(57)【要約】【課題】装置構成が簡素で、かつ狭隘箇所にも容易に適用することができる消耗電極式アークスポット溶接方法および消耗電極式アーク溶接装置を提供する。【解決手段】溶接作業を、アークを起動するスタート制御期間と、このスタート制御期間溶接に続き溶接を行う溶接出力制御期間と、この溶接出力制御期間に続き消耗電極の先端を整形する球滴制御期間に分ける。そして、各期間において平均アーク電圧Ｖａｖ、パルス電圧Ｖｐ、ベース電圧Ｖｂ、パルス幅Ｔｐ、ワイヤ送給速度ＷＦおよび期間の長さである時間Ｔを定める。このとき、少なくとも溶接出力制御期間は、２以上の期間に分割する。そして、時間Ｔの間、指定されたデータに基づいて溶接を行う。【選択図】　　　　図２
2004050202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アークを起動するスタート制御期間、このスタート制御期間に続き溶接を行う溶接出力制御期間、及びこの溶接出力制御期間に続き消耗電極の先端を整形する球滴制御期間の各期間中、溶接出力と消耗電極の供給速度とを制御する消耗電極式アークスポット溶接方法において、
前記溶接出力制御期間を２以上の期間に分割し、分割した各期間毎に出力レベルと前記消耗電極の供給速度の少なくとも一方を切替えることを特徴とする消耗電極式アークスポット溶接方法。
【請求項２】
前記分割した各期間は、いずれも１秒未満であることを特徴とする請求項１に記載の消耗電極式アークスポット溶接方法。
【請求項３】
前記分割した期間と次の分割した期間との間に１秒以内の溶接停止期間を設けることを特徴とする請求項１または２に記載の消耗電極式アークスポット溶接方法。
【請求項４】
前記溶接停止期間と、この溶接停止期間の直前の溶接期間との間に球滴制御期間を設けることを特徴とする請求項３に記載の消耗電極式アークスポット溶接方法。
【請求項５】
前記スタート制御期間を第１の期間とこの第１の期間に続く第２の期間に分割し、前記第１の期間における出力レベルと消耗電極の供給速度をアークの発生が容易である条件とし、前記第２の期間における出力レベルと消耗電極の供給速度を溶融池が安定に形成される条件とすることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の消耗電極式アークスポット溶接方法。
【請求項６】
溶接出力を制御する溶接出力制御手段と、消耗電極の送給量を制御する消耗電極送給制御手段と、を備え、予め設定された溶接出力を溶接部に供給する消耗電極式アーク溶接装置において、
前記溶接出力を規定するパラメータ、前記溶接出力の継続時間、及び消耗電極の送給速度のデータを組にして記憶する記憶手段と、
前記データの組を指定する指定手段と、
を備え、
前記消耗電極送給制御手段は、前記指定手段により指定された組に対応する時間、指定された速度でワイヤを供給し、前記溶接出力制御手段は、前記指定された組に対応する溶接出力を溶接部に供給することを特徴とする消耗電極式アーク溶接装置。
【請求項７】
前記組にあらかじめ番号を付与し、前記指定手段は前記番号を指定することにより前記データの組を指定することを特徴とする請求項６記載の消耗電極式アーク溶接装置。
【請求項８】
前記溶接出力の継続時間を計測する計時手段を備えていることを特徴とする請求項６記載の消耗電極式アーク溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、消耗電極を用いて比較的薄板の重ね溶接継手を溶接するための消耗電極式アークスポット溶接方法および消耗電極式アーク溶接装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、自動車ボデー等において重ね溶接継手を溶接する場合、抵抗スポット溶接が多用されている。しかし、抵抗スポット溶接の場合、その原理から、溶接継手を上下から挟み込むことが必要であり、ワーク形状によっては特殊な溶接ガンや装置を必要とする。また、溶接ガンを挿入するため、作業用の穴の加工が必要になる場合がある。さらに、亜鉛めっき鋼板を溶接する場合、めっき層の主成分である表面の亜鉛が溶接ガンの銅電極に付着して、電極寿命を低下させるといった問題もある。
