JP4643111B2 - アーク長揺動パルスアーク溶接制御方法 - Google Patents
アーク長揺動パルスアーク溶接制御方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アーク長を周期的に揺動させる消耗電極式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】
ピーク期間Ｔｐ中のピーク電流Ｉｐの通電とベース期間Ｔｂ中のベース電流Ｉｂの通電とを繰り返して行う消耗電極式パルスアーク溶接において、上記のピーク電流Ｉｐ及び上記のピーク期間Ｔｐを予め定めた低周波（数Ｈｚ〜数十Ｈｚ）の切換周期Ｔｃ毎に変化させることによって、アーク長を高低に揺動させる溶接方法が従来から行われている。この溶接方法では、アーク長の揺動によってアークの広がりを変化させて美しい波目模様のビード外観を得ることができるので、外観を重視するオートバイのフレームの溶接等に利用されている。さらに、この溶接方法では、アーク長の揺動によってアーク力を変化させて溶融池を攪拌することで、ブローホール等の溶接欠陥の発生を抑制することができる。以下、従来技術としてこのアーク長揺動パルスアーク溶接方法について、図面を参照して説明する。
【０００３】
図１は、従来技術のアーク長揺動パルスアーク溶接の電流・電圧波形図である。同図（Ａ）は切換周期信号Ｔtcの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｄ）はアーク長Ｌａの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【０００４】
同図（Ａ）に示すように、切換周期信号Ｔtcは、予め定めたＨｉｇｈレベルの高アーク長期間ＨＴと、予め定めたＬｏｗレベルの低アーク長期間ＬＴとを切換周期Ｔｃ毎に繰り返す。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、アーク長Ｌａは、上記の高アーク長期間ＨＴ中は高アーク長ＨＬａとなり、上記の低アーク長期間ＬＴ中は低アーク長ＬＬａとなる。
【０００５】
▲１▼ 高アーク長期間ＨＴ
同図（Ｂ）に示すように、高ピーク期間ＨＴｐ中は高ピーク電流ＨＩｐを通電し、高ベース期間ＨＴｂ中は高ベース電流ＨＩｂを通電し、これらの通電を高パルス周期ＨＴｆとして高アーク長期間ＨＴ中繰り返して通電する。同様に、同図（Ｃ）に示すように、高ピーク期間ＨＴｐ中は高ピーク電圧ＨＶｐが印加し、高ベース期間ＨＴｂ中は高ベース電圧ＨＶｂが印加し、これらの印加を高アーク長期間ＨＴ中繰り返して行う。
【０００６】
▲２▼ 低アーク長期間ＬＴ
同図（Ｂ）に示すように、低ピーク期間ＬＴｐ中は低ピーク電流ＬＩｐを通電し、低ベース期間ＬＴｂ中は低ベース電流ＬＩｂを通電し、これらの通電を低パルス周期ＬＴｆとして低アーク長期間ＬＴ中繰り返して通電する。同様に、同図（Ｃ）に示すように、低ピーク期間ＬＴｐ中は低ピーク電圧ＬＶｐが印加し、低ベース期間ＬＴｂ中は低ベース電圧ＬＶｂが印加し、これらの印加を低アーク長期間ＬＴ中繰り返して行う。
【０００７】
上記の高ピーク電流ＨＩｐと高ピーク期間ＨＴｐとの組合せ及び上記の低ピーク電流ＬＩｐと低ピーク期間ＬＴｐとの組合せは、溶接ワイヤが１パルス１溶滴移行する範囲内で予め設定される。このピーク電流とピーク期間との組合せは、一般的にユニットパルス条件と呼ばれる。また、上記の高ベース電流ＨＩｂ及び上記の低ベース電流ＬＩｂは、溶接ワイヤが溶融しないように数十Ａ以下の低い値に予め設定される。同図（Ｄ）に示す高アーク長ＨＬａと低アーク長Ｌｌａとの変化幅を数mm以上と大きくするためには、上記の高ピーク電流ＨＩｐと低ピーク電流ＬＩｐとの差及び高ピーク期間ＨＴｐと低ピーク期間ＬＴｐとの差を、１パルス１溶滴移行する範囲内で大きくなるように設定するのが通常である。これは、アーク長Ｌａの変化幅が数mm以上の所定値よりも小さいと、前述したビード外観の波目模様のメリカリが少なくなり、美しさの度合いが下がるからである。さらに、前述した溶融池の攪拌作用によるブローホール発生数の削減効果も、同様に小さくなるからである。すなわち、本アーク長揺動パルスアーク溶接方法に特有の効果を得るためには、アーク長の揺動幅を数mm以上の所定値にする必要があり、そのためには上記のユニットパルス条件を大きく変化させる必要がある。溶接ワイヤに直径１．２mmのアルミニウム−マグネシウム合金ワイヤを使用し、溶接電流が１００Ａであるときの上記のユニットパルス条件の設定例を下記に示す。
（設定例１）
高ピーク電流ＨＩｐ＝３６０Ａ，高ピーク期間ＨＴｐ＝２。０ms
低ピーク電流ＬＩｐ＝２８０Ａ，低ピーク期間ＬＴｐ＝１．２ms
【０００８】
また、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗを大きな時定数で平滑して算出した切換周期Ｔｃ中の溶接電圧平均値が予め定めた電圧設定値Ｖｓと略等しくなるようにフィードバック制御されて、操作量としての高パルス周期ＨＴｆ又は低パルス周期ＬＴｆが制御される。これによって、切換周期Ｔｃ中の平均アーク長が制御される。溶接電圧Ｖｗを大きな時定数で平滑する理由は、図２〜３で後述するように、アーク長とは比例関係にない種々の異常電圧が発生して溶接電圧Ｖｗに重畳することがときどき生じる。この結果、異常電圧の影響によってアーク長の検出に誤差が生じ、アーク長制御が不安定になる。このランダムに発生する異常電圧の影響を抑制するために、溶接電圧Ｖｗを大きな時定数で平滑する必要がある。したがって、従来技術では、平均アーク長を上記の溶接電圧平均値で制御すると共に、前述したように、高／低ピーク電流と高／低ピーク期間との組合せ（ユニットパルス条件）の設定値の差を大きくすることでアーク長の変化幅を大きくしている。
【０００９】
上記においては、ピーク電流とピーク期間との組合せをユニットパルス条件として、このユニットパルス条件及びベース電流を予め設定し、パルス周期を制御する場合について説明した。ここで、ピーク電流とパルス周期との組合せをユニットパルス条件とし、このユニットパルス条件及びベース電流を予め設定し、ピーク期間を制御する場合も従来から行われている。この場合には、ピーク電流とパルス周期との組合せの設定値を大きく変化させることによって、アーク長の変化幅を大きくする。
【００１０】
上述したように、従来技術では、溶接電圧Ｖｗをフィードバックしてアーク長を制御する。しかし、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。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、この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２つの典型的な例について説明する。
【００１１】
▲１▼ 微小短絡直後の異常電圧
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。同図は、前述した図１の高パルス周期ＨＴｆ及び低パルス周期ＬＴｆのどちらの期間中にも当てはまる。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ので、溶滴移行に伴って溶接ワイヤ先端部が長く伸びて溶滴と母材とが短時間接触（微小短絡）することが生じる。同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１において短絡が発生し短時間後の時刻ｔ２において短絡が開放されると、その直後の時刻ｔ２〜ｔ３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ｔ１の短絡発生によってアークがいったん消滅し、時刻ｔ２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。この陰極降下電圧値は、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、その値が小さくなり発生期間も短い場合もある。逆に、その値が大きくなり発生期間も長い場合もある。
【００１２】
▲２▼ ベース期間中の陰極点の移動に伴う異常電圧
図３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。同図は、図１で前述した高パルス周期ＨＴｆ及び低パルス周期ＬＴｆのどちらの期間中にも当てはまる。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程度と低い値であるために、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なり、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はできない。
【００１３】
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Ｖｗによっては、アーク長を正確に検出することができない。そこで、前述したように、ランダムに発生する異常電圧の悪影響を抑制するために、溶接電圧Ｖｗを大きな時定数で平滑した溶接電圧平均値によって、平均アーク長を制御している。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
