JPH0616944B2 - 短絡移行アーク溶接装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、短絡移行アーク溶接の改良に係り、特に溶接
条件に応じてアークの発生区間の初期時における出力電
圧を一時的に上昇させて、アークの再点孤を容易にして
安定したアーク溶接を連続して行うようにした溶接装置
に関する。

従来の技術 短絡移行アーク溶接方法は、消耗電極を定速度で送給し
ながら、消耗電極の母材への短絡と、引き離しを交互に
行ってアークを発生させて溶接を行うものである。

これを行うにあたっての問題点は、スパッタの発生を抑
止すること（短絡の発生時とアークの発生時において特
に等しい）、及びアーク発生時の再点孤を容易にし、か
つ溶接中アークを常に安定して発生させることが強く望
まれる。

そこで、従来はこのような要請に応えるために直流リア
クトルの遅延特性を利用して短絡電流を制御している
が、このような方法では、溶接条件が変わる度に必要な
時定数を有するリアクトルを選定することが難点である
うえに、電流の変化時に要求される時定数も非常に大き
いものになるという欠点があり、このため必要なインダ
クタンスは数１００μＨにも達し、設計、製作が困難と
なって製造コストも高価になるという問題があった。そ
して、このような場合には、短絡時の電流は数１００Ａ
と大きな値になるために大きいインダクタンスを要し、
非常に大形のリアクトルが必要となる。このため、従来
では鉄心を用いて大きいインダクタンスを得ているが、
かかる場合には鉄心の飽和の問題を新たに引き起こすな
どの欠点があった。

また、このような直流リアクトルは、従来より再点孤時
にも重要な役割があり、このため溶接条件に応じてその
値に変化させて使用しており、一般には、溶接電流が小
さく短絡時間が小さくなる場合には、小さいインダクタ
ンスの値にして再点孤時の電圧増大分ΔＶを小さくし、
溶接電流が大きく短絡時間が大きくなる場合には、大き
いインダクタンスの値にして再点孤時の電圧増大分ΔＶ
を大きくするなどしている。

そして、これらの操作は、通常は溶接条件に応じてタッ
プなどを切り換えることによりインダクタンスの値を切
り換えて再点孤を容易にする工夫がなされており、この
ような条件設定は溶接の自動化作業を面倒にしている現
状にある。

そこで、近年に至っては直流リアクトルの有する叙上の
問題点を解決すべく、出力フィードバック回路中に位相
遅れ要素を挿入して、負荷の変化に対して出力変化に位
相遅れをもたせて実質上、直流リアクトルの効果を発生
させることにより、直流リアクトルを設けることなしに
溶接を行うようにしたものが種々提案されている。

例えば、特開昭５８−１１２６５９号に提案されたもの
は、その改良されたものである。

このものは、直流電源の出力制御にスイッチング素子に
よるスイッチング制御方式を使用し、かつ出力制御回路
を負荷の変動に対して位相遅れをもたせる回路を備え、
この位相遅れ量を出力の増加時と減少時とでそれぞれ独
立して調整可能な回路構成としたことを特徴とするもの
で、従来のように大形の直流リアクトルを用いることな
く、常に溶接に最適な出力上昇速度と下降速度とを容易
に得ることができる利点があり、溶接の安定性が飛躍的
に向上し、かつビード形状の制御が可能に行えるという
ものである。

発明が解決しようとする問題点 本発明は、短絡移行アーク溶接方法を改良したもので、
従来のように大きな直流リアクトルを使用することなく
して、アークの再点孤が容易に行えて、アークを安定に
維持できる信頼性の高い短絡移行アーク溶接方法を提供
することを解決すべき問題点としたものである。

