JP5280268B2 - 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５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大電流値のピーク電流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小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滑値Ｖｆと略比例関係にある。この溶接電圧平滑値Ｖｆは、溶接電圧Ｖｗからローパスフィルタ等によって高周波成分を除去して算出される。この溶接電圧平滑値Ｖｆを算出し、この算出値が適正アーク長に相当する溶接電圧設定値Ｖｒ（図示は省略）と等しくなるように同図（Ａ）の破線で示す溶接電流平滑値Ｉｆを変化させる出力制御を行う。溶接電圧平滑値Ｖｆが溶接電圧設定値Ｖｒ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、溶接電流平滑値Ｉｆ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。逆に、溶接電圧平滑値Ｖｆが溶接電圧設定値Ｖｒ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、溶接電流平滑値Ｉｆ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、溶接電流平滑値Ｉｆ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を所定値に固定し、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滑値Ｉｆ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ことが望ましい。また、溶接トーチのウィービングとピーク期間Ｔｐとを同期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。また、アルミニウム材のパルスアーク溶接（ミグパルス溶接）においても、パルス周期Ｔpbが一定値となる電流値変調制御の方が、パルス周期Ｔpbが変化する周波数制御及びピーク期間Ｔｐが変化するパルス幅変調制御に比べてビード外観が良好になる傾向がある。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。また、溶接電圧Ｖｗを検出し、この検出値を処理して溶接電圧平滑値Ｖｆを算出する。溶接電圧設定値Ｖｒと溶接電圧平滑値Ｖｆとの電圧誤差ΔＶ＝（Ｖｒ−Ｖｆ）を算出する。この誤差ΔＶに予め定めた増幅率Ｇを乗じて溶接電流修正量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をこの溶接電流修正量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滑値Ｉｆを変化させるのが電流値変調制御である。このときに、ピーク電流Ｉｐ又はベース電流Ｉｂのみを変化させるようにする場合もある。

上記の図５を用いて、電流値変調制御について、さらに具体的に説明する。時刻ｔ１から第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)が開始される。この時刻ｔ１において、上述した溶接電流修正量ΔＩ＝Ｇ・（Ｖｒ−Ｖｆ）を算出する。時刻ｔ１〜ｔ２のピーク期間Ｔｐ中はピーク電流Ｉｐ(n)＝Ｉｐ(n-1)＋ΔＩを通電し、続いて時刻ｔ２〜ｔ３のベース期間Ｔｂ中はベース電流Ｉｂ(n)＝Ｉｂ(n-1)＋ΔＩを通電する。ここで、Ｉｐ(n-1)は第ｎ−１回目のパルス周期Ｔpb(n-1)におけるピーク電流値であり、Ｉｂ(n-1)は第ｎ−１回目のパルス周期Ｔpb(n-1)におけるベース電流値である。時刻ｔ３において、第ｎ＋１回目のパルス周期Ｔpb(n+1)が開始されると上記と同様の動作を繰り返す。このようにして、電流値変調制御が行われる。

特開２００４−２３７３４２号公報

上述した電流値変調制御によるアーク長制御においては、溶接状態を安定化するために、フィードバック制御系の増幅率Ｇを比較的小さく設定する必要がある。これは、ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂには、溶接状態が安定化するための許容変化範囲がある。ピーク電流Ｉｐがこの許容変化範囲よりも大きくなると、アーク力が強くなり過ぎてアンダーカット等の溶接欠陥が発生しやすくなる。逆に、ピーク電流Ｉｐが許容変化範囲よりも小さくなると、溶滴移行状態が不安定になる。また、ベース電流Ｉｂが許容変化範囲よりも大きくなると、溶滴が大きく成長するために、溶滴移行状態が不安定になる。逆に、ベース電流Ｉｂが許容変化範囲よりも小さくなると、アーク切れが発生しやすくなる。したがって、上記の溶接電流修正量ΔＩが電圧誤差ΔＶに対してあまり大きな値になると、ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂが各々の許容変化範囲外になりやすくなる。これを抑制するために、増幅率Ｇは比較的小さな値に設定される。

上述したように、電流値変調制御系ではその増幅率Ｇを比較的小さく設定しているために、アーク長変動に対する過渡応答性が遅くなる。この結果、ワイヤ送給速度、ワイヤ突き出し長さ等が大きく変動してアーク長が大きく変動した場合、過渡応答性が遅いためにアーク長が適正値に復帰するのに時間がかかることになる。

