JPS61229472A - 消耗電極式ア−ク溶接装置の制御方法及び制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は消耗電極式アーク溶接装置の制御方法と、そ
の装置に関する。

［従来技術とその問題点コ 短絡期間とアーク発生期間とを繰り返す消耗電極式アー
ク溶接法において、消耗電極（以下、溶接ワイヤという
）の先端は、溶接アークの熱エネルギーによって溶融し
て溶滴が形成され、溶接ワイヤが溶接母材に対して所定
の速度で送給されるのに伴って、溶接ワイヤと同様に、
溶接アークの熱エネルギー等によって溶融している溶接
母材（以下、溶融池という）に近づき、接触・短絡する
と、溶滴は溶融池へ移行し、この過程が繰り返される。

このアーク溶接法は、溶接ワイヤに与える熱エネルギー
が他の溶接法に比較して高いので、溶接ワイヤの溶接速
度が大きく、高能率な施工法として、広く普及してきた
。

ところが、近年になって溶接作業の省力化、高能率化の
ために溶接ロボット等、溶接の自動化と高精度化とが進
むにつれ、従来の溶接法あるいは装置で問題点を呈する
ようになってきた。例えば、溶接作業の自動化の究極と
される高速度溶接において、溶接アーク現象や溶融池の
凝固現象は、溶接電源の出力特性、溶接アークを囲むシ
ールドガス、母材や溶接ワイヤの種類・特性によって大
きな影響を受けるので、良好な溶接ビードを得ることが
困難となるという問題点である。この問題点は、溶接作
業現場においては、良く知られていることであるが、そ
のアーク現象の基礎的な研究はなされていてら問題を解
決し、各産業の溶接現場において実用化するための具体
的な方法は示されていないのが、現状である。この問題
点の代表的な例として、高速溶接の際に発生し易いアン
ダカットとハンピングビードである。第６図（ａ）　、
　（ｂ）はアンダカットの典型的な例を示していて、溶
接ビード６Ｉの余盛り高さがビード幅に比べて高くなり
、その両側或いは片側に母材６２の表面より低くなる部
分、いわゆるアンダカット６３を生じる。

これは、溶接電流或いは溶接速度が大きい程、溶接母材
の表面をビード幅より広い範囲にわたって溶融する上に
、溶接アーク直下の溶融池の温度と、凝固を開始したア
ーク直下より後方の溶融池の温度との差から作用する表
面張力により、アーク直下付近の溶融金属が溶接線後方
に引き寄せられ、溶接ビードが盛り上がり、凸ビードに
なりやすいためにアンダカットが生じるものである。溶
接部にこのアンダカットは、溶接母材の実質的な板厚を
減らすばかりでなく、溶接構造物の疲労破壊の原因とも
なるので重大な溶接欠陥とされ、その発生を極力押さえ
なければならないものである。

又、更に溶接速度を増すと、溶接ビードにハンピングビ
ードと呼ばれる不連続ビードが発生ずる。

これは、前述した表面張力の作用が大きい場合に発生し
、又、溶接ワイヤの化学組成などの特性に　。

も影響を受けることが知られている。

これらのアンダカット、ハンピングビード発生問題の対
策の一つとして、溶接電圧を通常の電圧より低くするこ
とが提案されているが、この場合、新たに次のような問
題を提起させる。

一般に溶接電圧は溶接ワイヤの送給速度、ワイヤ突き出
し長さ、溶接ワイヤ径、シールドガスなどの諸条件に応
じて定まる溶接電流に合わせて、溶接アーク現象が安定
する様に定めていた。第７図は、溶接ワイヤ径が１．２
φのソリッドワイヤの場合の低溶接速度における溶接電
流と溶接電圧の関係を示していて、斜線部で示した箇所
はアーク現象が安定し、溶接作業が良好な領域であるが
、この通常の溶接条件を用いて高速度溶接を行なうと、
アンダカットやハンピングビードが発生する。

このアンダカットの発生を防ぐには、発生原因の一つで
ある溶接アークの広がりを小さくすることであるが、こ
れには、溶接電圧を低くして溶接アーク長を短くするこ
とが経験的に知られている。

