(57)【要約】【課題】交流被覆アーク溶接において、溶融池の固有振動数と溶接電流の交流周波数とが近い値になると共振状態が生じて、溶接状態が不安定になることを抑制する。【解決手段】交流の溶接電流Ｉｗを通電して溶接する交流被覆アーク溶接方法において、溶接電流Ｉｗの交流周波数設定信号Ｆｒの値を、溶融池の固有振動数の少なくとも２倍以上に設定する。さらに、交流周波数設定信号Ｆｒの値を、アークからの騒音が基準値未満になるように設定する。具体的には、交流周波数設定信号Ｆｒの値を、１００Ｈｚ以上３００Ｈｚ未満に設定する。このようにすれば、溶融池の固有振動と溶接電流Ｉｗの交流周波数による変化に伴うアーク力の変動とが共振状態になることを防止することができるので、溶接状態を安定に維持することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流の溶接電流を通電して溶接する交流被覆アーク溶接方法において、
前記溶接電流の交流周波数を、溶融池の固有振動数の少なくとも２倍以上に設定する、
ことを特徴とする交流被覆アーク溶接方法。
【請求項２】
前記交流周波数を、アークからの騒音が基準値未満になるように設定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の交流被覆アーク溶接方法。
【請求項３】
前記交流周波数を、１００Ｈｚ以上３００Ｈｚ未満に設定する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の交流被覆アーク溶接方法。
【請求項４】
前記固有振動数を検出し、検出された前記固有振動数を入力とする予め定めた関数によって前記交流周波数を設定する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の交流被覆アーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流の溶接電流を通電して溶接する交流被覆アーク溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
被覆アーク溶接棒を使用し、交流の溶接電流を通電して溶接する交流被覆アーク溶接方法が慣用されている。
【０００３】
特許文献１の発明では、直流の被覆アーク溶接において、溶接電流を１００Ｈｚ以上のパルス波形に制御することによって、小電流域の溶接状態を安定化している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−４３２０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
交流被覆アーク溶接においては、交流の溶接電流が通電するために、アークから溶融池に作用する力（アーク力）が交流周波数で変化する。溶融池は、平均溶接電流値、溶接速度、継手形状等の溶接条件によって影響される固有振動数を有している。この固有振動数と交流周波数とが近い値になると、溶融池の振動が大きくなる共振状態となり、溶接状態が不安定になるという問題があった。
【０００６】
従来技術においては、交流周波数は商用周波数の５０Ｈｚ又は６０Ｈｚとなっている。溶融池の固有振動数は、溶接条件によって定まる値である。このために、両値が近い値となると、溶融池の振動が大きくなり、溶接状態が不安定になっていた。しかし、従来技術では、両値を変化させることができないために、この問題を防ぐことができなかった。
【０００７】
そこで、本発明では、溶融池の固有振動数と溶接電流の交流周波数とが近い値となることによる溶接状態の不安定を抑制することができる交流被覆アーク溶接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、
交流の溶接電流を通電して溶接する交流被覆アーク溶接方法において、
前記溶接電流の交流周波数を、溶融池の固有振動数の少なくとも２倍以上に設定する、
ことを特徴とする交流被覆アーク溶接方法である。
【０００９】