そこで、本発明では、電流値変調制御において、溶接状態を安定状態に維持したままで、アーク長の変動に対する過渡応答性を速く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し、予め定めたピーク期間中のピーク電流の通電と予め定めたベース期間中のベース電流の通電とを１パルス周期として繰り返し、溶接電圧を検出し、この溶接電圧検出値Ｖｄを平滑して溶接電圧平滑値を算出し、この溶接電圧平滑値が予め定めた溶接電圧設定値Ｖｒと等しくなるように前記ピーク電流及び／又は前記ベース電流を制御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時点からの経過時間をｔとして、平均値Ｖav＝（１／ｔ）・∫Ｖｗ・ｄｔを刻々と算出し、
前記経過時間ｔが前記ピーク期間と前記ベース期間との加算値と等しくなる前に、Ｖav＝Ｖｒ−ａ（ａは正の定数）が成立したときはその時点で第ｎ回目のパルス周期を終了する、
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、前記経過時間ｔが前記加算値と等しくなった時点で、Ｖav≦Ｖｒ＋ｂ（ｂは正の定数）が成立したときはその時点で第ｎ回目のパルス周期を終了し、
前記経過時間ｔが前記加算値と等しくなった時点で、Ｖav＞Ｖｒ＋ｂが成立したときはＶav＝Ｖｒ＋ｂが成立するまで前記ベース期間を延長した後に第ｎ回目のパルス周期を終了する、
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。

第３の発明は、前記定数ａは、溶接ワイヤの材質、溶接ワイヤの直径又はワイヤ送給速度に応じて適正値に設定される
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。

第４の発明は、前記定数ａ及び定数ｂは、溶接ワイヤの材質、溶接ワイヤの直径又はワイヤ送給速度に応じて適正値に設定される
ことを特徴とする第２の発明記載のパルスアーク溶接の出力制御方法である。

本発明によれば、電流値変調制御によるアーク長制御に加えて、外乱によるアーク長の変動が大きい場合には、パルス周期の長さを変化させる周波数変調制御を行っている。このために、アーク長制御系において、定常安定性と過渡応答性を共に良好にすることができ、高品質な溶接を行うことができる。

本発明の実施の形態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。 アーク長の変動が小さい場合における図１の各信号のタイミングチャートである。 アーク長の変動が短くなる方向へ大きい場合における図１の各信号のタイミングチャートである。 アーク長の変動が長くなる方向へ大きい場合における図１の各信号のタイミングチャートである。 従来技術におけるパルスアーク溶接の電流・電圧波形図である。

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。

図１は、本発明の実施の形態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、溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する。溶接電圧平滑回路ＶＦは、この溶接電圧検出信号Ｖｄを入力として平滑し、溶接電圧平滑信号Ｖｆを出力する。この平滑方法としては、ローパスフィルタを使用して高周波成分を除去する。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と上記の溶接電圧平滑信号Ｖｆ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修正量信号ΔＩを出力する。

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、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修正量信号ΔＩを入力として、ピーク電流設定信号Ｉpr＝Ｉpr(n-1)＋ΔＩを出力する。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、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修正量信号ΔＩを入力として、ベース電流設定信号Ｉbr＝Ｉbr(n-1)＋ΔＩを出力する。