ところが、溶接電圧を低くすると、溶接ワイヤ先端の溶
滴と溶融池との距離が相対的に短くなり、溶滴は溶融池
と短絡し易くなる。溶滴が溶融池と短絡して溶融池への
移行が安定して繰り返すためには、溶接ワイヤの送給量
と、溶滴の形成及び移行量とが一致しなければならない
が、アーク長を短（して短絡し易くしたために、溶滴が
十分な大きさに形成されないうちに溶融池と短絡し、未
溶融の溶接ワイヤが溶融池の中に突っ込み、いわゆるス
タッピング現象により、溶接アークが長時間発生せずに
、非常に不安定な状態になることがある。この原因は、
次の様にして説明される。

従来の消耗電極式アーク溶接法に用いられる溶接電源は
、第８図に示すように、はぼ定電圧特性の直流電源部８
１と溶接電流の立ち上がりを制御するりアクドル８２と
が組み合わされたものを用いていて、溶接ワイヤ８３の
先端の溶滴が溶接母材８４に生じた溶融池と短絡すると
、溶接電流はりアクドル８２と、外部抵抗等により定ま
る時定数で増加し、溶滴の移行が終了して溶接アークが
再発生すると、溶接電流はりアクドル８２と溶接アーク
を含む外部抵抗等により定まる時定数で減少する。ここ
で、高溶接電流・高溶接速度の条件で発生し易いアンダ
カットやハンピングビードの軽減のために溶接電圧を低
下させると、前述したように溶滴と溶融池が短絡し易く
なり、溶融池表面の振動や溶接ワイヤ送給量の微少な変
動により、未溶融の溶接ワイヤ８３が溶融池の中に突っ
込んで短絡する。この時、溶接電圧を低くしであるため
に短絡電流の立ち上がりが小さく、未溶融の短絡部分を
溶融するだけの十分なジュール熱を供給することができ
ないので溶融池側への移行が行なわれず、長時間アーク
が発生しない状態、所謂、アーク切れ状態を呈する。こ
のため、溶接は不安定となり、断続的にアーク切れが発
生し、スタッピング現象となって溶接作業そのものが不
可能となってしまう。このように、溶接アークが不安定
になったり、短絡回数が増えたりすることにより、短絡
に伴うスパッタの発生量が増加し、溶接装置のシールド
ノズルや各部に融着して、装置の電気的１機械的な機能
に障害をひき起こすとともに、発生したスパッタが溶接
母材に付着して溶接物の製品としての価値を低下させる
ことになる。

このような消耗電極式アーク溶接法におけるスパッタの
発生を防止するために、短絡期間とアーク発生期間の出
力を制御する出力可変の電源の制御方法及びその装置を
既に本発明者らは提案している。この方法は、従来の溶
接電源を用いる場合と比較してスパッタを減少させる上
では大きな効果が得られたが、高速度溶接の際に発生し
易いアンダカットやハンピングビードの防止に対しては
、大きな効果は得られなかった。

即ち、上記提案を含む従来の溶接法では、溶接電圧は一
般に、溶接ワイヤの送給速度に応じて調整し、換言すれ
ば、溶接電流に応じて調整しているが、高速度溶接の場
合は、アンダカットを防止するためにその際の溶接電流
に適した溶接電圧値を無視して、溶接電圧値を低下せし
めなければならないのである。

ところが、溶接電圧を下げると、アーク発生時の電圧と
共に、短絡時の溶接電圧あるいは溶接電流も下がってし
まうので、高速度溶接には適さないのである。

一方、スパッタの発生を低減させる目的で溶接時の溶接
電流を制御し、高電流と低電流を周期的に制御する溶接
法、いわゆる、パルスアーク溶接法が提案されたが、こ
の溶接法はシールドガスとして、アルゴンなどの不活性
ガスを少なくとも７０％以上含むシールドガスを用いる
ため溶接アークが広がり、高速度溶接におけるアンダカ
フトの発生に対する防止策としては何ら効果はなかった
。

［発明の目的〕 この発明は上述の問題点をなくすためになされたもので
あり、いかなる溶接速度においても安定した溶接アーク
現象と欠陥のない溶接ビードを得るための溶接装置の制
御方法及び装置を提供することを目的とする。

［発明の構成］ この発明の消耗電極式アーク溶接装置の制御方法は、消
耗電極を所定速度で母材に対して送給し、消耗電極と母
材間での短絡とアーク発生と繰り返すことにより溶接す
る消耗電極式アーク溶接装置の制御方法において、短絡
期間に消耗電極に印加される出力と、アーク発生期間に
消耗電極に印加される出力の少なくとも一方を、消耗電
極の送給速度と溶接速度とに対応して設定することを特
徴とする。