請求項２の発明は、前記交流周波数を、アークからの騒音が基準値未満になるように設定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の交流被覆アーク溶接方法である。
【００１０】
請求項３の発明は、前記交流周波数を、１００Ｈｚ以上３００Ｈｚ未満に設定する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の交流被覆アーク溶接方法である。
【００１１】
請求項４の発明は、前記固有振動数を検出し、検出された前記固有振動数を入力とする予め定めた関数によって前記交流周波数を設定する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の交流被覆アーク溶接方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、溶融池の固有振動数と溶接電流の交流周波数とが共振して、溶融池が大きく振動して溶接状態が不安定になることを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る交流被覆アーク溶接方法を実施するための溶接装置のブロック図である。
【図２】図１の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。
【図３】本発明の実施の形態２に係る交流被覆アーク溶接方法を実施するための溶接装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る交流被覆アーク溶接方法を実施するための溶接装置のブロック図である。同図において、極性切換時に数百Ｖの高電圧を印加する回路については、図示は省略している。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。
【００１６】
インバータ回路ＩＮＶは、３相２００Ｖ等の交流商用電源（図示は省略）を入力として、整流及び平滑した直流電圧を、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉによるパルス幅変調制御によってインバータ制御を行い、高周波交流を出力する。
【００１７】
インバータトランスＩＮＴは、高周波交流電圧をアーク溶接に適した電圧値に降圧する。
【００１８】
２次整流器Ｄ２ａ〜Ｄ２ｄは、降圧された高周波交流を直流に整流する。
【００１９】
棒プラス極性トランジスタＰＴＲは後述する棒プラス極性駆動信号Ｐｄによってオン状態になり、溶接電源の出力は棒プラス極性ＥＰになる。棒マイナス極性トランジスタＮＴＲは後述する棒マイナス極性駆動信号Ｎｄによってオン状態になり、溶接電源の出力は棒マイナス極性ＥＮになる。
【００２０】
リアクトルＷＬは、リップルのある出力を平滑する。
【００２１】
溶接棒ホルダ４によって被覆溶接棒１が把持されており、被覆溶接棒１と母材２との間にアーク３が発生する。アーク３中を交流の溶接電流Ｉｗが通電し、被覆溶接棒１と母材２との間に交流の溶接電圧Ｖｗが印加する。溶接電流Ｉｗは、母材２→アーク３→被覆溶接棒１の方向に通電するとき（棒マイナス極性期間Ｔenのとき）を＋側としている。被覆溶接棒１は、鉄鋼、ステンレス鋼等の溶接に使用される。
【００２２】
溶接電源の２つの出力端子(図示は省略)と溶接棒ホルダ４又は母材２とは溶接ケーブル５、６で接続されている。この溶接ケーブル５、６が長いときはインダクタンス値が大きくなり、溶接電流Ｉｗの変化速度が緩やかになる。
【００２３】
交流周波数設定回路ＦＲは、溶接電流Ｉｗの繰り返し周波数を設定するための予め定めた交流周波数設定信号Ｆｒ［Ｈｚ］を出力する。交流周波数設定信号Ｆｒの設定値については、図２で詳述する。
【００２４】
棒マイナス極性時間比率設定回路ＲＲは、予め定めた棒マイナス極性時間比率設定信号Ｒｒ［％］を出力する。棒マイナス極性時間比率設定信号Ｒｒは、例えば５０％に設定される。
【００２５】
