JP2013094850A - アーク溶接制御方法およびアーク溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】消耗電極である溶接ワイヤとフィラワイヤを用いた溶接において、母材のセット位置ズレや母材の加工精度等の外乱により、チップと母材との間の距離が変動する場合があり、溶融池とフィラワイヤの間に間隙が生じ、フィラワイヤは所定の速度で送給されているので間隙が生じている時間が長くなり、溶接性が悪くなる。
【解決手段】先行する溶接ワイヤには溶接電流を通電してアークを発生させて母材に溶融池を形成し、後行するフィラワイヤには溶接電流を通電せず溶融池に接するように送給し、フィラワイヤが溶融池と接触している場合には、フィラワイヤを第１の送給速度で送給し、フィラワイヤと溶融池とが離れている場合には、第１の送給速度よりも速い第２の送給速度でフィラワイヤを送給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、消耗電極である溶接ワイヤにフィラワイヤを近接送給してアーク溶接を行うアーク溶接制御方法およびアーク溶接装置に関するものである。

従来から、溶接ワイヤとフィラワイヤとを用いて溶接を行うアーク溶接制御方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図３と図４を用いて、従来のアーク溶接制御方法について説明する。図３は、従来のアーク溶接制御方法を説明するための溶接箇所の状態を示す図である。図４は、従来のアーク溶接制御方法を説明するためのフィラワイヤの送給速度を示す図である。

図３において、トーチ９に設けられているチップ１０を通って、溶接ワイヤ８が母材５の方向へ自動的に送給される。そして、チップ１０を介して溶接ワイヤ８に電力が供給され、溶接ワイヤ８と母材５との間にアーク４が発生する。このアーク４により溶接ワイヤ８と母材５とが溶融し、母材５の表面に溶融池６が形成される。また、電気を通電しないフィラワイヤ１７は、ガイドチップ１８を介して自動的に送給され、フィラワイヤ１７の先端部が溶融池６の中に挿入される。このようにすることで、溶接ワイヤ８に加えてフィラワイヤ１７が溶融池６の熱エネルギーで溶融され、溶接部に与えられる熱量である入熱を増やさなくても溶着量を増加させることができる。

また、通電されていないフィラワイヤ１７が溶融池６の熱エネルギーを奪うので、溶融池６が冷却され、溶融池６の凝固が促進される。この効果として、立向き姿勢や上向き姿勢などの溶接時に発生する溶融金属の垂れ落ちが抑制され、溶接可能な電流範囲が広がり、溶接の高能率化を図ることができる。

また、入熱を増加させずに溶着金属量を増加させることができ、溶融池６の表面張力を低下することができるので、ハンピングやアンダカットの発生を抑制でき、溶接速度の高速度化が可能となる。

なお、フィラワイヤ１７は、図４に示すように所定の送給速度である第１の送給速度Ｖ１で送給される。

特開平６−６３７５４号公報

上述した従来のアーク溶接制御方法におけるフィラワイヤ１７の送給制御は、フィラワイヤ１７の溶融状態に関係なく所定の送給速度である第１の送給速度Ｖ１で送給される。しかし生産現場では、母材５のセット位置ズレや母材５の加工精度等の外乱により、チップ１０と母材５との間の距離が変動する場合がある。

チップ１０と母材５との間の距離が短くなる場合には、溶接電流が増加して母材５への入熱が増加する。この場合、フィラワイヤ１７の溶融量も増加するため、フィラワイヤ１７の第１の送給速度Ｖ１によるフィラワイヤ１７の送給量よりもフィラワイヤ１７の溶融量が多くなり、フィラワイヤ１７と母材５との間に間隙が発生する。

また、チップ１０と母材５との間の距離が急に長くなる場合には、フィラワイヤ１７と母材５との間に間隙が発生する。

いずれの場合も、再びフィラワイヤ１７が溶融池６に短絡するまでは時間がかかり、その間フィラワイヤ１７は溶融池６に短絡していない状態となり、上述した効果が得られないといった課題がある。

