JP2009195952A - 消耗電極アーク溶接の短絡判別方法 - Google Patents

Abstract

【課題】消耗電極アーク溶接において、溶接用ケーブルが長いときでも溶接ワイヤと母材との間が短絡状態又はアーク発生状態にあるかを正確に判別して、高品質な溶接を行えるようにする。
【解決手段】溶接電圧Ｖｗと短絡基準値Ｖｔとを比較し、溶接電圧Ｖｗが短絡基準値Ｖｔ以下のときは短絡状態と判別し、溶接電圧Ｖｗが短絡基準値Ｖｔよりも大きいときはアーク発生状態と判別する。短絡基準値Ｖｔは、溶接電流値に応じて変化し、かつ、アーク発生状態のときには上限値を設ける。この上限値は溶接電流の関数として設定する。これにより、アーク発生直後の溶接電圧Ｖｗの急減に起因する短絡状態の誤判別を防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶接ワイヤと母材との短絡状態を正確に判別するための消耗電極アーク溶接の短絡判別方法に関するものである。

消耗電極アーク溶接では、溶接ワイヤと母材との間で短絡状態とアーク発生状態とを繰り返しながら溶接が行われる。炭酸ガスアーク溶接、マグ溶接、ミグ溶接等においては、２００Ａ程度以下の小・中電流域では３〜５ms程度の短絡期間と１０〜３０ms程度のアーク期間とが規則正しく繰り返される短絡移行溶接となる。他方、大電流域では、溶接ワイヤからの溶滴移行形態はグロビュール移行又はスプレー移行となり、１ms以下の短絡期間が不規則に発生することになる。パルスアーク溶接の場合も大電流域の場合と略同一である。このような消耗電極アーク溶接において、安定した溶接状態を得るためには、短絡期間中の溶接電流（以下、短絡電流という）を適正な波形で通電して円滑にアーク期間に移行させることが重要である。このためには、短絡期間を正確に判別して、短絡電流を所定波形通りに通電する必要があり、短絡判別方法の性能が溶接品質を決める重要な要素の１つとなっている。以下、従来技術の短絡判別方法について説明する。

図３は、消耗電極アーク溶接装置の一般的な構成を示す図である。溶接開始回路ＳＴは、溶接開始信号Ｓｔを出力する。この溶接開始回路ＳＴは、溶接工程を管理するためのプログラマブル・ロジック・コントローラ（ＰＬＣ）、ロボット溶接にあってはロボット制御装置等に内臓されている。溶接電源ＰＳは、この溶接開始信号Ｓｔが入力されると、アーク溶接に適した溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力すると共に、ワイヤ送給モータＷＭの回転を制御するための送給制御信号Ｆｃを出力する。

溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給モータＷＭに結合された送給ロール５の回転によって溶接トーチ４内を送給され、給電チップを介して給電されて、母材２との間にアーク３が発生する。このアーク３によって母材２上に溶融池２ａが形成される。溶接電源ＰＳの出力端子と溶接トーチ４との間及び出力端子と母材との間は溶接用ケーブル６ａ、６ｂによって接続される。

ここで、溶接ワイヤ１が母材２に短絡しているときは下式が成立する。
Ｖｗ＝（Ｒｃ＋Ｒｓｘ＋Ｒｐ）・Ｉｗ …（１）式
但し、Ｒｃは溶接用ケーブルの抵抗値、Ｒｓｘは短絡時のワイヤ突き出し部抵抗値、Ｒｐは溶融池を含む母材の抵抗値である。また、アーク３が発生しているときは下式が成立する。
Ｖｗ＝（Ｒｃ＋Ｒａｘ＋Ｒｐ）・Ｉｗ＋Ｖａ …（２）式
但し、Ｒａｘはアーク発生時のワイヤ突き出し部抵抗値、Ｖａはアーク電圧値である。

