JPH0525594B2 - - Google Patents
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- JPH0525594B2 JPH0525594B2 JP58078665A JP7866583A JPH0525594B2 JP H0525594 B2 JPH0525594 B2 JP H0525594B2 JP 58078665 A JP58078665 A JP 58078665A JP 7866583 A JP7866583 A JP 7866583A JP H0525594 B2 JPH0525594 B2 JP H0525594B2
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- JP
- Japan
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- constriction
- consumable electrode
- welding
- switching
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K9/00—Arc welding or cutting
- B23K9/09—Arrangements or circuits for arc welding with pulsed current or voltage
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K9/00—Arc welding or cutting
- B23K9/06—Arrangements or circuits for starting the arc, e.g. by generating ignition voltage, or for stabilising the arc
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K9/00—Arc welding or cutting
- B23K9/10—Other electric circuits therefor; Protective circuits; Remote controls
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Arc Welding Control (AREA)
- Inverter Devices (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
この発明は消耗電極式アーク溶接電源の改良に
係り、詳しくはスパツタを著しく減少させ得る消
耗電極式アーク溶接電源およびその制御方法に関
する。
係り、詳しくはスパツタを著しく減少させ得る消
耗電極式アーク溶接電源およびその制御方法に関
する。
消耗電極式のアーク溶接においては、スパツタ
の発生が多いと溶接ワイヤの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、ロは溶滴が溶融池に接触した
短絡初期状態、ハは溶滴と溶融池の接触が確実と
なり溶滴が移行する短絡中期状態、ニは溶滴が溶
融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
に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。
の発生が多いと溶接ワイヤの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、ロは溶滴が溶融池に接触した
短絡初期状態、ハは溶滴と溶融池の接触が確実と
なり溶滴が移行する短絡中期状態、ニは溶滴が溶
融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
に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消耗電極式ア
ーク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、短絡時間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、従来の消耗電極式ア
ーク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
ツタシールドガスを吐出するシールドノズルに付
着し、このシールドガ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。
ーク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、短絡時間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、従来の消耗電極式ア
ーク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
ツタシールドガスを吐出するシールドノズルに付
着し、このシールドガ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
