JP7017979B2 - 溶接電源および溶接電源の制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、溶接電源および溶接電源の制御方法に関する。より詳細には、シールドガスの組成、好ましくは加えて消耗式電極の材料特性に応じて、溶接電流域ごとに適正な外部特性を制御してガスシールドアーク溶接を行う溶接電源および溶接電源の制御方法に関する。
ガスシールドアーク溶接は、シールドガス組成や溶接電流といった溶接条件や消耗式電極（「溶接ワイヤ」ともいう。）の材質などによって、溶滴移行の挙動が変わる。溶接作業性は、この溶滴移行の挙動ごとに異なる。溶接電源側の制御でガスシールドアーク溶接の溶接作業性を向上させるためには、溶滴移行の挙動ごとに適切な制御を行う必要がある。この制御要素の一つにアーク長制御があり、適正なアーク長を維持することによって溶接作業性を向上させることが可能となる。
このアーク長制御は、溶接電源の外部特性に寄与することが知られている。外部特性はアーク電圧と溶接電流の関係を示すものであり、アーク電圧と溶接電流の関係における傾き（外部特性の傾き）によって、アーク長制御の利得が決まる出力特性である。この外部特性の傾きが小さくなる程、溶接電流が変化してもアーク電圧はほとんど変化しない出力特性となり、一般的に定電圧特性と言われる。一方、外部特性の傾きが大きくなる程、アーク電圧が変化しても溶接電流はほとんど変化しない出力特性となり、一般的に定電流特性と言われる。
この外部特性の観点から溶接作業性を改善する技術として、例えば特許文献１や特許文献２がある。特許文献１では、単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量に応じて外部特性の傾きを変化させることによって、溶接状態を安定化させる消耗式電極アーク溶接電源の出力制御方法を開示している。また、特許文献２では、溶接電圧平滑信号が電圧設定信号と略等しくなるように外部特性を電圧値が増減する方向に平行移動させて再形成することによって、チップ・被溶接物間距離の変化によるアーク長の変化を抑制することができ、常に良好な溶接品質を得ることを開示している。
この外部特性の観点から溶接作業性を改善する技術として、例えば特許文献１や特許文献２がある。特許文献１では、単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量に応じて外部特性の傾きを変化させることによって、溶接状態を安定化させる消耗式電極アーク溶接電源の出力制御方法を開示している。また、特許文献２では、溶接電圧平滑信号が電圧設定信号と略等しくなるように外部特性を電圧値が増減する方向に平行移動させて再形成することによって、チップ・被溶接物間距離の変化によるアーク長の変化を抑制することができ、常に良好な溶接品質を得ることを開示している。
しかしながら、特許文献１では、外部特性の傾きを制御する条件をワイヤ溶着量としている。ガスシールドアーク溶接は上述の通り、溶接条件や溶接ワイヤの材質などによって溶滴の移行形態や挙動が変わる。この移行形態や挙動はワイヤの溶着量や溶接速度のみに依存するわけではなく、溶接ワイヤから離脱する溶滴（以下、「離脱溶滴」という。）および溶融池の溶融物性にも寄与する。例えば、溶融池の温度が上がるほど粘性や表面張力は低下し、溶融池の揺動が大きくなるため、その揺動に応じた制御を行う必要がある。
このように粘性、表面張力といった溶融物性は温度と依存関係があり、この温度は溶接電流や材料特性によって変化する。
このように粘性、表面張力といった溶融物性は温度と依存関係があり、この温度は溶接電流や材料特性によって変化する。
上述のとおり、溶融物性を加味した制御を行うためには、離脱溶滴および溶融池の温度ごと、すなわち溶接電流および材料特性ごとに制御を行う必要があるが、特許文献１および特許文献２では、これらについては何ら考慮されていない。
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、広範囲な溶接電流域において、離脱溶滴および溶融池の溶融物性の変化に応じて、適切な溶滴移行を維持し、良好な溶接作業性を得ることができる溶接電源および溶接電源の制御方法を提供することにある。
かかる目的のもと、本発明は、消耗式電極を用いてガスシールドアーク溶接を行うための溶接電源であって、
前記溶接電源は、少なくともシールドガスの組成ごとに加え、前記消耗式電極の組成、線径またはワイヤの突出し長さのうち少なくとも１つの要素ごとに、ワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒ（ｍ／ｍｉｎ）と、前記ワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒ（ｍ／ｍｉｎ）に対して最適な溶融バランスをとることが可能な適正溶接電流である溶接電流信号Ｉｒ（Ａ）との関係を決定したデータベースである溶融情報、および前記溶接電流信号Ｉｒ（Ａ）と外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）との関係を決定したデータベースを有する記憶部ＤＢを備え、
任意の前記ワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒ（ｍ／ｍｉｎ）を、前記記憶部ＤＢの前記溶融情報に入力することにより前記溶接電流信号Ｉｒを求め、
さらに、前記溶融情報から得られる前記溶接電流信号Ｉｒと、前記溶接電流信号Ｉｒ（Ａ）と前記外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）との関係を決定した前記データベースとに基づいて、前記外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）を決定する場合に、
前記溶融情報から得られる前記溶接電流信号Ｉｒが３５０Ａ以下の場合、前記外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）は、該外部特性傾き信号Ｋｓの上限を０．００４×Ｉｒ－１．９、下限を０．００３２×Ｉｒ－３．８２とする適正範囲内となるように、前記溶接電流信号Ｉｒに対応して制御され、
前記溶接電流信号Ｉｒが３５０Ａを超える場合、前記外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）は、該外部特性傾き信号Ｋｓの上限を－０．００６７×Ｉｒ＋１．８３３３、下限を－２．７とする適正範囲内となるように、前記溶接電流信号Ｉｒに対応して制御されることを特徴とする。
前記溶接電源は、少なくともシールドガスの組成ごとに加え、前記消耗式電極の組成、線径またはワイヤの突出し長さのうち少なくとも１つの要素ごとに、ワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒ（ｍ／ｍｉｎ）と、前記ワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒ（ｍ／ｍｉｎ）に対して最適な溶融バランスをとることが可能な適正溶接電流である溶接電流信号Ｉｒ（Ａ）との関係を決定したデータベースである溶融情報、および前記溶接電流信号Ｉｒ（Ａ）と外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）との関係を決定したデータベースを有する記憶部ＤＢを備え、
任意の前記ワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒ（ｍ／ｍｉｎ）を、前記記憶部ＤＢの前記溶融情報に入力することにより前記溶接電流信号Ｉｒを求め、
さらに、前記溶融情報から得られる前記溶接電流信号Ｉｒと、前記溶接電流信号Ｉｒ（Ａ）と前記外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）との関係を決定した前記データベースとに基づいて、前記外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）を決定する場合に、
前記溶融情報から得られる前記溶接電流信号Ｉｒが３５０Ａ以下の場合、前記外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）は、該外部特性傾き信号Ｋｓの上限を０．００４×Ｉｒ－１．９、下限を０．００３２×Ｉｒ－３．８２とする適正範囲内となるように、前記溶接電流信号Ｉｒに対応して制御され、
