特許 7289043 アーク溶接制御方法

(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】2023-06-01

(45)【発行日】2023-06-09

(54)【発明の名称】アーク溶接制御方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/073 20060101AFI20230602BHJP

   B23K 9/095 20060101ALI20230602BHJP

【ＦＩ】

B23K9/073 545

B23K9/095 505A

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2020516938

(86)(22)【出願日】2019-10-10

(86)【国際出願番号】 JP2019039944

(87)【国際公開番号】W WO2020075791

(87)【国際公開日】2020-04-16

【審査請求日】2022-08-30

(31)【優先権主張番号】P 2018193220

(32)【優先日】2018-10-12

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106116

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 健司

(74)【代理人】

【識別番号】100131495

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 健児

(72)【発明者】

【氏名】野口 昂裕

(72)【発明者】

【氏名】中川 晶

(72)【発明者】

【氏名】藤原 潤司

【審査官】石田 宏之

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１８／５１９１１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特許第６２４５７３３（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特公平３－２８２６０（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】米国特許第５１４８００１（ＵＳ，Ａ）

【文献】特公平６－５３３０９（ＪＰ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ９／０７３

Ｂ２３Ｋ ９／０９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

炭酸ガスを主成分とするガスをシールドガスとして用い、短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返して母材の溶接を行うアーク溶接制御方法であって、
前記短絡期間において、溶接電流を短絡開放時としてのアーク発生時の電流値よりも低いアーク再発生直前電流値から前記アーク期間の第１の電流値に向けて上昇させ、
前記溶接電流が前記アーク発生時の電流値に到達したときに前記母材と溶接ワイヤとの間にアークが発生することにより、前記短絡期間から前記アーク期間への切り替えを行い、
前記アーク期間は第１、第２、第３および第４の期間をこの順に含み、
前記第１の期間では、前記溶接電流を前記第１の電流値まで第１の傾きで上昇させることにより、前記アークのアーク長が第１の長さとなるようにし、
前記第２の期間では、前記溶接電流を前記第１の電流値から前記アーク再発生直前電流値よりも高く前記第１の電流値よりも低い第２の電流値まで第２の傾きで低下させることにより、前記溶接ワイヤの先端に形成された溶滴に加わるアーク反力を低減させ、
前記第３の期間では、前記溶接電流を前記第２の電流値から前記第１の電流値よりも低く前記第２の電流値よりも高い第３の電流値まで第３の傾きで上昇させることにより、前記アークのアーク長が第２の長さとなるようにすることを特徴とするアーク溶接制御方法。

【請求項2】

請求項１に記載のアーク溶接制御方法において、
前記第１の傾きが前記第２の傾きの絶対値及び前記第３の傾きよりも大きくなるように、かつ前記第２の傾きの絶対値が前記第１の傾き及び前記第３の傾きよりも小さくなるように前記溶接電流を制御することを特徴とするアーク溶接制御方法。

【請求項3】

請求項１または２に記載のアーク溶接制御方法において、
前記短絡期間及び前記第１、第２および第３の期間では、前記溶接電流の出力を設定する設定電流に基づいて前記溶接電流を制御し、
前記第４の期間では、溶接電圧の出力を設定する設定電圧に基づいて前記溶接電圧が一定となるように制御することを特徴とするアーク溶接制御方法。

【請求項4】

請求項３に記載のアーク溶接制御方法において、
前記第４の期間では、前記溶接ワイヤに電気的に接続されたリアクトルのインダクタンス値と電子リアクトル制御による電子リアクトルのインダクタンス値との加算値を調整することで、前記溶接電圧が一定となるように制御することを特徴とするアーク溶接制御方法。

【請求項5】

請求項１ないし４のいずれか１項に記載のアーク溶接制御方法において、
前記母材は、軟鋼、高張力綱及び亜鉛メッキ鋼のいずれか１種から選択された板材であり、該板材の厚みは２ｍｍ以上５ｍｍ以下であることを特徴とするアーク溶接制御方法。

【請求項6】

請求項１ないし５のいずれか１項に記載のアーク溶接制御方法において、
前記第１の期間では、前記第１の電流値を所定期間保持するように前記溶接電流を制御し、
前記第３の期間では、前記第２の電流値に達した後、直ちに前記溶接電流を上昇させるように制御し、
前記第４の期間では、前記第３の電流値に達した後、直ちに前記溶接電流を低下させるように制御することを特徴とするアーク溶接制御方法。

【請求項7】

請求項６に記載のアーク溶接制御方法において、
前記アーク期間の前記第４の期間の後、前記溶接ワイヤと前記母材とを接触させて短絡することにより、前記アーク期間から前記短絡期間に切り替え、
前記短絡期間中に、前記溶滴を前記溶接ワイヤから前記母材に向けて短絡移行させることを特徴とするアーク溶接制御方法。

【請求項8】

請求項６に記載のアーク溶接制御方法において、
前記溶接電流が前記第２の電流値に達してから前記溶接電流が上昇するまでに第１反転期間を要し、
前記溶接電流が前記第３の電流値に達してから前記溶接電流が低下するまでに第２反転期間を要し、
前記第１反転期間は、前記第２反転期間よりも長いことを特徴とするアーク溶接制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示はアーク溶接制御方法に関し、特に、炭酸ガスを主成分とするガスをシールドガスとして用い、短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返して母材の溶接を行うアーク溶接制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来のアーク溶接方法として、被溶接物である母材と溶接ワイヤとを短絡させて、溶接ワイヤの先端に形成された溶滴を母材に移行する短絡期間と、母材と溶接ワイヤとの間にアークを発生させて母材に入熱するアーク期間とを交互に繰り返す方法が広く知られている。

