JP5879503B2 - アーク溶接制御方法およびアーク溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、消耗電極である溶接ワイヤを送給しながら短絡溶接を行うアーク溶接制御方法およびアーク溶接装置に関するものである。

図８は、従来技術の、短絡を伴うアーク溶接の溶接ワイヤ送給制御における出力波形図である。図８（Ａ）は、溶接電圧Ｖｗの時間変化を示す。図８（Ｂ）は、溶接電流Ｉｗの時間変化を示す。図８（Ｃ）は、ワイヤ送給速度設定信号Ｆｒの時間変化を示す。図８（Ｄ）は、ワイヤ先端の送給速度Ｆｓの時間変化を示す。

図８において、時刻ｔ１〜時刻ｔ２の短絡期間Ｔｓ中は、短絡期間が予め定めた長期短絡判別時間Ｔｔ以下である。従って、図８（Ｃ）に示すように、ワイヤ送給速度設定信号Ｆｒは前進送給速度設定値Ｆｆｒのままであり、図８（Ｄ）に示すように、送給速度Ｆｓは前進送給速度Ｆｆｓで送給される。

続く時刻ｔ２〜時刻ｔ３のアーク期間Ｔａ中は、図８（Ｃ）に示すように、上記の前進送給速度設定値Ｆｆｒのままであり、図８（Ｄ）に示すように、送給速度Ｆｓは上記の前進送給速度Ｆｆｓで送給される。すなわち、通常短絡時は、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａにおいて、一定速度の前進送給を維持する。

時刻ｔ３において短絡が発生し長期短絡判別時間Ｔｔが経過する時刻ｔ４までは、図８（Ｃ）に示すように、ワイヤ送給速度設定信号Ｆｒは前進送給速度設定値Ｆｆｒのままであり、図８（Ｄ）に示すように、送給速度Ｆｓは前進送給速度Ｆｆｓのままである。時刻ｔ４において、上記の長期短絡判別時間Ｔｔが経過したと判定されると、図８（Ｃ）に示すように、ワイヤ送給速度設定信号Ｆｒは、後退送給速度設定値Ｆｒｒに切り換わり、図８（Ｄ）に示すように、送給速度Ｆｓは慣性によるスロープで減速する。同時に、図８（Ｂ）に示すように、時刻ｔ４から溶接電流Ｉｗを低い値に減少させる。

図８（Ｄ）に示すように、送給速度Ｆｓは、減速して一旦０となり、その後に後退送給となり、時刻ｔ５において、ワイヤ先端が母材から離れて短絡が解除されてアークが再発生する。このアーク再発生時の電流値は、図８（Ｂ）に示すように低い値である。そのため、スパッタはほとんど発生せず、アーク力も弱いので再短絡も発生しない。したがって、良好な長期短絡の解除を行うことができる。

時刻ｔ５において、アークが再発生すると、図８（Ｃ）に示すように、送給速度設定信号Ｆｆは前進送給速度設定値Ｆｆｒに切り換わる。そして、図８（Ｄ）に示すように、送給速度Ｆｓは、後退送給から減速、停止及び反転を経て、前進送給速度Ｆｆｓとなる。同時に、図８（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、溶接電源装置の定電圧特性とアーク負荷とによって定まる前進送給速度Ｆｆｓに応じた値へと増加する。

上記のように、従来の溶接ワイヤ送給制御は、短絡を伴うアーク溶接において、通常短絡時及び長期短絡時に良好な溶滴移行を行うことができ、かつ、アーク切れ、スパッタ及び再短絡の発生しない良好な短絡解除を行うことができる送給制御を目的としている。そして、短絡が発生した時点から予め定めた長期短絡判別時間が経過するまでは前記前進送給を継続すると共に溶接電流を増加させ、前記長期短絡判別時間が経過した後は前記後退送給に切り換えると共に前記溶接電流を減少させる。そして、前記後退送給によってワイヤ先端が母材から離れてアークが再発生すると前記前進送給に再び切り換えると共に前記溶接電流を前記前進送給の送給速度に応じた値に増加させることを特徴とするものである（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２９８９２４号公報

上記の従来のワイヤ送給制御は、図８に示すように、短絡発生時の時刻ｔ３から予め定めた長期短絡判別時間Ｔｔが経過した場合には溶接電流Ｉｗを減少させ、後退送給によってワイヤ先端が母材から離れてアークを再発生（ｔ５）させるものである。しかし、長期短絡判別時間Ｔｔが経過しない場合の短い短絡期間と、長期短絡判別時間Ｔｔが経過する場合の長い短絡期間といった、２つの短絡状態が存在することになる。そして、それぞれの短絡からアーク発生（短絡開放）直後のワイヤ送給状態は、前進送給によるアーク発生と、後退送給によるアーク発生といった、異なった状態になる。そのため、規則的な安定したアーク状態や均一のビード幅を確保することが難しくなるといった課題がある。ここで、短絡溶接では、アーク安定性やビード外観を良好にするため、短絡周期が規則的であることが必要不可欠である。

上記課題を解決するために、本発明のアーク溶接制御方法は、溶接ワイヤの前進送給と後退送給を行って短絡溶接を行うアーク溶接制御方法であって、短絡期間では、短絡発生時から第１の所定期間の間は前記溶接ワイヤを前進送給させ、前記第１の所定期間の経過後は前記溶接ワイヤを後退送給させ、アーク期間では、前記溶接ワイヤを前進送給させ、前記短絡期間の前記溶接ワイヤの送給制御と前記アーク期間の前記ワイヤの送給制御とを交互に繰り返して溶接を行い、アーク期間では、前記溶接ワイヤを設定電流に応じた基本ワイヤ送給速度で前進送給させ、短絡期間における第１の所定期間の間に溶接ワイヤを前進送給させる際のワイヤ送給速度は、前記基本ワイヤ送給速度よりも高いワイヤ送給速度である。

