JP5145889B2

JP5145889B2 - 溶接装置

Info

Publication number: JP5145889B2
Application number: JP2007297580A
Authority: JP
Inventors: 篤寛川本; 潤司藤原; 晶中川
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2007-11-16
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2027-11-16
Also published as: JP2009119501A

Description

本発明は、消耗電極である溶接ワイヤを送給しながら溶接トーチを移動させてアーク溶接を行う溶接装置に関するものである。

従来のアーク溶接において、被溶接物の溶接終了部のビード形状の凹み（以下クレータと言う）を抑制するクレータ処理として、クレータ処理期間内に被溶接部に供給する溶接電圧を定常時の設定レベルからクレータ処理設定レベルまで減少させると共に、溶接ワイヤの送給速度を前記溶接電圧の変化に応じて減少させるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。しかし、溶接速度を１ｍ／ｍｉｎ程度まで高めて板厚がｔ２以下の薄板アルミを溶接する場合には、前記のクレータ処理ではクレータを抑制するのに十分ではない。
特開平１−１０７９６８号公報

上記従来のアーク溶接に関して図４を用いて説明する。被溶接物の溶接終端部におけるクレータ１０１の発生を抑制することは、溶接電圧Ｖとワイヤ送給速度ＷＳの制御により可能である。しかし、定常溶接区間ＴＮにおける定常溶接電圧Ｖ１とワイヤ送給速度ＷＦ１から、エンド区間の溶接終了点Ｐ２にかけてクレータ電圧Ｖ２とワイヤ送給速度ＷＦ２となるように調整するだけでは、クレータ抑制を安定させることができない場合がある。その場合としては、生産性向上のために溶接速度の高速化を行う場合や、軽量化のために溶接材料の薄板化を行う場合である。

例えば、従来では０．５〜０．６ｍ／ｍｉｎの溶接速度で溶接していた箇所を１ｍ／ｍｉｎあるいはそれを超えた速度で溶接する場合、溶融プールが１０〜２０ｍｍ程度と長くなり、ビード幅不足やビード高さ不足となり易く、クレータが発生し易い。この場合、溶接ワイヤの送給速度をワイヤ送給速度ＷＦ１からワイヤ送給速度Ｗ２に徐々に減速するのに併せて定常溶接電圧Ｖ１をクレータ電圧Ｖ２に徐々に低減させたそしても、定常溶接速度ＷＳ１が高速であるためクレータを抑制できない。このような状況において、溶接終了点Ｐ２より手前約２０ｍｍの箇所から複数の教示点を設けて複数の教示点各々に溶接条件を設定することで、徐々に溶接速度を低下させるとクレータ抑制に幾分かの抑制効果はある。しかしながら、例えば板厚がｔ２以下と薄い場合には、溶接速度を低下させているので溶け落ちが発生することもある。従って、被溶接物の溶接終了部の品質を安定させることができない。

また、溶接条件を含む教示点をエンド区間にいくつも設けた場合、その中の１つの教示点用の溶接条件を変更する場合には、その教示点だけでなく、その他の教示点についても溶接終了用の溶接条件も変更する必要があり、溶接条件調整が非常に煩雑となり、また、間違った調整をする可能性が高くなる。

従って、従来のアーク溶接においては被溶接物の溶接終端部のビード幅やビード高さを確保しクレータを抑制して溶接品質を確保するには、溶接条件の設定が非常に複雑かつ煩雑であり、現場作業者が容易に設定することは困難であった。そのため、溶接品質の確保が困難であった。

