JP2009285701A

JP2009285701A - 交流パルスアーク溶接装置および制御方法

Info

Publication number: JP2009285701A
Application number: JP2008142290A
Authority: JP
Inventors: Seigo Nishikawa; 清吾西川; Masashi Murakami; 真史村上; Takahide Hirayama; 卓秀平山
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2009-12-10
Anticipated expiration: 2028-05-30
Also published as: JP5120073B2

Abstract

【課題】ステンレスや鉄のワークに対して交流パルスアーク溶接を行う。
【解決手段】逆極性に切り換えてパルス電流１６を出力する第１ステップを実行し、ベース電流１９を出力して短絡を発生させる第２ステップを実行し、その後、正極性に切り換えてパルス電流１８を出力する第３ステップを実行し、ベース電流１５を出力する第４ステップを実行する。
【選択図】図２

Description

本発明は、交流パルスアーク溶接装置およびその制御方法に関する。

従来の交流パルスアーク溶接装置は、ベース電流を正極性（ＥＮ）、ピーク電流を逆極性（ＥＰ）とした交流パルスと直流パルスを組み合わせることで、溶け込み制御やウロコ形状の作成を行っている（例えば、特許文献１）。
図４は、従来の交流パルスアーク溶接の溶接電流波形を示している。図からわかるように、溶接電流は、逆極性状態でパルス電流１０１、ベース電流１０２が出力される。そして、正極性に切り換わり、ベース電流１０３が出力され、これが周期的に繰り返されている。
特開平１０−３２８８３７号公報

本来、交流溶接とは、逆極性（ＥＰ）状態でのワークへの入熱と正極性（ＥＮ）状態でのワイヤの溶かしを調整することでワークの溶け込み制御を行うことを主な目的としている。
しかし、従来の交流パルスアーク溶接装置では、逆極性状態でピークパルス電流（ＥＰパルス電流）が流れ、正極性状態でベース電流（ＥＮベース電流）が流れるため、アルミのように正極性状態での入熱に敏感な、すなわち融点が低い溶接ワイヤの材質であれば、溶け込み制御を行うことができるが、ステンレスや鉄のように正極性状態での入熱に対して、あまり敏感で無い、すなわち融点が高い溶接ワイヤ材質に対しては、十分な溶け込み制御ができないという問題があった。
また、本出願人の実験では、ステンレスや鉄に対して溶け込み制御を行うために正極性の時のみパルス電流を出力してパルスアーク溶接を行うと、ワイヤの先端に巨大な溶滴玉が成長し、溶接不良が発生した。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ステンレスや鉄の溶接ワイヤに対して、十分な溶け込み制御を行う溶接装置および制御方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、消耗電極と溶接対象との間に正極性電流と逆極性電流とを交互に印加して鉄またはステンレスの薄板の溶接を行う交流パルスアーク溶接装置において、逆極性に切り換えてパルス電流を出力する第１ステップを実行し、ベース電流を出力して短絡を発生させる第２ステップを実行し、その後、正極性に切り換えてパルス電流を出力する第３ステップを実行し、ベース電流を出力する第４ステップを実行する制御手段を備えたことを特徴としている。
請求項２に記載の発明は、シールドガスの種類がアルゴン比率８０％〜９８％であることを特徴としている。
請求項３に記載の発明は、消耗電極と溶接対象との間に正極性電流と逆極性電流とを交互に印加して鉄またはステンレスの薄板の溶接を行う交流パルスアーク溶接装置の制御方法において、逆極性に切り換えてパルス電流を出力する第１ステップを実行し、ベース電流を出力して短絡を発生させる第２ステップを実行し、その後、正極性に切り換えてパルス電流を出力する第３ステップを実行し、ベース電流を出力する第４ステップを実行することを特徴としている。
請求項４に記載の発明は、シールドガスの種類がアルゴン比率８０％〜９８％であることを特徴としている。

