JP4163425B2 - パルスアーク溶接のアーク長制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接ワイヤを定速で送給すると共に、ピーク期間中のピーク電流の通電とベース期間中のベース電流の通電とをパルス周期として繰り返して通電するパルスアーク溶接において、上記ピーク期間中のピーク電圧によるアーク長制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
消耗電極式アーク溶接においては、一般的に、溶接ワイヤの先端部に陽極点が形成され、母材表面上に陰極点が形成されて、これら両極点間にアークが発生する。このときの陽極点と陰極点との間の距離は、一般的に真のアーク長と呼ばれる。一方、溶接ワイヤの先端部とその直下の母材表面との最短距離は、一般的に見かけのアーク長（以下、単にアーク長という）と呼ばれる。溶け込み深さ、ビード外観、溶接欠陥等の重要な溶接品質は、上記の見かけのアーク長と強い相関関係があるので、良好な溶接品質を得るためには溶接中の見かけのアーク長を適正値に維持すること（以下、アーク長制御という）が重要である。他方、溶接電圧値は真のアーク長と略比例関係にある。炭酸ガスアーク溶接、ＭＡＧ溶接等では、陰極点は溶接ワイヤ直下の母材表面上（以下、溶接狙い位置という）に形成されるので、上記の真のアーク長と見かけのアーク長とは結果的に略等しくなる。このために、溶接電圧の平均値を目標値と略等しくなるように制御することによって、真のアーク長を制御し、そのことで本来の制御目的である見かけのアーク長を制御することができる。これに対して、アルミニウム合金、ステンレス鋼等に用いられるＭＩＧ溶接においては、陰極点は、母材表面上の酸化皮膜がまだクリーニング作用によって除去されずに残っている部分に形成されやすいという性質がある。このために、陰極点は、溶接狙い位置近傍ではなく、そこから離れた酸化皮膜のある位置に形成されることが多い。この場合、真のアーク長と見かけのアーク長とは、かなり異なった値となるために、見かけのアーク長と比例関係にない溶接電圧平均値によって、精密に見かけのアーク長を制御することはできない。このＭＩＧ溶接の１種であるパルスＭＩＧ溶接において、上述の問題を解決するための１つの方法として、以下に説明するピーク電圧によるアーク長制御方法が従来から提案されている。以下、従来技術として、このピーク電圧によるアーク長制御方法について図面を参照して説明する。
【０００３】
図１は、パルスＭＩＧ溶接の電流・電圧波形図であり、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の時間変化を示す。また、図２は、アーク発生状態を示す図であり、図２（Ａ）はピーク期間Ｔｐ中のアーク発生状態を示し、図２（Ｂ）はベース期間Ｔｂ中のアーク発生状態を示す。以下、同図及び図２を参照して説明する。
【０００４】
▲１▼ 時刻ｔ１〜ｔ３のピーク期間Ｔｐ
同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２のピーク立上り期間Ｔup中は、ベース電流Ｉｂからピーク電流Ｉｐへと上昇する遷移電流が通電し、その後の時刻ｔ２〜ｔ３の最大ピーク期間Ｔpp中は、ピーク電流Ｉｐが通電する。同様に、同図（Ｂ）に示すように、ピーク立上り期間Ｔup中は、ベース電圧Ｖｂからピーク電圧Ｖｐへと上昇する遷移電圧が印加し、その後の最大ピーク期間Ｔpp中は、ピーク電圧Ｖｐが印加する。したがって、ピーク期間Ｔｐは、上記のピーク立上り期間Ｔup及び最大ピーク期間Ｔppから形成される。また、上記のピーク期間Ｔｐ及びピーク電流Ｉｐの値は、溶接ワイヤの種類、シールドガスの種類、送給速度等に応じて１パルス１溶滴移行になるように適正値に設定される。
【０００５】
▲２▼ 時刻ｔ３〜ｔ５のベース期間Ｔｂ
同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ３〜ｔ４のピーク立下り期間Ｔdw中は、ピーク電流Ｉｐからベース電流Ｉｂへと下降する遷移電流が通電し、その後の時刻ｔ４〜ｔ５の定常ベース期間Ｔbb中は、ベース電流Ｉｂが通電する。同様に、同図（Ｂ）に示すように、ピーク立下り期間Ｔdw中は、ピーク電圧Ｖｐからベース電圧Ｖｂへと下降する遷移電圧が印加し、その後の定常ベース期間Ｔbb中は、ベース電圧Ｖｂが印加する。したがって、ベース期間Ｔｂは、上記のピーク立下り期間Ｔdw及び定常ベース期間Ｔbbから形成される。また、上記のベース電流Ｉｂの値は、溶接ワイヤの先端部を溶融させないように数十［Ａ］程度に設定される。上記のベース期間Ｔｂの時間長さは、後述するアーク長制御に従って制御される。
【０００６】
したがって、時刻ｔ１〜ｔ５のパルス周期Ｔｆは、ピーク期間Ｔｐ及びベース期間Ｔｂから形成され、さらにはピーク立上り期間Ｔup、最大ピーク期間Ｔpp、ピーク立下り期間Ｔdw及び定常ベース期間Ｔbbから形成される。また、上記のピーク立上り期間Ｔup及びピーク立下り期間Ｔdwの値は、溶接電源装置の内部及び外部のインダクタンス値及び抵抗値によって定まる。また、スパッタの発生量を削減しビード外観を良好にするために、上記のピーク立上り期間Ｔup及びピーク立下りＴdwの値を数［ms］に設定する場合もある。また、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗの平均値が平均電流値Ｉavとなり、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗの平均値が平均電圧値Ｖavとなる。
【０００７】
図２（Ａ）に、ピーク期間Ｔｐ中のアーク発生状態を示す。ピーク電流Ｉｐは３００〜６００［Ａ］程度の大電流であるために、アーク３がワイヤ送給方向に形成されやすい性質（アークの硬直性）が高くなる。このために、陰極点Ｎ１は、酸化皮膜が除去されていてもアークの硬直性によってワイヤ送給方向である溶接狙い位置近傍に形成される。アークの硬直性は、電流値の大きさに比例して高くなり、ピーク電流Ｉｐが３００［Ａ］以上の場合には、陰極点Ｎ１は酸化皮膜上に形成される性質よりもアークの硬直性によって溶接狙い位置近傍に形成される性質が勝ることになる。したがって、図２（Ａ）に示すように、ピーク期間Ｔｐ中は、溶接ワイヤ１の先端の溶滴１ａに陽極点が形成され、その直下の溶接狙い位置近傍に陰極点Ｎ１が形成されて、両極点間にアーク３が発生する。この結果、真のアーク長Ｌa1［mm］と見かけのアーク長Ｌb1［mm］とは略等しくなる。さらに、ピーク電圧Ｖｐと真のアーク長Ｌa1とは略比例関係にあり、上述したように真のアーク長Ｌa1と見かけのアーク長Ｌb1とは略等しいので、結果的に、ピーク電圧Ｖｐと見かけのアーク長Ｌb1とは、略比例関係になる。したがって、ピーク電圧Ｖｐによるアーク長制御によって、見かけのアーク長Ｌb1を制御することができる。
【０００８】
図２（Ｂ）に、ベース期間Ｔｂ中のアーク発生状態を示す。ベース電流Ｉｂは、前述したように数十［Ａ］程度と小電流であるために、アークの硬直性は低く、陰極点Ｎ２は母材表面の酸化皮膜の除去されていない部分に形成される。通常、溶接狙い位置近傍の酸化皮膜は、ピーク電流Ｉｐの通電等によって真っ先に除去されるために、陰極点Ｎ２はそこから離れた酸化皮膜が残る位置に形成される。このために、図２（Ｂ）に示すように、ベース期間Ｔｂ中は、溶滴１ａに陽極点が形成され、溶接狙い位置から離れた酸化皮膜が残る母材表面上に陰極点Ｎ２が形成されて、両極点間にアーク３が発生する。この結果、真のアーク長Ｌa2［mm］と見かけのアーク長Ｌb2［mm］とは、かなり異なった値となる。しかも、陰極点Ｎ２は、酸化皮膜を求めてその形成位置を高速に移動するために、ベース期間Ｔｂの開始直後の時点、中間の時点、終了直前の時点等のそれぞれの時点によって陰極点Ｎ２の形成位置が変化する。ベース電圧Ｖｂは真のアーク長Ｌa2と略比例関係にあるために、陰極点Ｎ２の移動に伴って真のアーク長Ｌa2が変化すると、ベース電圧Ｖｂも変化することになる。したがって、ベース期間Ｔｂ中のベース電圧Ｖｂによって見かけのアーク長を制御することはできない。また、同図（Ｂ）に示すように、上記の平均電圧Ｖavは、上記のピーク電圧Ｖｐとベース電圧Ｖｂとの平均値となるために、見かけのアーク長と比例しておらず、かつ、たえず変化するベース電圧Ｖｂを含んでいる。したがって、パルスＭＩＧ溶接において、平均電圧Ｖavによって精密なアーク長制御を行うことはできない。
【０００９】
以下、上記のピーク電圧Ｖｐによるパルス周期Ｔｆの制御方法について説明する。
見かけのアーク長は、送給速度と溶融速度とのバランスによって定まり、両値の差に応じて変化する。通常、送給速度は定速であり、溶融速度は平均電流値Ｉavに略比例する。すなわち、パルス周期Ｔｆ毎の見かけのアーク長の変化分ΔＬｂ［mm］は、送給速度Ｗｆ［mm/min］と溶融速度Ｍｓ［mm/min］との差となる。溶融速度Ｍｓは平均電流値Ｉav［Ａ］と略比例するので、見かけのアーク長の変化分ΔＬｂは、送給速度Ｗｆと平均電流値Ｉavに係数を乗じた値との差に等しくなる。したがって、パルス周期Ｔｆを変化させて平均電流値Ｉavを変化させることによって、溶融速度を変化させて見かけのアーク長を適正値に導くことができる。
【００１０】
ところで、前述した図１（Ａ）において、平均電流値Ｉav［Ａ］は下式で表わすことができる。
Ｉav＝（（Ｉｐ−Ｉｂ）・（（1/2）・Ｔup＋（1/2）・Ｔdw＋Ｔpp）／Ｔｆ）＋Ｉｂ （１）式
上式の右辺において、パルス周期Ｔｆ［ms］以外の値は定数とみなすことができるので、パルス周期Ｔｆを変化させることによって平均電流値Ｉavを変化させることができる。したがって、前述したように、ピーク電圧Ｖｐで見かけのアーク長を検出し、このピーク電圧値Ｖｐと目標値のピーク電圧設定値Ｖpsとの電圧誤差ΔＶ＝Ｖps―Ｖｐを演算し、この電圧誤差ΔＶを入力として、下式によってパルス周期Ｔｆ(n)を演算することができる。
Ｔｆ(n)＝Ｔfi−Ｂ・ΣΔＶ＝Ｔｆ(n-1)−Ｂ・ΔＶ （２）式
但し、Ｔｆ(n)は今周期のパルス周期、Ｔfiはパルス周期の初期値、Ｂは正の数の増幅率、Ｔｆ(n-1)は前周期のパルス周期である。
電圧誤差ΔＶを入力として上式に従って今周期のパルス周期Ｔｆ(n)が決定される。以上のように、ピーク電圧値Ｖｐとピーク電圧設定値Ｖpsとが略等しくなる（電圧誤差ΔＶ≒０）ように、パルス周期Ｔｆ(n)を制御することによって、（１）式で前述したように、平均電流値Ｉavを変化させて溶融速度Ｍｓを変化させ見かけのアーク長を制御する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
図３は、従来技術の解決課題を説明するためのピーク電圧波形図である。同図において、時刻ｔ１〜ｔ３は、前述した図１の同時刻に対応している。以下、同図を参照して説明する。
ピーク期間Ｔｐは、前述したように、ピーク立上り期間Ｔupと、それ以降の最大ピーク期間Ｔppとからなる。このピーク期間Ｔｐ中の溶接電圧値Ｖｗが、ピーク電圧Ｖｐとなる。従来技術では、アーク長制御のためのピーク電圧としては、上記のピーク立上り期間Ｔupを除いた上記の最大ピーク期間Ｔpp中のピーク電圧の平均値（以下、最大ピーク電圧平均値Ｖppという）が用いられていた。
【００１２】
