WO2020235293A1 - アーク溶接方法及びアーク溶接装置 - Google Patents

Abstract

アーク溶接装置は、溶接ワイヤと母材とが短絡する短絡状態が生じる短絡期間と溶接ワイヤと母材との間にアークが発生するアーク状態が生じるアーク期間とを交互に繰り返して溶接を行う。算出部は、溶接ワイヤが短絡した後で、所定の期間内に溶接ワイヤに供給された電力を積算して電力積算値を算出する。制御部は、電力積算値が所定の閾値よりも大きい場合に、溶接ワイヤｆに供給する溶接電流を低下させる。

Description

アーク溶接方法及びアーク溶接装置

　本発明は、アーク溶接方法及びアーク溶接装置に関するものである。

　特許文献１には、溶接電圧の所定時間あたりの変化量を算出し、溶接電圧の所定時間あたりの変化量と溶滴のくびれ判定閾値とに基づいて溶滴のくびれ判定を行うアーク溶接装置の制御方法が開示されている。

　具体的に、溶接ワイヤと母材側溶融部との間でくびれ（いわゆるネック）が発生すると、ネック部分では断面積が小さくなるため抵抗値が増加する。このため、ネックが生じてくると、短絡制御で電流増加を一定にしているにも関わらず溶接電圧の変化量が大きくなる。そこで、電圧変化量に基づいてネックの発生を検知すると、短絡開放直前に溶接電流を低下させ、スパッタの発生を抑制するようにしている。

特許４７６００５３号公報

　しかしながら、例えば、銅やアルミのような抵抗が小さい溶接ワイヤを用いた場合、くびれが発生したとしても、くびれに起因する溶接電圧の変化量が小さく、また、ばらつきも大きいため、くびれの有無を誤判定するおそれがある。

　例えば、くびれが発生しているのにくびれ無しと誤判定した場合には、溶接電流を低下させることなく短絡溶接が継続されるので、短絡開放時の入熱量が大きくなり、スパッタが発生してしまうという問題がある。

　本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、短絡開放時のスパッタの発生を抑えることにある。

　第１の発明は、溶接ワイヤと母材とが短絡する短絡状態が生じる短絡期間と溶接ワイヤと母材との間にアークが発生するアーク状態が生じるアーク期間とを交互に含むアーク溶接方法を対象としている。アーク溶接方法は、前記溶接ワイヤが短絡した後で、所定の期間内に該溶接ワイヤに供給された電力を積算して電力積算値を算出する工程と、前記電力積算値が所定の閾値よりも大きい場合に、前記溶接ワイヤに供給する溶接電流を低下させる工程とを備えている。

　第１の発明では、溶接ワイヤが短絡した後で、所定の期間内における電力積算値を算出する。そして、電力積算値が所定の閾値よりも大きい場合に、溶接電流を低下させるようにしている。

　このように、溶接ワイヤに供給された電力の積算量に基づいて、短絡開放前に溶接電流を低下させ、溶接ワイヤに与える入熱量を少なくするようにしている。これにより、短絡開放時のスパッタの発生を抑えることができる。

　また、くびれの発生を検知することなく、短絡開放前に溶接電流を低下させるようにしているので、くびれの有無を誤判定したことに起因する不具合を回避することができる。

　第２の発明は、第１の発明において、前記電力積算値を算出する工程では、前記溶接ワイヤが短絡してから所定時間が経過した後で、該電力積算値の算出を開始する。

　第２の発明では、溶接ワイヤが短絡してから所定時間が経過した後、例えば、短絡が安定してから電力積算値の算出を開始するようにしている。これにより、短絡が安定していない期間を除外して、電力の積算値を算出することができる。

　第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記電力積算値を算出する工程では、前記溶接ワイヤが短絡してから前記溶接電流が上昇し始めた後で、該電力積算値の算出を開始する。

　第３の発明では、溶接ワイヤが短絡してから溶接電流が上昇し始めた後、電力積算値の算出を開始するようにしている。これにより、溶接電圧に変化があった場合でも、溶接ワイヤに対して適正な熱量を与えることができる。

　第４の発明は、第１乃至第３のうち何れか１つにおいて、前記溶接ワイヤが短絡してから前記溶接電流が上昇し始めた後、又は短絡して所定時間が経過した後で、該溶接ワイヤを逆送する工程を備えている。

