JP6377427B2 - アーク溶接制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接ワイヤの送給速度の正送期間と逆送期間とを周期的に繰り返して短絡期間とアーク期間とを発生させて溶接を行うアーク溶接制御方法に関するものである。

一般的な消耗電極式アーク溶接では、消耗電極である溶接ワイヤを一定速度で送給し、溶接ワイヤと母材との間にアークを発生させて溶接が行なわれる。消耗電極式アーク溶接では、溶接ワイヤと母材とが短絡状態とアーク発生状態とを交互に繰り返す溶接状態になることが多い。

ところで、溶接品質をさらに向上させるために、溶接ワイヤの正送と逆送とを周期的に繰り返して溶接する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。以下、この溶接方法について説明する。

図５は、溶接ワイヤの送給速度の正送期間と逆送期間とを周期的に繰り返す溶接方法における波形図である。同図（Ａ）は送給速度Ｆｗの波形を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの波形を示し、同図（Ｃ）は溶接電圧Ｖｗの波形を示す。以下、同図を参照して動作について説明する。

同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは、０よりも上側が正送期間となり、下側が逆送期間となる。正送とは溶接ワイヤを母材に近づける方向に送給することであり、逆送とは母材から離反する方向に送給することである。送給速度Ｆｗは、正弦波状に変化しており、正送側にシフトした波形となっている。このために、送給速度Ｆｗの平均値は正の値となり、溶接ワイヤは平均的には正送されている。

同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは、時刻ｔ１時点では０であり、時刻ｔ１〜ｔ２の期間は正送加速期間となり、時刻ｔ２で正送の最大値となり、時刻ｔ２〜ｔ３の期間は正送減速期間となり、時刻ｔ３で０となり、時刻ｔ３〜ｔ４の期間は逆送加速期間となり、時刻ｔ４で逆送の最大値となり、時刻ｔ４〜ｔ５の期間は逆送減速期間となる。送給速度Ｆｗは、時刻ｔ１〜ｔ５を周期Ｔとして繰り返される。また、送給速度Ｆｗの振幅Ｗは、（正送の最大値）−（逆送の最大値）である。

溶接ワイヤと母材との短絡は、時刻ｔ２の正送最大値の前後で発生することが多い。同図では、正送最大値の後の正送減速期間中の時刻ｔ２１で発生した場合である。時刻ｔ２１において短絡が発生すると、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖの短絡電圧値に急減し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗも小電流値の初期電流値に減少する。以下の説明においては、短絡期間中の溶接電流Ｉｗを短絡電流と記載することにする。そして、その後、短絡電流は、所定の上昇率で増加し、予め定めたピーク値に達するとその値を維持する。

同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは、時刻ｔ３からは逆送期間になるので、溶接ワイヤは逆送される。この逆送及び短絡電流によるピンチ力によって短絡が解除されて、時刻ｔ３１においてアークが再発生する。アークの再発生は、時刻ｔ４の逆送最大値の前後で発生することが多い。同図では、逆送最大値の前の逆送加速期間中の時刻ｔ３１で発生した場合である。

時刻ｔ３１においてアークが再発生すると、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数十Ｖのアーク電圧値に急増する。同図（Ｂ）に示すように、短絡電流は、アーク再発生の前兆現象である溶滴のくびれを検出する制御によって、時刻ｔ３１よりも数百μｓ程度前の時点から急減し、時刻ｔ３１のアーク再発生時点では小電流値となっている。このくびれの検出は、溶滴にくびれが形成されると通電路が狭くなり溶接ワイヤと母材との間の抵抗値又は溶接電圧値が上昇することを検出することによって行われる。

同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは、時刻ｔ３１から時刻ｔ５まで逆送される。この期間中は、アーク長が長くなる期間となる。時刻ｔ３１〜ｔ５の期間中は、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、所定のアーク時上昇率で増加し、所定の第１溶接電流値に達するとその値をアーク再発生時（時刻ｔ３１）からの所定期間維持する。その後は次の短絡が発生する時刻ｔ６１まで第１溶接電流よりも小となる第２溶接電流が通電する。

同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは、時刻ｔ５から正送期間となり、時刻ｔ６で正送の最大値となる。そして、同図では、時刻ｔ６１において、次の短絡が発生する。この時刻ｔ５〜ｔ６１の期間中は、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは次第に減少し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗも次第に減少する。

上述したように、短絡とアークとの周期は、送給速度の正送と逆送との周期と略一致することになる。すなわち、この溶接方法では、送給速度の正送と逆送との周期を設定することによって短絡とアークとの周期を所望値にすることができる。このために、この溶接方法を実施すれば、短絡とアークとの周期のばらつきを抑制して略一定にすることが可能となり、スパッタ発生量の少ない、かつ、ビード外観の良好な溶接を行なうことができる。

