JP4823971B2 - 被覆アーク溶接機 - Google Patents

Description

本発明は、被覆アーク溶接機に係わり、とくに定電流出力特性と調節可能な垂下度を持つ垂下出力特性を併せ持ち熟練者から未熟練者までが使い易い特性を示す被覆アーク溶接機に関する。

従来、溶接機の電流特性は、未熟練者でも安定したアーク溶接が可能になるように定電流出力特性を持たせている。ただし、定電流出力特性のみでは、溶接棒の種類や溶接姿勢によっては対応し難い問題があり、定電流出力特性に垂下出力特性を組合わせ、その特性間移行点を可変としたものも提供されている（特許文献１参照）。

これは、図６に示すように、溶接電流域における定電流出力特性Ｉおよび最大電流抑制用の定電流出力特性III、ならびにこれら２つの定電流出力特性I,IIIを結ぶ垂下出力特性IIを有するものである。このように、常用する定電流出力特性と垂下出力特性とを任意に結合して組合わせるようにしたため、各種溶接棒に対応した溶接作業ができる。

そして、垂下出力特性IIは、図７(a)に示すように垂下特性移行電圧を変えるものと、図７(b)に示すように定電流特性移行電流を変えるものとが提供されている。
特開平11-170046号公報

しかしながら、このような未熟練者でも安定したアーク溶接が可能な溶接機は、熟練者が技能を発揮するには必ずしも適当ではない。熟練者は、図８に示すような垂下出力特性を持った直流発電機（第3ブラシ発電機）を用いて垂下出力特性線と溶接負荷特性ラインL,L’,L”との交点を移動させて溶接電流をI,I’,I”に調整し、入熱調整を微細に行いつつ溶接作業をしていた経験を持つ。

これに対して、定電流出力特性を持った溶接機では、図９に示すような定電流出力特性から垂下出力特性への移行点が溶接負荷特性ラインＬに設定されていると、この移行点よりも大きな出力電流領域で調節することはできても、より小さな電流領域は定電流となり、調節不能となる。

本発明は上述の点を考慮してなされたもので、定電流出力特性と垂下出力特性とが適度に組み合わされた特性を有する被覆アーク溶接機を提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本発明では、
最大出力電流値および最小出力電流値を限度として垂下出力特性を持った被覆アーク溶接機であって、前記垂下出力特性の特性ラインと溶接負荷特性ラインとの交差する点を中心として前記垂下出力特性ラインの傾斜角を任意に調整し得る垂下度調整器と、この垂下度調整器の出力に応じて溶接電流出力を制御する制御回路とをそなえた被覆アーク溶接機において、
所望の溶接電流を設定する電流調整器をそなえ、
前記制御回路は、下式に基づき、前記電流調整器により設定された溶接電流の設定値ｘに前記垂下度調整器により与えられる短絡電流倍数値ｙを乗算して短絡電流ｘｙを算定し、前記設定値ｘを基点にする前記垂下出力特性の垂下度を前記短絡電流ｘｙに応じて決定することを特徴とする被覆アーク溶接機。
Ｉ＝ｂ−ａ×Ｖ
ここで、ｂ＝ｘ×ｙ
ａ＝（ｂ−ｘ）／（２０＋０．０４ｘ）
ただし、Ｉ：目標溶接電流
ｘ：設定溶接電流
ｙ：短絡電流倍数値
Ｖ：溶接電圧検出値、
を提供するものである。

本発明は上述のように、定電流出力特性を有するアーク溶接機における出力特性線と溶接負荷特性ラインとの交差する点を基点として所望の垂下出力特性を持つようにしたため、熟練者が溶接姿勢、溶接部材に合わせた任意の垂下度に調整することで最適な溶接作業を行うことが可能となり、しかも未熟練者が垂下度を最大にすれば手振れによる電流変化のない安定したアーク溶接が可能になる。

以下、エンジン駆動の溶接用発電機を被覆アーク溶接機の溶接電源とした場合の本発明の実施例につき、添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施例１の回路構成を示すブロック図である。実施例１は、図１に示すように、エンジンＥにより溶接用発電機Ｇを駆動して交流電源出力と溶接用出力とを供給するものである。

溶接用発電機Ｇは、自動電圧調整器ＡＶＲにより制御された出力を過電流リレーＯＣを介して取り出して２分し、一方は回路遮断器ＣＢを経て出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗ，０に給電し、他方は整流器ＲＥＣ以降の直交変換および交直変換、ならびに溶接電流制御を行って出力端子＋，−に給電する。

整流器ＲＥＣは、その整流出力がコンデンサＣを経てインバータＩＮＶに与えられて交流変換され、高周波トランスＴ、整流器Ｄ,Ｄおよび直流リアクタＤＣＬを介して出力端子＋，−に直流出力として与えられる。

