專利名稱：等離子小孔焊接方法以及等離子小孔焊接系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及等離子小孔(plasma key hole)焊接方法以及等離子小孔焊接系統。
技術背景
等離子小孔焊接方法在對母材焊接例如I形坡口的對接接頭時，通過水冷卻后的 噴嘴和等離子氣體的氣體流對一般將鎢電極作為陰極進行放電時的電弧進行限制。并且， 該等離子小孔焊接方法是下述的焊接，即使產生集中性良好的高溫等離子流，該高溫等離 子流在焊接線上一邊于熔池的前端形成貫通母材的小孔一邊移動。對于該焊接來說，電弧 熱直接被提供直到到達背面為止，背面的焊接也能適當進行。等離子小孔焊接方法例如在 專利文獻I中記載。在專利文獻I中記載的方法中，在停止焊炬的狀態下形成小孔，在該小 孔貫通之后，開始焊炬的移動。在該方法中，試圖從焊接開始之后立即形成漂亮的焊道。
在等離子小孔焊接方法中，如果上述小孔貫通為止所需的時間較長，則開始穩定 焊接較晚，焊接作業的作業效率降低。由此，在進行這樣的等離子小孔焊接方法時，為了提 前開始焊接作業，希望更早地使小孔貫通。
專利文獻I JP特公平02-18953號公報發明內容
本發明鑒于上述事項而做出，課題主要在于，提供一種能夠更早地使小孔貫通的 等離子小孔焊接方法以及等離子小孔焊接系統。
基于本發明的第一側面，提供一種等離子小孔焊接方法，其中，該等離子小孔焊接 方法包括在等離子電極和母材之間對電弧進行引弧，通過上述電弧使小孔貫通的工序； 以及在上述小孔貫通之后，使上述等離子電極相對于上述母材移動，并且進行穩定焊接的 工序；上述使小孔貫通的工序包括在作為從上述小孔的形成開始之時起到上述小孔貫通之 時止的期間的小孔形成期間中，使在上述等離子電極和上述母材之間流動的焊接電流作為 頻率為初始頻率的脈沖電流進行流動的工序；上述進行穩定焊接的工序包括使上述焊接電 流作為頻率為穩定頻率的脈沖電流進行流動的工序，上述初始頻率比穩定頻率小。
優選，上述使小孔貫通的工序中的上述焊接電流的絕對值的時間平均值以及上述 進行穩定焊接的工序中的上述焊接電流的絕對值的時間平均值相互相同。
優選，上述使小孔貫通的工序包括在上述小孔形成期間中，使向上述母材噴出的 等離子氣體按照初始氣體流量噴出的工序，上述進行穩定焊接的工序包括使上述等離子氣 體按照穩定氣體流量噴出的工序，上述初始氣體流量比上述穩定氣體流量大。
優選,還包括通過初始頻率計算電路使上述穩定頻率的值減少從而計算上述初始 頻率的值的工序。
優選，上述使小孔貫通的工序包括將沿著上述母材的焊接行進方向的上述等離子 電極相對于上述母材的速度即移動速度設定為初始速度的工序，上述進行穩定焊接的工序 包括將上述移動速度設定為穩定速度的工序，上述初始速度比上述穩定速度小。
基于本發明的第二側面，提供一種等離子小孔焊接系統，其中，該等離子小孔焊接系統包括輸出電路，其使脈沖電流在等離子電極和母材之間流動；初始頻率存儲部，其存儲初始頻率的值；穩定頻率存儲部，其存儲穩定頻率的值；以及小孔貫通探測電路，其在探測到在上述母材中小孔貫通了的情況下，生成小孔貫通探測信號；上述輸出電路在生成上述小孔貫通探測信號之前，將頻率設為上述初始頻率使上述脈沖電流流動，并且，在生成上述小孔貫通探測信號之后，將頻率設為上述穩定頻率使上述脈沖電流流動。
優選，還包括設定電流值存儲部，該設定電流值存儲部存儲設定電流值，上述輸出電路在生成上述小孔貫通探測信號之前以及生成上述小孔貫通探測信號之后的任意一種情況下，將絕對值的時間平均值設為上述設定電流值使上述脈沖電流流動。
優選，還包括氣體流量控制電路，其對向上述母材噴出的等離子氣體的流量即氣體流量進行控制；初始氣體流量存儲部，其存儲初始氣體流量的值；以及穩定氣體流量存儲部，其存儲穩定氣體流量的值；上述氣體流量控制電路在生成上述小孔貫通探測信號之前，將上述氣體流量設定為上述初始氣體流量，并且，在生成上述小孔貫通探測信號之后， 將上述氣體流量設定為上述穩定氣體流量。
優選，還包括初始頻率計算電路，該初始頻率計算電路將使存儲在上述穩定頻率存儲部中的穩定頻率的值減少后得到的值作為上述初始頻率而存儲在上述初始頻率存儲部中。
優選，還包括動作控制電路，其對沿著上述母材的焊接行進方向的上述等離子電極相對于上述母材的速度即移動速度進行控制；初始速度存儲部，其存儲初始速度的值； 以及穩定速度存儲部，其存儲穩定速度的值；上述動作控制電路在生成上述小孔貫通探測信號之前，將上述移動速度設定為上述初始速度，并且，在生成上述小孔貫通探測信號之后,將上述移動速度設定為上述穩定速度。
通過這樣的構成，能夠使小孔更早地貫通。
本發明的其他的特征以及優點通過參照附圖在以下進行的詳細說明能夠更明確。


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圖面圖。
