JP5918051B2 - 消耗電極アーク溶接のくびれ検出時電流制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、短絡期間中に溶滴のくびれ現象を検出してアーク再発生直前に溶接電流を急減させてスパッタの発生を低減する消耗電極アーク溶接のくびれ検出時電流制御方法に関するものである。

消耗電極（溶接ワイヤ）と母材との間でアーク発生状態と短絡状態とを繰り返す消耗電極アーク溶接にあって、短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれ現象を消耗電極・母材間の電圧値又は抵抗値の変化によって検出し、このくびれ現象を検出すると短絡負荷に通電する溶接電流を減少させて低くびれ電流値に維持し、アークが再発生するとその時点又はそれから遅延期間経過した時点で溶接電流を前記低くびれ電流値から傾斜を持たせて高アーク電流値まで上昇させてアーク負荷に通電する消耗電極アーク溶接のくびれ検出時電流制御方法が広く使用されている。この方法は、鉄鋼材料の消耗電極アーク溶接に主に適用されている。消耗電極アーク溶接としては、炭酸ガスアーク溶接、マグ溶接、パルスマグ溶接、交流パルスマグ溶接等が使用される。溶滴の移行形態としては、短絡移行形態、短絡を伴うグロビュール移行形態、短絡を伴うスプレー移行形態等に適用される。

アーク期間中に形成された溶接ワイヤ先端の溶滴が母材と接触して短絡状態になると、溶滴に大電流値の短絡電流が通電する。この短絡電流によるピンチ力によって溶滴上部にくびれが発生する。そしてこのくびれが急速に進行して、溶滴は溶接ワイヤから溶融池へと離脱しアークが再発生する。このくびれ現象が発生すると、数百μｓ程度の極短時間後に短絡が開放されてアークが再発生する。すなわち、このくびれ現象はアーク再発生の前兆現象となる。くびれが発生すると、短絡電流の通電路がくびれ部分で狭くなるために、くびれ部分の抵抗値が増大する。この抵抗値の増大は、くびれが進行してくびれ部分がより狭くなるほど大きくなる。したがって、短絡期間中において溶接ワイヤと母材との間の抵抗値の変化を検出することでくびれ現象の発生を検出することができる。この抵抗値の変化は、溶接電圧を溶接電流で除算して算出することができる。また、くびれが発生している期間中の短絡電流が略一定値と見なせる場合には、抵抗値の変化に代えて溶接電圧の変化によってもくびれ現象の発生を検出することができる。具体的なくびれ検出方法としては、短絡期間中の抵抗値又は溶接電圧値の変化率（微分値）を算出し、この変化率が予め定めたくびれ検出基準値に達したことを判別することによってくびれ検出を行う。また、第２の方法としては、短絡期間中のくびれ発生前の安定した短絡電圧値からの電圧上昇値を検出し、この電圧上昇値が予め定めたくびれ検出基準値に達したことを判別することによってくびれ検出を行う。

特許文献１の発明によれば、アーク再発生後に低くびれ電流値から高アーク電流値まで上昇させる溶接電流に予め定めた傾斜を持たせることによって、アーク力の変化をソフトにしている。このようにすると、アーク力による溶融池の振動が小さくなるので、溶融池の振動に起因するスパッタの発生を低減することができる。さらに、溶融池の振動が小さくなるので、アーク再発生直後の再短絡の発生を抑制することができる。

特許第４８７５３１１号公報

上述したように、従来技術では、アーク再発生後に低くびれ電流値から高アーク電流値まで上昇させる溶接電流に予め定めた傾斜を持たせることによって、アーク力の変化をソフトにしているので、アーク力による溶融池の振動が小さくなり、溶融池の振動に起因するスパッタの発生を低減することができる。スパッタの発生をさらに一段と低減するために、アーク発生部を高速度カメラで観測すると、以下のようなことが判明した。すなわち、低くびれ電流値から高アーク電流値への溶接電流の上昇中に溶融池の振動が大きくなる一部の期間があり、その期間にスパッタが発生している。この一部の期間は、低くびれ電流値から上昇傾斜に移行した期間及び上昇傾斜から高アーク電流値へと移行した期間である。

