JP6023991B2

JP6023991B2 - アーク溶接方法

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Description

本開示は、消耗電極である溶接ワイヤを送給しながら短絡状態とアーク状態を交互に発生させて溶接を行うアーク溶接方法に関し、特に、ワイヤ送給速度の制御に関する。

図１２は、短絡を伴う従来のアーク溶接制御方法における（ａ）ワイヤ送給速度ＷＳ、（ｂ）溶接電圧Ｖおよび（ｃ）溶接電流Ｉを示すタイムチャートである。

図１２において、時刻ｔ１１から時刻ｔ１２までの短絡期間では、時刻ｔ１１で短絡が発生すると、ワイヤ送給速度ＷＳは、正送であるワイヤ送給速度ＷＳ１から、逆送であるワイヤ送給速度ＷＳ２に減速する。これにより、ワイヤの送給は、逆送となる。また、短絡期間には、溶接電流Ｉは、電流制御により時間の経過に伴って増加する。

時刻ｔ１２から時刻ｔ１６までのアーク期間では、時刻ｔ１２で短絡が開放すると、ワイヤ送給速度ＷＳは、逆送であるワイヤ送給速度ＷＳ２から、正送であるワイヤ送給速度ＷＳ１に加速する。これにより、ワイヤの送給は、正送となる。また、アーク期間の初期では、溶接電流Ｉは、電流制御により増加する。

上述したように、短絡期間にワイヤの送給を逆送にすることで、短絡期間に送給されるワイヤの送給量を減少させる。これにより、ワイヤの送給を逆送にしない場合と比べ、短い時間で短絡状態を開放させてアークを発生させることができる。

また、短絡の解放後、すなわちアーク期間の開始後に、ワイヤの送給を正送にすると共に、溶接電流Ｉを増加させることで、安定してワイヤを燃え上がらせてワイヤの先端に溶滴を形成することができる。

上述の制御により、長時間短絡状態が続くことによるワイヤの飛び散りや短絡周期の乱れを防ぎ、周期的で安定した溶接を実現することができる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２１６２６８号公報

上述した従来のワイヤ送給制御は、短絡が発生すると直ぐに、ワイヤ送給速度ＷＳを、正送であるワイヤ送給速度ＷＳ１から逆送であるワイヤ送給速度ＷＳ２に減速させる。また、従来のワイヤ送給制御は、短絡が開放してアークが発生すると直ぐに、ワイヤ送給速度ＷＳを、逆送であるワイヤ送給速度ＷＳ２から正送であるワイヤ送給速度ＷＳ１に加速させる。すなわち、溶接状態に依存して、ワイヤ送給速度ＷＳを制御している。

しかし、従来のワイヤ送給制御は、短絡やアークを検出するとすぐにワイヤの送給を反転させ、例えば、アーク期間中の微小短絡といった一時的な異常現象でも、すぐにワイヤの送給を反転してしまう。そのため、このような一時的な異常現象でワイヤの送給を反転させてしまうと、規則的で安定したアーク溶接を行うことができない。

上記課題を解決するために、本開示のアーク溶接方法は、溶接ワイヤを溶接対象物の方向に送給する正送と、正送とは反対方向に溶接ワイヤを送給する逆送とを交互に行う往復ワイヤ送給を行い、溶接ワイヤと溶接対象物との間で短絡状態とアーク状態とを交互に発生させる。また、本開示のアーク溶接方法は、通常アーク溶接工程と、通常短絡溶接工程と、異常アーク溶接工程とを有する。通常アーク溶接工程では、溶接ワイヤが往復ワイヤ送給で送給されている間に、アーク状態が第１の判定期間以上継続する。通常短絡溶接工程では、溶接ワイヤが往復ワイヤ送給で送給されている間に、短絡状態が第２の判定期間以上継続する。異常アーク溶接工程では、アーク状態が開始する第１の時点から第２の判定期間が経過する前の第２の時点に、短絡状態が発生する。さらに、異常アーク溶接工程では、第２の時点から第１の期間が経過した第３の時点までは往復ワイヤ送給が継続される。さらに、第３の時点で、往復ワイヤ送給を中断して異常アーク溶接工程が終了する。そして、第３の時点から、溶接ワイヤを減速させて往復ワイヤ送給を再開する。

また、本開示の別のアーク溶接方法は、溶接ワイヤを溶接対象物の方向に送給する正送と、正送とは反対方向に溶接ワイヤを送給する逆送とを交互に行う往復ワイヤ送給を行い、溶接ワイヤと溶接対象物との間で短絡状態とアーク状態とを交互に発生させる。また、本開示のアーク溶接方法は、通常アーク溶接工程と、通常短絡溶接工程と、異常短絡溶接工程とを有する。通常アーク溶接工程では、溶接ワイヤが往復ワイヤ送給で送給されている間に、アーク状態が第１の判定期間以上継続する。通常短絡溶接工程では、溶接ワイヤが往復ワイヤ送給で送給されている間に、短絡状態が第２の判定期間以上継続する。異常短絡溶接工程では、短絡状態が開始する第４の時点から第２の判定期間が経過する前の第５の時点に、アーク状態が発生する。さらに、異常短絡溶接工程では、第５の時点から第２の期間が経過した第６の時点までは往復ワイヤ送給が継続される。さらに、第６の時点で、往復ワイヤ送給を中断して異常短絡溶接工程が終了する。そして、第６の時点から、溶接ワイヤを加速させて往復ワイヤ送給を再開する。

以上のように、本開示によれば、一時的な異常現象でも一定時間だけ溶接ワイヤの送給を継続することで、安定したアーク溶接を行うことができる。さらに、一定時間経過時点で溶接ワイヤの送給を制御するため、一時的な異常現象の再発生を抑制することができる。

