電弧焊接裝置、電弧焊接系統和電弧焊接方法

電弧焊接裝置、電弧焊接系統和電弧焊接方法
【專利摘要】本發明提供一種能夠抑制焊接材料的消耗并且能夠控制線能量的電弧焊接裝置、電弧焊接系統和電弧焊接方法。電弧焊接裝置(A1)具有：焊接條件獲取部(U1)，其獲取焊接條件；線能量計算部(U3)，其根據焊接條件計算必要線能量；頻率設定部(U4)，其設定短路狀態和電弧狀態的頻率，使得所述頻率隨著必要線能量增大而減小；以及進給機構(41)，其以所述頻率反復使焊條(44)相對于工件(W)前進和后退。
【專利說明】電弧焊接裝置、電弧焊接系統和電弧焊接方法

【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及電弧焊接裝置、電弧焊接系統和電弧焊接方法。

【背景技術】
[0002]目前實用一種電弧焊接裝置，其通過使焊接材料相對于工件反復前進和后退，周期性地產生短路狀態和電弧狀態的同時進行焊接。在這種電弧焊接裝置中，為了確保焊接部的強度，確保焊透深度成為重要的問題。要增大焊透深度，可以考慮增大工件與焊接材料之間的電流，從而增大線能量。另外，因為電流的大小與焊接材料的消耗量成比例，因此有如下問題，當增大電流時焊接材料的消耗增大。為解決該問題，在專利文獻I中公開有一種電弧焊接裝置，其使焊接材料前進而產生短路狀態之后，使焊接材料進一步前進直至經過規定時間。根據該裝置，替代增大電流，能夠利用焊接材料壓入熔融部。因此，希望既可以抑制焊接材料的消耗又可以增大焊透深度。
[0003]現有技術文獻
[0004]專利文獻
[0005]專利文獻1:日本特開2012-81501號公報


【發明內容】

[0006]本發明所要解決的問題
[0007]然而，即使利用焊接材料壓入熔融部，線能量也不會增大，因此焊透深度有可能達不到所希望的大小。
[0008]于是，本發明的目的是提供一種既能夠抑制焊接材料的消耗又能夠控制線能量的電弧焊接裝置、電弧焊接系統和電弧焊接方法。
[0009]為解決問題的方法
[0010]本發明涉及的電弧焊接裝置是在反復產生短路狀態和電弧狀態的同時進行焊接的裝置，其具有:條件獲取部，其獲取焊接條件；線能量計算部，其根據焊接條件計算必要線能量；頻率設定部，其設定短路狀態和電弧狀態的頻率，使得所述頻率隨著必要線能量增大而減小；以及驅動部，其以所述頻率反復使焊接材料相對于工件前進和后退。
[0011]本發明涉及的電弧焊接系統具有:上述電弧焊接裝置；以及焊接機器人，其保持并移動所述驅動部。或者本發明涉及的一種電弧焊接系統，具有:焊接材料的驅動部；焊接機器人，其搭載所述驅動部；以及焊接控制部，其獲取焊接條件；根據所述焊接條件計算必要線能量；設定短路狀態和電弧狀態的頻率，使得所述頻率隨著所述必要線能量增大而減小；以及使所述驅動部以所述頻率反復使焊接材料相對于工件前進和后退。進一步所述的焊接控制部，還設定所述焊接材料的前進速度和后退速度，使得所述后退速度的大小相對于所述前進速度的大小的比率隨著所述頻率減小而增大，并使所述焊接材料相對于所述工件以所述前進速度前進，并以所述后退速度后退。
[0012]本發明涉及的電弧焊接方法是利用在反復產生短路狀態和電弧狀態的同時進行焊接的電弧焊接裝置執行的方法，其包括:獲取焊接條件，根據焊接條件計算必要線能量，設定短路狀態和電弧狀態的頻率，使得所述頻率隨著必要線能量增大而減小，以所述頻率反復使焊接材料相對于工件前進和后退。以及本發明涉及的電弧焊接裝置，其特征在于，具有:條件獲取部，用于獲取焊接條件；線能量計算部，用于根據所述焊接條件計算必要線能量；頻率設定部，用于設定短路狀態和電弧狀態的頻率，使得所述頻率隨著所述必要線能量增大而減小；以及，進給控制部，用于以所述頻率反復使焊接材料相對于工件前進和后退。
