(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーク電源に接続した広幅に揺動するＴＩＧアーク電極とワイヤ電源に接続した１本のワイヤトーチを有し、母材を前記アーク電源とワイヤ電源に接続して、前記ＴＩＧアーク電極と母材との間で発生したアークにより母材表面を溶融すると共に、前記ワイヤトーチから通電したワイヤを送給して溶接するホットワイヤ溶接装置において、
前記ワイヤトーチをＴＩＧアーク電極の揺動中央部に設け、前記ＴＩＧアーク電極が揺動中央部にあるときは前記ワイヤトーチの通電を停止することを特徴とするホットワイヤ溶接装置。
【請求項２】
アーク電源に接続した広幅に揺動するＴＩＧアーク電極とワイヤ電源に接続した２本のワイヤトーチを有し、母材を前記アーク電源とワイヤ電源に接続して、前記ＴＩＧアーク電極と母材との間で発生したアークにより母材表面を溶融すると共に、前記ワイヤトーチから通電したワイヤを送給して溶接するホットワイヤ溶接装置において、
前記２本のワイヤトーチを、ＴＩＧアーク電極の揺動右端部と左端部に各１本設け、前記ＴＩＧアーク電極が揺動右端部にあるときは右端部に設けたワイヤトーチの通電を停止し、かつ前記ＴＩＧアーク電極が揺動左端部にあるときは左端部に設けたワイヤトーチの通電を停止することを特徴とするホットワイヤ溶接装置。
【請求項３】
アーク電源に接続した広幅に揺動するＴＩＧアーク電極とワイヤ電源に接続した３本のワイヤトーチを有し、母材を前記アーク電源とワイヤ電源に接続して、前記ＴＩＧアーク電極と母材との間で発生したアークにより母材表面を溶融すると共に、前記ワイヤトーチから通電したワイヤを送給して溶接するホットワイヤ溶接装置において、
前記３本のワイヤトーチを、前記ＴＩＧアーク電極の揺動左端部、中央部及び右端部に各１本設け、前記ＴＩＧアーク電極が揺動右端部にあるときは右端部に設けたワイヤトーチの通電を停止すると共に左端部のワイヤトーチに通電し、かつ前記ＴＩＧアーク電極が揺動左端部にあるときは左端部に設けたワイヤトーチの通電を停止すると共に右端部のワイヤトーチに通電することを特徴とするホットワイヤ溶接装置。
【請求項４】
前記ワイヤトーチの通電を制御するワイヤ電源の制御装置は、一つの電源トランスから２つ以上の独立したワイヤ加熱電流を出力するように構成したことを特徴とする請求項２又は３記載のホットワイヤ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホットワイヤ溶接装置（ＴＩＧ溶接トーチ）に関し、特に母材に対して異材を幅広に肉盛するに好適なホットワイヤＴＩＧ溶接用電源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＴＩＧアークを用いて肉盛溶接する場合、従来はＴＩＧアークトーチとワイヤ添加トーチとを一体に組み合わせ、あるいはワイヤトーチを固定したままのＴＩＧアークトーチを１０Ｈｚ以下の周波数でウイービング（揺動）する装置を用いている。
【０００３】
いずれにしても１０ｍｍを超える幅でＴＩＧアークを動かす場合には、従来はスライドベースあるいはロボットに搭載してロボットのアームでＴＩＧトーチ全体を動かすのが通常で、そのようにしてアークを動かす場合には大きな機構を動かすために、ほとんどの場合が１０Ｈｚ以下の低いウイービング周波数であった。
【０００４】
これに対し、本発明者らによる特願平１１−０５５６２３号の装置、すなわち、アーク電流３００Ａ以上のＴＩＧアークを発生し、振幅１０ｍｍから５０ｍｍ、周波数３０Ｈｚなどでタングステン電極の先端を揺動させながらＴＩＧアークを用いて肉盛溶接する装置が実用されている。その装置では、１本あるいは２本、３本など複数本のホットワイヤを送給して、高能率に肉盛溶接ができるようにしている。
【０００５】