そこで、本発明では、アーク再発生後の低くびれ電流値から高アーク電流値への上昇傾斜中に発生するスパッタを低減することができる消耗電極アーク溶接のくびれ検出時電流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、消耗電極と母材との間でアーク発生状態と短絡状態とを繰り返す消耗電極アーク溶接にあって、短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれ現象を消耗電極・母材間の電圧値又は抵抗値の変化によって検出し、このくびれ現象を検出すると短絡負荷に通電する溶接電流を減少させて低くびれ電流値に維持し、アークが再発生するとその時点又はそれから遅延期間経過した時点で溶接電流を前記低くびれ電流値から傾斜を持たせて高アーク電流値まで上昇させてアーク負荷に通電する消耗電極アーク溶接のくびれ検出時電流制御方法において、
前記傾斜は前半部分及び後半部分は中間部分と異なる値であり、前記前半部分及び前記後半部分の傾斜が前記中間部分の傾斜よりも小さな値である、
ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出時電流制御方法である。

請求項２の発明は、前記前半部分の傾斜は０から前記中間部分の傾斜まで連続的に変化する値であり、前記後半部分の傾斜は前記中間部分の傾斜から０まで連続的に変化する値である、
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くびれ検出時電流制御方法である。

請求項３の発明は、前記前半部分、前記中間部分及び前記後半部分の期間長さが同一である、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出時電流制御方法である。

請求項４の発明は、前記中間部分の傾斜は送給速度に応じて変化する、
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くびれ検出時電流制御方法である。

本発明によれば、低くびれ電流から小さな傾斜の前半部分を経て大きな傾斜の中間部分に円滑に移行させることができる。同様に、大きな傾斜の中間部分から小さな傾斜の後半部分を経て高アーク電流に円滑に移行させることができる。このために、溶接電流の傾斜が急変することがなくなり、アーク力が急変して溶融池を振動させることがなくなるので、スパッタの発生をさらに少なくすることができる。

本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出時電流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。 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。 図２において、時刻ｔ２〜ｔ５の定電流特性期間における経過時間ｔに対する電流設定信号Ｉｒの値の変化を示す図である。

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くびれ検出時電流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。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ＭＣは、３相２００Ｖ等の商用電源（図示は省略）を入力として、後述する誤差増幅信号Ｅａに従ってインバータ制御、チョッパー制御等の出力制御を行い、出力電圧Ｖｏ及び溶接電流Ｉｗを出力する。トランジスタＴＲ及び抵抗器Ｒの並列回路は通電路に挿入されて、後述するように、くびれ検出時にトランジスタＴＲがオフ状態になり抵抗器Ｒを通って通電することによって溶接電流Ｉｗを急減させる。溶接ワイヤ１は送給モータ（図示は省略）によって定速送給されており母材２との間に溶接電圧Ｖｗが印加されて、アーク３が発生する。

くびれ検出回路ＮＤは、溶接電圧Ｖｗを入力として、上述したくびれ検出方法によってくびれを検出するとＬｏｗレベルに変化し、アークが再発生するとＨｉｇｈレベルに戻るくびれ検出信号Ｎｄを出力する。上述したように、溶接電圧Ｖｗを溶接電流Ｉｗで除算して溶滴の抵抗値を算出して、この抵抗値の変化によってくびれを検出しても良い。駆動回路ＤＲは、このくびれ検出信号ＮｄがＬｏｗレベルのときにのみトランジスタＴＲをオフ状態にする駆動信号Ｄｒを出力する。すなわち、くびれ検出期間Ｔｎ中は抵抗器Ｒが通電路に挿入されるために通電路抵抗値は短絡負荷（０．０１〜０．０３Ω程度）の１０倍以上大きな値（０．５〜３Ω程度）になる。このために、溶接電源内の直流リアクトル及びケーブルのリアクトルに蓄積されたエネルギーが急放電されて、溶接電流Ｉｗは急激に減少する。くびれ検出期間Ｔｎ以外の期間中はトランジスタＴＲはオン状態になるために、抵抗器Ｒは短絡されて通常の溶接電源と同一の構成となる。