期間設定回路ＴＲは、上記の交流周波数設定信号Ｆｒ及び上記の棒マイナス極性時間比率設定信号Ｒｒを入力として、棒マイナス極性期間設定信号Ｔnr及び棒プラス極性期間設定信号Ｔprを出力する。ここで、Ｔnr［ms］＝(１／Ｆｒ)×１０００×(Ｒｒ／１００)であり、Ｔpr［ms］＝(１／Ｆｒ)×１０００−Ｔnrである。
【００２６】
電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｗの絶対値を検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。
【００２７】
電流比較回路ＣＭは、上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、電流検出信号Ｉｄの値が予め定めた極性切換電流値以下のときはＨｉｇｈレベルとなる電流比較信号Ｃｍを出力する。極性切換電流値は、例えば５０Ａに設定される。
【００２８】
タイマ回路ＴＭは、上記の棒マイナス極性期間設定信号Ｔnr、上記の棒プラス極性期間設定信号Ｔpr及び上記の電流比較信号Ｃｍを入力として、以下の処理を行い、タイマ信号Ｔｍを出力する。タイマ信号Ｔｍが１又は２のときが棒マイナス極性期間Ｔenとなり、３又は４のときが棒プラス極性期間Ｔepとなる。
１）棒マイナス極性期間設定信号Ｔnrによって定まる期間中は、タイマ信号Ｔｍ＝１を出力する。
２）続けて、棒マイナス極性期間設定信号Ｔnrによって定まる期間が経過してから、電流比較信号ＣｍがＨｉｇｈレベルに変化するまでの遷移期間中は、タイマ信号Ｔｍ＝２を出力する。
３）続けて、電流比較信号ＣｍがＨｉｇｈレベルに変化してから、棒プラス極性期間設定信号Ｔprによって定まる期間中は、タイマ信号Ｔｍ＝３を出力する。
４）続けて、棒プラス極性期間設定信号Ｔprによって定まる期間が経過してから、電流比較信号ＣｍがＨｉｇｈレベルに変化するまでの遷移期間中は、タイマ信号Ｔｍ＝４を出力する。
５）上記の１）〜４）を繰り返す。
【００２９】
２次側駆動回路ＤＶは、上記のタイマ信号Ｔｍを入力として、タイマ信号Ｔｍが１又は２のときは上記の棒マイナス極性駆動信号Ｎｄを出力し、タイマ信号Ｔｍが３又は４のときは上記の棒プラス極性駆動信号Ｐｄを出力する。これによって、タイマ信号Ｔｍが１又は２のときは、棒マイナス極性トランジスタＮＴＲがオン状態となり、棒マイナス極性期間Ｔenとなる。タイマ信号Ｔｍが３又は４のときは、棒プラス極性トランジスタＰＴＲがオン状態となり、棒プラス極性期間Ｔepとなる。
【００３０】
振幅設定回路ＩＡＲは、溶接電流Ｉｗの振幅を設定するための予め定めた振幅設定信号Ｉarを出力する。
【００３１】
切換回路ＳＷは、上記のタイマ信号Ｔｍ及び上記の振幅設定信号Ｉarを入力として、以下の処理を行い、電流設定信号Ｉｒを出力する。
１）タイマ信号Ｔｍ＝１のときは、振幅設定信号Ｉarを電流設定信号Ｉｒとして出力する。
２）タイマ信号Ｔｍ＝２のときは、電流設定信号Ｉｒ＝０を出力する。
３）タイマ信号Ｔｍ＝３のときは、振幅設定信号Ｉarを電流設定信号Ｉｒとして出力する。
４）タイマ信号Ｔｍ＝４のときは、電流設定信号Ｉｒ＝０を出力する。
【００３２】
電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流設定信号Ｉｒ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。これにより、溶接電源は定電流特性となり、交流の溶接電流Ｉｗが通電する。
【００３３】
図２は、図１の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。同図(Ａ)は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図(Ｂ)は電流比較信号Ｃｍの時間変化を示し、同図(Ｃ)は棒マイナス極性駆動信号Ｎｄの時間変化を示し、同図(Ｄ)は棒プラス極性駆動信号Ｐｄの時間変化を示し、同図(Ｅ)は電流設定信号Ｉｒの時間変化を示し、同図(Ｆ)は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示す。同図(Ａ)に示す溶接電流Ｉｗは、０から上側が棒マイナス極性電流Ｉenであり、０から下側が棒プラス極性電流Ｉepである。同図（Ａ）に示す溶接電流Ｉｗは、台形波の場合であり、棒マイナス極性ＥＮの振幅と棒プラス極性ＥＰの振幅とが等しい平衡波形の場合である。以下、同図を参照して、各信号の動作について説明する。