しかし、時刻ｔ１のピーク期間Ｔｐの開始時点から定常値に収束する時点までの過渡期間中のピーク電圧は、曲線Ｙ１に示すように理想的な波形となる場合、曲線Ｙ２に示すように大きくオーバーシュートする場合又は曲線Ｙ３に示すように理想波形を下回って収束する場合等種々な場合がある。この理由は、以下のとおりである。すなわち、時刻ｔ１以前のベース期間中のアークは、前述した図２（Ｂ）の状態にあり、陰極点Ｎ２は溶接狙い位置から離れた位置に形成されている。そして、時刻ｔ１以降のピーク期間Ｔｐ中の収束状態でのアークは、前述した図２（Ａ）の状態にあり、陰極点Ｎ１は溶接狙い位置近傍に形成される。したがって、時刻ｔ１以前の陰極点の形成位置によって、又は陰極点の過渡的な移動経路によって、それに伴うピーク電圧も、曲線Ｙ１〜Ｙ３に示すような種々な過渡的変化を示すことになる。
【００１３】
また、ピーク期間Ｔｐの終了時点（時刻ｔ３）前後において溶滴が移行するように、ピーク期間Ｔｐは設定されるのが通常である。このために、ピーク期間Ｔｐの終了直前に溶滴移行が行われると、同図の曲線Ｙ４に示すように、溶滴に形成されていた陽極点の形成位置が移動することになり、これに伴いピーク電圧が変動する場合がある。
【００１４】
上述したように、最大ピーク電圧平均値Ｖppには、ピーク期間開始時の陰極点の移動に伴う過渡的変動及び溶滴移行時の陽極点の移動に伴う過渡的変動が含まれているために、見かけのアーク長の検出に誤差を生じることになる。特に、上記のピーク期間開始時の電圧変動値は大きいために、これを含んだ最大ピーク電圧平均値Ｖppによっては精密なアーク長制御を行うことはできなかった。
【００１５】
さらに、以下に従来技術の別の解決課題について説明する。
図４は、従来技術における外乱発生時のアーク長の変動を示す図である。同図（Ａ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）はアーク長（点線で示す真のアーク長Ｌａ及び実線で示す見かけのアーク長Ｌｂ）の時間変化を示す。従来技術では、前述したように、アーク長Ｌｂを最大ピーク電圧平均値Ｖppで検出し、同図（Ｂ）に示すアーク長の目標値に対応するピーク電圧設定値Ｖpsと最大ピーク電圧平均値Ｖppとの電圧誤差ΔＶを演算し、上記（２）式に基づいて同図（Ａ）に示すパルス周期Ｔｆを制御する。したがって、アーク長Ｌｂの変化に応答して、パルス周期Ｔｆが変化する。
【００１６】
▲１▼ 時刻ｔ１〜ｔ２の期間
この期間中は、見かけのアーク長Ｌｂと真のアーク長Ｌａとは共に目標値と一致して良好な溶接状態にあるので、最大ピーク電圧平均値Ｖpp1［Ｖ］は、ピーク電圧設定値Ｖps［Ｖ］と略等しくなり、このときのパルス周期はＴf1［ms］になっている。
【００１７】
▲２▼ 時刻ｔ２〜ｔ３の期間
この期間中も上記▲１▼項と同様に、見かけのアーク長Ｌｂと真のアーク長Ｌａとは共に目標値と一致して良好な溶接状態にあるので、最大ピーク電圧平均値Ｖpp1［Ｖ］は、ピーク電圧設定値Ｖps［Ｖ］と略等しくなり、このときのパルス周期は上記▲１▼項と同様にＴf1［ms］になる。
【００１８】
▲３▼ 時刻ｔ３〜ｔ４の期間
アルミニウム合金のＭＩＧ溶接において、溶滴に含まれるマグネシウム等が高温のために蒸発して溶滴が破裂する現象（以下、溶滴破裂という）がときたま発生する。この溶滴破裂が発生すると、その破裂時の爆風によって真のアーク長Ｌａが変動する場合が生する。この場合、見かけのアーク長Ｌｂは変化していないが、真のアーク長Ｌａが長くなるために、溶接電圧値が高くなる。上記の溶滴破裂以外にも。母材表面の酸化状態、汚れ状態、溶融池の状態、溶滴の状態等が複雑に複合化された溶接状態において、突然に陰極点の形成位置が溶接狙い位置から離れた位置に高速に移動する場合も、ときたま発生する。このような溶滴破裂、陰極点移動等の外乱がピーク期間中に発生すると、同図（Ｂ）に示すように、真のアーク長Ｌａは大きく変動して、それに対応して最大ピーク電圧平均値もＶpp2［Ｖ］に大きくなる。この最大ピーク電圧平均値Ｖpp2が上記（２）式に入力されると、下記のようにこの期間のパルス周期Ｔｆが演算される。
Ｔｆ＝Ｔf1−Ｂ・（Ｖps−Ｖpp2）＝Ｔf2［ms］
ここで、電圧誤差ΔＶ＝Ｖps−Ｖpp2＜０であるので、Ｔf2＞Ｔf1となり、この期間のパルス周期Ｔf2は前期間よりも長くなる。したがって、見かけのアーク長Ｌｂは目標値のままであるにもかかわらず、パルス周期がＴf1からＴf2へと長くなる。
【００１９】
▲４▼ 時刻ｔ４〜ｔ５の期間
前期間に発生した溶滴破裂、陰極点移動等の外乱は、過渡的なものであるために短時間で消滅することが多い。このために、時刻ｔ４の開始時点では、外乱は消滅しており、真のアーク長Ｌａは目標値に復帰している。見かけのアーク長Ｌｂは、もともと変化していないので、目標値のままである。この期間の最大ピーク電圧平均値は、上記▲１▼〜▲２▼項の期間と同様にＶpp1［Ｖ］になる。この値が上記（２）式に入力されると、下記のようにこの期間のパルス周期Ｔｆが演算される。
Ｔｆ＝Ｔf2−Ｂ・（Ｖps−Ｖpp1）＝Ｔf2［ms］
ここで、電圧誤差ΔＶ＝Ｖps−Ｖpp1＝０であるので、この期間のパルス周期はＴf2［ms］となり、上記▲１▼〜▲２▼項のアーク長が一定のときのパルス周期Ｔf1よりも長いままとなる。このために、平均電流値は、上記▲１▼〜▲２▼項のときよりも小さくなり、溶融速度が遅くなるために、見かけのアーク長Ｌｂは目標値よりも短くなる。
【００２０】
▲５▼ 時刻ｔ５〜ｔ６の期間
前期間中に見かけのアーク長Ｌｂが目標値よりも短くなるために、この期間の最大ピーク電圧平均値Ｖpp3［Ｖ］は、ピーク電圧設定値Ｖpsよりも小さくなる。この値が上記（２）式に入力されると、下記のようにこの期間のパルス周期Ｔｆが演算される。
Ｔｆ＝Ｔf2−Ｂ・（Ｖps−Ｖpp3）＝Ｔf3［ms］
ここで、電圧誤差ΔＶ＝Ｖps−Ｖpp3＞０であるので、パルス周期は前期間のパルス周期Ｔf2よりも短くなる。これに伴い、平均電流値も前期間よりも大きくなり、溶融速度が速くなるので、見かけのアーク長Ｌｂは長くなり目標値に近づく。
【００２１】
▲６▼ 時刻ｔ６〜ｔ７の期間
見かけのアーク長Ｌｂがまだ目標値よりも短いために、この期間の最大ピーク電圧平均値Ｖpp4も、ピーク電圧設定値Ｖpsよりも小さくなる。この値が上記（２）式に入力されると、下記のようにこの期間のパルス周期Ｔｆが演算される。
Ｔｆ＝Ｔf3−Ｂ・（Ｖps−Ｖpp4）＝Ｔf4［ms］
ここで、電圧誤差ΔＶ＝Ｖps−Ｖpp4＞０であるので、パルス周期は前期間のパルス周期Ｔf3よりも短くなる。これに伴い、平均電流値も前期間よりも大きくなり、溶融速度が速くなるので、見かけのアーク長Ｌｂは長くなり目標値にさらに近づく。この期間の動作を数回程度繰り返した後に、パルス周期は上記▲１▼〜▲２▼項の安定状態のパルス周期Ｔf1に戻り、見かけのアーク長Ｌｂも目標値に復帰する。
【００２２】
上述したように、従来技術では、溶滴破裂、陰極点移動等の外乱が発生すると、見かけのアーク長は目標値に維持されているにもかかわらず、見かけのアーク長が変化したと誤検出して、パルス周期を変化させて見かけのアーク長を目標値から変化させてしまう。このような外乱に起因するアーク長の誤検出に伴うアーク長変動が生じると、溶接品質が悪くなる。
【００２３】
そこで、本発明では、電圧変動の影響を受けることなく見かけのアーク長を正確に検出すると共に、外乱に起因するアーク長の誤検出に伴うアーク長変動を抑制することによって、精密にアーク長を制御することができるパルスアーク溶接のアーク長制御方法を提供する。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、図５〜８及び（４）式に示すように、
溶接ワイヤを平均電流設定値Ｉasに対応する送給速度設定値Ｆｓに相当する速度で送給すると共に、ピーク期間Ｔｐ中のピーク電流Ｉｐの通電とベース期間Ｔｂ中のベース電流Ｉｂの通電とをパルス周期Ｔｆとして繰り返して通電するパルスアーク溶接のアーク長制御方法において、
上記平均電流設定値Ｉasに応じて中心パルス周期Ｔｃを設定し、上記ピーク期間の開始時の電圧が過渡的に変動する過渡ピーク期間Ｔpaを除いた定常ピーク期間Ｔpb中の定常ピーク電圧Ｖpaを検出し、この定常ピーク電圧値Ｖpaと予め定めたピーク電圧設定値Ｖpsとの電圧誤差ΔＶ及び上記中心パルス周期Ｔｃ及び予め定めた正の数の増幅率Ｋによってパルス周期演算Ｔｃ−Ｋ・ΔＶを行い、この演算値に従ってパルス周期Ｔｆを制御することによってアーク長を適正値に維持することを特徴とするパルスアーク溶接のアーク長制御方法である。
【００２５】
第２の発明は、図９及び（４）式〜（５）式に示すように、
溶接ワイヤを平均電流設定値Ｉasに対応する送給速度設定値Ｆｓに相当する速度で送給すると共に、ピーク期間Ｔｐ中のピーク電流Ｉｐの通電とベース期間Ｔｂ中のベース電流Ｉｂの通電とをパルス周期Ｔｆとして繰り返して通電するパルスアーク溶接のアーク長制御方法において、
上記平均電流設定値Ｉasに応じて中心パルス周期Ｔｃを設定し、上記ピーク期間の開始時の電圧が過渡的に変動する過渡ピーク期間Ｔpaを除いた定常ピーク期間Ｔpb中の定常ピーク電圧Ｖpaを検出し、この定常ピーク電圧値Ｖpaと予め定めたピーク電圧設定値Ｖpsとの電圧誤差ΔＶ及び上記中心パルス周期Ｔｃ及び予め定めた正の数の増幅率Ｋによってパルス周期演算Ｔｃ−Ｋ・ΔＶを行い、この演算値に従ってパルス周期Ｔｆを制御すると共に、上記電圧誤差ΔＶに応じて上記ピーク電流Ｉｐを増減させることによって、アーク長を適正値に維持することを特徴とするパルスアーク溶接のアーク長制御方法である。
【００２６】
第３の発明は、（41）式に示すように、
上記パルス周期演算が、電圧誤差ΔＶ及び中心パルス周期Ｔｃ及び予め定めた正の数の増幅率Ｋ１によってＴｃ−Ｔｃ・Ｋ１・ΔＶであることを特徴とする第１又は第２の発明記載のパルスアーク溶接のアーク長制御方法である。
【００２７】
第４の発明は、（３）式に示すように、
パルス周期Ｔｆがピーク立上り期間Ｔup及び最大ピーク期間Ｔpp及びピーク立下り期間Ｔdw及び定常ベース期間Ｔbbから形成されており、ピーク電流設定値Ｉps及びベース電流設定値Ｉbs及び平均電流設定値Ｉasを予め設定し、これらの値によって中心パルス周期Ｔｃ＝（（Ｉps−Ｉbs）／（Ｉas−Ｉbs））・（（1/2）・Ｔup＋（1/2）・Ｔdw＋Ｔpp）を演算して設定することを特徴とする第１又は第２又は第３の発明記載のパルスアーク溶接のアーク長制御方法である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
［実施例１］
図５は、本発明のピーク電圧検出方法を説明するための前述した図３に対応するピーク電圧波形図である。同図のピーク電圧波形は、図３のときと同一である。以下、同図を参照して説明する。
同図に示すように、時刻ｔ１のピーク期間Ｔｐの開始時において、前述したように陰極点の移動に伴う過渡ピーク期間Ｔpa中のピーク電圧は、曲線Ｙ１〜Ｙ３のように陰極点の移動経路等によって大きく変動する。そして、この過渡ピーク期間Ｔpaが経過して定常ピーク期間Ｔpbに入ると、図２（Ａ）で前述したように、陰極点は溶接狙い位置近傍に安定的に形成されるので、このときのピーク電圧は安定した略定常値（以下、定常ピーク電圧値Ｖpaという）になる。陰極点が溶接狙い位置近傍に安定して形成されているので、上記の定常ピーク電圧値Ｖpaによって見かけのアーク長を誤差がほとんどなく正確に検出することができる。したがって、この定常ピーク電圧値Ｖpaを検出して予め定めたピーク電圧設定値Ｖos（目標値）と略等しくなるように、パルス周期Ｔｆを制御することによって、適正なアーク長に制御することができる。
【００２９】
上記の定常ピーク電圧値Ｖpaとしては、以下のような検出値を使用することができる。
▲１▼ 特定時点の定常ピーク電圧瞬時値Ｖpc
