アーク溶接方法
【課題】 よりきれいなビードを形成できるアーク溶接方法を提供すること。
【解決手段】 消耗電極１５と母材との間にアークを発生させることにより溶滴移行させる第１工程と、アークを発生させつつ上記母材に形成される溶融池を冷却する第２工程とを交互に繰り返すアーク溶接方法であって、上記第１工程は、消耗電極１５の極性が＋となるＥＰ期間Ｔｅｐおよび消耗電極１５の極性が−となるＥＮ期間Ｔｅｎからなる単位周期Ｔｅを繰り返す交流パルス電流を消耗電極１５と母材との間に流すことによって行われ、上記交流パルス電流は、ＥＰ期間Ｔｅｎにおいてピーク値ｉｗ１ｐを有する波形であり、ＥＰ期間Ｔｅｐは、ピーク値ｉｗ１ｐに達する前の前半期間Ｔｕと、ピーク値ｉｗ１ｐに達した後の後半期間Ｔｄ，Ｔｂとを有しており、後半期間Ｔｄ，Ｔｂの間に第１工程から第２工程に移行する。
【解決手段】 消耗電極１５と母材との間にアークを発生させることにより溶滴移行させる第１工程と、アークを発生させつつ上記母材に形成される溶融池を冷却する第２工程とを交互に繰り返すアーク溶接方法であって、上記第１工程は、消耗電極１５の極性が＋となるＥＰ期間Ｔｅｐおよび消耗電極１５の極性が−となるＥＮ期間Ｔｅｎからなる単位周期Ｔｅを繰り返す交流パルス電流を消耗電極１５と母材との間に流すことによって行われ、上記交流パルス電流は、ＥＰ期間Ｔｅｎにおいてピーク値ｉｗ１ｐを有する波形であり、ＥＰ期間Ｔｅｐは、ピーク値ｉｗ１ｐに達する前の前半期間Ｔｕと、ピーク値ｉｗ１ｐに達した後の後半期間Ｔｄ，Ｔｂとを有しており、後半期間Ｔｄ，Ｔｂの間に第１工程から第２工程に移行する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステッチパルス溶接法を用いたアーク溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８は、従来の溶接システムの一例を示す図である。同図における溶接システム９１は、いわゆるステッチパルス溶接法を用いて溶接を行う。ステッチパルス溶接法とは、溶接時の入熱と冷却をコントロールすることにより、母材に与える熱影響を抑えやすい溶接法である。このステッチパルス溶接法を用いると、従来の薄板溶接に比べ、溶接外観を向上させ、溶接歪み量を低減させることができるとされている（たとえば特許文献１参照）。
【０００３】
マニピュレータ９Ｍは、ワーク９Ｗに対してアーク溶接を自動で行うものであり、上アーム９３、下アーム９４及び手首部９５と、これらを回転駆動するための複数のサーボモータ（図示せず）とによって構成されている。
【０００４】
アーク溶接トーチ９Ｔは、マニピュレータ９Ｍの手首部９５の先端部分に取り付けられており、ワイヤリール９６に巻回された直径１ｍｍ程度の溶接ワイヤ９７をワーク９Ｗの教示された溶接位置に導くためのものである。溶接電源９ＷＰは、アーク溶接トーチ９Ｔとワーク９Ｗとの間に溶接電圧を供給する。ワーク９Ｗに溶接を行う際は、溶接ワイヤ９７をアーク溶接トーチ９Ｔの先端から所望の突き出し長だけ突き出した状態で行われる。
【０００５】
コイルライナ９２は、溶接ワイヤ９７を案内するためのものであり、アーク溶接トーチ９Ｔに接続されている。
【０００６】
操作手段としてのティーチペンダント９ＴＰは、いわゆる可搬式操作盤であって、マニピュレータ９Ｍの動作、ステッチパルス溶接を行わせるために必要な条件等を設定するためのものである。
【０００７】
ロボット制御装置９ＲＣは、マニピュレータ９Ｍに溶接動作の制御を実行させるためのものであり、内部に主制御部、動作制御部およびサーボドライバ（いずれも図示せず）等を備えている。そして、作業者がティーチペンダント９ＴＰによって教示した作業プログラムに基づき、サーボドライバからマニピュレータ９Ｍの各サーボモータに動作制御信号を出力し、マニピュレータ９Ｍの複数の軸をそれぞれ回転させる。ロボット制御装置９ＲＣは、マニピュレータ９Ｍのサーボモータに備えられたエンコーダ（図示せず）からの出力によって現在位置を認識しているのでアーク溶接トーチ９Ｔの先端位置を制御することができる。そして溶接部においては、以下に説明する溶接、移動、冷却を繰り返しながらステッチパルス溶接を行う。
【０００８】
図９は、ステッチパルス溶接を行っているときの状態を説明するための図である。溶接ワイヤ９７はアーク溶接トーチ９Ｔの先端から突出している。シールドガスＧは、溶接開始時から溶接終了時まで常に一定の流量でアーク溶接トーチ９Ｔから吹き出される。以下、ステッチパルス溶接時の各状態について説明する。
【０００９】
同図（ａ）は、アーク発生時の様子を示している。設定された溶接電流および溶接電圧に基づいて、溶接ワイヤ９７の先端とワーク９Ｗとの間にアークａが発生し、溶接ワイヤ９７が溶融してワーク９Ｗに溶融池Ｙが形成される。アークａが発生してから、教示された溶接時間が経過した後に、アークａを停止する。
【００１０】
同図（ｂ）は、アーク停止後の様子を示している。アーク停止後は、設定された冷却時間が経過するまで溶接後の状態を維持させる。すなわち、マニピュレータ９Ｍおよびアーク溶接トーチ９Ｔは溶接時の状態と同様に停止した状態で、アーク溶接トーチ９ＴからシールドガスＧが吹き出されるだけとなるので、溶融池ＹがシールドガスＧによって実質的に冷却されて凝固する。
【００１１】
同図（ｃ）は、アーク溶接トーチ９Ｔを次の溶接位置に移動させる様子を示している。冷却時間の経過後は、アーク溶接トーチ９Ｔを溶接進行方向に予め設定された移動ピッチＭｐだけ離間した位置であるアーク再開始点に移動させる。このときの移動速度は、設定された移動速度である。上記移動ピッチは、同図（ｃ）で示すように溶融池Ｙが凝固した後の溶接痕Ｙ’の外周側に溶接ワイヤ９７を位置づけるように調整された距離である。
【００１２】
同図（ｄ）は、アーク再開始点においてアークａを再発生する様子を示している。溶接痕Ｙ’の前端部に新たに溶融池Ｙが形成されて溶接が行われるようになる。このように、ステッチパルス溶接システム９１では、アークを発生させて溶接を行っている状態と、冷却、移動を行っている状態とが交互に繰り返されることになる。そして、溶接痕であるウロコが重ね合わさるように溶接ビードが形成される。
【００１３】
図１０は、溶接施工後に形成される溶接ビードを説明するための図である。同図に示すように、最初のアーク開始点Ｐ１において溶接痕Ｓｃが形成され、溶接進行方向Ｄｒに向けて移動ピッチＭｐだけ離間した再アーク開始点Ｐ２においても同様の溶接痕Ｓｃが形成される。再アーク開始点Ｐ３以降においてもさらなる溶接痕Ｓｃが順次形成されていく。このように、溶接痕Ｓｃであるウロコが重なり合うように形成された結果、ウロコ状の溶接ビードＢが形成されるのである。
【００１４】
上述した方法では、図９（ｂ）、図９（ｃ）等に示したように、アークａを停止させ、その後アークａを再発生させる工程を繰り返している。アークａを再発生させるたびに、スパッタが発生し、溶接ビードＢの外観が悪化するといった問題があった。そこで、図１１に示すように、アークａを停止させずアークａの再発生を不要にする溶接法が提案されている（たとえば特許文献２参照）。
【００１５】
図１１（ｂ）、図１１（ｃ）によく表れているように、図９（ｂ）、図９（ｃ）に示した場合と異なり、溶融池Ｙを冷却する際にもアークａを停止させておらず、アークａが発生している状態を保っている。アークａを再発生させる必要がなくなっているため、スパッタの発生を抑制することが可能になっている。この場合、たとえば、溶接を行う際には交流パルス電流を用い、冷却、移動を行う際には微弱な直流電流を用いる方法が知られている。この方法によると、溶接ワイヤ９７の極性が−であるときに溶滴が形成され、溶接ワイヤ９７の極性が＋であるときには、比較的強い電磁ピンチ力が作用することにより、溶滴がワーク９Ｗへ落下する傾向がある。また、直流電流を流す際には、溶接ワイヤ９７の極性は＋に固定されている。
【００１６】
