JP6596669B2

JP6596669B2 - アーク溶接の制御方法

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Publication number: JP6596669B2
Application number: JP2016558864A
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Inventors: 範幸松岡; 篤寛川本; 潤司藤原; 海斗松井
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Description

本発明は、パルス溶接期間と短絡溶接期間とを交互に繰り返す消耗電極式のアーク溶接の制御方法に関する。

消耗電極式のアーク溶接方法において、代表的なものに、パルス溶接と短絡溶接があり、実用に供されている。ただし、パルス溶接と短絡溶接には、次のような問題がある。

パルス溶接は臨界電流を超える一定電流によるスプレー移行に比較すると低入熱であるが、安定なパルス移行を維持するにはある程度長いアーク長が必要なので、入熱を低く抑えることは出来ない。従って、立て向き、上向きなどのいわゆる姿勢溶接においては、ビードの垂れ下がりなどの不良形状ビードが発生し易い。

短絡溶接は、アーク長が短く、かつ、短絡期間は、アークによる入熱が小さいことから、融合不良などの溶接欠陥が生じやすい。また、短アーク長および短絡によるスパッタの発生が多い。

以上のような問題を抑制する手段として、パルス溶接と短絡溶接とを任意の回数ずつ交互に繰り返すように制御するアーク溶接方法が提案されている（特許文献１参照）。図４は、特許文献１に開示されている従来のアーク溶接制御における溶接電流波形を示す。溶接電流を設定回数ずつ交互にパルス溶接、短絡溶接を行うように制御している。また、溶接ワイヤを、パルス溶接、短絡溶接のそれぞれにおいて、最適値となるような一定の送給速度で送給している。これにより、入熱制御およびビード形状制御を行い融合不良などの溶接欠陥や姿勢溶接におけるビードの垂れ下がりなどの不良形状ビード発生を抑制できる、と特許文献１は記載している。

また、短絡溶接において、スパッタ発生の抑制と、短絡移行を確実に行うための方法として、アークの発生と短絡とを検出してアークの発生によって溶接ワイヤを送給（正送）し、短絡の発生によってワイヤを引き上げる（逆送する）溶接方法が示されている（特許文献２参照）。

特開昭６０−２５５２７６号公報特公昭４８−１１４６３号公報

パルス溶接期間と短絡溶接期間とを交互に繰り返して行う消耗電極式のアーク溶接において、短絡溶接期間に溶接ワイヤの正送と逆送を一定の周期で繰り返えす。パルス溶接期間から短絡溶接期間へ移る際において、パルス溶接期間の終了直前のベース電流より小さい電流の時に溶接ワイヤを正送方向へ送給し始める。

図１Ａは実施の形態１におけるアーク溶接装置の概略構成図である。図１Ｂは実施の形態１におけるアーク溶接の溶接部位を示す模式拡大断面図である。図２は実施の形態１におけるアーク溶接での溶接電流と溶接電圧と溶接ワイヤの送給速度とを示す図である。図３は実施の形態２におけるアーク溶接での溶接電流と溶接電圧と溶接ワイヤの送給速度とを示す図である。図４は従来のアーク溶接における溶接電流を示す図である。

（実施の形態１）
図１Ａは実施の形態１におけるアーク溶接装置５０の概略構成図である。アーク溶接装置５０は主に、消耗性電極である溶接電極である溶接ワイヤ１５と溶接対象物１８との間に電力を供給する溶接電源部１９と、溶接トーチ１６と、溶接ワイヤ１５を送給する送給部１４から構成される。なお、溶接トーチ１６は、例えば溶接ロボットに取り付けられ、溶接ロボットにより溶接トーチ１６を用いて溶接が行われる。あるいは、溶接トーチ１６は、例えば作業者に保持され、作業者により溶接トーチ１６を用いて溶接が行われる。送給部１４は、溶接対象物１８に向かう正送方向Ｄ１０１と、正送方向Ｄ１０１の反対の溶接対象物１８から遠ざかる逆送方向Ｄ１０２とに溶接ワイヤ１５を送給することができる。溶接電源部１９において、入力電源１から入力した交流電力は、１次整流部２で整流され、スイッチング部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、溶接ワイヤ１５と溶接対象物１８との間に印加される。印加された電力により溶接ワイヤ１５と溶接対象物１８との間で溶接アーク１７が発生して溶接が行われる。また、溶接電源部１９は、溶接ワイヤ１５の電圧である溶接電圧Ｖを検出する溶接電圧検出部７と、溶接ワイヤ１５を流れる溶接電流Ｉを検出する溶接電流検出部８と、パルス溶接期間と短絡溶接期間の経過時間またはパルスの出力回数をカウントするカウンタ部９とを備えている。また、溶接電源部１９は、カウンタ部９がカウントした数に基づいて、溶接出力の制御を切り替える制御切替部１０と、溶接条件等を設定するための設定部２０と、パルス溶接期間における電流を制御するパルス溶接時の電流制御部１２と、短絡溶接期間における電流を制御する短絡溶接時の電流制御部１１と、駆動部１３と、を備えている。なお、カウンタ部９は、溶接トーチ１６に設けられたトーチスイッチが操作されることにより、あるいは、溶接ロボットの動作プログラムが実行されることにより、溶接の開始が指示された後に、最初に生じる溶接ワイヤ１５と溶接対象物１８との接触を検出して時間のカウントやパルスの出力回数のカウントを行う。また、設定部２０は、溶接を行うために設定する設定溶接電流や、溶接を行うために設定する設定溶接電圧や、溶接ワイヤ１５の送給速度や、シールドガスの種類や、溶接ワイヤ１５の材質や、溶接ワイヤ１５の径や、パルス溶接の期間や波形出力回数、短絡溶接の期間や波形出力回数等を設定するためのものである。なお、溶接電源部１９を構成する各構成部は、必要に応じて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。

