２電極アーク溶接のアークスタート制御方法
【課題】２電極アーク溶接において、アークスタート部の溶け込み及びビード形状を適正化すること。
【解決手段】消耗電極１ａおよび非消耗電極１ｂを備えた溶接トーチＷＴを用いてアーク溶接する２電極アーク溶接のアークスタート制御方法において、消耗電極１ａと母材２との間に消耗電極アーク３ａを発生させ、その後は消耗電極１ａを定常送給速度で送給し、非消耗電極１ｂと母材２との間に非消耗電極アーク３ｂを発生させ、その後は余熱期間の間、非消耗電極アーク３ｂに定常電流値よりも大きな値の余熱電流を通電すると共に、送給速度を余熱電流の値に応じて定常送給速度よりも速い余熱送給速度に切り換え、余熱期間が終了すると、送給速度を定常送給速度に切り換えると共に、非消耗電極アーク３ｂを通電する電流値を定常電流値に切り換えて定常溶接状態に移行させる。
【解決手段】消耗電極１ａおよび非消耗電極１ｂを備えた溶接トーチＷＴを用いてアーク溶接する２電極アーク溶接のアークスタート制御方法において、消耗電極１ａと母材２との間に消耗電極アーク３ａを発生させ、その後は消耗電極１ａを定常送給速度で送給し、非消耗電極１ｂと母材２との間に非消耗電極アーク３ｂを発生させ、その後は余熱期間の間、非消耗電極アーク３ｂに定常電流値よりも大きな値の余熱電流を通電すると共に、送給速度を余熱電流の値に応じて定常送給速度よりも速い余熱送給速度に切り換え、余熱期間が終了すると、送給速度を定常送給速度に切り換えると共に、非消耗電極アーク３ｂを通電する電流値を定常電流値に切り換えて定常溶接状態に移行させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シールドガスノズル内に配置された消耗電極および非消耗電極を有する溶接トーチを用いて、消耗電極アークおよび非消耗電極アークを発生させる、２電極アーク溶接において、定常溶接状態に円滑に移行するとともに、良好な溶接ビードを形成するための２電極アーク溶接のアークスタート制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図４は、２電極アーク溶接装置の一例を示している。同図においては、消耗電極アークがミグアークの場合であり、非消耗電極アークがプラズマアークの場合である。本溶接装置は、破線で囲まれた溶接トーチＷＴ、消耗電極アーク溶接電源（ミグアーク溶接電源）ＰＳＭ及び非消耗電極アーク溶接電源（プラズマアーク溶接電源）ＰＳＰを備えている。溶接トーチＷＴは、シールドガスノズル５２内に、プラズマノズル５１、プラズマ電極（非消耗電極）１ｂ及び給電チップ４が同心軸上に配置された構造となっている。シールドガスノズル５２とプラズマノズル５１との隙間からは、たとえばアルゴンガス等のシールドガス６３が供給される。プラズマノズル５１とプラズマ電極１ｂとの間には、たとえばアルゴンガス等のプラズマガス６２が供給される。プラズマ電極１ｂと給電チップ４との間には、たとえばアルゴンガス等のセンターガス６１が供給される。
【０００３】
給電チップ４に設けられた貫通孔からは、消耗電極（溶接ワイヤ）１ａが送給される。給電チップ４は、溶接ワイヤ１ａに対して導通している。溶接ワイヤ１ａは、送給モータＷＭを駆動源とする送給ロール７の回転によって送給される。プラズマ電極１ｂは、たとえば銅又は銅合金からなり、図外の経路を通る冷却水によって間接的に水冷されている。プラズマノズル５１は、たとえば銅又は銅合金からなり、冷却水を通す流路が形成されていることにより、直接冷却されている。溶接トーチＷＴは、通常ロボット（図示は省略）によって保持された状態で、母材２に対して移動させられる。溶接ワイヤ１ａの先端と母材２との間には、ミグアーク（消耗電極アーク）３ａが発生する。プラズマ電極１ｂと母材２との間には、プラズマガス６２によって熱的に拘束されたプラズマアーク（非消耗電極アーク）３ｂが発生する。したがって、ミグアーク３ａは、プラズマアーク３ｂに包まれた状態になっている。
【０００４】
消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭは、給電チップ４を介して溶接ワイヤ１ａと母材２との間に、消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaを印加することにより、消耗電極アーク溶接電流Ｉwaを通電するための電源である。消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭからは、送給モータＷＭに対して送給制御信号Ｆｃが送られ、溶接ワイヤ１ａの送給速度Ｆｗが制御される。消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭから消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaが印加されるときは、溶接ワイヤ１ａが＋側とされる。消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭは、アークスタート時の一部期間を除き定電圧特性の電源であり、消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaが所望値になるように制御される。また、消耗電極アーク溶接電流Ｉwaは、溶接ワイヤ１ａの送給速度Ｆｗによってその値が定まる。
【０００５】
非消耗電極アーク溶接電源ＰＳＰは、プラズマ電極１ｂと母材２との間に非消耗電極アーク溶接電圧Ｖwbを印加することにより非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbを通電するための電源である。非消耗電極アーク溶接電源ＰＳＰから非消耗電極アーク溶接電圧Ｖwbが印加されるときは、プラズマ電極１ｂが＋側とされる。非消耗電極アーク溶接電源ＰＳＰは、定電流特性の電源であり、非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbが所望値になるように制御される。
【０００６】
溶接開始回路ＳＴは、溶接開始信号Ｓｔを消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭ及び非消耗電極アーク溶接電源ＰＳＰに出力する。この溶接開始信号Ｓｔが入力されると両溶接電源は起動される。溶接開始回路ＳＴは、ロボット溶接にあってはロボット制御装置内に設けられている。
【０００７】
図５は、上述した溶接装置を用いた場合の２電極アーク溶接のアークスタート制御方法を示すタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接開始信号Ｓｔを示し、同図（Ｂ）は溶接ワイヤの送給速度Ｆｗを示し、同図（Ｃ）は消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaを示し、同図（Ｄ）は消耗電極アーク溶接電流Ｉwaを示し、同図（Ｅ）は非消耗電極アーク溶接電圧Ｖwbを示し、同図（Ｆ）は非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbを示し、同図（Ｇ１）〜（Ｇ５）は各時刻におけるアーク発生状態を示す模式図である。以下、同図を参照して説明する。
【０００８】
（１）時刻ｔ１〜ｔ２の前進送給期間（スローダウン送給期間）
時刻ｔ１において、同図（Ａ）に示すように、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベルになると、図４の消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭ及び非消耗電極アーク溶接電源ＰＳＰが起動される。このために、同図（Ｂ）及び（Ｇ１）に示すように、送給速度Ｆｗは正の小さな値に変化し、溶接ワイヤ１ａは非常に遅いスローダウン速度での前進送給が開始される。ここで、送給速度Ｆｗが正の値であるときは、図４の送給モータＷＭは正回転して溶接ワイヤ１ａは母材２に近づく方向へ前進送給される。他方、送給速度Ｆｗが負の値であるときは、送給モータＷＭは逆回転して溶接ワイヤ１ａは母材２から離れる方向へ後退送給される。同図（Ｃ）に示すように、溶接ワイヤ１ａと母材２との間には無負荷電圧が印加され、同図（Ｅ）に示すように、プラズマ電極１ｂと母材２との間にも無負荷電圧が印加される。
【０００９】
（２）時刻ｔ２〜ｔ３の後退送給短絡期間
時刻ｔ２において、同図（Ｇ２）に示すように、溶接ワイヤ１ａが母材２と接触すると、図４の送給モータＷＭを逆回転させる。これにより、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは負の値に変化し、溶接ワイヤ１ａが母材２から離れる方向へ後退送給される。同時に、同図（Ｃ）に示すように、消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaは数Ｖ程度の短絡電圧値になる。また、同図（Ｄ）に示すように、消耗電極アーク溶接電流Ｉwaは溶接ワイヤ１ａをジュール熱でほとんど加熱しない程度の数十Ａの小電流値となる。
