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1. (WO2015141664) アーク溶接制御方法
Document

明 細 書

発明の名称 アーク溶接制御方法

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003   0004   0005   0006   0007   0008   0009   0010   0011   0012   0013  

先行技術文献

特許文献

0014  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0015   0016  

課題を解決するための手段

0017   0018  

発明の効果

0019  

図面の簡単な説明

0020  

発明を実施するための形態

0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055  

産業上の利用可能性

0056   0057  

符号の説明

0058  

請求の範囲

1   2  

図面

1   2   3   4  

明 細 書

発明の名称 : アーク溶接制御方法

技術分野

[0001]
 本発明は、溶接ワイヤの送給速度の正送と逆送とを所定の周期及び所定の振幅で繰り返して、短絡期間とアーク期間とを発生させて溶接を行うアーク溶接制御方法に関するものである。

背景技術

[0002]
 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。
[0003]
 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1参照)。以下、この溶接方法について説明する。
[0004]
 図4は、送給速度の正送と逆送とを周期的に繰り返す溶接方法における波形図である。同図(A)は送給速度Fwの波形を示し、同図(B)は溶接電流Iwの波形を示し、同図(C)は溶接電圧Vwの波形を示す。以下、同図を参照して説明する。
[0005]
 同図(A)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を母材に近づける方向に送給することであり、逆送とは母材から離反する方向に送給することである。送給速度Fwは、正弦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、溶接ワイヤは平均的には正送されている。
[0006]
 同図(A)に示すように、送給速度Fwは、時刻t1時点では0であり、時刻t1~t2の期間は正送加速期間となり、時刻t2で正送の最大値となり、時刻t2~t3の期間は正送減速期間となり、時刻t3で0となり、時刻t3~t4の期間は逆送加速期間となり、時刻t4で逆送の最大値となり、時刻t4~t5の期間は逆送減速期間となる。そして、時刻t5~t6の期間は再び正送加速期間となり、時刻t6~t7の期間は再び正送減速期間となる。したがって、送給速度Fwは、時刻t1~t5の周期Tf(ms)、時刻t2の正送の最大値と時刻t4の逆送の最大値との差である振幅Wf(mm/min)及び正送側シフト量Sf(mm/min)が所定値に設定された送給速度パターンで繰り返すことになる。
[0007]
 溶接ワイヤと母材との短絡は、時刻t2の正送最大値の前後で発生することが多い。同図では、正送最大値の後の正送減速期間中の時刻t21で発生した場合である。時刻t21において短絡が発生すると、同図(C)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(B)に示すように、溶接電流Iwは次第に増加する。
[0008]
 同図(A)に示すように、送給速度Fwは、時刻t3からは逆送期間になるので、溶接ワイヤは逆送される。この逆送によって短絡が解除されて、時刻t31においてアークが再発生する。アークの再発生は、時刻t4の逆送最大値の前後で発生することが多い。同図では、逆送ピーク値の前の逆送加速期間中の時刻t31で発生した場合である。したがって、時刻t21~t31の期間が短絡期間となる。
[0009]
 時刻t31においてアークが再発生すると、同図(C)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する。同図(B)に示すように、溶接電流Iwは、短絡期間中の最大値の状態から変化を開始する。
[0010]
 時刻t31~t5の期間中は、同図(A)に示すように、送給速度Fwは逆送状態であるので、溶接ワイヤは引き上げられてアーク長は次第に長くなる。アーク長が長くなると、溶接電圧Vwは大きくなり、定電圧制御されているので溶接電流Iwは小さくなる。したがって、時刻t31~t5のアーク期間逆送期間Tar中は、同図(C)に示すように、溶接電圧Vwは次第に大きくなり、同図(B)に示すように、溶接電流Iwは次第に小さくなる。
[0011]
 そして、次の短絡が、時刻t6~t7の正送減速期間中の時刻t61に発生する。但し、時刻t61に発生した短絡は、時刻t21に発生した短絡よりも正送最大値からの時間(位相)が遅くなっている。このように短絡が発生するタイミングは、ある程度のばらつきを有している。時刻t31~t61の期間がアーク期間となる。時刻t5~t61の期間中は、同図(A)に示すように、送給速度Fwは正送状態であるので、溶接ワイヤは正送されてアーク長は次第に短くなる。アーク長が短くなると、溶接電圧Vwは小さくなり、定電圧制御されているので溶接電流Iwは大きくなる。したがって、時刻t5~t61のアーク期間正送期間Tas中は、同図(C)に示すように、溶接電圧Vwは次第に小さくなり、同図(B)に示すように、溶接電流Iwは次第に大きくなる。
[0012]
 上述したように、溶接ワイヤの正送と逆送とを繰り返す溶接方法では、定速送給の従来技術では不可能であった短絡とアークとの繰り返しの周期を所望値に設定することができるので、スパッタ発生量の削減、ビード外観の改善等の溶接品質の向上を図ることができる。
[0013]
 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。これにより、溶接電流設定値が変化しても安定した溶接を行うことができる。