次に、アーク溶接装置５０の動作について説明する。図１Ｂは実施の形態１におけるアーク溶接の溶接部位を示す模式拡大断面図である。

アーク溶接装置５０において、ガス供給口よりシールドガスを供給してアーク及び溶接部を外気からシールドしつつ、溶接電源部１９より溶接ワイヤ１５と溶接対象物１８の間に電流を供給する。これにより溶接ワイヤ１５と溶接対象物１８に溶接アーク１７を発生させて、アーク１７の熱で溶接ワイヤ１５の先端と溶接対象物１８の一部を溶かす。溶けた溶接ワイヤ１５は溶接対象物１８上に滴下して、溶接アーク１７の熱により溶けた溶接対象物１８の一部と共に溶融池１５Ｐを形成する。溶接トーチ１６の溶接対象物１８に対しての相対的な溶接方向Ｄ１５への移動により、溶融池１５Ｐが形成されながら溶接対象物１８に対して溶接方向Ｄ１５に相対的に移動してビード１８Ａを形成しつつ溶接対象物１８を溶着する。

その溶接の溶接条件は設定部２０で予め設定され、また溶接ワイヤ１５の送給速度も同様に設定部２０で予め設定される。この設定条件になるように溶接電源部１９の出力及び送給部１４のモータの回転が制御される。溶接条件の制御は溶接電源部１９を監視しながら溶接条件が設定条件になるように溶接電源部１９の制御をすることによって行うが、この制御の元となる溶接電流Ｉ及び溶接電流Ｉの波形は溶接電流検出部８の出力により得る。

図２は実施の形態１におけるアーク溶接装置５０の溶接電流Ｉと溶接電圧Ｖと溶接ワイヤ１５の送給速度ＷＦとを示す。図２において縦軸は溶接電流Ｉと溶接電圧Ｖと送給速度ＷＦとを示し、横軸は時間を示す。送給速度ＷＦは正負両方の値を取り得る。すなわち、溶接電極である溶接ワイヤ１５を正送方向Ｄ１０１に送給する場合に送給速度ＷＦの値は正であり、溶接ワイヤ１５を逆送方向Ｄ１０２に送給する場合に送給速度ＷＦの値は負である。

パルス溶接期間Ｔｐにおいて、溶接ワイヤ１５を流れる溶接電流Ｉがピーク電流Ｉｐの値Ｉｐ１〜Ｉｐ６とベース電流Ｉｂの値Ｉｂ１〜Ｉｂ５とを交互に繰り返す複数のパルスＰｐ１〜Ｐｐ６を形成するように溶接電流Ｉが制御される。短絡溶接期間Ｔｓにおいて、溶接ワイヤ１５と溶接対象物１８とを短絡させる１つ以上の短絡期間Ｔｓｓ１〜Ｔｓｓ３と、溶接ワイヤ１５と溶接対象物１８との間でアーク１７を発生する１つ以上のアーク期間Ｔｓａ１〜Ｔｓａ２とに交互にそれぞれに移行するように溶接電流Ｉが制御される。パルス溶接期間Ｔｐが短絡溶接期間Ｔｓに続き、短絡溶接期間Ｔｓがパルス溶接期間Ｔｐに続くように、パルス溶接期間Ｔｐと短絡溶接期間Ｔｓが交互に繰り返される。

溶接電流検出部８で検出された溶接電流Ｉの波形によってパルス溶接期間Ｔｐが検出される。パルス溶接期間Ｔｐは、例えば、溶接電流Ｉが、予め設定した閾値Ｉｓより大きい値から小さい値に変化したことを検出することで検出できる。したがって、閾値Ｉｓと溶接電流Ｉとの比較を行うことにより、パルス溶接期間ＴｐのパルスＰｐ１〜Ｐｐ６を検出できる。パルスＰｐ１〜Ｐｐ６の検出方法は、この例に限らずパルスＰｐ１〜Ｐｐ６を検出できれば、どのような方法でもよい。

短絡溶接期間Ｔｓは、例えば、溶接電圧検出部７で検出された溶接電圧Ｖが予め設定した閾値Ｖｓより大きい値から小さい値に変化したことを検出することで検出できる。この際、短絡期間Ｔｓｓ１〜Ｔｓｓ３を非常に短い微小短絡と判定しないようにするため、溶接電圧Ｖが継続して閾値Ｖｓより高い間に予め設定した時間を経過した場合を１回の短絡と判定してもよい。短絡の検出方法は、この例に限らず各々の短絡を検出できれば、どのような方法でもよい。

パルス溶接期間Ｔｐにおいて、設定部２０のパルス条件と組み合わせ、溶接電流Ｉの平均値が臨界電流を超えないような溶接ワイヤ１５の送給速度ＷＦの値が設定部２０に予め設定されている。また、そのパルスの数またはパルス溶接期間Ｔｐの長さも設定部２０に予め設定されている。一方、短絡溶接期間Ｔｓにおいては、設定部２０により設定された送給速度ＷＦでの短絡溶接を安定に行わせることのできる溶接電圧Ｖの値が予め設定されている。また、短絡溶接期間Ｔｓにおける溶接ワイヤ１５と溶接対象物１８との短絡の回数すなわち短絡期間Ｔｓｓ１〜Ｔｓｓ３の数または短絡溶接期間Ｔｓの長さも設定部２０に予め設定されている。したがって、アーク溶接装置５０では、設定部２０で設定された上記の数また時間の長さに基づきパルス溶接を行うと制御切替部１０によって短絡溶接に切替えられ、次は同じく設定部２０で設定された上記の数または時間の長さに基づき短絡溶接を行うように、パルス溶接の電流制御部１２および短絡溶接の電流制御部１１を制御切替部１０によって切替えて電流制御部１１、１２から制御出力を出す。そして、電流制御部１１、１２の制御出力を受けた駆動部１３は制御出力に応じた溶接電流Ｉの波形が得られるよう、制御出力をスイッチング部３に与える。これにより、溶接電源部１９は図２に示す溶接電流Ｉを出力して溶接ワイヤ１５と溶接対象物１８に与える。