特許第５２０１２６６号公報

ワーク（母材）に応じて適正な平均溶接電流値に設定する必要がある。消耗電極式アーク溶接においては、平均溶接電流値は、送給速度Ｆｗの平均値によって定まる。したがって、ワークに応じて、送給速度Ｆｗの平均値を適正化する必要がある。

送給速度Ｆｗの正送期間と逆送期間とを周期的に繰り返す溶接方法において、送給速度Ｆｗの平均値を変化させるためには、送給速度Ｆｗの振幅Ｗを変化させれば良い。しかし、振幅Ｗが大きくなるのみ伴い、正送の最大値及び逆送の最大値が大きくなる。この結果、送給モータへの負荷状態が過剰となるために、送給モータの性能が低下し、寿命が短くなるという問題があった。

そこで、本発明では、送給速度の正送期間と逆送期間とを周期的に繰り返す溶接方法において、送給速度の平均値を大きな値に設定したときに、送給モータへの負荷状態が過剰になることを抑制することができるアーク溶接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、請求項１の発明は、
溶接ワイヤの送給速度の正送期間と逆送期間とを周期的に繰り返して短絡期間とアーク期間とを発生させて溶接を行うアーク溶接制御方法において、
前記送給速度の平均値が予め定めた基準送給速度以上のとき、又は、前記正送期間若しくは前記逆送期間中の前記送給速度の最大値の絶対値が予め定めた基準値以上のときは、前記送給速度の平均値を、前記正送期間と前記逆送期間との比率を変化させることによって設定する、
ことを特徴とするアーク溶接制御方法である。

本発明によれば、送給速度の平均値が大きな値に設定された場合でも、正逆比率が変化するだけで正送の最大値及び逆送の最大値は所定値のままで変化しないので、送給モータへの負荷状態が過剰になることを抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係るアーク溶接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１に係るアーク溶接制御方法を説明するための、図１の溶接電源における各信号のタイミングチャートである。 本発明の実施の形態２に係るアーク溶接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３に係るアーク溶接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。 従来技術において、溶接ワイヤの送給速度の正送期間と逆送期間とを周期的に繰り返す溶接方法における波形図である。

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。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係るアーク溶接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、後述する誤差増幅信号Ｅａに従ってインバータ制御等の出力制御を行い、溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗ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、整流された直流を平滑するリアクトル、上記の誤差増幅信号Ｅａ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号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インバータ駆動回路を備えている。

減流抵抗器Ｒは、上記の電源主回路ＰＭと溶接トーチ４との間に挿入される。この減流抵抗器Ｒの値は、短絡負荷（０．０１〜０．０３Ω程度）の１０倍以上大きな値（０．５〜３Ω程度）に設定される。この減流抵抗器Ｒが通電路に挿入されると、溶接電源内の直流リアクトル及び外部ケーブルのリアクトルに蓄積されたエネルギーが急放電される。トランジスタＴＲは、減流抵抗器Ｒと並列に接続されて、後述する駆動信号Ｄｒに従ってオン又はオフ制御される。

送給モータＷＭは、後述する送給制御信号Ｆｃを入力として、正送と逆送とを周期的に繰り返して溶接ワイヤ１を送給速度Ｆｗで送給する。この送給モータＷＭには、過渡応答性の速いモータが使用される。溶接ワイヤ１の送給速度Ｆｗの変化率及び送給方向の反転を速くするために、送給モータＷＭは溶接トーチ４の先端の近くに設置される場合がある。また、送給モータＷＭを２個使用して、プッシュプル方式の送給系とする場合もある。

溶接ワイヤ１は、上記の送給モータ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が発生する。溶接トーチ４内の給電チップ（図示は省略）と母材２との間には溶接電圧Ｖｗが印加し、溶接電流Ｉｗが通電する。

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。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。

短絡判別回路ＳＤは、上記の溶接電圧検出信号Ｖｄを入力として、この値が予め定めた短絡／アーク判別値（１０Ｖ程度に設定）未満であるときは短絡期間にあると判別してＨｉｇｈレベルとなり、以上のときはアーク期間にあると判別してＬｏｗレベルになる短絡判別信号Ｓｄを出力する。

平均溶接電流設定回路ＩＡＲは、予め定めた平均溶接電流設定信号Ｉarを出力する。平均送給速度設定回路ＦＡＲは、この平均溶接電流設定信号Ｉarを入力として、予め定めた電流送給速度変換関数によって平均送給速度を算出して、平均送給速度設定信号Ｆarとして出力する。電流送給速度変換関数は、平均溶接電流値と平均送給速度との関係を示す関数であり、実験によって予め定義されている。

