JP2004181526A - 溶接電源装置の出力制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】溶接電源装置の出力電流ｉを微分ｄｉ／ｄｔして電流微分値Ｂｉを算出し、この電流微分値Ｂｉに短絡期間及びアーク期間に応じて予め定めた増幅率Ｌｒを乗じて電流微分増幅値Ｂiaを算出し、予め定めた出力電圧設定値Ｅｒからこの電流微分増幅値Ｂiaを減算して電圧制御設定値Ｅcrを算出し、前記溶接電源装置の出力電圧ｖが前記電圧制御設定値Ｅcrと略等しくなるように出力を制御する溶接電源装置の出力制御方法において、アーク期間中の外乱によりアーク長が変動すると前記出力電流ｉも大きく変動して溶接品質が悪くなる。
【解決手段】アーク期間中の前記増幅率Ｌｒを、アーク期間中の前記電流微分値Ｂｉの絶対値が予め定めた基準値Ｂth以上になったときは前記出力電流ｉの変化を抑制することができる値Ｌrahに前記基準値未満のときの値Ｌraから増大させる溶接電源装置の出力制御方法である。
【選択図】 図１
【解決手段】アーク期間中の前記増幅率Ｌｒを、アーク期間中の前記電流微分値Ｂｉの絶対値が予め定めた基準値Ｂth以上になったときは前記出力電流ｉの変化を抑制することができる値Ｌrahに前記基準値未満のときの値Ｌraから増大させる溶接電源装置の出力制御方法である。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、短絡アーク溶接に使用する溶接電源装置の出力制御方法に関し、特に、外乱によるアーク長の変動に伴う出力電流の変動を抑制するための出力制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶接ワイヤと母材との間で短絡期間とアーク期間とを繰り返す短絡アーク溶接においては、アーク負荷の変動に応じて短絡期間及びアーク期間中の出力電流ｉの変化を適正化することが良好な溶接品質を確保するために重要である。上記の短絡アーク溶接には、短絡移行アーク溶接だけでなく、短絡を伴うグロビュール移行溶接、短絡を伴うスプレー移行溶接等も含まれる。短絡アーク溶接には必ず定電圧特性の溶接電源装置を使用するので、その出力電圧をＥ［Ｖ］とする。また、溶接電源装置の内部及び外部を合わせたリアクトルのインダクタンス値をＬ［Ｈ］とし、内部及び外部を合わせた抵抗の値をｒ［Ω］とし、アーク負荷の電圧（以下、溶接電圧という）をｖ［Ｖ］とすると、溶接電源装置の出力に関して下式が成立する。
Ｅ＝Ｌ・di/dt＋ｒ・ｉ＋ｖ …（１）式
上式において、抵抗値ｒは通常小さな値であるので省略し、電流変化率（電流微分値）ｄｉ／ｄｔで整理すると下式となる。
di/dt＝（Ｅ−ｖ）／Ｌ …（２）式
【０００３】
上式において出力電圧Ｅは予め設定された値であり、アーク負荷が変動して溶接電圧ｖが変化したときの電流変化率ｄｉ／ｄｔは、（Ｅ−ｖ）の電圧差に比例し、インダクタンス値Ｌに反比例する。したがって、アーク負荷から短絡負荷に変化すると電圧差（Ｅ−ｖ）＞０となるのでインダクタンス値Ｌに反比例した電流変化率ｄｉ／ｄｔで出力電流ｉは増加し、短絡負荷からアーク負荷に変化すると電圧差（Ｅ−ｖ）＜０となるのでインダクタンス値Ｌに反比例した電流変化率ｄｉ／ｄｔで出力電流ｉは減少する。通常、短絡負荷時の溶接電圧ｖは数Ｖと略一定値であり、出力電圧Ｅは所定値に設定されるので、この結果、電圧差（Ｅ−ｖ）も略一定値となり、出力電流ｉはインダクタンス値Ｌに反比例する電流変化率ｄｉ／ｄｔで増加する。他方、アーク負荷に変化した直後は電圧差（Ｅ−ｖ）＜０となり出力電流ｉは減少する。その後は種々の外乱によってアーク負荷は変動することが多いために、電圧差（Ｅ−ｖ）は正にも負にも変化しそれに応じて出力電流ｉも増加又は減少することになる。したがって、短絡／アーク負荷の変動に応じて電流変化率ｄｉ／ｄｔを適正化するためには、インダクタンス値Ｌを適正値Ｌｍ［Ｈ］に設定する必要がある。
【０００４】
上記の適正インダクタンス値Ｌｍは、通常数十〜数百μＨと大きな値であり、かつリアクトルに通電する出力電流ｉは最大５００Ａと非常に大きな値であるために、リアクトルのサイズが大きくなり重量も重くなる。さらに、上記の適正インダクタンス値Ｌｍは、溶接ワイヤの材質、直径、シールドガスの種類、平均出力電流値、短絡期間とアーク期間等の種々の溶接条件によって変化する。特に、適正インダクタンス値Ｌｍは、短絡期間中は２００〜５００μＨ程度と大きな値となり、アーク期間中は数十μＨ〜１５０μＨ程度と小さな値となる。しかし、鉄芯に導線を巻いて製作されるリアクトルでは、そのインダクタンス値を溶接条件に応じて所望値に自在に変化させることはできない。そこで、以下に説明する従来技術では、このリアクトルと等価な作用を電子的に形成する制御（以下、電子リアクトル制御という）が開示され、広く慣用されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００５】
電子リアクトル制御の原理は以下のとおりである。出力電圧の設定値をＥｒ［Ｖ］とし、適正インダクタンス値をＬｍ［μＨ］とし、出力電流ｉを平滑するための数十μＨの固定インダクタンス値をＬｉ［μＨ］とし、電子リアクトル制御によって形成される電子インダクタンス値をＬｒ［μＨ］とする。したがって、Ｌｍ＝Ｌｉ＋Ｌｒとなる。これらを上記の（２）式に代入して整理すると下式となる。
Ｅｒ−Ｌｒ・di/dt＝Ｌｉ・di/dt＋ｖ …（３）式
【０００６】
上式において、出力電圧がＥ＝Ｅｒ−Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔになるように制御することによって電子インダクタンス値Ｌｒを形成することができる。すなわち、出力電流ｉを検出して微分して電流微分値Ｂｉ＝ｄｉ／ｄｔを算出し、これに増幅率Ｌｒを乗じた電流微分増幅値Ｂia＝Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔを算出する。続いて、予め定めた出力電圧設定値Ｅｒから上記の電流微分増幅値Ｂiaを減算して電圧制御設定値Ｅcr＝Ｅｒ−Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔを算出し、出力電圧Ｅがこの電圧制御設定値Ｅcrと略等しくなるように制御する。ここで、上記の増幅率Ｌｒ＝Ｌｍ−Ｌｉであるので、種々の溶接条件に応じて適正インダクタンス値Ｌｍが決まると、増幅率（電子インダクタンス値）Ｌｒが決まる。したがって、適正インダクタンス値Ｌｍを任意の値に電子リアクトル制御によって設定することができる。
【０００７】
図６は、従来技術の電子リアクトル制御を採用した溶接電源装置のブロック図である。以下、同図を参照して各回路について説明する。
【０００８】
電源主回路ＰＭＣは、商用電源（３相２００Ｖ等）を入力として、後述する誤差増幅信号Ａmpに従ってインバータ制御等による出力制御を行い、出力電圧Ｅを出力する。直流リアクトルＤＣＬは、鉄芯に導線を巻いたものであり、数十μＨ程度の小さな値の固定インダクタンス値Ｌｉ［μＨ］を有する。溶接ワイヤ１はワイヤ送給装置の送給ロール５によって溶接トーチ４を通って送給され、母材２との間にアーク３が発生する。
【０００９】
