(57)【要約】【課題】炭酸ガスを含むシールドガスを用いた厚板溶接時に、溶滴を母材に移行させる。【解決手段】逆極性期間Ｔ１と正極性期間Ｔ２とを交互に繰り返して交流アーク溶接を行う。溶接電流Ｉを負の第１電流値Ｉ１から正の第２電流値Ｉ２まで単調に増加させる第１ステップと、溶接電流Ｉを第２電流値Ｉ２から第３電流値Ｉ３まで連続的に減少させ、その後、正の第４電流値Ｉ４まで連続的に増加させるように制御する第２ステップと、溶滴２１の離脱開始を検出する第３ステップと、溶滴２１の脱離開始を検出後に、溶接電流を第４電流値Ｉ４から第１電流値Ｉ１まで単調に減少させる第４ステップと、所定の期間、第１電流値Ｉ１を保持する第５ステップと、を逆極性期間Ｔ１と正極性期間Ｔ２との和である溶接期間Ｔｃ中に実行する。第４ステップまたは第５ステップの実行中に、溶滴２１の離脱を完了させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材に対して溶接ワイヤを正電位にする逆極性期間と前記母材に対して前記溶接ワイヤを負電位にする正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う交流アーク溶接の制御方法であって、
前記溶接ワイヤに流れる溶接電流を正極性の第１電流値から逆極性の第２電流値まで単調に増加させる第１ステップと、
前記溶接電流を前記第２電流値から逆極性の第３電流値まで連続的に減少させ、その後、逆極性の第４電流値まで連続的に増加させるように制御する第２ステップと、
前記溶接ワイヤの先端に形成された溶滴の離脱開始を検出する第３ステップと、
前記溶滴の脱離開始を検出した後に、前記溶接電流を逆極性の前記第４電流値から正極性の前記第１電流値まで単調に減少させる第４ステップと、
所定の期間、前記正極性期間において前記第１電流値を保持するように前記溶接電流を制御する第５ステップと、を前記逆極性期間と前記正極性期間との和である溶接期間中に実行し、
前記正極性期間においての前記第４ステップまたは前記第５ステップの実行中に、前記溶滴の離脱を完了させることを特徴とする交流アーク溶接の制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の交流アーク溶接の制御方法において、
前記第２ステップでの前記溶接電流の出力波形は下に凸の曲線であることを特徴とする交流アーク溶接の制御方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の交流アーク溶接の制御方法において、
前記第２及び第３ステップは前記逆極性期間中に実行され、
前記第５ステップは前記正極性期間中に実行されることを特徴とする交流アーク溶接の制御方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の交流アーク溶接の制御方法において、
前記第１ステップの実行中に前記溶接ワイヤの先端が溶融し始め、前記第２ステップの前記溶接電流が連続的に減少する期間では、前記溶接ワイヤの先端に形成された溶滴が成長することを特徴とする交流アーク溶接の制御方法。
【請求項５】
請求項４に記載の交流アーク溶接の制御方法において、
前記第２ステップの前記溶接電流が連続的に増加する期間では、前記溶滴の上部にくびれが形成されることを特徴とする交流アーク溶接の制御方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の交流アーク溶接の制御方法において、
前記第３ステップでは、溶接電圧の時間変化量または前記溶接電圧と前記溶接電流から得られる溶接抵抗の時間変化量に基づいて、前記溶滴の離脱開始を検出することを特徴とする交流アーク溶接の制御方法。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の交流アーク溶接の制御方法において、
前記第２ステップでは、溶接電圧の出力を設定する設定電圧に基づいて、前記溶接電圧を所定の値になるように制御し、
前記第５ステップでは、前記溶接電流の出力を設定する設定電流または前記溶接ワイヤの送給量毎に予め求めた値に基づいて、前記第１電流値を設定することを特徴とする交流アーク溶接の制御方法。
【請求項８】
請求項７に記載の交流アーク溶接の制御方法において、
前記第２ステップでは、前記溶接ワイヤに電気的に接続されたリアクトルのインダクタンス値と電子リアクトル制御による電子リアクトルのインダクタンス値との加算値を変更することで、前記第３電流値と前記第４電流値との差が所定の範囲内になるように前記溶接電流を制御することを特徴とする交流アーク溶接の制御方法。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の交流アーク溶接の制御方法において、
