(57)【要約】      （修正有）【課題】アーク溶接において、アーク発生時に溶融プールが存在しないため、スパッタ発生及びスパッタ付着が多い。【解決手段】母材と電極との間に溶接電流を制御しながら供給してアークを発生させて溶接を行うアーク溶接制御方法であって、アークスタート時にパルス制御37により１以上のパルス波状の電流を供給して前記母材に最初に形成する溶融プールを離脱移行によって形成し、パルス波状の電流を供給した後にパルス制御37から短絡制御36に切り替えるものである。また、アーク溶接ロボットのアーム先端に電極を搭載し、アークスタート時に前記アーム先端を引き上げるリフトアップスタート時に上記制御を行うものである。【選択図】図１
2006116561.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材と電極との間に溶接電流を制御しながら供給してアークを発生させて溶接を行うアーク溶接制御方法であって、アークスタート時にパルス制御により１以上のパルス波状の電流を供給して前記母材に最初に形成する溶融プールを離脱移行によって形成し、パルス波状の電流を供給した後にパルス制御から短絡制御に切り替えるアーク溶接制御方法。
【請求項２】
アーク溶接ロボットのアーム先端に電極を搭載し、アークスタート時に前記アーム先端を引き上げるリフトアップスタート実行時に行う請求項１記載のアーク溶接制御方法。
【請求項３】
ＭＡＧ溶接あるいはＭＩＧ溶接に用いる請求項１または２に記載のアーク溶接制御方法。
【請求項４】
溶接出力電流を検出する溶接電流検出部と、溶接出力電圧を検出する溶接電圧検出部と、短絡制御用の電流パラメータ及び電圧パラメータとパルス制御用の電流パラメータ及び電圧パラメータとパルス制御から短絡制御に切り替えるタイミングを設定する設定部と、前記溶接電流検出部の出力と前記溶接電圧検出部の出力と前記設定部の出力を入力としアーク発生直後にパルス制御を行うパルス制御部と、前記設定部の出力を入力としパルス制御から短絡制御に切り替えるタイミングを出力する切り替え部と、前記溶接電流検出部の出力と前記溶接電圧検出部の出力と前記設定部の出力を入力とし短絡制御を行う短絡制御部と、前記パルス制御の出力と前記切り替え部の出力と前記短絡制御の出力を入力とし前記切り替え部の出力に応じてパルス制御と短絡制御を切り替えて制御する駆動部を備え、アーク発生後１以上のパルスを印加して所定時間経過後あるいは所定パルス印加後に短絡制御に切り替えるアーク溶接装置。
【請求項５】
アーク溶接ロボットのアーム先端に電極を搭載し、アークスタート時に前記アーム先端を引き上げるリフトアップスタート実行時に行う請求項４記載のアーク溶接装置。
【請求項６】
前記設定部が設定する前記パルス制御部の電流パラメータ及び電圧パラメータ及び前記切り替え部の切り替えタイミングは、設定電流値、設定電圧値、ワイヤ送給量、シ−ルドガス種類、ワイヤ材質、ワイヤ径、溶接法の少なくとも１つ以上の要素に基づいて設定されることを特徴とする請求項４または５に記載のアーク溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、消耗電極である溶接用ワイヤと被溶接物である母材との間にアークを発生させて溶接出力制御を行う消耗電極式アーク溶接装置のアークスタート時のアーク溶接制御方法及びアーク溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、溶接業界では生産性向上のために溶接の高品位化に対する要求が高まってきており、中でもアークスタート時のスパッタ低減が挙げられる。アークスタート時は、溶融プールが形成されるまで時間がかかるため、アークが安定するまでに時間がかかり、スパッタの発生が増加してワ−クに付着する場合が多くなる。そして、付着スパッタを除去するための後処理が必要となり、溶接生産性を低下させてしまう。
【０００３】
従来のアークスタート制御では、ワイヤが母材に接触した時に電流増加率の大きいアークスタート電流を供給しアーク発生性能を向上させていた（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
