JP2010142824A - 交流アーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワーク精度のばらつきやギャップ量が変化する場合、ワイヤの突き出し長さが変化し短絡発生が不測のタイミングで発生する。特に突き出し長さが著しく変化する場合には転流のタイミングで短絡発生する場合があり、その際アーク長が一定にならないためにアーク不安定やアーク切れやビード幅の細りが発生するという課題があった。
【解決手段】ピーク電流とベース電流からなる逆極性電流を通電する逆極性期間と、正極性電流を通電する正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う交流アーク溶接方法であって、前記逆極性期間の終了時点でワイヤと母材が短絡している場合には前記正極性期間とはせずに前記短絡を開放させるために電流を増加する短絡制御を行い、前記短絡が開放した後に逆極性のまま前記ピーク電流と前記ベース電流からなる前記逆極性電流を出力した後に前記正極性期間にする。
【選択図】図１

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に、ピーク電流とベース電流からなる逆極性電流を出力する逆極性期間（ＥＰ期間）と、正極性電流を出力する正極性期間（ＥＮ期間）とを交互に繰り返して溶接を行う交流アーク溶接における転流時のアーク溶接制御方法に関するものである。

近年、溶接業界では溶接物の軽量化や溶接品質向上の要求が高まっている。特に自動車や自動二輪の業界では溶接物（以下、母材という）の薄板化が進んでおり、溶接による熱により溶け落ち等が発生しないよう溶接の低入熱化が必要である。また、母材間に介在する隙間（以下、ギャップという）が大きい箇所では、溶接入熱が片側の母材に偏り、溶け落ち等が発生して不良品となる。そして、この不良品の手直し工程が余分に必要となる。さらに、手直ししても修復できない場合にはその母材を廃棄することとなり、生産性が著しく低下してしまう。

このような薄板溶接あるいはギャップ溶接に対応する溶接法として、交流パルス溶接が知られており、ワイヤ側が正極であり母材側が負極である逆極性溶接と、ワイヤ側が負極であり母材側が正極である正極性溶接とを交互に繰り返す。

交流パルス溶接では、逆極性溶接時に母材側の溶融を促進し、正極性溶接時にワイヤの溶融を促進するため、母材への入熱低減を図ることできる。ところが、母材の精度のばらつきやギャップ量が変化する場合には、ワイヤの突き出し長さが変化して短絡発生が不測のタイミングで発生する。通常は、電圧設定を低下させていくとアーク長が短くなり、パルス印加直後のパルス立下り部あるいはベース電流に移行してすぐのタイミングで短絡が発生する。しかし、突き出し長さが著しく変化する場合には、転流のタイミングで短絡が発生する場合がある。

従来の交流アーク溶接方法では、転流してからの短絡期間を除くアーク発生時間を積算し、その積算値が所定の時間に到達すると転流を実施していた。従って、短絡期間中に転流することはない。

また、短絡が開放してアークが再発生する直後はアークが不安定であり、母材に形成されている溶融プールの揺動が大きいためアークが安定せず、アークが消滅する場合が多い。故に、アークが再発生した直後のアークが不安定な状態で転流することを禁止するため、アークが再発生した直後の所定時間は転流を禁止し、アークが安定してから転流する交流アーク溶接方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１１−０９０６２８号公報

従来の交流アーク溶接方法では、図４に示すように、短絡が開放してアークが再発生した直後の所定時間ＴＷ（待ち時間）は、アーク切れが発生し易いため転流を禁止する。そして、待ち時間ＴＷ以外のアーク発生時間を時点Ａ３の転流タイミングから積算し（Ｔ１１＋Ｔ１２＋Ｔ１３）、積算した時間が所定値に到達すると時点Ａ４の転流タイミングで転流する。

この溶接方法では、待ち時間ＴＷ以降のアーク期間中のどのタイミングで転流するのか一定ではなく、故に短絡が開放してからの溶融量が一定ではなく、アーク長が一定ではない。従って、アーク切れは防止できるが、アーク長が一定でない状態で転流することになる。

そして、アーク長が短い場合に転流すると、転流のために電流を低減するので短絡が発生しやすい状態となり、アークが不安定となる。また、アーク長が長い場合に転流すると、ワイヤの溶融を促進する正極性側でさらにアーク長が長くなりアーク切れやビード幅の細りが発生する。

また、従来の交流パルス溶接方法では、図５に示すように、元々の転流タイミングＴ１で短絡ｔ３が発生している場合は転流しない。そして、逆極性を開始した時点から短絡が発生するまでの時間Ｔ２１と、短絡が開放することにより短絡期間ｔ３が終了し、待ち時間ＴＷが経過した以降の時間Ｔ２２とを積算し、積算した時間が所定の時間に到達した時点で転流を行う。

