JP2006026663A - 非消耗電極式のガスシールドアーク溶接電源 - Google Patents

Abstract

【課題】 未熟練の作業者であっても使いこなすことができ、作業能率を向上させることができる非消耗電極式のガスシールドアーク溶接電源を提供すること。
【解決手段】
溶接を行うための電流である主電流Ｉｗの値毎に、溶接に用いるパラメータの値を定めた条件テーブル２２を設けておき、設定された主電流Ｉｗの値により溶接条件を定めるパラメータの値を一義的に定まるようにする。なお、パルス溶接を行う場合は、パルス電流Ｉｐの電流値Ｉｐが定格電流の最大値を超えないように、かつ、ベース電流Ｉｂの電流値Ｉｂが定格電流の最小値未満にならないように電流値Ｉｐと電流値Ｉｂを設定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、入力された電流値の電流を溶接部に供給するようにした非消耗電極式のガスシールドアーク溶接電源に関する。

図５は、従来の直流の非消耗電極式のガスシールドアーク溶接電源の接続図である。

同図おいて、一点鎖線で囲んで示す主回路部１は、入力整流器部２、スイッチング部３、高周波トランス部４、二次整流器部５、電流検出器６、直流リアクタ７、およびカップリングコイル８とから構成されている。主回路部１のプラス側端子は溶接母材１０に、マイナス側の端子は溶接トーチ９に接続されている。

一点鎖線で囲んで示す制御部１１はスイッチング制御部１２と、全体制御部１３とから構成されている。全体制御部１３には、設定値入力部１５、トーチスイッチ（起動スイッチ）１６、シールドガスを制御する電磁弁１４および電流検出器６が接続されている。なお、設定値入力部１５には、図示を省略する自己保持有りまたは自己保持無しを選択する選択スイッチが設けられている。

次に、従来の非消耗電極式のガスシールドアーク溶接電源の動作について説明する。

トーチスイッチ１６が閉じられると、一次側入力電源（商用交流電源）から供給される交流は入力整流器部２により直流に変換された後、スイチング部３により高周波交流に変換され、高周波トランス４により溶接に適した電圧に変換される。高周波トランス４から出力された高周波交流は二次整流器部５により再度直流に変換された後、直流リアクタ７、溶接母材１０、溶接トーチ９、カップリングコイル８の順に流れ、溶接母材１０と溶接トーチ９との間に図示を省略するアークが発生する。

全体制御部１３は、設定値入力部１５に入力された電流値と、電流検出器６で検出された電流値とを比較し、その差を増幅してスイッチング制御部１２に入力する。スイッチング制御部１２はこの信号に基づいて溶接部を流れる電流が入力された電流値に略等しくなるようにスイチング部３を駆動する。

図６は、ガスシールドアーク溶接電源の代表的な出力電流波形を示す図である。

ガスシールドアーク溶接電源が直流のパルス電流を出力するものである場合（以下、「パルス電源」という。）、同図（ａ）に示すように、設定値入力部１５に入力されたＩｐ、ＩｂおよびＴｐ、Ｔｂの値により、電流値Ｉｐのピーク電流（継続時間Ｔｐ）と電流値Ｉｂのベース電流（継続時間Ｔｂ）が交互に出力される。

そして、パルス溶接の場合は、下記の式１、２で定まる電流値Ｉの電流（平均電流）を単に電流という。

Ｉ＝（Ｉｐ・Ｔｐ＋Ｉｂ・Ｔｂ）／Ｔ０・・・（式１）
Ｔ０＝Ｔｐ＋Ｔｂ ・・・（式２）
ガスシールドアーク溶接電源が直流電流を出力するものである場合、同図（ｂ）に示すように、設定値入力部１５に入力された電流値Ｉの電流が出力される。以下、電流値が周期的に変化しない電流を出力するガスシールドアーク溶接電源を「直流電源」といい、パルス電源と区別する。なお、パルス電源と直流電源の外部接続図は同じであり、パルス電源は、直流電源の機能を備えている。

