(57)【要約】【課題】電極マイナス電流の通電とピーク電流及びベース電流の通電とを１パルス周期として溶接電流Ｉｗの通電を繰り返す交流パルスアーク溶接にあって、１パルス周期中の電極マイナス電流の時間積分値が溶接電流値の時間積分値に占める比率である電極マイナス電流比率を電極マイナス電流比率設定値によって設定し、消耗電極である溶接ワイヤの送給速度を送給速度設定値によって設定して溶接を行う交流パルスアーク溶接方法において、溶接電流の平均値及び電極マイナス電流比率の条件設定を迅速かつ正確に行えるようにする。【解決手段】本発明は、溶接電流の平均値を溶接電流設定値Ｉｓによって設定し、この溶接電流設定値Ｉｓ及び上記の電極マイナス電流比率設定値Ｒｓを入力として予め定めた変換関数回路ＦＳＣに基づいて送給速度設定値Ｆscを演算して自動設定する交流パルスアーク溶接方法である。【選択図】図１
2006007239.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極マイナス極性での電極マイナス電流の通電と電極プラス極性でのピーク電流及びベース電流の通電とを１パルス周期として溶接電流の通電を繰り返す交流パルスアーク溶接にあって、前記１パルス周期中の前記電極マイナス電流の時間積分値が前記溶接電流値の時間積分値に占める比率である電極マイナス電流比率を電極マイナス電流比率設定値によって設定し、消耗電極である溶接ワイヤの送給速度を送給速度設定値によって設定して溶接を行う交流パルスアーク溶接方法において、
前記溶接電流の平均値を溶接電流設定値によって設定し、この溶接電流設定値及び前記電極マイナス電流比率設定値を入力として予め定めた変換関数に基づいて前記送給速度設定値を演算して自動設定することを特徴とする交流パルスアーク溶接方法。
【請求項２】
請求項１記載の変換関数は、複数の前記電極マイナス電流比率設定値ごとの前記溶接電流設定値と前記送給速度設定値との関係を予め定義した複数の関数群から成ることを特徴とする交流パルスアーク溶接方法。
【請求項３】
溶接ワイヤ・母材間の平均電圧を設定する溶接電圧設定値が、前記溶接電流設定値を入力として予め定めた電圧一元関数に基づいて演算されて自動設定されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の交流パルスアーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送給速度を含む溶接条件を迅速かつ正確に設定するための交流パルスアーク溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図７は、一般的な交流パルスアーク溶接装置の構成図である。送給速度設定回路ＦＳは、溶接ワイヤ１の送給速度を設定するための予め定めた送給速度設定信号Ｆｓを出力する。電極マイナス電流比率設定回路ＲＳは、図８で後述する電極マイナス電流比率Ｒenを設定するための予め定めた電極マイナス電流比率設定信号Ｒｓを出力する。溶接電圧設定回路ＶＳは、溶接ワイヤ１と母材２との間に印加される溶接電圧Ｖｗの平均値Ｖavを設定するための溶接電圧設定信号Ｖｓを出力する。溶接電源６は、一般的な交流パルスアーク溶接用の溶接電源であり、上記の各設定信号を入力として図８で後述する溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗを出力すると共に、ワイヤ送給モータＷＭを制御するための送給制御信号Ｆｃを出力する。溶接ワイヤ１は、上記のワイヤ送給モータ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内を通って送給され、母材２との間にアーク３が発生する。
【０００３】
図８は、交流パルスアーク溶接における溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗの波形図である。時刻ｔ１〜ｔ２の電極マイナス期間Ｔen中は電極マイナス極性ＥＮで、同図（Ａ）に示すように、小電流値の電極マイナス電流Ｉｎが通電し、同図（Ｂ）に示すように、電極マイナス電圧Ｖｎが電極・母材間に印加する。時刻ｔ２〜ｔ４の電極プラス期間Ｔep中は電極プラス極性ＥＰで溶接電流Ｉｗが通電し、下記の２つの期間に分けることができる。すなわち、時刻ｔ２〜ｔ３のピーク期間Ｔｐ中は、同図（Ａ）に示すように、溶滴移行させるための大電流値のピーク電流Ｉｐが通電し、同図（Ｂ）に示すように、ピーク電圧Ｖｐが電極・母材間に印加する。時刻ｔ３〜ｔ４のベース期間Ｔｂ中は、同図（Ａ）に示すように、溶滴を成長させないための小電流値のベース電流Ｉｂが通電し、同図（Ｂ）に示すように、ベース電圧Ｖｂが電極・母材間に印加する。上記の時刻ｔ１〜ｔ４を１パルス周期Ｔｆとして繰り返して溶接が行われる。
