JP2005262264A - 消耗電極ガスシールドアーク溶接のアークスタート方法 - Google Patents

Abstract

【課題】消耗電極ガスシールドアーク溶接において、アークスタート後溶接トーチを移動開始するまでの初期時間Ｔｉをビード形状が良好になるように自動設定する。
【解決手段】本発明は、アークスタート時に溶接電流Ｉｏが通電を開始し、それから初期時間Ｔｉ［ｓ］が経過した後に予め定めた溶接速度ｖｗ［mm/s］で溶接トーチの移動を開始する消耗電極ガスシールドアーク溶接のアークスタート方法において、初期時間Ｔｉを、溶接電流Ｉｏが通電を開始した時点からの溶接ワイヤの初期溶着量Ｙｉが溶接長さ１cm当りの定常溶着量に係数αを乗じた基準値Ｙｔに達するまでの時間に設定し、係数αをアークスタート部のビード形状が所望形状になるように０．５を中心値として微調整する消耗電極ガスシールドアーク溶接のアークスタート方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、アークスタート部の溶接品質を向上させるための消耗電極ガスシールドアーク溶接のアークスタート方法に関するものである。

図６は、溶接ロボットを使用した消耗電極ガスシールドアーク溶接装置の構成図である。マニピュレータ６は、溶接トーチ４及び溶接ワイヤ１を送給するための送給モータＷＭを搭載している。ロボット制御装置７は、教示データに基づいて上記のマニピュレータ６の複数軸のサーボモータを制御するための動作制御信号Ｍｃを出力する。さらに、このロボット制御装置７は、溶接開始信号Ｓｔ、溶接速度設定信号ｖwsを含む溶接条件設定信号を溶接電源５へ送信し、溶接電源５からアークスタート時に溶接トーチ４の移動を開始するための移動許可信号Ｗcrを受信する。すなわち、上記のマニピュレータ６は、溶接トーチ４をアークスタート位置まで移動させた後に停止し、溶接を開始した後に上記の移動許可信号Ｗcrが入力されると溶接トーチ４を溶接送度ｖｗで移動させる。

溶接電源５は、消耗電極ガスシールドアーク溶接用の一般的な電源であり、アーク３を発生させるための溶接電圧Ｖｏ及び溶接電流Ｉｏを出力する。さらに、この溶接電源５は、上記の溶接開始信号Ｓｔ及び溶接速度設定信号ｖwsを含む溶接条件設定信号を受信し上記の移動許可信号Ｗcrを送信すると共に、、送給モータＷＭの回転を制御するための送給制御信号Ｆｃを出力し送給速度検出信号Ｆｄを受信する。溶接ワイヤ１は送給モータＷＭによって送給されて母材２との間にアーク３が発生する。

図７は、上述した溶接装置おけるアークスタート時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、同図（Ｂ）は送給制御信号Ｆｃの、同図（Ｃ）は溶接電流Ｉｏの、同図（Ｄ）は移動許可信号Ｗcrの、同図（Ｅ）は溶接速度（溶接トーチ移動速度）ｖｗの時間変化を示す。以下，同図を参照して説明する。

時刻ｔ１において、同図（Ａ）に示すように、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベルになると、同図（Ｂ）に示すように、送給制御信号Ｆｃは初期送給速度Ｆｉに相当する値となり、溶接ワイヤは初期送給速度Ｆｉでの送給が開始される。時刻ｔ２においてワイヤ先端が母材に到達し接触すると、同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｏの通線が開始する。この電流通電開始から予め定めた初期時間Ｔｉが経過した時刻ｔ３において、同図（Ｄ）に示すように、移動許可信号ＷcrがＨｉｇｈレベルに変化する。これに応動して、同図（Ｅ）に示すように、溶接トーチは予め定めた溶接速度設定信号ｖwsによって定まる溶接速度ｖｗで移動を開始する。同時に、同図（Ｂ）に示すように、送給制御信号Ｆｃは定常送給速度Ｆａに相当する値になり、溶接ワイヤは定常送給速度Ｆａで送給される。このように、時刻ｔ２において溶接電流Ｉｏが通電してアークが発生した後も初期時間Ｔｉが経過するまでは溶接トーチはアークスタート位置に停止した状態にある。

