JP2007253232A - 消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】消耗電極アーク溶接において溶滴のくびれを検出し溶接電流Ｉｗを急減させて溶接品質を向上させるくびれ検出制御方法の安定性をさらに改善する。
【解決手段】本発明は、短絡状態Ｔｓからアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれ現象を消耗電極・母材間の電圧値Ｖｗ又は抵抗値の微分値Ｄｖが予め定めたくびれ検出基準値Ｖｔｎに達したことによって検出し、このくびれ現象を検出すると短絡負荷に通電する溶接電流Ｉｗを急減させて低電流値Ｉｍにし、アークが再発生すると溶接電流Ｉｗを増加させるように出力制御する消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、前記アーク再発生を、前記微分値Ｄｖが前記くびれ検出基準値Ｖｔｎよりも大きな値に予め定めたアーク再発生基準値Ｖｔａに達したことによって判別する。
【選択図】図１

Description

本発明は、短絡期間中に溶滴のくびれ現象を検出してアーク再発生直前に溶接電流を急減させてスパッタの発生を低減するための消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法に
するものである。

図５は、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを繰り返す消耗電極アーク溶接における電流・電圧波形図及び溶滴移行図である。同図（Ａ）は消耗電極（以下、溶接ワイヤ１という）を通電する溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｂ）は給電チップ・母材２間に印加する溶接電圧Ｖｗを示し、同図（Ｃ）〜（Ｅ）は各時刻における溶滴１ａの移行の様子を示す。以下、同図を参照して説明する。

時刻ｔ１〜ｔ３の短絡期間Ｔｓ中は溶接ワイヤ１先端の溶滴１ａが母材２と短絡した状態にあり、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは次第に増加し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは短絡状態にあるために数Ｖ程度の低い値になる。また、同図（Ｃ）に示すように、時刻ｔ１において溶滴１ａが母材２と接触して短絡状態に入る。その後、同図（Ｄ）に示すように、溶滴１ａを通電する溶接電流Ｉｗによる電磁的ピンチ力によって溶滴１ａ上部にくびれ１ｂが発生する。そしてこのくびれ１ｂが急速に進行して、時刻ｔ３において同図（Ｅ）に示すように、溶滴１ａは溶接ワイヤ１から溶融池２ａへと離脱しアーク３が再発生する。

上記のくびれ現象が発生すると、数十〜数百μｓ程度の極短時間後に短絡が開放されてアーク３が再発生する。すなわち、このくびれ現象は短絡開放の前兆現象となる。くびれ１ｂが発生すると、溶接電流Ｉｗの通電路がくびれ部分で狭くなるために、くびれ部分の抵抗値ｒが増大する。この抵抗値ｒの増大は、くびれが進行してくびれ部分がより狭くなるほど大きくなる。したがって、短絡期間Ｔｓ中に溶接ワイヤ１・母材２間の抵抗値ｒの変化を検出することでくびれ現象の発生を検出することができる。この抵抗値ｒの変化は、ｒ＝Ｖｗ／Ｉｗを算出し、その微分値ｄｒ／ｄｔ＝ｄ（Ｖｗ／Ｉｗ）／ｄｔによって算出することができる。また、上述したように、くびれ期間は極短時間であるために、同図（Ａ）に示すように、このくびれ発生中の溶接電流Ｉｗの変化は小さい。このために、抵抗値ｒの変化に代えて溶接電圧Ｖｗの変化ｄＶｗ／ｄｔによってもくびれ現象の発生を検出することができる。具体的なくびれ検出方法としては、短絡期間Ｔｓ中の抵抗値ｒ又は溶接電圧値Ｖｗの微分値を算出し、この微分値が予め定めたくびれ検出基準値Ｖtnに達したことを判別することによってくびれ検出を行う。以下の説明では、くびれ検出方法が上記の溶接電圧値の微分値ｄＶｗ／ｄｔによって行う場合を例として説明するが、抵抗値の微分値ｄｒ／ｄｔによる方法又はその他の従来方法であっても良い。