さらに、この発明の制御装置は消耗電極を送給速度設定
器により設定された送給速度で送給する送給装置と、短
絡期間における溶接電源からの出力を設定する短絡期間
出力設定器と、アーク発生期間の溶接電源からの出力を
設定するアーク発生期間出力設定器と、及びこれらの出
力設定器により出力が設定される出力可変の電源と、溶
接速度に対応して信号を出力する調整器と、送給速度設
定器及び調整器の出力を前記短絡期間出力設定器と前記
アーク発生期間出力設定器の少なくとも一方に入力する
回路とを備えたことを特徴とする。

［実施例］ この発明では、短絡時の出力とアーク発生時出力がワイ
ヤ送給速度設定４の出力に応じて個々に設定され、これ
らの設定器の少なくとも一方に、溶接速度に対応して信
号を送出する調整器を具備していて、ワイヤ送給速度が
同じであっても溶接速度により異なる溶接条件に対応し
て電源出力を制御する。

なお、以下の実施例は消耗電極を設定速度で母材に対し
て送給するとともに、消耗電極と母材とを相対的に制御
された速度で移動させつつ、かつアーク部分の消耗電極
の周囲をシールドガスで包囲して溶接を行なういわゆる
シールドガス溶接であって、消耗電極と母材との間で周
期的に短絡とアーク発生をくり返しつつ溶接を行なう溶
接装置について説明する。

第１図は上述の制御を行なうための実施例を示すブロッ
ク図である。この図は短絡時の出力として短絡電流を、
また、アーク発生時の出力としてアーク電圧を設定する
例を示している。１は溶接ワイヤ送給速度を設定するワ
イヤ送給速度設定器、２はワイヤ送給速度制御回路で、
前記ワイヤ送給速度設定器ｌの信号により、溶接ワイヤ
３を送給するワイヤ送給モータ４の速度を制御する。上
記ワイヤ送給設定器１から出力されるワイヤ送給速度設
定信号は、溶接ワイヤ３と溶接母材１１との間の短絡時
の電流を設定する短絡電流設定器５及び溶接ワイヤ３と
溶接母材１１との間でのアーク発生時のアーク電圧を設
定するアーク電圧設定器６にも人力され、又アーク電圧
設定器６には詳細後述の調整器７から溶接速度に対応し
て出力される信号が人力される。この短絡電流設定器５
或いはアーク電圧設定器６の出力信号のいづれか一方が
制御スイッチ８により選択され出力制御回路９に入力さ
れる。ｌＯは出力制御回路９の信号により溶接ワイヤ３
と溶接母材１１間に所定のアーク電圧及び短絡電流を含
む溶接電流を出力する電源、１２は電源１０の溶接電圧
を検出する溶接電圧検出器である。短絡・アーク発生判
別器１３は溶接電圧検出器１２の信号により、短絡かア
ーク発生かを判別し、短絡であれば短絡電流設定器５の
出力信号が、又、アーク発生中であればアーク電圧設定
器６の出力信号が出力制御回路９に入力されるように前
記制御スイッチ８を制御する。

上述した溶接電源装置により、ワイヤ送給速度設定器！
で設定されたワイヤ送給速度及び所定の溶接速度で溶接
母材１１に対して溶接しているとき、短絡電流設定器５
からは、ワイヤ送給速度設定器ｌの信号により、上記ワ
イヤ送給速度に最適な短絡電流設定信号が出力され、又
、アーク電圧設定器６からは、ワイヤ送給設定器ｌ及び
調整器７との信号により、上記ワイヤ送給速度及び溶接
速度に最適なアーク電圧設定信号が出力されている。

一方、短絡とアーク発生の繰り返しに応じて切り換わる
制御スイッチ８は、短絡時にはＡ側；こ切り換えられて
、上記短絡電流設定信号が出力制御回路９に印加され、
電源ｌＯの出力、即ち溶接ワイヤ３と母材１１間の短絡
電流が短絡電流設定信号により制御される。一方、アー
ク発生時には制御スイッチ８はＢ側に切り換えられ、上
記アーク電圧設定器６のアーク電圧設定信号が出力制御
回路９に印加され、上記溶接速度に最適なアーク長とな
るように電源１０の出力、即ちアーク電圧が制御される
。

