JP2014124650A

JP2014124650A - 溶接電源

Info

Publication number: JP2014124650A
Application number: JP2012281972A
Authority: JP
Inventors: Kohei Ono; 貢平小野; Toshiaki Nakamata; 利昭中俣
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2014-07-07

Abstract

【課題】パルスアーク溶接用の溶接電源において、使用する溶接ワイヤの銘柄に最適なユニットパルス条件を簡単に設定することができるようにすること。
【解決手段】溶接ワイヤ１と母材２との間にアーク３を発生させるためのピーク期間中のピーク電流及びベース期間中のベース電流を１パルス周期とするパルス波形の溶接電流Ｉｗを通電する溶接電源において、溶接ワイヤ１のワイヤリール１ａにはパルス波形の溶接電流に関するパラメータＰｐを記憶したＩＣタグＩＴを備えており、溶接電源はＩＣタグＩＴからパラメータＰｐを読み取り、この読み取ったパラメータＰｐに基づいてパルス波形の溶接電流Ｉｗを通電する。これにより、使用する溶接ワイヤ１に最適なユニットパルス条件Ｐｐを簡単に溶接電源に設定することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶接ワイヤと母材との間にアークを発生させるためのピーク期間中のピーク電流及びベース期間中のベース電流を１パルス周期とするパルス波形の溶接電流を通電する溶接電源に関し、特に、上記パルス波形のパラメータの設定方法に関するものである。

溶接ワイヤを一定の速度で送給し、ピーク期間中のピーク電流及びベース期間中のベース電流を１パルス周期とするパルス波形の溶接電流を通電してアークを発生させて溶接する消耗電極式パルスアーク溶接方法が広く使用されている。このパルスアーク溶接方法は、鉄鋼、アルミニウム等の種々の金属材料に対して、スパッタ発生量の少ない高品質の溶接を高効率に行うことができる。

図３は、消耗電極式パルスアーク溶接における一般的な電流・電圧波形図である。同図（Ａ）はアークを通電する溶接電流Ｉｗの波形を示し、同図（Ｂ）は溶接ワイヤと母材との間に印加する溶接電圧Ｖｗの波形を示す。以下、同図を参照して説明する。

ピーク期間Ｔｐ中は、同図（Ａ）に示すように、溶滴を形成し移行させるために臨界値以上のピーク電流Ｉｐが通電し、同図（Ｂ）に示すように、アーク長に比例したピーク電圧Ｖｐが印加する。ベース期間Ｔｂ中は、同図（Ａ）に示すように、溶滴を形成しないために臨界値未満のベース電流Ｉｂが通電し、同図（Ｂ）に示すように、アーク長に比例したベース電圧Ｖｂが印加する。ピーク期間Ｔｐ及びベース期間Ｔｂを１パルス周期Ｔｆとして繰り返して溶接が行われる。

パルスアーク溶接を含む消耗電極式アーク溶接では、溶接中のアーク長を適正値に維持することは良好な溶接品質を得るために重要である。このアーク長制御は、以下のように行われる。溶接電流Ｉｗのパルス波形のパラメータを、ピーク電流Ｉｐ、ピーク期間Ｔｐ及びベース電流Ｉｂとして、それらを所定値に設定する。同図（Ｂ）に示す溶接電圧の平均値Ｖavはアーク長に略比例する。このために、溶接電圧平均値Ｖavを検出し、この溶接電圧平均値Ｖavが適正アーク長に相当する値に設定された溶接電圧設定値Ｖｒ（図示は省略）と等しくなるように上記のパルス周期Ｔｆをフィードバック制御によって変化させている。このアーク長制御の方式は周波数変調制御と呼ばれる。上記の溶接電圧平均値Ｖavは、溶接電圧Ｖｗを検出してローパスフィルタ（カットオフ周波数１〜１０Ｈｚ程度）に通すことによって検出する。

上記とは別のアーク長制御の方式としてパルス幅変調制御がある。このパルス幅変調制御では、溶接電流のパルス波形のパラメータをピーク電流Ｉｐ、パルス周期Ｔｆ及びベース電流Ｉｂとして、所定値に設定する。そして、溶接電圧平均値Ｖavが溶接電圧設定値Ｖｒと等しくなるようにピーク期間（パルス幅）Ｔｐをフィードバック制御している。

