JPH042348B2

JPH042348B2 -

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Publication number: JPH042348B2
Application number: JP59211198A
Authority: JP
Priority date: 1981-04-09
Filing date: 1984-10-08
Publication date: 1992-01-17
Also published as: JPS60158984A; US4384188A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、アーク溶接方法に関し、特にパルス
化直流アーク溶接方法に関する。

２つの金属部片をアーク溶接により接合するこ
とを必要とする場合は多々ある。例えば、空調装
置の熱交換器は、薄肉アルミニウム管の分節体を
連結して冷媒流のための連続した管回路を形成す
ることによつて構成される。これらの管分節体は
漏れを生じないように接合しなければならない。
そのような接合を行う１つの方法は、アーク溶接
による方法である。

金属の表面に水分や、グリスや、油膜や、その
他の異物が存在すると、アーク溶接の品質を劣化
させるおそれがある。表面に酸化皮膜が生じるの
を防止することが困難な、アルミニウム、マグネ
シウム、ベリリウム銅合金などの金属は、良質の
溶接を形成する上で特に困難な問題を提起する。
なぜなら、それらの金属は、空気に露出される
と、その表面に瞬間的に酸化膜が生じるからであ
る。酸化物は、溶接工程中非金属の塩素または弗
素ベースのフラツクスを用いることによつて除去
することができるが、このフラツクスは腐蝕性で
あり、周囲環境との適合性が悪い。従つて、特に
アルミニウム、マグネシウムおよびベリリウム銅
合金などの金属はフラツクスを使用せずにアーク
溶接することが好ましい。

フラツクスレス（フラツクス無し）溶接は、あ
る種の交流（AC）アーク溶接法を用いることに
よつて可能とされる。そのようなACアーク溶接
法は、例えば米国特許第3894210号に開示されて
いるが、アルミニウム、マグネシウムおよびベリ
リウム銅合金などのある種の材料を溶接するのに
特に適している。なぜなら、加工物の表面に酸化
物が存在していても溶接を形成することができる
からである。しかしながら、交流ではなく、直流
（DC）アーク溶接を用いることが望ましい用例が
多々ある。例えば、空調装置の熱交換器を構成す
るためのアルミニウム等の薄肉部分は、ACアー
ク溶接を用いて溶接するのは困難である。なぜな
ら、ACアーク溶接の場合、フラツクスを使用せ
ずに溶接を行い、酸化物を消散させるには加工物
へ相当なパワー流を供給しなければならない。し
かし、このパワー流は、加工物が望ましくない温
度にまで加熱してしまう。なぜなら、薄肉の管
は、熱エネルギーを放出するための十分な放熱子
とはならないからである。従つて、加工物即ち管
の溶接部に相当な垂れ下がり（歪曲）が生じ、加
工物が焼切られてしまうおそれがある。溶接部の
このような歪曲は、DCアーク溶接を使用した場
合減少さることができる。また、ACアーク溶接
ではなく、DCアーク溶接を使用した場合、電極
の寿命を延長することもできる。また、DCアー
ク溶接を使用した場合、加工物へのパワー流をよ
り正確に制御することができる。以上は、空調装
置の熱交換器を構成するアルミニウム管の薄肉部
分などのある種の材料を溶接する場合のDCアー
ク溶接法に固有の利点の一部にすぎない。従つ
て、これらの材料は、フラツクスレスACアーク
溶接のような他の技法ではなく、DCアーク溶接
を用いることによつて溶接することができれば、
それが好ましい。

在来のDCアーク溶接法の１つの欠点は、表面
に抑制困難な酸化膜を生じるアルミニウム、マグ
ネシウムおよびベリリウム銅合金のようなある種
の材料をフラツクスなしで溶接することができな
いことである。本発明は、これらの材料をフラツ
クスなしで溶接するための新規なパルス化DCア
ーク溶接法を提供する。本発明のパルス化DCア
ーク溶接法によれば、正の直流の特別なパルスを
アークギヤツプ間に印加して該アークギヤツプの
ところで加工物をアーク溶接する。これらの特殊
なパルスは、慣用のDCパルスに類似した波形を
有しているが、各電流パルスの前縁における維持
電流の強度に対するピークの電流の強度の比率が
特別の特徴をもつように選定する。基本的には、
この比率はできるだけ大きくなるように選定し、
維持電流からピーク電流への増大は、熱衝撃効果
が創生されるような時間間隔で生じるように調節
する。この種の熱衝撃効果は、材料をろう付けに
よつて接合する多段熱処理工程の一部分としての
真空ろう付けの分野において周知である。基本的
には、この熱衝撃効果は、下にある純粋の金属材
料の熱膨脹係数より相当に低い熱膨脹係数を有す
る表面酸化物を急激に加熱することから生じる。
即ち、この急激な加熱が不均一な熱膨脹を起し、
それによつて加工物の表面上の酸化物を破断し裂
開する。

この裂開した酸化物は、本発明のDCアーク溶
接工程中酸化膜の下の純粋な材料の融解および接
合により溶接区域から押しのけられる。本発明の
アーク溶接を用いた場合に溶接が形成される原因
としては他の物理的現象も干与しているかもしれ
ないが、熱衝撃効果は、酸化物を消散させる主た
る作用であると考えられる。酸化物の消散に干与
している正確な物理的現象が何であれ、各電流パ
ルスの前縁における維持電流に対するピーク電流
の比率を最大限にするという特徴が、このDCア
ーク溶接法の枢要の要件である。この特徴は、熱
衝撃効果が酸化物を消散させる主たる因子である
と考えた場合に最も合理的に説明される。

本発明のアーク溶接法に従つてアーク溶接する
場合、維持電流、ピーク電流、および維持電流レ
ベルからピーク電流値へ増大する時間の長さの最
適な値は、試行錯誤によつて選定される。これら
の最適値は、溶接すべき加工物の材質および厚
み、およびその他の要素によつて異る。

