JP3841091B2 - 消耗電極式溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、消耗電極である溶接用ワイヤと被溶接物である溶接母材との間にアークを発生させて溶接出力制御を行う消耗電極式溶接方法に関するものである。

近年、溶接業界では国際的な競争力を確保するために更なる生産性向上の努力が日々続けられている。特に生産ラインを停止させる軽微なトラブルである所謂「チョコ停」の削減やタクトタイムの短縮に対する要求は以前にもまして高まってきている。

「チョコ停」の原因には様々な要因が考えられるが、最も大きな原因はアークスタート不良に起因するトラブルである。

このため、従来の消耗電極式溶接方法におけるアークスタートでは、開始信号が外部から入力されると、ロボットマニュピュレータを移動させることによって溶接トーチを予め教示された溶接開始位置まで移動させた後にワイヤの送給は停止したままでロボットマニュピュレータによって溶接トーチを略溶接ワイヤの送給方向に移動させてワイヤ先端を前記被溶接物に近づけていき、ワイヤ先端が被溶接物に接触したことを判別すると予め定めた小電流値の初期電流を溶接電源装置から通電すると共に溶接トーチを略溶接ワイヤの送給方向とは逆方向に移動させて前記ワイヤ先端を前記被溶接物から遠ざける後退移動を行い、後退移動によってワイヤ先端と被溶接物とが離れると初期電流が通電するアークが発生して、初期アーク発生状態を維持したままで後退移動を継続し溶接トーチが溶接開始位置に復帰すると後退移動から予め教示された溶接方向への移動に切り換えて、同時に溶接ワイヤの送給を開始すると共に定常の溶接電流を通電することによって初期アーク発生状態から定常のアーク発生状態へと移行させるものが知られている。（例えば特許文献１参照）。
図５は上述した消耗電極式溶接方法を行うロボットを用いた溶接システムの概略全体構成図である。
図５において、１０１は消耗電極である溶接ワイヤであり、ワイヤースプール１０２からワイヤ送給モータ１０３により溶接トーチ１０４の方向に繰り出されるようになっている。
１０５は溶接電源装置で、この溶接電源装置１０５は溶接トーチ１０４および溶接チップ１０６を経由して溶接ワイヤ１０１と被溶接物である母材１０７の間に所定の溶接電流Ｉ及び溶接電圧Ｖを印可し、アーク１０８を発生させるとともにワイヤ送給モータ１０３を制御して溶接施工を行うようにしている。
１０９はロボットマニピュレータで、このロボットマニピュレータ１０９は溶接トーチ１０４を保持し、溶接開始位置（図示せず）に位置決めを行うと共に溶接線（図示せず）に沿って溶接トーチ１０４を移動させるようにしている。
また、ロボットマニピュレータ１０９はロボット制御装置１１０で制御しているが、ロボット制御装置１１０は溶接電源装置１０５との間で双方向通信Ｓを行い、溶接電流Ｉや溶接電圧Ｖなどの溶接諸条件や溶接の開始、終了指令を送信するようにしている。

以上のように構成した溶接システムでの消耗電極式溶接方法について、図６のタイムチャートを用いて説明する。

図６は、縦方向に溶接トーチの移動速度ＴＶ、溶接ワイヤの送給速度ＷＦ、短絡判定信号Ａ／Ｓ、溶接電流Ｉ、溶接電圧Ｖの各状況を、また、横軸に時間を表すもので、タイミングとして溶接開始信号がロボット制御装置１１０から溶接電源装置１０５に送信された時点をＴＳ０とし、以後ＴＳ１〜ＴＳ５はそれぞれのタイミングを表している。

まず、ロボット制御装置１１０は溶接開始信号を溶接電源装置１０５に送信すると共に、ロボットマニピュレータ１０９を起動して溶接トーチ１０４を母材１０７に向かって加速し、溶接トーチ１０４の速度が初期トーチ速度ＴＶ０に達するとロボットマニピュレータ１０９の加速を停止し、一定速度で溶接トーチ１０４の降下を継続する。

また、溶接電源装置１０５はロボット制御装置１１０から溶接開始信号を受信すると溶接ワイヤ１０１と母材１０７の間に無負荷電圧Ｖ０を印可する。

やがて時刻ＴＳ１において溶接ワイヤ１０１と母材１０７が接触すると溶接電源装置１０５の内部にある短絡判定手段（図示せず）により、短絡信号Ａ／Ｓが出力される。

この短絡判定信号Ａ／Ｓは双方向通信Ｓによってロボット制御装置１１０に伝達され、ロボット制御装置１１０は直ちにロボットマニピュレータ１０９を減速停止させ、時刻ＴＳ２においてロボットマニピュレータ１０９の動作すなわち溶接トーチ１０４の速度がゼロとなる。