　第４の発明では、溶接ワイヤが短絡してから溶接電流が上昇し始めた後、又は短絡して所定時間が経過した後で、溶接ワイヤを逆送するようにしている。これにより、溶接ワイヤが座屈するのを抑えることができる。

　第５の発明は、請求項１において、さらに、電力積算値が所定の閾値よりも大きいかどうかを決定する工程を備えてもよい。所定の閾値は、固定値であってもよい。また、この固定値は溶接条件毎に定まるものであっても良い。

　第６の発明は、溶接ワイヤと母材とが短絡する短絡状態が生じる短絡期間と溶接ワイヤと母材との間にアークが発生するアーク状態が生じるアーク期間とを交互に繰り返し含む溶接を行うアーク溶接装置を対象としている。そして、前記溶接ワイヤが短絡した後で、所定の期間内に該溶接ワイヤに供給された電力を積算して電力積算値を算出する算出部と、前記電力積算値が所定の閾値よりも大きい場合に、前記溶接ワイヤに供給する溶接電流を低下させる制御部とを備えている。

　第６の発明では、算出部は、溶接ワイヤが短絡した後で、所定の期間内における電力積算値を算出する。制御部は、電力積算値が所定の閾値よりも大きい場合に溶接電流を低下させる。

　このように、溶接ワイヤに供給された電力の積算量に基づいて、短絡開放前に溶接電流を低下させ、溶接ワイヤに与える入熱量を少なくするようにしている。これにより、短絡開放時のスパッタの発生を抑えることができる。

　第７の発明は、第６の発明に記載のアーク溶接装置を複数備え、前記複数のアーク溶接装置におけるグランド側のケーブルが、前記母材にそれぞれ接続されている。

　第７の発明では、複数のアーク溶接装置におけるグランド側のケーブルを、母材にそれぞれ接続している。ここで、複数のアーク溶接装置では、溶接ワイヤに供給する電力の積算値、つまり、実際に溶接ワイヤに与えている入熱量に基づいて、短絡開放時の溶接電流を低下させている。

　そのため、一方のアーク溶接装置で発生したノイズの影響が、母材を介して他方のアーク溶接装置に及んだ場合や、溶接ワイヤがアルミや銅を含む低抵抗値の材料であるために電圧変化が小さく、電圧の検出が正確にできなくなり、くびれの判定が正確にできない場合でも、電力積算値に基づいて、溶接ワイヤと母材との短絡開放前に溶接電流を低下させる制御を確実に行うことができる。

　第８の発明は、第６の発明において、制御部は、さらに、電力積算値が所定の閾値よりも大きいかどうかを決定してもよい。所定の閾値は、固定値であってもよい。また、この固定値は溶接条件毎に定まるものであっても良い。

　本発明によれば、短絡開放時のスパッタの発生を抑えることができる。

本実施形態に係るアーク溶接装置の概略構成を示すブロック図である。 アーク溶接時の溶接電圧、溶接電流、及び電力積算値の出力波形を示す図である。 電流積算値及び電力積算値の出力波形を示す図である。 本変形例に係るアーク溶接装置の概略構成を示すブロック図である。

　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、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ない。

　図１に示すように、アーク溶接装置１０は、消耗電極である溶接ワイヤ３４と溶接対象物である母材３５とが短絡する短絡状態が生じる短絡期間と、溶接ワイヤ３４と母材３５との間にアークが発生するアーク状態が生じるアーク期間とを交互に繰り返し含む溶接を行う。

　アーク溶接装置１０は、第１整流部１１と、第１スイッチング部１２と、変圧器１３と、第２整流部１４と、第２スイッチング部１５と、抵抗１６と、リアクトル１７と、溶接電流検出部１８と、溶接電圧検出部１９と、制御部２０とを有する。

　第１整流部１１は、アーク溶接装置１０の外部にある入力電源Ｓから入力された入力電圧を整流する。第１スイッチング部１２は、スイッチング動作により第１整流部１１の出力を調整する。変圧器１３は、第１スイッチング部１２の出力を溶接に適した出力に変換する。

　第２整流部１４は、変圧器１３の出力を整流する。第２スイッチング部１５は、スイッチング動作により第２整流部１４の出力を調整する。抵抗１６は、第２スイッチング部１５と並列に接続されている。

