特開 2024-21966 パルスアーク溶接の磁気吹き対処方法

(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】P2024021966

(43)【公開日】2024-02-16

(54)【発明の名称】パルスアーク溶接の磁気吹き対処方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/08 20060101AFI20240208BHJP

   B23K 9/09 20060101ALI20240208BHJP

   B23K 9/173 20060101ALI20240208BHJP

【ＦＩ】

B23K9/08 D

B23K9/09

B23K9/173 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022125199

(22)【出願日】2022-08-05

(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】梶原 凱

【テーマコード（参考）】

4E001

4E082

【Ｆターム（参考）】

4E001AA03

4E001BB08

4E001CA00

4E001DE03

4E001DE04

4E001EA01

4E082AA01

4E082AB03

4E082CA01

4E082DA01

4E082EB11

4E082EE01

4E082EE03

4E082EE06

4E082EE07

4E082EF02

4E082EF07

4E082EF14

4E082HA04

4E082JA01

(57)【要約】

【課題】消耗電極パルスアーク溶接において、磁気吹きによるアークの変形を抑制すること。
【解決手段】溶接ワイヤを送給し、電極プラス極性ＥＰでピーク電流Ｉｐ及びピーク電圧を出力するピーク期間Ｔｐとベース電流Ｉｂ及びベース電圧を出力するベース期間Ｔｂとを繰り返し、ベース電圧の上昇に基づいて磁気吹きの発生を判別したときは、溶接電源の出力を制御して磁気吹きに対処するパルスアーク溶接の磁気吹き対処方法において、時刻ｔ４２に磁気吹きを判別Ｄａｂしたときは、電極プラス極性ＥＰから電極マイナス極性ＥＮへと出力を切り換え、時刻ｔ４２～ｔ４４の電極マイナス極性中は電極マイナス極性電流Ｉｎを通電する。時刻ｔ４４にベース電圧Ｖｗの下降に基づいて磁気吹きの解消を判別したときは、電極プラス極性ＥＰに戻す。
【選択図】 図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

溶接ワイヤを送給し、電極プラス極性でピーク電流及びピーク電圧を出力するピーク期間とベース電流及びベース電圧を出力するベース期間とを繰り返し、
前記ベース電圧の上昇に基づいて磁気吹きの発生を判別したときは、溶接電源の出力を制御して磁気吹きに対処するパルスアーク溶接の磁気吹き対処方法において、
前記磁気吹きを判別したときは、前記電極プラス極性から電極マイナス極性へと出力を切り換え、前記電極マイナス極性中は電極マイナス極性電流を通電する、
ことを特徴とするパルスアーク溶接の磁気吹き対処方法。

【請求項2】

前記ベース電圧の下降に基づいて磁気吹きの解消を判別したときは、前記電極プラス極性に戻す、
ことを特徴とする請求項１に記載のパルスアーク溶接の磁気吹き対処方法。

【請求項3】

前記電極マイナス極性電流を、溶接ワイヤと母材との短絡が発生しない値に設定する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のパルスアーク溶接の磁気吹き対処方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、消耗電極パルスアーク溶接の磁気吹き対処方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

消耗電極パルスアーク溶接では、溶接ワイヤを送給し、電極プラス極性でピーク電流及びピーク電圧を出力するピーク期間と、ベース電流及びベース電圧を出力するベース期間とを繰り返して溶接が行われる。ピーク電流は５００Ａ程度の大電流値に設定され、溶接ワイヤを溶融して溶滴の形成及び移行が行われる。ベース電流は３０Ａ程度に設定され、溶接ワイヤはほとんど溶融しない。パルスアーク溶接では、１回のピーク電流の通電によって１つの溶滴を移行させる１パルス１溶滴移行の状態を維持することが、スパッタの発生の少ない高品質の溶接ビードを得るために重要である。

【0003】

鉄鋼等のパルスアーク溶接においては、母材を通電する溶接電流によってアーク発生部の周辺に磁界が形成されて、この磁界からアークは力を受けて変形する場合がよくある。このような状態を、一般的に磁気吹き又はアークブローと呼んでいる。磁気吹きの発生状態がひどくなると、アークは大きく変形してアーク長が非常に長くなり、アークを維持することができなくなり、アーク切れを発生することになる。アーク切れが発生すると、溶接品質は悪くなる。このために、パルスアーク溶接においては、磁気吹き対策は大きな課題である。

