JP4252636B2 - 消耗電極ガスシールドアーク溶接方法 - Google Patents
消耗電極ガスシールドアーク溶接方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接負荷電圧をフィードバックした溶接電流を通電して溶接する消耗電極ガスシールドアーク溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
消耗電極式アーク溶接では、安定な高品質溶接を得るためにアーク長を一定に保つことが必要不可欠である。
一般的に、アーク電圧がアーク長に略比例すると仮定して、アーク電圧をフィードバックし、このアーク電圧が一定となるように、線形なアーク長フィードバック制御系を用いて制御している。
アーク長が長くて短絡が発生しない場合には、アーク電圧がアーク長に略比例するので上述の方法でも特に問題はない。
しかし、短絡が発生するとアーク電圧が急に低減して、後述するように、アーク電圧とアーク長との比例関係が成立しなくなる。そのために、もとの比例関係による等価アーク長がマイナスとなり、アーク長を回復させる調整量が過大となってアークは不安定になってしまう。
【０００３】
図１は、ワイヤの先端１ａが、チップから突き出し、突き出し長さＥｘを流れる溶接電流Ｉｗによるジュール熱と突き出し長さＥｘのアーク熱とによって、溶融して被溶接材の溶融部に移行する説明図である。
【０００４】
図１において、送給ロールによって送給した溶接用ワイヤ１は、ノズルの中にあるチップを通過し、チップから溶接電流Ｉｗを給電する。溶接用ワイヤ１はチップから突き出し、その先端と被溶接材との間にアークを発生する。突き出し長さＥｘを流れる溶接電流Ｉｗによるジュール熱と突き出し長さＥｘのアーク熱とによって、ワイヤの先端１ａは溶融して被溶接材２の溶融部に移行する。
【０００５】
従来では、アーク長Ｌがチップと被溶接材２との溶接負荷電圧Ｖｗに比例するという仮定に基づいて、溶接中のアーク長Ｌを一定に保つために、溶接負荷電圧Ｖｗの平均値を一定に維持させるように制御している。即ち、適切な溶接負荷電圧Ｖｗの平均値に相当する電圧値を設定し、実際の溶接負荷電圧値の平均値をフィードバックして設定した溶接負荷電圧Ｖｗの平均値と比較し、その差を小にするように制御している。
【０００６】
図２は、従来の溶接負荷電圧フィードバック方式を採用した消耗電極パルス溶接装置のブロック図である。溶接負荷電圧Ｖｗを検出して平滑したアーク電圧平均値Ｖａと、所定のアーク長を得るための予め設定したアーク電圧設定値Ｖｓとを比較して、その差の設定・検出電圧比較信号Ｃｍ２によって、パルス電流の周波数、ベース電流通電時間等を増減させて、アーク電圧設定値Ｖｓとアーク電圧平均値Ｖａとが等しくなるように制御する。
【０００７】
以下、図２のブロック図の動作について説明する。ワイヤ送給速度設定回路ＷＳは、ワイヤ送給速度設定信号Ｗｓを出力してワイヤ送給モータＭＷに入力し、ワイヤ送給速度を制御する。溶接電圧瞬時値検出回路ＶＤは、溶接負荷電圧Ｖｗを検出して溶接電圧瞬時値検出信号Ｖｄを出力する。アーク電圧設定回路ＶＳは、所定のアーク長に対応したアーク電圧平均値を設定して、アーク電圧設定値Ｖｓに相当するアーク電圧設定信号Ｖｓを出力する。
【０００８】
検出電圧平滑回路ＶＤＡは、前述した溶接電圧瞬時値検出信号Ｖｄを入力して平滑したアーク電圧平均値Ｖａに相当する検出電圧平滑信号Ｖａｖを出力する。設定・検出電圧比較回路ＣＭ２は、検出電圧平滑信号Ｖａｖとアーク電圧設定信号Ｖｓとを入力して、アーク電圧平均値Ｖａとアーク電圧設定値Ｖｓとを比較してその差の設定・検出電圧比較信号Ｃｍ２を出力する。
【０００９】
電圧・周波数変換回路ＶＦは、設定・検出電圧比較信号Ｃｍ２を入力して、次のピーク電流Ｉｐの通電を指令する周波数制御信号Ｖｆを出力する。
【００１０】
ピーク通電時間設定回路ＴＰは、ピーク期間（パルス幅）Ｔｐを設定してピーク通電時間設定信号Ｔｐを出力する。ピーク電流値設定回路ＩＰＳは、ピーク電流値Ｉｐを設定してピーク電流値設定信号Ｉｐｓを出力する。ベース電流値設定回路ＩＢＳは、ベース電流値Ｉｂを設定してベース電流値設定信号Ｉｂｓを出力する。
【００１１】
パルス周波数・幅制御回路ＤＦは、ピーク通電時間設定信号Ｔｐ及び周波数制御信号Ｖｆを入力して、パルス周波数・幅制御信号Ｄｆを出力する。ピーク・ベース電流値切換回路ＳＷ１は、パルス周波数・幅制御信号Ｄｆが入力されている期間だけピーク電流値設定信号Ｉｐｓを通電し、パルス周波数・幅制御信号Ｄｆが停止されている期間はベース電流値設定信号Ｉｂｓを通電するピーク・ベース電流値切換信号Ｓｗ１を出力する。
【００１２】
設定・検出電流比較回路ＣＭ１は、溶接電流検出回路ＩＤの出力である溶接電流検出信号Ｉｄとピーク・ベース電流値切換信号Ｓｗ１とを入力して溶接電流制御信号Ｃｍ１を出力して、ＰＷＭ制御のインバータ回路を備えた出力端子電圧Ｖｐを出力する溶接電源装置ＰＳに入力して溶接電流Ｉｗを制御する。
【００１３】
図３は、前述した図２の従来の溶接装置において各回路の出力信号の時間的経過を示すタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電圧瞬時値検出信号Ｖｄの波形図であり、同図（Ｂ）は検出電圧平滑信号Ｖａｖ及びアーク電圧設定信号Ｖｓの波形図であり、同図（Ｃ）は周波数制御信号Ｖｆの波形図であり、同図（Ｄ）はパルス周波数・幅制御信号Ｄｆの波形図であり、同図（Ｅ）はピーク・ベース電流値切換信号Ｓｗ１の波形図であり、同図（Ｆ）は溶接電流検出信号Ｉｄの波形図である。
【００１４】
図３に示す各信号と前述した図２に示す各回路の動作との関係は次のとおりである。設定・検出電圧比較回路ＣＭ２は、図２に示した溶接負荷電圧Ｖｗを平滑したアーク電圧平均値Ｖａとアーク電圧設定値Ｖｓとを比較して、その差の設定・検出電圧比較信号Ｃｍ２を出力し、電圧・周波数変換回路ＶＦは、この設定・検出電圧比較信号Ｃｍ２に対応した周波数制御信号Ｖｆを出力する。パルス周波数・幅制御回路ＤＦは、この周波数制御信号Ｖｆとピーク通電時間設定信号Ｔｐとからパルス周波数とピーク期間Ｔｐ（パルス幅）とを制御するパルス周波数・幅制御信号Ｄｆを出力する。
【００１５】
ピーク・ベース電流値切換回路ＳＷ１は、パルス周波数・幅制御信号Ｄｆが入力されているときにピーク電流値設定信号Ｉｐｓを出力し、パルス周波数・幅制御信号Ｄｆが入力されていないときにベース電流値設定信号Ｉｂｓを出力する。設定・検出電流比較回路ＣＭ１は、ピーク電流値設定信号Ｉｐｓとベース電流値設定信号Ｉｂｓとを繰り返すピーク・ベース電流値切換信号Ｓｗ１と溶接電流検出回路ＩＤの出力である溶接電流検出信号Ｉｄとを比較して、その差の溶接電流制御信号Ｃｍ１を出力する。溶接電源装置ＰＳは、溶接電流制御信号Ｃｍ１を入力して溶接電流を出力する。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のアーク長制御をする溶接負荷電圧フィードバック制御方式では以下の問題がある。
従来では、後述する図４に示すように、点Ａのアーク長が略ゼロから点Ｃの短絡までの点線も含めて、見かけのアーク長Ｌが溶接負荷電圧Ｖｗに比例するという仮定に基づいて、溶接中のアーク長Ｌを一定にするために、溶接負荷電圧Ｖｗを一定に維持させるように制御している。即ち、適切なアーク電圧設定値Ｖｓを設定し、実際の溶接負荷電圧Ｖｗをフィードバックして、そのフィードバックした溶接負荷電圧Ｖｗの平均値と設定したアーク電圧平均値Ｖａに相当する設定値とを比較し、その差を無くすように制御している。