また、本発明のアーク溶接制御方法は、溶接ワイヤの前進送給と後退送給を行って短絡溶接を行うアーク溶接制御方法であって、短絡期間では、短絡発生時から第１の所定期間の間は前記溶接ワイヤを前進送給させ、前記第１の所定期間の経過後は前記溶接ワイヤを後退送給させ、アーク期間では、前記溶接ワイヤを前進送給させ、前記短絡期間の前記溶接ワイヤの送給制御と前記アーク期間の前記ワイヤの送給制御とを交互に繰り返して溶接を行い、
アーク期間では、アーク発生時から第２の所定期間の間は溶接ワイヤを設定電流に応じた基本ワイヤ送給速度で前進送給させ、前記第２の所定期間の経過後は前記溶接ワイヤを前記基本ワイヤ送給速度よりも高いワイヤ送給速度で前進送給させるものである。

また、本発明のアーク溶接制御装置は、消耗電極である溶接ワイヤと被溶接物との間でアークの発生と短絡とを繰り返して溶接を行うアーク溶接装置であって、少なくとも設定電流を設定するための溶接条件設定部と、前記溶接ワイヤを送給するためのワイヤ送給モータと、溶接出力を制御するスイッチング部と、溶接電圧を検出する溶接電圧検出部と、
前記溶接電圧検出部の出力に基づいて短絡期間であるのかアーク期間であるのかを検出する短絡／アーク検出部と、短絡状態であるときの溶接出力制御信号を出力する短絡制御部と、アーク状態であるときの溶接出力制御信号を出力するアーク制御部と、前記短絡制御部または前記アーク制御部からの信号に基づいて前記スイッチング素子を制御する駆動部と、前記短絡／アーク検出部からの信号に基づいて前記ワイヤ送給モータを制御するワイヤ送給モータ制御部とを備え、前記ワイヤ送給モータ制御部は、ワイヤ送給速度を制御する信号を出力するワイヤ送給速度制御部と、前記ワイヤ送給モータの回転方向を指示する
信号を出力するモータ極性切換制御部と、時間を計時する計時部とを有し、前記短絡期間では、短絡発生時から第１の所定期間の間は前記溶接ワイヤを前進送給させ、前記第１の所定期間の経過後は前記溶接ワイヤを後退送給させ、前記アーク期間では、前記溶接ワイヤを前進送給させ、前記短絡期間の前記溶接ワイヤの送給制御と前記アーク期間の前記ワイヤの送給制御とを交互に繰り返して溶接を行い、
アーク期間では、前記溶接ワイヤを設定電流に応じた基本ワイヤ送給速度で前進送給させ、短絡期間における第１の所定期間の間に溶接ワイヤを前進送給させる際のワイヤ送給速度は、前記基本ワイヤ送給速度よりも高いワイヤ送給速度である。

また、本発明のアーク溶接制御装置は、消耗電極である溶接ワイヤと被溶接物との間でアークの発生と短絡とを繰り返して溶接を行うアーク溶接装置であって、少なくとも設定電流を設定するための溶接条件設定部と、前記溶接ワイヤを送給するためのワイヤ送給モータと、溶接出力を制御するスイッチング部と、溶接電圧を検出する溶接電圧検出部と、
前記溶接電圧検出部の出力に基づいて短絡期間であるのかアーク期間であるのかを検出する短絡／アーク検出部と、短絡状態であるときの溶接出力制御信号を出力する短絡制御部と、アーク状態であるときの溶接出力制御信号を出力するアーク制御部と、前記短絡制御部または前記アーク制御部からの信号に基づいて前記スイッチング素子を制御する駆動部と、前記短絡／アーク検出部からの信号に基づいて前記ワイヤ送給モータを制御するワイヤ送給モータ制御部とを備え、前記ワイヤ送給モータ制御部は、ワイヤ送給速度を制御する信号を出力するワイヤ送給速度制御部と、前記ワイヤ送給モータの回転方向を指示する
信号を出力するモータ極性切換制御部と、時間を計時する計時部とを有し、前記短絡期間では、短絡発生時から第１の所定期間の間は前記溶接ワイヤを前進送給させ、前記第１の所定期間の経過後は前記溶接ワイヤを後退送給させ、前記アーク期間では、前記溶接ワイヤを前進送給させ、前記短絡期間の前記溶接ワイヤの送給制御と前記アーク期間の前記ワイヤの送給制御とを交互に繰り返して溶接を行い、
アーク期間では、アーク発生時から第２の所定期間の間は溶接ワイヤを設定電流に応じた基本ワイヤ送給速度で前進送給させ、前記第２の所定期間の経過後は前記溶接ワイヤを前記基本ワイヤ送給速度よりも高いワイヤ送給速度で前進送給させるものである。

以上のように、本発明によれば、短絡期間では、短絡開放を円滑に行うための後退送給をする前に、基本ワイヤ送給速度または基本ワイヤ送給速度よりも高いワイヤ送給速度で前進送給する。これにより、溶接ワイヤの溶融プールへの確実な短絡や溶接ワイヤにより溶融プールを押し込むことが可能となる。従って、微小短絡によるスパッタ抑制や溶け込み確保ができ、また、規則的な短絡周期を実現することができる。

本発明の実施の形態１におけるワイヤ送給速度と溶接電流と溶接電圧の波形を示す図 本発明の実施の形態１におけるワイヤ送給速度と溶接電流と溶接電圧の波形を示す図 本発明の実施の形態１における評価例を示す図 本発明の実施の形態１におけるアーク溶接装置の概略構成を示す図 本発明の実施の形態２におけるワイヤ送給速度と溶接電流と溶接電圧の波形を示す図 本発明の実施の形態２における評価例を示す図 本発明の実施の形態２におけるアーク溶接装置の概略構成図 従来のワイヤ送給制御における波形を示す図

