JP6948528B2 - アーク溶接方法およびアーク溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、消耗電極である溶接ワイヤの送給として、正送と逆送を繰り返しながら、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およびアーク溶接装置に関するものである。

近年、溶接業界では、生産性向上のために溶接の高速度化及びスパッタ低減に対する要求が高まってきている。溶接速度を高速化することは時間当たりの生産数を増加させ、また、スパッタ低減はワークに付着したスパッタを除去する後処理工程を削減できるため、溶接生産性を向上できるからである。

従来のパルス溶接出力制御は、溶接電流におけるパルス電流の出力開始時を時間起点として基本パルス周期である第１時限よりも小なる所定の第２時限の経過後に溶接ワイヤと被溶接物である母材との短絡が無くアーク発生していれば、前記基本パルス周期により次のパルス電流を出力する。

一方、前記第２時限の経過後に溶接ワイヤによる母材への短絡があれば、溶接電流において、パルス電流の立ち上がり速度より小なる値の電流を出力し、短絡が開放されればパルス電流よりも小でベース電流よりも大なる値の電流を所定時間出力する。この後、次のパルス電流の出力を開始する。このようにしてスパッタを低減するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

以下、上記した従来のパルスアーク溶接装置におけるパルス溶接出力制御について、図７を用いて説明する。図７は従来のパルスアーク溶接装置における従来の出力制御で溶接を行った際の電流波形を示している。図７において１０１は基本パルス周期、１０２は溶接ワイヤと母材が短絡している短絡期間、１０３は短絡開放後の次の溶滴移行のため、溶接ワイヤの先端に溶融塊を形成するためのアーク初期時間（期間）を示している。

従来のパルスアーク溶接装置では、短絡発生時、パルス波形回路部によるパルス制御を待機状態とし、ディップ波形回路部による短絡制御を優先して波形制御を行う。そして、図７に示す電流波形の例において、２つ目の基本パルス周期１０１のパルス開始タイミング１０６で示す時点においても溶接状態が短絡中であるため、短絡が開放するまでの短絡期間１０２の間は短絡制御を継続する。

そして、短絡の解放後、次の溶滴移行のための溶接ワイヤの溶融塊を形成するために、パルス電流のピーク電流１０５よりも小でベース電流１０４よりも大なる値の電流をア−ク初期時間１０３の間出力する。そして、ア−ク初期時間１０３の経過後にパルス電流を印加する。これによりスパッタを低減するものである。

特開平１−２６６９６６号公報

溶接速度の高速化のために溶接電流を高くすると、溶接個所に不具合が生じることがあり、これを解消するため、また、加えて、被溶接物が薄板である場合、溶け落ちを抑制するために、溶接電圧を低くすることがある。そうすると、短絡時間（短絡開始から短絡開放までの時間）が長くなると共に短絡開放時の電流が高くなる。結果、短絡開放時のスパッタが増加してしまう。

本発明は、薄板の被溶接物に対して溶接速度の高速化が可能であり、被溶接物の溶け落ちを抑制可能なアーク溶接制御方法及びアーク溶接装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るアーク溶接方法は、短絡とアークを繰り返す溶接におけるアーク溶接方法であって、短絡期間において短絡の開放を検出すると、アーク期間中に、短絡の開放時の電流値よりもピーク値が大きい第１電流と、第１電流よりも小さく、短絡の開放時の電流値よりもピーク値が小さい第２電流を供給し、第１電流から第２電流へと下降させる立下り期間および第２電流の期間を含む期間において、第１のアーク期間と第２のアーク期間との間で短絡を発生させ、アーク期間は、第１のアーク期間と第２のアーク期間とを有する複合アーク期間であるものである。

また、本発明のアーク溶接方法は、短絡とアークを繰り返す溶接におけるアーク溶接方法であって、短絡期間において短絡の開放の予兆を検出すると、予兆を検出した時点の電流値よりも低い電流となるように溶接電流を低減し、短絡期間において短絡の開放を検出すると、アーク期間中に、予兆を検出した時点の電流値よりもピーク値が大きい第１電流と、第１電流よりも小さく、短絡開放の予兆が検出された時点の溶接電流よりも小さく、かつ短絡開放の予兆が検出され低減された溶接電流よりもピーク値が大きい第２電流を供給し、第１電流から第２電流へと下降させる立下り期間および第２電流の期間を含む期間において、第１のアーク期間と第２のアーク期間との間で短絡を発生させ、アーク期間は、第１のアーク期間と第２のアーク期間とを有する複合アーク期間であるものである。

また、上記に加えて、第１電流から第２電流へと下降させる立下り期間および第２電流の期間を含む期間で短絡が発生した時に、短絡が発生した短絡期間において、短絡に関係して電流波形に対して急峻な変化をさせず、第２電流の期間において、第２電流を維持するものとしてもよい。

また、上記に加えて、第１電流から第２電流へと下降させる立下り期間および第２電流の期間を含む期間で短絡が発生した時に、短絡検出時から短絡の開放を検出するまで、短絡電流を所定の傾きで徐々に増加させるようにしてもよい。

また、上記に加えて、第１電流から第２電流へと下降させる立下り期間および第２電流の期間を含む期間で短絡の開放の予兆を検出すると、予兆を検出した時点の電流値よりも低い電流となるように溶接電流を低減し、第１電流から第２電流へと下降させる立下り期間および第２電流の期間を含む期間で短絡の開放を検出すると、第２のアーク期間中に一定の第２電流を供給するものとしてもよい。

また、上記に加えて、正送と逆送を繰り返すワイヤ送給で溶接ワイヤの送給を行うものとしてもよい。

また、上記に加えて、ワイヤ送給の正送と逆送の繰り返しを、所定の周期と所定の振幅で周期的に行うものとしてもよい。

また、本発明のアーク溶接方法は、上記に加えて、ワイヤ送給の正送と逆送の繰り返しを、周期的ではなく、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ものとしてもよい。

