脉冲电弧焊接方法

专利名称：脉冲电弧焊接方法
技术领域：
本发明涉及即使保护气体的混合比率变化也可以进行稳定的焊接的 脉冲电弧焊接方法。
背景技术：
图5是熔化电极脉冲电弧焊接的电流/电压波形图的一例。该图(A) 表示焊接电流Iw，该图(B)表示焊接电压Vw。在时刻tl t2的峰值上 升期间Tup中，如该图(A)所示，通电从基值电流Ib上升到峰值电流Ip 的迁移电流，如该图(B)所示，对焊丝/母材间施加从基值电压Vb上升 到峰值电压Vp的迁移电压。在时刻t2 t3的峰值期间Tp中，如该图(A) 所示，通电临界电流值以上的峰值电流Ip，如该图(B)所示，施加峰值 电压Vp。在时刻t3 t4的峰值下降期间Tdw中，通电从峰值电流Ip下降 到基值电流Ib的迁移电流，如该图(B)所示，施加从峰值电压Vp下降 到基值电压Vb的迁移电压。在时刻t4 t5的基值期间Tb中，如该图(A) 所示，通电使熔滴不成长的小电流值的基值电流Ib，如该图(B)所示， 施加基值电压Vb。上述的tl t5期间为脉冲周期Tf。
上述的峰值上升期间Tup以及峰值下降期间Tdw，按照母材材质设定 为适当的值。在母材材质为钢铁材料的脉冲MAG焊接中，为了将两个值 设定成小值，峰值电流波形为大致矩形波状。另一方面，母材材质为铝材 料的脉冲MIG焊接中，为了将两个值设定成大值，峰值电流波形为梯形 波状。另外，上述的迁移电流，为了提高焊接性不仅有使其直线状地上升 /下降的情况也有使其曲线状地变化的情况(例如，参照专利文献l、 3)。 另外，也有使峰值电流Ip阶梯状地増加的情况(例如，参照专利文献2)。 作为保护气体，在脉冲MAG焊接中使用氩气80%+二氧化碳气体20%的 混合气体，在脉冲MIG焊接中多使用100%的氩气。
在熔化电极电弧焊接中，将电弧长度控制为适当的值对得到良好的焊
接品质是重要的。因此，利用焊接电压Vw的平均值Vav与电弧长度成大 致比率关系，按照焊接电压平均值Vav与预定的电压设定值相等的方式来 控制焊接电源的输出来进行电弧长度控制。脉冲电弧焊接中也同样，按照 焊接电压平均值Vav与电压设定值相等的方式控制上述脉冲周期Tf来进 行焊接电源的输出控制(平均值调制控制)。除此以外，还有将脉冲周期 Tf作为规定值，通过控制峰值期间Tp来进行焊接电源的输出控制的情况 (脉冲宽度调制控制)。
图6是表示设定上述的峰值期间Tp以及峰值电流Ip的值的方法的1 脉冲1熔滴过渡范围的图。该图的横轴表示峰值期间Tp (ms)，纵轴表示 峰值电流Ip (A)。斜线部分是与脉冲周期Tf同步地1个熔滴的过渡(所 谓1脉冲1熔滴过渡)条件范围。峰值期间Tp和峰值电流Ip的组合条件 (称为单元脉冲条件)处于斜线部分内时为1脉冲1熔滴过渡。单元脉冲 条件，设定在该l脉冲l熔滴过渡范围内，为形成良好焊缝形状(不发生 咬边(undercut),为漂亮的焊缝外观)的形成条件。峰值电流Ip不为一定 值时，将峰值电流Ip在峰值期间Tp中进行积分后的电流积分值，按照为 与斜线部分对应的范围内的方式设定两个值。上述单元脉冲条件，按照焊 丝的种类、保护气体的混合比率、送丝速度等，改变l脉冲l熔滴过渡范 围，所以需要对此对应地进行再设定。
图7是单元脉冲条件处于1脉冲1熔滴过渡范围时的电弧发生部的示 意图。在从焊枪4的前端送出的焊丝1和母材2之间发生电弧3。在母材 2上形成熔池2a。电弧阳极点3a形成在焊丝前端部的熔滴la的上部。因 此，熔滴la处于由电弧3包围的状态。另一方面，电弧阴极点3b形成在 熔池2a上。在刚刚结束峰值电流Ip的通电之后，脱离熔滴lb进行过渡。
