JP4263886B2 - 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、溶接電圧平均値又はピーク電圧平均値が予め定めた目標値と略等しくなるようにパルス周期等を制御してアーク長を適正値に維持するパルスアーク溶接の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、良好な溶接品質を得るためには、溶接中のアーク長を適正値に維持する必要がある。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消耗電極式パルスアーク溶接においては、溶接電圧平均値又はピーク電圧平均値が予め定めた目標値と略等しくなるようにパルス周期等を制御してアーク長を適正値に維持するアーク長制御方法が従来から使用されている。以下、この従来技術の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、パルスアーク溶接の電流・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。以下、同図を参照して説明する。
【０００４】
▲１▼ 時刻ｔ１〜ｔ３の期間
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のピーク期間Ｔｐ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、その後のピーク期間Ｔｐ中は、ピーク電圧Ｖｐが印加する。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の期間
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のベース期間Ｔｂ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、その後のベース期間Ｔｂ中は、ベース電圧Ｖｂが印加する。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］程度の低い値に設定される。
【０００６】
したがって、時刻ｔ１〜ｔ５のパルス周期Ｔｆは、ピーク立上り期間Ｔup、ピーク期間Ｔｐ、ピーク立下り期間Ｔdw及びベース期間Ｔｂから形成される。ところで、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。ただし、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及びピーク立下り期間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の平均値が溶接電流平均値Ｉavとなり、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗの平均値が溶接電圧平均値Ｖavとなる。さらに、同図（Ｂ）に示すように、ピーク電圧Ｖｐの平均値がピーク電圧平均値Ｖpaとなる。
【０００７】
パルスアーク溶接のアーク長制御は、以下のように行われる。すなわち、平均アーク長と上記の溶接電圧平均値Ｖav又はピーク電圧平均値Ｖpaとは、略比例関係にあるので、溶接中のアーク長を溶接電圧平均値Ｖav又はピーク電圧平均値Ｖpaによって検出することができる。そして、これらの検出値が目標値と略等しくなるように、パルス周期Ｔｆ、ピーク期間Ｔｐ、ピーク電流Ｉｐ又はベース電流Ｉｂの少なくとも１つ以上を変化させて溶接電流平均値Ｉavを変化させることによって、溶融速度を変化させてアーク長を適正値に制御する。したがって、従来技術のアーク長制御方法では、上記の溶接電圧平均値Ｖav又はピーク電圧平均値Ｖpaによってアーク長を正確に検出することが、良好なアーク長制御の前提条件となっている。したがって、アーク長の検出に誤差が生じると、アーク長を精密に制御することはできない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、従来技術では、溶接電圧Ｖｗを検出し、この溶接電圧検出値Ｖｄを入力として溶接電圧平均値Ｖav又はピーク電圧平均値Ｖpaを算出して、アーク長を検出する。しかしながら、後述するように、溶接中には外乱となる種々のアーク現象がランダムに発生しており、これらのアーク現象に起因して溶接電圧Ｖｗに異常電圧が重畳されることがある。本来、この異常電圧は、アーク長とは何ら関係しない電圧であるために、異常電圧が重畳した溶接電圧Ｖｗによってはアーク長を正確に検出することはできない。このようにアーク長を誤検出するると、アーク長を適正値に維持することができないために、溶接中にアーク長が大きく変動することになり、溶け込み深さ、ビード外観等の重要な溶接品質が悪くなる。一般的に、上記の異常電圧の発生は、シールドガス中に酸化性成分が少ないほど顕著である。したがって、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスを主成分とするシールドガスを使用するパルスＭＩＧ溶接では、異常電圧の発生頻度が高く、アーク長の誤検出の悪影響は大きくなる。以下、アルミニウム合金のパルスＭＩＧ溶接において、異常電圧が発生する３つの典型的な例について説明する。
【０００９】
▲１▼ 短絡開放直後の陰極点形成に伴う異常電圧
図２は、ベース期間中に微小短絡が発生したときの電圧・電流波形図であり、同図（Ａ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
前述したように、パルスアーク溶接では、１回のピーク電流の通電によって１パルス１溶滴移行するように、ピーク期間を設定する。したがって、同図に示すように、溶滴移行は、ピーク期間終了時点（時刻ｔ１）の直後に行われることが多い。この溶滴移行時において、溶接ワイヤ先端の溶滴と母材とが短時間接触（以下、微小短絡という）することがある。同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ２において短絡が発生し短時間後の時刻ｔ３において短絡が開放されると、その直後の時刻ｔ３〜ｔ４の間は、点線で示す通常値よりも非常に大きな値の異常電圧が重畳することがある。この理由は、時刻ｔ２の短絡によってアークがいったん消滅し、時刻ｔ３においてアークが再点弧する。この再点弧時には、陰極点は溶接ワイヤ直下の最短距離となる溶融池上に形成される。しかし、溶融池表面の酸化皮膜は通常既にクリーニングされているために、陰極点は酸化皮膜のない部分に形成されることになる。このために、陰極降下電圧値が非常に大きな値となり、異常電圧として重畳することになる。この陰極降下電圧値は、アーク長とは比例関係にないために、異常電圧が重畳した溶接電圧Ｖｗによっては、アーク長を正しく検出することができない。陰極降下電圧値は、母材の酸化皮膜のクリーニング状態、陰極点の形成位置等によって影響されるので、その値が小さく発生期間も短い場合もある。また、逆に、その値が大きく発生期間も長い場合もある。同図（Ａ）に示すように、異常電圧は、ベース期間中だけでなくピーク期間にかけても発生するために、溶接電圧平均値及びピーク電圧平均値によっても、アーク長を正しく検出することができない。
【００１０】
▲２▼ 長期短絡に伴う異常電圧
図３は、ベース期間中に長期短絡が発生したときの電圧・電流波形図であり、同図（Ａ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
送給速度、溶滴形成状態、溶融池振動等に起因して溶接ワイヤ先端の非溶融部が母材と短絡すると、非溶融部を溶断してアークを再点弧するには、数十［ms］の長期間が必要となる場合がある。この長期短絡は、ベース期間中に多く発生するが、ピーク期間中にも発生する。同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２の期間中に長期短絡が発生すると、この期間中の溶接電圧値Ｖｗは数［Ｖ］程度の非常に低い異常電圧となる。時刻ｔ２において短絡が開放されると、時刻ｔ２〜ｔ３の間、上記▲１▼項と同様の異常電圧が発生する。また、同図（Ｂ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２の長期短絡期間中は、前述したように、非溶融部の溶断を促進するために、通常値よりも大きな値のベース電流を通電するのが通常である。同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２の長期短絡期間中の異常電圧は、点線で示す通常値よりも非常に低い値であり、かつアーク長とは関係しない値であるために、この異常電圧を含む溶接電圧平均値及びピーク電圧平均値によっては、アーク長を正しく検出することはできない。
【００１１】
▲３▼ ベース期間中の陰極点の移動に伴う異常電圧
図４は、ベース期間中に陰極点が移動したときの電圧・電流波形図であり、同図（Ａ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
前述したように、ベース電流値は数十［Ａ］と低いために、アークの指向性が弱くなり、ベース期間中の陰極点は酸化皮膜を求めて移動しやすい。そして、陰極点が移動して新たに形成されるときに、母材表面の酸化皮膜の状態によって上記の陰極降下電圧値が変動することによって、溶接電圧Ｖｗに異常電圧が重畳する場合が生じる。同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２の期間中に陰極点が移動すると、この期間中の溶接電圧値Ｖｗは変動して異常電圧となる。この異常電圧は、点線で示す通常値から大きく変動しており、かつアーク長とは関係しない値であるために、この異常電圧を含む溶接電圧平均値によっては、アーク長を正しく検出することはできない。
【００１２】
上述したように、種々のアーク現象に伴ってアーク長とは関係のない異常電圧が発生すると、この異常電圧を含む溶接電圧平均値又はピーク電圧平均値によっては、アーク長を正確に検出することができない。このために、従来技術では、異常電圧が発生すると溶接中のアーク長が変動して、溶接品質が悪化していた。この現象はパルスＭＩＧ溶接において顕著であるが、パルスＭＡＧ溶接においても発生する。すなわち、パルスアーク溶接全般に発生する問題である。
【００１３】
そこで、本発明では、上記の異常電圧が発生しても正確にアーク長を検出することによって、アーク長を常に適正値に維持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。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、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を通電し続けてピーク期間Ｔｐ中は上記ピーク電流Ｉｐを通電し続けてピーク立下り期間Ｔdw中は上記ピーク電流Ｉｐから上記ベース電流Ｉｂへと下降する遷移電流を通電し続けてベース期間Ｔｂ中は上記ベース電流Ｉｂを通電しこれらの通電をパルス周期Ｔｆとして繰り返して通電すると共に、溶接電圧の平均値Ｖavが予め定めた電圧設定値Ｖｓと略等しくなるように上記パルス周期Ｔｆ又は上記ピーク期間Ｔｐ又は上記ピーク電流Ｉｐ又は上記ベース電流Ｉｂの少なくとも１つ以上を制御してアーク長を適正値に維持するパルスアーク溶接のアーク長制御方法において、
溶接電圧Ｖｗを検出し、この溶接電圧検出値Ｖｄを入力として予め定めた基準電圧波形を中心電圧値Ｖｃとする予め定めた変動範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限することによって溶接電圧制限値Ｖftを算出し、この溶接電圧制限値Ｖftを入力として上記溶接電圧平均値Ｖavを算出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。
【００１５】
請求項２の発明は、第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)の開始時点に、ピーク期間Ｔｐ中のみの溶接電圧制限値Ｖftを過去所定期間にわたり移動平均してピーク電圧移動平均値Ｖprを算出すると共に、ベース期間Ｔｂ中のみの上記溶接電圧制限値Ｖftを上記過去所定期間にわたり移動平均してベース電圧移動平均値Ｖbrを算出し、
ピーク立上り期間Ｔup中は上記ベース電圧移動平均値Ｖbrから上記ピーク電圧移動平均値Ｖprへと上昇する遷移電圧となりそれに続く上記ピーク期間Ｔｐ中は上記ピーク電圧移動平均値Ｖbrとなりそれに続くピーク立下り期間Ｔdw中は上記ピーク電圧移動平均値Ｖprから上記ベース電圧移動平均値Ｖbrへと下降する遷移電圧となりそれに続く上記ベース期間Ｔｂ中は上記ベース電圧移動平均値Ｖbrとなる基準電圧波形を算出することを特徴とする請求項１記載のパルスアーク溶接のアーク長制御方法である。
【００１６】
請求項３の発明は、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を通電し続けてピーク期間Ｔｐ中は上記ピーク電流Ｉｐを通電し続けてピーク立下り期間Ｔdw中は上記ピーク電流Ｉｐから上記ベース電流Ｉｂへと下降する遷移電流を通電し続けてベース期間Ｔｂ中は上記ベース電流Ｉｂを通電しこれらの通電をパルス周期Ｔｆとして繰り返して通電すると共に、上記ピーク期間Ｔｐ中のピーク電圧の平均値Ｖpaが予め定めた電圧設定値Ｖｓと略等しくなるように上記パルス周期Ｔｆ又は上記ピーク期間Ｔｐ又は上記ピーク電流Ｉｐ又は上記ベース電流Ｉｂの少なくとも１つ以上を制御してアーク長を適正値に維持するパルスアーク溶接のアーク長制御方法において、
ピーク電圧Ｖｐを検出し、このピーク電圧検出値Ｖpdを入力として予め定めた基準ピーク電圧値Ｖpcを中心値とする予め定めた変動範囲Ｖｐｃ±ΔＶｃ内に制限することによってピーク電圧制限値Ｖpfを算出し、このピーク電圧制限値Ｖpfを入力として上記ピーク電圧平均値Ｖpaを算出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。
