JP6596675B2 - アーク溶接制御方法 - Google Patents

Description

本発明は消耗電極である溶接ワイヤと被溶接物である母材との間でアークを発生させて溶接を行うアーク溶接制御方法に関する。

溶接ワイヤと母材との間にアークを発生させて溶接を行うアーク溶接において、臨界電流値を超えると溶接ワイヤが溶融して生成された溶滴の移行の形態はスプレー移行となる。臨界電流値よりも高いピーク電流と、アークを維持するための臨界電流値より低いベース電流とを交互に繰り返す事で行う溶接方法はパルスアーク溶接法と呼ばれ、直流のスプレー移行溶接よりも低い平均電流で、スプレー移行を行わせることができる。

ベース電流が流れるベース電流期間ではアークが維持される。パルスアーク溶接法では、溶滴の移行がアーク力の影響を受けることの最も少ないベース電流期間中にて行われる。従って、スパッタを大幅に低減することが可能である。

しかし、パルスアーク溶接法は、シールドガスの組成に制約を受ける。シールドガス中の炭酸ガスの割合が３０％を超えると、スパッタの低減効果が薄弱になる。一方、主成分として、スパッタの低減効果は大きいが高価であるアルゴンガスを大量に使用すると、シールドガスのコストが高くなる。そこで、炭酸ガスを主成分とするシールドガスを用いて安定したスプレー移行溶接が可能なアーク溶接法が求められている。

なお、スパッタが発生すると、母材に付着し、特に、動作を行う製品の可動部にスパッタが付着すると、製品の可動範囲を制限し、製品価値を著しく低下させる。このため、スパッタを除去する別の工程が必要となり、溶接生産性を著しく低下させる。

図６は特許文献１に開示されている従来のパルスアーク溶接制御方法におけるアーク部５０１と溶接電圧と溶接電流波形とを示す。このパルスアーク溶接制御方法では、炭酸ガスを主成分とするシールドガスを用いた定電流パルス制御を行っている。

図６に示すように、ピーク電流Ｉｐの出力が開始され、ピーク時間Ｔｐが開始される。溶融開始点ｔ５０１から溶接ワイヤ５１９の先端５１９Ｐが溶融し始める。溶融開始点ｔ５０１から始まる成長期間Ｔ５０２にて溶接ワイヤ５１９の先端５１９Ｐから溶滴５２３が成長し、溶接ワイヤ５１９の先端５１９Ｐと溶滴５２３との間にくびれ５２３Ａが生じて溶滴５２３が先端５１９Ｐから離脱し始める。溶滴離脱点ｔ５０３で溶滴５２３が溶接ワイヤ５１９から離脱し、溶滴５２３の離脱が完了する。パルスアーク溶接では、溶融開始点ｔ５０１から溶滴離脱点ｔ５０３が繰り返される。溶滴離脱点ｔ５０３では、アーク５１７の長さであるアーク長が短時間で長くなるので、溶接電圧が急峻に高くなる。したがって、溶接電圧Ｖが所定の電圧しきい値を超えた場合に、あるいは、溶接電圧Ｖの単位時間当たりの変化量（ｄＶ／ｄｔ）が所定値を超えたことを検出することにより、溶滴５２３の溶接ワイヤ５１９からの離脱を検出することができる。

溶滴５２３の離脱後において溶滴５２３にかかるアーク力が強いすなわちアーク５１７の密度が高いと、アーク力の反力でスパッタが増加する。従って、溶滴５２３の離脱後は、溶接電流Ｉの値を、ピーク電流Ｉｐからピーク電流Ｉｐよりも低い所定の低下電流Ｉｒに低下し、スパッタの発生を防止している。その後、低下時間ＴＭにおいて溶接電流Ｉを低下電流Ｉｒに維持し、低下時間ＴＭの経過後は、溶接電流Ｉを元のピーク電流Ｉｐに高めて溶接ワイヤ５１９の先端部５１９Ｐを溶融させる。そして、ピーク時間Ｔｐが終了すると、ベース電流Ｉｂが出力され始めて、ベース時間Ｔｂが開始される。

一方、パルスアーク溶接法を用いず、臨界電流値よりも高い直流の溶接電流を与える事でスプレー移行溶接を行う場合、一般的には、アーク期間では電圧を制御する。特許文献２は、短絡期間とアーク期間を繰り返して短絡アーク溶接を行うアーク溶接制御方法において、電圧制御における電圧の変動を制御する方法として、アーク期間中に電子リアクトル制御によるインダクタンス値を調整することを開示している。

特許第５０３６１９７号公報 国際公開第２０１３／１４５５６９号

スプレー移行状態の定電圧制御のアーク溶接制御方法は、溶接ワイヤに溶接電流を出力するアーク溶接装置を用いる。溶接電流が、溶接ワイヤが溶融して形成された溶滴が溶接ワイヤから離脱する際のピーク電流と、溶接ワイヤの溶融を開始して促進する際の凹状に極小値を有するように湾曲して連続的に変化する溶融電流とを繰り返すようにアーク溶接装置を制御する。ピーク電流と溶融電流が所定の範囲に入るようにアーク溶接装置を制御してもよい。

このアーク溶接制御方法により、スパッタが低減できると共に、幅の均一なビードを得る事ができる。

図１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２は実施の形態１におけるアーク溶接装置のアーク部と溶接電圧と溶接電流とを示す図である。 図３は実施の形態１におけるアーク溶接装置の溶接電流の電流変動幅と移行周期を示す図である。 図４は実施の形態２におけるアーク溶接装置の概略構成図である。 図５Ａは実施の形態３におけるアーク溶接装置の溶接電流と溶接電圧との関係を示す図である。 図５Ｂは実施の形態３におけるアーク溶接装置の溶接電圧と溶接電流を示す図である。 図６は従来のアーク溶接制御方法におけるアーク部と溶接電圧と溶接電流とを示す図である。