問題点を解決するための手段 本発明は、叙上の問題点を解決するために、負荷に供給
される出力電圧を、アーク発生区間の初期時において
は、 で規定される分だけ一時的に増大させて、アークの再点
孤をかつ短絡発生時には、 Ｉ_２＝Ｉａ＋Ｉｓ＋Ｉｔ（ここに、Ｉａは短絡直前のア
ーク電流、Ｉｓは予め設定された立上り分、Ｉｔは時間
経過に連れて略直線状に増大する変化分である）で規定
された波形を呈した出力電流Ｉ_２を負荷に供給するよう
に構成したことを要旨としている。

で規定される分だけ一時的に重畳させることによって出
力電圧を一時的に増大させるように構成されており、か
つ上記電流制御回路は、上記電圧検出器からの短絡検出
信号を受けて駆動され、負荷電流を検出する電流検出器
からの出力信号を受けて上記スイチング制御回路に予め
設定された制御値に応じたドライブ信号を出力するよう
に構成されている。

発明の作用および効果 本発明によれば、アーク発生区間の初期時においては、
負荷には大きなレベルの出力電圧が瞬時に供給されるた
めに、以後のアークの再点孤が極めて容易に行われ、溶
接作業中常にアークを安定に発生できる。

また、本発明によれば、このアーク発生区間時の初期時
に出力電圧に重畳されることになる電圧ΔＶは、短絡時
間に比例しているので、短絡時間の長い大電流溶接時に
は大きな値となり、かつ短絡時間の短い小電流溶接時に
は小さい値となって溶接条件に応じてアークの再点孤時
の出力電圧が自動的に設定され、広範囲な溶接条件に自
動的に対応できる利点がある。

発明の実施例 以下に、添付図を参照しつつ本発明装置の一実施例を詳
細に説明する。

第１図に、本発明装置の構成をブロック線図をもって示
す。

本発明装置は、図に見るように、スイッチング制御回路
１０を駆動して負荷に供給される出力電圧、電流を閉ル
ープ制御するようにした電圧制御回路と、電流制御回路
とを組合わせて構成されており、アーク発生時には電圧
制御が行われ、かつ短絡時には電流制御が行われるよう
になっている。

図において、１は不図示の制御系によって所定速度で送
給される消耗電極（溶接ワイヤ）、２は被溶接部材であ
る母材、３はアーク発生時に生じる溶接アークを示し、
４は電流検出器、５は電圧検出器、６は電圧制御モード
時に駆動される電圧制御回路、７は電流制御モード時に
駆動される電流制御回路、８は平滑回路、９は整流回
路、１０は負荷に対して必要な電圧，電流を供給するた
めに設けたスイッチング制御回路、１１は電圧検出器５
がアークの発生を検知した時に制御モードを電圧制御か
ら電流制御に切り換えるスイッチング手段である。

ここに、電圧制御回路６は、アークが再点孤される直前
に、負荷に大きいレベルの電圧を出力させるための重畳
電圧設定回路６３を設けており、アーク発生区間時の初
期時に入ると電圧検出器より作動信号を受けて、第２図
（ｃ）に示したような出力電圧Ｖを負荷に供給する。

この重畳電圧設定回路６３は、第２図（ｂ）に示すよう
に、短絡区間時の初期時Ｔ０においては定電流充電を開
始し、短絡区間時の終期時Ｔ１において充電した電荷の
放電を開始するもので、この時の放電電圧Ｖｃを負荷に
供給される出力電圧Ｖａに重畳すれば第２図（ｃ）に示
したようなアーク発生時の初期において一時的に増大し
た出力電圧Ｖを得ることができる。

また、電流制御回路７は、電圧検出器５が短絡を検知し
た時に駆動され、負荷の短絡区間（Ｔ０〜Ｔ１）時には
第３図に示したような出力電流Ｉ_２を供給する。

つまり、短絡区間（Ｔ０〜Ｔ１）時に負荷に供給される
電流Ｉ_２は第３図に示したように、Ｉａ＋Ｉｓ＋Ｉｔ
（ここに、Ｉａは短絡直前に負荷に供給されるアーク電
流値、Ｉｓは立上がり分、Ｉｔは時間経過に連れて略直
線状に増大する変化分を示す）となる。