以下、本発明の実施の形態について、図１から図７を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１におけるアーク溶接装置でアーク溶接制御方法を実施した際の出力波形を示す図である。図１は、ワイヤ送給速度ＷＳと、溶接電圧Ｖと、溶接電流Ｉの時間変化を示しており、アーク期間と短絡期間が交互に繰り返している状態を示している。以下、図１を用いて、本実施の形態１のアーク溶接制御方法について説明する。

図１において、時刻ｔ１〜時刻ｔ２は、短絡期間中の短絡初期期間ＷＴ１である。短絡初期期間ＷＴ１おいて、ワイヤ送給速度ＷＳは、前進送給（正送）である基本ワイヤ送給速度ＷＳ１となるように制御する。なお、短絡初期期間ＷＴ１は、後述するように、例えば設定電流に応じて決定されるものである。また、基本ワイヤ送給速度ＷＳ１も、後述するように、例えば設定電流に応じて決定されるものである。

ここで、基本ワイヤ送給速度ＷＳ１とは、溶接を行う前にアーク溶接装置に設定される設定電流に応じた基本となる所定のワイヤ送給速度である。また、短絡初期期間ＷＴ１は、基本ワイヤ送給速度ＷＳ１で溶接ワイヤを送給する場合に、溶接ワイヤと溶融プールとが確実に短絡するまでの期間であり、短絡発生時からの所定期間である。なお、溶接開始前に設定される設定電流とワイヤ送給速度とワイヤ送給量とは、比例の関係にあることは明らかである。従って、設定電流ではなく、設定されたワイヤ送給速度あるいは設定されたワイヤ送給量に応じて、基本ワイヤ送給速度ＷＳ１を決定するようにしてもよい。また、設定電流に応じて決定される短絡初期期間ＷＴ１等についても同様である。

図１に示す短絡初期期間ＷＴ１が経過した後の時刻ｔ２〜時刻ｔ３において、短絡初期期間ＷＴ１が経過した時点である時刻ｔ２から、短絡開放を円滑に行えるように、ワイヤ送給速度ＷＳを後退送給（逆送）のワイヤ送給速度ＷＳ２にする。なお、ワイヤ送給速度ＷＳ２は、例えば設定電流に応じて決定されるものである。

また、短絡期間の溶接制御として、短絡発生初期の時点である時刻ｔ１からは、電流制御により溶接電流Ｉを所定の傾きで上昇させる。なお、短絡期間の終端直前、すなわち、時刻ｔ３の直前においては、スパッタを低減するため、従来から知られているように、溶融した溶接ワイヤのくびれを検知して溶接電流Ｉを急峻に低減させるよう制御している。

アーク期間である時刻ｔ３〜時刻ｔ４において、アーク発生初期の時点である時刻ｔ３で、ワイヤ送給速度ＷＳを、後退送給であるワイヤ送給速度ＷＳ２から前進送給である基本ワイヤ送給速度ＷＳ１に加速する。

また、アーク期間の溶接制御として、時刻ｔ３からは、電流制御により溶接電流Ｉを所定の傾きで上昇させる。その後、電圧制御を行い、基本溶接電圧ＶＰを出力できるように溶接電流Ｉが出力される。そして、定電圧制御を行うことによりアーク長を維持できるので、微小短絡が発生し難いアーク状態を維持することができる。その後、アーク開始から所定時間後に電流制御を行い、溶接電流Ｉを微小短絡しても大粒スパッタが発生しにくい電流値である１００Ａ以下のベース電流ＩＢに低減させる。

なお、溶接電流Ｉは、所定の傾きでベース電流ＩＢに移行するように制御する。このように、アーク開始時から所定時間後に、溶接電流Ｉがベース電流ＩＢとなるように所定の傾きをもって減少させることにより、アーク状態の急激な変化を緩和することができる。ここで、ベース電流ＩＢの値は、実験等により溶接対象に適するような値とすればよい。

アーク期間では、電流制御によりベース電流ＩＢの状態を保ち、次の短絡発生の時点である時刻ｔ４を待つ状態とする。このように溶接電流Ｉをベース電流ＩＢの状態に保つことで、短絡が発生しやすい状態を確保することと、微小短絡が発生したとしても溶接電流Ｉが低いため大粒のスパッタが発生しにくいという効果がある。

本実施の形態１のアーク溶接制御方法は、上記した短絡期間とアーク期間の制御のサイクルを繰り返すものである。特に、ワイヤ送給速度ＷＳに関し、アーク期間は前進送給の基本ワイヤ送給速度ＷＳ１とする。短絡期間は、短絡発生時からの所定期間である短絡初期期間ＷＴ１の間はアーク期間と同様に前進送給の基本ワイヤ送給速度ＷＳ１とし、短絡初期期間ＷＴ１の経過後は、後退送給のワイヤ送給速度ＷＳ２とする。そして、このようなアーク期間と短絡期間のワイヤ送給制御を繰り返すものである。

なお、図２に示すように、短絡初期期間ＷＴ１の時刻ｔ１〜時刻ｔ２において、ワイヤ送給速度ＷＳを、基本ワイヤ送給速度ＷＳ１よりも高いワイヤ送給速度ＷＳ３となるように制御してもよい。このように、短絡初期期間ＷＴ１のワイヤ送給速度ＷＳを、基本ワイヤ送給速度ＷＳ１よりも高いワイヤ送給速度ＷＳ３とすることにより、被溶接物への溶け込みをさらに深くすることが可能となる。なお、ワイヤ送給速度ＷＳ３は、例えば設定電流に応じて決定されるものである。また、このワイヤ送給制御では、基本ワイヤ送給速度ＷＳ１は、平均ワイヤ送給速度となる場合もある。

また、図示していないが、短絡初期期間ＷＴ１の経過後の時点である時刻ｔ２から、ワイヤ送給速度ＷＳを、基本ワイヤ送給速度ＷＳ１よりも低いワイヤ送給速度ＷＳ２に減速する際、所定の傾きをもって移行させるように制御してもよい。このように、ワイヤ送給速度ＷＳの変化に所定の傾きをもたせることにより、ワイヤ送給速度ＷＳの急激な変化を緩和することができる。

