JP2019005766A - 非消耗電極パルスアーク溶接制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】非消耗電極パルスアーク溶接において、アーク切れの発生を抑制すること。
【解決手段】非消耗の電極と母材との間に溶接電圧Ｖｗを印加し、ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂから形成されるパルス波形の溶接電流Ｉｗを通電してアークを発生させて溶接する非消耗電極パルスアーク溶接制御方法において、アーク発生中の溶接電圧Ｖｗが基準電圧値以上となり、かつ、溶接電圧Ｖｗの上昇率が基準上昇率以上となったときはアーク切れの前兆状態であると判別（Ａｄ）し、時刻ｔ３の判別時点で溶接電流Ｉｗをピーク電流Ｉｐに移行させる。これにより、アーク切れの前兆状態を判別して大電流値のピーク電流Ｉｐを通電するので、アーク切れの発生を抑制することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、非消耗の電極と母材との間に溶接電圧を印加し、ピーク電流及びベース電流から形成され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非消耗電極パルスアーク溶接制御方法に関するものである。

非消耗電極アーク溶接には、ティグ溶接、プラズマアーク溶接等がある。非消耗電極アーク溶接では、電極にタングステン電極等の非消耗電極を使用し、アルゴンガス等のシールドガスによって大気から遮蔽した状態中で、電極と母材との間にアークを発生させて溶接を行う。鉄鋼、ステンレス鋼等に対しては直流非消耗電極アーク溶接が使用され、アルミニウム等に対しては交流非消耗電極アーク溶接が使用される。また、溶接電流をパルス波形とする非消耗電極パルスアーク溶接も使用される。

非消耗電極アーク溶接においては、溶接開始時に、高周波発生回路から電極と母材との間に高周波高電圧を印加して、アークを点弧するのが一般的である。高周波高電圧とは、数ＭＨｚ数ｋＶ程度である。アークが一旦点弧すると、高周波高電圧の印加は停止される。すなわち、アーク発生中は高周波高電圧は印加されない。溶接中に所定期間(１００ms程度)以上のアーク切れが発生した場合には、再びアークを点弧するために、高周波高電圧が印加される。交流非消耗電極アーク溶接では、極性が切り換わるときに一旦アークが消弧するので、極性切換時に高周波高電圧を印加する(特許文献１参照)。極性切換時に、高周波高電圧の代わりに直流の高電圧を短時間印加する場合もある。

特開平１−１５４８７０号公報

溶接中にアーク切れが発生すると、溶け込み深さ、ビード外観等の溶接品質が悪くなる。アーク切れは、溶接電流が小電流値であるとき、電極と母材との距離が変動したとき、母材の表面状態が悪いとき、シールド状態が悪いとき等に発生しやすくなる。したがって、アーク切れの発生を抑制することは、高品質の溶接を行うために重要である。

ピーク電流及びベース電流から形成されるパルス波形の溶接電流を通電して溶接する非消耗電極パルスアーク溶接が慣用されている。非消耗電極パルスアーク溶接では、ベース電流は数十Ａ以下の小電流値であることが多いので、上述したように、ベース電流の通電期間中に外乱によってアーク切れが発生しやすくなる。アーク切れが発生してから高周波高電圧を印加してアークを再点弧させた場合、ビード外観が悪くなり、溶接品質が劣化する。

そこで、本発明では、アーク切れの発生を抑制することができる非消耗電極パルスアーク溶接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、
非消耗の電極と母材との間に溶接電圧を印加し、ピーク電流及びベース電流から形成され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非消耗電極パルスアーク溶接制御方法において、
前記アーク発生中の前記溶接電圧が基準電圧値以上となり、かつ、前記溶接電圧の上昇率が基準上昇率以上となったときはアーク切れの前兆状態であると判別し、
前記判別時点で前記溶接電流を前記ピーク電流に移行させる、
ことを特徴とする非消耗電極パルスアーク溶接制御方法である。

請求項２の発明は、前記判別後の所定回数の前記ピーク電流の値を、前記判別以前の前記ピーク電流の値とは異なる値に設定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の非消耗電極パルスアーク溶接制御方法である。

請求項３の発明は、前記判別以前の前記溶接電流のパルス周波数が５０Ｈｚ以上であるときは、前記判別以後の前記パルス周波数を高くする、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の非消耗電極パルスアーク溶接制御方法である。

