JPH0160351B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は消耗性電極を定速度送給して溶接する
パルスアーク溶接装置に関するものである。

消耗電極（以下、ワイヤという。）を定速度送
給して溶接するパルスアーク溶接方法は、一般
に、溶融したワイヤ先端の溶滴を細粒にして円滑
に移行（以下、スプレー移行という。）させ、か
つ、アーク長を一定に維持することによつて、安
定したアークを発生させて均一な溶接結果を得る
とともにスパツタの発生の少ない溶接物を得よう
とするものである。このワイヤには、スプレー移
行が行なわれない程度の低電流すなわち臨界電流
値以下のベース電流と周期的に臨界電流値以上の
高電流にするためのパルス電流とが供給されてス
プレー移行が行われる。さらにワイヤは定速度送
給されているために、アーク長の変動に対して溶
接電源の自己制御作用によつてアーク長を略一定
に維持することが広く採用されている。すなわ
ち、ベース電流供給用電源（以下、ベース電源と
いう。）を定電圧特性としパルス電流供給用電源
（以下、パルス電源という。）を定電流特性又は多
少の傾斜を有する垂下特性（以下、定電流特性と
いう。）とする第１の方式と、逆にベース電源を
定電流特性としパルス電源を定電圧特性とする第
２の方式とがある。

第１の方式においては、アーク長がワイヤ送給
速度の変化、手振れ、被溶接物の表面状態等によ
つて変動してもパルス電流のピーク値Ipは変化し
ないので、安定したスプレー移行が行われる利点
があるが、アーク長が大きくなるにつれて動作点
が電流減少方向に移動してアーク電圧Vaが高く
なつてベース電源の無負荷電圧Vb₀に近ずき、特
にベース電流値を小さく設定したときには無負荷
電圧Vb₀が小になるために、小電流で薄板の溶接
をする場合、アークが不安定になりやすく、特に
高速度溶接をする場合には、アーク切れが生じる
欠点があつた。

また、第２の方式においては、ベース電流値を
小さく設定した場合であつてもベース電源の特性
が定電流特性であるので、アーク長が大になる方
向に変動してもアーク切れが生じることがない
が、アーク長の変動につれてパルス電流のピーク
値が大幅に変化し、特にパルス電流値が小になる
とワイヤ先端から離脱する溶滴が大粒になるため
に、円滑なスプレー移行が行われなくなる欠点が
あつた。

ここで、パルス電流が溶接結果に及ぼす影響に
ついて検討する。パルスアーク溶接において、円
滑なスプレー移行を維持させるためのパルス電流
の要素としては、パルス電流のピーク値Ipとパル
ス継続時間（以下、パルス幅という。）Tpとパル
ス周波数ｆとがあるが、これらの３要素はベース
電流とともにワイヤ先端を加熱・溶融させるもの
である。パルス周波数ｆをワイヤ送給速度Ｖに対
応した値に選定することによつて、パルス電流の
周期と溶滴移行の周期とを一致させると、円滑な
スプレー移行が行われる。つぎに、パルス電流ピ
ーク値Ipは、溶融したワイヤ先端からIp²に比例
するピンチ力によつて溶滴を離脱させる効果を有
する最も重要な要素であり、パルス電流値Ipが大
になれば細粒の溶滴が規則正しく移行し、逆にパ
ルス電流値Ipが小になれば大粒の溶滴が不規則に
移行するようになる。したがつて、パルス電流値
Ipを一定に保持しなければ円滑なスプレー移行を
行うことができない。さらに、溶融したワイヤ先
端から溶滴を離脱させる条件として、所定のパル
ス幅Tpも必要であるが、溶滴の離脱がピンチ力
によるものであるから、パルス幅Tpは、上述し
たパルス電流値Ipとの関連において溶滴の離脱を
左右する。

