特開 2021-194655 アーク溶接装置

(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2021-194655(P2021-194655A)

(43)【公開日】2021年12月27日

(54)【発明の名称】アーク溶接装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/00 20060101AFI20211129BHJP

   B23K 9/09 20060101ALI20211129BHJP

   B23K 9/173 20060101ALI20211129BHJP

   B23K 9/23 20060101ALI20211129BHJP

【ＦＩ】

   B23K9/00 330A

   B23K9/09

   B23K9/173 A

   B23K9/23 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2020-100633(P2020-100633)

(22)【出願日】2020年6月10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】山田 浩貴

【テーマコード（参考）】

4E001

4E082

【Ｆターム（参考）】

4E001AA03

4E001BB08

4E001CA03

4E001DD02

4E001DD05

4E001DE04

4E001EA01

4E082AA04

4E082AB03

4E082BA04

4E082EA02

4E082EB23

4E082EB25

4E082ED03

4E082EF02

4E082EF07

4E082EF15

4E082JA02

(57)【要約】

【課題】ステンレス鋼の溶接にてアークスタートの安定性を向上すること。
【解決手段】ステンレス鋼の溶接を行う消耗電極式アーク溶接装置において、アーク溶接の終了処理工程の中に、溶接電源が臨界電流以下の溶接電流を所定時間出力するエンド出力工程を有する。前記エンド出力工程により、溶接終了時点で、消耗電極のワイヤ径より大きな溶融球を消耗電極の先端に形成させる。形成した溶融球の先端にスラグが付着したとしても、溶融球の表面積が大きいことから導電可能な表面が露出しているため、その次のアークスタートにおいて安定したアークスタートを実現することができる。
【選択図】 図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

溶接電流を出力する溶接電源と、消耗電極を溶接部に送給する送給部と、前記消耗電極に前記溶接電流を給電する溶接トーチとから構成される消耗電極式アーク溶接装置において、
前記消耗電極の材料がステンレス鋼であって、
前記溶接電源が、溶接終了信号を受信して前記溶接電流の出力を停止するまでの終了処理期間に、所定の条件を満たす前記溶接電流を出力する終了処理工程を設けており、
前記終了処理工程には、前記溶接電源が臨界電流以下の前記溶接電流を所定時間出力することで、前記消耗電極の先端に前記消耗電極の長径より大きい長径を有する球状又は楕円球状の溶融球を生成するエンド出力工程があることを特徴とするアーク溶接装置。

【請求項2】

前記終了処理工程は、前記溶接電源がパルス状の溶接電流を出力するパルス出力工程と、前記エンド出力工程とで構成され、前記終了処理工程における前記溶接電流は常に臨界電流以下である
ことを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接装置。

【請求項3】

前記終了処理工程は、前記溶接電源が溶接終了信号を受信してから開始されることを特徴とする請求項２に記載のアーク溶接装置。

【請求項4】

前記溶融球の長径は前記消耗電極の長径の１．２倍より大きく１．４倍以下である
ことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のアーク溶接装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、溶接電流を出力する溶接電源と、消耗電極を溶接部に送給する送給部と、前記消耗電極に前記溶接電流を給電する溶接トーチとから構成される消耗電極式アーク溶接装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

消耗電極式アーク溶接において、消耗電極と母材間にアーク放電を発生させるアークスタートは不安定な物理現象であることから、アークスタートの安定性の向上が常に求められている。そのため、アークスタートの安定性の向上のために、様々な方法や装置が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１１−１８９３９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

アークスタートの安定性の向上に対する方法の一つとして、特許文献１に示す方法がある。特許文献１では、アークスタートの前の溶接終了時で溶融電極の先端に形成される溶融球の状態に着目し、溶融球の形成に際して、溶融球の先端に絶縁物である溶融スラグが付着することを防ぐべく、所定の溶接電流を出力することが提案されている。

【0005】

特許文献１において、ステンレス鋼の溶接にてアークスタートの安定性を向上させるには溶融球が小さい方が良いとされ、溶融球の直径が溶融電極の直径と略同一になるよう制御されると示されている。しかし、溶融スラグの発生が多いステンレス鋼の溶接にて、溶融球の先端に溶融スラグが付着することを防ぐのは難しい。溶融球が小さいまま溶融球の先端に絶縁物である溶融スラグが付着すると、溶融球の表面積が小さいので溶融電極の先端に通電可能な部分がなくなりアーク放電せず、アークスタートに失敗する。

