JP2001105133A - 溶極式ガスシールドアーク溶接方法および溶接電源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速溶接や極薄板の溶接などに用いられる比
較的短いアーク長の溶接においてもアークが安定で、良
好な溶接作業性および溶接結果が得られる溶極式ガスシ
ールドアーク溶接方法および溶接電源を提供すること。 【解決手段】 リアクタＬｐとリアクタＬｂを、コイル
７ａとコイル７ａよりも巻数が多いコイル７ｂを同一の
鉄心７ｃに巻きつけて構成する。そして、コイル７ａと
コイル７ｂを、発生する磁束の方向が同一になるように
して出力回路に接続する。パルス電圧Ｖｐを出力する期
間Ｔｐおよびワイヤ９と母材１０とが短絡している短絡
期間ＴＳはリアクタＬｐ、すなわちコイル７ａを出力回
路に接続し、その他の期間、すなわちベース電圧Ｖｂを
出力するベース期間Ｔｂの短絡期間ＴＳを除く期間はリ
アクタＬｂ、すなわちコイル７ｂを出力回路に接続す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高速溶接や極薄板
の溶接を安定に行い、良好な溶接結果を得るための溶極
式ガスシールドアーク溶接方法および溶接電源に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】図６は、従来の外部特性が略定電圧特性
の直流の溶接電源を用いてアーク電圧が高い通常のマグ
溶接をしたときの電流波形を示す図である。図中に▼印
で示す個所では、溶接ワイヤ（以下、ワイヤという。）
と母材との間に短絡が発生しているが、短絡時には溶接
電流よりも遥かに大きい短絡電流が流れ、ワイヤ先端の
一部がワイヤから離脱することにより、短絡が解消され
ている。このように、アーク電圧が高い場合には、短絡
期間が長くも、短絡が連続して発生することはほとんど
なく、アークが不安定になることは少ない。

【０００３】一方、高速溶接や極薄板の溶接において良
好な溶接結果を得るためには、アーク長をできるだけ短
く保ち、低アーク電圧で溶接する必要がある。この場
合、ワイヤと母材が短絡する頻度が高くなるため、短絡
期間を短くしてアークの安定性を確保することが重要と
なる。

【０００４】図７は、特公平４−７１６２９号に開示さ
れた技術による出力波形図であり、上段は溶接電流波形
を、下段はアーク電圧波形を示している。この技術で
は、出力電流値が所定値以上にある期間が予め定める期
間Ｔｓに達するまでは出力電流の変化率を通常値とし、
出力電流値が所定値以上にある期間が期間Ｔｓを経過し
た後は出力電流の変化率を通常より大きくすることによ
り、低アーク電圧域において生じ易いワイヤと溶融池と
の短絡に起因するアーク不安定を抑制するようにしてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この方法の場
合、期間Ｔｓを経過するまでは通常の出力制御を行うた
め、有効性には限界がある。また、出力電流の変化率を
極端に大きくすると出力制御回路が不安定になるため、
変化率の上限値にも制約がある。

【０００６】本発明の目的は、上記従来技術における課
題を解決し、高速溶接や極薄板の溶接などに用いられる
比較的短いアーク長(低アーク電圧域)の溶接においても
アークが安定で、良好な溶接作業性および溶接結果が得
られる溶極式ガスシールドアーク溶接方法および溶接電
源を提供するにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、請求項１の発明は、出力回路中にリアクタを備える
外部特性が略定電圧特性の直流溶接電源を用い、予め定
める平均出力電圧を維持するようにして、パルス電圧を
出力するパルス期間と、前記パルス電圧よりも低い電圧
のベース電圧を出力するベース期間とを交互に繰り返す
溶極式ガスシールドアーク溶接方法において、前記パル
ス電圧と、前記パルス期間と、前記ベース期間とを予め
定める値に固定し、前記ベース電圧の値を変化させるこ
とにより前記平均出力電圧を保つと共に、前記リアクタ
のリアクタンスの値を、パルス期間および溶接ワイヤと
母材とが短絡する短絡期間は小さくし、その他の期間は
大きくすることを特徴とする。