【0003】

一方、上記の方法では、短絡開放時に瞬間的に発生する電流の影響で、溶接ワイヤに残存した溶滴の一部が母材と瞬間的な微小時間での短絡を起こし、この溶滴の一部が飛散して母材に付着する、いわゆるスパッタの発生が起こり、溶接品質を損なうことがある。そこで、溶接品質向上のためにスパッタを低減する方法として、種々の方法が従来提案されている。以下、短絡開放時に瞬間的に発生する電流の影響により、溶接ワイヤの先端に形成された溶滴と母材との間または溶接ワイヤと母材との間に例えば２．５ｍｓｅｃ以下の微小な時間の短絡が生じる事象を微小短絡という。なお、微小短絡は、周期的な溶接波形での通常の短絡時間に対して極めて短く、瞬間的に発生する微小時間での異常な短絡の事象である。

【0004】

例えば、特許文献１には、アーク発生直後であるアーク期間初期の電流値を高くすることでアーク長を確保し、微小短絡を抑制してスパッタを低減する方法が開示されている。

【0005】

また、特許文献２には、アーク期間中、電子リアクトル制御によってアーク長を安定させる方法が開示されている。この方法も微小短絡の抑制に有効である。

【0006】

さらに、特許文献３には、アーク期間初期に溶接電流を短絡期間の電流よりも高い値に維持した後、電流値を所定の値に低下させて所定期間維持し、さらに電流値を上昇させて維持する方法が開示されている。このようにすることで、アーク長を確保した後、溶接電流を低下させて微小短絡が発生しやすい期間での微小短絡及びスパッタの発生を抑制している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開２０１５－０１６４８２号公報

【文献】国際公開第２０１３／１４５５６９号

【文献】特開２０１５－０１６４８２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

ところで、炭酸ガスを主成分とするガスをシールドガスとして用いたアーク溶接では、溶接ワイヤの先端に形成された溶滴に加わるアーク反力が大きくなることが知られている。この場合、溶滴の挙動が安定せず、微小短絡及びそれに伴うスパッタが発生しやすくなる。

【0009】

特に、溶滴が母材に向けてグロビュール移行する溶接電流域で、このような現象が顕著となるため、特許文献１，２に開示された従来の方法では、微小短絡及びスパッタの抑制が十分ではない場合がある。

【0010】

また、特許文献３に開示された方法では、アーク期間中にスパッタを抑制するため溶接電流を低下させた後、再度、電流値を上昇させた状態を所定期間維持している。

【0011】

しかし、このような場合、アーク期間中に溶滴が母材に移行してしまう場合があり、溶滴の移行周期を一定に保てないことが懸念される。

【0012】

本開示はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、微小短絡及びスパッタの発生を抑制し、かつ溶滴の移行周期を一定とできるアーク溶接制御方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記目的を達成するために、本開示に係るアーク溶接制御方法は、炭酸ガスを主成分とするガスをシールドガスとして用い、短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返して母材の溶接を行うアーク溶接制御方法であって、前記短絡期間において溶接電流を短絡開放時としてのアーク発生時の電流値よりも低いアーク再発生直前電流値から前記アーク期間の第１の電流値に向けて上昇させ、前記溶接電流が前記アーク発生時の電流値に到達したときに前記母材と溶接ワイヤとの間にアークが発生することにより、前記短絡期間から前記アーク期間への切り替えを行い、前記アーク期間は第１、第２、第３および第４の期間をこの順に含み、前記第１の期間では、前記溶接電流を前記第１の電流値まで第１の傾きで上昇させることにより、前記アークのアーク長が第１の長さとなるようにし、前記第２の期間では、前記溶接電流を前記第１の電流値から前記アーク再発生直前電流値よりも高く前記第１の電流値よりも低い第２の電流値まで第２の傾きで低下させることにより、前記溶接ワイヤの先端に形成された溶滴に加わるアーク反力を低減させ、前記第３の期間では、前記溶接電流を前記第２の電流値から前記第１の電流値よりも低く前記第２の電流値よりも高い第３の電流値まで第３の傾きで上昇させることにより、前記アークのアーク長が第２の長さとなるようにすることを特徴とする。

【0014】

この方法によれば、第１の期間でアーク長が第１の長さとなるようにすることで、微小短絡及びスパッタの発生を抑制する。第２の期間でアーク反力を低減させることにより溶接ワイヤの先端に形成されている溶滴の挙動を安定化できる。また、第３の期間では、溶滴が安定した状態でアーク長が第２の長さとなるようにすることで、微小短絡及びスパッタの発生を抑制するとともに、溶滴をさらに所定の大きさに成長させて、溶滴の移行周期を一定にすることができる。

【発明の効果】

【0015】

本開示のアーク溶接制御方法によれば、微小短絡及びスパッタの発生を抑制し、また、溶滴の移行周期を一定として高品質の溶接を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本開示の一実施形態に係るアーク溶接装置の構成を示す概略図である。

【図2A】アーク溶接時の溶接電流出力波形を示すタイムチャートである。

【図2B】図２Ａの一部を拡大したタイムチャートである。

【図3】変形例に係るアーク溶接時の溶接電流出力波形を示すタイムチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本開示の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

