(57)【要約】【課題】  交流ＴＩＧ溶接のアークスタート時において、適正な初期クリーニング領域を形成し、電極消耗量を削減し、アーク切れの発生を抑制すること。【解決手段】  本発明は、アークスタート後に初期電極プラス期間Ｔpiの初期電極プラス電流Ｉpi及び初期電極マイナス期間Ｔni中の初期電極マイナス電流Ｉniを通電し、適正な初期クリーニング領域を形成するために定常の電極プラス電流Ｉｐよりも大きな値の初期電極プラス電流Ｉpi及び初期電極プラス期間Ｔpiを溶接電流平均値に応じて変化させ、かつ、初期電極マイナス期間Ｔniと初期電極マイナス電流Ｉniとの乗算値が初期電極プラス期間Ｔpiと初期電極プラス電流Ｉpiとの乗算値の０．６〜１．６の範囲内にあることを特徴とする交流ＴＩＧ溶接のアークスタート方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極プラス極性でアークスタートした後に、電極プラス極性で予め定めた初期電極プラス期間中は予め定めた初期電極プラス電流を通電し、続いて電極マイナス極性に切り換えて予め定めた初期電極マイナス期間中は予め定めた初期電極マイナス電流を通電し、続いて定常の電極プラス期間中の定常の電極プラス電流及び定常の電極マイナス期間中の定常の電極マイナス電流を繰り返して通電する交流ＴＩＧ溶接のアークスタート方法において、
アークスタート直後に母材表面に適正な初期クリーニング領域を形成するために前記定常の電極プラス電流よりも大きな値の前記初期電極プラス電流及び前記初期電極プラス期間を溶接電流の平均値に応じて変化させ、かつ、前記初期電極マイナス期間と前記初期電極マイナス電流との乗算値が前記初期電極プラス期間と前記初期電極プラス電流との乗算値の０．６〜１．６の範囲内にあることを特徴とする交流ＴＩＧ溶接のアークスタート方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流ＴＩＧ溶接においてアークスタート部の溶接品質を向上させるための交流ＴＩＧ溶接のアークスタート方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
交流ＴＩＧ溶接は主にアルミニウム材の溶接に使用されている。図９は、交流ＴＩＧ溶接における定常状態での溶接電流Ｉｗの典型的な波形図である。時刻ｔ１〜ｔ２の予め定めた電極プラス期間Ｔｐ中は非消耗電極が母材に対してプラス極性（以下、電極プラス極性ＥＰという）となり、予め定めた電極プラス電流Ｉｐが通電する。続く時刻ｔ２〜ｔ３の予め定めた電極マイナス期間Ｔｎ中は非消耗電極が母材に対してマイナス極性（以下、電極マイナス極性ＥＮという）となり、予め定めた電極マイナス電流Ｉｎが通電する。電極プラス期間Ｔｐ中は母材表面の酸化皮膜がクリーニング作用によって除去され、電極マイナス期間Ｔｎ中は母材への入熱が大きくなり十分な溶け込みを形成する。電極マイナス比率（ＥＮ比率）はＴｎ／（Ｔｐ＋Ｔｎ）として定義され、通常は７０％程度に設定して使用されることが多い。
【０００３】
交流ＴＩＧ溶接では、高周波高電圧を非消耗電極と母材との間に印加してアークスタートさせるのが一般的である。アークスタート後の定常状態において上述した溶接電流Ｉｗを通電して溶接が行われる。アークスタート時の溶接品質を向上させるための１つの例が特許文献１に記載されている。図１０は、特許文献１に記載する従来技術における溶接電流Ｉｗの波形図である。高周波高電圧を印加して時刻ｔ１において電極プラス極性ＥＰでアークスタートさせ、初期電極プラス期間Ｔpi中の初期電極プラス電流Ｉpiの通電及び初期電極マイナス期間Ｔni中の初期電極マイナス電流Ｉniの通電を時刻ｔ２まで数周期繰り返す。その後は、定常の電極プラス期間Ｔｐ中の定常の電極プラス電流Ｉｐの通電及び定常の電極マイナス期間Ｔｎ中の電極マイナス電流Ｉｎの通電を繰り返して溶接が行われる。この従来技術では、時刻ｔ１〜ｔ２の初期期間Ｔｉ中の交流周波数１／（Ｔpi＋Ｔni）を時刻ｔ２以降の定常状態の交流周波数１／（Ｔｐ＋Ｔｎ）よりも低く設定する。これによって、アークスタート直後のアーク切れの発生を抑制することができ、良好なアークスタート部の溶接品質を得ることができると記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平３−５０７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１０で上述した従来技術においては以下の問題がある。