同図に示すように、ピーク期間Ｔｐの開始時点から予め定めた遅延時間Ｔpcが経過した時点の定常ピーク電圧瞬時値Ｖpcを、定常ピーク電圧値Ｖpaとして使用することができる。上記の遅延時間Ｔpcは、過渡ピーク期間Ｔpaが経過した後から、曲線Ｙ４に示す溶滴移行時の陽極点の移動に伴う電圧変動が発生する前までの期間中の時点になるように、予め設定される。例えば、前述した図３に示す最大ピーク期間Ｔppの真ん中の時点に設定することが考えられる。
【００３０】
▲２▼ 所定期間中の定常ピーク電圧平均値Ｖpd
上記▲１▼項は瞬時値であるが、検出誤差を減少させるために、上記の遅延時間Ｔpc経過後から所定の平均化期間Ｔpd中の定常ピーク電圧の平均値Ｖpdを、定常ピーク電圧値Ｖpaとして使用することができる。
【００３１】
▲３▼ 定常ピーク期間中の定常ピーク電圧平均値Ｖpb
上記▲２▼項においてピーク電圧を平均化する期間を、定常ピーク期間Ｔpbの全期間中とするのが、定常ピーク期間中の定常ピーク電圧平均値Ｖpbである。
【００３２】
▲４▼ 上記▲１▼〜▲３▼項の移動平均値
第ｎ回目のピーク期間Ｔｐ(n)中の上記▲１▼項の定常ピーク電圧瞬時値をＶpc(n)とし、今周期から前の所定周期ｍ回にわたる移動平均値Ｖpcrは、下式となる。
Ｖpcr＝（Ｖpc(n)＋Ｖpc(n-1)＋…＋Ｖpc(n-m+1)）／ｍ
上式では、各周期の定常ピーク電圧瞬時値Ｖpcは均等の重みで平均化しているが、今周期に近い周期の値の重みを重くする重み付け移動平均値であってもよい。このように移動平均値を算出して定常ピーク電圧値Ｖpaとする理由は、以下のとおりである。すなわち、定常ピーク期間Ｔpb中は、陰極点が溶接狙い位置近傍に形成されていても、溶融池の状態、溶滴の状態等は毎周期ごとに少しは変動しているために、見かけのアーク長も変動することになる。この変動を平均化してより正確な見かけのアーク長を検出するために移動平均値を算出している。
また、上記▲２▼項及び▲３▼項の定常ピーク電圧平均値Ｖpd及びＶpbの過去所定周期にわたる移動平均値についても、上記と同様にして算出することができる。
【００３３】
次に、外乱に起因するアーク長の誤検出に伴うアーク長変動を抑制するための、上記の定常ピーク電圧値Ｖpaを使用した本発明のパルス周期制御方法について説明する。
アーク長が適正値に維持されている良好な溶接状態においては、アーク長の変化はないので、送給速度Ｗｆと溶融速度Ｍｓ（平均電流値Ｉav）とはバランスしている。したがって、アーク長一定状態においては、送給速度Ｗｆが設定されれば、それに対応する平均電流値Ｉavが一義的に定まり、反対に平均電流値Ｉavが設定されれば、送給速度は一義的に定まる。この関係を表わした図を溶融特性図という。
【００３４】
図６に、この溶融特性図の一例を示す。同図は、溶接ワイヤが直径１．２［mm］のアルミニウム合金ワイヤ（ＪＩＳ Ａ５３５６相当材）のときの溶融特性であり、横軸に平均電流値Ｉav［Ａ］を示し、縦軸に送給速度Ｗｆ［cm/min］を示す。例えば、平均電流値Ｉav＝１００［Ａ］のときの送給速度Ｗｆ＝６８０［cm/min］となる。
【００３５】
ところで、平均電流値Ｉavとパルス周期Ｔｆとの関係は、上記（１）式によって下記のようになる。
Ｉav＝（（Ｉｐ−Ｉｂ）・（（1/2）・Ｔup＋（1/2）・Ｔdw＋Ｔpp）／Ｔｆ）＋Ｉｂ
ここで、ピーク電流の設定値をＩps［Ａ］とし、ベース電流の設定値をＩbs［Ａ］とし、ピーク立上り期間をＴup［ms］とし、最大ピーク期間をＴpp［ms］とし、ピーク立下り期間をＴdw［ms］とすると、変数の平均電流の設定値Ｉas［Ａ］を入力とする変数のパルス周期Ｔｆ［ms］は、上記（１）式を整理して下式となる。
Ｔｆ＝（（Ｉps−Ｉbs）／（Ｉas−Ｉbs））・（（1/2）・Ｔup＋（1/2）・Ｔdw＋Ｔpp） （３）式
上式の右辺において、平均電流設定値Ｉas以外の波形パラメータは全て定数とみなすことができるので、平均電流設定値Ｉasが設定されるとそれに対応するパルス周期Ｔｆが演算される。この平均電流設定値Ｉasに対応するパルス周期を中心パルス周期Ｔｃと定義することにする。
【００３６】
平均電流設定値Ｉasが設定されると、前述した図６からそれに対応する送給速度Ｗｆを算出することができる。同時に、平均電流設定値Ｉasに対応した中心パルス周期Ｔｃを上記（３）式によって演算することができる。前述したように、アーク長一定状態においては、送給速度Ｗｆと溶融速度（平均電流値）がバランスしており、このときのパルス周期Ｔｆは中心パルス周期Ｔｃと一致する。すなわち、平均電流設定値Ｉasが設定されると、アーク長一定状態でのパルス周期が定まることになる。
【００３７】
上記の中心パルス周期Ｔｃを使用した本発明のパルス周期制御方法は、下式として表わすことができる。
Ｔｆ(n)＝Ｔｃ−Ｋ・ΔＶ （４）式
唯し、Ｋは正の数の増幅率、電圧誤差ΔＶ＝Ｖps−Ｖpa、Ｖpaは定常ピーク電圧値である。
上式において、見かけのアーク長が目標値よりも長くなると、定常ピーク電圧値Ｖpaがピーク電圧設定値Ｖpsよりも大きくなるので、ΔＶ＜０となり、今周期のパルス周期Ｔｆ(n)は中心パルス周期Ｔｃよりも長くなる。この結果、平均電流値が小さくなり、溶融速度が遅くなるので、見かけのアーク長は短くなり目標値に復帰する。逆に、見かけのアーク長が短くなると、定常ピーク電圧値Ｖpaがピーク電圧設定値Ｖpsよりも小さくなるので、ΔＶ＞０となり、今周期のパルス周期Ｔｆ(n)は中心パルス周期Ｔｃよりも短くなる。この結果、平均電流値が大きくなり、溶融速度が速くなるので、見かけのアーク長は長くなり目標値に復帰する。
【００３８】
上記（４）式において、中心パルス周期Ｔｃに比例して下式のように増幅率Ｋを変化させてもよい。これは、中心パルス周期Ｔｃの時間長さに比例して、同じ値の電圧誤差ΔＶに対するパルス周期Ｔｆの変化幅を大きくして、フィードバック制御における過渡応答性を改善するためである。
Ｋ＝Ｔｃ・Ｋ１ （41）式
但し、Ｋ１は定数の増幅率（正の数）である。
【００３９】
本発明において、中心パルス周期Ｔｃは、平均電流設定値Ｉasを入力として、上記（３）式を実施する演算回路によって求めてもよい。
図７に、平均電流設定値Ｉas［Ａ］に対する中心パルス周期Ｔｃ［ms］を示す。同図は、直径１．２［mm］のアルミニウム合金ワイヤ（ＪＩＳ Ａ５３５６相当材）を使用し、波形パラメータが以下の場合である。すなわち、ピーク電流設定値Ｉps＝３３０［Ａ］、ベース電流設定値Ｉbs＝３０［Ａ］、ピーク立上り期間Ｔup＝１．０［ms］、最大ピーク期間Ｔpp＝０．８［ms］、ピーク立下り期間Ｔdw＝１．０［ms］の場合である。同図は、上記（３）式に基づいて算出することができる。また、予め実験によって測定することもできる。そして、同図の特性を記憶した演算回路によって、平均電流設定値Ｉasを入力として中心パルス周期Ｔｃを出力してもよい。同図において、例えば、平均電流設定値Ｉas＝１００［Ａ］のときの中心パルス周期Ｔｃ＝７．７［ms］となり、平均電流設定値Ｉas＝１５０［Ａ］のときの中心パルス周期Ｔｃ＝４．５［ms］となる。
【００４０】
これ以降においては、上述した本発明のアーク長制御方法を実施するための溶接電源装置について説明する。
図８は、本発明を実施するための溶接電源装置のブロック図である。以下、同図を参照して、各回路ブロックについて説明する。
出力制御回路ＩＮＶは、商用交流電源（３相２００［Ｖ］等）を入力として、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従って、インバータ制御、サイリスタ位相制御等の出力制御を行い、溶接を行うための溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力する。溶接ワイヤ１はワイヤ送給装置の送給ロール５によって溶接トーチ４を通って定速で送給されて、母材２との間にアーク３が発生する。
【００４１】
電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。定常ピーク電圧検出回路ＶＰＡは、上記の電圧検出信号Ｖｄ及び後述するピーク期間信号Ｓtpを入力として、図５で前述したように過渡ピーク期間Ｔpa経過後のピーク電圧Ｖｐを検出して、定常ピーク電圧検出信号Ｖpaを出力する。ピーク電圧設定回路ＶＰＳは、予め定めたピーク電圧設定信号Ｖpsを出力する。電圧誤差回路ＥＶは、上記の定常ピーク電圧検出信号Ｖpaと上記のピーク電圧設定信号Ｖpsとの電圧誤差Ｖps−Ｖpaを演算して、電圧誤差信号ΔＶを出力する。
【００４２】
平均電流設定回路ＩＡＳは、予め定めた平均電流設定信号Ｉasを出力する。送給速度設定回路ＦＳは、図６で前述した溶融特性を予め記憶し、上記の平均電流設定信号Ｉasに対応する送給速度設定信号Ｆｓを出力する。送給制御回路ＦＣは、上記の送給速度設定信号Ｆｓに相当する速度でワイヤ送給モータＷＭを回転させるための送給制御信号Ｆｃを出力する。中心パルス周期演算回路ＴＣＳは、上記の平均電流設定信号Ｉas及び予め定めた波形パラメータによって、上記（３）式の演算を行い、中心パルス周期設定信号Ｔcsを出力する。パルス周期演算回路ＴＦＳは、上記の電圧誤差信号ΔＶ、中心パルス周期設定信号Ｔcs及び予め定めた正の数の増幅率Ｋによって、上記（４）式を演算し、パルス周期設定信号Ｔfsを出力する。
【００４３】
パルス周期タイマ回路ＴＦは、上記のパルス周期設定信号Ｔfsによって定まる時間毎に短時間だけＨｉｇｈレベルとなるパルス周期信号Ｓtfを出力する。ピーク期間タイマ回路ＴＰは、上記のパルス周期信号Ｓtfが短時間Ｈｉｇｈレベルに変化した時点から、予め定めた時間長さだけＨｉｇｈレベルとなるピーク期間信号Ｓtpを出力する。したがって、このピーク期間信号Ｓtpは、ピーク期間Ｔｐ中はＨｉｇｈレベルとなり、ベース期間Ｔｂ中はＬｏｗレベルとなる信号である。
【００４４】
ピーク電流設定回路ＩＰＳは、予め定めたピーク電流設定信号Ｉpsを出力する。ベース電流設定回路ＩＢＳは、予め定めたベース電流設定信号Ｉbsを出力する。電流設定切換回路ＳＷは、上記のピーク期間信号ＳtpがＨｉｇｈレベルのときにはａ側に切り換わり上記のピーク電流設定信号Ｉpsを電流制御設定信号Ｉscとして出力し、Ｌｏｗレベルのときには上記のベース電流設定信号Ｉbsを電流制御設定信号Ｉscとして出力する。
【００４５】
電流検出回路ＩＤは、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、上記の電流制御設定信号Ｉsc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。この電流誤差増幅回路ＥＩによって、溶接電源装置ＰＳの外部特性は定電流特性に出力制御されて、上記の電流制御設定信号Ｉscに相当する溶接電流Ｉｗが通電する。
【００４６】
上述した溶接電源装置ＰＳによって、定常ピーク電圧検出信号Ｖpaの値が目標値のピーク電圧設定信号Ｖpsの値と略等しくなるように、上記（３）式によって演算された中心パルス周期設定信号Ｔcsを中心値として、上記（４）式に基づいてパルス周期Ｔｆが制御されて、見かけのアーク長を適正値に維持する。
【００４７】
［実施例２］
実施例２の発明では、ピーク電圧設定値Ｖpsと定常ピーク電圧値Ｖpaとの電圧誤差ΔＶ＝Ｖps−Ｖpaを入力として、上記（４）式Ｔｆ(n)＝Ｔｃ−Ｋ・ΔＶによって今周期のパルス周期Ｔｆ(n)を制御すると共に、上記の電圧誤差ΔＶに応じて次周期のピーク電流Ｉｐ(n+1)を制御するアーク長制御方法である。ピーク電流Ｉｐの制御方法の一例を、下式に示す。
