JP5149752B2 - パルスアーク溶接の出力制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、消耗電極パルスアーク溶接において出力制御方法を改善することによって溶接状態の安定化を図るためのパルスアーク溶接の出力制御方法に関するものである。

図７は、消耗電極パルスアーク溶接の一般的な電流・電圧波形図である。同図（Ａ）はアークを通電する溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｂ）は溶接ワイヤと母材との間の溶接電圧Ｖｗを示す。以下、同図を参照して説明する。

時刻ｔ１〜ｔ２のピーク期間Ｔｐ中は、同図（Ａ）に示すように、溶接ワイヤから溶滴を移行させるために臨界電流値以上のピーク電流Ｉｐが通電し、同図（Ｂ）に示すように、溶接ワイヤと母材との間にアーク長に比例したピーク電圧Ｖｐが印加する。

時刻ｔ２〜ｔ３のベース期間Ｔｂ中は、同図（Ａ）に示すように、溶滴を形成しないようにするために定電流値のベース電流Ｉｂが通電し、同図（Ｂ）に示すように、ベース電圧Ｖｂが印加する。時刻ｔ１〜ｔ３までの期間をパルス周期Ｔpbとして繰り返して溶接が行われる。

良好なパルスアーク溶接を行うためには、アーク長を適正値に維持することが重要である。アーク長を適正値に維持するために以下のような出力制御が行われる。アーク長は、同図（Ｂ）で破線で示す溶接電圧平均値Ｖavと略比例関係にある。このために、溶接電圧平均値Ｖavを検出し、この検出値が適正アーク長に相当する溶接電圧設定値と等しくなるように同図（Ａ）の破線で示す溶接電流平均値Ｉavを変化させる出力制御を行う。溶接電圧平均値Ｖavが溶接電圧設定値よりも大きいときはアーク長が適正値よりも長いときであるので、溶接電流平均値Ｉavを小さくしてワイヤ溶融速度を小さくしアーク長が短くなるようにする。他方、溶接電圧平均値Ｖavが溶接電圧設定値よりも小さいときはアーク長が適正値よりも短いときであるので、溶接電流平均値Ｉavを大きくしてワイヤ溶融速度を大きくしアーク長が長くなるようにする。上記の溶接電圧平均値Ｖavとしては、一般的に溶接電圧Ｖｗを平滑した値が使用される。このため、以降の説明では、溶接電圧平均値Ｖavと溶接電圧平滑値Ｖavとを同一意味で使用することにする。

上記において、溶接電流平均値Ｉavを変化させる手段として、ピーク期間Ｔｐ、ベース期間Ｔｂ、ピーク電流Ｉｐ又はベース電流Ｉｂの少なくとも１つを変化させることが行われている。特に、ピーク期間Ｔｐ及びベース期間Ｔｂを所定値に設定し、ピーク電流Ｉｐ及び／又はベース電流Ｉｂを変化させることによって溶接電流平均値Ｉavを変化させる電流値変調制御には、以下のような特徴がある。複数の溶接ワイヤを隣接させて同時にアークを発生させながら溶接を行う多電極パルスアーク溶接においては、アーク相互間の干渉による溶接状態の不安定を抑制するために、ピーク電流Ｉｐの通電を同期させることが行われる。この同期を取るためにはピーク期間Ｔｐ及びベース期間Ｔｂが一定値である上記の電流値変調制御である必要がある。また、溶接トーチのウィービングとピーク期間Ｔｐとを動機させることによって溶接性を向上させることが行われるが、このような場合にも電流値変調制御は有利である。本発明は、アーク長制御をこの電流値変調制御によって行う場合に適用することができる。

上記の電流値変調制御は以下のように行われる。適正アーク長に対応した溶接電圧設定値Ｖｒを予め設定する。溶接電圧平滑値Ｖavを検出する。溶接電圧設定値Ｖｒと溶接電圧平滑値Ｖavとの電圧誤差ΔＶ＝（Ｖｒ−Ｖav）を算出する。この誤差ΔＶに予め定めた増幅率Ｇを乗じて溶接電流変化量ΔＩ＝Ｇ×ΔＶを算出する。そして、ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂをこの溶接電流変化量ΔＩだけ変化させる。すなわち、適正アーク長と現在のアーク長との誤差に比例する電圧誤差に応じてピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂを変化させることで溶接電流平均値Ｉavを変化させるのが電流値変調制御である。