（実施の形態１）
図１は実施の形態１におけるアーク溶接装置１０１の概略構成図である。アーク溶接装置１０１はアーク部１０２を備える。図２はアーク部２の動作を模式図に示す。図２はアーク溶接装置１０１の溶接電圧と溶接電流を併せて示す。

アーク溶接装置１０１は、入力電源１から入力した交流電力を整流する１次整流部２と、溶接出力を制御するスイッチング部３と、スイッチング部３の出力を入力して溶接に適した電力に変換するトランス４とを備える。

アーク溶接装置１０１は、トランス４の２次側出力を整流する２次整流部５と、２次整流部５の出力を平滑するリアクトル６と、スイッチング部３を駆動する駆動部７と、溶接電流Ｉを検出する溶接電流検出部８と、溶接電圧Ｖを検出する溶接電圧検出部９と、溶滴離脱検出部１０とをさらに備える。溶滴離脱検出部１０は、溶接電圧検出部９の出力に基づいて溶接ワイヤ１９の先端部１９Ｐからの溶滴２３の離脱を検出する。

アーク溶接装置１０１は、溶接条件設定部１４と記憶部１３とをさらに備える。溶接条件設定部１４は、溶接電流Ｉの設定電流Ｉｓや溶接電圧Ｖの設定電圧Ｖｓや溶接ワイヤ１９の送給量やシールドガス種類や溶接ワイヤ１９の種類や溶接ワイヤ１９の径等の溶接条件等を設定する。記憶部１３は、溶接条件設定部１４により設定された情報や溶接ワイヤ１９の送給量の複数の値にそれぞれ対応する電子リアクトル制御の複数のリアクトル値、ピーク電流Ｉｐ、溶融電流Ｉｇ等の種々のパラメータを格納している。

アーク溶接装置１０１は、溶接電圧検出部９や記憶部１３からの出力に基づいてアーク１７の発生時の電流や電圧を制御する信号を出力するアーク制御部１２をさらに備える。駆動部７は、アーク制御部１２の出力に基づいてスイッチング部３を制御する。

溶接ワイヤ１９は、ワイヤ送給部２０により制御されるワイヤ送給モータによって送給される。溶接ワイヤ１９には、トーチ１５に備え付けられたチップ１６を介して溶接用の電力が供給され、溶接ワイヤ１９と母材１８との間でアーク１７を発生させて母材１８の溶接が行われる。

図１で示すアーク溶接装置１０１を構成する各構成部は、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してもよい。

アーク溶接装置１０１の動作を以下に説明する。アーク溶接装置１０１は、スプレー移行状態の定電圧制御のアーク溶接において、溶接電圧Ｖの出力を設定する設定電圧Ｖｓおよび溶接電流Ｉの出力を設定する設定電流Ｉｓに基づいて、溶接電圧Ｖと溶接電流Ｉを含む溶接出力を制御する。図２において、溶融開始点ｔ１では溶滴２３が溶接ワイヤ１９の先端部１９Ｐから離脱し、溶接ワイヤ１９の先端部１９Ｐの溶滴２３が成長し始める。溶滴離脱点ｔ３では、溶接電流Ｉがピーク電流Ｉｐに到達する。溶融開始点ｔ１から溶滴離脱点ｔ３までの成長期間Ｔ２では、溶接ワイヤ１９の先端部１９Ｐは溶融して形成される溶滴２３が成長する。溶接電圧Ｖはアーク１７のアーク長Ｌ１７に依存する。溶接ワイヤ１９の溶融が開始してから溶滴２３が成長するにつれてアーク長Ｌ１７が短くなり、溶接ワイヤ１９と母材１８との間の抵抗値が小さくなるので溶接電圧Ｖは低下する。溶滴離脱点ｔ３で溶接ワイヤ１９の先端部１９Ｐから溶滴２３が離脱し、再度、溶接ワイヤ１９の溶融が開始されるとアーク長Ｌ１７が再び長くなる。したがって、溶滴離脱点ｔ３で溶接ワイヤ１９と母材１８との間の抵抗値は高くなり、これに伴い溶接電圧Ｖが急峻に高くなる。このように溶接電圧Ｖの波形はのこぎり波となる。のこぎり波の波形に沿った溶接電圧Ｖの変化に伴い、溶接電流Ｉは、溶融電流Ｉｇと突起状のピーク電流Ｉｐとを交互に繰り返す。詳細には、溶接電流Ｉは、溶滴２３が離脱する際の溶滴離脱点ｔ３でピーク電流Ｉｐとなる。溶融電流Ｉｇは、溶接ワイヤ１９の溶融を開始して促進をする凹状に湾曲して極小値ＩＬを有するように連続的に変化する。溶接ワイヤ１９を送給する速度であるワイヤ送給量は設定電流にて決定される。設定電流の複数の値にそれぞれ対応する予め実験的に導出したワイヤ送給量の複数の値が記憶部１３に格納されている。ワイヤ送給量の複数の値にそれぞれ対応する溶接制御パラメータも記憶部１３に格納されている。実施の形態１では、十分にスプレー移行状態となる設定電流の値に対応するワイヤ送給量の値を選択する。本実施の形態におけるアーク溶接制御方法では、スプレー移行状態の定電圧制御のアーク溶接において、溶接電圧Ｖの出力を設定する設定電圧、および溶接電流Ｉの出力を設定する設定電流に基づいて、溶接出力の制御を行い、溶滴２３が離脱する際の突起状のピーク電流Ｉｐと溶接ワイヤ１９の溶融を開始して促進する凹状に湾曲して連続的に変化する曲線波形の溶融電流Ｉｇとを繰り返し、ピーク電流Ｉｐと溶融電流Ｉｇの湾曲の極小値ＩＬとの差分である電流変動幅Ｉｔが所定の値になるように制御し、溶接を行う。溶接ワイヤ１９から溶滴２３が離脱して、溶接ワイヤ１９の溶融が開始してから溶滴２３が溶接ワイヤ１９から離脱するまでの移行周期Ｔｔが所定の範囲に収まるように電流変動幅Ｉｔを調整する。言い換えると溶滴２３が溶接ワイヤ１９から離脱するタイミングが１回離脱／１周期となるように電流変動幅Ｉｔを調整する。

