JPWO2014073184A1 - アーク溶接装置およびアーク溶接制御方法 - Google Patents

アーク溶接装置およびアーク溶接制御方法 Download PDF

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Abstract

ワイヤと被溶接物とが短絡する短絡期間と、ワイヤと被溶接物との間にアークが発生するアーク期間とを交互に繰り返すアーク溶接装置であって、このアーク溶接装置は、溶接出力部（１６）と、継手形状設定部（１８）と、記憶部（１５）と、波形パラメータ決定部（１４）とを有する。溶接出力部（１６）は、溶接出力を行い、継手形状設定部（１８）は、継手形状を設定する。記憶部（１５）は、継手形状と波形パラメータとの複数の組合せを記憶する。波形パラメータ決定部（１４）は、継手形状設定部により設定された継手形状および複数の組合せに基づいて、波形パラメータを決定する。溶接出力部（１６）は、波形パラメータ決定部で決定された波形パラメータに基づいて溶接出力を行う。

Description

本発明は、消耗電極である溶接ワイヤの送給として正送と逆送を繰り返しながら、短絡状態とアーク状態を交互に発生させて溶接を行うアーク溶接装置およびアーク溶接制御方法に関する。
亜鉛メッキ鋼板の溶接を行う場合、一般的に、短絡移行溶接（ＣＯ２溶接、ＭＡＧ溶接）やパルスＭＡＧ溶接が広く用いられている。図１０と図１１は、亜鉛メッキ鋼板の溶接を行う従来のアーク溶接制御方法を説明するための図である。図１０は、溶接法として一般的な消耗電極式アーク溶接により亜鉛メッキ鋼板を溶接したときのビード断面を示している。
亜鉛メッキ鋼板２６の表面には、亜鉛メッキ２７がメッキされている。亜鉛メッキ２７に含まれる亜鉛の沸点は９０７℃であり、鉄の融点１５３６℃よりも低い。亜鉛メッキ鋼板２６に対してアーク溶接を行うと、亜鉛が気化し、この蒸気亜鉛が溶融プールを通過して外部に拡散しようとする。しかし、溶融金属の凝固速度が速い場合、蒸気亜鉛が外部に十分に拡散しきれず、溶接ビード３５内および溶接ビード３５表面に気孔２８として残存する。気孔２８が溶接ビード３５内に留まる場合はブローホールが形成される。気孔２８が溶接ビード３５表面に開口する場合はピットが形成される。ブローホールやピットは、いずれも溶接箇所の強度を損なう。そのため、例えば、亜鉛メッキ鋼板２６が多く使用されている自動車業界では、気孔２８の発生を抑制する必要があり、特にピットの発生量を規定して管理する場合が多い。
図１１に、従来技術による短絡溶接の各パラメータの波形の例を示す。図１１は、溶接電流Ｉと、溶接電圧Ｖと、ワイヤ送給速度ＷＳと、モータＯＮ／ＯＦＦ切換信号Ｎと、モータ極性切換信号Ｋの時間変化を示している。
図１１において、時刻ｔ１から時刻ｔ２までが短絡期間である。短絡発生初期の時刻ｔ１から電流制御を行い、溶接電流Ｉを所定の傾きで上昇させる。また、ワイヤ送給速度ＷＳを、基本ワイヤ送給速度ＷＳ１よりも低いワイヤ送給速度ＷＳ２に減速する。なお、短絡期間の終端直前、すなわち、時刻ｔ２の直前においては、従来から知られているように、溶融した溶接ワイヤのくびれを検知して溶接電流Ｉを急峻に低減させるように制御している。
図１１において、時刻ｔ２から時刻ｔ６までがアーク期間である。アーク期間のうち時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間は、アーク発生初期の時刻ｔ２から電流制御を行い、溶接電流Ｉを所定の傾きで上昇させる。なお、溶接電流Ｉのピーク電流ＩＰが２００Ａ以上となるまで上昇させる。また、ワイヤ送給速度ＷＳをワイヤ送給速度ＷＳ２から基本ワイヤ送給速度ＷＳ１に加速する。ここで、例えば、ＣＯ２溶接の場合、アークの集中性が良いため、溶接電流Ｉのピーク電流ＩＰが高いほど、アーク力が、被溶接物が溶融した部分である溶融プールを押付けて、結果として被溶接物が掘れ込んでしまう傾向が高くなる。そして、最悪の場合、被溶接物の孔開き（溶け落ち）が発生することもある。一方、ピーク電流ＩＰが低すぎると微小短絡を生じてしまうこともある。従って、微小短絡を生じ難く、また、溶融プールを掘れ込まないように、ピーク電流ＩＰを必要最低限の溶接電流Ｉにする必要がある。また、溶接電流Ｉがピーク電流ＩＰとなった後に所定時間このピーク電流ＩＰを維持し、この維持する末端の時間を時刻ｔ３とするようにしてもよい。
そして、アーク発生直後である時刻ｔ２では、ワイヤ送給速度ＷＳがワイヤ送給速度ＷＳ２から基本ワイヤ送給速度ＷＳ１に加速し始めた低速状態にある。そのためピーク電流ＩＰを必要以上に高くしなくても、ワイヤを燃え上がらせてアーク長を確保することができる。従って、微小短絡を抑制することができる。
アーク期間のうち時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間は、溶接電圧を定電圧制御する。定電圧制御の基本電圧である基本溶接電圧ＶＰを出力できるように溶接電流Ｉが出力される。定電圧制御を行うことによりアーク長が維持できる。従って、微小短絡が発生し難いアーク状態を維持することができる。
アーク期間のうち時刻ｔ４から時刻ｔ５までの間は、電流制御を行い、溶接電流Ｉを、ベース電流ＩＢに向けて低減させる。ベース電流ＩＢは、微小短絡が発生しても大粒のスパッタが発生し難い電流値である１００Ａ以下である。なお、時刻ｔ４から時刻ｔ５にかけて溶接電流Ｉの低減は所定の傾きで行う。このように、アーク開始時から所定時間後に溶接電流Ｉがベース電流ＩＢとなるように所定の傾きをもって減少させることにより、アーク状態の急激な変化を緩和することができる。
アーク期間のうち時刻ｔ５から時刻ｔ６までの間は、定電流制御を行ってベース電流ＩＢの状態を保ち、次の短絡発生の時刻である時刻ｔ６を待つ状態とする。このように溶接電流Ｉをベース電流ＩＢの状態に保つことで、短絡が発生し易い状態を確保することと、微小短絡が発生したとしても溶接電流Ｉが低いため大粒スパッタが発生し難いという効果がある。
従来技術のアーク溶接制御方法は、上記した短絡期間とアーク期間のサイクルを繰り返すものであり、例えば特許文献１などがある。
特開２００７−２１６２６８号公報
従来のアーク溶接制御方法では、アーク期間のうち時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間において、アーク発生初期時刻である時刻ｔ２から電流制御を行って、溶接電流Ｉを、所定の傾きで、２００Ａ以上のピーク電流ＩＰまで上昇させる。従来の溶接装置は、ワイヤ材質、使用ガス、ワイヤ径といった組合せに応じたピーク電流が溶接装置内部に記憶されており、ワイヤ材質、使用ガス、ワイヤ径等に基づいて決定されたピーク電流を出力する。
しかしながら、亜鉛メッキ鋼板の溶接では、蒸気亜鉛を放出させ易くするための適正なピーク電流が必要となる。ピーク電流は、高ければ高いほど蒸気亜鉛を放出させ易くなる。しかし、継手形状によっては、ピーク電流が高いことにより、孔開きが発生する場合がある。蒸気亜鉛の放出と被溶接物の孔開きの抑制を、種々の継手形状に対して、両立させることができなかった。
そこで、継手形状に適したピーク電流が必要とされるが、従来のような、溶接装置内部に記憶された一つのピーク電流では対応できない。すなわち、従来は、継手形状を考慮してピーク電流が決定されていなかった。そのため、継手形状が異なった被溶接物に対して、例えば、設定電流が同じであれば、ピーク電流が同じ値となっていた。