ンダクタンク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
の状況が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。
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
ンダクタンク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
の状況が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な実質的には何ら
なされていないのと同様であつた。
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な実質的には何ら
なされていないのと同様であつた。
この発明の上述した事情に鑑み、スパツタの発
生を防止し得る消耗電極式アーク溶接電源および
そ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で予期し、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。
生を防止し得る消耗電極式アーク溶接電源および
そ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で予期し、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値前において溶接ワ
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し、アーク再発時の溶接電
流をいち早く減衰させること根本原理としてい
る。
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値前において溶接ワ
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し、アーク再発時の溶接電
流をいち早く減衰させること根本原理としてい
る。
次に、くびれを電気的に検出する方法としては
例えば以下に述べる方法がある。
例えば以下に述べる方法がある。
まず、電極が短絡中かあるいはアーク発生中か
ら負荷両端電圧（トーチー母材間電圧）のレベル
から検出し、短絡中であれば溶接電流一定制御を
行う。そして、電極にくびれが生じると、電極断
面積が減じた分だけ負荷抵抗値が増加するから負
荷両端電圧がこの抵抗増加分だけ上昇する。した
がつて、この負荷電圧上昇分を検出してくびれを
検出する。しかしながら、くびれ発生直後の抵抗
増加分は10％程度にあるにもかかわらず、溶接電
流には電源スイツチング素子のON−OFF周期に
基づくリツプル分があるので、抵抗増加分を検出
するには極めてＳ／Ｎ比が悪く、このため、くび
れが発生したかどうかの判定レベルはある程度大
きくとらなければならない。例えば、第３図はく
びれ発生時におけるアーク電圧Varcの変化を示
す図であるが、この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Δt遅れる。なお、第３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。
ら負荷両端電圧（トーチー母材間電圧）のレベル
から検出し、短絡中であれば溶接電流一定制御を
行う。そして、電極にくびれが生じると、電極断
面積が減じた分だけ負荷抵抗値が増加するから負
荷両端電圧がこの抵抗増加分だけ上昇する。した
がつて、この負荷電圧上昇分を検出してくびれを
検出する。しかしながら、くびれ発生直後の抵抗
増加分は10％程度にあるにもかかわらず、溶接電
流には電源スイツチング素子のON−OFF周期に
基づくリツプル分があるので、抵抗増加分を検出
するには極めてＳ／Ｎ比が悪く、このため、くび
れが発生したかどうかの判定レベルはある程度大
きくとらなければならない。例えば、第３図はく
びれ発生時におけるアーク電圧Varcの変化を示
す図であるが、この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Δt遅れる。なお、第３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。
このように、くびれの検出時刻は実際のくびれ
発生時刻より遅れるが、くびるが発生してからア
ークが再発生するまでの時間をわずかに500μs程
度しかないケースも多い。したがつて、500μsか
ら検出遅れ時間を差し引いた時間内で極めて速く
溶接電流を減衰させなければ、アーク再発時に充
分な電流減少量が得られずスパツタの防止は期待
できないことになる。以下にこの点についてより
具体的に説明する。
発生時刻より遅れるが、くびるが発生してからア
ークが再発生するまでの時間をわずかに500μs程
度しかないケースも多い。したがつて、500μsか
ら検出遅れ時間を差し引いた時間内で極めて速く
溶接電流を減衰させなければ、アーク再発時に充
分な電流減少量が得られずスパツタの防止は期待
できないことになる。以下にこの点についてより
具体的に説明する。
第４図は一般的なインバータ方式の消耗電極式
アーク溶接電源のブロツク図である。この図にお