先行技術文献

特許文献

[0014]
特許文献1 : 日本国特許第5201266号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0015]
 しかし、溶接電流設定値(送給速度平均値)が同一であっても、溶接速度が低速の場合と高速の場合とで溶接ワイヤの送給速度パターンが同一のままでは、溶接状態が不安定になる。同様に、単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量が小さい場合と大きい場合とで溶接ワイヤの送給速度パターンが同一のままでは、溶接状態が不安定になる。
[0016]
 そこで、本発明では、溶接ワイヤの正送と逆送とを繰り返すアーク溶接において、溶接速度又は単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量が変化しても溶接状態を安定に保つ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。

課題を解決するための手段

[0017]
 上述した課題を解決するために、本発明は、
溶接ワイヤの送給速度の正送と逆送とを所定の周期及び所定の振幅で繰り返して、短絡期間とアーク期間とを発生させて溶接を行うアーク溶接制御方法において、
 溶接速度又は単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量に基づいて前記周期及び/又は前記振幅を設定する、
ことを特徴とするアーク溶接制御方法である。
[0018]
 本発明は、前記振幅が変化しても前記送給速度の平均値が一定になるように前記送給速度を制御する、
ことを特徴とするアーク溶接制御方法である。

発明の効果

[0019]
 本発明によれば、溶接速度又は単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量が変化しても、送給速度の周期及び/又は振幅が適正値に変化するので、安定した溶接状態を保つことができる。

図面の簡単な説明

[0020]
[図1] 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。
[図2] 本発明の実施の形態2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。
[図3] 本発明の実施の形態3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。
[図4] 従来技術において、送給速度の正送と逆送とを周期的に繰り返す溶接方法における波形図である。

