(57)【要約】【課題】被溶接物の溶接部に継続的に入熱することにより被溶接物を溶接する際に、溶接部を目的の金属組織とする温度履歴を実現する。【解決手段】溶接システム１は、溶接電流を供給する溶接用電源装置５０と、被溶接物２００の溶接部に継続的に入熱することにより被溶接物２００を溶接する溶接トーチ１０とを備え、溶接用電源装置５０は、溶接部に入熱する際の入熱パターンであって、被溶接物２００を溶接する際に溶接部を目的の金属組織とする温度履歴を実現するための入熱パターンを受け付け、受け付けた入熱パターンで溶接部に入熱するように溶接トーチ１０を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接物の溶接部に継続的に入熱することにより当該被溶接物を溶接する溶接方法において、
前記溶接部に入熱する際の入熱パターンであって、前記被溶接物を溶接する際に当該溶接部を目的の金属組織とする温度履歴を実現するための入熱パターンを受け付け、
前記受け付けた入熱パターンで前記溶接部に入熱することを特徴とする溶接方法。
【請求項２】
前記入熱は、アーク放電により実現されることを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
【請求項３】
前記入熱パターンは、パルスにより構成されることを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
【請求項４】
前記パルスは、当該パルスの単位時間あたりの熱量と、前記入熱パターンの当該単位時間あたりの熱量とが合致する形状を有することを特徴とする請求項３に記載の溶接方法。
【請求項５】
前記形状は、前記パルスの１周期におけるピーク値、ピーク期間、ベース値、及び、ベース期間を調整することにより得られることを特徴とする請求項４に記載の溶接方法。
【請求項６】
溶接電流を供給する溶接電源と、
被溶接物の溶接部に継続的に入熱することにより当該被溶接物を溶接する溶接手段と
を備え、
前記溶接電源は、前記溶接部に入熱する際の入熱パターンであって、前記被溶接物を溶接する際に当該溶接部を目的の金属組織とする温度履歴を実現するための入熱パターンを受け付け、当該受け付けた入熱パターンで当該溶接部に入熱するように前記溶接手段を制御することを特徴とする溶接システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被溶接物の溶接部に継続的に入熱することにより被溶接物を溶接する溶接方法及び溶接システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
相互にパルスピーク電流レベル及びパルス幅の異なるパルス波形を有する第１パルスと第２パルスとが交互に繰り返されるパルス電流を溶接電流としてアーク溶接する際に、溶接アークを安定化させ、溶滴の移行規則性を向上させ、スパッタ発生量及びヒューム発生量を大幅に低減させるパルスアーク溶接方法は知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ピーク期間中のピーク電流及びベース期間中のベース電流を１パルス周期とする溶接電流を通電して溶接するパルスアーク溶接の出力制御方法において、長期短絡の発生を判別したときは、長期短絡の解除後の溶接電圧が定常状態に収束するまでの過渡期間中は、ピーク電流の減少及びベース電流の増加を行うパルスアーク溶接の出力制御方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
短絡期間とアーク期間を繰り返して短絡アーク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おける短絡を開放するための初期短絡電流のピーク電流の値またはピーク電流値の出力時間を、溶接電流値またはワイヤ送給速度または溶接ワイヤの先端の形状または入熱状態を調整する制御パラメータに応じて変更するアーク溶接制御方法も知られている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２３７２７０号公報
【特許文献２】特開２０１６−１２８１８６号公報
【特許文献３】特開２０１６−９３８４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般に、鋼は、凝固時の降温条件により金属組織が変化することが広く知られている。この金属組織の変化により靭性や強度等の機械特性が変化するため、目的に応じて溶接部の金属組織（この場合は凝固組織）を変化させることが重要となる。
