特開 2024-90327 短絡移行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】P2024090327

(43)【公開日】2024-07-04

(54)【発明の名称】短絡移行アーク溶接の送給制御方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/073 20060101AFI20240627BHJP

   B23K 9/12 20060101ALI20240627BHJP

   B23K 9/095 20060101ALI20240627BHJP

【ＦＩ】

B23K9/073 545

B23K9/12 305

B23K9/095 505B

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022206152

(22)【出願日】2022-12-23

(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】下新原 春菜

【テーマコード（参考）】

4E082

【Ｆターム（参考）】

4E082AA01

4E082AB01

4E082DA01

4E082EB11

4E082EC03

4E082EC16

4E082ED03

4E082EF07

4E082EF16

(57)【要約】

【課題】短絡移行アーク溶接において、長期短絡が発生した場合でも短絡期間の繰り返し周期を安定化させること。
【解決手段】溶接ワイヤを所定送給速度で送給し、溶接ワイヤと母材との間で短絡期間とアーク期間とを繰り返し、溶接ワイヤと母材との間に溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力して溶接する短絡移行アーク溶接の送給制御方法において、時刻ｔ３～ｔ４に短絡期間の継続時間が基準時間以上となる長期短絡が発生したときは、長期短絡が解除されてアーク期間に移行した時点ｔ４から、次の短絡期間が開始される時点ｔ５までの期間中は、送給速度Ｆｗを時刻ｔ４以前の所定送給速度よりも速い加速送給速度に切り換える。
【選択図】 図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

溶接ワイヤを所定送給速度で送給し、前記溶接ワイヤと母材との間で短絡期間とアーク期間とを繰り返し、前記溶接ワイヤと前記母材との間に溶接電圧及び溶接電流を出力して溶接する短絡移行アーク溶接の送給制御方法において、
前記短絡期間の継続時間が基準時間以上となる長期短絡が発生したときは、前記長期短絡が解除されて前記アーク期間に移行した時点から次の前記短絡期間が開始される時点までの期間中は、前記送給速度を前記所定送給速度よりも速い加速送給速度に切り換える、
ことを特徴とする短絡移行アーク溶接の送給制御方法。

【請求項2】

前記加速送給速度は、前記長期短絡の継続時間に応じて設定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の短絡移行アーク溶接の送給制御方法。

【請求項3】

前記アーク期間に移行した時点での前記溶接電流の値を初期アーク電流値に制御する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の短絡移行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、短絡移行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】

溶接ワイヤを所定送給速度で送給し、溶接ワイヤと母材との間で短絡期間とアーク期間とを繰り返し、溶接ワイヤと母材との間に溶接電圧及び溶接電流を出力して溶接する短絡移行アーク溶接が広く使用されている。

【0003】

短絡アーク溶接では、アーク期間中に溶接ワイヤの先端を溶融して溶滴を形成し、短絡期間中に溶滴を溶融池へと移行させて溶接が行われる。短絡期間の継続時間が３～４ｍｓ程度となる通常短絡がほぼ一定の周期で繰り返しているときは安定した溶接状態となる。しかし、溶接ワイヤの送給速度の変動、溶融池の不規則な運動等の外乱によって時々、短絡期間の継続時間が５ms以上となる長期短絡が発生する。長期短絡が発生した場合には、４００Ａを超える大電流値の短絡電流を通電し、溶接ワイヤの突き出し部を溶断してアークを再発生させている。この場合、アークが再発生した時点でのアーク長が通常短絡のときよりも長くなる。この結果、次の短絡が発生するまでの時間が長くなるために、短絡期間の繰り返し周期が乱れることになり、溶接状態が不安定になるという問題がある。

【0004】

特許文献１の発明では、通常短絡の繰り返し周期が目標値となるように短絡電流を制御している。しかし、長期短絡が発生した場合には、短絡電流の制御だけでは短絡期間の繰り返し周期を安定化させることは困難である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第６２４５７３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

そこで、本発明では、長期短絡が発生した場合でも、短絡期間の繰り返し周期を安定化することができる。短絡移行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、
溶接ワイヤを所定送給速度で送給し、前記溶接ワイヤと母材との間で短絡期間とアーク期間とを繰り返し、前記溶接ワイヤと前記母材との間に溶接電圧及び溶接電流を出力して溶接する短絡移行アーク溶接の送給制御方法において、
前記短絡期間の継続時間が基準時間以上となる長期短絡が発生したときは、前記長期短絡が解除されて前記アーク期間に移行した時点から次の前記短絡期間が開始される時点までの期間中は、前記送給速度を前記所定送給速度よりも速い加速送給速度に切り換える、
ことを特徴とする短絡移行アーク溶接の送給制御方法である。

