JP2005118872A - パルスアーク溶接の出力制御方法及びアーク長揺動パルスアーク溶接の出力制御方法 - Google Patents

パルスアーク溶接の出力制御方法及びアーク長揺動パルスアーク溶接の出力制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】消耗電極パルスアーク溶接用の溶接電源に対して、所望の傾きKsを有する外部特性を形成することができる出力制御方法を提供する。
【解決手段】 本発明では、ピーク電流の通電とベース電流の通電とを1パルス周期として通電するパルスアーク溶接の出力制御方法において、傾きKs及び溶接電流基準値Is及び溶接電圧基準値Vsによって溶接電源の外部特性を予め設定し、溶接中の溶接電圧の絶対値va及び溶接電流の絶対値iaを検出し、第n回目のパルス周期の開始時点から積分値Svb=∫(Ks・ia−Ks・Is+Vs−va)・dtを演算し、予め定めたピーク期間に続くベース期間中の前記積分値Svbが零以上になった時点で前記第n回目のパルス周期を終了し、続けて第n+1回目のパルス周期を開始することによって前記外部特性を形成する。
【選択図】図1

Description

本発明は、所望の傾きKsを有する溶接電源の外部特性を形成するためのパルスアーク溶接の出力制御方法に関するものである。

消耗電極パルスアーク溶接では、美しいビード外観、均一な溶込み深さ等の溶接品質を良好にするためには、溶接中のアーク長を適正値に維持することが極めて重要である。一般的に、アーク長は溶接ワイヤの送給速度と溶融速度とのバランスによって決まる。したがって、溶接電流の平均値に略比例する溶融速度が送給速度と等しくなるとアーク長は常に一定となる。しかし、送給モータの回転速度の変動、溶接トーチケーブルの引き回しによる送給経路の摩擦力の変動等によって、溶接中の送給速度が変動する。このために、溶融速度とのバランスが崩れてアーク長が変化することになる。さらには、溶接作業者の手振れ等によるチップ・母材間距離の変動、溶融池の不規則な振動等によっても、アーク長は変動する。したがって、これらの種々の変動要因(以下、外乱という)によるアーク長の変動を抑制するためには、外乱に応じて常に溶融速度を調整してアーク長の変化を抑制するアーク長制御が必要となる。

消耗電極パルスアーク溶接を含む消耗電極ガスシールドアーク溶接において、上述した種々の外乱に起因するアーク長の変動を抑制する方法として、溶接電源の外部特性を所望値に出力制御する方法が慣用されている。この外部特性の例を図9に示す。同図の横軸は溶接ワイヤを通電する溶接電流の平均値Iwを示し、縦軸は溶接ワイヤと母材との間に印加する溶接電圧の平均値Vwを示す。特性L1は、傾きKs=0V/Aの完全な定電圧特性の場合である。また、特性L2は、傾きKs=−0.1V/Aと右下がりの傾きを有する定電圧特性の場合である。外部特性は直線として表わすことができるので、溶接電流基準値Isと溶接電圧基準値Vsとの交点P0を通り傾きがKsである外部特性は下式で表わされる。
Vw=Ks・(Iw−Is)+Vs ……(1)式

ところで、溶接電源の外部特性の傾きKsによってアーク長制御の安定性(自己制御作用と呼ばれる)が大きく影響されることが従来から広く知られている。すなわち、外乱に対してアーク長を安定化するためには、溶接法を含む溶接条件に応じて外部特性の傾きKsを適正値に制御する必要がある。例えば、傾きKsの適正値は、炭酸ガスアーク溶接法では0〜−0.03V/A程度の範囲であり、パルスアーク溶接法では−0.05〜−0.3V/A程度の範囲である。したがって、本発明の対象であるパルスアーク溶接法においては、アーク長制御を安定化するためには、同図に示す特性L1ではなく−0.05〜−0.3V/A程度の範囲内で予め定めた傾きKsを有する特性L2等を形成する必要がある。以下、パルスアーク溶接において所望の傾きKsを有する外部特性を形成する従来技術について説明する。

図10は、パルスアーク溶接の電流・電圧波形図である。同図(A)は溶接電流(瞬時値)ioの、同図(B)は溶接電圧(瞬時値)voの波形図である。以下,同図を参照して説明する。

(1)時刻t1〜t2のピーク期間Tp
予め定めたピーク期間Tp中は、同図(A)に示すように、溶接ワイヤを溶滴移行させるために大電流値の予め定めたピーク電流Ipを通電し、同図(B)に示すように、この期間中のアーク長に略比例したピーク電圧Vpが印加する。

(2)時刻t2〜t3のベース期間Tb
後述する溶接電源の出力制御によって定まるベース期間Tb中は、同図(A)に示すように、溶接ワイヤ先端の溶滴を成長させないために小電流値の予め定めたベース電流Ibを通電し、同図(B)に示すように、この期間中のアーク長に略比例したベース電圧Vbが印加する。

上記のピーク期間Tp及び上記のベース期間Tbからなる時刻t1〜t3の期間を1パルス周期Tpbとして繰り返して溶接を行う。同図(A)に示すように、このパルス周期Tpbごとの溶接電流の平均値がIwとなり、同様に、同図(B)に示すように、このパルス周期Tpbごとの溶接電圧の平均値がVwとなる。溶接電源の外部特性を形成するための出力制御は、パルス周期Tpbの時間長さを操作量としてフィードバック制御することで行われる。すなわち、ピーク期間Tpを一定値としてパルス周期Tpbを増減させることによって出力制御を行う。