上記において、時刻ｔ１〜ｔ２の期間中の送給速度を上記の初期送給速度Ｆｉよりもさらに低速な値（スローダウン速度）に設定することも多い。また、初期送給速度Ｆｉと定常送給速度Ｆａを同一値に設定することも多い。

上記の初期時間Ｔｉを設ける理由は主に２つある。第１の理由は、特許文献１に記載するように、電流通電後のアーク状態が安定状態になるまで溶接トーチの移動を待機させるためである。アーク状態が安定する前に溶接トーチが移動を開始すると、アーク状態がそれを起因として不安定状態になることがあり、これを防止するためである。第２の理由は、アークスタート部のビード形状を良好にするためである。図８は、アークスタート部のビード形状を横断面から見た模式図である。同図（Ａ）は初期時間Ｔｉが零のときであり、同図（Ｂ）は初期時間Ｔｉが適正値のときである。同図（Ａ）の場合、アークスタート部のビード２ａはワイヤ溶着量が不足するために定常部のビード２ｂに比べて高さがなだらかなスロープ状になる。すなわち、ビード形状が定常形状になるまでのビード長さが長くなっている。他方，同図（Ｂ）の場合、初期時間Ｔｉ中溶接トーチは停止しているのでアークスタート部に溶接ワイヤが送給されて初期溶着量が適正になる。このために、アークスタート部のビード２ａは直ぐに定常部のビード２ｂと同様になる。

特許第２９８８１７６号公報

図９は、溶接条件を変化させたときのアークスタート部のビード形状図である。同図（Ａ）は初期時間Ｔｉが適正なときであり、同図（Ｂ）は初期時間Ｔｉを固定して溶接速度を速くしたときであり、同図（Ｃ）は初期時間Ｔｉを固定して開先形状を広くしたときである。同図（Ａ）に示すように、初期時間Ｔｉが適正値であればアークスタート部のビード２ａは良好になる。しかし、同図（Ｂ）に示すように、初期時間Ｔｉを固定して溶接速度を速くすると、アークスタート部のビード２ａはスロープ状となり溶接品質が悪くなる。同様に、同図（Ｃ）に示すように、初期時間Ｔｉを固定して溶接継手部の開先を広くすると、アークスタート部のビード２ａはスロープ状となり溶接品質が悪くなる。したがって従来は、溶接速度、開先形状、定常送給速度等の溶接条件が変化すると、初期時間Ｔｉを試行錯誤しながら適正値に設定しなければならなかった。このために、溶接前の準備時間に多くの時間がかかり生産効率を低下させていた。

そこで、本発明は、溶接条件が変化しても初期時間Ｔｉを適正値に自動設定することができる消耗電極ガスシールドアーク溶接のアークスタート方法を提供する。

上述した課題を解決するために、第１の発明は、アークスタート時に溶接電流が通電を開始し、それから初期時間Ｔｉ［ｓ］が経過した後に予め定めた溶接速度ｖｗ［mm/s］で溶接トーチの移動を開始する消耗電極ガスシールドアーク溶接のアークスタート方法において、
前記初期時間Ｔｉを、前記溶接電流が通電を開始した時点からの溶接ワイヤの初期溶着量Ｙｉが溶接長さ１cm当りの定常溶着量Ｙｃに係数αを乗じた基準値Ｙｔに達するまでの時間に設定し、前記係数αをアークスタート部のビード形状が所望形状になるように０．５を中心値として微調整することを特徴とする消耗電極ガスシールドアーク溶接のアークスタート方法である。

また、第２の発明は、前記初期時間Ｔｉ中の溶接ワイヤの初期送給速度Ｆｉ［mm/s］と前記初期時間Ｔｉ経過後の溶接ワイヤの定常送給速度Ｆａ［mm/s］とを同一値に設定し、前記初期時間Ｔｉを前記係数α及び前記溶接速度ｖｗによってＴｉ＝10・α／ｖｗに設定することを特徴とする第１の発明記載の消耗電極ガスシールドアーク溶接のアークスタート方法である。