　リアクトル１７は、第２スイッチング部１５と直列に接続されている。リアクトル１７は、第２スイッチング部１５の出力を平滑化する。

　溶接電流検出部１８は、溶接ワイヤ３４と母材３５との間に供給される溶接電流を検出する。溶接電流検出部１８で検出された溶接電流を示す検出信号は、制御部２０に送信される。

　溶接電圧検出部１９は、溶接ワイヤ３４と母材３５の間に供給される溶接電圧を検出する。溶接電圧検出部１９で検出された溶接電圧を示す検出信号は、制御部２０に送信される。

　アーク溶接装置１０には、溶接トーチ３０と、母材３５と、ワイヤ送給部３２と、設定部２５が接続され、アーク溶接システムを構成している。

　溶接トーチ３０には、溶接ワイヤ３４に電力を供給するための溶接チップ３１が設けられている。ワイヤ送給部３２は、制御部２０からの信号に基づいて、溶接ワイヤ３４の送給として、所定の送給速度での一定送給制御または、溶接ワイヤ３４を母材３５の方向に送る正送と正送とは逆方向に送る逆送とを交互に行う正送と逆送の送給制御等の送給の制御を行う。

　正送と逆送の送給制御の送給の制御を行う場合は、溶接ワイヤ３４の送給として正送と逆送を交互に繰り返しながら、短絡状態とアーク状態を交互に発生させて溶接を行うこととなり、正送と逆送を周期的に行って、機械的に短絡状態とアーク状態を交互に発生させる。

　なお、周期的な正送と逆送の切替えは行わず、溶接現象の状態に応じて正送と逆送の送給切り替えを行っても良い。具体的には、溶接ワイヤ３４の送給として、溶接ワイヤ３４と母材３５とが短絡して短絡状態となったら逆送し、短絡が開放されてアーク状態となったら正送を行うものである。

　また、設定部２５は、アーク溶接装置１０に溶接条件を設定するために用いられる。

　アーク溶接装置１０の溶接出力は、溶接チップ３１を介して溶接ワイヤ３４に供給される。そして、アーク溶接装置１０の溶接出力により、溶接ワイヤ３４と母材３５との間にアーク３６を発生させて溶接を行う。

　制御部２０は、アーク溶接装置１０の各部と、アーク溶接装置１０の外部にある装置との間において信号の伝送を行う。図１に示す例では、アーク溶接装置１０の各部は、第１スイッチング部１２、第２スイッチング部１５、溶接電流検出部１８、溶接電圧検出部１９である。また、アーク溶接装置１０の外部にある装置は、ワイヤ送給部３２及び設定部２５である。

　制御部２０は、第１スイッチング部１２及び第２スイッチング部１５に制御信号を出力して溶接出力を制御する。制御部２０は、ワイヤ送給部３２に制御信号を出力して、ワイヤ送給速度を制御する。

　制御部２０は、プロセッサと、プロセッサと電気的に接続されてプロセッサを動作させるためのプログラムや情報を記憶するメモリとによって構成される。制御部２０は、算出部２１を有する。

　算出部２１は、溶接ワイヤ３４が短絡した後で、所定の期間内に溶接ワイヤ３４に供給された電力を積算して電力積算値を算出する。なお、溶接ワイヤに供給される電力は、溶接電流と溶接電圧との積に基づいて算出する。

　制御部２０は、溶接電圧検出部１９によって検出された溶接電圧を、予め設定された閾値電圧と比較する。そして、溶接電圧が閾値電圧以下である場合には、短絡状態であると判定する。一方、溶接電圧が閾値電圧を超える場合には、アーク状態であると判定する。

　以下、制御部２０による溶接電流の制御について説明する。

　図２に示すように、時刻ｔ１で、短絡状態であると判定されると、制御部２０は、第１スイッチング部１２の出力を調整することにより、溶接電流を初期電流まで減少させる。このとき、第２スイッチング部１５は、導通状態のまま維持される。

