JP2021020232A - 被覆アーク溶接制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被覆アーク溶接方法において、タック溶接のように溶接開始と終了とを短い周期で繰り返す場合における溶接作業性を良好にすること。【解決手段】溶接電流Ｉｗの通電中に溶接電圧Ｖｗが基準電圧値以上になったことを判別すると溶接電源の出力を停止して溶接を終了する被覆アーク溶接制御方法において、時刻ｔ２に溶接電源の出力を停止した後に、時刻ｔ３に溶接電源の出力をホットスタート電圧値Ｖｗｈで再開し、その後に溶接電流Ｉｗが通電しない期間がホットスタート期間Ｔｈ継続したときは、時刻ｔ４に溶接電圧Ｖｗをホットスタート電圧値Ｖｗｈよりも小さな値の電撃防止電圧値Ｖｗｄまで低下させる。溶接電圧Ｖｗをホットスタート電圧Ｖｗｈ値に制御するときは、溶接電源を定電圧制御する。ホットスタート電圧値Ｖｗｈを、被覆アーク溶接棒の直径及び／又は材質に応じて変化させる。【選択図】図２

Description

本発明は、溶接電流の通電中に溶接電圧が基準電圧値以上になったことを判別すると溶接電源の出力を停止して溶接を終了する被覆アーク溶接制御方法に関するものである。

近年は、消耗電極式アーク溶接と非消耗電極式アーク溶接とを選択して使用することができる複合溶接電源の需要が高まっている。消耗電極式アーク溶接としては、炭酸ガスアーク溶接、マグ溶接、ミグ溶接、被覆アーク溶接等が可能である。非消耗電極式アーク溶接としては、簡易式のティグ溶接が可能である。

溶接電源のメインスイッチがオン状態となり、溶接モードとして被覆アーク溶接モードが選択されると、溶接電源は出力を開始する。アークが点弧していない無負荷状態では、溶接電圧は溶接電源が出力できる８０〜１２０Ｖ程度の最大電圧値となる。この最大電圧値が被覆溶接棒と母材との間に印加されているので、溶接作業者が感電するおそれがある。このために、被覆アーク溶接では、無負荷状態での溶接電圧を１５Ｖ程度の低い値に制御する電撃防止機能が付加されている。

被覆アーク溶接では、溶接作業者が溶接ホルダーの被覆溶接棒を母材に接触させて引き上げてアークを点弧する、いわゆるタッチスタートを行うことで溶接を開始する。

他方、溶接を終了するときは、溶接ホルダーを高く引き上げてアーク切れを発生させることで行っている。

特許文献１の発明では、被覆アーク溶接を終了する際に、被覆溶接棒を引き上げたときの溶接電圧が予め定めた基準電圧値以上になると溶接電源の出力を停止してアークを消弧するものである。このようにすることによって、円滑に溶接を終了することができる。

特許第５７５８１１５号公報

溶接期間と停止期間とを数秒程度の短い周期で繰り返して溶接する、いわゆるタック溶接を行うことがある。特許文献１の発明では、被覆アーク溶接を終了する際に、被覆溶接棒を引き上げたときの溶接電圧が予め定めた基準電圧値以上になると溶接電源の出力を停止してアークを消弧する。その後に、所定期間が経過すると、溶接電源は出力を再開する。このときの溶接電圧は、電撃防止機能によって低い値となる。電撃防止機能によって溶接電圧が低い値になっていると、溶接開始時のアークの点弧が円滑に行われない場合がある。特に、タック溶接のように溶接の開始と終了を頻繁に繰り返す溶接では、アークの点弧が円滑に行われないと、溶接作業性が著しく悪くなる。

そこで、本発明では、溶接電流の通電中に溶接電圧が基準電圧値以上になったことを判別すると溶接電源の出力を停止して溶接を終了する被覆アーク溶接制御方法において、タック溶接のように溶接開始と終了とを短い周期で繰り返す場合における溶接作業性を良好に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、
溶接電流の通電中に溶接電圧が基準電圧値以上になったことを判別すると溶接電源の出力を停止して溶接を終了する被覆アーク溶接制御方法において、
前記溶接電源の出力を停止した後に前記溶接電源の出力をホットスタート電圧値で再開し、
その後に前記溶接電流が通電しない期間がホットスタート期間継続したときは、前記溶接電圧を前記ホットスタート電圧値よりも小さな値の電撃防止電圧値まで低下させる、
ことを特徴とする被覆アーク溶接制御方法である。

