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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】2022-12-05
(45)【発行日】2022-12-13
(54)【発明の名称】アーク溶接方法
(51)【国際特許分類】
   B23K 9/073 20060101AFI20221206BHJP
   B23K 9/09 20060101ALI20221206BHJP
   B23K 9/12 20060101ALI20221206BHJP
【FI】
B23K9/073 545
B23K9/09
B23K9/12 305
【請求項の数】 4
(21)【出願番号】P 2019023263
(22)【出願日】2019-02-13
(65)【公開番号】P2020131199
(43)【公開日】2020-08-31
【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】恵良 哲生
(72)【発明者】
【氏名】廣田 周吾
(72)【発明者】
【氏名】中俣 利昭
【審査官】山下 浩平
(56)【参考文献】
【文献】特表2012-529991(JP,A)
【文献】国際公開第2017/169900(WO,A1)
【文献】国際公開第2016/075871(WO,A1)
【文献】国際公開第2016/059805(WO,A1)
【文献】特開2012-006020(JP,A)
【文献】特開2016-043357(JP,A)
【文献】特表2007-508939(JP,A)
【文献】国際公開第2012/164833(WO,A1)
【文献】韓国登録特許第10-0668233(KR,B1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
B23K 9/00 - 9/32、10/00 - 10/02
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
溶接ワイヤを正送給し定常ピーク期間中の定常ピーク電流及びベース期間中のベース電流を通電してパルスアーク溶接を行う期間と前記溶接ワイヤを正逆送給して短絡移行アーク溶接を行う期間とを交互に切り換えて溶接するアーク溶接方法において、
前記パルスアーク溶接の期間の定常パルス周期中の前記定常ピーク電流値及び前記定常ピーク期間は1パルス周期ごとに一つの溶滴が移行する1パルス周期1溶滴移行状態となるように設定し、
前記パルスアーク溶接の期間の最終パルス周期中の最終ピーク電流値及び最終ピーク期間は、(前記定常ピーク電流値×前記定常ピーク期間)>(前記最終ピーク電流値×前記最終ピーク期間)であり、最終パルス周期中に形成された溶滴が移行しない値に設定して、前記短絡移行アーク溶接の期間に切り換える、
ことを特徴とするアーク溶接方法。
【請求項2】
前記短絡移行アーク溶接の期間の開始時点から、送給速度を正送ピーク値まで加速する
ことを特徴とする請求項1に記載のアーク溶接方法。
【請求項3】
前記短絡移行アーク溶接の期間中の最初の周期の前記正送ピーク値を次周期以降の前記正送ピーク値とは異なる値に設定する、
ことを特徴とする請求項2に記載のアーク溶接方法。
【請求項4】
前記短絡移行アーク溶接のアーク期間中に前記パルスアーク溶接に切り換える、
ことを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載のアーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、パルスアーク溶接を行う期間と短絡移行アーク溶接を行う期間とを交互に切り換えて溶接するアーク溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
溶接ワイヤを送給し、パルスアーク溶接を行う期間と短絡移行アーク溶接を行う期間とを交互に切り換えて溶接する方法が使用されている(例えば、特許文献1参照)。この場合の切換周波数は、0.1~10Hz程度である。この溶接方法では、ウロコ状の美麗なビードを形成することができる。さらには、この溶接方法では、パルスアーク溶接の期間と短絡移行アーク溶接の期間との比率を調整することによって、母材への入熱制御を行うことができる。
【0003】
また、特許文献2の発明では、溶接ワイヤを正送給してパルスアーク溶接を行う期間と溶接ワイヤを正逆送給して短絡移行アーク溶接を行う期間とを交互に切り換えて溶接するアーク溶接方法が開示されている。このアーク溶接方法では、短絡移行アーク溶接中の送給を、アーク期間中は正送し、短絡期間中は逆送している。さらに、パルスアーク溶接から短絡移行アーク溶接への切り換えを、パルスアーク溶接によって溶滴が移行した後のベース期間中に行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開2005-313179号公報
【文献】特開2015-205347号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
従来技術では、パルスアーク溶接と短絡移行アーク溶接との切換時に、溶滴移行形態が変化するために、スパッタが発生し、溶接状態が不安定になるという問題がある。
【0006】
そこで、本発明では、パルスアーク溶接と短絡移行アーク溶接との切り換えを円滑に行うことができるアーク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】
【0007】
