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JP7048816B2 - 消耗溶接ワイヤを含むアーク溶接方法 - Google Patents
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JP7048816B2 - 消耗溶接ワイヤを含むアーク溶接方法 - Google Patents

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Description

本発明は、消耗溶接ワイヤを用いたアーク溶接方法に関し、溶接プロセス中の連続した溶接サイクルにおいて、溶接ワイヤに所定の溶接電流を流し、溶接ワイヤを所定のワイヤ搬送速度でワークピースに向かって移動させるアーク溶接方法に関する。
MIG(金属不活性ガス)溶接やMAG(金属活性ガス)溶接のように消耗溶接ワイヤを用いたアーク溶接方法では、溶接トーチのコンタクトチューブ内に消耗溶接ワイヤを接触させ、溶接電圧と溶接電流を印加することにより、溶接ワイヤの自由端からワークピースに向けて電気アークが形成され、これにより溶接ワイヤの端部が溶融し、溶接ワイヤからワークピースへの材料移動が生じる。いわゆる突き出し長、すなわちワイヤ電極の自由長とは、コンタクトチューブの端部からアークが発火する溶接ワイヤの端部までの長さのことである。溶接中、溶接サイクルは特定の溶接周波数で繰り返され、各溶接サイクル中、溶接ワイヤの搬送速度、溶接電流、溶接電圧、およびワークピースに対する溶接トーチの移動速度などの溶接パラメータは、安定したアークが達成され、その結果、溶接シームの品質が可能な限り安定したものとなるように、互いに最適に一致しなければならない。各溶接サイクルの間、溶接電流やワイヤ搬送速度などの溶接パラメータは、平均溶接電流や平均ワイヤ搬送速度などの一定の平均値を有する。
例えば、DE 37 31 180 A1には、消耗溶接ワイヤを用いた溶接方法が開示されている。
JP 2005 313179 Aは、異なる溶接パラメータを有する異なる溶接プロセスを使用して、ワークピースへの入熱を制御するアーク溶接方法を開示している。
US 6,051,807 A1には、ワークピースまでの距離の変化に対応するように溶接電流を制御するパルス溶接方法が開示されている。
加工されるワークピースの形状により、通常、溶接作業中に溶接プロセスを数回変更し、溶接パラメータをそれぞれの条件に適合させる必要がある。例えば、溶接シームが溶接トーチの上方に位置するオーバーヘッド溶接作業に移行する際には、多くの溶接パラメータを変更する必要がある。
最後に行われた溶接プロセスから、増加した平均ワイヤ搬送速度(溶接サイクルの平均的なワイヤ搬送速度)または、増加した平均溶接電流(溶接サイクルの平均的な溶接電流)を含む溶接プロセスに変更すると、フリー溶接ワイヤの端部に過負荷がかかったり、突き出したりする危険性がある。これは、不安定性や溶接スパッタの形成につながり、その結果、溶接品質を低下させる可能性がある。
特に、溶接プロセスの変化は、溶接ワイヤの突き出し部の温度に望ましくない変動を生じさせ、溶接ワイヤの自由端で局所的な熱過負荷が発生すると、自由溶接ワイヤ端のより長い部分の望ましくない突然の溶融と、アーク長の急激な延長が生じ、溶接プロセスを混乱させ、溶接品質を低下させることがある。
本発明の目的は、上述したようなアーク溶接方法であって、溶接サイクル中の平均ワイヤ搬送速度を増加させた溶接プロセスおよび/または溶接サイクル中の平均溶接電流を増加させた溶接プロセスに、溶接プロセスを変更した場合であっても、突き出し部の熱過負荷の危険性が存在しないか、またはより少ない程度であるアーク溶接方法を提供することにある。アーク溶接方法はまた、このような溶接プロセスの変更の下で安定しており、溶接ワイヤの自由端における温度分布が可能な限り一定であり、アーク長が可能な限り一定であることに関連し、これにより溶接品質が可能な限り一定であることに関連すべきである。
