特開 2023-179161 積層造形溶接方法および積層造形溶接装置

(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】P2023179161

(43)【公開日】2023-12-19

(54)【発明の名称】積層造形溶接方法および積層造形溶接装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/095 20060101AFI20231212BHJP

   B23K 9/04 20060101ALI20231212BHJP

   B23K 9/032 20060101ALI20231212BHJP

   B23K 9/12 20060101ALI20231212BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20231212BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20231212BHJP

   B33Y 50/02 20150101ALI20231212BHJP

【ＦＩ】

B23K9/095 510A

B23K9/04 G

B23K9/04 Z

B23K9/032 Z

B23K9/12 305

B23K9/095 505B

B33Y10/00

B33Y30/00

B33Y50/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022092290

(22)【出願日】2022-06-07

(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

【テーマコード（参考）】

4E081

【Ｆターム（参考）】

4E081AA02

4E081BA08

4E081BB04

4E081BB15

4E081CA08

4E081CA10

(57)【要約】

【課題】定電圧特性を有する電源を用いる積層造形のためのアーク溶接において、ハンピングビードの発生を抑制する積層造形溶接方法を提供する。
【解決手段】
定電圧特性を有する電源装置１０によって消耗電極ワイヤ２に溶接電流Ｉｗを印加する積層造形溶接方法である。積層造形溶接方法は、消耗電極ワイヤと母材との間の溶接電圧Ｖｗを取得するステップＳ１００と、溶接電圧の上昇量が所定の上昇基準を越えたか否かを判定するステップＳ１０１と、溶接電圧の上昇量が前記所定の上昇基準を越えない場合、定電圧制御により溶接電圧を制御するステップＳ１０３と、溶接電圧の上昇量が所定の上昇基準を越えた場合、定電圧制御により溶接電圧を制御し、かつ、溶接電流の値を増加させるステップと含む。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

定電圧特性を有する電源装置によって消耗電極ワイヤに溶接電流を印加する積層造形溶接方法であって、
前記消耗電極ワイヤと母材との間の溶接電圧を取得するステップと、
前記溶接電圧の上昇量が所定の上昇基準を越えたか否かを判定するステップと、
前記溶接電圧の上昇量が前記所定の上昇基準を越えない場合、定電圧制御により前記溶接電圧を制御するステップと、
前記溶接電圧の上昇量が前記所定の上昇基準を越えた場合、定電圧制御により前記溶接電圧を制御し、かつ、前記溶接電流の値を増加させるステップと含む、積層造形溶接方法。

【請求項2】

前記溶接電流の値を増加させるステップは、前記消耗電極ワイヤの送給速度を上昇させる処理を含む、請求項１に記載の積層造形溶接方法。

【請求項3】

前記溶接電流の値を増加させるステップは、前記電源装置の目標電圧を上昇させる処理を含む、請求項１に記載の積層造形溶接方法。

【請求項4】

前記溶接電圧の上昇量が前記所定の上昇基準を越えた後に、前記溶接電圧の減少量が所定の減少基準を越えたか否かを判定するステップと、
前記溶接電圧の減少量が前記所定の減少基準を越えない場合、定電圧制御により前記溶接電圧を制御するステップと、
前記溶接電圧の減少量が前記所定の減少基準を越えた場合、定電圧制御により前記溶接電圧を制御し、かつ、前記目標電圧を減少させるステップとをさらに含む、請求項３に記載の積層造形溶接方法。

【請求項5】

消耗電極ワイヤに溶接電流を印加するアーク溶接を行う積層造形溶接装置であって、
溶接トーチと、
定電圧特性を有する電源装置と、
前記溶接トーチに前記消耗電極ワイヤを送給する送給装置とを備え、
前記電源装置は、
前記消耗電極ワイヤと母材との間の溶接電圧を検出する溶接電圧検出回路と、
前記溶接電圧の値および前記溶接電流の値を制御する制御装置とを含み、
前記制御装置は、
前記溶接電圧検出回路によって検出された前記溶接電圧を取得し、
前記溶接電圧の上昇量が所定の上昇基準を越えない場合、定電圧制御により前記溶接電圧を制御し、
前記溶接電圧の上昇量が前記所定の上昇基準を越えた場合、定電圧制御により前記溶接電圧を制御し、かつ、前記溶接電流の値を増加させる、積層造形溶接装置。

【請求項6】

前記制御装置は、
前記溶接電圧の上昇量が前記所定の上昇基準を超えた場合、前記消耗電極ワイヤの送給速度を上昇させる、請求項５に記載の積層造形溶接装置。

【請求項7】

前記制御装置は、
前記溶接電圧の上昇量が前記所定の上昇基準を超えた場合、前記電源装置の目標電圧を上昇させる、請求項５に記載の積層造形溶接装置。

【請求項8】

前記制御装置は、
前記溶接電圧の上昇量が前記所定の上昇基準を超えた後に、検出された前記溶接電圧を取得し、
前記溶接電圧の減少量が所定の減少基準を越えない場合、定電圧制御により前記溶接電圧を制御し、
前記溶接電圧の減少量が前記所定の減少基準を越えた場合、定電圧制御により溶接電圧を制御し、かつ、前記目標電圧を減少させる、請求項７に記載の積層造形溶接装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、積層造形溶接方法および積層造形溶接装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、アーク溶接によって３次元の積層造形物を製造する技術が知られている。このようなアーク溶接では、溶着ビードを重ねて溶接することによって積層造形物が製造される。特許文献１（特開２０２２－０２０３９４号公報）には、溶着ビードを積層する下地部分の形状を非接触により計測して、計測結果に基づいてアーク溶接を行うロボットアームを制御する製造システムが開示されている。

