JP4545483B2 - くびれ検出時電流急減機能付溶接電源及び溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、炭酸ガスアーク溶接、マグ溶接等の短絡移行溶接において短絡が開放しアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれ現象を検出して溶接電流を急減させてスパッタの発生を抑制するためのくびれ検出時電流急減機能付溶接電源の改良に関するものである。

図８は、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを繰り返す消耗電極ガスシールドアーク溶接（以下、短絡移行溶接という）における電流・電圧波形及び溶滴移行を示す図である。同図（Ａ）は消耗電極（以下、溶接ワイヤ１という）を通電する溶接電流Ｉｗの、同図（Ｂ）は溶接ワイヤ１・母材２間の溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）〜（Ｅ）は溶滴１ａの移行の様子を示す。以下、同図を参照して説明する。

時刻ｔ１〜ｔ３の短絡期間Ｔｓ中は溶接ワイヤ１先端の溶滴１ａが母材２と短絡した状態にあり、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは次第に増加し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは短絡状態にあるために数Ｖ程度の低い値となる。同図（Ｃ）に示すように、時刻ｔ１において溶滴１ａが母材２と接触して短絡状態に入る。その後、同図（Ｄ）に示すように、溶滴１ａを通電する溶接電流Ｉｗによる電磁的ピンチ力によって溶滴１ａ上部にくびれ１ｂが発生する。そしてこのくびれ１ｂが急速に進行して、時刻ｔ３において同図（Ｅ）に示すように、溶滴１ａは溶接ワイヤ１から溶融池２ａへと離脱しアーク３が再発生する。このくびれ現象が発生すると、１００μｓ程度の極短時間後に短絡が開放されてアーク３が再発生する。すなわち、このくびれ現象は短絡開放の前兆現象となる。くびれ１ｂが発生すると、溶接電流Ｉｗの通路がくびれ部分で狭くなるために、同図（Ｂ）の時刻ｔ２〜ｔ３に示すように、溶接電圧Ｖｗが上昇する。この溶接電圧Ｖｗの上昇を検出すればくびれ１ｂが発生しているくびれ期間Ｔｎを検出することができる。

短絡移行溶接では、時刻ｔ３においてアーク３が再発生したときに大電流が通電しているためにアーク３から溶融池２ａへの圧力（アーク力）が非常に大きくなり、大量のスパッタが発生する。すなわち、アーク再発生時の溶接電流Ｉｗの値に略比例してスパッタ発生量が増加する。したがって、スパッタの発生を抑制するためには、上記の電流値を小さくする必要がある。このための方法として、上記のくびれ現象の発生を検出して溶接電流Ｉｗを急減させてアーク再発生時の電流値を小さくするくびれ検出時電流急減機能を付加した溶接電源が従来から提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。以下、これら従来技術について説明する。

［従来技術１（特許文献１）］
図９は、特許文献１に記載するくびれ検出時電流急減機能付溶接電源のブロック図である。溶接電源ＰＳは一般的な消耗電極ガスシールドアーク溶接用の溶接電源である。トランジスタＴＲが直列に挿入され、それと並列に抵抗器Ｒが接続されている。くびれ検出回路ＮＤは、＋端子と−端子間の溶接電圧Ｖｗを入力として短絡期間中に溶滴にくびれが発生したことを電圧の上昇によって検出するとＨｉｇｈレベルとなるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。駆動回路ＤＲは、このくびれ検出信号ＮｄがＬｏｗレベルのときには上記のトランジスタＴＲをオン状態にする駆動信号Ｄｒを出力する。したがって、上記のトランジスタＴＲは、上記のくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベル（くびれ検出時）のときはオフ状態になる。

図１０は、上記の溶接電源の各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの、同図（Ｃ）はくびれ検出信号Ｎｄの、同図（Ｄ）は駆動信号Ｄｒの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。

同図において、時刻ｔ２〜ｔ３のくびれ検出期間Ｔn1及び時刻ｔ５〜ｔ６のくびれ検出期間Ｔn2以外の期間中は、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルであるので、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになる。この結果、トランジスタＴＲはオン状態になるので、通常の消耗電極ガスシールドアーク溶接用の溶接電源と同一となる。

