JP2023116899A - アーク溶接制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】消耗電極アーク溶接において、溶接継手部に大きなギャップを有する薄板に対して、高品質な溶接を行うこと。【解決手段】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、アーク期間は、時刻ｔ４～ｔ６１の第１アーク期間Ｔａ１とそれに続く時刻ｔ６１～ｔ６２の第２アーク期間Ｔａ２とを備えており、第１アーク期間Ｔａ１は定電流制御によって溶接電流を通電し、第２アーク期間Ｔａ２は定電圧制御によって溶接電流を通電して溶接するアーク溶接制御方法において、第１アーク期間Ｔａ１を電極マイナス極性とし、それ以外の期間は電極プラス極性とする。第１アーク期間が開始された時点又はそれから遅延させた時点で電極プラス極性から電極マイナス極性に切り換える。【選択図】 図２

Description

本発明は、溶接ワイヤを送給して行うアーク溶接制御方法に関するものである。

母材への入熱を小さくして薄板を高品質に溶接するために特許文献１、２等の発明が慣用されている。
特許文献１に係る交流パルスアーク溶接方法では、溶接ワイヤを送給し、電極プラス極性期間中のピーク電流及びベース電流の通電と、電極マイナス極性期間中の電極マイナス極性電流の通電とを１周期として繰り返すことによって溶接が行われる。この交流パルスアーク溶接では、電極マイナス極性期間を調整することによって、１周期に占める電極マイナス極性期間の時間比率である電極マイナス極性比率を変化させて、母材への入熱を制御することができる。このために、低入熱溶接が可能となり、高品質な薄板溶接を行うことができる。

特許文献２に係る溶接方法では、溶接ワイヤを送給し、パルスアーク溶接を行う期間と短絡移行アーク溶接を行う期間とを交互に切り換えて溶接が行われる。この溶接方法では、パルスアーク溶接の期間と短絡移行アーク溶接の期間との比率を調整することによって、母材への入熱制御を行うことができる。このために、低入熱溶接が可能となり、高品質な薄板溶接を行うことができる

国際公開ＷＯ２０１８／０７９３４５号公報 特開２０２１－５３６４９号公報

薄板溶接において、溶接継手部にギャップがある場合には、溶け込み部を小さくし、余盛り部を大きくした希釈率の小さなビード形状を形成する必要がある。しかし、特許文献１、２等の従来技術の溶接方法では、大きなギャップを有する薄板を高品質に溶接することは困難であった。

そこで、本発明では、溶接継手部に大きなギャップを有する薄板に対して、高品質な溶接を行うことができる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、
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、
前記アーク期間は第１アーク期間とそれに続く第２アーク期間とを備えており、前記第１アーク期間は定電流制御によって溶接電流を通電し、前記第２アーク期間は定電圧制御によって前記溶接電流を通電して溶接するアーク溶接制御方法において、
前記第１アーク期間を電極マイナス極性とし、それ以外の期間は電極プラス極性とする、
ことを特徴とするアーク溶接制御方法である。

請求項２の発明は、
前記第１アーク期間が開始された時点又はそれから遅延させた時点で前記電極マイナス極性に切り換える、
ことを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接制御方法である。

請求項３の発明は、
前記短絡期間の途中で前記電極マイナス極性に切り換える、
ことを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接制御方法である。

請求項４の発明は、
極性を切り換えるときは、前記溶接電流の絶対値が基準値以下の状態で行う、
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のアーク溶接制御方法である。

請求項５の発明は、
前記溶接ワイヤを前記短絡期間中は逆送し、前記アーク期間中は正送する、
ことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載のアーク溶接制御方法である。

本発明によれば、溶接継手部に大きなギャップを有する薄板に対して、高品質な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制御方法を実施するためのアーク溶接装置のブロック図である。 本発明の実施の形態に係るアーク溶接制御方法を示す 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。 図２とは異なる本発明の実施の形態に係るアーク溶接制御方法を示す 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制御方法を実施するためのアーク溶接装置のブロック図である。同図において、極性切換を円滑にするために、溶接ワイヤ１と母材２との間に数百Ｖの高電圧を短時間印加する回路については省略している。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。

電力制御回路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、後述する極性切換信号Ｄｒによって電極プラス極性ＥＰと電極マイナス極性ＥＮとを切り換えて溶接ワイヤ１と母材２との間に溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力する。この電力制御回路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、整流された直流を平滑するリアクトル、平滑された直流を上記の極性切換信号Ｄｒに基づいて数十～数百Ｈｚの交流に変換する２次側インバータ回路を備えている。

