專利名稱：二氧化碳脈沖電弧焊接方法
技術領域：
本發明涉及用于在使用以二氧化碳為主成分的保護氣體的熔化電極式脈沖電弧 焊接中，進行穩定的熔滴過渡的二氧化碳脈沖電弧焊接方法。
背景技術：
采用以氬氣作為主成分的保護氣體的熔化電極式脈沖電弧焊接被廣泛使用。作為 以該氬氣為主成分的保護氣體，在母材為鋼鐵材料時使用20體積％二氧化碳+80體積％氬 氣(活性氣體保護脈沖焊接，ι 〃 > 7溶接)、母材為鋁材料時使用100體積％氬氣(惰 性氣體保護脈沖焊接，$ V 〃> 7溶接)。在采用以這種氬氣作為主成分的保護氣體的脈沖 電弧焊接中，由于熔滴過渡處于成為焊絲的直徑那樣的細粒而周期地穩定地進行的射流過 渡狀態，從而能夠進行濺射產生少的良好的焊接。以下對采用以氬氣為主成分的保護氣體 的脈沖電弧焊接進行說明。
圖4為采用以氬氣為主成分的保護氣體的脈沖電弧焊接的一般的電流 電壓波形 圖。該圖(A)表示對電弧進行通電的焊接電流Iw的時間變化，該圖(B)表示焊絲與母材之 間的焊接電壓Vw的時間變化。以下，參照該圖進行說明。
時刻tl t2的峰值期間Tp中，如該圖㈧所示，為了使熔滴形成并過渡到焊絲 前端，通電臨界電流值以上的峰值電流Ip，如該圖(B)所示，在焊絲與母材之間施加與電弧 長成比例的峰值電壓Vp。
時刻t2 t3的基值期間Tb中，如該圖(A)所示，為了不形成熔滴而通電小電流 值的基值電流Π3，如該圖⑶所示，施加基值電壓Vb。將時刻tl t3為止的期間作為脈 沖周期Tpb來反復進行焊接。
為了進行良好的脈沖電弧焊接，將電弧長維持為適當值是重要的。為了將電弧長 維持為適當值而進行以下那樣的輸出控制(電弧長控制)。電弧長與該圖(B)由虛線所示 的焊接電壓平均值Vav大致成比例關系。因此，檢測焊接電壓平均值Vav，按照該檢測值與 相當于適當電弧長的焊接電壓設定值相等的方式進行使由該圖(A)的虛線所示的焊接電 流平均值Iav發生變化的輸出控制。焊接電壓平均值Vav比焊接電壓設定值大時為電弧長 比適當值長時，因此減小焊接電流平均值Iav并減小絲熔融速度，電弧長變短。反過來，焊 接電壓平均值Vav比焊接電壓設定值小時為電弧長比適當值短時，因此增大焊接電流平均 值Iav并增大絲熔融速度，電弧長變長。作為上述的焊接電壓平均值Vav，一般地使用對焊 接電壓Vw進行平滑后的值的情況較多。
在上述中，作為用于使焊接電流平均值Iav發生變化的焊接電源的輸出控制，主 要使用頻率調制控制以及脈沖寬度調制控制。頻率調制控制中，將峰值電流IP、基值電流 Ib以及峰值期間Tp固定為規定值，控制基值期間Tb的長度以使焊接電壓平均值Vav與焊 接電壓設定值相等。基值期間1 產生變化的情況下脈沖周期Tpb產生變化，因此這種方式 稱作頻率調制控制。此外，脈沖寬度調制控制中，將峰值電流Ip、基值電流Λ及脈沖周期 Tpb固定為規定值，控制峰值期間Tp的長度以使焊接電壓平均值Vav與焊接電壓設定值相等。
接下來，參照該圖對熔滴過渡進行說明。通過峰值電流Ip的通電而焊絲前端被熔 融，形成熔滴。此時，使用以氬氣為主成分的保護氣體，因此形成為電弧的陽極點沒有集中 在熔滴下部，而擴展分布在熔滴全體。從而，對熔滴不作用推壓力。峰值電流Ip對所形成 的熔滴進行通電時，對熔滴上部作用電磁的收縮力而產生縮頸。之后，在峰值期間Tp結束 前后(即將結束之前、結束時或者結束之后不久)，熔滴脫離并向熔融池進行過渡。如果上 述峰值電流Ip以及峰值期間Tp的組合稱作單位脈沖(unit pulse)條件，則設定為焊絲的 直徑那樣的熔滴被形成并進行脫離的值。因此，熔滴作為焊絲的直徑那樣的細粒按每個峰 值期間Tp進行射流過渡。將該狀態稱作1脈沖1熔滴過渡狀態。如上那樣，濺射發生非常 少的焊接成為可能。
如上所述，在采用以氬氣為主成分的保護氣體的脈沖電弧焊接中，處于1脈沖1熔 滴過渡的穩定的射流過渡狀態。在此，氬氣與二氧化碳相比成本變高，因此以往嘗試通過減 小氬氣的比率并增大二氧化碳的比率來削減保護氣體的成本。但是，在二氧化碳與氬氣的 混合氣體中，如果二氧化碳的比率超過30體積％，則由于以下所說明的理由而穩定的射流 過渡逐漸變得困難。尤其在使用二氧化碳的比率超過50體積％的二氧化碳為主成分的保 護氣體的情況下，不會處于穩定的射流過渡狀態，產生大粒的濺射物。在此以后的說明中， 在記載有以二氧化碳為主成分的保護氣體時，意味著二氧化碳的比率超過50體積％的混 合氣體。在使用以二氧化碳為主成分的保護氣體的情況下，在峰值電流Ip通電時形成為電 弧的陽極點集中于熔滴的最下部。