专利名称：等离子小孔焊接方法以及等离子小孔焊接系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及等离子小孔(plasma key hole)焊接方法以及等离子小孔焊接系统。
技术背景
等离子小孔焊接方法在对母材焊接例如I形坡口的对接接头时，通过水冷却后的 喷嘴和等离子气体的气体流对一般将钨电极作为阴极进行放电时的电弧进行限制。并且， 该等离子小孔焊接方法是下述的焊接，即使产生集中性良好的高温等离子流，该高温等离 子流在焊接线上一边于熔池的前端形成贯通母材的小孔一边移动。对于该焊接来说，电弧 热直接被提供直到到达背面为止，背面的焊接也能适当进行。等离子小孔焊接方法例如在 专利文献I中记载。在专利文献I中记载的方法中，在停止焊炬的状态下形成小孔，在该小 孔贯通之后，开始焊炬的移动。在该方法中，试图从焊接开始之后立即形成漂亮的焊道。
在等离子小孔焊接方法中，如果上述小孔贯通为止所需的时间较长，则开始稳定 焊接较晚，焊接作业的作业效率降低。由此，在进行这样的等离子小孔焊接方法时，为了提 前开始焊接作业，希望更早地使小孔贯通。
专利文献I JP特公平02-18953号公报发明内容
本发明鉴于上述事项而做出，课题主要在于，提供一种能够更早地使小孔贯通的 等离子小孔焊接方法以及等离子小孔焊接系统。
基于本发明的第一侧面，提供一种等离子小孔焊接方法，其中，该等离子小孔焊接 方法包括在等离子电极和母材之间对电弧进行引弧，通过上述电弧使小孔贯通的工序； 以及在上述小孔贯通之后，使上述等离子电极相对于上述母材移动，并且进行稳定焊接的 工序；上述使小孔贯通的工序包括在作为从上述小孔的形成开始之时起到上述小孔贯通之 时止的期间的小孔形成期间中，使在上述等离子电极和上述母材之间流动的焊接电流作为 频率为初始频率的脉冲电流进行流动的工序；上述进行稳定焊接的工序包括使上述焊接电 流作为频率为稳定频率的脉冲电流进行流动的工序，上述初始频率比稳定频率小。
优选，上述使小孔贯通的工序中的上述焊接电流的绝对值的时间平均值以及上述 进行稳定焊接的工序中的上述焊接电流的绝对值的时间平均值相互相同。
优选，上述使小孔贯通的工序包括在上述小孔形成期间中，使向上述母材喷出的 等离子气体按照初始气体流量喷出的工序，上述进行稳定焊接的工序包括使上述等离子气 体按照稳定气体流量喷出的工序，上述初始气体流量比上述稳定气体流量大。
优选,还包括通过初始频率计算电路使上述稳定频率的值减少从而计算上述初始 频率的值的工序。
优选，上述使小孔贯通的工序包括将沿着上述母材的焊接行进方向的上述等离子 电极相对于上述母材的速度即移动速度设定为初始速度的工序，上述进行稳定焊接的工序 包括将上述移动速度设定为稳定速度的工序，上述初始速度比上述稳定速度小。
基于本发明的第二侧面，提供一种等离子小孔焊接系统，其中，该等离子小孔焊接系统包括输出电路，其使脉冲电流在等离子电极和母材之间流动；初始频率存储部，其存储初始频率的值；稳定频率存储部，其存储稳定频率的值；以及小孔贯通探测电路，其在探测到在上述母材中小孔贯通了的情况下，生成小孔贯通探测信号；上述输出电路在生成上述小孔贯通探测信号之前，将频率设为上述初始频率使上述脉冲电流流动，并且，在生成上述小孔贯通探测信号之后，将频率设为上述稳定频率使上述脉冲电流流动。
优选，还包括设定电流值存储部，该设定电流值存储部存储设定电流值，上述输出电路在生成上述小孔贯通探测信号之前以及生成上述小孔贯通探测信号之后的任意一种情况下，将绝对值的时间平均值设为上述设定电流值使上述脉冲电流流动。
优选，还包括气体流量控制电路，其对向上述母材喷出的等离子气体的流量即气体流量进行控制；初始气体流量存储部，其存储初始气体流量的值；以及稳定气体流量存储部，其存储稳定气体流量的值；上述气体流量控制电路在生成上述小孔贯通探测信号之前，将上述气体流量设定为上述初始气体流量，并且，在生成上述小孔贯通探测信号之后， 将上述气体流量设定为上述稳定气体流量。
优选，还包括初始频率计算电路，该初始频率计算电路将使存储在上述稳定频率存储部中的稳定频率的值减少后得到的值作为上述初始频率而存储在上述初始频率存储部中。
优选，还包括动作控制电路，其对沿着上述母材的焊接行进方向的上述等离子电极相对于上述母材的速度即移动速度进行控制；初始速度存储部，其存储初始速度的值； 以及稳定速度存储部，其存储稳定速度的值；上述动作控制电路在生成上述小孔贯通探测信号之前，将上述移动速度设定为上述初始速度，并且，在生成上述小孔贯通探测信号之后,将上述移动速度设定为上述稳定速度。
通过这样的构成，能够使小孔更早地贯通。
本发明的其他的特征以及优点通过参照附图在以下进行的详细说明能够更明确。
图
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图面图。
