JPH0570549B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

技術分野 この発明は短絡移行を伴なう溶接における電流
の制御方法と装置に関する。 従来技術 ガスシールド溶接において、溶接ワイヤと母材
との間で短絡とアーク発生とを交互にくり返しな
がら溶接を行なう短絡移行溶接におけるスパツタ
は、短絡が破れアークが再生する瞬間に発生する
ことが明らかになつている。またアークが再生す
る時の状態により２つの形態に分かれる。従来の
リアクトルにより電流の上昇を遅らせる定電圧電
源の出力波形を用いて説明する。第１図は短絡時
の溶滴移行過程を示し、第２図は溶接ワイヤの電
流波形と電圧波形とを示す。第１図と第２図で、
それぞれ状態ａ〜ｄは相互に対応している。第１
図と第２図で溶接ワイヤ１と母材２が短絡すると
アークが消弧し、溶接ワイヤの電流は、溶接電源
である定電圧電源のリアクトルにより上昇速度が
決められ、徐々に上昇し、上昇の過程でアークが
再生するというくり返しが行なわれるが短絡過程
における溶滴３の変化は電流波形との関係を対応
させるとａ〜ｄのようになつている。ここで溶滴
変化の第１の形態はＢの波形の時のように溶滴３
が移行完了し、ｅのアーク再生の時にスパツタが
発生するものであり、第２の形態は溶滴３が移行
する前のａ−ｂの中間時ｆの時点でa′部分の細い
部分で溶断し波形B′のような過程を取る場合で
ある。第２の形態は溶滴移行に貢献することな
く、また溶接ワイヤの先端にぶら下つている溶滴
が大きいことからスパツタも大きい場合が多く、
溶接過程において、無意味であるばかりでなく有
害である。 リアクトルが小さいと波形Ａのように電流の立
上りは急でアーク再生時のピーク電流も上がり、
第１の形態のスパツタは、ピーク電流に比例する
ことから多くなる。また第２の形態のスパツタ
は、短絡直後でa′部がまた細い時点で電流が高い
とこの細い部分が電流のピンチ力で破断すること
から発生するものであるので、やはり波形Ａの場
合には、スパツタの発生が多い。総合して波形Ａ
はスパツタの発生が多い。 一方リアクトルが大きいと波形Ｃのように電流
の立上りはゆるやかでアーク再生時の電流も低
く、スパツタはＡの波形と対象的に少なくなるが
短絡時間が長いこと、手ぶれ送給速度の変動、溶
融池の振動などにより短絡が異常に長いケースが
現われるなど全体の溶接が不安定となる。 このようなことからリアクトルは適当なＢの波
形を選択して大なわれているが妥協的なものであ
り理想的ではない。短絡移行時の理想的な要件
は、 短絡直後ａ−ｂに移る間電流が上昇しないこ
と更には電流を低下させ０に近いことであり、
これは溶滴下端と母材との接触部a′の結合が強
固になりｂの状態になるまで電流のピンチ力を
加えずa′部での再破断を防止するための要件で
ある。 アーク再生ｅ点で電流ができるだけ小さいこ
とであり、これはスパツタ飛散エネルギーを低
くおさえるための要件である。 (b)−(c)の過程において適当な電流が確保され
ること、これは短絡時間の過長による欠陥や、
溶接全体の安定性を向上させるために必要な要
件である。 発明の目的 この発明は上述の点に鑑みてなされたものであ
つて、スパツタの再生を防止できる制御方法と装
置とを提供することを目的とするものである。 発明の概要 上述の目的を達成するために、短絡電流を増大
するタイミングが重要であり、このタイミング如
何によつてスパツタの発生量が以下に示すように
変化することがこの発明の発明者の考察により判
明した。 いま溶接ワイヤと母材間の短絡発生後短絡電流
を増大させるまでの時間T_D（第３図図示）を０〜
５ｍ secの間で変化させた。その結果以下の如
