JP2023075387A - 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において、種々な溶接条件に対応して良好な溶接終了制御を行うこと。【解決手段】時刻ｔ１において、溶接電源に溶接終了信号Ｏｎが入力されると、送給モータは駆動を停止し、送給モータの送給速度が慣性によって過渡的に減速して停止し溶接が終了するまでのアンチスティック期間中は短絡期間及びアーク期間を繰り返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、時刻ｔ１～ｔ２のアンチスティック期間中に、短絡期間を所定回数繰り返した後の時刻ｔ１１からの最終アーク期間を判別したときは、時刻ｔ２において溶接電源の出力を停止する。短絡期間中の溶接電流Ｉｗの上昇率を、時刻ｔ１～ｔ２のアンチスティック期間中は時刻ｔ１以前の定常溶接期間中よりも大きくする。【選択図】図２

Description

本発明は、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。

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（スティック）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（アンチスティック制御）が行われる。溶接終了制御は、溶接電源に溶接終了信号が入力されて、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(例えば、特許文献１参照)。

特開２０１５－１６４８７号公報

従来技術では、送給モータの減速状態、溶接姿勢、継手形状等の種々の溶接条件において、溶接終了時に形成されるワイヤ先端粒のサイズを常に適正化することは困難であった。このために、ワイヤ先端粒のサイズが過大又は過少になる場合があり、次のアークスタート性が悪くなるという問題がある。特に、シールドガスが炭酸ガス１００％の場合はこの問題が顕著となる。

そこで、本発明では、消耗電極アーク溶接において、種々な溶接条件に対応して良好な溶接終了制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、
溶接電源に溶接終了信号が入力されると、送給モータは駆動を停止し、前記送給モータが慣性によって過渡的に減速して停止し溶接が終了するまでのアンチスティック期間中は短絡期間及びアーク期間を繰り返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、
前記アンチスティック期間中に、前記短絡期間を所定回数繰り返した後の最終アーク期間を判別したときは前記溶接電源の出力を停止する、
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。

請求項２の発明は、
前記短絡期間中の溶接電流の上昇率を、前記アンチスティック期間中は定常溶接期間中よりも大きくする、
ことを特徴とする請求項１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。

請求項３の発明は、
前記最終アーク期間の継続時間が基準時間に達したことを判別したときは前記溶接電源の出力を停止する、
ことを特徴とする請求項１又は２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。

本発明によれば、消耗電極アーク溶接において、種々な溶接条件に対応して良好な溶接終了制御方法を提供することができる。

本発明の実施の形態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。 本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法を示す図１の溶接電源における各信号のタイミングチャートである。

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。

図１は、本発明の実施の形態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(図示は省略)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。電源主回路ＰＭは、図示は省略するが、商用電源を整流する１次整流回路、整流された直流を平滑するコンデンサ、平滑された直流を高周波交流に変換する駆動信号Ｄｖによって駆動されるインバータ回路、高周波交流をアーク溶接に適した電圧に降圧する高周波トランス、降圧された高周波交流を整流する２次整流回路、整流された直流を平滑するリアクトルを備えている。

出力電圧検出回路ＥＤは、上記の電源主回路ＰＭの２次整流回路によって整流された出力電圧Ｅを検出して出力電圧検出信号Ｅｄ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５の回転によって溶接トーチ４内を送給されて、ワーク２との間にアーク３が発生する。溶接ワイヤ１とワーク２との間には溶接電圧Ｖｗが印加され、溶接電流Ｉｗが通電する。溶接トーチ４の先端からはシールドガス(図示は省略)が噴出される。

溶接開始・終了回路ＯＮは、溶接を開始するときにＨｉｇｈレベル（溶接開始信号）となり、溶接を終了するときにＬｏｗレベル(溶接終了信号)となる溶接開始・終了信号Ｏｎを出力する。この回路は、溶接トーチ４に取り付けられたスイッチである。また、この回路は、ロボット溶接の場合はロボット制御装置に内蔵されている。

溶接電流設定回路ＩＲは、予め定めた溶接電流設定信号Ｉｒを出力する。

送給速度設定回路ＦＲは、上記の溶接電流設定信号Ｉｒを入力として、予め定めた電流・送給速度変換関数によって算出された送給速度設定信号Ｆｒを出力する。

送給速度検出回路ＦＤは、上記の送給モータＭからの回転数信号を入力として送給速度に変換して、送給速度検出信号Ｆｄを出力する。回転数信号は、送給モータＭに設けられたエンコーダからの信号、電機子電圧信号等である。

溶接電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗを検出して、溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する。溶接電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｗを検出して、溶接電流検出信号Ｉｄを出力する。

