JP4875443B2 - 消耗電極アーク溶接電源の出力制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接ワイヤの座屈による作業効率の低下を抑制するための消耗電極アーク溶接電源の出力制御方法に関するものである。

消耗電極アーク溶接では、送給モータによって溶接ワイヤを溶接部に送給すると共に、溶接電源から溶接電圧・電流を供給してアークを発生させて溶接が行われる。溶接ワイヤは送給機からコンジットケーブル内のライナ内を通って溶接トーチ本体に送られる。溶接ワイヤは送給負荷が重くなると座屈が発生して送給ができなくなる。送給負荷が重くなる原因には以下のように種々の場合がある。
（１）ライナ内部等に溶接ワイヤの送給による切削カスが堆積し送給負荷が増大する（送給経路の送給負荷の増大）。
（２）溶接ワイヤが給電チップ内部等で溶着し送給負荷が増大する（溶着による送給負荷の増大）。
（３）アークスタート時又は定常溶接時に数十msを越える長期短絡が発生し、溶接ワイヤ先端が溶融せずに母材に押しつけられて送給負荷が増大する（長期短絡による送給負荷の増大）。

上述した溶接ワイヤの座屈を防止する方法として以下に示す従来技術が慣用されている。すなわち、送給負荷を送給モータのトルク量で検出し、送給負荷が増大しトルク量が基準値を超えると座屈発生のおそれが高まるので溶接ワイヤの送給及び溶接電源の出力を停止する。通常、トルク量の検出は送給モータを流れる電流（モータ電流）の値によって検出する（例えば、特許文献１〜３参照）。

特開平５−３１５７７号公報 特開平８−２１５８４６号公報 特開２００３−２００２６５号公報

上述した座屈防止方法が作動した場合、溶接途中であっても溶接ワイヤの送給及び溶接電源の出力を強制的に停止する。このために座屈防止方法が作動したワークは溶接不良となる。さらに、座屈防止方法が作動すると溶接ラインが復旧のために長く停止することになるために、生産効率が低下する。溶接ワイヤの座屈が発生する原因には上述したように種々の種類がある。したがって、本発明では、送給負荷の増大の原因をタイプ別に判別することによって、座屈を防止しつつ溶接の中断をできるだけ回避することができる消耗電極アーク溶接電源の出力制御方法を提供する。

上述した課題を解決するために、第１の発明は、送給モータによって溶接ワイヤを送給すると共に溶接電源から溶接電圧・電流を供給して溶接を行い、溶接中に前記送給モータを流れるモータ電流が基準電流値を越えたときはトルク超過信号を出力し、このトルク超過信号に基づいて前記送給モータの送給及び前記溶接電源の出力を停止する消耗電極アーク溶接電源の出力制御方法において、
前記トルク超過信号が出力されたときの溶接状態が短絡状態であるときは、前記送給モータの送給は停止し前記溶接電源の出力は継続し、
前記トルク超過信号が出力されたときの溶接状態が短絡状態でないときは、前記送給モータの送給及び前記溶接電源の出力を停止する、ことを特徴とする消耗電極アーク溶接電源の出力制御方法である。

第２の発明は、前記トルク超過信号が出力されたときの溶接状態が短絡状態でない状態であり、かつ、アーク長が基準アーク長よりも長いときにのみ、前記送給モータの送給及び前記溶接電源の出力を停止する、ことを特徴とする第１の発明記載の消耗電極アーク溶接電源の出力制御方法である。

上記第１の発明によれば、アークスタート時、定常溶接時等において長期短絡が発生し送給負荷が増大した場合、この状態を判別して溶接電源の出力は継続したままで送給のみを停止する。これによって、溶接を強制終了することなく座屈を防止することができる。このために、溶接中断によってワークを溶接不良にすることなく、溶接ラインを停止することもない。長期短絡を起因とする座屈の発生回数は全座屈発生回数の中でかなりの比率を占めるので、溶接中断を回避できる効果は大きい。

さらに、上記第２の発明によれば、第１の発明の効果に加えて、送給モータのトルク量が基準値よりも超過したときに、短絡状態でなくかつアーク長が基準値よりも超過しているときにのみ出力及び送給を停止する。このために、座屈防止の検出制度が向上する。

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に係る消耗電極アーク溶接電源の出力制御方法を実施するための溶接電源ＰＳのブロック図である。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。

出力制御回路ＰＭは、三相２００Ｖ等の商用電源を入力としてインバータ制御等の出力制御を行い、アーク溶接に適した溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力する。この出力制御回路ＰＭは、後述する出力停止信号ＰｓがＨｉｇｈレベルのときは出力を停止する。溶接ワイヤ１は送給モータＭに結合された送給ロール５の回転によって溶接トーチ４のケーブル内を送給されて、母材２との間にアーク３が発生し溶接が行われる。