本発明にかかる目的は、溶接プロセスが、溶接サイクル中に増加した平均ワイヤ搬送速度および/または溶接サイクル中に増加した平均溶接電流を有する溶接プロセスに変更されるときに、下降段階が開始されることによって達成され、ここで、溶接電流は、下降段階において、所定の期間減少される。溶接電流を減少させた状態でこのような下降段階を開始することにより、平均ワイヤ搬送速度を増加させた溶接プロセスおよび/または平均溶接電流を増加させた溶接プロセスに溶接プロセスを変更する際に、突き出し部の過負荷を効果的に打ち消すことができ、本質的に一定のアーク長を有する安定したアークを達成することができる。下降段階における各パラメータは、溶接プロセス変更時の溶接パラメータの変化に経験的に応じて選択され、調整される。下降段階の間の溶接電流の減少に加えて、または他の代替手段として、ワイヤ搬送速度を下降段階の間に増加させることもできる。下降段階の所定の期間が経過した後、この溶接プロセスに指定された溶接パラメータで溶接プロセスを継続する。
好ましくは、下降段階は、所定の遅延時間が経過した後にのみ開始される。遅延時間を維持することにより、増加した溶接電流が通過する自由溶接ワイヤ端部の長さ成分または個々のサブセグメントが、そこから溶接電流が溶接ワイヤの自由端に流れるコンタクトチューブ上の接触点から、溶接ワイヤの端部(融点)まで移動するのに一定の時間を要するという事実を考慮することができる。この遅延時間および突き出し部の個々のサブセグメントの温度上昇は、瞬間的なワイヤ搬送速度および他の多数の溶接パラメータ(溶接電流の波形および振幅)に依存し、例えば、対応する表から、または対応する計算規則に従って、溶接プロセスの変化に応じて選択および調整することができる。もちろん、特定の遅延時間の代わりに、等価な代替えとして、溶接プロセスの変更後に、溶接ワイヤを前進させる特定のパス長をテンプレートとして使用してもよい。
本発明の他の特徴によれば、下降段階の溶接電流は、所定の期間にわたって一定の溶接電流値まで減少する。これは、所定の遅延時間が経過した後に適用される場合には、所定の期間にわたって平均溶接電流値が常に減少するという点で、下降段階の実施の最も単純な例であり、これにより、溶接プロセスが変化した場合に、自由な溶接ワイヤ端部の過熱を打ち消すことが可能となる。
代わりに、下降段階の溶接電流は、所定の機能、例えばランプの形で、所定の期間中に下降させることもできる。下降段階における溶接電流の特定の特性を指定することは、突き出し部の熱過負荷をさらに良好に打ち消すことができ、突き出し部の温度分布を可能な限り一定に保つことができ、従って安定した溶接プロセスを達成することができることを意味する。下降段階における溶接電流の所定の関数は、原則として、所望の特性、例えばランプ状の特性を有することができるが、湾曲した特性または類似の特性を有することもできる。
下降段階の継続時間、下降段階の溶接電流、および/または所定の遅延時間は、使用する溶接ワイヤに応じて規定することができる。下降段階を特徴付けるパラメータは、例えば溶接ワイヤの材料と溶接ワイヤの直径に応じた管形状中に蓄積および保存し、溶接プロセスが変更されたときに自動的に選択することができる。
好ましくは、下降段階の継続時間は、1~30回の溶接サイクルである。経験上、このような下降段階の期間は、安定した溶接プロセスをもたらす。
下降段階の平均溶接電流は、溶接サイクル中に先行する平均溶接電流と比較して、好ましくは10%~50%減少する。経験に基づいて、下降段階における平均溶接電流を10%~50%減少させることは、突き出し部の熱過負荷を効果的に打ち消すのに十分である。
所定の遅延時間は、遅延時間中に溶接ワイヤをワークピースの方向に5mm~25mm移動させるように設定するのが理想的である。溶接ワイヤの移動量の所定の範囲は、溶接トーチとワークピースと突き出し部との距離、およびアーク長さの標準寸法に対応する。溶接ワイヤの搬送速度に応じて、遅延時間は、遅延時間中の溶接ワイヤの対応する前方移動を達成するように適宜選択される。
