JP6763943B2 - アーク溶接システム及びワイヤ送給装置 - Google Patents

Description

本発明は、消耗電極式のアーク溶接システム及びワイヤ送給装置に関する。

消耗電極式のアーク溶接システムは、溶接ワイヤをワイヤ供給源から溶接トーチへ送給するワイヤ送給装置と、電源装置とを備える。ワイヤ送給装置は、ワイヤリール、パックワイヤ等のワイヤ供給源から溶接ワイヤを引き出す引出送給ローラと、溶接ロボットのアーム等に設けられており、ワイヤ供給源から送給された溶接ワイヤを溶接トーチへ押し出す押出送給ローラとを備える。引出送給ローラと、押出送給ローラとの間は、送給された溶接ワイヤが挿通するコンジットケーブルによって接続されており、溶接ワイヤはコンジットケーブルに案内されて溶接トーチへ送給される。アーク溶接システムは、引出送給ローラ及び押出送給ローラの回転を制御することによって、溶接ワイヤを溶接トーチへ送給すると共に、溶接ワイヤ及び母材間に電力を供給することによって、アークを発生させ、アークの熱により母材を溶接する。５ｍｍ程度の薄板であれば、母材の突き合わせ継手を１パスで溶接することもできる。

ところが、９〜３０ｍｍの厚板になると、従来のアーク溶接システムでは１パスで母材を溶接することができない。このため、複数回の溶接操作を繰り返し行う多層溶接によって、厚板の溶接が行われている。しかし、多層溶接においては、溶接工数の増大が問題となる。また、入熱量が大きくなり、母材の変形、溶接部分の脆化が問題となる。

本願発明者等は、かかる問題を解決すべく鋭意検討した結果、一般的なアーク溶接システムに比して、高速で溶接ワイヤの送給を行い、大電流を供給することによって、厚板の１パス溶接を実現することができるという知見を得た。具体的には、溶接ワイヤを約５〜１００ｍ／分で送給し、３００Ａ以上の大電流を供給することによって、厚板の１パス溶接を実現することができる。溶接ワイヤの高速送給及び大電流供給を行うと、アークの熱によって母材に凹状の溶融部分が形成され、溶接ワイヤの先端部が溶融部分に進入する。溶接ワイヤの先端部が母材表面より深部に進入することによって、溶融部分が母材の厚み方向裏面側にまで貫通し、１パス溶接が可能になる。以下、溶融部分に進入した溶接ワイヤの先端部と、母材又は溶融部分との間に発生するアークを、適宜、埋もれアークと呼ぶ。

特開２００７−２２９７７５号公報

しかしながら、溶接ワイヤの高速送給、大電流の供給等を可能にするアーク溶接システムを実用化するにあたっては種々の技術的問題がある。例えば、ワイヤ供給源及び溶接トーチ間の距離、配置によっては、送給時に溶接ワイヤにかかる送給抵抗、慣性等の送給負荷が大きくなり、従来のアーク溶接システムにおいては、ワイヤ供給源から溶接トーチへ溶接ワイヤを高速で安定的に送給することができないという問題があった。具体的には、ワイヤ供給源と、溶接トーチの距離が長い場合、送給負荷が大きくなる。また、ワイヤ供給源としてワイヤリールが用いられた場合、ワイヤリールの慣性によって、送給負荷が大きくなる。送給負荷が大きくなると、溶接ワイヤ及びローラ間の滑り等が生じ、所要の速度で溶接ワイヤを母材へ供給することができなくなり、厚板の１パス溶接を安定的に実現することができなくなる。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、所要の速度で溶接ワイヤを安定的に溶接トーチへ送給することができ、厚板の１パス溶接を実現することができるアーク溶接システム及びワイヤ送給装置を提供することにある。

本発明に係るアーク溶接システムは、溶接ワイヤをワイヤ供給源から溶接トーチへ送給するワイヤ送給装置と、該ワイヤ送給装置によって前記溶接トーチへ送給された溶接ワイヤ及び母材間に電力を供給する電源装置とを備え、供給された電力により溶接ワイヤ及び母材間に発生するアークにて母材を溶接する消耗電極式のアーク溶接システムであって、前記ワイヤ送給装置は、前記ワイヤ供給源及び前記溶接トーチの間に配され、前記ワイヤ供給源から供給される溶接ワイヤを一時的に収容し、収容された溶接ワイヤを前記溶接トーチへ供給する中間ワイヤ供給源を備える。

本発明に係るアーク溶接システムは、前記ワイヤ送給装置は、前記ワイヤ供給源の溶接ワイヤを前記中間ワイヤ供給源へ送給する第１送給部と、前記中間ワイヤ供給源に収容された溶接ワイヤを前記溶接トーチへ送給する第２送給部とを備える。

本発明にあっては、ワイヤ供給源と、溶接トーチとの間に中間ワイヤ供給源を配置することによって、ワイヤ供給源側における溶接ワイヤの送給負荷を吸収し、溶接トーチ側における溶接ワイヤの送給負荷を低減することができる。従って、所要の速度で安定的に溶接ワイヤを溶接トーチへ送給することができ、厚板の１パス溶接を実現することができる。

本発明に係るアーク溶接システムは、前記中間ワイヤ供給源は、溶接ワイヤの収容量を検出する検出部を備え、更に、該検出部の検出結果に基づいて、所定量の溶接ワイヤが収容されるように前記第１送給部の送給を制御する送給制御部を備える。

本発明にあっては、中間ワイヤ供給源は、所定量の溶接ワイヤを収容しているため、ワイヤ供給源側における溶接ワイヤの送給負荷が原因で、ワイヤ供給源から中間ワイヤ供給源への溶接ワイヤの送給量が一時的に減少したり、増加したりしても、溶接トーチ側へ安定して溶接ワイヤを供給することができる。

本発明に係るアーク溶接システムは、前記中間ワイヤ供給源は、溶接ワイヤを収容する筐体を備え、該筐体及び前記ワイヤ供給源は、溶接ワイヤが挿通する第１コンジットケーブルによって接続され、前記筐体及び前記第２送給部は、溶接ワイヤが挿通する第２コンジットケーブルによって接続されており、溶接ワイヤは、前記第１コンジットケーブル及び前記第２コンジットケーブルによって案内され、前記中間ワイヤ供給源を介して前記溶接トーチへ送給される。

本発明にあっては、ワイヤ供給源から送給され、第１コンジットケーブルから送出した溶接ワイヤ自体を筐体に収容している。従って、十分な溶接ワイヤを筐体に収容しておくことができる。また、筐体は、溶接ワイヤそのものを収容しているため、溶接ワイヤと、コンジットケーブルとの摩擦抵抗が問題になることも無い。

本発明に係るアーク溶接システムは、前記第１送給部は、前記筐体に収容されている。

本発明にあっては、第１送給部は中間ワイヤ供給源の筐体に収容されているため、第１送給部及び中間ワイヤ供給源を別体で構成する場合に比べて、溶接ワイヤの収容量をより直接的に制御することができる。また、第１送給部及び中間ワイヤ供給源が一体化されているため、使用者によるアーク溶接システムの構築が容易になる。

本発明に係るアーク溶接システムは、前記第１コンジットケーブルを挿通する溶接ワイヤの送給に係る負荷は、前記第２コンジットケーブルを挿通する溶接ワイヤの送給に係る負荷に比べて大きい。

本発明にあっては、第１コンジットケーブルに係る大きな送給負荷を吸収し、溶接トーチ側における溶接ワイヤの実質的な送給負荷を、第２コンジットケーブルに係る小さな送給負荷にまで低減することができる。

本発明に係るアーク溶接システムは、前記筐体は、前記中間ワイヤ供給源を載置するための載置面を有する。

本発明にあっては、中間ワイヤ供給源をフロア等の任意箇所に配置することができる。

本発明に係るアーク溶接システムは、前記溶接トーチを保持するアームを有する溶接ロボットを備え、前記第２送給部は、前記溶接ロボットの前記アームに設けられ、前記中間ワイヤ供給源は前記溶接ロボットに並置される。

本発明にあっては、溶接ロボットに中間ワイヤ供給源が並置され、第２送給部が溶接ロボットのアームに設けられる。中間ワイヤ供給源から第２送給部への送給負荷は小さいため、第２送給部を小型かつ軽量化することができ、溶接ロボットにかかる荷重を低減することができる。

本発明に係るアーク溶接システムは、前記電源装置は、並列接続されており、溶接ワイヤ及び母材間に電力を供給する第１の電源及び第２の電源を備える。

本発明にあっては、並列接続された第１の電源及び第２の電源を用いて溶接トーチ及び母材間に大電流を供給することができる。

本発明に係るアーク溶接システムは、前記第１の電源は、該第１の電源及び第２の電源による給電及び前記ワイヤ送給装置による溶接ワイヤの送給を制御している。

本発明にあっては、第１の電源が、自身及び第２の電源による給電を制御し、第１及び第２送給部による溶接ワイヤの送給を制御する。つまり、第１の電源が、電源装置全体及び溶接ワイヤ送給装置の動作を集中的に制御する。従って、アーク溶接システムを安定的に制御することができる。