短絡判別回路ＳＤは、上記の溶接電圧検出信号Ｖｄを入力として、この値が短絡判別値(１０Ｖ程度)未満のときは短絡期間であると判別してＨｉｇｈレベルとなり、以上のときはアーク期間であると判別してＬｏｗレベルとなる短絡判別信号Ｓｄを出力する。

基準回数設定回路ＮＲは、予め定めた基準回数設定信号Ｎｒを出力する。最終アーク期間設定回路ＴＡＲは、予め定めた最終アーク期間設定信号Ｔarを出力する。

出力停止回路ＯＦＦは、上記の溶接開始・終了信号Ｏｎ、上記の短絡判別信号Ｓｄ、上記の基準回数設定信号Ｎｒ及び上記の最終アーク期間設定信号Ｔarを入力として、溶接開始・終了信号ＯｎがＬｏｗレベルに変化してアンチスティック期間Ｔａに入り、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）に変化した回数が基準回数設定信号Ｎｒの値と等しくなり、その後の最終アーク期間の継続時間が最終アーク期間設定信号Ｔarによって設定された値となった時点で短時間Ｈｉｇｈレベルとなる出力停止信号Ｏffを出力する。

送給制御回路ＦＣは、上記の溶接開始・終了信号Ｏｎ及び上記の送給速度設定信号Ｆｒを入力として、以下の処理を行い、上記の送給モータＭを制御するための送給制御信号Ｆｃを出力する。
１）溶接開始・終了信号ＯｎがＨｉｇｈレベル（溶接開始信号）のときは溶接ワイヤ１を送給速度設定信号Ｆｒによって設定された送給速度で定速送給する。
２）溶接開始・終了信号ＯｎがＬｏｗレベル(溶接終了信号)に変化してアンチスティック期間Ｔａになると、送給モータＭの駆動を停止する。これにより、送給速度は慣性により減速して０となる。

送給モータＭは、上記の送給制御信号Ｆｃによって回転速度が制御されて、溶接ワイヤ１を送給速度で送給する。

定常溶接電圧設定回路ＶＣＲは、予め定めた定常溶接電圧設定信号Ｖcrを出力する。

アンチスティック溶接電圧設定回路ＶＡＲは、上記の送給速度検出信号Ｆｄを入力として、送給速度検出信号Ｆｄを入力とする予め定めた関数によって設定されるアンチスティック溶接電圧設定信号Ｖarを出力する。

溶接電圧設定回路ＶＲは、上記の溶接開始・終了信号Ｏｎ、上記の定常溶接電圧設定信号Ｖcr及び上記のアンチスティック溶接電圧設定信号Ｖarを入力として、以下の処理を行い、溶接電圧設定信号Ｖｒを出力する。
１）溶接開始・終了信号ＯｎがＨｉｇｈレベルの定常溶接期間Ｔｃのときは、定常溶接電圧設定信号Ｖcrを溶接電圧設定信号Ｖｒとして出力する。
２）溶接開始・終了信号ＯｎがＬｏｗレベルのアンチスティック期間Ｔａのときは、アンチスティック溶接電圧設定信号Ｖarを溶接電圧設定信号Ｖｒとして出力する。

増幅率設定回路ＬＲは、上記の溶接開始・終了信号Ｏｎを入力として、溶接開始・終了信号ＯｎがＨｉｇｈレベルとなる定常溶接期間中は予め定めた定常溶接期間増幅率となり、溶接開始・終了信号ＯｎがＬｏｗレベルとなるアンチスティック期間Ｔａ中は予め定めたアンチスティック期間増幅率となる増幅率設定信号Ｌｒを出力する。増幅率設定信号Ｌｒの値によって電子リアクトル制御の増幅率が設定される。ここで、アンチスティック期間増幅率＜定常溶接期間増幅率である。

溶接電圧制御設定回路ＶＥＲは、上記の溶接電圧設定信号Ｖｒ、上記の溶接電流検出信号Ｉｄ及び上記の増幅率設定信号Ｌｒを入力として、Ｖer＝Ｖｒ－Ｌｒ×ｄＩｄ／ｄｔの演算を行い、溶接電圧制御設定信号Ｖerを出力する。この回路は、公知技術の電子リアクトル制御を行う回路であり、増幅率設定信号Ｌｒの値によって短絡期間中の溶接電流Ｉｗの上昇率を変化させることができる。ここで、増幅率設定信号Ｌｒの値は、アンチスティック期間Ｔａ中は定常溶接期間Ｔｃ中よりも小さな値であるので、短絡期間中の溶接電流Ｉｗの上昇率は大きくなる。