発明を実施するための形態

[0021]
 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。
[0022]
[実施の形態1]
 実施の形態1の発明は、溶接速度に基づいて送給速度の周期及び/又は振幅を設定するものである。
[0023]
 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。
[0024]
 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。
[0025]
 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。
[0026]
 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。
[0027]
 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。
[0028]
 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。
[0029]
 電圧誤差増幅回路EA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Ea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。
[0030]
 駆動回路DVは、上記の電圧誤差増幅信号Eaを入力として、電圧誤差増幅信号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。
[0031]
 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。溶接速度設定回路WSRは、予め定めた溶接速度設定信号Wsrを出力する。
[0032]
 周期設定回路TFRは、上記の平均送給速度設定信号Far及び上記の溶接速度設定信号Wsrを入力として、予め定めた周期設定関数によって周期を算出して、周期設定信号Tfrを出力する。この周期設定関数は、予め実験によって算出しておく。平均送給速度設定信号Farが大きくなるのに伴い、周期設定信号Tfrは大きくなる比例の関係にある。他方、溶接速度設定信号Wsrが大きくなるのに伴い、周期設定信号Tfrは小さくなる反比例の関係にある。
[0033]
 振幅設定回路WFRは、上記の平均送給速度設定信号Far及び上記の溶接速度設定信号Wsrを入力として、予め定めた振幅設定関数によって振幅を算出して、振幅設定信号Wfrを出力する。この振幅設定関数は、予め実験によって算出しておく。平均送給速度設定信号Farが大きくなるのに伴い、振幅設定信号Wfrは大きくなる比例の関係にある。他方、溶接速度設定信号Wsrが大きくなるのに伴い、振幅設定信号Wfrは小さくなる反比例の関係にある。
[0034]
 正送側シフト量設定回路SFRは、予め定めた正送側シフト量設定信号Sfrを出力する。
[0035]
 送給速度設定回路FRは、上記の周期設定信号Tfr、上記の振幅設定信号Wfr及び上記の正送側シフト量設定信号Sfrを入力として、周期設定信号Tfrによって定まる周期及び振幅設定信号Wfrによって定まる振幅から形成される正弦波を、正送側シフト量設定信号Sfrによって定まる正送側シフト量だけシフトした送給速度パターンを送給速度設定信号Frとして出力する。この送給速度設定信号Frが0以上のときは正送期間となり、0未満のときは逆送期間となる。
[0036]
 送給制御回路FCは、こ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。
[0037]
 図1における送給速度Fw、溶接電流Iw及び溶接電圧Vwの波形図は、上述した図4と同一であるので、説明は繰り返さない。図1において、溶接速度設定回路WSRから出力される溶接速度設定信号Wsrが変化すると、周期設定回路TFRによって周期設定信号Tfrが適正値に設定され、振幅設定回路WFRによって振幅設定信号Wfrが適正値に設定される。この結果、図4(A)において、溶接速度が変化すると、周期Tf及び振幅Wfが適正値に自動的に変化する。このために、安定した溶接状態を保つことができる。図1においては、溶接速度設定信号Wsrに基づいて周期設定信号Tfr及び振幅設定信号Wfrが共に変化する場合を例示したが、どちらか一方だけ変化するようにしても良い。また、送給速度パターンが正弦波である場合を説明したが、三角波、台形波等であっても良い。
[0038]
 上述した実施の形態1によれば、溶接速度に基づいて送給速度の周期及び/又は振幅を設定する。これにより、溶接速度が変化しても、送給速度の周期及び/又は振幅が適正値に変化するので、安定した溶接状態を保つことができる。
[0039]
[実施の形態2]
 実施の形態2の発明は、単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量に基づいて送給速度の周期及び/又は振幅を設定するものである。
[0040]
 単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量Md(mm /mm)は、溶接ワイヤの半径をd(mm)、平均送給速度設定信号Far(mm/min)及び溶接速度設定信号Wsr(mm/min)を入力として下式によって算出することができる。
 Md=π・d ・Far/Wsr …(1)式
[0041]
 図2は、本発明の実施の形態2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。同図は上述した図1と対応しており、同一のブロックには同一符号を付してそれらの説明は繰り返さない。同図は、図1に溶接ワイヤ半径設定回路DR及び単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量算出回路MDを追加し、図1の周期設定回路TFRを第2周期設定回路TFR2に置換し、図1の振幅設定回路WFRを第2振幅設定回路WFR2に置換したものである。以下、同図を参照してこれらのブロックについて説明する。
[0042]
 溶接ワイヤ半径設定回路DRは、使用する溶接ワイヤの半径を設定して、溶接ワイヤ半径設定信号drを出力する。
[0043]
 単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量算出回路MDは、上記の溶接ワイヤ半径設定信号dr、平均送給速度設定信号Far及び溶接速度設定信号Wsrを入力として、上述した(1)式によって単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量を算出して、単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量信号Mdを出力する。
[0044]