本発明に係るアーク溶接システムは、前記ワイヤ送給装置は、溶接ワイヤ及び母材間に発生したアークによって母材に形成された凹状の溶融部分に溶接ワイヤの先端部が進入する速度で、溶接ワイヤを送給し、前記電源装置は、溶接ワイヤ及び母材間に流れる溶接電流の周波数が１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下、平均電流が３００Ａ以上、電流振幅が５０Ａ以上になるように、該溶接電流を変動させる。

本発明にあっては、溶接ワイヤの先端部は、凹状の溶融部分まで進入し、埋もれアークが発生する。具体的には、溶接ワイヤの先端部は溶融部分に囲まれた状態となり、先端部と、溶融部分の底部及び側部との間にアークが発生する。アークの熱によって溶融した母材及び溶接ワイヤの溶融金属は、溶接ワイヤの先端部が埋没される方向へ流れようとするが、アークの力によって押し返され、先端部が溶融部分に囲まれた状態で安定化する。
このような状態にある溶融金属は、大きく波打つおそれがあるが、前記周波数、平均電流及び電流振幅にて溶接電流を周期的に変動させることにより、大きな波打ち周期よりも高周期で溶融金属を微振動させ、溶融金属の大きな波打ちを抑えることができる。
また、溶接電流を周期的に変動させることにより、凹状の溶融部分の底部にアークが飛ぶ第１状態と、溶融部分の側部にアークが飛ぶ第２状態とを周期的に変動させることができ、溶融金属の波打ちを抑えることができる。具体的には、第１状態及び第２状態を１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下の周波数で変動させることにより、大きな波打ち周期よりも高周期で溶融金属を微振動させ、溶融金属の大きな波打ちを抑えることができる。
更に、溶接電流の周波数が５０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下、平均電流が４００Ａ以上１０００Ａ以下、電流振幅が１００Ａ以上３００Ａ以下の溶接条件によれば、より効果的に、溶融金属の波打ちを抑えることができる。

本発明に係るアーク溶接システムは、前記ワイヤ送給装置は、溶接ワイヤを５ｍ／分以上の速度で送給する。

本発明にあっては、溶接ワイヤを５ｍ／分以上の速度で送給することによって、埋もれアークによる厚板の１パス溶接を実現することができる。

本発明に係るワイヤ送給装置は、溶接ワイヤをワイヤ供給源から溶接トーチへ送給するワイヤ送給装置であって、前記ワイヤ供給源及び前記溶接トーチの間に配され、前記ワイヤ供給源から供給される溶接ワイヤを一時的に収容し、収容された溶接ワイヤを前記溶接トーチへ供給する中間ワイヤ供給源と、前記ワイヤ供給源の溶接ワイヤを前記中間ワイヤ供給源へ送給する第１送給部と、前記中間ワイヤ供給源に収容された溶接ワイヤを前記溶接トーチへ送給する第２送給部とを備える。

本発明にあっては、ワイヤ供給源と、溶接トーチとの間に中間ワイヤ供給源を配置することによって、ワイヤ供給源側における溶接ワイヤの送給負荷を吸収し、溶接トーチ側における溶接ワイヤの送給負荷を低減することができる。

本願によれば、所要の速度で溶接ワイヤを安定的に溶接トーチへ送給することができ、厚板の１パス溶接を実現することができる。

本実施形態１に係るアーク溶接システムの一構成例を示す模式図である。 本実施形態１に係る中間ワイヤ供給源の一構成例を示す模式図である。 本実施形態に係るアーク溶接方法の手順を示すフローチャートである。 設定電圧の変動を示すグラフである。 溶接電圧の変動を示すグラフである。 溶接電流の変動を示すグラフである。 本実施形態に係るアーク溶接方法を示す模式図である。 大電流埋もれアークによる突き合わせ溶接における溶接ワイヤのワイヤ送給量と、溶け込み深さの関係を示すグラフである。 溶接対象の母材の断面を示す模式図である。 溶接後のビード部分の断面を示す模式図である。 溶接後のビード部分の断面を示す模式図である。 実施形態２に係る中間ワイヤ供給源の一構成例を示す模式図である。 本実施形態３に係る電源装置の一構成例を示すブロック図である。 電源の一構成例を示すブロック図である。 給電制御に係る各電源の処理手順を示すフローチャートである。 給電制御に係る各電源の処理手順を示すフローチャートである。

以下、本発明をその実施形態を示す図面に基づいて詳述する。なお、以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。
（実施形態１）
図１は、本実施形態１に係るアーク溶接システムの一構成例を示す模式図、図２は、本実施形態１に係る中間ワイヤ供給源４１の一構成例を示す模式図である。本実施形態に係るアーク溶接システムは、板厚が９ｍｍ以上３０ｍｍ以下の母材Ａを１パスで突き合わせ溶接することが可能な消耗電極式のガスシールドアーク溶接機であり、溶接ロボット１と、ロボット制御装置２と、ワイヤ供給源３と、ワイヤ送給装置４と、電源装置５とを備える。

溶接ロボット１は、母材Ａのアーク溶接を自動で行うものである。溶接ロボット１は、床面の適宜箇所に固定される基部１１を備える。基部１１には、複数のアーム１２が図示しない軸部を介して回動可能に連結している。先端側に連結されたアーム１２の先端部には、溶接トーチ１３が保持されている。アーム１２の連結部分にはモータが設けられており、モータの回転駆動力によって軸部を中心に各アーム１２が回動する。モータの回転はロボット制御装置２によって制御されている。ロボット制御装置２は、各アーム１２を回動させることによって、母材Ａに対して溶接トーチ１３を上下前後左右に移動させることができる。また、各アーム１２の連結部分には、アーム１２の回動位置を示す信号をロボット制御装置２へ出力するエンコーダが設けられており、ロボット制御装置２は、エンコーダから出力された信号に基づいて、溶接トーチ１３の位置を認識する。

溶接トーチ１３は、銅合金等の導電性材料からなり、溶接対象の母材Ａへ溶接ワイヤＷを案内すると共に、アーク７（図５参照）の発生に必要な溶接電流を供給する円筒形状のコンタクトチップを有する。コンタクトチップは、その内部を挿通する溶接ワイヤＷに接触し、溶接電流を溶接ワイヤＷに供給する。また、溶接トーチ１３は、コンタクトチップを囲繞する中空円筒形状をなし、先端の開口から母材Ａへシールドガスを噴射するノズルを有する。シールドガスは、アーク７によって溶融した母材Ａ及び溶接ワイヤＷの酸化を防止するためのものである。シールドガスは、例えば炭酸ガス、炭酸ガス及びアルゴンガスの混合ガス、アルゴン等の不活性ガス等である。コンタクトチップ及びノズルの内部には溶接トーチ１３を水冷するための流水路が形成されている。コンタクトチップ及びノズルは、非先端側で連結しており、当該非先端側の外側に水冷用の水が流入する流入口と、流水路を流れた水が流出する流出口が設けられている。流水路は、流入口からコンタクトチップの非先端部分、コンタクトチップの先端部分、コンタクトチップの非先端部分、ノズルの非先端部分、ノズルの先端部分を経て、流出口に至る経路である。

ワイヤ供給源３は、溶接トーチ１３へ溶接ワイヤＷを繰り出し可能に収容している。溶接ワイヤＷは、例えばソリッドワイヤであり、その直径は０．８ｍｍ以上１．６ｍｍ以下であり、消耗電極として機能する。ワイヤ供給源３は、例えば、パックワイヤである。パックワイヤは、末端を底側にして螺旋状に巻かれた溶接ワイヤＷを収容した円筒状の収容体を備え、上部先端に設けられた図示しない穴部から溶接ワイヤＷが順に繰り出されるように構成されている。なお、パックワイヤはワイヤ供給源３の一例であり、溶接ワイヤＷが巻かれたリールワイヤであっても良い。