专利文献1:日本特开2005-28383号公报
专利文献2:日本特开2005-118872号公报
专利文献3:日本特开2006-75890号公报
上述的单元脉冲条件以保护气体的混合比率作为基准比率为前提条 件，如上所述，按照为1脉冲1熔滴过渡范围，且可以得到良好的焊缝形 状的方式设定。例如，钢铁材料的脉冲MAG焊接中，使用氩气和二氧化 碳气体的混合气体作为保护气体。在日本该情况下的基准比率一般为氩气
80% + 二氧化碳气体20°/。。
作为保护气体的供给方法如下，为准确地调整到上述基准比率而使用 充填气体泵等的情况下，保护气体的混合比率的变动几乎维持在基准比率 来进行焊接。但是，在大规模的工场中，往往是将氩气和二氧化碳气体分 别预先蓄积在储气罐，通过混合器以基准比率混合上述气体后，通过集中 配管供给到各焊接装置。在这样的情况下，往往在早晨最初的工场工作开 始时，保护气体的混合比率初始变动到稳定。该变动幅度，根据保护气体 的供给设备而不同，有时为土5 ±10%较大的情况。另外，不仅初期变动， 还存在稳定状态下的变动，其变动幅度比初期变动幅度小，也为±5%左右 的情况。进而，还存在根据工件的形状、要求的品质等将保护气体的混合 比率调整为适当的值来进行焊接的情况。在这样的高品质焊接下，保护气 体的基准比率按照使氩气比率増加或减少的方式来设定。
但是，保护气体的混合比率往往是即使氩气比率向増加的方向变化， 也可以将电弧状态大致维持为稳定的状态的情况。这是由于在增加氩气比 率时，容易进行熔滴的过渡的缘故。因此，针对氩气比率向增加的方向变 化，往往也不需要再次设定单元脉冲条件。
另一方面，保护气体的氩气比率向减少的方向变化的情况下，如图8 中所详细的描述，由于难以进行熔滴过渡，所以电弧状态为不稳定状态。 以下，关于该现象进行说明。
图8 (A) (C)是，保护气体的氩气比率比基准比率少的情况下的 电弧发生部的示意图。该图(A) (C)表示随时间的熔滴过渡。该图 (A)所示，保护气体的氩的比率减少时，在熔滴la的下部形成电弧阳极 点3a。在熔滴la的下部形成电弧阳极点3a的情况，如该图(B)所示， 由于使电弧阳极点3a附近为超高温，所以金属蒸汽5从熔滴la的下部向 下方喷射。其结果，熔滴3a由于被金属蒸汽5在上推方向上受到力6的 作用，所以熔滴过渡为不稳定。而且，如该图(C)所示，由于上推力6 阻止过渡而不能进行1脉冲1熔滴过渡，所以熔滴3a成长得较大，向焊 丝的延长线以外飞散，产生大量的飞溅7。
作为上述问题的对策有以下方法，为了使在熔滴la的下部所形成的 电弧阳极点3a向上方移动，加大峰值电流Ip的值。但是，在增大峰值电
流值Ip时，电弧阳极点3a形成在瑢滴la上部，但成为电弧3扩散的形状， 电弧力也増大，因此容易发生咬边。因此，难以得到良好的焊缝形状。进 而，随着电弧力的增大，飞溅也増加。

发明内容
因此，本发明目的在于，提供一种即使保护气体的混合比率变化也可 以维持稳定的电弧状态的脉冲电弧焊接方法。
为了解决上述问题，本发明技术方案一的脉冲电弧焊接方法，将焊丝 以与预定的焊接电流平均设定值对应的送丝速度进行送给，并且将峰值期 间中的峰值电流的通电和基值期间中的基值电流的通电作为1个脉冲周期 反复进行来发生电弧，通过该电弧使熔滴从焊丝开始过渡并焊接，其特征 在于，
上述峰值期间，由通电第1峰值电流的第1峰值期间以及通电具有值 比上述第1峰值电流小的第2峰值电流的第2峰值期间而形成，
即使保护气体的混合比率自基准比率在规定范围内变化，也将上述第 1峰值期间以及上述第1峰值电流设定为在熔滴的上部形成电弧阳极点的 值，