図４は、従来技術の課題を説明するための低アーク長期間ＬＴ及び高アーク長期間ＨＴ中の溶滴移行の状態を示す図である。同図（Ａ）は低アーク長期間ＬＴ中の溶滴移行の状態及び溶接電流波形を示し、同図（Ｂ）は高アーク長期間ＨＴ中の溶滴移行の状態及び溶接電流波形を示す。前述したように、ＬＩｐ＜ＨＩｐであり、かつＬＴｐ＜ＨＴｐである。また、前述したように、アーク長の変化幅を大きくするために、ピーク電流とピーク期間との組合せは、１パルス１溶滴移行の範囲内において大きく変化するように設定される。このために、通常、低ピーク電流ＬＩｐと低ピーク期間ＬＴｐとの組合せは、溶滴移行がピーク期間の終了時点の直前又は直後に行われるように、１パルス１溶滴移行の範囲の下限値近くに設定される。他方、高ピーク電流ＨＩｐと高ピーク期間ＨＴｐとの組合せは、アーク長の変動幅を大きくするために、１パルス１溶滴移行の範囲の上限値近くに設定される。以下、同図を参照して説明する。
【００１５】
▲１▼ 低アーク長期間ＬＴ中の溶滴移行の状態
同図（Ａ）に示すように、低ピーク期間ＬＴｐ中の低ピーク電流ＬＩｐの通電によって、溶接ワイヤ１の先端部が溶融されて、溶滴１ａが形成される。その後、低ピーク期間ＬＴｐの終了直後において、溶滴１ａは離脱して母材へと落下し、溶接ワイヤ１の先端部には溶滴１ａの一部が残留溶滴１ｂとして残る。このとき、溶滴１ａは低ピーク期間ＬＴｐ中に形成されて、低ピーク期間ＬＴｐの終了直後に移行するので、上記の残留溶滴１ｂはわずかな量となる。この結果、良好な溶滴移行状態となり、スパッタ、ヒューム等の発生量も非常に少ない。
【００１６】
▲２▼ 高アーク長期間ＨＴ中の溶滴移行の状態
同図（Ｂ）に示すように、高ピーク電流ＨＩｐ及び高ピーク期間ＨＴｐの組合せは、前述したように、上記の低アーク長期間時と比べて大きな値に設定される。このために、溶滴１ａは、高ピーク期間ＨＴｐの半ばで移行することになり、溶滴移行後の残留溶滴１ｂが高ピーク電流ＨＩｐによって過熱されて大きくなる。そして、この残留溶滴１ｂは多数のスパッタ１ｃ及びヒュームとなって飛散する。したがって、この期間中は、スパッタ１ｃ及びヒュームが大量に発生することになり、ビード外観が悪くなる。このビード外観の一例を図５に示す。溶接条件は、直径１．２mmのアルミニウム−マグネシウム合金ワイヤを使用して、高ピーク電流ＨＩｐ＝３６０Ａ、高ピーク期間ＨＴＰ＝２。０ms、低ピーク電流ＬＩｐ＝２８０Ａ及び低ピーク期間ＬＴＰ＝１．２ msに設定し、溶接電流１００ＡでパルスＭＩＧ溶接を行った場合である。同図から明らかなように、ビード２ａは波目模様が形成されているが、母材２上には大量のスパッタ１ｃが付着している。
【００１７】
上述したように、従来技術では、アーク長の変化幅を大きくするために、ユニットパルス条件を大きく変化させなければならないために、どうしても高アーク長期間中にスパッタ、ヒューム等が多く発生することになる。
【００１８】
そこで、本発明では、アーク長の変化幅を大きくすることができ、かつスパッタ、ヒューム等の発生量を減少させることができるアーク長揺動パルスアーク溶接制御方法を提供する。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、図６〜７に示すように、
溶接ワイヤを定速で送給し、ピーク期間Ｔｐ中のピーク電流Ｉｐの通電とベース期間Ｔｂ中のベース電流Ｉｂの通電とをパルス周期Ｔｆとして繰り返して通電すると共に、前記ピーク期間Ｔｐ中のピーク電圧値Ｖｐがピーク電圧設定値Ｖpsと略等しくなるように操作量として前記パルス周期Ｔｆ又は前記ピーク期間Ｔｐを変化させてアーク長を制御するパルスアーク溶接において、
前記操作量がパルス周期Ｔｆであるときは前記ピーク期間Ｔｐ及び前記ピーク電流Ｉｐを、前記操作量がピーク期間Ｔｐであるときは前記パルス周期Ｔｆ及び前記ピーク電流Ｉｐを一定値としたままで、
前記ピーク電圧設定値Ｖpsを予め定めた切換周期Ｔｃで変化させることによってアーク長を周期的に所定幅で揺動させることを特徴とするアーク長揺動パルスアーク溶接制御方法である。
【００２１】
第２の発明は、図１０に示すように、
前記ピーク電圧値Ｖｐが、前記ピーク期間Ｔｐの開始時の電圧が過渡的に変動する過渡ピーク期間Ｔpaを除いた定常ピーク期間Ｔpb中の定常ピーク電圧値Ｖpaであることを特徴とする請求項１記載のアーク長揺動パルスアーク溶接制御方法である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態として、実施例１〜３について図面を参照して説明する。
［実施例１］
アーク長揺動パルスアーク溶接方法において、ビード外観に美しい波目模様を形成する効果、溶融池攪拌によるブローホール発生を抑制する効果等の特有の効果は、アーク長を周期的に揺動させてアークの広がり、アーク力を変化させることによって生じる。そこで、実施例１の発明では、ユニットパルス条件（ピーク電流Ｉｐとピーク期間Ｔｐとの組合せ）を高アーク長期間ＨＴ及び低アーク長期間ＬＴで同一値に設定し、アーク長をピーク期間Ｔｐ中のピーク電圧Ｖｐによって検出し、その目標値であるピーク電圧設定値Ｖpsを高アーク長期間ＨＴと低アーク長期間ＬＴとで切り換えることによってアーク長を周期的に揺動させる方法である。上記のユニットパルス条件は、溶滴移行がピーク期間Ｔｐの終了時点の直前又は直後に行われるように予め設定する。このことで、溶滴移行後の残留溶滴への過熱を防止し、スパッタ、ヒューム等の発生を抑制する。また、アーク長をピーク電圧Ｖｐによって検出する理由は、以下のとおりである。すなわち、ピーク期間Ｔｐ中は数百Ａの高いピーク電流Ｉｐが通電するために、アークの指向性が非常に高くなる。このために、ピーク期間Ｔｐ中のアークは、溶接ワイヤの送給方向に形成されて、かつ、指向性が高いためにその陰極点は酸化皮膜を求めて移動することができない。この結果、ピーク期間Ｔｐ中のアーク形状はほぼ一定になるので、アーク長とピーク電圧Ｖｐとは正確な比例関係になる。さらには、ピーク期間Ｔｐ中は、図２で前述した微小短絡はほとんど発生しない。また、ピーク期間Ｔｐ中は、図３で前述した陰極点の移動もほぼないために、異常電圧の発生頻度は少なくなり、異常電圧によるピーク電圧Ｖｐへの影響は小さい。このために、ピーク電圧Ｖｐは、前述した溶接電圧平均値の算出のときのように異常電圧の影響を抑制する目的で大きな時定数で平滑する必要がないので、平滑の時定数を小さくすることができ、アーク長検出の応答性を速くすることができる。すなわち、ピーク電圧Ｖｐによるアーク長検出では、パルス周期毎のアーク長の変化を検出することができる。したがって、高アーク長期間ＨＴ中の高ピーク電圧設定値ＨＶpsと、低アーク長期間ＬＴ中の低ピーク電圧設定値ＬＶpsとを予め設定し、周期的に切り換えることによってアーク長を揺動させることができる。以下、図面を参照して説明する。
【００２３】
図６は、実施例１の発明のアーク長揺動パルスアーク溶接の電流・電圧波形図である。同図（Ａ）は切換周期信号Ｔtcの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｄ）はアーク長Ｌａの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００２４】
同図（Ａ）に示すように、切換周期信号Ｔtcは、予め定めたＨｉｇｈレベルの高アーク長期間ＨＴと、予め定めたＬｏｗレベルの低アーク長期間ＬＴとを切換周期Ｔｃ毎に繰り返す。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、アーク長Ｌａは、上記の高アーク長期間ＨＴ中は高アーク長ＨＬａとなり、上記の低アーク長期間ＬＴ中は低アーク長ＬＬａとなる。
【００２５】
▲１▼ 高アーク長期間ＨＴ
同図（Ｂ）に示すように、ピーク期間Ｔｐ中はピーク電流Ｉｐを通電し、高ベース期間ＨＴｂ中はベース電流Ｉｂを通電し、これらの通電を高パルス周期ＨＴｆとして高アーク長期間ＨＴ中繰り返して通電する。同様に、同図（Ｃ）に示すように、ピーク電圧が予め定めた高ピーク電圧設定値ＨＶpsと略等しくなるようにフィードバック制御されて、操作量として上記のパルス周期が制御される。したがって、パルス周期はフィードバック制御によって刻々変化して、後述する低アーク長期間ＬＴとは異なる高パルス周期ＨＴｆとなり、ピーク期間Ｔｐは一定であるので、ベース期間も刻々変化して上記の高ベース期間ＨＴｂとなる。また、同図（Ｃ）に示すように、ピーク電圧は上記の高ピーク電圧設定値ＨＶpsと略等しい値の高ピーク電圧値ＨＶｐとなり、ベース電圧は高ベース電圧値ＨＶｂとなる。
【００２６】
▲２▼ 低アーク長期間ＬＴ
同図（Ｂ）に示すように、上記▲１▼項と同一値のピーク期間Ｔｐ中はピーク電流Ｉｐを通電し、低ベース期間ＬＴｂ中はベース電流Ｉｂを通電し、これらの通電を低パルス周期ＬＴｆとして低アーク長期間ＬＴ中繰り返して通電する。同様に、同図（Ｃ）に示すように、ピーク電圧が予め定めた低ピーク電圧設定値ＬＶpsと略等しくなるようにフィードバック制御されて、操作量として上記のパルス周期が制御される。したがって、パルス周期はフィードバック制御によって刻々変化し、前述した高アーク長期間ＨＴとは異なる低パルス周期ＬＴｆとなり、ピーク期間Ｔｐは一定であるので、ベース期間も刻々変化して上記の低ベース期間ＬＴｂとなる。また、同図（Ｃ）に示すように、ピーク電圧は上記の低ピーク電圧設定値ＬＶpsと略等しい値の低ピーク電圧値ＬＶｐとなり、ベース電圧は低ベース電圧値ＬＶｂとなる。
【００２７】