時刻ｔ３のアーク再発生の検出は、溶接電圧Ｖｗが短絡判別値Ｖts以上になったことを判別して行う。すなわち、Ｖｗ＜Ｖtsの期間が短絡期間Ｔｓとなり、Ｖｗ≧Ｖtsの期間がアーク期間Ｔａとなる。この短絡／アークの判別のための溶接電圧Ｖｗには、高周波ノイズ成分を除去するためにローパスフィルタ処理を行う。これは、アーク期間Ｔａ中アーク長はアーク負荷の変動によって常に変化しており、このアーク長の変化に伴って溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗも大きく変化する。この結果、短宅／アークの判別を行うときに溶接電圧Ｖｗにフィルタ処理を行わないと誤検出する。このように、溶接電圧Ｖｗにフィルタ処理を施すために、短絡／アーク判別が数十μｓ程度遅れることになる。一般的な消耗電極アーク溶接では、短絡期間／アーク期間の各々の期間に適した溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗの制御を行っているが、この短絡／アーク判別の遅れはさほど問題にはならあい。

次に、時刻ｔ３においてアークが再発生すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは次第に減少し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数十Ｖ程度のアーク電圧値に変化する。このアーク期間Ｔａ中は、アーク熱等によって溶接ワイヤ１の先端を溶融して溶滴１ａを形成すると共に、母材２を溶融する。一般的に、消耗電極アーク溶接には、アーク長を適正化するために定電圧特性の溶接電源が使用される。短絡を伴う消耗電極アーク溶接では、溶接電流平均値（ワイヤ送給速度）が低いときには短絡移行溶接となり、高いときはグロビュール移行溶接等になる。

短絡を伴う溶接では、時刻ｔ３においてアーク３が再発生したときの電流値Ｉａが大きいときは、アーク３から溶融池２ａへの圧力（アーク力）が非常に大きくなり、大量のスパッタが発生する。すなわち、アーク再発生時の溶接電流値Ｉａに略比例してスパッタ発生量が増加する。したがって、スパッタの発生を抑制するためには、アーク再発生時の溶接電流値Ｉａを小さくする必要がある。このための方法として、上記のくびれ現象の発生を検出して溶接電流Ｉｗを急減させてアーク再発生時の溶接電流値Ｉａを小さくするくびれ検出制御方法が従来から種々提案されている。以下、この従来技術について説明する。

図６は、従来技術のくびれ検出制御方法を搭載した溶接電源のブロック図である。同図においてワイヤ送給に関するブロックは省略している。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、３相２００Ｖ等の商用電源を入力として、後述する誤差増幅信号Ｅａに従ってインバータ制御、サイリスタ位相制御等の出力制御を行い、出力電圧Ｅｏ及び溶接電流Ｉｗを出力する。トランジスタＴＲ及び抵抗器Ｒの並列回路は通電路に挿入されて、後述するように、くびれ検出時にトランジスタＴＲがオフ状態になり抵抗器Ｒを通って通電することによって溶接電流Ｉｗを急減させる。短絡負荷状態においてくびれを検出すると電源主回路ＰＭからの出力が停止されるので、溶接電流Ｉｗは電源主回路ＰＭ内のリアクルトトに蓄えられたエネルギーが放電されて溶接電流Ｉｗは減少する。この減少速度は短絡負荷の抵抗値とリアクトルのインダクタンス値とによって定まる。したがって、減少速度を速くするために、くびれ検出時には上記の抵抗器Ｒを通電路に挿入している。この抵抗器Ｒの値は、短絡負荷（０．０１Ω程度）の数十倍程度である。これにより、くびれ検出時に溶接電流Ｉｗは１００μｓ程度で急減する。溶接ワイヤ１は定速送給されて母材２との間でアーク３が発生する。