振幅設定回路ＷＲは、予め定めた振幅設定信号Ｗｒを出力する。周期設定回路ＴＦＲは、予め定めた周期設定信号Ｔfrを出力する。

正逆比率設定回路ＤＵＲは、上記の平均送給速度設定信号Ｆarを入力として、予め定めた送給速度正逆比率変換関数によって、送給速度の正送期間と逆送期間との比率（以下、正逆比率という）Ｄを算出して、正逆比率設定信号Ｄurとして出力する。正逆比率Ｄは、Ｄ＝（逆送期間）／（正送期間）である。送給速度正逆比率変換関数は、送給速度の振幅を上記の振幅設定信号Ｗｒの値としたときの平均送給速度と正逆比率Ｄとの関係を示す関数であり、予め実験によって定義されている。

送給速度設定回路ＦＲは、上記の振幅設定信号Ｗｒ、上記の周期設定信号Ｔfr及び上記の正逆比率設定信号Ｄurを入力として、これらの波形パラメータから形成される正弦波状のパターンの送給速度設定信号Ｆｒを出力する。送給速度設定信号Ｆｒのパターンは、台形波状、三角波状等でも良い。

送給制御回路ＦＣは、上記の送給速度設定信号Ｆｒを入力として、この設定値に相当する送給速度Ｆｗで溶接ワイヤ１を送給するための送給制御信号Ｆｃを上記の送給モータＷＭに出力する。

第１溶接電流設定回路ＩＷＲ１は、予め定めた第１溶接電流設定信号Ｉwr1を出力する。第１溶接電流通電期間設定回路ＴＷＲ１は、予め定めた第１溶接電流通電期間設定信号Ｔwr1を出力する。

くびれ検出感度設定回路ＮＴＲは、予め定めたくびれ検出感度設定信号Ｎtrを出力する。くびれ検出回路ＮＤは、上記の短絡判別信号Ｓｄ、上記の溶接電圧検出信号Ｖｄ、上記の溶接電流検出信号Ｉｄ及び上記のくびれ検出感度設定信号Ｎtrを入力として、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）であるときの溶接電圧検出信号Ｖｄの電圧上昇値がくびれ検出感度設定信号Ｎtrの値に達した時点でくびれの形成状態が基準状態になったと判別してＨｉｇｈレベルとなり、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）に変化した時点でＬｏｗレベルになるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。また、短絡期間中の溶接電圧検出信号Ｖｄの微分値がそれに対応したくびれ検出感度設定信号Ｎtrの値に達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。さらに、溶接電圧検出信号Ｖｄの値を溶接電流検出信号Ｉｄの値で除算して溶滴の抵抗値を算出し、この抵抗値の微分値がそれに対応するくびれ検出感度設定信号Ｎtrの値に達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。

低レベル電流設定回路ＩＬＲは、予め定めた低レベル電流設定信号Ｉlrを出力する。電流比較回路ＣＭは、この低レベル電流設定信号Ｉlr及び上記の溶接電流検出信号Ｉｄを入力として、Ｉｄ＜ＩlrのときはＨｉｇｈレベルになり、Ｉｄ≧ＩlrのときはＬｏｗレベルになる電流比較信号Ｃｍを出力する。

駆動回路ＤＲは、上記の電流比較信号Ｃｍ及び上記のくびれ検出信号Ｎｄを入力として、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルに変化するとＬｏｗレベルに変化し、その後に電流比較信号ＣｍがＨｉｇｈレベルに変化するとＨｉｇｈレベルに変化する駆動信号Ｄｒを上記のトランジスタＴＲのベース端子に出力する。したがって、この駆動信号Ｄｒはくびれが検出されるとＬｏｗレベルになり、トランジスタＴＲがオフ状態になり通電路に減流抵抗器Ｒが挿入されるので、短絡負荷を通電する溶接電流Ｉｗは急減する。そして、急減した溶接電流Ｉｗの値が低レベル電流設定信号Ｉlrの値まで減少すると、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになり、トランジスタＴＲがオン状態になるので、減流抵抗器Ｒは短絡されて通常の状態に戻る。

電流制御設定回路ＩＣＲは、上記の短絡判別信号Ｓｄ、上記の低レベル電流設定信号Ｉlr、上記のくびれ検出信号Ｎｄ及び上記の第１溶接電流設定信号Ｉwr1を入力として、以下の処理を行い、電流制御設定信号Ｉcrを出力する。
１）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）に変化した時点から予め定めた初期期間中は、予め定めた初期電流設定値を電流制御設定信号Ｉcrとして出力する。
２）その後は、電流制御設定信号Ｉcrの値を、上記の初期電流設定値から予め定めた上昇率で予め定めたピーク値設定値まで上昇させ、その値を維持する。
３）くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルに変化すると、電流制御設定信号Ｉcrの値を低レベル電流設定信号Ｉlrの値に切り換えて維持する。
４）短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク）に変化すると、電流制御設定信号Ｉcrを、予め定めたアーク時上昇率で第１溶接電流設定信号Ｉwr1の値まで上昇させ、その値を維持する。

