JP5429790B2 - パルスアーク溶接の出力制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接電圧の処理値が溶接電圧設定値と等しくなるようにピーク電流及びベース電流を変化させる電流値変調制御を高精度化す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３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）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示す。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均値Ｖavと略比例関係にある。このために、溶接電圧平均値Ｖavを検出し、この検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均値Ｉavを変化させる出力制御を行う。溶接電圧平均値Ｖav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、溶接電流平均値Ｉav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。他方、溶接電圧平均値Ｖav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、溶接電流平均値Ｉav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、溶接電流平均値Ｉavを変化させるために、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を変化させる。特に、ピーク期間Ｔｐ及びベース期間Ｔｂをそれぞれ所定値に固定し、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均値Ｉav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（ウィービング溶接）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。アーク長を検出するために、溶接電圧Ｖｗの処理値Ｖｆが算出される。この溶接電圧処理値Ｖｆとしては、上述した溶接電圧平均値Ｖav、ピーク電圧値Ｖｐ、溶接電圧Ｖｗからローパスフィルタによって高周波成分を除去した溶接電圧平滑値等を使用することができる。これらの値は、それぞれアーク長に略比例している。そして、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。この溶接電圧設定値Ｖｒと上記の溶接電圧処理値Ｖｆとの電圧誤差ΔＶ＝（Ｖｒ−Ｖｆ）を算出する。この電圧誤差ΔＶに予め定めたピーク電流増幅率Ｇｐ及びベース電流増幅率Ｇｂを乗じてピーク電流修正量ΔＩｐ＝Ｇｐ×ΔＶ及びベース電流修正量ΔＩｂ＝Ｇｂ×ΔＶを算出する。そして、ピーク電流Ｉｐをこのピーク電流修正量ΔＩｐだけ変化させ、ベース電流Ｉｂをこのベース電流修正量ΔＩｂ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均値Ｉav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３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、上述したピーク電流修正量ΔＩｐ及びベース電流修正量ΔＩｂ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)＋ΔＩｐ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)＋ΔＩｂ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。ここで、ピーク期間Ｔｐは予め定めた基準ピーク期間Ｔpsに設定されており、ベース期間Ｔｂは予め定めた基準ベース期間Ｔbsに設定されている。したがって、パルス周期Ｔpbは基準パルス周期ｔｓ＝Ｔps＋Ｔbsに設定されていることになる。但し、基準ピーク期間Ｔps及び基準ベース期間Ｔbsの値は、ワイヤ送給速度に応じて適正値に変化する。ワイヤ送給速度が一定であるときには、両値は変化せずに一定値となる。

上述したように電流値変調制御では、溶接電圧処理値Ｖｆが予め定めた溶接電圧設定値Ｖｒと等しくなるようにピーク電流Ｉｐ及び／又はベース電流Ｉｂを変化させるために、両値が適正範囲外になる場合も出てくる。すなわち、ピーク電流Ｉｐが大きくなり過ぎるとアーク力が強くなりビード外観が悪くなる。他方、ピーク電流Ｉｐが小さくなり過ぎると溶滴移行が不安定になり溶接状態が不安定になる。また、ベース電流Ｉｂが大きくなり過ぎるとベース期間Ｔｂ中に溶滴が形成されることになり、安定した溶滴移行ができなくなる。他方、ベース電流Ｉｂが小さくなり過ぎるとアーク切れが生じやすくなる。このために、ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂの各値に対して、上限値及び下限値を設け、適正範囲内で変化するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２３７３４２号公報

上述したように、従来技術の電流値変調制御では、溶接電圧処理地Ｖｆが溶接電圧設定値Ｖｒと等しくなるようにピーク電流Ｉｐ及び／又はベース電流Ｉｂを上限値と下限値との間で変化させている。このために、フィードバック系の過渡応答時に操作量（ピーク電流及びベース電流Ｉｂ）の変化量が制限されていることになり、過渡応答性が悪くなることがある。この過渡応答性が悪くなると、アーク長が外乱によって大きく変化したときに適正値に戻すまでに時間がかかることになる。この結果、溶接状態が一時的に不安定になり、ビード外観も悪くなる。