溶接電極から加工物へのパワー流は、溶接の品
質を決定する上での重要な因子である。時間の関
数としてみた場合パワー流に変動が生じるために
良品質の溶接を常時達成することができない。こ
のようなパワー流の変動が存在するが故に、空調
装置の熱交換器を大量生産する場合薄肉アルミニ
ウム管などのある種の加工物に定常的に良品質の
溶接を形成することは特に困難である。この問題
は、フラツクスレスパルス化DCアーク溶接法を
製造工程に用いた場合でも存在する。

パワー流のこのような変動は、通常、イオン化
ガスの不均質によつて生じる、溶接電極と加工物
との間の抵抗の変動、加工物の寸法のばらつきに
よつて生じるアークギヤツプの離隔寸法の変動、
電源の出力電圧の通常の変動、およびその他の各
種現象によつて惹起される。溶接電極と加工物の
間の抵抗の変動は、溶接電極から加工物に達する
パワー（エネルギー）の量に直接影響する。溶接
の品質を主として決定するのはこのパワー流であ
るからパワー電流を一定した最適値に維持するこ
とが望ましい。

在来のパルス化DCアーク溶接法は、加工物へ
のパワー電流を制御する問題を特に意識していな
い。従来の方法では、単に、電流を定常的な所定
のレベルに維持するためにアークギヤツプ間に印
加される電圧をアークギヤツプの抵抗の変化に応
答して調節することにより電流を調整するだけで
ある。従つて、このような電流調整されるだけの
パルス化DCアーク溶接法では、その通常の作動
において、加工物へのパワー流に変動が生じる。

パルス化DC電源を用いた場合、このパワー流
を制御する１つの方法は、アークギヤツプへ印加
される電流パルスのパルス幅を変えることによつ
て行う方法である。一連の周期的な電流パルスが
用いられる場合、このようにパルス幅を変えるこ
とは、電流パルスのデユーテイ・サイクルを変え
ることになる。従つて、この制御方法は、パルス
幅変調法またはデユーテイ・サイクル変調法と称
することができる。このパワー流制御方法は、本
発明のパルス化DCアーク溶接方法に従つてアー
ク溶接を行うに当つてDCパルスの波形を必要な
形に維持しなければならない場合に特に有用であ
る。即ち、電源によつて加工物に供給される電流
パルスのパルス幅を調整することによつて加工物
へのパワー流を正確に調節することができる制御
方法を用いることが望ましい。このパルス幅の変
調は、電流パルスの全体的な波形を変えることな
く行うことが好ましい。更に、溶接電極と加工物
との間の抵抗の変動を補償するためにパルス幅の
調整によりパワー流を調節することができる制御
方法を用いることが望ましい。

本発明のアーク溶接方法においては、アーク溶
接中アークギヤツプのところで加工物に供給され
る電流パルスのパルス幅を、電圧検出器と、ハ
イ・ロー調整器と、パルス幅制御信号発生器とか
ら成るフイードバツク制御回路により調節するこ
とができる。このフイードバツク制御回路は、パ
ルス化DCアーク溶接用電源を制御する。電圧検
出器は、時間の関数としてのアークギヤツプ間の
電圧降下を検出する。この電圧は、アークギヤツ
プ間の抵抗に比例する。従つて、電圧検出器は、
アークギヤツプにおける加工物へのパワー流に影
響を及ぼすパラメータ、例えば溶接電極と加工物
との間の離隔距離などの変動を直接的に表示す
る。検出された電圧は、ハイ・ロー調整器へ入力
され、該ハイ・ロー調整器はこの電圧信号を処理
して電圧が所定の上限より増大したか、あるいは
所定の下限より低下したかを見定める。どちらか
の状態が生じると（即ち電圧が上限を越えるか、
下限より低下すると）ハイ・ロー調整器は出力信
号を発生し、該出力信号がパルス幅信号発生器へ
送給される。

パルス幅信号発生器は、パルス化DCアーク溶
接用電源に電圧制御信号を常時供給し、電源によ
つてアークギヤツプへ供給される電流パルスのデ
ユーテイ・サイクルを制御する。操作者は、最
初、最適な溶接特性を与えるような、電流パルス
のための特定のデユーテイ・サイクルを選択す
る。この最適のデユーテイ・サイクルは、溶接す
べき加工物の材質、加工物の厚みおよびその他
の、それに類する要因によつて異るものであり、
試行錯誤によつて選定する。ハイ・ロー調整器
は、パルス幅信号発生器へ補助電圧信号を供給
し、該発生器の制御信号を変更させる。即ち、発
生器の制御信号は、DC電源からアークギヤツプ
へ供給される電流パルスのデユーテイ・サイクル
を該補助電圧信号の変化に応答して増減させるよ
うに変更される。かくして、電流パルスのデユー
テイ・サイクルは、アークギヤツプ間の電圧降下
の変化に応答して変更される。デユーテイ・サイ
クルのこの変更により、アークギヤツプにおける
加工物への時間平均パワー流が最初に選択された
最適デユーテイ・サイクルに対応するパワー流の
レベルに維持される。この制御操作は、周波数や
ピーク電流などの、電流パルスの他のどの特性に
も影響を及ぼさない。かくして、パワー流は、電
流パルスの全体的波形を変えることなく、自動的
に最適レベルに維持される。従つて、この最適パ
ワー流は、例えば溶接電極と加工物との離隔距離
の変化などのような、加工物へのパワー流に影響
を及ぼすパラメータの変化があつても、維持され
る。