Ｉpsc(n+1)＝Ｉps＋Ｇ・ΔＶ （５）式
但し、Ｉps c(n+1)は次周期のピーク電流制御設定値、Ｉpsは予め定めたピーク電流設定値、Ｇは予め定めた正の数の増幅率である。
上式において、見かけのアーク長が目標値よりも長くなると、定常ピーク電圧値Ｖpaがピーク電圧設定値Ｖpsよりも大きくなるので、ΔＶ＜０となり、次周期のピーク電流Ｉｐは小さくなる。この結果、平均電流値が小さくなり溶融速度が遅くなるので、見かけのアーク長は短くなり目標値に復帰する。逆に、見かけのアーク長が短くなると、定常ピーク電圧値Ｖpaがピーク電圧設定値Ｖpsよりも小さくなるので、ΔＶ＞０となり、次周期のピーク電流Ｉｐは大きくなる。この結果、平均電流値が大きくなり溶融速度が速くなるので、見かけのアーク長は長くなり目標値に復帰する。このときに、ピーク電流Ｉｐの変化幅は、上記のピーク電流設定値Ｉpsを中心値として±数十［Ａ］程度の範囲に制限してもよい。これは、ピーク電流Ｉｐの値が、１パルス１溶滴移行の範囲内で変化するようにするためである。
【００４８】
上述したように、パルス周期及びピーク電流を同時に制御する理由は、電圧誤差ΔＶが大きな値となると、パルス周期が大きく変化することになり、その結果、溶接状態が過渡的に不安定になる場合がある。このような場合に、パルス周期及びピーク電流を同時に制御すると、大きな値の電圧誤差ΔＶを２つで分担することになり、パルス周期の変化幅を小さくすることができ、溶接状態が過渡的に不安定になるのを抑制することができる。
【００４９】
実施例２の発明を実施するための溶接電源装置のブロック図は、前述した図８のブロック図においてピーク電流設定回路ＩＰＳを図９に示すピーク電流制御設定回路ＩＰＳＣに置換したものとなる。以下、同図を参照して説明する。
増幅回路ＡＭＰは、電圧誤差信号ΔＶに予め定めた増幅率Ｇを乗じて、増幅信号Ｇ・ΔＶを出力する。ピーク電流設定回路ＩＰＳは、予め定めたピーク電流設定信号Ｉpsを出力する。加算回路ＡＤは、上記の増幅信号Ｇ・ΔＶとピーク電流設定信号Ｉpsとの加算を行い、ピーク電流制御設定信号Ｉpscを出力する。したがって、このピーク電流制御設定回路ＩＰＳＣは、上記（５）式の演算を行う。
【００５０】
上述したように、本発明のアーク長制御方法は、パルスＭＩＧ溶接において大きな効果を奏するが、パルスＭＡＧ溶接においても同様にアーク長を精密に制御することができる。したがって、本発明はパルスアーク溶接全体に適用することができる。
【００５１】
［効果］
以下に、本発明の効果について、図面を参照して説明する。
図１０は、前述した図４に対応する本発明における外乱発生時のアーク長の変動を示す図である。同図（Ａ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）はアーク長（点線で示す真のアーク長Ｌａ及び実線で示す見かけのアーク長Ｌｂ）の時間変化を示す。前述したように、アーク長Ｌｂを定常ピーク電圧値Ｖpaで検出し、同図（Ｂ）に示すアーク長の目標値に対応するピーク電圧設定値Ｖpsと定常ピーク電圧値Ｖpaとの電圧誤差ΔＶを演算し、上記（４）式に基づいて同図（Ａ）に示すパルス周期Ｔｆを制御する。したがって、アーク長Ｌｂの変化に応答して、パルス周期Ｔｆが変化する。以下、同図を参照して説明する。
【００５２】
▲１▼ 時刻ｔ１〜ｔ２の期間
この期間中は、見かけのアーク長Ｌｂと真のアーク長Ｌａとは共に目標値と一致して良好な溶接状態にあるので、定常ピーク電圧値Ｖpa1［Ｖ］はピーク電圧設定値Ｖps［Ｖ］と略等しくなる。この定常ピーク電圧値Ｖpa1が上記（４）式に入力されると、下記のようにこの期間のパルス周期Ｔｆが演算される。
Ｔｆ＝Ｔｃ−Ｋ・（Ｖps−Ｖpa1）＝Ｔf1［ms］
ここで、電圧誤差ΔＶ＝Ｖps−Ｖpa1＝０であるので、パルス周期Ｔf1＝Ｔｃとなる。したがって、この期間のパルス周期Ｔf1は中心パルス周期Ｔｃと等しくなる。
【００５３】
▲２▼ 時刻ｔ２〜ｔ３の期間
この期間中も上記▲１▼項と同様に、見かけのアーク長Ｌｂと真のアーク長Ｌａとは共に目標値と一致して良好な溶接状態にあるので、定常ピーク電圧値Ｖpa1［Ｖ］はピーク電圧設定値Ｖps［Ｖ］と略等しくなり、パルス周期は上記▲１▼項と同様にＴf1［ms］になる。
【００５４】
▲３▼ 時刻ｔ３〜ｔ４の期間
図４のときと同様に、溶滴破裂、陰極点移動等の外乱がピーク期間中に発生すると、同図（Ｂ）に示すように、真のアーク長Ｌａは大きく変動して、それに対応して定常ピーク電圧値もＶpa1［Ｖ］からＶpa2［Ｖ］に大きくなる。この定常ピーク電圧値Ｖpa2が上記（４）式に入力されると、下記のようにこの期間のパルス周期Ｔｆが演算される。
Ｔｆ＝Ｔｃ−Ｋ・（Ｖps−Ｖpa2）＝Ｔf2［ms］
ここで、電圧誤差ΔＶ＝Ｖps−Ｖpa2＜０であるので、Ｔf2＞Ｔｃとなり、この期間のパルス周期は中心パルス周期Ｔｃよりも長くなる。したがって、見かけのアーク長Ｌｂは目標値のままであるにもかかわらず、パルス周期がＴf1からＴf2へと長くなる。
【００５５】
▲４▼ 時刻ｔ４〜ｔ５の期間
前期間に発生した溶滴破裂、陰極点移動等の外乱は、過渡的なものであるために短時間で消滅することが多い。このために、時刻ｔ４の開始時点では、外乱は消滅しているために、真のアーク長Ｌａは目標値に復帰している。他方、見かけのアーク長Ｌｂは、もともと変化していないので、目標値のままである。このために、この期間の定常ピーク電圧値は、上記▲１▼〜▲２▼項の期間と同様にＶpa1［Ｖ］になる。この値が上記（４）式に入力されると、下記のようにこの期間のパルス周期Ｔｆが演算される。
Ｔｆ＝Ｔｃ−Ｋ・（Ｖps−Ｖpa1）＝Ｔf1［ms］
ここで、電圧誤差ΔＶ＝Ｖps−Ｖpa1＝０であるので、この期間のパルス周期Ｔf1は中心パルス周期Ｔｃと等しくなる。
【００５６】
上述したように、本発明では、溶滴破裂、陰極点移動等の外乱が発生してもその外乱が短時間で消滅すれば、見かけのアーク長は目標値に維持される。
【００５７】
図１１は、溶接状態が安定する電流範囲を従来技術と本発明とで比較した図である。同図は、溶接ワイヤに直径１．２［mm］のアルミニウム合金ワイヤ（ＪＩＳ Ａ５３５６相当材）を使用して、パルスＭＩＧ溶接を行い、溶接状態が安定して溶接品質が良好である平均電流値Ｉav［Ａ］の範囲を測定したものである。同図から明らかなように、従来技術では、安定電流範囲は６０〜２３０［Ａ］になっている。これに対して、本発明では、安定電流範囲は３０〜２７０［Ａ］に拡大している。特に、本発明では、不安定になりやすい小電流域の安定性が大幅に改善されている。
【００５８】
【発明の効果】
本発明では、パルスアーク溶接において、定常ピーク電圧値Ｖpaと目標値との電圧誤差ΔＶに応じて中心パルス周期Ｔｃを中心値としてパルス周期Ｔｆを制御することでアーク長制御を行うことによって、溶滴破裂、陰極点移動等の外乱の影響を抑制してアーク長を精密に制御することができるので、高品質な溶接結果を得ることができる。
さらに、定常ピーク電圧値Ｖpaと目標値との電圧誤差ΔＶに応じてパルス周期Ｔｆ及びピーク電流Ｉｐを制御することによって、トーチ高さ等の大きな変動に伴って上記電圧誤差ΔＶが大きく変化したときでも、溶接状態が過渡的に不安定になることがないので、常に良好な溶接品質を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術のパルスＭＩＧ溶接の電流・電圧波形図
【図２】従来技術のピーク期間Ｔｐ及びベース期間Ｔｂのアーク発生状態図
【図３】本発明の解決課題を説明するための従来技術のピーク電圧波形図
【図４】本発明の解決課題を説明するための従来技術のアーク長変動図
【図５】本発明のアーク長検出方法を示すピーク電圧波形図
【図６】本発明の溶融特性図
【図７】本発明の平均電流設定値Ｉasと中心パルス周期Ｔｃとの関係図
【図８】本発明の溶接電源装置のブロック図
【図９】本発明のピーク電流制御設定回路ＩＰＳＣのブロック図
【図１０】本発明の効果を示す図４に対応するアーク長変動図
【図１１】本発明の効果を示す安定電流範囲の比較図
【符号の説明】
１ 溶接ワイヤ
１ａ 溶滴
２ 母材
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
ＡＭＰ 増幅回路
Ｂ，Ｇ，Ｋ 増幅率
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＶ 電圧誤差回路
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＦＳ 送給速度設定回路
Ｆｓ 送給速度設定信号
Ｇ・ΔＶ 増幅信号
ＩＡＳ 平均電流設定回路
Ｉas 平均電流設定信号
Ｉav 平均電流値
Ｉｂ ベース電流
ＩＢＳ ベース電流設定回路
Ｉbs ベース電流設定信号
ＩＮＶ 出力制御回路
Ｉｐ ピーク電流
ＩＰＳ ピーク電流設定回路
Ｉps ピーク電流設定信号
ＩＰＳＣ ピーク電流制御設定回路
Ｉpsc ピーク電流制御設定信号
Ｉsc 電流制御設定信号
Ｉｗ 溶接電流
Ｌａ 真のアーク長
Ｌｂ 見かけのアーク長
Ｎ１，Ｎ２ 陰極点
ＰＳ 溶接電源装置
Ｓtf パルス周期信号
Ｓtp ピーク期間信号
ＳＷ 電流設定切換回路
Ｔｂ ベース期間
ＴＣＳ 中心パルス周期演算回路
Ｔcs 中心パルス周期設定信号
Ｔdw ピーク立下り期間
ＴＦ パルス周期タイマ回路
Ｔｆ パルス周期
ＴＦＳ パルス周期演算回路
Ｔfs パルス周期設定信号
ＴＰ ピーク期間タイマ回路
Ｔｐ ピーク期間
Ｔpa 過渡ピーク期間
Ｔpb 定常ピーク期間
Ｔpc 遅延時間
Ｔpd 平均化時間
Ｔpp 最大ピーク期間
Ｔup ピーク立上り期間
Ｖav 平均電圧値
Ｖｂ ベース電圧
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖｐ ピーク電圧
ＶＰＡ 定常ピーク電圧検出回路
Ｖpa 定常ピーク電圧（検出信号）
Ｖpb，Ｖpd 定常ピーク電圧平均値
Ｖpc 定常ピーク電圧瞬時値
Ｖpp 最大ピーク電圧平均値
ＶＰＳ ピーク電圧設定回路
Ｖps ピーク電圧設定信号
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＭ ワイヤ送給モータ
Ｙ１〜Ｙ４ 電圧変動の曲線
ΔＶ 電圧誤差（信号）
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接ワイヤを定速で送給すると共に、ピーク期間中のピーク電流の通電とベース期間中のベース電流の通電とをパルス周期として繰り返して通電するパルスアーク溶接において、上記ピーク期間中のピーク電圧によるアーク長制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
