(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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またはピーク電流の出力時間を、入熱状態を調整する制御パラメータに応じて変更するものであり、
前記制御パラメータは、インパルススタートであり、
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またはピーク電流の出力時間を、アークスタート時のインパルススタートの有無に応じて変更する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、短絡期間とアーク期間を繰り返して溶接を行う短絡アーク溶接であって、消耗電極である溶接ワイヤと被溶接物である母材との間にアークを発生させて溶接出力を行う際のアークスタート性能を向上させるためのアーク溶接制御方法およびアーク溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
消耗電極式のアーク溶接において、非定常状態であるアークスタート時には、スパッタの発生やアーク不安定が特に起こりやすいことから、様々な工夫がなされてきた。
【０００３】
図６は、従来の短絡アーク溶接のアークスタート制御を行う溶接電源装置の動作を説明する図である。図６（ａ）は、ワイヤ送給速度波形、図６（ｂ）は溶接電圧波形、図６（ｃ）は、溶接電流波形を示している。
【０００４】
図６に記載のワイヤ送給開始時間ｔ１のタイミングで、溶接条件設定部（図示せず）にて、設定された本溶接のワイヤ送給速度が、記憶部（図示せず）に記憶された初期短絡電流のピーク電流、ピーク電流出力時間及びスローダウン速度と共にワイヤ送給部（図示せず）に送られ、溶接ワイヤの送給が始まる。溶接ワイヤと母材が接触した事を短絡／アーク検出部（図示せず）で検出し、図６に記載のワイヤ送給速度が本溶接移行開始時間ｔ２から本溶接のワイヤ送給速度ＷＦ１へと移行する。以降、この一連の動作をアークスタート制御と呼ぶ。
【０００５】
本溶接のワイヤ送給速度または溶接電流は、母材の継手形状や板厚、ビード幅、タクトタイム等の溶接される製品要求によって条件が異なるため、種々変更して用いられる。
【０００６】
以上の従来のアークスタート制御において、アークスタートの１回目の短絡時に初期短絡電流を供給して溶接を開始する方法が知られている。
【０００７】
また、上記初期短絡電流に溶接電源の出力端子間にコンデンサを接続し、溶接の開始および終了を行うＳＷをＯＮした後に溶接ワイヤと母材が接触するまでの間にコンデンサを充電、接触した瞬間に充電された前記コンデンサを放電することで、初期短絡電流にインパルス電流を与えるインパルススタートによる入熱状態の調整が、アークスタート性の向上に効果的であることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
また、アークスタート制御の入熱状態を調整する制御パラメータとして、溶接終了モードによって溶接ワイヤの先端形状を調整する方法も知られている。一般的に軟鋼溶接の溶接終了モードには低電流を一定時間供給し、溶接ワイヤ先端に玉を生成して終了するベース終了を用い、ステンレス溶接には高ピーク電流を一定時間供給し、溶接ワイヤ先端の溶融金属を取り除く事で溶接ワイヤの先端を尖らせるパルス終了が用いられる。
【０００９】
いずれにしても、従来のアークスタート制御において初期短絡電流は、母材材質や溶接ワイヤ径によって予め定められた固定値が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平４−５９１７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来の初期短絡電流が固定値である短絡アーク溶接のアークスタート制御は、本溶接のワイヤ送給速度が高い設定時においては、入熱不足による長時間短絡が発生し、短絡開放が行われずスパッタが発生する。また、本溶接のワイヤ送給速度が低い設定時においては、入熱過多によるアーク燃え上がりが発生し、アーク不安定となるため、幅が不均一なビードが形成される。
【００１２】
