JPWO2011064952A1 - 溶接方法および溶接装置 - Google Patents

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Abstract

本発明の溶接方法および溶接装置は、短絡発生中に、溶接電流が第１の電流値に達した後に、溶接ワイヤの送給を停止、減速または逆送させることにより、短絡の開放を促し、過電流保護機能の作動による不要な溶接の中断の発生頻度を減少させて溶接不良の発生を防ぎ、溶接品質の向上および生産性の向上を実現する。

Description

本発明は、溶接ワイヤを送給し、短絡とアークとを繰り返して溶接を行う溶接方法および溶接装置に関する。
従来、溶接ワイヤを自動送給し、短絡とアークとを交互に繰り返す溶接を行う溶接装置では、短絡発生時に短絡の開放を促すため、時間の経過に伴って短絡電流を増加させ、短絡が開放してアークが再生するまで大電流を通電する。
特に、アルミニウム等のように、固有抵抗率が小さいため溶融され難い溶接ワイヤを用いた施工においては、短絡が発生し、短絡を開放するために大電流が通電されても、溶接ワイヤの半溶融の状態が継続し、短絡を開放することができず、アークが発生しない状態となる場合がある。
短絡の開放がスムーズに行われなかった場合、溶接ワイヤの座屈が発生して溶接が中断する、あるいは、過電流から溶接装置や周辺のジグ等を保護するための過電流保護機能が作動して溶接装置が停止することにより溶接が中断する、といったことが生じる。
上述した、ワイヤの座屈を防止し、溶接が中断することを回避する方法としては、ワイヤ送給モータのモータ電流を監視し、溶接ワイヤの送給を停止する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、過電流保護機能は、例えばチップ短絡等の溶接出力側が短絡したような異常状態の場合、溶接装置や周辺のジグ等を保護するため、従来から慣用されている。
図７は、従来の溶接装置の概略構成を示す図である。図８は、従来の溶接装置における溶接電流と、アーク状態または短絡状態を示すＡＳ信号との時間変化を示す図である。図７と図８とを用いて、従来から慣用されている過電流保護機能の動作について説明する。図７は、過電流保護機能を有する従来の溶接装置の全体構成を示し、図８は、従来の溶接装置の溶接出力波形と各タイミングの関係を示している。
図７のように構成された溶接装置に関し、図８を用いてその動作について説明する。以下、短絡とアークとを繰り返して溶接を行う消耗電極式アーク溶接装置を用いた例について説明する。
図７に示す溶接装置１において、溶接出力部２は溶接出力を行い、出力制御部３は溶接出力部２を制御する。また、電流検出部４は溶接電流を検出し、電圧検出部５は溶接電圧を検出する。送給モータ６は溶接ワイヤ９を送給し、送給ローラ８は溶接ワイヤ９を送給する。また、溶接トーチ１０において、母材１２は溶接対象物であり、アーク１１は溶接ワイヤ９と母材１２との間に発生している。ワイヤ送給制御部１３は送給モータ６を制御し、ＡＳ判定部１４は、電圧検出部５の出力に基づいて、溶接ワイヤ９と母材１２との間にワークが発生しているアーク状態であるのか、溶接ワイヤ９と母材１２とが短絡している短絡状態であるのかを判定するものである。
図７において、溶接出力部２は、溶接装置１の外部から給電される商用電力を入力とし、インバータ動作により溶接条件に適した溶接電圧や溶接電流を出力する。
ＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）等で構成される電流検出部４は、溶接電流を検出する。溶接装置１の出力端子間電圧を測定する電圧検出部５は、溶接電圧を検出する。
ＣＰＵ等で構成されるＡＳ判定部１４は、電圧検出部５からの電圧検出信号を入力とし、短絡状態を判定中に予め設定される検出レベル（例えば、１５Ｖ）に達した場合は、ＡＳ信号をアーク判定（Ｈｉｇｈ：ハイレベル）とする。また、アーク状態を判定中に予め設定される検出レベル（例えば、１０Ｖ）に達した場合、ＡＳ信号を短絡判定（Ｌｏｗ：ローレベル）とする。
ワイヤ送給制御部１３は、送給モータ６の回転を制御する。送給モータ６に接続する送給ローラ８の回転により溶接ワイヤ９は加圧送給され、溶接条件に応じた、基本送給速度で送給される。
溶接トーチ１０により溶接出力部２の出力が溶接ワイヤ９に給電され、溶接ワイヤ９の先端と母材１２との間にアーク１１を発生させて溶接を行う。
また、図８において、Ｅ１は短絡が発生した時点を示し、Ｅ２は時点Ｅ１の後にアークが発生した時点を示す。Ｅ３は時点Ｅ２の後に短絡が発生した時点を示し、Ｅ７は時点Ｅ３で発生した短絡状態において短絡電流が予め設定された過電流保護検出電流値ＩＯＣに達した時点を示している。Ｅ８は時点Ｅ７から過電流保護検出期間ＴＯＣが経過して過電流保護機能が作動した時点を示している。
図８に示すように、短絡が発生した時点Ｅ３から、短絡を開放するため、短絡電流は適切な増加傾きをもって増大するように制御される。短絡を開放するためには、極力高い溶接電流を出力することが必要である。短絡電流は、溶接装置１の性能で決定する最大出力電流値ＩＭＡＸ（例えば５５０Ａ）で上限クリップ（上限固定）され、短絡が開放してアークが発生するまで、最大出力電流値ＩＭＡＸが継続して出力される。
溶接電流が過電流保護検出電流値ＩＯＣ（例えば、５００Ａ）に達した時点Ｅ７から、過電流保護検出期間ＴＯＣ（例えば、３００ｍｓｅｃ）が経過する時点Ｅ８までの間に、短絡が開放せず、過電流保護検出電流値ＩＯＣ以上の溶接電流が継続した場合を想定する。この場合には、溶接装置１は、過電流から溶接装置１や周辺ジグ等を保護するため、溶接装置１の出力を強制停止する。
過電流保護機能が動作して溶接装置１の出力および溶接ワイヤ９の送給を停止するまでは、過電流保護検出期間ＴＯＣに達するまで短絡が長時間開放できない場合であっても、溶接ワイヤ９の母材１２への送給は通常通り継続される。このため、溶接ワイヤ９が母材１２に形成された溶融プール中にさらに深く押し込まれ、より短絡開放が困難な状況となっていた。
そして、所定の期間に短絡が開放しないことにより過電流保護機能が作動し、溶接装置１が強制停止する。この溶接装置１の強制停止に伴う溶接の中断により、母材１２が痛んだり溶接欠陥が生じるといった溶接不良が発生したり、生産効率が悪くなるという課題を有していた。
特開２００８−６８２８３号公報
本発明は、短絡が長時間開放しなかった場合に、短絡の開放を促し、過電流保護機能の作動による不要な溶接の中断の発生頻度を減少させ、溶接不良の発生を防ぎ、生産性の向上を実現することができる溶接方法および溶接装置を提供する。
上記課題を解決するために、本発明の溶接方法は、溶接ワイヤを送給し、短絡とアークとを交互に繰り返して溶接を行う溶接方法であって、短絡発生中で、溶接電流が予め設定した第１の電流値に達した後に、溶接ワイヤの送給を停止、減速または逆送させる方法からなる。
この方法により、短絡の開放を促し、過電流保護機能の作動による不要な溶接の中断の発生頻度を減少させることができる。これにより、溶接不良の発生を防ぐなどの溶接品質の向上や溶接に要する時間の短縮などの生産性の向上を実現することができる。
また、本発明の溶接装置は、溶接ワイヤを送給し、短絡とアークを交互に繰り返して溶接を行う溶接装置であって、上記溶接ワイヤを送給する送給モータと、溶接電流を検出する電流検出部と、溶接電圧を検出する電圧検出部と、を備えている。さらに、本発明の溶接装置は、上記電圧検出部の出力に基づいて短絡状態またはアーク状態を検出するＡＳ判定部と、上記電流検出部の出力、上記電圧検出部の出力および上記ＡＳ判定部の出力に基づいて、溶接出力を制御する出力制御部と、上記出力制御部の出力に基づいて溶接出力を発生する溶接出力部と、溶接電流の閾値となる第１の電流値を設定する電流設定部と、上記電流設定部の出力、上記ＡＳ判定部の出力および上記電流検出部の出力に基づいて、上記溶接ワイヤの送給を制御するワイヤ送給制御部とを備え、短絡発生中で、溶接電流が前記第１の電流値に達した後に、上記溶接ワイヤの送給を停止、減速または逆送とさせる構成からなる。
この構成により、短絡の開放を促し、過電流保護機能の作動による不要な溶接の中断の発生頻度を減少させることができる。これにより、溶接不良の発生を防ぐなどの溶接品質の向上や溶接に要する時間の短縮などの生産性の向上を実現することができる。
