JP5429356B2

JP5429356B2 - 交流アーク溶接方法および交流アーク溶接装置

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Publication number: JP5429356B2
Application number: JP2012501667A
Authority: JP
Inventors: 義朗田中; 政富美鳴戸; 芳行田畑; 憲和大崎
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2010-02-23
Filing date: 2011-02-15
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2031-02-15
Also published as: CN102470474B; US9162307B2; CN104874899B; EP2431119B1; US20120118866A1; EP2431119A1; CN104874899A; JPWO2011105022A1; CN102470474A; WO2011105022A1; EP2431119A4

Description

本発明は、逆極性と正極性を交互に繰り返してアーク溶接を行う交流アーク溶接方法および交流アーク溶接装置に関する。

近年、環境への配慮から、軽量かつリサイクル性に優れたアルミニウム材やマグネシウム材が建造物や車両等の生産に多く利用されており、その接合には交流アーク溶接が多く用いられている。アルミニウム材に対して交流アーク溶接を行う場合、正極性（電極がマイナスとなる。）と逆極性（電極がプラスとなる。）との極性反転の際に、アーク切れが発生することがある。

アーク切れが発生すると作業性が悪化する。また、溶融プールが冷えるため、溶接欠陥が発生する恐れがあり問題となる。そのため、従来から、アーク切れが発生した際に高周波の高電圧を電極と母材との間に印加し、アーク再生を実現する対策が実施されていた。

図９と図１０を用いて、従来の交流アーク溶接装置におけるアーク切れ発生時の動作について説明する。図９は、従来の交流アーク溶接装置の概略構成を示す図であり、図１０は、従来の交流アーク溶接制御のアーク切れ発生時の溶接制御信号の時間変化を示す図である。

図９のように構成された交流アーク溶接装置について、図１０を用いてその動作を説明する。なお、逆極性期間と正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う非消耗電極式の交流アーク溶接装置を例にして説明する。

図９において、交流アーク溶接装置１は、溶接出力を行う溶接出力部２と、交流周波数の制御を行う交流周波数制御部３と、溶接電流の検出を行う電流検出部４と、電流検出部４の検出結果に基づいてアーク切れの検出を行うアーク切れ検出部６と、電極９と母材１２との間に高電圧を印加する高電圧発生装置１６を有している。なお、電極９は溶接トーチ１０に設けられており、溶接出力部２により電極９と母材１２との間に溶接出力を供給する。これにより、アーク１１が発生して溶接を行う。

図１０において、時点Ｅ１はアークが消弧した時点を示しており、時点Ｅ２はアークが再点弧した時点を示している。

図９において、交流アーク溶接装置１の溶接出力部２は、交流アーク溶接装置１の外部から給電される商用電力（例えば、３相２００Ｖ等）を入力とし、交流周波数制御部３からの出力に基づき１次インバータ動作及び２次インバータ動作を行う。これにより、正極性と逆極性とを適正に切り替えられて、溶接に適した溶接電圧や溶接電流が出力される。

ここで、逆極性とは、アークプラズマ中の電子の移動方向が、母材１２から電極９へ向かう方向であって、電極９がプラスであり、母材１２がマイナスの場合をいう。また、正極性とは、アークプラズマ中の電子の移動方向が、電極９から母材１２へ向かう方向であって、電極９がマイナスであり、母材１２がプラスの場合をいう。

ＣＴ（ＣｕｒｒｅｎｔＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）等で構成される電流検出部４は、溶接電流を検出し、アーク切れ発生の際は、アーク切れ信号をハイとし、アーク発生中はアーク切れ信号をローとする。

ＣＰＵ等で構成されるアーク切れ検出部６は、電流検出部４からの電流検出信号を入力とし、アーク切れを判定する。

ＣＰＵ等で構成される交流周波数制御部３は、予め設定される交流周波数で溶接出力を制御し、交流周波数に基づき設定される正極性制御信号と逆極性制御信号を溶接出力部２に出力する。

溶接出力部２は、正極性制御信号と逆極性制御信号に基づき、ＩＧＢＴ等のスイッチ動作により、正極性制御信号がハイのときは正極性期間として動作し、電極９から母材１２へ電子が移動する方向に出力極性を切り替える。一方、逆極性制御信号がハイのときは逆極性期間として動作し、母材１２から電極９へ電子が移動する方向に出力極性を切り替える。

溶接出力部２が出力する溶接電流や溶接電圧は、溶接トーチ１０に給電され、電極９の先端と母材１２との間にアーク１１を発生し、交流アーク溶接が行われる。

高電圧発生装置１６は、アーク切れ検出部６からのアーク切れ信号に基づき、アーク切れ信号がハイの時に高周波の高電圧（通常、１２ｋＶ）を電極９と母材１２との間に印加する。アーク切れ信号がローの時には、高周波の高電圧の印加を停止する。