また、インパルススタート使用の有無を変更する場合に、初期短絡電流が固定値であるアークスタート制御は、制御パラメータとしてインパルススタートの切替を行うと、溶接ワイヤへの入熱過多によるアーク燃え上がりが発生し、アーク不安定となるため、幅の均一なビードが形成されなくなる場合がある。
【００１３】
また、溶接終了モードのベース終了またはパルス終了を使用する場合に、初期短絡電流が固定値であるアークスタート制御は、制御パラメータとして溶接終了モードを変更すると、ベース終了とパルス終了では溶接終了後の溶接ワイヤの先端形状が異なるため、入熱不足による長時間短絡が発生し、開放が行われずスパッタが発生する場合がある。また、入熱過多による燃え上がりが発生し、アーク不安定となるため、幅が不均一なビードが形成される場合があるといった課題がある。
【００１４】
このように、従来の初期短絡電流が固定値である短絡アーク溶接のアーク溶接スタート制御では、例えばワイヤ送給速度や溶接電流や溶接終了時の方式や、ワイヤ先端の入熱状態やワイヤ先端の形状によって、入熱不足による長時間短絡が発生し、短絡開放が行われずスパッタが発生する。また、入熱過多による燃え上がりが発生し、アーク不安定となるため、幅が不均一なビードが形成されるといった課題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
また、上記課題を解決するための本発明のアーク溶接制御方法は、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またはピーク電流の出力時間を、入熱状態を調整する制御パラメータの変更に応じて変更するものであり、
前記制御パラメータは、インパルススタートであり、
アークスタート時における初期短絡電流のピーク電流またはピーク電流の出力時間を、アークスタートのインパルススタートの有無に応じて変更するものである。
【発明の効果】
【００１９】
アークスタート時の短絡を開放する初期短絡電流のピーク電流及びピーク電流の出力時間が最適化されるため、アークスタート時の入熱不足によって生じる長時間短絡が無くなると共に、入熱過多によるアーク燃え上がりも発生しなくなるため、スパッタを低減できるとともに幅の均一なビードが形成可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施の形態１における溶接電源装置の概略構成を示す図
【図２】（ａ）実施の形態１におけるワイヤ送給速度の時間変化を示す図、（ｂ）実施の形態１における溶接電圧の時間変化を示す図、（ｃ）実施の形態１におけるワイヤ送給速度が高い時（ＷＦ１）の溶接電流の時間変化を示す図、（ｄ）実施の形態１におけるワイヤ送給速度が低い時（ＷＦ２）の溶接電流の時間変化を示す図
【図３】（ａ）実施の形態１におけるワイヤ送給速度と短絡初期電流のピーク値の関係を占めす図、（ｂ）実施の形態１におけるワイヤ送給速度と短絡初期電流のピーク値出力時間の関係を示す図
【図４】（ａ）実施の形態２におけるワイヤ送給速度の時間変化を示す図、（ｂ）実施の形態２における溶接電圧の時間変化を示す図、（ｃ）実施の形態２におけるインパルススタート無時の溶接電流の時間変化を示す図、（ｄ）実施の形態２におけるインパルススタート有時の溶接電流の時間変化を示す図
【図５】（ａ）実施の形態３におけるワイヤ送給速度の時間変化を示す図、（ｂ）実施の形態３における溶接電圧の時間変化を示す図、（ｃ）実施の形態３における溶接終了モードにベース終了を選択時の溶接電流の時間変化を示す図、（ｄ）実施の形態３における溶接終了モードにパルス終了を選択時の溶接電流の時間変化を示す図
【図６】（ａ）従来のアークスタート特性におけるワイヤ送給速度の時間変化を示す図、（ｂ）従来のアークスタート特性における溶接電圧の時間変化を示す図、（ｃ）従来のアークスタート特性における溶接電流の時間変化を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（実施形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図１、図２、図３を用いて説明する。
【００２２】
図１は本実施の形態１における溶接電源装置の概略構成を示す図である。図２（ａ）はワイヤ送給速度の時間変化を示す図である。図２（ｂ）は溶接電圧の時間変化を示す図である。図２（ｃ）はワイヤ送給速度が高い時（ＷＦ１）の溶接電流の時間変化を示す図である。図２（ｄ）  はワイヤ送給速度が低い時（ＷＦ２）の溶接電流の時間変化を示す図である。
