JP2012110915A - パルスアーク溶接の終了制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】消耗電極式パルスアーク溶接において、溶接が終了したときに溶接ワイヤの先端に形成される溶融球を、種々の溶接条件に応じて適正化するためのパラメータの設定に時間がかかっていた。
【解決手段】溶接を終了する際に最終ピーク電流ＬＩｐを通電して溶接を終了するパルスアーク溶接の終了制御方法において、アークスタート性の良否を示す指標を算出し、この指標に応じて前記最終ピーク電流ＬＩｐの値を臨界値以上及び未満の範囲で変化させて自動設定する。前記指標は、単位アークスタート回数に占める、アークスタート時の最初の短絡が基準時間以上であった回数の比率である。これにより、種々な溶接条件に応じて最終ピーク電流ＬＩｐが自動的に適正化されるので、設定の時間が不要となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、溶接終了後のワイヤ先端に形成される溶融球のサイズを適正化することができるパルスアーク溶接の終了制御方法に関するものである。

消耗電極式アーク溶接においては、溶接を終了した後の溶接ワイヤ先端に形成された溶融球のサイズが、次のアークスタートの良否を決める主要因の１つである。消耗電極式パルスアーク溶接も消耗電極式アーク溶接の１つであるので、溶融球のサイズが次のアークスタート性に大きな影響を与えることは同様である。溶融球のサイズをどの程度にすれば、次のアークスタート性が良好になるかは、溶接ワイヤの材質によって異なっている。溶接ワイヤの材質がアルミミウム又はステンレスである場合には、溶融球は小さい方が次のアークスタート性が良好になるので、溶接ワイヤの直径と略同一になるように制御される。他方、溶接ワイヤの材質が鉄鋼である場合には、溶融球をあまり小さくするとその底部にスラグが付着した状態になることが多い。スラグは絶縁物であるので、底部にスラグが付着していると、次のアークスタート時にワイヤ先端が母材と接触して最初の短絡が発生してからアークが発生するまでに時間が長くかかることになる。ときには、最初の短絡のままでアークが発生しない場合も生じる。最初の短絡の時間が長くなると、溶接開始部のビード形成が悪くなる。ワイヤ底部へのスラグの付着は、溶滴球が直径の１．０倍から２．０倍程度へと大きくなるほど少なくなる傾向がある。反面、溶滴球が大きくなるほど、アークスタート時のスパッタの発生が多くなる。したがって、溶滴球のサイズは、スラグの付着状態とスパッタの発生状態とを観察して適正サイズに制御する必要がある。以下に、鉄鋼材のパルスアーク溶接（パルスマグ溶接と呼ばれる）において、溶融球を適正なサイズに形成するための従来技術の終了制御方法について説明する（例えば、特許文献１参照）。

図４は、従来技術におけるパルスアーク溶接の終了制御方法を示すタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接開始信号Ｓｔを示し、同図（Ｂ）は起動信号Ｏｎを示し、同図（Ｃ）は溶接ワイヤの送給速度Ｆｗを示し、同図（Ｄ）は送給停止判別信号Ｓｄを示し、同図（Ｅ）は最終ピーク電流判別信号Ｐｄを示し、同図（Ｆ）は溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｇ）は溶接電圧Ｖｗを示す。上記の溶接開始信号Ｓｔは、溶接電源の外部から入力される信号であり、Ｈｉｇｈレベルになると溶接開始を指令する信号となり、Ｌｏｗレベルになると溶接終了を指令する信号となる。半自動溶接にあっては、溶接開始信号Ｓｔはトーチスイッチのオン／オフに対応する信号であり、ロボット溶接にあっては、ロボット制御装置から送信される溶接の開始又は終了を指令する信号である。以下、同図を参照して説明する。

時刻ｔ１以前の定常溶接期間中は、同図（Ａ）に示すように、溶接開始信号ＳｔはＨｉｇｈレベルになっているので、同図（Ｂ）に示すように、起動信号ＯｎはＨｉｇｈレベル（起動）になり、溶接電源から溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗが出力されてアークが発生している。この期間中は、同図（Ｃ）に示すように、送給速度Ｆｗは予め定めた定常送給速度になっている。同図（Ｃ）に示すように、破線の送給停止判別基準値Ｆｔは、送給停止を判別するための基準値であり、０よりも少し大きな値（例えば０．５m/min）に設定されている。同図（Ｄ）に示す送給停止判別信号Ｓｄは、送給速度Ｆｗと送給停止判別基準値Ｆｔとを比較して、Ｆｗ＜ＦｔのときにＨｉｇｈレベルになる信号である。すなわち、送給速度Ｆｗが略０となった時点で、送給停止判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベルに変化する。時刻ｔ１以前の期間では、Ｆｗ＞Ｆｔであるので、同図（Ｄ）に示すように、送給停止判別信号ＳｄはＬｏｗレベルの状態にある。また、同図（Ｅ）に示すように、最終ピーク電流判別信号Ｐｄは、時刻ｔ１以前の期間中はＬｏｗレベルの状態にある。同図（Ｆ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、ピーク期間Ｔｐ中のピーク電流Ｉｐとベース期間Ｔｂ中のベース電流Ｉｂとの通電を１パルス周期Ｔｆとして繰り返している。同図（Ｇ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、ピーク期間Ｔｐ中はピーク電圧となり、ベース期間Ｔｂ中はベース電圧となる。上記のピーク電流Ｉｐは臨界値以上の４５０Ａ程度に設定され、上記のベース電流Ｉｂは臨界値未満の２０〜１００Ａの範囲に設定される。ピーク電圧及びベース電圧は、アーク長に比例した値となる。上記のピーク期間Ｔｐとピーク電流Ｉｐとの組合せは、ユニットパルス条件と呼ばれ、実験によって溶接ワイヤの材質、直径、定常送給速度等に応じて、いわゆる１パルス周期１溶滴移行となる適正値を算出し、この適正値に設定される。溶接電圧Ｖｗの平均値が予め定めた定常溶接電圧設定値と等しくなるように上記のパルス周期Ｔｆがフィードバック制御されて、アーク長制御が行われる。このアーク長制御の方式を周波数変調制御と呼ぶ。また、パルス周期Ｔｆを固定してピーク期間Ｔｐを変化させるパルス幅変調制御も慣用される。

