度に周波数Ｆおよび速度振幅ＡＶと、ピーク時間Ｔｐ、立ち上がり時間Ｔｒ及び立ち下がり時間Ｔｆを設定する。これにより、低電流（例えば、３０Ａ）から高電流（例えば、３５０Ａ）までの広い範囲の設定電流に対して対応することができる。
また、ワイヤ送給速度の正送と逆送は台形波状であることから、矩形波状とは異なり、ワイヤ送給モータ１９やギヤなどのモータ周辺部品への負荷が小さく、矩形波状の場合に比べてこれらの寿命を長くすることができる。
なお、本実施の形態では、設定電流に基づいてピーク時間Ｔｐ、立ち上がり時間Ｔｒ及び立ち下がり時間Ｔｆを決定する例を示した。しかしながら、設定電流はワイヤ送給速度やワイヤ送給量と比例の関係にあり、設定電流に替えてワイヤ送給速度やワイヤ送給量に基づいてピーク時間Ｔｐ、立ち上がり時間Ｔｒ及び立ち下がり時間Ｔｆを決定するようにしても同様の効果を得ることができる。
なお、図６で示したアーク溶接装置を構成する各構成部は、各々単独に構成してもよいし、複数の構成部を複合して構成するようにしてもよい。
本発明によれば、溶接速度の高速化および突出し長さの変化や被溶接物間のギャップなどの外乱に対して、アーク不安定によるビード欠陥、スパッタ増加、溶け込み不良等の問題を最小限に留めることができる。これにより、生産効率や作業環境への悪影響を抑えることが可能であり、例えば消耗電極式アーク溶接の施工を行う、自動車などの薄板での高速溶接を主としている業界で使用するアーク溶接方法およびアーク溶接装置として産業上有用である。
１ 入力電源
２ １次整流部
３ スイッチング素子
４ トランス
５ ２次整流部
６ ＤＣＬ
７ 駆動部
８ 溶接電圧検出部
９ 溶接電流検出部
１０ 状態検出部
１１ 短絡制御部
１２ アーク制御部
１３ 設定電流設定部
１４ 周波数基本設定部
１５ 速度振幅基本設定部
１６ ピーク時間基本設定部
１７ ピーク立ち上がり時間基本設定部
１８ ピーク立ち下がり時間基本設定部
１９ ワイヤ送給モータ
２０ 溶接ワイヤ
２１ 溶接チップ
２２ 溶接アーク
２３ 被溶接物
２４ 平均送給速度設定部
本発明は、消耗電極である溶接ワイヤを正送と逆送に繰り返しながら短絡状態とアーク状態とを交互に発生させて溶接を行うアーク溶接方法およびアーク溶接装置に関する。
溶接作業工程でのロス工程であるスパッタ除去工程を少なくするために、スパッタ低減を目的として、溶接ワイヤ送給速度について正送と逆送とを繰り返して、短絡状態とアーク状態とを交互に発生させて行う消耗電極式アーク溶接が、従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。
図７は、従来のアーク溶接制御方法において、ワイヤ送給速度と溶接出力の時間的な変化に対する時間波形を示す図である。
例えば、消耗電極である溶接ワイヤを送給しながら、短絡状態とアーク状態とを交互に発生させて溶接を行うアーク溶接制御方法に関し、下記の方法が知られている。すなわち、ワイヤ送給速度について正送と逆送とを周期的に繰り返すようワイヤ送給モータを制御する送給速度制御器と、この送給速度制御器の増減信号を受けて、図７に示すようにワイヤ供給量が少ない期間は溶接出力が低出力に、ワイヤ供給量が多い期間は溶接出力が高出力になるよう制御する出力制御器とを設けた構成としていた。これにより、短絡状態の時、ワイヤ溶融塊の移行力としてワイヤ送給速度を減じることによる離脱力を利用でき、スパッタ発生の主要な原因とする短絡電流を低減しても安定した短絡移行溶接が持続できるものである。
ワイヤ送給速度を正送と逆送に周期的に繰り返して、短絡状態とアーク状態とを交互に発生させる制御方法において、逆送時に被溶接物と溶接ワイヤの短絡状態を主に機械的に開放させる場合を考える。そのためには、ワイヤ送給速度の平均送給速度よりも大きな送給速度で、ワイヤ送給速度を逆送させる必要があり、それを実現するための速度振幅を設定する必要がある。
設定電流とワイヤ送給速度が比例の関係にあることは一般的に知られている。そして、周期的なワイヤ送給速度の制御においても、ワイヤ送給速度の平均送給速度を設定電流に同期（比例）させることが考えられる。そして、設定電流が高い程、平均送給速度は速くなる。そのため、周期的なワイヤ送給の速度振幅も平均送給速度に同期（比例）して大きくする必要がある。なお、周期的なワイヤ送給を行う際に、ワイヤ送給を行うモータの負荷限界に至るなどの場合は、周期的なワイヤ送給の周波数を下げるなどして、ワイヤ送給を行うモータやギヤなどのモータ周辺部品への負荷を軽減させる必要がある。
しかし、設定電流に関係なく一定の周波数および速度振幅であるならば、特定の設定電流のみにしか対応できない、すなわち、特定の設定電流範囲でしか溶接を行うことができず、設定電流に応じた溶接を行えないといった課題がある。
特開昭６２−６７７５号公報
本発明は、上記課題を解決するもので、ワイヤ送給速度を正送と逆送に周期的に繰り返して、短絡状態とアーク状態とを周期的に発生させて溶接を行うアーク溶接制御方法において、設定電流に応じた溶接を行うことができるアーク溶接方法およびアーク溶接装置を提供する。
本発明のアーク溶接方法は、設定電流に応じた溶接ワイヤ送給速度を平均送給速度とし、所定の周波数と所定の速度振幅で溶接ワイヤの正送と逆送とを周期的に繰り返して、短絡状態とアーク状態とを発生させて溶接を行う消耗電極式のアーク溶接方法であって、上記所定の周波数および上記所定の速度振幅のうちの少なくともいずれかを、上記設定電流に応じた値とした方法からなる。
この方法により、設定電流毎に適した周波数や速度振幅などを設定することにより、設定電流に応じた溶接を行うことができる。これにより、溶接速度の高速化および突出し長さの変化や被溶接物間のギャップなどの外乱に対して、アーク不安定によるビード欠陥、スパッタ増加、溶け込み不良等の問題を最小限に留めることができる。また、生産効率や作業環境への悪影響を抑えることができ、良好なアーク溶接方法を実現できる。
また、本発明のアーク溶接装置は、消耗電極である溶接ワイヤと被溶接物との間でアーク状態と短絡状態とを繰り返して溶接を行うアーク溶接装置であって、設定電流を設定するための設定電流設定部と、設定電流に基づいて溶接ワイヤを正送と逆送の方向に周期的に繰り返し送給制御する平均送給速度となる溶接ワイヤ送給速度を決定する平均送給速度設定部と、設定電流に基づいて溶接ワイヤを正送と逆送の方向に周期的に繰り返し送給制御するための周波数を決定する周波数基本設定部と、設定電流に基づいて溶接ワイヤを正送と逆送の方向に周期的に繰り返し送給制御するための速度振幅を決定する速度振幅基本設定部と、溶接出力を制御するスイッチング素子と、溶接電圧を検出する溶接電圧検出部と、溶接電圧検出部の検出結果に基づいて、短絡状態またはアーク状態であることを検出する状態検出部と、状態検出部からの短絡の信号を受けて短絡状態である短絡期間に短絡電流の制御を行う短絡制御部と、状態検出部からのアークの信号を受けてアーク状態であるアーク期間にアーク電圧の制御を行うアーク制御部と、を備え、設定電流に基づいた周波数および速度振幅で溶接ワイヤを送給して溶接を行う構成からなる。
この構成により、設定電流毎に適した周波数や速度振幅などを設定することにより、設定電流に応じた溶接を行うことができる。これにより、溶接速度の高速化および突出し長さの変化や被溶接物間のギャップなどの外乱に対して、アーク不安定によるビード欠陥、スパッタ増加、溶け込み不良等の問題を最小限に留めることができる。また、生産効率や作業環境への悪影響を抑えることができ、良好なアーク溶接装置を実現できる。
以上のように、本発明によれば、ワイヤ送給を正送と逆送とに周期的に繰り返して、短絡状態とアーク状態とを周期的に発生させて行う溶接において、設定電流毎に適した周波数や速度振幅などを設定する。これにより、広い設定電流の範囲で、設定電流に応じた溶接を行うことができる。その結果、ワイヤ送給を行うモータやギヤなどのモータ周辺部品への負荷なども軽減できる。
本発明の実施の形態１におけるワイヤ送給速度、溶接電圧及び溶接電流の時間波形を示す図 本発明の実施の形態１における設定電流に対するワイヤ送給速度の速度振幅の関係の一例を示す図 本発明の実施の形態１における設定電流に対するワイヤ送給の周波数の関係の一例を示す図 本発明の実施の形態１におけるアーク溶接装置の概略構成を示す構成図 本発明の実施の形態２におけるワイヤ送給速度、溶接電圧及び溶接電流の時間波形を示す図 本発明の実施の形態２におけるアーク溶接装置の概略構成を示す構成図 従来のワイヤ送給速度と溶接出力の時間波形を示す図