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图1是表示本发明的第一实施方式的等离子小孔焊接系统的构成的图。.2是表示图1所示的焊接焊炬的部分放大剖面图。.3是表示图1的稳定焊接开始判断电路的内部构成的方框图。.4是表示本发明的第一实施方式的等离子小孔焊接方法的一例的时序图。.5是详细表示焊接电流的波形的一例的图。.6是详细表示焊接电流的波形的一例的图。.7是详细表示焊接电流的波形的一例的图。.8是表示本发明的第一实施方式的等离子小孔焊接方法中的母材的状态的剖.9是表示在进行等离子小孔焊接时希望的焊接状态的图。.10是表示在进行等离子小孔焊接时产生的不合适例子的图。.11是表示在进行等离子小孔焊接时产生的不合适例子的图。.12是表示小孔形成期间中的熔池的表面的剖面图。
图13是表示本发明的第一实施方式的第一变形例的等离子小孔焊接系统的构成的图。
符号说明
Al等离子小孔焊接系统
AU等离子小孔焊接系统
I焊接机器人
11焊接焊炬
111喷嘴
112等离子电极
12机械手
2机器人控制装置
21动作控制电路
23不教器
251初始速度存储部
252稳定速度存储部
3焊接电源装置
31输出电路
311电源电路
312频率控制电路
313电流控制电路
314电流检测电路
315电流误差计算电路
32电压检测电路
33稳定焊接开始判断电路
331小孔贯通探测电路
341绝对值运算电路
342低通滤波器
343电压变动检测电路
332比较电路
35气体流量控制电路
361初始频率存储部
362稳定频率存储部
364设定电流值存储部
365初始气体流量存储部
366稳定气体流量存储部
37初始频率计算电路
4气体供给装置
881熔池
882表面
886 部位889 小孔al 电弧Bthl 基准值Bth2 基准值Bth3 基准值BV微分电路Bv电压微分信号CM1比较电路Cml小孔形成开始信号CM2比较电路Cm2小孔贯通探测信号Cm3稳定焊接开始指示信号Dr焊接行进方向Ei电流误差信号Ff 频率Ffs频率设定信号ffl初始频率ff2稳定频率la时间平均值Id电流检测信号Iep电极正极性电流Ien电极负极性电流Iepp最大绝对值Ienp最大绝对值Inp电极负极性峰值电流Inb电极负极性基值电流Ir电流设定信号irl设定电流值Iw焊接电流Ms动作控制信号PG等离子气体Pgs气体流量设定信号Vw焊接电压VR移动速度St焊接开始信号pgl初始气体流量pg2稳定气体流量Te2 周期
Te 周期
Ten电极负极性期间
Tep电极正极性期间
tl 时刻
t2 时亥Ij
t3 时刻
t4 时刻
Va电压绝对值信号
Vd电压检测信号
Vf成形电压信号
Vs小孔形成开始基准电压信号
VS小孔形成开始基准电压设定电路
vrl初始速度
vr2稳定速度
W 母材具体实施方式
以下，针对本发明的实施方式，参照附图具体说明。
〈第一实施方式〉
使用图1 图12，说明本发明的第一实施方式。
图1是表示本发明的第一实施方式的等离子小孔焊接系统的构成的图。
图1所示的等离子小孔焊接系统Al包括焊接机器人1、机器人控制装置2、焊接 电源装置3、气体供给装置4。
焊接机器人I包括焊接焊炬11和机械手12。
如图2所示，焊接焊炬11具有喷嘴111和等离子电极112。喷嘴111是由例如铜 等金属构成的筒状部件。喷嘴111适当具有水冷却构造。等离子电极112是非消耗电极。 等离子电极112例如是由钨构成的金属棒。等离子电极112是用于在与母材W之间施加焊 接电压Vw的电极。从喷嘴111按照使等离子气体PG包围等离子电极112的方式来喷出等 离子气体PG。等离子气体PG例如是Ar。通过在等离子电极112和母材W之间施加焊接电 压Vw，将等离子气体PG作为媒介来产生电弧al。在电弧al产生之时，在等离子电极112 和母材W之间流过焊接电流Iw。机械手12保持焊接焊炬11。机械手12例如是多关节机 器人。母材W例如由铝、铝的合金、或者不锈钢构成。
气体供给装置4是用来供给向母材W喷出的等离子气体PG的装置。气体供给装 置4的等离子气体PG的供给量(即来自喷嘴111的等离子气体PG的喷出量)由后述的气 体流量设定信号Pgs决定。
机器人控制装置2包括动作控制电路21、示教器23、初始速度存储部251、稳定速 度存储部252。机器人控制装置2是用来控制焊接机器人I的动作的装置。
示教器23与动作控制电路21连接。示教器23是用于等离子小孔焊接系统Al的 用户设定各种动作的装置。示教器23在从等离子小孔焊接系统Al的用户接受开始焊接的指示后，发送焊接开始信号St。
初始速度存储部251存储初始速度vrl的值。初始速度vrl例如从示教器23输 入并经由动作控制电路21存储在初始速度存储部251中。稳定速度存储部252存储稳定 速度vr2的值。稳定速度vr2的值例如从示教器23输入并经由动作控制电路21存储在稳 定速度存储部252中。
动作控制电路21具有未图示的微型计算机以及存储器。该存储器中存储有设定 焊接机器人I的各种动作的作业程序。此外，动作控制电路21控制等离子电极112的移动 速度VR。移动速度VR是沿着母材W的焊接行进方向Dr的等离子电极112相对于母材W的 速度。动作控制电路21基于上述作业程序、来自编码器的坐标信息、以及移动速度VR等， 对焊接机器人I发送动作控制信号Ms。焊接机器人I接受动作控制信号Ms，对电动机(省 略图示)进行旋转驱动。由此，焊接焊炬11或者移动到母材W中的规定的焊接开始位置， 或者沿着母材W的面内方向进行移动。