遅延期間設定回路ＴＤＲは、予め定めた遅延期間設定信号Ｔdrを出力する。上昇期間設定回路ＴＵＲは、予め定めた上昇期間設定信号Ｔurを出力する。低くびれ電流設定回路ＩＭＲは、予め定めた低くびれ電流設定信号Ｉmrを出力する。高アーク電流設定回路ＩＨＲは、予め定めた高アーク電流設定信号Ｉhrを出力する。傾斜軌跡記憶回路ＳＭは、図３で後述する予め定めた傾斜軌跡記憶信号Ｓｍを出力する。送給速度設定回路ＦＲは、溶接ワイヤ１の送給速度を設定する送給速度設定信号Ｆｒを出力する。くびれ検出時電流傾斜制御回路ＮＳＣは、上記の遅延期間設定信号Ｔdr、上記の上昇期間設定信号Ｔur、上記の低くびれ電流設定信号Ｉmr、上記の高アーク電流設定信号Ｉhr、上記のくびれ検出信号Ｎｄ、上記の傾斜軌跡記憶信号Ｓｍ及び上記の送給速度設定信号Ｆｒを入力として、後述する図２及び図３の処理を行い、電源特性切換信号Ｓｗ及び電流設定信号Ｉｒ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。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。電圧検出回路ＶＤは、出力電圧Ｖｏを検出して、電圧検出信号Ｖｄ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と上記の電圧検出信号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、上記の電流設定信号Ｉｒ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。電源特性切換回路ＳＷは、上記の電源特性切換信号Ｓｗを入力として、図２で後述するくびれ検出期間Ｔｎ＋遅延期間Ｔｄ＋上昇期間Ｔｕ中はｂ側に切り換わり上記の電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力し、それ以外の期間中はａ側に切り換わり上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。したがって、ａ側に切り換わっている期間は定電流特性期間となり、ｂ側に切り換わっている期間は定電圧特性期間となる。

図２は、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）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）はくびれ検出信号Ｎｄの時間変化を示し、同図（Ｄ）は電源特性切換信号Ｓｗの時間変化を示し、同図（Ｅ）は電流設定信号Ｉｒの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。

同図において、時刻ｔ２〜ｔ５の定電流特性期間以外の期間は、定電圧特性期間となる。この定電圧特性期間中は、トランジスタＴＲはオン状態になるので、一般的な消耗電極アーク溶接の場合の電流・電圧波形と同一になる。

時刻ｔ１において、溶接ワイヤ先端の溶滴と母材とが短絡すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖの短絡電圧値に急減し、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは次第に増加する。溶接電流Ｉｗが増加するのに伴い、溶滴にピンチ力が作用して、溶滴上部にくびれを形成するようになる。

くびれが進行して時刻ｔ２において、同図（Ｂ）に示すように、電圧上昇値ΔＶがくびれ検出基準値Ｖtnに達すると、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変化する。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、電源特性切換信号ＳｗはＬｏｗレベルに変化し電源特性は定電流特性に切り換わる。同時に、トランジスタＴＲはオフ状態になり通電路に抵抗器Ｒが挿入されるために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは急減して低くびれ電流値Ｉｍに維持される。

くびれがさらに進行して時刻ｔ３においてアークが再発生すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗが短絡／アーク判別値Ｖtaに達するので、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルに変化する。この時刻ｔ３の時点から時刻ｔ４までの予め定めた遅延期間Ｔｄ中は、同図（Ｅ）に示すように、電流設定信号Ｉｒは低くびれ電流設定信号Ｉmrによって定まる値を維持する。このために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは低くびれ電流値Ｉｍを維持する。時刻ｔ３においてアークが再発生したときに、溶接電流値は低くびれ電流値Ｉｍであるために溶滴離脱時のアーク力が弱くなり、スパッタの発生が抑制される。さらに、時刻ｔ３でアークが再発生した時点から時刻ｔ４までの予め定めた遅延期間Ｔｄを設け、この遅延期間Ｔｄ中は同図（Ｅ）に示すように電流設定信号Ｉｒ＝Ｉmrに維持する。これによって溶滴が溶融池に移行した影響による溶融池の振動が収まるのを待つことになる。溶融池の振動が収まってから次の課程で溶接電流Ｉｗを上昇させるので、電流変化によるアーク力の変化と溶融池の振動とが共振してスパッタを発生させることもない。この遅延期間Ｔｄは溶接条件に応じて設けるか否かを決めることが多い。遅延期間Ｔｄは、０〜１ms程度である。