そこで、本発明では、電流値変調制御によるアーク長制御において、過渡応答性を改善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、
溶接ワイヤを所定速度で送給すると共に、ピーク期間中はピーク電流設定値Ｉprに対応したピーク電流を通電し、ベース期間中はベース電流設定値Ｉbrに対応したベース電流を通電し、これらの通電を１パルス周期として繰り返し、前記ピーク期間Ｔｐを予め定めた基準ピーク期間Ｔpsに設定し、前記ベース期間Ｔｂを予め定めた基準ベース期間Ｔbsに設定し、前記パルス周期を基準パルス周期Ｔｓ＝Ｔps＋Ｔbsに設定し、
溶接電圧の処理値が予め定めた溶接電圧設定値と等しくなるように前記ピーク電流及び前記ベース電流を変化させるパルスアーク溶接の出力制御方法において、
（１）第ｎ回目のパルス周期の開始に際して、前記溶接電圧設定値と前記溶接電圧処理値との電圧誤差に基づいて前記ピーク電流設定値Ｉpr(n)及びベース電流設定値Ｉbr(n)を算出し、目標溶接電流平均値Ｉar＝（Ｉpr(n)×Ｔps＋Ｉbr(n)×Ｔbs）／Ｔｓを算出し、
（２）前記ピーク電流設定値Ｉpr(n)が予め定めたピーク電流上限値Ｉpu以上であるときはピーク電流制御設定値Ｉpc(n)＝Ｉpuとし、前記ピーク電流設定値Ｉpr(n)が予め定めたピーク電流下限値Ｉpd以下であるときは前記ピーク電流制御設定値Ｉpc(n)＝Ｉpdとし、前記ピーク電流設定値Ｉpr(n)がＩpd＜Ｉpr(n)＜Ｉpuであるときは前記ピーク電流制御設定値Ｉpc(n)＝Ｉpr(n)とし、このピーク電流制御設定値Ｉpc(n)に対応した前記ピーク電流を通電し、
（３）前記ベース電流設定値Ｉbr(n)が予め定めたベース電流上限値Ｉbu以上であるときはベース電流制御設定値Ｉbc(n)＝Ｉbuとし、前記ベース電流設定値Ｉbr(n)が予め定めたベース電流下限値Ｉbd以下であるときは前記ベース電流制御設定値Ｉbc(n)＝Ｉbdとし、前記ベース電流設定値Ｉbr(n)がＩbd＜Ｉbr(n)＜Ｉbuであるときは前記ベース電流制御設定値Ｉbc(n)＝Ｉbr(n)とし、このベース電流制御設定値Ｉbc(n)に対応した前記ベース電流を通電し、
（４）Ｉpr(n)≧Ｉpu、Ｉpr(n)≦Ｉpd、Ｉbr(n)≧Ｉbu又はＩbr(n)≦Ｉbdであるときは、第ｎ回目のパルス周期における溶接電流平均値が前記目標溶接電流平均値Ｉarと等しくなるように前記ピーク期間及び／又は前記ベース期間を変化させる、
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、第ｎ回目のパルス周期における前記ピーク期間をＴｐ(n)＝（Ｉar−Ｉbc(n)）×Ｔｓ／（Ｉpc(n)−Ｉbc(n)）に変化させ、第ｎ回目のパルス周期における前記ベース期間をＴｂ(n)＝Ｔｓ−Ｔｐ(n)に変化させる、
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、第ｎ回目のパルス周期における前記ピーク期間をＴｐ(n)＝Ｔpsとし、第ｎ回目のパルス周期における前記ベース期間をＴｂ(n)＝（（Ｉpc(n)−Ｉbc(n)）×Ｔps／（Ｉar−Ｉbc(n)））−Ｔpsに変化させる、
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。

本発明によれば、溶接電圧処理値と溶接電圧設定値とが等しくなるように、ピーク電流及びベース電流を変化させると共に、ピーク電流及びベース電流の変化範囲を各々の上限値と下限値との間に制限し、ピーク電流及びベース電流を制限したときの溶接電流平均値がピーク電流及びベース電流を制限しないときの溶接電流平均値（目標溶接電流平均値）と等しくなるようにピーク期間及び／又はベース期間を変化させる。ピーク電流及びベース電流の変化範囲がアーク状態が良好となる範囲に制限されるので、溶接状態を安定に維持することができる。さらに、ピーク電流及びベース電流が制限されても溶接電流平均値の変化は制限されないようにピーク期間及び／又はベース期間を変化させるので、過渡応答性が良好になる。

本発明の第１及び第２実施形態に係るパルスアーク溶接の出力制御方法を説明するための溶接電流波形図である。 第１実施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。 従来技術におけるパルスアーク溶接の一般的な溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗの波形図である。