図１０に示すように、通常溶接中に、アークが消弧した時点Ｅ１で、アーク切れ信号はハイとなり、高電圧発生装置１６は、電極９と母材１２との間にアーク再生電圧である高周波の高電圧（例えば、１２ｋＶ）を印加する。

高周波の高電圧が電極９と母材１２との間に印加されることで、電極９と母材１２との間の絶縁が破壊され、アークが再生する。そして、アークが再生した時点Ｅ２において、高電圧発生装置１６は、高周波の高電圧の印加を停止する。

アーク切れ期間中およびアーク中において、交流周波数制御部３は、通常の溶接中の交流周波数で動作している。

上述のように、従来の、交流アーク溶接装置１を用いた交流アーク溶接方法は、アーク切れ発生時に高周波の高電圧を印加することで、アークを再生していた（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、従来の交流アーク溶接方法は、アーク切れが発生した際に、アーク再点弧のために高周波の高電圧を印加するため、溶接ビード表面が損傷する、または、高周波の高電圧に起因する通信障害が発生するといった課題を有していた。

特公昭６２−３２０２７号公報

本発明は、アーク切れが発生した際に、アーク再点弧のための高周波の高電圧を印加することなくアークの再点弧を実現できる交流アーク溶接方法および交流アーク溶接装置を提供する。

本発明の交流アーク溶接方法は、第１の交流周波数で逆極性期間と正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う交流アーク溶接方法である。そして、本発明の交流アーク溶接方法は、溶接中にアーク切れを検出する検出ステップと、上記検出ステップにより上記アーク切れを検出すると、上記第１の交流周波数に対応した第１の周期よりも短い期間に、正極性制御信号または逆極性制御信号をハイレベルに出力してアークを再点弧する制御ステップと、を備えた方法からなる。

この方法により、アーク切れが発生した際に、アーク再点弧のための高周波の高電圧を印加することなくアークの再点弧を実現できる。これにより、溶接ビード表面の損傷を防ぎ、高周波の高電圧による通信障害が発生するといった問題を発生させることなく作業を行うことができる。

また、本発明の交流アーク溶接装置は、逆極性期間と正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う交流アーク溶接装置であって、第１の交流周波数設定部と、出力検出部と、アーク切れ検出部と、交流周波数制御部と、を備えている。ここで、第１の交流周波数設定部は、定常溶接時の交流周波数である第１の交流周波数を設定する。出力検出部は、溶接電流または溶接電圧を検出する。アーク切れ検出部は、出力検出部の検出結果に基づいて、アーク切れを検出する。交流周波数制御部は、アーク切れ検出部の検出結果に基づいて、交流周波数を制御する。そして、本発明の交流アーク溶接装置は、アーク切れを検出すると、第１の交流周波数に対応した第１の周期よりも短い期間に、正極性制御信号または逆極性制御信号をハイレベルに出力してアークを再点弧する構成からなる。

この構成により、アーク切れが発生した際に、アーク再点弧のための高周波の高電圧を印加することなくアークの再点弧を実現できる。これにより、溶接ビード表面の損傷を防ぎ、高周波の高電圧による通信障害が発生するといった問題を発生させることなく作業を行うことができる。

本発明の実施の形態１における交流アーク溶接装置の概略構成を示す図本発明の実施の形態１における交流アーク溶接の制御信号の交流周波数の時間変化を示す図本発明の実施の形態２における交流アーク溶接装置の概略構成を示す図本発明の実施の形態２における交流アーク溶接の制御信号の正極性期間および逆極性期間の時間変化を示す図本発明の実施の形態３における交流アーク溶接装置の概略構成を示す図本発明の実施の形態３における交流アーク溶接の制御信号の正極性期間および逆極性期間の時間変化を示す図本発明の実施の形態４における交流アーク溶接装置の概略構成を示す図本発明の実施の形態４における交流アーク溶接の制御信号の正極性期間および逆極性期間の時間変化を示す図従来の交流アーク溶接装置の概略構成を示す図従来の交流アーク溶接制御のアーク切れ発生時の溶接制御の時間変化を示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同じ構成要素については同じ符号を付しているので説明を省略する場合がある。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における交流アーク溶接装置の概略構成を示す図であり、図２は、本発明の実施の形態１における交流アーク溶接の制御信号の交流周波数の時間変化を示す図である。なお、図２は、溶接電流、正極性制御信号、逆極性制御信号およびアーク切れ信号の振幅の時間変化を示している。

図１のように構成された交流アーク溶接装置について、図２を用いてその動作を説明する。以下、逆極性期間と正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う非消耗電極式の交流アーク溶接装置を例にして説明する。

