(57)【要約】【課題】交流ティグ溶接において、大電流域でのアーク状態の安定性を向上させること。【解決手段】電極マイナス極性電流と電極プラス極性電流とを交互に通電して溶接する交流ティグ溶接のアークスタート制御方法において、平均溶接電流値が１５０Ａ以上であるときに、電極プラス極性ＥＰでアークスタートさせ、続く初期電極プラス極性期間Ｔｓ中は電極先端の形状が半球状に整形される値の初期電極プラス極性電流Ｉｓを通電し、その後は定常の電極マイナス極性電流と電極プラス極性電流とを交互に通電する。初期電極プラス極性期間Ｔｓは、１００〜３００msの範囲に設定される。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極マイナス極性電流と電極プラス極性電流とを交互に通電して溶接する交流ティグ溶接のアークスタート制御方法において、
平均溶接電流値が１５０Ａ以上であるときに、電極プラス極性でアークスタートさせ、続く初期電極プラス極性期間中は電極先端の形状が半球状に整形される値の初期電極プラス極性電流を通電し、
その後は前記電極マイナス極性電流と前記電極プラス極性電流とを交互に通電する、
ことを特徴とする交流ティグ溶接のアークスタート制御方法。
【請求項２】
前記初期電極プラス極性期間を、１００〜３００msの範囲に設定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の交流ティグ溶接のアークスタート制御方法。
【請求項３】
前記初期電極プラス極性期間を、前記電極の研磨後の第２回目以降のアークスタート時は第１回目のアークスタート時よりも短くする、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の交流ティグ溶接のアークスタート制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極マイナス極性電流と電極プラス極性電流とを交互に通電して溶接する交流ティグ溶接のアークスタート制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
交流ティグ溶接では、電極にタングステンを主成分とする非消耗電極を使用し、アルゴンガス等のシールドガスによって大気から遮蔽した状態中で、交流の溶接電流を通電してアークを発生させて溶接を行う。交流の溶接電流は、電極マイナス極性期間中の電極マイナス極性電流と電極プラス極性期間中の電極プラス極性電流とから形成される。交流ティグ溶接には、定電流制御の溶接電源が使用される。したがって、電極マイナス極性電流及び電極プラス極性電流は、それぞれ所定値になるように定電流制御される。電極マイナス極性と電極プラス極性とが交互に繰り返されることになり、電極マイナス極性と電極プラス極性とで１周期となる。
【０００３】
交流ティグ溶接は主にアルミニウムの溶接に使用される。母材であるアルミニウム材の表面には酸化皮膜があり、これを除去しなければ良好な溶接を行うことができない。交流ティグ溶接では、電極プラス極性期間中は母材表面に陰極点が形成される。この陰極点が形成されるときのエネルギーによって酸化皮膜が除去される作用（クリーニング作用）が働く。すなわち、交流ティグ溶接では、電極プラス極性期間を設けることによってクリーニング作用を働かせて酸化皮膜を除去している。このときに、電極プラス極性期間は非消耗電極の消耗が速いので、適正なクリーニング幅を確保することができる値に設定される。１周期に占める電極マイナス極性期間の時間比率である電極マイナス極性時間比率は、６０〜９０％程度の範囲に設定される。以下の説明では、非消耗電極のことを単に電極と記載する場合もある。
【０００４】