本発明のアーク溶接方法においては、上述した
フイードバツク制御回路の代りに、アーク溶接用
電源のための制御回路内に設けたプログラマブル
パルス幅制御器を用いて電源からアークギヤツプ
へ供給される電流パルスのパルス幅を調節するよ
うにすることもできる。この調節は、アークギヤ
ツプにおける加工物へのパワー流に影響を及ぼす
パラメータの変化を補償する。アーク溶接用電源
が慣用のパルス化DC電源である場合は、上記プ
ログラマブルパルス幅制御器は、単に、可変抵抗
器と並列に接続した常閉の時間遅延スイツチであ
つてよく、該常閉時間遅延スイツチが所定の時間
遅延後開放されたときアーク溶接用電源のための
慣用のインパルサー制御回路に上記可変抵抗器を
介在させる働きをする構成とすることができる。
プログラマブルパルス幅制御器は、インパルサー
から出力される電圧制御信号のパルス幅を自動的
に変更させるようにインパルサー信号幅調節器と
インパルサー出力信号発生器との間に電気的に接
続する。これにより、慣用のアーク溶接装置の電
源の作動が直接インパルサーによつて制御される
ので、電源は、アークギヤツプへ供給する電流パ
ルスのデユーテイ・サイクルを自動的に変更す
る。より複雑な電流プログラムが必要な場合は、
回路内に挿入する時間遅延スイツチおよび抵抗器
の個数を増加してもよく、あるいは別の回路構成
を用いてもよい。

以下に、添付図を参照して本発明の実施例を説
明する。

第１図を参照すると、本発明のパルス化直流ア
ーク溶接方法を実施するためのアーク溶接装置の
ブロツク図が示されている。このアーク溶接装置
は、アークギヤツプ３へ供給される直流（DC）
パルスのパルス幅を変調するためのフイードバツ
ク制御回路２を備えている。本発明によれば、こ
れらのパルスは、アークギヤツプ３の間に一定の
時間平均パワー流を供給するように、ピーク値を
一定に維持したままパルス幅を変更する。電極１
２からアークギヤツプ３を横切つて加工物１へ供
給させる電流は電源４の作動によつて決定する。
電源４は、市販されているいろいろな種類の電源
のうちの１つであつてよい。本発明のパルス化
DCアーク溶接法は、その肝要の要件として、各
電流パルスの前縁におけるピーク電流値対維持電
流レベルの比率をできるだけ高くすることを必要
とする。従つて、本発明の溶接法を使用する場
合、上記所要の比率を得るために、加工物の材質
によつて異るが、比較的高いピーク電流能力を有
する電源を使用する必要がある。そのような高い
電源能力が得られるように慣用の電源を改変する
ことができることは当業者には明らかであろう。

電源４の作動は、インパルサー１０と電流調整
器１１との連携によつて制御する。これは、慣用
の電源制御機構である。また、アークギヤツプ３
の間への初期電流は、高電圧高周波数アーク始動
器５によつて制御する。これも、アーク溶接装置
の慣用の構成要素である。アーク始動器５は、ガ
ス供給源６から電極ホルダ１５内の通路１４を通
してアークギヤツプ３へ供給される不活性ガスを
イオン化することによつて該アークギヤツプ間に
電流の通路を開始させるための高電圧を供給す
る。電流の通流が開始された後は、アーク始動器
５はその作動を停止する。それ以後は、不活性ガ
スは、電源４の作動によつてイオン化され、アー
ク溶接工程中アークギヤツプ３の間に電流を維持
する。不活性ガスの連続供給により、不純物が溶
接区域に進入するのを防止され、溶接工程中酸化
物などの表面皮膜が加工物１上に生じるのを防止
される。ただし、酸化物の発生を防止し、不純物
が溶接部へ進入するのを防止するために、例えば
アークギヤツプ３のところに真空を設定するなど
の他の手段が講じられる場合は、溶接工程中不活
性ガスを供給する必要はない。

電極ホルダ１５は、いろいろな構造のうちの任
意の適当な構造とすることができる。例えば、ホ
ルダ１５は、加工物１の幾つかの選ばれた部位に
溶接を施すために加工物とホルダとを相対的に回
転させるようにする移動ヘツド型とすることがで
きる。あるいはまた、ホルダ１５は、加工物に連
続した溶接または一連の点溶接を施すように作動
させることができる。

電圧感知器７は、電気導線１９，２０を通して
アークギヤツプ３の間の電圧を検出する。この電
圧は、アークギヤツプ３の間の抵抗に比例する。
電圧感知器７は、アークギヤツプ３で検出した抵
抗を表示する電気信号をハイ・ロー調整器（電圧
上・下限調整器）８へ供給する。ハイ・ロー調整
器８は、デユーテイ・サイクル信号発生器９へ、
アークギヤツプ３における加工物１への一定した
時間平均パワー流を維持するのに電流パルスのパ
ルス幅を増大または減少させる必要があるかどう
かを表示する制御信号を供給する。ハイ・ロー調
整器８は、電圧感知器７によつて検出されたアー
クギヤツプ３の電圧が所定の上限値を越えるか、
あるいは所定の下限値より低下したときのみ制御
信号をデユーテイ・サイクル信号発生器９へ供給
するように構成する。デユーテイ・サイクル信号
発生器９は、インパルサー１０へ連続制御信号を
供給し、アークギヤツプ３の間に所定のベースラ
インのパルス化DC電流を設定する働きをする。
しかしながら、デユーテイ・サイクル信号発生器
９は、ハイ・ロー調整器８から信号を受取ると、
それに応答してインパルサー１０の作動を変更さ
せる。即ち、発生器９は、ハイ・ロー調整器８か
ら受取つた制御信号に従つて電流パルスのパルス
幅を増減させるための信号をインパルサー１０へ
送給する。

アークギヤツプ３のパワー流関連状態を検出す
るのに使用しうる感知器は、必ずしも電圧感知器
７の型式のものでなくともよく、例えば、薄膜抵
抗温度検出器（RTD）を加工物１に付設してお
き、加工物１の温度の関数として電気信号を発生
するようにしてもよい。加工物１の温度の変化
は、加工物へのパワー流の変化を表わす信頼しう
る尺度である。RTDの電気信号を用いて、ハ
イ・ロー調整器８にパワー電流を表わす電圧信号
を供給し、その電圧信号を電圧感知器８からの電
気信号の場合と同様にしてハイ・ロー調整器８に
よつて処理するようにすることができる。

