JP3809983B2 - 消耗電極式の交流ガスシールド溶接装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、略定速度で送給される消耗電極と被溶接物との間に、略定電圧の交流電圧を供給して溶接を行う消耗電極式の交流ガスシールド溶接装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
直流の正極性（以下、ＥＮ極性という。）ではワイヤ先端に大粒の溶滴が形成され易く、アークは不安定で大粒のスパッタが発生し、溶け込みも浅いため、ＥＮ極性だけで溶接を行うことはほとんどない。一方、直流の逆極性（以下、ＥＰ極性という。）では溶滴が小さく、アークは安定であり、溶け込みも深い。そして、アーク長が長い大電流溶接だけでなく、アーク長を短くし小電流で短絡とアークを頻繁に繰り返しながら溶接を行ういわゆる短絡移行溶接においても良好な溶接結果が得られるため、多用されている。また、交流出力を用いる消耗電極式のガスシールド溶接方法および装置としては特許第２６６６３１５号に開示された技術がある。この技術では、円滑な溶滴移行をさせるため、適切なピンチ力が得られるＥＰ極性電流値とその期間を消耗電極であるワイヤの材質および直径・シールドガス成分等に応じて設定し、ワイヤ送給速度と一元的に出力電圧の周波数およびＥＮ極性電流値を設定することにより、最適溶接条件の範囲が広くなり、高周波、高電圧あるいはパルス等を重畳しなくても極性反転時の再点弧が確実に行われ、安定な消耗電極式の交流ガスシールド溶接を可能にしている。
【０００３】
そして、安定な消耗電極式の交流ガスシールド溶接を可能にする溶接装置として、出力電流値に対応してワイヤ送給速度設定信号を出力するワイヤ送給速度設定回路と、ワイヤ送給速度設定信号を入力して出力電圧の周波数に相当する出力電圧周波数信号を出力する出力電圧周波数信号発生回路と、ワイヤの材質および直径・シールドガス成分等の条件により予め設定する設定信号に対応してＥＰ極性期間通電信号を出力するＥＰ極性期間信号発生回路と、前記設定信号に対応してＥＰ極性電流信号を出力するＥＰ極性電流信号発生回路と、前記ＥＰ極性期間通電信号を入力としてＥＮ極性期間通電信号を出力するＥＮ極性期間信号発生回路と、前記出力電流に対応したワイヤ送給速度設定信号を入力してＥＮ極性電流信号を出力するＥＮ極性電流信号発生回路と、前記ＥＮ極性電流信号と前記ＥＰ極性電流信号とを入力としてＥＮ極性電流値およびＥＰ極性電流値を制御する出力電流値制御回路と、前記ＥＮ極性期間通電信号と前記ＥＰ極性期間通電信号とを入力としてＥＮ極性電流通電期間およびＥＰ極性電流通電期間を制御する出力電流通電期間制御回路とを設け、溶接出力を制御している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記交流出力を用いる従来技術は、臨界電流値以上のＥＰ極性電流による電磁ピンチ力を利用してワイヤ先端に形成される溶滴を非接触で母材に移行させる溶接方法であり、アーク長を短くして短絡が生じるようになるとアークの安定性は損なわれる。また、溶接電流値すなわちワイヤ送給速度が早くなると、ＥＮ極性電流期間が短くなるため、浅い溶け込み、高ワイヤ溶融量などのＥＮ期間の溶接特性を活用できなくなる。
