JP4853855B2 - 非消耗電極式ガスシールドアーク溶接における溶接電流の制御方法および電源装置 - Google Patents

Description

この発明は、非消耗電極式ガスシールドアーク溶接を行う場合の溶接電流の制御方法および電源装置に関するものである。

図５は、従来の直流の非消耗電極式のガスシールドアーク溶接における電源装置の接続図である。
同図おいて、一点鎖線で囲んで示す主回路部１は、入力整流器部２、スイッチング部３、高周波トランス部４、二次整流器部５、電流検出器６、直流リアクタ７、およびカップリングコイル８とから構成されている。主回路部１のプラス側端子は溶接母材１０に、マイナス側の端子は溶接トーチ９に接続されている。

一点鎖線で囲んで示す制御部１１はスイッチング制御部１２と、全体制御部１３とから構成されている。全体制御部１３には、設定値入力部１５、トーチスイッチ（起動スイッチ）１６、シールドガスを制御する電磁弁１４および電流検出器６が接続されている。なお、設定値入力部１５には、図示を省略する自己保持有りまたは自己保持無しを選択する選択スイッチが設けられている。

次に、従来の非消耗電極式のガスシールドアーク溶接における電源装置の動作について説明する。
トーチスイッチ１６が閉じられると、一次側入力電源（商用交流電源）から供給される交流は入力整流器部２により直流に変換された後、スイチング部３により高周波交流に変換され、高周波トランス４により溶接に適した電圧に変換される。高周波トランス４から出力された高周波交流は二次整流器部５により再度直流に変換された後、直流リアクタ７、溶接母材１０、溶接トーチ９、カップリングコイル８の順に流れ、溶接母材１０と溶接トーチ９との間に図示を省略するアークが発生する。

全体制御部１３は、設定値入力部１５に入力された電流値と、電流検出器６で検出された電流値とを比較し、その差を増幅してスイッチング制御部１２に入力する。スイッチング制御部１２はこの信号に基づいて溶接部を流れる電流が入力された電流値に略等しくなるようにスイチング部３を駆動する。

図６は、非消耗電極式のガスシールドアーク溶接における電源装置の代表的な出力電流波形を示す図である。
電源装置が直流のパルス電流を出力するものである場合（以下、「パルス電源」という。）、同図（ａ）に示すように、設定値入力部１５に入力されたＩｐ、ＩｂおよびＴｐ、Ｔｂの値により、電流値Ｉｐのピーク電流（継続時間Ｔｐ）と電流値Ｉｂのベース電流（継続時間Ｔｂ）が交互に出力される。

そして、パルス溶接の場合は、下記の式１、２で定まる電流値Ｉの電流（平均電流）を単に電流という。
Ｉ＝（Ｉｐ・Ｔｐ＋Ｉｂ・Ｔｂ）／Ｔ０・・・（式１）
Ｔ０＝Ｔｐ＋Ｔｂ ・・・（式２）

電源装置が直流電流を出力するものである場合、同図（ｂ）に示すように、設定値入力部１５に入力された電流値Ｉの電流が出力される。以下、電流値が周期的に変化しない電流を出力するガスシールドアーク溶接電源を「直流電源」といい、パルス電源と区別する。なお、パルス電源と直流電源の外部接続図は同じであり、パルス電源は、直流電源の機能を備えている。

図７は、直流電源の場合の溶接時におけるタイミングチャートであり、（ａ）は自己保持無しの場合、（ｂ）は自己保持有りの場合である。
なお、後述するように、「自己保持有り」と「自己保持無し」とではトーチスイッチ１６の開閉信号の利用形態が異なり、自己保持有りは、溶接の途中で電流値を変化させる等の複数の制御が必要な場合に採用される。

自己保持無しの場合、同図（ａ）に示すように、溶接を行うための電流である主電流Ｉｗの値、溶接に先だってシールドガスを流すプリフロー時間Ｔｇ１の値と、溶接部の酸化を防止するため溶接終了後にシールドガスを流すポストフロー時間Ｔｇ２の値を、設定値入力部１５に入力する。