図11に示すように、時刻t(n)〜t(n+1)の第n回目のパルス周期Tpb(n)の溶接電流平均値がIw(n)となり、溶接電圧平均値がVw(n)となる。上述した図9において、これらIw(n)とVw(n)との交点P1が、設定された特性L2上に乗るように出力制御される。以下、所望の傾きKsを有する外部特性を形成するための溶接電源の出力制御方法について説明する。

(1)図9で上述したように、傾きKs、溶接電流基準値Is及び溶接電圧基準値Vsを予め設定すると、形成すべき目標の外部特性は上述した(1)式となる。また、図10で上述したように、ピーク電流Ip、ベース電流Ib及びピーク期間Tpを一定値に予め設定する。
(2)第1の変数A=Ks・(Ib−Is)及び第2の変数B=Ks・(Ib−Ip)・Tpを演算する。
(3)溶接中の溶接電圧voを検出する。
(4)第n回目のパルス周期Tpb(n)の開始時点から傾き形成電圧誤差積分値Sva=∫(A+Vs−vo)・dtを演算し、予め定めたピーク期間に続くベース期間中の上記傾き形成電圧誤差積分値Svaが上記第2の変数Bの値以上(Sva≧B)になった時点で第n回目のパルス周期Tpb(n)を終了する。
(5)上述したように溶接電源の出力制御を行うことによって、(1)式の外部特性を形成することができる。

図12は、上述した外部特性を形成するための出力制御を搭載した従来技術の溶接電源のブロック図である。以下,同図を参照して各ブロックについて説明する。

電源主回路PMは、交流商用電源(3相200V等)を入力して、後述する電流誤差増幅信号Eiに従ってインバータ制御等の電力制御を行い、溶接に適した溶接電流io及び溶接電圧voを出力する。溶接ワイヤ1は、ワイヤ送給装置の送給ロール5の回転によって溶接トーチ4内を通って送給されて、母材2との間でアーク3が発生する。電圧検出回路VDは、上記の溶接電圧voを検出して、電圧検出信号vdを出力する。

溶接電流基準値設定回路ISは、予め定めた溶接電流基準値設定信号Isを出力する。溶接電圧基準値設定回路VSは、予め定めた溶接電圧基準値設定信号Vsを出力する。ピーク電流設定回路IPSは、予め定めたピーク電流設定信号Ipsを出力する。ベース電流設定回路IBSは、予め定めたベース電流設定信号Ibsを出力する。ピーク期間設定回路TPSは、予め定めたピーク期間設定信号Tpsを出力する。第1変数演算回路CAは、Ks・(Ibs−Is)を演算して、第1変数演算値信号Caを出力する。第2変数演算回路CBは、Ks・(Ibs−Ips)・Tpsを演算して、第2変数演算値信号Cbを出力する。傾き形成電圧誤差積分回路SVAは、第n回目のパルス周期Tpb(n)の開始時点から∫(A+Vs−vo)・dtの積分を行い、傾き形成電圧誤差積分値信号Svaを出力する。比較回路CMは、上記の傾き形成電圧誤差積分値信号Svaの値が上記の第2変数演算値信号Cbの値以上になったときに短時間Highレベルとなる比較信号Cmを出力する。この直後に傾き形成電圧誤差積分値信号Svaは零にリセットされる。したがって、比較信号Cmは、パルス周期Tpbごとに短時間Highレベルとなる信号である。

タイマ回路MMは、上記の比較信号CmがHighレベルに変化した時点から上記のピーク期間設定信号Tpsによって定まる期間だけHighレベルとなるタイマ信号Mmを出力する。したがって、このタイマ信号Mmは、予め定めたピーク期間中はHighレベルとなり、続くベース期間中はLowレベルとなる信号である。切換回路SWは、このタイマ信号Mmによって切り換えられて、上記のピーク電流設定信号Ips又はベース電流設定信号Ibsを電流波形設定信号Ifsとして出力する。電流検出回路IDは、上記の溶接電流ioを検出して、電流検出信号idを出力する。電流誤差増幅回路EIは、上記の電流波形設定信号Ifsと上記の電流検出信号idとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Eiを出力する。したがって、上記の電流波形設定信号Ifsに相当する溶接電流ioが通電する。

図13は、上述した溶接電源の各信号のタイミングチャートである。同図(A)は溶接電流ioの、同図(B)は溶接電圧voの、同図(C)は傾き形成電圧誤差積分値信号Svaの、同図(D)は比較信号Cmの、同図(E)はタイマ信号Mmの時間変化を示す。以下,同図を参照して説明する。

時刻t(n)において、第n回目のパルス周期Tpb(n)が開始すると、同図(D)に示すように、比較信号Cmが短時間Highレベルに変化する。これに応じて、同図(E)に示すように、タイマ信号Mmは予め定めたピーク期間Tpの間Highレベルになる。このタイマ信号MmがHighレベルのときは、同図(A)に示すように、ピーク電流Ipが通電し、同図(B)に示すように、ピーク電圧Vpが印加する。また、時刻t(n)から、同図(C)に示すように、Svaの積分が開始する。

同図(E)に示すように、タイマ信号Mmは、予め定めたピーク期間Tpが経過するとLowレベルになる。これによって、同図(A)に示すように、ベース電流Ibが通電し、同図(B)に示すように、ベース電圧Vbが印加する。時刻t(n+1)において、Sva≧Bとなると、同図(D)に示すように、比較信号Cmは再び短時間Highレベルになり、第n+1回目のパルス周期Tpb(n+1)が開始する。上記の動作を繰り返して、溶接電源の出力制御は行われ、上述した(1)式の外部特性が形成される。以上の従来技術に関する先行文献としては、例えば特許文献1がある。