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説明するための溶接電流波形図である。同図（Ａ）は、ピーク電流及びベース電流に上限値及び下限値を設けない場合の従来技術の溶接電流波形を示す。同図（Ｂ）は、ピーク電流及びベース電流に上限値及び下限値を設けた場合の従来技術の溶接電流波形を示す。同図（Ｃ）は、ピーク電流及びベース電流に上限値及び下限値を設けた上で、ピーク期間及びベース期間を変化させる場合の本発明の第１実施形態に係る溶接電流波形を示す。同図（Ｄ）は、ピーク電流及びベース電流に上限値及び下限値を設けた上で、ピーク期間を固定しベース期間を変化させる場合の本発明の第２実施形態に係る溶接電流波形を示す。各図共に溶接電圧波形は省略している。以下、同図を参照して説明する。

同図において、時刻ｔ１から第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)が開始される。したがって、時刻ｔ１以前は、第ｎ−１回目のパルス周期Ｔpb(n-1)となる。上述したように、この時刻ｔ１において、以下の処理を行う。
（１）第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)の開始時点における溶接電圧処理値Ｖｆを算出し、溶接電圧設定値Ｖｒとの電圧誤差ΔＶ＝Ｖｒ−Ｖｆを算出する。
（２）ピーク電流修正量ΔＩｐ＝Ｇｐ×ΔＶを算出し、ピーク電流設定値Ｉpr(n)＝Ｉpr(n-1)＋ΔＩｐを算出する。ここで、Ｇｐは予め定めたピーク電流増幅率であり、Ｉpr(n-1)は第ｎ−１回目のパルス周期Ｔpb(n-1)開始時点で算出されたピーク電流設定値である。
（３）ベース電流修正量ΔＩｂ＝Ｇｂ×ΔＶを算出し、ベース電流設定値Ｉbr(n)＝Ｉbr(n-1)＋ΔＩbを算出する。ここで、Ｇｂは予め定めたベース電流増幅率であり、Ｉbr(n-1)は第ｎ−１回目のパルス周期Ｔpb(n-1)開始時点で算出されたベース電流設定値である。

［同図（Ａ）の場合］
同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２のピーク期間は予め定めた基準ピーク期間Ｔpsとなり、時刻ｔ２〜ｔ３のベース期間は予め定めた基準ベース期間Ｔbsとなる。したがって、時刻ｔ１〜ｔ３のパルス周期は基準パルス周期Ｔｓとなる。ピーク電流設定値Ｉpr(n)は、破線で示すピーク電流下限値Ｉpd以上であり、しかもピーク電流上限値Ｉpu以上であるが、制限を受けないので、設定値に対応したピーク電流が通電する。ベース電流設定値Ｉbr(n)は、破線で示すベース電流上限値Ｉbuとベース電流下限値Ｉbdとに挟まれた範囲にある場合であり、この設定値に対応したベース電流が通電する。同図（Ａ）の場合には、ピーク電流及びベース電流が制限されないので、電圧誤差ΔＶに対応して溶接電流平均値が増減するために、アーク長制御系の過渡応答性は良好である。しかし、上述したように、ピーク電流及びベース電流が制限されないために、アーク状態が不安定になる場合が生じることになる。同図（Ａ）の第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)における溶接電流平均値を目標溶接電流平均値Ｉarと呼ぶことにすると、Ｉar＝（Ｉpr(n)×Ｔps＋Ｉbr(n)×Ｔbs）／Ｔｓとなる。

［同図（Ｂ）の場合］
同図（Ｂ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２のピーク期間は基準ピーク期間Ｔpsとなり、時刻ｔ２〜ｔ３のベース期間は基準ベース期間Ｔbsとなる。したがって、時刻ｔ１〜ｔ３のパルス周期は基準パルス周期Ｔｓとなる。ピーク電流設定値Ｉpr(n)が破線で示すピーク電流上限値Ｉpuで制限されるために、ピーク電流はピーク電流上限値Ｉpuに対応した値となる。ベース電流設定値Ｉbr(n)は、破線で示すベース電流上限値Ｉbuとベース電流下限値Ｉbdとに挟まれた範囲にあるために、ベース電流はベース電流設定値Ｉbr(n)に対応した値となる。この結果、ピーク電流及びベース電流はアーク状態が不安定にならない範囲に制限されることになる。他方、同図（Ｂ）の場合には、溶接電流平均値は、斜線で示す部分の面積（Ｉpr(n)−Ｉpu）×Ｔpsだけ削除されることになるために、上記の目標溶接電流平均値Ｉarよりも小さくなる。すなわち、ピーク電流及びベース電流が制限されたときには、溶接電流平均値の変化量も制限されるために、アーク長制御系の過渡応答性は悪くなる。

