JP2016128187A - パルスアーク溶接のアークスタート制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パルスアーク溶接において、アークスタート時に発生するアーク長が急速に長くなる現象を抑制して溶接状態を安定化させること。【解決手段】定常溶接期間中は定常ピーク電流Ｉｐｃ及び定常ベース電流Ｉｂｃを通電するパルスアーク溶接のアークスタート制御方法において、アークスタート後の過渡期間Ｔｋ中は、定常ピーク電流Ｉｐｃを減少させた過渡ピーク電流Ｉｐｋ及び定常ベース電流Ｉｂｃを増加させた過渡ベース電流Ｉｂｋを通電する。過渡期間Ｔｋは、溶接ワイヤがワイヤ突出し長に相当する距離だけ送給された時間に基づいて設定され、過渡ピーク電流Ｉｐｋは溶接ワイヤの単位長抵抗値に基づいて設定される。これにより、過渡ピーク電流Ｉｐｋが減少するので、溶接ワイヤの異常加熱を抑制してアーク長が急速に長くなる現象の発生を抑制することができる。【選択図】 図１

Description

本発明は、溶接ワイヤを送給し、定常溶接期間中はピーク期間中の定常ピーク電流及びベース期間中の定常ベース電流を１パルス周期とする溶接電流を通電して溶接するパルスアーク溶接のアークスタート制御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、ステンレス鋼、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７は、消耗電極式パルスアーク溶接における定常溶接期間中の電流・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。

時刻ｔ１〜ｔ２のピーク期間Ｔｐ中は、同図（Ａ）に示すように、傾斜を有して立上り、溶滴を形成し移行させるために臨界値以上の定常ピーク電流値に設定されたピーク電流Ｉｐが通電し、同図（Ｂ）に示すように、傾斜を有して立上り、アーク長に比例したピーク電圧Ｖｐが印加する。時刻ｔ２〜ｔ３のベース期間Ｔｂ中は、同図（Ａ）に示すように、傾斜を有して立下り、溶滴を形成しないために臨界値未満の定常ベース電流値に設定されたベース電流Ｉｂが通電し、同図（Ｂ）に示すように、傾斜を有して立下り、アーク長に比例したベース電圧Ｖｂが印加する。時刻ｔ１〜ｔ３を１パルス周期Ｔｆとして繰り返して溶接が行われる。

溶接ワイヤがステンレス鋼用の直径１．２mmのメタル系コアードワイヤである場合の各波形パラメータは、例えば以下のようになる。ピーク電流Ｉｐ＝４５０Ａ、立上りを含むピーク期間Ｔｐ＝２．０ms、パルス周期Ｔｆ＝３．０〜１０．０ms、ベース電流Ｉｂ＝５０Ａ、立上り期間及び立下り期間＝０．５msとなる。

ピーク期間Ｔｐ中は、溶接ワイヤの先端が溶融されて溶滴が成長すると共に、溶滴の上部にピンチ力によるくびれが次第に形成される。そして、時刻ｔ２にベース期間Ｔｂに入り、溶接電流Ｉｗが立ち下ってベース電流Ｉｂに収束した後の時刻ｔ２１において、溶滴が溶融池に移行する。この移行時には、溶滴が細長く伸びた形状になり溶融池と接触する場合があり、このときに短時間（多くは０．２ms未満）の短絡が発生する。したがって、同図（Ｂ）に示すように、時刻ｔ２１において、溶接電圧Ｖｗが略０Ｖとなり、短絡が発生している。同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、短絡が発生した時刻ｔ２１から所定時間後に増加し、短絡が終了する時刻ｔ２２に通常値に戻る。所定時間は０．１ms程度である。溶接電流Ｉｗを増加させる理由は、早期に短絡を解除してアーク発生状態に戻すためである。

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が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。同図（Ｂ）に示す溶接電圧の平均値Ｖavは平均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が適正な平均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（周波数変調制御）又はピーク期間Ｔｐ（パルス幅変調制御）をフィードバック制御によって変化させている。

周波数変調制御では、ピーク期間Ｔｐ、ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂが波形パラメータとなり、所定値に設定される。そして、パルス周期Ｔｆ（ベース期間Ｔｂ）がフィードバック制御される。

パルス幅変調制御では、ピーク電流Ｉｐ、パルス周期Ｔｆ及びベース電流Ｉｂが波形パラメータとなり、所定値に設定される。そして、ピーク期間（パルス幅）Ｔｐがフィードバック制御される。

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される。

各変調制御において、波形パラメータは、１パルス周期中に１つの溶滴が移行するいわゆる１パルス周期１溶滴移行状態になるように適正値に設定される。

特許文献１の発明では、パルスアーク溶接において、アーク発生から所定期間中は、ピーク電流の傾きを本溶接時に比べて緩める。これにより、アークスタート時の磁気吹きを抑制することで、アーク切れを抑制することができる。

特許第３００３６７３号公報

パルスアーク溶接において、アークスタート後の過渡期間中に、アーク長が突然急速に長くなり、溶接状態が不安定になる現象がときどき発生する。そして、アーク長が非常に長くなるために、アーク切れ又は給電チップへの溶着に至る場合もある。