【００１７】
図４は、アーク長Ｌ（横軸）と溶接負荷電圧Ｖｗ（横軸）との関係を示すアーク長・溶接負荷電圧特性図である。同図において、アークが発生しているとき（アーク長Ｌ＞０）の溶接負荷電圧Ｖｗは、実線ＡＢで示すアーク長・溶接負荷電圧直線に示すように、陰極点での陰極電圧降下Ｖｋを定数とする勾配αの直線Ｖｗとなる。
【００１８】
しかし、短絡するとアークが消滅して陰極点も消失するために、陰極電圧降下Ｖｋがゼロになり、溶接負荷電圧Ｖｗもゼロになって、現実では、アーク長・溶接負荷電圧特性図の「０」の位置になる。しかし、従来の溶接負荷電圧フィードバック制御方式では、溶接負荷電圧Ｖｗがゼロになってしまうと、同図の点Ｃに示すように、アーク長Ｌはマイナスになってしまう。
【００１９】
アークが発生してアーク長がＬ＞０のとき（短絡が発生しないとき）の溶接負荷電圧Ｖｗとアーク長Ｌとの関係は式（１）で表される。
Ｖｗ＝Ｃ＋αＬ＝Ｖｋ＋αＬ …（１）
ここで、Ｃは等価陰極降下Ｖｋと等価陽極降下Ｖｐとの和であり、陽極降下Ｖｐが略ゼロなので、主に等価陰極降下Ｖｋによる常数である。αはアーク長・溶接負荷電圧直線ＡＢの勾配であり、Ｌはアーク長である。
溶接負荷電圧Ｖｗの変化分△Ｖｗに対するアーク長Ｌの変化分△Ｌは式（２）で表される。
ΔＬ＝△Ｖｗ／α …（２）
【００２０】
この式（２）で表される溶接負荷電圧Ｖｗの変化分△Ｖｗに対するアーク長Ｌの変化分△Ｌは、図４に示すように、溶接負荷電圧ＶｗがＶｗ１からＶｗ２に低下すると、アーク長Ｌの変化分△ＬはＬ１−Ｌ２となって、かなり大きくアーク長を制御しようとすることを示している。
【００２１】
一方、短絡が発生すると、等価陰極降下Ｖｋ及び等価陽極降下Ｖｐがゼロになる。式（２）において、短絡が発生したときの従来技術の溶接負荷電圧フィードバック制御方式での制御対象になるアーク長Ｌの変化分ΔＬｓは次式のように大きな値となる。
ΔＬｓ＝−Ｖｋ／α …（３）
【００２２】
しかし、図４に示すように、短絡直前のアーク長Ｌ０が略ゼロであるので、実際には、短絡直前のアーク長Ｌ０から短絡時までのアーク長Ｌの変化分ΔＬ０は略ゼロと考えられる。
それにもかかわらず、従来技術のフィードバック制御方式では、短絡が発生したときの制御対象になるアーク長Ｌの変化分ΔＬは、前述した式（３）で示すΔＬｓ＝−Ｖｋ／αのように、大きなマイナス値となっている。
【００２３】
また、アーク長の短い実用範囲では、短絡が発生しないときでも、図４に示すように、陰極降下Ｖｋが、例えば、アーク長Ｌ２のときのアーク自体による電圧降下（Ｖｗ２−Ｖｋ）よりも大きいことが多い。
これらの理由によって、従来技術のフィードバック制御方式では、短絡時にフィードバックされた溶接負荷電圧Ｖｗは、アーク長変化を制御するための「誤ったアーク長に制御する信号」（偽情報）の割合がかなり大きい。
【００２４】
図５は、従来技術のフィードバック制御方式を使用したパルス溶接において短絡が発生したときのパルス周期の変化状況を示すパルス周期変化図である。
同図に示すように、周期Ｔ２において短絡が発生したとすれば、この周期Ｔ２のアーク電圧平均値Ｖａがかなり低下する。
この周期Ｔ２の低下したアーク電圧平均値Ｖａをフィードバックすると、フィードバックされたアーク電圧平均値Ｖａによって制御しようとする溶接負荷電圧変化値△Ｖｗのときのアーク長変化値△Ｌは、下記のように、かなり大きくアーク長を制御して、実際の平均アーク長Ｌａよりもかなり低いアーク長Ｌ２になってしまう。
【００２５】
例えば、短絡が発生したときは、前述した式（３）によって、アーク長変化値ΔＬｓ＝−Ｖｋ／αとなって、かなり大きくアーク長を制御して、実際の平均アーク長Ｌａよりもかなり低くなってしまう。
【００２６】
このような従来技術のフィードバック制御方式のフィードバック制御では、必要以上に次のパルス周期をＴ３まで減少させることによって、溶接電流値を増加させてワイヤの溶融速度を増加させてアーク長を大に復帰させようとする。
その次の周期Ｔ４も、溶接電圧瞬時値検出回路ＶＤの時定数が大きいフィルタのために、正常の周期よりも短くなる。周期Ｔ５では、短絡によるアーク長の変化が定常値になっても、短絡によるアーク長の変化前よりも、アーク長Ｌが長くなってパルス周期も正常よりも長くなる。
【００２７】
このようなパルス周期の必要以上の変化は以下の問題をもたらす。
（１）アーク長Ｌの変化が大きい。
（２）ピーク電流に同期して溶滴移行ができないときが発生して、１パルス１溶滴移行の規則性を維持することができない。
（３）溶滴がピーク電流Ｉｐと同期しないで移動するためにスパッタの発生量が大きくなる。
（４）アーク長Ｌを短くした低電圧溶接では、さらに長い時間短絡を起こしてアークが不安定になる。
（５）短絡電圧の影響をある程度緩和するために、検出電圧平滑回路ＶＤＡのフィルタを大きくする必要があり、制御系の応答性が遅い。
そこで、本発明は、短絡時の溶接負荷電圧のフィードバック量を、短絡が発生してもアーク長に略比例する電圧をフィードバックし、アークを安定させる方法を提供する。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の溶接方法は、パルス溶接方法は勿論、パルス溶接方法でない通常の溶接方法においても適用することができる溶接方法であって、溶接負荷電圧をフィードバックした溶接電流を通電して溶接する溶接方法において、短絡期間中は短絡電圧の代わりに等価陰極電圧降下に相当する電圧をフィードバックした溶接電流を通電する消耗電極ガスシールドアーク溶接方法である。
【００２９】
請求項２の溶接方法は、溶接負荷電圧をフィードバックした溶接電流を通電して溶接する溶接方法において、溶接負荷電圧瞬時値によって、短絡の発生を瞬時に検出して、短絡期間中に等価陰極降下電圧よりも低い平滑した電圧を、検出された短絡電圧の代わりにフィードバックした溶接電流を通電する消耗電極ガスシールドアーク溶接方法である。
【００３０】
請求項３の溶接方法は、溶接負荷電圧をフィードバックした溶接電流を通電して溶接する溶接方法において、溶接負荷電圧瞬時値によって、パルス周期の１周期の間の短絡の発生を瞬時に検出して、短絡期間中に等価陰極降下電圧よりも低い平滑した電圧を、検出された短絡電圧の代わりにフィードバックした溶接電流を通電する消耗電極ガスシールドアーク溶接方法である。
【００３１】
請求項４の溶接方法は、溶接負荷電圧をフィードバックした溶接電流を通電して溶接する溶接方法において、パルス期間の短絡中は、短絡電圧の代わりにピーク電流通電時の等価陰極電圧降下に相当する電圧をフィードバックし、ベース期間の短絡中は、短絡電圧の代わりにベース電流通電時の等価陰極電圧降下に相当する電圧をフィードバックした溶接電流を通電する消耗電極ガスシールドアーク溶接方法である。
【００３２】
請求項５の溶接方法は、溶接負荷電圧をフィードバックした溶接電流を通電して溶接する溶接方法において、アーク発生中と短絡とを検出して、短絡期間がパルス期間中かベース期間中かによって、短絡期間中は、短絡電圧の代わりにピーク電流通電時又はベース電流通電時のそれぞれの等価陰極電圧降下に相当する電圧をフィードバックして、パルス周波数とパルス幅とを制御する信号（Ｄｆ）を制御してピーク電流とベース電流とを通電する消耗電極ガスシールドアーク溶接方法である。
【００３８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態は、後述する図６に示すように、図１に示した従来の溶接装置のブロック図の各回路に、後述する図６に示す点線で囲んだ各回路を追加した溶接装置であって、つぎの回路から構成される。
