JP4877235B2

JP4877235B2 - 溶接出力制御方法およびアーク溶接装置

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Publication number: JP4877235B2
Application number: JP2007557676A
Authority: JP
Inventors: 紀典本宮; 一徳松本; 公哉佐藤; 義朗田中
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2007-08-03
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2027-08-03
Also published as: US20100176105A1; JPWO2008105116A1; CN101374625A; US8723081B2; WO2008105116A1; CN101374625B

Description

本発明は、消耗電極を送給し短絡とアークとを交互に発生させて溶接を行う消耗電極式アーク溶接に関し、特に、アーク期間中の指令溶接電圧に所定の電圧波形を重畳させるようにした溶接出力制御方法およびアーク溶接装置に関する。

近年、スパッタ発生量、ビード外観、溶け込み形状といった溶接品質の更なる高品位化が求められている。中でもスパッタの発生を低減することにより、溶接品質を向上させると共に、治具などへのスパッタ付着を防ぐことが求められている。その結果、保守性が向上し、作業環境の改善を実現できるからである。

高速度カメラ等を用いてスパッタの発生機構を解析した結果、スパッタが発生するタイミングは大きく分類して短絡期間とアーク期間に分けられる。そして、アーク期間中における従来のスパッタ低減方法としては、アーク再生直後、所定の時間は高い電流出力または高い電流出力となる定電圧出力を行い、それに続くアーク期間の後半では低い電流出力とする方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、短絡が発生する前兆現象として、アーク期間中の電圧出力波形の変化量を検出し、変化量が大きければ低い電流出力を行う方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

上記従来の技術では、消耗電極先端部に形成される溶融金属（以下、溶滴と称す）と被溶接物に形成される溶融金属（以下、溶融池と称す）とが短絡する際には、低い電流出力とすることで、アーク力で溶滴が消耗電極の方向に押し上げられたり、大粒のスパッタとして離脱したりすることを低減できる。しかしながら、短絡の発生には規則性が無い。そのため、例えば電流出力を低下させてから短絡までの時間が長くなると、アークによる熱影響部も狭くなり、凸形状のビード外観となり易くなる。この場合は、ビード外観は好ましいものではない。また、短絡回数が少なくなる中電流から高電流領域までの溶接現象に対しては、スパッタの低減効果が少なくなる。

また、短絡の発生を事前に検知する方法においては、溶滴と溶融池との距離が短くならなければ検出することができない。そして、短絡の発生を事前に検知する信号が発生しても、アークが集中しているため、検知した段階では過大なアーク力が溶滴と溶融池間に加わる。この場合には、大粒のスパッタとして離脱するかアーク力で溶滴が押し上げられることになり、アーク力で溶滴が押し上げられた場合も、溶滴が下降し短絡となるまでに時間がかかることから溶滴が過大成長し、大粒のスパッタの発生要因になるという課題があった。
特開昭５９−２０２１７３号公報特開昭６０−１４５２７８号公報

本発明の溶接出力制御方法は、消耗電極を被溶接物に送給し、溶接電源装置により消耗電極と被溶接物との間に電力を供給して短絡期間とアーク期間とを繰り返す消耗電極式アーク溶接の溶接出力制御方法であって、アーク期間中における所定期間の間は、指令電圧波形に、短絡周期よりも短く、かつ溶接電源装置の制御周期よりも長い所定の重畳電圧波形を重畳するものである。

このような構成により、アーク力を周期的に変化させることによって、溶滴と溶融池の振動を抑制または強制的に発生させ、短絡回数が多い小電流領域から短絡回数が少なくなる中電流から大電流領域までの全般に対し、溶滴が消耗電極の方向へ押し上げられる成長を抑制することができる。また、溶滴の過大成長を防止すると共に溶滴の溶融池への移行をスムーズにすることでスパッタの発生を減少でき、さらに、ビード外観をフラットにすることができる。

また、本発明のアーク溶接装置は、消耗電極を送給し、短絡期間とアーク期間とを繰り返す消耗電極式アーク溶接を行うアーク溶接装置であって、溶接出力電圧を検出する溶接電圧検出部と、アーク期間中の基準電圧波形を生成する基準電圧波形生成部と、溶接電圧検出部の出力信号により短絡期間かアーク期間かを判別する短絡・アーク判定部とを備えたものである。また、短絡・アーク判定部の出力信号がアーク期間と判別してから第１の所定時間を計測する第１タイマー部と、第１タイマー部が計測を完了してから第２の所定時間を計測する第２タイマー部と、第２タイマー部の出力信号が計測期間中である場合には予め設定された所定の重畳電圧波形を生成出力する重畳電圧波形生成部とを備えたものである。さらに、基準電圧波形生成部の出力信号と重畳電圧波形生成部の出力信号とを合成する電圧波形合成部と、電圧波形合成部の出力信号と溶接電圧検出部の出力信号に基づいて溶接出力を制御する制御部とを備えたものである。