調整器７の調整方法は、手動でも良いし、また、溶接ワ
イヤ３の先端と、溶接母材１１の相対位置を所定の溶接
速度で移動させる駆動装置を具備している溶接装置にお
いては、溶接速度設定器Ｉの出力または、溶接ワイヤま
たは母材を移動させる駆動モータの出力を表す信号を調
整器７に入力させても良い。そして、この調整器７から
、低速度溶接においてはアーク長が長くなるような、又
、高速度溶接においてはアーク長が短くなるような制御
信号がアーク電圧設定器６に送出される。

次に、上述した制御方法及びその装置により、板厚２ｍ
ｍの溶接母材を下向き重ねすみ自溶接法により次の条件
で高溶接速度で実施した場合の結果を示す。

溶接ワイヤ：　ＭＩＸ５０−１．２φ（ＪＩＳ　ＹＧ１
１６）溶接母材　：　５ｐｃｃ シールドガス：炭酸ガス（１００％） 最初に短絡電流の設定について示す。

第２図はそれぞれのワイヤ送給速度に対して短絡電流を
変えた場合の溶接アークを調べたグラフであり、溶接ア
ークが安定となる短絡電流の値は、ワイヤ送給速度に対
して一次関数として近似することができ、短絡時の電流
をＩｓｐ、ワイヤ送給速度をＷＦＲとすると、 ｌ５Ｉ）＝［（ＷＦＲ）・・・・・・■となる。

第３図は、比較的溶接速度が遅いときは、アーク電圧を
溶接ワイヤの送給速度に応じて設定し、溶接速度が速い
ときは、アンダカットの発生を防ぐために、その設定さ
れたアーク電圧から一定の電圧量Ｅを差し引いたアーク
電圧のもとて溶接をした場合の溶接ビードの外観を調べ
た結果である。

第３図において○印はビードの外観が良好、Δ印は普通
、Ｘ印はビード外観不良であることを示す。

この第３図で示すように、各々の差引き電圧量Ｅに対し
、ある溶接速度においては良好な溶接ビードが得られる
か、同一の差引き電圧量に対して他の溶接速度において
は、差引き電圧１１Ｅが大きすぎてアーク電圧が不足し
たり、或いは前記差引き電圧Ｅが小さすぎてアーク電圧
を下げた効果がなく、ビード外観が不良になることを示
している。

従って、比較的低速度の溶接では溶接ワイヤの送給速度
に応じてアーク電圧Ｖｗｆｒを設定し、高速度の溶接で
は前記所定のアーク電圧Ｖｗｒｒから溶接速度Ｗｓに応
じた電圧量Ｅｗｓを減じた値をアーク電圧Ｖａｐとして
設定すればよく、Ｖａｐ＝Ｖｖｒｒ−Ｅｖｓ ＝ｇ（ＷＦ　Ｒ）−ｈ（Ｗｓ）・・・・・・■となる。

上記の０．０式の各関数ｆ（ＷＦ　Ｒ）、ｇ（ＷＦ　Ｒ
）、ｈ（Ｗｓ）はたとえば実験により求められる。次に
各関数の一例を示す。

ｒ（ｗＦＲ）＝　５４ＸＷＦＲ＋８０　　（Ａ）・・・
・・０ｇ（ＷＦＲ）＝　１．４８ＸＷＦＲ＋２２　（Ｖ
）・川−・■ｈ　（Ｗｓ）　　＝　Ｗｓ（Ｗｓ＋　１）
／３　　（Ｖ）−＝■従って、短絡電流設定器５は、ワ
イヤ送給設定４監の出力信号により、上記０式を満たす
ような信号を出力する関数発生器を、又、アーク電圧設
定器６は、ワイヤ送給速度設定器ｌの出力信号と調整器
７からの溶接速度に対応する信号とにより、上記０式を
満たすような信号を出力する関数発生器をそれぞれ内蔵
している。

