JP5082665B2 - アーク溶接制御方法及びアーク溶接機 - Google Patents

Description

本発明は、アークを発生させて溶接出力制御を行うアーク溶接制御方法及びアーク溶接機に関する。

アーク溶接、例えば消耗電極式アーク溶接は、溶接用ワイヤ先端に電圧を供給し、ワイヤ先端と母材間にアーク放電を発生させ、発生する熱量を利用した接合方法である。

消耗電極式アーク溶接の短絡移行時は、アーク状態と短絡状態を交互に繰り返す。ただし、溶接用チップ内の通電点の変化、ワイヤの品質のばらつき、送給性のばらつき等に起因し、安定した短絡移行溶接中においても不規則にアーク切れが発生する場合がある。

アーク切れは、溶接安定性を損なう原因となり、スパッタの増加等をともない、溶接品質へ悪影響がある。

ＡＳ判定部は、アーク状態か短絡状態かを、溶接出力電圧とあらかじめ設定された値とを比較することにより、判別動作を行う。

従来の技術では、ＡＳ判定部により、溶接状態がアーク状態か短絡状態かを判別し、アーク状態中は、溶接出力電圧制御を行い、短絡状態中であれば、溶接出力電流制御を行っている。（例えば特許文献１参照）
また、近年の溶接電源の開発動向として、インバータ制御周波数の向上や、高速プロセッサの安価供給、また機種統合のニーズに伴い、マルチプロセス電源が指向されている。
特開昭６２−２１４８７２号公報

しかし、マルチプロセス電源では、制御により溶接をコントロールする必要性があるため、設計上ｄｉ／ｄｔを大きく確保する必要がある。

ｄｉ／ｄｔを確保する為には、メイントランスの無負荷電圧を上げることや、２次側のＤＣＬのターン数を減らし、Ｌ値を小さくすることが考えられるが、実際には、安全規格上の制限がある為、無負荷電圧には限界が有り、ＤＣＬのＬ値を小さくして対応している。

小さいＬ値を持つ溶接電源を用いて、消耗電極式アーク溶接をおこなうと、Ｌ値が大きい場合と比較し、短絡からアークに移行した際に出力電流が急峻に落ちるため、アーク切れが発生しやすい。

さらに、シールドガスにＣＯ２ガスを用いるとその傾向が顕著となる。

これは、ＣＯ２ガスはアルゴンリッチなシールドガスに比較してアーク中の電圧勾配が大きいためアーク状態を維持するために必要となる電圧が大きくなるためである。また、ＤＣＬのＬ値が小さくなると、インバータの点弧毎の電流リップルが大きくなり、このこともアーク切れを誘因する原因となる。

このような中で、上述した従来のアーク溶接制御方法においては、短絡状態からアーク状態に移行した瞬間の電流の急峻な落ち込みにより、アーク状態を維持できず、アーク切れが発生するといった問題があった。

上記問題点を解決するために、本発明の消耗電極式アーク溶接制御方法は、変圧器の２次側には溶接出力をＯＦＦするためのスイッチング素子を設けず、前記変圧器の１次側に溶接出力をＯＮまたはＯＦＦするためのスイッチング素子を設けたアーク溶接機を用いて、溶接出力をＯＮしている短絡期間中に溶接出力電圧の微分値が予め設定された第１短絡制御判定値より大きくなった時点から溶接出力をＯＦＦし、溶接出力をＯＦＦした後に、前記短絡期間中に溶接出力電圧の微分値が予め設定された前記第１短絡制御判定値より小さくなると、溶接出力をＯＮする。

また、上記問題を解決するために、本発明のアーク溶接機は、上記溶接制御方法を用いる。

これらの方法により、本発明の消耗電極式アーク溶接方法は、ＤＣＬのＬ値が小さくなり、溶接状態が短絡からアークに状態が移行した際にも、アーク切れの発生を防止する作用を有する。さらに、短絡からアークへ移行する際に発生するスパッタの量を削減する作用を有する。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、短絡からアークに移行した際のスパッタ量の減少が図れる。

