(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接ワイヤの送給を、溶接対象物の方向に行う正送と正送とは逆方向に行う逆送とに交互に、所定の周期と所定の振幅で周期的に変化させたワイヤ送給速度で送給し、アーク期間と短絡期間とを繰り返して溶接を行う消耗電極式のアーク溶接制御方法であって、短絡期間が所定期間以上継続した場合には、逆送のワイヤ送給速度を、前記所定期間に到達した時点の逆送のワイヤ送給速度よりも絶対値の大きな値に制御するアーク溶接制御方法。
【請求項２】
溶接ワイヤの送給を、溶接対象物の方向に行う正送と正送とは逆方向に行う逆送とに交互に、所定の周期と所定の振幅で周期的に変化させたワイヤ送給速度で送給し、アーク期間と短絡期間とを繰り返して溶接を行う消耗電極式のアーク溶接制御方法であって、
直前の短絡期間に比べて、短絡を開始してからの短絡期間が長くなった場合、逆送のワイヤ送給速度を直前の短絡期間終了時の逆送のワイヤ送給速度より絶対値の大きな値に制御するアーク溶接制御方法。
【請求項３】
溶接ワイヤの送給を、溶接対象物の方向に行う正送と正送とは逆方向に行う逆送とに交互に、所定の周期と所定の振幅で周期的に変化させたワイヤ送給速度で送給し、アーク期間と短絡期間とを繰り返して溶接を行う消耗電極式のアーク溶接制御方法であって、
前の一つ以上の短絡期間の平均値に比べて、短絡を開始してからの短絡期間が長くなった場合、逆送のワイヤ送給速度を前の短絡期間終了時の逆送の平均速度より絶対値の大きな値に制御するアーク溶接制御方法。
【請求項４】
前記短絡期間が所定期間以上継続した場合には、溶接電流を、前記所定期間に到達した時点の溶接電流よりも大きな値に制御する請求項１から３のいずれかに記載のアーク溶接制御方法。
【請求項５】
前記短絡期間が前記所定期間以上継続した場合の逆送のワイヤ送給速度の傾きは、前記短絡期間が前記所定期間に到達する時点の逆送のワイヤ送給速度の傾きよりも、絶対値の大きな値に制御する請求項１から３のいずれかに記載のアーク溶接制御方法。
【請求項６】
逆送から正送に向かうワイヤ送給速度の傾きは、前記短絡期間が前記所定期間に到達する時点から短絡開放がされる時点までの時間に応じて異なる値に制御する請求項１から３のいずれかに記載のアーク溶接制御方法。
【請求項７】
前記溶接ワイヤはアルミ、アルミ合金、銅、または銅合金のいずれかの高熱伝導率の材質である請求項１から３のいずれかに記載のアーク溶接制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接ワイヤの送給を、溶接対象物の方向に行う正送と、正送とは逆方向に行う逆送とに交互に、所定の周期と所定の振幅で周期的に変化させたワイヤ送給速度で送給し、アーク期間と短絡期間とを繰り返して溶接を行う消耗電極式のアーク溶接制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、溶接中に発生するスパッタの低減を目的として、溶接ワイヤの送給が正送と逆送とを繰り返し、アーク期間と短絡期間とを交互に発生させて溶接を行う消耗電極式アーク溶接が実用化されている。
【０００３】
図５は、正送と逆送とを繰り返し、アーク期間と短絡期間とを交互に発生させて溶接を行う従来技術のアーク溶接制御方法を示す出力波形図である。同図（Ａ）はワイヤ送給速度Ｗｆ、同図（Ｂ）は溶接電流Ａｗ、同図（Ｃ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示している。
【０００４】
同図において、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの短絡期間では、時刻ｔ１で短絡が発生すると、ワイヤ送給速度Ｗｆは、正送であるワイヤ送給速度Ｗｆａから、逆送であるワイヤ送給速度Ｗｆｓに向かって移行する。これにより、溶接ワイヤの送給は、逆送となる。また、短絡期間には、溶接電流Ａｗは、電流制御により時間の経過に伴って増加する。