時刻ｔ４において遅延期間Ｔｄが終了すると、同図（Ｅ）に示すように、電流設定信号Ｉｒは、低くびれ電流設定信号Ｉmrの値から傾斜軌跡記憶信号Ｓｍによって定まる傾斜特性で上昇し、予め定めた上昇期間Ｔｕが終了する時刻ｔ５において高アーク電流設定信号Ｉhrの値に達する。この傾斜軌跡記憶信号Ｓｍは、図３で後述するように、前半部分及び後半部分は中間部分と異なる傾斜であり、前半部分及び後半部分の傾斜が中間部分の傾斜よりも小さな値である。これに応動して、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは低くびれ電流値Ｉｍから傾斜特性Ｓによって上昇し、時刻ｔ５に高アーク電流値Ｉｈに達する。時刻ｔ４〜ｔ５の上昇期間Ｔｕは、１ms程度であり、低くびれ電流値Ｉｍは数十Ａ程度であり、高アーク電流値Ｉｈは数百Ａ程度である。

時刻ｔ５において上昇期間Ｔｕが終了すると、同図（Ｄ）に示すように、電源特性切換信号ＳｗはＨｉｇｈレベルに変化するので、溶接電源は定電圧特性となる。同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、時刻ｔ５以降も高アーク電流値Ｉｈと略等しい値を短時間維持した後に、アーク負荷に応じて変化して次第に減少する。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗも次第に減少して電圧設定信号Ｖｒの値に収束する。

図３は、上述した図２において、時刻ｔ２〜ｔ５の定電流特性期間における経過時間ｔに対する電流設定信号Ｉｒの値の変化を示す図である。同図において、時刻ｔ２〜ｔ３のくびれ検出期間Ｔｎ及び時刻ｔ３〜ｔ４の遅延期間Ｔｄ中は、電流設定信号Ｉｒ＝Ｉmr（低くびれ電流設定信号）となる。続く時刻ｔ４〜ｔ５の上昇期間Ｔｕ中は、電流設定信号Ｉｒは、低くびれ電流設定信号Ｉmrの値から傾斜軌跡記憶信号Ｓｍによって設定された傾斜特性Ｌ１〜Ｌ２の折れ線状又は曲線状に上昇して、時刻ｔ５に高アーク電流設定信号Ｉhrの値に達する。

破線で示す傾斜特性Ｌ１は、前半部分、中間部分及び後半部分の３つの折れ線から形成されている。前半部分及び後半部分の傾斜は、中間部分の傾斜よりも小さな値となっている。同図では、前半部分、中間部分及び後半部分の各期間長さは同一値となっている。前半部分及び後半部分の期間長さは、中間部分の期間長さの−５０〜０％程度の範囲である。

実践で示す傾斜特性Ｌ２も、前半部分、中間部分及び後半部分に分けて曲線状に変化する。前半部分の傾斜は、低くびれ電流設定信号Ｉmrの傾斜０から中間部分の傾斜まで連続的に変化する値である。後半部分の傾斜は、中間部分の傾斜から高アーク電流設定信号Ｉhrの傾斜０まで連続的に変化する値である。

これらの傾斜特性は、上記の傾斜軌跡記憶回路ＳＭに予め記憶しておく。そして、中間部分の傾斜は、送給速度設定信号Ｆｒの値すなわち溶接電流平均値に比例して大きくなるように変化させる。溶接電流平均値が大きくなると、傾斜を大きくして速やかに溶接電流Ｉｗを上昇させることで、アーク熱が不足するのを防止している。中間部分の傾斜は、溶接法、溶接速度、溶接継手、母材材質等によっても切り換えることが望ましい。中間部分の傾斜は、５０〜１００Ａ／１００μｓ程度である。前半部分及び後半部分の傾斜は、中間部分の傾斜の５０％程度である。その部分の傾斜が曲線状に変化するときは、連続して変化する傾斜の平均値がこれらの数値となる。

