WO2016080166A1 - アーク溶接制御方法 - Google Patents

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welding
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賢人 高田
利昭 中俣
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株式会社ダイヘン
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Definitions

  • the present invention relates to an arc welding control method for performing welding by generating a short circuit period and an arc period by performing forward / reverse feed control for alternately switching a feeding speed of a welding wire between a forward feed period and a reverse feed period. It is.
  • a welding wire as a consumable electrode is fed at a constant speed, and an arc is generated between the welding wire and the base material to perform welding.
  • the welding wire and the base material are often in a welding state in which a short circuit period and an arc period are alternately repeated.
  • the average value of the feeding speed according to the welding current set value is used, and the frequency and amplitude of the forward and reverse feeding of the welding wire are values according to the welding current set value.
  • Patent Document 2 feeds a welding wire at a wire feeding speed that periodically repeats forward feeding and reverse feeding at a predetermined frequency and amplitude from the time when welding start is instructed to start energization. Then, this is an arc welding control method in which welding is performed by switching the wire feed speed to a constant speed.
  • An object of the present invention is to provide a method for controlling arc welding that can be performed.
  • the arc welding control method of the present invention includes: In the arc welding control method of performing welding by generating a short circuit period and an arc period by performing forward / reverse feed control for alternately switching the feeding speed of the welding wire between the forward feed period and the reverse feed period,
  • the welding wire is forwarded at the start of welding, and the forward feeding is continued during the transient welding period from when the welding wire comes into contact with the base material and the welding current starts energization until it converges to the steady welding period,
  • the transient welding period ends in the short-circuit period, and the forward / reverse feed control is started from the reverse feed period after the transient welding period ends. It is characterized by that.
  • the transient welding period is a period from the time when the welding current starts energization to the time during the first short-circuit period after a predetermined period has elapsed. It is characterized by that.
  • the transient welding period is a period from the time when the welding current starts energization to the time during the first short circuit period after the predetermined number of short circuit periods have ended. It is characterized by that.
  • the transient welding period is a period from the time when the welding current starts energization to the time during the first short circuit period after the welding torch starts moving, It is characterized by that.
  • the molten pool can be formed in a stable state by feeding the welding wire forward during the transient welding period.
  • the forward / reverse feed control is started from the reverse feed period during the short-circuit period, so that it is possible to smoothly shift to the steady welding period.
  • FIG. 1 It is a block diagram of the welding power supply for implementing the arc welding control method which concerns on Embodiment 1 of this invention. It is a timing chart of each signal at the time of the welding start in the welding power supply of FIG. 1 which shows the arc welding control method which concerns on Embodiment 1 of this invention.
  • FIG. 1 is a block diagram of a welding power source for carrying out an arc welding control method according to Embodiment 1 of the present invention. Hereinafter, each block will be described with reference to FIG.
  • the power supply main circuit PM receives a commercial power supply (not shown) such as a three-phase 200V, performs output control by inverter control or the like according to a drive signal Dv described later, and outputs an output voltage E.
  • a commercial power supply such as a three-phase 200V
  • the power supply main circuit PM is driven by a primary rectifier that rectifies commercial power, a smoothing capacitor that smoothes the rectified direct current, and the drive signal Dv that converts the smoothed direct current to high-frequency alternating current.
  • An inverter circuit a high-frequency transformer that steps down the high-frequency alternating current to a voltage value suitable for welding, and a secondary rectifier that rectifies the stepped-down high-frequency alternating current into direct current.
  • the reactor WL smoothes the output voltage E described above.
  • the inductance value of the reactor WL is, for example, 200 ⁇ H.
  • the feed motor WM receives a feed control signal Fc, which will be described later, and feeds the welding wire 1 at a feed speed Fw by periodically repeating forward feed and reverse feed.
  • a motor with fast transient response is used as the feed motor WM.
  • the feeding motor WM may be installed near the tip of the welding torch 4. In some cases, two feed motors WM are used to form a push-pull feed system.
  • the welding wire 1 is fed through the welding torch 4 by the rotation of the feeding roll 5 coupled to the feeding motor WM, and an arc 3 is generated between the base metal 2 and the welding wire 1.
  • a welding voltage Vw is applied between the power feed tip (not shown) in the welding torch 4 and the base material 2, and a welding current Iw is conducted.
  • the welding torch moving device MD mounts and moves the welding torch 4 and outputs a welding torch moving signal Md which is at a high level during movement and is at a low level when stopped.
  • the welding torch moving device MD is a robot device, an automatic cart or the like.
  • the output voltage setting circuit ER outputs a predetermined output voltage setting signal Er.
  • the output voltage detection circuit ED detects and smoothes the output voltage E and outputs an output voltage detection signal Ed.
  • the voltage error amplification circuit EV receives the output voltage setting signal Er and the output voltage detection signal Ed, and amplifies an error between the output voltage setting signal Er (+) and the output voltage detection signal Ed ( ⁇ ).
  • the voltage error amplification signal Ev is output.
  • the hot start current setting circuit IHR outputs a predetermined hot start current setting signal Ihr.