図１に示すように、交流アーク溶接装置１は、溶接出力部２と、交流周波数制御部３と、電流検出部４と、電圧検出部５と、アーク切れ検出部６と、第１の交流周波数設定部７と、第２の交流周波数設定部８と、を備えている。ここで、溶接出力部２は、溶接出力を出力する。交流周波数制御部３は、交流周波数の制御を行う。電流検出部４は、溶接電流を検出する。電圧検出部５は、溶接電圧を検出する。アーク切れ検出部６は、電流検出部４の出力あるいは電圧検出部５の出力に基づいてアーク切れを検出する。第１の交流周波数設定部７は、第１の交流周波数を設定する。第２の交流周波数設定部８は、第２の交流周波数を設定する。そして、本実施の形態１の交流アーク溶接装置１において、溶接出力部２により、溶接トーチ１０に設けられた電極９と母材１２との間に溶接出力を印加することにより、アーク１１が発生する。

また、図２に示すように、期間Ｐ１において、Ｆ１は、正極性制御信号および逆極性制御信号の第１の交流周波数を示しており、Ｆ２は、正極性制御信号および逆極性制御信号の第２の交流周波数を示している。時点Ｅ１はアークが消弧した時点を示しており、時点Ｅ２はアークが再点弧した時点を示している。

図１において、交流アーク溶接装置１の溶接出力部２は、外部から給電される商用電力（３相２００Ｖ等）を入力とし、交流周波数制御部３からの出力に基づき、１次インバータ動作及び２次インバータ動作により正極性と逆極性を適正に切り替え、溶接に適した溶接電圧や溶接電流を出力する。

なお、溶接出力部２を構成する、図示しない１次インバータは、通常、ＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）動作やフェーズシフト動作により駆動される。また、１次インバータは、図示しないＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や、１次整流ダイオードや、平滑用電解コンデンサや、電力変換用変圧器等で構成される。

また、溶接出力部２を構成する、図示しない２次インバータは、通常、図示しないＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）で構成され、溶接電圧や溶接電流の極性を切り替える。

ここで、逆極性とは、アークプラズマ中の電子の移動方向が、母材１２から電極９へ移動する方向であり、電極９がプラス側で母材１２がマイナス側の場合をいう。また、正極性とは、アークプラズマ中の電子の移動方向が、電極９から母材１２へ移動する方向であり、電極９がマイナス側で母材１２がプラス側の場合をいう。

出力を検出するＣＴ（ＣｕｒｒｅｎｔＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）等で構成される電流検出部４は、溶接電流を検出する。また、出力を検出する電圧検出部５は、溶接電圧を検出する。

ＣＰＵ等で構成されるアーク切れ検出部６は、電流検出部４からの電流検出信号を入力とし、アーク切れ中に予め設定される電流の検出レベル（例えば、１Ａ）以下となった場合には、アーク切れと判定し、アーク切れ信号をアーク切れ判定レベル（ハイレベル）とする。また、アーク発生中に予め設定される、電流の検出レベル（例えば、３Ａ）以上に達した場合は、アーク切れ信号をアーク判定レベル（ローレベル）とする。

なお、アーク切れ検出部６は、電圧検出部５からの電圧検出信号を入力とし、アーク切れ時に発生するアーク切れ電圧（例えば、６０Ｖ）以上となった場合にはアーク切れと判定する。そして、アーク切れ信号をアーク切れ判定レベル（ハイレベル）とする。また、アーク発生中に予め設定される電圧の検出レベル（例えば、５０Ｖ）以下となった場合は、アークが発生しているとしてアーク切れ信号をアーク判定レベル（ローレベル）としてもよい。

ＣＰＵ等で構成される第１の交流周波数設定部７は、定常溶接中の交流アーク周波数である第１の交流周波数Ｆ１（例えば、７０Ｈｚ）を出力設定する。ＣＰＵ等で構成される第２の交流周波数設定部８は、第１の交流周波数よりも高い第２の交流周波数Ｆ２（例えば、４００Ｈｚ）を出力設定する。

ＣＰＵ等で構成される交流周波数制御部３は、アーク切れ検出部６からのアーク切れ信号と、第１の交流周波数設定部７の出力と、第２の交流周波数設定部８の出力に基づいて溶接出力を制御する。交流周波数制御部３は、交流周波数に基づき設定される正極性制御信号と逆極性制御信号を溶接出力部２に出力する。

正極性期間と逆極性期間との比率は、予め設定される（例えば、逆極性期間は交流周期の３０％等）。そして、この比率は、一般的に、クリーニング幅と呼ばれる。

溶接出力部２は、交流周波数制御部３からの正極性制御信号と逆極性制御信号に基づき、ＩＧＢＴ等のスイッチ動作を行う。正極性制御信号がハイレベルのときは、正極性期間となるように出力を行い、出力極性が、電極９から母材１２へ電子が移動する方向になるように切り替える。一方、逆極性制御信号がハイレベルのときは、逆極性期間となるように出力を行い、出力極性が母材１２から電極９へ電子が移動する方向になるように切り替える。

溶接出力部２が出力する溶接電流や溶接電圧は、溶接トーチ１０に給電され、タングステン等で構成される電極９の先端９ａとアルミニウム材やマグネシウム材等で構成される被溶接物である母材１２との間に印加される。これにより、アーク１１が発生し、交流アーク溶接が行われる。