【0003】

アークの形状が不安定な状態でアーク溶接が行われると、アーク溶接によって製造される積層造形物の表面形状も不安定となり、積層精度は低下し得る。そのため、このようなアーク溶接では、アークの形状を安定させるためにアーク長を一定に保つ定電圧特性を有する電源が用いられ得る。定電圧特性によるアーク溶接では、印加される溶接電圧の値が一定となるように制御されることによって、ワイヤの供給速度と溶融速度とが平衡状態となったときのアーク長が一意に定まる。このような定電圧特性は、アーク長の自己制御作用として知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２２－０２０３９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、定電圧特性の電源を有する積層造形溶接装置において、積層造形物の表面にハンピングビードという種類の不整ビードが形成されてしまうことがある。ハンピングビードが生じる場合、積層造形物の表面には、不連続なこぶ状の隆起が形成されてしまう。ハンピングビードは、下地部分への入熱不足に起因して発生する。

【0006】

下地部分が低熱状態であること、またはワイヤ送給速度が遅くなることなどの外因によって、アーク長は意図せずに増大し得る。アーク長が増大すれば、定電圧特性の電源においては溶接電流の値が小さくなる。溶接電流の値の減少によって下地部分における入熱不足の状態が継続すると、積層造形物の表面に、不連続なこぶ形状のハンピングビードが発生してしまう。

【0007】

本開示は、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、定電圧特性を有する電源を用いる積層造形のためのアーク溶接において、ハンピングビードの発生を抑制することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示のある局面に係る積層造形溶接方法は、定電圧特性を有する電源装置によって消耗電極ワイヤに溶接電流を印加する積層造形溶接方法に関する。溶接方法は、消耗電極ワイヤと母材との間の溶接電圧を取得するステップと、溶接電圧の上昇量が所定の上昇基準を越えたか否かを判定するステップと、溶接電圧の上昇量が所定の上昇基準を越えない場合、定電圧制御により溶接電圧を制御するステップと、溶接電圧の上昇量が所定の上昇基準を越えた場合、定電圧制御により溶接電圧を制御し、かつ、溶接電流の値を増加するステップと含む。

【0009】

好ましくは、溶接電流の値を増加するステップは、消耗電極ワイヤの送給速度を上昇させる処理を含む。

【0010】

好ましくは、溶接電流の値を増加するステップは、電源装置の目標電圧を上昇させる処理を含む。

【0011】

好ましくは、溶接電圧の上昇量が所定の上昇基準を越えた後に、溶接電圧の減少量が所定の減少基準を越えたか否かを判定するステップと、溶接電圧の減少量が所定の減少基準を越えない場合、定電圧制御により溶接電圧を制御するステップと、溶接電圧の減少量が所定の減少基準を越えた場合、定電圧制御により溶接電圧を制御し、かつ、目標電圧を減少させるステップとをさらに含む。

【0012】

本開示の他の局面に係る積層造形溶接装置は、消耗電極ワイヤに溶接電流を印加するアーク溶接を行う積層造形溶接装置に関する。積層造形溶接装置は、溶接トーチと、定電圧特性を有する電源装置と、溶接トーチに消耗電極ワイヤを送給する送給装置とを備える。電源装置は、消耗電極ワイヤと母材との間の溶接電圧を検出する溶接電圧検出回路と、溶接電圧の値および溶接電流の値を制御する制御装置とを含む。制御装置は、溶接電圧検出回路によって検出された溶接電圧を取得し、溶接電圧の上昇量が所定の上昇基準を越えない場合、定電圧制御により溶接電圧を制御し、溶接電圧の上昇量が所定の上昇基準を越えた場合、定電圧制御により溶接電圧を制御し、かつ、溶接電流の値を増加する。

【0013】

好ましくは、制御装置は、溶接電圧の上昇量が所定の上昇基準を超えた場合、消耗電極ワイヤの送給速度を上昇させる。

【0014】

好ましくは、制御装置は、溶接電圧の上昇量が所定の上昇基準を超えた場合、電源装置の目標電圧を上昇させる。

【0015】

好ましくは、制御装置は、溶接電圧の上昇量が所定の上昇基準を超えた後に、検出された溶接電圧を取得し、溶接電圧の減少量が所定の減少基準を越えない場合、定電圧制御により溶接電圧を制御し、溶接電圧の減少量が所定の減少基準を越えた場合、定電圧制御により溶接電圧を制御し、かつ、目標電圧を減少させる。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、定電圧特性を有する電源を用いる積層造形のためのアーク溶接において、ハンピングビードの発生を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】実施の形態１に係る積層造形溶接装置の構成を示すブロック図である。

【図2】ハンピングビードの発生要因の一例を説明するための第１図である。

【図3】ハンピングビードの発生要因の一例を説明するための第２図である。

【図4】実施の形態１の定電圧特性における制御を説明するための図である。

【図5】実施の形態１における溶接電流、溶接電圧、およびワイヤ送給速度のタイミングチャートを示す図である。

【図6】実施の形態１における制御装置の処理手順を示すフローチャートである。

【図7】実施の形態２の定電圧特性における制御を説明するための図である。

【図8】実施の形態２における溶接電流、溶接電圧、およびワイヤ送給速度のタイミングチャートを示す図である。

【図9】実施の形態２における制御装置の処理手順を示すフローチャートである。

【図10】実施の形態２における後処理を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0018】

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。

【0019】

［実施の形態１］
図１は、実施の形態１に係る積層造形溶接装置１の構成を示すブロック図である。図１に示す積層造形溶接装置１は、消耗電極ワイヤ２を用いるガスシールドアーク溶接を行う積層造形溶接装置である。実施の形態１に係る積層造形溶接装置１では、短絡移行溶接等が行われる。実施の形態１の積層造形溶接方法では、アーク溶接に用いられる溶材として消耗電極ワイヤ２が用いられる。