平均値算出回路ＶＡＶは、上記の溶接電圧検出信号Ｖｄを入力として、第ｎ回目のパルス周期の開始時点から平均値信号Ｖav＝（１／ｔ）・∫Ｖｄ・ｄｔを算出して出力する。ここで、ｔは第ｎ回目のパルス周期の開始時点からの経過時間である。ピーク期間設定回路ＴＰＲは、予め定めたピーク期間設定信号Ｔprを出力する。ベース期間設定回路ＴＢＲは、予め定めたベース期間設定信号Ｔbrを出力する。パルス周期タイマ回路ＴＰＢは、上記のピーク期間設定信号Ｔpr、上記のベース期間設定信号Ｔbr、上記の溶接電圧設定信号Ｖｒおよび上記の平均値信号Ｖavを入力として、以下の処理を行い、パルス周期信号Ｔpbを出力する。
（１）第ｎ回目のパルス周期の開始時点からの経過時間をｔとして、０≦ｔ＜ＴprのときはＨｉｇｈレベルのパルス周期信号Ｔpbを出力する。
（２）ｔ＝Ｔprとなった時点で、Ｌｏｗレベルのパルス周期信号Ｔpbを出力する。
（３）ｔ＜Ｔpr＋Ｔbrの期間中に、Ｖav＜Ｖｒ−ａ（但し、ａは正の定数）となったときは、その時点でＨｉｇｈレベルのパルス周期信号Ｔpbを出力する。すなわち、この時点で第ｎ回目のパルス周期が終了して、第ｎ＋１回目のパルス周期が開始される。
（４）ｔ＝Ｔpr＋Ｔbrとなった時点で、Ｖav≦Ｖｒ＋ｂ（但し、ｂは正の定数）が成立するときは、Ｈｉｇｈレベルのパルス周期信号Ｔpbを出力する。すなわち、この時点で第ｎ回目のパルス周期が終了して、第ｎ＋１回目のパルス周期が開始される。
（５）ｔ＝Ｔpr＋Ｔbrとなった時点で、Ｖav＞Ｖｒ＋ｂが成立するときは、Ｖav＝Ｖｒ＋ｂが成立するまでＬｏｗレベルであるパルス周期信号Ｔpbの出力を継続し、成立した時点でＨｉｇｈレベルのパルス周期信号Ｔpbを出力する。すなわち、この時点で第ｎ回目のパルス周期が終了して、第ｎ＋１回目のパルス周期が開始される。

上述したように、第ｎ回目のパルス周期が終了するのは、上記（３）〜（５）のいずれか１つの場合となる。ここで、Ｔpr＋Ｔbrを基準パルス周期と呼ぶことにすると、第ｎ回目のパルス周期がこの基準パルス周期と等しくなる条件は、経過時間ｔが基準パルス周期に達した時点で、Ｖｒ−ａ≦Ｖav≦Ｖｒ＋ｂが成立する場合である。このために、ａ及びｂは許容変動範囲を決めるための定数であり、Ｖｒ−ａは許容変動範囲の下限値を示し、Ｖｒ＋ｂは許容変動範囲の上限値を示すことになる。したがって、上記の動作を換言すれば、経過時間ｔが基準パルス周期に達する前に平均値Ｖavが下限値を下回るときはその時点で早めにパルス周期を終了し、経過時間ｔが基準パルス周期に達した時点で平均値Ｖavが許容変動範囲内にあるときはその時点でパルス周期を終了し、経過時間ｔが基準パルス周期に達した時点で平均値Ｖavが上限値を上回っているときは上限値に低下するまでパルス周期を延長する。

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）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）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と上記の溶接電流検出信号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電源主回路ＰＭに含まれる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。

上記の溶接電源においては、アーク長制御は基本的には電流値変調制御によって行われている。すなわち、第ｎ回目のパルス周期の開始時点において、溶接電圧平滑信号Ｖｆの値と溶接電圧設定信号Ｖｒの値との誤差増幅値に基づいて溶接電流修正量信号ΔＩの値が算出される。そして、第ｎ回目のパルス周期におけるピーク電流値及びベース電流値がこの溶接電流修正量信号ΔＩの値だけ増減することになり、この電流値変調制御によってアーク長は適正値に制御される。このときに、外乱によるアーク長の変動が大きくない場合には、上述したように、基準パルス周期（Ｔpr＋Ｔbr）に達した時点での平均値信号Ｖavの値は許容変動範囲（Ｖｒ−ａ≦Ｖav≦Ｖｒ＋ｂ）内にあるために、第ｎ回目のパルス周期は基準パルス周期と等しくなる。外乱によるアーク長の変動が大きくない場合とは、定常状態で溶接を行っている場合であるので、このような場合には、一定のパルス周期（基準パルス周期）で電流値変調制御が行われることになる。これに対して、外乱によるアーク長の変動が大きい場合には、上述したように、電流値変調制御に加えて、パルス周期を制御（周波数変調制御）することになる。アーク長が短くなる方向へ大きく変動した場合には、平均値信号Ｖavの値は経過時間が基準パルス周期に達する前に下限値（Ｖｒ−ａ）を下回ることになる。このときに、第ｎ回目のパルス周期を終了させることで、アーク長の変動を迅速に適正値に復帰させることができる。逆に、アーク長が長くなる方向へ大きく変動した場合には、平均値信号Ｖavの値は経過時間が基準パルス周期に達した時点でも上限値（Ｖｒ＋ｂ）を上回ることになる。このときは、平均値信号Ｖavの値が上限値に低下するまで第ｎ回目のパルス周期を延長した後に終了させる。これにより、アーク長の変動を迅速に適正値に復帰させることができる。