き結果が得られた。 ０〜0.5ｍ secでは、ほとんどａ点のa′部で
破断し、大粒のスパツタが多量に発生する。 １ｍ secでは、時々大粒のスパツタが発生
するがほとんどの場合溶滴移行は行なわれる。
しかしトーチ角度が前進角をもつた場合には大
粒のスパツタの数は増加するなど状況により不
安定である。 ２ｍ secではの傾向が若干残るものの
の状態より良好である。 ３ｍ secの時は、の傾向は完全になく
なるが短絡時間が長くなり、条件により、溶融
してないワイヤ先端が溶融池に入り込み長時間
短絡が破れない場合が出てくる。 ４〜５ｍ secでは、の傾向が顕著になり、
溶接が不安定である。 上記のようにT_Dは短くても長くてもそれぞれ
の弊害があり、かつ最適値は条件により変化する
ばかりでなく、同一条件においてもバラツキを有
している。 高速度カメラによる観察によれば、同一条件で
あつても、溶融池の振動、ワイヤ送給速度の変動
溶接者の手振れなどのため各短絡毎に第１図のａ
からｄに移る時間が変化していることが確認され
た。 一方、溶接全体から考えれば短絡時間は短い方
が好ましく特に送給速度（平均電流）が高い場合
には、１回の短絡で移行する溶滴量を大きくする
か短絡回数を多くする必要があるが溶滴量を大き
くすることは、アーク長の変動が大きくなり、好
ましくなく、また短絡回数が増加すると短絡時間
のアーク時間に対する比が大きくなり、母材への
溶込みが少なくなるなどの弊害が生じる。 これらの問題点を解決するためにはT_Dは固定
でなく、第１図のｂ点近傍すなわち溶滴と母材の
結合が強固になつたことを、各短絡毎に検出し、
この時短絡大電流を印加するという制御を行う必
要があることが伴つた。それ故この発明において
は、短絡期間における溶滴の母材への接触状態を
検出し、この検出値が所定値に達したときに短絡
電流を増大させる。 以下に実施方法を詳細に説明する。 第４図は短絡開始から大電流印加までの電流波
形で短絡後、アーク時より電流を下げている。短
絡後の電流レベルの違うl₁とm₁を示している。先
ず第１の例を第５図にもとづいて説明する。第５
図は第４図の電圧波形でl₁、m₁に応じl₂、m₂と変
化している。第５図から明らかなように第１図の
ａからｂに移行するに従い、溶滴の母材への接触
断面積が増加して行くため、抵抗が減少し溶接ワ
イヤ電圧が減少する。接触状態の検出は電圧値Ｖ
（l₂、m₂）で行い、所定値はKIでＫはＫ＝L₂₁／
L₁₁＝M₂₁／M₁₁＝一定と決定しておく。ここにお
いてL₂₁、M₂₁およびL₁₁、M₁₁は接触が強固にな
つたと判断する電圧と電流値である。このように
して、Ｖ≦K₁Iとなつた時溶接ワイヤと母材との
接触が強固になつたと判断すれば良い。短絡時の
溶接ワイヤの電流ＩがたとえばL₁₁、M₁₁と変更
されても、これに応じてKIが変化し、電流の影
響は除去される。この制御の場合、接触が強固に
なつたと判断するレベルL₂₁、M₂₁を出力増大の
最適レベルより少し手前に取つている。 これは最適値を求めようとすると設定誤差など
により、永久に判断レベルに達しない場合がある
からで、従つて検出値Ｖが所定値KIに達した後
ある一定時間遅らせて出力を増大させれば良い。
多少の誤差要因がこれによつて含まれるが本制御
を行う効果は後述のように大きい。最適値にでき
るだけ近いレベルに設定し、遅れ時間を小さくし
て行なえば精度は向上する。この場合には、短絡
後たとえば３ｍ sec後に設定レベルに達しない
場合においては無条件に出力を増大させるという
回路を付属させておくことが望ましい。 第２の例について、第４図と第６図を用いて説
明する。第６図は前述の第４図の時の抵抗波形で
電流l₁，m₁と変化しても抵抗波形はl₃＝m₃と同一
である。第１の例と同様第１図のａからｂに移行
