本公开涉及在作为自耗电极的焊丝和作为焊接对象物的母材之间产生电弧来进行短路电弧焊接的焊接输出控制的电弧焊接控制方法。
背景技术
近年来，从地球环境保护的观点出发，在汽车业界，为了以提高燃料效率为目的的轻量化而逐年推进车辆钢板等的薄板化。另外，为了提高生产率，还推进了焊接工序的生产节拍的提高。因此，在使用机器人进行的薄板的电弧焊接中，期待焊接速度的高速化、焊接质量的提高。但是，焊接速度的高速化和防止烧穿、咬边等缺陷这样的课题是相反的。另外，在母材之间产生间隙的情况下，通过抑制烧穿，能够提高被焊接物的成品率而期待重新制作工时的削减。因此，从市场要求解决这些课题的要求逐年提高。对于这些要求，以往提出了关于薄板焊接、间隙焊接的各种方案。例如，在脉冲mag电弧焊接中，通过将脉冲电流、基值电流这样的脉冲条件在两个脉冲电流组之间切换，能够调整电弧长度(例如，参照专利文献1)。由此，在对接焊接、搭接焊接中，即使在有间隙的情况下，通过缩短电弧长度，也能够抑制烧穿。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平4-333368号公报
技术实现要素：
然而，在基于轻量化而薄板化发展的近年来，在热输入量大的脉冲电弧焊接中，与短路电弧焊接相比，在焊接对象物的背侧容易产生背面波，烧穿的可能性高，而且容易在焊接对象物上产生应变。该应变的产生，焊接长度越长影响越大，有可能引起焊丝相对于焊接对象物的目标偏离的产生。另外，高速焊接时容易发生咬边，难以提高生产率。另外，通过整体降低焊接电流可实现低热输入化，但存在电弧不稳定的问题。
为了解决上述课题，本公开的电弧焊接控制方法是使用作为自耗电极的焊丝对焊接对象物进行电弧焊接的电弧焊接控制方法，在该电弧焊接中，使由第一热输入量构成的第一热输入期间和由第二热输入量构成的第二热输入期间周期性地反复，该方法的特征如下。即，第一热输入期间和第二热输入期间分别由短路期间和电弧期间构成。而且，若在第二热输入期间的短路期间中检测出短路断开，则使第二热输入期间的短路断开后的焊接电流比即将发生短路断开之前的电流低，使第二热输入期间的电弧期间的焊接电流比第一热输入期间的电弧期间的焊接电流低。或者，使第二热输入期间的电弧期间中的焊接电流与时间之积的能量的总和，比作为第一热输入期间的电弧期间中的焊接电流与时间之积的能量的总和低。
另外，本公开的电弧焊接控制方法是使用作为自耗电极的焊丝对焊接对象物进行电弧焊接的电弧焊接控制方法，在该电弧焊接中，使由第一热输入量构成的第一热输入期间和由第二热输入量构成的第二热输入期间周期性地反复，该方法的特征如下。即，第一热输入期间和第二热输入期间分别由短路期间和电弧期间构成。而且，若在第二热输入期间的短路期间中检测出短路断开，则使第二热输入期间的电弧期间的焊接电流比即将发生短路断开之前的电流低，并且比第一热输入期间中的电弧期间的焊接电流低，而且相对于第一热输入期间中的电弧期间的焊接电流以给定的比例相对降低。
另外，除了上述以外，将第二热输入期间的电弧期间的焊接电流设为相对于第一热输入期间的电弧期间的焊接电流低的恒定电流，设为30a以上。
另外，除了上述以外，第一热输入期间和第二热输入期间的周期性的反复通过以下方式进行：根据所述焊接对象物的板厚以及间隙量中的至少一个，使连续进行1次以上且5次以下的第一热输入期间和1次第二热输入期间周期性地交替反复。
另外，除了上述以外，在向焊接对象物的方向进行的正向进给和向与正向进给相反的方向进行的反向进给之间交替地且以给定的周期和振幅周期性地进行所述焊丝的进给。
本公开通过短路焊接，并通过使作为降低短路断开后的焊接电流的第二热输入期间的低热输入期间和热输入量比第二热输入期间大的第一热输入期间周期性地反复，能够在维持稳定的电弧的同时实现低热输入化，从而能够抑制薄板焊接的烧穿以及提高间隙裕度，并且能够防止高速焊接时的咬边、减少应变，从而能够提高焊接质量。