交流アーク溶接において、極性の切り替り時にアーク切れが発生しやすい。特に、正極性期間から逆極性期間へ極性が切り替る時にアーク切れが発生しやすい。そこで、アーク切れを検出すると、図２に示すように、第１の交流周波数Ｆ１に対応した第１の周期よりも短い期間に、正極性制御信号および逆極性制御信号のうちの逆極性制御信号をハイレベルに出力する。さらに、正極性制御信号をハイレベルに出力し、正極性制御信号および逆極性制御信号を交互にハイレベルに出力することを繰り返すと、アークが再点弧する。そして、アークが再点弧した後に、正極性制御信号および逆極性制御信号の交流周波数が元の第１の交流周波数Ｆ１に戻されて継続して交流アーク溶接が行われる。

すなわち、本発明の交流アーク溶接装置１は、逆極性期間と正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行うものである。そして、本発明の交流アーク溶接装置１は、第１の交流周波数設定部７と、電流検出部４および電圧検出部５のうちの少なくともいずれかを含む出力検出部と、アーク切れ検出部６と、交流周波数制御部３と、を備えている。ここで、第１の交流周波数設定部７は、定常溶接時の交流周波数である第１の交流周波数Ｆ１を設定する。出力検出部は、溶接電流または溶接電圧を検出する。アーク切れ検出部６は、出力検出部の検出結果に基づいて、アーク切れを検出する。交流周波数制御部３は、アーク切れ検出部６の検出結果に基づいて、交流周波数を制御する。そして、交流アーク溶接装置１は、アーク切れを検出すると、第１の交流周波数Ｆ１に対応した第１の周期よりも短い期間に、正極性制御信号または逆極性制御信号をハイレベルに出力してアークを再点弧する構成としている。

次に、図２を用いて、アーク切れが発生した際の動作とアークの再点弧について具体的に説明する。

図２に示すように、通常溶接中に第１の交流周波数Ｆ１（例えば、７０Ｈｚ）で交流溶接を行っている。正極性期間から逆極性期間に極性が切り替る時に、時点Ｅ１でアークが消弧すると、アークが消弧した時点Ｅ１で、アーク切れ信号はハイレベルとなる。この場合、交流周波数制御部３は、通常溶接中の交流周波数である第１の交流周波数Ｆ１（例えば、７０Ｈｚ）から、第１の交流周波数Ｆ１より高い第２の交流周波数Ｆ２（例えば、４００Ｈｚ）へ交流周波数を切り替える指示を溶接出力部２に出力する。これにより、溶接出力部２により第２の交流周波数Ｆ２で溶接が行われる。

このように、アーク切れが継続する間は、交流周波数は、第２の交流周波数Ｆ２で行われる。したがって、正極性制御信号および逆極性制御信号は、第２の交流周波数Ｆ２で交互にハイレベルとローレベルの信号を出力する。そして、例えば、時点Ｅ２でアークが再点弧すると、アークが再点弧した時点Ｅ２において、アーク切れ信号はローレベルとなる。この場合、交流周波数制御部３は、第２の交流周波数Ｆ２から通常溶接中の交流周波数である第１の交流周波数Ｆ１に切り替えるように溶接出力部２に指示する。これにより、第１の交流周波数Ｆ１で溶接が行われるようになり、溶接が継続される。

すなわち、本発明の交流アーク溶接装置１は、第１の交流周波数Ｆ１よりも高い第２の交流周波数Ｆ２を設定するための第２の交流周波数設定部８をさらに備えている。そして、交流周波数制御部３は、アーク切れ検出部６でアーク切れを検出すると、交流周波数を第１の交流周波数Ｆ１から第２の交流周波数Ｆ２に切り替えて溶接を行う構成としている。この構成により、アーク切れが発生した際に、アーク再点弧のための高周波の高電圧を印加することなくアークの再点弧を実現できる。

以上のように、溶接中にアーク切れを検出した時点で、通常溶接中の第１の交流周波数（例えば、７０Ｈｚ）よりも高い第２の交流周波数（例えば、４００Ｈｚ）に切り替えて溶接を行う。これにより、アークが再点弧する確率が飛躍的に高くなり、溶接を継続することが可能となる。

これは、アーク切れ直後は、電極９と母材１２との空間がアーク雰囲気中にあり、通常溶接中に比べて短時間で極性切り替え動作を繰り返すことで、アークが再生しやすい状況になっているためであると考えられる。

そして、アークが再生するのでアーク切れは短時間（数百ｕｓｅｃ）で終了し、アークの完全な消弧を防ぐことができる。従って、従来技術のように、アーク再生のために、高電圧発生装置から高周波の高電圧（例えば、１２ｋＶ）を印加する必要がない。故に、高電圧を使う必要がなく、通常溶接中の電圧でアークが再生するので、通信障害が発生することがなく、周辺の電子機器への悪影響も少ない。また、高電圧が母材１２に印加されて、母材１２の表面に影響を与えることがないので、溶接ビード表面が荒れることもない。