（１）アークスタート直後に十分なクリーニング領域を形成できない
電極プラス極性ＥＰでアークスタートをさせて初期電極プラス電流Ｉpiを通電する理由は、この通電によって酸化皮膜を除去して初期クリーニング領域を形成することである。電極マイナス極性ＥＮからアークスタートすると、初期電極マイナス電流Ｉniの通電によって形成される溶融池内部に酸化皮膜が巻き込まれて不良な溶接ビードとなることがある。ところで、定常の溶接電流Ｉｗの平均値が変化すると溶融池の大きさが変化するために、適正な初期クリーニング領域も異なる。したがって、定常の溶接電流Ｉｗの平均値が変化するのに応じて初期クリーニング領域を形成するための初期電極プラス電流Ｉpi及び初期電極プラス期間Ｔpiを変化させる必要がある。しかし、従来技術ではこのような連動機能は有していないために、アークスタート直後の初期クリーニング領域が十分に形成されずに酸化皮膜を溶融池に巻き込み不良ビードとなる場合がある。
【０００６】
（２）アークスタート時の電極消耗量の増加及びアーク切れの発生
上記の初期電極プラス電流Ｉpi及び初期電極プラス期間Ｔpiの設定値に対する初期電極マイナス電流Ｉni及び初期電極マイナス期間Ｔniの設定値が所定の関係にない場合には、アークスタート時の電極消耗量が増加し、アーク切れも発生しやすくなる。しかし従来技術では、これら両者の関係についての記載はない。
【０００７】
そこで、本発明では、（１）アークスタート直後の初期クリーニング領域を常に適正化し、（２）アークスタート時の電極消耗量を減少させ、アーク切れの発生を抑制することができる交流ＴＩＧ溶接のアークスタート方法を提供する。
【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、第１の発明は、電極プラス極性でアークスタートした後に、電極プラス極性で予め定めた初期電極プラス期間中は予め定めた初期電極プラス電流を通電し、続いて電極マイナス極性に切り換えて予め定めた初期電極マイナス期間中は予め定めた初期電極マイナス電流を通電し、続いて定常の電極プラス期間中の定常の電極プラス電流及び定常の電極マイナス期間中の定常の電極マイナス電流を繰り返して通電する交流ＴＩＧ溶接のアークスタート方法において、
アークスタート直後に母材表面に適正な初期クリーニング領域を形成するために前記定常の電極プラス電流よりも大きな値の前記初期電極プラス電流及び前記初期電極プラス期間を溶接電流の平均値に応じて変化させ、かつ、前記初期電極マイナス期間と前記初期電極マイナス電流との乗算値が前記初期電極プラス期間と前記初期電極プラス電流との乗算値の０．６〜１．６の範囲内にあることを特徴とする交流ＴＩＧ溶接のアークスタート方法である。
【発明の効果】
【０００９】
上記第１の発明によれば、溶接電流の平均値に応じて初期クリーニング領域が適正になるように初期電極プラス電流Ｉpi及び初期電極プラス期間Ｔpiが設定され、かつ、両値Ｉpi、Ｔpiに応じて乗算値比率Ｒnpが適正範囲になるように初期電極マイナス電流Ｉni及び初期電極マイナス期間Ｔniが設定されるので、アークスタート直後に適正な初期クリーニング領域を形成し、アークスタート時の電極消耗量の削減及びアーク切れ発生の抑制を行うことができ、アークスタート部の溶接品質を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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。