同様に、パルス溶接期間Ｔｐと短絡溶接期間Ｔｓにおいて、溶接ワイヤ１５の送給速度ＷＦが予め設定した送給速度となるように制御切替部１０は送給部１４に制御出力を与える。これにより、送給部１４は、溶接ワイヤ１５の送給速度ＷＦがパルス溶接期間Ｔｐと短絡溶接期間Ｔｓに対応する送給速度となるように送給部１４のモータを回転駆動する。この際、パルス溶接期間Ｔｐでは、予め設定部２０で設定された最適な所定の一定の送給速度ＷＦ３で溶接ワイヤ１５が送給される。一方、制御切替部１０は、短絡溶接期間Ｔｓにおける溶接ワイヤ１５の送給速度ＷＦを、設定部２０によって予め決められた振幅および周期を有する周期的波形にしたがって変化させる。図２に示す送給速度ＷＦは周期的波形として正弦波にしたがって変化する。送給速度ＷＦは台形波など他の周期的波形にしたがって変化させてもよい。設定部２０で予め設定された回数の短絡がカウントされる、または設定部２０で予め設定された時間が経過したパルス開始時点ｔｐｓで短絡を開放して、制御切替部１０はパルス溶接期間Ｔｐを開始して複数のパルスＰｐ１〜Ｐｐ６のうちの最初のパルスＰｐ１を発生させる。パルス開始時点ｔｐｓ後も継続して短絡溶接期間Ｔｓでの上記周期的波形にしたがって送給速度ＷＦは変化したまま、設定部２０で予め設定されたパルス溶接期間Ｔｐでの溶接ワイヤ１５の所定の送給速度ＷＦ３へ向かって変化し、送給速度ＷＦがパルス溶接期間Ｔｐにおいて所定の送給速度ＷＦ３に達すると、送給部１４は溶接ワイヤ１５を所定の送給速度ＷＦ３で送給する。その後、パルス溶接期間Ｔｐで、設定部２０で予め設定された回数のパルスＰｐ１〜Ｐｐ６がカウントされる、または設定部２０で予め設定された時間が経過すると、電流制御部１２は最後のパルスＰｐ６を形成した後で溶接電流ＩをパルスＰｐ１〜Ｐｐ６におけるベース電流Ｉｂの値Ｉｂ１〜Ｉｂ５とは異なる電流Ｉ３に変化させる。最後のパルスＰｐ６を形成した後で溶接電流Ｉが電流Ｉ３に変化した時点をトリガとして、溶接電流Ｉが電流Ｉ３である送給切替時点ｔｖｓで送給速度ＷＦをパルス溶接期間Ｔｐでの所定の送給速度ＷＦ３から上記の周期的波形にしたがって変化させて、溶接ワイヤ１５を正送方向Ｄ１０１と逆送方向Ｄ１０２とに送給し始める。実施の形態１では、電流Ｉ３はパルス溶接期間Ｔｐの終了直前のベース電流Ｉｂの値Ｉｂ５より小さい。このように、実施の形態１では、電流Ｉ３はベース電流Ｉｂの値Ｉｂ１〜Ｉｂ５の少なくとも１つより小さい。電流Ｉ３はベース電流Ｉｂの値Ｉｂ１〜Ｉｂ５の平均値より小さくてもよく、ベース電流Ｉｂの値Ｉｂ１〜Ｉｂ５より小さくてもよい。

なお、図２では溶接電流Ｉが電流Ｉ３に変化した時点をパルス溶接期間Ｔｐから短絡溶接期間Ｔｓへ移るトリガとしている。実施の形態１におけるアーク溶接では、パルス溶接期間Ｔｐの終了前で、溶接電流ＩがパルスＰｐ１〜Ｐｐ６におけるベース電流Ｉｂより小さい値に低減している時期の任意の時点をトリガすなわち送給切替時点ｔｖｓとしてもよい。このようにすることで、パルス溶接期間Ｔｐと短絡溶接期間Ｔｓとを設定条件で交互に繰り返しながら、かつ、その時の各モードでの最適な送給速度ＷＦで溶接ワイヤ１５を送給しつつ溶接を行って行く。図２に示すように短絡期間Ｔｓｓ１〜Ｔｓｓ３とアーク期間Ｔｓａ１、Ｔｓａ２に多少のばらつきがある場合には、短絡を判定した後またはアーク（短絡の開放）を判定した後に送給速度ＷＦを周期的波形にしたがって変化させて、正送方向Ｄ１０１と逆送方向Ｄ１０２に溶接ワイヤ１５を送給する制御では、上記のばらつきが顕著に表れやすい。実施の形態１におけるアーク溶接では、一定周期を有する周期的波形にしたがって送給速度ＷＦを変化させることで、周期的波形にしたがって短絡とアークの動作が促進されるので、短絡期間Ｔｓｓ１〜Ｔｓｓ３とアーク期間Ｔｓａ１、Ｔｓａ２の長さのばらつきが生じ難い。

