JP5186227B2 - 溶接電源の出力制御方法 - Google Patents

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本発明は、溶接電源において適正インダクタンス値及び適正外部特性を所望値に設定することができる溶接電源の出力制御方法に関するものである。

図4は、一般的な消耗電極アーク溶接装置の構成図である。溶接電源PSは、外部特性が定電圧特性になるように出力制御されて、溶接に適した溶接電圧v及び溶接電流iを出力する。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内を通って送給されると共に、給電チップ4aを介して給電されて母材2との間でアーク3が発生する。

図5は、上述した溶接電源の外部特性の一例を示す図である。同図の横軸は溶接電流iを示し、縦軸は溶接電圧vを示す。同図は、一般的な消耗電極アーク溶接に使用される定電圧特性の場合である。同図において、i=0のときにv=Eであり、外部特性の傾きを−Rmとすると、外部特性は下式となる。
v=E−Rm・i

外部特性によって溶接状態の安定性が左右されるので、溶接法、母材材質、ワイヤ送給速度等の溶接条件に応じて最適な外部特性を電子的な制御によって形成する技術が開発されている(例えば、特許文献1、2参照)。

図6は、消耗電極アーク溶接の典型的な電圧・電流波形図である。同図(A)は溶接電圧vを示し、同図(B)は溶接電流iを示す。同図は、短絡期間Tsとアーク期間Taとを交互に繰り返す短絡移行溶接の場合である。時刻t1〜t2の短絡期間Ts中は、溶接ワイヤと母材とが短絡状態にあり、同図(A)に示すように、溶接電圧vは低い値となり、同図(B)に示すように、溶接電流iは次第に増加する。時刻t2〜t3のアーク期間Ta中は、溶接ワイヤと母材との間がアーク発生状態にあり、同図(A)に示すように、溶接電圧vはアーク電圧に増加し、同図(B)に示すように、溶接電流iは次第に減少する。溶接電流iの増加及び減少速度は、電流通電路のインダクタンス値と溶接負荷とによって決まる。インダクタンス値は、溶接電源の内部に設けられたリアクトルのインダクタンス値と、溶接用ケーブルの引き回しによって生じるインダクタンスとの合算値となる。溶接電流iの増加及び減少速度が適正であることが安定した溶接状態を得るための重要な要素の1つである。溶接法、母材材質、ワイヤ送給速度等の溶接条件によって適正な溶接電流iの増加及び減少速度は異なるために、溶接条件に応じて最適なインダクタンス値を設定する必要がある。

リアクトルは鉄芯にケーブルを巻いて作製されるが、その構造上インダクタンス値を変化させることは困難である。このために、リアクトルを電子制御によって形成する技術が開発されている(例えば、特許文献3参照)。この電子リアクトル制御方法では、溶接条件に応じた最適なインダクタンス値を形成することができる。以下、この従来技術について説明する。

図7(A)は、溶接電源PSの等価回路図である。Eは定電圧源を示し、Lmは適正インダクタンス値を示し、Rmは適正抵抗値を示す。抵抗値は溶接電源内部の配線抵抗値及び溶接用ケーブルの抵抗値の合算値となり、この値が外部特性の傾きを決めることになる。

同図の等価回路は下式で表すことができる。
E=Rm・i+Lm・di/dt+v ……(1)式
この式において、電流変化di/dt=0のときの溶接電圧vと溶接電流iとの関係が外部特性となる。di/dt=0を上式に代入すると、下式となる。
v=E−Rm・i
上式は図5で上述した外部特性を表すことになる。
上記(1)式を整理すると、下式となる。
di/dt=(E−v−Rm・i)/Lm
両辺を積分すると、下式となる。
i=∫((E−v−Rm・i)/Lm)・dt
ここで、溶接電流iを溶接電流制御設定値Ircに、出力電圧Eを出力電圧設定値Erに、適正外部特性傾きRmを外部特性傾き設定値Rrに、適正インダクタンス値Lmをインダクタンス設定値Lrにそれぞれ置換すると、下式となる。
Irc=∫((Er−v−Rr・i)/Lr)・dt ……(2)式
この式に対応する等価回路を図7(B)に示す。同図において、溶接電圧v及び溶接電流iを検出し、定電流源CCの溶接電流iに相当する溶接電流制御設定値Ircが、上記(2)式の演算値となるように制御する。