なお、蒸気亜鉛がうまく放出できないと、蒸気亜鉛は、溶融プール内を浮上して溶融プール表面から放出される。そのため、蒸気亜鉛の放出の際に噴出した溶融金属が、そのままスパッタとして外部に飛散する。あるいは、蒸気亜鉛の放出の際に噴出した溶融金属が、溶接ワイヤと短絡して電気エネルギーによりスパッタとして飛散する。これらにより、スパッタが異常に多量発生していた。
上記課題を解決するために、本発明のアーク溶接装置は、ワイヤと被溶接物とが短絡する短絡期間と、ワイヤと被溶接物との間にアークが発生するアーク期間とを交互に繰り返すアーク溶接装置である。このアーク溶接装置は、溶接出力部と、継手形状設定部と、記憶部と、波形パラメータ決定部とを有する。溶接出力部は、溶接出力を行い、継手形状設定部は、継手形状を設定する。記憶部は、継手形状と波形パラメータとの複数の組合せを記憶する。波形パラメータ決定部は、継手形状設定部により設定された継手形状および複数の組合せに基づいて、波形パラメータを決定する。溶接出力部は、波形パラメータ決定部で決定された波形パラメータに基づいて溶接出力を行う。
また、本発明のアーク溶接制御方法は、ワイヤと被溶接物とが短絡する短絡期間と、ワイヤと被溶接物との間にアークが発生するアーク期間とを交互に繰り返すアーク溶接制御方法である。このアーク溶接制御方法は、継手形状を設定するステップと、継手形状に基づいて波形パラメータを決定するステップと、波形パラメータに基づいて溶接出力を制御するステップとを有する。
本発明によれば、亜鉛メッキ鋼板などの表面処理が行われた被溶接物を溶接用のワイヤを用いて溶接する場合に、継手形状に応じて適切なピーク電流を出力できる。これにより、被溶接物への孔開き（溶け落ち）がなく、かつ、被溶接物のルート部が露出するように溶融プールを押すことで被溶接物から発生した気体が露出部から抜ける。これにより、ブローホールやピットの発生およびスパッタの発生を抑制できる。
図１は、本発明の実施の形態におけるアーク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におけるワイヤ送給速度（正弦波状）と溶接電圧と溶接電流の波形を示す図である。 図３Ａは、本発明の実施の形態における短絡状態の、溶接線方向に平行な断面を示す図である。 図３Ｂは、本発明の実施の形態における短絡開放直後のピーク電流期間ＴＰの開始時の状態の、溶接線方向に平行な断面を示す図である。 図３Ｃは、本発明の実施の形態におけるピーク電流期間ＴＰの終了時の状態の、溶接線方向に平行な断面を示す図である。 図４Ａは、本発明の実施の形態における重ねすみ肉の溶接状態と溶接電流を示す図である。 図４Ｂは、本発明の実施の形態における水平すみ肉の溶接状態と溶接電流を示す図である。 図４Ｃは、本発明の実施の形態における水平すみ肉の溶接状態と溶接電流を示す図である。 図５は、本発明の実施の形態における継手形状の違いによるピーク電流の適用範囲を示す図である。 図６は、本発明の実施の形態における亜鉛メッキ鋼板を溶接する前の断面を示す図である。 図７は、本発明の実施の形態における亜鉛メッキ鋼板を溶接した場合のビード断面を示す図である。 図８は、本発明の実施の形態におけるワイヤ送給速度（台形波状）と溶接電圧と溶接電流の波形を示す図である。 図９は、本発明の実施の形態におけるワイヤ送給速度と溶接電圧と溶接電流の波形を示す図である。 図１０は、従来のアーク溶接性制御方法により亜鉛メッキ鋼板を溶接した場合の溶接ビード断面を示す図である。 図１１は、従来のアーク溶接制御方法に関する溶接電流Ｉと、溶接電圧Ｖと、ワイヤ送給速度ＷＳと、モータＯＮ／ＯＦＦ切換信号Ｎと、モータ極性切換信号Ｋの時間変化を示す図である。
以下、本発明の実施の形態における消耗電極式のアーク溶接装置とアーク溶接制御方法について、図１から図９を用いて説明する。
（実施の形態）
図１に、本実施の形態におけるアーク溶接装置の概略構成を示す。図１において、溶接電源装置１６は、１次整流部２と、スイッチング部３と、トランス４と、２次整流部５と、リアクタ６と、駆動部７と、溶接電圧検出部８と、溶接電流検出部９と、短絡／アーク検出部１０と、短絡制御部１１と、アーク制御部１２と、ワイヤ送給速度制御部１３と、波形パラメータ決定部１４と、波形パラメータ記憶部１５とを有する。１次整流部２は、入力電源１の出力を整流する。スイッチング部３は、１次整流部２の出力を制御することで溶接出力を制御する。トランス４は、スイッチング部３からの電力を変換する。２次整流部５は、トランス４の２次側出力を整流する。リアクタ６は、２次整流部５に直列に接続されている。駆動部７は、スイッチング部３を駆動する。溶接電圧検出部８は、溶接電圧を検出する。溶接電流検出部９は、溶接電流を検出する。短絡／アーク検出部１０は、溶接電圧検出部８の出力と溶接電流検出部９の出力とのいずれか１つまたは両方に基づいて、溶接状態が短絡状態であるのかアーク状態であるのかを判定する。短絡制御部１１は、短絡期間中に駆動部７を制御する。アーク制御部１２は、アーク期間中に駆動部７を制御する。波形パラメータ記憶部１５は、溶接条件や、継手形状毎の波形パラメータを記憶する。波形パラメータ決定部１４は、溶接条件や、継手形状毎に応じた波形パラメータを決定する。ワイヤ送給速度制御部１３は、波形パラメータ決定部１４から出力されたワイヤ送給速度に基づいて溶接ワイヤの送給を制御する。
溶接電源装置１６において、短絡制御部１１は、短絡／アーク検出部１０から溶接状態が短絡状態であることを示す信号を受けると、短絡を開放させるように、短絡電流を制御する。アーク制御部１２は、短絡／アーク検出部１０から溶接状態がアーク状態であることを示す信号を受けると、ピーク電流ＩＰを始めとするアーク期間中の溶接波形パラメータを出力する。なお、ピーク電流ＩＰは、短絡開放後の最大溶接電流値である。
また、ロボット２０の動作を制御するロボット制御装置１９は、溶接条件設定部１７と、継手形状設定部１８とを有する。溶接条件設定部１７は、溶接条件を設定する。継手形状設定部１８は、重ね継手である重ねすみ肉や、Ｔ継手である水平すみ肉といった、継手形状を設定する。そして、ロボット制御装置１９は、溶接電源装置１６と通信可能に接続されている。
波形パラメータ決定部１４において、溶接条件設定部１７で設定された設定溶接電流と、継手形状設定部１８で設定された設定継手形状に基づいて、波形パラメータが決定される。波形パラメータ決定部１４で決定された波形パラメータは、短絡制御部１１と、アーク制御部１２と、ワイヤ送給速度制御部１３に出力される。波形パラメータが入力されたワイヤ送給速度制御部１３は、ワイヤ送給速度Ｗｆの制御信号をロボット２０に出力する。
なお、例えば、作業者が、溶接条件設定部１７を操作して設定溶接電流を設定し、継手形状設定部１８を操作して設定継手形状を設定する。また、波形パラメータとは、例えば、周期的な変化をするワイヤ送給速度の所定の周期および所定の振幅のパラメータや、ピーク電流やベース電流といった溶接電流のパラメータ等である。また、波形パラメータ記憶部１５には、設定溶接電流と、設定継手形状と、波形パラメータとを対応付けした、複数の組合せパターンが記憶されている。
アーク制御部１２は、波形パラメータ決定部１４からピーク電流ＩＰを含む波形パラメータが入力され、ピーク電流ＩＰを始めとするアーク期間中のパラメータを駆動部７に出力することで溶接出力を制御する。なお、ロボット２０には、チップ２４を有する溶接用のトーチ２２が取り付けられている。そして、送給ローラを有するワイヤ送給部２３は、ワイヤ送給速度制御部１３からのワイヤ送給速度Ｗｆの制御信号に基づいて、溶接ワイヤ２１の送給を制御する。なお、溶接ワイヤ２１は、ワイヤ保存部２５に収納されている。
