JP2841217B2 - 短絡アーク溶接の装置及び方法 - Google Patents

短絡アーク溶接の装置及び方法

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    • B23K9/092—Arrangements or circuits for arc welding with pulsed current or voltage characterised by the circuits characterised by the shape of the pulses produced

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は消耗性電極を用いるアーク溶接の技術、及び
特には短絡アーク溶接の改良された装置と方法に関す
る。
＜従来の技術及び発明が解決すべき課題＞ 近年、短絡状態とその後に続くアーク状態とで構成さ
れる溶接サイクルのそれぞれ異なる期間中で溶接電流及
び／又はアーク電流を制御することによって短絡アーク
溶接を改良するために多大の努力が払われている。短絡
状態時には前方に動きつつある溶接ワイヤの先端に形成
された溶融金属球が工作物上の溶融金属のプールと接触
して消耗可能な溶接ワイヤと溶融金属球を通して流れる
大電流を生じさせる。この短絡状態は、ワイヤ溶融金属
球を形成している金属を電気的に収縮させ且つ次にしば
しば“フューズ”とよばれる破裂形現象による溶接ワイ
ヤからの切断を起こす電気ピンチ作用によって終る。溶
接サイクルの短絡時の電流の制御は電源供給制御回路に
よって行なわれる。更に予告回路が通常設けられてい
て、所定のdV/dtの増加がフューズの切迫した形成を報
じる。その結果、溶接電流をフューズが起こる直前にバ
ックグランドレベルIBまたはそれ以下に落すことができ
る。この方法で、各溶接サイクル中のフューズのエネル
ギーを大巾に減らす。これが短絡状態の終りのスパッタ
ーを減らす。フューズ短絡アーク溶接中のスパッターの
主たる原因と考えられているので、溶接サイクルの短絡
部又は短絡状態中の電流制御用のさまざまの回路が、ス
パッター制御回路として当業者に知られている。参考の
ためにここに示す出願人の同時係属出願では、溶接方法
に関する他のスパッター生成機構が新規な制御の考え方
で認識されてスパッター生成が防止され修正されてい
る。この同時に係属中の出願における出願人の考えでは
フューズから僅かな時間の遅をはさんで高エネルギーを
与えてそれによってフューズに続くアーク状態が“プラ
ズマブースト”パルスと呼ばれる高エネルギー電流パル
スで開始される。溶接サイクルのアーク状態の開始と同
時に高エネルギープラズマブースト電流パルスを用いて
工作物上の溶融金属プールに向けて供給される溶接ワイ
ヤの先端でのアノード加熱により急速なワイヤ溶融が生
じる。この急速な溶融がワイヤ末端上で均一なサイズの
溶融金属ボールを形成させ、該ボールはワイヤが工作物
に向って供給されるにつれて、金属溶融プールに向って
動く。電流のプラズマブースト電流パルス後、バックグ
ラウンド電流IBがアークを通って流れ溶融ボールを溶融
状態に保つ。電流を制御し且つプラズマブーストパルス
を一定の時間使用することによってプラズマブーストパ
ルスのエネルギーが規制される。ワイヤの末端が、ブー
スト電流パルス時に印加されるエネルギーの量によっ
て、溶融されほぼ均一なサイズを有する溶融金属球が形
成される。その後、短絡が起こる迄、アーク状態は溶融
状態を保持するバックグランド電流レベルで継続され
る。
スパッターを実際上はっきりと減らすこれら先行技術
の考えを用いると、プラズマブーストパルス時の定電圧
制御回路はパルス時に大きな電流を起こしていた。これ
は内側に動く溶融金属からプールを引離す傾向を示して
いた。アークのエネルギーによってプールをシフトさせ
ると、アークの中心から離れた位置で僅かな接触が起こ
ろう。プラズマブーストパルス時のこの短絡は比較的大
きなスパッター現象を起こそう。従って電力ブースト電
流パルス用に定電圧を用いると球からプールを離す高電
流を生じ、これは時には瞬間的な短絡で生じる流体力学
でいわれているウエイブ現象を起こす傾向がある。この
難点を克服するのに、プラズマブースト電流パルス時に
定電流に保つための可変電圧電力制御回路が示唆されて
いる。この考えはアーク状態のランダムな短絡の頻度を
増すけれども、各短絡が解放すべきエネルギーは少なく
なる。定電流条件を用いる可変電圧の考え方は少ないエ
ネルギーによる瞬間的短絡を可能にする。要約すると、
プラズマブーストサイクル中の定電流又は定電圧の使用
は、アーク状態における瞬間的短絡の頻度又はそのはげ
しさを増す。
固定時間に設定されたプラズマブーストパルスを用い
ることによって、消耗性電極又は溶接ワイヤの突出し量
が変わると、異なる量のエネルギーが溶接金属球に導入
される。従ってプラズマブースト電流パルスを固定した
時間で使う先行技術は自動溶接に用いられる。然し手動
操作でワイヤーの突出し量を変える半自動溶接では困難
であることが判っている。プラズマブースト電流パルス
は時としてワイヤの末端を溶融するに足る熱を生じな
い。これがスタビング（stubbing）を生じる。更に個々
のサイクルの短絡状態の開始時間には実質的変化がある
ので、溶接サイクルの持続時間は長期的に見た場合には
一定ではない。
＜課題を解決するための手段＞ 本発明は、短絡アーク溶接の改良に関し、それは実質
的に一定の溶接サイクル時間並びにスパッターの減少を
もたらし短絡モードでの半自動溶接の間における種々の
ワイヤーの伸長（extension）あるいは突き出し（stick
−out）を自動的に補償する。
本発明に従えば、種々のレベルの溶接電流を電極ホー
ルダーから様々な距離をもって延びている溶接ワイヤー
を通してそのワイヤーと工作物上の溶融金属プール部に
対応する工作物との間に流すためのD.C.電源を用いたタ
イプの短絡アーク溶接のための改良された装置又はシス
テムを提供することである。その溶接中の電流量はその
ホールダーと工作物との間の電圧に応答するものであ
る。本発明に従えば、電流強度が可変である溶接電流を
工作物上の溶接プール及び溶接ワイヤを介して導通させ
る単一の直流電源を備え、該溶接ワイヤはホルダーら距
離可変に伸ばされて一連の溶接サイクルに供され、それ
ぞれの該溶接サイクルは、溶接ワイヤに供給されるエネ
ルギーが溶接ワイヤの端部を溶融して溶接金属球にする
アーク期及び該溶接金属球を溶接プールに接触させて次
いでくびれさせて小滴にして分離させた後に次のサイク
ルのために溶接アークを点火する短絡期とを含む短絡ア
ーク溶接装置であって、アーク状態の期間中、当該期間
の開始時に当該アーク状態期間中で最も電流レベルの高
い第１レベルの高電流が供給され、その少なくとも一部
の期間に於いては、当該第１レベルの高電流がそのレベ
ルに実質的に固定され維持されているプラズマブースト
発生部分である第１の段階及び当該プラズマブースト発
生部分に続いて、当該１レベルの高電流よりもレベルの
低い電流レベルを持つ第２の高電流が供給されるプラズ
マ発生部分である第２の段階とを発生する手段及び、当
該アーク状態期間中、該溶接ワイヤに蓄積されたエネル
ギー、予め定められた所定のエネルギー値に達した場合
に当該高電流の供給を停止させる手段とが設けられてい
る短絡アーク溶接装置が得られるものである。
本発明に係る当該短絡アーク溶接装置のより具体的な
構成を以下に説明するならば、前もって選定されたエネ
ルギーを、溶接サイクルにおけるアーク状態のうちの選
択された部分の期間中に溶接ワイヤーに印加する手段を
有し、その前もって選択されたエネルギーとは、ワイヤ
ーの末端を溶融するのに必要な予め定められたエネルギ
ー値を超えかつ予備的に短絡による金属移行のために予
め定められた大きさの溶融金属ボールを形成するような
エネルギー値である。一定のエネルギーが適用されてい
