JP6593924B2 - アーク溶接制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接を開始する際に、溶接ワイヤの送給開始時点から溶接電流の通電開始時点までの初期期間中は、送給速度を正送期間と逆送期間とに交互に切り換える正逆送給制御を行うアーク溶接制御方法に関するものである。

一般的な消耗電極式アーク溶接では、消耗電極である溶接ワイヤを一定速度で送給し、溶接ワイヤと母材との間にアークを発生させて溶接が行なわれる。消耗電極式アーク溶接では、溶接ワイヤと母材とが短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返す溶接状態になることが多い。

溶接品質をさらに向上させるために、溶接ワイヤの送給速度を正送期間と逆送期間とに交互に切り換える正逆送給制御を行い、短絡期間とアーク期間とを発生させて溶接するアーク溶接制御方法が使用されている。ここで、正送とは、溶接ワイヤを母材に近づく方向に送給することであり、逆送とは正送とは逆方向、溶接ワイヤが母材から遠ざかる方向に送給することである。

正逆送給制御アーク溶接においては、送給速度の正送期間と逆送期間とを１００Ｈｚ程度の周波数で高速に切り替える。送給速度の方向を高速に切り換えるためには、送給モータに過渡特性の良いものを使用する必要がある。一般的に、過渡特性の良いモータは、最大トルクが比較的小さくなる。

ところで、消耗電極式アーク溶接においては、溶接終了時に溶接ワイヤの先端部にスラグと呼ばれる絶縁物が付着した状態になる場合がある。スラグは溶接ワイヤに含まれている成分が化学反応して生成される。スラグの付着状態は、溶接ワイヤの種類、平均溶接電流値、溶接姿勢等の溶接条件によって異なる。溶接ワイヤの先端部にスラグが付着した状態で、次のアークスタートを行うと、溶接ワイヤが母材と接触しても、スラグが絶縁物であるので、アークが発生しない状態となり、アークスタート不良となる。正逆送給制御によるアーク溶接の場合も同様である。

正逆送給制御アーク溶接において、スラグによるアークスタート不良を改善する方法が特許文献１に開示されている。特許文献１の発明では、溶接開始時に溶接ワイヤの送給を開始してから溶接電流が通電するまでの初期期間中も、正逆送給制御を行っている。これにより、溶接ワイヤ先端にスラグが付着しているために溶接ワイヤ先端が母材と接触しても溶接電流が通電しないときには、溶接ワイヤ先端と母材との衝突が反復されることになる。特許文献１の発明では、この衝突の反復によって溶接ワイヤ先端のスラグを除去して、アークを発生させている。

特許第５２０１２６６号公報

特許文献１の方法は、溶接ワイヤの先端部にスラグが付着している場合には、アークスタート不良を防止することができる。しかし、スラグは溶接ワイヤの先端部だけでなく母材側に付着している場合がある。これは、前回溶接した溶接ビードの上から、今回の溶接を開始する場合等である。このような場合には、溶接ビードの表面には、スラグが付着しているためである。特許文献１の方法では、母材側に付着しているスラグを除去することは困難であるので、アークスタート不良となる問題があった。

そこで、本発明では、正逆送給アーク溶接において、スラグが溶接ワイヤの先端部及び母材表面に付着していても、常に良好なアークスタートを行うことができるアーク溶接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、
溶接を開始する際に、溶接ワイヤの送給開始時点から溶接電流の通電開始時点までの初期期間中は、送給速度を正送期間と逆送期間とに交互に切り換える正逆送給制御を行うアーク溶接制御方法において、
前記初期期間中は溶接トーチを母材表面の平面方向に振動させ、
前記初期期間の終了後に溶接トーチを教示された溶接開始位置まで移動させ、
前記初期期間の終了後に前記送給速度を前記逆送期間に切り換え、前記溶接トーチが前記溶接開始位置に到達するまでは前記逆送期間を継続させ、
前記初期期間の終了後にアークが発生してから前記溶接トーチが前記溶接開始位置に到達するまでの期間中は、溶接電流を定常溶接期間中の前記溶接電流の平均値よりも小さな値とする、
ことを特徴とするアーク溶接制御方法である。

本発明によれば、初期期間中に、送給速度の正逆送給制御及び溶接トーチの振動制御を行うことによって、溶接ワイヤ先端部のスラグを除去し、かつ、溶接ワイヤ先端を母材表面のスラグが付着していない個所に移動させることができる。このために、本発明では、正逆送給アーク溶接において、スラグが溶接ワイヤの先端部及び母材表面に付着していても、常に良好なアークスタートを行うことができる。

