JP4673519B2 - 交流ガスシールドアーク溶接の送給制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電極プラス極性の電流と電極マイナス極性の電流とを切り換えて溶接する交流ガスシールドアーク溶接における溶接ワイヤの送給制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、従来技術の交流ガスシールドアーク溶接を行うための構成図である。同図は溶接ロボットを使用した場合を例示する。以下、同図を参照して説明する。
ロボット制御装置ＲＣは、予め教示された作業プログラムに従ってマニピュレータＲＭを移動させるための動作制御信号Ｍｃを出力すると共に、後述する溶接電源装置ＰＳへ電圧設定信号Ｖｓ、電極マイナス電流比率設定信号Ｒｓ及び電流設定信号Ｉｓを出力する。
【０００３】
溶接電源装置ＰＳは、下記の回路ブロックから構成される。出力制御回路ＩＮＶは、交流商用電源（３相２００［Ｖ］等）を入力として、図示しない１次側インバータ回路によって出力制御された直流出力を、図示しない２次側インバータ回路によって電極プラス極性と電極マイナス極性とに切り換えて、交流の出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏをアーク負荷に供給する。また、この出力制御回路ＩＮＶは、図２で後述するように、出力電圧Ｖｏを全波整流して平均化した溶接電圧平均値Ｖavが上記の電圧設定信号Ｖｓと略等しくなるように出力制御すると共に、出力電流Ｉｏを全波整流して平均化した溶接電流平均値Ｉavに占める電極マイナス電流の比率である電極マイナス電流比率Ｒenが上記の電極マイナス電流比率設定信号Ｒｓと略等しくなるように極性を切り換える。電流・送給速度変換回路ＩＷＣＣは、上記の電流設定信号Ｉｓを入力として、図３で後述する予め定めたワイヤ溶融特性に基づいて送給速度設定信号Ｗｓを出力する。送給制御回路ＦＣは、この送給速度設定信号Ｗｓに相当する送給速度で溶接ワイヤを送給するための送給制御信号Ｆｃをワイヤ送給モータＦＭへ出力する。マニピュレータＲＭは、ワイヤ送給モータＦＭ及び溶接トーチ４を搭載して、溶接ワイヤ１と被溶接物２との間にアーク３を発生させて溶接しながら移動する。
【０００４】
図２は、交流ガスシールドアーク溶接の一つである交流パルスアーク溶接の出力波形図である。同図（Ａ）は出力電流Ｉｏの時間変化を示し、同図（Ｂ）は出力電圧Ｖｏの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
▲１▼ 時刻ｔ１〜ｔ２の期間（ピーク期間Ｔｐ）
予め定めたピーク期間Ｔｐ中は、同図（Ａ）に示すように、１パルス１溶滴移行させる値に予め定めた電極プラス極性のピーク電流Ｉｐを通電し、同図（Ｂ）に示すように、アーク長に対応した電極プラス極性のピーク電圧Ｖｐが印加する。
▲２▼ 時刻ｔ２〜ｔ３の期間（電極マイナス期間Ｔen）
予め定めた電極マイナス期間Ｔen中は、同図（Ａ）に示すように、溶滴移行させない値に予め定めた電極マイナス電流Ｉenを通電し、同図（Ｂ）に示すように、アーク長に対応した電極マイナス電圧Ｖenが印加する。
▲３▼ 時刻ｔ３〜ｔ４の期間（ベース期間Ｔｂ）
ベース期間Ｔｂ中は、同図（Ａ）に示すように、溶滴移行させない値に予め定めた電極プラス極性のベース電流Ｉｂを通電し、同図（Ｂ）に示すように、アーク長に対応した電極プラス極性のベース電圧Ｖｂが印加する。
【０００５】