【0018】

（実施形態）
［アーク溶接装置の構成］
図１は、本実施形態におけるアーク溶接装置１００の概略構成図である。アーク溶接装置１００は、入力電源１から入力した交流電力を整流する１次整流部２と、溶接出力を制御するスイッチング部３と、スイッチング部３の出力を入力して溶接に適した電力に変換するトランス４とを備える。

【0019】

アーク溶接装置１００は、トランス４の２次側出力を整流する２次整流部５と、２次整流部５の出力を平滑するリアクトル６と、スイッチング部３を駆動する駆動部７と、溶接電流を検出する溶接電流検出部８と、溶接電圧を検出する溶接電圧検出部９と、溶接電流検出部８と溶接電圧検出部９の出力に基づいて溶接ワイヤ１８の先端に形成された溶滴２１（図２Ａ，図２Ｂ参照）にくびれが発生されたことを検出するくびれ検出部１０と、をさらに備える。

【0020】

アーク溶接装置１００は溶接条件設定部１３と記憶部１２とをさらに備える。溶接条件設定部１３は、設定電流や設定電圧やワイヤ送給量やシールドガス種類やワイヤ種類やワイヤ径等の溶接条件を設定する。なお、設定電流は溶接電流の移動平均値に相当し、設定電圧は溶接電圧の移動平均値に相当する値である。ここで移動平均値とはある一定区間ごとの平均値を、区間をずらしながら求めた値である。

【0021】

記憶部１２は、溶接条件設定部１３により設定された溶接条件や溶接ワイヤ１８を送給する速度である送給量やワイヤ送給速度毎の電子リアクトル制御のリアクトルのインダクタンス値等の種々のパラメータを格納する。なお、溶接ワイヤ１８の送給量は、作業者が設定する設定電流に比例して決定される。

【0022】

アーク溶接装置１００はアーク制御部１１をさらに備える。アーク制御部１１は、溶接電流検出部８や溶接電圧検出部９やくびれ検出部１０や記憶部１２からの出力に基づいて溶接電流および溶接電圧を制御する信号を出力する。駆動部７は、アーク制御部１１の出力に基づいてスイッチング部３を制御する。

【0023】

溶接ワイヤ１８は、ワイヤ送給部１９により制御される送給モータによって送給される。溶接ワイヤ１８には、トーチ１４に備え付けられたチップ１５を介して溶接用の電力が供給され、溶接ワイヤ１８と母材１７との間でアーク２０を発生させて溶接が行われる。

【0024】

なお、図１で示したアーク溶接装置１００を構成する各構成部は、各々単独に構成してもよいし、複数の構成部を複合して構成してもよい。

【0025】

［アーク溶接時の溶接電流出力制御について］
図２Ａは本実施形態に係るアーク溶接時の溶接電流出力波形を示し、図２Ｂは、図２Ａの一部、具体的には短絡期間Ｔｓからアーク期間Ｔａに切り替わる期間を拡大したタイムチャートをそれぞれ示す。また、図２Ａ，図２Ｂには、溶接ワイヤ１８の先端に形成された溶滴２１の状態も示している。

【0026】

なお、本実施形態に示すアーク溶接では、溶接電圧の出力を設定する設定電圧及び溶接電流Ｉの出力を設定する設定電流に基づいて、溶接力である溶接電圧と溶接電流Ｉとが制御される。なお、設定電流及び設定電圧は溶接作業前に予め設定される。

【0027】

なお、本実施形態において、溶接ワイヤ１８のワイヤ径は１．２ｍｍである。また、母材１７は軟鋼からなる板材であり、その板厚は、２．３ｍｍ～４．５ｍｍの範囲にあり、いわゆる、中板厚である。また、母材１７に吹き付けられるシールドガスは、炭酸ガスを主成分とするガスである。ここで、「炭酸ガスを主成分とするガス」とは炭酸ガスを９０％以上含むガスのことをいい、好ましくは、炭酸ガスが１００％である。なお、炭酸ガス以外の成分を含む場合、例えば、アルゴンガス等の不活性ガスを含んでいる。本実施形態では、設定電流は１６０Ａ～２４０Ａの範囲で設定され、この条件下で、溶滴２１が母材１７に向けて短絡移行するように制御される。

【0028】

本実施形態に示すアーク溶接は、複数の溶接期間Ｔを含む。各溶接期間Ｔは、短絡期間Ｔｓとそれに続くアーク期間Ｔａとを含む。つまり、溶接期間Ｔの長さは、短絡期間Ｔｓの長さとアーク期間Ｔａの長さとの和に等しい。また、短絡期間Ｔｓでは、アーク溶接装置１００は、溶接ワイヤ１８と母材１７とを接触させることにより溶接ワイヤ１８の先端に形成された溶滴２１を母材１７に短絡移行している。また、アーク溶接装置１００は、溶接期間Ｔを連続的に繰り返すことで、言いかえると、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを交互に繰り返すことで、母材１７に対する直流アーク溶接を行う。また、図示しないが、溶接ワイヤ１８は設定電流に基づく一定の速度で母材１７に対して正送される。

