特開 2023-62926 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】P2023062926

(43)【公開日】2023-05-09

(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 9/00 20060101AFI20230427BHJP

   B23K 9/095 20060101ALI20230427BHJP

   B23K 9/073 20060101ALN20230427BHJP

【ＦＩ】

B23K9/00 330Z

B23K9/095 505B

B23K9/073 545

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021173114

(22)【出願日】2021-10-22

(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】西野 晋太朗

(72)【発明者】

【氏名】中俣 利昭

【テーマコード（参考）】

4E082

【Ｆターム（参考）】

4E082AA01

4E082AB01

4E082BA01

4E082CA01

4E082DA01

4E082DA03

4E082EB21

4E082EC03

4E082EF02

(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】溶接電源に溶接終了信号Ｏｎが入力されると、送給モータＭは駆動を停止し、送給モータＭが慣性によって過渡的に減速して停止し溶接が終了するまでのアンチスティック期間中はアンチスティック溶接電圧設定値Ｖａｒに基づいて溶接電圧Ｖｗを制御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、アンチスティック期間中の溶接状態を示す指標を検出し、指標に基づいてアンチスティック溶接電圧設定値Ｖａｒを変化させる。指標は、アンチスティック期間中の短絡発生周期Ｐｄ及び／又は最終アーク期間の時間長さＴａｄ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、送給モータは駆動を停止し、前記送給モータが慣性によって過渡的に減速して停止し溶接が終了するまでのアンチスティック期間中はアンチスティック溶接電圧設定値に基づいて溶接電圧を制御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、
前記アンチスティック期間中の溶接状態を示す指標を検出し、
前記指標に基づいて前記アンチスティック溶接電圧設定値を変化させる、
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】

前記指標は、前記アンチスティック期間中の短絡発生周期である、
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。

【請求項3】

前記指標は、前記アンチスティック期間中の最終アーク期間の時間長さである、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法。

【請求項4】

前記アンチスティック溶接電圧設定値は、前記送給モータの減速時の送給速度を入力とする関数である、
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においては、溶接終了時に溶接ワイヤが溶融池に溶着（スティック）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（アンチスティック制御）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(例えば、特許文献１参照)。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５－１６４８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来技術では、送給モータの減速状態、溶接姿勢、継手形状等の種々の溶接条件において、溶接終了時に形成されるワイヤ先端粒のサイズを常に適正化することは困難であった。このために、ワイヤ先端粒のサイズが過大又は過少になる場合があり、次のアークスタート性が悪くなるという問題がある。

【0005】

そこで、本発明では、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】

【0006】

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、送給モータは駆動を停止し、前記送給モータが慣性によって過渡的に減速して停止し溶接が終了するまでのアンチスティック期間中はアンチスティック溶接電圧設定値に基づいて溶接電圧を制御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、
前記アンチスティック期間中の溶接状態を示す指標を検出し、
前記指標に基づいて前記アンチスティック溶接電圧設定値を変化させる、
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。

【0007】

請求項２の発明は、
前記指標は、前記アンチスティック期間中の短絡発生周期である、
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。

【0008】

請求項３の発明は、
前記指標は、前記アンチスティック期間中の最終アーク期間の時間長さである、
ことを特徴とする請求項１又は２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。

【0009】

請求項４の発明は、
前記アンチスティック溶接電圧設定値は、前記送給モータの減速時の送給速度を入力とする関数である、
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】

【0010】

本発明によれば、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方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【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】

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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に従ってサイリスタ位相制御、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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

アンチスティック期間設定回路ＴＡＲは、予め定めたアンチスティック期間設定信号Ｔarを出力する。

【0018】

期間判別回路ＳＩは、上記の溶接開始・終了信号Ｏｎ及び上記のアンチスティック期間設定信号Ｔarを入力として、以下の処理を行い、期間判別信号Ｓｉを出力する。
１）溶接開始・終了信号ＯｎがＨｉｇｈレベル（溶接開始）のときは定常溶接期間Ｔｃとなり、期間判別信号Ｓｉ＝１を出力する。
２）その後に、溶接開始・終了信号ＯｎがＬｏｗレベル（溶接終了）に変化すると、その時点からアンチスティック期間設定信号Ｔarによって設定されるアンチスティック期間Ｔａ中は、期間判別信号Ｓｉ＝２を出力する。
３）その後に、アンチスティック期間Ｔａが終了すると、溶接電源の出力を停止するために期間判別信号Ｓｉ＝０を出力する。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