同図（Ａ）に示す溶接電流平均値Ｉavは、時刻ｔ１〜ｔ２のピーク電流Ｉｐ及び時刻ｔ３〜ｔ４のベース電流Ｉｂの電極プラス電流Ｉepと、時刻ｔ２〜ｔ３の電極マイナス電流Ｉenとから形成される出力電流Ｉｏを、全波整流して平均化した電流値である。また、電極マイナス電流比率Ｒenは、上記の溶接電流平均値Ｉavに占める電極マイナス電流Ｉenの比率であり、同図の場合には下式のように定義される。
Ｒen［％］＝１００・｜Ｉen｜・Ｔen／（Ｉｐ・Ｔｐ＋｜Ｉen｜・Ｔen＋Ｉｂ・Ｔｂ）
また、同図（Ｂ）に示す溶接電圧平均値Ｖavは、出力電圧Ｖｏを全波整流して平均化した電圧値である。この溶接電圧平均値Ｖavはアーク長と比例関係にあるので、前述した電圧設定信号Ｖｓと溶接電圧平均値Ｖavとが略等しくなるようにベース期間Ｔｂの時間長さを増減させることによって、アーク長を適正値に維持する。
【０００６】
図３は、前述した電流・送給速度変換回路ＩＷＣの入出力信号の関係を示すワイヤ溶融特性図である。同図において、横軸は入力信号の電流設定信号Ｉｓを示し、縦軸は出力信号の送給速度設定信号Ｗｓを示す。同図は、溶接ワイヤにアルミニウム合金Ａ５３５６、直径１．２［mm］を使用し、電極マイナス電流比率Ｒen＝２０［％］の場合である。一般的に、電極マイナス電流比率Ｒenの値としては２０［％］程度で使用されることが多く、標準的な値である。
【０００７】
ところで、消耗電極ガスシールドアーク溶接では、溶接ワイヤの種類及び直径が選定されると溶接電流平均値Ｉavは送給速度Ｗｆに略比例して定まる。この溶接電流平均値Ｉav（電流設定信号Ｉｓ）と送給速度Ｗｆ（送給速度設定信号Ｗｓ）との関係を示すのが、同図のワイヤ溶融特性Ｌ１である。したがって、例えば電流設定信号Ｉｓが１００［Ａ］のときは、ワイヤ溶融特性Ｌ１から送給速度設定信号Ｗｓは８００［cm/min］となり、同様に、電流設定信号Ｉｓが１５０［Ａ］のときには、ワイヤ溶融特性Ｌ１から送給速度設定信号Ｗｓは１２５０［cm/min］となる。電流・送給速度変換回路ＩＷＣは、電流設定信号Ｉｓを入力として、同図に例示するように予め定めたワイヤ溶融特性によって、送給速度設定信号Ｗｓを出力する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図４は、上述した従来技術の交流ガスシールドアーク溶接において、電極マイナス電流比率Ｒen（横軸）を変化させたときの溶接電流平均値Ｉav（縦軸）の変化を示す関係図である。同図に示す特性Ｌ２１は電流設定信号Ｉｓ＝１００［Ａ］のときであり、特性Ｌ２２は電流設定信号Ｉｓ＝１５０［Ａ］のときである。
以下、同図を参照して説明する。
【０００９】
特性Ｌ２１は、電流設定信号Ｉｓ＝１００［Ａ］のときであるので、図３の説明の項で前述したように、送給速度設定信号Ｗｓ＝８００［cm/min］となる。図３で前述したワイヤ溶融特性Ｌ１は電極マイナス電流比率Ｒen＝２０［％］の場合であるために、特性Ｌ２１において、電極マイナス電流比率Ｒen＝２０［％］のときの溶接電流平均値Ｉav＝１００［Ａ］となる。しかし、電極マイナス電流比率Ｒen＝１０［％］のときには、特性Ｌ２１に示すように、溶接電流平均値Ｉav＝１１５［Ａ］になり、電極マイナス電流比率Ｒen＝３０［％］のときには、特性Ｌ２１に示すように、溶接電流平均値Ｉav＝９０［Ａ］となる。このように、電極マイナス電流比率Ｒenが変化すると、それに応じて溶接電流平均値Ｉavも変化するために、電流設定信号Ｉｓ＝１００［Ａ］と一致せず誤差が生じてしまう。同様に、特性Ｌ２２は、電流設定信号Ｉｓ＝１５０［Ａ］のときであるので、図３の説明の項で前述したように、送給速度設定信号Ｗｓ＝１２５０［cm/min］となる。この特性Ｌ２２に示すように、電極マイナス電流比率Ｒen＝２０［％］のときには溶接電流平均値Ｉav＝１５０［Ａ］であるが、電極マイナス電流比率Ｒen＝１０［％］のときには溶接電流平均値Ｉav＝１７０［Ａ］となり、電極マイナス電流比率Ｒen＝３０［％］のときには溶接電流平均値Ｉav＝１３０［Ａ］となり、電流設定信号Ｉｓ＝１５０［Ａ］と一致せず誤差が生じてしまう。