上記第１の発明によれば、アークスタート後に溶接トーチが移動を開始するまでの初期時間Ｔｉを初期溶着量Ｙｉが基準溶着量Ｙｔに達するまでの時間に設定することによって、溶接条件が変化しても初期時間Ｔｉは適正値に自動設定されるので、常にアークスタート部のビード形状を良好にすることができる。初期時間Ｔｉは溶接条件に応じて自動設定されるので、従来必要であった初期時間Ｔｉの適正値を求めるための試験等の時間が不要となり、生産効率が向上する。

上記第２の発明によれば、上記の効果に加えて、初期送給速度Ｆｉと定常送給速度Ｆａが同一値である場合、係数α及び溶接速度ｖｗによって初期時間ＴｉはＴｉ＝10・α／ｖｗとして演算することができる。このために、初期時間Ｔｉを演算するための回路構成が簡単になるので、溶接装置のコストを安価にすることができる。

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。

図１は、本発明の実施の形態に係るアークスタート時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、同図（Ｂ）は送給制御信号Ｆｃの、同図（Ｃ）は溶接電流Ｉｏの、同図（Ｄ）は移動許可信号Ｗcrの、同図（Ｅ）は溶接速度（溶接トーチの移動速度）ｖｗの、同図（Ｆ）は初期溶着量Ｙｉの時間変化を示す。同図は上述した図７と対応しており、以下図７と異なる部分についてのみ説明する。

同図において時刻ｔ２までの動作は上述した図７と同一である。時刻ｔ２において、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｏの通電が開始すると、同図（Ｆ）に示すように、初期溶着量Ｙｉの演算を開始する。ここで溶接ワイヤの直径ｄ［mm］、送給速度検出値Ｆｄ［mm/s］とすると初期溶着量Ｙｉ［mm^３］は下式となる。
Ｙｉ＝∫π・(ｄ/2）^２・Ｆｄ・dt …（１）式
したがって、時刻ｔ２から上記積分を開始して初期溶着量Ｙｉを刻々と演算する。同図（Ｆ）に示すように、この初期溶着量Ｙｉが基準溶着量Ｙｔに達した時刻ｔ３で初期時間Ｔｉ［ｓ］を終了する。これに応動して、同図（Ｅ）に示すように、溶接トーチの移動を開始すると共に、同図（Ｂ）に示すように、送給制御信号Ｆｃは定常送給速度Ｆａに相当する値に変化する。

上記の基準溶着量Ｙｔは、溶接長さ１cm当りの定常溶着量Ｙｃ（以下，単に定常溶着量という）に係数αを乗じた値となる。すなわち、Ｙｔ＝α・Ｙｃとなる。この定常溶着量Ｙｃ［mm^３/mm］は、溶接ワイヤの直径ｄ［mm］、定常送給速度Ｆａ［mm/s］及び溶接速度ｖｗ［mm/s］によって下式で演算される。
Ｙｃ＝10・π・(d/2)^２・Ｆａ／ｖｗ …（２）式
この式において、直径ｄ、定常送給速度Ｆａ及び溶接速度ｖｗは溶接前に予め定められた溶接条件であるので、定常溶着量Ｙｃは所定値となる。

図２は、上記の係数αを説明するためのアークスタート部のビード形状の概念図である。溶接長さ１cm当りの定常溶着量Ｙｃと略同一のビード形状をアークスタート部に形成するためには、初期溶着量Ｙｉ＝０．５・Ｙｃであれば良い。したがって、係数α＝０．５となる。ただし、係数αを微調整することによってアークスタート部のビード形状を微調整して所望形状にすることができる。微調整幅は０．５±０．２程度である。