附图说明
图1是基于本公开的实施方式1、2中的电弧焊接控制方法的输出波形和焊丝前端的熔滴过渡状态的图。
图2是表示本公开的电弧焊接装置的概略结构的图。
图3是基于本公开发明的实施方式3中的电弧焊接控制方法的输出波形和焊丝前端的熔滴过渡状态的图。
图4是基于本公开的实施方式4中的电弧焊接控制方法的输出波形的图。
图5是基于本公开的实施方式4中的电弧焊接控制方法的输出波形的图。
图6是基于本公开的实施方式4中的第一热输入期间th的连续反复次数thn与间隙量g的关系图。
具体实施方式
以下，使用图1～图6，对本公开的实施方式进行说明。
(实施方式1)
首先，使用图2，对本实施方式1的进行电弧焊接控制方法的电弧焊接装置进行说明。图2是表示电弧焊接装置的概略结构的图。电弧焊接装置20在作为自耗电极的焊丝22与作为焊接对象物的被焊接物21之间，使电弧状态的电弧期间ta与短路状态的短路期间ts反复来进行焊接。
电弧焊接装置20具有：主变压器2、初级侧整流部3、开关部4、dcl(电抗器)5、次级侧整流部6、焊接电流检测部7、焊接电压检测部8、短路检测部9、短路断开检测部10、短路/电弧检测部11以及焊丝进给速度控制部16。
输出控制部12具有短路控制部13和电弧控制部14。焊丝进给速度控制部16具有焊丝进给速度检测部17、运算部18以及正向进给/反向进给切换定时控制部19。初级侧整流部3对从位于电弧焊接装置20的外部的输入电源1输入的输入电压进行整流。开关部4将初级侧整流部3的输出控制为适于焊接的输出。主变压器2将开关部4的输出转换为适于焊接的输出。次级侧整流部6对主变压器2的输出进行整流。dcl(电抗器)5将次级侧整流部6的输出平滑为适于焊接的电流。
焊接电流检测部7检测焊接电流。焊接电压检测部8检测焊接电压。短路/电弧检测部11基于焊接电压检测部8的输出，判定焊接状态是焊丝22与被焊接物21短路的短路状态，还是在焊丝22与被焊接物21之间产生了电弧23的电弧状态。短路断开检测部10检测判定短路状态断开而为电弧状态的次数。
输出控制部12向开关部4输出控制信号来控制焊接输出。短路控制部13在短路/电弧检测部11判定为短路状态的情况下，进行作为短路期间的焊接电流的短路电流的控制。电弧控制部14在短路/电弧检测部11判定为电弧状态的情况下，进行作为电弧期间的焊接电流的电弧电流的控制。电弧控制部14在短路断开检测部10检测到由焊接条件设定部15设定的短路断开的次数时，进行降低第二热输入期间的焊接电流的控制。
焊丝进给速度控制部16控制焊丝进给部25来控制焊丝22的进给速度。焊丝进给速度检测部17检测焊丝进给速度。运算部18基于来自焊丝进给速度检测部17的信号，运算给定时间、焊丝22的进给量的累计量。正向进给/反向进给切换定时控制部19基于来自运算部18的信号，输出使焊丝22的进给从正向进给向反向进给切换的切换定时延迟的控制信号、使从反向进给向正向进给切换的切换定时延迟的控制信号。
在电弧焊接装置20上连接有焊接条件设定部15和焊丝进给部25。焊接条件设定部15用于对电弧焊接装置20设定焊接条件。焊丝进给部25基于来自焊丝进给速度控制部16的信号，进行焊丝22的进给的控制。
电弧焊接装置20的焊接输出经由焊接前端24供给到焊丝22。然后，通过电弧焊接装置20的焊接输出，在焊丝22与被焊接物21之间产生电弧23而进行焊接。
接下来，使用图1，对如上构成的电弧焊接装置20的动作进行说明。
图1是表示基于本实施方式中的自耗电极式的电弧焊接控制方法的输出波形的图。是使用作为自耗电极的焊丝22对被焊接物21进行电弧焊接的输出波形，在该电弧焊接中，使由第一热输入量构成的第一热输入期间th和由第二热输入量构成的第二热输入期间tc周期性地反复。
