JP6921773B2 - 非消耗電極パルスアーク溶接制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ピーク期間中のピーク電流及びベース期間中のベース電流から形成される溶接電流を通電して溶接する非消耗電極パルスアーク溶接制御方法に関するものである。

非消耗電極アーク溶接には、直流又は交流のティグ溶接、直流又は交流のプラズマアーク溶接がある。この非消耗電極アーク溶接において、ピーク期間中のピーク電流及びベース期間中のベース電流から形成されるパルス状の溶接電流を通電して溶接する非消耗電極パルスアーク溶接が広く使用されている。

特許文献１の発明では、消耗電極パルスアーク溶接において、ピーク電流の立上り及び立下りを曲線状の所望値に制御している。

特開２００６−７５８９０号公報

非消耗電極パルスアーク溶接においては、ピーク期間とベース期間とを繰り返すパルス周波数の設定範囲は０．５〜５００Ｈｚ程度である。溶接電流の通電路のインダクタンス値は、溶接電源の内部に設けられたリアクトルのインダクタンス値と溶接トーチのケーブルのインダクタンス値との合算値となる。したがって、溶接トーチのケーブルが長くなると、通電路のインダクタンス値は大きくなる。

通電路のインダクタンス値が大きくなるほど、溶接電流の変化速度は緩やかになる。それに加えて、パルス周波数が約１００Ｈｚ以上になると、電流の振幅が制限されて設定されたピーク電流及びベース電流を通電することができなくなる。すなわち、通電路のインダクタンス値が大きくなり、かつ、パルス周波数が高くなると、電流振幅が小さくなり、平均溶接電流値も小さくなる。平均溶接電流値が小さくなると、溶け込み深さが変化し、ビード外観も変化して、溶接品質が悪くなるという問題があった。

そこで、本発明では、通電路のインダクタンス値が大きくなり、かつ、パルス周波数が高いときでも、設定された平均溶接電流値をほぼ維持することができる非消耗電極パルス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、
ピーク期間中のピーク電流及びベース期間中のベース電流から形成される溶接電流を通電して溶接する非消耗電極パルスアーク溶接制御方法において、
ピーク電流設定信号Ｉpr、ベース電流設定信号Ｉbr及び電流傾斜係数Ｇ(Ｇは１．０未満かつ０よりも大きな実数）を設定し、
前記溶接電流を検出して電流検出信号Ｉｄを出力し、
前記ピーク期間中は、予め定めた制御周期ごとに電流設定信号Ｉｒ＝(Ｉpr−Ｉｄ)×Ｇ＋Ｉｄを算出し、算出された電流設定信号に基づいて前記溶接電流を制御し、
前記ベース期間中は、前記制御周期ごとに前記電流設定信号Ｉｒ＝(Ｉbr−Ｉｄ)×Ｇ＋Ｉｄを算出し、算出された電流設定信号に基づいて前記溶接電流を制御する、
ことを特徴とする非消耗電極パルスアーク溶接制御方法である。

請求項２の発明は、前記電流傾斜係数Ｇを、前記溶接電流の通電路のインダクタンス値に応じて設定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の非消耗電極パルスアーク溶接制御方法である。

請求項３の発明は、前記電流傾斜係数Ｇを、前記ピーク期間及び前記ベース期間を繰り返すパルス周波数に応じて設定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の非消耗電極パルスアーク溶接制御方法である。

本発明によれば、パルス周波数及び通電路のインダクタンス値が大きくなっても、設定された平均溶接電流値をほぼ維持することができるので、高品質の溶接が可能となる。

本発明の実施の形態１に係る非消耗電極パルス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に係る非消耗電極パルスアーク溶接制御方法を示す図１における溶接電流Ｉｗ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。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る非消耗電極パルス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、非消耗電極パルスアーク溶接が直流のパルスティグ溶接の場合である。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、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってインバータ制御等の出力制御を行い、溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗを出力する。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次整流回路、整流した直流を平滑するコンデンサ、上記の電流誤差増幅信号Ｅｉに基づいて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、高周波交流をアーク溶接に適した電圧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次整流回路、整流された直流を平滑するリアクトルを備えている。

溶接電流Ｉｗは、溶接トーチ４、電極１、アーク３及び母材２を通って通電し、電極１と母材２との間に溶接電圧Ｖｗが印加する。

ピーク電流設定回路ＩＰＲは、予め定めたピーク電流設定信号Ｉprを出力する。ベース電流設定回路ＩＢＲは、予め定めたベース電流設定信号Ｉbrを出力する。Ｉpr＞Ｉbrである。

パルス周波数設定回路ＦＲは、予め定めたパルス周波数設定信号Ｆｒを出力する。Ｆｒ＝０．５〜５００Ｈｚ程度である。デューティ設定回路ＤＲは、デューティ設定信号Ｄｒを出力する。Ｄｒは、１周期に占めるピーク期間の百分率である。Ｄｒ＝３０〜７０％程度である。期間設定回路ＴＲは、上記のパルス周波数設定信号Ｆｒ及び上記のデューティ設定信号Ｄｒを入力として、両値からピーク期間及びベース期間の時間長さを算出して、ピーク期間設定信号Ｔpr及びベース期間設定信号Ｔbrを出力する。ここで、Ｔpr＝（１／Ｆｒ）×（Ｄｒ／１００）であり、Ｔbr＝（１／Ｆｒ）−Ｔprである。