上記課題を解決するために、本発明のアーク溶接制御方法は、消耗電極である溶接ワイヤと消耗電極であるフィラワイヤとを送給して溶接を行うアーク溶接制御方法であって、溶接進行方向に対して、前記溶接ワイヤを先行とし、前記フィラワイヤを後行とし、先行する前記溶接ワイヤには溶接電流を通電してアークを発生させて母材に溶融池を形成し、後行する前記フィラワイヤには溶接電流を通電せず前記溶融池に接するように送給し、前記フィラワイヤが前記溶融池と接触している場合には、前記フィラワイヤを第１の送給速度で送給し、前記フィラワイヤと前記溶融池とが離れている場合には、前記第１の送給速度よりも速い第２の送給速度で前記フィラワイヤを送給するものである。

また、本発明のアーク溶接装置は、溶接出力の制御や溶接ワイヤの送給の制御を行う制御部と、前記制御部の出力に基づいて溶接出力を行う電源部と、前記制御部の出力に基づいて前記溶接ワイヤの送給速度を制御する溶接ワイヤ送給部と、前記溶接ワイヤ送給部により送給される前記溶接ワイヤに対して前記電源部の出力をチップを介して供給するトーチと、前記トーチを用いてアーク溶接を行った場合に母材に形成される溶融池内にフィラワイヤを挿入するためのガイドチップと、前記フィラワイヤの送給の制御を行うフィラワイヤ制御部と、前記フィラワイヤ制御部の出力に基づいて前記フィラワイヤの送給速度を制御するフィラワイヤ送給部と、前記母材に形成された前記溶融池と前記フィラワイヤとが接触しているか否かを検出するための電圧を前記フィラワイヤと前記母材との間に印加するフィラワイヤ短絡検出用電源部と、前記フィラワイヤと前記溶融池との間の電圧の検出結果に基づいて前記フィラワイヤが前記溶融池と接触しているか否かを検出してその結果を前記フィラワイヤ制御部に出力するフィラワイヤ短絡検出部を備え、前記フィラワイヤが前記溶融池と接触している場合には前記フィラワイヤを第１の送給速度で送給し、前記フィラワイヤと前記溶融池とが離れている場合には前記第１の送給速度よりも速い第２の送給速度で前記フィラワイヤを送給するものである。

以上のように、本発明によれば、フィラワイヤと溶融池とが離れた場合には、フィラワイヤと溶融池とが接している場合の送給速度である第１の送給速度よりも速い第２の送給速度でフィラワイヤを送給するので、フィラワイヤが溶融池と離れている期間を短縮することができる。これにより、生産現場での外乱が発生した場合においても、立向き姿勢や上向き姿勢などの溶接時に発生する溶融金属の垂れ落ちの抑制や、溶着金属量の増加および溶融池の表面張力の低下によるハンピングやアンダカットの発生を安定して抑制でき、溶接性を向上することができる。

本発明の実施の形態１におけるアーク溶接装置の概略構成を示す図 （ａ）本発明の実施の形態１におけるフィラワイヤと母材との間の電圧の時間変化を示す図（ｂ）本発明の実施の形態１におけるフィラワイヤの送給送度の時間変化を示す図 従来のアーク溶接制御方法を説明するための溶接箇所の状態を示す図 従来のアーク溶接制御方法を説明するためのフィラワイヤ送給速度を示す図

以下、本発明の実施の形態について、図１と図２を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１におけるアーク溶接装置の概略構成を示す図である。図２は、本実施の形態１におけるアーク溶接装置で溶接を行った場合のフィラワイヤの送給速度の時間変化およびフィラワイヤと母材との間の電圧の時間変化を示す図である。

図１において、溶接電源装置１は、溶接出力の制御や溶接ワイヤ８の送給速度の制御等を行う制御部３と、制御部３の出力を入力とし溶接出力を調整して出力する電源部２を備えている。また、フィラワイヤ制御装置１１は、フィラワイヤ１７と母材５が短絡している否か検出するための検出用電圧を印加するフィラワイヤ短絡検出用電源部１２と、フィラワイヤ短絡検出用電源部１２とガイドチップ１８との間に接続する抵抗器１４と、母材５に形成された溶融池６とフィラワイヤ１７との間の電圧を検出してフィラワイヤ１７と溶融池６とが短絡している否かを判定するフィラワイヤ短絡検出部１３と、フィラワイヤ短絡検出部１３により検出されるフィラワイヤ１７と溶融池６との間の短絡状態に応じてフィラワイヤ１７の送給速度を制御するフィラワイヤ制御部１５を備えている。