第一热输入期间th以及第二热输入期间tc分别由短路期间ts和电弧期间ta构成。分别在第一热输入期间th、第二热输入期间tc中，表示了使短路期间ts和电弧期间ta交替反复的电弧焊接中的焊接电流aw、焊接电压vw的时间变化、焊丝22的熔滴过渡状态的示意图ww。
在本实施方式的电弧焊接控制方法中，第一热输入期间th和第二热输入期间tc被交替地反复。第一热输入期间th以及第二热输入期间tc均包括短路期间ts和电弧期间ta。
在第一热输入期间th的短路期间ts中，熔融电流aw从给定的电流值以第一电流增加率aws1增加，达到以下所述的弯曲点处的电流值awp。然后，熔融电流aw以增加率比电流增加率aws1小的电流增加率aws2增加。在该短路期间ts中，使焊丝22的进给速度为负，进行焊丝的进给的反向进给。在该短路期间ts中，通过使焊丝22与被焊接物21短路而使焊接电压vw成为0(v)附近的值。
在第一热输入期间th的短路期间ts与电弧期间ta的切换时，暂时降低焊接电流aw，通过短路断开而焊接电压vw增加。另外，使焊丝22的进给速度wf从负变为正，将焊丝的进给从反向进给切换为正向进给。
在第一热输入期间th的电弧期间ta中，将焊接电流aw升高到峰值电流值awa1，使其在一定的时间内恒定。
在第一热输入期间th的电弧期间ta的结束以及第二热输入期间tc的短路期间ta的开始的定时，使焊接电流aw下降到给定值，焊丝22和被焊接物21短路，从而使焊接电压vw成为0(v)附近的值，使焊丝22的进给速度wf从正变为负，将焊丝的进给从正向进给切换为反向进给。
在第二热输入期间tc的短路期间ts中，熔融电流aw从给定的值以给定的电流增加率增加。然后，熔融电流aw以电流增加率aws2增加。在该短路期间ts中，使焊丝22的进给速度wf为负，进行焊丝的进给的反向进给。
在第二热输入期间tc的电弧期间ta中，焊丝22成为短路状态，但将此时的熔融电流aw设为电流值awa1a。另外，在该电弧期间ta的期间，使焊丝22的进给速度wf为正，使焊丝的进给为正向进给。
在图1中，(a)～(h)表示熔融金属从作为自耗电极的焊丝22的前端向被焊接物21侧过渡的熔滴过渡状态ww，表示从第一热输入期间th到第二热输入期间tc的焊丝22的状态。按照(a)～(h)的顺序经过时间。(a)表示第一热输入期间th的短路期间ts中的焊丝22的状态。(b)表示在第一热输入期间th中，短路期间ts与电弧期间ta的切换时的焊丝22的状态。(c)及(d)表示第一热输入期间th的电弧期间ta中的焊丝22的状态。(c)表示焊接电流aw的值刚刚成为awa1之后的焊丝22的状态。另外，(d)表示焊接电流aw的值即将从awa1下降之前的焊丝22的状态。(e)表示第二热输入期间tc的短路期间ts中的焊丝22的状态。(f)表示在第二热输入期间tc中短路期间ts与电弧期间ta的切换时的焊丝22的状态。(g)及(h)表示第二热输入期间tc的电弧期间ta中的焊丝22的状态。
此外，在从第一热输入期间th的电弧期间ta向第二热输入期间tc的短路期间ts的过渡中，使第一热输入期间th的电弧期间ta的焊接电流aw在即将向短路期间ts过渡之前降低，抑制了短路时的溅射的产生。如果短路时的溅射的产生的影响少，则即将向短路期间ts过渡之前的电流可以不必在即将过渡之前进一步降低。
首先，在图1中，(a)中的熔滴过渡状态ww是在焊丝22与被焊接物21产生短路之后使焊丝22的熔滴26过渡到被焊接物21上的未图示的熔池。此时，焊丝22的进给通过进行与向被焊接物21的方向进行的正向进给相反的方向的反向进给，从而以机械方式促进短路断开。另外，(a)中的焊接电流aw控制为为了使该短路状态断开而随着时间的经过来增加焊接电流。
