JP2016052678A - アーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スプレー移行溶接において、溶け込みを深くする。
【解決手段】第１期間Ｔ１中は第１出力電圧Ｅ１及び第１溶接電流Ｉｗ１を出力し、第２期間Ｔ２中は第２出力電圧Ｅ２及び第２溶接電流Ｉｗ２を出力し、第３期間Ｔ３中は第３出力電圧Ｅ３及び第３溶接電流Ｉｗ３を出力し、０＜Ｅ２＜Ｅ３＜Ｅ１であり、０＜Ｉｗ２＜Ｉｗ３＜Ｉｗ１であり、溶接電流の変化率が基準変化率未満のときは第１出力電圧Ｅ１の増加及び／又は第２出力電圧Ｅ２の減少を行う。第１期間Ｔ１によってワイヤ直下の溶融金属を薄い状態にし、第２期間Ｔ２によってアークをワイヤ直下に集中させ、第３期間Ｔ３によって溶融池に集中して加熱し、その後は溶融池を穏やかにする。出力電圧Ｅ１、Ｅ２を修正することによって溶接用ケーブルのインダクタンス値に影響されずに、深い溶け込みを形成することができ、高品質化を図ることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、溶接ワイヤを送給してスプレー移行状態によって溶接するアーク溶接方法の高品質化に関するものである。

アルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガスをシールドガスとしてソリッドワイヤを使用するマグ溶接、炭酸ガスをシールドガスとしてフラックス入りワイヤを使用するアーク溶接、シールドガスを使用しないでセルフシールド用フラックス入りワイヤを使用するセルフシールドアーク溶接等は、溶滴移行形態がスプレー移行形態となる。スプレー移行形態では、アーク熱によって溶接ワイヤ先端が溶融されて細粒となって溶融池へと移行する。スプレー移行形態では、溶滴は短絡移行するのではなく、自由落下によって移行する。

スプレー移行形態によるアーク溶接（以下、スプレー移行溶接という）には、定電圧特性の溶接電源が使用され、溶接ワイヤは定速送給される。スプレー移行溶接では、スパッタの発生量が少なく、ビード外観も良好になる特徴がある。反面、スプレー移行溶接では、アーク長が短絡移行溶接に比べて長くなり、アークが広がった形状になるために、溶け込みが浅くなる。この点は、ワークによっては溶接品質上問題となる場合がある。以下、従来技術のスプレー移行溶接について図面を参照して説明する。

図５は、一般的なスプレー移行溶接における電圧・電流波形図である。同図（Ａ）は溶接電源の定電圧特性の出力値を設定するための出力電圧設定信号Ｅｒの時間変化をしめし、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の時間変化を示し、同図（Ｃ）はアークを通電する溶接電流Ｉｗの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。

同図（Ａ）に示すように、出力電圧設定信号Ｅｒは、一定値に設定されている。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、上下に少し変動しているが、略一定値となっている。同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗも、上下に少し変動しているが、略一定値となっている。溶接電圧Ｖｗの瞬時値が出力電圧設定信号Ｅｒによって設定される。溶接電流Ｉｗの平均値は、溶接ワイヤの送給速度によって設定される。

特許文献１の発明では、スプレー移行溶接及びグロビュール移行溶接において、溶接電源の出力電圧を１００Ｈｚ以上６００Ｈｚ以下の周波数で周期的に変化させることによって、溶接電流を２０Ａ以上１００Ａ以下の電流振幅内で変化させて溶接する。

特開２００７−２２９７７５号公報

そこで、本発明では、スプレー移行溶接において、溶け込みを深くして高品質化を図ることができるアーク溶接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、
溶接ワイヤを送給し、溶接電源から出力電圧を出力し溶接電流を通電してスプレー移行形態によって溶接するアーク溶接方法において、
第１期間中は第１出力電圧Ｅ１を出力して第１溶接電流Ｉｗ１を通電し、第２期間中は第２出力電圧Ｅ２を出力して第２溶接電流Ｉｗ２を通電し、第３期間中は第３出力電圧Ｅ３を出力して第３溶接電流Ｉｗ３を通電し、０＜Ｅ２＜Ｅ３＜Ｅ１であり、０＜Ｉｗ２＜Ｉｗ３＜Ｉｗ１であり、前記第１期間〜前記第３期間を繰り返し、
前記第１期間〜前記第３期間の各期間を切り換えたときの前記溶接電流の変化率を検出し、この変化率が予め定めた基準変化率未満のときは前記第１出力電圧Ｅ１の増加及び／又は前記第２出力電圧Ｅ２の減少を行う、
ことを特徴とするアーク溶接方法である。

請求項２の発明は、前記変化率が前記基準変化率未満のときは、警報を発する、
ことを特徴とする請求項１記載のアーク溶接方法である。

請求項３の発明は、前記変化率が前記基準変化率未満のときは、前記第１期間及び／又は前記第２期間を長くする、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のアーク溶接方法である。

本発明によれば、第１期間中は、溶融池に大きなアーク圧力が作用して、溶融池はワイヤ直下が窪んだ凹形状になり、ワイヤ直下の溶融金属が薄い状態となる。続く、第２期間中は、アーク形状は萎んだ形状となり、アークがワイヤ直下の溶融金属が薄い状態となった部分に集中した状態となる。続く、第３期間中は、前半では溶融池の窪んだ部分がアークによって集中して加熱され、後半ではアーク圧力が一定であるので溶融池の窪んだ部分がなくなり穏やかな状態となる。本発明では、これらの第１期間〜第３期間を繰り返すことによって、スプレー移行溶接において、溶け込みを深くして高品質化を図ることができる。さらに、本発明では、溶接用ケーブルのインダクタンス値が大きいために、溶接電流の変化率が小さくなり、基準変化率未満になったときは、第１出力電圧値Ｅ１の増加及び／又は第２出力電圧Ｅ２の減少を行うことによって、溶接電流の変化率を大きくすることができる。このために、溶接用ケーブルのインダクタンス値の影響を受けることなく、上記の効果を奏することができる。