特開２００４−２３７３４２号公報

上述した従来技術の電流値変調制御においては、電圧誤差ΔＶに応じて算出される溶接電流変化量ΔＩだけピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂが変化する。しかし、ピーク電流値Ｉｐは４００Ａ以上の大電流であり、ベース電流値Ｉｂは７０Ａ以下の小電流である。このために、同一値の溶接電流変化量ΔＩだけ変化させると、ピーク電流Ｉｐに比べてベース電流Ｉｂが相対的に大きく変化することになるので、溶滴移行状態の安定性が悪くなる場合が生じる。特に、ワイヤ送給速度が低速であるとき、すなわち溶接電流平均値Ｉavが小電流域であるときは、溶接電流変化量ΔＩが大きいと溶滴移行状態が不安定になりやすくなる。

上記の問題を数値例を挙げて以下に説明する。電圧誤差ΔＶ＝０．１Ｖであるとする。そして、増幅率Ｇ＝１００であるとすると、溶接電流変化量ΔＩ＝０．１×１００＝１０Ａとなる。ここで、Ｉｐ＝５５０Ａ、Ｉｂ＝５０Ａ、Ｔｐ＝１ms、Ｔｂ＝４msとすると、ピーク電流Ｉｐ＝５５０＋１０＝５６０Ａとなり、ベース電流Ｉｂ＝５０＋１０＝６０Ａとなる。この場合、溶接電流平均値Ｉavは溶接電流変化量ΔＩ＝１０Ａだけ増加することになる。このように、ピーク電流Ｉｐに比べてベース電流Ｉｂの変化比率は大きくなるために、溶滴移行に与える影響が大きくなる。

この問題を解決するために、ピーク電流Ｉｐとベース電流Ｉｂとに対する溶接電流変化量ΔＩを異なった値にすることが考えられる。しかし、適正アーク長と現在のアーク長との誤差に比例する電圧誤差ΔＶから溶接電流変化量ΔＩを算出する増幅率Ｇには、アーク長制御（電流値変調制御）系の安定性及び過渡応答性を良好にするための適正値が存在する。このために、ピーク電流Ｉｐとベース電流Ｉｂに対する溶接電流変化量ΔＩを適宜異なった値に設定すると、電圧誤差ΔＶに対する溶接電流平均値Ｉavの変化量が適正値から外れることになり、アーク長制御系の安定性及び過渡応答性が悪くなることになる。

そこで、本発明では、電圧誤差ΔＶに対する溶接電流平均値Ｉavの変化量をアーク長制御系が安定となる適正値に維持しながら、ピーク電流Ｉｐの変化量とベース電流Ｉｂの変化量とを異なった値に設定することができるパルスアーク溶接の出力制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、第１の発明は、
溶接ワイヤを予め定めたワイヤ送給速度で送給すると共に、予め定めたピーク期間Ｔｐ中はピーク電流設定値Ｉprに対応するピーク電流を通電し、予め定めたベース期間Ｔｂ中はベース電流設定値Ｉbrに対応するベース電流を通電し、これらの通電を１パルス周期として繰り返して溶接を行うパルスアーク溶接の出力制御方法において、
第ｎ回目のパルス周期の開始に際して、予め定めた溶接電圧設定値と溶接電圧の検出値との電圧誤差に応じて溶接電流変化量ΔＩを算出し、配分比率α（０≦α≦１）を予め設定し、
ピーク電流設定値変化量ΔＩpr＝ΔＩ×（Ｔｐ＋Ｔｂ）×α／Ｔｐを算出し、この値を第ｎ−１回目のパルス周期における前記ピーク電流設定値に加算して第ｎ回目のパルス周期における前記ピーク電流設定値Ｉprを算出して前記ピーク電流を制御し、
ベース電流設定値変化量ΔＩbr＝ΔＩ×（Ｔｐ＋Ｔｂ）×（１−α）／Ｔｂを算出し、この値を第ｎ−１回目のパルス周期における前記ベース電流設定値に加算して第ｎ回目のパルス周期における前記ベース電流設定値Ｉbrを算出して前記ベース電流を制御する、
ことを特徴とするパルスアーク溶接の出力制御方法である。

第２の発明は、前記配分比率αが、前記ワイヤ送給速度に応じて変化する、
ことを特徴とする第１の発明記載のパルスアーク溶接の出力制御方法である。

上記第１の発明によれば、溶接電圧設定値と溶接電圧検出値との電圧誤差に応じて溶接電流変化量をを適正化することによってアーク長制御系の安定性及び過渡応答性を良好にすることができる。さらに、この溶接電流変化量を適正な配分比率でピーク電流とベース電流とに配分することによってベース電流への負担を軽くすることができ、溶滴移行状態を良好に保つことができる。

上記第２の発明によれば、第１の発明の効果に加えて、ワイヤ送給速度に連動して配分比率を変化させることによって、小電流域から大電流域までの全電流域にわたって溶滴移行状態をさらに良好にすることができる。

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に係るパルスアーク溶接の出力制御方法を実施するための溶接電源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。