特許文献１の発明では、交流ティグ溶接において、電極プラス極性でアークスタートした後に、電極プラス極性で予め定めた初期電極プラス極性期間中は予め定めた初期電極プラス極性電流を通電し、続いて電極マイナス極性に切り換えて予め定めた初期電極マイナス極性期間中は予め定めた初期電極マイナス極性電流を通電し、続いて定常の電極プラス極性期間中の定常の電極プラス極性電流及び定常の電極マイナス極性期間中の定常の電極マイナス極性電流を繰り返して通電し、初期電極マイナス極性期間と初期電極マイナス極性電流との乗算値が初期電極プラス極性期間と初期電極プラス極性電流との乗算値の０．６〜１．６の範囲内になるようにする。これにより、アークスタート直後に母材表面に適正な初期クリーニング領域を形成することができる。さらには、アークスタート時の電極消耗量を減少させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１８６１１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
交流ティグ溶接において、電極先端は、溶接中にアーク熱によって次第に消耗する。平均溶接電流値が１５０Ａ以上となる大電流域の溶接において、電極先端が円錐状であると、電極先端は対称形状に消耗せずに、歪な形状に消耗することが多い。電極先端が歪な形状に消耗すると、アーク形状が非対称となり、溶接品質が悪くなるという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明では、平均溶接電流値が１５０Ａ以上であるときに、電極先端が歪に消耗して溶接品質が悪くなることを抑制することができる交流ティグ溶接のアークスタート制御方法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】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、
電極マイナス極性電流と電極プラス極性電流とを交互に通電して溶接する交流ティグ溶接のアークスタート制御方法において、
平均溶接電流値が１５０Ａ以上であるときに、電極プラス極性でアークスタートさせ、続く初期電極プラス極性期間中は電極先端の形状が半球状に整形される値の初期電極プラス極性電流を通電し、
その後は前記電極マイナス極性電流と前記電極プラス極性電流とを交互に通電する、
ことを特徴とする交流ティグ溶接のアークスタート制御方法である。
【０００９】
請求項２の発明は、前記初期電極プラス極性期間を、１００〜３００msの範囲に設定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の交流ティグ溶接のアークスタート制御方法である。
【００１０】
請求項３の発明は、前記初期電極プラス極性期間を、前記電極の研磨後の第２回目以降のアークスタート時は第１回目のアークスタート時よりも短くする、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の交流ティグ溶接のアークスタート制御方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、平均溶接電流値が１５０Ａ以上であるときに、電極先端が歪に消耗して溶接品質が悪くなることを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る交流ティグ溶接のアークスタート制御方法を実施するための溶接電源のブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係るティグ溶接のアークスタート制御方法を示す図１の溶接電源における各信号のタイミングチャートである。
【図３】電極先端の形状の変化を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る交流ティグ溶接のアークスタート制御方法を実施するための溶接電源のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る交流ティグ溶接のアークスタート制御方法を実施するための溶接電源のブロック図である。同図においては、アークを点弧するための高周波高電圧印加回路及び極性切換時にアーク切れを防止するための高電圧印加回路については省略している。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。
【００１５】
