特開 2023-167751 消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法

(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】P2023167751

(43)【公開日】2023-11-24

(54)【発明の名称】消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 10/00 20060101AFI20231116BHJP

   B23K 9/00 20060101ALI20231116BHJP

【ＦＩ】

B23K10/00 502C

B23K9/00 330A

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022079184

(22)【出願日】2022-05-13

(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】今井 雄太

(72)【発明者】

【氏名】山田 浩貴

(57)【要約】

【課題】消耗電極アーク溶接において、種々な溶接条件に対応して良好な溶接終了制御を行うこと。
【解決手段】溶接電源ＰＳに溶接終了信号Ｏｎが入力されると、溶接ワイヤの送給を停止へと導くと共に、ピーク電流及びベース電流の通電を１周期として通電して溶接を終了する消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法において、ピーク電流の値Ｉｐｒ及び／又は期間Ｔｐｒを、溶接ワイヤの脱酸成分の質量％Ｄｒに応じて変化させる。脱酸成分は、シリコン及びマンガンを合計した質量％である。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

溶接電源に溶接終了信号が入力されると、溶接ワイヤの送給を停止へと導くと共に、ピーク電流及びベース電流の通電を１周期として通電して溶接を終了する消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法において、
前記ピーク電流の値及び／又は期間を、前記溶接ワイヤの脱酸成分の質量％に応じて変化させる、
ことを特徴とする消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法。

【請求項2】

前記脱酸成分は、シリコン及びマンガンを合計した質量％である、
ことを特徴とする請求項１に記載の消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

消耗電極アーク溶接を終了するときに、溶接終了時のビード外観が良好になり、溶接ワイヤが溶融池に溶着（スチック）するのを防止し、溶接終了時に形成されるワイヤ先端粒のサイズを適正化して次のアークスタート性を良好にするための溶接終了制御（アンチスチック制御）が行われる。溶接終了制御は、溶接電源に溶接終了信号が入力されて、送給モータが慣性によって過渡的に減速して停止するまでの慣性期間における溶接電流及び溶接電圧の制御である。

【0003】

特許文献１及び２には、 溶接電源に溶接終了信号が入力されるとピーク電流及びベース電流の通電を１周期として通電して溶接を終了する消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法が開示されている。特許文献１は、消耗電極アーク溶接が直流アーク溶接の場合である。特許文献２は、消耗電極アーク溶接がパルスアーク溶接の場合である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００７－３１３５１３号公報

【特許文献2】特開２０１２－１３０９６１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来技術の消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法においては、炭素鋼、ステンレス鋼等の鉄侯の種類、タンサンガス１００％、アルゴンガス８０％＋炭酸ガス２０％の混合ガス等のシールドガスの種類に応じて溶接終了制御のパラメータを適正値に設定している。しかし、鉄鋼の種類及びシールドガスの種類が同一であり、ＪＩＳ規格が同じ溶接ワイヤを使用しても、溶接ワイヤの銘柄が異なると溶接終了制御の安定性がばらつき、溶接終了部の溶接品質が劣る場合が発生するという問題がある。

【0006】

そこで、本発明では、消耗電極アーク溶接において、同じＪＩＳ規格の溶接ワイヤであれば銘柄が異なっても、溶接状態を常に安定化することができる溶接終了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、
溶接電源に溶接終了信号が入力されると、溶接ワイヤの送給を停止へと導くと共に、ピーク電流及びベース電流の通電を１周期として通電して溶接を終了する消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法において、
前記ピーク電流の値及び／又は期間を、前記溶接ワイヤの脱酸成分の質量％に応じて変化させる、
ことを特徴とする消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法である。

【0008】

請求項２の発明は、
前記脱酸成分は、シリコン及びマンガンを合計した質量％である、
ことを特徴とする請求項１に記載の消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法である。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、消耗電極アーク溶接において、同じＪＩＳ規格の溶接ワイヤであれば銘柄が異なっても、溶接状態を常に安定化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

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

【図2】本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法を示す図１の溶接電源における各信号のタイミングチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

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。

【0012】

図１は、本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法を実施するための溶接電源ＰＳ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。

【0013】

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、後述する駆動信号Ｄｖに従ってインバータ制御等の出力制御を行い、アーク溶接に適した溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力する。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次整流回路、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上記の駆動信号Ｄｖによって駆動されるインバータ回路、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トランス、降圧された高周波交流を直流に整流する２次整流回路、整流された直流を平滑するリアクトルを備えている。