つぎにアーク長は、ワイヤ先端の溶融速度の大
小に左右され、この溶融速度を左右する要素とし
ては、前述したパルス周波数ｆ（周期Ｔ＝１／ｆ）又 はパルス幅Tp、さらにこれらの要素を含んだワ
イヤの先端に通電する溶接電流の平均値Ia＝
（Ib・Tb＋Ip・Tp）／Ｔがある。この平均値Ia
は、ベース電流値Ib、ベース電流期間Tb、パル
ス電流値Ip、パルス幅Tpによつて定まるが、Ip
は前述したように設定した略一定値に保持しなけ
ればならないので、変化させることができない。
TbはＴ−Tpで定まるので通常、独立して変化さ
せられない。Ibを変化させることによつてIaを変
化させることはできる。さらに、Tpはその継続
時間が短いときは、溶滴の離脱の可否を左右する
が、ある程度例えば5ms以上では溶滴の離脱の可
否を左右することがないので、このTpを変化さ
せてもIaを変化させることができる。したがつ
て、ワイヤ先端に通電する溶接電流の平均値を変
化させる要素としては、パルスの周期Ｔおよびパ
ルス継続時間Tp、さらにベース電流Ibがある。

以上の検討結果から、第１図に示すような第３
の方式が開発された。この第３の方式は、 (ア) 略一定値の電流を出力するベース電流供給用
電源１（以下、ベース電源という。）および略
一定ピーク値のパルス電流を出力するパルス電
流供給用電源２０（以下、パルス電源という。）
の特性を、前述したようにアークの安定性、特
に溶滴移行の安定性をよくするために、いずれ
も垂下特性又は定電流特性とし、 (イ) また、ワイヤは、ワイヤ送給速度設定回路１
１に設定された略一定速度で送給し、 (ウ) パルス電流のピーク値Ipは設定された略一定
値とし、パルス周波数ｆは、ワイヤ送給速度設
定回路１１の速度設定信号V_sに対応した値と
し、さらに、パルス幅Tpは、溶接電圧設定回
路３１の溶接電圧設定信号E_sと溶接電圧検出信
号Edとの差の信号に対応させて変化させ、 (エ) パルス電流の周波数ｆに対応したパルス周波
数信号Efとパルス電流幅に対応したパルス幅
信号Etとをスイツチング回路２２に供給して
溶接電圧が略一定値になるように制御してい
る。

同図において、ベース電流設定回路２によつて
設定されたベース電流Ibは、ベース電源１からリ
アクトルＬ１を経て又はリアクトルＬ１を通らな
いでワイヤ３、アークおよび被溶接物４より成る
溶接負荷Ｒに供給される。ワイヤ送給速度設定回
路１１の出力信号（ワイヤ送給速度設定信号）
V_s1とワイヤ送給装置１４のワイヤ送給速度に比
例した検出信号（ワイヤ送給速度検出信号）Vd
とが比較回路１２に入力され、その差の信号が増
幅回路１３を通してワイヤ送給装置１４に供給さ
れてワイヤ３が略一定速度で送給される。パルス
電源２０から出力されるパルス電流Ipは、後述す
るスイツチング制御回路４０の出力信号Eftによ
つて制御されるスイツチング回路２２を通じて溶
接負荷Ｒに供給される。一方、ワイヤ送給速度設
定回路１１から出力されるワイヤ送給速度設定信
号に対応する信号Vs₂は、パルス周波数演算回路
１５に入力されて、設定されたワイヤ送給速度に
適切なパルス周波数に相当する信号V_s3に変換さ
れる。この変換された出力信号V_s3は、V/F変換
回路１６によつて、パルス電流の周波数ｆに対応
した第２図ａに示す形状のパルス周波数Efに変
換される。他方、溶接電圧設定回路３１の出力信
号（溶接電圧設定信号）E_sと溶接電圧検出回路３
２から出力された溶接電圧検出信号Edとが、比
較回路３３に入力され、その差の信号はスイツチ
ング制御回路４０に供給される。スイツチング制
御回路４０は、後述する溶接電圧・パルス幅回路
（以下、パルス幅回路という。）４１とフリツプフ
ロツプ回路（以下、FF回路という。）とによつて
構成され、この変換回路４１に供給された差の信
号は、第２図Ｂに示すように、この差の信号の大
きさに対応した周期で変化するパルス幅信号Et
に変換される。このパルス幅回路４１には、前述
したV/F変換回路１６からパルス周波数信号に対
応する信号E′fも入力されるので、このパルス幅
回路４１から出力されるパルス幅信号Etは、パ
ルス周波数信号Efに同期し、かつこの信号Efの
周期よりも短くなつている。パルス周波数信号
EfがFF回路のセツト端子Ｓに供給されると、第
２図Ｃに示すように、このFF回路からパルス周
波数・幅信号Eftが出力されスイツチング回路２
２を動作させて第２図Ｄに示すようにパルス電流
Ipをパルス電源２０から溶接負荷Ｒに供給され
る。続いて、パルス周波数信号Efの周期よりも
短い周期のパルス幅信号EtがFF回路のリセツト
端子Ｒに供給されると、スイツチング回路２２は
動作を停止してパルス電流がしや断され、ベース
電源１からのベース電流Ibだけが溶接負荷Ｒに供
給される。

