JP2013530046A - ショートアーク溶接システム - Google Patents

Abstract

本発明は、電源から溶接電極への電圧帰還ループ内に含まれる電流調整器、および溶接電極で短絡相の間に電流ランプを提供するように配置されるランプジェネレータを含む、ショートアーク溶接用のアーク溶接装置で溶接電流を制御するためのシステム。
【選択図】図２

Description

本発明は、ショートアーク溶接用の直流アーク溶接装置で溶接電流を制御するためのシステムに関する。本発明は、特に、電圧帰還ループ内に含まれる電流調整器、および短絡の間に電流ランプを提供するように配置されるランプジェネレータを含む、ショートアーク溶接用の直流アーク溶接装置で溶接電流を制御するためのシステムに関する。本発明は、さらに電源を制御するための方法に関する。

本発明は、ショートアーク溶接用の直流アーク溶接装置で溶接電流を制御するためのシステムに関する。ショートアーク溶接は、溶融金属の滴下が、金属移行の過程で消耗電極から分離される前に溶接プールの中に入るガス金属アーク溶接での金属移行モードである。

ガス金属アーク溶接では、消耗電極は、溶接ゾーンに向かって連続的に送給される。一般に、金属アーク溶接用のシステムは、溶接トーチ、ワークピース、電源、ワイヤ送給装置、およびシールドガス供給を含む。金属アーク溶接のためのシステムは、さらに、電源の溶接電流を制御するためのシステムを含む。溶接電流を制御するためのシステムは、電源に基準電流を生成するために提供される。基準電流は、ワイヤ電極の溶融およびワークピースへの溶融金属の移行が、所望されるように制御され得るように電源を制御する。溶接電流および電圧は、所望される金属移行モードで溶接が実行され得ることを確実にするために制御される。

金属活性ガス溶接（マグ（ＭＡＧ））と金属不活性ガス（ミグ（ＭＩＧ））溶接の両方を含むガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）では、ワークピースと消耗ワイヤ電極との間に電気アークが確立される。アークは、ワイヤが溶融池に送給されるのに伴い連続的にワイヤを溶融する。アークおよび溶融物質は、不活性ガスまたは活性ガス混合物の流れによって大気から遮蔽される。ミグ溶接プロセスおよびＭＡＧ溶接プロセスは、通常はワイヤ電極を陽極としてＤ．Ｃ．（直流）で作用する。これは「逆」極性として知られている。「正」極性は、ワイヤ電極からワークピースへの溶融金属の移行が不十分であるために使用頻度が低い。一般に、５０アンペアから最高６００を超えるアンペアまでの溶接電流が、１５Ｖから３２Ｖの溶接電圧で使用される。安定した自己補正アークは、定電圧源および定ワイヤ送給速度を使用することによって取得され得る。継続的な開発によって、ミグプロセスは、鋼、アルミニウム、ステンレス鋼、銅、およびいくつかの他等の商業的に重要な金属のすべての溶接に適用できるようになった。

ミグ溶接プロセスおよびＭＡＧ溶接プロセスは、低生産用途と高生産用途の両方のための手動金属接合および自動金属接合において多くの優位点を提供する。被覆アーク溶接（ＭＭＡ）サブマージドアーク（ＳＡＷ）、およびタングステン不活性ガス（ＴＩＧ）と比較すると、その組み合わされた優位点は以下の通りである。
１）溶接はすべての位置で可能である。
２）スラグ除去が必要とされない。
３）高溶接金属付着速度。
４）溶接完了のための総時間が、被覆される電極の約２分の１。
５）高溶接速度。ワークピースの歪みが少ない。
６）高溶接品質。
７）大きなギャップは容易に充填または架橋され、特定の種類の修理溶接をより効率的にする。
８）被覆アーク溶接棒の場合でのようなスタブの損失がない。

ミグ溶接技術およびマグ溶接技術は、ショートアーク移行モード、混合アーク（球状）移行モード、スプレーアーク移行モード、およびパルススプレーアーク移行モードの異なる金属移行モードで区別される。

ショートアーク移行モードの間、かなり大きい溶融液滴が生じる。溶融液滴は、それが電極と溶接プールとの間のギャップを埋める状態に成長する。電源の短絡およびアーク消滅は、瞬時に起こる。ピンチ効果が、溶融液滴の溶接プールへの移送を完了するためにランプジェネレータによって制御される。ショートアーク溶接は、相対的に低圧および低溶接電流で実行される。