将上述第2峰值期间以及上述第2峰值电流，设定为1个熔滴按照每 个上述脉冲周期进行过渡且形成不发生咬边的焊缝形状的值。
本发明技术方案二，根据技术方案一所述的脉冲电弧焊接方法，按照 上述基准比率的变化来改变上述第1峰值期间以及上述第1峰值电流的值。
本发明技术方案三，根据技术方案一或二所述的脉冲电弧焊接方法， 以随着上述焊接电流平均设定值的增大而上述第1峰值电流值和上述第2 峰值电流值之差减小的方式进行变化。
本发明技术方案四，根据技术方案一或二所述的脉冲电弧焊接方法， 上述焊接电流平均设定值为临界电流值以上时，以随着上述焊接电流平均 设定值增大而上述第1峰值电流值和上述第2峰值电流值之差减小的方式 进行变化。
根据上述本发明的技术方案一，保护气体的混合比率即使自基准比率
在规定范围内变化，也可以将电弧阳极点形成在熔滴上部，且可以抑制电 弧形状的扩散以及电弧力的増大。因此，可以进行l脉冲l熔滴的过渡， 且也可以抑制发生咬边，维持稳定的电弧状态并得到良好的焊接品质。
再者，根据本发明技术方案二，按照保护气体的基准比率使第1峰值 期间以及第1峰值电流最佳化，在保护气体的混合比率变化较大的情况下， 也可以实现上述效果。
再者，根据本发明技术方案三以及四，以随着焊接电流平均设定值增
大而第1峰值电流值与第2峰值电流值之差减少的方式进行变化，由此可 以减弱作用于大电流域中熔池的过剩的电弧力，抑制焊穿、凹凸等焊接不 良的发生。特别是，焊接电流平均设定值为临界电流值以上时，该效果更明显。


图1是本发明的实施方式的脉冲电弧焊接方法中的焊接电流Iw的波形图。
图2是通电图1的焊接电流Iw时的电弧发生部的示意图。 图3是本发明的实施方式的焊接电源的框图。
图4是本发明的实施方式的焊接电流平均设定值Iar与峰值电流值之 差AIp的关系图。
图5是以往技术的脉冲电弧焊接方法中的电流/电压波形图。
图6是表示1脉冲1熔滴过渡范围的单元脉冲条件图。
图7是以往技术的脉冲电弧焊接方法中的电弧发生部的示意图。
图8是用于说明问题的保护气体的混合比率变化时的电弧发生部的示 意图。
图中文字说明-
1焊丝
la熔滴
lb脱离熔滴
2母材
2a熔池
3电弧
3a电弧阳极点 3b电弧阴极点 4焊枪 5金属蒸汽 6上推力 7飞溅
EI电流误差放大电路
EV 电压误差放大电路
FR 送给速度设定电路
Fr 送丝速度设定信号
IAR焊接电流平均设定电路
Iar焊接电流平均设定(值/信号)
Ib 基值电流
IBR基值电流设定电路
Ibr 基值电流设定信号
ID 电流检测电路
Id 电流检测信号
Ip 峰值电流
Ipl第1峰值电流
Ip2 第2峰值电流
Ipr 峰值电流设定信号
IPR1第1峰值电流设定电路
Iprl第l峰值电流设定信号
IPR2第2峰值电流设定电路
Ipr2第2峰值电流设定信号
Ir电流设定信号
Iw 焊接电流
PM 电源主电路
SW1第1切换电路
SW2第2切换电路Tb基值期间
Tdw峰值下降期间
Tf脉冲周期
Tfs脉冲周期信号
TP峰值期间计时电路
Tp峰值期间
TP1第1峰值期间计时电路
Tpl第1峰值期间
Tp2第2峰值期间
Tps峰值期间信号
Tpsl第1峰值期间信号
Tup峰值上升期间
Vav电压检测信号(焊接电压平均值)
Vb基值电压
VD电压检测电路
VF电压/频率变换电路
Vp峰值电压
VR电压设定电路
Vr电压设定信号
Vw焊接电压
WF送丝机
AI电流误差放大信号
Alp峰值电流差(Ipl—Ip2)
△V电压误差放大信号
具体实施例方式
以下，参照图面对本发明的实施方式进行说明。