図１は、実施の形態１と実施の形態２におけるアーク溶接装置の概略構成を示す図である。図２は、通常のアーク溶接方法による、（ａ）台形波状のワイヤ送給速度、（ｂ）溶接電流および（ｃ）溶接電圧を示すタイムチャートである。図３は、通常のアーク溶接方法による、（ａ）正弦波状のワイヤ送給速度、（ｂ）溶接電流および（ｃ）溶接電圧を示すタイムチャートである。図４は、実施の形態１におけるアーク溶接方法による、（ａ）台形波状のワイヤ送給速度、（ｂ）溶接電流および（ｃ）溶接電圧を示すタイムチャートである。図５は、実施の形態１の変形例におけるアーク溶接方法による、（ａ）正弦波状のワイヤ送給速度、（ｂ）溶接電流および（ｃ）溶接電圧を示すタイムチャートである。図６は、実施の形態２におけるアーク溶接方法による、（ａ）台形波状のワイヤ送給速度、（ｂ）溶接電流および（ｃ）溶接電圧を示すタイムチャートである。図７は、実施の形態２の変形例におけるアーク溶接方法による、（ａ）正弦波状のワイヤ送給速度、（ｂ）溶接電流および（ｃ）溶接電圧を示すタイムチャートである。図８は、実施の形態３におけるアーク溶接方法による、（ａ）台形波状のワイヤ送給速度、（ｂ）溶接電流および（ｃ）溶接電圧を示すタイムチャートである。図９は、実施の形態３の変形例におけるアーク溶接方法による、（ａ）正弦波状のワイヤ送給速度、（ｂ）溶接電流および（ｃ）溶接電圧を示すタイムチャートである。図１０は、実施の形態４におけるアーク溶接方法による、（ａ）台形波状のワイヤ送給速度、（ｂ）溶接電流および（ｃ）溶接電圧を示すタイムチャートである。図１１は、実施の形態４の変形例におけるアーク溶接方法による、（ａ）正弦波状のワイヤ送給速度、（ｂ）溶接電流および（ｃ）溶接電圧を示すタイムチャートである。図１２は、従来のアーク溶接制御方法による、（ａ）ワイヤ送給速度、（ｂ）溶接電圧および（ｃ）溶接電流を示すタイムチャートである。

以下、本開示の実施の形態について、図１から図１１を用いて説明する。

（実施の形態１）
先ず、本実施の形態１のアーク溶接装置１について、図１を用いて説明する。図１は、実施の形態１のアーク溶接装置１の概略構成を示す図である。アーク溶接装置１は、消耗電極である溶接ワイヤ２０と被溶接物１９（溶接対象物）との間で、アーク状態と短絡状態とを繰り返されるように溶接電流および溶接電圧を出力して被溶接物１９を溶接する。

図１に示すように、アーク溶接装置１は、主変圧器２と、一次側整流部３と、スイッチング部４と、リアクトル５と、二次側整流部６と、溶接電流検出部７と、溶接電圧検出部８と、短絡／アーク検出部９と、出力制御部１０と、ワイヤ送給速度制御部１４とを有する。

出力制御部１０は、短絡制御部１１とアーク制御部１２とを有する。ワイヤ送給速度制御部１４は、ワイヤ送給速度検出部１５と、演算部１６と、ワイヤ送給切替制御部１７とを有する。

一次側整流部３は、アーク溶接装置１の外部にある電源装置１８から入力された交流電圧を整流する。スイッチング部４は、一次側整流部３からの直流電圧を交流電圧に変換するとともに、電流の大きさを制御する。主変圧器２は、スイッチング部４からの交流電圧を溶接に適した交流電圧に変換する。二次側整流部６は、主変圧器２からの交流電圧を整流する。リアクトル５は、二次側整流部６からの直流電流を溶接に適した電流に平滑する。溶接電流検出部７は、アーク溶接装置１から出力される溶接電流を検出する。溶接電圧検出部８は、アーク溶接装置１から出力される溶接電圧を検出する。短絡／アーク検出部９は、溶接電圧検出部８からの溶接電圧を示す信号に基づいて、溶接ワイヤ２０と被溶接物１９との間の溶接状態が、短絡状態かアーク状態かを判定する。短絡状態とは、溶接ワイヤ２０と被溶接物１９とが短絡している状態である。アーク状態とは、溶接ワイヤ２０と被溶接物１９との間でアーク２１が発生している状態である。

出力制御部１０は、溶接電流検出部７からの溶接電流を示す信号と、溶接電圧検出部８からの溶接電圧を示す信号と、短絡／アーク検出部９からの溶接状態を示す信号とに基づいて、スイッチング部４に制御信号を出力して溶接出力（溶接電流および溶接電圧）を制御する。具体的には、短絡制御部１１は、溶接状態が短絡状態である場合に、短絡期間の溶接電流である短絡電流の制御を行う。アーク制御部１２は、溶接状態がアーク状態である場合に、アーク期間の溶接電流であるアーク電流の制御を行う。

ワイヤ送給速度制御部１４は、ワイヤ送給部２３を制御して溶接ワイヤ２０の送給速度を制御する。具体的には、ワイヤ送給速度検出部１５は、ワイヤを送給する速度および方向（正送／逆送）を検出する。なお、正送をプラス、逆送をマイナスとしてワイヤを送給する速度および方向をまとめて「ワイヤ送給速度」とする。演算部１６は、ワイヤ送給速度検出部１５からのワイヤ送給速度を示す信号に基づいて、所定時間や溶接ワイヤ２０の送給量の積算量を演算する。ワイヤ送給切替制御部１７は、演算部１６からの所定時間や溶接ワイヤ２０の送給量を示す信号に基づいて、溶接ワイヤ２０の送給の、正送から逆送への切り替えタイミングを遅らせる制御や、逆送から正送への切り替えタイミングを遅らせる制御を行う。