【００１１】
図１は、本発明の実施の形態に係る溶接電流Ｉｗの波形図である。以下、同図を参照して説明する。
【００１２】
（１）時刻ｔ１〜ｔ２の初期電極プラス期間Ｔpi
時刻ｔ１において電極プラス極性ＥＰでアークスタートした後に、電極プラス極性ＥＰで時刻ｔ１〜ｔ２の予め定めた初期電極プラス期間Ｔpi中は、予め定めた初期電極プラス電流Ｉpiを通電する。この初期電極プラス電流Ｉpiは、アークスタート直後に母材表面に適正な初期クリーニング領域を形成するために、定常の電極プラス電流Ｉｐよりも大きな値に設定する。かつ、上述したように溶接電流Ｉｗの平均値によって形成させる溶融池の大きさが異なるので、溶接電流Ｉｗの平均値に応じて適正な初期クリーニング領域を形成するためには、初期電極プラス電流Ｉpi及び初期電極プラス期間Ｔpiを溶接電流Ｉｗの平均値に応じて変化させる必要がある。溶接電流Ｉｗの平均値は、時刻ｔ３以降の定常の電極プラス電流Ｉｐ及び定常の電極マイナス電流Ｉｎの絶対値の平均値である。通常、Ｉｐ＝Ｉｎの場合が多いので、この場合の溶接電流Ｉｗの平均値は電極プラス電流Ｉｐ及び電極マイナス電流Ｉｎと等しくなる。図２に、上記の溶接電流平均値と初期電極プラス電流Ｉpi及び初期電極プラス期間Ｔpiとの関係の一例を示す。溶接電流平均値が変化すると、特性Ｌ１に従って初期電極プラス電流Ｉpiが変化し、特性Ｌ２に従って電極プラス期間Ｔpiが変化する。
【００１３】
（２）時刻ｔ２〜ｔ３の初期電極マイナス期間Ｔni
時刻ｔ２において電極マイナス極性ＥＮに切り換わり、予め定めた初期電極マイナス期間Ｔni中は予め定めた初期電極マイナス電流Ｉniを通電する。ここで、乗算値比率Ｒnpを、初期電極マイナス期間Ｔniと初期電極マイナス電流Ｉniとの乗算値Ｔni×Ｉni及び初期電極プラス期間Ｔpiと初期電極プラス電流Ｉpiとの乗算値Ｔpi×Ｉpiによって、乗算値比率Ｒnp＝（Ｔni×Ｉni）／（Ｔpi×Ｉpi）として定義する。図３は、この乗算値比率Ｒnpとアークスタート時の電極消耗量及びアーク切れ発生回数との関係を示す図である。同図は溶接電流平均値１００Ａにおいてアーク発生時間１秒で１００回のアークスタートを行ったときの電極消耗量及びアーク切れ発生回数を測定したものである。同図に示すように、乗算値比率Ｒnpが約０．６未満では電極消耗量が大きく増加する。また、乗算値比率Ｒnpが約１．６を超えると、アーク切れの発生回数が大きく増加する。したがって、アークスタート時の電極消耗量を少なくし、かつ、アーク切れの発生を抑制するためには、乗算値比率Ｒnpは０．６〜１．６の範囲内にある必要がある。この原因についてはアークスタート時の非消耗電極の温度上昇が大きく影響している。すなわち、乗算値比率Ｒnpが上記適正範囲未満になると、非消耗電極が必要以上に加熱されて温度が高くなり過ぎて、その結果電極消耗量が増加する。他方、乗算値比率Ｒnpが上記適正範囲を超えると、非消耗電極の温度が低くなり過ぎて非消耗電極からの電子放出がしにくくなり、その結果アーク切れが発生しやすくなる。同図は溶接電流平均値が１００Ａの場合であるが、これ以外の場合でも同様の傾向にある。非消耗電極の温度上昇については後述する図４〜６において詳細に説明する。
【００１４】
（３）時刻ｔ３以降の期間
時刻ｔ３において定常の溶接電流の通電に移行し、時刻ｔ３〜ｔ４の電極プラス期間Ｔｐ中の電極プラス電流Ｉｐの通電及び時刻ｔ４〜ｔ５の電極マイナス期間Ｔｎ中の電極マイナス電流Ｉｎの通電を繰り返す。
【００１５】