送給モータ制御回路ＭＣは、上記の送給モータＭの回転速度を制御する。この送給モータ制御回路ＭＣは、後述する送給停止信号ＭｓがＨｉｇｈレベルのときは送給モータＭの回転を停止させる。モータ電流検出回路ＩＭは、送給モータＭにかかるトルク量に略比例するモータ電流を検出して、モータ電流検出信号Ｉｍを出力する。トルク超過判別回路ＴＤは、このモータ電流検出信号Ｉｍの値が基準電流値Ｉｔを越えたときにＨｉｇｈレベルとなるトルク超過信号Ｔｄを出力する。

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。短絡判別回路ＳＤは、この電圧検出信号Ｖｄの値によって溶接状態が短絡状態にあることを判別して、短絡判別信号Ｓｄを出力する。

座屈防止回路ＺＰは、上記のトルク超過信号ＴｄがＨｉｇｈレベル（トルク超過）になったときに、
（１）上記の短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）であれば出力停止信号Ｐｓ＝Ｌｏｗレベル及び送給停止信号Ｍｓ＝Ｈｉｇｈレベルを出力し、その後に短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（非短絡）になると出力停止信号Ｐｓ＝Ｌｏｗレベル及び送給停止信号Ｍｓ＝Ｌｏｗレベルを出力し、
（２）上記の短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（非短絡）であれば出力停止信号Ｐｓ＝Ｈｉｇｈレベル及び送給停止信号Ｍｓ＝Ｈｉｇｈレベルを出力する。すなわち、トルク超過信号Ｔｄ＝Ｈｉｇｈレベルになったときに溶接状態が短絡状態でないときは出力制御回路ＰＭの出力及び送給を共に停止する。他方、トルク超過信号Ｔｄ＝Ｈｉｇｈレベルになったときの溶接状態が短絡状態であるときは出力制御回路ＰＭの出力は継続し、送給のみを停止する。この場合、出力を継続することによって短絡を解除し、短絡が解除された後は送給を再開する。

図２は、アークスタート時に長期短絡が発生して送給負荷が増大したときの図１で上述した溶接電源ＰＳの各信号のタイミングチャートである。同図は、本発明の実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接電源の出力制御方法を示している。同図（Ａ）は溶接電圧Ｖｗを示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｃ）はモータ電流検出信号Ｉｍを示し、同図（Ｄ）はトルク超過信号Ｔｄを示し、同図（Ｅ）は短絡判別信号Ｓｄを示し、同図（Ｆ）は出力停止信号Ｐｓを示し、同図（Ｇ）は送給停止信号Ｍｓを示す。以下、同図を参照して説明する。

時刻ｔ１において溶接開始指令（図示なし）が外部から入力されると、同図（Ａ）に示すように、溶接電圧Ｖｗとして無負荷電圧が溶接ワイヤ・母材間に印加し、溶接ワイヤは遅い速度のスローダウン速度で送給されるので、同図（Ｃ）に示すように、定常溶接時よりも小さなモータ電流Ｉｍが通電する。

時刻ｔ２において溶接ワイヤが母材に到達し接触すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは低い値の短絡電圧値になり、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗが通電する。アークスタート時は溶接ワイヤの温度が低いためにアークに円滑に移行できずに数十msを超える長期短絡が発生しやすい。同図もこの場合である。時刻ｔ２において送給速度が定常の送給速度に変化するので、同図（Ｃ）に示すように、モータ電流Ｉｍは増加する。さらに、同図（Ｅ）に示すように、短絡判別信号ＳｄはＨｉｇｈレベルに変化する。短絡状態が継続されているので、ワイヤ先端が母材に押し付けられて突っ立ち送給負荷が増大し送給モータのトルク量が増大する。これに伴って、同図（Ｃ）に示すように、モータ電流Ｉｍが増大する。

時刻ｔ３において、同図（Ｃ）に示すように、モータ電流Ｉｍが基準電流値Ｉｔを超えると、同図（Ｄ）に示すように、トルク超過信号ＴｄがＨｉｇｈレベルになる。この時刻ｔ３時点において、同図（Ｅ）に示すように、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）であるので、同図（Ｆ）に示すように、出力停止信号ＰｓはＬｏｗレベル（出力継続）のままであり、同図（Ｇ）に示すように、送給停止信号ＭｓはＨｉｇｈレベル（送給停止）になる。したがって、出力は継続されるので、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗの通電は継続される。他方、このままでは座屈のおそれがあるために、送給は停止させる。

