JP2011200918A - 交流非消耗電極アーク溶接制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】交流非消耗電極アーク溶接において、母材表面の酸化皮膜の状態、母材の温度、シールドガスのシールド状態等の溶接条件に影響されることなくアーク長を適正値に維持すること。
【解決手段】電極マイナス極性期間Ｔｅｎ及び電極プラス極性期間Ｔｅｐを１周期とする交流の溶接電圧Ｖｗを検出して処理し、この溶接電圧処理値が予め定めた電圧設定値と等しくなるように溶接トーチの高さを制御してアーク長Ｌａを一定値に維持する交流非消耗電極アーク溶接制御方法において、前記溶接電圧処理値が、電極マイナス極性期間Ｔｅｎの開始自転から切換時変動期間Ｔｓが経過した後の定常期間Ｔｃ中における溶接電圧の平均値である。この溶接電圧処理値は溶接条件に影響されることなくアーク長を正確に検出することができるので、溶接条件によらずアーク長を適正値に維持することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、交流の溶接電圧を検出して処理し、この溶接電圧処理値が予め定めた電圧設定値と等しくなるように溶接トーチの高さを制御してアーク長を一定値に維持する交流非消耗電極アーク溶接制御方法に関するものである。

交流非消耗電極アーク溶接には、交流ティグ溶接、交流プラズマアーク溶接等がある。交流非消耗電極アーク溶接では、電極にタングステン電極等の非消耗電極を使用し、アルゴンガス等のシールドガスによって大気から遮蔽した状態中で、交流の溶接電流を通電してアークを発生させて溶接を行う。交流の溶接電流は、電極マイナス極性期間中の電極マイナス極性電流と電極プラス極性期間中の電極プラス極性電流とから形成される。電極マイナス極性と電極プラス極性とが交互に繰り返されることになり、電極マイナス極性と電極プラス極性とで１周期となる。直流の非消耗電極アーク溶接では、電極マイナス極性で溶接が行われる。これは、電極プラス極性ではアークによる非消耗電極の消耗が激しいので、実用的な溶接が困難であるためである。他方、交流非消耗電極アーク溶接では主にアルミニウムの溶接に使用される。母材であるアルミニウム材の表面には酸化皮膜があり、これを除去しなければ良好な溶接を行うことができない。交流非消耗電極アーク溶接では、電極プラス極性期間中は母材表面に陰極点が形成される。この陰極点が形成されるときのエネルギーによって酸化皮膜が除去される作用（クリーニング作用）が働く。すなわち、交流非消耗電極アーク溶接では、電極プラス極性期間を設けることによってクリーニング作用を働かせて酸化皮膜を除去している。このときに、電極プラス極性期間は非消耗電極の消耗が速いので、適正なクリーニング幅を確保することができる最短期間に設定される。１周期に占める電極マイナス極性期間の時間比率は２０％程度である。以下の説明では、非消耗電極のことを単に電極と記載する。

良好な溶接品質を得るためには、溶接中のアーク長が適正値に維持されている必要がある。非消耗電極アーク溶接においては、アーク長は、電極の先端と母材との距離となる。したがって、溶接開始前に、電極の先端と母材との距離が適正値となるように、溶接トーチの高さを調整する。非消耗電極アーク溶接において、溶接中にアーク長が変化する要因としては、主に２つの場合がある。第１番目としては、母材の厚さ、形状が変化したことに伴い母材の表面高さが変化する場合である。母材の表面高さが変化すると、電極との距離が変化するので、アーク長が変化することになる。第２番目としては、アークによって電極の先端が消耗して短くなり、アーク長が変化する場合である。電極の消耗の進行は、平均溶接電流値、電極マイナス極性期間の時間比率等によって異なる。このようなアーク長の変化を抑制して一定値に維持するためのトーチ高さ制御が、従来から行われている（例えば、特許文献１、２等参照）。この従来技術のトーチ高さ制御では、アーク長を溶接電圧によって検出し、この検出値から高周波ノイズを除去する処理を行った溶接電圧処理値が予め定めた電圧設定値と等しくなるように溶接トーチの高さを制御するものである。

アーク長を溶接電圧によって検出するのは、アーク長と溶接電圧とが比例関係にあるためである。直流又は交流の非消耗電極アーク溶接では、一般的に、溶接電圧の平均値を検出してトーチ高さ制御に使用することが多い。これは、高周波ノイズを除去し、アーク長の短時間の変動を平均化して安定したトーチ高さ制御系を得るためである。