【0006】

そこで、本発明では、ステンレス鋼の溶接にてアークスタートの安定性を向上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、溶接電流を出力する溶接電源と、消耗電極を溶接部に送給する送給部と、前記消耗電極に前記溶接電流を給電する溶接トーチとから構成される消耗電極式アーク溶接装置において、前記消耗電極の材料がステンレス鋼であって、前記溶接電源が、溶接終了信号を受信して前記溶接電流の出力を停止するまでの終了処理期間に、所定の条件を満たす前記溶接電流を出力する終了処理工程を設けており、前記終了処理工程には、前記溶接電源が臨界電流以下の前記溶接電流を所定時間出力することで、前記消耗電極の先端に前記消耗電極の長径より大きい長径を有する球状又は楕円球状の溶融球を生成するエンド出力工程があることを特徴とするアーク溶接装置である。

【0008】

請求項２の発明は、前記終了処理工程は、前記溶接電源がパルス状の溶接電流を出力するパルス出力工程と、前記エンド出力工程とで構成され、前記終了処理工程における前記溶接電流は常に臨界電流以下であることを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接装置である。

【0009】

請求項３の発明は、前記終了処理工程は、前記溶接電源が溶接終了信号を受信してから開始されることを特徴とする請求項２に記載のアーク溶接装置である。

【0010】

請求項４の発明は、前記溶融球の長径は前記消耗電極の長径の１．２倍より大きく１．４倍以下であることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のアーク溶接装置である。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、ステンレス鋼の溶接にてアークスタートの安定性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】溶融球の形成とアークスタート性の関係を示す実験データである。

【図2】本発明の実施の形態に係るアーク溶接装置の全体構成である。

【図3】本発明の実施の形態に係るアーク溶接装置の出力波形である。

【図4】本発明の実施の形態に係るアーク溶接装置のブロック図である。

【図5】本発明の実施の形態に係るアーク溶接装置の応用例の出力波形である。

【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。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

【0014】

［実施の形態］
実施の形態の発明は、前記消耗電極の材料がステンレス鋼であって、前記溶接電源が、溶接終了信号を受信して前記溶接電流の出力を停止するまでの終了処理期間に、所定の条件を満たす前記溶接電流を出力する終了処理工程を設けており、前記終了処理工程には、前記溶接電源が臨界電流以下の前記溶接電流を所定時間出力することで、前記消耗電極の先端に前記消耗電極の長径より大きい長径を有する球状又は楕円球状の溶融球を生成するエンド出力工程があることを特徴とするアーク溶接装置である。

【0015】

図１に、溶融球の形成とアークスタート性の関係を示す実験データを示す。本実験は、消耗電極にＳＵＳ３０８のφ１．２ｍｍ、母材にＳＵＳ３０４、シールドガスに９８％Ａｒ＋２％Ｏ２ガスを用い、溶接電流１００Ａ、溶接電圧２３Ｖで溶接した後の溶融球の状態を観察し、消耗電極のワイヤ径に対する溶融球の長径の倍率を記録するとともに、その次のアークスタートの状態を記録したものである。

【0016】

本実験では、ワイヤ径に対する倍率は、１倍以下（図中の×1.0）、１倍より大きく１．２倍以下（図中の×1.2）、１．２倍より大きく１．４倍以下（図中の×1.4）、１．４倍より大きく１．６倍（図中の×1.6）の４段階に分けて、各ワイヤ径に対する倍率でのスタート回数１００回におけるアークスタートの状態を集計した。また、アークスタートの状態は、アークスタートの信号が出力されてから所定時間（100ms）以内に、アークスタートする（図中の○）、アークスタートするがスタート部周辺にスパッタが付着する（図中の△）、アークスタートしない（図中の×）の３段階で評価した。

【0017】

図１より、溶融球の長径がワイヤ径に対して１倍以下であると、所定時間以内にアークスタートしない確率が大きい。所定時間以内にアークスタートしないということは、特に自動溶接では所定箇所を溶接できていないことを指すため問題となる。また図１より、少なくとも溶融球の長径がワイヤ径に対して１倍より大きければアークスタートすることが明らかである。

【0018】

図２は、実施の形態におけるアーク溶接装置の全体構成である。アーク溶接装置は、溶接電源ＷＭと、溶接トーチ１と、送給部ＷＦと、起動信号入力部ＴＳとから構成されている。

