JP2008221269A - 消耗電極交流アーク溶接電源の出力制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】消耗電極交流アーク溶接において溶接電源の外部特性を制御することによって溶接状態の安定性を向上させる。
【解決手段】電極プラス極性ＥＰと電極マイナス極性ＥＮとを交互に切り換えて溶接を行う消耗電極交流アーク溶接に用いる溶接電源の外部特性の傾斜Ｋｒを溶接条件に応じて制御する消耗電極交流アーク溶接電源の出力制御方法において、前記外部特性傾斜Ｋｒを、電極プラス極性ＥＰのときは第１外部特性傾斜Ｋｒ１に設定し、電極マイナス極性ＥＮのときは前記第１外部特性傾斜Ｋｒ１よりも大きな値の第２外部特性傾斜Ｋｒ２に設定し、これら第１及び第２外部特性傾斜は各々対応する極性における溶接状態が安定化するように設定される。
【選択図】図３

Description

本発明は、溶接条件に応じて溶接電源の外部特性の傾斜を適正値に制御するための消耗電極交流アーク溶接電源の出力制御方法に関するものである。

図４は、消耗電極アーク溶接電源の外部特性を示す図である。同図の横軸は溶接電源の出力電流Ｉｗを示し、縦軸は出力端子電圧である溶接電圧Ｖｗを示す。外部特性Ｌ１、Ｌ２は、出力電流Ｉｗと溶接電圧Ｖｗとの関係を表すものであり、一般的に右下がりの略直線となる。したがって、外部特性は下式で表すことができる。
Ｖｗ＝Ｋｒ×（Ｉｗ−Ｉｒ）＋Ｖｒ …（１）式
但し、Ｋｒ［V/A］は外部特性傾斜設定値、Ｉｒ［Ａ］は出力電流基準値、Ｖｒ［Ｖ］は溶接電圧基準値である。これらの値を設定することによって外部特性を設定する。

例えば、外部特性Ｌ１は傾斜設定値Ｋｒ＝−０．０３Ｖ／Ａの略定電圧特性の場合であり、外部特性Ｌ２は傾斜設定値Ｋｒ＝−０．１Ｖ／Ａの垂下特性の場合である。消耗電極アーク溶接においては、種々の外乱が発生してもアーク長を適正値に維持することが良好な溶接品質を得るために重要である。この外乱に対してアーク長を適正値に維持する制御をアーク長制御と呼ぶ。外部特性の傾斜はアーク長制御系のゲイン（利得）を決めるので、アーク長制御系の安定性と密接な関係にある。

したがって、外部特性の傾斜は、溶接条件に応じてアーク長制御系が安定になるように設定される。従来から、溶接法、溶接ワイヤの直径、材質及び出力電流（ワイヤ送給速度）に応じて、外部特性の傾斜を変化させることによって、アーク長制御系のゲインを調整して安定化を図ってきた。例えば、ＣＯ２／ＭＡＧ溶接の場合にが、同図に示す外部特性Ｌ１のように、傾斜設定値Ｋｒ＝−０．０３に設定する。他方、パルスアーク溶接の場合には、同図に示す外部特性Ｌ２のように、傾斜設定値Ｋｒ＝−０．１に設定する。こうすることによって、アーク長制御系が安定化し、アーク状態が良好になる（例えば、特許文献１参照）。

図５は、消耗電極交流アーク溶接の電流・電圧波形図である。同図（Ａ）は極性切換信号Ｓpnを示し、同図（Ｂ）は出力電流Ｉｗを示し、同図（Ｃ）は溶接電圧Ｖｗを示す。同図は短絡移行アーク溶接の場合であるが、グロビュール移行溶接、スプレー移行溶接等の場合も略同様である。以下の説明において、出力電流Ｉｗ、溶接電圧Ｖｗ、後述する出力電圧Ｅ、外部特性傾斜等の値は絶対値を意味している。したがって、値が大きいという記載は、絶対値が大きいという意味である。以下、同図を参照して説明する。