電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。電圧微分回路ＤＶは、この電圧検出信号Ｖｄを微分して、電圧微分信号Ｄｖ＝ｄＶｗ／ｄｔを出力する。電圧フィルタ回路ＶＦは、上記の電圧検出信号Ｖｄをローパスフィルタに通して高周波ノイズ成分を除去し、電圧フィルタ信号Ｖｆを出力する。短絡判別回路ＳＤは、この電圧フィルタ信号Ｖｆと予め定めた短絡判別値Ｖtsとを比較して短絡期間中Ｈｉｇｈレベルになる短絡判別信号Ｓｄを出力する。くびれ検出回路ＮＤは、短絡期間中の上記の電圧微分信号Ｄｖが予め定めたくびれ検出基準値Ｖtnに達した時点（くびれ検出時点）で短時間Ｈｉｇｈレベルになるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。フリップフロップ回路ＦＦは、上記のくびれ検出信号ＮｄでセットされてＬｏｗレベルになり、上記の短絡判別信号Ｓｄの立下り（アーク再発生時）でリセットされてＨｉｇｈレベルに戻るくびれ検出期間信号Ｔｎを出力する。

駆動回路ＤＲは、上記のくびれ検出期間信号ＴｎがＨｉｇｈレベルのときに上記のトランジスタＴＲをオン状態にする駆動信号Ｄｒを出力する。くびれ検出期間信号Ｔｎはくびれ検出時点からアーク再発生時点までのくびれ期間中Ｌｏｗレベルになり、その期間中トランジスタＴＲはオフ状態になり、溶接電流Ｉｗは抵抗器Ｒを経由して通電するので急激に減少する。

上昇期間設定回路ＴＵＲは、予め定めた上昇期間設定信号Ｔurを出力する。低くびれ電流設定回路ＩＭＲは、予め定めた低くびれ電流設定信号Ｉmrを出力する。高アーク電流設定回路ＩＨＲは、予め定めた高アーク電流設定信号Ｉhrを出力する。くびれ検出時電流制御回路ＮＩＣは、上記の各設定信号Ｔur、Ｉmr、Ｉhr及び上記のくびれ検出期間信号Ｔｎを入力として、図７で後述する電源特性切換信号Ｓｗ及び電流設定信号Ｉｒを出力する。

出力電圧設定回路ＥＲは、予め定めた出力電圧設定信号Ｅｒを出力する。電流検出回路ＩＤは、溶接電流Ｉｗを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。出力電圧検出回路ＥＤは、出力電圧Ｅｏを検出して、出力電圧検出信号Ｅｄを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の出力電圧設定信号Ｅｒと上記の出力電圧検出信号Ｅｄとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流設定信号Ｉｒ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。電源特性切換回路ＳＷは、上記の電源特性切換信号Ｓｗを入力として、図７で後述するくびれ期間及び上昇期間Ｔｕ中はｂ側に切り換わり上記の電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力し、それ以外の期間中はａ側に切り換わり上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。したがって、ａ側に切り換わっている期間は定電流特性期間となり、ｂ側に切り換わっている期間は定電圧特性期間となる。

図７は、図６で上述した溶接電源における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗを示し、同図（Ｃ）は短絡判別信号Ｓｄを示し、同図（Ｄ）はくびれ検出信号Ｎｄを示し、同図（Ｅ）は電圧微分信号Ｄｖを示し、同図（Ｆ）はくびれ検出期間信号Ｔｎを示し、同図（Ｇ）は電流設定信号Ｉｒを示す。以下、同図を参照して説明する。

時刻ｔ１〜ｔ３の短絡期間Ｔｓ中、同図（Ｃ）に示すように、短絡判別信号Ｓｄは上述したローパスフィルタの影響によって立上り及び立下りがＴｄだけ遅延してＨｉｇｈレベルになる。したがって、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベルになるのは、アーク再発生時点ｔ３からＴｄ遅延した時刻ｔ４となる。この遅延時間Ｔｄは、上述したように、数百μｓ程度である。