上記においては、電流値変調制御によってピーク電流及びベース電流が変化する場合を例示したが、ピーク電流又はベース電流の一方だけが変化するようにしても良い。上記の定数ａ及び定数ｂは、許容変動範囲を決めるための定数であるので、定常安定性及び過渡応答性を考慮して適正値に設定する。すなわち、定数ａ及び定数ｂが大き過ぎると、アーク長が大きく変動したときの過渡応答性が遅くなることになる。逆に、小さくなり過ぎると、アーク長の小さな変動に対してもパルス周期が頻繁に変化することになり、定常安定性が低下することになる。したがって、定数ａ及び定数ｂは、溶接ワイヤの材質、直径、ワイヤ送給速度等に応じて適正値に設定することが望ましい。定数ａ及び定数ｂは、例えば０.０５〜１．００Ｖ程度の範囲で設定される。また、上記の溶接電圧平滑信号Ｖｆとして、第ｎ回目のパルス周期が開始する時点においては、第ｎ−１回目のパルス周期終了時点における平均値信号Ｖav(n-1)を使用しても良い。このようにすれば、溶接電圧検出信号Ｖｄを平滑して溶接電圧平滑信号Ｖｆを算出する必要がなくなる。この第ｎ−１回目のパルス周期終了時点における平均値信号Ｖav(n-1)も、１パルス周期の溶接電圧を平滑した信号であると言える。

さらに、上記においては、パルス周期を基準パルス周期よりも短く制御する場合及び長く制御する場合の両制御を共に行う場合を例示した。しかし、アーク長は長くなる変動よりも短くなる変動の方が溶接品質に与える影響が大きい。このために、アーク長が短くなる方向に大きく変動したときにパルス周期を基準パルス周期よりも短くする制御だけを行うようにしても良い。この場合には、上記のパルス周期タイマ回路ＴＰＢの動作が以下のようになる。上記（１）〜（３）の動作は同一である。上記（４）〜（５）の動作が以下の（４）の動作に変更される。この場合には、定数ｂは不要である。
（４）ｔ＝Ｔpr＋Ｔbrとなった時点で、Ｈｉｇｈレベルのパルス周期信号Ｔpbを出力する。すなわち、この時点で第ｎ回目のパルス周期が終了して、第ｎ＋１回目のパルス周期が開始される。

以下においては、アーク長の変動が小さいために第ｎ回目のパルス周期が基準パルス周期と等しくなる場合（図２）、アーク長の変動が短くなる方向へ大きいために第ｎ回目のパルス周期が基準パルス周期よりも短くなる場合（図３）及びアーク長の変動が長くなる方向へ大きいために第ｎ回目のパルス周期が基準パルス周期よりも長くなる場合（図４）について、タイミングチャートを用いて説明する。

図２は、アーク長の変動が小さいために第ｎ回目のパルス周期が基準パルス周期と等しくなる場合における、図１で上述した溶接電源の各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗを示し、同図（Ｃ）は平均値信号Ｖavを示し、同図（Ｄ）はパルス周期信号Ｔpbを示す。以下、同図を参照して説明する。

同図において、時刻ｔ１〜ｔ２の期間が図１のピーク期間設定信号Ｔprによって定まる所定値となり、時刻ｔ２〜ｔ３の期間が図１のベース期間設定信号Ｔbrによって定まる所定値となる。したがって、同図では、時刻ｔ１〜ｔ２の期間をＴprと表示し、時刻ｔ２〜ｔ３の期間をＴbrと表示している。ピーク期間設定信号Ｔprの値とベース期間設定信号Ｔbrの値との加算値（Ｔpr＋Ｔbr）が基準パルス周期Ｔｓとなる。したがって、時刻ｔ１〜ｔ３の期間が基準パルス周期Ｔｓとなる。

