等离子弧焊方法以及等离子弧焊装置制造方法
【专利摘要】一种一边在被焊接物的焊接部利用等离子弧形成小孔一边在该焊接部连续焊接的等离子弧焊方法，使用脉冲电流作为焊接电流，并将该脉冲电流的脉冲频率控制成与熔池(P)同步的频率地进行焊接。由此，由于能够在小孔焊接中将熔池的摆动控制成与脉冲电流的脉冲频率同步，因此在小孔焊接时能够可靠地得到无垂落且无不规整的稳定的恒定高度的熔透焊道。
【专利说明】等离子弧焊方法以及等离子弧焊装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及能够实现高能量密度、高速度且高品质的焊接的等离子弧焊方法以及等离子弧焊装置。
【背景技术】
[0002]一般来说，等离子弧焊与熔化极气体保护电弧(GMA)焊接、钨极气体保护电弧(GTA)焊接等相比，其能量密度高。因此，能够实现一边使等离子弧从母材表面侧向里面侧贯通一边焊接的、所谓小孔焊接(keyhole welding)。如果能够实现小孔焊接，则无需进行从母材里面侧开始的焊接作业，所以焊接作业效率大幅提高。但是，该小孔焊接中，由于例如焊接过程中母材温度升高、大气温度、或者由接地方式所致的磁吹等各种各样的原因，在施工过程中小孔的变动容易变得不稳定，所以只有熟练的操作工才能进行高品质的焊接作业，难以自动化。
[0003]为此，例如在下面的专利文献I中，提出了如下方法:使用脉冲电流作为焊接电流，使等离子射流脉动而将熔融金属做成小粒熔滴将其吹掉，由此形成无垂落的焊道。另夕卜，在下面的专利文献2中提出了下述小孔焊接:通过使等离子气体流量以脉冲状变化，从而避免了熔池的熔穿等问题。
[0004]现有技术文献
[0005]专利文献
[0006]专利文献1:日本特开昭62-27473号公报
[0007]专利文献2:日本特开平8-39259号公报
【发明内容】
[0008]发明所要解决的技术问题
[0009]但是，关于上述专利文献I所公开的那样的方法，因为是使等离子射流脉动而将熔融金属做成小粒熔滴将其吹掉的方法，因此需要有所吹掉的熔融金属的小粒熔滴的后处理。此外，在被焊接物位钢管的对接焊等的情况下，有时难以进行所吹掉的熔融金属的小粒熔滴的除去处理。另一方面，关于上述专利文献2所公开的那样的方法，可以通过使等离子气体流量交替地以脉冲状变化来避免熔池的熔穿等问题，但难以得到稳定的恒定高度的熔透焊道(penetration bead)。
[0010]因此，本发明是为了解决这些问题而提出的，其目的是提供在进行小孔焊接时能够得到稳定的恒定高度的熔透焊道的新式等离子弧焊的监视方法以及等离子弧焊装置。
[0011]用于解决问题的手段
[0012]为了解决这些问题，本发明人们进了大量的研究和实验，结果发现了焊接时在母材里侧所形成的熔池的摆动变动(振动数)与熔透焊道的形状之间的关联性，最终得到了本发明。
[0013]S卩，在如上所述利用等离子弧进行小孔焊接的情况下，如图2所示，在母材15的里侧且在小孔(等离子弧)的焊接方向后方，沿其长度方向形成了熔池P，该熔池P由因从焊炬10发出的等离子弧16的热而熔融了的母材15形成。而且，明确了:该熔池P在焊接方向上前后摆动，从而形成了稳定的恒定高度的熔透焊道。如果此时熔池P的摆动(变动)过大则熔融金属会垂落，因此明确了熔池P的摆动(变动)具有用于形成稳定的恒定高度的熔透焊道的固有频率(例如30?40Hz)。另外，该固有频率也因母材15的材质和/或、熔池P的大小(质量)、粘度等而不同。而且，本发明人们基于这些认知进一步详细研究该熔池P的摆动(变动)，结果明确了:在使用脉冲电流作为小孔焊接时的焊接电流的情况下，该熔池P的摆动(变动)受到其脉冲电流的脉冲频率的很大影响。
[0014]因此，为了达成上述目的，第I方案是一种等离子弧焊方法，一边在被焊接物的焊接部利用等离子弧形成小孔一边在该焊接部连续焊接，使用脉冲电流作为焊接电流，并将该脉冲电流的脉冲频率控制成与在所述焊接时形成于母材里侧的熔池同步的频率地进行焊接。