ワイヤ送給装置４は、ワイヤ供給源３及び溶接トーチ１３の間に配され、ワイヤ供給源３から供給される溶接ワイヤＷを一時的に収容し、収容された溶接ワイヤＷを溶接トーチ１３へ供給する中間ワイヤ供給源４１を備える。中間ワイヤ供給源４１は、送給経路内における各部のワイヤ送給速度の相違を吸収すると共に、溶接トーチ１３側における溶接ワイヤＷの送給負荷を低減させるものである。中間ワイヤ供給源４１は、溶接ワイヤＷを収容する中空略直方体の筐体４１ａを有する。筐体４１ａは、フロア等の箇所に載置可能な平らな載置面４１ｍを底部に有する。筐体４１ａには、ワイヤ供給源３から供給された溶接ワイヤＷが導入される入口部４１ｂと、筐体４１ａの内部に収容された溶接ワイヤＷを送出する出口部４１ｃとが形成されている。
ワイヤ供給源３と、中間ワイヤ供給源４１の入口部４１ｂとは、溶接ワイヤＷが挿通する第１コンジットケーブル４ａによって接続されている。筐体４１ａ内部の入口部４１ｂには、ワイヤ供給源３から溶接ワイヤＷを引き出し、入口部４１ｂを介して筐体４１ａ内に溶接ワイヤＷを引き込む引出送給部４１ｄ（第１送給部）が設けられている。引出送給部４１ｄは、入口部４１ｂから導入された溶接ワイヤＷを挟むことが可能な位置で対向する１対のローラを有する。少なくとも一方のローラは速度制御可能な引出送給モータ４１ｆによって回転駆動される。引出送給部４１ｄは、例えば１００ｍ／分の速度で溶接ワイヤＷの送給を行うことができる。引出送給部４１ｄは、電源装置５から出力される送給制御信号によってローラを回転させる。
第１コンジットケーブル４ａから入口部４１ｂを介して筐体４１ａ内部へ引き込まれた溶接ワイヤＷは、任意形状に湾曲し、所定量の溶接ワイヤＷが筐体４１ａ内に収容される。図１に示す例では、溶接ワイヤＷは、ループ状に湾曲して収容されている。なお、筐体４１ａ内部には、溶接ワイヤＷが所定の空間領域内に絡まらずに収容されるように、溶接ワイヤＷを案内する部材を設けると良い。
筐体４１ａ内部の出口部４１ｃには、中間ワイヤ供給源４１の内部に収容された溶接ワイヤＷを出口部４１ｃへ案内し、出口部４１ｃを介して筐体４１ａの外部へ送出させるワイヤ案内部４１ｅが設けられている。ワイヤ案内部４１ｅは、溶接ワイヤＷを挟み、出口部４１ｃへ案内可能な位置で対向する１対のローラを有する。当該ローラは、引出送給モータ４１ｆに同期して回転するモータによって回転駆動される構成であっても良いし、受動的に回転するものであっても良い。

また、ワイヤ送給装置４は、中間ワイヤ供給源４１から溶接ワイヤＷを引き出し、引き出された溶接ワイヤＷを溶接トーチ１３へ押し出すプッシュフィーダ４２を備える。プッシュフィーダ４２は、例えば溶接ロボット１のアーム１２に設けられている。プッシュフィーダ４２は、溶接ワイヤＷが挿通する第２コンジットケーブル４ｂによって中間ワイヤ供給源４１の出口部４１ｃに接続され、第３コンジットケーブル４ｃによって溶接トーチ１３に接続されている。中間ワイヤ供給源４１は、溶接ロボット１の近傍に並置されている。プッシュフィーダ４２は、中間ワイヤ供給源４１から溶接ワイヤＷを引き出し、引き出された溶接ワイヤＷを溶接トーチ１３へ押し出す押出送給部４２ａ（第２送給部）を備える。押出送給部４２ａは、溶接ワイヤＷを挟むことが可能な位置で対向する１対のローラを有する。少なくとも一方のローラは速度制御可能な図示しない押出送給モータによって回転駆動される。押出送給部４２ａは、例えば１００ｍ／分の速度で溶接ワイヤＷの送給を行うことができる。押出送給部４２ａは、電源装置５から出力される送給制御信号によってローラを回転させる。

更に、中間ワイヤ供給源４１は、溶接ワイヤＷの収容量を検出する収容量検出部４１ｇと、引出送給モータ４１ｆの回転を制御する送給制御部４１ｈと、電源装置５から出力される送給制御信号が入力する制御信号入力部４１ｉとを備える。
収容量検出部４１ｇは、例えば、一端部が回転可能に固定され、他端部が、ループ状に収容された溶接ワイヤＷの円弧部分に外周側から当接する棒部材４１ｊと、棒部材４１ｊの回転位置を検出する回転位置センサとを有する。溶接ワイヤＷの収容量が増減すると、図２中二点鎖線で示すように筐体４１ａ内に収容された溶接ワイヤＷのループの直径が変化し、棒部材４１ｊが上記一端部を支点にして回動する。回転位置センサは、棒部材４１ｊの回動位置を検出することによって、溶接ワイヤＷの収容量を検出することができ、検出結果を送給制御部４１ｈへ出力する。
なお、回転位置センサを備えた収容量検出部４１ｇは一例であり、溶接ワイヤＷの収容量を、赤外線センサ等を用いて光学的に検出しても良い。また、収容された溶接ワイヤＷに当接し、当該溶接ワイヤＷの収容量に応じてオンオフするリミットスイッチを用いて収容量検出部４１ｇを構成しても良い。

送給制御部４１ｈは、制御信号入力部４１ｉに入力された送給制御信号を、収容量検出部４１ｇの検出結果に基づいて補正し、補正後の送給制御信号にて引出送給モータ４１ｆの回転を制御することによって、所定量の溶接ワイヤＷを筐体４１ａ内に収容する。
例えば、送給制御部４１ｈは、溶接ワイヤＷの収容量が所定量未満である場合、送給制御信号によって指示された回転速度よりも、より高速で引出送給モータ４１ｆを回転させる。また、送給制御部４１ｈは、溶接ワイヤＷの収容量が所定量超である場合、送給制御信号によって指示された回転速度よりも、より低速で引出送給モータ４１ｆを回転させる。

電源装置５は、給電ケーブルを介して、溶接トーチ１３のコンタクトチップ及び母材Ａに接続され、溶接電流を供給する電源部５１と、溶接ワイヤＷの送給速度を制御する送給速度制御部５２とを備える。電源部５１は、ＰＷＭ制御された直流電流を出力する電源回路、電源回路の動作を制御する信号処理部、電圧検出部、電流検出部等を備える。

電圧検出部は、溶接トーチ１３及び母材Ａに印加される電圧を検出し、検出した電圧値を示す電圧値信号を信号処理部へ出力する。

電流検出部は、例えば、電源装置５から溶接トーチ１３を介して溶接ワイヤＷへ供給され、アーク７を流れる溶接電流を検出し、検出した電流値を示す電流値信号を信号処理部へ出力する。

信号処理部は、電圧値信号、電流値信号、溶接条件の設定値等に基づいて、電源回路をＰＷＭ制御するための信号を電源回路へ出力する。

電源回路は、商用交流を交直変換するＡＣ−ＤＣコンバータ、交直変換された直流をスイッチングにより所要の交流に変換するインバータ回路、変換された交流を整流する整流回路等を備える。電源回路は、信号処理部から出力される信号に従ってインバータ回路をＰＷＭ制御し、所定の溶接電流及び電圧を溶接ワイヤＷへ出力する。例えば、母材Ａ及び溶接ワイヤＷ間には、周期的に変動する溶接電圧が印加され、溶接電流が通電する。なお、電源装置５には、制御通信線を介してロボット制御装置２から出力指示信号が入力されるように構成されており、電源部５１は、出力指示信号をトリガにして、電源回路に溶接電流の供給を開始させる。

図３は、本実施形態に係るアーク溶接方法の手順を示すフローチャートである。まず、溶接により接合されるべき一対の母材Ａをアーク溶接装置に配置し、電源装置５の各種設定を行う（ステップＳ１１）。具体的には、板状の第１母材Ａ１及び第２母材Ａ２（図５参照）を用意し、被溶接部である端面ａ１，ａ２を突き合わせて、所定の溶接作業位置に配する。第１母材Ａ１及び第２母材Ａ２は、例えば軟鋼、機械構造用炭素鋼、機械構造用合金鋼等の鋼板であり、厚みは９ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。
そして、電源装置５は、周波数１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下、平均電流３００Ａ以上、電流振幅５０Ａ以上の範囲内で溶接電流の溶接条件を設定する。

なお、溶接電流の条件設定は、全て溶接作業者が行っても良いし、電源装置５が、本実施形態に係る溶接方法の実施を操作部にて受け付け、全ての条件設定を自動的に行うように構成しても良い。また、電源装置５が、平均電流等、一部の溶接条件を操作部にて受け付け、受け付けた一部の溶接条件に合う残りの溶接条件を決定し、条件設定を半自動的に行うように構成しても良い。

各種設定が行われた後、電源装置５は、溶接電流の出力開始条件を満たすか否かを判定する（ステップＳ１２）。具体的には、電源装置５は、溶接の出力指示信号が入力されたか否かを判定する。出力指示信号が入力されておらず、溶接電流の出力開始条件を満たさないと判定した場合（ステップＳ１２：ＮＯ）、電源装置５は、出力指示信号の入力待ち状態で待機する。

溶接電流の出力開始条件を満たすと判定した場合（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、電源装置５の送給速度制御部５２は、ワイヤの送給を指示する送給制御信号を、ワイヤ送給装置４へ出力し、所定速度で溶接ワイヤＷを送給させる（ステップＳ１３）。溶接ワイヤＷの送給速度は、例えば、約５〜１００ｍ／分の範囲内で設定される。好ましくは、５ｍ／分以上の速度で溶接ワイヤＷを送給すると良い。埋もれアーク状態を良好に維持することができる。送給速度制御部５２は、平均電流設定回路から出力された平均電流設定信号に応じて、送給速度を決定する。なお、溶接作業者が、ワイヤの送給速度を直接設定するように構成しても良い。