（１）溶接負荷電圧Ｖｗを検出して溶接電圧瞬時値検出信号Ｖｄを出力する溶接電圧瞬時値検出回路ＶＤ。
（２）この溶接電圧瞬時値検出信号Ｖｄを入力してアーク・短絡検出信号Ｓｄを出力するアーク・短絡検出回路ＳＤ。
【００３９】
（３）ピーク期間（パルス幅）Ｔｐを設定してピーク通電時間設定信号Ｔｐを出力するピーク通電時間設定回路ＴＰ。
（４）ピーク電流値Ｉｐを設定してピーク電流値設定信号Ｉｐｓを出力するピーク電流値設定回路ＩＰＳ。
（５）ベース電流値Ｉｂを設定してベース電流値設定信号Ｉｂｓを出力するベース電流値設定回路ＩＢＳ。
【００４０】
（６）パルス期間中の短絡フィードバック電圧設定信号Ｖｃｐを出力する短絡フィードバック電圧設定回路ＶＣＰ。
（７）ベース期間中の短絡フィードバック電圧設定信号Ｖｃｂを出力する短絡フィードバック電圧設定回路ＶＣＢ。
（８）後述するパルス周波数・幅制御信号Ｄｆによって、パルス期間中の短絡フィードバック電圧設定信号Ｖｃｐとベース期間中の短絡フィードバック電圧設定信号Ｖｃｂとを切り換えて、短絡フィードバック電圧設定信号Ｓｗ２を出力する短絡フィードバック電圧切換回路ＳＷ２。
【００４１】
（９）アーク・短絡検出信号Ｓｄによって、短絡フィードバック電圧設定信号Ｓｗ２と溶接電圧瞬時値検出信号Ｖｄとを切り換えて、アーク長フィードバック電圧切換信号Ｓｗ３を出力するアーク長フィードバック電圧切換回路ＳＷ３。
（１０）アーク長フィードバック電圧切換信号Ｓｗ３を入力して平滑したアーク電圧平均値信号Ｖｄａを出力する検出電圧平滑回路ＶＤＡ。
【００４２】
（１１）所定のアーク長に対応したアーク電圧平均値を設定して、アーク電圧設定値Ｖｓに相当するアーク電圧設定信号Ｖｓを出力するアーク電圧設定回路ＶＳ。
（１２）アーク電圧平均値信号Ｖｄａとアーク電圧設定信号Ｖｓとを比較して設定・検出電圧比較信号Ｃｍ２を出力する設定・検出電圧比較回路ＣＭ２。
（１３）設定・検出電圧比較信号Ｃｍ２を入力して、次のピーク電流Ｉｐの通電を指令する周波数制御信号Ｖｆを出力する電圧・周波数変換回路ＶＦ。
ピーク通電時間設定信号Ｔｐ及び周波数制御信号Ｖｆを入力して、パルス周波数・幅制御信号Ｄｆを出力するパルス周波数・幅制御回路ＤＦ。
【００４３】
（１４）パルス周波数・幅制御信号Ｄｆが入力されている期間だけピーク電流値設定信号Ｉｐｓを通電し、パルス周波数・幅制御信号Ｄｆが停止されている期間はベース電流値設定信号Ｉｂｓを通電するピーク・ベース電流値切換信号Ｓｗ１を出力するピーク・ベース電流値切換回路ＳＷ１。
（１５）溶接電流Ｉｗを検出して溶接電流検出信号Ｉｄを出力する溶接電流検出回路ＩＤ。
（１６）溶接電流検出信号Ｉｄとピーク・ベース電流値切換信号Ｓｗ１とを比較して溶接電流制御信号Ｃｍ１を出力する設定・検出電流比較回路ＣＭ１。
（１７）溶接電流制御信号Ｃｍ１によって溶接電流Ｉｗを制御する溶接電源装置ＰＳ。
【００４４】
【実施例】
本発明は、アーク発生中と短絡とを検出して、短絡期間がパルス期間中かベース期間中かを判別し、短絡期間中は、短絡電圧の代わりにピーク電流通電時又はベース電流通電時のそれぞれの等価陰極電圧降下に相当する電圧をフィードバックする。このように、等価陰極電圧降下に相当する電圧をフィードバックすることによって、短絡時の溶接負荷電圧Ｖｗの検出電圧が略零になるためにアーク長が負になるようなことはなく、等価陰極電圧降下に相当する電圧をフィードバックして、アーク長を略零にすることができるので、フィードバック電圧は常にアーク長に比例する。
【００４５】
したがって、本発明のアーク長フィードバック方式は、間接的に制御するアーク長が、「誤ったアーク長に制御する信号」を含む短絡の発生に関係せず、常に「真のアーク長を制御することができる信号」が得られる。この「真のアーク長を制御することができる信号」に基づいて、常に最適な値の溶接負荷電圧Ｖｗを出力することができるので、通常の溶接方法において溶接電流値が過大に制御されたり、パルス溶接方法においてパルス周期が過大に制御されることはない。
【００４６】
また、実験結果によると、通常の溶接又はパルス溶接において、短絡時間が長くなると、平均アーク長は若干短くなる。この若干短くなったアーク長を検出するために、実用上、短絡期間中の等価陰極電圧降下よりも若干低い設定電圧をフィードバックしてアーク長を補正する。
【００４７】
（図６の説明）
図６は、前述した本発明の溶接方法に使用する溶接負荷電圧フィードバック方式を採用した消耗電極パルス溶接装置のブロック図である。従来の溶接負荷電圧フィードバック方式との相違は、溶接負荷電圧瞬時値をそのまま検出回路に入力して、パルス周期の１周期の間の短絡の発生を瞬時に検出する。そして、短絡期間中に等価陰極降下電圧よりもやや低い電圧を、検出された短絡電圧の代わりに検出電圧平滑回路ＶＤＡに入力し、平滑した後の信号を検出電圧平滑信号としてアーク長フィードバック制御に使用する。
同図において、点線で示される部分は、今回の追加変更した構成であり、この点線で示される以外の構成は従来の溶接装置と同様である。以下、今回の追加変更した構成だけについて説明する。
【００４８】
アーク・短絡検出回路ＳＤは、溶接負荷電圧瞬時値を入力信号とし、短絡期間中かアーク期間中かを判断し、短絡期間中はディジタル信号「０」を出力し、アーク期間中はディジタル信号「１」を出力する。
パルス期間中の短絡フィードバック電圧設定回路ＶＣＰは、パルス期間中に発生する短絡電圧の代わりにピーク電流通電時の等価陰極電圧降下に相当する電圧（パルス期間中の短絡フィードバック電圧設定信号）Ｖｃｐを設定する。
ベース期間中の短絡フィードバック電圧設定回路ＶＣＢは、ベース期間中に発生する短絡電圧の代わりにベース電流通電時の等価陰極電圧降下に相当する電圧（ベース期間中の短絡フィードバック電圧設定信号）Ｖｃｂを設定する。
【００４９】
入力されたパルス周波数・幅制御信号Ｄｆが、前述した図３（Ｄ）に示す次のピーク電流の通電開始までの期間は、短絡フィードバック電圧切換回路ＳＷ２がａ側になるので、短絡フィードバック電圧設定信号Ｓｗ２は、パルス期間中の短絡フィードバック電圧設定信号Ｖｃｐとなる。
逆に、パルス周波数・幅制御信号Ｄｆが、次のベース電流の通電開始までの期間は、短絡フィードバック電圧切換回路ＳＷ２がｂ側になるので、短絡フィードバック電圧設定信号Ｓｗ２は、ベース期間中の短絡フィードバック電圧設定信号Ｖｃｂとなる。
【００５０】
アーク長フィードバック電圧切換回路ＳＷ３は、アーク・短絡検出信号Ｓｄを入力とし、アーク期間中（Ｓｄ＝「１」）は、アーク長フィードバック電圧切換回路ＳＷ３がａ側になるので、アーク長フィードバック電圧切換信号Ｓｗ３は、溶接電圧瞬時値検出信号Ｖｄとなる。
逆に、短絡期間中（Ｓｄ＝「０」）は、アーク長フィードバック電圧切換回路ＳＷ３がｂ側になるので、アーク長フィードバック電圧切換信号Ｓｗ３は、短絡フィードバック電圧設定信号Ｓｗ２となる。
アーク長フィードバック電圧切換信号Ｓｗ３は、検出電圧平滑回路ＶＤＡによって平滑されてアーク電圧平均値信号Ｖｄａとなる。このときの検出電圧平滑回路ＶＤＡの時定数を、従来技術の時定数よりも小さく設定しているので、アーク長の復帰が速くなる。
【００５１】
（図７の説明）