また、消耗電極パルスアーク溶接の場合であるが、ピーク電圧とベース電圧とから形成される溶接電圧を検出して、ピーク電圧のみを取り出す処理を行い、このピーク電圧によってアーク長制御を行う技術が慣用されている（例えば、特許文献３等参照）。アルミニウム材に対して消耗電極パルスアーク溶接を行う場合には、電極プラス極性で行う。このために、母材表面に陰極点が形成されることになる。陰極点は、母材表面の酸化皮膜のある場所に形成されやすい性質を有している。しかし、一旦陰極点が形成されるとその部分の酸化皮膜は除去されてしまう。このために、陰極点は酸化皮膜の残っている部分を求めて高速に移動して形成されることになる。溶接品質に影響を与えるアーク長とは、消耗電極先端と母材との距離である。これに対して、溶接電圧は、陽極点と陰極点との距離に比例する。陽極点は消耗電極の先端部に形成されるが、陰極点は酸化皮膜を求めて周辺部へと異動するのでアーク長とは比例しなくなる。この問題を解決するために、大電流値のピーク電流が通電するピーク電圧を使用するようにしている。電流値が大きくなるとアークの硬直性（電極の長手軸方向にアークが発生する性質）が強くなるために、陰極点は酸化皮膜が除去されていても消耗電極の直下の母材表面に形成されることになる。この結果、アーク長と陽極点・陰極点間距離とが等しくなり、アーク長をピーク電圧で正確に検出することができるようになる。

特開昭５８−１４８０７７号公報 特開２００２−２３９７２８号公報 特開２００３−２９０９２４号公報

図４は、交流非消耗電極アーク溶接の一般的な電流及び電圧波形図である。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの波形を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの波形を示す。同図において、０Ａ及び０Ｖよりも上側（＋側）が電極マイナス極性ＥＮ時を示し、下側（−側）が電極プラス極性ＥＰ時を示す。以下、同図を参照して説明する。

同図は、時刻ｔ１〜ｔ２の電極マイナス極性期間Ｔen及び時刻ｔ２〜ｔ３の電極プラス極性期間Ｔepから形成される第ｎ回目の周期と、時刻ｔ３〜ｔ４の電極マイナス極性期間Ｔen及び時刻ｔ４〜ｔ５の電極プラス極性期間Ｔepから形成される第ｎ＋１回目の周期とを示している。時刻ｔ１〜ｔ２の電極マイナス極性期間Ｔen中は、同図（Ａ）に示すように、予め定めた電極マイナス極性電流Ｉenがアーク中を通電し、同図（Ｂ）に示すように、アーク長に比例した電極マイナス極性電圧Ｖenが電極と母材との間に印加する。時刻ｔ２〜ｔ３の電極プラス極性期間Ｔep中は、同図（Ａ）に示すように、予め定めた電極プラス極性電流Ｉepが通電し、同図（Ｂ）に示すように、アーク長とは必ずしも比例しない電極プラス極性電圧Ｖepが印加する。上記の電極マイナス極性電流Ｉenは、電流設定信号によって設定される。電極プラス極性電流Ｉepは、電極マイナス極性電流Ｉenの電流設定信号を入力とする予め定めた関数によって設定される。但し、Ｉep≧Ｉenとなるように設定される。同図では、Ｉep＞Ｉenの非対象波形の場合である。電極マイナス極性期間Ｔenは、７〜２０ms程度の範囲で予め設定される。また、電極プラス極性期間Ｔepは、電極マイナス極性期間Ｔenの２０％程度を標準値として設定され、クリーニング幅を調整するためにこの時間長さが微調整される。すなわち、クリーニング幅を広くしたいときは電極プラス極性期間Ｔepを長くし、反対に狭くしたいときは短くする。

電極マイナス極性期間Ｔen中は、電極が陰極となり電極先端に陰極点が形成され、母材が陽極となり電極直下の母材表面に陽極点が形成される。したがって、電極先端と母材との距離であるアーク長と、陰極点と陽極点との距離は略等しくなるので、電極マイナス極性電圧Ｖenとアーク長とは比例関係にある。さらに、電極マイナス極性期間Ｔen中は、陰極点及び陽極点の形成状態が安定しているために、電極マイナス極性電圧Ｖenは略一定値となる。但し、極性切換時にはアーク切れを防止するために数百Ｖの高電圧を電極と母材との間に瞬間的に印加する。さらには、時刻ｔ１の極性切換時には、上記の陰極点及び陽極点が新たに形成されることになるので、極性切後の短時間の間（時刻ｔ１〜ｔ１１の間）は電極マイナス極性電圧Ｖenの値は定常値よりも大きくなる。このために、電極マイナス極性電圧Ｖenは、同図（Ｂ）に示すように、時刻ｔ１に高電圧が重畳し、時刻ｔ１〜ｔ１１の間は定常値よりも大きな値となり、時刻ｔ１１において定常値に収束する。この時刻ｔ１〜ｔ１１の電圧値が定常値に収束するまでの期間を、切換時変動期間Ｔｓと呼ぶことにする。