 第2周期設定回路TFR2は、上記の単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量信号Mdを入力として、予め定めた第2周期設定関数によって周期を算出して、周期設定信号Tfrを出力する。この第2周期設定関数は、予め実験によって算出しておく。単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量信号Mdが大きくなるのに伴い、周期設定信号Tfrは大きくなる比例の関係にある。
[0045]
 第2振幅設定回路WFR2は、上記の単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量信号Mdを入力として、予め定めた第2振幅設定関数によって振幅を算出して、振幅設定信号Wfrを出力する。この第2振幅設定関数は、予め実験によって算出しておく。単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量信号Mdが大きくなるのに伴い、振幅設定信号Wfrは大きくなる比例の関係にある。
[0046]
 図2における送給速度Fw、溶接電流Iw及び溶接電圧Vwの波形図は、上述した図4と同一であるので、説明は繰り返さない。図2において、単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量算出回路MDから出力される単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量信号Mdが変化すると、第2周期設定回路TFR2によって周期設定信号Tfrが適正値に設定され、第2振幅設定回路WFR2によって振幅設定信号Wfrが適正値に設定される。この結果、図4(A)において、単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量が変化すると、周期Tf及び振幅Wfが適正値に自動的に変化する。このために、安定した溶接状態を保つことができる。図2においては、単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量信号Mdに基づいて周期設定信号Tfr及び振幅設定信号Wfrが共に変化する場合を例示したが、どちらか一方だけ変化するようにしても良い。また、送給速度パターンが正弦波である場合を説明したが、三角波、台形波等であっても良い。
[0047]
 上述した実施の形態2によれば、単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量に基づいて送給速度の周期及び/又は振幅を設定する。これにより、単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量が変化しても、送給速度の周期及び/又は振幅が適正値に変化するので、安定した溶接状態を保つことができる。
[0048]
[実施の形態3]
 実施の形態3の発明は、実施の形態1又は2において、振幅(振幅設定信号Wfr)が変化しても、送給速度の平均値が一定になるように送給速度を制御するものである。
[0049]
 図3は、本発明の実施の形態3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。同図は上述した図1と対応しており、同一のブロックには同一符号を付してそれらの説明は繰り返さない。同図は、図1に平均送給速度算出回路FAD及び送給誤差増幅回路EFを追加し、図1の正送側シフト量設定回路SFRを第2正送側シフト量設定回路SFR2に置換したものである。以下、同図を参照してこれらのブロックについて説明する。
[0050]
 平均送給速度算出回路FADは、送給速度設定信号Frを入力として、1周期当たりの平均送給速度を算出して、平均送給速度算出信号Fadを出力する。
[0051]
 送給誤差増幅回路EFは、平均送給速度設定信号Far及びこの平均送給速度算出信号Fadを入力として、平均送給速度設定信号Far(+)と平均送給速度算出信号Fad(-)との誤差を増幅して、送給誤差増幅信号Efを出力する。
[0052]
 第2正送側シフト量設定回路SFR2は、この送給誤差増幅信号Efを入力として、送給誤差増幅信号Efを積分して、正送側シフト量設定信号Sfrを出力する。この回路によって、平均送給速度算出信号Fadの値が平均送給速度設定信号Farの値と等しくなるように、正送側シフト量設定信号Sfrの値がフィードバック制御される。
[0053]
 図3において、溶接速度設定回路WSRから出力される溶接速度設定信号Wsrが変化すると、周期設定回路TFRによって周期設定信号Tfrが適正値に設定され、振幅設定回路WFRによって振幅設定信号Wfrが適正値に設定される。そして、振幅設定信号Wfrが変化すると、第2正送側シフト量設定回路SFR2によって平均送給速度算出信号Fadが平均送給速度設定信号Farと等しくなるように正送側シフト量設定信号Sfrがフィードバック制御される。この結果、図4(A)において、溶接速度が変化すると、周期Tf及び振幅Wfが適正値に自動的に変化し、送給速度Fwの平均値が一定になるように正送側シフト量Sfが自動的に変化する。送給速度の平均値が一定になるために、さらに安定した溶接状態を保つことができる。
[0054]
 図3では、実施の形態1を基礎として正送側シフト量自動修正機能を追加した場合であるが、実施の形態2を基礎として追加する場合も同様であるので、図面及びその説明は省略する。この場合には、図2の単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量算出回路MDから出力される単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量信号Mdが変化すると、第2周期設定回路TFR2によって周期設定信号Tfrが適正値に設定され、第2振幅設定回路WFR2によって振幅設定信号Wfrが適正値に設定される。そして、振幅設定信号Wfrが変化すると、追加される第2正送側シフト量設定回路SFR2によって平均送給速度算出信号Fadが平均送給速度設定信号Farと等しくなるように正送側シフト量設定信号Sfrがフィードバック制御される。この結果、図4(A)において、単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量が変化すると、周期Tf及び振幅Wfが適正値に自動的に変化し、送給速度Fwの平均値が一定になるように正送側シフト量Sfが自動的に変化する。送給速度の平均値が一定になるために、さらに安定した溶接状態を保つことができる。
[0055]
上述した実施の形態3によれば、振幅が変化しても、送給速度の平均値が一定になるように送給速度を制御する。これにより、実施の形態1及び2の効果に加えて、溶接速度又は単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量が変化して送給速度の振幅が変化しても、送給速度の平均値は一定になるので、さらに安定した溶接状態を保つことができる。

