JPH11267835A

JPH11267835A - 溶接装置および方法

Info

Publication number: JPH11267835A
Application number: JP11037222A
Authority: JP
Inventors: Richard Hutchison; ハッチソンリチャード; Todd Holverson; ホルバーソントッド; James Uecker; ウッカージェイムズ
Original assignee: Illinois Tool Works Inc
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 1998-02-17
Filing date: 1999-02-16
Publication date: 1999-10-05
Also published as: US6653595B2; US20100006552A1; US6987243B2; CA2260118A1; US7598474B2; DE69929654D1; US20030085210A1; US20080006616A1; US6087626A; US20020079302A1; US6326591B1; EP0936019B1; US6800832B2; CA2260118C; DE69929654T2; EP0936019A3; US20040238513A1; US20060163229A1; EP0936019A2

Abstract

(57)【要約】【課題】アーク終了時に溶融接合部にワイヤを凝着さ
せない。【解決手段】ワイヤ供給器801 は溶接トーチ804 を介
してワイヤ802 をワーク806 の溶接物803 へ供給する。
所望のアーク長が存在するか決定すると共に長期コマン
ドを調節すべく、アーク電圧ＦＢが使用される。短絡毎
の電流コマンドはリアルタイムのアーク電流ＦＢから導
出され、電流コマンドの瞬間的なまたは短絡毎の調節に
より溶落速度を制御する。短絡が解消されようとする時
点をアーク電力の時間微分からその時間微分を引いた関
数を用いてリアルタイムで検出する。短絡毎にアークを
監視する停止アルゴリズムが使用される。アーク終了時
に極低電流レベルが供給されボールの形成が回避され
る。低電流レベルの後で短絡が生成されたとき短絡を解
消すべく突発エネルギが供給され、短絡が解消された後
は極低電流が再び供給され大寸ボールの形成が回避され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶接用電力供給装
置の技術に関する。より詳細には、本発明は短絡溶接に
対する溶接用電力供給装置および制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】溶接用電力供給装置および溶接プロセス
には多くのタイプがある。そのひとつに、溶接プロセス
が短絡移行溶接法(short circuit transfer welding)と
称されるものがある。短絡移行溶接法は概略的に、アー
ク状態と、短絡した非アーク状態とを交互に生じさせる
段階から成る。アーク状態の間にワイヤは溶融すると共
に、短絡状態の間に金属は更に溶融して溶融金属はワイ
ヤの端部から溶融池に移行される。本明細書中において
は、移行される金属部分のサイズおよび形状に関わり無
く、１サイクルで移動される金属のことを溶滴(drop)と
称する。

【０００３】短絡移行溶接法は、アーク長が短く且つベ
ースプレートの溶融が少ないなどの多くの長所を有して
いる。しかし乍ら、短絡移行溶接法ではスパッタ(spatt
er)が多くなるなどの欠点がある。而して、短絡移行溶
接法の電源を設計するときには、電源のトポロジおよび
制御体系を考慮せねばならない。使用される電源トポロ
ジは、選択された制御体系に適時に応答すべく十分に高
速でなければならない。また、制御方法は３つの観点か
ら検討されねばならない。第１に、アーク長は適切に制
御されねばならない。第２に、溶落(burn-off)（または
質量溶着(mass deposition))の速度は適切に制御されね
ばならない。不適切な溶落速度ではスパッタが増大する
結果となる。第３に、短絡が解消されたとき即ち短絡か
らアークへの遷移時には相当に大きな電力でスパッタが
引き起こされることである。従って、短絡が解消される
ときの電力または電流も制御されねばならない。同様
に、短絡が解消されようとする時点が検出されねばなら
ない。数件の先行技術特許は短絡に基づき乍らも、短絡
に関する短絡移行溶接プロセスの制御方法を教示してい
ない。斯かる制御方法があれば溶接プロセスの更に正確
な制御が提供されると共に、スパッタの減少に資するで
あろう。

【０００４】一般的な先行技術のひとつの電源トポロジ
は、出力を制御する複数の二次的スイッチを使用してい
る。これらは高速制御を行い得るかも知れないが、それ
らは比較的に高価であるかさもなければピーク電流容量
が不十分である。また、高電流を切換えると、信頼性の
問題が大きくなると共に切換損失も大きくなり得る。二
次的スイッチを有する特許の例としては次のものが挙げ
られる：1984年９月４日に発行されると共に“電極消費
型アーク溶接用電力供給装置" と称された米国特許第4,
469,933 号；1984年11月27日に発行されると共に“短絡
移行アーク溶接機""と称された米国特許第4,485,293
号；1985年10月１日に発行されると共に“溶接用電力供
給装置を制御して溶接材料のスパッタを回避する方法お
よび装置"と称された米国特許第4,544,826 号；およ
び、1988年１月５日に発行されると共に“短絡型溶接シ
ステムの制御方法および装置" と称された米国特許第4,
717,807 号。

【０００５】多くの先行技術の電力供給装置における制
御体系は、アーク電圧を利用して、アーク長が適切であ
るか否かを決定している。通常、もしアーク電圧が設定
点より低ければアーク長は短か過ぎると判定されると共
に、アーク電圧が設定点より高ければアーク長は長過ぎ
ると判定される。出力電流は、移行されつつある金属の
量を増加もしくは減少すべく制御され、これによりアー
ク長が制御される。また、先行技術の短絡移行溶接法に
関する特許の或るものは、アークに供給されたエネルギ
を“総計する(totalizing)" ことにより溶接電力を制御
して質量溶着（溶落) 速度を制御することを教示してい
る。アークまたは溶接電力は、アーク電流およびアーク
電圧の関数である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし乍ら、短絡毎の
（即ち、任意の所定の短絡移行溶接サイクルに対する)
溶落速度はアーク電圧に大きく依存し−それは主として
アーク電流の関数である。従って、アーク電力（すなわ
ちアークエネルギ) を利用して溶落速度を制御する先行
技術の制御体系は、複雑であると共に不正確である。斯
かる複雑で不正確な制御体系の例としては次のものが挙
げられる：1989年９月12日に発行されると共に“短絡ア
ーク溶接装置および方法" と称された米国特許第4,866,
247 号；1990年１月30日に発行されると共に“短絡アー
ク溶接装置および方法" と称された米国特許第4,897,52
3 号；1990年９月４日に発行されると共に“短絡型溶接
システムを制御する方法および装置" と称された米国特
許第4,954,691 号；1991年３月26日に発行されると共に
“短絡アーク溶接法" と称された米国特許第5,003,154
号。これらの先行技術特許の或るものは、短絡の解消を
予測することにより、短絡が解消しつつあるときに電力
を制御することを教示している。それらは概略的に、ア
ーク電圧またはその１階微分をスレッショルド値と比較
している。しかし乍ら、斯かる先行技術の試みは、誤っ
たまたは擬似的な確定的短絡解消予測に帰着している。

【０００７】従って、好適には短絡毎(short-by-short
basis)に溶落速度を適切に制御する、短絡移行溶接法用
の電力供給装置が望まれる。好適には、プロセスは短絡
が解消されつつあるときに電力が減少される如く制御さ
れねばならない。同様に、使用される電源は制御に応答
すべく十分に高速でなければならないが、不当に高価で
あったりピーク出力電流に制限があったりしてはならな
い。

【０００８】短絡移行溶接プロセス(short circuit tra
nsfer welding process)における不安定性の理由のひと
つは、ワイヤの過剰な予備加熱に関している。オペレー
タ移動および／または溶融池形状の変化によるワイヤ／
溶融池の相互作用は、Ｉ²×Ｒ熱生成によるワイヤの不
順な予備加熱に帰着し得る。ワイヤの予備加熱が多過ぎ
ると、短絡からアークへの遷移に引続いて極めて迅速に
溶融ボールが成長するポイントまでワイヤの溶融速度を
大きくする可能性がある。このフレアアップ(flare-up)
として知られる急激な溶融は、アーク長の急激な増加に
繋がり、対応して電圧も増加する。

【０００９】これと対極的なことも生じ得る。すなわ
ち、もしワイヤの予備加熱が不十分であれば結果的にア
ーク時間は短くなることから、短絡の周波数は大きくな
る。もしエネルギが十分に迅速に付加されなければ、ワ
イヤが最終的に溶融池内に“食い込む(stub)" 可能性も
ある。斯かる食い込みの最終的な結果は、破裂的な短絡
解消または（ヌードル溶接(noodle welding)と称される
こともある) アーク無しの短絡維持のいずれかである。
而して、過剰な予備加熱および不足的な予備加熱が循環
的に生ずることも多い。遺憾乍ら、殆どの先行技術の制
御では食い込みまたはフレアアップが生じた後で調整を
行っている。例えば、それ以前の予備加熱を補償する為
に加熱を減少すべく制御が行われたとき、プロセスは既
に不足的加熱段階に循環している。故に、制御は実際に
は問題を悪化させてしまう。従って、ワイヤの予備加熱
を正確に補償する短絡移行溶接プロセスを提供すること
が望ましい。

【００１０】一方、殆どの溶接プロセスにおいては、一
貫してアーク開始を行うことが望ましい。（前の溶接が
終了したときに形成される) ワイヤの端部のボールのサ
イズは、アークを開始するために必要なエネルギ量を決
定する上での重要な要因である。従って、前回溶接から
のワイヤ端部の状態（ボールのサイズ) は、一貫したア
ーク開始を行う為には一貫していなければならない。

【００１１】ところが、典型的な短絡移行溶接プロセス
が終了した後で、ボールのサイズはワイヤ直径の１〜３
倍で変化し得るのである。これまではワイヤ端部をオペ
レータが切断してボールを除去したり、或いは、先行技
術のロボット的アーク溶射システムにおいては、各溶接
の終了時にワイヤを整えまたは切り詰めると共にアーク
終了時に溶融接合部に対してワイヤが凝着(frozen)して
いないことを確実にする為の余分な段階が用意されてい
た（例えば、1995年５月２日発行の米国特許第5,412,17
5 号) 。この様にすれば次の溶接の開始時に均一なワイ
ヤ直径を形成し得るが、時間が掛かると共に、各溶接が
停止したときにワイヤが一貫した直径を有していれば余
分な段階は必要とされないであろう。

【００１２】他方、先行技術においては溶接プロセスの
終了を制御しようとする試みもあった。BETA-MIG（商標
名）は停止部に対して所定の“凹み(crater)" を使用し
た。しかし乍らBETA-MIG（商標名）は、十分に高速な応
答または適切な制御体系を提供することにより、短絡移
行溶接法に対して望ましい一貫したボールサイズを形成
するものではない。