【0014】

溶接ワイヤ１は、送給モータＭに結合された送給ロール５の回転によって溶接トーチ４内を送給されて、ワーク２との間にアーク３が発生する。溶接ワイヤ１とワーク２との間には溶接電圧Ｖｗが印加され、溶接電流Ｉｗが通電する。溶接トーチ４の先端からはシールドガス(図示は省略)が噴出される。シールドガスは、アルゴンガス、アルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガス、アルゴンガスと酸素との混合ガス等である。

【0015】

溶接開始・終了回路ＯＮは、溶接を開始するときにＨｉｇｈレベル（溶接開始信号）となり、溶接を終了するときにＬｏｗレベル(溶接終了信号)となる溶接開始・終了信号Ｏｎを出力する。この回路は、溶接トーチ４に取り付けられたスイッチである。また、この回路は、ロボット溶接の場合はロボット制御装置に内蔵されている。

【0016】

溶接電流設定回路ＩＲは、予め定めた溶接電流設定信号Ｉｒを出力する。

【0017】

送給速度設定回路ＦＲは、上記の溶接電流設定信号Ｉｒを入力として、予め定めた電流・送給速度変換関数によって算出された送給速度設定信号Ｆｒを出力する。

【0018】

送給制御回路ＦＣは、上記の溶接開始・終了信号Ｏｎ及び上記の送給速度設定信号Ｆｒを入力として、溶接開始・終了信号ＯｎがＨｉｇｈレベル（溶接開始信号）のときは溶接ワイヤ１を送給速度設定信号Ｆｒによって設定された送給速度Ｆｗで定速送給し、溶接開始・終了信号ＯｎがＬｏｗレベル（溶接終了信号）に変化すると送給モータＭを停止させるための送給制御信号Ｆｃを出力する。溶接開始・終了信号ＯｎがＬｏｗレベル（溶接終了信号）に変化すると、送給速度Ｆｗは慣性によって次第に減速して停止する。この減速する期間が慣性期間となる。

【0019】

送給モータＭは、上記の送給制御信号Ｆｃによって回転速度が制御されて、溶接ワイヤ１を送給速度Ｆｗで送給する。

【0020】

溶接電圧設定回路ＶＲは、予め定めた溶接電圧設定信号Ｖｒを出力する。溶接電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗを検出して、溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の溶接電圧設定信号Ｖｒと上記の溶接電圧検出信号Ｖｄとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。

【0021】

ＪＩＳ規格設定回路ＪＲは、溶接作業者が使用する溶接ワイヤのＪＩＳ規格を入力すると、ＪＩＳ規格設定信号Ｊｒとして出力する。例えば、アルゴンと炭酸ガスとの混合ガスを使用するマグ溶接の場合、主にＪＩＳ規格のＹＧＷ１５又はＹＧＷ１６の溶接ワイヤが使用される。

【0022】

脱酸成分基準値回路ＤＳは、上記のＪＩＳ規格設定信号Ｊｒを入力として、ＪＩＳ規格設定信号Ｊｒに対応して予め記憶されている主な脱酸成分であるシリコンとマンガンの合計の質量％を脱酸成分基準値信号Ｄｓとして出力する。ＪＩＳ規格設定信号Ｊｒに対応したシリコンとマンガンの合計の質量％が規格表を参考にして予め設定されている。

【0023】

脱酸成分設定回路ＤＲは、溶接作業者が使用する溶接ワイヤの銘柄のシリコンとマンガンの合計の質量％を入力すると、脱酸成分設定信号Ｄｒとして出力する。溶接作業者は、使用する溶接ワイヤの銘柄のカタログを参考にして、シリコンとマンガンの合計の質量％を入力する。

【0024】

脱酸成分差分回路Ｅｄは、上記の脱酸成分設定信号Ｄｒと上記の脱酸成分基準値信号Ｄｓとの差分値（Ｄｒ－Ｄｓ）を算出して、脱酸成分差分信号Ｅｄを出力する。

【0025】

所定回数設定回路ＮＲは、上記の溶接電流設定信号Ｉｒを入力として、溶接電流設定信号Ｉｒに対応した所定回数設定信号Ｎｒを出力する。例えば、Ｉｒ＝５０ＡのときはＮｒ＝３とし、Ｉｒ＝１００ＡのときはＮｒ＝４とする。