産業上の利用可能性

[0056]
 本発明によれば、溶接ワイヤの正送と逆送とを繰り返すアーク溶接において、溶接速度又は単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量が変化しても溶接状態を安定に保つことができるアーク溶接制御方法を提供することができる。
[0057]
 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3月17日出願の日本特許出願(特願2014-053152)に基づくものであり、その内容はここに取り込まれる。

符号の説明

[0058]
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
DR 溶接ワイヤ半径設定回路
dr 溶接ワイヤ半径設定信号
DV 駆動回路
Dv 駆動信号
E 出力電圧
EA 電圧誤差増幅回路
Ea 電圧誤差増幅信号
ED 出力電圧検出回路
Ed 出力電圧検出信号
EF 送給誤差増幅回路
Ef 送給誤差増幅信号
ER 出力電圧設定回路
Er 出力電圧設定信号
FAD 平均送給速度算出回路
Fad 平均送給速度算出信号
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
FR 送給速度設定回路
Fr 送給速度設定信号
Fw 送給速度
Iw 溶接電流
MD 単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量算出回路
Md 単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量(信号)
PM 電源主回路
Sf 正送側シフト量
SFR 正送側シフト量設定回路
Sfr 正送側シフト量設定信号
SFR2 第2正送側シフト量設定回路
Tar アーク期間逆送期間
Tas アーク期間正送期間
Tf 周期
TFR 周期設定回路
Tfr 周期設定信号
TFR2 第2周期設定回路
Vw 溶接電圧
Wf 振幅
WFR 振幅設定回路
Wfr 振幅設定信号
WFR2 第2振幅設定回路
WL リアクトル
WM 送給モータ
WSR 溶接速度設定回路
Wsr 溶接速度設定信号

請求の範囲

[請求項1]
 溶接ワイヤの送給速度の正送と逆送とを所定の周期及び所定の振幅で繰り返して、短絡期間とアーク期間とを発生させて溶接を行うアーク溶接制御方法において、
 溶接速度又は単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量に基づいて前記周期及び/又は前記振幅を設定する、
ことを特徴とするアーク溶接制御方法。
[請求項2]
 前記振幅が変化しても前記送給速度の平均値が一定になるように前記送給速度を制御する、
ことを特徴とする請求項1記載のアーク溶接制御方法。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]