するに従つて接触断面積が増加して行き溶接ワイ
ヤの抵抗が減少する。この場合、溶滴と母材間の
接触状態の検出は溶接ワイヤと母材間の抵抗値Ｒ
で行い、比較のための所定値は一定値K₁とする。
第６図の例ではK₁＝L₃₁、M₃₁の値でありＲ≦K₁
の時接触が強固になつたものと判断して良い。第
２の例においても第１の例と同様接触が強固にな
つたと判断するレベルを出力増大の最適時期より
手前としているのは第１の例の理由と全く同じで
その対応も第１の例に記載のものと同様である。 第３の例を第７図と第８図を用いて説明する。
第７図は短絡開始から出力増大までの電流波形で
ある。波形は３つの同一波形が重なつて描かれて
おりo₁＝p₁＝q₁である。第８図は第７図の電流波
形に相当した電圧波形でo₂、p₂、q₂はそれぞれワ
イヤ突出長が12mm、16mm、20mmの場合である。第
１図のａ−ｂ間の抵抗差は、本来ワイヤ突出長と
は無関係なものであり、従つてその電圧差は、電
流が第７図のように短絡後ある一定値に固定され
た場合、ある定数K₂、電流Ｉとして、K₂Iに相当
する。従つて短絡後電圧V₁（＝O₂₁＝P₂₁＝Q₂₁）
を記憶し、その後の電圧Ｖとの差がV₁−Ｖ≧K₂I
になつた時、接触が強固になつたものと判断して
良い。第１の例、第２の例と同様に接触が強固に
なつたと判断するレベルを出力増大の最適時期よ
りより手前としているのは、第１〜第２の例と同
じであるが、第３の例はワイヤ突出長の変動に影
響されないので遅れ時間は少なくて済み従つて誤
差も少なくなる。 第４の例を第９図と第１０図を用いて説明す
る。第９図は短絡開始から出力増大までの電流波
形で、短絡後一定電流としたo₁＝p₁＝q₁と短絡後
徐々に電流が減少するp′₁と短絡後電流が一度低
下しその後徐々に上昇しているP″₁が描かれてい
る。第１０図は第９図の電流の時の抵抗波形で
o₃、p₃、p′₃、p″₃、q₃はそれぞれ溶接ワイヤ突出
長が12mm、16mm、16mm、16mm、20mmの場合であ
る。p₃、p′₃、p″₃は同一波形を示している。第１
図のａ−ｂ間の抵抗差は本来溶接ワイヤ突出長と
は無関係なものであり、ワイヤ径や材質が決まれ
ば、K₂（一定）とみなすことができる。従つて短
絡後溶接ワイヤと母材間の抵抗R₁（＝O₃₁、P₃₁、
P′₃₁、P″₃₁、Q₃₁）を記憶しその後の抵抗Ｒとの
差がR₁−Ｒ≧K₂になつた時、接触が強固になつ
たものと判断して良い。第４の例は短絡時の電流
が変化しても抵抗値で検出しているので波形はワ
イヤ突出長と接触状態だけで変わるので第３の例
より更に信頼性が増加する。従つて第３の例で示
した遅れ時間は更に少なく出来、誤差も少なくな
る。 第５の例を第７図、第８図、第１１図を用いて
説明する。第７図と第８図は第３の例で説明し
た。第１１図は第８図の溶接ワイヤの電圧を時間
微分した波形で溶接ワイヤの突出長に関係ない波
形となるため第８図の３条件の波形は１つの波形
dV／dtとなる。この場合には電圧微分値がdV／
dt≦K₃Iの時接触が強固になつたものと判断して
良い。この時溶接ワイヤの電流Ｉは検出期間中略
一定であることが必要である。精度としては第３
の例と同等のものが得られるが電流リツプル等の
影響を除去するための電圧検出器と電流検出器に
フイールターを要する場合がある。 第６の例を第９図、第１０図、第１２図を用い
て説明する。第９図と第１０図は第４の例で説明
した。第１２図は第１０図の抵抗を時間微分した
ものでワイヤ突出長に関係なくなる他、第９図の
p′₁やp″₁のように電流がスロツプを描いていても
その影響は除去される。また電源のリツプルにつ
いてもその影響が抵抗波形で除去されていること
から第５の例より精度は向上する。第６の例にお