【００２３】
溶接電源装置は、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、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とを備える。
【００２４】
さらに、溶接電圧を検出する溶接電圧検出部９と、溶接電流を検出する溶接電流検出部８と、溶接電圧検出部９と溶接電流検出部８で取得した電流、電圧より短絡かアークを検出する短絡／アーク検出部１０と、アークスタート制御を補助するインパルススタート回路１１と、インパルススタートの有無及び特性を検出するインパルススタート検出部１２とを備える。
【００２５】
またさらに、溶接電流や溶接電圧やワイヤ送給速度やシールドガス種類や溶接ワイヤ種類や溶接ワイヤ径等の溶接条件を設定する溶接条件設定部１３と、溶接条件設定部１３により設定された情報や短絡初期電流のピーク電流およびピーク電流出力時間に関するパルスパラメータ等の種々のパラメータが格納されている記憶部１４とを備えている。
【００２６】
なお、駆動部７は、スイッチング部３を制御して溶接出力を制御する。
【００２７】
また、溶接ワイヤ１９は、ワイヤ送給部２０により制御されるワイヤ送給モータによって送給される。溶接ワイヤ１９には、トーチ１５に備え付けられたチップ１６を介して溶接用の電力が供給され、溶接ワイヤ１９と母材１８との間でアーク１７を発生させて溶接が行われる。
【００２８】
以上のように構成された、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本発明の溶接電源装置について、図１、図２、図３を用いてその動作を説明する。溶接条件設定部１３にて、任意のシールドガス、溶接ワイヤ種類、溶接ワイヤ径、溶接電流またはワイヤ送給速度の設定値を設定し、記憶部１４に予め記憶され、前記設定に対応する、アークスタート時に短絡を開放するための短絡初期電流のピーク電流及びピーク電流の出力時間を前記設定値に応じて選択または変更して駆動部７にその指令値を出力する。図１において、図示しない溶接起動ＳＷをＯＮすると、記憶部１４が出力した条件に基づき、ワイヤ送給部２０にワイヤ送給指令が出力される。
【００２９】
なお、アークスタートは、溶接開始時に溶接ワイヤ１９と母材１８との間の短絡を開放してアーク１７を最初に発生させる、言い換えると溶接開始時の１回目の短絡を短絡開放してアークを発生させるアーク開始の動作工程である。
【００３０】
図２において、ワイヤ送給開始時間ｔ１のタイミングで溶接ワイヤ１９が送給され始め、本溶接移行開始時間ｔ２のタイミングで溶接ワイヤ１９が母材１８に接触した事を検出する。つぎに、図２（ｃ）や（ｄ）のように、溶接条件設定部１３にて設定した条件に対応し、溶接ワイヤのワイヤ送給速度、具体的にはその設定値に応じて、アークスタート時の短絡を開放するための短絡初期電流のピーク電流及びピーク電流時間を変更する。
【００３１】
また、図３にワイヤ送給速度に対する短絡初期電流のピーク電流及びピーク電流出力時間の変化について示す。図３ではワイヤ送給速度と初期短絡電流ピーク値及びピーク電流出力時間の関係が比例し、一次曲線で表現されているが、必ずしも一次曲線である必要はない。例としてワイヤ送給速度（ＷＦ）が  ３ｍ／ｍｉｎでは、ピーク電流は約３５０Ａ前後、ピーク電流の出力時間は約２ｍｓｅｃ、ワイヤ送給速度（ＷＦ）が  １０ｍ／ｍｉｎでは、ピーク電流は約５００Ａ前後、ピーク電流の出力時間は約５ｍｓｅｃである。本溶接のワイヤ送給速度が低い設定時においては、溶接ワイヤ１９が燃え上がる傾向にあるため、入熱を減少させる事とする。また、高い設定時においては、溶接ワイヤが長時間短絡を発生しやすい傾向にあるため、入熱を増加させる事とする。
【００３２】
本実施の形態１の溶接制御方法及び溶接電源装置によれば、ワイヤ送給速度が高い設定時に発生するアークスタート時の溶接ワイヤ１９への入熱不足による長時間短絡によって生じるスパッタ発生を抑制可能であると共に、ワイヤ送給速度が低い設定時に発生するアーク燃え上がりによるアーク不安定も抑制可能となり、幅の均一なビードが形成可能となる。
【００３３】
（実施形態２）