上述したように、操作量がパルス周期であるときには、ユニットパルス条件のピーク電流とピーク期間との組合せを、溶滴移行がピーク期間の終了時点の直前又は直後に行われるように予め設定する。他方、操作量がピーク期間であるときには、ユニットパルス条件のピーク電流とパルス周期との組合せを、溶滴移行がピーク期間の終了時点の直前又は直後に行われるように予め設定する。
【００２８】
以上のように、実施例１の発明では、ピーク電圧によってアーク長を検出し、所定値の高アーク長ＨＬａに対応する高ピーク電圧設定値ＨＶpsと、所定値の低アーク長ＬＬａに対応する低ピーク電圧設定値ＬＶpsとを、切換周期Ｔｃ毎に切り換えることによって、アーク長を揺動させることができる。
【００２９】
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、３相２００Ｖ等の商用電源を入力として、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、ワイヤ送給装置の送給ロール５の回転によって送給されて、母材２との間でアーク３が発生して、溶接が行われる。
【００３０】
電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。ピーク電圧検出回路ＤＶＰは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、ピーク電圧検出信号ＤＶｐを出力する。切換周期信号生成回路ＴＴＣは、予め定めた高アーク長期間ＨＴ中はＨｉｇｈレベルとなり、予め定めた低アーク長期間ＬＴ中はＬｏｗレベルとなる切換周期信号Ｔtcを出力する。高ピーク電圧設定回路ＨＶＰＳは、予め定めた高ピーク電圧設定信号ＨＶpsを出力する。低ピーク電圧設定回路ＬＶＰＳは、予め定めた低ピーク電圧設定信号ＬＶpsを出力する。電圧設定信号切換回路ＳＷＶは、上記の切換周期信号ＴtcがＨｉｇｈレベル（高アーク長期間ＨＴ）のときにはａ側に切り換わり上記の高ピーク電圧設定信号ＨＶpsをピーク電圧設定信号Ｖpsとして出力し、Ｌｏｗレベル（低アーク長期間ＬＴ）のときにはｂ側に切り換わり上記の低ピーク電圧設定信号ＬＶpsをピーク電圧設定信号Ｖpsとして出力する。
【００３１】
電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記のピーク電圧検出信号ＤＶｐと上記のピーク電圧設定信号Ｖps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に反比例した周期毎に短時間Ｈｉｇｈレベルとなるパルス周期信号Ｔtfを出力する。ピーク期間設定回路ＴＰＳは、予め定めたピーク期間設定信号Ｔpsを出力する。ピーク期間タイマ回路ＴＴＰは、上記のパルス周期信号ＴtfがＨｉｇｈレベルに変化した時点から上記のピーク期間設定信号Ｔtpによって定まる期間だけＨｉｇｈレベルとなるピーク期間信号Ｔtpを出力する。
【００３２】
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、上記のピーク期間信号ＴtpがＨｉｇｈレベル（ピーク期間）のときに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、Ｌｏｗレベル（ベース期間）のときには上記のベース電流設定信号Ｉbsを電流制御設定信号Ｉscとして出力する。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、上記の電流検出信号Ｉｄと上記の電流制御設定信号Ｉscとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。上述した溶接電源装置によって、切換周期信号Ｔtc毎にアーク長を揺動させてパルスアーク溶接を行うことができる。
【００３３】
［実施例２］
実施例２の発明では、上述した実施例１の発明において、高アーク長期間ＨＴと低アーク長期間ＬＴとで、ユニットパルス条件（ピーク電流Ｉｐとピーク期間Ｔｐとの組合せ又はピーク電流Ｉｐとパルス周期Ｔｆとの組合せ）を、溶滴移行がピーク期間の終了時点の直前又は直後に行われる範囲内で切り換える方法である。ユニットパルス条件を切り換える理由は、以下のとおりである。すなわち、ピーク電流及びピーク期間が一定値であるときは、ピーク電圧設定値Ｖpsに反比例してパルス周期が定まる。したがって、ピーク電圧設定値Ｖpsが大きな値に設定されると、それに対応してアーク長を長くするために溶接電流平均値が大きくなる。このために、パルス周期は非常に短くなるが、パルス周期があまり短くなるとフィードバック制御の調整範囲の限界値に近くなり、外乱に対してアーク長制御を行うことができず、溶接状態が不安定になる。このときに、ピーク電流又はピーク期間の少なくとも１つ以上を大きくすると、パルス周期は長くなるので、上記の問題が解消されて溶接状態は安定になる。逆に、ピーク電圧設定値Ｖpsが小さい値に設定されると、それに対応してアーク長を短くするために溶接電流平均値は小さくなる、このために、パルス周期は非常に長くなり、ビード外観が悪くなる。このときに、ピーク電流又はピーク期間の少なくとも１つ以上を小さくすると、パルス周期が短くなるので、ビード外観は良好になる。このように、ユニットパルス条件を切換周期信号Ｔtcに応動して変化させることによって、パルス周期を所定範囲内に制限することができ、この結果、溶接状態を常に安定に維持することができる。
【００３４】
図８は、実施例２の発明のアーク長揺動パルスアーク溶接の電流・電圧波形図である。同図（Ａ）は切換周期信号Ｔtcの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｄ）はアーク長Ｌａの時間変化を示す。同図において、低アーク長期間ＬＴの低ピーク電流ＬＩｐ及び低ピーク期間ＬＴｐは、前述した図６のピーク電流Ｉｐ及びピーク期間Ｔｐと同一値に設定されている。他方、高アーク長期間ＨＴの高ピーク電流ＨＩｐ及び高ピーク期間ＨＴｐは、溶滴移行がピーク期間の終了時点の直前又は直後に行われる範囲内において図６のときの値よりも大きい値に設定されたときである。すなわち、ＨＩＰ＞ＬＩｐ＝Ｉｐであり、ＨＴｐ＞ＬＴｐ＝Ｔｐである。以下、同図を参照して説明する。
【００３５】
▲１▼ 高アーク長期間ＨＴ
同図（Ｂ）に示すように、高ピーク期間ＨＴｐ中は高ピーク電流ＨＩｐを通電し、高ベース期間ＨＴｂ中はベース電流Ｉｂを通電し、これらの通電を高パルス周期ＨＴｆとして高アーク長期間ＨＴ中繰り返して通電する。同様に、同図（Ｃ）に示すように、ピーク電圧が前述した図６と同一値の高ピーク電圧設定値ＨＶpsと略等しくなるようにフィードバック制御されて、操作量として上記のパルス周期が制御される。前述したように、ＨＩｐ＞ＩｐでありかつＨＴｐ＞Ｔｐであるので、パルス周期ＨＴf2＞ＨＴfとなり、パルス周期が短くなりすぎて溶接状態が不安定になることを抑制することができる。
【００３６】
▲２▼ 低アーク長期間ＬＴ
同図（Ｂ）に示すように、低ピーク期間ＬＴｐ中は低ピーク電流ＬＩｐを通電し、低ベース期間ＬＴｂ中はベース電流Ｉｂを通電し、これらの通電を低パルス周期ＬＴｆとして低アーク長期間ＬＴ中繰り返して通電する。同様に、同図（Ｃ）に示すように、ピーク電圧が前述した図６のときと同一値の低ピーク電圧設定値ＬＶpsと略等しくなるようにフィードバック制御されて、操作量として上記のパルス周期が制御される。前述したように、ＬＩｐ＝ＩｐでありかつＬＴｐ＝Ｔｐであるので、低パルス周期ＬＴｆは図６のときと同一値となる。
【００３７】
上記においては、ユニットパルス条件がピーク電流とピーク期間との組合せときであるが、ユニットパルス条件がピーク電流とパルス周期との組合せであるときには、操作量はピーク期間となり、この場合でも上記と同様である。すなわち、ピーク電圧設定値が大きいとピーク期間が長くなりすぎて溶接状態が不安定になりやすく、逆にピーク電圧設定値が小さいとピーク期間が短くなりすぎて上記と同様に溶接状態が不安定になりやすい。このようなときには、高アーク長期間と低アーク長期間とで、ユニットパルス条件を異なった値に設定することで、ピーク期間を所定範囲内に制限することができ、良好な溶接状態を維持することができる。
【００３８】
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、図面を参照して説明する。
【００３９】
高ピーク期間設定回路ＨＴＰは、予め定めた高ピーク期間設定信号ＨＴｐを出力する。低ピーク期間設定回路ＬＴＰは、予め定めた低ピーク期間設定信号ＬＴｐを出力する。期間設定信号切換回路ＳＷＴは、切換周期信号ＴtcがＨｉｇｈレベル（高アーク長期間）のときにはａ側に切り換わり上記の高ピーク期間設定信号ＨＴｐをピーク期間設定信号Ｔpsとして出力し、Ｌｏｗレベル（低アーク長期間）のときには上記の低ピーク期間設定信号ＬＴｐをピーク期間設定信号Ｔpsとして出力する。
【００４０】
高ピーク電流設定回路ＨＩＰは、予め定めた高ピーク電流設定信号ＨＩｐを出力する。低ピーク電流設定回路ＬＩＰは、予め定めた低ピーク電流設定信号ＬＩｐを出力する。電流設定信号切換回路ＳＷＩは、切換周期信号ＴtcがＨｉｇｈレベル（高アーク長期間）のときにはａ側に切り換わり上記の高ピーク電流設定信号ＨＩｐをピーク電流設定信号Ｉpsとして出力し、Ｌｏｗレベル（低アーク長期間）のときにはｂ側に切り換わり上記の低ピーク電流設定信号ＬＩｐをピーク電流設定信号Ｉpsとして出力する。
【００４１】
［実施例３］
実施例３の発明は、実施例１又は２の発明において、ピーク電圧検出信号ＤＶｐが、ピーク期間の開始時の電圧が過渡的に変動する過渡ピーク期間を除いた定常ピーク期間中の定常ピーク電圧検出信号Ｖpaであるアーク長揺動パルスアーク溶接制御方法である。以下、図面を参照して実施例３の発明について説明する。