【0019】

起動信号入力部ＴＳは、起動信号Ｔｓを出力する。溶接電源ＷＭは、前記起動信号Ｔｓを入力とし、溶接電流Ｉｗ、溶接電圧Ｖｗ、及び送給速度信号Ｆｃを出力する。溶接電源ＷＭは、起動信号ＴｓがＯＮの間、所定の溶接電流Ｉｗ、溶接電圧Ｖｗ、及び送給速度信号Ｆｃを出力する。送給部ＷＦは、送給速度信号Ｆｃを入力とし、消耗電極３を送給速度信号Ｆｃの示す送給速度Ｗｆで、溶接トーチ１へ送給する。

【0020】

溶接トーチ１は、消耗電極３に対し、内部の給電部材（図示は省略）を介して溶接電流Ｉｗ、溶接電圧Ｖｗを供給する。前記起動信号ＴｓがＯＮの間、消耗電極３と母材２の間にはアーク４が発生する。

【0021】

図３は、実施の形態におけるアーク溶接装置の出力波形である。 図３では、前記起動信号ＴｓがＯＮからＯＦＦに変化し、溶接を終了させる部分を抜き出して図示している。同図（Ａ）は前記起動信号Ｔｓ、同図（Ｂ）は前記送給速度Ｗｆ、同図（Ｃ）は前記溶接電流Ｉｗ、同図（Ｄ）は前記溶接電圧Ｖｗである。

【0022】

時刻ｔ１は、作業者がアーク溶接を終了させるために、前記起動信号入力部を操作して、前記起動信号ＴｓがＯＮからＯＦＦに変化したタイミングである。時刻ｔ１以前は定常出力期間Ｔｍであり、所定の溶接電流Ｉｗ、溶接電圧Ｖｗ、送給速度Ｗｆを出力し、アーク溶接を実施する。

【0023】

時刻ｔ１において、前記溶接電源ＷＭはアーク溶接を終了することを認識し、溶接電流の出力を停止する一連の終了処理を開始する。終了処理を実施する期間を終了処理期間Ｔendと称する。図３では、終了処理期間Ｔendがパルス出力期間Ｔｐと、エンドパルス期間Ｔｅとから構成される場合を説明する。

【0024】

時刻ｔ１から開始される前記パルス出力期間Ｔｐは、所定の時間ないし所定の回数、パルス状の前記溶接電流Ｉｗを出力する期間である。前記パルス出力期間Ｔｐは、溶融球の形成する期間である。本実施の形態においては、パルスピーク電流Ｉppをパルスピーク時間Ｔppの間出力した後、パルスベース電流Ｉpbをパルスベース時間Ｔpbの間出力するパルス形状を３回出力する。前記溶接電圧Ｖｗは、前記溶接電流Ｉｗの変化に応じて、上下する。例えば、パルスピーク電流Ｉppは４００Ａ、パルスピーク時間Ｔppは１．２ｍｓ、パルスベース電流Ｉpbは５０Ａ、パルスベース時間Ｔpbは８．８ｍｓである。また、送給速度Ｗｆは、時刻ｔ１のタイミングで急減させて０にする。

【0025】

時刻ｔ２において、前記パルス出力期間Ｔｐが終了し、エンドパルス期間Ｔｅが開始される。エンドパルス期間Ｔｅは、前記パルス出力期間Ｔｐにおいて形成した溶融球を離脱させることなく、安定してアークを消弧する期間である。エンドパルス期間Ｔｅでは、臨界電流Ｉlmt以下の電流であるエンドパルス電流Ｉepをエンドパルス時間Ｔepの間出力する。臨界電流Ｉlmtとは、ブロビュール移行からスプレー移行へと遷移する境界の電流値であり、臨界電流Ｉlmt以下ならばグロビュール移行になり、以上ならばスプレー移行になる。臨界電流Ｉlmtは、シールドガスの組成や消耗電極のワイヤ径や材質などにより変化するが、概ね２００Ａから３５０Ａである。例えば、エンドパルス電流Ｉepは８０Ａ、エンドパルス時間Ｔepは、１．５ｍｓである。