なお、パルス毎に規則的な溶滴離脱移行を伴うパルス溶接では、特に、アーク長が一定であることが要求される。元々の転流のタイミングＴ１で短絡が発生している場合に、例えば短絡期間ｔ３の終端で短絡が開放し、待ち時間ＴＷ経過後に転流を実施しても、短絡が発生するタイミングは一定ではなく、ばらつくものであり、すなわち時間Ｔ２１はばらつくものであり、一定の積算値に対して時間Ｔ２１がばらつくので、時間Ｔ２２も一定ではなく、ばらつく。このように時間Ｔ２２は一定ではないので、短絡が開放してからの溶融量が一定でなく、アーク長も一定ではなくなる。そして、これらにより、アーク不安定やアーク切れが発生し、ビード幅が細り、良好な溶接結果を得ることができないという課題がある。

上記課題を解決するために、本発明の交流アーク溶接方法は、ピーク電流とベース電流からなる逆極性電流を通電する逆極性期間と、正極性電流を通電する正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う交流アーク溶接方法であって、前記逆極性期間の終了時点でワイヤと母材が短絡している場合には前記正極性期間とはせずに前記短絡を開放させるために電流を増加する短絡制御を行い、前記短絡が開放した後に逆極性のまま前記ピーク電流と前記ベース電流からなる前記逆極性電流を出力した後に前記正極性期間にするものである。

また、本発明の交流アーク溶接方法は、ピーク電流とベース電流からなる逆極性電流を通電する逆極性期間と、正極性電流を通電する正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う交流アーク溶接方法であって、前記逆極性期間の終了時点でワイヤと母材が短絡している場合には前記正極性期間とはせずに前記短絡を開放させるために電流を増加する短絡制御を行い、前記短絡が開放した後に逆極性のまま第１のピーク電流を第１の時間出力し、その後前記第１のピーク電流よりも低い第１のベース電流を第２の時間出力した後に前記正極性期間にするものである。

また、本発明の交流アーク溶接方法は、上記に加えて、第１のピーク電流はピーク電流以下の大きさであり、第１の時間は前記ピーク電流を出力する時間以下の時間であり、第２の時間はベース電流を出力する時間以下の時間でとしたものである。

また、本発明の交流アーク溶接方法は、逆極性電流を通電する逆極性期間と、正極性電流を通電する正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う交流アーク溶接方法であって、前記正極性期間の終了時点でワイヤと母材が短絡している場合には前記逆極性期間とはせずに前記短絡を開放させるために電流を増加する短絡制御を行い、前記短絡が開放した後に正極性のまま前記正極性電流を出力した後に前記逆極性期間にするものである。

上記のように、本発明によれば、転流のタイミングで短絡が発生している場合、直ぐには転流はせず、短絡開放後に再度逆極性用のパルス電流及びベース電流を通電してアーク長を一定にした後に転流するので、転流後のアーク長の一定化を向上することができ、アーク安定性が向上し、良好な溶接結果を得ることができる。

（実施の形態１）
以下、本実施の形態について、図１を用いて説明する。図１は本実施の形態の交流アーク溶接制御方法により溶接を行った場合の溶接電流波形であり、溶接電流の時間変化を示すものである。

図１を用いて、逆極性から正極性に転流するタイミングで短絡が発生している場合の電流制御の例について説明する。なお、逆極性とは、溶接ワイヤがプラス極であり溶接対象物である母材がマイナス極であることを示し、正極性とは、溶接ワイヤがマイナス極であり母材がプラス極であることを示す。

図１において、Ｔ１は元々の転流のタイミングを示している。なお、このＴ１は例えば溶接開始時に溶接装置に設定する設定電流に基づいて決まるものである。そして、Ｔ１の時点では、短絡期間ｔ３で示すように短絡が発生している状態を示している。この場合、転流タイミングであるＴ１の時点であっても転流は行わず、短絡を開放するために電流を比例的に増加していく短絡制御を継続して行い、転流よりも短絡の開放を優先する。なお、短絡制御は、図１に示すように短絡が発生して検出された時点から開始されている。

そして、短絡が開放してアークが再発生すると、直ぐには転流はさせず、再度逆極性のまま正常時と同様の大きさと時間のピーク電流とベース電流を出力する制御を行う。そして、ベース電流を出力するベース電流期間の終端で溶接ワイヤと母材との短絡が発生していなければ、逆極性から正極性に転流するように溶接電流を制御する。

なお、ベース電流期間の終端で溶接ワイヤと母材との短絡が再度発生している場合には、短絡制御以降の制御を再度繰り返す。

以上の制御により、短絡開放後にピーク電流とベース電流を出力することで溶滴離脱移行が行われ、アーク長が一定となり、転流のタイミングに短絡が発生した後のアーク長を一定にすることができ、その後の転流を円滑に行うことができる。そして、アーク長を安定にすることが可能となり、アークの安定性が向上し、均一なビード幅の良好な溶接結果を得ることができる。