第２図を参照すると、時間の関数としてパルス
幅が変化するが、パルス間の時間Toが一定であ
る電流パルスの概略グラフが示されている。この
正のDCパルスは、上述した新規なDCアーク溶接
法の特殊なパルスであることが好ましい。即ち、
各電流パルスの前縁における維持電流に対するピ
ーク電流の比率が、加工物１の表面に生じた酸化
物を消散させるための熱衝撃効果を創生するよう
にできるだけ高くなるように選定される。酸化物
層とその下にある純粋金属との熱膨脹係数の差に
よつて熱衝撃効果が生じ、それによつて酸化物を
消散させる。

本発明によれば、加工物１へのパルス電流を一
定に維持するために、アークギヤツプ３における
抵抗の変化に応じてパルス幅を変化させる。この
ように加工物へのパワー流を一定に維持すること
により溶接の品質を向上させる。加工物への過大
なパワー流を供給することによつて溶接を行うと
加工物に垂れ下がり変形が生じるおそれがある。
また、加工物へのパワー流の供給が過大である
と、加工物が焼切られる可能性もある。反対に、
加工物へのパワー電流の供給が過少であると、加
工物へ完全に浸透するのに十分なパワーが不足す
る場合がある。加工物への最適のパワー電流が維
持されている場合と比べて比較的弱い、耐久性の
ない溶接が形成される。本発明は、常時加工物へ
のパワー流を最適に維持することにより品質の悪
い溶接が形成される可能性を少くする。

説明の便宜上、特定のパルス化DCアーク溶接
法において一定の時間平均パワー流Pcが最適の
溶接の形成を可能とするものと仮定する。時間平
均パワー流の方程式は、Ｐ＝∫^T _OＶ（ｔ）Ｉ（ｔ）dt
である。ここで、Ｖ（ｔ）は時間の関数としての
アークギヤツプ３の間の電圧降下、Ｉ（ｔ）は時
間の関数としてのアークギヤツプ間の電流は、Ｔ
は電流パルスの持続時間である。固定周波数Fo
に対応するパルス持続時間Toが一定であり、電
圧降下Voが一定であり、周期的に変化するアー
クギヤツプ間の電流が各順次の持続時間Toにお
いて反復される以下の関係式によつて与えられる
とする。

Ｉ（ｔ）＝I_pＯｔＸ I_nＸｔTo ここで、I_pは一定したピーク電流値、I_nは一定
した維持電流値であり、説明の便宜上、維持電流
値はゼロとみなすことができる。I_nがゼロである
と仮定して、Ｘに関して積分し、パワー流方程式
を解くと、Ｘ＝Pc／（VoIp）となる。

これは、アークギヤツプ３間の電圧降下が一定
値Voである場合、ピークパルス化電流I_pを維持
したままアークギヤツプにおける加工物１への最
適パワー流P_cを維持するのに必要なデユーテイ・
サイクルである。

アークギヤツプ間の電圧降下が2Voに増大した
とすると、Ｘについてパワー流方程式を解けば、Ｘ＝P_c／（2VoIp）となる。

このように、デユーテイ・サイクルＸは、加工
物１への最適のパワー流P_cを維持するには元のデ
ユーテイ・サイクルの1/2にまで変化させなけれ
ばならない。電圧降下が4Voにまで増大したとす
れば、Ｘ＝P_c／（4VoIp）となり、デユーテイ・サイクルは、一定の最適パ
ワー流P_cを維持するには、元のデユーテイ・サイ
クルの1/4にまで変化させなければならない。

デユーテイ・サイクルＸの上述の変化は、第２
図に例示されている。この例では、アークギヤツ
プ３の間の電圧降下が一定のVoであるとき加工
物１への最適パワー流P_cを維持するのに50％のデ
ユーテイ・サイクルが必要とされると仮定されて
いる。動作時間の残りの50％の間は維持電流I_nだ
けがアークギヤツプ３の間に流れる。第２図に示
される次の２つの信号は、電圧感知器７が2Voに
相当する、アークギヤツプ間の電圧降下の増大を
検出したときに創生されるパルスを示す。電圧降
下の増大は、アークギヤツプ３間の抵抗の増大を
表わす。抵抗が増大し、電圧降下が増大したこと
は、アークギヤツプにおける加工物１への一定の
パワー流P_cを維持するためにはパルス幅（即ちデ
ユーテイ・サイクル）を減少させなければならな
いことを意味する。即ち、第２図に示すように、
デユーテイ・サイクルは25％にまで減少される。
第３群の２つのパルスは、アークギヤツプの電圧
降下が更に4Voにまで減少し、アークギヤツプ間
の抵抗の増大を示したときのパルス幅の変更を示
している。即ち、パルス幅は12.5％にまで減少さ
れている。このように、本発明によれば、加工物
へ供給される瞬間的なパワーは変化するが、加工
物に供給される時間平均されたパワーは一定であ
る。また、電流パルスのピーク値は一定のI_pに維
持されることにも留意されたい。

第３図は、第１図に示されたアーク溶接装置の
電圧感知器７と、ハイ・ロー調整器８と、デユー
テイ・サイクル信号発生器９とから成るフイード
バツク制御回路のための具体的な電気要素を示
す。電圧感知器７は、可変抵抗器２１と、抵抗器
２２と、発光ダイオード（LED）２３とから成
る。電気導線１９と２０は、第１図に示されるよ
うにアークギヤツプ３の両側に接続されている。
可変抵抗器２１は、分圧器として機能し、抵抗器
２２および発光ダイオード２３を通る電流の流れ
を制御する。

ハイ・ロー調整器８は、フオトトランジスタ２
９、演算増幅器３２、および可変抵抗器３４，３
５を含むいろいろな要素から成つている。電圧源
３１に並列に接続されたフオトトランジスタ２９
とコンデンサ３８は、電圧感知器７によつて検出
され、LED２３からフオトトランジスタ２９へ
送られてくる可変アーク電圧を代表する電圧信号
を演算増幅器３０，３２の反転入力へ供給する。
即ち、この代表的電圧信号は、隔離抵抗３９を介
して演算増幅器３０へ、そして隔離抵抗器４０を
介して演算増幅器３２の反転入力へ供給される。
この代表的電圧信号は、デユーテイ・サイクル信
号発生器９の作動を調整するためにハイ・ロー調
整器８によつて処理される入力信号である。フオ
トトランジスタ２９およびコンデンサー３８は抵
抗器２５を介して接地されている。ここで「接
地」という用語は、ハイ・ロー調整器８およびデ
ユーテイ・サイクル信号発生器９を説明するのに
使用された場合、共通の回路というのに等しい。