【００４２】
図１０は、実施例３における定常ピーク電圧値の算出方法を説明するためのピーク電圧波形図である。同図は、高アーク長期間及び低アーク長期間の両方のピーク期間中のピーク電圧波形である。同図に示すように、時刻ｔ１のピーク期間Ｔｐの開始時において、過渡ピーク期間Ｔpa中のピーク電圧は、アークの発生状態に応じて曲線Ｙ１〜Ｙ３のように大きく変動する。そして、この過渡ピーク期間Ｔpaが経過して定常ピーク期間Ｔpbに入ると、アーク発生状態は安定するので、このときのピーク電圧値は安定した略定常値（以下、定常ピーク電圧値Ｖpaという）になり、アーク長と正確に比例する。したがって、この定常ピーク電圧値Ｖpaによってアーク長を正確に検出して、アーク長を揺動させれば、より安定したアーク長揺動パルスアーク溶接を行うことができる。
【００４３】
上記の定常ピーク電圧値Ｖpaとしては、以下のような算出値を使用することができる。
▲１▼ 特定時点の定常ピーク電圧瞬時値Ｖpc
同図に示すように、ピーク期間Ｔｐの開始時点から予め定めた遅延時間Ｔpcが経過した時点の定常ピーク電圧瞬時値Ｖpcを、定常ピーク電圧値Ｖpaとして使用することができる。上記の遅延時間Ｔpcは、過渡ピーク期間Ｔpaが経過した後から、曲線Ｙ４に示す溶滴移行時の陽極点の移動に伴う電圧変動が発生する前までの期間中の特定時点になるように、予め設定される。例えば、前述したピーク期間Ｔｐの真ん中の時点に設定することが考えられる。
【００４４】
▲２▼ 所定期間中の定常ピーク電圧平均値Ｖpd
上記▲１▼項は瞬時値であるが、検出誤差を減少させるために、上記の遅延時間Ｔpc経過後から所定の平均化期間Ｔpd中の定常ピーク電圧の平均値Ｖpdを、定常ピーク電圧値Ｖpaとして使用することができる。
【００４５】
▲３▼ 定常ピーク期間中の定常ピーク電圧平均値Ｖpb
上記▲２▼項においてピーク電圧を平均化する期間を、定常ピーク期間Ｔpbの全期間中とするのが、定常ピーク期間中の定常ピーク電圧平均値Ｖpbである。
【００４６】
▲４▼ 上記▲１▼〜▲３▼項の移動平均値
第ｎ回目のピーク期間Ｔｐ(n)中の上記▲１▼項の定常ピーク電圧瞬時値をＶpc(n)とし、今周期から前の所定周期ｍ回にわたる移動平均値Ｖpcrは、下式となる。
Ｖpcr＝（Ｖpc(n)＋Ｖpc(n-1)＋…＋Ｖpc(n-m+1)）／ｍ
上式では、各周期の定常ピーク電圧瞬時値Ｖpcは均等の重みで平均化しているが、今周期に近い周期の値の重みを重くする重み付け移動平均値であってもよい。このように移動平均値を算出して定常ピーク電圧値Ｖpaとする理由は、以下のとおりである。すなわち、定常ピーク期間Ｔpb中は、陰極点はほぼ移動することなく形成されていてが、溶融池の状態、溶滴の状態等は毎周期ごとに少しは変動しているために、アーク長も変動することになる。この変動を平均化してより正確なアーク長を検出するために移動平均値を算出している。また、上記▲２▼項及び▲３▼項の定常ピーク電圧平均値Ｖpd及びＶpbの過去所定周期にわたる移動平均値についても、上記と同様にして算出することができる。
【００４７】
上述した実施例３の発明を実施するための溶接電源装置の構成は、前述した図７及び９におけるピーク電圧検出回路ＤＶＰによって、上記の定常ピーク電圧検出信号Ｖpaを算出するように変更する以外は同一である。
【００４８】
［効果］
以下に、本発明の効果について図面を参照して説明する。
図１１は、前述した図５に対応する本発明のビード外観図である。溶接条件は、前述したように、直径１．２mmのアルミニウム−マグネシウム合金ワイヤを使用して、高ピーク電流ＨＩｐ＝３２０Ａ、高ピーク期間ＨＴｐ＝１．６ms、低ピーク電流ＬＩｐ＝２８０Ａ、低ピーク期間ＬＴｐ＝１．２ ms、高ピーク電圧設定値ＨＶps＝２２Ｖ、低ピーク電圧設定値ＬＶps＝２６Ｖ及び溶接電流＝１００Ａに設定し、アルミニウム合金のパルスＭＩＧ溶接の場合である。このときの高アーク長ＨＬａ＝８mmとなり、低アーク長ＬＬａ＝３mmとなった。同図から明らかなように、ビード２ａには美しい波目模様が形成されており、かつ、図５のときとは異なり母材２上にはほとんどスパッタ１ｃが付着していない。また、溶接中のヒュームの発生量も大きく減少した。
【００４９】
図１２は、溶接中のヒューム発生量の比較図である。溶接条件は、従来技術のときには図５の条件に設定し、本発明のときには図１１の条件に設定して、アーク長揺動パルスＭＩＧ溶接を行った場合である。ヒュームの測定値は、溶接ワイヤ１ｇ当りのヒューム発生量に換算した。同図から明らかなように、従来技術ではヒューム発生量は１４mg/gであった。これに対して、本発明では、ヒューム発生量は９mg/gへと大きく減少した。
【００５０】
【発明の効果】
本発明のアーク長揺動パルスアーク溶接制御方法では、ユニットパルス条件を溶滴移行がピーク期間の終了時点の直前又は直後に行われる範囲に設定し、ピーク電圧によってアーク長を正確に検出し、その目標値であるピーク電圧設定値を周期的に変化させることによってアーク長を所定幅で揺動させることができるので、スパッタ、ヒューム等の発生量を大幅に減少させた上に、本溶接方法の特徴である波目模様のビード外観の形成、溶融池攪拌によるブローホール発生数の削減等の効果も同時に有している。
さらに、実施例２の発明では、ユニットパルス条件を高アーク長期間と低アーク長期間とで変化させることによって、パルス周期又はピーク期間が短く又は長くなりすぎて溶接状態が不安定になることを抑制することができる。したがって、アーク長の揺動幅を大きく設定しても、溶接状態は常に安定しており、良好な溶接品質を得ることができる。
さらに、実施例３の発明では、定常ピーク電圧値によってアーク長を正確に検出することができるので、アーク長の揺動制御がさらに安定になり、溶接品質もさらに向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術のアーク長揺動パルスアーク溶接の電流・電圧波形図
【図２】従来技術での微小短絡直後の異常電圧波形図
【図３】従来技術でのベース期間中の異常電圧波形図
【図４】従来技術の課題を示す溶滴移行の状態図
【図５】従来技術のビード外観図
【図６】実施例１のアーク長揺動パルスアーク溶接の電流・電圧波形図
【図７】実施例１の溶接電源装置のブロック図
【図８】実施例２のアーク長揺動パルスアーク溶接の電流・電圧波形図
【図９】実施例２の溶接電源装置のブロック図
【図１０】実施例３の定常ピーク電圧値の算出方法を示すピーク電圧波形図
【図１１】本発明の効果を示すビード外観図
【図１２】本発明の効果を示すヒューム発生量の比較図
【符号の説明】
１ 溶接ワイヤ
１ａ 溶滴
１ｂ 残留溶滴
１ｃ スパッタ
２ 母材
２ａ ビード
５ 送給ロール
ＤＶＰ ピーク電圧検出回路
ＤＶｐ ピーク電圧検出信号
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
ＨＩｂ 高ベース電流
ＨＩＰ 高ピーク電流設定回路
ＨＩｐ 高ピーク電流（設定信号）
ＨＬａ 高アーク長
ＨＴ 高アーク長期間
ＨＴｂ 高ベース期間
ＨＴｆ 高パルス周期
ＨＴＰ 高ピーク期間設定回路
ＨＴｐ 高ピーク期間（設定信号）
ＨＶｂ 高ベース電圧
ＨＶｐ 高ピーク電圧
ＨＶＰＳ 高ピーク電圧設定回路
ＨＶps 高ピーク電圧設定（値／信号
Ｉｂ ベース電流
ＩＢＳ ベース電流設定回路
Ｉbs ベース電流設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＮＶ 出力制御回路
Ｉｐ ピーク電流
ＩＰＳ ピーク電流設定回路
Ｉps ピーク電流設定信号
ＩＳＣ 電流制御設定回路
Ｉsc 電流制御設定信号
Ｉｗ 溶接電流
Ｌａ アーク長
ＬＩｂ 低ベース電流
ＬＩＰ 低ピーク電流設定回路
ＬＩｐ 低ピーク電流（設定信号）
ＬＬａ 低アーク長
ＬＴ 低アーク長期間
ＬＴｂ 低ベース期間
ＬＴｆ 低パルス周期
ＬＴＰ 低ピーク期間設定回路
ＬＴｐ 低ピーク期間（設定信号）
ＬＶｂ 低ベース電圧
ＬＶｐ 低ピーク電圧
ＬＶＰＳ 低ピーク電圧設定回路
ＬＶps 低ピーク電圧設定（値／信号）
ＳＷＩ 電流設定信号切換回路
ＳＷＴ 期間設定信号切換回路
ＳＷＶ 電圧設定信号切換回路
Ｔｃ 切換周期
Ｔｐ ピーク期間
Ｔpa 過渡ピーク期間
Ｔpb 定常ピーク期間
Ｔpc 遅延時間
Ｔpd 平均化期間
ＴＰＳ ピーク期間設定回路
Ｔps ピーク期間設定信号
ＴＴＣ 切換周期信号生成回路
Ｔtc 切換周期信号
Ｔtf パルス周期信号
ＴＴＰ ピーク期間タイマ回路
Ｔtp ピーク期間信号
Ｖ／Ｆ 電圧周波数変換回路
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖpa 定常ピーク電圧値
Ｖpb、Ｖpd 定常ピーク電圧平均値
Ｖpc 定常ピーク電圧瞬時値
Ｖpcr 定常ピーク電圧移動平均値
Ｖps ピーク電圧設定信号
Ｖｓ 電圧設定値
Ｖｗ 溶接電圧
Ｙ１〜Ｙ４ 電圧変動曲線
【発明の属する技術分野】
本発明は、アーク長を周期的に揺動させる消耗電極式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】