【００３４】
時刻ｔ１において、同図(Ａ)に示すように、溶接電流Ｉｗ（棒プラス極性電流Ｉep）の絶対値が予め定めた極性切換電流値以下となるので、同図(Ｂ)に示すように、電流比較信号Ｃｍが短時間Ｈｉｇｈレベルとなる。これに応動して、同図(Ｃ)に示すように、棒マイナス極性駆動信号ＮｄがＨｉｇｈレベルとなり、棒マイナス極性トランジスタＮＴＲがオン状態となり、棒マイナス極性ＥＮへと切り換わる。同時に、同図(Ｄ)に示すように、棒プラス極性駆動信号ＰｄはＬｏｗレベルになり、棒プラス極性トランジスタＰＴＲはオフ状態となる。時刻ｔ１において、同図(Ｅ)に示すように、電流設定信号Ｉｒは０から振幅設定信号Ｉarに切り換わる。同図(Ａ)に示すように、溶接電流Ｉｗは、負の値の極性切換電流値から正の値の極性切換電流値へと瞬時的に変化する。
【００３５】
時刻ｔ１〜ｔ２の期間中は、同図(Ａ)に示すように、溶接電流Ｉｗは、極性切換電流値から振幅設定信号Ｉarの値まで傾斜を有して増加する。同図(Ｆ)に示すように、溶接電圧Ｖｗも傾斜を有して増加する。この傾斜は、リアクトルＷＬ及び溶接ケーブルによるインダクタンス値によって決まる。インダクタンス値が大きいほど傾斜は緩やかになる。
【００３６】
時刻ｔ２〜ｔ３の期間中は、同図(Ａ)に示すように、溶接電流Ｉｗは振幅設定信号Ｉarの値となる。同図(Ｆ)に示すように、溶接電圧Ｖｗはアーク長に相関した棒マイナス極性電圧値となる。
【００３７】
時刻ｔ３において、時刻ｔ１からの経過時間が棒マイナス極性期間設定信号Ｔnrの値に達すると、同図(Ｅ)に示すように、電流設定信号Ｉｒは０に変化する。これに応動して、同図(Ａ)に示すように、溶接電流Ｉｗは傾斜を有して減少する。この傾斜もリアクトルＷＬ及び溶接ケーブルによるインダクタンス値によって決まる。そして、時刻ｔ４において、溶接電流Ｉｗの値が極性切換電流値以下となると、同図(Ｂ)に示すように、電流比較信号Ｃｍが短時間Ｈｉｇｈレベルとなる。また、同図(Ｆ)に示すように、溶接電圧Ｖｗも傾斜を有して減少する。
【００３８】
時刻ｔ４において、同図(Ｂ)に示すように、電流比較信号Ｃｍが短時間Ｈｉｇｈレベルになると、同図(Ｄ)に示すように、棒プラス極性駆動信号ＰｄがＨｉｇｈレベルとなり、棒プラス極性トランジスタＰＴＲがオン状態となり、棒プラス極性ＥＰへと切り換わる。同時に、同図(Ｃ)に示すように、棒マイナス極性駆動信号ＮｄはＬｏｗレベルになり、棒マイナス極性トランジスタＮＴＲはオフ状態となる。時刻ｔ４において、同図(Ｅ)に示すように、電流設定信号Ｉｒは０から正の値の振幅設定信号Ｉarに切り換わる。同図(Ａ)に示すように、溶接電流Ｉｗは、正の値の極性切換電流値から負の値の極性切換電流値へと瞬時的に変化する。
【００３９】
時刻ｔ４〜ｔ５の期間中は、同図(Ａ)に示すように、溶接電流Ｉｗは、極性切換電流値から振幅設定信号Ｉarの値まで傾斜を有して増加する。この傾斜もリアクトルＷＬ及び溶接ケーブルによるインダクタンス値によって決まる。同図(Ｆ)に示すように、溶接電圧Ｖｗも傾斜を有して増加する。
【００４０】
時刻ｔ５〜ｔ６の期間中は、同図(Ａ)に示すように、溶接電流Ｉｗは振幅設定信号Ｉarの値となる。同図(Ｆ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは、アーク長と相関する値の棒プラス極性電圧となる。
【００４１】
時刻ｔ６において、時刻ｔ４からの経過時間が棒プラス極性期間設定信号Ｔprの値に達すると、同図(Ｅ)に示すように、電流設定信号Ｉｒは０に変化する。これに応動して、同図(Ａ)に示すように、溶接電流Ｉｗは傾斜を有して減少する。この傾斜もリアクトルＷＬ及び溶接ケーブルによるインダクタンス値によって決まる。そして、時刻ｔ７において、溶接電流Ｉｗの値が極性切換電流値以下となると、同図(Ｂ)に示すように、電流比較信号Ｃｍが短時間Ｈｉｇｈレベルとなる。また、同図(Ｆ)に示すように、溶接電圧Ｖｗも傾斜を有して減少する。