這是因為，與氬氣相比二氧化碳的電位梯度大，因此使電 弧長變得最短的作用發生。其結果，處于陽極點的溫度顯著變高的狀態，處于金屬蒸汽吹起 來的狀態，對熔滴作用推壓力。即通過峰值電流Ip的通電而形成熔滴，并且該推壓力進行 作用，熔滴簡單地處于未脫離的狀態。在該狀態下，為了使熔滴強行地脫離，需要使峰值期 間Tp比通常值增長3 5倍左右，使熔滴較大地成長，通過重力進行脫離。但是，如果這樣 作，則熔滴成為焊絲的直徑的數倍程度的大小的塊來進行脫離，產生大粒的濺射物。進而， 該大熔滴與峰值電流Ip的通電不同步而隨機地過渡，焊接狀態處于不穩定狀態，焊接質量 也變差。為了解決采用以二氧化碳為主成分的保護氣體的脈沖電弧焊接(以下稱作二氧化 碳脈沖電弧焊接)的上述那樣的問題，提出以下那樣的現有技術。
在專利文獻1的發明中，設峰值電流Ip的前半期間為比后半期間大的值，成為右 肩下降的階梯狀。通過如上那樣進行，在峰值電流Ip的后半期間形成熔滴，接下來通過基 值期間Tb對熔滴進行整形，接著通過峰值電流Ip的前半期間來使熔滴過渡。此外，在專利 文獻2 4的發明中，將峰值電流Ip作為多個峰值電流群進行通電，使熔滴的形成穩定化 并容易地過渡。
專利文獻1JP特開昭60-56486號公報
專利文獻2JP特開昭61-17369號公報
專利文獻3JP特開平1-254385號公報
專利文獻4JP特開號公報
專利文獻5JP特開號公報
如上所述，在二氧化碳脈沖電弧焊接中，為了改善熔滴的形成以及脫離，提出了專 利文獻1 4所示的各種方案。但是，在當前時刻，不能說二氧化碳脈沖電弧焊接被實用化，二氧化碳脈沖電弧焊接用的焊接裝置也沒有被出售。上述內容表示即使實施專利文獻1 4所提出的改善，課題仍然存在。
根據專利文獻1的發明，通過前半期間的峰值電流而熔滴的過渡概率變高，但熔 滴的過渡不與峰值電流同步而隨機地產生的情況依然較多。這是由于通過增大前半期間的 峰值電流的值而在熔滴上部形成縮頸，從而促進脫離，但另一方面，由于推壓力也增大，因 此熔滴沒有真正地脫離的緣故。此外，根據專利文獻2 4的發明，通過將峰值電流作為多 個峰值電流群進行通電，從而能夠平滑地形成熔滴。這是由于作為多個峰值電流群進行通 電的一方與通電連續的峰值電流相比，能夠分散對熔滴進行作用的推壓力，從而熔滴的形 成變得平滑。但是，為了使該形成的熔滴通過峰值電流脫離，在熔滴的上部形成縮頸是必要 的，此時也同時作用推壓力。其結果，通過多個峰值電流群的通電使熔滴真正地脫離是困難 的。因此，在專利文獻2 4的發明中，熔滴的形成被改善，但殘留熔滴可靠地脫離的課題。
在此，對鋼鐵材料的直流二氧化碳電弧焊接進行考慮時，在平均焊接電流值小于 約200A的電流區域中，熔滴處于短路過渡。即電弧期間和短路期間被周期地反復，在電弧 期間中形成的熔滴在短路期間中進行過渡。通過對該短路期間中的焊接電流精密地進行控 制，從而能夠處于減少濺射的發生的狀態。但是，采用以氬氣為主成分的保護氣體的脈沖 電弧焊接(活性氣體保護脈沖焊接或者惰性氣體保護脈沖焊接)一方能夠進一步減少濺 射的發生。但是，可以說在該電流區域中，二氧化碳電弧焊接的濺射的發生量為在實用上沒 有問題的水平。如果處于平均焊接電流值為約200A以上的電流區域，則電弧長變長時處 于熔滴過渡，熔滴由于重力不伴隨短路而通過自由落下來進行過渡。因此，濺射的發生不 多。在該電流區域中，由于進行焊接速度為80cm/min以上的高速焊接，因此為了防止咬邊 (undercut)等的焊接缺陷，需要將電弧長較短地設定來進行焊接。如果縮短電弧長，則熔滴 處于伴隨短路來進行過渡的狀態。而且，由于短路產生的定時是隨機的，因此熔滴的大小也 有各種尺寸，由于處于不規則的熔滴過渡狀態，因此大粒的濺射物產生較多。因此，在200A 以上的電流區域中，進行高速焊接的情況下，通過進行采用以氬氣為主成分的保護氣體的 脈沖電弧焊接，能夠減少濺射的發生。
如上所述，采用以二氧化碳為主成分的保護氣體來進行焊接，想要減少濺射的發 生的焊接條件為特別在200A以上的電流區域中進行高速焊接的情況。在此，本發明的目的 在于，在200A以上的電流區域中的高速焊接中，通過改善二氧化碳脈沖電弧焊接的熔滴過 渡狀態，從而比二氧化碳電弧焊接時減少濺射發生量。發明內容
為了解決上述的課題，技術方案1的發明，使用以二氧化碳作為主成分的保護氣 體，進給焊絲，并將流通峰值電流的峰值期間和流通基值電流的基值期間作為1脈沖周期 來反復地進行焊接，該二氧化碳脈沖電弧焊接方法的特征在于，上述峰值期間中對上述峰 值電流進行恒流控制，并且通過使上述峰值電流進行振動而在焊絲的前端形成熔滴，上述 基值期間中通過短路過渡使該形成的熔滴向熔融池過渡，通過對上述基值期間中的焊接電 壓進行恒壓控制來進行電弧長控制。