[0015]根据这样的焊接方法，由于能够将小孔焊接中的熔池的摆动控制成与脉冲电流的脉冲频率同步，因此能够可靠地得到无垂落且无不规整的稳定的恒定高度的熔透焊道。
[0016]第2方案是一种等离子弧焊方法，是一边在被焊接物的焊接部利用等离子弧形成小孔一边在该焊接部连续焊接的方法，包括:脉冲电流供给步骤，供给脉冲电流作为所述焊接电流；脉冲频率控制步骤，将该脉冲电流的脉冲频率控制成与所述熔池同步的频率。
[0017]根据这样的焊接方法，由于能够将焊接时形成于母材里侧的熔池的摆动控制成与脉冲电流的脉冲频率同步，因此能够可靠地得到无垂落且无不规整的稳定的恒定高度的熔透焊道。
[0018]第3方案是一种等离子弧焊方法，在第I或第2方案中，将所述脉冲电流的脉冲频率控制成为大于等于所述熔池的固有频率的0.8倍且小于等于3.0倍。若这样控制，则能够可靠地得到无垂落且无不规整的稳定的恒定高度的熔透焊道。此处，将所述脉冲电流的脉冲频率控制成为大于等于所述熔池的固有频率的0.8倍且小于等于3.0倍是因为，如后所述，若超出该范围，则等离子弧与熔池之间的干涉变大，招致不规整焊道、垂落现象的可能性变高。
[0019]第4方案是一种等离子弧焊方法，在第3方案中，将所述脉冲电流的峰值电流值或基值电流值或脉冲宽度，与所述脉冲电流的脉冲频率一起控制。根据这样的控制方法，即使在大于等于所述熔池的固有频率的0.8倍且小于等于3.0倍这一范围中的界限值附近，也能可靠地得到无垂落且无不规整的稳定的恒定高度的熔透焊道。
[0020]第5方案是一种等离子弧焊方法，在第I或第2方案中，将所述脉冲电流的脉冲频率控制成为大于等于所述熔池的固有频率的1.0倍且小于等于2.0倍。若这样控制，则能够更可靠地得到无垂落且无不规整的稳定的恒定高度的熔透焊道。
[0021]第6方案是一种等离子弧焊方法，在第5方案中，将所述脉冲电流的峰值电流值或基值电流值或脉冲宽度，与所述脉冲电流的脉冲频率一起控制。根据这样的控制方法，即使在大于等于所述熔池的固有频率的1.0倍且小于等于2.0倍这一范围中的界限值附近，也能可靠地得到无垂落且无不规整的稳定的恒定高度的熔透焊道。
[0022]第7方案是一边利用产生等离子弧的焊炬在被焊接物的焊接部形成小孔一边在该焊接部连续焊接，具备:脉冲电流供给机构，供给脉冲电流作为所述焊接电流；脉冲频率控制机构，将该脉冲电流的脉冲频率控制成与所述熔池同步的频率。
[0023]根据这样的结构，与第2方案相同，由于能够将焊接时形成于母材里侧的熔池的摆动控制成与脉冲电流的脉冲频率同步，因此能够可靠地得到无垂落且无不规整的稳定的恒定高度的熔透焊道。
[0024]发明的效果
[0025]本发明使用脉冲电流作为焊接电流，并将该脉冲电流的脉冲频率控制为与焊接时形成在母材里侧所的熔池同步的频率地进行焊接。由此，在小孔焊接时能够可靠地得到无垂落且无不规整的稳定的恒定高度的熔透焊道。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是表示本发明涉及的等离子弧焊装置100的一个实施方式的框图。
[0027]图2是表示在焊接时在母材15里侧所形成的熔池P的变动的概念图。
[0028]图3是表示使焊炬10相对于被焊接物14倾斜预定角度Θ地进行焊接的状态的概念图。
[0029]图4是本发明方法中使用的脉冲电流的波形图。
[0030]图5是表示与被焊接物14相关的焊接条件的一例的局部放大图。
[0031]图6是表示本发明涉及的等离子弧焊方法的处理流程的流程图。
[0032]图7是表示脉冲电流的频率大于等于熔池的固有频率的0.8倍且小于等于1.0倍时的下部熔池的变动的概念图。
[0033]图8是表示脉冲电流的频率大于等于熔池的固有频率的1.0倍且小于等于2.0倍时的下部熔池的变动的概念图。
[0034]图9是表示脉冲电流的频率大于等于熔池的固有频率的2.0倍且小于等于3.0倍时的下部熔池的变动的概念图。