時刻ｔ２において、同図（Ｂ）に示すように、短絡期間Ｔｓ中に溶接電圧Ｖｗが上昇して第１基準値Ｖt1以上になったことを検出して溶滴にくびれが発生したと判別すると、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになる。これに応動して同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＬｏｗレベルになるので、トランジスタＴＲはオフ状態になる。また同時に、溶接電源ＰＳの出力を停止する。この結果、抵抗器Ｒが溶接電流Ｉｗの通電路に挿入される。この抵抗器Ｒの値は短絡負荷（数十mΩ）の１０倍以上大きな値に設定されるために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは急激に減少する。溶接電流Ｉｗが基準電流値Ｉｍにまで減少すると、溶接電源ＰＳの出力を再開して出力電流Ｉｏ＝Ｉｍを通電する。したがって、溶接電流Ｉｗは基準電流値Ｉｍに維持される。時刻ｔ３において、短絡が開放してアークが再発生すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗが第２基準値Ｖt2以上になる。これを検出して、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルになり、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになる。同時に溶接電源ＰＳの出力電流Ｉｏを増加させて通常の消耗電極ガスシールドアーク溶接の制御に復帰させる。この動作によって、アーク再発生時（時刻ｔ３）の電流値を小さくすることができスパッタの発生を抑制することができる。

ところで、くびれ期間Ｔn1は通常１００μｓ程度であるが、時刻ｔ５〜ｔ６のくびれ検出期間Ｔn2のように、くびれの進行速度のバラツキによって少し長くなる場合が生じる。この場合でも、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは基準電流値Ｉｍに維持されるので、それ以下に減少して電流が零になり短絡が開放してもアークが再発生せずにアーク切れに至ることはない。また、アークが再発生するときの電流値は常に基準電流値Ｉｍとなるので、くびれ検出期間Ｔn2が長くてもスパッタ発生の抑制効果への影響はほとんどない。

ところで、同図（Ｄ）に示すように、トランジスタＴＲはほとんどの期間オン状態にある。例えば、溶接電流平均値を２００Ａとすると、短絡期間Ｔｓ及びアーク期間Ｔａの合算値は２０ms程度である。くびれ検出期間は１００μｓ程度であるので、９９．５％の期間はトランジスタＴＲはオン状態にあることになる。トランジスタＴＲのオン時の飽和電圧を２Ｖとすると、損失は２００Ａ×２Ｖ×９９．５％＝３０８Ｗと大きな値となる。このために、トランジスタＴＲはこの損失に耐えうるように大容量のものを使用することになり、コストが高額になる。

［従来技術２（特許文献２）］
図１１は、特許文献２に記載するくびれ検出時電流急減機能付溶接電源のブロック図である。溶接電源ＰＳは一般的な消耗電極ガスシールドアーク溶接用の溶接電源である。トランジスタＴＲは、コレクタが＋端子に、エミッタが−端子に接続されて、上記の溶接電源ＰＳからの出力電流Ｉｏを通電する。ダイオードＤは、トランジスタＴＲと逆並列に接続されて、トランジスタＴＲがオン状態のときに短絡負荷を通電する溶接電流Ｉｗを還流する。くびれ検出回路ＮＤは、＋端子と−端子間の溶接電圧Ｖｗを入力として短絡期間中に溶滴にくびれが発生したことを電圧の上昇によって検出するとＨｉｇｈレベルとなるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。駆動回路ＤＲは、このくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルのときには上記のトランジスタＴＲをオン状態にする駆動信号Ｄｒを出力する。したがって、上記のトランジスタＴＲは、上記のくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベル（くびれ検出時）のときはオン状態になる。

図１２は、上記の溶接電源の各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの、同図（Ｃ）はくびれ検出信号Ｎｄの、同図（Ｄ）は駆動信号Ｄｒの、同図（Ｅ）はトランジスタＴＲを通電する電流Ｉｂの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。

同図において、時刻ｔ２〜ｔ３のくびれ検出期間Ｔn1及び時刻ｔ５〜ｔ６のくびれ検出期間Ｔn2以外の期間中は、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルであるので、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＬｏｗレベルになる。この結果、トランジスタＴＲはオフ状態になるので、通常の消耗電極ガスシールドアーク溶接用の溶接電源と同一となる。

時刻ｔ２において、同図（Ｂ）に示すように、短絡期間Ｔｓ中に溶接電圧Ｖｗが上昇して第１基準値Ｖt1以上になったことを検出して溶滴にくびれが発生したと判別すると、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになる。これに応動して同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになるので、トランジスタＴＲはオン状態になる。また同時に、溶接電源ＰＳの出力を停止するが、同図（Ａ）の時刻ｔ２〜ｔ３の点線で示すように、溶接電源ＰＳ内の大きな直流リアクトルの作用によって出力電流Ｉｏは短時間では少ししか減少しない。トランジスタＴＲがオン状態にあるので、同図（Ｅ）に示すように、上記の出力電流Ｉｏはトランジスタ通電電流ＩｂとしてトランジスタＴＲを通電することになる。この結果、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは急減する。時刻ｔ３において短絡が開放してアークが再発生すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗが第２基準値Ｖt2以上になる。これを検出して、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルになり、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＬｏｗレベルになる。同時に溶接電源ＰＳの出力が開始されて、通常の消耗電極ガスシールドアーク溶接の制御に復帰する。この動作によって、アーク再発生時（時刻ｔ３）の電流値を小さくすることができ、スパッタ発生を抑制することができる。