次いで、電源装置５の電源部５１は、電圧検出部及び電流検出部にて溶接電圧及び溶接電流を検出し（ステップＳ１４）、検出された溶接電流の周波数、電流振幅及び平均電流が設定された溶接条件に一致し、溶接電流が周期的に変動するように、ＰＷＭ制御する（ステップＳ１５）。
ここで、電源装置５の外部特性、即ち溶接電流の変化量に対する電圧の変化量の割合が−４０Ｖ／１００Ａ以上、−２Ｖ／１００Ａ以下の状態で溶接を行うと良い。このような外部特性で溶接を行うと、埋もれアーク状態を維持することが容易になる。溶接電流の増加に対する低下電圧が２Ｖ未満になると、外乱要因によるアーク長の変動に対して電圧の変動が小さく、電流が大きく変動する。その結果、溶融領域が大きく揺動して、埋もれアーク７の状態を維持することが難しくなる。また、低下電圧が４０Ｖを超えると、アーク長の自己制御作用が小さくなり、埋もれアーク状態を維持することが難しくなる。

次いで、電源装置５の電源部５１は、溶接電流の出力を停止するか否かを判定する（ステップＳ１６）。具体的には、電源装置５は、出力指示信号の入力が継続しているか否かを判定する。出力指示信号の入力が継続しており、溶接電流の出力を停止しないと判定した場合（ステップＳ１６：ＮＯ）、電源部５１は、処理をステップＳ１３へ戻し、溶接電流の出力を続ける。

溶接電流の出力を停止すると判定した場合（ステップＳ１６：ＹＥＳ）、電源部５１は、処理をステップＳ１２へ戻す。

図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃは、設定電圧、溶接電圧及び溶接電流の変動を示すグラフ、図５は、本実施形態に係るアーク溶接方法を示す模式図である。図４Ａ〜図４Ｃに示す各グラフの横軸は時間を示し、図４Ａ〜図４Ｃに示す各グラフの縦軸はそれぞれ、電源装置５の設定電圧、母材Ａ及び溶接ワイヤＷ間の溶接電圧、アーク７を流れる溶接電流である。

本実施形態に係るアーク溶接方法においては、電源部５１は、溶接電流の周波数が１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下、平均電流が３００Ａ以上、電流振幅が５０Ａ以上になるように、溶接電流を制御する。
好ましくは、電源部５１は、溶接電流の周波数が５０Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下、平均電流が４００Ａ以上１０００Ａ以下、電流振幅が１００Ａ以上３００Ａ以下になるように、溶接電流を制御する。

より好ましくは、電源部５１は、図４Ｃに示すように、電源装置５の周波数が１００Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下、電流振幅が２００Ａ以上３００Ａ以下、平均電流が５００Ａ以上８００Ａ以下になるように、溶接電流を制御する。かかる溶接電流の溶接条件で、例えば、溶接ワイヤＷの直径を１．２ｍｍとすると、約４０ｍ／分の速度で溶接ワイヤＷを送給すると良い。このように溶接電流及びワイヤ送給速度が設定された場合、設定電圧は、例えば図４Ａに示すように、周波数１００Ｈｚ、電圧振幅３０Ｖの矩形波状の電圧となり、溶接ワイヤＷ及び母材Ａ間には図４Ｂに示すような溶接電圧が印加され、図４Ｃに示すような溶接電流が流れる。電源装置５は、例えば溶接電流の電流振幅が２４０Ａ、平均電流が５３０Ａになるように、周波数１００Ｈｚで設定電圧の制御を行う。また、電源装置５は、約４０ｍ／分の速度で溶接ワイヤＷの送給を制御する。なお、溶接電圧は２７Ｖ以上４１Ｖ以下の範囲で変動しているが、溶接電圧の変動範囲は、各種インピーダンスの影響によって変化する。

かかる溶接条件で溶接電流を周期的に変動させると、溶接ワイヤＷの先端部及び被溶接部間に発生したアーク７の熱によって溶融した母材Ａ及び溶接ワイヤＷの溶融金属からなる凹状の溶融部分６が母材Ａに形成される。そして、アーク７の様子を高速度カメラで撮影したところ、図５左図に示すように、溶接ワイヤＷの先端部及び溶融部分６の底部間にアーク７が発生する第１状態と、先端部及び溶融部分６の側部間にアーク７が発生する第２状態とを周期的に変動することが確認された。

具体的には、溶接ワイヤＷの先端部から溶融部分６の底部へアーク７が飛ぶ第１状態と、溶接ワイヤＷの先端部から溶融部分６の側部へアーク７が飛ぶ第２状態とを繰り返す。溶融金属は、溶接ワイヤＷの先端部が埋没される方向へ流れようとするが、第２状態において溶融部分６の側壁部にアーク７が飛び、溶融部分６の溶融金属は溶接ワイヤＷから離隔する方向へ押し返され、溶融部分６は凹状の状態で安定化する。なお、図５右図では、溶融した溶接ワイヤＷの先端部が溶融部分６の底部にある溶融池に落下し、溶接ワイヤＷの先端部が短くなっている。
このような第１状態及び第２状態を１００Ｈｚ以上２００Ｈｚ以下で変動させることによって、大きな波打ち周期よりも高周期で溶融金属を微振動させることができ、溶融金属の波打ちが抑えられる。

以上の通り、本実施形態に係るアーク溶接方法及びアーク溶接装置によれば、３００Ａ以上の大電流を用いてガスシールドアーク溶接を行う場合であっても、溶接電流を周期的に変動させることによって、溶融金属の波打ちを抑えることができ、ビードの乱れ及び垂れの発生を防止することができる。

なお本実施形態では、溶接電流及び溶接電圧が大きい期間と、小さい期間とが略同一である場合を説明したが、各期間の比率を変化させても良い。当該期間の比率を変化させることによって、溶融金属の波打ちを抑えつつ、溶接ワイヤＷの先端部の上下位置変動の幅を調整することができる。例えば、溶接電流及び溶接電圧が大きい期間の比率を大きくすることによって、溶接ワイヤＷの先端部が、溶融部分６の底部より高い位置に保持される割合が高くなる。その結果、母材Ａ上部への入熱量を増加させ、ビード成形性を向上させることができる。

図６は、大電流埋もれアーク７による突き合わせ溶接における溶接ワイヤＷのワイヤ送給量と、溶け込み深さの関係を示すグラフである。横軸は、１分間あたりのワイヤ送給量を示しており、縦軸は、最大溶け込み深さを示している。丸印プロットのグラフ、△印プロットのグラフ、×印プロットのグラフは、それぞれワイヤ径が１．２ｍｍ、１．４ｍｍ、１．６ｍｍの溶接ワイヤＷを用いたときのワイヤ送給量及び溶け込み深さの関係を示す実験結果である。
実験条件は次の通りである。使用する溶接ワイヤＷは、ワイヤ系１．２ｍｍ、１．４ｍｍのＹＧＷ１１、ワイヤ系１．６ｍｍのＹＧＷ１２である。溶接速度は３０ｃｍ／分である。コンタクトチップ及び母材Ａ間の距離は２５ｍｍ、シールドガスは二酸化炭素である。外部特性は−１０Ｖ／１００Ａである。そして、電圧振幅が±１０Ｖ、周波数１００Ｈｚで変動する電圧を、溶接トーチ１３及び母材Ａ間に印加する。
図６のグラフから、ワイヤ径の増加に伴い、ワイヤ送給量あたりの溶け込みが深くなることが分かる。また、比較的安定なビード形成が得られるワイヤ径１．２ｍｍ、１．４ｍｍにおいては、１６ｍｍから１９ｍｍ程度の最大溶け込み深さが得られた。一方、ワイヤ径の増加に伴い大電流埋もれアーク７を安定維持できるワイヤ送給量の上限は低下する傾向が認められた。

図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃは、溶接対象の母材Ａと、溶接後のビード部分の断面を示す模式図である。図７Ａは、突き合わせ溶接対象の母材Ａの断面を示す模式図である。母材Ａは厚み２５ｍｍの厚板であり、Ｙ開先を有する。Ｙ開先の開先角度は９０度、ルート面の寸法は１６ｍｍである。
図７Ｂは、平均電流７２０Ａ、平均電圧４７Ｖ、電圧振幅が±１０Ｖ、周波数１００Ｈｚ、外部特性−１０Ｖ／１００Ａで突き合わせ溶接を行ったビードＢの断面である。
図７Ｃは、平均電流７２０Ａ、平均電圧４７Ｖ、電圧振幅が±１０Ｖ、周波数１００Ｈｚ、外部特性−２０Ｖ／１００Ａで突き合わせ溶接を行ったビードＢの断面である。
図７Ｂにおける溶接条件では、貫通溶接を実現できたものの、開先部に若干の融合不良が認められた。一方、図７Ｃにおける溶接条件では、融合不良、気孔欠損の無い貫通溶接を行うことができた。また、ビードＢ端部も溶接方向に沿って均一に揃っており、安定した溶接結果を得ることができた。