しかしながら、交流パルス電流から直流電流に切り替える際に、溶接ワイヤ９７の極性が−であると、溶接ワイヤ９７の先端に比較的大きな溶滴が形成された状態で微弱な直流電流に切り替わることになる。この微弱な直流電流では、電磁ピンチ力が足らずに、溶滴がワーク９Ｗへ落下しないことがある。さらに、直流電流を流している間にもアークａが生じているため、溶接ワイヤ９７の先端の溶滴は徐々に成長する。このため、直流電流を流す期間が終わり、再度交流パルス電流を流す期間に入ったときに、溶接ワイヤ９７の先端に不当に大きな溶滴が形成されている状態となることがあった。このような不当に大きな溶滴がワーク９Ｗに落下すると、スパッタが生じたり、溶接ビードが大きく乱れたりするという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開平６−５５２６８号公報
【特許文献２】特開平１１−２６７８３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、よりきれいなビードを形成できるアーク溶接方法を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明によって提供されるアーク溶接方法は、消耗電極と母材との間にアークを発生させることにより溶滴移行させる第１工程と、上記消耗電極と上記母材との間にアークを発生させつつ上記母材に形成される溶融池を冷却する第２工程とを交互に繰り返すアーク溶接方法であって、上記第１工程は、上記消耗電極の極性が＋となるＥＰ期間および上記消耗電極の極性が−となるＥＮ期間からなる単位周期を繰り返す交流パルス電流を上記消耗電極と上記母材との間に流すことによって行われ、上記第２工程は、上記消耗電極の極性が＋となるように、上記消耗電極と上記母材との間に直流電流を流すことによって行われ、上記交流パルス電流は、上記ＥＰ期間においてピーク値を有する波形であり、上記ＥＰ期間は、上記ピーク値に達する前の前半期間と、上記ピーク値に達した後の後半期間とを有しており、上記後半期間の間に上記第１工程から上記第２工程に移行することを特徴とする。
【００２０】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記第１工程において、上記交流パルス電流の標準出力時間を設定可能であり、上記標準出力時間の終了予定時刻から、上記単位周期だけ前後する期間内に含まれる上記後半期間中に上記第１工程から上記第２工程に移行する。
【００２１】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記第２工程から上記第１工程に移行する際に、上記交流パルス電流は上記前半期間から開始される。
【００２２】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記交流パルス電流は、上記後半期間において、電流値が上記ピーク値から減少する減少区間と、この減少区間の後に、電流値が一定となる一定区間とを有している。
【００２３】
このような方法では、主に、上記ＥＮ期間中に上記消耗電極の先端に溶滴が成長し、上記ＥＰ期間中に上記消耗電極から上記母材へ上記溶滴が落下する。本発明のアーク溶接方法によると、上記後半期間において、上記第１工程から上記第２工程へ移行するため、上記第１工程から上記第２工程へ切り替えるときに、上記消耗電極から上記母材への上記溶滴の落下が完了している。このため、上記第２工程の開始時に、上記消耗電極に過度に大きな溶滴が形成されるのを防ぐことができる。従って、本発明のアーク溶接方法によれば、第１工程を再開するときに、上記消耗電極に不当に大きな溶滴が形成されることを防ぎ、スパッタの発生や溶接ビードの乱れを防いでより美しい溶接ビードを形成することができる。
【００２４】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明にかかるアーク溶接方法を行うための溶接システムの一例の構成を示す図である。
【図２】図１に示した溶接システムの内部構成を示す図である。
【図３】図１に示した溶接システムの溶接条件値の変化状態を示す図である。
【図４】本発明にかかるアーク溶接方法の一例における溶滴移行期間からアーク継続期間へ移行する際の溶接電流の変化状態を示す図である。
【図５】本発明にかかるアーク溶接方法の一例におけるアーク継続期間から溶滴移行期間へ移行する際の溶接電流の変化状態を示す図である。
【図６】溶滴移行期間からアーク継続期間へ移行する時間の調整を行った場合の溶接電流の変化状態を示す図である。
【図７】本発明にかかるアーク溶接方法の別の実施形態における溶滴移行期間からアーク継続期間へ移行する時間の調整を行った場合の溶接電流の変化状態を示す図である。
【図８】従来の溶接システムの一例の構成を示す図である。
【図９】ステッチパルス溶接を行っているときの状態を説明する図である。
【図１０】溶接施工後に形成される溶接ビードを説明するための図である。
【図１１】ステッチパルス溶接を行っているときの状態を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。
【００２７】
図１は、本発明にかかるアーク溶接方法を実施するのに適した溶接システムの一例の構成を示す図である。図１に示された溶接システムＡは、溶接ロボット１、ロボット制御装置２、および溶接電源装置３を備える。溶接ロボット１は、溶接母材Ｗに対してたとえばアーク溶接を自動で行うものである。溶接ロボット１は、ベース部材１１、複数のアーム１２、複数のモータ１３、溶接トーチ１４、ワイヤ送給装置１６、およびコイルライナ１９を備える。
【００２８】
ベース部材１１は、フロア等の適当な箇所に固定される。各アーム１２は、ベース部材１１に軸を介して連結されている。
【００２９】
溶接トーチ１４は、溶接ロボット１の最も先端側に設けられた手首部１２ａの先端部に設けられている。溶接トーチ１４は、消耗電極としてのたとえば直径１ｍｍ程度の溶接ワイヤ１５を、溶接母材Ｗ近傍の所定の位置に導くものである。溶接トーチ１４には、Ａｒなどのシールドガスを供給するためのシールドガスノズル（図示略）が備えられている。モータ１３は、アーム１２の両端または一端に設けられている（一部図示略）。モータ１３は、ロボット制御装置２により回転駆動する。この回転駆動により、複数のアーム１２の移動が制御され、溶接トーチ１４が上下前後左右に自在に移動できるようになっている。
【００３０】
モータ１３には、図示しないエンコーダが設けられている。このエンコーダの出力は、ロボット制御装置２に与えられる。この出力値により、ロボット制御装置２では、溶接トーチ１４の現在位置を認識するようになっている。
【００３１】
ワイヤ送給装置１６は、溶接ロボット１における上部に設けられている。ワイヤ送給装置１６は、溶接トーチ１４に対して、溶接ワイヤ１５を送り出すためのものである。ワイヤ送給装置１６は、送給モータ１６１、ワイヤリール（図示略）、およびワイヤプッシュ手段（図示略）、を備えている。送給モータ１６１を駆動源として、上記ワイヤプッシュ手段が、上記ワイヤリールに巻かれた溶接ワイヤ１５を溶接トーチ１４へと送り出す。
【００３２】
コイルライナ１９は、その一端がワイヤ送給装置１６に、その他端が溶接トーチ１４に、それぞれ接続されている。コイルライナ１９は、チューブ状に形成されており、その内部には、溶接ワイヤ１５が挿通されている。コイルライナ１９は、ワイヤ送給装置１６から送り出された溶接ワイヤ１５を、溶接トーチ１４に導くものである。送り出された溶接ワイヤ１５は、溶接トーチ１４から外部に突出して消耗電極として機能する。
【００３３】
図２は、図１に示した溶接システムＡの内部構成を示す図である。
【００３４】
図１、図２に示したロボット制御装置２は、溶接ロボット１の動作を制御するためのものである。図２に示すように、ロボット制御装置２は、動作制御回路２１、インターフェイス回路２２、演算部２３、およびティーチペンダントＴＰを備える。
【００３５】
動作制御回路２１は、図示しないマイクロコンピュータおよびメモリを有している。このメモリには、溶接ロボット１の各種の動作が設定された作業プログラムが記憶されている。また動作制御回路２１は、後述のロボット移動速度ＶＲを設定する。動作制御回路２１は、上記作業プログラム、上記エンコーダからの座標情報、およびロボット移動速度ＶＲ等に基づいて、溶接ロボット１に対して動作制御信号Ｍｃを与える。この動作制御信号Ｍｃにより、各モータ１３は回転駆動し、溶接トーチ１４を溶接母材Ｗの所定の溶接開始位置に移動させたり、溶接母材Ｗの面内方向に沿って移動させたりする。