電圧源３３は、可変抵抗器３４によつて調節さ
れた基準電圧信号を隔離抵抗器３６を介して演算
増幅器３０の反転入力部へ、そして、可変抵抗器
３５によつて調節された基準電圧信号を隔離抵抗
器３７を介して演算増幅器３２の反転入力部へそ
れぞれ供給する。これらの調節された基準信号
は、演算増幅器３０および３２の反転入力部にお
いてフオトトランジスタ２９からの電圧信号と合
算される。

演算増幅器３０，３２の非反転入力部は、それ
ぞれ抵抗４０，４１を介して接地されている。演
算増幅器３０の利得を制御するために増幅器３０
に可変抵抗器４３とコンデンサー４４とが並列に
接続されている。また、演算増幅器３０を通して
の分路能力を与えるために該演算増幅器に並列に
時間遅延スイツチ４５が接続されている。演算増
幅器３２についても同様に、可変抵抗器４６、時
間遅延スイツチ４７、およびコンデンサー４８が
演算増幅器３２に並列に同じ目的のために接続さ
れている。演算増幅器３０の出力部にはダイオー
ド４９、抵抗器５０、および可変抵抗器５２が直
列に接続されている。ダイオード４９は、演算増
幅器３０から負の出力電圧信号の通過を阻止す
る。同様に、演算増幅器３２の出力部にはダイオ
ード５３、抵抗器５４、および可変抵抗器５５が
直列に接続されている。ダイオード５３は、演算
増幅器３２からの正の出力電圧信号の通過を阻止
する。可変抵抗器５２および５５は、それぞれ演
算増幅器３０および３２から出力される電圧信号
の大きさを制御する。演算増幅器３０と３２から
の電圧信号は、合流点５６において合算され、第
１図に示されるデユーテイ・サイクル信号発生器
９へ供給される。

デユーテイ・サイクル信号発生器９は、抵抗器
６０を備えた可変抵抗器５７と、抵抗器６１を備
えた可変抵抗器５８を含む分圧器から成る。発生
器９は、また、演算増幅器５９を包含している。
可変抵抗器５７，５８へは電圧源６２によつて電
圧が供給される。可変抵抗器５８を分路するため
の手段を設けるために該可変抵抗器に並列に時間
遅延スイツチ６３が接続されている。分圧器５
７，５８から出力は、抵抗器６４を通して演算増
幅器５９の反転入力部へ供給される。この電圧信
号は、ハイ・ロー調整器８からの電圧信号と合算
される。演算増幅器５９の非反転入力部は、抵抗
６５を介して接地されている。演算増幅器５９の
利得は、可変抵抗器６６とコンデンサー６８によ
つて制御される。演算増幅器５９からの出力は、
第１図に示されるように導線６９を通してインパ
ルサー１０に供給される。分圧器５７，５８は、
インパルサー１０へ供給するための基準信号が演
算増幅器５９によつて常に発信されるようにす
る。合流点５６に信号が存在する場合、その信号
は、分圧器５７，５８からの出力信号と合算さ
れ、演算増幅器５９へ調節された入力信号を供給
し、それによつて演算増幅器５９からの出力信号
を調節する。

作動において、電圧は、アークギヤツプ３にお
いて電圧感知器７の導線１９，２０を介して検出
される。この電圧信号は、可変抵抗器２１によつ
て調節され、抵抗器２２を通して発光ダイオード
（LED）２３へ供給される。発光ダイオード２３
は、アークギヤツプ３において検出された電圧に
比例して強度の異る光を発する。即ち、検出され
た電圧が高ければ高いほど、LED２３に強度の
高い光を発生させる。フオトトランジスタ２９
は、LED２３からの光の強度を検出する。フオ
トトランジスタ２９とLED２３との相互作用は、
第３図に示されるようにフイードバツク制御回路
２の区域２４内で行われる。フオトトランジスタ
２９は、ハイ・ロー調整器８を電圧感知器７から
電気的に隔離するのに使用され、それによつてア
ーク溶接用電源４をハイ・ロー調整器８から隔離
する。フオトトランジスタ２９の応答速度が比較
的遅いので、望ましくないスプリアス電気干渉が
ハイ・ロー調整器８によつてピツクアツプされる
のを防止する。コンデンサー３８とフオトトラン
ジスタ２９は、アークギヤツプ３において電圧感
知器７によつて検出され、LED２３からフオト
トランジスタ２９へ移送された可変電圧信号から
代表的電圧信号を創生する働きをする。フオトト
ランジスタ２９は電圧源３１によつて付勢され
る。

