JPH07108459B2

JPH07108459B2 - 短絡移行溶接の電流制御方法および装置

Info

Publication number: JPH07108459B2
Application number: JP58077834A
Authority: JP
Inventors: 隆明小笠原; 徳治丸山
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1983-05-02
Filing date: 1983-05-02
Publication date: 1995-11-22
Anticipated expiration: 2010-11-22
Also published as: JPS59202176A

Description

【発明の詳細な説明】〔技術の分野〕この発明は短絡移行溶接に用いる溶接電源の制御方法と
装置に関する。

〔従来技術の問題点〕

ガスシールド溶接において、溶接ワイヤと母材間で短絡
とアーク発生とを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の多くは、短絡が破れアーク再生
する瞬間に発生し、またアーク再生時の電流が高い程大
粒のスパツタが発生することも明らかになつている。と
ころが従来のリアクトルにより電流の上昇を遅らせるだ
けの定電圧電源では第１図に示すようにアーク再生時の
電流が高いため非常にスパツタが多かった。この原因に
着目して、アーク再生時の電流を下げることが試みられ
ているが、まだ実用に到つていない。たとえばWelding
Research international vol.4,No2,1974には、大電流
通電期間を短絡期の中央期間に限定させ、大電流期間中
消耗電極ワイヤと母材間の電圧を検出し、アーク再生の
前兆としての溶滴のくびれが発生した時の電圧を設定し
ておき、検出電圧がある設定電圧と等しくなつた時大電
流期間を終了させるようにプログラム制御してスパツタ
を抑制する技術が開示されている。しかしながら、前記
文献にも記載されているように、実用にあたつては、ワ
イヤ突出長の変動によつて、この部分の電圧効果が変動
するため、溶滴のくびれた時の電圧が一定にならず、大
電流期間の終了を指示する時期に誤差を生じ、安定して
スパツタを防止することができない。

周知のようにこの種のスパツタの発生は溶接の品質を低
下させ、またスパツタを除去するために煩雑な作業が必
要であり、溶接の作業能率を低下させる。

この欠点を除くために、溶接ワイヤと母材間の短絡電圧
V_Lを各短絡毎に記憶し、この電圧からΔＶだけもしくは
ΔＶと溶接ワイヤ突出部の温度上昇に伴なう電圧降下分
V_Nとの和だけ電圧が上昇したとき溶滴のくびれが生じた
点であることを利用してV_Lを記憶した後の電圧V_Mから、
V_LもしくはV_L＋V_Nを減算した差V_M−V_LもしくはV_M−（V_L
＋V_N）が一定値になつたとき溶接ワイヤに流れる電流を
下げることによりスパツタを減少させる方法が提案され
ている。しかしこの場合、短絡電流I_pは一定であるとし
ているが、これは溶接にとつて好ましいとは限らず、短
絡電流を変化させた方がよい場合も考えられる。この場
合には上述の提案された方法は適用できない。

発明の目的この発明は上述の欠点を解決するためになされたもので
あつて、たとえば溶接ワイヤのエクステンシヨン長の変
動、短絡電流の変化、短絡時間の変化等の種々の変動で
あつても、アーク発生の前兆としての溶滴のくびれを正
確に検知して、溶接ワイヤの電流を低下することによ
り、短絡時におけるスパツタの発生を有効に低減し得る
溶接電源の出力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。

実施例以下にこの発明の一実施例を図面とともに説明する。

第１図において、１は溶接電圧、溶接電流の制御可能な
溶接電源、２は給電ケーブル、３は図示されていないモ
ータで供給される、消耗電極を用いた溶接ワイヤ、４は
コンタクトチップ、５はアーク、６は母材、７はアース
ケーブルを示す。