【0020】

積層造形溶接装置１は、電源装置１０と、ワイヤ送給装置３と、溶接トーチ４とを備える。電源装置１０は、所定の設定電圧を保持するように制御する定電圧特性を有する電源である。電源装置１０は、溶接電流Ｉｗを消耗電極ワイヤ２に印加する。また、電源装置１０は、消耗電極ワイヤ２の供給速度を調整する。ワイヤ送給装置３は、溶材として用いられる消耗電極ワイヤ２を溶接トーチ４に送給する。

【0021】

電源装置１０は、溶接電源１１と、電流検出回路１２と、制御装置１４と、溶接電圧設定部１５と、電圧検出回路１６と、モータドライバ１７と、ワイヤ送給速度制御装置１８と、溶接電流設定部１９とを含む。

【0022】

溶接電源１１は、溶接電流Ｉｗを消耗電極ワイヤ２に供給する。溶接電源１１は、系統電源から供給された電力をアーク溶接に用いることが可能な電力に変換する装置を含む。溶接トーチ４は、消耗電極ワイヤ２に電圧を与えるためのコンタクトチップを含む。溶接トーチ４には、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供給される。シールドガスは、たとえば、アルゴン、ＣＯ２などおよびこれらを含む混合ガスが用いられる。

【0023】

実施の形態１における積層造形溶接装置１では、溶接ビードを積層して積層造形物を形成する。図１に示される例では、既に第１層Ｐｅ１と第２層Ｐｅ２とが形成されている。第２層Ｐｅ２は、第１層Ｐｅ１の上方に形成されている。図１には、第２層Ｐｅ２の上方にさらに第３層Ｐｅ３が形成される過程が示されている。

【0024】

ワイヤ送給装置３は、ローラ３１とモータ３２とを含む。ワイヤ送給速度制御装置１８は、目標電流Ｉｓｅｔに基づいてワイヤ送給速度ＷＦの初期値を決定する。モータドライバ１７は、ワイヤ送給速度制御装置１８によって制御され、ワイヤ送給装置３のモータ３２を動作させる。モータドライバ１７は、たとえばインバータ回路である。

【0025】

消耗電極ワイヤ２に溶接電圧Ｖｗが印加された状態でワイヤ送給装置３により消耗電極ワイヤ２の送給が開始されることで消耗電極ワイヤ２の先端が母材に接触する。その後、消耗電極ワイヤ２の先端が溶融し消耗電極ワイヤ２と母材とが離れたときに、アーク２０は発生する。以下では、アーク２０の長さをアーク長Ｌと称する。

【0026】

溶接電圧設定部１５は、ユーザから受け付けた電圧値の初期値を目標電圧Ｖｓｅｔとして設定する。制御装置１４は、溶接電圧設定部１５によって設定された目標電圧Ｖｓｅｔを受信する。溶接電流設定部は、ユーザから受け付けた電流値の初期値を目標電流Ｉｓｅｔとして設定する。ワイヤ送給速度制御装置１８は、溶接電流設定部１９によって設定された目標電流Ｉｓｅｔを受信する。

【0027】

上述したように、実施の形態１における電源装置１０は、定電圧特性を有する。制御装置１４は、印加される溶接電圧Ｖｗを一定に制御することにより、ワイヤの送給速度ＷＦと溶融速度とが平衡状態となったときのアーク長Ｌが一定になるように制御する。すなわち、制御装置１４は、コンタクトチップと母材との間の溶接電圧Ｖｗが目標電圧Ｖｓｅｔとなるように制御されて、アーク長Ｌは一定に保持される。

【0028】

以下では、定電圧特性によりアーク長Ｌが一定に保持されることについて、アーク長Ｌが増大したときとアーク長Ｌが減少したときとに分けて説明する。溶接電圧Ｖｗが印加されることによってアーク２０が形成された後、アーク長Ｌは外乱によってわずかに変化し得る。

【0029】

これらの外乱によってアーク長Ｌがわずかに増大した場合、溶接電圧Ｖｗが増加する。制御装置１４は、アーク長Ｌを減少させて溶接電圧Ｖｗが一定になるように制御する。その結果、アーク長の自己制御作用によって溶接電流Ｉｗの値は低下し、ワイヤ溶融速度が遅くなることで、溶接トーチ４から突き出す消耗電極ワイヤ２の長さが増長する。すなわち、外乱により増大していたアーク長Ｌは、減少して元の長さに戻る。

【0030】

これに対して、外乱によってアーク長Ｌがわずかに減少した場合、溶接電圧Ｖｗが減少する。制御装置１４はアーク長Ｌを増加させて溶接電圧Ｖｗが一定になるように制御する。その結果、アーク長の自己制御作用によって溶接電流Ｉｗの値は増加し、ワイヤ溶融速度が速くなることで、溶接トーチ４から突き出す消耗電極ワイヤ２の長さが減少する。すなわち、外乱により減少していたアーク長Ｌは、増長して元の長さに戻る。