さらに、短絡からアークへ移行する際に発生するスパッタ発生量を削減することができる。

（実施の形態）
以下、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明における一実施の形態を示す。

図２は、本発明における溶接制御方法の一実施の形態を説明する図を示す。

図３は、本発明における溶接制御方法の一実施の形態を説明する図を示す。

図中、１は１次整流部、２は平滑コンデンサ、３はスイッチング素子、４はトランス、５は２次整流部、６はＤＣＬ、７は駆動部、８は切替部、９は設定部、１０は電圧検出部、１１は電流検出部、１２はＡＳ判定部、１３は比較部、１４は微分部、１５は第１アーク制御用タイマ、１６は第１短絡制御用タイマ、１７は第１アーク制御部、１８は第１短絡制御部、１９は短絡制御部、２０はアーク制御部、Ｔｓは短絡状態期間、Ｔａはアーク状態期間、Ｔａ１は第１アーク制御時間、Ｉａ１は第１アーク制御設定電流値、Ｅ１は短絡状態からアークが再発生した時点、Ｅ２は短絡からアークへの移行が開始した時点、Ｉｓ１は第１短絡制御設定電流値、Ｖａｓｌは第１短絡制御判定値である。

図２は、消耗電極アーク溶接の短絡移行時の溶出力電流波形、溶接出力電圧波形、ＡＳ判定部からの出力値を示している。ＡＳ判定部は、溶接状態が短絡の時はＬレベル、アーク状態の時はＨレベルを出力する。

本図においては、Ｅ１時点で短絡からアークに移行している。

本発明では短絡状態からアークが再発生した時点Ｅ１を起点として、予め設定される第１アーク制御時間Ｔａ１の期間、予め設定される第１アーク制御設定電流値Ｉａ１へ出力電流制御する。

第１アーク制御時間Ｔａ１は、設定電流値とワイヤ種類とワイヤ径により参照される予め作成されたテーブルデータベースの参照値でもよく、また設定電流と
出力電流から算出される値でもよい。

また予め設定される固定値（たとえば０．６ｍｓ）でもよく、第１アーク制御設定電流値Ｉａｌは、アーク再点弧時点で検出された出力電流値に係数を乗算した値（たとえば０．７５）でもよく、また予め設定される固定値（たとえば３５０Ａ）でもよい。

第１アーク制御時間が終了後は、定電圧制御であるアーク制御へ移行する。

上記方法によると、短絡からアークに移行した時点から、一定期間定電流特性にするために、急激な電流の垂下が発生しない。よって、出力電流が０値（＝アーク切れ）になりにくい。また、アーク状態が安定した後にアーク制御（定電圧制御）に移行するため安定した制御が可能となる。上記方法により、短絡からアーク移行した時点に発生する急激な電流の垂下に伴い発生するアーク切れを防止することができる。

次に、図１、３より、次の実施の形態例を説明する。

図３は、消耗電極アーク溶接の短絡移行時の溶出力電流波形、溶接出力電圧波形、ＡＳ判定部からの出力値溶接出力電圧の微分値を示している。

ＡＳ判定部は、溶接状態が短絡の時は、Ｌレベル、アーク状態の時はＨレベルを出力する。図３において、Ｅ２時点で短絡からアークへの移行開始点が確認できる。本発明において、溶接出力電圧の微分値が予め設定される第１短絡制御判定値Ｖａｓｌを超えた時点から溶接電源の出力がＯＦＦされる。溶接電源の出力をＯＮするのは、上記微分値の値がＶａｓｌより小さくなった時点でもよく、また予め設定される第１短絡制御出力停止時間Ｔｓ１が経過した時点でよく、また溶接状態がアーク状態となった時点でもよい。第１短絡制御出力停止時間Ｔｓ１は、予め設定されてもよい。溶接電源の出力がＯＮした後、予め設定される第１
短絡制御設定電流値Ｉｓ１に出力電流制御する。

溶接状態がアークとなると、溶接電源出力はＯＮされ、アーク制御に移る。上記方法によって、短絡からアークへ移行する瞬間に発生するスパッタの発生を防止することができる。

図１よりその他の実施の形態例を説明する。

消耗電極溶接の短絡移行時に、ＡＳ判定部１２は短絡時はＬレベル、アーク時はＨレベルを出力する。短絡からアークへ移行すると、ＡＳ判定部１２は、切替部８と第１アーク制御用タイマ１５にＨレベルを出力する。第１アーク制御用タイマ１５は、切替部８からのＨレベルをうけカウントを開始し、設定部９により予め設定される第１ア−ク制御時間Ｔａ１までの期間、切替部８にＨレベルを出力する。切替部８は、第１アーク制御用タイマ１５からのＨレベル、ＡＳ判定部１２からのＨレベルを受ける期間、第１アーク制御部１７からの入力信号を駆動部７へ選択出力する。

第１アーク制御部１７は、電流検出部１１で検出される溶接出力電流値と設定部９で予め設定される第１アーク制御設定電流値Ｉａ１とをフィードバック演算した結果を切替部８に出力する。