本実施の形態について、図１、図４を用いて説明する。なお、実施の形態１と同様の箇所に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と異なるのは、インパルススタート回路１１とインパルススタート検出部１２を用いる点である。図４（ａ）は本実施の形態２におけるワイヤ送給速度の時間変化を示す図である。図４（ｂ）は溶接電圧の時間変化を示す図である。図４（ｃ）はインパルススタート無時の溶接電流の時間変化を示す図である。図４（ｄ）はインパルススタート有時の溶接電流の時間変化を示す図である。
【００３４】
インパルススタート回路を接続し、溶接ワイヤ１９が母材１８に接触した瞬間に初期短絡電流にインパルス電流を与えるインパルススタートを用いると、アークスタート時の短絡を開放するための初期短絡電流の立ち上がりが急峻となるため、アークが発生しやすくなり、アークスタート性は向上する。しかし、溶接対象物である母材の材質や溶接ワイヤ径のサイズ等によっては、溶接ワイヤ１９への入熱過多によりアーク燃え上がりが生じ、アーク不安定が生じる場合がある。そこで、インパルススタート検出部１２において、インパルススタート回路１１の接続または有効（ＯＮ）を確認し、接続または有効（ＯＮ）が確認された場合、溶接開始時のインパルススタートの有無に応じて、記憶部１４からインパルススタート時における、アークスタート時に短絡を開放するための初期短絡電流のピーク電流及びピーク電流出力時間を選定し、変更して出力することで安定したアークスタートが可能となる。
【００３５】
ピーク電流及びピーク電流出力時間のパラメータ値は、例えばインパルススタート有時はピーク電流が４００Ａ前後、ピーク電流出力時間が２ｍｓｅｃ以内、インパルススタート無時はピーク電流が５００Ａ前後、ピーク電流出力時間が５ｍｓｅｃ以内である。
【００３６】
また、実施の形態１と同様にインパルススタート回路１１及びインパルススタート検出部１２を用いた状態で、さらに、溶接ワイヤの送給速度毎に記憶部１４から初期短絡電流のピーク電流及びピーク電流短絡時間を選択し、出力する。これによって、ワイヤ送給速度の低い設定時に発生するアーク燃え上がりによるアーク不安定を防止し、ビード幅の均一化が可能となる。また、ワイヤ送給速度を高い設定時の入熱不足による長時間短絡によって生じるスパッタ発生も抑制可能となる。ワイヤ送給速度に対する短絡初期電流のパルスのピーク電流及びピーク電流出力時間の傾向は、図３と同様の動作である。
【００３７】
例えば、インパルススタートは、アルミや銅のような抵抗値が低く熱伝導率が高いため、入熱効果が薄く溶融しにくい材料の溶接時においては効果的である。しかし逆に、ステンレスのような抵抗値が高く、熱伝導率が低い材料は、入熱過多によるアーク燃え上がりによるアーク不安定を促す事になる場合も考えられる。同様にワイヤ径のサイズによってはワイヤ径が細系の場合において抵抗値が高いため、アーク燃え上がりを促す事になる場合がある。細系とは例えば０．９ｍｍ以下のワイヤ径である。
【００３８】
（実施形態３）
本実施の形態について、図１、図５を用いて説明する。なお、実施の形態１と同様の箇所には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。実施の形態１と異なるのは、溶接の開始および終了を行う溶接起動ＳＷのＯＦＦ時（ｔ３）に、予め選定されて、記憶されている記憶部１４から出力する終了電流の方式である。
【００３９】
図５（ａ）は本実施の形態３におけるワイヤ送給速度の時間変化を示す図である。（ｂ）実施の形態３における溶接電圧の時間変化を示す図である。（ｃ）実施の形態３におけるベース終了電流出力時の溶接電流の時間変化を示す図である。（ｄ）実施の形態３におけるパルス終了電流出力時の溶接電流の時間変化を示す図である。
【００４０】
上記のように、本溶接終了時間ｔ３以降にワイヤの先端の形状を調整する溶接終了モードとして、ベース終了とパルス終了という方式が知られており、ベース終了とパルス終了では溶接終了後の溶接ワイヤ１９の先端の状態が異なり、ベース終了は図５（ｃ）に記載のように溶接ワイヤ先端に玉が形成され溶接を終了する。パルス終了は図５（ｄ）に記載のように溶接ワイヤ先端が鉛筆の先のように円錐状に尖った形状で溶接を終了する。
【００４１】