同図（Ａ）に示すように、消耗電極交流アーク溶接では、極性切換信号Ｓpnに従って予め定めた電極プラス極性期間Ｔepと予め定めた電極マイナス極性期間Ｔenとを交互に切り換えて溶接を行う。時刻ｔ１において電極プラス極性ＥＰに切り換わると、同図（Ｂ）に示すように、電極プラス極性ＥＰの出力電流ｉｗが通電し、同図（Ｃ）に示すように、電極プラス極性ＥＰの溶接電圧Ｖｗが溶接ワイヤと母材との間に印加、する。時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間Ｔｓ中は、同図（Ｂ）に示すように、出力電流Ｉｗは次第に増加し、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖ程度の低い短絡電圧値になる。時刻ｔ２〜ｔ３のアーク期間Ｔａ中は、同図（Ｂ）に示すように、出力電流Ｉｗは次第に減少し、同図（Ｃ）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なる。これ以降、時刻ｔ４の電極プラス極性期間Ｔepが終了するまで短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを繰り返す。

時刻ｔ４において、同図（Ａ）に示すように、極性切換信号ＳpnがＬｏｗレベルになり、溶接電源の出力が電極マイナス極性ＥＮに切り換わると、同図（Ｂ）に示すように、電極マイナス極性ＥＮの出力電流Ｉｗが通電し、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗが印加する。上記と同様に、時刻ｔ４〜ｔ５の短絡期間Ｔｓと時刻ｔ５〜ｔ６のアーク期間Ｔａを繰り返しながら時刻ｔ７の電極マイナス極性期間Ｔenの終了まで続く。

消耗電極交流アーク溶接電源における外部特性は、出力電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗの絶対値によって直流電源のときと同様に制御される。したがって、消耗電極交流アーク溶接においても、溶接条件に応じて外部特性傾斜が適正値に設定されて溶接が行われる（例えば、特許文献２参照）。。

特開２００２−２５４１７２号公報 特開２００４−１１４０８８号公報

上述したように、消耗電極アーク溶接において良好な溶接状態を得るためには、アーク長制御系が安定していることが重要である。このために、溶接条件に応じて外部特性傾斜をを適正値に設定することによってアーク長制御系のゲイン（利得）を適正化している。すなわち、アークによる溶滴移行形態に適合した外部特性傾斜に設定することで、良好な溶接状態を得ることができる。したがって、従来技術においては、ＣＯ２溶接とパルスアーク溶接とでは溶滴移行形態が異なるので、外部特性傾斜をそれぞれの溶接法に適した値に設定していた。

消耗電極交流アーク溶接においても同様に、母材材質、送給速度、シールドガスの種類等の溶接条件に応じて外部特性傾斜を適正化していた。このようにすることで、電極プラス極性ＥＰ時の溶接状態は良好になるが、電極プラス極性ＥＰ時の外部特性傾斜のまま電極マイナス極性溶接を行うと，アーク長制御系のゲイン（利得）が大きすぎて安定化させることが難しかった。この結果，直流の消耗電極アーク溶接に比べて消耗電極交流アーク溶接では溶接状態が不安定な状態になりやすい．

そこで、本発明は、消耗電極交流アーク溶接の溶接状態を安定化させることができる消耗電極交流アーク溶接電源の出力制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、第１の発明は、電極プラス極性と電極マイナス極性とを交互に切り換えて溶接を行う消耗電極交流アーク溶接に用いる溶接電源の外部特性の傾斜を溶接条件に応じて制御する消耗電極交流アーク溶接電源の出力制御方法において、
前記外部特性傾斜を、前記電極プラス極性のときは第１外部特性傾斜に設定し、前記電極マイナス極性のときは前記第１外部特性傾斜の絶対値よりも大きな絶対値の第２外部特性傾斜に設定し、これら第１及び第２外部特性傾斜は各々対応する極性における溶接状態が安定化するように設定されることを特徴とする消耗電極交流アーク溶接電源の出力制御方法である。