【0008】

請求項２の発明は、
前記加速送給速度は、前記長期短絡の継続時間に応じて設定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の短絡移行アーク溶接の送給制御方法である。

【0009】

請求項３の発明は、
前記アーク期間に移行した時点での前記溶接電流の値を初期アーク電流値に制御する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の短絡移行アーク溶接の送給制御方法である。

【発明の効果】

【0010】

本発明に係る短絡移行アーク溶接の送給制御方法によれば、長期短絡が発生した場合でも、短絡期間の繰り返し周期を安定化することができるので、良好な溶接状態を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の実施の形態に係る短絡移行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短絡移行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】

【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短絡移行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。

【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、後述する誤差増幅信号Ｅａに従ってインバータ制御等の出力制御を行い、出力電圧Ｅ及び溶接電流Ｉｗを出力する。この電源主回路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、誤差増幅信号Ｅａを入力としてパルス幅変調制御を行う変調回路、パルス幅変調制御信を入力としてインバータ回路のスイッチング素子を駆動する駆動回路を備えている。

【0015】

溶接電流Ｉｗの通電路にはリアクトルＤＣＬが設けられている。

【0016】

溶接ワイヤ１は、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内を送給されて、母材２との間にアーク３が発生する。溶接トーチ４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が印加され、溶接電流Ｉｗが通電する。

【0017】

出力電圧検出回路ＥＤは、上記の出力電圧Ｅを検出して、出力電圧検出信号Ｅｄを出力する。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。

【0018】

短絡判別回路ＳＤは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、この値が短絡判別値（１０Ｖ程度）以下のときは短絡期間にあると判別して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レベルになる短絡判別信号Ｓｄを出力する。

【0019】

短絡時間計測回路ＴＳは、上記の短絡判別信号ｓｄを入力として、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベルとなる短絡期間の継続時間を計測して、短絡時間信号Ｔｓを出力する。

【0020】

長期短絡判別回路ＬＳＤは、上記の短絡判別信号Ｓｄ及び上記の短絡時間信号Ｔｓを入力として、短絡時間信号Ｔｓが予め定めた基準時間以上になるとＨｉｇｈレベルとなり、その後に短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベルになるとＬｏｗレベルに戻る長期短絡判別信号Ｌsdを出力する。基準時間は、例えば５msに設定される。

【0021】

送給加速アーク期間判別回路ＡＤは、上記の短絡判別信号Ｓｄ及び上記の長期短絡判別信号Ｌsdを入力として、長期短絡判別信号ＬsdがＬｏｗレベルに変化した時点から短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベルに変化するまでの送給加速アーク期間中はＨｉｇｈレベルとなる送給加速アーク期間信号Ａｄを出力する。

【0022】

通常送給速度設定回路ＦＣＲは、予め定めた通常送給速度設定信号Ｆcrを出力する。

【0023】

加速送給速度設定回路ＦＡＲは、上記の短絡時間信号Ｔｓ、上記の送給加速アーク期間信号Ａｄ及び上記の通常送給速度設定信号Ｆcrを入力として、送給加速アーク期間信号ＡｄがＨｉｇｈレベルに変化した時点における短絡時間信号Ｔｓの値におうじて設定される加速送給速度設定信号Ｆarを出力する。すなわち、加速送給速度設定信号Ｆarは、長期短絡の継続時間に応じて設定される。加速送給速度設定信号Ｆarの値は、長期短絡の継続時間が長くなるほど早くなる。例えば、長期短絡を判別する基準時間＝５msとすると、Ｔｓ＝６msの場合にはＦar＝Ｆcr×１．０５、Ｔｓ＝１０msの場合にはＦar＝Ｆcr×１．２５に設定される。

【0024】

送給速度設定回路ＦＲは、上記の送給加速アーク期間信号Ａｄ、上記の通常送給速度設定信号Ｆcr及び上記の加速送給速度設定信号Ｆarを入力として、送給加速アーク期間信号ＡｄがＬｏｗレベルのときは通常送給速度設定信号Ｆcrの値となり、送給加速アーク期間信号ＡｄがＨｉｇｈレベルのときは加速送給速度設定信号Ｆarの値となる送給速度設定信号Ｆｒを出力する。