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同じ構成要素については同じ符号を付しているので説明を省略する場合がある。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
本実施の形態では、先ず、アーク溶接方法について説明し、その後、アーク溶接装置について説明する。
図１は、本発明の実施の形態１におけるワイヤ送給速度、溶接電圧及び溶接電流の時間波形を示す図である。図１に示すように、短絡状態とアーク状態とを交互に繰り返す消耗電極式のアーク溶接における、ワイヤ送給速度、溶接電流及び溶接電圧の時間波形を示し、これらの時間的な関係を示している。
図１において、Ｐ１は、短絡を開始した時点を示している。短絡初期電流ＩＳ０が所定時間出力した後、短絡電流の第１段目の増加傾き（ｄｉ1／ｄｔ）（以下、図１に示す「ＩＳ１」とする。）を持つ短絡電流が出力され、続けて短絡電流の第２段目の増加傾き（ｄｉ2／ｄｔ）（以下、図１に示す「ＩＳ２」とする。）を持つ短絡電流が出力される。その後、溶融プールと溶接ワイヤ先端との間に出来上がった溶滴のくびれが検出されると、溶接電流は、低電流に瞬時に移行する。Ｐ２は、溶接電流が低電流に移行した後の、溶滴のくびれが離れ、短絡状態が終了して、アークが発生した時点を示している。Ｐ２からのアーク期間Ｔａにおいて、アーク発生直後にピーク電流ＩＰの溶接電流を出力する。その後、ピーク電流ＩＰからベース電流ＩＢへ移行するのは、電流制御でも電圧制御でもどちらの制御でも可能な期間であり、ベース電流ＩＢに移行した段階で次の短絡を待つことになる。Ｐ３は、次の短絡が発生した時点を示している。なお、Ｐ３から次の短絡期間Ｔｓが開始される。
また、図１では、所定の周波数Ｆと所定の速度振幅ＡＶで基本波形である正弦波状に正送と逆送とを周期的に繰り返すワイヤ送給制御を行っている。周波数の逆数である周期Ｔは、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとの和で表される。正送側のピーク時ＰＰではＰ１周辺で短絡が発生し、逆送側のピーク時ＮＰでは、Ｐ２周辺でアークが発生することになる。また、Ｐ２の後の正送のピーク時ＰＰにＰ３周辺で次の短絡が発生する。
以上のように、Ｐ１からＰ３までを制御の１周期とし、これを繰り返して溶接を行う。このように短絡状態またはアーク状態の発生は、基本的にワイヤ送給速度の正送と逆送とを周期的に繰り返すワイヤ送給制御に依存するものである。
次に、正送と逆送を繰り返し行う溶接における設定電流に適した速度振幅ＡＶの設定の方法について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態１における設定電流に対する、ワイヤ送給速度の速度振幅の関係の一例を示す図である。
図２において、例えば、設定電流が６０Ａの場合は、速度振幅ＡＶは１５ｍ／分である。そして、設定電流の増加に応じて速度振幅ＡＶも増加し、設定電流が２４０Ａまで増加すると、速度振幅は３０ｍ／分まで増加する必要がある。その理由は、設定電流が大きくなっても、実際に被溶接物とワイヤ先端の距離を例えば１ｍｍ〜５ｍｍ程度の所定の距離を確保して安定して逆送するために必要であるからである。なぜなら、設定電流が増加するとワイヤ送給速度の平均送給速度も増加する。このため、速度振幅ＡＶが一定であると逆送の送給期間が短くなってしまう。したがって、逆送の距離が短くなるために実際に被溶接物とワイヤ先端の距離とを所定の距離だけ確保し難くなる。そうすると、設定電流に同期して速度振幅ＡＶを大きくしないと、溶接ワイヤの逆送の期間、すなわち逆送の距離を所定の距離だけ確保できないためである。
なお、図２に示す特性は、溶接対象物や溶接条件等に応じて実験等により予め求めておくことができるものである。
次に、正送と逆送とを繰り返し行う溶接の設定電流に適した周波数Ｆの設定の方法について、図３を用いて以下に説明する。図３は、本発明の実施の形態１における設定電流に対するワイヤ送給の周波数の関係の一例を示す図である。
図３において、例えば、設定電流が１８０Ａまでは周波数は６０Ｈｚで一定とするが、設定電流が１８０Ａを超えると設定電流の増加とは逆に周波数が低くなる。さらに設定電流が２４０Ａまで増加すると周波数は４０Ｈｚまで低くする必要がある場合がある。
その理由は、設定電流が増加してくると、上述のように速度振幅ＡＶを上げる必要があるため、周波数Ｆを下げる必要が出てくる可能性がある。なぜなら、速度振幅を上げることによって、溶接ワイヤ速度の変化率（溶接ワイヤ送給の加速度）が大きくなりワイヤ送給モータやギヤなどが溶接ワイヤの送給に大きい力が必要となる。これにより、ワイヤ送給モータやギヤなどのモータ周辺部品の負荷が増えてしまう。そこで、この負荷を軽減するため、周波数Ｆを抑えて低くすることで、溶接ワイヤ速度の変化率を緩やかにして対応することができる。
なお、ワイヤ送給モータやギヤなどのモータ周辺部品に対する大きい負荷が、モータ周辺部品に影響がない場合であれば、周波数Ｆを一定に維持することも、周波数Ｆをさらに上げていくことも何ら問題ない。
例えば、図２に示す速度振幅ＡＶと図３に示す周波数Ｆは、設定電流が１８０Ａまでは速度振幅が１５ｍ／分から２５ｍ／分に増加するものの、周波数は６０Ｈｚで問題ない。しかし、設定電流が２４０Ａでは速度振幅が３０ｍ／分まで増加すると周波数は４０Ｈｚまで下げてワイヤ送給モータやギヤなどのモータ周辺部品への負荷を抑えることが必要な場合もある。
また、図２や図３では、設定電流に対する速度振幅ＡＶの関係や設定電流に対する周波数の関係が１次関数である例を示しているが、これに限らず、例えば２次関数など１次関数以外でも良い。
また、図２や図３に示すように、設定電流に対する速度振幅ＡＶや周波数Ｆには、各々に上限値または下限値のうち少なくともいずれかを設けるようにしても良い。上限値を設ける理由は、例えば、ワイヤ送給モータの使用限界にならないようにして、ワイヤ送給モータを安全に使用するためである。また、下限値を設ける理由は、例えば、適切なアーク溶接の状態を維持して溶接性を確保するためである。
なお、図２や図３に示す設定電流に応じた速度振幅ＡＶや周波数Ｆは、設定電流と、送給する消耗電極ワイヤのワイヤ径、ワイヤの種類、ワイヤの突出長、供給するシールドガス、のうちの少なくとも１つとに基づいて設定される。
上述したように、本発明のアーク溶接方法は、設定電流に応じた溶接ワイヤ送給速度を平均送給速度とし、所定の周波数Ｆと所定の速度振幅ＡＶで溶接ワイヤの正送と逆送とを周期的に繰り返して、短絡状態とアーク状態とを発生させて溶接を行う消耗電極式のアーク溶接方法であって、所定の周波数Ｆおよび所定の速度振幅ＡＶのうちの少なくともいずれかを、設定電流に応じた値とした方法からなる。
この方法により、設定電流毎に適した周波数Ｆや速度振幅ＡＶなどを設定することにより、設定電流に応じた溶接を行うことができる。これにより、溶接速度の高速化および突出し長さの変化や被溶接物間のギャップなどの外乱に対して、アーク不安定によるビード欠陥、スパッタ増加、溶け込み不良等の問題を最小限に留めることができる。また、生産効率や作業環境への悪影響を抑えることができ、良好なアーク溶接方法を実現できる。
また、溶接ワイヤ送給速度を正弦波状に変化させて溶接ワイヤの送給を行う方法としてもよい。この方法により、矩形波状とは異なりワイヤ送給モータやギヤなどのモータ周辺部品への負荷の時間的な変化が小さく、矩形波状の場合に比べてこれらの寿命を長くすることができる。
また、設定電流に応じた溶接電流のピーク時間、立ち上がり時間および立ち下がり時間のうちの少なくともいずれかの時間により溶接を行う方法としてもよい。この方法により、さらに安定して制御できるアーク溶接方法が実現できる。すなわち、スパッタの大幅な増加や、アークが不安定になることを防止し、安定なアーク溶接方法が実現できる。
また、設定電流に応じた溶接電流のピーク時間、立ち上がり時間および立ち下がり時間のうちの少なくともいずれかに上限値および下限値のうちの少なくともいずれかを設けた方法としてもよい。
この方法により、ワイヤ送給モータなどの部品を安全に使用することができる、あるいは、適切なアーク溶接の状態を維持して溶接性を確保することができる。
次に、本実施の形態１のアーク溶接制御を行うアーク溶接装置について、図４を用いて説明する。図４は、本実施の形態１におけるアーク溶接装置の概略構成を示す構成図である。