いては抵抗微分値dR／dt≦K₃の時、接触が強固
になつたと判断すれば良い。 以下に実施例について説明する。 第１の例ではＶ≦K₁I（Ｉ＝50A、K₁＝0.016）、
短絡検出から大電流印加までの遅れ時間：τを
0.6ｍ secとした。 第４の例ではR₁−Ｒ≧K₂（K₂＝７ｍΩ） τ＝0.3ｍ secとした。 第６の例ではdR／dt≦K₃（K₃＝２ｍΩ／ｍ
sec） τ＝0.4ｍ secとした。 従来例１では短絡から大電流印加までの時間
T_DをT_D＝１ｍ secとした。 従来例２ではT_D＝２ｍ secとした。 従来例３ではT_D＝３ｍ secとした。 他の溶接条件として下記を用いた。 電流 150A 電圧 20V 速度 20cm／min ワイヤ YCW−2.12φ シールドガス CO₂ 20／min 上記条件にて溶接トーチを台車に設置し、板厚
12mmの上にビードオンプレート溶接し、溶接時間
を10分とした。結果は、平均短絡時間、アークの
安定性、飛散したスパツタとノズル付着スパツタ
を集めて重量測定した全スパツタで比較した。全
スパツタ測定では、時間T_Dの影響によるスパツ
タとそうでないものの分離測定が不可能であるこ
とから、全スパツタの他特にT_Dの影響の大きい
大粒のスパツタについて目視で多少について観察
した結果を並記した。なお、実験はくり返し３回
とした。

【表】

【表】 従来法では全スパツタおよび大粒のスパツタを
減少させようとすれば短絡時間が増加し、逆に短
絡時間を減少させようとすれば全スパツタおよび
大粒のスパツタが発生するという傾向がある。本
発明の例によれば、各例により若干の差異はある
ものの全スパツタおよび大粒のスパツタを減少さ
せつつ、短絡時間を減少できることが分かる。 次に上述の各例を実施する装置を説明する。 第１３図はこの発明に用いられる溶接装置を示
しており、１は出力電圧と出力電流の制御可能な
溶接電源でありその出力はケーブル２とアースケ
ーブル３とを介して消耗電極ワイヤを用いた溶接
ワイヤ４ａに供給され、この溶接ワイヤ４ａと母
材４ｂとの間にアーク４を発生する。溶接ワイヤ
４ａは図示しないモータによつて母材４ｂに向つ
て速度制御されながら送給され、母材４ｂとの間
で所定間隔で短絡とアーク再生とを交互にくり返
して、公知の短絡移行溶接が行なわれる。なお溶
接トーチ４ｃからはシールドガスが溶接ワイヤ４
ａの突出部を包囲すべく排出される。 ５は溶接トーチ４ｃと母材４ｂ間の電圧を検出
する電圧検出器、６は溶接ワイヤ４ａに流れる電
流を検出する電流検出器、７は溶接ワイヤ４ａの
先端の溶滴と母材４ｂとの接触状態を検出する接
触状態検出器、８は接触状態レベル設定器であ
る。９は接触状態検出器７の検出出力が接触状態
レベル設定器８の設定レベルに達した時、信号を
出力する。この比較器９の出力信号は溶接電源１
に印加され、該溶接電源１の出力電流を増大させ
る。 なおこの種の溶接装置においては溶接ワイヤと
母材との間の短絡からアーク再生に至る区間にお
いて第３図に示すように溶接ワイヤ４ａの電流
を、短絡初期ａにて０に近い値とし、またアーク
再生直前に溶滴のくびれが生じた時点ｃ〜ｄで電
流を低下するための制御回路（図示せず）が設け
られる。 第１４図は第１３図の装置において、上述の第
１の例の制御方法に用いられる回路を示し、接触
状態検出部７としては、電圧検出器５が用いら
れ、溶接トーチ４ｃと母材４ｂ間の電圧Ｖを比較
器９に印加する。接触状態レベル検出器８は電流
検出器６の出力をＫ倍増幅する増幅器１０が用い
られこの増幅器１０は溶接ワイヤの電流をＩとす
ると、K₁Iの出力を生じる。比較器９はＶK₁I
のとき信号を溶接電源１に与えて、第３図ｂ〜ｃ
で短絡電流を増大させる。 第１５図は第２の例の制御方法に用いられる回