【０００４】
同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗの絶対値の平均値を溶接電流平均値Ｉavと定義し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗの絶対値の平均値を溶接電圧平均値Ｖavと定義する。また、以下の記載において、電極マイナス電流Ｉｎの絶対値を単にＩｎと記載し、同様に電極マイナス電圧Ｖｎの絶対値を単にＶｎと記載する。さらに、電極マイナス電流比率Ｒen（％）の定義は下式となる。
Ｒen＝100・Ｔen・Ｉｎ／（Ｔen・Ｉｎ＋Ｔｐ・Ｉｐ＋Ｔｂ・Ｉｂ）
すなわち、電極マイナス電流比率Ｒenは、１パルス周期Ｔｆ中における電極マイナス電流Ｉｎの時間積分値が溶接電流（絶対値）Ｉｗの時間積分値に占める比率である。
【０００５】
上記の送給速度設定信号Ｆｓによって溶接ワイヤの送給速度を設定する。直流パルスアーク溶接では、送給速度と溶接電流平均値Ｉavとが比例関係にあるので、送給速度を設定することは溶接電流平均値Ｉavを設定することに相当する。他方、交流パルスアーク溶接の場合については図９で後述する。次に、電極マイナス電流比率設定信号Ｒｓによって電極マイナス電流比率Ｒenを設定する。電極マイナス電流比率Ｒenは上式のように定義されるので、電極マイナス期間Ｔenの時間長さ及び／又は電極マイナス電流Ｉｎの値を変化させることによって電極マイナス電流比率Ｒenを変化させるのが一般的である。すなわち、電極マイナス電流比率設定信号Ｒｓによって電極マイナス期間Ｔen及び／又は電極マイナス電流Ｉｎが変化して電極マイナス電流比率Ｒenが設定される。さらに、上記の溶接電圧設定信号Ｖｓによって同図に示すパルス周期Ｔｆ、ピーク期間Ｔｐ等がフィードバック制御によって変化して溶接電圧平均値Ｖavが設定される。
【０００６】
図９は、交流パルスアーク溶接において送給速度を一定値にしたときの電極マイナス電流比率Ｒenと溶接電流平均値Ｉavとの関係を示す図である。同図は、送給速度をＦ１、Ｆ２及びＦ３（Ｆ１＞Ｆ２＞Ｆ３）に設定して、電極マイナス電流比率Ｒenを変化させたときの溶接電流平均値Ｉavの変化を測定したものである。同図から明らかなように、交流パルスアーク溶接では、送給速度が一定値であっても電極マイナス電流比率Ｒenが異なれば溶接電流平均値Ｉavは変化する。一般的に、溶接電流平均値Ｉavは母材入熱と比例し、送給速度は溶着量と比例する。薄板を直流パルスアーク溶接で溶接する場合、板厚によって適正な溶接電流平均値Ｉavが決まる。そして必然的に送給速度も決まる。しかし、薄板溶接であるので溶接電流平均値Ｉavは小さな値となり、送給速度も対応して小さな値となる。この小さな送給速度による溶着量では良好な溶接ビードを形成するために十分ではなく、母材間にギャップ（隙間）が存在する場合には溶着量不足は顕著となる。このような場合に、交流パルスアーク溶接では、溶接電流平均値Ｉavとはある程度独立して送給速度を設定することができるので、上記の問題は解消される。したがって、交流パルスアーク溶接は、薄板溶接においてその特徴が特に発揮される。また、交流パルスアーク溶接は、アルミニウム材の溶接に使用される場合が多いが、鉄鋼材へも適用される。（上述した従来技術としては、例えば特許文献１参照）
【０００７】
【特許文献１】特開平５−９２２６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、交流パルスアーク溶接では、電極マイナス電流比率Ｒenが変化すると送給速度と溶接電流平均値Ｉavとの関係が変化する。このことを利用して良好な薄板溶接を行うことができる。薄板溶接における重要な溶接品質項目として溶け込みとギャップ裕度を挙げることができる。適正な溶け込みは母材への適正な入熱によって形成される。ギャップ裕度は、溶着量の調整範囲が広いことが要求される。すなわち、溶接電流平均値Ｉavを設定して母材入熱を適正化し、かつ、電極マイナス電流比率Ｒenを設定して送給速度を変化させて溶着量を適正化すれば良い。
【０００９】
図１０は、溶接電流平均値が一定値であるときの電極マイナス電流比率Ｒenと母材入熱との関係を示す図である。同図は、溶接ワイヤに直径１．２mmのアルミニウム合金Ａ５３５６を使用し、母材に板厚４mmのアルミニウム合金Ａ５０５２を使用して、３０秒間交流パルスアーク溶接を行った場合の母材入熱を測定したものである。同図は、溶接速度を６０cm/minとし、溶接電流平均値Ｉav＝１００Ａで一定値にした場合である。同図に示すように、電極マイナス電流比率Ｒenが変化しても溶接電流平均値Ｉavが一定値であれば、母材入熱は略一定となる。このために、溶け込みも略一定となる。同図において、電極マイナス電流比率Ｒenを変化させても溶接電流平均値Ｉavを一定値にするために、送給速度を調整している。