他の特徴によれば、溶接ワイヤの自由長が間接的に決定され、決定された溶接ワイヤの自由長に応じて、下降段階の継続時間、下降段階における平均溶接電流、および/または遅延時間が変更される。この測定によれば、溶接ワイヤの実際の自由長を考慮に入れることができ、これにより突き出し部の過負荷に対するより一層の保護が提供される。
自由溶接ワイヤ長は、溶接電圧、溶接ワイヤとワークピースとの間の溶接電流、およびワイヤ搬送速度を測定することで間接的に決定できる。溶接電圧、すなわちコンタクトチューブとワークピースとの間の電圧と、溶接電流、すなわち溶接ワイヤとワークピースとの間の電流と、ワイヤ搬送速度とを記録することによって、自由溶接ワイヤ長を推測することができ、これは、本発明にかかる下降段階のパラメータを設定する際に考慮することができる。
溶接サイクルの間に、少なくとも1つのパルス状の溶接電流を有する1つのパルスアーク相と、溶接ワイヤとワークピースとの間に1つ以上の交互短絡を有する1つの短絡アーク相と、アーク相とが連続して発生することができる。この場合、溶接プロセス中の短絡は、抵抗測定を用いて自由溶接ワイヤ長さを測定するために使用することができる。
このような溶接プロセスの場合には、溶接ワイヤとワークピースとの間の短絡中に、抵抗測定の手段により、短絡時の自由溶接ワイヤ長を決定することができる。そのためには、短絡中、すなわち溶接ワイヤ端部とワークピースとの接触中に、溶接ワイヤ端部の電圧および電流を測定し、これから抵抗値を求め、この抵抗値から自由溶接ワイヤ長を推測する。この自由溶接ワイヤ長の測定は、もちろん上述のような短絡ベースの溶接方法でのみ可能である。
溶接サイクル中の平均ワイヤ搬送速度の増加および/または溶接サイクル中の平均溶接電流の増加を伴う溶接プロセスに、溶接プロセスをさらに変更する場合、特定の継続時間に比較した下降段階の継続時間が修正され、さらなる改善が達成できる。電流降下が正しく調整されていない場合のワイヤ端部の急激な溶融は、適用される電流/電圧制御のタイプに応じて、同様に急激に上昇する電圧または下降する電流の手段によって、測定技術により検出することができる。このことから、溶接プロセスにその後の変更があった場合、下降段階でパラメータをそれに応じて調整または修正することができる。この調整は、ワイヤエンドの急激な溶融が検出されなくなるまで繰り返すことができる。
本発明は、さらに添付の図面を参照して詳細に説明する。
消耗溶接ワイヤを備えた溶接トーチの概略図を示す。 短絡溶接プロセスでの溶接電流I(t)、溶接電圧U(t)、および溶接ワイヤ速度v(t)の時間波形を示す。 本発明にかかる下降段階の変更における溶接プロセスが変更された場合の溶接電流I(t)の時間波形を示す。 プロセス変更時からの図3にかかる電流波形に対応する溶接ワイヤの波形を示す。 本発明にかかる下降段階の第2の設計変形における溶接プロセスが変更された場合の溶接電流I(t)の時間波形を示す。 プロセス変更時からの図5にかかる電流波形に対応する溶接ワイヤの波形を示す。 本発明にかかる方法を実施するための装置のブロック図を示す。
図1は、消耗溶接ワイヤ1を備えた溶接トーチ6の模式図を示す。消耗溶接ワイヤ1は、溶接トーチ6のコンタクトチューブ3を通って適切な搬送速度v(t)で搬送され、コンタクトチューブ3内で接触することにより、所定の溶接電圧U(t)と所定の溶接電流I(t)を溶接ワイヤ1に印加することができる。溶接パラメータが適切に一致していれば、溶接ワイヤ1の端部とワークピース2との間にアーク4が生じるが、これは溶接プロセス中に可能な限り一定であるべきである。溶接ワイヤの自由長またはいわゆる突き出しの長さは、コンタクトチューブ3の端部からアーク4の始点までの溶接ワイヤ1の長さlSOである。突き出し部の長さlSOは、安定した溶接を行うためには、できるだけ一定の長さであることが望ましい。コンタクトチューブ3の上の接点から溶接ワイヤ1を通って溶接電流Iが流れ、その加熱に寄与する。模式的に描かれた溶接ワイヤ1のサブセグメントは、コンタクトチューブ3上の接点から溶接ワイヤ1の端部までの移動に一定の時間を必要とする。安定した溶接プロセスでは、溶接ワイヤ1の小さなサブセグメントまたは小さな長さの部分のみが溶融され、溶接ワイヤ1のこの溶融部分は溶融浴に通過する。