  • the current detection circuit ID detects the welding current Iw and outputs a current detection signal Id.
  • the current error amplifier circuit EI receives the hot start current setting signal Giveaway and the current detection signal Id as input and amplifies an error between the hot start current setting signal Giveaway (+) and the current detection signal Id ( ⁇ ).
  • the current error amplification signal Ei is output.
  • the welding power source is controlled at a constant current during a period in which the hot start current is energized (hot start period).
  • the current energization determination circuit CD receives the current detection signal Id as described above, and determines that the welding current Iw is energized when this value is equal to or greater than a threshold value (about 10 A), and the current energization determination becomes a high level.
  • the signal Cd is output.
  • the power supply characteristic switching circuit SW receives the current error amplification signal Ei, the voltage error amplification signal Ev, and the current conduction determination signal Cd as input, and from the time when the current conduction determination signal Cd changes to a high level (energization).
  • the current error amplification signal Ei is output as the error amplification signal Ea during the predetermined hot start period, and the voltage error amplification signal Ev is output as the error amplification signal Ea during the other periods.
  • the voltage detection circuit VD detects the welding voltage Vw and outputs a voltage detection signal Vd.
  • the short circuit determination circuit SD receives the voltage detection signal Vd as described above, and when this value is less than the short circuit determination value (about 10 V), it determines that it is a short circuit period and becomes a high level, and when it is above, it is an arc period. And a short circuit determination signal Sd that is at a low level is output.
  • the welding start circuit ST outputs a welding start signal St that becomes a high level when starting the welding power source.
  • the welding start circuit ST corresponds to a start switch of the welding torch 4, a PLC that controls the welding process, a robot control device, and the like.
  • the drive circuit DV receives the error amplification signal Ea and the welding start signal St, and performs PWM modulation control based on the error amplification signal Ea when the welding start signal St is at a high level (welding start).
  • the drive signal Dv for driving the inverter circuit in the power supply main circuit PM is output.
  • the transient welding period timer circuit STK receives the current energization determination signal Cd, the short circuit determination signal Sd, and the welding torch movement signal Md as input, and selects one of the following 1) to 3). Processing is performed and a transient welding period timer signal Stk is output. 1) A transient welding period timer signal Stk that is set to a high level when the current energization determination signal Cd changes to a high level (energization) and is reset to a low level when a predetermined period elapses thereafter is output.
  • the current energization determination signal Cd is set to the High level when it changes to the High level (energization), and then the short circuit determination signal Sd is reset to the Low level when the predetermined number of High levels (short circuit) ends.
  • the transient welding period timer signal Stk is output.
  • the timer signal Stk is output.
  • the average feed speed setting circuit FAR outputs a predetermined average feed speed setting signal Far.
  • the period setting circuit TFR outputs a predetermined period setting signal Tfr.
  • the amplitude setting circuit WFR outputs a predetermined amplitude setting signal Wfr.
  • the steady welding period feed rate setting circuit FCR receives the average feed rate setting signal Far, the cycle setting signal Tfr, and the amplitude setting signal Wfr, and receives the amplitude Wf and cycle setting signal determined by the amplitude setting signal Wfr.
  • a steady welding period feed speed setting signal Fcr is output that has a waveform obtained by shifting a predetermined trapezoidal wave that changes to a positive and negative symmetrical shape with a period Tf determined by Tfr to the forward feed side by the value of the average feed speed setting signal Far. . Details of the steady welding period feed speed setting signal Fcr will be described later with reference to FIG.
  • the feed speed accelerates during the predetermined acceleration period from the slowdown speed, and maintains the value when the average feed speed setting signal Far is reached.
  • a setting signal Fr is output.
  • the transient welding period timer signal Stk changes to Low level and the short circuit determination signal Sd subsequently becomes High level (short circuit)
  • the steady welding period feeding speed setting signal Fcr starting from the reverse feeding period is supplied as the feeding speed setting signal. Output as Fr.
  • the above acceleration period is a period equal to or shorter than a period in which the transient welding period timer signal Stk is at a high level.
  • the transient welding period Tk is the period from when the current energization determination signal Cd changes to the High level to the time when the transient welding period timer signal Stk changes to the Low level and then the short circuit determination signal Sd changes to the High level. It becomes.
  • the feed control circuit FC receives the feed speed setting signal Fr and receives a feed control signal Fc for feeding the welding wire 1 at a feed speed Fw corresponding to the value of the feed speed setting signal Fr. It outputs to said feed motor WM.
  • FIG. 2 is a timing chart of each signal at the start of welding in the welding power source of FIG. 1, showing the arc welding control method according to the first embodiment of the present invention.
  • A shows the time change of the welding start signal St
  • B shows the time change of the feeding speed Fw
  • C shows the time change of the welding current Iw
  • D shows the time change of the welding voltage Vw
  • E shows the time change of the current energization determination signal Cd
  • Cd shows the time change of the short circuit determination signal Sd
  • G Indicates a time change of the transient welding period timer signal Stk.
  • the feed speed Fw is a forward feed period above 0 and a reverse feed period below.
