JP4478378B2 - 溶接電源装置の出力制御方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、短絡アーク溶接に使用する溶接電源装置の出力制御方法に関し、特に、短絡期間及びアーク期間の出力電流の変化を適正化するためのリアクトルを電子的に形成するいわゆる電子リアクトル制御の改善に関する。
【0002】
【従来の技術】
溶接ワイヤと母材との間で短絡期間とアーク期間とを繰り返す短絡アーク溶接においては、アーク負荷の変動に応じて短絡期間及びアーク期間中の出力電流iの変化を適正化することが良好な溶接品質を確保するために重要である。上記の短絡アーク溶接には、短絡移行アーク溶接だけでなく、短絡を伴うグロビュール移行溶接、短絡を伴うスプレー移行溶接等も含まれる。短絡アーク溶接には定電圧特性の溶接電源装置を使用するので、その出力電圧をE[V]とする。また、溶接電源装置の内部及び外部を合わせたリアクトルのインダクタンス値をL[H]とし、内部及び外部を合わせた抵抗の値をr[Ω]とし、アーク負荷の電圧(以下、溶接電圧という)をv[V]とすると、出力に関して下式が成立する。
E=L・di/dt+r・i+v …(1)式
上式において、抵抗値rは通常小さな値であるので省略し、電流変化率(電流微分値)di/dtで整理すると下式となる。
di/dt=(E−v)/L …(2)式
上式において出力電圧Eは予め設定された値であるので、アーク負荷が変動して溶接電圧vが変化したときの電流変化率di/dtはインダクタンス値Lに反比例することになる。したがって、アーク負荷の変動に応じて電流変化率di/dtを適正化するためには、インダクタンス値を適正値Lm[H]に設定すればよいことになる。
【0003】
通常、上記の適正インダクタンス値Lmは100〜500[μH]と大きな値であり、かつリアクトルに通電する出力電流iは最大500[A]と非常に大きな値であるために、リアクトルのサイズが大きくなり重量も重くなる。さらに、上記の適正インダクタンス値Lmは、溶接ワイヤの材質、直径、シールドガスの種類、平均出力電流値、短絡期間とアーク期間等の種々の溶接条件によって変化する。しかし、鉄鋼芯に導線を巻いて製作されるリアクトルでは、そのインダクタンス値を溶接条件に応じて所望値に自在に変化させることはできない。そこで、以下に説明する従来技術では、このリアクトルと等価な作用を電子的に形成する制御(以下、電子リアクトル制御という)が開示され、広く慣用されている(例えば、特許文献1、2参照)。
【0004】
電子リアクトル制御の原理は以下のとおりである。出力電圧の設定値をEr[V]とし、適正インダクタンス値をLm[μH]とし、出力電流iを平滑するための数十μHの固定インダクタンス値をLi[μH]とし、電子リアークトル制御によって形成される電子インダクタンス値をLr[μH]とする。したがって、Lm=Li+Lrとなる。これらを上記(2)式に代入して整理すると下式となる。
Er−Lr・di/dt=Li・di/dt+v …(3)式
【0005】
上式において、出力電圧がE=Er−Lr・di/dtになるように制御することによって電子インダクタンス値Lrを形成することができる。すなわち、出力電流iを検出して微分し増幅率Lrを乗じた電流微分値Bi=Lr・di/dtを算出する.続いて、予め定めた出力電圧設定値Erから上記の電流微分値Biを減算して電圧制御設定値Ecr=Er−Lr・di/dtを算出し、出力電圧Eがこの電圧制御設定値Ecrと略等しくなるように制御する。ここで、上記の増幅率Lr=Lm−Liであるので、種々の溶接条件に応じて適正インダクタンス値Lmが決まると、増幅率(電子インダクタンス値)Lrが決まる。したがって、適正インダクタンス値Lmを任意の値に電子リアクトル制御によって設定することができる。
【0006】
図6は、従来技術の電子リアクトル制御を採用した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について説明する。