時刻ｔ１において、同図（Ａ）に示すように、溶接開始信号ＳｔがＬｏｗレベルに変化する。しかし、同図（Ｂ）に示すように、起動信号Ｏｎは、後述する最終ベース電流ＬＩｂの通電が終了する時刻ｔ４までＨｉｇｈレベルを継続する。時刻ｔ１〜ｔ４の期間が、アンチスティック期間Ｔａとなる。溶接開始信号Ｓｔの変化に応動して送給モータへの電力の供給が遮断されるが、慣性によって回転速度はスロープ状に遅くなるので、完全に停止するまでには時間がかかる。したがって、同図（Ｃ）に示すように、送給速度Ｆｗは時刻ｔ１からスロープ状に遅くなり、時刻ｔ２において上記の送給停止判別基準値Ｆｔ未満となり、その直後に０となる。送給速度Ｆｗが慣性によって０となるまでの期間は、送給モータの種類、定常送給速度等によって変化するが、１００ms程度である。同図（Ｄ）に示すように、送給停止判別信号Ｓｄは、時刻ｔ２においてＦｗ＜ＦｔとなるのでＨｉｇｈレベルとなる。また、同図（Ｆ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、時刻ｔ１以降もピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂの通電を繰り返す。そして、同図（Ｄ）に示す送給停止判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベルに変化した時点（時刻ｔ２）以降の最初のピーク電流の通電が終了する時刻ｔ３において、同図（Ｅ）に示すように、最終ピーク電流判別信号ＰｄがＨｉｇｈレベルに変化する。さらに、時刻ｔ３〜ｔ４の最終ベース期間ＬＴｂ中は最終ベース電流ＬＩｂを通電する。時刻ｔ４において最終ベース電流ＬＩｂの通電が終了すると、同図（Ｂ）に示す起動信号ＯｎがＬｏｗレベルになり、溶接電源の出力は停止されて溶接が終了する。同図（Ｇ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、上述したピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂの通電に応じたピーク電圧及びベース電圧が繰り返される。アンチスティック期間Ｔａ中は、溶接電圧Ｖｗの平均値が予め定めたアンチスティック用溶接電圧設定値と等しくなるようにパルス周期Ｔｆが、上述したようにフィードバック制御される。

以下、従来技術における溶融球の形成について説明する。時刻ｔ３において、同図（Ｆ）に示すように、最終ピーク電流ＬＩｐの通電が終了した時点で、最終ピーク電流ＬＩｐの通電によって形成された溶滴が溶融池に移行する。したがって、この時点においては、ワイヤ先端の溶融球は形成されていない状態（１．０倍の状態）である。最終ベース電流ＬＩｂの通電に伴って、ワイヤ先端が溶融されて溶融球が次第に大きくなる。そして、時刻ｔ４において、最終ベース電流ＬＩｂの通電が終了すると、それまでに形成された溶融球が冷却されて凝固する。この溶融球の形状の一例を図５に示す。溶接ワイヤ１の先端に形成された溶融球１ａは略球形となっており、ワイヤ直径の１．２５倍程度の大きさである。溶融球のサイズは、最終ベース電流ＬＩｂ及び最終ベース期間ＬＴｂの値によって定まることになる。最終ベース電流ＬＩｂの値が大きくなるとアーク力も大きくなり溶融池からスパッタが発生しやすくなる。逆に、最終ベース電流ＬＩｂの値が小さくなるとアーク切れが発生しやすくなる。したがって、最終ベース電流Ｌｉｂの値は、時刻ｔ１以前の定常溶接期間と同程度の２０〜１００Ａの範囲で設定される。直系１．２mmの鉄鋼ワイヤの場合、ＬＩｂ＝５０Ａ及び最終ベース期間ＬＴｂ＝０〜７０ms程度に設定される。アンチスティック期間Ｔａ中のピーク期間Ｔｐ、ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂは、時刻ｔ１以前の定常溶接期間と同一値又は異なった値に設定される。最終ベース期間ＬＴｐ＝０のときは、最終ピーク電流ＬＩｐの通電によって溶接が終了することになる。このようにすると、溶滴球のサイズは１．０倍程度となり、最も小さくすることができる。

特開平９−２６７１７１号公報

上述したように、鉄鋼ワイヤの場合には、溶滴球の底部へのスラグの付着状態とアークスタート時のスパッタの発生状態とのバランスを考量して、形成する溶滴球のサイズを決定する必要がある。この溶滴球のサイズとしては、ワイヤ直径の１．２５倍程度が１つの目安となっている。

