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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-11-04
(45)【発行日】2022-11-14
(54)【発明の名称】複合溶接方法
(51)【国際特許分類】
   B23K 9/12 20060101AFI20221107BHJP
   B23K 9/173 20060101ALI20221107BHJP
   B23K 9/16 20060101ALI20221107BHJP
   B23K 9/073 20060101ALI20221107BHJP
   B23K 26/348 20140101ALI20221107BHJP
【FI】
B23K9/12 305
B23K9/173 A
B23K9/16 K
B23K9/073 545
B23K26/348
【請求項の数】 3
(21)【出願番号】P 2018233942
(22)【出願日】2018-12-14
(65)【公開番号】P2020093292
(43)【公開日】2020-06-18
【審査請求日】2021-10-06
(73)【特許権者】
【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
(72)【発明者】
【氏名】廣田 周吾
(72)【発明者】
【氏名】中岡 将晃
(72)【発明者】
【氏名】坂本 欣也
(72)【発明者】
【氏名】塩崎 秀男
【審査官】山下 浩平
(56)【参考文献】
【文献】特表2008-522833(JP,A)
【文献】特開2005-270995(JP,A)
【文献】特表2008-542027(JP,A)
【文献】特開2018-008304(JP,A)
【文献】特許第5214859(JP,B2)
【文献】米国特許出願公開第2007/0251927(US,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
B23K 9/00 - 9/32、10/00 - 10/02
B23K 26/00 - 26/70
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
溶接ワイヤの送給速度を正逆送給してアーク期間と短絡期間とを交互に繰り返すアーク溶接とレーザ溶接とを併用して溶接する複合溶接方法において、
前記アーク溶接及び前記レーザ溶接を併用して溶接する複合溶接モードと、前記アーク溶接のみで溶接する単独溶接モードとを備え、
前記複合溶接モードのときは、前記アークの長さと相関する値を検出し、前記相関する値に基づいて前記送給速度の正送ピーク値を可変制御し、
前記単独溶接モードのときは、前記正送ピーク値を所定値に制御する、
ことを特徴とする複合溶接方法。
【請求項2】
前記相関する値は、前記アーク期間と前記短絡期間との繰り返し周期又は前記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に記載の複合溶接方法。
【請求項3】
前記相関する値は、前記アーク溶接の溶接電圧の値である、
ことを特徴とする請求項1に記載の複合溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、アーク溶接とレーザ溶接とを併用して溶接する複合溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
アーク溶接とレーザ溶接とを併用して溶接する複合溶接方法が慣用されている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
上記のアーク溶接方法としては、溶接ワイヤの送給を正送と逆送とに交互に切り換えて溶接する正逆送給アーク溶接方法(例えば、特許文献2参照)が使用される場合がある。
【0004】
上記のレーザとしては、半導体レーザ、YAGレーザ、炭酸ガスレーザ等が使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開2004-9061号公報
【文献】特開2018-1270号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
正逆送給アーク溶接においては、短絡期間とアーク期間との周期の変動が抑制され、短絡期間中に確実に溶滴の移行が行われることによって、溶接品質が向上する。しかし、正逆送給アーク溶接とレーザ溶接とを併用する複合溶接方法においては、レーザによって溶接ワイヤが過熱され、ワイヤ溶融速度が変動する。この結果、アーク長が変動して、高品質の溶接ビードを形成することが困難であるという問題がある。
【0007】
そこで、本発明では、正逆送給アーク溶接とレーザ溶接とを併用して溶接する場合において、アーク長の変動を抑制して高品質の溶接ビードを形成することができる複合溶接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、