なお、短絡状態やアーク状態の検出については、特許文献１にも記載されているように従来から知られている技術を用いて実現することができるので、詳細な説明は省略する。

また、本実施の形態の制御を行う交流アーク溶接装置についても、基本的な構成は従来から知られているものと同様であり、制御の方法に特徴があるものなので、具体的な装置の構成に関する説明は省略する。

（実施の形態２）
以下、本実施の形態について、図２を用いて説明する。なお、本実施の形態において、実施の形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。実施の形態１と異なるのは、短絡開放後に出力するピーク電流とベース電流の大きさや印加時間を、定常時のものとは異なるようにした点である。

図２は本実施の形態の交流アーク溶接制御方法により溶接を行った場合の溶接電流波形を示すものである。そして、逆極性から正極性に転流するタイミングで短絡が発生している場合の電流の制御例を示している。

図２において、Ｔ１は元々の転流のタイミングを示している。なお、このＴ１は例えば溶接開始時に溶接装置に設定する設定電流に基づいて決まるものである。Ｔ１の時点では、短絡期間ｔ３で示すように短絡が発生している。この場合、転流タイミングであるＴ１の時点であっても転流は行わず、短絡を開放するために電流を比例的に増加していく短絡制御を継続して行い、転流よりも短絡の開放を優先する。なお、短絡制御は、図２に示すように、短絡が発生して検出された時点から開始されている。

そして、短絡が開放してアークが再発生すると、直ぐには転流はさせず、逆極性のまま第１のピーク電流Ａ１を第１の時間ｔ４の間出力する。これによりワイヤ先端部が一定量溶融し、アーク長が一定になる。そしてこの場合、短時間でワイヤ先端を溶融してアーク長を適正量にするため、この第１のピーク電流Ａ１は高い値にしなければならない。短時間に高い電流とする理由は、溶接ワイヤの溶融に時間がかかると、その間にワイヤが送給され続けているので、ワイヤと母材の短絡が発生してしまうからである。

なお、第１のピーク電流Ａ１の大きさとしては、溶接を行う際に設定する設定溶接電流やワイヤの径等により異なるが、例えば１００〜３００Ａ程度である。また、第１の時間ｔ４の長さとしては、例えば０．１〜０．５ｍｓｅｃ程度である。

この第１の時間ｔ４の間では、第１のピーク電流Ａ１により高い電流が出力されるので、ワイヤ先端の溶滴はアーク反力を受けて揺動する。そして、アークはこの揺動している溶滴から発生するためアークが不安定となり、この状態で転流するとアーク切れが発生し易い。そこで、これを抑制するため、第１のピーク電流Ａ１の出力に引き続いて第１のピーク電流Ａ１よりも低い第１のベース電流Ａ２を第２の時間ｔ５の間出力し、アーク反力を低減してワイヤ先端部の揺動を抑制させる。これにより、アークを安定させ、転流時のアーク切れを抑制することができる。

なお、第１のベース電流Ａ２を出力する第２の時間ｔ５の経過時に溶接ワイヤと母材との短絡が発生していなければ、逆極性から正極性に転流するように溶接電流を制御する。

なお、第２の時間ｔ５の経過時に溶接ワイヤと母材との短絡が再度発生している場合には、短絡制御以降の制御を再度繰り返す。

上記の制御により、転流のタイミングで短絡が発生した後に短時間でアーク長を一定にすることができ、その後の転流を円滑に行うことができるので、アーク安定性が向上し均一なビード幅の良好な溶接結果を得ることができる。

なお、第１の電流Ａ１や、第１の時間ｔ４や、第２の電流Ａ２や、第２の時間ｔ５は、実験等から求めた固定値としても良いし、溶接時に設定される設定溶接電流や、設定溶接電圧や、ワイヤ送給速度や、シールドガス種類や、ワイヤ材質や、ワイヤ径や、溶接法等に基づいて決定するようにしてもよい。具体的には、これらの要素を対応付けた対応テーブルを溶接装置等に備えておき、入力された要素に基づいて電流の大きさや時間を決定するようにしても良い。

また、第１のピーク電流Ａ１は定常時のピーク電流以下の大きさであり、第１の時間ｔ４は前記定常時のピーク電流を出力する時間以下の時間であり、第２の時間ｔ５は定常時のベース電流を出力する時間以下の時間である。

（実施の形態３）
以下、本実施の形態について、図３を用いて説明する。なお、本実施の形態において、実施の形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。実施の形態１と異なるのは、正極性期間において短絡が発生した場合に、短絡制御を行い、短絡が開放した後に正極性電流を出力して正極性から逆極性に転流するようにした点である。

