JP2005238329A

JP2005238329A - 短絡アーク溶接機およびその制御方法

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Publication number: JP2005238329A
Application number: JP2004370874A
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Inventors: Elliott K Stava; ケイスタバエリオット
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Abstract

【課題】アーク状態が、電圧波形の関数として、一定のパラメータ波形により正確に制御される、電気アーク溶接機、該溶接機のためのコントローラ、および短絡溶接の方法を提供することにある。
【解決手段】電極と被加工物との間で短絡溶接プロセスを実行するように作動する電気アーク溶接機であって、該プロセスが、短絡状態中の第１の電流波形と、アーク状態中の第２の電圧波形とを用いた、該短絡状態とアーク状態とが連続的に入れ代わることを含む、電気アーク溶接機。第１の波形ジェネレータは、１８ｋＨｚ以上のレートで作動するパルス波変調器によって制御される一連の電流パルスから該第１の波形を構成し、第２の波形ジェネレータは、１８ｋＨｚ以上のレートで作動するパルス波変調器によって制御される一連の電流パルスから該第２の波形を構成する。該第２の波形ジェネレータは、通常、電圧である、概して一定のアークパラメータによって該第２の波形を生成する回路を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、一般に、アーク溶接の技術に関し、より具体的には、短絡電気アーク溶接を実行するための固有のコントローラを有する電気アーク溶接機に関する。

パイプ溶接に特に有用な種類の電気アーク溶接の分野において、溶接溜まり温度および流動性は、ＳＴＴ溶接として知られている短絡アーク溶接プロセスを用いることによって制御される。この技術は、ＬｉｎｃｏｌｎＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｍｐａｎｙによって開発されて特許が取られており、特許文献１、特許文献２及び特許文献３を含むいくつかの特許に開示されている。これら３つの特許は、本発明が、好ましくは用いられるＳＴＴ溶接技術を説明している。この技術は公知であるため、これらの特許の援用は、本発明の実施を理解するための一般的な背景情報を与える。ＳＴＴ短絡溶接を実施する場合、波形ジェネレータは、その幅が、該周期の正確な部分で溶接プロセスにおいて流れる電流を決める一連の電流パルスを生成することにより、該溶接プロセスで用いられる正確な波形を生成する。この種の電気アーク溶接および他の短絡プロセスを実施する場合、ＬｉｎｃｏｌｎＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｍｐａｎｙが販売しているＰｏｗｅｒＷａｖｅ電気アーク溶接機を使用するのが一般的である。このようなインバータをベースとする溶接機は、特許文献４に開示されている。この特許は、本発明を実施するのに利用する一般的な種類の溶接機を開示するために援用する。背景技術は、譲受人の特許である特許文献５に開示されており、該特許も本願明細書に援用する。

電気アーク溶接は、スプレー溶接、球状溶接および短絡溶接等の様々なプロセスにおいて行われる。用いるプロセスに関係なく、インバータは、三相ライン電流を所望の電圧または電流に変換する。電気アーク溶接のためのインバータをベースとする電源は、アーク溶接プロセスにおいて、所望の出力電流または電圧を生成するためのディジタル化した制御部を有する。パイプ溶接においては、パルス溶接または短絡溶接は、隣接する被加工物の縁部間の開いた間隙を閉じる「ルートパス」として知られている最初の溶接ビードに好適である。最良の結果のためには、短絡電気アーク溶接処理は、特許されたＳＴＴ技術を用いることによって実施される。この技術においては、正確な電流波形が、上記電源によって出力される。溶接の発生を増加させる。スパッタ低減は、短絡金属が分離して新たなアークを生成する直前に、該電流を劇的に低減することによって影響を受ける。その後、該電流波形は、次の短絡を待っている電極の端部を溶融するプラズマブーストを生成する。該プラズマブーストパルスのピーク電流は、設定バックグラウンド電流に達するまで、電流の立ち下がり部において徐々に低減される。その後、該バックグラウンド電流は、溶融金属ボールが、次の周期を引き起こす上記被加工物に対して短絡するまで維持される。このＳＴＴ電気アーク溶接プロセスにおいて、上記電流波形は、一連の電流パルスによって正確に制御され、該電流パルスの幅は、常に、該波形における該電流の大きさを決める。該波形の形状は、波形ジェネレータによって制御される。この技術を用いることにより、該電流波形は、上記溜まり温度および流動性の制御を可能にする。このような能力は、パイプ溶接における開いたルートパス等の間隙溶接用途において極めて重要である。上記溜まりが冷たすぎる場合には、金属融解の不足が生じる可能性がある。当然、該溜まりが熱すぎる場合には、該ルートに吸い戻される溶融金属によって引き起こされる不十分な内部バックビードが生じる可能性がある。従来、ＳＴＴ短絡溶接は、電流制御プロセスとして実施されてきた。オペレータが、アークおよび／または溜まりの熱を変化させたい場合には、該機会設定値により電流を調整しなければならない。

