特開 2025-26000 積層造形溶接方法

(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】P2025026000

(43)【公開日】2025-02-21

(54)【発明の名称】積層造形溶接方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/16 20060101AFI20250214BHJP

   B23K 9/04 20060101ALI20250214BHJP

   B23K 9/167 20060101ALI20250214BHJP

   B23K 9/173 20060101ALI20250214BHJP

   B23K 9/073 20060101ALI20250214BHJP

   B23K 10/02 20060101ALI20250214BHJP

【ＦＩ】

B23K9/16 K

B23K9/04 Z

B23K9/04 G

B23K9/167 A

B23K9/173 A

B23K9/073 545

B23K10/02 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023131316

(22)【出願日】2023-08-10

(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】高田 賢人

【テーマコード（参考）】

4E001

4E082

【Ｆターム（参考）】

4E001AA03

4E001BB07

4E001BB09

4E001BB11

4E001DD02

4E001DD04

4E082AA03

4E082AA08

4E082AA09

4E082AB01

4E082EC20

4E082EF07

(57)【要約】

【課題】アーク溶接による積層造形溶接方法において、ビードに凹凸形状が発生することを抑制して高品質の造形物を製造すること。
【解決手段】溶接トーチＷＴから送給される溶接ワイヤ１をアーク溶接によって溶融及び凝固させてビードを形成し、形成されたビードを積層させて造形物を製造する積層造形溶接方法において、アーク溶接は、先行する消耗電極アーク３ｂ及び後行する非消耗電極アーク３ａから形成される２電極アーク溶接である。消耗電極アーク３ｂの溶接ワイヤ１の送給速度Ｆｒを入力とする関数によって非消耗電極アーク３ａの溶接電流Ｉａの値を算出する。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

溶接トーチから送給される溶接ワイヤをアーク溶接によって溶融及び凝固させてビードを形成し、形成された前記ビードを積層させて造形物を製造する積層造形溶接方法において、
前記アーク溶接は、先行する消耗電極アーク及び後行する非消耗電極アークから形成される２電極アーク溶接である、
ことを特徴とする積層造形溶接方法。

【請求項2】

前記消耗電極アークの前記溶接ワイヤの送給速度を入力とする関数によって前記非消耗電極アークの溶接電流の値を算出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の積層造形溶接方法。

【請求項3】

前記消耗電極アークの溶接状態の安定性と相関する指標を検出し、
前記指標に基づいて前記非消耗電極アークの溶接電流の値を制御する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の積層造形溶接方法。

【請求項4】

前記消耗電極アークは短絡期間及びアーク期間を繰り返す短絡移行アークであり、
前記指標は、前記短絡期間の時間長さ、前記アーク期間の時間長さ及びアーク切れの発生の少なくとも一つに基づいて検出される、
ことを特徴とする請求項３に記載の積層造形溶接方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、溶接トーチから送給される溶接ワイヤをアーク溶接によって溶融及び凝固させてビードを形成し、形成されたビードを積層させて造形物を製造する積層造形溶接方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

金属材料に対する３Ｄプリンタは、アーク、レーザ等の熱源によって金属ワイヤ又は金属粉体を溶融させてビードを形成し、形成されたビードを積層させて造形物を製造する。

【0003】

特許文献１の発明は、消耗電極アークを用いた積層造形溶接方法であって、ビード層を形成するビード造形工程と、ビード層の形状を計測する工程と、計測されたビード層の形状に応じてビード層を平滑にするための平滑用ビードを形成する平滑用ビード造形工程と、を備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第７２０３６７１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

積層工程において、溶接状態が不安定になると、形成されるビードが凹凸形状になることが度々ある。凹凸形状は次の層の溶接によって平坦に改善される場合もあるが、ほとんどの場合は凹凸形状が改善されず、そのまま積層され外観不良になる。特許文献１の発明では、ビードの凹凸形状を計測して、凹凸形状を平坦にする工程を行う。しかし、この方法では、計測工程及び平坦工程が必要であり、作業効率が低下する。