消耗電極式アーク溶接においては、一般的に、溶接ワイヤの先端部に陽極点が形成され、母材表面上に陰極点が形成されて、これら両極点間にアークが発生する。このときの陽極点と陰極点との間の距離は、一般的に真のアーク長と呼ばれる。一方、溶接ワイヤの先端部とその直下の母材表面との最短距離は、一般的に見かけのアーク長（以下、単にアーク長という）と呼ばれる。溶け込み深さ、ビード外観、溶接欠陥等の重要な溶接品質は、上記の見かけのアーク長と強い相関関係があるので、良好な溶接品質を得るためには溶接中の見かけのアーク長を適正値に維持すること（以下、アーク長制御という）が重要である。他方、溶接電圧値は真のアーク長と略比例関係にある。炭酸ガスアーク溶接、ＭＡＧ溶接等では、陰極点は溶接ワイヤ直下の母材表面上（以下、溶接狙い位置という）に形成されるので、上記の真のアーク長と見かけのアーク長とは結果的に略等しくなる。このために、溶接電圧の平均値を目標値と略等しくなるように制御することによって、真のアーク長を制御し、そのことで本来の制御目的である見かけのアーク長を制御することができる。これに対して、アルミニウム合金、ステンレス鋼等に用いられるＭＩＧ溶接においては、陰極点は、母材表面上の酸化皮膜がまだクリーニング作用によって除去されずに残っている部分に形成されやすいという性質がある。このために、陰極点は、溶接狙い位置近傍ではなく、そこから離れた酸化皮膜のある位置に形成されることが多い。この場合、真のアーク長と見かけのアーク長とは、かなり異なった値となるために、見かけのアーク長と比例関係にない溶接電圧平均値によって、精密に見かけのアーク長を制御することはできない。このＭＩＧ溶接の１種であるパルスＭＩＧ溶接において、上述の問題を解決するための１つの方法として、以下に説明するピーク電圧によるアーク長制御方法が従来から提案されている。以下、従来技術として、このピーク電圧によるアーク長制御方法について図面を参照して説明する。
【０００３】
図１は、パルスＭＩＧ溶接の電流・電圧波形図であり、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の時間変化を示す。また、図２は、アーク発生状態を示す図であり、図２（Ａ）はピーク期間Ｔｐ中のアーク発生状態を示し、図２（Ｂ）はベース期間Ｔｂ中のアーク発生状態を示す。以下、同図及び図２を参照して説明する。
【０００４】
▲１▼ 時刻ｔ１〜ｔ３のピーク期間Ｔｐ
同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２のピーク立上り期間Ｔup中は、ベース電流Ｉｂからピーク電流Ｉｐへと上昇する遷移電流が通電し、その後の時刻ｔ２〜ｔ３の最大ピーク期間Ｔpp中は、ピーク電流Ｉｐが通電する。同様に、同図（Ｂ）に示すように、ピーク立上り期間Ｔup中は、ベース電圧Ｖｂからピーク電圧Ｖｐへと上昇する遷移電圧が印加し、その後の最大ピーク期間Ｔpp中は、ピーク電圧Ｖｐが印加する。したがって、ピーク期間Ｔｐは、上記のピーク立上り期間Ｔup及び最大ピーク期間Ｔppから形成される。また、上記のピーク期間Ｔｐ及びピーク電流Ｉｐの値は、溶接ワイヤの種類、シールドガスの種類、送給速度等に応じて１パルス１溶滴移行になるように適正値に設定される。
【０００５】
▲２▼ 時刻ｔ３〜ｔ５のベース期間Ｔｂ
同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ３〜ｔ４のピーク立下り期間Ｔdw中は、ピーク電流Ｉｐからベース電流Ｉｂへと下降する遷移電流が通電し、その後の時刻ｔ４〜ｔ５の定常ベース期間Ｔbb中は、ベース電流Ｉｂが通電する。同様に、同図（Ｂ）に示すように、ピーク立下り期間Ｔdw中は、ピーク電圧Ｖｐからベース電圧Ｖｂへと下降する遷移電圧が印加し、その後の定常ベース期間Ｔbb中は、ベース電圧Ｖｂが印加する。したがって、ベース期間Ｔｂは、上記のピーク立下り期間Ｔdw及び定常ベース期間Ｔbbから形成される。また、上記のベース電流Ｉｂの値は、溶接ワイヤの先端部を溶融させないように数十［Ａ］程度に設定される。上記のベース期間Ｔｂの時間長さは、後述するアーク長制御に従って制御される。
【０００６】
したがって、時刻ｔ１〜ｔ５のパルス周期Ｔｆは、ピーク期間Ｔｐ及びベース期間Ｔｂから形成され、さらにはピーク立上り期間Ｔup、最大ピーク期間Ｔpp、ピーク立下り期間Ｔdw及び定常ベース期間Ｔbbから形成される。また、上記のピーク立上り期間Ｔup及びピーク立下り期間Ｔdwの値は、溶接電源装置の内部及び外部のインダクタンス値及び抵抗値によって定まる。また、スパッタの発生量を削減しビード外観を良好にするために、上記のピーク立上り期間Ｔup及びピーク立下りＴdwの値を数［ms］に設定する場合もある。また、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗの平均値が平均電流値Ｉavとなり、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗの平均値が平均電圧値Ｖavとなる。
【０００７】
図２（Ａ）に、ピーク期間Ｔｐ中のアーク発生状態を示す。ピーク電流Ｉｐは３００〜６００［Ａ］程度の大電流であるために、アーク３がワイヤ送給方向に形成されやすい性質（アークの硬直性）が高くなる。このために、陰極点Ｎ１は、酸化皮膜が除去されていてもアークの硬直性によってワイヤ送給方向である溶接狙い位置近傍に形成される。アークの硬直性は、電流値の大きさに比例して高くなり、ピーク電流Ｉｐが３００［Ａ］以上の場合には、陰極点Ｎ１は酸化皮膜上に形成される性質よりもアークの硬直性によって溶接狙い位置近傍に形成される性質が勝ることになる。したがって、図２（Ａ）に示すように、ピーク期間Ｔｐ中は、溶接ワイヤ１の先端の溶滴１ａに陽極点が形成され、その直下の溶接狙い位置近傍に陰極点Ｎ１が形成されて、両極点間にアーク３が発生する。この結果、真のアーク長Ｌa1［mm］と見かけのアーク長Ｌb1［mm］とは略等しくなる。さらに、ピーク電圧Ｖｐと真のアーク長Ｌa1とは略比例関係にあり、上述したように真のアーク長Ｌa1と見かけのアーク長Ｌb1とは略等しいので、結果的に、ピーク電圧Ｖｐと見かけのアーク長Ｌb1とは、略比例関係になる。したがって、ピーク電圧Ｖｐによるアーク長制御によって、見かけのアーク長Ｌb1を制御することができる。
【０００８】
図２（Ｂ）に、ベース期間Ｔｂ中のアーク発生状態を示す。ベース電流Ｉｂは、前述したように数十［Ａ］程度と小電流であるために、アークの硬直性は低く、陰極点Ｎ２は母材表面の酸化皮膜の除去されていない部分に形成される。通常、溶接狙い位置近傍の酸化皮膜は、ピーク電流Ｉｐの通電等によって真っ先に除去されるために、陰極点Ｎ２はそこから離れた酸化皮膜が残る位置に形成される。このために、図２（Ｂ）に示すように、ベース期間Ｔｂ中は、溶滴１ａに陽極点が形成され、溶接狙い位置から離れた酸化皮膜が残る母材表面上に陰極点Ｎ２が形成されて、両極点間にアーク３が発生する。この結果、真のアーク長Ｌa2［mm］と見かけのアーク長Ｌb2［mm］とは、かなり異なった値となる。しかも、陰極点Ｎ２は、酸化皮膜を求めてその形成位置を高速に移動するために、ベース期間Ｔｂの開始直後の時点、中間の時点、終了直前の時点等のそれぞれの時点によって陰極点Ｎ２の形成位置が変化する。ベース電圧Ｖｂは真のアーク長Ｌa2と略比例関係にあるために、陰極点Ｎ２の移動に伴って真のアーク長Ｌa2が変化すると、ベース電圧Ｖｂも変化することになる。したがって、ベース期間Ｔｂ中のベース電圧Ｖｂによって見かけのアーク長を制御することはできない。また、同図（Ｂ）に示すように、上記の平均電圧Ｖavは、上記のピーク電圧Ｖｐとベース電圧Ｖｂとの平均値となるために、見かけのアーク長と比例しておらず、かつ、たえず変化するベース電圧Ｖｂを含んでいる。したがって、パルスＭＩＧ溶接において、平均電圧Ｖavによって精密なアーク長制御を行うことはできない。
【０００９】
以下、上記のピーク電圧Ｖｐによるパルス周期Ｔｆの制御方法について説明する。
見かけのアーク長は、送給速度と溶融速度とのバランスによって定まり、両値の差に応じて変化する。通常、送給速度は定速であり、溶融速度は平均電流値Ｉavに略比例する。すなわち、パルス周期Ｔｆ毎の見かけのアーク長の変化分ΔＬｂ［mm］は、送給速度Ｗｆ［mm/min］と溶融速度Ｍｓ［mm/min］との差となる。溶融速度Ｍｓは平均電流値Ｉav［Ａ］と略比例するので、見かけのアーク長の変化分ΔＬｂは、送給速度Ｗｆと平均電流値Ｉavに係数を乗じた値との差に等しくなる。したがって、パルス周期Ｔｆを変化させて平均電流値Ｉavを変化させることによって、溶融速度を変化させて見かけのアーク長を適正値に導くことができる。
【００１０】
ところで、前述した図１（Ａ）において、平均電流値Ｉav［Ａ］は下式で表わすことができる。
Ｉav＝（（Ｉｐ−Ｉｂ）・（（1/2）・Ｔup＋（1/2）・Ｔdw＋Ｔpp）／Ｔｆ）＋Ｉｂ （１）式
上式の右辺において、パルス周期Ｔｆ［ms］以外の値は定数とみなすことができるので、パルス周期Ｔｆを変化させることによって平均電流値Ｉavを変化させることができる。したがって、前述したように、ピーク電圧Ｖｐで見かけのアーク長を検出し、このピーク電圧値Ｖｐと目標値のピーク電圧設定値Ｖpsとの電圧誤差ΔＶ＝Ｖps―Ｖｐを演算し、この電圧誤差ΔＶを入力として、下式によってパルス周期Ｔｆ(n)を演算することができる。
Ｔｆ(n)＝Ｔfi−Ｂ・ΣΔＶ＝Ｔｆ(n-1)−Ｂ・ΔＶ （２）式
但し、Ｔｆ(n)は今周期のパルス周期、Ｔfiはパルス周期の初期値、Ｂは正の数の増幅率、Ｔｆ(n-1)は前周期のパルス周期である。
電圧誤差ΔＶを入力として上式に従って今周期のパルス周期Ｔｆ(n)が決定される。以上のように、ピーク電圧値Ｖｐとピーク電圧設定値Ｖpsとが略等しくなる（電圧誤差ΔＶ≒０）ように、パルス周期Ｔｆ(n)を制御することによって、（１）式で前述したように、平均電流値Ｉavを変化させて溶融速度Ｍｓを変化させ見かけのアーク長を制御する。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
図３は、従来技術の解決課題を説明するためのピーク電圧波形図である。同図において、時刻ｔ１〜ｔ３は、前述した図１の同時刻に対応している。以下、同図を参照して説明する。
ピーク期間Ｔｐは、前述したように、ピーク立上り期間Ｔupと、それ以降の最大ピーク期間Ｔppとからなる。このピーク期間Ｔｐ中の溶接電圧値Ｖｗが、ピーク電圧Ｖｐとなる。従来技術では、アーク長制御のためのピーク電圧としては、上記のピーク立上り期間Ｔupを除いた上記の最大ピーク期間Ｔpp中のピーク電圧の平均値（以下、最大ピーク電圧平均値Ｖppという）が用いられていた。
【００１２】
しかし、時刻ｔ１のピーク期間Ｔｐの開始時点から定常値に収束する時点までの過渡期間中のピーク電圧は、曲線Ｙ１に示すように理想的な波形となる場合、曲線Ｙ２に示すように大きくオーバーシュートする場合又は曲線Ｙ３に示すように理想波形を下回って収束する場合等種々な場合がある。この理由は、以下のとおりである。すなわち、時刻ｔ１以前のベース期間中のアークは、前述した図２（Ｂ）の状態にあり、陰極点Ｎ２は溶接狙い位置から離れた位置に形成されている。そして、時刻ｔ１以降のピーク期間Ｔｐ中の収束状態でのアークは、前述した図２（Ａ）の状態にあり、陰極点Ｎ１は溶接狙い位置近傍に形成される。したがって、時刻ｔ１以前の陰極点の形成位置によって、又は陰極点の過渡的な移動経路によって、それに伴うピーク電圧も、曲線Ｙ１〜Ｙ３に示すような種々な過渡的変化を示すことになる。
【００１３】
また、ピーク期間Ｔｐの終了時点（時刻ｔ３）前後において溶滴が移行するように、ピーク期間Ｔｐは設定されるのが通常である。このために、ピーク期間Ｔｐの終了直前に溶滴移行が行われると、同図の曲線Ｙ４に示すように、溶滴に形成されていた陽極点の形成位置が移動することになり、これに伴いピーク電圧が変動する場合がある。
【００１４】
上述したように、最大ピーク電圧平均値Ｖppには、ピーク期間開始時の陰極点の移動に伴う過渡的変動及び溶滴移行時の陽極点の移動に伴う過渡的変動が含まれているために、見かけのアーク長の検出に誤差を生じることになる。特に、上記のピーク期間開始時の電圧変動値は大きいために、これを含んだ最大ピーク電圧平均値Ｖppによっては精密なアーク長制御を行うことはできなかった。