時刻ｔ２において、同図（Ｂ）に示すように、溶滴にくびれが発生して溶接電圧値Ｖｗが上昇すると、同図（Ｄ）に示すように、電圧微分信号Ｄｖ＝ｄＶｗ／ｄｔは急激に大きくなり予め定めたくびれ検出基準値Ｖtnに達する。この結果、同図（Ｅ）に示すように、くびれ検出期間信号ＴｎがＬｏｗレベルに変化する。このくびれ検出期間信号Ｔｎは、同図（Ｃ）に示す短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベルになる時刻ｔ４までＬｏｗレベルを継続する。同図（Ｇ）に示すように、電流設定信号Ｉｒは、同図（Ｃ）に示す短絡判別信号Ｓｄが時刻ｔ４でＬｏｗレベルに変化した時点から図６の上昇期間設定信号Ｔurによって定まる上昇期間Ｔｕ中は図６の高アーク電流設定信号Ｉhrの値になり、それ意外の期間中は低くびれ電流設定信号Ｉmrの値になる。また同時に、図示していない図６の電源特性切換信号Ｓｗは時刻ｔ２〜ｔ５の期間Ｈｉｇｈレベルになり定電流特性となり、それ以外の期間はＬｏｗレベルになり定電圧特性となる。

同図（Ｅ）に示すくびれ検出期間信号ＴｎがＬｏｗレベルの時刻ｔ２〜ｔ４の期間中、図６のトランジスタＴＲはオフ状態になり、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは時刻ｔ２から急減して、同図（Ｇ）に示す低くびれ電流設定信号Ｉmrによって設定される低くびれ電流Ｉｍに維持される。時刻ｔ３において、同図（Ｂ）に示すように、時刻ｔ３にアークが再発生し、溶接電圧Ｖｗが急上昇する。このアーク再発生時点において、同図（Ａ）に示すように、溶接電流値Ｉｗは数十Ａの低くびれ電流値Ｉｍであるので、スパッタの発生が削減される。時刻ｔ４において、同図（Ｇ）に示すように、電流設定信号Ｉｒが高アーク電流設定信号Ｉhrに変化するので、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは高アーク電流設定信号Ｉhrによって設定される高アーク電流値Ｉｈまで上昇し、時刻ｔ５において定電圧特性によって定まるアーク電流に移行する。ところで、同図（Ｄ）に示すように、電圧微分信号Ｄｖは、時刻ｔ２まで急上昇し、時刻ｔ２から溶接電流Ｉｗの急減に伴って急下降し、アーク再発生時に溶接電圧Ｖｗが急上昇するので再び急上昇し、時刻ｔ３以降は溶接電圧Ｖｗの変化が小さくなるので略零になる。

上述したように、従来技術では、アーク再発生時の溶接電流値を低くびれ電流値Ｉｍに制御することによって、スパッタの発生を削減することができる（特許文献１参照）。

特開２００６−２６７１８号公報

上述した図７において、同図（Ｃ）に示すように、短絡判別信号Ｓｄの立下りのタイミング（時刻ｔ４）がアーク再発生タイミング（時刻ｔ３）からＴｄだけ遅延する。この原因は、上述したように、短絡の誤判別を防止するためにローパスフィルタを通した溶接電圧Ｖｗによって判別するためである。この遅延時間Ｔｄのために、同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ３にアークが再発生しても溶接電流Ｉｗは増加せず低い値のままである。しかも、上記の遅延時間Ｔｄはローパスフィルタの設定によって固定されており、その値も数十μｓと無視できない長さである。

比較的小電流域の短絡移行溶接においては、上記の遅延時間Ｔｄは溶接安定性の大きな問題にはならない。しかし、中・大電流域の短絡移行とグロビュール移行とが混在する溶接、グロビュール移行溶接、スプレー移行溶接等においては、この遅延時間Ｔｄが溶接安定性に大きな影響を及ぼすことが多い。これは、中・大電流域溶接では、短絡は不規則に発生することが多く、このために短絡が発生したときの溶滴サイズに大きなバラツキがある。このために、くびれ現象の進行状態にもバラツキが生じ、くびれ検出精度にもバラツクが生じる。この最結果、くびれ現象の終盤においてくびれ検出が行われることもあり、このような場合にはくびれ検出の極直後（数十μｓ以下）にアークが再発生する。

図８は、上述したくびれ検出直後にアークが再発生するときの図７に対応するタイミングチャートである。同図の（Ａ）〜（Ｇ）の各信号は図７と同一である。以下、同図を参照して説明する。