電流変動幅Ｉｔは、設定電流または、溶接電流Ｉの所定期間の移動平均の平均値を中心として、言い換えると溶接電流に対して±２５％以上±４５％以下の幅に、より好ましくは±２５％以上±３０％以下となるように制御する。具体的には、ピーク電流Ｉｐが溶接電流Ｉの平均値の２５％以上で４５％以下の値だけ溶接電流Ｉの平均値より大きく、かつ溶融電流Ｉｇの極小値ＩＬが溶接電流Ｉの平均値の２５％以上で４５％以下の値だけ溶接電流Ｉの平均値より小さくなるように電流変動幅Ｉｔを制御する。より好ましくは、具体的には、ピーク電流Ｉｐが溶接電流Ｉの平均値の２５％以上で３０％以下の値だけ溶接電流Ｉの平均値より大きく、かつ溶融電流Ｉｇの極小値ＩＬが溶接電流Ｉの平均値の２５％以上で３０％以下の値だけ溶接電流Ｉの平均値より小さくなるように電流変動幅Ｉｔを制御する。移動平均を算出する上記の所定期間は移行周期Ｔｔの整数倍である。電流変動幅Ｉｔで調整される移行周期Ｔｔは１５ｍｓｅｃ以上３５ｍｓｅｃ以下であり、より好ましくは１５ｍｓｅｃ以上２０ｍｓｅｃ以下である。これにより、移行周期Ｔｔが安定するのでアーク長Ｌ１９の変動が抑制され、ビード幅の均一化が図られる。

図３は電流変動幅Ｉｔと移行周期Ｔｔの関係を示す。図３に示す電流変動幅Ｉｔと移行周期Ｔｔとの上記範囲であるアーク安定領域Ａｓ内に電流変動幅Ｉｔと移行周期Ｔｔとを調整する事により溶接中のアークは安定する。

図３において、電流変動幅Ｉｔが±４５％を超えて大きく、アーク安定領域Ａｓから外れて、電流変動幅Ｉｔが大きくなると、凹状に湾曲して連続的に変化する曲線波形の溶融電流Ｉｇの極小値ＩＬが低くなるので、溶接ワイヤ１９を溶融して溶滴２３を成長させる成長期間Ｔ２での溶接ワイヤ１９への入熱量が不足する。そのため、母材１８に向かって送給されている溶接ワイヤ１９の先端部１９Ｐと母材１８間との距離が成長期間Ｔ２において短くなり、溶滴２３が溶接ワイヤ１９から離脱する前に溶接ワイヤ１９の先端部１９Ｐと母材１８が短絡することになり、アークが不安定となると共に、スパッタが発生する。

また、電流変動幅Ｉｔが±２５％より小さく、アーク安定領域Ａｓから外れて、電流変動幅Ｉｔが小さくなると、溶融電流Ｉｇの極小値ＩＬが高くなるので、成長期間Ｔ２での溶接ワイヤ１９への入熱量が過大となる。これにより、成長期間Ｔ２でのアーク反力が大きくなる。そのため、溶融させた溶接ワイヤ１９の先端部１９Ｐの溶滴２３が、溶接ワイヤ１９に向かって押し戻されるため、アーク不安定となると共に、溶接ワイヤ１９の先端部１９Ｐから飛散し、スパッタとなる。

次に、インダクタンス値を用いて、電流変動幅Ｉｔを制御する詳細動作について、図３を用いて説明する。インダクタンス値は、例えば、固定値としてのリアクトル６と電子リアクトル制御による可変可能な電子リアクトル値との加算値からなる。なお、実施の形態１ではリアクトル６のインダクタンス値は固定値であるが、可変としても良い。

図３において、電流変動幅Ｉｔが±４５％を超えてアーク安定領域Ａｓから外れて大きい場合は、電子リアクトル値を小さくして溶接の出力に関係するインダクタンスの値を大きくし、電圧制御の追従性を低下させて、電流変動幅Ｉｔがアーク安定領域Ａｓ内となるように調整する。

また、電流変動幅Ｉｔが±２５％より小さくアーク安定領域Ａｓから外れて小さい場合は、電子リアクトル値を大きくして、インダクタンス値を小さくし、電圧制御の追従性を向上させて、電流変動幅Ｉｔがアーク安定領域Ａｓ内となるように調整する。