本発明の実施の形態１に係るアーク溶接方法を実施するための溶接電源のブロック図である。 本発明の実施の形態１に係るアーク溶接方法を示す図１の溶接電源における各信号のタイミングチャートである。 本発明の実施の形態２に係るアーク溶接方法を実施するための溶接電源のブロック図である。 本発明の実施の形態２に係るアーク溶接方法を示す図３の溶接電源における各信号のタイミングチャートである。 従来技術において、一般的なスプレー移行溶接における電圧・電流波形図である。

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１］
図１は、本発明の実施の形態１に係るアーク溶接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、後述する電圧誤差増幅信号Ｅｖによるインバータ制御によって出力制御を行い、出力電圧Ｅ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次整流回路、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次整流回路、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖを入力としてＰＷＭ制御等の変調制御を行い上記のインバータ回路を駆動する駆動回路を備えている。この電源主回路ＰＭは、定電圧源となり、後述する出力電圧制御設定信号Ｅcrを目標値として定電圧制御されて出力電圧Ｅが出力される。リアクトルＷＬは、この出力電圧Ｅを平滑する。したがって、出力電圧Ｅは、リアクトルＷＬによって平滑される前の電圧である。

溶接ワイヤ１は、送給モータ（図示は省略）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、母材２との間にアーク３が発生して溶接が行われる。溶接トーチ４内の給電チップ（図示は省略）と母材２との間に溶接電圧Ｖｗが印加し、アーク３中を溶接電流Ｉｗが通電する。溶接電源の一方の出力端子（図示は省略）と溶接トーチ４とは溶接用ケーブル６によって接続され、溶接電源のもう一方の出力端子（図示は省略）と母材２とは溶接用ケーブル７で接続されている。溶接用ケーブル６、７の合算したインダクタンス値がＬｃ（μＨ）である。溶接ワイヤ１はその種類に応じて、電極マイナス極性（ＥＮ）又は電極プラス極性（ＥＰ）で溶接される。

出力電圧設定回路ＥＲは、予め定めた出力電圧設定信号Ｅｒを出力する。電圧増加値設定回路ＥＵＲは、予め定めた電圧増加値設定信号Ｅurを出力する。電圧減少値設定回路ＥＤＲは、予め定めた電圧減少値設定信号Ｅdrを出力する。

第１期間設定回路Ｔ１Ｒは、予め定めた第１期間設定信号Ｔ1rを出力する。第２期間設定回路Ｔ２Ｒは、予め定めた第２期間設定信号Ｔ2rを出力する。第３期間設定回路Ｔ３Ｒは、予め定めた第３期間設定信号Ｔ3rを出力する。

出力電圧制御設定回路ＥＣＲは、上記の出力電圧設定信号Ｅｒ、上記の電圧増加値設定信号Ｅur、上記の電圧減少値設定信号Ｅdr、上記の第１期間設定信号Ｔ1r、上記の第２期間設定信号Ｔ2r、上記の第３期間設定信号Ｔ3r及び後述する変化率判別信号Ｓｄを入力として、以下の処理を行ない、出力電圧制御設定信号Ｅcr及び期間信号Ｓｐを出力する。
１） 第１回目の周期の開始時点から第１期間設定信号Ｔ1rによって定まる第１期間Ｔ１中は、Ｅcr＝Ｅｒ＋Ｅurを出力し、第１回目の周期における第１期間Ｔ１の出力電圧制御設定値Ｅcr(1,1)として記憶する。また、この期間中はＳｐ＝１を出力する。
２） 続けて、第２期間設定信号Ｔ2rによって定まる第２期間Ｔ２中は、Ｅcr＝Ｅｒ−Ｅdrを出力し、第１回目の周期における第２期間Ｔ２の出力電圧制御設定値Ｅcr(1,2)として記憶する。また、この期間中はＳｐ＝２を出力する。
３） 続けて、第３期間設定信号Ｔ3rによって定まる第３期間Ｔ３中は、Ｅcr＝Ｅｒを出力する。また、この期間中はＳｐ＝３を出力する。
４） 第ｎ回目の周期の開始時点から第１期間設定信号Ｔ1rによって定まる第１期間Ｔ１中は、第ｎ回目の第１期間Ｔ１開始時点の変化率判別信号ＳｄがＬｏｗレベルのときはＥcr＝Ｅcr(n-1,１)を出力し、ＨｉｇｈレベルのときはＥcr＝Ｅcr(n-1,1)＋Δｕを出力する。そして、第ｎ回目の周期における第１期間Ｔ１の出力電圧制御設定値Ｅcr(n,1)として記憶する。Δｕは修正量であり、予め定めた正の値である。また、この期間中はＳｐ＝１を出力する。
５） 続けて、第２期間設定信号Ｔ2rによって定まる第２期間Ｔ２中は、第ｎ回目の第１期間Ｔ１開始時点の変化率判別信号ＳｄがＬｏｗレベルのときはＥcr＝Ｅcr(n-1,2)を出力し、ＨｉｇｈレベルのときはＥcr＝Ｅcr(n-1,2)−Δｄを出力する。そして、第ｎ回目の周期における第２期間Ｔ２の出力電圧制御設定値Ｅcr(n,2)として記憶する。Δｄは修正量であり、予め定めた正の値である。また、この期間中はＳｐ＝２を出力する。
６） 続けて、第３期間設定信号Ｔ3rによって定まる第３期間Ｔ３中は、変化率判別信号Ｓｄに関わらずＥcr＝Ｅｒを出力する。また、この期間中はＳｐ＝３を出力する。
７） 上記の４）〜６）の処理を繰り返す。

上記の出力電圧制御設定回路ＥＣＲにおいては、変化率判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベルのときの出力電圧制御設定信号Ｅcrは、第１期間Ｔ１中は前周期の値からΔＵだけ増加し、第２期間Ｔ２中は前周期の値からΔＤだけ減少し、第３期間Ｔ３中は出力電圧設定信号Ｅｒの値のままで変化しない。