インバータ回路ＩＮＶは、商用交流電源ＡＣ（３相３００Ｖ等）を入力として、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってインバータ制御を行い高周波交流を出力する。
【００１６】
高周波変圧器ＩＮＴは、上記の高周波交流をアーク負荷に適した電圧値に降圧する。
【００１７】
整流器Ｄ１〜Ｄ４は、上記の降圧された高周波交流を整流して直流電圧に変換する。
【００１８】
電極プラス極性トランジスタＰＴＲは、後述する電極プラス極性駆動信号Ｐdrによって電極プラス期間中導通する。
【００１９】
電極マイナス極性トランジスタＮＴＲは、後述する電極マイナス極性駆動信号Ｎdrによって電極マイナス期間中導通する。
【００２０】
リアクトルＷＬは、溶接電圧を平滑する。
【００２１】
溶接トーチ４の先端に取り付けられた非消耗の電極１と母材２との間にアーク３が発生し、交流の溶接電流Ｉｗが通電し、交流の溶接電圧が印加する。
【００２２】
電流検出回路ＩＤは、交流の溶接電流Ｉｗを検出して絶対値に変換し、電流検出信号Ｉｄを出力する。
【００２３】
電流通電判別回路ＣＤは、アークスタートし溶接電流Ｉｗが通電したことを上記の電流検出信号Ｉｄの値によって判別してＨｉｇｈレベルとなる電流通電判別信号Ｃｄを出力する。
【００２４】
初期電極プラス極性期間設定回路ＴＳＲは、予め定めた電極整形値に設定された初期電極プラス極性期間設定信号Ｔsrを出力する。
【００２５】
電極マイナス極性期間設定回路ＴＮＲは、予め定めた電極マイナス極性期間設定信号Ｔnrを出力する。電極プラス極性期間設定回路ＴＰＲは、予め定めた電極プラス極性期間設定信号Ｔprを出力する。
【００２６】
タイマ回路ＴＭは、上記の電流通電判別信号Ｃｄ、上記の初期電極プラス極性期間設定信号Ｔsr、上記の電極マイナス極性期間設定信号Ｔnr及び上記の電極プラス極性期間設定信号Ｔprを入力として、下記の処理を行い、タイマ信号Ｔｍを出力する。タイマ信号Ｔｍ＝１又は３のときは電極プラス極性ＥＰとなり、Ｔｍ＝２のときは電極マイナス極性ＥＮとなる。
１）電流通電判別信号ＣｄがＬｏｗレベル(アークスタート前の期間)のときは、タイマ信号Ｔｍ＝０を出力する。
２）電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルに変化した時点から初期電極プラス極性期間設定信号Ｔsrによって定まる初期電極プラス極性期間Ｔｓ中は、タイマ信号Ｔｍ＝１を出力する。
３）続けて、電極マイナス極性期間設定信号Ｔnrによって定まる定常の電極マイナス極性期間Ｔen中は、タイマ信号Ｔｍ＝２を出力する。
４）続けて、電極プラス極性期間設定信号Ｔprによって定まる定常の電極プラス極性期間Ｔep中は、タイマ信号Ｔｍ＝３を出力する。
５）これ以降は、上記の３）及び４）の処理を繰り返す。
【００２７】
駆動回路ＤＲは、上記のタイマ信号Ｔｍを入力として、タイマ信号Ｔｍ＝０、１又は３のときは電極プラス極性トランジスタＰＴＲを導通させるための電極プラス極性駆動信号Ｐdrを出力し、タイマ信号Ｔｍ＝２のときは電極マイナス極性トランジスタＮＴＲを導通させるための電極マイナス極性駆動信号Ｎdrを出力する。
【００２８】
初期電極プラス極性電流設定回路ＩＳＲは、予め定めた初期電極プラス極性電流設定信号Ｉsrを出力する。
【００２９】
電極マイナス極性電流設定回路ＩＮＲは、予め定めた電極マイナス極性電流設定信号Ｉnrを出力する。電極プラス極性電流設定回路ＩＰＲは、予め定めた電極プラス極性電流設定信号Ｉprを出力する。
【００３０】
電流制御設定回路ＩＣＲは、上記のタイマ信号Ｔｍ、上記の初期電極プラス極性電流設定信号Ｉsr、上記の電極マイナス極性電流設定信号Ｉnr及び上記の電極プラス極性電流設定信号Ｉprを入力として、タイマ信号Ｔｍ＝０又は１のときは初期電極プラス極性電流設定信号Ｉsrを電流制御設定信号Ｉcrとして出力し、タイマ信号Ｔｍ＝２のときは電極マイナス極性電流設定信号Ｉnrを電流制御設定信号Ｉcrとして出力し、タイマ信号Ｔｍ＝３のときは電極プラス極性電流設定信号Ｉprを電流制御設定信号Ｉcrとして出力する。
【００３１】