第４図は、第１図のブロック線図を更に詳細にした構成
図であり、スイッチング制御回路１０はパワートランジ
スタなどによって具体化された出力調整素子１０１をド
ライバ１０２で駆動する構成となし、このドライバ１０
２はパルス幅制御回路１０３によってドライブパルスの
パルス幅が調節可能になっている。

また、スイッチング手段１１としては、パルス幅制御回
路１０３の後段に設けたスイッチング回路１１が採用さ
れており、このスイッチング回路１１は、上記した電圧
検出器５からアーク検出信号を受けると制御モードを電
圧制御に選択し、更に短絡検出信号を受けると制御モー
ドを電流制御に切り換える。

このスイッチング回路１１の後段には、電圧制御回路６
と、電流制御回路７とが接続されており、電圧制御回路
６は、実施例では誤差増幅器６１、電圧設定器６２，重
畳電圧設定器６３を含んで構成されており、誤差増幅器
６１では、電圧検出器５からの出力信号と、電圧設定器
６２と重畳電圧設定器６３の加算された信号が比較され
ており、両者の誤差出力がスイッチング回路１１を介し
てパルス幅制御回路１０３に送られている。

ここに、電圧設定器６２は、アーク発生区間（Ｔ１〜Ｔ
０）、つまり電圧制御モード時に負荷に供給される出力
電圧の制御値を規定するもので、重畳電圧設定回路６３
は、アーク発生区間（Ｔ１〜Ｔ０）時の初期に重畳され
ることになる電圧ΔＶ（斜線をもって示す）を出力する
ように構成されている。

以上に説明した実施例では、アーク発生区間時に負荷に
供給される出力電圧Ｖの波形が、急峻に立上がった立上
がり部分とこれに後続する穏やかな減衰部分を有したも
の（指数関数的に変化するもの）を示したが、直線的な
変化を示すものであってもよい。

第５図には、重畳電圧設定器６３の詳細構成が示されて
いる。図において、Ｒ１〜Ｒ５は抵抗素子、Ｔｒ１〜Ｔ
ｒ４はスイッチングトランジスタ、ＯＰは演算増幅器、
Ｃはコンデンサ、ｚＤはツェナダイオードである。

この図を参照して、重畳電圧設定回路６３の動作を説明
すると、今、重畳電圧設定器６３にＨレベルの作動信号
が入力される（短絡区間時の初期に入力される）と、Ｔ
ｒ３がＯＮとなり、Ｔｒ１がＯＮとなってコンデンサＣ
が充電を開始する。この結果、ツェナダイオードｚＤ、
抵抗素子Ｒ１によって構成された定電流回路はコンデン
サＣを定電流により充電し、コンデンサＣは短絡時間に
比例した充電電圧ΔＶを得るので、演算増幅器ＯＰは第
２図（ｂ）に示した電圧Ｖｃを出力する。一方、重畳電
圧設定器６３にＬレベルの作動信号が入力されると、Ｔ
ｒ４がＯＦＦされ、Ｔｒ２がＯＮとなり、コンデンサＣ
に充電された電荷が抵抗Ｒ２を介して放電する。これら
の動作の結果、演算増幅器ＯＰの出力は第２図（ｂ）に
示された波形を描くことになる。

なお、第６図は、本発明の実施に可能な他の重畳電圧設
定器の出力特性を示す波形図であり、この場合には充放
電ともリニアな変化の特性を得ている。

一方、電流制御回路７は、実施例では、スイッチング回
路７０と誤差増幅器７１，７２及びＩ／Ｖコンバータ７
４，短絡電流設定回路７５及び短絡電流上限設定器７６
を組合わせて構成されており、スイッチング回路７０
は、コンパレータ７３の反転出力信号により、誤差増幅
器７１と７２との選択切り換えを可能にしており、コン
パレータ７３から反転出力信号が出力されると誤差増幅
器７１から７２に切り換え接続される。