【0031】

定電圧特性を有する電源装置１０では、アーク長Ｌが増加および減少した場合に、ワイヤ送給速度ＷＦと消耗電極ワイヤ２の溶融速度との関係からアーク長Ｌは元の長さに戻ろうとする。すなわち、溶接電圧Ｖｗの値に応じてワイヤ送給速度ＷＦと消耗電極ワイヤ２の溶融速度とが平衡状態にとなるアーク長Ｌは、溶接電圧Ｖｗの値とワイヤ送給速度ＷＦとから一意に定まる。

【0032】

このように、制御装置１４は溶接電圧Ｖｗを一定に制御することによってアーク長Ｌを一定の長さに保持できる。以下では、このような定電圧特性によってアーク長Ｌの長さを一定に保つために溶接電圧Ｖｗを一定とする制御を「定電圧制御」と称する。

【0033】

定電圧特性を有する電源装置１０では、上述したように、外乱などによりアーク長Ｌが増大した場合、溶接電流Ｉｗの値が減少するため、消耗電極ワイヤ２への入熱量は減少してしまう。入熱量が減少した状態が続けば、第２層Ｐｅ２への入熱不足が助長され、積層造形物の表面には、不連続なこぶ形状のハンピングビードが発生し得る。特に積層造形物の製造においては、通常の溶接よりも成形品の表面品質が重要視されるため、表面に不連続なこぶ形状が形成されるハンピングビードが発生してしまうことは望ましくない。

【0034】

図２は、ハンピングビードの発生要因の一例を説明するための第１図である。図２には、溶接トーチ４と第３層Ｐｅ３，第２層Ｐｅ２の断面が示されている。溶接トーチ４は、Ｘ軸の正方向を溶接方向として溶接を行う。消耗電極ワイヤ２と母材である第２層Ｐｅ２との間の距離は、アーク長Ｌ１として示されている。図２に示される状態では、母材である第２層Ｐｅ２に対して入熱不足は発生しておらず、設定された条件で適切な溶接が行われている。

【0035】

図３は、ハンピングビードの発生要因の一例を説明するための第２図である。ワイヤ送給速度ＷＦにばらつきが生じたり、第２層Ｐｅ２において低温箇所にアーク２０が到達したりすることなどの外因によって第２層Ｐｅ２への入熱不足は発生する。第２層Ｐｅ２への入熱不足が発生すると、当該入熱不足の領域よりも自由電子の活性が高い溶融池の抵抗が相対的に低くなるため、アーク２０は、溶接方向と反対側の溶融池の方向に引っ張られてしまう。その結果、図３に示されるように、アーク２０の長さは、アーク長Ｌ１からアーク長Ｌ２となる。図３におけるアーク２０は第２層Ｐｅ２の表面に対して垂直に形成されず、傾いて形成される。そのため、アーク長Ｌ２は、アーク長Ｌ１よりも長くなる。

【0036】

このように、外乱によってアーク２０が溶接方向に対して後方に引っ張られることによって、アーク長Ｌは増大する。上述したように、定電圧特性を有する電源ではアーク長Ｌの増大に伴い、印加される溶接電流は減少してしまう。その結果、母材は入熱不足の状態となり、ハンピングビードが発生し得る。以下では、図４を用いて、ハンピングビードの発生を抑制する実施の形態１の積層造形溶接方法について説明する。

【0037】

図４は、実施の形態１の定電圧特性における制御を説明するための図である。縦軸は、電圧検出回路１６によって検出される溶接電圧Ｖｗを示し、横軸は電流検出回路１２によって検出される溶接電流Ｉｗを示す。

【0038】

上述したように、印加される溶接電圧Ｖｗが定まればアーク長Ｌは自己制御作用によって一意の長さに定まる。図４には、溶接電圧設定部１５によって設定される目標電圧Ｖｓｅｔを実現するための線Ｌｎ１が示されている。線Ｌｎ１は、目標電圧Ｖｓｅｔの値に応じて定められる特性線である。制御装置１４は、ユーザによって設定される目標電圧Ｖｓｅｔの値ごとに特性線を変化させる。

【0039】

電源装置１０は定電圧特性を有するため、図４に示されるようにアーク長が増大すると溶接電圧Ｖｗはわずかに増加し、溶接電流Ｉｗが低下する。また、アーク長が減少すると溶接電圧Ｖｗがわずかに減少し、溶接電流Ｉｗが増加する。

【0040】

定電圧制御を行う制御装置１４では、上述したようにアーク長Ｌが外乱によってわずかに変化しても溶接電流Ｉｗの値が増減することによって、溶接電圧Ｖｗの値は、線Ｌｎ１上における目標電圧Ｖｓｅｔに保たれる。

【0041】

図４には、アーク長Ｌ１のときのアーク特性として線Ｌｎ２が示されており、アーク長Ｌ２のときのアーク特性として線Ｌｎ３が示されている。アーク特性は、溶接電圧Ｖｗと溶接電流Ｉｗとの関係性を示す。すなわち、アーク長Ｌ１のとき、溶接電圧Ｖｗと溶接電流Ｉｗとは線Ｌｎ２に示される関係で変化し、アーク長Ｌ２のとき、溶接電圧Ｖｗと溶接電流Ｉｗとは線Ｌｎ３に示される関係で変化する。