特開2002−361417号公報 特許第2993174号公報

上述したように、従来技術のパルスアーク溶接の出力制御方法では、所望の傾きを有する外部特性を形成することができる。しかし、上述したように、その前提条件は、ピーク期間中のピーク電流Ip及びベース期間中のベース電流Ibが一定値であることである。図10で上述した直流のパルスアーク溶接の場合には、この前提条件が成立するので従来技術を適用することができる。しかし、以下に説明する交流パルスアーク溶接の場合には、ベース期間中のベース電流Ibが一定値ではなく変化するために、上記前提条件が成立しない。このために、交流パルスアーク溶接には従来技術を適用することができないという課題があった。

図14は、交流パルスアーク溶接の電流・電圧波形図である。同図(A)は溶接電流ioの、同図(B)は溶接電流の絶対値iaの、同図(C)は溶接電圧voの、同図(D)は溶接電圧の絶対値vaの波形図である。以下、同図を参照して説明する。

交流パルスアーク溶接では、時刻t2〜t3のベース期間Tbの一部の期間(時刻t21〜t22)の電圧極性を反転させて電極マイナス期間Tenを設けている。すなわち、時刻t2〜t21の第1ベース期間Tb1中は、同図(A)に示すように、電極プラス極性の第1ベース電流Ib1が通電し、同図(C)に示すように、第1ベース電圧Vb1が印加する。続いて、時刻t21〜t22の電極マイナス期間Ten中は、電極マイナス極性の電極マイナス電流Ienが通電し、電極マイナス電圧Venが印加する。続いて、時刻t22〜t3の第2ベース期間Tb2中は、再び電極プラス極性の第2ベース電流Ib2が通電し、第2ベース電圧Vb2が印加する。

上述したような交流波形のときの溶接電流平均値Iw及び溶接電圧平均値Vwは以下のように定義される。同図(B)に示すように、1パルス周期毎の溶接電流の絶対値iaの平均値が溶接電流平均値Iwとなる。同様に、同図(D)に示すように、1パルス周期毎の溶接電圧の絶対値vaの平均値が溶接電圧平均値Vwとなる。したがって、時刻t1〜t3のパルス周期Tpb中の溶接電流平均値Iwと溶接電圧平均値Vwとの交点が所望の外部特性上に乗るように出力制御する必要がある。

交流パルスアーク溶接では、同図(B)に示すように、ベース期間Tb中のベース電流はIb1、|Ien|、Ib2と変化して一定値ではない。この結果、従来技術の前提条件が成立しないために、交流パルスアーク溶接には従来技術を適用することができなかった。

そこで、本発明では、ピーク期間中のピーク電流及びベース期間中のベース電流が一定値でない場合でも、所望の傾きを有する外部特性を形成することができるパルスアーク溶接の出力制御方法を提供する。

上述した課題を解決するために、第1の発明は、ピーク期間中のピーク電流の通電とベース期間中のベース電流の通電とを1パルス周期として溶接電流を通電すると共に、溶接ワイヤと母材との間に溶接電圧を印加して溶接するパルスアーク溶接の出力制御方法において、
傾きKs及び溶接電流基準値Is及び溶接電圧基準値Vsによって溶接電源の外部特性を予め設定し、溶接中の前記溶接電圧の絶対値va及び前記溶接電流の絶対値iaを検出し、第n回目のパルス周期の開始時点から積分値Svb=∫(Ks・ia−Ks・Is+Vs−va)・dtを演算し、予め定めたピーク期間に続くベース期間中の前記積分値Svbが零以上になった時点で前記第n回目のパルス周期を終了し、続けて第n+1回目のパルス周期を開始することによって前記外部特性を形成することを特徴とするパルスアーク溶接の出力制御方法である。

また、第2の発明は、ベース期間中のベース電流の通電とピーク期間中のピーク電流の通電とを1パルス周期として溶接電流を通電すると共に、溶接ワイヤと母材との間に溶接電圧を印加して溶接するパルスアーク溶接の出力制御方法において、
傾きKs及び溶接電流基準値Is及び溶接電圧基準値Vsによって溶接電源の外部特性を予め設定し、溶接中の前記溶接電圧の絶対値va及び前記溶接電流の絶対値iaを検出し、第n回目のパルス周期の開始時点から積分値Svb=∫(Ks・ia−Ks・Is+Vs−va)・dtを演算し、予め定めたベース期間に続くピーク期間中の前記積分値Svbが零以下になった時点で前記第n回目のパルス周期を終了し、続けて第n+1回目のパルス周期を開始することによって前記外部特性を形成することを特徴とするパルスアーク溶接の出力制御方法である。

また、第3の発明は、パルスアーク溶接が、ベース期間中の一部期間の電圧極性を反転させて電極マイナス期間を設けた交流パルスアーク溶接であることを特徴とする第1又は第2の発明記載のパルスアーク溶接の出力制御方法である。

また、第4の発明は、電極マイナス期間中の電極マイナス電流の通電と電極プラス極性におけるピーク期間中のピーク電流の通電とベース期間中のベース電流の通電とを1パルス周期として溶接電流を通電すると共に、溶接ワイヤと母材との間に溶接電圧を印加して溶接するパルスアーク溶接の出力制御方法において、
傾きKs及び溶接電流基準値Is及び溶接電圧基準値Vsによって溶接電源の外部特性を予め設定し、溶接中の前記溶接電圧の絶対値va及び前記溶接電流の絶対値iaを検出し、第n回目のパルス周期の開始時点から積分値Svb=∫(Ks・ia−Ks・Is+Vs−va)・dtを演算し、予め定めた電極マイナス期間及び予め定めたピーク期間に続くベース期間中の前記積分値Svbが零以上になった時点で前記第n回目のパルス周期を終了し、続けて第n+1回目のパルス周期を開始することによって前記外部特性を形成することを特徴とするパルスアーク溶接の出力制御方法である。