前記正極性期間のうち前記第１電流値を保持する期間は、０．３ｍｓｅｃ以上、１．５ｍｓｅｃ以下であることを特徴とする交流アーク溶接の制御方法。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれか１項に記載の交流アーク溶接の制御方法において、
前記第１電流値は、３０Ａ以上、２００Ａ以下であることを特徴とする交流アーク溶接の制御方法。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の交流アーク溶接の制御方法において、
前記母材に吹き付けられるシールドガスは、炭酸ガスを主成分とするガスであることを特徴とする交流アーク溶接の制御方法。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の交流アーク溶接の制御方法において、
前記母材は、軟鋼または高張力鋼からなる厚板であることを特徴とする交流アーク溶接の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は交流アーク溶接の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶接ワイヤと母材との間にアークを発生させて溶接を行うアーク溶接において、臨界電流値を超えると溶滴の移行形態はスプレー移行となる。臨界電流値よりも高いピーク電流と、アークを維持するための臨界電流値より低いベース電流とを、交互に繰り返す事で行う溶接方法はパルスアーク溶接法と呼ばれ、直流のスプレー移行溶接よりも低い平均電流で、スプレー移行を行わせることができる。
【０００３】
パルスアーク溶接法では、アークを維持するために、溶滴の移行がアーク力の影響を受けることの最も少ないベース電流期間中にて行われる。従って、スパッタを大幅に低減することが可能である。一方、アーク溶接時に使用するシールドガスに関する制約が大きく、特に炭酸ガスを用いるとスパッタ低減効果が大きく薄まる。また、溶接速度を向上させようとすると、溶滴の周期が不安定になり、入熱のバランスが偏り、ビード不均一が発生するという課題がある。
【０００４】
このような課題を解決するために、交流パルスアーク溶接において、電極プラス極性（逆極性）期間及び電極マイナス極性（正極性）期間ともに、それぞれベース期間とピーク期間とを設け、電極プラス極性ピーク期間で溶滴をくびれさせて、電極マイナス極性ピーク期間で溶滴を母材に移行させ、電極マイナス極性ベース期間で溶接ワイヤの先端に溶滴を形成することで、電極マイナス極性電流比率が大きな値に設定されたときでも、１パルス１溶滴移行状態を維持することができる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−０７５９８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に開示された従来技術では、アルミニウム材の溶接を対象とし、溶け込み部が浅く、余盛り部の大きい溶接ビードの形成を目的としている。つまり、薄板溶接を対象としており、母材の溶け落ちを防止するため、母材への入熱を抑えた状態で溶接ワイヤへの入熱を増加させて溶滴を成長させる必要があった。このことにより、正極性期間を長くするか、または正極性電流を大きくする必要があった。
【０００７】
しかし、このような方法を厚板溶接にそのまま適用すると、母材の溶け込みが浅くなり、十分な強度の溶接ビードを得られないおそれがあった。また、余盛り部の小さいフラットな溶接ビードを形成することは難しかった。
【０００８】
本発明はかかる点に鑑みなされたもので、その目的は、溶滴を所望のタイミングで確実に離脱させるとともに、厚板溶接に適した交流アーク溶接の制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明に係る交流アーク溶接の制御方法は、母材に対して溶接ワイヤを正電位にする逆極性期間と前記母材に対して前記溶接ワイヤを負電位にする正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う交流アーク溶接の制御方法であって、前記溶接ワイヤに流れる溶接電流を正極性の第１電流値から逆極性の第２電流値まで単調に増加させる第１ステップと、前記溶接電流を前記第２電流値から逆極性の第３電流値まで連続的に減少させ、その後、逆極性の第４電流値まで連続的に増加させるように制御する第２ステップと、前記溶接ワイヤの先端に形成された溶滴の離脱開始を検出する第３ステップと、前記溶滴の脱離開始を検出した後に、前記溶接電流を前記第４電流値から前記第１電流値まで単調に減少させる第４ステップと、所定の期間、前記第１電流値を保持するように前記溶接電流を制御する第５ステップと、を前記逆極性期間と前記正極性期間との和である溶接期間中に実行し、前記第４ステップまたは前記第５ステップの実行中に、前記溶滴の離脱を完了させることを特徴とする。