溶接サイクルSZ中の平均ワイヤ搬送速度vmeanの増加および/または溶接サイクルSZ中の平均溶接電流Imeanの増加により、溶接プロセスPが溶接プロセスPi+1に変更されると、自由溶接ワイヤ端部の一部が過熱して、複数のサブセグメントまたは溶接ワイヤ1のより長い部分が急激に溶融し、アーク4の長さも急激に長くなり、その結果、溶接プロセスPが不安定になり、溶接スパッタの形成にまで至る危険性がある。このような溶接中の不安定さは、溶接品質の低下につながる。ワイヤ搬送速度vがランプの形では徐々に増加することしかできないが、液滴の放出がそうでなければ起こらないので溶接電流Iは急激に増加しなければならないため、長さlSOを有する突き出し部の各サブセグメントは、溶接プロセスPで変化が発生した時から、増加した平均溶接電流Imeanで異なるように加熱される。このワイヤ搬送速度vと溶接電流Iの間のこの瞬間的な不均衡は、増加した溶接電流Iが最も長く通過する自由ワイヤ長さの領域(サブセグメント)で温度を上昇させる。これらは、溶接電流Iおよび/またはワイヤ搬送速度vの増加時に、コンタクトチューブ3の接点または電流遷移点に位置するサブセグメントである。溶接電流Iを変化させなければ、溶接ワイヤ1のこれらのセグメントの一部は、自由ワイヤ端の前部に到達したとき、すなわちアーク4の発生直後の近傍に位置したときに、急激に溶融する。自由ワイヤ端の長さlSOが長いほど、増加した溶接電流Iがサブセグメントに流れる時間が長くなり、その温度が上昇するため、ある自由ワイヤ端(突き出し部)以上では、何ら対策を講じなければ、このような長い部分の突然の溶融が発生することになる。
図2は、短絡ベースの溶接プロセスPにおける、溶接電流I(t)、溶接電圧U(t)、および溶接ワイヤ速度v(t)の時間波形を示す。この溶接プロセスは、溶接周波数で繰り返し行われる溶接サイクルSZで構成され、溶接パラメータは特定の時間プロファイルに従う。示されている溶接電流I(t)の例示的なプロファイルでは、アーク相LBの間に電流パルスが印加され、短絡相KSの間には、アーク相LBの間よりも低い振幅で更なる電流パルスが印加される。溶接電圧U(t)は、アーク相LBの間は本質的に一定のプロファイルを有し、短絡相KSの間は予想されるようにブレークダウンする。アーク相LBの間、ワイヤ搬送速度v(t)は、本質的に正のコース、すなわち正方向への移動を有し、短絡相の間は逆方向への移動、すなわちワークピース2から離れる方向への移動を有する。溶接プロセスPの間に溶接ワイヤ1が溶融し、材料がワークピース2に搬送されるため、平均的に、ワークピース2の方向へのある平均的なワイヤ搬送速度Vmeanは、溶接サイクルSZの間に発生する。もちろん、溶接プロセスPは、逆移動を伴わない、ワークピースの方向のみのワイヤ搬送速度を含むこともできる。
図3は、本発明にかかる下降段階APの変形例について、溶接プロセスPから溶接プロセスPへの変更が発生したときの、溶接電流I(t)の時間波形を示す。例えば、溶接プロセスPは短絡ベースの溶接プロセスであり、溶接プロセスPはパルス溶接プロセスである。しかしながら、これらは、出力の異なる2つのパルス溶接プロセスであってもよい。溶接プロセスPから溶接プロセスPへの切り替え時に、タイマーが開始され、所定の遅延時間tが経過した後、本発明にかかる下降段階APが開始される。上述のように、遅延時間tを設定する代わりに、溶接プロセスPから溶接プロセスPに溶接プロセスが変更された場合に、溶接ワイヤ1がそこを超えて移動する所定のパス長を設定することも可能である。下降段階APの期間Δtでは、下降段階AP中の平均溶接電流Imean,Aは、第2の溶接プロセスP2中の平均溶接電流Imean,Aに比べて減少する。図3に示す例では、一定の電流値Imean,Aへの下降が行われる。下降段階APの期間Δtが終了した後は、下降段階APの前に有効であった溶接パラメータ、または溶接プロセスPのために規定された溶接パラメータを用いて、溶接プロセスPが継続される。
