JPH0446671B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は溶接電源の制御方法に係り、詳しく
はスパツタを著しく減少させ得る溶接電源の制御
方法に関する。

消耗電極式のアーク溶接においては、スパツタ
の発生が多いと溶着効率が低下するとともに飛散
したスパツタを除去する作業が必要となつて作業
効率が低下するという問題が発生するため、スパ
ツタの発生を極力押えることが従来から大きな課
題となつている。ここで、スパツタの発生要因を
解析するために、第１図イ〜ヘに消耗電極（以下
溶接ワイヤと称す）の溶滴の移行過程を示す。こ
の図において１は溶接ワイヤ、２は母材、３はア
ークであり、同図イは短絡直前のアーク３の発生
状態、ロは溶滴が溶滴池に接触した短絡初期状
態、ハは溶滴と溶滴池の接触が確実となり溶滴が
移行する短絡中期状態、ニは溶滴が溶滴池側に移
行し溶接ワイヤ１と溶滴との間にくびれが生じた
短絡後期状態、ホは短絡が破れ溶接アーク３が再
発生した瞬間、ヘは溶接ワイヤ１の先端が溶融し
始め溶滴が成長するアーク再発生状態を各々示し
ている。そして、溶接動作中は上述した第１図イ
〜ヘに示す状態が順次くり返し発生する。この過
程においてスパツタは、短絡状態が破れて溶接ア
ーク３が再発生する瞬間、すなわち第１図ホに示
す状態の時に発生し、またその発生量は溶接アー
クが再発生する瞬間の短絡電流が大きいほど多く
なることが知られている。

ところで、一般に用いられている溶接電源は定
電圧特性を有する直流電源であり、この種の電源
を用いた場合の溶接電流の変化を第２図の特性
L₄に示す。第２図において期間T₁は短絡期間
（第１図ロ〜ニ参照）、期間T₂はアーク発生期間
であり、短絡期間T₁においてはこの区間におけ
る電気回路の時定数により定まる増加率で溶接電
流が増加し、アーク発生期間T₂においてはこの
区間の時定数によつて定まる減少率で溶接電流が
減少する。したがつて、従来の溶接電源において
は短絡が破れて溶接アークが再発生する瞬間（第
１図ホ）、すなわち、スパツタが発生する瞬間に
おいて溶接電流が最大となり、スパツタが最も発
生し易い条件で溶接が行なわれる。この結果、従
来の溶接電源を用いた場合はスパツタの発生量が
極めて多く、飛散したスパツタがシールドガスを
吐出するシールドノズルに付着し、このためシー
ルドガスの流れが妨害されて溶融金属中に大気中
の窒素が混入し、溶接部の機械的強度が低下する
という問題が発生した。

そして、このような問題を解決するために、シ
ールドガスとして不活性ガス（He、Ar等）と活
性ガス（CO₂等）の混合ガスを使用し、これによ
り、スパツタの発生を防止する方法が考えられた
が、この方法は溶接電流がある値以上でなければ
効果がなく、また、溶滴が自由移行するスプレー
移行の状態で用いなければ有効とならないため、
スパツタ防止のための有効手段とはなり得なかつ
た。一方、溶接時における電気回路の抵抗分とイ
ンダクタンス分とを適切に設定し、これにより第
２図に示す短絡期間T₁とアーク発生期T₂におけ
る溶接電流の増加率と減少率とを調整して溶接ア
ーク再発生時の電流値を押えるという対策が従来
採られたが、抵抗分やインダクタンス分は溶接時
の状況で大きく変化するため適切な値に設定する
ことが極めて困難であり、結局スパツタ防止のた
めの実用的な対策にはなり得なかつた。

このように、従来のスパツタ防止対策はいずれ
もスパツタ防止のための根本的な対策とはなり得
ず、スパツタ発生に対する改善は実質的には何ら
なされていないのと同様であつた。

