JP3830714B2

JP3830714B2 - パルスアーク溶接装置

Info

Publication number: JP3830714B2
Application number: JP2000061891A
Authority: JP
Inventors: 隆夫熊坂; 昭小沼; 邦夫宮崎
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-03-02
Filing date: 2000-03-02
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2020-03-02
Also published as: JP2001246469A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は新規なパルスアーク溶接装置に係わり、特に非消耗電極を用いて行うＴＩＧ溶接に好適な高周波パルスアーク溶接装置に関する。本溶接装置は原子炉，船舶等の水中での溶接に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
直流のアーク溶接は、アーク電圧とアーク長がある一定の関係があるため、検出されるアーク電圧が所定の値に維持されるようにトーチのアーク電極を移動してアーク長（アーク電極と溶接部材との間隔）を調整するように間隔調整手段のサーボモータ等を制御していた。また、パルスアーク溶接においては、パルス電流とベース電流を併せてアーク電極に供給するとともに時間的に変化するパルスアーク電圧を併せて平均化したアーク電圧の平均値に基づいてアーク長の間隔調整手段を制御していた。
【０００３】
パルスアーク溶接法としては、低周波領域（１〜２０ヘルツ），中間周波領域（２０〜１０００ヘルツ），高周波領域（１〜２５キロヘルツ）の周波数領域を用いるものがある。低周波領域および中間周波領域のものにあっては、１周期にパルス電流がゼロとなるＯＦＦ区間を設けると、アークが消滅して安定性が悪くなるのを抑えるために比較的大きなベース電流を流さなければならなかった。
【０００４】
高周波領域では周期が短いため、比較的小さなベース電流でアークを持続させることができる。
【０００５】
また高周波パルスアーク溶接は、ベース電流を小さく設定することによりトータルの溶接電流をそれほど増加することなく、高ピーク値のパルス電流が得られる。この高ピーク値の電流を流すことによって、電磁ピンチ力が強まってアークの指向性が高められ、狂いなく正確な位置の溶接ができるので、狭い開先（狭い溝）の溶接に好適である。
【０００６】
高周波パルスアーク溶接装置としては、特開平11−28568 号公報に示すように、ＩＧＢＴを複数備えているものがある。さらに、特開昭49−115957号公報，特開平1−293976 号公報がある。
【０００７】
このような高周波パルスアーク溶接装置のアーク長制御はパルスアーク電圧が時間的に変化するので、１周期の平均化処理により求めたパルスアーク電圧の平均値を基にして制御するようにしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の高周波パルス溶接装置のアーク長領域は、次のような問題があった。
【０００９】
（１）周波数が１〜２５キロヘルツの高い電流ピーク値を有するパルス電流と小さな電流値のベース電流で溶接をする高周波パルス溶接装置のアーク長制御は、パルス周期（ＯＮ区間とＯＦＦ区間のトータル時間）のパルスアーク電圧平均値に基づいて行っていた。
【００１０】
しかし、パルスアーク電圧の平均値は、ＯＦＦ区間を含むパルス１周期の平均値であるので、小さな値になる。この小さな値を示すパルスアーク電圧の平均値とアーク長との関係を見ると、アーク長の変化量に対するパルスアーク電圧平均値の変化量の割合（アーク電圧感度）が小さい。このようなアーク電圧感度が低いパルスアーク電圧の平均値でアーク長を調整するトーチ駆動部の制御は応答性が鈍く、制御性が良くない。