図３はアークスタート制御を行う従来のアーク溶接機の構成を示しており、１はアーク溶接機の入力端子、２ａ、２ｂはアーク溶接機の主電源の開閉スイッチ素子であり、スイッチ素子２ｂはスイッチ素子２ａと開閉に関し逆動作を行う。３はトランス、４は２次整流部、５は溶接出力制御素子、６は回生用ダイオード、７はリアクタ（ＤＣＬ）、８ａはアーク溶接機の＋側出力端子、８ｂはアーク溶接機の−側出力端子、９は被溶接物である母材、１０は消耗電極である溶接用ワイヤ、１１は通電用コンタクトチップである。溶接用ワイヤ１０は自動送給され、溶接用ワイヤ１０の母材への接触短絡と、非接触でのアーク発生とを繰返して溶接を行う。このアーク溶接機の制御回路において、１２は分流器、１３は溶接電流検出部で、溶接電流が流れている場合と流れていない場合とで状態を変える電流検出信号を出力する。１４は溶接起動スイッチで、ＶＴＳは溶接起動信号、１５は主制御部、１６はゲート制御部、１７はサイリスタ、１８はダイオード、１９は第１抵抗、２０はコンデンサ、２１は第２抵抗である。前記サイリスタ１７とダイオード１８は＋側出力端子８ａに接続され、サイリスタ１７のゲート信号はゲート制御部１６で制御される。ダイオード１８のカソードには第１抵抗１９の一端を接続し、他端はサイリスタ１７のアノードとコンデンサ２０の＋端子に接続されている。コンデンサ２０の−端子はアーク溶接機の−側出力端子に接続すると共にこのコンデンサ２０と並列に第２抵抗２１とスイッチ素子２ｂとを直列にして接続している。
【０００５】
次に、第３図に示すアーク溶接機の動作を説明する。アーク溶接機の主電源が投入され、接点２ａは閉路状態に、接点２ｂは開路状態となる。そして、溶接起動スイッチ１４が投入され、ワイヤ送給開始（図示していない）と共に主制御部１５の働きにより溶接出力制御素子５が導通状態となる。この結果、アーク溶接機の出力端子８ａと８ｂ間に無負荷電圧が出力され、この電圧はダイオード１８、第１抵抗１９を介してコンデンサ２０を充電し、これによりコンデンサ２０の両端電圧は上昇する。同時にゲート制御部１６によりサイリスタ１７にＯＮを指令するゲート信号）が与えられる。この状態でワイヤ１０が母材９に接触するので、コンデンサ２０に充電されていた電荷は、サイリスタ１７→＋側出力端子８ａ→通電用コンタクトチップ１１→ワイヤ１０→母材９→−出力端子８ｂと流れ、ワイヤ１０が母材９に接触した瞬間を示す図４の１０１で表す時点で溶接電流を増加でき、ワイヤ１０の先端を急速加熱溶融して溶接アーク発生を行う。
【特許文献１】特開平３−２０４１７５公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来のアーク溶接機における出力制御は、アーク発生性能が向上してその際のスパッタは低減するが、アーク発生後初回の短絡時には母材９に溶融プールが存在しないため、ワイヤ１０の先端の溶滴が円滑に母材９に短絡移行することができず、溶滴の多くがスパッタとなって飛散する。図４に溶接電流の電流波形を示しているが、アーク発生後初回の短絡時には母材９に溶融プールが存在しないため、図４に示すように短絡期間１０５が長くなり、スパッタの発生量が増加する。
【０００７】
本発明は、アークが発生してアークが安定するまでのスパッタ発生量を低減するアークスタート制御方法及びアーク溶接装置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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のアーク溶接制御方法は、母材と電極との間に溶接電流を制御しながら供給してアークを発生させて溶接を行うアーク溶接制御方法であって、アークスタート時にパルス制御により１以上のパルス波状の電流を供給して前記母材に最初に形成する溶融プールを離脱移行によって形成し、パルス波状の電流を供給した後にパルス制御から短絡制御に切り替えるものである。
【０００９】
また、本発明のアーク溶接装置は、溶接出力電流を検出する溶接電流検出部と、溶接出力電圧を検出する溶接電圧検出部と、短絡制御用の電流パラメータ及び電圧パラメータとパルス制御用の電流パラメータ及び電圧パラメータとパルス制御から短絡制御に切り替えるタイミングを設定する設定部と、前記溶接電流検出部の出力と前記溶接電圧検出部の出力と前記設定部の出力を入力としアーク発生直後にパルス制御を行うパルス制御部と、前記設定部の出力を入力としパルス制御から短絡制御に切り替えるタイミングを出力する切り替え部と、前記溶接電流検出部の出力と前記溶接電圧検出部の出力と前記設定部の出力を入力とし短絡制御を行う短絡制御部と、前記パルス制御の出力と前記切り替え部の出力と前記短絡制御の出力を入力とし前記切り替え部の出力に応じてパルス制御と短絡制御を切り替えて制御する駆動部を備えたものである。
【００１０】
上記のように、アーク発生後１以上のパルス電流を印加して所定時間経過後あるいは所定パルス印加後に短絡制御に切り替えることで、スパッタを低減することができる。
【００１１】
また、本発明のアーク溶接制御方法は、アーク溶接ロボットのアーム先端に電極を搭載し、アークスタート時に前記アーム先端を引き上げるリフトアップスタートを行う際に前記制御を組み合わせて行うものである。
【００１２】