周波数変調制御におけるパルス波形のパラメータは、ピーク電流Ｉｐ＝３００〜５００Ａ、ピーク期間Ｔｐ＝１〜３ms、ベース電流Ｉｂ＝５０〜１００Ａ程度の範囲に設定される。特に、ピーク電流Ｉｐとピーク期間Ｔｐとは、ユニットパルス条件と呼ばれ、溶接ワイヤの直径、材質等に応じて１パルス周期ごとに１つの溶滴が移行する状態（１パルス１溶滴移行状態）になるように設定される。１パルス１溶滴移行状態になると、スパッタ発生量の非常に少ない安定した溶接状態となる。ベース電流Ｉｂは、溶接ワイヤを溶融しない状態でアーク発生状態が維持されるように設定され、溶滴移行状態への影響度は小さい。

パルス幅変調制御におけるパルス波形のパラメータは、ピーク電流Ｉｐ＝３００〜５００Ａ、パルス周期Ｔｆ＝３〜１０ms、ベース電流Ｉｂ＝５０〜１００Ａ程度の範囲に設定される。この場合のユニットパルス条件は、ピーク電流Ｉｐとパルス周期Ｔｆとなる。このユニットパルス条件が、溶接ワイヤの直径、材質等に応じて１パルス１溶滴移行状態になるように設定される。

特許文献１の発明では、溶接トーチは少なくとも溶接電流上限設定値を含む前記溶接トーチに関する情報を記憶した情報記憶媒体を備え、アーク溶接電源装置は、上記の溶接電流上限設定値を読み取って、溶接電流をこの溶接電流上限設定値以下に制御するものである。これにより、溶接トーチに応じた溶接電流上限設定値を自動的に設定することができる。

特開２０１２−１２５８１４号公報

パルスアーク溶接用の溶接電源では、、溶接ワイヤの直径及び材質をスイッチ等で選択すると、ユニットパルス条件が設定されるようになっている。例えば、直径１．２mmの鉄鋼材料を選択すると、それに対応したユニットパルス条件が設定される。

しかし、同じ直径１．２mmの鉄鋼材料用の溶接ワイヤであっても、溶滴移行状態を良好にしビード外観を向上させスパッタ発生量を少なくするために、その組成成分が異なる多数の溶接ワイヤの銘柄が販売されている。溶接ワイヤの組成成分が異なると、ユニットパルス条件の適正値は異なる。このために、溶接電源において溶接ワイヤの直径及び材質を選択しただけでは、使用する溶接ワイヤの銘柄に最適なユニットパルス条件には設定されていないことになる。ユニットパルス条件を最適値にするためには、溶接作業者がユニットパルス条件を微調整する必要があり、この作業は煩雑である。また、次々に開発される溶接ワイヤの新しい銘柄のすべてのユニットパルス条件を溶接電源に内蔵しておくことは困難である。

そこで、本発明では、溶接ワイヤの銘柄ごとに最適なユニットパルス条件を簡単に設定することができる溶接電源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、溶接ワイヤと母材との間にアークを発生させるためのピーク期間中のピーク電流及びベース期間中のベース電流を１パルス周期とするパルス波形の溶接電流を通電する溶接電源において、前記溶接ワイヤのワイヤリールには前記パルス波形の溶接電流に関するパラメータを記憶したＩＣタグを備えており、前記溶接電源は前記ＩＣタグから前記パラメータを読み取り、この読み取った前記パラメータに基づいて前記パルス波形の溶接電流を通電する、
ことを特徴とする溶接電源である。

請求項２の発明は、前記パラメータが前記ピーク電流及び前記ピーク期間である、
ことを特徴とする請求項１記載の溶接電源である。

請求項３の発明は、前記パラメータが前記ピーク電流及び前記パルス周期である、
ことを特徴とする請求項１記載の溶接電源である。

本発明によれば、溶接ワイヤのワイヤリールにはパルス波形の溶接電流に関するパラメータを記憶したＩＣタグを備えており、溶接電源はこのＩＣタグからパラメータを読み取り、この読み取ったパラメータに基づいてパルス波形の溶接電流を通電する。これにより、溶接電源は溶接ワイヤの銘柄ごとに最適なユニットパルス条件を簡単に設定することができる。このために、溶滴移行状態が良好であり、ビード外観が美麗であり、スパッタ発生も少ない高品質の溶接を行うことができる。