前記溶接電流信号Ｉｒが３５０Ａを超える場合、前記外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）は、該外部特性傾き信号Ｋｓの上限を－０．００６７×Ｉｒ＋１．８３３３、下限を－２．７とする適正範囲内となるように、前記溶接電流信号Ｉｒに対応して制御されることを特徴とする。
本発明の好ましい実施形態において、前記溶融情報に含まれる前記消耗式電極は、前記消耗式電極の全重量に対し、Ｓｉ：０．２０～２．００質量％、Ｍｎ：０．２０～３．００質量％、Ｃｒ：３０質量％以下（０％を含む）、Ｎｉ：１５質量％以下（０％を含む）を含有し、Ｓｉ、Ｍｎ、ＣｒおよびＮｉの合計が、０．５０～４５質量％の範囲であることを特徴とする。
本発明の好ましい実施形態において、前記消耗式電極は、０．００１０≦（Ｃｒ＋Ｏ）/（Ｎｉ＋Ｍｎ＋Ｓｉ）≦１．７０００を満足することを特徴とする。
本発明の好ましい実施形態において、前記消耗式電極は、更に、Ｓ：０．００１０～０．０５００質量％、Ｏ：０．０００５～０．０５００質量％を含有し、０．００２０質量％≦（Ｓ＋Ｏ）≦０．０７００質量％を満足することを特徴とする。
また、本発明は、消耗式電極を用いてガスシールドアーク溶接を行うための溶接電源の制御方法であって、
前記溶接電源は、少なくともシールドガスの組成ごとに加え、前記消耗式電極の組成、線径またはワイヤの突出し長さのうち少なくとも１つの要素ごとに、ワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒ（ｍ／ｍｉｎ）と、前記ワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒ（ｍ／ｍｉｎ）に対して最適な溶融バランスをとることが可能な適正溶接電流である溶接電流信号Ｉｒ（Ａ）との関係を決定したデータベースである溶融情報、および前記溶接電流信号Ｉｒ（Ａ）と外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）との関係を決定したデータベースを有する記憶部ＤＢを備え、
任意の前記ワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒ（ｍ／ｍｉｎ）を、前記記憶部ＤＢの前記溶融情報に入力することにより前記溶接電流信号Ｉｒを求め、
さらに、前記溶融情報から得られる前記溶接電流信号Ｉｒと、前記溶接電流信号Ｉｒ（Ａ）と前記外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）との関係を決定した前記データベースとに基づいて、前記外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）を決定する場合に、
前記溶融情報から得られる前記溶接電流信号Ｉｒが３５０Ａ以下の場合、前記外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）は、該外部特性傾き信号Ｋｓの上限を０．００４×Ｉｒ－１．９、下限を０．００３２×Ｉｒ－３．８２とする適正範囲内となるように、前記溶接電流信号Ｉｒに対応して制御され、
前記溶接電流信号Ｉｒが３５０Ａを超える場合、前記外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）は、該外部特性傾き信号Ｋｓの上限を－０．００６７×Ｉｒ＋１．８３３３、下限を－２．７とする適正範囲内となるように、前記溶接電流信号Ｉｒに対応して制御されることを特徴とする。
前記溶接電源は、少なくともシールドガスの組成ごとに加え、前記消耗式電極の組成、線径またはワイヤの突出し長さのうち少なくとも１つの要素ごとに、ワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒ（ｍ／ｍｉｎ）と、前記ワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒ（ｍ／ｍｉｎ）に対して最適な溶融バランスをとることが可能な適正溶接電流である溶接電流信号Ｉｒ（Ａ）との関係を決定したデータベースである溶融情報、および前記溶接電流信号Ｉｒ（Ａ）と外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）との関係を決定したデータベースを有する記憶部ＤＢを備え、
任意の前記ワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒ（ｍ／ｍｉｎ）を、前記記憶部ＤＢの前記溶融情報に入力することにより前記溶接電流信号Ｉｒを求め、
さらに、前記溶融情報から得られる前記溶接電流信号Ｉｒと、前記溶接電流信号Ｉｒ（Ａ）と前記外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）との関係を決定した前記データベースとに基づいて、前記外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）を決定する場合に、
前記溶融情報から得られる前記溶接電流信号Ｉｒが３５０Ａ以下の場合、前記外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）は、該外部特性傾き信号Ｋｓの上限を０．００４×Ｉｒ－１．９、下限を０．００３２×Ｉｒ－３．８２とする適正範囲内となるように、前記溶接電流信号Ｉｒに対応して制御され、
前記溶接電流信号Ｉｒが３５０Ａを超える場合、前記外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）は、該外部特性傾き信号Ｋｓの上限を－０．００６７×Ｉｒ＋１．８３３３、下限を－２．７とする適正範囲内となるように、前記溶接電流信号Ｉｒに対応して制御されることを特徴とする。
本発明の溶接電源および溶接電源の制御方法によれば、溶接条件および溶接ワイヤの材料特性ごとの、溶接ワイヤの溶融情報に応じて、外部特性の傾きを適正化させることによって、溶接作業性を良好に保つことが可能となる。
以下、本発明に係る溶接電源および溶接電源の制御方法の一実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
＜溶接電源のブロック図＞
図１は、本発明の実施形態に係る出力制御方法を示すアーク溶接電源のブロック図である。なお、図１は本発明を説明するための一実施形態であって、本実施形態に限定されるものではない。
図１は、本発明の実施形態に係る出力制御方法を示すアーク溶接電源のブロック図である。なお、図１は本発明を説明するための一実施形態であって、本実施形態に限定されるものではない。
図１に示すように、溶接電源１０の電源主回路ＰＭは、３相２００Ｖ等の商用電源を入力として、入力された交流電圧を後述する制御出力電圧設定信号Ｅｃｒと出力電圧検出信号Ｅｄの誤差増幅信号にしたがって、インバータ制御、インバータトランス、整流器等で出力制御を行い、出力電圧Ｖおよび溶接電流Ｉを出力する。また、リアクトルＷＬは出力電圧を平滑する。溶接ワイヤ１は、予め決められた送給速度によってコンタクトチップ４内を送給されて、母材２との間にアーク３が発生する。
記憶部ＤＢ（溶融情報を含むデータベース）は、ワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒに対する溶接材料の材料特性やシールドガス組成等の条件に関する溶融情報と、その溶融情報に紐づいた最適な溶接電流信号Ｉｒと、外部特性傾き信号Ｋｓが記憶されている。なお、記憶部ＤＢにはその他制御に用いる補正係数等も記憶されている。
溶接電流検出回路ＩＤは、溶接電流Ｉを検出して溶接電流検出信号Ｉｄを出力する。溶接電流検出信号ＩｄはＡ／Ｄ変換部でデジタル変換され、後述するアーク期間電圧補正回路ＥＡＣ、短絡期間電圧補正回路ＥＳＣおよび外部特性電圧補正回路ＥＸＣへ入力される。
［短絡判定回路ＳＤ］
短絡判定回路ＳＤは、溶接電圧検出回路ＶＤで検出された溶接電圧検出信号Ｖｄを入力値として、短絡であるかアークであるかを判定し、短絡時にＨｉｇｈレベルになる短絡判定信号Ｓｄをアーク期間電圧補正回路ＥＡＣ、短絡期間電圧補正回路ＥＳＣへ出力する。なお、溶接電圧検出信号Ｖｄが予め定めた基準値（例えば、１５Ｖ）以下の場合には短絡と判定し、当該基準値を超える場合にはアークと判定する。