図４は、上述した乗算値比率Ｒnpが上記の適正範囲にあるときの溶接電流Ｉｗ及び非消耗電極の温度Ｅｔの時間変化を示す図である。同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１でアークスタートした後に初期電極プラス電流Ｉpiの通電によって初期クリーニング領域が形成されると共に、同図（Ｂ）に示すように、非消耗電極の温度は急上昇してＥt1に達する。時刻ｔ２において電極マイナス極性ＥＮに切り換わり初期電極マイナス電流Ｉniが通電すると、非消耗電極から電子が放出されるためにエネルギーが奪われて非消耗電極の温度は降下してＥt2になる。これ以降も電極プラス期間Ｔｐ中は温度は上昇し、電極マイナス期間Ｔｎ中は降下する。このときに、乗算値比率Ｒnpが適正範囲内であれば温度Ｅt2が適正範囲内になるのでそれ以降の温度も適正範囲内で変化する。この結果、非消耗電極の温度が高くなり過ぎることによる電極消耗量の増加は生じず、反対に低くなり過ぎることによるアーク切れも発生しない良好な溶接品質を得ることができる。
【００１６】
図５は、乗算値比率Ｒnpが適正範囲よりも小さいときの溶接電流Ｉｗ及び非消耗電極の温度Ｅｔの時間変化を示す図である。同図では、初期電極プラス電流Ｉpi及び初期電極プラス期間Ｔpiは上述した図４と同一である。乗算値比率Ｒnpを変化させるために初期電極マイナス電流Ｉniは変えずに初期電極マイナス期間Ｔniだけを短くした場合である。もちろん初期電極マイナス電流Ｉniも変えて乗算値比率Ｒnpを変化させてもよい。
【００１７】
同図において温度Ｅt1は図４と同一であるが、温度Ｅt3は初期電極マイナス期間Ｔniが短くなっているので図４の温度Ｅt2よりも高くなる。この結果、非消耗電極の温度が高くなり過ぎるためにアークスタート時の電極消耗量が増加する。この状態が上述した図３の乗算値比率Ｒnp＜０．６の状態となる。
【００１８】
また図６は、乗算値比率Ｒnpが適正範囲よりも大きいときの溶接電流Ｉｗ及び非消耗電極の温度Ｅｔの時間変化を示す図である。同図では、初期電極プラス電流Ｉpi及び初期電極プラス期間Ｔpiは上述した図４と同一である。乗算値比率Ｒnpを変化させるために初期電極マイナス電流Ｉniは変えずに初期電極マイナス期間Ｔniだけを長くした場合である。もちろん初期電極マイナス電流Ｉniも変えて乗算値比率Ｒnpを変化させてもよい。
【００１９】
同図において温度Ｅt1は図４と同一であるが、温度Ｅt4は初期電極マイナス期間Ｔniが長くなっているので図４の温度Ｅt2よりも低くなる。この結果、非消耗電極の温度が低くなり過ぎるために電極マイナス極性における電子放出がされにくくなりアーク切れが発生しやすくなる。この状態が上述した図３の乗算値比率Ｒnp＞１．６の状態となる。
【００２０】
上述したように、アークスタート時の電極消耗量を少なくし、かつ、アーク切れの発生を抑制するためには、乗算値比率Ｒnpが上記の適正範囲になるように初期電極マイナス電流Ｉni及び初期電極マイナス期間Ｔniを設定する必要がある。
【００２１】
図７は、本発明を実施するための溶接電源のブロック図である。以下、同図を参照して各回路について説明する。
【００２２】
インバータ回路ＩＮＶは、商用交流電源ＡＣ（３相２００Ｖ等）を入力として、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってインバータ制御を行い高周波交流を出力する。高周波変圧器ＩＮＴは、上記の高周波交流をアーク負荷に適した電圧値に降圧する。整流器Ｄ１〜Ｄ４は、降圧された高周波交流を整流して直流出力に変換する。電極プラストランジスタＰＴＲは、電極プラス駆動信号Ｐdrによって電極プラス期間中導通する。電極マイナストランジスタＮＴＲは、電極マイナス駆動信号Ｎdrによって電極マイナス期間中導通する。リアクトルＷＬは、溶接電流Ｉｗを平滑する。溶接トーチ４の先端に取り付けられた非消耗電極１と母材２との間にアーク３が発生する。
【００２３】