【0004】

特許文献１の発明では、ベース期間中にアークが発生しているときのベース電圧の上昇率が基準上昇率以上になったことを検出して磁気吹きが発生したと判別し、ベース電流を２００Ａ以上に急増する磁気吹き対処制御を行っている。磁気吹きは、電流値が小さいためにアークの硬直性が弱くなるベース期間中に発生する。磁気吹きによってアーク長が長くなると、アーク電圧(ベース電圧)が大きくなることを利用して、磁気吹きの発生を判別している。また、ベース電流を増加させると、アークの硬直性が強くなり、磁界から力を受けてもアークの変形を抑制することができる。この結果、アーク切れを防止することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００４－２６８０８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

磁気吹きによるアークの変形が強い場合には、従来技術のようにベース電流を増加させてもアークの変形を抑制できない場合がある。

【0007】

そこで、本発明では、磁気吹きによるアークの変形が強い場合でも、磁気吹きを解消させてアークの変形を抑制することができるパルスアーク溶接の磁気吹き対処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】

【0008】

上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、
溶接ワイヤを送給し、電極プラス極性でピーク電流及びピーク電圧を出力するピーク期間とベース電流及びベース電圧を出力するベース期間とを繰り返し、
前記ベース電圧の上昇に基づいて磁気吹きの発生を判別したときは、溶接電源の出力を制御して磁気吹きに対処するパルスアーク溶接の磁気吹き対処方法において、
前記磁気吹きを判別したときは、前記電極プラス極性から電極マイナス極性へと出力を切り換え、前記電極マイナス極性中は電極マイナス極性電流を通電する、
ことを特徴とするパルスアーク溶接の磁気吹き対処方法である。

【0009】

請求項２の発明は、
前記ベース電圧の下降に基づいて磁気吹きの解消を判別したときは、前記電極プラス極性に戻す、
ことを特徴とする請求項１に記載のパルスアーク溶接の磁気吹き対処方法である。

【0010】

請求項３の発明は、
前記電極マイナス極性電流を、溶接ワイヤと母材との短絡が発生しない値に設定する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のパルスアーク溶接の磁気吹き対処方法である。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、磁気吹きによるアークの変形が強い場合でも、磁気吹きを解消させてアークの変形を抑制することができるので、高品質な溶接が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施の形態に係るパルスアーク溶接の磁気吹き対処方法を実施するための溶接電源のブロック図である。

【図2】本発明の実施の形態に係るパルスアーク溶接の磁気吹き対処方法を示す図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】

【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。

【0014】

図１は、本発明の実施の形態に係るパルスアーク溶接の磁気吹き対処方法を実施するための溶接電源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。

【0015】

電源主回路ＭＣは、３相２００Ｖ等の商用電源（図示は省略）を入力として、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってインバータ制御等による出力制御を行い、後述する極性切換信号Ｄｒによって電極プラス極性ＥＰと電極マイナス極性ＥＮとを切り換えて溶接ワイヤ１と母材２との間に溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力する。この電源主回路ＭＣ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平滑コンデンサ、平滑された直流を高周波交流に変換する電流誤差増幅信号Ｅｉによって駆動されるインバータ回路、高周波交流を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直流に整流する２次整流器、整流された直流を平滑するリアクトル、平滑された直流を極性切換信号Ｄｒに基づいて極性を切り換える２次側インバータ回路を備えている。

【0016】

溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給モータ(図示は省略)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内を通って送給され、母材２との間にアーク３が発生する。溶接トーチ４内の給電チップ(図示は省略)と母材２との間には溶接電圧Ｖｗが印加し、溶接電流Ｉｗが通電する。溶接ワイヤ１の送給を制御する回路については省略している。

【0017】

電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗの絶対値を検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。電圧平均化回路ＶＡＶは、上記の電圧検出信号Ｖｄを平均化して、電圧平均信号Ｖavを出力する。電圧設定回路ＶＲは、予め定めた電圧設定信号Ｖｒを出力する。