【００１１】
（２）従来の高周波アーク溶接装置においては、アーク平均電圧やアーク実効電圧が一定でもアーク電力が変動する傾向があり、溶接品質にバラツキが生じた。
【００１２】
本発明は、アーク長を調整するトーチ駆動部の制御性が良好なパルスアーク溶接装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、上記の原因を検討した結果、平均アーク電力Ｗａは（数１）で表され、定電流出力制御を行う高周波アーク溶接電源を使用しアーク電圧を一定としても、ピーク電流の変動に伴い周波数ないしパルス幅が変化すると、力率が変化しアーク電力が変化することが原因と判断された。又、溶接品質は、アーク電力を一定にすることにより、保持できることが判った。
【００１４】
【数１】
Ｗａ＝ｋ．Ｖｒｍｓ×Ｉｒｍｓ（数１）
ここで、ｋは力率、Ｖｒｍｓは実効電圧、Ｉｒｍｓは実効電流である。
【００１５】
以上の知見をもとに、本発明においては、定電流出力制御を行う高周波アーク溶接電源と溶接トーチを有する高周波アーク溶接装置において、１周期当たりの平均アーク電力を検出し、検出したアーク電力が基準値と等しくなるようにアーク長を変化させ、アーク電力の制御を行うようにしたものである。
【００１６】
本発明は、溶接トーチに定電流を供給するパルスアーク溶接電源と、前記溶接トーチと母材との間隔であるアーク長を調整する間隔調整手段と、パルスアーク電力算出部とを備えたパルスアーク溶接装置であって、１周期当たりの平均アーク電力の平均値を前記電力算出部により求め、該求められた平均値をアーク電力基準値と等しくなるように前記アーク長を変化させ、アーク電力の制御を行うことを特徴とするパルスアーク溶接装置にある。
【００１７】
更に、本発明は、水中でのアークによる熱源によって溶接を行う際に、その溶接部を局部的に非酸化性ガスでシールドするシールド手段を備えたものであり、シールド手段が熱源近傍での加熱に対して耐熱性を有する繊維の織物からなり、前記被加工材の形状に追随して伸縮自在な可撓性の構造を有するようにしたものである。
【００１８】
本発明によるシールド手段によれば、耐熱性を有する繊維の織物によって構成されるので、被加工材の平均形状に追随して容易に伸縮自在な変形が生じるため被加工材とシールド手段との間の隙間が均等に形成され、そのためシールドガスの流れが全周にわたって均等になり、品質の高い良好な溶接等の加工が得られる。更に、前述の隙間が均等であるためシールドガス使用量も少なくできる。また、これらの効果はシールド手段として耐熱性の繊維を用いているので、熱源に接近させて形成できるので、よりコンパクトな構造にでき、一層高められる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は、本発明の高周波アーク溶接装置の構成図である。パルス電流検出部１７の信号に基づき定電流パルスを発生させる高周波アーク溶接電源１と、一対のパルス電流電送ケーブル１８，１９と、電極２を保持し電極２とパルス電流電送ケーブル１８を接続すると共に母材５と電極２間に形成したアーク６周辺にシールドガス７を導く溶接トーチ３と、トーチ駆動部４と、アーク電圧検出部８と、アーク電力算出部９と、アーク電力比較部１０から成る。上記パルス溶接電源１の定電流制御は、基準平均電流を設定し平均電流が一定になるよう制御してもよいし、基準実効電流を設定し実効電流が一定になるよう制御しても良い。電流の制御は、ピーク電流（例えば、５００Ａ）をほぼ一定とし、所定のパルス幅（３０〜１００μｓ）に対して周波数を変化させる方法（ＦＭ制御）、あるいは、所定の周波数（５〜１５ｋＨｚ）に対してパルス幅を変化させる方法（ＰＷＭ制御）を用いる。又、平均アーク電力Ｗａは、瞬時電圧をＶ，瞬時電流をＩとすると、（数２）から求めることができる。