時刻ｔ１から第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)が開始し、後述するように、時刻ｔ３において終了する。したがって、同図では、時刻ｔ１〜ｔ３の期間をＴpb(n)とも表示している。同図（Ｂ）において、破線は溶接電圧Ｖｗを平滑した溶接電圧平滑信号Ｖｆを示す。アーク長の変動が小さい場合であるので、この溶接電圧平滑信号Ｖｆは略直線となる。また、同図（Ｃ）において、破線で示す直線は溶接電圧設定信号Ｖｒであり、予め定めた一定値である。時刻ｔ１において、上記の溶接電圧平滑信号Ｖｆの値と上記の溶接電圧設定信号Ｖｒの値との誤差増幅値に基づいて溶接電流修正量が算出されて、第ｎ回目のパルス周期におけるピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂが決定される。

同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２の期間中は上記のピーク電流Ｉｐが通電し、時刻ｔ２〜ｔ３の期間中は上記のベース電流Ｉｂが通電する。また、同図（Ｂ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２の期間はピーク電圧Ｖｐが印加し、時刻ｔ２〜ｔ３の期間はベース電圧Ｖｂが印加する。同図（Ｃ）に示すように、平均値信号Ｖavは、時刻ｔ１〜ｔ２の期間はその値が上記のピーク電圧Ｖｐと等しくなり、時刻ｔ２〜ｔ３の期間中は次第に小さくなる。そして、時刻ｔ３において、平均値信号Ｖavの値は破線で示す溶接電圧設定信号Ｖｒの値よりも少し小さな値であるＶ１になる。ここで、Ｖｒ−ａ≦Ｖ１≦Ｖｒ＋ｂの場合であるので、第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)は終了する。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、パルス周期信号Ｔpbは、時刻ｔ１においてＨｉｇｈレベルになり、上記のピーク期間設定信号Ｔprで定まる期間が経過する時刻ｔ２においてＬｏｗレベルになる。そして、パルス周期信号Ｔpbは、基準パルス周期Ｔｓが経過した時点（時刻ｔ３）での平均値信号Ｖavの値が許容変動範囲内にあるために、Ｈｉｇｈレベルになる。この結果、時刻ｔ３において、第ｎ回目のパルス周期が終了して、第ｎ＋１回目のパルス周期が開始される。上記の動作を繰り返すことになる。このようにして、アーク長の変動が小さい場合には、第ｎ回目のパルス周期は基準パルス周期Ｔｓと等しくなる。

図３は、アーク長の変動が短くなる方向へ大きいために第ｎ回目のパルス周期が基準パルス周期よりも短くなる場合における、図１で上述した溶接電源の各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗを示し、同図（Ｃ）は平均値信号Ｖavを示し、同図（Ｄ）はパルス周期信号Ｔpbを示す。同図は上述した図２と対応している。以下、同図を参照して説明する。

同図において、上述した図２と同様に、時刻ｔ１〜ｔ２の期間が図１のピーク期間設定信号Ｔprによって定まる所定値となり、時刻ｔ２〜ｔ３の期間が図１のベース期間設定信号Ｔbrによって定まる所定値となる。したがって、同図では、時刻ｔ１〜ｔ２の期間をＴprと表示し、時刻ｔ２〜ｔ３の期間をＴbrと表示している。ピーク期間設定信号Ｔprの値とベース期間設定信号Ｔbrの値との加算値（Ｔpr＋Ｔbr）が基準パルス周期Ｔｓとなる。したがって、時刻ｔ１〜ｔ３の期間が基準パルス周期Ｔｓとなる。

時刻ｔ１から第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)が開始し、後述するように、時刻ｔ３よりも前の時刻ｔ２１において終了する。したがって、同図では、時刻ｔ１〜ｔ２１の期間をＴpb(n)と表示している。同図（Ｂ）において、破線は溶接電圧Ｖｗを平滑した溶接電圧平滑信号Ｖｆを示す。アーク長の変動が短くなる方向へ大きい場合であるので、この溶接電圧平滑信号Ｖｆは時刻ｔ１以前よりも少し小さな値となる。また、同図（Ｃ）において、破線で示す直線は溶接電圧設定信号Ｖｒであり、予め定めた一定値である。時刻ｔ１において、上記の溶接電圧平滑信号Ｖｆの値と上記の溶接電圧設定信号Ｖｒの値との誤差増幅値に基づいて溶接電流修正量が算出されて、第ｎ回目のパルス周期におけるピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂが決定される。