また、本発明のアーク溶接装置は、消耗電極を送給し、短絡期間とアーク期間とを繰り返す消耗電極式アーク溶接を行うアーク溶接装置であって、溶接出力電圧を検出する溶接電圧検出部と、アーク期間中の基準電圧波形を生成する基準電圧波形生成部と、溶接電圧検出部の出力信号により短絡期間かアーク期間かを判別する短絡・アーク判定部とを備えたものである。また、基準電圧波形が第１の閾値以下か否かを判定する第１閾値判定部と、指令電圧波形が第２の閾値以下か否かを判定する第２閾値判定部と、短絡・アーク判定部の出力信号がアーク期間と判別した後に基準電圧波形が第１の閾値になってから第２の閾値になるまでの間は予め設定された所定の重畳電圧波形を生成出力する重畳電圧波形生成部とを備えたものである。さらに、基準電圧波形生成部の出力信号と重畳電圧波形生成部の出力信号とを合成する電圧波形合成部と、電圧波形合成部の出力信号と溶接電圧検出部の出力信号に基づいて溶接出力を制御する制御部とを備えたものである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態におけるアーク溶接装置の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施の形態におけるアーク溶接装置は、入力電源１と、溶接装置の出力端２ａおよび出力端２ｂと、溶接出力部３と、溶接電圧検出部４と、溶接電流検出部５とを備えている。また、溶接電圧検出部４の出力に基づいて溶接状態が短絡状態であるかアーク状態であるかを判別する短絡・アーク判定部６と、短絡期間中の基準電流波形を生成する基準電流波形生成部７と、アーク期間中の基準電圧波形を生成する基準電圧波形生成部８とを備えている。そして、短絡・アーク判定部６の出力に基づいてアーク発生から第１の所定時間を計測する第１タイマー部９と、第１タイマー部の出力に基づいて第２の所定時間を計測する第２タイマー部１０と、短絡周期よりも短く前記溶接電源装置の制御周期よりも長い所定の重畳電圧波形を生成する重畳電圧波形生成部１１とを備えている。また、基準電圧波形生成部８と重畳電圧波形生成部１１の出力に基づいて溶接出力波形を生成する電圧波形合成部１２と、短絡・アーク判定部６と溶接電流検出部５と基準電流波形生成部７と溶接電圧検出部４と電圧波形合成部１２の出力に基づいて溶接出力を制御する制御部１３とを備えている。さらに、溶接平均電流指令値または消耗電極の送給量指令値に基づいて、第１の所定時間と第２の所定時間と重畳電圧波形の１周期の波形を記憶設定する設定部１４とを備えている。

なお、図示していないが、出力端２ａおよび出力端２ｂのうち一方には消耗電極が電気的に接続され、他方には被溶接物が電気的に接続されている。そして、消耗電極を被溶接物に送給し、溶接電源装置により消耗電極と被溶接物との間に電力を供給してアークを発生させて溶接を行うものである。そして、短絡期間とアーク期間とを繰り返す消耗電極式アーク溶接の溶接出力制御方法を用いている。

また、図２は、本実施の形態における重畳電圧波形を矩形波とした場合の上記各構成部の出力波形と動作を示すタイミングチャートである。

以下に、本実施の形態におけるアーク溶接装置の動作について、図１と図２を用いて説明する。

まず、溶接電流検出部５は、溶接出力電流を検出して図２に示すように溶接電流波形Ｉｏを制御部１３に出力する。また、溶接電圧検出部４は、溶接出力電圧を検出して制御部１３と短絡・アーク判定部６に溶接電圧波形Ｖｏを出力する。さらに、短絡・アーク判定部６は、溶接電圧検出部４の出力波形に基づいて溶接状態が短絡状態かアーク状態かを判別する。そして図２の短絡・アーク判定出力ＡＳに示すような波形を出力する。また、短絡・アーク判定部６は、第１タイマー部９と制御部１３に、短絡期間には短絡状態を示すローレベルを出力し、アーク期間にはアーク状態を示すハイレベルを出力する。なお、例えば、ローレベルは０Ｖ、ハイレベルは数Ｖとして、判別できる電圧を出力すればよい。

次に、第１タイマー部９は、図２の第１タイマー出力Ｔ１に示すように、短絡・アーク判定部６の出力に基づいて、短絡期間では計測をリセット・計測待機状態を示すローレベルを出力する。そして、溶接状態が短絡期間からアーク期間に変化したことをトリガーとして、アーク期間では計測状態を示すハイレベルを出力する。また、溶接平均電流指令値または消耗電極の送給量指令値に応じた設定値を記憶している設定部１４により予め設定された第１の所定時間ｔ１を経過すると計測完了状態を示すローレベルを出力する。

また、第２タイマー部１０は、図２の第２タイマー出力Ｔ２に示すように、短絡・アーク判定部６の出力と第１タイマー部９の出力に基づいて、短絡期間では計測をリセット・計測待機状態を示すローレベルを出力する。そして、第１タイマー部９の出力が計測状態から計測完了状態に変化したことをトリガーとして、第１タイマー部９の出力状態が計測完了状態中は計測状態を示すハイレベルを出力する。そして、溶接平均電流指令値または消耗電極の送給量指令値に応じた設定値を記憶している設定部１４により予め設定された第２の所定時間ｔ２を経過すると計測完了状態を示すローレベルを出力する。

また、重畳電圧波形生成部１１は、第２タイマー部１０の出力に基づいて、第２タイマー部１０が計測状態の期間は、溶接平均電流指令値または消耗電極の送給量指令値に応じた設定値を記憶している設定部１４により予め設定された周期と振幅の重畳電圧波形Ｖｒを生成する。すなわち、アーク期間中における所定期間は、第２タイマー部１０が計測状態の期間であり、アーク発生後に第１の所定時間ｔ１が経過した時点から第２の所定時間ｔ２が経過するまでの期間である。なお、例えば、第１の所定時間ｔ１は、０ｍｓから１００ｍｓまで程度とし、第２の所定時間ｔ２は、０．０１ｍｓから１０００ｍｓまで程度としてもよい。