オフディレイ回路ＴＤＳは、上記の短絡判別信号Ｓｄ及び上記の第１溶接電流通電期間設定信号Ｔwr1を入力として、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変化する時点を第１溶接電流通電期間設定信号Ｔwr1の期間だけオフディレイさせて遅延信号Ｔdsを出力する。したがって、この遅延信号Ｔdsは、短絡期間になるとＨｉｇｈレベルとなり、アークが再発生してから第１溶接電流通電期間設定信号Ｔwr1の期間だけオフディレイしてＬｏｗレベルになる信号である。

電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流制御設定信号Ｉcr（＋）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。

電圧設定回路ＶＲは、アーク期間中の溶接電圧を設定するための予め定めた電圧設定信号Ｖｒを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、この電圧設定信号Ｖｒ（＋）と上記の溶接電圧検出信号Ｖｄ（−）との誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。

制御切換回路ＳＷは、上記の電流誤差増幅信号Ｅｉ、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖ及び上記の遅延信号Ｔdsを入力として、遅延信号ＴdsがＨｉｇｈレベル（短絡開始からアークが再発生して第１溶接電流通電期間設定信号Ｔwr1の期間が経過するまでの期間）のときは電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力し、Ｌｏｗレベル（アーク）のときは電圧誤差増幅信号Ｅｖを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。この回路により、短絡期間＋第１溶接電流通電期間中は定電流制御となり、それ以外のアーク期間中は定電圧制御となる。

図２は、本発明の実施の形態１に係るアーク溶接制御方法を説明するための、図１の溶接電源における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接ワイヤ１の送給速度Ｆｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｄ）はくびれ検出信号Ｎｄの時間変化を示し、同図（Ｅ）は駆動信号Ｄｒの時間変化を示し、同図（Ｆ）は遅延信号Ｔdsの時間変化を示し、同図（Ｇ）は電流制御設定信号Ｉcrの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。

同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは、０よりも上側の正の値のときは溶接ワイヤが正送されていることを示し、０よりも下側の負の値のときは逆送されていることを示す。同図（Ａ）に示す送給速度Ｆｗは送給速度設定信号Ｆｒ（図示は省略）によって設定されるので、両波形は相似波形となる。送給速度設定信号Ｆｒは、図１で上述したように、振幅設定信号Ｗｒ、周期設定信号Ｔfr及び平均送給速度設定信号Ｆarに対応して設定されている正逆比率設定信号Ｄurの各値を波形パラメータとして形成される正弦波状のパターンとなる。同図では正弦波状に変化しているが、三角波状又は台形波状に変化するようにしても良い

同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは、時刻ｔ１時点では０であり、時刻ｔ１〜ｔ２の期間は正送加速期間となり、時刻ｔ２で正送の最大値となり、時刻ｔ２〜ｔ３の期間は正送減速期間となり、時刻ｔ３で０となり、時刻ｔ３〜ｔ４の期間は逆送加速期間となり、時刻ｔ４で逆送の最大値となり、時刻ｔ４〜ｔ５の期間は逆送減速期間となる。したがって、送給速度Ｆｗは、時刻ｔ１〜ｔ５の期間を周期Ｔとして繰り返す波形となる。振幅Ｗは、上述したように、正送の最大値と逆送の最大値との差となる。正逆比率Ｄは、（時刻ｔ３〜ｔ５の期間）／（時刻ｔ１〜ｔ３の期間）となる。例えば、時刻ｔ１〜ｔ３の正送期間は５．４msであり、時刻ｔ３〜ｔ５の逆送期間は４．６msであり、このときの１周期Ｔは１０msとなり、正逆比率Ｄは０．８５となる。また、正送の最大値は５０m/minであり、逆送の最大値は−４０m/minであり、このときの振幅Ｗは９０m/minとなる。平均送給速度は約＋４m/minとなり、平均溶接電流値は約１５０Ａとなる。

ワークに応じて、図１の平均溶接電流設定信号Ｉarが溶接作業者によって設定される。平均溶接電流設定信号Ｉarが設定されると、図１の平均送給速度設定回路ＦＡＲによって平均送給速度設定信号Ｆarが自動設定される。そして、平均送給速度設定信号Ｆarが設定されると、図１の正逆比率設定回路ＤＵＲによって正逆比率設定信号Ｄurが自動設定される。図１の振幅設定信号Ｗｒ及び周期設定信号Ｔfrは、平均送給速度設定信号Ｆarに連動せずに所定値に設定されている。この結果、同図（Ａ）に示す送給速度Ｆｗは、振幅Ｗ及び周期Ｔは所定値に設定され、正送の最大値及び逆送の最大値も所定値に設定される。この状態で、平均送給速度設定信号Ｆarに連動して、正逆比率Ｄが自動的に変化する。このために、平均送給速度設定信号Ｆar（送給速度Ｆｗの平均値）が大きな値に設定された場合でも、正送の最大値及び逆送の最大値は所定値のままで変化しないので、送給モータへの負荷状態が過剰になることを抑制することができる。