次に、実施の形態１における溶接電流Ｉについて説明する。実施の形態１における溶接電流Ｉは、パルス溶接から短絡溶接へ切替わる際の最後のパルスＰｐ６の後でパルスＰｐ６のベース電流Ｉｂよりも小さい電流Ｉ３となるように制御されている。また、パルス溶接から短絡溶接へ切替わる際の最初の短絡期間Ｔｓｓ１において、溶接ワイヤ１５と溶接対象物１８との短絡を検出した後の溶接電流Ｉは、パルスＰｐ１〜Ｐｐ６のベース電流Ｉｂよりも小さい値に制御されている。また、短絡溶接期間Ｔｓにおいて短絡を検出した時点およびネック１５Ａを検出した時点の少なくとも一つの時点で溶接電流Ｉを急峻に低減する。パルス溶接期間Ｔｐから短絡溶接期間Ｔｓへの切替えは、設定部２０で予め定められたピーク電流Ｉｐおよびベース電流Ｉｂを交互に繰り返して所定の回数または所定の時間だけパルスＰｐ１〜Ｐｐ６を出力した後に、溶接電流Ｉをベース電流Ｉｂとは異なる電流Ｉ３に変化させて行う。具体的には溶接電流Ｉをベース電流Ｉｂより小さい電流Ｉ３に低減して、短絡溶接期間Ｔｓの開始である短絡期間Ｔｓｓ１の開始の短絡を待つ。その後、溶接電圧検出部７が短絡を検出すると、短絡期間Ｔｓｓ１が始まる短絡検出時点ｔｓｐにおいて短絡後すぐに短絡が開放される微小短絡を抑制するため、かつ短絡時のスパッタ発生を抑制するために溶接電流Ｉを急峻に電流Ｉ４に下げて所定の期間Ｔｓｐ１だけ電流Ｉ４に保持する。その後、溶接電流Ｉを増加して短絡の開放を促進する。また、溶接電圧検出部７によって短絡が開放する直前に溶接ワイヤ１５のネック１５Ａ（図１Ｂ参照）を検出したときに溶接電流Ｉを急峻に下げるネック制御を行うとなおよい。これによって、短絡開放時の電流Ｉを低減でき、スパッタの発生が抑制できる。電流制御部１１は、アーク期間Ｔｓａ１が始まる短絡開放時点ｔａｐで短絡を開放した後は、アーク期間Ｔｓａ１において微小短絡が発生しないように電流Ｉを電流Ｉ５に上げて所定の期間Ｔｓｐ２だけ保持し、その後は次の短絡の発生を促進するようにすなわち次の短絡期間Ｔｓｓ２が始まるように溶接電流Ｉを低減する。そして、この動作を繰り返して、設定部２０で予め設定された回数または時間、短絡が行われた後に、短絡の開放と同時にパルス溶接のモードに入りパルス溶接期間Ｔｐを開始し、溶接電流Ｉがピーク電流Ｉｐとベース電流Ｉｂを交互に繰り返すパルスＰｐ１〜Ｐｐ６を形成するように溶接電流Ｉが制御される。なお、実施の形態１におけるアーク溶接では短絡溶接期間Ｔｓからパルス溶接期間Ｔｐへは、最後の短絡が開放された後すなわち最後の短絡期間Ｔｓｓ３の後に移行する。短絡溶接期間Ｔｓからパルス溶接期間Ｔｐへは、最後の短絡が開放された後すなわち最後の短絡期間Ｔｓｓ３の後で、かつ溶接ワイヤ１５の送給速度ＷＦがパルス溶接期間Ｔｐでの一定の所定の送給速度ＷＦ３に到達した後に移行するとなお良い。

パルス溶接期間と短絡溶接期間とを交互に繰り返す消耗電極式アーク溶接において、消耗電極である溶接ワイヤをパルス溶接期間と短絡溶接期間で各々一定送給するアーク溶接方法では、短絡溶接期間において短絡の開放時にスパッタが生じ易い。

実施の形態１におけるアーク溶接では、パルス溶接期間Ｔｐから短絡溶接期間Ｔｓへ移行する際の最後のパルスＰｐ６の後において、言い換えると、パルス溶接期間Ｔｐから短絡溶接期間Ｔｓへ移る際において、溶接ワイヤ１５を一定の所定の周期を有する周期的波形にしたがって正送方向Ｄ１０１に送給し始める時点を、パルス溶接期間Ｔｐの終了直前のパルス溶接期間Ｔｐにおけるベース電流Ｉｂよりも小さい電流Ｉ３の溶接電流Ｉにて制御する。それにより、次の短絡を促進することができ、溶滴の成長を抑制した状態で短絡することが可能となり、短絡時のスパッタ発生が抑制できる。またベース電流Ｉｂよりも小さい電流Ｉ３に所定の期間だけ溶接電流Ｉを保持することで、パルス溶接期間Ｔｐのピーク電流Ｉｐから短絡溶接期間Ｔｓの短絡期間Ｔｓｓ１の初期電流に向かう際のアンダーシュートを抑制でき、安定した溶接が実現できる。パルス溶接期間Ｔｐから短絡溶接期間Ｔｓへ切替える際の最初の短絡期間Ｔｓｓ１において、短絡の検出後の電流Ｉをパルス溶接期間Ｔｐのベース電流Ｉｂよりも小さい電流Ｉ３にするよう制御する。これにより、溶接ワイヤ１５と溶接対象物１８とを確実に短絡することができ、短絡直後に短絡が開放する微小短絡の発生を抑制でき、スパッタ発生を抑制することができる。短絡溶接期間Ｔｓにおいて短絡を検出した時点とネック１５Ａを検出した時点の少なくとも一つの時点で溶接電流Ｉを急峻に下げることにより、短絡時および短絡開放時の電流Ｉを低減することができ、それに応じて短絡時および短絡開放時のスパッタ発生を抑制できる。

以上のように溶接電流Ｉを制御することで、高入熱のパルス溶接と、低入熱の短絡溶接とを短時間で交互に繰りかえしても、各溶接期間Ｔｐ、Ｔｓの切替わり時期にスパッタ発生等の現象が生じ難いので、両溶接法の長所を兼ね備えた溶接法を実現できる。また、パルスＰｐ１〜Ｐｐ６の数または時間と短絡期間Ｔｓｓ１〜Ｔｓｓ３の回数または時間とを適宜に組み合わせることにより、入熱を容易に制御できる。また、短絡溶接期間Ｔｓにおいて溶接ワイヤ１５を周期的に送給するので、短絡とアークの周期が一定で安定した溶接が実現できる。短絡溶接期間Ｔｓからパルス溶接期間Ｔｐへの切替わり、また逆にパルス溶接期間Ｔｐから短絡溶接期間Ｔｓへの切替わりにおいても短絡溶接期間Ｔｓにおける周期的波形に継続的にしたがって溶接ワイヤ１５が送給されるので、送給速度ＷＦが不連続に変化することがなく、安定した溶接が実現できる。

