特開 2023-102857 溶接装置および溶接方法

(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】P2023102857

(43)【公開日】2023-07-26

(54)【発明の名称】溶接装置および溶接方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/00 20060101AFI20230719BHJP

   B23K 9/12 20060101ALI20230719BHJP

【ＦＩ】

B23K9/00 330A

B23K9/12 305

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022003562

(22)【出願日】2022-01-13

(71)【出願人】

【識別番号】000000262

【氏名又は名称】株式会社ダイヘン

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】藤原 雅之

(57)【要約】

【課題】溶接開始時の溶接品質が向上した、消耗電極ワイヤを用いる溶接装置および溶接方法を提供する。
【解決手段】溶接装置１は、消耗電極であるワイヤ２を送給する送給装置３と、ワイヤ２を加熱する加熱装置４０と、ワイヤ２に溶接電流を供給する溶接電源１１と、制御装置５０とを備える。溶接開始時に、加熱装置４０がワイヤ２を加熱する加熱点から消耗電極がアークを発生する溶接点までの距離を、ワイヤが送給装置３によって送られる時間を第１時間とする。制御装置５０は、溶接開始時点から第１時間が経過するより前の初期期間では、溶接開始時点から第１時間が経過した後の定常期間よりも、ワイヤ２の送給速度ＷＦの溶接電流Ｉに対する比の値を小さくするように溶接電源１１および送給装置３を制御する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

消耗電極であるワイヤを送給する送給装置と、
前記ワイヤを加熱する加熱装置と、
前記ワイヤに溶接電流を供給する溶接電源と、
前記溶接電源および前記送給装置を制御する制御装置とを備え、
前記加熱装置が前記ワイヤを加熱する地点を加熱点とし、前記消耗電極がアークを発生する地点を溶接点とし、
前記ワイヤが前記加熱点から前記溶接点まで前記送給装置によって送られる時間を第１時間とすると、
前記制御装置は、溶接開始から前記第１時間が経過するより前の初期期間では、溶接開始から前記第１時間が経過した後の定常期間よりも、前記ワイヤの送給速度の溶接電流に対する比の値を小さくする、溶接装置。

【請求項2】

前記制御装置は、前記初期期間および前記定常期間において、溶接速度に基づいて前記溶接電流を設定し、
前記制御装置は、前記初期期間では、前記定常期間よりも、前記送給速度を低く設定する、請求項１に記載の溶接装置。

【請求項3】

前記制御装置は、前記初期期間および前記定常期間において、前記送給速度を一定に設定し、
前記制御装置は、前記初期期間では、前記定常期間よりも、前記溶接電流を大きく設定する、請求項１に記載の溶接装置。

【請求項4】

消耗電極であるワイヤを送給する送給装置と、前記ワイヤを加熱する加熱装置と、前記ワイヤに溶接電流を供給する溶接電源とを備える溶接装置を用いる溶接方法であって、
前記加熱装置が前記ワイヤを加熱する地点を加熱点とし、前記消耗電極がアークを発生する地点を溶接点とし、
前記ワイヤが前記加熱点から前記溶接点まで前記送給装置によって送られる時間を第１時間とすると、
溶接開始から前記第１時間が経過するより前の初期期間に溶接を行なうステップと、
溶接開始から前記第１時間が経過した後の定常期間において、前記初期期間よりも、溶接電流に対する前記ワイヤの送給速度の比の値を大きくして溶接を行なうステップとを備える、溶接方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、消耗電極ワイヤを用いる溶接装置および溶接方法に関する。

【背景技術】

【0002】

溶加材としてワイヤを用いるアーク溶接において、送給するワイヤを加熱して溶着速度（単位時間当たりに溶接される金属量）を上げる溶接方法が提案されている。

【0003】

たとえば特開平０８－１９２２７３（特許文献１）には、走行するワイヤ状の溶加材を加熱できる非消耗電極式アーク溶接装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平０８－１９２２７３

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記特開平０８－１９２２７３に開示された溶接装置は非消耗電極式であるが、消耗電極ワイヤを用いるアーク溶接においても、消耗電極ワイヤを予め加熱して送給することにより溶着量を増加させてもよい。