次に、自己保持無しの場合の制御装置１１の動作を説明する。
制御装置１１はトーチスイッチ１６の開閉を監視し、トーチスイッチ１６が閉（オン）になると直ちに電磁弁１４を開き、プリフロー時間Ｔｇ１経過後トーチスイッチ１６が開（オフ）になるまで、主電流Ｉｗを溶接部に出力する。そして、トーチスイッチ１６が開になると直ちに主電流Ｉｗの供給を停止し、ポストフロー時間Ｔｇ２経過後電磁弁１４を閉じる。

自己保持有りの場合、同図（ｂ）に示すように、プリフロー時間Ｔｇ１、ポストフロー時間Ｔｇ２、主電流値Ｉｗ、スタート電流Ｉｓの電流値Ｉｓ、クレータ電流Ｉｃの電流値Ｉｃ、アップスロープ時間Ｔｕおよびダウンスロープ時間Ｔｄの各値を、設定値入力部１５に入力する。

次に、自己保持有りの場合の制御装置１１の動作を説明する。
制御装置１１はトーチスイッチ１６の開閉を監視し、トーチスイッチ１６が閉になると直ちに電磁弁１４を開き、プリフロー時間Ｔｇ１経過後トーチスイッチ１６が開になるまで、電流値Ｉｓのスタート電流を出力する。そして、トーチスイッチ１６が開になると、アップスロープ時間Ｔｕの間に電流を主電流Ｉｗまで増加させ、次にトーチスイッチ１６が開になるまで、主電流Ｉｗを出力する。次にトーチスイッチ１６が閉になると、ダウンスロープ時間Ｔｄの間に電流を電流値Ｉｃまで低減させる。そして、次にトーチスイッチ１６が開になると、クレータ電流の供給を停止し、ポストフロー時間Ｔｇ２経過後電磁弁１４を閉じる。

また、パルス電源の場合は、溶接を行うための電流値Ｉｗ、スタート電流値Ｉｓおよびクレータ電流値Ｉｃに対して、それぞれ電流値Ｉｐ、Ｉｂおよび継続時間Ｔｐ、Ｔｂの値を入力する必要があるが、動作は直流電源の場合と同じである。

ところで、パルス電源の場合、１種類の電流値（例えば主電流値Ｉｗ）を決めるために４個の値を設定しなければならないため、熟練した作業者にとっても、設定に時間を要していた。
そこで、１つの電流設定器（この場合、主電流値Ｉｗを設定する電流設定器である。）で、ピーク電流の電流値Ｉｐ、ベース電流の電流値Ｉｂ、スタート電流の電流値Ｉｓ、クレータ電流の電流値Ｉｃを設定できるようにした非消耗電極式のガスシールドアーク溶接電源がある（特許文献１）。
そして、特許文献１では、電流補償器を設けることにより、ベース電流の電流値Ｉｂが定格電流の最小値Ｉｍｉｎよりも小さくならないように、また、ピーク電流の電流値Ｉｐが定格電流の最大値Ｉｍａｘよりも大きくならないようにしている。

また、図６（ａ）で示したパルス周波数を低周波パルス（0.1〜数Hz）にすると、パルス期間で母材を溶融させ、ベース期間で凝固を促進して溶融金属の溶け落ちなどを防止できるため、配管の全姿勢溶接や板厚の異なる継手の溶接が容易になる。また、中周波パルス（数十〜数百Hz）にすると、アークの硬直性、集中性の向上を図ることができるので、アークがふらつきやすい小電流溶接や高速溶接が容易になる。
そこで、低周波パルスと中周波パルスを組合せ、低周波パルスの入熱制御作用と中周波パルスのアーク集中性改善作用を同時に活用するようにした技術がある（特許文献２）。