図２は、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、ワイヤ送給速度と、溶接電流と、溶接電圧の時間変化の波形を示している。
先ず、図２において、ワイヤ送給制御について説明する。
図２では、ワイヤ送給速度Ｗｆは、所定の一定の基準速度Ｗｆ１と、所定の周期ＷＦ（所定の周波数）と所定の速度振幅ＷＶとを有する。ワイヤ送給は、ワイヤ送給速度Ｗｆを基本波形とした正弦波状に、正送と逆送とを周期的に繰り返すように制御されている。そして、ワイヤ送給速度Ｗｆは、正送側のピーク時では正送ピーク速度Ｗｆ２となり、時点Ｐ１の周辺で短絡が発生する。ワイヤ送給速度Ｗｆは、逆送側のピーク時では逆送ピーク速度Ｗｆ３となり、時点Ｐ２の周辺でアークが発生する。また、時点Ｐ２の後の正送のピーク時である時点Ｐ３の周辺で次の短絡が発生する。
時点Ｐ１から時点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を周期的に繰り返すワイヤ送給制御に依存する。
次に、図２において、溶接制御について説明する。
時点Ｐ１は、短絡を開始した時点を示している。時点Ｐ１から所定期間の間、溶接電流は、短絡初期電流ＳＡで出力された後、短絡電流の第１段目の増加傾きｄｉ／ｄｔで増加される。続けて、溶接電流は、短絡電流の第１段目の増加傾きｄｉ／ｄｔよりも傾きが緩やかな、短絡電流の第２段目の増加傾きｄｉ／ｄｔで増加される。
その後、時点Ｐ２の手前の時点において、短絡の開放が近づくと、被溶接物２６に形成された溶融プールと溶接ワイヤ２１の先端との間に溶滴のくびれが形成される。この溶滴のくびれを検出すると、溶接電流を、溶滴のくびれを検出した時点の電流よりも低電流である、くびれ電流ＮＡに瞬時に低下させる。くびれ電流ＮＡに低下させる直前は、溶接電流は、短絡ピーク電流ＩＡとなっている。
時点Ｐ２は、溶滴のくびれが離れて短絡が開放し、短絡状態が終了してアーク状態が発生した時点を示している。時点Ｐ２からのアーク期間において、溶接電流は、短絡開放直後（アーク発生直後）にピーク電流ＩＰでピーク電流期間ＴＰの間出力される。その後、溶接電流は、ピーク電流ＩＰからベース電流ＩＢへ向けて低下する。その後に、溶接電流は、ベース電流ＩＢに達し、次の短絡状態になるまでベース電流ＩＢを維持する。
時点Ｐ３は、時点Ｐ１の次の短絡が発生した時点を示しており、時点Ｐ１の時点と同様の状態である。
ここで、亜鉛メッキ鋼板の溶接に関し、蒸気亜鉛を放出させるためのメカニズムについて説明する。
図３Ａ〜３Ｃは、溶接線方向に対して平行方向の断面図を示す。図３Ａは短絡状態を示しており、図３Ｂは短絡開放直後のピーク電流期間ＴＰの開始時の状態を示しており、図３Ｃはピーク電流期間ＴＰの終了時の状態を示している。
図３Ａの短絡状態では、被溶接物２６のルート部３２が、溶融金属３３で覆われている。しかし、図３Ｂの短絡開放直後のピーク電流期間ＴＰの開始時の状態では、被溶接物２６のルート部３２の溶融金属３３をアーク３４が押し始める。そして、図３Ｃのピーク電流期間ＴＰの終了時の状態では、被溶接物２６のルート部３２の溶融金属３３をアーク３４により完全に押し出したことを表している。
このように、アーク３４の直下において、被溶接物２６のルート部３２にある溶融金属３３がアーク３４のアーク力により押し出され、ルート部３２が露出する。これにより、被溶接物２６である上板と下板との重ね部分である、図６に示す亜鉛メッキ気化部３１から、蒸気亜鉛３０を外部に放出し易くなるというメカニズムである。
このメカニズムを実現するためには、被溶接物２６のルート部３２の溶融金属３３を押し出し易いように、ＣＯ２溶接のようなアークの集中性が高いガスを使用することが望ましい。また、トーチ２２の姿勢を後退角にすると、溶接進行方向の反対方向に溶融金属３３を押すことができ、更に蒸気亜鉛３０の放出効果を発揮できる。
なお、アーク３４のアーク力により、図３Ｃや図６に示すルート部３２が完全に露出している場合には、蒸気亜鉛３０は、スパッタの発生等がなく、容易に放出される。また、ルート部３２を覆う溶融金属３３の厚さが約０．５ｍｍ程度以下の薄い状態であれば、蒸気亜鉛３０の放出を阻害することはない。これにより、被溶接物２６のルート部３２は、亜鉛の体積膨張による放出により容易に露出され、蒸気亜鉛３０が容易に外部に放出される。すなわち、被溶接物２６である上板や下板から発生した蒸気亜鉛３０が、体積膨張により被溶接物２６のルート部３２を覆っている溶融部２９や溶融金属３３を突き破って抜けることが可能な厚さとなるように、アーク３４のアーク力により溶融金属３３を押しても良い。
なお、ルート部３２とは、図３Ａ〜３Ｃや図６に示すように、被溶接物２６である上板と下板とが重なる部分の端であり、被溶接物２６の溶接方向の長さと同じ長さである。図６では、ルート部３２は、紙面に対して鉛直方向に延びている。
以上のように、蒸気亜鉛３０が規則的に適切に放出されるように、溶接電流を制御して、アーク３４のアーク力を制御することで、スパッタの発生を大幅に抑制できる。
このようなメカニズムを規則的に安定させるには、正送と逆送を繰り返すようにワイヤ送給を制御することが望ましい。ワイヤ送給の正送と逆送を繰り返すことで、短絡状態とアーク状態を規則的に発生させることができると共に、短絡解放直後のアーク長を瞬時に長くできる。短絡開放直後のアーク長を長くすることで、微小短絡の発生を抑制できるとともに、アーク３４のアーク力によって溶融金属３３を広範囲に押すことができる。
ここで、従来技術では、継手形状によっては、ピーク電流ＩＰが適正でない場合がある。この場合、溶融金属３３中に蒸気亜鉛３０が滞留し、ブローホール２８（もしくは、ピット）を発生させてしまう。また、蒸気亜鉛３０が溶融金属３３から勢いよく放出される時に、飛散した溶融金属３３が溶接ワイヤ２１に短絡することで、スパッタの発生を増加させてしまう。
次に、亜鉛メッキ鋼板の溶接において、継手形状毎に適正なピーク電流ＩＰを使い分ける必要性について、図４Ａ〜４Ｃを用いて説明する。なお、図４Ａ〜４Ｃは溶接方向に対して垂直な断面図である。図４Ａは、重ねすみ肉の溶接が良好に行われている状態を示している。図４Ｂは、水平すみ肉の溶接が良好ではなく、孔開きが発生している状態を示している。図４Ｃは、水平すみ肉の溶接が良好に行われている状態を示している。
図４Ａに示すように、継手形状が重ねすみ肉の場合、アーク３４は広がりやすい。そのため、ピーク電流ＩＰは４００Ａ以上とすることが望ましい。ピーク電流ＩＰを４００Ａ以上とすることで、アーク３４の直下において、被溶接物２６のルート部３２にある溶融金属３３がアーク３４のアーク力により押し出され、ルート部３２が溶融金属３３から露出する。ルート部３２が露出することで、上板と下板との重ね部分である亜鉛メッキ気化部３１から蒸気亜鉛３０を外部に放出しやすくなる。
図４Ｂに示すように、継手形状が水平すみ肉の場合、ピーク電流ＩＰを、重ねすみ肉と同じ４００Ａ以上にすると、アーク３４が集中し易くなる。そのため、特に上板側に対してがアーク３４のアーク力が強すぎて、上板に裏なみが発生する。そして、最悪の場合には、上板に孔開き（溶け落ち）が発生してしまう。従って、水平すみ肉の場合、ピーク電流ＩＰは、４００Ａ未満にすることが望ましい。