【0029】

溶接電圧検出部９での検出結果に基づいて溶接ワイヤ１８と母材１７との短絡が検出されると（図２Ａの（ａ）及び図２Ｂ）、直前のアーク期間Ｔａから短絡期間Ｔｓに切り替わる。この切り替わり時点ｔ４で、アーク制御部１１は、アーク溶接を設定電圧に基づく電圧制御から設定電流に基づく電流制御に切り替えて、溶接電流Ｉを第４の電流値Ｉ４に低下させる。また、アーク制御部１１は、所定期間、第４の電流値Ｉ４を保持して、母材１７に形成された溶融プール２２と溶接ワイヤ１８との短絡を強固にする。

【0030】

次に、アーク制御部１１は、溶接電流Ｉを第５の電流値Ｉ５まで上昇させ、溶接ワイヤ１８を燃え上がらせて、母材１７と溶接ワイヤ１８との短絡開放を促進する。さらに、溶接電流Ｉが上昇すると、電磁的ピンチ力によって溶接ワイヤ１８の先端に形成された溶滴２１にくびれが生じ始める（図２Ａの（ｂ））。これに伴い、溶接電圧検出部９が検出する溶接電圧の時間変化量が変化し始める。溶接電圧検出部９の出力に基づいて、くびれ検出部１０がこの変化（くびれ）を検出した時点ｔ６で、アーク制御部１１は、溶接電流Ｉを第６の電流値Ｉ６からアーク再発生直前電流値Ｉ０まで低下させるように制御する。溶接電流Ｉがアーク再発生直前電流値Ｉ０に到達した時点を時点ｔ０とする。なお、アーク再発生直前電流値Ｉ０は、くびれが検出された時点の電流値Ｉ６よりも低い電流値でアーク発生直前の時点の所定の電流値である。アーク再発生直前電流値Ｉ０は、短絡開放時としてのアーク発生時の電流よりも低い。

【0031】

なお、アーク再発生直前電流値Ｉ０は、実験等により予め求めた、短絡解放時としてのアーク発生時の電流よりも低い値に設定される。

【0032】

溶接電流Ｉがアーク再発生直前電流値Ｉ０である場合に、母材１７と溶接ワイヤ１８との間にまだアーク２０は発生しておらず、そのため溶接期間Ｔはまだ短絡期間Ｔｓである。アーク再発生直前電流値Ｉ０は、例えば、５０Ａ程度に設定される。

【0033】

時点ｔ０から所定の時間（＝期間Ｔ０）が経過すると、アーク制御部１１は、溶接電流Ｉを時間に対して第１の傾きαで上昇させる。言い替えると、アーク制御部１１は、短絡期間Ｔｓにおいて、溶接電流Ｉをアーク再発生直前電流値Ｉ０からアーク期間Ｔａの第１の電流値Ｉ１に向けて上昇させる。溶接電流Ｉは、アーク再発生直前電流値Ｉ０から第１の電流値Ｉ１まで上昇中に、短絡開放時としてのアーク発生時の電流値に到達する。アーク制御部１１は、溶接電流Ｉが前記アーク発生時の電流値に到達したとき、母材１７と溶接ワイヤ１８との間にアークが発生することにより、短絡期間Ｔｓからアーク期間Ｔａに切り替える。アーク制御部１１は、時点ｔ１ａで溶接電流Ｉを第１の電流値Ｉ１に到達させるように制御する。また、第１の電流値Ｉ１に到達した溶接電流Ｉは、時点ｔ１ａから時点ｔ１までの期間Ｔ１ｂ、第１の電流値Ｉ１を保持される。なお、溶接電流Ｉがアーク再発生直前電流値Ｉ０に保持される期間Ｔ０は、０．５ｍｓｅｃ以下に設定されている。また、溶接電流Ｉがアーク再発生直前電流値Ｉ０に到達した時点ｔ０から所定の時間（期間Ｔ０）が経過後、アーク再発生直前電流値Ｉ０から第１の電流値Ｉ１に向けて溶接電流Ｉの上昇が開始される。溶接電流Ｉの上昇が開始されてから第１の電流値Ｉ１に達する時点ｔ１ａまでの期間Ｔ１ａにおいて、溶接電流Ｉがアーク再発生直前電流値Ｉ０よりも少し高くなった時点で、母材１７と溶接ワイヤ１８との間にアーク２０が発生し始める（図２Ａの（ｃ））。母材１７と溶接ワイヤ１８との間に短絡開放時としてのアーク２０が発生することにより、短絡期間Ｔｓからアーク期間Ｔａに切り替わる。また、アーク制御部１１は、溶接電流Ｉが期間Ｔ１ｂで第１の電流値Ｉ１を保持するように制御することで、アーク２０のアーク長が第１の長さＬ１を確保するようにする（図２Ａの（ｄ））。なお、アークが発生した時点から時点ｔ１までの期間を第１の期間Ｔ１と呼ぶことがある。

【0034】

なお、本実施形態では、第１の電流値Ｉ１が４００Ａ、アーク再発生直前電流値Ｉ０から第１の電流値Ｉ１への上昇傾きである第１の傾きαが４００Ａ／ｍｓｅｃ、溶接電流Ｉが第１の電流値Ｉ１に保持される期間Ｔ１ｂが０．５ｍｓｅｃ以上となるように溶接電流Ｉ等が制御される。

