JPWO2017169899A1 - アーク溶接制御方法 - Google Patents

Abstract

薄板溶接は、板厚に対する入熱量が大き過ぎると、ひずみの発生による狙いずれ、溶け落ちといった溶接欠陥が発生しやすい。入熱量を低減するために溶接電流を低くするとアークが不安定になりやすいといった課題がある。短絡とアークを繰り返すアーク溶接において、第１の入熱期間（Ｔｈ）と第１の入熱期間（Ｔｈ）より入熱量の低い第２の入熱期間（Ｔｃ）とを周期的に繰り返し、第２の入熱期間（Ｔｃ）のアーク期間中の溶接電流を低減することによりアークを消滅させることで、アークを安定させながら、被溶接物への入熱量を低減し、溶接時の溶け落ち、ひずみを抑制する。

Description

本開示は、消耗電極である溶接ワイヤと溶接対象物である母材との間にアークを発生させて、溶接出力制御を行うアーク溶接制御方法に関する。

近年、地球環境保護の観点から、自動車業界では、燃費向上を目的とした軽量化のために年々車両鋼板等の薄板化が進められている。また、生産性向上のために溶接工程の生産タクトの向上が進められている。このため、ロボットを用いて行う薄板のアーク溶接においては、溶接速度の高速化や溶接品質の向上が期待されている。しかし、溶接速度の高速化と、溶け落ちやアンダーカットなどの欠陥防止といった課題は相反するものである。また、母材間にギャップが生じている場合、溶け落ちを抑制することで、被溶接物の歩留まりを高めて手直し工数の削減が期待できる。そのため、市場からこれらの課題解決の要求は年々高まってきている。これらの要求に対し、従来から薄板溶接やギャップ溶接に関しては種々提案されている。例えば、パルスＭＡＧアーク溶接において、パルス電流やベース電流といったパルス条件を２つのパルス電流群に切り替えることでアーク長を調整することできる（例えば、特許文献１参照）。これにより突合せ溶接や重ね溶接において、ギャップがある場合においてもアーク長を短くすることで、溶け落ちを抑制することができる。

特開平４−３３３３６８号公報

しかしながら、軽量化による薄板化が進む近年では、入熱量の大きいパルスアーク溶接では、短絡アーク溶接よりも溶接対象物の裏側に裏波が発生しやすく、溶け落ちの恐れが高いうえ、溶接対象物にひずみが発生しやすい。このひずみの発生は、溶接長が長いほど影響が大きく、溶接対象物に対する溶接ワイヤの狙いずれの発生を引き起こす恐れがある。また、高速溶接した際にアンダーカットが発生しやすく、生産性の向上が難しい。また、溶接電流を全体的に低減することで低入熱化が図れるが、アークが不安定になるといった課題がある。

上記課題を解決するために、本開示のアーク溶接制御方法は、消耗電極である溶接ワイヤの送給を溶接対象物の方向に行う正送と、正送とは逆方向に行う逆送とに交互に、所定の周期と振幅で周期的に溶接ワイヤの送給を行い、第１の入熱量からなる第１の入熱期間と第２の入熱量からなる第２の入熱期間とを周期的に繰り返す。そして、以下を特徴とする。すなわち、第１の入熱期間および第２の入熱期間は、それぞれ短絡期間とアーク期間とからなり、第２の入熱期間の短絡期間において短絡開放を検出すると、第２の入熱期間の短絡開放後の溶接電流を第１の入熱期間のアーク期間の溶接電流よりも低減することによりアークを消滅させる。

また、上記に加えて、第１の入熱量に対しての第２の入熱量の低減は、第２の入熱期間のアーク期間の溶接電流を流さないことにより行う。

また、上記に加えて、第１の入熱量に対しての第２の入熱量の低減は、第２の入熱期間の短絡期間において短絡開放を検出すると、所定時間の経過後の第２の入熱期間のアーク期間では、溶接電流を流さないことにより行う。

また、上記に加えて、第２の入熱期間のアーク期間において、短絡開放を検出した後の所定時間の間、以下のようにして溶接電流を出力し、所定時間が経過した後は溶接電流を流さないことにより行う。すなわち、溶接ワイヤが軟鋼の場合は、溶接ワイヤの溶滴の大きさが溶接ワイヤのワイヤ径の１．１倍以上かつ１．５倍以下となるように、溶接ワイヤがステンレスワイヤ及びアルミワイヤでの場合は、溶接ワイヤの溶滴の大きさがワイヤ径相当となるように、溶接電流を出力する。

また、上記に加えて、第１の入熱期間と第２の入熱期間との周期的な繰り返しは、溶接対象物の板厚およびギャップ量の少なくとも１つに応じて、１回以上、５回以下で連続して行われる第１の入熱期間と、１回の第２の入熱期間とを周期的に交互に繰り返すことにより行うものである。

また、上記に加えて、第２の入熱期間直後の第１の入熱期間の短絡期間中の溶接電流の屈曲点を、予め設定された値よりも大きな値に制御することにより行うものである。

本開示は、短絡溶接により、短絡開放後の溶接電流を低減する第２の入熱期間である低入熱期間と第２の入熱期間より入熱量が大きい第１の入熱期間とを周期的に繰り返すことで、安定したアークを維持しつつ低入熱化を図り、薄板溶接の溶け落ちの抑制およびギャップ裕度の向上ができる。そのため、高速溶接時のアンダーカットの防止、ひずみの低減が可能であり、溶接品質の向上が期待できる。