同図（Ｃ）に示すように、溶接ワイヤと母材との短絡が時刻ｔ２１で発生すると、溶接電圧Ｖｗは数Ｖの短絡電圧値に急減する。時刻ｔ２１において短絡が発生して溶接電圧Ｖｗが短絡／アーク判別値Ｖta未満になったことを判別すると、同図（Ｆ）に示すように、遅延信号ＴdsはＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化する。これに応動して、同図（Ｇ）に示すように、電流制御設定信号Ｉcrは時刻ｔ２１において小さな値である予め定めた初期電流設定値に変化する。

時刻ｔ３からは逆送加速期間となるので、送給速度Ｆｗは逆送方向に切り換わる。同図（Ｇ）に示すように、電流制御設定信号Ｉcrは、時刻ｔ２１〜ｔ２２の予め定めた初期期間中は上記の初期電流設定値となり、時刻ｔ２２〜ｔ２３の期間中は予め定めた上昇率で上昇し、時刻ｔ２３〜ｔ３１の期間中は予め定めたピーク設定値となる。短絡期間中は上述したように定電流制御されているので、溶接電流Ｉｗは電流制御設定信号Ｉcrに相当する値に制御される。このために、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、時刻ｔ２１においてアーク期間の溶接電流から急減し、時刻ｔ２１〜ｔ２２の初期期間中は初期電流値となり、時刻ｔ２２〜ｔ２３の期間中は予め定めた上昇率で上昇し、時刻２３〜ｔ３１の期間中は予め定めたピーク値となる。例えば、初期期間は１msに、初期電流は５０Ａに、上昇率は４００A/msに、ピーク値は４５０Ａに設定される。

同図（Ｄ）に示すように、くびれ検出信号Ｎｄは、後述する時刻ｔ３１〜ｔ３３の期間はＨｉｇｈレベルとなり、それ以外の期間はＬｏｗレベルとなる。同図（Ｅ）に示すように、駆動信号Ｄｒは、後述する時刻ｔ３１〜ｔ３２の期間はＬｏｗレベルとなり、それ以外の期間はＨｉｇｈレベルとなる。したがって、同図において時刻ｔ３１以前の期間中は、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルとなり、図１のトランジスタＴＲがオン状態となるので、減流抵抗器Ｒは短絡されて通常の消耗電極アーク溶接電源と同一の状態となる。

同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、溶接電流Ｉｗがピーク値となる時刻ｔ２３あたりから上昇する。これは、溶接ワイヤの逆送及び短絡電流によるピンチ力の作用により、溶滴にくびれが次第に形成されるためである。

時刻ｔ３１において、短絡期間中の溶接電圧Ｖｗの電圧上昇値がくびれ検出感度設定信号Ｎtrの値に達すると、くびれの形成状態が基準状態になったと判別して、同図（Ｄ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＨｉｇｈレベルに変化する。くびれ検出信号Ｎｄは、時刻ｔ３１のくびれの検出時点でＨｉｇｈレベルとなり、時刻ｔ３３のアーク再発生時点でＬｏｗレベルとなる。このくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルである期間がくびれ検出時間Ｔｎとなる。

時刻ｔ３１において、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになったことに応動して、同図（Ｅ）に示すように、駆動信号ＤｒはＬｏｗレベルになるので、図１のトランジスタＴＲはオフ状態となり減流抵抗器Ｒが通電路に挿入される。同時に、同図（Ｇ）に示すように、電流制御設定信号Ｉcrは低レベル電流設定信号Ｉlrの値へと小さくなる。このために、同図（Ｂ）に示すように、短絡電流はピーク値から低レベル電流値Ｉｌへと急減する。そして、時刻ｔ３２において短絡電流が低レベル電流値Ｉｌまで減少すると、同図（Ｅ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルに戻るので、図１のトランジスタＴＲはオン状態となり減流抵抗器Ｒは短絡される。同図（Ｂ）に示すように、短絡電流は、電流制御設定信号Ｉcrが低レベル電流設定信号Ｉlrのままであるので、時刻ｔ３３のアーク再発生までは低レベル電流値Ｉｌを維持する。したがって、トランジスタＴＲは、時刻ｔ３１にくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルに変化した時点から時刻ｔ３２に短絡電流が低レベル電流値Ｉｌに減少するまでの期間のみオフ状態となる。同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、短絡電流が小さくなるので時刻ｔ３１から一旦減少した後に急上昇する。低レベル電流値Ｉｌは、例えば５０Ａに設定される。