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。また、一般的なように、溶接ワイヤ１を予め定めた速度で定速送給するようにしても良い。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。溶接ワイヤ１と母材２との間には溶接電圧Ｖｗが印加され、溶接電流Ｉｗが通電する。溶接ワイヤ１には、鉄鋼ワイヤ、アルミニウムワイヤ等が使用される。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。

電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｗの絶対値を検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。

電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗの絶対値を検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。電圧設定回路ＶＲは、第２アーク期間中の溶接電圧Ｖｗを設定するための電圧設定信号Ｖｒ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。

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。

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。

短絡電流設定回路ＩＳＲは、予め定めた短絡電流設定信号Ｉsrを出力する。

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、上記の短絡電流設定信号Ｉsr、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、第１アーク期間信号Ｓta1がＨｉｇｈレベルに変化した時点から予め定めた遅延期間Ｔｃ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）その後は、第１アーク電流設定信号Ｉa1rの値となる電流制御設定信号Ｉcrを出力する。
３）その後は、予め定めた切換電流値まで減少させて電流制御設定信号Ｉcrを出力する。
４）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の値となる電流制御設定信号Ｉcrを出力する。
５）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）のときは、短絡電流設定信号Ｉsr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、両値の誤差を増幅して、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、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。

極性切換回路ＤＲは、上記の第１アーク期間信号Ｓta1及び上記の短絡判別信号Ｓｄを入力として、以下の１）～３）のいずれか一つの処理を行い、極性切換信号Ｄｒを出力する。極性切換信号ＤｒがＨｉｇｈレベルのときは溶接電源の出力は電極マイナス極性ＥＮとなり、Ｌｏｗレベルのときは電極プラス極性ＥＰとなる。
１）第１アーク期間信号Ｓta1がＨｉｇｈレベルに変化するとＨｉｇｈレベル(電極マイナス極性ＥＮ)に変化し、Ｌｏｗレベルに変化するとＬｏｗレベル(電極プラス極性ＥＰ)に変化する極性切換信号Ｄｒを出力する。
２）第１アーク期間信号Ｓta1がＨｉｇｈレベルに変化して上記の遅延期間Ｔｃが経過するとＨｉｇｈレベル(電極マイナス極性ＥＮ)に変化し、Ｌｏｗレベルに変化するとＬｏｗレベル(電極プラス極性ＥＰ)に変化する極性切換信号Ｄｒを出力する。
３）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）に変化してから所定期間が経過するとＨｉｇｈレベル(電極マイナス極性ＥＮ)に変化し、第１アーク期間信号Ｓta1がＬｏｗレベルに変化するとＬｏｗレベル(電極プラス極性ＥＰ)に変化する極性切換信号Ｄｒを出力する。

図２は、本発明の実施の形態に係るアーク溶接制御方法を示す図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）は溶接電圧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）は極性切換信号Ｄｒ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、正の値のときは溶接ワイヤ１を母材２に向けて前進送給する正送状態を示し、負の値のときは母材２から離反する方向に後退送給する逆送状態を示す。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。同図（Ｂ）に示す溶接電流Ｉｗ及び同図（Ｃ）に示す溶接電圧Ｖｗは、正の値のときは電極プラス極性ＥＰのときの波形を示し、負の値のときは電極マイナス極性ＥＮのときの波形を示す。

［時刻ｔ１～ｔ４の短絡期間の動作］
短絡期間中は、同図（Ｇ）に示すように、極性切換信号ＤｒはＬｏｗレベルであるので、溶接電源の出力は電極プラス極性ＥＰとなる。したがって、短絡期間中は、同図（Ｂ）に示す溶接電流Ｉｗ及び同図（Ｃ）に示す溶接電圧Ｖｗは正の値となる。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、溶接電圧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。

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。

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。

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の瞬時値は、図１の短絡電流設定信号Ｉsrの値に定電流制御される。この短絡電流設定信号Ｉsrの値は、溶接電流Ｉｗの平均値以下に設定される。溶接電流Ｉｗの平均値は、送給速度Ｆｗの平均値によって略定まる。好ましくは、短絡電流設定信号Ｉsrの値は、１００Ａ以下に設定され、より好ましくは７０Ａ以下に設定される。このように、短絡期間中の溶接電流Ｉｗを小電流値に制御することによって、短絡発生時にスパッタが発生することを抑制し、溶滴が溶融池に円滑に吸収されることを促進する。さらには、従来技術のようにくびれ検出制御を行うことなくアーク再発生時の溶接電流Ｉｗの値を小さくすることができるので、アーク再発生に伴うスパッタ発生を大幅に削減することができる。本実施の形態では、くびれ検出制御を行わないので、アーク発生部の電圧を検出するための検出線は不要である。従来技術では、短絡期間中の溶接電流Ｉｗの瞬時値は、最大値が４００Ａ以上となっている。これは、短絡状態を解除するためには、大電流を通電し、そのピンチ力によって、溶滴にくびれを形成する必要があったためである。これに対して、本実施の形態では、溶接ワイヤを高速に逆送することによって、ピンチ力に頼ることなく、くびれを形成して短絡状態を解除することができる。このために、本実施の形態では、短絡期間中の溶接電流Ｉｗを、従来技術よりも小さな値にすることができる。

