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

Description

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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