また、第１のアーク期間と第２のアーク期間との間で短絡を発生させる短絡期間は、ワイヤ送給が正送であることとしてもよい。

また、本発明の一態様のアーク溶接装置は、短絡とアークを繰り返して溶接を行うアーク溶接装置であって、入力した電力を整流する１次整流部と、１次整流部の出力を交流に変換するスイッチング部と、スイッチング部の出力を変圧するトランスと、トランスの出力を整流する２次整流部と、スイッチング部を制御するための駆動部と、溶接電圧を検出する溶接電圧検出部と、溶接電圧検出部の出力に基づいて溶接状態が短絡状態であるのかアーク状態であるのかを判定する短絡／アーク検出部と、短絡状態の際に溶接出力の制御を行うための短絡制御部と、アーク状態の際に溶接出力の制御を行うためのアーク制御部を備え、短絡状態からアーク状態になったことを検出すると、アーク期間中に、短絡の開放時の電流値よりもピーク値が大きい第１電流と第１電流よりも小さく、短絡の開放時の電流値よりもピーク値が小さい第２電流を供給し、第１電流から第２電流へと下降させる立下り期間および第２電流の期間を含む期間において、第１のアーク期間と第２のアーク期間との間で短絡を発生させ、アーク期間は、第１のアーク期間と第２のアーク期間とを有する複合アーク期間であるものである。

また、本発明の一態様のアーク溶接装置は、短絡とアークを繰り返して溶接を行うアーク溶接装置であって、入力した電力を整流する１次整流部と、前記１次整流部の出力を交流に変換するスイッチング部と、前記スイッチング部の出力を変圧するトランスと、前記トランスの出力を整流する２次整流部と、前記スイッチング部を制御するための駆動部と、溶接電圧を検出する溶接電圧検出部と、前記溶接電圧検出部の出力に基づいて溶接状態が短絡状態であるのかアーク状態であるのかを判定する機能と前記溶接電圧検出部の出力に基づいて前記短絡状態からアーク状態になる予兆を検出する機能を有する短絡／アーク検出部と、前記短絡状態の際に溶接出力の制御を行うための短絡制御部と、前記アーク状態の際に溶接出力の制御を行うためのアーク制御部を備え、短絡の開放の予兆を検出すると、予兆を検出した時点の電流値よりも低い電流となるように溶接電流を低減し、短絡の開放を検出すると、アーク期間中に、前記予兆を検出した時点の電流値よりもピーク値が大きい第１電流と、第１電流よりも小さく、短絡開放の予兆が検出された時点の溶接電流よりも小さく、かつ短絡開放の予兆が検出され低減された溶接電流よりもピーク値が大きい第２電流を供給し、第１電流から第２電流へと下降させる立下り期間および第２電流の期間を含む期間において、第１のアーク期間と第２のアーク期間との間で短絡を発生させ、アーク期間は、第１のアーク期間と第２のアーク期間とを有する複合アーク期間であるものである。

また、上記に加えて、溶接ワイヤの送給を制御するワイヤ送給制御部を備え、正送と逆送を繰り返すワイヤ送給で溶接ワイヤの送給を行うものとしてもよい。

以上のように、本発明の一態様によれば、短絡状態とアーク状態を交互に発生させるアーク溶接制御方法に、アーク期間に短絡を発生させる。このことにより、通常の短絡回数に加え、アーク期間での短絡発生により、短絡回数を通常の２倍以上にできる。したがって、薄板の被溶接物に対して溶接速度の高速化が可能なアーク溶接となり、被溶接物の溶け落ちを抑制することができる。

図１は、本発明の実施の形態１におけるワイヤ送給速度（周期的な正弦波状の正送・逆送）と溶接電圧と溶接電流の波形を示す図である。 図２は、本発明の実施の形態１におけるアーク溶接装置の概略構成を示す図である。 図３は、本発明の実施の形態１におけるワイヤ送給速度（周期的な台形波状の正送・逆送）と溶接電圧と溶接電流の波形を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態１におけるワイヤ送給速度（短絡・アーク判定に基づく矩形波状の正送・逆送）と溶接電圧と溶接電流の波形を示す図である。 図５は、本発明の実施の形態２におけるワイヤ送給速度（周期的な正弦波状の正送・逆送）と溶接電圧と溶接電流の波形を示す図である。 図６は、本発明の実施の形態２におけるワイヤ送給速度（周期的な正弦波状の正送・逆送）と溶接電圧と溶接電流の波形を示す図である。 図７は、従来のアーク溶接方法における溶接電流の波形を示す図である。

以下、本発明の実施の形態における消耗電極式のアーク溶接方法およびアーク溶接装置について図面を用いて説明する。

（実施の形態１）
本実施の形態では、先ず、アーク溶接方法について説明し、その後、アーク溶接方法を行うアーク溶接装置について説明する。

図１は、短絡状態とアーク状態とを交互に繰り返す消耗電極式のアーク溶接における、ワイヤ送給速度Ｗｆと溶接電圧Ｖｗと溶接電流Ａｗの時間変化の波形を示す図である。

先ず、図１を用いて、本実施の形態における溶接ワイヤのワイヤ送給制御について説明する。図１では、所定のワイヤ送給速度Ｗｆ１を基準とし、所定の周期ＴＷＦと所定の周波数（１／ＴＷＦ）と所定の速度振幅ＷＶであり、これを基本波形として、正弦波状に正送と逆送とを周期的に繰り返すワイヤ送給制御を行っている例を示している。