８はコンタクトチップ４と母材６間の電圧を検出する電
圧検出器、９は溶接ワイヤ３に流れる電流を検出する電
流検出器である。

上記の構成において、溶接ワイヤ３は速度制御されなが
らコンタクトチップ４から母材６に向かつて送給され、
かつ公知のように溶接ワイヤ３を包囲するようにシール
ドガスが供給され、溶接ワイヤ３と母材６間で短絡アー
ク発生とをくり返しながら溶接が行なわれる。

第２図（イ），（ロ），（ハ），（ニ）はスパツタを減
少させるための溶接電圧、溶接電流、溶接中の溶接ワイ
ヤと母材間の抵抗の変化の波形とそれに応じた溶接状態
を示したものである。即ちアーク発生中（ａ）から徐々
にアーク長が短かくなり、溶滴が母材６に接して短絡
（ｂ）に至る。最も溶滴が母材に強固に結合した時点
（ｃ）を経過後溶接ワイヤ先端部がくびれ始めた（ｄ）
点を経過した後溶接ワイヤ３の電流を急激に低下させ、
電流が充分に低下した（ｅ）点にてアーク再生ができる
ようにする。

ここにおいて、短絡時の電流電圧を制御してアーク再生
の直前に電流を下げるために、溶接ワイヤ先端のくびれ
が生じた（ｄ）時点を正確に検出することが最も重要で
ある。

短絡時において、溶接ワイヤの電流がＩ（Amp），溶接
ワイヤと母材間電圧がＶ（Volt），給電ケーブルの抵抗
をR₁，コンタクトチップと溶接ワイヤの接触抵抗をR₂，
ワイヤエクステンション中の抵抗をR₃，溶接ワイヤ先端
の溶融部分の抵抗をR_A，母材とアース端子部の接触抵抗
R₄，アースケーブル７の抵抗をR₅，溶接中の全抵抗をＲ
とすると（１）式が成立する。

R₁〜R₅は、溶接場所の変化，給電ケーブル長の変化，給
電ケーブルの温度変化，アース端子の取付方法の変化な
どにより変わり、溶接中であつてもエクステンシヨンの
変動によつて変わる。しかし、１回の短絡期間中には、
短絡期間が1^msec〜5^msecであるので一定と考えて良い。
いまここでR_B＝R₁＋R₂＋R₃＋R₄＋R₅とおくと（１）式はとなる。ここでR_Bを外的要因による抵抗と呼ぶ。よつ
て、電圧検出器８と電流検出器９が検出する電圧V,電流
Ｉにより演算される抵抗ＲはR_AとR_Bが加算されたもので
ある。

ここで、従来技術の欠点は、各短絡毎にR_Bが変化するこ
とにより、溶滴のくびれた時の抵抗が一定にならず、大
電流期間の終了を指示する時期に誤差を生じ、安定して
スパツタを除去することができない点にある。

そこで、本発明は、外的要因抵抗R_Bの変動を取り除き溶
接ワイヤ先端のくびれの抵抗変化分だけを取り出せるよ
うにしたものである。第２図おいて短絡期間中の最低抵
抗を示すt₁時点の抵抗R_L，くびれが発生するt₂時点の抵
抗R_Mとすると R_L＝R_AL＋R_BL （３） R_M＝R_AM＋R_BM （４）と表現でき、ΔＲ＝R_M−R_L とすると ΔＲ＝R_M−R_L＝（R_AM−R_AL）＋（R_BM−R_BL）（５）である。R_BMとR_BLは給電ケーブルやワイヤエクステンシ
ヨンに左右される抵抗であるが、t₁時点の抵抗R_BLとt₂
時点の抵抗R_BMは、t₁とt₂の間隔Δｔ＝t₂−t₁が非常に
短かい。すなわち、短絡期間が1^msec〜5^msecであるので
0.5^msec〜2.5^msec程度であり、この短時間のうちにR_Bは
変化することはなく、１回の短絡期間中にはR_Bは変化す
ることはなく、１回の短絡期間中にはR_B＝constであ
り、従つて、R_BL＝R_BMとすることができるので、（５）
式は ΔＲ＝R_M−R_L＝R_AM−R_AL （６）となる。（６）式は、t₁時点すなわち第２図の（ｃ）の
ワイヤ溶融端の抵抗値とt₂時点すなわち第２図の（ｄ）
のワイヤ溶融端にくびれが生じた時の抵抗値の差がΔＲ
であり、このΔＲは電圧検出器と電流検出器の各出力か
ら演算されるR_MとR_Lの差であることを意味している。従
つて短絡期間中のR_Lを記憶しておき、その後の抵抗R_Mと
の差がある設定値ΔＲなつた時に、大電流期間の終了点
とし、電流を下げるように電源を駆動すれば、第２図ハ
に示すようにt₄時点前に電流を下げることができ、スパ
ツタ発生を防止し得る。