図１は本実施の形態の交流アーク溶接制御方法により溶接を行った場合の溶接電流波形であり、溶接電流の時間変化を示すものである。

図１において、Ｔ２は元々の転流のタイミングを示している。なお、このＴ２は例えば溶接開始時に溶接装置に設定する設定電流に基づいて決まるものである。そして、Ｔ２の時点では、短絡期間ｔ６で示すように短絡が発生している状態を示している。この場合、転流タイミングであるＴ２の時点であっても転流は行わず、短絡を開放するために電流を比例的に増加していく短絡制御を継続して行い、転流よりも短絡の開放を優先する。なお、短絡制御は、図３に示すように短絡が発生して検出された時点から開始されている。

そして、短絡が開放してアークが再発生すると、直ぐには転流はさせず、再度正極性のまま定常時と同様の大きさと時間の正極性電流を出力する制御を行う。そして、正極性電流を出力する正極性期間の終端で溶接ワイヤと母材との短絡が発生していなければ、正極性から逆極性に転流するように溶接電流を制御する。

なお、正極性期間の終端で溶接ワイヤと母材との短絡が再度発生している場合には、短絡制御以降の制御を再度繰り返す。

以上の制御により、アーク長が一定となり、転流のタイミングに短絡が発生した後のアーク長を一定にすることができ、その後の転流を円滑に行うことができる。そして、アーク長を安定にすることが可能となり、アークの安定性が向上し、均一なビード幅の良好な溶接結果を得ることができる。

本発明の交流アーク溶接方法は、転流のタイミングで短絡が発生する場合に直ぐには転流せずに短絡開放後にアーク長を一定にしてから転流することが可能となり、ワーク精度のばらつきやギャップ量が変化する際にワイヤの突き出し長さが変化して短絡発生が不測のタイミングで発生しても、アーク安定性を向上して良好なビードを得ることができので、交流アーク溶接を行う方法として産業上有用である。

実施の形態１における溶接電流波形を示す図 実施の形態２における溶接電流波形を示す図 実施の形態３における溶接電流波形を示す図 （ａ）従来例の交流アーク溶接方法による溶接電流波形を示す図（ｂ）従来の短絡・アーク判定信号を示す図（ｃ）従来の転流用のアーク時間値を示す図 従来の交流アーク溶接方法による溶接電流波形を示す図

符号の説明

ｔ１ 逆極性期間（ＥＰ期間）
ｔ２ 正極性期間（ＥＮ期間）
ｔ３ 短絡期間
ｔ４ 第１の時間
ｔ５ 第２の時間
ｔ６ 短絡期間
ＴＷ 待ち時間
Ｔ１１ アーク発生期間
Ｔ１２ アーク発生期間
Ｔ１３ アーク発生期間
Ｔ１ 元々の転流タイミング
Ｔ２ 元々の転流タイミング

Claims (4)

1. ピーク電流とベース電流からなる逆極性電流を通電する逆極性期間と、正極性電流を通電する正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う交流アーク溶接方法であって、
   前記逆極性期間の終了時点でワイヤと母材が短絡している場合には前記正極性期間とはせずに前記短絡を開放させるために電流を増加する短絡制御を行い、
   前記短絡が開放した後に逆極性のまま前記ピーク電流と前記ベース電流からなる前記逆極性電流を出力した後に前記正極性期間にする交流アーク溶接方法。
2. ピーク電流とベース電流からなる逆極性電流を通電する逆極性期間と、正極性電流を通電する正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う交流アーク溶接方法であって、
   前記逆極性期間の終了時点でワイヤと母材が短絡している場合には前記正極性期間とはせずに前記短絡を開放させるために電流を増加する短絡制御を行い、
   前記短絡が開放した後に逆極性のまま第１のピーク電流を第１の時間出力し、その後前記第１のピーク電流よりも低い第１のベース電流を第２の時間出力した後に前記正極性期間にする交流アーク溶接方法。
3. 第１のピーク電流はピーク電流以下の大きさであり、第１の時間は前記ピーク電流を出力する時間以下の時間であり、第２の時間はベース電流を出力する時間以下の時間である請求項２記載の交流アーク溶接方法。
4. 逆極性電流を通電する逆極性期間と、正極性電流を通電する正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う交流アーク溶接方法であって、
   前記正極性期間の終了時点でワイヤと母材が短絡している場合には前記逆極性期間とはせずに前記短絡を開放させるために電流を増加する短絡制御を行い、
   前記短絡が開放した後に正極性のまま前記正極性電流を出力した後に前記逆極性期間にする交流アーク溶接方法。

Images