JP2022164178A - アーク溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アーク発生部の電圧を検出することなく溶滴のくびれの形成状態を推定すること。【解決手段】短絡期間の開始時点から基準時間Ｔｎｒが経過すると電流減少信号Ｎｄを出力する電流減少タイマ部ＮＤと、溶接ワイヤ１と前記母材２との間に出力端子間電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを供給して短絡期間とアーク期間とを繰り返すと共に、短絡期間中に電流減少信号Ｎｄが入力されると溶接電流Ｉｗを減少させてアーク期間に移行させる電力制御部ＰＭと、を備えたアーク溶接装置において、電流減少信号Ｎｄが入力されてからアーク期間に変化するまでのくびれ時間を検出し、所定周期ごとにくびれ時間の平均値を算出して平均くびれ時間算出信号Ｔｓａを出力する平均くびれ時間算出部ＴＳＡと、平均くびれ時間算出信号Ｔｓａに基づいて基準時間Ｔｎｒを設定する基準時間設定部ＴＮＲとをさらに備えている。【選択図】 図１

Description

本発明は、溶接ワイヤを送給し、短絡期間とアーク期間とを繰り返して溶接するアーク溶接装置に関するものである。

一般的な消耗電極式アーク溶接では、消耗電極である溶接ワイヤを一定速度で送給し、溶接ワイヤと母材との間にアークを発生させて溶接が行なわれる。消耗電極式アーク溶接では、溶接ワイヤと母材とが短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返す溶接状態になることが多い。

溶接品質を向上させるために、短絡期間中に溶滴のくびれを検出すると溶接電流を低レベル電流値まで減少させてアークを再発生させるくびれ検出制御が慣用されている。くびれ検出制御は、スパッタの発生を大幅に削減することができるので、高品質の溶接結果を得ることができる。このくびれ検出制御を行うためには、溶滴のくびれの状態をアーク発生部の電圧から正確に検出する必要がある。このために、アーク発生部の電圧を検出するために、母材と溶接トーチとに専用の検出線を配線している。しかし、この検出線を配線するには手間がかかる。さらに、溶接トーチは溶接中に移動するので、検出線が断線してトラブルになることがある。さらに、大型構造物を溶接する場合には、アーク発生部の電圧を検出することが困難である。

上記の問題を解決するために、特許文献１の発明では、短絡開始時点から予め定めた基準時間が経過すると、溶滴のくびれの形成状態が基準状態に達したと推定して溶接電流を減少させている。このようにすると、アーク発生部の電圧を検出する必要がないために、検出線を配線する必要もない。しかし、この制御においては、基準時間をどのような値に設定するかが問題となる。溶滴のくびれの形成状態は、溶接ワイヤの材質、シールドガスの種類、溶接電流、溶接電圧、溶接速度、溶接姿勢、ワイヤ突き出し長さ等の種々の溶接条件によって変動するために、適正な基準時間を予め実験によって設定することは困難である。基準時間が適正値よりも短い場合には、溶滴の形成状態がまだ十分でない時点で溶接電流が減少するために、アークの再発生タイミングが遅くなり、溶接状態が不安定になる。逆に、基準時間が適正値よりも長い場合には、溶接電流が十分に減少しないタイミングでアークが再発生することになり、スパッタが多く発生することになる。したがって、従来技術においては、基準時間を適正値に設定することが過大となる。

特許第５９７４９８４号公報

そこで、本発明では、アーク発生部の電圧を検出することなく、種々の溶接条件において、スパッタの発生の少ない高品質の溶接を行うことができるアーク溶接装置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、
溶接ワイヤを送給する送給モータと、
前記溶接ワイヤと母材との間が短絡期間又はアーク期間にあるかを判別して短絡判別信号を出力する短絡判別部と、
前記短絡判別信号を入力として前記短絡期間の開始時点から基準時間が経過すると電流減少信号を出力する電流減少タイマ部と、
前記溶接ワイヤと前記母材との間に出力端子間電圧及び溶接電流を供給して前記短絡期間と前記アーク期間とを繰り返すと共に、前記短絡期間中に前記電流減少信号が入力されると前記溶接電流を減少させて前記アーク期間に移行させる電力制御部と、
を備えたアーク溶接装置において、
前記電流減少信号が入力されてから前記短絡判別信号によってアーク期間であると判別するまでのくびれ時間を検出し、所定周期ごとに前記くびれ時間の平均値を算出して平均くびれ時間算出信号を出力する平均くびれ時間算出部と、
前記平均くびれ時間算出信号に基づいて前記基準時間を設定する基準時間設定部と、
をさらに備えたことを特徴とするアーク溶接装置である。