また、本発明の溶接装置は、溶接ワイヤを送給し、短絡とアークを交互に繰り返して溶接を行う溶接装置であって、溶接ワイヤを送給する送給モータと、溶接電流を検出する電流検出部と、溶接電圧を検出する電圧検出部と、電圧検出部の出力に基づいて、短絡状態またはアーク状態を検出するＡＳ判定部と、電流検出部の出力、電圧検出部の出力およびＡＳ判定部の出力に基づいて、溶接出力を制御する出力制御部と、を備えている。さらに、本発明の溶接装置は、出力制御部の出力に基づいて溶接出力を発生する溶接出力部と、溶接電流の閾値となる第１の電流値を設定する電流設定部と、溶接電流が第１の電流値に達してからの時間を計時する計時部と、第１の電流値に達してからの経過時間の閾値となる第１の所定時間を設定する経過時間設定部と、電流設定部の出力、計時部の出力、経過時間設定部の出力、ＡＳ判定部の出力および電流検出部の出力に基づいて、溶接ワイヤの送給を制御するワイヤ送給制御部とを備え、溶接電流が第１の電流値に達してから第１の所定時間が経過した後に、溶接ワイヤの送給を停止、減速または逆送させる構成からなる。
この構成により、短絡の開放を促し、過電流保護機能の作動による不要な溶接の中断の発生頻度を減少させることができる。これにより、溶接不良の発生を防ぐなどの溶接品質の向上や溶接に要する時間の短縮などの生産性の向上を実現することができる。
図１は、本発明の実施の形態１における溶接装置の概略構成を示す図である。 図２は、本発明の実施の形態１における溶接装置において、溶接電流、ＡＳ信号およびワイヤ送給状態信号の時間変化を示す図である。 図３は、本発明の実施の形態１における溶接装置において、溶接電流、ＡＳ信号およびワイヤ送給状態信号の時間変化を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態２における溶接装置の概略構成を示す図である。 図５は、本発明の実施の形態２における溶接装置において、溶接電流、ＡＳ信号およびワイヤ送給状態信号の時間変化を示す図である。 図６は、本発明の実施の形態２における溶接装置において、溶接電流、ＡＳ信号およびワイヤ送給状態信号の時間変化を示す図である。 図７は、従来の溶接装置の概略構成を示す図である。 図８は、従来の溶接装置における溶接電流と、アーク状態または短絡状態を示すＡＳ信号の時間変化を示す図である。
以下、本発明の一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。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における溶接装置２１の概略構成を示す図である。図２と図３は、本発明の実施の形態１における溶接装置において、溶接電流、アーク状態または短絡状態を示すＡＳ信号およびワイヤ送給状態信号の時間変化を示す図である。
以下、溶接装置の一例として、短絡とアークを繰り返して溶接を行う消耗電極式アーク溶接装置を例にして説明する。そして、図１に示す溶接装置２１の動作について、図２と図３を用いて説明する。
図１の溶接装置２１において、溶接出力部２２は溶接出力を行い、出力制御部２３は溶接出力部２２を制御する。電流検出部２４は溶接電流を検出し、電圧検出部２５は溶接電圧を検出する。送給モータ２６は溶接ワイヤ２９を送給するために備えられ、電流設定部２７は溶接電流の閾値を設定する。送給ローラ２８は溶接ワイヤ２９を溶接対象物である母材３２に溶接トーチ３０を介して送給するためのものである。この時に、アーク３１は溶接ワイヤ２９と母材３２との間に発生し、ワイヤ送給制御部３３は送給モータを制御する。また、ＡＳ判定部３４は、電圧検出部２５の出力に基づいて、溶接ワイヤ２９と母材３２との間にワークが発生しているアーク状態であるのか、溶接ワイヤ２９と母材３２とが短絡している短絡状態であるのかを判定する。
図１において、溶接装置２１の溶接出力部２２は、溶接装置２１の外部から給電される商用電力（例えば、３相２００Ｖ等）を入力とし、インバータ動作にて溶接条件に適した溶接電圧や溶接電流を出力する。
溶接出力部２２に含まれるインバータ部は、通常、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）動作やフェーズシフト動作により駆動されるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等で構成される。
ＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）等で構成される電流検出部２４は、溶接電流を検出する。溶接装置２１の出力端子間の電圧を測定する電圧検出部２５は、溶接電圧を検出する。
ＣＰＵ等で構成されるＡＳ判定部３４は、電圧検出部２５からの電圧検出信号を入力とし、短絡判定中に増加した溶接電圧が予め設定される検出レベル（例えば、１５Ｖ）に達した場合はＡＳ信号をアーク状態であると判定（以下、「アーク判定」とする。「ハイレベル」に該当する。）する。また、アーク判定中に減少した溶接電圧が予め設定される検出レベル（例えば、１０Ｖ）に達した場合、ＡＳ信号を短絡状態であると判定（以下、「短絡判定」とする。「ローレベル」に該当する。）する。
ＣＰＵ等で構成される出力制御部２３は、電流検出部２４の出力、電圧検出部２５の出力およびＡＳ判定部３４の出力に基づいて、溶接出力部２２を制御する。ＣＰＵ等で構成される電流設定部２７は、溶接電流の閾値となる第１の電流値Ｉ１を設定する。
ワイヤ送給制御部３３は、電流設定部２７の出力、ＡＳ判定部３４の出力および電流検出部２４の出力に基づいて、送給モータ２６の回転を制御する。送給モータ２６に接続する送給ローラ２８の回転により、溶接ワイヤ２９は加圧送給され、溶接条件に応じた基本送給速度で送給される。そして、溶接トーチ３０により溶接出力部２２が出力する溶接電流や溶接電圧が溶接ワイヤ２９に給電され、溶接ワイヤ２９の先端と母材３２との間にアーク３１が発生して溶接が行われる。
次に、図２を用いて、短絡が長時間開放しなかった場合に、短絡の開放を促す制御について説明する。
図２において、Ｅ１は短絡が発生した時点を示し、Ｅ２は時点Ｅ１の後にアークが発生した時点を示し、Ｅ３は時点Ｅ２の後に短絡が発生した時点を示す。Ｅ４は時点Ｅ３で発生した短絡状態において短絡電流が予め設定された溶接電流の閾値となる第１の電流値Ｉ１に達した時点を示し、Ｅ６は時点Ｅ４の後にアークが発生した時点を示している。また、ＩＭＡＸは溶接装置２１の最大出力電流値を示している。
図２に示すように、短絡が発生した時点Ｅ１でＡＳ判定部３４が出力するＡＳ信号はローレベル（短絡判定）となり、アークが発生した時点Ｅ２でＡＳ信号はハイレベル（アーク判定）となる。なお、安定した短絡溶接であれば、例えば通常の短絡時間は１０ｍｓｅｃ以内である。
短絡が発生した時点Ｅ３から、短絡を開放するため、短絡電流は適切な増加傾きをもって増大される。短絡を開放するためには、溶接ワイヤ２９に極力高い溶接電流を供給することが必要である。増大する短絡電流は、溶接装置２１の性能で決定する最大出力電流値ＩＭＡＸ（例えば５５０Ａ）を上限としており、溶接電流が最大出力電流値ＩＭＡＸに達した後は、短絡が開放してアークが発生するまで最大出力電流値ＩＭＡＸが継続される。
なお、最大出力電流値ＩＭＡＸは、通常、溶接装置２１のインバータを構成するＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子の最大絶対定格により決定される。
時点Ｅ３から発生した短絡中に、溶接電流が電流設定部２７で設定される第１の電流値Ｉ１（例えば４００Ａ）に達した時点Ｅ４の後に、ワイヤ送給制御部３３は、ワイヤ送給状態信号をオン（ハイレベル）とする。
ワイヤ送給状態信号が、オンになる前のオフ（ローレベル）の間は、溶接ワイヤ２９が母材３２の方向へ所定の基本送給速度で送給されている。一方、ワイヤ送給状態信号がオンの間は、ワイヤ送給制御部３３は、送給モータ２６の駆動を停止し、これにより溶接ワイヤ２９の送給を停止する。
なお、ワイヤ送給状態信号がオンの間、ワイヤ送給制御部３３は送給モータ２６の駆動を制御し、停止ではなく、ワイヤ送給速度をワイヤ送給状態信号がオフの場合の基本送給速度よりも減速するようにしてもよい。ワイヤ送給速度の減速時の速度は、例えば、基本送給速度の２５％の値でもよく、あるいは、送給可能な最低のワイヤ送給速度としてもよく、あるいは、溶接開始時のワイヤ送給速度（一般的にスローダウン速度と呼び、定常溶接時の速度よりも低い速度）としてもよい。
