JP6555825B2 - 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、短絡期間中に溶接ワイヤに形成された溶滴のくびれを検出すると溶接電流を減少させてアーク期間に移行させる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）。また、アークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれを検出して溶接電流を急減させ、小電流値の状態でアークを再発生させることによって、スパッタの発生量を削減するくびれ検出制御方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。以下、これらの溶接方法について説明する。

図４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、かつ、くびれ検出制御を行う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１周期として繰り返される。

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。その後、溶接電流Ｉｗは、所定の傾斜で増加し、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、溶接電流Ｉｗ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、所定の傾斜で増加し、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で正送ピーク値となる。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、くびれ検出制御と組み合わせることによって、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。

日本国特許第５２０１２６６号公報 日本国特開２００６−２８１２１９号公報

特許文献１及び２の従来技術では、送給速度の正送期間と逆送期間とを周期的に繰り返し、かつ、くびれ検出制御を行うことによって、スパッタ発生の少ない安定した溶接を行うことができる。このときに、溶接ワイヤの種類、平均溶接電流値、溶接速度、継手形状等の溶接条件に応じて、送給速度の波形パラメータ（振幅、周期等）を変化させて適正化する必要がある。さらには、溶接条件が同一であっても、ビード外観を所望形状にするため、アークの感触を作業者の好みに合わせるため等の要求から送給速度の波形パラメータを変化させる場合がある。

送給速度の波形パラメータが変化すると、溶滴の形成状態が変化するので、くびれの形成状態も変化する。このために、送給速度の波形パラメータが変化した場合には、くびれ検出制御が不安定になり、スパッタ発生量が増加する問題があった。

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し、かつ、くびれ検出制御を行う溶接方法において、送給速度の波形パラメータが変化したときに、くびれ検出制御が不安定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、
前記短絡期間中に前記溶接ワイヤに形成された溶滴のくびれを検出すると溶接電流を減少させて前記アーク期間に移行させるアーク溶接制御方法において、
平均送給速度設定信号に応じて決定されるくびれ検出感度を、前記送給速度の波形パラメータである振幅、周期又は正送期間と逆送期間との比率の少なくとも１つ以上によって微調整する。
ことを特徴とするアーク溶接制御方法である。

請求項２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、
前記短絡期間中に前記溶接ワイヤに形成された溶滴のくびれを検出すると溶接電流を減少させて前記アーク期間に移行させ、
前記短絡期間中に前記くびれを検出した時点から前記アーク期間に移行した時点までの時間であるくびれ検出時間に基づいて前記くびれの検出感度を自動設定制御するアーク溶接制御方法において、
前記自動設定制御のゲインを、前記送給速度の波形パラメータに応じて変化させる。
ことを特徴とするアーク溶接制御方法である。

請求項３の発明は、前記送給速度の前記波形パラメータが、振幅、周期又は前記正送期間と前期逆送期間との比率の少なくとも１つ以上である。
ことを特徴とする請求項２記載のアーク溶接制御方法である。

本発明によれば、送給速度の振幅、周期、正送期間と逆送期間との比率等の波形パラメータが変化した場合、くびれの検出感度が自動的に適正化されるので、くびれ検出制御が不安定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。 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し、かつ、くびれ検出制御を行う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。

平均送給速度設定回路ＦＡＲは、予め定めた平均送給速度設定信号Ｆａｒを出力する。振幅微調整回路ＷＦＲは、送給速度の振幅を微調整するための振幅微調整信号Ｗｆｒを出力する。周期微調整回路ＴＦＲは、送給速度の周期を微調整するための周期微調整信号Ｔｆｒを出力する。正逆比率微調整回路ＤＦＲは、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を微調整するための正逆比率微調整信号Ｄｆｒを出力する。正逆比率Ｄは、（逆送期間）／（正送期間）である。