出力電圧検出回路ＥＤは、上記の出力電圧Ｅを検出してインバータ周波数によるリップルを平滑し、出力電圧検出信号Ｅｄを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の出力電圧制御設定信号Ｅcr（＋）とこの出力電圧検出信号Ｅｄ（−）との誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。この電圧誤差増幅回路ＥＶによって、溶接電源は定電圧制御される。

電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｗを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。変化率判別回路ＳＤは、この電流検出信号Ｉｄ及び上記の期間信号Ｓｐを入力として、Ｓｐ＝３からＳｐ＝１へと変化した時点からの電流検出信号ｉｄの変化率を検出し、この変化率が予め定めた基準変化率未満のときはＨｉｇｈレベルとなり、以上のときはＬｏｗレベルとなる変化率判別信号ＳｄをＳｐ＝２に変化した時点で出力する。この回路において、Ｓｐ＝１からＳｐ＝２へと変化した時点又はＳｐ＝２からＳｐ＝３へと変化した時点からの電流検出信号Ｉｄの変化率を検出して、それぞれに対応する基準変化率と比較するようにしても良い。溶接用ケーブル６，７の長さが長くなったり、輪を描くように引き回されたりして溶接用ケーブルのインダクタンス値Ｌｃが大きくなると、第１期間〜前記第３期間の各期間を切り換えたときの溶接電流Ｉｗの変化率が緩やかになる。この回路によって、第１期間〜前記第３期間の各期間を切り換えたときの溶接電流Ｉｗの変化率が予め定めた基準変化率よりも緩やかになったことを判別している。

警報回路ＡＲは、上記の変化率判別信号Ｓｄを入力として、変化率判別信号Ｓｄ＝Ｈｉｇｈレベルのときは警報を発する。警報は、表示灯の点灯、警報音を鳴らす、警報信号を外部に出力する等によって行う。

図２は、本発明の実施の形態１に係るアーク溶接方法を示す図１の溶接電源における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は出力電圧制御設定信号Ｅcrの時間変化をしめし、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｄ）は変化率判別信号Ｓｄの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。

同図において、溶接開始から時刻ｔ４までの期間は、溶接用ケーブルのインダクタンス値Ｌｃが小さいために溶接電流Ｉｗの変化率が基準変化率以上となり、同図（Ｄ）に示すように、変化率判別信号ＳｄはＬｏｗレベルのままである。他方、時刻ｔ４以降の期間は、溶接用ケーブルの引き回しが変化してインダクタンス値Ｌｃが大きくなった場合である。溶接用ケーブルのインダクタンス値Ｌｃは、溶接装置の設置環境によって定まるので、溶接中に変化することは稀である。同図では、本実施の形態の動作を分かりやすくするために、溶接中にインダクタンス値Ｌｃが変化した場合としている。

同図（Ａ）に示すように、出力電圧制御設定信号Ｅcrは、図１の出力電圧制御設定回路ＥＣＲによって周期的に振動する波形となる。同図（Ｄ）に示すように、変化率判別信号Ｓｄは時刻ｔ１以前はＬｏｗレベルであり、第１期間Ｔ１の開始時点ｔ１もＬｏｗレベルである。このために、同図（Ａ）に示すように、出力電圧制御設定信号Ｅcrは、時刻ｔ１〜ｔ２の予め定めた第１期間Ｔ１中は出力電圧設定信号Ｅｒに電圧増加値設定信号Ｅurを加算した値となり、時刻ｔ２〜ｔ３の予め定めた第２期間Ｔ２中は出力電圧設定信号Ｅｒから電圧減少値設定信号Ｅdrを減算した値となり、時刻ｔ３〜ｔ４の予め定めた第３期間Ｔ３中は出力電圧設定信号Ｅｒの値となる。ここで、Ｅｒ＞０、Ｅur＞０、Ｅdr＞０、Ｅcr＞０である。

出力電圧Ｅは、出力電圧制御設定信号Ｅcrによって設定され、略同一の矩形波形となる。以下、第１期間Ｔ１の出力電圧Ｅを第１出力電圧Ｅ１と記載し、第２期間Ｔ２の出力電圧Ｅを第２出力電圧Ｅ２と記載し、第３期間Ｔ３の出力電圧Ｅを第３出力電圧Ｅ３と記載する。

同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは出力電圧Ｅが振動波形であるので振動波形となり、時刻ｔ１〜ｔ２の第１期間Ｔ１中は、第３溶接電圧値Ｖｗ３から傾斜を有して増加して略一定値の第１溶接電圧値Ｖｗ１となり、時刻ｔ２〜ｔ３の第２期間Ｔ２中は、第１溶接電圧値Ｖｗ１から傾斜を有して減少して略一定値の第２溶接電圧値Ｖｗ２となり、時刻ｔ３〜ｔ４の第３期間Ｔ３中は、第２溶接電圧値Ｖｗ２から傾斜を有して増加して略一定値の第３溶接電圧値Ｖｗ３となる。第１溶接電圧値Ｖｗ１はＥｒ＋Ｅurによって設定され、第２溶接電圧値Ｖｗ２はＥｒ−Ｅdrによって設定され、第３溶接電圧値Ｖｗ３はＥｒによって設定される。

同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、溶接電圧Ｖｗとアーク負荷によって定まり、溶接電圧Ｖｗが振動しているので振動波形となり、時刻ｔ１〜ｔ２の第１期間Ｔ１中は、第３溶接電流値Ｉｗ３から傾斜を有して増加して略一定値の第１溶接電流値Ｉｗ１となり、時刻ｔ２〜ｔ３の第２期間Ｔ２中は、第１溶接電流値Ｉｗ１から傾斜を有して減少して略一定値の第２溶接電流値Ｉｗ２となり、時刻ｔ３〜ｔ４の第３期間Ｔ３中は、第２溶接電流値Ｉｗ２から傾斜を有して増加して略一定値の第３溶接電流値Ｉｗ３となる。ここで、０＜Ｉｗ２＜Ｉｗ３＜Ｉｗ１である。第１期間Ｔ１中の溶接電流Ｉｗの変化率が基準変化率以上であるので、同図（Ｄ）に示すように、変化率判別信号ＳｄはＬｏｗレベルのままで変化しない。