以上の様に、図３に示すアーク安定領域Ａｓ内となるように電流変動幅Ｉｔを調整して制御することで、溶接ワイヤ１９の溶融時間が変化し、これに伴い、溶接ワイヤ１９の溶滴２３を離脱させる移行周期Ｔｔをアーク安定領域Ａｓ内である１５ｍｓｅｃ以上３５ｍｓｅｃ以下とすることができ、安定したアーク１７を得る事が出来る。

さらに、本実施の形態では、溶接電圧Ｖの所定期間の移動平均である平均値を設定する設定電圧を変更することで電流変動幅Ｉｔを調整する。溶接中の状態がスプレー移行状態になると共に、図３に示すように、電流変動幅Ｉｔが、アーク１７の安定するアーク安定領域Ａｓ内となるように、溶接電流Ｉの波形が設定電流を中心とした所定の範囲に入るように電流変動幅Ｉｔを調整する。

また、スプレー移行状態の定電圧制御のアーク溶接において、溶接の出力に関連するインダクタンス値を変更することで電流変動幅Ｉｔを制御する。インダクタンス値はリアクトル６と、記憶部１３に記憶された電子リアクトル制御の電子リアクトル値との加算値であり、インダクタンス値に対応する出力制御信号を駆動部７に出力する。これにより、インダクタンス値をきめ細かく調整し、電流変動幅Ｉｔがアーク安定領域Ａｓ内となるように電流変動幅Ｉｔを調整できる。

このように、実施の形態１におけるアーク溶接制御方法では、定電圧制御における設定電圧とインダクタンス値を調整して電流変動幅Ｉｔを最適化することによって、言い換えると溶滴２３の成長の変動幅を適正化し、電流変動幅Ｉｔがアーク安定領域Ａｓ内となるようにして移行周期Ｔｔを安定させることにより、スパッタの発生を抑制して、より安定したアーク溶接が可能となる。

図６に示すパルスアーク溶接方法では、アーク長が溶滴５２３の直径より少しでも大きければ、溶接ワイヤ５１９の先端部５１９Ｐと母材５１８とが短絡することがないので、スパッタを低減することが可能である。しかし、溶接中には、チップから溶接ワイヤ５１９が突き出ている長さである突出し長さの変動や母材５１８の位置ずれ等の外乱により、溶接ワイヤ５１９の先端５１９Ｐと母材５１８との距離が短くなる場合がある。溶接ワイヤ５１９の先端５１９Ｐと母材５１８間との距離が短くなると、溶滴５２３が溶接ワイヤ５１９の先端５１９Ｐから離脱する前に溶接ワイヤ５１９の先端５１９Ｐと母材５１８との短絡が発生する。そして、短絡が発生した時の溶接電流Ｉが高いピーク電流Ｉｐである場合には、短絡時に多量のスパッタが発生する。このように、突出し長さの変動や母材５１８の位置ずれ等の外乱が発生する場合に多量のスパッタが発生する場合がある。また、溶接ワイヤ５１９が溶融している時の溶接電流Ｉが低いベース電流Ｉｂである時には、アーク５１７の指向性欠如によるアークブローが生じやすくなる。このため、アーク長の変動が大きく、ビード幅が不均一になる場合がある。

実施の形態１におけるアーク溶接装置１０１では、上述のような定電圧制御を用いて電流変動幅Ｉｔを制御するので、アーク長Ｌ１７の変動が抑制される。これにより、溶接ワイヤ１９のチップ１６から突出する突出し長さＬ１９の変動や母材１８の位置ずれ等の外乱が発生してもアーク長Ｌ１７の変動が抑制され、移行周期Ｔｔが安定し、アークが安定する。したがって、溶接ワイヤ１９と母材１８との間の微小短絡が抑制され、スパッタが低減し、幅の均一なビードが得られる。

上述のように、実施の形態１におけるスプレー移行状態の定電圧制御のアーク溶接制御方法は、溶接ワイヤ１９に溶接電流Ｉを出力するアーク溶接装置を用いる。そのアーク溶接制御方法では、溶接電流Ｉが、溶接ワイヤ１９が溶融して形成された溶滴２３が溶接ワイヤ１９から離脱する際のピーク電流Ｉｐと、溶接ワイヤ１９の溶融を開始して促進する際の凹状に極小値ＩＬを有するように湾曲して連続的に変化する溶融電流Ｉｇとを繰り返すようにアーク溶接装置１０１を制御する。また、ピーク電流Ｉｐが溶接電流Ｉの平均値の２５％以上で４５％以下の値だけ溶接電流Ｉの平均値より大きく、かつ溶融電流Ｉｇの極小値ＩＬが溶接電流Ｉの平均値の２５％以上で４５％以下の値だけ溶接電流Ｉの平均値より小さくなるようにアーク溶接装置１０１を制御する。

溶接電圧Ｖの出力を設定する設定電圧Ｖｓに基づいて、溶接電流Ｉがピーク電流Ｉｐと溶融電流Ｉｇとを繰り返すようにアーク溶接装置１０１を制御してもよい。

スプレー移行状態の定電圧制御のアーク溶接制御方法は、溶接ワイヤ１９に溶接電流Ｉを出力するアーク溶接装置１０１を用いる。そのアーク溶接制御方法では、溶接ワイヤ１９の溶融の開始から溶滴２３が溶接ワイヤ１９から離脱するまでの移行周期Ｔｔが１５ｍｓｅｃ以上３５ｍｓｅｃ以下となるように、ピーク電流Ｉｐと極小値ＩＬとの差分である電流変動幅Ｉｔを制御してもよい。