本開示の実施の形態１におけるアーク溶接制御方法による出力波形と溶接ワイヤ先端の溶滴移行状態の図 本開示におけるアーク溶接装置の概略構成を示す図 本開示の実施の形態２におけるアーク溶接制御方法による出力波形と溶接ワイヤ先端の溶滴移行状態の図 本開示の実施の形態３におけるアーク溶接制御方法による出力波形と溶接ワイヤ先端の溶滴移行状態の図 本開示の実施の形態４におけるアーク溶接制御方法による出力波形の図 本開示の実施の形態４におけるアーク溶接制御方法による出力波形の図 本開示の実施の形態４における第１の入熱期間の連続繰り返し回数Ｔｈｎとギャップ量Ｇとの関係を示す図

以下、本開示の実施の形態について、図１から図７を用いて説明する。

（実施の形態１）
まず、本実施の形態のアーク溶接制御方法を行うアーク溶接装置について、図２を用いて説明する。図２は、アーク溶接装置の概略構成を示す図である。アーク溶接装置２０は、消耗電極である溶接ワイヤ２２と溶接対象物である被溶接物２１との間で、アーク状態のアーク期間Ｔａと短絡状態の短絡期間Ｔｓとを繰り返して溶接を行う。

アーク溶接装置２０は、主変圧器２と、一次側整流部３と、スイッチング部４と、ＤＣＬ（リアクトル）５と、二次側整流部６と、溶接電流検出部７と、溶接電圧検出部８と、短絡検出部９と、短絡開放検出部１０と、短絡／アーク検出部１１と、出力制御部１２と、ワイヤ送給速度制御部１６を有している。

出力制御部１２は、短絡制御部１３とアーク制御部１４を有している。ワイヤ送給速度制御部１６は、ワイヤ送給速度検出部１７と、演算部１８と、正送／逆送切替タイミング制御部１９を有している。一次側整流部３は、アーク溶接装置２０の外部にある入力電源１から入力した入力電圧を整流する。スイッチング部４は、一次側整流部３の出力を溶接に適した出力に制御する。主変圧器２は、スイッチング部４の出力を溶接に適した出力に変換する。

二次側整流部６は、主変圧器２の出力を整流する。ＤＣＬ（リアクトル）５は、二次側整流部６の出力を溶接に適した電流に平滑する。溶接電流検出部７は、溶接電流を検出する。溶接電圧検出部８は、溶接電圧を検出する。短絡／アーク検出部１１は、溶接電圧検出部８の出力に基づいて、溶接状態が、溶接ワイヤ２２と被溶接物２１とが短絡している短絡状態であるのか、溶接ワイヤ２２と被溶接物２１との間でアーク２３が発生しているアーク状態であるのか、を判定する。

短絡開放検出部１０は、短絡状態が開放され、アーク状態であると判定した回数を検出する。出力制御部１２は、スイッチング部４に制御信号を出力して溶接出力を制御する。短絡制御部１３は、短絡検出部９が短絡状態であると判定した場合に、短絡期間の溶接電流である短絡電流の制御を行う。アーク制御部１４は、短絡開放検出部１０がアーク状態であると判定した場合に、アーク期間の溶接電流であるアーク電流の制御を行う。

アーク制御部１４は、溶接条件設定部１５により設定された短絡開放の回数を、短絡開放検出部１０が検出した際に、第２の入熱期間の溶接電流を低減する制御を行う。ワイヤ送給速度制御部１６は、ワイヤ送給部２５を制御して溶接ワイヤ２２の送給速度を制御する。ワイヤ送給速度検出部１７は、ワイヤ送給速度を検出する。演算部１８は、ワイヤ送給速度検出部１７からの信号に基づいて、所定時間や溶接ワイヤ２２の送給量の積算量を演算する。正送／逆送切替タイミング制御部１９は、演算部１８からの信号に基づいて、溶接ワイヤ２２の送給の、正送から逆送への切り替えタイミングを遅らせる制御信号や、逆送から正送への切り替えタイミングを遅らせる制御信号を出力する。

アーク溶接装置２０には、溶接条件設定部１５と、ワイヤ送給部２５が接続されている。溶接条件設定部１５は、アーク溶接装置２０に溶接条件を設定するために用いられる。ワイヤ送給部２５は、ワイヤ送給速度制御部１６からの信号に基づいて、溶接ワイヤ２２の送給の制御を行う。

アーク溶接装置２０の溶接出力は、溶接チップ２４を介して溶接ワイヤ２２に供給される。そして、アーク溶接装置２０の溶接出力により、溶接ワイヤ２２と被溶接物２１との間にアーク２３を発生させて溶接を行う。

次に、以上のように構成されたアーク溶接装置２０の動作について、図１を用いて説明する。

図１は、本実施の形態における消耗電極式のアーク溶接制御方法による出力波形を示す図である。短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを交互に繰り返すアーク溶接における、溶接電流Ａｗと、溶接電圧Ｖｗと、溶接ワイヤ２２の送給速度Ｗｆの時間変化、溶接ワイヤ２２の溶滴移行状態の模式図Ｗｗを示している。