同図（Ｄ）に示すように、第１期間Ｔ１の開始時点ｔ４における変化率判別信号ＳｄがＬｏｗレベルである。このために、同図（Ａ）に示すように、出力電圧制御設定信号Ｅcrは前周期と同一値となり、時刻ｔ４〜ｔ５の第１期間Ｔ１中はＥｒ＋Ｅurとなり、時刻ｔ５〜ｔ６の第２期間Ｔ２中はＥｒ−Ｅdrとなり、時刻ｔ６〜ｔ７の第３期間Ｔ３中はＥｒとなる。

時刻ｔ４から溶接用ケーブルのインダクタンス値Ｌｃが大きくなったために、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗの傾斜（変化率）が緩やかになる。このために、溶接電圧Ｖｗは、時刻ｔ４〜ｔ５の第１期間Ｔ１中は緩やかに増加し増加途中で期間が終了し、時刻ｔ５〜ｔ６の第２期間Ｔ２中は緩やかに減少し減少の途中で期間が終了する。第３期間Ｔ３中は、緩やかに増加して略一定値の第３溶接電圧値Ｖｗ３となる。

同様に、同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗの傾斜（変化率）も緩やかになる。このために、溶接電流Ｉｗは、時刻ｔ４〜ｔ５の第１期間Ｔ１中は緩やかに増加し増加途中で期間が終了し、時刻ｔ５〜ｔ６の第２期間Ｔ２中は緩やかに減少し減少の途中で期間が終了する。第３期間Ｔ３中は、緩やかに増加して略一定値の第３溶接電流値Ｉw3となる。すなわち、第１期間Ｔ１及び第２期間ｔ２の溶接電流Ｉｗの振幅が小さくなる。ここで、第１期間Ｔ１中の溶接電流Ｉｗの変化率が基準変化率未満になるので、同図（Ｄ）に示すように、時刻ｔ５において変化率判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベルに変化する。

同図（Ｄ）に示すように、第１期間Ｔ１の開始時点ｔ７における変化率判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベルである。このために、同図（Ａ）に示すように、出力電圧制御設定信号Ｅcrは前周期の値から修正された値となり、時刻ｔ７〜ｔ８の第１期間Ｔ１中はＥｒ＋Ｅur＋Δｕと前周期の値にΔｕを加算した値となり、時刻ｔ８〜ｔ９の第２期間Ｔ２中はＥｒ−Ｅdr−Δｄと前周期の値からΔｄを減算した値となり、時刻ｔ９〜ｔ１０の第３期間Ｔ３中はＥｒと前周期の値のままとなる。

時刻ｔ４から溶接用ケーブルのインダクタンス値Ｌｃが大きくなっているが、第１期間Ｔ１中の出力電圧制御設定信号Ｅcrの値が大きくなり第１出力電圧Ｅ１が大きくなり、第２期間Ｔ２中の出力電圧制御設定信号Ｅcrの値が小さくなり第２出力電圧Ｅ２が小さくなるために、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗの傾斜（変化率）は、時刻ｔ４以前より緩やかであるが時刻ｔ４〜ｔ７の周期よりも急になる。このために、溶接電圧Ｖｗは、時刻ｔ７〜ｔ８の第１期間Ｔ１中は、第３溶接電圧値Ｖｗ３から傾斜を有して時刻ｔ４以前の値である第１溶接電圧値Ｖｗ１近傍まで増加し、時刻ｔ８〜ｔ９の第２期間Ｔ２中は、第１溶接電圧値Ｖｗ１近傍から傾斜を有して時刻ｔ４以前の値である第２溶接電圧値Ｖｗ２近傍まで減少し、時刻ｔ９〜ｔ１０の第３期間Ｔ３中は、第２溶接電圧値Ｖｗ２近傍から傾斜を有して増加して略一定値の第３溶接電圧値Ｖｗ３となる。

同様に、同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗの傾斜（変化率）は、時刻ｔ４以前より緩やかであるが、時刻ｔ４〜ｔ７の周期よりは急になる。このために、溶接電流Ｉｗは、時刻ｔ７〜ｔ８の第１期間Ｔ１中は、第３溶接電流値Ｉｗ３から傾斜を有して時刻ｔ４以前の値である第１溶接電流値Ｉｗ１近傍まで増加し、時刻ｔ８〜ｔ９の第２期間Ｔ２中は、第１溶接電流値Ｉｗ１近傍から傾斜を有して時刻ｔ４以前の値である第２溶接電流値Ｉｗ２近傍まで減少し、時刻ｔ９〜ｔ１０の第３期間Ｔ３中は、第２溶接電流値Ｉｗ２近傍から傾斜を有して増加して略一定値の第３溶接電流値Ｉｗ３となる。すなわち、第１期間Ｔ１及び第２期間ｔ２の溶接電流Ｉｗの振幅は、時刻ｔ４以前と略同一値となる。ここで、第１期間Ｔ１中の溶接電流Ｉｗの変化率が基準変化率以上になるので、同図（Ｄ）に示すように、時刻ｔ８において変化率判別信号ＳｄがＬｏｗレベルに変化する。

同図（Ｄ）に示すように、第１期間Ｔ１の開始時点ｔ１０における変化率判別信号ＳｄがＬｏｗレベルである。このために、同図（Ａ）に示すように、出力電圧制御設定信号Ｅcrは前周期の値と同一値となり、時刻ｔ１０〜ｔ１１の第１期間Ｔ１中はＥｒ＋Ｅur＋Δｕとなり、時刻ｔ１１〜ｔ１２の第２期間Ｔ２中はＥｒ−Ｅdr−Δｄとなり、時刻ｔ１２〜ｔ１３の第３期間Ｔ３中はＥｒとなる。