动作控制电路21在生成后述的小孔贯通探测信号Cm2(参照图4(e))之前，将移 动速度VR设定为初始速度vrl。另一方面，动作控制电路21在生成小孔贯通探测信号Cm2 之后，将移动速度VR设定为稳定速度vr2。在本实施方式中，动作控制电路21从示教器23 接受焊接开始信号St并发送至焊接电源装置3。
焊接电源装置3是用于在等离子电极112和母材W之间施加焊接电压Vw使焊接 电流Iw流过的装置。焊接电源装置3包括输出电路31、电压检测电路32、稳定焊接开始判 断电路33、气体流量控制电路35、初始频率存储部361、稳定频率存储部362、设定电流值存 储部364、初始气体流量存储部365、以及稳定气体流量存储部366。
初始频率存储部361存储初始频率ffl的值。稳定频率存储部362存储稳定频率 fT2的值。设定电流值存储部364存储设定电流值irl。初始气体流量存储部365存储初 始气体流量Pgl的值。稳定气体流量存储部365存储稳定气体流量pg2。初始频率ffl、稳 定频率ff2、设定电流值irl、初始气体流量pgl、以及稳定气体流量pg2的值例如从示教器 23输入并经由动作控制电路21存储在各存储部中。
输出电路31是用于使焊接电流Iw在等离子电极112和母材W之间按照指示的值 流动的电路。在本实施方式中，焊接电流Iw是脉冲电流。输出电路31具有电源电路311、 频率控制电路312、电流控制电路313、电流检测电路314、电流误差计算电路315。
电源电路311将例如3相200V等的商用电源作为输入，按照后述的电流误差信号 Ei来进行逆变器控制、半导体闸流管(thyristor)相位控制等的输出控制，输出焊接电压 Vw以及焊接电流Iw。电源电路311从动作控制电路21接受焊接开始信号St。
频率控制电路312对作为脉冲电流的焊接电流Iw的频率Ff进行控制。频率控制 电路312与初始频率存储部361以及稳定频率存储部362连接。频率控制电路312将用于 控制频率Ff的频率设定信号Ffs发送至电源电路311。具体来说，在生成后述的小孔贯通 探测信号Cm2 (参照图4 (e))之前，频率控制电路312将用于使频率Ff为初始频率ffl的 焊接电流Iw流动的频率设定信号Ffs发送至电源电路311。由此，电源电路311 (即输出电 路31)在生成小孔贯通探测信号Cm2之前，使频率Ff为初始频率ffl的脉冲电流作为焊接 电流Iw流动。另一方面，在生成小孔贯通探测信号Cm2之后，频率控制电路312将用于使 频率Ff为稳定频率ff2的焊接电流Iw流动的频率设定信号Ffs发送至电源电路311。由此，电源电路311 (即输出电路31)在生成小孔贯通探测信号Cm2之后，使频率Ff为稳定频率ff2的脉冲电流作为焊接电流Iw流动。另外，频率控制电路312从动作控制电路21接受焊接开始信号St。
电流检测电路314是用于检测在等离子电极112和母材W之间流动的焊接电流Iw 的值的电路。电流检测电路314发送与焊接电流Iw相对应的电流检测信号Id。电流误差计算电路315是用来计算实际流动的焊接电流Iw的值和设定的焊接电流的值之差△ Iw的电路。具体来说，电流误差计算电路315接受电流检测信号Id和与设定的焊接电流的值相对应的后述的电流设定信号Ir，发送与差AIw相对应的电流误差信号Ei。另外，电流误差计算电路315也可以将与放大差△ Iw之后得到的值相对应的信号作为电流误差信号Ei来发送。
电流控制电路313是用来设定在等离子电极112和母材W之间流动的焊接电流Iw 的绝对值的时间平均值Ia的电路。电流控制电路313基于存储在设定电流值存储部364中的设定电流值irl，来生成用来指示焊接电流Iw的绝对值的时间平均值Ia的电流设定信号 Ir。并且，电流控制电路313将生成的电流设定信号Ir发送至电流误差计算电路315。在本实施方式中，电流控制电路313在生成后述的小孔贯通探测信号Cm2 (参照图4(e))之前以及生成小孔贯通探测信号Cm2之后的任意情况下，都发送用于使绝对值的时间平均值Ia 为设定电流值irl的焊接电流Iw流动的电流设定信号Ir。由此，电源电路311 (即输出电路31)在生成小孔贯通探测信号Cm2之前以及生成小孔贯通探测信号Cm2之后的任意情况下，都将绝对值的时间平均值Ia作为设定电流值irl，使焊接电流Iw流动。
电压检测电路32是用来检测等离子电极112和母材W之间的焊接电压Vw的值的电路。电压检测电路32发送与焊接电压Vw的值相对应的电压检测信号Vd。
稳定焊接开始判断电路33从电压检测电路32接受电压检测信号Vd。稳定焊接开始判断电路33基于电压检测信号Vd，判断是否开始了稳定焊接。稳定焊接开始判断电路33如果判断为应当开始稳定焊接，则将稳定焊接开始指示信号Cm3发送至频率控制电路 312 (即输出电路31)、气体流量控制电路35、和动作控制电路21。
如图3所示，在本实施方式中，稳定焊接开始判断电路33具有小孔贯通探测电路 331和比较电路332。小孔贯通探测电路331如果探测到在母材W中小孔889贯通了的情况，则生成小孔贯通探测信号Cm2，并发送至比较电路332。
具体来说，小孔贯通探测电路331具有绝对值运算电路341、低通滤波器342、电压变动检测电路343。