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圖1是表示本發明的第一實施方式的等離子小孔焊接系統的構成的圖。.2是表示圖1所示的焊接焊炬的部分放大剖面圖。.3是表示圖1的穩定焊接開始判斷電路的內部構成的方框圖。.4是表示本發明的第一實施方式的等離子小孔焊接方法的一例的時序圖。.5是詳細表示焊接電流的波形的一例的圖。.6是詳細表示焊接電流的波形的一例的圖。.7是詳細表示焊接電流的波形的一例的圖。.8是表示本發明的第一實施方式的等離子小孔焊接方法中的母材的狀態的剖.9是表示在進行等離子小孔焊接時希望的焊接狀態的圖。.10是表示在進行等離子小孔焊接時產生的不合適例子的圖。.11是表示在進行等離子小孔焊接時產生的不合適例子的圖。.12是表示小孔形成期間中的熔池的表面的剖面圖。
圖13是表示本發明的第一實施方式的第一變形例的等離子小孔焊接系統的構成的圖。
符號說明
Al等離子小孔焊接系統
AU等離子小孔焊接系統
I焊接機器人
11焊接焊炬
111噴嘴
112等離子電極
12機械手
2機器人控制裝置
21動作控制電路
23不教器
251初始速度存儲部
252穩定速度存儲部
3焊接電源裝置
31輸出電路
311電源電路
312頻率控制電路
313電流控制電路
314電流檢測電路
315電流誤差計算電路
32電壓檢測電路
33穩定焊接開始判斷電路
331小孔貫通探測電路
341絕對值運算電路
342低通濾波器
343電壓變動檢測電路
332比較電路
35氣體流量控制電路
361初始頻率存儲部
362穩定頻率存儲部
364設定電流值存儲部
365初始氣體流量存儲部
366穩定氣體流量存儲部
37初始頻率計算電路
4氣體供給裝置
881熔池
882表面
886 部位889 小孔al 電弧Bthl 基準值Bth2 基準值Bth3 基準值BV微分電路Bv電壓微分信號CM1比較電路Cml小孔形成開始信號CM2比較電路Cm2小孔貫通探測信號Cm3穩定焊接開始指示信號Dr焊接行進方向Ei電流誤差信號Ff 頻率Ffs頻率設定信號ffl初始頻率ff2穩定頻率la時間平均值Id電流檢測信號Iep電極正極性電流Ien電極負極性電流Iepp最大絕對值Ienp最大絕對值Inp電極負極性峰值電流Inb電極負極性基值電流Ir電流設定信號irl設定電流值Iw焊接電流Ms動作控制信號PG等離子氣體Pgs氣體流量設定信號Vw焊接電壓VR移動速度St焊接開始信號pgl初始氣體流量pg2穩定氣體流量Te2 周期
Te 周期
Ten電極負極性期間
Tep電極正極性期間
tl 時刻
t2 時亥Ij
t3 時刻
t4 時刻
Va電壓絕對值信號
Vd電壓檢測信號
Vf成形電壓信號
Vs小孔形成開始基準電壓信號
VS小孔形成開始基準電壓設定電路
vrl初始速度
vr2穩定速度
W 母材具體實施方式
以下，針對本發明的實施方式，參照附圖具體說明。
〈第一實施方式〉
使用圖1 圖12，說明本發明的第一實施方式。
圖1是表示本發明的第一實施方式的等離子小孔焊接系統的構成的圖。
圖1所示的等離子小孔焊接系統Al包括焊接機器人1、機器人控制裝置2、焊接 電源裝置3、氣體供給裝置4。
焊接機器人I包括焊接焊炬11和機械手12。
如圖2所示，焊接焊炬11具有噴嘴111和等離子電極112。噴嘴111是由例如銅 等金屬構成的筒狀部件。噴嘴111適當具有水冷卻構造。等離子電極112是非消耗電極。 等離子電極112例如是由鎢構成的金屬棒。等離子電極112是用于在與母材W之間施加焊 接電壓Vw的電極。從噴嘴111按照使等離子氣體PG包圍等離子電極112的方式來噴出等 離子氣體PG。等離子氣體PG例如是Ar。通過在等離子電極112和母材W之間施加焊接電 壓Vw，將等離子氣體PG作為媒介來產生電弧al。在電弧al產生之時，在等離子電極112 和母材W之間流過焊接電流Iw。機械手12保持焊接焊炬11。機械手12例如是多關節機 器人。母材W例如由鋁、鋁的合金、或者不銹鋼構成。
氣體供給裝置4是用來供給向母材W噴出的等離子氣體PG的裝置。氣體供給裝 置4的等離子氣體PG的供給量(即來自噴嘴111的等離子氣體PG的噴出量)由后述的氣 體流量設定信號Pgs決定。
機器人控制裝置2包括動作控制電路21、示教器23、初始速度存儲部251、穩定速 度存儲部252。機器人控制裝置2是用來控制焊接機器人I的動作的裝置。
示教器23與動作控制電路21連接。示教器23是用于等離子小孔焊接系統Al的 用戶設定各種動作的裝置。示教器23在從等離子小孔焊接系統Al的用戶接受開始焊接的指示后，發送焊接開始信號St。
初始速度存儲部251存儲初始速度vrl的值。初始速度vrl例如從示教器23輸 入并經由動作控制電路21存儲在初始速度存儲部251中。穩定速度存儲部252存儲穩定 速度vr2的值。穩定速度vr2的值例如從示教器23輸入并經由動作控制電路21存儲在穩 定速度存儲部252中。
動作控制電路21具有未圖示的微型計算機以及存儲器。該存儲器中存儲有設定 焊接機器人I的各種動作的作業程序。此外，動作控制電路21控制等離子電極112的移動 速度VR。移動速度VR是沿著母材W的焊接行進方向Dr的等離子電極112相對于母材W的 速度。動作控制電路21基于上述作業程序、來自編碼器的坐標信息、以及移動速度VR等， 對焊接機器人I發送動作控制信號Ms。焊接機器人I接受動作控制信號Ms，對電動機(省 略圖示)進行旋轉驅動。由此，焊接焊炬11或者移動到母材W中的規定的焊接開始位置， 或者沿著母材W的面內方向進行移動。