ピーク期間Ｔｐ中のピーク電流Ｉｐの通電とベース期間Ｔｂ中のベース電流Ｉｂの通電とを繰り返して行う消耗電極式パルスアーク溶接において、上記のピーク電流Ｉｐ及び上記のピーク期間Ｔｐを予め定めた低周波（数Ｈｚ〜数十Ｈｚ）の切換周期Ｔｃ毎に変化させることによって、アーク長を高低に揺動させる溶接方法が従来から行われている。この溶接方法では、アーク長の揺動によってアークの広がりを変化させて美しい波目模様のビード外観を得ることができるので、外観を重視するオートバイのフレームの溶接等に利用されている。さらに、この溶接方法では、アーク長の揺動によってアーク力を変化させて溶融池を攪拌することで、ブローホール等の溶接欠陥の発生を抑制することができる。以下、従来技術としてこのアーク長揺動パルスアーク溶接方法について、図面を参照して説明する。
【０００３】
図１は、従来技術のアーク長揺動パルスアーク溶接の電流・電圧波形図である。同図（Ａ）は切換周期信号Ｔtcの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｄ）はアーク長Ｌａの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【０００４】
同図（Ａ）に示すように、切換周期信号Ｔtcは、予め定めたＨｉｇｈレベルの高アーク長期間ＨＴと、予め定めたＬｏｗレベルの低アーク長期間ＬＴとを切換周期Ｔｃ毎に繰り返す。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、アーク長Ｌａは、上記の高アーク長期間ＨＴ中は高アーク長ＨＬａとなり、上記の低アーク長期間ＬＴ中は低アーク長ＬＬａとなる。
【０００５】
▲１▼ 高アーク長期間ＨＴ
同図（Ｂ）に示すように、高ピーク期間ＨＴｐ中は高ピーク電流ＨＩｐを通電し、高ベース期間ＨＴｂ中は高ベース電流ＨＩｂを通電し、これらの通電を高パルス周期ＨＴｆとして高アーク長期間ＨＴ中繰り返して通電する。同様に、同図（Ｃ）に示すように、高ピーク期間ＨＴｐ中は高ピーク電圧ＨＶｐが印加し、高ベース期間ＨＴｂ中は高ベース電圧ＨＶｂが印加し、これらの印加を高アーク長期間ＨＴ中繰り返して行う。
【０００６】
▲２▼ 低アーク長期間ＬＴ
同図（Ｂ）に示すように、低ピーク期間ＬＴｐ中は低ピーク電流ＬＩｐを通電し、低ベース期間ＬＴｂ中は低ベース電流ＬＩｂを通電し、これらの通電を低パルス周期ＬＴｆとして低アーク長期間ＬＴ中繰り返して通電する。同様に、同図（Ｃ）に示すように、低ピーク期間ＬＴｐ中は低ピーク電圧ＬＶｐが印加し、低ベース期間ＬＴｂ中は低ベース電圧ＬＶｂが印加し、これらの印加を低アーク長期間ＬＴ中繰り返して行う。
【０００７】
上記の高ピーク電流ＨＩｐと高ピーク期間ＨＴｐとの組合せ及び上記の低ピーク電流ＬＩｐと低ピーク期間ＬＴｐとの組合せは、溶接ワイヤが１パルス１溶滴移行する範囲内で予め設定される。このピーク電流とピーク期間との組合せは、一般的にユニットパルス条件と呼ばれる。また、上記の高ベース電流ＨＩｂ及び上記の低ベース電流ＬＩｂは、溶接ワイヤが溶融しないように数十Ａ以下の低い値に予め設定される。同図（Ｄ）に示す高アーク長ＨＬａと低アーク長Ｌｌａとの変化幅を数mm以上と大きくするためには、上記の高ピーク電流ＨＩｐと低ピーク電流ＬＩｐとの差及び高ピーク期間ＨＴｐと低ピーク期間ＬＴｐとの差を、１パルス１溶滴移行する範囲内で大きくなるように設定するのが通常である。これは、アーク長Ｌａの変化幅が数mm以上の所定値よりも小さいと、前述したビード外観の波目模様のメリカリが少なくなり、美しさの度合いが下がるからである。さらに、前述した溶融池の攪拌作用によるブローホール発生数の削減効果も、同様に小さくなるからである。すなわち、本アーク長揺動パルスアーク溶接方法に特有の効果を得るためには、アーク長の揺動幅を数mm以上の所定値にする必要があり、そのためには上記のユニットパルス条件を大きく変化させる必要がある。溶接ワイヤに直径１．２mmのアルミニウム−マグネシウム合金ワイヤを使用し、溶接電流が１００Ａであるときの上記のユニットパルス条件の設定例を下記に示す。
（設定例１）
高ピーク電流ＨＩｐ＝３６０Ａ，高ピーク期間ＨＴｐ＝２。０ms
低ピーク電流ＬＩｐ＝２８０Ａ，低ピーク期間ＬＴｐ＝１．２ms
【０００８】
また、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗを大きな時定数で平滑して算出した切換周期Ｔｃ中の溶接電圧平均値が予め定めた電圧設定値Ｖｓと略等しくなるようにフィードバック制御されて、操作量としての高パルス周期ＨＴｆ又は低パルス周期ＬＴｆが制御される。これによって、切換周期Ｔｃ中の平均アーク長が制御される。溶接電圧Ｖｗを大きな時定数で平滑する理由は、図２〜３で後述するように、アーク長とは比例関係にない種々の異常電圧が発生して溶接電圧Ｖｗに重畳することがときどき生じる。この結果、異常電圧の影響によってアーク長の検出に誤差が生じ、アーク長制御が不安定になる。このランダムに発生する異常電圧の影響を抑制するために、溶接電圧Ｖｗを大きな時定数で平滑する必要がある。したがって、従来技術では、平均アーク長を上記の溶接電圧平均値で制御すると共に、前述したように、高／低ピーク電流と高／低ピーク期間との組合せ（ユニットパルス条件）の設定値の差を大きくすることでアーク長の変化幅を大きくしている。
【０００９】
上記においては、ピーク電流とピーク期間との組合せをユニットパルス条件として、このユニットパルス条件及びベース電流を予め設定し、パルス周期を制御する場合について説明した。ここで、ピーク電流とパルス周期との組合せをユニットパルス条件とし、このユニットパルス条件及びベース電流を予め設定し、ピーク期間を制御する場合も従来から行われている。この場合には、ピーク電流とパルス周期との組合せの設定値を大きく変化させることによって、アーク長の変化幅を大きくする。
【００１０】
上述したように、従来技術では、溶接電圧Ｖｗをフィードバックしてアーク長を制御する。しかし、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。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、この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２つの典型的な例について説明する。
【００１１】
▲１▼ 微小短絡直後の異常電圧
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。同図は、前述した図１の高パルス周期ＨＴｆ及び低パルス周期ＬＴｆのどちらの期間中にも当てはまる。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ので、溶滴移行に伴って溶接ワイヤ先端部が長く伸びて溶滴と母材とが短時間接触（微小短絡）することが生じる。同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１において短絡が発生し短時間後の時刻ｔ２において短絡が開放されると、その直後の時刻ｔ２〜ｔ３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ｔ１の短絡発生によってアークがいったん消滅し、時刻ｔ２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。この陰極降下電圧値は、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、その値が小さくなり発生期間も短い場合もある。逆に、その値が大きくなり発生期間も長い場合もある。
【００１２】
▲２▼ ベース期間中の陰極点の移動に伴う異常電圧
図３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。同図は、図１で前述した高パルス周期ＨＴｆ及び低パルス周期ＬＴｆのどちらの期間中にも当てはまる。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程度と低い値であるために、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なり、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はできない。
【００１３】
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Ｖｗによっては、アーク長を正確に検出することができない。そこで、前述したように、ランダムに発生する異常電圧の悪影響を抑制するために、溶接電圧Ｖｗを大きな時定数で平滑した溶接電圧平均値によって、平均アーク長を制御している。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
図４は、従来技術の課題を説明するための低アーク長期間ＬＴ及び高アーク長期間ＨＴ中の溶滴移行の状態を示す図である。同図（Ａ）は低アーク長期間ＬＴ中の溶滴移行の状態及び溶接電流波形を示し、同図（Ｂ）は高アーク長期間ＨＴ中の溶滴移行の状態及び溶接電流波形を示す。前述したように、ＬＩｐ＜ＨＩｐであり、かつＬＴｐ＜ＨＴｐである。また、前述したように、アーク長の変化幅を大きくするために、ピーク電流とピーク期間との組合せは、１パルス１溶滴移行の範囲内において大きく変化するように設定される。このために、通常、低ピーク電流ＬＩｐと低ピーク期間ＬＴｐとの組合せは、溶滴移行がピーク期間の終了時点の直前又は直後に行われるように、１パルス１溶滴移行の範囲の下限値近くに設定される。他方、高ピーク電流ＨＩｐと高ピーク期間ＨＴｐとの組合せは、アーク長の変動幅を大きくするために、１パルス１溶滴移行の範囲の上限値近くに設定される。以下、同図を参照して説明する。