電源主回路ＰＭは、３相２００Ｖ等の商用電源（図示は省略）を入力として、後述する駆動信号Ｄｖに従ってインバータ制御による出力制御を行い、溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗを出力する。この電源主回路ＰＭは、図示は省略するが、商用電源を整流する１次整流器、整流された直流を平滑するコンデンサ、平滑された直流を上記の駆動信号Ｄｖに従って高周波交流に変換するインバータ回路、高周波交流をアーク溶接に適した電圧値に降圧する高周波変圧器、降圧された高周波交流を整流する２次整流器、整流された直流を平滑するリアクトルから構成される。溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給モータＷＭ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内を送給されて、母材２との間にアーク３が発生して溶接が行われる。

溶接電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗを検出して平滑し、溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する。溶接電圧設定回路ＶＲは、予め定めた溶接電圧設定信号Ｖｒを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の溶接電圧設定信号Ｖｒと上記の溶接電圧検出信号Ｖｄとの電圧誤差に予め定めた増幅率を乗じて算出された溶接電流変化量信号ΔＩを出力する。

配分比率設定回路ＨＲは、予め定めた配分比率信号αを出力する。この配分比率信号αの値は、０≦α≦１．０の範囲である。ピーク電流設定回路ＩＰＲは、第ｎ回目のパルス周期の開始時点において、この配分比率信号α、前周期におけるピーク電流設定信号Ｉpr(n-1)及び上記の溶接電流変化量信号ΔＩを入力として、ピーク電流設定値変化量ΔＩpr＝ΔＩ×（Ｔｐ＋Ｔｂ）×α／Ｔｐを算出してピーク電流設定信号Ｉpr＝Ｉpr(n-1)＋ΔＩprを出力する。ここで、Ｔｐはピーク期間の長さであり、Ｔｂはベース期間の長さである。両値とも所定値である。ベース電流設定回路ＩＢＲは、第ｎ回目のパルス周期の開始時点において、上記の配分比率信号α、前周期におけるベース電流設定信号Ｉbr(n-1)及び上記の溶接電流変化量信号ΔＩを入力として、ベース電流設定値変化量ΔＩbr＝ΔＩ×（Ｔｐ＋Ｔｂ）×（１−α）／Ｔｂを算出してベース電流設定信号Ｉbr＝Ｉbr(n-1)＋ΔＩbrを出力する。

パルス周期タイマ回路ＴＰＢは、予め定めたピーク期間Ｔｐ中はＨｉｇｈレベルになり、予め定めたベース期間Ｔｂ中はＬｏｗレベルになるパルス周期信号Ｔpbを出力する。切換回路ＳＷは、このパルス周期信号Ｔpb、上記のピーク電流設定信号Ｉpr及び上記のベース電流設定信号Ｉbrを入力として、パルス周期信号ＴpbがＨｉｇｈレベル（ピーク期間Ｔｐ）のときは上記のピーク電流設定信号Ｉprを溶接電流設定信号Ｉｒとして出力し、Ｌｏｗレベル（ベース期間Ｔｂ）中は上記のベース電流設定信号Ｉbrを溶接電流設定信号Ｉｒとして出力する。溶接電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｗを検出して、溶接電流検出信号Ｉｄを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の溶接電流設定信号Ｉｒと溶接電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。駆動回路ＤＶは、この電流誤差増幅信号Ｅｉを入力として、パルス幅変調制御を行い、この結果に基づいて上記のインバータ回路を駆動するための駆動信号Ｄｖを出力する。

ワイヤ送給速度設定回路ＦＲは、溶接ワイヤ１のワイヤ送給速度を設定するための、ワイヤ送給速度設定信号Ｆｒを出力する。送給制御回路ＦＣは、このワイヤ送給速度設定信号Ｆｒを入力として、溶接ワイヤ１をワイヤ送給速度設定信号Ｆｒによって定まる速度で送給するための送給制御信号Ｆｃを上記のワイヤ送給モータＷＭに出力する。

上記のピーク電流設定回路ＩＰＲ及びベース電流設定回路ＩＢＲで使用した演算式について、以下説明する。溶接電流変化量信号ΔＩは、適正アーク長と現在のアーク長との誤差に比例っする電圧誤差に増幅率を乗じて算出される。この増幅率はアーク長制御系が安定となり、過渡応答性も良好になるように設定される。このときに積分要素及び微分要素を加えて一般的なＰＩＤ制御器としても良い。また、溶接電圧平滑値の代わりに、ピーク電圧を使用することもできる。これは、ピーク電圧値がピーク期間Ｔｐ中のアーク長と比例するので、このアーク長を制御することによっても溶接状態を安定化することができるためである。この溶接電流変化量信号ΔＩの値に（Ｔｐ＋Ｔｂ）を乗じることで、第ｎ回目のパルス周期における溶接電流変化量の積分値が算出される。配分比率信号αは、この積分値をピーク期間に配分する比率を示す値である。したがって、１−αは、積分値をベース期間に配分する比率を示す値となる。例えば、α＝０．６のときは、積分値の６０％をピーク期間で負担し、残りの４０％をベース期間で負担することを意味している。このようにして、ピーク電流設定信号Ｉpr及びベース電流設定信号Ｉbrの各値が算出される。この場合、溶接電流平均値Ｉavの変化量はあくまでΔＩと等しくなる。したがって、アーク長制御系の安定性及び過渡応答性は保証されたままの状態を維持することになる。

