JP7430971B2 - パルスアーク溶接の磁気吹き抑制制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、消耗電極パルスアーク溶接の磁気吹き抑制制御方法に関するものである。

消耗電極パルスアーク溶接では、溶接ワイヤを送給し、立上り期間中はベース電流からピーク電流へと上昇する遷移電流を通電し、ピーク期間中はピーク電流を通電し、立下り期間中はピーク電流からベース電流へと下降する遷移電流を通電し、ベース期間中はベース電流を通電し、これらの通電を１パルス周期として溶接電流を通電して溶接が行われる。ピーク電流は大電流値に設定され、溶接ワイヤを溶融して溶滴の形成及び移行が行われる。ベース電流は小電流値に設定され、溶接ワイヤはほとんど溶融しない。パルスアーク溶接では、１パルス周期中に１つの溶滴を移行させる、いわゆる１パルス周期１溶滴移行の状態を維持することが、スパッタの発生の少ない高品質の溶接ビードを得るために重要である。

鉄鋼等のパルスアーク溶接においては、母材を通電する溶接電流によってアーク発生部の周辺に磁界が形成されて、この磁界からアークは力を受けて変形する場合がよくある。このような状態を、一般的に磁気吹き又はアークブローと呼んでいる。磁気吹きの発生状態がひどくなると、アークは大きく変形してアーク長が非常に長くなり、アークを維持することができなくなり、アーク切れを発生することになる。アーク切れが発生すると、溶接品質は悪くなる。このために、パルスアーク溶接においては、磁気吹き対策は大きな課題である。

特許文献１の発明では、ベース期間中の溶接電圧の上昇率が基準上昇率以上になったことを検出して磁気吹きが発生したと判別し、ベース電流を増加させる磁気吹き抑制制御を行っている。磁気吹きは、電流値が小さいためにアークの硬直性が弱くなるベース期間中に発生する。磁気吹きによってアーク長が長くなると、溶接電圧が大きくなることを利用して、磁気吹きの発生を判別している。また、ベース電流を増加させると、アークの硬直性が強くなり、磁界から力を受けてもアークの変形を抑制することができる。この結果、アーク切れを防止することができる。

特開２００４－２６８０８１号公報

ワークの形状、溶接姿勢、溶接電流、溶接電圧、溶接速度等の種々な溶接条件によっては、従来技術の磁気吹き抑制制御方法では、磁気吹きによるアークの変形を抑制することができず、アーク切れが発生する状態になる場合がある。

そこで、本発明では、種々な溶接条件においても、磁気吹きによるアーク切れを抑制することができるパルスアーク溶接の磁気吹き抑制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、
溶接ワイヤを送給し、立上り期間中はベース電流からピーク電流へと上昇する遷移電流を通電し、ピーク期間中は前記ピーク電流を通電し、立下り期間中は前記ピーク電流から前記ベース電流へと下降する遷移電流を通電し、ベース期間中は前記ベース電流を通電し、これらの通電を１パルス周期として溶接電流を通電し、
前記ベース期間中の溶接電圧の上昇に基づいて磁気吹きを判別し、前記磁気吹きを判別すると前記ベース電流を増加させるパルスアーク溶接の磁気吹き抑制制御方法において、
前記磁気吹きを判別すると積算カウンタをカウントアップする第１工程と、
前記積算カウンタが基準値に達すると、前記立上り期間及び／又は前記立下り期間を長くすると共に前記積算カウンタをリセットする第２工程と、を備えており、
溶接中は前記第１工程及び前記第２工程を繰り返して行う、
ことを特徴とするパルスアーク溶接の磁気吹き抑制制御方法である。

請求項２の発明は、
前記第１工程は、所定のパルス周期連続して前記磁気吹きが判別されないときは前記積算カウンタをカウントダウンする、
ことを特徴とする請求項１に記載のパルスアーク溶接の磁気吹き抑制制御方法である。

本発明によれば、種々な溶接条件においても、磁気吹きによるアーク切れを抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係るパルスアーク溶接の磁気吹き抑制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に係るパルスアーク溶接の磁気吹き抑制制御方法を示す図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。