【０００３】
そこで、特許第３２４５４１２号（以下、第１の従来技術という。）では、プラズマアークを用いたプラズマアークスポット溶接により、溶接継手の片面からの作業のみで重ね溶接継手を溶接している。
【０００４】
また、特開昭６３−１８８４７３号公報（以下、第２の従来技術という。）には、溶接ロボット及び溶接治具とともに使用される消耗電極を用いるアーク溶接装置として、溶接電流指令信号、溶接電圧指令信号、および溶接速度指令信号に基づいて溶接条件データバンクに記憶されているデータの中から最適値を選定して溶接出力制御を行う出力制御回路を具備するアーク溶接装置の技術が開示されている。
【０００５】
さらに、特開平１０−６００５号公報（以下、第３の従来技術という。）には、溶接ロボットを用いるアーク溶接方法として、溶接条件を変更する区間の始点と終点の位置及び始点と終点の各溶接条件を教示設定し、溶接トーチが始点から終点まで移動する間、始点における溶接条件から終点における溶接条件に徐々に変更するようにしたアーク溶接方法の技術が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記第１の従来技術では、溶接期間中にプラズマアーク電流を変化させるだけでなく、プラズマガス流量やシールドガスの成分を変更する必要がある。このため、装置構成が複雑なものになる。
【０００７】
また、プラズマアーク溶接は非消耗電極式の溶接方法であり、ギャップを有する溶接継手等では溶加材（ワイヤ）を溶接部に供給する必要がある。このため、溶接トーチが大形になり狭隘箇所への適用が困難である。
【０００８】
また、上記第２の従来技術は、パラメータの１つとしてとして溶接速度を用いるものであり、溶接速度が０であるアークスポット溶接は考慮されていない。
【０００９】
また、上記第３の従来技術も、始点と終点が同一点であるアークスポット溶接は考慮されていない。
【００１０】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、装置構成が簡素で、かつ狭隘箇所にも容易に適用することができる消耗電極式アークスポット溶接方法および消耗電極式アーク溶接装置を提供するにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、第１の手段は、アークを起動するスタート制御期間と、このスタート制御期間溶接に続き溶接を行う溶接出力制御期間と、この溶接出力制御期間に続き消耗電極の先端を整形する球滴制御期間、の各期間中、溶接出力と消耗電極の供給速度とを制御する消耗電極式アークスポット溶接方法において、前記溶接出力制御期間を２以上の期間に分割し、分割した各期間毎に出力レベルと前記消耗電極の供給速度を切替えることを特徴とする。
【００１２】
この場合、前記分割した各期間は、いずれも１秒未満に設定するとよい。また、前記分割した期間と次の分割した期間との間に１秒以内の溶接停止期間を設けるとよく、さらに、前記溶接停止期間と、この溶接停止期間の直前の溶接期間との間に球滴制御期間を設けることが好ましい。
【００１３】
加えて、前記スタート制御期間を第１の期間とこの第１の期間に続く第２の期間に分割し、前記第１の期間における出力レベルと消耗電極の供給速度をアークの発生が容易である条件とし、前記第２の期間における出力レベルと消耗電極の供給速度を溶融池が安定に形成される条件とするとよい。
【００１４】