電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧ｖを検出して電圧検出信号ｖｄを出力する。短絡判別回路ＳＤは、この電圧検出信号ｖｄを入力として、短絡期間中はＨｉｇｈレベルとなりアーク期間中はＬｏｗレベルとなる短絡判別信号Ｓｄを出力する。電流検出回路ＩＤは、出力電流ｉを検出して電流検出信号ｉｄを出力する。電流微分回路ＢＩは、この電流検出信号ｉｄを微分して電流微分信号Ｂｉを出力する。アーク期間増幅率設定回路ＬＲＡは、予め定めたアーク期間増幅率設定信号Ｌraを出力する。短絡期間増幅率設定回路ＬＲＳは、予め定めた短絡期間増幅率設定信号Ｌrsを出力する。切換回路ＳＷは、上記の短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）のときにはａ側に切り換わり上記のアーク期間増幅率設定信号Ｌraを増幅率設定信号Ｌｒとして出力し、Ｈｉｇｈレベル（短絡期間）のときにはｂ側に切り換わり上記の短絡期間増幅率設定信号Ｌrsを増幅率設定信号Ｌｒとして出力する。乗算回路ＢＩＡは、上記の電流微分信号Ｂｉに上記の増幅率設定信号Ｌｒの値を乗じて、電流微分増幅信号Ｂia＝Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔを出力する。
【００１０】
出力電圧設定回路ＥＲは、所望値の出力電圧設定信号Ｅｒを出力する。減算回路ＳＵＢは、この出力電圧設定信号Ｅｒから上記の電流微分増幅信号Ｂiaを減算して、電圧制御設定信号Ｅcr＝Ｅｒ−Ｂiaを出力する。出力電圧検出回路ＥＤは、出力電圧Ｅを検出して出力電圧検出信号Ｅｄを出力する。誤差増幅回路ＡＭＰは、上記の電圧制御設定信号Ｅcrとこの出力電圧検出信号Ｅｄとの誤差を増幅して誤差増幅信号Ａmpを出力する。
【００１１】
図７は、上記の溶接電源装置における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は出力電流ｉの、同図（Ｂ）は溶接電圧ｖの、同図（Ｃ）は電流微分信号Ｂｉの、同図（Ｄ）は電圧制御設定信号Ｅcrの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００１２】
時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間Ｔｓ中はアーク負荷が短絡負荷になるために、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧ｖは数Ｖ程度の小さな値となり、電圧差（Ｅ−ｖ）＞０となる。このために、同図（Ａ）に示すように、出力電流ｉは増加する。これに伴い、同図（Ｃ）に示すように、電流微分信号Ｂｉは出力電流ｉの増加率に比例した正の値となる。続いて、時刻ｔ２〜ｔ３のアーク期間Ｔａ中は短絡負荷からアーク負荷に変化するために、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧ｖはアーク電圧値となり、電圧差（Ｅ−ｖ）＜０となる。このために、同図（Ａ）に示すように、出力電流ｉは減少する。これに伴い、同図（Ｂ）に示すように、電流微分信号Ｂｉは出力電流ｉの減少率に比例した負の値となる。そして、同図（Ｄ）に示すように、電圧制御設定信号Ｅcrは、電流微分信号Ｂｉに短絡期間増幅率設定信号Ｌrs又はアーク期間増幅率設定信号Ｌraの値を乗じた電流微分増幅信号Ｂiaを出力電圧設定信号Ｅｒから減算した値となる。この電圧制御設定信号Ｅcrと略等しくなるように出力電圧Ｅが制御される。上述したように、良好な溶接品質を得るためには、短絡期間増幅率設定信号Ｌrsの値は大きな値に設定し、アーク期間増幅率設定信号Ｌraの値は小さな値又は略零（電子リアクトル制御を行わない）に設定されることが多い。また、上記では、出力電流の変化を電子リアクトル制御によって行う場合を説明したが、これ以外の方法として、短絡期間の出力電流の増加パターン目標信号を予め設定しておき、出力電流がこの増加パターン目標信号に沿うように制御する方法もある。この方法においても、アーク期間中はアーク長を適正値に維持するために、定電圧制御を行う必要があり、アーク期間中の電流変化をパターン化することはできない。すなわち、アーク期間中はアーク負荷の変動に伴って出力電流も変動することになる。
【００１３】
【特許文献１】
特開昭５８−８１５６７号公報
【特許文献２】
特開昭５８−１１２６５９号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
図８は、アーク期間Ｔａ中に外乱によりアーク長が急変したときの上述した図７に対応するタイミングチャートである。同図において、時刻ｔ２１〜ｔ３の期間以外の期間の動作は図７と同一であるので、時刻ｔ２１〜ｔ３の期間の動作について説明する。
【００１５】
アーク期間Ｔａ中には、送給速度の変動、溶融池の不規則な振動、母材表面の酸化状態のバラツキ、手振れ等によるトーチ高さの変動、溶融池からのガスの噴出等の種々の外乱によってアーク長が短時間に急変することがときどき発生する。例えば、亜鉛メッキ鋼板の溶接では、アーク熱によって母材表面の亜鉛がガスとなり溶融池から突然に噴出してアーク長がその噴出の間急変することがある。また、アルミニウム合金の溶接では、母材表面の酸化状態のバラツキによってアーク長が急変することがある。同図の時刻ｔ２１〜ｔ２２の間、上記の外乱によってアーク長が急変して長くなると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧ｖはアーク長に略比例して大きな値となる。このために、電圧差（Ｅ−ｖ）＜０となり、同図（Ａ）に示すように、出力電流ｉは減少する。このとき、上述したように、アーク期間中の電子リアクトルの増幅率は通常小さな値又は略零であるために出力電流ｉは急激に減少する。
【００１６】
続いて、時刻ｔ２２において外乱が収束すると、アーク長は通常値に復帰するので、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧ｖは通常値に復帰する。このときの電圧差（Ｅ−ｖ）≒０となるために、同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ２２〜ｔ３の期間の出力電流ｉは低い値のままで維持することになる。この結果、溶接ワイヤ先端部及び母材への入熱が不足して溶融が不十分となり、大粒のスパッタの発生、ビード幅の変動等によって溶接品質が悪くなっていた。この問題は、上述したように、外乱が発生しやすい亜鉛メッキ鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム合金等の溶接において特に顕著である。また、アーク期間増幅率を大きく設定して上記の電流降下を抑制した場合には、アーク期間増幅率を大幅に大きくする必要があり、制御系がハンチングしてかえって溶接状態が不安定になる。
【００１７】
そこで、本発明では、アーク期間中の外乱によりアーク長が変動しも出力電流の変動を抑制することができ、常に良好な溶接品質を得ることができる溶接電源装置の出力制御方法を提供する。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、溶接ワイヤと母材との間で短絡期間とアーク期間とを繰り返す短絡アーク溶接に使用する溶接電源装置にあって、前記溶接電源装置の出力電流を微分して電流微分値を算出し、この電流微分値に短絡期間及びアーク期間に応じて予め定めた増幅率を乗じて電流微分増幅値を算出し、予め定めた出力電圧設定値から前記電流微分増幅値を減算して電圧制御設定値を算出し、前記溶接電源装置の出力電圧が前記電圧制御設定値と略等しくなるように出力を制御する溶接電源装置の出力制御方法において、
アーク期間中の前記増幅率を、アーク期間中の前記電流微分値の絶対値が予め定めた基準値以上になったときは前記出力電流の変化を抑制することができる値に前記基準値未満のときの値から増大させることを特徴とする溶接電源装置の出力制御方法である。
【００１９】