アーク溶接装置１には、溶接条件設定部１３と、ワイヤ送給部２３とが接続されている。溶接条件設定部１３は、ユーザーがアーク溶接装置１に溶接条件を設定するために用いられる。ワイヤ送給部２３は、ワイヤ送給速度制御部１４からのワイヤ送給速度を示す信号に基づいて、溶接ワイヤ２０の送給を制御する。

アーク溶接装置１の溶接出力の一方は、溶接チップ２２を介して溶接ワイヤ２０に接続される。アーク溶接装置１の溶接出力の他方は、被溶接物１９に接続される。アーク溶接装置１の溶接出力により、溶接ワイヤ２０と被溶接物１９との間にアーク２１を発生させて溶接を行う。

次に、以上のように構成されたアーク溶接装置１の通常の動作について、図２および図３を用いて説明する。なお、図２および図３は、後述するようなアーク期間初期の一時的な短絡や短絡期間の一時的なアークといった異常現象が生じていない場合の、通常のアーク溶接方法を説明するためのタイムチャートである。なお、従来のアーク溶接制御方法は、溶接状態（短絡状態／アーク状態）に応じて、ワイヤの送給速度を制御（変更）していたが、本実施の形態のアーク溶接装置１による通常の動作では、ワイヤ送給速度を制御することで、溶接状態（短絡状態／アーク状態）を引き起こすものである。

図２は、通常のアーク溶接方法による、（ａ）台形波状のワイヤ送給速度Ｗｆ、（ｂ）溶接電流Ａｗおよび（ｃ）溶接電圧Ｖｗを示すタイムチャートである。また、短絡期間Ｔｓは溶接状態が短絡状態であり、アーク期間Ｔａは、溶接状態がアーク状態であることをし、短絡状態とアーク状態とは交互に繰り返されている。図２および図３に示す、通常のアーク溶接方法では、短絡期間Ｔｓの間は、短絡状態が継続して維持されており、アーク期間Ｔａの間は、アーク状態が継続して維持されている。

図２に示すように、ワイヤ送給速度Ｗｆは、所定の周波数Ｆ（Ｈｚ）と所定の速度振幅ＡＶ（メートル／秒）で、基本波形である台形波状に、溶接ワイヤの正送と逆送とを周期的に繰り返すように制御される。周波数の逆数（１／Ｆ）である周期Ｔは、時点ｔ１から時点ｔ２までの短絡期間Ｔｓと、時点ｔ２から時点ｔ３までのアーク期間Ｔａとの和である。短絡期間Ｔｓにおけるワイヤ送給速度Ｗｆは、正送の最大ワイヤ送給速度（正送ピーク速度）から逆送の最大ワイヤ送給速度（逆送ピーク速度）に向けて減速するように制御され、逆送ピーク速度に達すると逆送ピーク速度で一定となるように制御される。アーク期間Ｔａにおけるワイヤ送給速度Ｗｆは、逆送ピーク速度から正送ピーク速度に向けて加速するように制御され、正送ピーク速度に達すると正送ピーク速度で一定となるように制御される。なお、図４以降では、通常のアーク溶接方法における短絡期間Ｔｓの開始時点はｔ１とし、アーク期間Ｔａの開始時点はｔ２とする。よって、時点ｔ３は時点ｔ１として示す。また、本開示では、短絡期間Ｔｓは、ワイヤ送給速度Ｗｆが正送ピーク速度から減速するタイミングで開始しているが、実際の短絡の開始（アークの消滅）は、多少前後していても構わない。また、本開示では、アーク期間Ｔａは、ワイヤ送給速度Ｗｆが逆送ピーク速度から加速するタイミングで開始しているが、実際の短絡の開放（アークの発生）は、多少前後していても構わない。

なお、本開示では、正送ピーク速度から逆送ピーク速度に向けたワイヤ送給速度の変化を「減速」と呼び、逆送ピーク速度から正送ピーク速度に向けたワイヤ送給速度の変化を「加速」とする。すなわち、ワイヤ送給速度の正負を含めて、加速および減速が定義されるものであり、ワイヤ送給速度の絶対値で定義するものではない。

なお、ワイヤ送給速度Ｗｆの正送ピーク速度、逆送ピーク速度、正送ピーク速度を維持する時間（正送ピーク時間）、逆送ピーク速度を維持する時間（逆送ピーク時間）、ワイヤ送給速度の加速度および減速度、ワイヤ送給速度の周期や振幅といったワイヤ送給速度の波形は、ユーザーがアーク溶接装置に設定する設定電流に応じて、予め決められている。

溶接電流Ａｗは、アーク期間Ｔａにおいて、所定のピーク電流まで増加され、これにより、溶接ワイヤの先端の溶融速度を高めて溶滴を形成するように溶接電流Ａｗを制御する。そして、大きくなった溶滴が溶融プールに移行されて短絡状態となり、短絡期間Ｔｓを開始する。

そして、溶接電流Ａｗは、短絡期間Ｔｓにおいて、短絡状態を開放させるため、時間の経過に伴って増加されるように制御する。溶接電流Ａｗの増加の方法としては、例えば、図２に示すように、溶接電流Ａｗを先ず第１の傾きで増加させ、その後、第１の傾きよりも緩やかな第２の傾きで増加させる。また、溶接電流Ａｗが第１の傾きから第２の傾きに切り替わる時の溶接電流を屈曲点と呼ぶ。そして、溶接ワイヤが逆送されているため、溶接ワイヤの先端はくびれを形成した後に被溶接物から離れる。これにより、溶接ワイヤと被溶接物の間にアークが発生してアーク状態となり、アーク期間Ｔａが開始される。溶接ワイヤの往復ワイヤ送給によって、短絡状態とアーク状態とが交互に繰り返され、溶接が行われている。なお、ほとんどの期間は、このような溶接電流Ａｗを実現するように電流制御がされているが、アーク期間Ｔａにおいて、溶接電流Ａｗをピーク電流に制御した後は、溶接電圧Ｖｗを制御する電圧制御が行われ、そのときの溶接電流Ａｗは、短絡状態になるまで減少する。