特公平５−５６２３６号公報 特許第２９３５４３４号公報

特許文献１において、ベース電流の電流値Ｉｂが最小値Ｉｍｉｎ未満になる主電流値Ｉｗを選択した場合、ベース電流の電流値Ｉｂが最小値Ｉｍｉｎ以下になることはないが、ベース電流の電流値Ｉｂが本来の値よりも大きくなるため、溶接部に供給される電流値は電流設定器で設定した値よりも大きくなってしまう。そこで、このような場合には、試し溶接を行い、溶接部に供給される電流値が所望の電流値になるように、電流設定器の設定値を小さくしていた。また、ピーク電流の電流値Ｉｐが最大値Ｉｍａｘを超える主電流値Ｉｗを選択した場合、ピーク電流の電流値Ｉｐが最大値Ｉｍａｘを超えることはないが、ピーク電流の電流値Ｉｐが本来の値よりも小さくなるため、溶接部に供給される電流値は電流設定器で設定した値よりも小さくなってしまう。そこで、このような場合には、試し溶接を行い、溶接部に供給される電流値が所望の電流値になるように、電流設定器の設定値を大きくしていた。
すなわち、ベース電流の電流値Ｉｂが最小値Ｉｍｉｎ未満になる主電流値Ｉｗを選択した場合、あるいはピーク電流の電流値Ｉｐが最大値Ｉｍａｘを超える主電流値Ｉｗを選択した場合には、電流の設定が面倒であった。

また、特許文献２では、種々の電流波形を形成することは可能であるが、ピーク電流の電流値Ｉｐが最大値Ｉｍａｘを超える主電流値Ｉｗを選択した場合、あるいはベース電流の電流値Ｉｂが最小値Ｉｍｉｎ未満になる主電流値Ｉｗを選択した場合についての詳細な説明はない。

本発明の目的は、操作が容易で、総ての電流値を定格電流の範囲内に納めることができる非消耗電極式ガスシールドアーク溶接における溶接電流の制御方法および電源装置を提供するにある。

上記の課題を解決するため、本発明の第１手段は、パルス溶接のためにピーク電流とベース電流とからなるパルス電流を溶接部に供給するようにした非消耗電極式ガスシールドアーク溶接における溶接電流の制御方法において、交互に繰り返される第１および第２の期間と、平均電流値と、電流の振幅とを定めておき、前記第１の期間は前記平均電流値から前記振幅の１／２を差し引いた電流値から前記平均電流値に前記振幅の１／２を加えた電流値まで一様に増加する電流であり、前記第２の期間は前記平均電流値に前記振幅の１／２を加えた電流値から前記平均電流値から前記振幅の１／２を差し引いた電流値まで一様に減少する電流である三角波電流を適用できる溶接電源を用い、前記ピーク電流又は前記ベース電流の少なくとも一方に前記三角波電流を適用し、前記ピーク電流に適用した場合に前記振幅の１／２を加えた電流値が定格電流の最大値を超える場合は、前記振幅の１／２を加えた電流値を前記定格電流の最大値にすると共に、平均電流値である前記ピーク電流値が維持されるように前記振幅を小さくし、前記ベース電流に適用した場合前記振幅の１／２を差し引いた電流値が定格電流の最小値未満になる場合は、前記振幅の１／２を差し引いた電流値を前記定格電流の最小値にすると共に、平均電流値である前記ベース電流値が維持されるように前記振幅を小さくして溶接部に供給することを特徴とする。
また、パルス溶接のためにピーク電流とベース電流とからなるパルス電流を溶接部に供給するようにした非消耗電極式ガスシールドアーク溶接における溶接電流の制御方法において、電流の立ち上がりおよび立ち下がりが急峻な矩形波電流が供給される第１および第２の期間と、平均電流値と、電流の振幅とをそれぞれ定めておき、前記第１の期間と前記第２の期間を交互に繰り返すようにしておくと共に、前記第１の期間は前記平均電流値に前記振幅の１／２を加えた電流値を、前記第２の期間は前記平均電流値から前記振幅の１／２を差し引いた電流値を、かつ、前記第１の期間と前記第２の期間における溶接電流の平均値が前記平均電流値になるようにした矩形波電流を適用できる溶接電源を用い、前記ピーク電流又は前記ベース電流の少なくとも一方に前記矩形波電流を適用し、前記ピーク電流に適用した場合に前記振幅の１／２を加えた電流値が定格電流の最大値を超える場合は、前記振幅の１／２を加えた電流値を前記定格電流の最大値にすると共に、平均電流値である前記ピーク電流値が維持されるように前記振幅を小さくし、前記ベース電流に適用した場合前記振幅の１／２を差し引いた電流値が定格電流の最小値未満になる場合は、前記振幅の１／２を差し引いた電流値を前記定格電流の最小値にすると共に、平均電流値である前記ベース電流値が維持されるように前記振幅を小さくして溶接部に供給することを特徴とする。