また、本発明のアーク溶接装置において、前記設定部が設定する前記パルス制御部の電流パラメータ及び電圧パラメータ及び前記切り替え部の切り替えタイミングは、設定電流値、設定電圧値、ワイヤ送給量、シールドガス種類、ワイヤ材質、ワイヤ径、溶接法の少なくとも１つ以上に基づいて設定されるものである。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように、本発明によれば、アーク発生後に溶接電流のパルス制御により母材にワイヤ先端の溶滴を離脱移行させて溶融プールを形成させ、その後短絡制御に切り替えて短絡移行させるため、溶滴が溶融プールに短絡すると溶滴が円滑に溶融プールに移行してスパッタの発生を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（実施の形態１）
図１に、本実施の形態におけるアーク溶接装置の概略構成を示す。図１において、４０は入力電源、３１は入力電源４０の出力を整流する１次整流部、３２は溶接出力を制御するスイッチング素子、３は電力を絶縁して変換するトランス、４はトランス３の２次側出力を整流する２次整流部、７はリアクタ（ＤＣＬ）である。
【００１５】
３５は図示しない入力手段等により入力される設定電流、設定電圧、ワイヤ送給量、シールドガス種類、ワイヤ種類、ワイヤ径、溶接法等の設定条件に基づいて、例えばパルス電流の大きさやパルス時間等の種々のパラメータを設定して出力する設定部である。なお、この設定部３５は、前記パラメータを求めるためのテーブルや式を記憶するための図示しない記憶部と、演算等を行うための図示しない演算部とを備えており、これらによりパラメータを設定するものである。
【００１６】
３９は溶接電圧を検出する溶接電圧検出部、３３は溶接電流を検出する溶接電流検出部であり、３７は溶接電流検出部３３の出力と溶接電圧検出部３９の出力と設定部３５の出力を入力として溶接電流のパルス制御を行うための指令を出力するパルス制御部であり、後述するように、アークを発生させるためのアークスタート電流が流れた後に、所定時間の間パルス状の電流を流すための制御を行うものである。３６は溶接電流検出部３３の出力と溶接電圧検出部３９の出力と設定部３５の出力を入力として溶接電流の短絡制御を行うための指令を出力する短絡制御部である。なお、これらパルス制御部３７や短絡制御部３６は、一例として、設定部３５から入力されたパラメータとしての電流値と、溶接電流検出部３３から入力された電流値とを比較し、溶接電流検出部３３で検出される電流値がパラメータとしての電流値になるように補正を行う機能を有する。
【００１７】
３８は設定部３５の出力を入力として、電流波形の制御をパルス制御から短絡制御に切り替えるタイミングを、後述する駆動部３４に出力する切り替え部である。この切り替え部３８は、計時機能を有しており、設定部３５の出力を入力した時点から所定の時間が経過するまでの時間の計時を行うことができる。
【００１８】
３４は短絡制御部３６の出力とパルス制御部３７の出力と切り替え部３８の出力とを入力とし、切り替え部３８の出力に応じてパルス制御と短絡制御の切り替えを制御する駆動部であり、切り替え部３８の出力に応じて短絡制御部３６の出力をスイッチング素子３２に出力するかパルス制御部３７の出力をスイッチング素子３２に出力するかを切り替える機能を有している。
【００１９】
以上のように構成されたアーク溶接装置におけるアークスタートの制御方法について説明する。
【００２０】
図２に、消耗電極アーク溶接の溶接時における溶接電流波形の一例を示す。図２では、１０１の時点でアークを発生させるためのアーク発生電流が流れてアークが発生し、その後パルス制御によりパルス状の電流が２回流れ、さらにその後短絡制御により短絡電流が流れた場合の溶接電流波形の例を示している。
【００２１】
アーク発生時点１０１の時点では、切り替え部３８からの入力に基づいて、駆動部３４はパルス制御部３７の出力をスイッチング素子３２に出力するようになっている。また、設定部３５で設定されたパスル制御から短絡制御に切り替える条件となるアーク発生からの所定の経過時間に関する情報が、設定部３５から切り替え部３８に出力され、切り替え部３８に記憶されている。なお、本実施の形態では、図２に示す１０１の時点から１０２の時点までの時間が所定の経過時間となる。
【００２２】
アーク発生の情報が設定部３５から切り替え部３８に出力され、切り替え部３８において時間の計時が開始される。アーク発生時点１０１を時間起点として、切り替え時点１０２となるまでの間はパルス制御部３７の出力に基づいて溶接電流のパルス制御を実施し、溶接用ワイヤ（図示せず）の先端の溶滴を母材（図示せず）に離脱移行させる。そして、アーク発生時点１０１から所定の時間が経過して切り替え時点１０２となった時点で、切り替え部３８は駆動部３４に対して切り替え指示を行うことで短絡制御部３６の出力がスイッチング素子３２に出力されることとなり、溶接電流の制御はパルス制御から短絡制御に切り替えられる。そして、切り替え時点１０２以降は短絡制御部３６により短絡制御を行う。
