JP5934890B2

JP5934890B2 - アーク溶接制御方法

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Publication number: JP5934890B2
Application number: JP2014539603A
Authority: JP
Inventors: 篤寛川本; 潤司藤原; 幸伯廣田; 範幸松岡; 海斗松井
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2012-10-01
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2016-06-15
Anticipated expiration: 2033-09-30
Also published as: EP3187295B1; US10610945B2; CN104602847A; EP2905102A4; JPWO2014054261A1; CN106392264A; CN104602847B; EP2905102B2; EP2905102A1; WO2014054261A1; EP3187295A1; EP2905102B1; US20150096965A1; CN106392264B

Description

本発明は、消耗電極である溶接ワイヤを用い、溶接ワイヤが被溶接物と短絡する短絡期間と、短絡が開放してアークが発生するアーク期間とを交互に繰り返して行うアーク溶接の制御方法に関する。

従来から、アーク溶接を行う際に発生するスパッタを低減することで、アーク溶接後の手直し工数を削減する方法が種々提案されている。例えば、アーク再発生後のアーク初期電流を、アーク再発生直前の電流より高い電流値に制御する。これにより、アーク再発生直後のアーク長を確保して短絡発生を抑制し、スパッタを低減するアーク溶接制御方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図４は、消耗電極式のアーク溶接を行った際の、短絡移行時における溶接電流波形を示している。横軸は経過時間であり、縦軸は溶接電流である。図４において、１０１は、ワイヤと母材（被溶接物）とが短絡している短絡期間を示している。１０２は、ワイヤと母材との間でアークが発生しているアーク期間を示している。１０３は、短絡が開放してアークが再発生したアーク再発生時点を示している。１０４は、アーク再発生直前電流（大きさ）を示している。１０７は、アーク初期電流（大きさ）を示している。１０８は、アーク初期制御時間を示している。１０９は、アーク再発生直前電流１０４からアーク初期電流１０７までの溶接電流の増加傾きを示している。

なお、溶接電流の増加傾き１０９は、意図的に緩やかにしている。その理由は、アーク再発生時に溶接電流を急峻に立ち上げると、溶融プールの振動が大きくなり、ワイヤ先端の溶滴の挙動も大きくなるといった現象が起こる。これにより、ワイヤと母材との間の微小短絡が発生し易くなり、微小短絡によるスパッタが増加する。溶接電流の増加傾き１０９を緩やかにすることで、このスパッタを抑制できる。

また、アーク初期電流１０７は、アーク再発生直前電流１０４よりも高い値になるように制御している。これにより、アーク再発生後の早期にワイヤの先端部に溶滴を形成することができ、次の短絡の発生を早めることができ、溶接電圧を低下することができる。これにより、溶接速度を高めることができ、ギャップ溶接時の溶け落ちを低減することができる。また、アーク再発生直後のアーク長を確保することができるので、アーク再発生直後の短絡の発生を抑制でき、スパッタの抑制にも効果がある。

特開２００６−０２１２２７号公報

背景技術で説明したアーク溶接制御方法を用いて、亜鉛メッキ鋼板等の表面処理が行われた鋼板を溶接すると、ピットやブローホール等の欠陥が生じてしまう。また、スパッタが多く発生してしまう。この理由を、図５を用いて説明する。

図５は、背景技術で説明したアーク溶接制御方法を用いて、亜鉛メッキ鋼板の溶接を行った場合のビード断面の一例を示している。

亜鉛メッキ鋼板である上板３および下板４の表面には、亜鉛メッキ１０がメッキされている。亜鉛メッキ１０の亜鉛の沸点は、９０７度である。亜鉛の沸点は、鉄の融点である１５３６度よりも低い。亜鉛メッキ鋼板に対してアーク溶接を行うと、亜鉛メッキ１０の亜鉛が気化し、この蒸気亜鉛がルート部１１から溶融プールを通過して外部に拡散しようとする。しかし、溶融金属の凝固速度が速い場合、蒸気亜鉛が外部に十分に拡散しきれず、溶接ビード７内や溶接ビード７の表面に、気孔１６として残存する。気孔１６が溶接ビード７内に留まる場合は、ブローホールとなる。気孔１６が溶接ビード７の表面を開口する場合は、ピットとなる。ブローホールやピットは、いずれも溶接構造物の強度を損なう。そのため、例えば、亜鉛メッキ鋼板が多く使用されている自動車業界では、ブローホールやピットの発生を抑制する必要があり、特に、ピットの発生量を規定して管理する場合が多い。