なお上記例では、溶接電流及び電圧を１００Ｈｚで周期的に変動させて埋もれアーク７を実現する例を説明したが一例であり、溶接電流及び電圧の制御方法は特に限定されるものでは無い。
例えば、溶接ワイヤＷの送給速度、溶接電流及び電圧が高い第１状態と、送給速度、溶接電流及び電圧が低い第２状態とを周期的に変動させて、溶接を行っても良い。例えば、溶接ワイヤＷの送給速度が５０ｍ／分、溶接電流が６２０Ａ、電圧が５５Ｖの第１状態と、溶接ワイヤＷの送給速度が６０ｍ／分、溶接電流が７００Ａ、電圧６４Ｖの第２状態とを周波数０．２〜２Ｈｚで変動させるようにして、溶接を行っても良い。第１状態では、溶接に係る液滴の移行形態がドロップ移行又は振り子状にアークが同一平面を往復しながら回転する移行となり、溶接ワイヤＷの進入深さは深くなる。第２状態では液滴の移行形態がローティング移行になり、溶接ワイヤＷの進入深さは浅くなる。
また、溶接電圧を一定にし、溶接電流及び溶接ワイヤＷの送給速度を周期的に変動させて、溶接を行っても良い。

埋もれアーク状態を維持することによって母材Ａの貫通溶接が可能な以下の溶接条件を適宜利用しても良い。
ワイヤ送給速度が２５ｍ／分、電流値が４００Ａ、電圧値が３５Ｖ、外部特性が−１０〜−２０Ｖ／１００Ａ、ワイヤ突き出し長さ２５ｍｍ、ワイヤ送給速度３０ｍ／分の溶接条件で、９ｍｍの厚板を貫通溶接することができる。
また、ワイヤ送給速度が３０ｍ／分、電流値が４５０Ａ、電圧値が３９Ｖ、外部特性が−１０〜−２０Ｖ／１００Ａ、ワイヤ突き出し長さ２５ｍｍ、ワイヤ送給速度３０ｍ／分の溶接条件で、１２ｍｍの厚板を貫通溶接することができる。
更に、ワイヤ送給速度が４０ｍ／分、電流値が５５０Ａ、電圧値が５２Ｖ、外部特性が−２０Ｖ／１００Ａ、ワイヤ突き出し長さ２５ｍｍ、ワイヤ送給速度３０ｍ／分の溶接条件で、１６ｍｍの厚板を貫通溶接することができる。
更にまた、ワイヤ送給速度が５０ｍ／分、電流値が７７０Ａ、電圧値が５７Ｖ、外部特性が−２０Ｖ／１００Ａ、ワイヤ突き出し長さ１５ｍｍ、ワイヤ送給速度３０ｍ／分の溶接条件で、１９ｍｍの厚板を貫通溶接することができる。

また、Ｙ開先を有する母材Ａを突き合わせ溶接する例を説明したが、レ形開先、Ｉ形開先、その他の任意の開先を有する母材Ａを溶接することもできる。また、開先を有しない母材Ａを溶接しても良い。更に、溶接継手の例として突き合わせ継手を説明したが、溶接の接合形態は特に限定されるものでは無い。

実施形態１に係るアーク溶接システムによれば、溶接トーチ１３側における溶接ワイヤＷの送給負荷を低減させることができる。従って、所要の速度で溶接ワイヤＷを安定的に溶接トーチ１３へ送給することができ、厚板の１パス溶接を実現することができる。

また、筐体４１ａ内に収容された溶接ワイヤＷの収容量を監視し、中間ワイヤ供給源４１に所定量の溶接ワイヤＷを収容するようにしているため、中間ワイヤ供給源４１から安定的に溶接トーチ１３へ溶接ワイヤＷを送給することができる。

更に、中間ワイヤ供給源４１の筐体４１ａは溶接ワイヤＷ自体を収容しているため、単に、コンジットケーブルを湾曲させて構成された緩衝機構に比して、溶接ワイヤＷの安定的供給に必要な十分量の溶接ワイヤＷを収容することができる。
また、筐体４１ａは、溶接ワイヤＷそのものを収容しているため、溶接ワイヤＷと、コンジットケーブルとの摩擦抵抗が問題になることは無く、溶接トーチ１３へ低負荷で溶接ワイヤＷを送給することができる。

更にまた、ワイヤ供給源３及び中間ワイヤ供給源４１間における溶接ワイヤＷの送給負荷が大きい場合であっても、中間ワイヤ供給源４１から安定的に溶接トーチ１３へ溶接ワイヤＷを送給することができる。例えば、ワイヤ供給源３が溶接ロボット１から離れた位置に配され、第１コンジットケーブル４ａが長いときも、溶接トーチ１３へ安定的に溶接ワイヤＷを送給することができる。

更にまた、中間ワイヤ供給源４１はフロア等の平坦面に載置可能な構成であり、ワイヤ供給源３及び溶接トーチ１３間の任意箇所に自由に配置することができる。

なお、実施形態１では、引出送給部４１ｄを、中間ワイヤ供給源４１の筐体４１ａ内部に設ける例を説明したが、引出送給部４１ｄと、中間ワイヤ供給源４１とを別体で構成しても良い。別体の引出送給部４１ｄの設置箇所は必ずしも限定されるものでは無く、ワイヤ供給源３に設けても良い。
また、中間ワイヤ供給源４１を溶接ロボット１に並べ置く例を説明したが、中間ワイヤ供給源４１の設置箇所は特に限定されるものでは無く、溶接ロボット１のアーム１２に設けても良い。

（実施形態２）
溶接ワイヤＷの高速送給に好適な中間ワイヤ供給源１４１の他の例を説明する。
図８は、実施形態２に係る中間ワイヤ供給源１４１の一構成例を示す模式図である。実施形態２に係る中間ワイヤ供給源１４１は、実施形態１と同様の筐体１４１ａを有し、筐体１４１ａの側面には、ワイヤ供給源３から供給された溶接ワイヤＷが水平方向（第１方向）から導入される入口部１４１ｂが形成され、筐体１４１ａの上面部には、筐体１４１ａの内部に収容された溶接ワイヤＷを、水平方向に交差する鉛直上方へ送出する出口部１４１ｃとが形成されている。筐体１４１ａに引き込まれた溶接ワイヤＷは入口部１４１ｂ及び出口部１４１ｃの間で弧状に湾曲した状態で収容される。

実施形態２に係る収容量検出部１４１ｇは、一端部が回転可能に固定された棒部材１４１ｊを備える。棒部材１４１ｊの他端部には、溶接ワイヤＷの湾曲部分を挟む１対の曲率検出ローラ１４１ｋが回転可能に支持されている。溶接ワイヤＷの収容量が増減すると、図８に示すように筐体１４１ａ内に収容された溶接ワイヤＷの曲率が変化し、棒部材１４１ｊが上記一端部を支点にして回動する。収容量検出部１４１ｇは、棒部材１４１ｊの回転位置を検出する回転位置センサであり、収容量検出部１４１ｇは、棒部材１４１ｊの回動位置を検出することによって、溶接ワイヤＷの収容量を検出することができ、収容量を示す信号を、入出力部１４１ｉを介して電源装置５へ出力する。電源装置５は、中間ワイヤ供給源１４１から出力された信号を受信し、受信した信号基づいて算出された送給制御信号を中間ワイヤ供給源１４１へ出力する。

中間ワイヤ供給源１４１の入出力部１４１ｉには電源装置５から出力された送給制御信号が入力される。引出送給モータ４１ｆは、当該送給制御信号に応じた速度で回転し、所定量の溶接ワイヤＷが筐体１４１ａ内に収容される。

実施形態２によれば、溶接ワイヤＷが入口部１４１ｂ及び出口部１４１ｃの間で弧状に湾曲した状態で中間ワイヤ供給源１４１に収容される。従って、ループ状等、溶接ワイヤＷを大きく曲げて筐体１４１ａ内に収容する場合に比べて、送給負荷を低減することができる。また収容する溶接ワイヤＷをループ状にして収容する場合に比べて、筐体１４１ａの内部構造を簡単化することができる。

（実施形態３）
大電流を出力可能な電源装置５の好適な構成例を説明する。
図９は、本実施形態３に係る電源装置５の一構成例を示すブロック図である。本実施形態３に係る電源装置５は、アーク溶接に係る共通の負荷に並列接続され、当該負荷に対して給電を行う複数の電源８を備える。各電源８は通信線によって接続されている。複数の電源８は、絶縁型のスイッチング電源であり、交流を所要の直流にＡＣ／ＤＣ変換し、交直変換された直流を負荷へ供給する。

複数の電源８の内、一の電源８は、通信線を介して他の電源８へＰＷＭ制御情報を送信することにより、各電源８の出力を制御するマスタ電源として機能する。他の電源８は当該一の電源８から送信されたＰＷＭ制御情報を受信し、受信したＰＷＭ制御情報に基づいて出力を制御するスレーブ電源として機能する。以下、マスタ電源として機能する電源８を、適宜第１の電源８と呼び、スレーブ電源として機能する電源８を第２の電源８と呼ぶ。第２の電源８は複数であっても良いし、単一であっても良い。

第２の電源８は、自装置から負荷へ出力される電流を検出し、検出された電流を示す電流情報を、通信線を介して第１の電源８へ送信する。第１の電源８は、第２の電源８から送信された電流情報を受信し、当該電流情報が示す電流と、自装置で検出した電流とを加算することによって、電源装置５から負荷へ出力される総電流を算出する。そして、第１の電源８は、自装置から負荷へ出力される電圧を検出し、検出して得た電圧と、総電流とに基づいて、電源装置５を構成する各電源８の出力を制御するためのＰＷＭ制御情報を算出する。第１の電源８は、このようにして算出したＰＷＭ制御情報に基づいて、自装置の出力を制御すると共に、上記のように当該ＰＷＭ制御情報を第２の電源８へ送信することによって、各電源８の動作を制御する。