【００１５】
さらに、以下に従来技術の別の解決課題について説明する。
図４は、従来技術における外乱発生時のアーク長の変動を示す図である。同図（Ａ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）はアーク長（点線で示す真のアーク長Ｌａ及び実線で示す見かけのアーク長Ｌｂ）の時間変化を示す。従来技術では、前述したように、アーク長Ｌｂを最大ピーク電圧平均値Ｖppで検出し、同図（Ｂ）に示すアーク長の目標値に対応するピーク電圧設定値Ｖpsと最大ピーク電圧平均値Ｖppとの電圧誤差ΔＶを演算し、上記（２）式に基づいて同図（Ａ）に示すパルス周期Ｔｆを制御する。したがって、アーク長Ｌｂの変化に応答して、パルス周期Ｔｆが変化する。
【００１６】
▲１▼ 時刻ｔ１〜ｔ２の期間
この期間中は、見かけのアーク長Ｌｂと真のアーク長Ｌａとは共に目標値と一致して良好な溶接状態にあるので、最大ピーク電圧平均値Ｖpp1［Ｖ］は、ピーク電圧設定値Ｖps［Ｖ］と略等しくなり、このときのパルス周期はＴf1［ms］になっている。
【００１７】
▲２▼ 時刻ｔ２〜ｔ３の期間
この期間中も上記▲１▼項と同様に、見かけのアーク長Ｌｂと真のアーク長Ｌａとは共に目標値と一致して良好な溶接状態にあるので、最大ピーク電圧平均値Ｖpp1［Ｖ］は、ピーク電圧設定値Ｖps［Ｖ］と略等しくなり、このときのパルス周期は上記▲１▼項と同様にＴf1［ms］になる。
【００１８】
▲３▼ 時刻ｔ３〜ｔ４の期間
アルミニウム合金のＭＩＧ溶接において、溶滴に含まれるマグネシウム等が高温のために蒸発して溶滴が破裂する現象（以下、溶滴破裂という）がときたま発生する。この溶滴破裂が発生すると、その破裂時の爆風によって真のアーク長Ｌａが変動する場合が生する。この場合、見かけのアーク長Ｌｂは変化していないが、真のアーク長Ｌａが長くなるために、溶接電圧値が高くなる。上記の溶滴破裂以外にも。母材表面の酸化状態、汚れ状態、溶融池の状態、溶滴の状態等が複雑に複合化された溶接状態において、突然に陰極点の形成位置が溶接狙い位置から離れた位置に高速に移動する場合も、ときたま発生する。このような溶滴破裂、陰極点移動等の外乱がピーク期間中に発生すると、同図（Ｂ）に示すように、真のアーク長Ｌａは大きく変動して、それに対応して最大ピーク電圧平均値もＶpp2［Ｖ］に大きくなる。この最大ピーク電圧平均値Ｖpp2が上記（２）式に入力されると、下記のようにこの期間のパルス周期Ｔｆが演算される。
Ｔｆ＝Ｔf1−Ｂ・（Ｖps−Ｖpp2）＝Ｔf2［ms］
ここで、電圧誤差ΔＶ＝Ｖps−Ｖpp2＜０であるので、Ｔf2＞Ｔf1となり、この期間のパルス周期Ｔf2は前期間よりも長くなる。したがって、見かけのアーク長Ｌｂは目標値のままであるにもかかわらず、パルス周期がＴf1からＴf2へと長くなる。
【００１９】
▲４▼ 時刻ｔ４〜ｔ５の期間
前期間に発生した溶滴破裂、陰極点移動等の外乱は、過渡的なものであるために短時間で消滅することが多い。このために、時刻ｔ４の開始時点では、外乱は消滅しており、真のアーク長Ｌａは目標値に復帰している。見かけのアーク長Ｌｂは、もともと変化していないので、目標値のままである。この期間の最大ピーク電圧平均値は、上記▲１▼〜▲２▼項の期間と同様にＶpp1［Ｖ］になる。この値が上記（２）式に入力されると、下記のようにこの期間のパルス周期Ｔｆが演算される。
Ｔｆ＝Ｔf2−Ｂ・（Ｖps−Ｖpp1）＝Ｔf2［ms］
ここで、電圧誤差ΔＶ＝Ｖps−Ｖpp1＝０であるので、この期間のパルス周期はＴf2［ms］となり、上記▲１▼〜▲２▼項のアーク長が一定のときのパルス周期Ｔf1よりも長いままとなる。このために、平均電流値は、上記▲１▼〜▲２▼項のときよりも小さくなり、溶融速度が遅くなるために、見かけのアーク長Ｌｂは目標値よりも短くなる。
【００２０】
▲５▼ 時刻ｔ５〜ｔ６の期間
前期間中に見かけのアーク長Ｌｂが目標値よりも短くなるために、この期間の最大ピーク電圧平均値Ｖpp3［Ｖ］は、ピーク電圧設定値Ｖpsよりも小さくなる。この値が上記（２）式に入力されると、下記のようにこの期間のパルス周期Ｔｆが演算される。
Ｔｆ＝Ｔf2−Ｂ・（Ｖps−Ｖpp3）＝Ｔf3［ms］
ここで、電圧誤差ΔＶ＝Ｖps−Ｖpp3＞０であるので、パルス周期は前期間のパルス周期Ｔf2よりも短くなる。これに伴い、平均電流値も前期間よりも大きくなり、溶融速度が速くなるので、見かけのアーク長Ｌｂは長くなり目標値に近づく。
【００２１】
▲６▼ 時刻ｔ６〜ｔ７の期間
見かけのアーク長Ｌｂがまだ目標値よりも短いために、この期間の最大ピーク電圧平均値Ｖpp4も、ピーク電圧設定値Ｖpsよりも小さくなる。この値が上記（２）式に入力されると、下記のようにこの期間のパルス周期Ｔｆが演算される。
Ｔｆ＝Ｔf3−Ｂ・（Ｖps−Ｖpp4）＝Ｔf4［ms］
ここで、電圧誤差ΔＶ＝Ｖps−Ｖpp4＞０であるので、パルス周期は前期間のパルス周期Ｔf3よりも短くなる。これに伴い、平均電流値も前期間よりも大きくなり、溶融速度が速くなるので、見かけのアーク長Ｌｂは長くなり目標値にさらに近づく。この期間の動作を数回程度繰り返した後に、パルス周期は上記▲１▼〜▲２▼項の安定状態のパルス周期Ｔf1に戻り、見かけのアーク長Ｌｂも目標値に復帰する。
【００２２】
上述したように、従来技術では、溶滴破裂、陰極点移動等の外乱が発生すると、見かけのアーク長は目標値に維持されているにもかかわらず、見かけのアーク長が変化したと誤検出して、パルス周期を変化させて見かけのアーク長を目標値から変化させてしまう。このような外乱に起因するアーク長の誤検出に伴うアーク長変動が生じると、溶接品質が悪くなる。
【００２３】
そこで、本発明では、電圧変動の影響を受けることなく見かけのアーク長を正確に検出すると共に、外乱に起因するアーク長の誤検出に伴うアーク長変動を抑制することによって、精密にアーク長を制御することができるパルスアーク溶接のアーク長制御方法を提供する。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、図５〜８及び（４）式に示すように、
溶接ワイヤを平均電流設定値Ｉasに対応する送給速度設定値Ｆｓに相当する速度で送給すると共に、ピーク期間Ｔｐ中のピーク電流Ｉｐの通電とベース期間Ｔｂ中のベース電流Ｉｂの通電とをパルス周期Ｔｆとして繰り返して通電するパルスアーク溶接のアーク長制御方法において、
上記平均電流設定値Ｉasに応じて中心パルス周期Ｔｃを設定し、上記ピーク期間の開始時の電圧が過渡的に変動する過渡ピーク期間Ｔpaを除いた定常ピーク期間Ｔpb中の定常ピーク電圧Ｖpaを検出し、この定常ピーク電圧値Ｖpaと予め定めたピーク電圧設定値Ｖpsとの電圧誤差ΔＶ及び上記中心パルス周期Ｔｃ及び予め定めた正の数の増幅率Ｋによってパルス周期演算Ｔｃ−Ｋ・ΔＶを行い、この演算値に従ってパルス周期Ｔｆを制御することによってアーク長を適正値に維持することを特徴とするパルスアーク溶接のアーク長制御方法である。
【００２５】
第２の発明は、図９及び（４）式〜（５）式に示すように、
溶接ワイヤを平均電流設定値Ｉasに対応する送給速度設定値Ｆｓに相当する速度で送給すると共に、ピーク期間Ｔｐ中のピーク電流Ｉｐの通電とベース期間Ｔｂ中のベース電流Ｉｂの通電とをパルス周期Ｔｆとして繰り返して通電するパルスアーク溶接のアーク長制御方法において、
上記平均電流設定値Ｉasに応じて中心パルス周期Ｔｃを設定し、上記ピーク期間の開始時の電圧が過渡的に変動する過渡ピーク期間Ｔpaを除いた定常ピーク期間Ｔpb中の定常ピーク電圧Ｖpaを検出し、この定常ピーク電圧値Ｖpaと予め定めたピーク電圧設定値Ｖpsとの電圧誤差ΔＶ及び上記中心パルス周期Ｔｃ及び予め定めた正の数の増幅率Ｋによってパルス周期演算Ｔｃ−Ｋ・ΔＶを行い、この演算値に従ってパルス周期Ｔｆを制御すると共に、上記電圧誤差ΔＶに応じて上記ピーク電流Ｉｐを増減させることによって、アーク長を適正値に維持することを特徴とするパルスアーク溶接のアーク長制御方法である。
【００２６】
第３の発明は、（41）式に示すように、
上記パルス周期演算が、電圧誤差ΔＶ及び中心パルス周期Ｔｃ及び予め定めた正の数の増幅率Ｋ１によってＴｃ−Ｔｃ・Ｋ１・ΔＶであることを特徴とする第１又は第２の発明記載のパルスアーク溶接のアーク長制御方法である。
【００２７】
第４の発明は、（３）式に示すように、
パルス周期Ｔｆがピーク立上り期間Ｔup及び最大ピーク期間Ｔpp及びピーク立下り期間Ｔdw及び定常ベース期間Ｔbbから形成されており、ピーク電流設定値Ｉps及びベース電流設定値Ｉbs及び平均電流設定値Ｉasを予め設定し、これらの値によって中心パルス周期Ｔｃ＝（（Ｉps−Ｉbs）／（Ｉas−Ｉbs））・（（1/2）・Ｔup＋（1/2）・Ｔdw＋Ｔpp）を演算して設定することを特徴とする第１又は第２又は第３の発明記載のパルスアーク溶接のアーク長制御方法である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
［実施例１］
図５は、本発明のピーク電圧検出方法を説明するための前述した図３に対応するピーク電圧波形図である。同図のピーク電圧波形は、図３のときと同一である。以下、同図を参照して説明する。
同図に示すように、時刻ｔ１のピーク期間Ｔｐの開始時において、前述したように陰極点の移動に伴う過渡ピーク期間Ｔpa中のピーク電圧は、曲線Ｙ１〜Ｙ３のように陰極点の移動経路等によって大きく変動する。そして、この過渡ピーク期間Ｔpaが経過して定常ピーク期間Ｔpbに入ると、図２（Ａ）で前述したように、陰極点は溶接狙い位置近傍に安定的に形成されるので、このときのピーク電圧は安定した略定常値（以下、定常ピーク電圧値Ｖpaという）になる。陰極点が溶接狙い位置近傍に安定して形成されているので、上記の定常ピーク電圧値Ｖpaによって見かけのアーク長を誤差がほとんどなく正確に検出することができる。したがって、この定常ピーク電圧値Ｖpaを検出して予め定めたピーク電圧設定値Ｖos（目標値）と略等しくなるように、パルス周期Ｔｆを制御することによって、適正なアーク長に制御することができる。
【００２９】
上記の定常ピーク電圧値Ｖpaとしては、以下のような検出値を使用することができる。
▲１▼ 特定時点の定常ピーク電圧瞬時値Ｖpc
同図に示すように、ピーク期間Ｔｐの開始時点から予め定めた遅延時間Ｔpcが経過した時点の定常ピーク電圧瞬時値Ｖpcを、定常ピーク電圧値Ｖpaとして使用することができる。上記の遅延時間Ｔpcは、過渡ピーク期間Ｔpaが経過した後から、曲線Ｙ４に示す溶滴移行時の陽極点の移動に伴う電圧変動が発生する前までの期間中の時点になるように、予め設定される。例えば、前述した図３に示す最大ピーク期間Ｔppの真ん中の時点に設定することが考えられる。
【００３０】
▲２▼ 所定期間中の定常ピーク電圧平均値Ｖpd
上記▲１▼項は瞬時値であるが、検出誤差を減少させるために、上記の遅延時間Ｔpc経過後から所定の平均化期間Ｔpd中の定常ピーク電圧の平均値Ｖpdを、定常ピーク電圧値Ｖpaとして使用することができる。
【００３１】
▲３▼ 定常ピーク期間中の定常ピーク電圧平均値Ｖpb
上記▲２▼項においてピーク電圧を平均化する期間を、定常ピーク期間Ｔpbの全期間中とするのが、定常ピーク期間中の定常ピーク電圧平均値Ｖpbである。
【００３２】
▲４▼ 上記▲１▼〜▲３▼項の移動平均値
第ｎ回目のピーク期間Ｔｐ(n)中の上記▲１▼項の定常ピーク電圧瞬時値をＶpc(n)とし、今周期から前の所定周期ｍ回にわたる移動平均値Ｖpcrは、下式となる。
Ｖpcr＝（Ｖpc(n)＋Ｖpc(n-1)＋…＋Ｖpc(n-m+1)）／ｍ