【0026】

ピーク期間設定回路ＴＰＲは、上記のＪＩＳ規格設定信号Ｊｒ及び上記の脱酸成分差分信号Ｅｄを入力として、ＪＩＳ規格設定信号Ｊｒに対応して予め設定されているピーク期間基準値Ｔp0に対してＴp0＋Ｇ１・Ｅｄの補正を行い、ピーク期間設定信号Ｔprを出力する。ここで、Ｇ１は脱酸成分差分信号Ｅｄの値を、ピーク期間に対する補正値へと変換するための予め定めた正の定数である。したがって、使用する溶接ワイヤの脱酸成分の質量％が基準値よりも第である場合（Ｅｄ＞０の場合）には、ピーク期間設定信号Ｔprはピーク期間基準値Ｔp0よりも大きな値へと補正される。逆の場合は、小さな値へと補正される。

【0027】

ピーク電流設定回路ＩＰＲは、上記のＪＩＳ規格設定信号Ｊｒ及び上記の脱酸成分差分信号Ｅｄを入力として、ＪＩＳ規格設定信号Ｊｒに対応して予め設定されているピーク電流基準値Ｉp0に対してＩp0＋Ｇ２・Ｅｄの補正を行い、ピーク電流設定信号Ｉprを出力する。ここで、Ｇ２は脱酸成分差分信号Ｅｄの値を、ピーク電流に対する補正値へと変換するための予め定めた正の定数である。したがって、使用する溶接ワイヤの脱酸成分の質量％が基準値よりも第である場合（Ｅｄ＞０の場合）には、ピーク電流設定信号Ｉprはピーク電流基準値Ｉp0よりも大きな値へと補正される。逆の場合は、小さな値へと補正される。

【0028】

パルス電流設定回路ＩＣＲは、後述する切換制御信号Ｓｃ、上記の所定回数設定信号Ｎｒ、上記のピーク期間設定信号Ｔpr及び上記のピーク電流設定信号Ｉprを入力として、切換制御信号ＳｃがＬｏｗレベルに変化した時点から、ピーク期間設定信号Ｔprによって設定されたピーク期間中はピーク電流設定信号Ｉprの値となり、予め定めたベース期間中は予め定めたベース電流設定値となる信号を１周期として、所定回数設定信号Ｎｒの値だけ繰り返すパルス電流設定信号Ｉcrを出力すると共に、繰り返しが終了すると短時間Ｈｉｇｈレベルとなる停止信号Ｏffを出力する。

【0029】

溶接電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｗを検出して、溶接電流検出信号Ｉｄを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記のパルス電流設定信号Ｉcrと溶接電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。

【0030】

アーク期間計測回路ＴＡは、短絡が解除されてアークが再発生した時点からのアーク期間の経過時間を計測して、アーク期間計測信号Ｔａを出力する。

【0031】

切換制御回路ＳＣは、上記の溶接開始・終了信号Ｏｎ及び上記のアーク期間計測信号Ｔａを入力として、溶接開始・終了信号ＯｎがＨｉｇｈレベル(溶接開始)に変化するとＨｉｇｈレベルに変化し、Ｌｏｗレベル(溶接終了)に変化した後にアーク期間計測信号Ｔａの値が予め定めた遅延時間Ｔｄの値と等しくなった時点でＬｏｗレベルに変化する切換制御信号Ｓｃを出力する。遅延時間Ｔｄは、５ms程度であり、０秒に設定して遅延しないようにしても良い。

【0032】

切換回路ＳＷは、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖ、上記の電流誤差増幅信号Ｅｉ及び上記の切換制御信号Ｓｃを入力として、切換制御信号ＳｃがＨｉｇｈレベル（定常溶接期間）のときはａ側に切り換わり電圧誤差増幅信号Ｅｖを誤差増幅信号Ｅａとして出力し、Ｌｏｗレベル（パルス電流通電期間）のときはｂ側に切り換わり電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。したがって、切換制御信号ＳｃがＨｉｇｈレベルのときは一般的な消耗電極アーク溶接電源と同様に定電圧制御となり、Ｌｏｗレベルのときは定電流制御となりピーク電流及びベース電流から形成されるパルス電流が所定回数だけ通電する。