送給速度設定回路ＦＲは、上記の平均送給速度設定信号Ｆａｒ、上記の振幅微調整信号Ｗｆｒ、上記の周期微調整信号Ｔｆｒ及び上記の正逆比率微調整信号Ｄｆｒを入力として、平均送給速度設定信号Ｆａｒに対応して予め設定されている振幅標準値、周期標準値及び正逆比率標準値を、振幅微調整信号Ｗｆｒ、周期微調整信号Ｔｆｒ及び正逆比率微調整信号Ｄｆｒのそれぞれの値で微調整した波形パラメータから形成されるパターンの送給速度設定信号Ｆｒを出力する。すなわち、平均送給速度設定信号Ｆａｒを入力として、予め定めた振幅算出関数によって振幅標準値が算出される。そして、振幅設定値＝振幅標準値＋振幅微調整信号Ｗｆｒを行う。例えば、振幅標準値＝９０ｍ／ｍｉｎ、Ｗｆｒ＝−１０ｍ／ｍｉｎであるときは、振幅設定値＝８０ｍ／ｍｉｎとなる。同様にして、周期設定値及び正逆比率設定値を算出する。Ｗｆｒ、Ｔｆｒ及びＤｆｒは、正負の値となる。算出された振幅設定値、周期設定値及び正逆比率設定値を波形パラメータとして、正弦波状に正送期間と逆送期間とを繰り返す送給速度設定信号Ｆｒが出力される。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、上記の平均送給速度設定信号Ｆａｒ、上記の振幅微調整信号Ｗｆｒ、上記の周期微調整信号Ｔｆｒ及び上記の正逆比率微調整信号Ｄｆｒを入力として、平均送給速度設定信号Ｆａｒに基づいて予め定めたくびれ検出感度算出関数によってくびれ検出感度標準値Ｎｔｓを算出し、このくびれ検出感度標準値Ｎｔｓを振幅微調整信号Ｗｆｒ、周期微調整信号Ｔｆｒ及び正逆比率微調整信号Ｄｆｒの各値によって補正して、くびれ検出感度設定信号Ｎｔｒを出力する。補正は、以下の式によって行う。
Ｎｔｒ＝Ｎｔｓ＋ａ・Ｗｆｒ＋ｂ・Ｔｆｒ＋ｃ・Ｄｆｒ …（１）式
但し、ａ、ｂ及びｃは定数であり、正の実数である。これらの定数は、実験によって予め算出されている。くびれ検出感度標準値Ｎｔｓは、振幅微調整信号Ｗｆｒが正の値のとき感度が低くなるように補正され、負の値のとき高くなるように補正される。同様に、くびれ検出感度標準値Ｎｔｓは、周期微調整信号Ｔｆｒが正の値のとき感度が低くなるように補正され、負の値のとき高くなるように補正される。同様に、くびれ検出感度標準値Ｎｔｓは、正逆比率微調整信号Ｄｆｒが正の値のとき感度が低くなるように補正され、負の値のとき高くなるように補正される。

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短絡時傾斜で予め定めたピーク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傾斜で第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、遅延信号Ｔｄｓが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、平均送給速度設定信号Ｆａｒに対応して予め設定されている振幅標準値、周期標準値及び正逆比率標準値を、振幅微調整信号Ｗｆｒ、周期微調整信号Ｔｆｒ及び正逆比率微調整信号Ｄｆｒのそれぞれの値で微調整した波形パラメータから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１周期Ｔとして繰り返す波形となる。振幅Ｗは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。

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短絡時傾斜で上昇し、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の期間中は短絡時傾斜で上昇し、時刻２３〜ｔ３１の期間中はピーク値となる。例えば、初期期間は１ｍｓに、初期電流は５０Ａに、短絡時傾斜は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溶接電流Ｉｗ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レベルである期間をくびれ検出時間Ｔｎと呼ぶことにする。上記のくびれ検出感度設定信号Ｎｔｒは、図１のくびれ検出感度設定回路ＮＴＲによって、平均送給速度設定信号Ｆａｒを入力として予め定めたくびれ検出感度算出関数によってくびれ検出感度標準値Ｎｔｓを算出し、このくびれ検出感度標準値Ｎｔｓを振幅微調整信号Ｗｆｒ、周期微調整信号Ｔｆｒ及び正逆比率微調整信号Ｄｆｒの各値によって補正された値となる。すなわち、くびれ検出感度設定信号Ｎｔｒは、上述した（１）式によって算出されて、送給速度Ｆｗの波形パラメータに適合した値に自動設定される。このために、送給速度の波形パラメータが変化したときに、くびれ検出制御が不安定になることを抑制することができる。