本発明によると、ステンレスや鉄の薄板を溶接対象とした場合において、正極性（ＥＮ）の状態でもパルスのピーク電流を出すため、十分な溶け込み制御を行うことができる。つまり、ワイヤのみを溶かしてワークへの入熱を抑制する正極性（ＥＮ）の効果により溶け込みを浅くすることができる。しかも、正極性（ＥＮ）の状態でパルス電流、ベース電流を出力するのは一度だけで、すぐに逆極性（ＥＰ）に切り換えてパルス電流を出力するため、ワイヤの先端に巨大な溶滴玉が成長することが無い。
また、逆極性（ＥＰ）の状態でパルス電流（ＥＰパルス電流）を出力した後にベース電流（ＥＰベース電流）を出力してすみやかに短絡させることによってワイヤ先端の溶滴移行を行うことができるため、逆極性（ＥＰ）での大きなピーク電流で発生する溶接欠陥（例えば、アンダーカット欠陥や上板が欠ける欠陥等）を防止して安定した溶接を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明のアーク溶接装置の回路図である。
図において、１０は制御用ＣＰＵ装置であり、後述するインバータ３とＥＰ／ＥＮ切換装置９に指令を与える。また、電圧検出用センサ７と電流検出用センサ８から、それぞれ溶接電圧、溶接電流の情報を得る。
１は三相交流電源である。三相交流電源１から出力された三相交流電流は、コンバータ２で直流となり、インバータ３で高周波電流に変換される。インバータ３は、制御用ＣＰＵ装置１０の指令で動作する。さらに、インバータ３で変換された高周波電流は、トランス４で電流、電圧が変換され、コンバータ５で直流電流となり、さらに、リアクトル６で平滑化される。
９はリアクトル６で平滑化された電流が入力されるＥＰ／ＥＮ切換装置であり、逆極性（ＥＰ）または正極性（ＥＮ）となるように、溶接ワイヤ１３−ワーク１２間に電流を流す。ここで、逆極性（ＥＰ）は、溶接ワイヤ１３がプラスでワーク１２がマイナスの状態、正極性（ＥＮ）は、溶接ワイヤ１３がマイナスでワーク１２がプラスの状態である。
溶接ワイヤ１３（消耗電極）は、ワイヤ送給装置１４によって送給される。

溶接電流の制御は、制御用ＣＰＵ装置１０の指令に基づいて、インバータ３が出力電流を制御することで行われる。また、逆極性（ＥＰ）と正極性（ＥＮ）の切り換えは、制御用ＣＰＵ装置１０の指令により、ＥＰ／ＥＮ切換装置９が電流の流れる方向を反転することにより行われる。

次に、本発明の溶接装置に係る溶接電流制御について説明する。本実施例においては、溶接対象となるワークは板厚１ｍｍのステンレスであり、溶接ワイヤの材質はステンレスである。
図２は、本発明の交流パルスアーク溶接装置に係る溶接電流・電圧波形を示している。図２（ａ）が溶接電流波形、（ｂ）が溶接電圧波形であるが、それぞれ電流検出用センサ８、電圧検出用センサ７で検出したデータである。また、図３は、溶接ワイヤ先端の溶滴の状態を示している。溶接条件は、同図に記載した通りである。
以下、図２に示すＡ〜Ｄの期間ごとに分けて説明するが、ＥＰベース電流１９とは、逆極性（ＥＰ）の状態のときに出力されるベース電流、ＥＰパルス電流１６とは、逆極性（ＥＰ）の状態のときに出力されるパルス電流を示し、ＥＮベース電流１５とは、正極性（ＥＮ）の状態のときに出力されるベース電流、ＥＮパルス電流１８とは、正極性（ＥＮ）の状態のときに出力されるパルス電流を示す。

（１）期間Ａ
制御用ＣＰＵ装置１０からＥＰ／ＥＮ切換装置９へ指令を与え、逆極性（ＥＰ）に切り換えてＥＰパルス電流１６を出力する。溶接電流が期間Ａの前に出力していたＥＮベース電流１５からＥＰパルス電流１６に切換わることで、図３Ａに示すように溶接ワイヤ先端の溶滴はクビレを生じる。

（２）期間Ｂ
ＥＰベース電流１９を出力すると、１７の部分で短絡が発生することにより、図３Ｂに示すように溶接ワイヤ先端の溶滴が円滑に溶融プールに移行する。
ここで、ＥＰパルス電流１６の出力時間または電流値を大きくすると、溶接ワイヤ先端からの溶滴離脱が起こり、短絡は発生しない。したがって、短絡によるスパッタが発生しないため、一般的には、ＥＰパルス電流１６の出力時間または電流値を大きくするのが好ましい。しかし、本実施例のように溶接対象が薄板の場合は、溶け落ち等の溶接不良を防止するため、ＥＰパルス電流１６の出力時間、または電流値を制限し、逆極性（ＥＰ）の状態のときにあえて短絡を発生させて溶滴を移行させている。