直流出力は、電流センサＣＳにより電流Ｉｄが検出される。この検出電流Ｉｄは、電圧センサＶＳにより検出された電圧が目標溶接電流演算装置ＩＷに与えられて操作表示部ＯＤからの指令信号ｘ，ｙに基く演算がなされる。

この演算の結果形成された目標溶接電流Ｉが検出電流Ｉｄと突き合わされ、得られた制御信号ＩｃがＰＷＭ生成回路ＰＷＭおよびドライバＤＲに与えられ、インバータＩＮＶの制御が行われる。

目標溶接電流演算装置ＩＷに指令信号ｘ，ｙを与える操作表示部ＯＤは、電流調整器ＣＣおよび垂下度調整器ＤＣを有し、操作により得られた指令信号ｘ，ｙを、シリアル通信受信回路ＲＶを介して目標溶接電流演算回路ＩＷに与える。目標溶接電流演算装置ＩＷの動作内容は、図２ないし図４を用いて後述する。

図２は、定電流出力特性を基にした垂下出力特性を示した特性図である。この特性は、溶接電圧Ｖを有するアーク溶接機の定電流出力特性を変えて、特性図上で傾斜を持たせることにより垂下出力特性を実現したものである。

図２に実線で示す垂下出力特性ラインは、破線で示す溶接負荷特性ラインＬと交点ｐ１で交わり、その溶接電流設定値がｘで、短絡電流は溶接電圧Ｖ＝０との交点ｐ２であるｘｙ（＝溶接電流設定値ｘ×倍数値ｙ）となる。ここで、溶接負荷特性ラインＬは、
溶接電圧Ｖ＝２０＋０．０４×溶接電流Ｉ
で表わされる。

図３は、図２に示した垂下出力特性の垂下度を変化させることによる出力電流の調節の様子を示したものである。この図３では、基本になる垂下出力特性を実線で示し、垂下度を変えた垂下出力特性を２本の想像線で、また垂下出力特性の傾斜度合いを最大に調節した場合、すなわち定電流出力特性をもう１本の想像線で示しており、これらの各特性線と溶接負荷特性ラインＬおよび同Ｌ’、ならびに溶接電流I,I’との関係を示している。

すなわち、実線で示した垂下出力特性では溶接作業者がアーク長を延ばして溶接負荷特性ラインがＬからＬ’に変ると出力電流がＩからＩ’に変るが、この実線の両側の想像線で示した垂下出力特性では出力電流の変化幅がより大きく、またはより小さくなる。

これにより、垂下出力特性の傾斜度合いを調節することによって出力電流の調整度合いをより大きくまたはより小さくすることができる。

図４は、図３で示した基本的な垂下出力特性を、より実用的に変更した例を示したものである。図４に示した特性は、アーク溶接機の出力電流が最小値Ｉmin、最大値Imaxであると、垂下出力特性１０１が発電機容量の範囲での最大側で特性線１０２となり、最小側で特性線１０３となる。

つまり、電流最大値Ｉmaxと最小値Ｉminとの間で所定傾斜角の垂下出力特性が移動でき、また、垂下度合いを変えると、垂下出力特性ライン１０１と溶接負荷特性ラインLとの交点ｐ１を中心にして傾斜度合いが異なった垂下出力特性ライン（想像線図示）が得られる。

図５は、図１に示したアーク溶接機の目標溶接電流演算装置ＩＷの動作内容を示すフローチャートである。目標溶接電流演算装置ＩＷは、設定溶接電流ｘ、短絡電流倍数値ｙおよび溶接電圧センサＶＳからの溶接電圧検出値Ｖが与えられると、下式によって目標溶接電流Ｉを求める。すなわち、
Ｉ＝ｂ−ａ×Ｖ
ここで、ｂ＝ｘ×ｙ
ａ＝（ｂ−ｘ）／（２０＋０．０４ｘ）
ただし、ｘ：設定溶接電流（３０〜３２０Ａ）
ｙ：短絡電流倍数値（１．０から２．０）
Ｖ：溶接電圧検出値
である。

上記式により求められた目標溶接電流と溶接電流検出値との偏差を０に制御することにより、垂下出力特性および定電流出力特性の制御を同一プログラムにより連続的に制御することができる。

そしてまた、このプログラムにより従来必要とされてきた膨大な溶接出力特性データを省略することが可能になるのでメモリー容量を大幅に削減できる。

これを図５に基いて説明すると、まず溶接電流設定値ｘを読み込み（ステップＳ１）、短絡電流倍数値ｙを読み込み（ステップＳ２）、さらに溶接電圧検出値Ｖを読み込む（ステップＳ３）。

これら３つの要素ｘ，ｙおよびＶが与えられると、上記式により溶接電流目標値Ｉが求められる（ステップＳ４）。この溶接電流目標値Ｉが、最大電流（この場合、３４０Ａ）以上であるか否かを判断し（ステップＳ５）、以上であればステップＳ７により溶接電流３４０ＡにＰＩＤ制御する。