上記課題を解決するために、本発明の溶接装置は、１トーチ内で１本のワイヤを送給し、溶接線に沿って溶接開始位置から溶接終端位置へ溶接を行い、継続して前記溶接線に沿って前記溶接終端位置から前記溶接開始位置方向へ所定距離戻る位置へ溶接を行う溶接装置であって、消耗電極であるワイヤの位置を決める溶接トーチと、前記溶接トーチを移動させるアクチュエータと、前記消耗電極と溶接対象物との間に電力を供給する溶接電源部と、定常溶接電流または定常ワイヤ送給速度と少なくとも前記所定距離戻る際の溶接電流となるクレータ電流や前記溶接トーチを移動させる速度とを対応付けた溶接条件を複数記憶する溶接条件記憶部と、少なくとも定常溶接電流あるいは定常ワイヤ送給速度を入力するための溶接条件入力部と、前記溶接条件入力部により入力された定常溶接電流または定常ワイヤ送給速度に基づいて前記溶接条件記憶部に記憶された複数の溶接条件の中から溶接条件を選択して前記溶接電源部や前記アクチュエータを制御する制御部を備え、前記溶接条件記憶部に記憶する溶接条件は、溶接終端位置から溶接線に沿って溶接を行いながら戻る距離の情報を含み、前記戻る距離は、定常溶接区間における前記溶接トーチを移動させる速度である定常溶接速度に基づくものであり、前記溶接開始位置から前記溶接終端位置へ溶接を行い、前記溶接終端位置で停止することなく前記溶接終端位置から前記溶接開始位置方向へ前記所定距離戻る位置へ溶接を行うものである。

また、本発明の溶接装置は、上記に加えて、溶接条件記憶部に記憶する溶接条件は、定常溶接電流に対応付けられており前記定常溶接電流からクレータ電流に移行するまでの溶接トーチの移動速度変化情報をさらに含むものである。

以上のように、本発明の溶接装置によれば、クレータを抑制して高品質な溶接終端部を実現するための溶接条件を容易に設定することができ、被溶接物の溶接終端部の高品質化を確保することが可能となる。

（実施の形態１）
本実施の形態の自動溶接装置について、図１と図２を用いて説明する。

図１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している。また、図２は本実施の形態における溶接条件等の時間変化を示しており、図２（ａ）は溶接状態（側断面図）、図２（ｂ）教示点の位置および溶接方向、図２（ｃ）は溶接電圧、図２（ｄ）は溶接電流、図２（ｅ）はワイヤ送給速度、図１（ｆ）は溶接速度（溶接トーチの移動速度）を示している。

図１において、アーク溶接装置は主に、消耗電極であるワイヤ１４と被溶接物１７との間に溶接出力を供給する溶接電源部２０と、溶接トーチ１５と、溶接トーチ１５を保持して溶接トーチ１５を移動させるアクチュエータ１２と、アクチュエータ１２を制御するロボット制御部１０と、ワイヤ１４を被溶接物１７の方向へ送給するワイヤ送給装置１３から構成される。なお、アクチュエータ１２の例としては、例えば、産業用ロボットとして使用される垂直多関節型のマニピュレータ等が挙げられる。

溶接電源部２０において、入力電源１からの電力は１次整流部２で整流され、スイッチング素子３により交流に変換され、トランス４により降圧され、２次整流部５及びＤＣＬ（インダクタンス）６により整流される。そして、溶接電源部２０の出力の一方は溶接トーチ１５を介してワイヤ１４に加えられ、もう一方は被溶接物１７に加えられる。そして、ワイヤ１４と被溶接物１７との間でアーク１６が発生する。

また、溶接電源部２０は、スイッチング素子３を制御する出力制御部７と、出力制御部７に対して溶接出力を制御する制御信号を出力する制御部８と、ワイヤ送給装置１３を制御するためのワイヤ送給速度制御部１１と、溶接条件を記憶するための溶接条件記憶部９とを備えている。なお、溶接条件記憶部９には、定常溶接電流と、この定常溶接電流に対応付けられた定常溶接電圧、定常ワイヤ送給速度、定常溶接速度、さらに後述する逆走区間における定常溶接電流に対応付けられたクレータ電流とクレータ電圧とワイヤ送給速度と溶接速度であるトーチの移動速度とからなる溶接条件の組が複数記憶されている。ここで、パルスＭＡＧ溶接における溶接条件の一例を表１に示す。