[0013]發明效果
[0014]根據本發明，能夠抑制焊接材料的消耗并且能夠控制線能量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是具有第一實施方式涉及的電弧焊接裝置的電弧焊接系統的概略圖。
[0016]圖2是表示電弧焊接裝置的結構的示意圖。
[0017]圖3是表示電弧焊接裝置的功能結構的框圖。
[0018]圖4是表示焊接中的電流、電壓和焊條進給速度的曲線圖。
[0019]圖5是表示第二實施方式涉及的電弧焊接裝置的功能結構的框圖。
[0020]圖6是表示焊接中的電流、電壓和喂線速度的曲線圖。
[0021]附圖標記說明
[0022]1:電弧焊接系統、2:機器人(焊接機器人)、41:進給機構(驅動部)、44:焊條(焊接材料)、A1，A2:電弧焊接裝置、Sf:前進速度、Sr:后退速度、Ul:焊接條件獲取部、U3:線能量計算部、U4:頻率設定部、U5:進給控制部、U7:速度設定部、W:工件。

【具體實施方式】
[0023]以下參照附圖詳細說明本發明的優選實施方式。在說明中，對同一要素或者具有同一功能的要素標注同一附圖標記，并省略重復的說明。
[0024]【第一實施方式】
[0025]如圖1所示，電弧焊接系統I具有機器人裝置AO和電弧焊接裝置Al。機器人裝置AO具有機器人2和機器人控制器3。機器人2例如是串聯連桿型的機器人臂，并且在前端部具有工具安裝部2a。在機器人2的工具安裝部2a上安裝有后述的焊炬4。機器人控制器3控制機器人2的致動器，以使焊炬4沿著焊接對象部分移動。
[0026]電弧焊接裝置Al通過使焊條(焊接材料)44相對于工件W反復前進和后退的同時向焊條44與工件W之間供電，從而反復產生短路狀態和電弧狀態。電弧焊接裝置Al具有焊炬4、外部控制器6和焊接電源5。
[0027]如上所述，焊炬4安裝在機器人2的工具安裝部2a。焊炬4經由管道電纜46與焊條包裝桶42連接，并且經由供氣軟管45與氣瓶43連接。焊條包裝桶42容納卷繞成螺旋狀的焊條44，并通過管道電纜46提供給焊炬4。焊條44從焊炬4的前端送出。氣瓶43容納保護氣體，并經由供氣軟管45提供給焊炬4。作為保護氣體，能舉例出二氧化碳、氬氣或者它們的混合氣體。
[0028]焊炬4具有進給機構41。進給機構41例如以伺服馬達等致動器作為動力源，進行焊條44的正向進給和反向進給。正向進給是指以使焊條44的前端靠近工件W的方式使焊條44前進。反向進給是指以使焊條44的前端遠離工件W的方式使焊條44后退。S卩，進給機構41相當于使焊條44相對于工件W前進或者后退的驅動部。另外，安裝有焊炬4的機器人2相當于保持并移動驅動部的焊接機器人。以下，將焊條44正向進給時的進給速度稱為“前進速度”，將焊條44反向進給時的進給速度稱為“后退速度”。
[0029]外部控制器6內置于機器人控制器3。如圖2所示，外部控制器6具有用戶接口60和外部軸控制電路61。用戶接口 60例如經由鍵盤或者觸摸面板等接受所輸入的焊接條件。焊接條件包括例如焊縫寬度、焊透深度、工件厚度、焊接電流值、焊接電壓值、以及焊條44的進給速度中的至少一種。焊接電流是焊炬4與工件W之間的電流，焊接電壓是焊炬4與工件W之間的電壓。外部軸控制電路61是設置在機器人控制器3上的電路，其用于控制機器人2的致動器以外的致動器，例如安裝于工具安裝部2a上的工具的致動器等，在本實施方式中外部軸控制電路61用于控制進給機構41的致動器。