米国特許第４，８６６，２４７号明細書米国特許第５，１４８，００１号明細書米国特許第６，０５１，８１０号明細書米国特許第５，２７８，３９０号明細書米国特許第６，５０１，０４９号明細書

本発明の主な目的は、アーク状態が、電圧波形の関数として、一定のパラメータ波形により正確に制御される、電気アーク溶接機、該溶接機のためのコントローラ、および短絡溶接の方法を提供することにある。この正確な制御波形は、一定電圧、電圧掛ける電流である一定ワット数、あるいは、電圧掛ける電流を積分したものである一定ジュールとすることができる。短絡溶接プロセスにおけるアーク状態のこの電圧関数制御は、該溶接処理および上記電源の電圧範囲内での動作中の上記溶接溜まりの正確な熱制御を可能にする。

本発明の他の目的は、溶接機、コントローラおよび方法を、単一の電源によって実施することができ、かつ標準的な短絡溶接および／またはＳＴＴ短絡溶接に用いることができる、後述するような溶接機、コントローラおよび方法を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、溶接機、コントローラおよび方法が、短絡状態中の電流制御の利点およびアーク状態中の電圧制御の利点を用い、かつ該電圧制御が一定のパラメータ波形を形成する、上述したような溶接機、コントローラおよび方法を提供することにある。
これらの目的および効果は、添付図面と共に挙げた以下の説明から明白になるであろう。

本発明によれば、熱が、単に上記電極の位置を変化させることによって制御されるＳＴＴモードで機能することができる電気アーク溶接機が提供される。伸長長さが、短絡溶接プロセスのアーク状態中に増加すると、熱が低下し、その逆もまた同様である。本発明は、短絡溶接プロセスのアーク部または状態のための電圧波形を生成するコントローラである。従って、上記電源は、電流および電圧制御モードで作動可能であるため、電流制御は、該溶接周期の短絡状態の間に最もよく用いられ、電圧制御は、プラズマまたはアーク状態に対して用いられる。従って、該電源の電流モードは、該溶接周期の短絡状態を実施するために、上記ＳＴＴ溶接機と同じ波形制御を用いる。電極の端部上の溶融金属ボールが、該被加工物に対して短絡した場合、制御されたピンチ電流波形が実施される。ｄｖ／ｄｔ、ｄｒ／ｄｔまたはｄｔ／ｄｔ検出器は、切迫したブレークまたは上記電極からの金属の分離を決定する。そして、電源スイッチは、該電極が分離する前に電流を瞬時に低減するために開かれる。この動作は、スパッタを最少化する。短絡が絶たれると、上記アーク状態またはプラズマ状態が即座に確立される。上記電源装置は、該電極において短絡が絶たれたことを、アーク電圧の増加として検出する。該電源は、電圧制御状態に移る。電圧波形は、次の短絡が検出されて、該波形が、該短絡を終わらせるための電流制御に戻されるまで、一定のアークパラメータを生成するために生成される。この電圧モードにおいて、電流は、電圧波形の所望の一定電圧により変化する。電圧制御回路が精密で、上記伸長長さが適切に一定を維持した場合、溶接電流は、該アークまたはプラズマ状態の間、適切に一定になる。該溶接プロセスの電圧制御部分は、次の短絡を待つために電圧がそれに対して移行する立ち下がり部または設定バックグラウンド電圧を有しない。該電圧を、該短絡溶接プロセスのアークまたはプラズマ状態の間に一定レベルに制御することにより、上記溶接溜まり温度および流動性を正確に制御して、溶接プロセスおよび上記電源の電圧範囲内での動作を最適化することができる。該短絡状態中の電流波形および該アーク状態中の一定電圧波形を用いたこの新規な技術は、どのような短絡電気アーク溶接プロセスにも適用可能である。本発明は、単に、短絡溶接プロセスのアークまたはプラズマ状態中に、制御された一定電圧の波形を用いることを含む。溶接プロセスの短絡状態は、標準的な技術に従って、またはＳＴＴ技術において用いられる正確な電流波形によって制御することができる。このような技術は、「ネック」として知られる、金属の切迫したブレークの検出時に、短絡電流を急減させるために、ダーリントンスイッチ等のスイッチを用いる。本発明は、該スイッチおよび「ネック」制御が用いられない変形短絡プロセスにおいて用いることができる。本発明の基本的な態様は、溶接プロセスのアークまたはプラズマ状態に対する正確で一定の電圧波形を用いた短絡状態の電流実施である。