フオトトランジスタ２９からの代表電圧信号
は、演算増幅器３０，３２の反転入力部において
電圧源３３からの調節された基準電圧と合算され
る。演算増幅器３０および３２へ供給される基準
電圧は、それぞれ可変抵抗器３４および３５によ
つて調節される。これらの基準電圧は、特に定の
予め選定された電圧がアークギヤツプ３において
検出されたとき発信された、フオトトランジスタ
２９からの特定の代表的電圧信号を相殺するよう
に調節される。上記選定された電圧は、加工物１
への高いパワー流レベルに対応する高電圧と、加
工物１への低いパワー流レベルに対応する低電圧
である。高いパワー流レベルとは、最適の時間平
均パワー流レベルより高いパワー流レベルであ
り、低いパワー流レベルとは、該最適レベルより
低いパワー流レベルである。これらの高低パワー
流レベルは、最適溶接のための上下限であり、最
適の溶接を達成するためには時間平均パワー流を
該上下限を越えて変動させることは望ましくな
い。この高電圧と低電圧とは、最適の時間平均パ
ワー流からの変動が全く許容し得ない場合は、同
じになるように選定することになるが、通常は、
ハイ・ロー調整器８がアークギヤツプ３において
加工物１へ供給される電流パルスのデユーテイ・
サイクルを常時調整することになるのを回避する
ために、最適時間平均パワー流からのある程度の
変動が許容される。例えば、上限の高いパワー流
に相当する所定の高電圧信号が検出された場合、
−2.5voltの代表電圧信号がフオトトランジスタ
２９から演算増幅器３０の反転入力部へ送給され
るとすれば、＋25voltの電圧が電圧源３３から演
算増幅器３０の反転入力部へ供給されるように可
変抵抗器３４をセツトする。ダイオード４９によ
つてデユーテイ・サイクル信号発生器９へ通過す
るのを許される正の出力電圧信号は、フオトトラ
ンジスタ２９が−2.5voltより小さい代表電圧信
号を演算増幅器３０の反転入力部へ供給したとき
のみ該演算増幅器から出される。この代表電圧が
−2.5voltより小さい度合は、加工物への最適時
間平均パワー流を維持するのにアークギヤツプ３
における電流信号のデユーテイ・サイクルを減少
させなければならない量に相当する。また、下限
の低いパワー流に相当する所定の低電圧信号が検
出された場合、−1.5voltの代表電圧信号が生じる
とすれば、＋1.5voltの電圧が電圧源３３から演算
増幅器３２の反転入力部へ供給されるように可変
抵抗器３５をセツトする。ダイオード５３によつ
てデユーテイ・サイクル信号発生器９へ通過する
のを許容される負の出力電圧信号は、フオトトラ
ンジスタ２９が−1.5voltより大きい代表電圧信
号を演算増幅器３２の反転入力部へ供給したとき
のみ該演算増幅器から出される。この代表電圧が
−1.5voltより大きい度合は、加工物への最適時
間平均パワー流を維持するのにアークギヤツプに
おける電流信号のデユーテイ・サイクルを増大さ
せなければならない量に相当する。

かくして、演算増幅器３０，３２とダイオード
４９，５３とは、アークギヤツプ３において検出
され、フオトトランジスタ２９へ送られる電圧が
可変抵抗器３４，３５によつてセツトされた限度
を越えたときのみ出力電圧信号を供給する働きを
する。アークギヤツプ３における電圧の変動が上
記上下限を越えない限り、演算増幅器３０，３２
から合流点５６へ電圧信号は出力されない。しか
しながら、検出された電圧が所定の上限または下
限のいずれかを越えた場合は、該検出電圧が限度
を越えた量に相当する量の電圧信号が演算増幅器
３０または３２から出力される。この出力電圧信
号の大きさは、演算増幅器３０のための抵抗器５
０，５２、および、演算増幅器３２のための抵抗
器５４，５５によつて調節される。この調節され
た電圧信号は、演算増幅器５９の反転入力部へ供
給される。

分圧器５７，５８は、演算増幅器５９の反転入
力部へ連続信号をしている。従つて、増幅器３
０，３２から増幅器５９へ電圧信号が供給されな
いときでも、演算増幅器５９は、その反転入力部
へ分圧器５７，５８から供給される信号に相当す
る出力を有する。合流点５６に信号が存在する
と、その信号は、分圧器５７，５８からの信号と
合算され、演算増幅器５９の反転入力部に変更さ
れた信号を供給する。合流点５６における電圧信
号は、電圧感知器７によつてアークギヤツプ３に
おいて検出された電圧に応じて変化する。演算増
幅器５９からの出力信号は導線６９を通してアー
ク溶接装置のインパルサー１０へ送られる。

時間遅延スイツチ４５，４７，６３は、フイー
ドバツク制御回路２がアーク溶接装置のための始
動期間不適正に作動するのを防止するために用い
られる。最初、第３図に示されるようにスイツチ
４５，４７は閉成しており、スイツチ６３は開放
している。スイツチ４５，４７が閉成していると
きは、演算増幅器３０，３２は、それぞれバイパ
ス（分路）され、作動を阻止される。もしアーク
始動器５がアークギヤツプ３において不活性ガス
をイオン化し、アークギヤツプ間に電流の流れを
開始しているときに演算増幅器３０が作動可能状
態にされたとすると、アーク始動器５の作動を無
効にしてしまうことになるからである。従つて、
アーク始動器５がその機能を完了した後、所定の
時間遅延後に常開スイツチ６３が閉成し、常閉ス
イツチ４７が開放する。この第１の所定時間遅延
中は、アークギヤツプ３に供給される電流パルス
は、溶接装置の定常作動にとつて望ましいデユー
テイ・サイクル（パルス幅）より大きいデユーテ
イ・サイクルを有する。第１の時間遅延中におけ
るこの大きいデユーテイ・サイクルは、始動期間
中加工物１への適正な熱伝達、融解および熱浸透
が生じることを保証する。常開スイツチ６３が閉
成すると、可変抵抗器５８がバイパス（分路）さ
れ、それによつて分圧器回路５７，５８から演算
増幅器５９へ供給される電圧信号を低下させる。
これにより演算増幅器５９から出力される電圧制
御信号を変更し、アークギヤツプ３へ供給される
電流パルスのデユーテイ・サイクルを逓降させ
る。電流パルスのデユーテイ・サイクルは、定常
作動にとつて望ましいデユーテイ・サイクル、即
ち、加工物１へ最適パワー流をもたらすように予
め定められているデユーテイ・サイクルにまで減
少される。常閉スイツチ４７は、常閉スイツチ６
３が閉成するのと同時に開放し、それによつて演
算増幅器３２を作動させ、電流パルスの下限調整
を行わせる。即ち、アークギヤツプ３の間の電圧
降下が上記減少されたデユーテイ・サイクルにお
いて最適のパワー流を得るのに十分でない場合
は、演算増幅器３２はこの不足を補償するために
電流パルスのデユーテイ・サイクルを増大させる
働きをする。