上式では、各周期の定常ピーク電圧瞬時値Ｖpcは均等の重みで平均化しているが、今周期に近い周期の値の重みを重くする重み付け移動平均値であってもよい。このように移動平均値を算出して定常ピーク電圧値Ｖpaとする理由は、以下のとおりである。すなわち、定常ピーク期間Ｔpb中は、陰極点が溶接狙い位置近傍に形成されていても、溶融池の状態、溶滴の状態等は毎周期ごとに少しは変動しているために、見かけのアーク長も変動することになる。この変動を平均化してより正確な見かけのアーク長を検出するために移動平均値を算出している。
また、上記▲２▼項及び▲３▼項の定常ピーク電圧平均値Ｖpd及びＶpbの過去所定周期にわたる移動平均値についても、上記と同様にして算出することができる。
【００３３】
次に、外乱に起因するアーク長の誤検出に伴うアーク長変動を抑制するための、上記の定常ピーク電圧値Ｖpaを使用した本発明のパルス周期制御方法について説明する。
アーク長が適正値に維持されている良好な溶接状態においては、アーク長の変化はないので、送給速度Ｗｆと溶融速度Ｍｓ（平均電流値Ｉav）とはバランスしている。したがって、アーク長一定状態においては、送給速度Ｗｆが設定されれば、それに対応する平均電流値Ｉavが一義的に定まり、反対に平均電流値Ｉavが設定されれば、送給速度は一義的に定まる。この関係を表わした図を溶融特性図という。
【００３４】
図６に、この溶融特性図の一例を示す。同図は、溶接ワイヤが直径１．２［mm］のアルミニウム合金ワイヤ（ＪＩＳ Ａ５３５６相当材）のときの溶融特性であり、横軸に平均電流値Ｉav［Ａ］を示し、縦軸に送給速度Ｗｆ［cm/min］を示す。例えば、平均電流値Ｉav＝１００［Ａ］のときの送給速度Ｗｆ＝６８０［cm/min］となる。
【００３５】
ところで、平均電流値Ｉavとパルス周期Ｔｆとの関係は、上記（１）式によって下記のようになる。
Ｉav＝（（Ｉｐ−Ｉｂ）・（（1/2）・Ｔup＋（1/2）・Ｔdw＋Ｔpp）／Ｔｆ）＋Ｉｂ
ここで、ピーク電流の設定値をＩps［Ａ］とし、ベース電流の設定値をＩbs［Ａ］とし、ピーク立上り期間をＴup［ms］とし、最大ピーク期間をＴpp［ms］とし、ピーク立下り期間をＴdw［ms］とすると、変数の平均電流の設定値Ｉas［Ａ］を入力とする変数のパルス周期Ｔｆ［ms］は、上記（１）式を整理して下式となる。
Ｔｆ＝（（Ｉps−Ｉbs）／（Ｉas−Ｉbs））・（（1/2）・Ｔup＋（1/2）・Ｔdw＋Ｔpp） （３）式
上式の右辺において、平均電流設定値Ｉas以外の波形パラメータは全て定数とみなすことができるので、平均電流設定値Ｉasが設定されるとそれに対応するパルス周期Ｔｆが演算される。この平均電流設定値Ｉasに対応するパルス周期を中心パルス周期Ｔｃと定義することにする。
【００３６】
平均電流設定値Ｉasが設定されると、前述した図６からそれに対応する送給速度Ｗｆを算出することができる。同時に、平均電流設定値Ｉasに対応した中心パルス周期Ｔｃを上記（３）式によって演算することができる。前述したように、アーク長一定状態においては、送給速度Ｗｆと溶融速度（平均電流値）がバランスしており、このときのパルス周期Ｔｆは中心パルス周期Ｔｃと一致する。すなわち、平均電流設定値Ｉasが設定されると、アーク長一定状態でのパルス周期が定まることになる。
【００３７】
上記の中心パルス周期Ｔｃを使用した本発明のパルス周期制御方法は、下式として表わすことができる。
Ｔｆ(n)＝Ｔｃ−Ｋ・ΔＶ （４）式
唯し、Ｋは正の数の増幅率、電圧誤差ΔＶ＝Ｖps−Ｖpa、Ｖpaは定常ピーク電圧値である。
上式において、見かけのアーク長が目標値よりも長くなると、定常ピーク電圧値Ｖpaがピーク電圧設定値Ｖpsよりも大きくなるので、ΔＶ＜０となり、今周期のパルス周期Ｔｆ(n)は中心パルス周期Ｔｃよりも長くなる。この結果、平均電流値が小さくなり、溶融速度が遅くなるので、見かけのアーク長は短くなり目標値に復帰する。逆に、見かけのアーク長が短くなると、定常ピーク電圧値Ｖpaがピーク電圧設定値Ｖpsよりも小さくなるので、ΔＶ＞０となり、今周期のパルス周期Ｔｆ(n)は中心パルス周期Ｔｃよりも短くなる。この結果、平均電流値が大きくなり、溶融速度が速くなるので、見かけのアーク長は長くなり目標値に復帰する。
【００３８】
上記（４）式において、中心パルス周期Ｔｃに比例して下式のように増幅率Ｋを変化させてもよい。これは、中心パルス周期Ｔｃの時間長さに比例して、同じ値の電圧誤差ΔＶに対するパルス周期Ｔｆの変化幅を大きくして、フィードバック制御における過渡応答性を改善するためである。
Ｋ＝Ｔｃ・Ｋ１ （41）式
但し、Ｋ１は定数の増幅率（正の数）である。
【００３９】
本発明において、中心パルス周期Ｔｃは、平均電流設定値Ｉasを入力として、上記（３）式を実施する演算回路によって求めてもよい。
図７に、平均電流設定値Ｉas［Ａ］に対する中心パルス周期Ｔｃ［ms］を示す。同図は、直径１．２［mm］のアルミニウム合金ワイヤ（ＪＩＳ Ａ５３５６相当材）を使用し、波形パラメータが以下の場合である。すなわち、ピーク電流設定値Ｉps＝３３０［Ａ］、ベース電流設定値Ｉbs＝３０［Ａ］、ピーク立上り期間Ｔup＝１．０［ms］、最大ピーク期間Ｔpp＝０．８［ms］、ピーク立下り期間Ｔdw＝１．０［ms］の場合である。同図は、上記（３）式に基づいて算出することができる。また、予め実験によって測定することもできる。そして、同図の特性を記憶した演算回路によって、平均電流設定値Ｉasを入力として中心パルス周期Ｔｃを出力してもよい。同図において、例えば、平均電流設定値Ｉas＝１００［Ａ］のときの中心パルス周期Ｔｃ＝７．７［ms］となり、平均電流設定値Ｉas＝１５０［Ａ］のときの中心パルス周期Ｔｃ＝４．５［ms］となる。
【００４０】
これ以降においては、上述した本発明のアーク長制御方法を実施するための溶接電源装置について説明する。
図８は、本発明を実施するための溶接電源装置のブロック図である。以下、同図を参照して、各回路ブロックについて説明する。
出力制御回路ＩＮＶは、商用交流電源（３相２００［Ｖ］等）を入力として、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従って、インバータ制御、サイリスタ位相制御等の出力制御を行い、溶接を行うための溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力する。溶接ワイヤ１はワイヤ送給装置の送給ロール５によって溶接トーチ４を通って定速で送給されて、母材２との間にアーク３が発生する。
【００４１】
電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。定常ピーク電圧検出回路ＶＰＡは、上記の電圧検出信号Ｖｄ及び後述するピーク期間信号Ｓtpを入力として、図５で前述したように過渡ピーク期間Ｔpa経過後のピーク電圧Ｖｐを検出して、定常ピーク電圧検出信号Ｖpaを出力する。ピーク電圧設定回路ＶＰＳは、予め定めたピーク電圧設定信号Ｖpsを出力する。電圧誤差回路ＥＶは、上記の定常ピーク電圧検出信号Ｖpaと上記のピーク電圧設定信号Ｖpsとの電圧誤差Ｖps−Ｖpaを演算して、電圧誤差信号ΔＶを出力する。
【００４２】
平均電流設定回路ＩＡＳは、予め定めた平均電流設定信号Ｉasを出力する。送給速度設定回路ＦＳは、図６で前述した溶融特性を予め記憶し、上記の平均電流設定信号Ｉasに対応する送給速度設定信号Ｆｓを出力する。送給制御回路ＦＣは、上記の送給速度設定信号Ｆｓに相当する速度でワイヤ送給モータＷＭを回転させるための送給制御信号Ｆｃを出力する。中心パルス周期演算回路ＴＣＳは、上記の平均電流設定信号Ｉas及び予め定めた波形パラメータによって、上記（３）式の演算を行い、中心パルス周期設定信号Ｔcsを出力する。パルス周期演算回路ＴＦＳは、上記の電圧誤差信号ΔＶ、中心パルス周期設定信号Ｔcs及び予め定めた正の数の増幅率Ｋによって、上記（４）式を演算し、パルス周期設定信号Ｔfsを出力する。
【００４３】
パルス周期タイマ回路ＴＦは、上記のパルス周期設定信号Ｔfsによって定まる時間毎に短時間だけＨｉｇｈレベルとなるパルス周期信号Ｓtfを出力する。ピーク期間タイマ回路ＴＰは、上記のパルス周期信号Ｓtfが短時間Ｈｉｇｈレベルに変化した時点から、予め定めた時間長さだけＨｉｇｈレベルとなるピーク期間信号Ｓtpを出力する。したがって、このピーク期間信号Ｓtpは、ピーク期間Ｔｐ中はＨｉｇｈレベルとなり、ベース期間Ｔｂ中はＬｏｗレベルとなる信号である。
【００４４】
ピーク電流設定回路ＩＰＳは、予め定めたピーク電流設定信号Ｉpsを出力する。ベース電流設定回路ＩＢＳは、予め定めたベース電流設定信号Ｉbsを出力する。電流設定切換回路ＳＷは、上記のピーク期間信号ＳtpがＨｉｇｈレベルのときにはａ側に切り換わり上記のピーク電流設定信号Ｉpsを電流制御設定信号Ｉscとして出力し、Ｌｏｗレベルのときには上記のベース電流設定信号Ｉbsを電流制御設定信号Ｉscとして出力する。
【００４５】
電流検出回路ＩＤは、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、上記の電流制御設定信号Ｉsc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。この電流誤差増幅回路ＥＩによって、溶接電源装置ＰＳの外部特性は定電流特性に出力制御されて、上記の電流制御設定信号Ｉscに相当する溶接電流Ｉｗが通電する。
【００４６】
上述した溶接電源装置ＰＳによって、定常ピーク電圧検出信号Ｖpaの値が目標値のピーク電圧設定信号Ｖpsの値と略等しくなるように、上記（３）式によって演算された中心パルス周期設定信号Ｔcsを中心値として、上記（４）式に基づいてパルス周期Ｔｆが制御されて、見かけのアーク長を適正値に維持する。
【００４７】
［実施例２］
実施例２の発明では、ピーク電圧設定値Ｖpsと定常ピーク電圧値Ｖpaとの電圧誤差ΔＶ＝Ｖps−Ｖpaを入力として、上記（４）式Ｔｆ(n)＝Ｔｃ−Ｋ・ΔＶによって今周期のパルス周期Ｔｆ(n)を制御すると共に、上記の電圧誤差ΔＶに応じて次周期のピーク電流Ｉｐ(n+1)を制御するアーク長制御方法である。ピーク電流Ｉｐの制御方法の一例を、下式に示す。
Ｉpsc(n+1)＝Ｉps＋Ｇ・ΔＶ （５）式
但し、Ｉps c(n+1)は次周期のピーク電流制御設定値、Ｉpsは予め定めたピーク電流設定値、Ｇは予め定めた正の数の増幅率である。
上式において、見かけのアーク長が目標値よりも長くなると、定常ピーク電圧値Ｖpaがピーク電圧設定値Ｖpsよりも大きくなるので、ΔＶ＜０となり、次周期のピーク電流Ｉｐは小さくなる。この結果、平均電流値が小さくなり溶融速度が遅くなるので、見かけのアーク長は短くなり目標値に復帰する。逆に、見かけのアーク長が短くなると、定常ピーク電圧値Ｖpaがピーク電圧設定値Ｖpsよりも小さくなるので、ΔＶ＞０となり、次周期のピーク電流Ｉｐは大きくなる。この結果、平均電流値が大きくなり溶融速度が速くなるので、見かけのアーク長は長くなり目標値に復帰する。このときに、ピーク電流Ｉｐの変化幅は、上記のピーク電流設定値Ｉpsを中心値として±数十［Ａ］程度の範囲に制限してもよい。これは、ピーク電流Ｉｐの値が、１パルス１溶滴移行の範囲内で変化するようにするためである。
【００４８】
上述したように、パルス周期及びピーク電流を同時に制御する理由は、電圧誤差ΔＶが大きな値となると、パルス周期が大きく変化することになり、その結果、溶接状態が過渡的に不安定になる場合がある。このような場合に、パルス周期及びピーク電流を同時に制御すると、大きな値の電圧誤差ΔＶを２つで分担することになり、パルス周期の変化幅を小さくすることができ、溶接状態が過渡的に不安定になるのを抑制することができる。