時刻ｔ２においてくびれが進行すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗが上昇し、同図（Ｄ）に示すように、電圧微分信号Ｄｖが急上昇してくびれ検出基準値Ｖtnに達し、同図（Ｅ）に示すように、くびれ検出信号Ｎｄが短時間Ｈｉｇｈレベルになる。これに応動して、同図（Ｆ）に示すように、くびれ検出期間信号ＴｎがＬｏｗレベルに変化しトランジスタＴＲがオフ状態に変化するために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは急減する。

時刻ｔ２直後の時刻ｔ３においてアークが再発生すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは急上昇する。しかし、同図（Ｃ）に示すように、短絡判別信号Ｓｄはローパスフィルタの影響のために立下りがＴｄ遅延されて時刻ｔ４までＨｉｇｈレベルのままである。この期間中、同図（Ｆ）に示すくびれ検出期間信号ＴｎはＬｏｗレベルのままであるのでトランジスタＴＲはオフ状態のままであり、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは低くびれ電流値Ｉｍになる。時刻ｔ４において、同図（Ｃ）に示すように、遅延時間Ｔｄが経過するので短絡判別信号ＳｄはＬｏｗレベル（アーク状態）に変化する。これに応動して、同図（Ｅ）に示すように、くびれ検出期間信号ＴｎはＨｉｇｈレベルになりトランジスタＴＲはオン状態になる。同時に、同図（Ｆ）に示すように、電流設定信号Ｉｒは高アーク電流設定値Ｉhrになるので、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは増加を始める。

中・大電流域溶接では送給速度は小電流域溶接よりも速く、かつ、溶融池の振動も大きい。このために、時刻ｔ３にアークが再発生してから時刻ｔ５に至るまでの期間中溶接電流Ｉｗが低い値であるとは、溶融速度が送給速度よりも遅くなりアーク長は短くなり、溶融池振動によって時刻ｔ５に再短絡が発生する。この再短絡はワイヤ先端が溶融していない状態（溶滴のない状態）で発生することになる。

時刻ｔ５において短絡が発生すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは低い値に変化し。同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは短絡負荷に応動して増加し、同図（Ｃ）に示すように、短絡判別信号Ｓｄが少し遅延してＨｉｇｈレベルになる。上述したように、この再短絡はワイヤ先端が溶融していない状態であるので、時刻ｔ６までの所定期間が経過しても短絡は解除されない。そこで、時刻ｔ６において、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗを一段と大きな値（短絡解除電流値）に増加させてワイヤ溶断によって強制的な短絡解除を行う。この結果、時刻ｔ７においてワイヤが溶断してアークが再発生する。このとき、ワイヤ溶断であるのでくびれは発生しない。また、時刻ｔ６以降は短絡強制解除処理に入っているので、同図（Ｄ）に示すように、電圧微分信号Ｄｖの値がくびれ検出基準値Ｖtnに達しても同図（Ｅ）に示すくびれ検出信号Ｎｄは出力されないようにしている。

上述したような短絡強制解除を行うと、大電流値でのワイヤ溶断に伴って、大量のスパッタが飛散しかつ溶接状態も不安定になる。この溶接状態の不安定は短絡発生の不規則性を助長することになり、時刻ｔ２〜ｔ７の状態を頻発に起こすようになり、溶接品質が大きく劣化することになる。

そこで、本発明では、上記の課題を解決することができ消耗電極アーク溶接のくびれ検出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、消耗電極と母材との間でアーク発生状態と短絡状態とを繰り返す消耗電極アーク溶接にあって、短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれ現象を消耗電極・母材間の電圧値又は抵抗値の微分値が予め定めたくびれ検出基準値に達したことによって検出し、このくびれ現象を検出すると短絡負荷に通電する溶接電流を急減させて低電流値にし、アークが再発生すると溶接電流を増加させるように出力制御する消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、
前記アーク再発生を、前記微分値が前記くびれ検出基準値よりも大きな値に予め定めたアーク再発生基準値に達したことによって判別する、ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。

第２の発明は、前記溶接電流の急減を、前記微分値が前記くびれ検出基準値に達した時点における前記微分値の変化率が所定値未満であるときにのみ行う、ことを特徴とする第１の発明記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。