[0030]焊接電源5具有一次整流電路50、開關電路51、變壓器52、二次整流電路53、切斷電路54、電抗器55、電流計56、電壓計57、焊接控制部58和存儲部59。并且向焊炬4和工件W提供焊接用電。
[0031]一次整流電路50與商業用的交流電源PS連接，對交流電進行整流。開關電路51通過PWM調節對焊炬4的供電。變壓器52對來自開關電路51的輸出進行變壓，并且絕緣輸入側和輸出側之間。二次整流電路53進一步對來自變壓器52的輸出進行整流。切斷電路54例如由半導體構成，根據切斷指令切斷對焊炬4的供電。電抗器55對焊炬4的供電進行平滑化。電流計56測量焊炬4與工件W之間的電流(以下，稱為“焊接電流”。)。電壓計57測量焊炬4與工件W之間的電壓(以下，稱為“焊接電壓”。)。
[0032]焊接控制部58是控制進給機構41和開關電路51來執行本實施方式涉及的電弧焊接方法的計算機。存儲部59例如是非易失性存儲器，其用于存儲焊條44的進給、焊接電流和焊接電壓的控制模式以及后述的各種值等。
[0033]如圖3所示，焊接控制部58具有焊接條件獲取部U1、基本模式設定部U2、線能量計算部U3、頻率設定部U4、進給控制部U5和電力控制部U6。雖然省略了圖示，焊接控制部58的各部分被構成為能夠參照存儲部59所存儲的各種值等。焊接條件獲取部Ul從用戶接口 60獲取焊接條件。
[0034]基本模式設定部U2基于焊接條件獲取部Ul所獲取的焊接條件決定焊接電流值和焊接電壓值的目標值，并設定適合該目標值的控制模式(以下，將該控制模式稱為“基本模式”。)。具體而言，從存儲部59所存儲的控制模式中，選擇適合上述目標值的模式作為基本模式。
[0035]線能量計算部U3從焊接條件獲取部Ul獲取作為計算條件的焊縫寬度、焊透深度、工件厚度、焊接電流值、焊接電壓值和焊條44的進給速度中的至少一種，并根據該計算條件計算必要線能量。線能量是在短路狀態和電弧狀態的一個周期中給予焊接部的熱量。例如，線能量計算部U3根據焊縫寬度、焊透深度或者工件厚度越大而將必要線能量設定得越大。
[0036]頻率設定部U4從線能量計算部U3獲取必要線能量，根據該必要線能量設定短路狀態和電弧狀態的頻率。具體而言，必要線能量越大，將短路狀態和電弧狀態的頻率設定得越小。例如，使用以隨著必要線能量增大而頻率減小的方式預先準備的函數，計算與必要線能量相對應的頻率。或者，參照以隨著必要線能量增大而頻率減小的方式預先準備的表，選擇與必要線能量相對應的頻率。以下，將由頻率設定部U4設定的頻率稱為“設定頻率”。
[0037]進給控制部U5向外部軸控制電路61輸出進給速度的目標值，從而控制進給機構41。電力控制部U6驅動開關電路51，以使焊接電流和焊接電壓接近目標值。參照圖4說明進給控制部U5和電力控制部U6進行控制的具體實例。
[0038]圖4(a)是表示焊接電流的波形的曲線圖。圖4(a)的橫軸表示時間，縱軸表示焊接電流值。圖4(b)是表示焊接電壓的波形的曲線圖。圖4(b)的橫軸表示時間，縱軸表示焊接電壓值。圖4(c)是表示進給速度的波形的曲線圖。圖4(c)的橫軸表示時間。圖4(c)的縱軸表示進給速度，其中正值表示正向進給側，負值表示反向進給側。此外，圖4(c)表示梯形波狀的進給速度，但是不限于此。進給速度的形狀也可以是正弦波狀、矩形波狀或者三角波狀。后述的圖6(c)也與此相同。