図７は、直流電源の場合の溶接時におけるタイミングチャートであり、（ａ）は自己保持無しの場合、（ｂ）は自己保持有りの場合である。

なお、後述するように、「自己保持有り」と「自己保持無し」とではトーチスイッチ１６の開閉信号の利用形態が異なり、自己保持有りは、溶接の途中で電流値を変化させる等の複数の制御が必要な場合に採用される。

自己保持無しの場合、同図（ａ）に示すように、溶接を行うための電流である主電流Ｉｗの値、溶接に先だってシールドガスを流すプリフロー時間Ｔｇ１の値と、溶接部の酸化を防止するため溶接終了後にシールドガスを流すポストフロー時間Ｔｇ２の値を、設定値入力部１５に入力する。
次に、自己保持無しの場合の制御装置１１の動作を説明する。

制御装置１１はトーチスイッチ１６の開閉を監視し、トーチスイッチ１６が閉（オン）になると直ちに電磁弁１４を開き、プリフロー時間Ｔｇ１経過後トーチスイッチ１６が開（オフ）になるまで、主電流Ｉｗを溶接部に出力する。そして、トーチスイッチ１６が開になると直ちに主電流Ｉｗの供給を停止し、ポストフロー時間Ｔｇ２経過後電磁弁１４を閉じる。

自己保持有りの場合、同図（ｂ）に示すように、プリフロー時間Ｔｇ１、ポストフロー時間Ｔｇ２、主電流値Ｉｗ、スタート電流Ｉｓの電流値Ｉｓ、クレータ電流Ｉｃの電流値Ｉｃ、アップスロープ時間Ｔｕおよびダウンスロープ時間Ｔｄの各値を、設定値入力部１５に入力する。

次に、自己保持有りの場合の制御装置１１の動作を説明する。

制御装置１１はトーチスイッチ１６の開閉を監視し、トーチスイッチ１６が閉になると直ちに電磁弁１４を開き、プリフロー時間Ｔｇ１経過後トーチスイッチ１６が開になるまで、電流値Ｉｓのスタート電流を出力する。そして、トーチスイッチ１６が開になると、アップスロープ時間Ｔｕの間に電流を主電流Ｉｗまで増加させ、次にトーチスイッチ１６が開になるまで、主電流Ｉｗを出力する。次にトーチスイッチ１６が閉になると、ダウンスロープ時間Ｔｄの間に電流を電流値Ｉｃまで低減させる。そして、次にトーチスイッチ１６が開になると、クレータ電流の供給を停止し、ポストフロー時間Ｔｇ２経過後電磁弁１４を閉じる。

また、パルス電源の場合は、主電流値Ｉｗ、スタート電流値Ｉｓおよびクレータ電流値Ｉｃに対して、それぞれ電流値Ｉｐ、Ｉｂおよび継続時間Ｔｐ、Ｔｂの値を入力する必要があるが、動作は直流電源の場合と同じである。

ところで、通常、溶接対象に応じて適切な主電流値Ｉｗが定まるが、未熟練の作業者にとっては、溶接条件を定めるパラメータである電流値Ｉｓ、電流値Ｉｃやプリフロー時間Ｔｇ１、ポストフロー時間Ｔｇ２、アップスロープ時間Ｔｕおよびダウンスロープ時間Ｔｄの適切な設定値が分からず、溶接品質が低下した。特に、パルス電源の場合、１種類の電流値（例えば主電流値Ｉｗ）を決めるために４個の値を設定しなければならないため、熟練した作業者にとっても、設定に時間を要していた。

そこで、１つの電流設定器（この場合、主電流値Ｉｗを設定する電流設定器である。）で、ピーク電流の電流値Ｉｐ、ベース電流の電流値Ｉｂ、スタート電流の電流値Ｉｓ、クレータ電流の電流値Ｉｃを設定できるようにした非消耗電極式のガスシールドアーク溶接電源がある（特許文献１）。

そして、特許文献１では、電流補償器を設けることにより、ベース電流の電流値Ｉｂが定格電流の最小値Ｉｍｉｎよりも小さくならないように、また、ピーク電流の電流値Ｉｐが定格電流の最大値Ｉｍａｘよりも大きくならないようにしている。
特公平５−５６２３６号公報