ここで、初期送給速度Ｆｉと定常送給速度Ｆａとが同一値である場合を考える。初期時間Ｔｉ中の送給速度検出値Ｆｄ＝Ｆｉ＝Ｆａとなるので、上記（１）式は下式となる。
Ｙｉ＝π・(d/2)^２・Ｆａ・Ｔｉ
初期時間Ｔｉ経過時点でＹｉ＝α・Ｙｃが成立するので、これに上式及び（２）式を代入して整理すると下式となる。
Ｔｉ＝10・α／ｖｗ …（３）式
したがって、初期送給速度Ｆｉと定常送給速度Ｆａとが同一値である場合には上記（３）式によって適正な初期時間Ｔｉを演算することができる。

図３は、溶接速度ｖｗ及び定常送給速度Ｆａを変化させたときにアークスタート部のビード形状が所望形状になる初期時間Ｔｉを試験によって求めた図である。同図は初期送給速度Ｆｉと定常送給速度Ｆａとが同一値であり、溶接ワイヤに直径１．２mmの軟鋼ワイヤを使用し、Ｔ字すみ肉継手を炭酸ガスアーク溶接した場合である。同図に示すように、Ｆａ＝８m/min及びＦａ＝１５m/minの場合も、初期時間Ｔｉは曲線Ｌ１で近似することができる。そして、曲線Ｌ１はＴｉ［ｓ］＝10・０．５／ｖｗ［mm/s］として表わすことができる。これは上記（３）式と一致するので、試験によっても係数α＝０．５が裏付けられたことになる。

本発明の実施の形態に係るアークスタート方法を実施するための溶接装置は、上述した図６と同一である。ただし、溶接電源５の構成は図４の構成にしたものを使用する。以下、同図を参照して各回路について説明する。

電源主回路ＭＣは、交流商用電源（３相２００Ｖ等）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の出力制御を行い、溶接電圧Ｖｏ及び溶接電流Ｉｏを出力する。電圧設定回路ＶＳは、予め定めた電圧設定信号Ｖｓを出力する。電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｏを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の電圧設定信号Ｖｓと上記の電圧検出信号Ｖｄとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。この回路によって消耗電極ガスシールドアーク溶接のための定電圧特性が形成される。駆動回路ＤＶは、外部からの溶接開始信号Ｓｔが入力されると上記の電源主回路ＭＣ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。

初期送給速度設定回路ＦＩＳは、予め定めた初期送給速度設定信号Ｆisを出力する。定常送給速度設定回路ＦＡＳは、予め定めた定常送給速度設定信号Ｆasを出力する。切換回路ＳＷは、後述する移動許可信号ＷcrがＬｏｗレベルのときはａ側に切り換わり上記の初期送給速度設定信号Ｆisを送給速度設定信号Ｆｓとして出力し、Ｈｉｇｈレベルのときはｂ側に切り換わり上記の定常送給速度設定信号Ｆasを送給速度設定信号Ｆｓとして出力する。送給誤差増幅回路ＥＦは、この送給速度設定信号Ｆｓと送給モータＷＭからの送給速度検出信号Ｆｄとの誤差を増幅して、送給誤差増幅信号Ｅｆを出力する。送給制御回路ＦＣは、外部からの溶接開始信号Ｓｔが入力されると上記の送給誤差増幅信号Ｅｆに従って送給モータＷＭを制御するための送給制御信号Ｆｃを出力する。

基準溶着量演算回路ＹＴは、上記の定常送給速度設定信号Ｆas、予め定めたワイヤ直径φｄ、予め定めた係数α及び外部からの溶接速度設定信号ｖwsを入力として、上記（２）式に基づいて演算し、基準溶着量信号Ｙｔを出力する。電流検出回路ＩＤは、溶接電流Ｉｏを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。初期溶着量演算回路ＹＩは、上記の電流検出信号Ｉｄがしきい値以上になると電流通電開始と判別し、上記の送給速度検出信号Ｆｄを入力として上記（１）式の演算を開始し、その値が上記の基準溶着量信号Ｙｔの値に達した時点で移動許可信号Ｗcrを出力（Ｈｉｇｈレベル）する。

［効果］
図５は、本発明の効果の一例を示すアークスタート部のビード形状図である。同図は上述した図９に対応している。同図（Ａ）の場合を基準溶接条件として、同図（Ｂ）は溶接速度を速くした場合であり、同図（Ｃ）は開先形状を広くし定常送給速度を速くした場合である。本発明では溶接速度、定常送給速度等の溶接条件が変化しても初期時間Ｔｉが自動的に適正値に設定されるので、同図に示すように、アークスタート部のビード形状は常に良好になる。