上記第１の発明によれば、溶接電圧の微分値が予め定めたアーク再発生基準値に達したことによってアーク再発生を遅れなしに検出することができる。このために、くびれ検出制御においてアーク再発生から遅延することなく溶接電流を増加させることができる。この結果、くびれ検出直後にアークが再発生する場合でも、アーク再発生の瞬間から溶接電流は増加するので、アーク長が短くなり再短絡を発生することもなく、溶接状態の安定性を向上させることができる。特に、中・大電流域の溶接においてその効果は大きい。
１

上記第２の発明によれば、くびれ検出時点での溶接電圧の２階微分値（溶接電圧の微分地の変化率）が基準値以上であるときは、アーク再発生が間近でありくびれ期間が短いと判別して溶接電流の急減を行わない。他方、溶接電圧の２階微分値が基準値未満のときは通常のくびれ期間であると判別して溶接電流を急減させる。これにより、第１の発明の効果に加えて、くびれ期間が短いときの安定性が向上し溶接全体の安定性がさらに向上する。時に、短いくびれ期間と通常のくびれ期間の短絡が混在する中・大電流域の溶接においてその効果は大きい。

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。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を示すタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗを示し、同図（Ｃ）はアーク再発生判別信号Ａｄを示し、同図（Ｄ）は電圧微分信号Ｄｖをしめし、同図（Ｅ）はくびれ検出信号Ｎｄを示し、同図（Ｆ）はくびれ検出期間信号Ｔｎを示し、同図（Ｇ）は電流設定信号Ｉｒを示す。同図は上述した図８と対応しており、同図（Ｃ）のアーク再発生判別信号Ａｄは、図７では短絡判別信号Ｓｄになっていた。同図は、上述した図８と同様に、くびれ検出直後にアークが再発生する場合である。以下、同図を参照してｓ説明する。

時刻ｔ２においてくびれが発生すると、同図（Ｄ）に示すように、電圧微分信号Ｄｖは急上昇してくびれ検出基準値Ｖtnに達する。これに応動して、同図（Ｅ）に示すように、くびれ検出信号Ｎｄが短時間Ｈｉｇｈレベルになり、同図（Ｆ）に示すように、くびれ検出期間信号ＴｎはＬｏｗレベルに変化し、図２のトランジスタＴＲはオフ状態になるので、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは減少する。

時刻ｔ３おいてアークが再発生すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは急上昇する。この上昇率は、時刻ｔ２のくびれ発生時の少なくとも１．５倍以上である。このために時刻ｔ３において、同図（Ｄ）に示すように、電圧微分信号Ｄｖは予め定めたアーク再発生基準値Ｖtaに達する。ここで、アーク再発生基準値Ｖtaはくびれ検出基準値Ｖtnよりも大きな値である。時刻ｔ３においてＤｖ≧Ｖtaになると、同図（Ｃ）に示すように、アーク再発生判別信号Ａｄは短時間Ｈｉｇｈレベルになる。これに応動して、同図（Ｅ）に示すように、くびれ検出期間信号ＴｎはＨｉｇｈレベルに変化しトランジスタＴＲはオン状態になる。同時に、同図（Ｇ）に示すように、電流設定信号Ｉｒは高アーク電流設定値Ｉhrに変化する。この結果、時刻ｔ３時点から遅延することなく溶接電流Ｉｗは増加する。

上述したように、時刻ｔ２のくびれ検出直後の時刻ｔ３にアークが再発生しても、溶接電流Ｉｗは直ぐに高アーク電流値Ｉｈになるので、再短絡が発生することはなく溶接状態は安定化する。

図２は、上述した実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施する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６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６とは異なる点線で示すブロックについて説明する。

アーク再発生判別回路ＡＤは、短絡期間中の電圧微分信号Ｄｖの値が予め定めたアーク再発生基準値Ｖtaに達した時点で短時間Ｈｉｇｈレベルになるアーク再発生判別信号Ａｄを出力する。第２フリップフロップ回路ＦＦ２は、くびれ検出信号ＮｄによってＬｏｗレベルになり、上記のアーク再発生判別信号ＡｄによってＨｉｇｈレベルになるくびれ検出期間信号Ｔｎを出力する。