電流検出回路ＩＤは、交流の溶接電流Ｉｗを検出して絶対値に変換し、電流検出信号Ｉｄを出力する。電流通電判別回路ＣＤは、アークスタートし溶接電流Ｉｗが通電したことを上記の電流検出信号Ｉｄによって判別してＨｉｇｈレベルとなる電流通電判別信号Ｃｄを出力する。電極プラス期間設定回路ＴＰＳは、上記の電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルになってから１回目は予め定めた初期電極プラス期間となり２回目以降は予め定めた定常の電極プラス期間となる電極プラス期間設定信号Ｔpsを出力する。電極マイナス期間設定回路ＴＮＳは、上記の電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルになってから１回目目は予め定めた初期電極マイナス期間となり２回目以降は予め定めた定常の電極マイナス期間となる電極マイナス期間設定信号Ｔnsを出力する。極性切換信号タイマ回路ＴＭは、上記の電極プラス期間設定信号Ｔpsによって定まる期間中はＨｉｇｈレベルとなり、上記の電極マイナス期間設定信号Ｔnsによって定まる期間中はＬｏｗレベルとなる極性切換信号Ｔｍを出力する。駆動回路ＤＲは、上記の極性切換信号ＴｍがＨｉｇｈレベルのときは電極プラストランジスタＰＴＲを導通させる電極プラス駆動信号Ｐdrを出力し、Ｌｏｗレベルのときは電極マイナストランジスタＮＴＲを導通させる電極マイナス駆動信号Ｎdrを出力する。
【００２４】
電極プラス電流設定回路ＩＰＳは、上記の電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルになってから１回目目は予め定めた初期電極プラス電流となり２回目以降は予め定めた定常の電極プラス電流となる電極プラス電流設定信号Ｉpsを出力する。電極マイナス電流設定回路ＩＮＳは、上記の電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルになってから１回目目は予め定めた初期電極マイナス電流となり２回目以降は予め定めた定常の電極マイナス電流となる電極マイナス電流設定信号Ｉnsを出力する。電流設定切換回路ＳＩは、上記の極性切換信号Ｔｍを入力し、Ｈｉｇｈレベルのときはａ側に切り換わり上記の電極プラス電流設定信号Ｉpsを電流制御設定信号Ｉscとして出力し、Ｌｏｗレベルのときはｂ側に切り換わり上記の電極マイナス電流設定信号Ｉnsを電流制御設定信号Ｉscとして出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流制御設定信号Ｉsc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。この結果、電流制御設定信号Ｉscに従って図１で上述した電流波形の溶接電流Ｉｗが通電する。
【００２５】
図８は、上述した図７において初期電極プラス電流Ｉpi、初期電極プラス期間Ｔpi、初期電極マイナス電流Ｉni及び初期電極マイナス期間Ｔniの設定方法を示すフローチャートである。以下、同図を参照して説明する。
【００２６】
ステップＳＴ１において、ワークに適した定常の電極プラス電流Ｉｐ、定常の電極プラス期間Ｔｐ、定常の電極マイナス電流Ｉｎ及び定常の電極マイナス期間Ｔｎを設定する。ステップＳＴ２において、上記のＩｐ、Ｔｐ、Ｉｎ及びＴｎから溶接電流平均値を算出する。上述したように、Ｉｐ＝Ｉｎの場合には溶接電流平均値はＩｐ及びＩｎと等しくなる。ステップＳＴ３において、上記の溶接電流平均値を入力として、図２で上述したように予め定めた関数によって初期電極プラス電流Ｉpi及び初期電極プラス期間Ｔpiを算出する。ステップＳＴ４において、上記のＩpi及びＴpiを入力として、乗算値比率Ｒnpが所定値になるように予め定めた関数によって初期電極マイナス電流Ｉni及び初期電極マイナス期間Ｔniを算出する。例えば、Ｉpi＝Ｉniとし、乗算値比率Ｒnp＝１．２（０．６〜１．６の範囲内の値）とすると、Ｔni＝Ｔpi×１．２によって算出することができる。また、Ｔni＝Ｔpiとすると、Ｉni＝Ｉpi×１．