［同図（Ｃ）の場合］
同図（Ｃ）は本発明の第１実施形態を示している。この第１実施形態では、ピーク電流及びベース電流の変化範囲を制限した上で、溶接電流平均値が上記の目標溶接電流平均値Ｉarと等しくなるようにピーク期間及びベース期間を変化させる。同図（Ｃ）に示すように、パルス周期は、同図（Ａ）及び同図（Ｂ）と同様に、時刻ｔ１〜ｔ３となり基準パルス周期Ｔｓとなる。ピーク期間Ｔｐ(n)は、時刻ｔ１から始まり、時刻ｔ２よりも後ろの時刻ｔ２１まで続く。ベース期間Ｔｂ(n)は、時刻ｔ２１〜ｔ３の期間となる。したがって、Ｔｐ(n)＞Ｔpsとなり、Ｔｂ(n)＜Ｔbsとなる。すなわち、第１実施形態では、パルス周期を基準パルス周期Ｔｓに固定し、ピーク期間の長さを変化させることによって、ピーク期間及びベース期間を変化させるいわゆるパルス幅変調制御を行うものである。ピーク電流設定値Ｉpr(n)、ピーク電流上限値Ｉpu及びピーク電流下限値Ｉpdによって、ピーク電流制御設定値Ｉpc(n)を以下のように算出する。
Ｉpr(n)≧ＩpuのときはＩpc(n)＝Ｉpu
Ｉpd＜Ｉpr(n)＜ＩpuのときはＩpc(n)＝Ｉpr(n)
Ｉpr(n)≦ＩpdのときはＩpc(n)＝Ｉpd
同様に、ベース電流設定値Ｉbr(n)、ベース電流上限値Ｉbu及びベース電流下限値Ｉbdによって、ベース電流制御設定値Ｉbc(n)を以下のように算出する。
Ｉbr(n)≧ＩpuのときはＩbc(n)＝Ｉbu
Ｉbd＜Ｉbr(n)＜ＩbuのときはＩbc(n)＝Ｉbr(n)
Ｉbr(n)≦ＩbdのときはＩbc(n)＝Ｉbd
したがって、ピーク期間中は、ピーク電流制御設定値Ｉpc(n)に対応したピーク電流が通電し、ベース期間中は、ベース電流制御設定値Ｉbc(n)に対応したベース電流が通電する。同図（Ｃ）においては、ピーク電流制御設定値Ｉpc(n)＝Ｉpuとなり、ベース電流制御設定値Ｉbc(n)＝Ｉbr(n)となる。

同図（Ｃ）において、第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)における溶接電流平均値Ｉavは、以下のように算出される。
Ｉav＝（Ｉpc(n)×Ｔｐ(n)＋Ｉbc(n)×Ｔｂ(n)）／Ｔｓ
ここで、Ｔｂ(n)＝Ｔｓ−Ｔｐ(n)を代入し、溶接電流平均値Ｉavが上記の目標溶接電流平均値Ｉarと等しくなるときのピーク期間Ｔｐ(n)は以下のように算出される。
Ｔｐ(n)＝（Ｉar−Ｉbc(n)）×Ｔｓ／（Ｉpc(n)−Ｉbc(n)） （１）式
また、ベース期間Ｔｂ(n)は以下のように算出される。
Ｔｂ(n)＝Ｔｓ−Ｔｐ(n) （２）式

［同図（Ｄ）の場合］
同図（Ｄ）は本発明の第２実施形態を示している。この第２実施形態では、ピーク電流及びベース電流の変化範囲を制限した上で、溶接電流平均値が上記の目標溶接電流平均値Ｉarと等しくなるようにピーク期間及びベース期間を変化させる。同図（Ｄ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２のピーク期間Ｔｐ(n)は、同図（Ａ）及び同図（Ｂ）と同様に、基準ピーク期間Ｔpsとなる。ベース期間Ｔｂ(n)は、時刻ｔ２から始まり、時刻ｔ３よりも前の時刻ｔ２２まで続く。したがって、Ｔｐ(n)＝Ｔpsとなり、Ｔｂ(n)＜Ｔbsとなる。すなわち、第２実施形態では、ピーク期間を基準ピーク期間Ｔpsに固定し、ベース期間Ｔｂ(n)の長さを変化させるいわゆる周波数変調制御を行うものである。ピーク電流設定値Ｉpr(n)、ピーク電流上限値Ｉpu及びピーク電流下限値Ｉpdによって、ピーク電流制御設定値Ｉpc(n)を算出する方法は、上述した同図（Ｃ）の場合と同様である。また、ベース電流設定値Ｉbr(n)、ベース電流上限値Ｉbu及びベース電流下限値Ｉbdによって、ベース電流制御設定値Ｉbc(n)を算出する方法は、上述した同図（Ｃ）の場合と同様である。したがって、ピーク期間中は、ピーク電流制御設定値Ｉpc(n)に対応したピーク電流が通電し、ベース期間中は、ベース電流制御設定値Ｉbc(n)に対応したベース電流が通電する。同図（Ｄ）においては、ピーク電流制御設定値Ｉpc(n)＝Ｉpuとなり、ベース電流制御設定値Ｉbc(n)＝Ｉbr(n)となる。