ところで、くびれ期間Ｔn1は通常１００μｓ程度であるが、時刻ｔ５〜ｔ６のくびれ検出期間Ｔn2のようにくびれの進行速度のバラツキによって少し長くなる場合がある。この場合、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは減少し続けて零となる。この状態でくびれが進行して短絡が開放したときにはアークが再発生せずアーク切れになる。これを防止するために溶接電流Ｉｗが基準電流値Ｉｍまで減少したときは、たとえ短絡が開放前であっても時刻ｔ５１の時点で、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒをＬｏｗレベルにしてトランジスタＴＲをオフにする必要がある。これによって同図（Ｅ）に示すトランジスタ通電電流Ｉｂが急減するために、溶接電源ＰＳの出力電流Ｉｏは急増する。この結果、アーク再発生時（時刻ｔ６）の電流値が大きくなり、スパッタ発生の抑制効果はなくなる。したがって、従来技術２では、スパッタ抑制効果はくびれ検出期間のバラツキに大きく影響される。

ところで、同図（Ｄ）に示すように、トランジスタＴＲはほとんどの期間オフ状態にある。例えば、溶接電流平均値を２００Ａとした場合、短絡期間Ｔｓ及びアーク期間Ｔａの合算値は２０ms程度である。くびれ検出期間は１００μｓ程度であるので、０．５％の期間だけトランジスタＴＲはオン状態にあることになる。トランジスタＴＲのオン時の飽和電圧を２Ｖとすると、損失は２００Ａ×２Ｖ×０．５％＝２Ｗと小さな値となる。このために、トランジスタＴＲには上述した従来技術１のときよりも相当に小容量のものを使用することができる。

特開平１−１７０５８２号公報 特開平４−２８４９７２号公報

上述したように、従来技術１では、くびれ検出期間がばらついてもアーク再発生時の溶接電流値は常に小さな値であるのでスパッタ抑制効果は大きいままである。しかし、電流急減用のトランジスタの損失が大きいので、大容量の素子が必要になるという課題がある。他方、従来技術２では、くびれ検出期間がばらついたときにアーク再発生に失敗してアーク切れになる場合がある。これを防止しようとするとアーク再発生時の溶接電流値が大きな値になり、スパッタ抑制効果が失われるという課題がある。ただし、電流急減用のトランジスタの損失は小さくなる。

そこで、本発明では、くびれ検出期間がばらついてもスパッタ抑制効果に影響を与えず、かつ、電流急減用のトランジスタの損失が小さいために小容量の素子を使用することができるくびれ検出時電流急減機能付溶接電源を提供する。

上述した課題を解決するために、第１の発明は、アーク期間と短絡期間とを繰り返す消耗電極ガスシールドアーク溶接に使用する溶接電源であって、短絡が開放されてアークが再発生する前兆現象である消耗電極先端の溶滴のくびれ現象を検出して短絡負荷を通電する溶接電流を急減させてスパッタの発生を抑制するくびれ検出時電流急減機能付溶接電源において、
前記溶接電源の２つの出力端子間に設けられたコンデンサ及び放電用スイッチング素子の直列回路から成る放電回路と、
前記コンデンサに並列に設けられた充電用電源及び充電用スイッチング素子の直列回路から成る充電回路と、
前記放電回路及び前記充電回路は前記コンデンサから負荷への放電電流が前記溶接電源からの出力電流とは逆方向に通電するように接続し、
短絡期間中に前記くびれ現象の発生を検出すると前記充電用スイッチング素子をオフにすると共に前記放電用スイッチング素子をオンにして前記放電回路から短絡負荷に前記放電電流を通電して前記溶接電流を急減させ、続いて短絡が開放されてアークが再発生したことを検出した時点又はそれから所定時間経過した時点で前記放電用スイッチング素子をオフにして放電を停止すると共に前記充電用スイッチング素子をオンにして前記コンデンサへの充電を開始する充放電駆動回路とを備え、
前記コンデンサの容量を前記アークの再発生時に前記放電電流がピーク値となる値に設定することを特徴とするくびれ検出時電流急減機能付溶接電源である。

また、第２の発明は、第１の発明に記載の充放電駆動回路が、短絡期間中に前記くびれ現象の発生を検出した時点で前記放電用スイッチング素子をオンにして前記放電回路から短絡負荷に前記放電電流を通電して前記溶接電流を急減させ、続いて短絡が開放されてアークが再発生したことを検出した時点又はそれから所定時間経過した時点で前記放電用スイッチング素子をオフにして放電を停止すると共に前記充電用スイッチング素子をオンにして前記コンデンサへの充電を開始し、続いて前記コンデンサの充電電圧が予め定めた充電電圧制限値に達したことを検出した時点で前記充電用スイッチング素子をオフにして充電を停止する充電電圧制限駆動回路であることを特徴とするくびれ検出時電流急減機能付溶接電源である。

