特開 2018-202431 非消耗電極アーク溶接制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2018-202431(P2018-202431A)

(43)【公開日】2018年12月27日

(54)【発明の名称】非消耗電極アーク溶接制御方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/067 20060101AFI20181130BHJP

   B23K 9/073 20060101ALI20181130BHJP

【ＦＩ】

   B23K9/067

   B23K9/073 525

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2017-107929(P2017-107929)

(22)【出願日】2017年5月31日

(71)【出願人】

【識別番号】000000262

【氏名又は名称】株式会社ダイヘン

(72)【発明者】

【氏名】高田 賢人

【テーマコード（参考）】

4E082

【Ｆターム（参考）】

4E082AA08

4E082AA09

4E082BA01

4E082BA02

4E082BA03

4E082EA02

4E082EB11

4E082EB14

4E082EC03

4E082ED01

4E082EF02

(57)【要約】

【課題】非消耗電極アーク溶接において、アーク切れの発生を抑制すること。
【解決手段】非消耗の電極と母材との間に溶接電流Ｉｗを通電し溶接電圧Ｖｗを印加してアークを発生させて溶接する非消耗電極アーク溶接制御方法において、アーク発生中の溶接電圧Ｖｗが基準電圧値以上となり、かつ、溶接電圧Ｖｗの上昇率が基準上昇率以上となったときは、電極と母材との間に高周波高電圧を印加する。高周波高電圧の印加は、溶接電圧Ｖｗが第２基準電圧値未満になるまで行う。これにより、アーク切れの前兆状態を判別して高周波高電圧を印加するので、アーク切れの発生を抑制することができる。
【選択図】 図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

非消耗の電極と母材との間に溶接電流を通電し溶接電圧を印加してアークを発生させて溶接する非消耗電極アーク溶接制御方法において、
アーク発生中の前記溶接電圧が基準電圧値以上となり、かつ、前記溶接電圧の上昇率が基準上昇率以上となったときは、前記電極と前記母材との間に高周波高電圧を印加する、
ことを特徴とする非消耗電極アーク溶接制御方法。

【請求項2】

前記高周波高電圧の印加を所定期間行う、
ことを特徴とする請求項１に記載の非消耗電極アーク溶接制御方法。

【請求項3】

前記高周波高電圧の印加を、前記溶接電圧が第２基準電圧値未満になるまで行う、
ことを特徴とする請求項１に記載の非消耗電極アーク溶接制御方法。

【請求項4】

前記基準電圧値を前記溶接電流の設定値に応じて変化させる、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の非消耗電極アーク溶接制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、非消耗の電極と母材との間に溶接電流を通電し溶接電圧を印加してアークを発生させて溶接する非消耗電極アーク溶接制御方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

非消耗電極アーク溶接には、ティグ溶接、プラズマアーク溶接等がある。非消耗電極アーク溶接では、電極にタングステン電極等の非消耗電極を使用し、アルゴンガス等のシールドガスによって大気から遮蔽した状態中で、電極と母材との間にアークを発生させて溶接を行う。鉄鋼、ステンレス鋼等に対しては直流非消耗電極アーク溶接が使用され、アルミニウム等に対しては交流非消耗電極アーク溶接が使用される。

【0003】

非消耗電極アーク溶接においては、溶接開始時に、高周波発生回路から電極と母材との間に高周波高電圧を印加して、アークを点弧するのが一般的である。高周波高電圧とは、数ＭＨｚ数ｋＶ程度である。アークが一旦点弧すると、高周波高電圧の印加は停止される。すなわち、アーク発生中は高周波高電圧は印加されない。溶接中に所定期間(１００ms程度)以上のアーク切れが発生した場合には、再びアークを点弧するために、高周波高電圧が印加される。交流非消耗電極アーク溶接では、極性が切り換わるときに一旦アークが消弧するので、極性切換時に高周波高電圧を印加する(特許文献１参照)。極性切換時に、高周波高電圧の代わりに直流の高電圧を短時間印加する場合もある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平１−１５４８７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

溶接中にアーク切れが発生すると、溶け込み深さ、ビード外観等の溶接品質が悪くなる。アーク切れは、溶接電流が小電流値であるとき、電極と母材との距離が変動したとき、母材の表面状態が悪いとき、シールド状態が悪いとき等に発生しやすくなる。したがって、アーク切れの発生を抑制することは、高品質の溶接を行うために重要である。