電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流制御設定信号Ｉcrと上記の電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。この結果、電流制御設定信号Ｉcrによって定まる初期電極プラス極性電流Ｉｓ、定常の電極マイナス極性電流Ｉen及び定常の電極プラス極性電流Ｉepが通電する。
【００３２】
図２は、本発明の実施の形態１に係る交流ティグ溶接のアークスタート制御方法を示す図１の溶接電源における各信号のタイミングチャートである。同図(Ａ)は電流通電判別信号Ｃｄの時間変化を示し、同図(Ｂ)は溶接電流Ｉｗの時間変化を示す。同図において、溶接電流Ｉｗは、０Ａよりも上側が電極マイナス極性ＥＮであり、下側が電極プラス極性ＥＰである。また、同図は、溶接電流Ｉｗの定常状態における電極マイナス極性電流Ｉenと電極プラス極性電流Ｉepとが等しい値の矩形波平衡波形の場合である。以下、同図を参照して説明する。
【００３３】
溶接トーチ４の起動スイッチがオン状態になると、溶接電源から高周波高電圧が重畳した溶接電圧が出力される。この時点においては、溶接電圧は、電極１が陽極となり、母材２が陰極となる電極プラス極性ＥＰで出力される。時刻ｔ１において、高周波高電圧の重畳した溶接電圧の印加によってアーク３が点弧すると、初期電極プラス極性電流Ｉｓが通電を開始する。これに応動して、同図(Ａ)に示すように、電流通電判別信号ＣｄはＨｉｇｈレベルに変化する。時刻ｔ１に電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルに変化した時点から、初期電極プラス極性期間設定信号Ｔsrによって定まる期間が経過する時刻ｔ２までが、初期電極プラス極性期間Ｔｓとなる。同図(Ｂ)に示すように、初期電極プラス極性期間Ｔｓ中は、初期電極プラス極性電流設定信号Ｉsrによって定まる初期電極プラス極性電流Ｉｓが通電する。高周波高電圧は、電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルになると出力を停止する。
【００３４】
時刻ｔ２以降の期間は、定常状態となる。同図(Ｂ)に示すように、時刻ｔ２〜ｔ３の電極マイナス極性期間Ｔen中は、電極マイナス極性電流Ｉenが通電する。電極マイナス極性期間Ｔenは電極マイナス極性期間設定信号Ｔnrによって設定され、電極マイナス極性電流Ｉenは電極マイナス極性電流設定信号Ｉnrによって設定される。電極マイナス極性期間Ｔenは１〜１５ms程度の範囲で設定され、電極マイナス極性電流Ｉenは１０〜５００Ａ程度の範囲で設定される。
【００３５】
同図(Ｂ)に示すように、時刻ｔ３〜ｔ４の電極プラス極性期間Ｔep中は、電極プラス極性電流Ｉepが通電する。電極プラス極性期間Ｔepは電極プラス極性期間設定信号Ｔprによって設定され、電極プラス極性電流Ｉepは電極プラス極性電流設定信号Ｉprによって設定される。電極プラス極性期間Ｔepは１〜７ms程度の範囲で設定され、電極プラス極性電流Ｉepは１０〜５００Ａ程度の範囲で設定される。
【００３６】
時刻ｔ２以降の定常状態において、極性が電極マイナス極性ＥＮから電極プラス極性ＥＰに切り換わるときに、短時間３００Ｖ程度の高電圧が溶接電圧に重畳される。これは、ＥＮ→ＥＰ切換時はアーク切れが発生しやすいために、これを防止するためである。ＥＰ→ＥＮ切換時はアーク切れは発生しないので、高電圧は重畳されないのが一般的である。
【００３７】
以下、本実施の形態の作用効果について説明する。まず、本実施の形態においては、時刻ｔ２以降の定常状態における平均溶接電流値が１５０Ａ以上の場合が対象である。平均溶接電流値とは、溶接電流Ｉｗの絶対値の平均値である。図３は、電極先端の形状の変化を示す図である。同図(Ａ)は研磨後の先端形状を示し、同図(Ｂ)は従来技術の場合の先端形状を示し、同図(Ｃ)は本実施の形態の場合の先端形状を示す。同図(Ａ)に示すように、研磨後の先端形状は、円錐状になっている。従来技術によって溶接を行うと、溶接が進行するのに伴い、同図(Ｂ)に示すように、先端形状は歪な形状に消耗する。このようになると、アーク形状が非対称形状となり、ビード外観が悪くなる。