いて１はトーチ、２は溶接ワイヤ、３は母材であ
り、溶接ワイヤ２は図示せぬ供給装置からその消
耗分だけが遂次補給されるようになつている。Ｌ
は溶接ケーブル４中に発生する浮遊インダクタン
ス、D1、D2は整流ダイオードであり、Rsは溶接
電流を検出するためのシヤント抵抗である。Ｅは
直流電源部、SW１〜SW4はスイツチング素子で
あり、Ｔはトランスである。５はシヤント抵抗
Rsの両端電圧を増幅する演算増幅器であり、こ
の演算増幅器５の出力信号が溶接電流検出信号SI
となる。この信号SIは抵抗R1、コンデンサC1お
よび演算増幅器６で構成される積分回路７に供給
される積分回路７の出力信号S1（第５図イ）はコ
ンパレータCOM１に供給される。８は一定周波
数ののこぎり波である信号S2（第５図イ）を出力
するのこぎり波発生回路であり、この信号S2はコ
レパレータCOM１に供給される。９はコンパレ
ータCOM１の出力信号S3（第５図ロ）および分周
回路１３の出力信号SA，SB（第５図ハ，ニ）に基
づいてスイツチSW1〜S4をON−OFFするドライ
バであり、この場合スイツチSW1とSW4とが組に
なつて駆動され、また、スイツチSW2とSW3とが
組になつて駆動される（第５図ホ，ヘ参照）。１
０は短絡時における溶接電流を設定する可変抵抗
であり、その設定値信号Isは抵抗R2を介して偏差
検出点１１に供給される。この回路においては偏
差検出点１１での偏差がＯとなるようにスイツチ
SW1〜SW4のON−OFFが制御され、これにより
溶接電流Ｉが設定値信号Isに一致する。なお、こ
の回路のアーク発生時における動作は、電圧一定
制御もしくは他の電流設定値による電流一定制御
になるがこの点については簡単のために説明を省
略する。
アーク溶接電源のブロツク図である。この図にお
いて１はトーチ、２は溶接ワイヤ、３は母材であ
り、溶接ワイヤ２は図示せぬ供給装置からその消
耗分だけが遂次補給されるようになつている。Ｌ
は溶接ケーブル４中に発生する浮遊インダクタン
ス、D1、D2は整流ダイオードであり、Rsは溶接
電流を検出するためのシヤント抵抗である。Ｅは
直流電源部、SW１〜SW4はスイツチング素子で
あり、Ｔはトランスである。５はシヤント抵抗
Rsの両端電圧を増幅する演算増幅器であり、こ
の演算増幅器５の出力信号が溶接電流検出信号SI
となる。この信号SIは抵抗R1、コンデンサC1お
よび演算増幅器６で構成される積分回路７に供給
される積分回路７の出力信号S1（第５図イ）はコ
ンパレータCOM１に供給される。８は一定周波
数ののこぎり波である信号S2（第５図イ）を出力
するのこぎり波発生回路であり、この信号S2はコ
レパレータCOM１に供給される。９はコンパレ
ータCOM１の出力信号S3（第５図ロ）および分周
回路１３の出力信号SA，SB（第５図ハ，ニ）に基
づいてスイツチSW1〜S4をON−OFFするドライ
バであり、この場合スイツチSW1とSW4とが組に
なつて駆動され、また、スイツチSW2とSW3とが
組になつて駆動される（第５図ホ，ヘ参照）。１
０は短絡時における溶接電流を設定する可変抵抗
であり、その設定値信号Isは抵抗R2を介して偏差
検出点１１に供給される。この回路においては偏
差検出点１１での偏差がＯとなるようにスイツチ
SW1〜SW4のON−OFFが制御され、これにより
溶接電流Ｉが設定値信号Isに一致する。なお、こ
の回路のアーク発生時における動作は、電圧一定
制御もしくは他の電流設定値による電流一定制御
になるがこの点については簡単のために説明を省
略する。
さて、上述した回路において負荷両端電圧の変
化からくびれを検出するくびれ検出回路１２を設
け、このくびれ検出回路１２の出力信号によつて
ドライバ９の動作を停止し、これによつてスイツ
チSW1〜SW4をすべてOFFして溶接電流Ｉを減
衰させる場合を考えてみる。まず、くびれ検出回
路１２によりくびれが検出され、スイツチSW1〜
SW4がすべてOFFしたとする。この場合の溶接
電流の減衰経路は母材３→シヤント抵抗Rs→ダ
イオードD1（D2）→インダクタンスＬ→トーチ１
→容接ワイヤ２→母材３なるループとなり、ま
た、この減衰時の溶接電流は次式で示されること
が知られれている。
化からくびれを検出するくびれ検出回路１２を設
け、このくびれ検出回路１２の出力信号によつて
ドライバ９の動作を停止し、これによつてスイツ
チSW1〜SW4をすべてOFFして溶接電流Ｉを減
衰させる場合を考えてみる。まず、くびれ検出回
路１２によりくびれが検出され、スイツチSW1〜
SW4がすべてOFFしたとする。この場合の溶接
電流の減衰経路は母材３→シヤント抵抗Rs→ダ
イオードD1（D2）→インダクタンスＬ→トーチ１
→容接ワイヤ２→母材３なるループとなり、ま
た、この減衰時の溶接電流は次式で示されること
が知られれている。
（ただし、I0はスイツチSW1〜SW4がOFFした瞬
間の溶接電流初期値、Ｒは短絡時における電極抵
抗である。
間の溶接電流初期値、Ｒは短絡時における電極抵
抗である。
そして、インダクタンスＬは通常溶接ケーブル
が30ｍ程度あることを考慮すると50μH以上存在
し、この値より小さくすることはできない。ま
た、電極抵抗Ｒは直径が1.2mmの時に約20ｍΩと
なり、初期値I0は一般的な溶接作業の場合、約
400Aとなる。したがつて、これらの値を(1)式に