また、溶接条件を入力するための溶接条件入力部２１は、入力された情報をロボット制御部１０を介して制御部８に送るものである。この溶接条件入力部２１の例としては、例えば、ロボットの動作を教示するための教示装置等が挙げられる。なお、この溶接条件入力部２１を溶接電源部２０に設け、ロボット制御部１０を介さずに溶接条件入力部２１から制御部８に情報を送るようにしても良い。

図１において、作業者等によって溶接条件入力部２１により定常溶接電流の値が入力されると、制御部８は、この入力された定常溶接電流に基づいて溶接条件記憶部９に記憶されている複数の溶接条件の中から定常溶接電圧、定常ワイヤ送給速度、定常溶接速度、そして、逆走区間におけるクレータ電流とクレータ電圧とワイヤ送給速度とトーチの移動速度である溶接速度を抽出し、これらの情報を出力制御部７とロボット制御部１０とワイヤ送給制御部１１に送信する。

なお、アーク溶接装置を構成する各構成部は、必要に応じ、各々単独に構成してもよいし、複数の構成部を複合して構成するようにしてもよい。

図２において、溶接が開始されると、予め教示された複数の教示点からなる溶接線に沿って溶接が行われる。溶接開始点Ｐ０で溶接が開始されると、折り返し点Ｐ１にかけて、溶接電流は定常溶接区間Ｔ１の間は定常溶接電流Ｉ１になるように制御される。また、溶接開始点Ｐ０から折り返し点Ｐ１にかけて、溶接速度（溶接ワイヤを保持する溶接トーチが溶接線方向に移動する速度）は、定常溶接速度ＷＳ１になるように制御され、ワイヤ送給速度はワイヤ送給速度ＷＦ１になるように制御され、溶接電圧は定常溶接電圧Ｖ１になるように制御される。

ここで、溶接速度が高くなるに従って溶融プールが１０〜２０ｍｍ程度と長くなり、被溶接物１７の溶接終了部のビード幅やビード高さが不足するが、被溶接物１７の溶接端部の位置でアークを継続したまま移動を折り返して同じ溶接線上を逆走して溶接を行うと、ビード幅及びビード高さを確保することができる。そこで、本実施の形態では、溶接トーチ１５が折り返し点Ｐ１に到達すると、アークを維持したまま逆走して溶接終了点Ｐ２まで溶接を行うものである。なお、図２において、折り返し点Ｐ１から溶接終了点Ｐ２までの区間を逆走区間と称す。

溶接トーチ１５が折り返し点Ｐ１に到達すると、制御部８は、上記で抽出した逆走区間におけるクレータ電流Ｉ２とクレータ電圧Ｖ２とワイヤ送給速度ＷＦ２とトーチの溶接速度ＷＳ２を、出力制御部７とロボット制御部１０とワイヤ送給制御部１１に出力して制御を行う。制御部８は、クレータ電流Ｉ２とクレータ電圧Ｖ２を出力制御部７に出力することで溶接電流と溶接電圧を制御し、ワイヤ送給速度ＷＦ２をワイヤ送給制御部１１に出力することでワイヤ送給装置１３によりワイヤ送給速度を制御し、溶接速度ＷＳ２をロボット制御部１０に出力することで溶接トーチ１５が溶接の溶接終了点Ｐ２に向かう溶接速度を溶接速度ＷＳ２に制御する。

また、上記では、溶接条件入力部２１により定常溶接電流Ｉ１を設定することで溶接条件を抽出する例を示したが、定常溶接電流Ｉ１のかわりにワイヤ送給速度ＷＦ１を溶接条件入力部２１により設定することで、定常溶接電流Ｉ１やクレータ電流Ｉ２やクレータ電圧Ｖ２やワイヤ送給速度ＷＦ２や溶接速度ＷＳ２等を自動的に抽出するようにしても良い。