溶接ワイヤの送給速度を正逆送給してアーク期間と短絡期間とを交互に繰り返すアーク溶接とレーザ溶接とを併用して溶接する複合溶接方法において、
前記アーク溶接及び前記レーザ溶接を併用して溶接する複合溶接モードと、前記アーク溶接のみで溶接する単独溶接モードとを備え、
前記複合溶接モードのときは、前記アークの長さと相関する値を検出し、前記相関する値に基づいて前記送給速度の正送ピーク値を可変制御し、
前記単独溶接モードのときは、前記正送ピーク値を所定値に制御する、
ことを特徴とする複合溶接方法である。
【0009】
請求項2の発明は、前記相関する値は、前記アーク期間と前記短絡期間との繰り返し周期又は前記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に記載の複合溶接方法である。
【0010】
請求項3の発明は、前記相関する値は、前記アーク溶接の溶接電圧の値である、
ことを特徴とする請求項1に記載の複合溶接方法である。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、正逆送給アーク溶接とレーザ溶接とを併用して溶接する場合において、アーク長の変動を抑制して高品質の溶接ビードを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
図1】本発明の実施の形態1に係る複合溶接方法を実施するための溶接装置の構成図である。
図2図1で上述した溶接電源PSの詳細ブロック図である。
図3】本発明の実施の形態1に係る複合溶接方法を示す図1及び図2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。
図4】本発明の実施の形態2に係る複合溶接方法を実施するための溶接電源PSのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
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。
【0015】
[実施の形態1]
図1は、本発明の実施の形態1に係る複合溶接方法を実施するための溶接装置の構成図である。溶接装置は、正逆送給アーク溶接を行うためのアーク溶接装置と、レーザ溶接を行うためのレーザ溶接装置を備えている。以下、同図を参照して各構成物について説明する。
【0016】
アーク溶接装置は、主に、溶接電源PS、送給機WF及び溶接トーチWTを備えている。
【0017】
溶接電源PSは、3相200V等の交流商用電源(図示は省略)を入力として、インバータ制御等の出力制御を行い、アーク3を発生させるための溶接電圧Vw及び溶接電流Iwを出力する。また、溶接電源PSは、送給機WFに送給制御信号Fcを出力する。さらに、溶接電源PSは、レーザ発振器LSからのレーザ出力信号Lsを入力として、レーザ出力信号Lsに基づいて後述する溶接モードを「複合溶接モード」と「単独溶接モード」とに切り換える。溶接電源PSの詳細なブロック図を、図2に示す。
【0018】
送給機WFは、溶接電源PSからの送給制御信号Fcを入力として、送給制御信号Fcに従って溶接ワイヤ1を送給速度Fwで正逆送給する。
【0019】
溶接トーチWTは、装着された給電チップ(図示は省略)を介して溶接ワイヤ1に給電し、溶接ワイヤ1を母材2の被溶接部に送出する。溶接ワイヤ1と母材2との間にアーク3が発生する。給電チップと母材2との間に溶接電圧Vwが印加し、溶接電流Iwが通電する。
【0020】
レーザ溶接装置は、主に、レーザ発振器LS、光ファイバーLF及び加工ヘッドLHを備えている。
【0021】
レーザ発振器LSは、レーザ溶接を行うためのレーザ光4を出力する。また、レーザ発振器LSは、レーザ光4が出力されているときはHighレベルとなり、出力されていないときはLowレベルとなるレーザ出力信号Lsを溶接電源PSに出力する。
【0022】
光ファイバーLFは、レーザ光4を加工ヘッドLHに導く。
【0023】
加工ヘッドLHは、内蔵された種々の光学系(図示は省略)によって集光し、レーザ光4をアーク溶接の被溶接部に照射する。同図では、アーク3よりも前方からレーザ光4を照射しているが、後方から照射する場合もある。
【0024】
図2は、図1で上述した溶接電源PSの詳細ブロック図である。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。
【0025】
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による出力制御を行い、出力電圧E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上記の誤差増幅信号Ea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次整流器を備えている。