[0039]進給控制部U5從基本模式設定部U2獲取進給速度的基本模式，從頻率設定部U4獲取設定頻率，控制進給機構41使其以設定頻率按照基本模式反復進行正向進給和反向進給(參照圖4 (C))。由此，進給機構41以設定頻率反復使焊條44相對于工件W前進和后退。此外，在本實施方式中，進給機構41對焊條44的正向進給和反向進給，與機器人2對焊炬4的移送同時進行。
[0040]當正向進給焊條44時，在其中途，焊條44的熔融部接觸工件W，從而開始短路狀態。當反向進給焊條44時，在其中途，焊條44與工件W分離，從而開始電弧狀態。如此，對應于焊條44的正向進給和反向進給，反復成為短路狀態和電弧狀態。因此，當焊條44的正向進給和反向進給的周期TO伸縮時，與此相應地短路狀態的持續時間(以下，稱為“短路期間”)Ts和電弧狀態的持續時間Ta(以下，稱為“電弧期間”)也發生伸縮。
[0041]電力控制部U6從基本模式設定部U2獲取焊接電流和焊接電壓的基本模式，從電流計56和電壓計57分別獲取焊接電流值和焊接電壓值。電力控制部U6驅動開關電路51，以使焊接電流和焊接電壓按照基本模式發生變化。焊接電流和焊接電壓的基本模式設定為，在每個短路期間Ts和電弧期間Ta反復同一波形。
[0042]從短路狀態轉移到電弧狀態時，焊接電壓急劇上升(參照圖4(b))。根據該急劇上升，能檢測到開始電弧狀態。從電弧狀態轉移到短路狀態時，焊接電壓急劇下降。根據該急劇下降，能檢測到開始短路狀態。
[0043]短路期間Ts的焊接電流的波形設定為，在保持低電流的狀態后，隨著時間的經過電流逐漸增大(參照圖4(a))。焊接電流相對于經過時間的上升率，以時間tl為界發生轉折。時間tl以后的焊接電流的上升率相比時間tl以前的焊接電流的上升率平緩。電弧期間Ta的焊接電流的基本模式設定為，在保持大約恒定值后，隨著時間的經過電流逐漸減小。
[0044]電力控制部U6除了進行按照基本模式的控制之外，在從短路狀態轉移到電弧狀態時，進行使焊接電流降低的控制。由此，能夠減少飛濺。詳細而言，在從短路狀態轉移到電弧狀態之前，以使焊接電流降低的方式驅動開關電路51，在開始電弧狀態后，以使焊接電流上升的方式驅動開關電路51。降低焊接電流的定時，例如，能夠基于從開始短路狀態的經過時間進行檢測。也可以基于焊接電流值或者焊接電壓值檢測上述定時。另外，取代由開關電路51降低電流，也可以由切斷電路54切斷電流。取代由開關電路51增大電流，也可以由切斷電路54解除切斷。
[0045]如此，執行以設定頻率反復短路狀態和電弧狀態的控制。如上所述，設定頻率隨著必要線能量的增大而變小。當設定頻率變小時周期TO變長，從而每一個周期的電弧期間Ta也變長。因此，根據必要線能量的增大，能夠增大線能量。即，通過調節設定頻率能夠控制線能量。另一方面，即使設定頻率發生了改變，也不會對焊接電流產生很大影響，從而也不會對焊條44的消耗量產生很大影響。因此，能夠抑制焊接材料的消耗并且能夠控制線能量。
[0046]【第二實施方式】
[0047]第二實施方式涉及的電弧焊接裝置A2與電弧焊接裝置Al相比，焊接控制部58的功能結構不同。如圖5所示，電弧焊接裝置A2的焊接控制部58除了具有焊接條件獲取部U1、基板模式設定部U2、線能量計算部U3、頻率設定部U4、進給控制部U5和電力控制部U6之外，還具有速度設定部U7。
[0048]速度設定部U7根據頻率設定部U4設定的設定頻率，設定焊條44的前進速度和后退速度。具體而言，如下設定前進速度和后退速度:隨著設定頻率減小，后退速度的大小相對于前進速度的大小的比率增大。也可以不改變前進速度而增大后退速度的大小，也可以不改變后退速度而減小前進速度的大小，也可以減小前進速度的大小并且增大后退速度的大小。