動作控制電路21在生成后述的小孔貫通探測信號Cm2(參照圖4(e))之前，將移 動速度VR設定為初始速度vrl。另一方面，動作控制電路21在生成小孔貫通探測信號Cm2 之后，將移動速度VR設定為穩定速度vr2。在本實施方式中，動作控制電路21從示教器23 接受焊接開始信號St并發送至焊接電源裝置3。
焊接電源裝置3是用于在等離子電極112和母材W之間施加焊接電壓Vw使焊接 電流Iw流過的裝置。焊接電源裝置3包括輸出電路31、電壓檢測電路32、穩定焊接開始判 斷電路33、氣體流量控制電路35、初始頻率存儲部361、穩定頻率存儲部362、設定電流值存 儲部364、初始氣體流量存儲部365、以及穩定氣體流量存儲部366。
初始頻率存儲部361存儲初始頻率ffl的值。穩定頻率存儲部362存儲穩定頻率 fT2的值。設定電流值存儲部364存儲設定電流值irl。初始氣體流量存儲部365存儲初 始氣體流量Pgl的值。穩定氣體流量存儲部365存儲穩定氣體流量pg2。初始頻率ffl、穩 定頻率ff2、設定電流值irl、初始氣體流量pgl、以及穩定氣體流量pg2的值例如從示教器 23輸入并經由動作控制電路21存儲在各存儲部中。
輸出電路31是用于使焊接電流Iw在等離子電極112和母材W之間按照指示的值 流動的電路。在本實施方式中，焊接電流Iw是脈沖電流。輸出電路31具有電源電路311、 頻率控制電路312、電流控制電路313、電流檢測電路314、電流誤差計算電路315。
電源電路311將例如3相200V等的商用電源作為輸入，按照后述的電流誤差信號 Ei來進行逆變器控制、半導體閘流管(thyristor)相位控制等的輸出控制，輸出焊接電壓 Vw以及焊接電流Iw。電源電路311從動作控制電路21接受焊接開始信號St。
頻率控制電路312對作為脈沖電流的焊接電流Iw的頻率Ff進行控制。頻率控制 電路312與初始頻率存儲部361以及穩定頻率存儲部362連接。頻率控制電路312將用于 控制頻率Ff的頻率設定信號Ffs發送至電源電路311。具體來說，在生成后述的小孔貫通 探測信號Cm2 (參照圖4 (e))之前，頻率控制電路312將用于使頻率Ff為初始頻率ffl的 焊接電流Iw流動的頻率設定信號Ffs發送至電源電路311。由此，電源電路311 (即輸出電 路31)在生成小孔貫通探測信號Cm2之前，使頻率Ff為初始頻率ffl的脈沖電流作為焊接 電流Iw流動。另一方面，在生成小孔貫通探測信號Cm2之后，頻率控制電路312將用于使 頻率Ff為穩定頻率ff2的焊接電流Iw流動的頻率設定信號Ffs發送至電源電路311。由此，電源電路311 (即輸出電路31)在生成小孔貫通探測信號Cm2之后，使頻率Ff為穩定頻率ff2的脈沖電流作為焊接電流Iw流動。另外，頻率控制電路312從動作控制電路21接受焊接開始信號St。
電流檢測電路314是用于檢測在等離子電極112和母材W之間流動的焊接電流Iw 的值的電路。電流檢測電路314發送與焊接電流Iw相對應的電流檢測信號Id。電流誤差計算電路315是用來計算實際流動的焊接電流Iw的值和設定的焊接電流的值之差△ Iw的電路。具體來說，電流誤差計算電路315接受電流檢測信號Id和與設定的焊接電流的值相對應的后述的電流設定信號Ir，發送與差AIw相對應的電流誤差信號Ei。另外，電流誤差計算電路315也可以將與放大差△ Iw之后得到的值相對應的信號作為電流誤差信號Ei來發送。
電流控制電路313是用來設定在等離子電極112和母材W之間流動的焊接電流Iw 的絕對值的時間平均值Ia的電路。電流控制電路313基于存儲在設定電流值存儲部364中的設定電流值irl，來生成用來指示焊接電流Iw的絕對值的時間平均值Ia的電流設定信號 Ir。并且，電流控制電路313將生成的電流設定信號Ir發送至電流誤差計算電路315。在本實施方式中，電流控制電路313在生成后述的小孔貫通探測信號Cm2 (參照圖4(e))之前以及生成小孔貫通探測信號Cm2之后的任意情況下，都發送用于使絕對值的時間平均值Ia 為設定電流值irl的焊接電流Iw流動的電流設定信號Ir。由此，電源電路311 (即輸出電路31)在生成小孔貫通探測信號Cm2之前以及生成小孔貫通探測信號Cm2之后的任意情況下，都將絕對值的時間平均值Ia作為設定電流值irl，使焊接電流Iw流動。
電壓檢測電路32是用來檢測等離子電極112和母材W之間的焊接電壓Vw的值的電路。電壓檢測電路32發送與焊接電壓Vw的值相對應的電壓檢測信號Vd。
穩定焊接開始判斷電路33從電壓檢測電路32接受電壓檢測信號Vd。穩定焊接開始判斷電路33基于電壓檢測信號Vd，判斷是否開始了穩定焊接。穩定焊接開始判斷電路33如果判斷為應當開始穩定焊接，則將穩定焊接開始指示信號Cm3發送至頻率控制電路 312 (即輸出電路31)、氣體流量控制電路35、和動作控制電路21。
如圖3所示，在本實施方式中，穩定焊接開始判斷電路33具有小孔貫通探測電路 331和比較電路332。小孔貫通探測電路331如果探測到在母材W中小孔889貫通了的情況，則生成小孔貫通探測信號Cm2，并發送至比較電路332。
具體來說，小孔貫通探測電路331具有絕對值運算電路341、低通濾波器342、電壓變動檢測電路343。