【0026】

時刻ｔ３において、前記エンドパルス期間Ｔｅが終了し、前記溶接電源ＷＭは前記溶接電流Ｉｗ、前記溶接電圧Ｖｗの出力を停止する。

【0027】

図４は本発明の実施の形態に係るアーク溶接装置のブロック図である。以下、同図を参照して、各ブロックについて説明する。

【0028】

動作状態回路ＳＳは、前記起動信号Ｔｓを入力とし、状態信号Ｓｓを出力する。状態信号Ｓｓは、前記起動信号Ｔｓを元に前記溶接電源ＷＭの出力期間を定義する信号であり、図３に示す前記定常出力期間Ｔｍ、溶接終了期間Ｔｅ、パルス出力期間Ｔｐ、エンドパルス出力期間Ｔｅなどを示す信号である。

【0029】

定常条件入力回路ＷＭＭは、定常条件信号Ｗmmを出力する。定常条件信号Ｗmmには、前記定常出力期間Ｔｍに、前記溶接電源ＷＭが出力すべき前記溶接電流Ｉｗ、前記溶接電圧Ｖｗ、前記送給部ＷＦが出力すべき前記送給速度Ｗｆを出力するために必要な情報が含まれる。

【0030】

パルス条件入力回路ＷＭＰは、パルス条件信号Ｗmpを出力する。パルス条件信号Ｗmpには、前記パルス出力期間Ｔｐ、前記パルス出力期間Ｔｐに前記溶接電源ＷＭが出力すべき前記溶接電流Ｉｗ、前記溶接電圧Ｖｗ、前記パルス出力期間Ｔｐに前記送給部ＷＦが出力すべき前記送給速度Ｗｆを出力するために必要な情報が含まれる。図３の波形を出力するために、前記パルスピーク電流Ｉpp、前記パルスベース電流Ｉpb、前記パルスピーク時間Ｔpp、前記パルスベース時間Ｔpbがパルス条件信号Ｗmpに含まれている。

【0031】

エンドパルス条件入力回路ＷＭＥは、エンドパルス条件信号Ｗmeを出力する。エンドパルス条件信号Ｗmeは、前記エンドパルス出力期間Ｔｅ、前記エンドパルス出力期間Ｔｅに前記溶接電源ＷＭが出力すべき前記溶接電流Ｉｗ、前記溶接電圧Ｖｗ、前記エンドパルス出力期間Ｔｅに前記送給部ＷＦが出力すべき前記送給速度Ｗｆを出力するために必要な情報が含まれる。図３の波形を出力するために、前記エンドパルス電流Ｉep、前記エンドパルス時間Ｔepがエンドパルス条件信号Ｗmeに含まれている。

【0032】

条件切替回路ＳＷは、前記状態信号Ｓｓ、前記定常条件信号Ｗmm、前記パルス条件信号Ｗmp、及び前記エンドパルス条件信号Ｗmeを入力とし、溶接出力信号Ｗcsを出力する。条件切替回路ＳＷは、前記状態信号Ｓｓ、前記パルス条件信号Ｗmpに含まれる前記パルス出力期間Ｔｐ、前記エンドパルス条件信号Ｗmeに含まれる前記エンドパルス出力期間Ｔｅに従って、溶接出力信号Ｗcsとして出力すべき条件信号を切り替える。

【0033】

制御回路ＣＮＴは、前記溶接出力信号Ｗcsを入力とし、制御信号Ｃnt及び送給制御信号Ｆｓを出力する。制御回路ＣＮＴにおいて、前記溶接出力信号Ｗcsの定める前記溶接電流Ｉｗ、前記溶接電圧Ｖｗを出力するための制御信号Ｃntを出力する。また、前記溶接出力信号Ｗcsの定める前記送給速度Ｗｆを出力するための送給制御信号Ｆｓを出力する。

【0034】

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、前記制御信号Ｃｎｔに従ってインバータ制御による出力制御を行い、前記溶接電流Ｉｗ及び前記溶接電圧Ｖｗを出力する。この電源主回路ＰＭは、図示は省略するが、商用電源を整流する１次整流器、整流された直流を平滑するコンデンサ、平滑された直流を高周波交流に変換するインバータ回路、高周波交流をアーク溶接に適した電圧値に降圧する高周波変圧器、降圧された高周波交流を整流する２次整流器、整流された直流を平滑するリアクトル等、前記溶接電流Ｉｗ及び前記溶接電圧Ｖｗを出力し、安定して溶接を行うのに必要な回路を備えている。