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に係るパルスアーク溶接の磁気吹き抑制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。同図においては、溶接ワイヤを定速送給するための回路については、省略している。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ＭＣ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、溶接に適した出力電圧を出力する。電源主回路ＭＣは、図示は省略するが、商用電源を整流する１次整流回路、整流された直流を高周波交流に変換する上記の電流誤差増幅信号Ｅｉによって駆動制御されるインバータ回路、高周波交流をアーク溶接に適した電圧値に降圧する高周波トランス、降圧された高周波交流を整流する２次整流回路を備えている。

リアクトルＷＬは、電源主回路ＭＣの出力に設けられ、出力電圧を平滑する。

溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給モータ(図示は省略)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内を通って送給され、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。

電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。電圧平均化回路ＶＡＶは、上記の電圧検出信号Ｖｄを平均化して、電圧平均信号Ｖavを出力する。電圧設定回路ＶＲは、所望値の電圧設定信号Ｖｒを出力する。

電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の電圧設定信号Ｖｒと上記の電圧平均信号Ｖavとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。Ｖ／ＦコンバータＶＦは、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖに応じた周期を有するパルス周期信号Ｔｆを出力する。このパルス周期信号Ｔｆは、１パルス周期ごとに短時間Ｈｉｇｈレベルとなる信号である。

立上り期間設定回路ＴＵＲは、後述する修正信号Ｓｓを入力として、修正信号Ｓｓが短時間Ｈｉｇｈレベルになるごとに予め定めた初期値に予め定めた増加値だけ加算して立上り期間設定信号Ｔurを出力する。

立下り期間設定回路ＴＤＲは、後述する修正信号Ｓｓを入力として、修正信号Ｓｓが短時間Ｈｉｇｈレベルになるごとに予め定めた初期値に予め定めた増加値だけ加算して立下り期間設定信号Ｔdrを出力する。

ピーク期間設定回路ＴＰＲは、予め定めたピーク期間設定信号Ｔprを出力する。

タイマ回路ＴＭは、上記の立上り期間設定信号Ｔur、上記の立下り期間設定信号Ｔdr、上記のピーク期間設定信号Ｔpr及び上記のパルス周期信号Ｔｆを入力として、パルス周期信号Ｔｆが短時間Ｈｉｇｈレベルになるごとに以下の処理を行い、タイマ信号Ｔｍを出力する。
１（立上り期間設定信号Ｔurによって定まる立上り期間Ｔｕ中は、タイマ信号Ｔｍ＝１を出力する。
２（その後の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、タイマ信号Ｔｍ＝２を出力する。
３（その後の立下り期間設定信号Ｔdrによって定まる立下り期間Ｔｄ中は、タイマ信号Ｔｍ＝３を出力する。
４（その後のパルス周期信号Ｔｆが短時間Ｈｉｇｈレベルになるまでのベース期間Ｔｂ中は、タイマ信号Ｔｍ＝４を出力する。

アーク判別回路ＡＤは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、この値に基づいてアーク発生状態であるかを判別してＨｉｇｈレベルとなるアーク判別信号Ａｄを出力する。

磁気吹き判別回路ＨＤは、上記の電圧検出信号Ｖｄ、上記のアーク判別信号Ａｄ及び上記のタイマ信号Ｔｍを入力として、タイマ信号Ｔｍ＝４（ベース期間Ｔｂ）であり、かつ、アーク判別信号ＡｄがＨｉｇｈレベル（アーク発生状態）であるときに、電圧検出信号Ｖｄの上昇率が基準上昇率以上になるとＨｉｇｈレベルにセットされ、その後に電圧検出信号Ｖｄの下降率が基準下降率以上になるとＬｏｗレベルにリセットされる磁気吹き判別信号Ｈｄを出力する。

積算カウンタ回路ＣＣは、上記の磁気吹き判別信号Ｈｄ及び上記のパルス周期信号Ｔｆを入力として、磁気吹き判別信号ＨｄがＨｉｇｈレベルに変化すると積算カウンタ信号Ｃｃをカウントアップし、パルス周期信号Ｔｆによって所定のパルス周期連続して磁気吹き判別信号ＨｄがＨｉｇｈレベルに変化しないときは積算カウンタ信号Ｃｃをカウントダウンし、積算カウンタ信号Ｃｃが基準値に達すると、修正信号Ｓｓを短時間Ｈｉｇｈレベルにして出力すると共に、積算カウンタ信号Ｃｃをリセットする。