【００１０】
（３）時刻ｔ３〜ｔ４の後退送給アーク期間
時刻ｔ３において、同図（Ｇ３）に示すように、溶接ワイヤ１ａの後退送給によってワイヤ先端が母材２から離れると初期状態の消耗電極アーク３ａが発生する。この初期状態の消耗電極アーク３ａは、ワイヤの溶断ではなく後退送給によって発生し、かつ、アークを通電する電流値も小さいので、スパッタはほとんど発生しない。消耗電極アーク３ａが発生すると、同図（Ｃ）に示すように、消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaは、短絡電圧値から数十Ｖ程度のアーク電圧値に変化する。時刻ｔ３〜ｔ４の予め定めた後退送給アーク期間Ｔｄの間、初期状態の消耗電極アーク３ａを維持したままで後退送給を継続する。このために、消耗電極アーク３ａのアーク長が次第に長くなる。
【００１１】
（４）時刻ｔ４〜ｔ５の再前進送給期間
時刻ｔ４において、上記の後退送給アーク期間Ｔｄが経過すると、図４の送給モータＷＭを再び正回転に切り換える。これにより、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは正の値に変化し、溶接ワイヤ１ａは後退送給から定常送給速度Ｆwcでの再前進送給に切り換わる。この結果、同図（Ｄ）に示すように、消耗電極アーク溶接電流Ｉwaは定常溶接電流値に変化し、同図（Ｇ４）に示すように、消耗電極アーク３ａは初期状態から定常状態に移行する。時刻ｔ４時点で消耗電極アーク３ａはアーク長が長くなっている。それに加えて、時刻ｔ４からの再前進送給によって消耗電極アーク溶接電流Ｉwaが大きな値になり消耗電極アーク３ａも大きく広がった形状になるために、この消耗電極アーク３ａの内部はプラズマ雰囲気空間となっている。プラズマ電極１ｂは、溶接ワイヤ１ａと隣接しているので、このプラズマ雰囲気空間はプラズマ電極１ｂ直下にも広く分布している。
【００１２】
（５）時刻ｔ５以後の定常溶接期間
時刻ｔ５時点で、同図（Ｅ）に示すように、プラズマ電極１ｂと母材２との間に無負荷電圧が印加されており、かつ、プラズマ電極１ｂと母材２との間の空間がプラズマ雰囲気になっているために、同図（Ｇ５）に示すように、非消耗電極アーク（プラズマアーク）３ｂが誘発されて発生する。非消耗電極アーク３ｂが発生すると、同図（Ｅ）に示すように、非消耗電極アーク溶接電圧Ｖwbは無負荷電圧からアーク電圧値に低下し、同図（Ｆ）に示すように、非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbは予め定めた定常電流値Ｉpcとなる。そして、この時刻ｔ５の時点で、消耗電極アーク３ａ及び非消耗電極アーク３ｂが共に発生している状態になり、アークスタートが完了して溶接状態は定常状態に収束する。
【００１３】
２電極アーク溶接において、上述したようなアークスタート制御を行うことによって、スパッタの発生が少ない確実なアークスタート性を得ることができる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００７−１４４５０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上述した２電極アーク溶接のアークスタート制御方法によって、消耗電極アーク及び非消耗電極アークを確実に発生させることができる。しかしながら、アークスタート時点では母材への入熱が十分でないために、アークスタート部の溶け込みが浅くなり、ビード断面形状も凸形状になる。ビード断面形状が凸形状になると、ビード止端部のなじみが悪いために、溶接部の機械的特性が低下することになる。さらには、ビード外観も美しさに欠けることになる。また、２電極アーク溶接は、熱源が２つあるために、溶接速度を比較的速くして使用されることが多い。このような高速溶接では、上記の問題がより顕著となる。
【００１６】
そこで、本発明では、アークスタート部の溶け込みを適正化することができ、かつ、ビード断面形状が凸形状になることを改善することができる２電極アーク溶接のアークスタート制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上述した課題を解決するために、第１の発明は、シールドガスノズル内に配置された消耗電極および非消耗電極を備えた溶接トーチを用い、消耗電極アークおよび非消耗電極アークを発生させることにより溶接する２電極アーク溶接のアークスタート制御方法において、
前記消耗電極と母材との間に前記消耗電極アークを発生させ、前記消耗電極アークが発生した後は前記消耗電極を定常送給速度で送給するステップと、
前記非消耗電極と母材との間に前記非消耗電極アークを発生させ、前記非消耗電極アークが発生した後は予め定めた余熱期間の間、前記非消耗電極アークに定常電流値よりも大きな値の余熱電流を通電すると共に、前記消耗電極の送給速度を前記余熱電流の値に応じて前記定常送給速度よりも速い余熱送給速度に切り換えるステップと、
前記余熱期間が終了すると、前記消耗電極の送給速度を前記余熱送給速度から前記定常送給速度に切り換えて前記消耗電極アークを定常溶接状態に移行させると共に、前記非消耗電極アークを通電する電流値を前記余熱電流の値から前記定常電流値に切り換えて前記非消耗電極アークを定常溶接状態に移行させるステップと、
を有することを特徴とする２電極アーク溶接のアークスタート制御方法である。
【００１８】
第２の発明は、前記余熱送給速度から前記定常送給速度への切換時及び前記余熱電流の値から前記定常電流値への切換時に傾斜を設けた、
ことを特徴とする第１の発明記載の２電極アーク溶接のアークスタート制御方法である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、余熱電流の通電によってアークスタート時に母材に対して充分な入熱を供給することができる。また、余熱電流の大きさに応じて送給速度を早くすることによって、消耗電極アークのアーク長を適正値に維持することができる。このために、アークスタート部の溶け込み及びビード断面形状を適正化することができ、かつ、安定した溶接状態を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法を実施するための溶接装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法を示すタイミングチャートである。
【図３】本発明の実施の形態２に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法を示すタイミングチャートである。
【図４】従来技術における２電極アーク溶接装置の構成図である。
【図５】従来技術における２電極アーク溶接のアークスタート制御方法を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２２】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法を実施するための溶接装置の構成図である。同図は、上述した図４と対応しており、同一物には同一符号を付してそれらの説明は省略する。同図は、図４に、電流検出回路ＩＤを追加したものである。さらに、同図に示す消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭ及び非消耗電極アーク溶接電源ＰＳＰのシーケンス制御は図２で後述するが、このシーケンス制御が図５とは異なっている。
【００２３】
電流検出回路ＩＤは、非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbを検出して、電流検出信号Ｉｄを消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭに入力する。このようにする理由は、図２で後述するように、非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbと溶接ワイヤ１ａの送給速度Ｆｗとの同期を取るためである。
【００２４】
図２は、本発明の実施の形態１に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法を示すタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接開始信号Ｓｔを示し、同図（Ｂ）は溶接ワイヤの送給速度Ｆｗを示し、同図（Ｃ）は消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaを示し、同図（Ｄ）は消耗電極アーク溶接電流Ｉwaを示し、同図（Ｅ）は非消耗電極アーク溶接電圧Ｖwbを示し、同図（Ｆ）は非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbを示し、同図（Ｇ１）〜（Ｇ５）は各時刻におけるアーク発生状態を示す模式図である。同図は、図１の消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭ及び非消耗電極アーク溶接電源ＰＳＰのシーケンス制御を示すことになる。同図において、時刻ｔ１〜ｔ５までの期間の動作は、上述した図５と同一であるので説明は省略する。以下、同図を参照して時刻ｔ５以後の動作について説明する。