【００１５】
▲１▼ 低アーク長期間ＬＴ中の溶滴移行の状態
同図（Ａ）に示すように、低ピーク期間ＬＴｐ中の低ピーク電流ＬＩｐの通電によって、溶接ワイヤ１の先端部が溶融されて、溶滴１ａが形成される。その後、低ピーク期間ＬＴｐの終了直後において、溶滴１ａは離脱して母材へと落下し、溶接ワイヤ１の先端部には溶滴１ａの一部が残留溶滴１ｂとして残る。このとき、溶滴１ａは低ピーク期間ＬＴｐ中に形成されて、低ピーク期間ＬＴｐの終了直後に移行するので、上記の残留溶滴１ｂはわずかな量となる。この結果、良好な溶滴移行状態となり、スパッタ、ヒューム等の発生量も非常に少ない。
【００１６】
▲２▼ 高アーク長期間ＨＴ中の溶滴移行の状態
同図（Ｂ）に示すように、高ピーク電流ＨＩｐ及び高ピーク期間ＨＴｐの組合せは、前述したように、上記の低アーク長期間時と比べて大きな値に設定される。このために、溶滴１ａは、高ピーク期間ＨＴｐの半ばで移行することになり、溶滴移行後の残留溶滴１ｂが高ピーク電流ＨＩｐによって過熱されて大きくなる。そして、この残留溶滴１ｂは多数のスパッタ１ｃ及びヒュームとなって飛散する。したがって、この期間中は、スパッタ１ｃ及びヒュームが大量に発生することになり、ビード外観が悪くなる。このビード外観の一例を図５に示す。溶接条件は、直径１．２mmのアルミニウム−マグネシウム合金ワイヤを使用して、高ピーク電流ＨＩｐ＝３６０Ａ、高ピーク期間ＨＴＰ＝２。０ms、低ピーク電流ＬＩｐ＝２８０Ａ及び低ピーク期間ＬＴＰ＝１．２ msに設定し、溶接電流１００ＡでパルスＭＩＧ溶接を行った場合である。同図から明らかなように、ビード２ａは波目模様が形成されているが、母材２上には大量のスパッタ１ｃが付着している。
【００１７】
上述したように、従来技術では、アーク長の変化幅を大きくするために、ユニットパルス条件を大きく変化させなければならないために、どうしても高アーク長期間中にスパッタ、ヒューム等が多く発生することになる。
【００１８】
そこで、本発明では、アーク長の変化幅を大きくすることができ、かつスパッタ、ヒューム等の発生量を減少させることができるアーク長揺動パルスアーク溶接制御方法を提供する。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、図６〜７に示すように、
溶接ワイヤを定速で送給し、ピーク期間Ｔｐ中のピーク電流Ｉｐの通電とベース期間Ｔｂ中のベース電流Ｉｂの通電とをパルス周期Ｔｆとして繰り返して通電すると共に、前記ピーク期間Ｔｐ中のピーク電圧値Ｖｐがピーク電圧設定値Ｖpsと略等しくなるように操作量として前記パルス周期Ｔｆ又は前記ピーク期間Ｔｐを変化させてアーク長を制御するパルスアーク溶接において、
前記操作量がパルス周期Ｔｆであるときは前記ピーク期間Ｔｐ及び前記ピーク電流Ｉｐを、前記操作量がピーク期間Ｔｐであるときは前記パルス周期Ｔｆ及び前記ピーク電流Ｉｐを一定値としたままで、
前記ピーク電圧設定値Ｖpsを予め定めた切換周期Ｔｃで変化させることによってアーク長を周期的に所定幅で揺動させることを特徴とするアーク長揺動パルスアーク溶接制御方法である。
【００２１】
第２の発明は、図１０に示すように、
前記ピーク電圧値Ｖｐが、前記ピーク期間Ｔｐの開始時の電圧が過渡的に変動する過渡ピーク期間Ｔpaを除いた定常ピーク期間Ｔpb中の定常ピーク電圧値Ｖpaであることを特徴とする請求項１記載のアーク長揺動パルスアーク溶接制御方法である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態として、実施例１〜３について図面を参照して説明する。
［実施例１］
アーク長揺動パルスアーク溶接方法において、ビード外観に美しい波目模様を形成する効果、溶融池攪拌によるブローホール発生を抑制する効果等の特有の効果は、アーク長を周期的に揺動させてアークの広がり、アーク力を変化させることによって生じる。そこで、実施例１の発明では、ユニットパルス条件（ピーク電流Ｉｐとピーク期間Ｔｐとの組合せ）を高アーク長期間ＨＴ及び低アーク長期間ＬＴで同一値に設定し、アーク長をピーク期間Ｔｐ中のピーク電圧Ｖｐによって検出し、その目標値であるピーク電圧設定値Ｖpsを高アーク長期間ＨＴと低アーク長期間ＬＴとで切り換えることによってアーク長を周期的に揺動させる方法である。上記のユニットパルス条件は、溶滴移行がピーク期間Ｔｐの終了時点の直前又は直後に行われるように予め設定する。このことで、溶滴移行後の残留溶滴への過熱を防止し、スパッタ、ヒューム等の発生を抑制する。また、アーク長をピーク電圧Ｖｐによって検出する理由は、以下のとおりである。すなわち、ピーク期間Ｔｐ中は数百Ａの高いピーク電流Ｉｐが通電するために、アークの指向性が非常に高くなる。このために、ピーク期間Ｔｐ中のアークは、溶接ワイヤの送給方向に形成されて、かつ、指向性が高いためにその陰極点は酸化皮膜を求めて移動することができない。この結果、ピーク期間Ｔｐ中のアーク形状はほぼ一定になるので、アーク長とピーク電圧Ｖｐとは正確な比例関係になる。さらには、ピーク期間Ｔｐ中は、図２で前述した微小短絡はほとんど発生しない。また、ピーク期間Ｔｐ中は、図３で前述した陰極点の移動もほぼないために、異常電圧の発生頻度は少なくなり、異常電圧によるピーク電圧Ｖｐへの影響は小さい。このために、ピーク電圧Ｖｐは、前述した溶接電圧平均値の算出のときのように異常電圧の影響を抑制する目的で大きな時定数で平滑する必要がないので、平滑の時定数を小さくすることができ、アーク長検出の応答性を速くすることができる。すなわち、ピーク電圧Ｖｐによるアーク長検出では、パルス周期毎のアーク長の変化を検出することができる。したがって、高アーク長期間ＨＴ中の高ピーク電圧設定値ＨＶpsと、低アーク長期間ＬＴ中の低ピーク電圧設定値ＬＶpsとを予め設定し、周期的に切り換えることによってアーク長を揺動させることができる。以下、図面を参照して説明する。
【００２３】
図６は、実施例１の発明のアーク長揺動パルスアーク溶接の電流・電圧波形図である。同図（Ａ）は切換周期信号Ｔtcの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｄ）はアーク長Ｌａの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００２４】
同図（Ａ）に示すように、切換周期信号Ｔtcは、予め定めたＨｉｇｈレベルの高アーク長期間ＨＴと、予め定めたＬｏｗレベルの低アーク長期間ＬＴとを切換周期Ｔｃ毎に繰り返す。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、アーク長Ｌａは、上記の高アーク長期間ＨＴ中は高アーク長ＨＬａとなり、上記の低アーク長期間ＬＴ中は低アーク長ＬＬａとなる。
【００２５】
▲１▼ 高アーク長期間ＨＴ
同図（Ｂ）に示すように、ピーク期間Ｔｐ中はピーク電流Ｉｐを通電し、高ベース期間ＨＴｂ中はベース電流Ｉｂを通電し、これらの通電を高パルス周期ＨＴｆとして高アーク長期間ＨＴ中繰り返して通電する。同様に、同図（Ｃ）に示すように、ピーク電圧が予め定めた高ピーク電圧設定値ＨＶpsと略等しくなるようにフィードバック制御されて、操作量として上記のパルス周期が制御される。したがって、パルス周期はフィードバック制御によって刻々変化して、後述する低アーク長期間ＬＴとは異なる高パルス周期ＨＴｆとなり、ピーク期間Ｔｐは一定であるので、ベース期間も刻々変化して上記の高ベース期間ＨＴｂとなる。また、同図（Ｃ）に示すように、ピーク電圧は上記の高ピーク電圧設定値ＨＶpsと略等しい値の高ピーク電圧値ＨＶｐとなり、ベース電圧は高ベース電圧値ＨＶｂとなる。
【００２６】
▲２▼ 低アーク長期間ＬＴ
同図（Ｂ）に示すように、上記▲１▼項と同一値のピーク期間Ｔｐ中はピーク電流Ｉｐを通電し、低ベース期間ＬＴｂ中はベース電流Ｉｂを通電し、これらの通電を低パルス周期ＬＴｆとして低アーク長期間ＬＴ中繰り返して通電する。同様に、同図（Ｃ）に示すように、ピーク電圧が予め定めた低ピーク電圧設定値ＬＶpsと略等しくなるようにフィードバック制御されて、操作量として上記のパルス周期が制御される。したがって、パルス周期はフィードバック制御によって刻々変化し、前述した高アーク長期間ＨＴとは異なる低パルス周期ＬＴｆとなり、ピーク期間Ｔｐは一定であるので、ベース期間も刻々変化して上記の低ベース期間ＬＴｂとなる。また、同図（Ｃ）に示すように、ピーク電圧は上記の低ピーク電圧設定値ＬＶpsと略等しい値の低ピーク電圧値ＬＶｐとなり、ベース電圧は低ベース電圧値ＬＶｂとなる。
【００２７】
上述したように、操作量がパルス周期であるときには、ユニットパルス条件のピーク電流とピーク期間との組合せを、溶滴移行がピーク期間の終了時点の直前又は直後に行われるように予め設定する。他方、操作量がピーク期間であるときには、ユニットパルス条件のピーク電流とパルス周期との組合せを、溶滴移行がピーク期間の終了時点の直前又は直後に行われるように予め設定する。
【００２８】
以上のように、実施例１の発明では、ピーク電圧によってアーク長を検出し、所定値の高アーク長ＨＬａに対応する高ピーク電圧設定値ＨＶpsと、所定値の低アーク長ＬＬａに対応する低ピーク電圧設定値ＬＶpsとを、切換周期Ｔｃ毎に切り換えることによって、アーク長を揺動させることができる。
【００２９】