上述した制御を行うことによって、所望のインダクタンス値Lr及び所望の外部特性の傾き−Rrを電子的に形成することができる。

特開平6−170538号公報 特開平7−1130号公報 特開2003−305571号公報

従来技術では、所望のインダクタンス値Lr及び外部特性の傾き−Rrを電子的に形成することができるので、溶接状態を安定化することができる。しかし、この従来技術で形成することができる外部特性は、Rr>0であるので傾き−Rr<0となる右下がりの直線の場合のみである。

スパッタ発生量の削減、ビード外観の向上等の溶接品質をさらに工場させるためには、図8に示すような折れ線の外部特性L1を形成する必要がある。同図に示す外部特性L1は、i≦It1では右下がりの垂下特性となり、It1>iでは右上がりの上昇特性となる。このような折れ線の外部特性L1を形成すると共に、所望のインダクタンス値Lrを形成する必要がある。

そこで、本発明では、折れ線の外部特性及び所望のインダクタンス値を同時に電子的に形成することができる溶接電源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、
溶接電流検出値idを入力として溶接電源の出力電圧設定値Erを出力する外部特性関数を予め設定し、この外部特性関数はワイヤ送給速度によって異なる関数として設定され、溶接電源の適正インダクタンス値を設定するインダクタンス設定値Lrを予め設定し、
溶接中の溶接電流及び溶接電圧を検出し、この溶接電流検出値idを入力して前記外部特性関数によって出力電圧設定値Erを算出し、この出力電圧設定値Er、前記溶接電圧検出値vd及び前記インダクタンス設定値Lrを入力として電流設定変化量ΔIr=(Er−vd)/Lrを算出し、この電流設定変化量ΔIrを積分して溶接電流制御設定値を算出し、前記溶接電流検出値idが前記溶接電流制御設定値と略等しくなるように出力を制御する、
ことを特徴とする溶接電源の出力制御方法である。

第2の発明は、前記外部特性関数を、溶接状態が短絡状態のときとアーク発生状態のときとで異なる関数として設定する、
ことを特徴とする第1の発明記載の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、所望の折れ線の外部特性を形成することができ、かつ、所望のインダクタンス値を形成することができる。このために、溶接条件に応じて外部特性及びインダクタンス値を適正化することができ、溶接状態の安定性を向上させることができる。形成することができる外部特性は、定電圧特性、上昇特性、垂下特性及びこれらの複合した特性である。さらに、上記第1の発明によれば、ワイヤ送給速度に応じて外部特性を最適化することができる。同時に、所望のインダクタンス値を形成することができる。このために、種々な溶接条件に応じて外部特性及びインダクタンス値を最適化することができるので、さらに溶接品質を向上させることができる。

上記第2の発明によれば、短絡状態とアーク発生状態とで各々異なった最適な外部特性を形成することができる。同時に、所望のインダクタンス値を形成することができる。このために、種々な溶接条件に応じて外部特性及びインダクタンス値を最適化することができるので、さらに溶接品質を向上させることができる。

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]
本発明に係る溶接電源の出力制御方法のための基本演算式を以下に説明する。出力電圧設定値Er、インダクタンス設定値Lr、外部特性傾き設定値Rr、溶接電流i、溶接電圧v及び溶接電流制御設定値Ircの間に、上述した(2)式が成立する。
Irc=∫((Er−v−Rr・i)/Lr)・dt
ここで、(Er−Rr・i)は上述したように外部特性を表すので、これを拡張して関数Er(i)として置換すると下式となる。
Irc=∫((Er(i)−v)/Lr)・dt ……(3)式
この演算式が本発明の基本演算式となる。

図1は、折れ線で示される外部特性の関数Er(i)の一例を示す図である。同図の横軸は溶接電流iを示し縦軸は出力電圧設定値Erを示す。この折れ線の外部特性関数は下式で表すことができる。
i≦It1 Er=a11・i+b11 ……(4)式
It1<i Er=a12・i+b12 ……(5)式
但し、a11、b11、a12及びb12は定数である。傾きa11<0となり、傾きa12>0となる。したがって、(4)式は垂下特性を表し、(5)式は上昇特性を表す。以下、(3)〜(5)式に基づいた本発明の出力制御方法について説明する。