【００３６】
ティーチペンダントＴＰは、動作制御回路２１および演算部２３に接続されている。ティーチペンダントＴＰは、ユーザによって各種動作を設定するためのものである。
【００３７】
演算部２３には、ティーチペンダントＴＰから、ティーチペンダントＴＰにおいてユーザが入力した設定値が送られる。演算部２３は、当該設定値について演算し、その結果を動作制御回路２１に送る。
【００３８】
インターフェイス回路２２は、溶接電源装置３と各種信号をやり取りするためのものである。インターフェイス回路２２には、動作制御回路２１から、電流設定信号Ｉｓ、出力開始信号Ｏｎ、および送給速度設定信号Ｗｓが送られる。
【００３９】
溶接電源装置３は、溶接ワイヤ１５と溶接母材Ｗとの間に、溶接電圧Ｖｗを印加し、溶接電流Ｉｗを流すための装置であるとともに、溶接ワイヤ１５の送給を行うための装置である。図２に示すように、溶接電源装置３は、出力制御回路３１、電流検出回路３２、送給制御回路３４、インターフェイス回路３５、および電圧検出回路３６を備えている。
【００４０】
インターフェイス回路３５は、ロボット制御装置２と各種信号をやり取りするためのものである。具体的には、インターフェイス回路３５には、インターフェイス回路２２から、電流設定信号Ｉｓ、出力開始信号Ｏｎ、および送給速度設定信号Ｗｓが送られる。
【００４１】
出力制御回路３１は、複数のトランジスタ素子からなるインバータ制御回路を有する。出力制御回路３１は外部から入力される商用電源（たとえば３相２００Ｖ）をインバータ制御回路によって高速応答で精密な溶接電流波形制御を行う。
【００４２】
出力制御回路３１の出力は、一端が溶接トーチ１４に接続され、他端が溶接母材Ｗに接続されている。出力制御回路３１は、溶接トーチ１４の先端に設けられたコンタクトチップを介して、溶接ワイヤ１５と溶接母材Ｗとの間に溶接電圧Ｖｗを印加し、溶接電流Ｉｗを流す。これにより、溶接ワイヤ１５の先端と溶接母材Ｗとの間にアークａが発生する。このアークａによりもたらされる熱で溶接ワイヤ１５が溶融する。そして、溶接母材Ｗに対して溶接が施されるようになっている。
【００４３】
出力制御回路３１には、インターフェイス回路３５，２２を介して、動作制御回路２１からの電流設定信号Ｉｓ、および出力開始信号Ｏｎが送られる。
【００４４】
電流検出回路３２は、溶接ワイヤ１５に流れる溶接電流Ｉｗを検出するためのものである。電流検出回路３２は、溶接電流Ｉｗに対応する電流検出信号Ｉｄを、出力制御回路３１、および動作制御回路２１に出力する。
【００４５】
電圧検出回路３６は、出力制御回路３１の出力端の電圧である溶接電圧Ｖｗを検出するためのものである。電圧検出回路３６は、溶接電圧Ｖｗに対応する電圧検出信号Ｖｄを出力制御回路３１に出力する。
【００４６】
送給制御回路３４は、溶接ワイヤ１５の送給を行うための送給制御信号Ｆｃを送給モータ１６１に出力するものである。送給制御信号Ｆｃは、溶接ワイヤ１５の送給速度を示す信号である。また、送給制御回路３４には、インターフェイス回路３５，２２を介して、動作制御回路２１からの出力開始信号Ｏｎ、および送給速度設定信号Ｗｓが送られる。
【００４７】
次に、溶接システムＡを用いたアーク溶接方法について説明する。以下では、まずステッチパルス溶接の一般的な方法について説明する。その後に、よりきれいなウロコ状のビードが形成されるアーク溶接方法について具体的に説明する。
【００４８】
まず図３を用いて、ステッチパルス溶接の一般的な溶接方法について説明する。同図（ａ）はロボット移動速度ＶＲの変化状態を示し、（ｂ）は溶接電圧Ｖｗの絶対値の時間平均値の変化状態を示し、（ｃ）は溶接電流Ｉｗの絶対値の時間平均値の変化状態を示す。ロボット移動速度ＶＲは、溶接母材Ｗの面内方向のうちの所定の溶接進行方向（図１０に示した溶接進行方向Ｄｒに対応する）に沿った溶接トーチ１４の移動速度である。
【００４９】
まず、ティーチペンダントＴＰからの溶接開始信号Ｓｔ（図２参照）が入力されることにより、一般的には、過渡的な溶接開始処理が行われる。溶接開始処理においては、動作制御回路２１は、出力開始信号Ｏｎを出力制御回路３１および送給制御回路３４に出力する。出力制御回路３１は、溶接ワイヤ１５と溶接母材Ｗとの間に溶接電圧Ｖｗを印加する。これにより、アークａが点弧される。そして、図３に示すように、溶滴移行期間Ｔ１とアーク継続期間Ｔ２とを含む単位溶接期間Ｔαを繰り返すことにより溶接を行う。溶滴移行期間Ｔ１においては、溶接電圧Ｖｗ１を印加し、溶接電流Ｉｗ１を流すことにより溶滴移行を行い、溶融池を形成する。一方、アーク継続期間Ｔ２においては、溶接電圧Ｖｗ２を印加し、溶接電流Ｉｗ２を流すことにより、溶滴移行をほとんどさせることなく、且つ、アークａを維持しつつ溶接トーチ１４を移動させる。以下、詳細に説明する。
【００５０】
（１）溶滴移行期間Ｔ１（時刻ｔ１〜ｔ２）
溶滴移行期間Ｔ１では、従来技術の説明において図９（ａ）、図１１（ａ）で示した、溶融池Ｙを形成する処理を行う。本発明における第１工程は、この溶滴移行期間Ｔ１に行われる工程である。溶滴移行期間Ｔ１においては、図３（ａ）に示すように、ロボット移動速度ＶＲを０に設定する。そのため溶接トーチ１４は溶接母材Ｗに対して停止している。同図（ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗとして、絶対値の時間平均値が電圧値ｖｗ１である溶接電圧Ｖｗ１が、印加されている。同図（ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗとして、電流値ｉｗ１ｐ〜ｉｗ１ｎの間を振幅する交流パルス電流である溶接電流Ｉｗ１が流れている。溶滴移行期間Ｔ１においては、定電圧制御がなされている。定電圧制御では、溶接電流Ｉｗは、溶接ワイヤ１５の材質、直径、溶接ワイヤ１５の突出し長さ、電極極性等の溶接条件が決定されれば、溶接ワイヤ１５の送給速度により定まる。すなわち、溶接電流Ｉｗ１は、送給速度設定信号Ｗｓにより設定される。
【００５１】
図４および図５では、溶接電流Ｉｗ１の時間変化を詳細に示している。図４および図５における時間のスケールは、図３における時間のスケールに比べ極めて小さい。図４および図５において、溶接電流Ｉｗを示す縦軸は、溶接ワイヤ１５が陽極となったときに流れる電流をプラスとしている。なお、図４では溶滴移行期間Ｔ１の終了時を、図５では溶滴移行期間Ｔ１の開始時を示している。
【００５２】
図４および図５に示すように、溶接電流Ｉｗ１は、溶接ワイヤ１５の極性が＋となるＥＰ期間Ｔｅｐおよび溶接ワイヤ１５の極性が−となるＥＮ期間Ｔｅｎからなる単位周期Ｔｅを繰り返している。ＥＰ期間Ｔｅｐにおいて、溶接電流Ｉｗ１は、電極プラス極性電流Ｉｅｐとなる。ＥＮ期間Ｔｅｎにおいて、溶接電流Ｉｗ１は、電極マイナス極性電流Ｉｅｎとなる。電極マイナス極性電流Ｉｅｎは、一定の値ｉｗ１ｎで流れる。一方、電極プラス極性電流Ｉｅｐは、ピーク値ｉｗ１ｐをとるように増減する。
【００５３】
ＥＰ期間Ｔｅｐは、電極プラス極性電流Ｉｅｐがピーク値ｉｗ１ｐをとるピーク期間Ｔｐと、ピーク期間Ｔｐよりも前の前半期間である増加期間Ｔｕと、ピーク期間Ｔｐよりも後の後半期間である減少期間Ｔｄおよび一定期間Ｔｂと、で構成されている。増加期間Ｔｕは、電極マイナス極性電流Ｉｅｎから電極プラス極性電流Ｉｅｐに切り替わったときから開始される。増加期間Ｔｕの間、溶接電流Ｉｗ１は増加する。溶接電流Ｉｗ１の電流値がピーク値ｉｗ１ｐに到達した時点で増加期間Ｔｕは終了し、ピーク期間Ｔｐの開始となる。ピーク期間Ｔｐの間、溶接電流Ｉｗ１の値はピーク値ｉｗ１ｐのままである。ピーク期間Ｔｐの終了後、減少期間Ｔｄが開始される。減少期間Ｔｄの間、溶接電流Ｉｗ１は減少する。溶接電流Ｉｗ１の電流値が、所定の値ｉｗ１ｄまで減少した時点で減少期間Ｔｄは終了し、一定期間Ｔｂが開始される。一定期間Ｔｂの間、溶接電流Ｉｗ１の電流値は、一定の値ｉｗ１ｄで流れる。この一定期間Ｔｂの終了後に、電極プラス極性電流Ｉｅｐから電極マイナス極性電流Ｉｅｎへの切り替えが行われる。
【００５４】