【００２５】
（５）時刻ｔ５〜ｔ６の余熱期間Ｔｈ
時刻ｔ５時点で、同図（Ｅ）に示すように、プラズマ電極１ｂと母材２との間に無負荷電圧が印加されており、かつ、プラズマ電極１ｂと母材２との間の空間がプラズマ雰囲気になっているために、同図（Ｇ５）に示すように、非消耗電極アーク（プラズマアーク）３ｂが誘発されて発生する。非消耗電極アーク３ｂが発生すると、同図（Ｆ）に示すように、非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbは、０Ａから定常電流値Ｉpcよりも大きな値に予め定めた余熱電流値Ｉｈとなる。また、同図（Ｅ）に示すように、非消耗電極アーク溶接電圧Ｖwbは、無負荷電圧からアーク電圧値に低下する。そして、この時刻ｔ５の時点で、消耗電極アーク３ａ及び非消耗電極アーク３ｂが共に発生している状態になる。予め定めた余熱期間Ｔｈの間、同図（Ｆ）に示すように、余熱電流Ｉｈの通電が継続する。ここで、図１に示すように、消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭは、電流検出信号Ｉｄの値によって余熱電流Ｉｈの通電を判別することができる。そして、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは、余熱電流値Ｉｈに応じた余熱送給速度Ｆｈになる。余熱電流値Ｉｈは定常電流値Ｉpcよりも大きな値であるので、余熱送給速度Ｆｈも定常送給速度Ｆwcよりも早い速度になる。送給速度Ｆｗを余熱電流値Ｉｈに応じて早くする理由は、以下の通りである。すなわち、大きな値の余熱電流Ｉｈの通電によって溶接ワイヤ１ａも加熱されるために、消耗電極アークのアーク長が燃え上がった状態になり、大粒のスパッタが発生する不安定な溶接状態になる。このような状態になるのを防止するために、送給速度Ｆｗを早くすることによって、溶接ワイヤ１ａの燃え上がりが生じないようにしている。したがって、送給速度Ｆｗは、余熱電流Ｉｈが通電しても消耗電極アーク３ａのアーク長を適正値のままで維持することができるように設定される。同図（Ｃ）に示すように、消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaはアーク長が適正値に維持されているために、略定常値のままである。また、同図（Ｄ）に示すように、消耗電極アーク溶接電流Ｉwaは、送給速度Ｆｗが早くなっても余熱電流Ｉｈからも加熱されるために、定常値に近い値となる。この余熱期間Ｔｈ中の余熱電流Ｉｈの通電によって、母材２に対して充分な入熱を供給することができる。
【００２６】
（６）時刻ｔ６〜ｔ７のダウンスロープ期間Ｔdw
時刻ｔ６において上記の余熱期間Ｔｈが終了すると、予め定めたダウンスロープ期間Ｔdwに入る。このダウンスロープ期間Ｔdw中は、同図（Ｆ）に示すように、非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbは、余熱電流値Ｉｈから傾斜を有して定常電流値Ｉpcまで低下する。同様に、同図（Ｅ）に示すように、非消耗電極アーク溶接電圧Ｖwbも傾斜を有して定常電圧値まで低下する。また、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは、余熱送給速度Ｆｈから傾斜を有して定常送給速度Ｆwcまで低下する。このダウンスロープ期間Ｔdwを設けている理由は、余熱期間Ｔｈから円滑に定常溶接状態に移行させるためである。
【００２７】
（７）時刻ｔ７以後の定常溶接期間
時刻ｔ７において、上記のダウンスロープ期間Ｔdwが終了すると、定常溶接状態になる。すなわち、同図（Ｆ）に示すように、非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbは定常電流値Ｉpcになり、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは定常送給速度Ｆwcになる。これにより、アークスタートは完了する。
【００２８】
上記の余熱電流値Ｉｈ及び余熱期間Ｔｈは、母材の材質、板厚、継手等に応じて、アークスタート部の溶け込み及びビード断面形状が適正化されるように、実験によって予め設定される。上記の余熱送給速度Ｆｈは、余熱電流値Ｉｈに応じて、余熱期間Ｔｈ中の消耗電極アークのアーク長が燃え上がることなく適正値に維持されるように設定される。余熱電流値Ｉｈは定常電流値Ｉpcよりも大きな値に設定されるために、余熱送給速度Ｆｈは定常送給速度Ｆwcよりも速い速度になる。上記のダウンスロープ期間Ｔdwは、余熱電流値Ｉｈから定常電流値Ｉpcの切換時において、溶接状態が余熱期間の状態から定常状態へと円滑に移行するように設定される。したがって、ダウンスロープ期間Ｔdwを除去しても溶接状態の移行が円滑である場合には、ダウンスロープ期間Ｔdwを設ける必要はない。この場合には、余熱期間Ｔｈが終了した時点で、余熱電流値Ｉｈから定常電流値Ｉpcに直ぐに切り換えられると共に、余熱送給速度Ｆｈから定常送給速度Ｆwcに直ぐに切り換えられる。例えば、上記の各パラメータの数値例を挙げると、定常電流値Ｉpc＝５０〜１５０Ａの範囲において、余熱電流Ｉｈ＝２００〜３００Ａ、余熱期間Ｔｈ＝２００〜１０００ms及びダウンスロープ期間Ｔdw＝５０〜３００ms程度の範囲に設定される。
【００２９】
アークスタート部の溶け込みを改善するために、消耗電極アーク溶接電流Ｉwaを初期的に大きくするいわゆるホットスタート方法を採用することも考えられる。しかし、消耗電極アーク溶接電流Ｉwaは突き出し長さ、アーク負荷状態等に影響されて変化する。このために、安定した入熱を母材に供給することが難しいという問題があった。これに対して、余熱電流Ｉｈは電極と母材との距離、アーク負荷状態等によらず一定値であるために、安定した入熱を母材に供給することができる。
【００３０】
上述した実施の形態１によれば、余熱電流の通電によってアークスタート時に母材に対して充分な入熱を供給することができる。また、余熱電流の大きさに応じて送給速度を早くすることによって、消耗電極アークのアーク長を適正値に維持することができる。このために、アークスタート部の溶け込み及びビード断面形状を適正化することができ、かつ、安定した溶接状態を維持することができる。
【００３１】
［実施の形態２］
本発明の実施の形態２は、実施の形態１に対して消耗電極アークを発生させる方法が異なっている。すなわち、実施の形態１では、図２の時刻ｔ２〜ｔ４の期間のように、消耗電極アークは溶接ワイヤを後退移動させることによって発生する。これに対して、実施の形態２では、消耗電極アーク溶接における通常のアークスタート方法と同様に、溶接ワイヤを前進送給だけを行いアークを発生させる。以下、実施の形態２に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法について説明する。
【００３２】
実施の形態２に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法を実施するための溶接装置は、上述した図１と同一である。但し、消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭ及び非消耗電極アーク溶接電源ＰＳＰのシーケンス制御が、実施の形態１とは異なっており、このシーケンス制御については図３で後述する。
【００３３】
図３は、本発明の実施の形態２に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法を示すタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接開始信号Ｓｔを示し、同図（Ｂ）は溶接ワイヤの送給速度Ｆｗを示し、同図（Ｃ）は消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaを示し、同図（Ｄ）は消耗電極アーク溶接電流Ｉwaを示し、同図（Ｅ）は非消耗電極アーク溶接電圧Ｖwbを示し、同図（Ｆ）は非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbを示し、同図（Ｇ１）〜（Ｇ４）は各時刻におけるアーク発生状態を示す模式図である。同図は、図１の消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭ及び非消耗電極アーク溶接電源ＰＳＰのシーケンス制御を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００３４】
（１）時刻ｔ１〜ｔ２の前進送給期間（スローダウン送給期間）