請求項２の発明は、前記増幅率をアーク期間中の前記電流微分値の絶対値が前記基準値未満であるときは略零に設定することを特徴とする請求項１記載の溶接電源装置の出力制御方法である。
【００２０】
請求項３の発明は、溶接ワイヤと母材との間で短絡期間とアーク期間とを繰り返す短絡アーク溶接に使用する溶接電源装置にあって、前記溶接電源装置の出力電圧が予め定めた出力電圧設定値と略等しくなるように出力を制御する溶接電源装置の出力制御方法において、
前記溶接電源装置の出力電流を検出し、この電流検出値を予め定めた平滑時定数で平滑して電流平滑値を算出し、この電流平滑値から前記電流検出値を減算して電流偏差を算出し、アーク期間中にこの電流偏差の値が予め定めた降下しきい値以上になったときは、前記電流偏差の値に応じて前記出力電圧設定値を増加させて前記出力電圧を制御することを特徴とする溶接電源装置の出力制御方法である。
【００２１】
請求項４の発明は、前記平滑時定数及び／又は前記降下しきい値の設定値を、前記短絡アーク溶接のシールドガスの種類に応じて変化させることを特徴とする溶接電源装置の出力制御方法である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２３】
［実施の形態１］
本発明の実施の形態１は、従来技術の電子リアクトル制御において、アーク期間増幅率Ｌraを、アーク期間中の電流微分値Ｂｉ＝ｄｉ／ｄｔの絶対値が予め定めた基準値Ｂth以上であるときは出力電流ｉの変化を抑制することができる値Ｌrahに上記基準値Ｂth未満のときの値Ｌraから増大させる溶接電源装置の出力制御方法である。以下、図面を参照して説明する。
【００２４】
図１は、本発明の実施の形態１を示す溶接電源装置のブロック図である。同図において、上述した図６と同一の回路には同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図６とは異なる点線で示す回路について説明する。
【００２５】
アーク期間高増幅率設定回路ＬＲＡＨは、アーク期間増幅率設定信号Ｌraの値よりも大きな値に予め設定したアーク期間高増幅率設定信号Ｌrahを出力する。
この値は、アーク期間中の外乱による出力電流ｉの変化を抑制することができる程度に大きな値に設定される。比較回路ＣＭは、電流微分信号Ｂｉの絶対値が予め定めた基準値Ｂth以上であるときにのみＨｉｇｈレベルとなる比較信号Ｃｍを出力する。アーク期間増幅率切換回路ＳＷＡは、上記の比較信号ＣｍがＬｏｗレベルのときにはａ側に切り換わりアーク期間増幅率設定信号Ｌraをアーク期間増幅率切換回路出力信号Ｓwaとして出力し、Ｈｉｇｈレベルのときにはｂ側に切り換わり上記のアーク期間高増幅率設定信号Ｌrahをアーク期間増幅率切換回路出力信号Ｓwaとして出力する。第２切換回路ＳＷ２は、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）のときにはａ側に切り換わり上記のアーク期間増幅率切換回路出力信号Ｓwaを増幅率設定信号Ｌｒとして出力し、Ｈｉｇｈレベル（短絡期間）のときにはｂ側に切り換わり短絡期間増幅率設定信号Ｌrsを増幅率設定信号Ｌｒとして出力する。したがって、増幅率設定信号Ｌｒは、短絡期間中は短絡期間増幅率設定信号Ｌrsとなり、アーク期間中で電流微分信号Ｂｉの絶対値が基準値Ｂth未満のときはアーク期間増幅率設定信号Ｌraとなり、基準値Ｂth以上のときにはアーク期間高増幅率設定信号Ｌrahとなる。Ｌra＜Ｌrahとなるように設定する。
【００２６】
図２は、上記の溶接電源装置における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は出力電流ｉの、同図（Ｂ）は溶接電圧ｖの、同図（Ｃ）は電流微分信号Ｂｉの、同図（Ｄ）は電圧制御設定信号Ｅcrの時間変化を示す。同図は上述した図８と対応しており、図８と異なる動作となる時刻ｔ２１〜ｔ３の期間について説明する。
【００２７】
時刻ｔ２１〜ｔ２２の間、外乱によってアーク長が急変して長くなると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧ｖはアーク長に略比例して大きな値となる。このために、電圧差（Ｅ−ｖ）＜０となり、同図（Ａ）に示すように、出力電流ｉは減少する。このとき、上述したように、アーク期間増幅率設定信号Ｌraの値は通常小さな値であるために、出力電流ｉは急激に減少する。このために、同図（Ｃ）に示すように、時刻ｔ２１から電流微分信号Ｂｉの絶対値は大きくなり基準値Ｂth以上となる。これに応動して、電子リアクトル制御の増幅率はアーク期間高増幅率設定信号Ｌrahに切り換わり大きな値となるので、同図（Ｄ）に示すように、電圧制御設定信号Ｅcrは大きな値に増加する。この結果、（Ｅcr−ｖ）＞０に変化し、同図（Ａ）に示すように、出力電流ｉの減少は抑制されることになる。すなわち、外乱によってアーク長が変化しても出力電流ｉはあまり変化しないので、溶接品質の悪化を防止することができる。
【００２８】
上記においては、外乱によってアーク長が長くなり溶接電圧ｖが大きくなる場合について説明したが、外乱によってアーク長が短くなり溶接電圧ｖが小さくなり出力電流ｉが大きくなる場合もある。このような場合でも、本発明によれば出力電流ｉの変化を抑制することができる。また、アーク期間増幅率設定信号Ｌraの値は数十〜１５０μＨに相当する小さな値又は略零に設定し、アーク期間高増幅率設定信号Ｌrahの値は２００〜５００μＨに相当する大きな値に設定することが多い。
【００２９】
［実施の形態２］
本発明の実施の形態２では、溶接電源装置の出力電流ｉを検出し、この電流検出値ｉｄを予め定めた平滑時定数Ｔｃで平滑して電流平滑値ｉａを算出し、この電流平滑値ｉａから上記電流検出値ｉｄを減算して電流偏差ΔＩ＝ｉａ−ｉｄを算出し、アーク期間中にこの電流偏差ΔＩの値が予め定めた降下しきい値Ｉth以上になったときは、上記電流偏差ΔＩの値に応じて出力電圧設定値Ｅｒを増加させて溶接電源装置の出力電圧Ｅを制御する。以下、図面を参照して説明する。
【００３０】
図３は、本発明の実施の形態２を示す溶接電源装置のブロック図である。同図において、上述した図６と同一の回路には同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図６とは異なる点線で示す回路について説明する。
【００３１】
平滑時定数設定回路ＴＣは、予め定めた平滑時定数設定信号Ｔｃを出力する。電流平滑回路ＩＡは、電流検出信号ｉｄを上記の平滑時定数設定信号Ｔｃによって定まる時定数で平滑して電流平滑信号ｉａを出力する。第２の減算回路ＳＵＢ２は、上記の電流平滑信号ｉａから上記の電流検出信号ｉｄを減算して電流偏差信号ΔＩ＝ｉａ−ｉｄを出力する。降下しきい値設定回路ＩＴＨは、予め定めた降下しきい値設定信号Ｉthを出力する。電圧設定増加回路ＥＵは、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）のときに上記の電流偏差信号ΔＩの値が上記の降下しきい値設定信号Ｉthの値以上になったときは、上記の電流偏差信号ΔＩの値に予め定めた増幅率Ｇを乗じて電圧設定増加信号ΔＥｕ＝Ｇ・ΔＩを出力する。加算回路ＡＤは、電圧制御設定信号Ｅcrと上記の電圧設定増加信号ΔＥｕとを加算して第２の電圧制御設定信号Ｅcr2＝Ｅcr＋ΔＥｕを出力する。この第２の電圧制御設定信号Ｅcr2によって溶接電源装置の出力電圧Ｅが制御される。
【００３２】