技術方案2的發明，根據技術方案1所述的二氧化碳脈沖電弧焊接方法，其特征在 于，上述進行振動的峰值電流的振幅及振動周期被設定為抑制熔滴的過熱且濺射物不從形成中的熔滴飛散的值。
技術方案3的發明，根據技術方案1或者2所述的二氧化碳脈沖電弧焊接方法，其 特征在于，上述進行振動的峰值電流的波形為矩形波狀。
技術方案4的發明，根據技術方案1 3中任一項所述的二氧化碳脈沖電弧焊接 方法，其特征在于，上述峰值期間為按照焊絲的進給速度而設定的期間。
技術方案5的發明，根據技術方案1 4中任一項所述的二氧化碳脈沖電弧焊接 方法，其特征在于，上述基值期間為進行短路過渡之前繼續的期間。
技術方案6的發明，根據技術方案1 4中任一項所述的二氧化碳脈沖電弧焊接 方法，其特征在于，上述基值期間由短路發生之前的短路待機期間和接著該短路待機期間 的熔滴進行短路過渡的短路期間形成，上述短路待機期間中流通由電弧負載確定的第1基 值電流，上述短路期間中流通從上述第1基值電流的值開始隨著時間經過而逐漸增加的第 2基值電流。
技術方案7的發明，根據技術方案1 4中任一項所述的二氧化碳脈沖電弧焊接 方法，其特征在于，上述基值期間由短路發生之前的短路待機期間、接著該短路待機期間的 熔滴進行短路過渡的短路期間和接著該短路期間的防止電弧再次發生之后再次發生短路 的預定的再次短路防止期間形成，上述短路待機期間中流通由電弧負載確定的第1基值電 流，上述短路期間中流通從上述第1基值電流的值開始隨著時間經過而逐漸增加的第2基 值電流，上述再次短路防止期間中流通值比上述第1基值電流的值大的第3基值電流。
技術方案8的發明，根據技術方案1 4中任一項所述的二氧化碳脈沖電弧焊接 方法，其特征在于，上述基值期間由短路發生之前的短路待機期間、接著該短路待機期間的 熔滴進行短路過渡的短路期間和接著該短路期間的預定的延遲期間形成，上述短路待機期 間中流通由電弧負載確定的第1基值電流，上述短路期間中流通從上述第1基值電流的值 開始隨著時間經過而逐漸增加的第2基值電流，上述延遲期間中流通值比上述短路期間的 結束時點的上述第2基值電流的值小的第4基值電流。
技術方案9的發明，根據技術方案1 4中任一項所述的二氧化碳脈沖電弧焊接 方法，其特征在于，上述基值期間由短路發生之前的短路待機期間、接著該短路待機期間的 熔滴進行短路過渡的短路期間、接著該短路期間的防止電弧再次發生之后再次發生短路的 預定的再次短路防止期間和接著該再次短路防止期間的預定的延遲期間形成，上述短路待 機期間中流通由電弧負載確定的第1基值電流，上述短路期間中流通從上述第1基值電流 的值開始隨著時間經過而逐漸增加的第2基值電流，上述再次短路防止期間中流通值比上 述第1基值電流的值大的第3基值電流，上述延遲期間中流通值比上述短路期間的結束時 點的上述第2基值電流的值小的第4基值電流。
通過本發明，在采用以二氧化碳作為主成分的保護氣體的二氧化碳脈沖電弧焊接 方法中，設置峰值期間和基值期間，通過使峰值期間中的峰值電流振動來將熔滴形成為大 致期望尺寸，能夠使該形成的熔滴在基值期間中進行短路過渡。因此，能夠實現1脈沖周期 1熔滴過渡狀態，從而能夠進行濺射發生少的高質量的焊接。尤其在200A以上的電流區域 中的高速焊接時，與直流的二氧化碳電弧焊接方法相比能夠抑制濺射的發生，也能夠改善 焊道外觀。


圖1為表示本發明的實施方式相關的二氧化碳脈沖電弧焊接方法的電流·電壓波 形圖。
圖2為例示本發明的實施方式相關的與進給速度相對應的峰值期間Tp的適當值 的圖。
圖3為用于實施本發明的實施方式相關的二氧化碳脈沖電弧焊接方法的焊接電 源的框圖。
圖4為現有的脈沖電弧焊接方法的電流·電壓波形圖。
符號的說明