【００１０】
ところで、良好な溶接品質を得るためには、被溶接物の材質、板厚、継手形状等に応じて電極マイナス電流比率設定信号Ｒｓの値を適正値に変更する必要がある。しかし、電極マイナス電流比率設定信号Ｒｓの値を変更すると、それに応じて溶接電流平均値Ｉavが変化するために、電流設定信号Ｉｓの値と一致しなくなる。一般的に、自動車、電機機器等の製造のための溶接施工工程においては、被溶接物の品質管理のための重要な管理項目の一つとして溶接電流平均値がほとんどの場合使用されている。したがって、電流設定信号Ｉｓの値と溶接電流平均値Ｉavとが、品質管理を行うために常に略一致している必要がある。しかしながら、上述したように、従来技術では、電極マイナス電流比率設定信号Ｒｓが変化すると、それに応じて溶接電流平均値Ｉavも変化するために、品質管理を行う上で問題であった。また、電流設定信号Ｉｓと実際の溶接電流平均値Ｉavとが一致しないことは、溶接条件設定が難しくなる。
【００１１】
そこで、本発明では、電極マイナス電流比率設定信号Ｒｓの値が変化しても、溶接電流平均値Ｉavは変化せず常に電流設定信号Ｉｓの値と一致する交流ガスシールドアーク溶接の送給制御方法を提供する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、図５及び図６に示すように、
送給速度設定値Ｗｓに相当する送給速度Ｗｆで溶接ワイヤを送給すると共に、電極プラス極性の電流Ｉepと電極マイナス極性の電流Ｉenとを切り換えて通電し、上記電極プラス電流Ｉep及び上記電極マイナス電流Ｉenを全波整流して平均化した溶接電流平均値Ｉavに占める上記電極マイナス電流の比率Ｒenが予め定めた電極マイナス電流比率設定値Ｒｓと略等しくなるように上記極性を切り換えて溶接する交流ガスシールドアーク溶接において、
上記電流設定値Ｉｓ及び上記電極マイナス電流比率設定値Ｒｓを入力として、上記電極マイナス電流比率Ｒenが変化しても上記溶接電流平均値Ｉavが上記電流設定値Ｉｓと略等しくなるように予め定めた送給速度演算関数Ｗｓ＝ｆ（Ｉｓ，Ｒｓ）によって上記送給速度設定値Ｗｓを演算して設定し、この送給速度設定値Ｗｓに従って送給速度を制御する交流ガスシールドアーク溶接の送給制御方法である。
【００１３】
第２の発明は、図７及び図８に示すように、
第１の発明に記載する送給速度演算関数Ｗｓ＝ｆ（Ｉｓ，Ｒｓ）が、溶接ワイヤの種類及び直径に応じて変化する交流ガスシールドアーク溶接の送給制御方法である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
［第１の発明］
第１の発明は、電流設定値Ｉｓ及び電極マイナス電流比率設定値Ｒｓを入力として、電極マイナス電流比率Ｒenが変化しても溶接電流平均値Ｉavが電流設定値Ｉｓと略等しくなるように予め定めた送給速度演算関数Ｗｓ＝ｆ（Ｉｓ，Ｒｓ）によって送給速度設定値Ｗｓを演算して設定し、この送給速度設定値Ｗｓに従って送給速度を制御する交流ガスシールドアーク溶接の送給制御方法である。以下、図面を参照して説明する。
【００１５】
図５は、電流設定信号Ｉｓ及び電極マイナス電流比率設定信号Ｒｓを入力として、送給速度設定信号Ｗｓを演算する送給速度演算関数を例示する図である。同図は、溶接ワイヤにアルミニウム合金Ａ５３５６，直径１．２［mm］を使用した場合である。以下、同図を参照して説明する。
【００１６】