本実施の形態におけるアーク溶接制御方法において、第１の入熱期間Ｔｈと第２の入熱期間Ｔｃとが交互に繰り返される。第１の入熱期間Ｔｈおよび第２の入熱期間Ｔｃのいずれも短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを含む。

第１の入熱期間Ｔｈの短絡期間Ｔｓにおいて、溶融電流Ａｗは、例えば電流値Ａｗａ１ａ＝０から第１の電流増加率Ａｗｓ１にて増加し、以下に述べる屈曲点での電流値Ａｗｐに達する。その後、溶融電流Ａｗは電流増加率Ａｗｓ１よりも増加率が小さい電流増加率Ａｗｓ２にて増加する。この短絡期間Ｔｓにおいて、溶接ワイヤ２２の送給速度を負とし、溶接ワイヤの送給の逆送をする。この短絡期間Ｔｓにおいては、溶接ワイヤ２２と被溶接物２１とが短絡されることにより溶接電圧Ｖｗを０（Ｖ）付近の値となっている。

第１の入熱期間Ｔｈの短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとの切替時の短絡開放時に、溶接電流Ａｗを一旦下げ、短絡開放により溶接電圧Ｖｗが増加する。また、溶接ワイヤ２２の送給速度Ｗｆを負から正にして、溶接ワイヤの送給を逆送から正送に切り替える。

第１の入熱期間Ｔｈのアーク期間Ｔａにおいて、溶接電流Ａｗをピーク電流値Ａｗａ１まで上げ、所定の時間一定とする。その後、電流値を下げる。

第１の入熱期間Ｔｈのアーク期間Ｔａの終了および第２の入熱期間Ｔｃの短絡期間Ｔａの開始のタイミングにて、溶接電流Ａｗを所定の値に下げておき、溶接ワイヤ２２と被溶接物２１とが短絡されることにより溶接電圧Ｖｗを０（Ｖ）付近の値となり、溶接ワイヤ２２の送給速度Ｗｆを正から負にして、溶接ワイヤの送給を正送から逆送に切り替える。

第２の入熱期間Ｔｃの短絡期間Ｔｓにおいて、溶融電流Ａｗは所定の値から所定の電流増加率にて増加する。その後、溶融電流Ａｗは電流増加率Ａｗｓ２にて増加する。この短絡期間Ｔｓにおいて、溶接ワイヤ２２の送給速度Ｗｆを負とし、溶接ワイヤの送給の逆送をする。

第２の入熱期間Ｔｃのアーク期間Ｔａにおいて、溶接ワイヤ２２は短絡状態となるが、そのときの溶融電流Ａｗを電流値Ａｗａ１ａとする。また、このアーク期間Ｔａの期間において溶接ワイヤ２２の送給速度Ｗｆを正とし溶接ワイヤの送給を正送する。

図１において、（ａ）〜（ｈ）は、消耗電極である溶接ワイヤ２２の先端から被溶接物２１の側へ溶融金属が移行する溶滴移行状態を表しており、溶滴移行状態Ｗｗにおける溶接ワイヤ２２の状態を示す。（ａ）〜（ｈ）の順に時間が経過する。（ａ）は、第１の入熱期間Ｔｈの短絡期間Ｔｓにおける溶接ワイヤ２２の状態を示す。（ｂ）は、第１の入熱期間Ｔｈにおいて、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとの切替時での溶接ワイヤ２２の状態を示す。（ｃ）および（ｄ）は、第１の入熱期間Ｔｈのアーク期間Ｔａにおける溶接ワイヤ２２の状態を示す。（ｃ）は、溶接電流Ａｗの値が上昇する途中での溶接ワイヤ２２の状態を示す。また、（ｄ）は、溶接電流Ａｗの値がＡｗａ１での溶接ワイヤ２２の状態を示す。（ｅ）は、第２の入熱期間Ｔｃの短絡期間Ｔｓにおける溶接ワイヤ２２の状態を示す。（ｆ）は、第２の入熱期間Ｔｃにおいて、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとの切替時での溶接ワイヤ２２の状態を示す。（ｇ）および（ｈ）は、第２の入熱期間Ｔｃのアーク期間Ｔａにおける溶接ワイヤ２２の状態を示す。（ｇ）および（ｈ）は、ともに短絡解放後の溶接ワイヤ２２の状態を示す。

なお、第１の入熱期間Ｔｈのアーク期間Ｔａからの第２の入熱期間Ｔｃの短絡期間Ｔｓへの移行は、第１の入熱期間Ｔｈのアーク期間Ｔａの溶接電流Ａｗを短絡期間Ｔｓへ移行する直前に低くし、短絡時のスパッタの発生を抑制している。短絡時のスパッタの発生の影響が少なければ短絡期間Ｔｓへ移行する直前における電流は必ずしも直前でさらに低くしなくても良い。

まず図１において、（ａ）における溶滴移行状態Ｗｗは、溶接ワイヤ２２と被溶接物２１との短絡が発生してから溶接ワイヤ２２の溶滴２６を被溶接物２１上の図示しない溶融プールに移行させている。このとき溶接ワイヤ２２の送給は、被溶接物２１の方向に行う正送とは逆方向に行う逆送を行うことで、短絡開放を機械的に促す。また、（ａ）における溶接電流Ａｗはこの短絡状態を開放させるために時間の経過に伴って溶接電流を増加するように制御する。