本発明によれば、アーク切れの前兆状態を判別して、大電流値のピーク電流を通電するので、アーク切れの発生を抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る非消耗電極パルスアーク溶接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。 図１で上述した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に係る非消耗電極パルスアーク溶接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に係る非消耗電極パルスアーク溶接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、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、アーク発生中の溶接電圧が基準電圧値以上となり、かつ、溶接電圧の上昇率が基準上昇率以上となったときはアーク切れの前兆状態であると判別し、判別時点で溶接電流をピーク電流に移行させるものである。

図１は、本発明の実施の形態１に係る非消耗電極パルスアーク溶接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、非消耗電極パルスアーク溶接がパルスティグ溶接の場合である。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、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってインバータ制御等の出力制御を行い、溶接電流Ｉｗを出力する。溶接電流Ｉｗは、溶接トーチ４、電極１、アーク３及び母材２を通って通電し、電極１と母材２との間に溶接電圧Ｖｗが印加する。

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。Ｉpr＞Ｉbrである。

パルス周波数設定回路ＦＲは、予め定めたパルス周波数設定信号Ｆｒを出力する。Ｆｒ＝０．５〜５００Ｈｚ程度である。デューティ設定回路ＤＲは、デューティ設定信号Ｄｒを出力する。Ｄｒは、１周期に占めるピーク期間の百分率である。Ｄｒ＝３０〜７０％程度である。期間設定回路ＴＲは、上記のパルス周波数設定信号Ｆｒ及び上記のデューティ設定信号Ｄｒを入力として、両値からピーク期間及びベース期間の時間長さを算出して、ピーク期間設定信号Ｔpr及びベース期間設定信号Ｔbrを出力する。ここで、Ｔpr＝（１／ｆｒ）×（Ｄｒ／１００）であり、Ｔbr＝（１／Ｆｒ）−Ｔprである。

タイマ回路ＴＭは、上記のピーク期間設定信号Ｔpr、上記のベース期間設定信号Ｔbr及び後述するアーク切れ前兆判別信号Ａｄを入力として、以下の処理を行い、タイマ信号Ｔｍを出力する。タイマ信号ＴｍがＨｉｇｈレベルのときがピーク期間Ｔｐとなり、Ｌｏｗレベルのときがベース期間Ｔｂとなる。
１）ピーク期間設定信号Ｔprによって定まるピーク期間Ｔｐ中はＨｉｇｈレベルとなるタイマ信号Ｔｍを出力する。
２）続けて、ベース期間設定信号Ｔbrによって定まるベース期間Ｔｂ中はＬｏｗレベルとなるタイマ信号Ｔｍを出力する。
３）上記の１）及び２）の動作を繰り返す。但し、アーク切れ前兆判別信号ＡｄがＨｉｇｈレベルに変化したときは強制的に１）の動作に移行する。

電流設定回路ＩＲは、上記のピーク電流設定信号Ｉpr、上記のベース電流設定信号Ｉbr及び上記のタイマ信号Ｔｍ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を電流設定信号Ｉｒとして出力し、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を電流設定信号Ｉｒとして出力する。

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。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流設定信号Ｉｒと上記の電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。この電流誤差増幅信号Ｅｉに従って溶接電源の出力制御が行われることによって定電流制御され、ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂから形成される溶接電流Ｉｗが通電する。

溶接開始回路ＳＴは、溶接を開始するときに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、手動溶接の場合には、溶接トーチ４に取り付けられたトーチスイッチが対応し、ロボット溶接の場合にはロボット制御装置が対応する。

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(１Ａ程度)以上のときはアークが発生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。

電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。

基準電圧設定回路ＶＴＲは、予め定めた基準電圧設定信号Ｖtrを出力する。基準上昇率設定回路ＤＴＲは、予め定めた正の値である基準上昇率設定信号Ｄtrを出力する。

電圧微分回路ＤＶは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、電圧検出信号Ｖｄの微分を行い、電圧微分信号Ｄｖを出力する。