る各々のアーク状態のうちの選ばれた部分とは、一定時
間のプラズマブースト電流パルスとそれに続いて行われ
るプラズマ電流パルスとで構成される。このプラズマパ
ルスは、溶接サイクルにおけるプラズマブースト及びそ
れに続くプラズマ部の期間中、一定のエネルギーをワイ
ヤー中に入力するための調整された所定の時間の後終わ
る。かくしつ、各溶接サイクルの間、選定された一定量
のエネルギーが各サイクルの間そのワイヤーを加熱する
ために該ワイヤーに適用される。そのようなワイヤーの
加熱は、そのホールダーからそのワイヤーの末端までの
ワイヤーを通しての電流の流れによる抵抗加熱と、効果
的なアーク電流によるそのワイヤー末端での陽極加熱と
に分けられる。そのような陽極加熱は、各溶接サイクル
の間中そのワイヤーに適用されている大部分の溶接化エ
ネルギーに寄与している。延伸あるいは突き出しが増加
すると、サイクルあたりの加熱の大部分は、その溶接ワ
イヤーを通る電流の流れによって生ずる抵抗加熱とな
る。各溶接サイクルのためのアーク条件の間固定化され
た一定のエネルギー投入量を用いることにより、そのシ
ステムは異なった突き出し条件を自動的に補償する。ワ
イヤーの突き出しが増加するにつれ、そのワイヤーは抵
抗加熱に一層加熱される。突き出しが減少するにつれ、
ワイヤーの抵抗加熱はより少なくなる。すべての場合に
おいて、そのワイヤーがボール状に溶融するところのワ
イヤの末端に達しているワイヤーにI2R加熱しうる量に
自動的に合わせることにより一定のエネルギーを与え
る。溶接サイクルは30−100サイクル／秒で発生するの
で、１つの定められた溶接サイクル期間中における前進
せめられた長さとして定義される前進するワイヤーのそ
れぞれの増加長分（increment）は、その増加長がその
ワイヤーの底部に到達するより前に、すべてのサイクル
の間その増加長分に印加された加熱エネルギーを足し合
わせたものを含むものである。いかなる突き出し量にお
ける変化も、その繰り出しワイヤーのそれぞれの増加長
分についてそれぞれの溶接サイクルの間の加熱エネルギ
ーを足し合わせたものより実質的に低い速度で発生す
る。その溶接作業はそのホールダーからのワイヤーの突
き出し又は伸長におけるいかなる変化の速度よりも実質
的に速いので、各増加長分は、各サイクルの間陽極加熱
における実際のエネルギーと一緒にされた場合、実際に
溶融しているワイヤーの最後の増加長分に入力される固
定されたエネルギーとなる。突き出しにおける変化はそ
のシステムの普通の操作に比してゆっくりであるので、
一定のエネルギーは各溶接サイクル間中溶融した金属ボ
ールに拡がる。そのボール状物は決められた大きさのも
のであり、スパッターは半自動操作の適用できる考え方
によって減少せられる。
本発明に於て、“ブースト”と言う表現は、電流量
が、電流の供給開始時点から短期間に急峻に増大して、
所定のレベル迄上昇する事を意味するものであり、又
“プラズマ”と言う表現は、ワイヤーの端部が溶融され
且つ当該溶融状態が維持されている状態を意味するもの
である。
従って、第１の段階でのプラズマブースト部は、加熱
に使用されるパルス電流の電流値が、当該第１の段階の
開始直後から極めて短時間に所定の第１レベルの高電流
値に迄急峻に増加させ、それ以後は、所定の時間の間、
当該高電流を第１レベルに維持しておくものであり、又
第２の段階に於けるプラズマ部は、少なくとも第１レベ
ルの高電流値よりも電流値が低い第２レベルの高電流値
を使用して、所定の期間、ワイヤを溶融状態に維持する
ものである。
尚、当該第２の段階の後に続くホールディング期間に
使用されるバックグランド電流は、アーク状態を維持し
それによってワイヤの溶融状態も維持されるが、それ以
上にワイヤを溶融する機能を有するものではない。
従って、バックグランド電流は、前記第１の段階及び
第２の段階において使用される高電流ではない。
本発明をより細まかい観点ら見ると、エネルギー量を
コントロールされた電流パルスは、プラズマブースト部
と称する比較的高い電流レベルを用いる第一段階部分
と、プラズマ部とを称する実質的にバックグラウンド電
流より大きく且つプラズマブースト部の電流レベルより
比較的低い電流レベルを用いる第二段階部分を有してい
る。アークサイクルのプラズマブースト部は、決められ
た時間を有し、それで所定の選ばれたエネルギーが溶接
サイクルのこの部分の間に適用される。しかしながらプ
ラズマブースト部に続く、溶融金属ボールを完成させる
ために使用されるプラズマ部は、各溶接期間内にワイヤ
に与えられる一定の実質的なエネルギーを生成する各サ
イクル時の間に終了するように可変的な長さを形成して
いる。このような考え方によれば、溶接の間に経験され
るある速度で派生するワイヤーの伸長長さの変化は、溶
接作業中の短絡状態に備えたワイヤー末端上に溶融金属
ボールを形成するために溶融せめられる最後の増加長分
が実行される迄ワイヤーによって消費させられる全部の
エネルギー量を変化させない。
アーク状態の間で溶接サイクルのプラズマ部を終結さ
せるため、溶接操作のためのアーク電圧及び溶接電流の
瞬間的な積としてワットシグナルを形成する手段を備え
る、まずプラズマブースト部の開始点からこのシグナル
を累積させることにより、積分され総計されたエネルギ
ー値が高いプラズマ電流を停止するために前もって選定
されたレベルに達する。このあと、低いバックグラウン
ド電流が、溶接サイクルの短絡状態を形成するため工作
物上の溶融金属プールに達するまで溶融金属ボール状態
を維持するのに用いられる。このように、本発明は高電
流のプラズマブースト部とそれにつづく高電流ではある
がプラズマブースト部の電流よりは低い電流が用いられ
るプラズマ部とを、決められた量のエネルギーが溶接サ
イクルの間に蓄積されるまで使用される。この状態にな
ると溶融金属球を形成するのに要求されるエネルギーが
蓄積されたことになりその後はバックグラウンド電流が
その溶融金属球の大きさ及び温度を保つ。
伸長突き出しが徐々に変化するにつれ、そのワイヤー
を介した抵抗加熱によって消費されるエネルギー量は変
化する。しかしワイヤーの末端での最終的な加熱には影
響はない。工作物に向けて移動するワイヤ中により高い
加熱が生ずるにつれてアークによる高極加熱により加熱
状態は低下する。本発明に従えばその加熱は決められた
エネルギー投入レベルで終えられる。そのレベルはワイ
ヤの最後の増加長分を溶融金属球に変化させるに必要な
エネルギーよりわずかに多いエネルギーレベルである。
例えば、金属容積がワイヤ増加長分を溶融するのに7.2
ジュール必要な場合、本発明で使用されるエネルギーカ
ットオフは、それより僅かに多くなり7.25ジュールとな
る。
本発明の別の特徴に従えば、溶接サイクルの間電流量
をコントロールするためのD.C.電源は、10KHzより大き
い、好ましくは約20KHzのような高い周波数で操作され
るパルス幅変調D.C.チョッパーのような高周波パルス回
路を用いる。この方法で、すべての溶接サイクルは各溶
接サイクル毎にコントロールされ、何回も更新される。
延伸又は突き出しにおけるゆっくりした変化を補償する
にいかなる認められるような遅延もない。ワイヤー末端
のボールに向けられている総エネルギーは固定されてい
る。この一定量のエネルギーの値は、突き出しが変化し
ても変わらない。本発明の好ましい具体例に従って使用
されるインプットパワーをコントロールする装置は高い
振動数であることからみて、溶接ワイヤーの伸長された
部分を構成する伸長回数の遂時的変化に関係なく、リア
ルタイム操作は溶融された、最終の伸長時に同じエネル
ギーを創り出す。
本発明の別の態様によれば、その高エネルギープラズ
マブースト部の電流パルスは少なくとも大部分のプラズ
マブーストパルス部の期間中一定のワット状態を生ずる
ようにコントロールされる。これにより一定の電流操作
モード又は一定電圧操作モードで経験する困難性が克服