【００４２】
以後、上記の動作を繰り返すことになる。
【００４３】
同図において、時刻ｔ１〜ｔ７の期間が１周期となり、図１の交流周波数設定信号Ｆｒによって設定される。溶融池は固有振動数を有しており、溶接条件によって異なるが、その値は数Ｈｚ〜数十Ｈｚ程度となる。交流周波数設定信号Ｆｒの値と固有振動数とが近い値であるときは、溶接電流の変化に伴うアーク力の変化と溶融池の固有振動とが共振状態となり、溶融池の振動が大きくなる現象が生じる。共振状態が生じると、溶接品質が悪くなっていた。従来技術では、交流周波数設定信号Ｆｒの値は、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの商用周波数であるので、溶接条件によってはこの共振状態が生じる場合があった。本実施の形態においては、交流周波数設定信号Ｆｒは、溶融池の固有振動数の少なくとも２倍以上の値に設定される。このようにすると、上述した共振状態は発生しないために、良好な溶接品質を常に得ることができる。また、溶接条件に関わらず共振状態になることを回避するためには、固有振動数の最大値が数十Ｈｚであるので、交流周波数設定信号Ｆｒの値を、少なくとも１００Ｈｚ以上に設定すれば良い。
【００４４】
交流周波数が高くなるとアークからの騒音が大きくなり、作業環境が悪くなる問題がある。このために、交流周波数設定信号Ｆｒの値は、アークからの騒音が不快とならない基準値未満となるように設定することが望ましい。交流周波数設定信号Ｆｒの値が３００Ｈｚ未満のときはアークからの騒音が不快ではないが、これよりも高くなると、急激に不快な騒音となる。したがって、交流周波数設定信号Ｆｒの値は、３００Ｈｚ未満であることが望ましい。
【００４５】
同図は、棒マイナス極性時間比率設定信号Ｒｒが５０％の場合であるので、時刻ｔ１〜ｔ４の棒マイナス極性期間Ｔenの時間長さと時刻ｔ４〜ｔ７の棒プラス極性期間Ｔepの時間長さが等しい場合である。また、同図は、棒マイナス極性ＥＮと棒プラス極性ＥＰの電流振幅が等しい平衡波形の場合である。本発明においては、棒マイナス極性時間比率設定信号Ｒｒは５０％以外の値であっても良い。また、本発明においては、電流振幅が極性によって異なる非平衡波形であっても良い。さらに、本発明においては、電流波形が台形波以外の正弦波等であっても良い。
【００４６】
［実施の形態２］
実施の形態２の発明は、溶融池の固有振動数を検出し、検出された固有振動数を入力とする予め定めた関数によって交流周波数を設定するものである。
【００４７】
図３は、本発明の実施の形態２に係る交流被覆アーク溶接方法を実施するための溶接装置のブロック図である。同図は上述した図１と対応しており、同一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、電圧検出回路ＶＤ及び固有振動数検出回路ＮＦＤを追加し、図１の交流周波数設定回路ＦＲを第２交流周波数設定回路ＦＲ２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。
【００４８】
電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗの絶対値を検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。
【００４９】
固有振動数検出回路ＮＦＤは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、電圧検出信号Ｖｄをローパスフィルタに通して低周波の振動を検出することによって固有振動数を検出し、固有振動数検出信号Ｎfdを出力する。溶融池が振動すると、アーク長が変動するために、電圧検出信号Ｖｄの値も振動することになる。したがって、電圧検出信号Ｖｄの低周波振動を検出することによって、アーク長の変動を検出し、溶融池の固有振動数を検出している。