路を示している。 接触状態検出器７は溶接トーチ４ｃと母材４ｂ
間の接触抵抗Ｒを検出する抵抗検出器１１であ
り、抵抗Ｒを示す信号を出力する。接触状態レベ
ル設定器８は基準値出力器１２であり一定値K₁
を出力する。従つて比較器９はＲ≦K₁の時短絡
電流を増加するための信号を発生する。 第１６図は第３の例の制御方法に用いられる回
路である。接触状態検出器７は電圧検出器５と短
絡後の電圧Ｖを記憶する記憶器１３と加減算器１
４から構成され、加減算器１４が記憶器１３の出
力V₁から電圧検出器５の出力Ｖを減算した値V₁
−Ｖを出力する。接触状態レベル設定器８は、電
流検出器６と増幅器１０から構成され、増幅器１
０が電流検出器の出力ＩにK₂を乗じK₂Iを出力す
る。従つて、比較器９はV₁−Ｖ＞K₂Iの時に短絡
電流を増加するための信号を出力する。 第１７図は上述の第４の例の制御方法に用いら
れる回路図である。接触状態検出器７は溶接トー
チ４ｃと母材４ｂ間の抵抗を検出する抵抗検出器
１１と、溶接ワイヤと母材間の短絡後の抵抗R₁
を記憶する記憶器１３と加減算器１４とで構成さ
れ、加減算器１４が記憶器１３の出力R₁から抵
抗検出器１１の出力Ｒを減算した値R₁−Ｒを出
力する。接触状態レベル設定器８は、基準値出力
器１２であり一定値K₂を出力する。従つて、比
較器９はR₁−ＲK₂の時に短絡電流を増加すべ
き信号を出力する。 第１８図は第５の例の制御方法に用いられる回
路図である。接触状態検出器７は、電圧検出器５
と電圧微分器１５から構成され、電圧微分器１５
が電圧検出器の出力Ｖを時間微分した値dV／dt
を出力するものである。接触状態レベル設定器８
は、電流検出器６と増幅器１０から構成され、電
流検出器６の出力Ｉに定数K₃を乗じた値K₃Iを出
力する。 従つて比較器９はdV／dt≦K₃Iの時に短絡電流
を増加すべき信号を出力する。 第１９図は上述の第６の例の制御方法に用いら
れる回路図である。接触状態検出器７は、抵抗検
出器１１と抵抗微分器１６から構成され、抵抗微
分器１６が抵抗検出器１１の出力Ｒを時間微分し
た値dR／dtを出力する。接触状態レベル設定器
８は、基準値出力器１２であり一定値K₃を出力
する。従つて比較器９はdR／dt≦K₃の時に短絡
電流を増加すべき信号を出力する。 次に第２、第４、第６の各例において用いてい
る抵抗検出器１１の詳細を第２０図に示す。抵抗
検出器１１は、電圧検出器５と電流検出器６と除
算器１７から構成され、除算器１７が電圧検出器
の出力Ｖを電流検出器の出力Ｉで割つた値Ｖ／Ｉ
を出力する。ここで除算器１７は、市販のIC除
算器でも良いし、又対数変換器と加減算器で構成
されるものでもよい。 本発明の方法についての詳細な説明の中で接触
が強固になつと判断するレベルを出力増加の最適
時期より手前に設定する場合はレベルに到達後あ
る一定時間の遅れをもつて出力を増大すると述べ
た。この遅れは、前述の比較器９の遅れ回路２２
を含ませれば良く、第２１図に示すようにコンパ
レータ２１、抵抗１８、コンデンサ１９、ゲート
IC２０で容易に達成できる。 以上に装置の具体例について説明したが、本発
明を構成する回路は、比較的安価で実用的な回路
で構成されており、信頼度も比較的得やすい。し
かし、ケーブルが長い場合にはケーブル内のイン
ダクタンスや抵抗の影響を受ける場合もあり、こ
のような時は電圧検出器の入力を電源の出力ター
ミナルでなく、トーチと母材間に取る必要が生じ
る。 以上に本発明の方法と装置について詳細に説明
して来たが、本発明によれば、短絡初期に発生す
る大粒のスパツタを防止しつつ、短絡時間の減少
を達成できるため、スパツタに起因する様々な弊
害を取り除くことができ、工業上有益である。

【図面の簡単な説明】