第２の発明は、前記第１外部特性傾斜を、母材の材質及びシールドガスの種類に応じて設定する、ことを特徴とする第１の発明記載の消耗電極交流アーク溶接電源の出力制御方法である。

本発明によれば、消耗電極交流アーク溶接電源において、電極プラス極性ＥＰ時及び電極マイナス極性ＥＮ時の外部特性傾斜を各々の極性における溶接状態が良好になるように設定することによって、各々の極性におけるアーク長制御系を安定化することができる。このために、消耗電極交流アーク溶接の安定性を向上させることができ、高品質な溶接を行うことができる。

上述した第２の発明によれば、上記の効果に加えて、電極プラス極性ＥＰ時の外部特性傾斜を、母材材質及びシールドガスの種類に応じて変化させることによって、母材材質及びシールドガスの種類が変わっても溶接状態の安定性を維持することができる。

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１は、本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク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。

インバータ回路ＩＮＶは、３相２００Ｖ等の商用電源を入力として、整流した直流電圧を後述するパルス幅変調信号Ｐwmに従ってインバータ制御して、高周波交流を出力する。高周波変圧器ＩＮＴは、高周波交流を溶接に適した電圧値に変換する。二次整流器群Ｄ２は、変換された高周波交流を整流して、正及び負の直流電圧を出力する。電極プラス極性スイッチング素子ＰＴＲ及び電極マイナス極性スイッチング素子ＮＴＲをオン／オフ制御することによって溶接電源の出力極性を切り換える。電極プラス極性スイッチング素子ＰＴＲがオン状態のときは電極プラス極性ＥＰになり、電極マイナス極性スイッチング素子ＮＴＲがオン状態のときは電極マイナス極性ＥＮになる。リアクトルＷＬは、出力を平滑する。

溶接ワイヤ１は、送給装置の送給ロール５によって溶接トーチ４内を送給されて、母材２との間にアーク３が発生する。

電極プラス極性スイッチング素子駆動回路ＥＰＤは、外部からの極性切換信号ＳpnがＨｉｇｈレベルのとき電極プラス極性スイッチング素子駆動信号Ｅpdを出力する。電極マイナス極性スイッチング素子駆動回路ＥＮＤは、上記の極性切換信号ＳpnがＬｏｗレベルのとき電極マイナス極性スイッチング素子駆動信号Ｅndを出力する。したがって、極性切換信号ＳpnがＨｉｇｈレベルのときは電極プラス極性ＥＰになり、Ｌｏｗレベルのときは電極マイナス極性ＥＮになる。

外部特性傾斜設定回路ＫＲは、上記の極性切換信号ＳpnがＨｉｇｈレベル（ＥＰ）のときは第１外部特性傾斜設定値Ｋr1を外部特性傾斜設定信号Ｋｒとして出力し、Ｌｏｗレベル（ＥＮ）のときは第２外部特性傾斜設定値Ｋr２を外部特性傾斜設定信号Ｋｒとして出力する。第１外部特性傾斜設定値Ｋr1は電極プラス極性期間Ｔep中の外部特性傾斜を設定し、−０．０１〜−０．０３（V/A）程度の範囲である。第２外部特性傾斜設定値Ｋr２は、電極マイナス極性期間Ｔen中の外部特性傾斜を設定し、−０．０６〜−０．１（V/A）程度の範囲である。したがって、｜Ｋr1｜＜｜Ｋr2｜である。溶接電圧基準値回路ＶＲは、予め定めた溶接電圧基準値信号Ｖｒを出力する。出力電流基準値回路ＩＲは、予め定めた出力電流基準値信号Ｉｒを出力する。電流検出回路ＩＤは、交流の出力電流Ｉｗを検出し絶対値に変換して、電流検出信号Ｉｄを出力する。外部特性形成回路ＥＣＲは、上記の電流検出信号Ｉｄ、溶接電圧基準値信号Ｖｒ、出力電流基準値信号Ｉｒ及び外部特性傾斜設定信号Ｋｒを入力として、上述した（１）式に基づいてＥcr＝Ｋｒ×（Ｉｄ−Ｉｒ）＋Ｖｒを算出して、出力電圧設定信号Ｅcrとして出力する。これを図示したものが図２である。外部特性Ｌ１は、電極プラス極性ＥＰ時の外部特性を示し、Ｅcr＝Ｋr1×（Ｉｄ−Ｉｒ）＋Ｖｒのときである。また、外部特性Ｌ２は、電極マイナス極性ＥＮ時の外部特性を示し、Ｅcr＝Ｋr２×（Ｉｄ−Ｉｒ）＋Ｖｒとなる。上記の外部特性形成回路ＥＣＲによって電流検出信号Ｉｄの値に応じた出力電圧設定信号Ｅcrを刻々と出力して所望の外部特性を形成する。