請求項２の発明は、
予め定めたくびれ時間設定信号を出力するくびれ時間設定部と、
前記基準時間設定部は、前記平均くびれ時間算出信号の値と前記くびれ時間設定信号の値とが等しくなるようにフィードバック制御して前記基準時間を設定する、
ことを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接装置である。

請求項３の発明は、
前記送給モータは、前記溶接ワイヤを前記アーク期間中は正送し、前記短絡期間中は逆送する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のアーク溶接装置である。

本発明のアーク溶接装置によれば、アーク発生部の電圧を検出することなく、種々の溶接条件において、スパッタの発生の少ない高品質の溶接を行うことができる。

本発明の実施の形態に係るアーク溶接装置のブロック図である。 図１のアーク溶接装置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。

図１は、本発明の実施の形態に係るアーク溶接装置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。

電力制御部ＰＭは、３相２００Ｖ等の商用電源（図示は省略）を入力として、後述する誤差増幅信号Ｅａに従ってインバータ制御等による出力制御を行い、出力電圧Ｅを出力することによって、溶接ワイヤ１と母材２との間に出力端子間電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを供給する。この電力制御部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平滑コンデンサ、平滑された直流を高周波交流に変換する上記の誤差増幅信号Ｅａによって駆動されるインバータ回路、高周波交流を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直流に整流する２次整流器を備えている。

リアクトルＷＬは、上記の出力電圧Ｅを平滑する。このリアクトルＷＬのインダクタンス値は、例えば１００μＨである。

送給モータＷＭは、後述する送給制御信号Ｆｃを入力として、正送と逆送とを交互に繰り返して溶接ワイヤ１を送給速度Ｆｗで送給する。正送とは溶接ワイヤを母材に近づく方向に前進送給することであり、逆送とは母材から離れる方向に後退送給することである。送給モータＷＭには、過渡応答性の速いモータが使用される。溶接ワイヤ１の送給速度Ｆｗの変化率及び送給方向の反転を速くするために、送給モータＷＭは溶接トーチ４の先端の近くに設置される場合がある。また、送給モータＷＭを２個使用して、プッシュプル方式の送給系とする場合もある。

溶接ワイヤ１は、上記の送給モータ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内を送給されて、母材２との間にアーク３が発生する。溶接トーチ４内の給電チップ（図示は省略）と母材２との間には出力端子間電圧Ｖｗが印加され、溶接電流Ｉｗが通電する。溶接トーチ４の先端からはシールドガス（図示は省略）が噴出される。

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。出力電圧検出回路ＥＤは、上記の出力電圧Ｅを検出し平滑して、出力電圧検出信号Ｅｄを出力する。

電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の出力電圧設定信号Ｅｒ及び上記の出力電圧検出信号Ｅｄを入力として、出力電圧設定信号Ｅｒ（＋）と出力電圧検出信号Ｅｄ（－）との誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。

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。電圧検出回路ＶＤは、溶接電源の出力端子間電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。短絡判別回路ＳＤは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、この値が予め定めた短絡判別値（１０Ｖ程度）未満のときは短絡期間にあると判別してＨｉｇｈレベルになり、以上のときはアーク期間にあると判別してＬｏｗレベルになる短絡判別信号Ｓｄを出力する。