図４は、上記の溶接電源装置における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は出力電流ｉの、同図（Ｂ）は溶接電圧ｖの、同図（Ｃ）は電圧設定増加信号ΔＥｕの、同図（Ｄ）は第２の電圧制御設定信号Ｅcr2の時間変化を示す。同図は、上述した図８と対応しており、図８と異なる動作となる時刻ｔ２１〜ｔ３の期間を中心にして説明する。なお、同図では、アーク期間増幅率Ｌraは小さい値又は略零に設定した場合を例示している。この理由は、アーク期間中の出力電流の変化の制御は実施の形態２の発明によって行われるために、電子リアクトル制御を必ず行う必要はないためである。当然ながら、アーク期間中も電子リアクトル制御を行ってもよい。また、短絡期間中の出力電流の変化の制御は、上述した電子リアクトル制御、増加パターン目標信号制御等による方法が使用できる。
【００３３】
同図（Ａ）に点線で示すように、電流平滑信号ｉａは、出力電流ｉの検出信号を予め定めた平滑時定数Ｔｃで平滑した信号である。この平滑時定数Ｔｃの値は重要であり、０．３〜２ms程度の範囲内で、シールドガスの種類（炭酸ガス、アルコンガス、炭酸ガスとアルゴンガスとの混合ガス等）に応じて適正値に設定する。平滑時定数Ｔｃが０．３ms未満になると、電流平滑信号ｉａと出力電流ｉとの偏差が小さくなり、アーク長の急変があっても上述した降下しきい値を超えないために電流降下を抑制することはできなくなる。他方、平滑時定数Ｔｃが２msを越えると、外乱によるアーク長の変動ではなく通常のアーク長の変化に伴う電流変化時も降下しきい値を超えてしまい制御不安定になる。平滑時定数Ｔｃを適正値に設定した場合は、同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ２１〜ｔ２２以外の通常のアーク長変化に伴う電流変化では、電流偏差ΔＩ＝ｉａ−ｉｄが降下しきい値Ｉthを超えることはない。
【００３４】
時刻ｔ２１〜ｔ２２の間、外乱によってアーク長が急変して長くなると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧ｖはアーク長に略比例して大きな値となる。このために、電圧差（Ｅ−ｖ）＜０となり、同図（Ａ）に示すように、出力電流ｉは減少する。このために、電流偏差ΔＩが降下しきい値Ｉth以上となり、同図（Ｃ）に示すように、電圧設定増加信号ΔＥｕ＝Ｇ・ΔＩとなる。そして、同図（Ｄ）に示すように、第２の電圧制御設定信号Ｅcr2は、出力電圧設定信号Ｅｒに上記の電圧設定増加信号ΔＥｕが加算された値となる。この結果、出力電圧Ｅが増加して電圧差（Ｅ−ｖ）＞０となるので、同図（Ａ）に示すように、出力電流ｉの降下は抑制されて、アーク長変動前の値にすぐに復帰する。したがって、外乱によってアーク長が変化しても出力電流ｉはあまり変化しないので、溶接品質の悪化を防止することができる。
【００３５】
上記の降下しきい値Ｉthは、５〜５０Ａ程度の範囲で、シールドガスの種類に応じて適正値に設定する。例えば、アルゴンガス又はアルゴンガスと数％の酸素との混合ガスでは、しきい値Ｉth＝１０Ａ程度が適正であり、アルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガスの場合では、降下しきい値Ｉth＝２０Ａ程度が適正である。また、上記においては、電圧設定増加信号ΔＥｕ＝Ｇ・ΔＩとしたが、ΔＥｕ＝Ｇ・（ΔＩ−Ｉth）とすることも本発明に含まれる。
【００３６】
［効果］
図５は、本発明の効果の一例を示すビード外観比較図であり、同図（Ａ）は従来技術によるものであり、同図（Ｂ）は本発明によるものである。同図は、板厚２mmの亜鉛メッキ鋼板を平均出力電流１８０Ａ、平均溶接電圧１８Ｖでマグ溶接した場合のビード外観である。上述したように、亜鉛メッキ鋼板の溶接では、溶融池からの突然の亜鉛ガスの噴出によってアーク長が変動しやすい。
【００３７】
同図（Ａ）に示すように、母材２上にビード２ａが形成され、亜鉛ガスの噴出部分では大粒のスパッタ２ｂが付着し、ビード幅が細くなるくびれ２ｃが発生している。これに対して、同図（Ｂ）に示すように、本発明では、大粒のスパッタの付着もなくビード幅も略均一であり、良好なビード外観となっている。これは、亜鉛ガスの噴出によってアーク長が変動しても出力電流の変化が抑制されるためである。
【００３８】
【発明の効果】
請求項１及び２の溶接電源装置の出力制御方法によれば、アーク期間中に外乱によってアーク長が急変しても電子リアクトルの増幅率を増大させることによって出力電流の変化を抑制することができるので、大粒のスパッタの付着のないビード幅の均一な良好な溶接品質を常に得ることができる。
【００３９】
請求項３及び４の溶接電源装置の出力制御方法によれば、アーク期間中に外乱によってアーク長が急変しても、電流平滑値と出力電流との電流偏差に応じて出力電圧設定値を増加させることによって出力電流の変化を抑制することができるので、大粒のスパッタの付着のないビード幅の均一な良好な溶接品質を常に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る溶接電源装置のブロック図である。
【図２】図１の溶接電源装置のタイミングチャートである。
【図３】本発明の実施の形態２に係る溶接電源装置のブロック図である。
【図４】図３の溶接電源装置のタイミングチャートである。
【図５】本発明の効果の一例を示すビード外観比較図である。
【図６】従来技術における溶接電源装置のブロック図である。
【図７】図６の溶接電源装置のタイミングチャートである。
【図８】従来技術の課題を説明するための、アーク期間中に外乱によりアーク長が急変したときの図７に対応するタイミングチャートである。
【符号の説明】
1 溶接ワイヤ
2 母材
3 アーク
4 溶接トーチ
5 送給ロール
２ａ ビード
２ｂ スパッタ
２ｃ ビード幅のくびれ
ＡＤ 加算回路
ＡＭＰ 誤差増幅回路
Ａmp 誤差増幅信号
ＢＩ 電流微分回路
Ｂｉ 電流微分（値／信号）
ＢＩＡ 乗算回路
Ｂia 電流微分増幅（値／信号）
Ｂth 基準値
ＣＭ 比較回路
Ｃｍ 比較信号
ＤＣＬ 直流リアクトル
ｄｉ／ｄｔ 電流変化率
Ｅ 出力電圧
Ｅcr 電圧制御設定（値／信号）
Ｅcr2 第２の電圧制御設定信号
ＥＤ 出力電圧検出回路
Ｅｄ 出力電圧検出信号
ＥＲ 出力電圧設定回路
Ｅｒ 出力電圧設定（値／信号）
ＥＵ 電圧設定増加回路
ｉ 出力電流
ＩＡ 電流平滑回路
ｉａ 電流平滑（値／信号）
ＩＤ 電流検出回路
ｉｄ 電流検出信号
ＩＴＨ 降下しきい値設定回路
Ｉth 降下しきい値（設定信号）
Ｌ インダクタンス値
Ｌｉ 固定インダクタンス値
Ｌｍ 適正インダクタンス値
Ｌｒ 増幅率／増幅率設定信号／電子インダクタンス値
ＬＲＡ アーク期間増幅率設定回路
Ｌra アーク期間増幅率（設定信号）
ＬＲＡＨ アーク期間高増幅率設定回路
Ｌrah アーク期間高増幅率設定信号
ＬＲＳ 短絡期間増幅率設定回路
Ｌrs 短絡期間増幅率設定信号
ＰＭＣ 電源主回路
ｒ 抵抗値
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
ＳＵＢ 減算回路
ＳＵＢ２ 第２の減算回路
ＳＷ 切換回路
ＳＷ２ 第２切換回路
ＳＷＡ アーク期間増幅率切換回路
Ｓwa アーク期間増幅率切換回路出力信号
Ｔａ アーク期間
ＴＣ 平滑時定数設定回路
Ｔｃ 平滑時定数（設定信号）
Ｔｓ 短絡期間
ｖ 溶接電圧
ＶＤ 電圧検出回路
ｖｄ 電圧検出信号
ΔＥｕ 電圧設定増加（値／信号）
ΔＩ 電流偏差（信号）
【発明の属する技術分野】