【００１７】
請求項４の発明は、第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)の開始時点に、ピーク電圧制限値Ｖpfを過去所定期間にわたり移動平均してピーク電圧移動平均値Ｔprを算出し、このピーク電圧移動平均値Ｔprを基準ピーク電圧値Ｖpcとして設定することを特徴とする請求項３記載のパルスアーク溶接のアーク長制御方法である。
【００１８】
請求項５の発明は、ピーク立上り期間Ｔup中は電極プラス極性でベース電流Ｉｂからピーク電流Ｉｐへと上昇する遷移電流を通電し続けてピーク期間Ｔｐ中は電極プラス極性で上記ピーク電流Ｉｐを通電し続けてピーク立下り期間Ｔdw中は電極プラス極性で上記ピーク電流Ｉｐから上記ベース電流Ｉｂへと下降する遷移電流を通電し続けて電極マイナス期間Ｔenの開始時点において極性が切り換えられると上記ベース電流Ｉｂから電極マイナス極性の電極マイナス電流へと急峻に変化しこの電極マイナス期間Ｔen中は上記電極マイナス電流を通電し続けてベース期間Ｔｂの開始時点において極性が切り換えられると上記電極マイナス電流から電極プラス極性の上記ベース電流Ｉｂへと急峻に変化しこのベース期間Ｔｂ中は上記ベース電流Ｉｂを通電し、これらの通電をパルス周期Ｔｆとして繰り返して通電すると共に、溶接電圧Ｖｗの絶対値の平均値Ｖavが予め定めた電圧設定値Ｖｓと略等しくなるように上記パルス周期Ｔｆ又は上記ピーク期間Ｔｐ又は上記ピーク電流Ｉｐ又は上記ベース電流Ｉｂの少なくとも１つ以上を制御してアーク長を適正値に維持するパルスアーク溶接のアーク長制御方法において、
溶接電圧Ｖｗを検出し、この溶接電圧検出値Ｖｄを入力として予め定めた基準電圧波形を中心電圧値Ｖｃとする予め定めた変動範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限することによって溶接電圧制限値Ｖftを算出し、この溶接電圧制限値Ｖftを入力として上記溶接電圧Ｖｗの絶対値の平均値Ｖavを算出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。
【００１９】
請求項６の発明は、第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)の開始時点に、ピーク期間Ｔｐ中のみの溶接電圧制限値Ｖftを過去所定期間にわたり移動平均して正の値のピーク電圧移動平均値Ｖprを算出しかつ電極マイナス期間Ｔen中のみの上記溶接電圧制限値Ｖftを上記過去所定期間にわたり移動平均して負の値の電極マイナス電圧移動平均値Ｖerを算出しかつベース期間Ｔｂ中のみの上記溶接電圧制限値Ｖftを上記過去所定期間にわたり移動平均して正の値のベース電圧移動平均値Ｖbrを算出し、ピーク立上り期間Ｔup中は上記ベース電圧移動平均値Ｖbrから上記ピーク電圧移動平均値Ｖprへと上昇する遷移電圧となりそれに続く上記ピーク期間Ｔｐ中は上記ピーク電圧移動平均値Ｖprとなりそれに続くピーク立下り期間Ｔdw中は上記ピーク電圧移動平均値Ｖprから上記ベース電圧移動平均値Ｖbrへと下降する遷移電圧となりそれに続く上記電極マイナス期間Ｔenの開始時点において上記ベース電圧移動平均値Ｖbrから上記電極マイナス電圧移動平均値Ｖerへと急峻に変化しこの電極マイナス期間Ｔen中は上記電極マイナス電圧移動平均値Ｖerとなりそれに続く上記ベース期間Ｔｂの開始時点において上記電極マイナス電圧移動平均値Ｖerから上記ベース電圧移動平均値Ｖbrへと急峻に変化しこのベース期間Ｔｂ中は上記ベース電圧移動平均値Ｖbrとなる基準電圧波形を算出することを特徴とする請求項５記載のパルスアーク溶接のアーク長制御方法である。
【００２０】
【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］
アーク長は、パルス周期ごとの溶接ワイヤの送給量と溶融量との差だけわずかに変化する。したがって、図２〜４で前述した異常電圧のようにパルス周期中に急激に変化する電圧値は、アーク長とは比例関係にない電圧である。アーク長に比例する電圧値のパルス周期中の変動範囲は、ピーク電圧値Ｖｐ及びベース電圧値Ｖｂの基準電圧値から数［Ｖ］程度となる。すなわち、溶接電圧Ｖｗの内、基準電圧値から数［Ｖ］程度の変動範囲内の電圧値のみが、アーク長と略比例しており、この変動範囲外の電圧値はアーク長とは比例関係にない異常電圧となる。したがって、実施例１の発明では、基準電圧波形を予め設定しておき、溶接電圧Ｖｗを検出し、この溶接電圧検出値Ｖｄを入力として上記の基準電圧波形を中心電圧値Ｖｃとする予め定めた変動範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限して溶接電圧制限値Ｖftを算出し、この溶接電圧制限値Ｖftを入力として溶接電圧平均値Ｖavを算出する。そして、この溶接電圧制限値Ｖftに基づく溶接電圧平均値Ｖavが電圧設定値Ｖｓと略等しくなるように、パルス周期、ピーク期間、ピーク電流又はベース電流の少なくとも１つ以上を制御して、アーク長を適正値に維持する。
【００２１】
図５は、上記の基準電圧波形の設定方法を示す図である。まず、溶接ワイヤの種類、送給速度等の溶接条件に応じて、基準ピーク電圧値Ｖpc、基準ベース電圧値Ｖbc及び変動範囲ΔＶｃを、実験等によって予め設定する。そして、同図に示すように、ピーク立上り期間Ｔupの開始時点を０［ｓ］とする経過時間ｔによって、下式のように基準電圧波形が定義される。
０≦ｔ＜Ｔup
Ｖｃ＝（（Ｖpc−Ｖbc）／Ｔup）・ｔ＋Ｖbc （11）式
Ｔup≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ
Ｖｃ＝Ｖpc （12）式
Ｔup＋Ｔｐ≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw
Ｖｃ＝（（Ｖbc−Ｖpc）／Ｔdw）・（ｔ−Ｔup−Ｔｐ）＋Ｖpc （13）式
Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw＋Ｔｂ
Ｖｃ＝Ｖbc （14）式
【００２２】
上式において、例えば、同図に示すように、経過時間ｔａにおける溶接電圧検出値がＶd1［Ｖ］であったとする。経過時間ｔａは、Ｔup＋Ｔｐ≦ｔａ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdwのときであるので、上記（13）式に代入して、基準電圧波形の中心電圧値Ｖc1［Ｖ］は以下となる。
Ｖｃ1＝（（Ｖbc−Ｖpc）／Ｔdw）・（ｔａ−Ｔup−Ｔｐ）＋Ｖpc
したがって、経過時間ｔａのときの溶接電圧検出値Ｖd1を、変動範囲Ｖｃ１±ΔＶｃ内に制限する。すなわち、Ｖd1≧Ｖc1＋ΔＶｃのときにはＶd1＝Ｖｃ＋ΔＶｃに制限され、Ｖd1≦Ｖc1−ΔＶｃのときにはＶd1＝Ｖｃ−ΔＶｃに制限される。このようにして算出された溶接電圧制限値Ｖftを入力として、溶接電圧平均値Ｖavが算出される。
【００２３】
図６は、図２で前述した短絡開放直後の陰極点形成に伴う異常電圧発生時の電圧形図である。同図（Ａ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧制限値Ｖftの時間変化を示す。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは基準電圧波形を中心電圧値Ｖｃとする変動範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限される。この結果、時刻ｔ２〜ｔ３の短絡期間中の溶接電圧制限値Ｖft＝Ｖｃ−ΔＶｃとなり、時刻ｔ３〜ｔ４の異常電圧発生期間中の溶接電圧制限値Ｖft＝Ｖｃ＋ΔＶｃとなる。このように、異常電圧の影響を小さくすることができるので、安定したアーク長制御が可能となる。また、前述した図３〜４のときも同様に、異常電圧の影響を小さくすることができる。
【００２４】
図７は、上述した実施例１の発明を実施するための溶接電源装置ＰＳ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、溶接に適した溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力する。溶接ワイヤ１は、送給ロール５によって、溶接トーチ４を通って送給されて、母材２との間でアーク３が発生して、溶接が行われる。
【００２５】
電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して、溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する。基準電圧波形記憶回路ＶＣは、前述した（11）〜（14）式で定義される基準電圧波形を記憶し、後述する経過時間信号Ｓｔに対応する中心電圧値信号Ｖｃを出力する。変動範囲設定回路ΔＶＣは、予め定めた変動範囲信号ΔＶｃを出力する。制限フィルタ回路ＦＴは、上記の溶接電圧検出信号Ｖｄを入力として、上記の中心電圧値からの変動範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限して、溶接電圧制限値信号Ｖftを出力する。平均値算出回路ＶＡＶは、上記の溶接電圧制限値信号Ｖftを入力として平均値を算出し、溶接電圧平均値信号Ｖavを出力する。
【００２６】
電圧設定回路ＶＳは、予め定めた電圧設定信号Ｖｓを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の溶接電圧平均値信号Ｖavと電圧設定信号Ｖｓとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。電圧・周波数変換回路Ｖ／Ｆは、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖの値に比例した周波数に変換し、その周波数（パルス周期）ごとに短時間Ｈｉｇｈレベルとなるパルス周期信号Ｔｆを出力する。経過時間計数回路ＳＴは、上記のパルス周期信号ＴｆがＨｉｇｈレベルに変化した時点（ピーク立上り期間の開始時点）からの経過時間を計数して、経過時間信号Ｓｔを出力する。
【００２７】
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。電流制御設定回路ＩＳＣは、上記の経過時間信号Ｓｔを入力として、ピーク立上り期間中は上記のベース電流設定信号Ｉbsから上記のピーク電流設定信号Ｉpsへと上昇する電流制御設定信号Ｉscを出力し、その後のピーク期間Ｔｐ中は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、その後のピーク立下り期間Ｔdw中は上記のピーク電流設定信号Ｉpsから上記のベース電流設定信号Ｉbsへと下降する電流制御設定信号Ｉscを出力し、その後のベース期間Ｔｂ中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。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。この結果、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。
【００２８】
上述した溶接電源装置ＰＳによって、溶接電圧Ｖｗを基準電圧波形を中心電圧値Ｖｃとする変動範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限して溶接電圧制限値信号Ｖftを算出し、この信号から溶接電圧平均値信号Ｖavを算出する。そして、この溶接電圧平均値信号Ｖavが電圧設定信号Ｖｓと略等しくなるように、パルス周期信号Ｔｆを制御する。また、上記の溶接電圧平均値信号Ｖavと電圧設定信号Ｖｓとが略等しくなるように、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖに基づいて、ピーク期間、ピーク電流又はベース電流を制御してもよい。
【００２９】
上記においては、変動範囲をＶｃ±ΔＶｃとしたが、プラス側の範囲＋ΔＶc1とマイナス側の範囲−ΔＶc2とを異なった値に設定してもよい。変動範囲ΔＶｃの値の一例を示すと、アルミニウム合金のパルスＭＩＧ溶接ではΔＶｃ＝１．５［Ｖ］程度となり、鉄鋼のパルスＭＡＧ溶接ではΔＶｃ＝２［Ｖ］程度となる。
【００３０】
［実施例２］
実施例２の発明は、上述した実施例１の発明において、基準電圧波形を溶接中に自動的に算出するものであり、以下、その算出方法について説明する。
図８は、基準電圧波形の算出方法を説明するための溶接電圧制限値Ｖftの時間変化を示す図である。同図において、現時点は時刻ｔｎであり、第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)の開始時点である。また、第ｎ−１回目のパルス周期Ｔｆ(n-1)におけるピーク期間のみの溶接電圧制限値の平均値がピーク電圧制限値Ｖpf(n-1)であり、ベース期間のみの溶接電圧制限値の平均値がベース電圧制限値Ｖbf(n-1)である。同様に、第ｎ−ｍ回目のパルス周期Ｔｆ(n-m)におけるピーク期間のみの溶接電圧制限値の平均値がピーク電圧制限値Ｖpf(n-m)であり、ベース期間のみの溶接電圧制限値の平均値がベース電圧制限値Ｖbf(n-m)である。
【００３１】
時刻ｔｎにおいて、上記の第(ｎ-1)〜第(n-m)回目のピーク電圧制限値Ｖpfを入力として、下式のようにピーク電圧移動平均値Ｖpr(n)を算出する。
Ｖpr(n)＝（Ｖpf(n-1)＋…＋Ｖpf(n-m)）／ｍ （21）式
同様に、時刻ｔｎにおいて、上記の第(ｎ-1)〜第(n-m)回目のベース電圧制限値Ｖbfを入力として、下式のようにベース電圧移動平均値Ｖbr(n)を算出する。
Ｖbr(n)＝（Ｖbf(n-1)＋…＋Ｖbf(n-m)）／ｍ （22）式
【００３２】
そして、前述した（11）〜（14）式において、基準ピーク電圧値Ｖpcに上記のピーク電圧移動平均値Ｖprを代入し、かつ、基準ベース電圧値Ｖbcに上記のベース電圧移動平均値Ｖbrを代入すると、下式のように第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)中の基準電圧波形が定義される。