また、ワイヤ送給速度Ｗｆの波形は、図３に示すように正弦波状としても良い。この場合、ワイヤ送給速度Ｗｆの波形を図２の台形波状から正弦波状に変更するが、溶接電流Ａｗおよび溶接電圧Ｖｗの制御については、図２において説明した制御と同様の制御を行う。

次に、図４を用いて、アーク期間Ｔａの間に一時的な異常現象である微小短絡が発生した場合のアーク溶接方法について説明する。通常は、アーク期間Ｔａの間は、アーク状態が継続して維持されているが、溶接ワイヤ２０と被溶接物１９との距離が理想的な距離よりも短くなると、微小短絡といった一時的な短絡が発生しやすくなる。微小短絡は、被溶接物１９に形成された図示しない溶融プールが上下に振動し、溶融プールが溶接ワイヤ２０の先端に形成された溶滴に接触することにより発生する。そして、微小短絡はすぐに開放されてアークが再発生するが、その際に、溶融金属が飛散するスパッタが発生する。

図４に示すように、時点ｔ２までは、通常のアーク溶接が行われている。このときのワイヤ送給速度Ｗｆは、例えば、正送ピーク速度が１０〜２４ｍ／秒であり、逆送ピーク速度が−４〜−６ｍ／秒であり、ワイヤ送給速度Ｗｆの平均速度が２〜１０ｍ／秒である。すなわち、全体としてはワイヤが溶接箇所に供給される正送が行われている。さらに、ワイヤ送給速度Ｗｆは、例えば、周波数Ｆが１００Ｈｚ（周期Ｔは１０ミリ秒）であり、正送ピーク時間が２〜３ミリ秒、逆送ピーク時間が２〜３ミリ秒である。さらに、溶接電流Ａｗのピーク電流は、例えば、３００Ａである。さらに、溶接電圧Ｖｗは、例えば、上限が４０Ｖであり、下限が１０Ｖである。この溶接ワイヤの送給を「往復ワイヤ送給」とする。

次に、時点ｔ２（第１の時点）の後の時点ｔ４（第２の時点）において、溶接ワイヤの加速中に微小短絡が発生した場合の制御について説明する。アーク期間Ｔａの間に短絡を検出すると、発生した短絡が正常な短絡であるか、異常な短絡であるかを判定する必要がある。そのために、第１の判定期間をあらかじめ設定しておく。本実施の形態では、例えば、第１の判定期間は２ミリ秒とし、時点ｔ４は時点ｔ２の１ミリ秒後とする。第１の判定期間は、アーク期間Ｔａの２０％〜５０％程度、もしくは、ワイヤ送給速度Ｗｆの周期Ｔの１０％〜２５％程度に設定される。そして、アーク期間Ｔａが開始してから、第１の判定期間が経過するまでに発生する短絡は一時的な異常現象と判定し、異常アーク溶接工程を行う。アーク期間Ｔａが開始してから、第１の判定期間の経過後に発生する短絡は正常な現象と判定して、異常アーク溶接工程は行われず、往復ワイヤ送給が継続される。

異常アーク溶接工程について、さらに詳細に説明する。アーク期間Ｔａ中の時点ｔ４（第２の時点）で発生した短絡が一時的な異常現象であると判定されると、時点ｔ４から第１の期間Ｔ１後の時点ｔ５（第３の時点）が設定される。第１の期間Ｔ１は、例えば、２５０マイクロ秒〜１ミリ秒である。そして、溶接ワイヤ２０は、時点ｔ５になるまでは、往復ワイヤ送給を継続し、時点ｔ５でワイヤ送給速度Ｗｆを減速に切り替える。そして、時点ｔ５以降は、通常の往復ワイヤ送給を再開する。なお、図４では、異常アーク溶接工程のときのワイヤ送給速度Ｗｆ、溶接電流Ａｗ、溶接電圧Ｖｗを実線で示し、異常アーク溶接工程を行わなかった場合のワイヤ送給速度Ｗｆ、溶接電流Ａｗ、溶接電圧Ｖｗを点線で示している。そして、第１の期間Ｔ１は、実験によって導き出した、次の短絡が確実に起こる時間以上の長さに設定されている。

また、第１の期間Ｔ１の設定方法、すなわち時点ｔ５の設定方法として、溶接ワイヤの送給量に基づいて設定しても構わない。図４において、ワイヤ送給速度Ｗｆの加速から減速への切り替えのタイミングを、微小短絡を検出してからの溶接ワイヤ２０の送給量に基づいて設定しても構わない。

具体的には、通常の往復ワイヤ送給において、正送中であり、かつ、減速中の溶接ワイヤ２０の送給量を基準送給量Ｓ０として設定する。図４に示すように、基準送給量Ｓ０は、時点ｔ１からワイヤ送給速度Ｗｆが初めてゼロになる時点までのタイムチャートの面積に相当する。これは、ワイヤ送給速度Ｗｆが設定されていれば、自動的に求めることが可能である。そして、ワイヤ送給速度Ｗｆは前述したようにユーザーが設定した設定電流に応じて設定されるため、同時に基準送給量Ｓ０を求めることができる。