【０００５】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、短絡が頻繁に発生するアーク長の短い溶接においても安定なアーク状態が得られ、総ての溶接電流値に対して交流周波数ならびに極性比率を任意に設定できるようにして、交流アーク溶接の特長である浅い溶け込み、高ワイヤ溶融量などの特性を広範囲に活用できる消耗電極式の交流ガスシールド溶接装置を提供するにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、第１の手段は、消耗電極と被溶接物との間に略定電圧の交流電圧を供給し、消耗電極の先端に形成される溶滴を短絡移行させる消耗電極式の交流ガスシールド溶接装置において、消耗電極を略定速度で送給するワイヤ送給制御回路と、ＥＰ極性の期間Ｔ _ＥＰ の設定器と、ＥＮ極性の期間Ｔ _ＥＮ の設定器と、前記期間Ｔ _ＥＰ に出力される出力電圧値Ｖ _ＥＰ の設定器と、前記期間Ｔ _ＥＮ に出力される出力電圧値Ｖ _ＥＮ の設定器と、前記出力電圧Ｖ _ＥＰ の設定器および出力電圧Ｖ _ＥＮ の設定器から出力される信号に基づいてそれぞれの電圧レベルを制御する出力電圧制御回路と、前記期間Ｔ _ＥＰ および前記期間Ｔ _ＥＮ の設定器から出力される信号に基づいてそれぞれの極性時間を制御する極性時間制御回路とを設けて溶接出力を制御すると共に、溶接電流値の下限値を補償する最小電流補償回路とリアクタを直列に接続した回路を出力回路と並列に接続したことを特徴とする。
第２の手段は、第１の手段において、平均溶接電圧値Ｖａｖの設定器と、前記出力電圧値Ｖ _ＥＰ と前記出力電圧値Ｖ _ＥＮ の差αの設定器とを設け、Ｖ _ＥＰ ＝Ｖａｖ、Ｖ _ＥＮ ＝Ｖａｖ−αとして、前記出力電圧値Ｖ _ＥＰ および前記出力電圧値Ｖ _ＥＮ のレベルを設定することを特徴とする。
第３の手段は、第１または第２の手段において、交流周波数ｆ _ＡＣ を設定する交流周波数ｆ _ＡＣ 設定器と、前記期間Ｔ _ＥＰ の時間比率δを設定する時間比率δ設定器を設け、Ｔ _ＥＰ ＝δ／ｆ _ＡＣ 、Ｔ _ＥＮ ＝（１−δ）／ｆ _ＡＣ として前記期間Ｔ _ＥＰ および期間Ｔ _ＥＮ の時間を設定することを特徴とする。
第４の手段は、第２の手段において、前記ワイヤ送給制御回路から出力されるワイヤ送給速度信号に基づいて前記出力電圧値Ｖ _ＥＰ と前記出力電圧値Ｖ _ＥＮ の差αの値を増減させることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
始めに、本発明の溶接原理を説明する。
ワイヤ送給速度ＷＦを一定としてＥＰ極性だけで短絡移行溶接をする場合、設定する出力電圧Ｖ_EPの大きさにより、ワイヤ送給速度ＷＦがワイヤ溶融速度ＭＲ_EPよりも速い電圧不足域と、ワイヤ送給速度ＷＦとワイヤ溶融速度ＭＲ_EPがほぼ等しい安定アーク域、およびワイヤ溶融速度ＭＲ_EPがワイヤ送給速度ＷＦよりも大きい電圧過大域に大別される。同様にＥＮ極性だけで短絡移行溶接をする場合も、設定する出力電圧Ｖ_ENの大きさにより、ワイヤ送給速度ＷＦがワイヤ溶融速度ＭＲ_ENよりも大きい電圧不足域とワイヤ送給速度ＷＦとワイヤ溶融速度ＭＲ_ENがほぼ等しい安定アーク域およびワイヤ溶融速度ＭＲ_ENがワイヤ送給速度ＷＦよりも大きい電圧過大域に大別されるが、ＥＮ極性のみでの適正電圧範囲は、ＥＰ極性のみでの適正電圧範囲とほぼ同じかあるいは多少低電圧側（０Ｖに近い側。以下、電圧の高低は絶対値で表示する。）にずれる。そして、ＥＮ極性の場合でも、短絡移行溶接が可能なアーク電圧域まで出力電圧を下げてアーク長を短くすると、大粒のスパッタの発生はかなり抑制され、アークもそれほど不安定にはならず、溶け込みが浅い溶接が可能になる。
【００１４】