【０００５】
上述したように、短絡期間に溶接ワイヤの送給を逆送にすることで、短絡期間に送給される溶接ワイヤの送給量を減少する。これにより、一定送給で溶接ワイヤを送給する場合と比べ、機械的に短絡を開放できるため、短絡時の電流を低減でき、短絡開放時に発生するスパッタ量を低減できる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４２１１７９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した従来のアーク溶接制御方法における溶接ワイヤの送給制御を行うとスパッタの低減に繋がるが、溶融池の不規則な運動、アーク長の変動等の外乱による短絡周期の乱れを防止することができない。短絡周期の乱れにより短絡状態が長時間続くと、短絡期間中、溶接ワイヤの送給は逆送を続け、その間溶接ワイヤの送給量が低減し、凹凸のある不均一なビードの形成につながる。また、ＣＯ２溶接では、特にアーク期間のアーク発生時直後と短絡発生時直前に極めて短時間での短絡（以降、微小短絡と表現する）によるスパッタが発生しやすい。短絡周期が乱れると、溶融池の挙動が大きくなるため微小短絡が発生しやすくなり、微小短絡によるスパッタが増加する課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
溶接ワイヤの送給を、溶接対象物の方向に行う正送と正送とは逆方向に行う逆送とに交互に、所定の周期と所定の振幅で周期的に変化させたワイヤ送給速度で送給し、アーク期間と短絡期間とを繰り返して溶接を行う消耗電極式のアーク溶接制御方法であって、短絡期間が予め定められた所定期間以上継続した場合には、ワイヤ送給速度を、所定期間に到達した時点の逆送のワイヤ送給速度よりも絶対値の大きな値に制御する。また、溶接ワイヤの送給を、溶接対象物の方向に行う正送と正送とは逆方向に行う逆送とに交互に、所定の周期と所定の振幅で周期的に変化させたワイヤ送給速度で送給し、アーク期間と短絡期間とを繰り返して溶接を行う消耗電極式のアーク溶接制御方法であって、直前の短絡期間に比べて、短絡を開始してからの短絡期間が長くなった場合、逆送のワイヤ送給速度を直前の短絡期間終了時の逆送のワイヤ送給速度より絶対値の大きな値に制御する。
また、溶接ワイヤの送給を、溶接対象物の方向に行う正送と正送とは逆方向に行う逆送とに交互に、所定の周期と所定の振幅で周期的に変化させたワイヤ送給速度で送給し、アーク期間と短絡期間とを繰り返して溶接を行う消耗電極式のアーク溶接制御方法であって、前の一つ以上の短絡期間の平均値に比べて、短絡を開始してからの短絡期間が長くなった場合、逆送のワイヤ送給速度を前の短絡期間終了時の逆送の平均速度より絶対値の大きな値に制御する。
また、予め短絡期間の平均値と短絡期間終了時の逆送のワイヤ送給速度の平均速度を取得し、短絡期間の平均値以上の所定の期間を設定し、短絡を開始してからの短絡期間が所定期間より長くなった場合、逆送のワイヤ送給速度を予め取得した逆送の前記平均速度より絶対値の大きな値に制御する。
また、短絡期間が所定期間以上継続した場合には、溶接電流を、所定期間に到達した時点の溶接電流よりも大きな値に制御する。
また、短絡期間が所定期間以上継続した場合の逆送のワイヤ送給速度の傾きは、短絡期間が所定期間に到達する以前の逆送のワイヤ送給速度の傾きよりも、大きな値に制御する。
また、逆送から正送に向かうワイヤ送給速度の傾きは、前記短絡期間が前記所定期間に到達する時点から短絡開放がされる時点までの時間に応じて異なる値に制御する。