【0006】

そこで、本発明では、アーク溶接による積層造形溶接方法において、ビードに凹凸形状が発生することを抑制して高品質の造形物を製造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、
溶接トーチから送給される溶接ワイヤをアーク溶接によって溶融及び凝固させてビードを形成し、形成された前記ビードを積層させて造形物を製造する積層造形溶接方法において、
前記アーク溶接は、先行する消耗電極アーク及び後行する非消耗電極アークから形成される２電極アーク溶接である、
ことを特徴とする積層造形溶接方法である。

【0008】

請求項２の発明は、
前記消耗電極アークの前記溶接ワイヤの送給速度を入力とする関数によって前記非消耗電極アークの溶接電流の値を算出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の積層造形溶接方法である。

【0009】

請求項３の発明は、
前記消耗電極アークの溶接状態の安定性と相関する指標を検出し、
前記指標に基づいて前記非消耗電極アークの溶接電流の値を制御する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の積層造形溶接方法である。

【0010】

請求項４の発明は、
前記消耗電極アークは短絡期間及びアーク期間を繰り返す短絡移行アークであり、
前記指標は、前記短絡期間の時間長さ、前記アーク期間の時間長さ及びアーク切れの発生の少なくとも一つに基づいて検出される、
ことを特徴とする請求項３に記載の積層造形溶接方法である。

【発明の効果】

【0011】

本発明に係るアーク溶接による積層造形溶接方法によれば、ビードに凹凸形状が発生することを抑制して高品質の造形物を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施の形態に係る積層造形溶接方法を実施するための溶接装置のブロック図である。

【図2】本発明の実施の形態に係る積層造形溶接方法を示す図１の溶接装置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積層造形溶接方法を実施するための溶接装置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】

破線で囲まれた溶接トーチＷＴは、非消耗電極１ａと、それを取り囲むプラズマガスノズル４と消耗電極である溶接ワイヤ１ｂに給電する給電チップ６と、プラズマガスノズル４及び給電チップ６の両方を取り囲むシールドガスノズル５と、を備えている。非消耗電極１ａには、タングステン電極等が使用される。非消耗電極１ａとワーク２との間に非消耗電極アーク３ａが発生する。溶接ワイヤ１ｂとワーク２との間に消耗電極アーク３ｂが発生する。同図では、非消耗電極アーク３ａがプラズマアークの場合であるが、ティグアークであっても良い。同図では、プラズマガスノズル４及び給電チップ６の両方を一つのシールドガスノズル５が取り囲んでいるが、それぞれ別のシールドガスノズル５に取り囲まれるようにしても良い。非消耗電極アーク３ａと消耗電極アーク３ｂとでそれぞれ別の溶接トーチＷＴとしても良い。この場合には、２第のロボットＲＭにそれぞれの溶接トーチを搭載する。

【0016】

プラズマガスノズル４内をプラズマガスが流れる。また、シールドガスノズル５内をシールドガスが流れる。プラズマガスにはアルゴンガスが使用される。シールドガスには炭酸ガス又はアルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガスが使用される。

【0017】

非消耗電極アーク３ａは非消耗電極１ａとワーク２との間に発生し、非消耗電極溶接電流Ｉａが通電する。消耗電極アーク３ｂは溶接ワイヤ１ｂとワーク２との間に発生し、溶接電流Ｉｂが通電し溶接電圧Ｖｂが印加する。非消耗電極アーク３ａは、非消耗電極１ａが負極となり、ワーク２が正極となって発生する。消耗電極アーク３ｂは、溶接ワイヤ１ｂが正極となり、ワーク２が負極となって発生する。消耗電極アーク３ｂが先行となり、非消耗電極アーク３ａが後行となる２電極アークとなる。両アークの離間距離は、一つの溶融池を形成する距離又は独立した溶融池を形成する距離に設定され、３～１０mm程度である。溶接トーチＷＴから送給される溶接ワイヤ１ｂを消耗電極アーク３ｂによって溶融・凝固させ、非消耗電極アーク３ａによってビードが平坦になるように再溶融・凝固させてビードを形成し、形成されたビードを積層させて造形物を製造する。