同図（Ｄ）において、第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)における溶接電流平均値Ｉavは、以下のように算出される。
Ｉav＝（Ｉpc(n)×Ｔｓ＋Ｉbc(n)×Ｔｂ(n)）／（Ｔps＋Ｔｂ(n)）
ここで、溶接電流平均値Ｉavが上記の目標溶接電流平均値Ｉarと等しくなるときのベース期間Ｔｂ(n)は以下のように算出される。
Ｔｂ(n)＝（（Ｉpc(n)−Ｉbc(n)）×Ｔps／（Ｉar−Ｉbc(n)））−Ｔps （３）式
また、ピーク期間Ｔｐ(n)は以下のようになる。
Ｔｐ(n)＝Ｔps （４）式

以下、図１（Ｃ）を参照して、上述した第１実施形態に係るパルスアーク溶接の出力制御方法について整理する。
第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)の開始時点（時刻ｔ１）において以下の処理を行う。
（１）溶接電圧処理値Ｖｆを算出し、予め定めた溶接電圧設定値Ｖｒとの電圧誤差ΔＶ＝Ｖｒ−Ｖｆを算出する。ここで、溶接電圧処理値Ｖｆとしては、前パルス周期における溶接電圧平均値Ｖav、前パルス周期におけるピーク電圧値Ｖｐ、溶接電圧Ｖｗからローパスフィルタによって高周波成分を除去した溶接電圧平滑値等を使用することができる。
（２）ピーク電流修正量ΔＩｐ＝Ｇｐ×ΔＶを算出し、ピーク電流設定値Ｉpr(n)＝Ｉpr(n-1)＋ΔＩｐを算出する。ここで、Ｇｐは予め定めたピーク電流増幅率であり、Ｉpr(n-1)は第ｎ−１回目のパルス周期Ｔpb(n-1)開始時点で算出されたピーク電流設定値である。
（３）ベース電流修正量ΔＩｂ＝Ｇｂ×ΔＶを算出し、ベース電流設定値Ｉbr(n)＝Ｉbr(n-1)＋ΔＩbを算出する。ここで、Ｇｂは予め定めたベース電流増幅率であり、Ｉbr(n-1)は第ｎ−１回目のパルス周期Ｔpb(n-1)開始時点で算出されたベース電流設定値である。
（４）基準ピーク期間Ｔps、基準ベース期間Ｔbs及び基準パルス周期Ｔｓ＝Ｔps＋Ｔbsを予め設定し、目標溶接電流平均値Ｉarを以下のように算出する。
Ｉar＝（Ｉpr(n)×Ｔps＋Ｉbr(n)×Ｔbs）／Ｔｓ

（５）ピーク電流上限値Ｉpu及びピーク電流下限値Ｉpdを予め設定し、ピーク電流制御設定値Ｉpc(n)を以下のように算出する。
Ｉpr(n)≧ＩpuのときはＩpc(n)＝Ｉpu
Ｉpd＜Ｉpr(n)＜ＩpuのときはＩpc(n)＝Ｉpr(n)
Ｉpr(n)≦ＩpdのときはＩpc(n)＝Ｉpd
（６）ベース電流上限値Ｉbu及びベース電流下限値Ｉbdを予め設定し、ベース電流制御設定値Ｉbc(n)を以下のように算出する。
Ｉbr(n)≧ＩbuのときはＩbc(n)＝Ｉbu
Ｉbd＜Ｉbr(n)＜ＩbuのときはＩbc(n)＝Ｉbr(n)
Ｉbr(n)≦ＩbdのときはＩbc(n)＝Ｉbd
（７）上記（１）式及び（２）式によって、ピーク期間Ｔｐ(n)及びベース期間Ｔｂ(n)を算出する。
Ｔｐ(n)＝（Ｉar−Ｉbc(n)）×Ｔｓ／（Ｉpc(n)−Ｉbc(n)） （１）式
Ｔｂ(n)＝Ｔｓ−Ｔｐ(n) （２）式

そして、第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)において、ピーク期間Ｔｐ(n)中はピーク電流制御設定値Ｉpc(n)に対応したピーク電流を通電し、ベース期間Ｔｂ(n)中はベース電流制御設定値Ｉbc(n)に対応したベース電流を通電する。第１実施形態では、パルス周期Ｔpbは基準パルス周期Ｔｓに固定されているので、Ｔｐ(n)＋Ｔｂ(n)＝Ｔｓとなる。すなわち、第１実施形態では、アーク長制御は、電流値変調制御とパルス幅変調制御とを併用していることになる。