そして、この溶接電流Ａｗの増加の仕方は、例えば、図１に示すように、まず短絡期間Ｔｓにおいて、第１の電流増加率Ａｗｓ１で溶接電流Ａｗを増加させ、その後、第１の電流増加率Ａｗｓ１よりも傾きが緩やかな第２の電流増加率Ａｗｓ２で溶接電流Ａｗを増加させる。そして、第１の電流増加率Ａｗｓ１から第２の電流増加率Ａｗｓ２に切り替わる時の電流値を屈曲点と呼ぶ。この屈曲点の値は予め実験的に求められた値に設定される。

次に（ｂ）において溶接電圧Ｖｗは、溶接ワイヤ２２と被溶接物２１との短絡が解放されることにより上昇し、短絡開放が判定される。このときの（ｂ）における溶滴移行状態Ｗｗは、ピンチ効果により溶接ワイヤ２２の先端側にくびれ現象が生じて溶滴２６を移行させ、短絡状態から開放される。そして（ｃ）から（ｄ）における溶接電流Ａｗの制御は、アーク期間Ｔａにおいて所定のピーク電流値Ａｗａ１まで溶接電流を増加する。このとき溶接ワイヤ２２の送給は、被溶接物２１の方向に溶接ワイヤ２２を送る正送を行う。これにより、（ｃ）から（ｄ）の溶滴移行状態Ｗｗは、溶接ワイヤ２２の先端の溶融速度が高められ、溶接ワイヤ２２の先端に、被溶接物２１に移行する溶けた金属である溶滴２６を形成し成長させる。この成長した溶滴２６が再び短絡することで、溶滴２６が被溶接物２１に移行する。通常は（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の溶滴移行状態を経由する短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを含む第１の入熱期間Ｔｈのみを繰り返すことで溶接を行っている。

しかし、本実施の形態では、図１における（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）を経由する第１の入熱期間Ｔｈと、第１の入熱期間Ｔｈより入熱量が低い（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）および（ｈ）を経由する第２の入熱期間Ｔｃとを周期的に繰り返して溶接を行うことで被溶接物２１に対する入熱量を低減する。例えば図１のように、第１の入熱期間Ｔｈにおいて、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）を経て溶接ワイヤ２２の先端の溶滴２６を成長させたのち、図１の溶接電圧Ｖｗにより溶接ワイヤ２２と被溶接物２１との間の次の短絡発生を検出すると、（ｅ）において溶滴移行状態Ｗｗは、（ａ）の溶滴移行状態Ｗｗと同様に、溶接ワイヤ２２の溶滴２６を溶融プールに移行させる。（ｅ）における溶接電流Ａｗは、（ａ）における溶接電流Ａｗの増加形態と同様に、短絡状態を開放させるために時間の経過に伴って溶接電流を増加するように制御する。

さらに第２の入熱期間Ｔｃの（ｆ）における溶接電圧Ｖｗにより短絡開放が判定されたときの溶滴移行状態Ｗｗは、（ｂ）における溶滴移行状態Ｗｗと同様に、ピンチ効果により溶接ワイヤ２２の先端にくびれ現象が生じて溶滴２６を溶融プールへ移行させ、短絡状態から開放される。第２の入熱期間Ｔｃにおいて短絡開放を検出すると、（ｇ）から（ｈ）における、第２の入熱期間Ｔｃのアーク期間Ｔａの溶接電流Ａｗを０として、（ｇ）から（ｈ）における溶滴移行状態Ｗｗのように第２の入熱期間Ｔｃのアーク期間Ｔａにおける短絡開放後のアークを消滅させる。これにより第２の入熱期間Ｔｃの入熱量を低減することができる。

なお、本実施形態では、（ｇ）から（ｈ）における、第２の入熱期間Ｔｃのアーク期間Ｔａの溶接電流Ａｗを０としたが、溶接ワイヤ２２と被溶接物２１との間の次の短絡が発生するまでの間、第１の入熱期間Ｔｈのアーク期間Ｔａのピーク電流値Ａｗａ１よりも低減して、短絡開放後のアークを消滅させてもよい。これにより第２の入熱期間Ｔｃの入熱量を低減することができる。

なお、第２の入熱期間Ｔｃにおいて、アーク期間Ｔａにおける短絡開放後のアークを消滅させる前に短絡状態を開放させ、溶接ワイヤ２２の先端の溶滴２６を溶融プールへ移行させているので、アーク消滅後の第１の入熱期間Ｔｈの短絡期間Ｔｓでの短絡開放のために溶接ワイヤ２２の先端の状態を安定化させることが出来る。

しかし、アーク消滅直後である第２の入熱期間Ｔｃ直後の第１の入熱期間Ｔｈの短絡期間Ｔｓは、溶接ワイヤ２２の先端の溶滴２６が成長しない状態で短絡するため短絡開放しづらく、短絡期間Ｔｓが長期化する傾向にある。これを抑制するために、第２の入熱期間Ｔｃの直後の第１の入熱期間Ｔｈの短絡期間Ｔｓにおける短絡電流の屈曲点での値Ａｗｐは、予め設定された値よりも大きな値に制御する。

