特許 7576764 直流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】2024-10-24

(45)【発行日】2024-11-01

(54)【発明の名称】直流アーク溶接制御方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/073 20060101AFI20241025BHJP

   B23K 9/095 20060101ALI20241025BHJP

   B23K 9/12 20060101ALI20241025BHJP

   B23K 9/173 20060101ALI20241025BHJP

【ＦＩ】

B23K9/073 545

B23K9/073 525

B23K9/095 501Z

B23K9/12 304Z

B23K9/173 A

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2022524361

(86)(22)【出願日】2021-04-28

(86)【国際出願番号】 JP2021017055

(87)【国際公開番号】W WO2021235210

(87)【国際公開日】2021-11-25

【審査請求日】2024-04-17

(31)【優先権主張番号】P 2020087627

(32)【優先日】2020-05-19

(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】110001427

【氏名又は名称】弁理士法人前田特許事務所

(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】山下 浩平

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－０１６４８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２３３７２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／２０３１６２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－２２６７０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２３７２７０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ９／００ － １０／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返して溶接を行う直流アーク溶接制御方法であって、
前記アーク期間は、第１期間と第２期間と第３期間と第４期間とを少なくとも含み、
前記第１期間に、溶接ワイヤに流れる溶接電流を第１電流値になるまで増加させるステップと、
前記第２期間に、所定の時間傾度で前記溶接電流を前記第１電流値から第２電流値になるまで低下させるステップと、
前記第３期間に、前記溶接電流を前記第２電流値に維持するステップと、
前記第４期間に、前記溶接電流を前記第２電流値から前記第１電流値よりも低く前記第２電流値よりも高い第３電流値まで上昇させた後、前記第４期間が終了するまで、前記溶接電流を前記第３電流値に維持するステップと、を少なくとも備え、
前記短絡期間と前記アーク期間とにわたって、前記溶接ワイヤの送給速度は一定であり、
前記第２期間では、溶接出力を定電圧制御し、
少なくとも前記第３期間と前記第４期間とでは、溶接出力をそれぞれ定電流制御し、
前記短絡期間では、前記溶接ワイヤと母材とを短絡させて前記溶接ワイヤの先端に形成された溶滴を前記母材に短絡移行させ、
前記第１期間では、前記溶接ワイヤと前記母材の間にアークを発生させ、
前記第２期間では、アーク長が所定の値となるようにするとともに、前記溶接ワイヤの先端に溶滴を形成させ、
前記第３期間では、前記溶接ワイヤを前記母材に形成された溶融池に接触させるとともに、前記溶滴を前記溶融池に一部吸収させ、
前記第４期間では、前記溶接ワイヤと前記母材の間に発生したアークを維持するとともに、前記溶接ワイヤの先端に溶滴を成長させることを特徴とする直流アーク溶接制御方法。

【請求項2】

請求項１に記載の直流アーク溶接制御方法において、
前記第１電流値は、４００Ａ以上、５００Ａ以下であることを特徴とする直流アーク溶接制御方法。

【請求項3】

請求項１または２に記載の直流アーク溶接制御方法において、
前記時間傾度は、３００Ａ／ｍｓｅｃ以上、７００Ａ／ｍｓｅｃ以下であることを特徴とする直流アーク溶接制御方法。

【請求項4】

請求項１ないし３のいずれか１項に記載の直流アーク溶接制御方法において、
前記第２電流値は、１００Ａ以上、２００Ａ以下であることを特徴とする直流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項に記載の直流アーク溶接制御方法において、
前記第３電流値は、１００Ａ以上、２００Ａ以下であることを特徴とする直流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項に記載の直流アーク溶接制御方法において、
前記第３期間は、０．１ｍｓｅｃ以上、３ｍｓｅｃ以下であることを特徴とする直流アーク溶接制御方法。