　その後、制御部２０は、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間、溶接電流が予め定められた電流増加速度で増加するように、第１スイッチング部１２の出力を調整する。このとき、ワイヤ送給部３２の動作を制御して、溶接ワイヤ３４を逆送させる。または、短絡して所定時間が経過した後（短絡が安定した後）で、溶接ワイヤ３４を逆送させてもよい。短絡期間中に溶接ワイヤを逆送させることで、溶接ワイヤ３４と母材３５との短絡開放を促進させることができる。また、特に、周期的な正送と逆送の切替えによる溶接ワイヤ３４の正送と逆送の送給制御を行うことにより、溶接ワイヤ３４の先端側の溶滴形成がより安定し、溶接ワイヤ３４から母材３５への溶滴移行の安定性が向上する。

　なお、溶接ワイヤ３４の正送と逆送の送給制御を行わなくてもよい。例えば、溶接ワイヤ３４の逆送を行わない所定の送給速度での一定送給の制御としてもよい。

　算出部２１は、時刻ｔ２から時刻ｔ４までの間で、電力を積算して電力積算値を算出する。具体的には、溶接ワイヤ３４が短絡してから溶接電流が上昇し始めた後で、電力積算値の算出を開始する。例えば、算出部２１は、溶接電流の上昇を検知し、それを受けて、電力積算値の算出を開始する。これに代えて、例えば、算出部２１は、溶接電流が上昇すると見込まれる時間の経過を検知し、それを受けて、電力積算値の算出を開始する。

　なお、電力積算値の算出は、溶接ワイヤ３４が短絡してから所定時間が経過した後、例えば、短絡が安定してから開始すればよい。例えば、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間で、電力積算値の算出を開始してもよい。算出部２１は、所定時間の経過を検知し、それを受けて電力積算値の算出を開始してもよい。

　制御部２０は、電力積算値が所定の閾値Ｐよりも大きいかを判定する。図２に示す例では、時刻ｔ３のときに、電力積算値が閾値Ｐよりも大きくなっている。制御部２０は、電力積算値が所定の閾値Ｐよりも大きい場合に、第２スイッチング部１５を導通状態から遮断状態に切り換えることで、溶接ワイヤ３４に供給する溶接電流を低下させる。

　時刻ｔ４では、溶接ワイヤ３４と母材３５との短絡の開放が検出される。制御部２０は、溶接電流が予め定められた電流となるように、第１スイッチング部１２の出力を調整する。このとき、第２スイッチング部１５は、導通状態のまま維持される。そして、時刻ｔ４では、短絡が開放されてアーク状態に移行する。

　ここで、電力積算値の積算は、短絡期間において閾値Ｐを超えた時点で、電力積算値をリセットし、積算を終了する。なお、電力積算値が閾値Ｐを超えなかった場合、アーク状態と判定するアーク判定で電力積算値をリセットし、積算を終了する。

　以上のように、本実施形態に係るアーク溶接装置１０では、溶接ワイヤ３４に供給された電力の積算量に基づいて、短絡開放前に溶接電流を低下させ、溶接ワイヤ３４に与える入熱量を少なくするようにしている。これにより、短絡開放時のスパッタの発生を抑えることができる。

　〈電流積算値と電力積算値との比較〉
　以下、電力積算値の代わりに、溶接電流を積算した電流積算値を用いた場合でも、同様の制御を行うことができるかについて検討した。

　図３に示すように、電流積算値は、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の３つのピーク値を示している。そのため、例えば、電流積算値が最も大きいＰ１を閾値とすると、電流積算値がＰ２、Ｐ３のときには、閾値Ｐ１を下回っている。そのため、制御部２０は、電流積算値がＰ２、Ｐ３となる時刻において、溶接ワイヤ３４に供給する溶接電流を低減させることはない。

　しかしながら、電流積算値がＰ２、Ｐ３となる時刻において、電力積算値のピーク値を見ると、電力積算値は、閾値Ｐよりも大きくなっている。そのため、電流積算値Ｐ２、Ｐ３となる時刻において、溶接電流を低下させることなく短絡溶接を継続すると、短絡開放時の入熱量が大きく、スパッタが発生してしまう。

　一方、電流積算値が最も小さいＰ３を閾値とすると、制御部２０は、電流積算値がＰ１、Ｐ２となる時刻よりも前に、入熱量を下げる必要がないタイミングで溶接電流を低下させてしまうことになり、入熱量がばらついてしまう。