[0035]图10是表示脉冲电流的频率为小于熔池的固有频率的0.8倍时和大于熔池的固有频率的3.0倍时的熔池的变动的概念图。
[0036]图11是表示本发明的小孔焊接后的焊接部的状态的焊接方向剖视图。
【具体实施方式】
[0037]接下来，一边参照附图一边就本发明涉及的等离子弧焊的监视方法以及焊接装置的一个实施方式进行说明。图1是表示本发明涉及的等离子弧焊装置100的结构的框图。如图所示，该等离子弧焊装置100主要由下述部件构成:焊炬10 ;对该焊炬10进行驱动的驱动部20 ;供给焊接电源的电源部30 ;对焊炬10供给焊接气体的气体供给部40 ;和对这些各部分10?40进行控制的焊接控制部50。
[0038]如图2所示，焊炬10呈用焊炬焊嘴12覆盖钨电极11并且用保护罩13覆盖该焊炬焊嘴12的构造。而且，使用未图示的高频发生器在该钨电极11与焊炬焊嘴12之间产生导弧，并且在该焊炬焊嘴12内流动氩气(Ar)等工作气体(等离子气体PG)。于是，该等离子气体PG由于电弧热而离子化成为电弧电流的良导体，在钨电极11与母材15之间产生超高温(10000?2000(TC )等离子弧16。而且，通过使该等离子弧16从母材15的表面侧贯通到里面侧，能够进行小孔焊接。另外，对该焊炬焊嘴12与保护罩13之间供给包含氩气(Ar)和氢气(H 2)、氩气(Ar)和氧气(O2)、氩气(Ar)和二氧化碳(CO2)等的保护气体SG，利用该保护气体SG保护焊接部免受大气影响、维持焊接品质。
[0039]驱动部20固定该焊炬10使得其相对于被焊接物14例如图3所示维持预定的间隔以及角度Θ，根据来自焊接控制部50的控制信号使该焊炬10沿被焊接物14的焊接线以预定的速度移动(行进)。此外，该驱动部20将被焊接物14侧固定而使焊炬10侧相对于该被焊接物14移动，此外也可以将焊炬10侧固定而使被焊接物14侧移动、或者使两方分别同时移动(行进)。
[0040]焊接电源部30以预定的电压供给为了在焊炬10与母材15之间产生等离子弧16所需的电流，该电流值以及电压值受焊接控制部50精确控制。而且，该焊接电源部30，作为供给的电流而例如图4所示那样的矩形波的脉冲电流。图4是表示从该焊接电源部30供给的脉冲电流的波形的一例的图，Ip为峰值电流、Ib为基值电流、wp为脉冲宽度、fi为脉冲频率。气体供给部40对焊炬10供给上述等离子气体、保护气体等焊接气体，同样由焊接控制部50对该气体流量、定时等适当控制。
[0041]焊接控制部50由中央控制部51、存储部(数据库)52、输出电压测量部53、焊接电压频率解析部56、输入部54和输出部55构成。而且，首先，中央控制部51由计算机系统等信息处理装置(CPU、R0M、RAM、输入输出接口等)构成，并基于从输入部54输入的操作指令、预定的控制用程序对上述各部分10~40等进行控制。
[0042]存储部(数据库)52由HDD、半导体存储器等数据自由写入读出的存储装置等构成，除各种控制用程序等外，还至少自由写入读出地记录有各种焊接条件，以及按每个焊接条件而各异的、与焊接时在母材里面侧所形成的熔池的固有频率相关的数据。
[0043]即，该存储部(数 据库)52作为数据库至少记录有各种各样的焊接条件及与在该条件下唯一确定的熔池P的固有频率相关的信息。这里，作为各种各样的焊接条件，可列举例如与被焊接物14有关的条件和焊接施工条件。而且，作为与被焊接物14有关的条件，除材料(母材的种类)外，例如图5所示那样也有板厚t、坡口角度0、根部长度!*等。另一方面，作为焊接施工条件有焊接电流、焊接速度、辅助气体(pilot gas)流量、辅助气体组分、保护气体组分、焊炬焊嘴孔径、间距(stand off)(母材15 —焊炬焊嘴12的间隔)和图3所示那样的焊炬10相对于焊接部(被焊接物14)的角度Θ等。