その後、ロボット制御装置装置１１０は直ちにロボットマニピュレータ１０９の動作を反転させ溶接トーチ１０４が母材１０７から離れる方向への動作を開始し、溶接トーチ１０４の引き上げ動作を行う。

この時刻ＴＳ１からＴＳ３の間は初期短絡期間で、この間、ロボットマニピュレータ１０９が減速し速度がゼロとなる時刻ＴＳ２までの間はワイヤ１０１を母材１０７に押しつけることになるが、時刻ＴＳ２以降はロボットマニピュレータ１０９の動作が反転するので押しつけ量は減少して行き、やがて時刻ＴＳ３の時点で短絡が解除される。

時刻ＴＳ３のタイミングは、溶接トーチのＴＶの線が示す、溶接ワイヤ１０１の押し付け量となる三角形ａｂｃの面積よりも引き上げ量となる三角形ｃｄｅの面積が上回った時点で発生する。

なお、溶接電源装置１０５は時刻ＴＳ１において初期短絡が発生すると溶接電流ＩをＩ１に制御し、所定の時間経過後に電流をＩ２に増加して短絡開放を待つ。

この初期短絡期間の第１段階として溶接電流を比較的低く設定されたＩ１に制御するのは初期短絡によってワイヤ先端部のジュール加熱によりワイヤが溶融し、アークの発生と同時に溶融したワイヤが飛散してスパッタとなるのを防止するためである。

また、電流をＩ１からＩ２に変化させるのは、時刻ＴＳ３で短絡解放時にアークを発生させるに十分なエネルギを与える為である。

時刻ＴＳ３においてアークが発生すると溶接電源装置１０５はワイヤ送給モータ１０３を起動して溶接ワイヤ１０１を母材１０７に向かって加速し、溶接ワイヤ１０１の速度が本溶接用の溶接ワイヤ速度（図示せず）に達するまで加速を継続し、本溶接用の溶接ワイヤ速度に到達した後は一定速度で溶接ワイヤの送給を継続する。

また、溶接電源装置１０５はワイヤ送給モータ１０３の起動と合わせてアーク電流Ｉをアーク初期電流Ｉ３’に一定時間制御した後、第２の初期電流Ｉ４へと制御し、その後、本溶接出力（図示せず）へと制御する。
次に、上述した溶接システムでの消耗電極式溶接方法における溶接終了時について、図７のタイミングチャートを用いて説明する。

図７は、縦方向に溶接トーチの移動速度ＴＶ、溶接ワイヤの送給速度ＷＦ、溶接出力Ｐの各状況を、また、横軸に時間を表すもので、タイミングとして溶接終了信号がロボット制御装置１１０から溶接電源装置１０５に送信された時点をＴＥ０とし、以後ＴＥ１〜ＴＥ４はそれぞれのタイミングを表している。

まず、溶接電源装置１０５は溶接終了信号をロボット制御装置１１０から受信するとワイヤ送給モータ１０３を制御して溶接ワイヤ１０１を減速する。

これと合わせて溶接出力も減少させて行くが予め定められた条件を満たす時刻ＴＥ２’において出力を一定に制御する。

この一定出力Ｐ１は「バーンバック」と呼ばれ、一般に溶接ワイヤ１０１が停止するＴＥ３’以後も継続され、所定の期間出力を保ってアーク１０８を継続し、溶接ワイヤ１０１を燃え上がらせた後、時刻ＴＥ４’にて出力を停止する。

この「バーンバック」制御は溶接終了時に溶接ワイヤ１０１が母材１０７の溶融池（図示せず）と接触凝固する所謂「ワイヤスティック」を防止するための制御方法であり、広く一般的に用いられている。
特開２００２−２０５１６９号公報

しかし、従来の消耗電極式溶接方法はロボットマニピュレータ１０９の反転動作を必要とする。

すなわち、溶接ワイヤ１０１の先端が母材１０７に接触したことを判別すると前進移動していたロボットマニピュレータ１０９の減速を開始し、一端停止した後に後進方向に反転加速するためロボットマニピュレータ１０９の応答時間および加減速時間が必要となる。

さらにワイヤ送給モータ１０３は初期アーク発生後に初めて起動されるため溶接ワイヤ１０１の送給が溶接ワイヤ１０１の溶融速度に追いつけずアーク長が長くなってアーク１０８が不安定になるといった課題を有していた。