請求項２の発明は、前記溶接電圧を前記ホットスタート電圧値に制御するときは、前記溶接電源を定電圧制御する、
ことを特徴とする請求項１に記載の被覆アーク溶接制御方法である。

請求項３の発明は、前記ホットスタート電圧値を被覆アーク溶接棒の直径及び／又は材質に応じて変化させる、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の被覆アーク溶接制御方法である。

本発明によれば、溶接電流の通電中に溶接電圧が基準電圧値以上になったことを判別すると溶接電源の出力を停止して溶接を終了する被覆アーク溶接制御方法において、タック溶接のように溶接開始と終了とを短い周期で繰り返す場合における溶接作業性を良好にすることができる。

本発明の実施の形態１に係る被覆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いて、通常の溶接を行うときの各信号のタイミングチャートである。 図１で上述した溶接電源において、タック溶接を行うときの各信号のタイミングチャートである。

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に係る被覆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、複合溶接電源の構成の中で被覆アーク溶接を行うときの構成のみを示している。以下、同図を参照して、各ブロックについて説明する。

メインスイッチＳＷは、３相２００Ｖ等の商用電源（図示は省略）のオン状態／オフ状態を切り換える。

電源主回路ＰＭは、上記のメインスイッチＳＷがオン状態になると、商用電源が入力されて、後述する駆動信号Ｄｖ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インバータトランス、降圧された高周波交流を整流する２次整流回路、整流された直流を平滑するリアクトルを備えている。

溶接ホルダー４は、被覆溶接棒１を把持しており、被覆溶接棒１に給電する。

被覆溶接棒１と母材２との間にアーク３が発生する。アーク３中を溶接電流Ｉｗが通電し、被覆溶接棒１と母材２との間に溶接電圧Ｖｗが印加される。被覆溶接棒１の先端と母材２との被覆溶接棒１の軸方向の距離がスタンドオフＬｗである。

電流設定回路ＩＲは、予め定めた電流設定信号Ｉｒを出力する。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及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、両値の誤差を増幅して電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。

ホットスタート電圧設定回路ＶＨＲは、予め定めたホットスタート電圧設定信号Ｖhrを出力する。このホットスタート電圧設定信号Ｖhrの値は、タック溶接のように短い周期で溶接開始／終了を繰り返す溶接において、溶接開始時のアーク点弧を円滑に行える値に設定される。一般的に、この値が大きいほどアーク点弧は円滑になる。半面、この値が大きいほど感電のおそれが高まる。したがって、アーク点弧が円滑である範囲で、最小値に設定することが望ましい。被覆溶接棒１の直径及び／又は材質が異なると、アーク点弧が円滑になる電圧値が変化する。このために、ホットスタート電圧設定信号Ｖhrの値は、被覆溶接棒の直径及び／又は材質に応じて適正値に設定することが望ましい。ホットスタート電圧設定信号Ｖhrは、例えば６０〜１００Ｖ程度に設定される。

電撃防止電圧設定回路ＶＤＲは、予め定めた電撃防止電圧設定信号Ｖdrを出力する。ここで、Ｖhr＞Ｖdrである。この電撃防止電圧設定信号Ｖdrの値は、感電を防止することができるように１５Ｖ程度に設定される。

電圧設定回路ＶＲは、上記のホットスタート電圧設定信号Ｖhr、上記の電撃防止電圧設定信号Ｖdr及び後述するホットスタート期間信号Ｔhsを入力として、ホットスタート期間信号ＴhsがＨｉｇｈレベル（ホットスタート期間Ｔｈ）のときはホットスタート電圧設定信号Ｖhrの値を電圧設定信号Ｖｒとして出力し、ホットスタート期間信号ＴhsがＬｏｗレベルのときは電撃防止電圧設定信号Ｖdrの値を電圧設定信号Ｖｒとして出力する。

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。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の電圧設定信号Ｖｒ及び上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、両値の誤差を増幅して電圧誤差増幅信号Ｅｖ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、この値が予め定めた電流通電判別値（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。

