JP5280268B2 - パルスアーク溶接の出力制御方法 - Google Patents

パルスアーク溶接の出力制御方法 Download PDF

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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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