ベース電流設定回路ＩＢＲは、上記の磁気吹き判別信号Ｈｄを入力として、磁気吹き判別信号ＨｄがＬｏｗレベルのときは予め定めた通常値となり、Ｈｉｇｈレベル（磁気吹き判別）のときは予め定めた増加値となるベース電流設定信号Ｉbrを出力する。

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。

電流設定回路ＩＲは、上記のベース電流設定信号Ｉbr、上記のピーク電流設定信号Ｉpr及び上記のタイマ信号Ｔｍを入力として、以下の処理を行い、電流設定信号Ｉｒを出力する。
１）タイマ信号Ｔｍ＝１（立上り期間Ｔｕ）のときは、ベース電流設定信号Ｉbrからピーク電流設定信号Ｉprへと上昇する電流設定信号Ｉｒを出力する。
２）タイマ信号Ｔｍ＝２（ピーク期間Ｔｐ）のときは、ピーク電流設定信号Ｉprとなる電流設定信号Ｉｒを出力する。
３）タイマ信号Ｔｍ＝３（立下り期間Ｔｄ）のときは、ピーク電流設定信号Ｉprからベース電流設定信号Ｉbrへと下降する電流設定信号Ｉｒを出力する。
４）タイマ信号Ｔｍ＝４（ベース期間Ｔｂ）のときは、ベース電流設定信号Ｉbrとなる電流設定信号Ｉｒを出力する。

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。

図２は、本発明の実施の形態１に係るパルスアーク溶接の磁気吹き抑制制御方法を示す図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)は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図(Ｂ)は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図(Ｃ)は磁気吹き判別信号Ｈｄの時間変化を示し、同図(Ｄ)は修正信号Ｓｓの時間変化を示す。以下、同図を参照して各信号の動作について説明する。

同図は、２周期の波形を示している。第１周期は、ベース期間Ｔｂ中に磁気吹きが発生し、ベース電流Ｉｂが増加した場合である。第２周期は、修正信号Ｓｓによって立上り期間Ｔｕ及び立下り期間Ｔｄが長くなり、ベース期間Ｔｂ中に磁気吹きが発生しなかった場合である。

(１)第１周期の動作説明
時刻ｔ１～ｔ２の立上り期間Ｔｕ中は、同図（Ａ）に示すように、ベース電流Ｉｂからピーク電流Ｉｐへと上昇する遷移電流が通電し、同図（Ｂ）に示すように、ベース電圧からピーク電圧へと上昇する遷移電圧が印加する。時刻ｔ２～ｔ３のピーク期間Ｔｐ中は、同図（Ａ）に示すように、ピーク電流Ｉｐが通電し、同図（Ｂ）に示すように、ピーク電圧が印加する。時刻ｔ３～ｔ４の立下り期間Ｔｄ中は、同図（Ａ）に示すように、ピーク電流Ｉｐからベース電流Ｉｂへと下降する遷移電流が通電し、同図（Ｂ）に示すように、ピーク電圧からベース電圧へと下降する遷移電圧が印加する。時刻ｔ４～ｔ５のベース期間Ｔｂ中は、同図（Ａ）に示すように、ベース電流Ｉｂが通電し、同図（Ｂ）に示すように、ベース電圧が印加する。時刻ｔ１～ｔ５の期間が１パルス周期となる。パルス周期は、溶接電圧Ｖｗの平均値（図１の電圧平均信号Ｖav）が図１の電圧設定信号Ｖｒの値と等しくなるようにフィードバック制御(周波数変調制御)される。これにより、アーク長の平均値が適正値に維持される。ピーク期間Ｔｐ中に溶接ワイヤの先端が溶融されて溶滴が形成され、ベース期間Ｔｂ中に溶滴は溶融池へと移行する。ピーク期間Ｔｐ及びピーク電流Ｉｐは、この１パルス周期１溶滴移行状態になるように設定される。