すなわち、溶接状態が短絡状態であるのかアーク状態であるのかに関わらず、正弦波状に正送と逆送とを周期的に繰り返す。そして、正送側のピーク時では、時点Ｐ１の周辺で短絡が発生し、逆送側のピーク時では、時点Ｐ２の周辺でアークが発生することとなる。また、時点Ｐ２の後の正送のピーク時に、時点Ｐ５の周辺で短絡が発生する。

時点Ｐ１から時点Ｐ５までが制御の１周期である。時点Ｐ１から時点Ｐ２までは短絡期間である。時点Ｐ２から時点Ｐ５まではアーク期間である。これらを繰り返して溶接を行う。そして、ワイヤ送給速度Ｗｆが正送の場合には短絡が促進され、逆送の場合には短絡開放が促進される。このように、短絡状態やアーク状態の発生は、基本的に、ワイヤ送給速度の正送と逆送を周期的に繰り返すワイヤ送給制御に依存するものである。

次に、図１を用いて、本実施の形態における溶接制御について説明する。

時点Ｐ１は短絡が開始した時点を示す。時点Ｐ１から短絡初期電流ＳＡを所定時間出力する。その後、短絡電流の第１段目の増加傾きｄｉ１／ｄｔ（単位時間当たりの電流の増加量）で短絡電流を増加する。続けて、第１段目の増加傾きｄｉ１／ｄｔ（単位時間当たりの電流の増加量）よりも傾きが緩やかな短絡電流の第２段目の増加傾きｄｉ２／ｄｔ（単位時間当たりの電流の増加量）で短絡電流を増加する。

その後、時点Ｐ２の手前において、短絡の開放が近づくに伴って被溶接物２５に形成された溶融プールと溶接ワイヤ２０の先端との間に形成された溶接ワイヤ２０の先端の溶滴のくびれを検出する。短絡開放の予兆であるくびれを検出すると、短絡開放時のスパッタを抑制するため、溶接電流を、くびれを検出した時点の電流ＩＡよりも低い電流であるくびれ電流ＮＡに瞬時に低下させる。

時点Ｐ２は、溶滴のくびれが溶接ワイヤ２０の先端より離れて被溶接物２５へ溶滴が移行して短絡が開放し、短絡状態が終了してアーク状態が発生した時点を示している。時点Ｐ２からのアーク期間において、短絡開放後すなわちアーク発生直後に、短絡の開放時の電流値よりもピーク値が大きい第１電流ＰＰの溶接電流を、第１電流期間ＴＰの間出力する。その後、第１電流ＰＰから第１電流ＰＰよりも小さく、短絡状態からアーク状態になる予兆であるくびれを検出した時点の電流値ＩＡより小さく、くびれが検出されて低減されたくびれ電流ＮＡより大きい第２電流ＰＢへ移行する。この第１電流ＰＰから低減されて第２電流ＰＢへの切り換え点を時点Ｐ３とする。

ここで時点Ｐ２から時点Ｐ５まではアーク期間である。アーク期間は、第１のアーク期間と第２のアーク期間とを有する複合アーク期間である。時点Ｐ２から時点Ｐ３までが第１のアーク期間である。時点Ｐ３から時点Ｐ４までがアーク期間中に短絡発生させた短絡期間である。時点Ｐ４から時点Ｐ５までが第２のアーク期間である。

この複合アーク期間中の時点Ｐ３でさらに短絡を発生させ、第１のアーク期間から複合アーク期間中の短絡期間に移行する。その後、時点Ｐ４で短絡開放させて、複合アーク期間中の短絡期間から第２のアーク期間に移行する。時点Ｐ３で規則的に短絡を発生させるためには、第１電流ＰＰと第１電流期間ＴＰによって、最適な溶滴を溶接ワイヤ２０の先端に成長させることが重要である。溶接ワイヤ２０の材質やシールドガスの種類によって、適正値は異なってくる。

なお、複合アーク期間中の短絡期間および第２のアーク期間では、第２電流ＰＢを継続させる。第１電流ＰＰと第１電流期間ＴＰによって、最適な溶滴を成長させているため、溶滴が溶接ワイヤ２０の先端より離脱させて被溶接物２５に移行させるドロップの寸前に涙のような形をした溶滴形状になる。そうすると、短絡しても溶滴が溶融プールの表面張力により吸い取られるように移行し、すぐに短絡開放させることができる。そのため、短絡開放を促すような高い短絡電流を流す必要はなく、溶滴移行時のスパッタを抑制出来る。

また、第２電流期間ＴＢに、パルス状に電流を上下させるなど溶滴の成長を加速させて次の短絡発生を促す方法もある。この方法では、溶滴の成長バラつきにより短絡周期が崩れる可能性がある。そのため、溶接安定性を重視するのであれば第２電流ＰＢを一定で継続する方が良い。

時点Ｐ４から時点Ｐ５まで第２電流ＰＢをさらに継続する。言い替えると、第１電流ＰＰから第２電流ＰＢに移行した後、時点Ｐ３から時点Ｐ５までを含む第２電流期間ＴＢの間、第２電流ＰＢを保持する。したがって、短絡が生じている時点Ｐ３から時点Ｐ４とその後の短絡開放された時点Ｐ４から時点Ｐ５の間も継続して第２電流期間ＴＢの間は第２電流ＰＢを維持する。言い換えると、アーク発生後に、第1電流ＰＰから第２電流ＰＢに変化している際に短絡が発生しても、電流波形は維持し、短絡が発生した短絡期間において短絡に関係して電流波形に対して急峻な変化をさせないものである。すなわち、短絡後の電流の変化率は、短絡前の電流の変化率と実質的に同じである。その後、時点Ｐ５で複合アーク期間から短絡期間へ移行する。複合アーク期間中に短絡が発生しても、電流波形は維持して、短絡発生に対する変動を抑え、通常の短絡回数に加え、アーク期間中に短絡発生をさせることで、短絡回数を通常の２倍以上にできる。このことにより、薄板の被溶接物に対して溶接速度の高速化が可能なアーク溶接となり、溶け落ちを抑制することができる。なお、時点Ｐ５は、時点Ｐ１の次の短絡が発生した時点を示しており、時点Ｐ１での短絡と同様の状態であり、このように短絡とアークを繰り返して溶接を行うものである。