  • the forward feeding is to feed the welding wire 1 in a direction approaching the base material 2, and the reverse feeding is to feed in a direction away from the base material 2.
  • the feed speed Fw during the steady welding period changes in a trapezoidal shape and has a waveform shifted to the forward feed side. For this reason, the average value of the feeding speed Fw is a positive value, and the welding wire 1 is normally fed on average.
  • the feed speed Fw shown in FIG. 5B is controlled to the value of the feed speed setting signal Fr output from the feed speed setting circuit FR of FIG.
  • a predetermined trapezoidal wave that changes in a positive and negative symmetric shape with an amplitude Wf determined by the amplitude setting signal Wfr and a period Tf determined by the period setting signal Tfr is obtained as an average feed speed setting signal.
  • the waveform is shifted to the forward feed side by the value of Far. For this reason, as shown in FIG. 5B, the feed speed Fw during the steady welding period is vertically symmetrical with the average feed speed Fa indicated by the broken line determined by the average feed speed setting signal Far as a reference line.
  • the steady welding period reverse feed period from time t8 to t12 is a predetermined value as shown in FIG.
  • the normal welding period reverse feed acceleration period, the steady welding period reverse feed peak period, the steady welding period reverse feed peak value, and the steady welding period reverse feed deceleration period are formed, and the normal welding period forward feed period from time t12 to t16 is predetermined.
  • the feeding speed Fw changes from 0 to a predetermined positive slowdown speed as shown in FIG.
  • the welding wire 1 is fed forward.
  • This slow-down speed is set to a small value of about 1 m / min.
  • the welding voltage Vw becomes the no-load voltage value of the maximum output voltage value as shown in FIG.
  • the welding voltage Vw rapidly decreases to a short circuit voltage value of several volts as shown in FIG. Since the value of Vw is less than a predetermined short circuit determination value (about 10 V), the short circuit determination signal Sd changes to the high level (short circuit) as shown in FIG.
  • the welding current Iw having a predetermined hot start current value (about 200 to 500 A) starts energization at time t2, as shown in FIG.
  • the energization determination signal Cd changes to a high level (energization). In response to this, as shown in FIG.
  • the transient welding period timer signal Stk changes to the high level, and returns to the low level at time t7 as described later.
  • the transient welding period Tk is a period from time t2 to t8 until the first short circuit occurs after the transient welding period timer signal Stk changes to the Low level.
  • the hot start current is energized during a predetermined hot start period from time t2 to t4.
  • the feeding speed Fw accelerates during a predetermined acceleration period from time t2, and when it reaches the value of the average feeding speed setting signal Far at time t61, the value is transient welding. This is maintained until time t8 when the period Tk ends.
  • the welding voltage Vw rapidly increases to an arc voltage value of several tens of volts as shown in FIG. As shown in FIG. (F), the short circuit determination signal Sd changes to a low level (arc).
  • the welding current Iw decreases from the hot start current to a current determined according to the arc load.
  • the welding voltage Vw rapidly decreases to a short circuit voltage value of several V as shown in FIG. 4D, and in response to this, as shown in FIG.
  • the signal Sd changes to a high level (short circuit).
  • the welding current Iw gradually increases during the short circuit period.
  • the welding voltage Vw When an arc is generated at time t6, the welding voltage Vw rapidly increases to an arc voltage value of several tens of volts as shown in FIG. 4D, and in response to this, a short circuit occurs as shown in FIG.
  • the determination signal Sd changes to a low level (arc).
  • the welding current Iw gradually decreases during the arc period from time t6 to t8.
  • the transient welding period timer signal Stk changes to the Low level as shown in FIG.
  • the timing at which the transient welding period timer signal Stk changes to the low level is the time t7 when a predetermined period has elapsed from the time when the current energization determination signal Cd changes to the high level (energization) at time t2.
  • the timing at which the transient welding period timer signal Stk changes to the Low level may be set as the time point when the short-circuit determination signal Sd has completed a predetermined number of High level (short-circuit) periods.
  • the timing at which the transient welding period timer signal Stk changes to the Low level may be set as the time when the welding torch movement signal Md changes to the High level (movement).
  • the end timing of the transient welding period Tk may be a point in time during the short-circuit period when a predetermined delay period has elapsed since the occurrence of the short-circuit at time t8. This delay period is a period until the short circuit state becomes stable, and is set to about 0.5 to 3 ms.
  • the above-mentioned transient welding period Tk is set as a period until a molten pool having the same size as the steady welding period is formed. That a molten pool of the same size as the regular welding period has been formed, that a predetermined period has elapsed since the start of energization of the welding current Iw, that a predetermined number of short-circuit periods have ended, or that the welding torch has started moving It is determined by.
  • the transient welding period Tk is in the range of about 50 to 1000 ms. In the figure, the case where two short-circuits occur during the transient welding period Tk is depicted, but actually, 5 to 100 short-circuits occur.
  • the feed speed Fw enters the steady welding period reverse feed peak period from time t9 to t11 as shown in FIG.
  • the peak value is reached.
  • the arc 3 is regenerated by the pinch force generated by reverse feeding and energization of the welding current Iw.