（３）期間Ｃ
短絡が解放し、アークが発生すると、制御用ＣＰＵ装置１０からＥＰ／ＥＮ切換装置９へ指令を与え、逆極性（ＥＰ）から正極性（ＥＮ）へ切り換えて、ＥＮパルス電流１８を出力する。ＥＮパルス電流１８は、溶接ワイヤの先端を急激に溶融して、図３Ｃに示すように溶接ワイヤの先端に溶滴を形成する。
なお、本発明に係る溶接装置が従来の交流パルスアーク溶接装置と異なる点は、本期間にある。すなわち、逆極性（ＥＰ）から正極性（ＥＮ）の状態に切り換ったときに、従来はベース電流を出力していたが、本発明においてはパルス電流（ＥＮパルス電流１８）を出力する。
本期間においては、逆極性（ＥＰ）から正極性（ＥＮ）の状態に切り換ったときに、パルス電流（ＥＮパルス電流１８）を出力するため、ワークへの入熱が抑制され（小さくなり）、鉄やステンレスであっても溶け込み量を十分に抑制できる。

（４）期間Ｄ
ＥＮベース電流１５を出力すると、図３Ｄに示すように溶接ワイヤ先端に形成された溶滴が成長する。
（５）その後、上記サイクル（期間Ａ〜Ｄ）を繰り返して溶接を行う。

以上のように、本実施例によれば、ステンレスや鉄の薄板に対して、溶接欠陥を防止して安定した溶接を行うことができる。

なお、上記実施例に限らず、ワークは１．５ｍｍ程度以下の薄板であれば同様に実施可能である。さらに、ワークの材質は、ステンレスでなく鉄であっても良い。また、シールドガスの種類は、アルゴン比率が８０％〜９８％であればよい。

本発明の第１実施例を示すアーク溶接装置の回路図本発明の溶接装置に係る（ａ）溶接電流波形（ｂ）溶接電圧波形溶接ワイヤ先端の溶滴の状態を示す説明図従来の交流パルスアーク溶接装置に係る溶接電流波形

符号の説明

１三相交流電源
２交流から直流に変換するコンバータ
３高周波に変換するインバータ
４トランス
５交流から直流に変換するコンバータ
６電流を平滑化するリアクトル
７電圧検出用センサ
８電流検出用センサ
９ＥＰ／ＥＮの切換装置
１０制御用ＣＰＵ装置
１１溶接ワイヤへの給電装置
１２ワーク
１３溶接ワイヤ（消耗電極）
１４溶接ワイヤ送給装置
１５ＥＮベース電流
１６ＥＰパルス電流
１８ＥＮパルス電流
１９ＥＰベース電流

Claims

消耗電極と溶接対象との間に正極性電流と逆極性電流とを交互に印加して鉄またはステンレスの薄板の溶接を行う交流パルスアーク溶接装置において、
逆極性に切り換えてパルス電流を出力する第１ステップを実行し、ベース電流を出力して短絡を発生させる第２ステップを実行し、その後、正極性に切り換えてパルス電流を出力する第３ステップを実行し、ベース電流を出力する第４ステップを実行する制御手段を備えたことを特徴とする交流パルスアーク溶接装置。
シールドガスの種類がアルゴン比率８０％〜９８％であることを特徴する請求項１記載の交流パルスアーク溶接装置。
消耗電極と溶接対象との間に正極性電流と逆極性電流とを交互に印加して鉄またはステンレスの薄板の溶接を行う交流パルスアーク溶接装置の制御方法において、
逆極性に切り換えてパルス電流を出力する第１ステップを実行し、
ベース電流を出力して短絡を発生させる第２ステップを実行し、
その後、正極性に切り換えてパルス電流を出力する第３ステップを実行し、
ベース電流を出力する第４ステップを実行することを特徴とする交流パルスアーク溶接装置の制御方法。
シールドガスの種類がアルゴン比率８０％〜９８％であることを特徴する請求項３記載の交流パルスアーク溶接装置の制御方法。