あるいは、ワイヤ送給状態信号がオンの間、ワイヤ送給制御部３３は送給モータ２６の駆動を制御し、停止ではなく、ワイヤ送給を逆送するようにしてもよい。ワイヤ送給の逆送時の速度は、基本送給速度の２５％の値でもよく、あるいは、送給可能な最低ワイヤ送給速度としてもよい。あるいは、溶接開始時のワイヤ送給速度（一般的にスローダウン速度と呼ぶ）としてもよく、あるいは、逆送開始から一定時間（例えば、２００ｍｓｅｃ）経過後にワイヤ送給速度を０（停止状態）とし、溶接ワイヤ２９を戻し過ぎないようにしてもよい。
また、図示しないが、溶接ワイヤ２９の送給を停止させるための手段として、送給ローラ２８の加圧を制御することが可能な電磁バルブ等で構成される送給ローラ加圧装置を送給ローラ２８に設ける。これにより、ワイヤ送給状態信号がオンの間は、送給ローラ加圧装置により送給ローラ２８による溶接ワイヤ２９への加圧を減圧し、送給ローラ２８を空転させて溶接ワイヤ２９の送給を停止するようにしてもよい。
あるいは、図示しないが、溶接ワイヤ２９の送給を停止させるための手段として、送給ローラ２８から溶接トーチ３０までのコンジットケーブル等で構成される溶接ワイヤの送給経路の間に、電磁バルブ等で構成される加圧クランプブレーキ装置を設ける。これにより、ワイヤ送給状態信号がオンの間は、加圧クランプブレーキ装置の加圧クランプ力により溶接ワイヤ２９の送給に摩擦抵抗を加え、溶接ワイヤ２９をクランプし、溶接ワイヤ２９の送給を停止するようにしてもよい。
そして、図２に示すように、ワイヤ送給状態信号をオンの状態にして溶接ワイヤ２９の送給を停止、減速または逆送した状態で短絡が開放してアークが再生した時点Ｅ６では、ワイヤ送給制御部３３は、ワイヤ送給状態信号をオフ（ローレベル）とする。そして、ワイヤ送給制御部３３は、送給モータ２６を制御してワイヤ送給状態信号をオンする前の元のワイヤ送給速度（基本送給速度）にワイヤ送給速度を戻し、溶接ワイヤ２９の送給を継続する。
次に、図３を用いて、本実施の形態１の過電流保護機能について説明する。上記のようにワイヤ送給状態信号をオンの状態にして溶接ワイヤ２９の送給を停止、減速または逆送して短絡開放を促す状態であっても、場合によっては、所定時間最大出力電流値ＩＭＡＸが継続することもある。その場合には、背景技術において図８で説明したものと同様に、過電流保護機能が動作する。
図３において、Ｅ７は短絡電流が予め設定された過電流保護検出電流値ＩＯＣに達した時点を示している。Ｅ８は時点Ｅ７から予め設定された過電流保護検出期間ＴＯＣが経過して過電流保護機能が作動し、溶接装置２１の溶接出力を停止した時点を示している。
図３において、短絡が発生した時点Ｅ３から短絡電流が増大し、最大出力電流値ＩＭＡＸ（例えば５５０Ａ）にて上限クランプ（固定）される。そして、過電流から溶接装置２１やジグ等を保護するために溶接出力を停止するための基準電流値となる過電流保護検出電流値ＩＯＣは、最大出力電流値ＩＭＡＸより低い値（例えば５００Ａ）もしくは同じ値に設定される。図３では、最大出力電流値より低い値の例を示している。
図３において、短絡電流が過電流保護検出電流値ＩＯＣを越えた時点Ｅ７から過電流保護検出時間ＴＯＣ（例えば３００ｍｓｅｃ）が経過する時点Ｅ８までの間に短絡が開放しない場合、溶接装置２１は過電流保護のため強制停止する。
以上のように、溶接電流が第１の電流値Ｉ１に達した後に、溶接ワイヤ２９の送給を停止、減速または逆送とすることで、短絡中の溶接ワイヤ２９が母材３２に形成された溶融プールに深く押されることがなくなる。これにより、短絡の開放が促進され、過電流保護機能が作動して溶接中断が発生する頻度を減少させ、溶接不良の発生を防ぎ、生産性の悪化を防ぐことができる。
なお、図２および図３における、第１の電流値Ｉ１は、過電流保護電流値ＩＯＣと同じ値としてもよい。これにより、溶接電流が長時間短絡であることを確実に判定でき、誤判定による不要な送給モータ２６の停止を防ぎ、送給モータ２６の減速ギアや送給ローラ２８等の機構部品の消耗を防ぐことができる。したがって、溶接システムの信頼性の向上を図ることができる。図３では、第１の電流値Ｉ１は過電流保護電流値ＩＯＣとは異なり、過電流保護電流値ＩＯＣより小さい場合の例を示している。
すなわち、本発明の溶接方法は、溶接ワイヤ２９を送給し、短絡とアークとを交互に繰り返して溶接を行う溶接方法であって、短絡発生中で、溶接電流が予め設定した第１の電流値Ｉ１に達した後に、溶接ワイヤ２９の送給を停止、減速または逆送させる方法からなる。
この方法により、短絡の開放を促し、過電流保護機能の作動による不要な溶接の中断の発生頻度を減少させることができる。これにより、溶接不良の発生を防ぐなどの溶接品質の向上や溶接に要する時間の短縮などの生産性の向上を実現することができる。
また、第１の電流値Ｉ１は、過電流から溶接装置２１を保護するために溶接出力を停止するための基準電流値となる、予め設定された過電流保護検出電流値ＩＯＣと等しい方法としている。
この方法により、溶接電流が長時間短絡であることを確実に判定でき、誤判定による不要な送給モータ２６の停止を防ぎ、送給モータ２６の減速ギアや送給ローラ２８等の機構部品の消耗を防ぐことができる。したがって、溶接システムの信頼性の向上を図ることができる。
また、本発明の溶接装置２１は、溶接ワイヤ２９を送給し、短絡とアークを交互に繰り返して溶接を行う溶接装置であって、送給モータ２６と、電流検出部２４と、電圧検出部２５と、ＡＳ判定部３４と、出力制御部２３と、溶接出力部２２と、電流設定部２７と、ワイヤ送給制御部３３と、を備えている。ここで、送給モータ２６は溶接ワイヤ２９を送給し、電流検出部２４は溶接電流を検出する。電圧検出部２５は溶接電圧を検出し、ＡＳ判定部３４は電圧検出部２５の出力に基づいて短絡状態またはアーク状態を検出する。出力制御部２３は、電流検出部２４の出力、電圧検出部２５の出力およびＡＳ判定部３４の出力に基づいて、溶接出力を制御する。溶接出力部２２は出力制御部２３の出力に基づいて溶接出力を発生し、電流設定部２７は溶接電流の閾値となる第１の電流値Ｉ１を設定する。ワイヤ送給制御部３３は、電流設定部２７の出力、ＡＳ判定部３４の出力および電流検出部２４の出力に基づいて、溶接ワイヤ２９の送給を制御する。そして、本発明の溶接装置２１は、短絡発生中で、溶接電流が第１の電流値Ｉ１に達した後に、溶接ワイヤ２９の送給を停止、減速または逆送とさせる構成としている。
この構成により、短絡の開放を促し、過電流保護機能の作動による不要な溶接の中断の発生頻度を減少させることができる。これにより、溶接不良の発生を防ぐなどの溶接品質の向上や溶接に要する時間の短縮などの生産性の向上を実現することができる。
なお、本実施の形態１では、消耗電極式短絡溶接について説明したが、消耗電極式パルス溶接における短絡発生時の処理に適用しても同様の効果を実現することができる。
（実施の形態２）
図４から図６を用いて、本発明の実施の形態２の溶接装置４１とその動作について説明する。図４は、本発明の実施の形態２における溶接装置４１の概略構成を示す図である。図５と図６は、本発明の実施の形態２における溶接装置において、溶接電流、アーク状態または短絡状態を示すＡＳ信号およびワイヤ送給状態信号の時間変化を示す図である。
図４の溶接装置４１において、図１に示す溶接装置２１の構成と異なる主な点は、後述する経過時間設定部３５と計時部３６を設けた点である。
図４において、ＣＰＵ等で構成される経過時間設定部３５は、溶接電流が第１の電流値Ｉ１に達してからの経過時間の閾値となる第１の所定時間Ｔ１を設定するためのものである。また、ＣＰＵ等で構成される計時部３６は、溶接電流が第１の電流値Ｉ１に達してからの時間を計時するものである。
ワイヤ送給制御部３３は、電流設定部２７の出力、計時部３６の出力、経過時間設定部３５の出力、ＡＳ判定部３４の出力および電流検出部２４の出力に基づいて、送給モータ２６の回転を制御する。
送給モータ２６に接続する送給ローラ２８の回転により溶接ワイヤ２９は加圧送給され、溶接ワイヤ２９は溶接条件に応じた基本送給速度で送給される。溶接トーチ３０により溶接出力部２２が出力した溶接電流や溶接電圧が溶接ワイヤ２９に給電され、溶接ワイヤ２９の先端と母材３２の間にアーク３１が発生して溶接が行われる。
次に、図５を用いて、短絡が長時間開放しなかった場合に、短絡の開放を促す制御について説明する。
図５において、Ｅ５は、時点Ｅ４から経過時間設定部３５で設定された第１の所定時間Ｔ１が経過した時点を示している。