図７は、本発明の溶接負荷電圧をフィードバックした溶接装置の各回路の信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）はパルス周波数・幅制御信号Ｄｆを示し、同図（Ｂ）は短絡フィードバック電圧設定信号Ｓｗ２を示し、同図（Ｃ）は溶接電圧瞬時値検出信号Ｖｄを示し、同図（Ｄ）はアーク・短絡検出信号Ｓｄを示し、同図（Ｅ）はアーク長フィードバック電圧切換信号Ｓｗ３を示す。
【００５２】
短絡期間中のフィードバック電圧設定値は、同図（Ａ）のパルス周波数・幅制御信号Ｄｆによって、ベース期間中の短絡フィードバック電圧設定信号Ｖｃｂとパルス期間中の短絡フィードバック電圧設定信号Ｖｃｐとに切り換えられて、短絡フィードバック電圧設定信号Ｓｗ２となる。このとき検出されたアーク電圧は溶接電圧瞬時値検出信号Ｖｄである。
【００５３】
同図の周期Ｔ２のベース期間中及び周期Ｔ４のパルス期間中に短絡が発生したとすると、同図（Ｄ）に示すアーク・短絡検出信号Ｓｄとなる。このアーク・短絡検出信号Ｓｄによって、短絡期間中のフィードバック電圧は、短絡フィードバック電圧設定信号Ｓｗ２が出力され、さらに、アーク長フィードバック電圧切換信号Ｓｗ３が出力される。
従って、ベース期間中に短絡が発生すると、溶接電圧瞬時値検出信号Ｖｄからベース期間中の短絡フィードバック電圧設定信号Ｖｃｂに切り換わる。同様に、パルス期間中に短絡が発生すると、溶接電圧瞬時値検出信号Ｖｄからパルス期間中の短絡フィードバック電圧設定信号Ｖｃｐに切り換わる。
このように、短絡が発生しても、実際のアーク長に比例するアーク長フィードバック電圧切換信号に置換することによって、短絡が発生した周期及びその後の周期のアーク長が、大きく変化することを防止する。従って、アーク長の変化分ΔＬとパルス周波数の変化とが適切に対応し、短絡が発生してもパルス周波数の規則性を維持することができる。
【００５４】
図８は、従来のフィードバック方式及び本発明のフィードバック方式においてアークが安定している溶接電圧と溶接電流との選定範囲の比較図である。
同図は、直径１.２［mm］の材質Ａ５１８３のアルミニウムワイヤを使用して従来のフィードバック方式及び本発明のフィードバック方式によって溶接電流を通電して消耗電極ガスシールドアーク溶接したときに、アークが安定している溶接電圧と溶接電流との選定範囲を比較する図であって、本発明のフィードバック方式においては、短絡が頻発する低電圧領域、例えば、溶接電流６０［Ａ］で溶接電圧１６［Ｖ］の範囲においても、アークが安定し、溶接電圧と溶接電流との選定範囲が拡大していることを示している。
【００５５】
【発明の効果】
本発明のフィードバック方式は、検出した溶接負荷電圧を実際のアーク長に比例するアーク長フィードバック電圧切換信号に置き換えているので、アーク長の復帰を制御すれば、以下の効果が得られる。
（１）短絡が発生しても、実際のアーク長に比例するアーク長フィードバック電圧切換信号に置換することによって、短絡が発生した周期及びその後の周期のアーク長が、大きく変化することを防止する。従って、アーク長の変化分ΔＬとパルス周波数の変化とが適切に対応し、短絡が発生してもパルス周波数の規則性を維持することができる。
（２）１パルス１溶滴移行の規則性が維持できる。
（３）アークが安定で、低電圧溶接でのスパッタ発生量が少ない。
（４）アークが安定した溶接ができる低電圧選定範囲が拡大する。
（５）検出電圧平滑回路のフィルタの時定数を小さくすることができ、フィードバック制御系の応答性が速くなる。したがって、例えば、チップ被溶接材間距離の変化等の外乱が生じても、アーク長が速く復帰する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ワイヤの先端１ａが、チップから突き出し、突き出し長さＥｘを流れる溶接電流Ｉｗによるジュール熱と突き出し長さＥｘのアーク熱とによって、溶融して被溶接材の溶融部に移行する説明図である。
【図２】図２は、従来の溶接負荷電圧フィードバック方式を採用した消耗電極パルス溶接装置のブロック図である。
【図３】図３は、前述した図２の従来の溶接装置において各回路の出力信号の時間的経過を示すタイミングチャートである。
【図４】図４は、アーク長Ｌ（横軸）と溶接負荷電圧Ｖｗ（横軸）との関係を示すアーク長・溶接負荷電圧特性図である。
【図５】図５は、従来技術のフィードバック制御方式を使用したパルス溶接において短絡が発生したときのパルス周期の変化状況を示すパルス周期変化図である。
【図６】図６は、本発明の溶接方法に使用する溶接負荷電圧フィードバック方式を採用した消耗電極パルス溶接装置のブロック図である。
【図７】図７は、本発明の溶接負荷電圧をフィードバックした溶接装置の各回路の信号のタイミングチャートである。
【図８】図８は、従来のフィードバック方式及び本発明のフィードバック方式においてアークが安定している溶接電圧と溶接電流との選定範囲の比較図である。
【符号の説明】
１ 溶接用ワイヤ
１ａ ワイヤの先端
２ 被溶接材
ＡＣ 商用電源
ＣＭ１ 設定・検出電流比較回路
Ｃｍ１ 溶接電流制御信号
ＣＭ２ 設定・検出電圧比較回路
Ｃｍ２ 設定・検出電圧比較信号
ＤＦ パルス周波数・幅制御回路
Ｄｆ パルス周波数・幅制御信号
Ｅｘ 突き出し長さ
Ｉｂ ベース電流／ベース電流値
ＩＢＳ ベース電流値設定回路
Ｉｂｓ ベース電流値設定信号
ＩＤ 溶接電流検出回路
Ｉｄ 溶接電流検出信号
Ｉｐ ピーク電流／ピーク電流値
ＩＰＳ ピーク電流値設定回路
Ｉｐｓ ピーク電流値設定信号
Ｉｗ 溶接電流（瞬時値）
Ｌ 見かけのアーク長
ＰＳ 溶接電源装置
Ｓｄ アーク・短絡検出信号
ＳＤ アーク・短絡検出回路
ＳＷ１ ピーク・ベース電流値切換回路
Ｓｗ１ ピーク・ベース電流値切換信号
ＳＷ２ 短絡フィードバック電圧切換回路
Ｓｗ２ 短絡フィードバック電圧設定信号
ＳＷ３ アーク長フィードバック電圧切換回路
Ｓｗ３ アーク長フィードバック電圧切換信号
Ｔｂ ベース期間
ＴＰ ピーク通電時間設定回路
Ｔｐ ピーク期間／ピーク通電時間設定信号
Ｖａ アーク電圧／アーク電圧平均値
Ｖａｖ 検出電圧平滑信号
ＶＣＢ ベース期間中の短絡フィードバック電圧設定回路
Ｖｃｂ ベース期間中の短絡フィードバック電圧設定信号
ＶＣＰ パルス期間中の短絡フィードバック電圧設定回路
Ｖｃｐ パルス期間中の短絡フィードバック電圧設定信号
ＶＤ 溶接電圧瞬時値検出回路
ＶＤＡ 検出電圧平滑回路
Ｖｄａ アーク電圧平均値信号
Ｖｄ 溶接電圧瞬時値検出信号
ＶＦ 電圧・周波数変換回路
Ｖｆ 周波数制御信号
Ｖｐ 出力端子電圧
ＶＳ アーク電圧設定回路
Ｖｓ アーク電圧設定値／アーク電圧設定信号
Ｖｗ 溶接負荷電圧（値）
ＷＭ ワイヤ送給モータ
ＷＳ ワイヤ送給速度設定回路
Ｗｓ ワイヤ送給速度／ワイヤ送給速度設定信号
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接負荷電圧をフィードバックした溶接電流を通電して溶接する消耗電極ガスシールドアーク溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
消耗電極式アーク溶接では、安定な高品質溶接を得るためにアーク長を一定に保つことが必要不可欠である。
一般的に、アーク電圧がアーク長に略比例すると仮定して、アーク電圧をフィードバックし、このアーク電圧が一定となるように、線形なアーク長フィードバック制御系を用いて制御している。
アーク長が長くて短絡が発生しない場合には、アーク電圧がアーク長に略比例するので上述の方法でも特に問題はない。