【0035】

送給制御回路ＦＣは、前記送給制御信号Ｆｓを入力とし、前記送給速度信号Ｆｃを出力とする。送給制御回路ＦＣにおいて、前記送給速度信号Ｆｃを調整し、前記送給部ＷＦが前記送給速度Ｗｆを安定して出力できるよう制御する。

【0036】

［応用例］
上述の実施の形態において、前記終了処理期間Ｔendの内、前記エンドパルス期間Ｔｅの前記溶接電流Ｉｗが前記臨界電流Ｉlmt以下であることを示したが、前記終了処理期間Ｔendの前記溶接電流Ｉｗが常に臨界電流Ｉlmt以下であるアーク溶接装置について説明する。

【0037】

図５は実施の形態におけるアーク溶接装置の応用例の出力波形である。上述の図３と異なり、前記パルス出力期間Ｔｐに出力される前記溶接電流Ｉｗが三角波状になっており、前記パルスピーク電流Ｉppが前記臨界電流Ｉlmt以下にである。すなわち、前記終了処理期間Ｔendの前記溶接電流Ｉｗは、常に前記臨界電流Ｉlmt以下である。

【0038】

前記溶接電流Ｉｗが前記臨界電流Ｉlmt以下であるので、溶融球が消耗電極の先端から離脱することがない。そのため、アーク出力を停止したのちに、ワイヤ径より大きい溶融球が安定して形成される。また消耗電極の粘性にもよるが、前記溶接電流Ｉｗを三角波状に揺動することで、溶融球が球形に形成されやすくなるため、アークスタート性の向上がさらに見込まれる。

【0039】

また図１より、溶融球の長径がワイヤ径に対して１．４倍より大きく過大であると、スタート部周辺にスパッタが付着し、これもまた問題になる。すなわち、溶融球の長径にはワイヤ径に対して適切な大きさというものがあり、図１によれば１．２倍より大きく１．４倍以下である。

【0040】

次に、上述した本発明の実施の形態に係るアーク溶接装置の作用効果について説明する。ステンレス鋼の溶接において、前記エンドパルス期間Ｔｅに前記臨界電流Ｉlmt以下の溶接電流を出力して溶融球を離脱させずにアーク出力を停止することで、ワイヤ径より大きい溶融球が形成される。溶融球の先端にスラグが付着したとしても、溶融球の表面積が大きいことからスラグのない通電する部分が露出するため、確実にアークスタートする。

【0041】

さらに、前記終了処理期間Ｔendの前記溶接電流Ｉｗは、常に前記臨界電流Ｉlmt以下であると、スプレー移行にならないため溶融球を離脱させずに成長させることができるので、溶融球が安定して形成できる。また、図２及び図５より、本発明の実施の形態は、前記定常出力期間Ｔｍの溶接波形がパルス溶接（図２に示す）であっても、短絡溶接（図５に示す）であっても実現できる特徴を有する。

【0042】

しかるに、本発明の実施の形態に係るアーク溶接装置は、ステンレス鋼の溶接にてアークスタートの安定性が向上する。

【符号の説明】

【0043】

ＣＮＴ 制御回路
Ｃnt 制御信号
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給速度信号
Ｆｓ 送給制御信号
Ｉep エンドパルス電流
Ｉlmt 臨界電流
Ｉpb パルスベース電流
Ｉpp パルスピーク電流
Ｉｗ 溶接電流
ＰＭ 電源主回路
Ｓｓ 状態信号
ＳＳ 動作状態回路
ＳＷ 条件切替回路
Ｔｅ エンドパルス期間
Ｔｅ エンドパルス出力期間
Ｔｅ 溶接終了期間
Ｔend 終了処理期間
Ｔep エンドパルス時間
Ｔｍ 定常出力期間
Ｔｐ パルス出力期間
Ｔpb パルスベース時間
Ｔpp パルスピーク時間
Ｔｓ 起動信号
ＴＳ 起動信号入力部
Ｖｗ 溶接電圧
Ｗcs 溶接出力信号
Ｗｆ 送給速度
ＷＦ 送給部
ＷＭ 溶接電源
Ｗme エンドパルス条件信号
ＷＭＥ エンドパルス条件入力回路
Ｗmm 定常条件信号
ＷＭＭ 定常条件入力回路
Ｗmp パルス条件信号
ＷＭＰ パルス条件入力回路
１ 溶接トーチ
２ 母材
３ 消耗電極
４ アーク

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】