時刻ｔ１において、同図（Ａ）に示すように、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベルになると、図１の消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭ及び非消耗電極アーク溶接電源ＰＳＰが起動される。このために、同図（Ｂ）及び（Ｇ１）に示すように、送給速度Ｆｗは正の小さな値に変化し、溶接ワイヤ１ａは非常に遅いスローダウン速度での前進送給が開始される。同図（Ｃ）に示すように、溶接ワイヤ１ａと母材２との間には無負荷電圧が印加され、同図（Ｅ）に示すように、プラズマ電極１ｂと母材２との間にも無負荷電圧が印加される。
【００３５】
（２）時刻ｔ２〜ｔ３のアーク長を長くする期間
時刻ｔ２において、同図（Ｇ２）に示すように、溶接ワイヤ１ａが母材２と接触すると、その直後に消耗電極アーク３ａが発生する。消耗電極アーク３ａが発生すると、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗはスローダウン速度よりも速い予め定めた定常送給速度Ｆwcに変化する。同時に、同図（Ｄ）に示すように、消耗電極アーク溶接電流Ｉwaは０Ａから定常溶接電流値に変化する。また、同図（Ｃ）に示すように、消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaは、その値を時刻ｔ２からの時間経過に伴ってスロープ状に上昇させる。これにより、同図（Ｇ３）に示すように、消耗電極アーク３ａのアーク長は次第に長くなっていく。消耗電極アーク３ａのアーク長が長くなるのに伴い、アーク形状は大きく広がった形状になり、この消耗電極アーク３ａの内部はプラズマ雰囲気空間となっている。プラズマ電極１ｂは、溶接ワイヤ１ａと隣接しているので、このプラズマ雰囲気空間はプラズマ電極１ｂ直下にも広く分布している。この時点では、未だ非消耗電極アーク３ｂは発生していない。
【００３６】
これ以後の動作は、上述した図２における時刻ｔ５以後の動作と基本的には同一である。すなわち、同図の時刻ｔ３〜ｔ４の期間が図２の時刻ｔ５〜ｔ６の期間に相当し、同図の時刻ｔ４〜ｔ５の期間が図２の時刻ｔ６〜ｔ７に相当し、同図の時刻ｔ５以後の期間が図２の時刻ｔ７以後の期間に相当する。以下、時刻ｔ３以後の動作について説明する。
【００３７】
（３）時刻ｔ３〜ｔ４の余熱期間Ｔｈ
時刻ｔ３時点で、同図（Ｅ）に示すように、プラズマ電極１ｂと母材２との間に無負荷電圧が印加されており、かつ、プラズマ電極１ｂと母材２との間の空間がプラズマ雰囲気になっているために、同図（Ｇ４）に示すように、非消耗電極アーク（プラズマアーク）３ｂが誘発されて発生する。非消耗電極アーク３ｂが発生すると、同図（Ｆ）に示すように、非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbは、０Ａから余熱電流値Ｉｈとなる。この余熱電流値Ｉｈは、定常電流値Ｉpcよりも大きな値に予め設定されている。また、同図（Ｅ）に示すように、非消耗電極アーク溶接電圧Ｖwbは、無負荷電圧からアーク電圧値に低下する。そして、この時刻ｔ３の時点で、消耗電極アーク３ａ及び非消耗電極アーク３ｂが共に発生している状態になる。予め定めた余熱期間Ｔｈの間、同図（Ｆ）に示すように、余熱電流Ｉｈの通電が継続する。ここで、図１に示すように、消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭは、電流検出信号Ｉｄの値によって余熱電流Ｉｈの通電を判別することができる。そして、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは、余熱電流値Ｉｈに応じた余熱送給速度Ｆｈになる。余熱電流値Ｉｈは定常電流値Ｉpcよりも大きな値であるので、余熱送給速度Ｆｈも定常送給速度Ｆwcよりも早い速度になる。送給速度Ｆｗを余熱電流値Ｉｈに応じて早くする理由は、以下の通りである。すなわち、大きな値の余熱電流Ｉｈの通電によって溶接ワイヤ１ａも加熱されるために、消耗電極アークのアーク長が燃え上がった状態になり、大粒のスパッタが発生する不安定な溶接状態になる。このような状態になるのを防止するために、送給速度Ｆｗを早くすることによって、溶接ワイヤ１ａの燃え上がりが生じないようにしている。したがって、送給速度Ｆｗは、余熱電流Ｉｈが通電している状態で消耗電極アーク３ａのアーク長が適正値になるように設定される。このように、消耗電極アーク３ａのアーク長は、時刻ｔ３時点の長い状態から速やかに適正値へと短くなるために、同図（Ｃ）に示すように、消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaは、時刻ｔ３時点の大きな値から速やかに略定常値に低下する。また、同図（Ｄ）に示すように、消耗電極アーク溶接電流Ｉwaは、送給速度Ｆｗが早くなっても余熱電流Ｉｈからも加熱されるために、定常値に近い値となる。この余熱期間Ｔｈ中の余熱電流Ｉｈの通電によって、母材２に対して充分な入熱を供給することができる。
【００３８】
（４）時刻ｔ４〜ｔ５のダウンスロープ期間Ｔdw
時刻ｔ４において上記の余熱期間Ｔｈが終了すると、予め定めたダウンスロープ期間Ｔdwに入る。このダウンスロープ期間Ｔdw中は、同図（Ｆ）に示すように、非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbは、余熱電流値Ｉｈから傾斜を有して定常電流値Ｉpcまで低下する。同様に、同図（Ｅ）に示すように、非消耗電極アーク溶接電圧Ｖwbも傾斜を有して定常電圧値まで低下する。また、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは、余熱送給速度Ｆｈから傾斜を有して定常送給速度Ｆwcまで低下する。このダウンスロープ期間Ｔdwを設けている理由は、余熱期間Ｔｈから円滑に定常溶接状態に移行させるためである。
【００３９】
（５）時刻ｔ５以後の定常溶接期間
時刻ｔ５において、上記のダウンスロープ期間Ｔdwが終了すると、定常溶接状態になる。すなわち、同図（Ｆ）に示すように、非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbは定常電流値Ｉpcになり、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは定常送給速度Ｆwcになる。これにより、アークスタートは完了する。
【００４０】
上述した実施の形態２における各パラメータの設定方法は、実施の形態１と同様である。また、実施の形態２の効果についても、実施の形態１と同様である。
【００４１】
上述した消耗電極アーク溶接として、ミグ溶接、マグ溶接、パルスアーク溶接、交流パルスアーク溶接等を使用することができる。また、上述した非消耗電極アーク溶接として、ティグ溶接、プラズマアーク溶接、パルスティグ溶接、パルスプラズマアーク溶接、交流ティグ溶接、交流プラズマアーク溶接等を使用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１ａ 消耗電極（溶接ワイヤ）
１ｂ 非消耗電極（プラズマ電極）
２ 母材
３ａ 消耗電極アーク（ミグアーク）
３ｂ 非消耗電極アーク（プラズマアーク）
４ 給電チップ
７ 送給ロール
５１ プラズマノズル
５２ シールドガスノズル
６１ センターガス
６２ プラズマガス
６３ シールドガス
Ｆｃ 送給制御信号
Ｆｈ 余熱送給速度
Ｆｗ 送給速度
Ｆwc 定常送給速度
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｈ 余熱電流
Ｉpc 定常電流値
Ｉwa 消耗電極アーク溶接電流
Ｉwb 非消耗電極アーク溶接電流
ＰＳＭ 消耗電極アーク溶接電源
ＰＳＰ 非消耗電極アーク溶接電源
ＳＴ 溶接開始回路
Ｓｔ 溶接開始信号
Ｔｄ 後退送給アーク期間
Ｔdw ダウンスロープ期間
Ｔｈ 余熱期間
Ｖwa 消耗電極アーク溶接電圧
Ｖwb 非消耗電極アーク溶接電圧
ＷＭ 送給モータ
ＷＴ 溶接トーチ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シールドガスノズル内に配置された消耗電極および非消耗電極を有する溶接トーチを用いて、消耗電極アークおよび非消耗電極アークを発生させる、２電極アーク溶接において、定常溶接状態に円滑に移行するとともに、良好な溶接ビードを形成するための２電極アーク溶接のアークスタート制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図４は、２電極アーク溶接装置の一例を示している。同図においては、消耗電極アークがミグアークの場合であり、非消耗電極アークがプラズマアークの場合である。本溶接装置は、破線で囲まれた溶接トーチＷＴ、消耗電極アーク溶接電源（ミグアーク溶接電源）ＰＳＭ及び非消耗電極アーク溶接電源（プラズマアーク溶接電源）ＰＳＰを備えている。溶接トーチＷＴは、シールドガスノズル５２内に、プラズマノズル５１、プラズマ電極（非消耗電極）１ｂ及び給電チップ４が同心軸上に配置された構造となっている。シールドガスノズル５２とプラズマノズル５１との隙間からは、たとえばアルゴンガス等のシールドガス６３が供給される。プラズマノズル５１とプラズマ電極１ｂとの間には、たとえばアルゴンガス等のプラズマガス６２が供給される。プラズマ電極１ｂと給電チップ４との間には、たとえばアルゴンガス等のセンターガス６１が供給される。