【００１３】別の先行技術システムはMiller 60M（商標
名）パルス式溶射（スプレー）プロセスにおけるもので
あり、モータの停止に調和すべく出力パルス周波数を減
少するアルゴリズムを有するものである。最終的なパル
スが送信されるが、これは、ワイヤから最後に一個のボ
ールを吹き飛ばしてアークを消滅させるものである。し
かし乍らこの方法は、出力電力の周波数を厳格に制御し
ない短絡移行溶接法などのプロセスでは役に立たない。
この先行技術はまた、企図されない短絡などのプロセス
不順性を好適に補償していない。

【００１４】従って、プロセスが終了したときにボール
のサイズをワイヤ直径と略々同等とし、または、一貫し
た開始を許容する大寸ボールでないサイズまで減少する
停止アルゴリズムを提供する電源および制御器が望まし
い。このプロセスは好適には、アーク終了時に溶融接合
部に対してワイヤが凝着していないことを確実にするも
のである。同様に、停止アルゴリズムは好適にはロバス
ト(robust)である（すなわち、プロセスが不順な間にも
機能し得る) と共に、MIG プロセス、溶射プロセス、パ
ルス式溶射プロセス、または短絡移行プロセスなどの種
々のプロセスに適合すべきである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の第１形態に依れ
ば、溶接プロセスおよび装置は、溶接用ワイヤの端部に
おける溶融金属の溶滴を溶融池内に溶着する段階を含
む。電源は、溶接用ワイヤと電気接続された電流出力を
有する。フィードバック回路は、各溶滴に対する熱入力
を表すリアルタイム信号を提供する。制御器は電源に連
結されると共に、上記フィードバック回路に連結された
フィードバック入力を有する。それは、各溶滴の熱に応
じて、溶接用ワイヤに供給される電流の大きさを制御す
る。

【００１６】本発明のひとつの形態は、上記フィードバ
ックが上記出力を表す電流信号を含むと共に、上記制御
器がワイヤに供給された電力を決定する点にある。上記
制御器はまた、供給された電力に応じ、短絡が解消され
ようとする時点も決定する。上記制御器は、上記出力電
力の変化速度を決定し得る。他の形態は、上記制御手段
が、ｋをスカラーとしdP/dt を電力の微分としたときに
Ｖ_c＝ｋ×(dP/dt) で定義される値Ｖ_cを決定すること
である。また、上記制御器はＶ_cをスレッショルド値と
比較する。他の実施形態において上記制御器は、出力電
流の変化速度に応答する値を出力電力の変化速度から減
算する。

【００１７】他の実施形態において上記制御器は、出力
電流の変化速度に応答する上記値を出力電力の変化速度
に応答する値から減じたものの微分を取る。また、上記
制御器は、ｋ₁をスカラー、dP/dt を出力電力の微分、
ｋ₂をスカラー、且つ、di/dt を出力電流の微分とした
ときにＶ_c＝ｋ₁×(dP/dt) −ｋ₂×(di/dt) により定
義される値Ｖ_cを決定する。

【００１８】他の代替実施形態において上記制御器は、
ワイヤ供給速度と、ワイヤの尖端から被加工品までの距
離とに応じて所望の質量溶着速度を提供する。他の実施
形態において上記制御器は、所定量のワイヤを溶着する
為に必要なエネルギに応じた値を、一溶接サイクルの少
なくとも一部において供給されたエネルギ量を表す値、
と比較する。上記制御器は、必要なエネルギを次式に従
って決定する。

【００１９】Ｑ_req＝k3×（Ｒ_dep×（Ｈ_m＋（Ｔ_drop
−Ｔ_amb) ×Ｃ_p) ×ｔ_tot) 式中、Ｑ_req＝必要なエネルギ； k3＝スカラー；Ｒ_dep＝ワイヤ質量溶着速度；Ｈ_m＝ワイヤに対する溶融の潜熱；Ｔ_drop＝溶滴の温度；Ｔ_amb＝ワイヤの周囲温度；Ｃ_p＝ワイヤの熱容量；ｔ_tot＝サイクル長、である。

【００２０】また、上記制御器は、供給されたエネルギ
を次式に従って決定する。Ｑ_wire＝((Ｖ_anode＋WF＋3kT/2e) ×Ｉ＋Ｉ²(t)×ｌ×
ρ/A) ；式中、Ｑ_Wire＝供給されたエネルギ；Ｖ_anode＝陽極の電圧降下； WF＝ワイヤを構成する金属の仕事関数； (3kT/2e)＝ワイヤに衝当する電子の熱エネルギ；Ｉ＝出力電流；ｌ＝アーク距離に対する接触尖端； ρ＝ワイヤの抵抗率；Ａ＝ワイヤの断面積、である。他の実施形態において、上記制御器はスティックアウト
長（すなわち、接触尖端から延出するワイヤの長さ) を
決定する。スティックアウトは、アーク電圧設定点を用
意すると共に、該アーク電圧設定点をアーク電圧と比較
することにより決定される。次に、この比較は所定時間
に亙り積分される。被積分関数には、積分された燃焼速
度誤差が合計されると共に、該合計は既知の値と比較さ
れる。

【００２１】他の実施形態は、停止および溶接プロセス
を含む。アークの状態が監視されると共に、短絡の形成
に応じて電流は増大される。次に、ワイヤ端部において
大寸ボールが形成されない様に、短絡が解消されたとき
に電流は低電流レベルへと駆動される。これは、短絡が
生ぜず且つワイヤが停止するまで反復される。他の実施
形態では、ワイヤ供給速度が監視されると共に、ワイヤ
供給速度がスレッショルド値以下に降下したときにプロ
セスの停止が開始される。種々の実施形態において、溶
接プロセスはMIG 、溶射、パルス溶射、グロビュール移
行または短絡移行溶接プロセスである。他の実施形態に
おいてアークは、アーク電圧を監視することにより監視
される。

【００２２】当業者であれば、以下の図面、詳細な説明
および添付の請求の範囲を吟味することにより本発明の
他の重要な特徴および利点が明らかになろう。本発明の
少なくともひとつの実施例を詳細に説明する前に、本発
明は以下の記述または図面中に示された構成の詳細およ
び構成要素の配置に対する適用に限定されないことを理
解すべきである。本発明は他の実施例が可能であると共
に、種々の手法を以て実施または実現され得る。同様
に、本明細書中で使用された表現および語句は記述を目
的としてものであり限定的なものと見做してはならな
い。また、添付図面において同一の参照番号は同一の構
成要素を示すべく使用されている。

【００２３】

【発明の実施の形態】本発明は好適な制御体系、好適な
制御回路、好適な電源および例示的な波形に関して示さ
れるが、本発明は本明細書中に記述された構成要素に限
定されないことを先ず理解すべきである。本発明を実現
する上で他の回路構成および制御体系を使用しても良
い。

【００２４】本明細書中には、短絡(MIG) 溶接プロセス
を制御する方法および装置が記述される。短絡移行溶接
プロセスにおいてワイヤ電極は、ワイヤフィーダ（供給
器）により比較的一定速度で溶接物中に物理的に供給さ
れる。それは一連の交互的な短絡事象およびアーク事象
を介して溶接物中に消費される。このプロセスは一般的
に短絡溶接法(short circuit welding) または短絡移行
溶接法(short circuittransfer welding)と称される。
概略的に、短絡溶接法に使用される溶接機械は少なくと
も電源、制御器およびワイヤ供給器を含んでいる。

【００２５】短絡移行溶接プロセスは循環的なものであ
る。本明細書中に記述される如く、該プロセスの１サイ
クルは安定的アークで始まり、次に短絡状態となり、更
なる安定的アーク状態により完了される。典型的なサイ
クル長は10msecである。短絡移行溶接プロセスの間にお
いて電極を介して溶接物に流れる電流により、電極と母
材（base metal) の一部とが溶融される。概略的に、ワ
イヤ材料の一部はアーク状態の間に溶融すると共に、短
絡状態の間に移行される。

【００２６】図１０は、本発明を実現するMIG 短絡移行
溶接システムのブロック図である。概略的に、ワイヤ供
給器801 は溶接トーチ804 を介してワイヤ802 を溶接物
803へと供給する。電源805 は溶接トーチ804 およびワ
ーク（warkpiece) 806に対して電力を供給する。制御器
807 は好適実施形態においてマイクロプロセッサ808(80
196KC)と（および代替的実施形態におけるDSP および他
の集積回路と) 、A/DおよびD/A インタフェースと、ア
ナログ回路809 とを含んでいる。制御器807 に対するフ
ィードバックはライン811 〜813 上に供給される。制御
信号は制御器807 によりライン814 〜816 上に供給され
る。制御器807 は電源805 の一部、ワイヤ供給器801 の
一部であっても良く、電源805 は別体の制御器を有して
も良く、また、制御器807 は電源805 の電力変換を直接
的に制御しても良い。

【００２７】好適な制御体系は、出力電流を駆動する電
流コマンド信号を使用するものである。コマンド信号は
複数の成分から成る。（長期電流コマンドと称される)
ひとつの構成要素は長期電流コマンドレベルを設定す
る。（短絡毎電流コマンドと称される) 別の構成要素は
リアルタイムまたは短絡毎に電流コマンドを調節する。
所望のアーク長が存在するか否かを決定すると共に長期
コマンドを調節すべく、アーク電圧フィードバックが使
用される。短絡毎電流コマンドは、（電力ではなく) リ
アルタイムのアーク電流フィードバックから導出される
と共に、電流コマンドの瞬間的な又は短絡毎の調節によ
り溶落速度を制御すべく使用される。

【００２８】好適な制御体系はまた、アーク電力の時間
微分（からアーク電流の時間微分を引いた) 関数を使用
し、短絡が解消されようとする時点をリアルタイムで検
出する為に使用される。また、短絡毎にアークを監視す
る停止アルゴリズムが採用される。当該プロセスが終了
しようとするとき、ボールの形成を回避すべく極低電流
レベルが供給される。しかし乍ら、もしこの低電流レベ
ルの後で（アーク電圧の降下により示される) 短絡が生
じたなら、短絡を解消すべく突発エネルギ(burst of en
ergy) が供給される。短絡が解消された後、大寸ボール
の形成を回避すべく極低電流が再び供給される。これ
は、ワイヤが停止してプロセスが終了するまで反復され
る。