また、第３の発明は、第１の発明記載の充放電駆動回路が、短絡期間中に前記くびれ現象の発生を検出すると前記充電用スイッチング素子をオフにすると共に前記放電用スイッチング素子をオンにして前記放電回路から短絡負荷に前記放電電流を通電して前記溶接電流を急減させ、続いて短絡が開放されてアークが再発生したことを検出した時点又はそれから所定時間経過した時点で前記放電用スイッチング素子をオフにして放電を停止し、続いて短絡が再発生したことを検出した時点から前記コンデンサの充電電圧が前記溶接電流の上昇に略比例して上昇するように前記充電用スイッチング素子をチョッパ制御する充電電圧制御駆動回路であることを特徴とするくびれ検出時電流急減機能付溶接電源である。

また、第４の発明は、前記溶接電源、ワイヤ送給機及び溶接トーチを含む消耗電極ガスシールドアーク溶接に使用する溶接装置であって、
前記放電回路及び前記充電回路及び前記充放電駆動回路を含むくびれ検出時電流急減ユニットを前記ワイヤ送給機に内蔵したことを特徴とする第１、第２又は第３の発明記載のくびれ検出時電流急減機能付溶接装置である。

上記第１の発明によれば、くびれ検出期間がばらついてもアーク切れは発生せず、かつ、アーク再発生時の電流値も小さいのでスパッタ発生を大幅に抑制することができる。さらに、電流急減用のスイッチング素子の損失が小さいので、小容量の素子を使用することができコストを安価にすることができる。

上記第２の発明によれば、上記の効果に加えて、溶接電流の平均値、ピーク値等に応じてコンデンサの充電電圧を制限することによって、放電電流のピーク値を適正化することができる。このために、溶接電流のピーク値が変化してもアーク再発生時の電流値を常に略所望値にすることができ、スパッタを常に大幅に抑制することができる。

さらに、上記第３の発明によれば、上記第１の発明の効果に加えて、短絡期間中は充電用スイッチング素子をチョッパ制御することによってコンデンサの充電電圧を溶接電流値に比例させることができる。このために、短絡期間が変化してくびれ検出直前の溶接電流値が変化してもそれに応じてコンデンサからの放電電流が適正化されるので、アーク再発生時の溶接電流値を常に略所望値にすることができ、スパッタを常に大幅に抑制することができる。

さらに、上記第４の発明によれば、くびれ検出時電流急減ユニットをワイヤ送給機に内蔵することによって溶接ケーブルの長さが長くなってもくびれ検出時の電流急減作用には影響を与えないので、スパッタを常に大幅に抑制することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係るくびれ検出時電流急減機能付溶接電源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。

溶接電源ＰＳは、一般的な消耗電極ガスシールドアーク溶接用の溶接電源である。溶接電源ＰＳの＋端子と−端子間にコンデンサＣ及び放電用スイッチング素子ＴＲＤの直列回路から成る放電回路が接続される。この放電回路からの放電電流Ｉｄはくびれ検出期間中に溶接電流Ｉｗとは逆方向に通電する。上記のコンデンサＣの容量は、アーク再発生時に放電電流Ｉｄが略ピーク値となる値に設定する。上記のコンデンサＣに並列に充電電源Ｅ及び充電用スイッチング素子ＴＲＣの直列回路から成る充電回路が接続される。

くびれ検出回路ＮＤは、溶接電圧Ｖｗを入力として溶滴のくびれ発生を電圧の上昇によって検出してＨｉｇｈレベルとなるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。充放電駆動回路ＤＲＡは、上記のくびれ検出信号Ｎｄを入力として、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになると上記の充電用スイッチング素子ＴＲＣをオフにし、Ｌｏｗレベルになった時点又はそれから所定時間経過した時点で上記の充電用スイッチング素子ＴＲＣをオンにする充電駆動信号Ｄrcを出力する。同時に、上記の充放電駆動回路ＤＲＡは、上記のくびれ検出信号Ｎｄを入力として、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになると上記の放電用スイッチング素子ＴＲＤをオンにし、Ｌｏｗレベルになった時点又はそれから所定時間経過した時点で上記の放電用スイッチング素子ＴＲＤをオフにする放電駆動信号Ｄrdを出力する。

