JP2021058922A - 被覆アーク溶接制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被覆アーク溶接において、溶接終了時の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の上昇状態が基準上昇状態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、上記の基準上昇状態は、溶接電圧Ｖｗの上昇率が基準上昇率以上になったことに基づいて設定される。上記の基準上昇状態は、溶接電圧Ｖｗの上昇率が基準上昇率以上になった期間が所定期間以上継続したとき（時刻ｔ２）である。また、上記の基準上昇状態は、溶接電圧Ｖｗの上昇率が基準上昇率以上になった期間の時間積分値が所定積分値以上になったときである。【選択図】図２

Description

本発明は、溶接電流の通電中に溶接電圧の上昇状態が基準状態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。

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。

特許第５７５８１１５号公報

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。

上記の基準電圧値をどの値に設定するかは、溶接作業性に大きく影響する。基準電圧値が小さいと、アーク長が長い溶接状態において、溶接電圧が基準電圧値以上となり、溶接電源の出力が停止して強制的に溶接が終了することになり、溶接作業性が悪くなる。逆に、基準電圧値が大きいと、被覆溶接棒を引き上げてもなかなか溶接電圧が基準電圧値に達しないために溶接が終了せず、溶接作業性が悪くなる。さらには、基準電圧値の適正値は、被覆溶接棒の直径、材質、ワークの溶接接手形状等の溶接条件によって異なるために、設定には手間がかかる。

そこで、本発明では、被覆アーク溶接において、溶接条件に関わらず、溶接終了時の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の上昇状態が基準上昇状態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、
前記基準上昇状態は、前記溶接電圧の上昇率が基準上昇率以上になったことに基づいて設定される、
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、
前記基準上昇状態は、前記溶接電圧の前記上昇率が前記基準上昇率以上になった期間が所定期間以上継続したときである、
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、
前記基準上昇状態は、前記溶接電圧の前記上昇率が前記基準上昇率以上になった期間の時間積分値が所定積分値以上になったときである、
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。

本発明によれば、被覆アーク溶接において、溶接条件に関わらず、溶接終了時の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。

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。

基準上昇率設定回路ＤＶＲは、予め定めた基準上昇率信号Ｄvrを出力する。この基準上昇率信号Ｄvrは、溶接作業者が溶接を終了するために溶接ホルダー４を引き上げる速度に基づいて設定される。例えば、基準上昇率信号Ｄvrは、２０Ｖ／１００msに設定される。

電圧上昇率検出回路ＤＶＤは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、電圧検出信号Ｖｄの上昇率を検出して、電圧上昇率検出信号Ｄvdを出力する。上昇率は、電圧検出信号Ｖｄを微分し、その値が正となる値のみを出力することで検出される。

基準上昇状態判別回路ＳＤＶは、上記の基準上昇率信号Ｄvr及び上記の電圧上昇率検出信号Ｄvdを入力として、電圧上昇率検出信号Ｄvdの値が基準上昇率信号Ｄvrの値以上になったことに基づいて、以下の１）又は２）の処理を行い、基準上昇状態判別信号Ｓdvを出力する。
処理１） 電圧上昇率検出信号Ｄvdの値が基準上昇率信号Ｄvrの値以上になった期間が所定期間以上継続したときに短時間Ｈｉｇｈレベルとなる基準上昇状態判別信号Ｓdvを出力する。所定期間は、例えば２００msである。
処理２） 電圧上昇率検出信号Ｄvdの値が基準上昇率信号Ｄvrの値以上になった期間の時間積分値が所定積分値以上になったときに短時間Ｈｉｇｈレベルとなる基準上昇状態判別信号Ｓdvを出力する。所定積分値は、例えば２００msである。