［実施の形態２］
図３は、本発明の実施の形態２に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を示すタイミングチャートである。同図（Ａ）〜（Ｇ）に示す各信号は、上述した図１と同一である。同図は、くびれ検出時点からアーク再発生までのくびれ期間が短い場合である。通常、このくびれ期間は数百μｓ程度であるが、同図では１００μｓ以下程度の場合である。中・大電流域の溶接において、このくびれ期間が短い場合には溶接電流Ｉｗを急減させるよりもそのままの値の溶接電流Ｉｗの通電を継続した方が溶接状態が安定化する場合がある。これは、くびれ期間が通常の短絡と、くびれ期間が短い少数の短絡とが混在しており、くびれ期間が短い短絡のときは溶接電流Ｉｗを急減させない方が溶接全体としての安定性が却って向上するからである。以下、この場合の動作について同図を参照して説明する。

時刻ｔ２においてくびれが発生すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗが上昇し、同図（Ｄ）に示すように、電圧微分信号Ｄｖは急上昇してくびれ検出基準値Ｖtnに達する。この時点において、電圧微分信号Ｄｖの変化率Ｄ2vを算出し、この値と予め定めた変化率基準値Ｖtmとを比較する。そして、Ｄ2v≧Ｖtmの場合は同図（Ｅ）に示すくびれ検出信号Ｎｄを出力せず（Ｌｏｗレベルのまま維持）、Ｄ2v＜Ｖtmの場合にはくびれ検出信号Ｎｄを出力（Ｈｉｇｈレベルに変化）する。同図はＤ2v≧Ｖtmの場合であるので、くびれ検出信号Ｎｄは出力されない。このために、同図（Ｆ）に示すくびれ検出期間信号ＴｎはＨｉｇｈレベルのままであり、トランジスタＴＲはオン状態のままである。したがって、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは急減せずそのままの値である。そして、時刻ｔ２の直後の時刻ｔ３においてアークが再発生すると、同図（Ｄ）に示すように、電圧微分信号Ｄｖの値がアーク再発生基準値Ｖta以上になり、同図（Ｃ）に示すように、アーク再発生判別信号Ａｄは短時間Ｈｉｇｈレベルになる。しかし、同図（Ｅ）に示すように、くびれ検出期間信号ＴｎはＨｉｇｈレベルであるのでそのままの状態を維持する。したがって、同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ３にアークが再発生すると溶接電流Ｉｗはアーク負荷に応じて緩やかに減少する。

上述において、電圧微分信号Ｄｖの変化率Ｄ2vは、Ｄ2v＝ｄＤｖ／ｄｔである。したがって、電圧微分信号Ｄｖの変化率Ｄ2vは、溶接電圧Ｖｗの２階微分値Ｄ2v＝ｄ^２Ｖｗ／ｄｔ^２となる。時刻ｔ２のくびれ検出時点において、この変化率Ｄ2vが大きいほど急速にくびれが進行しておりアーク再発生が間近であることを示している。したがって、この変化率Ｄ2vの値によってくびれ期間が短いかを推測し判別することができる。

図４は、上述した実施の形態２に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接電源における第２くびれ検出回路ＮＤ２の詳細ブロック図である。溶接電源全体のブロック図は上述した図２と同一である。ただし、図２のくびれ検出回路ＮＤは同図の第２くびれ検出回路ＮＤ２に置換される。以下、同図を参照して説明する。

変化率算出回路Ｄ２Ｖは、電圧微分信号Ｄｖの変化率（微分値）を算出して、変化率信号Ｄ2vを出力する。比較回路ＣＰは、電圧微分信号Ｄｖの値がくびれ検出基準値Ｖtnと等しくなり、かつ、その瞬間の上記の変化率信号Ｄ2vの値が変化率基準値Ｖtm未満であるとは、短時間Ｈｉｇｈレベルになるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。したがって、変化率信号Ｄ2vの値が、変化率基準値Ｖtm以上であるときは、くびれ検出信号Ｎｄを出力しない（Ｌｏｗレベルのまま維持）。