【００２９】好適実施形態は、1,000 アンペア／msecの
オーダーで極めて迅速に出力電流を変更する機能を有す
る電源を使用する。このタイプの電源の一例としては、
低出力インピーダンスまたは二次的切換器を有するイン
バータ電源システムである。本発明の好適実施形態の特
定の電源は直列共振変換器であり、これは、1996年１月
11日に出願されると共に“電子制御出力曲線および適合
性ホットスタートを備えた切換可能電力供給装置" と称
された米国特許出願第08/584,412号に記述された如きも
のであるが、該米国特許出願の内容は言及したことによ
り援用する。本発明は、溶接プロセスを制御すると共に
電源と協働す（べく以下に記述され)る制御器を使用す
る。以下に記述された制御器は、所望の電流の大きさを
示すコマンドを電源に供給する。また電源は、該電源に
所望電流の供給を行わせる、それ自体の制御器を含んで
いる。更に、別実施形態において電源は、（それもまた
本明細書中に記述された制御を実現する) 外部制御器に
より制御される。上記直列共振変換器は好適である（但
し必須では無い) 、と言うのも、それは所望の電流コマ
ンドに対して極めて高速な応答を行うからである。他の
実施形態は他のタイプの電源を使用するが、これは、イ
ンバータ、位相制御電源、および、二次的スイッチ付き
電源などである。

【００３０】本明細書中に記述するように、本発明はマ
イクロプロセッサ808 およびアナログ回路809 により実
現されるアルゴリズムを含んでいる。代替的実施形態
は、独立した複数の構成要素により全体的に、または、
マイクロプロセッサ、DSP 、もしくは、他の複数の集積
回路により全体的にアルゴリズムを実現する。斯かるア
ルゴリズムは、短絡毎に溶落速度または質量溶着速度を
制御することにより溶接プロセスを制御する。また、ワ
イヤ溶落速度は、短絡毎に（または段階毎に) 電流を制
御することで制御される。この短絡毎電流制御は、アー
ク電圧により設定される電流制御と組合わされ（て所望
のアーク長を獲得す) る。好適実施形態の電源および制
御器は、一溶接サイクルより相当に短く所望電流を供給
するに十分なだけ高速である。

【００３１】好適実施形態において短絡毎の溶落速度
は、アーク電流フィードバックに基づいて制御される。
また、好適実施形態においては短絡毎溶落速度を制御す
る上でアーク電圧は使用されない、と言うのも、ワイヤ
溶落速度はアーク電圧では無くアーク電流に依存するか
らである。従って、２つの制御ループが同時に使用され
るが、それは、アーク電圧をフィードバックとして使用
することにより長期電流コマンドを設定するアーク長ル
ープ、及び、アーク電流をフィードバックとして使用す
ることにより短絡毎コマンドを設定するワイヤ溶落ルー
プである。好適実施形態においては、これらの２つのル
ープが異なるように加重される。以下に記述される如
く、アーク電圧およびアーク電流は両者ともに、短絡解
消をリアルタイムで検出してプロセスを終了せしめる為
に使用される。

【００３２】好適実施形態を実現すべく使用される回路
構成およびアルゴリズムを理解するには、図１に示され
た如き典型的な出力電圧および電流の波形を最初に参照
するのが最も容易である。点線の各々は、Ｔ_back、Ｔ
_wet、Ｔ_rise1、Ｔ_rise2、Ｔ _dpdtおよびＴ_hldと称さ
れる時間セグメントを表している。これらの時間セグメ
ントは電流波形の場合には、アルゴリズムにより変更が
行われるときを表している。

【００３３】Ｔ_hldは、短絡解消の終了時に始まるアー
ク状態である。電流はＴ_hldの間はワイヤ端部を溶融す
るに十分なだけ高いレベルへと命令される。またＴ_hld
は、ワイヤに対して所望の量の熱（またはエネルギ) が
入力されるに十分な長さの持続時間に亙り維持される。
Ｔ_hldが終了するとき、Ｔ_backが始まる。Ｔ_backは安定
的アーク状態である。Ｔ_backの間に電流はバックグラウ
ンドレベルＡ_bkにあり、これはアークを保持するに十分
なものである。しかし乍らバックグラウンド電流は、溶
接物に対してワイヤが供給される速度よりも高速にワイ
ヤを溶融し続けるに十分な大きさではない。低いバック
グラウンド電流によるアーク状態はワイヤの尖端が溶融
池と接触した時に終了するが、これは、Ｔ_backの終端お
よびＴ_wet時間の始まりにより表される。もしＴ_backの
間において一定の時間長の後で短絡が生じなければ、電
流は更に低いバックグラウンドレベルまで低下され、最
終的に短絡が生じることを確実なものとする。

【００３４】アーク状態の最後は短絡状態の始まりでも
ある。この遷移は出力電圧の急激な降下を引き起こす。
好適実施形態のアルゴリズムは短絡の始まりを、出力電
圧がスレッショルド値Ｖ_shtと交差する時点として設定
する。該スレッショルド値は、電圧フィードバック信号
を受信してその出力を制御器807 に供給する比較器によ
り設定される。該スレッショルド値はまた、ワイヤ供給
速度、ワイヤのサイズおよび種類、および／または他の
溶接パラメータに依存して変化し得るものである。

【００３５】本発明者等は、短絡の発端時における高電
流レベルが“ウィスカ短絡(whiskershort)"を引き起こ
し得ることを発見した。この点、“ウィスカ短絡" は異
常に短い持続時間の短絡である、と言うのも、ワイヤと
溶融池との間の初期の接点は電流の大きさを処理するに
十分でない（すなわち、それは殆ど破裂用のヒューズの
如く作用する) からである。従って、好適実施形態にお
いては各短絡の開始時点で電流は通常的に減少されてい
る。代替的実施形態では、電流の一時的減少を用いな
い。

【００３６】斯かる減少は、短絡の開始時（すなわちＴ
_wetの開始時) に短絡％の係数を用いて電流コマンドを
変更するマイクロプロセッサ808 により達成される。従
って、Ｔ_wetの間における（Ａ_wetと称される) 電流コ
マンドは、Ａ_wet＝Ａ_bk×DiP%と定義される。DiP%（短
絡%)は典型的には１より小さ（く、且つ、ゼロ程度に
低) いものであり、ワイヤ端部上の溶融金属が溶融池に
濡れ侵入することを確実にしている。但し、短絡％は１
以上に大きく、且つ、ワイヤ供給速度に依存することも
有り得る。低下された電流レベル（Ａ_wet) はＴ_wetと
称される期間に亙り維持され、ワイヤ端部の溶融材料が
溶融池内に移行するのを確実なものとしている。

【００３７】Ｔ_wetの持続時間は溶融ボールのサイズに
依存することから、ワイヤ供給速度に依存する。同様
に、半自動操作モードにおいてオペレータにより行われ
たワークディスタンスに対する接触尖端の変更は、ひと
つの短絡シーケンスから次のシーケンスへの溶融ボール
のサイズの変動を引き起こす可能性がある。従って、Ｔ
_wetの持続時間はワイヤ供給速度およびオペレータの移
動に応じるものである。

【００３８】本発明者等は概略的に、溶融ボールのサイ
ズはそれ以前のアーク時間の持続時間と相関し得ること
を突き止めた。与えられたアークが長く存続するほど、
次の短絡の間に移行されるべく溶融されるワイヤ量は大
きい。マイクロプロセッサ808 は各アークの時間を監視
すると共にその時間をプリセットされた公称アーク時間
と比較する。ふたつの値の差は、Ｔ_wetの長さの変更を
行う為に使用される。より詳細には、好適実施形態に依
れば、与えられたアークシーケンスが予設定公称値を越
えたとすれば、Ｔ_wetはそれらの間の差に比例した量だ
け延長される。アルゴリズムはＴ_WETNewを、Ｔ_WETOld＋
濡れゲイン×(T_arcset−Ｔ_arcactual)として定義す
る。

【００３９】Ｔ_wetが完了されたとき、電流は増大すべ
く命令される。電流波形のこの部分はＴ_RISE1と称され
る。上昇割合Ｒ₂アンペア／msecは、電流および電圧信
号を示す図４に示されている。Ｒ₂はマイクロプロセッ
サ808 により制御されると共にワイヤ供給速度により変
化し得る。Ｒ₂は、表面張力効果による溶融ボールの移
行に必要とされる時間内にワイヤと溶融池との間の溶融
インタフェースの括（くび）れ(necking) を開始するに
必要な値に向けて電流レベルが確実に近付く割合である
様に選択される。

【００４０】このインタフェースの括れとは、固体ワイ
ヤの公称断面積よりも小さな断面積を達成する溶融柱を
指している。この括れは、表面張力と、このインタフェ
ース領域を通して流れる電流に伴う磁界により更なる面
積減少を引き起こすローレンツ力と、の両者の関数であ
る。電流の大きさは、電流がレベルＬに命令されるまで
（割合Ｒ₂で) 増大される。このレベルに達すると同時
に、制御器807 はＲ₂より小さな割合Ｒ₃で電流を上昇
すべく命令する。この電流上昇割合は、短絡が解消され
ようとすることを制御器807 が決定するまで維持され
る。短絡の解消の事象すなわち短絡からアークへの遷移
は当該プロセスの最も激しい部分であり、スパッタの大
部分を生じ得るものである。

【００４１】好適実施形態においてはこの事象の爆発的
な特性が減じられるが、これは、短絡解消に先立ちまた
は短絡解消時に電流の大きさを低下させて電力密度を制
限することで行われる。括れ作用の早期検出は有用であ
る、と言うのも、その場合に電流レベルは短絡解消に先
立って減少されることによりスパッタを減少し得るから
である。また、短絡解消を予期し得る一貫性は効率的に
スパッタを減少する上で重要である。

【００４２】本発明は、電圧波形のみから獲得され得る
よりも多くの情報を用い、迅速に且つ一貫して括れ作用
を検出する。ワイヤと溶融池との間のインタフェース
は、差し迫った短絡解消を検出すべく使用される。これ
は、高電流レベルおよび比較的に小さな断面積に依る高
電力密度の領域である。インタフェース領域の抵抗は括
れが生じるときに増加し始めると共に、断面積は減少す
る。この抵抗の増加は、この領域における電力密度の対
応増加を引き起こす。電力＝Ｉ²×Ｒであり、且つ、Ｒ
＝（抵抗率×dl／（π×ｒ²)) であり、式中、dlは括れ
領域の長さであり且つｒは括れ領域の半径である。従っ
て、括れ領域の半径がゼロに接近するにつれ、電力密度
は無限大に近付いて行く。