送給速度演算関数をＷｓ＝ｆ（Ｉｓ，Ｒｓ）と表記することにする。同図において、特性Ｌ３１は、電流設定信号Ｉｓ＝１００［Ａ］のときの電極マイナス電流比率設定信号Ｒｓ（横軸）に対する送給速度設定信号Ｗｓ（縦軸）の関係を示す。したがって、特性Ｌ３１は送給速度演算関数Ｗｓ＝ｆ（１００，Ｒｓ）を示すことになる。この特性Ｌ３１に示すように、電流設定信号Ｉｓ＝１００［Ａ］及び電極マイナス電流比率設定信号Ｒｓ＝２０［％］のときには送給速度設定信号Ｗｓ＝８００［cm/min］となり、電極マイナス電流比率設定信号Ｒｓ＝１０［％］のときには送給速度設定信号Ｗｓ＝６１０［cm/min］となり、電極マイナス電流比率設定信号Ｒｓ＝３０［％］のときには送給速度設定信号Ｗｓ＝９１０［cm/min］となる。
【００１７】
また、特性Ｌ３２は、電流設定信号Ｉｓ＝１５０［Ａ］のときの電極マイナス電流比率設定信号Ｒｓ（横軸）に対する送給速度設定信号Ｗｓ（縦軸）の関係を示す。したがって、特性Ｌ３２は送給速度演算関数Ｗｓ＝ｆ（１５０，Ｒｓ）を示すことになる。この特性Ｌ３２に示すように、電流設定信号Ｉｓ＝１５０［Ａ］及び電極マイナス電流比率設定信号Ｒｓ＝２０［％］のときには送給速度設定信号Ｗｓ＝１２５０［cm/min］となり、電極マイナス電流比率設定信号Ｒｓ＝１０［％］のときの送給速度設定信号Ｗｓ＝１０９０［cm/min］となり、電極マイナス電流比率設定信号Ｒｓ＝３０［％］のときの送給速度設定信号Ｗｓ＝１３８０［cm/min］となる。
【００１８】
上述したように、電流設定信号Ｉｓ及び電極マイナス電流比率設定信号Ｒｓを入力として、予め定めた送給速度演算関数によって送給速度設定信号Ｗｓを演算する。この送給速度演算関数は、電流設定信号Ｉｓの値ごとに同図に示す特性を実験によって算出し、その結果に基づいて定義する。上記の特性は、電流設定信号Ｉｓの値が５０，１００，１５０…と５０［Ａ］ステップで算出して、そのステップの間の電流設定信号Ｉｓの入力値に対しては、特性間の補完によって送給速度設定信号Ｗｓを演算してもよい。
【００１９】
図６は、上述した第１の発明を実施するための溶接装置の構成図である。同図において、前述した図１と同一の装置及び回路ブロックには同一符号を付し、それらの説明は省略する。以下、図１とは異なる回路ブロックである点線で示す送給速度演算回路ＷＳＣについて説明する。
送給速度演算回路ＷＳＣは、電流設定信号Ｉｓ及び電極マイナス電流比率設定信号Ｒｓを入力として、予め定めた送給速度演算関数ｆ（Ｉｓ，Ｒｓ）によって演算して、送給速度設定信号Ｗｓを出力する。この送給速度演算関数ｆ（Ｉｓ，Ｒｓ）は、図５の説明の項で前述したようにして予め定義する。
【００２０】
［第２の発明］
第２の発明は、前述した送給速度演算関数ｆ（Ｉｓ，Ｒｓ）が、溶接ワイヤの種類及び直径に応じて変化する交流ガスシールドアーク溶接の送給制御方法である。以下、図面を参照して説明する。
【００２１】
図７は、溶接ワイヤにアルミニウム合金Ａ４０４３、直径１．２[mm]を使用したときの送給速度演算関数を例示する図である。前述した図５とは溶接ワイヤの種類が異なるので、特性も異なっている。同図に示す特性に基づいて、溶接ワイヤにアルミニウム合金Ａ４０４３、直径１．２［mm］を使用したときの送給速度演算関数が定義される。
【００２２】
図８は、溶接ワイヤにアルミニウム合金Ａ５３５６、直径１．０[mm]を使用したときの送給速度演算関数を例示する図である。前述した図５とは溶接ワイヤの直径が異なるので、特性も異なっている。同図に示す特性に基づいて、溶接ワイヤにアルミニウム合金Ａ５３５６、直径１．０［mm］を使用したときの送給速度演算関数が定義される。
【００２３】