図５において、短絡を開放するため、短絡が発生した時点Ｅ３から、短絡電流は適切な増加傾きをもって増大する。短絡を開放するためには、溶接ワイヤ２９に極力高い溶接電流を供給することが必要である。増大する短絡電流は、溶接装置４１の性能で決定する最大出力電流値ＩＭＡＸ（例えば５５０Ａ）で上限が制限され、最大出力電流値ＩＭＡＸに達した後は短絡が開放してアークが発生するまで最大出力電流値ＩＭＡＸを継続する。
時点Ｅ３で発生した短絡中に、溶接電流が電流設定部２７で設定される第１の電流値Ｉ１（例えば４００Ａ）に達した時点Ｅ４から計時部３６により計時される第１の所定の時間Ｔ１が経過した時点Ｅ５において、ワイヤ送給制御部３３は、ワイヤ送給状態信号をオン（ハイレベル）とする。ワイヤ送給状態信号がオンの間、ワイヤ送給制御部３３は送給モータ２６の駆動を停止して溶接ワイヤ２９の送給を停止する。なお、実施の形態１と同様に、溶接ワイヤ２９の送給の停止ではなく、送給の減速や逆送を行うようにしてもよい。
そして、短絡が開放してアークが再生した時点Ｅ６において、ワイヤ送給制御部３３は、ワイヤ送給状態信号をオフ（ローレベル）する。ワイヤ送給制御部３３は、送給モータ２６を制御してワイヤ送給状態信号がオンする前の元のワイヤ送給速度（以下、「基本送給速度」とする。）にワイヤ送給速度を戻す。
次に、図６を用いて、本実施の形態の過電流保護機能について説明する。上述のようにワイヤ送給状態信号をオンの状態にして溶接ワイヤ２９の送給を停止、減速または逆送して短絡を促進する状態であっても、場合によっては所定時間の間、最大出力電流値ＩＭＡＸが継続することもある。その場合には、背景技術において図８で説明したものと同様に、過電流保護機能が動作する。
図６において、短絡が発生した時点Ｅ３から短絡電流が増大し、最大出力電流値ＩＭＡＸ（例えば５５０Ａ）にて上限クランプ（固定）される。過電流から溶接装置４１やジグ等を保護するために溶接出力を停止するための基準電流値となる過電流保護検出電流値ＩＯＣは、最大出力電流値より低い値（例えば５００Ａ）もしくは同じ値に設定される。図６では、最大出力電流値より低い値の例を示している。
図６において、短絡電流が過電流保護検出電流値ＩＯＣを越えた時点Ｅ７から過電流保護検出時間ＴＯＣ（例えば３００ｍｓｅｃ）が経過する時点Ｅ８までの間に短絡が開放しない場合、溶接装置４１は過電流保護のため強制停止する。
なお、図５における、第１の所定時間Ｔ１は、過電流保護検出時間ＴＯＣよりも短く設定し、例えば過電流保護検出時間ＴＯＣよりも１００ｍｓｅｃ短くしてもよい。例えば、第１の所定時間Ｔ１は２００ｍｓｅｃ程度である。
なお、溶接ワイヤ２９が送給される送給経路には遊びがあり、また、送給モータ２６や送給ローラ２８の停止には一定の時間を要する。そのため、図５に示す時点Ｅ５から送給される溶接ワイヤ２９の先端が停止、減速または逆送する状態に至るまでには、一定の時間を要する。通常では例えば１００ｍｓｅｃ程度を要するため、過電流保護検出時間ＴＯＣより、第１の所定時間Ｔ１を１００ｍｓｅｃ以上短く設定することで、より確実に短絡開放を促進する効果が期待できる。
以上のように、本発明の溶接方法は、溶接電流が第１の電流値Ｉ１に達した時点から第１の所定の時間Ｔ１が経過した後に、溶接ワイヤ２９の送給を停止、減速または逆送させる方法としている。
この方法により、短絡中の溶接ワイヤ２９が母材３２に形成される溶融プールに深く押されることがなくなり、短絡の開放が促進され、過電流保護機能が作動して溶接中断が発生する頻度を減少させる。その結果、溶接不良の発生を防ぎ、生産性の悪化を防ぐことができる。
また、溶接電流が第１の電流値Ｉ１に達した時点から第１の所定時間Ｔ１の経過を待って溶接ワイヤ２９の停止、減速または逆送を行う方法としている。
この方法により、不要な送給モータ２６の停止を防ぎ、送給モータ２６の減速ギアや送給ローラ２８等の機構部品の消耗を防ぐことができ、システムの信頼性の向上を図ることができる。
また、第１の所定時間Ｔ１は、過電流から溶接装置４１を保護するために溶接出力を停止するための基準時間となる、予め設定された過電流保護検出時間ＴＯＣよりも短い方法としている。すなわち、第１の所定時間Ｔ１を、過電流保護検出時間ＴＯＣよりも１００ｍｓ程度短くすることで、過電流保護機能の作動よりも確実に早く溶接ワイヤ２９の停止の効果を得ることができ、より確実に短絡の開放を促進することができる。
また、溶接ワイヤの送給を停止、減速または逆送させた後に、短絡が開放してアーク状態となった場合には、溶接ワイヤの送給を停止、減速または逆送させる前の送給状態とする方法としている。この方法により、継続して良好な溶接作業を行うことができる。
また、本発明の溶接装置４１は、溶接ワイヤ２９を送給し、短絡とアークを交互に繰り返して溶接を行う溶接装置であって、送給モータ２６と、電流検出部２４と、電圧検出部２５と、ＡＳ判定部３４と、出力制御部２３と、溶接出力部２２と、電流設定部２７と、ワイヤ送給制御部３３と、を備えている。ここで、送給モータ２６は、溶接ワイヤを送給し、電流検出部２４は、溶接電流を検出する。電圧検出部２５は、溶接電圧を検出し、ＡＳ判定部３４は、電圧検出部２５の出力に基づいて、短絡状態またはアーク状態を検出する。出力制御部２３は、電流検出部２４の出力、電圧検出部２５の出力およびＡＳ判定部３４の出力に基づいて、溶接出力を制御する。溶接出力部２２は、出力制御部２３の出力に基づいて溶接出力を発生し、電流設定部２７は、溶接電流の閾値となる第１の電流値Ｉ１を設定する。計時部３６は、溶接電流が第１の電流値Ｉ１に達してからの時間を計時し、経過時間設定部３５は、第１の電流値Ｉ１に達してからの経過時間の閾値となる第１の所定時間Ｔ１を設定する。ワイヤ送給制御部３３は、電流設定部２７の出力、計時部３６の出力、経過時間設定部３５の出力、ＡＳ判定部３４の出力および電流検出部２４の出力に基づいて、溶接ワイヤ２９の送給を制御する。そして、本発明の溶接装置４１は、溶接電流が第１の電流値Ｉ１に達してから第１の所定時間Ｔ１が経過した後に、溶接ワイヤの送給を停止、減速または逆送させる構成からなる。
この構成により、短絡の開放を促し、過電流保護機能の作動による不要な溶接の中断の発生頻度を減少させることができる。これにより、溶接不良の発生を防ぐなどの溶接品質の向上や溶接に要する時間の短縮などの生産性の向上を実現することができる。
なお、本実施の形態では、消耗電極式短絡溶接について説明したが、消耗電極式パルス溶接における短絡発生時の処理に適用しても同様の効果を実現することができる。
以上のように、本願発明は、短絡開放を促進することで、溶接不良の発生を防ぎ、生産性が向上することができる。したがって、消耗電極式アーク溶接施工を行う、例えばＬＮＧタンクや造船や橋梁といった、特に厚板での溶接性を重視している業界における溶接装置や溶接方法として産業上有用である。
２１，４１ 溶接装置
２２ 溶接出力部
２３ 出力制御部
２４ 電流検出部
２５ 電圧検出部
２６ 送給モータ
２７ 電流設定部
２８ 送給ローラ
２９ 溶接ワイヤ
３０ 溶接トーチ
３１ アーク
３２ 母材
３３ ワイヤ送給制御部
３４ ＡＳ判定部
３５ 経過時間設定部
３６ 計時部
本発明は、溶接ワイヤを送給し、短絡とアークとを繰り返して溶接を行う溶接方法および溶接装置に関する。
従来、溶接ワイヤを自動送給し、短絡とアークとを交互に繰り返す溶接を行う溶接装置では、短絡発生時に短絡の開放を促すため、時間の経過に伴って短絡電流を増加させ、短絡が開放してアークが再生するまで大電流を通電する。
特に、アルミニウム等のように、固有抵抗率が小さいため溶融され難い溶接ワイヤを用いた施工においては、短絡が発生し、短絡を開放するために大電流が通電されても、溶接ワイヤの半溶融の状態が継続し、短絡を開放することができず、アークが発生しない状態となる場合がある。
短絡の開放がスムーズに行われなかった場合、溶接ワイヤの座屈が発生して溶接が中断する、あるいは、過電流から溶接装置や周辺のジグ等を保護するための過電流保護機能が作動して溶接装置が停止することにより溶接が中断する、といったことが生じる。
上述した、ワイヤの座屈を防止し、溶接が中断することを回避する方法としては、ワイヤ送給モータのモータ電流を監視し、溶接ワイヤの送給を停止する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、過電流保護機能は、例えばチップ短絡等の溶接出力側が短絡したような異常状態の場合、溶接装置や周辺のジグ等を保護するため、従来から慣用されている。