同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２の期間中は上記のピーク電流Ｉｐが通電し、時刻ｔ２〜ｔ２１の期間中は上記のベース電流Ｉｂが通電する。また、同図（Ｂ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２の期間はピーク電圧Ｖｐが印加し、時刻ｔ２〜ｔ２１の期間はベース電圧Ｖｂが印加する。同図（Ｃ）に示すように、平均値信号Ｖavは、時刻ｔ１〜ｔ２の期間はその値が上記のピーク電圧Ｖｐと等しくなり、時刻ｔ２〜ｔ２１の期間中は次第に小さくなる。そして、時刻ｔ２１において、平均値信号Ｖavの値は破線で示す溶接電圧設定信号Ｖｒの値よりも小さな値であるＶ２になる。ここで、Ｖ２＜Ｖｒ−ａが成立した瞬間であるので、第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)は終了する。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、パルス周期信号Ｔpbは、時刻ｔ１においてＨｉｇｈレベルになり、上記のピーク期間設定信号Ｔprで定まる期間が経過する時刻ｔ２においてＬｏｗレベルになる。そして、パルス周期信号Ｔpbは、基準パルス周期Ｔｓが経過する前の時点（時刻ｔ２１）での平均値信号Ｖavの値が許容変動範囲の下限値を下回ったために、Ｈｉｇｈレベルになる。この結果、時刻ｔ２１において、第ｎ回目のパルス周期が終了して、第ｎ＋１回目のパルス周期が開始される。上記の動作を繰り返すことになる。このようにして、アーク長の変動が短くなる方向へ大きい場合には、第ｎ回目のパルス周期は基準パルス周期Ｔｓよりも短くなる。

図４は、アーク長の変動が長くなる方向へ大きいために第ｎ回目のパルス周期が基準パルス周期よりも長くなる場合における、図１で上述した溶接電源の各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗを示し、同図（Ｃ）は平均値信号Ｖavを示し、同図（Ｄ）はパルス周期信号Ｔpbを示す。同図は上述した図２及び図３と対応している。以下、同図を参照して説明する。

同図において、上述した図２と同様に、時刻ｔ１〜ｔ２の期間が図１のピーク期間設定信号Ｔprによって定まる所定値となり、時刻ｔ２〜ｔ３の期間が図１のベース期間設定信号Ｔbrによって定まる所定値となる。したがって、同図では、時刻ｔ１〜ｔ２の期間をＴprと表示し、時刻ｔ２〜ｔ３の期間をＴbrと表示している。ピーク期間設定信号Ｔprの値とベース期間設定信号Ｔbrの値との加算値（Ｔpr＋Ｔbr）が基準パルス周期Ｔｓとなる。したがって、時刻ｔ１〜ｔ３の期間が基準パルス周期Ｔｓとなる。

時刻ｔ１から第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)が開始し、後述するように、時刻ｔ３よりも後ろの時刻ｔ３１において終了する。したがって、同図では、時刻ｔ１〜ｔ３１の期間をＴpb(n)と表示している。同図（Ｂ）において、破線は溶接電圧Ｖｗを平滑した溶接電圧平滑信号Ｖｆを示す。アーク長の変動が長くなる方向へ大きい場合であるので、この溶接電圧平滑信号Ｖｆは時刻ｔ１以前よりも少し大きな値となる。また、同図（Ｃ）において、破線で示す直線は溶接電圧設定信号Ｖｒであり、予め定めた一定値である。時刻ｔ１において、上記の溶接電圧平滑信号Ｖｆの値と上記の溶接電圧設定信号Ｖｒの値との誤差増幅値に基づいて溶接電流修正量が算出されて、第ｎ回目のパルス周期におけるピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂが決定される。