正送加速期間設定回路ＴＳＵＲは、予め定めた正送加速期間設定信号Ｔsurを出力する。

正送減速期間設定回路ＴＳＤＲは、予め定めた正送減速期間設定信号Ｔsdrを出力する。

逆送加速期間設定回路ＴＲＵＲは、予め定めた逆送加速期間設定信号Ｔrurを出力する。

逆送減速期間設定回路ＴＲＤＲは、予め定めた逆送減速期間設定信号Ｔrdrを出力する。

正送ピーク値設定回路ＷＳＲは、予め定めた正送ピーク値設定信号Ｗsrを出力する。

逆送ピーク値設定回路ＷＲＲは、予め定めた逆送ピーク値設定信号Ｗrrを出力する。

送給速度設定回路ＦＲは、上記の正送加速期間設定信号Ｔsur、上記の正送減速期間設定信号Ｔsdr、上記の逆送加速期間設定信号Ｔrur、上記の逆送減速期間設定信号Ｔrdr、上記の正送ピーク値設定信号Ｗsr、上記の逆送ピーク値設定信号Ｗrr及び上記の短絡判別信号Ｓｄを入力として、以下の処理によって生成された送給速度パターンを送給速度設定信号Ｆｒとして出力する。この送給速度設定信号Ｆｒが０以上のときは正送期間となり、０未満のときは逆送期間となる。
１）正送加速期間設定信号Ｔsurによって定まる正送加速期間Ｔsu中は０から正送ピーク値設定信号Ｗsrによって定まる正の値の正送ピーク値Ｗspまで加速する送給速度設定信号Ｆｒを出力する。
２）続いて、正送ピーク期間Ｔsp中は、上記の正送ピーク値Ｗspを維持する送給速度設定信号Ｆｒを出力する。
３）短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）からＨｉｇｈレベル（短絡期間）に変化すると、正送減速期間設定信号Ｔsdrによって定まる正送減速期間Ｔsdに移行し、上記の正送ピーク値Ｗspから０まで減速する送給速度設定信号Ｆｒを出力する。
４）続いて、逆送加速期間設定信号Ｔrurによって定まる逆送加速期間Ｔru中は０から逆送ピーク値設定信号Ｗrrによって定まる負の値の逆送ピーク値Ｗrpまで加速する送給速度設定信号Ｆｒを出力する。
５）続いて、逆送ピーク期間Ｔrp中は、上記の逆送ピーク値Ｗrpを維持する送給速度設定信号Ｆｒを出力する。
６）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）からＬｏｗレベル（アーク期間）に変化すると、逆送減速期間設定信号Ｔrdrによって定まる逆送減速期間Ｔrdに移行し、上記の逆送ピーク値Ｗrpから０まで減速する送給速度設定信号Ｆｒを出力する。
７）上記の１）～６）を繰り返すことによって正負の台形波状に変化する送給パターンの送給速度設定信号Ｆｒが生成される。

送給制御回路ＦＣは、上記の送給速度設定信号Ｆｒを入力として、送給速度設定信号Ｆｒの値に相当する送給速度Ｆｗで溶接ワイヤ１を送給するための送給制御信号Ｆｃを上記の送給モータＷＭに出力する。

減流抵抗器Ｒは、上記のリアクトルＷＬと溶接トーチ４との間に挿入される。この減流抵抗器Ｒの値は、短絡負荷（０．０１～０．０３Ω程度）の５０倍以上大きな値（０．５～３Ω程度）に設定される。この減流抵抗器Ｒが通電路に挿入されると、リアクトルＷＬ及び外部ケーブルのリアクトルに蓄積されたエネルギーが急放電される。

トランジスタＴＲは、上記の減流抵抗器Ｒと並列に接続されて、後述する駆動信号Ｄｒに従ってオン又はオフ制御される。

平均くびれ時間算出回路ＴＳＡは、後述する電流減少信号Ｎｄ及び上記の短絡判別信号Ｓｄを入力として、電流減少信号Ｎｄが短時間Ｈｉｇｈレベルに変化した時点から短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）に変化するまでのくびれ時間Ｔｓを検出し、所定周期ごとにくびれ時間Ｔｓの移動平均値を算出して平均くびれ時間算出信号Ｔsaを出力する。上記の所定周期は、短絡が発生する周期であり、３～１０周期程度に設定される。したがって、短絡が発生するごとに、その直前の所定周期のくびれ時間Ｔｓの平均値が算出される。

くびれ時間設定回路ＴＳＲは、くびれ時間Ｔｓの目標値を設定するためのくびれ時間設定信号Ｔsrを出力する。この値は、０．５ms程度に設定される。

基準時間設定回路ＴＮＲは、上記の平均くびれ時間算出信号Ｔsa及び上記のくびれ時間設定信号Ｔsrを入力として、Ｔnr＝Ｔni＋∫Ｇ・(Ｔsa－Ｔsr)・ｄｔの演算を行い基準時間設定信号Ｔnrを出力する。ここで、Ｔniは予め定めた初期値であり、例えば４msに設定される。Ｇは予め定めた増幅率である。したがって、基準時間設定信号Ｔnrは、平均くびれ時間算出信号Ｔsaに基づいて設定される。さらには、基準時間設定信号Ｔnrは、平均くびれ時間算出信号Ｔsaの値とくびれ時間設定信号Ｔsrの値とが等しくなるようにフィードバック制御によって設定される。短絡が終了してアークが再発生するよりもくびれ時間設定信号Ｔsrの値だけ前の状態において、くびれの形成状態は基準状態になっている。このタイミングで溶接電流を減少させると、アーク再発生時点において、溶接電流は所望の低レベル電流値になる。

電流減少タイマ回路ＮＤは、上記の短絡判別信号Ｓｄ及び上記の基準時間設定信号Ｔnrを入力として、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル(短絡期間)であり、かつ、Ｈｉｇｈレベルに変化した時点からの経過時間が基準時間設定信号Ｔnrによって定まる基準時間Ｔｎに達したときは短時間Ｈｉｇｈレベルとなる電流減少信号Ｎｄを出力する。