上記のくびれ検出回路ＮＤの動作を上記の充放電駆動回路ＤＲＡに含めても良い。また、上記の放電回路、充電回路及びくびれ検出回路ＮＤを含む充放電駆動回路ＤＲＡを、一点鎖線で示すくびれ検出時電流急減ユニットＣＤとして定義する。上記のくびれ検出時電流急減機能付溶接電源は、一般的な消耗電極ガスシールドアーク溶接用の溶接電源ＰＳにこのくびれ検出時電流急減ユニットＣＤを内蔵したものになる。

図２は、上記のくびれ検出時電流急減機能付溶接電源の各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの、同図（Ｃ）はくびれ検出信号Ｎｄの、同図（Ｄ）は充電駆動信号Ｄrcの、同図（Ｅ）は放電駆動信号Ｄrdの、同図（Ｆ）は放電電流Ｉｄの、同図（Ｇ）はコンデンサ電圧Ｖｃの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。

同図において、時刻ｔ２〜ｔ３のくびれ検出期間Ｔn1及び時刻ｔ５〜ｔ６のくびれ検出期間Ｔn2以外の期間中は、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルであるので、同図（Ｅ）に示すように、放電駆動信号ＤrdはＬｏｗレベルになる。この結果、放電用スイッチング素子ＴＲＤはオフ状態になるので、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは通常の消耗電極ガスシールドアーク溶接用の溶接電源と同一となる。

時刻ｔ２において、同図（Ｂ）に示すように、短絡期間Ｔｓ中に溶接電圧Ｖｗが上昇して第１基準値Ｖt1以上になったことを検出して溶滴にくびれが発生したと判別すると、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになる。これに応動して同図（Ｄ）に示すように、充電駆動信号ＤrcはＬｏｗレベルになるので、充電用スイッチング素子ＴＲＣはオフ状態になる。また同時に、同図（Ｅ）に示すように、放電駆動信号ＤrdはＨｉｇｈレベルになるので、放電用スイッチング素子ＴＲＤはオン状態になる。このために、同図（Ｆ）に示すように、コンデンサＣから放電電流Ｉｄが同図（Ａ）に示す溶接電流Ｉｗとは逆方向に通電する。同図（Ａ）の時刻ｔ２〜ｔ３の点線で示すように、出力電流Ｉｏは溶接電源ＰＳ内の大きな値の直流リアクトルの作用によって短時間では少ししか減少しない。この出力電流Ｉｏから放電電流Ｉｄが減算された値が溶接電流Ｉｗとなるので、溶接電流Ｉｗは急減する。時刻ｔ３において、短絡が開放してアークが再発生すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗが第２基準値Ｖt2以上になる。これを検出して、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルになり、同図（Ｄ）に示すように、充電駆動信号ＤrcはＨｉｇｈレベルになる。このために、同図（Ｇ）に示すように、コンデンサ電圧Ｖｃは充電電源Ｅによって充電されて次第に大きくなる。同時に、同図（Ｅ）に示すように、放電駆動信号ＤrdはＬｏｗレベルになるので、放電用スイッチング素子ＴＲＤはオフ状態になる。このために、同図（Ｆ）に示すように、放電電流Ｉｄが遮断されるので、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは出力電流Ｉｏと同一になり、溶接電流Ｉｗは増加する。この動作によって、アーク再発生時（時刻ｔ３）の電流値を小さくすることができスパッタの発生を大幅に抑制することができる。コンデンサＣの容量は、平均的なくびれ期間Tn1において同図（Ｆ）に示す放電電流Ｉｄがピーク値になるように設定する。

ところで、くびれ検出期間Ｔn1は通常１００μｓ程度であるが、時刻ｔ５〜ｔ６のくびれ検出期間Ｔn2のように、くびれの進行速度のバラツキによって少し長くなる場合がある。この場合、同図（Ｆ）に示すように、放電電流Ｉｄがピーク値から減少に転じるので、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは増加に転じる。しかし、アーク再発生時の電流値は依然として小さな値であるので、スパッタ抑制効果はほとんど変わらない。

また、同図（Ｅ）に示すように、放電用スイッチング素子ＴＲＤはほとんどの期間オフ状態にある。例えば、溶接電流平均値を２００Ａとした場合、短絡期間Ｔｓ及びアーク期間Ｔａの合算値は２０ms程度である。くびれ検出期間は１００μｓ程度であるので、０．５％の期間は放電用スイッチング素子ＴＲＤはオフ状態にあることになる。放電用スイッチング素子ＴＲＤのオン時の飽和電圧を２Ｖとすると、損失は２００Ａ×２Ｖ×０．５％＝２Ｗと小さな値となる。このために、放電用スイッチング素子ＴＲＤは小容量の素子を使用することができる。また、充電用スイッチング素子ＴＲＣは小さな充電電流が通電するのでやはり小容量の素子を使用することができる。