以下、上記の演算を数値例によって説明する。Ｉpr(n-1)＝５５０Ａ、Ｉbr(n-1)＝５０Ａ、Ｔｐ＝１ms、Ｔｂ＝４ms、ΔＩ＝１０Ａ及びα＝０．５とすると、
Ｉpr＝５５０＋（１０×５×０．５／１）＝５７５Ａとなり、
Ｉbr＝５０＋（１０×５×０．５／４）＝５６．２５Ａとなる。
このように、ベース電流への負担は従来技術のときの１０Ａよりも軽くなる。

上記の数値例の場合よりもワイヤ送給速度を速くすると、通常、ピーク期間Ｔｐの設定値はそのままであるが、ベース期間Ｔｂの設定値は小さくする。すなわち、ワイヤ送給速度に応じてパルス周期を短くして周波数を高くする。そこで、Ｉpr(n-1)＝５５０Ａ、Ｉbr(n-1)＝５０Ａ、Ｔｐ＝１ms、Ｔｂ＝２ms、ΔＩ＝１０Ａ及びα＝０．５とすると、
Ｉpr＝５５０＋（１０×３×０．５／１）＝５６５Ａとなり、
Ｉbr＝５０＋（１０×３×０．５／２）＝５７．５Ａとなる。
このように、ベース電流への負担はやはり軽くなる。

上述した実施の形態１によれば、溶接電圧設定値と溶接電圧検出値との電圧誤差に応じて溶接電流変化量をを適正化することによってアーク長制御系の安定性及び過渡応答性を良好にすることができる。さらに、この溶接電流変化量を適正な配分比率でピーク電流とベース電流とに配分することによってベース電流への負担を軽くすることができ、溶滴移行状態を良好に保つことができる。

［実施の形態２］
図２は、本発明の実施の形態２に係るパルスアーク溶接の出力制御方法を実施するための溶接電源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、同図を参照して図１とは異なる破線で示す第２配分比率設定回路ＨＲ２について説明する。

第２配分比率設定回路ＨＲ２は、ワイヤ送給速度設定信号Ｆｒを入力として、予め定めた関数α＝ｆ（Ｆｒ）に従って配分比率信号αを出力する。この関数の例を図３に示す。同図の横軸はワイヤ送給速度設定信号Ｆｒ（m/min）を示し、縦軸は配分比率信号αを示す。同図に示すように、関数ｆ（Ｆｒ）は、Ｆｒ＝０m/minのときα＝０．６となり、Ｆｒ＝２０m/minのときα＝０．４となる右下がりの直線となっている。このようにすることによって、ワイヤ送給速度が低速であるとき、すなわち、溶接電流平均値が小さいときはよりベース電流への負担を軽くすることによって、小電流域での溶滴移行状態をさらに良好にしている。

上述した実施の形態２によれば、実施の形態１の効果に加えて、ワイヤ送給速度に連動して配分比率を変化させることによって、小電流域から大電流域までの全電流域にわたって溶滴移行状態をさらに良好にすることができる。

また、上記の配分比率αは、溶接法、溶接ワイヤの種類、母材材質等に応じて変化させても良い。

［実施の形態３］
図４は本発明の実施の形態３に係るパルスアーク溶接の出力制御方法を示す電流・電圧波形図である。同図（Ａ）はアークを通電する溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｂ）は溶接ワイヤと母材との間の溶接電圧Ｖｗを示す。同図は、ベース期間の一部が電極マイナス極性期間となる交流パルスアーク溶接の場合である。同図において、０Ａ及び０Ｖよりも上側が電極プラス極性ＥＰとなり、下側が電極マイナス極性ＥＮとなる。以下、同図を参照して説明する。

時刻ｔ１〜ｔ２の予め定めた電極マイナス極性ベース期間Ｔｎ中は、同図（Ａ）に示すように、溶滴を形成しないようにするために定電流値の電極マイナス極性ベース電流Ｉｎが通電し、同図（Ｂ）に示すように、電極マイナス極性電圧Ｖｎが印加する。

時刻ｔ２〜ｔ３の電極プラス極性ピーク期間Ｔｐ中は、同図（Ａ）に示すように、溶接ワイヤから溶滴を移行させるために臨界電流値以上のピーク電流Ｉｐが通電し、同図（Ｂ）に示すように、溶接ワイヤと母材との間にピーク電圧Ｖｐが印加する。