【００４３】本発明の一実施形態において制御器807
は、電力の１階微分dP/dt を使用してリアルタイムで短
絡解消事象を検出する。しかし乍ら、時間Ｔ_RISE1の間
における電流上昇により、電力微分ハードウェア(power
derivative hardware) は最大出力電圧レベルを達成し
て一定の期間そこに留まることもある。ハードウェア回
路の緩慢な回復は、括れ事象の進展を表す所定スレッシ
ョルド電圧の検出を困難なものとする。

【００４４】この問題は別の実施形態において、電流の
変化の時的速度に関して適切にスケーリングされた量を
減算することにより解決される。括れ作用を検出すべく
使用される信号は、好適実施形態のハードウェアにより
実現された制御回路電圧Ｖ_cである。Ｖ_cは算出値であ
り、デジタル回路を使用して導出される。この信号は、
Ｖ_c＝（ｋ₁dP/dt−ｋ₂×di/dt)（ｋ₁およびｋ₂はス
カラー) である。制御器807 は、Ｖ_cがレベルＶ
_threshold以上に上昇したとき、括れが開始したものと
決定する。Ｖ_thresholdは、例えばワイヤ供給速度、ワ
イヤタイプまたはワイヤサイズなどの溶接条件により変
化し得るものである。

【００４５】スケーリングされた減算(scaled subtract
ion)を使用することによりＶ_cの変動は減少することか
ら、Ｖ_cがハードウェアを飽和することはない。一実施
形態において、マイクロプロセッサ808 は、Ｖ
_thresholdに達したことを示す比較器信号を受容し得る
如くされている。しかし乍ら、Ｔ_wet期間およびその直
後の間に、Ｖ_cは依然としてＶ_thresholdより大きい。
故に制御器807 は、Ｔ_RISEの始まりから遅延Dly₁の後ま
で比較器出力を感知しない。遅延は、溶接条件に依存し
て調節可能である。代替的実施形態は、異なるスケーリ
ングおよび異なるハードウェアを（スケーリングされた
減算無しに) 使用する。

【００４６】上述した実施形態は先行技術よりも相当に
良好に機能するが、好適実施形態に依れば短絡解消の更
なる早期検出が提供される。好適実施形態において、制
御器807 は上記で定義された全体的量の微分を決定す
る。従って、好適実施形態においては図４にプロットさ
れた如く、Ｖ_c＝d/dt(dP/dt−ａ×di/dt)である。此処
でも、Ｖ_cがＶ_thresholdと交差したときに制御器807
はリアルタイムで短絡が解消されようとすることを決定
する。代替例としては、dP/dt の他の関数の使用、dP/d
t の代わりにもしくはdP/dt と共にdV_c/dt の関数の使
用、並びに、dR/dt の使用、または、これらのパラメー
タの高次の微分、または、これらのパラメータの他の関
数、および、それらの組合せが挙げられる。

【００４７】電圧および電流のフィードバック信号は、
電力フィードバック信号を獲得する為に使用される。好
適実施形態において、電圧フィードバックはワーク上の
接地クランプへ向かうガンヘッドから獲得される。電流
フィードバックは好適には、電流出力と直列とされ乍ら
も電源内に配置されたLEM の如き電流変換器を使用して
感知される。他のフィードバック箇所を使用しても良
い。

【００４８】図２および図３を参照すると、短絡が解消
されようとするときを決定すべくマイクロプロセッサ80
8 により使用される信号“Ｖ_c" を生成すべく使用され
るアナログ回路809 の一部が示されている。アーク電圧
はライン301 および302 に供給される。アーク電圧はス
ケーリングされると共に、オペアンプ（演算増巾器）A6
-1、および、組合された抵抗器R94 およびR95(200KΩ)
、R96 およびR97(０Ω) 、R98(10 KΩ) 、R67 およびR
68(10 KΩ) およびキャパシタC57 およびC58(0.001 μ
F)、により予備濾過される。電圧信号は更に、オペアン
プA6-2および抵抗器R45(11 KΩ) 、R46(33.2 KΩ) 、R4
7 およびR48(10 KΩ) およびキャパシタC28 およびC40
(0.001 μF)により更に濾過およびスケーリングされ
る。これは、１ボルト／10アークボルトの低ノイズ信号
を提供する。電圧信号の大きさはオペアンプA6-3および
ゲイン抵抗器R64(10 KΩ) およびR63(０〜500KΩ) によ
り調節される。この信号はライン307 上で（図３に関し
て以下に記述する) 複数のステージに供給される。

【００４９】同様に、電流フィードバック信号はライン
303 上で受信されるが、そこでは１ボルトが100 アンペ
アに対応する。電流信号はスケーリングされると共にオ
ペアンプA3-1およびそれに組合された回路である抵抗器
R16(10 KΩ) 、R17(10 KΩ)、R40 およびR41(20 KΩ)
、インダクタL1(1,000μH)およびL2(188μH)およびキ
ャパシタC24 およびC23(0.001 μF)により予めフィルタ
されスケーリングされる。電流信号は次に、オペアンプ
A3-2およびそれに組合された回路である抵抗器R26(10 K
Ω) 、R27(33.2 KΩ) およびR30(10 KΩ) およびキャパ
シタC14 およびC16(0.001 μF)により更にフィルタされ
スケーリングされる。これは、１ボルト／100 電流アン
ペアの低ノイズ信号を提供する。この信号はライン308
上で抵抗器R25(10 KΩ) およびR32(０〜50 KΩ) により
スケーリングされた後に乗算器に供給されるが、これは
図３に関して記述される。

【００５０】図３に示された乗算器U1はライン308 およ
び307 上で電圧信号および電流信号を受信すると共に、
短絡の間（またはフィードバックがアクティブな間は
常) にワイヤにおける電力を表す出力を提供する。電力
信号は抵抗器R42(1KΩ) を介し、一対のキャパシタC36
(0.068 μF)およびC27(0.0022μF)ならびに抵抗器R22(5
1.1 KΩ) によりコンフィギュレーションされたオペア
ンプA2に供給され、電力信号の微分(dP/dt) を獲得す
る。従って、ライン313 上に供給されるオペアンプA2の
出力は、短絡の間（または回路がアクティブである他の
時点) でのワイヤにおける電力の微分(dP/dt) を表す信
号である。

【００５１】また、（ライン310 上の) 電流を表す信号
の微分も獲得される。詳細には、図３のオペアンプA5-1
および組合された回路である一対のキャパシタC33(0.06
8 μF)およびC37(0.0022μF)、抵抗器R81(30.1 KΩ) お
よびツェナーダイオードD11(4.7V) は、オペアンプA5-1
の出力が短絡の間（または回路がアクティブである他の
時点) でのワイヤにおける電流の１階微分(di/dt) を表
す信号である如く、配置構成される。電流微分信号は、
オペアンプA5-2および複数のスケーリング抵抗器R82(10
KΩ) およびR62(０〜50 KΩ) を使用してスケーリング
される。電力の微分および電流の微分は、夫々、抵抗器
R35(10 KΩ) および抵抗器R43(10 KΩ)を介してオペア
ンプA5-3に供給される。オペアンプA5-3は、一対の抵抗
器R84(10KΩ) およびR83(10 KΩ) によりコンフィギュ
レーションされて、短絡の間（またはフィードバックが
アクティブである他の時点) での電力微分と電流微分と
の間の差(dP/dt−ａ×di/dt)を表す出力を提供すべく構
成される。

【００５２】この差は最後に、一対のキャパシタC29(33
0pF)およびC56(0.022 μF)、抵抗器R44(100KΩ) および
R85(1KΩ) 及びツェナーダイオードD9(4.7V)によりコン
フィギュレーションされて微分を獲得する。A5-4上のダ
イオードおよび100KΩ抵抗器は、出力が負になるのを防
止する。従って、ライン312 上の信号は、短絡の間にお
ける電力の微分と電流の微分との間の差の微分（Ｖ_c＝
d/dt[dP/dt−ａ×di/dt]) を表すものである。これは、
スレッショルド値Ｖ_thresholdと比較された信号であ
る。Ｖ_thresholdはマイクロプロセッサ808 により設定
された値であり、好適実施形態においてはワイヤ供給速
度、ワイヤサイズもしくはタイプ、または他のパラメー
タに依存して変化するものである。

【００５３】ライン312 上の信号のプロットは、アーク
電流および電圧と共に図４に示されている。Ｖ
_thresholdは破線として示されている。短絡は電圧が急
激に降下したときに始まる。制御器は、d/dt[dP/dt−ａ
×di/dt]が破線 (Ｖ_threshold) と交差したときに、短
絡が解消されようとしていることを決定する。斯くし
て、短絡解消に先立つ予期可能時点で生じるパラメータ
を識別することにより、短絡が解消されようとする時点
を検出する技術が開示される。

【００５４】一方、殆どの溶接機は出力安定器を有して
いる。典型的な出力安定器の比較的大きなインダクタン
スは電流出力の衰退を“低速化" させることから、短絡
が解消されようとするときに低レベルとなる如く電流が
命令されたとしても実際の出力電流は短絡解消に先立っ
て十分には減少しない。従って、本発明のひとつの特徴
は、短絡解消の検出の後に迅速に出力電流が低下するこ
とを促進する“能動的(active)" 出力安定器を含むこと
である。

【００５５】概略的には図１１に示された如く能動安定
器は、出力安定器901 と、主要安定器901 と共通のコア
に巻回された一対のコイル902 とを含んでいる。また、
一対のスイッチ906 および907 が一対のダイオードと共
にコイル902 の各々と直列になっている。DC電源908 お
よび一対のキャパシタ909 および910 は、コイル902お
よびスイッチ906 および907 に亙り接続されている。ス
イッチ906 および907は、出力電流により生成されたフ
ラックスと対向するフラックスを生成すべく電流がコイ
ル902 内を流れる如く制御器905 により制御される。こ
れは主要安定器901 内の磁界を部分的にまたは完全に反
転させ、出力電流は迅速に減少する。上記能動安定器
は、短絡が解消されようとしていること又は解消されつ
つあることをdP/dt 回路が決定した後で、制御器905 に
より起動される。従って、短絡解消が検出されたとき、
出力電流は迅速に降下する。