【0033】

駆動回路ＤＶは、上記の溶接開始・終了信号Ｏｎ、上記の停止信号Ｏff及び上記の誤差増幅信号Ｅａを入力として、溶接開始・終了信号ＯｎがＨｉｇｈレベルに変化した時点から停止信号Ｏffが短時間Ｈｉｇｈレベルに変化するまでの期間中は、誤差増幅信号Ｅａに基づいてＰＷＭ変調制御を行い、駆動信号Ｄｖを出力する。したがって、溶接電源ＰＳは、溶接開始・終了信号ＯｎがＨｉｇｈレベルに変化した時点から出力を開始し、溶接開始・終了信号ＯｎがＬｏｗレベルに変化して所定回数のパルス電流が通電した時点で停止信号Ｏffが短時間Ｈｉｇｈレベルとなり出力を停止する。

【0034】

図２は、本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法を示す図１の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）は溶接開始・終了信号Ｏｎの時間変化を示し、同図（Ｂ）は送給速度Ｆｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｄ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｅ）は切換制御信号Ｓｃの時間変化を示し、同図（Ｆ）は停止信号Ｏffの時間変化を示す。以下、同図を参照して各信号の動作について説明する。

【0035】

時刻ｔ１において、同図（Ａ）に示すように、溶接開始・終了信号ＯｎがＨｉｇｈレベル(溶接開始)からＬｏｗレベル(溶接終了)に変化すると、溶接終了制御(アンチスティック制御)が開始する。これに応動して、図１の送給モータＭは停止動作に移行し、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは慣性によって次第に減速して時刻ｔ４で０となる。時刻ｔ１～ｔ４の期間が慣性期間となり、５０～１００ms程度である。

【0036】

時刻ｔ１の直前に発生した短絡が解除されてアークが再発生した時点からのアーク期間の経過時間が予め定めた遅延時間Ｔｄに達する時刻ｔ２において、同図（Ｅ）に示すように、切換制御信号ＳｃがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変化する。これに応動して、パルス電流通電期間に入り、同図（Ｃ）に示すように、ピーク期間中のピーク電流及び予め定めたベース期間中の予め定めたベース電流から形成されるパルス電流を１周期として所定回数繰り返して溶接電流Ｉｗが通電する。上記のピーク期間は、図１のピーク期間設定信号Ｔprによって設定される。上記のピーク電流は、図１のピーク電流設定信号Ｉprによって設定される。ピーク期間設定信号Ｔpr及びピーク電流設定信号Ｉprの補正方法については、後述する。同図（Ｄ）に示すように、溶接電圧Ｖｗについても、ピーク期間中のピーク電圧及びベース期間中のベース電圧が溶接ワイヤとワークとの間に印加する。ピーク電圧及びベース電圧はアーク長に比例した値となる。例えば、ピーク期間は１．５ms程度であり、ピーク電流は４００Ａ程度であり、ベース期間は８ms程度であり、ベース電流は５０Ａ程度である。これらのパラメータは図１のパルス電流設定信号Ｉcrによって設定され、１周期ごとに一つの溶滴が移行する状態となるように設定される。

【0037】

時刻ｔ３において、所定回数のパルス電流の通電が終了すると、同図（Ｆ）に示すように、停止信号Ｏffが短時間Ｈｉｇｈレベルとなる。これに応動して、溶接電源は出力を停止するので、同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗは０Ａとなり、同図（Ｄ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは０Ｖとなる。同図では、時刻ｔ３は、送給速度Ｆｗの慣性期間が終了する時刻ｔ４の直前となっているが、直後となる場合もある。時刻ｔ３は、時刻ｔ４の近傍の時刻となる。