また、溶接を行うことにより亜鉛メッキ鋼板から発生した蒸気亜鉛は、溶融プール内を浮上して溶融プールの表面から放出される。そのため、蒸気亜鉛の放出の際に噴出した溶融金属がそのままスパッタとして外部に飛散する。あるいは、蒸気亜鉛の放出の際に噴出した溶融金属がワイヤと短絡して電気エネルギーによりスパッタとして飛散する。従って、スパッタが多量に発生するという課題も有していた。

上記課題を解決するために、本発明のアーク溶接制御方法は、溶接ワイヤが被溶接物と短絡する短絡期間と短絡が開放してアークが発生するアーク期間とを交互に繰り返して被溶接物を溶接するアーク溶接制御方法である。短絡が開放したことを検出すると増加傾きが、７５０Ａ／ｍｓｅｃ以上４０００Ａ／ｍｓｅｃ以下となるように、アーク再発生直前電流から３００Ａ以上である第１の溶接電流まで、溶接電流を増加させる。短絡が開放する予兆現象であるくびれを検出すると、くびれを検出した時点の溶接電流よりも低いアーク再発生直前電流まで溶接電流を減少させる。被溶接物は、表面処理が行われた鋼板である。

また、本発明のアーク溶接制御方法は、上記に加えて、好ましくは、溶接ワイヤの送給速度を、所定の周期と所定の振幅で周期的に変化させる。

また、本発明のアーク溶接制御方法は、上記に加えて、好ましくは、被溶接物は、亜鉛メッキ鋼板である。

また、本発明のアーク溶接制御方法は、上記に加えて、好ましくは、被溶接物は溶接中に気体を発生し、アークが溶融プールを押すことによって気体が溶融プールから放出される。

また、本発明のアーク溶接制御方法は、上記に加えて、好ましくは、ＣＯ２溶接とした場合、前記第１の溶接電流の最大値を４５０Ａ以下とした。

以上のように、本発明によれば、亜鉛メッキ鋼板等の表面処理が行われた鋼板を溶接する場合、ピットやブローホール等の欠陥が生じ難く、また、スパッタの少ない溶接が可能となる。

図１は、本発明の実施の形態１における溶接状態を示す図である。図２Ａは、従来のアーク溶接制御方法におけるアーク期間中の溶接部を水平方向から見た断面図である。図２Ｂは、本発明の実施の形態１におけるアーク期間中の溶接部を水平方向から見た断面図である。図２Ｃは、従来のアーク溶接制御方法における溶接電流波形を示す図である。図２Ｄは、本発明の実施の形態１における溶接電流波形を示す図である。図３は、本発明の実施の形態１におけるワイヤ送給速度と溶接電圧と溶接電流の時間変化を示す図である。図４は、従来のアーク溶接制御方法における溶接電流の時間変化を示す図である。図５は、従来のアーク溶接制御方法により亜鉛メッキ鋼板を溶接した場合の溶接ビードの断面の一例を示す図である。

図１は、本実施の形態におけるアーク溶接制御方法により溶接を行っている状態を示す図である。図２Ａは、従来のアーク溶接制御方法におけるアーク期間中の溶接部を水平方向から見た断面図であり、図１のＣ−Ｃ断面図に相当するものである。図２Ｂは、本実施の形態におけるアーク期間中の溶接部を水平方向から見た断面図であり、図１のＣ−Ｃ断面図である。図２Ｃは、従来のアーク溶接制御方法で溶接を行った場合の溶接電流波形を示す図である。図２Ｄは、本実施の形態のアーク溶接制御方法で溶接を行った場合の溶接電流波形を示す図である。そして、図２Ａは図２Ｃに対応し、図２Ａは、図２Ｃにおける第１の所定時間１３中の溶接状態を示している。図２Ｂは図２Ｄに対応し、図２Ｂは、図２Ｄにおける第１の所定時間１３中の溶接状態を示している。

なお、背景技術で説明した図４や図５と同様の箇所については、同一の符号を付し、重複する部分については説明を省略する。また、本実施の形態では、表面処理が行われた部材として、亜鉛メッキ鋼板の溶接を行う場合について説明する。