【請求項7】

請求項１ないし６のいずれか１項に記載の直流アーク溶接制御方法において、
前記第３期間は、前記短絡期間の１／３以下であることを特徴とする直流アーク溶接制御方法。

【請求項8】

請求項７に記載の直流アーク溶接制御方法において、
前記第３期間は、１ｍｓｅｃ以上、２ｍｓｅｃ以下であり、
前記短絡期間は、２ｍｓｅｃ以上、６ｍｓｅｃ以下であることを特徴とする直流アーク溶接制御方法。

【請求項9】

請求項１ないし８のいずれか１項に記載の直流アーク溶接制御方法において、
溶接中に母材に吹き付けられるシールドガスは、不活性ガスと炭酸ガスとの混合ガスであることを特徴とする直流アーク溶接制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は直流アーク溶接制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、所定の送給速度で溶接ワイヤを送給させ、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が知られている。この場合、溶接箇所に対してシールドガスを吹き付けながらアーク溶接が行われる。

【0003】

このようなアーク溶接において、アーク期間の初期に高い電流値のピーク電流を溶接ワイヤに流すことで、溶接ワイヤと母材との短絡発生を抑制し、スパッタを低減する方法が広く知られている（例えば特許文献１，２参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開平１０－１０９１６３号公報

【文献】特開２００６－０２１２２７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、シールドガスとして、Ａｒ（アルゴン）ガス等の不活性ガスを主成分とし炭酸ガスを混合した混合ガスを用いる場合、溶接ワイヤの先端に形成された溶滴の離脱性が良化する。

【0006】

しかし、特許文献１，２に開示される従来の方法において、前述の混合ガスを用いてアーク溶接を行うと、ピーク電流の印加時に、溶滴が不規則なタイミングで溶接ワイヤから離脱し、離脱タイミングの周期性が乱れる。このため、アークが不安定となり、溶接ワイヤと母材との微小短絡が起こりやすくなる。その結果、スパッタが発生して、母材に形成される溶接ビードの美観を損ねたり、溶接不良が発生したりするおそれがあった。

【0007】

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、溶滴の離脱タイミングを安定させ、スパッタの発生を抑制可能な直流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】

【0008】

上記目的を達成するため、本発明に係る直流アーク溶接制御方法は、短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返して溶接を行う直流アーク溶接制御方法であって、前記アーク期間は、第１期間と第２期間と第３期間と第４期間とを少なくとも含み、前記第１期間に、溶接ワイヤに流れる溶接電流を第１電流値になるまで増加させるステップと、前記第２期間に、所定の時間傾度で前記溶接電流を前記第１電流値から第２電流値になるまで低下させるステップと、前記第３期間に、前記溶接電流を前記第２電流値に維持するステップと、前記第４期間に、前記溶接電流を前記第２電流値から前記第１電流値よりも低く前記第２電流値よりも高い第３電流値まで上昇させた後、前記第４期間が終了するまで、前記溶接電流を前記第３電流値に維持するステップと、を少なくとも備え、前記短絡期間と前記アーク期間とにわたって、前記溶接ワイヤの送給速度は一定であり、前記第２期間では、溶接出力を定電圧制御し、少なくとも前記第３期間と前記第４期間とでは、溶接出力をそれぞれ定電流制御し、前記短絡期間では、前記溶接ワイヤと母材とを短絡させて前記溶接ワイヤの先端に形成された溶滴を前記母材に短絡移行させ、前記第１期間では、前記溶接ワイヤと前記母材の間にアークを発生させ、前記第２期間では、アーク長が所定の値となるようにするとともに、前記溶接ワイヤの先端に溶滴を形成させ、前記第３期間では、前記溶接ワイヤを前記母材に形成された溶融池に接触させるとともに、前記溶滴を前記溶融池に一部吸収させ、前記第４期間では、前記溶接ワイヤと前記母材の間に発生したアークを維持するとともに、前記溶接ワイヤの先端に溶滴を成長させることを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、溶滴の離脱タイミングを安定させ、スパッタの発生を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本発明の実施形態に係るアーク溶接装置の概略構成を示す図である。