また、第5の発明は、溶接電流の絶対値iaの代りに、溶接電流波形を設定する電流波形設定値を使用することを特徴とする第1乃至第4の発明のいずれか1項に記載のパルスアーク溶接の出力制御方法である。

また、第6の発明は、予め定めた高アーク長期間中はアーク長を高くするために溶接電源の外部特性を高アーク長用外部特性に制御し、続く予め定めた低アーク長期間中はアーク長を低くするために前記溶接電源の外部特性を低アーク長用外部特性に制御し、前記高アーク長用外部特性と前記低アーク長用外部特性とを周期的に切り換えることによってアーク長を周期的に高低方向に揺動させて溶接するアーク長揺動パルスアーク溶接の出力制御方法において、
傾きKs又は溶接電流基準値Is又は溶接電圧基準値Vsの中で前記溶接電圧基準値Vs又は前記溶接電流基準値Isを含む少なくとも1つ以上を異なった値にすることによって前記高アーク長用外部特性及び前記低アーク長用外部特性を設定し、第1乃至第5の発明のいずれか1項に記載するパルスアーク溶接の出力制御方法によって前記高アーク長用外部特性及び低アーク長用外部特性を形成することを特徴とするアーク長揺動パルスアーク溶接の出力制御方法である。

上記第1の発明によれば、ピーク電流及び/又はベース電流が一定値でない場合にも、所望の傾きを有する外部特性を形成することができる。このために、溶接条件に応じた最適な外部特性を形成することによって、外乱によるアーク長の変動を抑制して良好な溶接品質を得ることができる。

上記第2の発明によれば、パルス周期が予め定めたベース期間から始まりピーク期間が変化して溶接電源の出力制御が行われる場合にも、上記の効果を奏することができる。

上記第3の発明によれば、交流パルスアーク溶接法においても上記の効果を奏することができる。

上記第4の発明によれば、パルス周期が予め定めた電極マイナス期間及び予め定めたピーク期間から始まりベース期間が変化して溶接電源の出力制御が行われる交流パルスアーク溶接法においても上記の効果を奏する。

上記第5の発明によれば、溶接電流絶対値の代りに溶接電流波形を設定する電流波形設定値を使用しても上記の効果を奏することができる。

上記第6の発明によれば、2つの外部特性を切り換えることによってアーク長を揺動させるアーク長揺動パルスアーク溶接において、ピーク電流及び/又はベース電流が一定値でない場合にも、所望値の傾きを有する上記の2つの外部特性を正確に形成することができる。このために、安定したアーク長揺動パルスアーク溶接を行うことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図14で上述した交流パルスアーク溶接の波形図を参照して、本発明の外部特性形成方法を説明する。形成すべき目標の外部特性は、上述した(1)式の外部特性である。第n回目のパルス周期Tpb(n)における溶接電流平均値Iw及び溶接電圧平均値Vwは下式で表わすことができる。
Iw=(1/Tpb(n))・∫ia・dt ……(2)式
Vw=(1/Tpb(n))・∫va・dt ……(3)式
但し、積分は第n回目のパルス周期Tpb(n)の間行い、iaは溶接電流絶対値であり、vaは溶接電圧絶対値である。

これら(2)式及び(3)式を上述した(1)式に代入して整理すると下式となる。
∫(Ks・ia−Ks・Is+Vs−va)・dt=0 ……(4)式
但し、積分は第n回目のパルス周期Tpb(n)の間行い、Ksは外部特性の傾きであり、Isは溶接電流基準値であり、Vsは溶接電圧基準値である。

したがって、第n回目のパルス周期Tpb(n)が終了した時点においては上記(4)式が成立することになる。ここで、上記(4)式の左辺を積分値Svbとして定義すると下式となる。
Svb=∫(Ks・ia−Ks・Is+Vs−va)・dt ……(5)式

第n回目のパルス周期Tpb(n)が開始した時点から上記(5)式の積分値Svbの演算を開始する。第n回目の予め定めたピーク期間が終了して第n回目のベース期間中に上記の積分値Snb=0(又はSvb≧0)となった時点で第n回目のパルス周期Tpb(n)を終了する。この動作を繰り返すことによって、上述した(1)式の外部特性を形成することができる。上記(5)式の積分値Svbの演算式には、ピーク電流Ip及びベース電流Ibが一定値であるという前提条件は含まれていない。このために、図14で上述した交流パルスアーク溶接にも適用することができる。当然に、図10で上述した直流のパルスアーク溶接にも適用することができる。すなわち、広くパルスアーク溶接に適用することができる。

本発明の外部特性形成方法を以下に整理して記載する。
(1)傾きKs及び溶接電流基準値Is及び溶接電圧基準値Vsによって目標の溶接電源の外部特性を予め設定する。
(2)溶接中の溶接電圧の絶対値va及び溶接電流の絶対値iaを検出する。
(3)第n回目のパルス周期Tpb(n)の開始時点から積分値Svb=∫(Ks・ia−Ks・Is+Vs−va)・dtの演算を開始する。
(4)第n回目の予め定めたピーク期間Tpに続く第n回目のベース期間Tb中の上記積分値Svbが零以上(Svb≧0)になった時点で第n回目のパルス周期Tpb(n)を終了する。
(5)続けて第n+1回目のパルス周期Tpb(n+1)を開始して、上記(3)〜(4)の動作を繰り返し行うことによって、所望の外部特性を形成する。

図1は、上述した本発明の外部特性形成方法を搭載した溶接電源のブロック図である。同図において、図12で上述した従来装置と同一のブロックには同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図12とは異なる点線で示すブロックについて説明する。