ここでＲｓｘ＝Ｒａｘ＝Ｒｘと略見なすことができるので、短絡基準値Ｖｔを下式のように設定すれば短絡状態とアーク発生状態とを判別することができる。
Ｖｔ＝Ｋ１・Ｉｗ＋Ｋ２ …（３）式
但し、Ｋ１は定数でありＫ１＝（Ｒｃ＋Ｒｘ＋Ｒｐ）である。また、Ｋ２も定数であり、Ｋ２＝Ｖａ／２である。定数Ｋ１が無視できるときはＶｔ＝Ｋ２に設定すれば良い。この短絡基準値Ｖｔを使用した短絡判別方法について以下説明する。

図４は、消耗電極アーク溶接の電流・電圧波形を示す図である。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗを示す。同図は短絡移行溶接における定常溶接状態の波形図である。以下、同図を参照して説明する。

時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間Ｔｓ中は、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは適正な傾きを有して増加し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは小さな値の短絡電圧値となり、上記（１）式で示すように溶接電流Ｉｗの増加に伴い次第に増加する。短絡期間Ｔｓ中の電流波形が適正であることが溶接状態の安定性に大きく影響する。時刻ｔ２〜ｔ３のアーク期間Ｔａ中は、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗはアーク負荷に応じて次第に減少し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは短絡時よりも大きな値のアーク発生時電圧値となり、上記（２）式に示すように溶接電流Ｉｗの減少に伴い次第に減少する。短絡期間Ｔｓ中は溶接電流Ｉｗを正確に制御するために溶接電源ＰＳを定電流制御し、アーク期間Ｔａ中はアーク長を制御するために溶接電源ＰＳを定電圧制御することが一般的である。

同図（Ｂ）の破線で示すように、短絡基準値Ｖｔを上記（３）式によって設定すると、短絡基準値Ｖｔは溶接電流値Ｉｗに応じて短絡期間Ｔｓ中は増加し、アーク期間Ｔａ中は減少する。ここで、溶接電圧Ｖｗがこの短絡基準値Ｖｔ以下であるときは短絡期間Ｔｓであると判別し、溶接電圧Ｖｗが短絡基準値Ｖｔを超えているときはアーク期間Ｔａであると判別する。このようにすることによって、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを正確に判別することができ、各期間に適した出力制御を行うことで、良好な溶接品質を得ることができる（例えば、特許文献１、２参照）。

特開昭６１−１７６４７４号公報 特開昭６１−２３８４６９号公報

図５は、上述した抵抗値（Ｒｃ＋Ｒｘ＋Ｒｐ）が大きい場合の溶接電圧Ｖｗの波形図である。上述したように、Ｒｃは溶接用ケーブルの抵抗値であり、Ｒｘはワイヤ突き出し部抵抗値であり、Ｒｐは母材の抵抗値である。抵抗値が大きくなる場合としては、溶接電圧Ｖｗを溶接電源の出力端子から検出するのが一般的であるので、溶接用ケーブルが長いためにＲｃが大きくなる場合である。また、その他の状態としては、溶接ワイヤの直径が細い場合、ワイヤ突き出し長が長い場合、溶接ワイヤがステンレス鋼のように抵抗値が大きい材質である場合等のようにワイヤ突き出し部抵抗値Ｒｘが大きくなる場合が考えられる。また、その他の状態としては、母材がステンレス鋼のように抵抗値が大きな材質である場合が考えられる。以下、同図を参照して本発明の課題を説明する。

時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間Ｔｓ中の溶接電圧Ｖｗは、上記（１）式に示すように抵抗値（Ｒｃ＋Ｒｘ＋Ｒｐ）が大きいために、溶接電流の増加に伴い急勾配で増加する。同様に、破線で示す短絡基準値Ｖｔは、上記（３）式に示すように、溶接電流の増加に伴い増加する。このために、時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間Ｔｓ中は、溶接電圧値Ｖｗは短絡基準値Ｖｔよりも小さいために短絡期間として正しく判別される。但し、抵抗値（Ｒｃ＋Ｒｘ＋Ｒｐ）が大きいために溶接電圧Ｖｗが急勾配で増加するので、溶接電圧値Ｖｗと短絡基準値Ｖｔとの差は小さい。