同図に示すように、溶接中の任意の時点における溶接電流がi=i1である場合、It1≦i1であるので、上記(5)式によって下記のように出力電圧設定値Erが算出される。
Er=a12・i1+b12
この値を上記(3)式に代入し刻々と積分して溶接電流制御設定値Ircを算出する。そして、溶接電流iがこの溶接電流制御設定値Ircと略等しくなるように溶接電源の出力を制御する。

図2は、本発明の実施の形態1に係る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等の商用電源を入力として、後述する誤差増幅信号Eiに従ってインバータ制御等の出力制御を行い、出力電圧E及び溶接電流iを出力する。この電源主回路PMは、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平滑コンデンサ、平滑された直流を高周波交流に変換するインバータ回路、高周波交流を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直流に整流する2次整流器、誤差増幅信号Eiを入力としてパルス幅変調制御を行う変調回路、パルス幅変調制御信を入力としてインバータ回路のスイッチング素子を駆動する駆動回路から構成される。溶接電流iの通電経路には抵抗値Rio及びリアクトルDCLによるインダクタンス値Lioが存在する。抵抗値Rioは、溶接電源の内部及び外部の配線による抵抗値である。インダクタンス値Lioは、溶接電源内部に設けられたリアクトル及び溶接用ケーブルの引き回しによるリアクトルの合算したインダクタンス値である。通常、この抵抗値Rioは0.01〜0.05Ω程度であり、インダクタンス値Lioは20〜50μH程度である。

溶接ワイヤ1は、ワイヤ送給モータ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ないを送給されて、母材2との間にアーク3が発生する。

電流検出回路IDは、溶接電流iを検出して、電流検出信号idを出力する。電圧検出回路VDは、溶接電圧vを検出して、電圧検出信号vdを出力する。外部特性関数回路ERFには外部特性関数(例えば、上記の(4)〜(5)式)が内臓されており、上記の電流検出信号idを入力として出力電圧設定信号Erを出力する。

インダクタンス設定回路LRは、予め定めたインダクタンス設定信号Lrを出力する。電流設定変化量算出回路DIRは、上記の出力電圧設定信号Er、上記のインダクタンス設定信号Lr及び上記の電圧検出信号vdを入力として、電流設定変化量信号ΔIr=(Er−v)/Lrを算出する。電流設定積分回路IIRは、この電流設定変化量信号ΔIrを積分して、溶接電流制御設定信号Ircを出力する。これら電流設定変化量算出回路DIR及び電流設定積分回路IIRによって、上記の(3)式を演算していることになる。

電流誤差増幅回路EIは、上記の溶接電流制御設定信号Ircと電流検出信号idとの誤差を増幅して、誤差増幅信号Eiを出力する。

上記の構成によって、図1に示す外部特性を形成することができる。このときに、溶接用ケーブルの長さが変化して抵抗値Rioが変化しても形成される外部特性には影響を与えない。同時に、上記の構成によって、インダクタンス設定信号Lrによって設定されたインダクタンス値に設定することができる。このときに、溶接用ケーブルの引き回しが変化してインダクタンス値Lioが変化しても設定される通電経路のインダクタンス値は設定値Lrと等しくなるように制御される。

上述した実施の形態1によれば、所望の折れ線の外部特性を形成することができ、かつ、所望のインダクタンス値を形成することができる。このために、溶接条件に応じて外部特性及びインダクタンス値を適正化することができ、溶接状態の安定性を向上させることができる。形成することができる外部特性は、定電圧特性、上昇特性、垂下特性及びこれらの複合した特性である。

[実施の形態2]
図3は、本発明の実施の形態2に係る外部特性関数を示す図である。同図の横軸は溶接電流iを示し、縦軸は出力電圧設定値Erを示す。同図は上述した図1と対応しており、外部特性L1は同一である。以下、同図を参照して説明する。

同図は、3つの外部特性L1〜L3から構成されている。外部特性L1の関数は上述した(4)及び(5)式となる。外部特性L2は以下の関数となる。
i≦It1 Er=a21・i+b21
It1<i≦It2 Er=a22・i+b22
It2<i Er=a23・i+b23
また、外部特性L3は下式で表すことができる。
i≦It1 Er=a31・i+b31
It1<i Er=a32・i+b32