したがつて、第１図に示す従来の装置において
は、パルス電流の３要素のうちのピーク値Ipはワ
イヤ径に対応させて一定値に設定されるが、パル
ス周波数ｆはワイヤ送給速度設定信号V_s2に対応
させて変化させるとともに、パルス幅Tpも溶接
電圧設定信号E_sと溶接電圧検出信号Edとの差の
信号に対応させて変化させている。このように従
来の装置では、まず第１に、パルス周波数ｆとパ
ルス幅Tpとの２つを制御しなければならないの
で、制御が複雑になること、第２に、設定したワ
イヤ送給速度に適正なパルス周波数ｆを演算して
求めるパルス周波数演算回路１５が必要であるこ
と、第３に、ワイヤ材質、ワイヤ直径などによつ
てワイヤ送給速度に対する適正なパルス周波数が
異なるために、演算回路をそれに応じて切替えな
ければならないこと等のために回路が複雑になる
だけでなく、さらに第４に、パルス電流の幅が溶
接電圧によつて変動するために、溶滴の大きさが
均一でなくなり、スムーズな溶滴移行が得られな
い欠点があつた。

本発明は、消耗性電極を定速度送給して溶接す
るためのベース電源およびパルス電源の特性をい
ずれも垂下特性又は定電流特性とする装置におい
て、ワイヤの直径又は直径と材質とが定まれば、
パルス電流の３要素（パルス電流ピーク値Ip、パ
ルス周波数ｆ、パルス幅Tp）のうちのパルス周
波数のみを、溶接電圧設定信号E_sと溶接電圧検出
信号Edとの差の信号によつて制御するようにし
た装置を提供したものである。

以下、本発明を第３図乃至第８図を参照して説
明する。

第３図は、本発明の第１の実施例を示し、ベー
ス電流およびパルス電流の通電回路は、ベース電
源１、ベース電流設定回路２、リアクトルＬ１、
ワイヤ３とアークと被溶接物４とより成る溶接負
荷Ｒ、パルス電源２０、パルス電流ピーク値設定
回路２１およびトランジスタ、GTOサイリスタ
等の半導体素子のスイツチング回路２２より成
り、第１図の従来例と同一に構成されている。ま
た、ワイヤ送給制御回路は、ワイヤ送給速度設定
回路１１、比較回路１２、増幅回路１３およびワ
イヤ送給装置１４より成り、第１図の従来例と同
一に構成されている。しかし、溶接電圧制御回路
は、溶接電圧設定回路３１、溶接電圧検出回路３
２、比較回路３３、V/F変換回路V/Fおよびスイ
ツチング制御回路４０とから構成されている。本
発明の装置においては、第１図の従来の装置のパ
ルス周波数演算回路１５およびスイツチング制御
回路４０内の溶接電圧・パルス幅変換回路（パル
ス幅回路）４１が省略され、予め定めた一定のパ
ルス幅を設定するモノステーブルマルチ回路（以
下、MM回路という。）MMが付加されている。
また、V/F変換回路は、従来の装置ではワイヤ送
給速度設定信号に相当する信号V_s2を入力として
その設定されたワイヤ送給速度に適したパルス周
波数を演算する回路１５の出力回路に接続されて
いたのに対して、本発明の装置では、溶接電圧設
定信号E_sと溶接電圧検出信号Edとの差の信号を
出力する比較回路３３に接続されている。