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、３相２００Ｖ等の商用電源を入力として、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、ワイヤ送給装置の送給ロール５の回転によって送給されて、母材２との間でアーク３が発生して、溶接が行われる。
【００３０】
電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。ピーク電圧検出回路ＤＶＰは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、ピーク電圧検出信号ＤＶｐを出力する。切換周期信号生成回路ＴＴＣは、予め定めた高アーク長期間ＨＴ中はＨｉｇｈレベルとなり、予め定めた低アーク長期間ＬＴ中はＬｏｗレベルとなる切換周期信号Ｔtcを出力する。高ピーク電圧設定回路ＨＶＰＳは、予め定めた高ピーク電圧設定信号ＨＶpsを出力する。低ピーク電圧設定回路ＬＶＰＳは、予め定めた低ピーク電圧設定信号ＬＶpsを出力する。電圧設定信号切換回路ＳＷＶは、上記の切換周期信号ＴtcがＨｉｇｈレベル（高アーク長期間ＨＴ）のときにはａ側に切り換わり上記の高ピーク電圧設定信号ＨＶpsをピーク電圧設定信号Ｖpsとして出力し、Ｌｏｗレベル（低アーク長期間ＬＴ）のときにはｂ側に切り換わり上記の低ピーク電圧設定信号ＬＶpsをピーク電圧設定信号Ｖpsとして出力する。
【００３１】
電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記のピーク電圧検出信号ＤＶｐと上記のピーク電圧設定信号Ｖps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に反比例した周期毎に短時間Ｈｉｇｈレベルとなるパルス周期信号Ｔtfを出力する。ピーク期間設定回路ＴＰＳは、予め定めたピーク期間設定信号Ｔpsを出力する。ピーク期間タイマ回路ＴＴＰは、上記のパルス周期信号ＴtfがＨｉｇｈレベルに変化した時点から上記のピーク期間設定信号Ｔtpによって定まる期間だけＨｉｇｈレベルとなるピーク期間信号Ｔtpを出力する。
【００３２】
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、上記のピーク期間信号ＴtpがＨｉｇｈレベル（ピーク期間）のときに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、Ｌｏｗレベル（ベース期間）のときには上記のベース電流設定信号Ｉbsを電流制御設定信号Ｉscとして出力する。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、上記の電流検出信号Ｉｄと上記の電流制御設定信号Ｉscとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。上述した溶接電源装置によって、切換周期信号Ｔtc毎にアーク長を揺動させてパルスアーク溶接を行うことができる。
【００３３】
［実施例２］
実施例２の発明では、上述した実施例１の発明において、高アーク長期間ＨＴと低アーク長期間ＬＴとで、ユニットパルス条件（ピーク電流Ｉｐとピーク期間Ｔｐとの組合せ又はピーク電流Ｉｐとパルス周期Ｔｆとの組合せ）を、溶滴移行がピーク期間の終了時点の直前又は直後に行われる範囲内で切り換える方法である。ユニットパルス条件を切り換える理由は、以下のとおりである。すなわち、ピーク電流及びピーク期間が一定値であるときは、ピーク電圧設定値Ｖpsに反比例してパルス周期が定まる。したがって、ピーク電圧設定値Ｖpsが大きな値に設定されると、それに対応してアーク長を長くするために溶接電流平均値が大きくなる。このために、パルス周期は非常に短くなるが、パルス周期があまり短くなるとフィードバック制御の調整範囲の限界値に近くなり、外乱に対してアーク長制御を行うことができず、溶接状態が不安定になる。このときに、ピーク電流又はピーク期間の少なくとも１つ以上を大きくすると、パルス周期は長くなるので、上記の問題が解消されて溶接状態は安定になる。逆に、ピーク電圧設定値Ｖpsが小さい値に設定されると、それに対応してアーク長を短くするために溶接電流平均値は小さくなる、このために、パルス周期は非常に長くなり、ビード外観が悪くなる。このときに、ピーク電流又はピーク期間の少なくとも１つ以上を小さくすると、パルス周期が短くなるので、ビード外観は良好になる。このように、ユニットパルス条件を切換周期信号Ｔtcに応動して変化させることによって、パルス周期を所定範囲内に制限することができ、この結果、溶接状態を常に安定に維持することができる。
【００３４】
図８は、実施例２の発明のアーク長揺動パルスアーク溶接の電流・電圧波形図である。同図（Ａ）は切換周期信号Ｔtcの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｄ）はアーク長Ｌａの時間変化を示す。同図において、低アーク長期間ＬＴの低ピーク電流ＬＩｐ及び低ピーク期間ＬＴｐは、前述した図６のピーク電流Ｉｐ及びピーク期間Ｔｐと同一値に設定されている。他方、高アーク長期間ＨＴの高ピーク電流ＨＩｐ及び高ピーク期間ＨＴｐは、溶滴移行がピーク期間の終了時点の直前又は直後に行われる範囲内において図６のときの値よりも大きい値に設定されたときである。すなわち、ＨＩＰ＞ＬＩｐ＝Ｉｐであり、ＨＴｐ＞ＬＴｐ＝Ｔｐである。以下、同図を参照して説明する。
【００３５】
▲１▼ 高アーク長期間ＨＴ
同図（Ｂ）に示すように、高ピーク期間ＨＴｐ中は高ピーク電流ＨＩｐを通電し、高ベース期間ＨＴｂ中はベース電流Ｉｂを通電し、これらの通電を高パルス周期ＨＴｆとして高アーク長期間ＨＴ中繰り返して通電する。同様に、同図（Ｃ）に示すように、ピーク電圧が前述した図６と同一値の高ピーク電圧設定値ＨＶpsと略等しくなるようにフィードバック制御されて、操作量として上記のパルス周期が制御される。前述したように、ＨＩｐ＞ＩｐでありかつＨＴｐ＞Ｔｐであるので、パルス周期ＨＴf2＞ＨＴfとなり、パルス周期が短くなりすぎて溶接状態が不安定になることを抑制することができる。
【００３６】
▲２▼ 低アーク長期間ＬＴ
同図（Ｂ）に示すように、低ピーク期間ＬＴｐ中は低ピーク電流ＬＩｐを通電し、低ベース期間ＬＴｂ中はベース電流Ｉｂを通電し、これらの通電を低パルス周期ＬＴｆとして低アーク長期間ＬＴ中繰り返して通電する。同様に、同図（Ｃ）に示すように、ピーク電圧が前述した図６のときと同一値の低ピーク電圧設定値ＬＶpsと略等しくなるようにフィードバック制御されて、操作量として上記のパルス周期が制御される。前述したように、ＬＩｐ＝ＩｐでありかつＬＴｐ＝Ｔｐであるので、低パルス周期ＬＴｆは図６のときと同一値となる。
【００３７】
上記においては、ユニットパルス条件がピーク電流とピーク期間との組合せときであるが、ユニットパルス条件がピーク電流とパルス周期との組合せであるときには、操作量はピーク期間となり、この場合でも上記と同様である。すなわち、ピーク電圧設定値が大きいとピーク期間が長くなりすぎて溶接状態が不安定になりやすく、逆にピーク電圧設定値が小さいとピーク期間が短くなりすぎて上記と同様に溶接状態が不安定になりやすい。このようなときには、高アーク長期間と低アーク長期間とで、ユニットパルス条件を異なった値に設定することで、ピーク期間を所定範囲内に制限することができ、良好な溶接状態を維持することができる。
【００３８】
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、図面を参照して説明する。
【００３９】
高ピーク期間設定回路ＨＴＰは、予め定めた高ピーク期間設定信号ＨＴｐを出力する。低ピーク期間設定回路ＬＴＰは、予め定めた低ピーク期間設定信号ＬＴｐを出力する。期間設定信号切換回路ＳＷＴは、切換周期信号ＴtcがＨｉｇｈレベル（高アーク長期間）のときにはａ側に切り換わり上記の高ピーク期間設定信号ＨＴｐをピーク期間設定信号Ｔpsとして出力し、Ｌｏｗレベル（低アーク長期間）のときには上記の低ピーク期間設定信号ＬＴｐをピーク期間設定信号Ｔpsとして出力する。
【００４０】
高ピーク電流設定回路ＨＩＰは、予め定めた高ピーク電流設定信号ＨＩｐを出力する。低ピーク電流設定回路ＬＩＰは、予め定めた低ピーク電流設定信号ＬＩｐを出力する。電流設定信号切換回路ＳＷＩは、切換周期信号ＴtcがＨｉｇｈレベル（高アーク長期間）のときにはａ側に切り換わり上記の高ピーク電流設定信号ＨＩｐをピーク電流設定信号Ｉpsとして出力し、Ｌｏｗレベル（低アーク長期間）のときにはｂ側に切り換わり上記の低ピーク電流設定信号ＬＩｐをピーク電流設定信号Ｉpsとして出力する。
【００４１】
［実施例３］
実施例３の発明は、実施例１又は２の発明において、ピーク電圧検出信号ＤＶｐが、ピーク期間の開始時の電圧が過渡的に変動する過渡ピーク期間を除いた定常ピーク期間中の定常ピーク電圧検出信号Ｖpaであるアーク長揺動パルスアーク溶接制御方法である。以下、図面を参照して実施例３の発明について説明する。
【００４２】
図１０は、実施例３における定常ピーク電圧値の算出方法を説明するためのピーク電圧波形図である。同図は、高アーク長期間及び低アーク長期間の両方のピーク期間中のピーク電圧波形である。同図に示すように、時刻ｔ１のピーク期間Ｔｐの開始時において、過渡ピーク期間Ｔpa中のピーク電圧は、アークの発生状態に応じて曲線Ｙ１〜Ｙ３のように大きく変動する。そして、この過渡ピーク期間Ｔpaが経過して定常ピーク期間Ｔpbに入ると、アーク発生状態は安定するので、このときのピーク電圧値は安定した略定常値（以下、定常ピーク電圧値Ｖpaという）になり、アーク長と正確に比例する。したがって、この定常ピーク電圧値Ｖpaによってアーク長を正確に検出して、アーク長を揺動させれば、より安定したアーク長揺動パルスアーク溶接を行うことができる。