そして、時点ｔ４から時点ｔ５の後に初めてワイヤ送給速度Ｗｆがゼロとなる時までの溶接ワイヤ２０の送給量Ｓ１が、基準送給量Ｓ０と一致するように第１の期間Ｔ１を設定する。図４に示すように、送給量Ｓ１は、時点ｔ４から時点ｔ５の後にワイヤ送給速度Ｗｆが初めてゼロになる時点までのタイムチャートの面積に相当する。ワイヤ送給速度Ｗｆの加速度および減速度は、ワイヤ送給速度Ｗｆによって定められているため、時点ｔ４において、今後の加速および減速から、溶接ワイヤ２０の送給量Ｓ１を予測することが可能である。なお、溶接ワイヤ２０の送給量Ｓ１は、ワイヤ送給速度Ｗｆが逆送中は負であり、正送中の送給量は正である。

このように、一時的な異常を検出しても、第１の期間Ｔ１の間は往復ワイヤ送給を継続することで、溶接ワイヤ２０の送給を急に変化させることなく、アーク溶接を安定して行うことができる。また、第１の期間Ｔ１が経過した時点で、溶接ワイヤ２０の送給を減速に切り替えることで、微小短絡の原因となっていた、溶接ワイヤ２０と被溶接物１９との距離が小さすぎるという状態を改善でき、以降の微小短絡の発生を抑制できる。

なお、第１の期間Ｔ１は、アーク溶接装置１に設定される設定電流毎に予め設定された値である。第１の期間Ｔ１は、設定電流に基づいて、ワイヤ送給速度制御部１４内の演算部１６により決定される。演算部１６で決定された第１の期間Ｔ１は、ワイヤ送給切替制御部１７に送られる。ワイヤ送給切替制御部１７は、第１の期間Ｔ１に基づいて、ワイヤ送給速度Ｗｆの加速から減速への切り替えタイミングを制御している。

なお、図４に示すように、ワイヤ送給速度Ｗｆに加えて溶接電流Ａｗを制御しても構わない。図４に示すように、時点ｔ４で微小短絡を検出すると、溶接電流Ａｗのピーク電流を、例えば、３００Ａから２５０Ａに下げることが好ましい。異常アーク溶接工程の間において、溶接電流Ａｗのピーク電流を下げることで、異常アーク溶接工程中に更なる微小短絡が発生することを抑制できる。

（実施の形態１の変形例）
次に、図５を用いて、実施の形態１の変形例について説明する。実施の形態１と同様の構成については同じ符号をつけ、説明を省略する。

実施の形態１と本変形例との相違点は、ワイヤ送給速度Ｗｆの波形である。図４に示すように、実施の形態１ではワイヤ送給速度Ｗｆは台形波状であるが、図５に示すように、本変形例ではワイヤ送給速度Ｗｆは正弦波状である。

本変形例のワイヤ送給速度Ｗｆについて、正送ピーク速度、逆送ピーク速度、ワイヤ送給速度Ｗｆの平均速度、周波数Ｆは実施の形態１で例示したものと同様である。ただし、正送ピーク時間、逆送ピーク時間は存在しない。また、溶接電流Ａｗのピーク電流、溶接電圧Ｖｗの上限および下限も実施の形態１で例示したものと同様である。そして、ワイヤ送給速度Ｗｆが正弦波状である本変形例でも、溶接ワイヤの送給を「往復ワイヤ送給」とする。

時点ｔ５によるワイヤ送給速度Ｗｆの減速への切り替えについては、実施の形態１と同様であり、さらに、本変形例においても、溶接電流Ａｗのピーク電流を下げても構わない。

（実施の形態２）
次に、図６を用いて、短絡期間Ｔｓの間に一時的な異常現象としてアークが発生した場合のアーク溶接方法について説明する。実施の形態１と同様の構成については同じ符号をつけ、説明を省略する。

通常は、短絡期間Ｔｓの間は、短絡状態が継続して維持されているが、溶接ワイヤ２０と被溶接物１９との距離が理想的な距離よりも長くなると、突発的な短絡開放によるアーク（以下、突発性アークとする）が発生しやすくなる。突発性アークは、溶接ワイヤ２０と被溶接物１９との距離が遠ざかっているときに発生する。そして、ワイヤの短絡はすぐに再開されるが、突発性アークによって溶融金属が飛散するスパッタが発生する。

図６に示すように、時点ｔ６までは、通常の短絡溶接が行われている。このときのワイヤ送給速度Ｗｆは、正送ピーク速度、逆送ピーク速度、ワイヤ送給速度Ｗｆの平均速度、正送ピーク時間、逆送ピーク時間、周波数Ｆは実施の形態１で例示したものと同様である。また、溶接電流Ａｗのピーク電流、溶接電圧Ｖｗの上限および下限も実施の形態１で例示したものと同様である。

次に、時点ｔ１（第４の時点）の後の時点ｔ６（第５の時点）において、溶接ワイヤの減速中に突発性アークが発生した場合の制御について説明する。短絡期間Ｔｓの間にアークを検出すると、発生したアークが正常な短絡であるか、異常な短絡であるかを判定する必要がある。そのために、第２の判定期間をあらかじめ設定しておく。本実施の形態では、例えば、第２の判定期間は２ミリ秒とし、時点ｔ６は時点ｔ１の１ミリ秒後とする。第２の判定期間は、短絡期間Ｔｓの２０％〜５０％程度、もしくは、ワイヤ送給速度Ｗｆの周期Ｔの１０％〜２５％程度に設定される。そして、短絡期間Ｔｓが開始してから、第２の判定期間が経過するまでに発生するアークは一時的な異常現象と判定し、異常短絡溶接工程を行う。短絡期間Ｔｓが開始してから、第２の判定期間の経過後に発生するアークは正常な現象と判定して、異常短絡溶接工程は行われず、往復ワイヤ送給が継続される。