また、アーク発生初期の時点である時刻ｔ３から、ワイヤ送給速度ＷＳを、ワイヤ送給速度ＷＳ２から基本ワイヤ送給速度ＷＳ１まで加速する際にも、図示していないが、所定の傾きをもって移行さように制御してもよい。このように、ワイヤ送給速度ＷＳを、定常溶接期間の基本ワイヤ送給速度ＷＳ１になるように所定の傾きをもって加速させることにより、アーク状態の急激な変化を緩和することができ、また、アーク発生時直後の微小短絡をさらに少なくすることができる。

さらに、アーク発生初期の時点である時刻ｔ３から、ワイヤ送給速度ＷＳを、ワイヤ送給速度ＷＳ２から基本ワイヤ送給速度ＷＳ１に加速する際に、アーク発生初期である時刻ｔ３から所定時間経過した後に前進送給し、加速を開始するように制御してもよい。アーク発生初期から所定の遅延時間が経過した後にワイヤ送給速度ＷＳの加速を開始させることにより、アーク発生時直後の微小短絡をさらに少なくすることができる。

ここで、短絡初期期間ＷＴ１と短絡初期のワイヤ送給速度ＷＳ３との組み合わせの適正領域の一例を図３に示す。図３は、ワイヤ径φ１．４を使用し、ＣＯ２溶接で設定電流３００Ａ（基本ワイヤ送給速度ＷＳ１＝９．０ｍ／ｍｉｎ）を溶接条件とした場合の評価事例である。

図３に示す適正領域は、アーク安定性と被溶接物への溶け込み効果の２つを評価項目とし、短絡初期期間ＷＴ１と短絡初期のワイヤ送給速度ＷＳ３のそれぞれの適正値を表したものである。

短絡初期期間ＷＴ１と短絡初期のワイヤ送給速度ＷＳ３のいずれも値が小さい場合には、アーク安定性はあるが、溶け込み効果がなくなる。また逆に、短絡初期期間ＷＴ１と短絡初期のワイヤ送給速度ＷＳ３のいずれも値が大きい場合には、溶け込み効果はあるが、アーク安定性が損なわれる。

よって、アーク安定性と溶け込み効果とを両立させるためには、図３に示す、安定性があり、かつ、溶け込み効果がある適性領域が必要となってくる。すなわち、アーク安定性と溶け込み効果がある場合の短絡初期期間ＷＴ１と短絡初期のワイヤ送給速度ＷＳ３を選定するようにする必要がある。なお、図３に示すものは、上記溶接条件下での適正領域であり、異なる溶接条件では適正領域は異なる。

ここで、上記のアーク溶接制御を行うためのアーク溶接装置について、図４を用いて説明する。なお、ワイヤ送給制御に関する点を中心に説明する。

図４において、アーク溶接装置は、入力電源１から入力した電力を整流する１次整流部２と、１次整流部２の出力を交流に変換するスイッチング部３と、スイッチング部３の出力を変圧するトランス４と、トランス４の出力を整流する２次整流部５およびＤＣＬ６と、スイッチング部３を制御する駆動部７と、溶接電圧を検出する溶接電圧検出部８と、溶接電流を検出する溶接電流検出部９と、溶接電圧検出部８の出力および／または溶接電流検出部９の出力に基づいて溶接状態が短絡状態であるのかアーク状態であるのかを検出する短絡／アーク検出部１０と、短絡状態である場合の溶接出力制御を行う短絡制御部１１と、アーク状態である場合の溶接出力制御を行うアーク制御部１２と、溶接ワイヤ２１の送給制御を行うワイヤ送給モータ制御部１３と、設定電流や溶接ワイヤ径や溶接ワイヤ材質等の溶接条件を設定するための溶接条件設定部２５を備えている。

なお、ワイヤ送給モータ制御部１３は、基本ワイヤ送給制御部１４と、短絡初期時間計時部１５と、短絡初期送給制御部１６と、モータ極性切換え制御部１７と、後退送給制御部２６から構成される。

また、溶接ワイヤ２１は、ワイヤ送給モータ２０により送給される。そして、溶接ワイヤ２１には、チップ２２を介して電力が供給され、溶接ワイヤ２１と被溶接物２４との間で溶接アーク２３が発生して溶接が行われる。

なお、例えば、チップ２２は図示しない溶接トーチに設けられ、この溶接トーチは図示しない産業用ロボットを構成するマニピュレータに取り付けられ、マニピュレータの動作により溶接トーチを移動させるようにしても良い。そして、産業用ロボットを構成しマニピュレータの動作を制御する図示しないロボット制御装置の内部に、１次整流部２からモータ極性切換え制御部１７までの各構成要素と溶接条件設定部２５と後退送給制御部２６を設けるようにしてもよい。

溶接電圧検出部８は、溶接用電源出力端子間に接続され、検出した電圧に対応した信号を出力する。短絡／アーク検出部１０は、溶接電圧検出部８からの信号に基づいて、溶接出力電圧が一定値以上であるのか未満であるのかを判定し、この判定結果により溶接ワイヤ２１が被溶接物２４に接触短絡しているか、それとも非接触状態で溶接アーク２３を発生しているかを判定して判定信号を出力する。なお、短絡／アーク検出部１０は、溶接電流検出部９の出力に基づいて判定を行うようにしてもよいし、溶接電圧検出部８と溶接電流検出部９の両方の出力に基づいて判定を行うようにしてもよい。

次に、短絡／アーク検出部１０の判定後の送給制御について説明する。

ワイヤ送給モータ制御部１３は、基本ワイヤ送給制御部１４と、短絡初期時間計時部１５と、短絡初期送給制御部１６と、モータ極性切換え制御部１７と、後退送給制御部２６から構成されている。

