JP6994623B2

JP6994623B2 - アークスタート方法

Info

Publication number: JP6994623B2
Application number: JP2017073477A
Authority: JP
Inventors: 将史藤原; 篤寛川本; 海斗松井; 昂裕野口; 祐太郎新留
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-04-08
Filing date: 2017-04-03
Publication date: 2022-01-14
Anticipated expiration: 2037-04-03
Also published as: JP2017189818A

Description

本開示は消耗電極である溶接用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スタート方法に関する。

従来のアーク溶接では、図５で示すように、溶接開始部分から本溶接平均電流ＩＮで行う。上記従来のアーク溶接では、溶接開始部分において、アルミなどの熱伝導率が高く固有抵抗率の低い母材を溶接する場合、溶接開始部分の付近では入熱不足により溶込み不足が発生することがある。そして、ビード幅が狭く、ビード高さが高く、溶込みが浅く、ビードのなじみがないビード外観になることがある。

上記解決のため、半自動アーク溶接装置でのアークスタート溶接方法では、図６で示すように、アークスタート期間において初期溶接平均電流を所定時間保持した後、作業者のトーチスイッチ操作により本溶接平均電流への溶接条件の切り替えを行っていた。

また、自動溶接装置（ロボット）によるアークスタート溶接方法では、図６で示すように、アークスタート期間ＴＳにおいて、本溶接期間ＴＮの本溶接平均電流ＩＮよりも大きい初期溶接平均電流ＩＳを初期溶接平均電流保持期間ＴＳ２で出力し、本溶接期間ＴＮの溶接速度よりも小さい速度で溶接開始部分である溶接開始位置より移動して制御することが開示されている（例えば特許文献１）。

国際公開第２００８／０４７４８８号

従来の半自動アーク溶接装置でのアルミなどの熱伝導率が高く固有抵抗率の低い母材を溶接する場合のアークスタート溶接方法では、図６で示すように、アークスタート期間において本溶接期間の本溶接平均電流よりも大きい初期溶接平均電流を所定時間保持した後、作業者のトーチスイッチ操作により平均本溶接電流への溶接条件の切り替えを行っていた。そのため、作業者や母材形状、板厚、溶接速度等の溶接環境によるばらつきが大きく、溶落ちや溶込み不足が発生し、溶接品質を確保するための溶接条件を選定することが困難であった。

また、アークスタート期間において、図６、図７に記載のように溶接電流増加傾きを急峻化することで、アークが不安定になり、短絡が増加するため入熱が低下し溶込み量が低下する。また、溶接電流増加傾きを鈍化することも、熱伝導率が高いことから、溶接開始位置における入熱が低下し溶込み量が低下する。

上記課題を解決するために、本開示のアークスタート方法は、溶接ワイヤまたは母材の材質がアルミを主成分とし、溶接ワイヤと母材の間でピーク電流とベース電流をパルス状にしたパルス電流を供給して溶接を行うものであり、アークスタート期間から本溶接期間に移行するアーク溶接のアークスタート方法であって、前記パルス電流を時間平均し、前記アークスタート期間の一定の溶接平均電流を本溶接期間の本溶接平均電流よりも高くした入熱制御を所定時間行い、前記所定時間が経過後に本溶接期間に移行し、前記アークスタート期間の入熱量を予め決定し、前記アークスタート期間において、前記溶接平均電流および前記入熱量となるように前記アークスタート期間の溶接電流の増加傾きおよび／または減少傾きを決定し、前記アークスタート期間の前記溶接平均電流の保持時間が、２００ｍｓｅｃ以上、４００ｍｓｅｃ未満の場合は、前記アークスタート期間の前記溶接平均電流の本溶接平均電流に対する倍率は、前記本溶接期間の本溶接平均電流に対して、１．２倍以上、２．２倍以下であり、前記アークスタート期間の前記溶接平均電流の保持時間が、４００ｍｓｅｃ以上、１５００ｍｓｅｃ以下の場合は、前記アークスタート期間の前記溶接平均電流の本溶接平均電流に対する倍率は、前記本溶接期間の本溶接平均電流に対して、１．２倍以上、かつ、前記溶接平均電流の保持時間をＸとし、―０．０００８Ｘ+２．５２７３で示す値以下の範囲であるアークスタート方法である。