[0049]速度設定部U7例如使用隨著設定頻率減小而后退速度的大小相對于前進速度的大小的比率增大的方式預先準備的函數，計算與設定頻率相對應的前進速度和后退速度。或者，參照以隨著設定頻率減小而后退速度的大小相對于前進速度的大小的比率增大的方式預先準備的表，選擇與設定頻率相對應的前進速度和后退速度。以下，將由速度設定部U7設定的前進速度和后退速度分別稱為“設定前進速度”和“設定后退速度”。
[0050]電弧焊接裝置A2的進給控制部U5從基本模式設定部U2獲取進給速度的基本模式，從頻率設定部U4獲取設定頻率，從速度設定部U7獲取設定前進速度和設定后退速度。然后，如下控制進給機構41，將設定前進速度作為正向進給時的進給速度，將設定后退速度作為反向進給時的進給速度，以設定頻率按照基本模式反復進行正向進給和反向進給。由此，進給機構41使焊條44相對于工件W以設定前進速度前進，并以設定后退速度后退，以設定頻率反復進行這種前進和后退。
[0051]如上所述,速度設定部U7隨著設定頻率減小,增大設定后退速度的大小相對于設定前進速度的大小的比率。圖6表示后退速度Sr的大小相對于前進速度Sf的大小的比率大于圖4的情況。圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)的各曲線圖所示的內容分別與圖4 (a)、圖4 (b)、圖4(c)相同。當增大后退速度Sr的大小相對于前進速度Sf的大小的比率時，從短路狀態向電弧狀態的轉移變快，如圖6所示，電弧期間Ta相對于短路期間Ts的比率增大。由此，每個周期的電弧期間Ta進一步變長，從而能夠進一步增加線能量。即，通過調節設定頻率，并且調節后退速度的大小相對于前進速度的大小的比率，能夠進一步大范圍地控制線能量。另一方面，即使后退速度的大小相對于前進速度的大小的比率發生變化，對焊接電流也不會產生較大影響，從而對焊條44的消耗量也不產生較大影響。因此，能夠抑制焊接材料的消耗并且能夠進一步大范圍地控制線能量。
[0052]如上所述，焊接控制部58具有焊接條件獲取部U1、基本模式設定部U2、線能量計算部U3、頻率設定部U4、進給控制部U5和電力控制部U6，進一步還具有速度設定部U7。上述內容，以功能模塊各自執行的功能為例，說明了作為焊接控制部58作為控制進給機構41和開關電路51來執行本實施方式涉及的電弧焊接方法的計算機，所應該具備的如下功能:獲取焊接條件；根據所述焊接條件計算必要線能量；設定短路狀態和電弧狀態的頻率，使得所述頻率隨著所述必要線能量增大而減小；以及以所述頻率反復使焊接材料相對于工件前進和后退。并進一步可以設定所述焊接材料的前進速度和后退速度，使得所述后退速度的大小相對于所述前進速度的大小的比率隨著所述頻率減小而增大，并使所述焊接材料相對于所述工件以所述前進速度前進，并以所述后退速度后退。因此本發明實施方式中的一種電弧焊接系統，具有焊接材料的驅動部；焊接機器人，其搭載所述驅動部；以及焊接控制部，其獲取焊接條件；根據所述焊接條件計算必要線能量；設定短路狀態和電弧狀態的頻率，使得所述頻率隨著所述必要線能量增大而減小；以及使所述驅動部以所述頻率反復使焊接材料相對于工件前進和后退。進而所述的焊接控制部，還設定所述焊接材料的前進速度和后退速度，使得所述后退速度的大小相對于所述前進速度的大小的比率隨著所述頻率減小而增大，并使所述焊接材料相對于所述工件以所述前進速度前進，并以所述后退速度后退。如前所述，焊接機器人搭載驅動部的方式可以是前述實施方式中給出的保持并移動所述驅動部的方式。