図4は、プロセス変更時からの、図3にかかる電流波形に対応する溶接ワイヤ1の波形を示す。自由溶接ワイヤ端部までの移動距離X(t)は、時間tの関数として、突き出し長さlSOまで伸びており、そこから下降段階APが開始される。このようにして、下降段階APが開始されるまでの遅延時間tは、溶接プロセスPから溶接プロセスPへの変更の開始(時刻t)から、この時間中に溶接ワイヤ1が所望の突き出し長さlSOに対応する搬送を実行するように、設定または選択される。この場合の遅延時間tの間に溶接ワイヤ1が前進する長さlは、突き出し長さlSOに等しい。そして、下降段階APが開始され、これにより自由な溶接ワイヤ端部の過熱を効果的に防止できる。しかしながら、遅延時間tは、溶接ワイヤ1がスティックアウト長さlSOに到達するのに必要な時間よりも短くても長くてもよい(図5および図6にかかる例を参照)。
図5は、本発明にかかる下降段階APの第2の変形例において、溶接プロセスPから溶接プロセスPに変化した場合(時刻t)の、溶接電流I(t)の時間波形を示す。図3および4にかかる変形例とは対照的に、ここでは、下降段階APの間の平均溶接電流は、所定の関数の形で、ここではランプの形で、減少し、再び増加する。このようにして、自由溶接ワイヤ端部の温度の整合性のさらなる改善は、特定の条件下で達成され、従って、溶接サイクルSZの間の平均ワイヤ搬送速度v(t)の増加および/または溶接サイクルSZの間の平均溶接電流Imean(t)の増加を伴って、溶接プロセスPから別の溶接プロセスPに変更した場合、より安定した溶接プロセスが達成され得る。
図6は、時刻tにおけるプロセス変更時からの、図5にかかる電流波形に対応する溶接ワイヤ1の波形を示す。ここで、下降段階APの開始までの遅延時間tは、図4にかかる例示的な具体例の場合よりも短い時間が選択されている。溶接プロセスPが溶接プロセスPに切り替わった時点から、溶接ワイヤ1は、この遅延時間tの間、突き出し長さlSOよりも短い長さlだけ前進する。
最後に、図7は、本発明にかかる方法を実施するための装置のブロック図を示す。コンタクトチューブ3と溶接ワイヤ1を備えた溶接トーチ6は、溶接電流源5とワイヤ搬送装置7とに接続されており、ワイヤリール8から溶接ワイヤ1を、溶接トーチ6のコンタクトチューブ3を通って、対応速度v(t)で移動させる。ワークピース2は、溶接電流源5に接続されており、これにより、コンタクトチューブ3を介して溶接ワイヤ1に対応する溶接電流I(t)と対応する溶接電圧U(t)が印加された場合、アーク4が形成される。制御装置12は、溶接方法中に複数の溶接パラメータを制御する。
本発明によれば、溶接方法の特定のパラメータが処理装置11に記録され、それに応じて処理される。これらのパラメータには、ワイヤ搬送装置7から加工装置11に供給されるワイヤ搬送速度v(t)、溶接電流I(t)を測定するために対応する装置9で決定され加工装置11に供給される溶接電流I(t)、および溶接電圧U(t)を測定するための適切な装置10で決定される溶接電圧U(t)が含まれる。
そして、溶接プロセスPが変更されると、これらのパラメータが処理装置11で適宜処理され、制御装置12の制御に利用される。例えば、本発明にかかる下降段階APの設定は、溶接電流源5により設定された溶接パラメータと測定されたパラメータとに応じてデータベース13から選択される。下降段階APに、遅延時間t、継続時間Δt、および下降平均溶接電流Imean,Aを導入することにより、溶接プロセスPを変更した場合の、突き出し部の過熱を効果的に打ち消すことができ、安定した溶接プロセスと最適な溶接品質を実現できる。