【００５６】本発明は先行技術よりも相当に良好な短絡
解消の検出を行うが、短絡解消を検出しない、または、
検出を擬似確定(false positive)とすることも可能であ
る。従って、短絡が解消されようとすることのdP/dt 検
出が正しく作動しない場合における安全策が提供され
る。dP/dt 回路が短絡を検出したとき、能動安定器は起
動され、電流は減少され、dP/dt 検出回路はリセットさ
れ、且つ、短絡が実際に解消されたか否かを決定する為
に出力電圧が監視される。もし所定時間長の後で（アー
ク電圧がスレッショルド値と交差しないことにより表さ
れる様に) 短絡が解消されないときには、短絡を解消す
べく企図された値へと固定速度にて電流を上昇せしめる
電流コマンドが提供される。その後の解消傾斜部分(cle
ar ramp)は、更に高速な上昇電流コマンドとしても良
い。同様に、dP/dt 回路がリセットされたことから、短
絡が解消されようとする時点を検出すべく、dP/dt は依
然としてスレッショルド値と比較される。しかし乍ら、
スレッショルド値はその後の比較に対して増加され、電
力レベルにおける傾斜上昇からの増加電流に対して補償
が行われる。もし新たなスレッショルド値が交差したな
ら、上記コマンドは反復される。斯くして、擬似確定に
対する安全策が提供される。

【００５７】また、短絡解消の検出の障害に対する防護
策も提供される。アーク電圧が監視されると共に、もし
短絡が解消されたことをアーク電圧が示したとすれば、
制御器807 は電流コマンドを波形の次の部分に進める。
上述の如く本発明の他の形態は、アーク長を制御し得る
能力である。これは、短絡の移行プロセスが一貫して安
定することを促進するものである。好適実施形態はアー
ク長を制御すべくアーク電圧を使用する、と言うのも、
アーク長とアーク電圧との間には直接的な相関があるか
らである。概略的に、アーク電圧は設定点と比較され
る。アーク電圧が斯かる設定点よりも大きいか小さいか
ということに基づき、アーク長は所望の長さよりも長い
か短いかということが決定される。

【００５８】同様に、溶落速度に対応する、ワイヤの熱
入力に関するフィードバックは電流フィードバック信号
から導出される。ふたつのフィードバックループ−即ち
アーク長に対する電圧および溶落速度に対する電流−の
相互作用は、この制御体系に対して安定したアークを提
供する。アーク長の制御を実現する特定の出力回路構成
は図５および図６に示されている。瞬間的な電圧フィー
ドバック（Ｖ_fbk) および電圧設定点（Ｖ_set）は、差
動アンプA401に供給される。Ｖ_setは、上記制御体系を
実現すべく使用されるマイクロプロセッサ808 により供
給される。複数の抵抗器R402-R405(100KΩ) は所望のゲ
インを提供する。

【００５９】オペアンプA401の出力は、スイッチU301を
介してオペアンプA410に供給される。スイッチU301は、
オペアンプA310、および一対の抵抗器R311(100 KΩ) お
よびR312(68.1KΩ）により設定された所定スレッショル
ド値をOCV が越えたときに、オペアンプA410の入力から
オペアンプA401の出力を除去するものである。オペアン
プA410は、一対の抵抗器R411(1 KΩ) 、R412(0〜100K
Ω）、スイッチU303、およびキャパシタC302(6μF)とと
もに積分器として構成される。スイッチU303は、キャパ
シタC305(1μF)、抵抗器R306(47.5KΩ) およびダイオー
ドD307により制御され、迅速に積分器A410をクリアす
る。

【００６０】スイッチ413 はアーク状態で閉成されると
共に短絡状態で開成される。スイッチ413 はスイッチ43
9 と共にオペアンプA440により制御される。オペアンプ
A440は、抵抗器R440(619 KΩ) および抵抗器R443(10K
Ω) と共に、アークまたは短絡が存在する時点を決定す
る。ダイオードD353は、上記回路をスタンバイにリセッ
トする。アーク停止の間における積分器A410からの電圧
誤差は急激に最大値に達するが、この誤差はスイッチ41
3 が無ければ当該プロセスの安定性に悪影響を与える。
従って、アーク停止が生じたとき、オペアンプA410の出
力は制御回路から効率的に除去される。

【００６１】積分器A410の出力は（スイッチ413 が閉成
されたときに) オペアンプA419の加算端子に供給され
る。複数の抵抗器R420〜R423(10KΩ) は適切なスケーリ
ングを提供する。オペアンプA419の加算端子はまた、図
４に示された電流の概略形状を有する基本コマンドを表
す信号も受信する。これらの２つの入力は、電流コマン
ドの長期成分(long-term component) を設定すべく使用
される。上記基本コマンドは、オペアンプA425を介して
マイクロプロセッサ808 により提供される。

【００６２】制御回路の残りの部分は、電流フィードバ
ックに基づいた短絡毎の制御を説明した後に、後述す
る。ワイヤへの熱入力および溶落速度に対応する、電流
フィードバックから導出された制御信号は、短絡毎制御
(short-by-short control)を提供する。この短絡毎制御
は、ワイヤに対する熱入力の監視を必要とするものであ
る。溶接物内に消費されつつあるワイヤのタイプに関す
る一定の情報が与えられれば、溶落速度を維持すべくワ
イヤに入力されるべき熱の速度が算出される。

【００６３】数件の先行技術特許は、時間に関する合計
電力入力を積分すると共にこの合計をプリセット値と比
較することにより、溶接物内への熱入力を“合計" する
ものである。これは、電圧フィードバック信号および電
流フィードバック信号の両者の入力を電力算出の為に必
要とする。しかし乍ら、ワイヤの溶融に関する物理的現
象を分析したところ、ワイヤの溶落はアーク電圧からは
独立していることが分かった。ワイヤ内への熱入力／秒
は次の式により与えられる：Ｑ_Wire／秒＝[(Ｖ_anode＋W.F.＋3kT/2e) ×I(t)＋Ｉ
²(t)l ×ρ/A] 式中、Ｖ_anode＝陽極の電圧降下； W.F.＝金属の仕事関数； 3kT/2e＝ワイヤに衝当する電子の熱エネルギ；ｌ＝アークに対する接触尖端； ρ＝金属の抵抗率；Ａ＝ワイヤの断面積； I(t)＝瞬間的電流、である。

【００６４】これらの式からは、ワイヤの溶融速度はV
(t)から独立してI(t)の項に関してのみ表されることが
理解される。この式の第１項は当該プロセスのアークモ
ードのみにおいて適用される一方、第２項はアークモー
ドおよび短絡モードの両者に対して適用される。所定の
サイズおよびタイプのワイヤを固定供給速度にて溶融す
る為に必要とされるエネルギの量は、次の式により決定
され得る：Ｑ_req＝Ｒ_dep×（Ｈ_m＋（Ｔ_drop−Ｔ_amb) ×Ｃ_p)
×ｔ_tot 式中、Ｒ_dep＝ワイヤ質量溶着速度；Ｈ_m＝ワイヤに対する溶融の潜熱；Ｔ_drop＝溶滴の温度；Ｔ_amb＝ワイヤの周囲温度；Ｃ_p＝ワイヤの熱容量；ｔ_tot＝短絡／アークシーケンスの平均期間である。

【００６５】好適実施形態はアークの物理的性質を利用
し、到来ワイヤの溶融を維持するに必要なエネルギ入力
が一貫した手法で供給されるのを確実なものとする。こ
のことは、オペレータ移動に依る供給速度の変動が考慮
されると共に瞬間的な溶落速度が調節されることを意味
している。（これらの式を実現する) この制御法を達成
すべく採用された回路は図５および図６に示されると共
に、アナログ回路809の一部となっている。

【００６６】電流フィードバック信号(I_fbk) は、図２
および図３のベッセルフィルタA3-2からのライン309 上
に供給される。この信号は積算器U424の両入力に接続さ
れ、Ｉ²(t)に比例した出力を生成する。Ｉ²(t)信号は次
に増幅器A430の一対のゲイン設定抵抗器R431(1 KΩ) お
よびR432(0〜100KΩ) によりスケーリングされて、ワイ
ヤにおける抵抗性加熱の表示信号を生成する。増幅器A4
30のゲインは、ワイヤのスティックアウトの抵抗と同一
視される。増幅器A430の出力は加算ノードへと供給さ
れ、其処でそれは他の２つの成分と加算される。

【００６７】電流フィードバック入力Ｉ_fbkは、増幅器
A435にも供給される。増幅器A435は、一対の抵抗器R436
(5 KΩ) およびR437(0〜10 KΩ) により設定されたゲイ
ンを有すると共に、Ｖ_anode＋W.F.＋3kT/2eを表してい
る。これは、上記したＱ_Wireの式におけるワイヤ熱入力
に寄与するアークの係数である。増幅器A435の出力はア
ナログスイッチU439により加算ノードへとスイッチされ
る。スイッチU439は、熱入力のこの部分がアークの間に
おいてのみ供給されると共に短絡の間には供給されない
ことを確実なものとする。電圧フィードバック信号（Ｖ
_fbk）は比較器A440に供給される。抵抗器R440(619 K
Ω) およびR443(10KΩ) は、マイクロプロセッサ808 か
らの信号を使用し乍ら、アーク／アーク無しの決定に使
用される。従って、増幅器A435の出力はアークの間にお
いてのみ加算ノードに供給される。

【００６８】加算ノードに対する第３の入力は必要な平
均熱入力または燃焼速度(burn rate）Ｊ_setであり、マ
イクロプロセッサ808 から到来するものである。Ｊ_set
は、所定供給速度にて溶落を維持する為の、ワイヤに対
する所定値の必要電力入力である。その値は供給速度に
依存すると共に、ワイヤ供給速度が調節されるときにマ
イクロプロセッサ808 により調節されるものである。Ｊ
_setは、スケーリング抵抗器R351(10KΩ) およびR352(2
0KΩ) を有するオペアンプA350の非反転入力に供給され
る。

