JPWO2020110786A1 - アーク溶接制御方法 - Google Patents

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Abstract

パルス溶接期間Ｔｐは、ピーク値が第１の電流値ＩＡの第１のピーク電流Ｉｐ１を溶接ワイヤ１８に流す第１のピーク期間Ｔｐ１と、第２の電流値ＩＢを有するベース電流Ｉｂを溶接ワイヤ１８に流すベース期間Ｔｂと、を交互に含んでいる。ベース期間Ｔｂでは、ピーク電流値が第２の電流値ＩＢと第３の電流値ＩＣとの和であり、かつ第１の電流値ＩＡよりも小さい第２のピーク電流Ｉｐ２を第２のパルス周波数Ｆｐ２でベース電流Ｉｂに重畳させる。第２のピーク電流Ｉｐ２を１回流す第２のピーク期間Ｔｐ２は第１のピーク期間Ｔｐ１よりも短い。第１のピーク期間Ｔｐ１中に溶接ワイヤ１８から母材１７に向けて溶滴を移行させる。

Description

本発明は、アーク溶接制御方法に関し、特にパルス溶接の制御方法に関する。
自転車や自動二輪などの溶接において、美しい波目状の溶接ビードを実現するとともに、生産性を向上させる観点から、消耗電極式のミグ溶接やマグ溶接を用いることが多くなってきている。消耗電極式のミグ溶接やマグ溶接では、電極である溶接ワイヤに電流を流し、溶接ワイヤと母材間に発生するアーク熱を利用して、溶接ワイヤを溶かしながら溶接するため、溶着効率が高く、溶接速度を速くすることができる。
ところで、消耗電極式のミグ溶接やマグ溶接において、ビード形状を制御するために、母材への入熱差を付けて入熱量を制御する方法が提案されており、代表的なものとして短絡溶接とパルス溶接とがある。このうち、パルス溶接は、溶接ワイヤから溶滴を離脱させる臨界電流値よりも高いピーク電流と、アークを維持させる臨界電流値よりも低いベース電流とを交互に溶接ワイヤに流すことで、平均電流値は臨界電流値以下としつつ、溶滴移行を行うことができるため、良く用いられる。また、１回のピーク電流を流す期間で溶滴を１回移行させるため、１パルス１ドロップ制御とも呼ばれる。
一方、パルス溶接は、溶滴離脱時に電流値が高いため、スパッタが発生しやすく、また、ＣＯ２ガスをシールドガスとして用いた場合には、発生するアークの反力が大きく、１パルス１ドロップ制御が難しくなるという問題があった。
そこで、ピーク電流の波形を変化させて、溶滴の離脱と成長とを連続的に行う制御方法（例えば、特許文献１参照）や、異なるピーク値及びパルス幅のパルス電流を溶接ワイヤに流して、一方のパルス電流で溶滴を離脱させ、他方のパルス電流で溶滴を成長させる制御方法（例えば、特許文献２参照）が提案されている。
特公平０２−０３１６３０号公報 特許第４８５７１６３号公報
ところで、近年、溶接対象物である母材としてアルミニウムやアルミニウムを主体とする合金が多く使用されており、これらのアーク溶接においてもパルス溶接を行うことが増えてきている。
しかし、特許文献１，２に開示された従来の方法は、ＣＯ２ガスを用いたアーク溶接に関するものであり、不活性ガスを主成分とするシールドガスを用いたアーク溶接にそのまま適用することは困難であった。また、短絡溶接に比べて溶接電流が高いパルス溶接では母材への入熱量が大きくなるため、特に母材が薄板である場合に溶接ビードの形状制御が難しくなるという問題があった。
本発明はかかる点に鑑みなされたもので、その目的は、外観が良好な溶接ビードを低溶接電流で形成可能なパルス溶接を含むアーク溶接制御方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明に係るアーク溶接制御方法は、溶接ワイヤを母材に向けて所定の送給速度で送給するとともに、前記溶接ワイヤにピーク電流とベース電流とを交互に流すことで、前記母材と前記溶接ワイヤとの間でアークを発生させるパルス溶接期間を含む、アーク溶接制御方法であって、前記パルス溶接期間は、ピーク電流値が第１の電流値である第１のピーク電流を前記溶接ワイヤに流す第１のピーク期間と、第２の電流値を有するベース電流を前記溶接ワイヤに流すベース期間と、を交互に含み、前記ベース期間では、ピーク電流値が前記第２の電流値と第３の電流値との和となるように第２のピーク電流を前記第１のピーク電流の第１のパルス周波数よりも高い第２のパルス周波数で前記ベース電流に重畳させ、前記第２の電流値と前記第３の電流値との和は前記第１の電流値よりも小さく、前記溶接ワイヤに前記第２のピーク電流を１回流す第２のピーク期間は前記第１のピーク期間よりも短く、前記第１のピーク期間中または前記第１のピーク期間直後に前記溶接ワイヤから前記母材に向けて溶滴を移行させることを特徴とする。
この方法によれば、低い溶接電流で安定したパルス溶接を行うことができる。また、良好な外観の溶接ビードを安定して形成できる。
本発明によれば、低い溶接電流で安定したパルス溶接を行うことができる。また、良好な外観の溶接ビードを安定して形成できる。
図１は、本発明の実施形態１に係るアーク溶接装置の概略構成を示す図である。 図２は、パルス溶接時の溶接電流及び溶接電圧の波形と溶滴移行状態を示す図である。 図３は、比較のための溶接電流の波形と溶滴移行状態を示す図である。 図４は、パルス溶接条件の設定手順を示すフローチャートである。 図５は、図４に示す手順で設定された溶接条件の一例である。 図６は、パルス溶接時の溶接ビードの形状を示す平面模式図である。 図７は、パルス溶接時の溶接ビードの形状を示す断面模式図である。 図８は、パルス溶接時の溶接ビードの外観を示す写真である。 図９は、本発明の実施形態２に係るアーク溶接時の各種出力波形を示す図である。 図１０は、溶接ワイヤの先端と溶接方向とのなす角度を説明する図である。
以下、本実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
（実施形態１）
［アーク溶接装置の構成］
図１は、本実施形態に係る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１６は、消耗電極である溶接ワイヤ１８と溶接対象物である母材１７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。なお、溶接ワイヤ１８は、図示しないトーチに保持されており、トーチが所定の速度で移動することで、溶接ワイヤ１８の先端も同様に、同じ速度で所定の溶接区間に沿って移動する。また、本実施形態において、溶接ワイヤ１８の材質を硬質アルミ（ＥＲ５３５６）、ワイヤ径を１．２ｍｍとし、母材１７の材質をアルミニウム、板厚を３．０ｍｍとしている。ただし、母材１７はアルミニウムを主体とする合金、例えば、Ａ５０５２等であってもよい。また、母材１７に吹き付けられるシールドガスは、Ａｒ（アルゴン）ガスを８０％以上の比率で含んでおり、その流量を２０Ｌ／ｍｉｎに設定している。ただし、シールドガスの流量は特にこれに限定されない。
アーク溶接装置１６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、制御切替部９と、出力制御部１０と、ワイヤ送給速度制御部１３を有している。また、アーク溶接装置１６は、トーチ（図示せず）を保持するロボット（図示せず）の動作を制御するロボット制御部（図示せず）を有している。