【0038】

パルス電流を繰り返す所定回数は、図１の所定回数設定信号Ｎｒによって設定される。所定回数設定信号Ｎｒは、図１の溶接電流設定信号Ｉｒに対応して自動設定される。

【0039】

上述した実施の形態においては、定常溶接期間が直流アーク溶接(短絡移行アーク溶接)の場合について説明したが、パルスアーク溶接であっても良い。

【0040】

以下、ピーク期間設定信号Ｔpr及びピーク電流設定信号Ｉprの補正方法について説明する。
１）図１のＪＩＳ規格設定回路ＪＲに対して、溶接作業者が、使用する溶接ワイヤのＪＩＳ規格を入力すると、ＪＩＳ規格設定信号Ｊｒが出力される。
２）図１の脱酸成分基準値回路ＤＳは、上記のＪＩＳ規格設定信号Ｊｒに対応した予め記憶されている主な脱酸成分であるシリコンとマンガンの合計の質量％を脱酸成分基準値信号Ｄｓとして出力する。
３）図１の脱酸成分設定回路ＤＲに対して、溶接作業者が、使用する溶接ワイヤの銘柄のシリコンとマンガンの合計の質量％を入力すると、脱酸成分設定信号Ｄｒが出力される。
４）図１の脱酸成分差分回路Ｅｄは、上記の脱酸成分設定信号Ｄｒと上記の脱酸成分基準値信号Ｄｓとの差分値（Ｄｒ－Ｄｓ）を算出して、脱酸成分差分信号Ｅｄを出力する。
５）図１のピーク期間設定回路ＴＰＲは、上記のＪＩＳ規格設定信号Ｊｒに対応して予め設定されているピーク期間基準値Ｔp0に対してＴp0＋Ｇ１・Ｅｄの補正を行い、ピーク期間設定信号Ｔprを出力する。
６）図１のピーク電流設定回路ＩＰＲは、上記のＪＩＳ規格設定信号Ｊｒに対応して予め設定されているピーク電流基準値Ｉp0に対してＩp0＋Ｇ２・Ｅｄの補正を行い、ピーク電流設定信号Ｉprを出力する。

【0041】

使用する溶接ワイヤに含まれている脱酸成分の質量％がその規格の基準値に対して多い場合には、ピーク期間及び／又はピーク電流が大きくなるように補正している。逆に、基準値よりも少ない場合には、ピーク期間及び／又はピーク電流が小さくなるように補正している。このように補正することによって、溶接終了制御の安定化を図っている。

【0042】

本実施の形態では、同じＪＩＳ規格の溶接ワイヤに対しても、銘柄が異なる場合には、その銘柄に含まれている脱酸成分の質量％に応じて、溶接終了制御のピーク期間及び／又はピーク電流を最適化することができる。脱酸成分の主なものはシリコンとマンガンであるので、両者を対象としている。この結果、常に安定した溶接終了制御を行うことができるので、溶接終了部の溶接品質を良好にすることができる。上述した実施の形態では、ピーク期間及びピーク電流の両値を適正化する場合について説明したが、どちらか一方だけを適正化するようにしても良い。

【符号の説明】

【0043】

１ 溶接ワイヤ
２ ワーク
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
ＤＲ 脱酸成分設定回路
Ｄｒ 脱酸成分設定信号
ＤＳ 脱酸成分基準値回路
Ｄｓ 脱酸成分基準値信号
ＤＶ 駆動回路
Ｄｖ 駆動信号
Ｅａ 誤差増幅信号
ＥＤ 脱酸成分差分回路
Ｅｄ 脱酸成分差分信号
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＶ 電圧誤差増幅回路
Ｅｖ 電圧誤差増幅信号
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
Ｆｗ 送給速度
ＩＤ 溶接電流検出回路
Ｉｄ 溶接電流検出信号
ＩＣＲ パルス電流設定回路
Ｉcr パルス電流設定信号
ＩＰＲ ピーク電流設定回路
Ｉpr ピーク電流設定信号
ＩＲ 溶接電流設定回路
Ｉｒ 溶接電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＪＲ ＪＩＳ規格設定回路
Ｊｒ ＪＩＳ規格設定信号
Ｍ 送給モータ
ＮＲ 所定回数設定回路
Ｎｒ 所定回数設定信号
Ｏff 停止信号
ＯＮ 溶接開始・終了回路
Ｏｎ 溶接開始・終了信号
ＰＭ 電源主回路
ＰＳ 溶接電源
ＳＣ 切換制御回路
Ｓｃ 切換制御信号
ＳＷ 切換回路
ＴＡ アーク期間計測回路
Ｔａ アーク期間計測信号
Ｔｄ 遅延時間
ＴＰＲ ピーク期間設定回路
Ｔpr ピーク期間設定信号
ＶＤ 溶接電圧検出回路
Ｖｄ 溶接電圧検出信号
ＶＲ 溶接電圧設定回路
Ｖｒ 溶接電圧設定信号
Ｖｗ 溶接電圧

【図1】

【図2】