され、そしてこの制御は各溶接サイクルの間エネルギー
をコントロールするのに使用されるシステムを採用する
ことにより実行される。このシステムはワットシグナル
を作り出し、そのシグナルは、パルス幅変調D.C.チョッ
パーによってゲートされた電流パルスを調整する。この
考え方は、そのプラズマブーストパルス部の間における
一定のワット状態をもたらす。かくして、そのプラズマ
ブーストパルスは、決められた時間を有する一定のワッ
トパルスである。エネルギーのカットオフ時間は、その
後に続くアークプラズマモードの操作の間コントロール
される。
本発明の別の特徴に従えば、上記で定義されたシステ
ムを用いたタイプの短絡アーク溶接法が提供される。つ
まり電流パルスはアーク状態の開始とともに創り出さ
れ、そこでは電流パルスは第一発生部、つまり第１の高
い電流レベルで駆動されるプラズマブースト部と、第二
発生部、つまり第１の電流レベルよりも低い電流レベル
で駆動されるプラズマ部を有している。そのエネルギー
は、単一溶接サイクルのうちのこれら二つの電流部の間
で足し合わされる。その結果合計されたエネルギーが所
定の値よりも大きな前もって選定された値を持つとき
に、この電流パルスを停止する。その所定の値とは、そ
のワイヤーの末端における最後のワイヤ増加長分を溶融
し、前もって選定された溶接金属ボールを形成するに必
要なエネルギーである。その後、低いレベルのバックグ
ランド電流を、次の短絡状態が発生するまでそのワイヤ
ーと工作物の間に付与する。より好ましい具体例に従え
ばそのエネルギーは、アーク電圧と溶接電流との瞬間的
な積としてのワットシグナルを形成し、このワットシグ
ナルを積算し前もって選定した一定のエネルギーに達す
るまでその積算値を足し合わせることによって得られ
る。
本発明の別の特徴に従えば、プラズマブースト部の間
の電流は、電極あるいはワイヤの先端でプラズマアンブ
レラを生成するように選択される。従って、これは溶接
の方向に対して横軸の方向に拡がっている大きなプラズ
マのジェットがそのプレートの広い領域を表面溶融条件
にまで加熱させるように作用する。溶接された溶接金属
は、冶金学的にのプレートに結合し、コールド・シャッ
ティング（cold shutting）なしに広い領域の上に拡が
る。次に電流はそのサイクルのプラズマ部の間低下せし
められ、一般的には円錐形のアークを生ずる。
そのエネルギーのカットオフは、その電流パルスのプ
ラズマ部の長さを変えるように差動シグナル（differen
tial signal）を作り出すことによって、あるいは実際
にカットオフシグナルによって実現することができる。
それぞれの場合において、この概念は、その足し合わさ
れたエネルギーが所定の溶融値よりも、大きい前もって
選定された値に達した時に溶接サイクルの電流パルスを
止めるものとして定義される。好適な具体例においてこ
のカットオフは、時間遅延回路における時間の差異を選
ぶことによって行なわれる。そのエネルギーが前もって
選定された足し合わされた値に達した時は、それは実際
のカットオフシグナルによって行なわれることができ
る。その第二の方法は、そのサイクルを行なっている時
に働く。
＜本発明の目的＞ 本発明は所定の溶接サイクルにおけるアーク状態のう
ちの第２の発生部であるプラズマ部の間で印加される全
エネルギーをコントロールし、かつ半自動溶接において
遭遇するような種々の伸長を補償するような方法で多く
のスパッターコントロール装置、システム及び／又は方
法を操作せしめる。スパッターコントロールのための従
来の装置、システム、及び／又は方法は、自動溶接操作
において当初うまくいっていた。しかしながら半自動操
作においては、あまりうまくいかなかった。というのは
ワイヤの末端部は必ずしも所定のサイクルの間中適切に
は溶融しないからである。したがって、本発明の第一の
目的は、スパッターコントロール特性を有する短絡アー
ク溶接装置及び／又は方法の改変あるいは改良にあり、
その改良点は、自動操作モードに加えて半自動操作モー
ドでのその装置、システム及び／又は方法を用いること
を許容する。
本発明の第二の目的は、所定の溶接サイクル中でのア
ーク状態の最初段階においてプラズマブースト部の電流
パルスをコントロールして、一定のワットパルスを与え
ることである。このことは一定の電圧コントロールシス
テム及び可変電圧・一定電流コントロールシステムにお
いて遭遇するマイナス点を克服する。本発明のこの目的
に従えば、プラズマブースト電流パルス部の期間にはス
パッターの形成がより少ないこととなる。
本発明の別の目的は、溶接サイクルのアーク条件の間
に一定のエネルギーをコントロールすることにより溶接
ワイヤの突き出しまたは延伸の変化を補償し、そしてエ
ネルギーコントロールのためにワットシグナルを使用
し、プラズマブースト電流パルスの間その電流レベルを
コントロールして、無作為に発生するスパッターを減少
せしめるところの装置、システム及び／又は方法を提供
することである。
本発明の別の目的は、そこにおいて同一の全エネルギ
ーを溶接ワイヤに適用し、ホールダーに対するワイヤー
の延伸量に関係なく、溶融された金属ボールの形成を確
実にする装置、システム及び／又は方法を提供すること
である。それゆえ、溶接作業者はより新しいスパッター
コントロール回路の利点を得るようにそのワイヤの延伸
を正確に且つ巧妙に合わせる必要はない。
更に本発明の別の目的は、短絡アーク溶接作業におい
て溶接ワイヤの末端部に適用されるエネルギーをコント
ロールしてスパッターを減少させると共に均一な反復性
のあるサイクル型の作業を作り出す装置、システム及び
／又は方法を提供することである。
また本発明のさらなる目的は、所定のサイクルのうち
のアーク条件の最初にプラズマブースト電流パルスを用
いての短絡アーク溶接のための装置、システム及び／又
は方法を提供することであり、その装置、システム及び
／又は方法において、プラズマブーストパルスの電流レ
ベルはコントロールされてそのプラズマブーストパルス
のための一定の即時ワット値を発生する。このワット値
はモニターされ、電源スイッチをコントロールするパル
ス幅変調器のような高振動インプット電源を用いること
により各プラズマブースト部の間に度々調節される。
また本発明の別の目的は、上で定義されたような装
置、システム及び／又は方法を提供するものであり、そ
の装置、システム及び／又は方法は、その幅の変調せら
れた複数の高振動数を用いているD.C.電源を使用し、溶
接サイクルの間何回も電流をコントロールする。
更に、本発明の別の目的は、上記で定義されたような
装置、システム及び／又は方法を提供するものであり、
その装置、システム、及び／又は方法は、即時のワット
シグナルを使用し、そのシグナルは溶接サイクルの間、
加熱エネルギーをセットするため合算せられそして蓄積
される。この同一シグナルは、合算されることなく、電
源をコントロールするため使用せられてもよく、それで
プラズマブースト部の電流パルスの電流レベルは一定の
即時ワットレベルを保つ。
本発明の別の目的は、各溶接サイクルのためのアーク
条件の間に使用せられる全エネルギーを制御する短絡ア
ーク溶接のための装置、システム及び／又は方法を提供
するものである。
本発明のさらなる目的は、アーク条件の間の一定エネ
ルギー概念が実質的に一定のサイクルの長さを維持する
ために用いられるところの短絡アーク溶接の装置、シス
テム及び／又は方法を提供するものである。この目的は
短絡条件の未成熟な開始を防止し、各サイクルの間本質
的に一定の溶接条件を維持する。
＜実施例＞ これら及び他の目的及び利点は、次なる添付図面と明
細書の記載から明らかとなろう。
本発明を限定するのでは無い本発明の好ましい態様を
引用して本発明を説明する。図１は1987年12月21日出願
の米国特許出願第135,832号に記載した方法でスパッタ
ーを減少させる制御回路を用いる短絡溶接用の装置Ａを