本発明の実施の形態に係る溶接電源のブロック図である。本発明の実施の形態に係る図１とは異なる溶接電源のブロック図である。従来技術において、消耗電極式パルスアーク溶接における一般的な電流・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。

実施の形態に係る発明では、溶接ワイヤのワイヤリールにはパルス波形の溶接電流に関するパラメータを記憶したＩＣタグを備えており、溶接電源はこのＩＣタグからパラメータを読み取り、この読み取ったパラメータに基づいてパルス波形の溶接電流を通電する。

図１は、本発明の実施の形態に係る溶接電源のブロック図である。同図は、アーク長制御の方式が周波数変調制御の場合である。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を備えている。

溶接ワイヤ１は、ワイヤリール１ａに巻かれている。このワイヤリール１ａはＩＣタグＩＴを備えている。ＩＣタグＩＴは、パルス波形の溶接電流に関するパラメータを記憶しており、パラメータ信号Ｐｐを出力する。パルス波形の溶接電流に関するパラメータは、この溶接ワイヤに対して最適なユニットパルス条件であるピーク電流Ｉｐ、ピーク期間Ｔｐ及びパルス周期Ｔｆの３つである。３つのパラメータを記憶しているのは、周波数変調制御及びパルス幅変調制御の両方に対応することができるようにするためである。溶接ワイヤ１の銘柄ごとの最適なユニットパルス条件は、溶材メーカーによる実験によって決定される。したがって、ＩＣタグＩＴのワイヤリール１ａへの貼付は、溶接ワイヤ１の製造工程において行われる。

パラメータは、送給速度Ｆｗ［m/min］の関数として記憶される。関数は、例えば以下の通りである。Ｆｗの範囲は、通常０〜２０m/minである
Ｉｐ［Ａ］＝ａ１・Ｆｗ＋ａ２
Ｔｐ［ms］＝ｂ１・Ｆｗ＋ｂ２
Ｔｆ［ms］＝ｃ１・Ｆｗ＋ｃ２
ａ１、ａ２、ｂ１、ｂ２、ｃ１、ｃ２は定数であり、溶接ワイヤ１の銘柄ごとに最適化される値である。例えば、以下の通りである。
ａ１＝３、ａ２＝４５０→Ｉｐは４５０〜５１０Ａの範囲で変化
ｂ１＝０．０３、ｂ２＝１．０→Ｔｐは１．０〜１．６msの範囲で変化
ｃ１＝−０．３、ｃ２＝１０→Ｔｆは１０〜４msの範囲で変化

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が発生して溶接が行われる。アーク３中を溶接電流Ｉｗが通電し、溶接ワイヤ１と母材２との間に溶接電圧Ｖｗが印加する。

読み取り回路ＲＣは、ワイヤリール１ａのＩＣタグＩＴからのパラメータ信号Ｐｐを読み取り、このパラメータ信号Ｐｐに含まれているピーク電流記憶信号Ｉpmをピーク電流設定回路ＩＰＲに出力し、ピーク期間記憶信号Ｔpmをピーク期間設定回路ＴＰＲに出力する。同図は、上述したように、周波数変調制御の場合であるので、パラメータ信号Ｐｐに含まれているパルス周期記憶信号Ｔfmは出力しない。

溶接電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する。溶接電圧平均値算出回路ＶＡＶは、この溶接電圧検出信号Ｖｄを入力として、ローパスフィルタに通すこと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、予め定めた溶接電圧設定信号Ｖｒを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、こ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。

電圧・周波数変換回路ＶＦは、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖを入力として、この電圧誤差増幅信号Ｅｖの値に応じた周波数を有するパルス周期信号Ｔｆを出力する。このパルス周期信号Ｔｆは、パルス周期ごとに短時間Ｈｉｇｈレベルになる信号である。

ピーク期間設定回路ＴＰＲは、上記のピーク期間記憶信号Ｔpm及び後述する送給速度設定信号Ｆｒを入力として、送給速度設定信号Ｆｒに対応するピーク期間記憶信号Ｔpmによって設定されたピーク期間設定信号Ｔprを出力する。タイマ回路ＴＭは、このピーク期間設定信号Ｔpr及び上記のパルス周期信号Ｔｆを入力として、パルス周期信号ＴｆがＨｉｇｈレベルに変化するごとにピーク期間設定信号Ｔprによって定まる期間だけＨｉｇｈレベルになるタイマ信号Ｔｍを出力する。したがって、このタイマ信号ＴｍがＨｉｇｈレベルのときはピーク期間になり、Ｌｏｗレベルのときはベース期間になる。