次に、図１（Ｄ）を参照して、第２実施形態に係るパルスアーク溶接の出力制御方法について整理する。第２実施形態では、上述した第１実施形態における（１）〜（６）の処理は同一であり、（７）の処理が以下のようになる。
（７）上記（３）式及び（４）式によって、ピーク期間Ｔｐ(n)及びベース期間Ｔｂ(n)を算出する。
Ｔｂ(n)＝（（Ｉpc(n)−Ｉbc(n)）×Ｔps／（Ｉar−Ｉbc(n)））−Ｔps （３）式
Ｔｐ(n)＝Ｔps （４）式

そして、第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)において、ピーク期間Ｔｐ(n)中はピーク電流制御設定値Ｉpc(n)に対応したピーク電流を通電し、ベース期間Ｔｂ(n)中はベース電流制御設定値Ｉbc(n)に対応したベース電流を通電する。第２実施形態では、ピーク期間Ｔｐは基準ピーク期間Ｔpsに固定されており、ベース期間Ｔｂが変化するので、結果的には、パルス周期（周波数）が変化していることになる。すなわち、第２実施形態では、アーク長制御は、電流値変調制御と周波数変調制御とを併用していることになる。

上述した第１及び第２実施形態において、ピーク電流増幅率Ｇｐ又はベース電流増幅率Ｇｂを０に設定すれば、電圧誤差によってピーク電流又はベース電流の一方だけを変化させるようにすることができる。ピーク電流上限値Ｉpu、ピーク電流下限値Ｉpd、ベース電流上限値Ｉbu及びベース電流下限値Ｉbdの数値例を以下に示す。溶接ワイヤに直径１．２mmのアルミニウム合金ワイヤを使用し、ワイヤ送給速度を９．６m/minに設定した場合、Ｉpu＝３６０Ａ、Ｉpd＝２９０Ａ、Ｉbu＝１２０Ａ、Ｉbd＝３０Ａとなる。

図２は、上述した本発明の第１実施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。

溶接電圧処理回路ＶＦは、上記の溶接電圧Ｖｗを検出して処理し、溶接電圧処理信号Ｖｆを出力する。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。電圧誤差回路ＥＶは、上記の溶接電圧設定信号Ｖｒと上記の溶接電圧処理信号Ｖｆとの電圧誤差信号ΔＶ＝Ｖｒ−Ｖｆを出力する。ピーク電流設定回路ＩＰＲは、前周期におけるピーク電流設定信号Ｉpr(n-1)及び上記の電圧誤差信号ΔＶを入力として、ピーク電流設定信号Ｉpr(n)＝Ｉpr(n-1)＋Ｇｐ×ΔＶ（但し、Ｇｐは予め定めたピーク電流増幅率）を出力する。ベース電流設定回路ＩＢＲは、前周期におけるベース電流設定信号Ｉbr(n-1)及び上記の電圧誤差信号ΔＶを入力として、ベース電流設定信号Ｉbr(n)＝Ｉbr(n-1)＋Ｇｂ×ΔＶ（但し、Ｇｂは予め定めたベース電流増幅率）を出力する。

目標溶接電流平均値算出回路ＩＡＲは、上記のピーク電流設定信号Ｉpr(n)及び上記のベース電流設定信号Ｉbr(n)を入力として、目標溶接電流平均値信号Ｉar＝（Ｉpr(n)×Ｔps＋Ｉbr(n)×Ｔbs）／Ｔｓを算出して出力する。但し、Ｔpsは予め定めた基準ピーク期間であり、Ｔbsは予め定めた基準ベース期間であり、Ｔｓは予め定めた基準パルス周期である。Ｔｓ＝Ｔps＋Ｔbsである。

ピーク電流制御設定回路ＩＰＣは、上記のピーク電流設定信号Ｉpr(n)を入力として、以下のようにしてピーク電流制御設定信号Ｉpcを算出して出力する。
Ｉpr(n)≧ＩpuのときはＩpc(n)＝Ｉpu
Ｉpd＜Ｉpr(n)＜ＩpuのときはＩpc(n)＝Ｉpr(n)
Ｉpr(n)≦ＩpdのときはＩpc(n)＝Ｉpd
但し、Ｉpuは予め定めたピーク電流上限値であり、Ｉpdは予め定めたピーク電流下限値である。