第2電源主回路PM2は、直流パルスアーク溶接又は交流パルスアーク溶接のための溶接電流io及び溶接電圧voを出力する。すなわち、図10及び図14で上述したような溶接電流波形の電流を通電する。溶接電圧絶対値回路VAは、電圧検出信号vdの絶対値を演算して、溶接電圧絶対値信号vaを出力する。溶接電流絶対値回路IAは、電流検出信号idの絶対値を演算して、溶接電流絶対値信号iaを出力する。積分回路SVBは、パルス周期の開始時点から上記(5)式で定義された積分値Svbの演算を開始して、積分値信号Svbを出力する。第2比較回路CM2は、パルス周期中にSvb≧0となった時点で短時間Highレベルとなる比較信号Cmを出力する。

図2は、上述した溶接電源の各信号のタイミングチャートである。同図(A)は溶接電流絶対値iaの、同図(B)は溶接電圧絶対値vaの、同図(C)は積分値信号Svbの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。

(1)時刻t1〜t2のピーク期間Tp
第n回目のパルス周期Tpb(n)が時刻t1に開始すると、同図(A)に示すように、時刻t2までの予め定めたピーク期間Tp中はピーク電流Ipが通電し、同図(B)に示すように、ピーク電圧Vpが印加する。同時に時刻t1から、同図(C)に示すように、積分値信号Svbの演算が開始される。この期間中の積分値信号Svbの変化は以下のようになる。Svb=∫(Ks・ia−Ks・Is+Vs−va)・dtにおいて、通常Ks≦0であり、Is及びVsは平均値付近の値に設定されるので、ia=Ip>Isとなり、va=Vp>Vsとなる。この結果、(Ks・ia−Ks・Is+Vs−va)<0となるので、積分値信号Svbは、同図(C)に示すように、次第に負の値が大きくなるように変化する。

(2)時刻t2〜t21の第1ベース期間Tb1
同図(A)に示すように、時刻t2〜t21の予め定めた第1ベース期間Tb1中は第1ベース電流Ib1が通電し、同図(B)に示すように、第2ベース電圧Vb2が印加する。この期間中の積分値信号Svbの変化は以下のようになる。Svb=∫(Ks・ia−Ks・Is+Vs−va)・dtにおいて、通常Ks≦0であり、Is及びVsは平均値付近の値に設定されるので、ia=Ib1<Isとなり、va=Vb1<Vsとなる。この結果、(Ks・ia−Ks・Is+Vs−va)>0となるので、積分値信号Svbは、同図(C)に示すように、次第に負の値が小さくなるように変化する。

(3)時刻t21〜t22の電極マイナス期間Ten
同図(A)に示すように、時刻t21〜t22の予め定めた電極マイナス期間Ten中は電極マイナス電流Ienが通電し、同図(B)に示すように、電極マイナス電圧Venが印加する。この期間中の積分値信号Svbの変化は以下のようになる。Svb=∫(Ks・ia−Ks・Is+Vs−va)・dtにおいて、通常Ks≦0であり、Is及びVsは平均値付近の値に設定するので、ia=|Ien|<Isとなり、va=|Ven|<Vsとなる。この結果、(Ks・ia−Ks・Is+Vs−va)>0となるので、積分値信号Svbは、同図(C)に示すように、次第に負の値が小さくなるように変化する。

(4)時刻t22〜t3の第2ベース期間Tb2
同図(A)に示すように、時刻t22〜t3の第2ベース期間Tb2中は第2ベース電流Ib2が通電し、同図(B)に示すように、第2ベース電圧Vb2が印加する。この期間中の積分値信号Svbの変化は以下のようになる。Svb=∫(Ks・ia−Ks・Is+Vs−va)・dtにおいて、通常Ks≦0であり、Is及びVsは平均値付近の値に設定するので、ia=Ib2<Isとなり、va=Vb2<Vsとなる。この結果、(Ks・ia−Ks・Is+Vs−va)>0となるので、積分値信号Svbは、同図(C)に示すように、次第に負の値が小さくなり、時刻t3において零になる。

上述したように、積分値信号Svb≧0となったときに第n回目のパルス周期Tpb(n)が終了する。これらの動作を繰り返すことによって所望の外部特性が形成される。

さらに、本発明に係るパルスアーク溶接の出力制御方法は、図10及び図14で上述した電流・電圧波形だけではなく、図3に示す電流・電圧波形にも適用することができる。同図(A)は溶接電流ioの、同図(B)は溶接電圧voの波形図である。時刻t1〜t2のピーク期間Tpは、時刻t1〜t11のピーク立上り期間、時刻t11〜t12の第1ピーク期間、時刻t12〜t13の第2ピーク期間、時刻t13〜t14の第1ピーク立下り期間及び時刻t14〜t2の第2ピーク立下り期間からなる。このように、ピーク期間Tp中のピーク電流は一定値ではなく大きく変化する。続く時刻t2〜t3のベース期間Tbは、時刻t2〜t21の第1ベース期間、時刻t21〜t22の第2ベース期間及び時刻t22〜t3の第3ベース期間からなる。このように、ベース期間Tb中のベース電流は一定値ではなく大きく変化する。上述した本発明は、ピーク電流及びベース電流が大きく変化する場合でも適用することができるので、同図の場合にも適用することができる。

ところで、図1で上述した溶接電源において、溶接電流の絶対値iaは電流波形設定信号Ifsによって設定されるので、両者は同一意義を有する信号である。したがって、上記(5)式において、iaの代りにIfsを使用することができる。