【0006】

そこで、本発明では、アーク切れの発生を抑制することができる非消耗電極アーク溶接制御方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、
非消耗の電極と母材との間に溶接電流を通電し溶接電圧を印加してアークを発生させて溶接する非消耗電極アーク溶接制御方法において、
アーク発生中の前記溶接電圧が基準電圧値以上となり、かつ、前記溶接電圧の上昇率が基準上昇率以上となったときは、前記電極と前記母材との間に高周波高電圧を印加する、
ことを特徴とする非消耗電極アーク溶接制御方法である。

【0008】

請求項２の発明は、前記高周波高電圧の印加を所定期間行う、
ことを特徴とする請求項１に記載の非消耗電極アーク溶接制御方法である。

【0009】

請求項３の発明は、前記高周波高電圧の印加を、前記溶接電圧が第２基準電圧値未満になるまで行う、
ことを特徴とする請求項１に記載の非消耗電極アーク溶接制御方法である。

【0010】

請求項４の発明は、前記基準電圧値を前記溶接電流の設定値に応じて変化させる、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の非消耗電極アーク溶接制御方法である。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、アーク切れの前兆状態を判別して、高周波高電圧を印加するので、アーク切れの発生を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施の形態１に係る非消耗電極アーク溶接制御方法を実施するための溶接電源のブロック図である。

【図2】図１で上述した溶接電源における各信号のタイミングチャートである。

【図3】本発明の実施の形態２に係る非消耗電極アーク溶接制御方法を実施するための溶接電源のブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

【0014】

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る非消耗電極アーク溶接制御方法を実施するための溶接電源のブロック図である。同図は、非消耗電極アーク溶接が直流ティグ溶接の場合である。以下、同図を参照して、各ブロックについて説明する。

【0015】

電源主回路ＰＭは、３相２００Ｖ等の商用電源（図示は省略）を入力として、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってインバータ制御等の出力制御を行い、溶接電流Ｉｗを出力する。溶接電流Ｉｗは、溶接トーチ４、電極１、アーク３及び母材２を通って通電し、電極１と母材２との間に溶接電圧Ｖｗが印加する。

【0016】

電流設定回路ＩＲは、予め定めた電流設定信号Ｉｒを出力する。電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｗを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流設定信号Ｉｒと上記の電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。この電流誤差増幅信号Ｅｉに従って溶接電源の出力制御が行われることによって定電流制御され、所望値の溶接電流Ｉｗが通電する。

【0017】

溶接開始回路ＳＴは、溶接を開始するときにＨｉｇｈレベルとなる溶接開始信号Ｓｔを出力する。この溶接開始回路ＳＴは、手動溶接の場合には、溶接トーチ４に取り付けられたトーチスイッチが対応し、ロボット溶接の場合にはロボット制御装置が対応する。

【0018】

電流通電判別回路ＣＤは、上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、この値がしきい値(１Ａ程度)以上のときはアークが発生していると判別してＨｉｇｈレベルとなる電流通電判別信号Ｃｄを出力する。

【0019】

電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。

【0020】

基準電圧設定回路ＶＴＲは、予め定めた基準電圧設定信号Ｖtrを出力する。基準上昇率設定回路ＤＴＲは、予め定めた正の値である基準上昇率設定信号Ｄtrを出力する。

【0021】

電圧微分回路ＤＶは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、電圧検出信号Ｖｄの微分を行い、電圧微分信号Ｄｖを出力する。

【0022】

アーク切れ前兆判別回路ＡＤは、上記の電流通電判別信号Ｃｄ、上記の電圧検出信号Ｖｄ、上記の基準電圧設定信号Ｖtr及び上記の基準上昇率設定信号Ｄtrを入力として、電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベル(アーク発生中)であるときに、電圧検出信号Ｖｄの値が基準電圧設定信号Ｖtrによって定まる基準電圧値Ｖｔ以上となり、かつ、電圧微分信号Ｄｖの値が基準上昇率設定信号Ｄtrによって定まる基準上昇率Ｄｔ以上になったときはＨｉｇｈレベルとなり、それから所定期間が経過するとＬｏｗレベルとなる、アーク切れ前兆判別信号Ａｄを出力する。アーク切れ前兆判別信号ＡｄをＬｏｗレベルに戻すタイミングを、電圧検出信号Ｖｄが予め定めた第２基準電圧値Ｖt2未満となった時点としても良い。第２基準電圧値Ｖt2は、基準電圧値Ｖｔよりも小さな値である。