1-焊絲；2-母材；3-電弧；4-焊炬；5-進給輥；Bi-電流微分信號；E-輸出電 壓；Ecr-電壓控制設定信號；ED-輸出電壓檢測電路；Ed-輸出電壓檢測信號；EI-電流誤 差放大電路；Ei-電流誤差放大信號；ERC-電子電抗器控制電路；ER-輸出電壓設定電路； Er-輸出電壓設定信號；EV-電壓誤差放大電路；Ev-電壓誤差放大信號；Hip-高峰值電流； HIPR-高峰值電流設定電路；HIpr-高峰值電流設定信號；HTp-高峰值期間；Iav-焊接電流 平均值；Ib-基值電流Jbl-第1基值電流；讓2_第2基值電流；讓3_第3基值電流；讓4_第 4基值電流；ID-電流檢測電路；Id-焊接電流檢測信號；Ip-峰值電流；IPR-峰值電流設定 電路；Ipr-峰值電流設定信號；Iw-焊接電流；Lip-低峰值電流；LTp-低峰值期間；PM-電 源主電路；Sd-短路判別電路；Sd-短路判別信號；Spb-脈沖周期信號；ST-期間切換控制電 路；St-期間切換控制信號；SUB-減法運算電路；SW-切換電路；Tb-基值期間；Td-延遲期 間；TDR-延遲期間設定電路；Tdr-延遲期間設定信號；Th-再次短路防止期間；THR-再次 短路防止期間設定電路；Thr-再次短路防止期間設定信號；Tp-峰值期間；Tpb-脈沖周期； Ts-振動周期；TSR-振動周期設定電路；Tsr-振動周期設定信號；Vb-基值電壓；VD-電壓檢 測電路；vd-焊接電壓檢測信號；Vp-峰值電壓；Vw-焊接電壓；Ws-振幅；WSR-振幅設定電 路；Wsr-振幅設定信號具體實施方式
以下，參照附圖對本發明的實施方式進行說明。
圖1為表示本發明的實施方式相關的二氧化碳脈沖電弧焊接方法的電流·電壓波 形圖。該圖㈧表示焊接電流Iw的時間變化，該圖⑶表示焊接電壓Vw的時間變化。該 圖為采用以二氧化碳為主成分的保護氣體的二氧化碳脈沖電弧焊接方法的情況。以下，參 照該圖進行說明。
在本發明的實施方式相關的二氧化碳脈沖電弧焊接方法中，時刻tl t3的脈沖 周期Tpb由兩個期間形成。第一個期間為時刻tl t2的基值期間Tb，第二個期間為時刻 t2 t3的峰值期間Tp。因此，將基值期間Tb與峰值期間Tp作為1脈沖周期Tpb，來反復 進行焊接。在基值期間Tb中熔滴進行短路過渡，在峰值期間Tp中形成熔滴。峰值期間Tp 被預先設定為適當值以使形成大致固定尺寸的熔滴。在該峰值期間Tp中，焊接電源的輸出 被恒流控制，因此能夠對峰值電流Ip的值進行直接控制。基值期間Tb中為在峰值期間Tp 中形成的熔滴進行短路過渡之前所繼續的期間，按每周期而成為不同的值。該基值期間Tb 中的焊接電源的輸出被恒壓控制。這是因為與一般的熔化電極電弧焊接時同樣，通過對輸出進行恒壓控制來進行電弧長控制的緣故。因此，基值電流Λ的值成為不能進行直接控制 而由電弧負載決定的值。以下，對各期間詳細地說明。
(1)基值期間Tb (短路過渡期間)
前一期間的峰值期間Tp中處于形成熔滴的狀態。之后，如該圖(A)所示，由電弧負 載確定的第1基值電流Ibi從時刻tl開始流通。由于處于穩定狀態下的焊接電流平均值 與焊絲的進給速度相對應地確定，因此如果進給速度為固定值，則焊接電流平均值也能看 作為固定值。由于峰值電流Ip被設定為大的值，因此為了使焊接電流平均值成為固定值， 相對地基值電流成為小的值。因此，上述的第1基值電流Ibl的值也成為比峰值電流Ip 的平均值小的值。如該圖⑶所示，焊接電壓Vw成為基值電壓值Vb。在該狀態下，焊絲以 規定的固定速度向熔融池被進給，上述的第1基值電流Ibi為小電流值，因此進給速度比熔 融速度快，絲前端逐漸向熔融池接近。之后，在時刻til，絲前端的熔滴與熔融池相接觸而處 于短路狀態時，如該圖(B)所示，焊接電壓Vw急劇下降到數V程度的短路電壓值。通過焊 接電壓Vw的變化判別該短路狀態時，如該圖㈧所示，流通從上述的第1基值電流Ibl的 值隨著時間經過逐漸地增加的第2基值電流(短路電流)Ib2,而短路狀態被解除。在時刻 til tl2的短路期間中，熔滴進行短路過渡，在時刻tl2中，電弧再次發生。如果電弧再 次發生，則如該圖(B)所示，焊接電壓Vw急劇上升到數十V程度的電弧電壓值。如果通過 焊接電壓Vw的變化來判別電弧的再次發生，則如該圖㈧所示，時刻tl2 tl3的預定的 再次短路防止期間Th中流通比上述的第1基值電流rtl的值大的值即第3基值電流Λ3。 通過該第3基值電流Λ3的流通，防止在電弧再次發生之后不久再次發生短路。即在電弧 再次發生時點，由于絲前端與熔融池處于相接近的距離，根據焊接條件(焊絲的種類、進給 速度、坡口分配(開先計上)、焊接速度等)由于熔融池的一點兒的振動，處于再次短路容易 發生的狀態。如果再次短路發生，則濺射發生，并且焊接狀態也變得不穩定。為了防止該再 次短路的發生，通過電弧再次發生時流通大值的第3基值電流Λ3，從而增強對熔融池的電 弧力，擠壓熔融池，增長絲前端與熔融池之間的距離，從而防止再次短路。通過進行控制以 使第3基值電流Ib3從在時刻tl2電弧再次發生的時點下的電流緩緩地減少，從而維持大 的值。上述的再次短路防止期間Th被設定在0.5 3ms程度的范圍。優選該再次短路防 止期間Th按照焊接條件進行標準化。