図４Ｃも水平すみ肉の例を示しているが、図４Ｃのように、ピーク電流ＩＰを４００Ａ未満にすることで、上板の孔開きが発生しない。そして、アーク３４の直下の被溶接物２６のルート部３２において、溶融金属３３が押し出され、ルート部３２を露出させることができる。そして、上板と下板との重ね部分である亜鉛メッキ気化部３１（図６参照）から、蒸気亜鉛３０を外部に放出しやすくできる。
図５に、継手形状とピーク電流ＩＰに関する溶接結果を示す。なお、図５では、ピーク電流ＩＰを５０Ａ刻みで表している。また、図５に示す溶接結果は、一例として、板厚が２．３ｍｍの亜鉛メッキ鋼板に対してＣＯ２溶接を行った場合の例である。
図５より、水平すみ肉（Ｔ継手）においては、ピーク電流ＩＰは、２５０Ａから３５０Ａまでが適正範囲であり、３００Ａが最適である。なお、ピーク電流ＩＰが２５０Ａを下回る場合は、被溶接物２６のルート部３２において溶融金属３３を押し出すことが困難になり、気孔２８が発生してしまう。逆に、ピーク電流ＩＰが４００Ａを上回る場合は、上板が溶け落ちて孔開きが発生してしまう。なお、ピーク電流ＩＰが４００Ａを上回り、上板の板厚が厚い場合は、上板の溶け落ちは発生しなくなるが、外観不良となる。また、図５では示していないが、ピーク電流ＩＰが３８０Ａの場合も、良好な溶接を行うことができた。以上から、水平すみ肉（Ｔ継手）においては、ピーク電流ＩＰは２５０Ａ以上４００Ａ未満で良好な溶接が行える。
また、図５より、重ねすみ肉（重ね継手）においては、ピーク電流ＩＰは、４００Ａから５００Ａまでが適正範囲であり、４５０Ａが最適である。なお、ピーク電流ＩＰが４００Ａを下回る場合は、被溶接物２６のルート部３２において溶融金属３３を押し出すことが困難になり、気孔２８が発生してしまう。逆に、ピーク電流ＩＰが５００Ａを上回る場合は、溶融プールが掘れ込みすぎるためビードが凸形状になり、ビード外観不良が発生してしまう。以上から、重ねすみ肉（重ね継手）においては、ピーク電流ＩＰは４００Ａ以上５００Ａ以下で良好な溶接が行える。
以上のように、継手形状に応じて、ピーク電流ＩＰを適正な値に設定する必要がある。なお、上述の適正範囲は、実際に実験等により導き出した数値である。
本実施の形態のアーク溶接装置において、継手形状に応じた適正なピーク電流ＩＰを設定するには、継手形状毎に適正なピーク電流ＩＰを含む波形パラメータを、溶接電源装置１６の波形パラメータ記憶部１５内に記憶しておく。そして、ロボット制御装置１９内にある溶接条件設定部１７で設定した設定内容と継手形状設定部１８で設定した設定内容に基づいて、継手形状毎の適正なピーク電流ＩＰを決定して出力することが必要である。
継手形状毎の適正なピーク電流ＩＰにより溶接を行うことで、被溶接物２６のルート部３２を露出することが可能となる。ちなみに、ピーク電流期間ＴＰを継手形状毎に適正な時間に調整する方法も考えられる。しかし、ピーク電流期間ＴＰの調整では、継手形状全てに対応することができないことが、発明者らによる実験等からわかっている。
例えば、水平すみ肉の継手形状で、ピーク電流ＩＰを適正範囲よりも高い４５０Ａとし、ピーク電流期間ＴＰをデフォルトより短くしたとする。ピーク電流ＩＰの４５０Ａで与える強いアーク力の時間を短くする方法では、上板の孔開き（溶け落ち）が軽減するが、ゼロになることはなく、効果が薄い。
また、重ねすみ肉の継手形状で、ピーク電流ＩＰを適正範囲よりも低い３００Ａとし、ピーク電流期間ＴＰをデフォルトより長くしたとする。ピーク電流ＩＰの３００Ａで与える弱いアーク力の時間を長くする方法では、被溶接物２６のルート部３２において溶融金属３３が押し出され難く、ルート部３２を露出させることができない。従って、気孔２８が発生し易くなる。
よって、適正なピーク電流ＩＰを出力することが重要である。
なお、本実施の形態では、設定溶接電流と継手形状に基づいてピーク電流ＩＰを決定する例を示した。しかし、設定溶接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る。そこで、設定溶接電流に替えて、ワイヤ送給速度やワイヤ送給量に基づいてピーク電流ＩＰにまつわるパラメータなど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。
また、上記では、ワイヤ送給速度が図２に示すように正弦波状に制御する場合の例を説明した。しかし、図８に示すように、ワイヤ送給速度が台形波状に制御する場合でも同様の効果を得ることができる。
また、図２や図８に示すような周期的な送給制御ではなく、図９に示すように、溶接状態に応じて送給制御を行うようにしても、同様の効果を得ることができる。すなわち、溶接状態が短絡状態であることを検出すると逆送を行い、溶接状態がアーク状態であることを検出すると正送を行うように、ワイヤ送給を制御しても、同様の効果を得ることができる。
また、時点Ｐ２の手前において、短絡の開放が近づくに伴って溶接対象物に形成された溶融プールと溶接ワイヤの先端との間に出来た溶滴のくびれを検出する。そして、上記では、溶滴のくびれを検出すると、溶接電流をくびれ検出した時点の電流よりも低いくびれ電流ＮＡに瞬時に移行させる、くびれ制御を行う。しかし、くびれ制御を行わない場合でも、本実施の形態の溶接制御を行うことで、スパッタやブローホールに対する亜鉛メッキの影響を低減させる効果は大きい。
本発明によれば、亜鉛メッキ鋼板等の表面処理が行われた被溶接物を溶接用のワイヤを用いて溶接する場合に、アーク期間において継手形状に対応したピーク電流を出力する。これにより、被溶接物の孔開き（溶け落ち）がなく、また、被溶接物のルート部が露出するように溶融プールを押すことで、被溶接物から発生した気体が露出部から抜ける。このため、ブローホール等の発生およびスパッタの発生を著しく抑制することができる。亜鉛メッキ鋼板等のように、表面処理が行われており溶接時に気体が発生する被溶接物に対して溶接を行うアーク溶接装置およびアーク溶接制御方法として産業上有用である。
１ 入力電源
２ １次整流部
３ スイッチング部
４ トランス
５ ２次整流部
６ リアクタ
７ 駆動部
８ 溶接電圧検出部
９ 溶接電流検出部
１０ 短絡／アーク検出部
１１ 短絡制御部
１２ アーク制御部
１３ ワイヤ送給速度制御部
１４ 波形パラメータ決定部
１５ 波形パラメータ記憶部
１６ 溶接電源装置
１７ 溶接条件設定部
１８ 継手形状設定部
１９ ロボット制御装置
２０ ロボット
２１ 溶接ワイヤ
２２ トーチ
２３ ワイヤ送給部
２４ チップ
２５ ワイヤ保存部
２６ 被溶接物
２７ 亜鉛メッキ
２８ 気孔
２９ 溶融部
３０ 蒸気亜鉛
３１ 亜鉛メッキ気化部
３２ ルート部
３３ 溶融金属
３４ アーク
３５ 溶接ビード
本発明は、消耗電極である溶接ワイヤの送給として正送と逆送を繰り返しながら、短絡状態とアーク状態を交互に発生させて溶接を行うアーク溶接装置およびアーク溶接制御方法に関する。
亜鉛メッキ鋼板の溶接を行う場合、一般的に、短絡移行溶接（ＣＯ２溶接、ＭＡＧ溶接）やパルスＭＡＧ溶接が広く用いられている。図１０と図１１は、亜鉛メッキ鋼板の溶接を行う従来のアーク溶接制御方法を説明するための図である。図１０は、溶接法として一般的な消耗電極式アーク溶接により亜鉛メッキ鋼板を溶接したときのビード断面を示している。
