等離子弧焊方法以及等離子弧焊裝置制造方法
【專利摘要】一種一邊在被焊接物的焊接部利用等離子弧形成小孔一邊在該焊接部連續焊接的等離子弧焊方法，使用脈沖電流作為焊接電流，并將該脈沖電流的脈沖頻率控制成與熔池(P)同步的頻率地進行焊接。由此，由于能夠在小孔焊接中將熔池的擺動控制成與脈沖電流的脈沖頻率同步，因此在小孔焊接時能夠可靠地得到無垂落且無不規整的穩定的恒定高度的熔透焊道。
【專利說明】等離子弧焊方法以及等離子弧焊裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及能夠實現高能量密度、高速度且高品質的焊接的等離子弧焊方法以及等離子弧焊裝置。
【背景技術】
[0002]一般來說，等離子弧焊與熔化極氣體保護電弧(GMA)焊接、鎢極氣體保護電弧(GTA)焊接等相比，其能量密度高。因此，能夠實現一邊使等離子弧從母材表面側向里面側貫通一邊焊接的、所謂小孔焊接(keyhole welding)。如果能夠實現小孔焊接，則無需進行從母材里面側開始的焊接作業，所以焊接作業效率大幅提高。但是，該小孔焊接中，由于例如焊接過程中母材溫度升高、大氣溫度、或者由接地方式所致的磁吹等各種各樣的原因，在施工過程中小孔的變動容易變得不穩定，所以只有熟練的操作工才能進行高品質的焊接作業，難以自動化。
[0003]為此，例如在下面的專利文獻I中，提出了如下方法:使用脈沖電流作為焊接電流，使等離子射流脈動而將熔融金屬做成小粒熔滴將其吹掉，由此形成無垂落的焊道。另夕卜，在下面的專利文獻2中提出了下述小孔焊接:通過使等離子氣體流量以脈沖狀變化，從而避免了熔池的熔穿等問題。
[0004]現有技術文獻
[0005]專利文獻
[0006]專利文獻1:日本特開昭62-27473號公報
[0007]專利文獻2:日本特開平8-39259號公報
【發明內容】
[0008]發明所要解決的技術問題
[0009]但是，關于上述專利文獻I所公開的那樣的方法，因為是使等離子射流脈動而將熔融金屬做成小粒熔滴將其吹掉的方法，因此需要有所吹掉的熔融金屬的小粒熔滴的后處理。此外，在被焊接物位鋼管的對接焊等的情況下，有時難以進行所吹掉的熔融金屬的小粒熔滴的除去處理。另一方面，關于上述專利文獻2所公開的那樣的方法，可以通過使等離子氣體流量交替地以脈沖狀變化來避免熔池的熔穿等問題，但難以得到穩定的恒定高度的熔透焊道(penetration bead)。
[0010]因此，本發明是為了解決這些問題而提出的，其目的是提供在進行小孔焊接時能夠得到穩定的恒定高度的熔透焊道的新式等離子弧焊的監視方法以及等離子弧焊裝置。
[0011]用于解決問題的手段
[0012]為了解決這些問題，本發明人們進了大量的研究和實驗，結果發現了焊接時在母材里側所形成的熔池的擺動變動(振動數)與熔透焊道的形狀之間的關聯性，最終得到了本發明。
[0013]S卩，在如上所述利用等離子弧進行小孔焊接的情況下，如圖2所示，在母材15的里側且在小孔(等離子弧)的焊接方向后方，沿其長度方向形成了熔池P，該熔池P由因從焊炬10發出的等離子弧16的熱而熔融了的母材15形成。而且，明確了:該熔池P在焊接方向上前后擺動，從而形成了穩定的恒定高度的熔透焊道。如果此時熔池P的擺動(變動)過大則熔融金屬會垂落，因此明確了熔池P的擺動(變動)具有用于形成穩定的恒定高度的熔透焊道的固有頻率(例如30?40Hz)。另外，該固有頻率也因母材15的材質和/或、熔池P的大小(質量)、粘度等而不同。而且，本發明人們基于這些認知進一步詳細研究該熔池P的擺動(變動)，結果明確了:在使用脈沖電流作為小孔焊接時的焊接電流的情況下，該熔池P的擺動(變動)受到其脈沖電流的脈沖頻率的很大影響。
[0014]因此，為了達成上述目的，第I方案是一種等離子弧焊方法，一邊在被焊接物的焊接部利用等離子弧形成小孔一邊在該焊接部連續焊接，使用脈沖電流作為焊接電流，并將該脈沖電流的脈沖頻率控制成與在所述焊接時形成于母材里側的熔池同步的頻率地進行焊接。