図１は、上記安定アーク域の同一出力電圧におけるＥＮ極性とＥＰ極性の溶接電流値とワイヤ溶融速度の関係を示す図である。なお、ワイヤは直径０．６ｍｍのＹＧＷ１２であり、シールドガスはＡｒ＋２０％ＣＯ₂、ワイヤ突出し長さは１２ｍｍである。同図から、同一溶接電流値に対するワイヤ溶融速度はＥＮ極性の方がＥＰ極性よりも早い。したがって、ワイヤ送給速度を一定、またＥＮ極性とＥＰ極性の出力電圧を同一の値で交流アーク溶接を行うと、ＥＮ極性時にはワイヤが過大に溶融され、交流周期に同期したアーク長変動が発生するため、安定な交流アーク溶接を行うことができない。また、ＥＮ極性とＥＰ極性のワイヤ溶融速度の差は溶接電流の増加と共に大きくなる傾向があることが分かる。
【００１５】
図２は、本発明の原理をまとめて示す図であり、ＥＰ極性だけで短絡移行溶接をした時に設定した出力電圧Ｖ_EPを横軸に、ＥＮ極性だけで溶接した時に設定した出力電圧Ｖ_ENを縦軸に配置して交流の場合の溶接特性をまとめたものである。
ＥＮ極性とＥＰ極性を交互に繰り返す交流アーク溶接では、ＥＰ極性時の電圧を適正値に設定して、ワイヤ送給速度ＷＦとＥＰ極性時のワイヤ溶融速度ＭＲ_EPをバランスさせる必要がある。そこで、ＥＰ極性の出力電圧Ｖ_EPを適正な値に設定（すなわちワイヤ送給速度ＷＦ≒ワイヤ溶融速度ＭＲ_EP）して溶接を行うものとする。この場合、ＥＮ極性の出力電圧Ｖ_ENが低過ぎたり高過ぎたりすると、ＥＰ極性時のワイヤ溶融速度ＭＲ_ENの過不足が生じ、安定した交流アークは得られないから、少なくともＥＰ極性あるいはＥＮ極性のみでの適正電圧範囲である図２のＡＢＣＤの範囲内に設定をする必要がある。
【００１６】
定電圧の交流電圧を供給する場合、ＥＰ極性、ＥＮ極性のいずれにおいても、ワイヤ溶融速度は出力電圧の設定値によって決まる。そして、図１に示したように、ワイヤ送給速度ＷＦ≒ワイヤ溶融速度ＭＲ_EP＜ワイヤ溶融速度ＭＲ_ENであるため、出力電圧Ｖ_EP≦出力電圧Ｖ_ENとすると、ＥＮ極性時にワイヤが過大に溶融され、交流周期に同期したアーク長の変動が生じるため安定な交流アーク溶接を行うことができない。したがって、安定な交流アークが維持できるのは、図２の斜線で示す三角形の領域、すなわち出力電圧Ｖ_EPが出力電圧Ｖ_ENよりも大きい範囲になる。そして、この領域では、ワイヤ送給速度ＷＦ≒ワイヤ溶融速度ＭＲ_EP≒ワイヤ溶融速度ＭＲ_ENとなり、ワイヤを一定の速度で送給しても、極性によるアーク長の変動が少ない安定した交流アークを実現でき、交流周波数や極性比率の制約を受けることもない。
【００１７】
次に、本発明を実施するための装置を図示の実施の形態に基づいて説明する。
図３は、本発明の実施の形態に係る溶接装置の構成図である。図で、１は一次側整流器で入力側は商用の交流電源に、出力側は一次側インバータ２の入力側に接続されている。３は溶接変圧器で、入力側は一次側インバータ２の出力側に、出力側は二次側整流器４の入力側に接続されている。二次側整流器４の出力側は直流リアクタ５を介して二次側インバータ６の入力側に接続されている。二次側インバータ６の出力側はワイヤ７と母材８に接続されている。９は最小電流補償回路で、略定電流特性の電源であり、一端は二次側整流器４の入力側に、他端はリアクタ１０を介して二次側整流器４の出力側に接続されている。
【００１８】
１１はＰＷＭ制御回路で、入力側は出力電圧制御回路１２に、出力側は一次側インバータ２に接続されている。１３はＥＰ極性における出力電圧Ｖ_EPの設定器、１４はＥＮ極性における出力電圧Ｖ_ENの設定器で、それぞれ出力電圧制御回路１２に接続されている。１５は極性時間制御回路で、一次側インバータ２および出力電圧制御回路１２に接続されている。１６はＥＰ極性の期間Ｔ_EPの設定器、１７はＥＮ極性の期間Ｔ_ENの設定器であり、それぞれ極性時間制御回路１５に接続されている。１８はワイヤ送給制御回路で、図示しないモータを駆動してローラ１９を回転させる。