誤差増幅回路ＥＡは、上記の電流誤差増幅信号Ｅｉ、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖ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（通電中）のときは電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力し、電流通電判別信号ＣｄがＬｏｗレベル（非通電）のときは電圧誤差増幅信号Ｅｖを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。この回路によって、溶接電流Ｉｗが通電しているときは溶接電源は定電流制御され、非通電（無負荷状態）のときは定電圧制御される。

駆動回路ＤＶは、上記の誤差増幅信号Ｅａ及び後述する禁止信号Ｋｓを入力として、禁止信号ＫｓがＬｏｗレベルのときは誤差増幅信号Ｅａによって変調制御を行い駆動信号Ｄｖを出力し、禁止信号ＫｓがＨｉｇｈレベルのときは駆動信号Ｄｖを出力しない。したがって、禁止信号ＫｓがＨｉｇｈレベルのときは、電源主回路ＰＭからの出力は停止される。

基準電圧値設定回路ＶＴＲは、予め定めた基準電圧値信号Ｖtrを出力する。この基準電圧値信号Ｖtrは、電流設定信号Ｉｒの値、被覆溶接棒１の直径、材質等に応じて、被覆溶接棒１の引き上げ距離（スタンドオフＬｗ）が所望値になったときにアークが消弧するように設定される。

禁止回路ＫＳは、上記の電圧検出信号Ｖｄ及び上記の基準電圧値信号Ｖtrを入力として、電圧検出信号Ｖｄの値が、基準電圧値信号Ｖtrの値未満の状態から以上の状態になり、その状態が予め定めた監視期間継続したときは、予め定めた禁止期間だけＨｉｇｈレベルとなる禁止信号Ｋｓを出力する。例えば、監視期間は１００msであり、禁止期間は１００msである。

ホットスタート期間回路ＴＨＳは、上記の禁止信号Ｋｓを入力として、禁止信号ＫｓがＨｉｇｈレベルからＬｏｗ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が経過する時点までＨｉｇｈレベルとなる、ホットスタート期間信号Ｔhsを出力する。このホットスタート期間Ｔｈは、例えば０．５〜５．０秒程度の範囲で設定される。この値は、タック溶接の作業性を考慮して設定される。

図２は、図１で上述した溶接電源において、通常の溶接を行うときの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)は禁止信号Ｋｓの時間変化を示し、同図(Ｄ)はスタンドオフＬｗの時間変化を示し、同図（Ｅ）はホットスタート期間信号Ｔhsの時間変化を示す。通常の溶接とは、溶接終了から次の溶接開始までの時間が数秒以上経過している溶接のことである。同図は、被覆アーク溶接中に、溶接ホルダーの引き上げ操作を行って溶接を終了し、次の溶接を開始するときである。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ｔ１以前の定常溶接中は、同図（Ｄ）に示すように、被覆溶接棒先端と母材との距離であるスタンドオフＬｗは溶接作業者によって略一定に維持されている。このスタンドオフＬｗは、５mm程度である。定常溶接中は、同図（Ａ）に示すように、図１の電流設定信号Ｉｒによって定まる一定値の溶接電流Ｉｗが通電し、同図（Ｂ）に示すように、スタンドオフＬｗ（アーク長）に応じた略一定の溶接電圧Ｖｗが印加する。同図（Ｃ）に示すように、禁止信号ＫｓはＬｏｗレベルになっている。また、同図（Ｅ）に示すように、ホットスタート期間信号ＴhsもＬｏｗレベルになっている。

時刻ｔ１から、溶接作業者が溶接を終了するために溶接ホルダーの引き上げ操作を開始すると、同図（Ｄ）に示すように、スタンドオフＬｗは次第に長くなる。これに応動して、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは次第に大きくなる。他方、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは定電流制御されているので時刻ｔ１以前の値を維持する。

時刻ｔ２において、同図（Ｂ）に示す溶接電圧Ｖｗ（図１の電圧検出信号Ｖｄ）が、予め定めた基準電圧値未満の状態から以上の状態になり、その状態が予め定めた監視期間継続したために、同図（Ｃ）に示すように、禁止信号ＫｓがＨｉｇｈレベルに変化する。これに応動して、溶接電源は出力を停止するので、時刻ｔ２において、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは０Ａとなり、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは０Ｖとなり、アークは消弧する。これにより、溶接は終了する。監視期間は１００ms程度であり、禁止信号ＫｓがＨｉｇｈレベル／Ｌｏｗレベルを短時間に繰り返すチャタリングを防止するために設けられている。