本発明は、短絡アーク溶接に使用する溶接電源装置の出力制御方法に関し、特に、外乱によるアーク長の変動に伴う出力電流の変動を抑制するための出力制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶接ワイヤと母材との間で短絡期間とアーク期間とを繰り返す短絡アーク溶接においては、アーク負荷の変動に応じて短絡期間及びアーク期間中の出力電流ｉの変化を適正化することが良好な溶接品質を確保するために重要である。上記の短絡アーク溶接には、短絡移行アーク溶接だけでなく、短絡を伴うグロビュール移行溶接、短絡を伴うスプレー移行溶接等も含まれる。短絡アーク溶接には必ず定電圧特性の溶接電源装置を使用するので、その出力電圧をＥ［Ｖ］とする。また、溶接電源装置の内部及び外部を合わせたリアクトルのインダクタンス値をＬ［Ｈ］とし、内部及び外部を合わせた抵抗の値をｒ［Ω］とし、アーク負荷の電圧（以下、溶接電圧という）をｖ［Ｖ］とすると、溶接電源装置の出力に関して下式が成立する。
Ｅ＝Ｌ・di/dt＋ｒ・ｉ＋ｖ …（１）式
上式において、抵抗値ｒは通常小さな値であるので省略し、電流変化率（電流微分値）ｄｉ／ｄｔで整理すると下式となる。
di/dt＝（Ｅ−ｖ）／Ｌ …（２）式
【０００３】
上式において出力電圧Ｅは予め設定された値であり、アーク負荷が変動して溶接電圧ｖが変化したときの電流変化率ｄｉ／ｄｔは、（Ｅ−ｖ）の電圧差に比例し、インダクタンス値Ｌに反比例する。したがって、アーク負荷から短絡負荷に変化すると電圧差（Ｅ−ｖ）＞０となるのでインダクタンス値Ｌに反比例した電流変化率ｄｉ／ｄｔで出力電流ｉは増加し、短絡負荷からアーク負荷に変化すると電圧差（Ｅ−ｖ）＜０となるのでインダクタンス値Ｌに反比例した電流変化率ｄｉ／ｄｔで出力電流ｉは減少する。通常、短絡負荷時の溶接電圧ｖは数Ｖと略一定値であり、出力電圧Ｅは所定値に設定されるので、この結果、電圧差（Ｅ−ｖ）も略一定値となり、出力電流ｉはインダクタンス値Ｌに反比例する電流変化率ｄｉ／ｄｔで増加する。他方、アーク負荷に変化した直後は電圧差（Ｅ−ｖ）＜０となり出力電流ｉは減少する。その後は種々の外乱によってアーク負荷は変動することが多いために、電圧差（Ｅ−ｖ）は正にも負にも変化しそれに応じて出力電流ｉも増加又は減少することになる。したがって、短絡／アーク負荷の変動に応じて電流変化率ｄｉ／ｄｔを適正化するためには、インダクタンス値Ｌを適正値Ｌｍ［Ｈ］に設定する必要がある。
【０００４】
上記の適正インダクタンス値Ｌｍは、通常数十〜数百μＨと大きな値であり、かつリアクトルに通電する出力電流ｉは最大５００Ａと非常に大きな値であるために、リアクトルのサイズが大きくなり重量も重くなる。さらに、上記の適正インダクタンス値Ｌｍは、溶接ワイヤの材質、直径、シールドガスの種類、平均出力電流値、短絡期間とアーク期間等の種々の溶接条件によって変化する。特に、適正インダクタンス値Ｌｍは、短絡期間中は２００〜５００μＨ程度と大きな値となり、アーク期間中は数十μＨ〜１５０μＨ程度と小さな値となる。しかし、鉄芯に導線を巻いて製作されるリアクトルでは、そのインダクタンス値を溶接条件に応じて所望値に自在に変化させることはできない。そこで、以下に説明する従来技術では、このリアクトルと等価な作用を電子的に形成する制御（以下、電子リアクトル制御という）が開示され、広く慣用されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００５】
電子リアクトル制御の原理は以下のとおりである。出力電圧の設定値をＥｒ［Ｖ］とし、適正インダクタンス値をＬｍ［μＨ］とし、出力電流ｉを平滑するための数十μＨの固定インダクタンス値をＬｉ［μＨ］とし、電子リアクトル制御によって形成される電子インダクタンス値をＬｒ［μＨ］とする。したがって、Ｌｍ＝Ｌｉ＋Ｌｒとなる。これらを上記の（２）式に代入して整理すると下式となる。
Ｅｒ−Ｌｒ・di/dt＝Ｌｉ・di/dt＋ｖ …（３）式
【０００６】
上式において、出力電圧がＥ＝Ｅｒ−Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔになるように制御することによって電子インダクタンス値Ｌｒを形成することができる。すなわち、出力電流ｉを検出して微分して電流微分値Ｂｉ＝ｄｉ／ｄｔを算出し、これに増幅率Ｌｒを乗じた電流微分増幅値Ｂia＝Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔを算出する。続いて、予め定めた出力電圧設定値Ｅｒから上記の電流微分増幅値Ｂiaを減算して電圧制御設定値Ｅcr＝Ｅｒ−Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔを算出し、出力電圧Ｅがこの電圧制御設定値Ｅcrと略等しくなるように制御する。ここで、上記の増幅率Ｌｒ＝Ｌｍ−Ｌｉであるので、種々の溶接条件に応じて適正インダクタンス値Ｌｍが決まると、増幅率（電子インダクタンス値）Ｌｒが決まる。したがって、適正インダクタンス値Ｌｍを任意の値に電子リアクトル制御によって設定することができる。
【０００７】
図６は、従来技術の電子リアクトル制御を採用した溶接電源装置のブロック図である。以下、同図を参照して各回路について説明する。
【０００８】
電源主回路ＰＭＣは、商用電源（３相２００Ｖ等）を入力として、後述する誤差増幅信号Ａmpに従ってインバータ制御等による出力制御を行い、出力電圧Ｅを出力する。直流リアクトルＤＣＬは、鉄芯に導線を巻いたものであり、数十μＨ程度の小さな値の固定インダクタンス値Ｌｉ［μＨ］を有する。溶接ワイヤ１はワイヤ送給装置の送給ロール５によって溶接トーチ４を通って送給され、母材２との間にアーク３が発生する。
【０００９】
電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧ｖを検出して電圧検出信号ｖｄを出力する。短絡判別回路ＳＤは、この電圧検出信号ｖｄを入力として、短絡期間中はＨｉｇｈレベルとなりアーク期間中はＬｏｗレベルとなる短絡判別信号Ｓｄを出力する。電流検出回路ＩＤは、出力電流ｉを検出して電流検出信号ｉｄを出力する。電流微分回路ＢＩは、この電流検出信号ｉｄを微分して電流微分信号Ｂｉを出力する。アーク期間増幅率設定回路ＬＲＡは、予め定めたアーク期間増幅率設定信号Ｌraを出力する。短絡期間増幅率設定回路ＬＲＳは、予め定めた短絡期間増幅率設定信号Ｌrsを出力する。切換回路ＳＷは、上記の短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）のときにはａ側に切り換わり上記のアーク期間増幅率設定信号Ｌraを増幅率設定信号Ｌｒとして出力し、Ｈｉｇｈレベル（短絡期間）のときにはｂ側に切り換わり上記の短絡期間増幅率設定信号Ｌrsを増幅率設定信号Ｌｒとして出力する。乗算回路ＢＩＡは、上記の電流微分信号Ｂｉに上記の増幅率設定信号Ｌｒの値を乗じて、電流微分増幅信号Ｂia＝Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔを出力する。
【００１０】
出力電圧設定回路ＥＲは、所望値の出力電圧設定信号Ｅｒを出力する。減算回路ＳＵＢは、この出力電圧設定信号Ｅｒから上記の電流微分増幅信号Ｂiaを減算して、電圧制御設定信号Ｅcr＝Ｅｒ−Ｂiaを出力する。出力電圧検出回路ＥＤは、出力電圧Ｅを検出して出力電圧検出信号Ｅｄを出力する。誤差増幅回路ＡＭＰは、上記の電圧制御設定信号Ｅcrとこの出力電圧検出信号Ｅｄとの誤差を増幅して誤差増幅信号Ａmpを出力する。
【００１１】
図７は、上記の溶接電源装置における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は出力電流ｉの、同図（Ｂ）は溶接電圧ｖの、同図（Ｃ）は電流微分信号Ｂｉの、同図（Ｄ）は電圧制御設定信号Ｅcrの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００１２】