本発明の実施の形態１に係るアーク溶接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。 本発明の実施の形態１に係るアーク溶接制御方法を示す、図１の溶接電源における溶接開始時の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。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係るアーク溶接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による出力制御を行い、出力電圧Ｅを出力する。この電源主回路ＰＭは、図示は省略するが、商用電源を整流する１次整流器、整流された直流を平滑する平滑コンデンサ、平滑された直流を高周波交流に変換する上記の駆動信号Ｄｖによって駆動されるインバータ回路、高周波交流を溶接に適した電圧値に降圧する高周波変圧器、降圧された高周波交流を直流に整流する２次整流器を備えている。

リアクトルＷＬは、上記の出力電圧Ｅを平滑する。このリアクトルＷＬのインダクタンス値は、例えば２００μＨである。

送給モータＷＭは、後述する送給制御信号Ｆｃを入力として、正送期間と逆送期間とを交互に切り換えて溶接ワイヤ１を送給速度Ｆｗで送給する。送給モータＷＭには、過渡特性の良いモータが使用される。溶接ワイヤ１の送給速度Ｆｗの変化率及び送給方向の反転を速くするために、送給モータＷＭは溶接トーチ４の先端の近くに設置される場合がある。また、送給モータＷＭを２個使用して、プッシュプル方式の送給系とする場合もある。送給モータＷＭは、ロボットに搭載されている。

溶接ワイヤ１は、上記の送給モータＷＭ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、母材２との間にアーク３が発生する。溶接トーチ４内の給電チップ（図示は省略）と母材２との間には溶接電圧Ｖｗが印加し、溶接電流Ｉｗが通電する。溶接トーチ４は、ロボットによって把持されている。

溶接開始回路ＳＴは、溶接を開始するときにＨｉｇｈレベルとなる溶接開始信号Ｓｔを出力する。この溶接開始回路ＳＴは、溶接を開始するときにオンとされるスイッチ、溶接工程を制御するプロブラマブル・ロジック・コントローラ（ＰＬＣ）等である。

ロボット制御装置ＲＣは、上記の溶接開始信号Ｓｔ及び後述する初期期間タイマ信号Ｓtiを入力として、以下の処理を行い、ロボットＲＭを移動させるための動作制御信号ＭｃをロボットＲＭの複数のサーボモータ(図示は省略)に出力し、溶接電源を起動するための起動信号Ｏｎ及び溶接トーチ４の位置が教示された溶接開始位置と一致したときにＨｉｇｈレベルとなる溶接開始位置一致信号Ｗｐを出力する。
１）溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベル(溶接開始)に変化すると、動作制御信号Ｍｃを出力する。これにより、ロボットＲＭを移動させて、溶接トーチ４を溶接開始位置まで移動させる。
２）溶接トーチ４が溶接開始位置に到達すると、起動信号ＯｎをＨｉｇｈレベル(起動)にして出力する。同時に、ロボットＲＭを溶接開始位置を中心として振動させて、溶接トーチ４を母材２の表面方向に振動させる。
３）初期期間タイマ信号ＳtiがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変化すると、溶接トーチ４の振動を停止する。同時に、溶接トーチ４を溶接開始位置まで移動させる。
４）溶接トーチ４が溶接開始位置に到達すると、溶接開始位置一致信号Ｗｐを短時間だけＨｉｇｈレベル(一致)にして出力する。
５）その後に、溶接トーチ４を教示された溶接線に沿って移動させる。

ロボットＲＭは、送給モータＷＭ及び溶接トーチ４を搭載しており、上記の動作制御信号Ｍｃに従って溶接トーチ４を移動させる。

出力電圧設定回路ＥＲは、予め定めた出力電圧設定信号Ｅｒを出力する。出力電圧検出回路ＥＤは、上記の出力電圧Ｅを検出し平滑して、出力電圧検出信号Ｅｄを出力する。

電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の出力電圧設定信号Ｅｒ及び上記の出力電圧検出信号Ｅｄを入力として、出力電圧設定信号Ｅｒ（＋）と出力電圧検出信号Ｅｄ（−）との誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。この回路によって、溶接電源は定電圧制御される。

初期電流設定回路ＩＩＲは、予め定めた初期電流設定信号Ｉirを出力する。電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｗを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。

電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の初期電流設定信号Ｉir及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、初期電流設定信号Ｉir（＋）と電流検出信号Ｉｄ（−）との誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。この回路によって溶接電源は定電流制御される。