低レベル電流設定回路ＩＬＲは、予め定めた低レベル電流設定信号Ｉlrを出力する。電流比較回路ＣＭは、この低レベル電流設定信号Ｉlr及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、Ｉｄ＜ＩlrのときはＨｉｇｈレベルになり、Ｉｄ≧ＩlrのときはＬｏｗレベルになる電流比較信号Ｃｍを出力する。

駆動回路ＤＲは、上記の電流比較信号Ｃｍ及び上記の電流減少信号Ｎｄを入力として、電流減少信号ＮｄがＨｉｇｈレベルに変化するとＬｏｗレベルに変化し、その後に電流比較信号ＣｍがＨｉｇｈレベルに変化するとＨｉｇｈレベルに変化する駆動信号Ｄｒを上記のトランジスタＴＲのベース端子に出力する。したがって、この駆動信号Ｄｒはくびれが検出されるとＬｏｗレベルになり、トランジスタＴＲがオフ状態になり通電路に減流抵抗器Ｒが挿入されるので、短絡負荷を通電する溶接電流Ｉｗは急減する。そして、急減した溶接電流Ｉｗの値が低レベル電流設定信号Ｉlrの値まで減少すると、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになり、トランジスタＴＲがオン状態になるので、減流抵抗器Ｒは短絡されて通常の状態に戻る。

第１アーク期間設定回路ＴＡ１Ｒは、予め定めた第１アーク期間設定信号Ｔa1rを出力する。

第１アーク期間回路ＳＴＡ１は、上記の短絡判別信号Ｓｄ及び上記の第１アーク期間設定信号Ｔa1rを入力として、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）に変化し予め定めた遅延期間Ｔｃが経過した時点から第１アーク期間設定信号Ｔa1rによって予め定めた第１アーク期間Ｔa1中はＨｉｇｈレベルとなる第１アーク期間信号Ｓta1を出力する。

第１アーク電流設定回路ＩＡ１Ｒは、予め定めた第１アーク電流設定信号Ｉa1rを出力する。

第３アーク期間回路ＳＴＡ３は、上記の短絡判別信号Ｓｄを入力として、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）に変化した時点から予め定めた電流降下時間Ｔｄが経過した時点でＨｉｇｈレベルになり、その後に短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）になるとＬｏｗレベルになる第３アーク期間信号Ｓta3を出力する。

第３アーク電流設定回路ＩＡ３Ｒは、予め定めた第３アーク電流設定信号Ｉa3rを出力する。

電流制御設定回路ＩＣＲは、上記の短絡判別信号Ｓｄ、上記の低レベル電流設定信号Ｉlr、上記の電流減少信号Ｎｄ、上記の第１アーク期間信号Ｓta1、上記の第３アーク期間信号Ｓta3、上記の第１アーク電流設定信号Ｉa1r及び上記の第３アーク電流設定信号Ｉa3rを入力として、以下の処理を行い、電流制御設定信号Ｉcrを出力する。
１）短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル(アーク期間)に変化した時点から第１アーク期間信号Ｓta1がＨｉｇｈレベルに変化するまでの遅延期間中は、低レベル電流設定信号Ｉlrの値となる電流制御設定信号Ｉcrを出力する。
２）その後に、第１アーク期間信号Ｓta1がＨｉｇｈレベル（第１アーク期間）のときは、第１アーク電流設定信号Ｉa1rとなる電流制御設定信号Ｉcrを出力する。
３）第１アーク期間信号Ｓta1がＬｏｗレベルに変化した時点から第３アーク期間信号Ｓta3がＬｏｗレベルに変化するまでの期間（第２アーク期間及び第３アーク期間）中は、第３アーク電流設定信号Ｉa3rとなる電流制御設定信号Ｉcrを出力する。
４）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）に変化すると、予め定めた初期期間中は予め定めた初期電流設定値となり、その後は予め定めた短絡時傾斜で予め定めた短絡時ピーク設定値まで上昇してその値を維持する電流制御設定信号Ｉcrを出力する。
５）その後に、電流減少信号ＮｄがＨｉｇｈレベルに変化すると、低レベル電流設定信号Ｉlrの値となる電流制御設定信号Ｉcrを出力する。

電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流制御設定信号Ｉcr及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、電流制御設定信号Ｉcr（＋）と電流検出信号Ｉｄ（－）との誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。

