特開 2024-27931 パルスアーク溶接の送給制御方法

(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】P2024027931

(43)【公開日】2024-03-01

(54)【発明の名称】パルスアーク溶接の送給制御方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/09 20060101AFI20240222BHJP

   B23K 9/12 20060101ALI20240222BHJP

【ＦＩ】

B23K9/09

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 2022131131

(22)【出願日】2022-08-19

(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】浅山 智也

(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）】

4E082AA03

4E082AA04

4E082AB03

4E082BA04

4E082DA01

4E082EE01

4E082EE03

4E082EE06

4E082EF23

4E082JA01

4E082JA03

(57)【要約】

【課題】消耗電極式パルスアーク溶接において、種々の溶接条件に対応して、１パルス周期１溶滴移行状態を確実に実現すること。
【解決手段】溶接ワイヤを送給し、ピーク期間Ｔｐ中のピーク電流Ｉｐ及びベース期間Ｔｂ中のベース電流Ｉｂの通電を１パルス周期として繰り返して溶接するパルスアーク溶接の送給制御方法において、ベース期間Ｔｂの時刻ｔ２～ｔ２１の期間中は、溶接ワイヤの送給速度Ｆｗを正逆送給する。送給速度Ｆｗは、正逆送給の平均値とピーク期間Ｔｐ中の正送給とが同一値になるように制御される。
【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、ピーク期間中のピーク電流及びベース期間中のベース電流の通電を１パルス周期として繰り返して溶接するパルスアーク溶接の送給制御方法において、
前記ベース期間の一部期間又は全期間中は溶接ワイヤを正逆送給する、
ことを特徴とするパルスアーク溶接の送給制御方法。

【請求項2】

前記正逆送給の正送給及び逆送給の振幅は、前記ピーク期間中の正送給の値よりも大である。
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送給制御方法。

【請求項3】

前記正逆送給は、逆送給から開始する、
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送給制御方法。

【請求項4】

前記正逆送給の平均値を、前記ピーク期間中の正送給の値と同一値にする、
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送給制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、消耗電極パルスアーク溶接の送給制御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、溶接ワイヤを一定速度で送給し、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１パルス周期として繰り返して溶接が行われる。ピーク電流は臨界電流値以上となる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。ベース電流は臨界電流値未満となる５０Ａ程度に設定され、溶接ワイヤはほとんど溶融しない。溶接電流値が臨界電流値以上になると、溶滴の移行携帯がスプレー移行状態となる。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パルス周期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】

上述した１パルス周期１溶滴移行状態にするためには、溶接ワイヤの直径、母材の材質、シールドガスの種類、平均溶接電流値等の種々の溶接条件において、ピーク電流値及びピーク期間等のパルス波形パラメータを適正値に設定する必要がある。特許文献１の発明では、溶接ワイヤと母材との短絡が所望タイミングで発生するようにパルス波形パラメータを自動設定している。短絡が所望タイミングで発生する状態は、短絡に伴って溶滴が移行していることを示しており、１パルス周期１溶滴移行状態になっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１４－２２６６７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来技術を使用してパルス波形パラメータを適正化しても、溶滴の形成状態には一定のばらつきがあるために、パルス周期中に溶滴が移行しない状態が発生する。特に、溶接ワイヤの材質がアルミニウムである場合には、溶滴が長く伸びた状態となり、パルス周期中に溶滴が移行しない状態が発生しやすい。

【0006】

そこで、本発明では、種々の溶接条件において、１パルス周期１溶滴移行状態を確実に実現することができ、高品質な溶接が可能となるパルスアーク溶接の送給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、
溶接ワイヤを送給し、ピーク期間中のピーク電流及びベース期間中のベース電流の通電を１パルス周期として繰り返して溶接するパルスアーク溶接の送給制御方法において、
前記ベース期間の一部期間又は全期間中は溶接ワイヤを正逆送給する、
ことを特徴とするパルスアーク溶接の送給制御方法である。

【0008】

請求項２の発明は、
前記正逆送給の正送給及び逆送給の振幅は、前記ピーク期間中の正送給の値よりも大である。
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送給制御方法である。

【0009】

請求項３の発明は、
前記正逆送給は、逆送給から開始する、
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送給制御方法である。

【0010】

請求項４の発明は、
前記正逆送給の平均値を、前記ピーク期間中の正送給の値と同一値にする、
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送給制御方法である。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、種々の溶接条件において、１パルス周期１溶滴移行状態を確実に実現することができ、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送給制御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送給制御方法を示す図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】

【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送給制御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の出力制御を行い、溶接に適した出力電圧を出力する。

【0016】

リアクトルＷＬは、電源主回路ＭＣの出力を平滑する。

【0017】

送給モータＷＭは、後述する送給制御信号Ｆｃを入力として、溶接ワイヤ１を送給速度Ｆｗで送給する。溶接ワイヤ１は、ベース期間の一部期間又は全期間中は正逆送給され、それ以外の期間中は正送給される。送給モータＷＭには、過渡特性の良いモータが使用される。溶接ワイヤ１の送給速度Ｆｗの変化率及び送給方向の反転を速くするために、送給モータＷＭは溶接トーチ４の先端の近くに設置される場合がある。また、送給モータＷＭを２個使用して、プッシュプル方式の送給系とする場合もある。