ピーク値ｉｗ１ｐ、値ｉｗ１ｎ，ｉｗ１ｄ、ピーク期間Ｔｐ、および、ＥＮ期間Ｔｅｎは、所定値に設定される。一定期間Ｔｂは、溶接電圧Ｖｗの平均値が予め定められた溶接電圧設定値と等しくなるようにフィードバック制御される。この制御によってアークａの長さが適正値に制御される。
【００５５】
ＥＮ期間Ｔｅｎにおいては、溶接ワイヤ１５が陰極側となっているため、溶接ワイヤ１５の先端で溶滴が成長しやすい傾向がある。逆にＥＰ期間Ｔｅｐにおいては、ピーク値ｉｗ１ｐをとり、溶接ワイヤ１５に大きな電磁ピンチ力が働きくため、溶滴が落下しやすい傾向がある。溶滴が落下した後に、ＥＮ期間Ｔｅｎに入り、再度溶滴が成長する。このように、１単位周期Ｔｅの間に１個の溶滴が溶接ワイヤ１５から溶接母材Ｗへ移行する。
【００５６】
（２）アーク継続期間Ｔ２（時刻ｔ２〜ｔ３）
図３に示すアーク継続期間Ｔ２では、従来技術の説明において図１１（ｂ），（ｃ）で示した、溶融池Ｙを冷却する処理を、アークａを継続させつつ行う。本発明における第２工程は、このアーク継続期間Ｔ２に行われる工程である。
【００５７】
図３（ａ）に示すように、アーク継続期間Ｔ２の開始時である時刻ｔ２において、ロボット移動速度ＶＲをＶ２に設定する。これにより溶接トーチ１４は、所定の溶接進行方向に沿って移動を開始する。同図（ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗとして、絶対値の時間平均値がｖｗ２である溶接電圧Ｖｗ２が、印加されている。アーク継続期間Ｔ２においては、溶滴移行期間Ｔ１と異なり、定電流制御がなされている。同図（ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗとして、絶対値の時間平均値が電流値ｉｗ２である一定の溶接電流Ｉｗ２が流れている。電流値ｉｗ２は、溶滴移行が行われにくい程度の小さい値である。また、溶接電流Ｉｗ２は、溶接ワイヤ１５が陽極、溶接母材Ｗが陰極となった状態で流れる、いわゆる電極プラス極性電流である。なお溶接ワイヤ１５は、溶接母材Ｗに向かって溶滴移行期間Ｔ１における値より小さな値の送給速度で送給されている（図示略）。
【００５８】
その後、時刻ｔ３からは、再度、溶滴移行期間Ｔ１が開始する。このようにして、溶滴移行期間Ｔ１とアーク継続期間Ｔ２とを含む単位溶接期間Ｔαが繰り返される。
【００５９】
一般的なステッチパルス溶接は上述のように行う。次に、よりきれいなウロコ状のビードが形成されるアーク溶接方法について具体的に説明する。
【００６０】
溶滴移行期間Ｔ１は、たとえば交流パルス電流の標準出力時間として予め設定可能であり、その終了予定時刻である時刻ｔ２も具体的に設定可能である。本実施形態のアーク溶接方法では、時刻ｔ２を基準として溶滴移行期間Ｔ１の終了時刻の調整を行う。
【００６１】
図４に示すように、時刻ｔ２において、溶接電流Ｉｗ１が減少期間Ｔｄまたは一定期間Ｔｂであるときには、時刻ｔ２に溶滴移行期間Ｔ１からアーク継続期間Ｔ２への切り替えを行う。図６に示すように、時刻ｔ２において、溶接電流Ｉｗ１がＥＮ期間Ｔｅｎ、増加期間Ｔｕ、または、ピーク期間Ｔｐであるときには、時刻ｔ２’に溶滴移行期間Ｔ１からアーク継続期間Ｔ２への切り替えを行う。時刻ｔ２’は、時刻ｔ２よりも後であり、かつ、時刻ｔ２から単位周期Ｔｅ以内である減少期間Ｔｄの終了時刻である。
【００６２】
このようにすると、溶接電流Ｉｗ１から溶接電流Ｉｗ２への移行時の状況が、常に、減少期間Ｔｄから一定期間Ｔｂへの移行時と似たような状況となる。このため、図４に示すように、減少期間Ｔｄにおいて電磁ピンチ力によって絞られた溶接ワイヤ１５の先端部分が、溶接電流Ｉｗ２に切り替わる前後に溶滴として落下すると推測される。従って、アーク継続期間Ｔ２の最中に、不当に大きな溶滴が形成されて落下することがなくなり、よりきれいなウロコ状のビードが形成される。
【００６３】
なお、図７に示すように、時刻ｔ２’を、時刻ｔ２よりも前であり、かつ、時刻ｔ２から単位周期Ｔｅ以内である減少期間Ｔｄの終了時刻としてもよい。
【００６４】
さらに、本実施形態では、アーク継続期間Ｔ２から溶滴移行期間Ｔ１へ移行する際に、溶接電流Ｉｗ１が増加期間Ｔｕから開始されるように出力制御回路３１は波形制御を行う。たとえば、図５に示すように、時刻ｔ３に溶接電流Ｉｗ２から溶接電流Ｉｗ１に切り替えられる場合、時刻ｔ３から増加期間Ｔｕが開始される。
【００６５】
アーク継続期間Ｔ２中にも溶接電流Ｉｗ２が流れているため、図５に示すように、時刻ｔ３の前に溶接ワイヤ１５の先端は少し溶けた状態となっている。仮に、この状態で時刻ｔ３にＥＮ期間Ｔｅｎを開始した場合、不当に大きな溶滴が形成されることになる。さらに、ＥＰ期間Ｔｅｐの経過とともに、その不当に大きな溶滴が溶接母材Ｗに落下して、溶接ビードを大きく乱すことになる。一方、時刻ｔ３から増加期間Ｔｕを開始する場合には、溶滴が成長しやすいＥＮ期間Ｔｅｎを経過しないため、溶滴の成長は抑制される。このため、溶滴移行期間Ｔ１の最初のＥＰ期間Ｔｅｐで落下する溶滴は比較的小さなものとなる。従って、本実施形態のアーク溶接方法によれば、よりきれいなウロコ状のビードが形成される。
【００６６】
また、このようなアーク溶接方法によれば、時刻ｔ３において、極性が変化しないため、溶接電流Ｉｗ２から溶接電流Ｉｗ１への移行をより円滑に行うことができる。
【００６７】
本発明の範囲は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明で用いる溶接システムの各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在であり、本発明によるアーク溶接方法の細部も適宜変更可能である。たとえば、上記実施形態では、図５に示す時刻ｔ３から始まる増加期間Ｔｕにおいて、電流値ｉｗ２から電流値ｉｗ１ｐまで徐々に電流値が増加するようになっている。これを、電流値ｉｗ２〜ｉｗ１ｐ間の任意の値から徐々に電流値が増加するように変更しても構わない。
【符号の説明】
【００６８】
Ａ 溶接システム
１ 溶接ロボット
１１ ベース部材
１２ アーム
１２ａ 手首部
１３ モータ
１４ 溶接トーチ
１５ 溶接ワイヤ（消耗電極）
１６ ワイヤ送給装置
１６１ 送給モータ
２ ロボット制御装置
２１ 動作制御回路
２２ インターフェイス回路
２３ 演算部
３ 溶接電源装置
３１ 出力制御回路
３２ 電流検出回路
３４ 送給制御回路
３５ インターフェイス回路
３６ 電圧検出回路
Ｆｃ 送給制御信号
Ｉｅｐ 電極プラス極性電流
Ｉｅｎ 電極マイナス極性電流
Ｉｓ 電流設定信号
Ｉｗ，Ｉｗ１，Ｉｗ２ 溶接電流
ｉｗ１ｎ，ｉｗ１ｐ，ｉｗ１ｄ，ｉｗ２ 電流値
Ｍｃ 動作制御信号
Ｏｎ 出力開始信号
Ｓｔ 溶接開始信号
Ｔ１ 溶滴移行期間
Ｔ２ アーク継続期間
Ｔｅ 単位周期
Ｔｅｎ ＥＮ期間
Ｔｅｐ ＥＰ期間
Ｔｕ 増加期間（前半期間）
Ｔｐ ピーク期間
Ｔｄ 減少期間（後半期間）
Ｔｂ 一定期間（後半期間）
ＴＰ ティーチペンダント
Ｔα 単位溶接期間
ＶＲ ロボット移動速度
Ｖｗ，Ｖｗ１，Ｖｗ２ 溶接電圧
ｖｗ１，ｖｗ２ 電圧値
Ｗ 溶接母材（母材）
Ｗｓ 送給速度設定信号
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステッチパルス溶接法を用いたアーク溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８は、従来の溶接システムの一例を示す図である。同図における溶接システム９１は、いわゆるステッチパルス溶接法を用いて溶接を行う。ステッチパルス溶接法とは、溶接時の入熱と冷却をコントロールすることにより、母材に与える熱影響を抑えやすい溶接法である。このステッチパルス溶接法を用いると、従来の薄板溶接に比べ、溶接外観を向上させ、溶接歪み量を低減させることができるとされている（たとえば特許文献１参照）。
【０００３】
マニピュレータ９Ｍは、ワーク９Ｗに対してアーク溶接を自動で行うものであり、上アーム９３、下アーム９４及び手首部９５と、これらを回転駆動するための複数のサーボモータ（図示せず）とによって構成されている。
【０００４】