そして、基準電圧波形生成部８は、短絡・アーク判定部６の出力に基づいて、アーク期間中は予め設定された基準電圧波形Ｖａを生成する。そして、電圧波形合成部１２は、重畳電圧波形生成部１１で生成された重畳電圧波形Ｖｒと基準電圧波形生成部８で生成された基準電圧波形Ｖａとを加算合成する。電圧波形合成部１２の出力は、図２の合成波形Ｖａｏに示す波形となる。図に示すように合成波形Ｖａｏは、第１タイマー部９が計測状態の場合には、基準電圧波形Ｖａの波形となる。また、合成波形Ｖａｏは、第２タイマー部１０が計測状態の場合には、基準電圧波形Ｖａと重畳電圧波形Ｖｒとが加算された波形となる。そして、合成波形Ｖａｏは、第２タイマー部１０が計測完了状態の場合は、基準電圧波形Ｖａの波形となる。

そして、制御部１３は、溶接電流検出部５と基準電流波形生成部７と溶接電圧検出部４と電圧波形合成部１２と短絡・アーク判定部６の出力に基づいて、短絡・アーク判定部６の出力が短絡期間を示す場合には、溶接電流検出部５の出力と基準電流波形生成部７の出力が一致するように溶接出力部３の出力を制御する。一方、短絡・アーク判定部６の出力がアーク期間を示す場合には、溶接電圧検出部４と電圧波形合成部１２の出力が一致するように溶接出力部３の出力を制御する。

なお、図２の時間ａで示すように、第１タイマー部９が計測状態中に短絡・アーク判定部６の出力である短絡・アーク判定出力ＡＳが短絡状態示すローレベルになった場合には、第１タイマー部９と第２タイマー部１０は計測をリセット・計測待機状態となる。その結果、電圧波形合成部１２の出力は基準電圧波形Ｖａとなる。また、図２の時間ｂで示すように、第２タイマー部１０が計測状態中に短絡・アーク判定部６の出力である短絡・アーク判定出力ＡＳが短絡状態になった場合にも、第２タイマー部１０は計測をリセット・計測待機状態となる。その結果、電圧波形合成部１２の出力は基準電圧波形Ｖａとなる。

また、図２では、重畳電圧波形Ｖｒを矩形波で示しているが、図３に示す三角波や図４に示す正弦波とすることにより、溶接電圧をゆっくり変化させることで、アーク力の急激な変動を抑えることができ、溶滴の振動または抑制をスムーズにすることが可能となり同様の効果が得られる。

さらに、重畳電圧波形Ｖｒを例えば、図５、図６Ａ、および図６Ｂに示す台形の繰り返し波形や、図７、図８Ａ、および図８Ｂに示す階段状の繰り返し波形としてもよい。図６Ａ、図６Ｂに示す台形の繰り返し波形とすることによるさらなる効果は以下のようになる。

最初に、図６Ａに基づいて説明する。まず、重力や表面張力やプラズマ気流による溶滴を下降させる力を加味した第１の傾きｄＶ１／ｄｔでアーク力をゆっくりと第１の波高値Ｖ１まで小さくし、第３の所定時間ｔ３で溶滴の振動を安定させる。そして、重力や表面張力やプラズマ気流による溶滴を下降させる力を加味した第２の傾きｄＶ２／ｄｔでアーク力をゆっくりと第２の波高値Ｖ２まで大きくし、第４の所定時間ｔ４で溶滴の振動を安定させる。そして再度、第１の傾きｄＶ１／ｄｔでアーク力をゆっくりと小さくする。

すなわち、所定の重畳電圧波形Ｖｒは、第１の傾きｄＶ１／ｄｔで下降する期間と、第１の所定の波高値Ｖ１に達した後に第１の所定の波高値Ｖ１を第３の所定時間ｔ３維持する期間と、第３の所定時間ｔ３が経過した後に第２の傾きｄＶ２／ｄｔで上昇する期間と、第２の所定の波高値Ｖ２に達した後に第２の所定の波高値Ｖ２を第４の所定時間ｔ４維持する期間と、第４の所定時間ｔ４が経過した後に第１の傾きｄＶ１／ｄｔで下降する期間とからなる繰り返し波形である。なお、例えば、第１の所定の波高値Ｖ１は、０．２Ｖから１０Ｖまで程度とし、第２の所定の波高値Ｖ２は、０．２Ｖから１０Ｖまで程度としてもよい。また、第３の所定時間ｔ３は、０．０１ｍｓから５ｍｓまで程度とし、第４の所定時間ｔ４は、０．０１ｍｓから５ｍｓまで程度としてもよい。

さらに、図６Ｂに示すように、所定の重畳電圧波形Ｖｒは、第１の傾きｄＶ１／ｄｔで上昇する期間と、第１の所定の波高値Ｖ１に達した後に第１の所定の波高値Ｖ１を第３の所定時間ｔ３維持する期間と、第３の所定時間Ｔ２が経過した後に第２の傾きｄＶ２／ｄｔで下降する期間と、第２の所定の波高値Ｖ２に達した後に第２の所定の波高値Ｖ２を第４の所定時間ｔ４の維持する期間と、第４の所定時間ｔ４が経過した後に第１の傾きｄＶ１／ｄｔで上昇する期間とからなる繰り返し波形としてもよい。