時刻ｔ２においてアークが発生すると、溶接電圧Ｖｗは瞬間的に急上昇する。これは、短絡状態からアーク発生状態に移行させるために必要なエネルギーを供給するための電圧増加分と、アーク長に応じたアーク電圧値による電圧増加分が加算された結果である。時刻ｔ２において溶接電圧値Ｖｗが短絡基準値Ｖｔよりも大きくなるので、アーク発生を正しく判別することができる。

時刻ｔ２においてアークが一旦発生すると、上記の移行に伴う電圧増加分は不要となるために、溶接電圧値Ｖｗは急減する。この結果、アーク期間であるにもかかわらず、時刻ｔ３において溶接電圧値Ｖｗが短絡基準値Ｖｔよりも小さくなり、この状態が時刻ｔ４まで継続することになる。したがって、この時刻ｔ３〜ｔ４の期間は、短絡期間であると誤判別することになる。誤判別が生じると、アーク期間であるにもかかわらず短絡期間の出力制御が行われることになり、溶接状態が不安定になる。そもそもこのような誤判別が生じる原因は、抵抗値（Ｒｃ＋Ｒｘ＋Ｒｐ）が大きいために、溶接電圧Ｖｗと短絡基準値Ｖｔとの差が小さくなっているためである。換言すると、判別裕度が小さくなっているために誤判別が生じやすい状態にあるためである。

そこで、本発明は、抵抗値（Ｒｃ＋Ｒｘ＋Ｒｐ）が大きい場合でも短絡期間及びアーク期間を正確に判別することができる消耗電極アーク溶接の短絡判別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、
短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返す消耗電極アーク溶接にあって、前記短絡期間を溶接電圧値が短絡基準値以下になったことによって判別し、前記短絡基準値を溶接電流に応じた値に設定する消耗電極アーク溶接の短絡判別方法において、
前記アーク期間中は前記短絡基準値に上限値を設け、この上限値を溶接電流の関数として定める、
ことを特徴とする消耗電極アーク溶接の短絡判別方法である。

第２の発明は、 前記上限値を各アーク期間の開始時点から所定期間の間のみ設ける、
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短絡判別方法である。

本発明によれば、アーク期間中の短絡基準値に上限値を設けることによって、短絡状態及びアーク発生状態の誤判別を防止することができる。このために、短絡期間及びアーク期間それぞれに適合した出力制御を行うことができるので、安定した溶接状態を得ることができ、高品質な溶接が可能となる。

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の短絡判別方法を示す溶接電圧Ｖｗの波形図である。同図において、実線は溶接電圧Ｖｗを示し、破線は短絡基準値Ｖｔを示す。同図は上述した図５と対応しており、抵抗値（Ｒｃ＋Ｒｘ＋Ｒｐ）が大きい場合である。同図において、時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間Ｔｓは従来技術の短絡判別方法によって正しく短絡状態を判別することができているので、この期間中の動作は図５と同一である。以下、時刻ｔ２以降の図５とは異なる動作について同図を参照して説明する。

短絡基準値Ｖｔは、従来技術と同様に上記（３）式によって設定する。すなわち、溶接電流値に応じて短絡基準値Ｖｔは変化する。このように短絡基準値Ｖｔを設定することによって、上述したように、時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間Ｔｓを正しく判別することができる。

時刻ｔ２において溶接電圧値Ｖｗが短絡基準値Ｖｔより大きくなったことによってアークが発生したことを判別すると、短絡基準値Ｖｔに上限値Ｖtaを以下のように設ける。
Ｖｔ＝Ｋ１・Ｉｗ＋Ｋ２ …上記（３）式
Ｖta＝α・Ｉｗ＋β …（４）式
但し、Ｉｗは溶接電流値であり、α及びβは定数である。この上限値Ｖtaはアーク期間のみに設け、短絡期間には設けない。数値例を挙げると、αはおおよそ０．００５〜０．０５であり、βはおおよそ２〜２０である。このα及びβは、溶接ワイヤの種類、シールドガスの種類、ワイヤ送給速度等の溶接条件に応じて適正値に設定する。