この発明は上述した事情に鑑み、スパツタの発
生を防止し得る溶接電源の制御方法を提供するも
ので、溶接ワイヤのくびれ（第１図ニ）を検出す
ることにより溶接アークが再発生する時点を予期
し、溶接アーク再発時の溶接電流をいち早く低減
させることを特徴としている。

ここで、この発明の原理について説明する。ス
パツタの発生量は前述したように溶接アークの再
発時（第１図ホ）における溶接電流値に比例する
から、この時点の電流値を低減させればスパツタ
の発生を防止することができる。そして、このよ
うな制御をするためには溶接アークの再発生時点
を確実に予期し、この時点の溶接電流をいち早く
減少させなければならない。そこで、この発明に
おいては溶接アークの再発生直前において溶接ワ
イヤが第１図ニに示すようにくびれることに着目
し、このくびれを電気的に検出して溶接アークの
再発時点を確実に予期することを根本原理として
いる。

次に、くびれの検出方法について説明する。ま
ず、くびれを電気的に検出する方法としては、溶
接ワイヤがくびれることによる（径が小さくなる
ことによる）抵抗変化を短絡時（第１図ロ〜ニ）
における電圧変化として検出する方法が考えられ
るが、この方法は以下に述べる理由で不利な点が
多い。

第３図は溶接回路の等価回路であり、５は直流
電源部Ｅ、ダイオードＤおよびスイツチ素子SW
とから成る溶接電源である。この溶接電源５はス
イツチ素子SWのON−OFFタイミングを制御す
ることにより、出力電圧の平均値を所望の値に制
御するチヨツパー方式の電源である。６は溶接ケ
ーブル中に存在する浮遊インダクタンス、７は溶
接トーチであり、この溶接トーチ７に溶接ワイヤ
１が図示せぬ供給機構からその消耗分が逐次供給
される。上述した回路において電流Ｉが一定であ
る場合、電線路抵抗Rwによる電圧降下とアーク
電圧Varcとの和（Varc＋Rw・Ｉ）と出力電圧
Ｖとが平衡する。この両電圧の波形を第４図に示
す。なお、この図においては電源内部のインピー
ダンスは略零とみなしている。この図に示すよう
にアーク電圧Varcはインダクタンス６のフイル
タ作用により、出力電圧Ｖの平均値と等しくなる
が、溶接ワイヤ１のくびれによる電圧変化はアー
ク電圧Varcに現われ、溶接電源５の出力電圧Ｖ
で検出するにはフイルタが必要で、時間遅れを伴
なわない敏速なくびれ検出手段とはなり得ない。
したがつて、くびれを検出するためにはトーチ７
と母材２の間近から電圧信号を取り込む必要があ
り、このため、検出用のケーブルを２本別途に配
置しなければならない。この場合、トーチ側の検
出用ケーブルは溶接ケーブルに沿わせてハーネス
化して配置することができるが、アース側の検出
用ケーブルは溶接点の近傍まで別途に運んで配置
しなければならない。これは一般的な溶接現場に
おいては母材（ビルの鉄骨等）をアース母線とし
て兼用するため、この部分のリアクタンスによる
リツプルの増大により後で述べる理由から検出遅
れが生じる。

したがつて、操作者がくびれ検出用のケーブル
をいちいち溶接点まで運ばなければならない不都
合が生じる。また、アーク電圧Varcには実際に
はスイツチング素子SWのON−OFF周期に基づ
く電流リツプル分が重畳されるので、くびれ検出
のための電圧レベルをある程度高めに設定しなけ
ればならない。すなわち、第５図に示すようにリ
ツプル分がない場合（曲線C₁）は判定レベルは
L₁でよいが、リツプル分がある場合（折れ線C₂）
は判定レベルは誤動作を避けるためにL₂でなけ
ればならない。この結果、くびれの検出時刻が判
定レベルL₁の時に較べて△ｔ遅れ、これにより、
電流減少の開始時刻が遅れて、溶接アーク再発時
（第１図ホ）における電流減少量が不充分となる
事態が発生する。なお、第５図においてt₁はくび
れ開始時刻、t₂は判定レベルL₁におけるくびれ検
出時刻、t₃は判定レベルL₂におけるくびれ検出時
刻である。