上述した課題を解決するために、請求項1の発明は、
溶接ワイヤを正送給し定常ピーク期間中の定常ピーク電流及びベース期間中のベース電流を通電してパルスアーク溶接を行う期間と前記溶接ワイヤを正逆送給して短絡移行アーク溶接を行う期間とを交互に切り換えて溶接するアーク溶接方法において、
前記パルスアーク溶接の期間の定常パルス周期中の前記定常ピーク電流値及び前記定常ピーク期間は1パルス周期ごとに一つの溶滴が移行する1パルス周期1溶滴移行状態となるように設定し、
前記パルスアーク溶接の期間の最終パルス周期中の最終ピーク電流値及び最終ピーク期間は、(前記定常ピーク電流値×前記定常ピーク期間)>(前記最終ピーク電流値×前記最終ピーク期間)であり、最終パルス周期中に形成された溶滴が移行しない値に設定して、前記短絡移行アーク溶接の期間に切り換える、
ことを特徴とするアーク溶接方法である。
【0008】
請求項2の発明は、前記短絡移行アーク溶接の期間の開始時点から、送給速度を正送ピーク値まで加速する
ことを特徴とする請求項1に記載のアーク溶接方法である。
【0009】
請求項3の発明は、
前記短絡移行アーク溶接の期間中の最初の周期の前記正送ピーク値を次周期以降の前記正送ピーク値とは異なる値に設定する、
ことを特徴とする請求項2に記載のアーク溶接方法である。
【0010】
請求項4の発明は、前記短絡移行アーク溶接のアーク期間中に前記パルスアーク溶接に切り換える、
ことを特徴とする請求項1~3のいずれか1項に記載のアーク溶接方法である。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、パルスアーク溶接と短絡移行アーク溶接との切り換えを円滑に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
図1】本発明の実施の形態1に係るアーク溶接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1に係るアーク溶接方法を示す図1の溶接電源におけるパルスアーク溶接期間Taから短絡移行アーク溶接期間Tcへの切換時の各信号のタイミングチャートである。
図3】本発明の実施の形態1に係るアーク溶接方法を示す図1の溶接電源における短絡移行アーク溶接期間Tcからパルスアーク溶接期間Taへの切換時の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】
【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に係るアーク溶接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。
【0016】
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。
【0017】
リアクトルWLは、溶接電流Iwを平滑して安定したアーク3を持続させる。
【0018】
送給モータWMは、後述する送給制御信号Fcを入力として、パルスアーク溶接期間中は正送給し、短絡移行アーク溶接期間中は正逆送給して溶接ワイヤ1を送給速度Fwで送給する。送給モータWM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。
【0019】
溶接ワイヤ1は、上記の送給モータ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。シールドガスとしては、溶接ワイヤ1の材質が鉄鋼の場合にはアルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガスが使用され、溶接ワイヤ1の材質がアルミニウムの場合にはアルゴンガスが使用される。
【0020】
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。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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
正送ピーク値設定回路WSRは、後述するタイマ信号Tm及び上記の短絡判別信号Sdを入力として、タイマ信号TmがLowレベル(短絡移行アーク溶接期間Tc)に変化してから最初に短絡判別信号SdがHighレベル(短絡期間)に変化するまでの期間中は予め定めた初期値となり、それ以外の期間中は予め定めた定常値となる正送ピーク値設定信号Wsrを出力する。
【0028】
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。
【0029】
短絡アーク送給速度設定回路FCR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、上記の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短絡アーク送給速度設定信号Fcrとして出力する。