[0044]输出电压测量部53总是或在任意时间对来自焊接电源部30的输出电压进行测量并将其输入到焊接电压频率解析部56以及中央控制部51。输入部54由例如键盘、鼠标等各种输入装置构成，输入各种焊接条件、操作指令等。输出部由CRT、LCD等监视器、扬声器等各种输出装置构成，显示来自输入部54的焊接条件的输入操作的确认所用的信息、各种焊接状况等信息。此外，该输出部55也可以通过对监视器的表面附加接触面板等输入功能而兼作输入部54。
[0045]接下来，作为利用这样结构的等离子弧焊装置100实现的等离子焊接方法，为例如图6所示的流程。即，本发明装置100的焊接控制部50(中央控制部51)，如果从输入部54被输入了与被焊接物14相关的条件和焊接开始指令，则移至最初的步骤S100，从存储部(数据库)52中选择与和该被焊接物14相关的条件最匹配的焊接施工条件，并获取该焊接施工条件而转移至接下来的步骤S102。
[0046]在步骤S102中，由焊接电源30将脉冲电流的脉冲频率设定为熔池P同步的频率，开始焊接。然后，该焊接控制部50 (中央控制部51)转移至最后的步骤S104判断该焊接是否已结束，当判断为焊接已结束时(是)，则结束该处理，但在判断为未结束时(是)，则返回步骤S102，继续焊接作业。
[0047]图7~图9是表示脉冲电流的脉冲频率(f\)相对于熔池P变动的影响的图。首先，图7是表示脉冲电流的脉冲频率(f\)大于等于熔池P的固有频率(fp)的0.8倍且小于等于1.0倍(0.8 ( ^Zfp ( 1.0)时的熔池P的变动(振动)的示意图。
[0048]如该图7的(A)所示，该熔池P在流过峰值电流Ip时，由于其驱动力而形成焊接方向反向的波动(摆动)。该波动在到达熔池P后端时，其一部分固化而形成熔透焊道，其余部分在基值电流Ib的作用下如该图7的(B)所示那样，在该熔池P后端反射而成为焊接方向的波动。该波动因与穿过小孔的等离子弧16干涉而衰减。通过反复这样的摆动(振动)，形成无垂落且无不规整的稳定的恒定高度的熔透焊道。
[0049]接着，图8是表示脉冲电流的脉冲频率(f\)大于熔池P的固有频率(fp)的1.0倍且小于等于2.0倍(1.0 < fVfp ( 2.0)时的熔池P的变动(振动)的示意图。该情况下也同样，首先，如该图8的(A)所示，熔池P在流过峰值电流Ip时，由于其驱动力而形成焊接方向反向的波动(摆动)。该波动在到达熔池P后端时，其一部分固化而形成熔透焊道，其余部分在基值电流Ib的作用下在该熔池P后端反射而成为焊接方向的波动。如该图8的(B)所示，该波动在到达熔池P前端侧之前，在熔池P的大致中央部，与接下来的在峰值电流Ip作用下在小孔侧产生的焊接方向反向的新熔融金属波动交叉。通过这些波动分别交叉，由此如图8的(C)所示那样衰减，抑制了熔池P的整体振动。因此，即使在熔融金属量较多的情况下，也能抑制熔穿、对等离子弧16的干涉。由此，形成无垂落且无不规整的稳定的恒定高度的熔透焊道。
[0050]接着，图9是表示脉冲电流的脉冲频率(f\)为大于熔池P的固有频率(fp)的2.0倍且小于等于3.0倍(2.0 < ^Zfp ( 3.0)时的熔池P的变动(振动)的示意图。该情况下也同样，首先，如该图9的(A)所示，熔池P在流过峰值电流Ip时，由于其驱动力而形成焊接方向反向的波动(摆动)。但是，在该情况下，由于峰值时间(脉冲宽度wp/脉冲频率4)短，因此在峰值电流时熔融的金属量也小，如该图9的(B)所示，熔池P的摆动也比上述情况小。因此，反射波也被接下来的在峰值电流Ip以后所熔融的熔融金属的波动抵消，如图8的(C)所示，在熔池P产生与脉冲频率同步的向后端方向振动的流动。由此，形成无垂落且无不规整的稳定的恒定高度的熔透焊道