時刻ｔ３３において、溶接ワイヤの逆送及び短絡電流の通電によるピンチ力によってくびれが進行してアークが再発生すると、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗの値は短絡／アーク判別値Ｖta以上となる。

アークが再発生した直後の時刻ｔ４からは逆送減速期間になるので、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは逆送状態を維持しつつ減速する。時刻ｔ３３にアークが再発生すると、同図（Ｇ）に示すように、電流制御設定信号Ｉcrの値は、低レベル電流設定信号Ｉlrの値から予め定めたアーク時上昇率で上昇し、第１溶接電流設定信号Ｉwr1の値に達するとその値を維持する。同図（Ｆ）に示すように、遅延信号Ｔdsは、時刻ｔ３３にアークが再発生してから第１溶接電流通電期間設定信号Ｔwr1の期間が経過する時刻ｔ４１までＨｉｇｈレベルのままである。したがって、溶接電源は時刻ｔ４１まで定電流制御されているので、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、時刻ｔ３３からアーク時上昇率で上昇し、第１溶接電流設定信号Ｉwr1の値に達するとその値を時刻ｔ４１まで維持する。同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、時刻ｔ３３〜ｔ４１の第１溶接電流通電期間Ｔw1中は大きな値の第１溶接電圧値の状態にある。同図（Ｄ）に示すように、くびれ検出信号Ｎｄは、時刻ｔ３３にアークが再発生するので、Ｌｏｗレベルに変化する。例えば、アーク時上昇率は４００Ａ／msに設定され、第１溶接電流設定信号Ｉwr1は４５０Ａに設定され、第１溶接電流通電期間設定信号Ｔwr1は２msに設定される。

時刻ｔ４１において、同図（Ｆ）に示すように、遅延信号ＴdsがＬｏｗレベルに変化する。この結果、溶接電源は定電流制御から定電圧制御へと切り換えられる。時刻ｔ３３にアークが再発生してから時刻ｔ５までは、溶接ワイヤは逆送しているので、アーク長は次第に長くなる。時刻ｔ５からは正送加速期間になるので、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは正送に切り換えられる。時刻ｔ４１に定電圧制御に切り換えられると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、第１溶接電流Ｉw1から次第に減少する第２溶接電流Ｉw2が通電する。同様に、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、第１溶接電圧値から次第に減少する。時刻ｔ６の正送最大値の後の時刻ｔ６１において、次の短絡が発生する。

上述した実施の形態１によれば、送給速度の平均値を、正送期間と逆送期間との比率（正逆比率）を変化させることによって設定する。これにより、本実施の形態では、送給速度の平均値が大きな値に設定された場合でも、正逆比率が変化するだけで正送の最大値及び逆送の最大値は所定値のままで変化しないので、送給モータへの負荷状態が過剰になることを抑制することができる。

［実施の形態２］
実施の形態２の発明では、送給速度の平均値が基準平均値以上のときに、送給速度の平均値を、正送期間と逆送期間との比率を変化させることによって設定する。

図３は、本発明の実施の形態２に係るアーク溶接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。同図は上述した図１と対応しており、同一ブロックには同一符号を付して、それらの説明は繰り返さない。同図は、図１の振幅設定回路ＷＲを第２振幅設定回路ＷＲ２に置換し、図１の正逆比率設定回路ＤＵＲを第２正逆比率設定回路ＤＵＲ２に置換したものである。以下、同図を参照して、これらのブロックについて説明する。

第２振幅設定回路ＷＲ２は、平均送給速度設定信号Ｆarを入力として、平均送給速度設定信号Ｆarが予め定めた基準送給速度未満のときは予め定めた送給速度振幅変換関数によって振幅Ｗを算出して振幅設定信号Ｗｒを出力し、平均送給速度設定信号Ｆarが上記の基準送給速度以上のときは所定値の振幅設定信号Ｗｒを出力する。送給速度振幅変換関数は、送給速度の正逆比率を所定値としたときの平均送給速度と振幅Ｗとの関係を示す関数であり、予め実験によって定義されている。

第２正逆比率設定回路ＤＵＲ２は、平均送給速度設定信号Ｆarを入力として、平均送給速度設定信号Ｆarが上記の基準送給速度未満のときは所定値の正逆比率設定信号Ｄurを出力し、上記の基準送給速度以上のときは上述した送給速度正逆比率変換関数によって正逆比率Ｄを算出して正逆比率設定信号Ｄurを出力する。