之后，如該圖(A)所示，在從上述的再次短路防止期間Th結束的時刻tl3經過了 預定的延遲期間Td后的時刻t2，向峰值期間Tp轉移。在該時刻tl3 t2的延遲期間Td 中，如該圖㈧所示，流通比上述短路期間的結束時點的上述第2基值電流的值小的值即第 4基值電流Λ4，如該圖⑶所示，焊接電壓Vw成為基值電壓Vb。該延遲期間Td被設定為 0. 5 3ms程度的范圍。設置該延遲期間Td的理由為通過在電弧再次發生后流通小電流值 的第4基值電流Λ4，從而減弱對熔融池的電弧力，使熔融池表面變得平坦的緣故。由此，能 夠減少從大電流值的峰值電流Ip開始流通時的來自熔融池的濺射。
對該基值期間Tb中的熔滴過渡進行說明，如下所述。在前一峰值期間Tp中，熔滴 如后所述那樣形成為大致固定尺寸。之后，時刻tl til的短路待機期間中流通小電流值 的第1基值電流讓1，因此對熔滴不怎么作用抬舉力，重力及表面張力進行作用，其形狀被 整形為球形狀。此外，在小電流值的第1基值電流Ibl流通的狀態下，在時刻11短路發生， 因此短路發生時的濺射的發生減少。同時在熔滴被整形的狀態下與熔融池相接觸，因此與熔融池平滑地成為一體。因此，熔滴處于短路過渡狀態，從而無需比短路期間中的第2基值 電流Λ2的值大，而平滑地進行過渡，再次產生電弧。在該電弧再次產生時發生少量的濺 射，但由于為平滑的短路過渡，因此該量不會變多，不會達到實用上成為問題的水平。
上述的短路待機期間為熔滴在熔融池中進行短路之前的期間，因此不是固定值而 為按照焊接狀態而每時每刻變化的值。同樣，上述的短路期間為從熔滴與熔融池進行短路 開始到完成過渡而電弧再次發生為止的期間，因此不是固定值而是按照熔滴過渡狀態來進 行變化的值。但是，在處于穩定的焊接狀態的情況下，該短路期間的偏差小。上述的再次短 路防止期間Th及上述的延遲期間Td為預定的固定值。因此，作為這些期間的合計期間即基 值期間1 不是固定值而是按照焊接狀態進行變化的值。但是，在穩定的焊接狀態下，基值 期間Tb能看作大致固定值。基值期間Tb中的基值電流Λ由上述的第1基值電流Ibl 第4基值電流Ib4形成。上述的再次短路防止期間Th及延遲期間Td能夠按照焊接條件來 設定是否設置。這是因為存在按照焊接條件設定各個期間的一方實現濺射的減少等的效果 的情況。反過來，即使設定這些期間也存在不能實現濺射的減少等的效果的焊接條件。因 此，只要按照焊接條件，從以下那樣的四個模式選擇一個模式，形成基值期間Tb即可。
(a)短路待機期間+短路期間
(b)短路待機期間+短路期間+再次短路防止期間Th
(c)短路待機期間+短路期間+延遲期間Td
(d)短路待機期間+短路期間+再次短路防止期間Th+延遲期間Td
(2)時刻t2 t3的峰值期間Tp (熔滴形成期間)
時刻t2 t3的峰值期間Tp中，如該圖(A)所示，流通進行振動的峰值電流Ip， 如該圖⑶所示，焊接電壓Vw成為與其相對應的進行振動的峰值電壓Vp。峰值電流Ip的 振動波形，如該圖(A)所示，時刻t2 t21所示的高峰值期間HTp中成為高峰值電流HIp， 接下來的時刻t21 t22的低峰值期間LTp中成為低峰值電流Lip。高峰值期間HTp與低 峰值期間LTp的合計期間成為振動周期Ts。此外，高峰值電流HIp與低峰值電流LIp之差 (HIp-LIp)成為振幅Ws。進而，占空比Ds = HTp/Ts。因此，峰值電流Ip由振幅Ws及振 動周期Ts進行振動。焊絲成為直徑1.2mm的軟鋼絲時的各值的范圍的例子如下。高峰值 電流HIp 350 500A、振幅Ws :200 400A、振動周期Ts :1. 5 3. 0ms、占空比Ds :0. 5 0. 75。在該圖中，例示了峰值電流Ip以矩形波狀進行振動的情況，但也可以梯形波狀、三角 波狀、正弦波狀、鋸齒波狀等進行振動。使峰值電流Ip進行振動的理由如下。即不使峰值 電流Ip進行振動而連續地進行通電時，隨著熔滴的形成而熔滴的溫度變得過熱，產生熔滴 中包含的氣體膨張而熔滴破裂的現象。如果該破裂現象產生，則濺射物從熔滴中飛散，并且 熔滴的形成也被妨礙。如果使峰值電流Ip以適當的振幅Ws及振動周期Ts進行振動，則能 夠抑制熔滴的過熱，能夠形成期望大小的熔滴。期望大小的熔滴為焊絲的直徑的1. 5 2. 5 倍程度的大小。因此，振幅Ws及振動周期Ts被設定為熔滴沒有過熱且濺射物不從熔滴飛 散的值。兩值按照焊絲的材質、直徑、保護氣體的種類、進給速度等設定為適當值。根據該 峰值期間Tp而形成大致期望尺寸的熔滴。