（実施の形態２）
図４は実施の形態２におけるアーク溶接装置１０１ａの概略構成図である。図４において図１に示す実施の形態１におけるアーク溶接装置１０１と同様の箇所には同一の符号を付す。実施の形態２におけるアーク溶接装置１０１ａは実施の形態１におけるアーク溶接装置１０１の溶滴離脱検出部１０に接続された計時部１１をさらに備える。

計時部１１は移行周期Ｔｔを以下の方法で検出する。溶滴２３が溶接ワイヤ１９の先端部１９Ｐから離脱した溶滴離脱点ｔ３でアーク長Ｌ１７が急に長くなるので、溶滴離脱点ｔ３で検出された溶接電圧Ｖが急峻に高くなる。溶滴離脱検出部１０は、溶接電圧Ａが所定の電圧しきい値を超えた場合、あるいは、溶接電圧Ｖの単位時間当たりの変化量（ｄＶ／ｄｔ）が所定値を超えた場合に、溶滴２３が離脱したと判断し、溶滴２３の溶接ワイヤ１９からの離脱を検出する。計時部１１は、溶滴離脱検出部１０が溶滴の離脱を検出してから、その後溶滴２３の離脱を再度検出するまでの時間を移行周期Ｔｔとして検出する。記憶部１３は、予め実験等により求めたアーク安定領域Ａｓ（図３参照）内の移行周期Ｔｔの値を記憶している。検出した移行周期Ｔｔが、記憶部１３に記憶されているアーク安定領域Ａｓ内の移行周期Ｔｔの値となるように電流変動幅Ｉｔが調整される。

実施の形態２におけるアーク溶接制御方法では、溶接電圧Ｖの所定の電圧しきい値、あるいは、溶接電圧Ｖの単位時間当たりの変化量（ｄＶ／ｄｔ）を用いて移行周期Ｔｔを検出し、移行周期Ｔｔが予め求めたアークの安定領域Ａｓ内での所定の値となるように、電流変動幅Ｉｔを調整することにより、溶接ワイヤ１９の突出し長さＬ１９の変動や母材１８の位置ずれ等の外乱発生時においてもアーク１７が安定したアーク溶接が可能となる。また、このようにアーク１７が安定するため、ビード幅を均一に出来ると共に、微小短絡が抑制されるため、スパッタも低減される。

（実施の形態３）
図５Ａは実施の形態３におけるアーク溶接制御方法における溶接電流Ｉと溶接電圧Ｖとの関係を示す外部特性を示す。図５Ａにおいて縦軸は溶接電圧Ｖの平均値を示し、横軸は溶接電流Ｉの平均値を示す。図５Ｂは溶接電圧Ｖと溶接電流Ｉとを示す。溶接ワイヤ１９から溶滴２３が離脱して溶接ワイヤ１９の溶融の開始から溶滴２３の離脱までの移行周期Ｔｔが繰り返される。実施の形態３におけるアーク溶接制御方法では、繰り返される移行周期Ｔｔのうち、移行周期Ｔｔ１でのアーク長Ｌ１７に応じて移行周期Ｔｔ１の次の移行周期Ｔｔ２の電流変動幅Ｉｔが予め実験等により求めたアーク安定領域Ａｓ内に入るように、電流変動幅Ｉｔを図５Ａに示す外部特性の曲線に基づき制御する。電流変動幅Ｉｔを図５Ａに示す外部特性の曲線の代わりに、外部特性の関係を示すデータ表に基づき制御してもよい。

電流変動幅Ｉｔの調整にはピーク電流Ｉｐ、溶融電流Ｉｇ、移行周期Ｔｔおよび設定電圧のうち少なくとも一つの溶接制御パラメータを用いる。そして、図３に記載するアーク安定領域Ａｓでの電流変動幅Ｉｔおよび移行周期Ｔｔを満たすように電流変動幅Ｉｔを調整する。

図１に示す溶接電圧検出部９は、直前の移行周期Ｔｔ１または今の移行周期Ｔｔ２のうちの所定の一部の期間に検出した溶接電圧Ｖを用いてアーク長Ｌ１７を検出する。図５Ａと図５Ｂにおいて、設定電流Ｉｓおよび設定電圧Ｖｓを設定する。設定された設定電流Ｉｓと設定電圧Ｖｓに対応する溶接制御パラメータを用いてアーク溶接を行う。このアーク溶接において、溶接ワイヤ１９から溶滴２３が離脱して溶接ワイヤ１９の溶融の開始から溶接ワイヤ１９からの溶滴２３の離脱までの移行周期Ｔｔ１内においての溶接電圧Ｖの平均値により、移行周期Ｔｔ１での平均値としてのアーク長Ｌ１７を検出する。

例えば、図５Ｂにおいて、移行周期Ｔｔ２の直前の移行周期Ｔｔ１において、溶接電圧Ｖ（設定電圧Ｖｓの出力）の平均値をアーク長Ｌ１７の平均値として検出する。溶接電圧Ｖ（設定電圧Ｖｓの出力）の平均値が値Ｖ１である場合、図５Ａに示す外部特性より、溶接電圧Ｖの値Ｖ１に対応する溶接電流Ｉ（設定電流Ｉｓの出力）の平均値は値Ｉ１である。したがって、溶接電圧Ｖの値Ｖ１の設定電圧Ｖｓと溶接電流Ｉの値Ｉ１の設定電流Ｉｓとの溶接制御パラメータを移行周期Ｔｔ２の溶接制御パラメータとして用いる。