ここに、誤差増幅器７１は短絡電流設定回路７５からの
出力を基準として、Ｉ／Ｖコンバータ７４の出力との比
較をなし、両者の出力誤差を増幅しているので、その誤
差出力がスイッチング回路７０，１１を介してパルス幅
制御回路１０３に送られて、第３図に示した波形の出力
電流Ｉ_２が負荷に供給される。

ここで、短絡時に電流制御回路７によって負荷に供給さ
れる出力電流Ｉ_２は、Ｉａ＋Ｉｓ＋Ｉｔで表わされるの
で、負荷は短絡直後の接触抵抗の大きい時には、短絡直
前のアーク電流Ｉａから急速にＩｓ分だけ立ち上がった
電流が瞬時に流れ、しかもこの電流は短絡が進行し接触
抵抗が増大してゆくに連れてＩｔが加わって予め設定さ
れた勾配（ｋ′＝ｔａｎδ）で穏やかに増大して補足さ
れて行くので、消耗電極１は小さい滴粒になって確実に
分断され、きめの細かい溶接ビードが得られるととも
に、効率の良い溶接作業が実現できる。

一方、短絡電流上限設定回路７６は、短絡時に負荷に供
給される出力電流が急激に増大して所定のレベルを越え
た時に、その電流を許容し得るレベルにまで押さえるた
めに設けられており、コンパレータ７３がＩ／Ｖコンバ
ータ７４から送られて来る信号が短絡電流上限設定器７
６の出力信号を越えたことを判断し、反転出力信号がス
イッチング回路７０に送られて来た時に、誤差増幅器を
７１から７２に変更させて、短絡時の出力電流を短絡電
流上限設定器７６で設定されたレベルに押さえスパッタ
の発生を抑止する。

したがって、この実施例では、電流制御モード時にはス
イッチング回路７０は誤差増幅器７１を選択するので、
パルス幅制御回路１０３にはＩ／Ｖコンバータ７４の出
力信号と、短絡電流設定回路７５の出力信号との誤差出
力が送られ、これによって短絡区間（Ｔ０〜Ｔ１）時の
出力電流Ｉ_２が第３図に示したような波形に制御されて
いるが、制御時に出力電流が予め設定したレベルを越え
るとコンパレータ７３が反転出力信号をスイッチング回
路７０に送って誤差増幅器７２の出力をパルス幅制御回
路１０３に送り、出力電流を所定レベルに押さえるので
安定した制御が行われる。

また、図示はしないが、制御時にアークミスを避けるた
めの回路を上記した実施例に組込むことは望ましく、こ
のような回路を設けることによってアークの安定性を著
しく改善できる。

次に、第４図に示したブロック線図と，第２図の波形図
を参照して回路の動作と本発明方法を説明する。

アーク溶接のスタート時には、アークの発生を容易にす
るために適当な前置制御がなされ、消耗電極１が定速度
で送給されてアーク３が強制的に発生される。

アーク３が発生すると、電圧検出器５からスイッチング
回路１１にアーク検出信号が送られて電圧制御回路６が
パルス幅制御回路１０３に接続される。この結果、負荷
には電圧設定器６２の出力に重畳電圧設定回路６３の出
力の加算された電圧Ｖが供給されることになり、この電
圧は上述したようにアーク発生区間（Ｔ１〜Ｔ０）時の
初期において大きく立ち上がったものとなり、その後は
次第に減少して行く。そのため、アークの再点孤が容易
に行われてアークが安定して発生される。しかるに、消
耗電極１の送給が更に続けて行われ、消耗電極１と母材
２との間隙距離が次第に減少して、アークから短絡に至
る。