つぎに、第３図の実施例の動作について説明す
る。

溶接開始前に、使用するワイヤ、被溶接物、溶
接姿勢等の種類に応じて少なくともアークが継続
する程度のベース電流値Ibをベース電流設定回路
２に設定し、また円滑にスプレー移行が行われる
ようなパルス電流のピーク値Ipをパルス電流ピー
ク値設定回路２１に設定し、さらに、適切な溶接
電圧値を溶接電圧設定回路３１に設定する。ま
た、パルス電流のパルス幅は、パルス幅設定回路
４２によつて予め設定することができる。これら
の設定をした後に、ベース電源１の出力電圧をワ
イヤ３と被溶接物４とに印加してワイヤ３を送給
するとアークが発生する。アークの発生によつ
て、溶接電圧設定回路３１から出力される溶接電
圧設定信号E_sと溶接電圧検出回路３２から出力さ
れる溶接電圧検出信号Edとが比較回路３３に入
力され、それらの差の信号がV/F変換回路V/Fに
入力される。このV/F変換回路は、第４図Ａに示
すようなパルス電流の周波数ｆを定めるパルス周
波数信号Efを出力し、さらにこの信号Efは、ス
イツチング制御回路４０を構成するMM回路に供
給される。MM回路は、第４図Ｂに示すように、
パルス周波数信号Efの零値から予め設定された
時間幅Tpだけパルス周波数・幅信号Eftを出力す
る。スイツチング回路２２は、第４図Ｃに示すよ
うに、この信号Etfが供給されている期間Tpだけ
導通して、パルス電源２０からピーク値Ipのパル
ス電流を溶接負荷Ｒに供給し、期間Tp経過後か
ら次回の動作開始時までは、スイツチング回路２
２はしや断されるので、溶接負荷Ｒにはベース電
流Ibのみが供給される。

溶接アーク発生中に、例えば、電源電圧の瞬時
的低下又はワイヤ３がワイヤリールから巻き出さ
れるときの抵抗が大となつてワイヤ送給速度が一
時的に低下してアーク長が大になつたような場合
には、溶接電圧が高くなるので、V/F変換回路に
入力される溶接電圧設定信号E_sと溶接電圧検出信
号Edとの差の信号が小となり、したがつてV/F
変換回路から出力されるパルス周波数信号Efの
周期Ｔが大となり、パルス周波数ｆは小さくな
り、それにつれてワイヤ先端から離脱する溶滴回
数が減少するので、ワイヤ送給速度よりワイヤ溶
融速度が減少しアーク長が減少してもとの適正値
に復帰する。また、電源電圧の瞬時的上昇によつ
てワイヤ送給速度が増加してアーク長が小になつ
たような場合には、上述した順序と逆の順序でパ
ルス周波数ｆが大となつて溶融速度が増加しアー
ク長が増加してもとの適正値に復帰する。また、
溶接中に、手ぶれ、被溶接物の開先加工状態の変
化等によつてアーク長が変動したり、電源電圧変
動によつてベース電流値が変化してアーク長が変
動したり、これらが重なつてアーク長が変動して
も、アーク長に変動が生じれば、アーク長に比例
する溶接電圧検出回路３２の出力信号Edが変化
するので、いかなる原因であろうとも、パルス電
流の周波数ｆを変化させて溶滴の移行回数を変化
させることにより、常に適正なアーク長を保持さ
せることができる。また、これらのアーク長の変
動に対して、パルス電流のピーク値Ipおよびパル
ス幅Tpは一定に保持されるので、移行する溶滴
の大きさは均一になり、スムーズなスプレー移行
が行われる。

第５図は、本発明の第２の実施例であつて、第
３図の実施例とは、スイツチング制御回路４０の
内部構成が相違している。第５図の実施例では、
第３図のMM回路の代りに発振回路HFとフリツ
プフロツプ回路FF（以下第１図と同様にFF回路
という）とが使用されている。この実施例におい
ても第３図の実施例と同様に信号E_s−EdがV/F
変換回路が供給されると、V/F変換回路は第６図
Ａに示すようなパルス周波数信号Efを出力して
FF回路のセツト端子Ｓに入力され、FF回路をセ
ツトし、その出力信号Eftがスイツチング回路２
２に供給されると、スイツチング回路２２が動作
してパルス電流Ipが溶接負荷Ｒに供給される。ま
た発振回路HFは、第３図Ｂに示すようにパルス
周波数信号Efよりも周期が短く、かつパルス周
波数信号Efの零点に同期した周期Tpのパルス幅
信号Etを出力する。このパルス幅信号Etは、FF
回路のリセツト端子Ｒに供給され、FF回路は第
３図Ｃに示すようなパルス周波数・幅信号Eftを
停止する。したがつて、スイツチング回路２２
は、パルス電流Ipを停止し、溶接負荷Ｒにはベー
ス電流Ibが供給される。以下、同様の順序でパル
ス電流Ipとベース電流Ibとが繰り返される。第５
図に示す実施例において、アーク長が変動する
と、第３図の実施例と同様にして適正なアーク長
に復帰する。