代入すると、 となり、この(2)式ｔにくびれ発生からアーク再発
までの時間500μSを代入すると、 Ｉ＝400・e-0.2＝327〔Ａ〕 ……(3) となる。しかしながら、スパツタを減少させるた
めにはアーク再発時における溶接電流を150A以
下に押えなければならないので、上述した従来の
回路においてくびれた発生時に単にスイツチSW1
〜SW4をOFFにしただけではスパツタを減少さ
せる効果は全く期待できない。
が30ｍ程度あることを考慮すると50μH以上存在
し、この値より小さくすることはできない。ま
た、電極抵抗Ｒは直径が1.2mmの時に約20ｍΩと
なり、初期値I0は一般的な溶接作業の場合、約
400Aとなる。したがつて、これらの値を(1)式に
代入すると、 となり、この(2)式ｔにくびれ発生からアーク再発
までの時間500μSを代入すると、 Ｉ＝400・e-0.2＝327〔Ａ〕 ……(3) となる。しかしながら、スパツタを減少させるた
めにはアーク再発時における溶接電流を150A以
下に押えなければならないので、上述した従来の
回路においてくびれた発生時に単にスイツチSW1
〜SW4をOFFにしただけではスパツタを減少さ
せる効果は全く期待できない。
そこで、この発明においてはくびれ発生時に電
流減衰経路中に抵抗介を挿し、これにより電流減
衰速度を速めるようにしている。
流減衰経路中に抵抗介を挿し、これにより電流減
衰速度を速めるようにしている。
以下図面を参照してこの発明の実施例について
説明する。
説明する。
第６図はこの発明を適用したインバータ方式の
消耗電極式アーク溶接電源の構成を示すブロツク
図であり、第４図の各部と対応する部分には同一
の符号を付してその説明しを省略する。
消耗電極式アーク溶接電源の構成を示すブロツク
図であり、第４図の各部と対応する部分には同一
の符号を付してその説明しを省略する。
この図において１４は短絡初期および後期時の
溶接電流指令値を設定する可変抵抗、１５は短絡
中期時の溶接電流指令値を設定する可変抵抗、１
６はアーク発生時の溶接電流指令値を設定する可
変抵抗であり、各指令値Io、Ic、Iaはスイツチン
グ素子SW５によつて選択された抵抗R2を介して
偏差検出点１１に供給される。１７はトーチ−母
材間電圧を検出して増幅するアンプであり、アン
プ１７の出力信号は短絡検出回路２１に供給され
るとともに、スイツチング素子SW６を介してく
びれ検出回路２６に供給される。短絡検出回路２
１を短絡判定レベルL1を設定する可変抵抗２０、
抵抗１８，１９およびコンパレータCOM２から
なり、アンプ１７の出力信号がレベルL1を下回
つた時に出力信号S4を“Ｈ”レベルにする。くび
れ検出回路２６はくびれ判定レベルL2（L1＞L2）
を設定する可変抵抗２５、抵抗２４，２３および
コンパレータCOM４から成り、スイツチング素
子SW６を介して供給されるアンプ１７の出力信
号レベルL2を下回つた時に出力信号を“Ｈ”レ
ベルにする。２２オンデイレイタイマであり、信
号S4が立上つてから設定時間Ｔ（短絡が安定する
時間）経過後に出力信号S6を“Ｈ”レベルにす
る。２３はワンシヨツトマルチであり、信号S4が
立上るとパルス信号S5（第７図リ）を出力する。
２７はセツトリセツトフリツプフロツプ（以下
FFと略称する）、２８はFF２７をリセツトする
ためのインバータであり、２９はオアゲートであ
る。一方、COM３を溶接電流Ｉが設定値I′をｏ
下回つた時に出力信号S7を“Ｈ”レベルにするコ
ンパレータであり、設定値I′oは指令値Ioよりや
や大きな値が設定されている。SWDはダイオー
ドD1（D2）と溶接ケーブルとの間に設けられるス
イツチング素子であり、RAはスイツチング素子
SWDに並列に接続される抵抗である。３０はス
イツチング素子SWDのON−OFFを制御するド
ライバであり、OFF端子に供給されている信号
が立上ると出力信号を“Ｌ”レベルにし（SWD
がOFF）、ON端子に供給されている信号S7が立
上ると出力信号を“Ｈ”レベルにする（SWDが
ON）。また、ドライバ３０の出力信号はドライ
バ９のOFF端子に供給され、ドライバ９はOFF
端子に“Ｈ”レベルの信号が供給されるとスイツ
チング素子SW1〜SW4をすべてOFFする。
溶接電流指令値を設定する可変抵抗、１５は短絡
中期時の溶接電流指令値を設定する可変抵抗、１
６はアーク発生時の溶接電流指令値を設定する可
変抵抗であり、各指令値Io、Ic、Iaはスイツチン
グ素子SW５によつて選択された抵抗R2を介して
偏差検出点１１に供給される。１７はトーチ−母
材間電圧を検出して増幅するアンプであり、アン
プ１７の出力信号は短絡検出回路２１に供給され
るとともに、スイツチング素子SW６を介してく
びれ検出回路２６に供給される。短絡検出回路２
１を短絡判定レベルL1を設定する可変抵抗２０、
抵抗１８，１９およびコンパレータCOM２から
なり、アンプ１７の出力信号がレベルL1を下回
つた時に出力信号S4を“Ｈ”レベルにする。くび
れ検出回路２６はくびれ判定レベルL2（L1＞L2）
を設定する可変抵抗２５、抵抗２４，２３および
コンパレータCOM４から成り、スイツチング素
子SW６を介して供給されるアンプ１７の出力信
号レベルL2を下回つた時に出力信号を“Ｈ”レ
ベルにする。２２オンデイレイタイマであり、信