［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、溶接電圧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、同図（Ｅ）に示すように、第１アーク期間信号Ｓta1がＨｉｇｈレベルに変化して、時刻ｔ４～ｔ６１の期間が予め定めた第１アーク期間Ｔa1となる。第１アーク期間Ｔa1は、図１の第１アーク期間設定信号Ｔa1rによって設定される。第１アーク期間Ｔa1中は定電流制御される。同時に、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。

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。

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。

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、溶接電圧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から予め定めた遅延期間Ｔｃの間は図１の低レベル電流設定信号Ｉlrの値となる。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。この遅延期間Ｔｃを０としても良い。

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（Ｇ）に示すように、極性切換信号ＤｒがＨｉｇｈレベルに変化して、溶接電源の出力は電極マイナス極性ＥＮとなる。遅延期間Ｔｃ＝０のときは、時刻ｔ４において、電極マイナス極性ＥＮとなる。これに応動して、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは負の値の低レベル電流値になり、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗも負の値のアーク電圧値となる。同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、時刻ｔ５１から増加して第１アーク電流設定信号Ｉa1rによって設定される第１アーク電流値Ｉa1を維持し、その後は、時刻ｔ６１に予め定めた切換電流値となるように減少する。同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗも溶接電流Ｉｗと相似した波形となる。溶接電流Ｉｗを５０～１００Ａ程度の切換電流値まで減少させている理由は、以下のとおりである。極性切換時の電流値が大きいと、図１の電力制御回路ＰＭの２次側インバータ回路を構成するトランジスタに課題なサージ電圧が印加して破壊されることがあり、これを防止するためである。

時刻ｔ６１において第１アーク期間Ｔa1が終了すると、同図（Ｇ）に示すように、極性切換信号ＤｒがＬｏｗレベルに変化して、溶接電源の出力は電極プラス極性ＥＰとなる。これに応動して、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは正の値の切換電流値になり、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗも正の値のアーク電圧値となる。時刻ｔ６１～ｔ６２の期間が第２アーク期間Ｔa2となり、溶接電源は定電圧制御に切り換えられる。同図（Ｂ）に示すように、第２アーク電流Ｉa2はアーク負荷に応じた値となり、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは図１の電圧設定信号Ｖｒによって制御された値となる。この第２アーク期間Ｔa2を定電圧制御することによって、アーク長が適正値になるように制御している。

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。この時点から次の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。第３アーク期間Ｔa3中は、同図（Ｇ）に示すように、極性切換信号ＤｒはＬｏｗレベルを継続するので、溶接電源の出力は電極プラス極性ＥＰとなる。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、溶接電圧Ｖｗは電流値及びアーク負荷によって定まる値となる。短絡直前の第３アーク電流値Ｉa3を小さな値にすることによって、短絡の発生を導き、短絡発生時のスパッタ発生を抑制することができる。

上記の各パラメータの数値例を以下に示す。短絡期間(所定値ではない)：３ms、アーク期間(所定値ではない)：４ms、遅延期間Ｔｃ(所定値)：０．５ms、第１アーク期間Ｔa1(所定値)：１．５ms、第２アーク期間Ｔa2(所定値ではない)：２ms、第３アーク期間Ｔa3(所定値ではない)：０．５ms、電流降下時間(所定値)：３．５ms、低レベル電流値(所定値)：５０Ａ、第１アーク電流値Ｉa1(所定値)：－１５０Ａ、第３アーク電流値Ｉa3(所定値)：５０Ａ、正送ピーク値Ｗsp(所定値)：３０m/min、逆送ピーク値Ｗrp(所定値)：－２５m/min、

上述した実施の形態では、第１アーク期間を電極マイナス極性ＥＮとし、それ以外の期間を電極プラス極性ＥＰとしている。これにより、第１アーク期間中は、電極マイナス極性ＥＮであるので、母材への入熱を少なくした上で、溶接ワイヤに形成する溶滴を大きくすることができる。溶滴のサイズが大きくなると、大きなギャップを溶滴によって埋めることができる。この結果、溶接継手部に大きなギャップを有する薄板に対して、高品質な溶接を行うことができる。