短絡判定回路ＳＤは、溶接電圧検出回路ＶＤで検出された溶接電圧検出信号Ｖｄを入力値として、短絡であるかアークであるかを判定し、短絡時にＨｉｇｈレベルになる短絡判定信号Ｓｄをアーク期間電圧補正回路ＥＡＣ、短絡期間電圧補正回路ＥＳＣへ出力する。なお、溶接電圧検出信号Ｖｄが予め定めた基準値（例えば、１５Ｖ）以下の場合には短絡と判定し、当該基準値を超える場合にはアークと判定する。
［アーク期間電圧補正回路ＥＡＣ］
アーク期間電圧補正回路ＥＡＣは、短絡期間中に減少した電圧指令値をアーク期間中に補填する電圧指令値補填制御部、短絡溶接時において、短絡しない期間が長くなることに対して、出力指令にスロープをつけて、短絡周期を安定化させる出力電圧スロープ制御部、グロビュール領域での移行周期の安定化を図る瞬時電圧制御部、およびアークの吹上等、外乱に対して安定化を図る電流フィードバック制御部を含んで構成される。
アーク期間電圧補正回路ＥＡＣは、短絡判定信号ＳｄがＨｉｇｈレベルでない場合、後述する電圧指令値補填制御部、出力電圧スロープ制御部、瞬時電圧制御部、および電流フィードバック制御部等で出力される指令値を計算して、アーク期間電圧補正信号Ｅａｃを出力する。なお、出力されるアーク期間電圧補正回路ＥＡＣは、後述の補填する指令値から、例えば以下の式で表すことができる。
Ｅａｃ＝Ｖｏ＿ｅｒｒ－Ｖｏ＿ｓｌｐ＋Ｖｏ＿ｄｉｒｅｃｔ
また、短絡判定信号ＳｄがＨｉｇｈレベルの場合は、Ｅａｃ＝０を出力する。
アーク期間電圧補正回路ＥＡＣは、短絡期間中に減少した電圧指令値をアーク期間中に補填する電圧指令値補填制御部、短絡溶接時において、短絡しない期間が長くなることに対して、出力指令にスロープをつけて、短絡周期を安定化させる出力電圧スロープ制御部、グロビュール領域での移行周期の安定化を図る瞬時電圧制御部、およびアークの吹上等、外乱に対して安定化を図る電流フィードバック制御部を含んで構成される。
アーク期間電圧補正回路ＥＡＣは、短絡判定信号ＳｄがＨｉｇｈレベルでない場合、後述する電圧指令値補填制御部、出力電圧スロープ制御部、瞬時電圧制御部、および電流フィードバック制御部等で出力される指令値を計算して、アーク期間電圧補正信号Ｅａｃを出力する。なお、出力されるアーク期間電圧補正回路ＥＡＣは、後述の補填する指令値から、例えば以下の式で表すことができる。
Ｅａｃ＝Ｖｏ＿ｅｒｒ－Ｖｏ＿ｓｌｐ＋Ｖｏ＿ｄｉｒｅｃｔ
また、短絡判定信号ＳｄがＨｉｇｈレベルの場合は、Ｅａｃ＝０を出力する。
（電圧指令値補填制御部）
電圧指令値補填制御部は、短絡期間中に減少した出力電圧指令をアーク期間に加算する制御を行う。補填する指令量Ｖｏ＿ｅｒｒは、予め記憶部ＤＢに設定している補正係数Ｋ１、出力電圧設定信号Ｖｓおよび制御出力電圧設定信号Ｅｃｒから、以下に示す式により求められる。
Ｖｏ＿ｅｒｒ＝Ｋ１×（Ｖｓ－Ｅｃｒ）
この補填量が適正範囲の場合、短絡溶接時の溶融速度がより安定する。
電圧指令値補填制御部は、短絡期間中に減少した出力電圧指令をアーク期間に加算する制御を行う。補填する指令量Ｖｏ＿ｅｒｒは、予め記憶部ＤＢに設定している補正係数Ｋ１、出力電圧設定信号Ｖｓおよび制御出力電圧設定信号Ｅｃｒから、以下に示す式により求められる。
Ｖｏ＿ｅｒｒ＝Ｋ１×（Ｖｓ－Ｅｃｒ）
この補填量が適正範囲の場合、短絡溶接時の溶融速度がより安定する。
（出力電圧スロープ制御部）
出力電圧スロープ制御部は、短絡溶接時において、短絡しない期間が長くなる場合、出力を徐々に低下させる制御を行う。このスロープ量Ｖｏ＿ｓｌｐは再アーク発生後の期間ｔと予め記憶部ＤＢに記憶している補正係数Ｋ２から、以下に示す式により求められる。
Ｖｏ＿ｓｌｐ＝Ｋ２×ｔ
このスロープ量が適正範囲の場合、短絡周期の安定化を図ることができる。
出力電圧スロープ制御部は、短絡溶接時において、短絡しない期間が長くなる場合、出力を徐々に低下させる制御を行う。このスロープ量Ｖｏ＿ｓｌｐは再アーク発生後の期間ｔと予め記憶部ＤＢに記憶している補正係数Ｋ２から、以下に示す式により求められる。
Ｖｏ＿ｓｌｐ＝Ｋ２×ｔ
このスロープ量が適正範囲の場合、短絡周期の安定化を図ることができる。
（瞬時電圧制御部）
瞬時電圧制御部は、制御出力電圧設定信号Ｅｃｒに応じて、出力電圧を高速に増減する。アーク期間の安定化を図ることが可能となり、その増減に寄与する瞬時電圧制御量Ｖｏ＿ｄｉｒｅｃｔは、予め、記憶部ＤＢに設定している補正係数Ｋ３、出力電圧設定信号Ｖｓおよび溶接電圧検出回路ＶＤで検出された溶接電圧検出信号Ｖｄから、以下に示す式により求められる。
Ｖｏ＿ｄｉｒｅｃｔ＝Ｋ３×（Ｖｓ－Ｖｄ）
瞬時電圧制御部は、制御出力電圧設定信号Ｅｃｒに応じて、出力電圧を高速に増減する。アーク期間の安定化を図ることが可能となり、その増減に寄与する瞬時電圧制御量Ｖｏ＿ｄｉｒｅｃｔは、予め、記憶部ＤＢに設定している補正係数Ｋ３、出力電圧設定信号Ｖｓおよび溶接電圧検出回路ＶＤで検出された溶接電圧検出信号Ｖｄから、以下に示す式により求められる。
Ｖｏ＿ｄｉｒｅｃｔ＝Ｋ３×（Ｖｓ－Ｖｄ）
（電流フィードバック制御部）
電流フィードバック制御部は、外乱によって生じるアークの偏向、吹上等の不安定を解消できる。アーク期間の一定以上の電流変化を抑制する制御を行う。その制御量Ｖｏ＿ａｃｔは、予め記憶部ＤＢに設定している補正係数Ｋ４、溶接電流検出信号Ｉｄ、平均溶接電流検出信号Ｉｄ_ａｖｅ、溶接電流信号Ｉｒから、以下に示す式により求められる。
Ｖｏ＿ａｃｔ＝Ｋ４×(Ｉｄ_ａｖｅ－Ｉｒ－Ｉｄ)
電流フィードバック制御部は、外乱によって生じるアークの偏向、吹上等の不安定を解消できる。アーク期間の一定以上の電流変化を抑制する制御を行う。その制御量Ｖｏ＿ａｃｔは、予め記憶部ＤＢに設定している補正係数Ｋ４、溶接電流検出信号Ｉｄ、平均溶接電流検出信号Ｉｄ_ａｖｅ、溶接電流信号Ｉｒから、以下に示す式により求められる。
Ｖｏ＿ａｃｔ＝Ｋ４×(Ｉｄ_ａｖｅ－Ｉｒ－Ｉｄ)
［短絡期間電圧補正回路ＥＳＣ］
短絡期間電圧補正回路ＥＳＣは、短絡初期の電流増加を抑制する瞬時短絡抑制制御部、短絡期間の電流増加率を制御する電子リアクトル制御部、および短絡が長期間にわたる場合に、強制的に短絡を解除する長期短絡解除制御部を含んで構成される。
短絡期間電圧補正回路ＥＳＣは、短絡判定信号ＳｄがＨｉｇｈレベルの場合、短絡期間電圧補正回路ＥＳＣ内の短絡時間タイマーにて計測した短絡時間に応じて、後述する瞬時短絡抑制制御部、電子リアクトル制御部、および長期短絡解除制御部で出力される指令値を選択して、短絡期間電圧補正信号Ｅｓｃを出力する。
また、短絡判定信号ＳｄがＨｉｇｈレベルではない場合は、Ｅｓｃ＝０を出力する。
短絡期間電圧補正回路ＥＳＣは、短絡初期の電流増加を抑制する瞬時短絡抑制制御部、短絡期間の電流増加率を制御する電子リアクトル制御部、および短絡が長期間にわたる場合に、強制的に短絡を解除する長期短絡解除制御部を含んで構成される。
短絡期間電圧補正回路ＥＳＣは、短絡判定信号ＳｄがＨｉｇｈレベルの場合、短絡期間電圧補正回路ＥＳＣ内の短絡時間タイマーにて計測した短絡時間に応じて、後述する瞬時短絡抑制制御部、電子リアクトル制御部、および長期短絡解除制御部で出力される指令値を選択して、短絡期間電圧補正信号Ｅｓｃを出力する。
また、短絡判定信号ＳｄがＨｉｇｈレベルではない場合は、Ｅｓｃ＝０を出力する。
（瞬時短絡抑制制御部）
瞬時短絡抑制制御部は、短絡開始からの時間が予め記憶部ＤＢに設定された瞬時短絡時間以下であれば、短絡初期の制御出力電圧設定信号Ｅｃｒを低下させ、電流が増加するのを抑制する制御を行う。これにより、瞬時短絡を抑制し、スパッタを低減することができる。
瞬時短絡抑制制御部は、短絡開始からの時間が予め記憶部ＤＢに設定された瞬時短絡時間以下であれば、短絡初期の制御出力電圧設定信号Ｅｃｒを低下させ、電流が増加するのを抑制する制御を行う。これにより、瞬時短絡を抑制し、スパッタを低減することができる。
（電子リアクトル制御部）
電子リアクトル制御部は、短絡期間の電流増加率を抑制することによって、溶滴移行周期の安定化を図ることができ、スパッタの低減が可能となる。電子リアクトル制御量ｄｉ＿ｉｎｔｅｇは、予め記憶部ＤＢに設定している補正係数Ｋ６、Ｋ７および電流偏差ΔＩｄから、以下に示す式により求められる。
ｄｉ＿ｉｎｔｅｇ＝Σ（ΔＩｄ×Ｋ６－Ｋ７）
電子リアクトル制御部は、短絡期間の電流増加率を抑制することによって、溶滴移行周期の安定化を図ることができ、スパッタの低減が可能となる。電子リアクトル制御量ｄｉ＿ｉｎｔｅｇは、予め記憶部ＤＢに設定している補正係数Ｋ６、Ｋ７および電流偏差ΔＩｄから、以下に示す式により求められる。