送給速度検出回路ＦＤは、上記の送給モータＭからの回転数信号を入力として送給速度Ｆｗに変換して、送給速度検出信号Ｆｄを出力する。回転数信号は、送給モータＭに設けられたエンコーダからの信号、電機子電圧信号等である。

【0022】

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。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。

【0023】

短絡判別回路ＳＤは、上記の溶接電圧検出信号Ｖｄを入力として、この値が短絡判別値(１０Ｖ程度)未満のときは短絡期間であると判別してＨｉｇｈレベルとなり、以上のときはアーク期間であると判別してＬｏｗレベルとなる短絡判別信号Ｓｄを出力する。

【0024】

短絡発生周期検出回路ＰＤは、上記の期間判別信号Ｓｉ及び上記の短絡判別信号Ｓｄを入力として、期間判別信号Ｓｉ＝２となるアンチスティック期間Ｔａ中に、短絡判別信号Ｓｄによって短絡発生周期の平均値を検出して、短絡発生周期検出信号Ｐｄを出力する。

【0025】

最終アーク期間検出回路ＴＡＤは、上記の期間判別信号Ｓｉ、上記の短絡判別信号Ｓｄ及び上記の溶接電流検出信号Ｉｄを入力として、期間判別信号Ｓｉ＝２となるアンチスティック期間Ｔａ中に、短絡判別信号Ｓｄ＝Ｌｏｗレベルかつ溶接電流検出信号Ｉｄ＞０となるアーク期間を判別し、判別に基づいて最終アーク期間の時間長さを検出して、最終アーク期間検出信号Ｔadを出力する。

【0026】

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、以下の処理を行い、上記の送給モータＭを制御するための送給制御信号Ｆｃを出力する。
１）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で定速送給する。
２）溶接開始・終了信号ＯｎがＬｏｗレベル(溶接終了信号)に変化してアンチスティック期間Ｔａになると、送給モータＭの駆動を停止する。これにより、送給速度Ｆｗは慣性により減速する。

【0027】

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。

【0028】

定常溶接電圧設定回路ＶＣＲは、予め定めた定常溶接電圧設定信号Ｖcrを出力する。

【0029】

アンチスティック溶接電圧初期値設定回路ＶＳＲは、上記の期間判別信号Ｓｉ及び上記の送給速度検出信号Ｆｄを入力として、期間判別信号Ｓｉ＝２となりアンチスティック期間Ｔａに入ると、送給速度検出信号Ｆｄを入力とする予め定めた関数によって設定されるアンチスティック溶接電圧初期値設定信号Ｖsrを出力する。

【0030】

アンチスティック溶接電圧設定回路ＶＡＲは、上記のアンチスティック溶接電圧初期値設定信号Ｖsr、上記の短絡発生周期検出信号Ｐｄ及び上記の最終アーク期間検出信号Ｔadを入力として、アンチスティック溶接電圧初期値設定信号Ｖsrの値を短絡発生周期検出信号Ｐｄ及び／又は最終アーク期間検出信号Ｔadに基づいて修正して、アンチスティック溶接電圧設定信号Ｖarを出力する。修正方法については、図２で後述する。

【0031】

溶接電圧設定回路ＶＲは、上記の期間判別信号Ｓｉ、上記の定常溶接電圧設定信号Ｖcr及び上記のアンチスティック溶接電圧設定信号Ｖarを入力として、以下の処理を行い、溶接電圧設定信号Ｖｒを出力する。
１）期間判別信号Ｓｉ＝１の定常溶接期間Ｔｃのときは、定常溶接電圧設定信号Ｖcrを溶接電圧設定信号Ｖｒとして出力する。
２）期間判別信号Ｓｉ＝２のアンチスティック期間Ｔａのときは、アンチスティック溶接電圧設定信号Ｖarを溶接電圧設定信号Ｖｒとして出力する。