  • the welding voltage Vw rapidly increases to an arc voltage value of several tens of volts as shown in FIG. 4D, and the short-circuit determination signal Sd is set to the low level (arc) as shown in FIG. ).
  • the welding current Iw gradually decreases thereafter.
  • the feeding speed Fw enters the normal welding period forward feed acceleration period from time t12 to t13, and accelerates from 0 to the steady welding period forward feed peak value. During this period, the arc period remains.
  • the feed speed Fw enters the steady welding period forward feed peak period at times t13 to t15, and The peak value is reached.
  • a short circuit occurs due to normal feeding.
  • the welding voltage Vw rapidly decreases to a short-circuit voltage value of several V as shown in FIG. 4D, and the short-circuit determination signal Sd is at a high level (short-circuit) as shown in FIG. To change.
  • the welding current Iw gradually increases thereafter.
  • the operations of the normal welding period reverse feeding period and the normal welding period normal feeding period are repeated.
  • a short circuit occurs during the normal welding period forward peak period, and an arc occurs during the steady welding period reverse peak period.
  • the cycle of the short-circuit period and the arc period and the cycle of the forward feed period and the reverse feed period of the feed speed Fw are synchronized. That is, by setting the cycle Tf of the feeding speed Fw, the cycle between the short-circuit period and the arc period can be controlled to a desired value, and stable welding can be performed.
  • a numerical example of the trapezoidal wave of the feeding speed Fw during the steady welding period is shown below.
  • the average welding current is about 250A.
  • Each waveform parameter in this case is as follows.
  • the waveform of the feeding speed Fw during the steady welding period is a trapezoidal wave.
  • it may be a waveform that repeats periodically such as a sine wave or a triangular wave.
  • the feed speed is set to the normal feed state during the transient welding period until the steady welding period converges, and the feed speed is set to the predetermined normal feed period during the steady welding period.
  • Forward / reverse feed control for alternately switching between predetermined reverse feed periods is performed. If the predetermined forward feed period and the predetermined reverse feed period are alternately switched during the transient welding period in which the weld pool is not sufficiently formed as in the steady welding period, the welding state tends to become unstable. Therefore, in the present embodiment, the feed rate is set to the normal feed state during the transient welding period until the molten pool is formed, and after the molten pool is formed, switching to the forward / reverse feed control is performed. It is possible to stabilize the welding state during the transient welding period.
