JP2007313513A - 消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 消耗電極アーク溶接のアンチスティック制御時のスパッタ発生を抑制する。
【解決手段】 本発明は、消耗電極アーク溶接を行っているときに、溶接電源に溶接終了信号Ｏｎが入力されると送給モータは慣性によって減速して停止し、この慣性期間Ｔｋ中の予め定めた切換タイミングに溶接電流Ｉｗをパルス電流に切り換えて通電して溶接を終了する消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法において、前記溶接終了信号Ｏｎが入力される以前の溶接中に短絡と短絡との間のアーク期間Ｔａの平均値である平均アーク時間を算出し、この平均アーク時間に０．３〜０．７の範囲で所定の係数を乗じて切換遅延時間Ｔｄを算出し、前記パルス電流への切換を、前記切換タイミングが経過した後にアーク期間か始めて前記切換遅延時間Ｔｄに達した時点で行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、消耗電極アーク溶接において溶接終了時の溶接品質を向上させるための消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法に関するものである。

ＣＯ2溶接、ＭＡＧ溶接、ＭＩＧ溶接等の消耗電極アーク溶接においては、溶接終了時に溶接ワイヤが溶融池に溶着（スチック）するのを防止し、溶接終了時に形成されるワイヤ先端粒のサイズを適正化して次のアークスタート性を良好にするための溶接終了制御（アンチスチック制御）が行われる。この溶接終了制御は、送給モータに停止信号が入力されてから送給モータが慣性によって過渡的に減速して停止するまでの慣性期間における溶接電流及び溶接電圧の制御である。パルス電流を通電しない直流又は交流の消耗電極アーク溶接では出力は定電圧制御されているので、慣性期間中も溶接電圧値を低くする定電圧制御が行われるのが一般的である。このために、アークが燃え上がりアークきれを発生して溶接が終了するので、ワイヤ先端粒径は大きくなりやすい。これを改善するための従来技術として、パルス電流を通電しない消耗電極アーク溶接において、慣性期間中にパルス電流を通電してワイヤ先端粒径を小さくする溶接終了制御方法が慣用されている。以下、この従来技術について説明する。

図５は、非パルス消耗電極アーク溶接において慣性期間中にパルス電流を通電する溶接終了制御方法を示す波形図である。同図（Ａ）は起動信号Ｏｎを示し、同図（Ｂ）は送給速度ｖｆを示し、同図（Ｃ）は溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｄ）は溶接電圧Ｖｗを示す。起動信号ＯｎはＨｉｇｈレベルで溶接開始信号になり、Ｌｏｗレベルで溶接終了信号になる。以下、同図を参照して説明する。

時刻ｔ４以前の定常溶接期間中は、同図（Ａ）に示すように、起動信号ＯｎはＨｉｇｈレベル（溶接開始信号）であるので、同図（Ｂ）に示すように、送給速度ｖｆは予め定めた一定送給速度であり、定常の消耗電極アーク溶接が行われる。時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間Ｔｓ中は溶接ワイヤが溶融池と短絡しており、同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗは増加し、同図（Ｄ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは低い短絡電圧値になる。時刻ｔ２〜ｔ３のアーク期間Ｔａ中はアークが発生しており、同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗは減少し、同図（Ｄ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは高いアーク電圧値に上昇する。定常期間中は、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを繰り返す。

時刻ｔ４において、同図（Ａ）に示すように、起動信号ＯｎがＬｏｗレベル（溶接終了信号）に変化すると、同図（Ｂ）に示すように、送給モータに停止信号が入力されて送給速度ｖｆは慣性期間Ｔｋを経て時刻ｔ５に停止する。この慣性期間Ｔｋは数百ms程度である。時刻ｔ４において起動信号Ｏｎが溶接終了信号に変化したことに応動して、同図（Ｃ）に示すように、パルス電流を通電し、同図（Ｄ）に示すように、パルス電圧が印加する。同図（Ｂ）に示すように、送給速度ｖｆが略ゼロとなり送給が停止する時刻ｔ５付近において、同図（Ｃ）に示すように、最後のパルス電流Ｉpeを通電して溶滴を移行させてワイヤ先端粒径を小さくして溶接を終了する。ワイヤ先端粒径は小さすぎるよりも所望値である方が次のアークスタート性が良好になる場合もあり、このような場合には最後のパルス電流Ｉpeに続けて所定期間のベース電流を通電して所望の先端粒を形成する。また、同図においてはパルス電流への切換タイミングを溶接終了信号が入力された時点からとしたが、送給速度ｖｆが所定値（例えば略ゼロ）まで減速した時点とする場合もある。上述したような溶接終了制御は、ワイヤ先端粒径が大きくなりやすいステンレス鋼のＭＩＧ溶接には特に効果が大きい（例えば、特許文献１、２参照）。