図４に示すように、本実施の形態１のアーク溶接装置は、消耗電極である溶接ワイヤ２０と被溶接物２３との間でアーク状態と短絡状態とを繰り返して溶接を行うアーク溶接装置である。そして、このアーク溶接装置は、設定電流設定部１３と、平均送給速度設定部２４と、周波数基本設定部１４と、速度振幅基本設定部１５と、スイッチング素子３と、溶接電圧検出部８と、状態検出部１０と、短絡制御部１１と、アーク制御部１２と、を備え、設定電流に基づいた周波数Ｆおよび速度振幅ＡＶで溶接ワイヤ２０を送給して溶接を行う構成からなる。ここで、設定電流設定部１３は、設定電流を設定する。平均送給速度設定部２４は、設定電流に基づいて溶接ワイヤ２０を正送と逆送の方向に周期的に繰り返し送給制御する平均送給速度となる溶接ワイヤ送給速度を決定する。周波数基本設定部１４は、設定電流に基づいて溶接ワイヤ２０を正送と逆送の方向に周期的に繰り返し送給制御するための周波数Ｆを決定する。速度振幅基本設定部１５は、設定電流に基づいて溶接ワイヤ２０を正送と逆送の方向に周期的に繰り返し送給制御するための速度振幅ＡＶを決定する。スイッチング素子３は、溶接出力を制御し、溶接電圧検出部８は、溶接電圧を検出する。状態検出部１０は、溶接電圧検出部８の検出結果に基づいて、短絡状態またはアーク状態であることを検出する。短絡制御部１１は、状態検出部１０からの短絡の信号を受けて短絡状態である短絡期間Ｔｓに短絡電流の制御を行う。アーク制御部１２は、状態検出部１０からのアークの信号を受けてアーク状態であるアーク期間Ｔａにアーク電圧の制御を行う。
この構成により、設定電流毎に適した周波数や速度振幅などを設定することにより、後述するように設定電流に応じた溶接を行うことができる。これにより、溶接速度の高速化および突出し長さの変化や被溶接物２３間のギャップなどの外乱に対して、アーク不安定によるビード欠陥、スパッタ増加、溶け込み不良等の問題を最小限に留めることができる。また、生産効率や作業環境への悪影響を抑えることができ、良好なアーク溶接装置を実現できる。
次に本実施の形態１のアーク溶接装置の基本的な動作について説明する。図４に示すように、入力電源１からの電力は１次整流部２で整流され、スイッチング素子３により、例えば交流電圧に変換される。この交流電圧は、トランス４により降圧され、２次整流部５およびインダクタであるＤＣＬ６により整流される。そして、直流電圧は、溶接チップ２１を通る溶接ワイヤ２０と被溶接物２３との間に印加されて溶接アーク２２が被溶接物２３に対して発生する。
また、アーク溶接装置は、スイッチング素子３を制御するための駆動部７と、溶接ワイヤ２０に直流電圧を印加する溶接用電源出力端子間に接続されている溶接電圧検出部８と、溶接出力電流を検出する溶接電流検出部９と、を備えている。そして、アーク溶接装置は、溶接電圧検出部８からの信号に基づいて短絡またはアークを発生しているかを判定する状態検出部１０と、状態検出部１０から短絡の信号を受けて短絡期間Ｔｓに短絡電流の制御を行う短絡制御部１１と、を備えている。そして、アーク溶接装置は、状態検出部１０からのアークの信号を受けてアーク期間Ｔａにアーク電圧の制御を行うアーク制御部１２と、電流を設定するための設定電流設定部１３とを備えている。
また、設定電流設定部１３で設定した設定電流毎に適したワイヤ送給の周波数Ｆは、周波数基本設定部１４で決定し、ワイヤ送給の速度振幅ＡＶは、速度振幅基本設定部１５で決定される。ワイヤ送給の平均送給速度は、平均送給速度設定部２４で決定される。そして、周波数基本設定部１４の出力、速度振幅基本設定部１５の出力及び平均送給速度設定部２４の出力は、ワイヤ送給モータ１９に入力され、溶接ワイヤ２０の送給が制御される。なお、周波数基本設定部１４には、設定電流と周波数Ｆとを関係付けたテーブルあるいは関係式が設けられており、設定電流に基づいて、このテーブルなどから周波数Ｆが決定される。また、速度振幅基本設定部１５には、設定電流と速度振幅とを関係付けたテーブルあるいは関係式が設けられており、設定電流に基づいて、このテーブルなどから速度振幅ＡＶが決定される。また、平均送給速度設定部２４には、設定電流と平均送給速度とを関係付けたテーブルあるいは関係式が設けられており、設定電流に基づいて、このテーブルなどから平均送給速度が決定される。
まず、アーク溶接装置のワイヤ送給制御について、以下に具体的に説明する。ワイヤ送給の周波数基本設定部１４とワイヤ送給の速度振幅基本設定部１５は、設定電流設定部１３で設定される設定電流毎に、ワイヤ送給速度指令をワイヤ送給モータ１９に出力する。ワイヤ送給速度指令は、この設定電流の電流値に適したワイヤ送給速度の平均送給速度に応じて、周波数Ｆと速度振幅ＡＶによる正弦波状の正送と逆送とを繰り返す指令である。なお、設定電流毎に設定される周波数Ｆおよび速度振幅ＡＶとの関係は、例えば、図示しない記憶部に、テーブルあるいは数式として記憶されており、設定電流に基づいてこのテーブルを利用して決定される。
次に、アーク溶接装置の溶接制御について、以下に具体的に説明する。図４に示すように、溶接電圧検出部８は、アーク溶接装置の出力端子間に接続され、検出した電圧に対応した信号を状態検出部１０に出力する。状態検出部１０は、溶接電圧検出部８からの信号に基づいて、溶接出力電圧が一定値以上か未満かを判定する。この判定結果により、溶接ワイヤ２０が被溶接物２３に接触し短絡している短絡状態であるのか、それとも非接触状態で溶接アークを発生しているアーク状態であるのかを判定し、判定信号が、短絡制御部１１やアーク制御部１２に出力される。
そして、短絡制御部１１は、設定した設定電流に基づいて短絡初期電流ＩＳ０に続き、短絡電流の第１段目の増加傾きＩＳ１と、短絡電流の第１段目の増加傾きＩＳ１に続く短絡電流の第２段目の増加傾きＩＳ２を出力するように駆動部７に指令を出力する。
また、アーク制御部１２は、アーク期間Ｔａにピーク電流ＩＰ及びベース電流ＩＢを所定時間の間、出力するように駆動部７に指令を出力する。なお、アーク期間Ｔａにおいて、ピーク電流ＩＰからベース電流ＩＢへ移行する期間の制御は、電圧制御または電流制御のどちらの制御でもよい。
以上のように、設定電流毎に正送と逆送とを周期的に繰り返す周波数Ｆおよび速度振幅ＡＶを設定することにより、低電流（例えば、３０Ａ）から高電流（例えば、３５０Ａ）まで対応して、設定電流を広い範囲の所望の電流値に設定して溶接を行うことができる。
なお、図４で示したアーク溶接装置を構成する各構成部は、各々単独に構成してもよいし、複数の構成部を複合して構成するようにしてもよい。
以上のように、本実施の形態１のアーク溶接装置によれば、ワイヤ送給速度を正送と逆送について、例えば正弦波状に、周期的に繰り返して、短絡状態とアーク状態とを周期的に発生させて溶接を行う。このような制御方法による溶接動作において、設定電流毎に適したワイヤ送給速度の平均送給速度に周波数Ｆおよび速度振幅ＡＶを設定する。これにより、低電流から高電流までの設定電流に対応して安定したアーク溶接を行うことができる。
また、ワイヤ送給速度の正送と逆送を、例えば正弦波状とした場合には、矩形波状とは異なり、ワイヤ送給モータやギヤなどのモータ周辺部品への負荷の時間的な変化が連続で小さい。したがって、負荷の時間的な変化が不連続で大きくなることがある矩形波状の場合に比べて、ワイヤ送給モータやギヤなどのモータ周辺部品に過大な負荷が急激にかかることがなく、これらのモータ周辺部品の寿命を長くすることができる。
なお、本実施の形態１では、設定電流に基づいて周期的に行うワイヤ送給の周波数Ｆや速度振幅ＡＶを決定する例を示した。しかしながらが、設定電流はワイヤ送給速度やワイヤ送給量と比例の関係にあり、設定電流に替えてワイヤ送給速度やワイヤ送給量に基づいて周波数Ｆや速度振幅ＡＶを決定するようにしても同様の効果を得ることができる。
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２におけるワイヤ送給速度、溶接電圧及び溶接電流の時間波形を示す図である。
本実施の形態２において、実施の形態１と異なる主な点は、ワイヤ送給が正弦波状ではなく、台形波状である点である。そして、設定電流に基づいて台形波状のワイヤ送給制御のピーク時間Ｔｐ、立ち上がり時間Ｔｒおよび立ち下がり時間Ｔｆのうちの少なくともいずれかを決定するようにした点である。
すなわち、本実施の形態２のアーク溶接方法は、設定電流に応じた溶接ワイヤ送給速度を平均送給速度とし、所定の周波数Ｆと所定の速度振幅ＡＶで溶接ワイヤの正送と逆送とを周期的に繰り返して、短絡状態とアーク状態とを発生させて溶接を行う消耗電極式のアーク溶接方法である。そして、このアーク溶接方法は、所定の周波数Ｆおよび所定の速度振幅ＡＶのうちの少なくともいずれかを、設定電流に応じた値とし、溶接ワイヤ送給速度を台形波状に変化させて溶接ワイヤの送給を行う方法としている。