  • the feed control is switched from the transient welding period to the steady welding period by starting the forward / reverse feed control from the reverse feed period during the short circuit period. If the forward / reverse feed control is started during the arc period, the welding state tends to become unstable. Therefore, in the present embodiment, the switching can be performed smoothly by starting the forward / reverse feed control from the reverse feed period during the short-circuit period.
  • the welding wire is forwarded at the start of welding, and the transient welding period from when the welding wire comes into contact with the base material and the welding current starts to energize until the welding is converged to the steady welding period.
  • the forward feed is continued, the transient welding period ends in the short-circuit period, and the forward / reverse feed control is started from the reverse feed period after the transient welding period ends.
  • a molten pool can be formed in the stable state by sending a welding wire forward during a transient welding period.
  • the forward / reverse feed control is started from the reverse feed period during the short-circuit period, so that it is possible to smoothly shift to the steady welding period.
  • the present invention in welding for alternately switching between a forward feed period and a reverse feed period of the feed speed, it is possible to stabilize the welding state during the transient welding period from the start of welding to the convergence to the steady welding period. it can

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Abstract

溶接ワイヤの送給速度(Fw)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って、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において、溶接開始時は溶接ワイヤ(1)を正送し、溶接ワイヤ(1)が母材(2)と接触して溶接電流(Iw)が通電を開始した時点(t2)から定常溶接期間に収束するまでの過渡溶接期間(Tk)中は正送を継続し、過渡溶接期間(Tk)は短絡期間で終了し、過渡溶接期間(Tk)の終了後に逆送期間から正逆送給制御を開始することで、安定した状態で溶融池を形成することができ、溶融池が形成されると、短絡期間中に逆送期間から正逆送給制御を開始するので、円滑に定常溶接期間へと移行することができる。

Description

アーク溶接制御方法
 本発明は、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って、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、溶接ワイヤの正送と逆送とを周期的に繰り返して溶接する方法が提案されている(例えば、特許文献1、2参照)。
 特許文献1の発明では、溶接電流設定値に応じた送給速度の平均値とし、溶接ワイヤの正送と逆送との周波数及び振幅を溶接電流設定値に応じた値とする。
 特許文献2の発明は、溶接開始を指示して溶接電流が通電を開始した時点から所定の周波数と振幅で正送と逆送を周期的に繰り返すワイヤ送給速度で溶接ワイヤの送給を行い、その後にワイヤ送給速度を一定速度に切り替えて溶接を行うアーク溶接制御方法である。
日本国特許第5201266号公報 日本国特許第4807479号公報
 上述したように、定常溶接期間中においては、送給速度を所定の正送期間と所定の逆送期間とで交互に切り換えて溶接することによって、安定した溶接を行うことができる。しかし、溶接開始時から定常溶接期間に収束するまでの過渡溶接期間中においては、定常溶接期間と同一の正逆送給制御を行うと、溶接状態が不安定になるという問題がある。
 そこで、本発明では、送給速度の正送期間と逆送期間とを交互に切り換える溶接において、溶接開始時から定常溶接期間に収束するまでの過渡溶接期間中の溶接状態を安定化する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、本発明のアーク溶接制御方法は、
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って、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において、
 溶接開始時は溶接ワイヤを正送し、溶接ワイヤが母材と接触して溶接電流が通電を開始した時点から定常溶接期間に収束するまでの過渡溶接期間中は前記正送を継続し、前記過渡溶接期間は前記短絡期間で終了し、前記過渡溶接期間の終了後に前記逆送期間から前記正逆送給制御を開始する、
ことを特徴とする。
 本発明のアーク溶接制御方法は、前記過渡溶接期間を、前記溶接電流が通電を開始した時点から所定期間が経過した後の最初の前記短絡期間中の時点までの期間とする、
ことを特徴とする。
 本発明のアーク溶接制御方法は、前記過渡溶接期間を、前記溶接電流が通電を開始した時点から所定回数の前記短絡期間が終了した後の最初の前記短絡期間中の時点までの期間とする、
ことを特徴とする。
 本発明のアーク溶接制御方法は、前記過渡溶接期間を、前記溶接電流が通電を開始した時点から溶接トーチが移動を開始した後の最初の前記短絡期間中の時点までの期間とする、
ことを特徴とする。