アーク切れ前兆判別回路ＡＤは、上記の電流通電判別信号Ｃｄ、上記の電圧検出信号Ｖｄ、上記の基準電圧設定信号Ｖtr及び上記の基準上昇率設定信号Ｄtrを入力として、電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベル(アーク発生中)であるときに、電圧検出信号Ｖｄの値が基準電圧設定信号Ｖtrによって定まる基準電圧値Ｖｔ以上となり、かつ、電圧微分信号Ｄｖの値が基準上昇率設定信号Ｄtrによって定まる基準上昇率Ｄｔ以上になったときは短時間だけＨｉｇｈレベルとなるアーク切れ前兆判別信号Ａｄを出力する。

高周波制御回路ＨＣは、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(起動)であり、かつ、電流通電判別信号ＣｄがＬｏｗレベル(非通電)であるときはＨｉｇｈレベルとなる高周波制御信号Ｈｃを出力する。ＨｃがＨｉｇｈレベルとなるときは、溶接開始時にアークを点弧させるとき、又は、溶接中にアーク切れが発生したときである。

高周波発生回路ＨＦは、従来技術と同一の構成であるので詳細な構成は省略するが、高電圧変圧器、火花ギャップ、共振コンデンサ等から成り、上記の高周波制御信号Ｈｃを入力として、高周波制御信号ＨｃがＨｉｇｈレベルのときは高周波高電圧Ｈｆを出力する。

カップリングコイルＣＣは、溶接電流Ｉｗの通電路に挿入され、上記の高周波高電圧Ｈｆを電極１と母材２との間に印加する。バイパスコンデンサＣは、高周波高電圧が電源主回路ＰＭに印加されないようにバイパスする。

図２は、図１で上述した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)は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図(Ｂ)は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図(Ｃ)は電流通電判別信号Ｃｄの時間変化を示し、同図(Ｄ)はアーク切れ前兆判別信号Ａｄの時間変化を示す。同図は、アーク発生中のベース期間中に外乱によってアーク長が長くなり、アーク切れの前兆状態となったときである。以下、同図を参照して各信号の動作について説明する。

時刻ｔ０以前の期間中は、安定したアーク発生状態にある。この期間中は、同図(Ａ)に示すように、ピーク電流設定信号Ｉprによって定まるピーク電流Ｉｐ及びベース電流設定信号Ｉbrによって定まるベース電流Ｉｂが、パルス周波数設定信号Ｆｒによって定まるパルス周波数及びデューティ設定信号Ｄｒによってさだまるデューティのパルス波形を形成して通電する。同図(Ｂ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは、アーク長と比例した値となるパルス波形となる。同図(Ｃ)に示すように、電流通電判別信号Ｃｄは、溶接電流Ｉｗが通電しているので全期間Ｈｉｇｈレベルとなっている。同図(Ｄ)に示すように、アーク切れ前兆判別信号Ａｄは溶接電圧Ｖｗが通常値であるのでＬｏｗレベルとなっている。

時刻ｔ０からベース期間に入る。ベース期間中の時刻ｔ１から外乱によってアーク長が長くなり、アーク切れの前兆状態となる。アーク長が長くなると、同図(Ｂ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは時刻ｔ１から次第に上昇し、その上昇率も次第に大きくなる。時刻ｔ２において、溶接電圧Ｖｗは予め定めた基準電圧値Ｖｔ以上となり、時刻ｔ３において溶接電圧Ｖｗの上昇率(電圧微分信号Ｄｖ)が予め定めた基準上昇率Ｄｔ以上となる。時刻ｔ３において、同図(Ｃ)に示す電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルであり、かつ、溶接電圧Ｖｗが基準電圧値Ｖｔ以上であり、かつ、溶接電圧Ｖｗの上昇率が基準上昇率Ｄｔ以上であるので、同図(Ｄ)に示すように、アーク切れ前兆判別信号Ａｄが短時間だけＨｉｇｈレベルに変化する。これをトリガとして、図示しないタイマ信号ＴｍがＬｏｗレベル(ベース期間)からＨｉｇｈレベル(ピーク期間)に変化する。これに応動して、ベース期間を中断してピーク期間へと強制的に移行するので、同図(Ａ)に示すように、時刻ｔ３からピーク電流Ｉｐが通電する。大電流値のピーク電流Ｉｐの通電によって、アークは硬直性が強くなり電極１と母材２との最短距離に形成されるように誘導される。この結果、アーク長は次第に短くなり、通常値へと戻される。同図(Ｂ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは、時刻ｔ３から減少して通常値へと戻る。時刻ｔ３以後の期間中は、再び安定したアーク発生状態となるので、時刻ｔ０以前と同様のパルス波形の溶接電流Ｉｗが通電する。