２によって算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態に係る交流ＴＩＧ溶接のアークスタート方法を示す電流波形図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る溶接電流平均値と初期電極プラス電流Ｉpi及び初期電極プラス期間Ｔpiとの関係の一例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る乗算値比率Ｒnpとアークスタート時の電極消耗量及びアーク切れ発生回数との関係を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態において、乗算値比率Ｒnpが適正値のときの溶接電流Ｉｗ及び非消耗電極の温度Ｅｔの時間変化を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態において、乗算値比率Ｒnpが適正値よりも小さい値のときの溶接電流Ｉｗ及び非消耗電極の温度Ｅｔの時間変化を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態において、乗算値比率Ｒnpが適正値よりも大きい値のときの溶接電流Ｉｗ及び非消耗電極の温度Ｅｔの時間変化を示す図である。
【図７】本発明を実施するための溶接電源のブロック図である。
【図８】図７の溶接電源において、初期電極プラス電流Ｉpi、初期電極プラス期間Ｔpi、初期電極マイナス電流Ｉni及び初期電極マイナス期間Ｔniの設定方法を示すフローチャートである。
【図９】従来技術における交流ＴＩＧ溶接の定常状態での電流波形図である。
【図１０】従来技術における交流ＴＩＧ溶接のアークスタート時の電流波形図である。
【符号の説明】
【００２８】
１            非消耗電極
２            母材
３            アーク
４            溶接トーチ
ＣＤ            電流通電判別回路
Ｃｄ            電流通電判別信号
Ｄ１〜Ｄ４        整流器
ＤＲ            駆動回路
ＥＩ            電流誤差増幅回路
Ｅｉ            電流誤差増幅信号
ＥＮ            電極マイナス極性
ＥＰ            電極プラス極性
Ｅｔ            非消耗電極の温度
ＩＤ            電流検出回路
Ｉｄ            電流検出信号
Ｉｎ            （定常の）電極マイナス電流
Ｉni            初期電極マイナス電流
ＩＮＳ            電極マイナス電流設定回路
Ｉns            電極マイナス電流設定信号
ＩＮＴ            高周波変圧器
ＩＮＶ            インバータ回路
Ｉｐ            （定常の）電極プラス電流
Ｉpi            初期電極プラス電流
ＩＰＳ            電極プラス電流設定回路
Ｉps            電極プラス電流設定信号
Ｉsc            電流制御設定信号
Ｉｗ            溶接電流
Ｎdr            電極マイナス駆動信号
ＮＴＲ            電極マイナストランジスタ
Ｐdr            電極プラス駆動信号
ＰＴＲ            電極プラストランジスタ
Ｒnp            乗算値比率
ＳＩ            電流設定切換回路
Ｔｉ            初期期間
ＴＭ            極性切換信号タイマ回路
Ｔｍ            極性切換信号
Ｔｎ            （定常の）電極マイナス期間
Ｔni            初期電極マイナス期間
ＴＮＳ            電極マイナス期間設定回路
Ｔns            電極マイナス期間設定信号
Ｔｐ            （定常の）電極プラス期間
Ｔpi            初期電極プラス期間
ＴＰＳ            電極プラス期間設定回路
Ｔps            電極プラス期間設定信号
ＷＬ            リアクトル
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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