【0018】

ロボットＲＭは、上記の溶接トーチＷＴ及び後述する送給機ＷＭを搭載しており、後述する移動制御信号Ｒｃを入力として移動が制御される。

【0019】

ロボット制御装置ＲＣは、予め記憶されている教示データに従ってロボットＲＭを移動制御するための移動制御信号Ｒｃを出力する。ロボット制御装置ＲＣは、積層造形物の形状データに基づいて複数の層に分割して各層の形状を表す層形状データを生成する。さらに、ロボット制御装置ＲＣは、生成された層形状データに基づいてトーチ先端位置の移動軌跡を教示データとして記憶する。

【0020】

溶接電圧設定回路ＶＲは、予め定めた溶接電圧設定信号Ｖｒを出力する。送給速度設定回路ＦＲは、予め定めた送給速度設定信号Ｆｒを出力する。

【0021】

溶接電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｂを検出して溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する。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、この値が基準電圧値（１０Ｖ程度）以上のときは消耗電極アーク３ｂの溶接状態が短絡期間にあると判別してＨｉｇｈレベルとなり、未満のときはアーク期間にあると判別してＬｏｗレベルになる短絡判別信号Ｓｄを出力する。溶接電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｂを検出して溶接電流検出信号Ｉｄを出力する。

【0022】

溶接状態指標回路ＡＤは、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、以下の処理を行い、溶接状態指標信号Ａｄを出力する。
１）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）である時間長さが基準値（１０ms程度）以上のときは所定期間（５０ms程度）だけＨｉｇｈレベルとなる溶接状態指標信号Ａｄを出力する。
２）短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）である時間長さが基準値（２０ms程度）以上のときは所定期間（５０ms程度）だけＨｉｇｈレベルとなる溶接状態指標信号Ａｄを出力する。
３）溶接電流検出信号Ｉｄの値が０となりアーク切れを判別したときは所定期間（５０ms程度）だけＨｉｇｈレベルとなる溶接状態指標信号Ａｄを出力する。

【0023】

非消耗電極溶接電流設定回路ＩＡＲは、上記の送給速度設定信号Ｆｒを入力として、予め定めた関数によって算出された非消耗電極溶接電流設定信号Ｉａrを出力する。関数は、送給速度設定信号Ｆｒの値が大きくなるほど算出される値が大きくなる関数である。関数は、非消耗電極アーク３ａによってビードを平坦にすることができるように予め実験によって設定される。

【0024】

非消耗電極溶接電流制御設定回路ＩＣＲは、上記の非消耗電極溶接電流設定信号Ｉａr及び上記の溶接状態指標信号Ａｄを入力として、溶接状態指標信号ＡｄがＬｏｗレベルのときは非消耗電極溶接電流設定信号Ｉａrの値を非消耗電極溶接電流制御設定信号Ｉcrとして出力し、溶接状態指標信号ＡｄがＨｉｇｈレベルのときは非消耗電極溶接電流設定信号Ｉａrの値に予め定めた増加値（５０Ａ程度）を加算した値を非消耗電極溶接電流制御設定信号Ｉcrとして出力する。

【0025】

非消耗電極アーク用溶接電源ＰＳＡは、上記の非消耗電極溶接電流制御設定信号Ｉcrを入力として、定電流制御によって非消耗電極溶接電流制御設定信号Ｉcrによって設定された非消耗電極溶接電流Ｉａを出力する。