ｄｉ＿ｉｎｔｅｇ＝Σ（ΔＩｄ×Ｋ６－Ｋ７）
（長期短絡解除制御部）
長期短絡解除制御部は、短絡が長期化した場合に強制的に短絡を解除することによって、短絡移行周期の安定化を図ることができる。短絡開始からの時間が予め記憶部ＤＢに設定された短絡解除時間以上になった場合に電流を増加させる制御を行う。
長期短絡解除制御部は、短絡が長期化した場合に強制的に短絡を解除することによって、短絡移行周期の安定化を図ることができる。短絡開始からの時間が予め記憶部ＤＢに設定された短絡解除時間以上になった場合に電流を増加させる制御を行う。
電圧誤差増幅回路ＡＭＰは、平均電圧フィードバック制御を使用するための電圧誤差増幅信号Ａｍｐを電源主回路ＰＭへ出力する。この信号は、出力電圧検出回路ＥＤで検出された出力電圧検出信号Ｅｄと、制御出力電圧設定信号Ｅｃｒとの誤差を増幅した信号となる。出力電圧検出信号Ｅｄは、電源主回路ＰＭ内の不図示のインバータトランスの３次巻線で出力電圧を整流、平滑化した値となる。
一方、制御出力電圧設定信号Ｅｃｒは、入力した出力電圧設定信号Ｖｓに対し、補填する値として、アーク期間電圧補正信号Ｅａｃ、短絡期間電圧補正信号Ｅｓｃ、および後述する外部特性電圧信号Ｅｘｃの指令値を加算回路ＡＤＤで加算し、出力する。
一方、制御出力電圧設定信号Ｅｃｒは、入力した出力電圧設定信号Ｖｓに対し、補填する値として、アーク期間電圧補正信号Ｅａｃ、短絡期間電圧補正信号Ｅｓｃ、および後述する外部特性電圧信号Ｅｘｃの指令値を加算回路ＡＤＤで加算し、出力する。
［外部特性電圧補正回路ＥＸＣ］
外部特性電圧補正回路ＥＸＣは、溶接電源の電流電圧出力特性、すなわち外部特性傾き信号Ｋｓを補正する。外部特性傾き信号Ｋｓは、記憶部ＤＢの溶融情報によって得られる。外部特性傾き信号Ｋｓを加味した電圧補正値Ｖｏ＿ｅｘｔは、記憶部ＤＢによって得られる外部特性傾き信号Ｋｓ、溶接電流信号Ｉｒおよび溶接電流検出信号Ｉｄから、以下に示す式により求められる。
Ｖｏ＿ｅｘｔ＝Ｋｓ×（Ｉｄ－Ｉｒ）
外部特性電圧補正回路ＥＸＣは、溶接電源の電流電圧出力特性、すなわち外部特性傾き信号Ｋｓを補正する。外部特性傾き信号Ｋｓは、記憶部ＤＢの溶融情報によって得られる。外部特性傾き信号Ｋｓを加味した電圧補正値Ｖｏ＿ｅｘｔは、記憶部ＤＢによって得られる外部特性傾き信号Ｋｓ、溶接電流信号Ｉｒおよび溶接電流検出信号Ｉｄから、以下に示す式により求められる。
Ｖｏ＿ｅｘｔ＝Ｋｓ×（Ｉｄ－Ｉｒ）
上記のように制御に用いられる外部特性傾き信号Ｋｓは、後述する溶融情報によって最適な範囲が異なる。外部特性傾き信号Ｋｓの傾きがこの最適な範囲外であると、適切なアーク長が維持できず、アークが不安定になり、スパッタの増加や溶接欠陥を起こす要因となる。
ガスシールドアーク溶接は前述の通り、シールドガスや溶接電流等の条件によって、溶滴移行の形態が変わり、その形態ごとに外部特性傾き信号Ｋｓの最適範囲を変化させなければならない。溶滴移行を決める最も大きい因子は、シールドガス、溶接電流および溶接ワイヤの送給速度となる。また、溶接電流は、送給速度に対して、適切な溶融バランスが取れる値でなければならず、この溶融バランスの最適化においては、溶接ワイヤの材料特性を加味する必要がある。
よって、本実施形態の制御に用いられる外部特性傾き信号Ｋｓは、ワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒ（ｍ／ｍｉｎ）に応じて溶接電流域ごとに制御する。なお、この溶接電流域であるかについての判断は、シールドガス組成および溶接ワイヤの材料特性を含む溶融情報から得られる最適な溶接電流値を基にする。
よって、本実施形態の制御に用いられる外部特性傾き信号Ｋｓは、ワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒ（ｍ／ｍｉｎ）に応じて溶接電流域ごとに制御する。なお、この溶接電流域であるかについての判断は、シールドガス組成および溶接ワイヤの材料特性を含む溶融情報から得られる最適な溶接電流値を基にする。
＜溶接電源の制御方法＞
続いて、本実施形態に係る溶接電源の制御方法について説明する。
本実施形態の溶接電源１０は、シールドガスの組成や、溶接ワイヤ１の組成または線径などの材料特性の情報と共に、ワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒおよび出力電圧設定信号Ｖｓを入力する。これにより、記憶部ＤＢで記憶されている、図２に示すようなワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒと溶接電流信号Ｉｒの関係（溶融情報）から、適正溶接電流である溶接電流信号Ｉｒを求める。さらに図３に示すような溶接電流信号Ｉｒと外部特性傾き信号Ｋｓの関係から外部特性傾き信号Ｋｓを得る。そして、ワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒ、出力電圧設定信号Ｖｓおよび外部特性傾き信号Ｋｓに従い、溶接電源１０を制御して適切な溶接を行う。
続いて、本実施形態に係る溶接電源の制御方法について説明する。
本実施形態の溶接電源１０は、シールドガスの組成や、溶接ワイヤ１の組成または線径などの材料特性の情報と共に、ワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒおよび出力電圧設定信号Ｖｓを入力する。これにより、記憶部ＤＢで記憶されている、図２に示すようなワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒと溶接電流信号Ｉｒの関係（溶融情報）から、適正溶接電流である溶接電流信号Ｉｒを求める。さらに図３に示すような溶接電流信号Ｉｒと外部特性傾き信号Ｋｓの関係から外部特性傾き信号Ｋｓを得る。そして、ワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒ、出力電圧設定信号Ｖｓおよび外部特性傾き信号Ｋｓに従い、溶接電源１０を制御して適切な溶接を行う。
本実施形態では、溶接電流信号Ｉｒが３５０Ａ以下の場合と、３５０Ａを超える場合に分けて制御を行う。
本実施形態の制御では、溶接電流信号Ｉｒが３５０Ａ以下の場合、図３に示すように、その外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）は、該外部特性傾き信号Ｋｓの上限を０．００４×Ｉｒ－１．９、下限を０．００３２×Ｉｒ－３．８２とする適正範囲内となるように、溶接電流信号Ｉｒに対応して制御、すなわち決定される。
本実施形態の制御では、溶接電流信号Ｉｒが３５０Ａ以下の場合、図３に示すように、その外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）は、該外部特性傾き信号Ｋｓの上限を０．００４×Ｉｒ－１．９、下限を０．００３２×Ｉｒ－３．８２とする適正範囲内となるように、溶接電流信号Ｉｒに対応して制御、すなわち決定される。
溶接電流信号Ｉｒが３５０Ａ以下の場合は、短絡期間が主となる電流域となる。３５０Ａ以下の範囲で外部特性傾き信号Ｋｓが、その下限（０．００３２×Ｉｒ－３．８２）を下回ると、外部特性傾き信号Ｋｓが急になりすぎる（定電流特性が強くなりすぎる）。このため、短絡期間において、出力電圧の変動が過敏となり、短絡周期が不安定となる。
一方、外部特性傾き信号Ｋｓが上限（０．００４×Ｉｒ－１．９）を上回ると、外部特性傾き信号Ｋｓが平坦になりすぎる（定電圧特性が強くなりすぎる）。このため、短絡時に瞬時に電流が上昇し、短絡解除時に発生するスパッタが多くなり、本実施形態の制御に用いる外部特性傾き信号Ｋｓとしてはそぐわない。
また、溶接電流Ｉｒが３５０Ａを超える場合、図３に示すように、外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）は、該外部特性傾き信号Ｋｓの上限を－０．００６７×Ｉｒ＋１．８３３３、下限を－２．７とする適正範囲内となるように、溶接電流信号Ｉｒに対応して制御、すなわち決定される。
溶接電流Ｉｒが３５０Ａを超える場合は、アーク期間が主となる電流域となる。アーク期間が主となる電流範囲では、アーク長を維持するために、外部特性傾き信号Ｋｓを平坦（定電圧特性が強い）とすることが好ましい。３５０Ａを超える範囲で外部特性傾き信号Ｋｓが、その下限（－２．７）を下回ると、アーク長が不安定となる。