溶接部に供給される電流が設定値と一致し、かつ総ての電流値を定格電流の範囲内に納めることができるので、操作が容易である。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
図１は本発明に係る非消耗電極式ガスシールドアーク溶接における電源装置の接続図であり、図５と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して重複する説明を省略する。
スイッチ２０は、パルス電流によるパルス溶接を行うか直流溶接を行うかを選択するスイッチであり、全体制御部１３に接続されている。全体制御部１３はスイッチング制御部１２を介して、パルス溶接が選択された場合はパルス電流を、その他（パルス無し）が選択された場合は直流電流を、それぞれ溶接部に出力する。

設定値入力部１５には、第１の期間設定手段と第２の期間設定手段と、平均電流値および電流の振幅設定手段とが設けられている。

演算・判定手段２１は、全体制御部１３に接続されている。

次に、本発明の動作を直流電流の場合について説明する。
加工に先立ち、設定値入力部１５により、第１期間Ｔｕと、第２の期間Ｔｄ、平均電流値Ｉｗおよび電流振幅Ｉｙを設定する。なお、平均電流値は、上記の主電流に対応する電流値であるため電流値Ｉｗという。また、ここでは、Ｔｕ＝Ｔｄである。

図２は、本発明に係る主溶接時における電流波形図である。
始めに、電流の構成について説明する。なお、この電源装置の定格電流の最大値はＩｍａｘ、最小値はＩｍｉｎである。

同図に示すように、溶接電流は第１の期間である期間Ｔｕにおいて電流値Ｉｎから電流値Ｉｑ（ただし、Ｉｑ＝Ｉｎ＋Ｉｙ）に増加し、期間Ｔｕに続く第２の期間である期間Ｔｄにおいて電流値Ｉｑから電流値Ｉｎに減少する。期間Ｔｕと期間Ｔｄは交互に繰り返される。
このようにすると、直流（電流がＩｗで一定。）の場合に比べてビード幅が広く、溶け込みが浅い溶接部を得ることができる。また、アークがいわゆるソフトなアークになる。

ところで、平均電流値Ｉｗと電流振幅Ｉｙとを設定する場合、電流値Ｉｑが定格電流の最大値を超える場合、あるいは電流値Ｉｎが定格電流の最小値Ｉｍｉｎ未満になる場合がある。
そこで、演算・判定手段２１は、平均電流値Ｉｗと電流振幅Ｉｙが設定されると直ちに設定された平均電流値Ｉｗに１／２Ｉｙを加算し、Ｉｗ＋１／２Ｉｙ＞Ｉｍａｘの場合は、設定された電流幅Ｉｙをキャンセルして電流値Ｉｑ＝Ｉｍａｘとすると共に、電流値ＩｎをＩｎ＝Ｉｗ−（Ｉｍａｘ−Ｉｗ）に変更する。
また、設定されたＩｗから１／２Ｉｙを減算し、Ｉｗ−１／２Ｉｙ＜Ｉｍｉｎの場合は設定された電流幅Ｉｙをキャンセルして電流値Ｉｎ＝Ｉｍｉｎとすると共に、電流値ＩｑをＩｑ＝Ｉｗ＋（Ｉｗ−Ｉｍｉｎ）に変更する。
この結果、平均電流Ｉｗが変化することはなく、また、電流値が電源装置の定格電流範囲から外れることもない。

なお、この実施形態では、直流電流の場合について説明したが、図３に示すように、パルス溶接におけるピーク電流Ｉｐあるいはベース電流に適用することができる。ここで、図３（ａ）は本発明をピーク電流Ｉｐに適用した場合、（ｂ）はベース電流Ｉｂに適用した場合、（ｃ）はピーク電流Ｉｐとベース電流Ｉｂに適用した場合である。なお、制御については、上記の説明から容易に実施できるので、詳細な説明を省略する。

また、以上では電流波形が振幅Ｉｙの範囲内で三角波になる場合について説明したが、図４に示すように、本発明を矩形波にすることもできる。ここで、図４（ａ）は本発明をパルス溶接におけるピーク電流Ｉｐに適用した場合、（ｂ）はベース電流Ｉｂに適用した場合、（ｃ）はピーク電流Ｉｐとベース電流Ｉｂに適用した場合である。なお、制御については、上記の説明から容易に実施できるので、詳細な説明を省略する。