【0007】
電源主回路PMCは、商用電源(3相200V等)を入力として、後述する誤差増幅信号Ampに従ってインバータ制御等による出力制御を行い、出力電圧Eを出力する。直流リアクトルDCLは、鉄芯に導線を巻いたものであり、数十μH程度の小さな値の固定インダクタンス値Li[μH]を有する。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を通って送給され、母材2との間にアーク3が発生する。
【0008】
電圧検出回路VDは、溶接電圧vを検出して電圧検出信号vdを出力する。短絡判別回路SDは、この電圧検出信号vdを入力として短絡判別信号Sdを出力する。電流検出回路IDは、出力電流iを検出して電流検出信号idを出力する。電子リアクトル制御回路ERCは、上記の電流検出信号idを微分して増幅率Lrを乗じて電流微分信号Bi=Lr・di/dtを出力する。増幅率Lrは、上述したように種々の溶接条件に応じて適正値に予め設定する。通常、溶接状態を安定化するために、上記の短絡判別信号Sdによって上記の増幅率Lrを変化させて、短絡期間中は大きな値にアーク期間中は小さな値に設定することが多い。
【0009】
出力電圧設定回路ERは、所望値の出力電圧設定信号Erを出力する。減算回路SUBは、この出力電圧設定信号Erから上記の電流微分信号Biを減算して、電圧制御設定信号Ecr=Er−Biを出力する。出力電圧検出回路EDは、出力電圧Eを検出して出力電圧検出信号Edを出力する。誤差増幅回路AMPは、上記の電圧制御設定信号Ecrとこの出力電圧検出信号Edとの誤差を増幅して誤差増幅信号Ampを出力する。
【0010】
図7は、上記の溶接電源装置における各信号のタイミングチャートである。同図(A)は出力電流iの、同図(B)は電流微分信号Biの、同図(C)は電圧制御設定信号Ecrの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【0011】
同図(A)に示すように、時刻t1〜t2の短絡期間Ts中はアーク負荷が短絡負荷になるために、出力電流iは増加する。これに伴い、同図(B)に示すように、電流微分信号Biは出力電流iの増加率に比例した正の値となる。続いて、同図(A)に示すように、時刻t2〜t3のアーク期間Ta中は短絡負荷からアーク負荷に変化するために、出力電流iは減少する。これに伴い、同図(B)に示すように、電流微分信号Biは出力電流iの減少率に比例した負の値となる。そして、同図(C)に示すように、電圧制御設定信号Ecrは出力電圧設定信号Erから電流微分信号Biを減算した値となる。この電圧制御設定信号Ecrと略等しくなるように出力電圧Eが制御される。
【0012】
【特許文献1 】
特開昭58−81567号公報
【特許文献1 】
特開昭58−112659号公報
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
上記の図7において、時刻t1〜t2の短絡期間Ts中における電流微分信号Biの積分値の絶対値をSsとし、時刻t2〜t3のアーク期間Ta中の電流微分信号Biの積分値の絶対値をSaとする。ここで、短絡期間Tsとアーク期間Taとでは負荷の変動状態が異なりかつ増幅率Lrの設定値も異なるために、短絡期間Ts中の出力電流iの増加率とアーク期間Ta中の現像減少率とは同じ値にはならず、通常はSs>Saとなる。したがって、同図(C)に示すように、電圧制御設定信号Ecrの平均値は出力電圧設定信号Erよりも小さくなる。すなわち、溶接条件に応じて短絡期間Ts中の増幅率Lrとアーク期間Ta中の増幅率Lrとはそれぞれの適正値に設定されるために、上記の積分値Ssと積分値Saとの差は溶接条件によって変化することになる。このために、電圧制御設定信号Ecrの平均値も変化することになる。
【0014】