【００６９】増幅器A430およびA435の出力から決定され
た瞬間的熱入力速度は、増幅器A446と複数の抵抗器R44
7、R448、R450およびR454(10KΩ) により、必要な平均
入力速度Ｊ_setと比較される。増幅器A446の出力はアナ
ログスイッチ451 を介して供給され、開始時に起こり得
る過渡現象問題を回避する。スイッチ451 はマイクロプ
ロセッサ808 により制御され、溶接に対しては閉成され
且つスタンバイに対しては開成される。増幅器A446から
の瞬間的熱速度差は、オペアンプA452、抵抗器R453(0〜
100KΩ) 、R343(4.75KΩ) およびR342(100 KΩ) ならび
にキャパシタC454(6μF)により積分される。積分された
値はオペアンプA460および抵抗器R462(0〜100KΩ) 、R3
40(10KΩ) 、およびR341(10KΩ) によりスケーリングさ
れ、ワイヤの一定の溶落（または質量溶着速度) を試み
る電流コマンドを調節するコマンド修正信号を生成す
る。これは、概略的に上述した瞬間的なまたは短絡毎の
制御の一部分を表すものである。

【００７０】この修正信号は、抵抗器R422および一対の
オペアンプA320およびA324を介して加算オペアンプA419
に供給される。オペアンプA320および抵抗器R321ならび
にR322(10KΩ) は、信号を反転する。オペアンプA324
は、一対のスイッチU327およびU328、および抵抗器R323
(10KΩ) 、R325(10KΩ) およびR329(0〜100KΩ) により
制御された調節可能ゲインを有する。スイッチU327は、
アークの間に該スイッチU327を開成するオペアンプA333
により制御される。スイッチU328はスタンバイの間、U3
03により閉成される。従って、複数のゲインが提供され
る。

【００７１】基本コマンドは抵抗器R421を介してオペア
ンプA419に供給されると共に、積分電圧誤差信号は抵抗
器R420を介して供給される。オペアンプA419の出力はオ
ペアンプA467に対して供給される。オペアンプA467は、
抵抗器R468(10KΩ) 、R470(10KΩ) およびキャパシタC3
10(270pF) と共に、修正されたコマンドをその適切な極
性に戻す。ダイオードD311、抵抗器R465(10KΩ) および
オペアンプA309は、最小電流コマンド出力を設定する。

【００７２】本発明の他の特徴は、ワイヤの予備加熱を
制御することにより短絡／アークプロセスの全体的な安
定性を提供することである。本発明者等はMIG プロセス
が本質的に振動性であることを突き止めた。この振動は
低周波数であり、典型的には２Hz〜10Hzである。これは
以下に記述する如く、スポット加熱、または、オペレー
タにより変更されたアーク長もしくはスティックアウト
長のいずれかによりしばしば引き起こされるワイヤの不
均一な予備加熱に起因するものである。

【００７３】殆どのMIG 溶接システムにおいては図７に
示された如く接触チューブ502 内における動的インタフ
ェースを介して溶接用ワイヤ501 へ電流が導通される。
接触領域504 は、比較的に小さな電流面積に依り高電流
密度領域である。この高電流密度領域はワイヤにおける
スポット加熱を引き起こす可能性がある。また、ワイヤ
内への高電流の期間を引き起こす、プロセスの摂動が存
在しても問題が生じ得る。例えば、オペレータ移動は瞬
間的にワイヤ供給速度を増大し、ワイヤを溶融する為の
付加的な電流を必要とする可能性がある。付加的電流が
供給されたとき、ワイヤ内にホットスポットが生成され
る。このスポット加熱は、ワイヤのその特定部分の抵抗
を増大せしめる。この増大された抵抗は更にその領域に
おけるワイヤ内へのＩ²×Ｒの熱入力を増加する、と言
うのも、電流は引続く短絡およびアークシーケンスにお
いて流れ続けるからである。最終的な結果は、ワイヤに
おいて局所的に加熱された領域となる。この領域が溶融
池に到達したとき、短絡の結果として溶融されるワイヤ
の量は通常より多くなる。

【００７４】極端な場合、ワイヤは過剰に溶融逆流し、
オペレータが検出し得るアークのフレアアップに帰着す
る。このフレアリング(flaring) はプロセスの全体的安
定性を損ない、望ましくない。更に、スポット加熱によ
り引き起こされた長いアーク時間は溶融池に対してワイ
ヤが戻る移動時間を長くする。この移動時間の間、電流
は低い（Ａ_bk) ことから、接触チューブ内の接触領域に
おけるＩ²×Ｒ加熱は少ない。これは比較的低温のスポ
ットをワイヤ内に生成し、これが溶融池に向けて移動し
始める。このワイヤの低温領域が溶融池に接近するにつ
れ、短絡解消の後に形成される溶融ボールのサイズは小
さくなる。また、アークモードに費やされる時間も減少
する。アークから短絡へのこの時間シフトは、ワイヤの
全体的なＩ²×Ｒ加熱を増大する。この増大されたＩ²
×Ｒ加熱は接触チューブ近傍のワイヤに局在化ホットス
ポットを生成し、サイクルを開始時に戻してしまう。従
って、このプロセスは事実上、循環的となり得る。

【００７５】この循環現象は多くの要因に関係してい
る。それらの主なものは、スティックアウト長（図７の
503)およびワイヤ供給速度である。基礎振動周波数は、
ワイヤ供給速度と等しい速度で移動する、スティックア
ウトの長さに等しいワイヤ部分の移動時間の逆数により
表される。この関係を１インチのスティックアウトに対
して例証したデータが図８に示されている。この基礎周
波数の高次モードもおそらくは励起されるであろうこと
を銘記すべきである。

【００７６】先行技術に係る短絡制御アルゴリズムは、
斯かる“予備加熱" に対し、それがアーク電圧／アーク
長を変更するまでは調節できない。しかし乍ら、この問
題がこの様に現われたときは、結果を変更するには遅過
ぎる。従って、ワイヤの予備加熱部分の変動に対して補
償を行う上では、ワイヤ端部への熱入力の高等な知識が
使用される。

【００７７】もし、アークに対して露出されるワイヤの
状態が既知であれば、アークへの電力入力を適切に調整
することによりフレアリングおよび食い込み(stubbing)
のサイクルを回避することが可能である。ワイヤ端部の
状態は、その電流導通履歴(current carrying history)
から決定され得る。スティックアウト長に関する情報
は、ワイヤのセグメント（すなわちワイヤの小寸線形部
分) がどれだけの電流を導通したかを正確に確定すべく
時間的に適切な長さだけ戻り得る如く使用される。

【００７８】スティックアウト長は、抵抗器R476(10K
Ω) を介した電圧誤差積分器A410の出力を、抵抗器R477
(10KΩ) を介したＪ_set誤差オペアンプA460の出力に対
し、抵抗器R478(20KΩ) 、抵抗器R481(10KΩ) およびキ
ャパシタC482(5.6μF)を含むオペアンプA480により、加
算することで決定される。オペアンプA480の出力は、独
立変数としてのスティックアウトによりプロットされた
ときに比較的に線形な関数を生成する。逆関数は、オペ
アンプA480の出力と単位長さの実際のワイヤスティック
アウトとの間の線形関係を生成する。この直線の傾きお
よび切片は、所定のワイヤサイズ、タイプ、供給速度な
どに関してマイクロプロセッサ808 に記憶され得る。従
ってマイクロプロセッサ808 は、所定の溶接条件に対し
てワイヤスティックアウトを決定する為に必要な情報の
全てを入手することができる。

【００７９】ワイヤに対する熱入力は、ワイヤスティッ
クアウトを一連の小寸セグメントとして取扱うことによ
り決定される（図９参照) 。各セグメントへのＩ²×Ｒ
熱入力は、増幅器A430においてＩ²×Ｒ出力の複数のサ
ンプルを取ると共に、短絡−アーク期間（サイクルプロ
セス) よりも短い持続時間に亙ってこれらを合計するこ
とにより、確認される。このときにこの合計は、スティ
ックアウトに沿った各セグメントへの熱入力を表す。配
列は熱入力情報を記憶することから、累積合計は各セグ
メントに対して維持される。ワイヤ端部に対する熱入力
情報を含むセグメントは、オペアンプA480の出力により
測定された如く、スティックアウトに基づく量だけ時間
的に戻ることにより決定される。この実施形態において
は、ワイヤ端部セグメントの合計の大きさは、アーク時
間中の電流レベルの大きさを決定する為に使用される。
この合計は所定の熱レベルと比較されると共に、アーク
の間の電流の大きさは存在する誤差に比例して増大もし
くは減少せしめられる。他の実施形態において、Hldt、
上昇速度、またはＲ₁などの電流波形の他の特徴は、ワ
イヤ端部における上記の熱に基づいてアーク熱入力を制
御すべく活用される。

【００８０】本発明の他の形態は、ワイヤ端部における
大寸ボールの形成を許さない停止アルゴリズムを提供す
ることである。これはマイクロプロセッサ808 を使用し
て達成される。詳細には、（例えば、ユーザがプロセス
を終了するときに) マイクロプロセッサ808 により停止
信号が受信される。マイクロプロセッサ808 は次に、モ
ータに対して停止することを命令する。タコメータから
得られたワイヤ供給器801 からのフィードバックによ
り、上記マイクロプロセッサはワイヤ供給速度を決定す
ることが可能となる。マイクロプロセッサ808 は所定の
ワイヤ供給速度（好適実施形態においては約200IMP（イ
ンチ／分））に達するまで、低CVコマンドを出し続け
る。代替的に、停止コマンドを受けた後、ワイヤ供給速
度が75IMP(インチ／分）に達するまでプロセスパラメー
タは傾斜降下される。所定のワイヤ供給速度に達したと
き、制御器807 は特定の電流コマンドを電源に送る。

【００８１】制御器807 はアーク電圧を監視すると共
に、（アーク電圧の降下により表される) 短絡が検出さ
れたときには（通常の溶接プロセスの応答と同様に) 電
流上昇が命令される。アーク電圧が所定のスレッショル
ド値に達し（て短絡が解消されたことを示し) たとき、
電流上昇コマンドが終結され、極低電流（好適実施形態
においては約０〜10アンペア) が命令される。極低電流
により、極小ボールの形成が生じる。従って、ワイヤが
更に進まず且つ溶融池に接触しない限り、ワイヤ端部に
大寸ボールは形成されない。

【００８２】但し、もしワイヤが前進し続けて溶融池に
接触しまたは溶融池が逆流して接触したとすれば、上記
ルーチンは反復され、やはりワイヤ上に大寸ボールは残
されない。このアルゴリズムは、ワイヤが停止すると共
に大寸ボールが形成されなくなるまで継続される。尚、
このアルゴリズムは多くのワイヤを消費するものでない
ことを銘記すべきである、と言うのも、大寸ボールは形
成されないからである。従ってこのプロセスは、ワイヤ
の極小前進が期待されるまでは起動されない。