上述したように、溶接ワイヤの種類及び直径の組み合わせごとに、適正な送給速度演算関数を定義する必要がある。上記の例では、溶接ワイヤにアルミニウム合金を使用した場合について説明したが、鉄鋼、ステンレス鋼等の他の金属についても同様である。
ところで、電流設定信号Ｉｓの値と溶接電流平均値Ｉavとを常に一致させる別の方法として、電流設定信号Ｉｓを目標値として溶接電流平均値Ｉavをフィードバック制御する方法がある。しかし、この方法では、溶接中に刻々と送給速度が変化することになり、アーク発生状態が不安定になりやすいという問題がある。これに対して、本発明では、電流設定信号Ｉｓが変更されない限り、溶接中に送給速度が変化することはなく、アーク発生状態が不安定になることはない。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の交流ガスシールドアーク溶接の送給制御方法では、送給速度演算関数によって電極マイナス電流比率設定値Ｒｓに対応した送給速度設定値Ｗｓが演算されるので、常に溶接電流平均値Ｉavは電流設定値Ｉｓと一致する。したがって、溶接施工時に溶接電流平均値Ｉavを正確にかつ容易に設定することができるので、溶接品質が常に良好になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の交流ガスシールドアーク溶接装置の構成図
【図２】交流パルスアーク溶接の出力波形図
【図３】電流設定信号Ｉｓと送給速度設定信号Ｗｓとの関係図
【図４】電極マイナス電流比率Ｒenと溶接電流平均値Ｉavとの関係図
【図５】送給速度演算関数の特性を例示する図
【図６】本発明の溶接装置の構成図
【図７】送給速度演算関数の別の特性を例示する図
【図８】送給速度演算関数の別の特性を例示する図
【符号の説明】
１ 溶接ワイヤ
２ 被溶接物
３ アーク
４ 溶接トーチ
ｆ（Ｉｓ，Ｒｓ） 送給速度演算関数
Ｉｂ ベース電流
Ｉen 電極マイナス電流
ＩＮＶ 出力制御回路
Ｉｏ 出力電流
Ｉｐ ピーク電流
Ｉｓ 電流設定（信号／値）
ＩＷＣ 電流・送給速度変換回路
Ｍｃ 動作制御信号
ＰＳ 溶接電源装置
ＲＣ ロボット制御装置
Ｒen 電極マイナス電流比率
ＲＭ マニピュレータ
Ｒｓ 電極マイナス電流比率（信号／値）
Ｔｂ ベース期間
Ｔen 電極マイナス期間
Ｔｐ ピーク期間
Ｖｂ ベース電圧
Ｖen 電極マイナス電圧
Ｖｏ 出力電圧
Ｖｐ ピーク電圧
Ｖｓ 電圧設定信号
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
Ｗｆ 送給速度
Ｗｓ 送給速度設定（信号／値）
ＷＳＣ 送給速度演算回路

Claims (2)

1. 送給速度設定値に相当する送給速度で溶接ワイヤを送給すると共に、電極プラス極性の電流と電極マイナス極性の電流とを切り換えて通電し、前記電極プラス電流及び前記電極マイナス電流を全波整流して平均化した溶接電流平均値に占める前記電極マイナス電流の比率が予め定めた電極マイナス電流比率設定値と略等しくなるように前記極性を切り換えて溶接する交流ガスシールドアーク溶接において、
   前記電流設定値及び前記電極マイナス電流比率設定値を入力として、前記電極マイナス電流比率が変化しても前記溶接電流平均値が前記電流設定値と略等しくなるように予め定めた送給速度演算関数によって前記送給速度設定値を演算して設定し、この送給速度設定値に従って送給速度を制御する交流ガスシールドアーク溶接の送給制御方法。
2. 請求項１に記載する送給速度演算関数が、溶接ワイヤの種類及び直径に応じて変化する交流ガスシールドアーク溶接の送給制御方法。

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