時刻ｔ４において溶接電流Ｉｗの通電によって、同図（Ａ）に示すように、短絡が解除されてアークが発生すると、同図（Ｅ）に示すように、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベルに変化する。これに応動して、同図（Ｇ）に示すように、送給停止信号ＭｓはＬｏｗレベルに戻るので、溶接ワイヤの送給が再開され、同図（Ｃ）に示すように、定常送給速度に対応したモータ電流Ｉｍが通電する。時刻ｔ４以降、同図（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、定常の溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗが出力される。同図はパルスアーク溶接の場合であるので、パルス電圧が印加し、パルス電流が通電する。

図３は、定常溶接中に長期短絡が発生したときの図１で上述した溶接電源ＰＳ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、同図（Ａ）〜（Ｇ）の各信号名は同一である。以下、同図を参照して説明する。

時刻ｔ１において短絡が発生すると、同図（Ｅ）に示すように、短絡は判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベルになる。この短絡が長く続くとワイヤ先端が母材に突っ立った状態になるために送給負荷が増大し、同図（Ｃ）に示すように、モータ電流Ｉｍが増加する。時刻ｔ２において、同図（Ｃ）に示すように、モータ電流Ｉｍが基準電流値Ｉｔを超えると、同図（Ｄ）に示すように、トルク超過信号ＴｄがＨｉｇｈレベルになる。この時点における短絡判別信号ＳｄはＨｉｇｈレベルであるので、同図（Ｆ）に示すように、出力停止信号ＰｓはＬｏｗレベルのままであり、同図（Ｇ）に示すように、送給停止信号ＭｓはＨｉｇｈレベルに変化する。したがって、溶接電源の出力は継続するので、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗの通電は継続される。他方、送給は停止するので、座屈は防止することができる。

時刻ｔ３において溶接電流Ｉｗの通電によって長期短絡が解除されてアークが発生すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは短絡電圧値からアーク電圧値に変化し、同図（Ｅ）に示すように、短絡判別信号ＳｄはＬｏｗレベルに変化する。これに応動して、同図（Ｇ）に示すように、送給停止信号ＭｓがＬｏｗレベルに変化し、溶接ワイヤの送給が再開される。これ以降は定常溶接状態になり、同図（Ａ）に示すように、定常の溶接電圧Ｖｗが印可し、同図（Ｂ）に示すように、定常の溶接電流Ｉｗが通電する。

上述した実施の形態１によれば、アークスタート時、定常溶接時等において長期短絡が発生し送給負荷が増大した場合、この状態を判別して溶接電源の出力は継続したままで送給のみを停止する。これによって、溶接を強制終了することなく座屈を防止することができる。このために、溶接中断によってワークを溶接不良にすることなく、溶接ラインを停止することもない。長期短絡を起因とする座屈の発生回数は全座屈発生回数の中でかなりの比率を占めるので、溶接中断を回避できる効果は大きい。

［実施の形態２］
図４は、本発明の実施の形態２に係る極性切換短絡アーク溶接方法を実施するための溶接電源ＰＳ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と異なるブロックについて説明する。

アーク長超過判別回路ＡＤは、電圧検出信号Ｖｄの値が基準電圧値Ｖｔを超えたときにＨｉｇｈレベルになるアーク長超過信号Ａｄを出力する。これはアーク長が溶接電圧値に略比例することを利用している。上述したように、送給経路の送給負荷の増大又は溶着による送給負荷の増大に起因しても座屈が発生する。このような状態になると、送給が遅くなったり、停止したりしてアーク長が過大に長くなる。したがって、アーク長が基準アーク長よりも長くなったときは送給負荷が増大して座屈のおそれがあるときである。このような送給負荷の増大は上述したトルク超過信号Ｔｄによっても検出することができる。しかし、送給経路の送給負荷が過渡的に増大したり、溶着が一時的に発生して送給負荷が一時的に増大することがある。このために、トルク超過判別回路ＴＤの検出感度が高く（基準電流値Ｉｔを低くする）すると誤検出を起こすおそれが高くなる。他方、検出感度を低く（基準電流値Ｉｔを高くする）すると、座屈が発生する前に検出することができない場合が起きる。この問題を改善するために、本実施の形態では、トルク超過信号Ｔｄとアーク長超過信号Ａｄとの論理席（ＡＮＤ）を取り、検出精度の向上を図るものである。

第２座屈防止回路ＺＰ２は、トルク超過信号ＴｄがＨｉｇｈレベル（トルク超過）になったときに、
（１）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）であれば出力停止信号Ｐｓ＝Ｌｏｗレベル及び送給停止信号Ｍｓ＝Ｈｉｇｈレベルを出力し、その後に短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（非短絡）になると出力停止信号Ｐｓ＝Ｌｏｗレベル及び送給停止信号Ｍｓ＝Ｌｏｗレベルを出力し、
（２）短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（非短絡）であり、かつ、上記のアーク長超過信号ＡｄがＨｉｇｈレベル（アーク長超過）であれば、出力停止信号Ｐｓ＝Ｈｉｇｈレベル及び送給停止信号Ｍｓ＝Ｈｉｇｈレベルを出力する。すなわち、トルク超過信号Ｔｄ＝Ｈｉｇｈレベルになったときに溶接状態がアーク長超過状態であるときは出力制御回路ＰＭ及び送給を共に停止する。他方、トルク超過信号Ｔｄ＝Ｈｉｇｈレベルになったときの溶接状態が短絡状態であるときは出力制御回路ＰＭの出力は継続し、送給のみを停止する。この場合、出力を継続することによって短絡を解除し、短絡が解除された後は送給を再開する。