上記の立上り期間Ｔｕは図１の立上り期間設定信号Ｔurによって設定され、上記のピーク期間Ｔｐは図１のピーク期間設定信号Ｔprによって設定され、上記の立下り期間Ｔｄは図１の立下り期間設定信号Ｔdrによって設定される。上記のピーク電流Ｉｐは図１のピーク電流設定信号Ｉprによって設定され、上記のベース電流Ｉｂは図１のベース電流設定信号Ｉbrによって設定される。例えば、Ｔｕ（初期値）＝１．０ms、Ｔｄ（初期値）＝１．０ms、Ｔｐ＝１．５ms、Ｉｐ＝５００Ａ、Ｉｂ（通常値）＝４０Ａである。

ベース期間Ｔｂ中の時刻ｔ４～ｔ４１の期間中は、磁気吹きが発生していない状態であるので、同図(Ａ)に示すように、予め定めた通常値のベース電流Ｉｂが通電し、同図(Ｂ)に示すように、略一定値となる通常値のベース電圧Ｖｂが印加する。

時刻ｔ４１において、磁気吹きが発生したためにアークが変形してアーク長が通常状態よりも次第に長くなる。このために、同図(Ｂ)に示すように、ベース電圧Ｖｂは、時刻ｔ４１から上昇し、時刻ｔ４２において上昇率が基準上昇率以上となるので、同図（Ｃ）に示すように、磁気吹き判別信号ＨｄがＨｉｇｈレベルにセットされる。これに応動して、同図（Ａ）に示すように、ベース電流Ｉｂは時刻ｔ４２から予め定めた増加値へと急増する。ベース電流Ｉｂが増加するとアークの硬直性が大きくなり、アークの変形が抑制されてアーク長は短くなる。このために、同図（Ｂ）に示すように、ベース電圧Ｖｂは下降し、時刻ｔ４３において、下降率が基準下降率以上となり、通常状態へと戻る。時刻ｔ４３において、同図（Ｃ）に示すように、磁気吹き判別信号ＨｄはＬｏｗレベルへとリセットされる。これに応動して、ベース電流Ｉｂは通常値に戻る。上記のベース電流Ｉｂの増加値は、例えば３００Ａである。

時刻ｔ４２に磁気吹き判別信号ＨｄがＨｉｇｈレベルになる直前において、図１の積算カウンタ信号Ｃｃ＝２であるとする。そして、時刻ｔ４２において、磁気吹き判別信号ＨｄがＨｉｇｈレベルに変化すると、積算カウンタ信号Ｃｃは３へとカウントアップされる。ここで、基準値＝３の場合とすると、積算カウンタ信号Ｃｃの値が基準値に達したために、同図（Ｄ）に示すように、修正信号Ｓｓが時刻ｔ４２において短時間Ｈｉｇｈレベルとなる。その後、積算カウンタ信号Ｃｃは０にリセットされる。上記の積算カウンタ信号Ｃｃの基準値は、２～５程度に設定される。

時刻ｔ４２において、同図（Ｄ）に示すように、修正信号Ｓｓが短時間Ｈｉｇｈレベルとなるので、図１の立上り期間設定信号Ｔur及び立下り期間設定信号Ｔdrは予め定めた増加値だけ長くなる。したがって、積算カウンタ信号Ｃｃが基準値に達するごとに、立上り期間Ｔｕ及び立下り期間Ｔｄは増加値だけ長くなる。このときに、立上り期間Ｔｕ及び立下り期間Ｔｄに上限値を設けても良い。上記の増加値は、例えば０．１msである。上記の上限値は、例えば２．５msである。

さらに、所定のパルス周期連続して磁気吹き判別信号ＨｄがＨｉｇｈレベルにならないときは、積算カウンタ信号Ｃｃをカウントダウンするようにしても良い。積算カウンタ信号Ｃｃは０以上の整数である。上記の所定のパルス周期は、２～４程度である。

(２)第２周期の動作説明
時刻ｔ５～ｔ６の第２周期においては、前周期の時刻ｔ４２において、立上り期間設定信号Ｔur及び立下り期間設定信号Ｔdrが増加値だけ長くなっているために、立上り期間Ｔｕ及び立下り期間Ｔｄは、前周期よりも増加値だけ長くなる。立上り期間Ｔｕ及び立下り期間Ｔｄが長くなるほど、アークは広がりのある形状となり、磁気吹きによるアークの変形が生じにくくなる。このために、第２周期中は、磁気吹きによるベース電圧Ｖｂの上昇は発生していない。