また、クレータ電流Ｉ２とワイヤ送給速度ＷＦ２を相互に対応付けて記憶しておき、一方を設定すると別の一方が１通りに設定されるようにしておいても良い。

また、折り返し点Ｐ１から溶接終了点Ｐ２までの逆走区間において、溶接電流や溶接電圧やワイヤ送給速度を、アーク安定性を確保するため急激に変化させないよう徐々に変化させるスロープ制御を行うようにしても良い。この場合、スロープ制御を行う時間を定常溶接電流Ｉ１に対応付けて溶接条件記憶部９に記憶させ、溶接条件入力部２１により入力された定常溶接電流によりスロープ時間を決定するようにしてもよい。そして、このスロープ時間は実験等により予め求めておくものであり、例えば０．２ｓ〜２ｓ程度である。

以上のように、本実施の形態によれば、定常溶接電流Ｉ１と、逆走区間におけるクレータ電流Ｉ２とクレータ電圧Ｖ２とワイヤ送給速度ＷＦ２と溶接速度ＷＳ２とを対応付けて溶接条件記憶部９に記憶しておき、溶接作業者が溶接条件入力部２１により定常溶接電流を入力するとその定常溶接電流に対応したクレータ電流Ｉ２とクレータ電圧Ｖ２とワイヤ送給速度ＷＦ２と溶接速度ＷＳ２を抽出し、これらの溶接条件により溶接を行うことができる。従って、溶接作業者が自ら種々の溶接条件等について試行錯誤を繰り返しながら溶接条件を探るといったことなしに、定常溶接電流を設定するだけでクレータを抑制した高品質なビード形成が可能な溶接を実現することができる。

また、仮に抽出した溶接条件で行った溶接においてクレータ抑制が十分でなかった場合においても、折り返し点Ｐ１以降の逆走期間における溶接条件調整の目安とすることができるので、溶接条件の調整が容易となる。

従って、現場の溶接作業者は煩雑な溶接条件調整や教示作業から解放され、被溶接物１７の溶接終端部の高品質化を確保することができる。

なお、溶接条件記憶部９に記憶する上記した定常溶接電流Ｉ１に対応付けられたクレータ電流や溶接速度等は、実験等により予め求めておくものである。

また、本実施の形態における溶接装置により行う溶接では、逆走期間を設けており、熱が逃げ易いアルミ等の溶接に有効である。

また、定常溶接区間Ｔ１の初期部分ではアークスタートを行うためのアークスタート期間が存在し、アークスタート期間における溶接条件により溶接を行うものであるが、本実施の形態においてはこれを省略している。

また、本実施の形態では、折り返し点Ｐ１からスロープ制御を行う例を示したが、折り返し点Ｐ１に至る前からスロープ制御を始めるようにしても良いし、折り返し点Ｐ１を過ぎてからスロープ制御を始めるようにしても良い。

（実施の形態２）
本実施の形態について図３を用いて説明する。本実施の形態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１と異なるのは、折り返し点Ｐ１から溶接終了点Ｐ２までの間の逆走区間における溶接速度の変化にスロープを持たせ、徐々に変化させようにした点である。

この場合、スロープ制御を行う時間や傾きを定常溶接電流Ｉ１に対応付けて溶接条件記憶部９に記憶させ、溶接条件入力部２１により入力された定常溶接電流によりスロープ時間やスロープの傾きを決定するようにしてもよい。そして、このスロープ時間や傾きは実験等により予め求めておくものであり、例えば０．２ｓ〜２ｓ程度であり、傾きとしては定常溶接速度ＷＳ１と溶接速度ＷＳ２とを直線で結ぶから向き等がある。

また、溶接速度だけではなく、逆走区間のクレータ電流とクレータ電圧とワイヤ送給信号の変化にもスロープを持たせて徐々に変化させ、さらに、クレータ電流とクレータ電圧とワイヤ送給信号と溶接速度のスロープを互いに同期させるようにしてもよい。このようにすると、よりアーク安定性が良化し、被溶接物１７の溶接終端部の高品質化を確保することができる。

また、図３では、逆走区間において、実線で示すように、定常時の値から逆走期間の値であるクレータ電圧Ｖ２、クレータ電流Ｉ２、ワイヤ送給速度ＷＦ２、溶接速度ＷＳ２になるように制御し、これらの値を所定期間維持した状態で溶接を終了する例を示しているが、点線で示すように、溶接の終了時点において目標値であるクレータ電圧Ｖ２、クレータ電流Ｉ２、ワイヤ送給速度ＷＦ２、溶接速度ＷＳ２となるように制御しても良い。なお、溶接速度ＷＳ２はゼロに設定するようにしても良い。