示す。本発明は装置Ａで実施する形式の短絡アーク溶融
を図３に示す好ましい回路で実施する新規な概念改良し
たものである。図１に示した装置Ａは、性質の例示のも
ので、短絡アーク溶融のサイクルの別々の電流部分をつ
くり出すためのさまざまの別々の電流制御を用いる電力
供給入力スキームを有している。溶接ワイヤ10は電気コ
ネクター又はホルダー14で保持されている工作物12から
離れている。ワイヤ10は操作者がきめた速度で供給スプ
ール18から適切なワイヤフィーダー16でホルダー14を通
して駆動できる。ホルダー14はDC電源PSの一端子に接続
されている。ホルダーから伸びてアークａの上に到るま
でのワイヤの長さは溶接用ワイヤ10についての伸長又は
突出しをきめる。電流供給源PSは正の出力端子20と負の
出力端子22を標準的操作において有している。電力スイ
ッチ30は制御ライン34を持つ標準構造のパルス巾変調器
32で約20KHzでサイクルされる。結果として制御ライン3
4上の電流はスイッチ30を通過できる20KHz電流パルスの
巾を示す。この方法で溶接ワイヤ10とアークａ通る溶接
電流は、別々に又は合併して後述のように示されるさま
ざまの入力制御回路C1−C6で制御される。ライン34上の
パルス巾制御用電圧は抵抗器42で適切にバイアスされた
エラー増幅器40の出力でD.C.電圧レベルである。オーバ
ーライド又は並列回路44はインバーテッドPINCHライン5
0の論理に応じて操作される。エラー増幅器40と回路44
の両入力は合計接点52の電圧であり、これは制御回路C1
−C6の出力側の一列のスイッチSW1−SW6で制御される。
上側の回路C1−C3は下側の回路C5、C6と共に、接点52に
電流を送るか又は電流を引出すのに用いられ、従ってエ
ラー増幅器から引出された電流が変調器の電圧を制御す
る。スイッチSW4、SW6を共に閉じることによりバックグ
ランド電流は低レベルIBに保たれる。先行技術に従って
スパッター制御回路はライン62の信号に依り切迫フェー
ズに応答して操作される。このフェーズ信号はdV/dt予
測回路でつくり出され、出力ライン64の論理は、短絡回
路条件時につくり出されるフューズの直前に電力スイッ
チ70を非伝導性にする。スイッチ70の操作はチョーク又
はインダクター72を介してスイッチ70を通しての高レベ
ル電流ら緩衝回路74を通しての低レベル電流に溶接電流
の流れを変える。サイクルの短絡部分が進むと、図示し
ない標準的なdV/dt回路がアーク電圧をモニターし始め
る。dV/dtが切迫したフェーズを示す１組の値を越える
とライン62の論理がシフトする。ライン64の電圧がスイ
ッチ70を非伝導性にする。スイッチ70からの溶接電流が
低レベルにシフトし、フューズで解放されるエネルギー
を少なくしてスパッターを減らす。この概念は溶接サイ
クルのアーク条件時にはたらく本発明を構成している部
分では無い。パルス巾変調器32の出力でスイッチ30を通
過できる高周波パルスの巾は合計接点52の電圧できま
り、この電圧は図２に良く示されている全溶接サイクル
のさまざまの部分の溶接電流制御用の標準的方法に従っ
て操作されるスイッチSW1−SW6で制御される。溶接サイ
クルは位置T1−T6間の延長として示される。後述のよう
に、本発明の態様に従ってこの操作スキームを変更でき
る。スイッチSW1−SW6の機能を示すために、サイクル時
間又はサイクル時刻T1で始まるとする。その時、図９に
示す溶融金属球Ｂがワイヤ10の末端に形成されていて、
ワイヤは工作物12上に形成された溶融金属プールに向っ
て動いている。プラズマブーストパルス及びプラズマパ
ルスがつくり出されていないので、ANDゲート84の入力
ライン80、82上の論理はスイッチSW4を活性化されると
ともに入力ライン80はSW6を活性化しているが、スイッ
チSW1、SW2、SW3及びSW5をそれぞれ個別に失活させてい
る。結果的にバックグランド電流制御C4が作用する。こ
の制御回路が電流制御回路C6で駆動される電流制御スイ
ッチSW6の出力と合併する。スイッチ30を通る20KHzパル
スのパルス巾は従ってバックグランド電流レベルIBであ
る。短絡の検知によって、スイッチさせるインバーテッ
トPINCHライン50上の論理がスイッチSW1にPINCH変形フ
ィードバック回路44を通しての電流の制御をさせるよう
に作用する。短絡状態では、パルス巾変調器32は回路C
1、C6で制御される。短絡状態による高溶接電流が流れ
易い。図２のPINCH部分で示すようにパルス巾変調器は
電流の大きさを制限しようとする。例示した好ましい態
様では図示のように二つの傾斜がある。然しPINCHパル
スの他の形も回路C1で制御できる。フューズが起ころう
とするやいなや、ライン62の論理が変る。これがスイッ
チ70を開いてスナッバー74を使って電流を大巾に下げ
る。これは図２の時刻T3で示してある。バックグランド
電流IBはこの低レベルと同一であり得る；然し例示態様
ではIBは回路C4で制御され、時刻T3の電流と同一では無
い。その後すぐ、標準プラズマブースト電流パルス100
が生じる。このパルスはライン80の論理変化に応じて閉
じるスイッチSW2で制御される。PINCH状態が残っていな
いので、スイッチSW1はオフで、バイパス回路44は失活
している。従ってプラズマブースト電流パルス状態100
の時、スイッチSW2は回路C2に、パルス巾変調器32を制
御させて、スイッチ30を介して溶接電流パルスを制御さ
せる。例示態様では、プラズマブースト電流パルス100
はプラズマブースト制御C2で制御されるリーディングエ
ッジ102とやはり回路C2で制御される上側部分104を有す
る。本発明の好ましい態様では、上側部分104は、図２
に示した一定電流制御の代りとなるに一定ワット部分で
ある。装置Ａがプラズマブーストパルスが一定電力を持
つように制御されると、スイッチSW5が閉じ、回路C5で
瞬間的ワット信号がモニターされて、スイッチSW5を介
して接点52に入力がつくり出される。定電力操作時に
は、スイッチSW6を開く入力ライン80の論理で電流制御
回路C6が失活される。
本発明の好ましい態様によれば、標準プラズマブース
ト電流パルス時に、スイッチ30を流れる電流は回路C2と
C5で制御されて、、一定の瞬間的ワットを生じ、これが
20KHzのサンプリング速度を更新する。溶接サイクルの
他の部分では、ワット信号制御回路C5が作用せず、スイ
ッチSW6と入力回路C6を介しての電流制御が行われる。
固定時間T4で、制御回路C2によりプラズマブースト電流
パルス100が終る。電流制御は回路C5から回路C6にシフ
トする。この時、スイッチSW3がプラズマ制御回路C3の
出力を変調器32に印加し、それによって溶融状態がその
後に発生するアーク状態が存在しはじめる時刻T3におい
て発生した高電流は第１発生部であるプラズマブースト
部100と第２の発生部であるプラズマ部分110を含んでい
る。回路C3で制御されるプラズマ部分の高電流は時刻T5
で終る。パルス100、110の積分領域は時刻T1−T6間の溶
接サイクル中にワイヤ10に印加された全エネルギーであ
る。高電流プラズマパルス110の後、スイッチSW4が再び
閉じ、バックグランド電流回路C4がエラー増幅器40の操
作を引継ぐ。
溶接サイクルの操作の概要として、時刻T2では溶接金
属球Ｂが工作物12上のプール中の溶接金属と接触した時
に短絡状態となる。短絡が起こると、PINCH制御回路C1
がスイッチSW1及び並列分岐又は回路44を介してスイッ
チ30を制御する。電流の直接制御が短絡状態中の流れの
制限には必要である。切迫したヒューズ状態がライン62
に信号を起こす。これが時刻T3でPINCHサイクルを終ら
せる。スイッチ70が開き、スナバー74チョーク72と直列
になる。その後、アーク状態が起こり、プラズマブース
ト電流パルス100とそれに続いてプラズマ電流パルス110
が始まる。プラズマブースト電流パルス100は固定時間T