【００１９】
次に、本実施の形態の動作を説明する。
予め、設定器１３および設定器１４により出力電圧Ｖ_EPおよび出力電圧Ｖ_ENを設定すると共に、設定器１６および設定器１７により期間Ｔ_EPおよび期間Ｔ_ENをそれぞれ設定しておく。また、ワイヤ送給速度を設定することにより溶接電流を設定しておく。溶接が開始されると、極性時間制御回路１５は設定器１６および設定器１７に設定された時間が経過する毎に出力電圧制御回路１２および二次側インバータ６に信号を出力する。出力電圧制御回路１２は、期間Ｔ_EPでは設定器１３に、また期間Ｔ_ENでは設定器１４に設定された電圧をそれぞれ選択し、選択した電圧値に見合った制御信号をＰＷＭ制御回路１１に出力する。ＰＷＭ制御回路１１はワイヤ７と母材８間の電圧が出力電圧Ｖ_EPまたは出力電圧Ｖ_ENになるように、一次側インバータ２を制御する。また、二次側インバータ６は出力電圧制御回路１２からの信号により極性を切り換える。また、最小電流補償回路９は溶接電流値が所定の値以下に低下することを防止する。さらにリアクタ１０は極性反転時に高いスパイク電圧を発生し、電圧の設定値が比較的低く、かつ短絡とアークを頻繁かつ不規則に繰り返すために極性反転時の状況が一定にならない場合でも、極性反転時のアーク切れを防止し、スムーズな再アークを実現する。
【００２０】
なお、設定器１４で設定する出力電圧Ｖ_ENを設定器１３で設定する出力電圧Ｖ_EPよりも１〜２Ｖ程度低くすると、極性の変化によって生じる溶接中のアーク長変動を抑制することができる。
【００２１】
図４は本発明の実施の形態に係る他の溶接装置の構成図であり、図３と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して説明を省略する。図で、２２は交流周波数ｆ_AC（＝１／（Ｔ_EP＋Ｔ_EN））の設定器であり、期間Ｔ_EPの演算器１６ａおよび期間Ｔ_ENの演算器１７ａに接続されている。２３はＥＰ極性の時間比率δ（＝Ｔ_EP／（Ｔ_EP＋Ｔ_EN））の設定器であり、演算器１６ａおよび演算器１７ａに接続されている。３０は平均溶接電圧Ｖａｖの設定器で、設定器１３と設定器３１およびワイヤ送給制御回路１８に接続されている。ここで、設定器３１は設定器１３で設定された出力電圧Ｖ_EPから設定器３１で設定するαを減じた電圧の指令値を設定器１４に入力する。
【００２２】
以下、動作を説明する。予め、設定器２２、２３、３０により交流周波数ｆ_AC、時間比率δおよび平均溶接電圧Ｖａｖを設定すると共に、ワイヤ送給速度を設定することにより溶接電流を設定しておく。溶接が開始されると、極性時間制御回路１５は演算器１６ａおよび演算器１７ａで演算された期間Ｔ_EPおよび期間Ｔ_ENが経過する毎に出力電圧制御回路１２および二次側インバータ６に信号を出力する。出力電圧制御回路１２は、期間Ｔ_EPでは平均溶接電圧Ｖａｖ３０で設定された電圧を、また期間Ｔ_ENでは平均溶接電圧Ｖａｖ設定器３０から設定器３１で設定されたαだけ減じた電圧をそれぞれ選択し、選択した電圧値に見合った制御信号をＰＷＭ制御回路１１に出力する。
【００２３】
この実施の形態では、上記の実施の形態に比べて設定する項目が少ないから、より条件設定が容易である。なお、設定器１３および設定器１４を設けず、設定器３０および設定器３１を直接出力電圧制御回路１２に接続しても良い。