なお、時点Ｐ２の手前において、短絡開放の予兆として溶滴のくびれを検出すると、短絡開放時のスパッタを抑制するため、くびれを検出した時点の電流ＩＡよりも低い電流であるくびれ電流ＮＡに瞬時に低下させている。しかしながら、本実施の形態の主目的は短絡回数を通常の２倍以上に向上させることが目的である。スパッタ発生が問題ないのではあれば、くびれ検出はなくても良い。すなわち、時点Ｐ２の手前で電流を低下させなくてもよい。

なお、溶接ワイヤ２０がアルミやブロンズのワイヤ材質の場合は、くびれを検出した時点の電流ＩＡよりも低い電流であるくびれ電流ＮＡに瞬時に低下させなくてもスパッタ低減には大きく寄与しないので、くびれ検出はなくても良い。

このような場合、時点Ｐ１から時点Ｐ２までの短絡期間において短絡の開放を検出すると、アーク期間（複合アーク期間）中に、短絡の開放時の電流値よりもピーク値が大きい第１電流ＰＰと、第１電流ＰＰよりも小さく、短絡の開放時の電流値よりもピーク値が小さい第２電流ＰＢを供給しても良い。

なお、複合アーク期間中の短絡は、第１電流ＰＰから第２電流ＰＢへと下降させる立下り期間ＴＤおよび第２電流期間ＴＢを含む期間に実施されることが好ましい。本実施の形態では、第２電流期間ＴＢに短絡を発生させているが、これに限らない。立下り期間ＴＤに短絡を発生させてもよい。

次に、本実施の形態のアーク溶接制御を行うアーク溶接装置について、図２を用いて説明する。図２は、本実施の形態におけるアーク溶接装置の概略構成を示す図である。

アーク溶接装置は主に、溶接電源装置１５と、マニピュレータ１８と、マニピュレータ１８を制御するロボット制御装置１６と、マニピュレータ１８に取り付けられており、溶接ワイヤ２０を送るフィードローラ２１と溶接チップ２３を有するトーチ２２とを備えている。

図２において、溶接電源装置１５は、入力電源１から入力した電力を整流する１次整流部２と、１次整流部２の出力を交流に変換するスイッチング部３と、スイッチング部３の出力を降圧するトランス４と、トランス４の出力を整流する２次整流部５およびインダクタンスであるＤＣＬ６と、スイッチング部３を制御するための駆動部７と、を備える。

さらに、溶接電源装置１５は、溶接電源装置１５の出力端子間に接続されており溶接電圧を検出する溶接電圧検出部８と、溶接出力電流を検出する溶接電流検出部９と、溶接電圧検出部８からの信号に基づいて溶接ワイヤ２０と被溶接物２５とが短絡している短絡状態であるのか、または溶接ワイヤ２０と被溶接物２５との間でアークが発生しているアーク状態であるのかを判定する短絡／アーク検出部１０と、を備える。

またさらに、溶接電源装置１５は、短絡／アーク検出部１０から短絡状態であることを示す信号を受けて短絡期間に短絡電流の制御を行う短絡制御部１１と、短絡／アーク検出部１０からアーク状態であることを示す信号を受けて複合アーク期間にアーク電圧の制御を行うアーク制御部１３と、短絡制御部１１内に設けられているくびれ制御部１２と、溶接ワイヤ２０の送給を制御するワイヤ送給制御部１４を備えている。なお、短絡／アーク検出部１０は、溶接電圧検出部８の出力に基づいて短絡状態からアーク状態になる予兆であるくびれを検出する機能も有している。

また、溶接電源装置１５の出力は、ワイヤ保存部１９から引き出され溶接チップ２３を通る溶接ワイヤ２０と、被溶接物２５との間に印加される。これにより、溶接ワイヤ２０と被溶接物２５との間でアーク２４が発生する。

ロボット制御装置１６は、設定電流すなわち平均溶接電流を設定するための設定電流設定部１７を備えている。そして、設定電流設定部１７の出力は、ワイヤ送給制御部１４に入力される。

なお、短絡／アーク検出部１０は、溶接電流検出部９からの信号に基づいて短絡状態であるのかアーク状態であるのかを判定する、あるいは、溶接電圧検出部８からの信号および溶接電流検出部９からの両方の信号に基づいて短絡状態であるのかアーク状態であるのかを判定するようにしても良い。

短絡制御部１１は、短絡／アーク検出部１０から短絡期間であることを示す信号を入力している場合に、駆動部７を制御して短絡期間における溶接出力制御を行うものである。

アーク制御部１３は、短絡／アーク検出部１０からアーク期間であることを示す信号を入力している場合に、駆動部７を制御して複合アーク期間における溶接出力制御を行うものである。

短絡制御部１１内に設けられたくびれ制御部１２は、時点Ｐ２の手前において、短絡の開放が近づくに伴って被溶接物２５に形成された溶融プールと溶接ワイヤ２０の先端との間に形成された溶接ワイヤ２０の先端の溶滴のくびれを検出する。くびれ制御部１２は、短絡開放の予兆であるくびれを検出すると、短絡開放時のスパッタを抑制するため、溶接電流を、くびれを検出した時点の電流ＩＡよりも低い電流であるくびれ電流ＮＡに瞬時に低下させるために設定電流設定部１７で設定された設定電流毎に適したくびれ検出パラメータを決定し、制御するものである。