本発明の一つの態様によれば、アーク状態を制御する第２の波形が続く、短絡状態を制御する第１の波形を用いた短絡プロセスを実行するように作動される電気アーク溶接機が提供される。該溶接機は、短絡状態が終わったときにアーク信号を生成する比較器を備える。そして、コントローラは、該溶接機を、該第１の波形による制御から該第２の波形による制御へ移行させる。該アーク信号の生成に応答して、該第２の波形は、該第１の波形が、多少通常のものであってもよい電流波形である。これは、好ましくは、徴候決定回路を必要としないＳＴＴプロセスまたは変形ＳＴＴプロセスのいずれかである。本発明の広い態様においては、上記第１の波形は、電流制御波形であり、また上記第２の波形は、一定電圧を有する電圧制御波形である。当然、該第２の波形は、定ワット数制御波形または低ジュール制御波形の場合もある。これらの複雑なパラメータは、アーク電圧の関数である。当然、該波形は、本発明の電流波形または定電圧波形のいずれかを決定する一連の電流パルスとして実施される。

本発明の別の他の態様は、アーク状態が続く短絡状態を伴う短絡プロセスを実行するように作動される電気アーク溶接機のためのコントローラを提供することにある。このようなコントローラは、短絡状態中の第１の電流制御モードと、アーク状態中の該電流制御モードとは異なる第２の制御モードとを有する。この第２の制御モードは、好ましくは、一定の電圧である。該モードは、正確な一定の波形のワット数および正確な一定の波形のジュール制御として実施されてきた。該波形は、１８ｋＨｚを超えるレートで、および好ましくは、実質的に２０ｋＨｚ以上で生成されまたは形成される一連の電流パルスによって、該溶接プロセスにおいて形成される。実際には、それらのパルスは、波形ジェネレータから出力された所望の特性に従って電流または電圧のいずれかを制御するために閉ループフィードバックに用いられるパルス幅変調器によって生成される。

本発明のさらに別の態様は、アーク状態が続く短絡状態を伴う短絡プロセスを実行するように作動される電気アーク溶接機を制御する方法を提供することにある。この方法は、短絡状態中に第１の電流制御モードを用いることと、アーク状態中に、該電流制御モードとは異なる第２の制御モードを用いることとを含む。実際には、この方法は、該第２の制御モードを電圧モード一定パラメータプロセスとして実施する動作を含み、該プロセスは、該アーク状態中に正確な一定波形を伴う。上記電源は、アーク抵抗に関係なく、その電圧範囲において作動される。

次に、本発明の好適な実施形態を説明するためのみの図について説明し、図１は、短絡状態１０と、定電圧として示す一定のパラメータを有するアーク状態１２とを含む短絡溶接プロセスの場合のＳＴＴタイプの波形Ａを示す。この波形は、溶接中の電流特性であり、１８ｋＨｚを超える周波数で生成される複数の電流パルス２０によって形成される。該電流パルスの幅は、図１に示すような波形の大きさまたは高さを制御する。短絡溶接は、プラズマ状態１２と、電極の端部上の溶融金属球が被加工物に接触したときに始まる短絡状態１０とを代わるがわる、とることを含む。この事象は、時刻３０に発生する。そして、金属は、表面張力動作により上記電極から該被加工物に移る。この動作は、急増電流部３２ａと、第２の傾斜を与えるブレークポイント３２ｂと、徴候ポイント３２ｃとを有する特性を有する電流を制御するのに用いるピンチパルス３２によって加速される。後に説明するように、ｄｖ／ｄｔ、ｄｒ／ｄｔまたはｄｐ／ｄｔ回路は、溶融金属の表面張力移動が、分離または破裂する準備ができたときを検知する。そのとき、断面が急速に減少するため、電圧が増加する。この事象は、被加工物からの溶融電極先端部の破裂または分離に先行する。スパッタを低減するため、上記波形は、実際の金属分離前の電流急減部３２ｄを含む。電流ピンチパルス３２は、図１に示すピンチパルス３２の形状によるＳＴＴ技術で制御される。その後には、電流が急速に増加してプラズマパルス４０が生成される前の時刻ｔｘで示されるわずかな遅延３４がある。ＳＴＴ技術において、この電流の急速な増加は、固定ピーク電流に向けられる。本発明において、上記コントローラは、短絡状態中の電流制御と、アーク状態１２中の電圧制御との間で上記電源を移行させる。このことは、電圧関数のプラズマ一定パラメータパルス４０における電流増加を引き起こす。図１のこのような定電圧波形は、通常、概して定電流を生成する。所望量のエネルギは、時刻３０で短絡を待つ溶融金属球を生成するために伝送される。本発明においては、アーク状態１２中に実施される波形は、定電圧ＶＰおよびそれに伴って短絡を有する電圧波形である。該定電圧波形の端部においては、電圧を急減させて、上記電源を、ピンチパルス３２の場合の電流制御に移行させる時刻３０における新たな短絡がある。すなわち、本発明は、短絡状態１０中の電流制御と、アーク状態１２中の電圧制御とを用いることを含む。それぞれの場合において、それらの制御は、所望の特性を生成する所定の波形を随伴する。従って、アーク状態１２は、電圧関数である。好適な実施形態においては、該電圧関数は、アーク両端の電圧である。後に説明するように、これは、図３に示す波形１００として示す、状態１０中に所望の大きさで予め選択された波形を生成するために、該短絡状態中に作動される一般的な閉ループ制御である。同じコンセプト、例えば、短絡状態中の電流制御および状態１２’中の電圧関数制御は、図２に示す本発明の第２の実施形態において用いられる。波形Ａ’は、短絡状態１０’およびアーク状態１２’を含む。閉ループ制御の場合に状態１２’中に用いられる電圧関数は、ワット数である。プラズマパルス４０’は、図３に示すような一定の波形１５０である。該電圧関数は、ジュールの場合もあるため、ジュール閉ループフィードバックは、図１および２に示すような波形を生成する。