【図2】図２は、溶接時の溶接電流及び溶接電圧の出力波形とワイヤ送給速度と溶滴移行状態と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】

【0011】

以下、本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、本発明、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。

【0012】

［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。また、本実施形態のアーク溶接装置１００は、トーチ１４を作業者が手にもって溶接を行う半自動溶接装置である。

【0013】

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の先端部分に形成された溶滴２１（図２参照）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。

【0014】

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。

【0015】

記憶部１２は、溶接条件設定部１３により設定された情報や溶接ワイヤ１８のワイヤ送給速度ＷＦ（図２参照）やワイヤ送給量や異なるワイヤ送給速度ＷＦ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。

【0016】

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アーク発生時の電流や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。なお、図示しないが、アーク制御部１１は、溶接電圧検出部９の出力に基づいて、溶接ワイヤ１８の先端部分に形成された溶滴２１と母材１７との短絡を検出、判定する短絡検出部を有している。短絡検出部は、アーク制御部１１の外部に設けられていてもよい。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

［アーク溶接時の溶接出力制御］
図２は、本実施形態に係る溶接時の溶接電流及び溶接電圧の出力波形とワイヤ送給速度と溶滴移行状態とを示す。

【0020】

なお、本実施形態に示すアーク溶接では、溶接作業前に予め設定された設定電圧及び設定電流に基づいて、溶接出力である溶接電圧Ｖｗと溶接電流Ａｗとが制御される。

【0021】

また、本実施形態において、溶接ワイヤ１８のワイヤ径は、例えば１．２ｍｍである。また、母材１７は鉄からなる板材であり、その板厚は、例えば４．５ｍｍであり、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、炭酸ガスを含むガスである。ここで、「炭酸ガスを含むガス」とは、炭酸ガスを１０％以上、３０％以下含むガスのことをいい、好ましくは、炭酸ガスを２０％含んでいる。なお、炭酸ガス以外の成分として、不活性ガス、代表的には、アルゴンガスを含んでいる。

【0022】

本実施形態に示すアーク溶接は、短絡期間Ｔｓとそれに続くアーク期間Ｔａとの和である溶接期間Ｔを１周期として行われる。また、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が行われる。また、溶接ワイヤ１８は、溶接期間Ｔにわたって、言いかえると、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａにわたって、設定電流に基づく一定の送給速度Ｗｆで母材１７に対して正送される。なお、本実施形態において、速度Ｗｆは、７ｍ／ｍｉｎ～８ｍ／ｍｉｎ程度である。なお、直流アーク溶接には、マイナス側を母材１７に、プラス側を、チップ１５を介して電極である溶接ワイヤ１８に接続する逆極性の溶接と、マイナス側を、チップ１５を介して電極である溶接ワイヤ１８に、プラス側を母材１７に接続する正極性の溶接がある。本願明細書では逆極性での溶接について記載している。

【0023】

溶接電圧検出部９で検出された溶接電圧Ｖｗがしきい値電圧Ｖｔｈ以下になると、溶接ワイヤ１８と母材１７とが短絡したと判定される。つまり、短絡が検出される。この時点ｔ０から短絡期間Ｔｓが開始し（図２の（ａ）図）、溶接ワイヤ１８の先端に形成された溶滴２１と母材１７とが接触して短絡状態が継続される。なお、短絡期間Ｔｓにおいて、溶接出力は電流制御される。また、短絡期間Ｔｓは予め実験的に定めた溶接電流Ａｗの波形パターンに基づいて出力している。具体的には、短絡期間Ｔｓの溶接電流Ａｗの波形パターンは、短絡検出後に出力する一定に保持される溶接電流Ａｗの値と、その所定の保持時間、所定の保持時間（所定の期間）の後の第１の傾斜の上昇傾き、屈曲点の溶接電流の値、第２の傾斜の上昇傾きとからなるものである。この波形パターンの溶接電流Ａｗを溶接ワイヤ１８の送給速度ＷＦに応じて出力するものである。