【0026】
リアクトルWLは、上記の出力電圧Eを平滑する。このリアクトルWLのインダクタンス値は、例えば100μHである。
【0027】
溶接電源PSの外部に設置された送給機WFは、上述したように溶接電源PSからの送給制御信号Fcを入力として、正送と逆送とを交互に繰り返して溶接ワイヤ1を送給速度Fwで送給する。送給機WFには、過渡応答性の速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、送給機WFは溶接トーチWTの先端の近くに設置される場合がある。また、送給機WF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。
【0028】
溶接ワイヤ1は、上記の送給機WFに内蔵された送給ロール5の回転によって溶接トーチWT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WT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WTの先端からはシールドガスが噴出して、アーク3を大気から遮蔽する。
【0029】
出力電圧設定回路ERは、上記の溶接電圧Vwを設定するための予め定めた出力電圧設定信号Erを出力する。出力電圧検出回路EDは、上記の出力電圧Eを検出し平滑して、出力電圧検出信号Edを出力する。
【0030】
電圧誤差増幅回路EVは、上記の出力電圧設定信号Er及び上記の出力電圧検出信号Edを入力として、出力電圧設定信号Er(+)と出力電圧検出信号Ed(-)との誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Evを出力する。
【0031】
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。短絡判別回路SDは、上記の電圧検出信号Vdを入力として、この値が予め定めた短絡判別値(10V程度)未満のときは短絡期間にあると判別してHighレベルになり、以上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。
【0032】
正送加速期間設定回路TSURは、予め定めた正送加速期間設定信号Tsurを出力する。
【0033】
正送減速期間設定回路TSDRは、予め定めた正送減速期間設定信号Tsdrを出力する。
【0034】
逆送加速期間設定回路TRURは、予め定めた逆送加速期間設定信号Trurを出力する。
【0035】
逆送減速期間設定回路TRDRは、予め定めた逆送減速期間設定信号Trdrを出力する。
【0036】
逆送ピーク値設定回路WRRは、予め定めた逆送ピーク値設定信号Wrrを出力する。
【0037】
送給速度設定回路FRは、上記の正送加速期間設定信号Tsur、上記の正送減速期間設定信号Tsdr、上記の逆送加速期間設定信号Trur、上記の逆送減速期間設定信号Trdr、後述する正送ピーク値設定信号Wsr、上記の逆送ピーク値設定信号Wrr及び上記の短絡判別信号Sdを入力として、以下の処理によって生成された送給速度パターンを送給速度設定信号Frとして出力する。この送給速度設定信号Frが0以上のときは正送期間となり、0未満のときは逆送期間となる。
1)正送加速期間設定信号Tsurによって定まる正送加速期間Tsu中は0から正送ピーク値設定信号Wsrによって定まる正の値の正送ピーク値Wspまで直線状に加速する送給速度設定信号Frを出力する。
2)続いて、正送ピーク期間Tsp中は、上記の正送ピーク値Wspを維持する送給速度設定信号Frを出力する。
3)短絡判別信号SdがLowレベル(アーク期間)からHighレベル(短絡期間)に変化すると、正送減速期間設定信号Tsdrによって定まる正送減速期間Tsdに移行し、上記の正送ピーク値Wspから0まで直線状に減速する送給速度設定信号Frを出力する。
4)続いて、逆送加速期間設定信号Trurによって定まる逆送加速期間Tru中は0から逆送ピーク値設定信号Wrrによって定まる負の値の逆送ピーク値Wrpまで直線状に加速する送給速度設定信号Frを出力する。
5)続いて、逆送ピーク期間Trp中は、上記の逆送ピーク値Wrpを維持する送給速度設定信号Frを出力する。
6)短絡判別信号SdがHighレベル(短絡期間)からLowレベル(アーク期間)に変化すると、逆送減速期間設定信号Trdrによって定まる逆送減速期間Trdに移行し、上記の逆送ピーク値Wrpから0まで直線状に減速する送給速度設定信号Frを出力する。
7)上記の1)~6)を繰り返すことによって正負の台形波状に変化する送給パターンの送給速度設定信号Frが生成される。
【0038】
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、送給速度設定信号Fr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を上記の送給機WFに出力する。