溶接条件設定部１３において、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として、ベース終了とパルス終了の溶接終了モードのいずれかが選択され、記憶部１４に記憶される。溶接起動ＳＷのＯＦＦ時（ｔ３）に記憶部１４から呼び出され、選択されている、溶接終了時の溶接ワイヤの先端の形状に対応する溶接終了モードによって、次のアークスタートの際の初期短絡電流のピーク電流及びピーク電流出力時間を変更して出力することで安定したアークスタートが可能となる。
【００４２】
言い換えると、アークスタートの短絡時における短絡を開放するためのピーク電流の値またはピーク電流値の出力時間を、前回の溶接終了時の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ことで、安定したアークスタートが可能となる。
【００４３】
尚、ここで、ベース終了とパルス終了の溶接終了モードのいずれかを選択は、他の溶接条件（ワイヤ径やワイヤ材質等）の設定により自動的に選択されても良いし、作業者による個別の選択であっても良い。
【００４４】
ピーク電流及びピーク電流出力時間のパラメータ値は、例えばパルス終了では約４００Ａ前後、約３ｍｓｅｃ、ベース終了では約５００Ａ前後、約５ｍｓｅｃ以内である。
【００４５】
パルス終了を選択した場合は、ベース終了を選択した場合に比べて、初期短絡電流におけるピーク電流を低く、ピーク電流出力時間を短く設定する。
これにより、パルス終了時を選択した時の次の溶接のスタート時にアーク燃え上がりによるアーク不安定を防止し、ビード幅を均一にすることが出来る。また、ベース終了時を選択した時の次の溶接のスタート時に入熱不足による長時間短絡によって生じるスパッタ発生も抑制可能となる。
【００４６】
さらに、実施の形態１と同様に、溶接条件設定部１３にて、溶接電流または溶接ワイヤの送給速度の設定値を設定し、記憶部１４に予め記憶され、アークスタート時の短絡を開放する初期短絡電流のピーク電流及びピーク電流短絡時間を前記設定値に応じて選択または変更し、駆動部７にその指令値を出力する。これにより、ワイヤ送給速度が低い設定時に発生するアーク燃え上がりによるアーク不安定を防止し、ビード幅を均一にすることが出来る。
【００４７】
また、ワイヤ送給速度が高い設定時の入熱不足による長時間短絡によって生じるスパッタ発生も抑制可能となる。ワイヤ送給速度に対する短絡初期電流のピーク電流及びピーク電流出力時間の傾向は、図３と同様の動作とする。
【００４８】
以上のように、本実施の形態１，２，３の溶接電源装置及びアークスタート制御によれば、ワイヤ送給速度や入熱状態やワイヤの先端形状を調整する制御パラメータに応じて、アークスタート時の短絡を開放する初期短絡電流のピーク電流及びピーク電流の出力時間が最適化される。これにより、アークスタート時の入熱不足によって生じる長時間短絡が抑制できると共に、入熱過多によるアーク燃え上がりの発生を防止可能なため、ワイヤ送給速度や母材材質、溶接ワイヤ径毎の様々な溶接条件で良好なアークスタート特性が得られる。これにより、スパッタ発生を防止出来ると共に、ビード幅の均一な安定したビードが形成可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明によれば、消耗電極式のアーク溶接において、ワイヤ送給速度や溶接ワイヤの種類、シールドガスの種類、母材の材質等によらず良好なアークスタート特性が得られるため、スパッタ発生を抑制することができ、アーク燃え上がりによるアーク不安定を抑制可能であるため、ビード幅の均一な溶接が可能なアーク溶接を行うアーク溶接制御方法及びアーク溶接装置として産業上有用である。
【符号の説明】
【００５０】
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  短絡／アーク検出部
１１  インパルススタート回路
１２  インパルススタート検出部
１３  溶接条件設定部
１４  記憶部
１５  トーチ
１６  チップ
１７  アーク
１８  母材
１９  溶接ワイヤ
２０  ワイヤ送給部
ｔ１  ワイヤ送給開始時間
ｔ２  本溶接移行開始時間
ｔ３  本溶接終了時間
【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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【図６】
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