これに対して、本実施の形態においては、初期電極プラス極性期間Ｔｓ中の初期電極プラス極性電流Ｉｓの通電によって、同図(Ｃ)に示すように、電極先端を半球状に整形している。電極先端が半球状になると、溶接が進行しても歪な形状に消耗しない。このために、高品質の溶接を行うことができる。平均溶接電流値が１５０Ａ以上であるときに、歪な消耗となる。したがって、本実施の形態においては、平均溶接電流値が１５０Ａ以上のときに、初期電極プラス極性電流Ｉｓを通電する。したがって、初期電極プラス極性期間Ｔｓ及び初期電極プラス極性電流Ｉｓは、電極先端を半球状に整形することができる値に設定される。初期電極プラス極性期間Ｔｓは、１００〜３００msの範囲に設定される。下限値未満のときは半球状への整形が不十分となる。上限値を超えると、溶接開始部のビード外観が悪くなる。初期電極プラス極性電流Ｉｓは、電極の直径１．６〜６．４mmに対応して５０〜３００Ａ程度の範囲で設定される。初期電極プラス極性期間Ｔｓ及び初期電極プラス極性電流Ｉｓは、電極の直径、材質等に応じて適正値に設定される。
【００３８】
特許文献１に示す従来技術では、アークスタート部のクリーニング幅を適正値に確保し、かつ、アークスタート時の電極先端の消耗を少なくするために、初期電極プラス極性期間Ｔｓは１０〜２０ms程度に設定される。これに対して、本実施の形態では、アークスタート時に電極先端をあえて消耗させて、半球状に整形している。この点が、従来技術と本実施の形態との大きな相違点である。
【００３９】
上述した実施の形態１によれば、平均溶接電流値が１５０Ａ以上であるときに、電極プラス極性でアークスタートさせ、続く初期電極プラス極性期間中は電極先端の形状が半球状に整形される値の初期電極プラス極性電流を通電する。これにより、アークスタート直後に電極先端を円錐状から半球状に整形することができる。このために、実施の形態１では、電極先端が歪に消耗して溶接品質が悪くなることを抑制することができる。
【００４０】
［実施の形態２］
実施の形態２の発明では、初期電極プラス極性期間Ｔｓを、電極の研磨後の第２回目以降のアークスタート時は第１回目のアークスタート時よりも短く設定する。
【００４１】
図４は、本発明の実施の形態２に係る交流ティグ溶接のアークスタート制御方法を実施するための溶接電源のブロック図である。同図において、図１と同一のブロックには同一符号を付して、それらの説明は繰り返さない。同図は、図１にアークスタート回数計数回路ＮＳを追加し、図１の初期電極プラス極性期間設定回路ＴＳＲを第２初期電極プラス極性期間設定回路ＴＳＲ２に置換したものである。以下、同図を参照してこれらのブロックについて説明する。
【００４２】
アークスタート回数計数回路ＮＳは、上記の電流通電判別信号Ｃｄを入力として、電極が研磨・交換されたときに溶接作業者によって０にリセットされ、電流通電判別信号ＣｄがＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化するごとに１を加えて、アークスタート回数信号Ｎｓを出力する。したがって、アークスタート回数信号Ｎｓは、電極の研磨・交換後の第１回目のアークスタート時はＮｓ＝１となり、第２回目のアークスタート時はＮｓ＝２となり、第ｎ回目のアークスタート時はＮｓ＝ｎとなる。そして、電極を研磨して交換したときは、溶接作業者の手動操作によってＮｓ＝０にリセットされる。
【００４３】
第２初期電極プラス極性期間設定回路ＴＳＲ２は、上記のアークスタート回数信号Ｎｓを入力として、アークスタート回数信号Ｎｓ＝１のときは予め定めた電極整形値となり、アークスタート回数信号Ｎｓ≧２のときは初期クリーニング確保値となる初期電極プラス極性期間設定信号Ｔsrを出力する。この電極整形値は、実施の形態１の電極整形値と同一値である。すなわち、電極先端を半球状に整形することができる値である。初期クリーニング確保値は、電極整形値よりも小さな値であり、定常の電極プラス極性期間Ｔepよりも大きな値である。初期クリーニング確保値は、１０〜２０ms程度に設定される。
【００４４】