而且，该焊接电流aw的增加方式例如如图1所示，首先在短路期间ts中，以第一电流增加率aws1增加，然后，以斜率比第一电流增加率aws1平缓的第二电流增加率aws2增加。而且，将从第一电流增加率aws1切换为第二电流增加斜率aws2时的电流值awp称为弯曲点。该弯曲点的值被设定为预先通过实验求出的值。
接下来，在(b)中，焊接电压vw由于焊丝22与被焊接物21的短路解除而上升，判定短路断开。此时的(b)中的熔滴过渡状态ww通过箍缩效应在焊丝22的前端侧产生缩颈现象而使熔滴26过渡，从短路状态断开。而且，从(c)至(d)中的焊接电流aw的控制在电弧期间ta中使焊接电流增加至给定的峰值电流值awa1。此时，焊丝22的进给进行向被焊接物21的方向输送焊丝22的正向进给。由此，在(c)至(d)的熔滴过渡状态ww下焊丝22的前端的熔融速度提高，在焊丝22的前端形成并生长过渡到被焊接物21的熔化的金属即熔滴26。通过该生长的熔滴26再次短路，熔滴26过渡到被焊接物21。通常，通过仅反复经由(a)、(b)、(c)、(d)的熔滴过渡状态的包含短路期间ts和电弧期间ta的第一热输入期间th来进行焊接。
但是，在本实施方式中，通过周期性地反复经由图1中的(a)、(b)、(c)以及(d)的第一热输入期间th、和经由热输入量比第一热输入期间th低的(e)、(f)、(g)以及(h)的第二热输入期间tc进行焊接，来减少对被焊接物21的热输入量。例如，如图1所示，在第一热输入期间th中，经过(a)、(b)、(c)以及(d)使焊丝22的前端的熔滴26生长后，当根据图1的焊接电压vw检测出焊丝22和被焊接物21之间的下一个短路产生时，在(e)中的熔滴过渡状态ww下，与(a)的熔滴过渡状态ww同样地使焊丝22的熔滴26过渡到熔池。(e)中的焊接电流aw与(a)中的焊接电流aw的增加方式同样，为了使短路状态断开而控制为随着时间的经过来使焊接电流增加。
进而，根据第二热输入期间tc的(f)中的焊接电压vw判定短路断开时的熔滴过渡状态ww与(b)中的熔滴过渡状态ww同样，通过箍缩效应而在焊丝22的前端产生缩颈现象，使熔滴26向熔池过渡，从短路状态断开。当在第二热输入期间tc中检测出短路断开时，使(g)至(h)中的第二热输入期间tc的电弧期间ta的焊接电流aw比即将发生短路断开之前的电流aso低，将第二热输入期间tc的电弧期间ta的焊接电流aw控制为比第一热输入期间th的电弧期间ta的焊接电流aw低的电流，或者，将第二热输入期间tc的电弧期间ta中的焊接电流aw与时间之积的能量的总和控制为比第一热输入期间th的电弧期间ta中的焊接电流aw与时间之积的能量的总和低。由此，能够降低第二热输入期间tc的热输入量。
此外，使第二热输入期间tc的电弧期间ta的焊接电流aw向比第一热输入期间th的电弧期间ta的焊接电流aw低的电流的控制，优选比第一热输入期间th的电弧期间ta的峰值电流awa1低。由此，能够进一步降低第二热输入期间tc的热输入量。
另外，相对于第一热输入期间th的电弧期间ta中的焊接电流aw降低后的第二热输入期间tc的电弧期间ta中的焊接电流aw，优选为30a以上的值。在第二热输入期间tc的电弧期间ta中的焊接电流aw小于30a时，若持续较长时间至例如20msec以上，则有可能无法维持电弧而引起电弧断开。或者，焊丝22的前端的熔滴26的大小不生长，短路断开变得困难，存在下一个短路期间ts变长而发生短路周期的紊乱的情况，因此优选第二热输入期间tc的电弧期间ta中的降低后的焊接电流aw为30a以上的值。
此外，如本公开那样，以给定的周期和振幅在向被焊接物21的方向进行的正向进给、和向与正向进给相反的方向进行的反向进给之间使焊丝22的进给变化，并且周期性地以进给焊丝22的焊丝进给速度wf进行焊接，由此能够以机械方式促进短路产生和短路断开。并且，通过使第一热输入期间th和热输入量比第一热输入期间th低的第二热输入期间tc周期性反复，能够在维持稳定的电弧的同时实现低热输入化，实现薄板焊接的烧穿抑制以及后述的间隙裕度的提高。