上記の基準電圧値Ｖｔは、アーク長が正常範囲あるときの溶接電圧Ｖｗの最大値と、アーク切れが発生したときの無負荷電圧値との中間の値に設定される。アーク長が正常範囲にあるときの溶接電圧Ｖｗの最大値は例えば４０Ｖであり、無負荷電圧値は例えば７０Ｖであるので、例えば基準電圧値Ｖｔ＝５０Ｖに設定される。上記の基準上昇率Ｄｔは、アーク切れの前兆状態を検出できるように実験によって適正値を求める。例えば、Ｄｔ＝５Ｖ／msに設定される。

アーク切れの前兆状態を、溶接電圧Ｖｗの値に加えて溶接電圧Ｖｗの上昇率によって判別しているのは、どちらか片方だけでは前兆状態を後判別するおそれがあるためである。さらには、どちらか片方だけでは、前兆状態を判別するのが遅くなり、アーク切れを防止することができない場合が生じるからである。両方を使用することによって、アーク切れの前兆状態を正確に、かつ、早期に判別することができる。このために、アーク切れの発生をより確実に防止することができる。

上述した実施の形態１によれば、アーク発生中の溶接電圧が基準電圧値以上となり、かつ、溶接電圧の上昇率が基準上昇率以上となったときはアーク切れの前兆状態であると判別し、判別時点で溶接電流をピーク電流に移行させる。これにより、本実施の形態では、アーク切れの前兆状態を判別して、大電流値のピーク電流の通電へと移行させるので、アーク切れの発生を抑制することができる。

［実施の形態２］
実施の形態２の発明は、アーク切れ前兆判別後の所定回数のピーク電流の値を、判別以前のピーク電流の値とは異なる値に設定するものである。

図３は、本発明の実施の形態２に係る非消耗電極パルスアーク溶接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１と対応しており、同一の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のピーク電流設定回路ＩＰＲを第２ピーク電流設定回路ＩＰＲ２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ピーク電流設定回路ＩＰＲ２は、上記のアーク切れ前兆判別信号Ａｄ及び上記のタイマ信号Ｔｍを入力として、アーク切れ前兆判別信号ＡｄがＨｉｇｈレベルに変化した時点からタイマ信号Ｔｍが所定回数Ｈｉｇｈレベルを繰り返す期間中は予め定めたアーク切れ抑制電流値となり、その他の期間中は予め定めた通常値となるピーク電流設定信号Ｉprを出力する。通常値は溶接作業者が母材に合わせて設定する値であるので、アーク切れの抑制のために適正値となるとは限らない。このために、アーク切れ抑制電流値を、アーク切れ抑制のための適正値に設定することが望ましい。例えば、アーク切れ抑制電流値は、２００〜３００Ａ程度に設定される。所定回数は、１〜１０程度である。アーク切れ抑制電流値及び所定回数は、アーク切れを確実に抑制することができるように実験によって適正値に設定される。

図３で上述した溶接電源における各信号のタイミングチャートは、図２と同一であるので説明は省略する。但し、時刻ｔ３においてアーク切れの前兆状態が判別されてから、所定回数のピーク電流値が予め定めたアーク切れ抑制電流値となる点は異なっている。

上述した実施の形態２によれば、アーク切れ前兆判別後の所定回数のピーク電流の値を、判別以前のピーク電流の値とは異なる値に設定する。これにより、アーク切れを抑制するための適正なピーク電流を通電することができるので、より確実にアーク切れを抑制することができる。

［実施の形態３］
実施の形態３の発明は、アーク切れ前兆判別以前の溶接電流のパルス周波数が５０Ｈｚ以上であるときは、判別以後のパルス周波数を高くするものである。

図４は、本発明の実施の形態３に係る非消耗電極パルスアーク溶接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１と対応しており、同一の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、パルス周波数設定回路ＦＲを第２パルス周波数設定回路ＦＲ２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パルス周波数設定回路ＦＲ２は、上記のアーク切れ前兆判別信号Ａｄを入力として、アーク切れ前兆判別信号ＡｄがＨｉｇｈレベルに変化する以前は予め定めた通常値のパルス周波数設定信号Ｆｒを出力し、通常値が５０Ｈｚ以上であるときにアーク切れ前兆判別信号ＡｄがＨｉｇｈレベルに変化した以後は予め定めた高パルス周波数のパルス周波数設定信号Ｆｒを出力する。高パルス周波数＝通常値×（１．２〜１．５）程度である。