この屈曲点Ａｗｐの値が大きすぎるとスパッタの発生量が増加し、小さいと短絡期間が長期化する。第１の入熱期間Ｔｈの短絡期間Ｔｓにおける短絡電流の屈曲点Ａｗｐの値は、２００Ａ以上、４５０Ａ以下であれば短絡期間の長期化を抑制できることが本発明者らによる実験を通じて分かった。

そのため、第２の入熱期間Ｔｃの直後の第１の入熱期間Ｔｈの短絡期間Ｔｓにおける短絡電流の屈曲点の値Ａｗｐは、予め設定された値よりも大きな２００Ａ以上に制御する。

また、本開示に係る発明のように溶接ワイヤ２２の送給を、被溶接物２１の方向に行う正送と、正送とは逆方向に行う逆送とに、所定の周期と振幅で変化させ周期的に溶接ワイヤ２２を送給するワイヤ送給速度Ｗｆで溶接を行うことで、機械的に短絡発生と短絡開放を促進させることができる。また、第１の入熱期間Ｔｈと第１の入熱期間Ｔｈより入熱量の低い第２の入熱期間Ｔｃとを周期的に繰り返すことで、安定したアークを維持しつつ低入熱化を図り、薄板溶接の溶け落ち抑制、及び後に述べるギャップ裕度の向上が実現できる。

これにより、第１の入熱期間Ｔｈと第２の入熱期間Ｔｃとで入熱量が変動する場合でも、短絡周期の乱れを防ぐことができる。さらに、正送／逆送切替タイミング制御部１９による逆送から正送への切り替えタイミングを遅らせる制御信号を出力することで、短絡開放後も逆送させ、アーク消滅を促進することもできる。

（実施の形態２）
本実施の形態２は第２の入熱期間Ｔｃにおける短絡開放後の溶接電流Ａｗの低減に関する。

図３は、本実施の形態における消耗電極式のアーク溶接制御方法による出力波形を示す図である。短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを交互に繰り返すアーク溶接における、溶接電流Ａｗと、溶接電圧Ｖｗと、溶接ワイヤ２２の送給速度Ｗｆの時間変化、溶接ワイヤ２２の溶滴移行状態の模式図Ｗｗを示している。

本実施の形態におけるアーク溶接制御方法において、第１の入熱期間Ｔｈと第２の入熱期間Ｔｃとが交互に繰り返される。第１の入熱期間Ｔｈおよび第２の入熱期間Ｔｃのいずれも短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを含む。また、溶融電流Ａｗ、溶接電圧Ｖｗおよび、図示しない溶接ワイヤ２２の送給速度Ｗｆの変化は、実施の形態１と同様である。

図３において、（ａ）〜（ｇ）は溶滴移行状態Ｗｗにおける溶接ワイヤ２２の状態を示す。（ａ）〜（ｇ）の順に時間が経過する。（ａ）は、第１の入熱期間Ｔｈにおいて、アーク期間Ｔａでの溶接ワイヤ２２の状態を示す。（ｂ）は、第２の入熱期間Ｔｃの短絡期間Ｔｓにおける溶接ワイヤ２２の状態を示す。（ｃ）は、第２の入熱期間Ｔｃにおいて、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとの切替時での溶接ワイヤ２２の状態を示す。（ｄ）および（ｅ）は、第２の入熱期間Ｔｃのアーク期間Ｔａにおける溶接ワイヤ２２の状態を示す。（ｆ）および（ｇ）は、第２の入熱期間Ｔｃの後に行われる第１の入熱期間Ｔｈにおける溶接ワイヤ２２の状態を示す。具体的には、この第１の入熱期間Ｔｈの短絡期間Ｔｓにおける溶接ワイヤ２２の溶接ワイヤ２２の状態を示す。また、（ｇ）は、この第１の入熱期間Ｔｈのアーク期間Ｔａにおける溶接ワイヤ２２の状態を示す。

本実施の形態２において、実施の形態１と同様の箇所については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。実施の形態１と異なる主な点は、図１に示す第２の入熱期間Ｔｃにおけるアーク期間Ｔａの溶接電流Ａｗを０とし、次の短絡が発生するまで溶接電流Ａｗを全く流さないように制御して短絡開放後のアーク期間Ｔａにおけるアークを消滅させる点である。電流を全く流さないことにより、第２の入熱期間Ｔｃにおける入熱量の低減効果は大きく、また管理も容易である。

なお、短絡開放後に、第２の入熱期間Ｔｃのアーク期間Ｔａの溶接電流Ａｗを０とする際は、溶接電圧Ｖｗをかけた状態で、溶接電流Ａｗを０とするため、溶接電圧Ｖｗは増大する。これにより次の入熱期間である第１の入熱期間Ｔｈでの短絡期間Ｔｓの移行検出としての溶接ワイヤ２２と被溶接物２１との間の溶接電圧Ｖｗによる短絡の検出がスムーズに行える。溶接電圧Ｖｗを溶接電流Ａｗとともに０とする場合であれば、溶接ワイヤ２２と被溶接物２１との間の電気的な短絡検出が行えず、短絡検出が煩雑になってしまう。