この方法により、設定電流毎に適した周波数Ｆや速度振幅ＡＶなどを設定することにより、設定電流に応じた溶接を行うことができる。これにより、溶接速度の高速化および突出し長さの変化や被溶接物間のギャップなどの外乱に対して、アーク不安定によるビード欠陥、スパッタ増加、溶け込み不良等の問題を最小限に留めることができる。また、生産効率や作業環境への悪影響を抑えることができ、良好なアーク溶接方法を実現できる。
なお、ワイヤ送給が所定の周波数Ｆと速度振幅ＡＶで正送と逆送を周期的に繰り返す制御であれば、このように台形波状でも正弦波状と同様の性能を出すことができる。
正弦波状の制御と異なる点は、台形波状のピーク時間Ｔｐ、立ち上がり時間Ｔｒ及び立ち下がり時間Ｔｆを設定電流毎に適した値が設定できることである。
図５に示すワイヤ送給制御は、所定の周波数Ｆと速度振幅ＡＶで基本波形である台形波状に正送と逆送を周期的に繰り返すワイヤ送給制御である。そして、このワイヤ送給制御は、正送側または逆送側のピーク時にピーク時間Ｔｐを設け、さらにピーク送給速度への立ち上がり時間Ｔｒとピーク送給速度から立ち下がり時間Ｔｆを追加し、設定電流毎に適した値を決定できるものである。
設定電流毎に適したパラメータを調整できる数が増えることで、被溶接物２３と溶接ワイヤ２０の先端との距離を所定の距離に確保し易くなる。
なお、図示していないが、設定電流とピーク時間Ｔｐとの関係、設定電流と立ち上がり時間Ｔｒとの関係、設定電流と立ち下がり時間Ｔｆとの関係は、１次関数でも、２次関数など１次関数以外でも良い。
また、図示していないが、ピーク時間Ｔｐ、立ち上がり時間Ｔｒ及び立ち下がり時間Ｔｆのうちの少なくともいずれかには、上限値及び下限値のうちの少なくともいずれかを設けるようにしても良い。
また、設定電流に対するピーク時間Ｔｐ、立ち上がり時間Ｔｒ及び立ち下がり時間Ｔｆは、設定電流と、送給する消耗電極ワイヤのワイヤ径、ワイヤの種類、ワイヤ突出長及び供給するシールドガスのうちの少なくとも１つとに基づいて設定される。
次に、本実施の形態２のアーク溶接装置の制御について、図６を用いて具体的に説明する。図６は、本発明の実施の形態２におけるアーク溶接装置の概略構成を示す構成図である。なお、実施の形態１において図４を用いて説明したアーク溶接装置と異なる主な点は、ピーク時間基本設定部１６と、ピーク立ち上がり時間基本設定部１７と、ピーク立ち下がり時間基本設定部１８を設けた点である。
すなわち、本発明のアーク溶接装置は、実施の形態1の図４に示すアーク溶接装置に加えて、平均送給速度設定部２４は、溶接ワイヤ２０を正送と逆送に台形波状に周期的に繰り返し送給制御するための周波数を決定し、速度振幅基本設定部１５は、溶接ワイヤ２０を正送と逆送に台形波状に周期的に繰り返し送給制御するための速度振幅を決定する。そして、本実施の形態２のアーク溶接装置は、ピーク時間基本設定部１６と、ピーク立ち上がり時間基本設定部１７と、ピーク立ち下がり時間基本設定部１８と、を備え、設定電流に基づいたピーク時間、立ち上がり時間および立ち下がり時間のうちの少なくともいずれかの時間で溶接ワイヤ２０を送給して溶接を行う構成としている。ここで、ピーク時間基本設定部１６は、設定電流に基づいて、台形波状のピーク時間Ｔｐを決定する。ピーク立ち上がり時間基本設定部１７は、設定電流に基づいて、台形波状の立ち上がり時間Ｔｒを決定する。ピーク立ち下がり時間基本設定部１８は、設定電流に基づいて台形波状の立ち下がり時間Ｔｆを決定する。
この構成により、設定電流毎に適した周波数や速度振幅などを設定することにより、設定電流に応じた溶接を行うことができる。これにより、溶接速度の高速化および突出し長さの変化や被溶接物２３間のギャップなどの外乱に対して、アーク不安定によるビード欠陥、スパッタ増加、溶け込み不良等の問題を最小限に留めることができる。また、生産効率や作業環境への悪影響を抑えることができ、良好なアーク溶接装置を実現できる。
なお、設定電流設定部１３で設定した設定電流毎に適したピーク時間Ｔｐは、ピーク時間基本設定部１６で決定される。立ち上がり時間Ｔｒは、ピーク立ち上がり時間基本設定部１７で決定され、立ち下がり時間Ｔｆは、ピーク立ち下がり時間基本設定部１８で決定される。そして、ピーク時間基本設定部１６の出力、ピーク立ち上がり時間基本設定部１７の出力及びピーク立ち下がり時間基本設定部１８の出力は、ワイヤ送給モータ１９に入力され、溶接ワイヤ２０の送給が制御される。
また、ピーク時間基本設定部１６には、設定電流とピーク時間Ｔｐとを関係付けたテーブルあるいは関係式が設けられており、このテーブルなどを利用し設定電流に基づいて、ピーク時間Ｔｐは決定される。また、ピーク立ち上がり時間基本設定部１７には、設定電流と立ち上がり時間Ｔｒとを関係付けたテーブルあるいは関係式が設けられており、このテーブルなどを利用し設定電流に基づいて、立ち上がり時間Ｔｒは決定される。また、ピーク立ち下がり時間基本設定部１８には、設定電流と立ち下がり時間Ｔｆとを関係付けたテーブルあるいは関係式が設けられており、このテーブルなどを利用し設定電流に基づいて、立ち下がり時間Ｔｆは決定される。
次に、アーク溶接装置のワイヤ送給制御について、以下に説明する。台形波状のワイヤ送給制御を行うためのピーク時間基本設定部１６、ピーク立ち上がり時間基本設定部１７及びピーク立ち下がり時間基本設定部１８は、ワイヤ送給速度指令をワイヤ送給モータ１９に出力する。このワイヤ送給速度指令は、設定電流設定部１３で設定された設定電流毎に適したピーク時間Ｔｐ、立ち上がり時間Ｔｒ及び立ち下がり時間Ｔｆによる台形波状の正送と逆送を繰り返すものである。
なお、アーク溶接装置の溶接制御についての説明は、実施の形態１のアーク溶接装置と同様であるため割愛する。
以上のように、本実施の形態２によれば、ワイヤ送給速度を正送と逆送を台形波状に周期的に繰り返して短絡状態とアーク状態を周期的に発生させて溶接を行う制御方法において、設定電流毎に適したワイヤ送給速度の平均送給速度に周波数Ｆおよび速度振幅ＡＶと、ピーク時間Ｔｐ、立ち上がり時間Ｔｒ及び立ち下がり時間Ｔｆを設定する。これにより、低電流（例えば、３０Ａ）から高電流（例えば、３５０Ａ）までの広い範囲の設定電流に対して対応することができる。
また、ワイヤ送給速度の正送と逆送は台形波状であることから、矩形波状とは異なり、ワイヤ送給モータ１９やギヤなどのモータ周辺部品への負荷が小さく、矩形波状の場合に比べてこれらの寿命を長くすることができる。
なお、本実施の形態では、設定電流に基づいてピーク時間Ｔｐ、立ち上がり時間Ｔｒ及び立ち下がり時間Ｔｆを決定する例を示した。しかしながら、設定電流はワイヤ送給速度やワイヤ送給量と比例の関係にあり、設定電流に替えてワイヤ送給速度やワイヤ送給量に基づいてピーク時間Ｔｐ、立ち上がり時間Ｔｒ及び立ち下がり時間Ｔｆを決定するようにしても同様の効果を得ることができる。
なお、図６で示したアーク溶接装置を構成する各構成部は、各々単独に構成してもよいし、複数の構成部を複合して構成するようにしてもよい。
本発明によれば、溶接速度の高速化および突出し長さの変化や被溶接物間のギャップなどの外乱に対して、アーク不安定によるビード欠陥、スパッタ増加、溶け込み不良等の問題を最小限に留めることができる。これにより、生産効率や作業環境への悪影響を抑えることが可能であり、例えば消耗電極式アーク溶接の施工を行う、自動車などの薄板での高速溶接を主としている業界で使用するアーク溶接方法およびアーク溶接装置として産業上有用である。
１ 入力電源
２ １次整流部
３ スイッチング素子
４ トランス
５ ２次整流部
６ ＤＣＬ
７ 駆動部
８ 溶接電圧検出部
９ 溶接電流検出部
１０ 状態検出部
１１ 短絡制御部
１２ アーク制御部
１３ 設定電流設定部
１４ 周波数基本設定部
１５ 速度振幅基本設定部
１６ ピーク時間基本設定部
１７ ピーク立ち上がり時間基本設定部
１８ ピーク立ち下がり時間基本設定部
１９ ワイヤ送給モータ
２０ 溶接ワイヤ
２１ 溶接チップ
２２ 溶接アーク
２３ 被溶接物
２４ 平均送給速度設定部
本発明は、消耗電極である溶接ワイヤを正送と逆送に繰り返しながら短絡状態とアーク状態とを交互に発生させて溶接を行うアーク溶接方法およびアーク溶接装置に関する。
溶接作業工程でのロス工程であるスパッタ除去工程を少なくするために、スパッタ低減を目的として、溶接ワイヤ送給速度について正送と逆送とを繰り返して、短絡状態とアーク状態とを交互に発生させて行う消耗電極式アーク溶接が、従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。
図７は、従来のアーク溶接制御方法において、ワイヤ送給速度と溶接出力の時間的な変化に対する時間波形を示す図である。