【0032】

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。

【0033】

駆動回路ＤＶは、上記の期間判別信号Ｓｉ及び上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖを入力として、期間判別信号Ｓｉ＝１又は２の期間中は、電圧誤差増幅信号Ｅｖに基づいて上記の電源主回路ＰＭを駆動するための駆動信号Ｄｖを出力する。したがって、溶接電源ＰＳは、定常溶接期間Ｔｃ及びアンチスティック期間Ｔａ中は出力制御を行う。

【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）は溶接電圧設定信号Ｖｒの時間変化を示し、同図（Ｆ）は駆動信号Ｄｖ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】

同図において、時刻ｔ１以前の期間が定常溶接期間Ｔｃとなり、図１の期間判別信号Ｓｉ＝１となる。時刻ｔ１～ｔ２の期間が予め定めたアンチスティック期間Ｔａとなり、期間判別信号Ｓｉ＝２となる。そして、時刻ｔ２において、アンチスティック期間Ｔａが終了すると、期間判別信号Ｓｉ＝０となり、溶接電源は出力を停止する。

【0036】

時刻ｔ１以前の期間が定常溶接期間となる。この期間中は、同図（Ａ）に示すように、溶接開始・終了信号ＯｎはＨｉｇｈレベル(溶接開始)となっている。そして、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは、図１の送給速度設定信号Ｆｒによって設定された値となる。同図（Ｅ）に示すように、溶接電圧設定信号Ｖｒは、図１の定常溶接電圧設定信号Ｖcrによって設定された値となり、溶接電圧Ｖｗの平均値がこの値となるように溶接電源は定電圧制御される。同図（Ｄ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、数Ｖの短絡電圧値となる短絡期間と、数十Ｖのアーク電圧値となるアーク期間とを繰り返す。同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、短絡期間中は次第に増加し、アーク期間中は次第に減少する。

【0037】

（１）時刻ｔ１以前の定常溶接期間Ｔｃ中の動作
この期間中は、同図（Ａ）に示すように、溶接開始・終了信号ＯｎはＨｉｇｈレベル(溶接開始)となっている。そして、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは、図１の送給速度設定信号Ｆｒによって設定された値となる。同図（Ｅ）に示すように、溶接電圧設定信号Ｖｒは、図１の定常溶接電圧設定信号Ｖcrによって設定された値となり、溶接電圧Ｖｗの平均値がこの値となるように溶接電源は定電圧制御される。同図（Ｄ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、数Ｖの短絡電圧値となる短絡期間と、数十Ｖのアーク電圧値となるアーク期間とを繰り返す。同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、短絡期間中は次第に増加し、アーク期間中は次第に減少する。同図（Ｆ）に示すように、駆動信号Ｄｖは、時刻ｔ２まではＨｉｇｈレベルとなり溶接電源は出力を行い、時刻ｔ２においてＬｏｗレベルとなり溶接電源は出力を停止する。

【0038】

（２）時刻ｔ１～ｔ２のアンチスティック期間Ｔａ中の動作）
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、アンチスティック期間Ｔａに移行する。これに応動して送給モータＭの駆動が停止されるので、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは慣性により減速して時刻ｔ１２に０となる。同図（Ｅ）に示すように、溶接電圧設定信号Ｖｒは、送給速度Ｆｗの減速に伴って直線状又は曲線状に小さくなり、所定値に達するとその値を維持する。この期間中の溶接電圧設定信号Ｖｒは、図１のアンチスティック溶接電圧設定信号Ｖarによって設定される。アンチスティック溶接電圧設定信号Ｖarの値は、送給モータＭの減速状態を示す図１の送給速度検出信号Ｆｄを入力とする関数である。このようにすると、溶接電圧Ｖｗの平均値の変化が緩やかになり、溶接状態がより安定になる。この期間中も、同図（Ｃ）及び同図（Ｄ）に示すように、短絡期間とアーク期間とが繰り返される。そして、同図（Ｄ）に示すように、送給速度Ｆｗが０となる直前の時刻ｔ１１において、最終の短絡期間が終了して最終アーク期間となる。同図（Ｃ）に示すように、最終アーク期間中の溶接電流Ｉｗは小電流値となる。最終アーク期間中にアーク長が次第に長くなり、時刻ｔ１３においてアークを維持することができなくなると、アーク切れが発生する。アーク切れが発生すると、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８０Ｖ程度の無負荷電圧値となる。時刻ｔ２において、図１のアンチスティック期間設定信号Ｔarによって設定されたアンチスティック期間Ｔａが終了すると、期間判別信号＝０となり、同図（Ｆ）に示すように、駆動信号ＤｖがＬｏｗレベルとなる。これに応動して、溶接電源の出力が停止されるので、同図（Ｄ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは０Ｖとなる。これにより、溶接が終了する。アンチスティック期間Ｔａは、時刻ｔ１３～ｔ２の無負荷電圧が印加される期間が５０ms程度になるように設定され、例えば２００msに設定される。