（実施の形態３）
本実施の形態３は第２の入熱期間Ｔｃにおけるアーク期間Ｔａの溶接電流低減に関する。

図４は、本実施の形態における消耗電極式のアーク溶接制御方法による出力波形を示す図である。短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを交互に繰り返すアーク溶接における、溶接電流Ａｗと、溶接電圧Ｖｗと、溶接ワイヤ２２の送給速度Ｗｆの時間変化、溶接ワイヤ２２の溶滴移行状態の模式図Ｗｗを示している。

本実施の形態におけるアーク溶接制御方法において、第１の入熱期間Ｔｈと第２の入熱期間Ｔｃとが交互に繰り返される。第１の入熱期間Ｔｈおよび第２の入熱期間Ｔｃのいずれも短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを含む。なお、図示しない溶接ワイヤ２２の送給速度Ｗｆの変化は、実施の形態１と同様である。

図４において、（ａ）〜（ｇ）は溶滴移行状態Ｗｗにおける溶接ワイヤ２２の状態を示す。（ａ）〜（ｇ）の順に時間が経過する。（ａ）は、第１の入熱期間Ｔｈにおいて、アーク期間Ｔａでの溶接ワイヤ２２の状態を示す。（ｂ）は、第２の入熱期間Ｔｃの短絡期間Ｔｓにおける溶接ワイヤ２２の状態を示す。（ｃ）は、第２の入熱期間Ｔｃにおいて、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとの切替時での溶接ワイヤ２２の状態を示す。（ｄ）および（ｅ）は、第２の入熱期間Ｔｃのアーク期間Ｔａにおける溶接ワイヤ２２の状態を示す。（ｆ）および（ｇ）は、第２の入熱期間Ｔｃの後に行われる第１の入熱期間Ｔｈのアーク期間Ｔａにおける溶接ワイヤ２２の状態を示す。

本実施の形態３において、実施の形態１、２と同様の箇所については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。実施の形態１、２と異なる主な点は、図４の溶接電流Ａｗのように、第２の入熱期間Ｔｃにおけるアーク期間Ｔａの溶接電流を部分的に流さないように制御し、部分的にアークを消滅させる点である。言い換えると、第１の入熱期間Ｔｈの第１の入熱量に対し、第２の入熱期間Ｔｃの第２の入熱量を低減することは、第２の入熱期間Ｔｃの短絡期間Ｔｓにおいて短絡開放を検出して、所定時間Ｔｃの経過後の第２の入熱期間Ｔｃのアーク期間Ｔａにおいて溶接電流Ａｗを流さないことによりアークを消滅させて行われる。

なお実施の形態２は、本実施の形態よりも入熱量の低減効果は大きいが、図３の（ｃ）において短絡開放した後に、図３の（ｄ）において溶接電流Ａｗを全く流さないため、図３の（ｄ）における溶滴移行状態Ｗｗに示すように溶接ワイヤ２２の先端の溶滴２６が成長せず尖ったままの状態になり、溶接ワイヤ２２の先端の表面積が小さい。このため、例えば溶接ワイヤ２２の材質が軟鋼やステンレス等の場合で、第２の入熱期間Ｔｃのアーク期間Ｔａのアークを消滅している時間が５ｍｓｅｃ以上と長すぎる場合は、絶縁物（以下、スラグ２７という）が溶接ワイヤ２２の先端の直下等に付着する恐れが高まる。なお、溶接ワイヤ２２の材質がアルミの場合は、スラグ２７が付き難い傾向がある。

図３の（ｅ）における溶滴移行状態Ｗｗのように、溶接ワイヤ２２の先端の直下にスラグが付着したまま、第２の入熱期間Ｔｃから第１の入熱期間Ｔｈの短絡期間Ｔｓへの溶接ワイヤ２２と被溶接物２１との間の短絡に移行すると、図３の（ｆ）の溶滴移行状態Ｗｗに示すようにスラグによる絶縁により通電せずに溶接ワイヤ２２が屈曲して第１の入熱期間Ｔｈの短絡期間Ｔｓが延び、短絡周期のばらつきが発生しアーク不安定につながる。

また、図３における（ｆ）から（ｇ）の溶滴移行状態Ｗｗに示すように、溶接ワイヤ２２が屈曲状態のまま第１の入熱期間Ｔｈにおけるアーク期間Ｔａのピーク電流Ａｗａ１が出力されると屈曲した部分の溶接ワイヤ２２が吹き飛んで、多量のスパッタが発生する。

そこで本実施の形態は、図４に示すように、図４の（ｃ）において第２の入熱期間Ｔｃでの溶接電圧Ｖｗの短絡開放を検出すると、図４の（ｄ）に示すように、第２の入熱期間Ｔｃのアーク期間Ｔａにおける溶接電流Ａｗを、第１の入熱期間Ｔｈのアーク期間Ｔａの電流値Ａｗａ１より低い電流値Ａｗａ１ａとして制御し、所定の時間Ｔｃａ１の間出力することでアークを発生させる。そのときの溶滴移行状態Ｗｗは、溶接ワイヤ先端の溶滴２６を成長させることで溶接ワイヤ２２の先端の表面積を大きくし、溶接ワイヤ２２の先端の直下のスラグ２７の付着を防止する。なお、所定の時間Ｔｃａ１と例えば一定に制御された電流Ａｗａ１ａの電流の大きさは、溶接ワイヤ２２の材質によって異なり、実験的に求められる値である。