【００４３】
上記の定常ピーク電圧値Ｖpaとしては、以下のような算出値を使用することができる。
▲１▼ 特定時点の定常ピーク電圧瞬時値Ｖpc
同図に示すように、ピーク期間Ｔｐの開始時点から予め定めた遅延時間Ｔpcが経過した時点の定常ピーク電圧瞬時値Ｖpcを、定常ピーク電圧値Ｖpaとして使用することができる。上記の遅延時間Ｔpcは、過渡ピーク期間Ｔpaが経過した後から、曲線Ｙ４に示す溶滴移行時の陽極点の移動に伴う電圧変動が発生する前までの期間中の特定時点になるように、予め設定される。例えば、前述したピーク期間Ｔｐの真ん中の時点に設定することが考えられる。
【００４４】
▲２▼ 所定期間中の定常ピーク電圧平均値Ｖpd
上記▲１▼項は瞬時値であるが、検出誤差を減少させるために、上記の遅延時間Ｔpc経過後から所定の平均化期間Ｔpd中の定常ピーク電圧の平均値Ｖpdを、定常ピーク電圧値Ｖpaとして使用することができる。
【００４５】
▲３▼ 定常ピーク期間中の定常ピーク電圧平均値Ｖpb
上記▲２▼項においてピーク電圧を平均化する期間を、定常ピーク期間Ｔpbの全期間中とするのが、定常ピーク期間中の定常ピーク電圧平均値Ｖpbである。
【００４６】
▲４▼ 上記▲１▼〜▲３▼項の移動平均値
第ｎ回目のピーク期間Ｔｐ(n)中の上記▲１▼項の定常ピーク電圧瞬時値をＶpc(n)とし、今周期から前の所定周期ｍ回にわたる移動平均値Ｖpcrは、下式となる。
Ｖpcr＝（Ｖpc(n)＋Ｖpc(n-1)＋…＋Ｖpc(n-m+1)）／ｍ
上式では、各周期の定常ピーク電圧瞬時値Ｖpcは均等の重みで平均化しているが、今周期に近い周期の値の重みを重くする重み付け移動平均値であってもよい。このように移動平均値を算出して定常ピーク電圧値Ｖpaとする理由は、以下のとおりである。すなわち、定常ピーク期間Ｔpb中は、陰極点はほぼ移動することなく形成されていてが、溶融池の状態、溶滴の状態等は毎周期ごとに少しは変動しているために、アーク長も変動することになる。この変動を平均化してより正確なアーク長を検出するために移動平均値を算出している。また、上記▲２▼項及び▲３▼項の定常ピーク電圧平均値Ｖpd及びＶpbの過去所定周期にわたる移動平均値についても、上記と同様にして算出することができる。
【００４７】
上述した実施例３の発明を実施するための溶接電源装置の構成は、前述した図７及び９におけるピーク電圧検出回路ＤＶＰによって、上記の定常ピーク電圧検出信号Ｖpaを算出するように変更する以外は同一である。
【００４８】
［効果］
以下に、本発明の効果について図面を参照して説明する。
図１１は、前述した図５に対応する本発明のビード外観図である。溶接条件は、前述したように、直径１．２mmのアルミニウム−マグネシウム合金ワイヤを使用して、高ピーク電流ＨＩｐ＝３２０Ａ、高ピーク期間ＨＴｐ＝１．６ms、低ピーク電流ＬＩｐ＝２８０Ａ、低ピーク期間ＬＴｐ＝１．２ ms、高ピーク電圧設定値ＨＶps＝２２Ｖ、低ピーク電圧設定値ＬＶps＝２６Ｖ及び溶接電流＝１００Ａに設定し、アルミニウム合金のパルスＭＩＧ溶接の場合である。このときの高アーク長ＨＬａ＝８mmとなり、低アーク長ＬＬａ＝３mmとなった。同図から明らかなように、ビード２ａには美しい波目模様が形成されており、かつ、図５のときとは異なり母材２上にはほとんどスパッタ１ｃが付着していない。また、溶接中のヒュームの発生量も大きく減少した。
【００４９】
図１２は、溶接中のヒューム発生量の比較図である。溶接条件は、従来技術のときには図５の条件に設定し、本発明のときには図１１の条件に設定して、アーク長揺動パルスＭＩＧ溶接を行った場合である。ヒュームの測定値は、溶接ワイヤ１ｇ当りのヒューム発生量に換算した。同図から明らかなように、従来技術ではヒューム発生量は１４mg/gであった。これに対して、本発明では、ヒューム発生量は９mg/gへと大きく減少した。
【００５０】
【発明の効果】
本発明のアーク長揺動パルスアーク溶接制御方法では、ユニットパルス条件を溶滴移行がピーク期間の終了時点の直前又は直後に行われる範囲に設定し、ピーク電圧によってアーク長を正確に検出し、その目標値であるピーク電圧設定値を周期的に変化させることによってアーク長を所定幅で揺動させることができるので、スパッタ、ヒューム等の発生量を大幅に減少させた上に、本溶接方法の特徴である波目模様のビード外観の形成、溶融池攪拌によるブローホール発生数の削減等の効果も同時に有している。
さらに、実施例２の発明では、ユニットパルス条件を高アーク長期間と低アーク長期間とで変化させることによって、パルス周期又はピーク期間が短く又は長くなりすぎて溶接状態が不安定になることを抑制することができる。したがって、アーク長の揺動幅を大きく設定しても、溶接状態は常に安定しており、良好な溶接品質を得ることができる。
さらに、実施例３の発明では、定常ピーク電圧値によってアーク長を正確に検出することができるので、アーク長の揺動制御がさらに安定になり、溶接品質もさらに向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術のアーク長揺動パルスアーク溶接の電流・電圧波形図
【図２】従来技術での微小短絡直後の異常電圧波形図
【図３】従来技術でのベース期間中の異常電圧波形図
【図４】従来技術の課題を示す溶滴移行の状態図
【図５】従来技術のビード外観図
【図６】実施例１のアーク長揺動パルスアーク溶接の電流・電圧波形図
【図７】実施例１の溶接電源装置のブロック図
【図８】実施例２のアーク長揺動パルスアーク溶接の電流・電圧波形図
【図９】実施例２の溶接電源装置のブロック図
【図１０】実施例３の定常ピーク電圧値の算出方法を示すピーク電圧波形図
【図１１】本発明の効果を示すビード外観図
【図１２】本発明の効果を示すヒューム発生量の比較図
【符号の説明】
１ 溶接ワイヤ
１ａ 溶滴
１ｂ 残留溶滴
１ｃ スパッタ
２ 母材
２ａ ビード
５ 送給ロール
ＤＶＰ ピーク電圧検出回路
ＤＶｐ ピーク電圧検出信号
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
ＨＩｂ 高ベース電流
ＨＩＰ 高ピーク電流設定回路
ＨＩｐ 高ピーク電流（設定信号）
ＨＬａ 高アーク長
ＨＴ 高アーク長期間
ＨＴｂ 高ベース期間
ＨＴｆ 高パルス周期
ＨＴＰ 高ピーク期間設定回路
ＨＴｐ 高ピーク期間（設定信号）
ＨＶｂ 高ベース電圧
ＨＶｐ 高ピーク電圧
ＨＶＰＳ 高ピーク電圧設定回路
ＨＶps 高ピーク電圧設定（値／信号
Ｉｂ ベース電流
ＩＢＳ ベース電流設定回路
Ｉbs ベース電流設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＮＶ 出力制御回路
Ｉｐ ピーク電流
ＩＰＳ ピーク電流設定回路
Ｉps ピーク電流設定信号
ＩＳＣ 電流制御設定回路
Ｉsc 電流制御設定信号
Ｉｗ 溶接電流
Ｌａ アーク長
ＬＩｂ 低ベース電流
ＬＩＰ 低ピーク電流設定回路
ＬＩｐ 低ピーク電流（設定信号）
ＬＬａ 低アーク長
ＬＴ 低アーク長期間
ＬＴｂ 低ベース期間
ＬＴｆ 低パルス周期
ＬＴＰ 低ピーク期間設定回路
ＬＴｐ 低ピーク期間（設定信号）
ＬＶｂ 低ベース電圧
ＬＶｐ 低ピーク電圧
ＬＶＰＳ 低ピーク電圧設定回路
ＬＶps 低ピーク電圧設定（値／信号）
ＳＷＩ 電流設定信号切換回路
ＳＷＴ 期間設定信号切換回路
ＳＷＶ 電圧設定信号切換回路
Ｔｃ 切換周期
Ｔｐ ピーク期間
Ｔpa 過渡ピーク期間
Ｔpb 定常ピーク期間
Ｔpc 遅延時間
Ｔpd 平均化期間
ＴＰＳ ピーク期間設定回路
Ｔps ピーク期間設定信号
ＴＴＣ 切換周期信号生成回路
Ｔtc 切換周期信号
Ｔtf パルス周期信号
ＴＴＰ ピーク期間タイマ回路
Ｔtp ピーク期間信号
Ｖ／Ｆ 電圧周波数変換回路
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖpa 定常ピーク電圧値
Ｖpb、Ｖpd 定常ピーク電圧平均値
Ｖpc 定常ピーク電圧瞬時値
Ｖpcr 定常ピーク電圧移動平均値
Ｖps ピーク電圧設定信号
Ｖｓ 電圧設定値
Ｖｗ 溶接電圧
Ｙ１〜Ｙ４ 電圧変動曲線
Claims (2)
- 溶接ワイヤを定速で送給し、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と共に、前記ピーク期間中のピーク電圧値がピーク電圧設定値と略等しくなるように操作量として前記パルス周期又は前記ピーク期間を変化させてアーク長を制御するパルスアーク溶接において、
前記操作量がパルス周期であるときは前記ピーク期間及び前記ピーク電流を、前記操作量がピーク期間であるときは前記パルス周期及び前記ピーク電流を一定値としたままで、
前記ピーク電圧設定値を予め定めた切換周期で変化させることによってアーク長を周期的に所定幅で揺動させることを特徴とするアーク長揺動パルスアーク溶接制御方法。 - 前記ピーク電圧値が、前記ピーク期間の開始時の電圧が過渡的に変動する過渡ピーク期間を除いた定常ピーク期間中の定常ピーク電圧値であることを特徴とする請求項１記載のアーク長揺動パルスアーク溶接制御方法。
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