【００２４】
また、平均溶接電圧Ｖａｖおよび差αを溶接電流あるいはワイヤ送給速度の関数とし、図中に破線で示すように、ワイヤ送給速度制御回路１９からの信号に基づいて一元的に設定するようにしてもよい。
【００２５】
なお、図４で説明した機能は、必ずしも総て使用しなければならないことはなく、必要に応じて選択することができる。
【００２６】
〔実施例〕
図５は、本発明の実施の形態に係る溶接結果の代表例を示す図である。図から明らかなように、ワイヤ径、シールドガス組成、ワイヤ送給速度、交流周波数ｆ_ACおよびＥＰ極性時間比率δを種々変化させたが、いずれの場合も良好な溶接結果が得られた。
【００２７】
図６は、ＥＰ極性時間比率δの効果についての説明図である。ここでは直径が０．６ｍｍのＹＧＷ１２ワイヤを用い、ワイヤ送給速度を７．６ｍ／ｍｉｎ一定とし、シールドガス組成がＡｒ＋２０％ＣＯ2のマグ溶接で、板厚が０．７ｍｍの亜鉛めっき鋼板上に、平ビード溶接した例を示している。なお、ＥＰ電圧Ｖ_EPは１７．５Ｖ、ＥＮ電圧Ｖ_ENは１６．５Ｖ、交流周波数は３．３Ｈｚとし、ＥＰ極性時間比率δは５０％および１７％とした。いずれの溶接速度においても、δを小さくすることによって、表面ビード幅ならびに裏ビード幅が減少し、凸形で溶込みが少ないビード形状となった。また、δ＝５０％の交流溶接においても、上記の傾向は、図中に示す従来の直流ＥＰ極性より顕著である。
【００２８】
図７は、ワイヤ送給速度とα（＝Ｖ_EP−Ｖ_EN）の関係を示す図である。ここでは直径が０．６ｍｍのＹＧＷ１２ワイヤを用い、シールドガス組成がＡｒ＋２０％ＣＯ2のマグ溶接で、交流周波数ｆ_ACを３．３Ｈｚ、ＥＰ極性時間比率δを５０％一定にした時のワイヤ送給速度と、出力電圧Ｖ_EPと出力電圧Ｖ_ENの差αの関係を示す図であり、図中黒い部分が少ない記号ほど良好なアーク状態であることを示している。なお、出力電圧Ｖ_EPとαの値を種々変化させたが、いずれの場合も適正な溶接結果が得られる範囲はα＞０の領域であり、その上限はワイヤ送給速度の増加と共に大きい値になることが分かった。
【００２９】
図８は、板厚が０．７ｍｍの亜鉛めっき鋼板を用いて、ルートギャップ２ｍｍの重ねすみ肉溶接を行った結果の外観および断面を示す図で、（ａ）は本発明による溶接結果を（ｂ）は従来の直流ＥＰ極性の溶接結果である。図から明らかなように、本発明の消耗電極式の交流マグ溶接（交流周波数ｆ_AC＝３．３Ｈｚ、ＥＰ極性時間比率δ＝５０％）では、良好なすみ肉ビードが形成されると共に、裏面への溶込みも少なく、溶落ちに対する考慮は全く必要としないと思われる形状を呈した。一方、従来溶接では、板厚が極めて薄くかつルートギャップが板厚の約３倍もあるために溶落ちを生じ、良好なすみ肉ビードを形成できなかった。
【００３０】
すなわち、溶接開始直後（図中イの位置）は下板が冷えているため、溶融したワイヤが下板上に堆積し、溶融金属は表面張力によって徐々に盛り上がる。そして、溶融金属が上板に届くと、上板と下板が融合して良好なスミ肉ビードが形成される。溶接の進行と共に下板の温度が上昇すると、下板上の溶融金属は盛り上がらずに、幅方向に拡がって平坦になる。このため、上板は溶融されない（図中ロの位置）。さらに、イの状態が続くと、過大な熱が蓄積された下板は完全に溶融して溶け落ち、下板に穴が明く（図中ハの位置）。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ＥＮ極性とＥＰ極性におけるワイヤ溶融速度をほぼ等しくでき、短絡が頻繁に発生するような短いアーク長でも安定した消耗電極式の交流ガスシールド溶接が行え、しかも交流周波数や極性時間比率に対する制約を受けないから、用途に応じて、交流溶接の特徴である高ワイヤ溶融速度、浅い溶込みあるいは凸形の余盛形状などを任意に選択できる。