【０００７】
本発明の目的は、被溶接物の溶接部に継続的に入熱することにより被溶接物を溶接する際に、溶接部を目的の金属組織とする温度履歴を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる目的のもと、本発明は、被溶接物の溶接部に継続的に入熱することにより被溶接物を溶接する溶接方法において、溶接部に入熱する際の入熱パターンであって、被溶接物を溶接する際に溶接部を目的の金属組織とする温度履歴を実現するための入熱パターンを受け付け、受け付けた入熱パターンで溶接部に入熱する溶接方法を提供する。
【０００９】
ここで、入熱は、アーク放電により実現される、ものであってよい。また、入熱パターンは、パルスにより構成される、ものであってよい。更に、パルスは、パルスの単位時間あたりの熱量と、入熱パターンの単位時間あたりの熱量とが合致する形状を有する、ものであってよい。その場合、形状は、パルスの１周期におけるピーク値、ピーク期間、ベース値、及び、ベース期間を調整することにより得られる、ものであってよい。
【００１０】
また、本発明は、溶接電流を供給する溶接電源と、被溶接物の溶接部に継続的に入熱することにより被溶接物を溶接する溶接手段とを備え、溶接電源は、溶接部に入熱する際の入熱パターンであって、被溶接物を溶接する際に溶接部を目的の金属組織とする温度履歴を実現するための入熱パターンを受け付け、受け付けた入熱パターンで溶接部に入熱するように溶接手段を制御する溶接システムも提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、被溶接物の溶接部に継続的に入熱することにより被溶接物を溶接する際に、溶接部を目的の金属組織とする温度履歴を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態に係る溶接システムの概略構成例を示す図である。
【図２】（ａ）は、目標温度履歴の第１の例及び各入熱パターンで入熱した場合の温度履歴を示し、（ｂ）は、目標温度履歴の第１の例に対する最適化された入熱パターン及びパルス波形の入熱パターンを示した図である。
【図３】（ａ）は、目標温度履歴の第２の例及び各入熱パターンで入熱した場合の温度履歴を示し、（ｂ）は、目標温度履歴の第２の例に対する最適化された入熱パターン及びパルス波形の入熱パターンを示した図である。
【図４】（ａ）は、目標温度履歴の第３の例及び各入熱パターンで入熱した場合の温度履歴を示し、（ｂ）は、目標温度履歴の第３の例に対する最適化された入熱パターン及びパルス波形の入熱パターンを示した図である。
【図５】最適化された入熱パターン及び１周期あたりの熱量をこれと等しくしたパルスの例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１４】
本発明の実施の形態は、スポット溶接において、溶接部への入熱パターン（入熱量の時間変化）を決めることにより、溶接施工時の金属組織を目的に応じて作り分けるための溶接部の温度履歴を実現するものである。ここで、スポット溶接とは、被溶接物に対して移動することなく溶接部に入熱することにより行う溶接である。これは、溶接部から見れば、溶接部に継続的に入熱することにより行う溶接と捉えることもできる。
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態に係る溶接システム１の概略構成例を示す図である。この溶接システム１は、消耗電極式（溶極式）のガスシールドアーク溶接法によって、被溶接物２００の溶接を行うものである。
【００１６】
この溶接システム１は、溶接ワイヤ１００を用いて被溶接物２００を溶接する溶接手段の一例としての溶接トーチ１０と、溶接トーチ１０を保持すると共に溶接トーチ１０の位置や姿勢を設定するロボットアーム２０とを備えている。また、溶接システム１は、溶接トーチ１０に溶接ワイヤ１００を送給するワイヤ送給装置３０と、溶接トーチ１０にシールドガス（例えば炭酸ガス）を供給するシールドガス供給装置４０とを備えている。更に、溶接システム１は、溶接トーチ１０を介して溶接ワイヤ１００及び被溶接物２００に直流の溶接電流の供給を行うと共に溶接電流を制御する溶接電源の一例としての溶接用電源装置５０と、ロボットアーム２０を制御するロボット制御装置６０とを備えている。尚、ここでは詳細な説明を行わないが、溶接用電源装置５０は、溶接電流の他に、溶接速度や溶接ワイヤ１００の送給速度等の制御も行っている。また、溶接用電源装置５０は、決められた入熱パターンで入熱がなされるよう、溶接ワイヤ１００への溶接電流の供給を制御する。