電圧検出回路ＥＤは、高周波変圧器ＩＮＴの２次巻線の交流電圧（出力電圧Ｅ）を検出し絶対値に変換して、出力電圧検出信号Ｅｄを出力する。誤差増幅回路ＥＡは、上記の出力電圧設定信号Ｅcrと出力電圧検出信号Ｅｄとの誤差を増幅して、誤差増幅信号Ｅａを出力する。パルス幅変調回路ＰＷＭは、この誤差増幅信号Ｅａを入力としてパルス幅変調を行い、パルス幅変調信号Ｐwmを出力する。

図３は、図１で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）は極性切換信号Ｓpnを示し、同図（Ｂ）は出力電流Ｉｗを示し、同図（Ｃ）は溶接電圧Ｖｗを示し、同図（Ｄ）は電極プラス極性スイッチング素子駆動信号Ｅpdを示し、同図（Ｅ）は電極マイナス極性スイッチング素子駆動信号Ｅndを示し、同図（Ｆ）は外部特性傾斜設定信号Ｋｒを示す。以下、同図を参照して説明する。

同図（Ａ）に示すように、極性切換信号ＳpnがＨｉｇｈレベルになると、同図（Ｄ）に示すように、電極プラス極性スイッチング素子駆動信号Ｅpdが出力（Ｈｉｇｈレベル）されるので、電極プラス極性スイッチング素子ＰＴＲはオン状態になり、溶接電源の出力は電極プラス極性ＥＰになる。この電極プラス極性期間Ｔep中は、同図（Ｂ）に示すように、電極プラス極性ＥＰの出力電流Ｉｗが通電し、同図（Ｃ）に示すように、電極プラス極性ＥＰの溶接電圧Ｖｗが溶接ワイヤ１と母材２との間に印加する。 また、同図（Ｆ）に示すように、外部特性傾斜設定信号Ｋｒの値は第１外部特性傾斜設定値Ｋr1になり、図２で上述した外部特性Ｌ１が形成される。

時刻ｔ２において、同図（Ａ）に示すように、極性切換信号ＳpnがＬｏｗレベルになると、同図（Ｅ）に示すように、電極マイナス極性スイッチング素子駆動信号Ｅndが出力（Ｈｉｇｈレベル）されるので、電極マイナス極性スイッチング素子ＮＴＲはオン状態になり、溶接電源の出力は電極マイナス極性ＥＮになる。この電極マイナス極性期間Ｔen中は、同図（Ｂ）に示すように、電極マイナス極性ＥＮの出力電流Ｉｗが通電し、同図（Ｃ）に示すように、電極マイナス極性ＥＮの溶接電圧Ｖｗが印加される。また、同図（Ｆ）に示すように、外部特性傾斜設定信号Ｋｒは第２外部特性傾斜設定値Ｋr２になり、図２で上述した外部特性Ｌ２が形成される。