[0051]另一方面，图10是表示脉冲电流的脉冲频率(f\)为小于熔池P的固有频率(fp)的0.8倍时和脉冲电流的脉冲频率(f\)为大于熔池P的固有频率(fp)的3.0倍时的下部熔池P的变动(振动)的示意图。在这些情况下，熔池P不与脉冲频率(f\)同步而欲以固有频率(fp)进行振动，因此如图10的(A)和(B)所示，有时该熔池P的熔融金属与等离子弧16干涉而暂时封闭小孔。结果，如图10的(C)所示，在等离子弧16再次形成小孔时，对该熔融金属进行作用以将其立刻推出，可能招致产生飞溅、垂落等焊接不良，因此，难以得到稳定的恒定高度的熔透焊道。
[0052]如此，本发明中使用脉冲电流作为焊接电流，并将该脉冲电流的脉冲频率控制为熔池P同步的频率地进行焊接，因此，如图11所示，在进行小孔焊接时能够可靠地获得无垂落且无不规整的稳定的恒定高度的熔透焊道。[0053]此外，可以这样以将脉冲电流的脉冲频率收敛于预定范围内的方式进行控制，并如图4所示地控制脉冲电流的峰值电流值(Ip)或基值电流值(Ib)或脉冲宽度。如此，则即使脉冲电流的脉冲频率在大于等于熔池P的固有频率的0.8倍且小于等于3.0倍范围中的界限值附件、即0.8倍附近或3.0倍附近时，只要能控制峰值电流值(Ip)或基值电流值(Ib)或脉冲宽度中的任意一个或复合地控制多个，则能够可靠地获得无垂落且无不规整的稳定的恒定高度的熔透焊道。
[0054]另外，在上述用于解决问题的手段一栏所记载的构成本发明的各机构(步骤)中的、作为焊接电流而供给脉冲电流的脉冲电流供给机构(步骤)，与例如图1的焊接电源部30相对应。
[0055]附图标记说明
[0056]100…等离子弧焊装置
[0057]10…焊炬
[0058]12…焊炬焊嘴
[0059]13…保护罩
[0060]14…被焊 接物[0061 ] 15…母材
[0062]I6…等离子弧
[0063]20…驱动部
[0064]30…焊接电源部
[0065]40…焊接气体供给部
[0066]50…焊接控制部
[0067]51…中央控制部
[0068]52…存储部(数据库)
[0069]53…输出电压测量部
[0070]54...输入部
[0071]55…输出部
[0072]56…焊接电压频率解析部
[0073]P…熔池
[0074]PG…等离子气体
[0075]SG…保护气体
【权利要求】
1.一种等离子弧焊方法，是一边在被焊接物的焊接部利用等离子弧形成小孔一边在该焊接部连续焊接的方法，其特征在于， 使用脉冲电流作为焊接电流，并将该脉冲电流的脉冲频率控制成与在所述焊接时形成于母材里侧的熔池同步的频率地进行焊接。
2.一种等离子弧焊方法，是一边在被焊接物的焊接部利用等离子弧形成小孔一边在该焊接部连续焊接的方法，其特征在于，包括: 脉冲电流供给步骤，供给脉冲电流作为所述焊接电流； 脉冲频率控制步骤，将该脉冲电流的脉冲频率控制成与所述熔池同步的频率。
3.如权利要求1或2所述的等离子弧焊方法，其中， 将所述脉冲电流的脉冲频率控制成为大于等于所述熔池的固有频率的0.8倍且小于等于3.0倍。
4.如权利要求3所述的等离子弧焊方法，其中， 将所述脉冲电流的峰值电流值或基值电流值或脉冲宽度，与所述脉冲电流的脉冲频率一起控制。
5.如权利要求1或2所述的等离子弧焊方法，其中， 将所述脉冲电流的脉冲频率控制成为大于等于所述熔池的固有频率的1.0倍且小于等于2.0倍。
6.如权利要求5所述的等离子弧焊方法，其中， 将所述脉冲电流的峰值电流值或基值电流值或脉冲宽度，与所述脉冲电流的脉冲频率一起控制。
7.一种等离子弧焊装置，一边利用产生等离子弧的焊炬在被焊接物的焊接部形成小孔一边在该焊接部连续焊接，其特征在于，具备: 脉冲电流供给机构，供给脉冲电流作为所述焊接电流； 脉冲频率控制机构，将该脉冲电流的脉冲频率控制成与所述熔池同步的频率。
【文档编号】B23K10/02GK103945974SQ201280056461
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2012年11月16日 优先权日:2011年11月17日
【发明者】细谷和道, 山本光, 中嶋彻, 佐藤丰幸, 和田胜则, 金丸周平 申请人:日立建机株式会社