本開示によれば、アルミなどの熱伝導率が高く、固有抵抗率の低い母材を溶接する場合でも、アークスタート期間において、溶接開始位置に十分な溶込み量を確保でき、溶融池が安定した状態で本溶接への移行ができる。

本実施の形態におけるアーク溶接装置の概略構成を示す図（ａ）本実施の形態における溶接電流の時間変化を示す図、（ｂ）実施の形態におけるトーチスイッチ操作を示す図本実施の形態のアークスタート期間ＴＳにおける各溶接条件とその結果を示す範囲の図実施の形態のアークスタート期間ＴＳにおける各溶接条件とその結果を示す範囲図（ａ）従来の溶接電流の時間変化を示す図、（ｂ）従来のトーチスイッチ操作を示す図従来の自動溶接装置における溶接電流の時間変化を示す図（ａ）従来の半自動溶接装置における溶接電流の時間変化を示す図、（ｂ）従来の半自動溶接装置におけるトーチスイッチ操作による溶接電流の切り替えを示す図

以下、本開示の実施の形態について、図１、図２、図３、図４を用いて説明する。

図１は、本開示の実施の形態におけるアーク溶接装置の概略構成を示す図である。アーク溶接装置は、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。さらに、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、溶接電流を検出する溶接電流検出部８と、検出した溶接電流から溶接開始の判定を行う溶接開始判定部９を備える。

さらに、設定電流や設定電圧やワイヤ送給量やシールドガス種類や溶接ワイヤ１７のワイヤ種類やワイヤ径等の溶接条件等を設定する溶接条件設定部１２と、溶接条件設定部１２により設定された情報やワイヤ送給速度毎のピーク電流値、ベース電流値等の種々のパラメータが格納されている記憶部１１を備える。さらに、記憶部１１からの出力に基づいてアーク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１０を備える。

なお、駆動部７は、アーク制御部１０出力に基づいてスイッチング部３を制御する。また、溶接ワイヤ１７、ワイヤ送給部１８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１７には、トーチ１３に備え付けられたチップ１４を介してリアクトル６で平滑された溶接用の電力が供給され、溶接ワイヤ１７と母材１６との間でアーク１５を発生させて溶接が行われる。

またなお、図１で示したアーク溶接装置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。以上のように構成されるアーク溶接装置について、その動作を説明する。

図２は、本開示の実施の形態でのアークスタート期間ＴＳ、本溶接期間ＴＮにおけるパルス溶接電流を時間平均した電流値を示しており、その溶接電流の時間変化を示す図である。図３は、アークスタート期間ＴＳにおける各溶接期間での溶接条件を示す図であり、図４はその結果を示す図である。

アークスタート期間ＴＳにおいて、母材１６の図示しない溶接開始部分での溶接電流増加期間ＴＳ１では、溶接電流を供給し、初期溶接平均電流ＩＳに一定の割合で徐々に増加するように制御される。この溶接電流増加期間ＴＳ１が５０ｍｓｅｃ未満では、急峻な溶接電流Ｉの増加により、アークが不安定になり短絡が増加し入熱が低下する。また、溶接電流増加期間ＴＳ１が４００ｍｓｅｃを超えると、アルミなどの熱伝導率の高い母材では、溶接開始部分での熱が、鉄などの母材に比べ早く分散するため溶接開始部分へ十分な熱を入れることができずに入熱が低下する。

このため、溶接電流増加期間ＴＳ１は５０ｍｓｅｃ以上４００ｍｓｅｃ以下の範囲で初期溶接平均電流ＩＳに到達することで、アルミなどの熱伝導率の高い母材でも、溶接電流増加期間ＴＳ１での母材１６への入熱が良好となり、溶接状態が安定する。

