(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材と溶接ワイヤ間に発生させたアークで母材の被溶接部分を溶融するアーク溶接時に、アーク電圧とアーク電流のうち少なくとも一方の検出信号からアーク溶接による母材溶融部分表面での脈動レベルを検知し、この脈動レベル検知信号をアーク溶接時の溶け落ちを抑制する制御信号としたことを特徴とするアーク溶接方法。
【請求項２】
前記アーク電圧のピーク値の間隔のばらつき度合いを検出して母材のアーク溶接されている溶融部分表面の脈動レベルを検知することを特徴とする請求項１記載のアーク溶接方法。
【請求項３】
前記母材の表面側のアーク溶接されている溶融部分の母材裏面側での露呈形状を、母材裏面側に配置したレーザー距離センサーで測定し、この測定信号をアーク溶接時の溶け落ち抑制の制御信号の１つとしたことを特徴とする請求項１又は２記載のアーク溶接方法。
【請求項４】
母材と溶接ワイヤ間に発生させたアークで母材の被溶接部分を溶融するアーク溶接装置において、アーク電圧とアーク電流のうち少なくとも一方の検出信号からアーク溶接による母材溶融部分表面での脈動レベルを検知し、この脈動レベル検知信号をアーク溶接時の溶け落ちを抑制する制御信号として出力する溶け落ち抑制部を備えたことを特徴とするアーク溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
本発明は、自動車ボデーなどの薄板状母材同士のアーク溶接に好適なアーク溶接方法とアーク溶接装置に関する。
【０００３】
【従来の技術】
【０００４】
自動車ボデーのアッパーパネル等の板金パネル同士を重ねて強固に溶接する溶接法として、板金パネルの表裏両面を一対の電極で挟持してスポット溶接するスポット溶接法と、板金パネルの表面側だけから溶接ワイヤを使いアークを発生させて溶接するアーク溶接法がある。スポット溶接法は、板金パネルの表裏両面側に一対の電極が入るスペース的余裕がある場合に限り採用される。アーク溶接法は、板金パネルの表面側から溶接ワイヤを接近させて板金パネル自体を溶融させると共にこの溶融部分に溶接ワイヤからの溶滴を付着させて溶接するため、板金パネルの裏面側のスペース的余裕の有無にほとんど関係なく溶接ができて、スポット溶接法に比べて溶接できる母材の形状等に対する自由度が高い。そのため、形状の多様化が著しい自動車ボデーの板金パネル同士の溶接にアーク溶接法が多用される傾向にある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
自動車ボデーの板金パネルのような薄板鋼板の母材をアーク溶接する場合、母材の板厚が２ｍｍを越える場合は、アークで溶融した母材溶融部分が溶け落ちる可能性が少ないが、板厚が２ｍｍ以下で薄くなるほど母材溶融部分が溶け落ちる可能性が高くなる。この母材の溶け落ち現象を図５（Ａ）〜（Ｄ）に基づき説明する。
【０００７】
図５（Ａ）に示すように、母材１の表面に接近させたワイヤ２と母材１との間に溶接電圧を印加してアーク３を発生させ、アーク熱で母材１の表面とワイヤ２の先端部を溶融させて母材１表面に溶融金属溜まりである溶融部分４を形成する。この溶融部分４は溶融池や溶融膜と称されている部分で、以下、必要に応じて溶融池４と称する。なお、母材１は、２枚の薄板鋼板の表面側母材１ａと裏面側母材１ｂを重ねたものであり、図５（Ａ）は表面側母材１ａに溶融池４が形成された溶接前半期が示される。図５（Ａ）からアーク溶接が継続すると、図５（Ｂ）に示すように溶融池４が裏面側母材１ｂにまで達して、溶融池４の底部が裏面側母材１ｂの裏面に少し露呈する。この図５（Ｂ）が溶接後半期である。さらにアーク溶接が継続されると、図５（Ｃ）に示すように溶融池４の面積と容積が拡大する。なお、図５（Ｂ）の時点、或いは、図５（Ｂ）から（Ｃ）に移行するタイミングでアーク溶接終了の処置を施すと、母材１の溶け落ちの可能性が少なくて良好なアーク溶接が可能となる。図５（Ｃ）のように溶融池４が面積、容積共に拡大すると、溶融池４の表面に作用するアーク力と溶融池４の溶融金属の自重でもって溶融池４が垂れ下がって短時間で図５（Ｄ）に示すように溶融池４が母材１から溶け落ち、母材１に穴開き部５が形成される。このような母材１のアーク溶接部分での溶け落ちは、母材１に加わる外部からの振動、衝撃力で助長される。