そこで、本発明では、アークスタート後の過渡期間中にアーク長が突然急速に長くなる現象を抑制して、安定した溶接状態にすることができるパルスアーク溶接のアークスタート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、
溶接ワイヤを送給し、定常溶接期間中はピーク期間中の定常ピーク電流及びベース期間中の定常ベース電流を１パルス周期とする溶接電流を通電して溶接するパルスアーク溶接のアークスタート制御方法において、
アークスタート後の過渡期間中は、前記定常ピーク電流を予め定めた減少値だけ減少させた過渡ピーク電流及び前記定常ベース電流を予め定めた増加値だけ増加させた過渡ベース電流を通電する、
ことを特徴とするパルスアーク溶接のアークスタート制御方法である。

請求項２の発明は、前記減少値は、前記溶接ワイヤの単位長抵抗値に基づいて設定される、
ことを特徴とする請求項１記載のパルスアーク溶接のアークスタート制御方法である。

請求項３の発明は、アーク長制御が周波数変調制御であるときは、前記増加値は、前記過渡期間中の前記パルス周期の平均値と前記定常溶接期間中の前記パルス周期の平均値との差が所定値未満になるように設定される、
ことを特徴とする請求項１又は２記載のパルスアーク溶接のアークスタート制御方法である。

請求項４の発明は、アーク長制御がパルス幅変調制御であるときは、前記増加値は、前記過渡期間中の前記ピーク期間の平均値と前記定常溶接期間中の前記ピーク期間の平均値との差が所定値未満になるように設定される、
ことを特徴とする請求項１又は２記載のパルスアーク溶接のアークスタート制御方法である。

請求項５の発明は、前記過渡期間は、所定期間に設定される、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のパルスアーク溶接のアークスタート制御方法である。

請求項６の発明は、前記過渡期間は、前記溶接ワイヤが前記アークスタート後にワイヤ突出し長に相当する距離だけ送給された時間に基づいて設定される、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のパルスアーク溶接のアークスタート制御方法である。

請求項７の発明は、前記過渡期間中は、前記溶接ワイヤの送給速度を前記定常溶接期間中の前記送給速度よりも早くする、
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のパルスアーク溶接のアークスタート制御方法である。

本発明によれば、ピーク電流値が減少するので、溶接ワイヤが損傷を受けても異常加熱状態に至ることがないために、アーク長が急速に長くなる現象の発生を抑制することができる。さらに、過渡期間中と定常溶接期間中とで、パルス周期又はピーク期間の平均値が所定値未満の差となるので、両期間中の溶接状態を良好に保つことができる。

本発明の実施の形態１に係るパルスアーク溶接のアークスタート制御方法を説明するためのタイミングチャートである。 縦軸に示す減少値Δｄ［Ａ］と横軸に示す溶接ワイヤの単位長抵抗値Ｒｗ［mω/mm］との関係を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るパルスアーク溶接のアークスタート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。 本発明の実施の形態２に係るパルスアーク溶接のアークスタート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。 本発明の実施の形態３に係るパルスアーク溶接のアークスタート制御方法を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施の形態３に係るパルスアーク溶接のアークスタート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１］
実施の形態１の発明は、アークスタート後の過渡期間中は、定常ピーク電流値を予め定めた減少値だけ減少させたピーク電流及び定常ベース電流値を予め定めた増加値だけ増加させたベース電流を通電する。過渡期間は、所定期間に設定される。

図１は、本発明の実施の形態１に係るパルスアーク溶接のアークスタート制御方法を説明するためのタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接開始信号Ｓｔの時間変化を示し、同図（Ｂ）は送給速度Ｆｗ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）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｅ）は過渡期間信号Ｓtkの時間変化を示す。同図において、上述した図７と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。

時刻ｔ１において、同図（Ａ）に示すように、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベル（溶接開始）に変化すると、溶接電源が起動されて、同図（Ｂ）に示すように、溶接ワイヤ１は予め定めたスローダウン速度による送給が開始され、同図（Ｄ）に示すように、無負荷電圧が溶接ワイヤ１と母材２との間に印加される。スローダウン速度は、１m/min程度の遅い速度に設定される。

時刻ｔ２において、溶接ワイヤ１の先端が母材２と接触すると、短い短絡の後にアーク３が発生する。これに応動して、同図（Ｃ）に示すように、時刻ｔ２〜ｔ３の予め定めたホットスタート期間Ｔｈ中は予め定めた大電流値のホットスタート電流Ｉｈ（５００Ａ程度）が通電する。同図（Ｄ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、時刻ｔ２から短い短絡の間は数Ｖの短絡電圧値に急減し、アーク３が発生すると時刻ｔ３まで数十Ｖのアーク電圧値に増加する。時刻ｔ２に溶接電流Ｉｗが通電を開始すると、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは傾斜を有して加速されて、時刻ｔ７に予め定めた定常送給速度Ｆwcに収束する。同様に、時刻ｔ２に溶接電流Ｉｗの通電が開始すると、同図（Ｅ）に示すように、過渡期間信号ＳtkがＨｉｇｈレベルにセットされ、所定期間経過後の時刻ｔ１０にＬｏｗレベルにリセットされる。過渡期間信号ＳtkがＨｉｇｈレベルの期間が過渡期間Ｔｋとなる。