【００１０】
この方法によれば、逆極性期間中に溶接ワイヤの先端に溶滴を形成して溶滴の離脱開始を検出し、正極性期間中に、所定の期間、所定の大きさの正極性電流を溶接ワイヤに流すことで、溶滴の離脱時にアーク反力を低減して、正極性期間中に溶滴を母材に確実に移行させることができる。また、逆極性期間中に母材に入熱することで、アークが安定するとともに、母材に深い溶け込みが形成され、余盛り部の少ないフラットな溶接ビードを形成することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、所望のタイミングで溶滴を母材に確実に移行させることができるとともに、余盛り部の少ないフラットな溶接ビードを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係るアーク溶接装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るアーク溶接時の各種出力波形を示す図である。
【図３】アーク溶接時の溶接電流の出力波形とアーク反力及び入熱状態との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
【００１４】
（実施形態）
［アーク溶接装置の構成］
図１は、本実施形態におけるアーク溶接装置１００の概略構成図である。アーク溶接装置１００は、入力電源１から入力した交流電力を整流する１次整流部２と、溶接出力を制御するスイッチング部３と、スイッチング部３の出力を入力して溶接に適した電力に変換するトランス４とを備える。
【００１５】
アーク溶接装置１００は、トランス４の２次側出力を整流する２次整流部５と、２次整流部５の出力を平滑するリアクトル６と、スイッチング部３を駆動する駆動部７と、溶接電流を検出する溶接電流検出部８と、溶接電圧を検出する溶接電圧検出部９と、溶接電流検出部８と溶接電圧検出部９の出力に基づいて溶接ワイヤ１８の先端部分の溶滴２１（図２参照）の離脱を検出する溶滴離脱検出部１０と、をさらに備える。
【００１６】
アーク溶接装置１００は溶接条件設定部１３と記憶部１２とをさらに備える。溶接条件設定部１３は、設定電流や設定電圧やワイヤ送給量やシールドガス種類やワイヤ種類やワイヤ径等の溶接条件等を設定する。
【００１７】
なお、設定電流は溶接電流の移動平均値に相当し、設定電圧は溶接電圧の移動平均に相当するものである。
【００１８】
記憶部１２は、溶接条件設定部１３により設定された情報やワイヤ送給速度毎の電子リアクトル制御のリアクトルのインダクタンス値等の種々のパラメータを格納する。また、記憶部１２は、溶接ワイヤ１８を送給する速度である送給量を記憶する。溶接ワイヤ１８の送給量は、作業者が設定する設定電流Ｉｓに比例して決定される。また、設定電流Ｉｓとこれに比例関係にある溶接ワイヤ１８の送給量とは、溶接作業前に予め実験的に導出されている。また、記憶部１２は、ワイヤ１８の送給量の複数の値にそれぞれに対応する溶接制御パラメータの複数の値も記憶する。
【００１９】
アーク溶接装置１００はアーク制御部１１をさらに備える、アーク制御部１１は、溶接電圧検出部９や溶滴離脱検出部１０や記憶部１２からの出力に基づいてアーク発生時の電流や電圧を制御する信号を出力する。また、アーク制御部１１は内部に極性切替部１１ａを有しており、極性切替部１１ａは、溶滴離脱検出部１０からの出力に基づいて、溶接ワイヤ１８に流れる溶接電流の極性を切り替える出力信号を発生させる。また、別の見方をすると、極性切替部１１ａは、溶滴離脱検出部１０からの出力に基づいて、母材１７に対する溶接ワイヤ１８の電位の正負を切り替えている。駆動部７は、極性切替部１１ａも含めたアーク制御部１１の出力に基づいてスイッチング部３を制御する。
【００２０】
溶接ワイヤ１８は、ワイヤ送給部１９により制御される送給モータによって送給される。溶接ワイヤ１８には、トーチ１４に備え付けられたチップ１５を介して溶接用の電力が供給され、溶接ワイヤ１８と母材１７との間でアーク２０を発生させて溶接が行われる。
【００２１】
なお、図１で示したアーク溶接装置１００を構成する各構成部は、各々単独に構成してもよいし、複数の構成部を複合して構成してもよい。
【００２２】