アーク溶接トーチ９Ｔは、マニピュレータ９Ｍの手首部９５の先端部分に取り付けられており、ワイヤリール９６に巻回された直径１ｍｍ程度の溶接ワイヤ９７をワーク９Ｗの教示された溶接位置に導くためのものである。溶接電源９ＷＰは、アーク溶接トーチ９Ｔとワーク９Ｗとの間に溶接電圧を供給する。ワーク９Ｗに溶接を行う際は、溶接ワイヤ９７をアーク溶接トーチ９Ｔの先端から所望の突き出し長だけ突き出した状態で行われる。
【０００５】
コイルライナ９２は、溶接ワイヤ９７を案内するためのものであり、アーク溶接トーチ９Ｔに接続されている。
【０００６】
操作手段としてのティーチペンダント９ＴＰは、いわゆる可搬式操作盤であって、マニピュレータ９Ｍの動作、ステッチパルス溶接を行わせるために必要な条件等を設定するためのものである。
【０００７】
ロボット制御装置９ＲＣは、マニピュレータ９Ｍに溶接動作の制御を実行させるためのものであり、内部に主制御部、動作制御部およびサーボドライバ（いずれも図示せず）等を備えている。そして、作業者がティーチペンダント９ＴＰによって教示した作業プログラムに基づき、サーボドライバからマニピュレータ９Ｍの各サーボモータに動作制御信号を出力し、マニピュレータ９Ｍの複数の軸をそれぞれ回転させる。ロボット制御装置９ＲＣは、マニピュレータ９Ｍのサーボモータに備えられたエンコーダ（図示せず）からの出力によって現在位置を認識しているのでアーク溶接トーチ９Ｔの先端位置を制御することができる。そして溶接部においては、以下に説明する溶接、移動、冷却を繰り返しながらステッチパルス溶接を行う。
【０００８】
図９は、ステッチパルス溶接を行っているときの状態を説明するための図である。溶接ワイヤ９７はアーク溶接トーチ９Ｔの先端から突出している。シールドガスＧは、溶接開始時から溶接終了時まで常に一定の流量でアーク溶接トーチ９Ｔから吹き出される。以下、ステッチパルス溶接時の各状態について説明する。
【０００９】
同図（ａ）は、アーク発生時の様子を示している。設定された溶接電流および溶接電圧に基づいて、溶接ワイヤ９７の先端とワーク９Ｗとの間にアークａが発生し、溶接ワイヤ９７が溶融してワーク９Ｗに溶融池Ｙが形成される。アークａが発生してから、教示された溶接時間が経過した後に、アークａを停止する。
【００１０】
同図（ｂ）は、アーク停止後の様子を示している。アーク停止後は、設定された冷却時間が経過するまで溶接後の状態を維持させる。すなわち、マニピュレータ９Ｍおよびアーク溶接トーチ９Ｔは溶接時の状態と同様に停止した状態で、アーク溶接トーチ９ＴからシールドガスＧが吹き出されるだけとなるので、溶融池ＹがシールドガスＧによって実質的に冷却されて凝固する。
【００１１】
同図（ｃ）は、アーク溶接トーチ９Ｔを次の溶接位置に移動させる様子を示している。冷却時間の経過後は、アーク溶接トーチ９Ｔを溶接進行方向に予め設定された移動ピッチＭｐだけ離間した位置であるアーク再開始点に移動させる。このときの移動速度は、設定された移動速度である。上記移動ピッチは、同図（ｃ）で示すように溶融池Ｙが凝固した後の溶接痕Ｙ’の外周側に溶接ワイヤ９７を位置づけるように調整された距離である。
【００１２】
同図（ｄ）は、アーク再開始点においてアークａを再発生する様子を示している。溶接痕Ｙ’の前端部に新たに溶融池Ｙが形成されて溶接が行われるようになる。このように、ステッチパルス溶接システム９１では、アークを発生させて溶接を行っている状態と、冷却、移動を行っている状態とが交互に繰り返されることになる。そして、溶接痕であるウロコが重ね合わさるように溶接ビードが形成される。
【００１３】
図１０は、溶接施工後に形成される溶接ビードを説明するための図である。同図に示すように、最初のアーク開始点Ｐ１において溶接痕Ｓｃが形成され、溶接進行方向Ｄｒに向けて移動ピッチＭｐだけ離間した再アーク開始点Ｐ２においても同様の溶接痕Ｓｃが形成される。再アーク開始点Ｐ３以降においてもさらなる溶接痕Ｓｃが順次形成されていく。このように、溶接痕Ｓｃであるウロコが重なり合うように形成された結果、ウロコ状の溶接ビードＢが形成されるのである。
【００１４】
上述した方法では、図９（ｂ）、図９（ｃ）等に示したように、アークａを停止させ、その後アークａを再発生させる工程を繰り返している。アークａを再発生させるたびに、スパッタが発生し、溶接ビードＢの外観が悪化するといった問題があった。そこで、図１１に示すように、アークａを停止させずアークａの再発生を不要にする溶接法が提案されている（たとえば特許文献２参照）。
【００１５】
図１１（ｂ）、図１１（ｃ）によく表れているように、図９（ｂ）、図９（ｃ）に示した場合と異なり、溶融池Ｙを冷却する際にもアークａを停止させておらず、アークａが発生している状態を保っている。アークａを再発生させる必要がなくなっているため、スパッタの発生を抑制することが可能になっている。この場合、たとえば、溶接を行う際には交流パルス電流を用い、冷却、移動を行う際には微弱な直流電流を用いる方法が知られている。この方法によると、溶接ワイヤ９７の極性が−であるときに溶滴が形成され、溶接ワイヤ９７の極性が＋であるときには、比較的強い電磁ピンチ力が作用することにより、溶滴がワーク９Ｗへ落下する傾向がある。また、直流電流を流す際には、溶接ワイヤ９７の極性は＋に固定されている。
【００１６】
しかしながら、交流パルス電流から直流電流に切り替える際に、溶接ワイヤ９７の極性が−であると、溶接ワイヤ９７の先端に比較的大きな溶滴が形成された状態で微弱な直流電流に切り替わることになる。この微弱な直流電流では、電磁ピンチ力が足らずに、溶滴がワーク９Ｗへ落下しないことがある。さらに、直流電流を流している間にもアークａが生じているため、溶接ワイヤ９７の先端の溶滴は徐々に成長する。このため、直流電流を流す期間が終わり、再度交流パルス電流を流す期間に入ったときに、溶接ワイヤ９７の先端に不当に大きな溶滴が形成されている状態となることがあった。このような不当に大きな溶滴がワーク９Ｗに落下すると、スパッタが生じたり、溶接ビードが大きく乱れたりするという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開平６−５５２６８号公報
【特許文献２】特開平１１−２６７８３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、よりきれいなビードを形成できるアーク溶接方法を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明によって提供されるアーク溶接方法は、消耗電極と母材との間にアークを発生させることにより溶滴移行させる第１工程と、上記消耗電極と上記母材との間にアークを発生させつつ上記母材に形成される溶融池を冷却する第２工程とを交互に繰り返すアーク溶接方法であって、上記第１工程は、上記消耗電極の極性が＋となるＥＰ期間および上記消耗電極の極性が−となるＥＮ期間からなる単位周期を繰り返す交流パルス電流を上記消耗電極と上記母材との間に流すことによって行われ、上記第２工程は、上記消耗電極の極性が＋となるように、上記消耗電極と上記母材との間に直流電流を流すことによって行われ、上記交流パルス電流は、上記ＥＰ期間においてピーク値を有する波形であり、上記ＥＰ期間は、上記ピーク値に達する前の前半期間と、上記ピーク値に達した後の後半期間とを有しており、上記後半期間の間に上記第１工程から上記第２工程に移行することを特徴とする。
【００２０】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記第１工程において、上記交流パルス電流の標準出力時間を設定可能であり、上記標準出力時間の終了予定時刻から、上記単位周期だけ前後する期間内に含まれる上記後半期間中に上記第１工程から上記第２工程に移行する。
【００２１】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記第２工程から上記第１工程に移行する際に、上記交流パルス電流は上記前半期間から開始される。
【００２２】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記交流パルス電流は、上記後半期間において、電流値が上記ピーク値から減少する減少区間と、この減少区間の後に、電流値が一定となる一定区間とを有している。
【００２３】