亜鉛メッキ鋼板２６の表面には、亜鉛メッキ２７がメッキされている。亜鉛メッキ２７に含まれる亜鉛の沸点は９０７℃であり、鉄の融点１５３６℃よりも低い。亜鉛メッキ鋼板２６に対してアーク溶接を行うと、亜鉛が気化し、この蒸気亜鉛が溶融プールを通過して外部に拡散しようとする。しかし、溶融金属の凝固速度が速い場合、蒸気亜鉛が外部に十分に拡散しきれず、溶接ビード３５内および溶接ビード３５表面に気孔２８として残存する。気孔２８が溶接ビード３５内に留まる場合はブローホールが形成される。気孔２８が溶接ビード３５表面に開口する場合はピットが形成される。ブローホールやピットは、いずれも溶接箇所の強度を損なう。そのため、例えば、亜鉛メッキ鋼板２６が多く使用されている自動車業界では、気孔２８の発生を抑制する必要があり、特にピットの発生量を規定して管理する場合が多い。
図１１に、従来技術による短絡溶接の各パラメータの波形の例を示す。図１１は、溶接電流Ｉと、溶接電圧Ｖと、ワイヤ送給速度ＷＳと、モータＯＮ／ＯＦＦ切換信号Ｎと、モータ極性切換信号Ｋの時間変化を示している。
図１１において、時刻ｔ１から時刻ｔ２までが短絡期間である。短絡発生初期の時刻ｔ１から電流制御を行い、溶接電流Ｉを所定の傾きで上昇させる。また、ワイヤ送給速度ＷＳを、基本ワイヤ送給速度ＷＳ１よりも低いワイヤ送給速度ＷＳ２に減速する。
なお、短絡期間の終端直前、すなわち、時刻ｔ２の直前においては、従来から知られているように、溶融した溶接ワイヤのくびれを検知して溶接電流Ｉを急峻に低減させるように制御している。
図１１において、時刻ｔ２から時刻ｔ６までがアーク期間である。アーク期間のうち時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間は、アーク発生初期の時刻ｔ２から電流制御を行い、溶接電流Ｉを所定の傾きで上昇させる。なお、溶接電流Ｉのピーク電流ＩＰが２００Ａ以上となるまで上昇させる。また、ワイヤ送給速度ＷＳをワイヤ送給速度ＷＳ２から基本ワイヤ送給速度ＷＳ１に加速する。ここで、例えば、ＣＯ２溶接の場合、アークの集中性が良いため、溶接電流Ｉのピーク電流ＩＰが高いほど、アーク力が、被溶接物が溶融した部分である溶融プールを押付けて、結果として被溶接物が掘れ込んでしまう傾向が高くなる。そして、最悪の場合、被溶接物の孔開き（溶け落ち）が発生することもある。一方、ピーク電流ＩＰが低すぎると微小短絡を生じてしまうこともある。従って、微小短絡を生じ難く、また、溶融プールを掘れ込まないように、ピーク電流ＩＰを必要最低限の溶接電流Ｉにする必要がある。また、溶接電流Ｉがピーク電流ＩＰとなった後に所定時間このピーク電流ＩＰを維持し、この維持する末端の時間を時刻ｔ３とするようにしてもよい。
そして、アーク発生直後である時刻ｔ２では、ワイヤ送給速度ＷＳがワイヤ送給速度ＷＳ２から基本ワイヤ送給速度ＷＳ１に加速し始めた低速状態にある。そのためピーク電流ＩＰを必要以上に高くしなくても、ワイヤを燃え上がらせてアーク長を確保することができる。従って、微小短絡を抑制することができる。
アーク期間のうち時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間は、溶接電圧を定電圧制御する。定電圧制御の基本電圧である基本溶接電圧ＶＰを出力できるように溶接電流Ｉが出力される。定電圧制御を行うことによりアーク長が維持できる。従って、微小短絡が発生し難いアーク状態を維持することができる。
アーク期間のうち時刻ｔ４から時刻ｔ５までの間は、電流制御を行い、溶接電流Ｉを、ベース電流ＩＢに向けて低減させる。ベース電流ＩＢは、微小短絡が発生しても大粒のスパッタが発生し難い電流値である１００Ａ以下である。なお、時刻ｔ４から時刻ｔ５にかけて溶接電流Ｉの低減は所定の傾きで行う。このように、アーク開始時から所定時間後に溶接電流Ｉがベース電流ＩＢとなるように所定の傾きをもって減少させることにより、アーク状態の急激な変化を緩和することができる。
アーク期間のうち時刻ｔ５から時刻ｔ６までの間は、定電流制御を行ってベース電流ＩＢの状態を保ち、次の短絡発生の時刻である時刻ｔ６を待つ状態とする。このように溶接電流Ｉをベース電流ＩＢの状態に保つことで、短絡が発生し易い状態を確保することと、微小短絡が発生したとしても溶接電流Ｉが低いため大粒スパッタが発生し難いという効果がある。
従来技術のアーク溶接制御方法は、上記した短絡期間とアーク期間のサイクルを繰り返すものであり、例えば特許文献１などがある。
特開２００７−２１６２６８号公報
従来のアーク溶接制御方法では、アーク期間のうち時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間において、アーク発生初期時刻である時刻ｔ２から電流制御を行って、溶接電流Ｉを、所定の傾きで、２００Ａ以上のピーク電流ＩＰまで上昇させる。従来の溶接装置は、ワイヤ材質、使用ガス、ワイヤ径といった組合せに応じたピーク電流が溶接装置内部に記憶されており、ワイヤ材質、使用ガス、ワイヤ径等に基づいて決定されたピーク電流を出力する。
しかしながら、亜鉛メッキ鋼板の溶接では、蒸気亜鉛を放出させ易くするための適正なピーク電流が必要となる。ピーク電流は、高ければ高いほど蒸気亜鉛を放出させ易くなる。しかし、継手形状によっては、ピーク電流が高いことにより、孔開きが発生する場合がある。蒸気亜鉛の放出と被溶接物の孔開きの抑制を、種々の継手形状に対して、両立させることができなかった。
そこで、継手形状に適したピーク電流が必要とされるが、従来のような、溶接装置内部に記憶された一つのピーク電流では対応できない。すなわち、従来は、継手形状を考慮してピーク電流が決定されていなかった。そのため、継手形状が異なった被溶接物に対して、例えば、設定電流が同じであれば、ピーク電流が同じ値となっていた。
なお、蒸気亜鉛がうまく放出できないと、蒸気亜鉛は、溶融プール内を浮上して溶融プール表面から放出される。そのため、蒸気亜鉛の放出の際に噴出した溶融金属が、そのままスパッタとして外部に飛散する。あるいは、蒸気亜鉛の放出の際に噴出した溶融金属が、溶接ワイヤと短絡して電気エネルギーによりスパッタとして飛散する。これらにより、スパッタが異常に多量発生していた。
上記課題を解決するために、本発明のアーク溶接装置は、ワイヤと被溶接物とが短絡する短絡期間と、ワイヤと被溶接物との間にアークが発生するアーク期間とを交互に繰り返すアーク溶接装置である。このアーク溶接装置は、溶接出力部と、継手形状設定部と、記憶部と、波形パラメータ決定部とを有する。溶接出力部は、溶接出力を行い、継手形状設定部は、継手形状を設定する。記憶部は、継手形状と波形パラメータとの複数の組合せを記憶する。波形パラメータ決定部は、継手形状設定部により設定された継手形状および複数の組合せに基づいて、波形パラメータを決定する。溶接出力部は、波形パラメータ決定部で決定された波形パラメータに基づいて溶接出力を行う。
また、本発明のアーク溶接制御方法は、ワイヤと被溶接物とが短絡する短絡期間と、ワイヤと被溶接物との間にアークが発生するアーク期間とを交互に繰り返すアーク溶接制御方法である。このアーク溶接制御方法は、継手形状を設定するステップと、継手形状に基づいて波形パラメータを決定するステップと、波形パラメータに基づいて溶接出力を制御するステップとを有する。
本発明によれば、亜鉛メッキ鋼板などの表面処理が行われた被溶接物を溶接用のワイヤを用いて溶接する場合に、継手形状に応じて適切なピーク電流を出力できる。これにより、被溶接物への孔開き（溶け落ち）がなく、かつ、被溶接物のルート部が露出するように溶融プールを押すことで被溶接物から発生した気体が露出部から抜ける。これにより、ブローホールやピットの発生およびスパッタの発生を抑制できる。