【0042】

印加される溶接電圧Ｖｗが定まればアーク長Ｌは自己制御作用によって一意の長さに定まることから、制御装置１４は、検出された溶接電圧Ｖｗの値からアーク長Ｌを推定できる。たとえば、図２において制御装置１４は、電圧検出回路１６によって検出された溶接電圧Ｖｗの値からアーク２０の長さがアーク長Ｌ１であることを推定できる。実施の形態１では、アーク２０の長さがアーク長Ｌ１であるとき、定電圧制御を行う制御装置１４は、溶接電圧Ｖｗを目標電圧Ｖｓｅｔに保持しようとする。溶接電流Ｉｗは、自己制御作用により、線Ｌｎ１と線Ｌｎ２との交点Ｘｐ１に対応する溶接電流ＩｗＢとなる。

【0043】

図２，３にて説明したように、アーク２０が傾くことによりアーク２０の長さがアーク長Ｌ１からアーク長Ｌ２へと増大した場合、アーク特性は、線Ｌｎ２から線Ｌｎ３へと変化し、かつ、定電圧制御を行う制御装置１４は、溶接電圧Ｖｗの値を線Ｌｎ１上に保持する。そのため、溶接電流Ｉｗの値は、交点Ｘｐ２に対応する溶接電流ＩｗＡとなる。換言すれば、溶接電流Ｉｗの値は、溶接電流ＩｗＢから溶接電流ＩｗＡまで減少する。一方で、溶接電圧Ｖｗの値は、目標電圧Ｖｓｅｔから溶接電圧ＶｗＨまで増加する。

【0044】

図３に示されるようなアーク２０の傾きによるアーク長Ｌの増大により、溶接電流Ｉｗが溶接電流ＩｗＢから溶接電流ＩｗＡへ減少して入熱不足の状態が継続すれば、ハンピングビードの発生につながり得る。そこで、実施の形態１における積層造形溶接方法では、図３にて説明したように外乱によってアーク長が増大してしまった場合、ワイヤ送給速度ＷＦを上昇させる。これにより、実施の形態１における積層造形溶接方法では、減少した溶接電流Ｉｗの値を瞬間的に元に戻す。具体的には、制御装置１４は、溶接電流Ｉｗの値を溶接電流ＩｗＡから溶接電流ＩｗＢまで増加させる。

【0045】

実施の形態１における制御装置１４は、溶接電圧Ｖｗの値が急増したことを検出して、アーク２０が傾きアーク長Ｌが増大したか否かを判断する。より具体的には、制御装置１４は、溶接電圧Ｖｗの値が所定の上昇基準を越えたか否かに基づいて、溶接電圧Ｖｗの値が急増したかを判断する。所定の上昇基準については、後述にて説明する。

【0046】

制御装置１４は、溶接電圧Ｖｗの値が急増したと判断する場合、溶接電流設定部１９から出力される目標電流Ｉｓｅｔを増加させる。目標電流Ｉｓｅｔが増加すると、ワイヤ送給速度制御装置１８はワイヤ送給速度ＷＦを上昇させる。ワイヤ送給装置３からの消耗電極ワイヤ２の送給速度がワイヤ溶融速度よりも速くなれば、アーク長Ｌは短くなる。すなわち、実施の形態１における積層造形溶接方法では、定電圧制御によって溶接電流を一定に保つことができ、入熱不足の状態を維持することなく、ハンピングビードの発生を抑制できる。

【0047】

制御装置１４は、ワイヤ送給速度を一定の傾きを持って上昇させる。これにより、図３に示されるような外乱によりアーク長Ｌ１からアーク長Ｌ２まで増加したアーク２０の長さは、アーク長Ｌ１に戻る。これにより、実施の形態１の積層造形溶接方法では、定電圧特性を有する電源を用いる積層造形のためのアーク溶接において、入熱不足の状態が維持されることなくハンピングビードの発生を抑制できる。なお、制御装置１４は、消耗電極ワイヤ２の送給速度を上昇させたことによって、溶接電圧Ｖｗの値が急増する前の目標電圧Ｖｓｅｔまで減少したと判断するとき、消耗電極ワイヤ２の送給速度の上昇を停止してもよい。

【0048】

図５は、実施の形態１における溶接電流、溶接電圧、およびワイヤ送給速度のタイミングチャートを示す図である。実施の形態１における積層造形溶接方法では、短絡移行溶接が行われるため、一定周期ごとに短絡する。図５に示されるように、積層造形溶接装置１は、タイミングＴ１～Ｔ２までを周期Ｐ１、タイミングＴ２～Ｔ３までを周期Ｐ２、タイミングＴ３～Ｔ４までを周期Ｐ３、タイミングＴ４～Ｔ５までを周期Ｐ４として、各周期内において短絡とアーク２０の形成を繰り返す。なお、短絡周期Ｐは、たとえば、１０ｍｓ程度である。

【0049】

短絡移行溶接において、アーク２０が形成された後、アーク長Ｌは次第に短くなり、消耗電極ワイヤ２が母材に接触する。これによって、アーク長Ｌは短くなり、消耗電極ワイヤ２が母材に接触する。消耗電極ワイヤ２が母材と接触したときから、短絡期間は開始する。各周期の短絡期間において、短絡によって母材と消耗電極ワイヤ２との間に電気抵抗値が急激に小さくなるため、溶接電流Ｉｗは上昇し、溶接電圧Ｖｗは数ボルトにまで低下する。