このような方法では、主に、上記ＥＮ期間中に上記消耗電極の先端に溶滴が成長し、上記ＥＰ期間中に上記消耗電極から上記母材へ上記溶滴が落下する。本発明のアーク溶接方法によると、上記後半期間において、上記第１工程から上記第２工程へ移行するため、上記第１工程から上記第２工程へ切り替えるときに、上記消耗電極から上記母材への上記溶滴の落下が完了している。このため、上記第２工程の開始時に、上記消耗電極に過度に大きな溶滴が形成されるのを防ぐことができる。従って、本発明のアーク溶接方法によれば、第１工程を再開するときに、上記消耗電極に不当に大きな溶滴が形成されることを防ぎ、スパッタの発生や溶接ビードの乱れを防いでより美しい溶接ビードを形成することができる。
【００２４】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明にかかるアーク溶接方法を行うための溶接システムの一例の構成を示す図である。
【図２】図１に示した溶接システムの内部構成を示す図である。
【図３】図１に示した溶接システムの溶接条件値の変化状態を示す図である。
【図４】本発明にかかるアーク溶接方法の一例における溶滴移行期間からアーク継続期間へ移行する際の溶接電流の変化状態を示す図である。
【図５】本発明にかかるアーク溶接方法の一例におけるアーク継続期間から溶滴移行期間へ移行する際の溶接電流の変化状態を示す図である。
【図６】溶滴移行期間からアーク継続期間へ移行する時間の調整を行った場合の溶接電流の変化状態を示す図である。
【図７】本発明にかかるアーク溶接方法の別の実施形態における溶滴移行期間からアーク継続期間へ移行する時間の調整を行った場合の溶接電流の変化状態を示す図である。
【図８】従来の溶接システムの一例の構成を示す図である。
【図９】ステッチパルス溶接を行っているときの状態を説明する図である。
【図１０】溶接施工後に形成される溶接ビードを説明するための図である。
【図１１】ステッチパルス溶接を行っているときの状態を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。
【００２７】
図１は、本発明にかかるアーク溶接方法を実施するのに適した溶接システムの一例の構成を示す図である。図１に示された溶接システムＡは、溶接ロボット１、ロボット制御装置２、および溶接電源装置３を備える。溶接ロボット１は、溶接母材Ｗに対してたとえばアーク溶接を自動で行うものである。溶接ロボット１は、ベース部材１１、複数のアーム１２、複数のモータ１３、溶接トーチ１４、ワイヤ送給装置１６、およびコイルライナ１９を備える。
【００２８】
ベース部材１１は、フロア等の適当な箇所に固定される。各アーム１２は、ベース部材１１に軸を介して連結されている。
【００２９】
溶接トーチ１４は、溶接ロボット１の最も先端側に設けられた手首部１２ａの先端部に設けられている。溶接トーチ１４は、消耗電極としてのたとえば直径１ｍｍ程度の溶接ワイヤ１５を、溶接母材Ｗ近傍の所定の位置に導くものである。溶接トーチ１４には、Ａｒなどのシールドガスを供給するためのシールドガスノズル（図示略）が備えられている。モータ１３は、アーム１２の両端または一端に設けられている（一部図示略）。モータ１３は、ロボット制御装置２により回転駆動する。この回転駆動により、複数のアーム１２の移動が制御され、溶接トーチ１４が上下前後左右に自在に移動できるようになっている。
【００３０】
モータ１３には、図示しないエンコーダが設けられている。このエンコーダの出力は、ロボット制御装置２に与えられる。この出力値により、ロボット制御装置２では、溶接トーチ１４の現在位置を認識するようになっている。
【００３１】
ワイヤ送給装置１６は、溶接ロボット１における上部に設けられている。ワイヤ送給装置１６は、溶接トーチ１４に対して、溶接ワイヤ１５を送り出すためのものである。ワイヤ送給装置１６は、送給モータ１６１、ワイヤリール（図示略）、およびワイヤプッシュ手段（図示略）、を備えている。送給モータ１６１を駆動源として、上記ワイヤプッシュ手段が、上記ワイヤリールに巻かれた溶接ワイヤ１５を溶接トーチ１４へと送り出す。
【００３２】
コイルライナ１９は、その一端がワイヤ送給装置１６に、その他端が溶接トーチ１４に、それぞれ接続されている。コイルライナ１９は、チューブ状に形成されており、その内部には、溶接ワイヤ１５が挿通されている。コイルライナ１９は、ワイヤ送給装置１６から送り出された溶接ワイヤ１５を、溶接トーチ１４に導くものである。送り出された溶接ワイヤ１５は、溶接トーチ１４から外部に突出して消耗電極として機能する。
【００３３】
図２は、図１に示した溶接システムＡの内部構成を示す図である。
【００３４】
図１、図２に示したロボット制御装置２は、溶接ロボット１の動作を制御するためのものである。図２に示すように、ロボット制御装置２は、動作制御回路２１、インターフェイス回路２２、演算部２３、およびティーチペンダントＴＰを備える。
【００３５】
動作制御回路２１は、図示しないマイクロコンピュータおよびメモリを有している。このメモリには、溶接ロボット１の各種の動作が設定された作業プログラムが記憶されている。また動作制御回路２１は、後述のロボット移動速度ＶＲを設定する。動作制御回路２１は、上記作業プログラム、上記エンコーダからの座標情報、およびロボット移動速度ＶＲ等に基づいて、溶接ロボット１に対して動作制御信号Ｍｃを与える。この動作制御信号Ｍｃにより、各モータ１３は回転駆動し、溶接トーチ１４を溶接母材Ｗの所定の溶接開始位置に移動させたり、溶接母材Ｗの面内方向に沿って移動させたりする。
【００３６】
ティーチペンダントＴＰは、動作制御回路２１および演算部２３に接続されている。ティーチペンダントＴＰは、ユーザによって各種動作を設定するためのものである。
【００３７】
演算部２３には、ティーチペンダントＴＰから、ティーチペンダントＴＰにおいてユーザが入力した設定値が送られる。演算部２３は、当該設定値について演算し、その結果を動作制御回路２１に送る。
【００３８】
インターフェイス回路２２は、溶接電源装置３と各種信号をやり取りするためのものである。インターフェイス回路２２には、動作制御回路２１から、電流設定信号Ｉｓ、出力開始信号Ｏｎ、および送給速度設定信号Ｗｓが送られる。
【００３９】
溶接電源装置３は、溶接ワイヤ１５と溶接母材Ｗとの間に、溶接電圧Ｖｗを印加し、溶接電流Ｉｗを流すための装置であるとともに、溶接ワイヤ１５の送給を行うための装置である。図２に示すように、溶接電源装置３は、出力制御回路３１、電流検出回路３２、送給制御回路３４、インターフェイス回路３５、および電圧検出回路３６を備えている。
【００４０】
インターフェイス回路３５は、ロボット制御装置２と各種信号をやり取りするためのものである。具体的には、インターフェイス回路３５には、インターフェイス回路２２から、電流設定信号Ｉｓ、出力開始信号Ｏｎ、および送給速度設定信号Ｗｓが送られる。
【００４１】
出力制御回路３１は、複数のトランジスタ素子からなるインバータ制御回路を有する。出力制御回路３１は外部から入力される商用電源（たとえば３相２００Ｖ）をインバータ制御回路によって高速応答で精密な溶接電流波形制御を行う。
【００４２】
出力制御回路３１の出力は、一端が溶接トーチ１４に接続され、他端が溶接母材Ｗに接続されている。出力制御回路３１は、溶接トーチ１４の先端に設けられたコンタクトチップを介して、溶接ワイヤ１５と溶接母材Ｗとの間に溶接電圧Ｖｗを印加し、溶接電流Ｉｗを流す。これにより、溶接ワイヤ１５の先端と溶接母材Ｗとの間にアークａが発生する。このアークａによりもたらされる熱で溶接ワイヤ１５が溶融する。そして、溶接母材Ｗに対して溶接が施されるようになっている。
【００４３】
出力制御回路３１には、インターフェイス回路３５，２２を介して、動作制御回路２１からの電流設定信号Ｉｓ、および出力開始信号Ｏｎが送られる。
【００４４】
電流検出回路３２は、溶接ワイヤ１５に流れる溶接電流Ｉｗを検出するためのものである。電流検出回路３２は、溶接電流Ｉｗに対応する電流検出信号Ｉｄを、出力制御回路３１、および動作制御回路２１に出力する。
【００４５】
電圧検出回路３６は、出力制御回路３１の出力端の電圧である溶接電圧Ｖｗを検出するためのものである。電圧検出回路３６は、溶接電圧Ｖｗに対応する電圧検出信号Ｖｄを出力制御回路３１に出力する。