図１は、本発明の実施の形態におけるアーク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におけるワイヤ送給速度（正弦波状）と溶接電圧と溶接電流の波形を示す図である。 図３Ａは、本発明の実施の形態における短絡状態の、溶接線方向に平行な断面を示す図である。 図３Ｂは、本発明の実施の形態における短絡開放直後のピーク電流期間ＴＰの開始時の状態の、溶接線方向に平行な断面を示す図である。 図３Ｃは、本発明の実施の形態におけるピーク電流期間ＴＰの終了時の状態の、溶接線方向に平行な断面を示す図である。 図４Ａは、本発明の実施の形態における重ねすみ肉の溶接状態と溶接電流を示す図である。 図４Ｂは、本発明の実施の形態における水平すみ肉の溶接状態と溶接電流を示す図である。 図４Ｃは、本発明の実施の形態における水平すみ肉の溶接状態と溶接電流を示す図である。 図５は、本発明の実施の形態における継手形状の違いによるピーク電流の適用範囲を示す図である。 図６は、本発明の実施の形態における亜鉛メッキ鋼板を溶接する前の断面を示す図である。 図７は、本発明の実施の形態における亜鉛メッキ鋼板を溶接した場合のビード断面を示す図である。 図８は、本発明の実施の形態におけるワイヤ送給速度（台形波状）と溶接電圧と溶接電流の波形を示す図である。 図９は、本発明の実施の形態におけるワイヤ送給速度と溶接電圧と溶接電流の波形を示す図である。 図１０は、従来のアーク溶接性制御方法により亜鉛メッキ鋼板を溶接した場合の溶接ビード断面を示す図である。 図１１は、従来のアーク溶接制御方法に関する溶接電流Ｉと、溶接電圧Ｖと、ワイヤ送給速度ＷＳと、モータＯＮ／ＯＦＦ切換信号Ｎと、モータ極性切換信号Ｋの時間変化を示す図である。
以下、本発明の実施の形態における消耗電極式のアーク溶接装置とアーク溶接制御方法について、図１から図９を用いて説明する。
（実施の形態）
図１に、本実施の形態におけるアーク溶接装置の概略構成を示す。図１において、溶接電源装置１６は、１次整流部２と、スイッチング部３と、トランス４と、２次整流部５と、リアクタ６と、駆動部７と、溶接電圧検出部８と、溶接電流検出部９と、短絡／アーク検出部１０と、短絡制御部１１と、アーク制御部１２と、ワイヤ送給速度制御部１３と、波形パラメータ決定部１４と、波形パラメータ記憶部１５とを有する。１次整流部２は、入力電源１の出力を整流する。スイッチング部３は、１次整流部２の出力を制御することで溶接出力を制御する。トランス４は、スイッチング部３からの電力を変換する。２次整流部５は、トランス４の２次側出力を整流する。リアクタ６は、２次整流部５に直列に接続されている。駆動部７は、スイッチング部３を駆動する。溶接電圧検出部８は、溶接電圧を検出する。溶接電流検出部９は、溶接電流を検出する。短絡／アーク検出部１０は、溶接電圧検出部８の出力と溶接電流検出部９の出力とのいずれか１つまたは両方に基づいて、溶接状態が短絡状態であるのかアーク状態であるのかを判定する。短絡制御部１１は、短絡期間中に駆動部７を制御する。アーク制御部１２は、アーク期間中に駆動部７を制御する。波形パラメータ記憶部１５は、溶接条件や、継手形状毎の波形パラメータを記憶する。波形パラメータ決定部１４は、溶接条件や、継手形状毎に応じた波形パラメータを決定する。ワイヤ送給速度制御部１３は、波形パラメータ決定部１４から出力されたワイヤ送給速度に基づいて溶接ワイヤの送給を制御する。
溶接電源装置１６において、短絡制御部１１は、短絡／アーク検出部１０から溶接状態が短絡状態であることを示す信号を受けると、短絡を開放させるように、短絡電流を制御する。アーク制御部１２は、短絡／アーク検出部１０から溶接状態がアーク状態であることを示す信号を受けると、ピーク電流ＩＰを始めとするアーク期間中の溶接波形パラメータを出力する。なお、ピーク電流ＩＰは、短絡開放後の最大溶接電流値である。
また、ロボット２０の動作を制御するロボット制御装置１９は、溶接条件設定部１７と、継手形状設定部１８とを有する。溶接条件設定部１７は、溶接条件を設定する。継手形状設定部１８は、重ね継手である重ねすみ肉や、Ｔ継手である水平すみ肉といった、継手形状を設定する。そして、ロボット制御装置１９は、溶接電源装置１６と通信可能に接続されている。
波形パラメータ決定部１４において、溶接条件設定部１７で設定された設定溶接電流と、継手形状設定部１８で設定された設定継手形状に基づいて、波形パラメータが決定される。波形パラメータ決定部１４で決定された波形パラメータは、短絡制御部１１と、アーク制御部１２と、ワイヤ送給速度制御部１３に出力される。波形パラメータが入力されたワイヤ送給速度制御部１３は、ワイヤ送給速度Ｗｆの制御信号をロボット２０に出力する。
なお、例えば、作業者が、溶接条件設定部１７を操作して設定溶接電流を設定し、継手形状設定部１８を操作して設定継手形状を設定する。また、波形パラメータとは、例えば、周期的な変化をするワイヤ送給速度の所定の周期および所定の振幅のパラメータや、ピーク電流やベース電流といった溶接電流のパラメータ等である。また、波形パラメータ記憶部１５には、設定溶接電流と、設定継手形状と、波形パラメータとを対応付けした、複数の組合せパターンが記憶されている。
アーク制御部１２は、波形パラメータ決定部１４からピーク電流ＩＰを含む波形パラメータが入力され、ピーク電流ＩＰを始めとするアーク期間中のパラメータを駆動部７に出力することで溶接出力を制御する。なお、ロボット２０には、チップ２４を有する溶接用のトーチ２２が取り付けられている。そして、送給ローラを有するワイヤ送給部２３は、ワイヤ送給速度制御部１３からのワイヤ送給速度Ｗｆの制御信号に基づいて、溶接ワイヤ２１の送給を制御する。なお、溶接ワイヤ２１は、ワイヤ保存部２５に収納されている。
図２は、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、ワイヤ送給速度と、溶接電流と、溶接電圧の時間変化の波形を示している。
先ず、図２において、ワイヤ送給制御について説明する。
図２では、ワイヤ送給速度Ｗｆは、所定の一定の基準速度Ｗｆ１と、所定の周期ＷＦ（所定の周波数）と所定の速度振幅ＷＶとを有する。ワイヤ送給は、ワイヤ送給速度Ｗｆを基本波形とした正弦波状に、正送と逆送とを周期的に繰り返すように制御されている。そして、ワイヤ送給速度Ｗｆは、正送側のピーク時では正送ピーク速度Ｗｆ２となり、時点Ｐ１の周辺で短絡が発生する。ワイヤ送給速度Ｗｆは、逆送側のピーク時では逆送ピーク速度Ｗｆ３となり、時点Ｐ２の周辺でアークが発生する。また、時点Ｐ２の後の正送のピーク時である時点Ｐ３の周辺で次の短絡が発生する。
時点Ｐ１から時点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を周期的に繰り返すワイヤ送給制御に依存する。
次に、図２において、溶接制御について説明する。
時点Ｐ１は、短絡を開始した時点を示している。時点Ｐ１から所定期間の間、溶接電流は、短絡初期電流ＳＡで出力された後、短絡電流の第１段目の増加傾きｄｉ／ｄｔで増加される。続けて、溶接電流は、短絡電流の第１段目の増加傾きｄｉ／ｄｔよりも傾きが緩やかな、短絡電流の第２段目の増加傾きｄｉ／ｄｔで増加される。
その後、時点Ｐ２の手前の時点において、短絡の開放が近づくと、被溶接物２６に形成された溶融プールと溶接ワイヤ２１の先端との間に溶滴のくびれが形成される。この溶滴のくびれを検出すると、溶接電流を、溶滴のくびれを検出した時点の電流よりも低電流である、くびれ電流ＮＡに瞬時に低下させる。くびれ電流ＮＡに低下させる直前は、溶接電流は、短絡ピーク電流ＩＡとなっている。