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、溶接電流Ｉｗ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において溶接電流Ｉｗ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、溶接電流Ｉｗ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に溶接電流Ｉｗ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、溶接電流Ｉｗ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溶接電流Ｉｗ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傾斜で上昇し、予め定めた第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予め定めた第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からアーク時傾斜で上昇し、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、アーク時傾斜は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、くびれの検出感度を、送給速度の波形パラメータに応じて変化させる。これにより、本実施の形態では、送給速度の振幅、周期、正送期間と逆送期間との比率等の波形パラメータが変化した場合、くびれの検出感度が自動的に適正化されるので、くびれ検出制御が不安定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の発明は、短絡期間中にくびれを検出した時点からアーク期間に移行した時点までの時間であるくびれ検出時間に基づいてくびれの検出感度を自動設定制御し、自動設定制御のゲインを送給速度の波形パラメータに応じて変化させるものである。

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。同図は図１と対応しており、同一の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にくびれ検出時間設定回路ＴＮＲを追加し、図１のくびれ検出感度設定回路ＮＴＲをゲイン設定回路ＧＲに置換し、図１にくびれ検出感度自動設定制御回路ＮＴＣを追加したものである。以下、これらのブロックについて同図を参照して説明する。

くびれ検出時間設定回路ＴＮＲは、予め定めたくびれ検出時間設定信号Ｔｎｒを出力する。くびれ検出感度設定信号Ｎｔｒが適正値であり、くびれ検出制御が安定しているときは、くびれ検出時間Ｔｎが２００〜１０００μｓの範囲の適正値となる。したがって、くびれ検出時間設定信号Ｔｎｒは例えば５００μｓに設定される。

ゲイン設定回路ＧＲは、平均送給速度設定信号Ｆａｒ、振幅微調整信号Ｗｆｒ、周期微調整信号Ｔｆｒ及び正逆比率微調整信号Ｄｆｒを入力として、平均送給速度設定信号Ｆａｒを入力として予め定めたゲイン算出関数によってゲイン標準値Ｇｓを算出し、このゲイン標準値Ｇｓを振幅微調整信号Ｗｆｒ、周期微調整信号Ｔｆｒ及び正逆比率微調整信号Ｄｆｒの各値によって補正して、ゲイン設定信号Ｇｒを出力する。補正は、以下の式によって行う。
Ｇｒ＝Ｇｓ＋ａ２・Ｗｆｒ＋ｂ２・Ｔｆｒ＋ｃ２・Ｄｆｒ …（２）式
但し、ａ２、ｂ２及びｃ２は定数であり、負の実数である。これらの定数は、実験によって予め算出されている。ゲイン標準値Ｇｓは、振幅微調整信号Ｗｆｒが正の値のときゲインが小さくなるように補正され、負の値のとき大きくなるように補正される。同様に、ゲイン標準値Ｇｓは、周期微調整信号Ｔｆｒが正の値のときゲインが小さくなるように補正され、負の値のとき大きくなるように補正される。同様に、ゲイン標準値Ｇｓは、正逆比率微調整信号Ｄｆｒが正の値のときゲインが小さくなるように補正され、負の値のとき大きくなるように補正される。