第２の入熱期間Ｔｃのアーク期間Ｔａにおいて、例えば溶接ワイヤ２２の材質が軟鋼の場合であれば、ＭＡＧ溶接で溶接ワイヤ２２の先端の溶滴２６が溶接ワイヤ２２のワイヤ径の１．１倍以上、１．３倍以下、ＣＯ_２溶接で１．１倍以上、１．５倍以下である。また溶接ワイヤ２２の材質がステンレス及びアルミの場合であれば、溶接ワイヤ２２の先端の溶滴２６をワイヤ径相当の大きさに成長させる所定の時間Ｔｃａ１と溶接電流Ａｗａ１ａである。なお、言い換えると上述の溶滴２６の大きさとする条件は、例えば溶接ワイヤ２２の材質が軟鋼の場合であれば、ＭＡＧ溶接で溶接電流Ａｗａ１ａは１０Ａ以上３０Ａ以下で、所定の時間Ｔｃａ１は５ｍｓｅｃ程度である。そして、所定の時間Ｔｃａ１の経過後に、第２の入熱期間Ｔｃのアーク期間Ｔａの溶接電流Ａｗを０に制御しアークを消滅させ、図４の（ｅ）の溶滴移行状態Ｗｗのように、成長した溶滴２６を被溶接物２１上の図示しない溶融プールに移行させる。これにより、図３の（ｆ）のような溶接ワイヤ２２の屈曲により短絡期間が延びたり、図３の（ｇ）のようなスパッタ発生を起こしたりすることなく、図４の第１の入熱期間Ｔｈのアーク期間Ｔａでの（ｆ）、（ｇ）の溶滴移行状態Ｗｗのように円滑に短絡開放して安定したアークを維持できる。

（実施の形態４）
第１の入熱期間Ｔｈと第２の入熱期間Ｔｃを周期的に繰り返す方法に関する。本実施の形態４において、実施の形態１〜３と同様の箇所については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。実施の形態１〜３と異なる主な点は、１回の第１の入熱期間Ｔｈと１回の第２の入熱期間Ｔｃを繰り返す実施の形態１〜３に対して、本実施の形態では、薄板等の被溶接物２１の板厚に応じて、複数回の第１の入熱期間Ｔｈ（Ｔｈ１〜Ｔｈ５）と、１回の前記第２の入熱期間Ｔｃを繰り返すという点である。

図５の溶接電流Ａｗは、複数の第１の入熱期間Ｔｈ（Ｔｈ１〜Ｔｈ５）と、一つの第２の入熱期間Ｔｃを周期的に繰り返している。第１の入熱期間Ｔｈの連続繰り返し回数をＴｈｎ、第２の入熱期間Ｔｃの連続繰り返し回数をＴｃｎとし、Ｔｈｎを５、Ｔｃｎを１とすると、５回の第１の入熱期間Ｔｈと１回の第２入熱期間Ｔｃを交互に繰り返す。図６の第１の入熱期間Ｔｈの連続繰り返し回数はＴｈｎ＝１であり、第２の入熱期間Ｔｃの連続繰り返し回数はＴｃｎ＝１である。第１の入熱期間Ｔｈと第２の入熱期間Ｔｃをそれぞれ１回ずつ繰り返す。第１の入熱期間の連続繰り返し回数Ｔｈｎが少ないほど被溶接物２１への入熱量の低減効果は大きい。言い換えると薄い板厚の被溶接物２１ほど、第１の入熱期間Ｔｈの連続繰り返し回数Ｔｈｎが少ないことが好ましく、被溶接物２１への入熱量の低減を図ることが出来る。

しかし、第１の入熱期間Ｔｈの連続繰り返し回数Ｔｈｎ＝５を超える場合は、相対的に入熱量が増えるため入熱量の低減効果が小さい。また、第２の入熱期間Ｔｃの連続繰り返し回数Ｔｃｎが１を超える場合は、第２の入熱期間Ｔｃが連続することで、次の第１の入熱期間Ｔｈにおける短絡期間Ｔｓのばらつきが生じアークが不安定になる恐れがある。そのため、１回以上、５回以下の複数回の第１の入熱期間Ｔｈと、１回の第２の入熱期間Ｔｃとを交互に繰り返すことで安定したアークを維持しつつ入熱量を低減することができ、溶け落ち抑制およびギャップ裕度の向上に繋がる。

第１の入熱期間Ｔｈの連続繰り返し回数Ｔｈｎとギャップ量Ｇとの関係を図７に示す。

なお図７では、第２の入熱期間Ｔｃの連続繰り返し回数Ｔｃｎを１とし、溶接ワイヤ２２の材質と被溶接物２１の材質を軟鋼としている。例えば、重ね溶接の際の被溶接物２１のアークが照射される側の板の平均板厚に対する、重ねられる板の間の隙間であるギャップの割合をギャップ量Ｇ[％]とし、板厚と同厚のギャップの場合をギャップ量Ｇ＝１００％とする。ギャップ量Ｇの増加に伴い、第１の入熱期間Ｔｈの連続繰り返し回数Ｔｈｎを減らすことでギャップ裕度を向上できる。ギャップ量Ｇが１００％の場合は、第１の入熱期間Ｔｈの連続繰り返し回数Ｔｈｎは２回であり、ギャップ量Ｇが２０％の場合は、第１の入熱期間Ｔｈの連続繰り返し回数Ｔｈｎは５回である。