次に、電極プラス極性期間Ｔep中は、電極が陽極となり電極先端に陽極点が形成され、母材が陰極となり電極表面の酸化被膜上に陰極点が形成される。上述したように、陰極点は、酸化被膜をクリーニングしながら、酸化被膜を求めて電極直下から周辺部へと拘束に移動する。この結果、電極プラス極性電圧Ｖepは、陽極点と陰極点との距離に比例するが、電極先端と母材との距離であるアーク長とは比例しなくなる。その上に、電極プラス極性電圧Ｖepは、陰極点が高速に移動するのに伴いその値が変動することになる。時刻ｔ２の極性切換時にも、アーク切れを防止するために高電圧が印加される。このために、電極プラス極性電圧Ｖepは、時刻ｔ２に高電圧が重畳し、その後は陰極点の移動に伴いその値が変動している。

電極マイナス極性電圧Ｖenは、母材表面の酸化皮膜の状態、母材の温度、シールドガスによるシールド状態等にほとんど影響されることなくアーク長と比例した値となる。このために、時刻ｔ３〜ｔ４の電極マイナス極性電圧Ｖenは、時刻ｔ１〜ｔ２の電極マイナス極性電圧Ｖenと等しくなる。これに対して、電極プラス極性電圧Ｖepは、母材表面の酸化皮膜の状態、母材の温度、シールドガスによるシールド状態等によって大きく影響を受けてその値が変動する。このために、時刻ｔ４〜ｔ５の電極プラス極性電圧Ｖepと、時刻ｔ２〜ｔ３の電極プラス極性電圧Ｖepとは変動により異なった値となる場合も多い。

従来技術におけるアーク長を一定値に維持するためのトーチ高さ制御では、電極マイナス極性電圧Ｖen及び電極プラス極性電圧Ｖepの絶対値の平均値（溶接電圧平均値）を検出し、この溶接電圧平均値が電圧設定値と等しくなるように溶接トーチの高さを制御している。しかし、上述したように、電極プラス極性電圧Ｖepはアーク長と関係のない値となる場合が多いので、それを含む溶接電圧平均値ではアーク長を正確に検出することができなかった。この結果、従来技術では、アーク長が母材表面の酸化被膜の状態、母材の温度、シールドガスによるシールド状態等に影響されて変動することがあった。

そこで、本発明では、母材表面の酸化被膜の状態、母材の温度、シールドガスのシールド状態等に影響されることなく常にアーク長を所定値に維持することができる交流非消耗電極アーク溶接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、請求項１の発明は、電極マイナス極性期間及び電極プラス極性期間を１周期とする交流の溶接電圧を検出して処理し、この溶接電圧処理値が予め定めた電圧設定値と等しくなるように溶接トーチの高さを制御してアーク長を一定値に維持する交流非消耗電極アーク溶接制御方法において、
前記溶接電圧処理値が、前記電極マイナス極性期間中の溶接電圧値である、
ことを特徴とする交流非消耗電極アーク溶接制御方法である。

請求項２の発明は、前記溶接電圧処理値が、前記電極マイナス極性期間中の溶接電圧の平均値である、
ことを特徴とする請求項１記載の交流非消耗電極アーク溶接制御方法である。

請求項３の発明は、前記溶接電圧処理値が、１周期ごとの前記電極マイナス極性期間中の溶接電圧値を、所定周期にわたって移動平均した値である、
ことを特徴とする請求項１記載の交流非消耗電極アーク溶接制御方法である。

請求項４の発明は、前記溶接電圧処理値が、１周期ごとの前記電極マイナス極性期間中の溶接電圧の平均値を、所定周期にわたって移動平均した値である、
ことを特徴とする請求項２記載の交流非消耗電極アーク溶接制御方法である。

請求項５の発明は、前記電極マイナス極性期間中の溶接電圧が、前記電極マイナス極性期間開始時点から所定期間経過した後の電極マイナス極性期間中の溶接電圧である、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の交流非消耗電極アーク溶接制御方法である。