【０００３】
給電チップ４に設けられた貫通孔からは、消耗電極（溶接ワイヤ）１ａが送給される。給電チップ４は、溶接ワイヤ１ａに対して導通している。溶接ワイヤ１ａは、送給モータＷＭを駆動源とする送給ロール７の回転によって送給される。プラズマ電極１ｂは、たとえば銅又は銅合金からなり、図外の経路を通る冷却水によって間接的に水冷されている。プラズマノズル５１は、たとえば銅又は銅合金からなり、冷却水を通す流路が形成されていることにより、直接冷却されている。溶接トーチＷＴは、通常ロボット（図示は省略）によって保持された状態で、母材２に対して移動させられる。溶接ワイヤ１ａの先端と母材２との間には、ミグアーク（消耗電極アーク）３ａが発生する。プラズマ電極１ｂと母材２との間には、プラズマガス６２によって熱的に拘束されたプラズマアーク（非消耗電極アーク）３ｂが発生する。したがって、ミグアーク３ａは、プラズマアーク３ｂに包まれた状態になっている。
【０００４】
消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭは、給電チップ４を介して溶接ワイヤ１ａと母材２との間に、消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaを印加することにより、消耗電極アーク溶接電流Ｉwaを通電するための電源である。消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭからは、送給モータＷＭに対して送給制御信号Ｆｃが送られ、溶接ワイヤ１ａの送給速度Ｆｗが制御される。消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭから消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaが印加されるときは、溶接ワイヤ１ａが＋側とされる。消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭは、アークスタート時の一部期間を除き定電圧特性の電源であり、消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaが所望値になるように制御される。また、消耗電極アーク溶接電流Ｉwaは、溶接ワイヤ１ａの送給速度Ｆｗによってその値が定まる。
【０００５】
非消耗電極アーク溶接電源ＰＳＰは、プラズマ電極１ｂと母材２との間に非消耗電極アーク溶接電圧Ｖwbを印加することにより非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbを通電するための電源である。非消耗電極アーク溶接電源ＰＳＰから非消耗電極アーク溶接電圧Ｖwbが印加されるときは、プラズマ電極１ｂが＋側とされる。非消耗電極アーク溶接電源ＰＳＰは、定電流特性の電源であり、非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbが所望値になるように制御される。
【０００６】
溶接開始回路ＳＴは、溶接開始信号Ｓｔを消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭ及び非消耗電極アーク溶接電源ＰＳＰに出力する。この溶接開始信号Ｓｔが入力されると両溶接電源は起動される。溶接開始回路ＳＴは、ロボット溶接にあってはロボット制御装置内に設けられている。
【０００７】
図５は、上述した溶接装置を用いた場合の２電極アーク溶接のアークスタート制御方法を示すタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接開始信号Ｓｔを示し、同図（Ｂ）は溶接ワイヤの送給速度Ｆｗを示し、同図（Ｃ）は消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaを示し、同図（Ｄ）は消耗電極アーク溶接電流Ｉwaを示し、同図（Ｅ）は非消耗電極アーク溶接電圧Ｖwbを示し、同図（Ｆ）は非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbを示し、同図（Ｇ１）〜（Ｇ５）は各時刻におけるアーク発生状態を示す模式図である。以下、同図を参照して説明する。
【０００８】
（１）時刻ｔ１〜ｔ２の前進送給期間（スローダウン送給期間）
時刻ｔ１において、同図（Ａ）に示すように、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベルになると、図４の消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭ及び非消耗電極アーク溶接電源ＰＳＰが起動される。このために、同図（Ｂ）及び（Ｇ１）に示すように、送給速度Ｆｗは正の小さな値に変化し、溶接ワイヤ１ａは非常に遅いスローダウン速度での前進送給が開始される。ここで、送給速度Ｆｗが正の値であるときは、図４の送給モータＷＭは正回転して溶接ワイヤ１ａは母材２に近づく方向へ前進送給される。他方、送給速度Ｆｗが負の値であるときは、送給モータＷＭは逆回転して溶接ワイヤ１ａは母材２から離れる方向へ後退送給される。同図（Ｃ）に示すように、溶接ワイヤ１ａと母材２との間には無負荷電圧が印加され、同図（Ｅ）に示すように、プラズマ電極１ｂと母材２との間にも無負荷電圧が印加される。
【０００９】
（２）時刻ｔ２〜ｔ３の後退送給短絡期間
時刻ｔ２において、同図（Ｇ２）に示すように、溶接ワイヤ１ａが母材２と接触すると、図４の送給モータＷＭを逆回転させる。これにより、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは負の値に変化し、溶接ワイヤ１ａが母材２から離れる方向へ後退送給される。同時に、同図（Ｃ）に示すように、消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaは数Ｖ程度の短絡電圧値になる。また、同図（Ｄ）に示すように、消耗電極アーク溶接電流Ｉwaは溶接ワイヤ１ａをジュール熱でほとんど加熱しない程度の数十Ａの小電流値となる。
【００１０】
（３）時刻ｔ３〜ｔ４の後退送給アーク期間
時刻ｔ３において、同図（Ｇ３）に示すように、溶接ワイヤ１ａの後退送給によってワイヤ先端が母材２から離れると初期状態の消耗電極アーク３ａが発生する。この初期状態の消耗電極アーク３ａは、ワイヤの溶断ではなく後退送給によって発生し、かつ、アークを通電する電流値も小さいので、スパッタはほとんど発生しない。消耗電極アーク３ａが発生すると、同図（Ｃ）に示すように、消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaは、短絡電圧値から数十Ｖ程度のアーク電圧値に変化する。時刻ｔ３〜ｔ４の予め定めた後退送給アーク期間Ｔｄの間、初期状態の消耗電極アーク３ａを維持したままで後退送給を継続する。このために、消耗電極アーク３ａのアーク長が次第に長くなる。
【００１１】
（４）時刻ｔ４〜ｔ５の再前進送給期間
時刻ｔ４において、上記の後退送給アーク期間Ｔｄが経過すると、図４の送給モータＷＭを再び正回転に切り換える。これにより、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは正の値に変化し、溶接ワイヤ１ａは後退送給から定常送給速度Ｆwcでの再前進送給に切り換わる。この結果、同図（Ｄ）に示すように、消耗電極アーク溶接電流Ｉwaは定常溶接電流値に変化し、同図（Ｇ４）に示すように、消耗電極アーク３ａは初期状態から定常状態に移行する。時刻ｔ４時点で消耗電極アーク３ａはアーク長が長くなっている。それに加えて、時刻ｔ４からの再前進送給によって消耗電極アーク溶接電流Ｉwaが大きな値になり消耗電極アーク３ａも大きく広がった形状になるために、この消耗電極アーク３ａの内部はプラズマ雰囲気空間となっている。プラズマ電極１ｂは、溶接ワイヤ１ａと隣接しているので、このプラズマ雰囲気空間はプラズマ電極１ｂ直下にも広く分布している。
【００１２】
（５）時刻ｔ５以後の定常溶接期間