一方、外部特性傾き信号Ｋｓが上限（－０．００６７×Ｉｒ＋１．８３３３）を上回ると、溶接電流が過敏に変動し、アーク期間における溶滴移行周期が乱れることになり、結果としてスパッタの増加を招く。
＜溶融情報＞
図２および図３に示すように、記憶部ＤＢに含まれる溶接ワイヤ１の溶融情報には、シールドガスの組成を必須情報とし、それに加えて溶接ワイヤ１の組成、線径または突出し長さといった材料特性の情報のうち、少なくとも１つの情報が含まれていることが好ましい。
記憶部ＤＢは、これらの情報を基に最適な溶融バランスをとることができるワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒ（ｍ／ｍｉｎ）と溶接電流信号Ｉｒとの関係（図２参照）を決定したデータベースである溶融情報、および溶接電流信号Ｉｒと外部特性傾き信号Ｋｓとの関係（図３参照）を決定したデータベースを有する。すなわち、任意のワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒを記憶部ＤＢに入力すると、シールドガスの組成や溶接ワイヤ１の材料特性を加味した溶融情報に従って、入力したワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒに最も適切な外部特性傾き信号Ｋｓが得られる。
図２および図３に示すように、記憶部ＤＢに含まれる溶接ワイヤ１の溶融情報には、シールドガスの組成を必須情報とし、それに加えて溶接ワイヤ１の組成、線径または突出し長さといった材料特性の情報のうち、少なくとも１つの情報が含まれていることが好ましい。
記憶部ＤＢは、これらの情報を基に最適な溶融バランスをとることができるワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒ（ｍ／ｍｉｎ）と溶接電流信号Ｉｒとの関係（図２参照）を決定したデータベースである溶融情報、および溶接電流信号Ｉｒと外部特性傾き信号Ｋｓとの関係（図３参照）を決定したデータベースを有する。すなわち、任意のワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒを記憶部ＤＢに入力すると、シールドガスの組成や溶接ワイヤ１の材料特性を加味した溶融情報に従って、入力したワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒに最も適切な外部特性傾き信号Ｋｓが得られる。
以下、各情報について詳細を説明する。
［シールドガスの組成］
ガスの種類は特に問わないが、溶接で一般的に用いられるＡｒ、ＣＯ２、またはこれらの混合ガスであることが好ましい。また、混合ガスの場合は混合比の情報を必要とする。例えば、Ａｒの比率が２０％およびＣＯ２の比率が８０％の混合ガスと、Ａｒの比率が８０％およびＣＯ２の比率が２０％の混合ガスとでは、溶接時の溶滴移行形態が大きく異なるため、それぞれ適切な制御方法とする必要がある。シールドガスの組成は、重要な情報であることから、必須情報とする。
［シールドガスの組成］
ガスの種類は特に問わないが、溶接で一般的に用いられるＡｒ、ＣＯ２、またはこれらの混合ガスであることが好ましい。また、混合ガスの場合は混合比の情報を必要とする。例えば、Ａｒの比率が２０％およびＣＯ２の比率が８０％の混合ガスと、Ａｒの比率が８０％およびＣＯ２の比率が２０％の混合ガスとでは、溶接時の溶滴移行形態が大きく異なるため、それぞれ適切な制御方法とする必要がある。シールドガスの組成は、重要な情報であることから、必須情報とする。
［溶接ワイヤの種類］
溶接ワイヤの種類はとくに問わず、ソリッドワイヤでも良いし、あるいは、筒状を呈する外皮と、その外皮の内側に充填されたフラックスとで構成されるフラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ）でも良い。溶接ワイヤの溶融情報には、これら溶接ワイヤの種類の情報、軟鋼、ステンレス等の鋼種の情報、または溶接ワイヤの線径の情報を含むことが好ましい。
なお、フラックスコアードワイヤは、外皮に継目のないシームレスタイプ、外皮に継目のあるシームタイプのいずれの形態であってもよい。また、ソリッドワイヤおよびフラックスコアードワイヤは、ワイヤ表面（外皮の外側）に銅メッキを施されていても施されていなくてもよい。
溶接ワイヤの種類はとくに問わず、ソリッドワイヤでも良いし、あるいは、筒状を呈する外皮と、その外皮の内側に充填されたフラックスとで構成されるフラックスコアードワイヤ（ＦＣＷ）でも良い。溶接ワイヤの溶融情報には、これら溶接ワイヤの種類の情報、軟鋼、ステンレス等の鋼種の情報、または溶接ワイヤの線径の情報を含むことが好ましい。
なお、フラックスコアードワイヤは、外皮に継目のないシームレスタイプ、外皮に継目のあるシームタイプのいずれの形態であってもよい。また、ソリッドワイヤおよびフラックスコアードワイヤは、ワイヤ表面（外皮の外側）に銅メッキを施されていても施されていなくてもよい。
［溶接ワイヤの組成］
溶接ワイヤは鉄ベースであり、その組成によって、溶接ワイヤの電気抵抗、または溶接によって溶融したときの溶融物性が異なる。溶接ワイヤの電気抵抗は、溶接時の溶接ワイヤの送給速度と溶接電流の関係による溶融バランスに寄与する。すなわち、電気抵抗が高い程、溶接ワイヤにかかる電気抵抗熱が大きくなり、その分、溶接ワイヤは溶けやすくなる。そのため、電気抵抗が低い溶接ワイヤを用いたときと同じ送給速度（同じ溶融量を維持）とした場合、電気抵抗が高い溶接ワイヤのほうがより低い溶接電流で溶接できることになる。
さらに、溶接電流は、溶接時の溶滴および溶融池の温度に寄与し、この温度は溶融物性に影響する。例えば、表面張力や粘性といった溶融物性は一般的に温度が高くなる程、表面張力や粘性が低下し、温度が低くなる程、表面張力や粘性が高くなる。また、溶融物性は温度一定であっても、ワイヤの組成によっても変化する。例えば、ＳやＯは有名な表面活性元素であり、これらの添加量が多い程、表面張力は低下する。
溶接ワイヤは鉄ベースであり、その組成によって、溶接ワイヤの電気抵抗、または溶接によって溶融したときの溶融物性が異なる。溶接ワイヤの電気抵抗は、溶接時の溶接ワイヤの送給速度と溶接電流の関係による溶融バランスに寄与する。すなわち、電気抵抗が高い程、溶接ワイヤにかかる電気抵抗熱が大きくなり、その分、溶接ワイヤは溶けやすくなる。そのため、電気抵抗が低い溶接ワイヤを用いたときと同じ送給速度（同じ溶融量を維持）とした場合、電気抵抗が高い溶接ワイヤのほうがより低い溶接電流で溶接できることになる。
さらに、溶接電流は、溶接時の溶滴および溶融池の温度に寄与し、この温度は溶融物性に影響する。例えば、表面張力や粘性といった溶融物性は一般的に温度が高くなる程、表面張力や粘性が低下し、温度が低くなる程、表面張力や粘性が高くなる。また、溶融物性は温度一定であっても、ワイヤの組成によっても変化する。例えば、ＳやＯは有名な表面活性元素であり、これらの添加量が多い程、表面張力は低下する。
以下、本実施形態における溶接電源の制御を行う上での、溶融情報に含まれる溶接ワイヤの好ましい組成において説明する。なお、ここで言う組成とは、溶接ワイヤの全重量（ワイヤ全重量）に対するものである。また、フラックスコアードワイヤにおいてはフラックスおよびフープを含めた全重量に対するものである。
（Ｓｉ：０．２０～２．００質量％、Ｍｎ:０．２０～３．００質量％）
Ｓｉ、Ｍｎは溶接ワイヤの電気抵抗に寄与する元素である。これらは添加するほど、電気抵抗は高くなり、溶接ワイヤは溶融しやすくなる。また、Ｓｉ、Ｍｎは脱酸元素でもあり、表面張力に影響を及ぼす元素である。よって、本実施形態の制御をより安定に行う上で、好ましい溶接ワイヤの溶融バランス（適正なアーク長を維持できる送給速度と溶接電流の関係の最適バランス）および溶融物性を得るためには、Ｓｉ、Ｍｎが各々、０．２０質量％以上含まれていることが好ましい。一方、Ｓｉ、Ｍｎの添加量が過度に多いと溶融池表面に厚い酸化皮膜が生成し、本実施形態の制御に悪影響を与える可能性がある。よって、本実施形態の制御をより安定に行う好ましい範囲として、Ｓｉは２．００質量％以下、Ｍｎは３．００質量％以下に規定することが好ましい。