異常短絡溶接工程について、さらに詳細に説明する。短絡期間Ｔｓ中の時点ｔ６（第５の時点）で発生したアークが一時的な異常現象であると判定されると、時点ｔ６から第２の期間Ｔ２後の時点ｔ７（第６の時点）が設定される。第２の期間Ｔ２は、例えば、２５０マイクロ秒〜１ミリ秒である。そして、溶接ワイヤ２０は、時点ｔ７になるまでは、往復ワイヤ送給を継続し、時点ｔ７でワイヤ送給速度Ｗｆを加速に切り替える。そして、時点ｔ７以降は、通常の往復ワイヤ送給を再開する。なお、図６では、異常短絡溶接工程のときのワイヤ送給速度Ｗｆ、溶接電流Ａｗ、溶接電圧Ｖｗを実線で示し、異常短絡溶接工程を行わなかった場合のワイヤ送給速度Ｗｆ、溶接電流Ａｗ、溶接電圧Ｖｗを点線で示している。そして、第２の期間Ｔ２は、実験によって導き出した、次のアークが確実に発生する時間以上の長さに設定されている。

また、第２の期間Ｔ２の設定方法、すなわち時点ｔ７の設定方法として、溶接ワイヤの送給量に基づいて設定しても構わない。図６において、ワイヤ送給速度Ｗｆの減速から加速への切り替えのタイミングを、突発性アークを検出してからの溶接ワイヤ２０の送給量に基づいて設定しても構わない。

具体的には、通常の往復ワイヤ送給において、逆送中であり、かつ、加速中の溶接ワイヤ２０の送給量を基準送給量Ｓ２として設定する。図６に示すように、基準送給量Ｓ２は、時点ｔ２からワイヤ送給速度Ｗｆが初めてゼロになるまでのタイムチャートの面積に相当する。これは、ワイヤ送給速度Ｗｆが設定されていれば、自動的に求めることが可能である。そして、ワイヤ送給速度Ｗｆは前述したようにユーザーが設定した設定電流に応じて設定されるため、同時に基準送給量Ｓ２を求めることができる。

そして、時点ｔ６から時点ｔ７の後に初めてワイヤ送給速度Ｗｆがゼロとなる時点までの溶接ワイヤ２０の送給量Ｓ３が、基準送給量Ｓ２と一致するように第２の期間を設定する。図６に示すように、送給量Ｓ３は、時点ｔ６から時点ｔ７の後にワイヤ送給速度Ｗｆが初めてゼロになる時点までのタイムチャートの面積に相当する。ワイヤ送給速度Ｗｆの加速度および減速度は、ワイヤ送給速度Ｗｆによって定められているため、時点ｔ６において、今後の加速および減速から、溶接ワイヤ２０の送給量Ｓ３を予測することが可能である。なお、溶接ワイヤ２０の送給量Ｓ３は、ワイヤ送給速度Ｗｆが逆送中は負であり、正送中の送給量は正である。

このように、一時的な異常を検出しても、第２の期間Ｔ２の間は往復ワイヤ送給を継続することで、溶接ワイヤ２０の送給を急に変化させることなく、アーク溶接を安定して行うことができる。また、第２の期間Ｔ２が経過した時点で、溶接ワイヤ２０の送給を加速に切り替えることで、突発性アークの原因となっていた、溶接ワイヤ２０と被溶接物１９との距離が大きすぎるという状態を改善でき、以降の突発性アークの発生を抑制できる。

なお、第２の期間Ｔ２は、アーク溶接装置１に設定される設定電流毎に予め設定された値である。第２の期間Ｔ２は、設定電流に基づいて、ワイヤ送給速度制御部１４内の演算部１６により決定される。演算部１６で決定された第２の期間Ｔ２は、ワイヤ送給切替制御部１７に送られる。ワイヤ送給切替制御部１７は、第２の期間Ｔ２に基づいて、ワイヤ送給速度Ｗｆの減速から加速への切り替えタイミングを制御している。

なお、図６に示すように、ワイヤ送給速度Ｗｆに加えて溶接電流Ａｗを制御しても構わない。図６に示すように、時点ｔ６で微小短絡を検出すると、溶接電流Ａｗの傾きを、緩やかに変更することが好ましい。異常短絡溶接工程の間において、溶接電流Ａｗの傾きを緩やかにすることで、異常短絡溶接工程中に更なる突発性アークが発生することを抑制できる。

（実施の形態２の変形例）
次に、図７を用いて、実施の形態２の変形例について説明する。実施の形態２と同様の構成については同じ符号をつけ、説明を省略する。

実施の形態２と本変形例との相違点は、ワイヤ送給速度Ｗｆの波形である。図６に示すように、実施の形態２ではワイヤ送給速度Ｗｆは台形波状であるが、図７に示すように、本変形例ではワイヤ送給速度Ｗｆは正弦波状である。

本変形例のワイヤ送給速度Ｗｆについて、正送ピーク速度、逆送ピーク速度、ワイヤ送給速度Ｗｆの平均速度、周波数Ｆは実施の形態２で例示したものと同様（すなわち実施の形態１と同様）である。ただし、正送ピーク時間、逆送ピーク時間は存在しない。また、溶接電流Ａｗのピーク電流、溶接電圧Ｖｗの上限および下限も実施の形態２で例示したものと同様（すなわち実施の形態１と同様）である。そして、正弦波状である場合も、溶接ワイヤの送給を「往復ワイヤ送給」とする。