タイマ回路ＴＭは、上記のピーク期間設定信号Ｔpr及び上記のベース期間設定信号Ｔbrを入力として、以下の処理を行い、タイマ信号Ｔｍを出力する。タイマ信号ＴｍがＨｉｇｈレベルのときがピーク期間Ｔｐとなり、Ｌｏｗレベルのときがベース期間Ｔｂとなる。
１）ピーク期間設定信号Ｔprによって定まるピーク期間Ｔｐ中はＨｉｇｈレベルとなるタイマ信号Ｔｍを出力する。
２）続けて、ベース期間設定信号Ｔbrによって定まるベース期間Ｔｂ中はＬｏｗレベルとなるタイマ信号Ｔｍを出力する。
３）上記の１）及び２）の動作を繰り返す。

電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｗを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。

電流設定回路ＩＲは、上記のピーク電流設定信号Ｉpr、上記のベース電流設定信号Ｉbr、上記の電流検出信号Ｉｄ及び上記のタイマ信号Ｔｍを入力として、タイマ信号ＴｍがＨｉｇｈレベル(ピーク期間)のときは、予め定めた制御周期ごとに電流設定信号Ｉｒ＝(Ｉpr−Ｉｄ)×Ｇ＋Ｉｄを算出し、タイマ信号ＴｍがＬｏｗレベル(ベース期間)のときは、制御周期ごとに電流設定信号Ｉｒ＝(Ｉbr−Ｉｄ)×Ｇ＋Ｉｄを算出し、電流設定信号Ｉｒを出力する。上記の制御周期は、ピーク期間及びベース期間から形成されるパルス周期よりも小さな値に設定される。制御周期は、パルス周期の最小値の０．１以下に設定されることが望ましい。パルス周期の最小値は２ms(パルス周波数の最大値＝５００Ｈｚ)であるので、制御周期は２００μｓ以下に設定されることが望ましい。例えば、制御周期は５０μｓに設定される。また、上記のＧは、電流傾斜係数であり、１．０未満０よりも大の範囲の実数に設定される。電流傾斜係数Ｇは、ピーク電流への立上り速度及びベース電流への立下り速度を決める係数であり、Ｇが小になるほど電流傾斜は緩やかになる。電流傾斜係数Ｇの適正値への設定方法については、図２で後述する。

電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流設定信号Ｉｒと上記の電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。この電流誤差増幅信号Ｅｉに従って溶接電源の出力制御が行われることによって定電流制御され、ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂから形成される溶接電流Ｉｗが通電する。

図２は、図１で上述した溶接電源における溶接電流Ｉｗの波形図である。同図は、アークスタートから過渡期間を経過した定常状態における波形図である。同図は、パルス周波数が１００Ｈｚ以上であり、溶接トーチのケーブル長が１０ｍ以上であるので通電路のインダクタンス値が比較的大きい場合である。以下、同図を参照して動作について説明する。

時刻ｔ１〜ｔ２の期間が、図１のピーク期間設定信号Ｔprによって定まるピーク期間Ｔｐとなる。時刻ｔ２〜ｔ３の期間が、図１のベース期間設定信号Ｔbrによって定まるベース期間Ｔｂとなる。時刻ｔ１〜ｔ３の期間がパルス周期となり、その逆数がパルス周波数となる。

(１)時刻ｔ１〜ｔ２のピーク期間Ｔｐの動作
図１の電流設定回路ＩＲの出力信号である電流設定信号Ｉｒは、予め定めた制御周期ごとに下式によって算出される。Ｇは、予め定めた電流傾斜係数であり、Ｉｄは電流検出信号である。
Ｉｒ＝(Ｉpr−Ｉｄ)×Ｇ＋Ｉｄ
同図において、溶接電流Ｉｗは、上記の電流設定信号Ｉｒを目標値として定電流制御される。この結果、溶接電流Ｉｗは、変化率が経時的に小さくなるように上昇する波形となる。

(２)時刻ｔ２〜ｔ３のベース期間Ｔｂの動作
上記の電流設定信号Ｉｒは、上記の制御周期ごとに下式によって算出される。
Ｉｒ＝(Ｉbr−Ｉｄ)×Ｇ＋Ｉｄ
同図において、溶接電流Ｉｗは、上記の電流設定信号Ｉｒを目標値として定電流制御される。この結果、溶接電流Ｉｗは、変化率が経時的に小さくなるように下降する波形となる。

上記の電流傾斜係数Ｇは、溶接電流Ｉｗの上昇及び下降時の電流傾斜を決める係数である。電流傾斜係数Ｇは、１未満０よりも大の実数に設定される。電流傾斜係数Ｇは、その値が小さいほど電流傾斜は緩やかになる。Ｇ＝１．０のときが従来技術のときとなる。