このような構成により、本実施の形態のアーク溶接装置は、短絡状態からアーク状態になったことを検出すると、複合アーク期間中に、短絡開放時の電流値よりもピーク値が大きい第１電流ＰＰと、第１電流ＰＰよりも小さく、短絡開放時の電流値よりもピーク値が小さい第２電流ＰＢを供給し、第１電流ＰＰから第２電流ＰＢへと下降させる立下り期間ＴＤおよび第２電流期間ＴＢを含む期間で短絡を発生させるものである。

また、このような構成により、本実施の形態のアーク溶接装置は、短絡の開放の予兆であるくびれを検出すると、予兆を検出した時点の電流値ＩＡよりも低い、くびれ電流ＮＡとなるように溶接電流を低減し、短絡の開放を検出すると、複合アーク期間中に、予兆を検出した時点の電流値ＩＡよりもピーク値が大きい第１電流ＰＰと、第１電流ＰＰよりも小さく、予兆を検出した時点の電流値ＩＡよりも小さく、短絡の開放時の電流値よりもピーク値が大きく、かつ短絡開放の予兆が検出されて低減された、くびれ電流ＮＡよりも大きい第２電流ＰＢを供給し、第１電流ＰＰから第２電流ＰＢへと下降させる立下り期間ＴＤおよび第２電流期間ＴＢを含む期間で短絡を発生させるものである。

また、立下り期間ＴＤおよび第２電流期間ＴＢを含む期間で短絡を発生させ、溶滴移行させる場合のワイヤ送給速度Ｗｆの領域は、ワイヤ送給速度Ｗｆの制御波形が図１に示すような正弦波状である場合、逆送から正送に向かう逆送のワイヤ送給速度Ｗｆ３から、基準となる平均ワイヤ送給速度としての所定のワイヤ送給速度Ｗｆ１への領域が好ましい。

さらに、図１に示すように、第１のアーク期間と第２のアーク期間との間の短絡期間では、ワイヤ送給が正送であることが好ましい。

また、ワイヤ送給速度Ｗｆの制御波形が図３に示すような台形波状および図４に示すような矩形波状である場合、正送のワイヤ送給速度Ｗｆａの領域の中間付近が好ましい。これらは、被溶接物２５の溶融プールにワイヤ先端で成長した涙のような形をした溶滴が接触するタイミングであり、溶融プールへの溶滴の短絡移行がスムーズに行えるタイミングのワイヤ送給速度Ｗｆの領域である。

また、上記では、ワイヤ送給速度の変化が、図１に示すように正弦波状である場合の例を示した。しかし、図３に示すように、ワイヤ送給速度の変化が台形波状である場合でも同様の効果を得ることができる。

また、周期的な送給制御ではなく、図４に示すように短絡と短絡開放との現象のタイミングに応じてワイヤ送給を切り替えるような非周期的な送給制御でも良い。

具体的には、溶接状態が短絡状態であることを検出すると、ワイヤ送給速度Ｗｆを逆送のワイヤ送給速度Ｗｆｓに変更する。その後、短絡期間では逆送を行う。また、溶接状態がアーク状態であることを検出すると、ワイヤ送給速度Ｗｆを正送のワイヤ送給速度Ｗｆａに変更する。その後、複合アーク期間の第１電流ＰＰの立ち上がり期間ＴＣと第１電流期間ＴＰと第２電流期間ＴＢでは正送を行う。図４に示す送給制御は、複合アーク期間中の短絡期間では溶接状態が短絡状態であるが、ワイヤ送給速度Ｗｆは正送のワイヤ送給速度Ｗｆａを維持している。このように、複合アーク期間の第１電流ＰＰから第２電流ＰＢへ下降させる立下り期間ＴＤおよび複合アーク期間の第２電流期間ＴＢにて短絡を発生させる短絡期間で正送を行う送給制御を取り入れても、同様の効果を得ることができる。なお、複合アーク期間中の短絡期間に、溶接状態が短絡状態であることの検出に応答して、ワイヤ送給速度Ｗｆを逆送のワイヤ送給速度Ｗｆｓに変更してもよい。

以上のようなアーク溶接制御方法および溶接装置にすることで、パルス溶接と異なり高い溶接電流で薄板の被溶接物２５に対して溶接速度の高速化のために溶接電圧を低下させても、アークを安定させることができる、短絡状態とアーク状態を交互に発生させて溶接を行う溶接法を提供するものである。

図７を用いて説明した特許文献１に記載の従来のアーク溶接方法では、例えば２００〜３００Ａ（アンペア）といった高い溶接電流で溶接速度を高速化（例えば、溶接速度が１．５ｍ／ｍｉｎ以上）すると、アンダーカットやハンピング現象等が発生するため、さらに溶接電圧を低く設定しなければならない。しかし、板厚ｔ１．６ｍｍ以下の薄板の被溶接物での溶け落ちを抑制するために溶接電圧を低くすると、短絡時間（短絡開始から短絡開放までの時間）が長くなると共に短絡開放時の電流が高くなるので、短絡開放時のスパッタが増加してしまう。また、例えば設定電流が３００Ａ（アンペア）といったように設定された溶接電流が高いほど、パルス波形の周波数が上がり、ベース期間が短くなるので、基本パルス周期１０１として高い電流域にもかかわらず、短絡開放がしにくくなり短絡時間が長くなる。すると、次のパルス開始タイミングが遅れてしまうため、設定された溶接電流に対応して送給される溶接ワイヤが十分溶融できず、アーク不安定となるという課題を有していた。本実施の形態のアーク溶接制御方法および溶接装置は、上記課題を解決するものである。

（実施の形態２）
本実施の形態２について、図５から図６を用いて説明する。本実施の形態２において、実施の形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