ところで、アーク長を適正値に設定することは良好な溶接品質を確保するために重要である。通常、アーク長は溶接電圧vの平均値と略比例するので、出力電圧Eの平均値とも略比例する。他方、電圧制御設定信号Ecrの平均値によって出力電圧Eの平均値が決まるので、結果的に電圧制御設定信号Ecrの平均値によってアーク長が決まることになる。しかし、上述したように、電子リアクトル制御の増幅率Lrによって電圧制御設定信号Ecrの平均値が変化するために、アーク長が変化することになる。このために、従来技術においては、増幅率Lrを変化させたときには、出力電圧設定信号Erを再調整して電圧制御設定信号Ecrの平均値が適正値から外れないようにする必要があった。この再調整は非常に煩雑な作業であり、またこれを怠るとアーク長が適正値から外れて溶接品質が悪くなることになる。
【0015】
そこで、本発明では、電子リアクトルの増幅率Lrが変化しても出力電圧の平均値は変化せず常にアーク長を適正値に維持することができる溶接電源装置の出力制御方法を提供する。
【0016】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、溶接ワイヤと母材との間で短絡期間とアーク期間とを繰り返す短絡アーク溶接に使用する溶接電源装置にあって、前記溶接電源装置の出力電流の微分値に予め定めた増幅率を乗じて電流微分値を算出し、予め定めた出力電圧設定値から前記電流微分値を減算して電圧制御設定値を算出し、前記溶接電源装置の出力電圧の検出値が前記電圧制御設定値と略等しくなるように出力を制御する溶接電源装置の出力制御方法において、
前記電流微分値を平滑して電流微分平滑値を算出し、前記電圧制御設定値を前記出力電圧設定値から前記電流微分値を減算した値に前記電流微分平滑値を加算した値として算出することを特徴とする溶接電源装置の出力制御方法である。
【0017】
請求項2の発明は、
溶接ワイヤと母材との間で短絡期間とアーク期間とを繰り返す短絡アーク溶接に使用する溶接電源装置にあって、前記溶接電源装置の出力電流の微分値に予め定めた増幅率を乗じて電流微分値を算出し、予め定めた出力電圧設定値から前記電流微分値を減算して電圧制御設定値を算出し、前記溶接電源装置の出力電圧の検出値が前記電圧制御設定値と略等しくなるように出力を制御する溶接電源装置の出力制御方法において、
前記増幅率を短絡期間中はアーク期間よりも大きな値に設定し、
前記電流微分値を平滑して電流微分平滑値を算出し、
前記電圧制御設定値を、短絡期間中は前記出力電圧設定値から前記電流微分値を減算した値として算出し、アーク期間中は前記出力電圧設定値に前記電流微分平滑値を加算した値として算出する、
ことを特徴とする溶接電源装置の出力制御方法である。
【0018】
【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。
【0019】
[実施の形態1]
本発明の実施の形態1は、従来技術の電子リアクトル制御において、電流微分値Bi=Lr・di/dtを平滑して電流微分平滑値Baを算出し、電圧制御設定値Ecr=Er−Bi+Baを算出して出力電圧を制御する方法である。後述するように、増幅率Lrが変化しても電流微分平滑値Baによって電圧制御設定値Ecrの平均値は略一定値に保たれることになる。
【0020】
図1は、実施の形態1に係る溶接電源装置のブロック図である。同図において、上述した図6と同一の回路には同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図6とは異なる点線で示す回路について説明する。
【0021】
電流微分平滑回路BAは、電流微分信号Biを平滑して電流微分平滑信号Baを出力する。第2減算回路SUB2は、出力電圧設定信号Erから電流微分信号Biを減算して、減算信号Sub=Er−Bi=Er−(Lr・di/dt)を出力する。加算回路ADは、上記の減算信号Subと上記の電流微分平滑信号Baとを加算して、電圧制御設定信号Ecr=Sub+Ba=Er−(Lr・di/dt)+Baを出力する。
【0022】