この短絡アーク送給速度設定信号Fcrが正の値のときは正送期間となり、負の値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(但し、短絡移行アーク溶接期間Tcに切り替わった直後はパルス送給速度設定信号Far)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短絡アーク送給速度設定信号Fcr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を維持する短絡アーク送給速度設定信号Fcr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短絡アーク送給速度設定信号Fcr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短絡アーク送給速度設定信号Fcr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を維持する短絡アーク送給速度設定信号Fcr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短絡アーク送給速度設定信号Fcr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短絡アーク送給速度設定信号Fcrが生成される。
【0030】
減流抵抗器Rは、上記のリアクトルWLと溶接トーチ4との間に挿入される。この減流抵抗器Rの値は、短絡期間中の溶接電流Iwの通電路の抵抗値(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が溶接電流Iwの通電路に挿入されると、リアクトルWL及び溶接ケーブルのリアクトルに蓄積されたエネルギーが急速に消費される。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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、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。
【0035】
短絡アーク電流設定回路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、短絡アーク電流設定信号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となる短絡アーク電流設定信号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短絡アーク電流設定信号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の値となる短絡アーク電流設定信号Icrを出力する。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
パルス周期回路TFは、上記の電圧誤差増幅信号Evを入力として、電圧誤差増幅信号Evを電圧/周波数変換して、パルス周期ごとに短時間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によって、パルスアーク溶接のピーク期間とベース期間との繰り返し周期が決定される。
【0039】
ピーク電流設定回路IPRは、後述する最終パルス周期信号Stfを入力として、最終パルス周期信号StfがLowレベルのときは予め定めた定常ピーク電流値となり、最終パルス周期信号StfがHighレベルのときは予め定めた最終ピーク電流値となるピーク電流設定信号Iprを出力する。ピーク期間設定回路TPRは、後述する最終パルス周期信号Stfを入力として、最終パルス周期信号StfがLowレベルのときは予め定めた定常ピーク期間となり、最終パルス周期信号StfがHighレベルのときは予め定めた最終ピーク期間となるピーク期間設定信号Tprを出力する。
定常パルス周期Tf中の定常ピーク電流値及び定常ピーク期間は1パルス周期ごとに一つの溶滴が移行するいわゆる1パルス周期1溶滴移行状態となるように設定される。最終パルス周期Tsf中の最終ピーク電流値及び最終ピーク期間は、最終パルス周期Tsf中に形成された溶滴が移行しない値に設定される。すなわち、(定常ピーク電流値×定常ピーク期間)>(最終ピーク電流値×最終ピーク期間)である。例えば、定常ピーク電流値=500A、定常ピーク期間=2msであり、最終ピーク電流値=300A、最終ピーク期間=1msである。
【0040】
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。
【0041】
パルス電流設定回路IARは、上記のパルス周期信号Tf、上記のピーク電流設定信号Ipr、上記のピーク期間設定信号Tpr及び上記のベース電流設定信号Ibrを入力として、以下の処理を行い、パルス電流設定信号Iarを出力する。
1)パルス周期信号Tfが短時間Highレベルに変化すると、予め定めたピーク立上り期間Tu中は、ベース電流設定信号Ibrからピーク電流設定信号Iprまで上昇するパルス電流設定信号Iarを出力する。
2)続けて、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、ピーク電流設定信号Iprとなるパルス電流設定信号Iarを出力する。
3)続けて、予め定めたピーク立下り期間Td中は、ピーク電流設定信号Iprからベース電流設定信号Ibrまで下降するパルス電流設定信号Iarを出力する。
4)続けてパルス周期信号Tfが短時間Highレベルになるまでのベース期間Tb中は、ベース電流設定信号Ibrとなるパルス電流設定信号Iarを出力する。
【0042】
パルスアーク溶接期間設定回路TARは、予め定めたパルスアーク溶接期間設定信号Tarを出力する。短絡移行アーク溶接期間設定回路TCRは、予め定めた短絡移行アーク溶接期間設定信号Tcrを出力する。
【0043】
タイマ回路TMは、上記のパルスアーク溶接期間設定信号Tar、上記の短絡移行アーク溶接期間設定信号Tcr、上記の短絡判別信号Sd、上記のパルス電流設定信号Iar、上記のベース電流設定信号Ibr及び上記のパルス周期信号Tfを入力として、