しかし、短絡が発生するとアーク電圧が急に低減して、後述するように、アーク電圧とアーク長との比例関係が成立しなくなる。そのために、もとの比例関係による等価アーク長がマイナスとなり、アーク長を回復させる調整量が過大となってアークは不安定になってしまう。
【０００３】
図１は、ワイヤの先端１ａが、チップから突き出し、突き出し長さＥｘを流れる溶接電流Ｉｗによるジュール熱と突き出し長さＥｘのアーク熱とによって、溶融して被溶接材の溶融部に移行する説明図である。
【０００４】
図１において、送給ロールによって送給した溶接用ワイヤ１は、ノズルの中にあるチップを通過し、チップから溶接電流Ｉｗを給電する。溶接用ワイヤ１はチップから突き出し、その先端と被溶接材との間にアークを発生する。突き出し長さＥｘを流れる溶接電流Ｉｗによるジュール熱と突き出し長さＥｘのアーク熱とによって、ワイヤの先端１ａは溶融して被溶接材２の溶融部に移行する。
【０００５】
従来では、アーク長Ｌがチップと被溶接材２との溶接負荷電圧Ｖｗに比例するという仮定に基づいて、溶接中のアーク長Ｌを一定に保つために、溶接負荷電圧Ｖｗの平均値を一定に維持させるように制御している。即ち、適切な溶接負荷電圧Ｖｗの平均値に相当する電圧値を設定し、実際の溶接負荷電圧値の平均値をフィードバックして設定した溶接負荷電圧Ｖｗの平均値と比較し、その差を小にするように制御している。
【０００６】
図２は、従来の溶接負荷電圧フィードバック方式を採用した消耗電極パルス溶接装置のブロック図である。溶接負荷電圧Ｖｗを検出して平滑したアーク電圧平均値Ｖａと、所定のアーク長を得るための予め設定したアーク電圧設定値Ｖｓとを比較して、その差の設定・検出電圧比較信号Ｃｍ２によって、パルス電流の周波数、ベース電流通電時間等を増減させて、アーク電圧設定値Ｖｓとアーク電圧平均値Ｖａとが等しくなるように制御する。
【０００７】
以下、図２のブロック図の動作について説明する。ワイヤ送給速度設定回路ＷＳは、ワイヤ送給速度設定信号Ｗｓを出力してワイヤ送給モータＭＷに入力し、ワイヤ送給速度を制御する。溶接電圧瞬時値検出回路ＶＤは、溶接負荷電圧Ｖｗを検出して溶接電圧瞬時値検出信号Ｖｄを出力する。アーク電圧設定回路ＶＳは、所定のアーク長に対応したアーク電圧平均値を設定して、アーク電圧設定値Ｖｓに相当するアーク電圧設定信号Ｖｓを出力する。
【０００８】
検出電圧平滑回路ＶＤＡは、前述した溶接電圧瞬時値検出信号Ｖｄを入力して平滑したアーク電圧平均値Ｖａに相当する検出電圧平滑信号Ｖａｖを出力する。設定・検出電圧比較回路ＣＭ２は、検出電圧平滑信号Ｖａｖとアーク電圧設定信号Ｖｓとを入力して、アーク電圧平均値Ｖａとアーク電圧設定値Ｖｓとを比較してその差の設定・検出電圧比較信号Ｃｍ２を出力する。
【０００９】
電圧・周波数変換回路ＶＦは、設定・検出電圧比較信号Ｃｍ２を入力して、次のピーク電流Ｉｐの通電を指令する周波数制御信号Ｖｆを出力する。
【００１０】
ピーク通電時間設定回路ＴＰは、ピーク期間（パルス幅）Ｔｐを設定してピーク通電時間設定信号Ｔｐを出力する。ピーク電流値設定回路ＩＰＳは、ピーク電流値Ｉｐを設定してピーク電流値設定信号Ｉｐｓを出力する。ベース電流値設定回路ＩＢＳは、ベース電流値Ｉｂを設定してベース電流値設定信号Ｉｂｓを出力する。
【００１１】
パルス周波数・幅制御回路ＤＦは、ピーク通電時間設定信号Ｔｐ及び周波数制御信号Ｖｆを入力して、パルス周波数・幅制御信号Ｄｆを出力する。ピーク・ベース電流値切換回路ＳＷ１は、パルス周波数・幅制御信号Ｄｆが入力されている期間だけピーク電流値設定信号Ｉｐｓを通電し、パルス周波数・幅制御信号Ｄｆが停止されている期間はベース電流値設定信号Ｉｂｓを通電するピーク・ベース電流値切換信号Ｓｗ１を出力する。
【００１２】
設定・検出電流比較回路ＣＭ１は、溶接電流検出回路ＩＤの出力である溶接電流検出信号Ｉｄとピーク・ベース電流値切換信号Ｓｗ１とを入力して溶接電流制御信号Ｃｍ１を出力して、ＰＷＭ制御のインバータ回路を備えた出力端子電圧Ｖｐを出力する溶接電源装置ＰＳに入力して溶接電流Ｉｗを制御する。
【００１３】
図３は、前述した図２の従来の溶接装置において各回路の出力信号の時間的経過を示すタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電圧瞬時値検出信号Ｖｄの波形図であり、同図（Ｂ）は検出電圧平滑信号Ｖａｖ及びアーク電圧設定信号Ｖｓの波形図であり、同図（Ｃ）は周波数制御信号Ｖｆの波形図であり、同図（Ｄ）はパルス周波数・幅制御信号Ｄｆの波形図であり、同図（Ｅ）はピーク・ベース電流値切換信号Ｓｗ１の波形図であり、同図（Ｆ）は溶接電流検出信号Ｉｄの波形図である。
【００１４】
図３に示す各信号と前述した図２に示す各回路の動作との関係は次のとおりである。設定・検出電圧比較回路ＣＭ２は、図２に示した溶接負荷電圧Ｖｗを平滑したアーク電圧平均値Ｖａとアーク電圧設定値Ｖｓとを比較して、その差の設定・検出電圧比較信号Ｃｍ２を出力し、電圧・周波数変換回路ＶＦは、この設定・検出電圧比較信号Ｃｍ２に対応した周波数制御信号Ｖｆを出力する。パルス周波数・幅制御回路ＤＦは、この周波数制御信号Ｖｆとピーク通電時間設定信号Ｔｐとからパルス周波数とピーク期間Ｔｐ（パルス幅）とを制御するパルス周波数・幅制御信号Ｄｆを出力する。
【００１５】
ピーク・ベース電流値切換回路ＳＷ１は、パルス周波数・幅制御信号Ｄｆが入力されているときにピーク電流値設定信号Ｉｐｓを出力し、パルス周波数・幅制御信号Ｄｆが入力されていないときにベース電流値設定信号Ｉｂｓを出力する。設定・検出電流比較回路ＣＭ１は、ピーク電流値設定信号Ｉｐｓとベース電流値設定信号Ｉｂｓとを繰り返すピーク・ベース電流値切換信号Ｓｗ１と溶接電流検出回路ＩＤの出力である溶接電流検出信号Ｉｄとを比較して、その差の溶接電流制御信号Ｃｍ１を出力する。溶接電源装置ＰＳは、溶接電流制御信号Ｃｍ１を入力して溶接電流を出力する。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のアーク長制御をする溶接負荷電圧フィードバック制御方式では以下の問題がある。
従来では、後述する図４に示すように、点Ａのアーク長が略ゼロから点Ｃの短絡までの点線も含めて、見かけのアーク長Ｌが溶接負荷電圧Ｖｗに比例するという仮定に基づいて、溶接中のアーク長Ｌを一定にするために、溶接負荷電圧Ｖｗを一定に維持させるように制御している。即ち、適切なアーク電圧設定値Ｖｓを設定し、実際の溶接負荷電圧Ｖｗをフィードバックして、そのフィードバックした溶接負荷電圧Ｖｗの平均値と設定したアーク電圧平均値Ｖａに相当する設定値とを比較し、その差を無くすように制御している。
【００１７】
図４は、アーク長Ｌ（横軸）と溶接負荷電圧Ｖｗ（横軸）との関係を示すアーク長・溶接負荷電圧特性図である。同図において、アークが発生しているとき（アーク長Ｌ＞０）の溶接負荷電圧Ｖｗは、実線ＡＢで示すアーク長・溶接負荷電圧直線に示すように、陰極点での陰極電圧降下Ｖｋを定数とする勾配αの直線Ｖｗとなる。
【００１８】
しかし、短絡するとアークが消滅して陰極点も消失するために、陰極電圧降下Ｖｋがゼロになり、溶接負荷電圧Ｖｗもゼロになって、現実では、アーク長・溶接負荷電圧特性図の「０」の位置になる。しかし、従来の溶接負荷電圧フィードバック制御方式では、溶接負荷電圧Ｖｗがゼロになってしまうと、同図の点Ｃに示すように、アーク長Ｌはマイナスになってしまう。
【００１９】
アークが発生してアーク長がＬ＞０のとき（短絡が発生しないとき）の溶接負荷電圧Ｖｗとアーク長Ｌとの関係は式（１）で表される。
Ｖｗ＝Ｃ＋αＬ＝Ｖｋ＋αＬ …（１）