上述した実施の形態２によれば、くびれ検出時点での溶接電圧の２階微分値Ｄ2vが基準値Ｖtm以上であるときはアーク再発生が間近であると判別して溶接電流Ｉｗの急減を行わない。溶接電圧の２階微分値Ｄ2vが基準値Ｖtm未満のときは通常のくびれ期間であると判別して溶接電流Ｉｗを急減させる。これにより、実施の形態１の効果に加えて、時に中・大電流域の溶接において、溶接安定性がさらに向上する。

上述した実施の形態１〜２においては、溶接電圧Ｖｗの変化によってくびれ検出を行う場合を例として説明したが、上述したように、給電チップ・母材間の抵抗値ｒの変化によってくびれ検出を行っても良い。本発明は、中・大電流域の溶接において効果が大きいが、小電流域の溶接においても溶接安定化の効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を示すタイミングチャートである。 実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接電源のブロック図である。 本発明の実施の形態２に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を示すタイミングチャートである。 実施の形態２に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接電源における第２くびれ検出回路ＮＤ２の詳細ブロック図である。 短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを繰り返す消耗電極アーク溶接における電流・電圧波形図及び溶滴移行図である。 従来技術のくびれ検出制御方法を搭載した溶接電源のブロック図である。 図６の溶接電源における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
１ａ 溶滴
２ 母材
２ａ 溶融池
３ アーク
ＡＤ アーク再発生判別回路
Ａｄ アーク再発生判別信号
ＣＰ 比較回路
Ｄ２Ｖ 変化率算出回路
Ｄ2v 変化率信号
ＤＲ 駆動回路
Ｄｒ 駆動信号
ＤＶ 電圧微分回路
Ｄｖ 電圧微分信号
Ｅａ 誤差増幅信号
ＥＤ 出力電圧検出回路
Ｅｄ 出力電圧検出信号
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
Ｅｏ 出力電圧
ＥＲ 出力電圧設定回路
Ｅｒ 出力電圧設定信号
ＥＶ 電圧誤差増幅回路
Ｅｖ 電圧誤差増幅信号
ＦＦ フリップフロップ回路
ＦＦ２ 第２フリップフロップ回路
Ｉａ アーク再発生時溶接電流値
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｈ 高アーク電流値
ＩＨＲ 高アーク電流設定回路
Ｉhr 高アーク電流設定信号
Ｉｍ 低くびれ電流値
ＩＭＲ 低くびれ電流設定回路
Ｉmr 低くびれ電流設定信号
Ｉｒ 電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＮＤ くびれ検出回路
Ｎｄ くびれ検出信号
ＮＤ２ 第２くびれ検出回路
ＮＩＣ くびれ検出時電流制御回路
ＰＭ 電源主回路
Ｒ 抵抗器
ｒ （給電チップ・母材間の）抵抗値
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
ＳＷ 電源特性切換回路
Ｓｗ 電源特性切換信号
Ｔａ アーク期間
Ｔｄ 遅延時間
Ｔｎ くびれ検出期間信号
ＴＲ トランジスタ
Ｔｓ 短絡期間
Ｔｕ 上昇期間
ＴＵＲ 上昇期間設定回路
Ｔur 上昇期間設定信号
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
ＶＦ 電圧フィルタ回路
Ｖｆ 電圧フィルタ信号
Ｖta アーク再発生基準値
Ｖtm 変化率基準値
Ｖtn くびれ検出基準値
Ｖts 短絡判別値
Ｖｗ 溶接電圧

Claims (2)

1. 消耗電極と母材との間でアーク発生状態と短絡状態とを繰り返す消耗電極アーク溶接にあって、短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれ現象を消耗電極・母材間の電圧値又は抵抗値の微分値が予め定めたくびれ検出基準値に達したことによって検出し、このくびれ現象を検出すると短絡負荷に通電する溶接電流を急減させて低電流値にし、アークが再発生すると溶接電流を増加させるように出力制御する消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、
   前記アーク再発生を、前記微分値が前記くびれ検出基準値よりも大きな値に予め定めたアーク再発生基準値に達したことによって判別する、ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
2. 前記溶接電流の急減を、前記微分値が前記くびれ検出基準値に達した時点における前記微分値の変化率が所定値未満であるときにのみ行う、ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
   
   

Images