短絡／アーク検出部１０からの信号が短絡判定を示すものである場合、短絡初期時間計時部１５は、短絡発生時からの時間を計時する。そして、短絡初期時間計時部１５が、短絡初期期間ＷＴ１が経過したと判定するまでの間は、短絡初期送給制御部１６は、ワイヤ送給速度ＷＳを基本ワイヤ送給速度ＷＳ１とすることを示す信号を出力する。なお、短絡初期時間計時部１５は、設定電流と短絡初期期間ＷＴ１とを対応付けた表あるいは数式を備えている。そして、短絡初期時間計時部１５は、溶接条件設定部２５で設定された設定電流に基づいて、短絡初期期間ＷＴ１を決定する。ここで、表や数式は、例えば実験等により事前に求めておくものである。また、モータ極性切換え制御部１７は、前進送給を示す信号を出力する。そして、基本ワイヤ送給制御部１４と、短絡初期時間計時部１５と、短絡初期送給制御部１６と、モータ極性切換え制御部１７と、後退送給制御部２６を構成要素とするワイヤ送給モータ制御部１３からの信号を受信したワイヤ送給モータ２０は、ワイヤ送給速度ＷＳが、前進送給の基本ワイヤ送給速度ＷＳ１となるように溶接ワイヤ２１の送給制御を行う。

次に、短絡初期時間計時部１５が、短絡発生時から短絡初期期間ＷＴ１が経過したと判定すると、後退送給制御部２６は、ワイヤ送給速度ＷＳを後退送給時の速度であるワイヤ送給速度ＷＳ２とすることを示す信号を出力し、モータ極性切換え制御部１７は、後退送給を示す信号を出力する。そして、基本ワイヤ送給制御部１４と、短絡初期時間計時部１５と、短絡初期送給制御部１６と、モータ極性切換え制御部１７と、後退送給制御部２６を構成要素とするワイヤ送給モータ制御部１３からの信号を受信したワイヤ送給モータ２０は、ワイヤ送給速度ＷＳが後退送給のワイヤ送給速度ＷＳ２となるように溶接ワイヤ２１の送給制御を行う。なお、後退送給制御部２６は、設定電流と後退送給速度であるワイヤ送給速度ＷＳ２とを対応付けた表あるいは数式を備えている。そして、後退送給制御部２６は、溶接条件設定部２５で設定された設定電流に基づいて、ワイヤ送給速度ＷＳ２を決定する。ここで、表や数式は、例えば実験等により事前に求めておくものである。

一方、短絡／アーク検出部１０からの信号がアーク判定を示すアーク期間の場合、基本ワイヤ送給制御部１４は、ワイヤ送給速度ＷＳを基本ワイヤ送給速度ＷＳ１とすることを示す信号を出力する。モータ極性切換え制御部１７は、前進送給を示す信号を出力する。そして、基本ワイヤ送給制御部１４と、短絡初期時間計時部１５と、短絡初期送給制御部１６と、モータ極性切換え制御部１７と、後退送給制御部２６を構成要素とするワイヤ送給モータ制御部１３からの信号を受信したワイヤ送給モータ２０は、ワイヤ送給速度ＷＳが前進送給の基本ワイヤ送給速度ＷＳ１となるように溶接ワイヤ２１の送給制御を行う。

本実施の形態１のアーク溶接装置は、上記した短絡期間のワイヤ送給制御とアーク期間のワイヤ送給制御を周期的に繰り返すものである。

なお、短絡初期時間計時部１５が短絡初期期間ＷＴ１が経過したと判定するまでの間に短絡初期送給制御部１６が出力するワイヤ送給速度ＷＳを示す信号は、基本ワイヤ送給速度ＷＳ１ではなく、基本ワイヤ送給速度ＷＳ１より高いワイヤ送給速度ＷＳ３とするようにしても良い。この場合、短絡初期送給制御部１６は、設定電流と前進送給であるワイヤ送給速度ＷＳ３とを対応付けた表あるいは数式を備えている。そして、短絡初期送給制御部１６は、溶接条件設定部２５で設定された設定電流に基づいて、ワイヤ送給速度ＷＳ３を決定する。ここで、表や数式は、例えば実験等により事前に求めておくものである。そして、基本ワイヤ送給速度ＷＳ１とワイヤ送給速度ＷＳ３のどちらになるように制御するかは、予め短絡初期送給制御部１６に設定するようにしておけばよい。

そして、短絡初期期間ＷＴ１のワイヤ送給速度ＷＳを、基本ワイヤ送給速度ＷＳ１よりも高いワイヤ送給速度ＷＳ３とすることにより、被溶接物への溶け込みを、基本ワイヤ送給速度ＷＳ１の場合よりも深くすることが可能となる。

なお、上記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するようにしてもよい。

以上のように、本実施の形態１のアーク溶接装置およびアーク溶接制御方法によれば、短絡期間において、短絡開放を円滑に行うためのワイヤ送給速度ＷＳ２である後退送給を行う前に、基本ワイヤ送給速度ＷＳ１または基本ワイヤ送給速度ＷＳ１よりも高いワイヤ送給速度ＷＳ３で前進送給を行うことで、溶融プールへの確実な短絡や溶融プールを押し込むことが可能となる。これらにより、短絡期間における微小短絡によるスパッタ抑制や溶け込みが確保でき、規則的な短絡周期を実現することができる。

（実施の形態２）
本実施の形態２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と異なる主な点は、短絡開放時であるアーク発生時から次の短絡発生時までのアーク期間において、ワイヤ送給を前進送給させて前記基本ワイヤ送給速度ＷＳ１に戻すことに加え、短絡周期を規則的にするため、アーク発生時点から所定時間後に、ワイヤ送給速度ＷＳを基本ワイヤ送給速度ＷＳ１から基本ワイヤ送給速度ＷＳ１よりも高い前進送給のワイヤ送給速度ＷＳ４に加速するようにした点である。なお、ワイヤ送給速度ＷＳ４は、設定電流に応じて決定されるものである。