【0026】

消耗電極アーク用溶接電源ＰＳＢは、上記の溶接電圧設定信号Ｖｒを入力として、定電圧制御によって溶接電圧設定信号Ｖｒによって設定された溶接電圧Ｖｂを出力する。

【0027】

送給機ＷＭは、上記の送給速度設定信号Ｆｒを入力として、溶接ワイヤ１ｂを送給速度設定信号Ｆｒによって設定された送給速度で送給する。同図は、溶接ワイヤ１ｂを定速送給する場合であるが、溶接ワイヤ１ｂをアーク期間中は正送し短絡期間中は逆送する正逆送給としても良い。

【0028】

図２は、本発明の実施の形態に係る積層造形溶接方法を示す図１の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は先行する消耗電極アークの溶接電圧Ｖｂの時間変化を示し、同図（Ｂ）は先行する消耗電極アークの溶接電流Ｉｂの時間変化を示し、同図（Ｃ）は後行する非消耗電極アークの非消耗電極溶接電流Ｉａの時間変化を示し、同図（Ｄ）は溶接状態指標信号Ａｄの時間変化を示す。以下、同図及び図１を参照して各信号の動作について説明する。

【0029】

同図は、消耗電極アーク３ｂが溶接ワイヤ１とワーク２との間でアーク期間と短絡期間とを繰り返す短絡移行アークの場合である。

【0030】

時刻ｔ１～ｔ２の短絡期間中は、同図（Ａ）に示すように、溶接電圧Ｖｂは数Ｖの短絡電圧値となり、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｂは経時的に増加する。時刻ｔ２～ｔ３のアーク期間中は、同図（Ａ）に示すように、溶接電圧Ｖｂは数十Ｖのアーク電圧値となり、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｂは経時的に減少する。時刻ｔ３～ｔ４の短絡期間及び時刻ｔ４～ｔ５のアーク期間の動作も同様となる。

【0031】

時刻ｔ５からの短絡期間の時間長さが時刻ｔ５１において基準値に達すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｂは短絡解除電流値まで急増する。そして、時刻ｔ５１において、同図（Ｄ）に示すように、溶接状態指標信号ＡｄがＨｉｇｈレベルとなり、時刻ｔ５１～ｔ９の所定期間中Ｈｉｇｈレベルを維持する。 同図（Ｃ）に示すように、時刻ｔ５１以前は溶接状態指標信号ＡｄがＬｏｗレベルであるので、非消耗電極溶接電流Ｉａは図１の非消耗電極溶接電流設定信号Ｉａrによって設定された値となる。 非消耗電極溶接電流設定信号Ｉａrは、図１の送給速度設定信号Ｆｒの値を入力とする予め定めた関数によって算出された値となる。関数は、送給速度設定信号Ｆｒの値が大きくなるほど算出される値が大きくなる関数である。関数は、非消耗電極アーク３ａによってビードを平坦にすることができるように予め実験によって設定される。

【0032】

同図（Ｃ）に示すように、時刻ｔ５１～ｔ９の所定期間中は溶接状態指標信号ＡｄがＨｉｇｈレベルであるので、非消耗電極溶接電流Ｉａは図１の非消耗電極溶接電流設定信号Ｉａrに予め定めた増加値を加算した値となる。

【0033】

時刻ｔ６～ｔ７はアーク期間となり、時刻ｔ７～ｔ８は短絡期間となり、時刻ｔ８～ｔ９はアーク期間となり、時刻ｔ９～ｔ１０は短絡期間となる。

【0034】

時刻ｔ９において、所定期間が終了すると、同図（Ｄ）に示すように、溶接状態指標信号ＡｄはＬｏｗレベルに戻る。これに応動して、同図（Ｃ）に示すように、非消耗電極溶接電流Ｉａは時刻ｔ５１以前の値に戻る。