基準電圧値は、上述したように、図１の基準電圧値信号Ｖtrによって定まる。基準電圧値信号Ｖtrは、図１の電流設定信号Ｉｒ、被覆溶接棒の直径、材質等に応じて、適正値に設定される。このようにすると、アークが消弧するスタンドオフＬｗを略一定にすることができるので、作業性を良好にすることができる。

時刻ｔ３において、時刻ｔ２から予め定めた禁止期間が経過すると、同図（Ｃ）に示すように、禁止信号ＫｓはＬｏｗレベルに戻る。これに応動して、溶接電源は出力を再び開始する。この状態ではアークは点弧していないので、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは通電せず、無負荷状態となっている。このために、溶接電源は定電圧制御に切り換えられる。時刻ｔ３において、同図（Ｃ）に示す禁止信号ＫｓがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変化すると、同図（Ｅ）に示すように、ホットスタート期間信号ＴhsがＨｉｇｈレベルになり、予め定めたホットスタート期間Ｔｈが経過する時刻ｔ４までＨｉｇｈレベルを維持する。したがって、時刻ｔ３〜ｔ４の期間がホットスタート期間Ｔｈとなる。

時刻ｔ３〜ｔ４のホットスタート期間Ｔｈ中は、図１の電圧設定信号Ｖｒは図１のホットスタート電圧設定信号Ｖhrの値となる。このために、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、ホットスタート電圧値Ｖwhとなる。

無負荷状態が時刻ｔ４まで継続すると、図１の電圧設定信号Ｖｒは、図１の電撃防止電圧設定信号Ｖdrの値に切り換わる。このために、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは電撃防止電圧値Ｖwdに低下する。これにより、感電を防止することができる。

時刻ｔ５から、次の溶接を開始するために、溶接作業者が溶接ホルダーを母材に近づけて行くと、同図（Ｄ）に示すように、スタンドオフＬｗは次第に短くなる。時刻ｔ６において、被覆溶接棒が母材と接触すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗが通電を開始する。これに応動して、溶接電源は定電流制御に切り換えられる。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは略０Ｖとなる。

時刻ｔ７において、溶接作業者が溶接ホルダーを引き上げて溶接に適した距離にすると、同図（Ｄ）に示すように、スタンドオフＬｗは距離に対応した値となる。この引き上げ操作によってアークが点弧する。この結果、溶接電流Ｉｗは、図１の電流設定信号Ｉｒの値となる。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗはアーク長に比例した値となる。このようにして、溶接が開始される。

図３は、図１で上述した溶接電源において、タック溶接を行うときの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)は禁止信号Ｋｓの時間変化を示し、同図(Ｄ)はスタンドオフＬｗの時間変化を示し、同図（Ｅ）はホットスタート期間信号Ｔhsの時間変化を示す。タック溶接とは、溶接終了から次の溶接開始までの時間が数秒以下と短い溶接のことである。同図は、被覆アーク溶接中に、溶接ホルダーの引き上げ操作を行って溶接を終了し、ホットスタート期間Ｔｈ中に次の溶接を開始するときである。以下、同図を参照して各信号の動作について説明する。

同図において、時刻ｔ３以前の動作説明は、図２と同一であるので、説明は繰り返さない。

時刻ｔ３において、時刻ｔ２から予め定めた禁止期間が経過すると、同図（Ｃ）に示すように、禁止信号ＫｓはＬｏｗレベルに戻る。これに応動して、溶接電源は出力を再び開始する。この状態ではアークは点弧していないので、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは通電せず、無負荷状態となっている。このために、溶接電源は定電圧制御に切り換えられる。時刻ｔ３において、同図（Ｃ）に示す禁止信号ＫｓがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変化すると、同図（Ｅ）に示すように、ホットスタート期間信号ＴhsがＨｉｇｈレベルになり、ホットスタート期間Ｔｈに入る。

時刻ｔ３からのホットスタート期間Ｔｈ中は、図１の電圧設定信号Ｖｒは図１のホットスタート電圧設定信号Ｖhrの値となる。このために、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、ホットスタート電圧値Ｖwhとなる。