出力制御部１０は、短絡溶接制御部１１とパルス溶接制御部１２を有している。ワイヤ送給速度制御部１３は、ワイヤ送給速度検出部１４と、演算部１５とを有している。一次側整流部３は、アーク溶接装置１６の外部にある入力電源（三相交流電源）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。
制御切替部９は、短絡溶接制御からパルス溶接制御、パルス溶接期間から冷却期間、に切り替えるタイミングを出力制御部１０に出力する切替部である。この制御切替部９は計時機能を有しており、溶接条件設定部２２により設定された所定時間を計時して、制御を切り替えるタイミングを出力制御部１０とワイヤ送給速度制御部１３に出力する。なお、「冷却期間」とは、例えば、溶接電流Ｉを０にする期間であり、この期間ではアーク１９からの入熱量は０となる（図９参照）。
出力制御部１０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。短絡溶接制御部１１は、制御切替部９が短絡溶接を指令した場合に短絡溶接の制御を行う。パルス溶接制御部１２は、制御切替部９がパルス溶接を指令した場合に、パルス溶接の制御を行う。なお、後述するように、少なくともパルス溶接の制御にあたっては、母材１７に実際に形成された溶接ビードの外観等に基づいて溶接条件が設定され、所定の形式でテーブル化されて図示しない記憶部に保存される。
ワイヤ送給速度制御部１３は、ワイヤ送給部２１を制御して溶接ワイヤ１８の送給速度を制御する。ワイヤ送給速度検出部１４は、ワイヤ送給速度を検出する。演算部１５は、ワイヤ送給速度検出部１４からの信号に基づいて、溶接ワイヤ１８の送給量の積算量を演算し、ワイヤ送給速度を制御する。具体的には、ワイヤ送給速度の指令値と検出値とを比較して差分を求め、当該差分の積算量に基づいて、実際のワイヤ送給速度を指令値にあわせるようにフィードバック制御を行う。
アーク溶接装置１６には、ワイヤ送給部２１と、溶接条件設定部２２が接続されている。溶接条件設定部２２は、アーク溶接装置１６に溶接条件を設定するために用いられる。また、溶接条件設定部２２は、短絡溶接設定部２３とパルス溶接設定部２４と冷却期間設定部２５を有する。ワイヤ送給部２１は、ワイヤ送給速度制御部１３からの信号に基づいて、溶接ワイヤ１８の送給の制御を行う。
アーク溶接装置１６の溶接出力は、図示しないトーチＳＷ（スイッチ）がＯＮになると溶接チップ２０を介して溶接ワイヤ１８に供給される。そして、アーク溶接装置１６の溶接出力により、溶接ワイヤ１８と溶接対象物である母材１７との間にアーク１９を発生させて溶接を行う。
なお、実際にアーク溶接を行うにあたって、溶接ワイヤ１８と母材１７との間で短絡状態を経ずにパルス溶接のみを行ってもよい。この場合には、制御切替部９と短絡溶接設定部２３と冷却期間設定部２５とを省略してもよい。
［パルス溶接の制御方法］
図２は、本実施形態に係るパルス溶接時の溶接電流及び溶接電圧の波形と溶滴移行状態との時間関係を示し、図３は、比較のためのパルス溶接時の溶接電流の波形と溶滴移行状態との時間関係を示す。なお、図示しないが、パルス溶接期間Ｔｐにおいて、溶接ワイヤ１８の送給速度Ｗｐ（以下、ワイヤ送給速度Ｗｐという。図９参照）は一定になるように保たれている。
なお、溶接電流Ｉの設定平均値（以下、設定電流Ｉｓと呼ぶことがある。）は、パルス溶接期間Ｔｐ中の溶接電流Ｉの移動平均値に相当し、また、溶接電圧Ｖの設定平均値（以下、設定電圧Ｖｓと呼ぶことがある。）は、パルス溶接期間Ｔｐ中の溶接電圧Ｖの移動平均値に相当する。ここで移動平均値とは、ある一定区間毎の平均値を、区間をずらしながら求めた値である。本実施形態において、溶接電流Ｉは設定電流Ｉｓに基づいて制御される。具体的には、設定電流Ｉｓが設定されると、パルス溶接期間Ｔｐ中は、この値を維持するように溶接電流Ｉが制御される。
また、設定電流Ｉｓとワイヤ送給速度Ｗｐとは比例関係にある。具体的には、ワイヤ送給速度Ｗｐに応じて設定電流Ｉｓが決定され、溶接ワイヤ１８の送給が正送と逆送を交互に繰り返す送給の場合は、ワイヤ送給速度Ｗｐの平均送給速度Ｗｓに応じて設定電流Ｉｓが決定される。あるいは、設定電流Ｉｓに応じてワイヤ送給速度Ｗｐが決定され、溶接ワイヤ１８の送給が正送と逆送を交互に繰り返す送給の場合は、設定電流Ｉｓに応じてワイヤ送給速度Ｗｐの平均送給速度Ｗｓが決定されてもよい（図９参照）。
図２，３に示すように、パルス溶接期間Ｔｐでは、基本単位期間Ｔｐｂが１回または複数回繰り返されて、母材１７のパルス溶接が行われる。溶接ワイヤ１８に第１のピーク電流Ｉｐ１を流す期間を第１のピーク期間Ｔｐ１、第１のピーク期間Ｔｐ１の後にベース電流Ｉｂを流す期間をベース期間Ｔｂとするとき、基本単位期間Ｔｐｂは、第１のピーク期間Ｔｐ１とベース期間Ｔｂとの和となる。また、第１のピーク期間Ｔｐ１では溶接ワイヤ１８に第１のピーク電流Ｉｐ１を１回流すようにしている。
なお、図２，３から明らかなように、第１のピーク期間Ｔｐ１において、第１のピーク電流Ｉｐ１はパルス状の波形となっている。また、ベース期間Ｔｂにおいて、第２のピーク電流Ｉｐ２のそれぞれもパルス状の波形となっている。したがって、以降の説明において、第１のピーク電流Ｉｐ１や第２のピーク電流Ｉｐ２をパルスとして捉える場合は、それぞれ「第１のピーク電流Ｉｐ１のパルス」や「第２のピーク電流Ｉｐ２のパルス」と呼ぶことがある。また、第１のピーク期間Ｔｐ１中に第１のピーク電流Ｉｐ１の第１のパルスが発生する回数やベース期間Ｔｂ中に第２のピーク電流Ｉｐ２の第２のパルスが発生する回数をパルス数と呼ぶことがある。
また、以降の説明において、第１のピーク電流Ｉｐ１のピーク値を第１の電流値ＩＡと、ベース電流Ｉｂの電流値を第２の電流値ＩＢとそれぞれ呼ぶことがある。また、第２の電流値ＩＢは設定電流Ｉｓよりも低くなるように、かつアーク１９を維持するのに必要な値に設定される。
なお、溶接ワイヤ１８に流れる電流を急峻に高くすると、溶接ワイヤ１８の先端に形成された溶滴が吹き飛びスパッタとなる可能性があるため、図２に示すように、第１のピーク電流Ｉｐ１の立ち上がりに所定の傾きのスロープを設けている。また、溶接ワイヤ１８に流れる電流を急峻に下げると、アンダーシュートして溶接電流Ｉが０となり、アーク１９が切れてしまう可能性があるため、第１のピーク電流Ｉｐ１の立ち下がりにスロープを設けている。よって、図２に示すように、第１のピーク期間Ｔｐ１は、以下の式（１）で表わされる。
Ｔｐ１＝Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３ ・・・（１）
ここで、Ｔ１は第１のピーク電流Ｉｐ１の立ち上がり期間、Ｔ２は第１のピーク電流Ｉｐ１が第１の電流値ＩＡを保持している期間、Ｔ３は第１のピーク電流Ｉｐ１の立ち下がり期間である。なお、実際には、第１のピーク電流Ｉｐ１の立ち上がり期間Ｔ１の後半部分において、スパッタの発生を確実に抑制するため、スロープの傾きがさらに小さくなるように溶接電流Ｉを制御しているが、説明の便宜上、図２では、立ち上がり期間Ｔ１における溶接電流Ｉのスロープは一定の傾きで図示している。また、第１のピーク電流Ｉｐ１の立ち下がり期間Ｔ３の後半部分において、アーク１９が切れるのを確実に防止するため、スロープの傾きがさらに小さくなるように溶接電流Ｉを制御しているが、説明の便宜上、図２では、立ち下がり期間Ｔ３における溶接電流Ｉのスロープは一定の傾きで図示している。