本発明の実施の形態２に係る交流ティグ溶接のアークスタート制御方法を示す図４における各信号のタイミングチャートは、上述した図２と同一である。但し、電極研磨後のアークスタート回数に応じて初期電極プラス極性期間Ｔｓが変化する点は異なっている。
【００４５】
以下、実施の形態２の作用効果について説明する。実施の形態２では、電極の研磨・交換後の第１回目のアークスタート時は電極先端を半球状に整形するための初期電極プラス極性期間Ｔｓ中の初期電極プラス極性電流Ｉｓが通電する。この点は、実施の形態１と同様である。実施の形態２では、第２回目以降のアークスタート時は、初期電極プラス極性期間Ｔｓを第１回目よりも短くする。これは、第２回目以降のアークスタート時は既に電極先端が半球状に整形されているためである。このようにすれば、アークスタート時の不必要な電極の消耗を少なくすることができる。第２回目以降のアークスタート時には、溶接開始部のクリーニング幅を適正値に確保することができるように、初期電極プラス極性期間Ｔｓを設定すれば良い。
【００４６】
上述した各実施の形態においては、交流の溶接電流Ｉｗの波形が矩形波の場合であるが、正弦波等の曲線状に変化する波形であっても良い。さらに、電極マイナス極性電流Ｉenと電極プラス極性電流Ｉepとの値が異なる非平衡波形であっても良い。
【符号の説明】
【００４７】
１            (非消耗)電極
２            母材
３            アーク
４            溶接トーチ
ＣＤ            電流通電判別回路
Ｃｄ            電流通電判別信号
Ｄ１〜Ｄ４        整流器
ＤＲ            駆動回路
ＥＩ            電流誤差増幅回路
Ｅｉ            電流誤差増幅信号
ＥＮ            電極マイナス極性
ＥＰ            電極プラス極性
ＩＣＲ            電流制御設定回路
Ｉcr            電流制御設定信号
ＩＤ            電流検出回路
Ｉｄ            電流検出信号
Ｉen            電極マイナス極性電流
Ｉep            電極プラス極性電流
ＩＮＲ            電極マイナス極性電流設定回路
Ｉnr            電極マイナス極性電流設定信号
ＩＮＴ            高周波変圧器
ＩＮＶ            インバータ回路
ＩＰＲ            電極プラス極性電流設定回路
Ｉpr            電極プラス極性電流設定信号
Ｉｓ            初期電極プラス極性電流
ＩＳＲ            初期電極プラス極性電流設定回路
Ｉsr            初期電極プラス極性電流設定信号
Ｉｗ            溶接電流
Ｎdr            電極マイナス極性駆動信号
ＮＳ            アークスタート回数計数回路
Ｎｓ            アークスタート回数信号
ＮＴＲ            電極マイナス極性トランジスタ
Ｐdr            電極プラス極性駆動信号
ＰＴＲ            電極プラス極性トランジスタ
Ｔen            電極マイナス極性期間
Ｔep            電極プラス極性期間
ＴＭ            タイマ回路
Ｔｍ            タイマ信号
ＴＮＲ            電極マイナス極性期間設定回路
Ｔnr            電極マイナス極性期間設定信号
ＴＰＲ            電極プラス極性期間設定回路
Ｔpr            電極プラス極性期間設定信号
Ｔｓ            初期電極プラス極性期間
ＴＳＲ            初期電極プラス極性期間設定回路
Ｔsr            初期電極プラス極性期間設定信号
ＴＳＲ２          第２初期電極プラス極性期間設定回路
ＷＬ            リアクトル
【図１】
2019089083.tif 000003
【図２】
2019089083.tif 000004
【図３】
2019089083.tif 000005
【図４】
2019089083.tif 000006