【0024】

なお、しきい値電圧Ｖｔｈは、数Ｖから十数Ｖ程度の低い電圧に設定されるのが好ましく、本実施形態では、１０Ｖに設定されている。ただし、特にこれに限定されず、適宜他の値、例えば、７Ｖ以上、１２Ｖ以下の範囲を取りうる。

【0025】

時点ｔ０から所定の期間経過後に、溶接電流Ａｗを第１、第２の傾斜の上昇傾きで上昇させて、溶接ワイヤ１８を燃え上がらせることで、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Ａｗを上昇させると、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、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（図２の（ｂ）図）で、アーク制御部１１は、溶接電流Ａｗを低下させる。

【0026】

時点ｔ１は、溶滴２１がくびれて溶接ワイヤ１８の先端から母材１７に完全に移行することで、短絡が開放したと検出される時点である。この時点で短絡状態が終了して、時点ｔ１からアーク状態が発生し、アーク期間Ｔａに移行する。なお、短絡開始と同様に、溶接電圧Ｖｗがしきい値電圧Ｖｔｈを超えた時点で短絡が開放されたと判断される。

【0027】

なお、溶接ワイヤ１８と母材１７とが短絡したと判定されるしきい値電圧と、時点ｔ１の短絡開放のしきい値電圧は、説明の簡略化のため同じ値のしきい値電圧Ｖｔｈとしている。

【0028】

しかし、時点ｔ１の短絡開放のしきい値電圧は、より安定検出のため、溶接ワイヤ１８と母材１７とが短絡したと判定されるしきい値電圧より大きな値のしきい値電圧Ｖｔｈ‘として良い。

【0029】

時点ｔ１から時点ｔ２にかけて、溶接電流Ａｗを増加させることで、溶接ワイヤ１８と母材１７との間にアーク２０が発生し（図２の（ｃ）図）、そのアーク長が長くなる。なお、時点ｔ１から時点ｔ２の間を第１期間Ｔ１と呼ぶ。第１期間Ｔ１において、溶接出力は定電流制御される。

【0030】

時点ｔ２で、溶接電流Ａｗが第１電流値Ｉｐになると、アーク制御部１１は、溶接出力が定電圧制御となるように制御モードを切り替える。具体的には、溶接電圧Ｖｗの移動平均値が設定電圧となるように溶接出力が制御される。

【0031】

溶接電流Ａｗが第１電流値Ｉｐに達して、所定のアーク長が確保される（図２の（ｄ）図）。次に、溶接電圧Ｖｗが低下し始めたのを溶接電圧検出部９が検出すると、アーク制御部１１は、時間傾度Ｉｓｌｐで溶接電流Ａｗを第１電流値Ｉｐから第２電流値Ｉｂまで低下させる。ここで、時間傾度Ｉｓｌｐは、時間に対する溶接電流Ａｗの変化の度合いであり、図２から明らかなように、時間傾度Ｉｓｌｐは、マイナスの値である。ただし、本願明細書では、時間傾度Ｉｓｌｐを絶対値で説明することとする。

【0032】

なお、時点ｔ２から溶接電流Ａｗが第２電流値Ｉｂまで低下した時点ｔ３の間を第２期間Ｔ２と呼ぶ。前述したように、第２期間Ｔ２において、溶接出力は定電圧制御される。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、溶接出力を定電圧制御している。

【0033】

本実施形態において、第１電流値Ｉｐは４７０Ａであるが、特にこれに限定されず、適宜他の値、例えば、４００Ａ以上、５００Ａ以下の範囲を取りうる。第２電流値Ｉｂは１５０Ａであるが、特にこれに限定されず、適宜他の値、例えば、１００Ａ以上、２００Ａ以下の範囲を取りうる。時間傾度Ｉｓｌｐは、６００Ａ／ｍｓｅｃであるが、特にこれに限定されず、適宜他の値、例えば、３００Ａ／ｍｓｅｃ以上、７００Ａ／ｍｓｅｃ以下の範囲を取りうる。