また、図4は、上述した図2においてパルス周期Tpbがベース期間Tbから始まる場合のタイミングチャートである。図2では、パルス周期Tpbは予め定めたピーク期間Tpから始まり続いてベース期間Tbに移行し、積分値信号Svb≧0になった時点でベース期間Tbが終了する。これに対して、同図では、パルス周期Tpbは予め定めたベース期間Tbから始まり続いてピーク期間Tpに移行し、積分値信号Svb≦0となった時点でピーク期間Tpが終了する。同図(B)に示すように、積分値信号Svbの値は、時刻t1〜t2のベース期間Tb中は零から上昇して正の値となり、時刻t2〜t3のピーク期間Tp中は下降して時刻t3において零に戻る。したがって、ピーク期間Tp中に積分値信号Svb≦0となった時点でピーク期間Tpを終了すれば所望の外部特性を形成することができる。

同図における外部特性形成方法を以下に整理して記載する。
(1)傾きKs及び溶接電流基準値Is及び溶接電圧基準値Vsによって目標の溶接電源の外部特性を予め設定する。
(2)溶接中の溶接電圧の絶対値va及び溶接電流の絶対値iaを検出する。
(3)第n回目のパルス周期Tpb(n)の開始時点から積分値Svb=∫(Ks・ia−Ks・Is+Vs−va)・dtの演算を開始する。
(4)第n回目の予め定めたベース期間Tbに続く第n回目のピーク期間Tp中の上記積分値信号Svbが零以下(Svb≦0)になった時点で第n回目のパルス周期Tpb(n)を終了する。
(5)続けて第n+1回目のパルス周期Tpb(n+1)を開始して、上記(3)〜(4)の動作を繰り返し行うことによって、所望の外部特性を形成する。

また、図5は、上述した図14においてパルス周期Tpbが電極マイナス期間Tenから始まる場合の外部特性形成方法を示す波形図である。同図(A)は溶接電流ioの、同図(B)は積分値信号Svbの波形図である。図14では、パルス周期Tpbは予め定めたピーク期間Tpから始まり続いて予め定めた電極マイナス期間Tenを含むベース期間Tbに移行し、ベース期間Tb中に積分値信号Svb≧0になった時点でベース期間Tbが終了する。これに対して、同図では、パルス周期Tpbは予め定めた電極マイナス期間Tenから始まり続いて予め定めたピーク期間Tpを経過してベース期間Tbに移行し、ベース期間Tb中に積分値信号Svb≧0となった時点でベース期間Tbが終了する。同図(B)に示すように、積分値信号Svbの値は、時刻t1〜t2の電極マイナス期間Ten中は零から上昇して正の値となり、時刻t2〜t3のピーク期間Tp中は下降して負の値となり、時刻t3〜t4のベース期間Tb中は上昇して時刻t4において零に戻る。したがって、ベース期間Tb中に積分値信号Svb≧0となった時点でベース期間Tbを終了すれば所望の外部特性を形成することができる。

同図における外部特性形成方法を以下に整理して記載する。
(1)傾きKs及び溶接電流基準値Is及び溶接電圧基準値Vsによって目標の溶接電源の外部特性を予め設定する。
(2)溶接中の溶接電圧の絶対値va及び溶接電流の絶対値iaを検出する。
(3)第n回目のパルス周期Tpb(n)の開始時点から積分値Svb=∫(Ks・ia−Ks・Is+Vs−va)・dtの演算を開始する。
(4)第n回目の予め定めた電極マイナス期間Ten及び予め定めたピーク期間Tpに続く第n回目のベース期間Tb中の上記積分値信号Svbが零以上(Svb≧0)になった時点で第n回目のパルス周期Tpb(n)を終了する。
(5)続けて第n+1回目のパルス周期Tpb(n+1)を開始して、上記(3)〜(4)の動作を繰り返し行うことによって、所望の外部特性を形成する。

[別の実施の形態]
溶接電源の外部特性を周期的に切り換えることによってアーク長を高低方向に周期的に揺動させて溶接するアーク長揺動パルスアーク溶接方法が従来から使用されている(例えば、特許文献2参照)。この溶接方法は、外部特性を数Hz〜数十Hzの低周波で切り換えることによって、それぞれの外部特性に対応したアーク長を切り換えて、アーク長を揺動させる。この溶接方法によれば、アーク長の揺動によってアーク形状を変化させて美しいウロコ状のビードを得ることができる。さらに、この溶接方法によれば、アーク長の揺動によってアーク力を変化させて溶融池を攪拌し、これにより溶融池内のガスを放出させてブローホールの発生を抑制する効果もある。このアーク長揺動パルスアーク溶接に、上述した本発明のパルスアーク溶接の出力制御方法を適用した場合について、以下説明する。

図6は、アーク長揺動パルスアーク溶接の電流波形図である。同図(A)はアーク長切換信号Fsの、同図(B)は溶接電流ioの時間変化を示す。同図は、パルスアーク溶接が図14で上述した交流パルスアーク溶接である場合である。以下、同図を参照して説明する。

同図(A)に示すように、アーク長切換信号Fsが予め定めた時刻t1〜t2の期間(以下、高アーク長期間HTという)中Highレベルになると、溶接電源の外部特性は高アーク長用外部特性になり、アーク長は高い状態となる。アーク長切換信号Fsが予め定めた時刻t2〜t3の期間(以下、低アーク長期間LTという)中Lowレベルになると、溶接電源の外部特性は低アーク長用外部特性になり、アーク長は低い状態となる。また、上記の高アーク長期間HT中は、同図(B)に示すように、高ピーク期間HTp及び高ピーク電流HIpからなる溶接電流ioが通電する。続く上記の低アーク長期間LT中は、同図(B)に示すように、低ピーク期間LTp及び低ピーク電流LIpからなる溶接電流ioが通電する。通常、HTp≧LTp及びHIp≧LIpである。