電源特性切換回路ＳＷ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、上記の第１アーク期間信号Ｓta1及び上記の第３アーク期間信号Ｓta3を入力として、以下の処理を行い、誤差増幅信号Ｅａを出力する。
１）第１アーク期間信号Ｓta1がＬｏｗレベルに変化し、第３アーク期間信号Ｓta3がＨｉｇｈレベルに変化するまでの第２アーク期間Ｔa2中は、電圧誤差増幅信号Ｅｖを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。
２）それ以外の期間中は、電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。
この回路によって、溶接電源の特性は、短絡期間、遅延期間、第１アーク期間Ｔa1及び第３アーク期間Ｔa3中は定電流特性となり、第２アーク期間Ｔa2中は定電圧特性となる。

図２は、図１のアーク溶接装置における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は送給速度Ｆｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は出力端子間電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｄ）は短絡判別信号Ｓｄの時間変化を示し、同図（Ｅ）は第１アーク期間信号Ｓta1の時間変化を示し、同図(Ｆ)は第３アーク期間信号Ｓta3の時間変化を示し、同図（Ｇ）は電流減少信号Ｎｄの時間変化を示す。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（Ａ）に示す送給速度Ｆｗは、図１の送給速度設定回路ＦＲから出力される送給速度設定信号Ｆｒの値に制御される。送給速度Ｆｗは、図１の正送加速期間設定信号Ｔsurによって定まる正送加速期間Ｔsu、短絡が発生するまで継続する正送ピーク期間Ｔsp、図１の正送減速期間設定信号Ｔsdrによって定まる正送減速期間Ｔsd、図１の逆送加速期間設定信号Ｔrurによって定まる逆送加速期間Ｔru、アークが発生するまで継続する逆送ピーク期間Ｔrp及び図１の逆送減速期間設定信号Ｔrdrによって定まる逆送減速期間Ｔrdから形成される。さらに、正送ピーク値Ｗspは図１の正送ピーク値設定信号Ｗsrによって定まり、逆送ピーク値Ｗrpは図１の逆送ピーク値設定信号Ｗrrによって定まる。この結果、送給速度設定信号Ｆｒは、正負の略台形波波状に変化する送給パターンとなる。

［時刻ｔ１～ｔ４の短絡期間の動作］
正送ピーク期間Ｔsp中の時刻ｔ１において短絡が発生すると、同図（Ｃ）に示すように、出力端子間電圧Ｖｗは数Ｖの短絡電圧値に急減するので、同図（Ｄ）に示すように、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）に変化する。これに応動して、時刻ｔ１～ｔ２の予め定めた正送減速期間Ｔsdに移行し、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは上記の正送ピーク値Ｗspから０まで減速する。例えば、正送減速期間Ｔsd＝１msに設定される。

同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは時刻ｔ２～ｔ３の予め定めた逆送加速期間Ｔruに入り、０から上記の逆送ピーク値Ｗrpまで加速する。この期間中は短絡期間が継続している。例えば、逆送加速期間Ｔru＝１msに設定される。

時刻ｔ３において逆送加速期間Ｔruが終了すると、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは逆送ピーク期間Ｔrpに入り、上記の逆送ピーク値Ｗrpになる。逆送ピーク期間Ｔrpは、時刻ｔ４にアークが発生するまで継続する。したがって、時刻ｔ１～ｔ４の期間が短絡期間となる。逆送ピーク期間Ｔrpは所定値ではないが、３ms程度となる。また、例えば、逆送ピーク値Ｗrp＝－４０m/minに設定される。

同図（Ｂ）に示すように、時刻ｔ１～ｔ４の短絡期間中の溶接電流Ｉｗは、予め定めた初期期間中は予め定めた初期電流値となる。その後、溶接電流Ｉｗは、予め定めた短絡時傾斜で上昇し、予め定めた短絡時ピーク値に達するとその値を維持する。

同図（Ｃ）に示すように、出力端子間電圧Ｖｗは、溶接電流Ｉｗが短絡時ピーク値となるあたりから上昇する。これは、溶接ワイヤ１の逆送及び溶接電流Ｉｗによるピンチ力の作用により、溶接ワイヤ１の先端の溶滴にくびれが次第に形成されるためである。