［アーク溶接時の出力制御について］
図２は本実施形態に係るアーク溶接時の各種出力波形を示し、溶接出力である溶接電流Ｉ及び溶接電圧Ｖと、溶接電圧Ｖの溶接電流Ｉに対する比である溶接抵抗Ｒと、溶接ワイヤ１８の先端に形成された溶滴２１の移行状態とを示す。また、図３は、アーク溶接時の溶接電流の出力波形とアーク反力及び入熱状態との関係を示す。
【００２３】
なお、本実施形態に示すアーク溶接では、溶接電圧Ｖの出力を設定する設定電圧Ｖｓ及び溶接電流Ｉの出力を設定する設定電流Ｉｓに基づいて、溶接出力である溶接電圧Ｖと溶接電流Ｉとが制御される。ここで、設定電圧Ｖｓは溶接作業前に予め設定される。また、アーク溶接を行っている間は、トーチ１５から突き出す溶接ワイヤ１８の突き出し長さの変動や母材１７の位置ずれ等の外乱が発生する。このため、本実施形態に示すアーク溶接は、上記の設定電流Ｉｓ及び設定電圧Ｖｓに基づいて外乱に強い定電圧制御を主に行う。ただし、一部の期間では定電流制御を行う。
【００２４】
また、本実施形態において、母材１７は軟鋼または高張力鋼からなる厚板である。ここで、「厚板」とは、板厚が３．２ｍｍ以上の板材をいう。また、母材１７に吹き付けられるシールドガスは、炭酸ガスを主成分とするガスである。ここで、「炭酸ガスを主成分とするガス」とは炭酸ガスを３０％以上含むガスのことをいう。なお、炭酸ガス以外の成分として、例えば、アルゴンガスを含んでいる。
【００２５】
また、以降の説明において、「逆極性」とは、母材１７に対して溶接ワイヤ１８が正電位である場合を言い、アーク２０中の電子の移動方向が、母材１７から溶接ワイヤ１８へ移動する方向をいう。また、図３に示すように、この状態でアーク２０が発生していると、母材１７に対して入熱される。逆極性の状態で溶接ワイヤ１８に流れる溶接電流Ｉを逆極性電流と呼ぶことがある。また、「正極性」とは、母材１７に対して溶接ワイヤ１８が負電位である場合を言い、アーク２０中の電子の移動方向が、溶接ワイヤ１８から母材１７へ移動する方向をいう。また、図３に示すように、この状態でアーク２０が発生していると、母材１７に対して入熱される。正極性の状態で溶接ワイヤ１８に流れる溶接電流Ｉを正極性電流と呼ぶことがある。
【００２６】
なお、本実施形態において、逆極性電流を正の電流値を有する電流とし、正極性電流を負の電流値を有する電流とする。そのため、例えば、所定の有限値を有する逆極性の溶接電流を、別の有限値を有する正極性の溶接電流に変化させるとき、溶接電流Ｉを減少させると言い、所定の有限値を有する正極性の溶接電流を、別の有限値を有する逆極性の溶接電流に変化させるとき、溶接電流Ｉを増加させると言う。
【００２７】
また、溶接ワイヤ１８に逆極性電流が流れる期間を期間Ｔ１と、正極性電流が流れる期間を期間Ｔ２とする（図２，３参照）。
【００２８】
以下、本実施形態のアーク溶接装置１００を用いた交流アーク溶接について説明する。
【００２９】
図２に示す溶接電流Ｉが第４電流値Ｉ４に到達した時点から時点ｔ２までの間では、定電流制御で溶接出力が制御される。また、図２に示すように、時点ｔ１において溶接電流Ｉは零であり、時間の経過に伴い溶接電流Ｉを単調に増加させ、時点ｔ２で第２電流値Ｉ２に到達させる（第１ステップ）。また、この期間では、時点ｔａでの溶滴移行状態（ａ）に示すように、溶接ワイヤ１８の先端が溶融し始めるが、溶滴２１を形成するまでには到らない。また、この期間では、溶接電圧Ｖ及び溶接抵抗Ｒも単調に増加する。なお、時点ｔ１から時点ｔ２にかけて、溶接電流Ｉは所定の傾きαで単調に増加する。
【００３０】
時点ｔ２で、アーク制御部１１は溶接出力の制御を定電圧制御に切り替える。このとき、図２に示すように、溶接電圧Ｖは、その移動平均が設定電圧Ｖｓと等しくなるようにアーク制御部１１で制御される。
【００３１】
また、溶接電流Ｉは第２電流値Ｉ２から連続的に減少するように制御され、時点ｔ３で第３電流値Ｉ３に到る。また、時点ｔ３から時間が経過するにつれて、溶接電流Ｉは連続的に増加するように制御され、第４電流値Ｉ４に到達する（第２ステップ）。
【００３２】
時点ｔ２から時点ｔ３までの期間では、連続的に減少しているものの、溶接ワイヤ１８を溶融させるのには十分な溶接電流Ｉが流れている。従って、時点ｔｂでの溶滴移行状態（ｂ）に示すように、時点ｔ２から時点ｔ３までの期間では、溶接ワイヤ１８の先端に溶滴２１が形成され、これが成長する。
【００３３】