上記デユーテイ・サイクルの逓降後そして第２
の所定の時間遅延後、スイツチ４５が開放して演
算増幅器３０を可能化し、電流パルスの上限調整
を行わせる。演算増幅器３０は、始動期間中アー
クの安定化を妨害することがないようにデユーテ
イ・サイクルが逓降された後でなければ可能化さ
れない。スイツチ４５の開放により始動期間が終
了する。また、これによりハイ・ロー調整器８が
演算増幅器３０，３２の作動を介して、先に述べ
たようにデユーテイ・サイクル信号発生器９の演
算増幅器５９によつて出力されるデユーテイ・サ
イクル制御信号を調整させる。

慣用のアーク溶接装置のインパルサー１０は、
一般に、電流調整器１１のための制御信号を発生
する比較器を有する回路を備えている。従つて、
電源４からアークギヤツプ３へ供給される電流パ
ルスのデユーテイ・サイクルは、デユーテイ・サ
イクル信号発生器９からインパルサー１０へ供給
される電圧信号のレベルによつて定められる。即
ち、デユーテイ・サイクル信号発生器９の演算増
幅器５９からの電圧信号の大きさが増大すると、
アークギヤツプ３へ供給されるパルスのデユーテ
イ・サイクルが増大する。これは、デユーテイ・
サイクル信号発生器９からの電圧信号をインパル
サー１０の比較器へ供給し、比較器からの出力電
圧信号を適正に処理することによつて行われる。
そのような比較器の作動の一例を第６および７図
を参照して以下に説明する。ただし、アークギヤ
ツプ３へ供給される電流パルスのパルス幅を調節
するためにデユーテイ・サイクル信号発生器９か
らの電圧信号を利用する技法は多数あることに留
意されたい。また、どのような技法を選択するか
は、使用される特定のインパルサー１０の構造に
応じて定められる。以上に説明したのは、特定の
比較器回路を含むインパルサーのためのそのよう
な技法の一例にすぎない。

第４図を参照すると、本発明のパルス化直流ア
ーク溶接方法を実施するための別のアーク溶接装
置のブロツク図が示されている。このアーク溶接
装置は、その電源のための制御系統の一部として
使用される時間遅延プログラマブルパルス幅制御
器８０を有する。第４図に示されるように、加工
物７０と電極７１との間にアークギヤツプ７３が
形成され、そのアークギヤツプ間に電源７４によ
つて電圧が印加される。このアークギヤツプ７３
間に高周波数高電圧アーク始動器７３も接続され
ており、溶接サイクルの開始に当つてガス供給源
７６からアークギヤツプ７３へ供給される不活性
ガスをイオン化させ、アークギヤツプ間に電流の
流れを開始させるための初期高電圧を供給するよ
うになされている。この初期イオン化および電流
の通流開始後、アーク始動器７５はその作動を停
止する。電源７４は、市販の正のパルス化DC電
源である。電源７４の作動を制御するために慣用
のインパルサーによつて制御される慣用の電流調
整器７７が用いられる。

第４図に示されるように、インパルサーは、２
つの構成要素に分割されたものとして示されてい
る。一方の要素は、インパルサーパルス幅調節器
７９であり、他方はインパルサー出力装置７８で
ある。インパルサーパルス幅調節器７９は、慣用
のインパルサーのうち、インパルサーの電気機器
の作動を制御するための内部制御信号（通常、電
圧信号）を発生する部分である。通常、インパル
サーからどのようなパルス幅信号１０４が出力さ
れるかは、第６および７図に示されるようにパル
ス幅調節器７９から導線８１を通してインパルサ
ー出力装置７８へ供給される内部電圧制御信号１
０１によつて決定される。他の内部制御信号は、
パルス幅調節器７９から導線８２を通して出力装
置７８へ流れる。

インパルサー出力装置７８は、慣用のインパル
サーのうち、インパルサーパルス幅調節器７９か
らの内部電圧制御信号１０１に応答して電流調整
器７７のための出力制御信号１０４を発生する部
分である。通常、インパルサー出力装置７８は、
例えば電圧ランプ（傾斜）フアンクシヨンのよう
な基準電圧信号１０２をパルス幅調節器７９から
の内部電圧制御信号１０１と比較する比較器を備
えている。第６および７図は、この比較器が異な
る大きさの内部電圧制御信号１０１に応答して異
るパルス幅の出力電圧信号１０３を発生する働き
をする態様を示している。基本的には、この比較
器は、基準電圧信号１０２が内部電圧制御信号１
０１と等しいか、それを超過したときにのみ出力
電圧信号１０３を発生する。かくして、第６図に
示される内部電圧制御信号１０１の場合は、第７
図に示される減少された内部電圧制御信号１０１
が用いられた場合に比べて、比較器の出力電圧信
号１０３に対応するパルス幅が小さくなる。イン
パルサー出力装置７８の他の慣用の回路部品は、
比較器の出力電圧信号１０３に応答して電流調整
器７７のためのインパルサー出力制御信号１０４
を発生する。この出力制御信号１０４は、比較器
の出力電圧信号１０３のオフ・タイムにキー結合
され、それにより、電源７４からアークギヤツプ
３へ供給される電流パルスのデユーテイ・サイク
ル数が比較器の出力電圧信号１０３のオフ・タイ
ムにキー結合されるようにする。かくして、内部
電圧制御信号１０１の増大は、比較器の出力電圧
信号１０３のパルス幅の減少を惹起し、その結
果、アークギヤツプ３に供給される電流パルスの
デユーテイ・サイクルに相応の増大をもたらす。

アーク溶接装置のインパルサーパルス幅調節器
７９は、インパルサー出力装置７８の作動を直接
制御する。しかしながら、本発明の原理によれ
ば、インパルサーの慣用のパルス幅調節器７９と
出力装置７８との間に時間遅延プログラマブルパ
ルス幅制御器８０を介設する。このプログラマブ
ルパルス幅制御器８０は、所定のプログラム化順
序に従つてパルス幅が変化する電流パルスを供給
するようにインパルサー出力装置７８を自動的に
調節して電流調整器７７を、従つて電源７４を制
御する働きをする。