また、溶接ワイヤはアルミ、アルミ合金、銅、または銅合金のいずれかの高熱伝導率の材質である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、短絡期間が所定期間以上継続した場合に、逆送のワイヤ送給速度をより絶対値の大きな値に制御することで、早期に短絡開放へと導くことができる。短絡期間の長期化を防ぎ、短絡周期を安定化することで、凹凸を抑えた均一でフラットなビード外観が得られ、溶接品質が向上する。また微小短絡の発生も抑制でき、スパッタ発生量を低減し、安定した溶接を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１、２におけるアーク溶接制御方法による出力波形の図
【図２】本発明におけるアーク溶接装置の概略構成を示す図
【図３】本発明の実施の形態３における送給速度の傾きの変化を示す図
【図４】本発明の実施の形態３におけるアーク溶接制御方法による出力波形を示す図
【図５】従来のアーク溶接制御方法における出力波形を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図４を用いて説明する。
【００１２】
（実施の形態１）
まず、本実施の形態のアーク溶接制御方法を行うアーク溶接装置について、図２を用いて説明する。図２は、アーク溶接装置の概略構成を示す図である。アーク溶接装置２０は、消耗電極である溶接ワイヤ２２と被溶接物２１との間で、アーク状態と短絡状態とを繰り返して溶接を行う。
アーク溶接装置２０は、主変圧器２と、一次側整流部３と、スイッチング部４と、ＤＣＬ（リアクトル）５と、二次側整流部６と、溶接電流検出部７と、溶接電圧検出部８と、短絡検出部９と、出力制御部１２と、ワイヤ送給速度制御部１６を有している。
【００１３】
短絡検出部９は短絡時間検出部１０と短絡／アーク検出部１１を有している。出力制御部１２は、短絡制御部１３とアーク制御部１４を有している。ワイヤ送給速度制御部１６は、ワイヤ送給速度検出部１７と、演算部１８と、正送／逆送切替タイミング制御部１９を有している。一次側整流部３は、アーク溶接装置２０の外部にある入力電源から入力した入力電圧を整流する。スイッチング部４は、一次側整流部３の出力を溶接に適した出力に制御する。主変圧器２は、スイッチング部４の出力を溶接に適した出力に変換する。二次側整流部６は、主変圧器２の出力を整流する。ＤＣＬ（リアクトル）５は、二次側整流部６の出力を溶接に適した電流に平滑する。溶接電流検出部７は、溶接電流を検出する。溶接電圧検出部８は、溶接電圧を検出する。短絡時間検出部１０は溶接電圧検出部８の出力に基づいて、溶接ワイヤ２２と被溶接物２１とが短絡している時間を検出する。短絡／アーク検出部１１は、溶接電圧検出部８の出力に基づいて、溶接状態が、溶接ワイヤ２２と被溶接物２１とが短絡している短絡状態であるのか、溶接ワイヤ２２と被溶接物２１との間でアーク２３が発生しているアーク状態であるのか、を判定する。出力制御部１２は、スイッチング部４に制御信号を出力して溶接出力を制御する。短絡制御部１３は、短絡／アーク検出部１１が短絡状態であると判定した場合に、短絡期間の溶接電流である短絡電流の制御を行う。アーク制御部１４は、短絡／アーク検出部１１がアーク状態であると判定した場合に、アーク期間の溶接電流であるアーク電流の制御を行う。ワイヤ送給速度制御部１６は、ワイヤ送給部２５を制御して溶接ワイヤ２２の送給速度を制御する。ワイヤ送給速度検出部１７は、ワイヤ送給速度を検出する。演算部１８は、ワイヤ送給速度検出部１７からの信号に基づいて、所定時間や溶接ワイヤ２２の送給量の積算量を演算する。正送／逆送切替タイミング制御部１９は、演算部１８からの信号に基づいて、溶接ワイヤ２２の送給の、正送から逆送への切り替えタイミングを遅らせる制御信号や、逆送から正送への切り替えタイミングを遅らせる制御信号を出力する。