電流通電判別回路ＣＤは、上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、この値がしきい値（１０Ａ程度）以上のときは溶接電流Ｉｗが通電していると判別してＨｉｇｈレベルとなる電流通電判別信号Ｃｄを出力する。

電源特性切換回路ＳＷは、上記の電流誤差増幅信号Ｅｉ、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖ、上記の起動信号Ｏｎ及び上記の溶接開始位置一致信号Ｗｐを入力として、起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベル(起動)に変化した時点から溶接開始位置一致信号ＷｐがＨｉｇｈレベル(一致)に変化するまでの期間中は電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力し、それ以外の期間中は電圧誤差増幅信号Ｅｖを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。

電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。短絡判別回路ＳＤは、上記の電圧検出信号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。

駆動回路ＤＶは、上記の誤差増幅信号Ｅａ及び上記の起動信号Ｏｎを入力として、起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベル（起動）のときは誤差増幅信号Ｅａに基づいてＰＷＭ変調制御を行い、上記の電源主回路ＰＭ内のインバータ回路を駆動するための駆動信号Ｄｖを出力する。

初期期間タイマ回路ＳＴＩは、上記の起動信号Ｏｎ及び上記の電流通電判別信号Ｃｄを入力として、起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベル(起動)に変化した時点でＨｉｇｈレベルとなり、電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベル(通電)に変化した時点でＬｏｗレベルとなる初期期間タイマ信号Ｓtiを出力する。

定常正送ピーク値設定回路ＦＳＣＲは、予め定めた定常正送ピーク値設定信号Ｆscrを出力する。定常逆送ピーク値設定回路ＦＲＣＲは、予め定めた定常逆送ピーク値設定信号Ｆrcrを出力する。

定常溶接期間送給速度設定回路ＦＣＲは、上記の短絡判別信号Ｓｄ、上記の定常正送ピーク値設定信号Ｆscr及び上記の定常逆送ピーク値設定信号Ｆrcrを入力として、短絡判別信号Ｓｄに基づいて正送期間と逆送期間とが切り換えられ、定常正送ピーク値設定信号Ｆscrによって定まる定常正送ピーク値Ｆsc及び定常逆送ピーク値設定信号Ｆrcrによって定まる定常逆送ピーク値Ｆrcから形成される台形波の定常溶接期間送給速度設定信号Ｆcrを出力する。定常溶接期間送給速度設定信号Ｆcrについては、図２で詳述する。

初期正送ピーク値設定回路ＦＳＩＲは、予め定めた初期正送ピーク値設定信号Ｆsirを出力する。初期逆送ピーク値設定回路ＦＲＩＲは、予め定めた初期逆送ピーク値設定信号Ｆrirを出力する。

初期周波数設定回路ＳＩＲは、初期期間中の正送期間と逆送期間とを切り換える周波数を設定するための予め定めた初期周波数設定信号Ｓirを出力する。初期時間比率設定回路ＤＩＲは、初期期間中の正送期間と逆送期間との時間比率を設定するための初期時間比率設定信号Ｄirを出力する。時間比率＝（正送期間の時間長さ）／(正送期間＋逆送期間の時間長さ)である。すなわち、初期周波数設定信号Ｓirの逆数１／Ｓirによって定まる１周期に占める正送期間の時間比率となる。したがって、正送期間の時間長さ＝Ｄir／Ｓirであり、逆送期間の時間長さ＝(１−Ｄir）／Ｓirである。

初期期間送給速度設定回路ＦＩＲは、上記の初期正送ピーク値設定信号Ｆsir、上記の初期逆送ピーク値設定信号Ｆrir、上記の初期周波数設定信号Ｓir及び上記の初期時間比率設定信号Ｄirを入力として、初期周波数設定信号Ｓir及び初期時間比率設定信号Ｄirに基づいて正送期間及び逆送期間が定まり、初期正送ピーク値設定信号Ｆsirによって初期正送ピーク値Ｆsiが定まり、初期逆送ピーク値設定信号Ｆrirによって初期逆送ピーク値Ｆriが定まる台形波の初期期間送給速度設定信号Ｆirを出力する。初期期間送給速度設定信号Ｆirについては、図２で詳述する。

送給速度設定回路ＦＲは、上記の定常溶接期間送給速度設定信号Ｆcr、上記の初期期間送給速度設定信号Ｆir及び上記の初期期間タイマ信号Ｓtiを入力として、初期期間タイマ信号ＳtiがＨｉｇｈレベルである初期期間中は初期期間送給速度設定信号Ｆirを送給速度設定信号Ｆｒとして出力し、初期期間タイマ信号ＳtiがＬｏｗレベルである定常溶接期間中は定常溶接期間送給速度設定信号Ｆcrを送給速度設定信号Ｆｒとして出力する。送給速度設定信号Ｆｒについては、図２で詳述する。