適正な溶滴球のサイズは、溶接ワイヤの種類、直径、シールドガスの混合比率、溶接継手、溶接姿勢等の種々の溶接条件によって異なっている。これは、溶接条件によって、上述したスラグの付着状態及びアークスタート時のスパッタの発生状態が変化するためである。上記の溶接ワイヤ種類とは、鉄鋼ワイヤであっても、様々な成分のワイヤが市販されていることを示しており、その成分比率によってスラグの付着状態及びスパッタの発生状態が変化する。パルスマグ溶接では、シールドガスとして８０％Ａｒ＋２０％ＣＯ2の混合ガスが使用されることが多い。しかし、５〜２０％の範囲でＣＯ2の混合比率を少なくしたシールドガスも使用される。シールドガスの混合比率が変化すると、スラグの付着状態及びスパッタの発生状態が変化することになる。

上述したような種々の溶接条件ごとに、スラグの付着状態とスパッタの発生状態とのバランスを考量して適正な溶滴球になるように、制御パラメータを設定するには、多くの工数が必要になる。さらには、スラグの付着状態及びスパッタの発生状態には、同一溶接条件であってもばらつきがあるために、アークスタート性の良否をオペレータ、溶接作業者等の人が感覚によって行うことは難しい。

そこで、本発明では、種々な溶接条件に応じて、適正な溶滴球を形成するための制御パラメータを自動設定することができるパルスアーク溶接の終了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、溶接ワイヤに臨界値以上のピーク電流と臨界値未満のベース電流とを繰り返し通電して溶接するパルスアーク溶接方法にあって、溶接を終了する際に最終ピーク電流を通電して溶接を終了するパルスアーク溶接の終了制御方法において、
アークスタート性の良否を示す指標を算出し、この指標に応じて前記最終ピーク電流の値を臨界値以上及び未満の範囲で変化させる、
ことを特徴とするパルスアーク溶接の終了制御方法である。

請求項２の発明は、前記指標が、単位アークスタート回数に占める、アークスタート時の最初の短絡が基準時間以上であった回数の比率である、
ことを特徴とする請求項１記載のパルスアーク溶接の終了制御方法である。

請求項３の発明は、前記指標が、アークスタート時の最初の短絡の平均時間である、
ことを特徴とする請求項１記載のパルスアーク溶接の終了制御方法である。

本発明によれば、アークスタート性の良否を示す指標を算出し、この指標に応じて最終ピーク電流の値（制御パラメータ）を変化させて適正値に自動設定することができる。これにより、溶滴球底部に付着するスラグによるアークスタート性が基準レベル以上である範囲において、アークスタート時のスパッタの発生を最も少なくすることができる。そして、種々の溶接条件に応じて最終ピーク電流を適正化するためには複雑な作業と豊富な経験が必要であったが、本発明では適正化は自動的におこなわれるので、生産準備のための工数を、大幅に削減することができる。

本発明の実施の形態に係るパルスアーク溶接の終了制御方法を示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態に係るパルスアーク溶接のアークスタート時のタイミングチャートである。 本発明の実施の形態に係るパルスアーク溶接の終了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。 従来技術におけるパルスアーク溶接の終了制御方法を示すタイミングチャートである。 従来技術におけるパルスアーク溶接の終了制御方法によって形成された溶融球の形状を示す図である。

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係るパルスアーク溶接の終了制御方法を示すタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接開始信号Ｓｔを示し、同図（Ｂ）は起動信号Ｏｎを示し、同図（Ｃ）は溶接ワイヤの送給速度Ｆｗを示し、同図（Ｄ）は送給停止判別信号Ｓｄを示し、同図（Ｅ）は最終ピーク電流判別信号Ｐｄを示し、同図（Ｆ）は溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｇ）は溶接電圧Ｖｗを示す。同図は上述した図４と対応しており、時刻ｔ３〜ｔ４の最終ベース電流ＬＩｂを通電しない点が異なっている。すなわち、最終ピーク電流ＬＩｐを通電して時刻ｔ３において溶接を終了する。以下、同図を参照して、同一動作の説明は省略して異なる動作について説明する。

時刻ｔ１において、同図（Ａ）に示すように、溶接開始信号ＳｔがＬｏｗレベル（溶接終了指令）になると、同図（Ｃ）に示すように、送給モータへの電力供給が遮断されるので送給速度Ｆｗは慣性によって次第に遅くなる。そして、時刻ｔ２において、送給速度Ｆｗが送給停止判別基準値Ｆｔ未満になると、同図（Ｄ）に示すように、送給停止判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベルになる。同図（Ｆ）に示すように、時刻ｔ１以降の期間（アンチスティック期間Ｔａ）中の溶接電流Ｉｗは、ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂの通電を上述した周波数変調制御によって定まるパルス周期Ｔｆごとに繰り返す。そして、同図（Ｄ）に示す送給停止判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベルに変化した時点（時刻ｔ２）移行の最初のピーク電流を最終ピーク電流ＬＩｐとして判別し、予め定めた最終ピーク期間ＬＴｐの間予め定めた最終ピーク電流ＬＩｐを通電する。そして、時刻ｔ３において、この最終ピーク電流ＬＩｐの通電終了を判別すると、同図（Ｅ）に示すように、最終ピーク電流判別信号ＰｄがＨｉｇｈレベルに変化する。この最終ピーク電流判別信号ＰｄがＨｉｇｈレベルに変化すると、同図（Ｂ）に示すように、起動信号ＯｎがＬｏｗレベル（停止）に変化し、溶接電源の出力は停止されて溶接が終了する。したがって、同図においては、時刻ｔ１〜ｔ３の期間がアンチスティック期間Ｔａとなる。