【００１４】
アーク溶接装置２０には、溶接条件設定部１５と、ワイヤ送給部２５が接続されている。溶接条件設定部１５は、アーク溶接装置２０に溶接条件を設定するために用いられる。ワイヤ送給部２５は、ワイヤ送給速度制御部１６からの信号に基づいて、溶接ワイヤ２２の送給の制御を行う。
【００１５】
アーク溶接装置２０の溶接出力は、溶接チップ２４を介して溶接ワイヤ２２に供給される。そして、アーク溶接装置２０の溶接出力により、溶接ワイヤ２２と被溶接物２１との間にアーク２３を発生させて溶接を行う。
【００１６】
次に、以上のように構成されたアーク溶接装置２０の動作について、図１を用いて説明する。
【００１７】
図１は、本実施の形態における消耗電極式のアーク溶接制御方法による出力波形を示す図である。短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返すアーク溶接における、ワイヤ送給速度Ｗｆと、溶接電流Ａｗと、溶接電圧Ｖｗの時間変化を示している。
【００１８】
図１において、溶接対象物の方向に行う正送と正送とは逆方向に行う逆送とに交互に、所定の周期と所定の振幅で周期的に変化させるワイヤ送給速度Ｗｆは、所定の周波数Ｆと所定の速度振幅ＡＶで、例えば基本波形である台形波状に、正送と逆送とを周期的に繰り返すように制御される。ただし周波数の逆数である周期Ｔは、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの短絡期間Ｔｓと、時刻ｔ２から時刻ｔ３までのアーク期間Ｔａとの和である。短絡開始から短絡開放までの短絡期間Ｔｓにおけるワイヤ送給速度Ｗｆは、正送の送給速度Ｗｆａから逆送の送給速度Ｗｆｓに向けて移行するように制御され、逆送の送給速度Ｗｆｓに達すると、この逆送の送給速度Ｗｆｓで一定となるように制御される。アーク期間Ｔａにおけるワイヤ送給速度Ｗｆは、逆送の送給速度Ｗｆｓから正送の送給速度Ｗｆａに向けて移行するように制御され、正送の送給速度Ｗｆａに達すると、この逆送の送給速度Ｗｆａで一定となるように制御される。
【００１９】
なお、ワイヤ送給速度Ｗｆの正送速度と逆送速度、すなわち、周期や振幅や傾き等の送給波形の形状は、アーク溶接装置に設定される設定電流毎に予め決められている。
【００２０】
溶接電流Ａｗの制御は、アーク期間Ｔａにおいて、所定のピーク電流値まで溶接電流を増加し、これにより、溶接ワイヤの先端の溶融速度を高めて溶滴を形成する。そして、短絡期間Ｔｓで前記溶滴を溶融プールに移行させる。これを繰り返すことで溶接を行っている。
【００２１】
なお、短絡期間Ｔｓでは、短絡状態を開放させるため、時間の経過に伴って溶接電流を増加するように制御する。そして、この増加形態としては、例えば、図１に示すように、先ず第１の電流増加傾きＡＷａ１で増加し、その後、第１の電流増加傾きＡＷａ１よりも傾きが緩やかな第２の電流増加傾きＡＷａ２で増加させる。そして、第１の電流増加傾きＡＷａ１から第２の電流増加傾きＡＷａ２に切り替わる時の電流値を屈曲点と呼ぶ。
【００２２】
なお、正送と逆送を繰り返すワイヤ送給速度Ｗｆの波形は、図１に示すような台形波状としても良いし、正弦波状としても良い。
またワイヤ送給速度Ｗｆとして、台形波状では、図１に示すように、逆送の送給速度Ｗｆｓ、正送の送給速度Ｗｆａに達するとそれぞれ一定となりそれを保持しているが、正弦波状では、送給速度の到達値を必ずしも一定値に保持しなくとも良く、逆送の送給速度Ｗｆｓ、正送の送給速度Ｗｆａにそれぞれ相当する振幅量となれば良い。
【００２３】