第４図は上述の関数発生器を用いた第１図の短絡電流設
定器５、アーク電圧設定器６の一例を示す図であり、短
絡電流設定器５は０式の関数ｒ（ｗＦＲ）を発生する関
数発生器６ａで構成される。一方、アーク電圧発生器６
は０式ｇ（ＷＦＲ）を発生ずる回路６ａと、■式ｈ（Ｗ
ｓ）を発生する回路６ｂと０式ｇ（ＷＦ　Ｒ）−ｈ（Ｗ
ｓ）を演算する回路６Ｃとにより構成される。この構成
により短絡電流設定器５は０式（（ＷＦＲ）に対応した
短絡電流設定信号を出力し、またアーク電圧発生器５は
０式ｇ（ＷＦＲ）−ｈ（Ｗｓ）に対応したアーク電圧設
定信号が出力される。

上述の制御により短絡時には、ワイヤ送給速度に対応し
た値の短絡電流を溶接ワイヤ３に流し、一方、アーク発
生時の高速度の溶接では所定のアーク電圧からこの溶接
速度に対応する値を差し引いた０式で表示される電圧を
溶接ワイヤ３と母材１１間に印加するようにしたので、
溶接速度が増加するにつれ、アーク電圧のみが低下し、
アーク長を短くすることにより、アンダカットの発生を
防止し、一方、短絡時には短絡部を溶融するに十分な短
絡電流を供給するので長時間のアーク切れをなくすこと
が可能となる。

第５図は、上述の制御方法により、溶接ビードの形状を
良好に保つことのできる状態でのワイヤ送給速度と溶接
速度との関係を示しており、破線で示し″た従来の制御
方法と比較して高速の溶接が可能となっている。

更に、上述した実施例では、ワイヤ送給速度と　′溶接
速度とに対応してアーク発生時のアーク電圧を制御した
が、このアーク電圧の制御の代わりに短絡時の短絡電流
を制御するようにしてもよい。

［発明の効果］ 以上詳述したように、この発明は、例えば短絡時の短絡
電流或いはアーク発生時のアーク電圧の少なくとも一方
を消耗電極の送給速度及び溶接速度に応じて設定するよ
うにしたので、溶接速度の条件がことなっても欠陥のな
い溶接ビードと安定した溶接アークを得ることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の１実施例を示すブロック図、第２図
はワイヤ速度と短絡電流とに対する溶接の作業性を示す
溶接図、第３図は溶接速度と差引き電圧量とに対するビ
ード形状を示す図、第４図は第１図の短絡電流設定器と
アーク電圧設定器とに用いられる関数発生器のブロック
図、第５図はワイヤ送給速度に対して溶接特性が良好な
溶接速度を示す図、第６図は従来の制御装置によるアン
ダカットの発生を示す断面図、第７図は従来の制御装置
における溶接電流と溶接電圧とに対するアーク安定域を
示す図、第８図は従来の溶接装置の概略を示す回路図で
ある。 ｌ・・・ワイヤ送給設定器、２・・・ワイヤ送給速度制
御回路、５・・・短絡電流設定器、６・・・アーク電圧
設定器、７・・・調整器、訃・・制御スイッチ、９・・
・出力制御回路、ＩＯ・・・電源、■２・・・溶接電圧
検出器、１３・・・短絡・アーク発生判別器、５　ａ、
　６　ａ・・・関数発生器。 特許出願人　株式会社　神戸製鋼所 代理人　弁理士　青　山　　葆　外２名灯終電驕（Ａ） 第５図 ワ丁〜懺（−〇〉虹λ１１　ｍ　／＄１第７図 第８図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）消耗電極を所定速度で母材に対して送給し、消耗
   電極と母材間での短絡とアーク発生と繰り返すことによ
   り溶接する消耗電極式アーク溶接装置の制御方法におい
   て、短絡期間に消耗電極に印加される出力と、アーク発
   生期間に消耗電極に印加される出力の少なくとも一方を
   、消耗電極の送給速度と溶接速度とに対応して設定する
   ことを特徴とする消耗電極式アーク溶接装置の制御方法
   。
2. （２）消耗電極を送給速度設定器により設定された送給
   速度で送給する送給装置と、短絡期間における出力を設
   定する短絡期間出力設定器と、アーク発生期間の出力を
   設定するアーク発生期間出力設定器と、及びこれらの出
   力設定器により出力が設定される出力可変の電源と、溶
   接速度に対応して信号を出力する調整器と、送給速度設
   定器及び調整器の出力を前記短絡期間出力設定器と前記
   アーク発生期間出力設定器の少なくとも一方に入力する
   ことを特徴とする消耗電極式アーク溶接装置。