本発明によれば、電極マイナス極性期間中の溶接電圧値によってアーク長を検出しているので、母材表面の酸化被膜の状態、母材の温度、シールドガスのシールド状態等に影響されることなくアーク長を正確に検出することができる。このために、アーク長を常に適正値に維持することができ、高品質な溶接を行うことができる。

本発明の実施の形態において、アーク長を検出するために使用する溶接電圧処理値Ｖｆを説明するための電流及び電圧波形図である。 本発明の実施の形態に係る交流非消耗電極アーク溶接制御方法を実施するための溶接装置の概要構成図である。 図２の溶接装置を構成する溶接電源ＰＳの詳細なブロック図である。 従来技術の交流非消耗電極アーク溶接における電流及び電圧波形図である。

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おいて、アーク長を検出するために使用する溶接電圧処理値Ｖｆを説明するための電流及び電圧波形図である。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの波形を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの波形を示す。同図において、０Ａ及び０Ｖよりも上側（＋側）が電極マイナス極性ＥＮ時を示し、下側（−側）が電極プラス極性ＥＰ時を示す。同図は、上述した図４と同一の波形であるので、波形の説明は省略する。以下、同図を参照して説明する。

本発明の実施の形態においては、アーク長を正確に検出するために、以下の６通りの溶接電圧処理値Ｖｆを用いる。この溶接電圧処理値Ｖｆは、同図（Ｂ）に示す溶接電圧Ｖｗを検出し、以下のような処理を行って算出される。

（１）電極マイナス極性電圧定常値Ｖａ
第１番目の溶接電圧処理値Ｖｆとしての電極マイナス極性電圧定常値Ｖａは、同図（Ｂ）に示すように、時刻ｔ１２における電極マイナス極性電圧Ｖenの瞬時値である。時刻ｔ１２は、電極マイナス極性期間Ｔen中であって、切換時変動期間Ｔｓが経過した後の定常期間Ｔｃ中の時刻である。すなわち、電極マイナス極性電圧定常値Ｖａは、電極マイナス極性期間Ｔen中の定常状態での瞬時値となる。上述したように、電極マイナス極性期間Ｔenの定常期間Ｔｃ中の電圧値は、変動も小さく、かつ、アーク長と比例関係にある。これは、電極先端に形成される陰極点及び電極直下の母材表面に形成される陽極点が安定した状態にあるためである。したがって、電極マイナス極性電圧定常値Ｖａを使用することによって、アーク長を常に正確に検出することができる。切換時変動期間Ｔｓは、実験によって測定されるが、１ms程度である。したがって、時刻ｔ１２としては、電極マイナス極性期間Ｔenの中間の時点、終了時点等として設定することができる。

（２）電極マイナス極性電圧平均値Ｖｂ
第２番目の溶接電圧処理値Ｖｆとしての電極マイナス極性電圧平均値Ｖｂは、同図（Ｂ）に示すように、電極マイナス極性期間Ｔen中における溶接電圧値Ｖｗの平均値である。すなわち、下式となる。
Ｖｂ＝（１／Ｔen）・∫Ｖｗ・ｄｔ
但し、積分は電極マイナス極性期間Ｔen中行う。電極マイナス極性期間Ｔenは、切換時変動期間Ｔｓ及び定常期間Ｔｃから形成される。切換時変動期間Ｔｓ中の溶接電圧値Ｖｗにはアーク長と比例しない電圧も含んでいるが、平均値を取ることによってその影響は小さくなる。このために、電極マイナス極性電圧平均値Ｖｂを使用することで、アーク長を十分に正確に検出することができる。

（３）電極マイナス極性電圧定常平均値Ｖｃ
第３番目の溶接電圧処理値Ｖｆとしての電極マイナス極性電圧定常平均値Ｖｃは、同図（Ｂ）に示すように、電極マイナス極性期間Ｔenの定常期間Ｔｃ中における溶接電圧値Ｖｗの平均値である。すなわち、下式となる。
Ｖｂ＝（１／Ｔｃ）・∫Ｖｗ・ｄｔ
但し、積分は定常期間Ｔｃ中行う。切換時変動期間Ｔｓは、実験によって設定されるが、１ms程度である。したがって、積分は、電極マイナス極性期間Ｔenの開始時点から切換時変動期間Ｔｓが経過した時点から開始されて、電極マイナス極性期間Ｔenの終了時点で終了する。この電極マイナス極性電圧定常平均値Ｖｃも電極マイナス極性期間Ｔen中の定常期間Ｔｃにおける電圧であるので、アーク長を常に正確に検出することができる。