時刻ｔ５時点で、同図（Ｅ）に示すように、プラズマ電極１ｂと母材２との間に無負荷電圧が印加されており、かつ、プラズマ電極１ｂと母材２との間の空間がプラズマ雰囲気になっているために、同図（Ｇ５）に示すように、非消耗電極アーク（プラズマアーク）３ｂが誘発されて発生する。非消耗電極アーク３ｂが発生すると、同図（Ｅ）に示すように、非消耗電極アーク溶接電圧Ｖwbは無負荷電圧からアーク電圧値に低下し、同図（Ｆ）に示すように、非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbは予め定めた定常電流値Ｉpcとなる。そして、この時刻ｔ５の時点で、消耗電極アーク３ａ及び非消耗電極アーク３ｂが共に発生している状態になり、アークスタートが完了して溶接状態は定常状態に収束する。
【００１３】
２電極アーク溶接において、上述したようなアークスタート制御を行うことによって、スパッタの発生が少ない確実なアークスタート性を得ることができる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００７−１４４５０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上述した２電極アーク溶接のアークスタート制御方法によって、消耗電極アーク及び非消耗電極アークを確実に発生させることができる。しかしながら、アークスタート時点では母材への入熱が十分でないために、アークスタート部の溶け込みが浅くなり、ビード断面形状も凸形状になる。ビード断面形状が凸形状になると、ビード止端部のなじみが悪いために、溶接部の機械的特性が低下することになる。さらには、ビード外観も美しさに欠けることになる。また、２電極アーク溶接は、熱源が２つあるために、溶接速度を比較的速くして使用されることが多い。このような高速溶接では、上記の問題がより顕著となる。
【００１６】
そこで、本発明では、アークスタート部の溶け込みを適正化することができ、かつ、ビード断面形状が凸形状になることを改善することができる２電極アーク溶接のアークスタート制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上述した課題を解決するために、第１の発明は、シールドガスノズル内に配置された消耗電極および非消耗電極を備えた溶接トーチを用い、消耗電極アークおよび非消耗電極アークを発生させることにより溶接する２電極アーク溶接のアークスタート制御方法において、
前記消耗電極と母材との間に前記消耗電極アークを発生させ、前記消耗電極アークが発生した後は前記消耗電極を定常送給速度で送給するステップと、
前記非消耗電極と母材との間に前記非消耗電極アークを発生させ、前記非消耗電極アークが発生した後は予め定めた余熱期間の間、前記非消耗電極アークに定常電流値よりも大きな値の余熱電流を通電すると共に、前記消耗電極の送給速度を前記余熱電流の値に応じて前記定常送給速度よりも速い余熱送給速度に切り換えるステップと、
前記余熱期間が終了すると、前記消耗電極の送給速度を前記余熱送給速度から前記定常送給速度に切り換えて前記消耗電極アークを定常溶接状態に移行させると共に、前記非消耗電極アークを通電する電流値を前記余熱電流の値から前記定常電流値に切り換えて前記非消耗電極アークを定常溶接状態に移行させるステップと、
を有することを特徴とする２電極アーク溶接のアークスタート制御方法である。
【００１８】
第２の発明は、前記余熱送給速度から前記定常送給速度への切換時及び前記余熱電流の値から前記定常電流値への切換時に傾斜を設けた、
ことを特徴とする第１の発明記載の２電極アーク溶接のアークスタート制御方法である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、余熱電流の通電によってアークスタート時に母材に対して充分な入熱を供給することができる。また、余熱電流の大きさに応じて送給速度を早くすることによって、消耗電極アークのアーク長を適正値に維持することができる。このために、アークスタート部の溶け込み及びビード断面形状を適正化することができ、かつ、安定した溶接状態を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法を実施するための溶接装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法を示すタイミングチャートである。
【図３】本発明の実施の形態２に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法を示すタイミングチャートである。
【図４】従来技術における２電極アーク溶接装置の構成図である。
【図５】従来技術における２電極アーク溶接のアークスタート制御方法を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２２】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法を実施するための溶接装置の構成図である。同図は、上述した図４と対応しており、同一物には同一符号を付してそれらの説明は省略する。同図は、図４に、電流検出回路ＩＤを追加したものである。さらに、同図に示す消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭ及び非消耗電極アーク溶接電源ＰＳＰのシーケンス制御は図２で後述するが、このシーケンス制御が図５とは異なっている。
【００２３】
電流検出回路ＩＤは、非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbを検出して、電流検出信号Ｉｄを消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭに入力する。このようにする理由は、図２で後述するように、非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbと溶接ワイヤ１ａの送給速度Ｆｗとの同期を取るためである。
【００２４】
図２は、本発明の実施の形態１に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法を示すタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接開始信号Ｓｔを示し、同図（Ｂ）は溶接ワイヤの送給速度Ｆｗを示し、同図（Ｃ）は消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaを示し、同図（Ｄ）は消耗電極アーク溶接電流Ｉwaを示し、同図（Ｅ）は非消耗電極アーク溶接電圧Ｖwbを示し、同図（Ｆ）は非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbを示し、同図（Ｇ１）〜（Ｇ５）は各時刻におけるアーク発生状態を示す模式図である。同図は、図１の消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭ及び非消耗電極アーク溶接電源ＰＳＰのシーケンス制御を示すことになる。同図において、時刻ｔ１〜ｔ５までの期間の動作は、上述した図５と同一であるので説明は省略する。以下、同図を参照して時刻ｔ５以後の動作について説明する。
【００２５】
（５）時刻ｔ５〜ｔ６の余熱期間Ｔｈ
時刻ｔ５時点で、同図（Ｅ）に示すように、プラズマ電極１ｂと母材２との間に無負荷電圧が印加されており、かつ、プラズマ電極１ｂと母材２との間の空間がプラズマ雰囲気になっているために、同図（Ｇ５）に示すように、非消耗電極アーク（プラズマアーク）３ｂが誘発されて発生する。非消耗電極アーク３ｂが発生すると、同図（Ｆ）に示すように、非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbは、０Ａから定常電流値Ｉpcよりも大きな値に予め定めた余熱電流値Ｉｈとなる。また、同図（Ｅ）に示すように、非消耗電極アーク溶接電圧Ｖwbは、無負荷電圧からアーク電圧値に低下する。そして、この時刻ｔ５の時点で、消耗電極アーク３ａ及び非消耗電極アーク３ｂが共に発生している状態になる。予め定めた余熱期間Ｔｈの間、同図（Ｆ）に示すように、余熱電流Ｉｈの通電が継続する。ここで、図１に示すように、消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭは、電流検出信号Ｉｄの値によって余熱電流Ｉｈの通電を判別することができる。そして、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは、余熱電流値Ｉｈに応じた余熱送給速度Ｆｈになる。余熱電流値Ｉｈは定常電流値Ｉpcよりも大きな値であるので、余熱送給速度Ｆｈも定常送給速度Ｆwcよりも早い速度になる。送給速度Ｆｗを余熱電流値Ｉｈに応じて早くする理由は、以下の通りである。すなわち、大きな値の余熱電流Ｉｈの通電によって溶接ワイヤ１ａも加熱されるために、消耗電極アークのアーク長が燃え上がった状態になり、大粒のスパッタが発生する不安定な溶接状態になる。このような状態になるのを防止するために、送給速度Ｆｗを早くすることによって、溶接ワイヤ１ａの燃え上がりが生じないようにしている。したがって、送給速度Ｆｗは、余熱電流Ｉｈが通電しても消耗電極アーク３ａのアーク長を適正値のままで維持することができるように設定される。同図（Ｃ）に示すように、消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaはアーク長が適正値に維持されているために、略定常値のままである。また、同図（Ｄ）に示すように、消耗電極アーク溶接電流Ｉwaは、送給速度Ｆｗが早くなっても余熱電流Ｉｈからも加熱されるために、定常値に近い値となる。この余熱期間Ｔｈ中の余熱電流Ｉｈの通電によって、母材２に対して充分な入熱を供給することができる。