【0025】

送給制御回路ＦＣは、上記の送給速度設定信号Ｆｒを入力として、溶接ワイヤ１の送給速度Ｆｗを送給速度設定信号Ｆｒによって定まる速度に制御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。

【0026】

出力電圧設定回路ＥＲは、予め定めた出力電圧設定信号Ｅｒを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の出力電圧検出信号Ｅｄ及び上記の出力電圧設定信号Ｅｒを入力として、両値の誤さを増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。

【0027】

短絡電流設定回路ＩＳＲは、上記の短絡判別信号Ｓｄ及び上記の長期短絡判別信号Ｌsdを入力として、以下の処理を行い、短絡電流設定信号Ｉsrを出力する。
１）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベルに変化すると、予め定めた初期短絡期間中は小電流値の初期短絡電流値となる短絡電流設定信号Ｉsrを出力する。例えば、初期短絡期間は１msであり、初期短絡電流は５０Ａである。
２）その後は、予め定めた上昇速度で上昇し、予め定めた短絡ピーク電流値に達するとその値を維持する短絡電流設定信号Ｉsrを出力する。例えば、上昇速度は１５０Ａ／msであり、短絡ピーク電流値は３５０Ａである。
３）その後に、長期短絡判別信号ＬsdがＨｉｇｈレベルとなると、予め定めた短絡解除電流値まで急上昇し、その値を短絡が解除されるまで維持する短絡電流設定信号Ｉsrを出力する。例えば、短絡解除電流値は５００Ａである。

【0028】

初期アーク期間判別信号ＴＩは、上記の送給加速アーク期間信号Ａｄを入力として、送給加速アーク期間信号ＡｄがＨｉｇｈレベルに変化した時点から予め定めた初期アーク期間中はＨｉｇｈレベルとなる初期アーク期間信号Ｔｉを出力する。例えば、初期アーク期間は１msに設定される。

【0029】

初期アーク電流設定回路ＩＩＲは、予め定めた初期アーク電流設定信号Ｉirを出力する。例えば、初期アーク電流設定信号Ｉirは３５０Ａに設定される。

【0030】

電流設定回路ＩＲは、上記の短絡判別信号Ｓｄ、上記の短絡電流設定信号Ｉsr及び上記の初期アーク電流設定信号Ｉirを入力として、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベルのときは短絡電流設定信号Ｉsrの値となり、Ｌｏｗレベルのときは初期アーク電流設定信号Ｉirの値となる電流設定信号Ｉｒを出力する。

【0031】

電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流設定信号Ｉｒ及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、両値の誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。

【0032】

誤差増幅回路ＥＡは、上記の短絡判別信号Ｓｄ、上記の初期アーク期間信号Ｔｉ、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖ及び上記の電流誤差増幅信号Ｅｉを入力として、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル又は初期アーク期間信号ＴｉがＨｉｇｈレベルのときは電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力し、それ以外の期間中は電圧誤差増幅信号Ｅｖを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。したがって、短絡期間及び初期アーク期間中は溶接電源は定電流制御され、それ以外のアーク期間中は定電圧制御される。

【0033】

図２は、本発明の実施の形態に係る短絡移行アーク溶接の送給制御方法をしめす図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）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は送給速度Ｆｗの時間変化を示し、同図（Ｄ）は長期短絡判別信号Ｌsdの時間変化を示し、同図（Ｅ）は送給加速アーク期間信号Ａｄ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。

【0034】

同図において、時刻ｔ１～ｔ２の短絡は通常短絡であり、時刻ｔ３～ｔ４の短絡は長期短絡であり、時刻ｔ５～ｔ６の短絡は通常短絡の場合である。

【0035】

時刻ｔ１において、溶接ワイヤと溶融池とが短絡すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖの短絡電圧値となる。同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、予め定めた初期短絡期間中は予め定めた初期短絡電流値となり、その後は予め定めた上昇速度で上昇し、予め定めた短絡ピーク電流値に達するとその値を維持する。時刻ｔ２においてアークが発生すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数十Ｖのアーク電圧値となる。同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは徐々に下降する。通常短絡であるので、同図（Ｃ）に示すように、送給速度Ｆｗは、通常送給速度となる。同図（Ｄ）に示すように、長期短絡判別信号ＬsdはＬｏｗレベルのままであり、同図（Ｅ）に示すように、送給加速アーク期間信号ＡｄもＬｏｗレベルのままである。