図５は、本実施の形態２における短絡を伴うアーク溶接のアーク溶接制御方法を説明するための出力波形を示す図である。図５に、ワイヤ送給速度ＷＳと、溶接電圧Ｖと、溶接電流Ｉの時間変化を示す。

図５に示す短絡初期期間ＷＴ１である時刻ｔ１〜時刻ｔ２において、ワイヤ送給速度ＷＳは、基本ワイヤ送給速度ＷＳ１よりも高いワイヤ送給速度ＷＳ３を維持するように制御する。このように、短絡初期期間ＷＴ１の間、基本ワイヤ送給速度ＷＳ１よりも高いワイヤ送給速度ＷＳ３で前進送給することにより、被溶接物への溶け込みを通常より深くすることが可能となる。

短絡初期期間ＷＴ１が経過した後の時刻ｔ２〜時刻ｔ３では、短絡開放を円滑に行えるように、時刻ｔ２以降は、ワイヤ送給速度ＷＳが後退送給であるワイヤ送給速度ＷＳ２となるように制御される。

次に、アーク期間である時刻ｔ３〜ｔ４では、時刻ｔ３以降は、ワイヤ送給速度ＷＳが、後退送給であるワイヤ送給速度ＷＳ２から前進送給である基本ワイヤ送給速度ＷＳ１となるように制御される。

そして、本実施の形態２では、実施の形態１と異なり、アーク発生初期である時刻ｔ３から時刻ｔ５までの短絡誘発期間ＷＴ２を設けており、アーク発生時から短絡誘発期間ＷＴ２が経過した時点である時刻ｔ５において、ワイヤ送給速度ＷＳを基本ワイヤ送給速度ＷＳ１よりも高い短絡誘発送給速度であるワイヤ送給速度ＷＳ４に加速するように溶接ワイヤ２１の送給を制御する。このようにすることで、短絡周期を規則的にすることができる。なお、短絡誘発期間ＷＴ２は、設定電流に応じて決定されるものである。

ここで、時刻ｔ３〜時刻ｔ５の期間である短絡誘発させるための短絡誘発期間ＷＴ２と短絡誘発のワイヤ送給速度ＷＳ４との組み合わせの適正領域の一例を図６に示す。

図６は、ワイヤ径φ１．４を使用し、ＣＯ２溶接で設定電流３００Ａ（基本ワイヤ送給速度ＷＳ１＝９．０ｍ／ｍｉｎ）の溶接条件における評価事例である。

図６に示す適正領域は、アーク安定性と短絡誘発効果の２つを評価項目とし、短絡誘発期間ＷＴ２と短絡誘発のワイヤ送給速度ＷＳ４のそれぞれの適正値を表したものである。

短絡誘発のワイヤ送給速度ＷＳ４の値が大きい場合には、短絡誘発効果はあるが、アーク安定性がなくなる。また、短絡誘発期間ＷＴ２の値が大きい場合には、アーク安定性と短絡誘発効果が損なわれる。すなわち、短絡誘発期間ＷＴ２は、長くすることが良くないことがわかる。

よって、アーク安定性と短絡誘発効果を両立させるためには、図６に示す、安定性があり、かつ、誘発効果がある適性領域が必要となってくる。なお、図６に示す結果は、上記溶接条件下での適正領域であり、異なる溶接条件では適正領域は異なる。

ここで、以上のようなアーク溶接制御を行うためのアーク溶接装置について、図７を用いて説明する。なお、ワイヤ送給制御に関する点を中心に説明する。また、実施の形態１で説明した図４に示すアーク溶接装置と同一の箇所については同一の符号を付して説明を省略する。

図７において、図４と異なる主な点は、ワイヤ送給モータ制御部１３が、基本ワイヤ送給制御部１４と、短絡初期時間計時部１５と、短絡初期送給制御部１６と、モータ極性切換え制御部１７と後退送給制御部２６に加え、短絡誘発時間制御部１８と、短絡誘発送給制御部１９を備えている点である。

溶接電圧検出部８は、溶接用電源出力端子間に接続され、検出した電圧に対応した信号を出力する。短絡／アーク検出部１０は、溶接電圧検出部８からの信号に基づいて、溶接出力電圧が一定値以上か未満かを判定し、この判定結果により溶接ワイヤ２１が被溶接物２４に接触短絡している短絡状態であるのか、それとも非接触状態で溶接アーク２３を発生しているアーク状態であるのかを判定して判定信号を出力する。

次に、短絡／アーク検出部１０の判定後の送給制御について説明する。

ワイヤ送給モータ制御部１３は、基本ワイヤ送給制御部１４と、短絡初期時間計時部１５と、短絡初期送給制御部１６と、モータ極性切換え制御部１７と、短絡誘発時間制御部１８と、短絡誘発送給制御部１９から構成されている。

短絡／アーク検出部１０からの信号が短絡判定を示すものである場合、短絡初期時間計時部１５は、短絡発生時からの時間を計時する。そして、短絡初期時間計時部１５が、短絡初期期間ＷＴ１が経過したと判定するまでの間は、短絡初期送給制御部１６は、基本ワイヤ送給速度ＷＳ１より高いワイヤ送給速度ＷＳ３とすることを示す信号を出力する。また、モータ極性切換え制御部１７は、前進送給を示す信号を出力する。そして、基本ワイヤ送給制御部１４と、短絡初期時間計時部１５と、短絡初期送給制御部１６と、モータ極性切換え制御部１７と、後退送給制御部２６と、短絡誘発時間制御部１８と、短絡誘発送給制御部１９を構成要素とするワイヤ送給モータ制御部１３からの信号を受信したワイヤ送給モータ２０は、ワイヤ送給速度ＷＳが、基本ワイヤ送給速度ＷＳ１より高い前進送給のワイヤ送給速度ＷＳ３となるように溶接ワイヤ２１の送給制御を行う。