上記の最終ピーク期間ＬＴｐは、時刻ｔ１以前の定常溶接期間及びアンチスティック期間Ｔａ中のピーク期間と略同じ値である、１〜３ms程度の所定値に設定される。この最終ピーク期間ＬＴｐは、溶接ワイヤの種類、直径及びシールドガスの混合比率に応じて適正値に設定される。上記の最終ピーク電流ＬＩｐは、後述するように、アークスタート性の良否を示す指標を算出して、この指標に応じて自動的に設定される。以下、このアークスタート性の良否を示す指標について説明する。

図２は、本発明の実施の形態に係るパルスアーク溶接のアークスタート時のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接開始信号Ｓｔを示し、同図（Ｂ）は起動信号Ｏｎを示し、同図（Ｃ）は溶接ワイヤの送給速度Ｆｗを示し、同図（Ｄ）は送給停止判別信号Ｓｄを示し、同図（Ｅ）は最終ピーク電流判別信号Ｐｄを示し、同図（Ｆ）は溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｇ）は溶接電圧Ｖｗを示し、同図（Ｈ）は短絡判別信号Ａｄを示す。同図では、上述した図１に対して、同図（Ｈ）に示す短絡判別信号Ａｄを追加している。以下、同図を参照して説明する。

同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１において、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベルになると、同図（Ｂ）に示すように、起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベルに変化する。これに応動して、溶接電源の出力が開始されるので、同図（Ｇ）に示すように、無負荷電圧が溶接ワイヤと母材との間に印加する。同時に、同図（Ｃ）に示すように、送給速度Ｆｗは１〜２m/min程度の遅いスローダウン速度となり、溶接ワイヤは母材へと次第に接近する。同図（Ｄ）に示すように、送給停止判別信号Ｓｄは、時刻ｔ１において、送給速度Ｆｗが送給停止判別基準値Ｆｔ以上となるので、Ｌｏｗレベルに変化する。同図（Ｅ）に示すように、最終ピーク電流判別信号ＰｄはＬｏｗレベルのままである。

時刻ｔ２において、上記のスローダウン送給によって溶接ワイヤ先端の溶融球の底部が母材と接触しても、底部に付着しているスラグによって導通しないので無負荷状態のままとなり、各信号は時刻ｔ２以前と同一のままである。そして、溶融球底部が母材と接触した常態でスローダウン送給が継続されるために、溶融球は母材へと押し込まれることになり、時刻ｔ３においてスラグの付着していない底部の部分が母材と接触して導通状態となる。溶融球底部のスラグの付着が多い場合には、時刻ｔ２〜ｔ３の押し込み期間が長くなり、溶融球は変形して広い底部が接触した状態になる。

時刻ｔ３において、溶融球底部と母材とが導通すると、同図（Ｇ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、数Ｖ程度の短絡電圧値に急減する。溶接電圧Ｖｗが短絡判別基準値（１０Ｖ程度に設定）以下になったことを判別すると、同図（Ｈ）に示すように、短絡判別信号ＡｄがＨｉｇｈレベルに変化する。同時に、同図（Ｆ）に示すように、溶接電流Ｉｗは大電流値に予め定めたスタート電流Ｉｈが通電する。溶接電流Ｉｗが通電したことを判別すると、同図（Ｃ）に示すように、送給速度Ｆｗは３〜２０m/min程度の範囲で設定された定常送給速度に変化する。このスタート電流Ｉｈは、最初の短絡が継続している期間中通電する。このスタート電流Ｉｈは、ピーク電流Ｉｐ以上の値である４５０〜６００Ａ程度の範囲で設定される。このスタート電流Ｉｈは、溶接ワイヤの先端を早急に溶融してアークを発生させるために通電する。

長い最初の短絡が継続した後の時刻ｔ４において、アークが発生すると、同図（Ｇ）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急増する。このために、溶接電圧Ｖｗが短絡判別基準値よりも大きくなるので、同図（Ｈ）に示すように、短絡判別信号ＡｄはＬｏｗレベルに変化する。したがって、起動後の最初の短絡が、時刻ｔ４で終了したことになる。これに応動して、同図（Ｆ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、ベース電流Ｉｂの通電を開始し、その後はピーク期間Ｔｐ中のピーク電流Ｉｐとベース期間Ｔｂ中のベース電流Ｉｂとの通電を繰り返すことになる。同様に、同図（Ｇ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、ベース電圧となり、その後はピーク電圧とベース電圧とを繰り返すことになる。したがって、時刻ｔ１〜ｔ４の期間がアークスタート期間となり、時刻ｔ４以降が定常溶接期間となる。定常溶接期間中のピーク電流Ｉｐ、ピーク期間Ｔｐ及びベース電流Ｉｂの設定方法については、図４と同様である。また、アーク長制御のための周波数変調制御によってパルス周期Ｔｆがフィードバック制御されることも同様である。