溶接電流および電圧が、ショートアーク溶接に推奨される最大値を超えて増加すると、混合アーク移行が発生する。サイズが変わることがある溶滴は、短絡溶滴および非短絡溶滴の混合物から構成される。この金属移行モードは、スパッタおよびヒュームが一般的であり、不安定である。

スプレーアーク溶接モードでは、小溶融液滴が電極から無作為に移行される。小溶融液滴は、アークを短絡させない。スプレーアーク溶接では、アークは安定しており、面倒なスパッタは生じない。

パルススプレーアーク溶接モードでは、小さい溶融液滴は、アークを短絡させることなく、パルス溶接電流の制御により１滴ずつ電極から移行される。パルスアーク溶接は、複雑で高価な溶接装置を必要とする。

ショートアーク溶接は、相対的に低圧および低溶接電流で実行される。ワイヤの送給速度は、溶融金属の溶滴がワークピースと接触した状態でワークピースに移行されるように溶接電流に適応される。溶滴のサイズは、はねが概して回避されるほどでなければならない。

ショートアーク溶接は、通常、直径が０．０３０インチ（０．７６ ｍｍ）から０．４５インチ（１．１ ｍｍ）の範囲の小さいワイヤを使用し、低アーク長（低圧）および低溶接電流で作用する。速く凝固する小さい溶接池が得られる。この溶接技法は、任意の位置で薄い材料を接合するため、鉛直上向き位置で厚い材料を接合するため、および大きなギャップを充填するために特に有用である。また、ワークピースの最小歪みが要件である場合には、ショートアーク溶接が使用されなければならない。金属は、２つの間に接点が生じるときだけに、または短絡のたびに、ワイヤから溶接プールに移行される。ワイヤは、毎秒２０回から２００回、ワークピースに短絡する。

図１は、１つの完全な理想的なショートアークサイクルを示す。溶融物質の溶滴は、電極の端部で成長する。溶滴が溶接プール（Ａ）に触るとき、アークは短絡し、溶接電流は上昇を開始し、液滴が移行される。その後、アークは再点火される。ワイヤは、溶滴と溶接プールとの間の接触が、溶滴の分離の前に発生できるようにする速度で送給される。溶滴を介した電極と溶接プールとの間の接触中、アークは、別の短絡（Ｉ）によって消滅する。その後、サイクルが再び開始する。アーク放電期間中に移行される金属はない。つまり、短絡のときだけ移行される。サイクルは、いわゆる開回路状態が発生しないという意味で理想的である。

開回路状態は、電極にアークも短絡もない状態である。開回路状態は、アーク状態に比較して、電極とワークピースとの間により高い電圧を有する。開回路状態の高圧は、短絡状態からアーク状態へのより迅速な遷移を可能にする。

ショートアーク溶接プロセスは、本質的に確率論的であり、乱れている。短絡相およびアーク相での溶接プロセスの制御は困難であり、開回路状態の発生は、ショートアーク溶接プロセスの制御の複雑さを増大させる。開回路状態は、通常望ましくなく、無秩序な出現を有する。

電圧帰還ループでは、電極と溶接プールとの間の電圧が測定される。測定された電圧は、基準電圧に比較される。電流調整器は、従来の方法で調整誤差を削減するために、検知された電圧と基準電圧との間の差異に依存して出力電流を調整する。適切には、ＰＩ調整器がこの目的に使用され得る。

ショートアーク溶接を制御するための先行技術のシステムでは、アーク相は、通常、電流上昇リミッタと直列で接続される電圧調整器によって電圧制御される。電圧調整器は、電流上昇リミッタに影響を及ぼし、逆の場合も同じであるので、これは、アークおよび短絡状態の制御の難しさにつながる。

ショートアーク溶接プロセスをさらに安定化させるために、ショートアーク溶接装置で溶接電流を制御するためのシステムをさらに改善することが、本発明の目的である。

ショートアーク溶接のアーク相と短絡相の両方で正確な制御を容易にする、ショートアーク溶接用の直流装置で溶接電流を制御するためのシステムを提供することが、本発明の追加の目的である。

これらの目的は、請求項１に係るショートアーク溶接用のアーク溶接装置で溶接電流を制御するためのシステムによって達成される。溶接電流を制御するためのシステムは、電源から溶接電極への電圧帰還ループに含まれる電流調整器を含む。