時刻ｔ３にホットスタート期間Ｔｈが終了すると、時刻ｔ３〜ｔ４の期間中は、同図（Ｃ）に示すように、予め定めた過渡ベース電流Ｉbkが通電し、同図（Ｄ）に示すように、アーク長に比例した過渡ベース電圧Ｖbkが印加する。

時刻ｔ４〜ｔ５の予め定めたピーク期間Ｔｐ中は、同図（Ｃ）に示すように、予め定めた過渡ピーク電流Ｉpkが通電し、同図（Ｄ）に示すように、アーク長に比例した過渡ピーク電圧Ｖpkが印加する。時刻ｔ５〜ｔ６のベース期間Ｔｂ中は、同図（Ｃ）に示すように、上記の過渡ベース電流Ｉbkが通電し、同図（Ｄ）に示すように、上記の過渡ベース電圧Ｖbkが印加する。上述したように、時刻ｔ４〜ｔ６のパルス周期Ｔｆ中の溶接電圧Ｖｗの平均値が予め定めた溶接電圧設定信号Ｖｒと等しくなるようにパルス周期Ｔｆ（ベース期間Ｔｂ）がフィードバック制御（周波数変調制御）される。

時刻ｔ６〜ｔ８のパルス周期Ｔｆ、時刻ｔ８〜ｔ９のパルス周期Ｔｆ及び時刻ｔ９〜ｔ１１のパルス周期Ｔｆの動作は、時刻ｔ４〜ｔ６のパルス周期Ｔｆの動作と同様である。時刻ｔ６〜ｔ８のパルス周期Ｔｆ中の時刻ｔ７において、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは定常送給速度Ｆwcに収束する。また、時刻ｔ９〜ｔ１１のパルス周期Ｔｆ中の時刻ｔ１０において、所定期間が終了したために、同図（Ｅ）に示すように、過渡期間信号ＳtkがＬｏｗレベルに変化する。時刻ｔ２〜ｔ７の送給速度Ｆｗの傾斜期間は５０ms程度である。同図では、この傾斜期間中に２周期分の波形が描画されているが、実際には１０〜２０周期程度となる。時刻ｔ２〜ｔ１０の過渡期間Ｔｋは、１００〜５００ms程度の範囲に設定される。同図では、この過渡期間Ｔｋ中に４周期分の波形を描画しているが、実際には１０〜１００周期程度となる。

時刻ｔ１１〜ｔ１３のパルス周期Ｔｆからは同図（Ｅ）に示す過渡期間信号ＳtkがＬｏｗレベルであるので、定常溶接期間の動作となる。時刻ｔ１１〜ｔ１２の上記のピーク期間Ｔｐ中は、同図（Ｃ）に示すように、予め定めた定常ピーク電流Ｉpcが通電し、同図（Ｄ）に示すように、アーク長に比例した定常ピーク電圧Ｖpcが印加する。時刻ｔ１２〜ｔ１３のベース期間Ｔｂ中は、同図（Ｃ）に示すように、予め定めた定常ベース電流Ｉbcが通電し、同図（Ｄ）に示すように、アーク長に比例した定常ベース電圧Ｖbcが印加する。上述したように、時刻ｔ１１〜ｔ１３のパルス周期Ｔｆ中の溶接電圧Ｖｗの平均値が予め定めた溶接電圧設定信号Ｖｒと等しくなるようにパルス周期Ｔｆ（ベース期間Ｔｂ）がフィードバック制御（周波数変調制御）される。これ以降の定常溶接期間中は、上記の動作を繰り返すことになる。

上記の過渡ピーク電流Ｉpkは、上記の定常ピーク電流Ｉpcの値を予め定めた減少値Δｄだけ減少させた値に設定される。上記の過渡ベース電流Ｉbkは、上記の定常ベース電流Ｉbcの値を予め定めた増加値Δｕだけ増加させた値に設定される。定常ピーク電流Ｉpcは、臨界値以上の値であり、１パルス周期１溶滴移行状態となる範囲に設定される。定常ベース電流Ｉbcは、臨界値未満の値であり、ベース期間Ｔｂ中に溶滴が形成されない範囲に設定される。過渡ピーク電流Ｉpkは、臨界値以上の値であるが、減少値Δｄだけ減少させているので複数パルス周期１溶滴移行状態となることが多い。過渡ベース電流Ｉbkは、臨界値未満の値に設定されるが、増加値Δｕだけ増加されているので、ベース期間Ｔｂ中に溶滴が少し形成されることになる場合が多い。