图1是本发明的实施方式的脉冲电弧焊接方法中的焊接电流Iw的波 形图。如该图所示，峰值期间Tp由第1峰值期间Tpl以及第2峰值期间Tp2形成。在第1峰值期间Tpl中通电第1峰值电流Ipl，在第2峰值期 间Tp2中通电比第1峰值电流Ipl值小的第2峰值电流Ip2。因此，峰值 电流波形为向右下下降的阶梯状。
在该图中，如虚线所示，以往的峰值电流为一定值Ip。第l峰值电流 Ipl设定在比该一定值Ip大的值。第1峰值期间Tpl中的第1峰值电流Ipl 的通电的作用，是通电比以往的峰值电流值Ip大的电流，由此即使保护气 体的混合比率变化也可以将电弧阳极点形成在熔滴上部。由于该第1峰值 电流值Ipl比以往的峰值电流值Ip大，因此即使保护气体的氩气的比率减 少也可以将电弧阳极点形成在熔滴上部。为了该电弧阳极点的形成，需要 0.2 1.0ms左右的第1峰值期间Tpl。因此，将该第1峰值期间Tpl中的 第1峰值电流Ipl为一定值即可，不是斜波状地下降的波形即可。
另一方面，在第2峰值期间Tp2中的第2峰值电流Ip2的值设定为比 以往的峰值电流值Ip以及第1峰值电流值Ipl小的值。电弧阳极点的形成 位置即使在第2峰值期间Tp2也不会移动到熔滴上部。这是由于电弧阳极 点一旦形成，其位置稳定，因此即使电流值减小也不移动的缘故。另外， 由于第2峰值电流值Ip2设定在小的值，所以作为峰值期间Tp整体的平 均值与以往大致相同。因此，电弧形状以及电弧力与以往大致相同，可以 得到没有咬边的良好的焊缝形状。
调整各参数的设定方法如下。
(1) 第1峰值期间Tpl以及第1峰值电流Ipl，按照即使保护气体 的混合比率在规定范围变化，电弧阳极点在熔滴上部形成的方式进行设 定。
(2) 第2峰值期间Tp2以及第2峰值电流Ip2，设定为在熔滴过渡 为1脉冲1熔滴的过渡，且得到没有咬边的良好的焊缝形状的值。
图2是通电图1所述的阶梯状的峰值电流的电弧发生部的示意图。如 该图所示，即使保护气体的混合比率变化，电弧阳极点3a也形成在熔滴 la的上部。因此，由于对熔滴la没有作用图8 (B)中所述的上推力6， 所以1个熔滴过渡为1脉冲1熔滴过渡。其结果，减少飞溅的发生量，且 得到良好的焊缝形状。
图3是本发明的实施方式的焊接电源的框图。以下，参照该图对各个
功能块进行说明。
电源主电路PM，以3相200V等商用电源为输入，按照后述的电流 误差放大信号AI进行逆变控制等输出控制，输出焊接电压Vw以及焊接
电流IW。该电源主电路PM，例如包括由对商用电源进行整流的1次整
流器、将整流后的直流进行平滑滤波的平滑电容器、将平滑滤波后的直流 变换为高频交流的逆变电路、将高频交流降压到适于电弧焊接的电压值的
高频变压器、对降压后的高频交流进行整流的2次整流器、对整流后的直 流进行平滑滤波的电抗器、以电流误差放大信号AI为输入进行脉冲宽度 调制控制的调制电路、根据脉冲宽度调制后的信号驱动上述逆变电路的驱 动电路。焊接电流平均设定电路IAR，输出预定的焊接电流平均设定信号 Iar。送给速度设定电路FR输出与该焊接电流平均设定信号Iar对应的送 丝速度设定信号Fr。送丝机WF，以按照该送丝速度设定信号Fr所想到的 送丝速度供给焊丝l。焊丝l，由该送丝机WF送给到焊枪4内，在与母 材2之间发生电弧3来进行焊接。
电压检测电路VD，检测焊接电压Vw并计算其平均值，输出电压检 测信号Vav。电压设定电路VR，输出预定的电压设定信号Vr。电压误差 放大电路EV，放大上述的电压设定信号Vr与电压检测信号Vav之间的误 差，输出电压误差放大信号AV。由电压/频率变换电路VF变换为与该电 压误差放大信号AV对应的频率，输出图1中按照每个上述的脉冲周期Tf 变化为短時间高电平的脉冲周期信号Tfs。