外部特性L1は溶接状態がアーク発生状態であり、かつ、ワイヤ送給速度が基準値以下であるときに選択される。外部特性L2は溶接状態が短絡状態であるときに選択される。外部特性L3は溶接状態がアーク発生状態であり、かつ、ワイヤ送給速度が上記基準値を超えているときに選択される。このように、溶接状態及び溶接条件に応じて複数の外部特性を形成するようにすることによって、さらに溶接品質を向上させることができる。上記以外の溶接状態としては、短絡状態の経過時間、アーク発生状態の経過時間、溶接異常の発生等がある。また、上記以外の溶接条件としては、溶接法、母材材質、溶接ワイヤの種類等がある。これらの溶接状態及び溶接条件に応じて外部特性を最適化して複数個を記憶し、これらの中から最適な外部特性を選択するようにする。

本実施の形態を実施するための溶接電源のブロック図は、上述した図2において外部特性関数回路ERFを以下のように変更したものである。本実施の形態における外部特性関数回路ERFは、図3に示すような複数個の外部特性関数を内蔵しており、短絡/アーク判別信号及びワイヤ送給速度信号によって外部特性L1〜L3の中から1つが選択される。これ以外のブロックの動作は図2と同一である。

上述した実施の形態2によれば、短絡状態とアーク発生状態とで各々異なった最適な外部特性を形成することができる。また、ワイヤ送給速度に応じて異なる外部特性を形成することができる。このときに、同時に、所望のインダクタンス値を形成することができる。このために、種々な溶接条件に応じて外部特性及びインダクタンス値を最適化することができるので、さらに溶接品質を向上させることができる。

本発明は、炭酸ガスアーク溶接、ミグ溶接、マグ溶接、交流消耗電極アーク溶接等に適用することができる。

本発明の実施の形態1に係る外部特性を示す図である。 本発明の実施の形態1に係る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。 本発明の実施の形態2に係る外部特性を示す図である。 一般的な消耗電極アーク溶接装置の構成図である。 従来技術における外部特性を示す図である。 消耗電極アーク溶接の電圧・電流波形図である。 従来技術における溶接電源の出力制御方法を説明するための等価回路図である。 課題を説明するための外部特性図である。

符号の説明

1 溶接ワイヤ
2 母材
3 アーク
4 溶接トーチ
4a 給電チップ
5 送給ロール
CC 定電流源
DCL リアクトル
DIR 電流設定変化量算出回路
E 出力電圧
EI 電流誤差増幅回路
Ei 誤差増幅信号
Er 出力電圧設定(値/信号)
ERF 外部特性関数回路
i 溶接電流
ID 電流検出回路
id 電流検出信号
IIR 電流設定積分回路
Irc 溶接電流制御設定(値/信号)
L1〜L3 外部特性
Lio インダクタンス値
Lm 適正インダクタンス値
LR インダクタンス設定回路
Lr インダクタンス設定(値/信号)
PM 電源主回路
PS 溶接電源
Rio 抵抗値
Rr 外部特性傾き設定値
Ta アーク期間
Ts 短絡期間
v 溶接電圧
VD 電圧検出回路
vd 電圧検出信号
WM ワイヤ送給モータ
ΔIr 電流設定変化量(信号)

Claims (2)

  1. 溶接電流検出値idを入力として溶接電源の出力電圧設定値Erを出力する外部特性関数を予め設定し、この外部特性関数はワイヤ送給速度によって異なる関数として設定され、溶接電源の適正インダクタンス値を設定するインダクタンス設定値Lrを予め設定し、
    溶接中の溶接電流及び溶接電圧を検出し、この溶接電流検出値idを入力して前記外部特性関数によって出力電圧設定値Erを算出し、この出力電圧設定値Er、前記溶接電圧検出値vd及び前記インダクタンス設定値Lrを入力として電流設定変化量ΔIr=(Er−vd)/Lrを算出し、この電流設定変化量ΔIrを積分して溶接電流制御設定値を算出し、前記溶接電流検出値idが前記溶接電流制御設定値と略等しくなるように出力を制御する、
    ことを特徴とする溶接電源の出力制御方法。
  2. 前記外部特性関数を、溶接状態が短絡状態のときとアーク発生状態のときとで異なる関数として設定する、
    ことを特徴とする請求項1記載の溶接電源の出力制御方法。
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