図2は、上記の実施の形態1の溶接電源装置における各信号のタイミングチャートである。同図(A)は出力電流iの、同図(B)は電流微分信号Biの、同図(C)は電圧制御設定信号Ecrの時間変化を示す。同図は上述した図7と対応しており、図7と異なる点のみを説明する。
【0023】
同図(B)に示すように、電流微分信号Biを平滑して電流微分平滑信号Baが得られる。この平滑の時定数は、電流微分信号Biが略平滑される数十〜数百ms程度に設定する。この電流微分平滑信号Baは、積分値Ssと積分値Saとの差と等しくなる。したがって、同図(C)に示すように、電圧制御設定信号Ecr=Er−Bi+Baの平均値は、出力電圧設定信号Erと略等しくなる。このために、電子リアクトル制御の増幅率Lrを短絡期間とアーク期間とで大きく異なった値に設定した場合又は種々の溶接条件に応じて異なった値に設定した場合でも、常に電圧制御設定信号Ecrの平均値は出力電圧設定信号Erの値と略等しくなる。
【0024】
[実施の形態2]
本発明の実施の形態2は、上述した実施の形態1において、電流微分値Bi=Lr・di/dtを平滑して電流微分平滑値Baを算出し、電圧制御設定値Ecrを、短絡期間中は出力電圧設定値Erから電流微分値Biを減算した値Ecr=Er−Biとして算出し、アーク期間中は出力電圧設定値Erに電流微分平滑値Baを加算した値Ecr=Er+Baとして算出する方法である。上述したように、一般的に増幅率Lrは短絡期間中は大きな値に設定し、アーク期間中は小さな値に設定することが多い。このような場合には、短絡期間中のみ電流微分値Biを減算していることと等価になるので、アーク期間中のみ電流微分平滑値Baを加算することで電圧制御設定値Ecrの平均値を略一定値に保つことができる。
【0025】
図3は、実施の形態2に係る溶接電源装置のブロック図である。同図において、上述した図1と同一の回路には同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図1とは異なる点線で示す回路について説明する。
【0026】
第2加算回路AD2は、出力電圧設定信号Erと電流微分平滑信号Baとを加算して加算信号Ad=Er+Baを出力する。切換回路SWは、短絡判別信号SdがHighレベル(短絡期間)のときにはa側に切り換わり減算信号Sub=Er−Biを電圧制御設定信号Ecrとして出力し、Lowレベル(アーク期間)のときにはb側に切り換わり上記の加算信号Ad=Er+Baを電圧制御設定信号Ecrとして出力する。出力電圧Eはこの電圧制御設定信号Ecrと略等しくなるように制御される。
【0027】
図4は、上記の実施の形態2の溶接電源装置における各信号のタイミングチャートである。同図(A)は出力電流iの、同図(B)は電流微分信号Biの、同図(C)は電圧制御設定信号Ecrの時間変化を示す。同図は上述した図2と対応しており、図2と異なる点のみを説明する。
【0028】
同図(B)に示すように、電子リアクトル制御の増幅率Lrが短絡期間中は大きな値に設定され、アーク期間中は非常に小さな値に設定されている場合であるので、電流微分信号Biは時刻t1〜t2の短絡期間Ts中は大きな値となり、他方時刻t2〜t3のアーク期間Ta中は略零となる。また、電流微分信号Biを平滑して電流微分平滑信号Baが得られる。そして、同図(C)に示すように、短絡期間Ts中の電圧制御設定信号はEcr=Er−Biの式で算出され、アーク期間Ta中の電圧制御設定信号はEcr=Er+Baの式で算出される。この結果、電子リアクトル制御の増幅率Lrを、短絡期間とアーク期間とで大きく異なった値に設定した場合又は種々の溶接条件に応じて異なった値に設定した場合でも、電圧制御設定信号Ecrの平均値は出力電圧設定信号Erの値と略等しくなる。
【0029】
[効果]