例えば、消耗電極である溶接ワイヤを送給しながら、短絡状態とアーク状態とを交互に発生させて溶接を行うアーク溶接制御方法に関し、下記の方法が知られている。すなわち、ワイヤ送給速度について正送と逆送とを周期的に繰り返すようワイヤ送給モータを制御する送給速度制御器と、この送給速度制御器の増減信号を受けて、図７に示すようにワイヤ供給量が少ない期間は溶接出力が低出力に、ワイヤ供給量が多い期間は溶接出力が高出力になるよう制御する出力制御器とを設けた構成としていた。これにより、短絡状態の時、ワイヤ溶融塊の移行力としてワイヤ送給速度を減じることによる離脱力を利用でき、スパッタ発生の主要な原因とする短絡電流を低減しても安定した短絡移行溶接が持続できるものである。
ワイヤ送給速度を正送と逆送に周期的に繰り返して、短絡状態とアーク状態とを交互に発生させる制御方法において、逆送時に被溶接物と溶接ワイヤの短絡状態を主に機械的に開放させる場合を考える。そのためには、ワイヤ送給速度の平均送給速度よりも大きな送給速度で、ワイヤ送給速度を逆送させる必要があり、それを実現するための速度振幅を設定する必要がある。
設定電流とワイヤ送給速度が比例の関係にあることは一般的に知られている。そして、周期的なワイヤ送給速度の制御においても、ワイヤ送給速度の平均送給速度を設定電流に同期（比例）させることが考えられる。そして、設定電流が高い程、平均送給速度は速くなる。そのため、周期的なワイヤ送給の速度振幅も平均送給速度に同期（比例）して大きくする必要がある。なお、周期的なワイヤ送給を行う際に、ワイヤ送給を行うモータの負荷限界に至るなどの場合は、周期的なワイヤ送給の周波数を下げるなどして、ワイヤ送給を行うモータやギヤなどのモータ周辺部品への負荷を軽減させる必要がある。
しかし、設定電流に関係なく一定の周波数および速度振幅であるならば、特定の設定電流のみにしか対応できない、すなわち、特定の設定電流範囲でしか溶接を行うことができず、設定電流に応じた溶接を行えないといった課題がある。
特開昭６２−６７７５号公報
本発明は、上記課題を解決するもので、ワイヤ送給速度を正送と逆送に周期的に繰り返して、短絡状態とアーク状態とを周期的に発生させて溶接を行うアーク溶接制御方法において、設定電流に応じた溶接を行うことができるアーク溶接方法およびアーク溶接装置を提供する。
本発明のアーク溶接方法は、設定電流に応じた溶接ワイヤ送給速度を平均送給速度とし、所定の周波数と所定の速度振幅で溶接ワイヤの正送と逆送とを周期的に繰り返して、短絡状態とアーク状態とを発生させて溶接を行う消耗電極式のアーク溶接方法であって、上記所定の周波数および上記所定の速度振幅のうちの少なくともいずれかを、上記設定電流に応じた値とした方法からなる。
この方法により、設定電流毎に適した周波数や速度振幅などを設定することにより、設定電流に応じた溶接を行うことができる。これにより、溶接速度の高速化および突出し長さの変化や被溶接物間のギャップなどの外乱に対して、アーク不安定によるビード欠陥、スパッタ増加、溶け込み不良等の問題を最小限に留めることができる。また、生産効率や作業環境への悪影響を抑えることができ、良好なアーク溶接方法を実現できる。
また、本発明のアーク溶接装置は、消耗電極である溶接ワイヤと被溶接物との間でアーク状態と短絡状態とを繰り返して溶接を行うアーク溶接装置であって、
設定電流を設定するための設定電流設定部と、設定電流に基づいて溶接ワイヤを正送と逆送の方向に周期的に繰り返し送給制御する平均送給速度となる溶接ワイヤ送給速度を決定する平均送給速度設定部と、設定電流に基づいて溶接ワイヤを正送と逆送の方向に周期的に繰り返し送給制御するための周波数を決定する周波数基本設定部と、設定電流に基づいて溶接ワイヤを正送と逆送の方向に周期的に繰り返し送給制御するための速度振幅を決定する速度振幅基本設定部と、溶接出力を制御するスイッチング素子と、溶接電圧を検出する溶接電圧検出部と、溶接電圧検出部の検出結果に基づいて、短絡状態またはアーク状態であることを検出する状態検出部と、状態検出部からの短絡の信号を受けて短絡状態である短絡期間に短絡電流の制御を行う短絡制御部と、状態検出部からのアークの信号を受けてアーク状態であるアーク期間にアーク電圧の制御を行うアーク制御部と、を備え、設定電流に基づいた周波数および速度振幅で溶接ワイヤを送給して溶接を行う構成からなる。
この構成により、設定電流毎に適した周波数や速度振幅などを設定することにより、設定電流に応じた溶接を行うことができる。これにより、溶接速度の高速化および突出し長さの変化や被溶接物間のギャップなどの外乱に対して、アーク不安定によるビード欠陥、スパッタ増加、溶け込み不良等の問題を最小限に留めることができる。また、生産効率や作業環境への悪影響を抑えることができ、良好なアーク溶接装置を実現できる。
以上のように、本発明によれば、ワイヤ送給を正送と逆送とに周期的に繰り返して、短絡状態とアーク状態とを周期的に発生させて行う溶接において、設定電流毎に適した周波数や速度振幅などを設定する。これにより、広い設定電流の範囲で、設定電流に応じた溶接を行うことができる。その結果、ワイヤ送給を行うモータやギヤなどのモータ周辺部品への負荷なども軽減できる。
図1は、本発明の実施の形態１におけるワイヤ送給速度、溶接電圧及び溶接電流の時間波形を示す図である。 図２は、本発明の実施の形態１における設定電流に対するワイヤ送給速度の速度振幅の関係の一例を示す図である。 図３は、本発明の実施の形態１における設定電流に対するワイヤ送給の周波数の関係の一例を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態１におけるアーク溶接装置の概略構成を示す構成図である。 図５は、本発明の実施の形態２におけるワイヤ送給速度、溶接電圧及び溶接電流の時間波形を示す図である。 図６は、本発明の実施の形態２におけるアーク溶接装置の概略構成を示す構成図である。 図７は、従来のワイヤ送給速度と溶接出力の時間波形を示す図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同じ構成要素については同じ符号を付しているので説明を省略する場合がある。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
本実施の形態では、先ず、アーク溶接方法について説明し、その後、アーク溶接装置について説明する。
図１は、本発明の実施の形態１におけるワイヤ送給速度、溶接電圧及び溶接電流の時間波形を示す図である。図１に示すように、短絡状態とアーク状態とを交互に繰り返す消耗電極式のアーク溶接における、ワイヤ送給速度、溶接電流及び溶接電圧の時間波形を示し、これらの時間的な関係を示している。
図１において、Ｐ１は、短絡を開始した時点を示している。短絡初期電流ＩＳ０が所定時間出力した後、短絡電流の第１段目の増加傾き（ｄｉ１／ｄｔ）（以下、図１に示す「ＩＳ１」とする。）を持つ短絡電流が出力され、続けて短絡電流の第２段目の増加傾き（ｄｉ２／ｄｔ）（以下、図１に示す「ＩＳ２」とする。）を持つ短絡電流が出力される。その後、溶融プールと溶接ワイヤ先端との間に出来上がった溶滴のくびれが検出されると、溶接電流は、低電流に瞬時に移行する。Ｐ２は、溶接電流が低電流に移行した後の、溶滴のくびれが離れ、短絡状態が終了して、アークが発生した時点を示している。Ｐ２からのアーク期間Ｔａにおいて、アーク発生直後にピーク電流ＩＰの溶接電流を出力する。その後、ピーク電流ＩＰからベース電流ＩＢへ移行するのは、電流制御でも電圧制御でもどちらの制御でも可能な期間であり、ベース電流ＩＢに移行した段階で次の短絡を待つことになる。Ｐ３は、次の短絡が発生した時点を示している。なお、Ｐ３から次の短絡期間Ｔｓが開始される。
また、図１では、所定の周波数Ｆと所定の速度振幅ＡＶで基本波形である正弦波状に正送と逆送とを周期的に繰り返すワイヤ送給制御を行っている。周波数の逆数である周期Ｔは、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとの和で表される。正送側のピーク時ＰＰではＰ１周辺で短絡が発生し、逆送側のピーク時ＮＰでは、Ｐ２周辺でアークが発生することになる。また、Ｐ２の後の正送のピーク時ＰＰにＰ３周辺で次の短絡が発生する。
以上のように、Ｐ１からＰ３までを制御の１周期とし、これを繰り返して溶接を行う。このように短絡状態またはアーク状態の発生は、基本的にワイヤ送給速度の正送と逆送とを周期的に繰り返すワイヤ送給制御に依存するものである。
次に、正送と逆送を繰り返し行う溶接における設定電流に適した速度振幅ＡＶの設定の方法について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施の形態１における設定電流に対する、ワイヤ送給速度の速度振幅の関係の一例を示す図である。