第７図は、本発明の第３の実施例であつて、第
３図の実施例とは、パルス電源２０の内部構成が
相違している。第３図の実施例のパルス電源２０
は、垂下特性又は定電流特性であつたのに対し
て、第７図の実施例のパルス電源２０は、定電圧
特性のパルス電流用整流回路２０ａ、パルス電流
ピーク値検出回路２０ｂ、パルス電流のピーク値
設定信号Ep₁とパルス電流のピーク値検出信号Ei
とを入力とする比較回路２０ｃおよびスイツチン
グ回路２２とから構成されている。このパルス電
源２０は、パルス電流ピーク値設定信号Ep₁とパ
ルス電流ピーク値検出信号Eiとを比較回路２０ｃ
で比較してその差信号をAND回路を通じてスイ
ツチング回路２２に供給すると、パルス電流のピ
ーク値Ipが略一定になるようにスイツチング回路
２２はオン・オフ制御する。また、このスイツチ
ング回路２２は、パルス周波数・幅信号Eftが
AND回路を通じて供給されているTpの期間中に
動作する。したがつて、このスイツチング回路２
２は、パルス電流のピーク値Ipを略一定にするた
め比較回路２０ｃの出力信号Ep₂とパルス電流の
パルス幅Tpを略一定にしてパルス周波数ｆを制
御するパルス周波数・幅信号Eftとを入力とする
AND回路の出力信号Epftを入力として、周波数
ｆでパルス幅がTpのパルス電流の通電期間中に
おいても、パルス電流のピーク値が略一定になる
ようにオン・オフ制御をする。スイツチング回路
２２にパルス周波数・幅信号Eftが供給されない
期間中においては、ベース電流Ibのみが溶接負荷
Ｒに供給される。第７図に示す実施例において、
アーク長が変動すると、第３図の実施例と同様に
して適正なアーク長に復帰する。

第８図は、本発明の第４の実施例であつて、第
３図の実施例とは、溶接電圧設定回路３１の構成
が相違し、本実施例では、溶接電圧設定回路３１
は、ワイヤ送給速度設定信号に相当する信号V_s4
を、その設定したワイヤ送給速度に適した溶接電
圧に相当する信号に変換するための溶接電圧演算
回路３１ａと溶接電圧微調整回路３１ｂとから構
成され、ワイヤ送給速度と溶接電圧とが一元調整
できるようになつている。第８図の実施例におけ
る上記以外の動作は、第３図の実施例と同一であ
るので省略する。

以上のように、本発明の装置によると従来の装
置にくらべてつぎのような効果を有している。

(1) 従来の装置では、パルス周波数ｆとパルス幅
Tpとの２つを制御しなければならないので複
雑であるのに対して、本発明の装置では、パル
ス周波数ｆだけを制御するので、制御が簡単で
ある。

(2) 従来の装置では、設定したワイヤ送給速度に
適正なパルス周波数ｆを演算して求めるパルス
周波数演算回路１５が必要であるのに対して、
本発明の装置では、このような演算回路が不要
で制御回路が簡単である。