上記の高アーク長期間HT中は高アーク長用外部特性によって安定したアーク長制御が行われて、アーク長は高い状態に安定に維持される。上記の低アーク長期間LT中は低アーク長用外部特性によって安定したアーク長制御が行われて、アーク長は低い状態に安定に維持される。高アーク長期間HT及び低アーク長期間LTは、数十ms〜数百ms程度に設定されることが多い。

図7は、上述した高アーク長用外部特性及び低アーク長用外部特性の例を示す図である。横軸は溶接電流平均値Iwを示し、縦軸は溶接電圧平均値Vwを示す。特性Hcが高アーク長用外部特性であり、傾きHKs、溶接電流基準値HIs及び溶接電圧基準値HVsによって設定される。特性Lcが低アーク長用外部特性であり、傾きLKs、溶接電流基準値LIs及び溶接電圧基準値LVsによって設定される。両外部特性共に上述した本発明の外部特性形成方法によって形成される。高アーク長用外部特性Hcのときのアーク長が、低アーク長用外部特性Lcのときのアーク長よりも高くなるためには、高アーク長用外部特性Hcが低アーク長用外部特性Lcよりも縦軸方向に上側に位置する必要がある。そのためには、上記の3つの設定値の中で、溶接電圧基準値又は溶接電流基準値を含む少なくとも1つ以上を異なった値にする必要がある。すなわち、この設定方法としては下記の6つの場合がある。
(1)HKs=LKs、HVs≠LVs、HIs=LIs
(2)HKs≠LKs、HVs≠LVs、HIs=LIs
(3)HKs=LKs、HVs=LVs、HIs≠LIs
(4)HKs≠LKs、HVs=LVs、HIs≠LIs
(5)HKs=LKs、HVs≠LVs、HIs≠LIs
(6)HKs≠LKs、HVs≠LVs、HIs≠LIs

図8は、上述したアーク長揺動パルスアーク溶接のための溶接電源のブロック図である。同図において、上述した図1と同一のブロックには同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図1とは異なる点線で示すブロックについて説明する。

アーク長切換回路FSは、予め定めた高アーク長期間中はHighレベルとなり、予め定めた低アーク長期間中はLowレベルとなるアーク長切換信号Fsを出力する。第2溶接電圧基準値設定回路VS2は、上記のアーク長切換信号FsがHighレベルのときは予め定めた高溶接電圧基準値HVsを溶接電圧基準値設定信号Vsとして出力し、上記のアーク長切換信号FsがLowレベルのときは予め定めた低溶接電圧基準値LVsを溶接電圧基準値設定信号Vsとして出力する。第2溶接電流基準値設定回路IS2は、上記のアーク長切換信号FsがHighレベルのときは予め定めた高溶接電流基準値HIsを溶接電流基準値設定信号Isとして出力し、上記のアーク長切換信号FsがLowレベルのときは予め定めた低溶接電流基準値LIsを溶接電流基準値設定信号Isとして出力する。第2傾き設定回路KS2は、上記のアーク長切換信号FsがHighレベルのときは予め定めた高傾き値HKsを傾き設定信号Ksとして出力し、上記のアーク長切換信号FsがLowレベルのときは予め定めた低傾き値LKsを傾き設定信号Ksとして出力する。

上述したアーク長揺動パルスアーク溶接は、図10又は図3で上述した直流のパルスアーク溶接にも適用することができる。

本発明の実施の形態に係る溶接電源のブロック図である。 図1の溶接電源の各信号のタイミングチャートである。 本発明の出力制御方法を適用することができるパルスアーク溶接の電流・電圧波形図である。 パルス周期が予め定めたベース期間と変化するピーク期間から成るときの外部特性形成方法を示す図2に対応するタイミングチャートである。 パルス周期が予め定めた電極マイナス期間及び予め定めたピーク期間と変化するベース期間から成るときの外部特性形成方法を示す波形図である。 本発明の別の実施の形態に係るアーク長揺動パルスアーク溶接の電流波形図である。 本発明の別の実施の形態に係る高アーク長用外部特性Hc及び低アーク長用外部特性Lcの例を示す外部特性図である。 本発明の別の実施の形態に係る溶接電源のブロック図である。 従来技術における外部特性の例を示す図である。 従来技術におけるパルスアーク溶接の電流・電圧波形図である。 従来技術における外部特性の形成方法を示す電流・電圧波形図である。 従来技術の溶接電源のブロック図である。 図12の溶接電源の各信号のタイミングチャートである。 課題を説明するための交流パルスアーク溶接の電流・電圧波形図である。