図２において、例えば、設定電流が６０Ａの場合は、速度振幅ＡＶは１５ｍ／分である。そして、設定電流の増加に応じて速度振幅ＡＶも増加し、設定電流が２４０Ａまで増加すると、速度振幅は３０ｍ／分まで増加する必要がある。その理由は、設定電流が大きくなっても、実際に被溶接物とワイヤ先端の距離を例えば１ｍｍ〜５ｍｍ程度の所定の距離を確保して安定して逆送するために必要であるからである。なぜなら、設定電流が増加するとワイヤ送給速度の平均送給速度も増加する。このため、速度振幅ＡＶが一定であると逆送の送給期間が短くなってしまう。したがって、逆送の距離が短くなるために実際に被溶接物とワイヤ先端の距離とを所定の距離だけ確保し難くなる。そうすると、設定電流に同期して速度振幅ＡＶを大きくしないと、溶接ワイヤの逆送の期間、すなわち逆送の距離を所定の距離だけ確保できないためである。
なお、図２に示す特性は、溶接対象物や溶接条件等に応じて実験等により予め求めておくことができるものである。
次に、正送と逆送とを繰り返し行う溶接の設定電流に適した周波数Ｆの設定の方法について、図３を用いて以下に説明する。図３は、本発明の実施の形態１における設定電流に対するワイヤ送給の周波数の関係の一例を示す図である。
図３において、例えば、設定電流が１８０Ａまでは周波数は６０Ｈｚで一定とするが、設定電流が１８０Ａを超えると設定電流の増加とは逆に周波数が低くなる。さらに設定電流が２４０Ａまで増加すると周波数は４０Ｈｚまで低くする必要がある場合がある。
その理由は、設定電流が増加してくると、上述のように速度振幅ＡＶを上げる必要があるため、周波数Ｆを下げる必要が出てくる可能性がある。なぜなら、速度振幅を上げることによって、溶接ワイヤ速度の変化率（溶接ワイヤ送給の加速度）が大きくなりワイヤ送給モータやギヤなどが溶接ワイヤの送給に大きい力が必要となる。これにより、ワイヤ送給モータやギヤなどのモータ周辺部品の負荷が増えてしまう。そこで、この負荷を軽減するため、周波数Ｆを抑えて低くすることで、溶接ワイヤ速度の変化率を緩やかにして対応することができる。
なお、ワイヤ送給モータやギヤなどのモータ周辺部品に対する大きい負荷が、モータ周辺部品に影響がない場合であれば、周波数Ｆを一定に維持することも、周波数Ｆをさらに上げていくことも何ら問題ない。
例えば、図２に示す速度振幅ＡＶと図３に示す周波数Ｆは、設定電流が１８０Ａまでは速度振幅が１５ｍ／分から２５ｍ／分に増加するものの、周波数は６０Ｈｚで問題ない。しかし、設定電流が２４０Ａでは速度振幅が３０ｍ／分まで増加すると周波数は４０Ｈｚまで下げてワイヤ送給モータやギヤなどのモータ周辺部品への負荷を抑えることが必要な場合もある。
また、図２や図３では、設定電流に対する速度振幅ＡＶの関係や設定電流に対する周波数の関係が１次関数である例を示しているが、これに限らず、例えば２次関数など１次関数以外でも良い。
また、図２や図３に示すように、設定電流に対する速度振幅ＡＶや周波数Ｆには、各々に上限値または下限値のうち少なくともいずれかを設けるようにしても良い。上限値を設ける理由は、例えば、ワイヤ送給モータの使用限界にならないようにして、ワイヤ送給モータを安全に使用するためである。また、下限値を設ける理由は、例えば、適切なアーク溶接の状態を維持して溶接性を確保するためである。
なお、図２や図３に示す設定電流に応じた速度振幅ＡＶや周波数Ｆは、設定電流と、送給する消耗電極ワイヤのワイヤ径、ワイヤの種類、ワイヤの突出長、供給するシールドガス、のうちの少なくとも１つとに基づいて設定される。
上述したように、本発明のアーク溶接方法は、設定電流に応じた溶接ワイヤ送給速度を平均送給速度とし、所定の周波数Ｆと所定の速度振幅ＡＶで溶接ワイヤの正送と逆送とを周期的に繰り返して、短絡状態とアーク状態とを発生させて溶接を行う消耗電極式のアーク溶接方法であって、所定の周波数Ｆおよび所定の速度振幅ＡＶのうちの少なくともいずれかを、設定電流に応じた値とした方法からなる。
この方法により、設定電流毎に適した周波数Ｆや速度振幅ＡＶなどを設定することにより、設定電流に応じた溶接を行うことができる。これにより、溶接速度の高速化および突出し長さの変化や被溶接物間のギャップなどの外乱に対して、アーク不安定によるビード欠陥、スパッタ増加、溶け込み不良等の問題を最小限に留めることができる。また、生産効率や作業環境への悪影響を抑えることができ、良好なアーク溶接方法を実現できる。
また、溶接ワイヤ送給速度を正弦波状に変化させて溶接ワイヤの送給を行う方法としてもよい。この方法により、矩形波状とは異なりワイヤ送給モータやギヤなどのモータ周辺部品への負荷の時間的な変化が小さく、矩形波状の場合に比べてこれらの寿命を長くすることができる。
また、設定電流に応じたワイヤ送給速度のピーク時間、立ち上がり時間および立ち下がり時間のうちの少なくともいずれかの時間により溶接を行う方法としてもよい。この方法により、さらに安定して制御できるアーク溶接方法が実現できる。すなわち、スパッタの大幅な増加や、アークが不安定になることを防止し、安定なアーク溶接方法が実現できる。
また、設定電流に応じたワイヤ送給速度のピーク時間、立ち上がり時間および立ち下がり時間のうちの少なくともいずれかに上限値および下限値のうちの少なくともいずれかを設けた方法としてもよい。
この方法により、ワイヤ送給モータなどの部品を安全に使用することができる、あるいは、適切なアーク溶接の状態を維持して溶接性を確保することができる。
次に、本実施の形態１のアーク溶接制御を行うアーク溶接装置について、図４を用いて説明する。図４は、本実施の形態１におけるアーク溶接装置の概略構成を示す構成図である。
図４に示すように、本実施の形態１のアーク溶接装置は、消耗電極である溶接ワイヤ２０と被溶接物２３との間でアーク状態と短絡状態とを繰り返して溶接を行うアーク溶接装置である。そして、このアーク溶接装置は、設定電流設定部１３と、平均送給速度設定部２４と、周波数基本設定部１４と、速度振幅基本設定部１５と、スイッチング素子３と、溶接電圧検出部８と、状態検出部１０と、短絡制御部１１と、アーク制御部１２と、を備え、設定電流に基づいた周波数Ｆおよび速度振幅ＡＶで溶接ワイヤ２０を送給して溶接を行う構成からなる。ここで、設定電流設定部１３は、設定電流を設定する。平均送給速度設定部２４は、設定電流に基づいて溶接ワイヤ２０を正送と逆送の方向に周期的に繰り返し送給制御する平均送給速度となる溶接ワイヤ送給速度を決定する。周波数基本設定部１４は、設定電流に基づいて溶接ワイヤ２０を正送と逆送の方向に周期的に繰り返し送給制御するための周波数Ｆを決定する。速度振幅基本設定部１５は、設定電流に基づいて溶接ワイヤ２０を正送と逆送の方向に周期的に繰り返し送給制御するための速度振幅ＡＶを決定する。スイッチング素子３は、溶接出力を制御し、溶接電圧検出部８は、溶接電圧を検出する。状態検出部１０は、溶接電圧検出部８の検出結果に基づいて、短絡状態またはアーク状態であることを検出する。短絡制御部１１は、状態検出部１０からの短絡の信号を受けて短絡状態である短絡期間Ｔｓに短絡電流の制御を行う。アーク制御部１２は、状態検出部１０からのアークの信号を受けてアーク状態であるアーク期間Ｔａにアーク電圧の制御を行う。
この構成により、設定電流毎に適した周波数や速度振幅などを設定することにより、後述するように設定電流に応じた溶接を行うことができる。これにより、溶接速度の高速化および突出し長さの変化や被溶接物２３間のギャップなどの外乱に対して、アーク不安定によるビード欠陥、スパッタ増加、溶け込み不良等の問題を最小限に留めることができる。また、生産効率や作業環境への悪影響を抑えることができ、良好なアーク溶接装置を実現できる。
次に本実施の形態１のアーク溶接装置の基本的な動作について説明する。図４に示すように、入力電源１からの電力は１次整流部２で整流され、スイッチング素子３により、例えば交流電圧に変換される。この交流電圧は、トランス４により降圧され、２次整流部５およびインダクタであるＤＣＬ６により整流される。そして、直流電圧は、溶接チップ２１を通る溶接ワイヤ２０と被溶接物２３との間に印加されて溶接アーク２２が被溶接物２３に対して発生する。
また、アーク溶接装置は、スイッチング素子３を制御するための駆動部７と、溶接ワイヤ２０に直流電圧を印加する溶接用電源出力端子間に接続されている溶接電圧検出部８と、溶接出力電流を検出する溶接電流検出部９と、を備えている。そして、アーク溶接装置は、溶接電圧検出部８からの信号に基づいて短絡またはアークを発生しているかを判定する状態検出部１０と、状態検出部１０から短絡の信号を受けて短絡期間Ｔｓに短絡電流の制御を行う短絡制御部１１と、を備えている。そして、アーク溶接装置は、状態検出部１０からのアークの信号を受けてアーク期間Ｔａにアーク電圧の制御を行うアーク制御部１２と、電流を設定するための設定電流設定部１３とを備えている。