パルス周波数が５０Ｈｚ以上であるときは、パルス周波数が高くなるほどアークの硬直性は強くなる。したがって、アーク切れの前兆状態を判別したときは、それ以後のパルス周波数を高くすることによって、それ以後はアーク切れの前兆状態に至ることを予防することができる。

図４で上述した溶接電源における各信号のタイミングチャートは、図２と同一であるので説明は省略する。但し、時刻ｔ３においてアーク切れの前兆状態が判別された以後のパルス周波数が高くなる点は異なっている。実施の形態３の発明は、実施の形態１を基礎としているが、実施の形態２を基礎としても良い。

上述した実施の形態３によれば、アーク切れ前兆判別以前の溶接電流のパルス周波数が５０Ｈｚ以上であるときは、判別以後のパルス周波数を高くする。これにより、一旦アーク切れの前兆状態を判別すると、以後の期間中はパルス周波数が高くなるので、アーク切れの前兆状態に至ることを予防することができる。このために、より確実にアーク切れを抑制することができる。

上述した実施の形態においては、非消耗電極パルスアーク溶接がパルスティグ溶接である場合を説明したが、交流パルスティグ溶接、パルスプラズマアーク溶接の場合も同様である。

１ 非消耗の電極
２ 母材
３ アーク
４ 溶接トーチ
ＡＤ アーク切れ前兆判別回路
Ａｄ アーク切れ前兆判別信号
Ｃ バイパスコンデンサ
ＣＣ カップリングコイル
ＣＤ 電流通電判別回路
Ｃｄ 電流通電判別信号
ＤＲ デューティ設定回路
Ｄｒ デューティ設定信号
Ｄｔ 基準上昇率
ＤＴＲ 基準上昇率設定回路
Ｄtr 基準上昇率設定信号
ＤＶ 電圧微分回路
Ｄｖ 電圧微分信号
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＦＲ パルス周波数設定回路
Ｆｒ パルス周波数設定信号
ＦＲ２ 第２パルス周波数設定回路
ＨＣ 高周波制御回路
Ｈｃ 高周波制御信号
Ｈｆ 高周波高電圧
ＨＦ 高周波発生回路
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 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｐ ピーク電流
ＩＰＲ ピーク電流設定回路
Ｉpr ピーク電流設定信号
ＩＰＲ２ 第２ピーク電流設定回路
ＩＲ 電流設定回路
Ｉｒ 電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＰＭ 電源主回路
ＳＴ 溶接開始回路
Ｓｔ 溶接開始信号
Ｔｂ ベース期間
Ｔbr ベース期間設定信号
ＴＭ タイマ回路
Ｔｍ タイマ信号
Ｔｐ ピーク期間
Ｔpr ピーク期間設定信号
ＴＲ 期間設定回路
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖｔ 基準電圧値
ＶＴＲ 基準電圧設定回路
Ｖtr 基準電圧設定信号
Ｖｗ 溶接電圧

Claims (3)

1. 非消耗の電極と母材との間に溶接電圧を印加し、ピーク電流及びベース電流から形成され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非消耗電極パルスアーク溶接制御方法において、
   前記アーク発生中の前記溶接電圧が基準電圧値以上となり、かつ、前記溶接電圧の上昇率が基準上昇率以上となったときはアーク切れの前兆状態であると判別し、
   前記判別時点で前記溶接電流を前記ピーク電流に移行させる、
   ことを特徴とする非消耗電極パルスアーク溶接制御方法。
2. 前記判別後の所定回数の前記ピーク電流の値を、前記判別以前の前記ピーク電流の値とは異なる値に設定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の非消耗電極パルスアーク溶接制御方法。
3. 前記判別以前の前記溶接電流のパルス周波数が５０Ｈｚ以上であるときは、前記判別以後の前記パルス周波数を高くする、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の非消耗電極パルスアーク溶接制御方法。

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