上述したように、本発明では、くびれ検出期間がばらついてもアーク切れを生じたり、スパッタの抑制効果がなくなることはない。さらに、充電用スイッチング素子ＴＲＣ及び放電用スイッチング素子ＴＲＤ共に小容量の素子を使用することができる。また、上記はアーク再発生時の時刻ｔ３に充電用スイッチング素子ＴＲＣをオンにし放電用スイッチング素子ＴＲＤをオフにする場合である。しかし、このタイミングをアーク再発生から所定時間（数十〜数百μｓ）だけ遅らせても良い。これはアーク再発生後も短時間の間電流値が小さい方が溶接条件によってはスパッタ発生が少なくなる場合があるためである。

［実施の形態２］
図３は、本発明の実施の形態２に係るくびれ検出時電流急減機能付溶接電源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１とは異なる点線で示す回路ブロックについて説明する。

コンデンサ電圧検出回路ＶＣＤは、コンデンサＣの端子間電圧であるコンデンサ電圧Ｖｃを検出してコンデンサ電圧検出信号Ｖcdを出力する。充電電圧制限駆動回路ＤＲＢは、くびれ検出信号Ｎｄを入力として、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになると放電用スイッチング素子ＴＲＤをオンにし、Ｌｏｗレベルになった時点又はそれから所定時間経過した時点で上記の放電用スイッチング素子ＴＲＤをオフにする放電駆動信号Ｄrdを出力する。同時に、上記の充電電圧制限駆動回路ＤＲＢは、くびれ検出信号ＮｄがＬｏｗレベルになった時点又はそれから所定時間経過した時点で充電用スイッチング素子ＴＲＣをオンにし、コンデンサ電圧検出信号Ｖcdの値が予め定めた充電電圧制限値Ｖctに達したときは充電用スイッチング素子ＴＲＣをオフにする充電駆動信号Ｄrcを出力する。

図４は、上記のくびれ検出時電流急減機能付溶接電源の各信号のタイミングチャートである。同図は上述した図２と対応しており、以下図２とは異なる点についてのみ説明する。

時刻ｔ４においてアークが再発生すると、同図（Ｄ）に示すように、充電駆動信号ＤrcがＨｉｇｈレベルになるので充電用スイッチング素子ＴＲＣがオン状態になる。このために、同図（Ｇ）に示すように、コンデンサＣへの充電が開始する。時刻ｔ３１において同図（Ｇ）に示すように、コンデンサ電圧Ｖｃが予め定めた充電電圧制限値Ｖctに達すると、同図（Ｄ）に示すように、充電駆動信号ＤrcはＬｏｗレベルになる。このために、同図（Ｇ）に示すように、充電は停止する。

コンデンサＣの充電電圧であるコンデンサ電圧Ｖｃを制限する理由は以下のとおりである。同図（Ａ）に示すように、短絡期間Ｔｓ中の溶接電流Ｉｗのピーク値は、通常溶接電流平均値に略比例して大きくなる。放電電流Ｉｄは、この溶接電流ピーク値よりも数十Ａ程度小さな値になるのが適正である。したがって、溶接電流平均値が変化して溶接電流ピーク値が変化した場合には、上記の充電電圧制限値Ｖctを調整することによって放電電流Ｉｄを適正化することができる。

［実施の形態３］
図５は、本発明の実施の形態３に係るくびれ検出時電流急減機能付溶接電源のブロック図である。同図において、上述した図３と同一の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３とは異なる回路である電流検出器ＩＷＤ、点線で示す充電電圧制御駆動回路ＤＲＣ及び短絡検出回路ＳＤについて説明する。

電流検出器ＩＷＤは、溶接電流Ｉｗを検出して電流検出信号Ｉwdを出力する。短絡検出回路ＳＤは、溶接電圧Ｖｗの値によって短絡を検出しＨｉｇｈレベルとなる短絡検出信号Ｓｄを出力する。充電電圧制御駆動回路ＤＲＣは、くびれ検出信号Ｎｄを入力として、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになると放電用スイッチング素子ＴＲＤをオンにし、Ｌｏｗレベルになった時点又はそれから所定時間経過した時点で上記の放電用スイッチング素子ＴＲＤをオフにする放電駆動信号Ｄrdを出力する。同時に、この充電電圧制御駆動回路ＤＲＣは、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになると充電用スイッチング素子ＴＲＣをオフにし、上記の短絡検出信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）になるとコンデンサ電圧検出信号Ｖcdの値が溶接電流検出信号Ｉwdの値に略比例した値になるように上記の充電用スイッチング素子ＴＲＣをチョッパ制御する充電駆動信号Ｄrcを出力する。すなわち、Ｖcd＝α・Ｉwdとなるように、電流検出信号Ｉwdを目標値としコンデンサ電圧検出信号Vcdをフィードバック値として充電用スイッチング素子はチョッパ制御される。αは係数である。