時点Ｐ２は、溶滴のくびれが離れて短絡が開放し、短絡状態が終了してアーク状態が発生した時点を示している。時点Ｐ２からのアーク期間において、溶接電流は、短絡開放直後（アーク発生直後）にピーク電流ＩＰでピーク電流期間ＴＰの間出力される。その後、溶接電流は、ピーク電流ＩＰからベース電流ＩＢへ向けて低下する。その後に、溶接電流は、ベース電流ＩＢに達し、次の短絡状態になるまでベース電流ＩＢを維持する。
時点Ｐ３は、時点Ｐ１の次の短絡が発生した時点を示しており、時点Ｐ１の時点と同様の状態である。
ここで、亜鉛メッキ鋼板の溶接に関し、蒸気亜鉛を放出させるためのメカニズムについて説明する。
図３Ａ〜３Ｃは、溶接線方向に対して平行方向の断面図を示す。図３Ａは短絡状態を示しており、図３Ｂは短絡開放直後のピーク電流期間ＴＰの開始時の状態を示しており、図３Ｃはピーク電流期間ＴＰの終了時の状態を示している。
図３Ａの短絡状態では、被溶接物２６のルート部３２が、溶融金属３３で覆われている。しかし、図３Ｂの短絡開放直後のピーク電流期間ＴＰの開始時の状態では、被溶接物２６のルート部３２の溶融金属３３をアーク３４が押し始める。そして、図３Ｃのピーク電流期間ＴＰの終了時の状態では、被溶接物２６のルート部３２の溶融金属３３をアーク３４により完全に押し出したことを表している。
このように、アーク３４の直下において、被溶接物２６のルート部３２にある溶融金属３３がアーク３４のアーク力により押し出され、ルート部３２が露出する。これにより、被溶接物２６である上板と下板との重ね部分である、図６に示す亜鉛メッキ気化部３１から、蒸気亜鉛３０を外部に放出し易くなるというメカニズムである。
このメカニズムを実現するためには、被溶接物２６のルート部３２の溶融金属３３を押し出し易いように、ＣＯ２溶接のようなアークの集中性が高いガスを使用することが望ましい。また、トーチ２２の姿勢を後退角にすると、溶接進行方向の反対方向に溶融金属３３を押すことができ、更に蒸気亜鉛３０の放出効果を発揮できる。
なお、アーク３４のアーク力により、図３Ｃや図６に示すルート部３２が完全に露出している場合には、蒸気亜鉛３０は、スパッタの発生等がなく、容易に放出される。また、ルート部３２を覆う溶融金属３３の厚さが約０．５ｍｍ程度以下の薄い状態であれば、蒸気亜鉛３０の放出を阻害することはない。これにより、被溶接物２６のルート部３２は、亜鉛の体積膨張による放出により容易に露出され、蒸気亜鉛３０が容易に外部に放出される。すなわち、被溶接物２６である上板や下板から発生した蒸気亜鉛３０が、体積膨張により被溶接物２６のルート部３２を覆っている溶融部２９や溶融金属３３を突き破って抜けることが可能な厚さとなるように、アーク３４のアーク力により溶融金属３３を押しても良い。
なお、ルート部３２とは、図３Ａ〜３Ｃや図６に示すように、被溶接物２６である上板と下板とが重なる部分の端であり、被溶接物２６の溶接方向の長さと同じ長さである。図６では、ルート部３２は、紙面に対して鉛直方向に延びている。
以上のように、蒸気亜鉛３０が規則的に適切に放出されるように、溶接電流を制御して、アーク３４のアーク力を制御することで、スパッタの発生を大幅に抑制できる。
このようなメカニズムを規則的に安定させるには、正送と逆送を繰り返すようにワイヤ送給を制御することが望ましい。ワイヤ送給の正送と逆送を繰り返すことで、短絡状態とアーク状態を規則的に発生させることができると共に、短絡解放直後のアーク長を瞬時に長くできる。短絡開放直後のアーク長を長くすることで、微小短絡の発生を抑制できるとともに、アーク３４のアーク力によって溶融金属３３を広範囲に押すことができる。
ここで、従来技術では、継手形状によっては、ピーク電流ＩＰが適正でない場合がある。この場合、溶融金属３３中に蒸気亜鉛３０が滞留し、ブローホール２８（もしくは、ピット）を発生させてしまう。また、蒸気亜鉛３０が溶融金属３３から勢いよく放出される時に、飛散した溶融金属３３が溶接ワイヤ２１に短絡することで、スパッタの発生を増加させてしまう。
次に、亜鉛メッキ鋼板の溶接において、継手形状毎に適正なピーク電流ＩＰを使い分ける必要性について、図４Ａ〜４Ｃを用いて説明する。なお、図４Ａ〜４Ｃは溶接方向に対して垂直な断面図である。図４Ａは、重ねすみ肉の溶接が良好に行われている状態を示している。図４Ｂは、水平すみ肉の溶接が良好ではなく、孔開きが発生している状態を示している。図４Ｃは、水平すみ肉の溶接が良好に行われている状態を示している。
図４Ａに示すように、継手形状が重ねすみ肉の場合、アーク３４は広がりやすい。そのため、ピーク電流ＩＰは４００Ａ以上とすることが望ましい。ピーク電流ＩＰを４００Ａ以上とすることで、アーク３４の直下において、被溶接物２６のルート部３２にある溶融金属３３がアーク３４のアーク力により押し出され、ルート部３２が溶融金属３３から露出する。ルート部３２が露出することで、上板と下板との重ね部分である亜鉛メッキ気化部３１から蒸気亜鉛３０を外部に放出しやすくなる。
図４Ｂに示すように、継手形状が水平すみ肉の場合、ピーク電流ＩＰを、重ねすみ肉と同じ４００Ａ以上にすると、アーク３４が集中し易くなる。そのため、特に上板側に対してがアーク３４のアーク力が強すぎて、上板に裏なみが発生する。そして、最悪の場合には、上板に孔開き（溶け落ち）が発生してしまう。従って、水平すみ肉の場合、ピーク電流ＩＰは、４００Ａ未満にすることが望ましい。
図４Ｃも水平すみ肉の例を示しているが、図４Ｃのように、ピーク電流ＩＰを４００Ａ未満にすることで、上板の孔開きが発生しない。そして、アーク３４の直下の被溶接物２６のルート部３２において、溶融金属３３が押し出され、ルート部３２を露出させることができる。そして、上板と下板との重ね部分である亜鉛メッキ気化部３１（図６参照）から、蒸気亜鉛３０を外部に放出しやすくできる。
図５に、継手形状とピーク電流ＩＰに関する溶接結果を示す。なお、図５では、ピーク電流ＩＰを５０Ａ刻みで表している。また、図５に示す溶接結果は、一例として、板厚が２．３ｍｍの亜鉛メッキ鋼板に対してＣＯ２溶接を行った場合の例である。
図５より、水平すみ肉（Ｔ継手）においては、ピーク電流ＩＰは、２５０Ａから３５０Ａまでが適正範囲であり、３００Ａが最適である。なお、ピーク電流ＩＰが２５０Ａを下回る場合は、被溶接物２６のルート部３２において溶融金属３３を押し出すことが困難になり、気孔２８が発生してしまう。逆に、ピーク電流ＩＰが４００Ａを上回る場合は、上板が溶け落ちて孔開きが発生してしまう。なお、ピーク電流ＩＰが４００Ａを上回り、上板の板厚が厚い場合は、上板の溶け落ちは発生しなくなるが、外観不良となる。また、図５では示していないが、ピーク電流ＩＰが３８０Ａの場合も、良好な溶接を行うことができた。以上から、水平すみ肉（Ｔ継手）においては、ピーク電流ＩＰは２５０Ａ以上４００Ａ未満で良好な溶接が行える。
また、図５より、重ねすみ肉（重ね継手）においては、ピーク電流ＩＰは、４００Ａから５００Ａまでが適正範囲であり、４５０Ａが最適である。なお、ピーク電流ＩＰが４００Ａを下回る場合は、被溶接物２６のルート部３２において溶融金属３３を押し出すことが困難になり、気孔２８が発生してしまう。逆に、ピーク電流ＩＰが５００Ａを上回る場合は、溶融プールが掘れ込みすぎるためビードが凸形状になり、ビード外観不良が発生してしまう。以上から、重ねすみ肉（重ね継手）においては、ピーク電流ＩＰは４００Ａ以上５００Ａ以下で良好な溶接が行える。
以上のように、継手形状に応じて、ピーク電流ＩＰを適正な値に設定する必要がある。なお、上述の適正範囲は、実際に実験等により導き出した数値である。