ホットスタート期間Ｔｈ中の時刻ｔ４から、次の溶接を開始するために、溶接作業者が溶接ホルダーを母材に近づけて行くと、同図（Ｄ）に示すように、スタンドオフＬｗは次第に短くなる。時刻ｔ５において、被覆溶接棒が母材と接触すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗが通電を開始する。これに応動して、溶接電源は定電流制御に切り換えられる。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは略０Ｖとなる。

時刻ｔ６において、溶接作業者が溶接ホルダーを引き上げて溶接に適した距離にすると、同図（Ｄ）に示すように、スタンドオフＬｗは距離に対応した値となる。この引き上げ操作によってアークが点弧する。この結果、溶接電流Ｉｗは、図１の電流設定信号Ｉｒの値となる。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗはアーク長に比例した値となる。このようにして、溶接が開始される。

上述した実施の形態１によれば、溶接電流の通電中に溶接電圧が基準電圧値以上になったことを判別すると溶接電源の出力を停止して溶接を終了する被覆アーク溶接制御方法において、溶接電源の出力を停止した後に溶接電源の出力をホットスタート電圧値で再開し、その後に溶接電流が通電しない期間がホットスタート期間継続したときは、溶接電圧を前記ホットスタート電圧値よりも小さな値の電撃防止電圧値まで低下させる。これにより、本実施の形態では、タック溶接のように、溶接終了と次の溶接開始との時間が短い場合において、電撃防止電圧値よりも大きな値であるホットスタート電圧値が被覆溶接棒と母材との間に印加された状態で溶接の開始操作が行われるので、アークを円滑に点弧することができる。このために、タック溶接を行う際の溶接作業性を良好にすることができる。

さらに、本実施の形態によれば、溶接電圧をホットスタート電圧値に制御するときは、溶接電源を定電圧制御する。一般的に、ホットスタート電圧値が大きいほどアーク点弧は円滑になる。半面、この値が大きいほど感電のおそれが高まる。したがって、アーク点弧が円滑である範囲で、最小値となる所望値に設定することが望ましい。本実施の形態では、ホットスタート電圧値を上記の所望値に制御することができる。

さらに、本実施の形態によれば、ホットスタート電圧値を被覆アーク溶接棒の直径及び／又は材質に応じて変化させる。これにより、本実施の形態では、被覆溶接棒の直径及び／又は材質に応じて、ホットスタート電圧値を上記の所望値に制御することができる。

上述した実施の形態においては、ホットスタート電圧値を定電圧制御する場合について説明したが、定電流制御しても良い。この場合には、ホットスタート電圧値は、溶接電源が出力できる最大電圧値となる。

1 被覆溶接棒
2 母材
3 アーク
4 溶接ホルダー
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
ＥＡ 誤差増幅回路
Ｅａ 誤差増幅信号
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
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＲ 電流設定回路
Ｉｒ 電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＫＳ 禁止回路
Ｋｓ 禁止信号
Ｌｗ スタンドオフ
ＰＭ 電源主回路
ＳＷ メインスイッチ
Ｔｈ ホットスタート期間
ＴＨＳ ホットスタート期間回路
Ｔhs ホットスタート期間信号
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
ＶＤＲ 電撃防止電圧設定回路
Ｖdr 電撃防止電圧設定信号
ＶＨＲ ホットスタート電圧設定回路
Ｖhr ホットスタート電圧設定信号
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
ＶＴＲ 基準電圧値設定回路
Ｖtr 基準電圧値信号
Ｖｗ 溶接電圧
Ｖwd 電撃防止電圧値
Ｖwh ホットスタート電圧値

Claims (3)

1. 溶接電流の通電中に溶接電圧が基準電圧値以上になったことを判別すると溶接電源の出力を停止して溶接を終了する被覆アーク溶接制御方法において、
   前記溶接電源の出力を停止した後に前記溶接電源の出力をホットスタート電圧値で再開し、
   その後に前記溶接電流が通電しない期間がホットスタート期間継続したときは、前記溶接電圧を前記ホットスタート電圧値よりも小さな値の電撃防止電圧値まで低下させる、
   ことを特徴とする被覆アーク溶接制御方法。
2. 前記溶接電圧を前記ホットスタート電圧値に制御するときは、前記溶接電源を定電圧制御する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の被覆アーク溶接制御方法。
3. 前記ホットスタート電圧値を被覆アーク溶接棒の直径及び／又は材質に応じて変化させる、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の被覆アーク溶接制御方法。

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