また、第１アーク制御設定電流値Ｉａ１は、設定部９が、ＡＳ判定部１２からの入力がＨレベルであることを検知した瞬間に、電流検出部１１からの溶接出力電流値をホールドし、係数（たとえば０．７５）を乗算した値でもよい。

また、第１アーク制御設定電流値Ｉａ１は、設定部９がア−ク再発生直前までに検出している溶接出力電流値、溶接出力電圧値、設定電流値、設定電圧値、ワイヤ送給量、シ−ルドガス種類、ワイヤ材質、ワイヤ径の入力値から参照するテーブル固定値でもよい。駆動部７は、切替部８からの信号をうけ、スイッチング
素子３をドライブし電源出力を制御する。

本構成により、短絡からアークへ移行した瞬間の、アーク電流の急峻な減衰に伴う、アーク切れを防止することができる。

図１よりさらにその他の実施の形態を説明する。

消耗電極溶接の短絡移行時に、電圧検出部１０が検出した溶接出力電圧値は、微分部１４へ出力される。

微分部１４は、溶接出力電圧値を微分演算した値を比較部１３へ出力する。比較部１３は、微分値と設定部９により予め設定される第１短絡制御判定値Ｖａｓｌとを比較し、微分値が大きくなると、Ｈレベルを駆動部７へ出力する。駆動部７は、比較部１３からのＨレベルをうけ、スイッチング素子３のドライブを停止する。

また、駆動部７がＡＳ判定部１２からのＨレベルを受けている間は、駆動部７によるスイッチング素子３のドライブの停止を禁止してももよい。

本構成により、短絡からアークへ移行した瞬間の、スパッタの発生を低減できる。

また、比較部１３は、微分値と設定部９により予め設定される第１短絡制御判定値Ｖａｓｌとを比較し、微分値が小さくなると、Ｌレベルを駆動部７へ出力する。
駆動部７は、比較部１３からのＬレベルをうけ、スイッチング素子３のドライブをただちに開始してもよい。

また、比較部１３からのＨレベルをうけカウントを開始し、設定部９により予
め設定される第１短絡制御時間Ｔｓ１までの期間のみ駆動部７にＨレベルを出力する第１短絡制御用タイマ１６からのＬレベルの信号を受けた時でもよい。

さらに、第１アーク制御用タイマ１５は、切替部８からのＨレベルをうけカウントを開始し、設定部９により予め設定される第１ア−ク制御時間Ｔａ１までの期間、切替部８にＨレベルを出力する。
切替部８は、比較部１３からのＨレベルを受けてからＡＳ判定部１２がＨレベルになるまでの期間、第１短絡制御部１８からの入力信号を駆動部７へ選択出力する。第１短絡制御部１８は、電流検出部１１で検出される溶接出力電流値と設定部９で予め設定される第１短絡制御設定電流値Ｉｓ１とをフィードバック演算した結果を切替部８に出力する。

上記構成により、比較部による短絡からア−クへの移行開始点検出の後は、アーク点弧までの間、電流一定に保つことができ、スパッタの発生を防ぐことができる。

なお、上記における実施の形態は、消耗電極式溶接の短絡移行時で説明したが、これに限定されるものではない。

本発明のアーク溶接制御方法及びアーク溶接機によれば、短絡からアークに移行した際のスパッタ量の減少が図れるので産業上有用である。

本発明における溶接制御方法の構成を示す図 本発明における溶接制御方法を示す図 本発明における溶接制御方法を示す図

符号の説明

１ １次整流部
２ 平滑コンデンサ
３ スイッチング素子
４ トランス
５ ２次整流部
６ ＤＣＬ
７ 駆動部
８ 切替部
９ 設定部
１０ 電圧検出部
１１ 電流検出部
１２ ＡＳ判定部
１３ 比較部
１４ 微分部
１５ 第１アーク制御用タイマ
１６ 第１短絡制御用タイマ
１７ 第１アーク制御部
１８ 第１短絡制御部
１９ 短絡制御部
２０ アーク制御部
Ｔｓ 短絡状態期間
Ｔａ アーク状態期間
Ｔａ１ 第１アーク制御時間
Ｉａ１ 第１アーク制御設定電流値
Ｅ１ 短絡状態からアークが再発生した時点
Ｅ２ 短絡からアークへの移行が開始した時点
Ｉｓ１ 第１短絡制御設定電流値
Ｖａｓｌ 第１短絡制御判定値

Claims (7)