時点ｔ７によるワイヤ送給速度Ｗｆの加速への切り替えについては、実施の形態２と同様であり、さらに、本変形例においても、溶接電流Ａｗの傾きを緩やかにしても構わない。

（実施の形態３）
次に、図８を用いて、アーク期間Ｔａの間に一時的な異常現象である微小短絡が発生した場合のアーク溶接方法について説明する。実施の形態１と同様の構成については同じ符号をつけ、説明を省略する。

本実施の形態と実施の形態１との相違点は、ワイヤ送給速度Ｗｆは、微小短絡を検出しても、通常の往復ワイヤ送給を継続することである。さらに、本実施の形態と実施の形態１との相違点は、実施の形態１では任意としていた溶接電流Ａｗのピーク電流の低下を必ず行うものである。

時点ｔ４で微小短絡を検出すると、溶接電流Ａｗのピーク電流を低下させることにより、微小短絡が発生したアーク期間Ｔａの間に更なる微小短絡が発生することを抑制できる。よって、通常の溶接ワイヤの往復ワイヤ送給を行うことで、次の短絡状態が引き起こされるまでに、更なる微小短絡の発生を低減できる。なお、次の短絡状態が引き起こされれば、微小短絡の原因となっていた、溶接ワイヤ２０と被溶接物１９との距離が小さすぎるという状態はある程度改善されるため、本開示の目的とする効果は達成できるものである。

（実施の形態３の変形例）
次に、図９を用いて、実施の形態３の変形例について説明する。実施の形態３と同様の構成については同じ符号をつけ、説明を省略する。

実施の形態３と本変形例との相違点は、ワイヤ送給速度Ｗｆの波形である。図８に示すように、実施の形態３ではワイヤ送給速度Ｗｆは台形波状であるが、図９に示すように、本変形例ではワイヤ送給速度Ｗｆは正弦波状である。

時点ｔ４で微小短絡を検出すると、溶接電流Ａｗのピーク電流を減少させることにより、微小短絡が発生したアーク期間Ｔａの間に更なる微小短絡が発生することを抑制できる。よって、通常の溶接ワイヤの往復ワイヤ送給を行うことで、次の短絡状態が引き起こされるまでに、更なる微小短絡の発生を低減できる。なお、次の短絡状態が引き起こされれば、微小短絡の原因となっていた、溶接ワイヤ２０と被溶接物１９との距離が小さすぎるという状態はある程度改善されるため、本開示の目的とする効果は達成できるものである。

（実施の形態４）
次に、図１０を用いて、短絡期間Ｔｓの間に一時的な異常現象としてアークが発生した場合のアーク溶接方法について説明する。実施の形態２と同様の構成については同じ符号をつけ、説明を省略する。

本実施の形態と実施の形態２との相違点は、ワイヤ送給速度Ｗｆは、微小短絡を検出しても、通常の往復ワイヤ送給を継続することである。さらに、本実施の形態と実施の形態２との相違点は、実施の形態２では任意としていた溶接電流Ａｗの傾きを緩やかにすることを必ず行うものである。

時点ｔ６で突発性アークを検出すると、溶接電流Ａｗの傾きを緩やかにすることにより、突発性アークが発生した短絡期間Ｔｓの間に更なる突発性アークが発生することを抑制できる。よって、通常の溶接ワイヤの往復ワイヤ送給を行うことで、次のアーク状態が引き起こされるまでに、更なる突発性アークの発生を低減できる。なお、次のアーク状態が引き起こされれば、突発性アークの原因となっていた、溶接ワイヤ２０と被溶接物１９との距離が大きすぎるという状態はある程度改善されるため、本開示の目的とする効果は達成できるものである。

（実施の形態４の変形例）
次に、図１１を用いて、実施の形態４の変形例について説明する。実施の形態４と同様の構成については同じ符号をつけ、説明を省略する。

実施の形態４と本変形例との相違点は、ワイヤ送給速度Ｗｆの波形である。図１０に示すように、実施の形態４ではワイヤ送給速度Ｗｆは台形波状であるが、図１１に示すように、本変形例ではワイヤ送給速度Ｗｆは正弦波状である。

本変形例のワイヤ送給速度Ｗｆについて、正送ピーク速度、逆送ピーク速度、ワイヤ送給速度Ｗｆの平均速度、周波数Ｆは実施の形態４で例示したものと同様である。ただし、正送ピーク時間、逆送ピーク時間は存在しない。また、溶接電流Ａｗのピーク電流、溶接電圧Ｖｗの上限および下限も実施の形態４で例示したものと同様である。そして、ワイヤ送給速度Ｗｆが正弦波状である本変形例でも、溶接ワイヤの送給を「往復ワイヤ送給」とする。

本開示によれば、消耗電極である溶接ワイヤを送給しながら短絡状態とアーク状態を交互に発生させて溶接を行うアーク溶接方法において、一時的な異常現象でも一定時間だけ溶接ワイヤの送給を継続することで、安定したアーク溶接を行うことができ、産業上有用である。

１アーク溶接装置
２主変圧器
３一次側整流部
４スイッチング部
５リアクトル
６二次側整流部
７溶接電流検出部
８溶接電圧検出部
９短絡／アーク検出部
１０出力制御部
１１短絡制御部
１２アーク制御部
１３溶接条件設定部
１４ワイヤ送給速度制御部
１５ワイヤ送給速度検出部
１６演算部
１７ワイヤ送給切替制御部
１８電源装置
１９被溶接物
２０溶接ワイヤ
２１アーク
２２溶接チップ
２３ワイヤ送給部
Ｆ周波数
Ｔ周期
Ｔｓ短絡期間
Ｔａアーク期間
ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ５，ｔ６，ｔ７時点
ｔ１１，ｔ１２，ｔ１６時刻