【0023】

高周波制御回路ＨＣは、上記の溶接開始信号Ｓｔ、上記の電流通電判別信号Ｃｄ及び上記のアーク切れ前兆判別信号Ａｄを入力として、以下に示す１）又は２）のときはＨｉｇｈレベルとなる高周波制御信号Ｈｃを出力する。
１）溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベル(起動)であり、かつ、電流通電判別信号ＣｄがＬｏｗレベル(非通電)であるとき。この状態は、溶接開始時にアークを点弧させるとき、又は、溶接中にアーク切れが発生したときである。
２）アーク切れ前兆判別信号ＡｄがＨｉｇｈレベル(前兆判別時)であるとき。この状態は、アーク発生中にアーク切れの前兆状態が判別されたときである。

【0024】

高周波発生回路ＨＦは、従来技術と同一の構成であるので詳細な構成は省略するが、高電圧変圧器、火花ギャップ、共振コンデンサ等から成り、上記の高周波制御信号Ｈｃを入力として、高周波制御信号ＨｃがＨｉｇｈレベルのときは高周波高電圧Ｈｆを出力する。

【0025】

カップリングコイルＣＣは、溶接電流Ｉｗの通電路に挿入され、上記の高周波高電圧Ｈｆを電極１と母材２との間に印加する。バイパスコンデンサＣは、高周波高電圧が電源主回路ＰＭに印加されないようにバイパスする。

【0026】

図２は、図１で上述した溶接電源における各信号のタイミングチャートである。同図(Ａ)は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図(Ｂ)は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図(Ｃ)は電流通電判別信号Ｃｄの時間変化を示し、同図(Ｄ)はアーク切れ前兆判別信号Ａｄの時間変化を示す。同図は、アーク発生中において外乱によってアーク長が長くなり、アーク切れの前兆状態となったときである。以下、同図を参照して各信号の動作について説明する。

【0027】

時刻ｔ１以前の期間中は、安定したアーク発生状態にある。この期間中は、同図(Ａ)に示すように、電流設定信号Ｉｒによって設定された溶接電流Ｉｗが通電している。また、同図(Ｂ)に示すように、溶接電圧Ｖｗはアーク長に比例した通常値となっている。同図(Ｃ)に示すように、電流通電判別信号Ｃｄは溶接電流Ｉｗが通電しているのでＨｉｇｈレベルとなっている。同図(Ｄ)に示すように、アーク切れ前兆判別信号Ａｄは溶接電圧Ｖｗが通常値であるのでＬｏｗレベルとなっている。

【0028】

時刻ｔ１から外乱によってアーク長が長くなり、アーク切れの前兆状態となる。アーク長が長くなると、同図(Ｂ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは時刻ｔ１から次第に上昇し、その上昇率も次第に大きくなる。時刻ｔ２において、溶接電圧Ｖｗは予め定めた基準電圧値Ｖｔ以上となり、時刻ｔ３において溶接電圧Ｖｗの上昇率(電圧微分信号Ｄｖ)が予め定めた基準上昇率Ｄｔ以上となる。時刻ｔ３において、同図(Ｃ)に示す電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルであり、かつ、溶接電圧Ｖｗが基準電圧値Ｖｔ以上であり、かつ、溶接電圧Ｖｗの上昇率が基準上昇率Ｄｔ以上であるので、同図(Ｄ)に示すように、アーク切れ前兆判別信号ＡｄがＨｉｇｈレベルに変化する。これに応動して、高周波発生回路ＨＦが動作して、電極１と母材２との間に高周波高電圧が印加される。高周波高電圧の印加によってアークは、電極１と母材２との最短距離に形成されるように誘導される。この結果、アーク長は次第に短くなり、通常値へと戻される。同図(Ｂ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは、時刻ｔ３から少しの間上昇を継続した後に、時刻ｔ４から減少へと反転し、時刻ｔ５に予め定めた第２基準電圧値Ｖt2未満となり、時刻ｔ６に通常値へと戻る。同図(Ｄ)に示すように、アーク切れ前兆判別信号Ａｄは、溶接電圧Ｖｗが第２基準電圧値Ｖt2未満となる時刻ｔ５においてＬｏｗレベルに戻る。これに応動して、高周波発生回路ＨＦは動作を停止するので、高周波高電圧の印加は停止する。アーク切れ前兆判別信号ＡｄをＬｏｗレベルに戻すタイミングを、時刻ｔ３にＨｉｇｈレベルに変化してから所定期間後としても良い。所定期間は、例えば１００msである。同図(Ａ)に示すように、溶接電流Ｉｗは定電流制御されているので、全期間中一定値のままである。