時刻ｔ４から溶接用ケーブルのインダクタンス値Ｌｃが大きくなっているが、第１期間Ｔ１中の出力電圧制御設定信号Ｅcrの値が大きくなり第１出力電圧Ｅ１が大きくなっており、第２期間Ｔ２中の出力電圧制御設定信号Ｅcrの値が大きくなり第２出力電圧Ｅ２が小さくなっているために、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗの傾斜（変化率）は前周期と同様となる。このために、溶接電圧Ｖｗは前周期と略同一波形となる。

同様に、同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗの傾斜（変化率）も前周期と同様になる。このために、溶接電流Ｉｗは前周期と略同一波形となる。すなわち、第１期間Ｔ１及び第２期間ｔ２の溶接電流Ｉｗの振幅は、時刻ｔ４以前と略同一値となる。ここで、第１期間Ｔ１中の溶接電流Ｉｗの変化率が基準変化率以上になるので、同図（Ｄ）に示すように、変化率判別信号ＳｄはＬｏｗレベルのままである。

これ以降は、時刻ｔ１０〜ｔ１３の周期の動作を繰り返す。同図では、出力電圧制御設定信号Ｅcrの修正が時刻ｔ７〜ｔ１０の１周期だけである場合を例示したが、溶接電流Ｉｗの変化率が基準変化率以上になるまで複数周期連続する場合もある。上述した修正量Δｕ及びΔｄは１〜３Ｖ程度に設定される。この値が大きすぎると溶接状態が不安定になり、小さすぎると修正に時間がかかり、修正期間中の溶接品質が悪くなる。修正された第１期間Ｔ１中の出力電圧制御設定信号Ｅcrの値に上限値を設けても良い。修正された第２期間Ｔ２中の出力電圧制御設定信号Ｅcrの値に下限値を設けても良い。

上記の基準変化率は５０〜７０A/ms程度に設定される。この値が小さすぎると、インダクタンス値Ｌｃが大きいときに溶け込み深さが浅くなり、要求値に達しないことになる。この値が大きすぎると、出力電圧制御設定信号Ｅcrの修正が必要ないときまで修正されてしまうために、溶接状態が不安定になる場合が生じる。

次に、数値例を挙げることにする。溶接ワイヤにセルフシールド用フラックス入りワイヤ（材質：鉄鋼、直径：１．６mm）を使用し、平均溶接電流が２５０Ａ、平均溶接電圧が２１Ｖで溶接した場合の数値例である。Ｅｒ＝２１Ｖ、Ｅur＝１０Ｖ、Ｅdr＝１０Ｖ、Δｕ＝２Ｖ、Δｄ＝２Ｖ、Ｔ1r＝２ms、Ｔ2r＝４ms、Ｔ3r＝６ms、基準変化率＝６５A/msである。この結果、１周期は１２msとなり、Ｖｗ１＝３１Ｖ、Ｖｗ２＝１１Ｖ、Ｖｗ３＝２１Ｖとなり、Ｉｗ１＝４００Ａ、Ｉｗ２＝６０Ａ、Ｉｗ３＝２５０Ａとなる。
時刻ｔ４以前の周期における溶接電流Ｉｗの変化率は、第１期間Ｔ１中は１００A/msとなり、第２期間Ｔ２中は１１３A/msとなり、第３期間Ｔ３中は１２６A／msとなる。時刻ｔ７以降の周期における溶接電流Ｉｗの変化率は、第１期間Ｔ１中は７５A/msとなり、第２期間Ｔ２中は８５A/msとなり、第３期間Ｔ３中は９５A／msとなる。

次に、本実施の形態の作用効果について説明する。まず、時刻ｔ４以前の溶接用ケーブルのインダクタンス値Ｌｃが小さい場合の作用効果について説明する。時刻ｔ１〜ｔ２の第１期間Ｔ１中は、溶接電流Ｉｗは最も大きな値である第１溶接電流値Ｉｗ１となるので、溶融池に大きなアーク圧力が作用して、溶融池はワイヤ直下が窪んだ凹形状になり、ワイヤ直下の溶融金属が薄い状態となる。時刻ｔ２〜ｔ３の第２期間Ｔ２中は、溶接電流Ｉｗは最も小さな値である第２溶接電流値Ｉｗ２となるので、アーク形状は萎んだ形状となり、アークがワイヤ直下の溶融金属が薄い状態となった部分に集中した状態となる。時刻ｔ３〜ｔ４の第３期間Ｔ３中は、溶接電流Ｉｗは溶接ワイヤの送給速度によって定まる溶接電流値と近い中間の値である第３溶接電流値Ｉｗ３となる。この第３溶接電流値Ｉｗ３を略一定値に維持することにより、第３期間Ｔ３の前半では溶融池の窪んだ部分がアークによって集中して加熱され、後半ではアーク圧力が一定であるので溶融池の窪んだ部分がなくなり穏やかな状態となる。第１期間Ｔ１に移行する時点において、溶融池が穏やかな状態になっていないと、第１期間Ｔ１中にワイヤ直下が窪んだ形状とならずに歪な形状となり、溶け込みを深くする作用効果が失われることになる。したがって、第３期間Ｔ３の終了時点において溶融池を確実に穏やかな状態にするために、第３期間Ｔ３は第１期間Ｔ１及び第２期間Ｔ２よりも長い期間に設定されることが望ましい。これらの作用効果によって、深い溶け込み形状を安定して形成することができる。

第１溶接電流値Ｉｗ１によって、溶融池を窪んだ凹形状に変形させることができるように、第１溶接電圧値Ｖｗ１（電圧増加値設定信号Ｅur）及び第１期間Ｔ１（第１期間設定信号Ｔ1r）を設定する。また、第２溶接電流値Ｉｗ２によって、アークを萎んだ形状にしてワイヤ直下に集中させるように、第２溶接電圧値Ｖｗ２（電圧減少値設定信号Ｅdr）及び第２期間Ｔ２（第２期間設定信号Ｔ2r）を設定する。さらに、第３溶接電流値Ｉｗ３によって、窪んだ部分に集中して加熱させた後に溶融池が穏やかな状態になるように、第３溶接電圧値Ｖｗ３（電圧設定信号Ｅｒ）及び第３期間Ｔ３（第３期間設定信号Ｔ3r）を設定する。溶接電流Ｉｗが第１溶接電流値Ｉｗ１〜第３溶接電流値Ｉｗ３になるように定電流制御しないのは、アーク長を適正値に維持するためには定電圧制御する必要があるためである。したがって、間接的に溶接電流Ｉｗを設定していることになる。このために、アーク負荷状態によって、第１溶接電流値Ｉｗ１〜第３溶接電流値Ｉｗ３は少し変動することになる。