【0050】

以下では、溶接電圧Ｖｗの値が急増したか否かを判断するための所定の上昇基準について説明する。制御装置１４は、溶接電圧Ｖｗの値を取得するごとに溶接電圧Ｖｗの移動平均値を取得する。すなわち、制御装置１４は、電圧検出回路１６によって連続的に検出される溶接電圧Ｖｗの値を取得したタイミングから所定の期間分だけ遡った溶接電圧Ｖｗの値の移動平均値を算出する。所定の期間とは、たとえば、１００ｍｓである。１００ｍｓあたりの移動平均値の上昇量が、たとえば、３．０Ｖ以上増加している場合、制御装置１４は、所定の上昇基準が満たされていると判断する。なお、移動平均値の上昇量の閾値は、３．０Ｖに限られず、たとえば、制御装置１４は、移動平均値の上昇量が５．０Ｖ以上増加している場合に、所定の上昇基準が満たされていると判断してもよい。

【0051】

図５に示されているように、周期Ｐ２における溶接電圧Ｖｗは、周期Ｐ１における溶接電圧Ｖｗよりも、外乱が発生したことによって大きくなっている。図５のタイミングＴｓでは、制御装置１４は、タイミングＴｓから１００ｍｓ前の期間の移動平均値の上昇量が３．０Ｖ以上増大したことを検出する。このように移動平均値の監視によって、制御装置１４は、アーク２０が入熱不足により後方に引っ張られてアーク長Ｌが増加したと判断できる。

【0052】

制御装置１４は、溶接電圧Ｖｗの上昇量が所定の基準を越えたことに応答して、タイミングＴｓにおいてワイヤ送給速度ＷＦを上昇させる。これにより、アーク長Ｌは短くなる。

【0053】

図５の例では、ワイヤ送給速度ＷＦは、速度ＳｐＢから速度ＳｐＡまで上昇する。これにより、溶接電流Ｉｗは瞬間的に減少する前の溶接電流Ｉｗに値まで増加する。図５に示されるように各周期の溶接電流Ｉｗの値を示す波形は、同様の形状となる。このように、実施の形態１における積層造形溶接方法では、ワイヤ送給速度ＷＦを上昇させることによって、図５に示されている溶接電流Ｉｗの波形の形状を変化させず一定に保つことができ、入熱不足の状態を維持することなく、ハンピングビードの発生を抑制できる。

【0054】

＜処理手順＞
図６は、実施の形態１における制御装置１４の処理手順を示すフローチャートである。実施の形態１において制御装置１４は、図６に示されるフローチャートを所定の間隔にて実行する。制御装置１４は、電圧検出回路１６によって検出された溶接電圧Ｖｗを取得する（ステップＳ１００）。制御装置１４は、溶接電圧Ｖｗの上昇量が所定の上昇基準を越えたか否かを判断する（ステップＳ１０１）。実施の形態１における所定の上昇基準は、図５にて説明したように短絡移行溶接において移動平均値の上昇量が予め定められた上昇量以上増加したか否かを判断する基準である。なお、制御装置１４は、移動平均値を使用せずに、たとえば、制御装置１４は、溶接電圧Ｖｗの傾きが予め定められた傾きを超えた場合に所定の上昇基準を満たしたと判断してもよい。

【0055】

制御装置１４は、検出した溶接電圧Ｖｗの上昇量が所定の上昇基準を越えていない場合（ステップＳ１０１でＮＯ）、定電圧制御により溶接電圧Ｖｗを制御し（ステップＳ１０３）、処理を終了する。すなわち、制御装置１４は、ワイヤ送給速度を上昇させずに溶接電圧Ｖｗを目標電圧Ｖｓｅｔに保持する。

【0056】

制御装置１４は、溶接電圧Ｖｗの上昇量が所定の上昇基準を越えた場合（ステップＳ１０１でＹＥＳ）、定電圧制御により溶接電圧Ｖｗを一定に制御し、かつ、溶接電流Ｉｗを増加させる（ステップＳ１０２）。ステップＳ１０２において、実施の形態１における制御装置１４は、溶接電流Ｉｗを増加させるためにワイヤ送給速度ＷＦを上昇させる。これにより、実施の形態１では、入熱不足の状態が継続してハンピングビードが発生してしまうことを抑制できる。

【0057】

［実施の形態２］
実施の形態１においては、ワイヤ送給速度ＷＦを上昇させることによって溶接電流Ｉｗを増加させる例について説明した。しかしながら、溶接電圧Ｖｗが急増したときに溶接電流Ｉｗを増加させる方法は、ワイヤ送給速度ＷＦを上昇させることだけに限られない。実施の形態２では、目標電圧Ｖｓｅｔを増加させることによって溶接電流Ｉｗを増加させる例について説明する。なお、実施の形態２において、実施の形態１と重複する構成の説明については繰り返さない。

【0058】

図７は、実施の形態２の定電圧特性における制御を説明するための図である。図７には、図４に示されている線Ｌｎ１～Ｌｎ３に加えて、目標電圧Ｖｓｅｔ２を実現するための線Ｌｎ４が示されている。図８の例では、制御装置１４は、外乱によりアーク長Ｌ１からアーク長Ｌ２に増加したとき、ワイヤ送給速度ＷＦを上昇させずに、目標電圧Ｖｓｅｔを目標電圧Ｖｓｅｔ２に変化させる。すなわち、制御装置１４は、溶接電圧Ｖｗの値の急増を検出したときに、電源装置１０の目標電圧を上昇させる。これにより、目標電圧を実現するための特性線が線Ｌｎ１から線Ｌｎ４へと変化する。