本発明の実施の形態２に係るアーク溶接制御方法を説明するための、図３の溶接電源における各信号のタイミングチャートは、上述した図２と同一であるので、説明は繰り返さない。但し、以下に説明する動作は異なる。

ワークに応じて、図３の平均溶接電流設定信号Ｉarが溶接作業者によって設定される。平均溶接電流設定信号Ｉarが設定されると、図３の平均送給速度設定回路ＦＡＲによって平均送給速度設定信号Ｆarが自動設定される。そして、平均送給速度設定信号Ｆarが設定されると、図３の第２振幅設定回路ＷＲ２によって振幅設定信号Ｗｒが自動設定され、図３の正逆比率設定回路ＤＵＲによって正逆比率設定信号Ｄurが自動設定される。両回路によって、平均送給速度設定信号Ｆarが予め定めた基準送給速度未満のときは、振幅設定信号Ｗｒは平均送給速度設定信号Ｆarに連動して変化し、正逆比率設定信号Ｄurは所定値となる。他方、両回路によって、平均送給速度設定信号Ｆarが上記の基準送給速度以上のときは、振幅設定信号Ｗｒは所定値となり、正逆比率設定信号Ｄurは平均送給速度設定信号Ｆarに連動して変化する。図３の周期設定信号Ｔfrは、平均送給速度設定信号Ｆarに連動せずに所定値に設定されている。この結果、図２（Ａ）に示す送給速度Ｆｗは、周期Ｔは所定値になる。振幅Ｗは、平均送給速度設定信号Ｆarが基準送給速度未満のときは平均送給速度設定信号Ｆarに連動して変化し、以上のときは所定値になる。正逆比率Ｄは、平均送給速度設定信号Ｆarが基準送給速度未満のときは所定値になり、以上のときは平均送給速度設定信号Ｆarに連動して変化する。基準送給速度は、正送の最大値及び逆送の最大値が送給モータへの過剰な負荷とならない範囲に設定される。このために、平均送給速度設定信号Ｆar（送給速度Ｆｗの平均値）が大きな値に設定された場合でも、正送の最大値及び逆送の最大値は所定値のままで変化しないので、送給モータへの負荷状態が過剰になることを抑制することができる。さらに、実施の形態２の発明では、送給速度Ｆｗの平均値が基準送給速度未満のときは、振幅Ｗを変化させることによって送給速度Ｆｗの平均値を設定するので、正逆比率によって設定する場合よりも溶接状態が良好になるという利点がある。

［実施の形態３］
実施の形態３の発明では、正送期間又は逆送期間中の送給速度の最大値の絶対値が基準値以上のときは、送給速度の平均値を、正送期間と逆送期間との比率を変化させることによって設定する。

図４は、本発明の実施の形態３に係るアーク溶接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。同図は上述した図１と対応しており、同一ブロックには同一符号を付して、それらの説明は繰り返さない。同図は、図１の振幅設定回路ＷＲを第３振幅設定回路ＷＲ３に置換し、図１の正逆比率設定回路ＤＵＲを第３正逆比率設定回路ＤＵＲ３に置換したものである。以下、同図を参照して、これらのブロックについて説明する。

第３振幅設定回路ＷＲ３は、平均送給速度設定信号Ｆar及び送給速度設定信号Ｆｒを入力として、送給速度設定信号Ｆｒの正送又は逆送中の最大値が予め定めた基準値未満のときは上述した送給速度振幅変換関数によって振幅Ｗを算出して振幅設定信号Ｗｒを出力し、上記の基準値以上のときは所定値の振幅設定信号Ｗｒを出力する。

第３正逆比率設定回路ＤＵＲ３は、平均送給速度設定信号Ｆar及び送給速度設定信号Ｆｒを入力として、送給速度設定信号Ｆｒの正送又は逆送中の最大値が上記の基準値未満のときは所定値の正逆比率設定信号Ｄurを出力し、上記の基準値以上のときは上述した送給速度正逆比率変換関数によって正逆比率Ｄを算出して正逆比率設定信号Ｄurを出力する。

本発明の実施の形態３に係るアーク溶接制御方法を説明するための、図４の溶接電源における各信号のタイミングチャートは、上述した図２と同一であるので、説明は繰り返さない。但し、以下に説明する動作は異なる。