【0034】

溶接電流Ａｗが第２電流値Ｉｂとなったのを溶接電流検出部８が検出すると、その時点ｔ３から、アーク制御部１１は、溶接出力が定電流制御となるように制御モードを再度切り替える。また、時点ｔ４に至るまで溶接電流Ａｗが第２電流値Ｉｂを維持するように溶接出力を定電流制御する。なお、時点ｔ３から時点ｔ４までの間を第３期間Ｔ３と呼ぶ。溶滴２１が大きくなりすぎて、意図しない不規則なタイミングで離脱するのを抑制できるように、第３期間Ｔ３のいずれかの時点で、溶接ワイヤ１８の先端に形成された溶滴２１の一部を、母材１７に形成された溶融池２２に接触させる。これにより溶滴２１が大きくなりすぎないように、溶滴２１の一部が溶融池２２に吸収される（図２の（ｅ）図）。つまり、第３期間Ｔ３も溶接ワイヤ１８と母材１７とが短絡する短絡期間である。

【0035】

なお、本実施形態において、第３期間Ｔ３は、１ｍｓｅｃに設定されるが、特にこれに限定されず、適宜他の値、例えば、０．３ｍｓｅｃ以上、３ｍｓｅｃ以下の範囲を取りうる。

【0036】

また、第３期間Ｔ３は、短絡期間Ｔｓの１／３以下に設定される。この場合に、第３期間Ｔ３が、１ｍｓｅｃ以上、２ｍｓｅｃ以下であり、短絡期間Ｔｓが、２ｍｓｅｃ以上、６ｍｓｅｃ以下であることが好ましい。

【0037】

時点ｔ４から、溶接電流Ａｗを第２電流値Ｉｂから第３電流値Ｉｂ２になるまで上昇させ、次の溶接期間Ｔの時点ｔ０になるまで、溶接電流Ａｗが第３電流値Ｉｂ２で維持されるように、アーク制御部１１は溶接出力を制御する。なお、時点ｔ４から次の溶接期間Ｔの時点ｔ０までの間を第４期間Ｔ４と呼ぶ。第４期間Ｔ４において、溶接出力は定電流制御される。また、第４期間Ｔ４において、短絡期間Ｔｓでの溶接ワイヤ１８と母材１７との短絡のタイミング前までに、溶滴２１が大きくなりすぎて、意図しない不規則なタイミングで離脱するのを抑制するように、言い換えると、意図しない不規則なタイミングで溶滴２１が離脱するのを抑制する程度に、溶接ワイヤ１８の先端で溶滴２１を再度成長させる。この溶滴２１は、次の溶接期間Ｔの短絡期間Ｔｓで母材１７に短絡移行される。

【0038】

本実施形態において、第３電流値Ｉｂ２は、１８０Ａであるが、特にこれに限定されず、適宜他の値、例えば、１００Ａ以上、２００Ａ以下の範囲を取りうる。ただし、第３電流値Ｉｂ２は、第２電流値Ｉｂよりも高くなるように設定される。

【0039】

［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係る直流アーク溶接制御方法は、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを交互に繰り返して溶接を行う直流アーク溶接制御方法であって、アーク期間Ｔａは、第１期間Ｔ１と第２期間Ｔ２と第３期間Ｔ３と第４期間Ｔ４とを少なくとも含んでいる。

【0040】

アーク溶接制御方法は、第１期間Ｔ１に、溶接ワイヤ１８に流れる溶接電流Ａｗを第１電流値Ｉｐになるまで増加させるステップと、第２期間Ｔ２に、時間傾度Ｉｓｌｐで溶接電流Ａｗを第１電流値Ｉｐから第２電流値Ｉｂになるまで低下させるステップと、を備えている。また、第３期間Ｔ３に、溶接電流Ａｗを第２電流値Ｉｂに維持するステップと、第４期間Ｔ４に、溶接電流Ａｗを第２電流値Ｉｂから第１電流値Ｉｐよりも低く第２電流値Ｉｂよりも高い第３電流値Ｉｂ２まで上昇させた後、第４期間Ｔ４が終了するまで、溶接電流Ａｗを第３電流値Ｉｂ２に維持するステップと、を少なくとも備えている。