 本発明によれば、過渡溶接期間中は溶接ワイヤを正送することによって安定した状態で溶融池を形成することができる。溶融池が形成されると、短絡期間中に逆送期間から正逆送給制御を開始するので、円滑に定常溶接期間へと移行することができる。
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、正送と逆送とを周期的に繰り返して溶接ワイヤ1を送給速度Fwで送給する。送給モータWMには、過渡応答性の速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。
 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。
 溶接トーチ移動装置MDは、溶接トーチ4を搭載して移動させ、移動中はHighレベルとなり、停止中はLowレベルとなる溶接トーチ移動信号Mdを出力する。この溶接トーチ移動装置MDは、ロボット装置、自動台車等である。
 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。
 ホットスタート電流設定回路IHRは、予め定めたホットスタート電流設定信号Ihr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、上記のホットスタート電流設定信号Ihr及び上記の電流検出信号Idを入力として、ホットスタート電流設定信号Ihr(+)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、ホットスタート電流が通電する期間(ホットスタート期間)中は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及び上記の電流通電判別信号Cdを入力として、電流通電判別信号CdがHighレベル(通電)に変化した時点から予め定めたホットスタート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。
 溶接開始回路STは、溶接電源を起動するときに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、溶接トーチ4の起動スイッチ、溶接工程を制御するPLC、ロボット制御装置等が相当する。
 駆動回路DVは、上記の誤差増幅信号Ea及び上記の溶接開始信号Stを入力として、溶接開始信号StがHighレベル(溶接開始)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。
 過渡溶接期間タイマ回路STKは、上記の電流通電判別信号Cd、上記の短絡判別信号Sd及び上記の溶接トーチ移動信号Mdを入力として、以下の1)~3)の中から1つを選択して処理を行い、過渡溶接期間タイマ信号Stkを出力する。
1)電流通電判別信号CdがHighレベル(通電)に変化した時点でHighレベルにセットされ、それから所定期間が経過した時点でLowレベルにリセットされる過渡溶接期間タイマ信号Stkを出力する。
2)電流通電判別信号CdがHighレベル(通電)に変化した時点でHighレベルにセットされ、それから短絡判別信号Sdが所定回数のHighレベル(短絡)の期間が終了した時点でLowレベルにリセットされる過渡溶接期間タイマ信号Stkを出力する。
3)電流通電判別信号CdがHighレベル(通電)に変化した時点でHighレベルにセットされ、それから溶接トーチ移動信号MdがHighレベル(移動)に変化した時点でLowレベルにリセットされる過渡溶接期間タイマ信号Stkを出力する。
 平均送給速度設定回路FARは、予め定めた平均送給速度設定信号Farを出力する。周期設定回路TFRは、予め定めた周期設定信号Tfrを出力する。振幅設定回路WFRは、予め定めた振幅設定信号Wfrを出力する。
 定常溶接期間送給速度設定回路FCRは、上記の平均送給速度設定信号Far、上記の周期設定信号Tfr及び上記の振幅設定信号Wfrを入力として、振幅設定信号Wfrによって定まる振幅Wf及び周期設定信号Tfrによって定まる周期Tfで正負対称形状に変化する予め定めた台形波を、平均送給速度設定信号Farの値だけ正送側にシフトした波形となる定常溶接期間送給速度設定信号Fcrを出力する。この定常溶接期間送給速度設定信号Fcrの詳細については、図2で後述する。
 送給速度設定回路FRは、上記の平均送給速度設定信号Far、上記の定常溶接期間送給速度設定信号Fcr、上記の溶接開始信号St、上記の電流通電判別信号Cd、上記の過渡溶接期間タイマ信号Stk及び上記の短絡判別信号Sdを入力として、以下の処理を行い、送給速度設定信号Frを出力する。
1)溶接開始信号StがHighレベル(溶接開始)になると、0から予め定めたスローダウン速度に切り換えられた送給速度設定信号Frを出力する。Fr=0のときは溶接ワイヤ1の送給は停止している。
2)電流通電判別信号CdがHighレベル(通電)になると、上記のスローダウン速度から予め定めた加速期間中は加速し、平均送給速度設定信号Farに達するとその値を維持する送給速度設定信号Frを出力する。
3)過渡溶接期間タイマ信号StkがLowレベルに変化し、その後に短絡判別信号SdがHighレベル(短絡)になると、逆送期間から始まる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。ここで、上記の加速期間は、過渡溶接期間タイマ信号StkがHighレベルである期間以下の期間である。また、電流通電判別信号CdがHighレベルに変化した時点から過渡溶接期間タイマ信号StkがLowレベルに変化し、その後に短絡判別信号SdがHighレベルに変化した時点までの期間が、過渡溶接期間Tkとなる。
 送給制御回路FCは、上記の送給速度設定信号Frを入力として、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)は溶接開始信号St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)は過渡溶接期間タイマ信号Stk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。
 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。正送とは溶接ワイヤ1を母材2に近づける方向に送給することであり、逆送とは母材2から離反する方向に送給することである。定常溶接期間中の送給速度Fwは、台形波状に変化しており、正送側にシフトした波形となっている。このために、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。
 同図(B)に示す送給速度Fwは、図1の送給速度設定回路FRから出力される送給速度設定信号Frの値に制御される。定常溶接期間中の送給速度設定信号Frは、振幅設定信号Wfrによって定まる振幅Wf及び周期設定信号Tfrによって定まる周期Tfで正負対称形状に変化する予め定めた台形波を、平均送給速度設定信号Farの値だけ正送側にシフトした波形となる。このために、同図(B)に示すように、定常溶接期間中の送給速度Fwは、平均送給速度設定信号Farによって定まる破線で示す平均送給速度Faを基準線として、上下に対称となる振幅Wf及び周期Tfで予め定めた台形波状の送給速度パターンとなる。すなわち、基準線から上側の振幅と下側の振幅とは同一値であり、基準線より上側の期間と下側の期間とは同一値となっている。