また、溶接の終了時においては、「ワイヤスティック」を防止するため「バーンバック」処理が必要となり、処理時間が掛かってタクトタイムが伸びるばかりでなく、溶接ワイヤ１０１の燃え上がりによって溶接ワイヤ１０１の先端に玉状の凝固体が形成されるため、次工程でのアークスターに障害となるといった課題を有していた。
本発明は、従来の消耗電極式溶接方法が有していた無駄時間を削減すると共にアーク発生後のアーク長を適正に保ち、溶接始端部のアークを安定させるとともに、アーク終了時のワイヤスティックを確実に防止しつつ、ワイヤ先端形状を適正に保って次工程のアークスタートを良好に行うことができる消耗電極式溶接方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するために本発明の消耗電極式溶接方法は、溶接ワイヤを溶接トーチへ送給するワイヤ送給手段と、前記溶接トーチを保持し、かつ溶接トーチを移動するアクチュエータと、前記アクチュエータを駆動制御する制御装置と、被溶接物と溶接ワイヤの間に溶接出力を加える溶接電源装置を備えた溶接システムを用いて、溶接ワイヤを送給しながら前記アクチュエータにより溶接トーチを被溶接物から引き離す方向に移動し、溶接ワイヤの被溶接物に対する速度を制御するものである。

この方法によれば、アクチュエータが一方向の動作で溶接ワイヤの被溶接物に対する速度を制御できるので、応答時間および加減速時間が従来のものに比べて短縮でき、さらに溶接ワイヤと被溶接物との距離が追従性よく制御できるのでアークを早く安定させることができる。

また、溶接終了時の「バーンバック」処理時間も従来のものに比べて短縮できできる。

以上のように、本発明は溶接ワイヤを送給しながら前記アクチュエータにより溶接トーチを被溶接物から引き離す方向に移動させることにより、溶接ワイヤが被溶接物から離れて初期アークが発生するので、反転動作を必要とせず無駄時間を削減してタクトタイムを短縮すると共に溶接始端部のアークを安定させ「チョコ停」を効果的に削減することができる。

（実施の形態）
以下、本発明の実施の形態について、図１から図４を用いて説明する。
図１は本発明の実施するための溶接システムの概要を示す構成図で、１は消耗電極である溶接ワイヤであり、ワイヤースプール２からワイヤ送給モータ３により溶接トーチ４の方向に繰り出されるようになっている。
５は溶接電源装置で、この溶接電源装置５は溶接トーチ４および溶接チップ６を経由して溶接ワイヤ１と被溶接物である母材７の間に所定の溶接電流Ｉ及び溶接電圧Ｖを印可し、アーク８を発生させるとともにワイヤ送給モータ３を制御して溶接施工を行うようにしている。

９はロボットマニピュレータで、このロボットマニピュレータ９は溶接トーチ４を保持し、溶接開始位置（図示せず）に位置決めを行うと共に溶接線（図示せず）に沿って溶接トーチ４を移動させるようにしている。
また、ロボットマニピュレータ９はロボット制御装置１０で制御しているが、ロボット制御装置１０は溶接電源装置５との間で双方向通信Ｓを行い、溶接電流Ｉや溶接電圧Ｖなどの溶接諸条件や溶接の開始、終了指令を送信するようにしている。

図２は、縦方向に溶接トーチの移動速度ＴＶ、溶接ワイヤの送給速度ＷＦ、短絡判定信号Ａ／Ｓ、溶接電流Ｉ、溶接電圧Ｖの各状況を、また、横軸に時間を表すもので、タイミングとして溶接開始信号がロボット制御装置１０から溶接電源装置５に送信された時点をＴＳ０とし、以後ＴＳ１〜ＴＳ５はそれぞれのタイミングを表している。

図２において本実施の形態では溶接開始信号がロボット制御装置１０から溶接電源装置５に送信される（ＴＳ０）と、溶接電源装置５は溶接ワイヤ１と母材７の間に無負荷電圧Ｖ０を印可すると共にワイヤ送給モータ３を起動して溶接ワイヤ１を母材７に向かって加速する。