実施の形態２では、実施の形態１と同様、複合アーク期間中に、第１電流ＰＰから、第1電流ＰＰのピーク値より小さな第２電流ＰＢへと下降させる立下り期間ＴＤおよび第２電流期間ＴＢを含む期間において、短絡を発生させる。実施の形態１と異なるのは、この複合アーク期間中の短絡期間において、短絡の開放の予兆であり、短絡状態からアーク状態になる予兆であるくびれを検出すると、予兆を検出した時点の電流値（ＩＡ２（図５参照）、ＩＡ３（図６参照））よりも低い、くびれ電流（ＮＡ２（図５参照）、ＮＡ３（図６参照））となるように溶接電流を低減する点である。その後、短絡の開放を検出すると、複合アーク期間中に、くびれ電流（ＮＡ２、ＮＡ３）より大きい第２電流ＰＢを供給する。

なお、時点Ｐ２の直前のくびれ電流ＮＡと図５に示す時点Ｐ３でのくびれ電流ＮＡ２と、図６に示す時点Ｐ４でのくびれ電流ＮＡ３とは同じ値であっても良い。

このアーク溶接制御方法について、図５を用いて説明する。

時点Ｐ１は短絡を開始した時点を示す。時点Ｐ１から短絡初期電流ＳＡが所定時間出力される。その後、短絡電流の第１段目の増加傾きｄｉ１／ｄｔ（単位時間当たりの電流の増加量）で短絡電流を増加する。続けて、第１段目の増加傾きｄｉ１／ｄｔ（単位時間当たりの電流の増加量）よりも傾きが緩やかな短絡電流の第２段目の増加傾きｄｉ２／ｄｔ（単位時間当たりの電流の増加量）で短絡電流を増加する。

その後、時点Ｐ２の手前において、短絡の開放が近づくに伴って被溶接物２５に形成された溶融プールと溶接ワイヤ２０の先端との間に形成された溶接ワイヤ２０の先端の溶滴のくびれを検出する。短絡開放の予兆であるくびれを検出すると、短絡開放時のスパッタを抑制するため、溶接電流を、くびれを検出した時点の電流ＩＡよりも低い電流であるくびれ電流ＮＡに瞬時に低下させる。

時点Ｐ２は、溶滴のくびれが溶接ワイヤ２０の先端より離れて被溶接物２５へ溶滴が移行して短絡が開放し、短絡状態が終了してアーク状態が発生した時点を示している。時点Ｐ２からのアーク期間である複合アーク期間において、短絡開放直後すなわちアーク発生直後に、第１電流ＰＰの溶接電流を、第１電流期間ＴＰの間出力する。その後、第１電流ＰＰから、第２電流ＰＢへ移行し、この切り換え点を時点Ｐ３とする。複合アーク期間における、この時点Ｐ３でさらに短絡を発生させ、時点Ｐ４で短絡開放させる。時点Ｐ３で規則的に短絡を発生させるためには、第１電流ＰＰと第１電流期間ＴＰによって、最適な溶滴を溶接ワイヤ２０の先端に成長させることが重要である。溶接ワイヤ２０の材質やシールドガスの種類によって、適正値は異なってくる。

なお、第２電流ＰＢは、第１電流ＰＰよりも小さく、時点Ｐ２の手前において、予兆を検出した時点の電流値ＩＡよりも小さく、短絡の開放時の電流値よりもピーク値が大きく、かつ短絡開放の予兆が検出されて低減された、くびれ電流ＮＡよりも大きい値である。

なお、複合アーク期間中で、さらに短絡を発生させる、時点Ｐ４の手前の時点Ｐ３では、短絡開放の予兆であるくびれを検出すると、短絡開放時のスパッタを抑制するため、くびれを検出した時点の短絡電流ＩＡ２よりも低い電流であるくびれ電流ＮＡ２に瞬時に低下させる。

なお、第２電流ＰＢは、第１電流ＰＰよりも小さく、時点Ｐ２の手前において、予兆を検出した時点の電流値ＩＡよりも小さく、短絡の開放時の電流値よりもピーク値が大きく、かつ短絡開放の予兆が検出されて低減された、くびれ電流ＮＡよりも大きい値であるとした。これに加えて、または、これに代えて、第２電流ＰＢは、予兆を検出した時点の電流値ＩＡよりも小さく、くびれ電流ＮＡ２よりも大きいこととしてもよい。

時点Ｐ２の手前および時点Ｐ４の手前の、短絡一周期中の２回の短絡に対して、それぞれくびれ電流ＮＡとくびれ電流ＮＡ２とに瞬時に低下させることで短絡回数を通常の２倍以上に向上させながらもスパッタ低減との両立をさせることができる。実施の形態１では、複合アーク期間中に短絡が発生した短絡期間において、短絡に関係して電流波形に対して急峻な変化をさせない。実施の形態１では、設定電流が２００Ａを超えるような中電流域から高電流域であり、第２電流ＰＢが１００Ａを超える場合には、スパッタが増加する可能性がある。実施の形態２では、複合アーク期間中の短絡期間においてくびれ電流ＮＡ２を１００Ａ以下に下げる。このことでスパッタ低減の効果を図ることができる。

なお、くびれの検出をしない方法でくびれ電流ＮＡと同じ電流に低下させる方法も考えられるが、確実にタイミングよく、くびれ電流ＮＡと同じ電流に低下させることはできない。

なお、図６のように、時点Ｐ３からＰ４の間は、短絡電流を所定の傾きｄｉ３／ｄｔで増加させ、短絡で溶滴が被溶接物２５の溶融プールの表面張力により吸い取られるように、くびれの状態をより促進させることも必要な場合がある。

例えば、設定電流が１００Ａ以下のような低電流域では、第２電流ＰＢが５０Ａ以下のため、短絡開放が難しい場合がある。このような場合は、短絡電流を所定の傾きｄｉ３／ｄｔで増加させることで短絡開放が容易となる。