図５は、溶着が発生して送給負荷が増大したときの図４で上述した溶接電源ＰＳの各信号のタイミングチャートである。同図は、本発明の実施の形態２に係る消耗電極アーク溶接電源の出力制御方法を示す。同図（Ａ）は溶接電圧Ｖｗを示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｃ）はモータ電流検出信号Ｉｍを示し、同図（Ｄ）はトルク超過信号Ｔｄを示し、同図（Ｅ）は短絡判別信号Ｓｄを示し、同図（Ｆ）は出力停止信号Ｐｓを示し、同図（Ｇ）は送給停止信号Ｍｓを示し、ッ同図（Ｈ）はアーク長超過信号Ａｄを示す。以下、同図を参照して説明する。

同図はパルスアーク溶接の場合である。時刻ｔ１以前の期間中は、同図（Ａ）に示すように、パルス電圧が印加し、同図（Ｂ）に示すように、パルス電流が通電する。時刻ｔ１において溶着が発生して送給負荷が増大しアーク長が過大になる。この結果、同図（Ｂ）に示すように、パルス電圧が基準電圧値Ｖｔを超えることになり、同図（Ｈ）に示すように、アーク長超過信号ＡｄがＨｉｇｈレベルになる。

時刻ｔ２において、同図（Ｃ）に示すように、モータ電流Ｉｍが基準電流値Ｉｔを超えると、同図（Ｄ）に示すように、トルク超過信号ＴｄがＨｉｇｈレベルになる。このために、同図（Ｆ）に示すように、出力停止信号ＰｓはＨｉｇｈレベルになり出力を停止し、同図（Ｇ）に示すように、送給停止信号ＭｓはＨｉｇｈレベルになり送給を停止する。上記は溶着の場合であるが、送給経路の送給負荷が増大する場合も同様である。

上述した実施の形態２によれば、送給モータのトルク量が基準値よりも超過したときに、短絡状態でなくかつアーク長が基準値よりも超過しているときにのみ出力及び送給を停止する。このために、座屈防止の制度が向上する。

本発明の実施の形態１に係る溶接電源ＰＳのブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接電源の出力制御方法を示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接電源の出力制御方法を示す図２とはことなるタイミングチャートである。 本発明の実施の形態２に係る溶接電源ＰＳのブロック図である。 本発明の実施の形態２に係る消耗電極アーク溶接電源の出力制御方法を示す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 アーク長超過判別回路
Ａｄ アーク長超過信号
ＩＭ モータ電流検出回路
Ｉｍ モータ電流検出信号
Ｉｔ 基準電流値
Ｉｗ 溶接電流
Ｍ 送給モータ
ＭＣ 送給モータ制御回路
Ｍｓ 送給停止信号
ＰＭ 出力制御回路
ＰＳ 溶接電源
Ｐｓ 出力停止信号
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
ＴＤ トルク超過判別回路
Ｔｄ トルク超過信号
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖｔ 基準電圧値
Ｖｗ 溶接電圧
ＺＰ 座屈防止回路
ＺＰ２ 第２座屈防止回路

Claims (2)

1. 送給モータによって溶接ワイヤを送給すると共に溶接電源から溶接電圧・電流を供給して溶接を行い、溶接中に前記送給モータを流れるモータ電流が基準電流値を越えたときはトルク超過信号を出力し、このトルク超過信号に基づいて前記送給モータの送給及び前記溶接電源の出力を停止する消耗電極アーク溶接電源の出力制御方法において、
   前記トルク超過信号が出力されたときの溶接状態が短絡状態であるときは、前記送給モータの送給は停止し前記溶接電源の出力は継続し、
   前記トルク超過信号が出力されたときの溶接状態が短絡状態でないときは、前記送給モータの送給及び前記溶接電源の出力を停止する、ことを特徴とする消耗電極アーク溶接電源の出力制御方法。
2. 前記トルク超過信号が出力されたときの溶接状態が短絡状態でない状態であり、かつ、アーク長が基準アーク長よりも長いときにのみ、前記送給モータの送給及び前記溶接電源の出力を停止する、ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極アーク溶接電源の出力制御方法。
   
   

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