号S4が立上つてから設定時間Ｔ（短絡が安定する
時間）経過後に出力信号S6を“Ｈ”レベルにす
る。２３はワンシヨツトマルチであり、信号S4が
立上るとパルス信号S5（第７図リ）を出力する。
２７はセツトリセツトフリツプフロツプ（以下
FFと略称する）、２８はFF２７をリセツトする
ためのインバータであり、２９はオアゲートであ
る。一方、COM３を溶接電流Ｉが設定値I′をｏ
下回つた時に出力信号S7を“Ｈ”レベルにするコ
ンパレータであり、設定値I′oは指令値Ioよりや
や大きな値が設定されている。SWDはダイオー
ドD1（D2）と溶接ケーブルとの間に設けられるス
イツチング素子であり、RAはスイツチング素子
SWDに並列に接続される抵抗である。３０はス
イツチング素子SWDのON−OFFを制御するド
ライバであり、OFF端子に供給されている信号
が立上ると出力信号を“Ｌ”レベルにし（SWD
がOFF）、ON端子に供給されている信号S7が立
上ると出力信号を“Ｈ”レベルにする（SWDが
ON）。また、ドライバ３０の出力信号はドライ
バ９のOFF端子に供給され、ドライバ９はOFF
端子に“Ｈ”レベルの信号が供給されるとスイツ
チング素子SW1〜SW4をすべてOFF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。
する。
第７図イ〜ルは第６図に示す回路各部の波形を
示す波形図であり、この図に示す時刻t1以前（ア
ーク発生時）においては同図ニに示すように電流
指令値はIaに設定されており、これによりスイツ
チング素子SW1〜SW4は溶接電流をIaに対応する
値と等しくするようにON−OFF制御される。そ
して、時刻t1において短絡が発生すると、アンプ
１７の出力電圧が低下してレベルL1を下回る
（同図ル））。この結果、同図ホに示すように短絡
検知回路２１の出力信号S4が“Ｈ”レベルにな
り、この信号S4がスイツチング素子SW５に供給
されて電流指令値がIoに切替り、また、ワンシヨ
ンマルチ２３が同図リに示すパルス信号S5を出力
する。パルス信号S5が出力されるとドライバ３０
のOFF端子が“Ｈ”レベルになり、これにより、
ドライバ３０の出力信号が“Ｌ”レベルになつて
スイツチング素子SWDがOFFし、また、ドライ
バ９によつて駆動されているスイツチング素子
SW1〜SW4がすべてOFFする。この結果、溶接
電流Ｉが母材３→シヤント抵抗Rs→ダイオード
D1（D2）→抵抗RA→電極２なる経路で減衰する。
この場合の電流減衰速度は抵抗RAが介挿された
ことにより、極めて速くなるがこの点につちては
後に説明する。次に、溶接電流Ｉが時刻t2におい
て設定値I′oに対応した値を下回るとコンパレー
タCOM３の出力信号S7が“Ｈ”レベルになり、
ドライバ３０のON端子レベルが“Ｈ”レベルに
立ち上つて、このドライバ３０の出力信号が
“Ｈ”レベルになり、再びスイツチング素子SWD
がONになるとともに、スイツチング素子SW1〜
SW4が溶接電流をIoに等しくするようにON−
OFF制御される。そして、時刻t3においてワンシ
ヨツトマルチ２３の出力信号S5が停止し、次いで
時刻t4においてオンデイレイタイマ２２の出力信
号S6が立上る（同図チ）。信号S6が立上ると、ス
イツチング素子SW５が指令値Icを選択し、また、
スイツチング素子SW６がONとなつてアンプ１
７の出力信号がくびれ検出回路２６に供給され
る。そして、溶接ワイヤ２がくびれると、アンプ
１７の出力電圧が上昇し、この上昇電圧が時刻t5
においてレベルL2を越えるとくびれ検出回路２
６の出力信号が“Ｈ”レベルになつてFF２７が
セツトされ信号S3が“Ｈ”レベルなる（同図ヘ）。
この結果、ドライバ３０のOFF端子のレベルが
“Ｈ”レベルに立上り出力信号が“Ｌ”レベルと
なつて、スイツチング素子SWDおよびSW1〜
SW4がOFFする。したがつて、溶接電流Ｉは区
間t1−t2の時と同じ経路で減衰する。また、FF２
７がセツトされるとスイツチング素子SW５は再
び指令値Ioを選択する。そして、溶接電流Ｉが時
刻t6において設定値I′oを下回ると、コンパレータ
COM８の出力信号が“Ｈ”レベルになり、この
結果、ドライバ３０のON端子レベルが“Ｈ”レ
ベルに立上り、出力信号が“Ｈ”レベルになつて
スイツチング素子SWDがONし、また、スイツ
チング素子SW1〜SW4が指令値Ioに基づいてON
−OFF制御される。次いで、この時刻t6から数
100μS後の時刻t7においてアークが再発生し、こ
の結果、アンプ１７の出力電圧がレベルL1を越
える。これにより、信号S4が“Ｌ”レベルになつ
てスイツチング素子SW５が指令値Iaを選択し、
また、FF２７がリセツトされる。そして、以後
は上述した動作をくり返して行う。
示す波形図であり、この図に示す時刻t1以前（ア
ーク発生時）においては同図ニに示すように電流
指令値はIaに設定されており、これによりスイツ
チング素子SW1〜SW4は溶接電流をIaに対応する
値と等しくするようにON−OFF制御される。そ
して、時刻t1において短絡が発生すると、アンプ
１７の出力電圧が低下してレベルL1を下回る
（同図ル））。この結果、同図ホに示すように短絡
検知回路２１の出力信号S4が“Ｈ”レベルにな
り、この信号S4がスイツチング素子SW５に供給
されて電流指令値がIoに切替り、また、ワンシヨ