時点ｔ３から溶接電流Ｉが連続的に増加する期間では、溶接ワイヤ１８の先端に形成された溶滴２１は、さらに成長し、時点ｔｃでの溶滴移行状態（ｃ）に示すように、溶滴２１の上部にくびれが生じ始める。このような状態になるとアーク２０のアーク長が長くなり溶接電圧Ｖが上昇し始める。また、溶接電圧Ｖの上昇に伴い、溶接抵抗Ｒも増加する。溶滴離脱検出部１０は、溶接抵抗Ｒの時間変化をモニターしてアーク制御部１１に出力しており、溶接抵抗Ｒの時間変化量が所定の値以上になると、アーク制御部１１は溶滴２１の離脱が開始したと判定し、極性切替部１１ａからの出力信号により、溶接ワイヤ１８の極性が逆極性から正極性に切り替わる（時点ｔ４）。さらに、時点ｔ４から溶接出力の制御が定電流制御に切り替わり、溶接電流Ｉは第４電流値Ｉ４から単調に減少し、逆極性から零になり、さらに正極性になった後、時点ｔ５で負の値である第１電流値Ｉ１に到達する（第４ステップ）。なお、時点ｔ４から時点ｔ５にかけて、溶接電流Ｉは所定の傾きβで単調に減少しており、時点ｔ１から時点ｔ２にかけての溶接電流Ｉの増加の傾きαの絶対値は上記の傾きβの絶対値よりも小さくなるように設定されている。
【００３４】
また、時点ｔ２から時点ｔ４までの期間では、溶接電流Ｉは、その出力波形が下に凸の曲線となるように制御され、かつ第３電流値Ｉ３と第４電流値Ｉ４との差分である電流変動値Ｉｔが所定の範囲に収まるように調整される。ここで、所定の範囲とは、時点ｔ２から時点ｔ４までの溶接電流Ｉの移動平均値または設定電流Ｉｓである中心値を中心として、当該中心値の±２５％以上±４５％以下の幅、より好ましくは中心値の±２５％以上±３０％以下の幅である。また、電流変動値Ｉｔは、リアクトル６のインダクタンス値と電子リアクトル制御による電子リアクトルのインダクタンス値との加算値を変更することで、具体的には、記憶部１２に格納された電子リアクトルのインダクタンス値の中から適切な値を選択することで、上記の所定の範囲に収まるように調整される。
【００３５】
また、時点ｔ２から単調に減少していた溶接抵抗Ｒは、時点ｔ４の直前で溶接電圧Ｖの上昇に伴い増加し始め、時点ｔ４で急激に減少し、零になった後、時点ｔ５で所定の値に到達する。
【００３６】
時点ｔ５から時点ｔ６にかけて、溶接電流Ｉは第１電流値Ｉ１を維持するように制御され、この期間では、溶接電圧Ｖ及び溶接抵抗Ｒはほぼ一定となる（第５ステップ）。ここで、第１電流値Ｉ１は、設定電流Ｉｓまたは溶接ワイヤ１８の送給量毎に予め実験的に求めた値に対応して設定されている。また、第１電流値Ｉ１の絶対値は、時点ｔ２から時点ｔ４までの期間における溶接電流Ｉよりも小さくなるように設定されている。また、この期間では、時点ｔｄでの溶滴移行状態（ｄ）に示すように、溶滴２１が溶接ワイヤ１８の先端から母材１７に形成された溶融池２２に落下し、溶滴２１の離脱が完了する。時点ｔ６から、溶接電流Ｉを傾きαで単調に増加させて、時点ｔ７で零に到達させる（第１ステップ）。
【００３７】
図２から明らかなように、時点ｔ１から時点ｔ４と時点ｔ５との間の溶接電流Ｉが零となる時点までの期間が逆極性期間Ｔ１に相当し、時点ｔ４と時点ｔ５との間の溶接電流Ｉが零となる時点から時点ｔ６経過後に溶接電流Ｉが零に到達する時点ｔ７までの期間が逆極性期間Ｔ２に相当する。
【００３８】
また、逆極性期間Ｔ１とそれに続く正極性期間Ｔ２との和を溶接期間Ｔｃ（図２参照）とすると、本実施形態に示す交流アーク溶接は溶接期間Ｔｃを１周期とし、この期間で溶接ワイヤ１８から溶滴２１を母材１７に落下させて移行している。また、溶接期間Ｔｃを連続的に繰り返すことで、言いかえると、逆極性期間Ｔ１と正極性期間Ｔ２とを交互に繰り返すことで、母材１７に対する交流アーク溶接が行われる。
【００３９】
なお、時点ｔ５から時点ｔ６までの期間は、逆極性期間Ｔ１に比べて短期間に、例えば、ある溶接周期Ｔｃの時点ｔ６から次の溶接周期Ｔｃの時点ｔ２までの期間よりも短くなるように設定されている。また、第１電流値Ｉ１の絶対値は、第３電流値Ｉ３よりも小さくなるように設定されている。
【００４０】
［効果等］
以上説明したように、本実施形態に係る交流アーク溶接の制御方法は、母材１７に対して溶接ワイヤ１８を正電位にする逆極性期間Ｔ１と母材１７に対して溶接ワイヤ１８を負電位にする正極性期間Ｔ２とを交互に繰り返して、母材１７に対する交流アーク溶接を行う制御方法である。
【００４１】
この方法では、溶接ワイヤ１８に流れる溶接電流Ｉを正極性の（負の）第１電流値Ｉ１から逆極性の（正の）第２電流値Ｉ２まで単調に増加させる第１ステップと、溶接電流Ｉを第２電流値Ｉ２から逆極性の（正の）第３電流値Ｉ３まで連続的に減少させ、その後、逆極性の（正の）第４電流値Ｉ４まで連続的に増加させるように制御する第２ステップと、溶接ワイヤ１８の先端に形成された溶滴２１の離脱開始を検出する第３ステップと、溶滴２１の脱離開始を検出した後に溶接電流Ｉを第４電流値Ｉ４から第１電流値Ｉ１まで単調に減少させる第４ステップと、第１電流値Ｉ１を所定の期間保持するように溶接電流Ｉを制御する第５ステップと、を逆極性期間Ｔ１と正極性期間Ｔ２との和である溶接期間Ｔｃ中に実行している。また、第５ステップの実行中に、溶滴２１の離脱を完了させる。