このように、短絡とアークを繰り返す短絡溶接において、被溶接物２１の板厚およびギャップ量の少なくとも１つに応じて、一つ以上の連続して繰り返される第１の入熱期間Ｔｈと第１の入熱期間Ｔｈより入熱量の低い一つの第２の入熱期間Ｔｃとを周期的に繰り返す溶接をすることで、安定したアークを維持しつつ低入熱化を図り、薄板溶接の溶け落ち抑制及びギャップ裕度の向上が実現でき、溶接品質の向上、生産性の向上に繋がる。

以上のように、第１の入熱期間Ｔｈより入熱量の低い一つの第２の入熱期間Ｔｃと第１の入熱期間Ｔｈとの割合を設定することにより、低入熱のための入熱量の切替えが細かく設定できる。また、低入熱化を行うとともに、ビード幅の変化を抑制して、良好なビード外観を得ることができる。また、本発明の短絡アーク溶接は、パルスアーク溶接に対して入熱量が小さく、アーク長の短縮、入熱量の低減が可能である。

これらにより周期的にアーク期間中の溶接電流を低減することで、アークの安定性を高め、入熱量を抑制しアーク長を短くすることで高速溶接時のアンダーカットを防止し、また入熱量を抑制することで、特に薄板の溶接時においての、ひずみの低減や被溶接物間にギャップがある場合の溶接の際の溶け落ちを防止して溶接品質の向上をすることが可能であり、溶接品質の向上、生産性の向上に繋がる。

本開示にかかる発明によれば、短絡とアークを繰り返す短絡溶接において、第１の入熱期間Ｔｈと第１の入熱期間Ｔｈより入熱量の低い第２の入熱期間Ｔｃとを周期的に繰り返すことで、安定したアークを維持しつつ低入熱化を図り、薄板溶接の溶け落ち抑制及びギャップ裕度の向上が実現でき、溶接品質の向上、生産性の向上に繋がる。消耗電極である溶接ワイヤを送給しながら短絡アーク溶接を行う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 主変圧器（トランス）
３ 一次側整流部
４ スイッチング部
５ ＤＣＬ（リアクトル）
６ 二次側整流部
７ 溶接電流検出部
８ 溶接電圧検出部
９ 短絡検出部
１０ 短絡開放検出部
１１ 短絡／アーク検出部
１２ 出力制御部
１３ 短絡制御部
１４ アーク制御部
１５ 溶接条件設定部
１６ ワイヤ送給速度制御部
１７ ワイヤ送給速度検出部
１８ 演算部
１９ 正送／逆送切替タイミング制御部
２０ アーク溶接装置
２１ 被溶接物
２２ 溶接ワイヤ
２３ アーク
２４ 溶接チップ
２５ ワイヤ送給部
２６ 溶滴
２７ スラグ

Claims (7)

1. 消耗電極である溶接ワイヤの送給を溶接対象物の方向に行う正送と前記正送とは逆方向に行う逆送とに交互に、所定の周期と振幅で周期的に溶接ワイヤの送給を行い、第１の入熱量からなる第１の入熱期間と、前記第１の入熱量よりも小さい第２の入熱量からなる第２の入熱期間とを周期的に繰り返すアーク溶接を行うアーク溶接制御方法であって、
   前記第１の入熱期間および前記第２の入熱期間は、それぞれ短絡期間とアーク期間とを有し、前記第２の入熱期間の前記短絡期間において前記溶接ワイヤの短絡開放を検出した場合にアークを消滅させることを特徴とする、
   アーク溶接制御方法。
2. 前記アークを消滅させるにあたり前記第２の入熱期間のアーク期間における溶接電流を前記第１の入熱期間のアーク期間における溶接電流よりも低減することを特徴とする、請求項１記載のアーク溶接制御方法。
3. 前記第２の入熱期間のアーク期間において、溶接電流を流さないことを特徴とする、請求項２記載のアーク溶接制御方法。
4. 前記第２の入熱期間のアーク期間において、所定時間の経過後に、溶接電流を流さないことを特徴とする請求項１記載のアーク溶接制御方法。
5. 前記第２の入熱期間のアーク期間において、前記所定時間の間は、前記溶接ワイヤが軟鋼の場合は、溶接ワイヤの溶滴の大きさが、前記溶接ワイヤのワイヤ径の１．１倍以上１．５倍以下、または前記溶接ワイヤがステンレスワイヤ及びアルミワイヤの場合は、溶接ワイヤの溶滴の大きさがワイヤ径相当となるように、溶接電流を出力し、前記所定時間が経過後は溶接電流を流さないことにより行う請求項４記載のアーク溶接制御方法。
6. 前記第１の入熱期間と前記第２の入熱期間との周期的な繰り返しは、前記溶接対象物の板厚およびギャップ量の少なくとも１つに応じて、１回以上５回以下で連続して行われる前記第１の入熱期間と、１回の前記第２の入熱期間とを周期的に交互に繰り返すことを特徴とする、請求項１記載のアーク溶接制御方法。
7. 前記第２の入熱期間の直後の前記第１の入熱期間の短絡期間中の溶接電流の屈曲点を、予め設定された値よりも大きな値に制御することを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載のアーク溶接制御方法。