【0041】

短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとにわたって、溶接ワイヤ１８のワイヤ送給速度ＷＦは一定（＝Ｗｆ）である。

【0042】

第２期間Ｔ２では、溶接出力を定電圧制御し、溶接期間Ｔにおけるそれ以外の期間のうち、少なくとも第３期間Ｔ３と第４期間Ｔ４では、溶接出力をそれぞれ定電流制御する。

【0043】

また、短絡期間Ｔｓでは、溶接ワイヤ１８と母材１７とを短絡させて溶接ワイヤ１８の先端に形成された溶滴２１を母材１７に短絡移行させる。第１期間Ｔ１では、溶接ワイヤ１８と母材１７の間にアーク２０を発生させる。第２期間Ｔ２では、アーク長が所定の値となるようにするとともに、溶接ワイヤ１８の先端に溶滴２１を形成させる。第３期間Ｔ３では、溶接ワイヤ１８の一部を母材１７に形成された溶融池２２に接触させるとともに、溶滴２１の一部を溶融池２２に吸収させる。第４期間Ｔ４では、溶接ワイヤ１８と母材１７の間に発生したアーク２０を維持するとともに、溶接ワイヤ１８の先端に溶滴２１を成長させる。

【0044】

本実施形態によれば、急峻な時間傾度Ｉｓｌｐで溶接電流Ａｗを第１電流値Ｉｐから第２電流値Ｉｂになるまで低下させ、さらに、第３期間Ｔ３に、溶接電流Ａｗを第２電流値Ｉｂに維持して、溶滴２１の一部を溶融池２２に接触させ、かつ当該一部を溶融池２２に吸収させている。また、第４期間Ｔ４において、溶接電流Ａｗを第１電流値Ｉｐよりも低く第２電流値Ｉｂよりも高い第３電流値Ｉｂ２に維持している。このことにより、短絡期間Ｔｓでの溶接ワイヤ１８と母材１７との短絡のタイミング前までに、溶滴２１が大きくなりすぎて、意図しない不規則なタイミングで離脱するのを抑制できる。また、大きくなりすぎた溶滴２１が離脱して、大粒スパッタが飛散するのを抑制できる。

【0045】

また、溶接電流Ａｗを第１電流値Ｉｐまで上昇させた後、第２期間Ｔ２で、溶接電流Ａｗを第１電流値Ｉｐから第２電流値Ｉｂまで急峻に低下させることにより、溶接ワイヤ１８や母材１７への入熱差を大きく付けることができる。このことにより、第２期間Ｔ２での溶滴２１の離脱を抑制できるとともに、第３期間Ｔ３を確実にスタートさせることができ、短絡周期、ひいてはアーク期間Ｔａや溶接期間Ｔの周期性を安定化することができる。また、溶接期間Ｔの周期性が安定するため、母材１７を安定して高速に溶接することができる。

【0046】

また、第４期間Ｔ４において、意図しない不規則なタイミングで溶滴２１が離脱するのを抑制するように、溶接電流Ａｗを第３電流値Ｉｂ２に維持することで、溶滴２１を再度成長させ、次のタイミングの短絡期間Ｔｓで母材１７に確実に移行させることができ、溶滴２１の離脱の周期性を保つことができる。さらに、溶融池２２の振動が抑えられ、第４期間Ｔ４において、微小短絡が発生してスパッタが飛散するのを抑制できる。

【0047】

また、アーク期間Ｔａの第２期間Ｔ２に溶接出力を定電圧制御することで、手振れ等の外乱に対するアーク２０の安定性を確保でき、アーク切れ等が発生するのを抑制できる。

【0048】

一方、アーク期間Ｔａにおけるそれ以外の期間、特に第３期間Ｔ３と第４期間Ｔ４において、溶接出力を定電流制御することで、それぞれの期間において、溶接電流Ａｗを第２電流値Ｉｂと第３電流値Ｉｂ２とに安定して維持することができる。