溶接ワイヤ１の送給速度が初期ワイヤ速度Ｗ０に達するとワイヤ送給モータ３の加速を停止し、一定速度でワイヤ送給を継続する。

やがてＴＳ１の時刻に於いて溶接ワイヤ１と母材７が接触すると溶接電源装置５の内部にある短絡判定手段（図示せず）により、短絡信号Ａ／Ｓが出力される。

短絡判定信号Ａ／Ｓは双方向通信Ｓによってロボット制御装置１０に伝達され、ロボット制御装置１０は直ちにロボットマニピュレータ９を溶接トーチ４が母材７から概ね離れる方向への動作を開始し、溶接トーチ４の引き上げ動作を行う。

ＴＳ１からＴＳ３の間は初期短絡期間で、この間、溶接ワイヤ１は初期ワイヤ速度Ｗ０での送給が継続され、ロボットマニピュレータ９は溶接トーチ４の引き上げ動作を継続するので、溶接ワイヤ１の先端部の速度は図中波線のようにワイヤ速度ＷＦとトーチ速度ＴＶの合成された速度となる。

よって、ＴＳ１以降の溶接ワイヤ１の先端は図中波線が示す合成速度がゼロとなるＴＳ２までの間は溶接ワイヤ１を母材７に押しつけることとなるが、ＴＳ２以降は合成速度が負に転じるので押しつけ量は減少して行き、やがてＴＳ３の時点で短絡が解除される。ＴＳ３のタイミングはワイヤの押し付け量である三角形ｆｇｈの面積よりも引き上げ量である三角形ｈｊｉの面積が上回った時点で発生する。

なお、溶接電源装置５は時刻ＴＳ１において初期短絡が発生すると溶接電流ＩをＩ１に制御し、所定の時間経過後に電流をＩ２に増加して短絡開放を待つ。

初期短絡期間の第１段階として溶接電流を比較的低く設定されたＩ１に制御するのは初期短絡によってワイヤ先端部のジュール加熱によりワイヤが溶融し、アークの発生と同時に溶融したワイヤが飛散してスパッタとなるのを防止するためである。

また、電流をＩ１からＩ２に変化させるのは、時刻ＴＳ３で短絡解放時にアークを発生させるに十分なエネルギを与える為である。

図３は図２と同じ本実施の形態によるタイミングチャート上に、従来技術でのワイヤ速度ＷＦを波線として重ねて表示し、比較した説明を行う図である。

図より明らかなように、従来技術によるアークスタートでは時刻ＴＳ３において初期短絡が開放されアークが発生した時点で初めてワイヤは加速を始めるので、例えばワイヤ速度がＷＦ４になる時刻を比較すると、従来技術による方法ではＴＳ４からＴＳ４’の時間分だけ遅れることとなる。
以上のように、本実施の形態によれば溶接ワイヤ１の先端が被溶接物である母材７に接触したことを判別すると溶接ワイヤ１の前進送給を継続したままでロボットマニピュレータ９によって溶接トーチ４を引き上げ動作させることによって溶接ワイヤ１を母材７から引き離して初期アークを発生させるので、反転動作を必要とせず無駄時間を削減してタクトタイムを短縮すると共に溶接始端部のアークを安定させ「チョコ停」を効果的に削減することができる。
次にアークエンドでの実施の形態について、図４のタイミングチャートを用いて説明する。
なお、図において縦方向に溶接トーチの移動速度ＴＶ、溶接ワイヤの送給速度ＷＦ、溶接出力Ｐの各状況を、また、横軸に時間を表すもので、タイミングとして溶接終了信号がロボット制御装置１０から溶接電源装置５に送信された時点をＴＥ０とし、以後ＴＥ１〜ＴＥ４はそれぞれのタイミングを表している。
本実施の形態では、溶接電源装置５は溶接終了信号をロボット制御装置１０から受信するとワイヤ送給モータ３を制御してワイヤを減速する。
これと合わせて溶接出力も減少させて行くが予め定められた条件を満たす時刻ＴＥ１においてロボット制御装置１０に引き上げ動作の開始信号を送信する。
ロボット制御装置１０は溶接電源装置５から引き上げ動作の開始信号を受信すると直ちにロボットマニピュレータ９を制御して溶接トーチ４の引き上げ動作を行う。
この結果、溶接ワイヤ１の先端の速度はワイヤ速度ＷＦとトーチ速度ＴＶの合成となり、図中波線で示すような速度となる。
よって、ＴＥ２の時点で溶接ワイヤ１は母材７に対して相対的に速度がゼロの状態となり溶接出力Ｐを停止させることができる。
その後も溶接ワイヤ１の動作と溶接トーチ４の引き上げ動作は継続されるが、溶接ワイヤ１が停止するまでの駄走距離である三角形ｏｐｑの面積よりも溶接トーチ４の引き上げ距離である台形ｋｌｍｎの面積が上回った時点で溶接ワイヤ１と母材７の溶融池が接触凝固する「ワイヤスティック」の危険は無くなるためロボット制御装置１０は直ちにロボットマニピュレータ９を制御して次の動作（例えば、次の溶接動作用に溶接開始時の溶接トーチの位置に動く動作）に移ることができる。
以上のように、本実施の形態によれば、「バーンバック」に必要な時間を削除し、タクトタイムの短縮に非常に効果的であるばかりでなく、ワイヤの燃え上がりによって溶接ワイヤ１の先端に大きな玉状の凝固体を形成することが無くなるため、次工程の溶接スタートに悪影響を及ぼす事が無くなる。
なお、本実施の形態においては、溶接トーチの引き上げ動作はロボットマニピュレータによって行っているが、別途アクチュエータを設けて溶接トーチを引き上げ動作させても良く、この場合ロボットを用いずに例えば自動機械などによって溶接トーチの位置決めや溶接線に沿った移動を行っても本発明の効果に何ら影響を与えないことは言うまでもない。