なお、本実施の形態１では、非消耗電極式交流アーク溶接について説明したが、消耗電極式の交流アーク溶接に適用しても同様の効果を実現することができる。

すなわち、本発明の交流アーク溶接方法は、第１の交流周波数Ｆ１で逆極性期間と正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う交流アーク溶接方法であって、検出ステップと、制御ステップと、を備えている。ここで、検出ステップは、溶接中にアーク切れを検出するステップである。制御ステップは、検出ステップによりアーク切れを検出すると、第１の交流周波数Ｆ１に対応した第１の周期よりも短い期間に、正極性制御信号または逆極性制御信号をハイレベルに出力してアークを再点弧するステップである。

また、制御ステップにおいて、第１の交流周波数Ｆ１よりも高い第２の交流周波数Ｆ２で溶接を行う方法としてもよい。

この方法により、アーク切れが発生した際に、アーク再点弧のための高周波の高電圧を印加することなく、簡単な回路およびシステムの構成でアークの再点弧を実現できる。

また、第２の交流周波数Ｆ２で溶接を行い、アークが発生したことを検出すると、第２の交流周波数Ｆ２から第１の交流周波数Ｆ１に戻して溶接を行う方法としてもよい。

この方法により、アーク切れが発生しても、元の溶接条件で継続して円滑にアーク溶接を行うことができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における交流アーク溶接装置２１の概略構成を示す図であり、図４は、本発明の実施の形態２における交流アーク溶接の制御信号の正極性期間および逆極性期間の時間変化を示す図である。図３と図４を用いて、本実施の形態２における非消耗電極式の交流アーク溶接装置２１について説明する。

本実施の形態２が実施の形態１と異なる主な点は、アーク切れが生じている時間を計時し、アーク切れが、所定時間だけ継続したら、極性を切り替えるように制御信号を出力するようにした点である。

図３において、交流アーク溶接装置２１は、実施の形態１の構成要素をほぼ備えた上に、第１の所定期間設定部１３と、時間を計時する計時部１５と、を備えている。また、図４において、時点Ｅ３は、アーク切れが発生した時点Ｅ１から第１の所定時間Ｔ１が経過した時点を示している。

図３において、ＣＰＵ等で構成される第１の所定期間設定部１３は、通常溶接中の逆極性期間よりも短い第１の所定期間（例えば、１００ｕｓｅｃ）を設定するためのものである。ＣＰＵ等で構成される計時部１５は、逆極性期間となるように逆極性制御信号を出力している期間において、アーク切れが発生してからの時間を計時する。ＣＰＵ等で構成される交流周波数制御部３は、アーク切れ検出部６からのアーク切れ信号と、第１の交流周波数設定部７と、第１の所定期間設定部１３の出力と、計時部１５の出力に基づいて溶接出力部２に制御信号を送る。これにより、溶接出力が制御される。

図４において、第１の交流周波数Ｆ１による通常溶接中に正極性期間が完了し、逆極性期間に切り替えた際に、時点Ｅ１でアークが消弧すると、時点Ｅ１からアーク切れ信号がハイレベルとなる。アーク切れ信号がハイレベルとなると、計時部１５は、逆極性期間中のアーク切れが継続する時間を計時する。そして、計時部１５が計時した時間が、通常溶接中の逆極性期間よりも短い第１の所定期間Ｔ１が経過した時点である時点Ｅ３において、交流周波数制御部３は、溶接出力部２に正極性制御信号を出力し、逆極性期間が完了するように制御する。

なお、逆極性期間は、例えば、第１の交流周波数が７０Ｈｚであり、逆極性期間の比率が交流周期の３０％である場合、４．２８ｍｓｅｃである。また、第１の所定期間Ｔ１は、例えば,１００ｕｓｅｃとする。

図４は、逆極性期間から正極性期間に極性を切り替えた時点Ｅ３においてアークが再点弧した例を示している。そして、アークの再点弧後は、通常溶接時の周波数である第１の交流周波数Ｆ１で溶接が継続される。

すなわち、本発明の交流アーク溶接装置２１は、逆極性期間よりも短い第１の所定期間を設定する第１の所定期間設定部１３とアーク切れの期間を計時する計時部１５と、をさらに備えている。そして、交流アーク溶接装置２１の交流周波数制御部３は、逆極性期間となる逆極性制御信号を出力している期間において、第１の所定期間の間にアーク切れが継続した場合には、正極性制御信号を出力して正極性期間となるように制御し溶接を行う構成としている。

この構成により、アーク切れが発生した際に、アーク再点弧のための高周波の高電圧を印加することなくアークの再点弧を実現できる。

また、本発明の交流アーク溶接方法は、逆極性期間となる逆極性制御信号を出力している期間において、逆極性期間よりも短い第１の所定期間の間にアーク切れが継続した場合には、制御ステップにより、正極性制御信号をハイレベルに出力して正極性期間となるように制御する方法としている。