０≦ｔ＜Ｔup
Ｖｃ(n)＝（（Ｖpr(n）−Ｖbr(n)）／Ｔup）・ｔ＋Ｖbr(n) （31）式
Ｔup≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ
Ｖｃ(n)＝Ｖpr(n) （32）式
Ｔup＋Ｔｐ≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw
Ｖｃ(n)＝（（Ｖbr(n)−Ｖpr(n)）／Ｔdw）・（ｔ−Ｔup−Ｔｐ）＋Ｖpr(n)（33）式
Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw＋Ｔｂ
Ｖｃ(n)＝Ｖbr(n) （34）式
【００３３】
上述したように、パルス周期の開始時点ごとに、上記のピーク電圧移動平均値Ｖpr及びベース電圧移動平均値Ｖbrを算出し、上記（31）式〜（34）式によって基準電圧波形が自動設定される。この動作以外は、前述した実施例１の発明と同様であるので、説明は省略する。
【００３４】
上記において、ピーク電圧移動平均値Ｖprを算出するときに、ピーク電圧制限値Ｖpfを重み付け移動平均して算出してもよい。同様に、ベース電圧移動平均値Ｖbrを算出するときに、ベース電圧制限値Ｖbfを重み付け移動平均して算出してもよい。また、移動平均する期間の長さは、過去数周期〜数十周期程度に設定する。
【００３５】
図９は、上述した実施例２の発明を実施するための溶接電源装置ＰＳのブロック図である。同図において、前述した図７と同一の回路ブロックには同一符号を付して、それらの説明は省略する。以下、図７とは異なる点線で示す回路ブロックについて、同図を参照して説明する。
移動平均値算出回路ＶＲＡは、溶接電圧制限値信号Ｖft及び経過時間信号Ｓｔを入力として、上記（21）式及び（22）式の演算を行い、ピーク電圧移動平均値信号Ｖpr及びベース電圧移動平均値信号Ｖbrを出力する。第２の基準電圧波形記憶回路ＶＣ２は、上記のピーク電圧移動平均値信号Ｖpr、ベース電圧移動平均値信号Ｖbr及び経過時間信号Ｓｔを入力として、前述した（31）式〜（34）式で定義される基準電圧波形を記憶し、経過時間信号Ｓｔに対応する中心電圧値信号Ｖｃを出力する。
【００３６】
［実施例３］
実施例３の発明は、ピーク電圧Ｖｐを検出し、このピーク電圧検出値Ｖpdを入力として基準ピーク電圧値Ｖpcを中心値とする変動範囲Ｖｐｃ±ΔＶｃ内に制限してピーク電圧制限値Ｖpfを算出し、このピーク電圧制限値Ｖpfを入力としてピーク電圧平均値Ｖpaを算出する。そして、このピーク電圧平均値Ｖpaが電圧設定値Ｖｓと略等しくなるように、パルス周期、ピーク期間、ピーク電流又はベース電流の少なくとも１つ以上を制御して、アーク長を適正値に維持する。上記の基準ピーク電圧値Ｖpc及び変動範囲ΔＶｃは、溶接ワイヤの種類、送給速度等の溶接条件に応じて適正値に予め設定する。
【００３７】
図１０は、実施例３の発明を実施するための溶接電源装置ＰＳのブロック図である。同図において、前述した図７と同一の回路ブロックには同一符号を付して、それらの説明は省略する。以下、図７とは異なる点線で示す回路ブロックについて、同図を参照して説明する。
【００３８】
ピーク電圧検出回路ＶＰＤは、ピーク期間中の溶接電圧Ｖｗを検出して、ピーク電圧検出信号Ｖpdを出力する。基準ピーク電圧設定回路ＶＰＣは、予め定めた基準ピーク電圧値信号Ｖpcを出力する。ピーク電圧制限フィルタ回路ＶＰＦは、上記のピーク電圧検出信号Ｖpdを入力として、上記の基準ピーク電圧値信号Ｖpcを中心値とする変動範囲Ｖｐｃ±ΔＶｃ内に制限して、ピーク電圧制限値信号Ｖpfを出力する。ピーク電圧平均値算出回路ＶＰＡは、上記のピーク電圧制限値信号Ｖpfを入力として平均値を算出し、ピーク電圧平均値信号Ｖpaを出力する。
【００３９】
［実施例４］
実施例４の発明は、上述した実施例３の発明において、基準ピーク電圧値Ｖpcを溶接中に自動的に算出するものである。この算出方法は、前述した図８と同様に、ピーク電圧制限値Ｖpfを入力として、上記（21）式によってピーク電圧移動平均値Ｖprを算出し、これを基準ピーク電圧値Ｖpcとして設定する。
【００４０】
図１１は、実施例４の発明を実施するための溶接電源装置ＰＳのブロック図である。同図において、前述した図１０と同一の回路ブロックには同一符号を付して、それらの説明は省略する。以下、図１０とは異なる点線で示す回路ブロックについて、同図を参照して説明する。
【００４１】
ピーク電圧移動平均値算出回路ＶＰＲは、ピーク電圧制限値信号Ｖpf及び経過時間信号Ｓｔを入力として、上記（21）式の演算を行い、ピーク電圧移動平均値信号Ｖprを出力する。第２の基準ピーク電圧設定回路ＶＰＣ２は、上記のピーク電圧移動平均値信号Ｖprを基準ピーク電圧値信号Ｖpcとして出力する。
【００４２】
［実施例５］
実施例５の発明は、前述した実施例１の発明を交流パルスアーク溶接方法に適用したものである。消耗電極式の交流パルスアーク溶接方法では、図１で前述した出力波形において、消耗電極（溶接ワイヤ）に印加される電圧の極性を一部の期間のみ反転させて交流出力とする溶接方法である。具体的には，図１のピーク立下り期間Ｔdwとベース期間Ｔｂとの間に、電極マイナス極性に反転させた電極マイナス期間Ｔenを挿入し、この期間中は電極マイナス電流を通電する。これ以外にも、上記の電極マイナス期間Ｔenをベース期間Ｔｂとピーク立上り期間Ｔupとの間に挿入する場合、又はベース期間Ｔｂの途中の一部期間を電極マイナス期間Ｔenとする場合等が従来からある。請求項５又は６に係る発明には上記の３つの場合が全て含まれるが、以下の説明では上記の第１の場合について例示する。
【００４３】
図１２は、実施例５における基準電圧波形の設定方法を示す図である。まず、溶接ワイヤの種類、送給速度等の溶接条件に応じて、基準ピーク電圧値Ｖpc、基準ベース電圧値Ｖbc、基準電極マイナス電圧値Ｖec及び変動範囲ΔＶｃを、実験等によって予め設定する。そして、同図に示すように、ピーク立上り期間Ｔupの開始時点を０［ｓ］とする経過時間ｔによって、下式のように基準電圧波形が定義される。
０≦ｔ＜Ｔup
Ｖｃ＝（（Ｖpc−Ｖbc）／Ｔup）・ｔ＋Ｖbc （411）式
Ｔup≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ
Ｖｃ＝Ｖpc （42）式
Ｔup＋Ｔｐ≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw
Ｖｃ＝（（Ｖbc−Ｖpc）／Ｔdw）・（ｔ−Ｔup−Ｔｐ）＋Ｖpc （43）式
Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw＋Ｔen
Ｖｃ＝Ｖec （44）式
Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw＋Ｔen≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw＋Ｔen＋Ｔｂ
Ｖｃ＝Ｖbc （45）式
【００４４】
例えば、同図に示すように、経過時間ｔa2における溶接電圧検出値がＶd2［Ｖ］であったとする。経過時間ｔa2は、Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw≦ｔa2＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw＋Ｔenのときであるので、上記（44）式に代入して、基準電圧波形の中心電圧値Ｖc2［Ｖ］＝Ｖecとなる。したがって、実施例５の発明では、経過時間ｔa2のときの溶接電圧検出値Ｖd2を変動範囲Ｖｃ２±ΔＶｃ内に制限する。すなわち、Ｖd2≧Ｖc2＋ΔＶｃのときにはＶd2＝Ｖc2＋ΔＶｃに制限され、Ｖd2≦Ｖc2−ΔＶｃのときにはＶd2＝Ｖc2−ΔＶｃに制限される。このようにして算出された溶接電圧制限値Ｖftを入力として、交流出力であるのでその絶対値を平均化して溶接電圧平均値Ｖavが算出される。
【００４５】
図１３は、交流パルスアーク溶接において電極マイナス期間中に異常電圧が発生したときの電圧波形図である。同図（Ａ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧制限値Ｖftの時間変化を示す。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは基準電圧波形を中心電圧値Ｖｃとする変動範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限される。この結果、時刻ｔ１〜ｔ２の異常電圧発生期間の溶接電圧制限値Ｖft＝Ｖｃ−ΔＶｃ＝Ｖec−ΔＶｃとなる。このように、異常電圧の影響を小さくすることができるので、安定したアーク長制御が可能となる。
【００４６】
図１４は、上述した実施例５の発明を実施するための溶接電源装置ＰＳ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。
第２出力制御回路ＩＮＶ２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等による出力制御を行いアーク負荷に適した直流電圧を生成し、後述する極性切換信号Ｓｐに従って２次側インバータ回路によって上記直流電圧を交流電圧に変換して交流の溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力する。上記の極性切換信号ＳｐがＨｉｇｈレベルのときには溶接電源装置の出力は電極プラス極性となり、Ｌｏｗレベルのときには電極マイナス極性となる。溶接ワイヤ１は、送給ロール５によって、溶接トーチ４を通って送給されて、母材２との間でアーク３が発生して、溶接が行われる。
【００４７】
第２電圧検出回路ＶＤ２は、交流の溶接電圧Ｖｗを検出して、交流の溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する。第３基準電圧波形記憶回路ＶＣ３は、前述した（41）〜（45）式で定義される基準電圧波形を記憶し、後述する経過時間信号Ｓｔに対応する中心電圧値信号Ｖｃを出力する。変動範囲設定回路ΔＶＣは、予め定めた変動範囲信号ΔＶｃを出力する。制限フィルタ回路ＦＴは、上記の溶接電圧検出信号Ｖｄを入力として、上記の中心電圧値からの変動範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限して、溶接電圧制限値信号Ｖftを出力する。第２平均値算出回路ＶＡ２は、上記の溶接電圧制限値信号Ｖftを入力として、その絶対値を平均化し、溶接電圧平均値信号Ｖavを出力する。
【００４８】
電圧設定回路ＶＳは、予め定めた電圧設定信号Ｖｓを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の溶接電圧平均値信号Ｖavと電圧設定信号Ｖｓとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。電圧・周波数変換回路Ｖ／Ｆは、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖの値に比例した周波数に変換し、その周波数（パルス周期）ごとに短時間Ｈｉｇｈレベルとなるパルス周期信号Ｔｆを出力する。経過時間計数回路ＳＴは、上記のパルス周期信号ＴｆがＨｉｇｈレベルに変化した時点（ピーク立上り期間の開始時点）からの経過時間を計数して、経過時間信号Ｓｔを出力する。
【００４９】
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。電極マイナス電流設定回路ＩＥＳは、予め定めた電極マイナス電流設定信号Ｉesを出力する。第２電流制御設定回路ＩＳＣ２は、上記の経過時間信号Ｓｔを入力として、ピーク立上り期間中は上記のベース電流設定信号Ｉbsから上記のピーク電流設定信号Ｉpsへと上昇する電流制御設定信号Ｉscを出力し、その後のピーク期間Ｔｐ中は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、その後のピーク立下り期間Ｔdw中は上記のピーク電流設定信号Ｉpsから上記のベース電流設定信号Ｉbsへと下降する電流制御設定信号Ｉscを出力し、その後の電極マイナス期間Ｔen中は上記の電極マイナス電流設定信号Ｉesを電流制御設定信号Ｉscとして出力し、その後のベース期間Ｔｂ中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。第２電流検出回路ＩＤ２は、交流の溶接電流Ｉｗを検出してその絶対値を求めて、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。この結果、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。極性切換信号生成回路ＳＰは、上記の経過時間信号Ｓｔを入力として、電極マイナス期間中のみＬｏｗレベルとなる極性切換信号Ｓｐを出力する。
【００５０】
上述した溶接電源装置ＰＳによって、溶接電圧Ｖｗを基準電圧波形を中心電圧値Ｖｃとする変動範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限して溶接電圧制限値信号Ｖftを算出し、この信号から溶接電圧平均値信号Ｖavを算出する。そして、この溶接電圧平均値信号Ｖavが電圧設定信号Ｖｓと略等しくなるように、パルス周期信号Ｔｆを制御する。また、上記の溶接電圧平均値信号Ｖavと電圧設定信号Ｖｓとが略等しくなるように、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖに基づいて、ピーク期間、ピーク電流又はベース電流を制御してもよい。
【００５１】
［実施例６］
実施例６の発明は、上述した実施例５の発明において、基準電圧波形を溶接中に自動的に算出するものであり、以下、その算出方法について説明する。