【0035】

期間Ｔ１ｂ経過後、アーク制御部１１は、時点ｔ１で、溶接電流Ｉを時間に対して第２の傾きβで低下させ、時点ｔ１から期間Ｔ２（以下、第２の期間Ｔ２という）経過後の時点ｔ２で第２の電流値Ｉ２に到達させるように制御する。このとき、第２の電流値Ｉ２が１００Ａとなるように、また、第１の電流値Ｉ１から第２の電流値Ｉ２への下降傾きである第２の傾きβが２００Ａ／ｍｓｅｃとなるように溶接電流Ｉが制御される。

【0036】

このように制御することで、溶接ワイヤ１８の先端に形成された溶滴２１に加わるアーク反力が低減される（図２Ａの（ｅ））。なお、第１の電流値Ｉ１よりも低い第２の電流値Ｉ２はアーク再発生直前電流値Ｉ０よりも高くなるように設定されている。つまり、溶接電流Ｉが第２の電流値Ｉ２まで低下しても、アーク２０は消滅（消弧）せずに安定して維持される。

【0037】

溶接電流Ｉがアーク反力低減のための第２の電流値Ｉ２に達した時点ｔ２で直ちに、アーク制御部１１は溶接電流Ｉを時間に対して第３の傾きγで上昇させる。アーク制御部１１は、溶接電流Ｉが時点ｔ２から期間Ｔ３（以下、第３の期間Ｔ３という）経過後の時点ｔ３で第１の電流値Ｉ１よりも低い第３の電流値Ｉ３に到達させる。このとき、第３の電流値Ｉ３が２５０Ａとなるように、また、第２の電流値Ｉ２から第３の電流値Ｉ３への上昇傾きである第３の傾きγが２５０Ａ／ｍｓｅｃとなるように溶接電流Ｉが制御される。つまり、第３の電流値Ｉ３は、第１の電流値Ｉ１よりも低く、かつ第２の電流値Ｉ２よりも高い値である。また、アーク制御部１１は、溶接電流Ｉが第３の電流値Ｉ３に到達するようにすることで、アーク２０のアーク長が第２の長さＬ２を確保するように制御する。なお、アーク制御部１１は、第２の長さＬ２が第１の長さＬ１よりも短くなるように制御する。なお、第１の電流値Ｉ１より下降された溶接電流Ｉが時点ｔ２でアーク反力低減のための第２の電流値Ｉ２に達すると、アーク制御部１１は、直ちに、例えば１ｍｓｅｃ以内に溶接電流Ｉが再び上昇し始めるように制御する。

【0038】

溶接電流Ｉが第２の電流値Ｉ２から第３の電流値Ｉ３に達した時点ｔ３で直ちに、アーク制御部１１は、アーク溶接を電流制御から電圧制御に切り替え、溶接電圧が一定となるように定電圧の制御をする。この電圧制御は、時点ｔ３からアーク期間Ｔａから短絡期間Ｔｓに切り替わる時点ｔ４までの期間Ｔ４（以下、第４の期間Ｔ４という）を通じて行われ、第４の期間Ｔ４中に溶滴２１はさらに成長する（図２Ａの（ｆ））。また、第４の期間Ｔ４にアーク長は一定の値、この場合は第２の長さＬ２とほぼ等しい値となるようにアーク溶接制御が行われる。

【0039】

また、リアクトル６のインダクタンス値と電子リアクトル制御による電子リアクトルのインダクタンス値との加算値を変更することで、具体的には、記憶部１２に格納された電子リアクトルのインダクタンス値の中から適切な値を選択することで、アーク制御部１１は、溶接電圧が一定となるように制御している。なお、時点ｔ３で溶接電流Ｉが第３の電流値Ｉ３に達すると、アーク制御部１１は、直ちに、電圧制御に切り替えるように制御する。これにより、第４の期間Ｔ４では、第３の電流値Ｉ３に達した後、直ちに例えば０．１ｍｓｅｃ以内に溶接電流Ｉを低下させるように制御する。

【0040】

なお、前述したように、第３の期間Ｔ３における溶接電流Ｉが第２の電流値Ｉ２に達した時点ｔ２から溶接電流Ｉを上昇させるまでの期間（第１反転期間、１ｍｓｅｃ以内）が、第４の期間Ｔ４における溶接電流Ｉが第３の電流値Ｉ３に達した時点ｔ３から溶接電流Ｉを低下させるまでの期間（第２反転期間、０．１ｍｓｅｃ以内）よりも相対的に長い。言い換えると、第１反転期間は、前記第２反転期間よりも長い。これにより、アーク反力低減のための第１反転期間の安定時間が第２反転期間よりも長い方が第３の期間Ｔ３での溶滴２１の挙動がより安定する。具体的には時点ｔ２のアーク反力の低減がより安定し、それに続く時点ｔ３にかけての溶滴成長がより安定するためである。

【0041】

［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係るアーク溶接制御方法は、炭酸ガスを主成分とするガスをシールドガスとして用い、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを交互に繰り返して母材１７の溶接を行うアーク溶接制御方法である。

【0042】

短絡期間Ｔｓにおいて、アーク制御部１１は、溶接電流Ｉを短絡開放時としてのアーク発生時の電流値よりも低いアーク再発生直前電流値Ｉ０からアーク期間Ｔａの第１の電流値Ｉ１に向けて上昇させる。アーク制御部１１は、溶接電流Ｉが短絡開放時としてのアーク発生時の電流値に到達したときに母材１７と溶接ワイヤ１８との間にアーク２０が発生することにより、短絡期間Ｔｓからアーク期間Ｔａへの切り替えを行う。