本発明は、鉄鋼だけでなくアルミニウム、ステンレス鋼、マグネシウム等の種々の金属材料の消耗電極ガスシールドアーク溶接に適用することができる。また、初期時間Ｔｉの演算処理をロボット制御装置で行っても良い。また、ロボットの代わりに自動台車等を使用することもできる。

本発明の実施の形態に係る消耗電極ガスシールドアーク溶接のアークスタート方法のタイミングチャートである。 本発明の実施の形態に係る初期溶着量Ｙｉと定常溶着量Ｙｃとの関係を示すビード形状概念図である。 本発明の実施の形態に係る溶接速度ｖｗ及び定常送給速度Ｆａと初期時間Ｔｉとの関係図である。 本発明に係る溶接電源のブロック図である。 本発明の効果の一例を示すアークスタート部のビード形状図である。 従来の消耗電極ガスシールドアーク溶接装置の構成図である。 従来のアークスタート方法を示すタイミングチャートである。 従来のアークスタート部のビード形状を示す図である。 課題を説明するためのアークスタート部のビード形状図である。

符号の説明

１ 溶接ワイヤ
２ 母材
２ａ アークスタート部のビード
２ｂ 定常部のビード
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 溶接電源
６ マニピュレータ
７ ロボット制御装置
ｄ 直径
ＤＶ 駆動回路
Ｄｖ 駆動信号
ＥＦ 送給誤差増幅回路
Ｅｆ 送給誤差増幅信号
ＥＶ 電圧誤差増幅回路
Ｅｖ 電圧誤差増幅信号
Ｆａ 定常送給速度
ＦＡＳ 定常送給速度設定回路
Ｆas 定常送給速度設定信号
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
Ｆｄ 送給速度検出（値／信号）
Ｆｉ 初期送給速度
ＦＩＳ 初期送給速度設定回路
Ｆis 初期送給速度設定信号
Ｆｓ 送給速度設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｏ 溶接電流
Ｌ１ 曲線
ＭＣ 電源主回路
Ｍｃ 動作制御信号
Ｓｔ 溶接開始信号
ＳＷ 切換回路
Ｔｉ 初期時間
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖｏ 溶接電圧
ＶＳ 電圧設定回路
Ｖｓ 電圧設定信号
ｖｗ 溶接送度
ｖws 溶接速度設定信号
Ｗcr 移動許可信号
ＷＭ 送給モータ
Ｙｃ 定常溶着量
ＹＩ 初期溶着量演算回路
Ｙｉ 初期溶着量
ＹＴ 基準溶着量演算回路
Ｙｔ 基準溶着量
Ｙｔ 基準溶着量信号
α 係数

Claims (2)

1. アークスタート時に溶接電流が通電を開始し、それから初期時間Ｔｉ［ｓ］が経過した後に予め定めた溶接速度ｖｗ［mm/s］で溶接トーチの移動を開始する消耗電極ガスシールドアーク溶接のアークスタート方法において、
   前記初期時間Ｔｉを、前記溶接電流が通電を開始した時点からの溶接ワイヤの初期溶着量が溶接長さ１cm当りの定常溶着量に係数αを乗じた基準値に達するまでの時間に設定し、前記係数αをアークスタート部のビード形状が所望形状になるように０．５を中心値として微調整することを特徴とする消耗電極ガスシールドアーク溶接のアークスタート方法。
2. 前記初期時間Ｔｉ中の溶接ワイヤの初期送給速度Ｆｉ［mm/s］と前記初期時間Ｔｉ経過後の溶接ワイヤの定常送給速度Ｆａ［mm/s］とを同一値に設定し、前記初期時間Ｔｉを前記係数α及び前記溶接速度ｖｗによってＴｉ＝10・α／ｖｗに設定することを特徴とする請求項１記載の消耗電極ガスシールドアーク溶接のアークスタート方法。
   
   

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