最初の短絡の時間長さＴsiは、短絡判別信号ＡｄがＨｉｇｈレベルになっている時刻ｔ３〜ｔ４の時間である。溶滴球底部のスラグの付着が多いと、上記の押し込み時間（時刻ｔ２〜ｔ３）が長くなり、溶融球が押しつぶされて変形し、母材との接触面積が広くなる。この結果、溶融球底部を溶融してアークが発生するまでに時間がかかるので、最初の短絡の時間長さＴsiが長くなる。この最初の短絡の時間長さＴsiが長くなると、溶接開始部のビード形成が悪くなる。この知見に基づいて、以下に説明するように、最初の短絡の時間長さＴsiを使用してスラグに起因するアークスタート性の良否を判別することができる。

（第１の指標）
アークスタート性の良否を示す指標が、単位アークスタート回数に占める、アークスタート時の最初の短絡の時間長さＴsiが基準時間Ｔｔ以上であった回数の比率である場合である。以下の各ステップを行うことによって、第１の指標を算出することができる。
１）実際の溶接工程において実溶接を行いながら、アークスタート時の最初の短絡の時間長さＴsiを計測する。
２）上記の時間長さＴsiが予め定めた基準時間Ｔｔ以上であるかを判別し、以上であるときはカウンタに１を加算する。すなわち、このカウンタ値は、アークスタート性がスラグに起因して悪かった回数を示すことになる。
３）上記１）及び２）を単位アークスタート回数繰り返す。
４）単位アークスタート回数に達すると、第１の指標＝比率＝カウンタ値／単位アークスタート回数を算出する。そして、この第１の指標が予め定めた基準比率以上であるかを判別し、以上であるときはアークスタート性不良と判定し、アークスタート性判定信号Ｂｄを短時間の間Ｈｉｇｈレベルにして出力する。したがって、このアークスタート性判定信号ＢｄがＨｉｇｈレベルのときは不良であることを示し、Ｌｏｗレベルであるときは良好であることを示す。
５）カウンタを０にリセットして、上記１）のステップに戻る。

上記の基準時間は、５〜２０ms程度の範囲で実験によって適正値に設定される。上記の単位アークスタート回数は、１０〜１００程度の範囲で実験によって適正値に設定される。上記の基準比率は、０．１〜０．３程度の範囲で実験によって適正値に設定される。１回のアークスタートに基づいて良否を判定しないで、単位アークスタート回数ごとに判定している理由は、以下のとおりである。同一溶接条件において、アンチスティック制御によって適正な溶滴球を形成した場合でも、スラグの付着状態にはバラツキがある。このために、アークスタート性を評価するためには、ある程度のアークスタートを行い、その結果に基づいて判定を行う必要があるためである。

（第２の指標）
アークスタート性の良否を示す指標が、アークスタート時の最初の短絡の時間長さＴsiの平均値である場合である。以下の各ステップを行うことによって、第２の指標を算出することができる。
１）実際の溶接工程において実溶接を行いながら、アークスタート時の最初の短絡の時間長さＴsiを計測し、記憶する。
２）上記１）を単位アークスタート回数繰り返す。
３）単位アークスタート回数に達すると、第２の指標として、各アークスタート時の上記時間長さＴsiの平均値を算出する。そして、この第２の指標が予め定めた基準平均値以上であるかを判別し、以上であるときはアークスタート性不良と判定し、アークスタート性判定信号Ｂｄを短時間の間Ｈｉｇｈレベルにして出力する。したがって、このアークスタート性判定信号ＢｄがＨｉｇｈレベルのときは不良であることを示し、Ｌｏｗレベルであるときは良好であることを示す。
４）上記１）のステップに戻る。

上記の単位アークスタート回数は、上述した第１の指標のときと同様である。上記の基準平均値は、３〜１０ms程度の範囲で実験によって適正値に設定される。

次に、上記の指標及びアークスタート性判定信号Ｂｄを用いて、図１で上述した最終ピーク電流ＬＩｐの値をどのように変化させて自動設定するかについて説明する。この自動設定は、以下のステップによって行う。
１）最終ピーク電流ＬＩｐの初期値として、臨界値以上の値を設定する。すなわち、最終ピーク電流ＬＩｐの通電によって溶滴が移行するように設定する。この初期値を、定常溶接期間のピーク電流Ｉｐと同一値に設定しても良い。このようにすると、溶接終了時の溶滴球のサイズは最も小さくなり、ワイヤ直径の１．０倍程度になる。溶滴球のサイズが小さいほど、アークスタート時のスパッタの発生は少なくなる。反面、溶滴球底部へのスラグの付着が多くなる。直径１．２mmの鉄鋼ワイヤの場合、例えば初期値を４５０Ａとする。
２）実際の溶接工程において実溶接を行い、単位アークスタート回数ごとに、上述した第１又は第２の指標を算出して、アークスタート性判定信号Ｂｄを出力する。上述したように、このアークスタート性判定信号Ｂｄが短時間の間Ｈｉｇｈレベルになるとアークスタート性が不良であることを示し、Ｌｏｗレベルであるときは良好であることを示す。
３）アークスタート性判定信号ＢｄがＨｉｇｈレベルになるごとに、最終ピーク電流ＬＩｐの値を以下のように変化させる。ここで、１回当たりの変化量は５０Ａの場合とする。４５０Ａ（初期値）→１５０Ａ（下限値）→２００Ａ→２５０Ａ→３００Ａ→３５０Ａ→４００Ａ（上限値）と変化させる。すなわち、初期値から予め定めた下限値へと変化し、それ以降は予め定めた変化量だけ増加し、予め定めた上限値に達すると増加を停止する。このように最終ピーク電流ＬＩｐの値を変化させると、溶滴球のサイズは次第に大きくなる。初期値の場合には、溶滴が移行した状態であるので、溶滴球は直径の１．０倍程度になる。下限値は、溶滴球が直径の１．１倍程度になるように設定する。上限値は、溶滴が移行しない値の最大値に設定する。このことで、溶滴球は直径の２．０倍程度となる。したがって、最終ピーク電流ＬＩｐを上記のように変化させることで、溶滴球のサイズは直径の１．０〜２．０倍程度の範囲で変化することになる。上記の変化量は、２０〜７０Ａ程度の範囲で適正値に設定される。