特開平４−１１１９７２号公報 特開平９−２６７１７１号公報

上述したように、従来技術では、慣性期間Ｔｋ中のパルス電流への切換タイミングと一致してパルス電流の通電が開始する。この切換タイミングは、慣性期間ＴＫの開始時点、慣性による送給速度が所定値まで減速した時点等のように予め定めたタイミングである。このために、切換タイミングにおけるアーク発生状態とは関係なくパルス電流の通電が開始される。この結果、以下のような問題が発生する。

図６は、上述した図５に対応する波形図であり、同図（Ｆ１）〜（Ｆ３）に各時刻におけるアーク発生状態を示す。同図（Ａ）〜（Ｄ）の各信号は図５と同一である。同図は、時刻ｔ４において起動信号ＯｎがＬｏｗレベル（溶接終了信号）に変化して慣性期間Ｔｋに入った時点が切換タイミングの場合である。

時刻ｔ４の直前において、同図（Ｆ１）に示すように、溶接ワイヤ１の溶滴は溶融地２に移行し、同図（Ｆ２）に示すように、短絡が解除されてアーク３が発生する。この短絡が解除されて溶融地２が盛り上がった状態で時刻ｔ４になるので、同図（Ｃ）に示すように、大電流値のパルス電流が通電する。この大電流の通電による強いアーク力によって、同図（Ｆ３）に示すように、溶融池から大量のスパッタが発生して溶接品質が悪くなる。

図７は、上述した図５に対応する波形図であり、同図（Ｆ１）〜（Ｆ３）に各時刻におけるアーク発生状態を示す。同図（Ａ）〜（Ｄ）の信号は図５と同一である。同図は、時刻ｔ４において起動信号ＯｎがＬｏｗレベル（溶接終了信号）に変化して慣性期間Ｔｋに入った時点が切換タイミングの場合である。

時刻ｔ３１において、同図（Ｆ１）に示すように、短絡が解除されてアーク３が再発生する。その後アーク期間が長く続き、時刻ｔ４の直前において、同図（Ｆ２）に示すように、溶滴４が大きく成長し短絡寸算の状態になる。この状態で時刻ｔ４になるので、同図（Ｃ）に示すように、大電流値のパルス電流が通電する。この大電流の通電による強い電磁的ピンチ力によって、同図（Ｆ３）に示すように、溶滴から大量のスパッタが発生して溶接品質が悪くなる。

上述したように、慣性期間におけるパルス電流への切換タイミングがアーク状態と無関係であるために、パルス電流通電開始字にスパッタが発生して溶接品質が悪くなるという問題があった。

そこで、本発明では、慣性期間におけるパルス電流の通電開始時点での溶接品質の低下を抑制することができる消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法を提供する。

上述した課題を解決するために、第１の発明は、パルス電流を通電しないで短絡を伴う消耗電極アーク溶接を行っているときに、溶接電源に溶接終了信号が入力されると送給モータに停止信号を出力し、この停止信号を受けて前記送給モータは慣性によって減速して停止し、この慣性期間中の予め定めた切換タイミングに溶接電流をパルス電流に切り換えて通電して溶接を終了する消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法において、
前記溶接終了信号が入力される以前の溶接中に短絡と短絡との間のアーク期間の平均値である平均アーク時間を算出し、この平均アーク時間に０．３〜０．７の範囲で所定の係数を乗じて切換遅延時間を算出し、
前記パルス電流への切換を、前記切換タイミングが経過した後にアーク期間が始めて前記切換遅延時間に達した時点で行う、ことを特徴とする消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法である。

第２の発明は、前記切換タイミングを、前記慣性期間の開始時点に設定する、ことを特徴とする第１の発明記載の消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法である。

第３の発明は、前記切換タイミングを、前記慣性期間中の送給速度が所定値まで減速した時点に設定する、ことを特徴とする第１の発明記載の消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法である。

第４の発明は、前記平均アーク時間を、前記慣性期間の直前の所定期間中に算出する、ことを特徴とする第１〜第３の発明のいずれか１項に記載の消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法である。