上述のように、溶接電極である溶接ワイヤ１５を備えたアーク溶接装置５０を用いた消耗電極式のアーク溶接では、パルス溶接を行う複数のパルス溶接期間Ｔｐと短絡溶接を行う複数の短絡溶接期間Ｔｓとに交互にそれぞれに移行する。複数のパルス溶接期間Ｔｐのそれぞれのパルス溶接期間Ｔｐにおいて、溶接ワイヤ１５を流れる溶接電流Ｉがピーク電流Ｉｐの１つ以上の値Ｉｐ１〜Ｉｐ６とベース電流Ｉｂの１つ以上の値Ｉｂ１〜Ｉｂ５とに交互にそれぞれに移行する複数のパルスＰｐ１〜Ｐｐ６を形成し、複数のパルスＰｐ１〜Ｐｐ６を形成した後の送給切替時点ｔｖｓにおいてベース電流Ｉｂの１つ以上の値Ｉｂ１〜Ｉｂ５の少なくとも１つより小さくなる（電流Ｉ３である）ように溶接電流Ｉを制御する。それぞれのパルス溶接期間Ｔｐに続く複数の短絡溶接期間Ｔｓのそれぞれの短絡溶接期間Ｔｓにおいて、溶接ワイヤ１５と溶接対象物１８とを短絡させる１つ以上の短絡期間Ｔｓｓ１〜Ｔｓｓ３と、溶接ワイヤ１５と溶接対象物１８との間でアーク１７を発生する１つ以上のアーク期間Ｔｓａ１、Ｔｓａ２とに交互にそれぞれに移行するように溶接電流Ｉを制御する。溶接対象物１８に向かう正送方向Ｄ１０１と、正送方向Ｄ１０１の反対の逆送方向Ｄ１０２とに溶接ワイヤ１５を送給するようにアーク溶接装置５０を制御する。一定の周期で正送方向Ｄ１０１と逆送方向Ｄ１０２とに交互に繰り返して行う溶接ワイヤ１５の送給を送給切替時点ｔｖｓに開始し、送給切替時点ｔｖｓからそれぞれの短絡溶接期間Ｔｓに亘って上記の周期で正送方向Ｄ１０１と逆送方向Ｄ１０２とに交互に繰り返して溶接ワイヤ１５を送給するようにアーク溶接装置５０を制御する。

パルス溶接期間Ｔｐにおいて送給切替時点ｔｖｓまで一定の所定の送給速度ＷＦ３で溶接ワイヤ１５を送給するようにアーク溶接装置５０を制御してもよい。

短絡溶接期間Ｔｓにおいて、溶接対象物１８と溶接ワイヤ１５との短絡または溶接ワイヤ１５のネック１５Ａを検出してもよい。この場合には、短絡またはネック１５Ａを検出すると溶接電流Ｉを低減してもよい。

パルス溶接期間Ｔｐにおいて、溶接電流Ｉが送給切替時点ｔｖｓにおいてベース電流Ｉｂの１つ以上の値Ｉｂ１〜Ｉｂ５の平均値より小さくなるように溶接電流Ｉを制御してもよい。

また、パルス溶接期間Ｔｐにおいて、溶接電流Ｉが送給切替時点ｔｖｓにおいてベース電流Ｉｂの１つ以上の値Ｉｂ１〜Ｉｂ６より小さくなるように溶接電流Ｉを制御してもよい。

以上詳述したように実施の形態１におけるアーク溶接では入熱の制御およびビード１８Ａの形状制御のため、パルス溶接と短絡溶接とを任意の所定の回数ずつ交互に繰り返すことで、両溶接法の長所を兼ね備えた溶接法を実現できる。また、短絡溶接の回数とパルス溶接の回数を適宜に組み合わせることにより、入熱の制御が容易に行えるようになる他、これによりビード１８Ａの形状を改善することができ、姿勢溶接が容易に行なえる。

（実施の形態２）
図３は実施の形態２における溶接電流Ｉと溶接電圧Ｖと溶接ワイヤ１５の送給速度ＷＦを示す。図３に示す溶接電流Ｉと溶接電圧Ｖと送給速度ＷＦは図１Ａと図１Ｂに示すアーク溶接装置５０で得られる。図３において、図２に示す実施の形態１と同じ部分には同じ参照番号を付す。図３に示す実施の形態２におけるアーク溶接では、図２に示す実施の形態１におけるアーク溶接と以下の点で異なる。短絡溶接期間Ｔｓからパルス溶接期間Ｔｐへ移行する際に、溶接ワイヤ１５の送給速度ＷＦがパルス溶接期間Ｔｐにおける正送方向Ｄ１０１の所定の送給速度ＷＦ３に到達した時点ｔｐｓに溶接電流Ｉが最初のパルスＰｐ１を形成し始めてパルス溶接期間Ｔｐが開始される。時点ｔｐｓ以後は送給速度ＷＦは所定の送給速度ＷＦ３に維持される。時点ｔｐｓのほぼ直後にピーク電流Ｉｐを発生させる。短絡溶接期間Ｔｓにおいて溶接ワイヤ１５の送給制御と溶接電流Ｉの制御を同期して行っている。

短絡溶接期間Ｔｓからパルス溶接期間Ｔｐに、溶接ワイヤ１５の送給速度ＷＦがパルス溶接期間Ｔｐにおける所定の送給速度ＷＦ３に到達した時に移行する理由を以下に述べる。前述のように、溶接電極である溶接ワイヤ１５を正送方向Ｄ１０１に送給する場合に送給速度ＷＦの値は正であり、溶接ワイヤ１５を逆送方向Ｄ１０２に送給する場合に送給速度ＷＦの値は負である。溶接ワイヤ１５が低い送給速度ＷＦで送給される場合には、溶接ワイヤ１５が正送方向Ｄ１０１に小さい送給速度で送給されるかまたは逆送方向Ｄ１０２に送給される。送給速度ＷＦが所定の送給速度ＷＦ３に到達する前に、パルスＰｐ１のピーク電流Ｉｐを発生させると、溶接ワイヤ１５の送給速度ＷＦが低く、溶接ワイヤ１５が送給される送給速度が小さい、あるいは逆送方向Ｄ１０２に送給されている時に、パルスＰｐ１のピーク電流Ｉｐを発生させることになるので、溶接ワイヤ１５が燃え上がり、アーク切れ等が起こり安定した溶接を継続できない。逆に、溶接ワイヤ１５の送給速度ＷＦがパルス溶接期間Ｔｐにおける所定の送給速度ＷＦ３に到達した時点ｔｐｓからしばらくの間、パルスＰｐ１におけるピーク電流Ｉｐを発生させずにベース電流Ｉｂを出力した場合は、溶接電流Ｉが小さいので溶接ワイヤ１５が溶接対象物１８と短絡してしまい、安定したパルス溶接ができない場合がある。