【0049】

例えば、第３期間Ｔ３において、溶接出力を定電圧制御すると、第２電流値Ｉｂが安定せず、大きくばらつくことがある。第２電流値Ｉｂが設定値よりも高くなりすぎると、溶滴２１がすべて母材１７に移行してしまい、溶滴２１の離脱の周期性が保てず、溶接箇所の美観を損ねたり、溶接不良が発生したりすることがある。第２電流値Ｉｂが設定値よりも低くなりすぎると、溶接ワイヤ１８が母材１７に突っ込んでしまい、溶接不良が発生することがある。

【0050】

同様に、第４期間Ｔ４において、溶接出力を定電圧制御すると、第３電流値Ｉｂ２が安定せず、大きくばらつくことがある。第３電流値Ｉｂ２が設定値よりも高くなりすぎると、溶滴２１が成長し過ぎてしまい、溶滴２１の離脱の周期性が保てず、溶接箇所の美観を損ねたり、溶接不良が発生したりすることがある。第３電流値Ｉｂ２設定値よりも低くなりすぎると、アーク２０が維持できず、アーク切れを起こして、溶接不良が発生することがある。

【0051】

本実施形態によれば、アーク期間Ｔａにおける溶接出力の制御を適切に切り替えることにより、前述した不具合が発生するのを防止し、安定したアーク溶接を行うことができる。

【0052】

また、本実施形態によれば、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａにわたって、溶接ワイヤ１８のワイヤ送給速度ＷＦは一定である。

【0053】

このようにすることで、ワイヤ送給部１９に、ワイヤ送給速度ＷＦを可変に制御するための機能を付与する必要がなくなる。また、溶接ワイヤ１８の送給方向は一方向のみ、この場合は正送のみであるため、ワイヤ送給部１９により制御される送給モータの構造を簡素化できる。これらのことにより、アーク溶接装置１００を簡素化でき、装置コストを低減できる。

【0054】

第１電流値Ｉｐは、４００Ａ以上、５００Ａ以下であることが好ましい。より好ましくは、第１電流値Ｉｐは、４７０Ａである。

【0055】

第１電流値Ｉｐが４００Ａより低いと、アーク長が安定せず微小短絡が発生しスパッタが飛散するおそれがある。一方、第１電流値Ｉｐが５００Ａより高いと、第２期間Ｔ２で溶滴２１の成長が促進されるため、意図しない早期のタイミングで溶滴２１が離脱し、大粒スパッタとして飛散するとともに短絡周期が不安定となるおそれがある。

【0056】

時間傾度Ｉｓｌｐは、３００Ａ／ｍｓｅｃ以上、７００Ａ／ｍｓｅｃ以下であることが好ましい。より好ましくは、時間傾度Ｉｓｌｐは、６００Ａ／ｍｓｅｃである。

【0057】

時間傾度Ｉｓｌｐが３００Ａ／ｍｓｅｃより小さいと、入熱過多となり、第３期間Ｔ３で短絡する前に溶滴２１が離脱するおそれがある。一方、時間傾度Ｉｓｌｐが７００Ａ／ｍｓｅｃより大きいと、溶接電流Ａｗの低下時に高い電流値で母材１７と短絡してしまい、スパッタとして飛散するおそれがある。

【0058】

第２電流値Ｉｂは、１００Ａ以上、２００Ａ以下であることが好ましい。より好ましくは、第２電流値Ｉｂは、１５０Ａである。

【0059】

第２電流値Ｉｂが１００Ａより低いと、入熱不足でアーク２０が不安定となるおそれがある。一方、第２電流値Ｉｂが２００Ａより高いと、第３期間Ｔ３で溶滴２１が過度に母材１７に吸収されてしまい、スパッタとして飛散するおそれがある。