【００４２】
本実施形態によれば、逆極性期間Ｔ２で実行される第２ステップ中に、母材１７に入熱することでアーク２０が安定するとともに、母材１７に深い溶け込みが形成され、安定した溶融池２２が形成される。
【００４３】
また、第１ステップ及び第２ステップを実行することで、溶接ワイヤ１０を溶融させて、その先端に溶滴２１を形成し、さらにこの溶滴２１を成長させることができる。また、所定の大きさに成長した溶滴２１の上部にくびれを生じさせることができる。また、このようにすることで、溶滴２１の離脱を促進することができる。
【００４４】
また、逆極性期間Ｔ２で実行される第３ステップで溶滴２１の離脱開始を検出し、第４ステップで溶接電流Ｉを正極性の第１電流値Ｉ１まで減少させることで、溶滴２１に作用するアーク反力を低減することができる。このことについて、さらに説明する。
【００４５】
良く知られているように、炭酸ガスを用いたアーク溶接では、母材１７に入熱される逆極性状態でアーク反力が大きくなる（図３参照）。このアーク反力によって、溶滴２１の母材１７への落下が阻害され、溶滴２１の離脱タイミングや回数がばらつくおそれがあった。
【００４６】
一方、本実施形態によれば、溶滴２１の離脱開始を検出した後に、溶接電流Ｉを単調に減少させて正極性にするため、溶接ワイヤ１８が主に入熱されて、アーク反力が低減される。このため、溶滴２１の離脱が促進される。また、溶接電流Ｉを所定の期間、正極性の第１電流値Ｉ１に保持すること、つまり、第５ステップを正極性期間Ｔ２中に実行することで、溶滴２１の上部に形成されたくびれ部分の溶融が促進され、母材１７に向けた溶滴２１の離脱を完了させることができる。
【００４７】
また、溶滴２１の離脱開始が検出されるまでに、母材１７には安定した溶融池２２が形成されているため、落下した溶滴２１は溶融池２２で吸収され、スパッタの発生が抑制される。
【００４８】
また、溶接速度が高速の場合、例えば、１ｍ／ｍｉｎ以上になる場合に、アーク反力が大きい状態で溶滴２１を母材１７に移行させようとすると、溶滴２１が所望のタイミングで移行せず、溶融池２２が形成される前に溶滴２１が母材１７に落下するおそれがあった。このような場合、大量のスパッタが発生し、溶接ビードの外観を損ねていた。また、前述したように、溶滴２１の離脱タイミングが不安定となり、ビードのピッチや幅が不均一になってしまい、溶接ビードの外観を損ね、場合によっては溶接不良を引き起こすおそれがあった。
【００４９】
一方、本実施形態によれば、溶接速度を高めても、溶滴２１の離脱タイミングを一定に保つことができ、母材１７にピッチや幅が一定で外観の良好な溶接ビードを形成することができる。
【００５０】
なお、正極性の状態で溶滴２１を成長させると、主に溶接ワイヤ１８に入熱されるため、母材１７に溶融池２２が形成されにくく、溶接ワイヤ１８の溶融だけが進行するため、母材１７溶接ワイヤ１８との間に形成されるアーク２０が不安定になるとともに、母材１７に対して安定した溶け込みを得るのが困難となる。
【００５１】
また、第１ステップの実行中に溶接ワイヤ１８の先端が溶融し始め、第２ステップの溶接電流Ｉが連続的に減少する期間（図２，３に示す時点ｔ２から時点ｔ３までの期間）では、溶接ワイヤ１８の先端に形成された溶滴２１が成長する。さらに第２ステップの溶接電流Ｉが連続的に増加する期間（図２，３に示す時点ｔ３から時点ｔ４までの期間）では、溶滴２１の上部にくびれが形成される。
【００５２】
また、第２ステップで溶接電流Ｉの出力波形は下に凸の曲線であることが好ましい。
【００５３】
溶接電流Ｉをこのように制御することで、特に、電流変動幅Ｉｔを制御することで、溶接ワイヤ１８の先端で溶滴２１が成長する時には溶接電流Ｉを小さくし、溶滴２１の上部にくびれを生じさせるときには溶接電流Ｉを大きくすることが可能となる。
【００５４】
電流変動幅Ｉｔが大きすぎると、溶滴２１が成長する時の溶接ワイヤ１８への入熱量が不足する。そのため、溶滴２１の成長が不十分となり、溶滴２１が離脱する前に溶接ワイヤ１８の先端と母材１７とが短絡するおそれがある。このような状態になると、アーク２０が不安定となるとともにスパッタが発生して溶接ビードの外観を損ねてしまう。
【００５５】