【００１７】
以下、目標とする温度履歴（目標温度履歴）の３つの例について説明する。
【００１８】
図２（ａ）に、目標温度履歴の第１の例を太線で示す。図示するように、目標温度履歴の第１の例では、２０００℃が１０秒維持され、鋼の融点近傍の１５００℃からγ−α変態が開始する８００℃まで１７５℃／ｓの速度で降温される。この温度域を急速な冷却とすることで、凝固開始時から成長を始めるデンドライトの粗大化及びγの粗大化を抑制している。また、８００℃以下は、第１の例では、５０℃／ｓで降温される。第１の例では、γ−α変態が開始する温度領域での降温速度を変化させることで得られる材料組織をマルテンサイトとして作り分けている。
【００１９】
この目標温度履歴を実現する入熱パターンを決めるために、差分法による三次元熱伝導シミュレーションを行った。このシミュレーションで用いる被溶接物２００の形状は３０ｍｍ×３０ｍｍ×３０ｍｍの立方体とし、全ての方向について３ｍｍ間隔で分割することにより、立方体をメッシュ分割した。また、物性値は鋼を仮定して熱伝導率を２０Ｗ／（ｍＫ）、密度を７８７０ｋｇ／ｍ３、比熱を４３５Ｊ／（ｋｇＫ）とした。更に、初期条件として被溶接物２００の全てのメッシュにおける交点（メッシュ点）を２０℃に設定した。境界条件としては、上面下面以外の４つの面については、断熱条件とした。上面については、外気温度を２０℃、熱伝達係数を１５Ｗ／（ｍ２Ｋ）として強制対流熱伝達による大気との熱の交換を行うこととした。下面については、温度を２０℃一定の条件とした。アークによる被溶接物２００への入熱は、上面の中心のメッシュ点（ｘ，ｙ）＝（１５ｍｍ，１５ｍｍ）、及び、上面内でこの中心のメッシュ点に隣接する４つのメッシュ点に熱流束として与えた。時間刻みは０．５秒とした。そして、熱流束を最適化パラメータとし、共役勾配法を用いて入熱パターンを最適化した。即ち、目標温度履歴を実現する入熱パターンに最も近い入熱パターンを求めた。
【００２０】
ここで、入熱パターンを最適化する方法に特に制限はない。上記では共役勾配法を用いたが、様々な分野で広く用いられているニュートン法や遺伝的アルゴリズム等、如何なる最適化アルゴリズムを用いて最適化してもよい。
【００２１】
図２（ｂ）には、目標温度履歴の第１の例に対する最適化された入熱パターンを実線で示し、図２（ａ）には、その最適化された入熱パターンで入熱した場合の温度履歴を細い実線で示す。図２（ｂ）に破線で示す通常の（最適化されていない）パルス波形で入熱した場合、図２（ａ）に破線で示すように温度履歴は目標温度履歴から大きくずれたが、図２（ｂ）に実線で示す最適化された入熱パターンで入熱した場合、図２（ａ）に細い実線で示すように目標温度履歴に合致させることができた。
【００２２】
図３（ａ）に、目標温度履歴の第２の例を太線で示す。図示するように、目標温度履歴の第２の例でも、２０００℃が１０秒維持され、鋼の融点近傍の１５００℃からγ−α変態が開始する８００℃まで１７５℃／ｓの速度で降温される。この温度域を急速な冷却とすることで、凝固開始時から成長を始めるデンドライトの粗大化及びγの粗大化を抑制している。また、８００℃以下は、第２の例では、１℃／ｓで降温される。第２の例では、γ−α変態が開始する温度領域での降温速度を変化させることで得られる材料組織をフェライトとして作り分けている。
【００２３】
この目標温度履歴を実現する入熱パターンを決めるために、差分法による三次元熱伝導シミュレーションを行った。このシミュレーションの条件は、第１の例で述べたのと同様である。そして、熱流束を最適化パラメータとし、共役勾配法を用いて入熱パターンを最適化した。即ち、目標温度履歴を実現する入熱パターンに最も近い入熱パターンを求めた。
【００２４】
図３（ｂ）には、目標温度履歴の第２の例に対する最適化された入熱パターンを実線で示し、図３（ａ）には、その最適化された入熱パターンで入熱した場合の温度履歴を細い実線で示す。図３（ｂ）に破線で示す通常の（最適化されていない）パルス波形で入熱した場合、図３（ａ）に破線で示すように温度履歴は目標温度履歴から大きくずれたが、図３（ｂ）に実線で示す最適化された入熱パターンで入熱した場合、図３（ａ）に細い実線で示すように目標温度履歴に合致させることができた。
【００２５】