タイマ信号TmがLowレベル(短絡移行アーク溶接期間Tc)に変化した時点から短絡移行アーク溶接期間設定信号Tcrによって定まる期間が経過した後に、短絡判別信号Sdが最初に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でタイマ信号TmはHighレベルに変化し、
タイマ信号TmがHighレベル(パルスアーク溶接期間Ta)に変化した時点からパルスアーク溶接期間設定信号Tarによって定まる期間が経過した後にパルス周期信号Tfが短時間Highレベルになると最終パルス周期Tsfに入り、最終パルス周期Tsf中にパルス電流設定信号Iarがベース電流設定信号Ibrの値と等しくなった時点で最終パルス周期Tsfを終了してタイマ信号TmはLowレベルに変化し、
上記の最終パルス周期Tsf中のみHighレベルとなる最終パルス周期信号Stfを出力する。
したがって、パルスアーク溶接期間Taは、パルスアーク溶接期間設定信号Tarの期間+最終パルス周期Tsfが開始するまでの期間+最終パルス周期Tsfの期間となる。短絡移行アーク溶接期間Tcは、短絡移行アーク溶接期間設定信号Tcrの期間+その後に最初の遅延期間が終了するまでの期間となる。
【0044】
パルス送給速度設定回路FARは、予め定めた正の値のパルス送給速度設定信号Farを出力する。
【0045】
送給速度設定回路FRは、上記のタイマ信号Tm、上記の短絡アーク送給速度設定信号Fcr及び上記のパルス送給速度設定信号Farを入力として、タイマ信号TmがHighレベル(パルスアーク溶接期間Ta)のときはパルス送給速度設定信号Farを送給速度設定信号Frとして出力し、Lowレベル(短絡移行アーク溶接期間Tc)のときは短絡アーク送給速度設定信号Fcrを送給速度設定信号Frとして出力する。
【0046】
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を上記の送給モータWMに出力する。
【0047】
電流設定回路IRは、上記のタイマ信号Tm、上記の短絡アーク電流設定信号Icr及び上記のパルス電流設定信号Iarを入力として、タイマ信号TmがHighレベル(パルスアーク溶接期間Ta)のときはパルス電流設定信号Iarを電流設定信号Irとして出力し、Lowレベル(短絡移行アーク溶接期間Tc)のときは短絡アーク電流設定信号Icrを電流設定信号Irとして出力する。
【0048】
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、電流設定信号Ir(+)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。
【0049】
電源特性切換回路SWは、上記のタイマ信号Tm、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)タイマ信号TmがLowレベルであり、かつ、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)に変化して上記の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。
4)タイマ信号TmがLowレベルに変化した時点から短絡判別信号Sdが最初にHighレベルとなるまでの期間及びタイマ信号Tm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として出力する。
この回路によって、短絡移行アーク溶接期間Tc中の溶接電源の特性は、短絡移行アーク溶接期間Tcが開始してから最初に短絡が発生するまでの期間、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(タイマ信号TmがLowの期間において、短絡判別信号SdがHighからLowに変化してから上記の遅延時間が経過した時点から、小電流期間信号StdがLowからHighの変化する時点までの期間)中は定電圧特性となる。また、パルスアーク溶接期間Ta中の溶接電源の特性は、定電流特性となる。
【0050】
図2は、本発明の実施の形態1に係るアーク溶接方法を示す図1の溶接電源におけるルスアーク溶接期間Taから短絡移行アーク溶接期間Tcへの切換時の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)はタイマ信号Tmの時間変化を示し、同図(G)は最終パルス周期信号Stf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。
【0051】
時刻t0において、同図(F)に示すタイマ信号TmがHighレベルに変化した時点(パルスアーク溶接期間Taの開始時点)からの経過時間が図1のパルスアーク溶接期間設定信号Tarによって定まる期間に達した後に、図1のパルス周期信号Tfが短時間Highレベルとなる。時刻t0において、同図(G)に示すように、最終パルス周期信号StfがHighレベルに変化して最終パルス周期Tsfに入る。時刻t0~t1の最終パルス周期Tsf中は、同図(B)に示すように、予め定めたピーク立上り期間Tu中は、予め定めた最終ピーク電流値へと上昇する遷移電流が通電する。その後の予め定めた最終ピーク期間中は、最終ピーク電流値が通電する。その後の予め定めたピーク立下り期間Td中は、最終ピーク電流値から予め定めたベース電流値Ibへと下降する遷移電流が通電する。時刻t1において、ピーク立下り期間Tdが終了して、溶接電流Iwがベース電流Ibになると、同図(G)に示すように、最終パルス周期信号StfはLowレベルに戻り、最終パルス周期Tsfが終了する。最終パルス周期Tsf中の最終ピーク電流値及び最終ピーク期間は、最終パルス周期Tsf中に形成された溶滴が移行しない値に設定される。