パルス幅変調を用いると、本発明の好適な実施形態で使用するタイプのインバータをベースとした電源は、図３に概略的に示す電流および電圧曲線を生じる。典型的なＳＴＴ構成における電流波形１００は、溶融金属球が上記被加工物に対して短絡して該電圧を急減させる時刻３０において急減する。そのような電圧の減少は、上記電源を、プラズマ状態１２の電圧制御から短絡状態１２の電流制御に移行させる基準電圧ＶＲ以下までである。電流制御は、溶接周期の短絡状態を実施する。該電流は、増加可能になるまで、短期間、抑制される。従って、上記電源の電流制御は、その後解除されて、位置３２ａにおける電流の急速な増加を可能にして、ブレークポイント３２６および徴候ポイント３２ｃを有するピンチパルス３２を生成する。すでに説明したように、上記電源の電流制御は、部分３２ｄで示すように電流を急減させる。すなわち、破裂または金属分離は、時間ｔａの間維持される低電流３４で発生する。この時間の間、動作の電流モードは、電圧の増加が、その電流が、予め決められた一定の電圧制御波形によって規定される波形１５０を有する電流パルス４０を生成できるようにする。電流パルス４０は、急峻な立ち上がりエッジを有し、電流は、パルス４０の一定レベルに向かって進む。この電流レベルは、上記電源の電圧制御の間に用いられる波形１５０の設定ピーク電圧部分によって引き起こされる。その後、電流パルス４０は、時刻３０まで一定のままである。パルス４０は、図３に示す所望の電圧波形１５０によって規定される形状を有する電流パルスである。電流制御は、波形１００を有するパルス１０を定義し、電圧制御は、波形１５０を有するパルス４０を定義する。ポイント３０において、該電圧制御は短絡にあい、制御は、電圧から電流に移行する。その後、低電流が、時刻３２ａまで維持される。そして、電流パルス１０が、所望の電流波形１００によって生成される。上記電源は、ピンチパルス３２の所望の形状を維持する。電圧は、該所望電流の結果として、部分１６０ａに沿って急激に上昇する。ブレークポイント３２ｂにおいて、該電圧は、部分３２ｃまで上部ラインに沿って移行し、そこで該電圧は、標準的な徴候信号に応答して、ライン３２ｄに沿って急減する。これは、まだ電流制御モードである。短絡した電極は、時刻３２ｄにおいて分離し、該電圧を、低電流３４でアークが再確立されたときに得られるアーク電圧としての電圧制御波形１５０に上記電源を移行させる基準ＶＲ以上のレベルに増加させる。この次の波形１５０は、定電圧４２を含む。ピーク電圧４２に達するためには、短い時間が必要である。この短い時間に実際の遅延を加えたものは、時間Ｔｘを有する上述した遅延３４に等しい。この制御は、ＳＴＴ溶接機における標準的な実施である。上記電極を溶融させる電圧波形１５０の処理の後、電圧４２が保持されて、次の短い時間を待つ。実際には、図３に示す１００〜３００サイクルのパルスが、毎秒実行される。定電圧４２を調整することにより、上記溶接溜まりの温度および／または流動性が制御される。