Ｓｉ、Ｍｎは溶接ワイヤの電気抵抗に寄与する元素である。これらは添加するほど、電気抵抗は高くなり、溶接ワイヤは溶融しやすくなる。また、Ｓｉ、Ｍｎは脱酸元素でもあり、表面張力に影響を及ぼす元素である。よって、本実施形態の制御をより安定に行う上で、好ましい溶接ワイヤの溶融バランス（適正なアーク長を維持できる送給速度と溶接電流の関係の最適バランス）および溶融物性を得るためには、Ｓｉ、Ｍｎが各々、０．２０質量％以上含まれていることが好ましい。一方、Ｓｉ、Ｍｎの添加量が過度に多いと溶融池表面に厚い酸化皮膜が生成し、本実施形態の制御に悪影響を与える可能性がある。よって、本実施形態の制御をより安定に行う好ましい範囲として、Ｓｉは２．００質量％以下、Ｍｎは３．００質量％以下に規定することが好ましい。
（Ｃｒ：３０％質量以下（０％を含む）、Ｎｉ：１５質量％以下（０％を含む））
Ｃｒ、Ｎｉは必要に応じて任意で添加しても良い。例えば、溶接ワイヤの鋼種をステンレスとする場合において添加するのが一般的であると言える。しかしながら、Ｃｒ、Ｎｉは溶接ワイヤの電気抵抗に寄与する元素であり、添加量が増えるほど、電気抵抗が上がる。
また、Ｃｒは添加量が上がるほど粘性が増加する元素である。電気抵抗が上がるほど、溶融バランスを取るために、溶接電流は低く制御されるので、溶滴の粘性はますます増加する傾向にある。一方、Ｎｉは粘性が低下する元素である。よって、本実施形態の制御をより安定に行う上で、好ましい粘性の範囲としてＣｒは３０質量％以下、Ｎｉは３０質量％以下に抑制することが好ましい。なお、ＣｒおよびＮｉともに、下限は特に規定しない（０％を含む）。
Ｃｒ、Ｎｉは必要に応じて任意で添加しても良い。例えば、溶接ワイヤの鋼種をステンレスとする場合において添加するのが一般的であると言える。しかしながら、Ｃｒ、Ｎｉは溶接ワイヤの電気抵抗に寄与する元素であり、添加量が増えるほど、電気抵抗が上がる。
また、Ｃｒは添加量が上がるほど粘性が増加する元素である。電気抵抗が上がるほど、溶融バランスを取るために、溶接電流は低く制御されるので、溶滴の粘性はますます増加する傾向にある。一方、Ｎｉは粘性が低下する元素である。よって、本実施形態の制御をより安定に行う上で、好ましい粘性の範囲としてＣｒは３０質量％以下、Ｎｉは３０質量％以下に抑制することが好ましい。なお、ＣｒおよびＮｉともに、下限は特に規定しない（０％を含む）。
また、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒの元素は、いずれも溶接ワイヤの電気抵抗、溶接時の溶融物性に影響を及ぼすことから、その添加量の加算値（Ｓｉ＋Ｍｎ＋Ｎｉ＋Ｃｒ）について、適正な範囲を有する。本実施形態の制御にとって、これらの加算値が０．５０～４５質量％の範囲内であることが好ましい。
さらに、粘性の観点からすると、上述したように、Ｎｉは粘性を低下させる元素、Ｃｒは粘性を増加させる元素である。その他、Ｍｎ、Ｓｉは粘性を低下させ、Ｏは粘性を増加させる元素である。
本実施形態の制御をより安定に行うためには、０．００１０≦（Ｃｒ＋Ｏ）/（Ｎｉ＋Ｍｎ＋Ｓｉ）≦１．７０００であると、適正な粘性範囲内であり、より好ましい。なお、０．００１０を下回ると粘性が低くなる傾向にあり、１．７０００を超えると粘性が高くなる傾向にあるため、より好ましい範囲から外れる。
本実施形態の制御をより安定に行うためには、０．００１０≦（Ｃｒ＋Ｏ）/（Ｎｉ＋Ｍｎ＋Ｓｉ）≦１．７０００であると、適正な粘性範囲内であり、より好ましい。なお、０．００１０を下回ると粘性が低くなる傾向にあり、１．７０００を超えると粘性が高くなる傾向にあるため、より好ましい範囲から外れる。
（Ｓ：０．００１０～０．０５００質量％、Ｏ：０．０００５～０．０５００質量％）
Ｓ、Ｏは溶融金属の表面張力に影響を及ぼす元素である。これらは添加量が多い程、表面張力が低下する傾向にある。本実施形態の制御を行う上で、好ましい表面張力の範囲として、Ｓは０．００１０質量％以上、０．０５００質量％以下で添加することが好ましい。Ｏは０．０００５質量％以上、０．０５００質量％以下で添加することが好ましい。
また、これらは合計（Ｓ＋Ｏ）で０．００２０質量％以上、０．０７００質量％以下とすることが好ましい。さらに、Ｏは多量に添加すると、他の元素（特に酸素との親和性が高いＳｉ、Ｍｎ等の脱酸元素）と結合し、酸化皮膜が発生する原因となる。よって、ＳとＯの比率：Ｓ／Ｏが０．２以上の場合には、Ｏによる酸化皮膜の発生を抑制することができ、より好ましく、０．５以上とするとさらにより好ましい。
Ｓ、Ｏは溶融金属の表面張力に影響を及ぼす元素である。これらは添加量が多い程、表面張力が低下する傾向にある。本実施形態の制御を行う上で、好ましい表面張力の範囲として、Ｓは０．００１０質量％以上、０．０５００質量％以下で添加することが好ましい。Ｏは０．０００５質量％以上、０．０５００質量％以下で添加することが好ましい。
また、これらは合計（Ｓ＋Ｏ）で０．００２０質量％以上、０．０７００質量％以下とすることが好ましい。さらに、Ｏは多量に添加すると、他の元素（特に酸素との親和性が高いＳｉ、Ｍｎ等の脱酸元素）と結合し、酸化皮膜が発生する原因となる。よって、ＳとＯの比率：Ｓ／Ｏが０．２以上の場合には、Ｏによる酸化皮膜の発生を抑制することができ、より好ましく、０．５以上とするとさらにより好ましい。
その他、溶接ワイヤに添加される元素は、引張強度や靱性等の機械的性能に合わせて、任意でＣ、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｋ、Ｎａ、Ｂ、Ｂｉ、Ｎ、Ｒａ、Ｃｅ、Ｔａ、Ｃｕ等を添加しても良い。
これらの元素は、多く添加されると溶接ワイヤの電気抵抗に影響するため、機械的性能と電気抵抗を考慮した時の最適範囲から、その他の元素は、それぞれ質量％で、Ｃ：０．００１～０．５００％、Ｍｏ:３．００％以下、Ｗ：３．００％以下、Ｎｂ：３．００％以下、Ｖ：１．００％以下、Ｔｉ：１．００％以下、Ａｌ：１．００％以下、Ｚｒ：１．００％以下、Ｃａ：０．５００％以下、Ｋ：０．５００％以下、Ｎａ：０．５００％以下、Ｂ：０．５００％以下、Ｂｉ：０．５００％以下,Ｎ：０．５００％以下、Ｒａ：０．５００％以下、Ｃｅ：０．５００％以下、Ｔａ：３．００％以下、Ｃｕ：３．００％以下、残部はＦｅおよび不純物とすることがより好ましい。
なお、不純物としては、例えばＰ、Ｐｂ、Ｓｅ等が挙げられる。また、溶接ワイヤにメッキを施した場合、上記元素中にはメッキ分も含まれることとする。
これらの元素は、多く添加されると溶接ワイヤの電気抵抗に影響するため、機械的性能と電気抵抗を考慮した時の最適範囲から、その他の元素は、それぞれ質量％で、Ｃ：０．００１～０．５００％、Ｍｏ:３．００％以下、Ｗ：３．００％以下、Ｎｂ：３．００％以下、Ｖ：１．００％以下、Ｔｉ：１．００％以下、Ａｌ：１．００％以下、Ｚｒ：１．００％以下、Ｃａ：０．５００％以下、Ｋ：０．５００％以下、Ｎａ：０．５００％以下、Ｂ：０．５００％以下、Ｂｉ：０．５００％以下,Ｎ：０．５００％以下、Ｒａ：０．５００％以下、Ｃｅ：０．５００％以下、Ｔａ：３．００％以下、Ｃｕ：３．００％以下、残部はＦｅおよび不純物とすることがより好ましい。
なお、不純物としては、例えばＰ、Ｐｂ、Ｓｅ等が挙げられる。また、溶接ワイヤにメッキを施した場合、上記元素中にはメッキ分も含まれることとする。
［溶接ワイヤの線径］
溶接ワイヤの線径は、溶接ワイヤの溶け易さに依存する。溶接ワイヤを溶融するための熱量が必要となるため、線径が太くなる程、溶接ワイヤは溶けにくくなる。本実施形態の制御を行う上では、線径が０．８～２．４ｍｍの範囲であることが好ましく、０．９～１．６ｍｍの範囲であることがより好ましい。
溶接ワイヤの線径は、溶接ワイヤの溶け易さに依存する。溶接ワイヤを溶融するための熱量が必要となるため、線径が太くなる程、溶接ワイヤは溶けにくくなる。本実施形態の制御を行う上では、線径が０．８～２．４ｍｍの範囲であることが好ましく、０．９～１．６ｍｍの範囲であることがより好ましい。
［溶接ワイヤの突出し長さ］
溶接ワイヤの突出し長さは、溶接ワイヤの通電点（ＭＡＧ溶接において一般的にはコンタクトチップ先端）と母材間の距離を指す。突出し長さは、長くなる程、電気抵抗熱が大きくなるため、溶接ワイヤは溶けやすくなる。本実施形態の制御をより安定に行うための溶融バランスを考慮すると、突出し長さは１０～３５ｍｍの範囲であることが好ましく、１５～３０ｍｍの範囲であることがより好ましい。