如上所述，峰值期間Tp的長度按照焊接條件(焊絲的材質、直徑及進給速度)被 設定為適當值。該適當值按照在各焊接條件中進行焊接實驗，在峰值期間Tp中形成的熔滴 穩定地成為大致同一尺寸的方式被選定。圖2為對峰值期間Tp相對進給速度的適當值進行例示的圖。該圖的橫軸表示進給速度(m/min)，縱軸表示峰值期間Tp(ms)。該圖為焊絲使 用直徑1.2mm的軟鋼絲的情況。如該圖所示，隨著進給速度變快，峰值期間Tp也變長。這 是由于進給速度變快時，延長峰值期間Tp并取得進給速度與熔融速度之間的平衡以使峰 值期間Tp中形成的熔滴尺寸變大的緣故。
對上述的本發明的實施方式相關的二氧化碳脈沖電弧焊接方法的熔滴過渡進行 整理，如以下那樣。
(1)峰值期間Tp中，通過使峰值電流Ip進行振動，能夠抑制對熔滴的過熱，并防止 來自熔滴的濺射發生。峰值期間Tp的長度按照焊接條件被設定為適當值。因此，能夠穩定 地形成期望尺寸的熔滴。
(2)基值期間Tb中，通過流通小電流值的第1基值電流rtl，引導焊絲前端的熔 滴進行與熔融池之間的短路。之后，熔滴進行短路過渡。由于以小電流值的第1基值電流 Ibl發生短路，因此短路發生時的濺射的發生減少。此外，大致固定尺寸的熔滴進行短路過 渡，因此平滑地進行過渡，電弧再次發生時的濺射的發生也沒有達到實用上成為問題那樣的量。
(3)通過上述⑴及(2)的動作，一個熔滴按每個脈沖周期Tpb同步地進行過渡。 即、1脈沖周期1熔滴過渡狀態實現，處于穩定的焊接狀態。因此，在焊接狀態容易變得不穩 定的200A以上的電流區域中的高速焊接時，也能進行濺射的發生少的高質量的焊接。
以下表示圖1的波形中的各參數的數值例。焊絲直徑1. 2mm的軟鋼絲、平均焊接 電流值220A、進給速度(設定值)7m/min、短路待機期間的第1基值電流rtl :100A、再次 短路防止期間Th (設定值)1ms、延遲期間Td(設定值)1ms、第4基值電流讓4:10(^、高 峰值電流值HIp (設定值)450A、振幅Ws (設定值)350A、振動周期Ts (設定值)2.0ms、 占空比Ds(設定值)1. 5/2. 0 = 0. 75、峰值期間Tp(設定值)9.5ms。(設定值)的記載 表示預先設定為適當值的值。反過來，沒有記載為(設定值)的值為測定值，表示為進行變 化的值。
圖3為用于實施圖1中所述的本發明的實施方式相關的二氧化碳脈沖電弧焊接方 法的焊接電源的框圖。以下，參照該圖對各模塊進行說明。
電源主電路PM，將3相200V等的商用電源(省略圖示)作為輸入，按照后述的誤 差放大信號fe進行逆變控制的輸出控制，輸出適于電弧焊接的焊接電流Iw及輸出電壓E。 該電源主電路PM，省略圖示，但例如由以下部分組成對商用電源進行整流的1次整流器； 對被整流的直流進行平滑的電容器；將被平滑的直流變換為高頻交流的逆變器電路；將高 頻交流降壓為適于電弧焊接的電壓值的高頻變壓器；對降壓后的高頻交流進行整流的2次 整流器；將上述的誤差放大信號fe作為輸入，進行脈沖寬度調制控制，基于該結果對上述 的逆變器電路進行驅動的驅動電路。電抗器WL為在鐵芯上纏繞電纜的器件，具有H) 的電感值，對上述的電源主電路PM的輸出進行平滑。從電源主電路PM輸出的電壓成為輸 出電壓E，通過電抗器WL后的電壓成為焊接電壓Vw。因此，焊接電壓Vw成為焊絲1與母材 2之間的電壓。焊絲1通過絲進給裝置(省略圖示)的進給輥5的旋轉經過焊炬4內被進 給，在與母材2之間產生電弧3。
電流檢測電路ID對上述的焊接電流Iw進行檢測，輸出焊接電流檢測信號Id。電 壓檢測電路VD對上述的焊接電壓Vw進行檢測，輸出焊接電壓檢測信號Vd。短路判別電路SD將該焊接電壓檢測信號Vd作為輸入，根據該值判別短路狀態，輸出成為高電平的短路判 別信號Sd。峰值期間設定電路IPR輸出預定的峰值期間設定信號Tpr。該峰值期間設定信 號Tpr，如上所述，按照焊接條件設定為適當值。再次短路防止期間設定電路THR輸出預定 的再次短路防止期間設定信號Thr。延遲期間設定電路TDR輸出預定的延遲期間設定信號 Tdr。期間切換控制電路ST將上述的峰值期間設定信號Tpr、上述的再次短路防止期間設定 信號Thr、上述的延遲期間設定信號Tdr及上述的短路判別信號Sd作為輸入，通過峰值期間 設定信號Tpr確定的期間結束時，該值變化為1 (短路待機期間)，在該期間中短路判別信 號Sd成為高電平(短路狀態)時，該值成為2 (短路期間)，之后短路判別信號Sd成為低 電平(電弧發生狀態)時，從該時點通過再次短路防止期間設定信號Thr確定的期間中，該 值成為3(再次短路防止期間Th)，接下來通過延遲期間設定信號Tdr確定的期間中該值成 為4 (延遲期間Td)，接下來通過峰值期間設定信號Tpr確定的期間中該值成為5 (峰值期間 Tp)，輸出期間切換控制信號M。該期間切換控制信號St，在圖1中，時刻tl t2的短路 待機期間中成為1，時刻til tl2的短路期間中成為2，時刻tl2 tl3的再次短路防止 期間1 中成為3，時刻tl3 t2的延遲期間Td中成為4，時刻t2 t3的峰值期間Tp中 成為5。