向绝对值运算电路341输入电压检测信号Vd。绝对值运算电路341计算输入的电压检测信号Vd的绝对值。并且，绝对值运算电路341将该运算的结果作为电压绝对值信号Va输出。向低通滤波器342输入电压绝对值信号Va。低通滤波器342进行去除输入的电压绝对值信号Va的高频成分，而仅仅使低频成分通过的运算。并且，低通滤波器342将该运算的结果作为成形电压信号Vf输出。另外，绝对值运算电路341在电压绝对值信号Va 不是交流而是直流的情况下不需要。
电压变动检测电路343是用于检测成形电压信号Vf的变动的电路。电压变动检测电路343检测成形电压Vf的变动，是为了检测小孔889贯通的时 刻而设置的。电压变动检测电路343具有微分电路BV、比较电路CMl、小孔形成开始基准电压设定电路VS、以及比较电路CM2。
向微分电路BV输入成形电压信号Vf。微分电路BV计算输入的成形电压信号Vf的 时间微分值，输出电压微分信号Bv。向比较电路CMl输入电压微分信号Bv。比较电路CMl 在该电压微分信号Bv成为预定的基准值Bthl以下的情况下，判断为小孔889的形成开始。 此时，比较电路CMl输出仅短时间成为High电平的小孔形成开始信号Cml。
向小孔形成开始基准电压设定电路VS输入小孔形成开始信号Cml、成形电压信号 Vf。小孔形成开始基准电压设定电路VS将输入小孔形成开始信号Cml时的成形电压信号 Vf设定为小孔形成开始基准电压信号Vs。并且，小孔形成开始基准电压设定电路VS输出 小孔形成开始基准电压信号Vs。
向比较电路CM2输入小孔形成开始基准电压信号Vs和成形电压信号Vf。比较电 路CM2在小孔形成开始基准电压信号Vs和成形电压信号Vf之差成为由等离子气体PG的 种类等预先规定的基准值Bth2以上的情况下，判断为小孔889贯通了。此时，比较电路CM2 输出仅短时间成为High电平的小孔贯通探测信号Cm2。
比较电路332接受小孔贯通探测信号Cm2以及电压微分信号Bv。比较电路332在 接受小孔贯通探测信号Cm2之后电压微分信号Bv达到预先规定的基准值Bth3以下时，判 断为适当形成焊接背面焊道，且小孔889成为适当大小。此时，比较电路332判断为应当开 始稳定焊接，发送仅短时间成为High电平的稳定焊接开始指示信号Cm3。稳定焊接开始指 示信号Cm3被发送到频率控制电路312 (即输出电路31)、气体流量控制电路35、和动作控 制电路21。
气体流量控制电路35是用来控制作为向母材W喷出的等离子气体PG的流量的气 体流量的电路。气体流量控制电路35与初始气体流量存储部365以及稳定气体流量存储 部366连接。气体流量控制电路35将用于控制等离子气体PG的气体流量的气体流量设定 信号Pgs发送至气体供给装置4。气体流量控制电路35在生成小孔贯通探测信号Cm2 (参 照图4(e))之前，将用于将等离子气体PG的气体流量设定为初始气体流量pgl的气体流量 设定信号Pgs发送至气体供给装置4。由此，气体供给装置4在生成小孔贯通探测信号Cm2 之前，按照气体流量成为初始气体流量Pgl的方式来喷出等离子气体PG。另一方面，气体流 量控制电路35在生成小孔贯通探测信号Cm2之后，将用于将等离子气体PG的气体流量设 定为稳定气体流量Pg2的气体流量设定信号Pgs发送至气体供给装置4。由此，气体供给装 置4在生成小孔贯通探测信号Cm2之后，按照气体流量为稳定气体流量pg2的方式来喷出 等离子气体PG。另外，气体流量控制电路35从动作控制电路21发送焊接开始信号St。
接着，进一步使用图4以及图8来说明使用了等离子小孔焊接系统Al的等离子小 孔焊接方法的一例。
图4(a)表不电压检测信号Vd的时间变化，(b)表不电压绝对值信号Va的时间变 化，(c)表示成形电压信号Vf的时间变化，(d)表示小孔形成开始信号Cml的时间变化，(e) 表示小孔贯通探测信号Cm2的时间变化，(f)表示稳定焊接开始指示信号Cm3的时间变化， (g)表示等离子电极112的移动速度VR的时间变化，(h)表示焊接开始信号St的时间变化， ⑴表示焊接电流Iw的绝对值的时间平均值Ia的时间变化，(j)表示焊接电流Iw的脉冲 的频率Ff的时间变化，(k)表示等离子气体PG的气体流量的时间变化。
图8(s_l)、(s-2)、(s-3)分别与图 4 (s_l)、(s_2)、(s_3)的电弧 al 以及母材 W 的状态相对应。
图4(a)所示的电压检测信号Vd表示具有峰值和基值的交流脉冲波形电压信号。
〈时刻tl 时刻t2>
在时刻tl，来自外部的焊接开始信号St经由示教器23输入动作控制电路21后， 动作控制电路21向输出电路31 (具体来说，电源电路311以及频率控制电路312)发送焊 接开始信号St。这样，电源电路311在等离子电极112和母材W之间施加焊接电压VwJf 电弧al引弧。然后，开始焊接电流Iw的通电。
如图4(i)所示，在时刻tl，输出电路31接受焊接开始信号St后，开始通电绝对值 的时间平均值Ia为设定电流值irl的焊接电流Iw。设定电流值irl是例如240A左右。
在时刻tl，频率控制电路312接受焊接开始信号St后，作为频率Ff为初始频率 ffl的脉冲电流，将用于使焊接电流Iw流动的频率设定信号Ffs发送至电源电路311。由 此，如图4(j)所示，电源电路311 (即输出电路31)开始通电焊接电流Iw，作为频率Ff为初 始频率ffl的脉冲电流。初始频率ffl是例如2 10Hz，优选为5 6Hz。初始频率ffl 的值有时根据母材W的种类和母材W的厚度而不同。