【００４９】
実施例２の発明を実施するための溶接電源装置のブロック図は、前述した図８のブロック図においてピーク電流設定回路ＩＰＳを図９に示すピーク電流制御設定回路ＩＰＳＣに置換したものとなる。以下、同図を参照して説明する。
増幅回路ＡＭＰは、電圧誤差信号ΔＶに予め定めた増幅率Ｇを乗じて、増幅信号Ｇ・ΔＶを出力する。ピーク電流設定回路ＩＰＳは、予め定めたピーク電流設定信号Ｉpsを出力する。加算回路ＡＤは、上記の増幅信号Ｇ・ΔＶとピーク電流設定信号Ｉpsとの加算を行い、ピーク電流制御設定信号Ｉpscを出力する。したがって、このピーク電流制御設定回路ＩＰＳＣは、上記（５）式の演算を行う。
【００５０】
上述したように、本発明のアーク長制御方法は、パルスＭＩＧ溶接において大きな効果を奏するが、パルスＭＡＧ溶接においても同様にアーク長を精密に制御することができる。したがって、本発明はパルスアーク溶接全体に適用することができる。
【００５１】
［効果］
以下に、本発明の効果について、図面を参照して説明する。
図１０は、前述した図４に対応する本発明における外乱発生時のアーク長の変動を示す図である。同図（Ａ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）はアーク長（点線で示す真のアーク長Ｌａ及び実線で示す見かけのアーク長Ｌｂ）の時間変化を示す。前述したように、アーク長Ｌｂを定常ピーク電圧値Ｖpaで検出し、同図（Ｂ）に示すアーク長の目標値に対応するピーク電圧設定値Ｖpsと定常ピーク電圧値Ｖpaとの電圧誤差ΔＶを演算し、上記（４）式に基づいて同図（Ａ）に示すパルス周期Ｔｆを制御する。したがって、アーク長Ｌｂの変化に応答して、パルス周期Ｔｆが変化する。以下、同図を参照して説明する。
【００５２】
▲１▼ 時刻ｔ１〜ｔ２の期間
この期間中は、見かけのアーク長Ｌｂと真のアーク長Ｌａとは共に目標値と一致して良好な溶接状態にあるので、定常ピーク電圧値Ｖpa1［Ｖ］はピーク電圧設定値Ｖps［Ｖ］と略等しくなる。この定常ピーク電圧値Ｖpa1が上記（４）式に入力されると、下記のようにこの期間のパルス周期Ｔｆが演算される。
Ｔｆ＝Ｔｃ−Ｋ・（Ｖps−Ｖpa1）＝Ｔf1［ms］
ここで、電圧誤差ΔＶ＝Ｖps−Ｖpa1＝０であるので、パルス周期Ｔf1＝Ｔｃとなる。したがって、この期間のパルス周期Ｔf1は中心パルス周期Ｔｃと等しくなる。
【００５３】
▲２▼ 時刻ｔ２〜ｔ３の期間
この期間中も上記▲１▼項と同様に、見かけのアーク長Ｌｂと真のアーク長Ｌａとは共に目標値と一致して良好な溶接状態にあるので、定常ピーク電圧値Ｖpa1［Ｖ］はピーク電圧設定値Ｖps［Ｖ］と略等しくなり、パルス周期は上記▲１▼項と同様にＴf1［ms］になる。
【００５４】
▲３▼ 時刻ｔ３〜ｔ４の期間
図４のときと同様に、溶滴破裂、陰極点移動等の外乱がピーク期間中に発生すると、同図（Ｂ）に示すように、真のアーク長Ｌａは大きく変動して、それに対応して定常ピーク電圧値もＶpa1［Ｖ］からＶpa2［Ｖ］に大きくなる。この定常ピーク電圧値Ｖpa2が上記（４）式に入力されると、下記のようにこの期間のパルス周期Ｔｆが演算される。
Ｔｆ＝Ｔｃ−Ｋ・（Ｖps−Ｖpa2）＝Ｔf2［ms］
ここで、電圧誤差ΔＶ＝Ｖps−Ｖpa2＜０であるので、Ｔf2＞Ｔｃとなり、この期間のパルス周期は中心パルス周期Ｔｃよりも長くなる。したがって、見かけのアーク長Ｌｂは目標値のままであるにもかかわらず、パルス周期がＴf1からＴf2へと長くなる。
【００５５】
▲４▼ 時刻ｔ４〜ｔ５の期間
前期間に発生した溶滴破裂、陰極点移動等の外乱は、過渡的なものであるために短時間で消滅することが多い。このために、時刻ｔ４の開始時点では、外乱は消滅しているために、真のアーク長Ｌａは目標値に復帰している。他方、見かけのアーク長Ｌｂは、もともと変化していないので、目標値のままである。このために、この期間の定常ピーク電圧値は、上記▲１▼〜▲２▼項の期間と同様にＶpa1［Ｖ］になる。この値が上記（４）式に入力されると、下記のようにこの期間のパルス周期Ｔｆが演算される。
Ｔｆ＝Ｔｃ−Ｋ・（Ｖps−Ｖpa1）＝Ｔf1［ms］
ここで、電圧誤差ΔＶ＝Ｖps−Ｖpa1＝０であるので、この期間のパルス周期Ｔf1は中心パルス周期Ｔｃと等しくなる。
【００５６】
上述したように、本発明では、溶滴破裂、陰極点移動等の外乱が発生してもその外乱が短時間で消滅すれば、見かけのアーク長は目標値に維持される。
【００５７】
図１１は、溶接状態が安定する電流範囲を従来技術と本発明とで比較した図である。同図は、溶接ワイヤに直径１．２［mm］のアルミニウム合金ワイヤ（ＪＩＳ Ａ５３５６相当材）を使用して、パルスＭＩＧ溶接を行い、溶接状態が安定して溶接品質が良好である平均電流値Ｉav［Ａ］の範囲を測定したものである。同図から明らかなように、従来技術では、安定電流範囲は６０〜２３０［Ａ］になっている。これに対して、本発明では、安定電流範囲は３０〜２７０［Ａ］に拡大している。特に、本発明では、不安定になりやすい小電流域の安定性が大幅に改善されている。
【００５８】
【発明の効果】
本発明では、パルスアーク溶接において、定常ピーク電圧値Ｖpaと目標値との電圧誤差ΔＶに応じて中心パルス周期Ｔｃを中心値としてパルス周期Ｔｆを制御することでアーク長制御を行うことによって、溶滴破裂、陰極点移動等の外乱の影響を抑制してアーク長を精密に制御することができるので、高品質な溶接結果を得ることができる。
さらに、定常ピーク電圧値Ｖpaと目標値との電圧誤差ΔＶに応じてパルス周期Ｔｆ及びピーク電流Ｉｐを制御することによって、トーチ高さ等の大きな変動に伴って上記電圧誤差ΔＶが大きく変化したときでも、溶接状態が過渡的に不安定になることがないので、常に良好な溶接品質を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術のパルスＭＩＧ溶接の電流・電圧波形図
【図２】従来技術のピーク期間Ｔｐ及びベース期間Ｔｂのアーク発生状態図
【図３】本発明の解決課題を説明するための従来技術のピーク電圧波形図
【図４】本発明の解決課題を説明するための従来技術のアーク長変動図
【図５】本発明のアーク長検出方法を示すピーク電圧波形図
【図６】本発明の溶融特性図
【図７】本発明の平均電流設定値Ｉasと中心パルス周期Ｔｃとの関係図
【図８】本発明の溶接電源装置のブロック図
【図９】本発明のピーク電流制御設定回路ＩＰＳＣのブロック図
【図１０】本発明の効果を示す図４に対応するアーク長変動図
【図１１】本発明の効果を示す安定電流範囲の比較図
【符号の説明】
１ 溶接ワイヤ
１ａ 溶滴
２ 母材
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
ＡＭＰ 増幅回路
Ｂ，Ｇ，Ｋ 増幅率
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＶ 電圧誤差回路
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＦＳ 送給速度設定回路
Ｆｓ 送給速度設定信号
Ｇ・ΔＶ 増幅信号
ＩＡＳ 平均電流設定回路
Ｉas 平均電流設定信号
Ｉav 平均電流値
Ｉｂ ベース電流
ＩＢＳ ベース電流設定回路
Ｉbs ベース電流設定信号
ＩＮＶ 出力制御回路
Ｉｐ ピーク電流
ＩＰＳ ピーク電流設定回路
Ｉps ピーク電流設定信号
ＩＰＳＣ ピーク電流制御設定回路
Ｉpsc ピーク電流制御設定信号
Ｉsc 電流制御設定信号
Ｉｗ 溶接電流
Ｌａ 真のアーク長
Ｌｂ 見かけのアーク長
Ｎ１，Ｎ２ 陰極点
ＰＳ 溶接電源装置
Ｓtf パルス周期信号
Ｓtp ピーク期間信号
ＳＷ 電流設定切換回路
Ｔｂ ベース期間
ＴＣＳ 中心パルス周期演算回路
Ｔcs 中心パルス周期設定信号
Ｔdw ピーク立下り期間
ＴＦ パルス周期タイマ回路
Ｔｆ パルス周期
ＴＦＳ パルス周期演算回路
Ｔfs パルス周期設定信号
ＴＰ ピーク期間タイマ回路
Ｔｐ ピーク期間
Ｔpa 過渡ピーク期間
Ｔpb 定常ピーク期間
Ｔpc 遅延時間
Ｔpd 平均化時間
Ｔpp 最大ピーク期間
Ｔup ピーク立上り期間
Ｖav 平均電圧値
Ｖｂ ベース電圧
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖｐ ピーク電圧
ＶＰＡ 定常ピーク電圧検出回路
Ｖpa 定常ピーク電圧（検出信号）
Ｖpb，Ｖpd 定常ピーク電圧平均値
Ｖpc 定常ピーク電圧瞬時値
Ｖpp 最大ピーク電圧平均値
ＶＰＳ ピーク電圧設定回路
Ｖps ピーク電圧設定信号
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＭ ワイヤ送給モータ
Ｙ１〜Ｙ４ 電圧変動の曲線
ΔＶ 電圧誤差（信号）
Claims (4)
- 溶接ワイヤを平均電流設定値に対応する送給速度設定値に相当する速度で送給すると共に、ピーク期間中のピーク電流の通電とベース期間中のベース電流の通電とをパルス周期として繰り返して通電するパルスアーク溶接のアーク長制御方法において、
前記平均電流設定値に応じて中心パルス周期Ｔｃを設定し、前記ピーク期間の開始時の電圧が過渡的に変動する過渡ピーク期間を除いた定常ピーク期間中の定常ピーク電圧を検出し、この定常ピーク電圧値と予め定めたピーク電圧設定値との電圧誤差ΔＶ及び前記中心パルス周期Ｔｃ及び予め定めた正の数の増幅率Ｋによってパルス周期演算Ｔｃ−Ｋ・ΔＶを行い、この演算値に従ってパルス周期を制御することによってアーク長を適正値に維持することを特徴とするパルスアーク溶接のアーク長制御方法。 - 溶接ワイヤを平均電流設定値に対応する送給速度設定値に相当する速度で送給すると共に、ピーク期間中のピーク電流の通電とベース期間中のベース電流の通電とをパルス周期として繰り返して通電するパルスアーク溶接のアーク長制御方法において、
前記平均電流設定値に応じて中心パルス周期Ｔｃを設定し、前記ピーク期間の開始時の電圧が過渡的に変動する過渡ピーク期間を除いた定常ピーク期間中の定常ピーク電圧を検出し、この定常ピーク電圧値と予め定めたピーク電圧設定値との電圧誤差ΔＶ及び前記中心パルス周期Ｔｃ及び予め定めた正の数の増幅率Ｋによってパルス周期演算Ｔｃ−Ｋ・ΔＶを行い、この演算値に従ってパルス周期を制御すると共に、前記電圧誤差ΔＶに応じて前記ピーク電流を増減させることによって、アーク長を適正値に維持することを特徴とするパルスアーク溶接のアーク長制御方法。 - 前記パルス周期演算が、電圧誤差ΔＶ及び中心パルス周期Ｔｃ及び予め定めた正の数の増幅率Ｋ１によってＴｃ−Ｔｃ・Ｋ１・ΔＶであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のパルスアーク溶接のアーク長制御方法。
- パルス周期がピーク立上り期間Ｔup及び最大ピーク期間Ｔpp及びピーク立下り期間Ｔdw及び定常ベース期間Ｔbbから形成されており、ピーク電流設定値Ｉps及びベース電流設定値Ｉbs及び平均電流設定値Ｉasを予め設定し、これらの値によって中心パルス周期Ｔｃ＝（（Ｉps−Ｉbs）／（Ｉas−Ｉbs））・（（1/2）・Ｔup＋（1/2）・Ｔdw＋Ｔpp）を演算して設定することを特徴とする請求項１又は請求項２又は請求項３記載のパルスアーク溶接のアーク長制御方法。
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