時刻ｔ３〜ｔ４の電極プラス極性ベース期間Ｔｂ中は、同図（Ａ）に示すように、溶滴を形成しないようにするために定電流値のベース電流Ｉｂが通電し、同図（Ｂ）に示すように、ベース電圧Ｖｂが印加する。そして、時刻ｔ４〜ｔ５の期間は、再び上記の電極マイナス極性ベース期間Ｔｎに戻る。時刻ｔ１〜ｔ４までの期間をパルス周期Ｔpbとして繰り返して溶接が行われる。したがって、時刻ｔ３〜ｔ５のベース期間の一部（時刻ｔ４〜ｔ５）が電極マイナス極性となり、交流パルスアーク溶接となっている。

良好なパルスアーク溶接を行うためには、アーク長を適正値に維持することが重要である。アーク長を適正値に維持するために以下のような出力制御が行われる。アーク長は、同図（Ｂ）で破線で示す溶接電圧平均値Ｖav（溶接電圧Ｖｗの絶対値の平均値）と略比例関係にある。このために、溶接電圧平均値Ｖavを検出し、この検出値が適正アーク長に相当する溶接電圧設定値と等しくなるように同図（Ａ）の破線で示す溶接電流平均値Ｉav（溶接電流Ｉｗの絶対値の平均値）を変化させる出力制御を行う。溶接電圧平均値Ｖavが溶接電圧設定値よりも大きいときはアーク長が適正値よりも長いときであるので、溶接電流平均値Ｉavを小さくしてワイヤ溶融速度を小さくしアーク長が短くなるようにする。他方、溶接電圧平均値Ｖavが溶接電圧設定値よりも小さいときはアーク長が適正値よりも短いときであるので、溶接電流平均値Ｉavを大きくしてワイヤ溶融速度を大きくしアーク長が長くなるようにする。

上記において、溶接電流平均値Ｉavを変化させる手段として、上記の電極マイナス極性ベース電流Ｉｎ、上記のピーク電流Ｉｐ及び上記のベース電流Ｉｂを変化させる電流値変調制御を行う。以下、実施の形態３に係る電流値変調制御について説明する。

同図において、時刻ｔ１〜ｔ４のパルス周期が第ｎ回目のパルス周期であるとする。したがって、時刻ｔ１以前は、第ｍ−１回目のパルス周期となる。
（１）第ｎ回目のパルス周期の開始時点である時刻ｔ１において、溶接電圧平均値Ｖavと予め定めた電圧設定値Ｖｒとの電圧誤差を算出する。
（２）この電圧誤差に基づいて溶接電流変化量ΔＩを算出する。
（３）この溶接電流変化量ΔＩと予め定めた配分比率α及びベース期間配分比率βとを入力として以下の演算を行う。
ピーク電流変化量ΔＩｐ＝ΔＩ×（Ｔｎ＋Ｔｐ＋Ｔｂ）×α／Ｔｐ
ベース電流変化量ΔＩｂ＝ΔＩ×（Ｔｎ＋Ｔｐ＋Ｔｂ）×（１−α）×β／Ｔｂ
電極マイナス極性ベース電流変化量ΔＩｎ＝ΔＩ×（Ｔｎ＋Ｔｐ＋Ｔｂ）×（１−α）×（１−β）／Ｔｎ
（４）第ｎ−１回目のパルス周期におけるピーク電流値、ベース電流値及び電極マイナス極性ベース電流値の各々に上記のピーク電流変化量ΔＩｐ、ベース電流変化量ΔＩｂ及び電極マイナス極性ベース電流変化量ΔＩｎを加算して、第ｎ回目のパルス周期におけるピーク電流値、ベース電流値及び電極マイナス極性ベース電流値を算出して通電する。

図５は、上述した本発明の実施の形態３に係るパルスアーク溶接の出力制御方法を実施するための溶接電源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いる。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。

インバータ回路ＩＮＶは、３相２００Ｖ等の交流商用電源（図示は省略）を入力として、整流及び平滑した直流電圧を、後述する駆動信号Ｄｖに従ってインバータ制御を行い、高周波交流を出力する。インバータトランスＩＮＴは、高周波交流電圧をアーク溶接に適した電圧値に降圧する。２次整流器Ｄ２ａ〜Ｄ２ｄは、降圧された高周波交流を直流に整流する。電極プラス極性トランジスタＰＴＲは後述する電極プラス極性駆動信号Ｐｄによってオン状態になり、溶接電源の出力は電極プラス極性ＥＰになる。電極マイナス極性トランジスタＮＴＲは後述する電極マイナス極性駆動信号Ｎｄによってオン状態になり、溶接電源の出力は電極マイナス極性ＥＮになる。リアクトルＷＬは、リップルのある出力を平滑する。溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給モータＷＭ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内を送給されて、母材２との間にアーク３が発生する。