図１に、図示しない溶接電源装置やワイヤ送給装置や産業用ロボット等を用いて溶接を行っている場合の、溶接部分の状態を示している。図１において、例えば産業用ロボットを構成するマニピュレータ（図示せず）に取り付けられた溶接用のトーチ１を介して、溶接用のワイヤ２をワイヤ送給装置（図示せず）により自動的に送給する。このとき、溶接電源装置（図示せず）によりワイヤ２に電力を供給し、ワイヤ２と亜鉛メッキ鋼板である上板３および下板４との間にアーク５を発生させ、ワイヤ２と上板３および下板４とを溶融して溶接を行う。

本実施の形態では、アーク５によるアーク力は、図２Ｂの黒矢印に示すように、溶融プール６を溶接進行方向とは反対方向に押す力として作用し、溶融プール６は、溶接進行方向とは反対方向に押されて移動する。これにより、上板３と下板４とを重ね合わせた部分であるルート部１１が露出した状態になる。ルート部１１は、上板３および下板４の長さに相当する長さであるが、溶接を行っている部分のルート部１１が露出した箇所を、図２Ｂに、露出部９として示している。

なお、溶接している部分は、アーク５によるアーク熱や溶融プール６からの熱伝導によって高温となり、上板３および下板４は溶融状態となって溶融部８を生じる。溶融部８の温度は、亜鉛の沸点を越え、亜鉛が気化する。本実施の形態では、図１や図２Ｂに示すように、溶融プール６が溶接進行方向と反対方向に押され、上板３と下板４とのルート部１１における露出部９が露出される。したがって、気化した蒸気亜鉛が容易に外部に放出される。亜鉛メッキが気化した部分である亜鉛メッキ気化部は、亜鉛が存在しない状態となる。

なお、アーク５のアーク力により、図２Ｂに示す露出部９が完全に露出している場合は、蒸気亜鉛は溶融プール６内を通ることなく放出される。従って、蒸気亜鉛は、溶融プール６内を通る場合と比べて容易に放出され、ピットやブローホールの発生を抑えられる。また、蒸気亜鉛の放出に際するスパッタの発生等がなくなる。

また、図２Ｂにおいて、溶融プール６の一部が露出部９を覆っていたとしても、覆っている部分の溶融プール６の厚さが約０．５ｍｍ程度以下の薄い状態であれば、蒸気亜鉛の放出が阻害されることはなく、蒸気亜鉛は容易に外部に放出される。すなわち、上板３や下板４から発生した蒸気亜鉛が、体積膨張により露出部９を覆っている溶融プール６を突き破って抜けることが可能である。

上記のように、本実施の形態のアーク溶接制御方法によれば、アーク期間中において、アーク５によるアーク力により、溶融プール６が溶接進行方向とは反対方向に押される。これにより、アーク熱および溶融プール６からの熱伝導によって高温状態になったルート部１１が露出部９として露出し、亜鉛メッキ鋼板から発生した蒸気亜鉛が容易に外部に拡散する。そして、気化した亜鉛の外部への放出が促進され、気化した亜鉛が溶融プール６を通過して放出する場合が低減される。したがって、溶接ビード７内に残存する気孔１６を著しく抑制することが可能となる。

このような原理において、溶融プール６を押すために必要な主な力は、アーク期間中の溶接電流によるアーク力である。このアーク力は、アーク長が短い時に大きな力を与えることが重要である。つまり、短絡が開放した瞬間に大電流を与えることで、大きなアーク力を発生することができ、溶融プール６を大きく押すことができる。具体的には、アーク再発生直前電流１２から第１の溶接電流１４までの溶接電流の増加傾き１５と、第１の溶接電流１４の大きさ大きさが重要なパラメータとなる。

従来から、溶接電流の増加傾き１５は、意図的に緩やかにするのが一般的である。その理由は、溶接電流を急峻に立ち上げると、溶融プール６が振動する、あるいは、溶滴挙動が大きくなるといった現象が起き、微小短絡が発生し易くなり、スパッタが増加するためである。

本実施の形態における亜鉛メッキ鋼板の溶接の場合も例外ではない。図２Ｄに示すように、溶接電流の増加傾き１５を、図２Ｃに示す従来の溶接電流の増加傾き１５に比べて急峻に立ち上げると、溶融プールが振動する、あるいは、溶滴挙動が大きくなり、微小短絡によるスパッタが増加する。しかし、一方で、亜鉛メッキ鋼板を溶接する場合、微小短絡によるスパッタの発生の割合よりも、蒸気亜鉛の排出によるスパッタの発生の割合の方が高い。なお、この亜鉛蒸気の排出によるスパッタは、上記したように、溶接電流の増加傾き１５を急峻にし、溶融プール６を押す力を大きくして亜鉛蒸気を排出し易くすることで、大幅に抑制できる。