向絕對值運算電路341輸入電壓檢測信號Vd。絕對值運算電路341計算輸入的電壓檢測信號Vd的絕對值。并且，絕對值運算電路341將該運算的結果作為電壓絕對值信號Va輸出。向低通濾波器342輸入電壓絕對值信號Va。低通濾波器342進行去除輸入的電壓絕對值信號Va的高頻成分，而僅僅使低頻成分通過的運算。并且，低通濾波器342將該運算的結果作為成形電壓信號Vf輸出。另外，絕對值運算電路341在電壓絕對值信號Va 不是交流而是直流的情況下不需要。
電壓變動檢測電路343是用于檢測成形電壓信號Vf的變動的電路。電壓變動檢測電路343檢測成形電壓Vf的變動，是為了檢測小孔889貫通的時 刻而設置的。電壓變動檢測電路343具有微分電路BV、比較電路CMl、小孔形成開始基準電壓設定電路VS、以及比較電路CM2。
向微分電路BV輸入成形電壓信號Vf。微分電路BV計算輸入的成形電壓信號Vf的 時間微分值，輸出電壓微分信號Bv。向比較電路CMl輸入電壓微分信號Bv。比較電路CMl 在該電壓微分信號Bv成為預定的基準值Bthl以下的情況下，判斷為小孔889的形成開始。 此時，比較電路CMl輸出僅短時間成為High電平的小孔形成開始信號Cml。
向小孔形成開始基準電壓設定電路VS輸入小孔形成開始信號Cml、成形電壓信號 Vf。小孔形成開始基準電壓設定電路VS將輸入小孔形成開始信號Cml時的成形電壓信號 Vf設定為小孔形成開始基準電壓信號Vs。并且，小孔形成開始基準電壓設定電路VS輸出 小孔形成開始基準電壓信號Vs。
向比較電路CM2輸入小孔形成開始基準電壓信號Vs和成形電壓信號Vf。比較電 路CM2在小孔形成開始基準電壓信號Vs和成形電壓信號Vf之差成為由等離子氣體PG的 種類等預先規定的基準值Bth2以上的情況下，判斷為小孔889貫通了。此時，比較電路CM2 輸出僅短時間成為High電平的小孔貫通探測信號Cm2。
比較電路332接受小孔貫通探測信號Cm2以及電壓微分信號Bv。比較電路332在 接受小孔貫通探測信號Cm2之后電壓微分信號Bv達到預先規定的基準值Bth3以下時，判 斷為適當形成焊接背面焊道，且小孔889成為適當大小。此時，比較電路332判斷為應當開 始穩定焊接，發送僅短時間成為High電平的穩定焊接開始指示信號Cm3。穩定焊接開始指 示信號Cm3被發送到頻率控制電路312 (即輸出電路31)、氣體流量控制電路35、和動作控 制電路21。
氣體流量控制電路35是用來控制作為向母材W噴出的等離子氣體PG的流量的氣 體流量的電路。氣體流量控制電路35與初始氣體流量存儲部365以及穩定氣體流量存儲 部366連接。氣體流量控制電路35將用于控制等離子氣體PG的氣體流量的氣體流量設定 信號Pgs發送至氣體供給裝置4。氣體流量控制電路35在生成小孔貫通探測信號Cm2 (參 照圖4(e))之前，將用于將等離子氣體PG的氣體流量設定為初始氣體流量pgl的氣體流量 設定信號Pgs發送至氣體供給裝置4。由此，氣體供給裝置4在生成小孔貫通探測信號Cm2 之前，按照氣體流量成為初始氣體流量Pgl的方式來噴出等離子氣體PG。另一方面，氣體流 量控制電路35在生成小孔貫通探測信號Cm2之后，將用于將等離子氣體PG的氣體流量設 定為穩定氣體流量Pg2的氣體流量設定信號Pgs發送至氣體供給裝置4。由此，氣體供給裝 置4在生成小孔貫通探測信號Cm2之后，按照氣體流量為穩定氣體流量pg2的方式來噴出 等離子氣體PG。另外，氣體流量控制電路35從動作控制電路21發送焊接開始信號St。
接著，進一步使用圖4以及圖8來說明使用了等離子小孔焊接系統Al的等離子小 孔焊接方法的一例。
圖4(a)表不電壓檢測信號Vd的時間變化，(b)表不電壓絕對值信號Va的時間變 化，(c)表示成形電壓信號Vf的時間變化，(d)表示小孔形成開始信號Cml的時間變化，(e) 表示小孔貫通探測信號Cm2的時間變化，(f)表示穩定焊接開始指示信號Cm3的時間變化， (g)表示等離子電極112的移動速度VR的時間變化，(h)表示焊接開始信號St的時間變化， ⑴表示焊接電流Iw的絕對值的時間平均值Ia的時間變化，(j)表示焊接電流Iw的脈沖 的頻率Ff的時間變化，(k)表示等離子氣體PG的氣體流量的時間變化。
圖8(s_l)、(s-2)、(s-3)分別與圖 4 (s_l)、(s_2)、(s_3)的電弧 al 以及母材 W 的狀態相對應。
圖4(a)所示的電壓檢測信號Vd表示具有峰值和基值的交流脈沖波形電壓信號。
〈時刻tl 時刻t2>
在時刻tl，來自外部的焊接開始信號St經由示教器23輸入動作控制電路21后， 動作控制電路21向輸出電路31 (具體來說，電源電路311以及頻率控制電路312)發送焊 接開始信號St。這樣，電源電路311在等離子電極112和母材W之間施加焊接電壓VwJf 電弧al引弧。然后，開始焊接電流Iw的通電。
如圖4(i)所示，在時刻tl，輸出電路31接受焊接開始信號St后，開始通電絕對值 的時間平均值Ia為設定電流值irl的焊接電流Iw。設定電流值irl是例如240A左右。
在時刻tl，頻率控制電路312接受焊接開始信號St后，作為頻率Ff為初始頻率 ffl的脈沖電流，將用于使焊接電流Iw流動的頻率設定信號Ffs發送至電源電路311。由 此，如圖4(j)所示，電源電路311 (即輸出電路31)開始通電焊接電流Iw，作為頻率Ff為初 始頻率ffl的脈沖電流。初始頻率ffl是例如2 10Hz，優選為5 6Hz。初始頻率ffl 的值有時根據母材W的種類和母材W的厚度而不同。