【００８３】好適実施形態においては、ワイヤが短絡さ
れたか否かを決定すべく使用された電圧は、ワイヤを通
じて流れる電流に対して参照される。従って、もし中間
の電圧レベルが検出されると共に選択された電流の大き
さが低ければ、短絡は解消されている。しかし乍ら、高
く選択された電流レベルにおける同一のアーク電圧は短
絡が依然として存在することを示すかも知れず、ワイヤ
が単に高温になっているだけかも知れない。従って、電
圧スレッショルド値は、選択された電流レベルに基づい
てマイクロプロセッサ808 により調節される。

【００８４】ひとつの代替実施形態は、停止時間の間に
最低電流設定に対して優先する停止信号をマイクロプロ
セッサ808 から電源805 に提供するものである（最低電
流は、アークが消滅する危険がある場合に多数の低電流
印加を行うべく設定される)。そのときに制御器807 は
電源がその定電圧(CV)制御を継続して行うことを許容す
るが、更に低電圧を命令し、アーク時間電流は自然に小
さくなる。他の代替的実施形態としては、電源の電気出
力と共にワイヤ供給モータの制動を制御するものが挙げ
られる。本発明のこの特徴は、アーク溶射プロセスおよ
び他の制御体系によるなどの、短絡移行溶接法以外のプ
ロセスに対して容易に適合される。

【００８５】上記停止アルゴリズムは、Holverson およ
びMehnにより本願と同日付で提出されると共に本願の譲
受人に対して譲渡され且つ“溶接プロセスを停止する方
法および装置" と称された米国特許出願中にも開示され
ているが、該出願は言及したことにより援用する。本発
明に対しては種々の改変が為され得るが、それらは依然
として本発明の企図範囲内である。従って本発明に依れ
ば、前述した目的および利点を完全に満足する短絡移行
溶接を行う方法および装置が提供されたことが明らかで
ある。また、本発明は特定の実施形態に関して記述され
て来たが、当業者であれば多くの代替実施形態、改変お
よび異形が明らかであろう。従って、斯かる代替実施形
態、改変および異形の全ては添付の請求の範囲の精神お
よび広範囲内に在ることが企図される。

【００８６】排他的な権利または特権が請求された発明
の実施形態は、請求の範囲中で限定されている。

【図面の簡単な説明】

【図１】短絡移行溶接サイクルに対する電流および電圧
の出力を示すグラフである。

【図２】短絡が解消されようとする時点を決定する制御
器の一部を示す回路図である。

【図３】短絡が解消されようとする時点を決定する制御
器の他の一部を示す回路図である。

【図４】電流および電圧の出力と、図２および図３の回
路により生成されたフィードバック信号とのグラフであ
る。

【図５】電流コマンドを設定する制御器の一部を示す回
路図である。

【図６】電流コマンドを設定する制御器の他の一部を示
す回路図である。

【図７】接触チューブと溶接ワイヤの断面図である。

【図８】MIG 短絡移行溶接システムに対するワイヤ供給
速度および振動周波数を示すグラフである。

【図９】MIG 短絡移行溶接システムにおいて使用される
溶接ワイヤのスティックアウト部分の断面図である。

【図１０】MIG 短絡移行溶接システムのブロック図であ
る。

【図１１】好適実施形態において使用される能動安定器
の回路図である。

【符号の説明】

５０１…溶接用ワイヤ５０２…接触チューブ５０３…スティックアウト長５０４…接触領域８０１…ワイヤ供給器８０２…ワイヤ８０３…溶接物８０４…溶接トーチ８０５…電源８０６…ワーク８０７，９０５…制御器８０８…マイクロプロセッサ８０９…アナログ回路９０８…ＤＣ電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者トッドホルバーソンアメリカ合衆国，ウィスコンシン 54914, アップルトン，ウエストエルシー 1138 (72)発明者ジェイムズウッカーアメリカ合衆国，ウィスコンシン 54911, アップルトン，イーストフランセス 709