上記の第１外部特性傾斜設定値Ｋr1及び第２外部特性傾斜設定値Ｋr２は、溶接条件に応じて適正値に変化させる。特に、第１外部特性傾斜設定値Ｋr1は、母材材質及びシールドガスの種類によって変化させる必要がある。このときに、第２外部特性傾斜設定値Ｋr２は、変化させずに同じ値であっても良い。鉄鋼のＣＯ２溶接、鉄鋼のＭＡＧ溶接及びステンレス鋼のＭＩＧ溶接の順に、第２外部特性傾斜設定値Ｋr２は例えば−０．０１、−０．０２、−０．０３に設定する。上述した実施の形態においては、短絡移行溶接の場合を例示したが、グロビュール移行溶接、スプレー移行溶接、パルスアーク溶接等の場合にも適用することができる。

上述した実施の形態によれば、消耗電極交流アーク溶接電源において、電極プラス極性ＥＰ時及び電極マイナス極性ＥＮ時の外部特性傾斜を各々の極性における溶接状態が良好になるように設定することによって、各々の極性におけるアーク長制御系を安定化することができる。このために、消耗電極交流アーク溶接の安定性を向上させることができ、高品質な溶接を行うことができる。また、電極プラス極性ＥＰ時の外部特性傾斜を、母材材質及びシールドガスの種類に応じて変化させることによって、母材材質及びシールドガスの種類が変わっても溶接状態の安定性を維持することができる。

本発明の実施の形態に係る消耗電極交流アーク溶接電源のブロック図である。 本発明に係る外部特性を示す図である。 図１の溶接電源の各信号のタイミングチャートである。 従来技術における外部特性を示す図である。 消耗電極交流アーク溶接の電流・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
Ｄ２ 二次整流器群
Ｅ 出力電圧
ＥＡ 誤差増幅回路
Ｅａ 誤差増幅信号
ＥＣＲ 外部特性形成回路
Ｅcr 出力電圧設定信号
ＥＤ 電圧検出回路
Ｅｄ 出力電圧検出信号
ＥＮ 電極マイナス極性
ＥＮＤ 電極マイナス極性スイッチング素子駆動回路
Ｅnd 電極マイナス極性スイッチング素子駆動信号
ＥＰ 電極プラス極性
ＥＰＤ 電極プラス極性スイッチング素子駆動回路
Ｅpd 電極プラス極性スイッチング素子駆動信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＮＴ 高周波変圧器
ＩＮＶ インバータ回路
ＩＲ 出力電流基準値回路
Ｉｒ 出力電流基準値信号
ｉｗ 出力電流
ＫＲ 外部特性傾斜設定回路
Ｋｒ 外部特性傾斜設定信号
Ｋr1 第１外部特性傾斜設定値
Ｋr2 第２外部特性傾斜設定値
Ｌ１〜Ｌ２ 外部特性
ＮＴＲ 電極マイナス極性スイッチング素子
ＰＴＲ 電極プラス極性スイッチング素子
ＰＷＭ パルス幅変調回路
Ｐwm パルス幅変調信号
Ｓpn 極性切換信号
Ｔａ アーク期間
Ｔen 電極マイナス極性期間
Ｔep 電極プラス極性期間
Ｔｓ 短絡期間
ＶＲ 溶接電圧基準値回路
Ｖｒ 溶接電圧基準値信号
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＬ リアクトル

Claims (2)

1. 電極プラス極性と電極マイナス極性とを交互に切り換えて溶接を行う消耗電極交流アーク溶接に用いる溶接電源の外部特性の傾斜を溶接条件に応じて制御する消耗電極交流アーク溶接電源の出力制御方法において、
   前記外部特性傾斜を、前記電極プラス極性のときは第１外部特性傾斜に設定し、前記電極マイナス極性のときは前記第１外部特性傾斜の絶対値よりも大きな絶対値の第２外部特性傾斜に設定し、これら第１及び第２外部特性傾斜は各々対応する極性における溶接状態が安定化するように設定されることを特徴とする消耗電極交流アーク溶接電源の出力制御方法。
2. 前記第１外部特性傾斜を、母材の材質及びシールドガスの種類に応じて設定する、ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極交流アーク溶接電源の出力制御方法。

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