電子電抗器控制電路ERC，將上述的期間切換控制信號M及上述的焊接電流檢測 信號Id作為輸入，期間切換控制信號St為2(短路期間)或者3 (再次短路防止期間)時對 焊接電流檢測信號Id進行微分并乘以預定的放大率Lr，輸出電流微分信號Bi = Lr .did/ dt，期間切換控制信號^為該值以外的值時，輸出電流微分信號Bi = 0。該放大率Lr為正 的值，為決定通過電子控制形成的電抗器的電感值的常數。因此，如后所述，該放大率Lr決 定短路期間的焊接電流的增加率及再次短路防止期間Th中的焊接電流的減少率。輸出電 壓設定電路ER輸出預定的輸出電壓設定信號Er。減法運算電路SUB從該輸出電壓設定信 號Er減去上述的電流微分信號Bi，輸出電壓控制設定信號Ecr = Er-Bi。輸出電壓檢測電 路ED檢測上述的輸出電壓E并輸出輸出電壓檢測信號Ed。電壓誤差放大電路EV對上述的 電壓控制設定信號Ecr與該輸出電壓檢測信號Ed之間的誤差進行放大，輸出電壓誤差放大 信號Εν。該電子電抗器控制，如專利文獻5所示，為以往被廣泛使用的技術。其概要如下。 如果成為圖1所示的時刻til tl2的短路期間，則負載狀態處于短路負載，被恒壓控制， 因此焊接電流Iw急速地增加。此時，放大率Lr > 0、dld/dt > 0，因此電流微分信號Bi > 0。其結果，電壓控制設定信號Ecr = Er-Bi成為比輸出電壓設定信號Er小電流微分信號 Bi的值的值，減緩焊接電流Iw的增加速度。如果處于時刻tl2 tl3的再次短路防止期 間Th，則負載狀態成為電弧負載，因此焊接電流Iw減少。此時，焊接電流Iw也通過電子電 抗器控制而緩慢地減少。其結果，再次短路防止期間Th中的上述的第3基值電流Ib3大致 維持電弧再次發生時的大的值的電流。如果成為時刻tl3的延遲期間Td，則電子電抗器控 制的動作被禁止，因此焊接電流Iw驟減而成為小的值的第4基值電流Λ4。在該電子電抗 器控制中，電子地形成具有Lr (μ H)的電感值的電抗器。因此，與上述的電抗器WL的電感 值Lw相加，焊接電源內置具有Lw+Lr的電感值的等效電抗器。例如被設定為Lw = 30 μ H、 Lr = 200 μ H。Lw為小的值的原因在于加速峰值電流Ip的變化的方能對焊接狀態穩定化。 另一方面，短路期間及再次短路防止期間Th中，減緩焊接電流Iw的變化的方能夠使焊接狀 態穩定化，因此使用于形成大的值的Lr的電子電抗器控制進行動作。12
高峰值電流設定電路Hira輸出預定的高峰值電流設定信號HIpr。振幅設定電路 WSR輸出預定的振幅設定信號Wsr。振動周期設定電路TSR輸出預定的振動周期設定信號 Tsr0占空比設定電路DSR輸出預定的占空比設定信號Dsr。峰值電流設定電路II3R將上述 的高峰值電流設定信號HIpr、上述的振幅設定信號Wsr、上述的振動周期設定信號Tsr、上 述的占空比設定信號Dsr及上述的期間切換控制信號^作為輸入，輸出從變化為期間切換 控制信號M = 5(峰值期間Tp)的時點開始同步地開始振動的圖1所示的矩形波狀的峰值 電流設定信號Ipr。電流誤差放大電路EI對該峰值電流設定信號Ipr與上述的焊接電流檢 測信號Id之間的誤差進行放大，輸出電流誤差放大信號Ei。切換電路SW將上述的期間切 換控制信號M、上述的電流誤差放大信號Ei及上述的電壓誤差放大信號Ev作為輸入，在 期間切換控制信號M = 1 4 (基值期間Tb)時被切換到a側，輸出電壓誤差放大信號Ev 作為誤差放大信號Ea，St = 5 (峰值期間Tp)時被切換到b側，輸出電流誤差放大信號Ei 作為誤差放大信號權。由此，峰值期間Tp中成為恒流控制，基值期間Tb中成為恒壓控制。 之后，通過上述的電路構成，流通圖1的焊接電流Iw，輸出焊接電壓Vw。