送給制御回路ＦＣは、上記の起動信号Ｏｎ及び上記の送給速度設定信号Ｆｒを入力として、起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベル(起動)のときは送給速度設定信号Ｆｒの値に相当する送給速度Ｆｗで溶接ワイヤ１を送給するための送給制御信号Ｆｃを上記の送給モータＷＭに出力する。

図２は、本発明の実施の形態１に係るアーク溶接制御方法を示す、図１の溶接電源における溶接開始時の各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は起動信号Ｏｎの時間変化を示し、同図（Ｂ）は送給速度Ｆｗ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）は電流通電判別信号Ｃｄの時間変化を示し、同図（Ｆ）は短絡判別信号Ｓｄの時間変化を示し、同図（Ｇ）は初期期間タイマ信号Ｓtiの時間変化を示し、同図(Ｈ)は溶接トーチの振動を表す溶接トーチの位置と溶接開始位置との距離である溶接トーチ軌跡Ｌｔの時間変化を示す。以下、同図を参照して溶接開始時における各信号の動作について説明する。

最初に、図示していない時刻ｔ１以前の動作について説明する。作業者が溶接開始のためのスイッチをオンすると、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベル(溶接開始)に変化する。これに応動して、ロボットＲＭが移動を開始して、溶接トーチ４が教示された溶接開始位置まで移動する。時刻ｔ１において、溶接トーチ４が溶接開始位置に到達すると、溶接トーチ４の移動は停止する。同時に、同図(Ａ)に示すように、起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベル(起動)に変化する。

同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは、０よりも上側が正送期間となり、下側が逆送期間となる。送給速度Ｆｗは、初期期間Ｔｉ中は初期期間送給速度設定信号Ｆirによって制御され、所定の周波数で正送期間と逆送期間とが切り換えられる。他方、送給速度Ｆｗは、定常溶接期間Ｔｃ中は定常溶接期間送給速度設定信号Ｆcrによって制御され、短絡期間とアーク期間とに同期して正送期間と逆送期間とが切り換えられる。送給速度Ｆｗは、台形波状に変化している。送給速度Ｆｗの平均値は正の値となり、溶接ワイヤ１は平均的には正送されている。

時刻ｔ１においては、溶接ワイヤ１の先端と母材２の表面とは２〜１５mm程度離れている。同図(Ａ)に示す起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベル(起動)となる時刻ｔ１から同図(Ｅ)に示す電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベル(通電)となる時刻ｔ７までの期間が初期期間Ｔｉとなる。時刻ｔ７から溶接トーチ４が溶接開始位置まで戻る時刻ｔ１０までの期間が遷移期間となる。時刻ｔ１０以降の期間が定常溶接期間Ｔｃとなる。

［時刻ｔ１〜ｔ７の初期期間Ｔｉの動作］
時刻ｔ１において、同図(Ａ)に示すように、起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベル（起動）に変化すると、同図(Ｇ)に示すように、初期期間タイマ信号ＳtiがＨｉｇｈレベルに変化して初期期間Ｔｉが開始する。同時に、溶接電源が起動されるので、同図（Ｄ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは最大出力電圧値の無負荷電圧値になる。溶接ワイヤ１の先端と母材２の表面とは離れているので、同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗは通電しない。同時に、同図(Ｂ)に示すように、溶接ワイヤ１の送給が開始される。

同図(Ｂ)に示すように、初期期間Ｔｉ中の送給速度Ｆｗに対しては、所定の初期周波数Ｓｉ［Ｈｚ］で正送期間と逆送期間とを交互に繰り返す正逆送給制御が行われる。初期周波数Ｓｉは、初期周波数設定信号Ｓirによって設定される。初期期間中の正送期間及び逆送期間は、初期周波数設定信号Ｓir及び初期時間比率設定信号Ｄirによって設定される。時刻ｔ１〜ｔ２の正送期間中の送給速度Ｆｗは、０から所定の変化率で加速し、所定の初期正送ピーク値Ｆsiに到達するとその値を維持し、所定の期間が経過すると所定の変化率で０まで減速する。初期正送ピーク値Ｆsiは、初期正送ピーク値設定信号Ｆsirによって設定される。時刻ｔ２〜ｔ３の逆送期間中の送給速度Ｆｗは、０から所定の変化率で加速し、所定の負の値である初期逆送ピーク値Ｆriに到達するとその値を維持し、所定の期間が経過すると所定の変化率で０まで減速する。初期逆送ピーク値Ｆriは、初期逆送ピーク値設定信号Ｆrirによって設定される。時刻ｔ１〜ｔ３の期間が１周期となり、初期周波数Ｓｉの逆数１／Ｓｉとなる。