ここで、Ｃは等価陰極降下Ｖｋと等価陽極降下Ｖｐとの和であり、陽極降下Ｖｐが略ゼロなので、主に等価陰極降下Ｖｋによる常数である。αはアーク長・溶接負荷電圧直線ＡＢの勾配であり、Ｌはアーク長である。
溶接負荷電圧Ｖｗの変化分△Ｖｗに対するアーク長Ｌの変化分△Ｌは式（２）で表される。
ΔＬ＝△Ｖｗ／α …（２）
【００２０】
この式（２）で表される溶接負荷電圧Ｖｗの変化分△Ｖｗに対するアーク長Ｌの変化分△Ｌは、図４に示すように、溶接負荷電圧ＶｗがＶｗ１からＶｗ２に低下すると、アーク長Ｌの変化分△ＬはＬ１−Ｌ２となって、かなり大きくアーク長を制御しようとすることを示している。
【００２１】
一方、短絡が発生すると、等価陰極降下Ｖｋ及び等価陽極降下Ｖｐがゼロになる。式（２）において、短絡が発生したときの従来技術の溶接負荷電圧フィードバック制御方式での制御対象になるアーク長Ｌの変化分ΔＬｓは次式のように大きな値となる。
ΔＬｓ＝−Ｖｋ／α …（３）
【００２２】
しかし、図４に示すように、短絡直前のアーク長Ｌ０が略ゼロであるので、実際には、短絡直前のアーク長Ｌ０から短絡時までのアーク長Ｌの変化分ΔＬ０は略ゼロと考えられる。
それにもかかわらず、従来技術のフィードバック制御方式では、短絡が発生したときの制御対象になるアーク長Ｌの変化分ΔＬは、前述した式（３）で示すΔＬｓ＝−Ｖｋ／αのように、大きなマイナス値となっている。
【００２３】
また、アーク長の短い実用範囲では、短絡が発生しないときでも、図４に示すように、陰極降下Ｖｋが、例えば、アーク長Ｌ２のときのアーク自体による電圧降下（Ｖｗ２−Ｖｋ）よりも大きいことが多い。
これらの理由によって、従来技術のフィードバック制御方式では、短絡時にフィードバックされた溶接負荷電圧Ｖｗは、アーク長変化を制御するための「誤ったアーク長に制御する信号」（偽情報）の割合がかなり大きい。
【００２４】
図５は、従来技術のフィードバック制御方式を使用したパルス溶接において短絡が発生したときのパルス周期の変化状況を示すパルス周期変化図である。
同図に示すように、周期Ｔ２において短絡が発生したとすれば、この周期Ｔ２のアーク電圧平均値Ｖａがかなり低下する。
この周期Ｔ２の低下したアーク電圧平均値Ｖａをフィードバックすると、フィードバックされたアーク電圧平均値Ｖａによって制御しようとする溶接負荷電圧変化値△Ｖｗのときのアーク長変化値△Ｌは、下記のように、かなり大きくアーク長を制御して、実際の平均アーク長Ｌａよりもかなり低いアーク長Ｌ２になってしまう。
【００２５】
例えば、短絡が発生したときは、前述した式（３）によって、アーク長変化値ΔＬｓ＝−Ｖｋ／αとなって、かなり大きくアーク長を制御して、実際の平均アーク長Ｌａよりもかなり低くなってしまう。
【００２６】
このような従来技術のフィードバック制御方式のフィードバック制御では、必要以上に次のパルス周期をＴ３まで減少させることによって、溶接電流値を増加させてワイヤの溶融速度を増加させてアーク長を大に復帰させようとする。
その次の周期Ｔ４も、溶接電圧瞬時値検出回路ＶＤの時定数が大きいフィルタのために、正常の周期よりも短くなる。周期Ｔ５では、短絡によるアーク長の変化が定常値になっても、短絡によるアーク長の変化前よりも、アーク長Ｌが長くなってパルス周期も正常よりも長くなる。
【００２７】
このようなパルス周期の必要以上の変化は以下の問題をもたらす。
（１）アーク長Ｌの変化が大きい。
（２）ピーク電流に同期して溶滴移行ができないときが発生して、１パルス１溶滴移行の規則性を維持することができない。
（３）溶滴がピーク電流Ｉｐと同期しないで移動するためにスパッタの発生量が大きくなる。
（４）アーク長Ｌを短くした低電圧溶接では、さらに長い時間短絡を起こしてアークが不安定になる。
（５）短絡電圧の影響をある程度緩和するために、検出電圧平滑回路ＶＤＡのフィルタを大きくする必要があり、制御系の応答性が遅い。
そこで、本発明は、短絡時の溶接負荷電圧のフィードバック量を、短絡が発生してもアーク長に略比例する電圧をフィードバックし、アークを安定させる方法を提供する。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の溶接方法は、パルス溶接方法は勿論、パルス溶接方法でない通常の溶接方法においても適用することができる溶接方法であって、溶接負荷電圧をフィードバックした溶接電流を通電して溶接する溶接方法において、短絡期間中は短絡電圧の代わりに等価陰極電圧降下に相当する電圧をフィードバックした溶接電流を通電する消耗電極ガスシールドアーク溶接方法である。
【００２９】
請求項２の溶接方法は、溶接負荷電圧をフィードバックした溶接電流を通電して溶接する溶接方法において、溶接負荷電圧瞬時値によって、短絡の発生を瞬時に検出して、短絡期間中に等価陰極降下電圧よりも低い平滑した電圧を、検出された短絡電圧の代わりにフィードバックした溶接電流を通電する消耗電極ガスシールドアーク溶接方法である。
【００３０】
請求項３の溶接方法は、溶接負荷電圧をフィードバックした溶接電流を通電して溶接する溶接方法において、溶接負荷電圧瞬時値によって、パルス周期の１周期の間の短絡の発生を瞬時に検出して、短絡期間中に等価陰極降下電圧よりも低い平滑した電圧を、検出された短絡電圧の代わりにフィードバックした溶接電流を通電する消耗電極ガスシールドアーク溶接方法である。
【００３１】
請求項４の溶接方法は、溶接負荷電圧をフィードバックした溶接電流を通電して溶接する溶接方法において、パルス期間の短絡中は、短絡電圧の代わりにピーク電流通電時の等価陰極電圧降下に相当する電圧をフィードバックし、ベース期間の短絡中は、短絡電圧の代わりにベース電流通電時の等価陰極電圧降下に相当する電圧をフィードバックした溶接電流を通電する消耗電極ガスシールドアーク溶接方法である。
【００３２】
請求項５の溶接方法は、溶接負荷電圧をフィードバックした溶接電流を通電して溶接する溶接方法において、アーク発生中と短絡とを検出して、短絡期間がパルス期間中かベース期間中かによって、短絡期間中は、短絡電圧の代わりにピーク電流通電時又はベース電流通電時のそれぞれの等価陰極電圧降下に相当する電圧をフィードバックして、パルス周波数とパルス幅とを制御する信号（Ｄｆ）を制御してピーク電流とベース電流とを通電する消耗電極ガスシールドアーク溶接方法である。
【００３８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態は、後述する図６に示すように、図１に示した従来の溶接装置のブロック図の各回路に、後述する図６に示す点線で囲んだ各回路を追加した溶接装置であって、つぎの回路から構成される。
（１）溶接負荷電圧Ｖｗを検出して溶接電圧瞬時値検出信号Ｖｄを出力する溶接電圧瞬時値検出回路ＶＤ。
（２）この溶接電圧瞬時値検出信号Ｖｄを入力してアーク・短絡検出信号Ｓｄを出力するアーク・短絡検出回路ＳＤ。
【００３９】
（３）ピーク期間（パルス幅）Ｔｐを設定してピーク通電時間設定信号Ｔｐを出力するピーク通電時間設定回路ＴＰ。
（４）ピーク電流値Ｉｐを設定してピーク電流値設定信号Ｉｐｓを出力するピーク電流値設定回路ＩＰＳ。
（５）ベース電流値Ｉｂを設定してベース電流値設定信号Ｉｂｓを出力するベース電流値設定回路ＩＢＳ。
【００４０】
（６）パルス期間中の短絡フィードバック電圧設定信号Ｖｃｐを出力する短絡フィードバック電圧設定回路ＶＣＰ。
（７）ベース期間中の短絡フィードバック電圧設定信号Ｖｃｂを出力する短絡フィードバック電圧設定回路ＶＣＢ。