第２の手段は、溶接出力を制御する溶接出力制御手段と、消耗電極の送給量を制御する消耗電極送給制御手段と、を備え、予め設定された溶接出力を溶接部に供給する消耗電極式アーク溶接装置において、前記溶接出力を規定するパラメータ、前記溶接出力の継続時間、及び消耗電極の送給速度のデータを組にして記憶する記憶手段と、前記データの組を指定する指定手段とを備え、前記消耗電極送給制御手段は、前記指定手段により指定された組に対応する時間、指定された速度でワイヤを供給し、前記溶接出力制御手段は、前記指定された組に対応する溶接出力を溶接部に供給することを特徴とする。
【００１５】
この場合、前記組にあらかじめ番号を付与し、前記指定手段は前記番号を指定することにより前記データの組を指定するようにすると簡単である。また、前記溶接出力の継続時間を計測する計時手段を備え、この計時手段の出力に応じて出力時間を制御するようにするとよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る消耗電極式アークスポット溶接装置の構成図である。
【００１７】
同図において、整流器１は、商用交流を直流に変換する。絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等で構成されるインバータ回路２は、整流器１から出力される直流を高周波交流に変換すると共に、溶接部に供給する溶接出力を制御する。変圧器３は、インバータ回路２で制御された出力を溶接に必要な電圧に降圧する。整流器４は、変圧器３の出力を直流に変換する。ワイヤ送給ローラ６は、ワイヤ送給制御回路１３により駆動され、溶接ワイヤ５を母材７に向けて供給する。
【００１８】
ＰＷＭ（パルス幅）制御回路８は、パルス出力制御回路９からの指令に基づいて、出力を制御するためのＰＷＭ制御信号をインバータ回路２に出力する。パルス出力制御回路９は、設定器１０によって設定されるパルスパラメータ、すなわち、パルス電圧Ｖｐ、ベース電圧Ｖｂおよびパルス幅Ｔｐと、設定器１１によって設定されるベース期間Ｔｂの値に基づいて、指令信号をＰＷＭ制御回路８に出力する。なお、この実施形態では、ベース期間Ｔｂを設定することによって平均アーク電圧Ｖａｖを制御する。
【００１９】
ＣＰＵ１２はデータテーブル１２ａ等を記憶することができる記憶領域とタイマ１２ｂ等を備えており、後述する各期間を計時すると共に、モード設定器１４および起動スイッチ１５から入力される制御信号に基づき、データテーブル１２ａに記憶されているデータをパルスパラメータ設定器１０、平均アーク電圧設定器１１およびワイヤ送給制御回路１３に出力する。
【００２０】
次に、モード番号（Ｎｏ．）とデータ番号（Ｎｏ．）について説明する。
【００２１】
データ番号は適切な溶接を行うことができる場合の溶接条件毎に整理番号を付したものであり、図４に示すように、ワイヤ送給速度ＷＦ、平均アーク電圧Ｖａｖ、パルス電圧Ｖｐ、ベース電圧Ｖｂ、パルス幅Ｔｐおよびこれらの値を維持する時間Ｔを１組にして、データテーブル１２ａに登録されている。
【００２２】
また、モード番号は溶接シーケンスの整理番号であり、図５に示すように、ある溶接作業を行う場合に使用するデータ番号を時系列順に並べたものであり、この実施形態では１回の溶接作業を、アークを起動するスタート制御期間（ＳＴＲ）と、溶接を行う溶接出力制御期間（ＷＥＬＤ）と、ワイヤの先端を整形する球滴制御期間（ＫＹＵ）と、に分けて制御する。なお、溶接出力制御期間は、０〜ｘの各期間（ステップ）に細分化されている。また、図中データ番号がＦと記載されている欄はスキップされる期間であり、ステップの実行が省略される。したがって、あるモード番号を指定すると、溶接に使用する溶接条件は一義的に決定される。
【００２３】
図２はこの実施形態の動作を示すフローチャートである。
【００２４】