Claims

溶接ワイヤを溶接対象物の方向に送給する正送と、前記正送とは反対方向に前記溶接ワイヤを送給する逆送とを交互に行う往復ワイヤ送給を行い、前記溶接ワイヤと前記溶接対象物との間で短絡状態とアーク状態とを交互に発生させるアーク溶接方法であって、
前記溶接ワイヤが前記往復ワイヤ送給で送給されている間に、アーク状態が第１の判定期間以上継続する通常アーク溶接工程と、
前記溶接ワイヤが前記往復ワイヤ送給で送給されている間に、短絡状態が第２の判定期間以上継続する通常短絡溶接工程と、
アーク状態が開始する第１の時点から前記第２の判定期間が経過する前の第２の時点に、短絡状態が発生する異常アーク溶接工程と、を備え、
前記異常アーク溶接工程では、前記第２の時点から第１の期間が経過した第３の時点までは前記往復ワイヤ送給が継続され、
前記第３の時点で、前記往復ワイヤ送給を中断して前記異常アーク溶接工程が終了し、
前記第３の時点から、前記溶接ワイヤを減速させて前記往復ワイヤ送給を再開するアーク溶接方法。
前記通常アーク溶接工程では、前記溶接ワイヤと前記溶接対象物との間に、第１のピーク電流値を最大値とする溶接電流が流れており、
前記異常アーク溶接工程では、前記溶接ワイヤと前記溶接対象物との間に、第１のピーク電流値よりも小さい第２のピーク電流値を最大値とする溶接電流が流れている請求項１に記載のアーク溶接方法。
前記往復ワイヤ送給は、
正送ピーク時間の間、正送の最大ワイヤ送給速度である正送ピーク速度で前記溶接ワイヤを送給する正送ピーク送給と、
前記正送ピーク速度からワイヤ送給速度を減らす減速送給と、
逆送ピーク時間の間、逆送の最大ワイヤ送給速度である逆送ピーク速度で前記溶接ワイヤを送給する逆送ピーク送給と、
前記逆送ピーク速度からワイヤ送給速度を増加させる加速送給と、をこの順に繰り返し行う請求項１または２に記載のアーク溶接方法。
前記通常短絡溶接工程における、前記減速送給が開始された時点からワイヤ送給速度がゼロになる時点までの前記溶接ワイヤの送給量が、前記異常アーク溶接工程における、前記第２の時点から前記第３の時点の後に初めてワイヤ送給速度がゼロになる時点までの前記溶接ワイヤの送給量と等しくなる請求項３に記載のアーク溶接方法。
前記第１の期間は２５０マイクロ秒〜１ミリ秒である請求項１〜４のいずれかに記載のアーク溶接方法。
溶接ワイヤを溶接対象物の方向に送給する正送と、前記正送とは反対方向に前記溶接ワイヤを送給する逆送とを交互に行う往復ワイヤ送給を行い、前記溶接ワイヤと前記溶接対象物との間で短絡状態とアーク状態とを交互に発生るアーク溶接方法であって、
前記溶接ワイヤが前記往復ワイヤ送給で送給されている間に、アーク状態が第１の判定期間以上継続する通常アーク溶接工程と、
前記溶接ワイヤが前記往復ワイヤ送給で送給されている間に、短絡状態が第２の判定期間以上継続する通常短絡溶接工程と、
短絡状態が開始する第４の時点から前記第２の判定期間が経過する前の第５の時点に、アーク状態が発生する異常短絡溶接工程と、を備え、
前記異常短絡溶接工程では、前記第５の時点から第２の期間が経過した第６の時点までは前記往復ワイヤ送給が継続され、
前記第６の時点で、前記往復ワイヤ送給を中断して異常短絡溶接工程が終了し、
前記第６の時点から、前記溶接ワイヤを加速させて前記往復ワイヤ送給を再開するアーク溶接方法。
前記通常短絡溶接工程では、前記溶接ワイヤと前記溶接対象物との間に、第１の傾きを有する溶接電流が流れており、
前記異常短絡溶接工程では、前記溶接ワイヤと前記溶接対象物との間に、第１の傾きよりも緩やかな第２の傾きを有する溶接電流が流れている請求項６に記載のアーク溶接方法。
前記往復ワイヤ送給は、
正送ピーク時間の間、正送の最大ワイヤ送給速度である正送ピーク速度で前記溶接ワイヤを送給する正送ピーク送給と、
前記正送ピーク速度からワイヤ送給速度を減らす減速送給と、
逆送ピーク時間の間、逆送の最大ワイヤ送給速度である逆送ピーク速度で前記溶接ワイヤを送給する逆送ピーク送給と、
前記逆送ピーク速度からワイヤ送給速度を増加させる加速送給と、をこの順に繰り返し行う請求項６または７に記載のアーク溶接方法。
前記通常アーク溶接工程における、前記加速送給が開始された時点からワイヤ送給速度がゼロになる時点までの前記溶接ワイヤの送給量が、前記異常短絡溶接工程における、前記第５の時点から前記第６の時点の後に初めてワイヤ送給速度がゼロになる時点までの前記溶接ワイヤの送給量と等しくなる請求項８に記載のアーク溶接方法。
前記第２の期間は２５０マイクロ秒〜１ミリ秒である請求項６〜９のいずれかに記載のアーク溶接方法。
前記往復ワイヤ送給は、前記溶接ワイヤのワイヤ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から１０のいずれかに記載のアーク溶接方法。
前記往復ワイヤ送給は、前記溶接ワイヤのワイヤ送給速度を所定の周期と所定の振幅で正弦波状に変化させる請求項１，２，６，７のいずれかに記載のアーク溶接方法。
前記第１の判定期間および前記第２の判定期間は、前記所定の周期の２５％〜５０％程度である請求項１１または１２に記載のアーク溶接方法。