【0036】

時刻ｔ３において短絡が発生すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖの短絡電圧値となる。同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、予め定めた初期短絡期間中は予め定めた初期短絡電流値となり、その後は予め定めた上昇速度で上昇し、予め定めた短絡ピーク電流値に達するとその値を維持する。

【0037】

短絡中の時刻ｔ３１において、短絡期間の継続時間が予め定めた基準時間に達すると、同図（Ｄ）に示すように、長期短絡判別信号ＬsdがＨｉｇｈレベルに変化する。これに応動して、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、予め定めた短絡解除電流値へと急上昇する。

【0038】

時刻ｔ４において、大電流値の短絡解除電流の通電によって溶接ワイヤの突き出し部が溶断されると、アーク長の長い状態でアークが発生する。これに応動して、同図（Ａ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数十Ｖのアーク電圧値となる。同時に、同図（Ｄ）に示すように、長期短絡判別信号ＬsdはＬｏｗレベルとなり、同図（Ｅ）に示すように、送給加速アーク期間信号ＡｄがＨｉｇｈレベルとなる。そして、時刻ｔ４～ｔ４１の期間が初期アーク期間となる。この初期アーク期間中は、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、短絡解除電流値から一旦５０Ａ程度まで急下降した後に上昇して予め定めた初期アーク電流値となる。

【0039】

時刻ｔ４１以降のアーク期間中は、低電圧制御されて、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは徐々に下降する。そして、時刻ｔ５において、通常短絡が発生する。

【0040】

時刻ｔ４～ｔ５のアーク期間中は、同図（Ｅ）に示すように、送給加速アーク期間信号ＡｄがＨｉｇｈレベルとなるので、同図（Ｃ）に示すように、送給速度Ｆｗは予め定めた加速送給速度へと通常送給速度よりも早くなる。長期短絡が解除されてアークが発生した場合には、アーク長が長くなる。そこで、本実施の形態では、送給速度Ｆｗを早くすることによって、アーク長を速やかに短くし、次の短絡の発生が遅くなることを抑制している。これにより、短絡の繰り返し周期が長期短絡の発生によって変動することを抑制している。

【0041】

このときに、長期短絡の継続時間に応じて加速送給速度の値を設定するようにしている。アーク発生時のアーク長は、長期短絡の継続時間にほぼ比例している。したがって、このようにすると、アーク期間の変動をより抑制することができるので、短絡の繰り返し周期をさらに安定化することができる。

【0042】

さらには、長期短絡が解除されてアークが発生したときの初期アーク電流値を所望値に制御している。このようにすると、送給加速アーク期間中に適正サイズの溶滴を形成することができるので、次の短絡を通常短絡へと導くことができる。この結果、長期短絡が連続して発生することを抑制することができるので、溶接状態をさらに安定化することができる。

【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
ＡＤ 送給加速アーク期間判別回路
Ａｄ 送給加速アーク期間信号
ＤＣＬ リアクトル
Ｅ 出力電圧
ＥＡ 誤差増幅回路
Ｅａ 誤差増幅信号
ＥＤ 出力電圧検出回路
Ｅｄ 出力電圧検出信号
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＲ 出力電圧設定回路
Ｅｒ 出力電圧設定信号
ＥＶ 電圧誤差増幅回路
Ｅｖ 電圧誤差増幅信号
ＦＡＲ 加速送給速度設定回路
Ｆar 加速送給速度設定信号
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＦＣＲ 通常送給速度設定回路
Ｆcr 通常送給速度設定信号
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＩＲ 初期アーク電流設定回路
Ｉir 初期アーク電流設定信号
ＩＲ 電流設定回路
Ｉｒ 電流設定信号
ＩＳＲ 短絡電流設定回路
Ｉsr 短絡電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＬＳＤ 長期短絡判別回路
Ｌsd 長期短絡判別信号
ＰＭ 電源主回路
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
ＴＩ 初期アーク期間判別回路
Ｔｉ 初期アーク期間信号
ＴＳ 短絡時間計測回路
Ｔｓ 短絡時間信号
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＭ 送給モータ

【図1】

【図2】