次に、短絡溶接期間Ｔｓにおいて、溶接ワイヤ１５の送給制御と溶接電流Ｉの制御を同期させる制御について説明する。例えば、図３において、短絡溶接期間Ｔｓにおける、溶接ワイヤの送給速度が最高送給速度ＷＦ１のときに溶接電流Ｉが最低電流Ｉ１となるように制御する。そして、送給速度ＷＦが減速されるとともに溶接電流Ｉは増加させ、送給速度ＷＦが最低送給速度ＷＦ２のときに溶接電流Ｉは最大電流Ｉ２となるように制御する。そしてこのサイクルを周期的に繰りかえす。正負の値を取りえる送給速度ＷＦの絶対値である送給速さに基づくと、最高送給速度ＷＦ１は正送方向Ｄ１０１の最大の送給速さであり、最低送給速度ＷＦ２は逆送方向Ｄ１０２の最大の送給速さである。

次に、短絡溶接期間Ｔｓにおいて、溶接ワイヤ１５の送給制御と溶接電流Ｉの制御を同期して行う理由について説明する。上記の制御により、短絡溶接期間Ｔｓにおいて送給速度ＷＦが最高送給速度ＷＦ１のときに溶接電流Ｉは最小電流Ｉ１となるので、溶接ワイヤ１５が溶融し難い状態で溶接対象物１８に向かって溶接ワイヤ１５が大きな最高送給速度ＷＦ１で向かっていき、したがって溶接ワイヤ１５と溶接対象物１８の短絡が促進される。送給速度ＷＦが最低送給速度ＷＦ２のときに溶接電流Ｉが最大電流Ｉ２となるので、溶接ワイヤ１５が逆送方向Ｄ１０２に送給されている状態で溶接電流Ｉは最大電流Ｉ２となる。したがって溶接ワイヤ１５が溶融し且つ逆送方向Ｄ１０２に送給されるので、短絡の開放が促進される。送給速度ＷＦに溶接電流Ｉを同期させて制御することで、溶接ワイヤ１５と溶接対象物１８間の距離の変化等に起因するアーク長の変動等の外乱があっても、周期的で安定した溶接が実現できる。そして、所定の回数で短絡が実施されると、溶接ワイヤ１５の送給速度ＷＦは最低送給速度ＷＦ２から設定部２０によって予め設定されたパルス溶接期間Ｔｐにおける一定の所定の送給速度ＷＦ３に前述の周期的波形に従って移行する。そして、送給速度ＷＦがパルス溶接期間Ｔｐに所定の送給速度ＷＦ３に到達した時点をトリガとしてパルス溶接のピーク電流Ｉｐを出力する。すなわち、送給速度ＷＦが所定の送給速度ＷＦ３に到達した時点に溶接電流ＩはパルスＰｐ１を形成し始めることでパルス溶接期間Ｔｐが開始する。そして、設定部２０によって予め決められた回数／時間にパルスＰｐ１〜Ｐｐ６が出力されると、最後のパルスＰｐ６においてピーク電流Ｉｐからベース電流Ｉｂよりも小さい電流Ｉ３へと溶接電流Ｉが低減され、所定の期間Ｔｓｐ３だけ保持される。そして、溶接電流Ｉが電流Ｉ３へ到達した送給切替時点ｔｖｓをトリガとして、溶接ワイヤ１５の送給速度ＷＦはパルス溶接期間Ｔｐの所定の一定の送給速度ＷＦ３から加速され、正送方向Ｄ１０１と逆送方向Ｄ１０２を交互に繰り返す周期的波形にしたがって変化する制御に送給切替時点ｔｖｓにて切り替えられる。なお、図３に示すアーク溶接では溶接電流Ｉが電流Ｉ３へ到達した時点をトリガすなわち送給切替時点ｔｖｓとしている。実施の形態２におけるアーク溶接では、溶接電流Ｉがベース電流Ｉｂより小さい時期の任意の時点をトリガすなわち送給切替時点ｔｖｓとしてもよい。このように、実施の形態２におけるアーク溶接では、短絡溶接期間Ｔｓからパルス溶接期間Ｔｐへの切替わりとパルス溶接期間Ｔｐから短絡溶接期間Ｔｓへの切替わりの双方においても周期的波形にしたがって溶接ワイヤ１５の送給を維持できるので、安定した溶接が実現できる。なお、電流Ｉ３はベース電流Ｉｂの１つ以上の値（Ｉｂ１〜Ｉｂ５）の少なくとも１つより小さくする。電流Ｉ３は、ベース電流Ｉｂの１つ以上の値（Ｉｂ１〜Ｉｂ５）の平均値より小さくしてもよく、ベース電流Ｉｂの１つ以上の値（Ｉｂ１〜Ｉｂ５）より小さくしてもよい。

また、実施の形態２におけるアーク溶接において、実施の形態１におけるアーク溶接と同様に、短絡を検出した時点またはネック１５Ａを検出した時点に溶接電流Ｉを急峻に低減してもよい。その場合、溶接電流Ｉは最小電流Ｉ１以下の値となっても良い。短絡を検出した時点またはネック１５Ａを検出した時点に急峻に溶接電流Ｉを低減することで、スパッタの発生をさらに抑制できる。実施の形態２においては、短絡溶接期間Ｔｓにおいて溶接ワイヤ１５の送給と溶接電流Ｉを同期して制御しているので、アーク長の変動等による外乱があっても周期的で安定した溶接が実現できる。