図１５は、基準電圧波形の算出方法を説明するための溶接電圧制限値Ｖftの時間変化を示す図である。同図において、現時点は時刻ｔｎであり、第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)の開始時点である。また、第ｎ−１回目のパルス周期Ｔｆ(n-1)におけるピーク期間のみの溶接電圧制限値の平均値がピーク電圧制限値Ｖpf(n-1)であり、ベース期間のみの溶接電圧制限値の平均値がベース電圧制限値Ｖbf(n-1)であり、電極マイナス期間のみの溶接電圧制限値の平均値が電極マイナス電圧制限値Ｖef(n-1)である。同様に、第ｎ−ｍ回目のパルス周期Ｔｆ(n-m)におけるピーク期間のみの溶接電圧制限値の平均値がピーク電圧制限値Ｖpf(n-m)であり、ベース期間のみの溶接電圧制限値の平均値がベース電圧制限値Ｖbf(n-m)であり、電極マイナス期間のみの溶接電圧制限値の平均値が電極マイナス電圧制限値Ｖef(n-m)である。
【００５２】
時刻ｔｎにおいて、上記の第(ｎ-1)〜第(n-m)回目のピーク電圧制限値Ｖpfを入力として、下式のようにピーク電圧移動平均値Ｖpr(n)を算出する。
Ｖpr(n)＝（Ｖpf(n-1)＋…＋Ｖpf(n-m)）／ｍ （51）式
同様に、時刻ｔｎにおいて、上記の第(ｎ-1)〜第(n-m)回目のベース電圧制限値Ｖbfを入力として、下式のようにベース電圧移動平均値Ｖbr(n)を算出する。
Ｖbr(n)＝（Ｖbf(n-1)＋…＋Ｖbf(n-m)）／ｍ （52）式
さらに同様に、時刻ｔｎにおいて、上記の第(ｎ-1)〜第(n-m)回目の電極マイナス電圧制限値Ｖefを入力として、下式のように電極マイナス電圧移動平均値Ｖer(n)を算出する。
Ｖer(n)＝（Ｖef(n-1)＋…＋Ｖef(n-m)）／ｍ （53）式
【００５３】
そして、前述した（41）〜（45）式において、基準ピーク電圧値Ｖpcに上記のピーク電圧移動平均値Ｖprを代入し、かつ、基準ベース電圧値Ｖbcに上記のベース電圧移動平均値Ｖbrを代入し、かつ、基準電極マイナス電圧値Ｖecに上記の電極マイナス電圧移動平均値Ｖerを代入すると、下式のように第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)中の基準電圧波形が定義される。
０≦ｔ＜Ｔup
Ｖｃ(n)＝（（Ｖpr(n）−Ｖbr(n)）／Ｔup）・ｔ＋Ｖbr(n) （61）式
Ｔup≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ
Ｖｃ(n)＝Ｖpr(n) （62）式
Ｔup＋Ｔｐ≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw
Ｖｃ(n)＝（（Ｖbr(n)−Ｖpr(n)）／Ｔdw）・（ｔ−Ｔup−Ｔｐ）＋Ｖpr(n)（63）式
Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw＋Ｔen
Ｖｃ(n)＝Ｖer(n) （64）式
Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw＋Ｔen≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw＋Ｔen＋Ｔｂ
Ｖｃ(n)＝Ｖbr(n) （65）式
【００５４】
上述したように、パルス周期の開始時点ごとに、上記のピーク電圧移動平均値Ｖpr、ベース電圧移動平均値Ｖbr及び電極マイナス電圧移動平均値Ｖerを算出し、上記（61）式〜（65）式によって基準電圧波形が自動設定される。この動作以外は、前述した実施例５の発明と同様であるので、説明は省略する。
【００５５】
上記において、ピーク電圧移動平均値Ｖprを算出するときに、ピーク電圧制限値Ｖpfを重み付け移動平均して算出してもよい。同様に、ベース電圧移動平均値Ｖbrを算出するときに、ベース電圧制限値Ｖbfを重み付け移動平均して算出してもよく、電極マイナス電圧移動平均値Ｖerを算出するときに、電極マイナス電圧制限値Ｖefを重み付け移動平均して算出してもよい。また、移動平均する期間の長さは、過去数周期〜数十周期程度に設定する。
【００５６】
図１６は、上述した実施例６の発明を実施するための溶接電源装置ＰＳのブロック図である。同図において、前述した図１４と同一の回路ブロックには同一符号を付して、それらの説明は省略する。以下、図１４とは異なる点線で示す回路ブロックについて、同図を参照して説明する。
【００５７】
第２移動平均値算出回路ＶＲＡ２は、溶接電圧制限値信号Ｖft及び経過時間信号Ｓｔを入力として、上記（51）式〜（53）式の演算を行い、ピーク電圧移動平均値信号Ｖpr、ベース電圧移動平均値信号Ｖbr及び電極マイナス電圧移動平均値信号Ｖerを出力する。第４基準電圧波形記憶回路ＶＣ４は、上記のピーク電圧移動平均値信号Ｖpr、ベース電圧移動平均値信号Ｖbr、電極マイナス電圧移動平均値信号Ｖer及び経過時間信号Ｓｔを入力として、前述した（61）式〜（65）式で定義される基準電圧波形を記憶し、経過時間信号Ｓｔに対応する中心電圧値信号Ｖｃを出力する。
【００５８】
［効果］
以下、本発明の効果について、図面を参照して説明する。
図１７は、アルミニウムのパルスＭＩＧ溶接におけるアーク長の変動範囲を本発明と従来技術とで比較した図である。同図は、溶接ワイヤに直径１．２［mm］のアルミニウムワイヤ（ＪＩＳ Ａ４０４３相当材）を使用し、溶接電流１５０［Ａ］でパルスＭＩＧ溶接を行い、溶接中のアーク長の目標値からの変動範囲を比較したものである。同図から明らかなように、従来技術では、その変動範囲は３±１．５［mm］である。これに対して、本発明では、その変動範囲は３±０．３［mm］であり、従来技術の１／５に大幅に改善された。これは、本発明では、異常電圧がアーク長制御に与える影響を抑制することができるためである。
【００５９】
図１８は、鉄鋼のパルスＭＡＧ溶接におけるスパッタ発生量を本発明と従来技術とで比較した図である。同図は、溶接ワイヤに直径１．２［mm］の軟鋼ワイヤを使用し、溶接電流１５０［Ａ］でパルスＭＡＧ溶接を行い、溶接中のスパッタ発生量を比較したものである。同図から明らかなように、従来技術では、その発生量は１．８［g/min］である。これに対して、本発明では、その発生量は０．３［g/min］であり、従来技術の１／６に大幅に改善された。これは、従来技術では、異常電圧に起因するアーク長の変動によって溶接状態が不安定になりスパッタが多く発生するが、本発明では、異常電圧に起因するアーク長の変動を抑制することができるので、スパッタ発生量を少なくすることができるためである。
【００６０】
【発明の効果】
本発明では、パルスアーク溶接において、溶接電圧検出値又はピーク電圧検出値を、基準電圧波形を中心電圧値とする変動範囲内に制限することによって、異常電圧の影響を抑制することができるので、アーク長の変動が小さくなり、常に良好な溶接品質を得ることができる。
さらに、請求項２、４又は６の発明では、上記の効果に加えて、基準電圧波形を溶接中に自動的に算出することができるので、基準電圧波形は種々な溶接条件に応じて常に適正値に設定される。このために、種々な溶接条件ごとに基準電圧波形を実験等によって予め設定する必要がなく、作業効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術のパルスアーク溶接の電流・電圧波形図である。
【図２】従来技術の短絡開放直後の陰極点形成に伴う異常電圧波形図である。
【図３】従来技術の長期短絡に伴う異常電圧波形図である。
【図４】従来技術のベース期間中の陰極点移動に伴う異常電圧波形図である。
【図５】実施例１の発明における基準電圧波形の設定方法を示す図である。
【図６】実施例１の発明における図２に対応する溶接電圧制限値Ｖftの時間変化を示す図である。
【図７】実施例１の溶接電源装置のブロック図である。
【図８】実施例２の発明における基準電圧波形の算出方法を示す図である。
【図９】実施例２の溶接電源装置のブロック図である。
【図１０】実施例３の溶接電源装置のブロック図である。
【図１１】実施例４の溶接電源装置のブロック図である。
【図１２】実施例５の発明における基準電圧波形の設定方法を示す図である。
【図１３】実施例５の発明における溶接電圧制限値Ｖftの時間変化を示す図である。
【図１４】実施例５の溶接電源装置のブロック図である。
【図１５】実施例６の発明における基準電圧波形の算出方法を示す図である。
【図１６】実施例６の溶接電源装置のブロック図である。
【図１７】本発明の効果を示すアーク長の変動範囲比較図である。
【図１８】本発明の別の効果を示すスパッタ発生量比較図である。
【符号の説明】
１ 溶接ワイヤ
２ 母材
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＶ 電圧誤差増幅回路
Ｅｖ 電圧誤差増幅信号
ＦＴ 制限フィルタ回路
Ｉav 溶接電流平均値（信号）
ＩＢＳ ベース電流設定回路
Ｉbs ベース電流設定信号
ＩＤ 電流検出回路
ＩＤ２ 第２電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＥＳ 電極マイナス電流設定回路
Ｉes 電極マイナス電流設定信号
ＩＮＶ 出力制御回路
ＩＮＶ２ 第２出力制御回路
ＩＰＳ ピーク電流設定回路
Ｉps ピーク電流設定信号
ＩＳＣ 電流制御設定回路
ＩＳＣ２ 第２電流制御設定回路
Ｉsc 電流制御設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＰＳ 溶接電源装置
ＳＰ 極性切換信号生成回路
Ｓｐ 極性切換信号
ＳＴ 経過時間計数回路
Ｓｔ 経過時間信号
Ｔｂ ベース期間
Ｔdw ピーク立下り期間
Ｔen 電極マイナス期間
Ｔｆ パルス周期（信号）
Ｔｐ ピーク期間
Ｔup ピーク立上り期間
Ｖ／Ｆ 電圧・周波数変換回路
ＶＡＶ 平均値算出回路
ＶＡ２ 第２平均値算出回路
Ｖav 溶接電圧平均値（信号）
Ｖｂ ベース電圧
Ｖbc 基準ベース電圧値
Ｖbf ベース電圧制限値
Ｖbr ベース電圧移動平均値（信号）
ＶＣ 基準電圧波形記憶回路
Ｖｃ 基準電圧波形の中心電圧値（信号）
ＶＣ２ 第２の基準電圧波形記憶回路
ＶＣ３ 第３基準電圧波形記憶回路
ＶＣ４ 第４基準電圧波形記憶回路
ＶＤ 電圧検出回路
ＶＤ２ 第２電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖec 基準電極マイナス電圧値
Ｖef 電極マイナス電圧制限値
Ｖer 電極マイナス電圧移動平均値（信号）
Ｖｐ ピーク電圧
ＶＰＡ ピーク電圧平均値算出回路
Ｖpa ピーク電圧平均値（信号）
ＶＰＣ 基準ピーク電圧設定回路
Ｖpc 基準ピーク電圧値（信号）
ＶＰＣ２ 第２の基準ピーク電圧設定回路
ＶＰＤ ピーク電圧検出回路
Ｖpd ピーク電圧検出信号
ＶＰＦ ピーク電圧制限フィルタ回路
Ｖpf ピーク電圧制限値（信号）
ＶＰＲ ピーク電圧移動平均値算出回路
Ｖpr ピーク電圧移動平均値（信号）
ＶＲＡ 移動平均値算出回路
ＶＲＡ２ 第２移動平均値算出回路
ＶＳ 電圧設定回路
Ｖｓ 電圧設定（値／信号）
Ｖｗ 溶接電圧
ΔＶｃ 変動範囲（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、溶接電圧平均値又はピーク電圧平均値が予め定めた目標値と略等しくなるようにパルス周期等を制御してアーク長を適正値に維持するパルスアーク溶接の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、良好な溶接品質を得るためには、溶接中のアーク長を適正値に維持する必要がある。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消耗電極式パルスアーク溶接においては、溶接電圧平均値又はピーク電圧平均値が予め定めた目標値と略等しくなるようにパルス周期等を制御してアーク長を適正値に維持するアーク長制御方法が従来から使用されている。以下、この従来技術の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、パルスアーク溶接の電流・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。以下、同図を参照して説明する。
【０００４】
▲１▼ 時刻ｔ１〜ｔ３の期間
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のピーク期間Ｔｐ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、その後のピーク期間Ｔｐ中は、ピーク電圧Ｖｐが印加する。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の期間
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のベース期間Ｔｂ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、その後のベース期間Ｔｂ中は、ベース電圧Ｖｂが印加する。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］程度の低い値に設定される。
【０００６】
したがって、時刻ｔ１〜ｔ５のパルス周期Ｔｆは、ピーク立上り期間Ｔup、ピーク期間Ｔｐ、ピーク立下り期間Ｔdw及びベース期間Ｔｂから形成される。ところで、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。ただし、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及びピーク立下り期間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の平均値が溶接電流平均値Ｉavとなり、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗの平均値が溶接電圧平均値Ｖavとなる。さらに、同図（Ｂ）に示すように、ピーク電圧Ｖｐの平均値がピーク電圧平均値Ｖpaとなる。