上述したように溶接ワイヤ１のくびれをアーク
電圧Varcの変化から検出するのは不利な点が多
い。

そこで、この発明においては以下に述べるくび
れ検出方法を採つている。スイツチング素子の導
通幅を制御して溶接電流一定制御を行う溶接電源
においては、溶接ワイヤがくびれると負荷抵抗
（トーチと母材間の抵抗）が増加し、出力電圧が
上昇する。そして、この電圧上昇はスイツチング
素子の導通幅増加となつて表われる。そこで、こ
の発明においてはスイツチング素子の導通幅の増
加量を検出し、増加量が基準値を越えた場合にく
びれが発生したと判定する。

次に、この発明の一実施例を図面を参照して説
明する。

第６図はこの発明を適用した溶接電源制御装置
の構成を示すブロツク図であり、第３図の各部と
対応する部分には同一の符号を付しその説明を省
略する。

この図においてR₅は溶接電流Ｉを検出するた
めのシヤント抵抗であり、このシヤント抵抗R₅
の両端電圧がアンプ１０に増幅されて電流検出信
号SIとなる。R₁，C₁，１１は各々積分回路１２
を構成する抵抗、コンデンサ、演算増幅器であ
り、この積分回路１２の出力信号S₁がコンパレー
タCOM１においてのこぎり波発振器１３の出力
信号S₂と比較される。信号S₂は第７図イに示すよ
うに一定周期ののこぎり波であり、また、コンパ
レータCOM１の出力信号S₃は同図ロに示すよう
に周期が信号S₂と等しく、パルス幅が信号S₁のレ
ベルに対応するパルス信号となる。１４は信号S₃
を増幅してスイツチング素子SWに供給するドラ
イバであり、OFF端子に“Ｈ”レベルの信号が
供給されると、動作を停止する。スイツチング素
子SWはドライバ１４が動作状態のときは信号S₃
に同期してON−OFFし（信号S₃が“Ｈ”レベル
のときON）、ドライバ１４がOFF状態のときは
OFF状態になる。一方、１５，１６は各々アー
ク発生時の溶接電流を設定する可変抵抗および短
絡時の溶接電流を設定する可変抵抗である。SW₁
はアーク発生時には接点ａ側、短絡時には接点ｂ
側に接するスイツチング素子であり、可変抵抗１
５の設定信号SIaが接点ａ、抵抗R₂を介して偏差
検出点１７に供給され、可変抵抗１６の設定信号
S_Sが接点ｂ、抵抗R₂を介して偏差検出点１７に
供給される。上述した構成によれば、スイツチン
グ素子SWのON−OFFタイミングは偏差検出点
１７での偏差が０となるように制御される。次
に、１８，１９、COM２は各々短絡検知回路２
０を構成する演算増幅器、可変抵抗およびコンパ
レータであり、トーチ−母材間の電圧値が可変抵
抗１９によつて設定される基準値を下回つた場合
に“Ｈ”レベルの検出信号を出力する。この場
合、増幅器１８の一方の入力端は溶接ケーブルに
沿つて配置された検出用ケーブル２１の一端に接
続され、この検出用ケーブルの他端がトーチ７の
近傍に接続されている。また、増幅器１８の他方
の入力端は溶接電源５のアースラインに接続され
ている。このように増幅器１８の他方の入力端を
母材２における溶接点近傍に接続しないのは、短
絡を検出するだけなら検出電圧値に高精度が要求
されないからであり、比較的電位の不安定な母材
（現場における鉄骨等）をアーク線として兼用す
ることができるからである。また、検出用ケーブ
ル２１を使用しない場合は溶接用電源５の両出力
端をローパスフイルタを介して増幅器１８の両入
力端に接続すればよい。２２はオンデイレイタイ
マであり、入力に“Ｈ”レベルの信号が供給され
ると設定時間経過後に“Ｈ”レベルの信号を出力
する。このタイマ２２における設定時間は短絡検
知回路２０が短絡を検知した時点から短絡が確実
になるまでの時間が設定されている。このタイマ
２２が“Ｈ”レベルの信号を出力すると、スイツ
チング素子SW₁が接点ｂ側に切り替り、溶接電流
Ｉが可変抵抗１６の設定値に一致するように制御
される。２５はサンプルホールド回路であり、ス
イツチング素子SWのスイツチング期間終了付近
における信号S₁の値をホールドするとともに、こ
のホールドした値を次のスイツチング期間の終了
付近において出力する。また、サンプルホールド
回路２５は発振器１３から供給される信号S₂に基
づいて上述したサンプリング動作およびホールド
値出力動作の同期をとる。２６は利得ｋの増幅
器、COM３はコンパレータであり、増幅器２６、
コンパレータCOM３およびサンプルホールド回
路２５でくびれ検出回路２８が構成されている。
２９はセツトリセツトフリツプフロツプ（以下
FFと略称する）、３２はアンドゲート、３３はオ
ンデイレイタイマであり、FF２９がセツトされ
てから所定時間経過後に“Ｈ”レベルの信号を出
力してFF２９をリセツトする。