すると、電圧検出器５は、直ちにその状態を検出し、短
絡検出信号を出力する。

すなわち、この状態では、出力電圧が数十ボルトから零
ボルト付近に急変するので、電圧検出器５を例えば、比
較器で基準電圧と比較できるように構成すればよい。

第１図に示した実施例では、この時の検出信号でスイッ
チング回路１１を駆動して、電圧制御回路６を直ちに遮
断して電流制御回路７をパルス幅設定回路１０３に接続
する構成にしてあり、同時に短絡電流設定回路７５にも
駆動信号を送ってこの短絡電流設定回路７５によって設
定された電流の閉ループによる制御を可能にしてある。

しかして、電圧検出器５が、短絡検出信号を出力する
と、スイッチング回路１１は電流制御モードに切り換わ
り、短絡電流設定回路７５によって設定された出力電流
が負荷に供給されることになる。

これらの制御の結果、アーク発生時には、装置は電圧制
御モードとなるが、そのアーク発生区間（Ｔ１〜Ｔ０）
時の初期において第２図（ｃ）に示したように余分の電
圧ΔＶの重畳された出力電圧Ｖが負荷に供給されること
になり、アークの再点孤が極めて容易に行われる。

更に、短絡発生時においては、予め溶接条件に応じて設
定されたＩ_２＝Ｉａ＋Ｉｓ＋Ｉｔによって規定される出
力電流が負荷に供給されるので、アーク熱によって加熱
された消耗電極１は極めて短い時間に小さい溶滴となっ
て分段されて、効率の良いアーク溶接が可能になる。

【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明装置の概略構成を示すブロック線図、
第２図は本発明方法によって制御される出力電圧の波形
図、第３図は電流制御回路の出力電流の波形図、第４図
は第１図に示したブロック線図の更に詳細な構成図、第
５図は重畳電圧設定回路の詳細を示す図、第６図は他の
重畳電圧設定回路の出力波形図である。 （符号の説明） 図において、１は消耗電極、２は母材、３は溶接時に発
生するアーク、４は電流検出器、５は電圧検出器、１０
はスイッチング制御回路である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】スイッチング制御回路を駆動して負荷に供
   給される出力電圧、電流を閉ループ制御するようにした
   電圧制御回路と電流制御回路とを組合わせ、これらの回
   路をアークの発生、短絡に応じ、交互に切換えて作動さ
   せるようにしたアーク溶接装置であって、 上記電圧制御回路は、アーク発生時に作動するために、
   アーク発生区間時の負荷電圧を検出する電圧検出器から
   のアーク検出信号を受けて駆動され、該電圧検出器から
   の出力信号を受けて上記スイッチング制御回路に予め設
   定された制御値に応じたドライブ信号を出力するととも
   に、アーク発生区間の初期時には上記スイッチング制御
   回路より出力される出力電圧に、 で規定される電圧を重畳させることによって、て負荷に
   供給する出力電圧を一時的に増大させるように構成され
   ており、 かつ上記電流制御回路は、短絡発生時に作動するために
   上記電圧検出器からの短絡検出信号を受けて駆動され、
   負荷電流を検出する電流検出器からの出力信号を受けて
   上記スイッチング制御回路に予め設定された制御値に応
   じたドライブ信号を出力する電流制御回路を備えてな
   り、 この電流制御回路は Ｉ_２＝Ｉａ＋Ｉｓ＋Ｉｔ（ここに、Ｉａは短絡直前のア
   ーク電流、Ｉｓは予め設定された立上り分、Ｉｔは時間
   経過に連れて略直線状に増大する変化分である）で規定
   された波形を呈した出力電流Ｉ_２を負荷に供給するよう
   に構成されていることを特徴とする短絡移行アーク溶接
   装置。
2. 【請求項２】上記電流制御回路が出力電流の上限値を予
   め設定された値に制限する短絡電流上限設定器を備えた
   ものである特許請求の範囲第１項記載のアーク溶接装
   置。