また、図１に示すアーク溶接装置は、制御部３の出力を入力として溶接ワイヤ８を送給する溶接ワイヤ送給部７と、電源部２の出力を溶接ワイヤ８に給電するチップ１０と、チップ１０を含み溶接ワイヤ８を溶接箇所にガイドするトーチ９と、フィラワイヤ１７をガイドし溶接ワイヤ８に対して後行となるようにトーチ９に固定されたガイドチップ１８と、フィラワイヤ制御部１５の出力に基づいてフィラワイヤ１７を送給するフィラワイヤ送給部１６で構成される。なお、溶接進行方向に対して、溶接ワイヤ８が先行であり、フィラワイヤ１７が後行となるように配置されている。また、トーチ９は、例えば産業用ロボットを構成するマニピュレータに取り付けられて使用される。

そして、電源部２から供給される電力により溶接ワイヤ８と母材５との間でアーク４が発生し、母材５に溶融池６が形成される。

なお、フィラワイヤ短絡検出用電源部１２は、フィラワイヤ１７を溶融する必要はないので、フィラワイヤ１７に流れる電流は１Ａ以下の非常に少ない値でよく、溶接用の出力は必要ないので、小型なものとすることができる。また、フィラワイヤ１７と溶融池６とが短絡した場合には、フィラワイヤ１７と溶融池６との間の電圧が０Ｖ付近まで低下するので、フィラワイヤ短絡検出用電源部１２が印加する電圧は、１０Ｖもあれば確実に判定することができる。

次に、アーク溶接装置の動作について、図２を用いて説明する。図２において、期間Ｔ１は、母材５に形成された溶融池６とフィラワイヤ１７と母材５とが短絡した状態である期間を示す。この場合、フィラワイヤ短絡検出部１３による判別は容易であり、短絡状態であることが判定される。短絡状態の場合、フィラワイヤ制御部１５は、フィラワイヤ１７の送給速度を、図２（ａ）に示す第１の送給速度Ｖ１に制御する。

なお、実際の溶接において、母材５のセット位置ズレや母材５の加工精度等の外乱により、チップ１０と母材５との間の距離が変動する場合がある。

この外乱により、母材５に形成された溶融池６とチップ１０との間の距離が短くなる場合、溶接電流が増加し、母材５に供給される熱エネルギーが増加する。この場合、フィラワイヤ１７の溶融量も増加するため、第１の送給速度Ｖ１によるフィラワイヤ１７の送給量よりもフィラワイヤ１７の溶融量が多くなり、母材５に形成された溶融池６とフィラワイヤ１７との間に間隙が発生する。

また、上記外乱により母材５に形成された溶融池６とチップ１０との間の距離が急に長くなる場合、ガイドチップ１８はトーチ９に固定されているので、フィラワイヤ１７と母材５との間に間隙が発生する。

上記いずれの場合も、フィラワイヤ１７と溶融池６との間に間隙が発生している期間である期間Ｔ２の間は、フィラワイヤ短絡検出部１３で検出される電圧が高くなる。この期間Ｔ２の間は、フィラワイヤ１７と溶融池６との間の電圧が高くなるので、フィラワイヤ短絡検出部１３は間隙が発生していると判定し、フィラワイヤ制御部１５に出力する。フィラワイヤ制御部１５は、間隙が発生している場合は、図２（ｂ）に示すように、フィラワイヤ１７の送給速度を第１の送給速度Ｖ１よりも高い第２の送給速度Ｖ２に高めるように制御する。

このように、フィラワイヤ１７の送給速度を第２の送給速度Ｖ２へ高めることにより、高めない場合と比べて早期にフィラワイヤ１７が溶融池６と短絡する。例えば、数百ｍｓｅｃ以上の間隙発生時間を、数十ｍｓｅｃ以下に大幅に短縮することができる。これにより、フィラワイヤ１７が溶融池６に短絡することによって得られる効果、すなわち、立向き姿勢や上向き姿勢などの溶接時に発生する溶融金属の垂れ落ちの抑制や、溶着金属量の増加および溶融池の表面張力の低下によるハンピングやアンダカットの抑制を安定して得ることが可能となる。

なお、フィラワイヤ１７の送給速度を第２の送給速度Ｖ２へ高め、フィラワイヤ１７と溶融池６とが短絡すると、フィラワイヤ制御部１５は、図２（ｂ）に示すように、フィラワイヤ１７の送給速度を第２の送給速度Ｖ２よりも低い第１の送給速度Ｖ１に戻すように制御する。