溶接中にエクステンシュヨン長が変化したり、溶接場所
が変わったりしたときにR_Bが変化し、第２図ハに示すよ
うに抵抗特性が変わつた場合は、（７）式が成立し ΔＲ′＝Ｒ′_M−Ｒ′_L＝（Ｒ′_AM−Ｒ′_AL）＋（Ｒ′_BM
−Ｒ′_BL）（７）ここにおいても、前述の理由から一回の短絡期間中には
Ｒ′_BM＝Ｒ′_BLであるから ΔＲ′＝Ｒ′_M−Ｒ′_L＝Ｒ′_AM−Ｒ′_AL （８）Ｒ′_AL,R′_AMはそれぞれ第２図（ｃ）と（ｄ）の状態の
ワイヤ先端の溶融部の抵抗であるから、（５）式，
（６）式の場合と同じ値をとり、Ｒ′_AL＝R_AL,R′_AM＝R
_AMとなるので（８）式は ΔＲ′＝Ｒ′_M−Ｒ′_L＝Ｒ′_AM−Ｒ′_AL＝R_AM−R_AL＝Δ
Ｒ（９）となる。（９）式はΔＲ′＝ΔＲであり、ΔＲは常に変
化せず、ΔＲ′すなわちΔＲはＲ′_M−Ｒ′_L と等しい
ことを意味する。

Ｒ′_MとＲ′_Lの差がΔＲ′（＝ΔＲ）と等しくなる時点
は、第２図ハに示すt₂時点であり、前記の実線の場合の
条件と同時点で、大電流期間の終了を電源に指示するこ
とによつて、溶接ワイヤの電流を低下させ第２図ロの破
線ではなく実線の電流となり、t₄前に電流が低下するの
でスパツタは発生しにくい。

上記に説明したように、１短絡期間毎にくびれ発生時の
抵抗R_Mと短絡期間中の最低抵抗R_Lを求めその差が設定さ
れたΔＲ値と等しくなる時を大電流期間の終了とする制
御によれば、溶接ワイヤのエクステンシヨン等の変化に
よる外部的要因の抵抗分を取り除き、ワイヤ先端溶融部
の電圧降下分だけを取り出してフイードバツクできるの
で、スパツタが安定して減少する。しかし、実験による
と完全にスパツタがなくなるとこるまでは至らず、時々
スパツタが発生している。このスパツタが発生している
時の状態に詳細に検討すると、溶接ワイヤ先端のくびれ
が生じた時点（ｄ）の検出がまだ正確でなく、何かの要
因で変動していることがあきらかになり、ワイヤ送給速
度の変動や、溶融池の振動などにより、短絡時間に変化
が生じた時に溶接ワイヤ先端のくびれが生じた時点
（ｄ）の検出に誤差が生じていることが判明した。くび
れの有無による抵抗変化ΔＲの他に第３図に示すように
短絡時間ｔに比例して、抵抗値がほぼ直線的に、または
ゆるやかな指数曲線的に増加して行くことがわかつた。
この要因となるものは、短絡中の溶接ワイヤ突出部ｌの
抵抗が短絡期間中に増加しているものであることがわか
つた。この溶接ワイヤ突出部の抵抗変化は、短絡電流に
よりワイヤ温度が上昇し、鋼は温度が上昇すると抵抗が
増加するために起こるものであり、下式にて表現され
る。