本実施の形態のアーク溶接装置において、継手形状に応じた適正なピーク電流ＩＰを設定するには、継手形状毎に適正なピーク電流ＩＰを含む波形パラメータを、溶接電源装置１６の波形パラメータ記憶部１５内に記憶しておく。そして、ロボット制御装置１９内にある溶接条件設定部１７で設定した設定内容と継手形状設定部１８で設定した設定内容に基づいて、継手形状毎の適正なピーク電流ＩＰを決定して出力することが必要である。
継手形状毎の適正なピーク電流ＩＰにより溶接を行うことで、被溶接物２６のルート部３２を露出することが可能となる。ちなみに、ピーク電流期間ＴＰを継手形状毎に適正な時間に調整する方法も考えられる。しかし、ピーク電流期間ＴＰの調整では、継手形状全てに対応することができないことが、発明者らによる実験等からわかっている。
例えば、水平すみ肉の継手形状で、ピーク電流ＩＰを適正範囲よりも高い４５０Ａとし、ピーク電流期間ＴＰをデフォルトより短くしたとする。ピーク電流ＩＰの４５０Ａで与える強いアーク力の時間を短くする方法では、上板の孔開き（溶け落ち）が軽減するが、ゼロになることはなく、効果が薄い。
また、重ねすみ肉の継手形状で、ピーク電流ＩＰを適正範囲よりも低い３００Ａとし、ピーク電流期間ＴＰをデフォルトより長くしたとする。ピーク電流ＩＰの３００Ａで与える弱いアーク力の時間を長くする方法では、被溶接物２６のルート部３２において溶融金属３３が押し出され難く、ルート部３２を露出させることができない。従って、気孔２８が発生し易くなる。
よって、適正なピーク電流ＩＰを出力することが重要である。
なお、本実施の形態では、設定溶接電流と継手形状に基づいてピーク電流ＩＰを決定する例を示した。しかし、設定溶接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る。そこで、設定溶接電流に替えて、ワイヤ送給速度やワイヤ送給量に基づいてピーク電流ＩＰにまつわるパラメータなど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。
また、上記では、ワイヤ送給速度が図２に示すように正弦波状に制御する場合の例を説明した。しかし、図８に示すように、ワイヤ送給速度が台形波状に制御する場合でも同様の効果を得ることができる。
また、図２や図８に示すような周期的な送給制御ではなく、図９に示すように、溶接状態に応じて送給制御を行うようにしても、同様の効果を得ることができる。すなわち、溶接状態が短絡状態であることを検出すると逆送を行い、溶接状態がアーク状態であることを検出すると正送を行うように、ワイヤ送給を制御しても、同様の効果を得ることができる。
また、時点Ｐ２の手前において、短絡の開放が近づくに伴って溶接対象物に形成された溶融プールと溶接ワイヤの先端との間に出来た溶滴のくびれを検出する。そして、上記では、溶滴のくびれを検出すると、溶接電流をくびれ検出した時点の電流よりも低いくびれ電流ＮＡに瞬時に移行させる、くびれ制御を行う。しかし、くびれ制御を行わない場合でも、本実施の形態の溶接制御を行うことで、スパッタやブローホールに対する亜鉛メッキの影響を低減させる効果は大きい。
本発明によれば、亜鉛メッキ鋼板等の表面処理が行われた被溶接物を溶接用のワイヤを用いて溶接する場合に、アーク期間において継手形状に対応したピーク電流を出力する。これにより、被溶接物の孔開き（溶け落ち）がなく、また、被溶接物のルート部が露出するように溶融プールを押すことで、被溶接物から発生した気体が露出部から抜ける。このため、ブローホール等の発生およびスパッタの発生を著しく抑制することができる。亜鉛メッキ鋼板等のように、表面処理が行われており溶接時に気体が発生する被溶接物に対して溶接を行うアーク溶接装置およびアーク溶接制御方法として産業上有用である。
１ 入力電源
２ １次整流部
３ スイッチング部
４ トランス
５ ２次整流部
６ リアクタ
７ 駆動部
８ 溶接電圧検出部
９ 溶接電流検出部
１０ 短絡／アーク検出部
１１ 短絡制御部
１２ アーク制御部
１３ ワイヤ送給速度制御部
１４ 波形パラメータ決定部
１５ 波形パラメータ記憶部
１６ 溶接電源装置
１７ 溶接条件設定部
１８ 継手形状設定部
１９ ロボット制御装置
２０ ロボット
２１ 溶接ワイヤ
２２ トーチ
２３ ワイヤ送給部
２４ チップ
２５ ワイヤ保存部
２６ 被溶接物
２７ 亜鉛メッキ
２８ 気孔
２９ 溶融部
３０ 蒸気亜鉛
３１ 亜鉛メッキ気化部
３２ ルート部
３３ 溶融金属
３４ アーク
３５ 溶接ビード

Claims (10)

  1. ワイヤと被溶接物とが短絡する短絡期間と、前記ワイヤと前記被溶接物との間にアークが発生するアーク期間とを交互に繰り返すアーク溶接装置であって、
    溶接出力を行う溶接出力部と、
    継手形状を設定するための継手形状設定部と、
    前記継手形状と波形パラメータとの複数の組合せを記憶する記憶部と、
    前記継手形状設定部により設定された前記継手形状および前記複数の組合せに基づいて、前記波形パラメータを決定する波形パラメータ決定部とを備え、
    前記溶接出力部は、前記波形パラメータ決定部で決定された前記波形パラメータに基づいて溶接出力を行うアーク溶接装置。
  2. 前記記憶部に記憶される前記継手形状は、Ｔ継手と重ね継手とを含み、
    前記記憶部に記憶される前記波形パラメータは、短絡開放後の最大溶接電流値を含み、
    前記継手形状設定部により前記Ｔ継手が設定された場合に決定される前記短絡解放後の最大溶接電流値は、２５０Ａ以上４００Ａ未満であり、
    前記継手形状設定部により前記重ね継手が設定された場合に決定される前記短絡解放後の最大溶接電流値は、４００Ａ以上５００Ａ以下である請求項１記載のアーク溶接装置。
  3. 前記ワイヤの送給速度を、所定の周期と所定の振幅で周期的に変化させる請求項１または２記載のアーク溶接装置。
  4. 前記被溶接物は、表面処理が行われた鋼板である請求項１から３のいずれか１項に記載のアーク溶接装置。
  5. 前記被溶接物は、亜鉛メッキ鋼板である請求項４記載のアーク溶接装置。
  6. ワイヤと被溶接物とが短絡する短絡期間と、前記ワイヤと前記被溶接物との間にアークが発生するアーク期間とを交互に繰り返すアーク溶接制御方法であって、
    継手形状を設定するステップと、
    前記継手形状に基づいて波形パラメータを決定するステップと、
    前記波形パラメータに基づいて溶接出力を制御するステップと、
    を備えたアーク溶接制御方法。
  7. 前記継手形状は、Ｔ継手または重ね継手であり、
    前記波形パラメータは、短絡開放後の最大溶接電流値を含み、
    前記継手形状がＴ継手である場合は、前記短絡解放後の最大溶接電流値は、２５０Ａ以上４００Ａ未満であり、
    前記継手形状が重ね継手である場合は、前記短絡解放後の最大溶接電流値は、４００Ａ以上５００Ａ以下である請求項６記載のアーク溶接制御方法。
  8. 前記ワイヤの送給速度を、所定の周期と所定の振幅で周期的に変化させる請求項６または７記載のアーク溶接制御方法。
  9. 前記被溶接物は、表面処理が行われた鋼板である請求項６から８のいずれか１項に記載のアーク溶接制御方法。
  10. 前記被溶接物は、亜鉛メッキ鋼板である請求項９記載のアーク溶接制御方法。
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