【０００８】また、請求項２の発明は、溶接ワイヤと母
材との短絡を検出する検出手段と、出力回路中にリアク
タとを備え、外部特性が略定電圧特性の直流の溶極式ガ
スシールドアーク溶接電源において、前記リアクタを同
一の鉄心に巻きつけた第１のコイルと第１のコイルより
も巻数が多い第２のコイルとで構成すると共に、前記第
１のコイルと前記第２のコイルを発生する磁束の方向が
同一になるようにして前記出力回路に接続しておき、パ
ルス電圧を出力するパルス期間と前記パルス電圧よりも
低い電圧のベース電圧を出力するベース期間とを予め定
める平均出力電圧を維持するようにして交互に繰り返し
て溶接する場合、前記パルス期間および溶接ワイヤと母
材との短絡期間は前記第１のコイルを前記出力回路に接
続し、その他の期間は前記第２のコイルを出力回路に接
続することを特徴とする。

【０００９】また、請求項３の発明は、請求項２におい
て、前記第２のコイルを前記出力回路に常時接続させて
おき、通電状態の前記第１のコイルが前記第２のコイル
に対して逆バイアスする方向に作用して前記第２のコイ
ルへの通電を遮断するように構成することを特徴とす
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示の実施の形態
に基づいて説明する。

【００１１】図１は、本発明に係る溶極式ガスシールド
アーク溶接電源（以下、溶接電源という。）の構成図で
ある。この溶接電源Ｐは、商用の三相交流電源１の交流
電圧を第１の整流回路２で整流し、整流した直流電圧を
ＩＧＢＴやＦＥＴ等の大電流スイッチング素子で構成さ
れたインバータ回路３で約２０ｋＨｚの高周波交流電圧
に変換する。そして、変換した高周波交流電圧を高周波
変圧器４で溶接に適した交流電圧に変換し、第２の整流
回路５で整流する。第２の整流回路５のプラス側端子
は、後述するリアクタ切換制御回路３０により制御され
るスイッチ６の共通端子６ｃに、マイナス側端子は母材
１０に接続されている。鉄心とコイルとからなるリアク
タＬｐとリアクタＬｂは、鉄心７ｃが共通であり、リア
クタＬｐを構成するコイル７ａは巻数がＮｐ、リアクタ
Ｌｂを構成するコイル７ｂは巻数がＮｂ（ただし、Ｎｂ
＞Ｎｐである。）である。そして、コイル７ａは一方の
端子をスイッチ６の端子６ａに、他方の端子をローラ８
により送り出されるワイヤ９に接続されている。また、
コイル７ｂは、溶接電流が流れることにより発生する磁
束の方向が、コイル７ａに溶接電流が流れることにより
コイル７ａに発生する磁束の方向と同一になるようにし
て、一方の端子をスイッチ６の端子６ｂに、他方の端子
をコイル７ａの他方の端子に接続されている。ワイヤ９
と母材１０との間には短絡検出回路１１が接続されてい
る。短絡検出回路１１は、アーク電圧Ｖと予め設定され
ている判定電圧Ｖｈの大小を比較し、Ｖ≦Ｖｈとなる期
間ＴＳはワイヤ９と母材１０とが短絡したと判定して短
絡信号をリアクタ切換制御回路３０に出力する。

【００１２】制御回路２０には、高電圧のパルス電圧Ｖ
ｐを設定するためのＶｐ設定器２１と、パルス電圧Ｖｐ
を継続させる期間Ｔｐを設定するためのＴｐ設定器２２
と、パルス電圧Ｖｐよりも低いベース電圧Ｖｂを継続さ
せる期間Ｔｂを設定するためのＴｂ設定器２３と、ベー
ス電圧Ｖｂを設定するＶｂ演算装置２４とが接続されて
いる。そして、制御回路２０は、外部特性が略定電圧特
性になるようにして、パルス電圧Ｖｐの期間Ｔｐとベー
ス電圧Ｖｂの期間Ｔｂを交互に繰り返すようにインバー
タ回路３を制御する。

【００１３】Ｖｂ演算装置２４には、Ｖｐ設定器２１
と、Ｔｐ設定器２２と、Ｔｂ設定器２３と、アーク電圧
Ｖ（ワイヤ９と母材１０の間の電圧）の平均値である平
均アーク電圧Ｖａｖの値を指令するためのＶａｖ設定器
２５が接続されている。そして、Ｖｂ演算装置２４は、
Ｖｐ設定器２１、Ｔｐ設定器２２およびＴｂ設定器２３
でそれぞれ設定された値に応じて、アーク電圧Ｖの平均
値がＶａｖ設定器２５で指令された指令値Ｖａｖに一致
するように、ベース電圧Ｖｂを Ｖｂ＝｛Ｖａｖ（Ｔｐ＋Ｔｂ）−ＶｐＴｐ｝／Ｔｂ として演算し、演算した値を制御回路２０に入力する。