時刻ｔ１の短絡期間の開始時点からの経過時間が基準時間Ｔｎに達すると、くびれの形成状態が基準状態になったと推定して、時刻ｔ３１において同図（Ｇ）に示すように、電流減少信号Ｎｄは短時間Ｈｉｇｈレベルに変化する。基準時間Ｔｎは、図１の基準時間設定信号Ｔnrによって設定される。さらに、基準時間設定信号Ｔnrは、図１の平均くびれ時間算出信号Ｔsaの値と図１の予め定めたくびれ時間設定信号Ｔsrの値とが等しくなるようにフィードバック制御によって設定される。平均くびれ時間算出信号Ｔsaは、所定周期にわたってくびれ時間Ｔｓを移動平均して算出される。くびれ時間Ｔｓは、電流減少信号ＮｄがＨｉｇｈレベルとなる時刻ｔ３１からアークが再発生する時刻ｔ４までの期間である。例えば、時刻ｔ１からの短絡が第ｍ回目の短絡であり、所定周期を３とし、所定周期中のくびれ時間をＴｓ(m-３)、Ｔｓ(m-2)、Ｔｓ(m-1)とすると、第ｍ回目の短絡期間における平均くびれ時間算出信号Ｔsa(m)は、以下のようにして算出される。
Ｔsa(m)＝（Ｔｓ(m-3)＋Ｔｓ(m-2)＋Ｔｓ(m-1)）／３
基準時間Ｔｍが経過した時点は、短絡が終了してアークが再発生するよりもくびれ時間設定信号Ｔsrの値だけ前の時点であり、くびれの形成状態は基準状態になっていると推定される時点である。例えば、短絡期間は５ms程度であり、くびれ時間設定信号Ｔsrの値は０．５ms程度であり、基準時間Ｔｎは４．５ms程度となる。上記のようにして、種々の溶接条件において、基準時間Ｔｎを適正値に自動設定することができる。

時刻ｔ３１において、同図（Ｇ）に示すように、電流減少信号Ｎｄが短時間Ｈｉｇｈレベルになったことに応動して、図１の駆動信号ＤｒはＬｏｗレベルになるので、図１のトランジスタＴＲはオフ状態となり図１の減流抵抗器Ｒが通電路に挿入される。同時に、図１の電流制御設定信号Ｉcrが低レベル電流設定信号Ｉlrの値に小さくなる。このために、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは短絡時ピーク値から低レベル電流値へと急減する。そして、溶接電流Ｉｗが低レベル電流値まで減少すると、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルに戻るので、トランジスタＴＲはオン状態となり減流抵抗器Ｒは短絡される。同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、電流制御設定信号Ｉcrが低レベル電流設定信号Ｉlrのままであるので、アーク再発生から予め定めた遅延期間Ｔｃが経過するまでは低レベル電流値を維持する。したがって、トランジスタＴＲは、電流減少信号ＮｄがＨｉｇｈレベルに変化した時点から溶接電流Ｉｗが低レベル電流値に減少するまでの期間のみオフ状態となる。同図（Ｃ）に示すように、出力端子間電圧Ｖｗは、溶接電流Ｉｗが小さくなるので一旦減少した後に急上昇する。上述した各パラメータは、例えば以下の値に設定される。初期電流＝４０Ａ、初期期間＝０．５ms、短絡時傾斜＝１８０A/ms、短絡時ピーク値＝４００Ａ低レベル電流値＝５０Ａ、遅延期間Ｔｃ＝１ms。

［時刻ｔ４～ｔ７のアーク期間の動作］
時刻ｔ４において、溶接ワイヤの逆送及び溶接電流Ｉｗの通電によるピンチ力によってくびれが進行してアークが発生すると、同図（Ｃ）に示すように、出力端子間電圧Ｖｗは数十Ｖのアーク電圧値に急増するので、同図（Ｄ）に示すように、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）に変化する。これに応動して、時刻ｔ４～ｔ５の予め定めた逆送減速期間Ｔrdに移行し、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは上記の逆送ピーク値Ｗrpから０まで減速する。例えば、逆送減速期間Ｔrd＝１msに設定される。

時刻ｔ５において逆送減速期間Ｔrdが終了すると、時刻ｔ５～ｔ６の予め定めた正送加速期間Ｔsuに移行する。この正送加速期間Ｔsu中は、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは０から上記の正送ピーク値Ｗspまで加速する。この期間中はアーク期間が継続している。例えば、正送加速期間Ｔsu＝１msに設定される。

時刻ｔ６において正送加速期間Ｔsuが終了すると、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは正送ピーク期間Ｔspに入り、上記の正送ピーク値Ｗspになる。この期間中もアーク期間が継続している。正送ピーク期間Ｔspは、時刻ｔ７に短絡が発生するまで継続する。したがって、時刻ｔ４～ｔ７の期間がアーク期間となる。そして、短絡が発生すると、時刻ｔ１の動作に戻る。正送ピーク期間Ｔspは所定値ではないが、５ms程度となる。また、例えば、正送ピーク値Ｗsp＝６０m/minに設定される。