上述した実施の形態によれば、低くびれ電流値から傾斜を持たせて高アーク電流値まで上昇させ、この傾斜は前半部分及び後半部分は中間部分と異なる値であり、前半部分及び後半部分の傾斜が中間部分の傾斜よりも小さな値である。このようにすると、低くびれ電流から小さな傾斜の前半部分を経て大きな傾斜の中間部分に円滑に移行させることができる。同様に、大きな傾斜の中間部分から小さな傾斜の後半部分を経て高アーク電流に円滑に移行させることができる。このために、溶接電流の傾斜が急変することがなくなり、アーク力が急変して溶融池を振動させることがなくなるので、スパッタの発生をさらに少なくすることができる。

上述した実施の形態においては、上昇期間Ｔｕ中の傾斜特性を定電流特性の下で電流設定信号Ｉｒを制御することで生成する場合について説明した。これ以外の方法として、上昇期間Ｔｕ中を定電圧特性とし、公知技術である電子リアクトル制御によって傾斜特性を生成するようにしても良い。この場合には、傾斜特性の前半部分及び後半部分の傾斜を小さくするために電子リアクトル制御のゲインを大きくし、中間部分の傾斜を大きくするために電子リアクトル制御のゲインを小さくすれば良い。

１ 溶接ワイヤ
２ 母材
３ アーク
ＤＲ 駆動回路
Ｄｒ 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
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｈ 高アーク電流値
ＩＨＲ 高アーク電流設定回路
Ｉhr 高アーク電流設定信号
Ｉｍ 低くびれ電流値
ＩＭＲ 低くびれ電流設定回路
Ｉmr 低くびれ電流設定信号
Ｉｒ 電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
Ｌ１、Ｌ２ 傾斜特性
ＭＣ 電源主回路
ＮＤ くびれ検出回路
Ｎｄ くびれ検出信号
ＮＳＣ くびれ検出時電流傾斜制御回路
Ｒ 抵抗器
Ｓ 傾斜特性
ＳＭ 傾斜軌跡記憶回路
Ｓｍ 傾斜軌跡記憶信号
ＳＷ 電源特性切換回路
Ｓｗ 電源特性切換信号
ｔ 経過時間
Ｔｄ 遅延期間
ＴＤＲ 遅延期間設定回路
Ｔdr 遅延期間設定信号
Ｔｎ くびれ検出期間
ＴＲ トランジスタ
Ｔｕ 上昇期間
ＴＵＲ 上昇期間設定回路
Ｔur 上昇期間設定信号
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖｏ 出力電圧
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
Ｖta 短絡／アーク判別値
Ｖtn くびれ検出基準値
Ｖｗ 溶接電圧
ΔＶ 電圧上昇値

Claims (4)

1. 消耗電極と母材との間でアーク発生状態と短絡状態とを繰り返す消耗電極アーク溶接にあって、短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれ現象を消耗電極・母材間の電圧値又は抵抗値の変化によって検出し、このくびれ現象を検出すると短絡負荷に通電する溶接電流を減少させて低くびれ電流値に維持し、アークが再発生するとその時点又はそれから遅延期間経過した時点で溶接電流を前記低くびれ電流値から傾斜を持たせて高アーク電流値まで上昇させてアーク負荷に通電する消耗電極アーク溶接のくびれ検出時電流制御方法において、
   前記傾斜は前半部分及び後半部分は中間部分と異なる値であり、前記前半部分及び前記後半部分の傾斜が前記中間部分の傾斜よりも小さな値である、
   ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出時電流制御方法。
2. 前記前半部分の傾斜は０から前記中間部分の傾斜まで連続的に変化する値であり、前記後半部分の傾斜は前記中間部分の傾斜から０まで連続的に変化する値である、
   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くびれ検出時電流制御方法。
3. 前記前半部分、前記中間部分及び前記後半部分の期間長さが同一である、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出時電流制御方法。
4. 前記中間部分の傾斜は送給速度に応じて変化する、
   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くびれ検出時電流制御方法。

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