（４）電極マイナス極性電圧定常値の移動平均値Ｖaa
第ｎ版目の周期における電極マイナス極性電圧定常値をＶａ(n)と記載すると、過去の所定周期ｍ（ｍは２以上の整数）にわたる移動平均値Ｖaaは、下式となる。
Ｖaa＝（Ｖａ(n-m+1)＋…＋Ｖａ(n)）／ｍ
この電極マイナス極性電圧定常値の移動平均値Ｖaaが、第４番目の溶接電圧処理値Ｖｆとなる。

（５）電極マイナス極性電圧平均値の移動平均値Ｖba
第ｎ版目の周期における電極マイナス極性電圧平均値をＶｂ(n)と記載すると、過去の所定周期ｍ（ｍは２以上の整数）にわたる移動平均値Ｖaaは、下式となる。
Ｖba＝（Ｖｂ(n-m+1)＋…＋Ｖｂ(n)）／ｍ
この電極マイナス極性電圧平均値の移動平均値Ｖbaが、第５番目の溶接電圧処理値Ｖｆとなる。

（６）電極マイナス極性電圧定常平均値の移動平均値Ｖca
第ｎ版目の周期における電極マイナス極性電圧定常平均値をＶｃ(n)と記載すると、過去の所定周期ｍ（ｍは２以上の整数）にわたる移動平均値Ｖaaは、下式となる。
Ｖca＝（Ｖｃ(n-m+1)＋…＋Ｖｃ(n)）／ｍ
この電極マイナス極性電圧定常平均値の移動平均値Ｖcaが、第６番目の溶接電圧処理値Ｖｆとなる。

（４）〜（６）において、移動平均値を算出してトーチ高さ制御に使用することによって、制御系の安定性を向上させることができる。上記の所定周期ｍは、３〜２０程度の範囲で適正値に設定される。この設定においては、アーク長の変動が急峻であるときは小さくし、緩慢であるときは大きくする。また、溶接トーチの高さを昇降させるモータの応答性が速いときには小さくし、遅いときには大きくする。溶接条件が決まった状態で、実験によって適正値を算出する。

図２は、本発明の実施の形態に係る交流非消耗電極アーク溶接制御方法を実施するための溶接装置の概要構成図である。以下、同図を参照して、各構成物について説明する。

溶接電源ＰＳは、アーク３を発生させるために、図１で上述したような交流の溶接電流Ｉｗ及び交流の溶接電圧Ｖｗを出力すると共に、トーチ昇降モータＭにトーチ昇降制御信号Ｍｃを出力する。非消耗電極アーク溶接では、定電流特性が使用されるので、溶接電源ＰＳは、図１に示す電極マイナス極性電流Ｉen及び電極プラス極性電流Ｉepが所定値になるように制御する。

溶接トーチ４の先端にはノズル４１が装着されており、この内側からシールドガス（図示は省略）が噴出している。また、溶接トーチ４の先端には電極１が、ノズル４１の先端から数mm突出した状態で装着されている。電極１と母材２との間にはアーク３が発生している。電極１の先端と母材２との距離が、アーク長Ｌａとなる。溶接を開始する前に、この電極１と母材２との距離が適正値になるように調整しておく。

トーチ昇降機構５は、溶接トーチ４を上下方向に昇降するための機構である。トーチ昇降モータＭは、溶接トーチ４を上下方向に昇降させるためのモータである。このトーチ昇降モータＭは、上述したように溶接電源ＰＳからのトーチ昇降制御信号Ｍｃによって、昇降方向及び昇降距離が制御される。すなわち、トーチ昇降モータＭによって電極１と母材２との距離（アーク長Ｌａ）が調整される。図示は省略するが、母材２は自動台車上に設置されており、溶接中は自動台車が予め定めた溶接速度で移動する。

図３は、上述した図２の溶接装置を構成する溶接電源ＰＳの詳細なブロック図である。同図において、極性切換時に数百Ｖの高電圧を印加する回路については、図示は省略している。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。