【００２６】
（６）時刻ｔ６〜ｔ７のダウンスロープ期間Ｔdw
時刻ｔ６において上記の余熱期間Ｔｈが終了すると、予め定めたダウンスロープ期間Ｔdwに入る。このダウンスロープ期間Ｔdw中は、同図（Ｆ）に示すように、非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbは、余熱電流値Ｉｈから傾斜を有して定常電流値Ｉpcまで低下する。同様に、同図（Ｅ）に示すように、非消耗電極アーク溶接電圧Ｖwbも傾斜を有して定常電圧値まで低下する。また、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは、余熱送給速度Ｆｈから傾斜を有して定常送給速度Ｆwcまで低下する。このダウンスロープ期間Ｔdwを設けている理由は、余熱期間Ｔｈから円滑に定常溶接状態に移行させるためである。
【００２７】
（７）時刻ｔ７以後の定常溶接期間
時刻ｔ７において、上記のダウンスロープ期間Ｔdwが終了すると、定常溶接状態になる。すなわち、同図（Ｆ）に示すように、非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbは定常電流値Ｉpcになり、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは定常送給速度Ｆwcになる。これにより、アークスタートは完了する。
【００２８】
上記の余熱電流値Ｉｈ及び余熱期間Ｔｈは、母材の材質、板厚、継手等に応じて、アークスタート部の溶け込み及びビード断面形状が適正化されるように、実験によって予め設定される。上記の余熱送給速度Ｆｈは、余熱電流値Ｉｈに応じて、余熱期間Ｔｈ中の消耗電極アークのアーク長が燃え上がることなく適正値に維持されるように設定される。余熱電流値Ｉｈは定常電流値Ｉpcよりも大きな値に設定されるために、余熱送給速度Ｆｈは定常送給速度Ｆwcよりも速い速度になる。上記のダウンスロープ期間Ｔdwは、余熱電流値Ｉｈから定常電流値Ｉpcの切換時において、溶接状態が余熱期間の状態から定常状態へと円滑に移行するように設定される。したがって、ダウンスロープ期間Ｔdwを除去しても溶接状態の移行が円滑である場合には、ダウンスロープ期間Ｔdwを設ける必要はない。この場合には、余熱期間Ｔｈが終了した時点で、余熱電流値Ｉｈから定常電流値Ｉpcに直ぐに切り換えられると共に、余熱送給速度Ｆｈから定常送給速度Ｆwcに直ぐに切り換えられる。例えば、上記の各パラメータの数値例を挙げると、定常電流値Ｉpc＝５０〜１５０Ａの範囲において、余熱電流Ｉｈ＝２００〜３００Ａ、余熱期間Ｔｈ＝２００〜１０００ms及びダウンスロープ期間Ｔdw＝５０〜３００ms程度の範囲に設定される。
【００２９】
アークスタート部の溶け込みを改善するために、消耗電極アーク溶接電流Ｉwaを初期的に大きくするいわゆるホットスタート方法を採用することも考えられる。しかし、消耗電極アーク溶接電流Ｉwaは突き出し長さ、アーク負荷状態等に影響されて変化する。このために、安定した入熱を母材に供給することが難しいという問題があった。これに対して、余熱電流Ｉｈは電極と母材との距離、アーク負荷状態等によらず一定値であるために、安定した入熱を母材に供給することができる。
【００３０】
上述した実施の形態１によれば、余熱電流の通電によってアークスタート時に母材に対して充分な入熱を供給することができる。また、余熱電流の大きさに応じて送給速度を早くすることによって、消耗電極アークのアーク長を適正値に維持することができる。このために、アークスタート部の溶け込み及びビード断面形状を適正化することができ、かつ、安定した溶接状態を維持することができる。
【００３１】
［実施の形態２］
本発明の実施の形態２は、実施の形態１に対して消耗電極アークを発生させる方法が異なっている。すなわち、実施の形態１では、図２の時刻ｔ２〜ｔ４の期間のように、消耗電極アークは溶接ワイヤを後退移動させることによって発生する。これに対して、実施の形態２では、消耗電極アーク溶接における通常のアークスタート方法と同様に、溶接ワイヤを前進送給だけを行いアークを発生させる。以下、実施の形態２に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法について説明する。
【００３２】
実施の形態２に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法を実施するための溶接装置は、上述した図１と同一である。但し、消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭ及び非消耗電極アーク溶接電源ＰＳＰのシーケンス制御が、実施の形態１とは異なっており、このシーケンス制御については図３で後述する。
【００３３】
図３は、本発明の実施の形態２に係る２電極アーク溶接のアークスタート制御方法を示すタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接開始信号Ｓｔを示し、同図（Ｂ）は溶接ワイヤの送給速度Ｆｗを示し、同図（Ｃ）は消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaを示し、同図（Ｄ）は消耗電極アーク溶接電流Ｉwaを示し、同図（Ｅ）は非消耗電極アーク溶接電圧Ｖwbを示し、同図（Ｆ）は非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbを示し、同図（Ｇ１）〜（Ｇ４）は各時刻におけるアーク発生状態を示す模式図である。同図は、図１の消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭ及び非消耗電極アーク溶接電源ＰＳＰのシーケンス制御を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００３４】
（１）時刻ｔ１〜ｔ２の前進送給期間（スローダウン送給期間）
時刻ｔ１において、同図（Ａ）に示すように、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベルになると、図１の消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭ及び非消耗電極アーク溶接電源ＰＳＰが起動される。このために、同図（Ｂ）及び（Ｇ１）に示すように、送給速度Ｆｗは正の小さな値に変化し、溶接ワイヤ１ａは非常に遅いスローダウン速度での前進送給が開始される。同図（Ｃ）に示すように、溶接ワイヤ１ａと母材２との間には無負荷電圧が印加され、同図（Ｅ）に示すように、プラズマ電極１ｂと母材２との間にも無負荷電圧が印加される。
【００３５】
（２）時刻ｔ２〜ｔ３のアーク長を長くする期間
時刻ｔ２において、同図（Ｇ２）に示すように、溶接ワイヤ１ａが母材２と接触すると、その直後に消耗電極アーク３ａが発生する。消耗電極アーク３ａが発生すると、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗはスローダウン速度よりも速い予め定めた定常送給速度Ｆwcに変化する。同時に、同図（Ｄ）に示すように、消耗電極アーク溶接電流Ｉwaは０Ａから定常溶接電流値に変化する。また、同図（Ｃ）に示すように、消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaは、その値を時刻ｔ２からの時間経過に伴ってスロープ状に上昇させる。これにより、同図（Ｇ３）に示すように、消耗電極アーク３ａのアーク長は次第に長くなっていく。消耗電極アーク３ａのアーク長が長くなるのに伴い、アーク形状は大きく広がった形状になり、この消耗電極アーク３ａの内部はプラズマ雰囲気空間となっている。プラズマ電極１ｂは、溶接ワイヤ１ａと隣接しているので、このプラズマ雰囲気空間はプラズマ電極１ｂ直下にも広く分布している。この時点では、未だ非消耗電極アーク３ｂは発生していない。
【００３６】
これ以後の動作は、上述した図２における時刻ｔ５以後の動作と基本的には同一である。すなわち、同図の時刻ｔ３〜ｔ４の期間が図２の時刻ｔ５〜ｔ６の期間に相当し、同図の時刻ｔ４〜ｔ５の期間が図２の時刻ｔ６〜ｔ７に相当し、同図の時刻ｔ５以後の期間が図２の時刻ｔ７以後の期間に相当する。以下、時刻ｔ３以後の動作について説明する。
【００３７】
（３）時刻ｔ３〜ｔ４の余熱期間Ｔｈ