3−T4を有し、プラズマ電流パルス110は時刻T5で終る。
本発明によれば、パルス100、110中に溶接操作に与え
られるエネルギーは一定である。これは予め表示されて
いる時刻T5に対し早めに終らせるが、時刻T5に加えるこ
とで調節することにより達成される。後述のように、プ
ラズマパルスの停止、つまり時刻T3−T5の間での全電流
パルスに対する第２発生部分の停止は、溶接サイクルの
各アーク状態時において一定のエネルギーが得られるよ
うに停止される。PINCH及びバックグラウンドサイクル
時に生じるエネルギーは算入しない。このエネルギーは
制御機能を与えず、発生するものではなく比較的短時間
で低電力でワイヤ10にわずかの抵抗熱を生じさせるだけ
なので考えに入れないことにする。
図２は例示の目的で若干直線的に電流、電圧、ワット
及び蓄積ジュールを示す。さらにサイクルの２つの高プ
ラズマ電流部分の後に起こる。溶接サイクルのホールド
部分は第３の高電流エネルギー供給パルスを含むことが
でき、これは電流パルス100、110と合体してアーク状態
での所望量の蓄積エネルギーをつくり出すことができ
る。そうなると、パルス100及び110は両方とも固定時間
を有する。ホールドサイクルは時刻T6でバックグラウン
ドレベルに回路をシフトする別の電流パルスを更に有し
ていてもよい。この場合、時間T6はアーク状態中にワイ
ヤ印加される全エネルギーを調節するように制御され
る。本発明の好ましい態様では、唯２個の電流パルスが
アーク状態中のワイヤ10の加熱に用いられる高電流を形
成する。然し図２の上のグラフには“ホールディング
（holding）”と標識される第３の高電流状態が存在で
きる。好ましい態様では、パルス100のリーディングエ
ッジ102は実質的に垂直であり、部分104は水平であるが
電流を調節することによって一定の電力に制御されてお
りかつ電圧レベルを変動させることもできる。つまり、
ワット制御だけが用いられる。図２のグラフは説明のた
めのものである。図２の下側の電流グラフの垂直線Ｐは
スイッチ30の20KHzの周波数を示す。スイッチ30時刻T1
−T6の間の溶接サイクル中に何度も動作する。従って工
作物12の溶接ワイヤ10できめられる溶接場所にスイッチ
70を介して、電源PSからの電流について正確なリアルタ
イムの制御が行なわれる。これまでに述べたように２個
の高電流パルスを用いる場合に時刻T5における調整或い
は３個の高電流パルスを用いる場合に時刻T6における調
整を除いて略示装置Ａで行なわれるような図２のスパッ
ター制御の考え方は本明細書に参考として包含されてい
る先行出願で教示されているものである。
本発明は各溶接サイクルのアーク条件中に溶接ワイヤ
10に印加される熱エネルギーの制御された終了に関す
る。更なる本発明の態様によればスイッチ30が制御され
て、パルス100の間に一定の瞬間的ワットレベルが提供
される。この概念の両方は図３に示した新規な回路と溶
接サイクルのアーク条件中に予め定められた量のエネル
ギーが印加された時に開くスイッチSW3を用いて達成さ
れる。上述のようにして第３の高電流部分でエネルギー
を印加する時は、スイッチSW4を開く時刻は図３の回路
で制御できる。マルチプライヤ120はライン130に信号を
つくり出し、これはライン122のアーク電圧レベルとラ
イン124の溶接電流レベルの積に比例する。これらのレ
ベルは、延長部にわたる全電圧を測定する適切な装置で
検知される電圧と及び電力スイッチ30を介しての高周波
電流パルスで制御される時の溶接操作の期間を通って流
れる電流である。マルチプライヤ120の出力ライン130は
積分器150の入力に向けられる。従ってライン130の瞬間
的ワットは一溶接サイクルにおいてスイッチ152の操作
によってきめられた溶接サイクルの部分の間積分され
る。本発明の好ましい様態では、スイッチ152は時刻T3
とT5の間で閉じ従ってライン154のD.C.レベルとしての
蓄積エネルギーが時刻T3−T5の間で合計される。ライン
154上の蓄積エネルギーETは、所定のサイクルについて
の合計された蓄積エネルギーが基準エネルギーERに等し
くなった時はいつでも、溶接操作に向けられる電流の直
接停止に用いることができる。この基準エネルギーはワ
イヤ10の末端上の所望のサイズの球を溶融するのに必要
なエネルギー量より一寸多いだけである。従って図３に
示す積分器150は、図３に示すシフトスイッチSW4によっ
てスイッチ130をバックグラウンド制御回路C4にシフト
するタイマーをトグルさせるために直接使用される集積
された又は総合化されたエネルギー信号又は電圧レベル
をライン154上につくり出すことができる。図３の条件
“（ａ）”をこの条件に用いる。図４のパルスTPは図３
に示した回路の出力である。第３の電流パルスが用いら
れる時には、スイッチ152が時刻T3−T6間で操作できる
条件“b"を使用すべきである。従ってライン154上の合
計又は集積エネルギーは時刻T6の位置で制御されよう。
所望ならPINCH回路さえも含めた全エネルギーが、時刻T
1−T6間のライン130の瞬間ワットの積分で使用できる。
これは本発明の二つの好ましい態様で用いられぬ条件
“c"である。
これまでに例示したように、全エネルギーは各溶接サ
イクル中にライン154上の電圧レベルとして印加され、
図２に示すように、プラズマブースト電流パルス発生部
100及びプラズマ電流パルス発生部110間で溶接ワイヤに
印加されるエネルギーの蓄積量を示す信号を与える。ラ
イン153上のこの電圧レベルはサンプル値として図３と
図５で示すサンプリング及びホールデイング回路160の
入力に印加される。ライン162上の論理は、プラズマ電
流パルス発生部110の末端におけるライン154の上の電圧
レベルで表される蓄積エネルギーをサンプリングし、そ
してこれを保持する。この電圧レベルはライン164上に
保持される、ライン154の電圧レベルに従って蓄積され
る各2.0ジュールのエネルギー毎に0.2ボルトのスケール
を持つ。ライン154上に保持される電圧レベルは蓄積コ
ンデンサ170に向けられ、これはエネルギー接点ERの設
定の目的に使われるレオスタット172持つ電圧デバイダ
を形成している。この方法で必然的にD.C.信号又は電圧
レベルがエラー増幅器180の制御端子に印加される。こ
れは、各サイクル時にゼロエネルギーと蓄積エネルギー
との間でシフトされる信号を用いるものよりも円滑な操
作を提供する。
エラー増幅器180の出力には、時間遅延回路190の時間
延長コンデンサ184に印加される出力ライン182の可変電
圧レベルがある。ライン182上の電圧はコンデンサ184の
電圧をきめ、プラズマブーストを始めるためにスイッチ
SW2を閉じる時刻T3及びパルススイッチ変調器32を電源
スイッチ30の操作についてのバックグラウンド電流モー
ドにシフトさせるためにスイッチSW3を開ける時刻T5と
の間の時間を制御する。従ってパルススイッチ変調器は
パルスブースト制御によってそして次にプラズマ制御自
身によって、時刻T5で時間遅延装置190の出力がプラズ
マ制御操作を終らせる迄制御を保持する。これはサイク
ル中の蓄積エネルギーが基準エネルギーERに等しい時間
遅延信号をつくり出し、この基準エネルギーは抵抗加熱
とアーク又はアノード加熱の合併でワイヤのインクリメ
ントを溶融するのに必要なエネルギーより僅かに大き
い。
図７に示すように、時刻T5でプラズマパルスを終らせ
るために、全エネルギーETを基準エネルギーERと比較で
きる。本発明によれば、蓄積エネルギーETは、蓄積エネ
ルギーが基準エネルギーに達した時にT5を起こすことで
一定に保てる。この機能を達成する好ましい態様の方法
は図３に示されていて、プラズマパルスの終点の全蓄積
エネルギーETがサンプリングされライン164に電圧レベ
ルとして移される。各サイクル中、この電圧はコンデン
サ170上の電圧を上げるか下げるかしてライン182のD.C.