このようにして、溶接電圧をゆっくり変化させることで、アーク力の急激な変動を抑えることができ、溶滴の振動または抑制をスムーズにすることが可能となり、同様の効果が得られる。なお、図８Ａ、図８Ｂに示した階段状の繰り返し波形は、一例であって、さらに多くの段数を有するなど任意の繰り返し波形を用いてもよく、本発明はこの例に限られるものではない。

ここで、図８Ａ、図８Ｂに示すように、第１の傾きｄＶ１／ｄｔでアーク力を小さくする際、溶滴を安定させる第５の所定時間ｔ５を設けることにより、さらに溶滴の振動の抑制または振動の安定性を増すことができ、同様の効果が得られる。

すなわち、図８Ａに示すように、所定の重畳電圧波形Ｖｒは、第１の傾きｄＶ１／ｄｔで下降する期間と、第１の所定の波高値Ｖ１に達した後に第１の所定の波高値Ｖ１を第３の所定時間ｔ３維持する期間と、第３の所定時間ｔ３が経過した後に第２の傾きｄＶ２／ｄｔで上昇する期間と、第２の所定の波高値Ｖ２に達した後に第２の所定の波高値Ｖ２を第４の所定時間ｔ４維持する期間と、第４の所定時間ｔ４が経過した後に第１の傾きｄＶ１／ｄｔで下降する期間と、第１の傾きｄＶ１／ｄｔで下降し波高値が０に達した後にこの波高値の０を第５の所定時間ｔ５維持する期間とからなる繰り返し波形としてもよい。なお、例えば、第５の所定時間ｔ５は、０．０１ｍｓから５ｍｓ程度としてもよい。

また、図８Ｂに示すように、所定の重畳電圧波形Ｖｒは、第１の傾きｄＶ１／ｄｔで上昇する期間と、第１の所定の波高値Ｖ１に達した後に第１の所定の波高値Ｖ１を第３の所定時間ｔ３維持する期間と、第３の所定時間ｔ３が経過した後に第２の傾きｄＶ２／ｄｔで下降する期間と、第２の所定の波高値Ｖ２に達した後に第２の所定の波高値Ｖ２を第４の所定時間ｔ４維持する期間と、第４の所定時間ｔ４が経過した後に第１の傾きｄＶ１／ｄｔで上昇する期間と、第１の傾きｄＶ１／ｄｔで上昇し波高値が０に達した後にこの波高値の０を第５の所定時間ｔ５維持する期間とからなる繰り返し波形としてもよい。

さらに、第１の所定時間ｔ１や第２の所定時間ｔ２、また、重畳電圧波形Ｖｒの周期および振幅、傾きなどの波形パラメータを、溶接平均電流指令値または消耗電極の送給量指令値の関数とし変化させてもよい。すなわち、第１の所定時間ｔ１と、第２の所定時間ｔ２と、重畳電圧波形の第１の傾きｄＶ１／ｄｔと、第２の傾きｄＶ２／ｄｔと、第１の所定の波高値Ｖ１と、第２の所定の波高値Ｖ２と、第３の所定時間Ｖ３と、第４の所定時間Ｖ４と、第５の所定時間Ｖ５と、所定の重畳電圧波形の正弦波と三角波と矩形波とのいずれか１つの周期と振幅と、指令電圧波形の第１の閾値と、第２の閾値との少なくともいずれか１つは、溶接平均電流または消耗電極の送給量に応じて設定されるようにしてもよい。

例えば、短絡回数の多い低電流または消耗電極の送給量が少ない領域では、アーク期間が短いため、第１の所定時間ｔ１および第２の所定時間ｔ２を短くしてもよい。また、溶滴の成長が遅いため、重畳電圧波形Ｖｒの周期を長く、振幅を小さく変化させてもよい。また、短絡回数が少なくなる中電流から大電流までの領域、または消耗電極の送給量が多い領域では、アーク期間が長いため、第１の所定時間ｔ１および第２の所定時間ｔ２を長く変化させてもよい。また、溶滴の成長が早いため、重畳電圧波形Ｖｒの周期を短く、振幅を大きくするように変化させてもよい。

このように、本実施の形態では、アーク期間中に第１の所定の時間経過後から第２の所定時間までの間は、溶接出力基準指令電圧に短絡周期よりも早く溶接電源装置の制御周期よりも長い電圧を重畳させることによって、重畳電圧波形の低レベルの期間では、アーク電圧が低くなることでアーク力が小さくなる。すなわち、溶滴を消耗電極方向に押し上げる力を低下させる。また、重畳電圧波形の高レベルの期間では、アーク電圧が大きくなることでアーク力が大きくなる。すなわち、溶滴を消耗電極方向に押し上げる力を増大させ、アーク力を周期的に変化させる。このようにして、溶滴の成長速度、消耗電極の送給速度および溶滴や溶融池の振動などを総合した溶滴の下降速度との相対バランスで、溶滴と溶融池の振動を抑制または強制的に発生させることができる。