時刻ｔ４から溶接用ケーブルのインダクタンス値Ｌｃが大きくなったために、時刻ｔ４〜ｔ５の第１期間Ｔ１中及び時刻ｔ５〜ｔ６の第２期間Ｔ２中の溶接電流Ｉｗの変化率が緩やかになり、振幅が小さくなる。この結果、第１期間Ｔ１中の溶接電流Ｉｗの最大値が小さくなり、第２期間Ｔ２中の溶接電流Ｉｗの最小値が大きくなる。このために、上述した第１期間Ｔ１及び第２期間Ｔ２の作用効果が充分でなくなる。このような状態を、溶接電流Ｉｗの変化率が基準変化率未満になったことによって判別している。

溶接電流Ｉｗの変化率が基準変化率未満になったことを判別すると、時刻ｔ７〜ｔ８の第１期間Ｔ１中の出力電圧制御設定信号Ｅcrの値をΔｕだけ増加させ、時刻ｔ８〜ｔ９の第２期間Ｔ２中の出力電圧制御設定信号Ｅcrの値をΔｄだけ減少させる。この結果、溶接電流Ｉｗの変化率が大きくなり、時刻ｔ４以前の電流波形と略同一となる。このために、上述した時刻ｔ４以前の作用効果を奏することになる。

本実施の形態では、溶接電流Ｉｗの変化率が基準変化率未満のときは、第１期間Ｔ１中の出力電圧制御設定信号Ｅcrの増加（第１出力電圧Ｅ１の増加）及び第２期間Ｔ２中の出力電圧制御設定信号Ｅcrの減少（第２出力電圧Ｅ２の減少）を行っている。このときに、どちらか一方だけを行うようにしても良い。

上述した実施の形態１によれば、第１期間中は第１出力電圧Ｅ１を出力して第１溶接電流Ｉｗ１を通電し、第２期間中は第２出力電圧Ｅ２を出力して第２溶接電流Ｉｗ２を通電し、第３期間中は第３出力電圧Ｅ３を出力して第３溶接電流Ｉｗ３を通電し、０＜Ｅ２＜Ｅ３＜Ｅ１であり、０＜Ｉｗ２＜Ｉｗ３＜Ｉｗ１であり、第１期間〜第３期間を繰り返し、第１期間〜第３期間の各期間を切り換えたときの溶接電流の変化率を検出し、この変化率が予め定めた基準変化率未満のときは第１出力電圧Ｅ１の増加及び／又は第２出力電圧Ｅ２の減少を行う。第１期間中は、溶融池に大きなアーク圧力が作用して、溶融池はワイヤ直下が窪んだ凹形状になり、ワイヤ直下の溶融金属が薄い状態となる。続く、第２期間中は、アーク形状は萎んだ形状となり、アークがワイヤ直下の溶融金属が薄い状態となった部分に集中した状態となる。続く、第３期間中は、前半では溶融池の窪んだ部分がアークによって集中して加熱され、後半ではアーク圧力が一定であるので溶融池の窪んだ部分がなくなり穏やかな状態となる。本実施の形態では、これらの第１期間〜第３期間を繰り返すことによって、スプレー移行溶接において、溶け込みを深くして高品質化を図ることができる。このときに、本実施の形態では、溶接用ケーブルのインダクタンス値が大きいために、溶接電流の変化率が小さくなり、基準変化率未満になったときは、第１出力電圧値Ｅ１の増加及び／又は第２出力電圧Ｅ２の減少を行うことによって、溶接電流の変化率を大きくすることができる。このために、溶接用ケーブルのインダクタンス値の影響を受けることなく、上記の効果を奏することができる。

さらに、本実施の形態によれば、第１期間〜第３期間の各期間を切り換えたときの溶接電流の変化率が基準変化率未満のときは、警報を発する。この警報が解除されずに継続するときは、出力電圧の修正によっても溶接電流の変化率が基準変化率未満の状態であることを示している。溶接作業者は、このような状態のときは、溶け込み深さが要求値に達しない場合が生じることを認識することができる。このために、溶接作業者は、溶接用ケーブルのインダクタンス値が小さくなるように、溶接装置の設置環境を改善する対策を施すことができる。

［実施の形態２］
実施の形態２の発明は、溶接電流の変化率が基準変化率未満のときは、第１期間及び／又は第２期間を長くする。

図３は、本発明の実施の形態２に係るアーク溶接方法を実施するための溶接電源のブロック図である。同図は上述した図１と対応しており、同一ブロックには同一符号を付してそれらの説明は繰り返さない。同図は、図１の出力電圧制御設定回路ＥＣＲを第２出力電圧制御設定回路ＥＣＲ２に置換したものである。以下、同図を参照して、このブロックについて説明する。