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
A 第1の変数
B 第2の変数
CA 第1変数演算回路
Ca 第1変数演算値信号
CB 第2変数演算回路
Cb 第2変数演算値信号
CM 比較回路
Cm 比較信号
CM2 第2比較回路
EI 電流誤差増幅回路
Ei 電流誤差増幅信号
FS アーク長切換回路
Fs アーク長切換信号
HIp 高ピーク電流
HIs 高溶接電流基準値
HKs 高傾き値
HT 高アーク長期間
HTp 高ピーク期間
HVs 高溶接電圧基準値
IA 溶接電流絶対値回路
ia 溶接電流絶対値(信号)
Ib ベース電流
Ib1 第1ベース電流
Ib2 第2ベース電流
IBS ベース電流設定回路
Ibs ベース電流設定信号
ID 電流検出回路
id 電流検出信号
Ien 電極マイナス電流
Ifs 電流波形設定信号
io 溶接電流
Ip ピーク電流
IPS ピーク電流設定回路
Ips ピーク電流設定信号
IS 溶接電流基準値設定回路
Is 溶接電流基準値(設定信号)
IS2 第2溶接電流基準値設定回路
Iw 溶接電流平均値
KS 傾き設定回路
Ks 傾き(設定信号)
KS2 第2傾き設定回路
L1 特性
L2 特性
LIp 低ピーク電流
LIs 低溶接電流基準値
LKs 低傾き値
LT 低アーク長期間
LTp 低ピーク期間
LVs 低溶接電圧基準値
MM タイマ回路
Mm タイマ信号
PM 電源主回路
PM2 第2電源主回路
SVA 傾き形成電圧誤差積分回路
Sva 傾き形成電圧誤差積分値(信号)
SVB 積分回路
Svb 積分値(信号)
SW 切換回路
Tb ベース期間
Tb1 第1ベース期間
Tb2 第2ベース期間
Ten 電極マイナス期間
Tp ピーク期間
Tpb パルス周期
TPS ピーク期間設定回路
Tps ピーク期間設定信号
VA 溶接電圧絶対値回路
va 溶接電圧絶対値(信号)
Vb ベース電圧
Vb1 第1ベース電圧
Vb2 第2ベース電圧
VD 電圧検出回路
vd 電圧検出信号
Ven 電極マイナス電圧
vo 溶接電圧
Vp ピーク電圧
VS 溶接電圧基準値設定回路
Vs 溶接電圧基準値(設定信号)
VS2 第2溶接電圧基準値設定回路
Vw 溶接電圧平均値

Claims (6)

  1. ピーク期間中のピーク電流の通電とベース期間中のベース電流の通電とを1パルス周期として溶接電流を通電すると共に、溶接ワイヤと母材との間に溶接電圧を印加して溶接するパルスアーク溶接の出力制御方法において、
    傾きKs及び溶接電流基準値Is及び溶接電圧基準値Vsによって溶接電源の外部特性を予め設定し、溶接中の前記溶接電圧の絶対値va及び前記溶接電流の絶対値iaを検出し、第n回目のパルス周期の開始時点から積分値Svb=∫(Ks・ia−Ks・Is+Vs−va)・dtを演算し、予め定めたピーク期間に続くベース期間中の前記積分値Svbが零以上になった時点で前記第n回目のパルス周期を終了し、続けて第n+1回目のパルス周期を開始することによって前記外部特性を形成することを特徴とするパルスアーク溶接の出力制御方法。
  2. ベース期間中のベース電流の通電とピーク期間中のピーク電流の通電とを1パルス周期として溶接電流を通電すると共に、溶接ワイヤと母材との間に溶接電圧を印加して溶接するパルスアーク溶接の出力制御方法において、
    傾きKs及び溶接電流基準値Is及び溶接電圧基準値Vsによって溶接電源の外部特性を予め設定し、溶接中の前記溶接電圧の絶対値va及び前記溶接電流の絶対値iaを検出し、第n回目のパルス周期の開始時点から積分値Svb=∫(Ks・ia−Ks・Is+Vs−va)・dtを演算し、予め定めたベース期間に続くピーク期間中の前記積分値Svbが零以下になった時点で前記第n回目のパルス周期を終了し、続けて第n+1回目のパルス周期を開始することによって前記外部特性を形成することを特徴とするパルスアーク溶接の出力制御方法。
  3. パルスアーク溶接が、ベース期間中の一部期間の電圧極性を反転させて電極マイナス期間を設けた交流パルスアーク溶接であることを特徴とする請求項1又は請求項2記載のパルスアーク溶接の出力制御方法。
  4. 電極マイナス期間中の電極マイナス電流の通電と電極プラス極性におけるピーク期間中のピーク電流の通電とベース期間中のベース電流の通電とを1パルス周期として溶接電流を通電すると共に、溶接ワイヤと母材との間に溶接電圧を印加して溶接するパルスアーク溶接の出力制御方法において、
    傾きKs及び溶接電流基準値Is及び溶接電圧基準値Vsによって溶接電源の外部特性を予め設定し、溶接中の前記溶接電圧の絶対値va及び前記溶接電流の絶対値iaを検出し、第n回目のパルス周期の開始時点から積分値Svb=∫(Ks・ia−Ks・Is+Vs−va)・dtを演算し、予め定めた電極マイナス期間及び予め定めたピーク期間に続くベース期間中の前記積分値Svbが零以上になった時点で前記第n回目のパルス周期を終了し、続けて第n+1回目のパルス周期を開始することによって前記外部特性を形成することを特徴とするパルスアーク溶接の出力制御方法。
  5. 溶接電流の絶対値iaの代りに、溶接電流波形を設定する電流波形設定値を使用することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のパルスアーク溶接の出力制御方法。
  6. 予め定めた高アーク長期間中はアーク長を高くするために溶接電源の外部特性を高アーク長用外部特性に制御し、続く予め定めた低アーク長期間中はアーク長を低くするために前記溶接電源の外部特性を低アーク長用外部特性に制御し、前記高アーク長用外部特性と前記低アーク長用外部特性とを周期的に切り換えることによってアーク長を周期的に高低方向に揺動させて溶接するアーク長揺動パルスアーク溶接の出力制御方法において、
    傾きKs又は溶接電流基準値Is又は溶接電圧基準値Vsの中で前記溶接電圧基準値Vs又は前記溶接電流基準値Isを含む少なくとも1つ以上を異なった値にすることによって前記高アーク長用外部特性及び前記低アーク長用外部特性を設定し、請求項1乃至5のいずれか1項に記載するパルスアーク溶接の出力制御方法によって前記高アーク長用外部特性及び低アーク長用外部特性を形成することを特徴とするアーク長揺動パルスアーク溶接の出力制御方法。
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