具体的には、溶接電圧を大きく下げる必要がある場合に、くびれの促進が有用である。例えば、第１電流ＰＰと第１電流期間ＴＰによって、最適な溶滴を成長させ、溶接ワイヤ２０の径以上に成長した溶滴が溶融プールへ移行する溶滴移行（ドロップ移行）の寸前に涙のような形をした溶滴形状としている。しかし、このように液滴を適切に成長させても、短絡で溶滴が被溶接物２５の溶融プールの表面張力により吸い取られるような状態ではない場合がある。この場合において、スパッタを抑制するために、溶接電圧を大きく下げることがある。

このような場合、短絡開放がスムーズになるように立下り期間ＴＤ第２電流期間ＴＢを含む期間で短絡が発生した時に、短絡検出時の電流Ｉｄから短絡開放をするまで所定の傾きｄｉ３／ｄｔで徐々に増加させる短絡電流を供給する方が望ましい。

そのあと、短絡の開放の予兆を検出すると、予兆を検出した時点の電流値ＩＡ３よりも低い電流であるくびれ電流ＮＡ３となるように溶接電流を瞬時に低減する。その後、短絡の開放を検出すると、複合アーク期間中に、第１電流ＰＰよりも小さく、予兆を検出した時点の電流値ＩＡ３よりも小さく、短絡開放の予兆が検出されて低減された、くびれ電流ＮＡ３よりも大きい第２電流ＰＢを供給するものである。

なお、これに加えて、または、これに代えて、第２電流ＰＢは、予兆を検出した時点の電流値ＩＡよりも小さく、くびれ電流ＮＡよりも大きいこととしてもよい。

なお、時点Ｐ５は、時点Ｐ１の次の短絡が発生した時点を示しており、時点Ｐ１と同様の状態である。このように短絡とアークを繰り返して溶接を行うものである。

次に、本実施の形態のアーク溶接制御を行うアーク溶接装置について、実施の形態１と異なる主な点は、短絡制御部１１内に設けられたくびれ制御部１２は、時点Ｐ２の手前に加え、時点Ｐ４の手前においても、短絡の開放が近づくに伴って被溶接物２５に形成された溶融プールと溶接ワイヤ２０の先端との間に形成された溶滴のくびれを検出する（図５、図６参照）。短絡開放の予兆であるくびれを検出すると、短絡開放時のスパッタを抑制するため、溶接電流を、くびれを検出した時点の電流（ＩＡ２、ＩＡ３）よりも低い電流であるくびれ電流（ＮＡ２、ＮＡ３）に瞬時に低下させるために設定電流設定部１７で設定された設定電流毎に適したくびれ検出パラメータを決定し、制御するものである。

なお、時点Ｐ２の手前（第１アーク期間の手前）と時点Ｐ４の手前（第２アーク期間の手前）における短絡開放の予兆であるくびれを検出した時点の電流ＩＡと電流ＩＡ２、ＩＡ３はそれぞれ異なるように制御しても良く、同じになるように制御しても良い。また、第１アーク期間の手前のくびれ電流ＮＡと第２アーク期間の手前のくびれ電流ＮＡ２、ＮＡ３との電流値もそれぞれ異なるように制御しても良く、同じになるように制御しても良い。複合アーク期間の手前と複合アーク期間の途中（第１のアーク期間と第２のアーク期間との間）において、くびれ電流を異なるように、設定電流の低電流域から高電流域にかけて、くびれ電流を使い分けることで、通常の短絡回数に加え、複合アーク期間での短絡発生により、短絡回数を通常の２倍以上にできることにより、薄板の被溶接物に対して溶接速度の高速化が可能なアーク溶接を実現することができる。

以上のようなアーク溶接制御方法および溶接装置にすることで、高速化のために溶接電圧を低下させて溶滴を短絡で移行させるパルス溶接と異なり、高い溶接電流で薄板の被溶接物に対して溶接速度の高速化のために溶接電圧を低下させても、アークが安定し、スパッタ発生量を低減できる短絡状態とアーク状態を交互に発生させて溶接を行う溶接法をお客様に提供できるものである。

本発明によれば、短絡状態とアーク状態を交互に発生させるアーク溶接制御方法に、アーク期間に短絡を発生させることにより、通常の短絡回数に加え、アーク期間での短絡発生により、短絡回数を通常の２倍以上にできることにより、薄板の被溶接物に対して溶接速度の高速化が可能なアーク溶接方法およびアーク溶接装置として産業上有用である。

１ 入力電源
２ １次整流部
３ スイッチング部
４ トランス
５ ２次整流部
６ ＤＣＬ
７ 駆動部
８ 溶接電圧検出部
９ 溶接電流検出部
１０ 短絡／アーク検出部
１１ 短絡制御部
１２ くびれ制御部
１３ アーク制御部
１４ ワイヤ送給制御部
１５ 溶接電源装置
１６ ロボット制御装置
１７ 設定電流設定部
１８ マニピュレータ
１９ ワイヤ保存部
２０ 溶接ワイヤ
２１ トーチ
２２ フィードローラ
２３ 溶接チップ
２４ アーク
２５ 被溶接物

Claims (12)