【0043】

アーク期間Ｔａは第１～第４の期間Ｔ１～Ｔ４をこの順に含んでいる。第１の期間Ｔ１では、アーク制御部１１は、溶接電流Ｉを第１の電流値Ｉ１まで第１の傾きαで上昇させることにより、アーク２０のアーク長が第１の長さＬ１となるようにしている。

【0044】

また、第２の期間Ｔ２では、アーク制御部１１は、溶接電流Ｉを第１の電流値Ｉ１からアーク再発生直前電流値Ｉ０よりも高く第１の電流値Ｉ１よりも低い第２の電流値Ｉ２（Ｉ０＜Ｉ２＜Ｉ１）まで第２の傾きβで低下させることにより、溶接ワイヤ１８の先端に形成された溶滴２１に加わるアーク反力を低減させるようにしている。

【0045】

第３の期間Ｔ３では、アーク制御部１１は、溶接電流Ｉを第２の電流値Ｉ２から第１の電流値Ｉ１よりも低く第２の電流値Ｉ２よりも高い第３の電流値Ｉ３（Ｉ２＜Ｉ３＜Ｉ１）まで第３の傾きγで上昇させることにより、アーク２０のアーク長が第２の長さＬ２となるように制御している。

【0046】

本実施形態によれば、第１の期間Ｔ１で溶接電流Ｉを第１の電流値Ｉ１まで上昇させることにより、アーク長が第１の長さＬ１となるようにすることで、短絡期間Ｔｓからアーク期間Ｔａへの切り替わり時に発生する微小短絡を抑制することができる。このことにより、スパッタの発生量を低減でき、高品質の溶接を実現できる。

【0047】

また、アーク制御部１１は、第２の期間Ｔ２で溶接電流Ｉ１を第２の電流値Ｉ２まで低下させることにより、溶接ワイヤ１８の先端に形成された溶滴２１に加わるアーク反力を低減させる。このことで、溶滴２１に加わる振動等を抑制して溶滴２１の挙動を安定させることができ、その結果、微小短絡の発生を防止できる。

【0048】

また、アーク制御部１１は、第３の期間Ｔ３で溶接電流Ｉ１を第３の電流値Ｉ３まで上昇させて、アークのアーク長が第３の長さＬ２となるようにする。このことで、成長した溶滴２１が意図せずに母材１７に移行するのを防止できる。また、母材１７に対する所定の入熱量を確保でき、所望のアーク溶接を行うことができる。

【0049】

また、アーク制御部１１は、第１の期間Ｔ１では、第１の電流値Ｉ１を所定期間Ｔ１ｂ保持するように溶接電流Ｉを制御し、第３の期間Ｔ３では、第２の電流値Ｉ２に達した後、直ちに溶接電流Ｉを上昇させるように制御し、第４の期間Ｔ４では、第３の電流値Ｔ３に達した後、直ちに溶接電流Ｉを低下させるように制御するようにしている。

【0050】

第１の電流値Ｉ１を所定期間Ｔ１ｂ保持するようにすることで、アーク長が確実に第１の長さＬ１となるようにでき、微小短絡の発生を確実に抑制できる。

【0051】

また、アーク制御部１１は、第３の期間Ｔ３で、第２の電流値Ｉ２に達した後、直ちに溶接電流Ｉを上昇させるようにする。このようにすることで、微小短絡の発生を抑制するとともに溶滴２１の過度の成長を抑制し、第４の期間Ｔ４で溶滴２１の大きさを制御しやすくできる。同様に、アーク制御部１１は、第４の期間Ｔ４で、第３の電流値Ｉ３に達した後、直ちに溶接電流Ｉを低下させるようにする。このようにすることで、溶滴２１の過度の成長を抑制し、第４の期間Ｔ４で溶滴２１の大きさを制御しやすくできる。アーク溶接装置１００は、アーク期間Ｔａの第４の期間Ｔ４の後、溶接ワイヤ１８と母材１７とを接触させてこれらを短絡させることにより、アーク期間Ｔａから短絡期間Ｔｓに切り替える。アーク溶接装置１００は、アーク期間Ｔａ中に安定して成長した溶滴２１を確実に短絡期間Ｔｓ中に、溶滴２１を溶接ワイヤ１８から母材１７に向けて短絡移行させることができる。その結果、溶滴２１の移行周期を一定とできる。言い換えると、炭酸ガスを主成分とするガスをシールドガスとして用い、短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返して母材の溶接を行うアーク溶接において、溶滴２１の移行周期を一定とできる。溶滴２１が溶接ワイヤ１８から母材１７に向けて、アーク期間Ｔａ中にグロビュール移行することなく、短絡期間Ｔｓ中に確実に、短絡移行するからである。このことにより、例えば、高速溶接時に溶接ビードが不均一となったり、あるいは母材１７が溶け落ちたりするのを防止して、溶接品質を高めることができる。

【0052】

また、本実施形態では、アーク制御部１１は、第１の傾きαが第２の傾きβの絶対値及び第３の傾きγよりも大きくなるように、かつ第２の傾きβの絶対値が第１の傾きα及び第３の傾きγよりも小さくなるように溶接電流Ｉを制御している。

【0053】

短絡が開放された直後の溶接ワイヤ１８が母材１７に対して微小短絡するのを防止するため、短期間でアーク長を所定の値（第１の長さＬ１）とすることが望ましい。このため、第１の傾きαはある程度大きく、つまり急峻であることが望ましい。