溶接ワイヤの突出し長さは、溶接ワイヤの通電点（ＭＡＧ溶接において一般的にはコンタクトチップ先端）と母材間の距離を指す。突出し長さは、長くなる程、電気抵抗熱が大きくなるため、溶接ワイヤは溶けやすくなる。本実施形態の制御をより安定に行うための溶融バランスを考慮すると、突出し長さは１０～３５ｍｍの範囲であることが好ましく、１５～３０ｍｍの範囲であることがより好ましい。
［外部特性傾き信号Ｋｓを決めるためのその他の情報］
その他、外部特性傾き信号Ｋｓを決める情報として、前述の溶融情報に加えて、施工情報を組み合わせてもよい。施工情報の一例としては、溶接速度、トーチ角度、前進・後進角度、開先形状、母材の板厚、母材の材質（メッキ等の母材表面の情報も含む）等が挙げられる。
その他、外部特性傾き信号Ｋｓを決める情報として、前述の溶融情報に加えて、施工情報を組み合わせてもよい。施工情報の一例としては、溶接速度、トーチ角度、前進・後進角度、開先形状、母材の板厚、母材の材質（メッキ等の母材表面の情報も含む）等が挙げられる。
以上説明したように、本実施形態の溶接電源および溶接電源の制御方法によれば、溶接電流および材料特性に関する溶接ワイヤの溶融情報に応じて、外部特性の傾きを適正化させることによって、溶接作業性を良好に保つことができる。
以下、実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。本発明は、これらの実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することが可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
本発明の有効性を立証するため、シールドガス：８０％Ａｒ＋２０％ＣＯ２の混合ガス、溶接ワイヤ：線径１．２φｍｍのソリッドワイヤ、突出し量：２５ｍｍで一定として、消耗式電極（溶接ワイヤ）の化学組成をそれぞれ変更した各種条件において溶接試験を行った。なお、電圧は適正電圧とした。また、外部特性の傾き（Ｖ／１００Ａ）は、図２および図３に示す、ワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒ（ｍ／ｍｉｎ）、溶接電流信号Ｉｒ（Ａ）および外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）間の関係から求められる、外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）の値を適用した。
また、溶接品質として、スパッタ性について評価した。評価基準は、母材に付着している１ｍｍ以上の大粒スパッタの付着ないものを評価「◎」（優良）と判定し、１ｍｍ以上の大粒スパッタの数が１０個以下のものを評価「○」（良）と判定した。
試験結果を、各溶接条件と共に表１および表２に示す。
表１に示す、試験Ｎｏ．１～５は、同じ組成の溶接ワイヤを用いて、ワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒを各々変更して溶接した試験例である。なお、溶接電流信号Ｉｒおよび外部特性傾き信号Ｋｓは、ワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒに伴って変わっている。
試験Ｎｏ．１～５の溶接ワイヤの各組成および関係式は、いずれも好ましい条件の範囲内であり、良好な溶接品質（スパッタ性の評価「◎」）が得られた。
試験Ｎｏ．１～５の溶接ワイヤの各組成および関係式は、いずれも好ましい条件の範囲内であり、良好な溶接品質（スパッタ性の評価「◎」）が得られた。
表１に示す、試験Ｎｏ．６～２０は、ワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒを一定とし、溶接ワイヤの組成をそれぞれ変化させた試験例である。
試験Ｎｏ．６～９、試験Ｎｏ．１１、試験Ｎｏ．１３、試験Ｎｏ．１５、試験Ｎｏ．１７～２０は、溶接ワイヤの各組成および関係式は、いずれも好ましい条件の範囲内であり、良好な溶接品質（スパッタ性の評価「◎」）が得られた。
一方、試験Ｎｏ．１０は、Ｓｉ含有量が２．００質量％を超えており、試験Ｎｏ．１４は、Ｓｉ含有量が０．２０質量％未満であったため、スパッタ性の評価が共に「○」であった。
試験Ｎｏ．１２は、Ｍｎ含有量が３．００質量％を超えており、試験Ｎｏ．１６は、Ｍｎ含有量が０．２０質量％未満であったため、スパッタ性の評価が共に「○」であった。
試験Ｎｏ．６～９、試験Ｎｏ．１１、試験Ｎｏ．１３、試験Ｎｏ．１５、試験Ｎｏ．１７～２０は、溶接ワイヤの各組成および関係式は、いずれも好ましい条件の範囲内であり、良好な溶接品質（スパッタ性の評価「◎」）が得られた。
一方、試験Ｎｏ．１０は、Ｓｉ含有量が２．００質量％を超えており、試験Ｎｏ．１４は、Ｓｉ含有量が０．２０質量％未満であったため、スパッタ性の評価が共に「○」であった。
試験Ｎｏ．１２は、Ｍｎ含有量が３．００質量％を超えており、試験Ｎｏ．１６は、Ｍｎ含有量が０．２０質量％未満であったため、スパッタ性の評価が共に「○」であった。
表１に示す、試験Ｎｏ．２１～２４は、ワイヤ送給速度設定信号を一定とし、溶接ワイヤの組成をそれぞれ変化させた試験例である。
試験Ｎｏ．２１は、溶接ワイヤの各組成については好ましい条件の範囲内であるものの、「Ｓｉ＋Ｍｎ＋Ｃｒ＋Ｎｉ」および「（Ｃｒ＋Ｏ）／（Ｎｉ＋Ｍｎ＋Ｓｉ）」がそれぞれ４５質量％および１．７０００を超えているため、スパッタ性の評価が「○」であった。
試験Ｎｏ．２２は、さらにＣｒ含有量が３０質量％を超えているため、スパッタ性の評価が「○」であった。
試験Ｎｏ．２３は、「Ｓｉ＋Ｍｎ＋Ｃｒ＋Ｎｉ」およびＮｉ含有量がそれぞれ４５質量％および１５質量％を超えているため、スパッタ性の評価が「○」であった。
試験Ｎｏ．２４は、溶接ワイヤの各組成については好ましい条件の範囲内であるものの、「Ｓｉ＋Ｍｎ＋Ｃｒ＋Ｎｉ」が０．５０質量％以下であり、スパッタ性の評価が「○」であった。
試験Ｎｏ．２１は、溶接ワイヤの各組成については好ましい条件の範囲内であるものの、「Ｓｉ＋Ｍｎ＋Ｃｒ＋Ｎｉ」および「（Ｃｒ＋Ｏ）／（Ｎｉ＋Ｍｎ＋Ｓｉ）」がそれぞれ４５質量％および１．７０００を超えているため、スパッタ性の評価が「○」であった。
試験Ｎｏ．２２は、さらにＣｒ含有量が３０質量％を超えているため、スパッタ性の評価が「○」であった。
試験Ｎｏ．２３は、「Ｓｉ＋Ｍｎ＋Ｃｒ＋Ｎｉ」およびＮｉ含有量がそれぞれ４５質量％および１５質量％を超えているため、スパッタ性の評価が「○」であった。
試験Ｎｏ．２４は、溶接ワイヤの各組成については好ましい条件の範囲内であるものの、「Ｓｉ＋Ｍｎ＋Ｃｒ＋Ｎｉ」が０．５０質量％以下であり、スパッタ性の評価が「○」であった。
表２に示す、試験Ｎｏ．２５～３６は、ワイヤ送給速度設定信号を一定にすると共に、溶接ワイヤの組成も、Ｓ含有量およびＯ含有量のみを変化させた（それ以外の組成は同じであり、好ましい条件の範囲内）試験例である。
試験Ｎｏ．２６，２７，２９、３１、３３および３５は、溶接ワイヤの各組成がいずれも好ましい条件の範囲内であり、良好な溶接品質（スパッタ性の評価「◎」）が得られた。
一方、試験Ｎｏ．２５は、Ｓ含有量が０．００１０質量％未満であり、試験Ｎｏ．３０は、Ｓ含有量が０．０５００質量％を超えているため、スパッタ性の評価が共に「○」であった。
試験Ｎｏ．２８は、Ｏ含有量が０．０００５質量％未満であり、試験Ｎｏ．３２は、Ｏ含有量が０．０５００質量％を超えているため、スパッタ性の評価が共に「○」であった。
試験Ｎｏ．３４および試験Ｎｏ．３６は、Ｓ、Ｏを含めて溶接ワイヤの各組成は好ましい条件の範囲内であるが、試験Ｎｏ．３４では「Ｓ＋Ｏ」が０．０７００質量％を超えており、試験Ｎｏ．３６では「（Ｃｒ＋Ｏ）／（Ｎｉ＋Ｍｎ＋Ｓｉ）」が０．００１０未満であったため、スパッタ性の評価が共に「○」であった。
試験Ｎｏ．２６，２７，２９、３１、３３および３５は、溶接ワイヤの各組成がいずれも好ましい条件の範囲内であり、良好な溶接品質（スパッタ性の評価「◎」）が得られた。
一方、試験Ｎｏ．２５は、Ｓ含有量が０．００１０質量％未満であり、試験Ｎｏ．３０は、Ｓ含有量が０．０５００質量％を超えているため、スパッタ性の評価が共に「○」であった。
試験Ｎｏ．２８は、Ｏ含有量が０．０００５質量％未満であり、試験Ｎｏ．３２は、Ｏ含有量が０．０５００質量％を超えているため、スパッタ性の評価が共に「○」であった。