【００４６】
送給制御回路３４は、溶接ワイヤ１５の送給を行うための送給制御信号Ｆｃを送給モータ１６１に出力するものである。送給制御信号Ｆｃは、溶接ワイヤ１５の送給速度を示す信号である。また、送給制御回路３４には、インターフェイス回路３５，２２を介して、動作制御回路２１からの出力開始信号Ｏｎ、および送給速度設定信号Ｗｓが送られる。
【００４７】
次に、溶接システムＡを用いたアーク溶接方法について説明する。以下では、まずステッチパルス溶接の一般的な方法について説明する。その後に、よりきれいなウロコ状のビードが形成されるアーク溶接方法について具体的に説明する。
【００４８】
まず図３を用いて、ステッチパルス溶接の一般的な溶接方法について説明する。同図（ａ）はロボット移動速度ＶＲの変化状態を示し、（ｂ）は溶接電圧Ｖｗの絶対値の時間平均値の変化状態を示し、（ｃ）は溶接電流Ｉｗの絶対値の時間平均値の変化状態を示す。ロボット移動速度ＶＲは、溶接母材Ｗの面内方向のうちの所定の溶接進行方向（図１０に示した溶接進行方向Ｄｒに対応する）に沿った溶接トーチ１４の移動速度である。
【００４９】
まず、ティーチペンダントＴＰからの溶接開始信号Ｓｔ（図２参照）が入力されることにより、一般的には、過渡的な溶接開始処理が行われる。溶接開始処理においては、動作制御回路２１は、出力開始信号Ｏｎを出力制御回路３１および送給制御回路３４に出力する。出力制御回路３１は、溶接ワイヤ１５と溶接母材Ｗとの間に溶接電圧Ｖｗを印加する。これにより、アークａが点弧される。そして、図３に示すように、溶滴移行期間Ｔ１とアーク継続期間Ｔ２とを含む単位溶接期間Ｔαを繰り返すことにより溶接を行う。溶滴移行期間Ｔ１においては、溶接電圧Ｖｗ１を印加し、溶接電流Ｉｗ１を流すことにより溶滴移行を行い、溶融池を形成する。一方、アーク継続期間Ｔ２においては、溶接電圧Ｖｗ２を印加し、溶接電流Ｉｗ２を流すことにより、溶滴移行をほとんどさせることなく、且つ、アークａを維持しつつ溶接トーチ１４を移動させる。以下、詳細に説明する。
【００５０】
（１）溶滴移行期間Ｔ１（時刻ｔ１〜ｔ２）
溶滴移行期間Ｔ１では、従来技術の説明において図９（ａ）、図１１（ａ）で示した、溶融池Ｙを形成する処理を行う。本発明における第１工程は、この溶滴移行期間Ｔ１に行われる工程である。溶滴移行期間Ｔ１においては、図３（ａ）に示すように、ロボット移動速度ＶＲを０に設定する。そのため溶接トーチ１４は溶接母材Ｗに対して停止している。同図（ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗとして、絶対値の時間平均値が電圧値ｖｗ１である溶接電圧Ｖｗ１が、印加されている。同図（ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗとして、電流値ｉｗ１ｐ〜ｉｗ１ｎの間を振幅する交流パルス電流である溶接電流Ｉｗ１が流れている。溶滴移行期間Ｔ１においては、定電圧制御がなされている。定電圧制御では、溶接電流Ｉｗは、溶接ワイヤ１５の材質、直径、溶接ワイヤ１５の突出し長さ、電極極性等の溶接条件が決定されれば、溶接ワイヤ１５の送給速度により定まる。すなわち、溶接電流Ｉｗ１は、送給速度設定信号Ｗｓにより設定される。
【００５１】
図４および図５では、溶接電流Ｉｗ１の時間変化を詳細に示している。図４および図５における時間のスケールは、図３における時間のスケールに比べ極めて小さい。図４および図５において、溶接電流Ｉｗを示す縦軸は、溶接ワイヤ１５が陽極となったときに流れる電流をプラスとしている。なお、図４では溶滴移行期間Ｔ１の終了時を、図５では溶滴移行期間Ｔ１の開始時を示している。
【００５２】
図４および図５に示すように、溶接電流Ｉｗ１は、溶接ワイヤ１５の極性が＋となるＥＰ期間Ｔｅｐおよび溶接ワイヤ１５の極性が−となるＥＮ期間Ｔｅｎからなる単位周期Ｔｅを繰り返している。ＥＰ期間Ｔｅｐにおいて、溶接電流Ｉｗ１は、電極プラス極性電流Ｉｅｐとなる。ＥＮ期間Ｔｅｎにおいて、溶接電流Ｉｗ１は、電極マイナス極性電流Ｉｅｎとなる。電極マイナス極性電流Ｉｅｎは、一定の値ｉｗ１ｎで流れる。一方、電極プラス極性電流Ｉｅｐは、ピーク値ｉｗ１ｐをとるように増減する。
【００５３】
ＥＰ期間Ｔｅｐは、電極プラス極性電流Ｉｅｐがピーク値ｉｗ１ｐをとるピーク期間Ｔｐと、ピーク期間Ｔｐよりも前の前半期間である増加期間Ｔｕと、ピーク期間Ｔｐよりも後の後半期間である減少期間Ｔｄおよび一定期間Ｔｂと、で構成されている。増加期間Ｔｕは、電極マイナス極性電流Ｉｅｎから電極プラス極性電流Ｉｅｐに切り替わったときから開始される。増加期間Ｔｕの間、溶接電流Ｉｗ１は増加する。溶接電流Ｉｗ１の電流値がピーク値ｉｗ１ｐに到達した時点で増加期間Ｔｕは終了し、ピーク期間Ｔｐの開始となる。ピーク期間Ｔｐの間、溶接電流Ｉｗ１の値はピーク値ｉｗ１ｐのままである。ピーク期間Ｔｐの終了後、減少期間Ｔｄが開始される。減少期間Ｔｄの間、溶接電流Ｉｗ１は減少する。溶接電流Ｉｗ１の電流値が、所定の値ｉｗ１ｄまで減少した時点で減少期間Ｔｄは終了し、一定期間Ｔｂが開始される。一定期間Ｔｂの間、溶接電流Ｉｗ１の電流値は、一定の値ｉｗ１ｄで流れる。この一定期間Ｔｂの終了後に、電極プラス極性電流Ｉｅｐから電極マイナス極性電流Ｉｅｎへの切り替えが行われる。
【００５４】
ピーク値ｉｗ１ｐ、値ｉｗ１ｎ，ｉｗ１ｄ、ピーク期間Ｔｐ、および、ＥＮ期間Ｔｅｎは、所定値に設定される。一定期間Ｔｂは、溶接電圧Ｖｗの平均値が予め定められた溶接電圧設定値と等しくなるようにフィードバック制御される。この制御によってアークａの長さが適正値に制御される。
【００５５】
ＥＮ期間Ｔｅｎにおいては、溶接ワイヤ１５が陰極側となっているため、溶接ワイヤ１５の先端で溶滴が成長しやすい傾向がある。逆にＥＰ期間Ｔｅｐにおいては、ピーク値ｉｗ１ｐをとり、溶接ワイヤ１５に大きな電磁ピンチ力が働きくため、溶滴が落下しやすい傾向がある。溶滴が落下した後に、ＥＮ期間Ｔｅｎに入り、再度溶滴が成長する。このように、１単位周期Ｔｅの間に１個の溶滴が溶接ワイヤ１５から溶接母材Ｗへ移行する。
【００５６】
（２）アーク継続期間Ｔ２（時刻ｔ２〜ｔ３）
図３に示すアーク継続期間Ｔ２では、従来技術の説明において図１１（ｂ），（ｃ）で示した、溶融池Ｙを冷却する処理を、アークａを継続させつつ行う。本発明における第２工程は、このアーク継続期間Ｔ２に行われる工程である。
【００５７】
図３（ａ）に示すように、アーク継続期間Ｔ２の開始時である時刻ｔ２において、ロボット移動速度ＶＲをＶ２に設定する。これにより溶接トーチ１４は、所定の溶接進行方向に沿って移動を開始する。同図（ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗとして、絶対値の時間平均値がｖｗ２である溶接電圧Ｖｗ２が、印加されている。アーク継続期間Ｔ２においては、溶滴移行期間Ｔ１と異なり、定電流制御がなされている。同図（ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗとして、絶対値の時間平均値が電流値ｉｗ２である一定の溶接電流Ｉｗ２が流れている。電流値ｉｗ２は、溶滴移行が行われにくい程度の小さい値である。また、溶接電流Ｉｗ２は、溶接ワイヤ１５が陽極、溶接母材Ｗが陰極となった状態で流れる、いわゆる電極プラス極性電流である。なお溶接ワイヤ１５は、溶接母材Ｗに向かって溶滴移行期間Ｔ１における値より小さな値の送給速度で送給されている（図示略）。
【００５８】
その後、時刻ｔ３からは、再度、溶滴移行期間Ｔ１が開始する。このようにして、溶滴移行期間Ｔ１とアーク継続期間Ｔ２とを含む単位溶接期間Ｔαが繰り返される。
【００５９】
一般的なステッチパルス溶接は上述のように行う。次に、よりきれいなウロコ状のビードが形成されるアーク溶接方法について具体的に説明する。
【００６０】
溶滴移行期間Ｔ１は、たとえば交流パルス電流の標準出力時間として予め設定可能であり、その終了予定時刻である時刻ｔ２も具体的に設定可能である。本実施形態のアーク溶接方法では、時刻ｔ２を基準として溶滴移行期間Ｔ１の終了時刻の調整を行う。
【００６１】