這里，參照圖5來說明焊接電流Iw的波形。圖5是表示焊接電流Iw的大致脈沖2 個周期的圖表。另外，圖5中的時間的比例尺(scale)與圖4中的時間的比例尺相比極小。 圖5所示的焊接電流Iw的絕對值的時間平均值Ia與圖4(i)所示的時間平均值Ia —致。
在圖5中，表示焊接電流Iw的縱軸將等離子電極112成為陽極時流過的電流作為 正。根據圖5來理解，焊接電流Iw是在周期Te中取電極正極性電流Iep和電極負極性電 流Ien各I次的交流電流。電極正極性電流Iep是等離子電極112為陽極、母材W為陰極 的狀態下流動的電流。電極負極性電流Ien是等離子電極112為陰極、母材W為陽極的狀 態下流動的電流。
電極負極性電流Ien成為具有周期Te2的脈沖電流。周期Te2比電極負極性期間 Ten更短。在該周期Te2期間，電極負極性電流Ien取電極負極性峰值電流Inp和電極負極 性基值電流Inb各I次。
在圖5中，用虛線表示電極負極性電流Ien的絕對值。進一步地,在圖5中,表示 焊接電流Iw的時間平均值la。如上所述，圖5的時間平均值Ia與圖4(i)的時間平均值Ia 一致。
并且，頻率Ff和周期Te之間的關系如以下所示。
Ff = I/Te
此外，EN比率使用周期Te、電極負極性期間Ten、乃至電極正極性期間T印由以下 的式子規定。
EN 比率(% ) = Ten/Te XlOO
= Ten/ (Ten+Tep)X100
為了使頻率Ff變化，例如不使EN比率以及時間平均值Ia任一個變化，而使電極 負極性期間Ten以及電極正極性期間Tep的任一個變化。其中，使頻率Ff變化并不限定于 此，也可以一面使EN比率變化一面調整頻率Ff。此外，為了使時間平均值Ia變化，例如，不 使EN比率變化,而使最大絕對值I印P的值和最大絕對值Ienp等變化。
焊接電流Iw的波形不限于圖5所示，也可以是如圖6、圖7所示。
在時刻tl，氣體流量控制電路35接受焊接開始信號St后，將用于將等離子氣體 PG的氣體流量設定為初始氣體流量pgl的氣體流量設定信號Pgs發送至氣體供給裝置4。 由此，如圖4(k)所示，氣體供給裝置4按照氣體流量為初始氣體流量pgl的方式而開始噴 出等離子氣體PG。初始氣體流量pgl例如是2. 3 2. 5L/min。
在時刻tl，動作控制電路21接受焊接開始信號St后，如圖4 (g)所示，將用于將移 動速度VR設定為初始速度vrl的動作控制信號Ms發送至焊接機器人I。由此，等離子電極 112的移動速度VR成為初始速度vrl。在本實施方式中，初始速度vrl為0，從時刻tl至時 刻t4之間，在焊接行進方向Dr，等離子電極112相對母材W停止。與本實施方式不同，移動 速度VR可以不是O。例如，在從時刻tl至時刻t4之間，在焊接行進方向Dr，也可以使等離 子電極112相對母材W稍稍移動。
圖3的絕對值運算電路341計算與焊接電壓Vw相對應的電壓檢測信號Vd的絕對 值，發送圖4(b)所示的電壓絕對值信號Va。低通濾波器342去除電壓絕對值信號Va的高 頻成分，輸出圖4(c)所示的成形電壓信號Vf。如圖8(s-l)所示，在時刻tl以后，電弧al 在母材W的表面形成熔池881。在開始形成熔池881之時，電弧al不穩定。由此，成形電壓 信號Vf易于變動。
<時刻t2 時亥Ij t3 (小孔形成期間)>
如圖4(c)所示，成形電壓信號Vf上升，如果成為時刻t2，則電弧al穩定。由此， 在時刻t2以后，成形電壓信號Vf的上升率變小。圖3的比較電路CMl在對成形電壓信號 Vf進行時間微分后得到的電壓微分信號Bv成為預定的基準值Bthl以下的情況下，判斷為 電弧al在母材W中開始挖掘小孔889，小孔889開始形成。如果判斷為小孔889開始形成， 則比較電路CMl如圖4(d)所示，輸出僅短時間成為High電平的小孔形成開始信號Cml。小 孔形成開始基準電壓設定電路VS接受小孔形成開始信號Cml后，將輸入該小孔形成開始信 號Cml時的成形電壓信號Vf設定為小孔形成開始基準電壓信號Vs (參照圖4(c))。如圖 8 (s-2)所示，在時刻t2以后，小孔889的形成繼續，熔池881的表面882緩緩降低。另外， 從小孔889開始形成時(時刻t2)開始至小孔889貫通時(后述的時刻t3)為止的期間為 小孔形成期間。
如圖4(g)所示，在小孔形成期間(時刻t2 時刻t3)中，等離子電極112的移動 速度VR是初始速度vrl。在本實施方式中，如上所述，初始速度vrl為0，等離子電極112相 對于母材W停止。如圖4(i)所示，在小孔形成期間(時刻t2 時刻t3)中，焊接電流Iw的 絕對值的時間平均值Ia為設定電流值irl。如圖4(j)所示，在小孔形成期間(時刻t2 時刻t3)中，作為頻率Ff為初始頻率ffl的脈沖電流，焊接電流Iw流動。如圖4 (k)所示， 小孔形成期間(時刻t2 時刻t3)中，使等離子氣體PG按照初始氣體流量pgl被噴出。
〈時刻t3 時刻t4>