【0039】
減流抵抗器Rは、上記のリアクトルWLと溶接トーチWTとの間に挿入される。この減流抵抗器Rの値は、短絡負荷(0.01~0.03Ω程度)の50倍以上大きな値(0.5~3Ω程度)に設定される。この減流抵抗器Rが通電路に挿入されると、リアクトルWL及び外部ケーブルのリアクトルに蓄積されたエネルギーが急放電される。
【0040】
トランジスタTRは、上記の減流抵抗器Rと並列に接続されて、後述する駆動信号Drに従ってオン又はオフ制御される。
【0041】
くびれ検出回路NDは、上記の短絡判別信号Sd、上記の電圧検出信号Vd及び上記の電流検出信号Idを入力として、短絡判別信号SdがHighレベル(短絡期間)であるときの電圧検出信号Vdの電圧上昇値が基準値に達した時点でくびれの形成状態が基準状態になったと判別してHighレベルとなり、短絡判別信号SdがLowレベル(アーク期間)に変化した時点でLowレベルになるくびれ検出信号Ndを出力する。また、短絡期間中の電圧検出信号Vdの微分値がそれに対応した基準値に達した時点でくびれ検出信号NdをHighレベルに変化させるようにしても良い。さらに、電圧検出信号Vdの値を電流検出信号Idの値で除算して溶滴の抵抗値を算出し、この抵抗値の微分値がそれに対応する基準値に達した時点でくびれ検出信号NdをHighレベルに変化させるようにしても良い。
【0042】
低レベル電流設定回路ILRは、予め定めた低レベル電流設定信号Ilrを出力する。電流比較回路CMは、この低レベル電流設定信号Ilr及び上記の電流検出信号Idを入力として、Id<IlrのときはHighレベルになり、Id≧IlrのときはLowレベルになる電流比較信号Cmを出力する。
【0043】
駆動回路DRは、上記の電流比較信号Cm及び上記のくびれ検出信号Ndを入力として、くびれ検出信号NdがHighレベルに変化するとLowレベルに変化し、その後に電流比較信号CmがHighレベルに変化するとHighレベルに変化する駆動信号Drを上記のトランジスタTRのベース端子に出力する。したがって、この駆動信号Drはくびれが検出されるとLowレベルになり、トランジスタTRがオフ状態になり通電路に減流抵抗器Rが挿入されるので、短絡負荷を通電する溶接電流Iwは急減する。そして、急減した溶接電流Iwの値が低レベル電流設定信号Ilrの値まで減少すると、駆動信号DrはHighレベルになり、トランジスタTRがオン状態になるので、減流抵抗器Rは短絡されて通常の状態に戻る。
【0044】
電流制御設定回路ICRは、上記の短絡判別信号Sd、上記の低レベル電流設定信号Ilr及び上記のくびれ検出信号Ndを入力として、以下の処理を行い、電流制御設定信号Icrを出力する。
1)短絡判別信号SdがLowレベル(アーク期間)のときは、低レベル電流設定信号Ilrとなる電流制御設定信号Icrを出力する。
2)短絡判別信号SdがHighレベル(短絡期間)に変化すると、予め定めた初期期間中は予め定めた初期電流設定値となり、その後は予め定めた短絡時傾斜で予め定めた短絡時ピーク設定値まで上昇してその値を維持する電流制御設定信号Icrを出力する。
3)その後に、くびれ検出信号NdがHighレベルに変化すると、低レベル電流設定信号Ilrの値となる電流制御設定信号Icrを出力する。
【0045】
電流誤差増幅回路EIは、上記の電流制御設定信号Icr及び上記の電流検出信号Idを入力として、電流制御設定信号Icr(+)と電流検出信号Id(-)との誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Eiを出力する。
【0046】
電流降下時間設定回路TDRは、予め定めた電流降下時間設定信号Tdrを出力する。
【0047】
小電流期間回路STDは、上記の短絡判別信号Sd及び上記の電流降下時間設定信号Tdrを入力として、短絡判別信号SdがLowレベル(アーク期間)に変化した時点から電流降下時間設定信号Tdrによって定まる時間が経過した時点でHighレベルになり、その後に短絡判別信号SdがHighレベル(短絡期間)になるとLowレベルになる小電流期間信号Stdを出力する。
【0048】
電源特性切換回路SWは、上記の電流誤差増幅信号Ei、上記の電圧誤差増幅信号Ev、上記の短絡判別信号Sd及び上記の小電流期間信号Stdを入力として、以下の処理を行い、誤差増幅信号Eaを出力する。
1)短絡判別信号SdがHighレベル(短絡期間)に変化した時点から、短絡判別信号SdがLowレベル(アーク期間)に変化して予め定めた遅延期間が経過した時点までの期間中は、電流誤差増幅信号Eiを誤差増幅信号Eaとして出力する。
2)その後の大電流アーク期間中は、電圧誤差増幅信号Evを誤差増幅信号Eaとして出力する。
3)その後のアーク期間中に小電流期間信号StdがHighレベルとなる小電流アーク期間中は、電流誤差増幅信号Eiを誤差増幅信号Eaとして出力する。