【0006】

消耗電極ワイヤを用いるアーク溶接の場合、溶接トーチからワイヤ先端が突き出した状態で溶接が終了または中断することが多い。したがって、溶接再開までに時間が経過すると、ワイヤを予め加熱する加熱部からワイヤ先端までの部分のワイヤ状の溶加材の温度が低下してしまう。したがって、溶接開始時または再開時には、溶加材に対する入熱量が不足し定常時よりも溶接品質が不安定になりやすいという課題がある。

【0007】

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、溶接開始時の溶接品質が向上した、消耗電極ワイヤを用いる溶接装置および溶接方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示は、溶接装置に関する。溶接装置は、消耗電極であるワイヤを送給する送給装置と、ワイヤを加熱する加熱装置と、ワイヤに溶接電流を供給する溶接電源と、溶接電源および送給装置を制御する制御装置とを備える。加熱装置がワイヤを加熱する地点を加熱点とし、消耗電極がアークを発生する地点を溶接点とし、ワイヤが加熱点から溶接点まで送給装置によって送られる時間を第１時間とすると、制御装置は、溶接開始から第１時間が経過するより前の初期期間では、溶接開始から第１時間が経過した後の定常期間よりも、ワイヤの送給速度の溶接電流に対する比の値を小さくする。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、消耗電極ワイヤを用いるアーク溶接方法を実行する際に、溶接開始時の溶接品質を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本実施の形態に係る溶接装置の構成を示すブロック図である。

【図2】トーチ周辺を拡大して示した図である。

【図3】初期期間においてワイヤの送給速度ＷＦの溶接電流Ｉに対する比の値を小さくする第１の制御例を示す波形図である。

【図4】初期期間においてワイヤの送給速度の溶接電流に対する比の値を小さくする第２の制御例を示す波形図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、複数の実施の形態について説明するが、各実施の形態で説明された構成を適宜組み合わせることは出願当初から予定されている。なお、図中同一また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。

【0012】

図１は、本実施の形態に係る溶接装置の構成を示すブロック図である。図１に示す溶接装置１は、消耗電極であるワイヤ２を用いるガスシールドアーク溶接を行なう溶接装置である。

【0013】

溶接装置１は、溶接電源装置１０と、送給装置３と、溶接トーチ４と、加熱装置４０とを備える。

【0014】

溶接電源装置１０は、電流検知部１２と、電圧検知部１８と、溶接電流設定部１３と、溶接電圧設定部１５と、溶接電源１１と、モータドライバ１７とを含む。制御装置５０は、溶接電流制御部１４と、ワイヤ送給速度制御部１６とを含む。

【0015】

溶接トーチ４は、ワイヤ２に電圧を与えるためのコンタクトチップを含む。図示しないシールドガス供給部によって、シールドガスが溶接トーチ４に供給される。シールドガスは、たとえば、アルゴン、ＣＯ_２などおよびこれらを含む混合ガスが用いられる。

【0016】

ユーザーが溶接の目標電流Ｉｓｅｔを溶接電流設定部１３に設定し、目標電圧Ｖｓｅｔを溶接電圧設定部１５に設定する。

【0017】

送給装置３は、ワイヤ２を溶接トーチ４に送給する。送給装置３は、ローラ３１と、モータ３２とを含む。ワイヤ送給速度制御部１６は、目標電流Ｉｓｅｔおよび目標電圧Ｖｓｅｔに基づいて、定常状態におけるワイヤ送給速度ＷＦを決定する。

【0018】

加熱装置４０は、アークによる熱に対して溶着量を増やしたときに不足する熱を補うために、予め溶接ワイヤを加熱する。加熱装置４０としては、誘導加熱を利用するもの、溶接電流とは別に電流をワイヤに流したときの（ジュール熱）で加熱するもの、電気ヒータで加熱するものなど、加熱装置であればどのようなものであってもよい。

【0019】

消耗電極ワイヤを用いるアーク溶接においては、一般に、アーク長を一定に保つために、溶接電源として定電圧特性の電源を用い、消耗電極ワイヤを一定速度で送給するように制御が行なわれる。