図5は、本発明の効果の一例を示す増幅率Lrと出力電圧Eの平均値との関係図である。同図は、鉄鋼のマグ溶接において出力電流の平均値が150Aのときの増幅率Lrの変化に対する出力電圧平均値の変化を測定したものである。同図から明らかなように、従来技術では増幅率の増大に伴って出力電圧平均値が減少するために、アーク長が短くなり溶接品質が悪くなる。これに対して、本発明では出力電圧平均値は略一定値となるので、アーク長は変化せず溶接品質も良好なままである。
【0030】
【発明の効果】
本発明の溶接電源装置の出力制御方法によれば、電子リアクトル制御の増幅率を種々の溶接条件に応じて変化させても出力電圧平均値は略一定値のままであるので、適正アーク長に対応する出力電圧平均値に調整する作業が容易であり、さらに常に適正アーク長を維持することができるので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】本発明の実施の形態1に係る溶接電源装置のブロック図である。
【図2】図1の溶接電源装置のタイミングチャートである。
【図3】本発明の実施の形態2に係る溶接電源装置のブロック図である。
【図4】図3の溶接電源装置のタイミングチャートである。
【図5】本発明の効果を示す増幅率と出力電圧平均値との関係図である。
【図6】従来技術における溶接電源装置のブロック図である。
【図7】図6の溶接電源装置のタイミングチャートである。
【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
AD 加算回路
Ad 加算信号
AD2 第2加算回路
AMP 誤差増幅回路
Amp 誤差増幅信号
BA 電流微分平滑回路
Ba 電流微分平滑(値/信号)
Bi 電流微分信(値/信号)
DCL 直流リアクトル
di/dt 電流変化率
E 出力電圧
Ecr 電圧制御設定(値/信号)
ED 出力電圧検出回路
Ed 出力電圧検出信号
ER 出力電圧設定回路
Er 出力電圧設定(値/信号)
ERC 電子リアクトル制御回路
i 出力電流
ID 電流検出回路
id 電流検出信号
L インダクタンス値
Li 固定インダクタンス値
Lm 適正インダクタンス値
Lr 増幅率/電子インダクタンス値
PMC 電源主回路
r 抵抗値
Sa 積分値
SD 短絡判別回路
Sd 短絡判別信号
Ss 積分値
SUB 減算回路
Sub 減算信号
SUB2 第2減算回路
SW 切換回路
Ta アーク期間
Ts 短絡期間
v 溶接電圧
VD 電圧検出回路
vd 電圧検出信号
Claims (2)
- 溶接ワイヤと母材との間で短絡期間とアーク期間とを繰り返す短絡アーク溶接に使用する溶接電源装置にあって、前記溶接電源装置の出力電流の微分値に予め定めた増幅率を乗じて電流微分値を算出し、予め定めた出力電圧設定値から前記電流微分値を減算して電圧制御設定値を算出し、前記溶接電源装置の出力電圧の検出値が前記電圧制御設定値と略等しくなるように出力を制御する溶接電源装置の出力制御方法において、
前記電流微分値を平滑して電流微分平滑値を算出し、前記電圧制御設定値を前記出力電圧設定値から前記電流微分値を減算した値に前記電流微分平滑値を加算した値として算出することを特徴とする溶接電源装置の出力制御方法。 - 溶接ワイヤと母材との間で短絡期間とアーク期間とを繰り返す短絡アーク溶接に使用する溶接電源装置にあって、前記溶接電源装置の出力電流の微分値に予め定めた増幅率を乗じて電流微分値を算出し、予め定めた出力電圧設定値から前記電流微分値を減算して電圧制御設定値を算出し、前記溶接電源装置の出力電圧の検出値が前記電圧制御設定値と略等しくなるように出力を制御する溶接電源装置の出力制御方法において、
前記増幅率を短絡期間中はアーク期間よりも大きな値に設定し、
前記電流微分値を平滑して電流微分平滑値を算出し、
前記電圧制御設定値を、短絡期間中は前記出力電圧設定値から前記電流微分値を減算した値として算出し、アーク期間中は前記出力電圧設定値に前記電流微分平滑値を加算した値として算出する、
ことを特徴とする溶接電源装置の出力制御方法。
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