上述のように、短絡溶接期間Ｔｓにおいて、一定の周期で正送方向Ｄ１０１と逆送方向Ｄ１０２とに交互に繰り返して溶接ワイヤ１５を送給するようにアーク溶接装置５０を制御する。パルス溶接期間Ｔｐにおいて、所定の送給速度ＷＦ３で正送方向Ｄ１０１に溶接ワイヤ１５を送給するようにアーク溶接装置５０を制御する。短絡溶接期間Ｔｓにおいて１つ以上のアーク期間Ｔｓａ１、Ｔｓａ２のうちの１つのアーク期間Ｔｓａ２から１つ以上の短絡期間Ｔｓｓ１〜Ｔｓｓ３のうちの１つの短絡期間Ｔｓｓ３に移行した後で溶接ワイヤ１５を送給する送給速度ＷＦが所定の送給速度ＷＦ３に到達した時点に溶接電流Ｉが複数のパルスＰｐ１〜Ｐｐ６のうちの最初のパルスＰｐ１を形成し始めるようにアーク溶接装置５０を制御する。

短絡溶接期間Ｔｓにおいて、送給速度ＷＦが最高送給速度ＷＦ１と最低送給速度ＷＦ２とを一定の周期で繰り返すようにアーク溶接装置５０を制御してもよい。この場合には、短絡溶接期間Ｔｓにおいて送給速度ＷＦが最高送給速度ＷＦ１に到達した時点で溶接電流Ｉを最小電流Ｉ１とする。短絡溶接期間Ｔｓにおいて送給速度ＷＦが最低送給速度ＷＦ２に到達した時点で溶接電流Ｉを最大電流Ｉ２とする。

パルス溶接期間と短絡溶接期間とを交互に繰り返すアーク溶接方法において、短絡溶接期間に特許文献２に開示されている方法を用いると、短絡の検出に応じて溶接ワイヤを逆送することで、短絡を機械的に開放することが可能となり、短絡開放時の電流を低減でき、スパッタの発生を低減できる。しかし、送給速度の正送と逆送の周期はアークの発生に応じて制御される。したがって、短絡の時間が長くなれば溶接ワイヤの逆送量が大きくなり、アークの時間が長くなれば溶接ワイヤの正送方向の送給速度が大きくなる。このため、アークが変化すると、溶接ワイヤの送給速度における平均送給速度や、短絡の周期、短絡の回数が変化するので、溶接を安定させることが困難となる。また、パルス溶接期間と短絡溶接期間の切替わり時に溶接ワイヤの送給制御と溶接電流の電流制御の不連続が生じるので、溶接が不安定になる、スパッタが生じる場合がある。

実施の形態１、２におけるパルス溶接期間Ｔｐと短絡溶接期間Ｔｓとを交互に繰り返して行う消耗電極式のアーク溶接の制御では、短絡溶接期間Ｔｓに溶接ワイヤ１５を正送方向Ｄ１０１と逆送方向Ｄ１０２に送給する。これにより、機械的に短絡を開放でき、かつ短絡の開放時の溶接電流Ｉを低減できるので、短絡溶接期間Ｔｓにおけるスパッタの発生を低減できる。短絡溶接期間Ｔｓにおいて溶接ワイヤ１５を周期的波形にしたがって送給するので、短絡とアークの周期のばらつきが少なく、安定した溶接が実現できる。さらに、溶接ワイヤ１５の送給と溶接電流Ｉを同期して制御することで、多少の外乱があっても確実に短絡と短絡の開放が行われ、安定した溶接が実現できる。短絡溶接とパルス溶接とを交互に繰り返すことで、入熱制御およびビード１８Ａの形状制御を行い、これにより、融合不良などの溶接欠陥や姿勢溶接におけるビード１８Ａの垂れ下がりなどの不良形状のビードの発生を抑制できる。パルス溶接期間Ｔｐと短絡溶接期間Ｔｓともにスパッタの発生量が少ない溶接が実現できる。パルス溶接と短絡溶接との切替わりにおいても溶接ワイヤ１５の送給の制御と溶接電流Ｉの制御の不連続が生じないので、低スパッタで安定した溶接が実現できる。したがって、スパッタ除去等の後工程を減少させることが可能となる。

本発明におけるアーク溶接の制御方法は安定した溶接が実現でき、溶接対象物を溶接するアーク溶接に有用である。

１入力電源
２１次整流部
３スイッチング部
４トランス
５２次整流部
６ＤＣＬ（インダクタンス）
７溶接電圧検出部
８溶接電流検出部
９カウンタ部
１０制御切替部
１１電流制御部
１２電流制御部
１３駆動部
１４送給部
１５溶接ワイヤ（溶接電極）
１５Ａネック
１６溶接トーチ
１７溶接アーク
１８溶接対象物
１９溶接電源部
２０設定部
５０アーク溶接装置
Ｄ１０１正送方向
Ｄ１０２逆送方向
Ｉ１最大電流
Ｉ２最小電流
Ｉｂベース電流
Ｉｐピーク電流
Ｐｐ１〜Ｐｐ６パルス
Ｔｐパルス溶接期間
Ｔｓ短絡溶接期間
Ｔｓｓ１〜Ｔｓｓ３短絡期間
Ｔｓａ１〜Ｔｓａ３アーク期間
ｔｖｓ送給切替時点