【0060】

第３電流値Ｉｂ２は、１００Ａ以上、２００Ａ以下であることが好ましい。より好ましくは、第３電流値Ｉｂ２は、１５０Ａである。

【0061】

第３電流値Ｉｂ２が１００Ａより低いと、溶接ワイヤ１８の先端で溶融が不十分となり、アーク２０が不安定となるおそれがある。一方、第３電流値Ｉｂ２が２００Ａより高いと、第４期間Ｔ４で溶融池２２を大きく振動させるため、微小短絡が発生しスパッタとして飛散するおそれがある。

【0062】

第３期間Ｔ３は、０．１ｍｓｅｃ以上、３ｍｓｅｃ以下であることが好ましい。より好ましくは、第３期間Ｔ３は、０．３ｍｓｅｃである。

【0063】

第３期間Ｔ３が０．１ｍｓｅｃより短いと、溶接ワイヤ１８を溶融池２２に接触させる際の電流値がばらつくため、第３期間Ｔ３の周期性が不安定となる。一方、第３期間Ｔ３が３ｍｓｅｃより長いと、入熱不足により、この場合も第３期間Ｔ３の周期性が不安定になる。

【0064】

第３期間Ｔ３は、短絡期間Ｔｓの１／３以下であることが好ましい。

【0065】

このようにすることで、アーク期間Ｔａの周期性を安定させることができる。このことにより、母材１７に形成された溶接ビード（図示せず）のビード際の揃いが安定するとともに、溶接中のスパッタの発生を低減できる。

【0066】

第３期間Ｔ３は、１ｍｓｅｃ以上、２ｍｓｅｃ以下であり、短絡期間Ｔｓは、２ｍｓｅｃ以上、６ｍｓｅｃ以下であることが好ましい。

【0067】

溶接ワイヤ１８と母材１７との短絡は、溶接電圧Ｖｗがしきい値電圧Ｖｔｈ以下になったか否かに基づいて判定されることが好ましい。

【0068】

このようにすることで、溶接ワイヤ１８と母材１７との短絡を確実に判定できる。

【0069】

また、しきい値電圧Ｖｔｈは、７Ｖ以上、１２Ｖ以下であることが好ましい。より好ましくは、しきい値電圧Ｖｔｈは、１０Ｖである。

【0070】

溶接中に母材１７に吹き付けられるシールドガスは、不活性ガスと炭酸ガスとの混合ガスであることが好ましい。

【0071】

前述したように、このような混合ガスをシールドガスとして用いると、溶接ワイヤ１８の先端に形成された溶滴２１の離脱性が良化するため、言い換えると、離脱性が良くなりすぎることで、例えば、中板厚などの母材の溶接時には、溶接ワイヤ１８の先端に形成される溶滴２１のサイズが大きくなり、溶滴２１が大きくなるにつれて、溶滴２１が不規則なタイミングで溶接ワイヤ１８から離脱し、離脱タイミングの周期性が乱れる。このため、アークが不安定となり、溶接ワイヤと母材との微小短絡が起こりやすくなるおそれがあった。

【0072】

一方、本実施形態によれば、溶接出力である溶接電流Ａｗや溶接電圧Ｖｗを前述のように制御することで、溶滴２１の離脱タイミングを安定させて、アーク期間Ｔａの周期性を確保し、スパッタの発生を抑制することができる。

【0073】

（その他の実施形態）
本実施形態では、半自動溶接装置であるアーク溶接装置１００を例にとって説明したが、本発明の直流アーク溶接制御方法が、ロボットを用いた高速溶接にも有用な手法であることは言うまでもない。

【産業上の利用可能性】

【0074】

本発明の直流アーク溶接制御方法は、溶滴の離脱タイミングを安定させ、スパッタの発生を抑制することができるため、有用である。

【符号の説明】

【0075】

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
２２ 溶融池
１００ アーク溶接装置

【図1】

【図2】