[0015]根據這樣的焊接方法，由于能夠將小孔焊接中的熔池的擺動控制成與脈沖電流的脈沖頻率同步，因此能夠可靠地得到無垂落且無不規整的穩定的恒定高度的熔透焊道。
[0016]第2方案是一種等離子弧焊方法，是一邊在被焊接物的焊接部利用等離子弧形成小孔一邊在該焊接部連續焊接的方法，包括:脈沖電流供給步驟，供給脈沖電流作為所述焊接電流；脈沖頻率控制步驟，將該脈沖電流的脈沖頻率控制成與所述熔池同步的頻率。
[0017]根據這樣的焊接方法，由于能夠將焊接時形成于母材里側的熔池的擺動控制成與脈沖電流的脈沖頻率同步，因此能夠可靠地得到無垂落且無不規整的穩定的恒定高度的熔透焊道。
[0018]第3方案是一種等離子弧焊方法，在第I或第2方案中，將所述脈沖電流的脈沖頻率控制成為大于等于所述熔池的固有頻率的0.8倍且小于等于3.0倍。若這樣控制，則能夠可靠地得到無垂落且無不規整的穩定的恒定高度的熔透焊道。此處，將所述脈沖電流的脈沖頻率控制成為大于等于所述熔池的固有頻率的0.8倍且小于等于3.0倍是因為，如后所述，若超出該范圍，則等離子弧與熔池之間的干涉變大，招致不規整焊道、垂落現象的可能性變高。
[0019]第4方案是一種等離子弧焊方法，在第3方案中，將所述脈沖電流的峰值電流值或基值電流值或脈沖寬度，與所述脈沖電流的脈沖頻率一起控制。根據這樣的控制方法，即使在大于等于所述熔池的固有頻率的0.8倍且小于等于3.0倍這一范圍中的界限值附近，也能可靠地得到無垂落且無不規整的穩定的恒定高度的熔透焊道。
[0020]第5方案是一種等離子弧焊方法，在第I或第2方案中，將所述脈沖電流的脈沖頻率控制成為大于等于所述熔池的固有頻率的1.0倍且小于等于2.0倍。若這樣控制，則能夠更可靠地得到無垂落且無不規整的穩定的恒定高度的熔透焊道。
[0021]第6方案是一種等離子弧焊方法，在第5方案中，將所述脈沖電流的峰值電流值或基值電流值或脈沖寬度，與所述脈沖電流的脈沖頻率一起控制。根據這樣的控制方法，即使在大于等于所述熔池的固有頻率的1.0倍且小于等于2.0倍這一范圍中的界限值附近，也能可靠地得到無垂落且無不規整的穩定的恒定高度的熔透焊道。
[0022]第7方案是一邊利用產生等離子弧的焊炬在被焊接物的焊接部形成小孔一邊在該焊接部連續焊接，具備:脈沖電流供給機構，供給脈沖電流作為所述焊接電流；脈沖頻率控制機構，將該脈沖電流的脈沖頻率控制成與所述熔池同步的頻率。
[0023]根據這樣的結構，與第2方案相同，由于能夠將焊接時形成于母材里側的熔池的擺動控制成與脈沖電流的脈沖頻率同步，因此能夠可靠地得到無垂落且無不規整的穩定的恒定高度的熔透焊道。
[0024]發明的效果
[0025]本發明使用脈沖電流作為焊接電流，并將該脈沖電流的脈沖頻率控制為與焊接時形成在母材里側所的熔池同步的頻率地進行焊接。由此，在小孔焊接時能夠可靠地得到無垂落且無不規整的穩定的恒定高度的熔透焊道。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1是表示本發明涉及的等離子弧焊裝置100的一個實施方式的框圖。
[0027]圖2是表示在焊接時在母材15里側所形成的熔池P的變動的概念圖。
[0028]圖3是表示使焊炬10相對于被焊接物14傾斜預定角度Θ地進行焊接的狀態的概念圖。
[0029]圖4是本發明方法中使用的脈沖電流的波形圖。
[0030]圖5是表示與被焊接物14相關的焊接條件的一例的局部放大圖。
[0031]圖6是表示本發明涉及的等離子弧焊方法的處理流程的流程圖。
[0032]圖7是表示脈沖電流的頻率大于等于熔池的固有頻率的0.8倍且小于等于1.0倍時的下部熔池的變動的概念圖。
[0033]圖8是表示脈沖電流的頻率大于等于熔池的固有頻率的1.0倍且小于等于2.0倍時的下部熔池的變動的概念圖。
[0034]圖9是表示脈沖電流的頻率大于等于熔池的固有頻率的2.0倍且小于等于3.0倍時的下部熔池的變動的概念圖。