【００２３】
なお、上記では、アーク発生時点１０１から所定の時間が経過した切り替え時点１０２となった時点で溶接電流の制御をパルス制御から短絡制御に切り替える例を示したが、アーク発生時点１０１からの所定の時間の経過ではなく、予め設定したパルス数が印加された時点を切り替え時点１０２としてパルス制御から短絡制御に切り替えるようにしても良い。この場合、切り替え部３８はパルス数をカウントする機能を有しており、設定部３５から入力されるパルスの数をカウントすることで、電流波形の制御をパルス制御から短絡制御に切り替える指示を駆動部３４に対して出力するものである。
【００２４】
以上のように、本実施の形態のアークスタート制御方法及びアーク溶接装置は、アークスタート電流が流れた後にパルス制御により１以上のパルス波状の電流を供給して母材に最初に形成する溶融プールを離脱移行によって形成し、前記パルス波状の電流を供給した後にパルス制御から短絡制御に切り替えるものである。
【００２５】
そして、本実施の形態のアークスタート制御方法及びアーク溶接装置によれば、アーク発生時点からパルス制御による１以上のパルス波状の電流を供給することによる離脱移行により溶融プールを形成できるので、短絡移行を伴わずに溶融プールを形成でき、これにより、パルス制御から短絡制御に切り替わってもワイヤ先端の溶滴は円滑に短絡移行するので、アークが発生してからアークが安定するまでのスパッタの発生及びスパッタの付着を低減できる。
【００２６】
なお、本実施の形態では、１０１の時点におけるアークスタート電流が流れた後に、２回のパルス状の電流が流れる例を示しているが、２回に限定するものではなく、１回以上であればよい。
【００２７】
また、上記アーク溶接機とアーク溶接ロボットを組み合わせ、アーク溶接ロボットのアーム先端に電極である溶接ワイヤを搭載し、アークスタート時に前記アーム先端を引き上げるリフトアップスタート実行時に、上記で示したアークスタート制御を行うようにしてもよい。アーク発生時点１０１でリフトアップすることで、短絡状態で溶接ワイヤが溶融してスパッタとなることを防いでアーク発生時点１０１でのスパッタを低減すると共に、リフトアップすることでワイヤ先端と母材との間の距離を瞬時に得ることができる、すなわちパルス制御時の溶滴の大きさよりも広い距離を瞬時に得ることができるので、短絡移行とならず、離脱移行を円滑に実施することができ、よりスパッタの発生及び付着を低減することができる。
【００２８】
ここで、リフトアップするタイミングとしては、アーク発生時点１０１以前に、１００Ａ以下の小電流を流して溶接ワイヤと母材の接触を確実にし、その時点でリフトアップするようにしても良い。
【００２９】
また、設定部３５で設定され短絡制御部３６やパルス制御部３７に出力されるパラメータとしての設定電流値や設定電圧値と、設定部３５で設定され切り替え部３８に出力される切り替えタイミングは、設定部３５に入力される設定電流値、設定電圧値、ワイヤ送給量、シ−ルドガス種類、ワイヤ材質、ワイヤ径、溶接法のうち少なくとも１つ以上の要素に基づいて設定部３５で設定されるものである。このようにすることで、種々の設定条件毎にパラメータを設定でき、様々な溶接への適応が広がる。
【００３０】
また、上記した溶接電流の制御は、離脱移行を生じるＭＡＧ（ｍｅｔａｌ  ａｃｔｉｖｅ  ｇａｓ）溶接やＭＩＧ（ｍｅｔａｌ  ｉｎｅｒｔ  ｇａｓ）溶接に適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明のアークスタート制御方法及びアーク溶接装置は、アークスタート時のスパッタ発生及びスパッタ付着を低減して溶接作業の生産性を向上することができるので、溶接分野等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明のアーク溶接装置の実施の形態１における全体構成を示す図
【図２】本発明のアーク溶接装置の実施の形態１における溶接電流波形を示す図
【図３】従来例のアーク溶接装置の全体構成を示す図
【図４】従来例のアーク溶接装置における溶接電流波形を示す図
【符号の説明】
【００３３】
３  トランス
４  ２次整流部
７  リアクタ
３１  １次整流部
３２  スイッチング素子
３３  溶接電流検出部
３４  駆動部
３５  設定部
３６  短絡制御部
３７  パルス制御部
３８  切り替え部
３９  溶接電圧検出部
４０  入力電源
１０１  アーク発生時点
１０２  切り替え時点
１０３  パルス制御期間
１０４  短絡制御期間
１０５  短絡期間
【図１】
2006116561.tif 000003
【図２】
2006116561.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006116561.tif 000006