なお、以上の説明では、期間Ｔｕ＝Ｔｄとしたが、期間Ｔｕ≠Ｔｄにしてもよい。
期間Ｔｕ≠Ｔｄにする場合であっても、平均電流Ｉｗは演算により容易に求めることができる。

本発明に係る非消耗電極式ガスシールドアーク溶接電源の接続図である。 本発明に係る主溶接時における電流波形図である。 本発明に係る主溶接時における電流波形図である。 本発明に係る主溶接時における電流波形図である。 従来の直流の非消耗電極式のガスシールドアーク溶接電源の接続図である。 ガスシールドアーク溶接電源の代表的な出力電流波形を示す図である。 直流電源の場合の溶接時におけるタイミングチャートである。

符号の説明

Ｔｕ 第１の期間
Ｔｄ 第２の期間
Ｉｗ 平均電流値
Ｉｙ 振幅

Claims (2)

1. パルス溶接のためにピーク電流とベース電流とからなるパルス電流を溶接部に供給するようにした非消耗電極式ガスシールドアーク溶接における溶接電流の制御方法において、
   交互に繰り返される第１および第２の期間と、平均電流値と、電流の振幅とを定めておき、
   前記第１の期間は前記平均電流値から前記振幅の１／２を差し引いた電流値から前記平均電流値に前記振幅の１／２を加えた電流値まで一様に増加する電流であり、
   前記第２の期間は前記平均電流値に前記振幅の１／２を加えた電流値から前記平均電流値から前記振幅の１／２を差し引いた電流値まで一様に減少する電流である三角波電流を適用できる溶接電源を用い、
   前記ピーク電流又は前記ベース電流の少なくとも一方に前記三角波電流を適用し、
   前記ピーク電流に適用した場合に前記振幅の１／２を加えた電流値が定格電流の最大値を超える場合は、前記振幅の１／２を加えた電流値を前記定格電流の最大値にすると共に、平均電流値である前記ピーク電流値が維持されるように前記振幅を小さくし、
   前記ベース電流に適用した場合に前記振幅の１／２を差し引いた電流値が定格電流の最小値未満になる場合は、前記振幅の１／２を差し引いた電流値を前記定格電流の最小値にすると共に、平均電流値である前記ベース電流値が維持されるように前記振幅を小さくして溶接部に供給する
   ことを特徴とする非消耗電極式ガスシールドアーク溶接における溶接電流の制御方法。
2. パルス溶接のためにピーク電流とベース電流とからなるパルス電流を溶接部に供給するようにした非消耗電極式ガスシールドアーク溶接における溶接電流の制御方法において、
   電流の立ち上がりおよび立ち下がりが急峻な矩形波電流が供給される第１および第２の期間と、平均電流値と、電流の振幅とをそれぞれ定めておき、
   前記第１の期間と前記第２の期間を交互に繰り返すようにしておくと共に、
   前記第１の期間は前記平均電流値に前記振幅の１／２を加えた電流値を、前記第２の期間は前記平均電流値から前記振幅の１／２を差し引いた電流値を、かつ、前記第１の期間と前記第２の期間における溶接電流の平均値が前記平均電流値になるようにした矩形波電流を適用できる溶接電源を用い、
   前記ピーク電流又は前記ベース電流の少なくとも一方に前記矩形波電流を適用し、
   前記ピーク電流に適用した場合に前記振幅の１／２を加えた電流値が定格電流の最大値を超える場合は、前記振幅の１／２を加えた電流値を前記定格電流の最大値にすると共に、平均電流値である前記ピーク電流値が維持されるように前記振幅を小さくし、
   前記ベース電流に適用した場合に前記振幅の１／２を差し引いた電流値が定格電流の最小値未満になる場合は、前記振幅の１／２を差し引いた電流値を前記定格電流の最小値にすると共に、平均電流値である前記ベース電流値が維持されるように前記振幅を小さくして溶接部に供給する
   ことを特徴とする非消耗電極式ガスシールドアーク溶接における溶接電流の制御方法。

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