図３は、図２とは異なる本発明の実施の形態に係るアーク溶接制御方法を示す図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）は溶接電圧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）は極性切換信号Ｄｒの時間変化を示す。同図において、図２とは時刻ｔ３～ｔ６１の期間の動作が異なっており、それ以外の期間の動作は同様である。以下、同図を参照して、図２とは異なる動作について説明する。

同図（Ａ）に示す送給速度Ｆｗの動作については、図２と同一であるので、説明は繰り返さない。

時刻ｔ１の短絡期間の開始から所定期間が経過した時刻ｔ３１において、同図（Ｇ）に示すように、極性切換信号ＤｒがＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化するので、溶接電源の出力は電極マイナス極性ＥＮに切り替わる。これに応動して、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは正の値の短絡電流値から負の値の短絡電流値へと変化する。同様に、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは正の値の短絡電圧値から負の値の短絡電圧値へと変化する。上記の所定期間は、短絡期間の途中で極性が切り換わるようにするために、短絡期間は３ms以上であるので１～２．５ms程度に設定される。短絡期間が開始してから１ms程度は溶滴と溶融池とが安定した短絡状態になるのに必要であるので、この時間が経過した後に極性を切り換えることが望ましい。

時刻ｔ４において、溶接ワイヤの逆送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、溶接電圧Ｖｗは負の値の数十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、同図（Ｅ）に示すように、第１アーク期間信号Ｓta1がＨｉｇｈレベルに変化して、時刻ｔ４～ｔ６１の期間が予め定めた第１アーク期間Ｔa1となる。第１アーク期間中は、同図（Ｇ）に示すように、極性切換信号ＤｒはＨｉｇｈレベルのままであるので、溶接電源の出力は電極マイナス極性ＥＮを継続する。さらに、第１アーク期間Ｔa1中は定電流制御が継続する。同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、時刻ｔ４から予め定めた遅延期間Ｔｃの間は図１の低レベル電流設定信号Ｉlrの値となる。

時刻ｔ５１において、遅延期間Ｔｃが終了すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、時刻ｔ５１から増加して第１アーク電流設定信号Ｉa1rによって設定される第１アーク電流値Ｉa1を維持し、その後は、時刻ｔ６１に予め定めた切換電流値となるように減少する。同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗも溶接電流Ｉｗと相似した波形となる。

時刻ｔ６１において第１アーク期間Ｔa1が終了すると、同図（Ｇ）に示すように、極性切換信号ＤｒがＬｏｗレベルに変化して、溶接電源の出力は電極プラス極性ＥＰとなる。これに応動して、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは正の値の切換電流値になり、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗも正の値のアーク電圧値となる。時刻ｔ６１～ｔ６２の期間が第２アーク期間Ｔa2となり、溶接電源は定電圧制御に切り換えられる。これ以降の動作は、図２と同様であるので、説明は繰り返さない。

上述したように短絡期間中に極性を切り換えるとアークが発生していないのでアーク切れが発生することがなく、円滑に極性を切り換えることができる。

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
ＤＲ 極性切換回路
Ｄｒ 極性切換信号
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
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
ＩＳＲ 短絡電流設定回路
Ｉsr 短絡電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＰＭ 電力制御回路
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
ＴＡ１Ｒ 第１アーク期間設定回路
Ｔa1r 第１アーク期間設定信号
Ｔｃ 遅延期間
Ｔｄ 電流降下時間
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
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
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
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
Ｖｗ 溶接電圧
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 (5)

1. 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、
   前記アーク期間は第１アーク期間とそれに続く第２アーク期間とを備えており、前記第１アーク期間は定電流制御によって溶接電流を通電し、前記第２アーク期間は定電圧制御によって前記溶接電流を通電して溶接するアーク溶接制御方法において、
   前記第２アーク期間を電極マイナス極性とし、それ以外の期間は電極プラス極性とする、
   ことを特徴とするアーク溶接制御方法。
2. 前記第１アーク期間が開始された時点又はそれから遅延させた時点で前記電極マイナス極性に切り換える、
   ことを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接制御方法。
3. 前記短絡期間の途中で前記電極マイナス極性に切り換える、
   ことを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接制御方法。
4. 極性を切り換えるときは、前記溶接電流の絶対値が基準値以下の状態で行う、
   ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のアーク溶接制御方法。
5. 前記溶接ワイヤを前記短絡期間中は逆送し、前記アーク期間中は正送する、
   ことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載のアーク溶接制御方法。

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