由此，即使在第一热输入期间th和第二热输入期间tc中热输入量变动的情况下，也能够防止短路周期的紊乱。
(实施方式2)
本实施方式2涉及第二热输入期间tc中的短路断开后的焊接电流aw的降低。
在本实施方式2中，对与实施方式1相同的部位标注相同的符号并省略详细的说明。与实施方式1不同的主要点在于，将图1所示的比第一热输入期间的电弧期间的焊接电流aw低的第二热输入期间tc中的电弧期间ta的焊接电流aw控制为给定的恒定电流awa1a。此外，恒定电流awa1a是比第一热输入期间th的电弧期间ta中的焊接电流aw的峰值电流awa1低的电流。通过直至发生下一个短路为止以恒定电流进行控制，容易进行电流的降低的调整、管理。
(实施方式3)
本实施方式3涉及第二热输入期间tc中的电弧期间ta的焊接电流降低。
在本实施方式3中，对与实施方式1以及2相同的部位标注相同的符号并省略详细的说明。与实施方式1以及2的主要不同点在于，如图3的焊接电流aw所示，与第一热输入期间th的电弧期间ta的焊接电流aw的电流波形比较，使第二热输入期间tc中的电弧期间ta的焊接电流aw相对降低。设为如下电流波形，即，与第一热输入期间th的电弧期间ta的焊接电流aw的电流波形比较，使第二热输入期间tc中的电弧期间ta的焊接电流aw相对降低而成为实质上具有相似形状的电流波形。具体而言，相对于第一热输入期间th的电弧期间ta的焊接电流aw，相对地降低第二热输入期间tc中的电弧期间ta的焊接电流aw，并设为给定的比例。
因此，虽然是降低后的焊接电流，但在第二热输入期间tc的电弧期间ta的焊接电流aw中具有峰值电流awalb，与将电弧期间ta的焊接电流aw的峰值电流控制为峰值电流awa1的第一热输入期间th的熔滴过渡状态类似，能够提高第一热输入期间th和第二热输入期间tc的切换时的电弧的稳定性而实现低热输入化。
相对于第一热输入期间th的焊接电流aw使第二热输入期间tc的焊接电流aw相对降低的给定的比例，为第一热输入期间th的电弧期间ta的焊接电流aw的10％以上且50％以下。若使相对于第一热输入期间th的电弧期间ta的焊接电流aw降低的程度更大而使相对的比例低于10％，则在图3的(g)中输出第二热输入期间的电弧期间ta的峰值电流awa1b后的(h)中，引起电弧断开的可能性变高。另外，若使相对于第一热输入期间th的电弧期间ta的焊接电流aw降低的程度更小而使相对的比例大于50％，则低热输入的效果小。
(实施方式4)
本实施方式4涉及使第一热输入期间th和第二热输入期间tc周期性反复的方法。
在本实施方式4中，对与实施方式1～3相同的部位标注相同的符号并省略详细的说明。与实施方式1～3的主要不同点在于，相对于使1次第一热输入期间th和1次第二热输入期间tc反复的实施方式1、2、3，在本实施方式中，根据薄板等被焊接物21的板厚，使多次第一热输入期间th(th1～th5)和1次所述第二热输入期间tc反复。
图4的焊接电流aw使多个第一热输入期间th(th1～th5)和一个第二热输入期间tc周期性地反复。将第一热输入期间th的连续反复次数设为thn，将第二热输入期间tc的连续反复次数设为tcn，若将thn设为5、tcn设为1，则使5次第一热输入期间th和1次第二热输入期间tc交替地反复。图5的第一热输入期间th的连续反复次数为thn＝1，第二热输入期间tc的连续反复次数为tcn＝1。分别使第一热输入期间th和第二热输入期间tc各反复1次。第一热输入期间的连续反复次数thn越少，对被焊接物21的热输入量的降低效果越大。换言之，越是薄的板厚(例如3.2mm以下)的被焊接物21，优选第一热输入期间th的连续反复次数thn越少，能够进一步实现向被焊接物21的热输入量的降低。