図６は特願平１１−０５５６２３号の装置の溶接ヘッド部１を略図的に示した説明図である。図７は溶進行方向から図６の溶接ヘッド部１を見たときのＴＩＧアークトーチ部２とワイヤトーチ部３と溶接電源との接続状態などを略図的に示した説明図である。
【０００６】
図６に示す溶接ヘッド部１の内部には、ＴＩＧトーチ部２を振り子状に揺動する機構が組み込まれている。即ち、先端にタングステン電極４を取り付けたトーチ部２を電磁アクチュエータ５に絶縁部材６を介して機構的に直結し、ＴＩＧトーチ部２は両側から図示していないバネで拘束しておいて、電磁アクチュエータ５に交流電流を流して揺動させ、その駆動力とバネとの作用で１０Ｈｚ以上の周波数で自励発振的に揺動するように構成しているので、常に共振あるいは共振に近い状態で揺動している。なお、ＴＩＧトーチ部２は図示していない２本の冷却水用のホースと接続しており、トーチ部２先端のタングステン電極４を保持している銅チップ７は水冷されている。
【０００７】
電磁アクチュエータ５は支持台８によって溶接ヘッド１の筐体９に固定されている。一方、添加ワイヤ１０は図示されていないワイヤ送給装置から図示されていないコンジットを経由してコンタクトチューブ１１、セラミックガイド１２を通り、母材１３上の溶融池１４へと送給される。
【０００８】
図７に示すように、ワイヤトーチ３は３ａ、３ｂ、３ｃの３本あり、それぞれ別々に３台のワイヤ加熱電源１５ａ、１５ｂ、１５ｃの＋端子側に接続されている。そして各ワイヤ電源１５ａ、１５ｂ、１５ｃの−端子側は、母材１３に接続されている。またＴＩＧトーチ部２は、アーク電源１６の−端子側に接続し、アーク電源１６の＋側端子は母材１３に接続されている。
【０００９】
このようにしてタングステン電極４と母材１３間にアーク１７（図６）が形成される。タングステン電極４の先端は電磁アクチュエータ５の軸芯軸１８を支点として図７の矢印のように振り子状に正弦波的に揺動する。軸芯軸１８からタングステン電極４の先端までは約２００ｍｍあり、ＴＩＧトーチ２が±７．１度振れるとき先端の全揺動幅は５０ｍｍとなる。
【００１０】
なお、筐体９には図示されていないガスホースが接続されており、ＴＩＧトーチ２及びワイヤトーチ３を囲む形に取り付けられたシールドノズル１９からシールドガスが流出するように構成されている。このようにしてアーク１７発生部にワイヤ１０を供給し、母材１３上に肉盛ビード２０を形成する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、ワイヤ加熱に例えば１００Ｈｚのパルス電流を用いると、その通電周波数とアークの揺動周波数が異なるので、アークの磁気吹き現象が激しく発生したり、あるいは発生しなくなったりして、アークの状態を安定化できないという問題があった。
また、ワイヤ本数分の台数のワイヤ加熱電源を用いていたので、電源設備費が高価になり、また広い設置空間が必要になるなどの問題があった。
【００１２】
本発明の課題は、ホットワイヤ溶接装置において、ワイヤ電流による磁気吹きによるアークの不安定化の問題をより少なくすることにある。
また本発明の他の課題は、ホットワイヤ溶接装置において、より経済的な、またより狭い設置空間とするワイヤ加熱用の電源を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記第１の課題を解決するため、ＴＩＧアークの揺動位相に同期するように、ワイヤ加熱電流の通電期間を制御するワイヤ加熱電源の制御装置を設けた。また、前記第２の課題を解決するために、各ワイヤが同時に通電しないように通電タイミングを制御し、１つの電源トランスから１つ以上の独立したワイヤ加熱電流を出力するように構成した。
【００１４】