[0035]圖10是表示脈沖電流的頻率為小于熔池的固有頻率的0.8倍時和大于熔池的固有頻率的3.0倍時的熔池的變動的概念圖。
[0036]圖11是表示本發明的小孔焊接后的焊接部的狀態的焊接方向剖視圖。
【具體實施方式】
[0037]接下來，一邊參照附圖一邊就本發明涉及的等離子弧焊的監視方法以及焊接裝置的一個實施方式進行說明。圖1是表示本發明涉及的等離子弧焊裝置100的結構的框圖。如圖所示，該等離子弧焊裝置100主要由下述部件構成:焊炬10 ;對該焊炬10進行驅動的驅動部20 ;供給焊接電源的電源部30 ;對焊炬10供給焊接氣體的氣體供給部40 ;和對這些各部分10?40進行控制的焊接控制部50。
[0038]如圖2所示，焊炬10呈用焊炬焊嘴12覆蓋鎢電極11并且用保護罩13覆蓋該焊炬焊嘴12的構造。而且，使用未圖示的高頻發生器在該鎢電極11與焊炬焊嘴12之間產生導弧，并且在該焊炬焊嘴12內流動氬氣(Ar)等工作氣體(等離子氣體PG)。于是，該等離子氣體PG由于電弧熱而離子化成為電弧電流的良導體，在鎢電極11與母材15之間產生超高溫(10000?2000(TC )等離子弧16。而且，通過使該等離子弧16從母材15的表面側貫通到里面側，能夠進行小孔焊接。另外，對該焊炬焊嘴12與保護罩13之間供給包含氬氣(Ar)和氫氣(H 2)、氬氣(Ar)和氧氣(O2)、氬氣(Ar)和二氧化碳(CO2)等的保護氣體SG，利用該保護氣體SG保護焊接部免受大氣影響、維持焊接品質。
[0039]驅動部20固定該焊炬10使得其相對于被焊接物14例如圖3所示維持預定的間隔以及角度Θ，根據來自焊接控制部50的控制信號使該焊炬10沿被焊接物14的焊接線以預定的速度移動(行進)。此外，該驅動部20將被焊接物14側固定而使焊炬10側相對于該被焊接物14移動，此外也可以將焊炬10側固定而使被焊接物14側移動、或者使兩方分別同時移動(行進)。
[0040]焊接電源部30以預定的電壓供給為了在焊炬10與母材15之間產生等離子弧16所需的電流，該電流值以及電壓值受焊接控制部50精確控制。而且，該焊接電源部30，作為供給的電流而例如圖4所示那樣的矩形波的脈沖電流。圖4是表示從該焊接電源部30供給的脈沖電流的波形的一例的圖，Ip為峰值電流、Ib為基值電流、wp為脈沖寬度、fi為脈沖頻率。氣體供給部40對焊炬10供給上述等離子氣體、保護氣體等焊接氣體，同樣由焊接控制部50對該氣體流量、定時等適當控制。
[0041]焊接控制部50由中央控制部51、存儲部(數據庫)52、輸出電壓測量部53、焊接電壓頻率解析部56、輸入部54和輸出部55構成。而且，首先，中央控制部51由計算機系統等信息處理裝置(CPU、R0M、RAM、輸入輸出接口等)構成，并基于從輸入部54輸入的操作指令、預定的控制用程序對上述各部分10~40等進行控制。
[0042]存儲部(數據庫)52由HDD、半導體存儲器等數據自由寫入讀出的存儲裝置等構成，除各種控制用程序等外，還至少自由寫入讀出地記錄有各種焊接條件，以及按每個焊接條件而各異的、與焊接時在母材里面側所形成的熔池的固有頻率相關的數據。
[0043]即，該存儲部(數 據庫)52作為數據庫至少記錄有各種各樣的焊接條件及與在該條件下唯一確定的熔池P的固有頻率相關的信息。這里，作為各種各樣的焊接條件，可列舉例如與被焊接物14有關的條件和焊接施工條件。而且，作為與被焊接物14有關的條件，除材料(母材的種類)外，例如圖5所示那樣也有板厚t、坡口角度0、根部長度!*等。另一方面，作為焊接施工條件有焊接電流、焊接速度、輔助氣體(pilot gas)流量、輔助氣體組分、保護氣體組分、焊炬焊嘴孔徑、間距(stand off)(母材15 —焊炬焊嘴12的間隔)和圖3所示那樣的焊炬10相對于焊接部(被焊接物14)的角度Θ等。