在時刻t3，如圖8(s_3)所示，在母材W中小孔889貫通。在小孔889貫通了時， 在時刻t3，如圖4(c)所示，成形電壓信號Vf和小孔形成開始基準電壓信號Vs之差比預先 規定的基準值Bth2大。該情況下，比較電路CM2判斷為小孔889貫通了。這樣，如圖4(e) 所示，比較電路CM2將小孔貫通探測信號Cm2發送至比較電路332。在小孔889剛剛貫通 之后，成形電壓信號Vf在小孔889的貫通的影響下處于不穩定。從小孔889貫通了的時刻 t3開始一會之后，成形電壓信號Vf減少后焊接電壓Vw穩定，成形電壓信號Vf的減少率變小。
〈時刻t4以后〉
在時刻t4，圖3的比較電路332在電壓微分信號Bv達到預定的基準值Bth3以下 時，判斷為焊接背面焊道適當形成，并且小孔889成為適當大小。此時，如圖4(f)所示，比 較電路332判斷為應當開始穩定焊接，發送僅短時間成為High電平的穩定焊接開始指示信 號 Cm3。
在時刻t4，頻率控制電路312接受穩定焊接開始指示信號Cm3后，作為頻率Ff為 穩定頻率f f 2的脈沖電流，將用于使焊接電流Iw流動的頻率設定信號Ffs發送至電源電路 311。由此，如圖4 (j)所示，從時刻t4開始，作為頻率Ff為穩定頻率ff2的脈沖電流，電源 電路311 (即輸出電路31)開始通電焊接電流Iw。初始頻率ffl比穩定頻率ff2小。穩定 頻率ff2例如是10 20Hz。
在時刻t4，如果氣體流量控制電路35接受穩定焊接開始指示信號Cm3，則將用于 將等離子氣體PG的氣體流量設定為穩定氣體流量pg2的氣體流量設定信號Pgs發送至氣 體供給裝置4。由此，如圖4(k)所示，從時刻t4開始，氣體供給裝置4按照氣體流量為穩定 氣體流量Pg2的方式開始噴出等離子氣體PG。初始氣體流量pgl比穩定氣體流量pg2大。 穩定氣體流量Pg2例如為2. OL/min。
在時刻t4，如果動作控制電路21接受穩定焊接開始指示信號Cm3，則如圖4(g)所 示，將用于將移動速度VR設定為穩定速度vr2的動作控制信號Ms發送至焊接機器人I。由 此，等離子電極112的移動速度VR成為穩定速度vr2。初始速度vrl比穩定速度vr2小。 在本實施方式中，從時刻t4開始，焊接行進方向Dr的等離子電極112相對于母材W的移動 開始。
在時刻t4以后，也如圖⑴所示，絕對值的時間平均值Ia仍舊為設定電流值irl。 gp，時刻t2 時刻t3 (小孔形成期間)中的焊接電流Iw的絕對值的時間平均值Ia和進行 時刻t4以后的穩定焊接的工序中的焊接電流Iw的絕對值的時間平均值Ia相互相同。
如以上，從時刻t4開始，開始進行穩定焊接的工序，進行相對于母材W的焊接。由 此，如圖9所示，在母材W的表面沿著焊接行進方向Dr形成焊接表面焊道，在母材W的背面 沿著焊接行進方向Dr形成焊接背面焊道。時刻tl 時刻t2以及時刻t3 時刻t4的各 個長度與時刻t2 時刻t3的長度相比非常短。時刻t2 時刻t3的長度例如為10秒左 右。
接著，說明本實施方式的作用效果。
基于本實施方式，能夠更早地使小孔889貫通。其理由如下。
首先，以往以來在謀求縮短焊接所需的時間。如果降低穩定速度vr2，則焊接所需 的時間增加，不能實現焊接所需時間的縮短。由此，至少在進行時刻t4以后的穩定焊接的 工序中，不太能降低穩定速度vr2。
在本實施方式中，焊接電流Iw是脈沖電流。由此，周期性地重復易于熱輸入到母 材W的期間和難以熱輸入到母材W的期間。例如，圖5的電極正極性電流Iep和電極負極 性峰值電流Inp流動的期間是易于熱輸入到母材W的期間。另一方面，電極負極性基值電 流Inb流動的期間是難以熱輸入到母材W的期間。此外，例如，圖6或圖7的電極負極性電 流Ien流動的電極負極性期間Ten是易于熱輸入到母材W的期間。另一方面，電極正極性電流Iep流動的電極正極性期間Tep是難以熱輸入到母材W的期間。由此，在不太降低穩 定速度vr2而進行焊接的情況下，如果過于減小穩定頻率fT2，則可能會在母材W中產生僅 僅在難以熱輸入的期間照射電弧al的部位。這樣，可能會在母材W中產生幾乎不熱輸入的 部位。如果產生不熱輸入到母材W的部位，則焊接表面焊道和焊接背面焊道的寬度變細，或 者，如圖10所示，會產生不生成小孔889等的不合適。由以上，不太能減小穩定頻率ff2，需 要將其設為某程度以上的大小。
圖12表示時刻t2 時刻t3的期間(小孔形成期間)中的熔池881的狀態。如 圖12所示，至少在時刻t2 時刻t3的期間(小孔形成期間)中，熔池881的表面882上 下振動。如圖12的左側所示，在表面882下降的情況下，電弧al的前端和母材W中下一 個應當熔融的部位886之間的距離較小，所以來自電弧al的熱易于傳遞至部位886。另一 方面，如圖12的右側所示，在表面882上升的情況下，電弧al的前端和部位886的距離較 大，所以來自電弧al的熱難以傳遞至部位886。并且，發明者關于熔池881的表面882的 振動數比穩定頻率ff2小，得到見解。在本實施方式中，在時刻t2 時刻t3的期間(小孔 形成期間)中，使焊接電流Iw作為比穩定頻率ff2小的初始頻率ffl的脈沖電流來流過。 由此，能夠使由來于焊接電流Iw為脈沖電流的、易于熱輸入的期間和難以熱輸入的期間的 重復周期接近于表面882的振動的周期。由此，能夠使由來于焊接電流Iw是脈沖電流的、 易于熱輸入的期間和難以熱輸入的期間的重復周期接近于來自電弧al的熱易于傳遞至部 位886的狀態(圖12的左側)和來自電弧al的熱難以傳遞至部位886的狀態(圖12的 右側)的重復周期。因此，基于本實施方式，在時刻t2 時刻t3的期間(小孔形成期間) 中，能夠有效使母材W中下一次應該熔融的部位886熔融。由此，能夠更早貫通小孔889。