くびれ検出感度自動設定制御回路ＮＴＣは、上記のゲイン設定信号Ｇｒ、上記のくびれ検出時間設定信号Ｔｎｒ及びくびれ検出信号Ｎｄを入力として、くびれ検出信号ＮｄがＬｏｗレベル（アーク再発生）に変化した時点ごとに、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルであった時間を計数してくびれ検出時間Ｔｎを検出し、このくびれ検出時間Ｔｎとくびれ検出時間設定信号Ｔｎｒの値との誤差をゲイン設定信号Ｇｒによって定まるゲインで増幅して誤差増幅値Ｅｔを算出し加算し、くびれ検出感度設定信号Ｎｔｒ＝Ｎｔ０＋ΣＥｔを出力する。ここで、Ｎｔ０は予め定めた初期値である。この回路によって、くびれ検出時間Ｔｎがくびれ検出時間設定信号Ｔｎｒの値と等しくなるようにくびれ検出感度設定信号Ｎｔｒの値が適正値に自動設定制御される。そして、送給速度Ｆｗの波形パラメータが変化した場合、ゲイン設定信号Ｇｒが適正化されるので、自動設定制御が安定化する。この結果、送給速度Ｆｗの波形パラメータが変化した場合、くびれ検出制御が不安定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、図２において、同図（Ｄ）に示すくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルとなるタイミングを決めるくびれ検出感度設定信号Ｎｔｒの値が適正値になるように自動設定制御されている点は異なっている。さらに、この自動設定制御のゲイン設定信号Ｇｒの値は、送給速度Ｆｗの波形パラメータが変化しても制御系の安定性を維持することができるように、送給速度Ｆｗの波形パラメータの変化に応じて適正値に変化する点は異なっている。

上述した実施の形態２によれば、短絡期間中にくびれを検出した時点からアーク期間に移行した時点までの時間であるくびれ検出時間に基づいてくびれの検出感度を自動設定制御し、自動設定制御のゲインを送給速度の波形パラメータに応じて変化させる。これにより、本実施の形態では、送給速度の振幅、周期、正送期間と逆送期間との比率等の波形パラメータが変化した場合、くびれの検出感度を自動設定制御するゲインが適正化される。このために、送給速度の波形パラメータが変化してもくびれの検出感度が適正化されるので、くびれ検出制御が不安定になることを抑制することができる。

本発明によれば、送給速度の振幅、周期、正送期間と逆送期間との比率等の波形パラメータが変化した場合、くびれの検出感度が自動的に適正化されるので、くびれ検出制御が不安定になることを抑制することができる。

以上、本発明を特定の実施形態によって説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、開示された発明の技術思想を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
本出願は、２０１４年５月１９日出願の日本特許出願（特願２０１４−１０３４７７）に基づくものであり、その内容はここに取り込まれる。

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
ＤＦＲ 正逆比率微調整回路
Ｄｆｒ 正逆比率微調整信号
ＤＲ 駆動回路
Ｄｒ 駆動信号
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
Ｅｔ 誤差増幅値
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
ＧＲ ゲイン設定回路
Ｇｒ ゲイン設定信号
Ｇｓ ゲイン標準値
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
ＮＴＣ くびれ 検出感度自動設定制御回路
ＮＴＲ くびれ検出感度設定回路
Ｎｔｒ くびれ検出感度設定信号
Ｎｔｓ くびれ検出感度標準値
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 周期微調整回路
Ｔｆｒ 周期微調整信号
Ｔｎ くびれ検出時間
ＴＮＲ くびれ検出時間設定回路
Ｔｎｒ くびれ検出時間設定信号
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
ＷＦＲ 振幅微調整回路
Ｗｆｒ 振幅微調整信号
ＷＭ 送給モータ

Claims (3)

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、
   前記短絡期間中に前記溶接ワイヤに形成された溶滴のくびれを検出すると溶接電流を減少させて前記アーク期間に移行させるアーク溶接制御方法において、
   平均送給速度設定信号に応じて決定されるくびれ検出感度を、前記送給速度の波形パラメータである振幅、周期又は正送期間と逆送期間との比率の少なくとも１つ以上によって微調整する、
   ことを特徴とするアーク溶接制御方法。
2. 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、
   前記短絡期間中に前記溶接ワイヤに形成された溶滴のくびれを検出すると溶接電流を減少させて前記アーク期間に移行させ、
   前記短絡期間中に前記くびれを検出した時点から前記アーク期間に移行した時点までの時間であるくびれ検出時間に基づいて前記くびれの検出感度を自動設定制御するアーク溶接制御方法において、
   前記自動設定制御のゲインを、前記送給速度の波形パラメータに応じて変化させる、
   ことを特徴とするアーク溶接制御方法。
3. 前記送給速度の前記波形パラメータが、振幅、周期又は前記正送期間と前期逆送期間との比率の少なくとも１つ以上である、
   ことを特徴とする請求項２記載のアーク溶接制御方法。

Images