Claims (12)

  1. 溶接プロセス(P)、特に中の連続溶接サイクル(SZ)において、所定の溶接電流(I(t))が溶接ワイヤ(1)に適用され、溶接ワイヤを所定のワイヤ搬送速度(v(t))で処理されるワークピース(2)に向かって移動させる、消耗溶接ワイヤ(1)を用いたアーク溶接方法であって、
    溶接サイクル(SZ)中の増加した平均ワイヤ搬送速度(Vmean)を用いて、および/または溶接サイクル(SZ)中の増加した平均溶接電流(Imean)を用いて、溶接プロセス(P、特に短絡ベースの溶接プロセスが、溶接プロセス(P、特にパルス溶接プロセスに変更された場合に、下降段階(AP)が開始され、下降段階(AP)では、下降段階(AP)中の平均溶接電流(I mean,A )を、溶接サイクル(SZ)中の先の平均溶接電流(I mean )に比べて10%~50%だけ減少する手段により、溶接電流(I(t))が所定の時間(Δt)だけ減少されることを特徴とするアーク溶接方法。
  2. 所定の遅延時間(t)が経過した後に、下降段階(AP)が開始される請求項1に記載のアーク溶接方法。
  3. 下降段階(AP)中の溶接電流(I(t))は、所定の時間(Δt)、一定の溶接電流値(Imean,A)まで減少される請求項1または2に記載のアーク溶接方法。
  4. 下降段階(AP)の溶接電流(IA(t))は、所定の時間(Δt)、特定の関数に従って減少される請求項1または2に記載のアーク溶接方法。
  5. 下降段階(AP)の継続時間(Δt)、下降段階(AP)の溶接電流(IA(t))、および/または所定の遅延時間(t)は、使用される溶接ワイヤ(1)に応じて規定される請求項1~4のいずれか1項に記載のアーク溶接方法。
  6. 下降段階(AP)の継続時間(Δt)は、1~30回の溶接サイクル(SZ)である請求項1~5のいずれか1項に記載のアーク溶接方法。
  7. 所定の遅延時間(t)は、遅延時間(t)中に、溶接ワイヤ(1)がワークピース(2)に向かって5mm~25mm移動するように設定された請求項2~のいずれか1項に記載のアーク溶接方法。
  8. 溶接ワイヤ(1)の自由長(lSO)は間接的に決定され、下降段階(AP)の継続時間(Δt)、下降段階(AP)中の平均溶接電流(IA(t))、および/または遅延時間(t)は、溶接ワイヤ(1)の決定された自由長(lSO)に応じて変更される請求項1~のいずれか1項に記載のアーク溶接方法。
  9. 自由溶接ワイヤ長(lSO)は、溶接電圧(U(t))、溶接ワイヤ(1)とワーク(2)間の溶接電流(I(t))、ワイヤ搬送速度(v(t))を測定することにより間接的に決定される請求項に記載のアーク溶接方法。
  10. 溶接サイクル(SZ)中に、少なくとも1つのパルス状の溶接電流(I(t))を有する1つのパルスアーク相(LB)と、溶接ワイヤ(1)とワークピース(2)との間に1つ以上の交互短絡を有する1つのショートアーク相と、アーク相とが連続して発生する請求項8または9に記載のアーク溶接方法。
  11. ショートアーク段階での自由溶接ワイヤ長(lSO)は、溶接ワイヤ(1)とワークピース(2)との間の短絡中の抵抗測定の手段によって決定される請求項10に記載のアーク溶接方法。
  12. 溶接サイクル(SZ)中の増加した平均ワイヤ搬送速度(vmean)、および/または溶接サイクル(SZ)中の増加した平均溶接電流(Imean)を用いて、溶接プロセス(P)から溶接プロセス(P)に更に変更する場合、下降段階(AP)の継続時間(Δt)は、所定の継続時間(Δt)に関して修正される請求項1~11のいずれか1項に記載のアーク溶接方法。
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