同図に示すように、時刻ｔ２においてアークが発生すると溶接電圧値Ｖｗが急上昇する。このために、溶接電圧値Ｖｗが短絡基準値Ｖｔよりも大きくなるので、アーク期間を正しく判別することができる。アーク期間と判別すると、短絡基準値Ｖｔの上限値が上記（４）式に示すＶtaに制限される。このために、時刻ｔ２〜ｔ３の期間中の短絡判別値の上限値がＶtaに制限されることになる。この結果、時刻ｔ２直後に上述した理由によって溶接電圧値Ｖｗが急減しても、上限値が制限された短絡基準値Ｖｔよりも小さくなることはないので、図５のときのように短絡期間との誤判別を生じることはない。時刻ｔ３以降の期間では、上記（３）式で設定される短絡基準値Ｖｔは上記（４）式の上限値Ｖtaよりも小さいので上限値Ｖtaに制限されることはない。この期間においても、溶接電圧値Ｖｗは短絡基準値Ｖｔよりも大きいので、正しくアーク期間を判別することができる。

短絡基準値Ｖｔがどのように設定されるかを整理する。同図において、時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間中の短絡基準値Ｖｔは、上記（３）式によって設定される。この短絡期間中には上限値は設けない。次に、時刻ｔ２以降のアーク期間中の短絡基準値Ｖｔは、上記（３）式によって設定され、上記（４）式によって上限値Ｖtaに制限される。時刻ｔ２〜ｔ３の期間中の短絡基準値Ｖｔは、上記（３）式の値が上記（４）式の上限値よりも大きいために上限値Ｖtaに制限された値となる。他方、時刻ｔ３以降の期間中の短絡基準値Ｖｔは、上記（３）式の値が上記（４）式の上限値よりも小さいために、（３）式の値となる。ここで、上記（４）式をＶta＝βとして定義する場合を考える。すなわち、上限値Ｖtaを所定値βとする場合であり、溶接電流値Ｉｗとは無関係にその値が設定される場合である。この場合、所定値βが小さいとアーク発生直後の誤判別を防止することができない。他方、所定値βが大きいとアーク発生直後の誤判別は防止できるが、それ以降のアーク期間中に誤判別を生じるおそれが高くなる。上限値Ｖtaを上記（４）式のように溶接電流値Ｉｗに応じた値として設定することで両者の誤判別を防止して、正確に短絡期間及びアーク期間を判別することができる。

図２は、上述した本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接の短絡判別方法を実施するため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、３相２００Ｖ等の商用電源を入力として、後述する駆動信号Ｄｖに従ってインバータ制御による出力制御を行い、アーク溶接に適した溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力する。この電源主回路ＰＭは、３相交流を整流する１時整流器、整流された直流を平滑する平滑コンデンサ、平滑された直流を高周波交流に変換するインバータ回路、高周波交流をアーク溶接に適した電圧値に降圧する高周波変圧器、降圧された高周波交流を整流する２次整流器、整流された直流を平滑するリアクトルから成る。溶接ワイヤ１はワイヤ送給モータＷＭに結合された送給ロール５の回転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。

電圧検出器ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。電流検出器ＩＤは、溶接電流Ｉｗを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。短絡基準値設定回路ＶＴは、上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、上述した（３）式に基づいて短絡基準値信号Ｖｔを出力する。上限値制限回路ＶＴＡは、上記の電流検出信号Ｉｄを入力として上述した（４）式に基づいて上限値Ｖtaを刻々と算出し、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）のときに上記の短絡基準値信号Ｖｔの値が算出した上限値Ｖtaを超えるときは上限値Ｖtaに制限して、上限値制限短絡基準値信号Ｖtmを出力する。短絡判別回路ＳＤは、上記の電圧検出信号Ｖｄの値とこの上限値制限短絡基準値信号Ｖtmの値とを比較して、Ｖｄ≦ＶtmのときはＨｉｇｈレベル（短絡期間）になり、Ｖｄ＞ＶtmのときはＬｏｗレベル（アーク期間）になる短絡判別信号Ｓｄを出力する。