なお、後述するように、動作モードを切り替えることによって、各電源８を、マスタ電源及びスレーブ電源のいずれの電源としても機能させることができる。また、動作モードを切り替えることによって、一台の独立した電源８としても機能させることができる。

図１０は、電源８の一構成例を示すブロック図である。以下、説明を簡単にするため、電源装置５が第１の電源８と、第２の電源８の２台で構成されているものとして説明する。第１の電源８及び第２の電源８は、例えば最大出力が５００Ａの定電圧特性電源であり、電源装置５は、第１の電源８及び第２の電源８の同期制御によって、最大１０００Ａの電流を出力することができる。また、第１及び第２の電源８の構成は同じであるため、主に一方の電源８の構成を説明する。

電源８は、操作パネル８０、入力部８１、整流器８２、インバータ８３、トランス８４、整流平滑器８５、電圧検出部８６、電流検出部８７、主制御部８８及び信号処理部８９を備える。

入力部８１は、例えば図示しない３相交流電源に接続される入力端子である。入力部８１は、整流器８２に接続されており、入力端子に印加された３相交流は整流器８２に入力される。

整流器８２は、例えばダイオードブリッジ回路である。ダイオードブリッジは図示しない２つの順接続されたダイオードからなる直列回路を３組並列させた回路構成である。また、ダイオードブリッジ回路の出力端には図示しない平滑コンデンサが設けられている。整流器８２は、入力部８１を介して３相交流電源から入力された交流を全波整流し、平滑コンデンサにて平滑化された直流をインバータ８３へ出力する。

インバータ８３は、整流器８２にて整流及び平滑化された直流を高周波の交流に変換してトランス８４へ出力する回路である。インバータ８３は、例えば、４つのスイッチング素子からなるフルブリッジ回路である。フルブリッジ回路は、２つのスイッチング素子を直列接続してなるレグを２組並列接続させた回路構成である。各スイッチング素子は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）等のパワーデバイスである。

トランス８４は、インバータ８３から出力された交流を変圧し、変圧された交流を整流平滑器８５へ出力する。トランス８４は、コアに巻回され、磁気結合した一次コイル及び二次コイルを備え、一次コイルはインバータ８３に接続され、二次コイルは整流平滑器８５に接続されている。

整流平滑器８５は、トランス８４から出力された交流を整流及び平滑化する回路であり、整流された直流の電圧及び電流は正出力端子８ａ及び負出力端子８ｂから負荷へ出力される。整流平滑器８５は、例えばセンタータップを用いた全波整流回路、リアクトルを用いた平滑化回路等によって構成される。

負荷は、例えばアーク溶接に係るものであり、溶接ワイヤＷ、母材Ａ、シールドガスが電離したアーク７等が負荷となる。正出力端子８ａは、正側給電線及び溶接トーチ１３を介して溶接ワイヤＷに電気的に接続され、負出力端子８ｂは負側給電線を介して母材Ａに接続される。

電圧検出部８６は、例えば、整流平滑器８５の出力側に接続されており、自装置から負荷へ出力される電圧を検出し、検出した電圧値を示す電圧値信号を主制御部８８へ出力する回路である。

電流検出部８７は、例えば、整流平滑器８５の出力側に設けられており、自装置から負荷へ出力される電流を検出し、検出した電流値を示す電流値信号を主制御部８８へ出力する回路である。電流検出部８７は、例えばホール素子等の磁電変換素子を備えたホール式電流センサである。

主制御部８８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ、ＲＡＭ、インタフェース等を有し、電源８全体の動作を制御するプロセッサである。主制御部８８のインタフェースには制御端子８ｃが接続されている。マスタ電源として機能する電源８の制御端子８ｃには、溶接機の制御通信線が接続され、溶接機から出力された駆動指示信号が入力される。主制御部８８は、駆動指示信号の入力状態を監視しており、駆動指示信号が入力された場合、インバータ８３を動作させるための駆動要求を信号処理部８９へ出力する。なお、スレーブ電源として機能している電源８の制御端子８ｃには、駆動指示信号は入力されない。
また、主制御部８８のインタフェースには、電圧検出部８６及び電流検出部８７が接続されており、電圧値信号及び電流値信号が入力される。主制御部８８は、入力された電圧値信号及び電流値信号をＡＤ変換し、ＡＤ変換して得られた、電圧情報及び電流情報を信号処理部８９へ出力する。
更に、主制御部８８は操作パネル８０に接続されており、操作パネル８０に対する操作に応じた信号が入力される。主制御部８８は、当該信号を監視することによって、操作パネル８０に対する操作を受け付ける。本実施形態に係る主制御部８８は、操作パネル８０にて、電源８の動作モードの選択を受け付けることができる。動作モードには、電源８を、マスタ電源として機能させるマスタ電源モード（第１制御方式）と、スレーブ電源として機能させるスレーブ電源モード（第２制御方式）と、単一電源として機能させる単一電源モードとがある。また、主制御部８８は、自装置の動作モード、出力電圧、出力電流等、各種動作状態を表示するための表示指示信号を操作パネル８０へ出力することによって、自装置の動作状態を操作パネル８０に表示させる。
更にまた、マスタ電源として動作している電源８の主制御部８８は、溶接機における溶接ワイヤＷの送給を制御するためのワイヤ送給制御信号を制御端子８ｃから当該溶接機へ出力する。なお、スレーブ電源として動作している電源８は、ワイヤ送給制御信号の出力を行わない。

信号処理部８９は、インバータ８３を構成するスイッチング素子へＰＷＭ信号を出力し、当該スイッチング素子のオンオフをＰＷＭ制御するＤＳＰ（digital signal processor）であり、制御情報算出部８９ａ、ＰＷＭ制御部８９ｂ及び通信部８９ｃを有する。信号処理部８９は、インバータ８３及び主制御部８８に接続されており、信号処理部８９には、主制御部８８から出力される電圧情報、電流情報、駆動要求等が入力される。信号処理部８９は、自装置の動作モードを記憶しており、その信号処理内容は、電源８の動作モードによって異なる。信号処理内容の詳細は後述する。

制御情報算出部８９ａは、インバータ８３の動作を制御することによって、負荷へ出力する電圧又は電流を制御するためのＰＷＭ制御情報を算出する機能部である。ＰＷＭ制御情報は、インバータ８３へ出力するＰＷＭ信号のパルス幅及びパルス波形等を示す情報である。
動作モードが単一電源モードである場合、制御情報算出部８９ａは、主制御部８８から出力された電圧情報及び電流情報、つまり自装置で検出された電圧及び電流に基づいて、自装置のインバータ８３をＰＷＭ制御するためのＰＷＭ制御情報を算出する。
動作モードがマスタ電源モードである場合、制御情報算出部８９ａは、主制御部８８から出力された自装置の電圧情報及び電流情報と、他の電源８に係る電流情報とに基づいて、第１及び第２の電源８のインバータ８３をＰＷＭ制御するためのＰＷＭ制御情報を算出する。つまり、制御情報算出部８９ａは、自装置で検出された電圧及び電流と、スレーブ電源である他の電源８で検出された電流とに基づいて、ＰＷＭ制御情報を算出する。なお、他の電源８で検出される電流情報は、通信部８９ｃによって受信することができる。
動作モードがスレーブ電源モードである場合、制御情報算出部８９ａは、ＰＷＭ制御情報の算出を行わない。

ＰＷＭ制御部８９ｂは、ＰＷＭ制御情報を用いて、所要のパルス幅及びパルス波形を有するＰＷＭ信号を発生させ、インバータ８３へ出力する機能部である。ＰＷＭ制御部８９ｂは、フルブリッジ回路のスイッチング素子を、たすき掛けで交互にオン状態及びオフ状態に切り替えることによって、インバータ８３から交流を出力させる。
動作モードが単一電源モード又はマスタ電源モードである場合、ＰＷＭ制御部８９ｂは、自装置の制御情報算出部８９ａにて算出されたＰＷＭ制御情報を用いてＰＷＭ信号を発生させる。
動作モードがスレーブ電源モードである場合、ＰＷＭ制御部８９ｂは、他の電源８で算出されたＰＷＭ制御情報を用いてＰＷＭ信号を発生させる。他の電源８で算出されたＰＷＭ制御情報は、通信部８９ｃによって受信することができる。自装置と他の電源８とが同一出力容量であるときは、自装置のＰＷＭ信号と他の電源８のＰＷＭ信号とは結果的に略同一の信号となる。出力容量が異なるときは、ＰＷＭ制御部８９ｂは、他の電源８で算出されたＰＷＭ制御情報を用いて出力容量差を補正したＰＷＭ信号を発生させる。この場合には、自装置のＰＷＭ信号と他の電源８のＰＷＭ信号とは異なる信号となる。