 ここで、0を基準線として定常溶接期間中の送給速度Fwの台形波を見ると、同図(B)に示すように、時刻t8~t12の定常溶接期間逆送期間は、それぞれ所定の定常溶接期間逆送加速期間、定常溶接期間逆送ピーク期間、定常溶接期間逆送ピーク値及び定常溶接期間逆送減速期間から形成され、時刻t12~t16の定常溶接期間正送期間は、それぞれ所定の定常溶接期間正送加速期間、定常溶接期間正送ピーク期間、定常溶接期間正送ピーク値及び定常溶接期間正送減速期間から形成される。
 時刻t1において、溶接開始信号StがHighレベル(溶接開始)に変化すると、同図(B)に示すように、送給速度Fwは0から予め定めた正の値のスローダウン速度に変化し、溶接ワイヤ1は正送される。このスローダウン速度は、1m/min程度の小さな値に設定される。同時に、時刻t1において、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。
 時刻t2において、上記の正送によって溶接ワイヤ1が母材2と接触(短絡)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、溶接電圧Vwの値が予め定めた短絡判別値(10V程度)未満になるので、同図(F)に示すように、短絡判別信号SdがHighレベル(短絡)に変化する。同時に、時刻t2において、同図(C)に示すように、予め定めたホットスタート電流値(200~500A程度)の溶接電流Iwが通電を開始し、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)に変化する。これに応動して、同図(G)に示すように、過渡溶接期間タイマ信号StkがHighレベルに変化し、後述するように時刻t7にLowレベルに戻る。そして、後述するように、過渡溶接期間タイマ信号StkがLowレベルに変化した後に最初に短絡が発生するまでの時刻t2~t8の期間が過渡溶接期間Tkとなる。上記のホットスタート電流は、時刻t2~t4の予め定めたホットスタート期間中通電する。
 同図(B)に示すように、送給速度Fwは、時刻t2から予め定めた加速期間中は加速し、時刻t61に平均送給速度設定信号Farの値に達すると、その値を過渡溶接期間Tkが終了する時刻t8まで維持する。
 時刻t3において上記のホットスタート電流の通電によって、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。時刻t3からのアーク期間中の時刻t4において上記のホットスタート期間が終了すると、同図(C)に示すように、溶接電流Iwはホットスタート電流からアーク負荷に応じて定まる電流へと減少する。
 時刻t5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、これに応動して、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。同図(C)に示すように、溶接電流Iwは短絡期間中次第に増加する。
 時刻t6におい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、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。同図(C)に示すように、溶接電流Iwは、時刻t6~t8のアーク期間中次第に減少する。
 時刻t7において、同図(G)に示すように、過渡溶接期間タイマ信号Stkが、Lowレベルに変化する。過渡溶接期間タイマ信号StkがLowレベルに変化するタイミングは、上述したように、時刻t2に電流通電判別信号CdがHighレベル(通電)に変化した時点から所定期間が経過した時点の時刻t7である。また、過渡溶接期間タイマ信号StkがLowレベルに変化するタイミングを、短絡判別信号Sdが所定回数のHighレベル(短絡)の期間が終了した時点としても良い。さらに、過渡溶接期間タイマ信号StkがLowレベルに変化するタイミングを、溶接トーチ移動信号MdがHighレベル(移動)に変化した時点としても良い。
 時刻t7に過渡溶接期間タイマ信号StkがLowレベルに変化した後の最初の短絡が時刻t8において発生する。時刻t2~t8の期間が過渡溶接期間Tkとなる。過渡溶接期間Tkの終了タイミングを、時刻t8に短絡が発生してから予め定めた遅延期間が経過した短絡期間中の時点としても良い。この遅延期間は、短絡状態が安定した状態となるまでの期間であり、0.5~3ms程度に設定される。
 上記の過渡溶接期間Tkは、定常溶接期間と同じ程度のサイズの溶融池が形成されるまでの期間として設定される。定常溶接期間と同じ程度のサイズの溶融池が形成されたことを、溶接電流Iwの通電開始から所定期間が経過したこと、所定回数の短絡期間が終了したこと又は溶接トーチが移動を開始したことによって判別している。過渡溶接期間Tkは、50~1000ms程度の範囲となる。同図では、過渡溶接期間Tk中に2回の短絡が発生した場合を描画しているが、実際には5~100回の短絡が発生する。
 時刻t8において過渡溶接期間Tkが終了して定常溶接期間に入ると、溶接ワイヤ1の正逆送給制御が開始される。
[時刻t8~t12の第1回目の定常溶接期間逆送期間の動作]
 時刻t8において、同図(B)に示すように、送給速度Fwは、平均送給速度Faによる正送状態から逆送状態へと切り換えられる。時刻t8~t9の期間は、定常溶接期間逆送加速期間となり、0から定常溶接期間逆送ピーク値まで加速する。この期間中は短絡期間中であるので、同図(F)に示すように、短絡判別信号SdはHighレベル(短絡)となっている。
 時刻t9において定常溶接期間逆送加速期間が終了すると、同図(B)に示すように、送給速度Fwは時刻t9~t11の定常溶接期間逆送ピーク期間に入り、上記の定常溶接期間逆送ピーク値になる。この期間中の時刻t10において、逆送及び溶接電流Iwの通電によるピンチ力によってアーク3が再発生する。これに応動して、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。同図(C)に示すように、溶接電流Iwはこれ以降次第に減少する。
 時刻t11において定常溶接期間逆送ピーク期間が終了すると、同図(B)に示すように、時刻t11~t12の定常溶接期間逆送減速期間に入り、上記の定常溶接期間逆送ピーク値から0へと減速する。
[時刻t12~t16の第1回目の定常溶接期間正送期間の動作]
 同図(B)に示すように、送給速度Fwは時刻t12~t13の定常溶接期間正送加速期間に入り、0から定常溶接期間正送ピーク値まで加速する。この期間中は、アーク期間のままである。
 時刻t13において定常溶接期間正送加速期間が終了すると、同図(B)に示すように、送給速度Fwは時刻t13~t15の定常溶接期間正送ピーク期間に入り、上記の定常溶接期間正送ピーク値になる。この期間中の時刻t14において、正送によって短絡が発生する。これに応動して、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。同図(C)に示すように、溶接電流Iwはこれ以降は次第に増加する。