時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間Ｔｓ中はアーク負荷が短絡負荷になるために、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧ｖは数Ｖ程度の小さな値となり、電圧差（Ｅ−ｖ）＞０となる。このために、同図（Ａ）に示すように、出力電流ｉは増加する。これに伴い、同図（Ｃ）に示すように、電流微分信号Ｂｉは出力電流ｉの増加率に比例した正の値となる。続いて、時刻ｔ２〜ｔ３のアーク期間Ｔａ中は短絡負荷からアーク負荷に変化するために、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧ｖはアーク電圧値となり、電圧差（Ｅ−ｖ）＜０となる。このために、同図（Ａ）に示すように、出力電流ｉは減少する。これに伴い、同図（Ｂ）に示すように、電流微分信号Ｂｉは出力電流ｉの減少率に比例した負の値となる。そして、同図（Ｄ）に示すように、電圧制御設定信号Ｅcrは、電流微分信号Ｂｉに短絡期間増幅率設定信号Ｌrs又はアーク期間増幅率設定信号Ｌraの値を乗じた電流微分増幅信号Ｂiaを出力電圧設定信号Ｅｒから減算した値となる。この電圧制御設定信号Ｅcrと略等しくなるように出力電圧Ｅが制御される。上述したように、良好な溶接品質を得るためには、短絡期間増幅率設定信号Ｌrsの値は大きな値に設定し、アーク期間増幅率設定信号Ｌraの値は小さな値又は略零（電子リアクトル制御を行わない）に設定されることが多い。また、上記では、出力電流の変化を電子リアクトル制御によって行う場合を説明したが、これ以外の方法として、短絡期間の出力電流の増加パターン目標信号を予め設定しておき、出力電流がこの増加パターン目標信号に沿うように制御する方法もある。この方法においても、アーク期間中はアーク長を適正値に維持するために、定電圧制御を行う必要があり、アーク期間中の電流変化をパターン化することはできない。すなわち、アーク期間中はアーク負荷の変動に伴って出力電流も変動することになる。
【００１３】
【特許文献１】
特開昭５８−８１５６７号公報
【特許文献２】
特開昭５８−１１２６５９号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
図８は、アーク期間Ｔａ中に外乱によりアーク長が急変したときの上述した図７に対応するタイミングチャートである。同図において、時刻ｔ２１〜ｔ３の期間以外の期間の動作は図７と同一であるので、時刻ｔ２１〜ｔ３の期間の動作について説明する。
【００１５】
アーク期間Ｔａ中には、送給速度の変動、溶融池の不規則な振動、母材表面の酸化状態のバラツキ、手振れ等によるトーチ高さの変動、溶融池からのガスの噴出等の種々の外乱によってアーク長が短時間に急変することがときどき発生する。例えば、亜鉛メッキ鋼板の溶接では、アーク熱によって母材表面の亜鉛がガスとなり溶融池から突然に噴出してアーク長がその噴出の間急変することがある。また、アルミニウム合金の溶接では、母材表面の酸化状態のバラツキによってアーク長が急変することがある。同図の時刻ｔ２１〜ｔ２２の間、上記の外乱によってアーク長が急変して長くなると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧ｖはアーク長に略比例して大きな値となる。このために、電圧差（Ｅ−ｖ）＜０となり、同図（Ａ）に示すように、出力電流ｉは減少する。このとき、上述したように、アーク期間中の電子リアクトルの増幅率は通常小さな値又は略零であるために出力電流ｉは急激に減少する。
【００１６】
続いて、時刻ｔ２２において外乱が収束すると、アーク長は通常値に復帰するので、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧ｖは通常値に復帰する。このときの電圧差（Ｅ−ｖ）≒０となるために、同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ２２〜ｔ３の期間の出力電流ｉは低い値のままで維持することになる。この結果、溶接ワイヤ先端部及び母材への入熱が不足して溶融が不十分となり、大粒のスパッタの発生、ビード幅の変動等によって溶接品質が悪くなっていた。この問題は、上述したように、外乱が発生しやすい亜鉛メッキ鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム合金等の溶接において特に顕著である。また、アーク期間増幅率を大きく設定して上記の電流降下を抑制した場合には、アーク期間増幅率を大幅に大きくする必要があり、制御系がハンチングしてかえって溶接状態が不安定になる。
【００１７】
そこで、本発明では、アーク期間中の外乱によりアーク長が変動しも出力電流の変動を抑制することができ、常に良好な溶接品質を得ることができる溶接電源装置の出力制御方法を提供する。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、溶接ワイヤと母材との間で短絡期間とアーク期間とを繰り返す短絡アーク溶接に使用する溶接電源装置にあって、前記溶接電源装置の出力電流を微分して電流微分値を算出し、この電流微分値に短絡期間及びアーク期間に応じて予め定めた増幅率を乗じて電流微分増幅値を算出し、予め定めた出力電圧設定値から前記電流微分増幅値を減算して電圧制御設定値を算出し、前記溶接電源装置の出力電圧が前記電圧制御設定値と略等しくなるように出力を制御する溶接電源装置の出力制御方法において、
アーク期間中の前記増幅率を、アーク期間中の前記電流微分値の絶対値が予め定めた基準値以上になったときは前記出力電流の変化を抑制することができる値に前記基準値未満のときの値から増大させることを特徴とする溶接電源装置の出力制御方法である。
【００１９】
請求項２の発明は、前記増幅率をアーク期間中の前記電流微分値の絶対値が前記基準値未満であるときは略零に設定することを特徴とする請求項１記載の溶接電源装置の出力制御方法である。
【００２０】
請求項３の発明は、溶接ワイヤと母材との間で短絡期間とアーク期間とを繰り返す短絡アーク溶接に使用する溶接電源装置にあって、前記溶接電源装置の出力電圧が予め定めた出力電圧設定値と略等しくなるように出力を制御する溶接電源装置の出力制御方法において、
前記溶接電源装置の出力電流を検出し、この電流検出値を予め定めた平滑時定数で平滑して電流平滑値を算出し、この電流平滑値から前記電流検出値を減算して電流偏差を算出し、アーク期間中にこの電流偏差の値が予め定めた降下しきい値以上になったときは、前記電流偏差の値に応じて前記出力電圧設定値を増加させて前記出力電圧を制御することを特徴とする溶接電源装置の出力制御方法である。
【００２１】
請求項４の発明は、前記平滑時定数及び／又は前記降下しきい値の設定値を、前記短絡アーク溶接のシールドガスの種類に応じて変化させることを特徴とする溶接電源装置の出力制御方法である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２３】
［実施の形態１］
本発明の実施の形態１は、従来技術の電子リアクトル制御において、アーク期間増幅率Ｌraを、アーク期間中の電流微分値Ｂｉ＝ｄｉ／ｄｔの絶対値が予め定めた基準値Ｂth以上であるときは出力電流ｉの変化を抑制することができる値Ｌrahに上記基準値Ｂth未満のときの値Ｌraから増大させる溶接電源装置の出力制御方法である。以下、図面を参照して説明する。
【００２４】