送給制御回路ＦＣは、上記のワイヤ送給モータＷＭの回転を制御するための送給制御信号Ｆｃを出力する。短絡電流設定回路ＩＳＲは、予め定めた短絡期間中の電流波形を形成するための短絡電流設定信号Ｉsrを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、この短絡電流設定信号Ｉsr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。電圧設定回路ＶＲは、予め定めた電圧設定信号Ｖｒを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、この電圧設定信号Ｖｒと上記の電圧検出信号Ｖｄとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。

外部特性切換回路ＳＰは、上記の短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）のときは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、Ｌｏｗレベル（アーク期間）のときは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、短絡期間は定電流特性となり、アーク期間は定電圧特性となる。駆動回路ＤＶは、上記の誤差増幅信号Ｅａを入力としてパルス幅変調制御を行い、このパルス幅変調制御信号に基づいて上記の電源主回路ＰＭに含まれるインバータ回路を駆動するための駆動信号Ｄｖを出力する。

上述した実施の形態では、アーク期間中は（３）式で算出された短絡基準値Ｖｔが（４）式で算出された上限値Ｖta以上になるときは上限値に制限される。しかし、従来技術において誤判別を生じるのはアーク発生直後であるので、アーク期間全体にわたって上限値を設けるのではなく、各アーク期間が開始されてから所定期間の間だけ上限値を設けるようにしても良い。

上述した実施の形態によれば、アーク期間中の短絡基準値に上限値を設けることによって、短絡状態及びアーク発生状態の誤判別を防止することができる。このために、短絡期間及びアーク期間それぞれに適合した出力制御を行うことができるので、安定した溶接状態を得ることができ、高品質な溶接が可能となる。

本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接の短絡判別方法を示す溶接電圧Ｖｗの波形図である。 本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接の短絡判別方法を実施するための溶接電源のブロック図である。 従来技術における消耗電極アーク溶接装置の構成図である。 従来技術における消耗電極アーク溶接の短絡判別方法を示す電流・電圧波形図である。 課題を説明するための溶接電圧Ｖｗの波形図である。

符号の説明

１ 溶接ワイヤ
２ 母材
２ａ 溶融池
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
６ａ、６ｂ 溶接用ケーブル
ＤＶ 駆動回路
Ｄｖ 駆動信号
Ｅａ 誤差増幅信号
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＶ 電圧誤差増幅回路
Ｅｖ 電圧誤差増幅信号
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＩＤ 電流検出器
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＳＲ 短絡電流設定回路
Ｉsr 短絡電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
Ｋ１、Ｋ２ 定数
ＰＭ 電源主回路
ＰＳ 溶接電源
Ｒax アーク発生時のワイヤ突き出し部抵抗値
Ｒｃ 溶接用ケーブルの抵抗値
Ｒｐ 溶融池を含む母材の抵抗値
Ｒsx 短絡時のワイヤ突き出し部抵抗値
Ｒｘ ワイヤ突き出し部抵抗値
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
ＳＰ 外部特性切換回路
ＳＴ 溶接開始回路
Ｓｔ 溶接開始信号
Ｔａ アーク期間
Ｔｓ 短絡期間
Ｖａ アーク電圧値
ＶＤ 電圧検出器
Ｖｄ 電圧検出信号
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
ＶＴ 短絡基準値設定回路
Ｖｔ 短絡基準値（信号）
ＶＴＡ 上限値制限回路
Ｖta 上限値
Ｖtm 上限値制限短絡基準値信号
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＭ ワイヤ送給モータ
α、β 定数

Claims (2)

1. 短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返す消耗電極アーク溶接にあって、前記短絡期間を溶接電圧値が短絡基準値以下になったことによって判別し、前記短絡基準値を溶接電流に応じた値に設定する消耗電極アーク溶接の短絡判別方法において、
   前記アーク期間中は前記短絡基準値に上限値を設け、この上限値を溶接電流の関数として定める、
   ことを特徴とする消耗電極アーク溶接の短絡判別方法。
2. 前記上限値を各アーク期間の開始時点から所定期間の間のみ設ける、
   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短絡判別方法。

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