【0018】

電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の電圧設定信号Ｖｒと上記の電圧平均信号Ｖavとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。Ｖ／ＦコンバータＶＦは、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖに応じた周波数を有するパルス周波数信号Ｔｆを出力する。このパルス周波数信号Ｔｆは、ピーク期間とベース期間とを１周期とする周波数を決定する信号である。

【0019】

ピーク期間タイマ回路ＴＴＰは、上記のパルス周波数信号Ｔｆの周波数ごとに予め定めたピーク期間ＴｐだけＨｉｇｈレベルとなるピーク期間信号Ｔtpを出力する。したがって、このピーク期間信号Ｔtpは、ピーク期間Ｔｐ中はＨｉｇｈレベルとなり、ベース期間中はＬｏｗレベルとなる信号である。

【0020】

アーク判別回路ＡＤは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、この値に基づいてアーク発生状態であるかを判別してＨｉｇｈレベルとなるアーク判別信号Ａｄを出力する。

【0021】

磁気吹き判別回路ＤＡＢは、上記のピーク期間信号Ｔtp、上記のアーク判別信号Ａｄ及び上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、ピーク期間信号ＴtpがＬｏｗレベル(ベース期間Ｔｂ)であり、かつ、アーク判別信号ＡｄがＨｉｇｈレベル(アーク発生状態)であるときの電圧検出信号Ｖｄ(ベース電圧)に基づいて以下の１）又は２）の方法で磁気吹きの発生を判別したときはＨｉｇｈレベルとなり、その後に磁気吹きの解消を判別したときはＬｏｗレベルに戻る磁気吹き判別信号Ｄabを出力する。
１）電圧検出信号Ｖｄの上昇率が基準値以上になると磁気吹きが発生したと判別してＨｉｇｈレベルとなり、その後に、電圧検出信号Ｖｄの下降率（絶対値）が基準値以下になると磁気吹きが解消したと判別してＬｏｗレベルとなる磁気吹き判別信号Ｄabを出力する。
２）電圧検出信号Ｖｄの上昇率が基準値以上になると磁気吹きが発生したと判別してＨｉｇｈレベルとなり、その後に、ピーク期間信号ＴtpがＨｉｇｈレベルになると磁気吹きが解消したと判別してＬｏｗレベルとなる磁気吹き判別信号Ｄabを出力する。

【0022】

ピーク電流設定回路ＩＰＲは、予め定めたピーク電流設定信号Ｉprを出力する。ピーク電流設定信号Ｉprは、溶接ワイヤの直径、材質、送給速度等に応じて、４００～６００Ａ程度に設定される。

【0023】

ベース電流設定回路ＩＢＲは、予め定めたベース電流設定信号Ｉbrを出力する。ベース電流設定信号Ｉbrの設定範囲は、２０～５０Ａ程度である。

【0024】

電極マイナス極性電流設定回路ＩＮＲは、予め定めた電極マイナス極性電流設定信号Ｉnrを出力する。電極マイナス極性電流設定信号Ｉnrは、電極マイナス極性ＥＮ中に溶接ワイヤ１と母材２との短絡が発生しない値に設定される。例えば、４０～７０Ａ程度に設定される。

【0025】

電流設定回路ＩＲは、上記のピーク電流設定信号Ｉpr、上記のベース電流設定信号Ｉbr、上記の電極マイナス極性電流設定信号Ｉnr、上記のピーク期間信号Ｔtp及び上記の磁気吹き判別信号Ｄabを入力として、以下の処理を行い、電流設定信号Ｉｒを出力する。
１）ピーク期間信号ＴtpがＨｉｇｈレベルであるときは、ピーク電流設定信号Ｉprを電流設定信号Ｉｒとして出力する。
２）ピーク期間信号ＴtpがＬｏｗレベルであり、かつ、磁気吹き判別信号ＤabがＬｏｗレベルであるときは、ベース電流設定信号Ｉbrを電流設定信号Ｉｒとして出力する。
３）ピーク期間信号ＴtpがＬｏｗレベルであり、かつ、磁気吹き判別信号ＤabがＨｉｇｈレベルであるときは、電極マイナス極性電流設定信号Ｉnrを電流設定信号Ｉｒとして出力する。