また、上記では、溶接条件入力部２１により定常溶接電流Ｉ１を設定することで溶接条件を抽出する例を示したが、定常溶接電流Ｉ１のかわりにワイヤ送給速度ＷＦ１を溶接条件入力部２１により設定することで溶接速度を含む溶接条件を抽出するようにしても良い。

以上のように、本実施の形態によれば、定常溶接電流Ｉ１と逆走区間における溶接速度のスロープ制御とを対応付けて溶接条件記憶部９に記憶しておき、溶接作業者が溶接条件入力部２１により定常溶接電流を入力するとその定常溶接電流に対応したスロープ制御による溶接速度で溶接を行うことができる。従って、定常溶接電流を設定するだけでクレータを抑制した高品質なビード形成が可能な溶接を実現することができる。

（実施の形態３）
本実施の形態について図３を用いて説明する。本実施の形態において実施の形態１や実施の形態２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１や実施の形態２と異なるのは、折り返し点Ｐ１から溶接終了点Ｐ２の間の逆走区間を溶接しながら戻る距離を溶接条件として溶接条件記憶部９に記憶した点である。

本実施の形態では、溶接条件記憶部９には、定常溶接電流と、この定常溶接電流に対応付けられた定常溶接電圧、定常ワイヤ送給速度、定常溶接速度、逆走区間におけるクレータ電流とクレータ電圧とワイヤ送給速度と溶接速度に加えて、定常溶接電流に対応付けられた逆走距離も含んだ溶接条件の組が複数記憶されている。なお、逆走距離は実験等により予め求められるものであり、例えば５ｍｍ〜１５ｍｍ程度である。そして、定常溶接速度が速いほど長くなり、遅いほど短くなるものである。

以上のように、本実施の形態によれば、定常溶接電流Ｉ１と逆走距離とを対応付けて溶接条件記憶部９に記憶しておき、溶接作業者が溶接条件入力部２１により定常溶接電流を入力するとその定常溶接電流に対応した逆走距離で溶接を行うことができる。従って、定常溶接電流を設定するだけでクレータを抑制した高品質なビード形成が可能な溶接を実現することができる。

なお、上記では、溶接条件入力部２１により定常溶接電流Ｉ１を設定することで溶接条件を抽出する例を示したが、定常溶接電流Ｉ１のかわりにワイヤ送給速度ＷＦ１を溶接条件入力部２１により設定することで逆走距離を含む溶接条件を抽出するようにしても良い。

本発明の溶接装置は、被溶接物の溶接終端部の高品質化を確保できる溶接装置として産業上有用である。

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（ａ）実施の形態１における溶接状態を示す図、（ｂ）実施の形態１における教示点を示す図、（ｃ）実施の形態１における溶接位置に関する溶接電圧の変化を示す図、（ｄ）実施の形態１における溶接位置に関する溶接電流の変化を示す図、（ｅ）実施の形態１における溶接位置に関するワイヤ送給速度の変化を示す図、（ｆ）実施の形態１における溶接位置に関する溶接速度の変化を示す図（ａ）実施の形態２，３における溶接状態を示す図、（ｂ）実施の形態２，３における教示点を示す図、（ｃ）実施の形態２，３における溶接位置に関する溶接電圧の変化を示す図、（ｄ）実施の形態２，３における溶接位置に関する溶接電流の変化を示す図、（ｅ）実施の形態２，３における溶接位置に関するワイヤ送給速度の変化を示す図、（ｆ）実施の形態２，３における溶接位置に関する溶接速度の変化を示す図（ａ）従来のアーク溶接における溶接状態を示す図、（ｂ）従来例における溶接位置に関する溶接電圧の変化を示す図、（ｃ）従来のアーク溶接における溶接位置に関する溶接ワイヤ送給速度の変化を示す図、（ｄ）従来のアーク溶接における溶接位置に関する溶接速度の変化を示す図