アークスタート後の過渡期間Ｔｋ中にアーク長が急速に長くなる現象が発生したときのアーク状態を、高速度カメラを使用して観察した。アーク長が通常状態のときは、ワイヤ突出し部の下端に形成されている溶滴からアーク３が発生している。アーク長が急速に長くなる現象は、ワイヤ突出し部の中間位置で溶断し、その溶断部からアーク３が発生した状態であることが判別した。ワイヤ突出し部の中間位置で溶断する理由は、溶断位置のワイヤ１に損傷があり、そのために異常加熱されて溶断したことが判別した。溶接ワイヤ１に損傷が生じる理由は、前回の溶接終了時に送給速度Ｆｗが減速して送給が停止するときに、給電チップの内面と溶接ワイヤ１とが接触して給電する部分で摩擦、アーキング等によって溶接ワイヤ１に損傷が生じる場合があるためである。また、アークスタート時に送給速度Ｆｗが加速されるときも、同様にして溶接ワイヤ１に損傷が生じる場合があるためである。そして、給電チップ内で損傷した溶接ワイヤ１の個所が、ワイヤ突出し部の中間位置まで送給されるためには、アークスタート後に１００〜５００ms程度の時間がかかることになる。このために、アーク長が急速に長くなる現象は、アークスタート後の１００〜５００ms程度の範囲に生じる傾向がある。但し、溶接ワイヤ１が損傷を受けても、溶接ワイヤ１の単位長さ当たりの抵抗値（以下、単位長抵抗値という）が小さい場合には、異常加熱は生じにくいために、アーク長が急速に長くなる現象は発生しにくくなる。

したがって、アーク長が急速に長くなる現象が発生するのを抑制するためには、給電チップ内での溶接ワイヤへの損傷を防止するか、又は、異常加熱を防止するかになる。溶接ワイヤ１への損傷を防止することは難しいので、異常加熱を防止する対策を行うことにする。異常加熱は、溶接ワイヤの損傷部に大電流値のピーク電流が通電することによって発生する。このために、アークスタート後の過渡期間Ｔｋ中は、定常ピーク電流Ｉpcを減少値Δｄだけ減少させた過渡ピーク電流Ｉpkを通電することによって異常加熱を防止する。但し、過渡ピーク電流Ｉpkは、定常ピーク電流Ｉpcに近い値であるほど、すなわち、減少値Δｄが小さな値であるほど、溶滴移行状態は良好になる。換言すれば、減少値Δｄが大きくなると、溶滴移行状態が少し悪くなるので、スパッタが増加することになる。したがって、減少値Δｄは、アーク長が急速に長くなる現象が生じない範囲で、最小値に設定することが望ましい。異常加熱は溶接ワイヤの単位長抵抗値が大きいほど発生しやすくなる。このために、減少値Δｄの適正値は、溶接ワイヤ１の単位長抵抗値に応じて変化させることが望ましい。この関係については、図２で後述する。

過渡ピーク電流Ｉpkが定常ピーク電流Ｉpcよりも小さい値であるために、過渡期間Ｔｋ中のパルス周期Ｔｆの平均値は定常溶接期間中のパルス周期Ｔｆの平均値よりも長くなる。パルス周期Ｔｆが長くなると、溶接状態がやや不安定になる。パルス周期Ｔｆが変化する理由は、上述した周波数変調制御のためである。過渡期間Ｔｋ中のパルス周期Ｔｆの平均値を定常溶接期間中のパルス周期Ｔｆの平均値と等しくするためには、過渡ベース電流Ｉbkを定常ベース電流Ｉbcよりも大きくすれば良い。このために、過渡ベース電流Ｉbkは、定常ベース電流Ｉbcを増加値Δｕだけ増加させた値に設定される。したがって、増加値Δｕは、過渡ピーク電流Ｉpkが設定された後に、過渡期間Ｔｋ中のパルス周期Ｔｆの平均値と定常溶接期間中のパルス周期Ｔｆの平均値との差が所定値未満になるように設定される。所定値は、１０％程度である。

アーク長制御がパルス幅変調制御である場合には、パルス周期Ｔｆは固定値となり、ピーク期間（パルス幅）Ｔｐがフィードバック制御される。このために、過渡期間Ｔｋと定常溶接期間とでピーク期間Ｔｐの平均値の差が所定値未満になるように、過渡ベース電流Ｉbk（増加値Δｕ）を設定すれば良い。

図２は、縦軸に示す減少値Δｄ［Ａ］と横軸に示す溶接ワイヤの単位長抵抗値Ｒｗ［mω/mm］との関係を示す図である。

同図に示すように、Ｒｗ＜０．０３の範囲では、Δｄ＝０となっている。これは、溶接ワイヤの単位長抵抗値Ｒｗが小さいために、溶接ワイヤに損傷が生じても異常加熱にならないためである。溶接ワイヤの材質がアルミニウムである場合には、この範囲に属する。

Ｒｗ≧０．０３の範囲では、右肩上がりの直線となっている。すなわち、単位長抵抗値Ｒｗが大きくなるほど、減少値Δｄも大きくなる。直径１．２mmの軟鋼ソリッドワイヤの場合、Ｒｗ＝０．０９となり、Δｄ＝１０Ａとなる。直径０．９mmの軟鋼ソリッドワイヤの場合、Ｒｗ＝０．１６となり、Δｄ＝２０Ａとなる。直径１．２mmのステンレス鋼ソリッドワイヤの場合、Ｒｗ＝０．６５となり、Δｄ＝８０Ａとなる。直径１．２mmのステンレス鋼のメタル系コアートワイヤの場合、Ｒｗ＝０．８５となり、Δｄ＝１００Ａとなる。