第２出力電圧制御設定回路ＥＣＲ２は、出力電圧設定信号Ｅｒ、電圧増加値設定信号Ｅur、電圧減少値設定信号Ｅdr、第１期間設定信号Ｔ1r、第２期間設定信号Ｔ2r、第３期間設定信号Ｔ3r及び変化率判別信号Ｓｄを入力として、以下の処理を行ない、出力電圧制御設定信号Ｅcr及び期間信号Ｓｐを出力する。
１） 第１回目の周期の開始時点から第１期間設定信号Ｔ1rによって定まる第１期間Ｔ１中は、Ｅcr＝Ｅｒ＋Ｅurを出力し、第１回目の周期における第１期間Ｔ１の出力電圧制御設定値Ｅcr(1,1)及び第１期間設定値Ｔ1r(1)として記憶する。また、この期間中はＳｐ＝１を出力する。
２） 続けて、第２期間設定信号Ｔ2rによって定まる第２期間Ｔ２中は、Ｅcr＝Ｅｒ−Ｅdrを出力し、第１回目の周期における第２期間Ｔ２の出力電圧制御設定値Ｅcr(1,2)及び第２期間設定値Ｔ2r(1)として記憶する。また、この期間中はＳｐ＝２を出力する。
３） 続けて、第３期間設定信号Ｔ3rによって定まる第３期間Ｔ３中は、Ｅcr＝Ｅｒを出力する。また、この期間中はＳｐ＝３を出力する。
４） 第ｎ回目の周期の開始時点から第ｎ−１回目の周期における第１期間設定値Ｔ1r(n-1)によって定まる第１期間Ｔ１中は、第ｎ回目の第１期間Ｔ１開始時点の変化率判別信号ＳｄがＬｏｗレベルのときはＥcr＝Ｅcr(n-1,１)を出力しかつＴ1r(n)＝Ｔ1r(n-1)とし、ＨｉｇｈレベルのときはＥcr＝Ｅcr(n-1,1)＋Δｕを出力しかつＴ1r(n)＝Ｔ1r(n-1)＋Δｔとする。そして、第ｎ回目の周期における第１期間Ｔ１の出力電圧制御設定値Ｅcr(n,1)及び第１期間設定値Ｔ1r(n)を記憶する。Δｕ及びΔｔは修正量であり、予め定めた正の値である。また、この期間中はＳｐ＝１を出力する。
５） 続けて、第ｎ−１回目の周期における第２期間設定値Ｔ2r(n-1)によって定まる第２期間Ｔ２中は、第ｎ回目の第１期間Ｔ１開始時点の変化率判別信号ＳｄがＬｏｗレベルのときはＥcr＝Ｅcr(n-1,2)を出力しかつＴ2r(n)＝Ｔ2r(n-1)とし、ＨｉｇｈレベルのときはＥcr＝Ｅcr(n-1,2)−Δｄを出力しかつＴ2r(n)＝Ｔ2r(n-1)＋Δｔとする。そして、第ｎ回目の周期における第２期間Ｔ２の出力電圧制御設定値Ｅcr(n,2)及びＴ2r(n)を記憶する。Δｄは修正量であり、予め定めた正の値である。また、この期間中はＳｐ＝２を出力する。
６） 続けて、第３期間設定信号Ｔ3rによって定まる第３期間Ｔ３中は、変化率判別信号Ｓｄに関わらずＥcr＝Ｅｒを出力する。また、この期間中はＳｐ＝３を出力する。
７） 上記の４）〜６）の処理を繰り返す。

上記の第２出力電圧制御設定回路ＥＣＲ２において、出力電圧制御設定信号Ｅcrの動作は図１の出力電圧制御設定回路ＥＣＲと同一である。他方、第２出力電圧制御設定回路ＥＣＲ２において、変化率判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベルのときの第１期間Ｔ１は前周期の値からΔｔだけ長くなり、第２期間Ｔ２は前周期の値からΔｔだけ長くなり、第３期間Ｔ３は変化しない。この動作が図１の出力電圧制御設定回路ＥＣＲとは異なっている。

図４は、本発明の実施の形態２に係るアーク溶接方法を示す図３の溶接電源における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は出力電圧制御設定信号Ｅcrの時間変化をしめし、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｄ）は変化率判別信号Ｓｄの時間変化を示す。同図の説明においては、上述した図２の動作と異なる点について説明し、同一の動作についての説明は繰り返さない。以下、同図を参照して説明する。

同図において、時刻ｔ７までの期間の動作は、図２と同一であるので、説明は繰り返さない。

同図（Ｄ）に示すように、第１期間Ｔ１の開始時点ｔ７における変化率判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベルである。このために、同図（Ａ）に示すように、出力電圧制御設定信号Ｅcrは前周期の値から修正された値となり、時刻ｔ７〜ｔ８の第１期間Ｔ１中はＥｒ＋Ｅur＋Δｕと前周期の値にΔｕを加算した値となり、時刻ｔ８〜ｔ９の第２期間Ｔ２中はＥｒ−Ｅdr−Δｄと前周期の値からΔｄを減算した値となり、時刻ｔ９〜ｔ１０の第３期間Ｔ３中はＥｒと前周期の値のままとなる。同様に、同図に示すように、第１期間Ｔ１は前周期の値から修正された値となり、時刻ｔ７〜ｔ８の第１期間Ｔ１＝Ｔ1r＋Δｔと前周期の値にΔｔを加算した値となり、時刻ｔ８〜ｔ９の第２期間Ｔ２＝Ｔ2r＋Δｔと前周期の値からΔｔを加算した値となり、時刻ｔ９〜ｔ１０の第３期間Ｔ３はＴ3rと前周期の値のままとなる。

同図（Ｂ）に示すように、時刻ｔ７〜ｔ８の第１期間Ｔ１中の溶接電圧Ｖｗは、第３溶接電圧値Ｖｗ３から図２と同様の傾斜で増加し、第１期間Ｔ１が長くなっているので一定値の略第１溶接電圧値Ｖｗ１となる。時刻ｔ８〜ｔ９の第２期間Ｔ２中の溶接電圧Ｖｗは、第１溶接電圧値Ｖｗ１から図２と同様の傾斜で減少し、第２期間Ｔ２が長くなっているので一定値の略第２溶接電圧値Ｖｗ２となる。時刻ｔ９〜ｔ１０の第３期間Ｔ３中の溶接電圧Ｖｗは、第２溶接電圧値Ｖｗ２から図２と同様の傾斜で増加して略一定値の第３溶接電圧値Ｖｗ３となる。