　以上の検討結果より、溶接ワイヤ３４に供給する溶接電流を低下させるタイミングを、電力積算値に基づいて判定した方が、電流積算値に基づいて判定した場合に比べて、入熱量を下げるタイミングで効果的に溶接電流を下げることができ、短絡期間中の入熱量がより安定し、短絡開放時のスパッタの発生を抑える上で有利であることが分かる。

　《変形例》
　図４に示すように、アーク溶接装置１０は、複数台設けられている（図４に示す例では２台）。２台のアーク溶接装置１０のグランド側のケーブルは、１つの母材３５に接続されている。具体的には、電気的に導通している共通の母材３５、または共通の冶具（図示せず）上の母材３５に対して、複数台のアーク溶接装置１０により溶接を行う。これにより、２台のアーク溶接装置１０から同時にアーク３６を発生させている。

　ここで、本実施形態のアーク溶接装置１０では、溶接ワイヤ３４に供給する電力の積算値、つまり、実際に溶接ワイヤ３４に与えている入熱量に基づいて、短絡開放時の溶接電流を低下させている。

　そのため、他の溶接としての一方のアーク溶接装置１０で発生したノイズの影響が、母材３５を介して他方のアーク溶接装置１０に及んだ場合や、溶接ワイヤ３４がアルミや銅を含む低抵抗値の材料であるために電圧変化が小さく、電圧の検出が正確にできなくなり、くびれの判定が正確にできない場合でも、電力積算値に基づいて、溶接ワイヤ３４と母材３５との短絡開放前に溶接電流を低下させる制御を確実に行うことができる。

　以上説明したように、本発明は、短絡開放時のスパッタの発生を抑えることができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。

　１０　　アーク溶接装置
　２０　　制御部
　２１　　算出部
　３２　　ワイヤ送給部
　３４　　溶接ワイヤ
　３５　　母材

Claims (8)

1. 　溶接ワイヤと母材とが短絡する短絡状態が生じる短絡期間と前記溶接ワイヤと前記母材との間にアークが発生するアーク状態が生じるアーク期間とを交互に繰り返し含むアーク溶接方法であって、
   　前記溶接ワイヤが短絡した後で、所定の期間内に該溶接ワイヤに供給された電力を積算して電力積算値を算出する工程と、
   　前記電力積算値が所定の閾値よりも大きい場合に、前記溶接ワイヤに供給する溶接電流を低下させる工程とを備えたアーク溶接方法。
2. 　請求項１において、
   　前記電力積算値を算出する工程では、前記溶接ワイヤが短絡してから所定時間が経過した後で、該電力積算値の算出を開始するアーク溶接方法。
3. 　請求項１又は２において、
   　前記電力積算値を算出する工程では、前記溶接ワイヤが短絡してから前記溶接電流が上昇し始めた後で、該電力積算値の算出を開始するアーク溶接方法。
4. 　請求項１乃至３のうち何れか１つにおいて、
   　前記溶接ワイヤが短絡してから前記溶接電流が上昇し始めた後、又は短絡して所定時間が経過した後で、該溶接ワイヤを逆送する工程を備えたアーク溶接方法。
5. 　請求項１において、さらに、前記電力積算値が前記所定の閾値よりも大きいかどうかを決定する工程を備え、
   　前記所定の閾値は、固定値であるアーク溶接方法。
6. 　溶接ワイヤと母材とが短絡する短絡状態が生じる短絡期間と前記溶接ワイヤと前記母材との間にアークが発生するアーク状態が生じるアーク期間とを交互に繰り返し含む溶接を行うアーク溶接装置であって、
   　前記溶接ワイヤが短絡した後で、所定の期間内に該溶接ワイヤに供給された電力を積算して電力積算値を算出する算出部と、
   　前記電力積算値が所定の閾値よりも大きい場合に、前記溶接ワイヤに供給する溶接電流を低下させる制御部とを備えたアーク溶接装置。
7. 　請求項６に記載のアーク溶接装置を複数備え、
   　前記複数のアーク溶接装置におけるグランド側のケーブルが、前記母材にそれぞれ接続されているアーク溶接装置。
8. 　請求項６において、前記制御部は、さらに、前記電力積算値が前記所定の閾値よりも大きいかどうかを決定し、
   　前記所定の閾値は、固定値であるアーク溶接装置。

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