図３は、図１で上述した本発明の実施の形態１に係るパルスアーク溶接のアークスタート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。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内を送給速度Ｆｗで送給されて、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、溶接トーチ４内の給電チッップ（図示は省略）と母材２との間に溶接電圧Ｖｗが印加する。

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、予め定めたピーク期間設定信号Ｔprを出力する。タイマ回路ＴＭは、上記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。

溶接開始回路ＳＴは、溶接電源を起動するときにＨｉｇｈレベルとなる溶接開始信号Ｓｔを出力する。この溶接開始回路ＳＴは、溶接トーチ４の起動スイッチ、溶接工程を制御するＰＬＣ、ロボット制御装置等が相当する。

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、上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、この値がしきい値（１０Ａ程度）以上のときは溶接電流Ｉｗが通電していると判別してＨｉｇｈレベルとなる電流通電判別信号Ｃｄを出力する。

ホットスタート期間回路ＳＴＨ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Ｈｉｇｈレベルに変化した時点から予め定めたホットスタート期間Ｔｈ中はＨｉｇｈレベルとなるホットスタート期間信号Ｓthを出力する。ホットスタート電流設定回路ＩＨＲは、予め定めたホットスタート電流設定信号Ｉhrを出力する。

溶接ワイヤ選択回路ＷＳは、使用する溶接ワイヤの材質及びその直径の組み合わせを選択して、溶接ワイヤ選択信号Ｗｓを出力する。例えば、直径１．２mmの軟鋼ソリッドワイヤを選択するとＷｓ＝１となり、直径０．９mmの軟鋼ソリッドワイヤを選択するとＷｓ＝２となり、直径１．２mmのステンレス鋼メタル系コアードワイヤを選択するとＷｓ＝３となる。

単位長抵抗値設定回路ＲＷＲは、上記の溶接ワイヤ選択信号Ｗｓを入力として、溶接ワイヤ選択信号Ｗｓに対応する溶接ワイヤの単位長抵抗値を内蔵されているデータベースから読みだして、単位長抵抗値設定信号Ｒwrを出力する。

減少値設定回路ΔＤＲは、上記の単位長抵抗値設定信号Ｒwrを入力として、図２で上述した関係式に基づいて算出された減少値設定信号Δｄｒ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。

定常ピーク電流設定回路ＩＰＣＲは、予め定めた定常ピーク電流設定信号Ｉpcrを出力する。定常ベース電流設定回路ＩＢＣＲは、予め定めた定常ベース電流設定信号Ｉbcrを出力する。

過渡ピーク電流設定回路ＩＰＫＲは、上記の定常ピーク電流設定信号Ｉpcr及び上記の減少値設定信号Δdrを入力として、定常ピーク電流設定信号Ｉpcrから減少値設定信号Δdrを減算して、過渡ピーク電流設定信号Ｉpkrとして出力する。

定常溶接期間パルス周期算出回路ＴＦＣは、上記の溶接電流平均値設定信号Ｉｒ、上記のピーク期間設定信号Ｔpr、上記の定常ピーク電流設定信号Ｉpcr及び上記の定常ベース電流設定信号Ｉbcrを入力として、Ｔfc＝（Ｔpr・（Ｉpcr−Ｉbcr））／（Ｉｒ−Ｉｂｃｒ）を算出して、定常溶接期間パルス周期信号Ｔfcを出力する。

過渡ベース電流設定回路ＩＢＫＲは、上記の溶接電流平均値設定信号Ｉｒ、上記の定常溶接期間パルス周期信号Ｔfc、上記のピーク期間設定信号Ｔpr及び上記の過渡ピーク電流設定信号Ｉpkrを入力として、Ｉbkr＝（Ｔfc・Ｉｒ−Ｔpr・Ｉpkr）／（Ｔfc−Ｔpr）を算出して、過渡ベース電流設定信号Ｉbkrとして出力する。

過渡期間回路ＳＴＫ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Ｈｉｇｈレベル（通電）に変化した時点から所定期間が経過するまでＨｉｇｈレベルとなる過渡期間信号Ｓtkを出力する。

ピーク電流設定回路ＩＰＲは、上記の過渡期間信号Ｓtk、上記の過渡ピーク電流設定信号Ｉpkr及び上記の定常ピーク電流設定信号Ｉpcrを入力として、過渡期間信号ＳtkがＨｉｇｈレベル（過渡期間）のときは過渡ピーク電流設定信号Ｉpkrをピーク電流設定信号Ｉprとして出力し、Ｓtk＝Ｌｏｗレベル（定常溶接期間）のときは定常ピーク電流設定信号Ｉpcrをピーク電流設定信号Ｉprとして出力する。

ベース電流設定回路ＩＢＲは、上記の過渡期間信号Ｓtk、上記の過渡ベース電流設定信号Ｉbkr及び上記の定常ベース電流設定信号Ｉbcrを入力として、過渡期間信号ＳtkがＨｉｇｈレベル（過渡期間）のときは過渡ベース電流設定信号Ｉbkrをベース電流設定信号Ｉbrとして出力し、Ｓtk＝Ｌｏｗレベル（定常溶接期間）のときは定常ベース電流設定信号Ｉbcrをベース電流設定信号Ｉbrとして出力する。