【００１４】リアクタ切換制御回路３０は、制御回路２
０と短絡検出回路１１に接続され、スイッチ６を切り換
える。

【００１５】ワイヤ送給速度制御装置４０は、溶接電流
設定器４１で設定される溶接電流値（平均値）に応じた
一定の速度でワイヤ９を送り出す。

【００１６】次に、本実施の形態の動作を説明する。

【００１７】溶接時、ワイヤ９は溶接電流設定器４１で
設定された値で定速度送給される。制御回路２０は、外
部特性が略定電圧特性になるようにして、パルス電圧Ｖ
ｐの期間Ｔｐとベース電圧Ｖｂの期間Ｔｂを交互に繰り
返すようにインバータ回路３を制御し、リアクタ切換制
御回路３０は期間Ｔｐおよび短絡信号が出力される期間
ＴＳには共通端子６ｃと端子６ａを接続し、その他の期
間は共通端子６ｃと端子６ｂを接続する。

【００１８】図２は本発明に係る出力波形図であり、上
段は溶接電流波形を、下段はアーク電圧波形を示してい
る。期間Ｔｂが終了して、期間Ｔｐに移行する際、リア
クタＬｂに蓄えられていたエネルギがリアクタＬｐ側へ
変換され、出力回路すなわちワイヤ９と母材１０との間
には、溶接電流として両者のアンペアターンが等しくな
るような過渡電流Ｉｐｔが流れる。この結果、出力回路
に流れる電流は、ベース電圧Ｖｂによって通電されてい
た電流値Ｉｂから過渡電流値Ｉｐｔ（Ｉｐｔ＝Ｎｂ・Ｉ
ｂ／Ｎｐ。ただし、Ｎｐはコイル７ａの巻数、Ｎｂはコ
イル７ｂの巻数である。）まで急激に増加し、その後漸
増してパルス電圧Ｖｐによって決まる電流値Ｉｐにな
る。

【００１９】また、期間Ｔｐが終了して、期間Ｔｂに移
行する際、リアクタＬｂに蓄えられるエネルギがリアク
タＬｐ側へ変換され、出力回路には、溶接電流として両
者のアンペアターンが等しくなるような過渡電流Ｉｂｔ
が流れる。この結果、出力回路に流れる電流は、パルス
電圧Ｖｐによって通電されていた電流値Ｉｐから過渡電
流値Ｉｂｔ（Ｉｂｔ＝Ｎｐ・Ｉｐ／Ｎｂ）まで急激に減
少し、その後徐々にベース電圧Ｖｂによって決まる電流
値Ｉｂになる。

【００２０】そして、期間Ｔｂ中に短絡が発生した時
も、溶接電流は上記と同様の挙動を示し、短絡が生じて
いる期間ＴＳでは、上述のパルス電流波形に類似した、
矩形波に極めて近いパルス状の電流が出力回路に供給さ
れる。

【００２１】図３は、本発明により板厚２．３ｍｍのＳ
ＰＣＣ材の重ねすみ肉継手を溶接したときの実際の出力
波形図であり、上段は溶接電流波形を、下段はアーク電
圧波形を示している。なお、溶接電流は４００Ａ、パル
ス電圧Ｖｐは４５Ｖ、期間Ｔｐは０．９ｍｓ、期間Ｔｂ
は２．５ｍｓ、平均アーク電圧Ｖａｖは３０Ｖ、溶接速
度は２．５ｍ／ｍｉｎ、ワイヤは１．２ｍｍのＪＩＳ
ＹＧＷ１１ワイヤ、シールドガスは炭酸ガス１００％で
ある。

【００２２】同図中に▼印で示す個所では、ワイヤ９の
先端に形成された溶滴と母材１０上に形成された溶融池
との間に短絡が発生しているが、短絡に起因する溶接電
流の増加は少なく、ほぼ均一な溶接電流であった。この
結果、短絡に伴うスパッタの発生が極めて少なく、美麗
なビード外観が得られた。また、１ｍｍ程度のルートギ
ャップが存在しても、良好な溶接結果が得られることを
確認できた。

【００２３】図４は、本発明により板厚０．５ｍｍのＳ
ＵＳ３０４材の重ねすみ肉継手を溶接したときの実際の
溶接電流波形を示す図であり、溶接電流は４５Ａ、パル
ス電圧Ｖｐは３８Ｖ、期間Ｔｐは１．０ｍｓ、期間Ｔｂ
は３．０ｍｓ、平均アーク電圧Ｖａｖは１６Ｖ、溶接速
度８００ｍｍ／ｍｉｎ、ワイヤは０．６ｍｍのＳＵＳ３
０８ワイヤ、シールドガスはＡｒ＋５％Ｏ_２である。