インバータ回路ＩＮＶは、３相２００Ｖ等の交流商用電源（図示は省略）を入力として、整流及び平滑した直流電圧を、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉによるパルス幅変調制御によってインバータ制御を行い、高周波交流を出力する。インバータトランスＩＮＴは、高周波交流電圧をアーク溶接に適した電圧値に降圧する。２次整流器Ｄ２ａ〜Ｄ２ｄは、降圧された高周波交流を直流に整流する。電極プラス極性トランジスタＰＴＲは後述する電極プラス極性駆動信号Ｐｄによってオン状態になり、溶接電源の出力は電極プラス極性ＥＰになる。電極マイナス極性トランジスタＮＴＲは後述する電極マイナス極性駆動信号Ｎｄによってオン状態になり、溶接電源の出力は電極マイナス極性ＥＮになる。リアクトルＷＬは、リップルのある出力を平滑する。溶接トーチ４の先端には電極１が装着されており、電極１と母材２との間にアーク３が発生する。溶接トーチ４は、トーチ昇降モータＭによってその高さが制御される。アーク３中を交流の溶接電流Ｉｗが通電し、電極１と母材２との間に交流の溶接電圧Ｖｗが印加する。溶接電流Ｉｗは、母材２→アーク３→電極１の方向に通電するとき（電極マイナス極性期間Ｔenのとき）を＋側としている。また、溶接電圧Ｖｗは、電極１を０Ｖとしたときの母材２の電圧を＋側としている。

電極マイナス極性期間設定回路ＴＮＲは、予め定めた電極マイナス極性期間設定信号Ｔnrを出力する。電極プラス極性期間設定回路ＴＰＲは、予め定めた電極プラス極性期間設定信号Ｔprを出力する。タイマ回路ＴＭは、上記の電極マイナス極性期間設定信号Ｔnr及び上記の電極プラス極性期間設定信号Ｔprを入力として、電極マイナス極性期間設定信号Ｔnrによって定まる期間中はＨｉｇｈレベルになり、続いて電極プラス極性期間設定信号Ｔprによって定まる期間中はＬｏｗレベルになり、以後これらの動作を繰り返す、タイマ信号Ｔｍを出力する。

電極マイナス極性電流設定回路ＩＮＲは、予め定めた電極マイナス極性電流設定信号Ｉnrを出力する。電極プラス極性電流設定回路ＩＰＲは、この電極マイナス極性電流設定信号Ｉnrを入力として、予め定めた関数によって電極プラス極性電流設定信号Ｉprを算出して出力する。切換回路ＳＷは、上記のタイマ信号Ｔｍ、上記の電極マイナス極性電流設定信号Ｉnr及び上記の電極プラス極性電流設定信号Ｉprを入力として、タイマ信号ＴｍがＨｉｇｈレベルのときは電極マイナス極性電流設定信号Ｉnrを電流設定信号Ｉｒとして出力し、タイマ信号ＴｍがＬｏｗレベルのときは電極プラス極性電流設定信号Ｉprを電流設定信号Ｉｒとして出力する。電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｗの絶対値を検出して、電流検出信号Ｉｄ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。これにより、溶接電源は定電流特性となり、図１で上述した交流の溶接電流Ｉｗが通電する。

２次側駆動回路ＤＶは、上記のタイマ信号Ｔｍを入力として、タイマ信号ＴｍがＨｉｇｈレベルのときは上記の電極マイナス極性駆動信号Ｎｄを出力し、タイマ信号ＴｍがＬｏｗレベルのときは上記の電極プラス極性駆動信号Ｐｄを出力する。これによって、電極マイナス極性期間中は電極マイナス極性になり、電極プラス極性期間中は電極プラス極性になる。

電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗの絶対値を検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。切換時変動期間設定回路ＴＳＲは、予め定めた切換時変動期間設定信号Ｔsrを出力する。電圧処理回路ＶＦは、上記の電圧検出信号Ｖｄ、上記の切換時変動期間設定信号Ｔsr及び上記のタイマ信号Ｔｍを入力として、電圧検出信号Ｖｄに対して図１で上述したような処理を行い、電圧処理信号Ｖｆを出力する。この回路の詳細については後述する。電圧設定回路ＶＲは、適正なアーク長に対応した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、上記の電圧設定信号Ｖｒと上記の電圧処理信号Ｖｆとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。

トーチ昇降制御回路ＭＣは、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖを入力として、トーチ昇降制御信号Ｍｃをトーチ昇降モータＭに出力する。このトーチ昇降制御回路ＭＣは、電圧誤差増幅信号Ｅｖが正の値のときはアーク長が長くなる方向にトーチ昇降モータＭを回転させ、負の値のときはアーク長が短くなる方向にトーチ昇降モータＭを回転させて、アーク長が設定値と等しくなるようにトーチ昇降モータＭを制御する。