また図１は、ワイヤ送給速度Ｗｆと溶接電流Ａｗの時間変化を示す図であり、短絡周期の乱れや短絡時間が長くなったときのワイヤ送給制御を示す図である。これは特に、アルミやアルミ合金、銅、銅合金、ブレーズなど熱伝導率が高くジュール発熱し難い材質のワイヤを用いた場合、短絡開放がし難く、溶滴移行状態のばらつきが、短絡期間のばらつきとして顕著に表れる。
短絡期間が長くなる要因として、溶融池の不規則な運動やアーク長の変動等の外乱がある。
【００２４】
そのため、本実施の形態１では、溶接ワイヤ２２が被溶接物２１に短絡してから、溶接電圧検出部８に基づいて短絡時間検出部１０が、短絡期間Ｔｓが所定期間未満である短絡期間Ｔｓ１中は溶接ワイヤを予め定めたワイヤ送給速度の傾きＷＦｓ１とし、逆送のワイヤ送給速度Ｗｆｓで逆送する。
所定期間を超えても、短絡／アーク検出部１１で短絡開放（アーク検出）されない場合、逆送のワイヤ送給速度Ｗｆｓよりも絶対値の大きい逆送のワイヤ送給速度Ｗｆｓ’で逆送することで、溶接ワイヤ２２が被溶接物２１から短絡開放し、離脱するよう導く。
なお、所定期間とは短絡を開始してから短絡を終了（短絡開放）するまでの平均的な短絡期間であり、かつワイヤ送給速度が逆送の領域（ワイヤの送給が逆送状態）にある期間である。
【００２５】
また、所定期間は、直前の短絡期間としても良いし、前の一つ以上の短絡期間の平均値としても良い。または、所定期間を予め取得した短絡期間の平均値としても良い。
【００２６】
また、所定期間は短絡を開始してから短絡を終了（短絡開放）するまでの予め実験や経験値等により決定される平均的な短絡期間としても良い。
【００２７】
また、このときの逆送のワイヤ送給速度Ｗｆｓ’は、直前の逆送のワイヤ送給速度Ｗｆｓの絶対値の１００〜２００％に設定できるものとし、例えば、予め短絡期間の平均値と短絡期間終了時の逆送のワイヤ送給速度の平均速度を取得し、短絡期間の平均値以上の所定の期間を設定し、短絡を開始してからの短絡期間が所定期間より長くなった場合、逆送のワイヤ送給速度を予め取得した逆送の前記平均速度より絶対値の大きな値としても良い。
【００２８】
上述したように、短絡期間が所定期間よりも長くなると、逆送のワイヤ送給速度をより絶対値の大きい値にすることで早期に短絡開放へと導くことができる。
【００２９】
また、所定期間を直前の短絡期間とすれば、短絡期間の長期化からの復帰が早くなり、所定期間を前の一つ以上の短絡期間の平均値にすれば、短絡周期の安定化につながる。また、所定期間を予め取得した短絡期間の平均値とすれば、異なる溶接ワイヤやワークに応じて適切な短絡周期の安定化を実現できる。
【００３０】
（実施の形態２）
本実施の形態２は短絡期間長期化時に、短絡時の溶接電流増加に関する。
【００３１】
本実施の形態２において、実施の形態１と同様の箇所については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。実施の形態１と異なる主な点は、所定期間を超えて短絡開放（アーク検出）されない場合、図１に示すように第２の電流増加傾きＡＷａ２よりも大きな値となる、第３の電流増加傾きＡＷａ３で、溶接電流を増加させる点である。短絡時の溶接電流を増加させることで、溶接ワイヤ２２を溶融しやすくなり短絡開放を促進する効果と、溶滴に電磁的ピンチ力を作用させ、くびれを形成して離脱を促進する。
【００３２】
上述したように、短絡期間が所定期間以上継続した場合に、溶接電流を所定期間に到達した時点の溶接電流よりも大きな値にすることで、さらに短絡開放を促す（早期に短絡開放へと導く）ことができる。
【００３３】
（実施の形態３）