第５の発明は、前記消耗電極アーク溶接が、電極マイナス極性消耗電極アーク溶接又は交流消耗電極アーク溶接である、ことを特徴とする第１〜第４の発明のいずれか１項に記載の消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法である。

上記第１の発明によれば、溶接終了信号が入力される以前の期間中において平均アーク時間を算出し、これに係数を乗じて切換遅延時間を算出する。そして、溶接終了信号が入力されて慣性期間に入り所定の切換タイミングが経過し、かつ、アーク期間が切換遅延時間に達した時点でパルス電流の通電を開始する。このために、溶滴が適正な大きさになった時点でパルス電流が通電を開始するので、スパッタの発生が少ない円滑な切り換えを行うことができる。

上記第２の発明によれば、切換タイミングを慣性期間の開始時点に設定した場合でも、上記第１の発明の効果を奏する。

上記第３の発明によれば、切換タイミングを慣性期間中の送給速度が所定値まで減速した時点にに設定した場合でも、上記第１の発明の効果を奏する。

上述第４の発明によれば、平均アーク時間を慣性期間の直前の所定期間中に算出する。このために慣性期間中のアーク状態と略同じ状態で平均アーク時間を算出することができるので、パルス電流通電開始時の溶滴サイズをより正確に適正値にすることができ、スパッタ発生をさらに抑制することができる。

上記第５の発明によれば、消耗電極アーク溶接が電極マイナス極性消耗電極アーク溶接又は交流消耗電極アーク溶接である場合でも本発明を適用することができる。

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。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法を示す波形図である。同図（Ａ）は起動信号Ｏｎを示し、同図（Ｂ）は送給速度ｖｆを示し、同図（Ｃ）は溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｄ）は溶接電圧Ｖｗを示し、同図（Ｆ１）〜（Ｆ３）は各時刻におけるアーク状態を示す。同図は、上述した図５と対応している。以下、同図を参照して説明する。

時刻ｔ４以前の所定期間（数十ms〜数秒）中に発生したアーク期間Ｔａの平均値である平均アーク時間Ｔavを算出する。そして、この平均アーク時間Ｔavに０．３〜０．７の範囲で係数を乗じて切換遅延時間Ｔｄを算出する。係数の意味については後述する。

時刻ｔ２において、同図（Ａ）に示すように、起動信号ＯｎがＬｏｗレベル（溶接終了信号）に変化すると、送給モータに停止信号が入力されて、同図（Ｂ）に示すように、送給速度ｖｆは慣性により緩やかに減速して時刻ｔ４において停止する。時刻ｔ３においてアーク期間が上記の切換遅延時間Ｔｄに達すると、同図（Ｃ）に示すように、パルス電流の通電を開始する。したがって、パルス電流の通電は、所定の切換タイミング（時刻ｔ２）が経過し、かつ、それ以降においてアーク期間が切換遅延時間Ｔｄに達した時点である・

時刻ｔ１において、同図（Ｆ１）に示すように、短絡が解除されてアーク３が再発生する。このとき、溶接ワイヤ１の先端の溶滴は短絡によって移行しているので溶滴はほとんど存在しない。時刻ｔ３直前において、同図（Ｆ２）に示すように、小さな溶滴が形成された状態になる。これは、時刻ｔ１〜ｔ３のアーク期間が切換遅延時間Ｔｄであり、切換遅延時間Ｔｄは平均アーク時間Ｔavの０．３〜０．７の係数を乗じた時間となる。したがって、平均アーク時間Ｔavが経過した時点付近で大きな溶滴に成長して短絡が発生するので、切換遅延時間Ｔｄが経過した時点では溶滴４は小さい状態である。時刻ｔ３において、同図（Ｆ３）に示すように、パルス電流が通電すると、溶滴４はスパッタを発生することなくスプレー移行する。上記の係数が０に近い値であると、図６で上述したように、短絡解除直後にパルス電流を通電することになり、溶融池からスパッタが発生する。また、係数が１に近い値になると、図７で上述したように、溶滴が大きく成長しておりパルス電流の通電で溶滴からスパッタが発生する。したがって、係数は０．３〜０．７の範囲が適正である。上記の平均アーク時間Ｔavを、時刻ｔ２までの全溶接期間中又は一部期間中において算出しても良い。

図２は、上述した実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法を実施するための溶接電源ＰＳのブロック図である。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。