【００１０】
図１１は、溶接電流平均値が一定値であるときの電極マイナス電流比率Ｒenと母材のギャップ裕度との関係を示す図である。同図は、溶接ワイヤに直径１．２mmのアルミニウム合金Ａ５３５６を使用し、母材に板厚１．０mmのアルミニウム合金Ａ５０５２を使用して重ね継手溶接を行った場合である。また、同図は、溶接速度６０cm/min、溶接電流平均値Ｉav＝６０Ａで一定とし、良好な溶接を行うことができる継手部のギャップ長の最大値を求めたものである。同図に示すように、溶接電流平均値Ｉavが一定値である条件下において、電極マイナス電流比率Ｒenが大きくなるのに伴ってギャップ裕度も大きくなる。これは、電極マイナス電流比率Ｒenが大きくなると送給速度が速くなり、溶着量が増大して広いギャップ部に溶着金属を充填することが可能となるからである。したがって、ギャップが広い場合には、電極マイナス電流比率Ｒenを大きくすれば良い。
【００１１】
上述した図１０及び図１１から以下のことが言える。母材の板厚、継手等から適正な母材入熱が決まリ、母材入熱が決まれば適正な溶接電流平均値Ｉavが決まる。同時に、継手部のギャップ等によって適正な送給速度が決まり、送給速度が決まれば適正な電極マイナス電流比率Ｒenが決まる。すなわち、母材の板厚、継手、ギャップ等が決まれば、溶接電流平均値Ｉav及び電極マイナス電流比率Ｒenの適正値が定まる。しかし、図７で上述したように、従来技術では、送給速度及び電極マイナス電流比率Ｒenを設定する。この結果、溶接電流平均値Ｉavを設定するために送給速度設定信号Ｆｓを調整すると、同時に電極マイナス電流比率Ｒenも変化してしまう。逆に、電極マイナス電流比率設定信号Ｒｓを調整すると電極マイナス電流比率Ｒenだけでなく、同時に溶接電流平均値Ｉavも変化してしまう。このように、設定したい項目である溶接電流平均値Ｉav及び電極マイナス電流比率Ｒenと従来技術における実際の設定項目である送給速度及び電極マイナス電流比率Ｒenとが１対１で対応していないために、上記のように設定が複雑になるという問題が生じる。このために、従来技術の交流パルスアーク溶接では、条件設定が複雑で時間がかかるという問題があった。さらには、条件設定に際して上記特性を理解した上で行う必要があり、条件設定に熟練が必要であった。
【００１２】
そこで、本発明では、溶接電流平均値及び電極マイナス電流比率を迅速かつ正確に設定することができる交流パルスアーク溶接方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決するために、第１の発明は、電極マイナス極性での電極マイナス電流の通電と電極プラス極性でのピーク電流及びベース電流の通電とを１パルス周期として溶接電流の通電を繰り返す交流パルスアーク溶接にあって、前記１パルス周期中の前記電極マイナス電流の時間積分値が前記溶接電流値の時間積分値に占める比率である電極マイナス電流比率を電極マイナス電流比率設定値によって設定し、消耗電極である溶接ワイヤの送給速度を送給速度設定値によって設定して溶接を行う交流パルスアーク溶接方法において、
前記溶接電流の平均値を溶接電流設定値によって設定し、この溶接電流設定値及び前記電極マイナス電流比率設定値を入力として予め定めた変換関数に基づいて前記送給速度設定値を演算して自動設定することを特徴とする交流パルスアーク溶接方法である。
【００１４】
また、第２の発明は、第１の発明記載の変換関数は、複数の前記電極マイナス電流比率設定値ごとの前記溶接電流設定値と前記送給速度設定値との関係を予め定義した複数の関数群から成ることを特徴とする交流パルスアーク溶接方法である。
【００１５】
また、第３の発明は、溶接ワイヤ・母材間の平均電圧を設定する溶接電圧設定値が、前記溶接電流設定値を入力として予め定めた電圧一元関数に基づいて演算されて自動設定されることを特徴とする第１又は第２の発明記載の交流パルスアーク溶接方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、溶接電流設定値Ｉｓによって溶接電流平均値Ｉavを設定し、電極マイナス電流比率設定値Ｒｓによって電極マイナス電流比率Ｒenを設定し、変換関数によって送給速度設定値Ｆscを演算して自動設定することによって、溶接電流平均値Ｉavと電極マイナス電流比率Ｒenとを独立して直接設定することができる。このために、溶け込みを適正化するための母材入熱の設定を溶接電流設定値Ｉｓによって容易に行うことができる。さらに、母材間のギャップに応じて溶着量を適正化するために電極マイナス電流比率Ｒenの設定を電極マイナス電流比率設定値Ｒｓによって容易に行うことができる。このように、本発明によれば、溶接条件の設定を迅速かつ正確に行うことができる。さらに、溶接電流平均値Ｉavと電極マイナス電流比率Ｒenとは独立して設定することができるので、これらの設定に熟練度は必要ない。