ベース電流制御設定回路ＩＢＣは、上記のベース電流設定信号Ｉbr(n)を入力として、以下のようにしてベース電流制御設定信号Ｉbcを算出して出力する。
Ｉbr(n)≧ＩbuのときはＩbc(n)＝Ｉbu
Ｉbd＜Ｉbr(n)＜ＩbuのときはＩbc(n)＝Ｉbr(n)
Ｉbr(n)≦ＩbdのときはＩbc(n)＝Ｉbd
但し、Ｉbuは予め定めたベース電流上限値であり、Ｉbdは予め定めたベース電流下限値である。

パルス周期タイマ回路ＴＰＢは上記の目標溶接電流平均値信号Ｉar、上記のピーク電流制御設定信号Ｉpc(n)及びベース電流制御設定信号Ｉbc(n)を入力として、上記（１）式及び（２）式によってピーク期間Ｔｐ(n)及びベース期間Ｔｂ(n)を算出し、第ｎ回目のパルス周期の開始時点からこのピーク期間Ｔｐ(n)によって定まる期間中はＨｉｇｈレベルになり、その後はこのベース期間Ｔｂ(n)によって定まる期間中はＬｏｗレベルになるパルス周期信号Ｔpbを出力する。したがって、このパルス周期信号Ｔpbは、ピーク期間中はＨｉｇｈレベルになり、ベース期間中はＬｏｗレベルになる。切換回路ＳＷは、このパルス周期信号Ｔpb、上記のピーク電流制御設定信号Ｉpc(n)及び上記のベース電流制御設定信号Ｉbc(n)を入力として、パルス周期信号ＴpbがＨｉｇｈレベル（ピーク期間）のときはピーク電流制御設定信号Ｉpc(n)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）中はベース電流制御設定信号Ｉbc(n)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、変調制御を行い、この結果に基づいて上記の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。上述した構成によって、図１（Ｃ）で上述した電流値変調制御＋パルス幅変調制御が行われる。

また、第２実施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では、図２において、パルス周期タイマ回路ＴＰＢの動作を以下のようにすれば良い。
パルス周期タイマ回路ＴＰＢは上記の目標溶接電流平均値信号Ｉar、上記のピーク電流制御設定信号Ｉpc(n)及びベース電流制御設定信号Ｉbc(n)を入力として、上記（３）式及び（４）式によってピーク期間Ｔｐ(n)及びベース期間Ｔｂ(n)を算出し、第ｎ回目のパルス周期の開始時点からこのピーク期間Ｔｐ(n)によって定まる期間中はＨｉｇｈレベルになり、その後はこのベース期間Ｔｂ(n)によって定まる期間中はＬｏｗレベルになるパルス周期信号Ｔpbを出力する。

上述した第１及び第２実施形態によれば、溶接電圧処理値と溶接電圧設定値とが等しくなるように、ピーク電流及びベース電流を変化させると共に、ピーク電流及びベース電流の変化範囲を各々の上限値と下限値との間に制限し、ピーク電流及びベース電流を制限したときの溶接電流平均値がピーク電流及びベース電流を制限しないときの溶接電流平均値（目標溶接電流平均値）と等しくなるようにピーク期間及び／又はベース期間を変化させる。ピーク電流及びベース電流の変化範囲がアーク状態が良好となる範囲に制限されるので、溶接状態を安定に維持することができる。さらに、ピーク電流及びベース電流が制限されても溶接電流平均値の変化は制限されないようにピーク期間及び／又はベース期間を変化させるので、過渡応答性が良好になる。

第１及び第２実施形態では、アーク長制御を電流値変調制御とパルス幅変調制御（周波数変調制御）とを併用することによって、両変調制御の有利な点を兼ね備えた変調制御を実現している。このために、定常溶接状態又はアーク長の変動が小さい状態では、電流値変調制御となり、上述した多電極パルスアーク溶接、ウィービング溶接、ミグパルス溶接等において高品質な溶接結果を得ることができる。他方、アーク長の変動が大きい場合には、電流値変調制御に加えてパルス幅変調制御（周波数変調制御）が行われるので、過渡応答性を良好にすることができ、速やかに適正アーク長に収束させることができる。