また、電流変動幅Ｉｔが小さすぎると、溶滴２１が所望のサイズよりも大きくなったり、また溶滴２１が成長するときのアーク反力が大きくなったりする。溶滴２１が大きくなりすぎると、逆極性期間Ｔ１で溶滴２１が落下するおそれがあり、溶接ビードのピッチが安定しない。また、アーク反力が大きすぎると、溶滴２１が溶接ワイヤ１８に向かって押し戻されるため、アーク２０が不安定となるとともに、溶滴２１が落下直前あるいは落下途中に飛散しスパッタが発生してしまう。
【００５６】
本実施形態によれば、前述したように、第２ステップで溶接電流Ｉの出力波形が下に凸の曲線になるように制御することで、上記の不具合が発生するのを抑制できる。
【００５７】
また、特許文献１に開示した従来技術では、主にアルミニウム材の溶接を対象とし、溶け込み部が浅く、余盛り部の大きいビードの形成を目的としている。つまり、薄板溶接を対象としている。そのため、母材の溶け落ちを防止するため、母材への入熱を抑えた状態で溶接ワイヤへの入熱を増加させて溶滴を成長させる必要があった。このことにより、正極性期間を長くするか、または正極性電流を大きくする必要があった。
【００５８】
一方、本実施形態の交流アーク溶接では、軟鋼あるいは高張力鋼からなる厚板溶接を対象としており、溶け込み部は深く、余盛り部の小さいフラットなビード形成を目的としている。そのため、母材１７への入熱が大きくなるよう逆極性期間Ｔ１を長くする一方、正極性期間Ｔ２は溶滴２１の離脱のみに用いるため、短期間で溶接電流Ｉの電流値（＝第１電流値Ｉ１）が小さくなるように制御を行っている。
【００５９】
逆極性期間Ｔ１は、２ｍｓｅｃ以上、１２ｍｓｅｃ以下であることが好ましい。
【００６０】
逆極性期間Ｔ１が２ｍｓｅｃより小さくなると、母材１７への入熱が不足し、また、溶接ワイヤ１０の先端に形成された溶滴２１が十分に成長しないため、アーク２０が安定して維持されず、所望の溶け込み深さの確保及び外観の良好な溶接ビードの形成が困難となる。一方、逆極性期間Ｔ１が１２ｍｓｅｃより大きくなると、アーク反力が大きい期間が長くなるため、溶滴２１が所定の溶接期間Ｔｃで安定して離脱しなくなる。そのため、高速溶接時のアーク２０が安定せず。スパッタが増加すると共に、ビード幅の不均一が生じて、外観の良好な溶接ビードの形成が困難となる。
【００６１】
また、正極性期間Ｔ２のうち、第１電流値Ｉ１を保持する期間、つまり、図２，３に示す時点ｔ５から時点ｔ６までの期間は、０．３ｍｓｅｃ以上、１．５ｍｓｅｃ以下であることが好ましく、より好ましくは０．５ｍｓｅｃ以上、０．８ｍｓｅｃ以下である。
【００６２】
当該期間が０．３ｍｓｅｃ未満であると、溶接ワイヤ１８および溶滴２１にかかるアーク反力が小さい期間が短くなり、溶滴２１の離脱促進効果が鈍化する。このため、溶滴２１の離脱が不安定になり、溶接ビードの形成が不安定になる。また、１．５ｍｓｅｃより大きい場合は、溶接ワイヤ１８への過剰な入熱により溶滴２１が所望のサイズより大きくなり過ぎ成長してしまうため溶滴２１の離脱が安定せず、この期間中に溶滴２１の離脱が完了しない場合があり、アーク２０が不安定となり、溶滴２１の離脱時のスパッタが増加する。
【００６３】
また、第１電流値Ｉ１は、３０Ａ以上、２００Ａ以下であることが好ましく、より好ましくは１００Ａ以下である。
【００６４】
第１電流値Ｉ１が３０Ａ未満の場合は、アーク反力の低減効果が小さいため、溶滴２１の離脱促進効果があまり得られず、時点ｔ５から時点ｔ６までの期間で溶滴２１の離脱が完了しないおそれがある。
【００６５】
一方、第１電流値Ｉ１が２００Ａより大きい場合は、溶滴２１の上部に形成されたくびれ部分だけでなく、溶接ワイヤ１８の先端側の全体が大きく溶融して溶滴２１が一気に大きくなり、溶滴２１の離脱が正常に完了しないおそれがある。また、このような状態では、アーク２０が不安定となる。
【００６６】
また、第３ステップでは、溶接電圧Ｖと溶接電流Ｉとの比である溶接抵抗Ｒの時間変化量に基づいて、溶滴２１の離脱開始を検出している。なお、溶接電圧Ｖの時間変化量に基づいて、溶滴２１の離脱開始を検出するようにしてもよい。
【００６７】
溶滴２１が落下して母材１７に移行する状態において、アーク長の変動に対して溶接電圧Ｖは敏感に反応して変化する。このため、溶接電圧Ｖの時間変化量または溶接電圧Ｖの絶対値に基づいて溶滴２３の離脱を検出すると、溶接電圧Ｖの微細な変動である脈動による誤検出を生じるおそれがある。一方、溶接抵抗Ｒは、溶接電圧Ｖの脈動に関して敏感ではなく、緩やかに変化するため、溶接抵抗Ｒの時間変化量に基づいて、溶滴２１の離脱開始を検出することで、誤検出の発生を抑制する事ができる。また、上記脈動の影響が少ないため、溶滴２１の離脱開始を検出に関する溶接抵抗Ｒの時間変化量の閾値を小さく設定する事が可能である。そのため、溶接電圧Ｖやその時間変化量に比べて、溶滴２１の離脱開始を早期にかつ正確に検出することが可能となる。
【００６８】