図２に示す溶接電流Ｉの波形は、ベース期間Ｔｂ中に、第２のピーク電流Ｉｐ２の第２のパルスがｎ回（ｎは１以上の整数）発生するとともに、第２のピーク電流Ｉｐ２の第３の電流値ＩＣがベース電流Ｉｂに第２のパルスの所定の周波数Ｆｐ２（以下、第２のパルス周波数Ｆｐ２という）で重畳されている点で、図３に示す溶接電流Ｉの波形と異なる。なお、以降の説明において、第２のパルスにおける第２の電流値ＩＢであるベース電流Ｉｂを基準とした場合、ベース期間Ｔｂ中のピーク電流値を第３の電流値ＩＣ（図２参照）と呼ぶことがある。なお、図２に示すように、第２のパルスの実際のピーク電流値は第２の電流値ＩＢと第３の電流値ＩＣとの和としての第２のピーク電流Ｉｐ２となる。また、第２のピーク電流Ｉｐ２は、第１のパルスのピーク電流値である第１のピーク電流Ｉｐ１よりも低くなるように溶接電流Ｉが制御される。また、ここで、第２のパルスとしての、第２のピーク電流Ｉｐ２の対応するピーク電圧値の第２のピーク電圧Ｖｐ２は、第１のパルスとしての、第１のピーク電流Ｉｐ１に対応するピーク電圧値の第１のピーク電圧Ｖｐ１より低い。
なお、第１のピーク電流Ｉｐ１は第２のピーク電流Ｉｐ２よりも高く、第１のピーク電流Ｉｐ１及び第２のピーク電流Ｉｐ２は、ベース電流Ｉｂよりも高い。
また、上記の第２のパルス周波数Ｆｐ２（Ｈｚ）は、以下の式（２）で表わされ、第２のピーク期間と第２のベース期間の和の逆数である。
Ｆｐ２＝１／（Ｔｐ２＋Ｔｂ２） ・・・（２）
ここで、Ｔｐ２は溶接ワイヤ１８に第２のピーク電流Ｉｐ２を１回流す期間（以下、第２のピーク期間Ｔｐ２という）であり、第２のピーク電流Ｉｐ２のパルス幅に相当する。また、Ｔｂ２は、第２のピーク期間Ｔｐ２に続けて、または第２のピーク期間Ｔｐ２の直前に、溶接ワイヤ１８にベース電流Ｉｂを流す期間（以下、第２のベース期間Ｔｂ２という）である。なお、図２より明らかなように、第２のベース電流期間Ｔｂ２は第２のピーク期間Ｔｐ２より長い。また、第２のピーク電流Ｉｐ２の第２のパルス周波数Ｆｐ２はパルス溶接期間Ｔｐにおける第１のピーク電流Ｉｐ１の周波数Ｆｐ１（＝１／（Ｔｐ１＋Ｔｂ）；以下、第１のパルス周波数Ｆｐ１と呼ぶことがある。）よりも高い高周波である。また、第１のピーク期間Ｔｐ１からベース期間Ｔｂに切り替わる際は、第１のピーク期間Ｔｐ１に続けて第２のベース期間Ｔｂ２が設定され、さらに続けて第２のピーク期間Ｔｐ２が設定される。
また、１つのベース期間Ｔｂ中に、第２のピーク電流Ｉｐ２がベース電流Ｉｂに１回または複数回重畳される回数ｎ、言い換えると、１つのベース期間Ｔｂ中の第２のピーク電流Ｉｐ２のパルス数ｎは、設定電流Ｉｓや母材１７の厚さ等によって適宜変更されうる。
図２の状態（ｃ）や図３の状態（ｃ）に示すように、第１のピーク期間Ｔｐ１中または第１のピーク期間Ｔｐ１直後に、溶接ワイヤ１８から母材１７に向けて溶滴が移行するように溶接条件が設定されている（第１のピーク電流Ｉｐ１を１回流す毎に溶滴を母材１７に１回移行させる１パルス１ドロップ動作を行う１パルス１ドロップ制御）。なお、溶滴移行時も含め、パルス溶接時に溶接ワイヤ１８と母材１７とは短絡していない。また、図３に示すパルス溶接制御は、第１のピーク期間Ｔｐ１中または第１のピーク期間Ｔｐ１直後に、第１のピーク電流Ｉｐ１を１回流す毎に溶滴を母材１７に１回移行させる１パルス１ドロップ動作を行う、１パルス１ドロップ制御に相当する。
なお、図２に示すパルス溶接制御において、各種溶接条件を、例えば、設定電流Ｉｓを６０Ａ、設定電圧Ｖｓを１７Ｖ、第１の電流値ＩＡを３６０Ａ、第２の電流値ＩＢを２５Ａ、第３の電流値ＩＣを３５Ａとそれぞれ設定している（図５参照）。ただし、特にこれに限定されず、設定電流Ｉｓ等を含む溶接条件は母材１７の厚さや母材１７及び溶接ワイヤ１８の材質等によって適宜変更されうる。
［パルス溶接条件の設定手順］
図４は、パルス溶接条件の設定手順のフローチャートを示す。
まず、母材１７及び溶接ワイヤ１８の材質を設定した後、母材１７の厚さに応じて設定電流Ｉｓ及び設定電圧Ｖｓを設定する。本実施形態における母材１７及び溶接ワイヤ１８の材質は前述の通りであり、母材１７の厚さを例えば１ｍｍ〜６ｍｍの範囲で適宜、複数選択し、これらに応じてそれぞれ設定電流Ｉｓ及び設定電圧Ｖｓを選択する。なお、母材１７及び溶接ワイヤ１８の材質や母材１７の厚さによって、設定電流Ｉｓや設定電圧Ｖｓの選択範囲が変更されることは言うまでもない。
選択された一つの設定電流Ｉｓに対して１パルス１ドロップ制御となるように、第１の電流値ＩＡ（第１のピーク電流Ｉｐ１）や第１のピーク期間Ｔｐ１及びベース期間Ｔｂや第２の電流値ＩＢ等の溶接条件を実験的に求める。続けて、選択された複数の設定電流Ｉｓのそれぞれに対して溶接条件を実験的に求め、これらをテーブル化して、例えば記憶部（図示せず）に記憶する（ステップＳ１）。なお、記憶部はアーク溶接装置１６の外部に設けるようにしてもよく、例えば、アーク溶接装置１６に有線または無線で接続されたサーバー等を記憶部として用いるようにしてもよい。
ステップＳ１で作成されたテーブルにおいて、一つの設定電流Ｉｓを選択し、対応する溶接条件を抽出する（ステップＳ２）。
選択された設定電流Ｉｓ及び溶接条件に対して、第１のピーク電流Ｉｐ１による１パルス１ドロップ制御を維持可能な範囲で、ベース期間Ｔｂの第２の電流値ＩＢに重畳させる第２のピーク電流Ｉｐ２の電流値（第３の電流値）ＩＣ及び第２のピーク期間Ｔｐ２を決定する（ステップＳ３）。
このように決定された溶接条件を用いて、母材１７に対してパルス溶接を行い、形成された溶接ビードの外観に基づいて第２のベース期間Ｔｂ２を決定する。また、これに応じて、第２のパルス周波数Ｆｐ２及びパルス数ｎがそれぞれ決定される（ステップＳ４）。
また、溶接ビード周縁部において、形状が良好であるか否か、具体的には、ビード際の不揃いが無いか、また、なじみは良好であるかを別途観察し（ステップＳ５）、ステップＳ５での判断結果が否定的であれば、ステップＳ４に戻って、第３の電流値ＩＣ、第２のピーク期間Ｔｐ２、第２のパルス周波数Ｆｐ２及びパルス数ｎを再設定し、ステップＳ５に進む。
ステップＳ５での判断結果が肯定的であればステップＳ６に進み、テーブル中の各設定電流Ｉｓに対して第３の電流値ＩＣ，第２のピーク期間Ｔｐ２，第２のベース期間Ｔｂ２，第２のパルス周波数Ｆｐ２及びパルス数ｎはすべて決定されたか否かを判断する。
ステップＳ６での判断結果が肯定的であれば溶接条件の設定を終了し、すべての溶接条件をテーブル化して所定の記憶部（図示せず）に記憶する。一方、ステップＳ６での判断結果が否定的であれば、ステップＳ２に戻って、設定電流Ｉｓを再度選択し、ステップＳ３〜ステップ６までの一連の処理を繰り返す。
図５は、図４に示す手順で設定された溶接条件の一例を示す。