また、設定電流設定部１３で設定した設定電流毎に適したワイヤ送給の周波数Ｆは、周波数基本設定部１４で決定し、ワイヤ送給の速度振幅ＡＶは、速度振幅基本設定部１５で決定される。ワイヤ送給の平均送給速度は、平均送給速度設定部２４で決定される。そして、周波数基本設定部１４の出力、速度振幅基本設定部１５の出力及び平均送給速度設定部２４の出力は、ワイヤ送給モータ１９に入力され、溶接ワイヤ２０の送給が制御される。なお、周波数基本設定部１４には、設定電流と周波数Ｆとを関係付けたテーブルあるいは関係式が設けられており、設定電流に基づいて、このテーブルなどから周波数Ｆが決定される。また、速度振幅基本設定部１５には、設定電流と速度振幅とを関係付けたテーブルあるいは関係式が設けられており、設定電流に基づいて、このテーブルなどから速度振幅ＡＶが決定される。また、平均送給速度設定部２４には、設定電流と平均送給速度とを関係付けたテーブルあるいは関係式が設けられており、設定電流に基づいて、このテーブルなどから平均送給速度が決定される。
まず、アーク溶接装置のワイヤ送給制御について、以下に具体的に説明する。ワイヤ送給の周波数基本設定部１４とワイヤ送給の速度振幅基本設定部１５は、設定電流設定部１３で設定される設定電流毎に、ワイヤ送給速度指令をワイヤ送給モータ１９に出力する。ワイヤ送給速度指令は、この設定電流の電流値に適したワイヤ送給速度の平均送給速度に応じて、周波数Ｆと速度振幅ＡＶによる正弦波状の正送と逆送とを繰り返す指令である。なお、設定電流毎に設定される周波数Ｆおよび速度振幅ＡＶとの関係は、例えば、図示しない記憶部に、テーブルあるいは数式として記憶されており、設定電流に基づいてこのテーブルを利用して決定される。
次に、アーク溶接装置の溶接制御について、以下に具体的に説明する。図４に示すように、溶接電圧検出部８は、アーク溶接装置の出力端子間に接続され、検出した電圧に対応した信号を状態検出部１０に出力する。状態検出部１０は、溶接電圧検出部８からの信号に基づいて、溶接出力電圧が一定値以上か未満かを判定する。この判定結果により、溶接ワイヤ２０が被溶接物２３に接触し短絡している短絡状態であるのか、それとも非接触状態で溶接アークを発生しているアーク状態であるのかを判定し、判定信号が、短絡制御部１１やアーク制御部１２に出力される。
そして、短絡制御部１１は、設定した設定電流に基づいて短絡初期電流ＩＳ０に続き、短絡電流の第１段目の増加傾きＩＳ１と、短絡電流の第１段目の増加傾きＩＳ１に続く短絡電流の第２段目の増加傾きＩＳ２を出力するように駆動部７に指令を出力する。
また、アーク制御部１２は、アーク期間Ｔａにピーク電流ＩＰ及びベース電流ＩＢを所定時間の間、出力するように駆動部７に指令を出力する。なお、アーク期間Ｔａにおいて、ピーク電流ＩＰからベース電流ＩＢへ移行する期間の制御は、電圧制御または電流制御のどちらの制御でもよい。
以上のように、設定電流毎に正送と逆送とを周期的に繰り返す周波数Ｆおよび速度振幅ＡＶを設定することにより、低電流（例えば、３０Ａ）から高電流（例えば、３５０Ａ）まで対応して、設定電流を広い範囲の所望の電流値に設定して溶接を行うことができる。
なお、図４で示したアーク溶接装置を構成する各構成部は、各々単独に構成してもよいし、複数の構成部を複合して構成するようにしてもよい。
以上のように、本実施の形態１のアーク溶接装置によれば、ワイヤ送給速度を正送と逆送について、例えば正弦波状に、周期的に繰り返して、短絡状態とアーク状態とを周期的に発生させて溶接を行う。このような制御方法による溶接動作において、設定電流毎に適したワイヤ送給速度の平均送給速度に周波数Ｆおよび速度振幅ＡＶを設定する。これにより、低電流から高電流までの設定電流に対応して安定したアーク溶接を行うことができる。
また、ワイヤ送給速度の正送と逆送を、例えば正弦波状とした場合には、矩形波状とは異なり、ワイヤ送給モータやギヤなどのモータ周辺部品への負荷の時間的な変化が連続で小さい。したがって、負荷の時間的な変化が不連続で大きくなることがある矩形波状の場合に比べて、ワイヤ送給モータやギヤなどのモータ周辺部品に過大な負荷が急激にかかることがなく、これらのモータ周辺部品の寿命を長くすることができる。
なお、本実施の形態１では、設定電流に基づいて周期的に行うワイヤ送給の周波数Ｆや速度振幅ＡＶを決定する例を示した。しかしながらが、設定電流はワイヤ送給速度やワイヤ送給量と比例の関係にあり、設定電流に替えてワイヤ送給速度やワイヤ送給量に基づいて周波数Ｆや速度振幅ＡＶを決定するようにしても同様の効果を得ることができる。
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２におけるワイヤ送給速度、溶接電圧及び溶接電流の時間波形を示す図である。
本実施の形態２において、実施の形態１と異なる主な点は、ワイヤ送給が正弦波状ではなく、台形波状である点である。そして、設定電流に基づいて台形波状のワイヤ送給制御のピーク時間Ｔｐ、立ち上がり時間Ｔｒおよび立ち下がり時間Ｔｆのうちの少なくともいずれかを決定するようにした点である。
すなわち、本実施の形態２のアーク溶接方法は、設定電流に応じた溶接ワイヤ送給速度を平均送給速度とし、所定の周波数Ｆと所定の速度振幅ＡＶで溶接ワイヤの正送と逆送とを周期的に繰り返して、短絡状態とアーク状態とを発生させて溶接を行う消耗電極式のアーク溶接方法である。そして、このアーク溶接方法は、所定の周波数Ｆおよび所定の速度振幅ＡＶのうちの少なくともいずれかを、設定電流に応じた値とし、溶接ワイヤ送給速度を台形波状に変化させて溶接ワイヤの送給を行う方法としている。
この方法により、設定電流毎に適した周波数Ｆや速度振幅ＡＶなどを設定することにより、設定電流に応じた溶接を行うことができる。これにより、溶接速度の高速化および突出し長さの変化や被溶接物間のギャップなどの外乱に対して、アーク不安定によるビード欠陥、スパッタ増加、溶け込み不良等の問題を最小限に留めることができる。また、生産効率や作業環境への悪影響を抑えることができ、良好なアーク溶接方法を実現できる。
なお、ワイヤ送給が所定の周波数Ｆと速度振幅ＡＶで正送と逆送を周期的に繰り返す制御であれば、このように台形波状でも正弦波状と同様の性能を出すことができる。
正弦波状の制御と異なる点は、台形波状のピーク時間Ｔｐ、立ち上がり時間Ｔｒ及び立ち下がり時間Ｔｆを設定電流毎に適した値が設定できることである。
図５に示すワイヤ送給制御は、所定の周波数Ｆと速度振幅ＡＶで基本波形である台形波状に正送と逆送を周期的に繰り返すワイヤ送給制御である。そして、このワイヤ送給制御は、正送側または逆送側のピーク時にピーク時間Ｔｐを設け、さらにピーク送給速度への立ち上がり時間Ｔｒとピーク送給速度から立ち下がり時間Ｔｆを追加し、設定電流毎に適した値を決定できるものである。
設定電流毎に適したパラメータを調整できる数が増えることで、被溶接物２３と溶接ワイヤ２０の先端との距離を所定の距離に確保し易くなる。
なお、図示していないが、設定電流とピーク時間Ｔｐとの関係、設定電流と立ち上がり時間Ｔｒとの関係、設定電流と立ち下がり時間Ｔｆとの関係は、１次関数でも、２次関数など１次関数以外でも良い。
また、図示していないが、ピーク時間Ｔｐ、立ち上がり時間Ｔｒ及び立ち下がり時間Ｔｆのうちの少なくともいずれかには、上限値及び下限値のうちの少なくともいずれかを設けるようにしても良い。
また、設定電流に対するピーク時間Ｔｐ、立ち上がり時間Ｔｒ及び立ち下がり時間Ｔｆは、設定電流と、送給する消耗電極ワイヤのワイヤ径、ワイヤの種類、ワイヤ突出長及び供給するシールドガスのうちの少なくとも１つとに基づいて設定される。
次に、本実施の形態２のアーク溶接装置の制御について、図６を用いて具体的に説明する。図６は、本発明の実施の形態２におけるアーク溶接装置の概略構成を示す構成図である。なお、実施の形態１において図４を用いて説明したアーク溶接装置と異なる主な点は、ピーク時間基本設定部１６と、ピーク立ち上がり時間基本設定部１７と、ピーク立ち下がり時間基本設定部１８を設けた点である。
すなわち、本発明のアーク溶接装置は、実施の形態1の図４に示すアーク溶接装置に加えて、平均送給速度設定部２４は、溶接ワイヤ２０を正送と逆送に台形波状に周期的に繰り返し送給制御するための周波数を決定し、速度振幅基本設定部１５は、溶接ワイヤ２０を正送と逆送に台形波状に周期的に繰り返し送給制御するための速度振幅を決定する。そして、本実施の形態２のアーク溶接装置は、ピーク時間基本設定部１６と、ピーク立ち上がり時間基本設定部１７と、ピーク立ち下がり時間基本設定部１８と、を備え、設定電流に基づいたピーク時間、立ち上がり時間および立ち下がり時間のうちの少なくともいずれかの時間で溶接ワイヤ２０を送給して溶接を行う構成としている。ここで、ピーク時間基本設定部１６は、設定電流に基づいて、台形波状のピーク時間Ｔｐを決定する。ピーク立ち上がり時間基本設定部１７は、設定電流に基づいて、台形波状の立ち上がり時間Ｔｒを決定する。ピーク立ち下がり時間基本設定部１８は、設定電流に基づいて台形波状の立ち下がり時間Ｔｆを決定する。