図４（ａ）に、目標温度履歴の第３の例を太線で示す。図示するように、目標温度履歴の第３の例でも、２０００℃が１０秒維持され、鋼の融点近傍の１５００℃からγ−α変態が開始する８００℃まで１７５℃／ｓの速度で降温される。この温度域を急速な冷却とすることで、凝固開始時から成長を始めるデンドライトの粗大化及びγの粗大化を抑制している。また、８００℃以下は、第３の例では、５００℃まで５℃／ｓで降温され、そこから１１００℃まで５０℃／ｓで昇温され、１１００℃が１秒維持された後、５０℃／ｓで降温される。第３の例では、一旦γ−α変態が開始した後に再びγ変態を起こすことで組織の微細化の効果が得られる。
【００２６】
この目標温度履歴を実現する入熱パターンを決めるために、差分法による三次元熱伝導シミュレーションを行った。このシミュレーションの条件は、第１の例で述べたのと同様である。そして、熱流束を最適化パラメータとし、共役勾配法を用いて入熱パターンを最適化した。即ち、目標温度履歴を実現する入熱パターンに最も近い入熱パターンを求めた。
【００２７】
図４（ｂ）には、目標温度履歴の第３の例に対する最適化された入熱パターンを実線で示し、図４（ａ）には、その最適化された入熱パターンで入熱した場合の温度履歴を細い実線で示す。図４（ｂ）に破線で示す通常の（最適化されていない）パルス波形で入熱した場合、図４（ａ）に破線で示すように温度履歴は目標温度履歴から大きくずれたが、図４（ｂ）に実線で示す最適化された入熱パターンで入熱した場合、図４（ａ）に細い実線で示すように目標温度履歴に合致させることができた。
【００２８】
また、本実施の形態では、目標温度履歴に対して最適化された入熱パターンをパルスで構成することにより、溶滴の移行を促すようにしてもよい。入熱パターンを構成するパルスは、溶接時間中一定であってもよいが、より好ましくは、パルスの単位時間（例えば１周期）あたりの熱量が、最適化された入熱パターンの単位時間あたりの熱量に等しくなるようにするとよい。
【００２９】
図５は、最適化された入熱パターン及び１周期あたりの熱量をこれと等しくしたパルスの例を示した図である。図では、パルスの１周期あたりの熱量が、１周期に対応する時間における最適化された入熱パターンの熱量と等しくなるように、第１周期のピーク値ＱＰ１、ピーク幅ｔＰ１、ベース値ＱＢ１、ベース幅ｔＢ１、第２周期のピーク値ＱＰ２、ピーク幅ｔＰ２、ベース値ＱＢ２、ベース幅ｔＢ２、及び、第３周期のピーク値ＱＰ３、ピーク幅ｔＰ３、ベース値ＱＢ３、ベース幅ｔＢ３が調整されている。
【００３０】
その際、ベース値は、アークを維持できる程度の熱量であることが好ましい。パルスの周期に制限はないが、溶滴移行を促進させるためには１ｍｓから５００ｍｓ程度が好ましく、更には、急激に低下する温度履歴を実現するために、１ｍｓから数十ｍｓ程度が好ましい。また、１周期内に作られるパルスの数には制限がない。１周期内に１つのパルスを作ってもよいし、溶滴成長及び溶滴離脱をそれぞれ促進させる２つのパルスを作って組み合わせてもよいし、３つ以上のパルスを作って組み合わせてもよい。
【００３１】
上記では、パルスの単位時間あたりの熱量を、最適化された入熱パターンの単位時間あたりの熱量に等しくするものとして説明したが、これには限らない。前者の熱量を後者の熱量に完全に等しくする必要はなく、略等しくするものであってよい。即ち、パルスの単位時間あたりの熱量を、最適化された入熱パターンの単位時間あたりの熱量に合致させるものであればよい。
【００３２】
尚、本実施の形態において、溶接トーチ１０は、溶接用電源装置５０に接続され、被溶接物２００の上部、下部又は横に設けられて、被溶接物２００に熱を与える装置の一例として設けた。ここで、被溶接物２００に熱を与える態様は特に限定されない。上述したようにアーク放電による加熱であってもよいし、レーザ加熱や、抵抗加熱等であってもよい。
【００３３】
本実施の形態では、比較例のパルス入熱よりも目標温度履歴に近い温度履歴を再現することができる。つまり、本実施の形態に係る入熱パターンの最適化方法及び最適化された入熱パターンは、溶接部の組織を制御する効果がある。
【符号の説明】
【００３４】
１…溶接システム、１０…溶接トーチ、２０…ロボットアーム、３０…ワイヤ送給装置、４０…シールドガス供給装置、５０…溶接用電源装置、６０…ロボット制御装置、１００…溶接ワイヤ、２００…被溶接物
【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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