【０００７】
パルスアーク溶接のアーク長制御は、以下のように行われる。すなわち、平均アーク長と上記の溶接電圧平均値Ｖav又はピーク電圧平均値Ｖpaとは、略比例関係にあるので、溶接中のアーク長を溶接電圧平均値Ｖav又はピーク電圧平均値Ｖpaによって検出することができる。そして、これらの検出値が目標値と略等しくなるように、パルス周期Ｔｆ、ピーク期間Ｔｐ、ピーク電流Ｉｐ又はベース電流Ｉｂの少なくとも１つ以上を変化させて溶接電流平均値Ｉavを変化させることによって、溶融速度を変化させてアーク長を適正値に制御する。したがって、従来技術のアーク長制御方法では、上記の溶接電圧平均値Ｖav又はピーク電圧平均値Ｖpaによってアーク長を正確に検出することが、良好なアーク長制御の前提条件となっている。したがって、アーク長の検出に誤差が生じると、アーク長を精密に制御することはできない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、従来技術では、溶接電圧Ｖｗを検出し、この溶接電圧検出値Ｖｄを入力として溶接電圧平均値Ｖav又はピーク電圧平均値Ｖpaを算出して、アーク長を検出する。しかしながら、後述するように、溶接中には外乱となる種々のアーク現象がランダムに発生しており、これらのアーク現象に起因して溶接電圧Ｖｗに異常電圧が重畳されることがある。本来、この異常電圧は、アーク長とは何ら関係しない電圧であるために、異常電圧が重畳した溶接電圧Ｖｗによってはアーク長を正確に検出することはできない。このようにアーク長を誤検出するると、アーク長を適正値に維持することができないために、溶接中にアーク長が大きく変動することになり、溶け込み深さ、ビード外観等の重要な溶接品質が悪くなる。一般的に、上記の異常電圧の発生は、シールドガス中に酸化性成分が少ないほど顕著である。したがって、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスを主成分とするシールドガスを使用するパルスＭＩＧ溶接では、異常電圧の発生頻度が高く、アーク長の誤検出の悪影響は大きくなる。以下、アルミニウム合金のパルスＭＩＧ溶接において、異常電圧が発生する３つの典型的な例について説明する。
【０００９】
▲１▼ 短絡開放直後の陰極点形成に伴う異常電圧
図２は、ベース期間中に微小短絡が発生したときの電圧・電流波形図であり、同図（Ａ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
前述したように、パルスアーク溶接では、１回のピーク電流の通電によって１パルス１溶滴移行するように、ピーク期間を設定する。したがって、同図に示すように、溶滴移行は、ピーク期間終了時点（時刻ｔ１）の直後に行われることが多い。この溶滴移行時において、溶接ワイヤ先端の溶滴と母材とが短時間接触（以下、微小短絡という）することがある。同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ２において短絡が発生し短時間後の時刻ｔ３において短絡が開放されると、その直後の時刻ｔ３〜ｔ４の間は、点線で示す通常値よりも非常に大きな値の異常電圧が重畳することがある。この理由は、時刻ｔ２の短絡によってアークがいったん消滅し、時刻ｔ３においてアークが再点弧する。この再点弧時には、陰極点は溶接ワイヤ直下の最短距離となる溶融池上に形成される。しかし、溶融池表面の酸化皮膜は通常既にクリーニングされているために、陰極点は酸化皮膜のない部分に形成されることになる。このために、陰極降下電圧値が非常に大きな値となり、異常電圧として重畳することになる。この陰極降下電圧値は、アーク長とは比例関係にないために、異常電圧が重畳した溶接電圧Ｖｗによっては、アーク長を正しく検出することができない。陰極降下電圧値は、母材の酸化皮膜のクリーニング状態、陰極点の形成位置等によって影響されるので、その値が小さく発生期間も短い場合もある。また、逆に、その値が大きく発生期間も長い場合もある。同図（Ａ）に示すように、異常電圧は、ベース期間中だけでなくピーク期間にかけても発生するために、溶接電圧平均値及びピーク電圧平均値によっても、アーク長を正しく検出することができない。
【００１０】
▲２▼ 長期短絡に伴う異常電圧
図３は、ベース期間中に長期短絡が発生したときの電圧・電流波形図であり、同図（Ａ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
送給速度、溶滴形成状態、溶融池振動等に起因して溶接ワイヤ先端の非溶融部が母材と短絡すると、非溶融部を溶断してアークを再点弧するには、数十［ms］の長期間が必要となる場合がある。この長期短絡は、ベース期間中に多く発生するが、ピーク期間中にも発生する。同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２の期間中に長期短絡が発生すると、この期間中の溶接電圧値Ｖｗは数［Ｖ］程度の非常に低い異常電圧となる。時刻ｔ２において短絡が開放されると、時刻ｔ２〜ｔ３の間、上記▲１▼項と同様の異常電圧が発生する。また、同図（Ｂ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２の長期短絡期間中は、前述したように、非溶融部の溶断を促進するために、通常値よりも大きな値のベース電流を通電するのが通常である。同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２の長期短絡期間中の異常電圧は、点線で示す通常値よりも非常に低い値であり、かつアーク長とは関係しない値であるために、この異常電圧を含む溶接電圧平均値及びピーク電圧平均値によっては、アーク長を正しく検出することはできない。
【００１１】
▲３▼ ベース期間中の陰極点の移動に伴う異常電圧
図４は、ベース期間中に陰極点が移動したときの電圧・電流波形図であり、同図（Ａ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
前述したように、ベース電流値は数十［Ａ］と低いために、アークの指向性が弱くなり、ベース期間中の陰極点は酸化皮膜を求めて移動しやすい。そして、陰極点が移動して新たに形成されるときに、母材表面の酸化皮膜の状態によって上記の陰極降下電圧値が変動することによって、溶接電圧Ｖｗに異常電圧が重畳する場合が生じる。同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２の期間中に陰極点が移動すると、この期間中の溶接電圧値Ｖｗは変動して異常電圧となる。この異常電圧は、点線で示す通常値から大きく変動しており、かつアーク長とは関係しない値であるために、この異常電圧を含む溶接電圧平均値によっては、アーク長を正しく検出することはできない。
【００１２】
上述したように、種々のアーク現象に伴ってアーク長とは関係のない異常電圧が発生すると、この異常電圧を含む溶接電圧平均値又はピーク電圧平均値によっては、アーク長を正確に検出することができない。このために、従来技術では、異常電圧が発生すると溶接中のアーク長が変動して、溶接品質が悪化していた。この現象はパルスＭＩＧ溶接において顕著であるが、パルスＭＡＧ溶接においても発生する。すなわち、パルスアーク溶接全般に発生する問題である。
【００１３】
そこで、本発明では、上記の異常電圧が発生しても正確にアーク長を検出することによって、アーク長を常に適正値に維持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。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、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を通電し続けてピーク期間Ｔｐ中は上記ピーク電流Ｉｐを通電し続けてピーク立下り期間Ｔdw中は上記ピーク電流Ｉｐから上記ベース電流Ｉｂへと下降する遷移電流を通電し続けてベース期間Ｔｂ中は上記ベース電流Ｉｂを通電しこれらの通電をパルス周期Ｔｆとして繰り返して通電すると共に、溶接電圧の平均値Ｖavが予め定めた電圧設定値Ｖｓと略等しくなるように上記パルス周期Ｔｆ又は上記ピーク期間Ｔｐ又は上記ピーク電流Ｉｐ又は上記ベース電流Ｉｂの少なくとも１つ以上を制御してアーク長を適正値に維持するパルスアーク溶接のアーク長制御方法において、
溶接電圧Ｖｗを検出し、この溶接電圧検出値Ｖｄを入力として予め定めた基準電圧波形を中心電圧値Ｖｃとする予め定めた変動範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限することによって溶接電圧制限値Ｖftを算出し、この溶接電圧制限値Ｖftを入力として上記溶接電圧平均値Ｖavを算出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。
【００１５】
請求項２の発明は、第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)の開始時点に、ピーク期間Ｔｐ中のみの溶接電圧制限値Ｖftを過去所定期間にわたり移動平均してピーク電圧移動平均値Ｖprを算出すると共に、ベース期間Ｔｂ中のみの上記溶接電圧制限値Ｖftを上記過去所定期間にわたり移動平均してベース電圧移動平均値Ｖbrを算出し、
ピーク立上り期間Ｔup中は上記ベース電圧移動平均値Ｖbrから上記ピーク電圧移動平均値Ｖprへと上昇する遷移電圧となりそれに続く上記ピーク期間Ｔｐ中は上記ピーク電圧移動平均値Ｖbrとなりそれに続くピーク立下り期間Ｔdw中は上記ピーク電圧移動平均値Ｖprから上記ベース電圧移動平均値Ｖbrへと下降する遷移電圧となりそれに続く上記ベース期間Ｔｂ中は上記ベース電圧移動平均値Ｖbrとなる基準電圧波形を算出することを特徴とする請求項１記載のパルスアーク溶接のアーク長制御方法である。
【００１６】
請求項３の発明は、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を通電し続けてピーク期間Ｔｐ中は上記ピーク電流Ｉｐを通電し続けてピーク立下り期間Ｔdw中は上記ピーク電流Ｉｐから上記ベース電流Ｉｂへと下降する遷移電流を通電し続けてベース期間Ｔｂ中は上記ベース電流Ｉｂを通電しこれらの通電をパルス周期Ｔｆとして繰り返して通電すると共に、上記ピーク期間Ｔｐ中のピーク電圧の平均値Ｖpaが予め定めた電圧設定値Ｖｓと略等しくなるように上記パルス周期Ｔｆ又は上記ピーク期間Ｔｐ又は上記ピーク電流Ｉｐ又は上記ベース電流Ｉｂの少なくとも１つ以上を制御してアーク長を適正値に維持するパルスアーク溶接のアーク長制御方法において、
ピーク電圧Ｖｐを検出し、このピーク電圧検出値Ｖpdを入力として予め定めた基準ピーク電圧値Ｖpcを中心値とする予め定めた変動範囲Ｖｐｃ±ΔＶｃ内に制限することによってピーク電圧制限値Ｖpfを算出し、このピーク電圧制限値Ｖpfを入力として上記ピーク電圧平均値Ｖpaを算出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。
【００１７】
請求項４の発明は、第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)の開始時点に、ピーク電圧制限値Ｖpfを過去所定期間にわたり移動平均してピーク電圧移動平均値Ｔprを算出し、このピーク電圧移動平均値Ｔprを基準ピーク電圧値Ｖpcとして設定することを特徴とする請求項３記載のパルスアーク溶接のアーク長制御方法である。
【００１８】
請求項５の発明は、ピーク立上り期間Ｔup中は電極プラス極性でベース電流Ｉｂからピーク電流Ｉｐへと上昇する遷移電流を通電し続けてピーク期間Ｔｐ中は電極プラス極性で上記ピーク電流Ｉｐを通電し続けてピーク立下り期間Ｔdw中は電極プラス極性で上記ピーク電流Ｉｐから上記ベース電流Ｉｂへと下降する遷移電流を通電し続けて電極マイナス期間Ｔenの開始時点において極性が切り換えられると上記ベース電流Ｉｂから電極マイナス極性の電極マイナス電流へと急峻に変化しこの電極マイナス期間Ｔen中は上記電極マイナス電流を通電し続けてベース期間Ｔｂの開始時点において極性が切り換えられると上記電極マイナス電流から電極プラス極性の上記ベース電流Ｉｂへと急峻に変化しこのベース期間Ｔｂ中は上記ベース電流Ｉｂを通電し、これらの通電をパルス周期Ｔｆとして繰り返して通電すると共に、溶接電圧Ｖｗの絶対値の平均値Ｖavが予め定めた電圧設定値Ｖｓと略等しくなるように上記パルス周期Ｔｆ又は上記ピーク期間Ｔｐ又は上記ピーク電流Ｉｐ又は上記ベース電流Ｉｂの少なくとも１つ以上を制御してアーク長を適正値に維持するパルスアーク溶接のアーク長制御方法において、
溶接電圧Ｖｗを検出し、この溶接電圧検出値Ｖｄを入力として予め定めた基準電圧波形を中心電圧値Ｖｃとする予め定めた変動範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限することによって溶接電圧制限値Ｖftを算出し、この溶接電圧制限値Ｖftを入力として上記溶接電圧Ｖｗの絶対値の平均値Ｖavを算出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。
【００１９】