すなわち、本発明は次の構成から成る。請求項１記載の発明は、アーク電源（のマイナス出力端子）に接続した広幅に揺動するＴＩＧアーク電極とワイヤ電源（のプラス出力端子）に接続した１本のワイヤトーチを有し、母材を前記アーク電源（のプラス出力端子）とワイヤ電源（のマイナス出力端子）に接続して、前記ＴＩＧアーク電極と母材との間で発生したアークにより母材表面を溶融すると共に、前記ワイヤトーチから通電したワイヤを送給して溶接するホットワイヤ溶接装置において、前記ワイヤトーチをＴＩＧアーク電極の揺動中央部に設け、前記ＴＩＧアーク電極が揺動中央部にあるときは前記ワイヤトーチの通電を停止するホットワイヤ溶接装置（ＴＩＧ溶接トーチ）である。
【００１５】
請求項２記載の発明は、アーク電源に接続した広幅に揺動するＴＩＧアーク電極とワイヤ電源に接続した２本のワイヤトーチを有し、母材を前記アーク電源とワイヤ電源に接続して、前記ＴＩＧアーク電極と母材との間で発生したアークにより母材表面を溶融すると共に、前記ワイヤトーチから通電したワイヤを送給して溶接するホットワイヤ溶接装置において、前記２本のワイヤトーチを、ＴＩＧアーク電極の揺動右端部と左端部に各１本設け、前記ＴＩＧアーク電極が揺動右端部にあるときは右端部に設けたワイヤトーチの通電を停止し、かつ前記ＴＩＧアーク電極が揺動左端部にあるときは左端部に設けたワイヤトーチの通電を停止するホットワイヤ溶接装置である。
このとき、ワイヤ電源の制御装置は２本以上の添加ワイヤの中の各ワイヤが同時に通電しないように通電タイミングを制御するように構成する。例えば、アーク電極が揺動して、アークがＲ（右）側の端側にあるときその反対側のワイヤトーチに電流を通電し、Ｌ（左）側の端側にあるときその反対側のワイヤトーチに電流を通電するように制御すると、ワイヤ電流とアーク間の距離が遠く、磁気吹きは生じない。
【００１６】
請求項３記載の発明は、アーク電源に接続した広幅に揺動するＴＩＧアーク電極とワイヤ電源に接続した３本のワイヤトーチを有し、母材を前記アーク電源とワイヤ電源に接続して、前記ＴＩＧアーク電極と母材との間で発生したアークにより母材表面を溶融すると共に、前記ワイヤトーチから通電したワイヤを送給して溶接するホットワイヤ溶接装置において、前記３本のワイヤトーチを、前記ＴＩＧアーク電極の揺動左端部、中央部及び右端部に各１本設け、前記ＴＩＧアーク電極が揺動右端部にあるときは右端部に設けたワイヤトーチの通電を停止すると共に左端部のワイヤトーチに通電し、かつ前記ＴＩＧアーク電極が揺動左端部にあるときは左端部に設けたワイヤトーチの通電を停止すると共に右端部のワイヤトーチに通電するホットワイヤ溶接装置である。
この場合、アークが揺動の中心部を通過する頃に中央部にあるワイヤトーチに電流を流すと、アークは通電しているワイヤの近くを通過するので、磁気吹きを生じる。しかし、いつも同じ状態の磁気吹きを発生するので、磁気吹きを発生したりしなくなったりした場合と比較すると、母材の溶融状態は安定している。
【００１７】
請求項４記載の発明は、前記ワイヤトーチの通電を制御するワイヤ電源の制御装置が、一つの電源トランスから２つ以上の独立したワイヤ加熱電流を出力するように構成した請求項２又は３記載のホットワイヤ溶接装置である。
これにより、前記ワイヤトーチの通電を制御するワイヤ電源の制御装置は、複数のワイヤへの通電は重複しないようにスイッチングしているので、複数のワイヤに通電する場合でも、電源の１次側の回路及びトランスは１組だけ設ければ良く、図７に示すような個別の３電源１５ａ〜１５ｃを設ける場合と比較して、電源は安価に製作でき、また小型になる。
【００１８】
こうして、ＴＩＧアーク電極を振幅１０ｍｍ以上かつ周波数１０Ｈｚ以上で広幅に揺動する構成としても母材１３の溶融状態は安定している。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図１〜図５に基づいて説明する。なお、本実施の形態のホットワイヤＴＩＧ溶接用装置のＴＩＧトーチ２の揺動機構は、図６に示すものと同一であるので、その図示と説明は省略する。