短絡初期時間計時部１５が、短絡発生時から短絡初期期間ＷＴ１が経過したと判定すると、後退送給制御部２６は、ワイヤ送給速度を後退送給であるワイヤ送給速度ＷＳ２とすることを示す信号を出力し、モータ極性切換え制御部１７は、後退送給を示す信号を出力する。そして、基本ワイヤ送給制御部１４と、短絡初期時間計時部１５と、短絡初期送給制御部１６と、モータ極性切換え制御部１７と、後退送給制御部２６と、短絡誘発時間制御部１８と、短絡誘発送給制御部１９を構成要素とするワイヤ送給モータ制御部１３からの信号を受信したワイヤ送給モータ２０は、ワイヤ送給速度ＷＳが後退送給のワイヤ送給速度ＷＳ２となるように溶接ワイヤ２１の送給制御を行う。

一方、短絡／アーク検出部１０からの信号がアーク判定を示すアーク期間の場合、基本ワイヤ送給制御部１４は、ワイヤ送給速度ＷＳを基本ワイヤ送給速度ＷＳ１とすることを示す信号を出力する。モータ極性切換え制御部１７は、前進送給を示す信号を出力する。そして、基本ワイヤ送給制御部１４と、短絡初期時間計時部１５と、短絡初期送給制御部１６と、モータ極性切換え制御部１７と、後退送給制御部２６と、短絡誘発時間制御部１８と、短絡誘発送給制御部１９を構成要素とするワイヤ送給モータ制御部１３からの信号を受信したワイヤ送給モータ２０は、ワイヤ送給速度ＷＳが基本ワイヤ送給速度ＷＳ１となるように溶接ワイヤ２１の送給制御を行う。

また、短絡誘発時間制御部１８は計時機能を有しており、アーク発生時からの時間を計時する。そして、短絡誘発時間制御部１８が、アーク発生時から短絡誘発期間ＷＴ２が経過したか否かを判定する。短絡誘発時間制御部１８が、アーク発生時から短絡誘発期間ＷＴ２が経過したと判定した場合、短絡誘発送給制御部１９は、前進送給であり基本ワイヤ送給速度ＷＳ１よりも高い短絡誘発のワイヤ送給速度ＷＳ４とすることを示す信号を出力し、モータ極性切換え制御部１７は、前進送給を示す信号を出力する。そして、基本ワイヤ送給制御部１４と、短絡初期時間計時部１５と、短絡初期送給制御部１６と、モータ極性切換え制御部１７と、後退送給制御部２６と、短絡誘発時間制御部１８と、短絡誘発送給制御部１９を構成要素とするワイヤ送給モータ制御部１３からの信号を受信したワイヤ送給モータ２０は、ワイヤ送給速度ＷＳが前進送給のワイヤ送給速度ＷＳ４となるように溶接ワイヤ２１の送給制御を行う。

なお、短絡誘発時間制御部１８は、設定電流と短絡誘発期間ＷＴ２とを対応付けた表あるいは数式を備えている。そして、短絡誘発時間制御部１８は、溶接条件設定部２５で設定された設定電流に基づいて、短絡誘発期間ＷＴ２を決定する。ここで、表や数式は、例えば実験等により事前に求めておくものである。

また、短絡誘発送給制御部１９は、設定電流と前進送給であるワイヤ送給速度ＷＳ４とを対応付けた表あるいは数式を備えている。そして、短絡誘発送給制御部１９は、溶接条件設定部２５で設定された設定電流に基づいて、ワイヤ送給速度ＷＳ４を決定する。ここで、表や数式は、例えば実験等により事前に求めておくものである。

本実施の形態２のアーク溶接装置は、上記した短絡期間のワイヤ送給制御とアーク期間のワイヤ送給制御を周期的に繰り返すものである。

なお、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するようにしてもよい。

以上のように、本実施の形態２のアーク溶接装置およびアーク溶接制御方法によれば、アーク期間において短絡誘発を行うために基本ワイヤ送給速度ＷＳ１よりも高いワイヤ送給速度ＷＳ４で前進送給することで、溶融プールへの確実な短絡や溶融プールを押し込むことが可能となる。これらにより、微小短絡によるスパッタ抑制や溶け込み確保ができ、規則的な短絡周期を実現することができる。

本発明によれば、ワイヤ送給速度として前進送給と後退送給を繰り返すアーク溶接において、緻密なワイヤ送給速度を実現することにより、スパッタを低減しながら、溶け込みを確保できるなどの溶接品質面にも対応でき、消耗電極である溶接ワイヤを連続的に送給しながらアーク溶接を行うアーク溶接制御方法やアーク溶接装置として産業上有用である。

ＷＳ ワイヤ送給速度
Ｖ 溶接電圧
Ｉ 溶接電流
ＩＰ ピーク電流
ＩＢ ベース電流
ＶＰ 基本溶接電圧
ＷＳ１ 基本ワイヤ送給速度
ＷＳ２ ワイヤ送給速度
ＷＳ３ ワイヤ送給速度
ＷＳ４ ワイヤ送給速度
ＷＴ１ 短絡初期期間
ＷＴ２ 短絡誘発期間
１ 入力電源
２ １次整流部
３ スイッチング部
４ トランス
５ ２次整流部
６ ＤＣＬ
７ 駆動部
８ 溶接電圧検出部
９ 溶接電流検出部
１０ 短絡／アーク検出部
１１ 短絡制御部
１２ アーク制御部
１３ ワイヤ送給モータ制御部
１４ 基本ワイヤ送給制御部
１５ 短絡初期時間計時部
１６ 短絡初期送給制御部
１７ モータ極性切換え制御部
１８ 短絡誘発時間制御部
１９ 短絡誘発送給制御部
２０ ワイヤ送給モータ
２１ 溶接ワイヤ
２２ チップ
２３ 溶接アーク
２４ 被溶接物
２５ 溶接条件設定部
２６ 後退送給制御部
Ｖｗ 溶接電圧
Ｉｗ 溶接電流