以上のように本実施の形態では、アーク期間中の所定期間の間は指令電圧波形としての溶接電圧波形に所定の重畳電圧波形Ｖｒを重畳させ、アーク力を周期的に変化させることによって溶滴と溶融池の振動を抑制または強制的に発生させている。その結果、短絡回数が多い小電流領域から短絡回数が少なくなる中電流から大電流領域までの全般に対し、溶滴が消耗電極の方向へ押し上げられる成長を抑制することができる。また、溶滴の過大成長を防止すると共に溶滴の溶融池への移行をスムーズにすることでスパッタの発生を減少することができ、さらに、ビード外観をフラットにすることができる。

なお、重畳電圧波形Ｖｒの周期は、短絡周期よりも短く、かつアーク溶接装置の制御周期よりも長いことが望ましい。具体的には、１００Ｈｚ以上１００ｋＨｚ以下の間で設定するのが望ましい。そして、短絡周期よりも短くアーク溶接装置の制御周期よりも長くする理由は以下の通りである。

すなわち、短絡周期よりも短くする理由としては、短絡周期よりも長いとアーク期間中にアーク力が変化しないからである。例えば、溶接平均電流値が１２０Ａの領域では一般的に、短絡回数が１秒間に約８０〜１２０回発生しており、このときの短絡期間は約５〜１０ｍｓである。この場合、アーク力を変化させるためには、少なくとも重畳電圧波形の周期を１０ｍｓ以下、すなわち１００Ｈｚ以上に設定する必要がある。なぜなら、これよりも長い周期とすると、次の短絡が発生するため、アーク力の変化をさせることができなくなるためである。

また、アーク溶接装置の制御周期より長くする理由としては、アーク溶接装置の制御は電源の制御周波数によって毎回溶接出力を決定している。従って、制御周波数より速い応答はできず、仮に、制御周波数が１００ｋＨｚの場合、１０μｓ毎に溶接出力が変わっていく。したがって、重畳電圧波形Ｖｒの周期を９μｓの周期の設定としても溶接出力は変化しないからである。

なお、第１の所定時間ｔ１はゼロとしてもよく、すなわち、アーク期間になってから直に、溶接基準波形Ｖａに重畳電圧波形Ｖｒを重畳するようにしてもよい。また、アーク期間になってしばらくしてから、溶接基準波形Ｖａに重畳電圧波形Ｖｒを重畳するようにしてもよい。

また、アーク期間が長い異常な状況を想定すると、溶滴が大きく成長しているため、重畳電圧により無理にアーク力を大きくすると、アーク力が強いときに溶滴を吹き飛ばし、大粒スパッタの発生原因となることも考えられる。したがって、アーク期間の終期になる前に重畳電圧波形Ｖｒを重畳しないようにすることが望ましい。

（実施の形態２）
図９は、本実施の形態におけるアーク溶接装置の概略構成を示すブロック図である。また、図１０は、本実施の形態における、図９に示す各構成部の出力波形と動作を示すタイミングチャートである。

本実施の形態において、実施の形態１と異なる主な点は、基準電圧波形Ｖａに重畳電圧波形Ｖｒを重畳する所定の期間を、アーク期間になってからの時間ではなく、基準電圧波形Ｖａの値により決めるようにした点である。また、実施の形態１と同様の箇所については同一符号を付して詳細な説明を省略する。以下に、本発明の実施の形態２で実施の形態１と異なる部分を中心に図９および図１０を用いて説明する。

図９に示すように、本実施の形態におけるアーク溶接装置は、溶接平均電流指令値または消耗電極の送給量指令値に基づいて、第１の閾値と第２の閾値と重畳電圧波形Ｖｒの１周期の波形とを記憶設定する設定部１７を備えている。そして、基準電圧波形生成部８と設定部１７の出力に基づいて基準電圧波形が第１の閾値以下であるか否かを判定する第１閾値判定部１５と、基準電圧波形生成部８と設定部１７の出力に基づいて基準電圧波形が第２の閾値以下であるか否かを判定する第２閾値判定部１６とを備えている。

以下に、本実施の形態におけるアーク溶接装置の動作について、図９と図１０を用いて説明する。

まず、溶接電流検出部５は、溶接出力電流を検出して溶接電流波形Ｉｏを制御部１３に出力する。また、溶接電圧検出部４は、溶接出力電圧を検出して制御部１３と短絡・アーク判定部６に溶接電圧波形Ｖｏを出力する。さらに、短絡・アーク判定部６は、溶接電圧検出部４の出力波形に基づいて溶接状態が短絡状態かアーク状態かを判別し、短絡期間かアーク期間かを出力する。その出力は、図１０の短絡・アーク判定出力ＡＳの波形で示している。また、基準電圧波形生成部８は、短絡・アーク判定部６の出力に基づいて、アーク期間中は予め設定された溶接基準電圧波形Ｖａを生成する。

次に、第１閾値判定部１５は、基準電圧波形生成部８と設定部１７の出力に基づいて、基準電圧波形Ｖａが溶接平均電流指令値または消耗電極の送給量指令値に応じた設定値を記憶している設定部１７により予め設定された第１の閾値Ｖａ１以下か否かを判定し、重畳電圧波形生成部１１に信号を出力する。そして、第２閾値判定部１６は基準電圧波形生成部８と設定部１７の出力に基づいて基準電圧波形Ｖａが溶接平均電流指令値または消耗電極の送給量指令値に応じた設定値を記憶している設定部１７により予め設定された第２の閾値Ｖａ２以下か否かを判定し、重畳電圧波形生成部１１に信号を出力する。