為了決定初始頻率ffl的值，例如，在開始焊接之前，按照比穩定頻率fT2小的任 何的頻率Ff，來進行用于決定初始頻率ffl的等離子小孔焊接。并且，可以采用形成小孔 889的時間為最小的值作為初始頻率ffl。
在本實施方式中，在時刻t2 時刻t3的期間(小孔形成期間)中、以及進行時刻 t4以后的穩定焊接的期間的任意一個中,將絕對值的時間平均值Ia作為設定電流值irl， 使焊接電流Iw流動。即，在時刻t2 時刻t3的期間中、以及進行時刻t4以后的穩定焊接 的期間中的時間平均值Ia是相同的設定電流值irl，相互相同?；谶@樣的構成，在時刻 t2 時刻t3的期間中，能夠防止向母材W的熱輸入過多。如果能夠防止向母材W的熱輸入 過多，則能夠抑制產生燒穿(burn though)(參照圖11)。
在本實施方式中，在時刻t2 時刻t3的期間(小孔形成期間)中，按照初始氣體 流量Pgl噴出等離子氣體PG。在進行時刻t4以后的穩定焊接的期間中，按照穩定氣體流量 pg2噴出等離子氣體PG。初始氣體流量pgl比穩定氣體流量pg2大。這樣的構成適于使時 刻t2 時刻t3的期間(小孔形成期間)中的電弧al的壓力增大。由此，能夠使小孔889 更早地貫通。此外，如果初始氣體流量Pgl比穩定氣體流量pg2大，則通過使時刻t2 時 刻t3的期間(小孔形成期間)中的電弧al縮小變細，能夠減小母材W中的熱影響部分。由 此，能夠抑制在時刻t2 時刻t3形成的小孔889的孔徑變大。其結果，能夠抑制燒穿的產 生。
<第一實施方式的第一變形例>
使用圖13，說明本發明的第一實施方式的第一變形例。
另外，在以下說明中，對與上述相同或類似的構成附加與上述相同的符號，并適當省略說明。
圖13所示的等離子小孔焊接系統All還包括初始頻率計算電路37，這一點與上述等離子小孔焊接系統Al不同。在本變形例中，初始頻率計算電路37是焊接電源裝置3的構成，但是并不限定于此，例如，也可以是機器人控制裝置2的構成。
初始頻率計算電路37基于穩定頻率ff2的值來計算初始頻率ffl的值。具體來說，初始頻率計算電路37計算使存儲在穩定頻率存儲部362中的穩定頻率ff2的值減少后得到的值。初始頻率計算電路37例如或者計算穩定頻率fT2的值的30%或50%的值，或者計算從穩定頻率ff2的值中減去5 8Hz后的值。并且，初始頻率計算電路37將計算出的該值作為初始頻率ffl存儲在初始頻率存儲部361中。
使用了等離子小孔焊接系統All的等離子小孔焊接方法由于與關于等離子小孔焊接系統Al說明的相同，所以省略說明。
基于本變形例，能夠享有與關于等離子小孔焊接系統Al敘述的優點相同的優點。
基于本變形例，等離子小孔焊接系統All的用戶僅僅通過設定穩定頻率fT2，而不是特意設定初始頻率 ，就能夠適用本實施方式的焊接方法。這樣的等離子小孔焊接系統 All易于由用戶使用。
本發明不限定為上述的實施方式。本發明的各種具體的構成可以自由進行各種設計變更。
圖3的穩定焊接開始判斷電路33不必包括比較電路332。穩定焊接開始判斷電路 33在從生成小孔貫通探測信號Cm2時開始經過了規定的時間時，可以判斷為應當開始穩定焊接?；蛘?，穩定焊接開始判斷電路33在從開始輸出電路31的輸出時開始經過了規定的時間時，也可以判斷為應當開始穩定焊接。
與上述實施方式不同·，比較電路CM2也可以在時刻t2中成形電壓信號Vf的變化量超出某值時判斷為小孔889貫通了，并輸出小孔貫通探測信號Cm2。
在上述實施方式中，雖然在時刻t4使頻率Ff從初始頻率ffl變化為穩定頻率 ff2，但是本發明不限于此。例如，也可以在從小孔889貫通了的時刻開始經過了規定的時間時，使頻率Ff從初始頻率ffl變化為穩定頻率fT2。此外，在時刻t3之后沒有必要使頻率Ff從初始頻率ffl變化為穩定頻率fT2。S卩，在小孔889貫通的時刻t3之前，也可以使頻率Ff從初始頻率ffl變化為穩定頻率ff2。
時刻tl 時刻t3為止，頻率Ff是初始頻率ffl，但是在時刻t2 時刻t3之間的某期間中，頻率Ff可以是初始頻率ff I，例如，在時刻11 時刻t2之間，頻率Ff可以與初始頻率ffl不同。
在上述實施方式中，在時刻t4中，雖然頻率Ff急劇從初始頻率ffl變化為穩定頻率ff2，但是從時刻t3至時刻t4，也可以使頻率Ff緩緩變化。
在上述實施方式中，在時刻t4,使等離子氣體PG的氣體流量從初始氣體流量pgl 變化為穩定氣體流量pg2，但是本發明不限定于此。例如，也可以在從小孔889貫通了的時刻開始經過了規定的時間時，使等離子氣體PG的氣體流量從初始氣體流量pgl變化為穩定氣體流量pg2。此外，在時刻t3之后沒有必要使等離子氣體PG的氣體流量從初始氣體流量 Pgl變化為穩定氣體流量Pg2。即，也可以在小孔889貫通的時刻t3之前，使等離子氣體PG的氣體流量從初始氣體流量Pgl變化為穩定氣體流量Pg2。此外,也可以從時刻tl開始始 終使等離子氣體PG的氣體流量為固定。