但是，在第一热输入期间th的连续反复次数超过thn＝5的情况下，由于热输入量相对增加，因此热输入量的降低效果小。另外，在第二热输入期间tc的连续反复次数tcn超过1的情况下，第二热输入期间tc连续，从而有可能产生下一个第一热输入期间th中的短路期间ts的偏差而使得电弧不稳定。因此，通过使1次以上且5次以下的多次第一热输入期间th和1次第二热输入期间tc交替地反复，能够维持稳定的电弧并降低热输入量，有助于抑制烧穿和提高间隙裕度。
例如，如图4及图5所示，在将第二热输入期间tc的电弧期间ta的焊接电流aw控制为恒定的电流awa1a时，第一热输入期间th的连续反复次数thn与间隙量g的关系如图6所示。此外，在图6中，将第二热输入期间tc的连续反复次数tcn设为1，将焊丝22的材质和被焊接物21的材质设为软钢。例如，将搭接焊接时的相对于被焊接物21的被照射电弧的一侧的板的平均板厚的、作为搭接的板之间的间隔的间隙的比例设为间隙量g[％]，将与板厚为相同厚度的间隙的情况设为间隙量g＝100％。随着间隙量g的增加，通过减少第一热输入期间th的连续反复次数thn，能够提高间隙裕度。在间隙量g为100％的情况下，第一热输入期间th的连续反复次数thn为2次，在间隙量g为20％的情况下，第一热输入期间th的连续反复次数thn为5次。
这样，在使短路和电弧反复的短路焊接中，根据被焊接物21的板厚以及/或者间隙量g，进行使一个以上被连续反复的第一热输入期间th和热输入量比第一热输入期间th低的一个第二热输入期间tc周期性反复的焊接，由此能够维持稳定的电弧并实现低热输入化，从而实现抑制薄板焊接的烧穿以及提高间隙裕度，有助于焊接质量的提高、生产率的提高。
如上所述，根据本公开所涉及的发明，在使短路和电弧反复的短路焊接中，通过使第一热输入期间th和热输入量比第一热输入期间th低的第二热输入期间tc周期性反复，能够维持稳定的电弧并实现低热输入化，从而能够实现抑制薄板焊接的烧穿以及提高间隙裕度。
这样，通过设定热输入量比第一热输入期间th低的一个第二热输入期间tc与第一热输入期间th的比例，能够细致地设定用于低热输入的热输入量的切换。另外，能够进行低热输入化，并且抑制焊道宽度的变化，得到良好的焊道外观。另外，本公开的短路电弧焊接相对于脉冲电弧焊接而热输入量小，能够缩短电弧长度，降低热输入量。
由此，通过周期性地降低电弧期间中的焊接电流，能够提高电弧的稳定性，通过抑制热输入量而缩短电弧长度来防止高速焊接时的咬边，另外，通过抑制热输入量，特别是在薄板的焊接时能够减少应变、在被焊接物之间存在间隙的情况的焊接时防止烧穿，从而能够提高焊接质量，有助于提高焊接质量，提高生产率。
产业上的可利用性
根据本公开的发明，在使短路和电弧反复的短路焊接中，通过使第一热输入期间th和热输入量比第一热输入期间th低的第二热输入期间tc周期性反复，能够维持稳定的电弧并实现低热输入化，能够实现抑制薄板焊接的烧穿以及提高间隙裕度，有助于焊接质量的提高、生产率的提高。作为一边进给作为自耗电极的焊丝一边进行短路电弧焊接的电弧焊接控制方法在产业上有用。
符号说明
1输入电源
2主变压器(变压器)
3初级侧整流部
4开关部
5dcl(电抗器)
6次级侧整流部
7焊接电流检测部
8焊接电压检测部
9短路检测部
10短路断开检测部
11短路/电弧检测部
12输出控制部
13短路控制部
14电弧控制部
15焊接条件设定部
16焊丝进给速度控制部
17焊丝进给速度检测部
18运算部
19正向进给/反向进给切换定时控制部
20电弧焊接装置
21被焊接物
22焊丝
23电弧
24焊接前端
25焊丝进给部
26熔滴