ンマルチ２３が同図リに示すパルス信号S5を出力
する。パルス信号S5が出力されるとドライバ３０
のOFF端子が“Ｈ”レベルになり、これにより、
ドライバ３０の出力信号が“Ｌ”レベルになつて
スイツチング素子SWDがOFFし、また、ドライ
バ９によつて駆動されているスイツチング素子
SW1〜SW4がすべてOFFする。この結果、溶接
電流Ｉが母材３→シヤント抵抗Rs→ダイオード
D1（D2）→抵抗RA→電極２なる経路で減衰する。
この場合の電流減衰速度は抵抗RAが介挿された
ことにより、極めて速くなるがこの点につちては
後に説明する。次に、溶接電流Ｉが時刻t2におい
て設定値I′oに対応した値を下回るとコンパレー
タCOM３の出力信号S7が“Ｈ”レベルになり、
ドライバ３０のON端子レベルが“Ｈ”レベルに
立ち上つて、このドライバ３０の出力信号が
“Ｈ”レベルになり、再びスイツチング素子SWD
がONになるとともに、スイツチング素子SW1〜
SW4が溶接電流をIoに等しくするようにON−
OFF制御される。そして、時刻t3においてワンシ
ヨツトマルチ２３の出力信号S5が停止し、次いで
時刻t4においてオンデイレイタイマ２２の出力信
号S6が立上る（同図チ）。信号S6が立上ると、ス
イツチング素子SW５が指令値Icを選択し、また、
スイツチング素子SW６がONとなつてアンプ１
７の出力信号がくびれ検出回路２６に供給され
る。そして、溶接ワイヤ２がくびれると、アンプ
１７の出力電圧が上昇し、この上昇電圧が時刻t5
においてレベルL2を越えるとくびれ検出回路２
６の出力信号が“Ｈ”レベルになつてFF２７が
セツトされ信号S3が“Ｈ”レベルなる（同図ヘ）。
この結果、ドライバ３０のOFF端子のレベルが
“Ｈ”レベルに立上り出力信号が“Ｌ”レベルと
なつて、スイツチング素子SWDおよびSW1〜
SW4がOFFする。したがつて、溶接電流Ｉは区
間t1−t2の時と同じ経路で減衰する。また、FF２
７がセツトされるとスイツチング素子SW５は再
び指令値Ioを選択する。そして、溶接電流Ｉが時
刻t6において設定値I′oを下回ると、コンパレータ
COM８の出力信号が“Ｈ”レベルになり、この
結果、ドライバ３０のON端子レベルが“Ｈ”レ
ベルに立上り、出力信号が“Ｈ”レベルになつて
スイツチング素子SWDがONし、また、スイツ
チング素子SW1〜SW4が指令値Ioに基づいてON
−OFF制御される。次いで、この時刻t6から数
100μS後の時刻t7においてアークが再発生し、こ
の結果、アンプ１７の出力電圧がレベルL1を越
える。これにより、信号S4が“Ｌ”レベルになつ
てスイツチング素子SW５が指令値Iaを選択し、
また、FF２７がリセツトされる。そして、以後
は上述した動作をくり返して行う。
次に、上述した動作におけるスイツチング素子
SWDと抵抗RAの作用について説明する。
SWDと抵抗RAの作用について説明する。
抵抗RAの値を前述した電極抵抗Ｒ＝20の19
倍、すなわち0.38Ωとすると、溶接電流減衰時と
時定数はＬ／（RA＋Ｒ）＝50μH／0.4Ω＝1.2とな
り、前述した(1)式は となる。この(4)式においてIo＝400Aとし、ｔに
仮に150μSを代入すると、 Ｉ＝400・e-1・2＝120（Ａ） ……(5) となり、わずか150μS程度でもスパツタ防止に効
果がある値まで溶接電流を減少させ得ることが分
る。また、この場合抵抗RAに代えて例えばツエ
ナーダイオードや抵抗、コンデンサの直列回路等
を用いてもよく、要はエネルギーを消耗するもの
であればよい。
倍、すなわち0.38Ωとすると、溶接電流減衰時と
時定数はＬ／（RA＋Ｒ）＝50μH／0.4Ω＝1.2とな
り、前述した(1)式は となる。この(4)式においてIo＝400Aとし、ｔに
仮に150μSを代入すると、 Ｉ＝400・e-1・2＝120（Ａ） ……(5) となり、わずか150μS程度でもスパツタ防止に効
果がある値まで溶接電流を減少させ得ることが分
る。また、この場合抵抗RAに代えて例えばツエ
ナーダイオードや抵抗、コンデンサの直列回路等
を用いてもよく、要はエネルギーを消耗するもの
であればよい。
次にスイツチング素子SWDの作用について説
明する。
明する。
スイツチング素子SWDがON状態にある時に
スイツチング素子SW1〜SW4の動作周期が10KHz
であるとすると、スイツチング区間終了時での溶
接電流値は となり、リツプルは次式に示すように16A以下と
なる。
スイツチング素子SW1〜SW4の動作周期が10KHz
であるとすると、スイツチング区間終了時での溶
接電流値は となり、リツプルは次式に示すように16A以下と
なる。
400−384＝16(A) ……(7)
これは４％絶対値のリツプルしかないことを示
しており、負荷両端電圧からくびれを検出するに
は実用的なリツプル分であることが分る。なお、
第３図に示すようにリツプルが大きけれがその分
だけくびれ検出レベルを上げなけれがならず、こ
の結果、くびれ検出時間が大幅に遅れて実用に耐
えなくなる場合がある。また、抵抗RAでの損失
（RAが吸収するＬのエネルギ）を考えてみると、
溶接中における電極短絡回数は毎秒50回程度であ
るから、アーク発生時の損失をWRA1とすると、 WRA1＝１／２×50μH×（4002 2−1202）
×50＝182W……(8) となる。そして、短絡時の損支をWRA2とし、こ