ここで、ΔR_N：抵抗変化β：温度上昇１℃に対する上昇
抵抗値［Ω］ R:短絡直後の抵抗Ip:短絡電流J:4.2（定数） ρ：密度C:比熱d:ワイヤ径l:ワイヤ突出部の長さいま、溶接ワイヤ径は一定なので、とおくと、ΔR_N＝kRIp²Δｔ＝kvIpΔｔと表わされる。
短絡後ｔ時間後の溶接ワイヤ突出部における抵抗変化R_N
は、と表わせる。従つて短絡が発生し、第２図（ｃ）の状態
になつたときの抵抗R_Lを記憶し、その後の抵抗R_MからR_L
とR_Nを減算した差すなわち、｛R_M−（R_L＋R_N）｝がΔＲ（一定）になつた時が溶接ワ
イヤ端のくびれすが生じた時であり、このとき電流を下
げることにより、さらに確実にスパツタを減少させるこ
とができる。

第３図を用いて実施例を説明する。（２）はワイヤ送給
速度の変動や溶融池の振動などの要因で短絡時間が
（１）に比べて長くなつた時であるが、の時に電流を低下させることでスパツタの減少が安定し
て得られた。

（３）はワイヤ突出長ｌが（１）に比べて長い場合で R_L3＞R_L1、であるがやはり、の時に電流を低下させれば、同様に好結果か得られる。

上述のように、溶接ワイヤのエクステンシヨンの短絡後
の発熱による抵抗上昇分を短絡時の電圧Ｖと電流Ipとの
値を積分してある定数を乗算した値として求めることに
より、この上昇分を除去してワイヤ先端のくびれによつ
て生じる抵抗ΔＲを正確に把握することができるため、
スパツタを減少させうる効果が得られるばかりでなく、
大粒のスパツタによるアーク長の変動がなくなり、ビー
ドが均一で、溶け込みも安定した美しいビードが得られ
るようになつた。具体的には、従来の市販電源では、15
0Aの溶接電流時にノズルに付着するスパツタ量は0.15g/
min程度であつたものが本発明の制御方法によれば0.07g
/minと1/2程度まで減少でき、ノズルに付着しないで外
に飛散する大粒のスパツタは1/4程度まで減少した。

以下に上述の方法を具体化する装置について説明する。
なお第４図には第１図と同じ部分には同一の符号を付し
た。

第４図において、電圧検出器８は、溶接電圧を検出し、
電流検出器９は、溶接電流を検出する。抵抗演算器10
は、電圧検出器８と電流検出器の各出力を受けて、溶接
ワイヤ３と母材６間の短絡時の抵抗値を演算するもので
ある。くびれ演算器20は、抵抗演算器10の出力を受け、
溶滴のくびれを演算し、くびれがある一定値に達したと
き、短絡電流を減少させる指示を溶接電源１に与えるも
のである。

抵抗演算器10は、第５図に示すように、電圧検出器８の
出力を受けて電圧Ｖをlog|v|として対数化する対数変換
器11,電流検出器９の出力を受けて短絡電流I_pをlog|L_p
｜として対数化する対数変換器12,前記両変換器の各出
力を受けて、短絡時の抵抗値をlog|R|＝log|v|−log|I_p
｜により演算する加減算器13と、加減算器13で演算され
た抵抗値（log|R|）を対数逆変換（Ｒ）する対数逆変換
器14で構成される。