この回路によって、溶接電源の特性は、短絡期間、遅延期間及び小電流アーク期間中は定電流特性となり、それ以外の大電流アーク期間中は定電圧特性となる。
【0049】
周期設定回路TFRは、予め定めた周期設定信号Tfrを出力する。アーク期間設定回路TARは、予め定めたアーク期間設定信号Tarを出力する。
【0050】
周期検出回路TFDは、上記の短絡判別信号Sdを入力として、アーク期間(Lowレベル)と短絡期間(Highレベル)との繰り返し周期の移動平均値を算出して、周期検出信号Tfdとして出力する。アーク期間検出回路TADは、上記の短絡判別信号Sdを入力として、アーク期間(Lowレベル)の時間長さのの移動平均値を算出して、アーク期間検出信号Tadとして出力する。平均電圧検出回路VADは、上記の電圧検出信号Vdを入力として、電圧検出信号Vdの移動平均値を算出して、平均電圧検出信号Vadとして出力する。
【0051】
アーク長誤差増幅回路ELは、上記の周期設定信号Tfr、上記のアーク期間設定信号Tar、上記の出力電圧設定信号Er、上記の周期検出信号Tfd、上記のアーク期間検出信号Tad、上記の平均電圧検出信号Vadを入力として、以下の1)~3)の処理のいずれか1つを選択して、アーク長誤差増幅信号Elを出力する。ここで、周期設定信号Tfr、アーク期間設定信号Tar又は出力電圧設定信号Erが目標値となる。そして、周期検出信号Tfd、アーク期間検出信号Tad又は平均電圧検出信号Vadがアーク長相関値となる。
1)周期設定信号Tfr(-)と周期検出信号Tfd(+)との誤差を増幅してアーク長誤差増幅信号Elを出力する。例えば、Tfr=10msである。
2)アーク期間設定信号Tar(-)とアーク期間検出信号Tad(+)との誤差を増幅してアーク長誤差増幅信号Elを出力する。例えば、Tar=7msである。
3)出力電圧設定信号Er(-)と平均電圧検出信号Vad(+)との誤差を増幅してアーク長誤差増幅信号Elを出力する。
【0052】
溶接モード設定回路MSは、上記のレーザ発振器LSからのレーザ出力信号Lsを入力として、レーザ出力信号LsがHighレベルのときはHighレベル(複合溶接モード)となり、LowレベルのときはLowレベル(単独溶接モード)となる、溶接モード設定信号Msを出力する。この回路により、レーザが照射されているときは自動的に複合溶接モードとなり、レーザが照射されていないときは自動的に単独溶接モードになる。レーザの照射に連動して自動的に溶接モードを切り換えているが、手動によって切り換えるようにしても良い。
【0053】
正送ピーク値設定回路WSRは、上記の溶接モード設定信号Ms及び上記のアーク長誤差増幅信号Elを入力として、
溶接モード設定信号MsがHighレベル(複合溶接モード)のときは、予め定めた正送ピーク初期値をアーク長誤差増幅信号Elに基づいてフィードバック制御(可変制御)して正送ピーク値設定信号Wsrを出力し、
溶接モード設定信号MsがLowレベル(単独溶接モード)のときは、上記の正送ピーク初期値をそのまま正送ピーク値設定信号Wsrとして出力する。この回路によって、複合溶接モードのときは、アーク長相関値が目標値と一致するように、正送ピーク値設定信号Wsrが可変制御される。単独溶接モードのときは、正送ピーク値設定信号Wsrは所定値(正送ピーク初期値)のままとなる。
【0054】
図3は、本発明の実施の形態1に係る複合溶接方法を示す図1及び図2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)は送給速度Fw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)は溶接電圧Vwの時間変化を示し、同図(D)は短絡判別信号Sdの時間変化を示し、同図(E)は小電流期間信号Stdの時間変化を示し、同図(F)はレーザ出力信号Ls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。
【0055】
同図(F)に示すように、レーザ出力信号Lsは同図においては全期間Highレベルのままである。したがって、図1のレーザ発振器LSからはレーザ光が出力されており、被溶接部にレーザが照射されている。レーザ出力信号LsがHighレベルであるので、ず2の溶接モード設定回路MSからはHighレベル(複合溶接モード)の溶接モード設定信号Msが出力されている。
【0056】
同図(A)に示す送給速度Fwは、図2の送給速度設定回路FRから出力される送給速度設定信号Frの値に制御される。送給速度Fwは、図2の正送加速期間設定信号Tsurによって定まる正送加速期間Tsu、短絡が発生するまで継続する正送ピーク期間Tsp、図2の正送減速期間設定信号Tsdrによって定まる正送減速期間Tsd、図2の逆送加速期間設定信号Trurによって定まる逆送加速期間Tru、アークが発生するまで継続する逆送ピーク期間Trp及び図2の逆送減速期間設定信号Trdrによって定まる逆送減速期間Trdから形成される。さらに、正送ピーク値Wspは図2の正送ピーク値設定信号Wsrによって定まり、逆送ピーク値Wrpは図2の逆送ピーク値設定信号Wrrによって定まる。この結果、送給速度設定信号Frは、正負の略台形波波状に変化する送給パターンとなる。