つまり、短絡が開放した後の溶接電流の増加傾き１５を急峻にすると、微小短絡によるスパッタの発生は多くなるが、亜鉛蒸発によるスパッタの発生は抑制することができる。そして、微小短絡によるスパッタの発生量よりも、亜鉛蒸発によるスパッタの発生量の割合の方が高いため、合計としてのスパッタの発生量は、溶接電流の増加傾き１５を急峻とする方が少なくなる。

また、上記した本実施の形態のアーク溶接制御方法により、ピットやブローホールの発生も大幅に抑制することができる。

また同様に、第１の溶接電流１４を大きくすると、溶融プール６を押す力が強くなり、露出部９を大きく露出させることができる。これにより、スパッタの発生の抑制や、ピットやブローホールの発生の抑制に繋がる。なお、図２Ｃと図２Ｄにおいて、第１の所定時間１３は、アークが発生してから第１の溶接電流１４が終了するまでの時間である。また、図２Ｃと図２Ｄにおいて、溶接電流に関し、短絡期間中に短絡が開放する予兆現象であるくびれを検出すると、くびれを検出した時点の溶接電流よりも低いアーク再発生直前電流１２となるように溶接電流を制御する。そして、短絡が開放したことを検出すると、溶接電流の増加傾き１５により溶接電流の増加を開始する例を示している。

表１に、アーク再発生直前電流１２から第１の溶接電流１４までの溶接電流の増加傾き１５及び第１の溶接電流１４の値の組み合わせと、欠陥との関係を示す。表１において、溶接後、目視やＸ線解析を行って表面や内部に欠陥が見られなかった場合を「○」とし、欠陥が見られた場合を「×」として示している。

表１より、溶接電流の増加傾き１５の適正値は、７５０Ａ／ｍｓｅｃ以上であり、第１の溶接電流１４の適正値（電流最大値）は、３００Ａ以上である。

上記条件を満たす場合、目視において見られる表面欠陥、すなわち、ピットの発生がなく、また、Ｘ線解析において見られるブローホールの発生も抑制でき、スパッタの発生量も少ない。逆に、上記条件を満たさない場合、ピットやブローホールが多量に発生し、スパッタの発生量も多い。

以上より、溶接電流の増加傾き１５及び第１の溶接電流１４（電流最大値）を適正値とすることで、ピットやブローホールの発生が少なく、スパッタの発生量も少ない溶接が可能となる。

なお、第１の溶接電流１４は、３００Ａ以上であればよく、溶接電流の増加傾き１５は、７５０Ａ／ｍｓｅｃであれば良い。しかし、溶接電流を出力する溶接電源装置の能力により、実際に出力可能な第１の溶接電流１４の大きさや溶接電流の増加傾き１５は、制限される。ここで、例えば、溶接電流の増加傾き１５が４０００Ａ／ｍｓｅｃを超えると、溶融池を押し過ぎてしまい、微小短絡の発生や溶滴挙動が不安定になることによりスパッタが増加する。そこで、溶接電流の増加傾き１５は、７５０Ａ／ｍｓｅｃ以上４０００Ａ／ｍｓｅｃ以下とすることがより望ましい。

また、表１は、一例として、溶接方法がＭＡＧ溶接であり、ワイヤ径が１．２ｍｍのソリッドワイヤを用い、板厚が２．３ｍｍの重ね継ぎ手であり、目付け量が４５ｇ／ｍ２である場合の溶接の結果を示している。

なお、溶接方法をＣＯ_２溶接とした場合、ＭＡＧ溶接に比べてアークの集中性（指向性）が強い。そのため、ＣＯ_２溶接における第１の溶接電流１４の最大値は、４５０Ａ以下が好ましい。第１の溶接電流１４の最大値が４５０Ａを超えると、板厚にもよるが、溶接対象物の溶け落ちが生じ易くなってしまう。

なお、図２Ｃや図２Ｄに示すように、アーク発生直前に短絡の開放の予兆であるワイヤ２のくびれ状態を検出すると、アーク発生直前の溶接電流よりも低い値に溶接電流を急峻に低減する、すなわち、くびれ状態を検出した時点の溶接電流よりも低いアーク再発生直前電流１２に溶接電流を急峻に低減することで、アーク発生時のスパッタを低減することができる。