Claims (4)

1. 溶接ワイヤの前進送給と後退送給を行って短絡溶接を行うアーク溶接制御方法であって、
   短絡期間では、短絡発生時から第１の所定期間の間は前記溶接ワイヤを前進送給させ、前記第１の所定期間の経過後は前記溶接ワイヤを後退送給させ、
   アーク期間では、前記溶接ワイヤを前進送給させ、
   前記短絡期間の前記溶接ワイヤの送給制御と前記アーク期間の前記ワイヤの送給制御とを交互に繰り返して溶接を行い、
   アーク期間では、前記溶接ワイヤを設定電流に応じた基本ワイヤ送給速度で前進送給させ、短絡期間における第１の所定期間の間に溶接ワイヤを前進送給させる際のワイヤ送給速度は、前記基本ワイヤ送給速度よりも高いワイヤ送給速度であるアーク溶接制御方法。
2. 溶接ワイヤの前進送給と後退送給を行って短絡溶接を行うアーク溶接制御方法であって、
   短絡期間では、短絡発生時から第１の所定期間の間は前記溶接ワイヤを前進送給させ、前記第１の所定期間の経過後は前記溶接ワイヤを後退送給させ、
   アーク期間では、前記溶接ワイヤを前進送給させ、
   前記短絡期間の前記溶接ワイヤの送給制御と前記アーク期間の前記ワイヤの送給制御とを交互に繰り返して溶接を行い、
   アーク期間では、アーク発生時から第２の所定期間の間は溶接ワイヤを設定電流に応じた基本ワイヤ送給速度で前進送給させ、前記第２の所定期間の経過後は前記溶接ワイヤを前記基本ワイヤ送給速度よりも高いワイヤ送給速度で前進送給させるアーク溶接制御方法。
3. 消耗電極である溶接ワイヤと被溶接物との間でアークの発生と短絡とを繰り返して溶接を行うアーク溶接装置であって、
   少なくとも設定電流を設定するための溶接条件設定部と、
   前記溶接ワイヤを送給するためのワイヤ送給モータと、
   溶接出力を制御するスイッチング部と、
   溶接電圧を検出する溶接電圧検出部と、
   前記溶接電圧検出部の出力に基づいて短絡期間であるのかアーク期間であるのかを検出する短絡／アーク検出部と、
   短絡状態であるときの溶接出力制御信号を出力する短絡制御部と、
   アーク状態であるときの溶接出力制御信号を出力するアーク制御部と、
   前記短絡制御部または前記アーク制御部からの信号に基づいて前記スイッチング部を制御する駆動部と、
   前記短絡／アーク検出部からの信号に基づいて前記ワイヤ送給モータを制御するワイヤ送給モータ制御部とを備え、
   前記ワイヤ送給モータ制御部は、ワイヤ送給速度を制御する信号を出力するワイヤ送給速度制御部と、前記ワイヤ送給モータの回転方向を指示する信号を出力するモータ極性切換制御部と、時間を計時する計時部とを有し、
   前記短絡期間では、短絡発生時から第１の所定期間の間は前記溶接ワイヤを前進送給させ、前記第１の所定期間の経過後は前記溶接ワイヤを後退送給させ、前記アーク期間では、
   前記溶接ワイヤを前進送給させ、前記短絡期間の前記溶接ワイヤの送給制御と前記アーク期間の前記ワイヤの送給制御とを交互に繰り返して溶接を行い、
   アーク期間では、前記溶接ワイヤを設定電流に応じた基本ワイヤ送給速度で前進送給させ、短絡期間における第１の所定期間の間に溶接ワイヤを前進送給させる際のワイヤ送給速度は、前記基本ワイヤ送給速度よりも高いワイヤ送給速度であるアーク溶接装置。
4. 消耗電極である溶接ワイヤと被溶接物との間でアークの発生と短絡とを繰り返して溶接を行うアーク溶接装置であって、
   少なくとも設定電流を設定するための溶接条件設定部と、
   前記溶接ワイヤを送給するためのワイヤ送給モータと、
   溶接出力を制御するスイッチング部と、
   溶接電圧を検出する溶接電圧検出部と、
   前記溶接電圧検出部の出力に基づいて短絡期間であるのかアーク期間であるのかを検出する短絡／アーク検出部と、
   短絡状態であるときの溶接出力制御信号を出力する短絡制御部と、
   アーク状態であるときの溶接出力制御信号を出力するアーク制御部と、
   前記短絡制御部または前記アーク制御部からの信号に基づいて前記スイッチング部を制御する駆動部と、
   前記短絡／アーク検出部からの信号に基づいて前記ワイヤ送給モータを制御するワイヤ送給モータ制御部とを備え、
   前記ワイヤ送給モータ制御部は、ワイヤ送給速度を制御する信号を出力するワイヤ送給速度制御部と、前記ワイヤ送給モータの回転方向を指示する信号を出力するモータ極性切換制御部と、時間を計時する計時部とを有し、
   前記短絡期間では、短絡発生時から第１の所定期間の間は前記溶接ワイヤを前進送給させ、前記第１の所定期間の経過後は前記溶接ワイヤを後退送給させ、前記アーク期間では、
   前記溶接ワイヤを前進送給させ、前記短絡期間の前記溶接ワイヤの送給制御と前記アーク期間の前記ワイヤの送給制御とを交互に繰り返して溶接を行い、
   アーク期間では、アーク発生時から第２の所定期間の間は溶接ワイヤを設定電流に応じた基本ワイヤ送給速度で前進送給させ、前記第２の所定期間の経過後は前記溶接ワイヤを前記基本ワイヤ送給速度よりも高いワイヤ送給速度で前進送給させるアーク溶接装置。

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