【００２０】
図１は本実施の形態に係るホットワイヤＴＩＧ溶接用装置の構成図を示し、広幅揺動ＴＩＧ溶接ヘッド１とアーク電源１６及びワイヤ電源２１との間の電気的接続関係を示している。溶接ヘッド１には３本のワイヤトーチ３ａ、３ｂ、３ｃがあり、それぞれワイヤ電源２１の＋１、＋２、＋３出力端子に接続されている。ワイヤ電源の−（マイナス）出力は母材１３と接続されている。またアーク電源１６の−（マイナス）出力は溶接トーチ２に接続され、＋（プラス）出力は母材１３と接続されており、タングステン電極４は図１の矢印のようにＲ方向、Ｌ方向と幅広く振り子状に揺動しながら母材１３との間で発生したアーク（図示せず）によって母材表面を溶融する。
【００２１】
図２は図１のワイヤ電源２１の主要回路構成を示したものである。ｕ、ｖ、ｗ入力端子から３相２００Ｖを入力し、整流回路ＲＣで直流で変換し、大容量トランジスタからなるＨブリッジ回路ＨＢで２０ＫＨｚにスイッチングしてトランスＴの一次側に接続している。トランスＴの２次側でダイオードＤ１、Ｄ２で整流しているが、その＋（プラス）側はＩＧＢＴからなるＴＲ１、ＴＲ２、ＴＲ３を経て各＋（プラス）側出力＋１、＋２、＋３に接続され、−（マイナス）側は一個の−（マイナス）出力端子に接続されている。
【００２２】
制御器ＣＴＬＲには、入力信号ｓ、ｎ、ｉ１、ｉ２、ｉ３及びｉが入ってきて、出力信号ｔ、ｔ１、ｔ２及びｔ３を出力する。入力信号ｓはＴＩＧトーチ４が振り子状に揺動する時に揺動中心からＲ側に滞在するときはハイＨに、Ｌ側に滞在するときにはロウＬを出力するトーチ位置検出センサの出力信号である。実際に出力する端子の数の信号、ｉ１、ｉ２、ｉ３はそれぞれワイヤ電源の出力端子＋１、＋２、＋３からの出力電流のピーク値を設定する電流設定信号である。ｉは２次電流を検出するホールセンサＨからの電流信号である。ｔはＨブリッジを構成しているパワートランジスタへのスイッチング信号であり、ｔ１、ｔ２、ｔ３はそれぞれ出力側をオンオフする信号である。
【００２３】
図３はワイヤを３本添加する場合について、図２のワイヤ電源２１から出力されたワイヤ加熱電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３とタングステン電極４の先端位置との関係を説明する図である。
【００２４】
ワイヤ電源２１は図２のような構成なので、以下のように動作して図３に示す出力を形成する。制御器ＣＴＬＲは出力すべき端子数を入力信号ｎで知り、揺動位相を信号ｓから求め、出力電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３の出力期間を設定する。図３のＩ１電流波形に示すように、揺動の０から２π／３迄の位相の期間をＩ１出力期間とし、その期間中はＩ１の電流設定信号ｉ１に基づいたスイッチング信号を形成してＨブリッジＨＢに出力し、同時に制御器ＣＴＬＲは制御信号ｔ１、ｔ２、ｔ３を出力して２次側のスイッチングトランジスタＴＲ１をオン、ＴＲ２、ＴＲ３をオフする。
【００２５】
電流Ｉ１が設定信号ｉ１に対応した値になっているかどうかをホールセンサＨで検出した値を制御器に戻してフィードバック制御する。同様にして揺動の２π／３から４π／３迄の位相の期間はＩ２を出力し、揺動の４π／３から０迄の位相の期間はＩ３を出力する。
【００２６】
図４はトーチ１０ａとトーチ１０ｃを使ってワイヤを２本送給した場合である。また、図５はトーチ１０ｂを使ってワイヤを１本送給した場合である。図３〜図５に示すように揺動位相に同期してワイヤ通電しているので、ワイヤ電流によってアークが磁気吹きする状態は常に一定となって安定する。図３の場合、電極４が揺動して、アークがＲ側の端側にあるときその反対側のワイヤトーチ１０ａにＩ１電流を通電し、Ｌ側の端側にあるときその反対側のワイヤトーチ１０ｃにＩ３電流を通電しているので、ワイヤ電流とアーク間の距離が遠く、磁気吹きは生じない。