这里，参照图5来说明焊接电流Iw的波形。图5是表示焊接电流Iw的大致脉冲2 个周期的图表。另外，图5中的时间的比例尺(scale)与图4中的时间的比例尺相比极小。 图5所示的焊接电流Iw的绝对值的时间平均值Ia与图4(i)所示的时间平均值Ia —致。
在图5中，表示焊接电流Iw的纵轴将等离子电极112成为阳极时流过的电流作为 正。根据图5来理解，焊接电流Iw是在周期Te中取电极正极性电流Iep和电极负极性电 流Ien各I次的交流电流。电极正极性电流Iep是等离子电极112为阳极、母材W为阴极 的状态下流动的电流。电极负极性电流Ien是等离子电极112为阴极、母材W为阳极的状 态下流动的电流。
电极负极性电流Ien成为具有周期Te2的脉冲电流。周期Te2比电极负极性期间 Ten更短。在该周期Te2期间，电极负极性电流Ien取电极负极性峰值电流Inp和电极负极 性基值电流Inb各I次。
在图5中，用虚线表示电极负极性电流Ien的绝对值。进一步地,在图5中,表示 焊接电流Iw的时间平均值la。如上所述，图5的时间平均值Ia与图4(i)的时间平均值Ia 一致。
并且，频率Ff和周期Te之间的关系如以下所示。
Ff = I/Te
此外，EN比率使用周期Te、电极负极性期间Ten、乃至电极正极性期间T印由以下 的式子规定。
EN 比率(% ) = Ten/Te XlOO
= Ten/ (Ten+Tep)X100
为了使频率Ff变化，例如不使EN比率以及时间平均值Ia任一个变化，而使电极 负极性期间Ten以及电极正极性期间Tep的任一个变化。其中，使频率Ff变化并不限定于 此，也可以一面使EN比率变化一面调整频率Ff。此外，为了使时间平均值Ia变化，例如，不 使EN比率变化,而使最大绝对值I印P的值和最大绝对值Ienp等变化。
焊接电流Iw的波形不限于图5所示，也可以是如图6、图7所示。
在时刻tl，气体流量控制电路35接受焊接开始信号St后，将用于将等离子气体 PG的气体流量设定为初始气体流量pgl的气体流量设定信号Pgs发送至气体供给装置4。 由此，如图4(k)所示，气体供给装置4按照气体流量为初始气体流量pgl的方式而开始喷 出等离子气体PG。初始气体流量pgl例如是2. 3 2. 5L/min。
在时刻tl，动作控制电路21接受焊接开始信号St后，如图4 (g)所示，将用于将移 动速度VR设定为初始速度vrl的动作控制信号Ms发送至焊接机器人I。由此，等离子电极 112的移动速度VR成为初始速度vrl。在本实施方式中，初始速度vrl为0，从时刻tl至时 刻t4之间，在焊接行进方向Dr，等离子电极112相对母材W停止。与本实施方式不同，移动 速度VR可以不是O。例如，在从时刻tl至时刻t4之间，在焊接行进方向Dr，也可以使等离 子电极112相对母材W稍稍移动。
图3的绝对值运算电路341计算与焊接电压Vw相对应的电压检测信号Vd的绝对 值，发送图4(b)所示的电压绝对值信号Va。低通滤波器342去除电压绝对值信号Va的高 频成分，输出图4(c)所示的成形电压信号Vf。如图8(s-l)所示，在时刻tl以后，电弧al 在母材W的表面形成熔池881。在开始形成熔池881之时，电弧al不稳定。由此，成形电压 信号Vf易于变动。
<时刻t2 时亥Ij t3 (小孔形成期间)>
如图4(c)所示，成形电压信号Vf上升，如果成为时刻t2，则电弧al稳定。由此， 在时刻t2以后，成形电压信号Vf的上升率变小。图3的比较电路CMl在对成形电压信号 Vf进行时间微分后得到的电压微分信号Bv成为预定的基准值Bthl以下的情况下，判断为 电弧al在母材W中开始挖掘小孔889，小孔889开始形成。如果判断为小孔889开始形成， 则比较电路CMl如图4(d)所示，输出仅短时间成为High电平的小孔形成开始信号Cml。小 孔形成开始基准电压设定电路VS接受小孔形成开始信号Cml后，将输入该小孔形成开始信 号Cml时的成形电压信号Vf设定为小孔形成开始基准电压信号Vs (参照图4(c))。如图 8 (s-2)所示，在时刻t2以后，小孔889的形成继续，熔池881的表面882缓缓降低。另外， 从小孔889开始形成时(时刻t2)开始至小孔889贯通时(后述的时刻t3)为止的期间为 小孔形成期间。
如图4(g)所示，在小孔形成期间(时刻t2 时刻t3)中，等离子电极112的移动 速度VR是初始速度vrl。在本实施方式中，如上所述，初始速度vrl为0，等离子电极112相 对于母材W停止。如图4(i)所示，在小孔形成期间(时刻t2 时刻t3)中，焊接电流Iw的 绝对值的时间平均值Ia为设定电流值irl。如图4(j)所示，在小孔形成期间(时刻t2 时刻t3)中，作为频率Ff为初始频率ffl的脉冲电流，焊接电流Iw流动。如图4 (k)所示， 小孔形成期间(时刻t2 时刻t3)中，使等离子气体PG按照初始气体流量pgl被喷出。
〈时刻t3 时刻t4>