【００２４】同図中に▼印で示す個所が短絡の発生個所
であり、短絡の発生に伴う溶接電流の増加が多少認めら
れるが、例えば上記図６の場合に比べて短絡時間、短絡
周期共にかなり短くなっており、ワイヤ先端に形成され
る溶滴が比較的小粒で短絡移行していることが推察され
る。この結果、短絡およびその解放によって溶融池に加
えられる圧力や振動などが低減され、板厚０．５ｍｍと
いう極薄板であるにもかかわらず、溶落ちや穴明きがな
い良好な溶接結果が得ることができた。

【００２５】この実施の形態では、リアクタＬｐとリア
クタＬｂの鉄心を同一とし、発生する磁束の方向が同一
になるようにして出力回路に接続したから、リアクタＬ
ｐとリアクタＬｂの電磁的結合を密にすることができ
る。

【００２６】なお、上記では鉄心７ｃに対してコイル７
ａとコイル７ｂを別々に巻きつけるようにしたが、１個
のコイルに中間端子を設けておき、コイル７ａを一方の
端子から中間端子までとし、コイル７ｂを一方の端子か
ら他方の端子までとするように構成してもよい。

【００２７】また、図１に破線で示すように、ワイヤ送
給速度を示すワイヤ送給制御回路３１からの信号とワイ
ヤ径や材質などに応じて決まる所定の関数に基づいて、
アーク電圧設定器２５の設定を自動的に実行するように
構成すると、溶接条件設定の一元化が可能となり、溶接
装置の取扱いをより容易にすることができる。

【００２８】図５は、本発明に係る他の溶接電源の構成
およびその接続図であり、図１と同じものまたは機能が
同一のものは同一の符号を付して説明を省略する。

【００２９】高周波変圧器５０の二次側には中間タップ
Ｋが設けてある。整流回路５１は４個のダイオード５１
ａ〜５１ｄで構成されている。そして、整流回路５１の
プラス側の一方の端子５２ｐはスイッチング素子５３を
介してコイル７ａの一方の端子に接続されており、他方
の端子５２ｂはコイル７ｂの一方の端子に接続されてい
る。スイッチング素子５３はリアクタ切換制御回路３０
によりオンオフ制御される。また、５４は溶接トーチで
ある。

【００３０】次に、この実施の形態の動作を説明する。

【００３１】溶接時、ワイヤ９は溶接電流設定器４１で
設定された値で定速度送給される。制御回路２０は、外
部特性が略定電圧特性になるようにして、パルス電圧Ｖ
ｐの期間Ｔｐとベース電圧Ｖｂの期間Ｔｂを交互に繰り
返すようにインバータ回路３を制御し、リアクタ切換制
御回路３０は期間Ｔｐおよび短絡信号が出力される期間
ＴＳにはスイッチング素子５３をオンし、その他の期間
はスイッチング素子５３をオフする。スイッチング素子
５３がオンされてコイル７ａに通電が開始されると、コ
イル７ａに発生する電圧が逆バイアスする方向に作用す
る結果、コイル７ｂには電流が流れない。したがって、
端子５２ｂとコイル７ｂを接続する回路を遮断する装置
を設けなくても、スイッチング素子５３をオンするだけ
で、コイル７ｂ側の回路を遮断することができ、スイッ
チング素子５３をオフすることにより溶接電流をコイル
７ｂに流すことができる。なお、スイッチング素子５３
以外の動作は上記図１に示した実施の形態の場合と実質
的に同一であるため説明を省略するが、上記図１の場合
と同様の効果を得ることができる。

【００３２】なお、この実施の形態の場合も、図中に破
線で示すように、ワイヤ送給速度を示すワイヤ送給制御
回路３１からの信号とワイヤ径や材質などに応じて決ま
る所定の関数に基づいて、アーク電圧設定器２５の設定
を自動的に実行するように構成すると、溶接条件設定の
一元化が可能となり、溶接装置の取扱いをより容易にす
ることができる。