峰值期间计时电路TP从上述脉冲周期信号Tfs变为高电平的时刻， 在预定的峰值期间Tp期间输出为高电平的峰值期间信号Tps。因此，该 峰值期间信号Tps，在图1中，在峰值期间Tp期间为高电平。基值电流 设定电路IBR输出预定的基值电流设定信号Ibr。第1切换电路SW1在该 峰值期间信号Tps为高电平(峰值期间)时切换到a侧，将后述峰值电流 设定信号Ipr作为电流设定信号Ir输出，在低电平(基值期间)时切换到 b侧，将上述的基值电流设定信号Ibr作为电流设定信号Ir输出。
第1峰值期间计时电路TPl，在上述峰值期间信号Tps变为高电平(峰 值期间)的时刻开始在预定的第1峰值期间Tpl内输出为高电平的第1峰 值期间信号Tpsl。第1峰值电流设定电路IPR1，输出预定的第1峰值电流设定信号Iprl。第2峰值电流设定电路IPR2输出预定的第2峰值电流 设定信号Ipr2。第2切换电路SW2，在上述第1峰值期间信号Tpsl为高 电平(第1峰值期间)，切换到a侧并将上述第1峰值电流设定信号Iprl 作为峰值电流设定信号Ipr输出，在低电平(第2峰值期间)时，将上述 第2峰值电流设定信号Ipr2作为峰值电流设定信号Ipr输出。
电流检测电路JD，检测焊接电流Iw并输出电流检测信号Id。电流误 差放大电路EI，放大上述电流设定信号Ir与上述电流检测信号Id之间的 误差并输出电流误差放大信号AI。通过这些电路功能块，通电图1中所述 的焊接电流Iw。
上述的实施方式中，如图I所示，例示了峰值上升期间Tup以及峰值 下降期间Tdw为小值的情况，但两个值为较大的值时也同样。另外，如上 所述，在钢铁材料的脉冲MAG焊接中，保护气体的基准比率通常为氩气 80% + 二氧化碳气体20%。本实施方式中，即使保护气体的混合比率自基 准比率在规定范围内变化，也可以维持电弧的稳定性。但是，在保护气体 的基准比率变化较大时，优选使上述的第1峰值期间Tpl以及第1峰值电 流Ipl的值变化。这是由于，在本实施方式中，保护气体的混合比率以基 准比率为中心值在假设的规定范围内变化，也可以保证电弧稳定性，但在 基准比率变化的情况下通过与其适应地对第1峰值期间Tpl以及第1峰值 电流Ipl进行再设定，可以对应更大的混合比率的变化的缘故。进而，在 本实施方式中，例示了直流脉冲电弧焊接，但是也可以适用于交流脉冲电 弧焊接。另外，在本实施方式中，为了控制电弧长度，例示了对脉冲周期 进行反馈控制的频率调制控制的情况，但是也可以适用于脉冲宽度调制控 制的情况。
图4是焊接电流平均设定值Iar与峰值电流差AIp之间的关系图。如 上所述，焊接电流平均设定值Iar是用于设定焊接电流Iw的平均值的信号， 以与该值对应的送丝速度送给焊丝。峰值电流差AIp表示第1峰值电流值 Ipl与第2峰值电流值Ip2之差Ipl—Ip2。以下，参照该图进行说明。
如该图所示，随着焊接电流平均设定值Iar变得较大，而峰值电流差 AIp变小。特别是，如果熔滴过渡方式变为喷射过渡方式的临界电流值It 以上的话，峰值电流差AIp急剧降低。如该图所示，按照焊接电流平均设
定值Iar而峰值电流差Alp减小的方式设定第1峰值电流值Ipl以及第2 峰值电流值Ip2，由此可以实现以下的焊接品质的提高。