短絡溶接では、開回路状態は、無作為に存在することがある。開回路状態の間、アークも短絡も電極で発生しないように、プロセスには中断がある。開回路状態では、開回路電圧が電極とワークピースとの間に存在する。開回路電圧は、電源の埋め込まれた機能である。開回路電圧は、通常、短絡相の間、またはアーク相の間、作業電圧よりもかなり高くなる。ショートアーク溶接中の開回路状態は、平均電圧およびワイヤ送給速度が低いときに、ショートアーク範囲の下限範囲で発生する。ショートアーク溶接の電源は、電源からの帰還ループでの電圧調整器によって制御される先行技術のシステム内にあり、その調整器は、通常、制御パラメータとして短絡相およびアーク相の間の平均電圧を使用している。開ループ状態は、平均出力電圧を増加する。電源が、開回路状態の間の開ループ電圧を補償しない電圧調整器によって制御される場合、電圧調整器は、電源の出力電圧を削減する。

電源の出力電圧の減少はアーク相を短縮し、より多くの開回路相を引き起こす。その結果、電圧調整器は、動作状態を、出力電圧が外見的には高いと解釈する。一方、実際には、出力電圧は溶接の生産段階、つまり短絡相およびアーク相の間、低い。したがって、システムは、開回路状態が頻繁に発生する状態のままとなり、これによって溶接は非効率的かつ低品質となる。

本発明の実施形態に示唆されるように、開回路状態検出時にエラー信号を電流調整器の中に抑制することによって、開回路状態の間の高圧の誤った解釈を回避できる。したがって、アーク形状での動作状態は、無作為に出現する開回路状態から影響を受けることなく、電圧帰還ループで電流調整器によって正確に制御できる。

特に、開回路検出器は、開回路状態が検出されるかどうかに依存して減算ノードの出力に電流調整器の入力を接続するまたは切断するように配置されるスイッチに接続され得る。

電源は、入信基準電流に依存して溶接電極とワークピースとの間の電流を制御する定電流源である。電圧帰還ループでは、溶接電圧が検出され、電圧基準値と比較され、電圧帰還ループに含まれる電流調整器に対する入力を形成する。アーク相の間、電極での電圧は、電圧帰還ループの電流調整器によって制御される。したがって、定電流源には、アーク相の間の基準電流の電圧帰還制御に起因して、アーク相の間に定電圧特性が与えられる。

ランプジェネレータは、短絡相の間に電流ランプを提供するために配置される。短絡相の間に提供される電流ランプは、溶接プールへの溶融液滴の移行を完了するために設けられる。これは、電流ランプから生じるピンチ効果によって実行される。安定した溶接状態を作り出すために、短絡相の間の溶接電流の形状は重要である。電流ランプの形状の優れた制御を有して、はねを回避し、溶接プロセスの安定した制御を可能にすることが望ましい。ランプジェネレータおよびその機能は、当業者に周知である。したがって、当業者は、従来の方法でランプジェネレータの構成部品を選択し、電流ランプの所望される形状を達成する。ランプジェネレータによって生じる電流ランプは、電圧帰還ループの電流調整器からの出力電流に追加され、電源のための基準電流を形成する。

短絡相の間の電流応答は、かなりの程度溶接プロセスの安定性に関与する。電流応答を用いると、たとえば短絡発生時または短絡状態がアーク状態に変化するときに発生する負荷の変化に依存する電極での出力電流の変動がここで意図される。電流応答は、ランプジェネレータによって提供されるランプの形状だけではなく、電源に対する基準電流を制御する帰還ループの構造にも依存する。

電圧帰還ループのランプジェネレータおよび電流調整器を分離し、それらを並列で配置することによって、アーク状態でのアークに対する電圧制御および短絡状態での電流制御を有することが容易に実現できる。電圧帰還ループの電流調整器は、出力電圧と基準電圧との間の調整誤差を削減するように基準電流を制御する。電流調整器は、平均電圧の制御を可能にするＰＩ調整器である。電流調整器での統合は、電流調整器からの応答を減速するので、短絡相の間の出力電圧のいかなる変化も電流調整器からの出力電流の即時補正につながらない。したがって、電源は、短絡相の間に電流制御され、アーク相の間に電圧制御され、したがってアーク相は定電圧源として機能し、アーク相の間は定電流源として機能する。電流が制御された状態では、電源の出力電流が制御されることが意図される。電圧が制御された状態では、電源の出力電圧が制御されることが意図される。電源への基準電流は、電流調整器からの出力電流、および電流調整器から提供される電流ランプの合計である。電圧帰還ループの電流調整器の影響が削減されるので、ランプジェネレータおよび電流調整器を並列で配置することによって、基準電流の精密な制御が容易になる。