禁止回路ＫＳは、上記の基準上昇状態判別信号Ｓdvを入力として、基準上昇状態判別信号Ｓdvが短時間Ｈｉｇｈレベルに変化した時点から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。上記の禁止期間は、例えば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の時間変化を示し、同図（Ｆ）は基準上昇状態判別信号Ｓdvの時間変化を示す。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。さらに、同図（Ｆ）に示すように、基準上昇状態判別信号Ｓdv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（Ａ）に示す溶接電流Ｉｗが通電しているときに、溶接電圧の上昇状態が基準上昇状態以上になったために、同図（Ｆ）に示すように、基準上昇状態判別信号Ｓdvが短時間Ｈｉｇｈレベルになる。上記の基準上昇状態は、図１の電圧上昇率検出信号Ｄvd（溶接電圧Ｖｗの上昇率）の値が図１の基準上昇率信号Ｄvrの値以上になったことに基づいて設定される。具体的には、以下の処理１）又は２）のいずれかが選択されて実施される。
処理１） 電圧上昇率検出信号Ｄvdの値が基準上昇率信号Ｄvrの値以上になった期間が所定期間以上継続したときに短時間Ｈｉｇｈレベルとなる基準上昇状態判別信号Ｓdvを出力する。所定期間は、溶接作業性を考慮して設定され、例えば２００msである。
処理２） 電圧上昇率検出信号Ｄvdの値が基準上昇率信号Ｄvrの値以上になった期間の時間積分値が所定積分値以上になったときに短時間Ｈｉｇｈレベルとなる基準上昇状態判別信号Ｓdvを出力する。所定積分値は、溶接作業性を考慮して設定され、例えば２００msである。

時刻ｔ２において、同図（Ｆ）に示す基準上昇状態判別信号Ｓdvが短時間Ｈｉｇｈレベルに変化すると、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。

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。

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の上昇状態が基準上昇状態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、基準上昇状態は、溶接電圧の上昇率が基準上昇率以上になったことに基づいて設定される。溶接電圧の上昇率は、溶接作業者が溶接ホルダーを引き上げる速度によってほぼ決まり、被覆溶接棒の直径、材質、ワークの溶接接手形状等の溶接条件にはあまり影響されない。このために、基準上昇状態を、溶接を終了する際の溶接作業性を考慮して設定することによって、本実施の形態では、被覆アーク溶接において、溶接条件に関わらず、溶接終了時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、基準上昇状態を、溶接電圧の上昇率が基準上昇率以上になった期間が所定期間以上継続したときとすることが望ましい。このようにすると、本実施の形態では、溶接中のアーク長の短時間の変化に伴う溶接電圧の上昇による誤判別を防止することができる。

さらに、本実施の形態によれば、基準上昇状態を、溶接電圧の上昇率が基準上昇率以上になった期間の時間積分値が所定積分値以上になったときとすることが望ましい。このようにすると、本実施の形態では、溶接中のアーク長の短時間の変化に伴う溶接電圧の上昇による誤判別を防止することができる。また、本実施の形態では、溶接を終了するために、溶接作業者が溶接ホルダーを引き上げている期間中に、溶接電圧の上昇率が基準上昇率未満となる期間が発生しても、基準上昇率以上となる期間の加算値が基準積分値以上になると溶接電源の出力を停止する。この結果、本実施の形態では、さらに溶接作業性を良好にすることができる。

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
ＤＶＤ 電圧上昇率検出回路
Ｄvd 電圧上昇率検出信号
ＤＶＲ 基準上昇率設定回路
Ｄvr 基準上昇率信号
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
ＳＤＶ 基準上昇状態判別回路
Ｓdv 基準上昇状態判別信号
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
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の上昇状態が基準上昇状態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、
   前記基準上昇状態は、前記溶接電圧の上昇率が基準上昇率以上になったことに基づいて設定される、
   ことを特徴とする被覆アーク溶接制御方法。
2. 前記基準上昇状態は、前記溶接電圧の前記上昇率が前記基準上昇率以上になった期間が所定期間以上継続したときである、
   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. 前記基準上昇状態は、前記溶接電圧の前記上昇率が前記基準上昇率以上になった期間の時間積分値が所定積分値以上になったときである、
   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。

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