図７は、従来の溶接装置の概略構成を示す図である。図８は、従来の溶接装置における溶接電流と、アーク状態または短絡状態を示すＡＳ信号との時間変化を示す図である。図７と図８とを用いて、従来から慣用されている過電流保護機能の動作について説明する。図７は、過電流保護機能を有する従来の溶接装置の全体構成を示し、図８は、従来の溶接装置の溶接出力波形と各タイミングの関係を示している。
図７のように構成された溶接装置に関し、図８を用いてその動作について説明する。以下、短絡とアークとを繰り返して溶接を行う消耗電極式アーク溶接装置を用いた例について説明する。
図７に示す溶接装置１において、溶接出力部２は溶接出力を行い、出力制御部３は溶接出力部２を制御する。また、電流検出部４は溶接電流を検出し、電圧検出部５は溶接電圧を検出する。送給モータ６は溶接ワイヤ９を送給し、送給ローラ８は溶接ワイヤ９を送給する。また、溶接トーチ１０において、母材１２は溶接対象物であり、アーク１１は溶接ワイヤ９と母材１２との間に発生している。ワイヤ送給制御部１３は送給モータ６を制御し、ＡＳ判定部１４は、電圧検出部５の出力に基づいて、溶接ワイヤ９と母材１２との間にアークが発生しているアーク状態であるのか、溶接ワイヤ９と母材１２とが短絡している短絡状態であるのかを判定するものである。
図７において、溶接出力部２は、溶接装置１の外部から給電される商用電力を入力とし、インバータ動作により溶接条件に適した溶接電圧や溶接電流を出力する。
ＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）等で構成される電流検出部４は、溶接電流を検出する。溶接装置１の出力端子間電圧を測定する電圧検出部５は、溶接電圧を検出する。
ＣＰＵ等で構成されるＡＳ判定部１４は、電圧検出部５からの電圧検出信号を入力とし、短絡状態を判定中に予め設定される検出レベル（例えば、１５Ｖ）に達した場合は、ＡＳ信号をアーク判定（Ｈｉｇｈ：ハイレベル）とする。また、アーク状態を判定中に予め設定される検出レベル（例えば、１０Ｖ）に達した場合、ＡＳ信号を短絡判定（Ｌｏｗ：ローレベル）とする。
ワイヤ送給制御部１３は、送給モータ６の回転を制御する。送給モータ６に接続する送給ローラ８の回転により溶接ワイヤ９は加圧送給され、溶接条件に応じた、基本送給速度で送給される。
溶接トーチ１０により溶接出力部２の出力が溶接ワイヤ９に給電され、溶接ワイヤ９の先端と母材１２との間にアーク１１を発生させて溶接を行う。
また、図８において、Ｅ１は短絡が発生した時点を示し、Ｅ２は時点Ｅ１の後にアークが発生した時点を示す。Ｅ３は時点Ｅ２の後に短絡が発生した時点を示し、Ｅ７は時点Ｅ３で発生した短絡状態において短絡電流が予め設定された過電流保護検出電流値ＩＯＣに達した時点を示している。Ｅ８は時点Ｅ７から過電流保護検出期間ＴＯＣが経過して過電流保護機能が作動した時点を示している。
図８に示すように、短絡が発生した時点Ｅ３から、短絡を開放するため、短絡電流は適切な増加傾きをもって増大するように制御される。短絡を開放するためには、極力高い溶接電流を出力することが必要である。短絡電流は、溶接装置１の性能で決定する最大出力電流値ＩＭＡＸ（例えば５５０Ａ）で上限クリップ（上限固定）され、短絡が開放してアークが発生するまで、最大出力電流値ＩＭＡＸが継続して出力される。
溶接電流が過電流保護検出電流値ＩＯＣ（例えば、５００Ａ）に達した時点Ｅ７から、過電流保護検出期間ＴＯＣ（例えば、３００ｍｓｅｃ）が経過する時点Ｅ８までの間に、短絡が開放せず、過電流保護検出電流値ＩＯＣ以上の溶接電流が継続した場合を想定する。この場合には、溶接装置１は、過電流から溶接装置１や周辺ジグ等を保護するため、溶接装置１の出力を強制停止する。
過電流保護機能が動作して溶接装置１の出力および溶接ワイヤ９の送給を停止するまでは、過電流保護検出期間ＴＯＣに達するまで短絡が長時間開放できない場合であっても、溶接ワイヤ９の母材１２への送給は通常通り継続される。このため、溶接ワイヤ９が母材１２に形成された溶融プール中にさらに深く押し込まれ、より短絡開放が困難な状況となっていた。
そして、所定の期間に短絡が開放しないことにより過電流保護機能が作動し、溶接装置１が強制停止する。この溶接装置１の強制停止に伴う溶接の中断により、母材１２が痛んだり溶接欠陥が生じるといった溶接不良が発生したり、生産効率が悪くなるという課題を有していた。
特開２００８−６８２８３号公報
本発明は、短絡が長時間開放しなかった場合に、短絡の開放を促し、過電流保護機能の作動による不要な溶接の中断の発生頻度を減少させ、溶接不良の発生を防ぎ、生産性の向上を実現することができる溶接方法および溶接装置を提供する。
上記課題を解決するために、本発明の溶接方法は、溶接ワイヤを送給し、短絡とアークとを交互に繰り返して溶接を行う溶接方法であって、短絡発生中で、溶接電流が短絡発生時の溶接電流よりも大きい予め設定した第１の電流値に達した後に、溶接ワイヤの送給を停止、減速または逆送させる方法からなる。
この方法により、短絡の開放を促し、過電流保護機能の作動による不要な溶接の中断の発生頻度を減少させることができる。これにより、溶接不良の発生を防ぐなどの溶接品質の向上や溶接に要する時間の短縮などの生産性の向上を実現することができる。
また、本発明の溶接装置は、溶接ワイヤを送給し、短絡とアークを交互に繰り返して溶接を行う溶接装置であって、上記溶接ワイヤを送給する送給モータと、溶接電流を検出する電流検出部と、溶接電圧を検出する電圧検出部と、を備えている。さらに、本発明の溶接装置は、上記電圧検出部の出力に基づいて短絡状態またはアーク状態を検出するＡＳ判定部と、上記電流検出部の出力、上記電圧検出部の出力および上記ＡＳ判定部の出力に基づいて、溶接出力を制御する出力制御部と、上記出力制御部の出力に基づいて溶接出力を発生する溶接出力部と、溶接電流の閾値となる第１の電流値を設定する電流設定部と、上記電流設定部の出力、上記ＡＳ判定部の出力および上記電流検出部の出力に基づいて、上記溶接ワイヤの送給を制御するワイヤ送給制御部とを備え、短絡発生中で、溶接電流が短絡発生時の溶接電流よりも大きい前記第１の電流値に達した後に、上記溶接ワイヤの送給を停止、減速または逆送とさせる構成からなる。
この構成により、短絡の開放を促し、過電流保護機能の作動による不要な溶接の中断の発生頻度を減少させることができる。これにより、溶接不良の発生を防ぐなどの溶接品質の向上や溶接に要する時間の短縮などの生産性の向上を実現することができる。
また、本発明の溶接装置は、溶接ワイヤを送給し、短絡とアークを交互に繰り返して溶接を行う溶接装置であって、溶接ワイヤを送給する送給モータと、溶接電流を検出する電流検出部と、溶接電圧を検出する電圧検出部と、電圧検出部の出力に基づいて、短絡状態またはアーク状態を検出するＡＳ判定部と、電流検出部の出力、電圧検出部の出力およびＡＳ判定部の出力に基づいて、溶接出力を制御する出力制御部と、を備えている。さらに、本発明の溶接装置は、出力制御部の出力に基づいて溶接出力を発生する溶接出力部と、溶接電流の閾値となる第１の電流値を設定する電流設定部と、溶接電流が第１の電流値に達してからの時間を計時する計時部と、第１の電流値に達してからの経過時間の閾値となる第１の所定時間を設定する経過時間設定部と、電流設定部の出力、計時部の出力、経過時間設定部の出力、ＡＳ判定部の出力および電流検出部の出力に基づいて、溶接ワイヤの送給を制御するワイヤ送給制御部とを備え、短絡発生中で、溶接電流が短絡発生時の溶接電流よりも大きい第１の電流値に達してから第１の所定時間が経過した後に、溶接ワイヤの送給を停止、減速または逆送させる構成からなる。
この構成により、短絡の開放を促し、過電流保護機能の作動による不要な溶接の中断の発生頻度を減少させることができる。これにより、溶接不良の発生を防ぐなどの溶接品質の向上や溶接に要する時間の短縮などの生産性の向上を実現することができる。
本発明の実施の形態１における溶接装置の概略構成を示す図 本発明の実施の形態１における溶接装置において、溶接電流、ＡＳ信号およびワイヤ送給状態信号の時間変化を示す図 本発明の実施の形態１における溶接装置において、溶接電流、ＡＳ信号およびワイヤ送給状態信号の時間変化を示す図 本発明の実施の形態２における溶接装置の概略構成を示す図 本発明の実施の形態２における溶接装置において、溶接電流、ＡＳ信号およびワイヤ送給状態信号の時間変化を示す図 本発明の実施の形態２における溶接装置において、溶接電流、ＡＳ信号およびワイヤ送給状態信号の時間変化を示す図 従来の溶接装置の概略構成を示す図 従来の溶接装置における溶接電流と、アーク状態または短絡状態を示すＡＳ信号の時間変化を示す図