ピーク電流設定回路ＩＰＲは、上記のピーク電流記憶信号Ｉpm及び後述する送給速度設定信号Ｆｒを入力として、送給速度設定信号Ｆｒに対応するピーク電流記憶信号Ｉpmによって設定され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。切換回路ＳＷは、上記のタイマ信号Ｔｍ、上記のピーク電流設定信号Ｉpr及び上記のベース電流設定信号Ｉbrを入力として、タイマ信号ＴｍがＨｉｇｈレベルのときはピーク電流設定信号Ｉprを電流制御設定信号Ｉcrとして出力し、Ｌｏｗレベルのときはベース電流設定信号Ｉbrを電流制御設定信号Ｉcrとして出力する。

溶接電流検出回路ＩＤは、溶接電流Ｉｗを検出して溶接電流検出信号Ｉｄを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流制御設定信号Ｉcr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を入力として、ＰＷＭ制御を行い、上記の電源主回路ＰＭの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。

溶接電流平均値設定回路ＩＲは、予め定めた溶接電流平均値設定信号Ｉｒを出力する。送給速度設定回路ＦＲは、この溶接電流平均値設定信号Ｉｒを入力として、予め内蔵されている溶接電流平均値と送給速度との関係式によって溶接電流平均値設定信号Ｉｒの値に対応した送給速度設定信号Ｆｒを算出して出力する。送給制御回路ＦＣは、この送給速度設定信号Ｆｒを入力として、この値によって定まる送給速度で溶接ワイヤ１を送給するための送給制御信号Ｆｃを上記のワイヤ送給モータＷＭに出力する。

図２は、本発明の実施の形態に係る図１とは異なる溶接電源のブロック図である。同図は、アーク長制御の方式がパルス幅変調制御の場合である。同図において図１と同一のブロックには同一符号を付して、それらの説明は省略する。同図は、図１の読み取り回路ＲＣを第２読み取り回路ＲＣ２に置換し、図１の電圧・周波数変換回路ＶＦを削除し、図１のピーク期間設定回路ＴＰＲをパルス周期設定回路ＴＦＲに置換し、図１のタイマ回路ＴＭをパルス幅変調制御回路ＰＷＭに置換したものである。以下、同図を参照して、図１とは異なるブロックについて説明する。

第２読み取り回路ＲＣ２は、ワイヤリール１ａのＩＣタグＩＴからのパラメータ信号Ｐｐを読み取り、このパラメータ信号Ｐｐに含まれているピーク電流記憶信号Ｉpmをピーク電流設定回路ＩＰＲに出力し、パルス周期期憶信号Ｔfmをパルス周期設定回路ＴＦＲに出力する。同図は、上述したように、パルス幅変調制御の場合であるので、パラメータ信号Ｐｐに含まれているピーク期間記憶信号Ｔpmは出力しない。

パルス周期設定回路ＴＦＲは、上記のパルス周期記憶信号Ｔfm及び送給速度設定信号Ｆｒを入力として、送給速度設定信号Ｆｒに対応するパルス周期記憶信号Ｔfmによって設定されたパルス周期設定信号Ｔfrを出力する。パルス幅変調制御回路ＰＷＭは、電圧誤差増幅信号Ｅｖ及び上記のパルス周期設定信号Ｔfrを入力として、パルス周期設定信号Ｔfrによって定まる周期において電圧誤差増幅信号Ｅｖによるパルス幅変調制御を行い、タイマ信号Ｔｍを出力する。したがって、このタイマ信号Ｔｍは、パルス周期設定信号Ｔfrによって定まる周期で、ピーク期間中はＨｉｇｈレベルとなり、ベース期間中はＬｏｗレベルとなる信号である。

次に、上述した本発明の実施の形態に係る溶接電源の作用効果について説明する。
１）使用する溶接ワイヤ１のワイヤリール１ａに貼付されているＩＣタグＩＴから、パルス波形の溶接電流に関するパラメータＰｐをＩＣタグリーダーである読み取り回路ＲＣによって読み取る。このパラメータＰｐは、この溶接ワイヤ１に最適なユニットパルス条件である。すなわち、ピーク電流Ｉｐ、ピーク期間Ｔｐ及びパルス周期Ｔｆである。