[0044]輸出電壓測量部53總是或在任意時間對來自焊接電源部30的輸出電壓進行測量并將其輸入到焊接電壓頻率解析部56以及中央控制部51。輸入部54由例如鍵盤、鼠標等各種輸入裝置構成，輸入各種焊接條件、操作指令等。輸出部由CRT、LCD等監視器、揚聲器等各種輸出裝置構成，顯示來自輸入部54的焊接條件的輸入操作的確認所用的信息、各種焊接狀況等信息。此外，該輸出部55也可以通過對監視器的表面附加接觸面板等輸入功能而兼作輸入部54。
[0045]接下來，作為利用這樣結構的等離子弧焊裝置100實現的等離子焊接方法，為例如圖6所示的流程。即，本發明裝置100的焊接控制部50(中央控制部51)，如果從輸入部54被輸入了與被焊接物14相關的條件和焊接開始指令，則移至最初的步驟S100，從存儲部(數據庫)52中選擇與和該被焊接物14相關的條件最匹配的焊接施工條件，并獲取該焊接施工條件而轉移至接下來的步驟S102。
[0046]在步驟S102中，由焊接電源30將脈沖電流的脈沖頻率設定為熔池P同步的頻率，開始焊接。然后，該焊接控制部50 (中央控制部51)轉移至最后的步驟S104判斷該焊接是否已結束，當判斷為焊接已結束時(是)，則結束該處理，但在判斷為未結束時(是)，則返回步驟S102，繼續焊接作業。
[0047]圖7~圖9是表示脈沖電流的脈沖頻率(f\)相對于熔池P變動的影響的圖。首先，圖7是表示脈沖電流的脈沖頻率(f\)大于等于熔池P的固有頻率(fp)的0.8倍且小于等于1.0倍(0.8 ( ^Zfp ( 1.0)時的熔池P的變動(振動)的示意圖。
[0048]如該圖7的(A)所示，該熔池P在流過峰值電流Ip時，由于其驅動力而形成焊接方向反向的波動(擺動)。該波動在到達熔池P后端時，其一部分固化而形成熔透焊道，其余部分在基值電流Ib的作用下如該圖7的(B)所示那樣，在該熔池P后端反射而成為焊接方向的波動。該波動因與穿過小孔的等離子弧16干涉而衰減。通過反復這樣的擺動(振動)，形成無垂落且無不規整的穩定的恒定高度的熔透焊道。
[0049]接著，圖8是表示脈沖電流的脈沖頻率(f\)大于熔池P的固有頻率(fp)的1.0倍且小于等于2.0倍(1.0 < fVfp ( 2.0)時的熔池P的變動(振動)的示意圖。該情況下也同樣，首先，如該圖8的(A)所示，熔池P在流過峰值電流Ip時，由于其驅動力而形成焊接方向反向的波動(擺動)。該波動在到達熔池P后端時，其一部分固化而形成熔透焊道，其余部分在基值電流Ib的作用下在該熔池P后端反射而成為焊接方向的波動。如該圖8的(B)所示，該波動在到達熔池P前端側之前，在熔池P的大致中央部，與接下來的在峰值電流Ip作用下在小孔側產生的焊接方向反向的新熔融金屬波動交叉。通過這些波動分別交叉，由此如圖8的(C)所示那樣衰減，抑制了熔池P的整體振動。因此，即使在熔融金屬量較多的情況下，也能抑制熔穿、對等離子弧16的干涉。由此，形成無垂落且無不規整的穩定的恒定高度的熔透焊道。
[0050]接著，圖9是表示脈沖電流的脈沖頻率(f\)為大于熔池P的固有頻率(fp)的2.0倍且小于等于3.0倍(2.0 < ^Zfp ( 3.0)時的熔池P的變動(振動)的示意圖。該情況下也同樣，首先，如該圖9的(A)所示，熔池P在流過峰值電流Ip時，由于其驅動力而形成焊接方向反向的波動(擺動)。但是，在該情況下，由于峰值時間(脈沖寬度wp/脈沖頻率4)短，因此在峰值電流時熔融的金屬量也小，如該圖9的(B)所示，熔池P的擺動也比上述情況小。因此，反射波也被接下來的在峰值電流Ip以后所熔融的熔融金屬的波動抵消，如圖8的(C)所示，在熔池P產生與脈沖頻率同步的向后端方向振動的流動。由此，形成無垂落且無不規整的穩定的恒定高度的熔透焊道