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
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 電圧誤差回路
Ｇｂ ベース電流増幅率
Ｇｐ ピーク電流増幅率
ＩＡＲ 目標溶接電流平均値算出回路
Ｉar 目標溶接電流平均値（信号）
Ｉav 溶接電流平均値
Ｉｂ ベース電流
ＩＢＣ ベース電流制御設定回路
Ｉbc ベース電流制御設定（値／信号）
Ｉbd ベース電流下限値
ＩＢＲ ベース電流設定回路
Ｉbr ベース電流設定（値／信号）
Ｉbu ベース電流上限値
ＩＤ 溶接電流検出回路
Ｉｄ 溶接電流検出信号
Ｉｐ ピーク電流
ＩＰＣ ピーク電流制御設定回路
Ｉpc ピーク電流制御設定（値／信号）
Ｉpd ピーク電流下限値
ＩＰＲ ピーク電流設定回路
Ｉpr ピーク電流設定（値／信号）
Ｉpu ピーク電流上限値
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
Ｔｂ ベース期間
Ｔbs 基準ベース期間
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）
Ｔps 基準ピーク期間
Ｔｓ 基準パルス周期
Ｖav 溶接電圧平均値
Ｖｂ ベース電圧
ＶＦ 溶接電圧処理回路
Ｖｆ 溶接電圧処理（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
ΔＩｂ ベース電流修正量
ΔＩｐ ピーク電流修正量
ΔＶ 電圧誤差（信号）

Claims (3)

1. 溶接ワイヤを所定速度で送給すると共に、ピーク期間中はピーク電流設定値Ｉprに対応したピーク電流を通電し、ベース期間中はベース電流設定値Ｉbrに対応したベース電流を通電し、これらの通電を１パルス周期として繰り返し、前記ピーク期間Ｔｐを予め定めた基準ピーク期間Ｔpsに設定し、前記ベース期間Ｔｂを予め定めた基準ベース期間Ｔbsに設定し、前記パルス周期を基準パルス周期Ｔｓ＝Ｔps＋Ｔbsに設定し、
   溶接電圧の処理値が予め定めた溶接電圧設定値と等しくなるように前記ピーク電流及び前記ベース電流を変化させるパルスアーク溶接の出力制御方法において、
   （１）第ｎ回目のパルス周期の開始に際して、前記溶接電圧設定値と前記溶接電圧処理値との電圧誤差に基づいて前記ピーク電流設定値Ｉpr(n)及びベース電流設定値Ｉbr(n)を算出し、目標溶接電流平均値Ｉar＝（Ｉpr(n)×Ｔps＋Ｉbr(n)×Ｔbs）／Ｔｓを算出し、
   （２）前記ピーク電流設定値Ｉpr(n)が予め定めたピーク電流上限値Ｉpu以上であるときはピーク電流制御設定値Ｉpc(n)＝Ｉpuとし、前記ピーク電流設定値Ｉpr(n)が予め定めたピーク電流下限値Ｉpd以下であるときは前記ピーク電流制御設定値Ｉpc(n)＝Ｉpdとし、前記ピーク電流設定値Ｉpr(n)がＩpd＜Ｉpr(n)＜Ｉpuであるときは前記ピーク電流制御設定値Ｉpc(n)＝Ｉpr(n)とし、このピーク電流制御設定値Ｉpc(n)に対応した前記ピーク電流を通電し、
   （３）前記ベース電流設定値Ｉbr(n)が予め定めたベース電流上限値Ｉbu以上であるときはベース電流制御設定値Ｉbc(n)＝Ｉbuとし、前記ベース電流設定値Ｉbr(n)が予め定めたベース電流下限値Ｉbd以下であるときは前記ベース電流制御設定値Ｉbc(n)＝Ｉbdとし、前記ベース電流設定値Ｉbr(n)がＩbd＜Ｉbr(n)＜Ｉbuであるときは前記ベース電流制御設定値Ｉbc(n)＝Ｉbr(n)とし、このベース電流制御設定値Ｉbc(n)に対応した前記ベース電流を通電し、
   （４）Ｉpr(n)≧Ｉpu、Ｉpr(n)≦Ｉpd、Ｉbr(n)≧Ｉbu又はＩbr(n)≦Ｉbdであるときは、第ｎ回目のパルス周期における溶接電流平均値が前記目標溶接電流平均値Ｉarと等しくなるように前記ピーク期間及び／又は前記ベース期間を変化させる、
   ことを特徴とするパルスアーク溶接の出力制御方法。
2. 第ｎ回目のパルス周期における前記ピーク期間をＴｐ(n)＝（Ｉar−Ｉbc(n)）×Ｔｓ／（Ｉpc(n)−Ｉbc(n)）に変化させ、第ｎ回目のパルス周期における前記ベース期間をＴｂ(n)＝Ｔｓ−Ｔｐ(n)に変化させる、
   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. 第ｎ回目のパルス周期における前記ピーク期間をＴｐ(n)＝Ｔpsとし、第ｎ回目のパルス周期における前記ベース期間をＴｂ(n)＝（（Ｉpc(n)−Ｉbc(n)）×Ｔps／（Ｉar−Ｉbc(n)））−Ｔpsに変化させる、
   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。

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