通信部８９ｃは、他の電源８と各種情報を送受信するための通信回路である。通信部８９ｃは、例えばＨＣＩ（Host Control Interface）通信規格に従って情報を送受信する。
動作モードがマスタ電源モードである場合、信号処理部８９は通信部８９ｃを介して、自装置のインバータ８３の動作状態を示す動作情報と、制御情報算出部８９ａにて算出したＰＷＭ制御情報とを、スレーブ電源モードで動作している他の電源８へ送信する。当該電源８は、マスタ電源モードで動作している電源８から送信された動作情報及びＰＷＭ制御情報を通信部８９ｃにて受信する。
動作モードがスレーブ電源モードである場合、信号処理部８９は通信部８９ｃを介して、自装置から負荷へ出力されている電流を示す電流情報と、自装置のインバータ８３の動作状態を示す動作情報と、自装置の異常の有無を示す異常情報とを、マスタ電源モードで動作している電源８へ送信する。異常情報は、例えば過電流、異常停止等を示す情報である。マスタ電源である当該電源８は、スレーブ電源モードで動作している電源８から送信された電流情報、動作情報及び異常情報を通信部８９ｃにて受信する。

操作パネル８０は、負荷へ出力している電流及び電圧を示す電流表示部及び電圧表示部を備える。
動作モードがマスタ電源モードである場合、主制御部８８は、各電源８から出力されている電流を加算して得られる総電流の値を電流表示部に表示させる。また、自装置で検出して得られた電圧の値を電圧表示部に表示させる。動作モードがスレーブ電源モードである場合、主制御部８８は、自装置が駆動中であることを示す所定情報を電流表示部及び電圧表示部に表示させる。所定情報は、例えば「駆動中」又は「ＲＵＮ」等の文字情報であるが、表示する情報の内容は特に限定されるものでは無く、電流表示部及び電圧表示部を構成する表示ピクセル又はセグメントを全灯又は全消灯させる構成も含まれる。動作モードが単一電源モードである場合、主制御部８８は、自装置から出力されている電流及び電圧の値を電流表示部及び電圧表示部に表示させる。

また、操作パネル８０は、電源８の動作モードを切り替えるための操作部と、現在の自装置の動作モードを表示する動作モード表示部とを備える。操作部は例えばシールされたタクタイルスイッチ、押しボタンスイッチ等である。電源８の主制御部８８は、操作部が操作された場合、現在の動作モードを他の動作モードに切り替える。例えば、信号処理部８９は、現在の動作モードを記憶しており、主制御部８８は、モード切替指示を信号処理部８９へ出力することによって、信号処理部８９の動作モードを切り替える。動作モードは、例えば、操作部が操作される都度、単一電源モード、マスタ電源モード、スレーブ電源モード、単一電源モード…の順で切り替えられる。
動作モード表示部は、複数の発光素子を有する。複数の発光素子は、例えばマスタ電源モードである場合に点灯する発光素子、スレーブ電源モードである場合に点灯する発光素子を含む。

図１１及び図１２は、給電制御に係る各電源８の処理手順を示すフローチャートである。ここでは、マスタ電源モードで動作している第１の電源８と、スレーブ電源モードで動作している第２の電源８の処理を説明する。

マスタ電源である第１の電源８に駆動指示信号が入力された場合、主制御部８８は、自装置から負荷へ出力されている電流及び電圧を、電流検出部８７及び電圧検出部８６にて検出する（ステップＳ５１）。主制御部８８は、検出して得た電流情報及び電圧情報を信号処理部８９へ出力する。

マスタ電源モードの信号処理部８９は、電流情報及び電圧情報が示す電流及び電圧に基づいてＰＷＭ制御情報を算出する（ステップＳ５２）。起動時においては、スレーブの電源８は動作を開始していないため、例えば、第１の電源８で検出された電流及び電圧を用いてＰＷＭ制御情報を算出する。
そして、信号処理部８９は、算出されたＰＷＭ制御情報に基づいて、インバータ８３をＰＷＭ制御する（ステップＳ５３）。次いで、信号処理部８９は、インバータ８３の動作状態を示す動作情報及びＰＷＭ制御情報を、通信部８９ｃを介して、スレーブ電源である第２の電源８へ送信する（ステップＳ５４）。動作情報は、例えば、インバータ８３が駆動しているか否かを示す情報である。

スレーブ電源モードの信号処理部８９は、第１の電源８から送信された動作情報及びＰＷＭ制御情報を通信部８９ｃにて受信する（ステップＳ５５）。そして、スレーブ電源モードの信号処理部８９は、マスタ電源が駆動していることを動作情報にて確認し、受信したＰＷＭ制御情報に基づいて自装置のインバータ８３をＰＷＭ制御する（ステップＳ５６）。

なお、ステップＳ５４の送信を行う通信部８９ｃは、制御情報送信部に対応し、ステップＳ５５の受信を行う通信部８９ｃは、制御情報受信部に対応する。

次いで、第２の電源８の主制御部８８は、自装置が正常に動作している場合、駆動中である旨を操作パネル８０に表示させる（ステップＳ５７）。例えば、主制御部８８は、駆動中である旨を電流表示部及び電圧表示部に表示させる。

次いで、主制御部８８は、電流検出部８７にて自装置から負荷へ出力している電流を検出する（ステップＳ５８）。主制御部８８は、検出して得た電流情報を信号処理部８９へ出力する。

スレーブ電源モードの信号処理部８９は、自装置で検出して得た電流情報を、通信部８９ｃを介して、マスタ電源である第１の電源８へ送信する（ステップＳ５９）。また、信号処理部８９は、自装置のインバータ８３の動作状態を示す動作情報、異常の有無を示す異常情報を、通信部８９ｃを介して第１の電源８へ送信する（ステップＳ６０）。

ＰＷＭ制御情報等を送信したマスタ電源モードの信号処理部８９は、第２の電源８から送信される電流情報、動作情報及び異常情報を受信し（ステップＳ６１）、その受信に成功したか否かを判定する（ステップＳ６２）。

なお、ステップＳ６０の送信を行う通信部８９ｃは、電流情報送信部に対応し、ステップＳ６０の送信を行う通信部８９ｃは、異常情報送信部に対応する。また、ステップＳ６１の受信を行う通信部８９ｃは、電流情報受信部及び異常情報受信部に対応する。

所定時間以上、第２の電源８からの応答が無く、受信に失敗したと判定した場合（ステップＳ６２：ＮＯ）、信号処理部８９は、インバータ８３の動作及びＰＷＭ制御情報の算出を停止させることにより、負荷への出力を停止させる（ステップＳ６３）。なお、第１の電源８におけるＰＷＭ制御情報の算出が停止すると、スレーブ電源である第２の電源８の動作も停止する。
また、信号処理部８９は、通信異常を主制御部８８へ通知し、主制御部８８は通信に係る異常があった旨を操作パネル８０に表示させ（ステップＳ６４）、処理を終える。
なお、通信異常は、通信線の切断、コネクタの接続不良で発生する他、スレーブ電源として動作させるべき電源８を、誤ってマスタ電源モードで動作させた場合にも発生する。

第２の電源８からの応答があり、電流情報、動作情報及び異常情報の受信に成功したと判定した場合（ステップＳ６２：ＹＥＳ）、信号処理部８９は、受信した電流情報が示す電流が所定の閾値未満であるか否かを判定する（ステップＳ６５）。なお、ステップＳ６５の判定を行う信号処理部８９は、判定部に対応する。

電流が閾値以上であると判定した場合（ステップＳ６５：ＮＯ）、信号処理部８９は、受信した異常情報に基づいて、第２の電源８の状態が異常であるか否かを判定する（ステップＳ６６）。例えば、信号処理部８９は、第２の電源８のインバータ８３が停止状態にあることを異常情報が示している場合、又は異常情報が過電流等の異常を示している場合、異常があると判定する。

電流が閾値未満であると判定された場合（ステップＳ６５：ＹＥＳ）、又は第２の電源８に異常があると判定された場合（ステップＳ６６：ＹＥＳ）、信号処理部８９は、インバータ８３の動作及びＰＷＭ制御情報の算出を停止させることにより、負荷への出力を停止させる（ステップＳ６７）。また、信号処理部８９は、状態異常を主制御部８８へ通知し、主制御部８８は、スレーブ電源に異常があった旨を操作パネル８０に表示させ（ステップＳ６８）、処理を終える。

第２の電源８が正常に動作していると判定された場合（ステップＳ６６：ＮＯ）、主制御部８８は、電流検出部８７及び電圧検出部８６にて自装置から負荷へ出力されている電流及び電圧を、電流検出部８７及び電圧検出部８６にて検出する（ステップＳ６９）。そして、主制御部８８は、自装置で検出して得られた電流と、第２の電源８から受信した電流情報が示す電流とを加算する（ステップＳ７０）。そして、信号処理部８９は、ステップＳ７０にて加算して得られた電流と、自装置で検出された電圧とに基づいてＰＷＭ制御情報を算出する（ステップＳ７１）。ここで算出されるＰＷＭ制御情報は、電源装置５全体から負荷へ出力される電流及び電圧に基づくものであり、電源装置５全体の出力を制御することが可能な情報である。