符号の説明

ＴＮ定常溶接区間
ＴＥ溶接エンド区間
Ｔ１定常溶接区間
Ｔ２溶接エンド区間（逆走区間）
Ｉ１定常溶接電流（定常溶接区間）
Ｉ２クレータ電流（溶接エンド区間）
Ｖ１定常溶接電圧（定常溶接区間）
Ｖ２クレータ電圧（溶接エンド区間）
ＷＦ１ワイヤ送給速度（定常溶接区間）
ＷＦ２ワイヤ送給速度（溶接エンド区間）
ＷＳ１定常溶接速度（定常溶接区間）
ＷＳ２溶接速度（溶接エンド区間）
Ｐ０溶接開始点
Ｐ１折り返し点
Ｐ２溶接終了点
１入力電源
２１次整流部
３スイッチング素子
４トランス
５２次整流部
６ＤＣＬ（インダクタンス，コイル）
７出力制御部
８制御部
９溶接条件記憶部
１０ロボット制御部
１１ワイヤ送給制御部
１２アクチュエータ
１３ワイヤ送給装置
１４ワイヤ
１５溶接トーチ
１６アーク
１７被溶接物
２０溶接電源部
２１溶接条件入力部
１０１クレータ（溶接終端部）
１０２被溶接物（母材）

Claims

１トーチ内で１本のワイヤを送給し、溶接線に沿って溶接開始位置から溶接終端位置へ溶接を行い、継続して前記溶接線に沿って前記溶接終端位置から前記溶接開始位置方向へ所定距離戻る位置へ溶接を行う溶接装置であって、
消耗電極であるワイヤの位置を決める溶接トーチと、
前記溶接トーチを移動させるアクチュエータと、
前記消耗電極と溶接対象物との間に電力を供給する溶接電源部と、
定常溶接電流または定常ワイヤ送給速度と少なくとも前記所定距離戻る際の溶接電流となるクレータ電流や前記溶接トーチを移動させる速度とを対応付けた溶接条件を複数記憶する溶接条件記憶部と、
少なくとも定常溶接電流あるいは定常ワイヤ送給速度を入力するための溶接条件入力部と、
前記溶接条件入力部により入力された定常溶接電流または定常ワイヤ送給速度に基づいて前記溶接条件記憶部に記憶された複数の溶接条件の中から溶接条件を選択して前記溶接電源部や前記アクチュエータを制御する制御部を備え、前記溶接条件記憶部に記憶する溶接条件は、溶接終端位置から溶接線に沿って溶接を行いながら戻る距離の情報を含み、前記戻る距離は、定常溶接区間における前記溶接トーチを移動させる速度である定常溶接速度に基づくものであり、前記溶接開始位置から前記溶接終端位置へ溶接を行い、前記溶接終端位置で停止することなく前記溶接終端位置から前記溶接開始位置方向へ前記所定距離戻る位置へ溶接を行う溶接装置。
溶接条件記憶部に記憶する溶接条件は、定常溶接電流に対応付けられており前記定常溶接電流からクレータ電流に移行するまでの溶接トーチの移動速度変化情報をさらに含む請求項１記載の溶接装置。
溶接終端位置である折り返し点から、前記溶接終端位置から溶接開始位置方向へ所定距離戻る位置である溶接終了点までの溶接速度は、前記折り返し点における溶接速度から前記溶接終了点における溶接速度に向けて徐々に低下していくようにスロープ制御される請求項１または２記載の溶接装置。
折り返し点から溶接終了点までのクレータ電流とクレータ電圧とワイヤ送給速度は、前記折り返し点から前記溶接終了点までの溶接速度のスロープ制御に同期させて、徐々に低下していくようにスロープ制御される請求項３記載の溶接装置。
定常溶接速度が速いほど戻る距離は長く、前記定常溶接速度が低いほど前記戻る距離は短い請求項１から４のいずれか１項に記載の溶接装置。