なお、第１の送給速度Ｖ１および第２の送給速度Ｖ２の値は、例えば実験的に検討して得られた値であり、生産現場ごとに調整してもよい。そして、例えば、第１の送給速度Ｖ１は１ｍ／ｍｉｎ程度でも良いし、第２の送給速度Ｖ２は高ければ高いほど間隙の発生時間が短くなるので良いが、母材５に突っ込み易くなるので、第２の送給速度Ｖ２は最大でも３０ｍ／ｍｉｎ以下が望ましく、溶接箇所ごとに調整するようにしてもよい。

本発明によれば、フィラワイヤと溶融池とが離れた場合には、第１の送給速度よりも速い第２の送給速度でフィラワイヤを送給するので、フィラワイヤが溶融池と離れる期間を非常に短い時間に短縮できる。これにより、生産現場での外乱が発生した場合においても、立向き姿勢や上向き姿勢などの溶接時に発生する溶融金属の垂れ落ちの抑制や、溶着金属量の増加および溶融池の表面張力の低下によるハンピングやアンダカットの発生を安定して抑制できるので、前述の効果を高めることが可能となり、消耗電極である溶接ワイヤとフィラワイヤを連続的に送給しながら溶接を行うアーク溶接制御方法およびアーク溶接装置として産業上有用である。

Ｔ１ 期間（フィラワイヤと溶融池が短絡している期間）
Ｔ２ 期間（フィラワイヤと溶融池との間に間隙が発生している期間）
Ｖ１ 第１の送給速度
Ｖ２ 第２の送給速度
１ 溶接電源装置
２ 電源部
３ 制御部
４ アーク
５ 母材
６ 溶融池
７ 溶接ワイヤ送給部
８ 溶接ワイヤ
９ トーチ
１０ チップ
１１ フィラワイヤ制御装置
１２ フィラワイヤ短絡検出用電源部
１３ フィラワイヤ短絡検出部
１４ 抵抗器
１５ フィラワイヤ制御部
１６ フィラワイヤ送給部
１７ フィラワイヤ
１８ ガイドチップ

Claims (2)

1. 消耗電極である溶接ワイヤと消耗電極であるフィラワイヤとを送給して溶接を行うアーク溶接制御方法であって、
   溶接進行方向に対して、前記溶接ワイヤを先行とし、前記フィラワイヤを後行とし、先行する前記溶接ワイヤには溶接電流を通電してアークを発生させて母材に溶融池を形成し、後行する前記フィラワイヤには溶接電流を通電せず前記溶融池に接するように送給し、
   前記フィラワイヤが前記溶融池と接触している場合には、前記フィラワイヤを第１の送給速度で送給し、前記フィラワイヤと前記溶融池とが離れている場合には、前記第１の送給速度よりも速い第２の送給速度で前記フィラワイヤを送給するアーク溶接制御方法。
2. 溶接出力の制御や溶接ワイヤの送給の制御を行う制御部と、
   前記制御部の出力に基づいて溶接出力を行う電源部と、
   前記制御部の出力に基づいて前記溶接ワイヤの送給速度を制御する溶接ワイヤ送給部と、
   前記溶接ワイヤ送給部により送給される前記溶接ワイヤに対して前記電源部の出力をチップを介して供給するトーチと、
   前記トーチを用いてアーク溶接を行った場合に母材に形成される溶融池内にフィラワイヤを挿入するためのガイドチップと、
   前記フィラワイヤの送給の制御を行うフィラワイヤ制御部と、
   前記フィラワイヤ制御部の出力に基づいて前記フィラワイヤの送給速度を制御するフィラワイヤ送給部と、
   前記母材に形成された前記溶融池と前記フィラワイヤとが接触しているか否かを検出するための電圧を前記フィラワイヤと前記母材との間に印加するフィラワイヤ短絡検出用電源部と、
   前記フィラワイヤと前記溶融池との間の電圧の検出結果に基づいて前記フィラワイヤが前記溶融池と接触しているか否かを検出してその結果を前記フィラワイヤ制御部に出力するフィラワイヤ短絡検出部を備え、
   前記フィラワイヤが前記溶融池と接触している場合には前記フィラワイヤを第１の送給速度で送給し、前記フィラワイヤと前記溶融池とが離れている場合には前記第１の送給速度よりも速い第２の送給速度で前記フィラワイヤを送給するアーク溶接装置。

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