パルス周波数が高くなるほど、かつ、通電路のインダクタンス値が大きくなるほど、溶接電流Ｉｗの振幅は小さくなる。同時に、従来技術においては、溶接電流Ｉｗの平均値も小さくなり、溶接品質が悪くなる。これに対して、本実施の形態では、溶接電流Ｉｗの平均値はほぼ設定値を維持することができるので、良好な溶接品質となる。

溶接電流Ｉｗの平均値の変化の数値例を以下に示す。ピーク電流設定信号Ｉpr＝３００Ａ、ベース電流設定信号Ｉbr＝４０Ａ、デューティ＝５０％とすると、平均電流値の設定値＝１７０Ａとなる。パルス周波数が１００Ｈｚ未満であり、かつ、溶接トーチのケーブル長が５ｍ以下である場合には、従来技術においても、平均溶接電流値はほぼ１７０Ａとなる。パルス周波数が３００Ｈｚとなり、かつ、溶接トーチのケーブル長が１０ｍとなると、従来技術では、平均溶接電流値は１４０Ａ程度に減少する。これに対して、本実施の形態では、平均溶接電流値は１６５Ａとなり、設定値との差分が大幅に小さくなる。さらに、従来技術では、パルス周波数の設定値又は溶接トーチのケーブル長が変化すると、平均溶接電流値も大きく変化することになる。これに対して、本実施の形態では、パルス周波数の設定値又は溶接トーチのケーブル長が変化しても、平均溶接電流値はほぼ設定値を維持することができる。

上記の電流傾斜係数Ｇの適正値への設定方法は、以下の通りである。電流傾斜係数Ｇが小さいほど、パルス周波数及び溶接トーチのケーブル長が変化したときの平均電流値の変化は小さくなる。他方、電流傾斜係数Ｇが小さくなるほど、アークスタートから溶接電流Ｉｗの波形が定常状態に収束するまでの過渡期間が長くなる。過渡期間が長くなると、アークスタート部の溶接品質が悪くなる。したがって、アークスタート時の過渡期間が１００ms以下となり、かつ、平均電流値と設定値との差分が許容範囲になるように、電流傾斜係数Ｇは実験によって設定される。例えば、制御周期が５０μｓであるときは、Ｇ＝０．０５に設定される。

パルス周波数又は溶接トーチのケーブル長（通電路のインダクタンス値）によって、アークスタート時の過渡期間及び平均電流値と設定値との差分が変化する。したがって、パルス周波数及び／又は通電路のインダクタンス値に応じて、電流傾斜係数Ｇを変化させることが望ましい。このようにすると、溶接品質をさらに向上させることができる。

上述した実施の形態においては、非消耗電極パルスアーク溶接が直流パルスティグ溶接の場合であるが、交流パルスティグ溶接、直流／交流パルスプラズマアーク溶接の場合も同様である。

１ 電極
２ 母材
３ アーク
４ 溶接トーチ
ＤＲ デューティ設定回路
Ｄｒ デューティ設定信号
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＦＲ パルス周波数設定回路
Ｆｒ パルス周波数設定信号
Ｇ 電流傾斜係数
Ｉｂ ベース電流
ＩＢＲ ベース電流設定回路
Ｉbr ベース電流設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｐ ピーク電流
ＩＰＲ ピーク電流設定回路
Ｉpr ピーク電流設定信号
ＩＲ 電流設定回路
Ｉｒ 電流設定信号
ＩＷ 溶接電流
ＰＭ 電源主回路
Ｔｂ ベース期間
Ｔbr ベース期間設定信号
ＴＭ タイマ回路
Ｔｍ タイマ信号
Ｔｐ ピーク期間
Ｔpr ピーク期間設定信号
ＴＲ 期間設定回路
Ｖｗ 溶接電圧

Claims (3)

1. ピーク期間中のピーク電流及びベース期間中のベース電流から形成される溶接電流を通電して溶接する非消耗電極パルスアーク溶接制御方法において、
   ピーク電流設定信号Ｉpr、ベース電流設定信号Ｉbr及び電流傾斜係数Ｇ(Ｇは１．０未満かつ０よりも大きな実数）を設定し、
   前記溶接電流を検出して電流検出信号Ｉｄを出力し、
   前記ピーク期間中は、予め定めた制御周期ごとに電流設定信号Ｉｒ＝(Ｉpr−Ｉｄ)×Ｇ＋Ｉｄを算出し、算出された電流設定信号に基づいて前記溶接電流を制御し、
   前記ベース期間中は、前記制御周期ごとに前記電流設定信号Ｉｒ＝(Ｉbr−Ｉｄ)×Ｇ＋Ｉｄを算出し、算出された電流設定信号に基づいて前記溶接電流を制御する、
   ことを特徴とする非消耗電極パルスアーク溶接制御方法。
2. 前記電流傾斜係数Ｇを、前記溶接電流の通電路のインダクタンス値に応じて設定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の非消耗電極パルスアーク溶接制御方法。
3. 前記電流傾斜係数Ｇを、前記ピーク期間及び前記ベース期間を繰り返すパルス周波数に応じて設定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の非消耗電極パルスアーク溶接制御方法。

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