【0020】

このような消耗電極式アーク溶接法では、電流によりワイヤ送給速度が決定され、溶接電流とワイヤの送給速度とを独立して制御を行なうことができない。したがって、ワイヤ（溶加材）の溶着量を増加させるためにワイヤ送給速度を上げると、溶接電流もそれに伴って増加する。

【0021】

図２は、トーチ周辺を拡大して示した図である。加熱装置４０の位置は、特に限定されないが、図２では溶接トーチ４と送給ワイヤを通す送給ケーブル４２の端部との間に配置される。

【0022】

消耗電極ワイヤを用いるアーク溶接の場合、溶接トーチ４からワイヤ２先端が突き出した状態で溶接が終了または中断することが多い。したがって、溶接再開までに時間が経過すると、図２中に示すワイヤを予め加熱する加熱部からワイヤ先端までの部分（Ｌ１）の温度が低下してしまう。

【0023】

このため、溶接開始時または再開時にも定常状態と同じ制御を行なうと、溶加材に対する入熱量が不足し定常時よりも溶接品質が不安定になりやすい。

【0024】

したがって、本実施の形態では、溶接開始時または再開時には、定常状態と異なる制御を導入する。

【0025】

加熱装置４０を溶接トーチ４の内部、もしくは溶接トーチ４の周辺に設置することにより、消耗電極式のアーク溶接において、溶接電流を増加させることなくワイヤ溶融速度を増加させることができる。すなわち、アークによる単位入熱量当たりの溶着金属量を増加させることができる。ただし、溶接開始時、加熱装置４０から距離Ｌ１だけ母材６側に存在するワイヤ２は加熱されずに送給される。この部分のワイヤは、加熱装置４０からワイヤリール側に存在するワイヤに比べ、ワイヤ溶融速度が小さい。このため、ワイヤ送給速度と電流値を定常状態と同様に一定出力とすると、ワイヤの座屈等の原因となる。

【0026】

そこで、アークスタート制御後から、溶接開始時に距離Ｌ１部分に存在したワイヤ２がアークに達するまでの時間に、ワイヤ送給速度を低下させるか、平均溶接電流を増加させるか、またはこれらの両方を行なうことで、上記課題を解決する。

【0027】

具体的には、溶接開始時に、加熱装置４０がワイヤ２を加熱する加熱点Ｐ１から消耗電極がアークを発生する溶接点Ｐ２までの距離Ｌ１を、ワイヤ２が送給装置３によって送られる時間を第１時間とする。このとき図１の制御装置５０は、溶接開始時点から第１時間が経過するより前の初期期間では、溶接開始時点から第１時間が経過した後の定常期間よりも、ワイヤの送給速度ＷＦの溶接電流Ｉに対する比の値（ＷＦ／Ｉ）を小さくするように溶接電源１１および送給装置３を制御する。

【0028】

図３は、初期期間においてワイヤの送給速度ＷＦの溶接電流Ｉに対する比の値を小さくする第１の制御例を示す波形図である。図３の時刻ｔ１は、溶接トーチのスイッチがＯＮになり、ワイヤの送給が開始され、その後にワイヤ先端が母材と接触してアークが発生する溶接開始時点である。時刻ｔ１～ｔ３は、初期期間ＴＰ１であり、時刻ｔ３以降は定常期間ＴＰ２である。

【0029】

図３の例では、初期期間ＴＰ１および定常期間ＴＰ２において溶接電流Ｉは一定電流Ｉ０になるように制御される。一方、ワイヤの送給速度ＷＦは、溶接開始時点ではＦ１に制御され、時刻ｔ３以降の定常期間ＴＰ２ではＦ２（＞Ｆ１）に制御される。

【0030】

一例では、時刻ｔ１～ｔ３においては、送給速度ＷＦは、波形Ｗ１に示すように時刻ｔ１～ｔ２の間は一定速度Ｆ１とし、時刻ｔ２～ｔ３にかけて速度Ｆ１からＦ２に向けて送給速度ＷＦを増加させる。

【0031】

図３において速度Ｆ１、Ｆ２および時刻ｔ２，ｔ３はワイヤ２の材質、径、加熱条件、アークスタート制御仕様に対応させて予め値を定めておく。速度Ｆ１はワイヤ２の加熱がない場合の溶接電流Ｉに対する適切な送給速度であり、速度Ｆ２は加熱装置４０によるワイヤ２の加熱がある場合の溶接電流Ｉに対する適切な送給速度である。