【００２７】
また、アークが揺動の中心部を通過する頃に中央部にあるワイヤトーチ１０ｂにＩ２電流を流すが、このときはアークは通電しているワイヤの近くを通過するので、磁気吹きを生じる。しかし、いつも同じ状態の磁気吹きを発生するので、磁気吹きを発生したりしなくなったりした場合と比較すると、母材１３の溶融状態は安定している。
【００２８】
図４のワイヤが２本の場合は、ワイヤトーチ１０ａと１０ｃを用いて常にアークが滞在している方向と反対側にあるワイヤに通電するように制御しており、また、ワイヤが１本の場合はワイヤトーチ１０ｂを用いてアークがＬ側、Ｒ側の両端部にある時にワイヤ通電するように制御しており、このようにしてワイヤ電流によるアークの磁気吹きは生じなくしている。
【００２９】
また、ワイヤ電源２１は図２のような回路原理であり、各ワイヤ１０ａ〜１０ｃへの通電は重複しないようにスイッチングしているので、３本のワイヤ１０ａ〜１０ｃに通電する場合でも、電源の１次側の回路及びトランスＴは１組だけ設ければ良いので、図７に示すような個別の３電源１５ａ〜１５ｃを設ける場合と比較して、電源は安価に製作でき、また小型になる。
【００３０】
なお、上記の実施の形態では、ワイヤ１０ａ〜１０ｃが最大３本の場合について説明したが、４本、５本などワイヤの本数が更に増しても、同様な考え方でワイヤ電源２１を構成できる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、広幅に揺動しているアークの滞在位置と関連づけて多数のワイヤのそれぞれの通電期間を制御できるので、アークの磁気吹きの発生をより少なくでき、またアークの磁気吹きが発生する場合でも一定した状態で発生するようになるので、アークの発生及び母材の溶融状態が安定する効果がある。
【００３２】
また、本発明によれば、インバータ電源の一次回路側は１セットだけ設ければ良く、また２次側は多出力となるが、相互の制御が電源装置内部の制御装置で行われるので、全体構成は独立した多台数電源と比較して、安価に構成でき、また全体としてコンパクトに製作できるので、設置空間もより狭くなるなどの効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態に係る溶接装置の全体構成図である。
【図２】  本発明の実施の形態に係るワイヤ電源の回路原理の説明図である。
【図３】  本発明の実施の形態に係るワイヤ通電期間の説明図である。
【図４】  本発明の実施の形態に係るワイヤ通電期間の説明図である。
【図５】  本発明の実施の形態に係るワイヤ通電期間の説明図である。
【図６】  本願発明者らが先に提案した溶接装置の溶接ヘッド部の説明図である。
【図７】  本願発明者らが先に提案した溶接装置の電源も含めた構成の説明図である。
【符号の説明】
１  溶接ヘッド                ２  ＴＩＧトーチ
３  ワイヤトーチ              ４  タングステン電極
５  電磁アクチュエータ        ６  絶縁材
７  銅チップ                  ８  支持台
９  筐体                      １０  ワイヤ
１１  コンタクトチューブ      １２  セラミックガイド
１３  母材                    １４  溶融池
１５  ワイヤ電源              １６  アーク電源
１７  アーク                  １８  軸芯軸
１９  シールドノズル          ２０  肉盛ビード
２１  ワイヤ電源
【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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