【００５０】
第２交流周波数設定回路ＦＲ２は、上記の固有振動数検出信号Ｎfdを入力とする予め定めた周波数算出関数によって交流周波数を算出して、交流周波数設定信号Ｆｒを出力する。周波数算出関数は、例えばＦｒ＝Ｎfd×２(但し、Ｆｒの最小値は５０とする)に予め定義されている。これにより、固有振動数が２５Ｈｚ以下のときはＦｒ＝５０Ｈｚとなる。固有振動数が４０ＨｚのときはＦｒ＝８０Ｈｚとなる。固有振動数が５０ＨｚのときはＦｒ＝１００Ｈｚとなる。
【００５１】
実施の形態２では、交流周波数設定信号Ｆｒは、溶融池と共振しない範囲の適正値に自動設定される。適正値とは、例えば、共振しない値であり、かつ、交流周波数が低い値であることである。このために、実施の形態２では、実施の形態１の効果に加えて、アークからの騒音を低くすることができ、作業環境が改善される。
【００５２】
上記においては、溶接中に固有振動数を検出して、交流周波数を自動設定している。これ以外の方法として、交流周波数の初期値として１５０Ｈｚに設定してテスト溶接を行い、固有振動数を検出する。本溶接においては、テスト溶接で検出された固有振動数に基づいて交流周波数を設定するようにしても良い。このようにすれば、溶融池が安定した状態で固有振動数を検出するので、誤差なく正確に検出することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１            被覆溶接棒
２            母材
３            アーク
４            溶接棒ホルダ
５、６            溶接ケーブル
ＣＭ            電流比較回路
Ｃｍ            電流比較信号
Ｄ２ａ〜Ｄ２ｄ        ２次整流器
ＤＶ            ２次側駆動回路
ＥＩ            電流誤差増幅回路
Ｅｉ            電流誤差増幅信号
ＥＮ            棒マイナス極性
ＥＰ            棒プラス極性
ＦＲ            交流周波数設定回路
Ｆｒ            交流周波数設定信号
ＦＲ２            第２交流周波数設定回路
ＩＡＲ            振幅設定回路
Ｉar            振幅設定信号
ＩＤ            電流検出回路
Ｉｄ            電流検出信号
Ｉen            棒マイナス極性電流
Ｉep            棒プラス極性電流
ＩＮＴ            インバータトランス
ＩＮＶ            インバータ回路
Ｉｒ            電流設定信号
Ｉｗ            溶接電流
Ｎｄ            棒マイナス極性駆動信号
ＮＦＤ            固有振動数検出回路
Ｎfd            固有振動数検出信号
ＮＴＲ            棒マイナス極性トランジスタ
Ｐｄ            棒プラス極性駆動信号
ＰＴＲ            棒プラス極性トランジスタ
ＲＲ            棒マイナス極性時間比率設定回路
Ｒｒ            棒マイナス極性時間比率設定信号
ＳＷ            切換回路
Ｔen            棒マイナス極性期間
Ｔep            棒プラス極性期間
ＴＭ            タイマ回路
Ｔｍ            タイマ信号
Ｔnr            棒マイナス極性期間設定信号
Ｔpr            棒プラス極性期間設定信号
ＴＲ            期間設定回路
ＶＤ            電圧検出回路
Ｖｄ            電圧検出信号
Ｖｗ            溶接電圧
ＷＬ            リアクトル
【図１】
2019181532.tif 000003
【図２】
2019181532.tif 000004
【図３】
2019181532.tif 000005