【0032】

他の例では、時刻ｔ１～ｔ３においては、送給速度ＷＦは、波形Ｗ２に示すように時刻ｔ１～ｔ３にかけて速度Ｆ１からＦ２に向けて送給速度ＷＦを増加させるようにしても良い。なお、波形Ｗ１、Ｗ２では速度増加期間では直線的に速度が増加しているが、必ずしも直線的でなくても良い。

【0033】

図４は、初期期間においてワイヤの送給速度ＷＦの溶接電流Ｉに対する比の値を小さくする第２の制御例を示す波形図である。図４の時刻ｔ１１は、溶接トーチのスイッチがＯＮになり、ワイヤの送給が開始され、その後にワイヤ先端が母材と接触してアークが発生する溶接開始時点である。時刻ｔ１１～ｔ１３は、初期期間ＴＰ１であり、時刻ｔ１３以降は定常期間ＴＰ２である。

【0034】

図４の例では、初期期間ＴＰ１および定常期間ＴＰ２においてワイヤの送給速度ＷＦは、一定速度Ｆ０になるように制御される。一方、溶接電流Ｉは、溶接開始時点では電流Ｉ１に制御され、時刻ｔ１３以降の定常期間では電流Ｉ２（＜Ｉ１）に制御される。

【0035】

一例では、時刻ｔ１１～ｔ１３においては、溶接電流Ｉは、波形Ｗ３に示すように時刻ｔ１１～ｔ１２の間は一定電流Ｉ１とし、時刻ｔ１２～ｔ１３にかけて電流Ｉ１からＩ２に向けて溶接電流Ｉを増加させる。

【0036】

図４における電流Ｉ１，Ｉ２および時刻ｔ１２，ｔ１３は、ワイヤ２の材質、径、加熱条件、アークスタート制御仕様に対応させて予め値を定めておく。電流Ｉ１は、加熱装置４０による加熱がない場合のワイヤ送給速度Ｆ０に対する適切な溶接電流であり、電流Ｉ２は、加熱装置４０による加熱がある場合のワイヤ送給速度Ｆ０に対する適切な溶接電流である。なお、溶接電流により制御を行なう場合、応答性を考慮し、時刻ｔ１１～ｔ１３の区間は定電流制御を行なう。

【0037】

他の例では、時刻ｔ１１～ｔ１３においては、溶接電流Ｉは、波形Ｗ４に示すように時刻ｔ１１～ｔ１３にかけて電流Ｉ１からＩ２に向けて溶接電流Ｉを増加させるようにしても良い。なお、波形Ｗ３、Ｗ４では溶接電流を減少させる期間では直線的に電流が減少しているが、必ずしも直線的でなくても良い。

【0038】

以上説明した制御を用いた場合の時刻および速度の具体例を説明する。たとえば、送給速度ＷＦ＝６ｍ／分（１０ｃｍ／秒）、アーク発生点（溶接点）から誘導加熱する点の距離が仮にＬ１＝１０ｃｍとすると、初期期間ＴＰ１＝１秒間となり、この間は、加熱されていないワイヤが溶接点Ｐ２に送給されることとなる。したがって、図３に示すように、溶接開始直後から１秒間は、送給速度をＦ１に低くしてワイヤを送給し、ワイヤ送給量に対してのアークによる入熱量を増やすようにする。または図４に示すように、送給速度は変えないが１秒間は電流を増やして入熱量を増やすようにする。

【0039】

定常期間ＴＰ２に相当する１秒経過後は、誘導加熱等により加熱装置４０によって予熱されたワイヤ２が溶接点Ｐ２に供給されるので、図３に示すように送給速度をＦ２に上げる、または図４に示すように、溶接電流ＩをＩ２からＩ１に下げる。

【0040】

上記において、初期期間ＴＰ１は、アーク発生点（溶接点Ｐ２）から誘導加熱する点Ｐ１の距離Ｌ１と送給速度ＷＦとによって決まる。

【0041】

（実施例）
板厚１．６ｍｍ、ギャップ１．０ｍｍの合金化溶融亜鉛めっき鋼鈑（ＧＡ鋼板）の重ね隅肉継手において、溶接速度１．０ｍ／ｍｉｎ、溶接電流１００Ａ、ワイヤ送給速度３．０ｍ／ｍｉｎで溶接を行った場合、一般的なパルス溶接では溶着量が足りず、ビードが上板に架橋しなかった。