【0057】
[時刻t1~t4の短絡期間の動作]
正送ピーク期間Tsp中の時刻t1において短絡が発生すると、同図(C)に示すように、溶接電圧Vwは数Vの短絡電圧値に急減するので、同図(D)に示すように、短絡判別信号SdがHighレベル(短絡期間)に変化する。これに応動して、時刻t1~t2の予め定めた正送減速期間Tsdに移行し、同図(A)に示すように、送給速度Fwは上記の正送ピーク値Wspから0まで減速する。例えば、正送減速期間Tsd=1msに設定される。
【0058】
同図(A)に示すように、送給速度Fwは時刻t2~t3の予め定めた逆送加速期間Truに入り、0から上記の逆送ピーク値Wrpまで加速する。この期間中は短絡期間が継続している。例えば、逆送加速期間Tru=1msに設定される。
【0059】
時刻t3において逆送加速期間Truが終了すると、同図(A)に示すように、送給速度Fwは逆送ピーク期間Trpに入り、上記の逆送ピーク値Wrpになる。逆送ピーク期間Trpは、時刻t4にアークが発生するまで継続する。したがって、時刻t1~t4の期間が短絡期間となる。逆送ピーク期間Trpは所定値ではないが、4ms程度となる。例えば、逆送ピーク値Wrp=-50m/minに設定される。
【0060】
同図(B)に示すように、時刻t1~t4の短絡期間中の溶接電流Iwは、予め定めた初期期間中は予め定めた初期電流値となる。その後、溶接電流Iwは、予め定めた短絡時傾斜で上昇し、予め定めた短絡時ピーク値に達するとその値を維持する。
【0061】
同図(C)に示すように、溶接電圧Vwは、溶接電流Iwが短絡時ピーク値となるあたりから上昇する。これは、溶接ワイヤ1の逆送及び溶接電流Iwによるピンチ力の作用により、溶接ワイヤ1の先端の溶滴にくびれが次第に形成されるためである。
【0062】
その後に溶接電圧Vwの電圧上昇値が基準値に達すると、くびれの形成状態が基準状態になったと判別して、図2のくびれ検出信号NdはHighレベルに変化する。
【0063】
くびれ検出信号NdがHighレベルになったことに応動して、図2の駆動信号DrはLowレベルになるので、図2のトランジスタTRはオフ状態となり図2の減流抵抗器Rが通電路に挿入される。同時に、図2の電流制御設定信号Icrが低レベル電流設定信号Ilrの値に小さくなる。このために、同図(B)に示すように、溶接電流Iwは短絡時ピーク値から低レベル電流値へと急減する。そして、溶接電流Iwが低レベル電流値まで減少すると、駆動信号DrはHighレベルに戻るので、トランジスタTRはオン状態となり減流抵抗器Rは短絡される。同図(B)に示すように、溶接電流Iwは、電流制御設定信号Icrが低レベル電流設定信号Ilrのままであるので、アーク再発生から予め定めた遅延期間が経過するまでは低レベル電流値を維持する。したがって、トランジスタTRは、くびれ検出信号NdがHighレベルに変化した時点から溶接電流Iwが低レベル電流値に減少するまでの期間のみオフ状態となる。同図(C)に示すように、溶接電圧Vwは、溶接電流Iwが小さくなるので一旦減少した後に急上昇する。上述した各パラメータは、例えば以下の値に設定される。初期電流=40A、初期期間=0.5ms、短絡時傾斜=180A/ms、短絡時ピーク値=400A、低レベル電流値=50A、遅延期間=0.5ms。
【0064】
[時刻t4~t7のアーク期間の動作]
時刻t4において、溶接ワイヤの逆送及び溶接電流Iwの通電によるピンチ力によってくびれが進行してアークが発生すると、同図(C)に示すように、溶接電圧Vwは数十Vのアーク電圧値に急増するので、同図(D)に示すように、短絡判別信号SdがLowレベル(アーク期間)に変化する。これに応動して、時刻t4~t5の予め定めた逆送減速期間Trdに移行し、同図(A)に示すように、送給速度Fwは上記の逆送ピーク値Wrpから0まで減速する。
【0065】
時刻t5において逆送減速期間Trdが終了すると、時刻t5~t6の予め定めた正送加速期間Tsuに移行する。この正送加速期間Tsu中は、同図(A)に示すように、送給速度Fwは0から上記の正送ピーク値Wspまで加速する。この期間中はアーク期間が継続している。例えば、正送加速期間Tsu=1msに設定される。
【0066】
時刻t6において正送加速期間Tsuが終了すると、同図(A)に示すように、送給速度Fwは正送ピーク期間Tspに入り、上記の正送ピーク値Wspになる。この期間中もアーク期間が継続している。正送ピーク期間Tspは、時刻t7に短絡が発生するまで継続する。したがって、時刻t4~t7の期間がアーク期間となる。そして、短絡が発生すると、時刻t1の動作に戻る。正送ピーク期間Tspは所定値ではないが、4ms程度となる。正送ピーク値Wspについては、後述する。