図４に示すように、時刻ｔ２において、溶接電流Ｉｗ１が減少期間Ｔｄまたは一定期間Ｔｂであるときには、時刻ｔ２に溶滴移行期間Ｔ１からアーク継続期間Ｔ２への切り替えを行う。図６に示すように、時刻ｔ２において、溶接電流Ｉｗ１がＥＮ期間Ｔｅｎ、増加期間Ｔｕ、または、ピーク期間Ｔｐであるときには、時刻ｔ２’に溶滴移行期間Ｔ１からアーク継続期間Ｔ２への切り替えを行う。時刻ｔ２’は、時刻ｔ２よりも後であり、かつ、時刻ｔ２から単位周期Ｔｅ以内である減少期間Ｔｄの終了時刻である。
【００６２】
このようにすると、溶接電流Ｉｗ１から溶接電流Ｉｗ２への移行時の状況が、常に、減少期間Ｔｄから一定期間Ｔｂへの移行時と似たような状況となる。このため、図４に示すように、減少期間Ｔｄにおいて電磁ピンチ力によって絞られた溶接ワイヤ１５の先端部分が、溶接電流Ｉｗ２に切り替わる前後に溶滴として落下すると推測される。従って、アーク継続期間Ｔ２の最中に、不当に大きな溶滴が形成されて落下することがなくなり、よりきれいなウロコ状のビードが形成される。
【００６３】
なお、図７に示すように、時刻ｔ２’を、時刻ｔ２よりも前であり、かつ、時刻ｔ２から単位周期Ｔｅ以内である減少期間Ｔｄの終了時刻としてもよい。
【００６４】
さらに、本実施形態では、アーク継続期間Ｔ２から溶滴移行期間Ｔ１へ移行する際に、溶接電流Ｉｗ１が増加期間Ｔｕから開始されるように出力制御回路３１は波形制御を行う。たとえば、図５に示すように、時刻ｔ３に溶接電流Ｉｗ２から溶接電流Ｉｗ１に切り替えられる場合、時刻ｔ３から増加期間Ｔｕが開始される。
【００６５】
アーク継続期間Ｔ２中にも溶接電流Ｉｗ２が流れているため、図５に示すように、時刻ｔ３の前に溶接ワイヤ１５の先端は少し溶けた状態となっている。仮に、この状態で時刻ｔ３にＥＮ期間Ｔｅｎを開始した場合、不当に大きな溶滴が形成されることになる。さらに、ＥＰ期間Ｔｅｐの経過とともに、その不当に大きな溶滴が溶接母材Ｗに落下して、溶接ビードを大きく乱すことになる。一方、時刻ｔ３から増加期間Ｔｕを開始する場合には、溶滴が成長しやすいＥＮ期間Ｔｅｎを経過しないため、溶滴の成長は抑制される。このため、溶滴移行期間Ｔ１の最初のＥＰ期間Ｔｅｐで落下する溶滴は比較的小さなものとなる。従って、本実施形態のアーク溶接方法によれば、よりきれいなウロコ状のビードが形成される。
【００６６】
また、このようなアーク溶接方法によれば、時刻ｔ３において、極性が変化しないため、溶接電流Ｉｗ２から溶接電流Ｉｗ１への移行をより円滑に行うことができる。
【００６７】
本発明の範囲は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明で用いる溶接システムの各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在であり、本発明によるアーク溶接方法の細部も適宜変更可能である。たとえば、上記実施形態では、図５に示す時刻ｔ３から始まる増加期間Ｔｕにおいて、電流値ｉｗ２から電流値ｉｗ１ｐまで徐々に電流値が増加するようになっている。これを、電流値ｉｗ２〜ｉｗ１ｐ間の任意の値から徐々に電流値が増加するように変更しても構わない。
【符号の説明】
【００６８】
Ａ 溶接システム
１ 溶接ロボット
１１ ベース部材
１２ アーム
１２ａ 手首部
１３ モータ
１４ 溶接トーチ
１５ 溶接ワイヤ（消耗電極）
１６ ワイヤ送給装置
１６１ 送給モータ
２ ロボット制御装置
２１ 動作制御回路
２２ インターフェイス回路
２３ 演算部
３ 溶接電源装置
３１ 出力制御回路
３２ 電流検出回路
３４ 送給制御回路
３５ インターフェイス回路
３６ 電圧検出回路
Ｆｃ 送給制御信号
Ｉｅｐ 電極プラス極性電流
Ｉｅｎ 電極マイナス極性電流
Ｉｓ 電流設定信号
Ｉｗ，Ｉｗ１，Ｉｗ２ 溶接電流
ｉｗ１ｎ，ｉｗ１ｐ，ｉｗ１ｄ，ｉｗ２ 電流値
Ｍｃ 動作制御信号
Ｏｎ 出力開始信号
Ｓｔ 溶接開始信号
Ｔ１ 溶滴移行期間
Ｔ２ アーク継続期間
Ｔｅ 単位周期
Ｔｅｎ ＥＮ期間
Ｔｅｐ ＥＰ期間
Ｔｕ 増加期間（前半期間）
Ｔｐ ピーク期間
Ｔｄ 減少期間（後半期間）
Ｔｂ 一定期間（後半期間）
ＴＰ ティーチペンダント
Ｔα 単位溶接期間
ＶＲ ロボット移動速度
Ｖｗ，Ｖｗ１，Ｖｗ２ 溶接電圧
ｖｗ１，ｖｗ２ 電圧値
Ｗ 溶接母材（母材）
Ｗｓ 送給速度設定信号
【特許請求の範囲】
【請求項１】
消耗電極と母材との間にアークを発生させることにより溶滴移行させる第１工程と、上記消耗電極と上記母材との間にアークを発生させつつ上記母材に形成される溶融池を冷却する第２工程とを交互に繰り返すアーク溶接方法であって、
上記第１工程は、上記消耗電極の極性が＋となるＥＰ期間および上記消耗電極の極性が−となるＥＮ期間からなる単位周期を繰り返す交流パルス電流を上記消耗電極と上記母材との間に流すことによって行われ、
上記第２工程は、上記消耗電極の極性が＋となるように、上記消耗電極と上記母材との間に直流電流を流すことによって行われ、
上記交流パルス電流は、上記ＥＰ期間においてピーク値を有する波形であり、
上記ＥＰ期間は、上記ピーク値に達する前の前半期間と、上記ピーク値に達した後の後半期間とを有しており、
上記後半期間の間に上記第１工程から上記第２工程に移行することを特徴とする、アーク溶接方法。
【請求項２】
上記第１工程において、上記交流パルス電流の標準出力時間を設定可能であり、
上記標準出力時間の終了予定時刻から、上記単位周期だけ前後する期間内に含まれる上記後半期間中に上記第１工程から上記第２工程に移行する、請求項１に記載のアーク溶接方法。
【請求項３】
上記第２工程から上記第１工程に移行する際に、上記交流パルス電流は上記前半期間から開始される、請求項１または２に記載のアーク溶接方法。
【請求項４】
上記交流パルス電流は、上記後半期間において、電流値が上記ピーク値から減少する減少区間と、この減少区間の後に、電流値が一定となる一定区間とを有している、請求項１ないし３のいずれかに記載のアーク溶接方法。
【請求項１】
消耗電極と母材との間にアークを発生させることにより溶滴移行させる第１工程と、上記消耗電極と上記母材との間にアークを発生させつつ上記母材に形成される溶融池を冷却する第２工程とを交互に繰り返すアーク溶接方法であって、
上記第１工程は、上記消耗電極の極性が＋となるＥＰ期間および上記消耗電極の極性が−となるＥＮ期間からなる単位周期を繰り返す交流パルス電流を上記消耗電極と上記母材との間に流すことによって行われ、
上記第２工程は、上記消耗電極の極性が＋となるように、上記消耗電極と上記母材との間に直流電流を流すことによって行われ、
上記交流パルス電流は、上記ＥＰ期間においてピーク値を有する波形であり、
上記ＥＰ期間は、上記ピーク値に達する前の前半期間と、上記ピーク値に達した後の後半期間とを有しており、
上記後半期間の間に上記第１工程から上記第２工程に移行することを特徴とする、アーク溶接方法。
【請求項２】
上記第１工程において、上記交流パルス電流の標準出力時間を設定可能であり、
上記標準出力時間の終了予定時刻から、上記単位周期だけ前後する期間内に含まれる上記後半期間中に上記第１工程から上記第２工程に移行する、請求項１に記載のアーク溶接方法。
【請求項３】
上記第２工程から上記第１工程に移行する際に、上記交流パルス電流は上記前半期間から開始される、請求項１または２に記載のアーク溶接方法。
【請求項４】
上記交流パルス電流は、上記後半期間において、電流値が上記ピーク値から減少する減少区間と、この減少区間の後に、電流値が一定となる一定区間とを有している、請求項１ないし３のいずれかに記載のアーク溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−１５２５７５（Ｐ２０１１−１５２５７５Ａ）
【公開日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６１２３（Ｐ２０１０−１６１２３）
【出願日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月１１日（２０１１．８．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
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