レベルを上げるか下げるかする。その結果、先に蓄積さ
れたエネルギーがコンデンサ170で平均化され次のサイ
クルの時間遅延度をきめる。コンデンサ184の電圧は各
プラズマ電流パルスの終りでリセットされる。エラー増
幅器180は高利得を有する標準の装置で、ライン164の変
動が増幅されて、時間遅延装置190の電圧変化に必要な
スケールを与える。それで先に説明したように、固定し
たプラズマブーストパルス10及び可変プラズマパルス11
0を有しているか又は高電流の付加的保持用パルスを有
するか、何れにせよ電流パルスの終りは、各サイクルに
ついてアーク条件時のワイヤ10へ定められた一定エネル
ギーをつくり出すような時刻で起こる。コンデンサ170
上の電圧の変化は図６に示されており、先行溶接サイク
ルからの各サイクルの当り平均蓄積エネルギーを示す一
般電圧レベルをコンデンサが保っていることを示してい
る。従って各サイクルはコンデンサ170上の平均エネル
ギーを僅かしか変えない。この考えが前述の時間遅延装
置190上の電圧を制御する。それは、図３に示したよう
な制御回路を与えるか、又は図７の上側部分に示した略
示回路を与えるかして各溶接サイクルの高電流部分を終
らせるための手段を提供し一定加熱エネルギーを与え
る。
図７の下側部分は本発明の好ましい態様の更なる態様
を示す。瞬間的ワット信号がライン130につくられるの
で、このワット信号はスイッチ30で制御されるプラズマ
ブーストパルス100の間の電流の制御の目的に用いられ
る。好ましくはパルス100のすべてにわたりワット制御
を行なって、部分104を時刻T3−T4の間にのばす。ライ
ン130は図１に示すようにスイッチSW5の入力側でワット
制御回路C5に向いているので、パルス巾変調器32は電流
制御スイッチSW6の出力の代りにスイッチSW5の出力で制
御される。その結果、本発明のこの態様によればプラズ
マブーストパルス時のスイッチ30を通る電流は一定の瞬
間的ワットに保つように制御される。これが、プラズマ
ブースト電流パルス時に定電圧の使用又はこの高エネル
ギーパルス時に定電流条件を持つ可変電圧の使用につい
て先に論じた欠点を克服する。従ってプラズマブースト
電流パルス100でワイヤに印加される高エネルギーは、
プールを球から離すアークを防ぐか又はプールが溶融金
属球にランダムに接触しないように制御される。これは
本発明の更なる利点である。
図８−10を説明すると、本発明の操作特性が図示され
ている。図８にはワイヤホルダー14からワイヤ突き出し
長さが一連の個々の増分（インクレメント）に分割され
て記載されており、その各々がワイヤ10末端で溶融され
図９で示すような球Ｂを形成する金属の容積に等しい。
この球はワイヤ10の直径の約1.2倍の有効径を有する。
各溶接サイクル中で、最後のインクレメント、即ちイン
クレメント１は、それがホルダー14から下に動くに従っ
て、インクレメント１に蓄積された熱及びアノード領域
200でのアークａのアノード加熱でつくり出された熱と
の合計加熱作用で約1535℃の溶融温度に上昇させられ
る。本発明によれば、電流溶接サイクルの全エネルギー
ETは一定であり値ERで制御され、この値がインクレメン
ト１の温度を溶融温度にする。一の溶融サイクル中でこ
の加熱中のインクレメント１は溶融し、次のインクレメ
ントはI2R加熱作用で加熱される。所定の溶接サイクル
でつくり出された全熱はアノード領域200でのアノード
加熱とホルダー14に伸びている全インクレメントを通し
ての抵抗加熱の間に寄与される。突出しが増加するほど
全抵抗が増加して、更なる抵抗加熱成分を生じせしめ
る。温度の上昇と共に抵抗性は増加するため、より下側
のインクレメントほど抵抗加熱の寄与が大きくなる。ワ
イヤの末端での最後のインクレメントＮのエネルギー定
数は特定のインクレメントが下方に進むにつれて引続く
溶接サイクル中に折る抵抗加熱の合計である。［図８で
はシグマＨ＝（H1）＋（H1＋H2）＋（H1＋H2＋H3）＋・
・・（H1〜HN）］。突出し又は増加長を一定のままであ
ると仮定すると、アノード加熱を受ける前の最後の増加
長分における合計熱はそれまでの加熱サイクル中に蓄積
された抵抗加熱に本質的に相当する熱を含んでいる。こ
の熱量は、僅かな抵抗変化を無視した時、サイクル当り
の抵抗加熱を突出し増加処理の同数倍したものとなる。
この現象から溶接サイクル時にワイヤに向けられる全熱
エネルギーはアノード加熱と抵抗加熱とに区分される。
ワイヤーが下方に進むにつれて１回の増加長分に対する
蓄積抵抗加熱は最後の増加長分における残留エネルギー
である。各サイクルの抵抗加熱は、本質上アノード加熱
と時刻T3−T5の間に印加された全エネルギーの差に等し
い。従って時刻T3−T5間で全エネルギーを一定に保つ
と、蓄積抵抗加熱で印加される制御されたエネルギーが
一定となり、そして各サイクルの加熱によってインクレ
メント１の温度を固定され選ばれた全エネルギーETに上
昇するようになる。
溶接サイクルは毎秒30−100回起こり、溶接サイクル
中に電流は図２の電流グラフの垂直線Ｐで示されるよう
に20KHzに制御される。従って個々のインクレメントは
ホルダー14から毎秒30−100の速度で動く。この速度
は、ホルダー14の手動操作で起こる通常の突出し量変化
よりも実質上早い。従って突出し又は延長量が変化して
も、所定のサイクルのアーク条件中での全蓄積エネルギ
ーETの制御によってつくり出される現象は結果的に変化
しない。蓄積抵抗加熱の変化はインクレメントの数の変
化よりも実質上ゆっくりと起こる。その理由で、図８の
例では、熱H1は熱H2に等しく、H3に等しく、H4に等し
く、H5に等しい。従って溶融直前のインクレメントＮで
のエネルギーの合計（シグマＨ）は、本質上各インクレ
メントｌからＮの全抵抗加熱である。
突出し増加変化の数としての抵抗加熱とアノード加熱
の間のこの分布を以下の例で例示する。
実施例 電極径 0.045インチ 電極速度 101インチ／分 突出し 0.48インチ 周波数 62Hz １回当たりの増加長分（インクレメント）0.0268イン
チ 標準増加長分（インクレメント）数 17 標準プラズマ時間 0.00089秒 プラズマ電流 160アンペア プラズマブースト電流 330アンペア プラズマブースト時間 0.00140秒 どのサイクルでも、加熱される増分（インクレメン
ト）についての全抵抗加熱（ジュール）はその当面のサ
イクルでの全抵抗加熱に等しい。全体の設定エネルギー
ETを制御することにより、溶融インクレメントに蓄積さ
れる抵抗加熱に加えられる各溶接サイクルでのアノード
加熱（ジュール）は実際のアノード加熱と最後のインク
レメントＮの蓄積抵抗加熱の両方を制御する。最後のイ
ンクレメントについてのこれらの両熱源は常に制御され
た全エネルギーETに等しく本発明で可能になっている。
この考えは図10に略示的に図示されており、12個の突出
しインクレメントが例示されている。12のインクレメン
ト延長では、最後のインクレメント（アーク位置又は底
部に達したインクレメント）がこの特定のインクレメン
トでは0.7088ジュールの蓄積熱含量を有している。従っ
て基準蓄積エネルギーERを0.72701に設定すると遅延装