この方法により、アーク切れが発生した際に、アーク再点弧のための高周波の高電圧を印加することなくアークの再点弧を実現できる。

以上のように、逆極性中にアーク切れが発生し、第１の所定期間Ｔ１（例えば、１００ｕｓｅｃ）の間にアーク切れが継続した場合には、正極性に切り替えることで、アークが再点弧する確率が高くなる。その理由は、第１の所定期間Ｔ１は短時間であればあるほど、電極９と母材１２との間の空間がアーク雰囲気で保たれた状態が維持されている。これにより、アーク再点弧を試みても、アークが再生しやすいと考えらえる。なお、第１の所定の期間Ｔ１は、実験的には１ｍｓｅｃ以内が好ましい値である。

本実施の形態２によれば、アーク切れ発生時にもアーク切れは短時間（例えば、数百ｕｓｅｃ）で完了し、アークの完全な消弧を防ぐことができる。よって、アーク再生のための高周波の高電圧（例えば、１２ｋＶ）を印加する必要がなく、通信障害が発生しない。また、周辺の電子機器への悪影響も少なく、溶接ビード表面が荒れることもない。

なお、本実施の形態２では、非消耗電極式の交流アーク溶接について説明したが、消耗電極式の交流アーク溶接に適用しても同様の効果を実現することができる。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３における交流アーク溶接装置３１の概略構成を示す図であり、図６は、本発明の実施の形態３における交流アーク溶接の制御信号の正極性期間および逆極性期間の時間変化を示す図である。図５と図６を用いて、本実施の形態３における非消耗電極式の交流アーク溶接装置について説明する。

本実施の形態３が実施の形態２と異なる主な点は、正極性となるように正極性制御信号を出力する期間にアーク切れが生じている時間を計時し、アーク切れが所定時間だけ継続したら極性を切り替えるように、制御信号を出力するようにした点である。

図５において、交流アーク溶接装置３１は、実施の形態２の構成要素をほぼ備えた上に、第２の所定期間設定部１４を備えている。また、図６において、時点Ｅ４は、アーク切れが発生した時点Ｅ１から第２の所定時間Ｔ２が経過した時点を示している。

図５において、ＣＰＵ等で構成される第２の所定期間設定部１４は、通常溶接中の正極性期間よりも短い第２の所定期間Ｔ２（例えば、１００ｕｓｅｃ）を設定するためのものである。ＣＰＵ等で構成される計時部１５は、正極性期間となるように正極性制御信号を出力している期間において、アーク切れが発生してからの時間を計時する。ＣＰＵ等で構成される交流周波数制御部３は、アーク切れ検出部６からのアーク切れ信号と、第１の交流周波数設定部７と、第２の所定期間設定部１４の出力と、計時部１５の出力に基づいて溶接出力部２に制御信号を送る。これにより、溶接出力が制御される。

図６において、第１の交流周波数Ｆ１による通常溶接中に逆極性期間が完了し、正極性期間に切り替えた際に、時点Ｅ１でアークが消弧すると、時点Ｅ１からアーク切れ信号がハイレベルとなる。アーク切れ信号がハイレベルとなると、計時部１５は、正極性期間中のアーク切れが継続する時間を計時する。そして、時点Ｅ４において、交流周波数制御部３は、溶接出力部２に逆極性制御信号を出力し、正極性期間が完了するように制御する。ここで、時点Ｅ４は、計時部１５が計時した時間が、通常溶接中の正極性期間よりも短い第２の所定期間Ｔ２が経過した時点である。

なお、正極性期間は、例えば、第１の交流周波数Ｆ１が７０Ｈｚであり、逆極性期間の比率が交流周期の３０％である場合、１０ｍｓｅｃである。また、第２の所定期間Ｔ２は、例えば、１００ｕｓｅｃとする。

図６は、正極性期間から逆極性期間に極性の切り替えた時点Ｅ４においてアークが再点弧した例を示している。そして、アークの再点弧後は、通常溶接時の周波数である第１の交流周波数Ｆ１で溶接が継続される。

すなわち、本発明の交流アーク溶接装置３１は、正極性期間よりも短い第２の所定期間を設定する第２の所定期間設定部１４と、アーク切れの期間を計時する計時部１５と、を備えている。そして、交流アーク溶接装置３１の交流周波数制御部３は、正極性期間となる正極性制御信号を出力している期間において、第２の所定期間の間にアーク切れが継続した場合には、逆極性制御信号を出力して逆極性期間となるように制御し溶接を行う構成としている。

また、本発明の交流アーク溶接方法は、正極性期間となる正極性制御信号を出力している期間において、正極性期間よりも短い第２の所定期間の間にアーク切れが継続した場合には、制御ステップにより、逆極性制御信号をハイレベルに出力して逆極性期間となるように制御する方法としている。