溶接ワイヤ先端・母材間距離は、時刻ｔ１〜ｔ２の正送期間中は次第に短くなり、時刻ｔ２〜ｔ３の逆送期間中は次第に長くなる。但し、時刻ｔ３時点の距離は、時刻ｔ１時点の距離よりも短くなっている。これは、１周期あたりの送給速度Ｆｗの平均値が正の値になるように送給速度の波形パラメータが調整されているからである。この初期期間Ｔｉ中の送給速度Ｆｗの平均値を平均初期送給速度Ｆｉと呼ぶことにする。時刻ｔ３〜ｔ４の周期についても、時刻ｔ１〜ｔ３の周期と同様である。

また、初期期間Ｔｉ中は、溶接トーチ４は溶接開始位置を中心として所定の周波数及び所定の振幅で振動する。このために、同図(Ｈ)に示すように、溶接トーチ４の位置と溶接開始位置との距離である溶接トーチ軌跡Ｌｔは、正負の正弦波状に変化している。同図は、溶接トーチ４が溶接開始位置を中心とする直線状の往復運動の振動を行っている場合である。これ以外にも、溶接開始位置を中心とする円周上を回転するように振動しても良い。振動方向は、母材２の表面方向である。すなわち、溶接ワイヤ先端が母材表面と接触した状態で、母材表面をなでるように移動する方向である。溶接トーチ軌跡Ｌｔの絶対値は溶接開始位置からの距離を示し、正負の符号は左右等の方向を示している。溶接トーチ４の振動周波数は、溶接ワイヤ１の正逆送給制御の周波数よりも低く設定される。

同図(Ｂ)に示すように、時刻ｔ４〜ｔ５の正送期間中の時刻４１において、溶接ワイヤ１の先端が母材２の表面と接触（衝突）すると、溶接ワイヤ先端・母材間距離＝０となる。しかし、溶接ワイヤ１の先端及び母材２の表面にスラグが付着しているために、非導通接触状態となる。このために、同図(Ｃ)に示すように、溶接電流Ｉｗは通電せず、同図(Ｄ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは無負荷電圧値のままである。時刻ｔ４１〜ｔ５の正送期間中の溶接ワイヤ先端・母材間距離は０のままである。続く時刻ｔ５〜ｔ６の逆送期間中は、溶接ワイヤ先端・母材間距離は０から次第に長くなる。

同図(Ｂ)に示すように、時刻ｔ６からの正送期間中の時刻ｔ７において、溶接ワイヤ１の先端が母材２の表面と再び接触（衝突）すると、同図(Ｈ)に示すように、溶接ワイヤ先端・母材間距離＝０となる。溶接ワイヤ１の先端に付着したスラグは、時刻ｔ４１〜ｔ５の１回目の接触(衝突)及び溶接トーチ４の振動に伴い溶接ワイヤ先端が母材表面と接触しながら移動したことによって、削り取られて除去されている。かつ、２回目の接触(衝突)時点の時刻ｔ７において、同図(Ｈ)に示すように、溶接トーチ軌跡Ｌｔが正の値となっているので、溶接ワイヤ先端は溶接開始位置から離れた母材表面にスラグが付着していない位置にある。これは、母材表面にはスラグが付着している個所と付着していない個所とが混在しているためである。この結果、今回の接触では導通接触状態(短絡状態)となる。このために、同図(Ｃ)に示すように、溶接電流Ｉｗが通電を開始し、同図(Ｄ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは、無負荷電圧値から低下して数Ｖの短絡電圧値となる。これに応動して、時刻ｔ７において、同図(Ｅ)に示すように、電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベル(通電)となるので、同図(Ｇ)に示すように、初期期間タイマ信号ＳtiがＬｏｗレベルに変化して初期期間Ｔｉが終了する。時刻ｔ７において、同図(Ｆ)に示すように、短絡判別信号ＳｄはＨｉｇｈレベル(短絡）となる。初期期間Ｔｉが終了するので、溶接トーチ４の振動が停止し、溶接トーチ４は溶接開始位置への移動を開始する。