特許文献１において、ベース電流の電流値Ｉｂが最小値Ｉｍｉｎ未満になる主電流値Ｉｗを選択した場合、ベース電流の電流値Ｉｂが最小値Ｉｍｉｎ以下になることはないが、ベース電流の電流値Ｉｂが本来の値よりも大きくなるため、溶接部に供給される電流値は電流設定器で設定した値よりも大きくなってしまう。そこで、このような場合には、試し溶接を行い、溶接部に供給される電流値が所望の電流値になるように、電流設定器の設定値を小さくしていた。

また、ピーク電流の電流値Ｉｐが最大値Ｉｍａｘを超える主電流値Ｉｗを選択した場合、ピーク電流の電流値Ｉｐが最大値Ｉｍａｘを超えることはないが、ピーク電流の電流値Ｉｐが本来の値よりも小さくなるため、溶接部に供給される電流値は電流設定器で設定した値よりも小さくなってしまう。そこで、このような場合には、試し溶接を行い、溶接部に供給される電流値が所望の電流値になるように、電流設定器の設定値を大きくしていた。 すなわち、ベース電流の電流値Ｉｂが最小値Ｉｍｉｎ未満になる主電流値Ｉｗを選択した場合、あるいはピーク電流の電流値Ｉｐが最大値Ｉｍａｘを超える主電流値Ｉｗを選択した場合には、電流の設定が面倒であった。

本発明の目的は、ベース電流の電流値Ｉｂが最小値Ｉｍｉｎ未満になる主電流値Ｉｗを選択した場合、あるいはピーク電流の電流値Ｉｐが最大値Ｉｍａｘを超える主電流値Ｉｗを選択した場合であっても電流の設定が容易で、未熟練の作業者であっても使いこなすことができ、作業能率を向上させることができる非消耗電極式のガスシールドアーク溶接電源を提供するにある。

上記した課題を解決するため、本発明は、入力された電流値の電流を溶接部に供給するようにした非消耗電極式のガスシールドアーク溶接電源において、溶接を行うための電流である主電流Ｉｗの電流値Ｉｗ毎に、溶接に用いるパラメータの値を定めたテーブルを設け、設定された前記電流値Ｉｗにより前記パラメータの値を定めることを特徴とする。

主電流値を定めると、溶接条件を定める他のパラメータの値が定まるので、作業能率を向上させることができる。また、未熟練の作業者であっても適切な溶接条件により、品質に優れる溶接を行うことができる。

図１は本発明に係る非消耗電極式のガスシールドアーク溶接電源の接続図であり、図５と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して重複する説明を省略する。

スイッチ２０は、パルス電流によるパルス溶接を行うか直流溶接を行うかを選択するスイッチであり、全体制御部１３に接続されている。全体制御部１３はスイッチング制御部１２を介して、パルス溶接が選択された場合はパルス電流を、その他（パルス無し）が選択された場合は直流電流を、それぞれ溶接部に出力する。

記憶装置２１には溶接に用いるパラメータの値を記載した条件テーブル２２と、今回の溶接条件を記憶する記憶エリア２３とが設けられている。

スイッチ２４は、記憶エリア２３の内容を書き換える場合に使用するためのスイッチであり、全体制御部１３に接続されている。

次に、条件テーブル２２について説明する。

図２は、本発明に係る条件テーブルの内容を示す図である。

同図に示すように、条件テーブル２２には、主電流Ｉｗ毎に、溶接条件を定めるパラメータである電流比ｋ、時間比ｄ、パルス周波数ｆｐ、電流比ｓ、電流比ｃ、アップスロープ時間Ｔｕ、ダウンスロープ時間Ｔｄ、プリフロー時間Ｔｇ１およびポストフロー時間Ｔｇ２がそれぞれ設定されている。

ここで、電流比ｋはベース電流値Ｉｂのピーク電流値Ｉｐに対する比（Ｉｂ／Ｉｐ）、時間比ｄは継続時間Ｔｐのパルス周期Ｔ０に対する比、電流比ｓはスタート電流Ｉｓの主電流Ｉｗに対する比、電流比ｃはクレータ電流Ｉｃの主電流Ｉｗに対する比である。