プログラマパルス幅制御器８０は、いろいろな
構造のものとすることができるが、例えば第５図
に示されるように可変抵抗器８９と時間遅延スイ
ツチ８８を互いに並列に接続し、かつ、パルス幅
調節器７９とインパルサー出力装置７８の間に直
列に接続することによつて最も簡単に構成するこ
とができる。第５図に示される回路は、プログラ
マブルパルス幅制御器８０の簡単な一例であり、
他のより複雑なプログラムの設定を可能にするた
めに他の回路を構成することができることは当業
者には明らかであろう。

作動において、電源７４は、インパルサー出力
装置７８からの入力に応答して電流調整器７７に
よつて制御されて正のDCパルスをアークギヤツ
プ７３に供給する。最初、信号は、時間遅延スイ
ツチ８８の常閉接点を通して供給されるが、時間
遅延スイツチ８８は、所定の時間遅延後作動し、
常閉接点を開放する。それにより、インパルサー
パルス幅調節器７９とインパルサー出力装置７８
との間に可変抵抗器８９を介在させる。その結
果、異る信号が電流調整器７７へ、従つて電流７
４へ供給される。通常、この時間遅延後、電流パ
ルスのデユーテイ・サイクルは減少される。アー
ク溶接装置の始動期間中に加工物７０に熱がたま
るのでデユーテイ・サイクルを減少させることが
必要とされる。即ち、一貫して良品質の溶接を達
成する最適のパワー流を維持するために始動後一
定の時間遅延後加工物７０へのパワー流を減少さ
せる必要がある。最適の溶接を達成するための上
記特定の時間遅延の長さおよびデユーテイ・サイ
クルの減少量は、溶接すべき特定の加工物７０に
よつて異る。これらのパラメータは、試行錯誤に
よつて最適の値に選定される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、電源からアークギヤツプへ供給され
る電流パルスのパルス幅を調節するための、フイ
ードバツク制御回路を含むアーク溶接装置のブロ
ツク図、第２図は、アークギヤツプにおいて検出
された電圧降下が増大しているとき加工物への所
望の時間平均パワー流を維持するために加工物へ
供給される電流パルスの振幅の概略グラフ、第３
図は第１図に示されたフイードバツク制御回路の
ための個々の回路部品を示す。第４図は、電源か
らアークギヤツプへ供給される電流パルスのパル
ス幅を自動的に調節するための制御器を含むアー
ク溶接装置のブロツク図、第５図は、第４図に示
された自動制御器のための個々の回路部品を示
す。第６および７図は、第５図に示されたインパ
ルサー出力装置が、比較的に包含している場合２
つの大きさの異る入力電圧制御信号に応答して２
つのデユーテイ・サイクルの異る出力電圧信号を
発生する態様を示す。図中、１，７０は加工物、３，７３はアークギ
ヤツプ、４，７４は電源、７は電圧感知器、８は
ハイ・ロー調整器、９はデユーテイ・サイクル信
号発生器、１０はインパルサー、１１，７７は電
流調整器、１２，７１は電極、２１は可変抵抗
器、２３は発光ダイオード、３０，３２は演算増
幅器、３３は電圧源、３４，３５は可変抵抗器、
３６，３７，３９，４０は隔離抵抗器、４１，４
２は抵抗器、４３，４６は可変抵抗器、４４，４
８はコンデンサー、４５，４７は時間遅延スイツ
チ、４９，５３はダイオード、５０，５４は抵抗
器、５２，５５は可変抵抗器、７８は出力装置、
７９はパルス幅調節器、８０はプログラマブルパ
ルス幅制御器。

Claims

【特許請求の範囲】１アークギヤツプ３を形成するように電極１２
と加工物１を相互に位置づけして加工物をアーク
溶接する方法において、 (a) 前記加工物の温度をその融点にまで高めるに
は十分でないパワー流を供給する維持電流を前
記アークギヤツプの間に供給し、 (b) 該アークギヤツプ間の電流の大きさをピーク
値にまで増大させ、該ピーク値は、加工物を融
解させるのに十分なパワー流を供給し、かつ、
該電流の強度を増大させる時間の間に加工物の
表面上の酸化物を消散することができるパワー
流を供給するのに十分な大きさとし、 (c) 前記加工物をその融点にまで加熱するのに十
分なエネルギーを供給するのに十分な時間該ア
ークギヤツプ間の電流を前記増大された値に保
持し、 (d) 該アークギヤツプ間の電流の大きさを前記維
持電流値にまで減少させて加工物の温度をその
融点より低い温度に低下させ、それによつて加
工物に溶接を形成し、 (e) 前記工程(b)、(c)および(d)を繰返してアークギ
ヤツプ間の電流の大きさを前記維持電流値とピ
ーク電流値との間で変化させることによつて加
工物へ印加する一連の周期的な電流パルスを供
給するようにアークギヤツプ間の電流の大きさ
を周期的に変化させ、 (f) 前記加工物へ所定のパワー流を供給するため
に、前記ピーク電流値を一定に維持したまま、
前記電流パルスの持続時間の長さを調整するよ
うにアークギヤツプ間の電流を前記増大された
値に保持する時間を調節し、 (g) 前記各電流を加工物の選ばれた部分へ向ける
ために加工物と前記電極との相対位置を変える
ことを特徴とするアーク溶接方法。２アークギヤツプを形成するように前記電極と
加工物とを相互に位置づけした後不活性ガスを該
アークギヤツプに連続的に供給し、次いで、該ア
ークギヤツプの間に前記維持電流を供給するに先
立つて該不活性ガスをイオン化し、アークギヤツ
プ間に電流の流れを開始させるのに十分な電圧を
該アークギヤツプの間に印加する工程を含む特許
請求の範囲第１項記載のアーク溶接方法。３前記アークギヤツプにおける抵抗を常時検出
する工程を含み、前記工程(f)は、加工物へ一定し
た時間平均パワー流を供給するように、アークギ
ヤツプ間の電流を前記増大された値に保持する時
間の長さをアークギヤツプにおける抵抗の大きさ
に応答して変化させることを含むものである特許
請求の範囲第１項または２項記載のアーク溶接方
法。