図示を省略する制御電源がオンされると、ＣＰＵ１２はモード設定器１４で設定されたモード番号が変更されているかどうかを確認し（図２における手順Ｓ１００）、モード番号が変更されている場合は直ちに、Ｓ１４０の処理を行う。また、モード番号が変更されている場合は、モード番号を読み込んだ後（Ｓ１１０）、当該モード番号の各データ番号を記憶する（Ｓ１２０）と共に、溶接出力制御期間におけるデータ番号の数、すなわちステップ数ｍを設定して（Ｓ１３０）、Ｓ１４０の処理を行う。
【００２５】
Ｓ１４０では、起動スイッチ１５がオンされたかどうかを確認し、オンされていない場合はＳ１００の処理を行い、その他の場合はＳ１５０の処理を行う。
【００２６】
Ｓ１５０では、スタート制御期間に用いる制御データをデータテーブル１２ａから読み出し、読み出した平均アーク電圧（Ｖａｖ）ｓ、パルス電圧（Ｖｐ）ｓ、ベース電圧（Ｖｂ）ｓおよびパルス幅（Ｔｐ）ｓの各データを設定器１０、１１を介してパルス出力制御回路９に入力すると共に、ワイヤ送給速度（ＷＦ）ｓのデータをワイヤ送給制御回路１３に入力する（Ｓ１６０）。また、タイマ１２ｂにスタート制御時間Ｔｓを設定して（Ｓ１７０）、溶接を開始する（Ｓ１８０）。なお、各制御データの末尾に付した符号ｓはスタート制御期間に用いる制御データを表している。また、後述するように、溶接出力制御期間における上記各制御データの末尾には符号ｎを、また、球滴制御期間における各制御データの末尾には符号ｅを付してある。
【００２７】
溶接が開始され、図示を省略するアーク発生確認手段（例えば電流計）によりアークの発生が確認されると、ＣＰＵ１２はタイマ１２ｂを動作させ、スタート制御時間Ｔｓが経過するまでスタート制御期間の制御データによる溶接を継続する（Ｓ１９０）。
【００２８】
スタート制御時間Ｔｓが経過すると、ＣＰＵ１２は溶接出力制御期間のステップ数をカウントするカウンタｎをリセットし（Ｓ２００）、ステップｎ（ここでは、ｎ＝０である）に対応するデータ番号から平均アーク電圧（Ｖａｖ）ｎ、パルス電圧（Ｖｐ）ｎ、ベース電圧（Ｖｂ）ｎ、パルス幅（Ｔｐ）ｎの各データを読み出し（Ｓ２１０）、読み出した各制御データを設定器１０、１１を介してパルス出力制御回路９に入力すると共に、ワイヤ送給速度（ＷＦ）ｎをワイヤ送給制御回路１３に入力する（Ｓ２２０）。また、タイマ１２ｂに溶接出力制御時間Ｔｎを設定した後（Ｓ２３０）、（Ｖａｖ）ｎ＝１０であるかどうかを確認し、（Ｖａｖ）ｎが１０である場合はＳ３３０の処理を行い、その他の場合はＳ３００の処理を行う（Ｓ２４０）。
【００２９】
Ｓ３００では、タイマ１２ｂで計時される時間が設定された溶接出力制御時間Ｔｎに到達するまで溶接出力制御データｎによる溶接を行う。そして、溶接出力制御時間Ｔｎがタイムアップすると、カウンタｎに１を加えた後（Ｓ３１０）、カウンタｎとステップ数ｍとを比較し、ｎ＞ｍの場合はＳ３３０の処理を行い、その他の場合はＳ２１０の処理を行う（Ｓ３２０）。
【００３０】
Ｓ３３０では、球滴制御データを読み込み、読み出した平均アーク電圧（Ｖａｖ）ｅ、パルス電圧（Ｖｐ）ｅ、ベース電圧（Ｖｂ）ｅ、パルス幅（Ｔｐ）ｅの各データを設定器１０、１１を介してパルス出力制御回路９に入力すると共に、ワイヤ送給速度（ＷＦ）ｅをワイヤ送給制御回路１３に入力する（Ｓ３４０）。また、タイマ１２ｂに球滴制御時間Ｔｅを設定する（Ｓ３５０）。そして、タイマ１２ｂで計時される時間が球滴制御時間Ｔｅに到達するまで球滴制御データに基づいて溶接を行う（Ｓ３６０）。
【００３１】
球滴制御時間Ｔｅがタイムアップすると、カウンタｎとステップ数ｍとを比較し（Ｓ３７０）、ｎ＞ｍの場合はＳ３８０の処理を行い、その他の場合は総ての処理が終了したので、作業終了の処理を行う（Ｓ４１０）。
【００３２】
Ｓ３８０では、溶接一時休止時間Ｔｎの計時を開始し、溶接一時休止時間Ｔｎが経過するのを待った後（Ｓ３９０）、カウンタｎに１を加え（Ｓ４００）、Ｓ２１０の処理を行う。
【００３３】