【００１７】
上記第３の発明によれば、上記の効果に加えて、溶接電圧の平均値Ｖavの設定を溶接電流設定値Ｉｓを入力とする電圧一元関数に基づいて演算によって適正値に自動設定することができる。このために、さらに溶接条件の設定を迅速かつ正確に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。
【００１９】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る交流パルスアーク溶接装置の構成図である。同図において上述した図７と同一の構成物には同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、点線で示す図７とは異なる構成物について説明する。
【００２０】
溶接電流設定回路ＩＳは、溶接電流平均値を設定するための予め定めた溶接電流設定信号Ｉｓを出力する。送給速度変換関数回路ＦＳＣは、上記の溶接電流設定信号Ｉｓ及び電極マイナス電流比率設定信号Ｒｓを入力として、予め定めた変換関数に基づいて演算して、送給速度設定演算信号Ｆscを出力する。この変換関数の詳細については後述する。ここで、溶接電源６の入力信号については、送給速度設定信号Ｆｓから送給速度設定演算信号Ｆscに代わっただけで実質的には同じであるので、溶接電源６は従来のものが使用できる。ただし、溶接電流設定回路ＩＳ、電極マイナス電流比率設定回路ＲＳ、溶接電圧設定回路ＶＳ及び送給速度変換関数回路ＦＳＣを電源に内蔵する場合もある。これによって、溶接電流平均値及び電極マイナス電流比率を独立して設定することができるので、条件設定を非常に迅速かつ正確に行うことができる。
【００２１】
図２は、上記の変換関数の一例を示す溶接電流設定値Ｉｓと送給速度設定演算値Ｆscとの関係図である。同図は、溶接ワイヤが直径１．２mmのアルミニウム合金Ａ５３５６の場合である。電極マイナス電流比率設定値Ｒｓが０％、２０％及び４０％の場合である。各特性は下式で表わすことができる。
Ｆsc＝ａ・Ｉｓ＋ｂ      （１）式
ａ＝ｆ１(Ｒｓ)        （２）式
ｂ＝ｆ２(Ｒｓ)        （３）式
上記（２）式の関数ｆ１の一例を図３に示す。同図は電極マイナス電流比率設定値Ｒｓと上記（１）式の変数aとの関係を示している。また、上記（３）式の関数ｆ２の一例を図４に示す。同図は電極マイナス電流比率設定値Ｒｓと上記（１）式の変数ｂとの関係を示している。
【００２２】
上記とは別の変換関数の定義方法を以下に示す。上述した図２において、各特性を下式で表わす。
Ｒｓ＝０％のときはＦsc＝ａ0・Ｉｓ＋ｂ0
Ｒｓ＝１％のときはＦsc＝ａ1・Ｉｓ＋ｂ1
……
Ｒｓ＝４０％のときはＦsc＝ａ40・Ｉｓ＋ｂ40
ａ0、ａ1…ａ40及びｂ0、ｂ1…ｂ40は定数である。
上記のように電極マイナス電流比率設定値Ｒｓに応じて複数の変換関数群を予め定義しておく方法である。ａ0、ｂ0等は予め試験によって算出する。電極マイナス電流比率設定値Ｒｓの範囲は実用上０〜４０％の範囲で十分である。上記の例のように１％刻みに変換関数を定義せずに、例えば５％刻みで定義しても良い。この場合には、５％刻みの間のＲｓが入力されたときは、その前後のＲｓに対応する変換関数からの演算値によって補間してＦscを演算すれば良い。一例を挙げれば、Ｒｓ＝２％のときはＲｓ＝０％のときの変換関数からＦsc(0％)をＲｓ＝５％のときの変換関数からＦsc(5％)を演算する。そして、Ｆsc(2％)＝0.6・Ｆsc(0％)＋0.4・Ｆsc(5％)の演算によって補間する。
【００２３】
［実施の形態２］
図５は、本発明の実施の形態２に係る交流パルスアーク溶接装置の構成図である。同図において上述した図１と同一の構成物には同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、点線で示す図１とは異なる構成物について説明する。
【００２４】