請求項６の発明は、第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)の開始時点に、ピーク期間Ｔｐ中のみの溶接電圧制限値Ｖftを過去所定期間にわたり移動平均して正の値のピーク電圧移動平均値Ｖprを算出しかつ電極マイナス期間Ｔen中のみの上記溶接電圧制限値Ｖftを上記過去所定期間にわたり移動平均して負の値の電極マイナス電圧移動平均値Ｖerを算出しかつベース期間Ｔｂ中のみの上記溶接電圧制限値Ｖftを上記過去所定期間にわたり移動平均して正の値のベース電圧移動平均値Ｖbrを算出し、ピーク立上り期間Ｔup中は上記ベース電圧移動平均値Ｖbrから上記ピーク電圧移動平均値Ｖprへと上昇する遷移電圧となりそれに続く上記ピーク期間Ｔｐ中は上記ピーク電圧移動平均値Ｖprとなりそれに続くピーク立下り期間Ｔdw中は上記ピーク電圧移動平均値Ｖprから上記ベース電圧移動平均値Ｖbrへと下降する遷移電圧となりそれに続く上記電極マイナス期間Ｔenの開始時点において上記ベース電圧移動平均値Ｖbrから上記電極マイナス電圧移動平均値Ｖerへと急峻に変化しこの電極マイナス期間Ｔen中は上記電極マイナス電圧移動平均値Ｖerとなりそれに続く上記ベース期間Ｔｂの開始時点において上記電極マイナス電圧移動平均値Ｖerから上記ベース電圧移動平均値Ｖbrへと急峻に変化しこのベース期間Ｔｂ中は上記ベース電圧移動平均値Ｖbrとなる基準電圧波形を算出することを特徴とする請求項５記載のパルスアーク溶接のアーク長制御方法である。
【００２０】
【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］
アーク長は、パルス周期ごとの溶接ワイヤの送給量と溶融量との差だけわずかに変化する。したがって、図２〜４で前述した異常電圧のようにパルス周期中に急激に変化する電圧値は、アーク長とは比例関係にない電圧である。アーク長に比例する電圧値のパルス周期中の変動範囲は、ピーク電圧値Ｖｐ及びベース電圧値Ｖｂの基準電圧値から数［Ｖ］程度となる。すなわち、溶接電圧Ｖｗの内、基準電圧値から数［Ｖ］程度の変動範囲内の電圧値のみが、アーク長と略比例しており、この変動範囲外の電圧値はアーク長とは比例関係にない異常電圧となる。したがって、実施例１の発明では、基準電圧波形を予め設定しておき、溶接電圧Ｖｗを検出し、この溶接電圧検出値Ｖｄを入力として上記の基準電圧波形を中心電圧値Ｖｃとする予め定めた変動範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限して溶接電圧制限値Ｖftを算出し、この溶接電圧制限値Ｖftを入力として溶接電圧平均値Ｖavを算出する。そして、この溶接電圧制限値Ｖftに基づく溶接電圧平均値Ｖavが電圧設定値Ｖｓと略等しくなるように、パルス周期、ピーク期間、ピーク電流又はベース電流の少なくとも１つ以上を制御して、アーク長を適正値に維持する。
【００２１】
図５は、上記の基準電圧波形の設定方法を示す図である。まず、溶接ワイヤの種類、送給速度等の溶接条件に応じて、基準ピーク電圧値Ｖpc、基準ベース電圧値Ｖbc及び変動範囲ΔＶｃを、実験等によって予め設定する。そして、同図に示すように、ピーク立上り期間Ｔupの開始時点を０［ｓ］とする経過時間ｔによって、下式のように基準電圧波形が定義される。
０≦ｔ＜Ｔup
Ｖｃ＝（（Ｖpc−Ｖbc）／Ｔup）・ｔ＋Ｖbc （11）式
Ｔup≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ
Ｖｃ＝Ｖpc （12）式
Ｔup＋Ｔｐ≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw
Ｖｃ＝（（Ｖbc−Ｖpc）／Ｔdw）・（ｔ−Ｔup−Ｔｐ）＋Ｖpc （13）式
Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw＋Ｔｂ
Ｖｃ＝Ｖbc （14）式
【００２２】
上式において、例えば、同図に示すように、経過時間ｔａにおける溶接電圧検出値がＶd1［Ｖ］であったとする。経過時間ｔａは、Ｔup＋Ｔｐ≦ｔａ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdwのときであるので、上記（13）式に代入して、基準電圧波形の中心電圧値Ｖc1［Ｖ］は以下となる。
Ｖｃ1＝（（Ｖbc−Ｖpc）／Ｔdw）・（ｔａ−Ｔup−Ｔｐ）＋Ｖpc
したがって、経過時間ｔａのときの溶接電圧検出値Ｖd1を、変動範囲Ｖｃ１±ΔＶｃ内に制限する。すなわち、Ｖd1≧Ｖc1＋ΔＶｃのときにはＶd1＝Ｖｃ＋ΔＶｃに制限され、Ｖd1≦Ｖc1−ΔＶｃのときにはＶd1＝Ｖｃ−ΔＶｃに制限される。このようにして算出された溶接電圧制限値Ｖftを入力として、溶接電圧平均値Ｖavが算出される。
【００２３】
図６は、図２で前述した短絡開放直後の陰極点形成に伴う異常電圧発生時の電圧形図である。同図（Ａ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧制限値Ｖftの時間変化を示す。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは基準電圧波形を中心電圧値Ｖｃとする変動範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限される。この結果、時刻ｔ２〜ｔ３の短絡期間中の溶接電圧制限値Ｖft＝Ｖｃ−ΔＶｃとなり、時刻ｔ３〜ｔ４の異常電圧発生期間中の溶接電圧制限値Ｖft＝Ｖｃ＋ΔＶｃとなる。このように、異常電圧の影響を小さくすることができるので、安定したアーク長制御が可能となる。また、前述した図３〜４のときも同様に、異常電圧の影響を小さくすることができる。
【００２４】
図７は、上述した実施例１の発明を実施するための溶接電源装置ＰＳ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、溶接に適した溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力する。溶接ワイヤ１は、送給ロール５によって、溶接トーチ４を通って送給されて、母材２との間でアーク３が発生して、溶接が行われる。
【００２５】
電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して、溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する。基準電圧波形記憶回路ＶＣは、前述した（11）〜（14）式で定義される基準電圧波形を記憶し、後述する経過時間信号Ｓｔに対応する中心電圧値信号Ｖｃを出力する。変動範囲設定回路ΔＶＣは、予め定めた変動範囲信号ΔＶｃを出力する。制限フィルタ回路ＦＴは、上記の溶接電圧検出信号Ｖｄを入力として、上記の中心電圧値からの変動範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限して、溶接電圧制限値信号Ｖftを出力する。平均値算出回路ＶＡＶは、上記の溶接電圧制限値信号Ｖftを入力として平均値を算出し、溶接電圧平均値信号Ｖavを出力する。
【００２６】
電圧設定回路ＶＳは、予め定めた電圧設定信号Ｖｓを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の溶接電圧平均値信号Ｖavと電圧設定信号Ｖｓとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。電圧・周波数変換回路Ｖ／Ｆは、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖの値に比例した周波数に変換し、その周波数（パルス周期）ごとに短時間Ｈｉｇｈレベルとなるパルス周期信号Ｔｆを出力する。経過時間計数回路ＳＴは、上記のパルス周期信号ＴｆがＨｉｇｈレベルに変化した時点（ピーク立上り期間の開始時点）からの経過時間を計数して、経過時間信号Ｓｔを出力する。
【００２７】
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。電流制御設定回路ＩＳＣは、上記の経過時間信号Ｓｔを入力として、ピーク立上り期間中は上記のベース電流設定信号Ｉbsから上記のピーク電流設定信号Ｉpsへと上昇する電流制御設定信号Ｉscを出力し、その後のピーク期間Ｔｐ中は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、その後のピーク立下り期間Ｔdw中は上記のピーク電流設定信号Ｉpsから上記のベース電流設定信号Ｉbsへと下降する電流制御設定信号Ｉscを出力し、その後のベース期間Ｔｂ中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。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。この結果、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。
【００２８】
上述した溶接電源装置ＰＳによって、溶接電圧Ｖｗを基準電圧波形を中心電圧値Ｖｃとする変動範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限して溶接電圧制限値信号Ｖftを算出し、この信号から溶接電圧平均値信号Ｖavを算出する。そして、この溶接電圧平均値信号Ｖavが電圧設定信号Ｖｓと略等しくなるように、パルス周期信号Ｔｆを制御する。また、上記の溶接電圧平均値信号Ｖavと電圧設定信号Ｖｓとが略等しくなるように、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖに基づいて、ピーク期間、ピーク電流又はベース電流を制御してもよい。
【００２９】
上記においては、変動範囲をＶｃ±ΔＶｃとしたが、プラス側の範囲＋ΔＶc1とマイナス側の範囲−ΔＶc2とを異なった値に設定してもよい。変動範囲ΔＶｃの値の一例を示すと、アルミニウム合金のパルスＭＩＧ溶接ではΔＶｃ＝１．５［Ｖ］程度となり、鉄鋼のパルスＭＡＧ溶接ではΔＶｃ＝２［Ｖ］程度となる。
【００３０】
［実施例２］
実施例２の発明は、上述した実施例１の発明において、基準電圧波形を溶接中に自動的に算出するものであり、以下、その算出方法について説明する。
図８は、基準電圧波形の算出方法を説明するための溶接電圧制限値Ｖftの時間変化を示す図である。同図において、現時点は時刻ｔｎであり、第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)の開始時点である。また、第ｎ−１回目のパルス周期Ｔｆ(n-1)におけるピーク期間のみの溶接電圧制限値の平均値がピーク電圧制限値Ｖpf(n-1)であり、ベース期間のみの溶接電圧制限値の平均値がベース電圧制限値Ｖbf(n-1)である。同様に、第ｎ−ｍ回目のパルス周期Ｔｆ(n-m)におけるピーク期間のみの溶接電圧制限値の平均値がピーク電圧制限値Ｖpf(n-m)であり、ベース期間のみの溶接電圧制限値の平均値がベース電圧制限値Ｖbf(n-m)である。
【００３１】
時刻ｔｎにおいて、上記の第(ｎ-1)〜第(n-m)回目のピーク電圧制限値Ｖpfを入力として、下式のようにピーク電圧移動平均値Ｖpr(n)を算出する。
Ｖpr(n)＝（Ｖpf(n-1)＋…＋Ｖpf(n-m)）／ｍ （21）式
同様に、時刻ｔｎにおいて、上記の第(ｎ-1)〜第(n-m)回目のベース電圧制限値Ｖbfを入力として、下式のようにベース電圧移動平均値Ｖbr(n)を算出する。
Ｖbr(n)＝（Ｖbf(n-1)＋…＋Ｖbf(n-m)）／ｍ （22）式
【００３２】
そして、前述した（11）〜（14）式において、基準ピーク電圧値Ｖpcに上記のピーク電圧移動平均値Ｖprを代入し、かつ、基準ベース電圧値Ｖbcに上記のベース電圧移動平均値Ｖbrを代入すると、下式のように第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)中の基準電圧波形が定義される。
０≦ｔ＜Ｔup
Ｖｃ(n)＝（（Ｖpr(n）−Ｖbr(n)）／Ｔup）・ｔ＋Ｖbr(n) （31）式
Ｔup≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ
Ｖｃ(n)＝Ｖpr(n) （32）式
Ｔup＋Ｔｐ≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw
Ｖｃ(n)＝（（Ｖbr(n)−Ｖpr(n)）／Ｔdw）・（ｔ−Ｔup−Ｔｐ）＋Ｖpr(n)（33）式
Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw＋Ｔｂ
Ｖｃ(n)＝Ｖbr(n) （34）式
【００３３】
上述したように、パルス周期の開始時点ごとに、上記のピーク電圧移動平均値Ｖpr及びベース電圧移動平均値Ｖbrを算出し、上記（31）式〜（34）式によって基準電圧波形が自動設定される。この動作以外は、前述した実施例１の発明と同様であるので、説明は省略する。
【００３４】
上記において、ピーク電圧移動平均値Ｖprを算出するときに、ピーク電圧制限値Ｖpfを重み付け移動平均して算出してもよい。同様に、ベース電圧移動平均値Ｖbrを算出するときに、ベース電圧制限値Ｖbfを重み付け移動平均して算出してもよい。また、移動平均する期間の長さは、過去数周期〜数十周期程度に設定する。
【００３５】
図９は、上述した実施例２の発明を実施するための溶接電源装置ＰＳのブロック図である。同図において、前述した図７と同一の回路ブロックには同一符号を付して、それらの説明は省略する。以下、図７とは異なる点線で示す回路ブロックについて、同図を参照して説明する。
移動平均値算出回路ＶＲＡは、溶接電圧制限値信号Ｖft及び経過時間信号Ｓｔを入力として、上記（21）式及び（22）式の演算を行い、ピーク電圧移動平均値信号Ｖpr及びベース電圧移動平均値信号Ｖbrを出力する。第２の基準電圧波形記憶回路ＶＣ２は、上記のピーク電圧移動平均値信号Ｖpr、ベース電圧移動平均値信号Ｖbr及び経過時間信号Ｓｔを入力として、前述した（31）式〜（34）式で定義される基準電圧波形を記憶し、経過時間信号Ｓｔに対応する中心電圧値信号Ｖｃを出力する。
【００３６】
［実施例３］
実施例３の発明は、ピーク電圧Ｖｐを検出し、このピーク電圧検出値Ｖpdを入力として基準ピーク電圧値Ｖpcを中心値とする変動範囲Ｖｐｃ±ΔＶｃ内に制限してピーク電圧制限値Ｖpfを算出し、このピーク電圧制限値Ｖpfを入力としてピーク電圧平均値Ｖpaを算出する。そして、このピーク電圧平均値Ｖpaが電圧設定値Ｖｓと略等しくなるように、パルス周期、ピーク期間、ピーク電流又はベース電流の少なくとも１つ以上を制御して、アーク長を適正値に維持する。上記の基準ピーク電圧値Ｖpc及び変動範囲ΔＶｃは、溶接ワイヤの種類、送給速度等の溶接条件に応じて適正値に予め設定する。