本発明を実施する場合、好適な実施形態は、溶接機２００が、ＳＴＴ短絡溶接プロセス等の短絡アーク溶接プロセスを実施するようにプログラム可能である論理プロセッサをベースとしたコントローラＣを有する、図３のブロック図および論理に示すディジタル制御スキームを用いる。インバータ２０２は、電流をスイッチ２０６およびインダクタ２０８を介して、被加工物２１４を溶接するのに用いる前進ワイヤの形の電極２１０へ向ける標準的な整流出力回路２０４を有する。電圧帰還２２０は、アーク電圧のレベルをディジタルコントローラＣへ戻す。同様に、シャント２２２は、瞬時アーク電流を、フィードバックライン２２４によってコントローラＣへ戻す。標準的な制御技術によれば、コントローラＣにおける論理プロセッサは、ライン２４０で表わす波形制御を用いた入力ディジタル化エラー増幅器２３４を有する、ディジタルで実装したパルス幅変調器２３０を含む。パルス幅変調器２３０は、インバータ２０２にライン２４２のフィードバック値に基づいて、ライン２４０上の波形に追従させる。標準的な実施によれば、電流波形ジェネレータ２５０は、溶接周期の様々な部分の間、上記電極と被加工物との間に、電流パルスの所望の特性を与えるために設けられている。発振器２３２は、少なくとも１８ｋＨｚの周波数に設定されるため、ライン２３３のパルスは、この高周波を有する。この発明において、電流波形ジェネレータ２５０は、ディジタルイネーブルスイッチ２５２の導通状態によって決まる溶接周期の時刻またはセグメントの部分の間にのみ、パルス変調器２３０によって使用される。該スイッチが使用可能になると、ジェネレータ２５０は、ライン２４２上のフィードバックレベルが、当技術分野で用いられるような標準的なＳＴＴ波形として示す所望の正確な電流特性または波形１００に追従するように、ライン２４０上の論理を制御する。本発明によれば、電圧波形ジェネレータ２６０は、一定の波形１５０を生成するためにも設けられている。ジェネレータ２６０は、入力を、ディジタルイネーブルスイッチ２６２を介して入力２４０へ向ける。スイッチ２５２とスイッチ２６２は、逆の合致である。一方のイネーブルスイッチが閉じた場合、他方のイネーブルスイッチが開く。従って、エラー増幅器２３４は、スイッチ２５２、２６２の導通状態に従って、電流波形ジェネレータ２５０または電圧波形ジェネレータ２６０（波形１５０）のいずれかから生成された波形を受け取る。標準的なＳＴＴ技術によれば、ｄｖ／ｄｔ回路として示される徴候回路２７０は、金属移行がブレークポイント付近である場合に、スイッチ２０６を開く論理をライン２７２に生成する。そして、抵抗器２７４が該溶接回路に挿入されて、部分３２ｃに沿って電流を低減する。上記電流モードと電圧モードとの間で切り替えるため、ディジタル化比較器２８０は、電圧フィードバック２２０に接続された正の入力２８２と、基準電圧ＶＲによって制御される負の入力２８４とを有する。比較器２８０の出力ライン２９０は、電圧モールドディジタルスイッチ２９２に接続されている。ライン２９０上の論理は、電流モードスイッチ２９８を制御するための反対の論理をライン２９６上に生成するために、インバータ２９４によって反転される。動作中、短絡のスタート時において、ライン２２２上の電圧が減少した場合、論理０がライン２９０に現れる。このことは、スイッチ２９２およびスイッチ２６２を非作動状態にする。インバータ２９４は、ライン２９６に論理１を生成する。このことは、スイッチ２９８を非作動状態にするため、ライン２２４の電流フィードバックレベルは、エラー増幅器２３４の入力２４２に向けられる。同時に、ライン２９６上の論理１が、ディジタルスイッチ２５２を作動させるため、波形ジェネレータ２５０は、該エラー増幅器の入力２４０に接続される。この動作中、インバータ２２０は、ジェネレータ２５０からの波形１００に追従する。上記短絡の終了時において、アーク電圧は、急速に増加する。そして、入力２８２上の値は、ライン２８４上の基準電圧を超える。電圧モードスイッチ２９２を閉じ、かつスイッチ２６２を作動させる論理１がライン２９０に生成されるため、ジェネレータ２６０は、ライン２４０の論理を制御する。これと同時に、スイッチ２５２および２９８が非作動状態にされる。ライン２２０上のフィードバック電圧信号は、スイッチ２９２を介して入力２４２へ向けられる。このようにして、インバータ２０２は、ジェネレータ２６０によって生成される一定の電圧波形１５０の波形１５０に追従する。このジェネレータは、一定ワット数の波形ジェネレータまたは一定ジュールの波形ジェネレータであってもよい。これら全ての繰り返しは、短絡溶接プロセスのアーク状態を制御するために実施される。図３に開示された論理スキームは、コントローラＣのディジタル技術によって処理され、様々なディジタル技術を、所望の電圧関数を一定のプラズマパラメータとして追跡する波形により該アーク状態を操作するという目的を達成するのに用いることができる。従来、アーク状態中の波形は、単に、短絡波形の伸長であったため、該アークを電圧関数として制御するという利点は利用できなかった。