1. 変圧器の２次側には溶接出力をＯＦＦするためのスイッチング素子を設けず、前記変圧器の１次側に溶接出力をＯＮまたはＯＦＦするためのスイッチング素子を設けたアーク溶接機を用いて、溶接出力をＯＮしている短絡期間中に溶接出力電圧の微分値が予め設定された第１短絡制御判定値より大きくなった時点から溶接出力をＯＦＦし、溶接出力をＯＦＦした後に、前記短絡期間中に溶接出力電圧の微分値が予め設定された前記第１短絡制御判定値より小さくなると、溶接出力をＯＮし、溶接出力電圧の微分値が予め設定された前記第１短絡制御判定値より小さくなって溶接出力をＯＮした後、予め設定した第１短絡制御設定電流値に出力電流を制御し、用いるアーク溶接機が変圧器の２次側にＤＣＬを有し、前記ＤＣＬの値は、短絡期間中に溶接出力電圧の微分値が予め設定した前記第１短絡制御判定値より大きくなった時点から溶接出力をＯＦＦし、溶接出力をＯＦＦした後に、前記短絡期間中に溶接出力電圧の微分値が予め設定された前記第１短絡制御判定値より小さくなることで溶接出力をＯＮしないと、前記短絡期間中に溶接電流がアーク切れを生じてしまう大きさにまで低下してしまう値であり、溶接出力電圧の微分値が前記第１短絡制御判定値になっても直ちにアーク切れを生じないが、前記第１短絡制御判定値より所定値小さくなればアーク切れを生じるＤＣＬの値であり、前記短絡期間中に溶接出力電圧の微分値を前記第１短絡制御判定値より小さくさせ溶接出力をＯＮすることを必ず行うアーク溶接制御方法。
2. アーク期間中に、溶接出力電圧の微分値が予め設定された第１短絡制御判定値より大きくなっても、変圧器の１次側に設けられたスイッチング素子による溶接出力のＯＦＦを禁止する請求項１記載のアーク溶接制御方法。
3. 前記第１短絡制御判定値は、アーク再発生直前までに検出している溶接出力電流値、溶接出力電圧値、設定電流値、設定電圧値、ワイヤ送給量、シ−ルドガス種類、ワイヤ材質、ワイヤ径の少なくとも１つ以上の関数とした請求項１または２に記載のアーク溶接制御方法。
4. 請求項１から３のいずれかに記載のアーク溶接制御方法を用いるアーク溶接機。
5. 変圧器と、前記変圧器の１次側に設けられており溶接出力をＯＮまたはＯＦＦするスイッチング素子と、溶接出力電圧を検出する電圧検出部と、溶接出力電圧検出値を微分する微分部と、前記微分部からの出力値と予め設定した第１短絡制御判定値とを比較する比較部と、前記比較部の出力により、前記スイッチング素子を制御して溶接出力をＯＮまたはＯＦＦさせる駆動部を有し、短絡期間中に前記微分部からの出力が予め設定した第１短絡制御判定値より大きくなった時点から溶接出力をＯＦＦし、溶接出力をＯＦＦした後に、前記短絡期間中に溶接出力電圧の微分値が予め設定された前記第１短絡制御判定値より小さくなると、溶接出力をＯＮし、溶接出力電圧の微分値が予め設定された前記第１短絡制御判定値より小さくなって溶接出力をＯＮした後、予め設定した第１短絡制御設定電流値に出力電流を制御し、前記変圧器の２次側にＤＣＬを有し、前記ＤＣＬの値は、短絡期間中に溶接出力電圧の微分値が予め設定した第１短絡制御判定値より大きくなった時点から溶接出力をＯＦＦし、溶接出力をＯＦＦした後、前記短絡期間中に溶接出力電圧の微分値が予め設定された前記第１短絡制御判定値より小さくなることで溶接出力をＯＮしないと、前記短絡期間中に溶接電流がアーク切れを生じてしまう大きさにまで低下してしまう値であり、溶接出力電圧の微分値が前記第１短絡制御判定値になっても直ちにアーク切れを生じないが、前記第１短絡制御判定値より所定値小さくなればアーク切れを生じるＤＣＬの値であり、前記短絡期間中に溶接出力電圧の微分値を前記第１短絡制御判定値より小さくさせ溶接出力をＯＮすることを必ず行うアーク溶接機。
6. アーク期間中に、溶接出力電圧の微分値が予め設定された第１短絡制御判定値より大きくなっても、変圧器の１次側に設けられたスイッチング素子による溶接出力のＯＦＦを禁止する請求項５記載のアーク溶接機。
7. 前記第１短絡制御判定値は、アーク再発生直前までに検出している溶接出力電流値、溶接出力電圧値、設定電流値、設定電圧値、ワイヤ送給量、シールドガス種類、ワイヤ材質、ワイヤ径の少なくとも１つ以上の関数とした請求項５または６に記載のアーク溶接機。

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