また、移行周期Ｔｔ１における溶接電圧Ｖ（設定電圧Ｖｓに対する電圧の出力値）の平均値をアーク長Ｌ１７の平均値として検出し、図５Ａに示す外部特性に従い、次の移行周期Ｔｔ２では、溶接電流Ｉの平均値が移行周期Ｔｔ１で検出した溶接電圧Ｖの平均値に対応する値になるように、ピーク電流Ｉｐおよび／または溶融電流Ｉｇの溶接制御パラメータを用いて電流変動幅Ｉｔを制御することで、スパッタの発生を抑制すると共に、ビード幅を均一化することができる。

例えば、移行周期Ｔｔ１での溶接電圧Ｖの平均値によりアーク長の平均値を検出する。移行周期Ｔｔ１の次の移行周期Ｔｔ２では、移行周期Ｔｔ１で検出した溶接電圧Ｖの平均値に対応して図５Ａに示す外部特性で決定される溶接電流Ｉ（設定電流Ｉｓの出力）の平均値になるように、ピーク電流Ｉｐ（Ｉｐ２）および／または溶融電流Ｉｇ（Ｉｇ２）を用いて次の移行周期Ｔｔ２での電流変動幅Ｉｔを制御しても良い。これにより、きめ細かい電流変動幅Ｉｔの調整が可能となる。

同様に、移行周期Ｔｔ２での溶接電圧Ｖの平均値によりアーク長の平均値を検出する。移行周期Ｔｔ２の次の移行周期Ｔｔ３では、移行周期Ｔｔ２で検出した溶接電圧Ｖの平均値に対応して図５Ａに示す外部特性で決定される溶接電流Ｉ（設定電流Ｉｓの出力）の平均値になるように、ピーク電流Ｉｐ（Ｉｐ３）および／または溶融電流Ｉｇ（Ｉｇ３）を用いて次の移行周期Ｔｔ３での電流変動幅Ｉｔを制御しても良い。これにより、きめ細かい電流変動幅Ｉｔの調整が可能となる。

また、溶接ワイヤ１９が赤熱することによって、アーク長Ｌ１７が長くなり、移行周期Ｔｔｄ毎の溶接電圧Ｖの平均値が相対的に高くなると、母材１８への入熱量が大きくなって母材１８に溶け落ちが生じる場合がある。この場合には、溶接電流Ｉと溶接電圧Ｖとの外部特性の曲線の傾きを緩くし、アーク長Ｌ１７（各移行周期Ｔｔでの溶接電圧Ｖの平均値）の変動に対する溶接制御パラメータ（溶接電流Ｉの平均値）の追従性を向上させることで、母材１８への入熱量を低減させることができる。

実施の形態３におけるアーク溶接制御方法では、溶接中に直前の移行周期Ｔｔ（Ｔｔ１）でのアーク長Ｌ１７（溶接電圧Ｖの平均値）を検出し、次の移行周期Ｔｔ（Ｔｔ２）において、アーク長Ｌ１７（溶接電圧Ｖの平均値）に対して最適な電流変動幅Ｉｔを調整するので、突出し長さＬ１９や溶接ワイヤ１９と母材１８の位置によらず、アーク１７が安定する。なお、移行周期Ｔｔ１でのアーク長Ｌ１７に基づいて電流変動幅Ｉｔは、次の移行周期Ｔｔ２に調整されるが、アーク１７の安定に悪影響を与えなければ、移行周期Ｔｔ２以降の例えばさらに次の移行周期Ｔｔ３に移行周期Ｔｔ１でのアーク長Ｌ１７に基づいて電流変動幅Ｉｔを調整しても良い。

さらに、溶接時に突出し長さＬ１９の変動や母材１８の位置ずれ等の外乱が発生しても、アーク長Ｌ１７が一定になる様に制御されるので、アーク１７が安定する。これにより、溶接ワイヤ１９と母材１８との微小短絡が抑制され、スパッタ低減やビード幅の均一化も可能となり、また、溶接ワイヤ１９の溶け落ちを抑制することも可能となる。

以上のように、実施の形態１、２、３におけるスプレー移行状態の定電圧制御のアーク溶接を行うアーク溶接制御方法では、スプレー移行状態の定電圧制御のアーク溶接において、溶接電圧Ｖの出力を設定する設定電圧Ｖｓおよび溶接電流Ｉの出力を設定する設定電流Ｉｓに基づいて溶接出力（溶接電圧Ｖ、溶接電流Ｉ）を制御する。溶接電流が、溶滴２３が離脱する突起状のピーク電流Ｉｐと、溶接ワイヤ１９の溶融を開始して促進する凹状に湾曲して連続的に変化する曲線波形の溶融電流Ｉｇとを繰り返し、ピーク電流Ｉｐと溶融電流Ｉｇの湾曲の極小値ＩＬとの差分である電流変動幅Ｉｔが所定の値になるように、設定電圧Ｖｓと、設定電流Ｉｓと、溶接出力に関係するインダクタンス値と、溶接電流Ｉと溶接電圧Ｖの関係を示す外部特性の少なくとも一つを用いて溶接電流Ｉを制御する。これにより、溶接電流Ｉの電流変動幅Ｉｔで溶接電流Ｉを調整するので、アーク長Ｌ１７の変動に対して追従性が高く、従来の定電流パルス制御としてのパルスアーク溶接法のようにシールドガス等の組成に制約を受けることもなく、さらに、突出し長さＬ１９の変動や母材１８の位置ずれ等の外乱が発生しても、またさらに、炭酸ガスの濃度が３０％を超える、または炭酸ガスを主成分とするシールドガスを用いた場合でもアーク１７が安定する。したがって、溶接ワイヤ１９と母材１８との微小短絡が抑制され、スパッタが低減され、ビード幅が均一化される。