以上のように、正極性中にアーク切れが発生し、第２の所定期間Ｔ２（例えば、１００ｕｓｅｃ）の間にアーク切れが継続した場合には、逆極性に切り替えることで、アークが再点弧する確率が高くなる。その理由は、第２の所定期間Ｔ２は短時間であればあるほど、電極９と母材１２との間の空間がアーク雰囲気で保たれた状態が維持されている。これにより、アーク再点弧を試みても、アークが再生しやすいと考えらえる。なお、第２の所定期間Ｔ２は、実験的には１ｍｓｅｃ以内が好ましい値である。

本実施の形態３によれば、アーク切れ発生時にもアーク切れは短時間（例えば、数百ｕｓｅｃ）で完了し、アークの完全な消弧を防ぐことができる。よって、アーク再生のための高周波の高電圧（例えば１２ｋＶ）を印加する必要がなく、通信障害が発生しない。また、周辺の電子機器への悪影響も少なく、溶接ビード表面が荒れることもない。

なお、本実施の形態３では、非消耗電極式の交流アーク溶接について説明したが、消耗電極式の交流アーク溶接に適用しても同様の効果を実現することができる。

（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４における交流アーク溶接装置４１の概略構成を示す図であり、図８は、本発明の実施の形態４における交流アーク溶接の制御信号の正極性期間と逆極性期間の時間変化を示す図である。図７と図８を用いて、本実施の形態４における非消耗電極式の交流アーク溶接装置について説明する。

本実施の形態４が実施の形態１から３と異なる主な点は、逆極性となるように逆極性制御信号を出力する期間にアーク切れが生じている時間を計時し、アーク切れが、所定時間だけ継続したら極性を切り替えるように制御信号を出力する。その後、アーク切れが、さらに所定時間だけ継続したら、交流アーク溶接装置４１において、再度極性を切り替えるように制御信号を出力し、この極性の切り替えを繰り返すようにした点である。

図８において、時点Ｅ５は、時点Ｅ３から第２の所定時間Ｔ２が経過した時点を示しており、時点Ｅ６は、時点Ｅ５から第１の所定時間Ｔ１が経過した時点を示している。

図７において、ＣＰＵ等で構成される交流周波数制御部３は、アーク切れ検出部６からのアーク切れ信号と、第１の交流周波数設定部７の出力と、第１の所定期間設定部１３の出力と、第２の所定期間設定部１４の出力と、計時部１５の出力に基づいて溶接出力を制御する。

図８において、第１の交流周波数（例えば、７０Ｈｚ）で通常溶接中の正極性が完了し、逆極性が開始した際に、アークが消弧した時点Ｅ１からアーク切れ信号がハイレベルとなる。

計時部１５は、逆極性期間中のアーク切れが継続する時間を計時する。そして、交流周波数制御部３は、計時部１５が計時した時間が、第１の所定期間Ｔ１（例えば、１００ｕｓｅｃ）を経過した時点Ｅ３において、正極性制御信号を出力して逆極性が完了するように制御する。

図８は、このように極性を切り替えても、時点Ｅ３ではアークが再点弧しなかった例を示している。この場合、アーク切れは継続しており、計時部１５は、正極性制御信号を出力している期間中で、時点Ｅ３からアーク切れが継続する時間を計時する。そして、計時部１５が計時した時間が第２の所定期間Ｔ２（例えば、１００ｕｓｅｃ）経過した時点Ｅ５において、交流周波数制御部３は、逆極性制御信号を出力して、正極性が完了するように制御する。

図８は、このように再度極性制御信号を切り替えても、時点Ｅ５でアークが再点弧しなかった例を示している。この場合、アーク切れは継続しており、計時部１５は、逆極性制御信号を出力している期間中で、時点Ｅ５からアーク切れが継続する時間を計時する。そして、計時部１５が計時した時間が第１の所定期間Ｔ１（例えば、１００ｕｓｅｃ）経過した時点Ｅ６において、交流周波数制御部３は、正極性制御信号を出力して、逆極性が完了するように制御する。

図８は、逆極性から正逆極性に極性を切り替えた時点Ｅ６において、アークが再点弧した例を示している。そして、アークの再点弧後は、通常溶接時の周波数である第１の交流周波数Ｆ１で溶接が継続される。

以上のように、アーク切れが発生した場合に、極性制御信号を短時間で切り替えることで、アークが再点弧する確率が高くなる。

本実施の形態４によれば、アーク切れ発生時にもアーク切れは短時間（例えば、数百ｕｓｅｃ）で完了し、アークの完全な消弧を防ぐことができる。よって、アーク再生のための高周波の高電圧（例えば、１２ｋＶ）を印加する必要がなく、通信障害が発生しない。また、周辺の電子機器への悪影響も少なく、溶接ビード表面が荒れることもない。