【００３３】また、上記ではいずれも期間Ｔｂに短絡が
生じる場合について説明したが、ベース電圧Ｖｂを短絡
が発生しないアーク電圧に設定して溶接をする場合にも
本発明を適用できることは言うまでもない。そして、ベ
ース電圧値をかなり高く設定する大電流域では、大きい
ベース電流が通電されるから、アークの指向性・硬直性
が一層強められると共に母材への入熱が増加し、従来よ
りも深い溶込みを得ることができる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電磁的な結合が極めて良好で巻数が異なる２つの直流リ
アクタを用い、パルス期間中および短絡発生期間中は巻
数が少ないリアクタに通電し、短絡が生じていないベー
ス期間中は巻数が多いリアクタへ通電することにより、
通電遮断側のリアクタに蓄えられているエネルギを通電
開始側となる他方のリアクタに変換するから、パルス期
間および短絡発生期間の開始時および終了時の電流の変
化率を大きくでき、ほぼ矩形波状のパルス電流を供給す
ることができる。したがって、パルス電流値およびパル
ス電流期間を必要最小限の大きさにすることができるだ
けでなく、短絡電流通電期間も短くすることができ、溶
滴移行の規則性が向上し、スパッタ発生量の低減および
短絡に起因するアーク不安定の抑制を図ることができ
る。また、アーク電圧を低くしても安定なアーク状態を
維持することができるから、溶接速度の高速化だけでな
く、極薄板の溶接およびルートギャップが大きい場合の
溶接が容易になる。また、ベース電圧によって平均アー
ク電圧を変化させるようにしたから、高いベース電圧の
設定によって大電流のベース電流が通電されることとな
る大電流域では、アークの指向性・硬直性がより一層強
化され、ワイヤの抵抗発熱が減少して母材への入熱が増
加し、従来よりも深い溶込みを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る溶接電源の構成図である。

【図２】本発明に係る出力波形図であ。

【図３】本発明に係る実際の溶接時の出力波形図であ
る。

【図４】本発明に係る実際の溶接電流波形を示す図であ
る。

【図５】本発明に係る他の溶接電源の構成図である。

【図６】従来の電流波形を示す図である。

【図７】従来の電流波形を示す図である。

【符号の説明】

７ａ コイル ７ｂ コイル ７ｃ 鉄心 ９ ワイヤ １０ 母材 Ｔｐ 期間 ＴＳ 短絡期間 Ｖｐ パルス電圧 Ｖｂ ベース電圧 Ｌｐ リアクタ Ｌｂ リアクタ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 出力回路中にリアクタを備える外部特性
   が略定電圧特性の直流溶接電源を用い、予め定める平均
   出力電圧を維持するようにして、パルス電圧を出力する
   パルス期間と、前記パルス電圧よりも低い電圧のベース
   電圧を出力するベース期間とを交互に繰り返す溶極式ガ
   スシールドアーク溶接方法において、前記パルス電圧
   と、前記パルス期間と、前記ベース期間とを予め定める
   値に固定し、前記ベース電圧の値を変化させることによ
   り前記平均出力電圧を保つと共に、前記リアクタのリア
   クタンスの値を、パルス期間および溶接ワイヤと母材と
   が短絡する短絡期間は小さくし、その他の期間は大きく
   することを特徴とする溶極式ガスシールドアーク溶接方
   法。
2. 【請求項２】 溶接ワイヤと母材との短絡を検出する検
   出手段と、出力回路中にリアクタとを備え、外部特性が
   略定電圧特性の直流の溶極式ガスシールドアーク溶接電
   源において、前記リアクタを同一の鉄心に巻きつけた第
   １のコイルと第１のコイルよりも巻数が多い第２のコイ
   ルとで構成すると共に、前記第１のコイルと前記第２の
   コイルを発生する磁束の方向が同一になるようにして前
   記出力回路に接続しておき、パルス電圧を出力するパル
   ス期間と前記パルス電圧よりも低い電圧のベース電圧を
   出力するベース期間とを予め定める平均出力電圧を維持
   するようにして交互に繰り返して溶接する場合、前記パ
   ルス期間および溶接ワイヤと母材との短絡期間は前記第
   １のコイルを前記出力回路に接続し、その他の期間は前
   記第２のコイルを出力回路に接続することを特徴とする
   溶極式ガスシールドアーク溶接電源。
3. 【請求項３】 前記第２のコイルを前記出力回路に常時
   接続させておき、通電状態の前記第１のコイルが前記第
   ２のコイルに対して逆バイアスする方向に作用して前記
   第２のコイルへの通電を遮断するように構成することを
   特徴とする請求項２に記載の溶極式ガスシールドアーク
   溶接電源。