【０００８】
以上の母材１の溶け落ちは、図５（Ａ）から（Ｂ）に移行するタイミングでアーク溶接終了の処置を施すと確実に回避されるが、このようなアーク溶接では母材１の裏面側母材１ｂの溶融が不十分となって溶接品質が悪くなる。図５（Ｂ）の時点や図５（Ｂ）から（Ｃ）に移行する時点でアーク溶接終了の処置を施して母材１の溶け落ちを少しでも防止する対策として、アーク溶接機電源部の制御特性安定化対策や溶接ワイヤ速度制御対策、溶接ワイヤ材質変更対策、アーク溶接部分でのシールドガスの種類変更対策等が試行されている。しかし、溶接時のアークはその形状や強弱にばらつきがあり、母材が溶けてできる溶融池そのものの高精度な状況把握が難しくて、前記の各対策で母材の溶け落ちを高精度で防止することができない。そこで、母材の溶け落ちが発生すると、溶け落ちた穴開き部を手作業で溶接し修正を行っているが、この手作業での後溶接箇所が多くなると作業性が悪く、アーク溶接のコストダウンが難しくなる。
【０００９】
本発明の目的は，板厚２ｍｍ以下の薄板鋼板等の母材をアーク溶接する場合でも高い信頼度で溶け落ちを防止可能なアーク溶接方法とアーク溶接装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明方法は前記課題を達成するため、母材と溶接ワイヤ間に発生させたアークで母材の被溶接部分を溶融させるアーク溶接時に、アーク電圧とアーク電流の少なくとも一方の検出信号から母材のアーク溶接されている溶融部分表面での脈動レベルを検知し、この脈動レベル検知信号をアーク溶接時の溶け落ちを抑制する制御信号としたことを特徴とする。また本発明装置は前記課題を達成するため、母材と溶接ワイヤ間に発生させたアークで母材の被溶接部分を溶融するアーク溶接装置において、アーク電圧とアーク電流のうち少なくとも一方の検出信号からアーク溶接による母材溶融部分表面での脈動レベルを検知し、この脈動レベル検知信号をアーク溶接時の溶け落ちを抑制する制御信号として出力する溶け落ち抑制部を備えたことを特徴とする。
【００１２】
この溶融池の固有振動については、従来より大きさ、材質等により決定されることが知られている。本発明者は、このことを様々な角度から検証し、アーク発生から溶け落ちに至るまでの振動数の変化に着目し、特に、溶け落ち直前では振動が著しく脈動として現れる現象を突き止めた。さらに、その脈動レベルは、アーク電圧、アーク電流を測定することにより把握できることを知見して前記発明方法と装置を開発した。
【００１３】
また、具体的に本発明は、前記アーク電圧のピーク値の間隔のばらつき度合いを検出して母材のアーク溶接されている溶融部分表面の脈動レベルを検知することを特徴とする。
【００１４】
さらに本発明は、母材の溶け落ちを尚一層の信頼度で防止する目的を達成するため、前記母材の表面側のアーク溶接されている溶融部分の母材裏面側での露呈形状を、母材裏面側に配置したレーザー距離センサーで測定し、この測定信号をアーク溶接時の溶け落ち抑制の制御信号の１つに役立てることを特徴とする。
【００１５】
ここでのレーザー距離センサーは、母材の裏面側に配置されて母材の裏面にアーク溶接される溶融部分が少しでも現れると、現れた溶融部分の大きさを測定する。レーザー距離センサーで測定された母材裏面の溶融部分の測定値信号から、溶融部分が溶け落ちする少し前の段階であるか否かが判定できて、この判定信号をアーク電圧やアーク電流から得られた制御信号と共に溶け落ちを抑制する制御信号に利用すれば、溶け落ち防止がより高精度で実行できる。また、レーザー距離センサーは市販の小型で安価な光学センサーが使用できる。このようなレーザー距離センサーと母材との間には、外来光をカットして測定精度を上げるフィルターが必要に応じて設置される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
【００１７】
本発明方法の第１の実施形態を図１〜図３を参照し、第２の実施形態を図４を参照して順に説明する。
【００１８】