電源主回路ＰＭは、３相２００Ｖ等の商用電源を入力として、後述する駆動信号Ｄｖに従ってインバータ制御、サイリスタ位相制御等の出力制御を行い、アーク溶接に適した溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力する。溶接ワイヤ１は、送給モータＭに結合された送給ロール７によって溶接トーチ６内を送給されて、母材（溶融池２）との間でアーク３が発生する。

送給制御回路ＦＣは、外部からの起動信号Ｏｎを入力として、起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベル（溶接開始信号）のときは送給モータを所定値で回転させ、Ｌｏｗレベル（溶接終了信号）のときは回転を停止させる送給制御信号Ｆｃを出力する。慣性期間オフディレイ回路ＯＤは、上記の起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変化するのを予め定めた慣性期間に相当する期間だけ遅延させて慣性期間オフディレイ信号Ｏｄを出力する。

電流検出回路ＩＤは、溶接電流Ｉｗを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。電圧検出信号ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。アーク期間計測回路ＴＡは、短絡が解除されてアークが再発生した時点からのアーク期間の経過時間を計測して、アーク期間信号Ｔａを出力する。切換遅延時間算出回路ＴＤは、定常溶接期間中の上記アーク期間信号Ｔａを平均化して平均アーク時間を算出し、これに予め定めた係数を乗して、切換遅延時間信号Ｔｄを出力する。切換制御回路ＳＣは、上記の起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベルになるとＨｉｇｈレベルにになり、Ｌｏｗレベルに変化した後に上記のアーク期間信号Ｔａが上記の切換遅延時間信号Ｔｄの値と等しくなった時点でＬｏｗレベルになる切換制御信号Ｓｃを出力する。

電圧設定回路ＶＲは、予め定めた電圧設定信号Ｖｒを出力する。パルス電流設定回路ＩＰＲは、パルス電流及びベース電流から形成されるパルス電流設定信号Ｉprを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の電圧設定信号Ｖｒと電圧検出信号Ｖｄとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記のパルス電流設定信号Ｉprと電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。切換回路ＳＷは、上記の切換制御信号ＳｃがＨｉｇｈレベル（非パルス通電期間）のときはａ側に切り換わり上記の電圧誤差増幅Ｅｖを誤差増幅信号Ｅａとして出力氏し、Ｌｏｗレベル（パルス通電期間）のときは上記の電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。したがって、切換制御信号ＳｃがＨｉｇｈレベルのときは一般的な消耗電極アーク溶接電源と同様に定電圧制御となり、Ｌｏｗレベルのときは定電流制御となりパルス電流（ベース電流も含む）が通電する。このときに図示していないが、パルス電流を通電する周期を上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖに基づいて可変することで、この期間中のアーク長を制御する。駆動回路ＤＶは、上記の慣性期間オフディレイ信号ＯｄがＨｉｇｈレベルの間（定常溶接機間＋慣性期間）は、上記の誤差増幅信号Ｅａに基づいてＰＷＭ制御等を行い、駆動信号Ｄｖを出力する。

上述した実施の形態１によれば、溶接終了信号が入力される以前の期間中において平均アーク時間を算出し、これに係数を乗じて切換遅延時間を算出する。そして、溶接終了信号が入力されて慣性期間に入り所定の切換タイミングが経過し、かつ、アーク期間が上記の切換遅延時間に達した時点でパルス電流の通電を開始する。このために、溶滴が適正な大きさになった時点でパルス電流が通電を開始するので、スパッタの発生が少ない円滑な切り換えを行うことができる。

［実施の形態２］
図３は、切換タイミングを慣性期間Ｔｋ中に送給速度ｖｆが所定値まで減速した時点に設定した場合の図１に対応する波形図である。以下、図１と異なる点についてのみ説明する。

時刻ｔ１において、同図（Ａ）に示すように、起動信号ＯｎがＬｏｗレベル（溶接終了信号）に変化すると、同図（Ｂ）に示すように、送給速度ｖｆが慣性によって減速する。時刻ｔ３において、送給速度ｖｆが所定値ｖftまで減速すると切換タイミングとなる。その後、時刻ｔ４においてアーク期間が算出された切換遅延時間Ｔｄに達すと、同図（Ｃ）に示すように、パルス電流の通電を開始する。このパルス電流通電時の溶滴の大きさは適正サイズであるので、スパッタ発生の少ない円滑な切り換えとなる。