ある場合においては、溶融球が形成された後、該アーク状態中に電流制御に移行することが好ましい。ディジタルスイッチは、論理プロセッサが、図４に示すスイッチ２９０ａによってライン２９０を開いた場合に用いられる。この２つの極スイッチ概念は、ライン２９０ｂをアース２９０ｃによって接地する。このことは、論理０をライン２９０ｂ上に配置して、該スイッチを電流制御に移行させる。このスイッチの動作は、溶融球がプラズマパルス４０によって形成された後に、上記論理プロセッサによって選択される。

図５および６は、図３のブロック図および論理チャートのわずかな変更例を示す。図５において、電圧関数は、一定のワット数であり、そのため、比較器２８０のライン２８２の入力は、ライン２２０上の電圧フィードバックと、ライン２２４上の電流フィードバックとの積である。これらの値は、乗算器２１０によって結合されて、ワット数フィードバックを表わす値をライン３１２に生成する。電流フィードバック２２４は、図３ですでに示したように、スイッチ２９８の入力で使用される。図５に示す、コントローラＣにおけるディジタル処理のためのわずかな変更例を用いることにより、アーク状態は、ワット数フィードバックによって制御される一定のワット数波形を有し、短絡状態は、電流フィードバックにより、図３に示すように制御される。図６において、ライン３１２における積は、積分器３２０によって積分されて、ライン３２２にジュールフィードバックを生成する。これは、比較器２８０の正の入力２８２およびスイッチ２９２の入力に向けられるため、アーク状態は、所望のジュール波形１５０の正確な反映である一定のジュール波形によって制御される。図３に概略的に示すディジタル処理の他のこのような変形例は、アーク状態のパルス部分が、所望の電圧関数の正確な表現である波形１５０によって制御される限り用いることができる。ＣＶ電源の定格電圧は、溶接プロセスの異常により超えられることはない。

次に、図７〜９について説明すると、溶接機２００の変更例が示されている。変更された溶接機２００’は、ダーリントンスイッチ２０６およびネック徴候回路２７０が取り除かれた変更ＳＴＴ溶接機である。この変更回路は、それぞれ図１および２に示す波形の対応部分と同じ符号を有する、図７に示すような波形を生成する。該ダーリントンスイッチを取り除くことにより、インダクタ２０８は、ブレッドポイント３２ｃから定電圧波形４０への電流の低下を制御して、急速な時間一定曲線４００に沿って移行させる。これは、変更ＳＴＴ曲線である。この変更例の場合、短絡状態３０における移行は、時間一定曲線４０２に沿ったものである。同様に、図８に示す波形は、移行曲線４１０および導入移行曲線４１２を有する。本発明の好適な実施形態のこれらのわずかな変更例は、オハイオ州クリーブランドのＬｉｎｃｏｌｎＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｍｐａｎｙによって普及した同じＳＴＴ溶接プロセスを必ず用いることなく、本発明の効果を可能にする。電流波形と、一定のパラメータ波形による波形のプラズマまたはアーク状態とにより該溶接プロセスの短絡状態を制御する図９の変形例以外の溶接機のその他の変更例は、本発明の実施を可能にする。

インバータ５００または同等のチョッパーが、発振器５０４により１８ｋＨｚを超える周波数で作動するパルス幅変調器５０２によって制御される波形を有する、本発明の実施の単純化した図を図１０に示す。エラー増幅器５１０は、アーク電流検知装置からの帰還入力５１２と、ライン５１４ａにより波形ジェネレータ２５０に接続され、かつライン５１４ｂにより波形ジェネレータ２６０に接続された制御入力５１４とを有する。ライン２８２上のアーク電圧は、パルス幅変調器５０２へ伝送される波形の特性を決める。標準的な実施によれば、上記徴候回路は、プラズマ状態への移行を無効にする。そして、先立ってアーク状態を発生させる。ライン２８２上の論理は、インバータ５００によって処理される特定の波形１００または１５０を制御する。この一般的なシステムは、図１、２および７、８に示す溶接プロセスを実行する場合に用いられる。