電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の溶接電圧制御設定信号Ｖerと上記の出力電圧検出信号Ｅｄとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。

駆動回路ＤＶは、上記の溶接開始・終了信号Ｏｎ、上記の出力停止信号Ｏff及び上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖを入力として、溶接開始・終了信号ＯｎがＨｉｇｈレベル（溶接開始）に変化した時点から出力停止信号Ｏffが短時間Ｈｉｇｈレベルとなるまでの期間中は電圧誤差増幅信号Ｅｖに基づいて上記の電源主回路ＰＭを駆動するための駆動信号Ｄｖを出力する。したがって、溶接電源ＰＳは、定常溶接期間Ｔｃ及びアンチスティック期間Ｔａ中は出力制御を行う。

図２は、本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法を示す図１の溶接電源における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接開始・終了信号Ｏｎの時間変化を示し、同図（Ｂ）は送給速度の時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｄ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｅ）は溶接電圧設定信号Ｖｒの時間変化を示し、同図（Ｆ）は駆動信号Ｄｖの時間変化を示し、同図（Ｇ）は出力停止信号Ｏffの時間変化を示す。以下、同図を参照して各信号の動作について説明する。

同図において、時刻ｔ１以前の期間が定常溶接期間Ｔｃとなる。時刻ｔ１～ｔ２の期間がアンチスティック期間Ｔａとなる。そして、時刻ｔ２において、同図（Ｇ）に示すように、出力停止信号Ｏffが短時間Ｈｉｇｈレベルになると、アンチスティック期間Ｔａが終了し、溶接電源は出力を停止して溶接が終了する。

（１）時刻ｔ１以前の定常溶接期間Ｔｃ中の動作
この期間中は、同図（Ａ）に示すように、溶接開始・終了信号ＯｎはＨｉｇｈレベル(溶接開始)となっている。そして、同図（Ｂ）に示すように、送給速度は、図１の送給速度設定信号Ｆｒによって設定された値となる。同図（Ｅ）に示すように、溶接電圧設定信号Ｖｒは、図１の定常溶接電圧設定信号Ｖcrによって設定された値となり、溶接電圧Ｖｗの平均値がこの値となるように溶接電源は定電圧制御される。同図（Ｄ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、数Ｖの短絡電圧値となる短絡期間と、数十Ｖのアーク電圧値となるアーク期間とを繰り返す。同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、短絡期間中は次第に増加し、アーク期間中は次第に減少する。短絡期間中の溶接電流Ｉｗの上昇率は、図１の増幅率設定信号Ｌｒの値によって制御（電子リアクトル制御）される。同図（Ｆ）に示すように、駆動信号Ｄｖは、時刻ｔ２まではＨｉｇｈレベルとなり溶接電源は出力を行い、時刻ｔ２においてＬｏｗレベルとなり溶接電源は出力を停止する。

（２）時刻ｔ１～ｔ２のアンチスティック期間Ｔａ中の動作）
時刻ｔ１において、同図（Ａ）に示すように、溶接開始・終了信号ＯｎがＨｉｇｈレベル(溶接開始)からＬｏｗレベル(溶接終了)に変化すると、アンチスティック期間Ｔａに移行する。これに応動して送給モータＭの駆動が停止されるので、同図（Ｂ）に示すように、送給速度は慣性により減速して時刻ｔ１２に０となる。同図（Ｅ）に示すように、溶接電圧設定信号Ｖｒは、送給速度の減速に伴って直線状又は曲線状に小さくなり、所定値に達するとその値を維持する。この期間中の溶接電圧設定信号Ｖｒは、図１のアンチスティック溶接電圧設定信号Ｖarによって設定される。アンチスティック溶接電圧設定信号Ｖarの値は、送給モータＭの減速状態を示す図１の送給速度検出信号Ｆｄを入力とする関数である。このようにすると、溶接電圧Ｖｗの平均値の変化が緩やかになり、溶接状態がより安定になる。この期間中も、同図（Ｃ）及び同図（Ｄ）に示すように、短絡期間とアーク期間とが繰り返される。アンチスティック期間Ｔａにおける短絡期間中の溶接電流Ｉｗの上昇率は、時刻ｔ１以前の定常溶接期間Ｔｃ中よりも大きくなっている。これは、電子リアクトル制御のための図１の増幅率設定信号Ｌｒの値がアンチスティック期間Ｔａ中は定常溶接期間Ｔｃ中よりも小さな値に設定されているからである。このようにすると、短絡期間中の溶接電流Ｉｗの上昇率が大きくなり、短絡回数が増加するので、アーク期間中の溶接ワイヤ先端の燃え上がりが安定化する。