上記のように、アークスタート性の判定結果に基づいて、最終ピーク電流ＬＩｐの値を自動設定することによって、溶滴球底部に付着するスラグによるアークスタート性が基準レベル以上である範囲において、アークスタート時のスパッタの発生を最も少なくすることができる。最終ピーク電流ＬＩｐの値は、上述したように、臨界値以上又は未満の範囲で変化している。直径１．２mmの鉄鋼ワイヤの臨界値は、４００Ａ程度である。また、上記とは異なり、最終ピーク電流ＬＩｐの値を、初期値を上記の下限値として下限値〜上限値の範囲で変化させるようにしても良い。上記の例では、１５０〜４００Ａの範囲で変化させることになる。

図３は、上述した本発明の実施の形態に係るパルスアーク溶接の終了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。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（図示は省略）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、溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗを出力する。この電源主回路ＰＭは、図示は省略するが、商用電源を整流する１次整流器、整流された直流を平滑するコンデンサ、平滑された直流を上記の駆動信号Ｄｖに従って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構成される。溶接ワイヤ１は、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が発生して溶接が行われる。

溶接電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗを検出して、溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する。溶接電圧平均化回路ＶＡＶは、この溶接電圧検出信号Ｖｄを入力として、ローパスフィルタ等によって平均化して、溶接電圧平均値信号Ｖavを出力する。溶接電圧設定回路ＶＲは、定常溶接期間中は予め定めた定常溶接電圧設定値となり、アンチスティック期間中は予め定めたアンチスティック用溶接電圧設定値となる溶接電圧設定信号Ｖｒを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の溶接電圧設定信号Ｖｒと上記の溶接電圧平均値信号Ｖavとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。Ｖ／Ｆコンバータ回路ＶＦは、この電圧誤差増幅信号Ｅｖに比例した周波数の信号に変換して、パルス周期信号Ｔfsを出力する。したがって、このパルス周期信号Ｔfsは、パルス周期ごとに短時間Ｈｉｇｈレベルになる信号である。送給速度検出回路ＦＤは、上記の送給モータＷＭからの回転速度信号を入力として、送給速度Ｆｗに換算し、送給速度検出信号Ｆｄとして出力する。回転速度の検出は、直流モータにあっては回転速度と比例関係にある電機子電圧を検出することによって行うことができる。また、回転速度に比例した電圧を発生するタコジェネレータを送給モータＷＭに取り付けることによっても、回転速度を検出することができる。さらに、エンコーダ付き送給モータＷＭの場合には、エンコーダからのパルス信号によって回転速度を検出することができる。送給停止判別回路ＳＤは、上記の送給速度検出信号Ｆｄを入力として、この送給速度検出信号Ｆｄの値が予め定めた送給停止判別基準値Ｆｔ未満になったときはＨｉｇｈレベルになる送給停止判別信号Ｓｄを出力する。ピーク期間回路ＴＰＳは、上記のパルス周期信号Ｔfsを入力として、この信号が短時間Ｈｉｇｈレベルに変化するごとに予め定めたピーク期間だけＨｉｇｈレベルになり、それ以降は次の短時間のＨｉｇｈレベルの信号が来るまではＬｏｗレベルになるピーク期間信号Ｔpsを出力する。このピーク期間信号Ｔpsは、ピーク期間中はＨｉｇｈレベルになり、ベース期間中はＬｏｗレベルになる信号である。最終ピーク電流判別回路ＰＤは、このピーク期間信号Ｔps及び上記の送給停止判別信号Ｓｄを入力として、送給停止判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（送給停止）に変化した時点からピーク期間信号ＴpsがＬｏｗレベルに変化した時点でＨｉｇｈレベルに変化する最終ピーク電流判別信号Ｐｄを出力する。この最終ピーク電流判別信号Ｐｄは、図１において、時刻ｔ２に送給停止判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベルになってから、時刻ｔ３において、ピーク期間信号ＴpsがＬｏｗレベルに変化した時点で、Ｈｉｇｈレベルに変化する信号である。すなわち、最終ピーク電流ＬＩｐの通電終了を判別してＨｉｇｈレベルになる信号である。

溶接開始回路ＳＴは、溶接開始指令のときはＨｉｇｈレベルになり、溶接終了指令のときはＬｏｗレベルになる溶接開始信号Ｓｔを出力する。起動回路ＯＮは、上記の溶接開始信号Ｓｔ及び上記の最終ピーク電流判別信号Ｐｄを入力として、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベルになるとＨｉｇｈレベルに変化し、最終ピーク電流判別信号ＰｄがＨｉｇｈレベルになった時点でＬｏｗレベルに変化する起動信号Ｏｎを出力する。