また、第２ステップでは、溶接電圧Ｖの出力を設定する設定電圧Ｖｓに基づいて、溶接電圧Ｖを所定の値になるように制御し、第５ステップでは、溶接電流Ｉの出力を設定する設定電流Ｉｓまたは溶接ワイヤ１８の送給量毎に予め求めた値に基づいて、第１電流値Ｉ１を設定するようにしている。
【００６９】
このように制御することで、母材１７に主に入熱する期間では、定電圧制御によって外乱、例えば、溶接ワイヤ１８の突き出し長さの変動や母材１７の位置ずれ等の影響を抑制することができ、溶接ワイヤ１８に主に入熱して溶滴２１の離脱を完了させる期間では、設定電流Ｉｓまたは溶接ワイヤ１８の送給量毎に求めた値に基づく所定の第１電流値Ｉ１を有する正極性電流を溶接ワイヤ１８に流して、溶滴２１のくびれ部分を安定して溶融でき、所望のタイミングで溶滴２１の離脱を完了させることができる。
【００７０】
なお、第２ステップでは、溶接ワイヤ１８に電気的に接続されたリアクトル６のインダクタンス値と記憶部１２に格納された電子リアクトル制御による電子リアクトルのインダクタンス値との加算値を変更することで、第３電流値Ｉ３と第４電流値Ｉ４との差である電流変動幅Ｉｔが設定電流Ｉｓを中心として上記の所定の範囲内になるように溶接電流Ｉを制御してもよい。
【００７１】
また、本実施形態における交流アーク溶接において、母材１７に吹き付けられるシールドガスは、炭酸ガスを主成分とするガスであることが好ましい。
【００７２】
炭酸ガスを主成分とするシールドガスを用いる場合に、溶滴２１に作用するアーク反力が大きくなるが、本実施形態の制御方法は、このアーク反力の影響を低減して、所望のタイミングで溶滴２１を確実に母材１７に移行させることができる。
【００７３】
また、母材１７は、軟鋼または高張力鋼からなる厚板、例えば、３．２ｍｍ以上の板厚を有することが好ましい。
【００７４】
このような母材１７に対して、本実施形態の制御方法を適用して交流アーク溶接を行うことにより、母材１７の溶け込みを十分に深くできるとともに、余盛り部の小さいフラットな溶接ビードを形成することができる。また、低スパッタで、かつピッチ及びビード幅が安定した外観が良好な溶接ビードを形成することができる。
【００７５】
また、時点ｔ１から時点ｔ２にかけての溶接電流Ｉの変化の傾きαの絶対値は、時点ｔ４から時点ｔ５にかけての傾きβの絶対値よりも小さいことが好ましい。
【００７６】
溶接電流Ｉの増加の傾きαが大きくなると、溶接ワイヤ１８に電流が一気に流れて赤熱し、溶融池２１を押す力が大きくなりすぎてスパッタの発生が増加するおそれがある。また、溶接電流βの減少の傾きの絶対値を傾きαよりも大きくすると、溶接ワイヤ１８に正極性電流が流れる期間が長くなりすぎ、アーク２０が不安定になってしまう。
【００７７】
（その他の実施形態）
なお、上記実施形態では、第５ステップの実行中に、溶滴２１の離脱が完了するようにしたが、正極性期間Ｔ２における第４ステップの実行中に溶滴２１の離脱が完了してもよい。第４ステップで、溶接電流Ｉを逆極性の第４電流値Ｉ４から正極性の第１電流値Ｉ１まで単調に減少させる過程で、溶滴に作用するアーク反力は減少される。よって、例えば、第２ステップで十分に成長した溶滴２１が正極性期間Ｔ２における第４ステップの実行中に自重で落下しても、アーク反力で押し戻されて所定の位置以外に落下するおそれが小さく、また、溶融池２２自体は既に形成されているため、スパッタの発生も抑制される。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明の交流アーク溶接の制御方法は、アーク反力の影響を低減しつつ、所望のタイミングで溶滴を離脱させることができるため、炭酸ガスを主成分とするシールドガスを用いるアーク溶接に適用する上で有用である。
【符号の説明】
【００７９】
１    入力電源
２    １次整流部
３    スイッチング部
４    トランス
５    ２次整流部
６    リアクトル
７    駆動部
８    溶接電流検出部
９    溶接電圧検出部
１０    溶滴離脱検出部
１１    アーク制御部
１１ａ  極性切替部
１２    記憶部
１３    溶接条件設定部
１４    トーチ
１５    チップ
１７    母材
１８    溶接ワイヤ
１９    ワイヤ送給部
２０    アーク
２１    溶滴
２２    溶融池
【図１】
2019188434.tif 000003
【図２】
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【図３】
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