【0052】
時刻t1は、同図(F)に示すタイマ信号TmがHighレベル(パルスアーク溶接期間Ta)に変化した時点から図1のパルスアーク溶接期間設定信号Tarによって定まる期間が経過した後に、図1のパルス周期信号Tfが短時間Highレベルになり最終パルス周期Tsfに入り、最終パルス周期Tsf中に図1のパルス電流設定信号Iarが図1のベース電流設定信号Ibrの値と等しくなるタイミングとなる。そして、時刻t1において、同図(F)に示すように、タイマ信号TmはHighレベルからLowレベルに変化する。したがって、時刻t1において、パルスアーク溶接期間Taから短絡移行アーク溶接期間Tcに切り換わる。同図において、時刻t1以前の期間中は、同図(A)に示すように、送給速度Fwは、図1のパルス送給速度設定信号Farによって定まる一定の速度で正送されている。同図(C)に示すように、溶接電圧Vwは、溶接電流Iwと相似した波形となる。同図(D)に示すように、短絡判別信号Sdは、アーク期間が継続しているのでLowレベルのままである。同図(E)に示すように、小電流期間信号Stdは、Lowレベルのままである。
【0053】
時刻t1において、同図(F)に示すように、タイマ信号TmがLowレベルに変化して短絡移行アーク溶接期間Tcに入る。これに応動して、同図(A)に示すように、送給速度Fwは、図1の正送ピーク値設定信号Wsrによって定まる正送ピーク値Wspへと加速され、時刻t3に短絡が発生するまでその値を維持する。この期間中の正送ピーク値Wspは、タイマ信号TmがLowレベルに変化してから最初に短絡判別信号SdがHighレベル(短絡期間)に変化するまでの期間中であるので、予め定めた初期値となる。これ以降の正送ピーク値Wspは、予め定めた定常値となる。初期値は、この期間中の溶接状態が安定になるように、定常値とは独立して設定される。初期値=定常値としても良い。
【0054】
時刻t1に短絡移行アーク溶接期間Taが開始してから時刻t3に最初の短絡が発生するまでの期間中は、同図(B)に示すように、溶接電流Iwは、溶接電源が定電流特性となっているので、図1の低レベル電流設定信号Ilrによって定まる低レベル電流値となる。
【0055】
同図(A)に示す送給速度Fwは、図1の短絡アーク送給速度設定回路FCRから出力される短絡アーク送給速度設定信号Fcrの値に制御される。送給速度Fwは、図1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1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1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1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1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1の逆送ピーク値設定信号Wrrによって定まる。この結果、短絡アーク送給速度設定信号Fcrは、正負の略台形波波状に変化する送給パターンとなる。
【0056】
[時刻t3~t6の短絡期間の動作]
正送ピーク期間Tsp中の時刻t3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t3~t4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。
【0057】
同図(A)に示すように、送給速度Fwは時刻t4~t5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。
【0058】
時刻t5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t6にアークが発生するまで継続する。したがって、時刻t3~t6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=-60m/minに設定される。
【0059】
同図(B)に示すように、時刻t3~t6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。
【0060】
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。
【0061】
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1のくびれ検出信号NdはHighレベルに変化する。
【0062】
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1の駆動信号DrはLowレベルになるので、図1のトランジスタTRはオフ状態となり図1の減流抵抗器Rが通電路に挿入される。同時に、図1の短絡アーク電流設定信号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、短絡アーク電流設定信号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。
【0063】
[時刻t6~t9のアーク期間の動作]