上述のように、スプレー移行状態の定電圧制御のアーク溶接制御方法は、溶接ワイヤ１９に溶接電流Ｉと溶接電圧Ｖとを含む溶接出力を出力して溶接ワイヤ１９からアーク１７を発生させるアーク溶接装置１０１を用いる。そのアーク溶接制御方法では、ピーク電流Ｉｐと極小値ＩＬとの差分である電流変動幅Ｉｔが所定の値になるように、溶接出力に関係するインダクタンス値と、溶接電流Ｉと溶接電圧Ｖとの関係を示す外部特性との少なくとも一つを用いてアーク溶接装置を制御する。

溶接ワイヤ１９の溶融を開始してから溶滴２３が溶接ワイヤ１９から離脱するまでの移行周期Ｔｔが所定の範囲に収まるように、電流変動幅Ｉｔを調整してもよい。

移行周期Ｔｔは１５ｍｓｅｃ以上３５ｍｓｅｃ以下であってもよい。

溶接電圧Ｖの所定の電圧しきい値、または、溶接電圧Ｖの単位時間当たりの変化量（ｄＶ／ｄｔ）を用いて、溶接ワイヤ１９の溶融を開始してから溶滴２３が溶接ワイヤ１９から離脱するまでの移行周期Ｔｔを検出する。検出した移行周期Ｔｔが予め求めたアークの安定領域Ａｓ内での所定の値となるように、電流変動幅Ｉｔを調整する。

ピーク電流Ｉｐは溶接電流Ｉの平均値の２５％以上で４５％以下の値だけ溶接電流の平均値より大きく、溶融電流Ｉｇの極小値ＩＬは溶接電流Ｉの平均値の２５％以上で４５％以下の値だけ溶接電流Ｉの平均値より小さくてもよい。

ピーク電流Ｉｐは溶接電流Ｉの平均値の３０％以下の値だけ溶接電流Ｉの平均値より大きく、溶融電流Ｉｇの極小値ＩＬは溶接電流の平均値の３０％以下の値だけ溶接電流Ｉの平均値より小さくてもよい。

アーク溶接装置はリアクトルを備えて、かつ電子リアクトル制御を行ってもよい。その場合、インダクタンス値は、リアクトルと電子リアクトル制御による電子リアクトル値との加算値である。

アーク溶接装置１０１（１０１ａ）は、溶接ワイヤ１９の溶融を開始してから溶滴２３が溶接ワイヤ１９から離脱するまでの移行周期Ｔｔを繰り返す。繰り返される移行周期Ｔｔのうちの或る移行周期Ｔｔ１でのアーク１７のアーク長Ｌ１７に応じて、繰り返される移行周期Ｔｔのうちの或る移行周期Ｔｔ１の次の移行周期Ｔｔ２において溶接電流Ｉの平均値が溶接電圧Ｖの平均値に対応する値になるように外部特性を用いて電流変動幅Ｉｔを調整する。

ピーク電流Ｉｐと溶融電流Ｉｇとのうちの少なくとも一つにより電流変動幅Ｉｔを制御してもよい。

６ リアクトル
１７ アーク
１８ 母材
１９ 溶接ワイヤ
１０１ 溶接装置
Ｉｐ ピーク電流
Ｉｇ 溶融電流
Ｔｔ 移行周期
Ｉｔ 電流変動幅
ｔ１ 溶融開始点
Ｔ２ 成長期間
ｔ３ 溶滴離脱点
ＴＭ 低下時間

Claims (15)