同図においては、時刻ｔ１に送給を開始してから時刻ｔ４１に１回目の接触(衝突)が発生するまでの期間を３回目の周期の途中として描画しているが、実際には数十周期が含まれることになる。溶接トーチ４の振動についても、十数周期が含まれる。また、同図においては、２回目の接触(衝突)によってスラグが削り取られて導通状態となった場合であるが、スラグ付着状態がひどいときには十数回の接触を繰り返す場合もある。溶接ワイヤ１の先端及び母材２の表面にスラグがほとんど付着していないときには、１回目の接触で導通状態となる場合もある。すなわち、本実施の形態では、溶接ワイヤ先端部及び母材表面のスラグ付着状態がひどいとき又は少ないときに関わらず、必ず導通状態に導くことができる。

［時刻ｔ７〜ｔ１０の遷移期間の動作］
時刻ｔ７において短絡状態となると、同図（Ｃ）に示すように、予め定めた初期電流が通電する。初期電流は、初期電流設定信号Ｉirによって設定される。その値は、２０〜５０Ａ程度である。初期電流は、定電流制御されており、溶接トーチ４が溶接開始位置まで戻る時刻ｔ１０まで通電する。初期電流の値は、定常溶接期間Ｔｃ中の溶接電流Ｉｗの平均値未満に設定されることが好ましい。これは、時刻ｔ７に短絡が発生したときの電流値が小さいとスパッタの発生が少なくなるからである。さらに、遷移期間中にアークが発生したときに、初期電流が小さな値であると溶接ワイヤ１の溶融が抑制されてアーク長が適正範囲に維持されるからである。

時刻ｔ７に電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルに変化してから予め定めた遅延期間が経過した時刻ｔ８において、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは正送から逆送に切り換えられて、所定の定常逆送ピーク値Ｆrcまで急加速し、その値を維持する。上記の遅延期間は１〜１０ms程度に設定される。遅延期間を０にして、遅延しないようにしても良い。この遅延は、溶接ワイヤ１が母材２に接触したときに、初期アークを円滑に発生させるために設けている。

時刻ｔ７に初期期間Ｔｉが終了すると、溶接トーチ４は振動を停止して、溶接開始位置まで移動する。このために、同図(Ｈ)に示すように、溶接トーチ軌跡Ｌｔは、時刻ｔ７時点で正の値であり、時刻ｔ１０において０となる。溶接トーチ４は、時刻ｔ１０からは溶接線に沿って移動する。時刻ｔ１０以降の溶接トーチ軌跡Ｌｔは０として描画している。時刻ｔ１０において、溶接トーチ４の位置と溶接開始位置とが一致するために、図示していない溶接開始位置一致信号Ｗｐが短時間Ｈｉｇｈレベル(一致)となる。初期期間Ｔｉが終了した後に溶接トーチ４を溶接開始位置まで戻してから溶接線に沿って移動させることによって、溶接開始位置からのビード形成を確実に行うことができ、溶接品質を良好にすることができる。

時刻ｔ９において上記の逆送によって、アーク３が発生すると、同図（Ｄ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数十Ｖのアーク電圧値に急増し、これに応動して、同図（Ｆ）に示すように、短絡判別信号ＳｄはＬｏｗレベル（アーク）に変化する。逆送ピーク期間中に短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク）に変化すると、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは予め定めた逆送遷移値まで減速してその値を時刻ｔ１０まで維持する。逆送遷移値は１０ｍ／分程度である。遷移期間中は逆送期間を継続することによって、アークが一旦発生した後に再び短絡が発生することを防止することができ、溶接状態を安定化させることができる。

［時刻ｔ１０以降の定常溶接期間Ｔｃ中の動作］
時刻ｔ１０において溶接開始位置一致信号ＷｐがＨｉｇｈレベル(一致)に変化すると、定常溶接期間Ｔｃに入る。これに応動して、溶接電源の特性が定電圧特性に切り換えられるので、同図(Ｃ)に示すように、溶接電流Ｉｗはアーク負荷によって定まる値へと増加する。同時に、同図(Ｂ)に示すように、送給速度Ｆｗは、正送期間に切り換えられ、所定の変化率で０から加速され、所定の定常正送ピーク値Ｆscに達するとその値を維持する。正送ピーク期間中の時刻ｔ１１において、短絡が発生すると、同図(Ｄ)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(Ｆ)に示すように、短絡判別信号ＳｄはＨｉｇｈレベル(短絡)に変化する。これに応動して、同図(Ｂ)に示すように、送給速度Ｆｗは逆送期間への移行を開始する。送給速度Ｆｗは、時刻ｔ１１〜ｔ１２の期間中に所定の変化率で減速して０となる。同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗは時刻ｔ１１〜ｔ１３の短絡期間中に次第に増加する。