【0059】

アーク長Ｌ２のときに目標電圧が目標電圧Ｖｓｅｔから目標電圧Ｖｓｅｔ２へと変更することによって、溶接電流Ｉｗの値は、アーク長Ｌ２のときのアーク特性を示す線Ｌｎ３と線Ｌｎ４の交点Ｘｐ３に対応する溶接電流ＩｗＢまで上昇する。すなわち、溶接電流Ｉｗの値は、目標電圧の変更により保持される。これにより、実施の形態２の積層造形溶接方法においても、定電圧特性を有する電源を用いる積層造形のためのアーク溶接において、入熱不足を助長させることなくハンピングビードの発生を抑制できる。

【0060】

図８は、実施の形態２における溶接電流、溶接電圧、およびワイヤ送給速度のタイミングチャートを示す図である。図８では、図５のタイミングチャートと異なり、電圧検出回路１６によって検出される溶接電圧Ｖｗの値が実線ＬｎＥとして示されており、目標電圧Ｖｓｅｔまたは目標電圧Ｖｓｅｔ２が破線ＬｎＳとして示されている。周期Ｐ１，Ｐ３，Ｐ６においては、実線ＬｎＥと破線ＬｎＳとが重なり合っている。すなわち、溶接電圧Ｖｗは、設定された目標電圧通りに制御されている。

【0061】

図２，３にて説明したようにアーク２０が傾くことによるアーク長Ｌの増加によって、周期Ｐ２では、検出される溶接電圧Ｖｗは、急増して目標電圧Ｖｓｅｔから溶接電圧ＶｗＨまで増大してしまう。実施の形態２では、上述した手法にて溶接電圧Ｖｗが急増したことを検出した制御装置１４は、目標電圧Ｖｓｅｔを実現するための線Ｌｎ１を、目標電圧Ｖｓｅｔ２を実現するための線Ｌｎ４へと変更する。

【0062】

これにより、周期Ｐ３では、検出される溶接電圧Ｖｗが目標電圧Ｖｓｅｔ２まで上昇し、実線ＬｎＥと破線ＬｎＳとが重なり合う。その後、外乱などによってアーク長が変化するまでは、制御装置１４は、目標電圧Ｖｓｅｔ２を保持しアーク長Ｌを一定とすることができる。このように、実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、定電圧特性を有する電源を用いる積層造形のためのアーク溶接において、目標電圧Ｖｓｅｔを上昇させて溶接電流Ｉｗを増加させることにより、入熱不足の状態を継続させずにハンピングビードの発生を抑制できる。

【0063】

なお、図５の例では、周期Ｐ２において溶接電圧Ｖｗが急増し、周期Ｐ３において目標電圧を目標電圧Ｖｓｅｔから目標電圧Ｖｓｅｔ２に上昇させる例について説明しているが、制御装置１４は、周期Ｐ２において溶接電圧Ｖｗが急増したタイミングにて目標電圧Ｖｓｅｔを目標電圧Ｖｓｅｔ２へと上昇させてもよい。すなわち、周期Ｐ２内において、溶接電圧Ｖｗの急増の検出と目標電圧の上昇の両方が行われてもよい。

【0064】

図９は、実施の形態２における制御装置の処理手順を示すフローチャートである。図９には、図６とステップＳ１０２以外は同一のフローチャートが示されている。図６では、溶接電流Ｉｗの値を増加させるため、ワイヤ送給速度ＷＦを上昇させたことに対して、図９では溶接電流Ｉｗの値を増加させるため、目標電圧を上昇させる。

【0065】

すなわち、実施の形態２における制御装置１４は、溶接電圧の上昇量が所定の上昇基準を超えたと判断する場合（ステップＳ１０１でＹＥＳ）、目標電圧を上昇させる（ステップＳ１０２Ａ）。これにより、実施の形態２では、溶接電流Ｉｗを増加させることができ、入熱不足の状態が継続することを抑制して、ハンピングビードの発生を抑制できる。

【0066】

図１０は、実施の形態２における後処理を示すフローチャートである。図８の周期Ｐ３～周期Ｐ５にて説明したように、制御装置１４は、目標電圧を上昇させた後、溶接電圧Ｖｗの急減を検出することによって目標電圧を減少させる。図９のステップＳ１０２Ａにて目標電圧を上昇させた後、制御装置１４は、図１０に示されるフローチャートを所定の間隔にて実行する。

【0067】

制御装置１４は、溶接電圧Ｖｗを取得する（ステップＳ２００）。制御装置１４は、溶接電圧Ｖｗの減少量が所定の減少基準を超えたか否かを判断する（ステップＳ２０１）。

【0068】

溶接電圧Ｖｗの減少量が所定の減少基準を超えない場合（ステップＳ２０１でＮＯ）、制御装置１４は、定電圧制御により溶接電圧Ｖｗを制御し（ステップＳ２０３）、処理を終了する。溶接電圧Ｖｗの減少量が所定の減少基準を超える場合（ステップＳ２０１でＹＥＳ）、制御装置１４は、定電圧制御により溶接電圧Ｖｗを制御し、かつ、目標電圧を減少させる（ステップＳ２０２）。これにより、実施の形態２における積層造形溶接方法では、ステップＳ１０２Ａによって目標電圧の値が上昇し続けることを抑制することができる。