ここで抵抗演算器は市販の除算器を用いてV/Ipを演算さ
せても良い。くびれ演算器は第６図に示す。抵抗増分演
算器22は、その具体例をさらに第７図に示すように、電
圧検出器8,電流検出器９の各出力を受けてそれぞれ対数
変換器31,対数変換器32で対数化し、log|v|,log|Ip|を
求める。ここで、抵抗演算器10に含まれる対数変換器1
1,対数変換器12の出力結果を用いてもよいことは言うま
でもない。両対数変換器31,32から出力されるlog|v|,lo
g|Ip|を加減算器33に入力し、log|v||Ip|＝log|v|＋log
|Ip|を演算する。次に、加減算器33で演算された結果を
対数逆変換器34に入力し、log|v||Ip|をＶ・Ipに逆変換
する（Ｖ・Ipを求めるには、市販の乗算器を用いてもよ
い。）積分器35は、逆変換されたＶ・Ipを時間について
積分を行ない、この積分値を出する。積分器35によつて積分
された結果は増幅器36に入力され、ここでｋ倍（ｋは定数）を得る。次に第６図のくびれ演算器20について説明する
と、記憶器21は溶接ワイヤの短絡後の最低抵抗値を記憶
し、再アークの発生もしくは、比較器25が出力回路に対
し、短絡電流を減少させるように指示を出した時、電圧
検出器8,電流検出器９または、比較器25の各信号によ
り、記憶が消去されるようになつている。加減算器23
は、記憶器21,抵抗演算器10,抵抗増分演算器22の各出力
を受けR_M−（R_L＋R_N）の演算を行う。

くびれ抵抗値設定器24は可変抵抗と演算増幅器とにより
構成され、任意の溶接電流に応じて溶滴のくびれ時のく
びれ抵抗値ΔＲを設定できるようになつている。

一方、比較器25は加減算器23の出力とくびれ抵抗値設定
器24の出力ΔＲとを比較し、 R_M−（R_L＋R_N）＝ΔＲとなつたとき、溶接電源１に対し
て短絡電流Ipを減少させる指示を表わす信号を出力す
る。なお、溶接ワイヤ突出部の温度上昇による抵抗変化
を考慮しない場合は、抵抗増分演算器22を取り除き、こ
れに対する入力、またこれからの出力を除けば同様に考
えられる。

このように構成することにより、前述の演算方法により
アーク再生の前徴である溶滴のくびれを正確に検出で
き、この溶滴のくびれ検出に従つて溶接ワイヤ３の電流
を低減することにより、アーク再生時のスパツタを減少
させ、ひいては短絡移行溶接時のスパツタを減少させる
ことができるため、スパツタに帰因する様々な障害を軽
減することができるので工業的に有益である。