の区間の溶接電流を200Aから120Aとすると、 WRA2＝１／２×50μH×（2002−1202）
×50＝32W……(9) となる。したがつて、前述の実施例における総損
失をWtptalとすれば、 Wtptal＝182＋32＝214W ……(10) となり実用的な数値であることが分る。
しており、負荷両端電圧からくびれを検出するに
は実用的なリツプル分であることが分る。なお、
第３図に示すようにリツプルが大きけれがその分
だけくびれ検出レベルを上げなけれがならず、こ
の結果、くびれ検出時間が大幅に遅れて実用に耐
えなくなる場合がある。また、抵抗RAでの損失
（RAが吸収するＬのエネルギ）を考えてみると、
溶接中における電極短絡回数は毎秒50回程度であ
るから、アーク発生時の損失をWRA1とすると、 WRA1＝１／２×50μH×（4002 2−1202）
×50＝182W……(8) となる。そして、短絡時の損支をWRA2とし、こ
の区間の溶接電流を200Aから120Aとすると、 WRA2＝１／２×50μH×（2002−1202）
×50＝32W……(9) となる。したがつて、前述の実施例における総損
失をWtptalとすれば、 Wtptal＝182＋32＝214W ……(10) となり実用的な数値であることが分る。
一方、スイツチング素子SWDがない場合（電
流減衰回路中に抵抗RAのみが介挿される場合）
は、短絡時のリツプルが極めて大きくなつてくび
れ検出が不可能となり、また、このリツプルを
15A程度に押さえるにはスイツチング素子SW1〜
SW4の動作周波数を100kHz以上としなければな
らず実用性がない。しかも、スイツチング素子
SWDを設けない場合は抵抗RAでの損失が数
10kw以上となり実用に耐えない。
流減衰回路中に抵抗RAのみが介挿される場合）
は、短絡時のリツプルが極めて大きくなつてくび
れ検出が不可能となり、また、このリツプルを
15A程度に押さえるにはスイツチング素子SW1〜
SW4の動作周波数を100kHz以上としなければな
らず実用性がない。しかも、スイツチング素子
SWDを設けない場合は抵抗RAでの損失が数
10kw以上となり実用に耐えない。
このように、スイツチング素子SWDはリツプ
ルの減少と電力損失の低減に寄与し、抵抗RAは
電流減衰速度の向上に寄与している。
ルの減少と電力損失の低減に寄与し、抵抗RAは
電流減衰速度の向上に寄与している。
なお、この実施例においてはくびれ発生時だけ
でなく短絡直後（第７図t1〜t2間）においても溶
接電流Ｉを急激に減少させているので、この区間
の電流上昇によるスパツタ発生を防止し得る効果
があり、また、溶接電流が設定値I′oにより低下
した場合はスイツチング素子SWDをONするよ
うにしたので、電流が下がり過ぎることがなくア
ーク再生時にアーク切れを発生させない効率的な
制御を行うことができる。
でなく短絡直後（第７図t1〜t2間）においても溶
接電流Ｉを急激に減少させているので、この区間
の電流上昇によるスパツタ発生を防止し得る効果
があり、また、溶接電流が設定値I′oにより低下
した場合はスイツチング素子SWDをONするよ
うにしたので、電流が下がり過ぎることがなくア
ーク再生時にアーク切れを発生させない効率的な
制御を行うことができる。
また、スイツチング素子SW1〜SW4に代えて例
えば第８図に示すようにSW１Ａ，SW２Ａを用
いてもよい。この場合スイツチング素子SW１Ａ
の動作タイミングSW１，SW４と等しく、スイ
ツチング素子SW２Ａの動作タイミングはSW２，
SW３に等しい。
えば第８図に示すようにSW１Ａ，SW２Ａを用
いてもよい。この場合スイツチング素子SW１Ａ
の動作タイミングSW１，SW４と等しく、スイ
ツチング素子SW２Ａの動作タイミングはSW２，
SW３に等しい。
さらに、この発明はチヨツパ方式の消耗電極式
アーク溶接電源にも勿論適用することができ、第
９図にその一例を示す。
アーク溶接電源にも勿論適用することができ、第
９図にその一例を示す。
以上詳細に説明したようにこの発明によれば、
極めて速い電流減衰特性を得ることができ、これ
により、アーク再発生時点での電流値を小さくで
き、スパツタを防止することができる。また、第
２のスイツチ手段のオンオフ制御により電力損失
を少なくし得るとともに、リツプルを小さく押え
ることができる。
極めて速い電流減衰特性を得ることができ、これ
により、アーク再発生時点での電流値を小さくで
き、スパツタを防止することができる。また、第
２のスイツチ手段のオンオフ制御により電力損失
を少なくし得るとともに、リツプルを小さく押え
ることができる。
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
の溶接電流の変化を示す図、第３図はくびれ検出
のための電圧判定レベルを示す図、第４図は一般
的なインバータ方式の消耗電極式アーク溶接電源
の構成を示すブロツク図、第５図イ〜ヘは第４図
に示す回路要部の波形図、第６図はこの発明の一
実施例の構成を示すブロツク図、第７図イ〜ルは
各々第６図に示す回路各部の波形を示す波形図、
第８図は同実施例の一変形例を示す図、第９図は
この発明をチヨツパ方式の電源に適用した場合の
例を示す図である。 ２……溶接ワイヤ（消耗電極）、３……母材、
７……積分回路、１３……分周回路、９，３０…