上記の実施の形態においては、積算カウンタが基準値に達したときに立上り期間及び立下り期間の両方を長くする場合であるが、どちらか一方だけを長くするようにしても良い。

上述した実施の形態によれば、ベース期間中の溶接電圧の上昇に基づいて磁気吹きを判別し、磁気吹きを判別するとベース電流を増加させるパルスアーク溶接の磁気吹き抑制制御方法において、磁気吹きを判別すると積算カウンタをカウントアップする第１工程と、積算カウンタが基準値に達すると、立上り期間及び／又は立下り期間を長くすると共に積算カウンタをリセットする第２工程と、を備えており、溶接中は第１工程及び第２工程を繰り返して行う。種々な溶接条件においては、磁気吹きを判別したときにベース電流を増加させることによってアークの大きな変形及びアーク切れを抑制することができない場合がある。本実施の形態では、磁気吹きの発生回数を積算カウンタでカウントし、その値が基準値に達したときは、立上り期間及び／又は立下り期間を増加値だけ長くする。このようにすると、アークは広がりのある形状となり、変形しにくくなり、アーク切れを抑制することができる。すなわち、ベース電流の増加だけでアークの大きな変形及びアーク切れを抑制することができない溶接条件の場合には、追加的に立上り期間及び／又は立下り期間を長くすることによってアークの大きな変形及びアーク切れを抑制している。立上り期間及び立下り期間を最初から長い値にすることも考えられるが、このようにすると１パルス周期１溶滴移行状態を維持することが難しくなり、溶接状態の安定性が少し悪くなる。

さらに、本実施の形態によれば、上記の第１工程において、所定のパルス周期連続して磁気吹きが判別されないときは積算カウンタをカウントダウンするようにしても良い。このようにすれば、磁気吹きの判別の頻度が高いときにのみ、限定的に立上り期間及び／又は立下り期間を長くするので、１パルス周期１溶滴移行状態をできるだけ維持することができ、溶接品質を良好にすることができる。

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
ＡＤ アーク判別回路
Ａｄ アーク判別信号
ＣＣ 積算カウンタ回路
Ｃｃ 積算カウンタ信号
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
ＨＤ 磁気吹き判別回路
Ｈｄ 磁気吹き判別信号
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
ＭＣ 電源主回路
Ｓｓ 修正信号
Ｔｂ ベース期間
Ｔｄ 立下り期間
ＴＤＲ 立下り期間設定回路
Ｔdr 立下り期間設定信号
Ｔｆ パルス周期信号
ＴＭ タイマ回路
Ｔｍ タイマ信号
Ｔｐ ピーク期間
ＴＰＲ ピーク期間設定回路
Ｔpr ピーク期間設定信号
Ｔｕ 立上り期間
ＴＵＲ 立上り期間設定回路
Ｔur 立上り期間設定信号
ＶＡＶ 電圧平均化回路
Ｖav 電圧平均信号
Ｖｂ ベース電圧
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
ＶＦ Ｖ／Ｆコンバータ
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＬ リアクトル

Claims (2)

1. 溶接ワイヤを送給し、立上り期間中はベース電流からピーク電流へと上昇する遷移電流を通電し、ピーク期間中は前記ピーク電流を通電し、立下り期間中は前記ピーク電流から前記ベース電流へと下降する遷移電流を通電し、ベース期間中は前記ベース電流を通電し、これらの通電を１パルス周期として溶接電流を通電し、
   前記ベース期間中の溶接電圧の上昇に基づいて磁気吹きを判別し、前記磁気吹きを判別すると前記ベース電流を増加させるパルスアーク溶接の磁気吹き抑制制御方法において、
   前記磁気吹きを判別すると積算カウンタをカウントアップする第１工程と、
   前記積算カウンタが基準値に達すると、前記立上り期間及び／又は前記立下り期間を長くすると共に前記積算カウンタをリセットする第２工程と、を備えており、
   溶接中は前記第１工程及び前記第２工程を繰り返して行う、
   ことを特徴とするパルスアーク溶接の磁気吹き抑制制御方法。
2. 前記第１工程は、所定のパルス周期連続して前記磁気吹きが判別されないときは前記積算カウンタをカウントダウンする、
   ことを特徴とする請求項１に記載のパルスアーク溶接の磁気吹き抑制制御方法。

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