図５から明らかなように、母材１７の板厚が薄くなるほど、設定電流Ｉｓ、設定電圧Ｖｓ及びワイヤ送給速度Ｗｐは低くなる。これは、溶接に必要な母材１７への入熱量が小さくなるためである。また、設定電流Ｉｓが高くなるほど、第１〜第３の電流値ＩＡ〜ＩＣもそれぞれ高くなる。また、ベース期間Ｔｂでの溶接ワイヤ１８に流れる電流の時間積分値が大きくなるため、ベース期間Ｔｂは短くなり、これに応じて第２のパルス周波数Ｆｐ２は高くなり、パルス数ｎは小さくなる。
なお、図５に示す条件はあくまでも一例であって、実際にパルス溶接を行うにあたっては、母材１７の材質や厚さ、また、溶接ワイヤ１８のワイヤ径や材質、さらにシールドガスの種類や流量等に応じて適切な溶接条件の組が設定される。
［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係るアーク溶接制御方法は、溶接ワイヤ１８を母材１７に向けて所定のワイヤ送給速度Ｗｐで送給するとともに、溶接ワイヤ１８に第１のピーク電流Ｉｐ１とベース電流Ｉｂとを交互に流すことで、母材１７と溶接ワイヤ１８との間でアーク１９を発生させるパルス溶接期間Ｔｐを含んでいる。
また、少なくともパルス溶接期間Ｔｐでは、溶接ワイヤ１８に流れる溶接電流Ｉの設定平均値である設定電流Ｉｓに基づいて溶接電流Ｉを制御している。
パルス溶接期間Ｔｐは、ピーク値が第１の電流値ＩＡである第１のピーク電流Ｉｐ１を溶接ワイヤ１８に流す第１のピーク期間Ｔｐ１と、第２の電流値ＩＢを有するベース電流Ｉｂを溶接ワイヤ１８に流すベース期間Ｉｂと、を交互に含んでいる。
ベース期間Ｔｂでは、第２のパルスのピーク電流値が第２の電流値ＩＢと第３の電流値ＩＣとの和となるように、パルス数がｎ回（ｎは１以上の整数）の第２のパルスの第２のピーク電流Ｉｐ２を第１のパルスの第１のパルス周波数Ｆｐ１よりも高い第２のパルスの第２のパルス周波数Ｆｐ２でベース電流Ｉｂに重畳させている。これにより、パルス数がｎ回の第２のピーク電流Ｉｐ２の第２のパルスと第１のピーク電流Ｉｐ１の第１のパルスとを交互に繰り返し発生させる。
第２の電流値ＩＢと第３の電流値ＩＣとの和は第１の電流値ＩＡとしての第１のピーク電流Ｉｐ１よりも小さく、第２のピーク期間Ｔｐ２は第１のピーク期間Ｔｐ１よりも短い。
また、本実施形態に係るアーク溶接制御方法では、第１のピーク期間Ｔｐ１中または第１のピーク期間Ｔｐ１直後に溶接ワイヤ１８から母材１７に向けて溶滴を移行させている。
アーク溶接制御方法をこのように構成することで、設定電流Ｉｓを低く設定した低溶接電流でのパルス溶接において、溶接ビード周縁部のビード際の不揃いを抑制して、ビード際の揃いを安定させ、溶接ビードの外観を良好なものとすることができる。また、溶接ビード周縁部での母材１７とのなじみが良化することで、フラットな形状の溶接ビードを形成することができる。このことについて、図６，７を用いてさらに説明する。
図６は、パルス溶接時の溶接ビードの平面模式図を、図７は断面模式図をそれぞれ示す。なお、図６，７に示す例では、所定の区間で溶接速度が一定に保たれるようにトーチを連続的に移動させて母材１７をパルス溶接している。また、図７において、（ａ）図は、図６のＶＩＩＡ−ＶＩＩＡ線での断面模式図を、（ｂ）図は、図６のＶＩＩＢ−ＶＩＩＢ線での断面模式図を、（ｃ）図は、図６のＶＩＩＣ−ＶＩＩＣ線での断面模式図をそれぞれ示している。
図３に示すような、従来の１パルス１ドロップ制御において、設定電流Ｉｓを低く設定すると、ベース電流Ｉｂの電流値である第２の電流値ＩＢもこれに対応して低い値となる。
しかし、第２の電流値ＩＢが所定値以上に低くなると、アーク１９は維持できるものの、その指向性は低下し、パルス溶接期間Ｔｐ中の異なる基本単位期間Ｔｐｂにおいて、あるいは同じ基本単位期間Ｔｐｂ中に、母材１７に対するアーク１９の入射方向や入射位置が変動してしまうことがある（図３の状態（ａ），（ｂ）参照）。このような状態が生じるとトーチの進行方向（以下、溶接方向という）に対して母材１７の入熱箇所がふらつき、その結果、溶接ビード周縁部がビード際に不揃いが生じて、溶接ビードの幅がばらついてしまうおそれがある（図６の（ｂ）図参照）。
一方、本実施形態によれば、図２に示すように、ベース期間Ｔｂ中に、ベース電流Ｉｂに第１のパルス周波数Ｆｐ１よりも高い第２のパルス周波数Ｆｐ２で第２のピーク電流Ｉｐ２を重畳させている。このようにすることで、ベース期間Ｔｂで溶接ワイヤ１８に流れる電流の時間積分値を低く保つことができる。また、ベース期間Ｔｂでのアーク力を周期的に強めることで、アーク１９の指向性が低下するのを抑制し、溶接方向に対する母材１７の所定の位置に安定して入熱できる。その結果、図６の（ａ）図に示すように、溶接ビード周縁部でのビード際の不揃いを抑制して、ビード際の揃いを安定させ、溶接ビードの幅を安定させることができるとともに、その外観を良好なものとすることができる。
また、ベース期間Ｔｂ中に、ベース電流Ｉｂに第２のピーク電流Ｉｐ２を重畳させることにより、ベース期間Ｔｂでの溶接ワイヤ１８に流れる電流の時間積分値が増加し、第２のピーク電流Ｉｐ２を重畳させない場合に比べて母材１７への入熱量を大きくできる。このことにより、第２のピーク電流Ｉｐ２の重畳が無い場合（図７の（ｂ），（ｃ）図参照）に比べて、図７の（ａ）図に示すように、溶接ビート周縁部の断面形状がなだらかになり、母材１７とのなじみが良化するとともに、フラットな溶接ビードを形成できる。
また、第２の電流値ＩＢと第３の電流値ＩＣとの和を第１の電流値ＩＡよりも小さくし、かつ第２のピーク期間Ｔｐ２を第１のピーク期間Ｔｐ１よりも短くすることで、ベース期間Ｔｂ中に溶接ワイヤ１８の先端に形成される溶滴のサイズが大きくなりすぎるのを防止できる。これは、ベース期間Ｔｂ中にベース電流Ｉｂと第２のピーク電流Ｉｐ２とが第２のパルス周波数Ｆｐ２で交互に流れるため、第２のピーク期間Ｔｐ２中に溶滴がわずかに成長しても、続く第２のベース期間Ｔｂ２でその成長が抑制されるためである。このことにより、ベース期間Ｔｂ中に溶滴が溶接ワイヤ１８から意図せず離脱するのを防止でき、パルス溶接期間Ｔｐにおいて、基本単位期間Ｔｐｂ中の所定のタイミング、つまり第１のピーク期間Ｔｐ１中または第１のピーク期間Ｔｐ１直後に、第１のピーク電流Ｉｐ１を１回流す毎に溶滴を母材１７に１回移行させる１パルス１ドロップ動作を行うように、溶接ワイヤ１８から母材１７に向けて確実に溶滴を母材１７に移行させることができる。これにより、パルス数がｎ回の第２のピーク電流Ｉｐ２の第２のパルスと１回の第１のピーク電流Ｉｐ１の第１のパルスとを交互に繰り返し発生させ、第１のピーク期間Ｔｐ１中または第１のピーク期間Ｔｐ１直後に、言い替えると第１のピーク電流Ｉｐ１の第１のパルスを１回流す毎に、基本単位期間Ｔｐｂ毎に溶接ワイヤ１８に生成された溶滴を母材１７に移行させている。
また、溶滴の過度の成長を抑制するために、第２のベース期間Ｔｂ２は第２のピーク期間Ｔｐ２と同じか、それよりも長いことが好ましい。なお、図５に示すように、本実施形態では、第２のピーク期間Ｔｐ２と第２のベース期間Ｔｂ２との比Ｔｐ２：Ｔｂ２が１：２となるように設定しているが、当該比は特にこれに限定されない。