根據上述的實施方式，在采用以二氧化碳為主成分的保護氣體的二氧化碳脈沖電 弧焊接方法中，設置峰值期間與基值期間，通過使峰值期間中的峰值電流振動，將熔滴形成 為大致期望的尺寸，能夠使該形成的熔滴在基值期間中進行短路過渡。因此，能夠實現1脈 沖周期1熔滴過渡狀態，因此能夠進行濺射的發生少的高質量的焊接。尤其在200A以上的 電流區域中的高速焊接時，與直流的二氧化碳電弧焊接方法相比能夠進一步抑制濺射的發 生，也能夠改善焊道外觀。
權利要求
1.一種二氧化碳脈沖電弧焊接方法，使用以二氧化碳作為主成分的保護氣體，進給焊 絲，并將流通峰值電流的峰值期間和流通基值電流的基值期間作為1脈沖周期來反復地進 行焊接，該二氧化碳脈沖電弧焊接方法的特征在于，上述峰值期間中對上述峰值電流進行恒流控制，并且通過使上述峰值電流進行振動而 在焊絲的前端形成熔滴，上述基值期間中通過短路過渡使該形成的熔滴向熔融池過渡， 通過對上述基值期間中的焊接電壓進行恒壓控制來進行電弧長控制。
2.根據權利要求1所述的二氧化碳脈沖電弧焊接方法，其特征在于，上述進行振動的峰值電流的振幅及振動周期被設定為抑制熔滴的過熱且濺射物不從 形成中的熔滴飛散的值。
3.根據權利要求1或者2所述的二氧化碳脈沖電弧焊接方法，其特征在于， 上述進行振動的峰值電流的波形為矩形波狀。
4.根據權利要求1 3中任一項所述的二氧化碳脈沖電弧焊接方法，其特征在于， 上述峰值期間為按照焊絲的進給速度而設定的期間。
5.根據權利要求1 4中任一項所述的二氧化碳脈沖電弧焊接方法，其特征在于， 上述基值期間為進行短路過渡之前繼續的期間。
6.根據權利要求1 4中任一項所述的二氧化碳脈沖電弧焊接方法，其特征在于， 上述基值期間由短路發生之前的短路待機期間和接著該短路待機期間的熔滴進行短路過渡的短路期間形成，上述短路待機期間中流通由電弧負載確定的第1基值電流，上述短路期間中流通從上 述第1基值電流的值開始隨著時間經過而逐漸增加的第2基值電流。
7.根據權利要求1 4中任一項所述的二氧化碳脈沖電弧焊接方法，其特征在于， 上述基值期間由短路發生之前的短路待機期間、接著該短路待機期間的熔滴進行短路過渡的短路期間和接著該短路期間的防止電弧再次發生之后再次發生短路的預定的再次 短路防止期間形成，上述短路待機期間中流通由電弧負載確定的第1基值電流，上述短路期間中流通從上 述第1基值電流的值開始隨著時間經過而逐漸增加的第2基值電流，上述再次短路防止期 間中流通值比上述第1基值電流的值大的第3基值電流。
8.根據權利要求1 4中任一項所述的二氧化碳脈沖電弧焊接方法，其特征在于， 上述基值期間由短路發生之前的短路待機期間、接著該短路待機期間的熔滴進行短路過渡的短路期間和接著該短路期間的預定的延遲期間形成，上述短路待機期間中流通由電弧負載確定的第1基值電流，上述短路期間中流通從上 述第1基值電流的值開始隨著時間經過而逐漸增加的第2基值電流，上述延遲期間中流通 值比上述短路期間的結束時點的上述第2基值電流的值小的第4基值電流。
9.根據權利要求1 4中任一項所述的二氧化碳脈沖電弧焊接方法，其特征在于， 上述基值期間由短路發生之前的短路待機期間、接著該短路待機期間的熔滴進行短路過渡的短路期間、接著該短路期間的防止電弧再次發生之后再次發生短路的預定的再次短 路防止期間和接著該再次短路防止期間的預定的延遲期間形成，上述短路待機期間中流通由電弧負載確定的第1基值電流，上述短路期間中流通從上述第1基值電流的值開始隨著時間經過而逐漸增加的第2基值電流，上述再次短路防止期 間中流通值比上述第1基值電流的值大的第3基值電流，上述延遲期間中流通值比上述短 路期間的結束時點的上述第2基值電流的值小的第4基值電流。
全文摘要
一種二氧化碳脈沖電弧焊接方法，將流通峰值電流(Ip)的峰值期間(Tp)和流通基值電流(Ib)的基值期間(Tb)作為1脈沖周期(Tpb)來反復進行焊接，峰值期間Tp中通過振幅(Ws)及振動周期(Ts)使峰值電流(Ip)進行振動來在焊絲的前端形成期望尺寸的熔滴，基值期間(Tb)中通過短路過渡使該形成的熔滴向熔融池平滑地過渡。由此，在峰值期間(Tp)中形成的熔滴在基值期間(Tb)中進行短路過渡，因此能夠實現1脈沖周期1熔滴過渡狀態。因此，能進行濺射少的焊接。從而在熔化電極式二氧化碳脈沖電弧焊接中，對熔滴的形成及脫離狀態進行穩定化，能進行濺射少的高質量焊接。
文檔編號B23K9/09GK102029460SQ20101028823
公開日2011年4月27日 申請日期2010年9月19日 優先權日2009年9月30日
發明者惠良哲生, 松下和憲, 西坂太志 申請人:株式會社大亨