図１には、図５の母材１をアーク溶接するアーク溶接機とその電源部１０が示される。電源部１０は、母材１と溶接ワイヤ２に出力波形のアーク電圧Ｖｘを印加して母材１の表面と溶接ワイヤ２の先端との間にアーク３を発生させる従来同様のアーク溶接機能を有する。この電源部１０には、アーク溶接時のアーク電圧Ｖｘを検出するアーク電圧検出手段１１と、アーク溶接時のアーク電流Ｉｘを検出するアーク電流検出手段１２と、アーク溶接時の溶け落ちを未然に防止するための溶け落ち抑制部２０が装備される。溶け落ち抑制部２０は、アーク溶接時に検出されるアーク電圧Ｖｘとアーク電流Ｉｘの両方或いはいずれか一方の検出信号から母材１のアーク溶接されている溶融部分である溶融池４の表面の脈動レベル（脈動する表面の上下レベル等）を検知して、この脈動レベル検知信号をアーク溶接時の溶け落ちを防止するための制御信号Ｃｘとして電源部１０に出力する。
【００１９】
すなわち、本発明者は、図５（Ｂ）、（Ｃ）の段階にある母材１のアーク溶接されている部分での溶融池４の大きさ、流動性等の物理的状況が高精度に分かる手段、方法を様々な角度から検証したところ、溶融池４が面積、容積共に拡大するほどアーク力等で細かく微振動する脈動現象が目立ち始めること、及び、この脈動現象でもって上下左右に変動する溶融池４表面の脈動レベルにアーク溶接時のアーク電圧Ｖｘ、アーク電流Ｉｘがほぼ追従するように変動すること、さらに、溶融池４表面の変動する脈動レベルに時間的なばらつきが目立ち始めると溶融池４が自重と脈動力で母材１から溶け落ちする可能性が急増することを見出した。このような溶融池４表面の変動する脈動レベルと、この脈動レベルと比例的な関係で変動する例えばアーク電圧Ｖｘの関係例を図３に示す。
【００２０】
図３（ｂ）に示されるアーク溶接時の母材１における溶融池４1は、図５（Ｂ）の溶融池４と同等のもので、裏面側母材１ｂの裏面まで溶融池４1の底部が達しており、ここでアーク溶接を終了させる処置を施すと強度、外観共に最も良好なアーク溶接が実行される。図３（ｃ）に示される溶融池４2は図５（Ｃ）の溶融池４と同等のもので、この溶融池４2は面積、容積共に拡大が進み過ぎて溶け落ち寸前となっている。溶融池４1から溶融池４2に移行するにしたがって、溶融池中の溶融金属がアーク力や他の外部からの振動で揺れ動く脈動が目立ち始め、溶融池表面と溶接ワイヤ２の先端との距離が変動する。溶融池４1から溶融池４2に移行する間の出力波形のアーク電圧Ｖｘを検出すると、図３（ｄ）に示すような１００Ｈｚ程度のパルス波形が得られる。このパルス波形のアーク電圧Ｖｘの例えば１サイクルでのピーク値間隔Ｐを求めると、溶融池４1のときの間隔Ｐ1は比較的安定したばらつきの少ない値であるが、溶融池４2のときの間隔Ｐ2は間隔Ｐ1より平均的に大きく、而も、個々の間隔Ｐ2の間でばらつきが目立って大きく現れる。このような間隔Ｐ1，Ｐ2のばらつき状況は、対応する溶融池４1、４2の表面の脈動レベルの大きさを表し、この脈動レベルの大きさがアーク電圧Ｖｘから高い精度で求められるのである。
【００２１】
前記アーク電圧Ｖｘを検出して溶け落ちを抑制する溶け落ち抑制部２０の回路例を図２に示すと、これは脈動判定回路２１，限界脈動検出回路２２及び限界脈動設定部２３を備える。アーク電圧検出手段１１から検出されたアーク電圧Ｖｘが脈動判定回路２１に出力されると、脈動判定回路２１が前記間隔Ｐの大きさ、ばらつきのデータを算出して限界脈動検出回路２２に出力する。限界脈動検出回路２２は、入力された間隔Ｐの大きさ、ばらつきのデータと限界脈動設定部２３で予め設定されたデータを比較等して、アーク溶接中の溶接池４の面積、容積が共に溶け落ち前の許容限界に達しているか否かを検出する。例えば、図３のアーク電圧Ｖｘの間隔Ｐ1のデータのときには溶接池４表面の脈動レベルが許容限界に達しないと判定され、間隔Ｐ1のデータから間隔Ｐ2のデータに変わると間隔Ｐ2の大きさ、ばらつき度合いのデータが限界脈動設定部２３で予め設定された間隔の大きさ、ばらつき度合いの許容限界データと比較される。この比較結果から図３（ｃ）の溶融池４2の状況に近い限界脈動レベルにあると判定されると、限界脈動検出回路２２から電源部１０に溶け落ち抑制の制御信号Ｃｘが出力される。
【００２２】
制御信号Ｃｘの出力タイミングは、図３（ｂ）の溶融池４1の状況の最終時点か、遅くても図３（ｃ）の溶融池４2の状況に移行するまでの時点に設定される。