在时刻t3，如图8(s_3)所示，在母材W中小孔889贯通。在小孔889贯通了时， 在时刻t3，如图4(c)所示，成形电压信号Vf和小孔形成开始基准电压信号Vs之差比预先 规定的基准值Bth2大。该情况下，比较电路CM2判断为小孔889贯通了。这样，如图4(e) 所示，比较电路CM2将小孔贯通探测信号Cm2发送至比较电路332。在小孔889刚刚贯通 之后，成形电压信号Vf在小孔889的贯通的影响下处于不稳定。从小孔889贯通了的时刻 t3开始一会之后，成形电压信号Vf减少后焊接电压Vw稳定，成形电压信号Vf的减少率变小。
〈时刻t4以后〉
在时刻t4，图3的比较电路332在电压微分信号Bv达到预定的基准值Bth3以下 时，判断为焊接背面焊道适当形成，并且小孔889成为适当大小。此时，如图4(f)所示，比 较电路332判断为应当开始稳定焊接，发送仅短时间成为High电平的稳定焊接开始指示信 号 Cm3。
在时刻t4，频率控制电路312接受稳定焊接开始指示信号Cm3后，作为频率Ff为 稳定频率f f 2的脉冲电流，将用于使焊接电流Iw流动的频率设定信号Ffs发送至电源电路 311。由此，如图4 (j)所示，从时刻t4开始，作为频率Ff为稳定频率ff2的脉冲电流，电源 电路311 (即输出电路31)开始通电焊接电流Iw。初始频率ffl比稳定频率ff2小。稳定 频率ff2例如是10 20Hz。
在时刻t4，如果气体流量控制电路35接受稳定焊接开始指示信号Cm3，则将用于 将等离子气体PG的气体流量设定为稳定气体流量pg2的气体流量设定信号Pgs发送至气 体供给装置4。由此，如图4(k)所示，从时刻t4开始，气体供给装置4按照气体流量为稳定 气体流量Pg2的方式开始喷出等离子气体PG。初始气体流量pgl比稳定气体流量pg2大。 稳定气体流量Pg2例如为2. OL/min。
在时刻t4，如果动作控制电路21接受稳定焊接开始指示信号Cm3，则如图4(g)所 示，将用于将移动速度VR设定为稳定速度vr2的动作控制信号Ms发送至焊接机器人I。由 此，等离子电极112的移动速度VR成为稳定速度vr2。初始速度vrl比稳定速度vr2小。 在本实施方式中，从时刻t4开始，焊接行进方向Dr的等离子电极112相对于母材W的移动 开始。
在时刻t4以后，也如图⑴所示，绝对值的时间平均值Ia仍旧为设定电流值irl。 gp，时刻t2 时刻t3 (小孔形成期间)中的焊接电流Iw的绝对值的时间平均值Ia和进行 时刻t4以后的稳定焊接的工序中的焊接电流Iw的绝对值的时间平均值Ia相互相同。
如以上，从时刻t4开始，开始进行稳定焊接的工序，进行相对于母材W的焊接。由 此，如图9所示，在母材W的表面沿着焊接行进方向Dr形成焊接表面焊道，在母材W的背面 沿着焊接行进方向Dr形成焊接背面焊道。时刻tl 时刻t2以及时刻t3 时刻t4的各 个长度与时刻t2 时刻t3的长度相比非常短。时刻t2 时刻t3的长度例如为10秒左 右。
接着，说明本实施方式的作用效果。
基于本实施方式，能够更早地使小孔889贯通。其理由如下。
首先，以往以来在谋求缩短焊接所需的时间。如果降低稳定速度vr2，则焊接所需 的时间增加，不能实现焊接所需时间的缩短。由此，至少在进行时刻t4以后的稳定焊接的 工序中，不太能降低稳定速度vr2。
在本实施方式中，焊接电流Iw是脉冲电流。由此，周期性地重复易于热输入到母 材W的期间和难以热输入到母材W的期间。例如，图5的电极正极性电流Iep和电极负极 性峰值电流Inp流动的期间是易于热输入到母材W的期间。另一方面，电极负极性基值电 流Inb流动的期间是难以热输入到母材W的期间。此外，例如，图6或图7的电极负极性电 流Ien流动的电极负极性期间Ten是易于热输入到母材W的期间。另一方面，电极正极性电流Iep流动的电极正极性期间Tep是难以热输入到母材W的期间。由此，在不太降低稳 定速度vr2而进行焊接的情况下，如果过于减小稳定频率fT2，则可能会在母材W中产生仅 仅在难以热输入的期间照射电弧al的部位。这样，可能会在母材W中产生几乎不热输入的 部位。如果产生不热输入到母材W的部位，则焊接表面焊道和焊接背面焊道的宽度变细，或 者，如图10所示，会产生不生成小孔889等的不合适。由以上，不太能减小稳定频率ff2，需 要将其设为某程度以上的大小。
图12表示时刻t2 时刻t3的期间(小孔形成期间)中的熔池881的状态。如 图12所示，至少在时刻t2 时刻t3的期间(小孔形成期间)中，熔池881的表面882上 下振动。如图12的左侧所示，在表面882下降的情况下，电弧al的前端和母材W中下一 个应当熔融的部位886之间的距离较小，所以来自电弧al的热易于传递至部位886。另一 方面，如图12的右侧所示，在表面882上升的情况下，电弧al的前端和部位886的距离较 大，所以来自电弧al的热难以传递至部位886。并且，发明者关于熔池881的表面882的 振动数比稳定频率ff2小，得到见解。在本实施方式中，在时刻t2 时刻t3的期间(小孔 形成期间)中，使焊接电流Iw作为比稳定频率ff2小的初始频率ffl的脉冲电流来流过。 由此，能够使由来于焊接电流Iw为脉冲电流的、易于热输入的期间和难以热输入的期间的 重复周期接近于表面882的振动的周期。由此，能够使由来于焊接电流Iw是脉冲电流的、 易于热输入的期间和难以热输入的期间的重复周期接近于来自电弧al的热易于传递至部 位886的状态(图12的左侧)和来自电弧al的热难以传递至部位886的状态(图12的 右侧)的重复周期。因此，基于本实施方式，在时刻t2 时刻t3的期间(小孔形成期间) 中，能够有效使母材W中下一次应该熔融的部位886熔融。由此，能够更早贯通小孔889。