発明の効果以上詳述したように、この発明は短絡移行溶接におい
て、短絡時の溶滴のくびれを溶接ワイヤの抵抗値の変化
により検出して溶接ワイヤの電流を低減することにより
スパツタを減少させるものにおいて溶接ワイヤへの配線
等による外的要因による抵抗分を除いた抵抗値の変化を
検出するようにしたものであるから、溶滴のくびれの時
期を極めて正確に検出でき、したがつてスパツタの発生
を効果的に抑止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は短絡移行溶接に用いる装置の概略を示す回路
図、第２図は短絡移行過程とこれに対応する溶接電圧と
溶接電流および溶接ワイヤと母材間の抵抗の変化を併せ
て示す図、第３図はこの発明の制御方法の概略の電圧、
電流および抵抗の変化を示す図、第４図は第３図の制御
方法に用いる制御装置を示す回路図、第５図は第４図の
制御装置に用いられる抵抗演算器の詳細な回路図、第６
図は第４図の制御装置に用いられるくびれ演算器の詳細
な回路図、第７図は第５図に示した抵抗演算器に用いら
れる抵抗増分演算器の詳細な回路図、第８図はくびれ抵
抗値設定器の一例を示す回路図である。１……溶接電源、３……溶接ワイヤ、６……母材、８…
…電圧検出器,9……電流検出器、10……抵抗演算器、20
……くびれ演算器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】短絡とアークとを交互に発生する短絡移行
溶接において、短絡時の溶接ワイヤと母材との間の抵抗
値Ｒを検出し、その最低の抵抗値R_Lと、該抵抗値R_L検出
以降の抵抗値R_Mとから、R_M−R_L＝ΔＲを演算し、前記Δ
Ｒが所定値となったとき、溶滴にくびれが生じたものと
して溶接ワイヤの電流を低下することを特徴とする短絡
移行溶接の電流制御方法。
【請求項２】短絡とアークとを交互に発生する短絡移行
溶接において、短絡時の溶接ワイヤと母材との間の抵抗
値Ｒを検出し、このとき検出した最低の抵抗値R_Lと、前
記抵抗値R_L検出以降の抵抗値R_Mとから、R_M−（R_L＋R_N＝
ΔＲを演算し、ここで、R_Nは、温度上昇による溶接ワイ
ヤ突出部の抵抗変化であり、前記ΔＲが所定値となった
とき、溶滴にくびれが生じたものとして溶接ワイヤの電
流を低下することを特徴とする短絡移行溶接の電流制御
方法。
【請求項３】短絡とアークとが交互に発生する短絡移行
溶接の電源の制御装置において、溶接電圧と電流の制御
可能な溶接電源（１）と、溶接電圧検出器（８）と、溶
接電流検出器（９）と、前記両検出器（8,9）の信号を
受けて溶接ワイヤと母材の短絡抵抗を演算する抵抗演算
器（10）と、前記抵抗演算器（10）の出力を入力し、溶
滴のくびれを演算しくびれがある一定値に達した時、溶
接ワイヤの短絡電流を減少させる指示を溶接電流（１）
に与えるくびれ演算器（20）とを備え、前記くびれ演算
器（20）は、短絡抵抗の最低値を記憶する記憶器（21）
と、前記抵抗演算器（10）と前記記憶器（21）の出力を
加減算する加減算器（23）と、溶滴くびれ時に生じる短
絡抵抗値として所定値を設定するくびれ抵抗設定器（2
4）と、前記加減算器（23）の出力および前記くびれ抵
抗設定器（24）の出力を比較する比較器（25）とを備え
ることを特徴とする短絡移行溶接電源の制御装置。
【請求項４】抵抗演算器（10）が電流検出器（８）の出
力を対数化する第１の対数変換器（11）と、電圧検出器
（８）の出力を対数化する第２の対数変換器（12）と、
前記両対数変換器（11,12）の出力を加減算する加減算
器（13）と、前記加減算器（13）の出力を対数逆変換す
る対数逆変換器（14）より構成した特許請求の範囲第３
項に記載の制御装置。
【請求項５】くびれ演算器（20）が、短絡抵抗値の最低
値を記憶する記憶部（21）と、エクステンシヨン部にお
ける抵抗増加分を演算する抵抗増分演算器（22）と、前
記記憶器（21）と前記抵抗増分演算器（22）と抵抗演算
器（10）の各出力を加減算する加減算器（23）と、溶滴
くびれ時に生じる短絡抵抗値として所定値を設定するく
びれ抵抗設定器（24）と、前記加減算器（23）の出力と
前記くびれ抵抗設定器（24）の出力を比較する比較器
（25）より構成されるものである特許請求の範囲第３項
に記載の制御装置。
【請求項６】抵抗増分演算器（22）が電流検出器（８）
および電圧検出器（９）の両出力を対数化する両対数変
換器（31,32）と、前記両対数変換器（31,32）の両出力
を加減算する加減算器（33）と、前記加減算器（33）の
出力を対数逆変換する対数逆変換器（34）と、前記逆変
換器（34）の出力を積分する積分器（35）と、前記積分
器（35）の出力を増幅する増幅器（36）とから構成され
るものである特許請求の範囲第５項に記載の制御装置。