次に、本発明の動作を説明する。

図３は本発明に係る溶接条件設定手順を説明するフローチャートであり、図４は本発明におけるピーク電流値Ｉｐおよびベース電流値Ｉｂの決定手順を説明するフローチャートである。

始めに、図３により、全体の手順を説明する。

主電流値Ｉｗが入力され、図示を省略する条件設定ボタンをオンされると、制御装置１１はパルス溶接であるかどうかを確認し、パルス溶接が選択されている場合は手順Ｓ２０の処理を行い、その他の場合は手順Ｓ１００の処理を行う（手順Ｓ１０）。

手順Ｓ２０では自己保持有りかどうかを確認し、自己保持有りの場合は手順Ｓ３０の処理を行い、その他（すなわち、自己保持無し）の場合は手順Ｓ５０の処理を行う。

手順Ｓ３０では、主電流値Ｉｗと主電流値Ｉｗで定まる条件テーブル２２の係数ｓとからスタート電流の電流値Ｉｓ求めた後、電流値Ｉｓを構成するピーク電流値Ｉｐとベース電流値Ｉｂ（以下、「ピーク電流値Ｉｐｓ」および「ベース電流値Ｉｂｓ」という。）を後述する手順により求め、記憶エリア２３に記憶してから手順Ｓ４０の処理を行う。

手順Ｓ４０では、主電流値Ｉｗと主電流値Ｉｗで定まる条件テーブル２２の係数ｃとからクレータ電流の電流値Ｉｃ求めた後、電流値Ｉｃを構成するピーク電流値Ｉｐとベース電流値Ｉｂ（以下、「ピーク電流値Ｉｐｃ」および「ベース電流値Ｉｂｃ」という。）を後述する手順により求め、記憶エリア２３に記憶してから手順Ｓ５０の処理を行う。

手順Ｓ５０では、主電流値Ｉｗを構成するピーク電流値Ｉｐとベース電流値Ｉｂ（以下、「ピーク電流値Ｉｐｗ」および「ベース電流値Ｉｂｗ」という。）を後述する手順により求め、記憶エリア２３に記憶してから手順Ｓ６０の処理を行う。

手順Ｓ６０では、主電流値Ｉｗで定まる条件テーブル２２の時間比ｄとパルス周波数ｆｐの値を用いて、下記の式４、５により継続時間Ｔｐと継続時間Ｔｂの値を演算し、その結果を記憶エリア２３に記憶してから、手順Ｓ７０の処理を行う。

Ｔ０＝１／ｆｐ ・・・（式３）
Ｔｐ＝ｄ・Ｔ０＝ｄ／ｆｐ ・・・（式４）
Ｔｂ＝（Ｔ０−Ｔｐ）＝（１−ｄ）／ｆｐ・・・（式５）
なお、パルス電流Ｉｐ、Ｉｐｓ、Ｉｐｃの継続時間は総てＴｐであり、ベース電流Ｉｂ、Ｉｂｓ、Ｉｂｃの継続時間は総てＴｂである。

手順Ｓ７０では、主電流値Ｉｗで定まる条件テーブル２２のアップスロープ時間Ｔｕとダウンスロープ時間Ｔｄを記憶エリア２３に記憶してから手順Ｓ８０の処理を行う。

手順Ｓ８０では、主電流値Ｉｗで定まる条件テーブル２２のプリフロー時間Ｔｇ１およびポストフロー時間Ｔｇ２を記憶エリア２３に記憶して処理を終了する。

また、手順Ｓ１００では、自己保持有りかどうかを確認し、自己保持有りの場合は手順Ｓ１１０の処理を行い、その他（すなわち、自己保持無し）の場合は手順Ｓ８０の処理を行う。

手順Ｓ１１０では、主電流値Ｉｗと主電流値Ｉｗで定まる条件テーブル２２の係数ｓとからスタート電流の電流値Ｉｓの値を演算し、その結果を記憶エリア２３に記憶してから、手順Ｓ１２０の処理を行う。

手順Ｓ１２０では、主電流値Ｉｗと主電流値Ｉｗで定まる条件テーブル２２の係数ｃとからクレータ電流の電流値Ｉｃの値を演算し、その結果を記憶エリア２３に記憶してから、手順Ｓ８０の処理を行う。