【００３７】
図１０は、実施例３の発明を実施するための溶接電源装置ＰＳのブロック図である。同図において、前述した図７と同一の回路ブロックには同一符号を付して、それらの説明は省略する。以下、図７とは異なる点線で示す回路ブロックについて、同図を参照して説明する。
【００３８】
ピーク電圧検出回路ＶＰＤは、ピーク期間中の溶接電圧Ｖｗを検出して、ピーク電圧検出信号Ｖpdを出力する。基準ピーク電圧設定回路ＶＰＣは、予め定めた基準ピーク電圧値信号Ｖpcを出力する。ピーク電圧制限フィルタ回路ＶＰＦは、上記のピーク電圧検出信号Ｖpdを入力として、上記の基準ピーク電圧値信号Ｖpcを中心値とする変動範囲Ｖｐｃ±ΔＶｃ内に制限して、ピーク電圧制限値信号Ｖpfを出力する。ピーク電圧平均値算出回路ＶＰＡは、上記のピーク電圧制限値信号Ｖpfを入力として平均値を算出し、ピーク電圧平均値信号Ｖpaを出力する。
【００３９】
［実施例４］
実施例４の発明は、上述した実施例３の発明において、基準ピーク電圧値Ｖpcを溶接中に自動的に算出するものである。この算出方法は、前述した図８と同様に、ピーク電圧制限値Ｖpfを入力として、上記（21）式によってピーク電圧移動平均値Ｖprを算出し、これを基準ピーク電圧値Ｖpcとして設定する。
【００４０】
図１１は、実施例４の発明を実施するための溶接電源装置ＰＳのブロック図である。同図において、前述した図１０と同一の回路ブロックには同一符号を付して、それらの説明は省略する。以下、図１０とは異なる点線で示す回路ブロックについて、同図を参照して説明する。
【００４１】
ピーク電圧移動平均値算出回路ＶＰＲは、ピーク電圧制限値信号Ｖpf及び経過時間信号Ｓｔを入力として、上記（21）式の演算を行い、ピーク電圧移動平均値信号Ｖprを出力する。第２の基準ピーク電圧設定回路ＶＰＣ２は、上記のピーク電圧移動平均値信号Ｖprを基準ピーク電圧値信号Ｖpcとして出力する。
【００４２】
［実施例５］
実施例５の発明は、前述した実施例１の発明を交流パルスアーク溶接方法に適用したものである。消耗電極式の交流パルスアーク溶接方法では、図１で前述した出力波形において、消耗電極（溶接ワイヤ）に印加される電圧の極性を一部の期間のみ反転させて交流出力とする溶接方法である。具体的には，図１のピーク立下り期間Ｔdwとベース期間Ｔｂとの間に、電極マイナス極性に反転させた電極マイナス期間Ｔenを挿入し、この期間中は電極マイナス電流を通電する。これ以外にも、上記の電極マイナス期間Ｔenをベース期間Ｔｂとピーク立上り期間Ｔupとの間に挿入する場合、又はベース期間Ｔｂの途中の一部期間を電極マイナス期間Ｔenとする場合等が従来からある。請求項５又は６に係る発明には上記の３つの場合が全て含まれるが、以下の説明では上記の第１の場合について例示する。
【００４３】
図１２は、実施例５における基準電圧波形の設定方法を示す図である。まず、溶接ワイヤの種類、送給速度等の溶接条件に応じて、基準ピーク電圧値Ｖpc、基準ベース電圧値Ｖbc、基準電極マイナス電圧値Ｖec及び変動範囲ΔＶｃを、実験等によって予め設定する。そして、同図に示すように、ピーク立上り期間Ｔupの開始時点を０［ｓ］とする経過時間ｔによって、下式のように基準電圧波形が定義される。
０≦ｔ＜Ｔup
Ｖｃ＝（（Ｖpc−Ｖbc）／Ｔup）・ｔ＋Ｖbc （411）式
Ｔup≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ
Ｖｃ＝Ｖpc （42）式
Ｔup＋Ｔｐ≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw
Ｖｃ＝（（Ｖbc−Ｖpc）／Ｔdw）・（ｔ−Ｔup−Ｔｐ）＋Ｖpc （43）式
Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw＋Ｔen
Ｖｃ＝Ｖec （44）式
Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw＋Ｔen≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw＋Ｔen＋Ｔｂ
Ｖｃ＝Ｖbc （45）式
【００４４】
例えば、同図に示すように、経過時間ｔa2における溶接電圧検出値がＶd2［Ｖ］であったとする。経過時間ｔa2は、Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw≦ｔa2＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw＋Ｔenのときであるので、上記（44）式に代入して、基準電圧波形の中心電圧値Ｖc2［Ｖ］＝Ｖecとなる。したがって、実施例５の発明では、経過時間ｔa2のときの溶接電圧検出値Ｖd2を変動範囲Ｖｃ２±ΔＶｃ内に制限する。すなわち、Ｖd2≧Ｖc2＋ΔＶｃのときにはＶd2＝Ｖc2＋ΔＶｃに制限され、Ｖd2≦Ｖc2−ΔＶｃのときにはＶd2＝Ｖc2−ΔＶｃに制限される。このようにして算出された溶接電圧制限値Ｖftを入力として、交流出力であるのでその絶対値を平均化して溶接電圧平均値Ｖavが算出される。
【００４５】
図１３は、交流パルスアーク溶接において電極マイナス期間中に異常電圧が発生したときの電圧波形図である。同図（Ａ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧制限値Ｖftの時間変化を示す。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは基準電圧波形を中心電圧値Ｖｃとする変動範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限される。この結果、時刻ｔ１〜ｔ２の異常電圧発生期間の溶接電圧制限値Ｖft＝Ｖｃ−ΔＶｃ＝Ｖec−ΔＶｃとなる。このように、異常電圧の影響を小さくすることができるので、安定したアーク長制御が可能となる。
【００４６】
図１４は、上述した実施例５の発明を実施するための溶接電源装置ＰＳ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。
第２出力制御回路ＩＮＶ２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等による出力制御を行いアーク負荷に適した直流電圧を生成し、後述する極性切換信号Ｓｐに従って２次側インバータ回路によって上記直流電圧を交流電圧に変換して交流の溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力する。上記の極性切換信号ＳｐがＨｉｇｈレベルのときには溶接電源装置の出力は電極プラス極性となり、Ｌｏｗレベルのときには電極マイナス極性となる。溶接ワイヤ１は、送給ロール５によって、溶接トーチ４を通って送給されて、母材２との間でアーク３が発生して、溶接が行われる。
【００４７】
第２電圧検出回路ＶＤ２は、交流の溶接電圧Ｖｗを検出して、交流の溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する。第３基準電圧波形記憶回路ＶＣ３は、前述した（41）〜（45）式で定義される基準電圧波形を記憶し、後述する経過時間信号Ｓｔに対応する中心電圧値信号Ｖｃを出力する。変動範囲設定回路ΔＶＣは、予め定めた変動範囲信号ΔＶｃを出力する。制限フィルタ回路ＦＴは、上記の溶接電圧検出信号Ｖｄを入力として、上記の中心電圧値からの変動範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限して、溶接電圧制限値信号Ｖftを出力する。第２平均値算出回路ＶＡ２は、上記の溶接電圧制限値信号Ｖftを入力として、その絶対値を平均化し、溶接電圧平均値信号Ｖavを出力する。
【００４８】
電圧設定回路ＶＳは、予め定めた電圧設定信号Ｖｓを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の溶接電圧平均値信号Ｖavと電圧設定信号Ｖｓとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。電圧・周波数変換回路Ｖ／Ｆは、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖの値に比例した周波数に変換し、その周波数（パルス周期）ごとに短時間Ｈｉｇｈレベルとなるパルス周期信号Ｔｆを出力する。経過時間計数回路ＳＴは、上記のパルス周期信号ＴｆがＨｉｇｈレベルに変化した時点（ピーク立上り期間の開始時点）からの経過時間を計数して、経過時間信号Ｓｔを出力する。
【００４９】
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。電極マイナス電流設定回路ＩＥＳは、予め定めた電極マイナス電流設定信号Ｉesを出力する。第２電流制御設定回路ＩＳＣ２は、上記の経過時間信号Ｓｔを入力として、ピーク立上り期間中は上記のベース電流設定信号Ｉbsから上記のピーク電流設定信号Ｉpsへと上昇する電流制御設定信号Ｉscを出力し、その後のピーク期間Ｔｐ中は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、その後のピーク立下り期間Ｔdw中は上記のピーク電流設定信号Ｉpsから上記のベース電流設定信号Ｉbsへと下降する電流制御設定信号Ｉscを出力し、その後の電極マイナス期間Ｔen中は上記の電極マイナス電流設定信号Ｉesを電流制御設定信号Ｉscとして出力し、その後のベース期間Ｔｂ中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。第２電流検出回路ＩＤ２は、交流の溶接電流Ｉｗを検出してその絶対値を求めて、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。この結果、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。極性切換信号生成回路ＳＰは、上記の経過時間信号Ｓｔを入力として、電極マイナス期間中のみＬｏｗレベルとなる極性切換信号Ｓｐを出力する。
【００５０】
上述した溶接電源装置ＰＳによって、溶接電圧Ｖｗを基準電圧波形を中心電圧値Ｖｃとする変動範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限して溶接電圧制限値信号Ｖftを算出し、この信号から溶接電圧平均値信号Ｖavを算出する。そして、この溶接電圧平均値信号Ｖavが電圧設定信号Ｖｓと略等しくなるように、パルス周期信号Ｔｆを制御する。また、上記の溶接電圧平均値信号Ｖavと電圧設定信号Ｖｓとが略等しくなるように、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖに基づいて、ピーク期間、ピーク電流又はベース電流を制御してもよい。
【００５１】
［実施例６］
実施例６の発明は、上述した実施例５の発明において、基準電圧波形を溶接中に自動的に算出するものであり、以下、その算出方法について説明する。
図１５は、基準電圧波形の算出方法を説明するための溶接電圧制限値Ｖftの時間変化を示す図である。同図において、現時点は時刻ｔｎであり、第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)の開始時点である。また、第ｎ−１回目のパルス周期Ｔｆ(n-1)におけるピーク期間のみの溶接電圧制限値の平均値がピーク電圧制限値Ｖpf(n-1)であり、ベース期間のみの溶接電圧制限値の平均値がベース電圧制限値Ｖbf(n-1)であり、電極マイナス期間のみの溶接電圧制限値の平均値が電極マイナス電圧制限値Ｖef(n-1)である。同様に、第ｎ−ｍ回目のパルス周期Ｔｆ(n-m)におけるピーク期間のみの溶接電圧制限値の平均値がピーク電圧制限値Ｖpf(n-m)であり、ベース期間のみの溶接電圧制限値の平均値がベース電圧制限値Ｖbf(n-m)であり、電極マイナス期間のみの溶接電圧制限値の平均値が電極マイナス電圧制限値Ｖef(n-m)である。
【００５２】
時刻ｔｎにおいて、上記の第(ｎ-1)〜第(n-m)回目のピーク電圧制限値Ｖpfを入力として、下式のようにピーク電圧移動平均値Ｖpr(n)を算出する。
Ｖpr(n)＝（Ｖpf(n-1)＋…＋Ｖpf(n-m)）／ｍ （51）式
同様に、時刻ｔｎにおいて、上記の第(ｎ-1)〜第(n-m)回目のベース電圧制限値Ｖbfを入力として、下式のようにベース電圧移動平均値Ｖbr(n)を算出する。
Ｖbr(n)＝（Ｖbf(n-1)＋…＋Ｖbf(n-m)）／ｍ （52）式
さらに同様に、時刻ｔｎにおいて、上記の第(ｎ-1)〜第(n-m)回目の電極マイナス電圧制限値Ｖefを入力として、下式のように電極マイナス電圧移動平均値Ｖer(n)を算出する。
Ｖer(n)＝（Ｖef(n-1)＋…＋Ｖef(n-m)）／ｍ （53）式
【００５３】
そして、前述した（41）〜（45）式において、基準ピーク電圧値Ｖpcに上記のピーク電圧移動平均値Ｖprを代入し、かつ、基準ベース電圧値Ｖbcに上記のベース電圧移動平均値Ｖbrを代入し、かつ、基準電極マイナス電圧値Ｖecに上記の電極マイナス電圧移動平均値Ｖerを代入すると、下式のように第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)中の基準電圧波形が定義される。
０≦ｔ＜Ｔup
Ｖｃ(n)＝（（Ｖpr(n）−Ｖbr(n)）／Ｔup）・ｔ＋Ｖbr(n) （61）式
Ｔup≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ
Ｖｃ(n)＝Ｖpr(n) （62）式
Ｔup＋Ｔｐ≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw
Ｖｃ(n)＝（（Ｖbr(n)−Ｖpr(n)）／Ｔdw）・（ｔ−Ｔup−Ｔｐ）＋Ｖpr(n)（63）式
Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw＋Ｔen
Ｖｃ(n)＝Ｖer(n) （64）式
Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw＋Ｔen≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw＋Ｔen＋Ｔｂ
Ｖｃ(n)＝Ｖbr(n) （65）式
【００５４】
上述したように、パルス周期の開始時点ごとに、上記のピーク電圧移動平均値Ｖpr、ベース電圧移動平均値Ｖbr及び電極マイナス電圧移動平均値Ｖerを算出し、上記（61）式〜（65）式によって基準電圧波形が自動設定される。この動作以外は、前述した実施例５の発明と同様であるので、説明は省略する。
【００５５】
上記において、ピーク電圧移動平均値Ｖprを算出するときに、ピーク電圧制限値Ｖpfを重み付け移動平均して算出してもよい。同様に、ベース電圧移動平均値Ｖbrを算出するときに、ベース電圧制限値Ｖbfを重み付け移動平均して算出してもよく、電極マイナス電圧移動平均値Ｖerを算出するときに、電極マイナス電圧制限値Ｖefを重み付け移動平均して算出してもよい。また、移動平均する期間の長さは、過去数周期〜数十周期程度に設定する。
【００５６】
図１６は、上述した実施例６の発明を実施するための溶接電源装置ＰＳのブロック図である。同図において、前述した図１４と同一の回路ブロックには同一符号を付して、それらの説明は省略する。以下、図１４とは異なる点線で示す回路ブロックについて、同図を参照して説明する。
【００５７】
第２移動平均値算出回路ＶＲＡ２は、溶接電圧制限値信号Ｖft及び経過時間信号Ｓｔを入力として、上記（51）式〜（53）式の演算を行い、ピーク電圧移動平均値信号Ｖpr、ベース電圧移動平均値信号Ｖbr及び電極マイナス電圧移動平均値信号Ｖerを出力する。第４基準電圧波形記憶回路ＶＣ４は、上記のピーク電圧移動平均値信号Ｖpr、ベース電圧移動平均値信号Ｖbr、電極マイナス電圧移動平均値信号Ｖer及び経過時間信号Ｓｔを入力として、前述した（61）式〜（65）式で定義される基準電圧波形を記憶し、経過時間信号Ｓｔに対応する中心電圧値信号Ｖｃを出力する。
【００５８】
［効果］
以下、本発明の効果について、図面を参照して説明する。
図１７は、アルミニウムのパルスＭＩＧ溶接におけるアーク長の変動範囲を本発明と従来技術とで比較した図である。同図は、溶接ワイヤに直径１．２［mm］のアルミニウムワイヤ（ＪＩＳ Ａ４０４３相当材）を使用し、溶接電流１５０［Ａ］でパルスＭＩＧ溶接を行い、溶接中のアーク長の目標値からの変動範囲を比較したものである。同図から明らかなように、従来技術では、その変動範囲は３±１．５［mm］である。これに対して、本発明では、その変動範囲は３±０．３［mm］であり、従来技術の１／５に大幅に改善された。これは、本発明では、異常電圧がアーク長制御に与える影響を抑制することができるためである。
【００５９】
図１８は、鉄鋼のパルスＭＡＧ溶接におけるスパッタ発生量を本発明と従来技術とで比較した図である。同図は、溶接ワイヤに直径１．２［mm］の軟鋼ワイヤを使用し、溶接電流１５０［Ａ］でパルスＭＡＧ溶接を行い、溶接中のスパッタ発生量を比較したものである。同図から明らかなように、従来技術では、その発生量は１．８［g/min］である。これに対して、本発明では、その発生量は０．３［g/min］であり、従来技術の１／６に大幅に改善された。これは、従来技術では、異常電圧に起因するアーク長の変動によって溶接状態が不安定になりスパッタが多く発生するが、本発明では、異常電圧に起因するアーク長の変動を抑制することができるので、スパッタ発生量を少なくすることができるためである。
【００６０】
【発明の効果】
本発明では、パルスアーク溶接において、溶接電圧検出値又はピーク電圧検出値を、基準電圧波形を中心電圧値とする変動範囲内に制限することによって、異常電圧の影響を抑制することができるので、アーク長の変動が小さくなり、常に良好な溶接品質を得ることができる。
さらに、請求項２、４又は６の発明では、上記の効果に加えて、基準電圧波形を溶接中に自動的に算出することができるので、基準電圧波形は種々な溶接条件に応じて常に適正値に設定される。このために、種々な溶接条件ごとに基準電圧波形を実験等によって予め設定する必要がなく、作業効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術のパルスアーク溶接の電流・電圧波形図である。
【図２】従来技術の短絡開放直後の陰極点形成に伴う異常電圧波形図である。
【図３】従来技術の長期短絡に伴う異常電圧波形図である。
【図４】従来技術のベース期間中の陰極点移動に伴う異常電圧波形図である。
【図５】実施例１の発明における基準電圧波形の設定方法を示す図である。
【図６】実施例１の発明における図２に対応する溶接電圧制限値Ｖftの時間変化を示す図である。
【図７】実施例１の溶接電源装置のブロック図である。
【図８】実施例２の発明における基準電圧波形の算出方法を示す図である。
【図９】実施例２の溶接電源装置のブロック図である。
【図１０】実施例３の溶接電源装置のブロック図である。
【図１１】実施例４の溶接電源装置のブロック図である。
【図１２】実施例５の発明における基準電圧波形の設定方法を示す図である。
【図１３】実施例５の発明における溶接電圧制限値Ｖftの時間変化を示す図である。
【図１４】実施例５の溶接電源装置のブロック図である。
【図１５】実施例６の発明における基準電圧波形の算出方法を示す図である。
【図１６】実施例６の溶接電源装置のブロック図である。
【図１７】本発明の効果を示すアーク長の変動範囲比較図である。
【図１８】本発明の別の効果を示すスパッタ発生量比較図である。
【符号の説明】
１ 溶接ワイヤ
２ 母材
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＶ 電圧誤差増幅回路
Ｅｖ 電圧誤差増幅信号
ＦＴ 制限フィルタ回路
Ｉav 溶接電流平均値（信号）
ＩＢＳ ベース電流設定回路
Ｉbs ベース電流設定信号
ＩＤ 電流検出回路
ＩＤ２ 第２電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＥＳ 電極マイナス電流設定回路
Ｉes 電極マイナス電流設定信号
ＩＮＶ 出力制御回路
ＩＮＶ２ 第２出力制御回路
ＩＰＳ ピーク電流設定回路
Ｉps ピーク電流設定信号
ＩＳＣ 電流制御設定回路
ＩＳＣ２ 第２電流制御設定回路
Ｉsc 電流制御設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＰＳ 溶接電源装置
ＳＰ 極性切換信号生成回路
Ｓｐ 極性切換信号
ＳＴ 経過時間計数回路
Ｓｔ 経過時間信号
Ｔｂ ベース期間
Ｔdw ピーク立下り期間
Ｔen 電極マイナス期間
Ｔｆ パルス周期（信号）
Ｔｐ ピーク期間
Ｔup ピーク立上り期間
Ｖ／Ｆ 電圧・周波数変換回路
ＶＡＶ 平均値算出回路
ＶＡ２ 第２平均値算出回路
Ｖav 溶接電圧平均値（信号）
Ｖｂ ベース電圧
Ｖbc 基準ベース電圧値
Ｖbf ベース電圧制限値
Ｖbr ベース電圧移動平均値（信号）
ＶＣ 基準電圧波形記憶回路
Ｖｃ 基準電圧波形の中心電圧値（信号）
ＶＣ２ 第２の基準電圧波形記憶回路
ＶＣ３ 第３基準電圧波形記憶回路
ＶＣ４ 第４基準電圧波形記憶回路
ＶＤ 電圧検出回路
ＶＤ２ 第２電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖec 基準電極マイナス電圧値
Ｖef 電極マイナス電圧制限値
Ｖer 電極マイナス電圧移動平均値（信号）
Ｖｐ ピーク電圧
ＶＰＡ ピーク電圧平均値算出回路
Ｖpa ピーク電圧平均値（信号）
ＶＰＣ 基準ピーク電圧設定回路
Ｖpc 基準ピーク電圧値（信号）
ＶＰＣ２ 第２の基準ピーク電圧設定回路
ＶＰＤ ピーク電圧検出回路
Ｖpd ピーク電圧検出信号
ＶＰＦ ピーク電圧制限フィルタ回路
Ｖpf ピーク電圧制限値（信号）
ＶＰＲ ピーク電圧移動平均値算出回路
Ｖpr ピーク電圧移動平均値（信号）
ＶＲＡ 移動平均値算出回路
ＶＲＡ２ 第２移動平均値算出回路
ＶＳ 電圧設定回路
Ｖｓ 電圧設定（値／信号）
Ｖｗ 溶接電圧
ΔＶｃ 変動範囲（信号）
Claims (6)
- ピーク立上り期間中はベース電流からピーク電流へと上昇する遷移電流を通電し続けてピーク期間中は前記ピーク電流を通電し続けてピーク立下り期間中は前記ピーク電流から前記ベース電流へと下降する遷移電流を通電し続けてベース期間中は前記ベース電流を通電しこれらの通電をパルス周期として繰り返して通電すると共に、溶接電圧の平均値が予め定めた電圧設定値と略等しくなるように前記パルス周期又は前記ピーク期間又は前記ピーク電流又は前記ベース電流の少なくとも１つ以上を制御してアーク長を適正値に維持するパルスアーク溶接のアーク長制御方法において、
溶接電圧を検出し、この溶接電圧検出値を入力として予め定めた基準電圧波形を中心電圧値とする予め定めた変動範囲内に制限することによって溶接電圧制限値を算出し、この溶接電圧制限値を入力として前記溶接電圧平均値を算出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。 - 第ｎ回目のパルス周期の開始時点に、ピーク期間中のみの溶接電圧制限値を過去所定期間にわたり移動平均してピーク電圧移動平均値を算出すると共に、ベース期間中のみの前記溶接電圧制限値を前記過去所定期間にわたり移動平均してベース電圧移動平均値を算出し、ピーク立上り期間中は前記ベース電圧移動平均値から前記ピーク電圧移動平均値へと上昇する遷移電圧となりそれに続く前記ピーク期間中は前記ピーク電圧移動平均値となりそれに続くピーク立下り期間中は前記ピーク電圧移動平均値から前記ベース電圧移動平均値へと下降する遷移電圧となりそれに続く前記ベース期間中は前記ベース電圧移動平均値となる基準電圧波形を算出することを特徴とする請求項１記載のパルスアーク溶接のアーク長制御方法。
- ピーク立上り期間中はベース電流からピーク電流へと上昇する遷移電流を通電し続けてピーク期間中は前記ピーク電流を通電し続けてピーク立下り期間中は前記ピーク電流から前記ベース電流へと下降する遷移電流を通電し続けてベース期間中は前記ベース電流を通電しこれらの通電をパルス周期として繰り返して通電すると共に、前記ピーク期間中のピーク電圧の平均値が予め定めた電圧設定値と略等しくなるように前記パルス周期又は前記ピーク期間又は前記ピーク電流又は前記ベース電流の少なくとも１つ以上を制御してアーク長を適正値に維持するパルスアーク溶接のアーク長制御方法において、
ピーク電圧を検出し、このピーク電圧検出値を入力として予め定めた基準ピーク電圧値を中心値とする予め定めた変動範囲内に制限することによってピーク電圧制限値を算出し、このピーク電圧制限値を入力として前記ピーク電圧平均値を算出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。 - 第ｎ回目のパルス周期の開始時点に、ピーク電圧制限値を過去所定期間にわたり移動平均してピーク電圧移動平均値を算出し、このピーク電圧移動平均値を基準ピーク電圧値として設定することを特徴とする請求項３記載のパルスアーク溶接のアーク長制御方法。
- ピーク立上り期間中は電極プラス極性でベース電流からピーク電流へと上昇する遷移電流を通電し続けてピーク期間中は電極プラス極性で前記ピーク電流を通電し続けてピーク立下り期間中は電極プラス極性で前記ピーク電流から前記ベース電流へと下降する遷移電流を通電し続けて電極マイナス期間の開始時点において極性が切り換えられると前記ベース電流から電極マイナス極性の電極マイナス電流へと急峻に変化しこの電極マイナス期間中は前記電極マイナス電流を通電し続けてベース期間の開始時点において極性が切り換えられると前記電極マイナス電流から電極プラス極性の前記ベース電流へと急峻に変化しこのベース期間中は前記ベース電流を通電し、これらの通電をパルス周期として繰り返して通電すると共に、溶接電圧の絶対値の平均値が予め定めた電圧設定値と略等しくなるように前記パルス周期又は前記ピーク期間又は前記ピーク電流又は前記ベース電流の少なくとも１つ以上を制御してアーク長を適正値に維持するパルスアーク溶接のアーク長制御方法において、
溶接電圧を検出し、この溶接電圧検出値を入力として予め定めた基準電圧波形を中心電圧値とする予め定めた変動範囲内に制限することによって溶接電圧制限値を算出し、この溶接電圧制限値を入力として前記溶接電圧の絶対値の平均値を算出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。 - 第ｎ回目のパルス周期の開始時点に、ピーク期間中のみの溶接電圧制限値を過去所定期間にわたり移動平均して正の値のピーク電圧移動平均値を算出しかつ電極マイナス期間中のみの前記溶接電圧制限値を前記過去所定期間にわたり移動平均して負の値の電極マイナス電圧移動平均値を算出しかつベース期間中のみの前記溶接電圧制限値を前記過去所定期間にわたり移動平均して正の値のベース電圧移動平均値を算出し、ピーク立上り期間中は前記ベース電圧移動平均値から前記ピーク電圧移動平均値へと上昇する遷移電圧となりそれに続く前記ピーク期間中は前記ピーク電圧移動平均値となりそれに続くピーク立下り期間中は前記ピーク電圧移動平均値から前記ベース電圧移動平均値へと下降する遷移電圧となりそれに続く前記電極マイナス期間の開始時点において前記ベース電圧移動平均値から前記電極マイナス電圧移動平均値へと急峻に変化しこの電極マイナス期間中は前記電極マイナス電圧移動平均値となりそれに続く前記ベース期間の開始時点において前記電極マイナス電圧移動平均値から前記ベース電圧移動平均値へと急峻に変化しこのベース期間中は前記ベース電圧移動平均値となる基準電圧波形を算出することを特徴とする請求項５記載のパルスアーク溶接のアーク長制御方法。
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