本実施の形態３は短絡期間の長期化によるワイヤ送給量の減少の抑制に関する。本実施の形態３において、実施の形態１、２と同様の箇所については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。実施の形態１、２と異なる主な点は、短絡開放させるまでに、逆送のワイヤ送給速度Ｗｆｓよりも絶対値の大きい、逆送のワイヤ送給速度Ｗｆｓ’で逆送した時に、逆送のワイヤ送給速度Ｗｆｓ’で逆送を継続した期間分、短絡期間が長くなり正送のワイヤ送給量が減少してしまう。これを防ぐため、逆送のワイヤ送給速度Ｗｆｓから絶対値の大きなワイヤ送給速度Ｗｆｓ’に到達する時のワイヤ送給速度の傾きＷＦｓ２を、正送のワイヤ送給速度Ｗｆａから逆送のワイヤ送給速度Ｗｆｓに到達するワイヤ送給速度の傾きＷＦｓ１よりも絶対値の大きい値とする。また、図３に示すように、逆送のワイヤ送給速度Ｗｆｓ’から正送のワイヤ送給速度Ｗｆａに移行するワイヤ送給速度の加減速度としてのワイヤ送給速度の傾きＷＦａ２を、短絡検出後経過時間であるＴ１からＴ３のように短絡が開放した時点に応じて異なる値に制御する。図３（Ｂ）に示すように、短絡が開放した時点が短絡検出後経過時間Ｔ１の時、逆送のワイヤ送給速度Ｗｆｓ’から正送のワイヤ送給速度Ｗｆａに移行するワイヤ送給速度の傾きＷＦａ２はＷＦＴ１とする。同様に、短絡が開放した時点が短絡検出後経過時間Ｔ２の時、逆送のワイヤ送給速度Ｗｆｓ’から正送のワイヤ送給速度Ｗｆａに移行するワイヤ送給速度の傾きＷＦａ２をＷＦＴ２とし、短絡検出後経過時間Ｔ３の時、逆送のワイヤ送給速度Ｗｆｓ’から正送のワイヤ送給速度Ｗｆａに移行するワイヤ送給速度の傾きＷＦａ２をＷＦＴ３とする。これにより短絡期間の長期化による次のアーク期間の長期化を防ぎ、短絡周期の乱れを抑制する。また、所定期間を超えて短絡が開放されない場合の逆送のワイヤ送給速度を絶対値の大きな値に制御する方法は、例えば図１のように正送のワイヤ送給速度Ｗｆａから逆送のワイヤ送給速度Ｗｆｓに移行するワイヤ送給速度の傾きＷＦｓ２で逆送し、一定の逆送のワイヤ送給速度Ｗｆｓ’に移行後、一定の逆送のワイヤ送給速度Ｗｆｓ’で短絡開放するまで逆送を継続しても良い。または、例えば図４のように短絡開放するまでワイヤ送給速度の傾きＷＦｓ２で逆送し続けても良いものとする。
【００３４】
上述したように、短絡期間が所定期間よりも長くなると、逆送のワイヤ送給速度をより絶対値の大きな値にすることで短絡期間の長期化を防ぐ。また、短絡開放後の逆送から正送に向かうワイヤ送給速度の傾きを、前記短絡期間が前記所定期間に到達する時点から短絡開放がされる時点までの時間に応じて、短絡が開放した時点により異なる値に制御することで、次に発生する短絡期間の長期化を防ぎ、短絡周期の乱れを抑制し短絡周期の安定化を助けることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明によれば、ワイヤ送給速度として正送と逆送を繰り返すアーク溶接において、短絡周期を安定化することにより、溶接品質の向上、また微小短絡によるスパッタ発生量を低減することができ、消耗電極である溶接ワイヤを連続的に送給しながらアーク溶接を行うアーク溶接制御方法やアーク溶接装置として産業上有用である。
【符号の説明】
【００３６】
１  入力電源
２  主変圧器（トランス）
３  一次側整流部
４  スイッチング部
５  ＤＣＬ（リアクトル）
６  二次側整流部
７  溶接電流検出部
８  溶接電圧検出部
９  短絡検出部
１０  短絡時間検出部
１１  短絡／アーク検出部
１２  出力制御部
１３  短絡制御部
１４  アーク制御部
１５  溶接条件設定部
１６  ワイヤ送給速度制御部
１７  ワイヤ送給速度検出部
１８  演算部
１９  正送／逆送切替タイミング制御部
２０  アーク溶接装置
２１  被溶接物
２２  溶接ワイヤ
２３  アーク
２４  溶接チップ
２５  ワイヤ送給部
【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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