【0042】

一方、トーチ内部に設置した高周波誘導加熱装置によりワイヤの加熱を用い、図３に示したように、送給速度Ｆ１を３．０ｍ／ｍｉｎ、送給速度Ｆ２を４．０ｍ／ｍｉｎ、時間ｔ１～ｔ２を０．５秒、ｔ２～ｔ３を１．８秒、ｔ３～を２．０秒とし、同じ溶接電流と溶接速度で溶接を行った結果、上板と架橋し、良好なビード外観が得られた。

【0043】

（まとめ）
本開示は、図１に示す溶接装置１に関する。溶接装置１は、消耗電極であるワイヤ２を送給する送給装置３と、ワイヤ２を加熱する加熱装置４０と、ワイヤ２に溶接電流を供給する溶接電源１１と、溶接電源１１および送給装置３を制御する制御装置５０とを備える。加熱装置４０がワイヤ２を加熱する地点を加熱点とし、消耗電極がアークを発生する地点を溶接点とするとき、前記ワイヤが加熱点から溶接点まで送給装置３によって送られる時間を第１時間とする。制御装置５０は、溶接開始から第１時間が経過するより前の初期期間では、溶接開始から第１時間が経過した後の定常期間よりも、ワイヤ２の送給速度ＷＦの溶接電流Ｉに対する比の値を小さくする。

【0044】

このような構成とすることによって、溶接開始または再開時に低温となっているワイヤを用いて溶接する際に不足する熱が補われるため、溶接開始時または再開時の溶接品質を安定させることができる。

【0045】

好ましくは、図３に示すように、制御装置５０は、初期期間ＴＰ１（ｔ１～ｔ３）および定常期間ＴＰ２（ｔ３～）において、溶接電流が溶接速度に基づいて、一定値Ｉ０となるように溶接電流Ｉを設定する。制御装置５０は、初期期間ＴＰ１（ｔ１～ｔ３）では、定常期間ＴＰ２（ｔ３～）よりも、送給速度ＷＦを低く設定する。

【0046】

好ましくは、図４に示すように、制御装置５０は、初期期間ＴＰ１（ｔ１～ｔ３）および定常期間ＴＰ２（ｔ３～）において、送給速度ＷＦを一定値Ｆ０に設定する。制御装置５０は、初期期間ＴＰ１（ｔ１～ｔ３）では、定常期間ＴＰ２（ｔ３～）よりも、溶接電流Ｉを大きな値Ｉ１（＞Ｉ２）に設定する。

【0047】

本開示は、他の局面では、消耗電極であるワイヤ２を送給する送給装置３と、ワイヤ２を加熱する加熱装置４０と、ワイヤ２に溶接電流を供給する溶接電源１１とを備える溶接装置１を用いる溶接方法に関する。加熱装置４０がワイヤ２を加熱する地点を加熱点とし、消耗電極がアークを発生する地点を溶接点とする。ワイヤ２が加熱点から溶接点まで送給装置３によって送られる時間を第１時間とすると、溶接開始から第１時間が経過するより前の初期期間ＴＰ１（ｔ１～ｔ３）に溶接を行なうステップと、溶接開始から第１時間が経過した後の定常期間ＴＰ２（ｔ３～）において、初期期間ＴＰ１よりも、ワイヤ２の送給速度ＷＦの溶接電流Ｉに対する比の値を大きくして溶接を行なうステップとを備える。

【0048】

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0049】

１ 溶接装置、２ ワイヤ、３ 送給装置、４ 溶接トーチ、６ 母材、１０ 溶接電源装置、１１ 溶接電源、１２ 電流検知部、１３ 溶接電流設定部、１４ 溶接電流制御部、１５ 溶接電圧設定部、１６ ワイヤ送給速度制御部、１７ モータドライバ、１８ 電圧検知部、３１ ローラ、３２ モータ、４０ 加熱装置、４２ 送給ケーブル、５０ 制御装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】