２）読み取り回路ＲＣは、溶接電源のアーク長制御の方式（周波数変調制御又はパルス幅変調制御）に対応したパラメータＰｐを各々の設定回路に設定する。周波数変調制御の場合は、図１で上述したように、ピーク電流Ｉｐをピーク電流設定回路ＩＰＲに設定し、ピーク期間Ｔｐをピーク期間設定回路ＴＰＲに設定する。パルス幅変調制御の場合は、図２で上述したように、ピーク電流Ｉｐをピーク電流設定回路ＩＰＲに設定し、パルス周期Ｔｆをパルス周期設定回路ＴＦＲに設定する。

３）溶接電源は、使用する溶接ワイヤ１の銘柄に対して最適なパラメータに設定されたパルス波形の溶接電流を通電して溶接が行われる。

上記１）〜３）の動作によって、本発明の実施の形態に係る溶接電源は、溶接ワイヤの銘柄ごとに最適なユニットパルス条件を簡単に設定することができる。このために、溶滴移行状態が良好であり、ビード外観が美麗であり、スパッタ発生も少ない高品質の溶接を行うことができる。

上述した実施の形態によれば、溶接ワイヤのワイヤリールにはパルス波形の溶接電流に関するパラメータを記憶したＩＣタグを備えており、溶接電源はこのＩＣタグからパラメータを読み取り、この読み取ったパラメータに基づいてパルス波形の溶接電流を通電する。これにより、溶接電源は溶接ワイヤの銘柄ごとに最適なユニットパルス条件を簡単に設定することができる。このために、溶滴移行状態が良好であり、ビード外観が美麗であり、スパッタ発生も少ない高品質の溶接を行うことができる。

１溶接ワイヤ
１ａワイヤリール
２母材
３アーク
４溶接トーチ
５送給ロール
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
ＦＲ送給速度設定回路
Ｆｒ送給速度設定信号
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
Ｉcr 電流制御設定信号
ＩＤ溶接電流検出回路
Ｉｄ溶接電流検出信号
Ｉｐピーク電流
Ｉpm ピーク電流記憶信号
ＩＰＲピーク電流設定回路
Ｉpr ピーク電流設定信号
ＩＲ溶接電流平均値設定回路
Ｉｒ溶接電流平均値設定信号
ＩＴＩＣタグ
Ｉｗ溶接電流
ＰＭ電源主回路
Ｐｐパラメータ（信号）
ＰＷＭパルス幅変調制御回路
ＲＣ読み取り回路
ＲＣ２第２読み取り回路
ＳＷ切換回路
Ｔｂベース期間
Ｔｆパルス周期（信号）
Ｔfm パルス周期期憶信号
ＴＦＲパルス周期設定回路
Ｔfr パルス周期設定信号
ＴＭタイマ回路
Ｔｍタイマ信号
Ｔｐピーク期間
Ｔpm ピーク期間記憶信号
ＴＰＲピーク期間設定回路
Ｔpr ピーク期間設定信号
ＶＡＶ溶接電圧平均値算出回路
Ｖav 溶接電圧平均値（信号）
Ｖｂベース電圧
ＶＤ溶接電圧検出回路
Ｖｄ溶接電圧検出信号
ＶＦ電圧・周波数変換回路
Ｖｐピーク電圧
ＶＲ溶接電圧設定回路
Ｖｒ溶接電圧設定（値／信号）
Ｖｗ溶接電圧
ＷＭワイヤ送給モータ

Claims

溶接ワイヤと母材との間にアークを発生させるためのピーク期間中のピーク電流及びベース期間中のベース電流を１パルス周期とするパルス波形の溶接電流を通電する溶接電源において、
前記溶接ワイヤのワイヤリールには前記パルス波形の溶接電流に関するパラメータを記憶したＩＣタグを備えており、前記溶接電源は前記ＩＣタグから前記パラメータを読み取り、この読み取った前記パラメータに基づいて前記パルス波形の溶接電流を通電する、
ことを特徴とする溶接電源。
前記パラメータが前記ピーク電流及び前記ピーク期間である、
ことを特徴とする請求項１記載の溶接電源。
前記パラメータが前記ピーク電流及び前記パルス周期である、
ことを特徴とする請求項１記載の溶接電源。