次に、上述した構成によるこの回路の動作を説
明する。

まず、短絡検知回路２０が短絡状態を検出する
と、設定時間（短絡が確実になる時間）後にタイ
マ２２の出力信号が“Ｈ”レベルになり、スイツ
チング素子SW₁が接点ｂに接する。この結果、溶
接電流Ｉの平均値は可変抵抗１６が設定する基準
信号SI_Sに等しくなるように制御される。したが
つて、電流検出信号SIは第７図ハに示すようにな
る。そして、くびれ検出回路２８は現時点の信号
S₁の値と１区間（１スイツチング区間）前の信号
S₁の値とを比較し、現時点の信号S₁の減少量が基
準値を上回つた場合に出力信号S₄を“Ｈ”レベル
にする。この場合の基準値は図から分るように増
幅器２６の利得によつて決定される。そして、時
刻t₅においてくびれが発生すると、負荷抵抗が増
大するから、出力電圧を増大させるために信号S₁
が減少して信号S₃のパルス幅を増大させる。この
時、くびれ検出回路２８は信号S₁の減少量が基準
値を越えたと判定して信号S₄を“Ｈ”レベルにす
る（第７図ニ）。信号S₄が“Ｈ”レベルになると
FF２９がセツトされて信号S₅が“Ｈ”レベルに
なり（第７図ホ）、信号S₅が“Ｈ”レベルになる
と、この時点でタイマ２２の出力信号は“Ｈ”レ
ベルになつているから、アンドゲート３２が
“Ｈ”レベルの信号を出力し、これによりドライ
バ１４が動作を停止してスイツチング素子SWが
OFFとなる。スイツチング素子SWがOFFになる
と、溶接電流Ｉが低下し、したがつて、電流検出
信号SIも第７図ハに示すように低下してゆく。そ
して、溶接電流Ｉが充分に低下した時刻t₆におい
てアークが再発生し、アークが再発生すると短絡
検知回路２０の出力信号が“Ｌ”レベルになり、
タイマ２２、アンドゲート３２の出力信号が
“Ｌ”レベルになる。この結果、スイツチング素
子SW₁が接点ａ側に接するとともに、ドライバ１
４が動作を再開する。したがつて、溶接電流Ｉは
平均値が可変抵抗１５の設定値SIaに等しくなる
ように制御される。一方、タイマ３３は信号S₅が
立ち上つてから所定時間（溶接電流Ｉが充分に減
少し得る時間）後に“Ｈ”レベルの信号を出力
し、これにより、FF２９がリセツトされる。以
上の動作により、本実施例における溶接電流Ｉの
波形は、第２図の特性L₃に示すようになる。図
において、短絡期間T₁においては、可変抵抗１
６（第６図参照）の設定値に基づいて溶接電流Ｉ
が所定値I_Sになるように制御され、アーク期間T₂
にあつては、溶接電流Ｉが所定値I_aになるように
制御される。