時刻ｔ４においてアークが発生すると、同図（Ｃ）に示すように、出力端子間電圧Ｖｗは数十Ｖのアーク電圧値に急増する。他方、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、時刻ｔ４から遅延期間Ｔｃの間は低レベル電流値を継続する。これは、アークが発生した直後に電流値を上昇させると、溶接ワイヤの逆送と溶接電流による溶接ワイヤの溶融とが加算されて、アーク長が急速に長くなり、溶接状態が不安定になる場合があるためである。

正送加速期間Ｔsu中の時刻ｔ５１において、遅延期間Ｔｃが終了すると、同図(Ｅ)に示すように、第１アーク期間信号Ｓta1がＨｉｇｈレベルに変化し、時刻ｔ５１～ｔ６１の予め定めた第１アーク期間Ｔa1に移行する。この第１アーク期間Ｔa1中は引き続き定電流制御され、同図(Ｂ)に示すように、図１の第１アーク電流設定信号Ｉa1rによって定まる所定の第１アーク電流Ｉa1が通電する。同図(Ｃ)に示すように、出力端子間電圧Ｖｗは電流値及びアーク負荷によってさだまる値となり、大きな値となる。例えば、遅延期間Ｔｃは１ms程度であり、第１アーク期間Ｔa1は１ms程度であり、第１アーク電流Ｉa1は４００Ａ程度である。

時刻ｔ６２において、アーク発生時点ｔ４から予め定めた電流降下時間Ｔｄが経過すると、同図(Ｆ)に示すように、第３アーク期間信号Ｓta3がＨｉｇｈレベルに変化する。時刻ｔ６１～ｔ６２の期間が第２アーク期間Ｔa2となる。この第２アーク期間Ｔa2中は、定電圧制御される。同図(Ｂ)に示すように、第２アーク電流Ｉa2はアーク負荷によって変化するが、第１アーク電流Ｉa1よりも小さい値であり、かつ、第３アーク電流Ｉa3よりも大きな値となる。すなわち、Ｉa1＞Ｉa2＞Ｉa3となるように出力制御される。同図(Ｃ)に示すように、出力端子間電圧Ｖｗは定電圧制御によって所定値に制御され、第１アーク期間Ｔa1の電圧値と第３アーク期間Ｔa3の電圧値との中間値となる。第２アーク期間Ｔa2は所定値ではないが、４．５ms程度となる。

第３アーク期間信号Ｓta3がＨｉｇｈレベルに変化する時刻ｔ６２から短絡が発生する時刻ｔ７までの期間が、第３アーク期間Ｔa3となる。この第３アーク期間Ｔa3中は、定電流制御される。同図(Ｂ)に示すように、図１の第３アーク電流設定信号Ｉa3rによって定まる所定の第３アーク電流Ｉa3が通電する。同図(Ｃ)に示すように、出力端子間電圧Ｖｗは電流値及びアーク負荷によって定まる値となる。例えば、第３アーク電流Ｉa3＝６０Ａに設定される。第３アーク期間Ｔa3は所定値ではないが、０．５ms程度となる。

上述した実施の形態においては、溶接ワイヤをアーク期間中は正送し、短絡期間中は逆送する場合について説明したが、全期間中を定速送給するようにしても良い。

上述した本実施の形態に係るアーク溶接装置によれば、電流減少信号が入力されてから短絡判別信号によってアーク期間であると判別するまでのくびれ時間を検出し、所定周期ごとにくびれ時間の平均値を算出して平均くびれ時間算出信号を出力する平均くびれ時間算出部と、平均くびれ時間算出信号に基づいて基準時間を設定する基準時間設定部と、を備えている。本実施の形態では、くびれの形成状態が基準状態になったと推定して溶接電流を減少させるタイミングを決める基準時間を、平均くびれ時間に基づいて自動設定している。このために、種々の溶接条件に応じて、基準時間を適正値に自動設定することができる。この結果、本実施の形態では、アーク発生部の電圧を検出することなく、種々の溶接条件において、スパッタの発生の少ない高品質の溶接を行うことができる。

さらに好ましくは、本実施の形態によれば、予め定めたくびれ時間設定信号を出力するくびれ時間設定部と、基準時間設定部は、平均くびれ時間算出信号の値とくびれ時間設定信号の値とが等しくなるようにフィードバック制御して基準時間を設定する。このようにすると、アーク再発生時点の直前に溶接電流を低レベル電流値の状態にすることができるので、スパッタ発生量を少なくし、かつ、アーク期間への移行を円滑にすることができる。

さらに好ましくは、本実施の形態によれば、送給モータは、溶接ワイヤをアーク期間中は正送し、短絡期間中は逆送する。溶接ワイヤの正逆送給制御を行うと、定速送給制御のときよりも、短絡時間のばらつきが小さくなる。このために、基準時間によるくびれの形成状態の推定精度が向上する。この結果、スパッタの発生量をさらに少なくすることができる。