試験Ｎｏ．３４および試験Ｎｏ．３６は、Ｓ、Ｏを含めて溶接ワイヤの各組成は好ましい条件の範囲内であるが、試験Ｎｏ．３４では「Ｓ＋Ｏ」が０．０７００質量％を超えており、試験Ｎｏ．３６では「（Ｃｒ＋Ｏ）／（Ｎｉ＋Ｍｎ＋Ｓｉ）」が０．００１０未満であったため、スパッタ性の評価が共に「○」であった。
表２に示す、試験Ｎｏ．３７～４５は、好ましい条件の範囲内である各組成以外に、さらにＴｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｃａ、Ｂ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｕ、Ｋ、Ｎａ、Ｃｅ、Ｒａ、Ｗ、Ｎ、Ｔａなどのその他の成分を添加した溶接ワイヤを用いた試験例である。
試験Ｎｏ．３７～４５は、いずれも溶接ワイヤの各組成が好ましい条件の範囲内であり、良好な溶接品質（スパッタ性の評価「◎」）が得られた。
試験Ｎｏ．３７～４５は、いずれも溶接ワイヤの各組成が好ましい条件の範囲内であり、良好な溶接品質（スパッタ性の評価「◎」）が得られた。
１ 消耗式電極（溶接ワイヤ）
２ 母材
３ アーク
４ コンタクトチップ
１０ 溶接電源
ＰＭ 電源主回路
ＥＤ 出力電圧検出回路
Ｅｄ 出力電圧検出信号
ＡＭＰ 電圧誤差増幅回路
Ａｍｐ 電圧誤差増幅信号
ＡＤＤ 加算回路
Ｅｃｒ 制御出力電圧設定信号
ＶＳ 出力電圧設定回路
Ｖｓ 出力電圧設定信号
ＩＤ 溶接電流検出回路
Ｉｄ 溶接電流検出信号
ＶＤ 溶接電圧検出回路
Ｖｄ 溶接電圧検出信号
ＳＤ 短絡判定回路
Ｓｄ 短絡判定信号
ＷＦＲ ワイヤ送給速度設定回路
Ｗｆｒ ワイヤ送給速度設定信号
記憶部ＤＢ 溶融情報を含むデータベース
Ｉｒ 溶接電流信号
Ｋｓ 外部特性傾き信号
ＥＸＣ 外部特性電圧補正回路
Ｅｘｃ 外部特性電圧信号
ＥＳＣ 短絡期間電圧補正回路
Ｅｓｃ 短絡期間電圧補正信号
ＥＡＣ アーク期間電圧補正回路
Ｅａｃ アーク期間電圧補正信号
ＷＬ リアクトル
２ 母材
３ アーク
４ コンタクトチップ
１０ 溶接電源
ＰＭ 電源主回路
ＥＤ 出力電圧検出回路
Ｅｄ 出力電圧検出信号
ＡＭＰ 電圧誤差増幅回路
Ａｍｐ 電圧誤差増幅信号
ＡＤＤ 加算回路
Ｅｃｒ 制御出力電圧設定信号
ＶＳ 出力電圧設定回路
Ｖｓ 出力電圧設定信号
ＩＤ 溶接電流検出回路
Ｉｄ 溶接電流検出信号
ＶＤ 溶接電圧検出回路
Ｖｄ 溶接電圧検出信号
ＳＤ 短絡判定回路
Ｓｄ 短絡判定信号
ＷＦＲ ワイヤ送給速度設定回路
Ｗｆｒ ワイヤ送給速度設定信号
記憶部ＤＢ 溶融情報を含むデータベース
Ｉｒ 溶接電流信号
Ｋｓ 外部特性傾き信号
ＥＸＣ 外部特性電圧補正回路
Ｅｘｃ 外部特性電圧信号
ＥＳＣ 短絡期間電圧補正回路
Ｅｓｃ 短絡期間電圧補正信号
ＥＡＣ アーク期間電圧補正回路
Ｅａｃ アーク期間電圧補正信号
ＷＬ リアクトル
Claims (5)
- 消耗式電極を用いてガスシールドアーク溶接を行うための溶接電源であって、
前記溶接電源は、少なくともシールドガスの組成ごとに加え、前記消耗式電極の組成、線径またはワイヤの突出し長さのうち少なくとも１つの要素ごとに、ワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒ（ｍ／ｍｉｎ）と、前記ワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒ（ｍ／ｍｉｎ）に対して最適な溶融バランスをとることが可能な適正溶接電流である溶接電流信号Ｉｒ（Ａ）との関係を決定したデータベースである溶融情報、および前記溶接電流信号Ｉｒ（Ａ）と外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）との関係を決定したデータベースを有する記憶部ＤＢを備え、
任意の前記ワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒ（ｍ／ｍｉｎ）を、前記記憶部ＤＢの前記溶融情報に入力することにより前記溶接電流信号Ｉｒを求め、
さらに、前記溶融情報から得られる前記溶接電流信号Ｉｒと、前記溶接電流信号Ｉｒ（Ａ）と前記外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）との関係を決定した前記データベースとに基づいて、前記外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）を決定する場合に、
前記溶融情報から得られる前記溶接電流信号Ｉｒが３５０Ａ以下の場合、前記外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）は、該外部特性傾き信号Ｋｓの上限を０．００４×Ｉｒ－１．９、下限を０．００３２×Ｉｒ－３．８２とする適正範囲内となるように、前記溶接電流信号Ｉｒに対応して制御され、
前記溶接電流信号Ｉｒが３５０Ａを超える場合、前記外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）は、該外部特性傾き信号Ｋｓの上限を－０．００６７×Ｉｒ＋１．８３３３、下限を－２．７とする適正範囲内となるように、前記溶接電流信号Ｉｒに対応して制御されることを特徴とする溶接電源。 - 前記溶融情報に含まれる前記消耗式電極は、
前記消耗式電極の全重量に対し、
Ｓｉ：０．２０～２．００質量％、
Ｍｎ：０．２０～３．００質量％、
Ｃｒ：３０質量％以下（０％を含む）、
Ｎｉ：１５質量％以下（０％を含む）、
を含有し、
Ｓｉ、Ｍｎ、ＣｒおよびＮｉの合計が、０．５０～４５質量％の範囲であることを特徴
とする請求項１に記載の溶接電源。 - 前記消耗式電極は、０．００１０≦（Ｃｒ＋Ｏ）/（Ｎｉ＋Ｍｎ＋Ｓｉ）≦１．７００
０を満足することを特徴とする請求項２に記載の溶接電源。 - 前記消耗式電極は、更に、
Ｓ：０．００１０～０．０５００質量％、
Ｏ：０．０００５～０．０５００質量％、
を含有し、
０．００２０質量％≦（Ｓ＋Ｏ）≦０．０７００質量％を満足することを特徴とする請
求項２または３に記載の溶接電源。 - 消耗式電極を用いてガスシールドアーク溶接を行うための溶接電源の制御方法であって、
前記溶接電源は、少なくともシールドガスの組成ごとに加え、前記消耗式電極の組成、線径またはワイヤの突出し長さのうち少なくとも１つの要素ごとに、ワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒ（ｍ／ｍｉｎ）と、前記ワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒ（ｍ／ｍｉｎ）に対して最適な溶融バランスをとることが可能な適正溶接電流である溶接電流信号Ｉｒ（Ａ）との関係を決定したデータベースである溶融情報、および前記溶接電流信号Ｉｒ（Ａ）と外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）との関係を決定したデータベースを有する記憶部ＤＢを備え、
任意の前記ワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒ（ｍ／ｍｉｎ）を、前記記憶部ＤＢの前記溶融情報に入力することにより前記溶接電流信号Ｉｒを求め、
さらに、前記溶融情報から得られる前記溶接電流信号Ｉｒと、前記溶接電流信号Ｉｒ（Ａ）と前記外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）との関係を決定した前記データベースとに基づいて、前記外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）を決定する場合に、
前記溶融情報から得られる前記溶接電流信号Ｉｒが３５０Ａ以下の場合、前記外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）は、該外部特性傾き信号Ｋｓの上限を０．００４×Ｉｒ－１．９、下限を０．００３２×Ｉｒ－３．８２とする適正範囲内となるように、前記溶接電流信号Ｉｒに対応して制御され、
前記溶接電流信号Ｉｒが３５０Ａを超える場合、前記外部特性傾き信号Ｋｓ（Ｖ／１００Ａ）は、該外部特性傾き信号Ｋｓの上限を－０．００６７×Ｉｒ＋１．８３３３、下限を－２．７とする適正範囲内となるように、前記溶接電流信号Ｉｒに対応して制御されることを特徴とする溶接電源の制御方法。
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