(3) 従来の装置では、パルス電流の幅が溶接電圧
値によつて変動するために溶滴の大きさが均一
でなくなりスムーズな溶滴移行が得られない
が、本発明の装置では、ワイヤの直径および材
質に適したベース電流およびパルス電流の幅を
設定しておけば、溶接電圧の変動に左右される
ことがなく常に均一であるので、移行する溶滴
の大きさが均一になるため、円滑なスプレー移
行溶接を行うことができるなどの利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来のパルスアーク溶接装置の接続
図、第２図は、第１図に示す装置の各部の出力波
形図、第３図、第５図、第７図および第８図は、
それぞれ本発明の装置の第１乃至第４の実施例の
接続図、第４図および第６図は、それぞれ第３図
および第５図に示す装置の各部の出力波形図であ
る。 １…ベース電流供給用電源（ベース電源）、３
…消耗性電極（ワイヤ）、２０…パルス電流供給
用電源（パルス電源）、２２…スイツチング回路、
３１…溶接電圧設定回路、３２…溶接電圧検出回
路、V/F…V/F変換回路、４０…スイツチング制
御回路、MM…モノステーブルマルチ回路、HF
…発振回路、２０ａ…パルス電流用整流回路、２
０ｂ…パルス電流ピーク値検出回路、２０ｃ…
（パルス電源回路内の）比較回路、AND…AND
回路、３１ａ…溶接電圧演算回路、V_s1…ワイヤ
送給速度設定回路の出力信号（ワイヤ送給速度設
定信号）、E_s…溶接電圧設定回路の出力信号（溶
接電圧設定信号）、Ed…溶接電圧検出回路の出力
信号（溶接電圧検出信号）、Ef…V/F変換回路の
出力信号（パルス周波数信号）、E′f…同期信号、
Eft…スイツチング制御回路の出力信号（パルス
周波数・幅信号）、Et…パルス幅信号、Ei…パル
ス電流ピーク値検出回路の出力信号、Ep₁…パル
ス電流ピーク値設定回路の出力信号、Ep₂…（パ
ルス電源回路内の）比較回路の出力信号、Epft…
AND回路の出力信号。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 消耗性電極を定速度送給して溶接するパルス
   アーク溶接装置において、垂下特性又は定電流特
   性のベース電流を溶接負荷に供給するベース電流
   供給用電源と、設定した略一定ピーク値のパルス
   電流を出力するパルス電流供給用電源と、前記パ
   ルス電流供給用電源の出力を開閉して溶接負荷に
   供給およびしや断するスイツチング回路と、溶接
   電圧設定回路と、溶接電圧検出回路と、前記溶接
   電圧設定回路の出力信号と前記溶接電圧検出回路
   の出力信号との差の信号に対応した周波数の信号
   を出力するV/F変換回路と、前記V/F変換回路の
   出力信号を入力として前記スイツチング回路が一
   定時間導通する信号を前記スイツチング回路に出
   力するスイツチング制御回路とよりなるパルスア
   ーク溶接装置。 ２ 前記スイツチング制御回路が、前記V/F変換
   回路の出力信号を入力として予め設定された時間
   幅の信号を出力するモノステーブルマルチ回路で
   ある特許請求の範囲第１項に記載のパルスアーク
   溶接装置。 ３ 前記スイツチング制御回路が、前記V/F変換
   回路の出力信号を同期信号として予め設定された
   周波数の信号を出力する発振回路と、前記V/F変
   換回路の出力信号によつてセツトされて前記スイ
   ツチング回路に信号を出力した後、前記発振回路
   の出力信号によつてリセツトされて前記スイツチ
   ング回路への信号をしや断する回路である特許請
   求の範囲第１項に記載のパルスアーク溶接装置。 ４ 前記パルス電流供給用電源が、直流電流を出
   力するパルス電流用整流回路と、パルス電流のピ
   ーク値を検出するパルス電流ピーク値検出回路
   と、パルス電流のピーク値を設定するパルス電流
   ピーク値設定回路と、前記パルス電流ピーク値検
   出回路の出力信号と前記パルス電流ピーク値設定
   回路の出力信号とを比較してその差に応じた信号
   を出力する比較回路と、前記比較回路の出力信号
   と前記スイツチング制御回路の出力信号とが同時
   に入力されたときに前記スイツチング回路が動作
   する信号を出力するAND回路とから成る特許請
   求の範囲第１項に記載のパルスアーク溶接装置。 ５ 前記溶接電圧設定回路が、ワイヤ送給速度設
   定回路の出力信号を入力としてその設定値に応じ
   た溶接電圧に相当する信号を演算して出力する溶
   接電圧演算回路である特許請求の範囲第１項に記
   載のパルスアーク溶接装置。