電圧一元関数回路ＶＳＣは、溶接電流設定信号Ｉｓを入力として、予め定めた電圧一元関数に基づいて演算して、溶接電圧設定演算信号Ｖscを出力する。この電圧一元関数の詳細については後述する。ここで、溶接電源６の入力信号については、溶接電圧設定信号Ｖｓから溶接電圧設定演算信号Ｖscに代わっただけで実質的には同じであるので、溶接電源６は従来のものが使用できる。ただし、溶接電流設定回路ＩＳ、電極マイナス電流比率設定回路ＲＳ、送給速度変換関数回路ＦＳＣ及び電圧一元関数回路ＶＳＣを電源に内蔵する場合もある。一般的に、溶接ワイヤの直径及び材質が選択されれば、溶接電流平均値Ｉav（溶接電流設定値Ｉｓ）に対して適正な溶接電圧平均値Ｖav（溶接電圧設定演算値Ｖsc）が決まる。このＩｓ−Ｖscとの関係を定義するのが、上記の電圧一元関数である。
【００２５】
図６は、上記の電圧一元関数の一例を示す溶接電流設定値Ｉｓと溶接電圧設定演算値Ｖscとの関係図である。同図は、溶接ワイヤが直径１．２mmのアルミニウム合金Ａ５３５６の場合である。電圧一元関数を同図に示す直線式として定義すれば良い。
【００２６】
実施の形態２によれば、溶接電流設定信号Ｉｓが設定されると、適正な溶接電圧設定演算信号Ｖscが自動設定されるので、条件設定をさらに迅速かつ正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態１に係る交流パルスアーク溶接装置の構成図である。
【図２】図１における変換関数の一例を示す図である。
【図３】図２における変数ａを定義する関数ｆ１の一例を示す図である。
【図４】図２における変数ｂを定義する関数ｆ２の一例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る交流パルスアーク溶接装置の構成図である。
【図６】図５における電圧一元関数の一例を示す図である。
【図７】従来技術の交流パルスアーク溶接装置の構成図である。
【図８】従来技術の交流パルスアーク溶接における電流・電圧波形図である。
【図９】従来技術において電極マイナス電流比率Ｒenと溶接電流平均値Ｉavとの関係を示す図である。
【図１０】課題を説明するための溶接電流平均値Ｉav一定条件下における電極マイナス電流比率Ｒenと母材入熱との関係を示す図である。
【図１１】課題を説明するための溶接電流平均値Ｉav一定条件下における電極マイナス電流比率Ｒenとギャップ裕度との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
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
６            溶接電源
ａ、ｂ            変数
ＥＮ            電極マイナス極性
ＥＰ            電極プラス極性
ｆ１、ｆ２        関数
Ｆｃ            送給制御信号
ＦＳ            送給速度設定回路
Ｆｓ            送給速度設定信号
ＦＳＣ            送給速度変換関数回路
Ｆsc            送給速度設定演算（値／信号）
Ｉav            溶接電流平均値
Ｉｂ            ベース電流
Ｉｎ            電極マイナス電流
Ｉｐ            ピーク電流
ＩＳ            溶接電流設定回路
Ｉｓ            溶接電流設定（値／信号）
Ｉｗ            溶接電流
Ｒen            電極マイナス電流比率
ＲＳ            電極マイナス電流比率設定回路
Ｒｓ            電極マイナス電流比率設定（値／信号）
Ｔｂ            ベース期間
Ｔen            電極マイナス期間
Ｔep            電極プラス期間
Ｔｆ            パルス周期
Ｔｐ            ピーク期間
Ｖav            溶接電圧平均値
Ｖｂ            ベース電圧
Ｖｎ            電極マイナス電圧
Ｖｐ            ピーク電圧
ＶＳ            溶接電圧設定回路
Ｖｓ            溶接電圧設定信号
ＶＳＣ            電圧一元関数回路
Ｖsc            溶接電圧設定演算（値／信号）
Ｖｗ            溶接電圧
ＷＭ            ワイヤ送給モータ
【図１】
2006007239.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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