２つの傾斜構成波形１００が詳細に示されている本発明の別の態様を図１１および１２に示す。この波形は、波形１００が電流制御であり、かつ波形１５０が異なって、例えば、電圧によって制御される溶接機において使用される。該溶接プロセスの各波形に対して２つの別々の制御モードを用いた場合、電流波形が、図３および９のジェネレータ２５０の制御を構成する回路５２０によって得られるような形状を有することを保障することが有利である。回路５２０は、スイッチ５２６が開いてアークがないことが示されたときに、コンデンサ５２４の放電によって制御される積分増幅器５２２を含む。これは、波形１００の間である。コンデンサ５２４は、図１２に示すような波形１００の第１の部分５５０の間に、アース５３２に対して抵抗器５３０を介して放電される。積分器５２２は、入力基準５４０と制御入力５４２とを有する。該積分器は、コンデンサ５２４が放電したときに、第１の部分５５０が、概して直線であることを保障する。出力５４４が、バッテリー５４９により作動される加減抵抗器５４８による手動調節によって入力５４６上の電圧により設定されるブレークポイント電流３２ｂに達すると、比較器５６０は、スイッチ５６４を閉じる信号をライン５６２に生成する。このことは、抵抗器５６６を抵抗器５３０と並列にして、コンデンサ５２４の放電速度を増加させる。従って、ブレークポイント３２６の後、部分５５２の傾斜は、図１２に示すように減少する。電流波形１００は、ライン２７２のネック信号により、あるいは、通常５５０アンペアの設定値に達するライン５４４上の電流によって終了する。このことは、図示しない標準的な最大電流回路によってなされる。２つの傾斜電流パルスを用いることにより、一定の電圧パルス波形１５０の使用は、上記アーク溶接機の短絡制御に影響を及ぼさない。

本発明の１つの態様によれば、波形技術を用いた電気アーク溶接機は、図１３に概略的に示すような電流ブレークポイント調整回路６００を有する。標準的な手動調節要素５４８は、ブレークポイントレベル信号を、ライン６１２によって回路６１０に入力する加減抵抗器６０２を用いる。従って、設定ポイント３２ｂは、手動で調整される。本発明は、ライン６３２上の信号によって、アーク溶接機コントローラ６３０のパラメータを調整する、手動調節可能なパラメータ回路６２０の使用を含む。該パラメータ回路は、好ましくは、ノブ６５２によって調節される電圧回路６５０である。スイッチ６６０は、ライン６３２または６６６の信号を入力６１２に接続するために、端子６６２、６６４間で移動可能である。このことは、短絡電流波形のブレークポイントを設定する。他のパラメータも、ワイヤ送給速度等の設定ポイントを調整するのに用いることができる。
電気アーク溶接機を構成するために、必要に応じて、様々な構成要素を組み合わせることができる。

本発明の好適な実施形態を実施する際に用いる波形を示すグラフである。波形が、例えばワット数やジュール等の電圧の複雑な関数である、図１と同様のグラフである。本発明の好適な実施形態に用いる技術を説明するブロック図および論理チャートである。アーク状態の端部における選択された位置で用いられる電流無効スイッチを示す部分的論理図である。ブロック図の変更例のための部分的論理図および図３における論理チャートである。図３に示すような本発明の実施の別の変更例の部分的論理図である。溶接プロセスの短絡状態中に修正したＳＴＴ波形を用いる、図１および２と同様の波形グラフである。溶接プロセスの短絡状態中に修正したＳＴＴ波形を用いる、図１および２と同様の波形グラフである。図７および８に示す波形を生成するために、本発明の実施形態において用いられる技術を示すブロック図および論理チャートである。本発明の溶接プロセスを構成する波形に対する操作のモード間で移行させるプログラムまたはアナログ構成要素のブロック図である。図１２の電流波形を生成するための配線図である。電流波形を示す図である。本発明の一つの態様に従って構成されたブレークポイント回路のブロック図である。