時刻t6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t6~t7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。
【0064】
時刻t7において逆送減速期間Trdが終了すると、時刻t7~t8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。
【0065】
時刻t8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t9に短絡が発生するまで継続する。したがって、時刻t6~t9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t3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。例えば、正送ピーク値Wsp=70m/minに設定される。
【0066】
時刻t6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t6~t61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t61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t61~t81の大電流アーク期間中は、図1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。
【0067】
時刻t6にアークが発生してから図1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t81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t9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t9に短絡が発生するとLowレベルに戻る。
【0068】
短絡移行アーク溶接期間Tcは、短絡期間とアーク期間との繰り返しの複数の周期を含んでいる。短絡/アークの1周期は、例えば10ms程度である。短絡移行アーク溶接期間Tcは、例えば50~500ms程度である。図2においては、溶滴が移行しない状態のベース期間の開始時点で短絡移行アーク溶接期間Tcに切り換わる場合である。これ以外にも、ベース期間Tbの途中の期間で切り換わるようにしても良い。
【0069】
図3は、本発明の実施の形態1に係るアーク溶接方法を示す図1の溶接電源における短絡移行アーク溶接期間Tcからパルスアーク溶接期間Taへの切換時の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)はタイマ信号Tm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。
【0070】
時刻t1において、同図(B)に示すように、溶接電流Iwは、短絡が解除されてアークが再発生した後の遅延期間中であるので、低レベル電流値となっている。そして、時刻t1において、同図(F)に示すタイマ信号TmがLowレベル(短絡移行アーク溶接期間Tc)に変化した時点から図1の短絡移行アーク溶接期間設定信号Tcrによって定まる期間が経過した後に、短絡判別信号Sdが最初に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であるので、同図(F)に示すように、タイマ信号TmはLowレベルからHighレベルに変化する。したがって、時刻t1において、短絡移行アーク溶接期間Tcからパルスアーク溶接期間Taに切り換わる。同図において、時刻t1以前の期間中は、同図(A)に示すように、送給速度Fwは、逆送ピーク値Wrpから0への逆送減速期間Trdの状態にある。同図(C)に示すように、溶接電圧Vwはアーク電圧値となっている。同図(D)に示すように、短絡判別信号Sdは、遅延期間中はLowレベルとなっている。同図(E)に示すように、小電流期間信号Stdは、Lowレベルのままである。
【0071】
時刻t1において、同図(F)に示すように、タイマ信号TmがHighレベルに変化してパルスアーク溶接期間Taに入る。これに応動して、同図(A)に示すように、送給速度Fwは、図1のパルス送給速度設定信号Farによって定まる一定の速度で正送される。
【0072】
同図(B)に示すように、時刻t1~t2の予め定めたピーク立上り期間Tu中は、予め定めた定常ピーク電流値Ipへと上昇する遷移電流が通電する。時刻t2~t3の予め定めた定常ピーク期間Tp中は、定常ピーク電流値Ipが通電する。時刻t3~t4の予め定めたピーク立下り期間Td中は、定常ピーク電流値Ipから予め定めたベース電流値Ibへと下降する遷移電流が通電する。時刻t4~t5のベース期間Tb中は、ベース電流値Ibが通電する。パルスアーク溶接期間Ta中は、溶接電源は定電流特性となっている。このために、溶接電流Iwは、図1のパルス電流設定信号Iarによって設定される。同図(C)に示すように、溶接電圧Vwは、電流波形と相似した波形となる。時刻t1~t5のパルス周期Tfは、溶接電圧Vwの平均値が所望値となるようにフィードバック制御される。電流波形パラメータは、1パルス周期Tfごとに1つの溶滴が移行するように設定される。例えば、ピーク電流Ip=500A、ベース電流Ib=60A、ピーク立上り期間Tu=1ms、ピーク期間Tp=2ms、ピーク立下り期間Td=1msに設定される。
【0073】