【0018】

溶接ワイヤ１は、上記のワイヤ送給モータＷＭ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。溶接トーチ４の先端からはシールドガス（図示は省略）が噴出してアーク３を大気から遮蔽する。母材２の材質は、鉄鋼、アルミニウム等である。シールドガスは、炭酸ガスとアルゴンガスとの混合ガス、アルゴンガス等である。

【0019】

電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗ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。

【0020】

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。

【0021】

Ｖ／ＦコンバータＶＦは、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖに応じた周期ごとに短時間Ｈｉｇｈレベルとなるパルス周期信号Ｔｆを出力する。このパルス周期信号Ｔｆは、ピーク期間とベース期間とを１周期とする周期を決定する信号である。

【0022】

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。

【0023】

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。ピーク期間設定回路ＴＰＲは、予め定めたピーク期間設定信号Ｔprを出力する。ピーク電流設定信号Ｉpr及びピーク期間設定信号Ｔprは、溶接条件に応じて１パルス周期１溶滴移行状態になるように設定される。

【0024】

ピーク期間タイマ回路ＴＴＰは、上記のパルス周期信号Ｔｆ及び上記のピーク期間設定信号Ｔprを入力として、パルス周期信号Ｔｆが短時間Ｈｉｇｈレベルになるごとにピーク期間設定信号Ｔprによって定まるピーク期間Ｔｐ中はＨｉｇｈレベルとなり、その後はＬｏｗ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Ｔｂ中はＬｏｗレベルとなる信号である。

【0025】

電流設定回路ＩＲは、上記のベース電流設定信号Ｉbr、上記のピーク電流設定信号Ｉpr及び上記のピーク期間信号Ｔtpを入力として、ピーク期間信号ＴtpがＨｉｇｈレベルのときはピーク電流設定信号Ｉprを電流設定信号Ｉｒとして出力し、ピーク期間信号ＴtpがＬｏｗレベルの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。

【0026】

電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｗ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】

送給速度設定回路ＦＲは、正逆送給期間以外の正送給の送給速度を設定するための予め定めた送給速度設定信号ｆｒを出力する。

【0028】

振幅設定回路ＡＲは、予め定めた振幅設定信号Ａrを出力する。周期設定回路ＳＲは、予め定めた周期設定信号Ｓｒを出力する。

【0029】

正逆送給期間タイマ回路ＴＦＲは、上記のピーク期間信号Ｔtpを入力として、ピーク期間信号ＴtpがＬｏｗレベルに変化した時点から所定期間の間又はＬｏｗレベルの全期間の間はＨｉｇｈレベルとなる正逆送給期間信号Ｔfrを出力する。したがって、正逆送給期間信号Ｔfrは、ベース期間の開始時点から所定期間の間又はベース期間の全期間の間Ｈｉｇｈレベルとなる信号である。

【0030】

送給速度制御設定回路ＦＣＲは、上記の正逆送給期間信号Ｔfr、上記の送給速度設定信号Ｆｒ、上記の振幅設定信号Ａｒ及び上記の周期設定信号Ｓｒを入力として、以下の処理を行い、送給速度制御設定信号Ｆcrを出力する。
１）正逆送給期間信号ＴfrがＬｏｗレベルのときは送給速度設定信号Ｆｒを送給速度制御設定信号Ｆcrとして出力する。これにより、正逆送給期間以外の期間中は正送給される。
２）正逆送給期間信号ＴfrがＨｉｇｈレベルのときは、振幅設定信号Ａｒの振幅及び周期設定信号Ｓｒの周期で０を中心として正負に振動する波形を、送給速度設定信号Ｆｒの値だけ正側にシフトさせた振動波形を送給速度制御設定信号Ｆcrとして出力する。振動波形は、正弦波、三角波、台形波、矩形波等である。これにより、正逆送給期間中は、溶接ワイヤ１は正逆送給されることになる。

【0031】

送給制御回路ＦＣは、上記の送給速度制御設定信号Ｆcrを入力として、この値に相当する送給速度Ｆｗで溶接ワイヤ１を送給するための送給制御信号Ｆｃを上記の送給モータＷＭに出力する。

【0032】

図２は、本発明の実施の形態に係るパルスアーク溶接の送給制御方法を示す図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)は正逆送給期間信号Ｔfrの時間変化を示し、同図（Ｄ）は送給速度Ｆｗ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。