溶接電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して、その絶対値を平滑し、溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する。溶接電圧設定回路ＶＲは、予め定めた溶接電圧設定信号Ｖｒを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の溶接電圧設定信号Ｖｒと上記の溶接電圧検出信号Ｖｄとの電圧誤差に予め定めた増幅率を乗じて算出された溶接電流変化量信号ΔＩを出力する。

第３配分比率設定回路ＨＲ３は、後述するワイヤ送給速度設定信号Ｆｒを入力として、予め定めた関数α＝ｆ（Ｆｒ）に従って配分比率信号αを出力し、予め定めた関数β＝ｇ（Ｆｒ）に従ってベース期間配分比率信号βを出力する。これらの関数の例を図６で後述する。この配分比率信号αの値は、０≦α≦１．０の範囲であり、このベース期間配分比率信号βの値は、０≦β≦１．０の範囲である。

ピーク電流設定回路ＩＰＲは、第ｎ回目のパルス周期の開始時点において、この配分比率信号α、前周期におけるピーク電流設定信号Ｉpr(n-1)及び上記の溶接電流変化量信号ΔＩを入力として、ピーク電流設定値変化量ΔＩpr＝ΔＩ×（Ｔｎ＋Ｔｐ＋Ｔｂ）×α／Ｔｐを算出してピーク電流設定信号Ｉpr＝Ｉpr(n-1)＋ΔＩprを出力する。ここで、Ｔｎは電極マイナス極性ベース期間の長さであり、Ｔｐは電極プラス極性ピーク期間の長さであり、Ｔｂは電極プラス極性ベース期間の長さである。これらの値は所定値である。ベース電流設定回路ＩＢＲは、第ｎ回目のパルス周期の開始時点において、上記の配分比率信号α、上記のベース期間配分比率信号β、前周期におけるベース電流設定信号Ｉbr(n-1)及び上記の溶接電流変化量信号ΔＩを入力として、ベース電流設定値変化量ΔＩbr＝ΔＩ×（Ｔｎ＋Ｔｐ＋Ｔｂ）×（１−α）×β／Ｔｂを算出してベース電流設定信号Ｉbr＝Ｉbr(n-1)＋ΔＩbrを出力する。電極マイナス極性ベース電流設定回路ＩＮＲは、第ｎ回目のパルス周期の開始時点において、上記の配分比率信号α、上記のベース期間配分比率信号β、前周期における電極マイナス極性ベース電流設定信号Ｉnr(n-1)及び上記の溶接電流変化量信号ΔＩを入力として、電極マイナス極性ベース電流設定値変化量ΔＩnr＝ΔＩ×（Ｔｎ＋Ｔｐ＋Ｔｂ）×（１−α）×（１−β）／Ｔｎを算出して電極マイナス極性ベース電流設定信号Ｉnr＝Ｉnr(n-1)＋ΔＩnrを出力する。

第２パルス周期タイマ回路ＴＰＢ２は、予め定めた電極マイナス極性ベース期間Ｔｎ中はその値が１となり、それに続く予め定めた電極プラス極性ピーク期間Ｔｐ中はその値が２となり、それに続く予め定めた電極プラス極性ベース期間Ｔｂ中はその値が３となり、これらの動作を繰り返してパルス周期信号Ｔpbを出力する。第２切換回路ＳＷ２は、このパルス周期信号Ｔpb、上記のピーク電流設定信号Ｉpr、上記のベース電流設定信号Ｉbr及び上記の電極マイナス極性ベース電流設定信号Ｉnrを入力として、パルス周期信号Ｔpb＝１のとき上記の電極マイナス極性ベース電流設定信号Ｉnrを溶接電流設定信号Ｉｒとして出力し、パルス周期信号Ｔpb＝２のとき上記のピーク電流設定信号Ｉprを溶接電流設定信号Ｉｒとして出力し、パルス周期信号Ｔpb＝３のとき上記のベース電流設定信号Ｉbrを溶接電流設定信号Ｉｒとして出力する。溶接電流検出回路ＩＤは、溶接電流Ｉｗを検出し、その絶対値に変換して溶接電流検出信号Ｉｄを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の溶接電流設定信号Ｉｒと溶接電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。駆動回路ＤＶは、この電流誤差増幅信号Ｅｉを入力として、パルス幅変調制御を行い、この結果に基づいて上記のインバータ回路ＩＮＶを駆動するための駆動信号Ｄｖを出力する。