パルスアーク溶接期間Taは、複数のパルス周期Tfを含んでいる。パルス周期Tfは、例えば15ms程度である。パルスアーク溶接期間Taは、例えば50~500ms程度である。図3は、遅延期間中にパルスアーク溶接期間Taに切り換わる場合である。これ以外にも、パルスアーク溶接期間Taがベース期間Tbから開始するようにしても良い。最初のピーク電流Ipが通電するまでに小電流の期間が先行していれば良い。
【0074】
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、図2の時刻t1に示すように、パルスアーク溶接の期間の最終パルス周期中に溶滴が移行しない状態で、短絡移行アーク溶接の期間に切り換える。このようにすると、最終パルス周期中に形成された溶滴を保持した状態で、時刻t3に短絡が発生する。この結果、短絡期間において、溶滴が円滑に溶融池へと移行するので、パルスアーク溶接期間から短絡移行アーク溶接期間への切り換えが円滑に行われる。溶滴が形成されていない状態で短絡が発生すると、溶接ワイヤの非溶融部が溶融池に突っ込んだ状態となり、溶接状態が不安定になり、大粒のスパッタが発生する。本実施の形態では、最終パルス周期において溶滴を移行させないことで、非溶融部が短絡することを抑制することができる。
【0075】
さらに、本実施の形態によれば、短絡移行アーク溶接の期間の開始時点から、送給速度を正送ピーク値まで加速する。このようにすると、正送ピーク値による高速正送が行われるので、最初の短絡が発生するまでの時間が長くなり過ぎるのを抑制することができる。最初の短絡が発生するまでの時間が長すぎると、溶融池への入熱が少なくなり、ビード外観が悪くなる。
【0076】
さらに、本実施の形態によれば、短絡移行アーク溶接中の最初の周期の正送ピーク値を次周期移行の正送ピーク値とは異なる値に設定する。このようにすると、最初に短絡が発生するまでの正送ピーク値を適正値に設定するので、最初の短絡が発生するまでの時間を適正化することができる。最初の短絡が発生するまでの時間が短すぎると、最終パルス周期中に形成された溶滴の形状が球形ではなく歪な形状となっていることがあり、短絡発生時にスパッタが発生する。逆に、最初の短絡が発生するまでの時間が長すぎると、溶融池への入熱が少なくなり、ビード外観が悪くなる。
【0077】
さらに、図3の時刻t1に示すように、本実施の形態によれば、短絡移行アーク溶接のアーク期間中にパルスアーク溶接に切り換える。短絡期間中にパルスアーク溶接に切り換えると、溶滴移行状態が不安定になるので、溶接状態が不安定になり、大粒のスパッタが発生するおそれがある。アーク期間中に切り換えると、円滑にパルスアーク溶接へと移行する。
【0078】
さらに、本実施の形態によれば、短絡移行アーク溶接においてアークが再発生して低レベル電流値の状態でパルスアーク溶接に切り換える。このようにすると、溶滴が形成されていない状態でパルスアーク溶接に切り換わるので、1パルス周期1溶滴移行状態を最初のパルス周期から実現することができる。このために、溶接状態をさらに安定化することができる。
【符号の説明】
【0079】
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
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
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 パルス送給速度設定回路
Far パルス送給速度設定信号
FC 送給制御回路
Fc 送給制御信号
FCR 短絡アーク送給速度設定回路
Fcr 短絡アーク送給速度設定信号
FR 送給速度設定回路
Fr 送給速度設定信号
Fw 送給速度
IAR パルス電流設定回路
Iar パルス電流設定信号
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
ICR 短絡アーク電流設定回路
Icr 短絡アーク電流設定信号
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
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
ND くびれ検出回路
Nd くびれ検出信号
PM 電源主回路
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
Stf 最終パルス周期信号
SW 電源特性切換回路
Ta パルスアーク溶接期間
TAR パルスアーク溶接期間設定回路
Tar パルスアーク溶接期間設定信号
Tb ベース期間
Tc 短絡移行アーク溶接期間
TCR 短絡移行アーク溶接期間設定回路
Tcr 短絡移行アーク溶接期間設定信号
Td ピーク立下り期間
TDR 電流降下時間設定回路
Tdr 電流降下時間設定信号
TF パルス周期回路
Tf パルス周期(信号)
TM タイマ回路
Tm タイマ信号
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
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
Tsf 最終パルス周期
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
Tu ピーク立上り期間
VD 電圧検出回路
Vd 電圧検出信号
Vw 溶接電圧
WL リアクトル
WM 送給モータ
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
図1
図2
図3