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
ＣＭ 電流比較回路
Ｃｍ 電流比較信号
ＤＲ 駆動回路
Ｄｒ 駆動信号
Ｅ 出力電圧
Ｅａ 誤差増幅信号
ＥＤ 出力電圧検出回路
Ｅｄ 出力電圧検出信号
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＲ 出力電圧設定回路
Ｅｒ 出力電圧設定信号
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
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
Ｆｗ 送給速度
Ｉa1 第１アーク電流
ＩＡ１Ｒ 第１アーク電流設定回路
Ｉa1r 第１アーク電流設定信号
Ｉa2 第２アーク電流
Ｉa３ 第３アーク電流
ＩＡ３Ｒ 第３アーク電流設定回路
Ｉa3r 第３アーク電流設定信号
ＩＣＲ 電流制御設定回路
Ｉcr 電流制御設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＬＲ 低レベル電流設定回路
Ｉlr 低レベル電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＮＤ 電流減少タイマ回路
Ｎｄ 電流減少信号
ＰＭ 電力制御部
Ｒ 減流抵抗器
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
ＳＴＡ１ 第１アーク期間回路
Ｓta1 第１アーク期間信号
ＳＴＡ３ 第３アーク期間回路
Ｓta3 第３アーク期間信号
ＳＷ 電源特性切換回路
Ｔｃ 遅延期間
ＴＡ１Ｒ 第１アーク期間設定回路
Ｔa1r 第１アーク期間設定信号
Ｔｄ 電流降下時間
Ｔｎ 基準時間
ＴＮＲ 基準時間設定回路
Ｔnr 基準時間設定信号
ＴＲ トランジスタ
Ｔrd 逆送減速期間
ＴＲＤＲ 逆送減速期間設定回路
Ｔrdr 逆送減速期間設定信号
Ｔrp 逆送ピーク期間
Ｔru 逆送加速期間
ＴＲＵＲ 逆送加速期間設定回路
Ｔrur 逆送加速期間設定信号
ＴＳＡ 平均くびれ時間算出回路
Ｔsa 平均くびれ時間算出信号
Ｔsd 正送減速期間
ＴＳＤＲ 正送減速期間設定回路
Ｔsdr 正送減速期間設定信号
Ｔsp 正送ピーク期間
ＴＳＲ くびれ時間設定回路
Ｔsr くびれ時間設定信号
Ｔsu 正送加速期間
ＴＳＵＲ 正送加速期間設定回路
Ｔsur 正送加速期間設定信号
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖｗ 出力端子間電圧
ＷＬ リアクトル
ＷＭ 送給モータ
Ｗrp 逆送ピーク値
ＷＲＲ 逆送ピーク値設定回路
Ｗrr 逆送ピーク値設定信号
Ｗsp 正送ピーク値
ＷＳＲ 正送ピーク値設定回路
Ｗsr 正送ピーク値設定信号

Claims (3)

1. 溶接ワイヤを送給する送給モータと、
   前記溶接ワイヤと母材との間が短絡期間又はアーク期間にあるかを判別して短絡判別信号を出力する短絡判別部と、
   前記短絡判別信号を入力として前記短絡期間の開始時点から基準時間が経過すると電流減少信号を出力する電流減少タイマ部と、
   前記溶接ワイヤと前記母材との間に出力端子間電圧及び溶接電流を供給して前記短絡期間と前記アーク期間とを繰り返すと共に、前記短絡期間中に前記電流減少信号が入力されると前記溶接電流を減少させて前記アーク期間に移行させる電力制御部と、
   を備えたアーク溶接装置において、
   前記電流減少信号が入力されてから前記短絡判別信号によってアーク期間であると判別するまでのくびれ時間を検出し、所定周期ごとに前記くびれ時間の平均値を算出して平均くびれ時間算出信号を出力する平均くびれ時間算出部と、
   前記平均くびれ時間算出信号に基づいて前記基準時間を設定する基準時間設定部と、
   をさらに備えたことを特徴とするアーク溶接装置。
2. 予め定めたくびれ時間設定信号を出力するくびれ時間設定部と、
   前記基準時間設定部は、前記平均くびれ時間算出信号の値と前記くびれ時間設定信号の値とが等しくなるようにフィードバック制御して前記基準時間を設定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接装置。
3. 前記送給モータは、前記溶接ワイヤを前記アーク期間中は正送し、前記短絡期間中は逆送する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のアーク溶接装置。

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