为了决定初始频率ffl的值，例如，在开始焊接之前，按照比稳定频率fT2小的任 何的频率Ff，来进行用于决定初始频率ffl的等离子小孔焊接。并且，可以采用形成小孔 889的时间为最小的值作为初始频率ffl。
在本实施方式中，在时刻t2 时刻t3的期间(小孔形成期间)中、以及进行时刻 t4以后的稳定焊接的期间的任意一个中,将绝对值的时间平均值Ia作为设定电流值irl， 使焊接电流Iw流动。即，在时刻t2 时刻t3的期间中、以及进行时刻t4以后的稳定焊接 的期间中的时间平均值Ia是相同的设定电流值irl，相互相同。基于这样的构成，在时刻 t2 时刻t3的期间中，能够防止向母材W的热输入过多。如果能够防止向母材W的热输入 过多，则能够抑制产生烧穿(burn though)(参照图11)。
在本实施方式中，在时刻t2 时刻t3的期间(小孔形成期间)中，按照初始气体 流量Pgl喷出等离子气体PG。在进行时刻t4以后的稳定焊接的期间中，按照稳定气体流量 pg2喷出等离子气体PG。初始气体流量pgl比稳定气体流量pg2大。这样的构成适于使时 刻t2 时刻t3的期间(小孔形成期间)中的电弧al的压力增大。由此，能够使小孔889 更早地贯通。此外，如果初始气体流量Pgl比稳定气体流量pg2大，则通过使时刻t2 时 刻t3的期间(小孔形成期间)中的电弧al缩小变细，能够减小母材W中的热影响部分。由 此，能够抑制在时刻t2 时刻t3形成的小孔889的孔径变大。其结果，能够抑制烧穿的产 生。
<第一实施方式的第一变形例>
使用图13，说明本发明的第一实施方式的第一变形例。
另外，在以下说明中，对与上述相同或类似的构成附加与上述相同的符号，并适当省略说明。
图13所示的等离子小孔焊接系统All还包括初始频率计算电路37，这一点与上述等离子小孔焊接系统Al不同。在本变形例中，初始频率计算电路37是焊接电源装置3的构成，但是并不限定于此，例如，也可以是机器人控制装置2的构成。
初始频率计算电路37基于稳定频率ff2的值来计算初始频率ffl的值。具体来说，初始频率计算电路37计算使存储在稳定频率存储部362中的稳定频率ff2的值减少后得到的值。初始频率计算电路37例如或者计算稳定频率fT2的值的30%或50%的值，或者计算从稳定频率ff2的值中减去5 8Hz后的值。并且，初始频率计算电路37将计算出的该值作为初始频率ffl存储在初始频率存储部361中。
使用了等离子小孔焊接系统All的等离子小孔焊接方法由于与关于等离子小孔焊接系统Al说明的相同，所以省略说明。
基于本变形例，能够享有与关于等离子小孔焊接系统Al叙述的优点相同的优点。
基于本变形例，等离子小孔焊接系统All的用户仅仅通过设定稳定频率fT2，而不是特意设定初始频率 ，就能够适用本实施方式的焊接方法。这样的等离子小孔焊接系统 All易于由用户使用。
本发明不限定为上述的实施方式。本发明的各种具体的构成可以自由进行各种设计变更。
图3的稳定焊接开始判断电路33不必包括比较电路332。稳定焊接开始判断电路 33在从生成小孔贯通探测信号Cm2时开始经过了规定的时间时，可以判断为应当开始稳定焊接。或者，稳定焊接开始判断电路33在从开始输出电路31的输出时开始经过了规定的时间时，也可以判断为应当开始稳定焊接。
与上述实施方式不同·，比较电路CM2也可以在时刻t2中成形电压信号Vf的变化量超出某值时判断为小孔889贯通了，并输出小孔贯通探测信号Cm2。
在上述实施方式中，虽然在时刻t4使频率Ff从初始频率ffl变化为稳定频率 ff2，但是本发明不限于此。例如，也可以在从小孔889贯通了的时刻开始经过了规定的时间时，使频率Ff从初始频率ffl变化为稳定频率fT2。此外，在时刻t3之后没有必要使频率Ff从初始频率ffl变化为稳定频率fT2。S卩，在小孔889贯通的时刻t3之前，也可以使频率Ff从初始频率ffl变化为稳定频率ff2。
时刻tl 时刻t3为止，频率Ff是初始频率ffl，但是在时刻t2 时刻t3之间的某期间中，频率Ff可以是初始频率ff I，例如，在时刻11 时刻t2之间，频率Ff可以与初始频率ffl不同。
在上述实施方式中，在时刻t4中，虽然频率Ff急剧从初始频率ffl变化为稳定频率ff2，但是从时刻t3至时刻t4，也可以使频率Ff缓缓变化。
在上述实施方式中，在时刻t4,使等离子气体PG的气体流量从初始气体流量pgl 变化为稳定气体流量pg2，但是本发明不限定于此。例如，也可以在从小孔889贯通了的时刻开始经过了规定的时间时，使等离子气体PG的气体流量从初始气体流量pgl变化为稳定气体流量pg2。此外，在时刻t3之后没有必要使等离子气体PG的气体流量从初始气体流量 Pgl变化为稳定气体流量Pg2。即，也可以在小孔889贯通的时刻t3之前，使等离子气体PG的气体流量从初始气体流量Pgl变化为稳定气体流量Pg2。此外,也可以从时刻tl开始始 终使等离子气体PG的气体流量为固定。