同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２の期間中は上記のピーク電流Ｉｐが通電し、時刻ｔ２〜ｔ３１の期間中は上記のベース電流Ｉｂが通電する。また、同図（Ｂ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２の期間はピーク電圧Ｖｐが印加し、時刻ｔ２〜ｔ３１の期間はベース電圧Ｖｂが印加する。同図（Ｃ）に示すように、平均値信号Ｖavは、時刻ｔ１〜ｔ２の期間はその値が上記のピーク電圧Ｖｐと等しくなり、時刻ｔ２〜ｔ３１の期間中は次第に小さくなる。そして、時刻ｔ３において、平均値信号Ｖavの値は破線で示す溶接電圧設定信号Ｖｒの値よりも大きな値であるＶ３になる。ここで、Ｖ３＞Ｖｒ＋ｂの場合であるので、第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)はベース期間のままで継続される。このために、平均値信号Ｖavはさらに小さくなり、時刻ｔ３１において、Ｖav＝Ｖｒ＋ｂとなり、この時点で第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)は終了する。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、パルス周期信号Ｔpbは、時刻ｔ１においてＨｉｇｈレベルになり、上記のピーク期間設定信号Ｔprで定まる期間が経過する時刻ｔ２においてＬｏｗレベルになる。そして、パルス周期信号Ｔpbは、基準パルス周期Ｔｓが経過した後の時点（時刻ｔ３１）での平均値信号Ｖavの値が許容変動範囲の上限値と等しくなるために、Ｈｉｇｈレベルになる。この結果、時刻ｔ３１において、第ｎ回目のパルス周期が終了して、第ｎ＋１回目のパルス周期が開始される。上記の動作を繰り返すことになる。このようにして、アーク長の変動が長くなる方向へ大きい場合には、第ｎ回目のパルス周期は基準パルス周期Ｔｓよりも長くなる。

上述した本発明の実施の形態によれば、電流値変調制御によるアーク長制御に加えて、外乱によるアーク長の変動が大きい場合には、パルス周期の長さを変化させる周波数変調制御を行っている。このために、アーク長制御系において、定常安定性と過渡応答性を共に良好にすることができ、高品質な溶接を行うことができる。

上記においては、消耗電極直流パルスアーク溶接法について説明したが、本発明は、消耗電極交流パルスアーク溶接法にも適用することができる。

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
ａ 定数
ｂ 定数
ＤＶ 駆動回路
Ｄｖ 駆動信号
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
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
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
Ｉｆ 溶接電流平滑値
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
ＰＭ 電源主回路
ＳＷ 切換回路
ｔ （第ｎ回目のパルス周期の開始時点からの）経過時間
Ｔｂ ベース期間
ＴＢＲ ベース期間設定回路
Ｔbr ベース期間設定信号
Ｔｐ ピーク期間
ＴＰＢ パルス周期タイマ回路
Ｔpb パルス周期（信号）
ＴＰＲ ピーク期間設定回路
Ｔpr ピーク期間設定信号
Ｔｓ 基準パルス周期
ＶＡＶ 平均値算出回路
Ｖav 平均値（信号）
Ｖｂ ベース電圧
ＶＤ 溶接電圧検出回路
Ｖｄ 溶接電圧検出信号
ＶＦ 溶接電圧平滑回路
Ｖｆ 溶接電圧平滑（値／信号）
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
ΔＩ 溶接電流修正量（信号）
ΔＶ 電圧誤差

Claims (4)

1. 溶接ワイヤを予め定めたワイヤ送給速度で送給し、予め定めたピーク期間中のピーク電流の通電と予め定めたベース期間中のベース電流の通電とを１パルス周期として繰り返し、溶接電圧を検出し、この溶接電圧検出値Ｖｄを平滑して溶接電圧平滑値を算出し、この溶接電圧平滑値が予め定めた溶接電圧設定値Ｖｒと等しくなるように前記ピーク電流及び／又は前記ベース電流を制御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時点からの経過時間をｔとして、平均値Ｖav＝（１／ｔ）・∫Ｖｗ・ｄｔを刻々と算出し、
   前記経過時間ｔが前記ピーク期間と前記ベース期間との加算値と等しくなる前に、Ｖav＝Ｖｒ−ａ（ａは正の定数）が成立したときはその時点で第ｎ回目のパルス周期を終了する、
   ことを特徴とするパルスアーク溶接の出力制御方法。
2. 前記経過時間ｔが前記加算値と等しくなった時点で、Ｖav≦Ｖｒ＋ｂ（ｂは正の定数）が成立したときはその時点で第ｎ回目のパルス周期を終了し、
   前記経過時間ｔが前記加算値と等しくなった時点で、Ｖav＞Ｖｒ＋ｂが成立したときはＶav＝Ｖｒ＋ｂが成立するまで前記ベース期間を延長した後に第ｎ回目のパルス周期を終了する、
   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。
3. 前記定数ａは、溶接ワイヤの材質、溶接ワイヤの直径又はワイヤ送給速度に応じて適正値に設定される
   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。
4. 前記定数ａ及び定数ｂは、溶接ワイヤの材質、溶接ワイヤの直径又はワイヤ送給速度に応じて適正値に設定される
   ことを特徴とする請求項２記載のパルスアーク溶接の出力制御方法。

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