次に、図４により、上記手順Ｓ３０〜５０においてピーク電流値Ｉｐ、Ｉｐｓ、Ｉｐｃおよびベース電流値Ｉｂ、Ｉｂｓ、Ｉｂｃを求める手順を、上記の手順Ｓ３０の場合について説明する。

電流値Ｉのピーク電流値Ｉｐは、電流値Ｉ、電流比ｋおよび時間比ｄを用いて式６で、ベース電流値Ｉｂは式７で、それぞれ表される。

Ｉｐ＝Ｉ／（ｄ＋ｋ・（１−ｄ）） ・・・（式６）
Ｉｂ＝ｋ・Ｉ／（ｄ＋ｋ（１−ｄ）） ・・・（式７）
電流値Ｉとして電流値Ｉｓが定まると、制御装置１１は、式６、７を用いてピーク電流値Ｉｐ（ここではＩｐｓ）とベース電流値Ｉｂ（ここではＩｂｓ）を求めた後（手順Ｓ２００）、ピーク電流値Ｉｐが定格電流の最大値値Ｉｍａｘ以下であるかどうかを確認し、Ｉｐ≦Ｉｍａｘの場合は手順Ｓ２２０の処理を行い、その他の場合は手順Ｓ２５０の処理を行う（手順Ｓ２１０）。

手順Ｓ２２０ではベース電流Ｉｂが定格電流の最小値Ｉｍｉｎ以上であるかどうかを確認し、Ｉｂ≧Ｉｍｉｎの場合は手順Ｓ２７０の処理を行い、その他の場合は手順Ｓ２３０の処理を行う。

手順Ｓ２３０では、Ｉｂ＝Ｉｍｉｎとして、下記の式８によりピーク電流値Ｉｐの値を求める（手順Ｓ２４０）。そして、求めたピーク電流値Ｉｐをピーク電流値Ｉｐｓとして、また、Ｉｂ（この場合はＩｍｉｎ）の値をベース電流値Ｉｂｓとして、記憶エリア２３に記憶する（手順Ｓ２７０）。

また、手順Ｓ２５０では、Ｉｐ＝Ｉｍａｘとして、下記の式９によりベース電流値Ｉｂを求めた後（手順Ｓ２６０）、手順Ｓ２７０の処理を行う。

Ｉｐ＝（Ｉｗ−（１−ｄ）・Ｉｍｉｎ）／ｄ・・・（式８）
Ｉｂ＝（Ｉｗ−ｄ・Ｉｍａｘ）／（１−ｄ）・・・（式９）
なお、クレータ電流を構成するピーク電流値Ｉｐｃとベース電流値Ｉｂｃは、上記の手順Ｓ４０においてＩ＝Ｉｃとすることにより求めることができる。また、主電流Ｉｗを構成するピーク電流値Ｉｐとベース電流値Ｉｂは、上記の手順Ｓ５０においてＩ＝Ｉｗとすることにより求めることができる。

なお、アップスロープ時間Ｔｕにおいてはベース電流値Ｉｂｓがベース電流値Ｉｂに、ピーク電流値Ｉｐｓがピーク電流値Ｉｐに移行するように、電流を制御する。

また、ダウンスロープ時間Ｔｄにおいては、ベース電流値Ｉｂがベース電流値Ｉｂｃに、ピーク電流値Ｉｐがピーク電流値Ｉｐｃに移行するように、電流を制御する。

以上により、溶接を行うための溶接条件パラメータが総て定められるので、従来と同様に、トーチスイッチを閉じて溶接作業を開始する。

以上説明したように、この実施形態では、主電流Ｉｗを決めると、プリフロー時間Ｔｇ１およびポストフロー時間Ｔｇ２がそれぞれ設定されるので、未熟練の作業者であっても使いこなすことができ、作業能率を向上させることができる。

また、主電流Ｉｗを決めると、アップスロープ時間Ｔｕおよびダウンスロープ時間Ｔｄがそれぞれ設定されるので、未熟練の作業者であっても使いこなすことができ、作業能率を向上させることができる。

なお、この実施形態では、パルス溶接の場合、スタート電流Ｉｓおよびクレータ電流Ｉｃもパルス電流にしたが、パルス溶接の場合であっても、スタート電流Ｉｓおよびクレータ電流Ｉｃを直流電流にしてもよい。