次いで、主制御部８８は、ステップＳ７０にて算出した電流の値を電流表示部に表示させ、ステップＳ６９にて検出された電圧の値を電圧表示部に表示させる（ステップＳ７２）。
一方、主制御部８８は、溶接機を制御するための情報、例えば溶接ワイヤＷの送給を制御するためのワイヤ送給制御信号を制御端子８ｃから溶接機へ送信する（ステップＳ７３）。ワイヤ送給制御信号は、例えば、溶接ワイヤＷの送給速度、送給の開始及び停止等を制御するための信号である。

次いで、主制御部８８は、駆動指示信号の入力が継続しているか否かを判定する（ステップＳ７４）。駆動指示信号が入力されていないと判定した場合（ステップＳ７４：ＮＯ）、信号処理部８９によるインバータ８３の制御を停止させることによって負荷への出力を停止させ（ステップＳ７５）、処理を終える。駆動指示信号が入力されていると判定した場合（ステップＳ７４：ＹＥＳ）、主制御部８８は、処理をステップＳ５３へ戻し、負荷への給電制御を継続する。

このように構成された電源装置５にあっては、マスタ電源である第１の電源８が、スレーブ電源である第２の電源８から電流情報を取得し、各電源８の出力を制御するＰＷＭ制御情報を算出する。そして、第１の電源８は、算出したＰＷＭ制御情報を第２の電源８へ送信し、スレーブ電源である当該電源８は、マスタ電源側で算出されたＰＷＭ制御情報に基づいて出力を制御する。従って、本実施形態に係る電源装置５においては、各電源８から負荷へ出力される電流を安定的に制御することができる。

また、使用者は、マスタ電源として動作している第１の電源８の電流表示部及び電圧表示部を用いて、電源装置５から負荷へ出力されている電流及び電圧の情報を確認することができる。

更に、スレーブ電源として動作している第２の電源８の電流表示部及び電圧表示部に所定情報を表示することによって、使用者に無用な混乱を与えないようにすることができる。

更に、マスタ電源である第１の電源８は、スレーブ電源から送信されるはずの電流情報を受信できない場合、スレーブ電源である第２の電源８との通信に異常があるものとして、電源装置５全体を停止させ、安全を確保することができる。

更にまた、マスタ電源である第１の電源８は、自装置が電流を出力しているにも関わらず、スレーブ電源である第２の電源８から出力される電流が閾値未満である場合、第２の電源８に異常があるものとして、電源装置５全体を停止させ、安全を確保することができる。

更にまた、マスタ電源である第１の電源８は、スレーブ電源である第２の電源８の動作状態に異常がある場合、電源装置５全体を停止させ、安全を確保することができる。

更にまた、これらの異常時に電源装置５を停止させることによって、電源装置５を保全することができる。

更にまた、本実施形態に係る電源８は、操作部を操作することによって、マスタ電源及びスレーブ電源のいずれの電源としても機能させることができる。従って、電源装置５を構成するマスタ電源が故障しても、スレーブ電源として機能していた電源８の動作モードを、マスタ電源モードに切り替えることにより、容易に電源装置５を再構築することができる。

更にまた、本実施形態に係る電源８は、操作部を操作することによって、単独の電源としても機能させることができる。

なお、本実施形態では、主に２台の電源８を共通の負荷に並列接続させる例を説明したが、３台以上の電源８を用いて電源装置５を構成しても良い。

また、負荷として、アーク溶接に係る負荷を説明したが、アーク切断、その他の大電流を要する負荷へ給電する電源装置５として用いても良い。

更にまた、本実施形態に係る電源装置５は、アーク溶接機へ大電流を出力することができる。

更にまた、本実施形態では、絶縁トランス型スイッチング電源をＰＷＭ制御する例を説明したが、電源８の構成及び制御方式は特に限定されるものでは無く、公知の構成及び制御方式を用いても良い。

更にまた、本実施形態では、スレーブ電源として動作している電源８に異常があった場合、電源装置５全体を停止させる例を主に説明したが、電源装置５全体として問題がなければ、負荷への給電を継続するように構成しても良い。例えば、複数のスレーブ電源が並列接続されおり、異常が発見された電源８を電源装置５から遮断する遮断リレー等が設けられており、残りの電源８で所要の電力を供給することが可能であれば、正常に動作している複数の電源８を継続的に動作させても良い。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 溶接ロボット
２ ロボット制御装置
３ ワイヤ供給源
４ ワイヤ送給装置
４ａ 第１コンジットケーブル
４ｂ 第２コンジットケーブル
４ｃ 第３コンジットケーブル
５ 電源装置
６ 溶融部分
７ アーク
８ 電源
１１ 基部
１２ アーム
１３ 溶接トーチ
４１ 中間ワイヤ供給源
４１ａ 筐体
４１ｂ 入口部
４１ｃ 出口部
４１ｄ 引出送給部
４１ｅ ワイヤ案内部
４１ｆ 引出送給モータ
４１ｇ 収容量検出部
４１ｈ 送給制御部
４１ｉ 入力部
４１ｊ 棒部材
４１ｍ 載置面
４２ プッシュフィーダ
４２ａ 押出送給部
５１ 電源部
５２ 送給速度制御部
１４１ｉ 入出力部
１４１ｋ 曲率検出ローラ
Ａ 母材
Ｂ ビード
Ｗ 溶接ワイヤ

Claims (10)

1. 溶接ワイヤをワイヤ供給源から溶接トーチへ送給するワイヤ送給装置と、該ワイヤ送給装置によって前記溶接トーチへ送給された溶接ワイヤ及び母材間に電力を供給する電源装置とを備え、供給された電力により溶接ワイヤ及び母材間に発生するアークにて母材を溶接する消耗電極式のアーク溶接システムであって、
   前記ワイヤ送給装置は、
   前記ワイヤ供給源及び前記溶接トーチの間に配され、前記ワイヤ供給源から供給される溶接ワイヤを一時的に収容し、収容された溶接ワイヤを前記溶接トーチへ供給する中間ワイヤ供給源を備え、
   前記電源装置は、
   並列接続されており、溶接ワイヤ及び母材間に電力を供給する第１の電源及び第２の電
   源を備え、
   前記第１の電源は、
   該第１の電源及び第２の電源による給電及び前記ワイヤ送給装置による溶接ワイヤの送給を制御している
   アーク溶接システム。
2. 前記ワイヤ送給装置は、
   前記ワイヤ供給源の溶接ワイヤを前記中間ワイヤ供給源へ送給する第１送給部と、
   前記中間ワイヤ供給源に収容された溶接ワイヤを前記溶接トーチへ送給する第２送給部と
   を備える請求項１に記載のアーク溶接システム。
3. 前記中間ワイヤ供給源は、
   溶接ワイヤの収容量を検出する検出部を備え、
   更に、該検出部の検出結果に基づいて、所定量の溶接ワイヤが収容されるように前記第１送給部の送給を制御する送給制御部を備える
   請求項２に記載のアーク溶接システム。
4. 前記中間ワイヤ供給源は、
   溶接ワイヤを収容する筐体を備え、
   該筐体及び前記ワイヤ供給源は、溶接ワイヤが挿通する第１コンジットケーブルによって接続され、前記筐体及び前記第２送給部は、溶接ワイヤが挿通する第２コンジットケーブルによって接続されており、
   溶接ワイヤは、前記第１コンジットケーブル及び前記第２コンジットケーブルによって案内され、前記中間ワイヤ供給源を介して前記溶接トーチへ送給される
   請求項２又は請求項３に記載のアーク溶接システム。
5. 前記第１送給部は、前記筐体に収容されている
   請求項４に記載のアーク溶接システム。
6. 前記第１コンジットケーブルを挿通する溶接ワイヤの送給に係る負荷は、前記第２コンジットケーブルを挿通する溶接ワイヤの送給に係る負荷に比べて大きい
   請求項４又は請求項５に記載のアーク溶接システム。
7. 前記筐体は、前記中間ワイヤ供給源を載置するための載置面を有する
   請求項４〜請求項６までのいずれか一項に記載のアーク溶接システム。
8. 前記溶接トーチを保持するアームを有する溶接ロボットを備え、
   前記第２送給部は、前記溶接ロボットの前記アームに設けられ、前記中間ワイヤ供給源は前記溶接ロボットに並置される
   請求項２〜請求項７までのいずれか一項に記載のアーク溶接システム。
9. 前記ワイヤ送給装置は、
   溶接ワイヤ及び母材間に発生したアークによって母材に形成された凹状の溶融部分に溶接ワイヤの先端部が進入する速度で、溶接ワイヤを送給し、
   前記電源装置は、
   溶接ワイヤ及び母材間に流れる溶接電流の周波数が１０Ｈｚ以上１０００Ｈｚ以下、平均電流が３００Ａ以上、電流振幅が５０Ａ以上になるように、該溶接電流を変動させる
   請求項１〜請求項８までのいずれか一項に記載のアーク溶接システム。
10. 前記ワイヤ送給装置は、
    溶接ワイヤを５ｍ／分以上の速度で送給する
    請求項１〜請求項９までのいずれか一項に記載のアーク溶接システム。

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