図１は、本発明の実施の形態１を示す溶接電源装置のブロック図である。同図において、上述した図６と同一の回路には同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図６とは異なる点線で示す回路について説明する。
【００２５】
アーク期間高増幅率設定回路ＬＲＡＨは、アーク期間増幅率設定信号Ｌraの値よりも大きな値に予め設定したアーク期間高増幅率設定信号Ｌrahを出力する。
この値は、アーク期間中の外乱による出力電流ｉの変化を抑制することができる程度に大きな値に設定される。比較回路ＣＭは、電流微分信号Ｂｉの絶対値が予め定めた基準値Ｂth以上であるときにのみＨｉｇｈレベルとなる比較信号Ｃｍを出力する。アーク期間増幅率切換回路ＳＷＡは、上記の比較信号ＣｍがＬｏｗレベルのときにはａ側に切り換わりアーク期間増幅率設定信号Ｌraをアーク期間増幅率切換回路出力信号Ｓwaとして出力し、Ｈｉｇｈレベルのときにはｂ側に切り換わり上記のアーク期間高増幅率設定信号Ｌrahをアーク期間増幅率切換回路出力信号Ｓwaとして出力する。第２切換回路ＳＷ２は、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）のときにはａ側に切り換わり上記のアーク期間増幅率切換回路出力信号Ｓwaを増幅率設定信号Ｌｒとして出力し、Ｈｉｇｈレベル（短絡期間）のときにはｂ側に切り換わり短絡期間増幅率設定信号Ｌrsを増幅率設定信号Ｌｒとして出力する。したがって、増幅率設定信号Ｌｒは、短絡期間中は短絡期間増幅率設定信号Ｌrsとなり、アーク期間中で電流微分信号Ｂｉの絶対値が基準値Ｂth未満のときはアーク期間増幅率設定信号Ｌraとなり、基準値Ｂth以上のときにはアーク期間高増幅率設定信号Ｌrahとなる。Ｌra＜Ｌrahとなるように設定する。
【００２６】
図２は、上記の溶接電源装置における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は出力電流ｉの、同図（Ｂ）は溶接電圧ｖの、同図（Ｃ）は電流微分信号Ｂｉの、同図（Ｄ）は電圧制御設定信号Ｅcrの時間変化を示す。同図は上述した図８と対応しており、図８と異なる動作となる時刻ｔ２１〜ｔ３の期間について説明する。
【００２７】
時刻ｔ２１〜ｔ２２の間、外乱によってアーク長が急変して長くなると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧ｖはアーク長に略比例して大きな値となる。このために、電圧差（Ｅ−ｖ）＜０となり、同図（Ａ）に示すように、出力電流ｉは減少する。このとき、上述したように、アーク期間増幅率設定信号Ｌraの値は通常小さな値であるために、出力電流ｉは急激に減少する。このために、同図（Ｃ）に示すように、時刻ｔ２１から電流微分信号Ｂｉの絶対値は大きくなり基準値Ｂth以上となる。これに応動して、電子リアクトル制御の増幅率はアーク期間高増幅率設定信号Ｌrahに切り換わり大きな値となるので、同図（Ｄ）に示すように、電圧制御設定信号Ｅcrは大きな値に増加する。この結果、（Ｅcr−ｖ）＞０に変化し、同図（Ａ）に示すように、出力電流ｉの減少は抑制されることになる。すなわち、外乱によってアーク長が変化しても出力電流ｉはあまり変化しないので、溶接品質の悪化を防止することができる。
【００２８】
上記においては、外乱によってアーク長が長くなり溶接電圧ｖが大きくなる場合について説明したが、外乱によってアーク長が短くなり溶接電圧ｖが小さくなり出力電流ｉが大きくなる場合もある。このような場合でも、本発明によれば出力電流ｉの変化を抑制することができる。また、アーク期間増幅率設定信号Ｌraの値は数十〜１５０μＨに相当する小さな値又は略零に設定し、アーク期間高増幅率設定信号Ｌrahの値は２００〜５００μＨに相当する大きな値に設定することが多い。
【００２９】
［実施の形態２］
本発明の実施の形態２では、溶接電源装置の出力電流ｉを検出し、この電流検出値ｉｄを予め定めた平滑時定数Ｔｃで平滑して電流平滑値ｉａを算出し、この電流平滑値ｉａから上記電流検出値ｉｄを減算して電流偏差ΔＩ＝ｉａ−ｉｄを算出し、アーク期間中にこの電流偏差ΔＩの値が予め定めた降下しきい値Ｉth以上になったときは、上記電流偏差ΔＩの値に応じて出力電圧設定値Ｅｒを増加させて溶接電源装置の出力電圧Ｅを制御する。以下、図面を参照して説明する。
【００３０】
図３は、本発明の実施の形態２を示す溶接電源装置のブロック図である。同図において、上述した図６と同一の回路には同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図６とは異なる点線で示す回路について説明する。
【００３１】
平滑時定数設定回路ＴＣは、予め定めた平滑時定数設定信号Ｔｃを出力する。電流平滑回路ＩＡは、電流検出信号ｉｄを上記の平滑時定数設定信号Ｔｃによって定まる時定数で平滑して電流平滑信号ｉａを出力する。第２の減算回路ＳＵＢ２は、上記の電流平滑信号ｉａから上記の電流検出信号ｉｄを減算して電流偏差信号ΔＩ＝ｉａ−ｉｄを出力する。降下しきい値設定回路ＩＴＨは、予め定めた降下しきい値設定信号Ｉthを出力する。電圧設定増加回路ＥＵは、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）のときに上記の電流偏差信号ΔＩの値が上記の降下しきい値設定信号Ｉthの値以上になったときは、上記の電流偏差信号ΔＩの値に予め定めた増幅率Ｇを乗じて電圧設定増加信号ΔＥｕ＝Ｇ・ΔＩを出力する。加算回路ＡＤは、電圧制御設定信号Ｅcrと上記の電圧設定増加信号ΔＥｕとを加算して第２の電圧制御設定信号Ｅcr2＝Ｅcr＋ΔＥｕを出力する。この第２の電圧制御設定信号Ｅcr2によって溶接電源装置の出力電圧Ｅが制御される。
【００３２】
図４は、上記の溶接電源装置における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は出力電流ｉの、同図（Ｂ）は溶接電圧ｖの、同図（Ｃ）は電圧設定増加信号ΔＥｕの、同図（Ｄ）は第２の電圧制御設定信号Ｅcr2の時間変化を示す。同図は、上述した図８と対応しており、図８と異なる動作となる時刻ｔ２１〜ｔ３の期間を中心にして説明する。なお、同図では、アーク期間増幅率Ｌraは小さい値又は略零に設定した場合を例示している。この理由は、アーク期間中の出力電流の変化の制御は実施の形態２の発明によって行われるために、電子リアクトル制御を必ず行う必要はないためである。当然ながら、アーク期間中も電子リアクトル制御を行ってもよい。また、短絡期間中の出力電流の変化の制御は、上述した電子リアクトル制御、増加パターン目標信号制御等による方法が使用できる。
【００３３】
同図（Ａ）に点線で示すように、電流平滑信号ｉａは、出力電流ｉの検出信号を予め定めた平滑時定数Ｔｃで平滑した信号である。この平滑時定数Ｔｃの値は重要であり、０．３〜２ms程度の範囲内で、シールドガスの種類（炭酸ガス、アルコンガス、炭酸ガスとアルゴンガスとの混合ガス等）に応じて適正値に設定する。平滑時定数Ｔｃが０．３ms未満になると、電流平滑信号ｉａと出力電流ｉとの偏差が小さくなり、アーク長の急変があっても上述した降下しきい値を超えないために電流降下を抑制することはできなくなる。他方、平滑時定数Ｔｃが２msを越えると、外乱によるアーク長の変動ではなく通常のアーク長の変化に伴う電流変化時も降下しきい値を超えてしまい制御不安定になる。平滑時定数Ｔｃを適正値に設定した場合は、同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ２１〜ｔ２２以外の通常のアーク長変化に伴う電流変化では、電流偏差ΔＩ＝ｉａ−ｉｄが降下しきい値Ｉthを超えることはない。