制御信号Ｃｘが電源部１０に出力されると、例えば電源部１０がアーク電圧Ｖｘとアーク電流Ｉｘを共に下げるか、アーク溶接そのものを中断させる動作をして溶け落ちを防止する。
【００２３】
なお、図３のアーク溶接の動作は定点溶接時によるもので、母材の直線部分を連続してアーク溶接するライン溶接時においては、前記制御信号Ｃｘでライン溶接速度を制御するようにして溶け落ちを防止するようにすることも可能である。
【００２４】
以上はアーク電圧Ｖｘのピーク値間隔Ｐを検出して溶け落ちを抑制するアーク溶接方法であるが、母材１のアーク溶接される溶融池４の脈動でアーク電圧Ｖｘやアーク電流Ｉｘに周波数変動成分が現れることから、この周波数変動成分を検出して溶け落ちを抑制する制御信号Ｃｘを求めるようにしてもよい。
【００２５】
図４の実施形態のアーク溶接機は、母材１の溶け落ちを尚一層の信頼度で防止する目的のために、母材１の裏面側にレーザー距離センサー３０とフィルター３１を配置している。レーザー距離センサー３０は、母材１の表面側のアーク溶接されている溶融池４の母材裏面側での外観状況を測定検査し、フィルター３１はレーザー距離センサー３０に不要な外来光が入射するのを防止してレーザー距離センサー３０の測定精度を上げる。
【００２６】
すなわち、母材１をアーク溶接して図３（ｂ）のように溶融池４1が形成されると、この溶融池４1の底部が母材１の裏面に少し露呈し、この露呈溶融池４1の底面の幅ｗをレーザー距離センサー３０が測定して電源部１０に出力する。電源部１０は入力された幅ｗのデータから図３（ｂ）の溶融池４1か図３（ｃ）の溶融池４2へと進行しつつあるかどうかを判断して、アーク電圧Ｖｘやアーク電流Ｉｘに基づく制御信号Ｃｘとの協働で溶け落ち防止の動作をする。このようにレーザー距離センサー３０からのデータも併用して二重三重に溶け落ち防止策を図ることで、溶け落ち防止の信頼度が増大する。
【００２７】
なお、レーザー距離センサー３０やフィルター３１は構造簡単で安価、小型のな市販品が適用できて、母材１の裏面側スペースが狭い場合にも使用容易で、アーク溶接機の使用上の自由度をほとんど損なわない。
【００２８】
【発明の効果】
本発明は前述したように母材のアーク溶接で溶融する溶融部分（溶融池）の脈動レベルをアーク電圧或いはアーク電流の検出信号に基づいて検知して、溶融部分が溶け落ちするまで溶融が進行しないように制御することで、母材が２ｍｍ以下の薄鋼板類であってもアーク溶接時の溶け落ちを高精度で防止でき、この高精度な溶け落ち防止効果でアーク溶接強度を高くして溶接品質の向上と、歩留まり改善によるコスト低減が可能となる。特に、自動車ボデーの板金パネルのような益々薄板化される傾向にある母材のアーク溶接が、歩留まり良く低コストで実施できるようになる。
【００２９】
また、母材表面のアーク溶接時に母材裏面からアーク溶接部分をレーザー距離センサーで測定するようにすれば、この測定結果からも溶け落ちが抑制できて、前記溶け落ち防止効果の信頼度が尚一層に増大する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示すアーク溶接機のブロック図。
【図２】図１における溶け落ち抑制部のブロック図。
【図３】本発明方法における母材のアーク溶接部分とアーク電圧の相関関係を説明する断面図と電圧波形図。
【図４】本発明の他の実施形態を示すブロック図。
【図５】アーク溶接における溶け落ち現象を説明する断面図であって、（Ａ）はアーク溶接前半期、（Ｂ）はアーク溶接後半期、（Ｃ）は溶け落ち直前、（Ｄ）は溶け落ち時の断面図。
【符号の説明】
１    母材
１ａ    表面側母材
１ｂ    裏面側母材
２    溶接ワイヤ
３    アーク
４    溶融部分（溶融池）
１０    電源部
Ｖｘ    アーク電圧
１１    アーク電圧検出手段
Ｉｘ    アーク電流
１２    アーク電流検出手段
２０    溶け落ち抑制部
Ｃｘ    溶け落ち抑制の制御信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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