【００２０】
【数２】

【００２１】
図２は、本実施例のアーク電力算出部９において、アーク電力の平均値を求める回路構成図である。図２に示すように、パルス周期測定回路１１，乗算回路１２，積分回路１３，演算処理回路１４を備え、パルス電流検出部１７およびアーク電圧検出部８からの信号を乗算回路１２にて瞬時電圧×瞬時電流（Ｖ×Ｉ）の演算を行い、積分回路１３で積分し、演算処理回路１４にてその積分値を周期Ｔで除算し、１周期当たりのアーク電力Ｗａ平均値を求める。さらに、アーク電力Ｗａに対し複数周期、複数のパルスに関する平均値を算出するものである。
【００２２】
本実施例は、高周波アーク溶接電源１と溶接トーチ３を有する高周波アーク溶接装置において、上記したアーク電力算出部９を設け１周期当たりのアーク電力平均値を検出し、前記アーク電力の検出値が基準値と等しくなるようにトーチ駆動部４に制御信号を送りアーク長を変化させ、アーク電力の制御を行うものである。
【００２３】
図３は、アーク長とアーク電力の関係を示す線図である。図３から明らかなように、所定のパルス電流のもとでは、アーク長を長くするとアーク電力が増大し、アーク長を短くするとアーク電力が減少することが判る。
【００２４】
このような構成では、溶接中にピーク電流の変動に伴い周波数ないしパルス幅が変化しアーク電力が変化すると、トーチ駆動部４に制御信号を送り、トーチを上昇ないし下降させアーク電力が基準値となるようにアーク長を設定する。従って、溶接時のアーク電力を一定に保つことができるので、溶接品質のバラツキを防止できる効果がある。
【００２５】
さらに、アーク電力表示部２０を設け検出したアーク電力の表示を行うか、検出したアーク電力と溶接速度（トーチ保持台車移動速度）から入熱量を求める演算部と入熱量表示部とを設け、入熱量の表示を行うようにすれば、溶接を行うユーザーが溶接時の入熱条件を容易に把握できるようになり、溶接条件の設定が容易になる効果がある。
【００２６】
尚、ユーザーが設定条件として入力したアーク電力値が既入力の電流値と所定のアーク長の範囲（例えば、０.７から２.０mm）で実現できない場合は、（１）エラー表示を行い、ユーザーが電流値ないしアーク電力値を再入力すること、又は（２）予め求めた電流及びアーク長とアーク電力との関係データをパルス溶接電源１の制御部に配置したＣＰＵに入力しておき、この関係データを基に所定アーク長（例えば、中間のアーク長１.５mm ）に対して設定したアーク電力が実現できる電流値を自動的に判断し設定することができる。
【００２７】
尚、本発明は、低〜中周波数（１０Ｈｚ〜５ｋＨｚ）のアーク溶接装置に対しても適用できるものである。
【００２８】
（実施例２）
図４は本発明の高周波パルス溶接装置の断面図である。
【００２９】
アーク電力算出部２２は、図２の例に対し、パルス幅Ｔｐを検出するパルス幅測定回路２７が付加されている。、図５に示すように乗算回路１２，積分回路１３，演算処理回路１４，パルス幅測定回路２７，パルス周期測定回路１１を備え、パルス電流検出部２１およびアーク電圧検出部８からの信号を乗算回路１２にて瞬間電圧×瞬間電流（Ｖ×Ｉ）の演算を行い、積分回路１３で積分し、演算処理回路１４にてその積分値を周期Ｔで除算し、１周期当たりのアーク電力の平均値Ｗａを求める。また演算処理回路１４にてＷａ×（Ｔ／Ｔｐ）の演算を行い、パルスＯＮ時のアーク電力の平均値Ｗｎ〔Ｗｎ＝Ｗａ×（Ｔ／Ｔｐ）〕を算出する。さらに、Ｗａ，Ｗｎに対して複数周期，複数パルスに関する平均値を算出する。
【００３０】
またアーク長とパルスＯＮ時のアーク電力の平均値Ｗｎとの関係について調べたところ、（１）前述の図３と同様な相関関係があること、（２）パルスＯＮ時のアーク電力の平均値を用いることにより、アーク長に対するアーク電力感度が１周期平均のアーク電力を用いる場合より大きくなること、（３）溶接電流が小さい場合でもパルスＯＮ時のアーク電力の平均値は大きく低下することはないこと、等が分かった。