また、ワイヤ２の送給制御として、溶接対象物の方向へ送給する正送（前進送給）と、その逆方向への送給である逆送（後退送給）とを繰り返すようにすることで、溶接性能を向上することができる。ワイヤ２を後退送給する場合、ワイヤ２と溶融プール６との間の距離を所定の距離（例えば、１ｍｍから１０ｍｍ程度）となるように制御することで、溶接の安定性が向上する。すなわち、ワイヤ２を後退送給することで、ワイヤ２の先端部と溶融プール６との間の距離を大きくすることが可能となり、微小短絡を抑制することができるので、スパッタの発生を抑制することができる。

さらに、正送の場合の送給速度は、一般的に行われている一定送給溶接の場合の送給速度と比べて高速度である。従って、短絡を発生させ易く、短絡発生が確実化され、スパッタの低減効果を有する。また、逆送時では、機械的に短絡を開放できるので、短絡の開放を確実化できる。したがって、短絡解放直後に発生する短絡（微小短絡）を低減することができるので、スパッタの低減が可能となる。

本実施の形態においては、図３に示すように、ワイヤ２を逆送（後退送給）している間に、短絡期間が終了してアーク期間が開始され、ワイヤ２を正送（前進送給）している間に、アーク期間が終了して短絡期間が開始される。

ワイヤ２の上記した正送制御および逆送制御は、図３に示すように、ワイヤ送給速度の正送と逆送の繰り返しを所定の周期ＷＦと所定の振幅Ｗｖで周期的に行うようにしてもよい。なお、図３のワイヤ送給速度は、周期的な送給の例として正弦波状の場合を示している。しかし、これに限らず、台形波状やのこぎり波状としても良く、周期的な波形であればよい。

また、図示していないが、図３のような周期的な送給制御ではなく、溶接状態が短絡状態であることを検出すると逆送を行い、溶接状態がアーク状態であることを検出すると正送を行うように制御してもよい。

本発明によれば、亜鉛メッキ鋼板等の表面処理が行われた母材を溶接用のワイヤを用いて溶接する場合に、部材の重ね合わせ部分であるルート部が露出するように溶融プールを押すことにより母材から発生した気体が露出部から抜け易くなる。これにより、ブローホール等の気孔の発生およびスパッタの発生を著しく抑制することができ、亜鉛メッキ鋼板等の表面処理が行われた部材のような、溶接時に気体が発生する母材に対して行うアーク溶接制御方法として産業上有用である。

１トーチ
２ワイヤ
３上板
４下板
５アーク
６溶融プール
７溶接ビード
８溶融部
９露出部
１０亜鉛メッキ
１１ルート部
１２アーク再発生直前電流
１３第１の所定時間
１４第１の溶接電流
１５溶接電流の増加傾き
１６気孔
１０１短絡期間
１０２アーク期間
１０３アーク再発生時点
１０４アーク再発生直前電流
１０７アーク初期電流
１０８アーク初期制御時間
１０９溶接電流の増加傾き

Claims

溶接ワイヤが被溶接物と短絡する短絡期間と前記短絡が開放してアークが発生するアーク期間とを交互に繰り返して前記被溶接物を溶接するアーク溶接制御方法であって、
前記短絡が開放したことを検出すると増加傾きが、７５０Ａ／ｍｓｅｃ以上４０００Ａ／ｍｓｅｃ以下となるように、アーク再発生直前電流から、３００Ａ以上である第１の溶接電流まで、溶接電流を増加させ、
前記短絡が開放する予兆現象であるくびれを検出すると、前記くびれを検出した時点の溶接電流よりも低い前記アーク再発生直前電流まで溶接電流を減少させ、前記被溶接物は、表面処理が行われた鋼板であるアーク溶接制御方法。
前記溶接ワイヤの送給速度を、所定の周期と所定の振幅で周期的に変化させる請求項１記載のアーク溶接制御方法。
前記被溶接物は、亜鉛メッキ鋼板である請求項１または２に記載のアーク溶接制御方法。
前記被溶接物は溶接中に気体を発生し、
アークが溶融プールを押すことによって前記気体が溶融プールから放出される請求項１から３のいずれか１項に記載のアーク溶接制御方法。
ＣＯ２溶接とした場合、前記第１の溶接電流の最大値を４５０Ａ以下とした請求項１から４のいずれか１項に記載のアーク溶接制御方法。