【0054】

これに対して、第３の期間Ｔ３の開始時点ｔ２では、アーク反力が低減されているものの、溶滴２１は第１の期間Ｔ１のアークが発生した時点よりも大きく成長している。従って、第３の傾きγを第１の傾きαと同じとすると、溶滴２１に加わるアーク反力が強くなりすぎて、溶滴２１の意図しない振動や落下等による短絡のおそれが生じる。このため、第３の傾きγは第１の傾きαよりも小さいことが望ましい。

【0055】

一方、前述したように、溶接ワイヤ１８は一定の速度で母材に向けて正送されている。溶接電流Ｉは、溶接ワイヤ１８の先端の燃え上がり量を決定する。第２の傾きβの絶対値が大きすぎる、つまり下降の傾斜勾配が急峻すぎると、溶接ワイヤ１８の先端の燃え上がり量が急激に小さくなる。その結果、溶接ワイヤ１８の先端の燃え上がり量よりも、母材１７への溶接ワイヤ１８の送給量が相対的に大きくなる。これにより、第２の期間Ｔ２において溶接ワイヤ１８が溶融プール２２に突っ込んで短絡を生じてしまうおそれがある。

【0056】

これを防止するために、第２の傾きβの絶対値は所定値よりも小さくすることが望ましい。また、第３の傾きγが第２の傾きβの絶対値よりも小さい場合、つまり溶接電流Ｉの上昇の傾斜勾配が緩い場合、時点ｔ２におけるアーク長を第２の長さＬ２まで延ばすことが難しい。以上のことから、第２の傾きβの絶対値は第１の傾きα及び第３の傾きγよりも小さいことが望ましい（β＜α、β＜γ）。また、第１の傾きαは第２の傾きβの絶対値及び第３の傾きγよりも大きいことが望ましい（α＞β、α＞γ）。

【0057】

なお、第２の傾きβの絶対値をあまり小さくしすぎると、アーク反力の低減効果が小さくなり、そのため溶滴２１の挙動が安定しなくなる。よって、微小短絡が発生しない程度に第２の傾きβの絶対値を確保することが望ましい。このことについては後述する。

【0058】

また、本実施形態に係るアーク溶接では、アーク制御部１１は、短絡期間Ｔｓ及び第１～第３の期間Ｔ１～Ｔ３では、溶接電流Ｉの出力を設定する設定電流、つまり、溶接電流の移動平均値としての設定電流値に基づいて溶接電流Ｉを制御する。アーク制御部１１は、第４の期間Ｔ４では、溶接電圧の出力を設定する設定電圧、つまり溶接電圧の移動平均値としての設定電圧値に基づいて溶接電圧が一定となるように制御している。

【0059】

このようにすることで、第１～第３の期間Ｔ１～Ｔ３では、微小短絡を抑制し、スパッタを低減できる。また、溶滴２１を所定の大きさに成長させる第４の期間Ｔ４では、各時点で、直前の溶接電圧をフィードバックして定電圧制御を行うため、外乱の影響を小さくすることができる。

【0060】

一般に、アーク期間Ｔａには、トーチ１４から突き出す溶接ワイヤ１８の突き出し長さの変動または母材１７の位置ずれ等の外乱が発生する。このような場合には、例えば、溶接電圧が一定となるようにすることで、上記外乱を吸収して、アーク２０のアーク長を一定に維持することができる。また、溶滴２１を所望の大きさに安定して成長させることができる。さらに、定電圧制御を行うことで、母材１７に対する入熱ばらつきを低減できる。

【0061】

なお、第４の期間Ｔ４では、アーク制御部１１は、溶接ワイヤ１８に電気的に接続されたリアクトル６のインダクタンス値と電子リアクトル制御による電子リアクトルのインダクタンス値との加算値を調整することで、溶接電圧が一定となるように制御してもよい。

【0062】

このようにすることで、溶接電流の時間変化速度を所望の値に調整でき、スパッタの発生をさらに抑制できる。

【0063】

また、炭酸ガスを主成分とするガスをシールドガスとして用いることで、安価なシールドガスを使用でき、溶接コストを低減できる。

【0064】

溶接ワイヤ１８の母材への送給を一定速度かつ一方向、この場合は正送とすることで、溶接ワイヤ１８の送給制御を簡便なものとすることができる。

【0065】

＜変形例＞
図３は変形例に係るアーク溶接時の溶接電流出力波形を示す。なお、図３において、図２Ａ，図２Ｂに示すのと同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。また、図２Ｂに対応する図面、つまり、短絡期間Ｔｓからアーク期間Ｔａに切り替わる期間についての拡大図面は、実施形態１に示すのと同様であるため、本変形例では省略している。

【0066】

図３に示す本変形例に係る制御方法と、図２Ａ，図２Ｂに示す実施形態に係る制御方法とでは、第４の期間Ｔ４の溶接電流の波形が異なる。具体的には、本変形例では、アーク制御部１１は、溶接電流Ｉを第３の電流値Ｉ３から第７の電流値Ｉ７まで低下させた後（時点ｔ３ａ）、第８の電流値Ｉ８まで上昇させている（時点ｔ３ｂ）。