切換回路ＳＷは、上記のホットスタート期間信号Ｓth、上記のタイマ信号Ｔｍ、上記のホットスタート電流設定信号Ｉhr、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、ホットスタート期間信号ＳthがＨｉｇｈレベルのときはホットスタート電流設定信号Ｉhrを電流制御設定信号Ｉcrとして出力し、ホットスタート期間信号ＳthがＬｏｗレベルであり、かつ、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、ホットスタート期間信号ＳthがＬｏｗレベルであり、かつ、タイマ信号Ｔｍが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。

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、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。

送給速度設定回路ＦＲは、上記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、上記の送給速度設定信号Ｆｒ、上記の溶接開始信号Ｓｔ及び上記の電流通電判別信号Ｃｄを入力として、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベルになると予め定めたスローダウン速度で溶接ワイヤ１を送給するための送給制御信号Ｆｃを出力し、その後に電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルに変化すると予め定めた傾斜で加速して送給速度設定信号Ｆｒによって定まる送給速度Ｆｗ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。

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。パルス幅変調制御の場合は、上記のパルス周期信号Ｔｆを所定値に設定し、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖに基づいて上記のピーク期間設定信号Ｔprをフィードバック制御するようにすれば良い。このときに、上記の過渡ベース電流設定信号Ｉbkrは、過渡期間中のピーク期間の平均値と定常溶接期間中のピーク期間の平均値との差が所定値未満になるように設定すれば良い。

上述した実施の形態１によれば、アークスタート後の過渡期間中は、定常ピーク電流を予め定めた減少値だけ減少させた過渡ピーク電流及び定常ベース電流を予め定めた増加値だけ増加させた過渡ベース電流を通電する。減少値は、溶接ワイヤの単位長抵抗値に基づいて設定される。アーク長制御が周波数変調制御であるときは、増加値は、過渡期間中のパルス周期の平均値と定常溶接期間中のパルス周期の平均値との差が所定値未満になるように設定される。アーク長制御がパルス幅変調制御であるときは、増加値は、過渡期間中のピーク期間の平均値と定常溶接期間中のピーク期間の平均値との差が所定値未満になるように設定される。過渡期間は、所定期間に設定される。これにより、本実施の形態では、ピーク電流値が減少するので、溶接ワイヤが損傷を受けても異常加熱状態に至ることがないために、アーク長が急速に長くなる現象の発生を抑制することができる。さらに、過渡期間中と定常溶接期間中とで、パルス周期又はピーク期間の平均値が所定値未満の差となるので、両期間中の溶接状態を良好に保つことができる。

［実施の形態２］
実施の形態２の発明は、過渡期間が、溶接ワイヤがアークスタート後にワイヤ突出し長に相当する距離だけ送給された時間に基づいて設定されるものである。

図４は、実施の形態２に係るパルスアーク溶接のアークスタート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。同図は上述した図３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３に給電チッップ先端・母材間距離設定回路ＬＷＲ、送給距離設定回路ＬＲ及び送給距離算出回路ＬＤを追加し、図３の過渡期間回路ＳＴＫを第２過渡期間回路ＳＴＫ２に置換したものである。以下、同図を参照してこれらのブロックについて説明する。

給電チッップ先端・母材間距離設定回路ＬＷＲは、予め定めた給電チップ先端・母材間距離設定信号Ｌwrを出力する。送給距離設定回路ＬＲは、この給電チップ先端・母材間距離設定信号Ｌwrを入力として、この値から予め定めたアーク長設定値を減算してワイヤ突出し長を算出し、このワイヤ突出し長に予め定めた余裕率を乗算して、送給距離設定信号Ｌｒとして出力する。アーク長設定値は、溶接中の平均アーク長であり、３mm程度である。余裕率は、１２０％程度に設定される。数値例を挙げると、Ｌwr＝２０mmの場合、Ｌｒ＝（２０−３）・１．２＝２０．４mmとなる。

送給距離算出回路ＬＤは、上記のワイヤ送給モータＷＭからの送給速度検出信号Ｆｄ及び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Ｈｉｇｈレベル（通電）に変化し、送給速度検出信号Ｆｄが加速を終了して定常送給速度に収束した時点から送給速度検出信号Ｆｄを積分して送給距離を算出し、送給距離算出信号Ｌｄとして出力する。

第２過渡期間回路ＳＴＫ２は、上記の電流通電判別信号Ｃｄ、上記の送給距離設定信号Ｌｒ及び上記の送給距離算出信号Ｌｄを入力として、電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベル（通電）に変化するとＨｉｇｈレベルにセットされ、送給距離算出信号Ｌｄの値が送給距離設定信号Ｌｒの値に達した時点でＬｏｗレベルにリセットされる過渡期間信号Ｓtkを出力する。