この構成により、設定電流毎に適した周波数や速度振幅などを設定することにより、設定電流に応じた溶接を行うことができる。これにより、溶接速度の高速化および突出し長さの変化や被溶接物２３間のギャップなどの外乱に対して、アーク不安定によるビード欠陥、スパッタ増加、溶け込み不良等の問題を最小限に留めることができる。また、生産効率や作業環境への悪影響を抑えることができ、良好なアーク溶接装置を実現できる。
なお、設定電流設定部１３で設定した設定電流毎に適したピーク時間Ｔｐは、ピーク時間基本設定部１６で決定される。立ち上がり時間Ｔｒは、ピーク立ち上がり時間基本設定部１７で決定され、立ち下がり時間Ｔｆは、ピーク立ち下がり時間基本設定部１８で決定される。そして、ピーク時間基本設定部１６の出力、ピーク立ち上がり時間基本設定部１７の出力及びピーク立ち下がり時間基本設定部１８の出力は、ワイヤ送給モータ１９に入力され、溶接ワイヤ２０の送給が制御される。
また、ピーク時間基本設定部１６には、設定電流とピーク時間Ｔｐとを関係付けたテーブルあるいは関係式が設けられており、このテーブルなどを利用し設定電流に基づいて、ピーク時間Ｔｐは決定される。また、ピーク立ち上がり時間基本設定部１７には、設定電流と立ち上がり時間Ｔｒとを関係付けたテーブルあるいは関係式が設けられており、このテーブルなどを利用し設定電流に基づいて、立ち上がり時間Ｔｒは決定される。また、ピーク立ち下がり時間基本設定部１８には、設定電流と立ち下がり時間Ｔｆとを関係付けたテーブルあるいは関係式が設けられており、このテーブルなどを利用し設定電流に基づいて、立ち下がり時間Ｔｆは決定される。
次に、アーク溶接装置のワイヤ送給制御について、以下に説明する。台形波状のワイヤ送給制御を行うためのピーク時間基本設定部１６、ピーク立ち上がり時間基本設定部１７及びピーク立ち下がり時間基本設定部１８は、ワイヤ送給速度指令をワイヤ送給モータ１９に出力する。このワイヤ送給速度指令は、設定電流設定部１３で設定された設定電流毎に適したピーク時間Ｔｐ、立ち上がり時間Ｔｒ及び立ち下がり時間Ｔｆによる台形波状の正送と逆送を繰り返すものである。
なお、アーク溶接装置の溶接制御についての説明は、実施の形態１のアーク溶接装置と同様であるため割愛する。
以上のように、本実施の形態２によれば、ワイヤ送給速度を正送と逆送を台形波状に周期的に繰り返して短絡状態とアーク状態を周期的に発生させて溶接を行う制御方法において、設定電流毎に適したワイヤ送給速度の平均送給速度に周波数Ｆおよび速度振幅ＡＶと、ピーク時間Ｔｐ、立ち上がり時間Ｔｒ及び立ち下がり時間Ｔｆを設定する。これにより、低電流（例えば、３０Ａ）から高電流（例えば、３５０Ａ）までの広い範囲の設定電流に対して対応することができる。
また、ワイヤ送給速度の正送と逆送は台形波状であることから、矩形波状とは異なり、ワイヤ送給モータ１９やギヤなどのモータ周辺部品への負荷が小さく、矩形波状の場合に比べてこれらの寿命を長くすることができる。
なお、本実施の形態では、設定電流に基づいてピーク時間Ｔｐ、立ち上がり時間Ｔｒ及び立ち下がり時間Ｔｆを決定する例を示した。しかしながら、設定電流はワイヤ送給速度やワイヤ送給量と比例の関係にあり、設定電流に替えてワイヤ送給速度やワイヤ送給量に基づいてピーク時間Ｔｐ、立ち上がり時間Ｔｒ及び立ち下がり時間Ｔｆを決定するようにしても同様の効果を得ることができる。
なお、図６で示したアーク溶接装置を構成する各構成部は、各々単独に構成してもよいし、複数の構成部を複合して構成するようにしてもよい。
本発明によれば、溶接速度の高速化および突出し長さの変化や被溶接物間のギャップなどの外乱に対して、アーク不安定によるビード欠陥、スパッタ増加、溶け込み不良等の問題を最小限に留めることができる。これにより、生産効率や作業環境への悪影響を抑えることが可能であり、例えば消耗電極式アーク溶接の施工を行う、自動車などの薄板での高速溶接を主としている業界で使用するアーク溶接方法およびアーク溶接装置として産業上有用である。
１ 入力電源
２ １次整流部
３ スイッチング素子
４ トランス
５ ２次整流部
６ ＤＣＬ
７ 駆動部
８ 溶接電圧検出部
９ 溶接電流検出部
１０ 状態検出部
１１ 短絡制御部
１２ アーク制御部
１３ 設定電流設定部
１４ 周波数基本設定部
１５ 速度振幅基本設定部
１６ ピーク時間基本設定部
１７ ピーク立ち上がり時間基本設定部
１８ ピーク立ち下がり時間基本設定部
１９ ワイヤ送給モータ
２０ 溶接ワイヤ
２１ 溶接チップ
２２ 溶接アーク
２３ 被溶接物
２４ 平均送給速度設定部

Claims (8)

  1. 設定電流に応じた溶接ワイヤ送給速度を平均送給速度とし、所定の周波数と所定の速度振幅で溶接ワイヤの正送と逆送とを周期的に繰り返して、短絡状態とアーク状態とを発生させて溶接を行う消耗電極式のアーク溶接方法であって、
    前記所定の周波数および前記所定の速度振幅のうちの少なくともいずれかを、前記設定電流に応じた値としたアーク溶接方法。
  2. 前記設定電流に応じた値である前記所定の周波数および前記所定の速度振幅のうちの少なくともいずれかに、上限値および下限値のうちの少なくともいずれかを設けた請求項１に記載のアーク溶接方法。
  3. 前記溶接ワイヤ送給速度を正弦波状に変化させて前記溶接ワイヤの送給を行う請求項１または２に記載のアーク溶接方法。
  4. 前記溶接ワイヤ送給速度を台形波状に変化させて前記溶接ワイヤの送給を行う請求項１または２に記載のアーク溶接方法。
  5. 前記設定電流に応じた溶接電流のピーク時間、立ち上がり時間および立ち下がり時間のうちの少なくともいずれかの時間により溶接を行う請求項４に記載のアーク溶接方法。
  6. 前記設定電流に応じた溶接電流のピーク時間、立ち上がり時間および立ち下がり時間のうちの少なくともいずれかに上限値および下限値のうちの少なくともいずれかを設けた請求項５に記載のアーク溶接方法。
  7. 消耗電極である溶接ワイヤと被溶接物との間でアーク状態と短絡状態とを繰り返して溶接を行うアーク溶接装置であって、
    設定電流を設定するための設定電流設定部と、
    前記設定電流に基づいて前記溶接ワイヤを正送と逆送の方向に周期的に繰り返し送給制御する平均送給速度となる溶接ワイヤ送給速度を決定する平均送給速度設定部と、
    前記設定電流に基づいて前記溶接ワイヤを正送と逆送の方向に周期的に繰り返し送給制御するための周波数を決定する周波数基本設定部と、
    前記設定電流に基づいて前記溶接ワイヤを正送と逆送の方向に周期的に繰り返し送給制御するための速度振幅を決定する速度振幅基本設定部と、
    溶接出力を制御するスイッチング素子と、
    溶接電圧を検出する溶接電圧検出部と、
    前記溶接電圧検出部の検出結果に基づいて、短絡状態またはアーク状態であることを検出する状態検出部と、
    前記状態検出部からの短絡の信号を受けて短絡状態である短絡期間に短絡電流の制御を行う短絡制御部と、
    前記状態検出部からのアークの信号を受けてアーク状態であるアーク期間にアーク電圧の制御を行うアーク制御部と、を備え、
    前記設定電流に基づいた前記周波数および前記速度振幅で前記溶接ワイヤを送給して溶接を行うアーク溶接装置。
  8. 前記平均送給速度設定部は、前記溶接ワイヤを正送と逆送に台形波状に周期的に繰り返し送給制御するための周波数を決定し、
    前記速度振幅基本設定部は、前記溶接ワイヤを正送と逆送に台形波状に周期的に繰り返し送給制御するための速度振幅を決定し、
    前記設定電流に基づいて、台形波状のピーク時間を決定するピーク時間基本設定部と、
    前記設定電流に基づいて、台形波状の立ち上がり時間を決定するピーク立ち上がり時間基本設定部と、
    前記設定電流に基づいて台形波状の立ち下がり時間を決定するピーク立ち下がり時間基本設定部と、を備え、
    前記設定電流に基づいたピーク時間、立ち上がり時間および立ち下がり時間のうちの少なくともいずれかの時間で前記溶接ワイヤを送給して溶接を行う請求項７に記載のアーク溶接装置。
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