短絡判別回路ＡＤは、上記の溶接電圧検出信号Ｖｄを入力として、その値が予め定めた短絡判別基準値以下になったことを判別すると、Ｈｉｇｈレベルとなる短絡判別信号Ａｄを出力する。溶接電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｗを検出して、溶接電流検出信号Ｉｄを出力する。電流通電判別回路ＣＤは、この溶接電流検出信号Ｉｄを入力として、その値が０よりも大きくなったことを判別して、Ｈｉｇｈレベルになる電流通電判別信号Ｃｄを出力する。この電流通電判別信号Ｃｄは、溶接電流Ｉｗが通電するとＨｉｇｈレベルになる信号である。アークスタート性判定回路ＢＤは、上記の起動信号Ｏｎ及び上記の短絡判別信号Ａｄを入力として、起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベルに変化し他時点から最初に短絡判別信号ＡｄがＨｉｇｈレベル（短絡）になっている時間長さＴsiを計測して記憶し、上述したように、第１又は第２の指標を算出して、この指標に基づいてアークスタート性判定信号Ｂｄを出力する。このアークスタート性判定信号Ｂｄは、上述したように、アークスタート性が不良であると判定されたときは短時間Ｈｉｇｈレベルになる信号である。

期間設定回路ＭＳは、上記の短絡判別信号Ａｄ及び上記のピーク期間信号Ｔpsを入力として、以下のような処理を行い期間設定信号Ｍｓを出力する。
１）起動後の最初の短絡判別信号ＡｄがＬｏｗレベル（非短絡）に変化するまでは、その値が１となる期間設定信号Ｍｓを出力する。
２）それ以降は、ピーク期間信号ＴpsがＨｉｇｈレベル（ピーク期間）のときその値が２となり、Ｌｏｗレベル（ベース期間）のときその値が３となる期間設定信号Ｍｓを出力する。
したがって、図２において、この期間設定信号Ｍｓは、時刻ｔ１〜ｔ４の期間中は１となり、それ以降のピーク期間Ｔｐ中は２となり、ベース期間Ｔｂ中は３となる。

スタート電流設定回路ＩＨＲは、予め定めたスタート電流設定信号Ｉhrを出力する。ピーク電流設定回路ＩＰＲは、予め定めたピーク電流設定信号Ｉprを出力する。ベース電流設定回路ＩＢＲは、予め定めたベース電流設定信号Ｉbrを出力する。最終ピーク電流設定回路ＬＩＰＲは、上記のアークスタート性判定信号Ｂｄを入力として、上述したように、アークスタート性判定信号Ｂｄが短時間Ｈｉｇｈレベルになるごとに、初期値→下限値→変化量だけ増加した値→上限値へと変化する最終ピーク電流設定信号ＬＩprを出力する。この最終ピーク電流設定信号ＬＩprの変化方法については、図２の説明の項で詳述しているので、ここでは省略する。

ピーク電流制御回路ＩＰＣは、上記のピーク電流設定信号Ｉpr、上記の最終ピーク電流設定信号ＬＩpr及び上記の送給停止判別信号Ｓｄを入力として、送給停止判別信号ＳｄがＬｏｗレベルのときはピーク電流設定信号Ｉprをピーク電流制御信号Ｉpcとして出力し、Ｈｉｇｈレベルのときは最終ピーク電流設定信号ＬＩprをピーク電流制御信号Ｉpcとして出力する。このピーク電流制御信号Ｉpcは、図１において、時刻ｔ２以前はピーク電流設定信号Ｉprとなり、時刻ｔ２以降は最終ピーク電流設定信号ＬＩprとなる。電流設定回路ＩＲは、このピーク電流制御信号Ｉpc、上記のベース電流設定信号Ｉbr、上記のスタート電流設定信号Ｉhr及び上記の期間設定信号Ｍｓを入力として、期間設定信号Ｍｓ＝１のときはスタート電流設定信号Ｉhrを電流設定信号Ｉｒとして出力し、Ｍｓ＝２のときはピーク電流制御信号Ｉpcを電流設定信号Ｉｒとして出力し、Ｍｓ＝３のときはベース電流設定信号Ｉbrを電流設定信号Ｉｒとして出力する。

電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流設定信号Ｉｒと上記の溶接電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。駆動回路ＤＶは、この電流誤差増幅信号Ｅｉ及び上記の起動信号Ｏｎを入力として、起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベルのときは電流誤差増幅信号Ｅｉに基づいてパルス幅変調制御を行い、上記のインバータ回路を駆動するための駆動信号Ｄｖを出力し、起動信号ＯｎがＬｏｗレベルのときは駆動信号Ｄｖの出力を停止する。

送給速度設定回路ＦＲは、上記の電流通電判別信号Ｃｄを入力として、電流通電判別信号ＣｄがＬｏｗレベル（非通電）のときは予め定めたスローダウン送給速度となり、Ｈｉｇｈレベル（通電）のときは定常送給速度となる送給速度設定信号Ｆｒを出力する。送給制御回路ＦＣは、この送給速度設定信号Ｆｒ及び上記の溶接開始信号Ｓｔを入力として、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベルのときは溶接ワイヤ１を送給速度設定信号Ｆｒによって定まる速度で送給するための送給制御信号Ｆｃを上記の送給モータＷＭに出力し、溶接開始信号ＳｔがＬｏｗレベルのときは送給を停止するための送給制御信号Ｆｃを上記の送給モータＷＭに出力する。