なお、第１のピーク期間Ｔｐ１で複数回、第１のピーク電流Ｉｐ１を流すように溶接電流Ｉを制御する場合、溶滴移行のタイミングが安定しないおそれがある。このような場合、形成された溶接ビードのピッチがばらついて波目が揃わず、溶接ビードの外観が悪化するおそれがある。よって、第１のピーク期間Ｔｐ１では第１のピーク電流Ｉｐ１を１回流すようにするのがよい。
なお、図５に示すように、第２のピーク電流Ｉｐ２のピーク値、つまり第２の電流値ＩＢと第３の電流値ＩＣとの和は、第１のピーク電流Ｉｐ１のピーク値である第１の電流値ＩＡの１／２以下であることが好ましい。このようにすることで、ベース期間Ｔｂ中に溶接ワイヤ１８の先端に形成される溶滴のサイズが大きくなりすぎるのを確実に防止できる。
また、母材１７の板厚が薄く、設定電流Ｉｓが低く設定される場合には、ベース電流Ｉｂもそれに応じて低くなる。このような場合には、ベース期間Ｔｂにおいて、第２のピーク電流Ｉｐ２を第２のパルス周波数Ｆｐ２でベース電流Ｉｂに複数回重畳させるようにしてもよい。
また、本願発明者等の検討結果によれば、第３の電流値ＩＣは１５０Ａ未満であることが好ましく、１００Ａ以下であることがより好ましい。また、第２のベース期間Ｔｂ２は第２のピーク期間Ｔｐ２と同じか、それよりも長いことが好ましい。
第３の電流値ＩＣや第２のベース期間Ｔｂ２、第２のピーク期間を上記のように設定することで、第１のピーク期間Ｔｐ１中または第１のピーク期間Ｔｐ１直後に、溶接ワイヤ１８から母材１７に向けてより確実に溶滴を母材１７に移行させることができる。例えば、第３の電流値ＩＣを１５０Ａ未満とすることで、第１の電流値ＩＡに比べて第３の電流値ＩＣを十分に小さな値とすることができる。このことにより、１パルス１ドロップの溶滴移行に対して、溶接ワイヤ１８に流れる電流量が大きくなりすぎて、溶接ワイヤ１８の溶融が進み、溶滴移行タイミングや移行する溶滴数が変動するのを防止できる。
また、本実施形態によれば、ベース期間Ｔｂ中に母材１７にアーク１９が照射されることで、母材１７の表面に溶接ワイヤ１８または母材１７を構成する金属の酸化物が付着するのを抑制している。
アルミ系材料をパルス溶接する場合、母材１７や溶接ワイヤ１８が蒸発した金属蒸気と大気中の酸素等とが結合した金属酸化物（以下、スマットという）が母材１７に付着しやすく、溶接ビードの外観を損ねるという問題があった。特に、溶接ワイヤ１８が硬質アルミ系材料である場合には、スマットの付着が顕著であった。
本実施形態によれば、ベース期間Ｔｂ中に、ベース電流Ｉｂに、第１のピーク電流Ｉｐ１の第１のパルスの第１のパルス周波数Ｆｐ１より高い、第２のピーク電流Ｉｐ２の第１のパルスの第２のパルス周波数Ｆｐ２で、第１のピーク電流Ｉｐ１より低く、パルス数がｎ回の第２のパルスの第２のピーク電流Ｉｐ２を、第１のピーク電流Ｉｐ１の第１のパルスの第１のピーク期間Ｔｐ１よりも短い第２のパルスの第２のピーク期間Ｔｐ２になるように、重畳させ、パルス数がｎ回の第２のピーク電流Ｉｐ２の第２のパルスと、パルス数が１回の第１のピーク電流Ｉｐ１の第１のパルスとを交互に繰り返し発生させる、ここで第２のピーク電流Ｉｐ２の第２のパルスに対応する第２のピーク電圧Ｖｐ２は、第１のピーク電流Ｉｐ１の第１のパルスに対応する第１のピーク電圧Ｖｐ１より低い。これにより、溶接ワイヤ１８と母材１７との間で発生したアーク１９のアーク力を周期的に、言い換えると第２のパルス周波数Ｆｐ２で、好ましい強弱度合いで変動させて、アークの指向性も高めつつ母材１７に対し安定的にアークが印加される。第２のピーク期間Ｔｐ２において、第２のベース期間Ｔｂ２よりもアーク力が強まった状態でアーク１９が母材１７の表面に照射されることにより、母材１７の表面の酸化膜が分解され清浄化される。つまり、一種のクリーニング作用がはたらいて、母材１７の表面にスマットが付着するのを抑制することができる。
なお、パルス数がｎ回の第２のピーク電流Ｉｐ２の第２のパルスと、パルス数が１回の第１のピーク電流Ｉｐ１の第１のパルスとを交互に繰り返し発生させるとしたが、第２のピーク電流Ｉｐ２のパルス数を複数回とし、パルス数が複数回の第２のピーク電流Ｉｐ２の第２のパルスと、パルス数が１回の第１のピーク電流Ｉｐ１の第１のパルスとを交互に繰り返し発生させることがより好ましい。
これにより、ベース期間Ｔｂ中の第２のピーク電流Ｉｐ２のパルスがより安定する。また、溶接ビードのビード際の不揃い等に影響するアーク１９の指向性や母材１７の表面にスマットが付着するのをより抑制し、溶接ビードのクリーニング性をより安定させ維持することができる。
図８は、本実施形態における溶接ビードの外観写真を示している。図８に示す例では、トーチを溶接方向に一定速度で相対的に送りながら溶接電流のＯＮとＯＦＦとを繰り返して母材１７を、溶接ビードの形状が鱗ビード状になるようにパルス溶接する、パルスステッチ溶接を行っており、溶接電流のＯＮとＯＦＦとを繰り返しする際にワイヤ送給の送給と停止を同時に繰り返している（図９参照）。
図８に示すように、ベース期間Ｔｂにおいて、第２のピーク電流Ｉｐ２を重畳させていない場合には、溶接ビード内にスマットが付着しているのに対し、本実施形態に示すように、第２のピーク電流Ｉｐ２を重畳させた場合には、このようなスマットの付着が見られず、良好な外観の溶接ビードを形成することができた。
なお、第２のパルス周波数Ｆｐ２が高くなるほど、上記のクリーニング作用は高められる。ただし、第２のパルス周波数Ｆｐ２が所定値以上に高くなると、溶接電流Ｉの変動に伴う振動の周波数が高くなりすぎ、騒音が問題となる。
このため、第２のパルス周波数Ｆｐ２は３０００Ｈｚ以下であることが好ましく、１０００Ｈｚ以下であることがより好ましい。一方、第２のパルス周波数Ｆｐ２が３００Ｈｚよりも低くなると、ベース期間Ｔｂ中でのアーク１９の指向性を高める効果が弱くなる。
このため、第２のパルス周波数Ｆｐ２は、３００Ｈｚ以上、３０００Ｈｚ以下の高周波であることが好ましく、騒音の問題を重視する場合は、３００Ｈｚ以上、１０００Ｈｚ以下の高周波であることがより好ましい。
なお、ベース期間Ｔｂにおけるアーク１９の指向性や母材１７へのクリーニング性能を高めるために、例えば、図３に示すパルス溶接制御において、ベース期間Ｔｂ中にベース電流Ｉｂを一様に高めることも考えられる。
しかし、この方法では、クリーニング性能自体は向上するものの、以下に示す不具合を生じてしまう。まず、パルス溶接期間Ｔｐ中は、設定電流Ｉｓ及び／または設定電圧Ｖｓを維持するように溶接電流Ｉを制御している。ベース期間Ｔｂ中でベース電流Ｉｂを一様に高めるようにすると、溶滴の移行周期が長くなってしまい、それに伴い、溶接ビードのピッチが長くなる。また、溶滴自体のサイズも大きくなる。このような場合、溶滴が落下した部分と落下していない部分との形状差が目立つようになり、さらには溶接ビードにしわができるおそれがあった。また、図６の（ｂ）図に示す溶接ビード周縁部のビード際の不揃いが生じてしまうおそれがあった。また、溶滴のサイズが大きくなりすぎて溶滴移行時にスパッタが発生するおそれがあった。
また、ベース電流Ｉｂを所定値以上に高めてしまうと、設定電流Ｉｓを維持するために第１のピーク電流Ｉｐ１が低下してしまう場合がある。このような場合、溶滴移行時に母材１７への入熱量が不足して、図７の（ｂ），（ｃ）図に示すように溶接ビードが設定以上に細くなってしまうおそれがあった。このような場合、母材１７とのなじみが悪化し、幅が狭く盛り上がった外観形状の溶接ビードが形成されるおそれがあった。