【0069】

［実験例］
以下、本開示を適用した実験例を説明する。アルミ合金による積層造形において、溶接速度８０ｃｍ／ｍｉｎ、溶接電流７０Ａに対応する溶接電圧、ワイヤ送給速度５．０ｍ／ｍｉｎの条件で溶接を行う実験において、入熱不足によりハンピングが生じて、積層造形物に凹凸が生じた。制御装置１４は、溶接電圧の移動平均値の増加が３．０Ｖ／１００ｍｓを超えた場合、ハンピングを検知し、ワイヤ送給速度を６．０ｍ／ｍｉｎに変更した。その結果、溶接電流Ｉｗの低下を抑制できハンピングの発生を抑制し、滑らかな表面の積層造形物が生成された。

【0070】

また、アルミ合金による積層造形において、溶接速度１００ｃｍ／ｍｉｎ、目標電圧１３．０Ｖの条件で溶接を行っていたところ、入熱不足によりハンピングが生じて、積層造形物に凹凸が生じた。溶接電圧の移動平均値の増加が３．０Ｖ／１００ｍｓを超えた場合、目標の電圧を１５．０Ｖに変更した。その結果、溶接電流Ｉｗの低下を抑制できハンピングの発生を抑制し、滑らかな表面の積層造形物が生成された。
（まとめ）
（第１項） 本開示は、定電圧特性を有する電源装置１０によって消耗電極ワイヤ２に溶接電流を印加する積層造形溶接方法に関する。積層造形溶接方法は、消耗電極ワイヤ２と母材との間の溶接電圧を取得するステップＳ１００と、溶接電圧の上昇量が所定の上昇基準を越えたか否かを判定するステップＳ１０１と、溶接電圧の上昇量が所定の上昇基準を越えない場合、定電圧制御により溶接電圧を制御するステップＳ１０３と、溶接電圧の上昇量が所定の上昇基準を越えた場合、定電圧制御により溶接電圧を制御し、かつ、溶接電流の値を増加させるステップＳ１０２と含む。

【0071】

（第２項） 第１項において、溶接電流の値を増加させるステップは、消耗電極ワイヤの送給速度を上昇させる処理を含む。

【0072】

（第３項） 第１項において、溶接電流の値を増加させるステップは、電源装置の目標電圧を上昇させる処理を含む。

【0073】

（第４項） 第３項において、溶接電圧の上昇量が所定の上昇基準を越えた後に、溶接電圧の減少量が所定の減少基準を越えたか否かを判定するステップＳ２００と、溶接電圧の減少量が所定の減少基準を越えない場合、定電圧制御により溶接電圧を制御するステップＳ２０３と、溶接電圧の減少量が所定の減少基準を越えた場合、定電圧制御により溶接電圧を制御し、かつ、目標電圧を減少させるステップＳ２０２とをさらに含む。

【0074】

（第５項） 本開示の他の局面に係る積層造形溶接装置１は、消耗電極ワイヤ２に溶接電流を印加するアーク溶接を行う積層造形溶接装置１に関する。積層造形溶接装置１は、溶接トーチ４と、定電圧特性を有する電源装置１０と、溶接トーチ４に消耗電極ワイヤ２を送給するワイヤ送給装置３とを備える。電源装置１０は、消耗電極ワイヤ２と母材との間の溶接電圧を検出する電圧検出回路１６と、溶接電圧の値および溶接電流の値を制御する制御装置１４とを含む。制御装置１４は、電圧検出回路１６によって検出された溶接電圧を取得し、溶接電圧の上昇量が所定の上昇基準を越えない場合、定電圧制御により溶接電圧を制御し、溶接電圧の上昇量が所定の上昇基準を越えた場合、定電圧制御により溶接電圧を制御し、かつ、溶接電流の値を増加させる。

【0075】

（第６項） 第５項において、制御装置１４は、溶接電圧の上昇量が所定の上昇基準を超えた場合、消耗電極ワイヤ２の送給速度を上昇させる。

【0076】

（第７項） 第５項において、制御装置１４は、溶接電圧の上昇量が所定の上昇基準を超えた場合、電源装置１０の目標電圧を上昇させる。

【0077】

（第８項） 第７項において、制御装置１４は、溶接電圧の上昇量が所定の上昇基準を超えた後に、検出された溶接電圧を取得し、溶接電圧の減少量が所定の減少基準を越えない場合、定電圧制御により溶接電圧を制御し、溶接電圧の減少量が所定の減少基準を越えた場合、定電圧制御により溶接電圧を制御し、かつ、目標電圧を減少させる。

【0078】

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】

【0079】

１ 積層造形溶接装置、２ 消耗電極ワイヤ、３ ワイヤ供給装置、４ 溶接トーチ、１０ 電源装置、１１ 溶接電源、１２ 電流検出回路、１４ 制御装置、１５ 溶接電圧設定部、１６ 電圧検出回路、１７ モータドライバ、１８ ワイヤ供給速度制御装置、１９ 溶接電流設定部、２０ アーク、３１ ローラ、３２ モータ、Ｉｗ，ＩｗＡ，ＩｗＢ 溶接電流、Ｌ，Ｌ１，Ｌ２ アーク長、Ｌｎ１～Ｌｎ４ 線、ＬｎＥ 実線、ＬｎＳ 破線、Ｐ 短絡周期、Ｐ１～Ｐ６ 周期、Ｐｅ１～Ｐｅ３ 第１層～第３層、ＳｐＡ，ＳｐＢ 速度、Ｔ１～Ｔ５，Ｔｓ タイミング、Ｉｓｅｔ 目標電流、Ｖｓｅｔ，Ｖｓｅｔ２ 目標電圧、Ｖｗ，ＶｗＨ 溶接電圧、ＷＦ 給速度、Ｘｐ１～Ｘｐ３ 交点。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】