（８）後述するパルス周波数・幅制御信号Ｄｆによって、パルス期間中の短絡フィードバック電圧設定信号Ｖｃｐとベース期間中の短絡フィードバック電圧設定信号Ｖｃｂとを切り換えて、短絡フィードバック電圧設定信号Ｓｗ２を出力する短絡フィードバック電圧切換回路ＳＷ２。
【００４１】
（９）アーク・短絡検出信号Ｓｄによって、短絡フィードバック電圧設定信号Ｓｗ２と溶接電圧瞬時値検出信号Ｖｄとを切り換えて、アーク長フィードバック電圧切換信号Ｓｗ３を出力するアーク長フィードバック電圧切換回路ＳＷ３。
（１０）アーク長フィードバック電圧切換信号Ｓｗ３を入力して平滑したアーク電圧平均値信号Ｖｄａを出力する検出電圧平滑回路ＶＤＡ。
【００４２】
（１１）所定のアーク長に対応したアーク電圧平均値を設定して、アーク電圧設定値Ｖｓに相当するアーク電圧設定信号Ｖｓを出力するアーク電圧設定回路ＶＳ。
（１２）アーク電圧平均値信号Ｖｄａとアーク電圧設定信号Ｖｓとを比較して設定・検出電圧比較信号Ｃｍ２を出力する設定・検出電圧比較回路ＣＭ２。
（１３）設定・検出電圧比較信号Ｃｍ２を入力して、次のピーク電流Ｉｐの通電を指令する周波数制御信号Ｖｆを出力する電圧・周波数変換回路ＶＦ。
ピーク通電時間設定信号Ｔｐ及び周波数制御信号Ｖｆを入力して、パルス周波数・幅制御信号Ｄｆを出力するパルス周波数・幅制御回路ＤＦ。
【００４３】
（１４）パルス周波数・幅制御信号Ｄｆが入力されている期間だけピーク電流値設定信号Ｉｐｓを通電し、パルス周波数・幅制御信号Ｄｆが停止されている期間はベース電流値設定信号Ｉｂｓを通電するピーク・ベース電流値切換信号Ｓｗ１を出力するピーク・ベース電流値切換回路ＳＷ１。
（１５）溶接電流Ｉｗを検出して溶接電流検出信号Ｉｄを出力する溶接電流検出回路ＩＤ。
（１６）溶接電流検出信号Ｉｄとピーク・ベース電流値切換信号Ｓｗ１とを比較して溶接電流制御信号Ｃｍ１を出力する設定・検出電流比較回路ＣＭ１。
（１７）溶接電流制御信号Ｃｍ１によって溶接電流Ｉｗを制御する溶接電源装置ＰＳ。
【００４４】
【実施例】
本発明は、アーク発生中と短絡とを検出して、短絡期間がパルス期間中かベース期間中かを判別し、短絡期間中は、短絡電圧の代わりにピーク電流通電時又はベース電流通電時のそれぞれの等価陰極電圧降下に相当する電圧をフィードバックする。このように、等価陰極電圧降下に相当する電圧をフィードバックすることによって、短絡時の溶接負荷電圧Ｖｗの検出電圧が略零になるためにアーク長が負になるようなことはなく、等価陰極電圧降下に相当する電圧をフィードバックして、アーク長を略零にすることができるので、フィードバック電圧は常にアーク長に比例する。
【００４５】
したがって、本発明のアーク長フィードバック方式は、間接的に制御するアーク長が、「誤ったアーク長に制御する信号」を含む短絡の発生に関係せず、常に「真のアーク長を制御することができる信号」が得られる。この「真のアーク長を制御することができる信号」に基づいて、常に最適な値の溶接負荷電圧Ｖｗを出力することができるので、通常の溶接方法において溶接電流値が過大に制御されたり、パルス溶接方法においてパルス周期が過大に制御されることはない。
【００４６】
また、実験結果によると、通常の溶接又はパルス溶接において、短絡時間が長くなると、平均アーク長は若干短くなる。この若干短くなったアーク長を検出するために、実用上、短絡期間中の等価陰極電圧降下よりも若干低い設定電圧をフィードバックしてアーク長を補正する。
【００４７】
（図６の説明）
図６は、前述した本発明の溶接方法に使用する溶接負荷電圧フィードバック方式を採用した消耗電極パルス溶接装置のブロック図である。従来の溶接負荷電圧フィードバック方式との相違は、溶接負荷電圧瞬時値をそのまま検出回路に入力して、パルス周期の１周期の間の短絡の発生を瞬時に検出する。そして、短絡期間中に等価陰極降下電圧よりもやや低い電圧を、検出された短絡電圧の代わりに検出電圧平滑回路ＶＤＡに入力し、平滑した後の信号を検出電圧平滑信号としてアーク長フィードバック制御に使用する。
同図において、点線で示される部分は、今回の追加変更した構成であり、この点線で示される以外の構成は従来の溶接装置と同様である。以下、今回の追加変更した構成だけについて説明する。
【００４８】
アーク・短絡検出回路ＳＤは、溶接負荷電圧瞬時値を入力信号とし、短絡期間中かアーク期間中かを判断し、短絡期間中はディジタル信号「０」を出力し、アーク期間中はディジタル信号「１」を出力する。
パルス期間中の短絡フィードバック電圧設定回路ＶＣＰは、パルス期間中に発生する短絡電圧の代わりにピーク電流通電時の等価陰極電圧降下に相当する電圧（パルス期間中の短絡フィードバック電圧設定信号）Ｖｃｐを設定する。
ベース期間中の短絡フィードバック電圧設定回路ＶＣＢは、ベース期間中に発生する短絡電圧の代わりにベース電流通電時の等価陰極電圧降下に相当する電圧（ベース期間中の短絡フィードバック電圧設定信号）Ｖｃｂを設定する。
【００４９】
入力されたパルス周波数・幅制御信号Ｄｆが、前述した図３（Ｄ）に示す次のピーク電流の通電開始までの期間は、短絡フィードバック電圧切換回路ＳＷ２がａ側になるので、短絡フィードバック電圧設定信号Ｓｗ２は、パルス期間中の短絡フィードバック電圧設定信号Ｖｃｐとなる。
逆に、パルス周波数・幅制御信号Ｄｆが、次のベース電流の通電開始までの期間は、短絡フィードバック電圧切換回路ＳＷ２がｂ側になるので、短絡フィードバック電圧設定信号Ｓｗ２は、ベース期間中の短絡フィードバック電圧設定信号Ｖｃｂとなる。
【００５０】
アーク長フィードバック電圧切換回路ＳＷ３は、アーク・短絡検出信号Ｓｄを入力とし、アーク期間中（Ｓｄ＝「１」）は、アーク長フィードバック電圧切換回路ＳＷ３がａ側になるので、アーク長フィードバック電圧切換信号Ｓｗ３は、溶接電圧瞬時値検出信号Ｖｄとなる。
逆に、短絡期間中（Ｓｄ＝「０」）は、アーク長フィードバック電圧切換回路ＳＷ３がｂ側になるので、アーク長フィードバック電圧切換信号Ｓｗ３は、短絡フィードバック電圧設定信号Ｓｗ２となる。
アーク長フィードバック電圧切換信号Ｓｗ３は、検出電圧平滑回路ＶＤＡによって平滑されてアーク電圧平均値信号Ｖｄａとなる。このときの検出電圧平滑回路ＶＤＡの時定数を、従来技術の時定数よりも小さく設定しているので、アーク長の復帰が速くなる。
【００５１】
（図７の説明）
図７は、本発明の溶接負荷電圧をフィードバックした溶接装置の各回路の信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）はパルス周波数・幅制御信号Ｄｆを示し、同図（Ｂ）は短絡フィードバック電圧設定信号Ｓｗ２を示し、同図（Ｃ）は溶接電圧瞬時値検出信号Ｖｄを示し、同図（Ｄ）はアーク・短絡検出信号Ｓｄを示し、同図（Ｅ）はアーク長フィードバック電圧切換信号Ｓｗ３を示す。
【００５２】
短絡期間中のフィードバック電圧設定値は、同図（Ａ）のパルス周波数・幅制御信号Ｄｆによって、ベース期間中の短絡フィードバック電圧設定信号Ｖｃｂとパルス期間中の短絡フィードバック電圧設定信号Ｖｃｐとに切り換えられて、短絡フィードバック電圧設定信号Ｓｗ２となる。このとき検出されたアーク電圧は溶接電圧瞬時値検出信号Ｖｄである。
【００５３】
同図の周期Ｔ２のベース期間中及び周期Ｔ４のパルス期間中に短絡が発生したとすると、同図（Ｄ）に示すアーク・短絡検出信号Ｓｄとなる。このアーク・短絡検出信号Ｓｄによって、短絡期間中のフィードバック電圧は、短絡フィードバック電圧設定信号Ｓｗ２が出力され、さらに、アーク長フィードバック電圧切換信号Ｓｗ３が出力される。