そして３４０Ａ未満であれば、ステップＳ６に移行して目標溶接電流Ｉが最小値３０Ａ未満か否かを判断し、未満であればステップＳ８により溶接電流３０ＡにＰＩＤ制御するし、３０Ａ以上であればステップＳ９により目標溶接電流ＩにＰＩＤ制御する。

ここで、最大電流３４０Ａは溶接機の容量の大小によって決定される値であり、最小電流３０Ａはアークを安定的に維持できる最小の電流である。これらの値は、適用する溶接機によって適宜決めればよい。

また、短絡倍数値ｙは最小値１．０に調節した場合が定電流出力特性で、短絡倍数値ｙを大きくすると短絡電流が大きくなるとともに垂下出力特性の傾斜の度合いが緩くなるが、最大値２．０は特に限定されたものではない。

これらの制御を、動作終了指令が与えられるまで継続する（ステップＳ１０）。

このように、図４に示した定電流出力特性と垂下出力特性との複合制御特性に基いて出力電流を生じるアーク溶接機としての動作が行われる。

他の実施例

上記実施例では被覆アーク溶接機の電源としてエンジン駆動の溶接用発電機を使用した場合を示したが、溶接電源としてはバッテリ電源、商用電源からトランスを介した電源でも良い。

上記実施例では、最大電流または最小電流の定電流出力特性に単一の垂下出力特性を組み合わせた複合特性を持つアーク溶接機を示したが、垂下度合いの異なる２つの垂下出力特性を持った複合特性を有するアーク溶接機を構成してもよい。

それには、目標溶接電流演算装置をもう一組設けて２つの目標溶接電流演算装置を切り替えて使用する。これにより、最大電流値および最小電流値による定電流出力特性の間で、それぞれ垂下度合いの異なる２つの垂下出力特性を持った複合特性を有するアーク溶接機を構成することができる。

本発明の実施例１の回路構成を示すブロック図。 定電流出力特性を基にした垂下出力特性を示した特性図。 図２に示した垂下出力特性の垂下度を変化させることによる出力電流の調節の様子を示した特性図。 図３で示した基本的な垂下出力特性を、より実用的に変更した例を示した特性図。 図５は、図１に示したアーク溶接機の目標溶接電流演算装置ＩＷの動作内容を示すフローチャート。 従来の定電流出力特性および垂下出力特性を有するアーク溶接機の出力特性図。 従来の定電流出力特性および垂下出力特性を有するアーク溶接機の出力特性図。 従来の第３ブラシ付き発電機の出力特性図。 従来の定電流出力特性を有するアーク溶接機における出力特性と溶接負荷特性ラインとの関係を示す特性図。

符号の説明

Ｅ エンジン、Ｇ アーク溶接機、ＲＥＣ 整流器、ＩＮＶ インバータ、
ＤＣＬ 直流リアクタ、ＣＳ 電流センサ、ＶＳ 電圧センサ、
ＩＷ 目標溶接電流演算装置、ＯＤ 操作表示部、ＲＶ シリアル通信受信回路、
ＰＷＭ パルス幅変調生成回路、ＤＲ ドライバ、Ｖ 出力電圧、
Ｉ 目標溶接電流、Ｌ 溶接負荷特性ライン。

Claims (3)

1. 最大出力電流値および最小出力電流値を限度として垂下出力特性を持った被覆アーク溶接機であって、前記垂下出力特性の特性ラインと溶接負荷特性ラインとの交差する点を中心として前記垂下出力特性ラインの傾斜角を任意に調整し得る垂下度調整器と、この垂下度調整器の出力に応じて溶接電流出力を制御する制御回路とをそなえた被覆アーク溶接機において、
   所望の溶接電流を設定する電流調整器をそなえ、
   前記制御回路は、下式に基づき、前記電流調整器により設定された溶接電流の設定値ｘに前記垂下度調整器により与えられる短絡電流倍数値ｙを乗算して短絡電流ｘｙを算定し、前記設定値ｘを基点にする前記垂下出力特性の垂下度を前記短絡電流ｘｙに応じて決定することを特徴とする被覆アーク溶接機。
   Ｉ＝ｂ−ａ×Ｖ
   ここで、ｂ＝ｘ×ｙ
   ａ＝（ｂ−ｘ）／（２０＋０．０４ｘ）
   ただし、Ｉ：目標溶接電流
   ｘ：設定溶接電流
   ｙ：短絡電流倍数値
   Ｖ：溶接電圧検出値
2. 請求項１記載の被覆アーク溶接機において、
   出力電流値が、前記最小出力電流値以下の領域で、前記最小出力電流値を基準とする定電流出力特性であることを示す被覆アーク溶接機。
3. 請求項１記載の被覆アーク溶接機において、
   出力電流値が、前記最大出力電流値以上の領域で、前記最大出力電流値を基準とする定電流出力特性であることを示す被覆アーク溶接機。

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