上述した電圧処理回路ＶＦは、図１の第１〜第６電圧処理方法に対応して、以下のように動作する。
（１）電圧処理信号Ｖｆの値を電極マイナス極性電圧定常値Ｖａとする場合
電圧処理回路Ｖｆは、上記の電圧検出信号Ｖｄ及び上記のタイマ信号Ｔｍを入力として、タイマ信号ＴｍがＨｉｇｈレベルに変化した時点から予め定めた遅延時間が経過した時点での電圧検出信号Ｖｄの値を電圧処理信号Ｖｆとして出力する。遅延時間は、電極マイナス極性期間の半分の時間、電極マイナス極性期間と同一の時間等に設定する。すなわち、この電圧処理信号Ｖｆの値を、電極マイナス極性期間の中間時点、終了時点等の電圧値とする。

（２）電圧処理信号Ｖｆの値を電極マイナス極性電圧平均値Ｖｂとする場合
電圧処理回路Ｖｆは、上記の電圧検出信号Ｖｄ及び上記のタイマ信号Ｔｍを入力として、タイマ信号ＴｍがＨｉｇｈレベルである期間中の電圧検出信号Ｖｄの平均値を算出して、電圧処理信号Ｖｆとして出力する。

（３）電圧処理信号Ｖｆの値を電極マイナス極性電圧定常平均値Ｖｃとする場合
電圧処理回路Ｖｆは、上記の電圧検出信号Ｖｄ、上記の切換時変動期間設定信号Ｔsr及び上記のタイマ信号Ｔｍを入力として、タイマ信号ＴｍがＨｉｇｈレベルであり、かつ、タイマ信号ＴｍがＨｉｇｈレベルに変化した時点から切換時変動期間設定信号Ｔsrによって定まる期間が経過した後の電圧検出信号Ｖｄの平均値を算出して、電圧処理信号Ｖｆとして出力する。

（４）電圧処理信号Ｖｆの値を電極マイナス極性電圧定常値の移動平均値Ｖaaとする場合
電圧処理回路Ｖｆは、上記の電圧検出信号Ｖｄ及び上記のタイマ信号Ｔｍを入力として、タイマ信号ＴｍがＨｉｇｈレベルに変化した時点から予め定めた遅延時間が経過した時点での電圧検出信号Ｖｄの値を第ｎ回目の周期における電極マイナス極性電圧定常値Ｖａ(n)として記憶し、所定周期ｍにわたる移動平均値Ｖaa＝（Ｖａ(n)＋…＋Ｖａ(n-m+1)）／ｍを算出して、電圧処理信号Ｖｆとして出力する。

（５）電圧処理信号Ｖｆの値を電極マイナス極性電圧平均値の移動平均値Ｖbaとする場合
電圧処理回路Ｖｆは、上記の電圧検出信号Ｖｄ及び上記のタイマ信号Ｔｍを入力として、タイマ信号ＴｍがＨｉｇｈレベルである期間中の電圧検出信号Ｖｄの平均値を第ｎ回目の周期における電極マイナス極性電圧平均値Ｖｂ(n)として記憶し、所定周期ｍにわたる移動平均値Ｖba＝（Ｖｂ(n)＋…＋Ｖｂ(n-m+1)）／ｍを算出して、電圧処理信号Ｖｆとして出力する。

（６）電圧処理信号Ｖｆの値を電極マイナス極性電圧定常平均値の移動平均値Ｖcaとする場合
電圧処理回路Ｖｆは、上記の電圧検出信号Ｖｄ、上記の切換時変動期間設定信号Ｔsr及び上記のタイマ信号Ｔｍを入力として、タイマ信号ＴｍがＨｉｇｈレベルであり、かつ、タイマ信号ＴｍがＨｉｇｈレベルに変化した時点から切換時変動期間設定信号Ｔsrによって定まる期間が経過した後の電圧検出信号Ｖｄの平均値を第ｎ回目の周期における電極マイナス極性電圧定常平均値Ｖｃ(n)として記憶し、所定周期ｍにわたる移動平均値Ｖca＝（Ｖｃ(n)＋…＋Ｖｃ(n-m+1)）／ｍを算出して、電圧処理信号Ｖｆとして出力する。

上述した実施の形態によれば、電極マイナス極性期間中の溶接電圧値によってアーク長を検出しているので、母材表面の酸化被膜の状態、母材の温度、シールドガスのシールド状態等に影響されることなくアーク長を正確に検出することができる。このために、アーク長を常に適正値に維持することができ、高品質な溶接を行うことができる。