【0039】

本実施の形態によれば、アンチスティック期間Ｔａ中の溶接状態を示す指標を検出し、指標に基づいてアンチスティック溶接電圧設定信号Ｖarの値を変化させる。アンチスティック期間Ｔａ中の溶接状態が安定になるようにアンチスティック溶接電圧設定信号Ｖarを変化させると、種々の溶接条件において、溶接終了部のワイヤ先端粒を適正化することができる。この結果、アークスタート性を良好にすることができる。

【0040】

上記の指標は、アンチスティック期間Ｔａ中の図１の短絡発生周期検出信号Ｐｄである。短絡発生周期検出信号Ｐｄは、アンチスティック期間Ｔａ中の短絡発生周期の平均値である。短絡発生周期検出信号Ｐｄの値が予め定めた基準周期よりも長いときは、送給速度検出信号Ｆｄに応じて減少するスロープが急峻になるようにアンチスティック溶接電圧設定信号Ｖarを変化させる。逆に、短絡発生周期検出信号Ｐｄの値が基準周期よりも短いときは、送給速度検出信号Ｆｄに応じて減少するスロープが緩やかになるようにアンチスティック溶接電圧設定信号Ｖarを変化させる。短絡発生周期検出信号Ｐｄの値が基準周期と略等しくなると、溶接状態は安定した状態となる。基準周期は、例えば１５msである。

【0041】

さらに、上記の指標は、アンチスティック期間Ｔａ中の図１の最終アーク期間検出信号Ｔadである。最終アーク期間検出信号Ｔadの値が予め定めた基準時間よりも長いときは、送給速度検出信号Ｆｄに応じて減少した後の所定値が小さくなるようにアンチスティック溶接電圧設定信号Ｖarを変化させる。逆に、最終アーク期間検出信号Ｔadの値が基準時間よりも短いときは、送給速度検出信号Ｆｄに応じて減少した後の所定値が大きくなるようにアンチスティック溶接電圧設定信号Ｖarを変化させる。最終アーク期間検出信号Ｔadの値が基準時間と略等しくなると、溶接状態は安定した状態となる。基準時間は、例えば１２msである。上記の指標として、短絡発生周期検出信号Ｐｄ又は最終アーク期間検出信号Ｔadの少なくとも一つを使用すれば良い。

【符号の説明】

【0042】

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
ＤＶ 駆動回路
Ｄｖ 駆動信号
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
ＦＤ 送給速度検出回路
Ｆｄ 送給速度検出信号
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
ＩＲ 溶接電流設定回路
Ｉｒ 溶接電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
Ｍ 送給モータ
ＯＮ 溶接開始・終了回路
Ｏｎ 溶接開始・終了信号
ＰＤ 短絡発生周期検出回路
Ｐｄ 短絡発生周期検出信号
ＰＭ 電源主回路
ＰＳ 溶接電源
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
ＳＩ 期間判別回路
Ｓｉ 期間判別信号
ＴＡＤ 最終アーク期間検出回路
Ｔad 最終アーク期間検出信号
ＴＡＲ アンチスティック期間設定回路
Ｔar アンチスティック期間設定信号
ＶＡＲ アンチスティック溶接電圧設定回路
Ｖar アンチスティック溶接電圧設定信号
ＶＣＲ 定常溶接電圧設定回路
Ｖcr 定常溶接電圧設定信号
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
ＶＳＲ アンチスティック溶接電圧初期値設定回路
Ｖsr アンチスティック溶接電圧初期値設定信号
Ｖｗ 溶接電圧

【図1】

【図2】