以下、本発明の一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。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における溶接装置２１の概略構成を示す図である。図２と図３は、本発明の実施の形態１における溶接装置において、溶接電流、アーク状態または短絡状態を示すＡＳ信号およびワイヤ送給状態信号の時間変化を示す図である。
以下、溶接装置の一例として、短絡とアークを繰り返して溶接を行う消耗電極式アーク溶接装置を例にして説明する。そして、図１に示す溶接装置２１の動作について、図２と図３を用いて説明する。
図１の溶接装置２１において、溶接出力部２２は溶接出力を行い、出力制御部２３は溶接出力部２２を制御する。電流検出部２４は溶接電流を検出し、電圧検出部２５は溶接電圧を検出する。送給モータ２６は溶接ワイヤ２９を送給するために備えられ、電流設定部２７は溶接電流の閾値を設定する。送給ローラ２８は溶接ワイヤ２９を溶接対象物である母材３２に溶接トーチ３０を介して送給するためのものである。この時に、アーク３１は溶接ワイヤ２９と母材３２との間に発生し、ワイヤ送給制御部３３は送給モータを制御する。また、ＡＳ判定部３４は、電圧検出部２５の出力に基づいて、溶接ワイヤ２９と母材３２との間にアークが発生しているアーク状態であるのか、溶接ワイヤ２９と母材３２とが短絡している短絡状態であるのかを判定する。
図１において、溶接装置２１の溶接出力部２２は、溶接装置２１の外部から給電される商用電力（例えば、３相２００Ｖ等）を入力とし、インバータ動作にて溶接条件に適した溶接電圧や溶接電流を出力する。
溶接出力部２２に含まれるインバータ部は、通常、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）動作やフェーズシフト動作により駆動されるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等で構成される。
ＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）等で構成される電流検出部２４は、溶接電流を検出する。溶接装置２１の出力端子間の電圧を測定する電圧検出部２５は、溶接電圧を検出する。
ＣＰＵ等で構成されるＡＳ判定部３４は、電圧検出部２５からの電圧検出信号を入力とし、短絡判定中に増加した溶接電圧が予め設定される検出レベル（例えば、１５Ｖ）に達した場合はＡＳ信号をアーク状態であると判定（以下、「アーク判定」とする。「ハイレベル」に該当する。）する。また、アーク判定中に減少した溶接電圧が予め設定される検出レベル（例えば、１０Ｖ）に達した場合、ＡＳ信号を短絡状態であると判定（以下、「短絡判定」とする。「ローレベル」に該当する。）する。
ＣＰＵ等で構成される出力制御部２３は、電流検出部２４の出力、電圧検出部２５の出力およびＡＳ判定部３４の出力に基づいて、溶接出力部２２を制御する。ＣＰＵ等で構成される電流設定部２７は、溶接電流の閾値となる第１の電流値Ｉ１を設定する。
ワイヤ送給制御部３３は、電流設定部２７の出力、ＡＳ判定部３４の出力および電流検出部２４の出力に基づいて、送給モータ２６の回転を制御する。送給モータ２６に接続する送給ローラ２８の回転により、溶接ワイヤ２９は加圧送給され、溶接条件に応じた基本送給速度で送給される。そして、溶接トーチ３０により溶接出力部２２が出力する溶接電流や溶接電圧が溶接ワイヤ２９に給電され、溶接ワイヤ２９の先端と母材３２との間にアーク３１が発生して溶接が行われる。
次に、図２を用いて、短絡が長時間開放しなかった場合に、短絡の開放を促す制御について説明する。
図２において、Ｅ１は短絡が発生した時点を示し、Ｅ２は時点Ｅ１の後にアークが発生した時点を示し、Ｅ３は時点Ｅ２の後に短絡が発生した時点を示す。Ｅ４は時点Ｅ３で発生した短絡状態において短絡電流が予め設定された溶接電流の閾値となる第１の電流値Ｉ１に達した時点を示し、Ｅ６は時点Ｅ４の後にアークが発生した時点を示している。また、ＩＭＡＸは溶接装置２１の最大出力電流値を示している。
図２に示すように、短絡が発生した時点Ｅ１でＡＳ判定部３４が出力するＡＳ信号はローレベル（短絡判定）となり、アークが発生した時点Ｅ２でＡＳ信号はハイレベル（アーク判定）となる。なお、安定した短絡溶接であれば、例えば通常の短絡時間は１０ｍｓｅｃ以内である。
短絡が発生した時点Ｅ３から、短絡を開放するため、短絡電流は適切な増加傾きをもって増大される。短絡を開放するためには、溶接ワイヤ２９に極力高い溶接電流を供給することが必要である。増大する短絡電流は、溶接装置２１の性能で決定する最大出力電流値ＩＭＡＸ（例えば５５０Ａ）を上限としており、溶接電流が最大出力電流値ＩＭＡＸに達した後は、短絡が開放してアークが発生するまで最大出力電流値ＩＭＡＸが継続される。
なお、最大出力電流値ＩＭＡＸは、通常、溶接装置２１のインバータを構成するＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子の最大絶対定格により決定される。
時点Ｅ３から発生した短絡中に、溶接電流が電流設定部２７で設定される第１の電流値Ｉ１（例えば４００Ａ）に達した時点Ｅ４の後に、ワイヤ送給制御部３３は、ワイヤ送給状態信号をオン（ハイレベル）とする。
ワイヤ送給状態信号が、オンになる前のオフ（ローレベル）の間は、溶接ワイヤ２９が母材３２の方向へ所定の基本送給速度で送給されている。一方、ワイヤ送給状態信号がオンの間は、ワイヤ送給制御部３３は、送給モータ２６の駆動を停止し、これにより溶接ワイヤ２９の送給を停止する。
なお、ワイヤ送給状態信号がオンの間、ワイヤ送給制御部３３は送給モータ２６の駆動を制御し、停止ではなく、ワイヤ送給速度をワイヤ送給状態信号がオフの場合の基本送給速度よりも減速するようにしてもよい。ワイヤ送給速度の減速時の速度は、例えば、基本送給速度の２５％の値でもよく、あるいは、送給可能な最低のワイヤ送給速度としてもよく、あるいは、溶接開始時のワイヤ送給速度（一般的にスローダウン速度と呼び、定常溶接時の速度よりも低い速度）としてもよい。
あるいは、ワイヤ送給状態信号がオンの間、ワイヤ送給制御部３３は送給モータ２６の駆動を制御し、停止ではなく、ワイヤ送給を逆送するようにしてもよい。ワイヤ送給の逆送時の速度は、基本送給速度の２５％の値でもよく、あるいは、送給可能な最低ワイヤ送給速度としてもよい。あるいは、溶接開始時のワイヤ送給速度（一般的にスローダウン速度と呼ぶ）としてもよく、あるいは、逆送開始から一定時間（例えば、２００ｍｓｅｃ）経過後にワイヤ送給速度を０（停止状態）とし、溶接ワイヤ２９を戻し過ぎないようにしてもよい。
また、図示しないが、溶接ワイヤ２９の送給を停止させるための手段として、送給ローラ２８の加圧を制御することが可能な電磁バルブ等で構成される送給ローラ加圧装置を送給ローラ２８に設ける。これにより、ワイヤ送給状態信号がオンの間は、送給ローラ加圧装置により送給ローラ２８による溶接ワイヤ２９への加圧を減圧し、送給ローラ２８を空転させて溶接ワイヤ２９の送給を停止するようにしてもよい。
あるいは、図示しないが、溶接ワイヤ２９の送給を停止させるための手段として、送給ローラ２８から溶接トーチ３０までのコンジットケーブル等で構成される溶接ワイヤの送給経路の間に、電磁バルブ等で構成される加圧クランプブレーキ装置を設ける。これにより、ワイヤ送給状態信号がオンの間は、加圧クランプブレーキ装置の加圧クランプ力により溶接ワイヤ２９の送給に摩擦抵抗を加え、溶接ワイヤ２９をクランプし、溶接ワイヤ２９の送給を停止するようにしてもよい。
そして、図２に示すように、ワイヤ送給状態信号をオンの状態にして溶接ワイヤ２９の送給を停止、減速または逆送した状態で短絡が開放してアークが再生した時点Ｅ６では、ワイヤ送給制御部３３は、ワイヤ送給状態信号をオフ（ローレベル）とする。そして、ワイヤ送給制御部３３は、送給モータ２６を制御してワイヤ送給状態信号をオンする前の元のワイヤ送給速度（基本送給速度）にワイヤ送給速度を戻し、溶接ワイヤ２９の送給を継続する。