Claims

パルス溶接を行う複数のパルス溶接期間と短絡溶接を行う複数の短絡溶接期間とに交互にそれぞれに移行する、溶接電極を備えたアーク溶接装置を用いた消耗電極式のアーク溶接の制御方法であって、
前記複数のパルス溶接期間のそれぞれのパルス溶接期間において、前記溶接電極を流れる溶接電流がピーク電流の１つ以上の値とベース電流の１つ以上の値とを交互に繰り返す複数のパルスを形成し、前記複数のパルスを形成した後の送給切替時点において前記ベース電流の前記１つ以上の値の少なくとも１つより小さくなるように前記溶接電流を制御するステップと、
前記それぞれのパルス溶接期間に続く前記複数の短絡溶接期間のそれぞれの短絡溶接期間において、前記溶接電極と溶接対象物とを短絡させる１つ以上の短絡期間と、前記溶接電極と前記溶接対象物との間でアークを発生する１つ以上のアーク期間とに交互にそれぞれに移行するように前記溶接電流を制御するステップと、
前記溶接対象物に向かう正送方向と、前記正送方向の反対の逆送方向とに前記溶接電極を送給するように前記アーク溶接装置を制御するステップと、
を含み、
前記溶接電極を送給するように前記アーク溶接装置を制御するステップは、一定の周期で前記正送方向と前記逆送方向とに交互に繰り返して行う前記溶接電極の送給を前記送給切替時点に開始し、前記送給切替時点から前記それぞれの短絡溶接期間に亘って前記一定の周期で前記正送方向と前記逆送方向とに交互に繰り返して前記溶接電極を送給するように前記アーク溶接装置を制御するステップを含む、アーク溶接の制御方法。
前記溶接電極を送給するように前記アーク溶接装置を制御するステップは、前記それぞれの短絡溶接期間において前記溶接電極を送給する送給速度が最高送給速度と最低送給速度とを前記一定の周期で繰り返すように前記アーク溶接装置を制御するステップを含み、
前記それぞれの短絡溶接期間において前記溶接電流を制御するステップは、
前記それぞれの短絡溶接期間において前記送給速度が前記最高送給速度に到達した時点で前記溶接電流を最小電流とするステップと、
前記それぞれの短絡溶接期間において前記送給速度が前記最低送給速度に到達した時点で前記溶接電流を最大電流とするステップと、
を含む、請求項１に記載のアーク溶接の制御方法。
前記溶接電極を送給するように前記アーク溶接装置を制御するステップは、前記それぞれのパルス溶接期間において前記送給切替時点まで一定の所定の送給速度で前記溶接電極を送給するように前記アーク溶接装置を制御するステップをさらに含む、請求項１または２に記載のアーク溶接の制御方法。
前記それぞれの短絡溶接期間において、前記溶接対象物と前記溶接電極との短絡または前記溶接電極のネックを検出するステップをさらに含み、
前記それぞれの短絡溶接期間において前記溶接電流を制御するステップは、前記短絡または前記ネックを検出すると前記溶接電流を低減するステップを含む、請求項１から３のいずれか１項に記載のアーク溶接の制御方法。
前記それぞれのパルス溶接期間において前記溶接電流を制御するステップは、前記それぞれのパルス溶接期間において、前記溶接電流が前記送給切替時点において前記ベース電流の前記１つ以上の値の平均値より小さくなるように前記溶接電流を制御するステップを含む、請求項１から４のいずれか１項に記載のアーク溶接の制御方法。
前記それぞれのパルス溶接期間において前記溶接電流を制御するステップは、前記それぞれのパルス溶接期間において、前記溶接電流が前記送給切替時点において前記ベース電流の前記１つ以上の値より小さくなるように前記溶接電流を制御するステップを含む、請求項１から４のいずれか１項に記載のアーク溶接の制御方法。
パルス溶接を行う複数のパルス溶接期間と短絡溶接を行う複数の短絡溶接期間とに交互にそれぞれに移行する、溶接電極を備えたアーク溶接装置を用いた消耗電極式のアーク溶接の制御方法であって、
前記複数の短絡溶接期間のそれぞれの短絡溶接期間において、前記溶接電極と溶接対象物とを短絡させる１つ以上の短絡期間と、前記溶接電極と前記溶接対象物との間でアークを発生する１つ以上のアーク期間とに交互にそれぞれに移行するように前記溶接電極を流れる溶接電流を制御するステップと、
前記それぞれの短絡溶接期間に続く前記複数のパルス溶接期間のそれぞれのパルス溶接期間において、前記溶接電流がピーク電流とベース電流とを交互に繰り返す複数のパルスを形成するように前記溶接電流を制御するステップと、
前記溶接対象物に向かう正送方向と、前記正送方向の反対の逆送方向とに前記溶接電極を送給するように前記アーク溶接装置を制御するステップと、
を含み、
前記溶接電極を送給するように前記アーク溶接装置を制御するステップは、
前記それぞれの短絡溶接期間において、一定の周期で前記正送方向と前記逆送方向とに交互に繰り返して前記溶接電極を送給するように前記アーク溶接装置を制御するステップと、
前記それぞれのパルス溶接期間において、所定の送給速度で前記正送方向に前記溶接電極を送給するように前記アーク溶接装置を制御するステップと、
を含み、
前記それぞれの短絡溶接期間において前記溶接電流を制御するステップは、
前記それぞれの短絡溶接期間において前記１つ以上のアーク期間のうちの１つのアーク期間から前記１つ以上の短絡期間のうちの１つの短絡期間に移行した後で前記溶接電極を送給する送給速度が前記所定の送給速度に到達した時点に前記それぞれのパルス溶接期間に移行するステップと、
前記それぞれのパルス溶接期間において前記溶接電流が前記複数のパルスのうちの最初のパルスを形成し始めるように前記アーク溶接電流を制御するステップと、
を含む、アーク溶接の制御方法。
前記溶接電極を送給するように前記アーク溶接装置を制御するステップは、前記それぞれの短絡溶接期間において、前記送給速度が最高送給速度と最低送給速度とを前記一定の周期で繰り返すように前記アーク溶接装置を制御するステップを含み、
前記それぞれの短絡溶接期間において前記溶接電流を制御するステップは、
前記それぞれの短絡溶接期間において前記送給速度が前記最高送給速度に到達した時点で前記溶接電流を最小電流とするステップと、
前記それぞれの短絡溶接期間において前記送給速度が前記最低送給速度に到達した時点で前記溶接電流を最大電流とするステップと、
を含む、請求項７に記載のアーク溶接の制御方法。
前記それぞれの短絡溶接期間において、前記溶接対象物と前記溶接電極との短絡または前記溶接電極のネックを検出するステップをさらに含み、
前記それぞれの短絡溶接期間において前記溶接電流を制御するステップは、前記短絡または前記ネックを検出すると前記溶接電流を低減するステップを含む、請求項７または８に記載のアーク溶接の制御方法。