電圧帰還ループは、帰還誤差が、測定されたアーク電圧と基準電圧との間の差異から生じる減算ノードを含んでよい。

電圧帰還ループは、開回路状態が存在することを検出し、開回路状態検出時にエラー信号を抑制するように配置される開回路検出器を含んでよい。

システムは、短絡状態の検出のための閾値を有する短絡状態検出器をさらに含んでよく、その閾値レベルは、電源に供給される基準電流の大きさに依存している。

また、本発明は、電源および電源に接続される溶接トーチを含むショートアーク溶接システムにも関し、その電源は、上述されたシステムによって制御される。

本発明は、さらに電源から溶接電極への電圧帰還ループ内に含まれる電流調整器、および溶接電極で短絡の間に電流ランプを提供するように配置されるランプジェネレータを含む、ショートアーク溶接用の直流アーク溶接装置で電源を制御するための方法に関する。本発明に係る方法では、電源の出力電流は、短絡相の間に制御される。アーク相の間、電源の出力電圧が制御される。

本発明に係る方法は、アーク相の間の電圧の容易な制御を可能にする一方で、短絡相の間の電流ランプの形状の優れた制御を可能にする。

本発明の実施形態では、開回路状態が、開回路状態の期間中の調整誤差の抑制を可能にするために検出される。したがって、開回路状態は、電流基準値に影響を及ぼさず、したがって高精度での出力電圧の制御を可能にし、開回路状態時の電極とワークピースとの間の高圧に起因する基準電流のドリフトを防止する。

添付図面を参照して、本発明の実施形態が説明される。

最先端のショートアーク溶接プロセスの一般的な説明を示す図である。 本発明に係るショートアーク溶接用のアーク溶接装置で溶接電流を制御するためのシステムの概略図である。 溶接システムの概略図である。

図２は、ショートアーク溶接用のアーク溶接装置２０（図３）で溶接電流を制御するためのシステム１２を示す。

電圧帰還ループ１３は、定電流源に接続される溶接電極での電圧を制御する。

定電流源は、出力電流を、アーク溶接装置２０（図３）で溶接電流を制御するためのシステム１２からの基準電流と比較する電流帰還ループ５ａを含む。定電流源５に含まれる電流調整器は、基準電流と出力電流との間の調整誤差に依存して電源の出力電流を制御する。

電圧帰還ループ１３は、出力電圧Ｕａｒｃが、ノード１内の基準電圧Ｕｒｅｆから減算される減算ノード１を含む。出力電圧Ｕａｒｃと基準電圧Ｕｒｅｆとの間の差異は、調整誤差Ｅを構成し、調整誤差は、スイッチ２を介して入力信号としてＰＩ調整器３に送達される。

電圧帰還ループ１３は、電流調整器、好ましくはＰＩ調整器３、スイッチ２、および開回路状態検出器６をさらに含む。

スイッチ２は、低域通過フィルタ６ａおよびコンパレータ６ｂを含む、開回路状態検出器６からの信号によって駆動される。開回路電圧閾値Ｕｏ．ｃ．は、それを超えて初めて開回路状態が起こり得る閾値レベルである。電流調整器３は、スイッチ２に接続される入力３ａを有する。スイッチ２は、開回路状態が、開回路状態検出器６によって検知されるときに開かれる。したがって、その入力電圧が調整誤差に相当するＰＩ調整器に対する入力電圧は、ゼロに設定される。

したがって、ＰＩ調整器３は、電極および作業部品に対する電圧が、開回路状態の間、適切であると想定する。ＰＩ調整器に対する入力信号が、開回路状態の間に抑制されるとき、ＰＩ調整器は、その現在の状態にとどまり、内部変更も、ＰＩ調整器からの出力電流Ｉｒｅｇも変更されない。このようにして、電圧調整帰還ループは、非アーク相の間の帰還電圧増加を考慮しない。

加算ノード４では、電源５に基準電流信号Ｉｒｅｆを送達すると、ＰＩ調整器３からの信号が、ランプジェネレータ１１からの信号に追加される。

短絡の状態は、低域通過フィルタ８およびコンパレータ１０を含む短絡検出器７によって検知される。検出された電圧Ｕａｒｃが、基準電流に依存することがある閾値Ｕｔｈ未満であるとき、ランプジェネレータが接続され、電流ランプを生成する。

コンパレータ１０の閾値は、電流依存である場合がある。閾値信号は、電流基準Ｉｒｅｆおよびゼロ電流閾値電圧Ｕｓ．ｃ．ｏ．に比例する信号を追加することによって、加算ノード９内で作成される。短絡検出器が短絡状態を検出するとき、ランプジェネレータ１１は、所定の上方傾きおよび下方傾きの追加のランプ電流Ｉｒａｍｐを作成する。