符号の説明

１０短絡状態
１２アーク状態
３２ｂブレークポイント
３２ｃ徴候ポイント
４０プラズマパルス

Claims

電極と被加工物との間で短絡溶接プロセスを実行するように作動する電気アーク溶接機であって、
前記プロセスが、前記短絡状態中の第１の波形と、前記アーク状態中の第２の波形とを用いた、短絡状態とアーク状態との連続的な入れ代わりからなり、
１８ｋＨｚ以上のレートで作動するパルス波変調器によって制御される一連の電流パルスから前記第１の波形を構成する第１の波形ジェネレータと、
１８ｋＨｚ以上のレートで作動するパルス波変調器によって制御される一連の電流パルスから前記第２の波形を構成する第２の波形ジェネレータとを備える電気アーク溶接機において、
前記第２の波形ジェネレータが、一定のアークパラメータで前記第２の波形を生成する回路を具備することを特徴とする電気アーク溶接機。
前記パラメータは、アーク電流であることを特徴とする請求項１に記載の電気アーク溶接機。
前記パラメータは、アーク電圧であることを特徴とする請求項１に記載の電気アーク溶接機。
前記パラメータは、アーク電力であることを特徴とする請求項１に記載の電気アーク溶接機。
前記電極と前記被加工物との間のアーク電圧を検知する回路を具備する電圧検出器と、
前記検知した電圧が所定値よりも大きい場合に、前記電圧検出器からのアーク信号の生成時に、前記短絡状態から前記アーク状態に前記溶接プロセスを移行させる回路とを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気アーク溶接機。
前記溶接機は、前記電極および前記被加工物と直列に設けたスイッチと、
前記アークスイッチと並列に設けた抵抗器と、
前記アーク信号の生成時に、前記アークスイッチを開くための回路とを含むことを特徴とする請求項５に記載の電気アーク溶接機。
前記アークスイッチと直列のインダクタを含むことを特徴とする請求項６に記載の電気アーク溶接機。
前記短絡状態中の短絡時の切迫したブレーク時にネック信号を生成する回路と、前記ネック信号によって前記アーク信号を無効にする回路とを含むことを特徴とする請求項６又は７記載の電気アーク溶接機。
前記第１の波形は、第１の傾斜と、ブレークポイントと、第２の傾斜とを有する電流波形であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の電気アーク溶接機。
電極と被加工物との間で短絡溶接プロセスを実行するように作動する電気アーク溶接機であって、
前記プロセスが、前記短絡状態中の第１の電流制御波形と、前記アーク状態中の第２の電圧制御波形とを有する短絡状態とアーク状態との連続的な入れ代わりからなり、
１８ｋＨｚ以上のレートで作動するパルス波変調器によって制御される一連の電流パルスから前記第１の波形を構成する第１の波形ジェネレータと、
１８ｋＨｚ以上のレートで作動するパルス波変調器によって制御される一連の電流パルスから前記第２の波形を構成する第２の波形ジェネレータとを備える電気アーク溶接機において、
前記第１の波形が、第１の傾斜と、ブレークポイントと、第２の傾斜とを有することを特徴とする電気アーク溶接機。
前記第２の波形は、定電流であることを特徴とする請求項１０に記載の電気アーク溶接機。
前記第２の波形は、定電圧であることを特徴とする請求項１０に記載の電気アーク溶接機。
前記第２の波形は、定電力であることを特徴とする請求項１０に記載の電気アーク溶接機。
前記電極と前記被加工物との間のアーク電圧を検知する回路を具備する電圧検出器と、
前記検知した電圧が所定値よりも大きい場合に、前記電圧検出器からのアーク信号の生成時に、前記短絡状態から前記アーク状態に前記溶接プロセスを移行させる回路とを有することを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の電気アーク溶接機。
前記溶接機は、前記電極および前記被加工物と直列に設けたスイッチと、
前記アークスイッチと並列に設けた抵抗器と、
前記アーク信号の生成時に、前記アークスイッチを開くための回路とを含むことを特徴とする請求項１４記載の電気アーク溶接機。
前記アークスイッチと直列のインダクタを含むことを特徴とする請求項１５に記載の電気アーク溶接機。
制御信号に応答して、前記ブレークポイントの電流レベルを手動調整するブレークポイント回路を含むことを特徴とする請求項１０〜１６のいずれか一項に記載の電気アーク溶接機。
前記ブレークポイント回路は、前記第２の波形の電圧を変化させるために手動調整可能な電圧信号を生成する回路と、前記電圧信号を前記制御信号として印加するスイッチとを含むことを特徴とする請求項１７記載の電気アーク溶接機。
電極と被加工物との間で短絡溶接プロセスを実行するように作動する電気アーク溶接機であって、
前記プロセスが、短絡状態とアーク状態との連続的な入れ代わりであるプロセスであり、前記プロセスが、前記短絡状態中の第１の電流制御波形を具備し、
前記電気アーク溶接機が、
１８ｋＨｚ以上のレートで作動するパルス波変調器によって制御される一連の電流パルスから前記第１の電流制御波形を形成する第１の波形ジェネレータを具備し、
前記第１の電流制御波形が、第１の傾斜と、ブレークポイントと、第２の傾斜とを含み、更に、
入力信号に応じて前記ブレークポイントの電流を設定するブレークポイント回路と、
前記ブレークポイント回路に対する第１の手動調節可能な入力信号と、
前記ブレークポイント回路に対する第２の手動調節可能な入力信号と、
前記入力信号のうちの１つを前記ブレークポイント回路に接続するスイッチと、
で構成したことを特徴とする電気アーク溶接機。
前記第２の手動調節可能な入力回路は、前記溶接機のパラメータ調節回路であることを特徴とする請求項１９に記載の電気アーク溶接機。
前記パラメータは、前記溶接機の電圧であることを特徴とする請求項２０に記載の電気アーク溶接機。