置190からパルスTPで時刻T5のカットオフ前又は図７で
略示したりリアルタイムパルス時間制御でアノード加熱
は6.5613ジュールである。如何に多くのインクレメント
が突出しに入っていてもこの原則は守られる。全エネル
ギーは抵抗及びアノード加熱に分割される選ばれたETで
ある。図10の位置12で融解したインクレメントは抵抗加
熱によって0.7088ジュールの蓄積熱含量を有する。プラ
ズマブースト電流パルスの間に固定のエネルギーが適用
されるが、7.2ジュールを必要とするこのインクレメン
トを融解するのには不十分である。然しプラズマブース
トパルス100及びプラズマ電流パルス110中で蓄積された
全エネルギーが金属の温度を変形領域210の温度を通っ
てシフトし、球の末端に溶融金属が形成される。各溶接
サイクル中で制御される基準エネルギーERは球を溶融す
るのに必要なものより若干高くすべきである（例えば7.
2ジュールでの溶融に対して7.2701を設定する）。これ
は操作者により、図３の電圧デバインダー172でか又は
図５の基準ポット172aで電源のセットポイントを手で変
えることによって行なわれる。これらのセットポイント
回路の両方は前述の目的でライン182の電圧レベルの制
御を可能にする。
要約すると、高周波作動電源を用い、且つ各溶接サイ
クルについてのアーク条件時の全エネルギーを制御する
ことで、溶接操作を変えずに正常条件下で突出し又は延
長を変えることができる。従って先の努力に従って開発
されたスパッターを減らす新規な装置は半自動溶接にも
等しく成功して用いられる。
本発明は瞬間的ワット信号を用いるが、この信号はプ
ラズマブーストパルス100時に電流104の制御に用いて、
一定ワット操作を得ることができ、これが高エネルギー
プラズマブースト電流パルス時の定電圧又は定電流制御
かの欠点を克服する。図１に示したピンチ制御C1,プラ
ズマブースト制御C2、プラズマ制御C3、２レベルか単一
低レベルのバックグランド電流C4及び電流制御C6のさま
ざまの個々の電流制御回路は、先行技術装置では短絡ア
ーク溶接用の電流の制御用に使われた。本発明はスイッ
チSW2によるプラズマブーストパルス制御の間に電流を
制御するスイッチSW5で操作されるワット制御回路C5を
加えている。このワット制御の考え方は本発明の態様に
よるものである。
本発明の好ましい態様は図３に示されており、その改
変が図７に略示されている。両場合とも溶接サイクルの
各アーク条件時の突出しインクレメントのアノード加熱
及び全抵抗加熱のための両有効電流から生じる全エネル
ギーは一定である。
本発明に於いては、上記した様な基本的な技術構成で
ある、ワイヤーの溶融を２段階の高電流処理を行う操作
手順を採用する事によって、ワイヤー先端部に形成され
る溶融ボールを均一な形状でかつ安定した状態で形成
し、それによって、溶融金属プールとの接触をスムース
に行わせる事が可能となり、その結果スパッタの発生を
減少さえる事が可能となる。
本発明に於て、当該溶接ワイヤに印加されるエネルギ
ー量を制御する事によって、当該スパッタが減少する事
実は、以下の様に考えられる。
即ち、ワイヤへ印加されるエネルギーが多すぎると溶
接ビードはピンチサイクル前で、所定の時間よりも早め
に不意の爆発をしてしまう可能性がある。
又、ワイヤに印加されるエネルギーが少なすぎる場合に
は、当該ワイヤ末端に於て適切な溶融ボールが形成され
ず、従ってピンチサイクル中にスパッタの発生又は不十
分な溶接を生じる事になる。
従って、ワイヤに適切なエネルギー量を供給して溶融
ボールを製造する事がスパッタを減少させる事になる。
更に、各溶融サイクルに於ける当該ワイヤへ印加され
るエネルギー量を監視する事によって、当該ワイヤの突
出し或いは伸長増加長分に於ける抵抗値の変化にも係わ
らず、ワイヤ溶融量が一定にされ、それによって当該ワ
イヤの突出し量の変化は自動的に補償されるので、この
事が当該スパッタの減少にも寄与する事になる。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の好ましい態様を示す合併ブロック図及び
配線回路である。 図２は本発明の好ましい態様を用いる一連の操作グラフ
を示す。 図３は、一の溶融サイクル時に溶融ワイヤに向けられる
エネルギー量を制御する蓄積エネルギー信号をつくり出
し、又ワット信号をつくり出すための本発明の好ましい
態様を示す配線図である。 図４は図３の出力での代表的なタイミングパルスであ
る。 図５は図３に示した配線図の一部分の簡略図であって、
試料及び保持の特徴を示している。 図６は図５に示した回路の操作特性を示すグラフであ
る。 図７は本発明の好ましい態様に従ってつくり出されたワ
ット出力の二元用途を示すブロック図である。 図８は本発明の増加フォーマットでの操作特性を説明す
るのに用いるあるラベルを持つ側面図である。 図９は短絡準備中の溶接ワイヤの末端を示す部分図であ
る。 図10は本発明を示すのに用いる操作特性を示すグラフで
ある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エリオツト ケイ ステイブ アメリカ合衆国オハイオ州 44121 ブ レツクス ビル ウインドワード ヒル ズ 6963 (56)参考文献 特開 昭61−253176（ＪＰ，Ａ) 特公 昭58−15223（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭57−48312（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (21)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電流パルスとして供給される電流の電流強
    度が可変である溶接電流を工作物上の溶接プール及び溶
    接ワイヤを介して導通させる単一の直流電源を備え、該
    溶接ワイヤはホルダーから距離可変に伸ばされて一連の
    溶接サイクルに供され、それぞれの該溶接サイクルは、
    溶接ワイヤに供給されるエネルギーが溶接ワイヤの端部
    を溶融して溶接金属球にするアーク期及び該溶接金属球
    を溶接プールに接触させて次いでくびれさせて小滴にし
    て分離させた後に次のサイクルのために溶接アークを添
    加する短絡期とを含む短絡アーク溶接装置であって、 アーク状態の期間中、当該期間の開始時にアーク状態期
    間中で最も電流レベルの高い第１レベルの高電流が供給
    され、その少なくとも一部の期間に於いては、当該第１
    レベルの高電流がそのレベルに実質的に固定され維持さ
    れているプラズマブースト発生部分である第１の段階及
    び当該プラズマブースト発生部分に続いて、当該第１レ
    ベルの高電流よりもレベルの低い電流レベルを持つ第２
    の高電流が供給されるプラズマ発生部分である第２の段
    階とを発生する手段及び、 当該アーク状態期間中、該溶接ワイヤに蓄積されたエネ
    ルギーが、予め定められた所定のエネルギー値に達した
    場合に当該高電流の供給を停止させる手段とが設けられ