そして、短絡期間の回数が図１の基準回数設定信号Ｎｒの値と等しくなると、送給速度が０となる直前の時刻ｔ１１において、短絡が解除されて最終アーク期間になる。同図（Ｃ）に示すように、最終アーク期間中の溶接電流Ｉｗは数十Ａ程度の小電流値となる。時刻ｔ２において、最終アーク期間の継続時間が図１の最終アーク期間設定信号Ｔarの値に達すると、同図（Ｇ）に示すように、出力停止信号Ｏffが短時間Ｈｉｇｈレベルとなる。これに応動して、同図（Ｆ）に示すように、駆動信号ＤｖがＬｏｗレベルに変化し、溶接電源は出力を停止する。この結果、時刻ｔ２において、アークが消弧し、同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗは０Ａとなり、同図（Ｄ）に示すように、溶接電圧Ｖｗも０Ｖとなる。例えば、基準回数は５回であり、最終アーク期間は４msであり、アンチスティック期間は１００ms程度である。

以下、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態によれば、アンチスティック期間中に、短絡期間を所定回数繰り返した後の最終アーク期間を判別したときは溶接電源の出力を停止する。このようにすると、種々な溶接条件において、アーク状態が所望の状態になった時点で溶接を終了させることができる。この結果、本実施の形態では、種々な溶接条件において、溶接終了時の溶着を防止し、かつ、ワイヤ先端粒のサイズを適正化することができる。

さらに好ましくは、本実施の形態によれば、短絡期間中の溶接電流の上昇率を、アンチスティック期間中は定常溶接期間中よりも大きくする。短絡期間中の溶接電流の上昇率を大きくすると、短絡回数が増加するので、アーク期間中の溶接ワイヤ先端の燃え上がりが安定化する。この結果、溶接終了時のワイヤ先端粒のサイズをより均一化することができる。

さらに好ましくは、本実施の形態によれば、最終アーク期間の継続時間が基準時間に達したことを判別したときは溶接電源の出力を停止する。このようにすると、溶接終了時のワイヤ先端粒のサイズをより均一化することができる。

１ 溶接ワイヤ
２ ワーク
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
ＤＶ 駆動回路
Ｄｖ 駆動信号
Ｅ 出力電圧
ＥＤ 出力電圧検出回路
Ｅｄ 出力電圧検出信号
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
ＦＤ 送給速度検出回路
Ｆｄ 送給速度検出信号
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
ＩＤ 溶接電流検出回路
Ｉｄ 溶接電流検出信号
ＩＲ 溶接電流設定回路
Ｉｒ 溶接電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＬＲ 増幅率設定回路
Ｌｒ 増幅率設定信号
Ｍ 送給モータ
ＮＲ 基準回数設定回路
Ｎｒ 基準回数設定信号
ＯＦＦ 出力停止回路
Ｏｆｆ 出力停止信号
ＯＮ 溶接開始・終了回路
Ｏｎ 溶接開始・終了信号
ＰＭ 電源主回路
ＰＳ 溶接電源
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
ＴＡＲ 最終アーク期間設定回路
Ｔar 最終アーク期間設定信号
ＶＡＲ アンチスティック溶接電圧設定回路
Ｖar アンチスティック溶接電圧設定信号
ＶＣＲ 定常溶接電圧設定回路
Ｖcr 定常溶接電圧設定信号
ＶＤ 溶接電圧検出回路
Ｖｄ 溶接電圧検出信号
ＶＥＲ 溶接電圧制御設定回路
Ｖer 溶接電圧制御設定信号
ＶＲ 溶接電圧設定回路
Ｖｒ 溶接電圧設定信号
Ｖｗ 溶接電圧

Claims (3)

1. 溶接電源に溶接終了信号が入力されると、送給モータは駆動を停止し、前記送給モータが慣性によって過渡的に減速して停止し溶接が終了するまでのアンチスティック期間中は短絡期間及びアーク期間を繰り返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、
   前記アンチスティック期間中に、前記短絡期間を所定回数繰り返した後の最終アーク期間を判別したときは前記溶接電源の出力を停止する、
   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. 前記短絡期間中の溶接電流の上昇率を、前記アンチスティック期間中は定常溶接期間中よりも大きくする、
   ことを特徴とする請求項１に記載の消耗電極アーク溶接の溶接終了制御方法。
3. 前記最終アーク期間の継続時間が基準時間に達したことを判別したときは前記溶接電源の出力を停止する、
   ことを特徴とする請求項１又は２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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