【0067】
時刻t4においてアークが発生すると、同図(C)に示すように、溶接電圧Vwは数十Vのアーク電圧値に急増する。他方、同図(B)に示すように、溶接電流Iwは、時刻t4~t41の遅延期間の間は低レベル電流値を継続する。その後、時刻t41から溶接電流Iwは急速に増加してピーク値となり、その後は徐々に減少する大電流値となる。この時刻t41~t61の大電流アーク期間中は、図2の電圧誤差増幅信号Evによって溶接電源のフィードバック制御が行われるので、定電圧特性となる。したがって、大電流アーク期間中の溶接電流Iwの値はアーク負荷によって変化する。
【0068】
時刻t4にアークが発生してから図2の電流降下時間設定信号Tdrによって定まる電流降下時間が経過する時刻t61において、同図(E)に示すように、小電流期間信号StdがHighレベルに変化する。これに応動して、溶接電源は定電圧特性から定電流特性に切り換えられる。このために、同図(B)に示すように、溶接電流Iwは低レベル電流値に低下し、短絡が発生する時刻t7までその値を維持する。同様に、同図(C)に示すように、溶接電圧Vwも低下する。小電流期間信号Stdは、時刻t7に短絡が発生するとLowレベルに戻る。
【0069】
同図は溶接モードが複合溶接モードの場合であるので、正送ピーク値Wspは、以下のように可変制御される。図2のアーク長誤差増幅回路ELによって、以下の1)~3)のいずれか一つのアーク長誤差増幅信号Elが出力される。
1)周期設定信号Tfr(-)と周期検出信号Tfd(+)との誤差を増幅してアーク長誤差増幅信号Elを出力する。例えば、Tfr=10msである。
2)アーク期間設定信号Tar(-)とアーク期間検出信号Tad(+)との誤差を増幅してアーク長誤差増幅信号Elを出力する。例えば、Tar=7msである。
3)出力電圧設定信号Er(-)と平均電圧検出信号Vad(+)との誤差を増幅してアーク長誤差増幅信号Elを出力する。
【0070】
図2の正送ピーク値設定回路WSRによって、予め定めた正送ピーク初期値をアーク長誤差増幅信号Elに基づいてフィードバック制御(可変制御)する。
【0071】
アーク長の変動を直接検出することは困難である。そこで、アーク長を周期検出信号Tfd、アーク期間検出信号Tad又は平均電圧検出信号Vadによってアーク長相関値として間接的に検出している。そして、アーク長相関値が目標値と一致するように正送ピーク値Wspをフィードバック制御している。これにより、アーク長が適正値になるように、正送ピーク値Wspが可変制御される。
【0072】
他方、溶接モードが単独溶接モードのときは、図2の正送ピーク値設定回路WSRによって正送ピーク値は所定値(正送ピーク初期値)のままとなる。単独溶接モードのときは、正逆送給アーク溶接のみで溶接が行われている。この場合に、正送ピーク値Wspをアーク長相関値によって可変制御すると、所定値にしたときに比べてアーク長が不安定になる。したがって、単独溶接モードのときは、正送ピーク値の可変制御は停止している。
【0073】
上述した実施の形態1によれば、アーク溶接及びレーザ溶接を併用して溶接する複合溶接モードと、アーク溶接のみで溶接する単独溶接モードとを備え、複合溶接モードのときは、アークの長さと相関する値を検出し、相関する値に基づいて送給速度の正送ピーク値を可変制御し、単独溶接モードのときは、正送ピーク値を所定値に制御する。相関する値は、アーク期間と短絡期間との繰り返し周期、アーク期間の時間長さ又はアーク溶接の溶接電圧の値である。これにより、複合溶接モードのときは、正送ピーク値を可変制御することによってアーク長の変動を抑制している。また、単独溶接モードのときは、正送ピーク値を可変制御しないで所定値とすることで、アーク長が不安定になることを防止している。この結果、高品質の溶接ビードを形成することができる。
【0074】
[実施の形態2]
実施の形態2の発明は、実施の形態1の可変制御の対象である正送ピーク値(正送ピーク値設定信号Wsr)に替えてアーク溶接の溶接電圧の設定値(出力電圧設定信号Er)を使用するものである。
【0075】
図4は、本発明の実施の形態2に係る複合溶接方法を実施するための溶接電源PSのブロック図である。同図は、上述した図2と対応しており、同一ブロックには同一符号を付して、それらの説明は繰り返さない。同図は、図2の正送ピーク値設定回路WSRを第2正送ピーク値設定回路WSR2に置換し、図2の出力電圧設定回路ERを第2出力電圧設定回路ER2に置換したものである。図1に示す溶接装置については、実施の形態2においても同一である。以下、同図を参照して、これらのブロックについて説明する。
【0076】
第2正送ピーク値設定回路WSR2は、予め定めた正送ピーク値設定信号Wsrを出力する。
【0077】