【0026】

電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｗの絶対値を検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流設定信号Ｉｒと上記の電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。

【0027】

極性切換回路ＤＲは、上記の磁気吹き判別信号Ｄabを入力として、磁気吹き判別信号ＤabがＬｏｗレベルのときはＬｏｗレベル（電極プラス極性ＥＰ）となり、ＨｉｇｈレベルのときはＨｉｇｈレベル（電極マイナス極性ＥＮ）となる極性切換信号Ｄｒを出力する。したがって、ピーク期間及び磁気吹きが発生していないベース期間中は電極プラス極性ＥＰとなり、磁気吹きが発生しているときは電極マイナス極性ＥＮとなる。

【0028】

図２は、本発明の実施の形態に係るパルスアーク溶接の磁気吹き対処方法を示す図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)は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図(Ｂ)は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図(Ｃ)は磁気吹き判別信号Ｄabの時間変化を示し、同図(Ｄ)は極性切換信号Ｄｒの時間変化を示す。以下、同図を参照して各信号の動作を説明する。

【0029】

同図は、２周期の波形を示している。第１周期は、磁気吹きが発生しなかった場合である。第２周期は、ベース期間Ｔｂ中に磁気吹きが発生した場合である。同図（Ａ）に示す溶接電流Ｉｗ及び同図（Ｂ）に示す溶接電圧Ｖｗは、０から上側の正の値が電極プラス極性ＥＰを示し、下側の負の値が電極マイナス極性ＥＮを示している。

【0030】

(１)第１周期の動作説明
時刻ｔ１～ｔ３の第１周期中は、磁気吹きが発生していないので、同図（Ｃ）に示すように、磁気吹き判別信号ＤabはＬｏｗレベルのままであり、同図（Ｄ）に示すように、極性切換信号ＤｒはＬｏｗレベルとなり、溶接電源の出力は電極プラス極性ＥＰとなっている。時刻ｔ１～ｔ２の予め定めたピーク期間Ｔｐ中は、同図(Ａ)に示すように、電極プラス極性ＥＰで予め定めたピーク電流Ｉｐが通電し、同図(Ｂ)に示すように、アーク長に比例したピーク電圧が印加する。ピーク電流Ｉｐ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Ｔｐ中に、溶接ワイヤの先端が溶融されて、溶滴が形成され、ピーク期間Ｔｐの終了後Ib初期のタイミングで溶滴は溶融池へと移行する（１パルス１溶滴移行状態)。ピーク期間Ｔｐ及びピーク電流Ｉｐは、この１パルス１溶滴移行状態になるように設定される。

【0031】

時刻ｔ２～ｔ３の期間がベース期間Ｔｂとなる。時刻ｔ１～ｔ３が１パルス周期となる。パルス周期(パルス周波数)は、溶接電圧Ｖｗの平均値が電圧設定信号Ｖｒの値と等しくなるようにフィードバック制御(周波数変調制御)される。これにより、アーク長の平均値が適正値に維持される。

【0032】

ベース期間Ｔｂ中は、磁気吹きが発生していない状態であるので、同図(Ａ)に示すように、電極プラス極性ＥＰで予め定めたベース電流Ｉｂが通電し、同図(Ｂ)に示すように、略一定値となるベース電圧Ｖｂが印加する。ベース電流Ｉｂは、図１のベース電流設定信号Ｉbrによって設定される。

【0033】

(２)第２周期の動作説明
時刻ｔ３～ｔ４のピーク期間Ｔｐの動作は、時刻ｔ１～ｔ２と同様である。さらに、時刻ｔ４～ｔ４１のベース期間の動作は、時刻ｔ２～ｔ３と同様である。