なお、本実施の形態４では、非消耗電極式の交流アーク溶接について説明したが、消耗電極式の交流アーク溶接に適用しても同様の効果を実現することができる。

以上のように、本発明は、アーク切れが発生したとしても、高周波の高電圧を印加することなく、短時間の間にアーク切れを解消し、アーク再生を実現できる。これにより、高周波の高電圧の印加による通信障害が発生せず、また、高周波の高電圧の印加による溶接ビード表面の損傷がない、良好な溶接結果を得ることができる。したがって、交流アーク溶接施工を行う、例えば自動車業界や建設業界といった特にアルミニウム材やマグネシウム材を用いた生産を行う業界における交流アーク溶接方法および交流アーク溶接装置に本発明を適用すれば、産業上有用である。

１，２１，３１，４１交流アーク溶接装置
２溶接出力部
３交流周波数制御部
４電流検出部
５電圧検出部
６アーク切れ検出部
７第１の交流周波数設定部
８第２の交流周波数設定部
９電極
１０溶接トーチ
１１アーク
１２母材
１３第１の所定期間設定部
１４第２の所定期間設定部
１５計時部
１６高電圧発生装置

Claims

第１の交流周波数で逆極性期間と正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う交流アーク溶接方法であって、
溶接中にアーク切れを検出する検出ステップと、
前記検出ステップにより、前記逆極性期間に前記アーク切れを検出すると、前記逆極性期間が終了するよりも前に、前記正極性期間に切り替えるステップと、
を備えた交流アーク溶接方法。
第１の交流周波数で逆極性期間と正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う交流アーク溶接方法であって、
溶接中にアーク切れを検出する検出ステップと、
前記検出ステップにより、前記正極性期間に前記アーク切れを検出すると、前記正極性期間が終了するよりも前に、前記逆極性期間に切り替えるステップと、
を備えた交流アーク溶接方法。
第１の交流周波数で逆極性期間と正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う交流アーク溶接方法であって、
溶接中にアーク切れを検出する検出ステップと、
前記検出ステップにより前記アーク切れを検出すると、前記第１の交流周波数よりも高い第２の交流周波数で溶接を行うステップとを備え、
前記第２の交流周波数で溶接を行う溶接電圧は、前記第１の交流周波数で溶接を行う溶接電圧と同じ大きさである交流アーク溶接方法。
前記第２の交流周波数による溶接中にアーク発生を検出するステップと、
前記アーク発生を検出するステップにより、前記アーク発生を検出すると、前記第１の交流周波数で溶接を行うステップとをさらに備えた請求項３に記載の交流アーク溶接方法。
逆極性期間と正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う交流アーク溶接装置であって、
定常溶接時の交流周波数である第１の交流周波数を設定する第１の交流周波数設定部と、
溶接電流または溶接電圧を検出する出力検出部と、
前記出力検出部の検出結果に基づいて、アーク切れを検出するアーク切れ検出部と、
前記逆極性期間よりも短い第１の所定期間を設定する第１の所定期間設定部と
前記アーク切れの期間を計時する計時部と、
前記アーク切れ検出部の検出結果に基づいて前記逆極性期間と前記正極性期間とを制御する交流周波数制御部と、を備え、
前記アーク切れ検出部と前記計時部によって、前記逆極性期間の間に前記第１の所定期間だけアーク切れが継続すると、前記交流周波数制御部は前記逆極性期間が終了するよりも前に前記正極性期間に切り替える交流アーク溶接装置。
逆極性期間と正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う交流アーク溶接装置であって、
定常溶接時の交流周波数である第１の交流周波数を設定する第１の交流周波数設定部と、
溶接電流または溶接電圧を検出する出力検出部と、
前記出力検出部の検出結果に基づいて、アーク切れを検出するアーク切れ検出部と、
前記正極性期間よりも短い第２の所定期間を設定する第２の所定期間設定部と
前記アーク切れの期間を計時する計時部と、
前記アーク切れ検出部の検出結果に基づいて前記逆極性期間と前記正極性期間とを制御する交流周波数制御部と、を備え、
前記アーク切れ検出部と前記計時部によって、前記正極性期間の間に前記第２の所定期間だけアーク切れが継続すると、前記交流周波数制御部は前記正極性期間が終了するよりも前に前記逆極性期間に切り替える交流アーク溶接装置。
逆極性期間と正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う交流アーク溶接装置であって、
定常溶接時の交流周波数である第１の交流周波数を設定する第１の交流周波数設定部と、
前記第１の交流周波数よりも高い第２の交流周波数を設定する第２の交流周波数設定部と、
溶接電流または溶接電圧を検出する出力検出部と、
前記出力検出部の検出結果に基づいて、アーク切れを検出するアーク切れ検出部と、
前記アーク切れ検出部の検出結果に基づいて交流周波数を制御する交流周波数制御部と、を備え、
前記アーク切れ検出部によってアーク切れを検出すると、前記交流周波数制御部は交流周波数を前記第１の交流周波数から前記第２の交流周波数に切り替え、
前記第２の交流周波数で溶接を行う溶接電圧は、前記第１の交流周波数で溶接を行う溶接電圧と同じ大きさである交流アーク溶接装置。