時刻ｔ３時点で、同図（Ｅ）に示すように、プラズマ電極１ｂと母材２との間に無負荷電圧が印加されており、かつ、プラズマ電極１ｂと母材２との間の空間がプラズマ雰囲気になっているために、同図（Ｇ４）に示すように、非消耗電極アーク（プラズマアーク）３ｂが誘発されて発生する。非消耗電極アーク３ｂが発生すると、同図（Ｆ）に示すように、非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbは、０Ａから余熱電流値Ｉｈとなる。この余熱電流値Ｉｈは、定常電流値Ｉpcよりも大きな値に予め設定されている。また、同図（Ｅ）に示すように、非消耗電極アーク溶接電圧Ｖwbは、無負荷電圧からアーク電圧値に低下する。そして、この時刻ｔ３の時点で、消耗電極アーク３ａ及び非消耗電極アーク３ｂが共に発生している状態になる。予め定めた余熱期間Ｔｈの間、同図（Ｆ）に示すように、余熱電流Ｉｈの通電が継続する。ここで、図１に示すように、消耗電極アーク溶接電源ＰＳＭは、電流検出信号Ｉｄの値によって余熱電流Ｉｈの通電を判別することができる。そして、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは、余熱電流値Ｉｈに応じた余熱送給速度Ｆｈになる。余熱電流値Ｉｈは定常電流値Ｉpcよりも大きな値であるので、余熱送給速度Ｆｈも定常送給速度Ｆwcよりも早い速度になる。送給速度Ｆｗを余熱電流値Ｉｈに応じて早くする理由は、以下の通りである。すなわち、大きな値の余熱電流Ｉｈの通電によって溶接ワイヤ１ａも加熱されるために、消耗電極アークのアーク長が燃え上がった状態になり、大粒のスパッタが発生する不安定な溶接状態になる。このような状態になるのを防止するために、送給速度Ｆｗを早くすることによって、溶接ワイヤ１ａの燃え上がりが生じないようにしている。したがって、送給速度Ｆｗは、余熱電流Ｉｈが通電している状態で消耗電極アーク３ａのアーク長が適正値になるように設定される。このように、消耗電極アーク３ａのアーク長は、時刻ｔ３時点の長い状態から速やかに適正値へと短くなるために、同図（Ｃ）に示すように、消耗電極アーク溶接電圧Ｖwaは、時刻ｔ３時点の大きな値から速やかに略定常値に低下する。また、同図（Ｄ）に示すように、消耗電極アーク溶接電流Ｉwaは、送給速度Ｆｗが早くなっても余熱電流Ｉｈからも加熱されるために、定常値に近い値となる。この余熱期間Ｔｈ中の余熱電流Ｉｈの通電によって、母材２に対して充分な入熱を供給することができる。
【００３８】
（４）時刻ｔ４〜ｔ５のダウンスロープ期間Ｔdw
時刻ｔ４において上記の余熱期間Ｔｈが終了すると、予め定めたダウンスロープ期間Ｔdwに入る。このダウンスロープ期間Ｔdw中は、同図（Ｆ）に示すように、非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbは、余熱電流値Ｉｈから傾斜を有して定常電流値Ｉpcまで低下する。同様に、同図（Ｅ）に示すように、非消耗電極アーク溶接電圧Ｖwbも傾斜を有して定常電圧値まで低下する。また、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは、余熱送給速度Ｆｈから傾斜を有して定常送給速度Ｆwcまで低下する。このダウンスロープ期間Ｔdwを設けている理由は、余熱期間Ｔｈから円滑に定常溶接状態に移行させるためである。
【００３９】
（５）時刻ｔ５以後の定常溶接期間
時刻ｔ５において、上記のダウンスロープ期間Ｔdwが終了すると、定常溶接状態になる。すなわち、同図（Ｆ）に示すように、非消耗電極アーク溶接電流Ｉwbは定常電流値Ｉpcになり、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは定常送給速度Ｆwcになる。これにより、アークスタートは完了する。
【００４０】
上述した実施の形態２における各パラメータの設定方法は、実施の形態１と同様である。また、実施の形態２の効果についても、実施の形態１と同様である。
【００４１】
上述した消耗電極アーク溶接として、ミグ溶接、マグ溶接、パルスアーク溶接、交流パルスアーク溶接等を使用することができる。また、上述した非消耗電極アーク溶接として、ティグ溶接、プラズマアーク溶接、パルスティグ溶接、パルスプラズマアーク溶接、交流ティグ溶接、交流プラズマアーク溶接等を使用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１ａ 消耗電極（溶接ワイヤ）
１ｂ 非消耗電極（プラズマ電極）
２ 母材
３ａ 消耗電極アーク（ミグアーク）
３ｂ 非消耗電極アーク（プラズマアーク）
４ 給電チップ
７ 送給ロール
５１ プラズマノズル
５２ シールドガスノズル
６１ センターガス
６２ プラズマガス
６３ シールドガス
Ｆｃ 送給制御信号
Ｆｈ 余熱送給速度
Ｆｗ 送給速度
Ｆwc 定常送給速度
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｈ 余熱電流
Ｉpc 定常電流値
Ｉwa 消耗電極アーク溶接電流
Ｉwb 非消耗電極アーク溶接電流
ＰＳＭ 消耗電極アーク溶接電源
ＰＳＰ 非消耗電極アーク溶接電源
ＳＴ 溶接開始回路
Ｓｔ 溶接開始信号
Ｔｄ 後退送給アーク期間
Ｔdw ダウンスロープ期間
Ｔｈ 余熱期間
Ｖwa 消耗電極アーク溶接電圧
Ｖwb 非消耗電極アーク溶接電圧
ＷＭ 送給モータ
ＷＴ 溶接トーチ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールドガスノズル内に配置された消耗電極および非消耗電極を備えた溶接トーチを用い、消耗電極アークおよび非消耗電極アークを発生させることにより溶接する２電極アーク溶接のアークスタート制御方法において、
前記消耗電極と母材との間に前記消耗電極アークを発生させ、前記消耗電極アークが発生した後は前記消耗電極を定常送給速度で送給するステップと、
前記非消耗電極と母材との間に前記非消耗電極アークを発生させ、前記非消耗電極アークが発生した後は予め定めた余熱期間の間、前記非消耗電極アークに定常電流値よりも大きな値の余熱電流を通電すると共に、前記消耗電極の送給速度を前記余熱電流の値に応じて前記定常送給速度よりも速い余熱送給速度に切り換えるステップと、
前記余熱期間が終了すると、前記消耗電極の送給速度を前記余熱送給速度から前記定常送給速度に切り換えて前記消耗電極アークを定常溶接状態に移行させると共に、前記非消耗電極アークを通電する電流値を前記余熱電流の値から前記定常電流値に切り換えて前記非消耗電極アークを定常溶接状態に移行させるステップと、
を有することを特徴とする２電極アーク溶接のアークスタート制御方法。
【請求項２】
前記余熱送給速度から前記定常送給速度への切換時及び前記余熱電流の値から前記定常電流値への切換時に傾斜を設けた、
ことを特徴とする請求項１記載の２電極アーク溶接のアークスタート制御方法。
【請求項１】
シールドガスノズル内に配置された消耗電極および非消耗電極を備えた溶接トーチを用い、消耗電極アークおよび非消耗電極アークを発生させることにより溶接する２電極アーク溶接のアークスタート制御方法において、
前記消耗電極と母材との間に前記消耗電極アークを発生させ、前記消耗電極アークが発生した後は前記消耗電極を定常送給速度で送給するステップと、
前記非消耗電極と母材との間に前記非消耗電極アークを発生させ、前記非消耗電極アークが発生した後は予め定めた余熱期間の間、前記非消耗電極アークに定常電流値よりも大きな値の余熱電流を通電すると共に、前記消耗電極の送給速度を前記余熱電流の値に応じて前記定常送給速度よりも速い余熱送給速度に切り換えるステップと、
前記余熱期間が終了すると、前記消耗電極の送給速度を前記余熱送給速度から前記定常送給速度に切り換えて前記消耗電極アークを定常溶接状態に移行させると共に、前記非消耗電極アークを通電する電流値を前記余熱電流の値から前記定常電流値に切り換えて前記非消耗電極アークを定常溶接状態に移行させるステップと、
を有することを特徴とする２電極アーク溶接のアークスタート制御方法。
【請求項２】
前記余熱送給速度から前記定常送給速度への切換時及び前記余熱電流の値から前記定常電流値への切換時に傾斜を設けた、
ことを特徴とする請求項１記載の２電極アーク溶接のアークスタート制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−２０７８５５（Ｐ２０１０−２０７８５５Ａ）
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５６３８４（Ｐ２００９−５６３８４）
【出願日】平成２１年３月１０日（２００９．３．１０）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１０日（２００９．３．１０）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
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