 時刻t15において定常溶接期間正送ピーク期間が終了すると、同図(B)に示すように、時刻t15~t16の定常溶接期間正送減速期間に入り、上記の定常溶接期間正送ピーク値から0へと減速する。
 これ以降の定常溶接期間中は、上記の定常溶接期間逆送期間及び上記の定常溶接期間正送期間の動作を繰り返すことになる。上述したように、定常溶接期間に入ると、短絡は定常溶接期間正送ピーク期間中に発生し、アークは定常溶接期間逆送ピーク期間中に発生する。この結果、短絡期間とアーク期間との周期と、送給速度Fwの正送期間と逆送期間との周期が同期状態となる。すなわち、送給速度Fwの周期Tfを設定することによって、短絡期間とアーク期間との周期を所望値に制御することができ、安定した溶接を行うことができる。
 定常溶接期間中の送給速度Fwの台形波の数値例を以下に示す。
周期Tf=10ms、振幅Wf=60m/min、平均送給速度Fa=5m/min、半周期の各傾斜期間=1.2ms、ピーク期間=2.6ms、ピーク値=30m/minの台形波に設定すると、この台形波を平均送給速度Fa=5m/minだけ正送側にシフトした波形となる。平均溶接電流は約250Aとなる。この場合の各波形パラメータは、以下のようになる。
定常溶接期間逆送期間=4.6ms、定常溶接期間逆送加速期間=1.0ms、定常溶接期間逆送ピーク期間=2.6ms、定常溶接期間逆送ピーク値=-25m/min、定常溶接期間逆送減速期間=1.0ms
定常溶接期間正送期間=5.4ms、定常溶接期間正送加速期間=1.4ms、定常溶接期間正送ピーク期間=2.6ms、定常溶接期間正送ピーク値=35m/min、定常溶接期間正送減速期間=1.4ms
 上記においては、定常溶接期間中の送給速度Fwの波形が台形波の場合について説明したが、正弦波、三角波等の周期的に繰り返す波形であれば良い。
 上述した実施の形態1では、定常溶接期間に収束するまでの過渡溶接期間中は送給速度を通常溶接と同様に正送状態とし、定常溶接期間中は送給速度を所定の正送期間と所定の逆送期間とを交互に切り換える正逆送給制御を行う。溶融池が充分に形成されていない過渡溶接期間中に、定常溶接期間のように所定の正送期間と所定の逆送期間とを交互に切り換えると、溶接状態が不安定になりやすい。そこで、本実施の形態では、溶融池を形成するまでの過渡溶接期間中は送給速度を正送状態とし、溶融池が形成された後に正逆送給制御に切り換えることによって、溶接開始時の過渡溶接期間中の溶接状態を安定化することができる。
 上述した実施の形態1では、過渡溶接期間から定常溶接期間への送給制御の切り換えを、短絡期間中に逆送期間からの正逆送給制御を開始することによって行う。アーク期間中に正逆送給制御を開始すると、溶接状態が不安定になりやすい。そこで、本実施の形態では、正逆送給制御を短絡期間中に逆送期間から開始することによって、切り換えを円滑に行うことができる。
 上述した実施の形態1によれば、溶接開始時は溶接ワイヤを正送し、溶接ワイヤが母材と接触して溶接電流が通電を開始した時点から定常溶接期間に収束するまでの過渡溶接期間中は正送を継続し、過渡溶接期間は短絡期間で終了し、過渡溶接期間の終了後に逆送期間から前記正逆送給制御を開始する。これにより、本実施の形態では、過渡溶接期間中は溶接ワイヤを正送することによって安定した状態で溶融池を形成することができる。溶融池が形成されると、短絡期間中に逆送期間から正逆送給制御を開始するので、円滑に定常溶接期間へと移行することができる。
 本発明によれば、送給速度の正送期間と逆送期間とを交互に切り換える溶接において、溶接開始時から定常溶接期間に収束するまでの過渡溶接期間中の溶接状態を安定化することができる
 以上、本発明を特定の実施形態によって説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、開示された発明の技術思想を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
 本出願は、2014年11月18日出願の日本特許出願(特願2014-233234)に基づくものであり、その内容はここに取り込まれる。
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
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
Fa   平均送給速度
FAR 平均送給速度設定回路
Far 平均送給速度設定信号
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
FR   送給速度設定回路
Fr   送給速度設定信号
Fw   送給速度
ID   電流検出回路
Id   電流検出信号
IHR ホットスタート電流設定回路
Ihr ホットスタート電流設定信号
Iw   溶接電流
MD   溶接トーチ移動装置
Md   溶接トーチ移動信号
PM   電源主回路
SD   短絡判別回路
Sd   短絡判別信号
ST   溶接開始回路
St   溶接開始信号
STK 過渡溶接期間タイマ回路
Stk 過渡溶接期間タイマ信号
SW   電源特性切換回路
Tf   周期
TFR 周期設定回路
Tfr 周期設定信号
Tk   過渡溶接期間
VD   電圧検出回路
Vd   電圧検出信号
Vw   溶接電圧
Wf   振幅
WFR 振幅設定回路
Wfr 振幅設定信号
WL   リアクトル
WM   送給モータ
 

Claims (4)

  1.  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って、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において、
     溶接開始時は溶接ワイヤを正送し、溶接ワイヤが母材と接触して溶接電流が通電を開始した時点から定常溶接期間に収束するまでの過渡溶接期間中は前記正送を継続し、前記過渡溶接期間は前記短絡期間で終了し、前記過渡溶接期間の終了後に前記逆送期間から前記正逆送給制御を開始する、
    ことを特徴とするアーク溶接制御方法。
  2.  前記過渡溶接期間を、前記溶接電流が通電を開始した時点から所定期間が経過した後の最初の前記短絡期間中の時点までの期間とする、
    ことを特徴とする請求項1記載のアーク溶接制御方法。
  3.  前記過渡溶接期間を、前記溶接電流が通電を開始した時点から所定回数の前記短絡期間が終了した後の最初の前記短絡期間中の時点までの期間とする、
    ことを特徴とする請求項1記載のアーク溶接制御方法。
  4.  前記過渡溶接期間を、前記溶接電流が通電を開始した時点から溶接トーチが移動を開始した後の最初の前記短絡期間中の時点までの期間とする、
    ことを特徴とする請求項1記載のアーク溶接制御方法。
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