上述した実施の形態では、自動溶接装置の場合を例示したが、溶接トーチをロボットに把持させて行うロボット溶接装置の場合も同様である。この場合には、図２で上述したトーチ高さ制御に関するブロックである電圧設定回路ＶＲ、電圧検出回路ＶＤ、電圧処理回路ＶＦ、電圧誤差増幅回路ＥＶ及びトーチ昇降制御回路ＭＣをロボット制御装置に内蔵するようにする。また、溶接トーチの高さ制御はロボットの各軸によって行うので、トーチ昇降モータＭは不要となる。トーチ昇降制御回路ＭＣからのトーチ昇降制御信号Ｍｃによってロボットの各軸が制御されて溶接トーチの高さが変化する。

1 （非消耗）電極
2 母材
3 アーク
4 溶接トーチ
5 トーチ昇降機構
41 ノズル
Ｄ２ａ〜Ｄ２ｄ ２次整流器
ＤＶ ２次側駆動回路
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＮ 電極マイナス極性
ＥＰ 電極プラス極性
ＥＶ 電圧誤差増幅回路
Ｅｖ 電圧誤差増幅信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉen 電極マイナス極性電流
Ｉep 電極プラス極性電流
ＩＮＲ 電極マイナス極性電流設定回路
Ｉnr 電極マイナス極性電流設定信号
ＩＮＴ インバータトランス
ＩＮＶ インバータ回路
ＩＰＲ 電極プラス極性電流設定回路
Ｉpr 電極プラス極性電流設定信号
Ｉｒ 電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
Ｌａ アーク長
Ｍ トーチ昇降モータ
ｍ 所定周期
ＭＣ トーチ昇降制御回路
Ｍｃ トーチ昇降制御信号
Ｎｄ 電極マイナス極性駆動信号
ＮＴＲ 電極マイナス極性トランジスタ
Ｐｄ 電極プラス極性駆動信号
ＰＳ 溶接電源
ＰＴＲ 電極プラス極性トランジスタ
ＳＷ 切換回路
Ｔｃ 定常期間
Ｔen 電極マイナス極性期間
Ｔep 電極プラス極性期間
ＴＭ タイマ回路
Ｔｍ タイマ信号
ＴＮＲ 電極マイナス極性期間設定回路
Ｔnr 電極マイナス極性期間設定信号
ＴＰＲ 電極プラス極性期間設定回路
Ｔpr 電極プラス極性期間設定信号
Ｔｓ 切換時変動期間
ＴＳＲ 切換時変動期間設定回路
Ｔsr 切換時変動期間設定信号
Ｖａ 電極マイナス極性電圧定常値
Ｖaa 電極マイナス極性電圧定常値の移動平均値
Ｖｂ 電極マイナス極性電圧平均値
Ｖba 電極マイナス極性電圧平均値の移動平均値
Ｖｃ 電極マイナス極性電圧定常平均値
Ｖca 電極マイナス極性電圧定常平均値の移動平均値
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖen 電極マイナス極性電圧
Ｖep 電極プラス極性電圧
ＶＦ 電圧処理回路
Ｖｆ 溶接電圧処理値／電圧処理信号
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＬ リアクトル

Claims (5)

1. 電極マイナス極性期間及び電極プラス極性期間を１周期とする交流の溶接電圧を検出して処理し、この溶接電圧処理値が予め定めた電圧設定値と等しくなるように溶接トーチの高さを制御してアーク長を一定値に維持する交流非消耗電極アーク溶接制御方法において、
   前記溶接電圧処理値が、前記電極マイナス極性期間中の溶接電圧値である、
   ことを特徴とする交流非消耗電極アーク溶接制御方法。
2. 前記溶接電圧処理値が、前記電極マイナス極性期間中の溶接電圧の平均値である、
   ことを特徴とする請求項１記載の交流非消耗電極アーク溶接制御方法。
3. 前記溶接電圧処理値が、１周期ごとの前記電極マイナス極性期間中の溶接電圧値を、所定周期にわたって移動平均した値である、
   ことを特徴とする請求項１記載の交流非消耗電極アーク溶接制御方法。
4. 前記溶接電圧処理値が、１周期ごとの前記電極マイナス極性期間中の溶接電圧の平均値を、所定周期にわたって移動平均した値である、
   ことを特徴とする請求項２記載の交流非消耗電極アーク溶接制御方法。
5. 前記電極マイナス極性期間中の溶接電圧が、前記電極マイナス極性期間開始時点から所定期間経過した後の電極マイナス極性期間中の溶接電圧である、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の交流非消耗電極アーク溶接制御方法。

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