【００３４】
時刻ｔ２１〜ｔ２２の間、外乱によってアーク長が急変して長くなると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧ｖはアーク長に略比例して大きな値となる。このために、電圧差（Ｅ−ｖ）＜０となり、同図（Ａ）に示すように、出力電流ｉは減少する。このために、電流偏差ΔＩが降下しきい値Ｉth以上となり、同図（Ｃ）に示すように、電圧設定増加信号ΔＥｕ＝Ｇ・ΔＩとなる。そして、同図（Ｄ）に示すように、第２の電圧制御設定信号Ｅcr2は、出力電圧設定信号Ｅｒに上記の電圧設定増加信号ΔＥｕが加算された値となる。この結果、出力電圧Ｅが増加して電圧差（Ｅ−ｖ）＞０となるので、同図（Ａ）に示すように、出力電流ｉの降下は抑制されて、アーク長変動前の値にすぐに復帰する。したがって、外乱によってアーク長が変化しても出力電流ｉはあまり変化しないので、溶接品質の悪化を防止することができる。
【００３５】
上記の降下しきい値Ｉthは、５〜５０Ａ程度の範囲で、シールドガスの種類に応じて適正値に設定する。例えば、アルゴンガス又はアルゴンガスと数％の酸素との混合ガスでは、しきい値Ｉth＝１０Ａ程度が適正であり、アルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガスの場合では、降下しきい値Ｉth＝２０Ａ程度が適正である。また、上記においては、電圧設定増加信号ΔＥｕ＝Ｇ・ΔＩとしたが、ΔＥｕ＝Ｇ・（ΔＩ−Ｉth）とすることも本発明に含まれる。
【００３６】
［効果］
図５は、本発明の効果の一例を示すビード外観比較図であり、同図（Ａ）は従来技術によるものであり、同図（Ｂ）は本発明によるものである。同図は、板厚２mmの亜鉛メッキ鋼板を平均出力電流１８０Ａ、平均溶接電圧１８Ｖでマグ溶接した場合のビード外観である。上述したように、亜鉛メッキ鋼板の溶接では、溶融池からの突然の亜鉛ガスの噴出によってアーク長が変動しやすい。
【００３７】
同図（Ａ）に示すように、母材２上にビード２ａが形成され、亜鉛ガスの噴出部分では大粒のスパッタ２ｂが付着し、ビード幅が細くなるくびれ２ｃが発生している。これに対して、同図（Ｂ）に示すように、本発明では、大粒のスパッタの付着もなくビード幅も略均一であり、良好なビード外観となっている。これは、亜鉛ガスの噴出によってアーク長が変動しても出力電流の変化が抑制されるためである。
【００３８】
【発明の効果】
請求項１及び２の溶接電源装置の出力制御方法によれば、アーク期間中に外乱によってアーク長が急変しても電子リアクトルの増幅率を増大させることによって出力電流の変化を抑制することができるので、大粒のスパッタの付着のないビード幅の均一な良好な溶接品質を常に得ることができる。
【００３９】
請求項３及び４の溶接電源装置の出力制御方法によれば、アーク期間中に外乱によってアーク長が急変しても、電流平滑値と出力電流との電流偏差に応じて出力電圧設定値を増加させることによって出力電流の変化を抑制することができるので、大粒のスパッタの付着のないビード幅の均一な良好な溶接品質を常に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る溶接電源装置のブロック図である。
【図２】図１の溶接電源装置のタイミングチャートである。
【図３】本発明の実施の形態２に係る溶接電源装置のブロック図である。
【図４】図３の溶接電源装置のタイミングチャートである。
【図５】本発明の効果の一例を示すビード外観比較図である。
【図６】従来技術における溶接電源装置のブロック図である。
【図７】図６の溶接電源装置のタイミングチャートである。
【図８】従来技術の課題を説明するための、アーク期間中に外乱によりアーク長が急変したときの図７に対応するタイミングチャートである。
【符号の説明】
1 溶接ワイヤ
2 母材
3 アーク
4 溶接トーチ
5 送給ロール
２ａ ビード
２ｂ スパッタ
２ｃ ビード幅のくびれ
ＡＤ 加算回路
ＡＭＰ 誤差増幅回路
Ａmp 誤差増幅信号
ＢＩ 電流微分回路
Ｂｉ 電流微分（値／信号）
ＢＩＡ 乗算回路
Ｂia 電流微分増幅（値／信号）
Ｂth 基準値
ＣＭ 比較回路
Ｃｍ 比較信号
ＤＣＬ 直流リアクトル
ｄｉ／ｄｔ 電流変化率
Ｅ 出力電圧
Ｅcr 電圧制御設定（値／信号）
Ｅcr2 第２の電圧制御設定信号
ＥＤ 出力電圧検出回路
Ｅｄ 出力電圧検出信号
ＥＲ 出力電圧設定回路
Ｅｒ 出力電圧設定（値／信号）
ＥＵ 電圧設定増加回路
ｉ 出力電流
ＩＡ 電流平滑回路
ｉａ 電流平滑（値／信号）
ＩＤ 電流検出回路
ｉｄ 電流検出信号
ＩＴＨ 降下しきい値設定回路
Ｉth 降下しきい値（設定信号）
Ｌ インダクタンス値
Ｌｉ 固定インダクタンス値
Ｌｍ 適正インダクタンス値
Ｌｒ 増幅率／増幅率設定信号／電子インダクタンス値
ＬＲＡ アーク期間増幅率設定回路
Ｌra アーク期間増幅率（設定信号）
ＬＲＡＨ アーク期間高増幅率設定回路
Ｌrah アーク期間高増幅率設定信号
ＬＲＳ 短絡期間増幅率設定回路
Ｌrs 短絡期間増幅率設定信号
ＰＭＣ 電源主回路
ｒ 抵抗値
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
ＳＵＢ 減算回路
ＳＵＢ２ 第２の減算回路
ＳＷ 切換回路
ＳＷ２ 第２切換回路
ＳＷＡ アーク期間増幅率切換回路
Ｓwa アーク期間増幅率切換回路出力信号
Ｔａ アーク期間
ＴＣ 平滑時定数設定回路
Ｔｃ 平滑時定数（設定信号）
Ｔｓ 短絡期間
ｖ 溶接電圧
ＶＤ 電圧検出回路
ｖｄ 電圧検出信号
ΔＥｕ 電圧設定増加（値／信号）
ΔＩ 電流偏差（信号）
Claims (4)
- 溶接ワイヤと母材との間で短絡期間とアーク期間とを繰り返す短絡アーク溶接に使用する溶接電源装置にあって、前記溶接電源装置の出力電流を微分して電流微分値を算出し、この電流微分値に短絡期間及びアーク期間に応じて予め定めた増幅率を乗じて電流微分増幅値を算出し、予め定めた出力電圧設定値から前記電流微分増幅値を減算して電圧制御設定値を算出し、前記溶接電源装置の出力電圧が前記電圧制御設定値と略等しくなるように出力を制御する溶接電源装置の出力制御方法において、
アーク期間中の前記増幅率を、アーク期間中の前記電流微分値の絶対値が予め定めた基準値以上になったときは前記出力電流の変化を抑制することができる値に前記基準値未満のときの値から増大させることを特徴とする溶接電源装置の出力制御方法。 - 前記増幅率をアーク期間中の前記電流微分値の絶対値が前記基準値未満であるときは略零に設定することを特徴とする請求項１記載の溶接電源装置の出力制御方法。
- 溶接ワイヤと母材との間で短絡期間とアーク期間とを繰り返す短絡アーク溶接に使用する溶接電源装置にあって、前記溶接電源装置の出力電圧が予め定めた出力電圧設定値と略等しくなるように出力を制御する溶接電源装置の出力制御方法において、
前記溶接電源装置の出力電流を検出し、この電流検出値を予め定めた平滑時定数で平滑して電流平滑値を算出し、この電流平滑値から前記電流検出値を減算して電流偏差を算出し、アーク期間中にこの電流偏差の値が予め定めた降下しきい値以上になったときは、前記電流偏差の値に応じて前記出力電圧設定値を増加させて前記出力電圧を制御することを特徴とする溶接電源装置の出力制御方法。 - 前記平滑時定数及び／又は前記降下しきい値の設定値を、前記短絡アーク溶接のシールドガスの種類に応じて変化させることを特徴とする溶接電源装置の出力制御方法。
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