一方、本実施形態によれば、ベース期間Ｔｂ中に、ベース電流Ｉｂに第２のパルス周波数Ｆｐ２で第２のピーク電流Ｉｐ２の第３の電流値ＩＣを重畳させ、かつ、第２のピーク期間Ｔｐ２及び／または第２のベース期間Ｔｂ２を適切に設定することで、ベース期間Ｔｂ中でのアーク１９の指向性を高めて、溶接ビード周縁部でのビード際の不揃いの発生を抑制して、溶接ビードの幅を安定させることができるとともに、その外観を良好なものとすることができる。また、母材１７とのなじみを良化させ、フラットな溶接ビードを形成することができる。
また、溶接ビードの仕上がり具合によっては、当初設定した設定電圧Ｖｓを変更して、溶接ビードの幅を調整する場合がある。例えば、アーク長が長いと、アーク１９が広がり溶接ビードの幅が大きくなる傾向にある。このため、当初の目標値よりも実際に形成した溶接ビードの幅が広ければ、設定電圧Ｖｓを低くしてアーク長が短くなるように調整する必要がある。また、当初の目標値よりも実際に形成した溶接ビードの幅が狭ければ、設定電圧Ｖｓを高くしてアーク長が長くなるように調整する必要がある。アーク長が短くなりすぎて、微小短絡のおそれがある場合も同様に、設定電圧Ｖｓを高くしてアーク長が長くなるように調整する必要がある。
一方、本実施形態に示すアーク溶接制御方法において、アーク長の補正のため、設定電圧Ｖｓが高くなるように調整すると、ベース期間Ｉｂが短くなるとともにパルス数ｎが減少する傾向にあり、設定電圧Ｖｓを低くすると、ベース期間Ｉｂが長くなるとともにパルス数ｎが増加する傾向にある。
具体的には、例えば、図５に示す例において、設定電流Ｉｓの設定値が６０Ａの場合、設定電圧Ｖｓが１Ｖ低くなるように調整すると、ベース期間Ｔｂが長くなりパルス数ｎが４回に増加する。また、設定電圧Ｖｓが１Ｖ高くなるように調整すると、ベース期間Ｔｂが短くなりパルス数ｎが２回に減少する。このように、設定電圧Ｖｓに応じて、ベース期間Ｔｂは変動する。
一方、本実施形態によれば、設定電流Ｉｓに対して第２のピーク電流Ｉｐ２の各パラメータの最適値を決めている。つまり、第２のピーク電流Ｉｐ２のピーク値は、ベース電流Ｉｂの電流値である第２の電流値ＩＢからのかさ上げ値（＝第３の電流値ＩＣ）を用いて決定し、また、第２のピーク期間Ｔｐ２及び第２のベース期間Ｔｂ２を設定電流Ｉｓに応じた一定の周期として決定している。その結果、第２のピーク電流Ｉｐ２は第２のパルス周波数Ｆｐ２で出力される。
したがって、アーク長の補正のため、設定電圧Ｖｓを調整したとしても、設定電流Ｉｓに対して予め定めた一定の周期で第２のピーク電流Ｉｐ２が出力されるため、溶接ビードのビード際の不揃い等に影響するアーク１９の指向性や溶接ビードのクリーニング性を安定して高めて維持することができる。
なお、前述したように、設定電圧Ｖｓを変更すると、ベース期間Ｔｂが変更されるため、パルス数ｎは変わることとなるが、本実施形態ではそれ以外の第２のピーク電流Ｉｐ２の条件、つまり、第３の電流値ＩＣや第２のピーク期間Ｔｐ２、第２のベース期間Ｔｂ２への影響が生じないように溶接電流Ｉを制御している。
また、本実施形態の制御方法は、母材１７がアルミニウムまたはアルミニウムを主体とする合金である場合に、スマットが付着するのを抑制し、外観の美しい溶接ビードを得ることができる。溶接ワイヤ１８が硬質アルミ系材料である場合には、母材１７にスマットがより付着しやすいため、本実施形態に示すアーク溶接制御方法は特に有用である。
母材１７の厚さが１ｍｍ以上、６ｍｍ以下である、いわゆる薄板である場合には、設定電流Ｉｓを低く設定して低溶接電流でパルス溶接を行う必要があるため、本実施形態に示すアーク溶接制御方法は特に有用である。
（実施形態２）
図９は、本実施形態に係るアーク溶接時の各種出力波形を示す。図９を用いて、図１に示すアーク溶接装置１６の動作について説明する。なお、本実施形態では、アーク溶接時に、短絡溶接とパルス溶接とを順に行い、その後に溶接電流を０にする冷却期間を設けるようにアーク溶接装置１６を動作させる。なお、溶接ワイヤ１８を保持するトーチ（図示せず）は、溶接が行われる所定の区間を一定の速度で移動するように制御される。つまり、一般のステッチ溶接のように、トーチが停止している時間に溶接を行い、溶接を停止してから次の教示点にトーチを移動させるのではなく、所定の区間で溶接速度が一定に保たれるようにトーチが連続的に移動する。なお、母材１７の溶接箇所全体にわたって、溶接速度が一定でなくてもよい。例えば、母材１７の板厚が変化する部分等では、溶接速度を変化させるようにしてもよい。
また、図９において、破線で囲まれた部分Ａでは、図２に示す、第１のピーク期間Ｔｐ１とベース期間Ｔｂとの和からなる基本単位期間Ｔｐｂを１回または複数回繰り返してパルス溶接を行っている。
まず、溶接開始を指示した時点Ｗｓｔから送給速度Ｗ１で溶接ワイヤ１８の送給が開始される。そして溶接開始を指示した時点Ｗｓｔから、または、溶接開始を指示し溶接ワイヤ１８と溶接対象物である母材１７との短絡発生を検出した時点Ｅｄから、短絡溶接設定部２３により設定された条件で短絡溶接制御部１１により溶接出力が制御され、短絡溶接を行う。次に、予め短絡溶接設定部２３により設定された所定の時間Ｔｓを経過すると、制御切替部９が短絡溶接からパルス溶接に切り替える。その後、パルス溶接設定部２４により設定された条件でパルス溶接制御部１２により溶接出力が制御され、ピーク電流とベース電流を繰り返しながらパルス溶接開始時点Ｐｓｔ（Ｐｓｔ１、Ｐｓｔ２）よりパルス溶接を行う。このとき、溶接電流Ｉは、図２に示す溶接電流の波形となるようにパルス溶接制御部１２により制御される。
そして、予めパルス溶接設定部２４により設定された所定の時間のパルス溶接期間Ｔｐを経過すると、制御切替部９がパルス溶接から冷却期間に切り替える。冷却期間設定部２５により設定された所定の時間の冷却期間Ｔｎの間、出力制御部１０からの出力を遮断する。これによりアークによる入熱量を０にすることができる。上述の第１短絡溶接期間Ｔｓとパルス溶接期間Ｔｐと冷却期間Ｔｎとを１つの溶接周期として、これらを順に繰り返すことで鱗状の溶接ビードを形成する。
図９に示すように、第１短絡溶接期間Ｔｓの後に、入熱量の高いパルス溶接期間Ｔｐを設け、さらにその後に入熱量が０である冷却期間Ｔｎを設けることで、溶接箇所での冷却効果を高め、入熱量の差を最も大きくすることができ、波目状が明瞭な鱗状の溶接ビードを実現できる。冷却期間Ｔｎでは、溶接電流及び溶接電圧の出力を０にすると、入熱量を０にすることができ最も冷却性が良い。溶接電流のみ０にし、溶接電圧を印加したままにすると、無負荷電圧を発生した状態を維持することができ、次のアークスタートを円滑に行うことができる。パルス溶接期間Ｔｐのパルス溶接開始時点Ｐｓｔ１から、次のサイクルのパルス溶接期間Ｔｐのパルス溶接開始時点Ｐｓｔ２までの周期を、パルス溶接期間の周期Ｐｃとし、このパルス溶接期間の周期Ｐｃは、長いほど波目は粗い形状となり、短いほど波目は密な形状となる。