図３は、短絡アーク溶接用のアーク溶接装置２０を概略で表す。短絡アーク溶接システム２０は、電源２１、溶接制御システム２２、ワイヤリール２３、ワイヤ送給モータ２４、シールドガス供給２５、および溶接トーチ２６を含む。図中のシステムは、溶接部品２７上で溶接動作を実行するためにセットアップされる。

本発明に係る溶接電流２８を制御するためのシステムは、動作中の溶接電流の制御のための電源に接続される。溶接電流２８を制御するためのシステムは、電源２１の筐体内に便利に一体化され得る。

電源の出力電圧および溶接電流は、図２に説明される回路によって制御され得る。電源からの一方の電源ケーブル２９ａは、作業部品２７に接続され、他方２９ｂは、任意選択で溶接制御システム２２を介して、溶接トーチ２６の電極３２に接続される。

シールドガス供給２５は、管系によって溶接トーチ２に接続される。ガスの量は、溶接制御システム２２を介して調整できる。

さらに、冷却チャンネルが、溶接トーチに存在してよい。冷却液入口チャンネルおよび冷却液出口チャンネル３０、３１は、溶接トーチ内で冷却チャンネルに接続され得る。

ワイヤ送給モータ２４は、動作中、溶接電極の送給を制御する。

Claims (11)

1. 電源(５)から溶接電極（３２）への電圧帰還ループ（１３）に含まれる電流調整器（３）と、前記溶接電極（３２）で短絡相の間に電流ランプを提供するように配置されるランプジェネレータ（１１）とを備える、ショートアーク溶接用の直流アーク溶接装置（２０）で溶接電流を制御するためのシステム（１２）であって、
   前記電圧帰還ループ（１３）が、開回路状態が存在することを検出し、開回路状態が開回路状態検出器（６）によって検出されるときに帰還誤差（Ｅ）を抑制するように配置される前記開回路検出器（６）を含む、溶接電流を制御するためのシステム。
2. 前記開回路検出器（６）が、開回路状態が検出されるかどうかに依存して前記減算ノード（１）の出力に、前記電流調整器（３）の入力（３ａ）を接続するまたは切断するように配置されるスイッチ（２）に接続される、請求項１に記載の溶接電流を制御するためのシステム。
3. 前記電流調整器（３）および前記ランプジェネレータ（１１）が並列で接続され、前記電源（５）用の基準電流（Ｉｒｅｆ）を前記溶接電極（３２）に提供する、請求項１に記載の溶接電流を制御するためのシステム。
4. 前記基準電流（Ｉｒｅｆ）が、前記電流調整器（３）からの出力電流（Ｉｒｅｇ）および前記ランプジェネレータ（１１）から提供される電流ランプ（Ｉｒａｍｐ）の合計である、請求項３に記載の溶接電流を制御するためのシステム。
5. 前記電圧帰還ループ（１３）が、帰還誤差（Ｅ）が、測定されたアーク電圧（Ｕａｒｃ）と基準電圧（Ｕｒｅｆ）との間の差異から生じる減算ノード（１）を含む、請求項３または４に記載の溶接電流を制御するためのシステム。
6. 前記電流調整器（３）がＰＩ調整器である、請求項１から５のいずれか一項に記載の溶接電流を制御するためのシステム。
7. 前記システム（１２）が、短絡状態の検出のための閾値レベル（Ｕｔｈ）を有する短絡状態検出器（７）をさらに含み、該閾値レベル（Ｕｔｈ）が、前記電源（５）に供給される基準電流（Ｉｒｅｆ）の大きさに依存する、請求項１から６のいずれか一項に記載の溶接電流を制御するためのシステム。
8. 電源（５）および前記電源（５）に接続される溶接トーチ（２６）を含む、直流ショートアーク溶接システム（２０）であって、前記電源が、請求項１から７のいずれか一項に記載の溶接電流を制御するためのシステム（１２）によって制御される、直流ショートアーク溶接システム（２０）。
9. 電源(５)から溶接電極（３２）への電圧帰還ループ（１３）内に含まれる電流調整器（３）と、前記溶接電極（３２）で短絡相の間に電流ランプを提供するように配置されるランプジェネレータ（１１）とを備える、ショートアーク溶接用の直流アーク溶接装置（２０）に含まれる電源（５）を制御するための方法であって、前記短絡相の間に電源の出力電流を制御し、前記アーク相の間に前記出力電圧を制御する、電源（５）を制御するための方法。
10. 開回路状態を検出する、請求項９に記載の、電源を制御するための方法。
11. 前記開回路状態検出時に、前記電圧帰還ループ（１３）内の前記電流調整器（３）への帰還誤差（Ｅ）入力を抑制する、請求項１０に記載の方法。

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