【0034】

時刻ｔ４１において、磁気吹きが発生したためにアークが変形してアーク長が通常状態よりも次第に長くなる。このために、同図(Ｂ)に示すように、ベース電圧Ｖｂは、時刻ｔ４１から上昇し、時刻ｔ４２において上昇率が基準値以上となったために、同図（Ｃ）に示すように、磁気吹き判別信号ＤabがＨｉｇｈレベルになる。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、極性切換信号ＤｒがＨｉｇｈレベルに変化し、溶接電源の出力が電極プラス極性ＥＰから電極マイナス極性ＥＮに切り換わる。この結果、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、正の値のベース電流Ｉｂから負の値の予め定めた電極マイナス極性電流Ｉｎに切り換わる。電極マイナス極性電流Ｉｎは、図１の電極マイナス極性電流設定信号Ｉnrによって設定される。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、正の値のベース電圧値から負の値の電極マイナス極性電圧に切り換わる。溶接電圧Ｖｗの絶対値は、時刻ｔ４２から少しの間上昇を続けた後に、時刻ｔ４３からは下降する。時刻ｔ４４において、下降率が基準値以下になったために、同図（Ｃ）に示すように、磁気吹きが解消したと判別して磁気吹き判別信号ＤabはＬｏｗレベルとなる。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、極性切換信号ＤｒがＬｏｗレベルに変化するので、溶接電源の出力はｔ４４からｔ４５にかけて電極プラス極性ＥＰに戻る。そして、時刻ｔ４５～ｔ５の期間はベース期間となり、時刻ｔ４～ｔ４１の動作となる。磁気吹きの解消の判別を、時刻ｔ５の次のピーク期間が開始される時点としても良い。これは、大電流値のピーク電流が通電すると、アークの硬直性が強くなり、磁気吹きが解消されるからである。

【0035】

以下、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態によれば、磁気吹きを判別したときは、電極プラス極性から電極マイナス極性へと出力を切り換え、電極マイナス極性中は電極マイナス極性電流を通電する。磁気吹きが発生して磁界から力を受けてアークが変形している状態において、極性を切り換えて溶接電流の通電を逆方向にすると、アークに作用する力の方向も逆になる。このために、アークの変形がリセットされて、磁気吹きは解消されることになる。この結果、本実施の形態では、磁気吹きによるアークの変形が強い場合でも、磁気吹きを解消させてアークの変形を抑制することができる。

【0036】

さらに好ましくは、本実施の形態によれば、ベース電圧の下降に基づいて磁気吹きの解消を判別したときは、電極プラス極性に戻す。このようにすれば、磁気吹きが解消されるまでの短期間のみ電極マイナス極性とすることができるので、ビード外観、溶け込み等への影響を少なくすることができる。

【0037】

さらに好ましくは、本実施の形態によれば、電極マイナス極性電流を、溶接ワイヤと母材との短絡が発生しない値に設定する。このようにすれば、短絡の発生に起因する溶接状態の不安定状態を抑制することができる。電極マイナス極性電流は、大きすぎると溶滴を形成して溶接状態が不安定になるので、ベース電流よりも２０～５０Ａ程度大きな値に設定される。すなわち、電極マイナス極性電流は、短絡が発生しない値以上であり、溶滴が形成されない値未満に設定されることが望ましい。

【符号の説明】

【0038】

１ 溶接ワイヤ
２ 母材
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
ＡＤ アーク判別回路
Ａｄ アーク判別信号
ＤＡＢ 磁気吹き判別回路
Ｄab 磁気吹き判別信号
ＤＲ 極性切換回路
Ｄｒ 極性切換信号
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
Ｉｂ ベース電流
ＩＢＲ ベース電流設定回路
Ｉbr ベース電流設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｎ 電極マイナス極性電流
ＩＮＲ 電極マイナス極性電流設定回路
Ｉnr 電極マイナス極性電流設定信号
Ｉｐ ピーク電流
ＩＰＲ ピーク電流設定回路
Ｉpr ピーク電流設定信号
ＩＲ 電流設定回路
Ｉｒ 電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＭＣ 電源主回路
Ｔｂ ベース期間
Ｔｆ パルス周波数信号
Ｔｐ ピーク期間
ＴＴＰ ピーク期間タイマ回路
Ｔtp ピーク期間信号
ＶＡＶ 電圧平均化回路
Ｖav 電圧平均信号
Ｖｂ ベース電圧
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
ＶＦ Ｖ／Ｆコンバータ
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
Ｖｗ 溶接電圧

【図1】

【図2】