図４は、上述した実施の形態２に係る消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法を実施するための溶接電源のブロック図である。同図において上述した図２と同一のブロックには同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図２とは異なる点線で示すブロックについて説明する。

比較回路ＣＭは、送給モータＭの送給速度検出信号ｖfdを入力として、慣性期間中に所定ｖftまで減速したときにＨｉｇｈレベルとなる比較信号Ｃｍを出力する。この比較信号ＣｍがＨｉｇｈレベルになる時点が所定の切換タイミングとなる。第２切換制御回路ＳＣ２は、起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベル（溶接開始信号）になるとＨｉｇｈレベルになり、上記の比較信号ＣｍがＨｉｇｈレベルに変化した後にアーク期間信号Ｔａの値が切換ｔ遅延時間信号Ｔｄの値と等しくなった時点でＬｏｗレベルに変化する切換制御信号Ｓｃを出力する。

上述した実施の形態２によれば、パルス電流への切換タイミングを慣性期間中の送給速度が所定値まで減速した時点に設定した場合でも、上述した実施の形態１の効果を奏することができる。

本発明では、パルス電流を通電するまでの溶接法が、短絡を伴いパルス電流を通電しない交流消耗電極アーク溶接、短絡を伴いパルス電流を通電しない電極マイナス極性消耗電極アーク溶接である場合も同様の効果を奏する。また、切換遅延時間を予め実験によって算出して設定しても良い。

本発明の実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法を示す波形図である。 本発明の実施の形態１に係る溶接電源のブロック図である。 本発明の実施の形態２に係る消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法を示す波形図である。 本発明の実施の形態２に係る溶接電源のブロック図である。 従来技術における消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法を示す波形図である。 従来技術の課題を示す図５に対応する波形図である。 従来技術の課題を示す図５に対応する図６とは異なる波形図である。

符号の説明

１ 溶接ワイヤ
２ 溶融地（母材）
３ アーク
４ 溶滴
５ スパッタ
６ 溶接トーチ
７ 送給ロール
ＣＭ 比較回路
Ｃｍ 比較信号
ＤＶ 駆動回路
Ｄｖ 駆動信号
Ｅａ 誤差増幅信号
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＶ 電圧誤差増幅回路
Ｅｖ 電圧誤差増幅信号
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉpe 最後のパルス電流
ＩＰＲ パルス電流設定回路
Ｉpr パルス電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
Ｍ 送給モータ
ＯＤ 慣性期間オフディレイ回路
Ｏｄ 慣性期間オフディレイ信号
Ｏｎ 起動信号
ＰＭ 電源主回路
ＰＳ 溶接電源
ＳＣ 切換制御回路
Ｓｃ 切換制御信号
ＳＣ２ 第２切換制御回路
ＳＷ 切換回路
ＴＡ アーク期間計測回路
Ｔａ アーク期間（信号）
Ｔav 平均アーク時間
ＴＤ 切換遅延時間算出回路
Ｔｄ 切換遅延時間（信号）
Ｔｋ 慣性期間
Ｔｓ 短絡期間
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
ｖｆ 送給速度
ｖfd 所定値検出信号
ｖft 所定の送給速度値
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
Ｖｗ 溶接電圧

Claims (5)

1. パルス電流を通電しないで短絡を伴う消耗電極アーク溶接を行っているときに、溶接電源に溶接終了信号が入力されると送給モータに停止信号を出力し、この停止信号を受けて前記送給モータは慣性によって減速して停止し、この慣性期間中の予め定めた切換タイミングに溶接電流をパルス電流に切り換えて通電して溶接を終了する消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法において、
   前記溶接終了信号が入力される以前の溶接中に短絡と短絡との間のアーク期間の平均値である平均アーク時間を算出し、この平均アーク時間に０．３〜０．７の範囲で所定の係数を乗じて切換遅延時間を算出し、
   前記パルス電流への切換を、前記切換タイミングが経過した後にアーク期間が始めて前記切換遅延時間に達した時点で行う、ことを特徴とする消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法。
2. 前記切換タイミングを、前記慣性期間の開始時点に設定する、ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法。
3. 前記切換タイミングを、前記慣性期間中の送給速度が所定値まで減速した時点に設定する、ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法。
4. 前記平均アーク時間を、前記慣性期間の直前の所定期間中に算出する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法。
5. 前記消耗電極アーク溶接が、電極マイナス極性消耗電極アーク溶接又は交流消耗電極アーク溶接である、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法。
   
   

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