時刻tl 時刻t3為止，等離子氣體PG的氣體流量雖然是初始氣體流量pgl，但是 時刻t2 時刻t3之間的某期間中，等離子氣體PG的氣體流量可以是初始氣體流量pgl，例 如，在時刻tl 時刻t2之間,等離子氣體PG的氣體流量也可以與初始氣體流量pgl不同。
在上述實施方式中，在時刻t4，使等離子氣體PG的氣體流量急劇從初始氣體流量 Pgl變化為穩定氣體流量pg2,但是在時刻t3至時刻t4,也可以使等離子氣體PG的氣體流 量緩緩變化。
權利要求
1.一種等離子小孔焊接方法，包括 在等離子電極和母材之間對電弧進行引弧，通過上述電弧使小孔貫通的工序；以及在上述小孔貫通之后，使上述等離子電極相對于上述母材移動，并且進行穩定焊接的工序， 上述使小孔貫通的工序包括在從上述小孔的形成開始之時起到上述小孔貫通之時為止的期間即小孔形成期間中，使在上述等離子電極和上述母材之間流動的焊接電流作為頻率為初始頻率的脈沖電流進行流動的工序， 上述進行穩定焊接的工序包括使上述焊接電流作為頻率為穩定頻率的脈沖電流進行流動的工序， 上述初始頻率比穩定頻率小。
2.根據權利要求1所述的等離子小孔焊接方法，其特征在于， 上述使小孔貫通的工序中的上述焊接電流的絕對值的時間平均值以及上述進行穩定焊接的工序中的上述焊接電流的絕對值的時間平均值相互相同。
3.根據權利要求1或2所述的等離子小孔焊接方法，其特征在于， 上述使小孔貫通的工序包括在上述小孔形成期間中，使朝向上述母材噴出的等離子氣體以初始氣體流量噴出的工序， 上述進行穩定焊接的工序包括使上述等離子氣體以穩定氣體流量噴出的工序， 上述初始氣體流量比上述穩定氣體流量大。
4.根據權利要求1 3中任一項所述的等離子小孔焊接方法，其特征在于， 還包括使上述穩定頻率的值減少而通過初始頻率計算電路計算上述初始頻率的值的工序。
5.根據權利要求1 4中任一項所述的等離子小孔焊接方法，其特征在于， 上述使小孔貫通的工序包括將沿著上述母材的焊接行進方向的上述等離子電極相對于上述母材的速度即移動速度設定為初始速度的工序， 上述進行穩定焊接的工序包括將上述移動速度設定為穩定速度的工序， 上述初始速度比上述穩定速度小。
6.一種等離子小孔焊接系統，包括 輸出電路，其使脈沖電流在等離子電極和母材之間流動； 初始頻率存儲部，其存儲初始頻率的值； 穩定頻率存儲部，其存儲穩定頻率的值；以及 小孔貫通探測電路，其在探測到在上述母材中小孔貫通了的情況下，生成小孔貫通探測信號， 上述輸出電路在生成上述小孔貫通探測信號之前，將頻率設為上述初始頻率使上述脈沖電流流動，并且，在生成上述小孔貫通探測信號之后，將頻率設為上述穩定頻率使上述脈沖電流流動。
7.根據權利要求6所述的等離子小孔焊接系統，其特征在于， 還包括設定電流值存儲部，該設定電流值存儲部存儲設定電流值， 上述輸出電路在生成上述小孔貫通探測信號之前以及生成上述小孔貫通探測信號之后的任意一種情況下，將絕對值的時間平均值設為上述設定電流值使上述脈沖電流流動。
8.根據權利要求6或7所述的等離子小孔焊接系統，其特征在于， 還包括 氣體流量控制電路，其對向上述母材噴出的等離子氣體的流量即氣體流量進行控制； 初始氣體流量存儲部，其存儲初始氣體流量的值；以及 穩定氣體流量存儲部，其存儲穩定氣體流量的值， 上述氣體流量控制電路在生成上述小孔貫通探測信號之前，將上述氣體流量設定為上述初始氣體流量，并且，在生成上述小孔貫通探測信號之后，將上述氣體流量設定為上述穩定氣體流量。
9.根據權利要求6 8中任一項所述的等離子小孔焊接系統，其特征在于， 還包括初始頻率計算電路，該初始頻率計算電路將使存儲在上述穩定頻率存儲部中的穩定頻率的值減少后得到的值作為上述初始頻率而存儲在上述初始頻率存儲部中。
10.根據權利要求6 9中任一項所述的等離子小孔焊接系統，其特征在于， 還包括 動作控制電路，其對沿著上述母材的焊接行進方向的上述等離子電極相對于上述母材的速度即移動速度進行控制； 初始速度存儲部，其存儲初始速度的值；以及 穩定速度存儲部，其存儲穩定速度的值， 上述動作控制電路在生成上述小孔貫通探測信號之前，將上述移動速度設定為上述初始速度，并且，在生成上述小孔貫通探測信號之后，將上述移動速度設定為上述穩定速度。
全文摘要
本發明提供一種能夠使小孔更早貫通的等離子小孔焊接方法以及等離子小孔焊接系統。包括在等離子電極和母材之間對電弧進行引弧，通過上述電弧使小孔貫通的工序；以及在上述小孔貫通之后，一面使上述等離子電極相對于上述母材移動，一面進行穩定焊接的工序；使小孔貫通的工序包括在作為從上述小孔的形成開始的時刻(t2)起到上述小孔貫通的時刻(t3)止的期間的小孔形成期間中，使在上述等離子電極和上述母材之間流動的焊接電流(Iw)作為頻率(Ff)為初始頻率(ff1)的脈沖電流進行流動的工序；上述進行穩定焊接的工序包括使焊接電流作為頻率為穩定頻率的脈沖電流進行流動的工序；初始頻率比穩定頻率小。通過這樣的構成，能夠更早地使小孔貫通。
文檔編號B23K10/02GK103028826SQ20121035240
公開日2013年4月10日 申請日期2012年9月20日 優先權日2011年9月29日
發明者劉忠杰 申請人:株式會社大亨