[0053]以上，說明了本發明優選的實施方式，但是本發明不一定限于上述實施方式，在不脫離其主旨的范圍內，能夠進行各種各樣的改變。例如，外部控制器6也可以不一定內置在機器人控制器3中。外部控制器6也可以是單獨的一個單元，也可以與焊接電源5呈一體。
【權利要求】
1.一種電弧焊接裝置，在反復產生短路狀態和電弧狀態的同時進行焊接，其特征在于，具有: 條件獲取部，其獲取焊接條件； 線能量計算部，其根據所述焊接條件計算必要線能量； 頻率設定部，其設定所述短路狀態和所述電弧狀態的頻率，使得所述頻率隨著所述必要線能量增大而減小；以及 驅動部，其以所述頻率反復使焊接材料相對于工件前進和后退。
2.如權利要求1所述的電弧焊接裝置，其特征在于， 所述焊接條件包括焊縫寬度、焊透深度、所述工件的厚度、焊接電流值、焊接電壓值、以及所述焊接材料的進給速度中的至少一種。
3.如權利要求1或2所述的電弧焊接裝置，其特征在于， 所述電弧焊接裝置還具有速度設定部，所述速度設定部設定所述焊接材料的前進速度和后退速度，使得所述后退速度的大小相對于所述前進速度的大小的比率隨著所述頻率減小而增大， 所述驅動部使所述焊接材料相對于所述工件以所述前進速度前進，并以所述后退速度后退。
4.一種電弧焊接系統，其特征在于，具有: 權利要求1至3中任一項所述的電弧焊接裝置；以及 焊接機器人，其保持并移動所述驅動部。
5.一種電弧焊接方法，是利用在反復產生短路狀態和電弧狀態的同時進行焊接的電弧焊接裝置執行的方法，其特征在于，包括: 獲取焊接條件； 根據所述焊接條件計算必要線能量； 設定所述短路狀態和所述電弧狀態的頻率，使得所述頻率隨著所述必要線能量增大而減小；以及 以所述頻率反復使焊接材料相對于工件前進和后退。
6.一種電弧焊接系統，其特征在于，具有: 焊接材料的驅動部； 焊接機器人，其搭載所述驅動部；以及 焊接控制部，其獲取焊接條件，根據所述焊接條件計算必要線能量，設定短路狀態和電弧狀態的頻率，使得所述頻率隨著所述必要線能量增大而減小，以及使所述驅動部以所述頻率反復使焊接材料相對于工件前進和后退。
7.如權利要求6所述的電弧焊接系統，其特征在于，所述的焊接控制部，還設定所述焊接材料的前進速度和后退速度，使得所述后退速度的大小相對于所述前進速度的大小的比率隨著所述頻率減小而增大，并使所述焊接材料相對于所述工件以所述前進速度前進，并以所述后退速度后退。
8.一種電弧焊接裝置，其特征在于，具有: 條件獲取部，用于獲取焊接條件； 線能量計算部，用于根據所述焊接條件計算必要線能量； 頻率設定部，用于設定短路狀態和電弧狀態的頻率，使得所述頻率隨著所述必要線能量增大而減小；以及， 進給控制部，用于以所述頻率反復使焊接材料相對于工件前進和后退。
9.如權利要求8所述的電弧焊接裝置，其特征在于， 所述焊接條件包括焊縫寬度、焊透深度、所述工件的厚度、焊接電流值、焊接電壓值、以及所述焊接材料的進給速度中的至少一種。
10.如權利要求8或9所述的電弧焊接裝置，其特征在于， 所述電弧焊接裝置還具有速度設定部，所述速度設定部設定所述焊接材料的前進速度和后退速度，使得所述后退速度的大小相對于所述前進速度的大小的比率隨著所述頻率減小而增大， 所述進給控制部，使所述焊接材料相對于所述工件以所述前進速度前進，并以所述后退速度后退。
【文檔編號】B23K9/10GK104227188SQ201410184139
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年5月4日 優先權日:2013年6月7日
【發明者】村上真史, 坂本大地 申請人:株式會社安川電機