また、重畳電圧波形生成部１１は、第１閾値判定部１５と第２閾値判定部１６の出力に基づいて、指令電圧波形としての重畳電圧波形Ｖｒを生成して出力する。すなわち、基準電圧波形Ｖａが第１の閾値Ｖａ１以下であり第２の閾値Ｖａ２以上の期間は溶接平均電流指令値または消耗電極の送給量指令値に応じた設定値を記憶している設定部１７により予め設定された周期と振幅の重畳電圧波形Ｖｒを生成して出力する。このように、アーク期間中における所定期間は、指令電圧波形が第１の閾値Ｖａ１から第２の閾値Ｖａ２になるまでの期間としている。なお、例えば、第１の閾値Ｖａ１は、３５Ｖから２５Ｖ程度とし、第２の閾値Ｖａ２は、３５Ｖから１５Ｖ程度とてもよい。

そして、電圧波形合成部１２は、重畳電圧波形生成部１１で生成された重畳電圧波形Ｖｒと基準電圧波形生成部８で生成された基準電圧波形Ｖａとを加算合成する。なお、この電圧波形合成部１２の出力は、図１０の合成波形Ｖａｏに示す波形となる。図に示すように合成波形Ｖａｏは、基準電圧波形Ｖａが第１の閾値Ｖａ１以上の場合には溶接基準波形Ｖａの波形となる。また、合成波形Ｖａｏは、基準電圧波形Ｖａが第１の閾値Ｖａ１以下で第２の閾値Ｖａ２以上の場合には基準電圧波形Ｖａと重畳電圧波形Ｖｒとが加算された波形となる。そして、合成波形Ｖａｏは、基準電圧波形Ｖａが第１の閾値Ｖａ１以下の場合は、基準電圧波形Ｖａの波形となる合成波形Ｖａｏを出力する。

なお、ビード形状やアーク長を変えるなど電圧微調整をするために、例えば、図１０の時間ｅで△Ｖａ上昇させて基準電圧波形Ｖａを変化させると、第１閾値判定部１５が第１の閾値Ｖａ１以上であると判定する期間ｆおよび期間ｇも変化する。その結果、重畳電圧波形Ｖｒを重畳開始する期間が変化し、アーク電圧が高い場合、すなわちアーク長が長い場合は、重畳電圧波形Ｖｒを重畳するまでの期間が長くなる。一方、アーク電圧が低い場合、すなわちアーク長が短い場合には、重畳電圧波形Ｖｒを重畳するまでの期間が短くなる。このようにして、基準電圧波形に応じて重畳電圧波形Ｖｒを重畳開始する時間を適正な時間に補整できる。

さらに、基準電圧波形Ｖａを変化させると同時に、第１の閾値Ｖａ１も変化させると、図１０に示す重畳電圧を重畳する期間ｈが変化する。その結果、アーク電圧が高い場合、すなわちアーク長が長い場合は重畳波形を重畳する期間が長くなる一方、アーク電圧が低い場合、すなわちアーク長が短い場合は、重畳電圧波形Ｖｒを重畳する期間が短くなる。このようにして、基準電圧波形Ｖａに応じて重畳電圧波形Ｖｒを重畳する時間を適正な時間に補整できる。

また、図１０の時間ｃで示すように、基準電圧波形Ｖａが第１の閾値Ｖａ１以上である期間に短絡・アーク判定部６の出力が短絡状態になった場合には、重畳電圧波形生成部１１は重畳電圧波形Ｖｒを生成しないため、電圧波形合成部１２の出力は溶接基準波形Ｖａとなる。また、図１０の時間ｄで示すように、基準電圧波形Ｖａが第１の閾値Ｖａ１以下で第２の閾値Ｖａ２以上の期間に短絡・アーク判定部６の出力が短絡状態になった場合にも、重畳電圧波形生成部１１は重畳電圧波形Ｖｒを生成しないため、電圧波形合成部１２の出力は溶接基準波形Ｖａとなる。

以上のように本発明は、アーク期間中の所定期間の間は溶接出力電圧に所定の重畳電圧波形Ｖｒを重畳させ、アーク力を周期的に変化させることによって溶滴と溶融池の振動を抑制または強制的に発生させている。その結果、短絡回数が多い小電流領域から短絡回数が少なくなる中電流から大電流領域までの全般に対し、溶滴が消耗電極の方向へ押し上げられる成長を抑制し、溶滴の過大成長を防止すると共に溶滴の溶融池への移行をスムーズにすることでスパッタの発生を減少し、さらに、ビード外観をフラットにすることができる。

また、アーク期間中の所定期間の設定を基準電圧波形Ｖａの値で設定することより、溶接平均電圧指令値に応じて重畳電圧波形Ｖｒを重畳する期間が変化し、適正な重畳電圧波形Ｖｒを印加することができる。

以上のように、本発明に係るアーク溶接電源装置とその溶接出力制御方法は、短絡回数が多い小電流領域から短絡回数が少なくなる中電流から大電流領域までの全般に対しスパッタの発生を減少させると共に、ビード外観をフラットにすることができ、溶接分野に有用である。