本発明の実施の形態２に係るパルスアーク溶接のアークスタート制御方法を説明するためのタイミングチャートは、上述した図１と同一であるので、説明は繰り返さない。但し同図（Ｅ）に示す過渡期間信号ＳtkのＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへの変化タイミングのみが異なっている。すなわち、過渡期間Ｔｋの終了タイミングが異なっている。実施の形態１では、過渡期間Ｔｋの開始時点から所定期間が経過した時点で終了タイミングとなっていた。これに対して、実施の形態２では、以下の処理によって終了タイミングが決まることになる。
１）図１（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗ（送給速度検出信号Ｆｄ）が定常送給速度に収束した時刻ｔ７から送給速度Ｆｗを積分して送給距離算出信号Ｌｄを算出する。
２）送給距離算出信号Ｌｄの値が送給距離設定信号Ｌｒの値に達した時刻ｔ１０において、同図（Ｅ）に示すように、過渡期間信号ＳtkをＬｏｗレベルに変化させる。

上述したように、溶接ワイヤが損傷を受けるのは、前回の溶接を終了する際の送給速度Ｆｗの減速時及び今回のアークスタート時における送給速度Ｆｗの加速時である。このために、損傷を受ける最後のタイミングは、加速状態が終了する時刻ｔ７となる。したがって、上記１）によって、損傷を受ける可能性のある最後のタイミングから、損傷個所が送給される距離を算出している。そして、この送給距離算出信号Ｌｄが、ワイヤ突出し長に余裕率を乗算した送給距離設定信号Ｌｒに達したことを上記２）によって判別している。

上述した実施の形態２によれば、過渡期間は、溶接ワイヤがアークスタート後にワイヤ突出し長に相当する距離だけ送給された時間に基づいて設定される。これにより、実施の形態１の効果に加えて、以下の効果を奏する。すなわち、本実施の形態では、過渡期間を最適値に自動設定することができるので、種々の溶接条件ごとに過渡期間を適正値に設定するための実験を行う必要がない。このために、生産準備が効率化する。さらに、過渡期間が常に最適値に設定されるので、迅速に定常溶接状態へと収束させることができる。

［実施の形態３］
実施の形態３の発明は、上記の過渡期間中は、溶接ワイヤの送給速度を定常溶接期間中の送給速度よりも早くするものである。

図５は、本発明の実施の形態３に係るパルスアーク溶接のアークスタート制御方法を説明するためのタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接開始信号Ｓｔの時間変化を示し、同図（Ｂ）は送給速度Ｆｗ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）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｅ）は過渡期間信号Ｓtkの時間変化を示す。同図は上述した図１と対応しており、同図（Ｂ）に示す送給速度Ｆｗの動作のみが異なっている。すなわち、図１においては過渡期間Ｔｋ中も定常溶接期間中も送給速度Ｆｗは一定値である。これに対して、同図では、異なる送給速度となる。以下、同図を参照して送給速度Ｆｗの動作について説明する。

時刻ｔ２において溶接電流Ｉｗが通電を開始すると、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは傾斜を有して加速されて、時刻ｔ７に予め定めた過渡期間送給速度Ｆwkに収束する。時刻ｔ１０において、所定期間が終了したために、同図（Ｅ）に示すように、過渡期間信号ＳtkがＬｏｗレベルに変化し、過渡期間Ｔｋが終了して定常溶接期間となる。時刻ｔ１０からの定常溶接期間中は、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは予め定めた定常送給速度Ｆwcに切り換えられる。上記の過渡期間送給速度Ｆwkは上記の定常送給速度Ｆwcよりも高速な値に設定され、定常送給速度Ｆwcの１１０〜１３０％程度となる。

過渡期間中はアーク長が急速に長くなる現象の発生を抑制するために、ピーク電流及びベース電流は最適値から外れた値に設定される。このために、最適値に設定される定常溶接期間中に比べて過渡期間中の溶滴移行状態は少し悪くなる。本実施の形態では、過渡期間中の送給速度を早くするので、過渡期間を短く設定することができる。この結果、溶接品質を実施の形態１よりも向上させることができる。

図６は、図５で上述した本発明の実施の形態３に係るパルスアーク溶接のアークスタート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。同図は上述した図３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３の送給速度設定回路ＦＲを定常送給速度設定回路ＦＣＲに置換し、第２送給速度設定回路ＦＲ２を追加したものである。以下、同図を参照してこれらのブロックについて説明する。

定常送給速度設定回路ＦＣＲは、上記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の値に対応した定常送給速度設定信号Ｆcrを算出して出力する。

第２送給速度設定回路ＦＲ２は、上記の過渡期間信号Ｓtk及び上記の定常送給速度設定信号Ｆcrを入力として、過渡期間信号ＳtkがＬｏｗレベルのときは定常送給速度設定信号Ｆcrを送給速度設定信号Ｆｒとして出力し、Ｈｉｇｈレベルのときは定常送給速度設定信号Ｆcrの値を所定値だけ大きくした過渡期間送給速度を送給速度設定信号Ｆｒとして出力する。