第2出力電圧設定回路ER2は、上記の溶接モード設定信号Ms及び上記のアーク長誤差増幅信号Elを入力として、
溶接モード設定信号MsがHighレベル(複合溶接モード)のときは、予め定めた出力電圧初期設定値をアーク長誤差増幅信号Elに基づいてフィードバック制御(可変制御)して出力電圧設定信号Erを出力し、
溶接モード設定信号MsがLowレベル(単独溶接モード)のときは、上記の出力電圧初期設定値をそのまま出力電圧設定信号Erとして出力する。この回路によって、複合溶接モードのときは、アーク長相関値が目標値と一致するように、出力電圧設定信号Erが可変制御される。単独溶接モードのときは、出力電圧設定信号Erは所定値(出力電圧初期設定値)のままとなる。
【0078】
図4における各信号のタイミングチャートは、上述した図3と同一であるので省略する。但し、以下の点は異なっている。
【0079】
実施の形態2においては、正送ピーク値設定信号Wsrは所定値となり、アーク長誤差増幅信号El(アーク長相関値)による可変制御は行われない。それに代えて出力電圧設定信号Erは、以下のように可変制御される。図4の第2出力電圧設定回路ER2によって、予め定めた出力電圧初期設定値をアーク長誤差増幅信号Elに基づいてフィードバック制御(可変制御)する。
【0080】
アーク長の変動を直接検出することは困難である。そこで、アーク長を周期検出信号Tfd、アーク期間検出信号Tad又は平均電圧検出信号Vadによってアーク長相関値として間接的に検出している。そして、アーク長相関値が目標値と一致するように出力電圧設定信号Er(溶接電圧Vwの設定値)をフィードバック制御している。これにより、アーク長が適正値になるように、出力電圧設定信号Erが可変制御される。
【0081】
他方、溶接モードが単独溶接モードのときは、図4の第2出力電圧設定回路ER2によって出力電圧設定信号Erは所定値(出力電圧初期設定値)のままとなる。単独溶接モードのときは、正逆送給アーク溶接のみで溶接が行われている。この場合に、出力電圧設定信号Erをアーク長相関値によって可変制御すると、所定値にしたときに比べてアーク長が不安定になる。したがって、単独溶接モードのときは、出力電圧設定信号Erの可変制御は停止している。
【0082】
上述した実施の形態2によれば、アーク長相関値に基づく可変制御の対象を正送ピーク値に替えてアーク溶接の溶接電圧の設定値(出力電圧設定信号Er)を使用する。これにより、実施の形態1と同様の効果を奏する。
【符号の説明】
【0083】
1 溶接ワイヤ
2 母材
3 アーク
4 レーザ光
5 送給ロール
CM 電流比較回路
Cm 電流比較信号
DR 駆動回路
Dr 駆動信号
E 出力電圧
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
EL アーク長誤差増幅回路
El アーク長誤差増幅信号
ER 出力電圧設定回路
Er 出力電圧設定信号
ER2 第2出力電圧設定回路
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
FR 送給速度設定回路
Fr 送給速度設定信号
Fw 送給速度
ICR 電流制御設定回路
Icr 電流制御設定信号
ID 電流検出回路
Id 電流検出信号
ILR 低レベル電流設定回路
Ilr 低レベル電流設定信号
Iw 溶接電流
LF 光ファイバー
LH 加工ヘッド
LS レーザ発振器
Ls レーザ出力信号
MS 溶接モード設定回路
Ms 溶接モード設定信号
ND くびれ検出回路
Nd くびれ検出信号
PM 電源主回路
PS 溶接電源
R 減流抵抗器
SD 短絡判別回路
Sd 短絡判別信号
STD 小電流期間回路
Std 小電流期間信号
SW 電源特性切換回路
TAD アーク期間検出回路
Tad アーク期間検出信号
TAR アーク期間設定回路
Tar アーク期間設定信号
TDR 電流降下時間設定回路
Tdr 電流降下時間設定信号
TFD 周期検出回路
Tfd 周期検出信号
TFR 周期設定回路
Tfr 周期設定信号
TR トランジスタ
Trd 逆送減速期間
TRDR 逆送減速期間設定回路
Trdr 逆送減速期間設定信号
Trp 逆送ピーク期間
Tru 逆送加速期間
TRUR 逆送加速期間設定回路
Trur 逆送加速期間設定信号
Tsd 正送減速期間
TSDR 正送減速期間設定回路
Tsdr 正送減速期間設定信号
Tsp 正送ピーク期間
Tsu 正送加速期間
TSUR 正送加速期間設定回路
Tsur 正送加速期間設定信号
VAD 平均溶接電圧検出回路
Vad 平均溶接電圧検出信号
VD 電圧検出回路
Vd 電圧検出信号
Vw 溶接電圧
WF 送給機
WL リアクトル
Wrp 逆送ピーク値
WRR 逆送ピーク値設定回路
Wrr 逆送ピーク値設定信号
Wsp 正送ピーク値
WSR 正送ピーク値設定回路
Wsr 正送ピーク値設定信号
WSR2 第2正送ピーク値設定回路
WT 溶接トーチ
図1
図2
図3
図4