【００３１】
したがって、パルスＯＮ時のアーク電力の平均値Ｗｎに基づいて、トーチ駆動部４を駆動制御するので、アーク長に対するアーク電力の感度を大きくでき、その結果、アーク長の制御が良好に行われる。また溶接電流を小さくして低入熱条件で溶接を行う場合には、アーク長の制御を良好に行うことができることに加えてアーク電力を略一定にできる効果がある。また単一極性または両極性の電流パルスが発生できるパルス溶接電源１を備えることにより、溶接母材がステンレスまたは炭素鋼のときには単一極性を選択し、溶接母材がアルミニュームのときには両極性を選択する際に、アーク電力算出部９、２２は単一及び両極性パルスの両方に対して適用できる便利さがある。
【００３２】
さらに検出した１周期平均電力Ｗａをアーク電力表示部２４で表示ないし印刷するようにすれば、ユーザーが溶接時の入熱条件を容易に把握でき、溶接条件の設定が容易である。
【００３３】
特に高周波パルス溶接では、パルス波形が三角波状または上辺が傾斜する台形状であるため、溶接電流やアーク電圧の平均値から消費電力を直ちに算出することはできないので、平均アーク電力を把握できる効果は大きい。
【００３４】
又、パルスＯＮ時のアーク電力の平均値Ｗｎをアーク電力表示部２４で表示するようにすれば、ユーザがパルスＯＮ時のアーク電力の平均値Ｗｎの値を参照し電極が消耗する恐れがあるか否かを判断し、消耗の恐れがある場合にはパルス電流のピーク値やベース電流を値下げるなどの対応ができるので、溶接品質を保つ上で有効である。
【００３５】
上述のように、本発明は、パルス溶接電源１と溶接トーチ３を有するパルスアーク溶接装置において、上記したアーク電力算出部９、２２を設けアーク電力（１周期当たりの平均値、又はパルスＯＮ時の平均値）を検出し、前記アーク電力の検出値が基準値と等しくなるようにトーチ駆動部４に制御信号を送りアーク長を変化させ、アーク電力の制御を行うものである。
【００３６】
図３に示すアーク長とアーク電力の関係を示す線図から、所定のパルス電流のもとでは、アーク長を長くするとアーク電力が増大し、アーク長を短くするとアーク電力が減少することが判る。
【００３７】
このような構成では、溶接中にピーク電流の変動に伴い周波数ないしパルス幅が変化しアーク電力が変化すると、トーチ駆動部４に制御信号を送り、トーチを上昇ないし下降させアーク電力が基準値となるようにアーク長を設定する。従って、溶接時のアーク電力を一定に保つことができるので、溶接品質のばらつきを防止できる効果がある。
【００３８】
さらに、アーク電力表示部２４を設け検出したアーク電力の表示を行うか、検出したアーク電力と溶接速度（トーチ移動速度）から入熱量を求める演算部と入熱量表示部とを設け、入熱量の表示を行うようにすれば、溶接を行うユーザーが溶接時の入熱条件を容易に把握できるようになり、溶接条件の設定が容易になる効果がある。
【００３９】
（実施例３）
本実施例は実施例１又は２の高周波パルスアーク自動溶接装置を水中で用いて原子力プラントのシュラウドへ適用した例を示す。原子力プラントにおける炉内構造物は多量の放射線が発せられている。特に燃料棒の格納されている圧力容器内のシュラウドや上部格子板，蒸気乾燥器等の構造物の補修溶接では、作業者の安全を考慮して遠隔自動制御可能な水中溶接を行うことが考えられている。水中溶接のシールドに用いられる固体壁はカーボン繊維で構成される。
【００４０】