ワイヤ送給速度設定回路ＦＲは、溶接ワイヤ１のワイヤ送給速度を設定するための、ワイヤ送給速度設定信号Ｆｒを出力する。送給制御回路ＦＣは、このワイヤ送給速度設定信号Ｆｒを入力として、溶接ワイヤ１をワイヤ送給速度設定信号Ｆｒによって定まる速度で送給するための送給制御信号Ｆｃを上記のワイヤ送給モータＷＭに出力する。

２次側駆動回路ＤＶＳは、上記のパルス周期タイマ信号Ｔpb＝１のとき上記の電極マイナス極性駆動信号Ｎｄを出力し、パルス周期タイマ信号Ｔpb＝２又は３のとき上記の電極プラス極性駆動信号Ｐｄを出力する。これによって、電極マイナス極性ベース期間中は電極マイナス極性になり、電極プラス極性ピーク期間中及び電極プラス極性ベース期間中は電極プラス極性になる。

上記のピーク電流設定回路ＩＰＲ、ベース電流設定回路ＩＢＲ及び電極マイナス極性ベース電流設定回路ＩＮＲで使用した演算式について、以下説明する。溶接電流変化量信号ΔＩは、適正アーク長と現在のアーク長との誤差に比例っする電圧誤差に増幅率を乗じて算出される。この増幅率はアーク長制御系が安定となり、過渡応答性も良好になるように設定される。このときに積分要素及び微分要素を加えて一般的なＰＩＤ制御器としても良い。また、溶接電圧平滑値の代わりに、ピーク電圧を使用することもできる。これは、ピーク電圧値が電極プラス極性ピーク期間Ｔｐ中のアーク長と比例するので、このアーク長を制御することによっても溶接状態を安定化することができるためである。この溶接電流変化量信号ΔＩの値に（Ｔｎ＋Ｔｐ＋Ｔｂ）を乗じることで、第ｎ回目のパルス周期における溶接電流変化量の積分値が算出される。配分比率信号αは、この積分値を電極プラス極性ピーク期間に配分する比率を示す値である。したがって、１−αは、積分値をベース期間に配分する比率を示す値となる。例えば、α＝０．６のときは、積分値の６０％をピーク期間で負担し、残りの４０％をベース期間で負担することを意味している。さらに、ベース期間配分比率信号βは、ベース期間に配分された積分値を電極プラス極性ベース期間と電極マイナス極性ベース期間とに配分する比率を示す値である。例えば、α＝０．６及びβ＝０．７のときは、積分値の６０％が電極プラス極性ピーク期間で負担され、４０％×７０％＝２８％が電極プラス極性ベース期間で負担され、残りの１２％が電極マイナス極性ベース期間で負担されることになる。このようにして、ピーク電流設定信号Ｉpr、ベース電流設定信号Ｉbr及び電極マイナス極性ベース電流設定信号Ｉnrの各値が算出される。この場合、溶接電流平均値Ｉavの変化量はあくまでΔＩと等しくなる。したがって、アーク長制御系の安定性及び過渡応答性は保証されたままの状態を維持することになる。その上で、溶接状態が安定かするように配分比率α及びベース期間配分比率βを設定すれば良い。

また、上記の配分比率α及びベース期間配分比率ベータは、溶接法、溶接ワイヤの種類、母材材質等に応じて変化させても良い。

図６は、上述した関数α＝ｆ（Ｆｒ）及びβ＝ｇ（Ｆｒ）を例示する図である。同図の横軸はワイヤ送給速度設定信号Ｆｒ（m/min）を示し、縦軸は配分比率信号α及びベース期間配分比率信号βを示す。同図に示す関数ｆ（Ｆｒ）は上述した図３の関数と同一であり、Ｆｒ＝０m/minのときα＝０．６となり、Ｆｒ＝２０m/minのときα＝０．４となる右下がりの直線となっている。同図に示すように、関数ｇ（Ｆｒ）は、Ｆｒ＝０m/minのときβ＝０．４となり、Ｆｒ＝２０m/minのときβ＝０．６となる右上がりの直線となっている。このようにすることによって、ワイヤ送給速度が低速であるとき、すなわち、溶接電流平均値が小さいときは、αの値によってピーク電流への負担を大きくし、かつ、βの値によって電極マイナス極性ベース電流への負担を大きくし、よりベース電流への負担を軽くすることによって、小電流域での溶滴移行状態をさらに良好にしている。同図の関数は、あくまで一例であり、曲線状又は階段状に変化するようにしても良い。

上述した実施の形態３によれば、本発明を交流パルスアーク溶接に適用することができ、実施の形態１及び２と同様の効果を奏することができる。

本発明の実施の形態１に係る溶接電源のブロック図である。 本発明の実施の形態２に係る溶接電源のブロック図である。 本発明の実施の形態２において、ワイヤ送給速度設定信号Ｆｒと配分比率信号αとの関係を例示する図である。 本発明の実施の形態３に係るパルスアーク溶接の出力制御方法を示す電流・電圧波形図である。 本発明の実施の形態３に係る溶接電源のブロック図である。 本発明の実施の形態３において、ワイヤ送給速度設定信号Ｆｒと配分比率信号α及びベース期間配分比率信号βとの関係を例示する図である。 従来技術のパルスアーク溶接における電流・電圧波形図である。