时刻tl 时刻t3为止，等离子气体PG的气体流量虽然是初始气体流量pgl，但是 时刻t2 时刻t3之间的某期间中，等离子气体PG的气体流量可以是初始气体流量pgl，例 如，在时刻tl 时刻t2之间,等离子气体PG的气体流量也可以与初始气体流量pgl不同。
在上述实施方式中，在时刻t4，使等离子气体PG的气体流量急剧从初始气体流量 Pgl变化为稳定气体流量pg2,但是在时刻t3至时刻t4,也可以使等离子气体PG的气体流 量缓缓变化。
权利要求
1.一种等离子小孔焊接方法，包括 在等离子电极和母材之间对电弧进行引弧，通过上述电弧使小孔贯通的工序；以及在上述小孔贯通之后，使上述等离子电极相对于上述母材移动，并且进行稳定焊接的工序， 上述使小孔贯通的工序包括在从上述小孔的形成开始之时起到上述小孔贯通之时为止的期间即小孔形成期间中，使在上述等离子电极和上述母材之间流动的焊接电流作为频率为初始频率的脉冲电流进行流动的工序， 上述进行稳定焊接的工序包括使上述焊接电流作为频率为稳定频率的脉冲电流进行流动的工序， 上述初始频率比稳定频率小。
2.根据权利要求1所述的等离子小孔焊接方法，其特征在于， 上述使小孔贯通的工序中的上述焊接电流的绝对值的时间平均值以及上述进行稳定焊接的工序中的上述焊接电流的绝对值的时间平均值相互相同。
3.根据权利要求1或2所述的等离子小孔焊接方法，其特征在于， 上述使小孔贯通的工序包括在上述小孔形成期间中，使朝向上述母材喷出的等离子气体以初始气体流量喷出的工序， 上述进行稳定焊接的工序包括使上述等离子气体以稳定气体流量喷出的工序， 上述初始气体流量比上述稳定气体流量大。
4.根据权利要求1 3中任一项所述的等离子小孔焊接方法，其特征在于， 还包括使上述稳定频率的值减少而通过初始频率计算电路计算上述初始频率的值的工序。
5.根据权利要求1 4中任一项所述的等离子小孔焊接方法，其特征在于， 上述使小孔贯通的工序包括将沿着上述母材的焊接行进方向的上述等离子电极相对于上述母材的速度即移动速度设定为初始速度的工序， 上述进行稳定焊接的工序包括将上述移动速度设定为稳定速度的工序， 上述初始速度比上述稳定速度小。
6.一种等离子小孔焊接系统，包括 输出电路，其使脉冲电流在等离子电极和母材之间流动； 初始频率存储部，其存储初始频率的值； 稳定频率存储部，其存储稳定频率的值；以及 小孔贯通探测电路，其在探测到在上述母材中小孔贯通了的情况下，生成小孔贯通探测信号， 上述输出电路在生成上述小孔贯通探测信号之前，将频率设为上述初始频率使上述脉冲电流流动，并且，在生成上述小孔贯通探测信号之后，将频率设为上述稳定频率使上述脉冲电流流动。
7.根据权利要求6所述的等离子小孔焊接系统，其特征在于， 还包括设定电流值存储部，该设定电流值存储部存储设定电流值， 上述输出电路在生成上述小孔贯通探测信号之前以及生成上述小孔贯通探测信号之后的任意一种情况下，将绝对值的时间平均值设为上述设定电流值使上述脉冲电流流动。
8.根据权利要求6或7所述的等离子小孔焊接系统，其特征在于， 还包括 气体流量控制电路，其对向上述母材喷出的等离子气体的流量即气体流量进行控制； 初始气体流量存储部，其存储初始气体流量的值；以及 稳定气体流量存储部，其存储稳定气体流量的值， 上述气体流量控制电路在生成上述小孔贯通探测信号之前，将上述气体流量设定为上述初始气体流量，并且，在生成上述小孔贯通探测信号之后，将上述气体流量设定为上述稳定气体流量。
9.根据权利要求6 8中任一项所述的等离子小孔焊接系统，其特征在于， 还包括初始频率计算电路，该初始频率计算电路将使存储在上述稳定频率存储部中的稳定频率的值减少后得到的值作为上述初始频率而存储在上述初始频率存储部中。
10.根据权利要求6 9中任一项所述的等离子小孔焊接系统，其特征在于， 还包括 动作控制电路，其对沿着上述母材的焊接行进方向的上述等离子电极相对于上述母材的速度即移动速度进行控制； 初始速度存储部，其存储初始速度的值；以及 稳定速度存储部，其存储稳定速度的值， 上述动作控制电路在生成上述小孔贯通探测信号之前，将上述移动速度设定为上述初始速度，并且，在生成上述小孔贯通探测信号之后，将上述移动速度设定为上述稳定速度。
全文摘要
本发明提供一种能够使小孔更早贯通的等离子小孔焊接方法以及等离子小孔焊接系统。包括在等离子电极和母材之间对电弧进行引弧，通过上述电弧使小孔贯通的工序；以及在上述小孔贯通之后，一面使上述等离子电极相对于上述母材移动，一面进行稳定焊接的工序；使小孔贯通的工序包括在作为从上述小孔的形成开始的时刻(t2)起到上述小孔贯通的时刻(t3)止的期间的小孔形成期间中，使在上述等离子电极和上述母材之间流动的焊接电流(Iw)作为频率(Ff)为初始频率(ff1)的脉冲电流进行流动的工序；上述进行稳定焊接的工序包括使焊接电流作为频率为稳定频率的脉冲电流进行流动的工序；初始频率比稳定频率小。通过这样的构成，能够更早地使小孔贯通。
文档编号B23K10/02GK103028826SQ20121035240
公开日2013年4月10日 申请日期2012年9月20日 优先权日2011年9月29日
发明者刘忠杰 申请人:株式会社大亨