従って、ベース期間中に短絡が発生すると、溶接電圧瞬時値検出信号Ｖｄからベース期間中の短絡フィードバック電圧設定信号Ｖｃｂに切り換わる。同様に、パルス期間中に短絡が発生すると、溶接電圧瞬時値検出信号Ｖｄからパルス期間中の短絡フィードバック電圧設定信号Ｖｃｐに切り換わる。
このように、短絡が発生しても、実際のアーク長に比例するアーク長フィードバック電圧切換信号に置換することによって、短絡が発生した周期及びその後の周期のアーク長が、大きく変化することを防止する。従って、アーク長の変化分ΔＬとパルス周波数の変化とが適切に対応し、短絡が発生してもパルス周波数の規則性を維持することができる。
【００５４】
図８は、従来のフィードバック方式及び本発明のフィードバック方式においてアークが安定している溶接電圧と溶接電流との選定範囲の比較図である。
同図は、直径１.２［mm］の材質Ａ５１８３のアルミニウムワイヤを使用して従来のフィードバック方式及び本発明のフィードバック方式によって溶接電流を通電して消耗電極ガスシールドアーク溶接したときに、アークが安定している溶接電圧と溶接電流との選定範囲を比較する図であって、本発明のフィードバック方式においては、短絡が頻発する低電圧領域、例えば、溶接電流６０［Ａ］で溶接電圧１６［Ｖ］の範囲においても、アークが安定し、溶接電圧と溶接電流との選定範囲が拡大していることを示している。
【００５５】
【発明の効果】
本発明のフィードバック方式は、検出した溶接負荷電圧を実際のアーク長に比例するアーク長フィードバック電圧切換信号に置き換えているので、アーク長の復帰を制御すれば、以下の効果が得られる。
（１）短絡が発生しても、実際のアーク長に比例するアーク長フィードバック電圧切換信号に置換することによって、短絡が発生した周期及びその後の周期のアーク長が、大きく変化することを防止する。従って、アーク長の変化分ΔＬとパルス周波数の変化とが適切に対応し、短絡が発生してもパルス周波数の規則性を維持することができる。
（２）１パルス１溶滴移行の規則性が維持できる。
（３）アークが安定で、低電圧溶接でのスパッタ発生量が少ない。
（４）アークが安定した溶接ができる低電圧選定範囲が拡大する。
（５）検出電圧平滑回路のフィルタの時定数を小さくすることができ、フィードバック制御系の応答性が速くなる。したがって、例えば、チップ被溶接材間距離の変化等の外乱が生じても、アーク長が速く復帰する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ワイヤの先端１ａが、チップから突き出し、突き出し長さＥｘを流れる溶接電流Ｉｗによるジュール熱と突き出し長さＥｘのアーク熱とによって、溶融して被溶接材の溶融部に移行する説明図である。
【図２】図２は、従来の溶接負荷電圧フィードバック方式を採用した消耗電極パルス溶接装置のブロック図である。
【図３】図３は、前述した図２の従来の溶接装置において各回路の出力信号の時間的経過を示すタイミングチャートである。
【図４】図４は、アーク長Ｌ（横軸）と溶接負荷電圧Ｖｗ（横軸）との関係を示すアーク長・溶接負荷電圧特性図である。
【図５】図５は、従来技術のフィードバック制御方式を使用したパルス溶接において短絡が発生したときのパルス周期の変化状況を示すパルス周期変化図である。
【図６】図６は、本発明の溶接方法に使用する溶接負荷電圧フィードバック方式を採用した消耗電極パルス溶接装置のブロック図である。
【図７】図７は、本発明の溶接負荷電圧をフィードバックした溶接装置の各回路の信号のタイミングチャートである。
【図８】図８は、従来のフィードバック方式及び本発明のフィードバック方式においてアークが安定している溶接電圧と溶接電流との選定範囲の比較図である。
【符号の説明】
１ 溶接用ワイヤ
１ａ ワイヤの先端
２ 被溶接材
ＡＣ 商用電源
ＣＭ１ 設定・検出電流比較回路
Ｃｍ１ 溶接電流制御信号
ＣＭ２ 設定・検出電圧比較回路
Ｃｍ２ 設定・検出電圧比較信号
ＤＦ パルス周波数・幅制御回路
Ｄｆ パルス周波数・幅制御信号
Ｅｘ 突き出し長さ
Ｉｂ ベース電流／ベース電流値
ＩＢＳ ベース電流値設定回路
Ｉｂｓ ベース電流値設定信号
ＩＤ 溶接電流検出回路
Ｉｄ 溶接電流検出信号
Ｉｐ ピーク電流／ピーク電流値
ＩＰＳ ピーク電流値設定回路
Ｉｐｓ ピーク電流値設定信号
Ｉｗ 溶接電流（瞬時値）
Ｌ 見かけのアーク長
ＰＳ 溶接電源装置
Ｓｄ アーク・短絡検出信号
ＳＤ アーク・短絡検出回路
ＳＷ１ ピーク・ベース電流値切換回路
Ｓｗ１ ピーク・ベース電流値切換信号
ＳＷ２ 短絡フィードバック電圧切換回路
Ｓｗ２ 短絡フィードバック電圧設定信号
ＳＷ３ アーク長フィードバック電圧切換回路
Ｓｗ３ アーク長フィードバック電圧切換信号
Ｔｂ ベース期間
ＴＰ ピーク通電時間設定回路
Ｔｐ ピーク期間／ピーク通電時間設定信号
Ｖａ アーク電圧／アーク電圧平均値
Ｖａｖ 検出電圧平滑信号
ＶＣＢ ベース期間中の短絡フィードバック電圧設定回路
Ｖｃｂ ベース期間中の短絡フィードバック電圧設定信号
ＶＣＰ パルス期間中の短絡フィードバック電圧設定回路
Ｖｃｐ パルス期間中の短絡フィードバック電圧設定信号
ＶＤ 溶接電圧瞬時値検出回路
ＶＤＡ 検出電圧平滑回路
Ｖｄａ アーク電圧平均値信号
Ｖｄ 溶接電圧瞬時値検出信号
ＶＦ 電圧・周波数変換回路
Ｖｆ 周波数制御信号
Ｖｐ 出力端子電圧
ＶＳ アーク電圧設定回路
Ｖｓ アーク電圧設定値／アーク電圧設定信号
Ｖｗ 溶接負荷電圧（値）
ＷＭ ワイヤ送給モータ
ＷＳ ワイヤ送給速度設定回路
Ｗｓ ワイヤ送給速度／ワイヤ送給速度設定信号
Claims (5)
- 溶接負荷電圧をフィードバックした溶接電流を通電して溶接する溶接方法において、短絡期間中は短絡電圧の代わりに等価陰極電圧降下に相当する電圧をフィードバックした溶接電流を通電する消耗電極ガスシールドアーク溶接方法。
- 溶接負荷電圧をフィードバックした溶接電流を通電して溶接する溶接方法において、溶接負荷電圧瞬時値によって、短絡の発生を瞬時に検出して、短絡期間中に等価陰極降下電圧よりも低い平滑した電圧を、検出された短絡電圧の代わりにフィードバックした溶接電流を通電する消耗電極ガスシールドアーク溶接方法。
- 溶接負荷電圧をフィードバックした溶接電流を通電して溶接する溶接方法において、溶接負荷電圧瞬時値によって、パルス周期の１周期の間の短絡の発生を瞬時に検出して、短絡期間中に等価陰極降下電圧よりも低い平滑した電圧を、検出された短絡電圧の代わりにフィードバックした溶接電流を通電する消耗電極ガスシールドアーク溶接方法。
- 溶接負荷電圧をフィードバックした溶接電流を通電して溶接する溶接方法において、パルス期間の短絡中は、短絡電圧の代わりにピーク電流通電時の等価陰極電圧降下に相当する電圧をフィードバックし、ベース期間の短絡中は、短絡電圧の代わりにベース電流通電時の等価陰極電圧降下に相当する電圧をフィードバックした溶接電流を通電する消耗電極ガスシールドアーク溶接方法。
- 溶接負荷電圧をフィードバックした溶接電流を通電して溶接する溶接方法において、アーク発生中と短絡とを検出して、短絡期間がパルス期間中かベース期間中かによって、短絡期間中は、短絡電圧の代わりにピーク電流通電時又はベース電流通電時のそれぞれの等価陰極電圧降下に相当する電圧をフィードバックして、パルス周波数とパルス幅とを制御する信号を制御してピーク電流とベース電流とを通電する消耗電極ガスシールドアーク溶接方法。
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