【0035】

同図（Ｄ）に示す溶接状態指標信号Ａｄは、消耗電極アークの溶接状態の安定性と相関する指標である。溶接状態指標信号Ａｄは、短絡期間の時間長さが基準値以上のとき、アーク期間の時間長さが基準値以上のとき及びアーク切れが発生したときの少なくとも一つが発生したときに溶接状態が不安定な状態であると判別して所定期間中Ｈｉｇｈレベルとなる。所定期間中は、同図（Ｃ）に示す非消耗電極溶接電流Ｉａの値を増加値だけ増加させる。これにより、消耗電極アークの溶接状態が不安定になったことに起因して生じるビードの凹凸形状を、非消耗電極アークの電流値を増加させて入熱を大きくすることによって、ビードを平坦にすることができる。所定期間はビードを平坦にすることができる時間であり、５０～１００MS程度である。同図では、時刻ｔ５１～ｔ９の所定期間中に短絡期間及びアーク期間が２周期の場合として表示しているが、実際は５～１０周期程度となる。

【0036】

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、溶接トーチから送給される溶接ワイヤをアーク溶接によって溶融及び凝固させてビードを形成し、形成されたビードを積層させて造形物を製造する積層造形溶接方法において、アーク溶接は、先行する消耗電極アーク及び後行する非消耗電極アークから形成される２電極アーク溶接である。先行する消耗電極アークによって溶融池を形成して凝固させてビードを形成する。凝固過程にある溶融池を非消耗電極アークによって再溶融した上で凝固させることで、ビードが凹凸形状になることを抑制して平坦にすることができる。

【0037】

さらに好ましくは、本実施の形態によれば、消耗電極アークの溶接ワイヤの送給速度を入力とする関数によって非消耗電極アークの溶接電流の値を算出する。消耗電極アークの送給速度が大きくなるほど溶融池が大きくなるために、再溶融させるための非消耗電極アークの入熱は大きくなる必要がある。このために、非消耗電極アークの溶接電流の値を送給速度を入力とする関数によって設定すれば、溶融池の再溶融を円滑に行うことができるので、ビードが凹凸形状になることをより抑制することができる。

【0038】

さらに好ましくは、本実施の形態によれば、消耗電極アークの溶接状態の安定性と相関する指標を検出し、指標に基づいて非消耗電極アークの溶接電流の値を制御する。消耗電極アークの溶接状態が不安定になるとビードが凹凸形状になる可能性が高くなる。そこで、消耗電極アークの溶接状態の安定性と相関する指標に基づいて非消耗電極アークの溶接電流の値を変化させれば、凹凸形状の発生をより効果的に抑制することができる。

【0039】

さらに好ましくは、本実施の形態によれば、消耗電極アークは短絡期間及びアーク期間を繰り返す短絡移行アークであり、指標は、短絡期間の時間長さ、アーク期間の時間長さ及びアーク切れの発生の少なくとも一つに基づいて検出される。これにより、消耗電極アークの溶接状態の安定性を検出することができるので、検出結果に基づいて非消耗電極アークの溶接電流の値を変化させれば、凹凸形状の発生をより効果的に抑制することができる。

【符号の説明】

【0040】

１ａ 非消耗電極
１ｂ 溶接ワイヤ（消耗電極）
2 ワーク
３ａ 非消耗電極アーク
３ｂ 消耗電極アーク
4 プラズマガスノズル
５ シールドガスノズル
６ 給電チップ
ＡＤ 溶接状態指標回路
Ａｄ 溶接状態指標信号
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
Ｉａ 非消耗電極溶接電流
ＩＡＲ 非消耗電極溶接電流設定回路
Ｉar 非消耗電極溶接電流設定信号
Ｉｂ （消耗電極アークの）溶接電流
ＩＣＲ 非消耗電極溶接電流制御設定回路
Ｉcr 非消耗電極溶接電流制御設定信号
ＩＤ 溶接電流検出回路
Ｉｄ 溶接電流検出信号
ＰＳＡ 非消耗電極アーク用溶接電源
ＰＳＢ 消耗電極アーク用溶接電源
ＲＣ ロボット制御装置
Ｒｃ 移動制御信号
ＲＮ ロボット
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
Ｖｂ （消耗電極アークの）溶接電圧
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
ＷＭ 送給機
ＷＴ 溶接トーチ

【図1】

【図2】