次にアークスタート期間ＴＳにおける、溶接電流増加期間ＴＳ１、初期溶接平均電流保持期間ＴＳ２、溶接電流減少期間ＴＳ３および初期溶接平均電流ＩＳの出力値と出力タイミングに関して、図１のアーク溶接装置の概略構成を用いて説明する。溶接電流検出部８が電流を検出し、溶接開始判定部９により溶接開始が判定されると同時に、溶接条件設定部１２により本溶接平均電流ＩＮが決定し、記憶部１１より本溶接平均電流ＩＮに紐づけられた、溶接電流増加期間ＴＳ１、初期溶接平均電流保持期間ＴＳ２、溶接電流減少期間ＴＳ３およびＩＳが決定し、アーク制御部１０へ出力される。

また、アークスタート期間における、初期溶接平均電流保持期間ＴＳ２では、本溶接期間ＴＮの本溶接平均電流ＩＮよりも高い初期溶接平均電流ＩＳを一定時間出力するように制御される。
初期溶接平均電流保持期間ＴＳ２は、２００ｍｓｅｃ以上、４００ｍｓｅｃ未満の場合は、アークスタート期間の初期溶接平均電流ＩＳは、本溶接期間ＴＮの本溶接平均電流ＩＮに対して、１．２倍以上、２．２倍以下であり、アークスタート期間の初期溶接平均電流保持期間ＴＳ２が、４００ｍｓｅｃ以上、１５００ｍｓｅｃ以下の場合は、アークスタート期間の初期溶接平均電流ＩＳは、本溶接期間ＴＮの本溶接平均電流ＩＮに対して、１．２倍以上、かつ、初期溶接平均電流ＩＳをＹ、初期溶接平均電流保持期間ＴＳ２をＸとし、Ｙ＝―０．０００８Ｘ+２．５２７３で示す関係式の値以下の範囲に設定することで、初期溶接平均電流保持期間ＴＳ２での母材１６への入熱が良好となり、アルミなどの熱伝導率が高く溶接点への熱が分散しやすい母材に対して十分な溶込みを得ることができ、融点が低く溶落ちが発生しやすい母材に対しても過剰入熱による溶落ちを防ぐことができ、ビード幅を均一に形成できる。

次に、アークスタート期間ＴＳにおける、溶接電流減少期間ＴＳ３では、初期溶接平均電流ＩＳから本溶接平均電流ＩＮに一定の割合で徐々に低減するように制御される。溶接電流減少期間ＴＳ３は、４００ｍｓｅｃ未満では入熱が不足しており、初期溶接平均電流保持期間ＴＳ２では、溶接開始位置への入熱を十分に加えたために、アークスタート期間から移行した本溶接期間ＴＮの溶融金属が溶接開始位置の方向に引かれて、溶接開始位置付近のビード幅が広く、本溶接期間ＴＮの開始部分のビードが相対的に細くなり、すなわち、くびれたビード形成状態になる。溶接電流減少期間ＴＳ３が１０００ｍｓｅｃを超えると、アルミなどの融点が低い母材に対し過剰入熱により本溶接期間ＴＮで溶落ちが発生しやすくなる。

このため、溶接電流減少期間ＴＳ３は、４００ｍｓｅｃ以上１０００ｍｓｅｃ以下の範囲で本溶接平均電流ＩＮに到達するように設定することで、溶接電流減少期間ＴＳ３での入熱が良好となり、ビード幅の均一性を安定して確保することができる。

以上のように本開示の本開示のアークスタート方法は、溶接ワイヤまたは母材の材質がアルミを主成分とし、溶接ワイヤと母材の間でピーク電流とベース電流をパルス状に供給して溶接を行うものであり、アークスタート期間の初期溶接平均電流を本溶接期間の本溶接平均電流よりも高くした初期入熱制御を所定時間行い、所定時間が経過後に本溶接期間ＴＮに移行するものである。