ワークに応じて、図４の平均溶接電流設定信号Ｉarが溶接作業者によって設定される。平均溶接電流設定信号Ｉarが設定されると、図４の平均送給速度設定回路ＦＡＲによって平均送給速度設定信号Ｆarが自動設定される。そして、平均送給速度設定信号Ｆarが設定されると、図４の第３振幅設定回路ＷＲ３によって振幅設定信号Ｗｒが自動設定され、図４の正逆比率設定回路ＤＵＲ３によって正逆比率設定信号Ｄurが自動設定される。両回路によって、送給速度設定信号Ｆｒの正送又は逆送中の最大値が予め定めた基準値未満のときは、振幅設定信号Ｗｒは平均送給速度設定信号Ｆarに連動して変化し、正逆比率設定信号Ｄurは所定値となる。他方、両回路によって、送給速度設定信号Ｆｒの正送又は逆送中の最大値が上記の基準値以上のときは、振幅設定信号Ｗｒは所定値となり、正逆比率設定信号Ｄurは平均送給速度設定信号Ｆarに連動して変化する。図４の周期設定信号Ｔfrは、平均送給速度設定信号Ｆarに連動せずに所定値に設定されている。この結果、図２（Ａ）に示す送給速度Ｆｗは、周期Ｔは所定値になる。振幅Ｗは、送給速度設定信号Ｆｒの正送又は逆送中の最大値が基準値未満のときは平均送給速度設定信号Ｆarに連動して変化し、以上のときは所定値になる。正逆比率Ｄは、送給速度設定信号Ｆｒの正送又は逆送中の最大値が基準値未満のときは所定値になり、以上のときは平均送給速度設定信号Ｆarに連動して変化する。基準値は、正送の最大値及び逆送の最大値が送給モータへの過剰な負荷とならない範囲に設定される。このために、平均送給速度設定信号Ｆar（送給速度Ｆｗの平均値）が大きな値に設定された場合でも、正送の最大値及び逆送の最大値は所定値のままで変化しないので、送給モータへの負荷状態が過剰になることを抑制することができる。さらに、実施の形態３の発明では、送給速度Ｆｗの正送又は逆送中の最大値が基準値未満のときは、振幅Ｗを変化させることによって送給速度Ｆｗの平均値を設定するので、正逆比率によって設定する場合よりも溶接状態が良好になるという利点がある。

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
ＣＭ 電流比較回路
Ｃｍ 電流比較信号
Ｄ 正逆比率
ＤＲ 駆動回路
Ｄｒ 駆動信号
ＤＵＲ 正逆比率設定回路
Ｄur 正逆比率設定信号
ＤＵＲ２ 第２正逆比率設定回路
ＤＵＲ３ 第３正逆比率設定回路
Ｅａ 誤差増幅信号
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
Ｅｖ 電圧誤差増幅信号
ＦＡＲ 平均送給速度設定回路
Ｆar 平均送給速度設定信号
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
Ｆｗ 送給速度
ＩＡＲ 平均溶接電流設定回路
Ｉar 平均溶接電流設定信号
ＩＣＲ 電流制御設定回路
Ｉcr 電流制御設定信号
ＩＤ 溶接電流検出回路
Ｉｄ 溶接電流検出信号
Ｉｌ 低レベル電流値
ＩＬＲ 低レベル電流設定回路
Ｉlr 低レベル電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
Ｉw1 第１溶接電流
Ｉw2 第２溶接電流
ＩＷＲ１ 第１溶接電流設定回路
Ｉwr1 第１溶接電流設定信号
ＮＤ くびれ検出回路
Ｎｄ くびれ検出信号
ＮＴＲ くびれ検出感度設定回路
Ｎtr くびれ検出感度設定信号
ＰＭ 電源主回路
Ｒ 減流抵抗器
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
ＳＷ 制御切換回路
Ｔ 周期
ＴＤＳ オフディレイ回路
Ｔds 遅延信号
ＴＦＲ 周期設定回路
Ｔfr 周期設定信号
Ｔｎ くびれ検出時間
ＴＲ トランジスタ
Ｔw1 第１溶接電流通電期間
ＴＷＲ１ 第１溶接電流通電期間設定回路
Ｔwr1 第１溶接電流通電期間設定信号
ＶＤ 溶接電圧検出回路
Ｖｄ 溶接電圧検出信号
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
Ｖta 短絡／アーク判別値
Ｖｗ 溶接電圧
Ｗ 振幅
ＷＭ 送給モータ
ＷＲ 振幅設定回路
Ｗｒ 振幅設定信号
ＷＲ２ 第２振幅設定回路
ＷＲ３ 第３振幅設定回路

Claims (1)

1. 溶接ワイヤの送給速度の正送期間と逆送期間とを周期的に繰り返して短絡期間とアーク期間とを発生させて溶接を行うアーク溶接制御方法において、
   前記送給速度の平均値が予め定めた基準送給速度以上のとき、又は、前記正送期間若しくは前記逆送期間中の前記送給速度の最大値の絶対値が予め定めた基準値以上のときは、前記送給速度の平均値を、前記正送期間と前記逆送期間との比率を変化させることによって設定する、
   ことを特徴とするアーク溶接制御方法。

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