この結果、例えば板厚が１ｍｍ以下の極薄板で、かつルートギャップが板厚の３倍程度ある重ねすみ肉継手においても、穴あきや溶落ちなどを生じることなく、良好な溶接ビードを形成することができ、溶接可能範囲を大幅に拡大させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】安定アーク域の同一設定電圧におけるＥＮ極性とＥＰ極性の溶接電流値とワイヤ溶融速度の関係を示す図である
【図２】本発明の原理をまとめて示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る溶接装置の構成図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る他の溶接装置の構成図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る溶接結果の代表例を示す図である。
【図６】ＥＰ極性時間比率δの効果についての説明図である。
【図７】ワイヤ送給速度と差αの関係を示す図である。
【図８】極薄板の重ねすみ肉溶接結果の一例である。
【符号の説明】
Ｖ_EP ＥＰ極性の出力電圧値
Ｖ_EN ＥＮ極性の出力電圧値

Claims (4)

1. 消耗電極と被溶接物との間に略定電圧の交流電圧を供給し、消耗電極の先端に形成される溶滴を短絡移行させる消耗電極式の交流ガスシールド溶接装置において、消耗電極を略定速度で送給するワイヤ送給制御回路と、ＥＰ極性の期間Ｔ _ＥＰ の設定器と、ＥＮ極性の期間Ｔ _ＥＮ の設定器と、前記期間Ｔ _ＥＰ に出力される出力電圧値Ｖ _ＥＰ の設定器と、前記期間Ｔ _ＥＮ に出力される出力電圧値Ｖ _ＥＮ の設定器と、前記出力電圧Ｖ _ＥＰ の設定器および出力電圧Ｖ _ＥＮ の設定器から出力される信号に基づいてそれぞれの電圧レベルを制御する出力電圧制御回路と、前記期間Ｔ _ＥＰ および前記期間Ｔ _ＥＮ の設定器から出力される信号に基づいてそれぞれの極性時間を制御する極性時間制御回路とを設けて溶接出力を制御すると共に、溶接電流値の下限値を補償する最小電流補償回路とリアクタを直列に接続した回路を出力回路と並列に接続したことを特徴とする消耗電極式の交流ガスシールド溶接装置。
2. 平均溶接電圧値Ｖａｖの設定器と、前記出力電圧値Ｖ _ＥＰ と前記出力電圧値Ｖ _ＥＮ の差αの設定器とを設け、Ｖ _ＥＰ ＝Ｖａｖ、Ｖ _ＥＮ ＝Ｖａｖ−αとして、前記出力電圧値Ｖ _ＥＰ および前記出力電圧値Ｖ _ＥＮ のレベルを設定することを特徴とする請求項１に記載の消耗電極式の交流ガスシールド溶接装置。
3. 交流周波数ｆ _ＡＣ を設定する交流周波数ｆ _ＡＣ 設定器と、前記期間Ｔ _ＥＰ の時間比率δを設定する時間比率δ設定器を設け、Ｔ _ＥＰ ＝δ／ｆ _ＡＣ 、Ｔ _ＥＮ ＝（１−δ）／ｆ _ＡＣ として前記期間Ｔ _ＥＰ および期間Ｔ _ＥＮ の時間を設定することを特徴とする請求項１または２に記載の消耗電極式の交流ガスシールド溶接装置。
4. 前記ワイヤ送給制御回路から出力されるワイヤ送給速度信号に基づいて前記出力電圧値Ｖ _ＥＰ と前記出力電圧値Ｖ _ＥＮ の差αの値を増減させることを特徴とする請求項２に記載の消耗電極式の交流ガスシールド溶接装置。

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