本実施の形態は、実施の形態１を基礎とした場合であるが、実施の形態２を基礎とした場合も同様である。

上述した実施の形態３によれば、過渡期間中は、溶接ワイヤの送給速度を定常溶接期間中よりも早くする。これにより、実施の形態１及び２の効果に加えて、以下の効果を奏する。すなわち、本実施の形態では、過渡期間中の送給速度が早くなるために、アーク長が急速に長くなる現象が早期に発生する。このために、過渡期間を短く設定することができるので、溶接品質をより向上させることができる。

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
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
ＦＣＲ 定常送給速度設定回路
Ｆcr 定常送給速度設定信号
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
ＦＲ２ 第２送給速度設定回路
Ｆｗ 送給速度
Ｆwc 定常送給速度
Ｆwk 過渡期間送給速度
Ｉｂ ベース電流
Ｉbc 定常ベース電流
ＩＢＣＲ 定常ベース電流設定回路
Ｉbcr 定常ベース電流設定信号
Ｉbk 過渡ベース電流
ＩＢＫＲ 過渡ベース電流設定回路
Ｉbkr 過渡ベース電流設定信号
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
Ｉｈ ホットスタート電流
ＩＨＲ ホットスタート電流設定回路
Ｉhr ホットスタート電流設定信号
Ｉｐ ピーク電流
Ｉpc 定常ピーク電流
ＩＰＣＲ 定常ピーク電流設定回路
Ｉpcr 定常ピーク電流設定信号
Ｉpk 過渡ピーク電流
ＩＰＫＲ 過渡ピーク電流設定回路
Ｉpkr 過渡ピーク電流設定信号
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
Ｉｗ 溶接電流
ＬＤ 送給距離算出回路
Ｌｄ 送給距離算出信号
ＬＲ 送給距離設定回路
Ｌｒ 送給距離設定信号
ＬＷＲ 給電チッップ先端・母材間距離設定回路
Ｌwr 給電チップ先端・母材間距離設定信号
ＰＭ 電源主回路
Ｒｗ 単位長抵抗値
ＲＷＲ 単位長抵抗値設定回路
Ｒwr 単位長抵抗値設定信号
ＳＴ 溶接開始回路
Ｓｔ 溶接開始信号
ＳＴＨ ホットスタート期間回路
Ｓth ホットスタート期間信号
ＳＴＫ 過渡期間回路
Ｓtk 過渡期間信号
ＳＴＫ２ 第２過渡期間回路
ＳＷ 切換回路
Ｔｂ ベース期間
Ｔｆ パルス周期（信号）
ＴＦＣ 定常溶接期間パルス周期算出回路
Ｔfc 定常溶接期間パルス周期信号
Ｔｈ ホットスタート期間
Ｔｋ 過渡期間
ＴＭ タイマ回路
Ｔｍ タイマ信号
Ｔｐ ピーク期間
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
Ｖbc 定常ベース電圧
Ｖbk 過渡ベース電圧
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
Ｖpc 定常ピーク電圧
Ｖpk 過渡ピーク電圧
ＶＲ 溶接電圧設定回路
Ｖｒ 溶接電圧設定信号
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＭ ワイヤ送給モータ
ＷＳ 溶接ワイヤ選択回路
Ｗｓ 溶接ワイヤ選択信号
Δｄ 減少値
ΔＤＲ 減少値設定回路
Δdr 減少値設定信号
Δｕ 増加値

Claims (7)

1. 溶接ワイヤを送給し、定常溶接期間中はピーク期間中の定常ピーク電流及びベース期間中の定常ベース電流を１パルス周期とする溶接電流を通電して溶接するパルスアーク溶接のアークスタート制御方法において、
   アークスタート後の過渡期間中は、前記定常ピーク電流を予め定めた減少値だけ減少させた過渡ピーク電流及び前記定常ベース電流を予め定めた増加値だけ増加させた過渡ベース電流を通電する、
   ことを特徴とするパルスアーク溶接のアークスタート制御方法。
2. 前記減少値は、前記溶接ワイヤの単位長抵抗値に基づいて設定される、
   ことを特徴とする請求項１記載のパルスアーク溶接のアークスタート制御方法。
3. アーク長制御が周波数変調制御であるときは、前記増加値は、前記過渡期間中の前記パルス周期の平均値と前記定常溶接期間中の前記パルス周期の平均値との差が所定値未満になるように設定される、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載のパルスアーク溶接のアークスタート制御方法。
4. アーク長制御がパルス幅変調制御であるときは、前記増加値は、前記過渡期間中の前記ピーク期間の平均値と前記定常溶接期間中の前記ピーク期間の平均値との差が所定値未満になるように設定される、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載のパルスアーク溶接のアークスタート制御方法。
5. 前記過渡期間は、所定期間に設定される、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のパルスアーク溶接のアークスタート制御方法。
6. 前記過渡期間は、前記溶接ワイヤが前記アークスタート後にワイヤ突出し長に相当する距離だけ送給された時間に基づいて設定される、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のパルスアーク溶接のアークスタート制御方法。
7. 前記過渡期間中は、前記溶接ワイヤの送給速度を前記定常溶接期間中の前記送給速度よりも早くする、
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のパルスアーク溶接のアークスタート制御方法。

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