    ていることを特徴とする短絡アーク溶接装置。
  2. 【請求項２】当該停止させる手段が、電流パルス（100,
    110）が供給されている間に溶接ワイヤ（10）に蓄積さ
    れたエネルギー（ET）を算出するためのエネルギー加算
    装置（120,150,152）、及び、ある量（Ｎ）のワイヤを
    溶融するのに必要なエネルギー量より大きい予め決定さ
    れたエネルギー値（ER）に前記蓄積されたエネルギー
    （ET）が達すると該電流パルス（100,110）を停止させ
    る期間限定装置、をもつことを特徴とする請求項１に記
    載の装置。
  3. 【請求項３】当該第２の段階に続いて次の短絡期の前ま
    での間、溶接ワイヤ（10）と工作物（12）との間に低レ
    ベルのバックグラウンド電流（IB）を適用するためのバ
    ックグラウンド電流制御手段（C4）をもつ請求項１又は
    ２に記載の装置。
  4. 【請求項４】エネルギー合計手段が、アーク電圧と溶接
    電流の瞬間的な積としてワットシグナルを作り出すため
    の手段及び少なくとも該電流パルスの間該ワットシグナ
    ルを積算して該電流パルスが進行するにつれ該ワイヤー
    に適用されたエネルギーを表示するシグナルを提供する
    手段を含んでいることを特徴とする請求項１から３のい
    ずれか１項に記載の装置。
  5. 【請求項５】該第１レベルの高電流を、該第１の段階に
    於ける所定の期間、ほぼ一定値のワットシグナルに保つ
    ように調節する手段を含むことを特徴とする請求項１か
    ら４のいずれか１項に記載の装置。
  6. 【請求項６】該調節手段が、該電源をコントロールする
    ためのパルス幅変調チョッパー回路及び該一定値から該
    ワットシグナルの変動に応答して該チョッパー回路のパ
    ルス幅を変えるための手段を含むことを特徴とする請求
    項５に記載の装置。
  7. 【請求項７】該第２レベルの高電流は、当該第２の段階
    に於て、当該第１レベルの高電流よりも低い電流レベル
    を示すものである事を特徴とする請求項１記載の装置。
  8. 【請求項８】当該第１の段階の処理期間は、固定的であ
    る事を特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の装
    置。
  9. 【請求項９】当該第２の段階の処理期間は、可変的であ
    る事を特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の装
    置。
  10. 【請求項１０】該調節手段が、該電源をコントロールす
    るためのパルス幅変調チョッパー回路及び該一定電流レ
    ベルからの該第一の電流レベルの変位に応答して該チョ
    ッパー回路の該パルス幅を変えるための手段を含んでい
    ることを特徴とする請求項５に記載の装置。
  11. 【請求項１１】該電流パルスが該第２の段階の後に第３
    の段階を含むものであることを特徴とする請求項１から
    10のいずれか１項に記載の装置。
  12. 【請求項１２】該第１の段階に於ける当該第１レベルの
    高電流は、当該第１の段階の開始以後急峻に当該電流レ
    ベルが上昇して、当該アーク状態期間中で最も高い電流
    レベル迄到達する様に構成されている事を特徴とする請
    求項１乃至11の何れかに記載の装置。
  13. 【請求項１３】該電流パルスの該第２の段階が固定され
    た期間を有することを特徴とする請求項11に記載の装
    置。
  14. 【請求項１４】該溶接サイクルは反復するほぼ固定され
    た振動数を有し、該電源は該反復する振動数より実質的
    に大きなパルス振動数で該ワイヤー工作物を通して一連
    のインプット電流パルスを適用するための手段及び該溶
    接サイクルの間該ワイヤーと該工作物の間に電流の流れ
    を調節するためのパルス幅変換手段を含むことを特徴と
    する請求項１から13のいずれか１項に記載の装置。
  15. 【請求項１５】該パルス振動数が10KHzより大きなもの
    であることを特徴とする請求項14に記載の装置。
  16. 【請求項１６】電流パルスとして供給される電流の電流
    強度が可変である溶接電流を工作物上の溶接プール及び
    ホルダーから可変距離だけ伸ばされるワイヤの溶接回路
    へ導通させる単一の直流電源を備え、アーク電流はアー
    ク電圧に依存し、該溶接ワイヤは一連の溶接サイクルに
    供され、それぞれの該溶接サイクルが、溶接ワイヤに供
    給されるエネルギーが溶接ワイヤの端部を溶融して溶接
    金属球にするアーク期及び該溶接金属球を溶接プールに
    接触させて次いでくびれさせて小滴にしてワイヤから分
    離させる短絡期とを含む短絡アーク溶接方法であって、 アーク状態の期間中、当該期間に於ける第１の段階での
    開始時に当該アーク状態期間中で最も電流レベルの高い
    第１レベルの高電流を供給すると共に、その少なくとも
    一部の期間に於いては、当該第１レベルの高電流を、そ
    のレベルに実質的に固定して維持しておき、その後に続
    く第２の段階に於いては、当該第１レベルの高電流より
    もレベルの低い電流レベルを持つ第２の高電流を供給す
    ると共に、当該第１と第２の高電流が供給された当該ワ
    イヤに蓄積されたエネルギーを測定し、当該ワイヤに蓄
    積されたエネルギーが、予め定められた所定のエネルギ
    ー値に達した場合に当該高電流の供給を停止させること
    を特徴とする短絡アーク溶接方法。
  17. 【請求項１７】該第１の段階に於ける第１レベルの高電
    流パルスの所定の部分が固定された期間を有することを
    特徴とする請求項16記載の方法。
  18. 【請求項１８】各溶接サイクルの間の該エネルギーを合
    計する事を特徴とする請求項16又は17記載の方法。
  19. 【請求項１９】該エネルギー合計工程がさらに、アーク
    電圧と溶接電流との瞬間的な積としてワットシグナルを
    作り出すと共に、少なくとも該電流パルスの間該ワット
    シグナルを積算して該電流パルスが進行するにつれ該ワ
    イヤーに適用されたエネルギーを表示するシグナルを発
    生させることを特徴とする請求項18に記載の方法。
  20. 【請求項２０】該第１レベルの高電流を、該パルスの上
    記第一の部分の間一定値のワットシグナルに保つように
    調節する工程をさらに含む請求項16から19のいずれか１
    項に記載の方法。
  21. 【請求項２１】該調節工程がさらに、該電源をコントロ
    ールするためのパルス幅変調チョッパー回路及び該一定
    値から該ワットシグナルの変動に応答して該チョッパー
    回路のパルス幅を変える工程を含むことを特徴とする請
    求項20に記載の方法。
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