1. 溶接ワイヤに溶接電流を出力するアーク溶接装置を用いた、スプレー移行状態の定電圧制御のアーク溶接制御方法であって、
   前記溶接電流が、前記溶接ワイヤが溶融して形成された溶滴が前記溶接ワイヤから離脱する際のピーク電流と、前記溶接ワイヤの溶融を開始して促進する際の凹状に極小値を有するように湾曲して連続的に変化する溶融電流とを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と、
   前記ピーク電流が前記溶接電流の平均値の２５％以上で４５％以下の値だけ前記溶接電流の前記平均値より大きく、かつ前記溶融電流の前記極小値が前記溶接電流の平均値の２５％以上で４５％以下の値だけ前記溶接電流の前記平均値より小さくなるように前記アーク溶接装置を制御するステップと、
   を含むアーク溶接制御方法。
2. 前記溶接電流が前記ピーク電流と前記溶融電流とを繰り返すように前記アーク溶接装置を制御する前記ステップは、溶接電圧の出力を設定する設定電圧に基づいて、前記溶接電流が前記ピーク電流と前記溶融電流とを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む、請求項１に記載のアーク溶接制御方法。
3. 溶接ワイヤに溶接電流を出力するアーク溶接装置を用いた、スプレー移行状態の定電圧制御のアーク溶接制御方法であって、
   前記溶接電流が、前記溶接ワイヤが溶融して形成された溶滴が前記溶接ワイヤから離脱する際のピーク電流と、前記溶接ワイヤの溶融を開始して促進する際の凹状に湾曲して極小値を有するように連続的に変化する溶融電流とを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と、
   前記溶接ワイヤの前記溶融の開始から前記溶滴が前記溶接ワイヤから離脱するまでの移行周期が１５ｍｓｅｃ以上３５ｍｓｅｃ以下となるように、前記ピーク電流と前記極小値との差分である電流変動幅を制御するステップと、
   を含むアーク溶接制御方法。
4. 溶接ワイヤに溶接電流と溶接電圧とを含む溶接出力を出力して前記溶接ワイヤからアークを発生させるアーク溶接装置を用いた、スプレー移行状態の定電圧制御のアーク溶接制御方法であって、
   前記溶接電流が、前記溶接ワイヤが溶融して形成された溶滴が前記溶接ワイヤから離脱する際のピーク電流と、溶接ワイヤの溶融を開始して促進する際の凹状に湾曲して極小値を有するように連続的に変化する溶融電流とを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と、
   前記ピーク電流と前記極小値との差分である電流変動幅が所定の値になるように、前記溶接出力に関係するインダクタンス値と、前記溶接電流と前記溶接電圧との関係を示す外部特性との少なくとも一つを用いて前記アーク溶接装置を制御するステップと、
   を含むアーク溶接制御方法。
5. 前記ピーク電流は前記溶接電流の平均値の２５％以上で４５％以下の値だけ前記溶接電流の前記平均値より大きく、
   前記溶融電流の前記極小値は前記溶接電流の平均値の２５％以上で４５％以下の値だけ前記溶接電流の前記平均値より小さい、請求項４に記載のアーク溶接制御方法。
6. 前記ピーク電流は前記溶接電流の前記平均値の３０％以下の値だけ前記溶接電流の前記平均値より大きく、
   前記溶融電流の前記極小値は前記溶接電流の平均値の３０％以下の値だけ前記溶接電流の前記平均値より小さい、請求項５に記載のアーク溶接制御方法。
7. 前記アーク溶接装置はリアクトルを備えて、かつ電子リアクトル制御を行い、
   前記インダクタンス値は、前記リアクトルと前記電子リアクトル制御による電子リアクトル値との加算値である、請求項４に記載のアーク溶接制御方法。
8. 前記アーク溶接装置は、前記溶接ワイヤの前記溶融を開始してから前記溶滴が前記溶接ワイヤから離脱するまでの移行周期を繰り返し、
   前記インダクタンス値と前記外部特性との前記少なくとも一つを用いて前記アーク溶接装置を制御するステップは、前記繰り返される移行周期のうちの或る移行周期での前記アークのアーク長に応じて、前記繰り返される移行周期のうちの前記或る移行周期の次の移行周期において前記溶接電流の平均値が前記溶接電圧の平均値に対応する値になるように前記外部特性を用いて前記電流変動幅を調整するステップを含む、請求項４に記載のアーク溶接制御方法。
9. 前記電流変動幅を調整するステップは、前記ピーク電流と前記溶融電流とのうちの少なくとも一つにより前記電流変動幅を制御するステップを含む、請求項８に記載のアーク溶接制御方法。
10. 前記ピーク電流と前記溶融電流とのうちの少なくとも一つにより前記電流変動幅を制御するステップをさらに含む、請求項４に記載のアーク溶接制御方法。
11. 溶接ワイヤに溶接電流と溶接電圧とを含む溶接出力を出力して前記溶接ワイヤからアークを発生させるアーク溶接装置を用いた、スプレー移行状態の定電圧制御のアーク溶接制御方法であって、
    前記溶接電流が、前記溶接ワイヤが溶融して形成された溶滴が前記溶接ワイヤから離脱する際のピーク電流と、溶接ワイヤの溶融を開始して促進する際の凹状に湾曲して極小値を有するように連続的に変化する溶融電流とを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と、
    前記溶接ワイヤの前記溶融を開始してから前記溶滴が前記溶接ワイヤから離脱するまでの移行周期が所定の範囲に収まるように、前記ピーク電流と前記極小値との差分である電流変動幅を調整するステップと、
    を含むアーク溶接制御方法。
12. 前記移行周期は１５ｍｓｅｃ以上３５ｍｓｅｃ以下である、請求項１１に記載のアーク溶接制御方法。
13. 前記電流変動幅を調整するステップは、前記電流変動幅が所定の値になるように、前記溶接出力に関係するインダクタンス値と、前記溶接電流と前記溶接電圧との関係を示す外部特性との少なくとも一つを用いて前記アーク溶接装置を制御するステップを含む、請求項１１に記載のアーク溶接制御方法。
14. 溶接ワイヤに溶接電流と溶接電圧とを含む溶接出力を出力して前記溶接ワイヤからアークを発生させるアーク溶接装置を用いた、スプレー移行状態の定電圧制御のアーク溶接制御方法であって、
    前記溶接電流が、前記溶接ワイヤが溶融して形成された溶滴が前記溶接ワイヤから離脱する際のピーク電流と、溶接ワイヤの溶融を開始して促進する際の凹状に湾曲して極小値を有するように連続的に変化する溶融電流とを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と、
    前記溶接電圧の所定の電圧しきい値、または、前記溶接電圧の単位時間当たりの変化量を用いて、前記溶接ワイヤの前記溶融を開始してから前記溶滴が前記溶接ワイヤから離脱するまでの移行周期を検出するステップと、
    検出した前記移行周期が予め求めた前記アークの安定領域内での所定の値となるように、前記ピーク電流と前記極小値との差分である電流変動幅を調整するステップと、
    を含むアーク溶接制御方法。
15. 前記電流変動幅を調整するステップは、前記電流変動幅が所定の値になるように、前記溶接出力に関係するインダクタンス値と、前記溶接電流と前記溶接電圧との関係を示す外部特性との少なくとも一つを用いて前記アーク溶接装置を制御するステップを含む、請求項１４に記載のアーク溶接制御方法。

Images