次に、図３を用いて、本実施の形態１の過電流保護機能について説明する。上記のようにワイヤ送給状態信号をオンの状態にして溶接ワイヤ２９の送給を停止、減速または逆送して短絡開放を促す状態であっても、場合によっては、所定時間最大出力電流値ＩＭＡＸが継続することもある。その場合には、背景技術において図８で説明したものと同様に、過電流保護機能が動作する。
図３において、Ｅ７は短絡電流が予め設定された過電流保護検出電流値ＩＯＣに達した時点を示している。Ｅ８は時点Ｅ７から予め設定された過電流保護検出期間ＴＯＣが経過して過電流保護機能が作動し、溶接装置２１の溶接出力を停止した時点を示している。
図３において、短絡が発生した時点Ｅ３から短絡電流が増大し、最大出力電流値ＩＭＡＸ（例えば５５０Ａ）にて上限クランプ（固定）される。そして、過電流から溶接装置２１やジグ等を保護するために溶接出力を停止するための基準電流値となる過電流保護検出電流値ＩＯＣは、最大出力電流値ＩＭＡＸより低い値（例えば５００Ａ）もしくは同じ値に設定される。図３では、最大出力電流値より低い値の例を示している。
図３において、短絡電流が過電流保護検出電流値ＩＯＣを越えた時点Ｅ７から過電流保護検出時間ＴＯＣ（例えば３００ｍｓｅｃ）が経過する時点Ｅ８までの間に短絡が開放しない場合、溶接装置２１は過電流保護のため強制停止する。
以上のように、溶接電流が第１の電流値Ｉ１に達した後に、溶接ワイヤ２９の送給を停止、減速または逆送とすることで、短絡中の溶接ワイヤ２９が母材３２に形成された溶融プールに深く押されることがなくなる。これにより、短絡の開放が促進され、過電流保護機能が作動して溶接中断が発生する頻度を減少させ、溶接不良の発生を防ぎ、生産性の悪化を防ぐことができる。
なお、図２および図３における、第１の電流値Ｉ１は、過電流保護電流値ＩＯＣと同じ値としてもよい。これにより、溶接電流が長時間短絡であることを確実に判定でき、誤判定による不要な送給モータ２６の停止を防ぎ、送給モータ２６の減速ギアや送給ローラ２８等の機構部品の消耗を防ぐことができる。したがって、溶接システムの信頼性の向上を図ることができる。図３では、第１の電流値Ｉ１は過電流保護電流値ＩＯＣとは異なり、過電流保護電流値ＩＯＣより小さい場合の例を示している。
すなわち、本発明の溶接方法は、溶接ワイヤ２９を送給し、短絡とアークとを交互に繰り返して溶接を行う溶接方法であって、短絡発生中で、溶接電流が予め設定した第１の電流値Ｉ１に達した後に、溶接ワイヤ２９の送給を停止、減速または逆送させる方法からなる。
この方法により、短絡の開放を促し、過電流保護機能の作動による不要な溶接の中断の発生頻度を減少させることができる。これにより、溶接不良の発生を防ぐなどの溶接品質の向上や溶接に要する時間の短縮などの生産性の向上を実現することができる。
また、第１の電流値Ｉ１は、過電流から溶接装置２１を保護するために溶接出力を停止するための基準電流値となる、予め設定された過電流保護検出電流値ＩＯＣと等しい方法としている。
この方法により、溶接電流が長時間短絡であることを確実に判定でき、誤判定による不要な送給モータ２６の停止を防ぎ、送給モータ２６の減速ギアや送給ローラ２８等の機構部品の消耗を防ぐことができる。したがって、溶接システムの信頼性の向上を図ることができる。
また、本発明の溶接装置２１は、溶接ワイヤ２９を送給し、短絡とアークを交互に繰り返して溶接を行う溶接装置であって、送給モータ２６と、電流検出部２４と、電圧検出部２５と、ＡＳ判定部３４と、出力制御部２３と、溶接出力部２２と、電流設定部２７と、ワイヤ送給制御部３３と、を備えている。ここで、送給モータ２６は溶接ワイヤ２９を送給し、電流検出部２４は溶接電流を検出する。電圧検出部２５は溶接電圧を検出し、ＡＳ判定部３４は電圧検出部２５の出力に基づいて短絡状態またはアーク状態を検出する。出力制御部２３は、電流検出部２４の出力、電圧検出部２５の出力およびＡＳ判定部３４の出力に基づいて、溶接出力を制御する。溶接出力部２２は出力制御部２３の出力に基づいて溶接出力を発生し、電流設定部２７は溶接電流の閾値となる第１の電流値Ｉ１を設定する。ワイヤ送給制御部３３は、電流設定部２７の出力、ＡＳ判定部３４の出力および電流検出部２４の出力に基づいて、溶接ワイヤ２９の送給を制御する。そして、本発明の溶接装置２１は、短絡発生中で、溶接電流が第１の電流値Ｉ１に達した後に、溶接ワイヤ２９の送給を停止、減速または逆送とさせる構成としている。
この構成により、短絡の開放を促し、過電流保護機能の作動による不要な溶接の中断の発生頻度を減少させることができる。これにより、溶接不良の発生を防ぐなどの溶接品質の向上や溶接に要する時間の短縮などの生産性の向上を実現することができる。
なお、本実施の形態１では、消耗電極式短絡溶接について説明したが、消耗電極式パルス溶接における短絡発生時の処理に適用しても同様の効果を実現することができる。
（実施の形態２）
図４から図６を用いて、本発明の実施の形態２の溶接装置４１とその動作について説明する。図４は、本発明の実施の形態２における溶接装置４１の概略構成を示す図である。図５と図６は、本発明の実施の形態２における溶接装置において、溶接電流、アーク状態または短絡状態を示すＡＳ信号およびワイヤ送給状態信号の時間変化を示す図である。
図４の溶接装置４１において、図１に示す溶接装置２１の構成と異なる主な点は、後述する経過時間設定部３５と計時部３６を設けた点である。
図４において、ＣＰＵ等で構成される経過時間設定部３５は、溶接電流が第１の電流値Ｉ１に達してからの経過時間の閾値となる第１の所定時間Ｔ１を設定するためのものである。また、ＣＰＵ等で構成される計時部３６は、溶接電流が第１の電流値Ｉ１に達してからの時間を計時するものである。
ワイヤ送給制御部３３は、電流設定部２７の出力、計時部３６の出力、経過時間設定部３５の出力、ＡＳ判定部３４の出力および電流検出部２４の出力に基づいて、送給モータ２６の回転を制御する。
送給モータ２６に接続する送給ローラ２８の回転により溶接ワイヤ２９は加圧送給され、溶接ワイヤ２９は溶接条件に応じた基本送給速度で送給される。溶接トーチ３０により溶接出力部２２が出力した溶接電流や溶接電圧が溶接ワイヤ２９に給電され、溶接ワイヤ２９の先端と母材３２の間にアーク３１が発生して溶接が行われる。
次に、図５を用いて、短絡が長時間開放しなかった場合に、短絡の開放を促す制御について説明する。
図５において、Ｅ５は、時点Ｅ４から経過時間設定部３５で設定された第１の所定時間Ｔ１が経過した時点を示している。
図５において、短絡を開放するため、短絡が発生した時点Ｅ３から、短絡電流は適切な増加傾きをもって増大する。短絡を開放するためには、溶接ワイヤ２９に極力高い溶接電流を供給することが必要である。増大する短絡電流は、溶接装置４１の性能で決定する最大出力電流値ＩＭＡＸ（例えば５５０Ａ）で上限が制限され、最大出力電流値ＩＭＡＸに達した後は短絡が開放してアークが発生するまで最大出力電流値ＩＭＡＸを継続する。
時点Ｅ３で発生した短絡中に、溶接電流が電流設定部２７で設定される第１の電流値Ｉ１（例えば４００Ａ）に達した時点Ｅ４から計時部３６により計時される第１の所定の時間Ｔ１が経過した時点Ｅ５において、ワイヤ送給制御部３３は、ワイヤ送給状態信号をオン（ハイレベル）とする。ワイヤ送給状態信号がオンの間、ワイヤ送給制御部３３は送給モータ２６の駆動を停止して溶接ワイヤ２９の送給を停止する。なお、実施の形態１と同様に、溶接ワイヤ２９の送給の停止ではなく、送給の減速や逆送を行うようにしてもよい。
そして、短絡が開放してアークが再生した時点Ｅ６において、ワイヤ送給制御部３３は、ワイヤ送給状態信号をオフ（ローレベル）する。ワイヤ送給制御部３３は、送給モータ２６を制御してワイヤ送給状態信号がオンする前の元のワイヤ送給速度（以下、「基本送給速度」とする。）にワイヤ送給速度を戻す。
次に、図６を用いて、本実施の形態の過電流保護機能について説明する。上述のようにワイヤ送給状態信号をオンの状態にして溶接ワイヤ２９の送給を停止、減速または逆送して短絡開放を促進する状態であっても、場合によっては所定時間の間、最大出力電流値ＩＭＡＸが継続することもある。その場合には、背景技術において図８で説明したものと同様に、過電流保護機能が動作する。
図６において、短絡が発生した時点Ｅ３から短絡電流が増大し、最大出力電流値ＩＭＡＸ（例えば５５０Ａ）にて上限クランプ（固定）される。過電流から溶接装置４１やジグ等を保護するために溶接出力を停止するための基準電流値となる過電流保護検出電流値ＩＯＣは、最大出力電流値より低い値（例えば５００Ａ）もしくは同じ値に設定される。図６では、最大出力電流値より低い値の例を示している。