…ドライバ、２１……短絡検知回路、２６……く
びれ検知回路、SW1〜SW4，SW１Ａ，SW２Ａ、
SW１Ｂ……スイツチング素子（第１のスイツチ
手段）、SWD……スイツチング素子（第２のスイ
ツ手段）、RA……抵抗（インピーダンス素子）。
す図、第２図は定電圧特性溶接電源を用いた場合
の溶接電流の変化を示す図、第３図はくびれ検出
のための電圧判定レベルを示す図、第４図は一般
的なインバータ方式の消耗電極式アーク溶接電源
の構成を示すブロツク図、第５図イ〜ヘは第４図
に示す回路要部の波形図、第６図はこの発明の一
実施例の構成を示すブロツク図、第７図イ〜ルは
各々第６図に示す回路各部の波形を示す波形図、
第８図は同実施例の一変形例を示す図、第９図は
この発明をチヨツパ方式の電源に適用した場合の
例を示す図である。 ２……溶接ワイヤ（消耗電極）、３……母材、
７……積分回路、１３……分周回路、９，３０…
…ドライバ、２１……短絡検知回路、２６……く
びれ検知回路、SW1〜SW4，SW１Ａ，SW２Ａ、
SW１Ｂ……スイツチング素子（第１のスイツチ
手段）、SWD……スイツチング素子（第２のスイ
ツ手段）、RA……抵抗（インピーダンス素子）。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ １個以上のスイツチング素子を備え、これら
スイツチング素子のオンオフ動作に応じて直流電
圧源から供給される直流電圧を所定出力として制
御する第１のスイツチング手段と、 この第１のスイツチング手段で制御される出力
を平滑する平滑手段と、 この平滑手段出力の溶接電流経路に直列接続し
た第２のスイツチング手段と、 この第２のスイツチング手段と並列に接続した
インピーダンス素子と、 少なくとも、前記平滑手段の出力が供給される
消耗電極と母材との間のインピーダンス変化を電
気的に検出し、この検出値と予め定められた設定
値との比較結果から短絡後期に形成される前記消
耗電極のくびれ発生を検出するくびれ検出手段
と、 前記くびれ検出手段からくびれ発生を表わす信
号が供給された場合、前記第２のスイツチング手
段をオフ状態に切り換える制御手段と を具備することを特徴とする消耗電極式アーク溶
接電源。 ２ １個以上のスイツチング素子から構成される
第１のスイツチング手段のオンオフ動作に応じて
直流電圧源から供給される直流電圧を所定出力と
して制御すると共に、この所定出力を平滑する平
滑手段の溶接電流経路に直列接続される第２のス
イツチ手段を介して該平滑手段の出力を消耗電極
と母材にも供給する第１の過程と、 少なくとも、前記消耗電極と前記母材との間の
インピーダンス変化を電気的に検出し、この検出
値と予め定められた設定値とを比較して短絡後期
に形成される前記消耗電極のくびれ発生を検出
し、くびれ発生を検出した場合にくびれ検出信号
を発生する第２の過程と、 前記くびれ検出信号に応じて前記第２のスイツ
チング手段をオフ状態とし、前記第２のスイツチ
ング手段に並列接続されるインピーダンス素子を
溶接電流減衰路とする第３の過程と を具備することを特徴とする消耗電極式アーク溶
接電源の制御方法。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58078665A JPS59206159A (ja) | 1983-05-04 | 1983-05-04 | 溶接電源の制御方法および装置 |
| KR1019840002401A KR900003877B1 (ko) | 1983-05-04 | 1984-05-03 | 용접전원의 제어방법과 장치 |
| EP84104973A EP0127777B1 (en) | 1983-05-04 | 1984-05-03 | Method and device for controlling welding power supply |
| DE8484104973T DE3473737D1 (en) | 1983-05-04 | 1984-05-03 | Method and device for controlling welding power supply |
| US06/606,996 US4544826A (en) | 1983-05-04 | 1984-05-03 | Method and device for controlling welding power supply to avoid spattering of the weld material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58078665A JPS59206159A (ja) | 1983-05-04 | 1983-05-04 | 溶接電源の制御方法および装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59206159A JPS59206159A (ja) | 1984-11-21 |
| JPH0525594B2 true JPH0525594B2 (ja) | 1993-04-13 |
Family
ID=13668152
Family Applications (1)
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