そして、短絡期間T₁の終了前にくびれの発生
が検出されると、信号S₅が“Ｈ”レベルになり
（第７図ホ参照）、ドライバ１４を介してスイツチ
ング素子SWがOFFに設定されるから、アーク発
生時における溶接電流Ｉが小となる。

なお、上述した実施例においてはスイツチング
区間の終了点付近の信号S₁（導通幅制御信号）の
値を検出し、１区間前の検出値と現時点の検出値
との偏差が基準値を越えた場合にくびれ発生と判
定するようにしたが、これに代えて例えば短絡が
確実になつた時点での信号S₁の値を１つのみ記憶
し、この記憶した値と現時点の信号S₁の値との偏
差からくびれを検出するようにしてもよい。そし
て、この場合のサンプルホールド回路２５は第６
図に破線で示すようにタイマ２２の出力信号をサ
ンプルリングの同期信号として取り込めばよい。

また、信号S₁の値を比較することに代えて、信
号S₃のパルス幅（導通幅）を検出して比較しても
同様の効果を得ることができる。

さらに、この実施例においてはアーク発生時に
おいても短絡時と同様に溶接電流（平均値）を一
定にする制御を行つているが、アーク発生時にお
いてはアーク電圧を一定にする制御を行つてもよ
い。この場合、上記実施例と異なり、アーク期間
内における溶接電流Ｉが一定にならないことは勿
論である。

以上説明したようにこの発明によれば、消耗電
極が母材と接する短絡状態においては溶接電流の
平均値を一定に制御するとともに、前記スイツチ
ング素子の導通幅もしくは導通幅制御信号をスイ
ツチング区間毎に検出することにより前記導通幅
の増加量を検出し、この増加量が基準値を越えた
場合に前記消耗電極にくびれが発生したと判定し
て前記溶接電流を減少させるようにしたので、く
びれの検出が確実かつ高速になり、これにより、
アーク再発生時点での溶接電流値を小さくするこ
とができ、スパツタの発生を防止することができ
る。また、アース側の検出用ケーブルを設ける必
要がないので、溶接施行上極めて有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図イ〜ヘは消耗電極の溶滴の移行過程を示
す図、第２図は定電圧特性溶接電源を用いた場合
の溶接電流の特性L₄および本実施例による溶接
電流特性L₃を示す図、第３図は一般的な溶接回
路の等価回路、第４図は第３図に示す回路におけ
る出力電圧とアーク電圧Varcの変化を示す波形
図、第５図はくびれ検出のための電圧判定レベル
を示す図、第６図はこの発明の一実施例である溶
接電源制御装置の構成を示すブロツク図、第７図
イ〜ホは各々第６図に示す回路各部の波形を示す
波形図である。 １……溶接ワイヤ（消耗電極）、２……母材、
１２……積分回路、１４……ドライバ、２０……
短絡検知回路、２５……サンプルホールド回路、
SW……スイツチング素子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ スイツチング素子の導通幅を制御して出力を
   制御する消耗電極用の溶接電源の制御方法におい
   て、前記消耗電極が母材と接する短絡状態におい
   ては溶接電流の平均値が一定になるように前記ス
   イツチング素子の導通幅を制御するとともに、前
   記スイツチング素子の導通幅もしくは導通幅制御
   信号をスイツチング区間毎に検出することにより
   前記導通幅の増加量を検出し、この増加量が基準
   値を超えた場合に前記消耗電極にくびれが発生し
   たと判定して前記溶接電流を減少させることを特
   徴とする溶接電源の制御方法。