ところで、上記では、直流電流あるいは、パルス電流におけるピーク電流およびベース電流はそれぞれ一定値としたが、それぞれの値を変化させることにより、操作性および溶接部の品質を向上させることができる。

なお、例えば溶接加工部の形状が特殊である等の理由により、記憶エリア２３に記憶されたパラメータの値を変更しようとする場合は、溶接開始に先立ち、スイッチ２４により記憶エリア２３に記憶されている記憶内容を変更することができる。

また、以上の説明では、溶接開始前に主電流を決定するようにしたが、溶接中においても変更することができる。

また、この実施形態では、主電流値Ｉｗに応じて電流比ｋおよび時間比ｄを変えるようにしたが、固定値にしてもよい。

さらに、この実施形態では、主電流値Ｉｗにより常に溶接条件パラメータを決定するようにしたが、本発明を適用するかどうかを選択する選択スイッチを設け、本発明の適用を選択できるようにしてもよい。

本発明に係る非消耗電極式のガスシールドアーク溶接電源の接続図である。 本発明に係る条件テーブルの内容を示す図である。 本発明に係る溶接条件設定手順を説明するフローチャートである。 本発明におけるピーク電流値Ｉｐおよびベース電流値Ｉｂの決定手順を説明するフローチャートである。 従来の直流の非消耗電極式のガスシールドアーク溶接電源の接続図である。 ガスシールドアーク溶接電源の代表的な出力電流波形を示す図である。 直流電源の場合の溶接時におけるタイミングチャートである。

符号の説明

２２ 条件テーブル
Ｉｗ 主電流
Ｉｐ パルス電流Ｉｐの電流値
Ｉｂ ベース電流Ｉｂの電流値

Claims (3)

1. 入力された電流値の電流を溶接部に供給するようにした非消耗電極式のガスシールドアーク溶接電源において、
   溶接を行うための電流である主電流Ｉｗの電流値Ｉｗ毎に、溶接に用いるパラメータの値を定めたテーブルを設け、
   設定された前記電流値Ｉｗにより前記パラメータの値を定める
   ことを特徴とする非消耗電極式のガスシールドアーク溶接電源。
2. 溶接部に供給する電流が、電流値がＩｐで継続時間がＴｐのパルス電流Ｉｐと電流値がＩｂで継続時間がＴｂのベース電流Ｉｂとを交互に繰り返す電流である場合は、平均電流Ｉｗ（ただし、Ｉｗ＝（Ｉｐ・Ｔｐ＋Ｉｂ・Ｔｂ）／（Ｔｐ＋Ｔｂ））の値を前記電流値とすると共に、ベース電流Ｉｂのパルス電流Ｉｐに対する比ｋと、継続時間Ｔｐのパルス周期Ｔ０（ただし、Ｔ０＝Ｔｐ＋Ｔｂ）に対する比ｄと、を前記テーブルに定めておき、
   前記入力された電流値に対応する前記電流値Ｉｐが定格電流の最大値Ｉｍａｘを超える場合は、前記電流値Ｉｐを前記最大値Ｉｍａｘ、また前記電流値Ｉｂを前記電流値Ｉｐを前記最大値Ｉｍａｘとして前記入力された電流値を出力することができる電流値とし、
   前記入力された電流値に対応する前記電流値Ｉｂが定格電流の最小値Ｉｍｉｎ未満の場合は、前記電流値Ｉｂを前記最小値Ｉｍｉｎ、また前記電流値Ｉｐを前記電流値Ｉｂを
   前記最小値Ｉｍｉｎとして前記入力された電流値を出力することができる電流値とすることを特徴とする請求項１に記載の非消耗電極式のガスシールドアーク溶接電源。
3. 記憶装置と、この記憶装置に記憶されたデータを変更する変更手段と、を設け、
   前記電流値Ｉｗにより定められた前記パラメータの値を前記記憶装置に記憶させると共に、前記変更手段により、前記記憶装置に記憶された前記パラメータの値を変更できるようにしたことを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれかに記載の非消耗電極式のガスシールドアーク溶接電源。

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