1. 短絡とアークを繰り返す溶接におけるアーク溶接方法であって、
   短絡期間において短絡の開放を検出すると、アーク期間中に、短絡の開放時の電流値よりもピーク値が大きい第１電流と、前記第１電流よりも小さく、前記短絡の開放時の前記電流値よりもピーク値が小さい第２電流を供給し、
   前記第１電流から前記第２電流へと下降させる立下り期間および前記第２電流の期間を含む期間において、第１のアーク期間と第２のアーク期間との間で短絡を発生させ、
   前記アーク期間は、前記第１のアーク期間と前記第２のアーク期間とを有する複合アーク期間であるアーク溶接方法。
2. 短絡とアークを繰り返す溶接におけるアーク溶接方法であって、
   短絡期間において短絡の開放の予兆を検出すると、予兆を検出した時点の電流値よりも低い電流となるように溶接電流を低減し、
   前記短絡期間において短絡の開放を検出すると、アーク期間中に、前記予兆を検出した時点の前記電流値よりもピーク値が大きい第１電流と、前記第１電流よりも小さく、前記短絡開放の予兆が検出された時点の溶接電流よりも小さく、かつ前記短絡開放の予兆が検出され低減された溶接電流よりもピーク値が大きい第２電流を供給し、
   第１電流から第２電流へと下降させる立下り期間および前記第２電流の期間を含む期間において、第１のアーク期間と第２のアーク期間との間で短絡を発生させ、
   前記アーク期間は、前記第１のアーク期間と前記第２のアーク期間とを有する複合アーク期間であるアーク溶接方法。
3. 第１電流から第２電流へと下降させる立下り期間および前記第２電流の期間を含む前記期間で短絡が発生した時に、前記短絡が発生した短絡期間において、前記短絡に関係して電流波形に対して急峻な変化をさせず、前記第２電流の期間において、前記第２電流を維持する請求項１または２記載のアーク溶接方法。
4. 第１電流から第２電流へと下降させる立下り期間および前記第２電流の期間を含む前記期間で短絡が発生した時に、短絡検出時から前記短絡の開放を検出するまで、短絡電流を所定の傾きで徐々に増加させるようにした請求項１または２記載のアーク溶接方法。
5. 第１電流から第２電流へと下降させる立下り期間および前記第２電流の期間を含む前記期間で短絡の開放の予兆を検出すると、予兆を検出した時点の電流値よりも低い電流となるように溶接電流を低減し、
   第１電流から第２電流へと下降させる立下り期間および前記第２電流の期間を含む前記期間で短絡の開放を検出すると、第２のアーク期間中に一定の前記第２電流を供給する請求項２または４記載のアーク溶接方法。
6. 正送と逆送を繰り返すワイヤ送給でワイヤの送給を行う請求項１から５のいずれか１項に記載のアーク溶接方法。
7. ワイヤ送給の正送と逆送の繰り返しを、所定の周期と所定の振幅で周期的に行う請求項６記載のアーク溶接方法。
8. ワイヤ送給の正送と逆送の繰り返しを、周期的ではなく、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、前記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請求項６記載のアーク溶接方法。
9. 前記第１のアーク期間と前記第２のアーク期間との間で短絡を発生させる短絡期間は、ワイヤ送給が正送である請求項６から８のいずれか１項に記載のアーク溶接方法。
10. 短絡とアークを繰り返して溶接を行うアーク溶接装置であって、
    入力した電力を整流する１次整流部と、
    前記１次整流部の出力を交流に変換するスイッチング部と、
    前記スイッチング部の出力を変圧するトランスと、
    前記トランスの出力を整流する２次整流部と、
    前記スイッチング部を制御するための駆動部と、
    溶接電圧を検出する溶接電圧検出部と、
    前記溶接電圧検出部の出力に基づいて溶接状態が短絡状態であるのかアーク状態であるのかを判定する短絡／アーク検出部と、
    前記短絡状態の際に溶接出力の制御を行うための短絡制御部と、
    前記アーク状態の際に溶接出力の制御を行うためのアーク制御部を備え、
    前記短絡状態からアーク状態になったことを検出すると、アーク期間中に、短絡の開放時の電流値よりもピーク値が大きい第１電流と第１電流よりも小さく、短絡の開放時の電流値よりもピーク値が小さい第２電流を供給し、
    第１電流から第２電流へと下降させる立下り期間および前記第２電流の期間を含む期間において、第１のアーク期間と第２のアーク期間との間で短絡を発生させ、
    前記アーク期間は、前記第１のアーク期間と前記第２のアーク期間とを有する複合アーク期間であるアーク溶接装置。
11. 短絡とアークを繰り返して溶接を行うアーク溶接装置であって、
    入力した電力を整流する１次整流部と、
    前記１次整流部の出力を交流に変換するスイッチング部と、
    前記スイッチング部の出力を変圧するトランスと、
    前記トランスの出力を整流する２次整流部と、
    前記スイッチング部を制御するための駆動部と、
    溶接電圧を検出する溶接電圧検出部と、
    前記溶接電圧検出部の出力に基づいて溶接状態が短絡状態であるのかアーク状態であるのかを判定する機能と前記溶接電圧検出部の出力に基づいて前記短絡状態からアーク状態になる予兆を検出する機能を有する短絡／アーク検出部と、
    前記短絡状態の際に溶接出力の制御を行うための短絡制御部と、
    前記アーク状態の際に溶接出力の制御を行うためのアーク制御部を備え、
    短絡の開放の予兆を検出すると、予兆を検出した時点の電流値よりも低い電流となるように溶接電流を低減し、
    短絡の開放を検出すると、アーク期間中に、前記予兆を検出した時点の電流値よりもピーク値が大きい第１電流と、第１電流よりも小さく、前記短絡開放の予兆が検出された時点の溶接電流よりも小さく、かつ前記短絡開放の予兆が検出され低減された溶接電流よりもピーク値が大きい第２電流を供給し、
    第１電流から第２電流へと下降させる立下り期間および前記第２電流の期間を含む期間において、第１のアーク期間と第２のアーク期間との間で短絡を発生させ、
    前記アーク期間は、前記第１のアーク期間と前記第２のアーク期間とを有する複合アーク期間であるアーク溶接装置。
12. 溶接ワイヤの送給を制御するワイヤ送給制御部を備え、
    正送と逆送を繰り返すワイヤ送給で前記溶接ワイヤの送給を行う請求項１０または１１記載のアーク溶接装置。

Images