また、パルス溶接期間Ｔｐにおいてアーク１９の発生時にアーク直下に溶融池が形成されていないと、第１のピーク電流Ｉｐ１の出力時に溶接ワイヤ１８の溶滴が吹き飛ばされスパッタが発生してしまう。そのため、短絡溶接期間Ｔｓをパルス溶接期間Ｔｐの前に設ける。このことで、パルス溶接期間Ｔｐへの切り替え時にアーク直下に溶融地が形成され、第１のピーク電流Ｉｐ１によるスパッタの発生を抑制できる。
短絡溶接期間Ｔｓのアークスタート時には、図９に示すように、パルス溶接期間Ｔｐ中の溶接電圧よりも高い無負荷電圧Ｖ１が出力され、一定送給速度Ｗ１で、溶接ワイヤ１８が母材１７と短絡し電流検出するまで送給される。電流検出後の、溶接電流Ｉ１は本溶接の短絡開放時の溶接電流よりも大きい。溶接電流Ｉ１は所定期間出力される。この期間中、溶接ワイヤ１８の送給は予め決められた振幅で逆送される。短絡開放後、溶接ワイヤ１８の送給は、予め決められた振幅及び周波数をもって正送及び逆送を繰り返しながら行われる。図９は送給波形が正弦波の場合を示すが、周期的な波形であれば、例えば台形波（図示しない）など、どのような送給波形でも良い。また周波数（周期）は、一定でもよいし、変動してもよい。また、予め決められた振幅及び周波数などをもたない、一定送給速度で送給を行うと管理が容易であるが、短絡開放時に電磁的ピンチ力によるスパッタが発生しやすい。そのため、予め決められた振幅及び周波数で溶接ワイヤ１８を機械的に正送及び逆送することで、短絡溶接期間Ｔｓにおける短絡開放時のスパッタ発生を抑制できる。
このときの溶滴移行状態を図９の最下段に示す。状態（ａ）は短絡溶接期間Ｔｓ中における短絡アーク溶接のアーク期間の溶滴移行状態を示し、アークを発生させながら溶接ワイヤ１８を正送している。状態（ｂ）は短絡溶接期間Ｔｓ中における短絡アーク溶接の短絡期間の溶滴移行状態を示し、溶接ワイヤ先端の溶滴を母材１７に移行させたのちにワイヤを逆送させ、機械的に短絡開放を促している。次に、パルス溶接期間Ｔｐにおける溶接ワイヤ１８の送給は、パルス溶接設定部２４により設定された溶接電流に最適な一定送給速度で行われ、図２に示すピーク期間Ｔｐ１とベース期間Ｔｂとの和となる基本単位期間Ｔｐｂ中において、溶接ワイヤ１８先端に形成された溶滴を、第１のピーク期間Ｔｐ１中または第１のピーク期間Ｔｐ１直後に溶滴を離脱させ母材１７に向けて移行させている。そして、パルス溶接期間Ｔｐが終了した冷却期間Ｔｎでは、状態（ｄ）に示すように溶接ワイヤ１８の送給速度は停止されている。そのときの溶接ワイヤ先端から母材１７までの距離がＷＤである。さらに冷却期間Ｔｎ経過後に再び次のサイクルが実行され、状態(ｅ)に示すように溶接ワイヤ１８が母材１７と接触して電流検出したのちに次の短絡溶接期間Ｔｓが再び開始される。このように、短絡溶接期間Ｔｓ及びパルス溶接期間Ｔｐで維持していたアークが、冷却期間Ｔｎでは消滅し、次の短絡溶接期間Ｔｓに切り替わる際にアークを再発生させる必要があるため、アークスタート初期の短絡開放時に電磁的ピンチ力によるスパッタが発生しやすい。しかし、本実施形態に示すように、短絡溶接期間Ｔｓでは、溶接ワイヤ１８を機械的に正送及び逆送するため、アークスタート初期の短絡開放時のスパッタ発生を抑制することができる。すなわち、短絡溶接期間Ｔｓにおいて溶接ワイヤ１８を正送及び逆送し、機械的に短絡状態を開放させることで、電磁的ピンチ力によるスパッタの発生を低減できる。
図９に示すように、短絡溶接期間Ｔｓにおける溶接電流Ｉと送給速度Ｗは刻々と変化させている。特に、送給速度の平均送給速度は、パルス溶接期間Ｔｐの溶接条件の設定送給量に近づくよう次第に増加させている。
本実施形態によれば、パルス溶接期間Ｔｐ中に実施形態１に示すパルス溶接制御を行うことにより、実施形態１と同様の効果を奏することができる。
さらに、上述の短絡溶接期間Ｔｓとパルス溶接期間Ｔｐと冷却期間Ｔｎとを順に繰り返すサイクルにて溶接を行うことにより、低入熱の短絡溶接、高入熱のパルス溶接、入熱量が０である冷却期間をそれぞれ調整することで、母材１７への入熱量を幅広く制御することができ、溶接ビード形状をより精密に制御することが可能である。また、低溶接電流（例えば、設定電流Ｉｓが４０Ａ以上１９０Ａ以下）でパルス溶接期間Ｔｐでのパルス溶接を安定して行えるため、板厚のより薄い母材１７（例えば板厚が１ｍｍ以上６ｍｍ以下）の溶接にも対応ができる。
なお、短絡溶接期間Ｔｓ中、溶接ワイヤ１８は、予め決められた振幅及び周波数で送給されるが、これに限らない。上述のように、管理を容易にするため、短絡溶接期間Ｔｓ中、溶接ワイヤ１８を一定送給速度で送給してもよい。
また、パルス溶接期間Ｔｐ中、溶接ワイヤ１８は、一定送給速度で送給されるが、これに限られない。パルス溶接期間Ｔｐ中、溶接ワイヤ１８の送給速度を変動させてもよい。
また、短絡溶接期間Ｔｓ中に平均送給速度Ｗｓをパルス溶接期間Ｔｐ中の一定送給速度まで増加させているが、これに限らない。短絡溶接期間Ｔｓの終了時の平均送給速度Ｗｓがパルス溶接期間Ｔｐ中の一定送給速度と異なっていてもよい。
なお、図示しないが、図９に示すパルス溶接期間Ｔｐと冷却期間Ｔｎとの間に、第２短絡溶接期間Ｔｓｅを設けるようにしてもよい。第２短絡溶接期間Ｔｓｅでは、平均送給速度Ｗｓは徐々に低下させるようにする。短絡溶接は、パルス溶接に比べてアーク長が短く、溶接終了時の溶接ワイヤ先端と母材までの距離ＷＤを短くすることができ、冷却期間Ｔｎの変動を小さくすることができ、パルス溶接期間の周期Ｐｃを一定にして均一な溶接ビードを形成できる。
（その他の実施形態）
なお、実施形態１，２において、パルス溶接中に溶接ワイヤ１８の先端は溶接方向に対して所定の角度で傾斜するようにしてもよい。その場合、図１０に示すように、溶接方向に対して溶接ワイヤ１８が直交する方向を向く、いわゆる面直とするか、あるいは溶接ワイヤ１８の先端が面直位置から溶接方向に対して前方に位置するように溶接ワイヤ１８を傾斜させて、溶接ワイヤ１８を前進させるのが好ましい。
一方、溶接ワイヤ１８の先端が面直位置から溶接方向に対して後方に位置するように溶接ワイヤ１８を傾斜させて、溶接ワイヤ１８を後進させると、特に、母材１７や溶接ワイヤ１８がアルミニウムまたはアルミニウムを主体とする合金の場合は、形成後の溶接ビードが金属蒸気に曝されやすくなるため、スマットが付着しやすく好ましくない。
なお、スマットの付着を確実に防止するためには、溶接ワイヤ１８を前進させるのが好ましく、その場合の前進角θ（図１０参照）は２０度以下であるのが好まく、より好ましくは１０度である。母材１７や溶接ワイヤ１８が硬質アルミ系材料である場合には、溶接ワイヤ１８を前進させるのがより好ましい。
なお、シールドガスは、ＣＯ２ガスやＯ２ガスを含んでいてもよい。例えば、Ａｒガスが８０％、ＣＯ２ガスが２０％の混合ガスであっても、Ａｒガスが９８％、Ｏ２ガスが２％の混合ガスであってもよい。ただし、ＣＯ２ガスは、アーク溶接中に分解して酸素（Ｏ２）を生成する。この酸素と溶接ワイヤ１８または母材１７を構成する金属とが反応してスマットが形成される。したがって、アーク溶接の仕様に適合した範囲で、ＣＯ２ガスやＯ２ガスの比率は低くする方が好ましい。この観点から言えば、シールドガスは１００％のＡｒガスであることがより好ましい。