上記においては、送給速度を検出し、送給が略停止した時点から最初のピーク電流を最終ピーク電流ＬＩｐとして判別している。これ以外の最終ピーク電流ＬＩｐの判別方法として、以下のような方法もある。図１において、同図（Ａ）に示す溶接開始信号ＳｔがＬｏｗレベルになった時点（時刻ｔ１）から、予め定めたｎ会目のピーク電流を最終ピーク電流ＬＩｐとして判別する。ｎは正の整数であり、例えば３〜２０の範囲で設定する。このｎの設定は、送給モータの種類、溶接ワイヤの材質、直径、定常送給速度等の溶接条件に応じて適正値に設定する。さらに、別の判別方法として、図１において、同図（Ａ）に示す溶接開始信号ＳｔがＬｏｗレベルになった時点（時刻ｔ１）から所定期間経過した後のピーク電流を最終ピーク電流ＬＩｐとして判別する方法もある。この所定期間とは、送給モータが完成によって停止するまでの期間に相当する。したがって、この所定期間は、送給モータの種類、溶接ワイヤの材質、直径、定常送給速度等の溶接条件に応じて適正値に設定する。

上記の図３においては、最終ピーク期間ＬＴｐが、定常溶接期間中のピーク期間Ｔｐと同一値である場合であるが、異なった値に設定しても良い。また、図３においては、アンチスティック期間Ｔａ中のピーク電流、ピーク期間及びベース電流の各値が定常溶接期間中と同一値である場合であるが、異なった値に設定しても良い。

上述した実施の形態によれば、アークスタート性の良否を示す指標を算出し、この指標に応じて最終ピーク電流の値を変化させて適正値に自動設定することができる。これにより、溶滴球底部に付着するスラグによるアークスタート性が基準レベル以上である範囲において、アークスタート時のスパッタの発生を最も少なくすることができる。そして、種々の溶接条件に応じて最終ピーク電流を適正化するためには複雑な作業と豊富な経験が必要であったが、本実施の形態では適正化は自動的におこなわれるので、生産準備のための工数を、大幅に削減することができる。

１ 溶接ワイヤ
１ａ 溶融球
２ 母材
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
ＡＤ 短絡判別回路
Ａｄ 短絡判別信号
ＢＤ アークスタート性判定回路
Ｂｄ アークスタート性判定信号
ＣＤ 電流通電判別回路
Ｃｄ 電流通電判別信号
ＤＶ 駆動回路
Ｄｖ 駆動信号
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
ＦＤ 送給速度検出回路
Ｆｄ 送給速度検出信号
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
Ｆｔ 送給停止判別基準値
Ｆｗ 送給速度
Ｉｂ ベース電流
ＩＢＲ ベース電流設定回路
Ｉbr ベース電流設定信号
ＩＤ 溶接電流検出回路
Ｉｄ 溶接電流検出信号
Ｉｈ スタート電流
ＩＨＲ スタート電流設定回路
Ｉhr スタート電流設定信号
Ｉｐ ピーク電流
ＩＰＣ ピーク電流制御回路
Ｉpc ピーク電流制御信号
ＩＰＲ ピーク電流設定回路
Ｉpr ピーク電流設定信号
ＩＲ 電流設定回路
Ｉｒ 電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＬＩｂ 最終ベース電流
ＬＩｐ 最終ピーク電流
ＬＩＰＲ 最終ピーク電流設定回路
ＬＩpr 最終ピーク電流設定信号
ＬＴｂ 最終ベース期間
ＬＴｐ 最終ピーク期間
ＭＳ 期間設定回路
Ｍｓ 期間設定信号
ＯＮ 起動回路
Ｏｎ 起動信号
ＰＤ 最終ピーク電流判別回路
Ｐｄ 最終ピーク電流判別信号
ＰＭ 電源主回路
ＳＤ 送給停止判別回路
Ｓｄ 送給停止判別信号
ＳＴ 溶接開始回路
Ｓｔ 溶接開始信号
Ｔａ アンチスティック期間
Ｔｂ ベース期間
Ｔｆ パルス周期
Ｔfs パルス周期信号
Ｔｐ ピーク期間
ＴＰＳ ピーク期間回路
Ｔps ピーク期間信号
Ｔｔ 基準時間
ＶＡＶ 溶接電圧平均化回路
Ｖav 溶接電圧平均値信号
ＶＤ 溶接電圧検出回路
Ｖｄ 溶接電圧検出信号
ＶＦ Ｖ／Ｆコンバータ回路
ＶＲ 溶接電圧設定回路
Ｖｒ 溶接電圧設定信号
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＭ 送給モータ

Claims (3)

1. 溶接ワイヤに臨界値以上のピーク電流と臨界値未満のベース電流とを繰り返し通電して溶接するパルスアーク溶接方法にあって、溶接を終了する際に最終ピーク電流を通電して溶接を終了するパルスアーク溶接の終了制御方法において、
   アークスタート性の良否を示す指標を算出し、この指標に応じて前記最終ピーク電流の値を臨界値以上及び未満の範囲で変化させる、
   ことを特徴とするパルスアーク溶接の終了制御方法。
2. 前記指標が、単位アークスタート回数に占める、アークスタート時の最初の短絡が基準時間以上であった回数の比率である、
   ことを特徴とする請求項１記載のパルスアーク溶接の終了制御方法。
3. 前記指標が、アークスタート時の最初の短絡の平均時間である、
   ことを特徴とする請求項１記載のパルスアーク溶接の終了制御方法。

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