原子炉の定期点検時に、欠陥等補修を要する部分の検出を行う。これには、超音波診断法や光切断法，直接観察法等が用いられる。欠陥の発生が確認された場合、補修作業を行うが、補修箇所の形状や欠陥の程度等により補修方法は異なる。欠陥が大きい場合等は、その欠陥を放電加工等により完全に取除いてから肉盛溶接を施す。また、小さい欠陥ではそのまま肉盛溶接を行ったり、欠陥が予想される様な所では表面に熱処理を施す方法等がある。補修溶接終了後、その品質を監視しなければならない。これは溶接部を間接観察する方法や超音波で診断する方法等が良い。これら水中作業装置はＸ，Ｙ，Ｚ方向及び回転軸を有する移動機構に設置され、上記の機器類を遠隔で任意の位置に設置することができる。
【００４１】
水中溶接装置は、大気中（圧力容器の外あるいは水の影響の無い箇所）に設置された溶接電源より電力を供給し、制御装置により任意の溶接条件を与え、ケーブルを通じ水中に設置されたトーチからアークを発し溶接を行う。加工状態は監視用ノズルに設置された監視カメラにより監視する。
【００４２】
上記水中補修溶接作業において、本発明の水中加工装置の適用範囲は広い。まず、欠陥の探索作業における直接観察法は水中監視装置を用いて行う。欠陥の除去作業における放電加工も監視する必要があり、加工状態や加工後の品質管理に本監視装置が適用できる。
【００４３】
本実施例における他の補修部分として気水分離器，炉心支持板，上部格子板，制御棒ハウジング，制御棒駆動機構ハウジングがある。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、溶接中のアーク電力を略一定に制御できるので、溶接品質を一定に保つことができる効果がある。
【００４５】
さらに、アーク電力ないし入熱量の表示部を設けたので、パルス溶接を行うユーザーが溶接時の入熱条件を容易に把握でき溶接条件の設定が容易になる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高周波パルス溶接装置の概略図。
【図２】図１に示すアーク電力算出部のブロック図。
【図３】アーク長とアーク電力との関係を示す線図。
【図４】本発明の高周波パルス溶接装置の概略図。
【図５】図４に示すアーク電力算出部のブロック図。
【符号の説明】
１…高周波アーク溶接電源、２…電極、３…溶接トーチ、４…トーチ駆動部、５…母材、６…アーク、７…シールドガス、８…部、９，２２…アーク電力算出部、１０，２３…アーク電力比較部、１１…パルス周期測定回路、１２…乗算回路、１３…積分回路、１４…演算処理回路、１５，２５…アーク電圧検出値、
１６，２６…パルス電流検出値、１７，２１…パルス電流検出部、１８，１９…パルス電流電送ケーブル、２０，２４…アーク電力表示部、２７…パルス幅測定回路。

Claims

溶接トーチに定電流を供給するパルスアーク溶接電源と、前記溶接トーチと母材との間隔であるアーク長を調整する間隔調整手段と、パルスアーク電力算出部とを備えたパルスアーク溶接装置であって、１周期当たりの平均アーク電力の平均値を前記電力算出部により求め、該求められた平均値をアーク電力基準値と等しくなるように前記アーク長を変化させ、アーク電力の制御を行うことを特徴とするパルスアーク溶接装置。
請求項１において、前記アーク電力の値を表示する表示手段を有することを特徴とするパルスアーク溶接装置。
請求項１において、前記アーク電力と溶接速度から求めた入熱量を表示する表示手段を有することを特徴とするパルスアーク溶接装置。
請求項１において、設定条件として入力されたアーク電力と電流値に対し、所定のアーク長の範囲で実現できない場合は、エラー表示を行う表示手段を有し、電流値又はアーク電力値を所定の値に入力できる設定手段を有することを特徴とするパルスアーク溶接装置。
請求項１において、前記アーク電力算出部は電流及びアーク長とアーク電力との関係データを制御部のＣＰＵに入力しておき、設定条件として入力された前記アーク電力と電流値に対し、前記関係データを基に所定のアーク長に対して設定したアーク電力が実現できる電流値を自動的に設定するようにしたことを特徴とするパルスアーク溶接装置。