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
Ｄ２ａ〜Ｄ２ｄ ２次整流器
ＤＶ 駆動回路
Ｄｖ 駆動信号
ＤＶＳ ２次側駆動回路
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＶ 電圧誤差増幅回路
ｆ（Ｆｒ） 関数
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＦＲ ワイヤ送給速度設定回路
Ｆｒ ワイヤ送給速度設定信号

Ｇ 増幅率
ｇ（Ｆｒ） 関数
ＨＲ 配分比率設定回路
ＨＲ２ 第２配分比率設定回路
ＨＲ３ 第３配分比率設定回路
Ｉav 溶接電流平均値
Ｉｂ ベース電流
ＩＢＲ ベース電流設定回路
Ｉbr ベース電流設定信号
ＩＤ 溶接電流検出回路
Ｉｄ 溶接電流検出信号
Ｉｎ 電極マイナス極性ベース電流
ＩＮＲ 電極マイナス極性ベース電流設定回路
Ｉnr 電極マイナス極性ベース電流設定信号
ＩＮＴ インバータトランス
ＩＮＶ インバータ回路
Ｉｐ ピーク電流
ＩＰＲ ピーク電流設定回路
Ｉpr ピーク電流設定信号
Ｉｒ 溶接電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
Ｎｄ 電極マイナス極性駆動信号
ＮＴＲ 電極マイナス極性トランジスタ
Ｐｄ 電極プラス極性駆動信号
ＰＭ 電源主回路
ＰＴＲ 電極プラス極性トランジスタ
ＳＷ 切換回路
ＳＷ２ 第２切換回路
Ｔｂ （電極プラス極性）ベース期間
Ｔｎ 電極マイナス極性ベース期間
Ｔｐ （電極プラス極性）ピーク期間
ＴＰＢ パルス周期タイマ回路
Ｔpb パルス周期（信号）
ＴＰＢ２ 第２パルス周期タイマ回路
Ｖav 溶接電圧平均値（溶接電圧平滑値）
Ｖｂ ベース電圧
ＶＤ 溶接電圧検出回路
Ｖｄ 溶接電圧検出信号
Ｖｎ 電極マイナス極性電圧
Ｖｐ ピーク電圧
ＶＲ 溶接電圧設定回路
Ｖｒ 溶接電圧設定（値／信号）
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＭ ワイヤ送給モータ
α 配分比率（信号）
β ベース期間配分比率（信号）
ΔＩ 溶接電流変化量（信号）
ΔＩｂ ベース電流変化量
ΔＩbr ベース電流設定値変化量
ΔＩｎ 電極マイナス極性ベース電流変化量
ΔＩnr 電極マイナス極性ベース電流設定値変化量
ΔＩｐ ピーク電流変化量
ΔＩpr ピーク電流設定値変化量
ΔＶ 電圧誤差

Claims (2)

1. 溶接ワイヤを予め定めたワイヤ送給速度で送給すると共に、予め定めたピーク期間Ｔｐ中はピーク電流設定値Ｉprに対応するピーク電流を通電し、予め定めたベース期間Ｔｂ中はベース電流設定値Ｉbrに対応するベース電流を通電し、これらの通電を１パルス周期として繰り返して溶接を行うパルスアーク溶接の出力制御方法において、
   第ｎ回目のパルス周期の開始に際して、予め定めた溶接電圧設定値と溶接電圧の検出値との電圧誤差に応じて溶接電流変化量ΔＩを算出し、配分比率α（０≦α≦１）を予め設定し、
   ピーク電流設定値変化量ΔＩpr＝ΔＩ×（Ｔｐ＋Ｔｂ）×α／Ｔｐを算出し、この値を第ｎ−１回目のパルス周期における前記ピーク電流設定値に加算して第ｎ回目のパルス周期における前記ピーク電流設定値Ｉprを算出して前記ピーク電流を制御し、
   ベース電流設定値変化量ΔＩbr＝ΔＩ×（Ｔｐ＋Ｔｂ）×（１−α）／Ｔｂを算出し、この値を第ｎ−１回目のパルス周期における前記ベース電流設定値に加算して第ｎ回目のパルス周期における前記ベース電流設定値Ｉbrを算出して前記ベース電流を制御する、
   ことを特徴とするパルスアーク溶接の出力制御方法。
2. 前記配分比率αが、前記ワイヤ送給速度に応じて変化する、
   ことを特徴とする請求項１記載のパルスアーク溶接の出力制御方法。

Images