大电流范围中，峰值电流差AIp较大的情况下，随着焊接电流平均值 的增大，作用在熔池的电弧力过强，容易发生烧穿，凹凸(AMf"')等焊 接不良。特别是，焊接电流平均值为临界电流值It以上时该现象更加显著。 另一方面，按照随着焊接电流平均值的增加，峰值电流差AIp减小的方式 进行设定的情况下，即使保护气体的混合比率变化，阳极点也在熔滴上部 形成。特别是，焊接电流平均值在临界电流值以上的情况下，即使峰值电 流差AIp为相当小的值，阳极点也可以在熔滴的上部形成。因此，通过按 照焊接电流平均值的增大，减小峰值电流差AIp的方式进行设定，可以保 持在熔滴上部形成阳极点的作用的同时，还可以减弱作用于熔池的过剩的 电弧力，抑制烧穿、凹凸等焊接不良。如上所述，容易发生焊接不良是焊 接电流平均值为临界电流值以上时，所以也可以如下那样设定焊接峰值电 流差AIp。即，焊接电流平均值为临界电流值以上时，按照焊接电流平均 值的增加来减小峰值电流差A Ip的方式进行设定。
根据上述的实施方式，即使保护气体的混合比率自基准比率在规定范 围变化，也可以将电弧阳极点形成在熔滴上部，且可以抑制电弧形状扩散 以及电弧力的増大。因此，可以进行l脉冲l熔滴的过渡，且可以抑制发 生咬边，因此能够维持稳定的电弧状态并得到良好的焊接品质。进而，按 照保护气体的基准比率将第1峰值期间以及第1峰值电流最佳化，由此， 在保护气体的混合比率变化较大的情况下，也可以实现上述效果。进而， 按照焊接电流平均值的增加，减小峰值电流差的方式进行设定，由此能够 减弱作用于熔池的过剩电弧力，抑制焊穿、凹凸等焊接不良的发生。焊接 电流平均值为临界电流值以上时，该效果尤为显著。
权利要求
1、一种脉冲电弧焊接方法，将焊丝以与预定的焊接电流平均设定值对应的送丝速度进行送给，并且将峰值期间中的峰值电流的通电和基值期间中的基值电流的通电作为1个脉冲周期反复进行来发生电弧，通过该电弧使熔滴从焊丝开始过渡并焊接，其特征在于，上述峰值期间，由通电第1峰值电流的第1峰值期间以及通电具有值比上述第1峰值电流小的第2峰值电流的第2峰值期间而形成，即使保护气体的混合比率自基准比率在规定范围内变化，也将上述第1峰值期间以及上述第1峰值电流设定为在熔滴的上部形成电弧阳极点的值，将上述第2峰值期间以及上述第2峰值电流，设定为1个熔滴按照每个上述脉冲周期进行过渡且形成不发生咬边的焊缝形状的值。
2、 根据权利要求l所述的脉冲电弧焊接方法，其特征在于， 按照上述基准比率的变化来改变上述第1峰值期间以及上述第1峰值电流的值。
3、 根据权利要求1或2所述的脉冲电弧焊接方法，其特征在于， 以随着上述焊接电流平均设定值增大而上述第1峰值电流值和上述第2峰值电流值之差减小的方式进行变化。
4、 根据权利要求1或2所述的脉冲电弧焊接方法，其特征在于， 上述焊接电流平均设定值为临界电流值以上时，以随着上述焊接电流平均设定值增大而上述第1峰值电流值和上述第2峰值电流值之差减小的 方式进行变化。
全文摘要
本发明提供一种脉冲电弧焊接方法，即使保护气体的混合比率变动，也可以维持稳定的电弧状态。将峰值期间(Tp)中的峰值电流的通电和基值期间中的基值电流的通电作为1个脉冲周期(Tf)，并使之重复来进行焊接，峰值期间(Tp)，根据通电第1峰值电流(Ip1)的第1峰值期间(Tp1)以及通电具有值比上述第1峰值电流(Ip1)小的第2峰值电流(Ip2)的第2峰值期间(Tp2)而形成，即使保护气体的混合比率自基准比率在规定范围内变化，将上述第1峰值期间(Tp1)以及第1峰值电流(Ip1)设定在使电弧阳极点形成在熔滴的上部的值，将第2峰值期间(Tp2)以及第2峰值电流(Ip2)，设定为1个熔滴按照每个脉冲周期(Tf)进行过渡且形成不发生咬边的焊缝形状的值。
文档编号B23K9/16GK101352781SQ20081013382
公开日2009年1月28日 申请日期2008年7月17日 优先权日2007年7月23日
发明者上园敏郎, 上田裕司 申请人:株式会社大亨