【0033】

同図において、時刻ｔ１～ｔ３の期間が１パルス周期をしめす。時刻ｔ１～ｔ２の期間がピーク期間Ｔｐとなり、時刻ｔ２～ｔ３の期間がベース期間Ｔｂとなる。

【0034】

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、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の終了後のベース期間Ｔｂ中に溶滴は溶融池へと移行する（１パルス周期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パルス周期１溶滴移行状態になるように設定される。ピーク電流Ｉｐに対して、所定の立上り期間及び立下り期間を設ける場合もある。例えば、ピーク電流Ｉｐは５００Ａ程度に設定され、ピーク期間Ｔｐは１．７ms程度に設定される。同図（Ｃ）に示すように、正逆送給期間信号Ｔfrは、Ｌｏｗレベルのままである。同図（Ｄ）に示すように、送給速度Ｆｗは、図１の送給速度設定信号Ｆｒの値となり、溶接ワイヤは一定の速度で正送給される。

【0035】

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の平均値が図１の電圧設定信号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。

【0036】

ベース期間Ｔｂ中は、同図(Ａ)に示すように、予め定めたベース電流Ｉｂが通電し、同図(Ｂ)に示すように、アーク長に比例したベース電圧が印加する。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。ベース電流Ｉｂは、溶接ワイヤがほとんど溶融しない程度の小電流値に設定される。例えば、ベース電流Ｉｂは５０Ａ程度に設定される。

【0037】

ベース期間Ｔｂが開始してから所定期間が経過するまでの時刻ｔ２～ｔ２１の期間中は、同図（Ｃ）に示すように、正逆送給期間信号ＴfrはＨｉｇｈレベルとなり、正逆送給期間となる。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、送給速度Ｆｗは、図１の振幅設定信号Ａｒの振幅及び図１の周期設定信号Ｓｒの周期で０を中心として政府に振動する波形を、図１の送給速度設定信号Ｆｒの値だけ正側にシフトさせた振動波形となる。このために、正逆送給期間中の送給速度Ｆｗの平均値は、図１の送給速度設定信号Ｆｒの値となり、ピーク期間Ｔｐと同一の値となる。したがって、送給速度Ｆｗの平均値は、溶接の全期間中一定値となる。ここで、上記の正側のシフト量を変更することで、送給速度Ｆｗの平均値をピーク期間Ｔｐとは異なる値に設定することもできる。溶接ワイヤの先端を振動させるために、正送給及び逆送給の振幅は、送給速度設定信号Ｆｒの値よりも大である。さらに、正逆送給期間は、逆送給から開始する。送給速度設定信号Ｆｒの値は３～１０m/min程度に設定される。正送給と逆送給の振幅を合わせた振幅設定信号Ａｒの値は６０～１２０m／min程度に設定される。周期設定信号Ｓｒの値は１～４ms程度に設定される。同図では、振動波形は、台形波として表示しているが、正弦波、三角波、矩形波等であっても良い。上記の正逆送給期間を時刻ｔ２～ｔ３のベース期間Ｔｂの全期間としても良い。

【0038】

時刻ｔ２１～ｔ３の期間中は、同図（Ｃ）に示すように、正逆送給期間信号ＴfrはＬｏｗレベルとなる。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、送給速度Ｆｗは再び図１の送給速度設定信号Ｆｒの値となり、溶接ワイヤは一定速度で正送給される。

【0039】

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、ベース期間の一部期間又は全期間中は溶接ワイヤを正逆送給する。ベース期間中に溶接ワイヤを正逆送給すると、溶接ワイヤの先端に形成されている溶滴が上下方向に振動することになる。このために、溶滴を振動によって離脱させて、溶融池へと確実に移行させることができる。さらに、溶接ワイヤと母材とが短絡しない状態で溶滴を移行させることができるので、スパッタ発生を削減することができる。この結果、本実施の形態では、種々の溶接条件において、１パルス周期１溶滴移行状態を確実に実現することができ、高品質な溶接が可能となる。

【0040】

さらに好ましくは、本実施の形態によれば、正逆送給の正送給及び逆送給の振幅は、ピーク期間中の正送給の値よりも大である。このようにすると、溶滴の振動幅を大きくすることができるので、溶滴の離脱をより確実にすることができる。

【0041】

さらに好ましくは、本実施の形態によれば、正逆送給は、逆送給から開始する。このようにすると、溶滴は上方向の振動から開始するので、溶接ワイヤと母材との短絡をより確実に抑制することができ、スパッタ発生をさらに削減することができる。

【0042】

さらに好ましくは、本実施の形態によれば、正逆送給の平均値を、ピーク期間中の正送給の値と同一値にする。このようにすると、送給速度の平均値が溶接の全期間中一定となるので、ビード外観が均一になり、溶接品質が向上する。

【符号の説明】

【0043】

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
ＡＲ 振幅設定回路
Ａｒ 振幅設定信号
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
ＦＣＲ 送給速度制御設定回路
Ｆcr 送給速度制御設定信号
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
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
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
ＳＲ 周期設定回路
Ｓｒ 周期設定信号
Ｔｂ ベース期間
Ｔｆ パルス周期信号
ＴＦＲ 正逆送給期間タイマ回路
Ｔfr 正逆送給期間信号
Ｔｐ ピーク期間
ＴＰＲ ピーク期間設定回路
Ｔpr ピーク期間設定信号
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
ＷＬ リアクトル
ＷＭ 送給モータ

【図1】

【図2】