なお、上記ではスタート制御期間における溶接条件を１種類にしたが、スタート制御期間を２つの期間に分割しても良い。
【００３４】
図３は、スタート制御期間における他の実施形態に係る制御手順を示すフローチャートであり、Ｓ１４０以前の手順およびＳ２１０以降の手順は、上記図２において説明した手順と同じであるため、図示を省略してある。
【００３５】
この実施形態では、Ｓ１４０において起動スイッチがオンされた場合には、スタート制御期間のカウンタｑをリセットしてから（Ｓ５００）、スタート制御期間に用いる平均アーク電圧（Ｖａｖ）ｑ、パルス電圧（Ｖｐ）ｑ、ベース電圧（Ｖｂ）ｑ、パルス幅（Ｔｐ）ｑの各データをデータテーブル１２ａから読み出し（Ｓ５１０）、読み出した各制御データを、設定器１０、１１を介してパルス出力制御回路９に入力すると共に、ワイヤ送給速度（ＷＦ）ｑをワイヤ送給制御回路１３に入力する（Ｓ５２０）。そして、タイマ１２ｂにスタート制御時間Ｔｑを設定して（Ｓ５３０）、溶接を開始する（Ｓ５４０）。
【００３６】
溶接が開始されアークの発生を確認すると計時を開始し、スタート制御時間Ｔｑが経過するまでスタート制御データによる溶接を継続する（Ｓ５５０）。
【００３７】
スタート制御時間Ｔｑが経過すると、カウンタｑに１を加え（Ｓ５６０）、カウンタｑの値がｑ＜２の場合はＳ５１０の処理を行い、その他の場合はＳ２１０の処理を行う（Ｓ５７０）。なお、スタート制御における第１の期間（ｑ＝１）と、第２の期間（ｑ＝２）における溶接条件の違いについては後述する。
【００３８】
本実施形態におけるアークスポット溶接条件の一例を図６に示す。
なお、この実施形態は、いずれの場合もスタート制御期間を２つの期間に分割している。
【００３９】
モードＮｏ．１は、板厚０．７ｍｍｔ、ギャップなしの重ね溶接継手に対する溶接条件であり、２段階のスタート制御、２段階の溶接出力制御および１段階の球滴制御で構成されている。
【００４０】
スタート制御における１段目の制御は、スムーズにアークを起動することができる条件が、また２段目の制御は溶融池形成の初期安定化を目的とした条件が、それぞれ選定されている。具体的には、２段目のワイヤ送給速度（ＷＦ）ｑを１段目のワイヤ送給速度（ＷＦ）ｑよりも速くしている。
【００４１】
通常、アークが発生すると同時にワイヤ先端が急速に溶融する結果、ワイヤ先端と母材との間隔が大きくなり、アークが不安定になる。しかし、２段目のワイヤ送給速度（ＷＦ）ｑを１段目のワイヤ送給速度（ＷＦ）ｑよりも速くすることにより、ワイヤの先端と母材との間隔が大きくなることを防止できると共に、溶融池を安定に形成することができる。
【００４２】
また、溶接出力制御の１段目は、主として上板を貫通して下板裏面に裏波を形成する条件が、２段目の制御は、余盛の形成と接合面積および裏波ビード形状の補正を目的とする条件が、それぞれ設定されている。
【００４３】
モードＮｏ．２は、板厚０．７ｍｍｔ、ギャップ１ｍｍの重ね溶接継手に対する溶接条件であり、２段階のスタート制御、溶接の一時休止期間を含む合計３段階の溶接出力制御および１段階の球滴制御で構成されている。
【００４４】
ギャップを有する重ね溶接継手の場合、溶融金属が溶融池の周辺部に拡がりやすく、溶接時間を長くしてもビード径が拡大するのみで上板と下板を接続することはできないため、溶接欠陥（ブリッジ不良）になる。しかし、溶接出力制御を一時休止して溶融池の冷却を促進した後、再度溶接を開始して余盛ビードを形成するようにすると、上板と下板を確実に接続することができる。
【００４５】
モードＮｏ．３は、板厚１．０ｍｍｔの重ね溶接継手に対する溶接条件であり、２段階のスタート制御、溶接の一時休止期間を含む合計３段階の溶接出力制御および１段階の球滴制御で構成されている。なお、モードＮｏ．３の条件は、ギャップ０〜１．０ｍｍまで共通して適用することができる。
【００４６】