【0067】

溶接ワイヤ１８の先端に形成される溶滴２１のサイズによっては、第２の期間Ｔ２で溶滴２１に加わるアーク反力を１回で十分に低減できない場合がある。このような場合には、本変形例に示すように、溶接電流Ｉを第３の電流値Ｉ３まで上昇させた後、再度、電流値を低下させるようにすることで、確実にアーク反力を低減させ、微小短絡及びそれに伴うスパッタの発生を抑制できる。

【0068】

なお、溶接電流Ｉを第３の電流値Ｉ３から第７の電流値Ｉ７まで低下させる場合及び第８の電流値Ｉ８まで上昇させる場合は、実施形態に示す方法と同様に、電流制御により行ってもよいが、電圧制御としてもよい。電圧制御の場合、アーク制御部１１は、直前の溶接電圧をフィードバックして出力制御を行う。そのため、アーク溶接の制御を簡便に行える。また、時点ｔ２において、アーク反力はある程度低減されている。そのため、電流制御及び電圧制御のいずれの場合にも、図３に示すように、第７の電流値Ｉ７が第２の電流値Ｉ２よりも高くなるようにしてもよい。また、アーク制御部１１は、第８の電流値Ｉ８が第３の電流値Ｉ３よりも低くなるように制御してもよい。このようにすることで、溶滴２１に加わるアーク反力を確実に低減できる。また、溶接電流Ｉを第７の電流値Ｉ７に低下させる時間傾きは必ずしも第２の傾きβと同じでなくてもよく、溶接電流Ｉを第７の電流値Ｉ７から第８の電流値Ｉ８に上昇させる時間傾きも第３の傾きγと同じでなくてもよい。

【0069】

（その他の実施形態）
変形例を含む上記実施形態において、各種条件は前述の値に限られず、例えば、第１～第３の電流値Ｉ１～Ｉ３は、それぞれ所定の範囲で変化してしてもよい。例えば、第１の電流値Ｉ１が３５０Ａ～４５０Ａの範囲で、第２の電流値Ｉ２が７０Ａ～１５０Ａの範囲で、第３の電流値Ｉ３が２００Ａ～３００Ａの範囲で、それぞれ変化するようにしてもよい。

【0070】

ただし、この場合においても、式（１）で表わされる関係を満たすことが好ましい。

【0071】

Ｉ１＞Ｉ３＞Ｉ２＞Ｉ０ ・・・（１）
同様に、第１～第３の傾きα～γが、それぞれ所定の範囲で変化してしてもよい。例えば、第１の傾きαが４００Ａ／ｍｓｅｃ～５００Ａ／ｍｓｅｃの範囲で、第２の傾きβが２００Ａ／ｍｓｅｃ～３００Ａ／ｍｓｅｃの範囲で、第３の傾きγが２５０Ａ／ｍｓｅｃ～３５０Ａ／ｍｓｅｃの範囲で、それぞれ変化するようにしてもよい。

【0072】

ただし、この場合においても、式（２）で表わされる関係を満たすことが好ましい。

【0073】

α＞γ＞β ・・・（２）
なお、傾きα，γと傾きβとは変化の方向が反対であるため、式（２）に示すβは絶対値で示している。

【0074】

また、第２の傾きβに関しては、実施形態に示す条件下では、上記の範囲にあることが好ましい。特に、傾きβが２００Ａ／ｍｓｅｃ以上なので、溶滴２１の挙動が安定し、また、微小短絡及びこれに伴うスパッタの発生が抑制される。

【0075】

逆に、傾きβが２００Ａ／ｍｓｅｃよりも小さくなると、溶滴２１の挙動が安定せず、また、微小短絡及びこれに伴うスパッタが発生しやすくなる。

【0076】

また、母材１７の材質を高張力鋼あるいは亜鉛メッキ鋼としてもよく、軟鋼及びこれらの材質を含め、母材１７の厚みを２ｍｍ以上５ｍｍ以下としてもよい。

【0077】

また、第１の期間Ｔ１において、溶接電流Ｉが第１の電流値Ｉ１に保持される期間Ｔ１ｂを０．５ｍｓｅｃ以上とするのが好ましい。この範囲であれば、アーク２０を安定して維持することができ、微小短絡及びスパッタの発生を確実に抑制できる。

【0078】

上記実施形態に係るアーク溶接制御方法によれば、炭酸ガスを主成分とするガスをシールドガスとして用いた場合であって、アーク期間で溶滴２１を成長させ、短絡期間で溶滴２１を母材１７に向けて短絡移行するアーク溶接が行われる場合に、微小短絡及びスパッタの発生を抑制し、かつ溶滴２１の移行周期が保たれた高品質のアーク溶接が実現できる。

【産業上の利用可能性】

【0079】

本開示のアーク溶接制御方法は、アーク反力の影響を低減し、低スパッタかつ溶滴移行の周期性が保たれたアーク溶接を実現できるため、炭酸ガスを主成分とするシールドガスを用いるアーク溶接に適用する上で有用である。

【符号の説明】

【0080】

１ 入力電源
２ １次整流部
３ スイッチング部
４ トランス
５ ２次整流部
６ リアクトル
７ 駆動部
８ 溶接電流検出部
９ 溶接電圧検出部
１０ くびれ検出部
１１ アーク制御部
１２ 記憶部
１３ 溶接条件設定部
１４ トーチ
１５ チップ
１７ 母材
１８ 溶接ワイヤ
１９ ワイヤ送給部
２０ アーク
２１ 溶滴

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】