図６は、上記のくびれ検出時電流急減機能付溶接電源の各信号のタイミングチャートである。同図は上述した図４と対応しており、以下図４とは異なる点についてのみ説明する。

時刻ｔ１において、同図（Ｂ）に示すように、短絡が発生すると、同図（Ｄ）に示すように、充電用スイッチング素子のチョッパ制御が開始される。時刻ｔ２において、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになると、同図（Ｄ）に示すように、充電用スイッチング素子はチョッパ制御を停止してオフになる。

上記の溶接電源の構成によれば、コンデンサ電圧Ｖｃを短絡期間中の溶接電流Ｉｗに比例させることによって、くびれ検出時のコンデンサからの放電電流値を適正化することができる。すなわち、時刻ｔ１〜ｔ３の短絡期間がＴs1と通常よりも短い場合、時刻ｔ２のくびれ検出時の溶接電流値Ｉｗは通常値よりも小さくなる。そこで、コンデンサ電圧Ｖｃをこの溶接電流値Ｉｗに比例させて小さくすることによって、放電電流を適正化し、時刻ｔ３のアーク再発生時の溶接電流値Ｉｗが常に略所望値になるようにしている。

［実施の形態４］
図７は、本発明の実施の形態４に係るくびれ検出時電流急減機能付溶接装置のブロック図である。以下、同図を参照して説明する。

溶接電源ＰＳは、上述した図１と同様に一般的なガスシールドアーク溶接用の溶接電源である。ワイヤ送給機５は、送給モータＭ、送給ロール６及び図１で上述したくびれ検出時電流急減ユニットＣＤ等から成る。溶接ワイヤ１は、上記の送給モータＭによって駆動させる上記の送給ロール６の回転により溶接トーチ４内を通って送給されて母材２との間にアーク３が発生する。上記の溶接電源ＰＳの＋出力は、溶接ケーブル７及びワイヤ送給機５を介して溶接トーチ４に供給される。上記の溶接電源ＰＳの−出力は、溶接ケーブル８を介して母材２に接続される。くびれ検出時電流急減ユニットＣＤは、上記の＋出力と−出力との間に接続される。このユニットＣＤの動作は図１で上述したとおりである。したがって、実施の形態４は、くびれ検出時電流急減ユニットＣＤをワイヤ送給機５に内蔵したものである。

同図において、溶接電源ＰＳと母材２とが数十ｍ離れた位置にあることもときどきある。このような場合には、溶接ケーブル７、８を数十ｍに長くして対応するのが通常である。溶接トーチ４の長さは１〜３ｍ程度と短く設定されている。これは、溶接ワイヤ１の送給性を良好に維持するためである。くびれ検出時電流急減ユニットＣＤが溶接電源ＰＳに内蔵されている場合、溶接ケーブル７、８が長くなるとケーブルの抵抗値、インダクタンス値が大きくなるために、くびれ検出時の放電回路からの放電電流のピーク値が抑制されて電流急減効果が小さくなる。この結果、スパッタ低減効果も小さくなる。これに対して、実施の形態４では、くびれ検出時電流急減ユニットＣＤがワイヤ送給機５に内蔵されているので、溶接ケーブル７、８が長いときでも放電電流の放電経路は短いままで略一定となる。このために、くびれ検出時の放電電流のピーク値が略一定となり、電流急減効果は大きい状態を維持することができ、スパッタ低減効果も大きいままである。

本発明の実施の形態１に係るくびれ検出時電流急減機能付溶接電源のブロック図である。 図１の各信号のタイミングチャートである。 本発明の実施の形態２に係るくびれ検出時電流急減機能付溶接電源のブロック図である。 図３の各信号のタイミングチャートである。 本発明の実施の形態３に係るくびれ検出時電流急減機能付溶接電源のブロック図である。 図５の各信号のタイミングチャートである。 本発明の実施の形態４に係るくびれ検出時電流急減機能付溶接装置のブロック図である。 従来技術の短絡移行溶接における電流・電圧波形図及び溶滴移行図である。 従来技術１のくびれ検出時電流急減機能付溶接電源のブロック図である。 図９の各信号のタイミングチャートである。 従来技術２のくびれ検出時電流急減機能付溶接電源のブロック図である。 図１１の各信号のタイミングチャートである。