図６において、短絡電流が過電流保護検出電流値ＩＯＣを越えた時点Ｅ７から過電流保護検出時間ＴＯＣ（例えば３００ｍｓｅｃ）が経過する時点Ｅ８までの間に短絡が開放しない場合、溶接装置４１は過電流保護のため強制停止する。
なお、図５における、第１の所定時間Ｔ１は、過電流保護検出時間ＴＯＣよりも短く設定し、例えば過電流保護検出時間ＴＯＣよりも１００ｍｓｅｃ短くしてもよい。例えば、第１の所定時間Ｔ１は２００ｍｓｅｃ程度である。
なお、溶接ワイヤ２９が送給される送給経路には遊びがあり、また、送給モータ２６や送給ローラ２８の停止には一定の時間を要する。そのため、図５に示す時点Ｅ５から送給される溶接ワイヤ２９の先端が停止、減速または逆送する状態に至るまでには、一定の時間を要する。通常では例えば１００ｍｓｅｃ程度を要するため、過電流保護検出時間ＴＯＣより、第１の所定時間Ｔ１を１００ｍｓｅｃ以上短く設定することで、より確実に短絡開放を促進する効果が期待できる。
以上のように、本発明の溶接方法は、溶接電流が第１の電流値Ｉ１に達した時点から第１の所定の時間Ｔ１が経過した後に、溶接ワイヤ２９の送給を停止、減速または逆送させる方法としている。
この方法により、短絡中の溶接ワイヤ２９が母材３２に形成される溶融プールに深く押されることがなくなり、短絡の開放が促進され、過電流保護機能が作動して溶接中断が発生する頻度を減少させる。その結果、溶接不良の発生を防ぎ、生産性の悪化を防ぐことができる。
また、溶接電流が第１の電流値Ｉ１に達した時点から第１の所定時間Ｔ１の経過を待って溶接ワイヤ２９の停止、減速または逆送を行う方法としている。
この方法により、不要な送給モータ２６の停止を防ぎ、送給モータ２６の減速ギアや送給ローラ２８等の機構部品の消耗を防ぐことができ、システムの信頼性の向上を図ることができる。
また、第１の所定時間Ｔ１は、過電流から溶接装置４１を保護するために溶接出力を停止するための基準時間となる、予め設定された過電流保護検出時間ＴＯＣよりも短い方法としている。すなわち、第１の所定時間Ｔ１を、過電流保護検出時間ＴＯＣよりも１００ｍｓｅｃ程度短くすることで、過電流保護機能の作動よりも確実に早く溶接ワイヤ２９の停止の効果を得ることができ、より確実に短絡の開放を促進することができる。
また、溶接ワイヤの送給を停止、減速または逆送させた後に、短絡が開放してアーク状態となった場合には、溶接ワイヤの送給を停止、減速または逆送させる前の送給状態とする方法としている。この方法により、継続して良好な溶接作業を行うことができる。
また、本発明の溶接装置４１は、溶接ワイヤ２９を送給し、短絡とアークを交互に繰り返して溶接を行う溶接装置であって、送給モータ２６と、電流検出部２４と、電圧検出部２５と、ＡＳ判定部３４と、出力制御部２３と、溶接出力部２２と、電流設定部２７と、ワイヤ送給制御部３３と、を備えている。ここで、送給モータ２６は、溶接ワイヤを送給し、電流検出部２４は、溶接電流を検出する。電圧検出部２５は、溶接電圧を検出し、ＡＳ判定部３４は、電圧検出部２５の出力に基づいて、短絡状態またはアーク状態を検出する。出力制御部２３は、電流検出部２４の出力、電圧検出部２５の出力およびＡＳ判定部３４の出力に基づいて、溶接出力を制御する。溶接出力部２２は、出力制御部２３の出力に基づいて溶接出力を発生し、電流設定部２７は、溶接電流の閾値となる第１の電流値Ｉ１を設定する。計時部３６は、溶接電流が第１の電流値Ｉ１に達してからの時間を計時し、経過時間設定部３５は、第１の電流値Ｉ１に達してからの経過時間の閾値となる第１の所定時間Ｔ１を設定する。ワイヤ送給制御部３３は、電流設定部２７の出力、計時部３６の出力、経過時間設定部３５の出力、ＡＳ判定部３４の出力および電流検出部２４の出力に基づいて、溶接ワイヤ２９の送給を制御する。そして、本発明の溶接装置４１は、溶接電流が第１の電流値Ｉ１に達してから第１の所定時間Ｔ１が経過した後に、溶接ワイヤの送給を停止、減速または逆送させる構成からなる。
この構成により、短絡の開放を促し、過電流保護機能の作動による不要な溶接の中断の発生頻度を減少させることができる。これにより、溶接不良の発生を防ぐなどの溶接品質の向上や溶接に要する時間の短縮などの生産性の向上を実現することができる。
なお、本実施の形態では、消耗電極式短絡溶接について説明したが、消耗電極式パルス溶接における短絡発生時の処理に適用しても同様の効果を実現することができる。
以上のように、本願発明は、短絡開放を促進することで、溶接不良の発生を防ぎ、生産性が向上することができる。したがって、消耗電極式アーク溶接施工を行う、例えばＬＮＧタンクや造船や橋梁といった、特に厚板での溶接性を重視している業界における溶接装置や溶接方法として産業上有用である。
２１，４１ 溶接装置
２２ 溶接出力部
２３ 出力制御部
２４ 電流検出部
２５ 電圧検出部
２６ 送給モータ
２７ 電流設定部
２８ 送給ローラ
２９ 溶接ワイヤ
３０ 溶接トーチ
３１ アーク
３２ 母材
３３ ワイヤ送給制御部
３４ ＡＳ判定部
３５ 経過時間設定部
３６ 計時部

Claims (7)

  1. 溶接ワイヤを送給し、短絡とアークとを交互に繰り返して溶接を行う溶接方法であって、
    短絡発生中で、溶接電流が予め設定した第１の電流値に達した後に、前記溶接ワイヤの送給を停止、減速または逆送させる溶接方法。
  2. 前記溶接電流が前記第１の電流値に達してから第１の所定時間が経過した後に、前記溶接ワイヤの送給を停止、減速または逆送させる請求項１に記載の溶接方法。
  3. 前記第１の電流値は、過電流から溶接装置を保護するために溶接出力を停止するための基準電流値となる、予め設定された過電流保護検出電流値と等しい請求項１に記載の溶接方法。
  4. 前記第１の所定時間は、過電流から溶接装置を保護するために溶接出力を停止するための基準時間となる、予め設定された過電流保護検出時間よりも短い請求項２に記載の溶接方法。
  5. 前記溶接ワイヤの送給を停止、減速または逆送させた後に、短絡が開放してアーク状態となった場合には、前記溶接ワイヤの送給を停止、減速または逆送させる前の送給状態とする請求項１に記載の溶接方法。
  6. 溶接ワイヤを送給し、短絡とアークとを交互に繰り返して溶接を行う溶接装置であって、
    前記溶接ワイヤを送給する送給モータと、
    溶接電流を検出する電流検出部と、
    溶接電圧を検出する電圧検出部と、
    前記電圧検出部の出力に基づいて、短絡状態またはアーク状態を検出するＡＳ判定部と、
    前記電流検出部の出力、前記電圧検出部の出力および前記ＡＳ判定部の出力に基づいて、溶接出力を制御する出力制御部と、
    前記出力制御部の出力に基づいて、溶接出力を発生する溶接出力部と、
    溶接電流の閾値となる第１の電流値を設定する電流設定部と、
    前記電流設定部の出力、前記ＡＳ判定部の出力および前記電流検出部の出力に基づいて、前記溶接ワイヤの送給を制御するワイヤ送給制御部とを備え、
    短絡発生中で、溶接電流が前記第１の電流値に達した後に、前記溶接ワイヤの送給を停止、減速または逆送させる溶接装置。
  7. 溶接ワイヤを送給し、短絡とアークとを交互に繰り返して溶接を行う溶接装置であって、
    前記溶接ワイヤを送給する送給モータと、
    溶接電流を検出する電流検出部と、
    溶接電圧を検出する電圧検出部と、
    前記電圧検出部の出力に基づいて、短絡状態またはアーク状態を検出するＡＳ判定部と、
    前記電流検出部の出力、前記電圧検出部の出力および前記ＡＳ判定部の出力に基づいて、溶接出力を制御する出力制御部と、
    前記出力制御部の出力に基づいて、溶接出力を発生する溶接出力部と、
    溶接電流の閾値となる第１の電流値を設定する電流設定部と、
    溶接電流が前記第１の電流値に達してからの時間を計時する計時部と、
    前記第１の電流値に達してからの経過時間の閾値となる第１の所定時間を設定する経過時間設定部と、
    前記電流設定部の出力、前記計時部の出力、前記経過時間設定部の出力、前記ＡＳ判定部の出力および前記電流検出部の出力に基づいて、前記溶接ワイヤの送給を制御するワイヤ送給制御部とを備え、
    溶接電流が前記第１の電流値に達してから前記第１の所定時間が経過した後に、前記溶接ワイヤの送給を停止、減速または逆送させる溶接装置。
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