本発明の実施の形態１におけるアーク溶接装置の概略構成を示すブロック図本発明の実施の形態１における重畳電圧波形を矩形波とした場合の各構成部の出力波形と動作を示すタイミングチャート本発明の実施の形態１における重畳電圧波形を三角波とした場合の各構成部の出力波形と動作を示すタイミングチャート本発明の実施の形態１における重畳電圧波形を正弦波とした場合の各構成部の出力波形と動作を示すタイミングチャート本発明の実施の形態１における重畳電圧波形を台形の繰り返し波形とした場合の各構成部の出力波形と動作を示すタイミングチャート図５における重畳電圧波形の詳細を示す図図５における他の例の重畳電圧波形の詳細を示す図本発明の実施の形態１における重畳電圧波形を階段状の繰り返し波形とした場合の各構成部の出力波形と動作を示すタイミングチャート図７における重畳電圧波形の詳細を示す図図７における他の例の重畳電圧波形の詳細を示す図本発明の実施の形態２におけるアーク溶接装置の概略構成を示すブロック図本発明の実施の形態２における重畳電圧波形を矩形波とした場合の各構成部の出力波形と動作を示すタイミングチャート

符号の説明

１入力電源
２ａ出力端
２ｂ出力端
３溶接出力部
４溶接電圧検出部
５溶接電流検出部
６短絡・アーク判定部
７基準電流波形生成部
８基準電圧波形生成部
９第１タイマー部
１０第２タイマー部
１１重畳電圧波形生成部
１２電圧波形合成部
１３制御部
１４設定部
１５第１閾値判定部
１６第２閾値判定部
１７設定部