[0051]另一方面，圖10是表示脈沖電流的脈沖頻率(f\)為小于熔池P的固有頻率(fp)的0.8倍時和脈沖電流的脈沖頻率(f\)為大于熔池P的固有頻率(fp)的3.0倍時的下部熔池P的變動(振動)的示意圖。在這些情況下，熔池P不與脈沖頻率(f\)同步而欲以固有頻率(fp)進行振動，因此如圖10的(A)和(B)所示，有時該熔池P的熔融金屬與等離子弧16干涉而暫時封閉小孔。結果，如圖10的(C)所示，在等離子弧16再次形成小孔時，對該熔融金屬進行作用以將其立刻推出，可能招致產生飛濺、垂落等焊接不良，因此，難以得到穩定的恒定高度的熔透焊道。
[0052]如此，本發明中使用脈沖電流作為焊接電流，并將該脈沖電流的脈沖頻率控制為熔池P同步的頻率地進行焊接，因此，如圖11所示，在進行小孔焊接時能夠可靠地獲得無垂落且無不規整的穩定的恒定高度的熔透焊道。[0053]此外，可以這樣以將脈沖電流的脈沖頻率收斂于預定范圍內的方式進行控制，并如圖4所示地控制脈沖電流的峰值電流值(Ip)或基值電流值(Ib)或脈沖寬度。如此，則即使脈沖電流的脈沖頻率在大于等于熔池P的固有頻率的0.8倍且小于等于3.0倍范圍中的界限值附件、即0.8倍附近或3.0倍附近時，只要能控制峰值電流值(Ip)或基值電流值(Ib)或脈沖寬度中的任意一個或復合地控制多個，則能夠可靠地獲得無垂落且無不規整的穩定的恒定高度的熔透焊道。
[0054]另外，在上述用于解決問題的手段一欄所記載的構成本發明的各機構(步驟)中的、作為焊接電流而供給脈沖電流的脈沖電流供給機構(步驟)，與例如圖1的焊接電源部30相對應。
[0055]附圖標記說明
[0056]100…等離子弧焊裝置
[0057]10…焊炬
[0058]12…焊炬焊嘴
[0059]13…保護罩
[0060]14…被焊 接物[0061 ] 15…母材
[0062]I6…等離子弧
[0063]20…驅動部
[0064]30…焊接電源部
[0065]40…焊接氣體供給部
[0066]50…焊接控制部
[0067]51…中央控制部
[0068]52…存儲部(數據庫)
[0069]53…輸出電壓測量部
[0070]54...輸入部
[0071]55…輸出部
[0072]56…焊接電壓頻率解析部
[0073]P…熔池
[0074]PG…等離子氣體
[0075]SG…保護氣體
【權利要求】
1.一種等離子弧焊方法，是一邊在被焊接物的焊接部利用等離子弧形成小孔一邊在該焊接部連續焊接的方法，其特征在于， 使用脈沖電流作為焊接電流，并將該脈沖電流的脈沖頻率控制成與在所述焊接時形成于母材里側的熔池同步的頻率地進行焊接。
2.一種等離子弧焊方法，是一邊在被焊接物的焊接部利用等離子弧形成小孔一邊在該焊接部連續焊接的方法，其特征在于，包括: 脈沖電流供給步驟，供給脈沖電流作為所述焊接電流； 脈沖頻率控制步驟，將該脈沖電流的脈沖頻率控制成與所述熔池同步的頻率。
3.如權利要求1或2所述的等離子弧焊方法，其中， 將所述脈沖電流的脈沖頻率控制成為大于等于所述熔池的固有頻率的0.8倍且小于等于3.0倍。
4.如權利要求3所述的等離子弧焊方法，其中， 將所述脈沖電流的峰值電流值或基值電流值或脈沖寬度，與所述脈沖電流的脈沖頻率一起控制。
5.如權利要求1或2所述的等離子弧焊方法，其中， 將所述脈沖電流的脈沖頻率控制成為大于等于所述熔池的固有頻率的1.0倍且小于等于2.0倍。
6.如權利要求5所述的等離子弧焊方法，其中， 將所述脈沖電流的峰值電流值或基值電流值或脈沖寬度，與所述脈沖電流的脈沖頻率一起控制。
7.一種等離子弧焊裝置，一邊利用產生等離子弧的焊炬在被焊接物的焊接部形成小孔一邊在該焊接部連續焊接，其特征在于，具備: 脈沖電流供給機構，供給脈沖電流作為所述焊接電流； 脈沖頻率控制機構，將該脈沖電流的脈沖頻率控制成與所述熔池同步的頻率。
【文檔編號】B23K10/02GK103945974SQ201280056461
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2012年11月16日 優先權日:2011年11月17日
【發明者】細谷和道, 山本光, 中嶋徹, 佐藤豐幸, 和田勝則, 金丸周平 申請人:日立建機株式會社