また、シールドガスとして、１００％のＨｅ（ヘリウム）ガスを用いるようにしてもよい。この場合も、シールドガスに酸素やＣＯ２が含まれないので、スマットが母材１７に付着されにくくなる。
なお、実施形態１，２において、母材１７をアルミニウムまたはアルミニウムを主体とする合金とし、溶接ワイヤ１８の硬質アルミとしたが、特にこれに限定されず、他の材質であってもよい。例えば、母材１７を軟鋼とし、溶接ワイヤ１８を鉄系材料としてもよい。
また、母材１７の材質に限らず、その厚さが１ｍｍ以上、６ｍｍ以下である、いわゆる薄板である場合には、設定電流Ｉｓを低く設定して低溶接電流でパルス溶接を行う必要があるため、実施形態１，２に示すアーク溶接制御方法は特に有用である。
本発明のアーク溶接制御方法は、低い溶接電流で安定した溶接を行うことができるとともに、良好な外観の溶接ビードを安定して形成できるため、薄板のパルス溶接に適用する上で特に有用である。
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 制御切替部
１０ 出力制御部
１１ 短絡溶接制御部
１２ パルス溶接制御部
１３ ワイヤ送給速度制御部
１４ ワイヤ送給速度検出部
１５ 演算部
１６ アーク溶接装置
１７ 母材
１８ 溶接ワイヤ
１９ アーク
２０ 溶接チップ
２１ ワイヤ送給部
２２ 溶接条件設定部
２３ 短絡溶接設定部
２４ パルス溶接設定部
２５ 冷却期間設定部

Claims (15)

  1. 溶接ワイヤを母材に向けて所定の送給速度で送給するとともに、前記溶接ワイヤにピーク電流とベース電流とを交互に流すことで、前記母材と前記溶接ワイヤとの間でアークを発生させるパルス溶接期間を含む、アーク溶接制御方法であって、
    前記パルス溶接期間は、
    ピーク電流値が第１の電流値である第１のピーク電流を前記溶接ワイヤに流す第１のピーク期間と、
    第２の電流値を有するベース電流を前記溶接ワイヤに流すベース期間と、を交互に含み、
    前記ベース期間では、ピーク電流値が前記第２の電流値と第３の電流値との和となるように第２のピーク電流を前記第１のピーク電流の第１のパルス周波数よりも高い第２のパルス周波数で前記ベース電流に重畳させ、
    前記第２の電流値と前記第３の電流値との和は前記第１の電流値よりも小さく、
    前記溶接ワイヤに前記第２のピーク電流を１回流す第２のピーク期間は前記第１のピーク期間よりも短く、
    前記第１のピーク期間中または前記第１のピーク期間直後に前記溶接ワイヤから前記母材に向けて溶滴を移行させることを特徴とするアーク溶接制御方法。
  2. 請求項１に記載のアーク溶接制御方法において、
    前記ベース期間では、前記第２のピーク電流を前記ベース電流に複数回重畳させることを特徴とするアーク溶接制御方法。
  3. 請求項１または２に記載のアーク溶接制御方法において、
    前記第２のピーク電流の前記第２のパルス周波数は３００Ｈｚ以上、３０００Ｈｚ以下であることを特徴とするアーク溶接制御方法。
  4. 請求項３に記載のアーク溶接制御方法において、
    前記第２のピーク電流の前記第２のパルス周波数は３００Ｈｚ以上、１０００Ｈｚ以下であることを特徴とするアーク溶接制御方法。
  5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載のアーク溶接制御方法において、
    前記第２のピーク期間に続けて、または第２のピーク期間の直前に、前記溶接ワイヤに前記ベース電流を流す期間を第２のベース期間としたとき、前記第２のベース期間は前記第２のピーク期間と同じか、それよりも長く、前記第２のピーク電流の前記第２のパルス周波数は、第２のピーク期間と第２のベース期間の和の逆数であることを特徴とするアーク溶接制御方法。
  6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載のアーク溶接制御方法において、
    前記第２のピーク期間での溶接電圧である第２のピーク電圧は、前記第１のピーク期間での溶接電圧である第１のピーク電圧よりも低いことを特徴とするアーク溶接制御方法。
  7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載のアーク溶接制御方法において、
    前記第１のピーク電流は前記第２のピーク電流よりも高く、
    前記第１のピーク電流及び前記第２のピーク電流は、それぞれ前記ベース電流よりも高いことを特徴とするアーク溶接制御方法。
  8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載のアーク溶接制御方法において、
    前記ベース期間中に前記母材に前記第２のパルス周波数でアーク力が変動するようにアークが照射されることで、前記母材の表面に前記溶接ワイヤまたは前記母材を構成する金属の酸化物が付着するのを抑制することを特徴とするアーク溶接制御方法。
  9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載のアーク溶接制御方法において、
    前記パルス溶接期間の後に、前記母材に対して前記溶接ワイヤの正送と逆送とを交互に繰り返すことで、前記母材と前記溶接ワイヤとの間でアークが発生した状態と前記母材と前記溶接ワイヤとが短絡した状態とが交互に繰り返される第１短絡溶接期間を設けることを特徴とするアーク溶接制御方法。
  10. 請求項９に記載のアーク溶接制御方法において、
    前記パルス溶接期間と前記第１短絡溶接期間との間に、前記母材に対する入熱量を０にする冷却期間を設けることを特徴とするアーク溶接制御方法。
  11. 請求項１０に記載のアーク溶接制御方法において、
    前記パルス溶接期間と前記冷却期間との間に、前記母材に対して前記溶接ワイヤの正送と逆送とを交互に繰り返すことで、前記母材と前記溶接ワイヤとの間でアークが発生した状態と前記母材と前記溶接ワイヤとが短絡した状態とが交互に繰り返される第２短絡溶接期間をさらに設けることを特徴とするアーク溶接制御方法。
  12. 請求項１ないし１１のいずれか１項に記載のアーク溶接制御方法において、
    前記母材及び前記溶接ワイヤは、それぞれアルミニウムまたはアルミニウムを主体とする合金であることを特徴とするアーク溶接制御方法。
  13. 請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のアーク溶接制御方法において、
    前記母材の厚さは１ｍｍ以上、６ｍｍ以下であることを特徴とするアーク溶接制御方法。
  14. 請求項１ないし１３のいずれか１項に記載のアーク溶接制御方法において、
    前記母材に吹き付けられるシールドガスは、アルゴンガスを８０％以上の比率で含んでいることを特徴とするアーク溶接制御方法。
  15. 請求項１ないし１４のいずれか１項に記載のアーク溶接制御方法において、
    前記母材に吹き付けられるシールドガスは、ヘリウムガスであることを特徴とするアーク溶接制御方法。
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