Claims

消耗電極を被溶接物に送給し、溶接電源装置により前記消耗電極と前記被溶接物との間に電力を供給して短絡期間とアーク期間とを繰り返す消耗電極式アーク溶接の溶接出力制御方法であって、
前記アーク期間中における所定期間の間は、指令電圧波形に、短絡周期よりも短く、かつ前記溶接電源装置の制御周期よりも長い所定の重畳電圧波形を重畳し、前記アーク期間中における前記所定期間は、前記指令電圧波形が第１の閾値から第２の閾値になるまでの期間である溶接出力制御方法。
前記重畳電圧波形は、
第１の傾きで下降する期間と、
第１の所定の波高値に達した後に、前記第１の所定の波高値を第３の所定時間維持する期間と、
前記第３の所定時間が経過した後に、第２の傾きで上昇する期間と、
第２の所定の波高値に達した後に、前記第２の所定の波高値を第４の所定時間維持する期間と、
前記第４の所定時間が経過した後に、前記第１の傾きで下降する期間とからなる繰り返し波形であることを特徴とする請求項１に記載の溶接出力制御方法。
前記所定の重畳電圧波形は、
第１の傾きで上昇する期間と、
第１の所定の波高値に達した後に、前記第１の所定の波高値を第３の所定時間維持する期間と、
前記第３の所定時間が経過した後に、第２の傾きで下降する期間と、
第２の所定の波高値に達した後に、前記第２の所定の波高値を第４の所定時間維持する期間と、
前記第４の所定時間が経過した後に、前記第１の傾きで上昇する期間とからなる繰り返し波形であることを特徴とする請求項１に記載の溶接出力制御方法。
前記所定の重畳電圧波形は、
第１の傾きで下降する期間と、
第１の所定の波高値に達した後に、前記第１の所定の波高値を第３の所定時間維持する期間と、
前記第３の所定時間が経過した後に、第２の傾きで上昇する期間と、
第２の所定の波高値に達した後に、前記第２の所定の波高値を第４の所定時間維持する期間と、
前記第４の所定時間が経過した後に、前記第１の傾きで下降する期間と、
前記第１の傾きで下降し波高値が０に達した後に、前記波高値の０を第５の所定時間維持する期間とからなる繰り返し波形であることを特徴とする請求項１に記載の溶接出力制御方法。
前記所定の重畳電圧波形は、
第１の傾きで上昇する期間と、
第１の所定の波高値に達した後に、前記第１の所定の波高値を第３の所定時間維持する期間と、
前記第３の所定時間が経過した後に、第２の傾きで下降する期間と、
第２の所定の波高値に達した後に、前記第２の所定の波高値を第４の所定時間維持する期間と、
前記第４の所定時間が経過した後に、前記第１の傾きで上昇する期間と、
前記第１の傾きで上昇し波高値が０に達した後に、前記波高値の０を第５の所定時間維持する期間とからなる繰り返し波形であることを特徴とする請求項１に記載の溶接出力制御方法。
前記所定の重畳電圧波形は、
正弦波と三角波と矩形波とのいずれか１つである請求項１に記載の溶接出力制御方法。
前記重畳電圧波形の前記第１の傾きと、前記第２の傾きと、
前記第１の所定の波高値と、前記第２の所定の波高値と、
前記第３の所定時間と、前記第４の所定時間と、前記第５の所定時間と、
前記所定の重畳電圧波形の正弦波と三角波と矩形波とのいずれか１つの周期と振幅と、
前記指令電圧波形の第１の閾値と、第２の閾値との
少なくともいずれか１つは、溶接平均電流または前記消耗電極の送給量に応じて設定される請求項４に記載の溶接出力制御方法。
前記所定の重畳電圧波形の周期は、１００Ｈｚ以上１００ｋＨｚ以下である請求項１に記載の溶接出力制御方法。
消耗電極を送給し、短絡期間とアーク期間とを繰り返す消耗電極式アーク溶接を行うアーク溶接装置であって、
溶接出力電圧を検出する溶接電圧検出部と、
アーク期間中の基準電圧波形を生成する基準電圧波形生成部と、
前記溶接電圧検出部の出力信号により短絡期間かアーク期間かを判別する短絡・アーク判定部と、
前記短絡・アーク判定部の出力信号がアーク期間と判別してから第１の所定時間を計測する第１タイマー部と、
前記第１タイマー部が計測を完了してから第２の所定時間を計測する第２タイマー部と、前記第２タイマー部の出力信号が計測期間中である場合には予め設定された所定の重畳電圧波形を生成出力する重畳電圧波形生成部と、
前記基準電圧波形生成部の出力信号と前記重畳電圧波形生成部の出力信号とを合成する電圧波形合成部と、
前記電圧波形合成部の出力信号と前記溶接電圧検出部の出力信号に基づいて溶接出力を制御する制御部とを備えたアーク溶接装置。
消耗電極を送給し、短絡期間とアーク期間とを繰り返す消耗電極式アーク溶接を行うアーク溶接装置であって、
溶接出力電圧を検出する溶接電圧検出部と、
アーク期間中の基準電圧波形を生成する基準電圧波形生成部と、
前記溶接電圧検出部の出力信号により短絡期間かアーク期間かを判別する短絡・アーク判定部と、
前記基準電圧波形が第１の閾値以下か否かを判定する第１閾値判定部と、
前記基準電圧波形が第２の閾値以下か否かを判定する第２閾値判定部と、
前記短絡・アーク判定部の出力信号がアーク期間と判別した後に前記基準電圧波形が前記第１の閾値になってから前記第２の閾値になるまでの間は予め設定された所定の重畳電圧波形を生成出力する重畳電圧波形生成部と、
前記基準電圧波形生成部の出力信号と前記重畳電圧波形生成部の出力信号とを合成する電圧波形合成部と、
前記電圧波形合成部の出力信号と前記溶接電圧検出部の出力信号に基づいて溶接出力を制御する制御部とを備えたアーク溶接装置。
前記所定の重畳電圧波形は、
第１の傾きで下降する期間と、
第１の所定の波高値に達した後に、前記第１の所定の波高値を第３の所定時間維持する期間と、
前記第３の所定時間が経過した後に、第２の傾きで上昇する期間と、
第２の所定の波高値に達した後に、前記第２の所定の波高値を第４の所定時間維持する期間と、
前記第４の所定時間が経過した後に、前記第１の傾きで下降する期間とからなる繰り返し波形であることを特徴とする請求項９と請求項１０のいずれか１項に記載のアーク溶接装置。
前記所定の重畳電圧波形は、
第１の傾きで上昇する期間と、
第１の所定の波高値に達した後に、前記第１の所定の波高値を第３の所定時間維持する期間と、
前記第３の所定時間が経過した後に、第２の傾きで下降する期間と、
第２の所定の波高値に達した後に、前記第２の所定の波高値を第４の所定時間維持する期間と、
前記第４の所定時間が経過した後に、前記第１の傾きで上昇する期間とからなる繰り返し波形であることを特徴とする請求項９と請求項１０のいずれか１項に記載のアーク溶接装置。
前記所定の重畳電圧波形は、
第１の傾きで下降する期間と、
第１の所定の波高値に達した後に、前記第１の所定の波高値を第３の所定時間維持する期間と、
前記第３の所定時間が経過した後に、第２の傾きで上昇する期間と、
第２の所定の波高値に達した後に、前記第２の所定の波高値を第４の所定時間維持する期間と、
前記第４の所定時間が経過した後に、前記第１の傾きで下降する期間と、
前記第１の傾きで下降し波高値が０に達した後に、前記波高値の０を第５の所定時間維持する期間とからなる繰り返し波形であることを特徴とする請求項９と請求項１０のいずれか１項に記載のアーク溶接装置。
前記所定の重畳電圧波形は、
第１の傾きで上昇する期間と、
第１の所定の波高値に達した後に、前記第１の所定の波高値を第３の所定時間維持する期間と、
前記第３の所定時間が経過した後、第２の傾きで下降する期間と、
第２の所定の波高値に達した後に、前記第２の所定の波高値を第４の所定時間維持する期間と、
前記第４の所定時間が経過した後、前記第１の傾きで上昇する期間と、
前記第１の傾きで上昇し波高値が０に達した後に、前記波高値の０を第５の所定時間維持する期間とからなる繰り返し波形であることを特徴とする請求項９と請求項１０のいずれか１項に記載のアーク溶接装置。
前記所定の重畳電圧波形は、
正弦波と三角波と矩形波とのいずれか１つである請求項９と請求項１０のいずれか１項に記載のアーク溶接装置。
前記第１の所定時間と、前記第２の所定時間と、
前記所定の重畳電圧波形の前記第１の傾きと、前記第２の傾きと、
前記第１の所定の波高値と、前記第２の所定の波高値と、
前記第３の所定時間と、前記第４の所定時間と、前記第５の所定時間と、
前記所定の重畳電圧波形の正弦波と三角波と矩形波とのいずれか１つの周期と振幅と、
前記基準電圧波形の前記第１の閾値と、前記第２の閾値との
少なくともいずれか１つを、溶接平均電流または前記消耗電極の送給量に応じて設定する設定部を備えた請求項１４に記載のアーク溶接装置。
前記所定の重畳電圧波形の周期は、１００Ｈｚ以上１００ｋＨｚ以下である請求項９から請求項１６いずれか１項に記載のアーク溶接装置。