同様に、同図（Ｃ）に示すように、時刻ｔ７〜ｔ８の第１期間Ｔ１中の溶接電流Ｉｗは、第３溶接電流値Ｉｗ３から図２と同様の傾斜で増加し、第１期間Ｔ１が長くなっているので一定値の略第１溶接電流値Ｉｗ１となる。時刻ｔ８〜ｔ９の第２期間Ｔ２中の溶接電流Ｉｗは、第１溶接電流値Ｉｗ１から図２と同様の傾斜で減少し、第２期間Ｔ２が長くなっているので一定値の略第２溶接電流値Ｉｗ２となる。時刻ｔ９〜ｔ１０の第３期間Ｔ３中の溶接電流Ｉｗは、第２溶接電流値Ｉｗ２から図２と同様の傾斜で増加して略一定値の第３溶接電流値Ｉｗ３となる。したがって、第１期間Ｔ１及び第２期間ｔ２の溶接電流Ｉｗの振幅は、時刻ｔ４以前と略同一値となる。さらに、第１期間Ｔ１及び第２期間Ｔ２の溶接電流Ｉｗは、図２のときとは異なり変化した後に一定値の部分があるので、溶接用ケーブルのインダクタンス値Ｌｃがさらに大きくなっても時刻ｔ４以前の振幅を確保することができる。

同図（Ｄ）に示すように、第１期間Ｔ１の開始時点ｔ１０における変化率判別信号ＳｄがＬｏｗレベルである。このために、同図に示すように、第１期間Ｔ１は前周期の値と同一値となり、時刻ｔ１０〜ｔ１１の第１期間Ｔ１＝Ｔ1r＋Δｔとなり、時刻ｔ１１〜ｔ１２の第２期間Ｔ２＝Ｔ2r＋Δｔとなり、時刻ｔ１２〜ｔ１３の第３期間Ｔ３＝Ｔ3rとなる。このために、溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗの波形は、前周期と同一になる。

これ以降は、時刻ｔ１０〜ｔ１３の周期の動作を繰り返す。上述した修正量Δｔは０．１〜１．０ms程度に設定される。この値が大きすぎると溶接状態が不安定になり、小さすぎると修正に時間がかかり、修正期間中の溶接品質が悪くなる。修正された第１期間Ｔ１及び第２期間Ｔ２に上限値を設けても良い。

本実施の形態では、溶接電流Ｉｗの変化率が基準変化率未満のときは、第１期間Ｔ１及び第２期間Ｔ２を長くしている。このときに、どちらか一方だけを長くしても良い。

上述した実施の形態２によれば、第１期間〜第３期間の各期間を切り換えたときの溶接電流の変化率が基準変化率未満のときは、第１期間及び／又は第２期間を長くする。これにより、本実施の形態では、実施の形態１の効果に加えて、溶接用ケーブルのインダクタンス値がさらに大きくなっても、第１期間及び第２期間中の溶接電流の振幅を所望値に維持することができるので、深い溶け込みを確保することができる。

１ 溶接ワイヤ
２ 母材
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
６、７ 溶接用ケーブル
ＡＲ 警報回路
Ｅ 出力電圧
Ｅ１ 第１出力電圧
Ｅ２ 第２出力電圧
Ｅ３ 第３出力電圧
ＥＣＲ 出力電圧制御設定回路
Ｅcr 出力電圧制御設定信号
ＥＣＲ２ 第２出力電圧制御設定回路
ＥＤ 出力電圧検出回路
Ｅｄ 出力電圧検出信号
ＥＤＲ 電圧減少値設定回路
Ｅdr 電圧減少値設定信号
ＥＲ 出力電圧設定回路
Ｅｒ 出力電圧設定信号
ＥＵＲ 電圧増加値設定回路
Ｅur 電圧増加値設定信号
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
Ｉｗ 溶接電流
Ｉｗ１ 第１溶接電流
Ｉｗ２ 第２溶接電流
Ｉｗ３ 第３溶接電流
Ｌｃ 溶接用ケーブルのインダクタンス値
ＰＭ 電源主回路
ＳＤ 変化率判別回路
Ｓｄ 変化率判別信号
Ｓｐ 期間信号
Ｔ１ 第１期間
Ｔ１Ｒ 第１期間設定回路
Ｔ1r 第１期間設定信号
Ｔ２ 第２期間
Ｔ２Ｒ 第２期間設定回路
Ｔ2r 第２期間設定信号
Ｔ３ 第３期間
Ｔ３Ｒ 第３期間設定回路
Ｔ3r 第３期間設定信号
Ｖｗ 溶接電圧
Ｖｗ１ 第１溶接電圧値
Ｖｗ２ 第２溶接電圧値
Ｖｗ３ 第３溶接電圧値
ＷＬ リアクトル
Δｄ、Δｔ、Δｕ 修正量

Claims (3)

1. 溶接ワイヤを送給し、溶接電源から出力電圧を出力し溶接電流を通電してスプレー移行形態によって溶接するアーク溶接方法において、
   第１期間中は第１出力電圧Ｅ１を出力して第１溶接電流Ｉｗ１を通電し、第２期間中は第２出力電圧Ｅ２を出力して第２溶接電流Ｉｗ２を通電し、第３期間中は第３出力電圧Ｅ３を出力して第３溶接電流Ｉｗ３を通電し、０＜Ｅ２＜Ｅ３＜Ｅ１であり、０＜Ｉｗ２＜Ｉｗ３＜Ｉｗ１であり、前記第１期間〜前記第３期間を繰り返し、
   前記第１期間〜前記第３期間の各期間を切り換えたときの前記溶接電流の変化率を検出し、この変化率が予め定めた基準変化率未満のときは前記第１出力電圧Ｅ１の増加及び／又は前記第２出力電圧Ｅ２の減少を行う、
   ことを特徴とするアーク溶接方法。
2. 前記変化率が前記基準変化率未満のときは、警報を発する、
   ことを特徴とする請求項１記載のアーク溶接方法。
3. 前記変化率が前記基準変化率未満のときは、前記第１期間及び／又は前記第２期間を長くする、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のアーク溶接方法。
   
   

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