【0029】

上記の基準電圧値Ｖｔは、アーク長が正常範囲あるときの溶接電圧Ｖｗの最大値と、アーク切れが発生したときの無負荷電圧値との中間の値に設定される。アーク長が正常範囲にあるときの溶接電圧Ｖｗの最大値は例えば４０Ｖであり、無負荷電圧値は例えば７０Ｖであるので、例えば基準電圧値Ｖｔ＝５０Ｖに設定される。上記の基準上昇率Ｄｔは、アーク切れの前兆状態を検出できるように実験によって適正値を求める。例えば、Ｄｔ＝５Ｖ／msに設定される。上記の第２基準電圧値Ｖt2は、基準電圧値Ｖｔよりも小さな値に設定される。例えば、Ｖt2＝４５Ｖに設定される。

【0030】

アーク切れの前兆状態を、溶接電圧Ｖｗの値に加えて溶接電圧Ｖｗの上昇率によって判別しているのは、どちらか片方だけでは前兆状態を後判別するおそれがあるためである。さらには、どちらか片方だけでは、前兆状態を判別するのが遅くなり、アーク切れを防止することができない場合が生じるからである。両方を使用することによって、アーク切れの前兆状態を正確に、かつ、早期に判別することができる。このために、アーク切れの発生をより確実に防止することができる。

【0031】

上述した実施の形態１によれば、アーク発生中の溶接電圧が基準電圧値以上となり、かつ、溶接電圧の上昇率が基準上昇率以上となったときは、電極と母材との間に高周波高電圧を印加する。これにより、本実施の形態では、アーク切れの前兆状態を判別して、高周波高電圧を印加するので、アーク切れの発生を抑制することができる。

【0032】

［実施の形態２］
実施の形態２の発明は、アーク切れの前兆状態を判別するための基準電圧値を溶接電流の設定値に応じて変化させるものである。

【0033】

図３は、本発明の実施の形態２に係る非消耗電極アーク溶接制御方法を実施するための溶接電源のブロック図である。同図は上述した図１と対応しており、同一のブロックには同一符号を付して、それらの説明は繰り返さない。同図は、図１の基準電圧設定回路ＶＴＲを電流設定連動基準電圧設定回路ＶＴＳＲに置換したものである。以下、同図を参照してこのブロックについて説明する。

【0034】

電流設定連動基準電圧設定回路ＶＴＳＲは、上記の電流設定信号Ｉｒを入力とする予め定めた関数によって算出された基準電圧設定信号Ｖtrを出力する。上述したように、基準電圧設定信号Ｖtrは、アーク長が正常範囲にあるときの溶接電圧Ｖｗの最大値とアーク切れが発生したときの無負荷電圧値との中間の値に設定される。無負荷電圧値は、溶接電流Ｉｗの値によらずほぼ同一値である。他方、アーク長が正常範囲にあるときの溶接電圧Ｖｗの最大値は、溶接電流Ｉｗの値に比例して大きくなる。したがって、電流設定信号Ｉｒが大きくなるほど基準電圧設定信号Ｖtrが大きくなるように設定すれば、アーク切れの前兆状態の判別をより早期に行うことができる。この結果、アーク切れをより確実に抑制することができる。

【0035】

図３で上述した溶接電源における各信号のタイミングチャートは、図２と同一であるので説明は省略する。但し、アーク切れの前兆状態を判別するための基準電圧値Ｖｔが電流設定信号Ｉｒに連動して変化する点は異なっている。

【0036】

上述した実施の形態においては、非消耗電極アーク溶接が直流ティグ溶接である場合を説明したが、交流ティグ溶接、直流／交流プラズマアーク溶接の場合も同様である。

【符号の説明】

【0037】

１ (非消耗)電極
２ 母材
３ アーク
４ 溶接トーチ
ＡＤ アーク切れ前兆判別回路
Ａｄ アーク切れ前兆判別信号
Ｃ バイパスコンデンサ
ＣＣ カップリングコイル
ＣＤ 電流通電判別回路
Ｃｄ 電流通電判別信号
Ｄｔ 基準上昇率
ＤＴＲ 基準上昇率設定回路
Ｄtr 基準上昇率設定信号
ＤＶ 電圧微分回路
Ｄｖ 電圧微分信号
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＨＣ 高周波制御回路
Ｈｃ 高周波制御信号
ＨＦ 高周波発生回路
Ｈｆ 高周波高電圧
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＲ 電流設定回路
Ｉｒ 電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＰＭ 電源主回路
ＳＴ 溶接開始回路
Ｓｔ 溶接開始信号
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖｔ 基準電圧値
Ｖt2 第２基準電圧値
ＶＴＲ 基準電圧設定回路
Ｖtr 基準電圧設定信号
ＶＴＳＲ 電流設定連動基準電圧設定回路
Ｖｗ 溶接電圧

【図1】

【図2】

【図3】