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶接用消耗ワイヤの端部における溶融金
属の溶滴を溶融池内に溶着する溶接装置であって、上記溶接用ワイヤと電気的に接続されて電流を供給する
電源と、各溶滴に対する熱入力を表すリアルタイム信号を供給す
るフィードバック手段と、上記電源に連結された制御手段であって、上記フィード
バック手段と連結されたフィードバック入力を有すると
共に、上記溶接用ワイヤに対して供給される電流の大き
さを、各溶滴に対する熱入力に応じて制御する制御手段
と、を備えることを特徴とする溶接装置。
【請求項２】前記フィードバック手段は前記出力を表
す信号を含み、且つ、前記制御手段は、前記ワイヤに対して供給された電力を
決定すると共に短絡が解消されようとする時点を前記供
給された電力に応じて決定する手段、を含む、請求項１
記載の溶接装置。
【請求項３】前記制御手段は、出力電力の変化速度を
決定する手段を含む、請求項２記載の溶接装置。
【請求項４】前記制御手段は、ｋをスカラーとしdP/d
t を電力の微分としたときに、Ｖ_c＝ｋ×(dP/dt) で定
義される値Ｖ_cを決定する手段と、Ｖ_cをスレッショル
ド値と比較する手段と、を含む、請求項３記載の溶接装
置。
【請求項５】前記スレッショルド値は、ワイヤ供給速
度、ワイヤサイズまたはワイヤタイプの少なくともひと
つに依存する、請求項４記載の溶接装置。
【請求項６】前記制御手段は、出力電流の変化速度に
応答する値を出力電力の変化速度から減算する手段を含
む、請求項３記載の溶接装置。
【請求項７】前記制御手段は、ｋ₁をスカラー、dP/d
t を出力電力の微分、ｋ₂をスカラー、且つ、di/dt を
出力電流の微分としたときに、Ｖ_c＝ｋ₁×(dP/dt) −
ｋ₂×(di/dt) により定義される値Ｖ_cを決定する手段
と、Ｖ_cをスレッショルド値と比較する手段と、を含
む、請求項３記載の溶接装置。
【請求項８】前記制御手段は、出力電流の変化速度に
応答する前記値を出力電力の変化速度に応答する値から
減じたものの微分を取る手段を含む、請求項６記載の溶
接装置。
【請求項９】前記制御手段は、ｋ₁をスカラー、dP/d
t を出力電力の微分、ｋ₂をスカラー、且つ、di/dt を
出力電流の微分としたときに、Ｖ_c＝d/dt（ｋ₁×dP/d
t −ｋ₂×di/dt)により定義される値Ｖ_cを決定する手
段と、Ｖ_cをスレッショルド値と比較する手段と、を含
む、請求項８記載の溶接装置。
【請求項１０】前記フィードバック手段は、出力電圧
を表す電圧信号を含み、且つ、前記制御手段は、上記電圧信号と電圧設定点との間の差
を所定時間に亙り合計する手段と、その合計に応じて前
記電流を制御する手段と、を含み、これにより、アーク
長が所望の長さに制御される、請求項１記載の溶接装
置。
【請求項１１】前記合計手段は、アークが存在する時
間に亙ってのみ合計を行う、請求項１０記載の溶接装
置。
【請求項１２】前記制御手段は、アークが存在すると
きに前記電圧信号と電圧設定点との間の差を所定時間に
亙り合計する手段、および、その合計に応じて前記電流
を制御する手段を更に含み、これにより、アーク長は所
望の長さに制御される、請求項９記載の溶接装置。
【請求項１３】前記制御手段は、ワイヤ供給速度とワ
イヤの尖端からワークまでの距離とに応じて所望の質量
溶着速度を提供する手段を含む、請求項１記載の溶接装
置。
【請求項１４】前記制御手段は、ワイヤ供給速度とワ
イヤの尖端からワークまでの距離とに応じて所望の質量
溶着速度を提供する手段を含む、請求項１２記載の溶接
装置。
【請求項１５】前記制御手段は、所定量のワイヤを溶
融する為に必要なエネルギに応じた値を、一溶接サイク
ルの少なくとも一部において供給されたエネルギ量を表
す値、と比較する手段を含む、請求項１記載の溶接装
置。
【請求項１６】前記制御手段は、所定量のワイヤを溶
融する為に必要なエネルギに応じた値を、一溶接サイク
ルの少なくとも一部において供給されたエネルギ量を表
す値、と比較する手段を含む、請求項１２記載の溶接装
置。
【請求項１７】前記比較手段は、所定量のワイヤを溶
融する為に必要なエネルギに応じた値を、完全な一溶接
サイクルにおいて供給されるエネルギ量を表す値、と比
較する、請求項１６記載の溶接装置。
【請求項１８】前記制御手段は、必要なエネルギを、Ｑ_req＝k3×（Ｒ_dep×（Ｈ_m＋（Ｔ_drop−Ｔ_amb) ×
Ｃ_p) ×ｔ_tot）式中、Ｑ_req＝必要なエネルギ； k3＝スカラー；Ｒ_dep＝ワイヤ質量溶着速度；Ｈ_m＝ワイヤに対する溶融の潜熱；Ｔ_drop＝溶滴の温度；Ｔ_amb＝ワイヤの周囲温度；Ｃ_p＝ワイヤの熱容量；ｔ_tot＝サイクル長；である上式に従って決定する手段
を含み、且つ、前記制御手段は、供給されたエネルギを、Ｑ_wire＝((Ｖ_anode＋WF＋3kT/2e) ×Ｉ＋Ｉ²(t)×ｌ×
ρ/A) ；式中、Ｑ_Wire＝供給されたエネルギ；Ｖ_anode＝陽極の電圧降下； WF＝ワイヤを構成する金属の仕事関数； (3kT/2e)＝ワイヤに衝当する電子の熱エネルギ；Ｉ＝出力電流；ｌ＝アーク距離に対する接触尖端； ρ＝金属の抵抗率；Ａ＝ワイヤの断面積；である上式に従って決定する手段
を含む、請求項１５記載の溶接装置。
【請求項１９】前記制御手段は、必要なエネルギを、Ｑ_req＝k3×（Ｒ_dep×（Ｈ_m＋（Ｔ_drop−Ｔ_amb) ×
Ｃ_p) ×ｔ_tot) 式中、Ｑ_req＝必要なエネルギ； k3＝スカラー；Ｒ_dep＝ワイヤ質量溶着速度；Ｈ_m＝ワイヤに対する溶融の潜熱；Ｔ_drop＝溶滴の温度；Ｔ_amb＝ワイヤの周囲温度；Ｃ_p＝ワイヤの熱容量；ｔ_tot＝サイクル長；である上式に従って決定する手段
を含み、且つ、前記制御手段は、供給されたエネルギを、Ｑ_wire＝((Ｖ_anode＋WF＋3kT/2e) ×Ｉ＋Ｉ²(t)×ｌ×
ρ/A) ；式中、Ｑ_Wire＝供給されたエネルギ；Ｖ_anode＝陽極の電圧降下； WF＝ワイヤを構成する金属の仕事関数； (3kT/2e)＝ワイヤに衝当する電子の熱エネルギ；Ｉ＝出力電流；ｌ＝アーク距離に対する接触尖端； ρ＝金属の抵抗率；Ａ＝ワイヤの断面積；である上式に従って決定する手段
を含む、請求項１７記載の溶接装置。
【請求項２０】前記制御手段はスティックアウトの長
さを決定する手段を含む、請求項１記載の溶接装置。
【請求項２１】前記制御手段はスティックアウトの長
さを決定する手段を含む、請求項１７記載の溶接装置。
【請求項２２】前記制御手段は、前記ワイヤに対する
熱入力を決定すると共に該熱入力を所定の熱レベルと比
較する手段、を含む、請求項１記載の溶接装置。
【請求項２３】前記制御手段は、前記ワイヤに対する
熱入力を決定すると共に該熱入力を所定熱レベルと比較
する手段、を含む、請求項２１記載の溶接装置。
【請求項２４】前記制御手段は、ワイヤに沿った複数
の箇所に対し、Ｉを該ワイヤへ流れる電流およびＲを該
ワイヤの抵抗としたときにＩ²×Ｒで表される値を所定
時間に亙り合計すると共に該ワイヤの端部における箇所
に対する合計を所定の熱レベルと比較する手段、を含
む、請求項２２記載の溶接装置。
【請求項２５】前記制御手段は、ワイヤに沿った複数
の箇所に対し、Ｉを該ワイヤへ流れる電流およびＲを該
ワイヤの抵抗としたときにＩ²×Ｒで表される値を所定
時間に亙り合計すると共に該ワイヤの端部における箇所
に対する合計を所定の熱レベルと比較する手段、を含
む、請求項２３記載の溶接装置。
【請求項２６】溶接用ワイヤの端部における溶融金属
の溶滴を溶融池内に溶着する溶接装置であって、上記溶接用ワイヤと電気的に接続されて電流を供給する
電源と、各溶滴に対する熱入力を表すリアルタイム信号を供給す
るフィードバック回路と、上記電源に連結された制御器であって、上記フィードバ
ック回路と連結されたフィードバック入力を有すると共
に、上記溶接用ワイヤに対して供給される電流の大きさ
を、各溶滴に対する熱入力に応じて制御する制御器と、を備えたことを特徴とする溶接装置。
【請求項２７】前記制御器は、電流出力を表す信号を導出する電流回路と、前記ワイヤに対して供給された電力を決定する電力回路
と、短絡が解消されようとする時点を供給された電力に応じ
て決定する解消回路と、を含む、請求項２６記載の溶接装置。
【請求項２８】前記制御器はマイクロプロセッサを含
む、請求項２７記載の溶接装置。
【請求項２９】前記電流、電力および解消回路はアナ
ログ回路を含む、請求項２７記載の溶接装置。
【請求項３０】前記制御器は、所定量のワイヤを溶融
する為に必要なエネルギに応じた値を、一溶接サイクル
の少なくとも一部において供給されたエネルギ量を表す
値と、比較する回路を含む、請求項２６記載の溶接装
置。
【請求項３１】前記制御器はスティックアウトの長さ
を決定する回路を含む、請求項２６記載の溶接装置。
【請求項３２】溶接用ワイヤの端部における溶融金属
の溶滴を溶融池内に溶着することにより溶接を行う方法
であって、上記ワイヤに電流を供給する段階と、各溶滴に対する熱入力を表すフィードバックをリアルタ
イムで供給する段階と、各溶滴に対する熱入力に応じて、上記溶接用ワイヤに供
給される電流の大きさを制御する制御段階と、を備えることを特徴とする、溶接方法。
【請求項３３】前記フィードバックを供給する段階
は、前記出力を表す信号を提供する段階を含み、且つ、前記制御段階は、前記ワイヤに対して供給された電力を
決定する段階と、短絡が解消されようとする時点を供給
された電力に応じて決定する段階と、を含む、請求項３
２記載の溶接方法。
【請求項３４】前記制御段階は、出力電力の変化速度
を決定する段階を含む、請求項３３記載の溶接方法。
【請求項３５】前記制御段階は、ｋをスカラーとしdP
/dt を電力の微分としたときにＶ_c＝ｋ×(dP/dt) で定
義される値Ｖ_cを決定する段階を含み、且つ、上記制御器はＶ_cをスレッショルド値と比較する、請求
項３４記載の溶接方法。
【請求項３６】前記制御段階は、出力電流の変化速度
に応答する値を出力電力の変化速度から減算する段階を
含む、請求項３５記載の溶接方法。
【請求項３７】前記制御段階は、ｋ₁をスカラー、dp
/dt を出力電力の微分、ｋ₂をスカラー、且つ、di/dt
を出力電流の微分としたときに、Ｖ_c＝ｋ₁×(dp/dt)
−ｋ₂×(di/dt) により定義される値Ｖ_cを決定する段
階を含む請求項３６記載の溶接方法。
【請求項３８】前記制御段階は、出力電流の変化速度
に応答する前記値を出力電力の変化速度に応答する値か
ら減じたものの微分を取る段階を含む、請求項３７記載
の方法。
【請求項３９】前記制御段階は、ｋ₁をスカラー、dp
/dt を出力電力の微分、ｋ₂をスカラー、且つ、di/dt
を出力電流の微分としたときに、Ｖ_c＝d/dt（ｋ₁×dp
/dt −ｋ₂×di/dt)により定義される値Ｖ_cを決定する
段階を含む、請求項３８記載の溶接方法。
【請求項４０】前記制御段階は、ワイヤ供給速度と、
ワイヤの尖端からワークまでの距離とに応じて所望の質
量溶着速度を提供する段階を含む、請求項３２記載の溶
接方法。
【請求項４１】前記制御段階は、所定量のワイヤを溶
融する為に必要なエネルギに応じた値を、一溶接サイク
ルの少なくとも一部において供給されたエネルギ量を表
す値と、比較する段階を含む、請求項３２記載の溶接方
法。
【請求項４２】前記制御段階は、必要とされるエネルギを、Ｑ_req＝k3×（Ｒ_dep×（Ｈ_m＋（Ｔ_drop−Ｔ_amb) ×
Ｃ_p) ×ｔ_tot) 式中、Ｑ_req＝必要なエネルギ； k3＝スカラー；Ｒ_dep＝ワイヤ質量溶着速度；Ｈ_m＝ワイヤに対する溶融の潜熱；Ｔ_drop＝溶滴の温度；Ｔ_amb＝ワイヤの周囲温度；Ｃ_p＝ワイヤの熱容量；ｔ_tot＝サイクル長；である上式に従って決定する段階
と、供給されたエネルギを、Ｑ_wire＝((Ｖ_anode＋WF＋3kT/2e) ×Ｉ＋Ｉ²(t)×ｌ×
ρ/A) 式中、Ｑ_Wire＝供給されたエネルギ；Ｖ_anode＝陽極の電圧降下； WF＝ワイヤを構成する金属の仕事関数； (3kT/2e)＝ワイヤに衝当する電子の熱エネルギ；Ｉ＝出力電流；ｌ＝アーク距離に対する接触尖端； ρ＝金属の抵抗率；Ａ＝ワイヤの断面積；である上式に従って決定する段階
と、を含む請求項３２記載の溶接方法。
【請求項４３】前記制御段階は、必要とされるエネルギを、Ｑ_req＝k3×（Ｒ_dep×（Ｈ_m＋（Ｔ_drop−Ｔ_amb) ×
Ｃ_p) ×ｔ_tot) 式中、Ｑ_req＝必要なエネルギ； k3＝スカラー；Ｒ_dep＝ワイヤ質量溶着速度；Ｈ_m＝ワイヤに対する溶融の潜熱；Ｔ_drop＝溶滴の温度；Ｔ_amb＝ワイヤの周囲温度；Ｃ_p＝ワイヤの熱容量；ｔ_tot＝サイクル長；である上式に従って決定する段階
と、供給されたエネルギを、Ｑ_wire＝((Ｖ_anode＋WF＋3kT/2e) ×Ｉ＋Ｉ²(t)×ｌ×
ρ/A) 式中、Ｑ_Wire＝供給されたエネルギ；Ｖ_anode＝陽極の電圧降下； WF＝ワイヤを構成する金属の仕事関数； (3kT/2e)＝ワイヤに衝当する電子の熱エネルギ；Ｉ＝出力電流；ｌ＝アーク距離に対する接触尖端； ρ＝金属の抵抗率；Ａ＝ワイヤの断面積；である上式に従って決定する段階
と、を含む請求項４１記載の溶接方法。
【請求項４４】前記制御段階はスティックアウトの長
さを決定する段階を含む、請求項３２記載の溶接方法。
【請求項４５】前記制御段階は、前記ワイヤに対する
熱入力を決定する段階と、該熱入力を所定の熱レベルと
比較する段階と、を含む、請求項３２記載の溶接方法。
【請求項４６】アーク電圧設定点を供給する段階と、上記アーク電圧設定点をアーク電圧と比較する段階と、該比較を所定時間に亙り積分する段階と、被積分関数に必要質量溶着速度誤差を合計する段階と、該合計を既知の値と比較する段階と、を備えることを特徴とする、スティックアウト長の決定
方法。
【請求項４７】アーク電圧設定点を供給する手段と、アーク電圧フィードバックを供給する手段と、上記アーク電圧設定点をアーク電圧と比較すると共に、
上記アーク電圧フィードバックおよび上記アーク電圧設
定点を受信すべく接続された比較手段と、上記比較を受信すべく接続されると共に、上記比較を所
定時間に亙り積分する手段と、上記被積分関数を受信すべく接続されると共に、上記被
積分関数に必要質量溶着速度誤差を合計する手段と、上記合計を受信すべく接続されると共に、該合計を既知
の値と比較する手段と、を備えることを特徴とするスティックアウト長を決定す
る溶接制御装置。