本発明の消耗電極式溶接方法は、反転動作を必要とせず無駄時間を削減してタクトタイムを短縮すると共に溶接始端部のアークを安定させ「チョコ停」を効果的に削減することができるので例えば生産設備や建設用途などに用いられる消耗電極式溶接方法として産業上有用である。

本発明の実施の形態に用いる溶接システムの概略構成図 本発明の実施の形態におけるアークスタート時のタイミングチャート 本発明の実施の形態と従来技術を比較するためのアークスタート時のタイミングチャート 本発明の実施の形態におけるアークエンド時のタイミングチャート 従来技術に用いる溶接システムの概略構成図 従来技術におけるアークスタート時のタイミングチャート 従来技術におけるアークエンド時のタイミングチャート

符号の説明

１ 溶接ワイヤ
３ ワイヤ送給モータ
４ 溶接トーチ
５ 溶接電源装置
７ 母材
８ アーク
９ ロボットマニュピレータ
１０ ロボット制御装置

Claims (7)

1. 溶接ワイヤを溶接トーチへ送給するワイヤ送給手段と、前記溶接トーチを保持し、かつ溶接トーチを移動するアクチュエータと、前記アクチュエータを駆動制御する制御装置と、被溶接物と溶接ワイヤの間に溶接出力を加える溶接電源装置を備えた溶接システムを用いて、溶接ワイヤを送給しながら前記アクチュエータにより溶接トーチを被溶接物から引き離す方向に移動し、溶接ワイヤの被溶接物に対する速度を制御する消耗電極式溶接方法。
2. 溶接開始時に先ずアクチュエータを止めた状態で溶接ワイヤを送給し、前記溶接ワイヤが被溶接物と接触した後、溶接出力を加えながらアクチュエータにより前記溶接ワイヤの送給速度以上の速度で溶接トーチを被溶接物から引き離す請求項１記載の消耗電極式溶接方法。
3. 溶接開始時に先ずアクチュエータを止めた状態で溶接ワイヤを送給する速度として通常の溶接時の溶接ワイヤの送給速度以下とし、溶接トーチを被溶接物から引き離した後で溶接ワイヤの送給速度を前記通常の溶接時の溶接ワイヤの送給速度に移行する請求項２記載の消耗電極式溶接方法。
4. 溶接ワイヤが被溶接物と接触した後、溶接出力を加えながらアクチュエータにより前記溶接ワイヤの送給速度以上の速度で溶接トーチを被溶接物から所定の距離まで引き離した後は、引き離す方向の移動を停止する請求項２または３記載の消耗電極式溶接方法。
5. 溶接終了時に溶接ワイヤの送給速度と溶接出力を減少させつつ、アクチュエータにより前記溶接ワイヤの送給速度以上の速度で溶接トーチを被溶接物から引き離し、溶接ワイヤの送給速度とアクチュエータの移動速度が略釣り合うタイミングで溶接出力を停止する請求項１記載の消耗電極式溶接方法。
6. 少なくとも溶接ワイヤの送給速度が０になるまでアクチュエータにより溶接トーチを被溶接物から引き離す方向に移動する請求項５記載の消耗電極式溶接方法。
7. 溶接ワイヤの先端位置が溶接開始時の被溶接物との距離になるまでアクチュエータにより溶接トーチを被溶接物から引き離す方向に移動する請求項５または６記載の消耗電極式溶接方法。