時刻ｔ１２から逆送期間に入り、所定の変化率で０から加速され、所定の定常逆送ピーク値Ｆrcに達するとその値を維持する。時刻ｔ１３において、逆送によってアークが発生すると、同図(Ｄ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは数十Ｖのアーク電圧値に急増し、同図(Ｆ)に示すように、短絡判別信号ＳｄはＬｏｗレベル(アーク)に変化する。これに応動して、同図(Ｂ)に示すように、送給速度Ｆｗは正送期間への移行を開始する。送給速度Ｆｗは、時刻ｔ１３〜ｔ１４の期間中に所定の変化率で減速して０となる。同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗはアーク期間中に次第に減少する。

これ以降は、時刻ｔ１０〜ｔ１４の動作を繰り返す。

本実施形態における各数値の一例を以下に示す。
（初期期間ＴＩのパラメータ）
初期周波数Ｓｉは通常５０〜１５０Ｈｚであり、本実施の形態においては、例えば１００Ｈｚ程度である。初期時間比率は、通常０．５０１７〜０．５０５であり、本実施の形態においては、例えば０．５０３３程度である。初期正送ピーク値Ｆsiは、３０〜５０ｍ／分であり、本実施の形態においては、例えば３０〜４０ｍ／分程度である。初期逆送ピーク値Ｆriは、通常３０〜５０ｍ／分であり、本実施の形態においては、例えば３０〜４０ｍ／分程度である。平均初期送給速度Ｆｉは、１〜３ｍ／分であり、本実施の形態においては、例えば２ｍ／分程度である。
(遷移期間のパラメータ)
溶接トーチの振動周波数は通常１〜５０Ｈｚであり、本実施の形態においては、例えば１０Ｈｚである。溶接トーチの振動振幅は通常３〜１０mm程度であり、本実施の形態においては、例えば５mmである。逆送遷移値は通常５〜１５ｍ／分であり、本実施の形態においては、例えば１０ｍ／分程度である。初期電流は通常２０〜５０Ａであり、本実施の形態においては、例えば３０Ａ程度である。遷移期間は通常５〜２００msであり、本実施の形態においては、例えば５０ms程度である。
（定常溶接期間Ｔｃのパラメータ）
送給速度の１周期は、通常８〜２０msであり、本実施の形態においては、例えば１０ms程度である。短絡期間は、通常２〜１０msであり、本実施の形態においては、例えば４ms程度である。アーク期間は、通常３〜１５msであり、本実施の形態においては、例えば６ms程度である。定常正送ピーク値Ｆscは、通常３０〜１００ｍ／分であり、本実施の形態においては、例えば８０ｍ／分程度である。定常逆送ピーク値Ｆrcは、通常−３０〜−１００ｍ／分であり、本実施の形態においては、例えば−７０ｍ／ｍｉｎ程度である。平均送給速度は、通常３〜１５ｍ／分であり、本実施の形態においては、例えば１０ｍ／分程度である。正送期間と逆送期間との切換時の変化率は、通常１ms当たり３０〜２００ｍ／分の変化であり、本実施の形態においては、例えば１ms当たり１００ｍ／分程度の変化である。また、平均溶接電流は、通常７０〜３５０Ａであり、本実施の形態においては、例えば２５０Ａ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。本実施の形態では、溶接ワイヤの送給開始時点から溶接電流の通電開始時点までの初期期間中は、送給速度を正送期間と逆送期間とに交互に切り換える正逆送給制御を行うと共に、溶接トーチを母材表面の平面方向に振動させる。本実施の形態では、正逆送給制御によって溶接ワイヤ先端と母材との接触(衝突)を溶接電流が通電するまで繰り返すので、溶接ワイヤ先端部に付着したスラグを除去することができる。さらに、本実施の形態では、溶接トーチを母材表面方向に振動させることによって、溶接ワイヤ先端が母材と接触する位置を移動させることができる。このために、母材表面にスラグが付着していても、溶接ワイヤ先端を付着していない個所に移動させることができるので、溶接ワイヤと母材とを導通状態にすることができる。この結果、本実施の形態では、溶接ワイヤ先端部のスラグが除去され、かつ、母材表面にスラグが付着していない個所に溶接ワイヤ先端を移動させることができるので、アークスタートを確実に行うことができる。