第１図は短絡時の溶滴の移行過程を示す図第２
図はリアクトルにより電流変化を制御している定
電圧電源の電流電圧波形を示す図、第３図は、ス
パツタを減させるために試作した電源の電流、電
圧波形を示す図、第４図、第７図、第９図は短絡
初期の制御された電流波形を示す図、第５図は、
第４図の電圧波形図、第６図は、第４図の抵抗波
形図、第８図は、第７図の電圧波形図、第１０図
は、第９図の抵抗波形図、第１１図は、第８図の
波形を微分した電圧微分波形を示す図、第１２図
は、第１０図の波形を微分した抵抗微分波形を示
す図、第１３図は、本発明の一実施例を要部を示
す回路図、第１４図〜第１９図は、接触状態検出
器７と接触状態レベル設定器８の様々な具体例を
示す回路図、第２０図は抵抗検出器の一実施例を
示す回路図、第２１図は、遅れ回路をもつた比較
器の例を示す回路図である。 １〜出力回路、２，３〜ケーブル、４〜アー
ク、５〜電圧検出器、６〜電流検出器、７〜接触
状態検出器、８〜接触状態レベル設定器、９〜比
較器、１０〜増幅器、１１〜抵抗検出器、１２〜
基準値出力器、１３〜記憶器、１４〜加減算器、
１５，１６〜微分器、１７〜除算器、２１〜コン
パレータ、２２〜遅れ回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 溶接ワイヤと母材との間で短絡とアーク再生
   とを交互にくり返す短絡を伴なう溶接法におい
   て、溶接ワイヤと母材間の電圧が所定値以下とな
   つたことを検出することにより、溶接ワイヤ先端
   に生じた溶滴の母材への接触を検出したならば、
   溶接ワイヤの電流を所定値に一定維持させ、この
   低電流制御時において、溶接ワイヤと母材との間
   の電圧もしくは抵抗が所定値に達したことを検出
   すれば、溶接ワイヤの電流を増大させることを特
   徴とする短絡を伴なう溶接の電流の制御方法。 ２ 所定値は、溶接ワイヤの電流Ｉに定数K₁を
   乗じたものである特許請求の範囲第１項記載の制
   御方法。 ３ 所定値は、一定値Ｋである特許請求の範囲第
   １項記載の制御方法。 ４ 所定値は、溶接ワイヤと母材との間の抵抗
   R₁とその後の抵抗Ｒとの差すなわちR₁−Ｒで検
   出し、所定値が一定値K₂である特許請求の範囲
   第１項記載の制御方法。 ５ 溶接ワイヤと母材との間の抵抗Ｒとして微分
   値dR／dtで検出し、所定値が一定値K₃である特
   許請求の範囲第１項記載の制御方法。 ６ 所定値は、溶接ワイヤと母材との間の電圧Ｖ
   とその後の電圧Ｖとの差すなわちV₁−Ｖで検出
   し、所定値が溶接ワイヤの電流Ｉにある定数K₂
   を乗じたK₂・Ｉである特許請求の範囲第１項記
   載の制御方法。 ７ 所定値は、溶接ワイヤと母材との間の電圧Ｖ
   として微分値dV／dtで検出し、所定値が溶接ワ
   イヤの電流Ｉにある定数K₃を乗じたK₃・Ｉであ
   る特許請求の範囲第１項記載の制御方法。 ８ 所定値に達した時の信号が所定時間遅れて出
   力回路の出力を増大させる特許請求の範囲第１項
   記載の制御方法。 ９ 短絡を伴う溶接に用いる電源の出力を制御す
   る装置において、 溶接ワイヤ先端に生じた溶滴の母材への接触を
   検出する短絡検出器と、前記短絡検出器で短絡が
   検出されれば、溶接ワイヤ電流を所定値に一定維
   持させる電流保持手段と、この電流保持手段によ
   り、定電流制御が行われている間に、溶接ワイヤ
   電圧もしくは溶接ワイヤ抵抗を検出する検出手段
   と、前記検出手段で検出された検出値が所定値に
   達したとき、溶接ワイヤ電流を増大させる制御手
   段とを備えたことを特徴とする溶接電源の出力制
   御装置。