また、上記に加えて、アークスタート期間の入熱量を予め決定し、アークスタート期間において、初期溶接平均電流及び入熱量となるようにアークスタート期間の溶接電流の増加傾きおよび／または減少傾きを決定するものである。

上記のようにアークスタート期間ＴＳにおいて、溶接電流を制御することで、溶接開始部で母材への適切な入熱が行われており、溶融池が安定した状態で本溶接期間ＴＮへ移行でき、本溶接を安定させることができる。また、トーチスイッチ操作による平均本溶接への溶接条件の切り替えを無くすことで、作業者ごとのバラつきを無くし、アルミなどの熱伝導率が高く、固有抵抗率の低い母材を溶接する場合でも溶接品質を確保することができる。

アーク溶接制御方法および半自動アーク溶接装置において、均質な溶接品質を確保できるので、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。

１入力電源
２１次整流部
３スイッチング部
４トランス
５２次整流部
６リアクトル
７駆動部
８溶接電流検出部
９溶接開始判定部
１０アーク制御部
１１記憶部
１２溶接条件設定部
１３トーチ
１４チップ
１５アーク
１６母材
１７溶接ワイヤ
１８ワイヤ送給部
ＩＮ本溶接平均電流
ＩＳ初期溶接平均電流
ＴＮ本溶接期間
ＴＳアークスタート期間
ＴＳ１溶接電流増加期間
ＴＳ２初期溶接平均電流保持期間
ＴＳ３溶接電流減少期間

Claims

溶接ワイヤまたは母材の材質がアルミを主成分とし、溶接ワイヤと母材の間でピーク電流とベース電流をパルス状にしたパルス電流を供給して溶接を行うものであり、アークスタート期間から本溶接期間に移行するアーク溶接のアークスタート方法であって、前記パルス電流を時間平均し、前記アークスタート期間の一定の溶接平均電流を本溶接期間の本溶接平均電流よりも高くした入熱制御を所定時間行い、前記所定時間が経過後に本溶接期間に移行し、
前記アークスタート期間の入熱量を予め決定し、前記アークスタート期間において、前記溶接平均電流および前記入熱量となるように前記アークスタート期間の溶接電流の増加傾きおよび／または減少傾きを決定し、
前記アークスタート期間の前記溶接平均電流の保持時間が、２００ｍｓｅｃ以上、４００ｍｓｅｃ未満の場合は、前記アークスタート期間の前記溶接平均電流の本溶接平均電流に対する倍率は、前記本溶接期間の本溶接平均電流に対して、１．２倍以上、２．２倍以下であり、前記アークスタート期間の前記溶接平均電流の保持時間が、４００ｍｓｅｃ以上、１５００ｍｓｅｃ以下の場合は、前記アークスタート期間の前記溶接平均電流の本溶接平均電流に対する倍率は、前記本溶接期間の本溶接平均電流に対して、１．２倍以上、かつ、前記溶接平均電流の保持時間をＸとし、―０．０００８Ｘ+２．５２７３で示す値以下の範囲であるアークスタート方法。
前記アークスタート期間において、前記溶接平均電流および前記入熱量となるように、前記溶接電流の前記増加傾きの増加傾き期間は、５０ｍｓｅｃ以上、４００ｍｓｅｃ以下の範囲で、前記溶接平均電流に到達する請求項１記載のアークスタート方法。
前記アークスタート期間において、前記溶接平均電流および前記入熱量となるように、前記溶接電流の前記減少傾きの減少傾き期間は、４００ｍｓｅｃ以上、１０００ｍｓｅｃ以下の範囲で、前記本溶接平均電流に到達する請求項１記載のアークスタート方法。
前記アークスタート期間の前記溶接平均電流は、前記本溶接期間の本溶接平均電流に対して、１．２倍以上、２．２倍以下の範囲とする、請求項１記載のアークスタート方法。
前記アークスタート期間の前記溶接平均電流の保持時間は、２００ｍｓｅｃ以上、１５００ｍｓｅｃ以下の範囲である、請求項１記載のアークスタート方法。