さらに、本実施の形態では、初期期間の終了後に溶接トーチを教示された溶接開始位置まで移動させる。これにより、教示された溶接開始位置から溶接ビードを形成することができるので、良好な溶接品質を得ることができる。

さらに、本実施の形態では、初期期間の終了後に、送給速度を逆送期間に切り換え、溶接トーチが溶接開始位置に到達するまでは逆送期間を継続する。これにより、本実施の形態では、溶接電流が通電して初期期間が終了してから溶接トーチが溶接開始位置に到達するまでの遷移期間中に、アークが一旦発生した後に再び短絡が発生することを防止することができる。このために、本実施の形態では、遷移期間中の溶接状態を安定化させることができる。

さらに、本実施の形態では、初期期間の終了後にアークが発生してから溶接トーチが溶接開始位置に到達するまでの期間中は、溶接電流を定常溶接期間中の溶接電流の平均値よりも小さな値とする。これにより、本実施の形態では、初期期間の終了後にアークが発生してから溶接トーチが溶接開始位置に到達するまでの期間中は、溶接電流が定常溶接期間中よりも小さな値となる。このために、本実施の形態では、溶接ワイヤの溶融を抑制してアーク長を適正範囲に維持することができるので、溶接状態をより安定化させることができる。

上述した実施の形態においては、正逆送給制御の送給速度の波形が台形波である場合について説明したが、正弦波、三角波等の繰り返す波形であれば良い。

１ 溶接ワイヤ
２ 母材
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
ＣＤ 電流通電判別回路
Ｃｄ 電流通電判別信号
ＤＩＲ 初期時間比率設定回路
Ｄir 初期時間比率設定信号
ＤＶ 駆動回路
Ｄｖ 駆動信号
Ｅ 出力電圧
Ｅａ 誤差増幅信号
ＥＤ 出力電圧検出回路
Ｅｄ 出力電圧検出信号
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＲ 出力電圧設定回路
Ｅｒ 出力電圧設定信号
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
ＦＣＲ 定常溶接期間送給速度設定回路
Ｆcr 定常溶接期間送給速度設定信号
Ｆｉ 平均初期送給速度
ＦＩＲ 初期期間送給速度設定回路
Ｆir 初期期間送給速度設定信号
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
Ｆrc 定常逆送ピーク値
ＦＲＣＲ 定常逆送ピーク値設定回路
Ｆrcr 定常逆送ピーク値設定信号
Ｆri 初期逆送ピーク値
ＦＲＩＲ 初期逆送ピーク値設定回路
Ｆrir 初期逆送ピーク値設定信号
Ｆsc 定常正送ピーク値
ＦＳＣＲ 定常正送ピーク値設定回路
Ｆscr 定常正送ピーク値設定信号
Ｆsi 初期正送ピーク値
ＦＳＩＲ 初期正送ピーク値設定回路
Ｆsir 初期正送ピーク値設定信号
Ｆｗ 送給速度
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＩＲ 初期電流設定回路
Ｉir 初期電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
Ｌｔ 溶接トーチ軌跡
Ｍｃ 動作制御信号
Ｏｎ 起動信号
ＰＭ 電源主回路
ＲＣ ロボット制御装置
ＲＭ ロボット
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
Ｓｉ 初期周波数
ＳＩＲ 初期周波数設定回路
Ｓir 初期周波数設定信号
ＳＴ 溶接開始回路
Ｓｔ 溶接開始信号
ＳＴＩ 初期期間タイマ回路
Ｓti 初期期間タイマ信号
ＳＷ 電源特性切換回路
Ｔｉ 初期期間
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＬ リアクトル
ＷＭ 送給モータ
Ｗｐ 溶接開始位置一致信号

Claims (1)

1. 溶接を開始する際に、溶接ワイヤの送給開始時点から溶接電流の通電開始時点までの初期期間中は、送給速度を正送期間と逆送期間とに交互に切り換える正逆送給制御を行うアーク溶接制御方法において、
   前記初期期間中は溶接トーチを母材表面の平面方向に振動させ、
   前記初期期間の終了後に溶接トーチを教示された溶接開始位置まで移動させ、
   前記初期期間の終了後に前記送給速度を前記逆送期間に切り換え、前記溶接トーチが前記溶接開始位置に到達するまでは前記逆送期間を継続させ、
   前記初期期間の終了後にアークが発生してから前記溶接トーチが前記溶接開始位置に到達するまでの期間中は、溶接電流を定常溶接期間中の前記溶接電流の平均値よりも小さな値とする、
   ことを特徴とするアーク溶接制御方法。

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