モードＮｏ．４は、板厚１．６ｍｍｔの重ね溶接継手を溶接する場合の条件であり、２段階のスタート制御、２段階の溶接出力制御および１段階の球滴制御で構成されている。この条件も、ギャップ０〜１．０ｍｍまで共通して適用することができる。
【００４７】
モードＮｏ．５は、板厚２．３ｍｍｔ、ギャップなしの重ね溶接継手に対する溶接条件であり、２段階のスタート制御、３段階の溶接出力制御および１段階の球滴制御で構成している。通常、このような比較的厚板の継手では、上板を貫通させるためは大出力で溶接をする必要があるが、大出力の溶接を長く続けると、溶融池金属の垂れ落ちなどが生じる。このため、ある程度時間が経過した時点で出力を低下させる必要がある。この場合、複数のステップで段階的に出力を低下させるようにすると、接合面積や裏波ビード形状の制御が容易である。
【００４８】
モードＮｏ．６は、板厚２．３ｍｍｔ、ギャップ１ｍｍの重ね溶接継手に対する溶接条件であり、２段階のスタート制御、４段階の溶接出力制御および１段階の球滴制御で構成されており、ギャップがあっても適切な余盛形状を確保することができる。
【００４９】
また、パルスマグ溶接あるいはＣＯ２溶接に使用される溶接トーチは、小形であるので、狭隘箇所の溶接も容易である。
【００５０】
図７は、上記溶接条件で実施したアークスポット溶接部の断面形状を示す図であり、いずれの場合も十分な接合径が得られていることがわかる。なお、図ではスポット溶接部の断面を破線で示している。
【００５１】
なお、上記においては、パルスマグ溶接を行う場合について説明したが、溶接方法はパルスマグ溶接に限定されるものではなく、パルスなしのマグ溶接あるいはＣＯ２溶接を用いても、同様の効果を得ることができる。ＣＯ２溶接を行う場合には、図１における平均アーク電圧Ｖａｖ設定器１１の動作は多少異なったものとなるが、パルス発生回路９およびパルスパラメータ設定器１０を省略することができる。
【００５２】
また、本発明は、亜鉛めっき鋼板に限らず、亜鉛めっきがされていない通常の鋼板に対しても適用できることはいうまでもない。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、小型・軽量の溶接トーチを用いて溶接継手の片面からの作業のみで重ね継手の溶接を行うことができるため、作業性が大幅に向上する。また、溶接装置が簡素化され、溶接装置の価格も大きく低減できる。また、従来はロボットあるいは機械化溶接とせざるを得なかった作業を半自動溶接で実施することも容易となる。さらに、予めデータベースに入力されたデータを用いて溶接条件を設定できるので、作業者が行う操作はモード番号の設定と起動スイッチのＯＮ／ＯＦＦ操作だけになる。したがって、熟練度の低い作業者でも品質に優れる溶接結果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る消耗電極式アークスポット溶接装置の構成図である。
【図２】本発明の動作を示すフローチャートである。
【図３】本発明の動作を示す他のフローチャートである。
【図４】本発明に係るデータ番号の説明図である。
【図５】本発明に係るモード番号の説明図である。
【図６】本発明に係るモード番号の具体的な内容の説明図である。
【図７】本発明に係るアークスポット溶接部の断面形状の例である。
【符号の説明】
Ｖａｖ　平均アーク電圧
Ｖｐ　パルス電圧
Ｖｂ　ベース電圧
Ｔｐ　パルス幅
ＷＦ　ワイヤ送給速度
Ｔ　期間の長さ
【図１】
2004050202.tif 000003
【図２】
2004050202.tif 000004
【図３】
2004050202.tif 000005
【図４】
2004050202.tif 000006
【図５】
2004050202.tif 000007
【図６】
2004050202.tif 000008
【図７】
2004050202.tif 000009