符号の説明

１ 溶接ワイヤ
１ａ 溶滴
１ｂ くびれ
２ 母材
２ａ 溶融池
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ ワイヤ送給機
６ 送給ロール
７、８ 溶接ケーブル
Ｃ コンデンサ
ＣＤ くびれ検出時電流急減ユニット
Ｄ ダイオード
ＤＲ 駆動回路
Ｄｒ 駆動信号
ＤＲＡ 充放電駆動回路
ＤＲＢ 充電電圧制限駆動回路
ＤＲＣ 充電電圧制御駆動回路
Ｄrc 充電駆動信号
Ｄrd 放電駆動信号
Ｅ 充電電源
Ｉｂ トランジスタ通電電流
Ｉｄ 放電電流
Ｉｍ 基準電流値
Ｉｏ 出力電流
Ｉｗ 溶接電流
ＩＷＤ 電流検出器
Ｉwd 電流検出信号
Ｍ 送給モータ
ＮＤ くびれ検出回路
Ｎｄ くびれ検出信号
ＰＳ 溶接電源
Ｒ 抵抗器
ＳＤ 短絡検出回路
Ｓｄ 短絡検出信号
Ｔａ アーク期間
Ｔｎ くびれ検出期間
ＴＲ トランジスタ
ＴＲＣ 充電用スイッチング素子
ＴＲＤ 放電用スイッチング素子
Ｔｓ 短絡期間
Ｖｃ コンデンサ電圧
ＶＣＤ コンデンサ電圧検出回路
Ｖcd コンデンサ電圧検出信号
Ｖct 充電電圧制限値
Ｖt1 第１基準値
Ｖt2 第２基準値
Ｖｗ 溶接電圧

Claims (4)

1. アーク期間と短絡期間とを繰り返す消耗電極ガスシールドアーク溶接に使用する溶接電源であって、短絡が開放されてアークが再発生する前兆現象である消耗電極先端の溶滴のくびれ現象を検出して短絡負荷を通電する溶接電流を急減させてスパッタの発生を抑制するくびれ検出時電流急減機能付溶接電源において、
   前記溶接電源の２つの出力端子間に設けられたコンデンサ及び放電用スイッチング素子の直列回路から成る放電回路と、
   前記コンデンサに並列に設けられた充電用電源及び充電用スイッチング素子の直列回路から成る充電回路と、
   前記放電回路及び前記充電回路は前記コンデンサから負荷への放電電流が前記溶接電源からの出力電流とは逆方向に通電するように接続し、
   短絡期間中に前記くびれ現象の発生を検出すると前記充電用スイッチング素子をオフにすると共に前記放電用スイッチング素子をオンにして前記放電回路から短絡負荷に前記放電電流を通電して前記溶接電流を急減させ、続いて短絡が開放されてアークが再発生したことを検出した時点又はそれから所定時間経過した時点で前記放電用スイッチング素子をオフにして放電を停止すると共に前記充電用スイッチング素子をオンにして前記コンデンサへの充電を開始する充放電駆動回路とを備え、
   前記コンデンサの容量を前記アークの再発生時に前記放電電流がピーク値となる値に設定することを特徴とするくびれ検出時電流急減機能付溶接電源。
2. 請求項１記載の充放電駆動回路が、短絡期間中に前記くびれ現象の発生を検出した時点で前記放電用スイッチング素子をオンにして前記放電回路から短絡負荷に前記放電電流を通電して前記溶接電流を急減させ、続いて短絡が開放されてアークが再発生したことを検出した時点又はそれから所定時間経過した時点で前記放電用スイッチング素子をオフにして放電を停止すると共に前記充電用スイッチング素子をオンにして前記コンデンサへの充電を開始し、続いて前記コンデンサの充電電圧が予め定めた充電電圧制限値に達したことを検出した時点で前記充電用スイッチング素子をオフにして充電を停止する充電電圧制限駆動回路であることを特徴とするくびれ検出時電流急減機能付溶接電源。
3. 請求項１記載の充放電駆動回路が、短絡期間中に前記くびれ現象の発生を検出すると前記充電用スイッチング素子をオフにすると共に前記放電用スイッチング素子をオンにして前記放電回路から短絡負荷に前記放電電流を通電して前記溶接電流を急減させ、続いて短絡が開放されてアークが再発生したことを検出した時点又はそれから所定時間経過した時点で前記放電用スイッチング素子をオフにして放電を停止し、続いて短絡が再発生したことを検出した時点から前記コンデンサの充電電圧が前記溶接電流の上昇に略比例して上昇するように前記充電用スイッチング素子をチョッパ制御する充電電圧制御駆動回路であることを特徴とするくびれ検出時電流急減機能付溶接電源。
4. 前記溶接電源、ワイヤ送給機及び溶接トーチを含む消耗電極ガスシールドアーク溶接に使用する溶接装置であって、
   前記放電回路及び前記充電回路及び前記充放電駆動回路を含むくびれ検出時電流急減ユニットを前記ワイヤ送給機に内蔵したことを特徴とする請求項１、２又は３記載のくびれ検出時電流急減機能付溶接装置。
   
   

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