JPS58157574A - パルスア−ク溶接のア−ク安定化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、比較的低い入熱で溶滴をスプレー移行させる
ため、ベース電圧、電流とピーク電圧、電流とが加え合
わされた出力電圧、電流を発生する溶接電源を用いて溶
接ワイヤと母材との間にアークを発生させ、ピーク電流
によるピンチ力を利用して溶接ワイヤから溶滴を離脱さ
せるパルスアーク溶接のアーク状態を安定化する方法に
関するものである。

消耗性電極を用いるパルスアーク溶接の一般的な電流波
形および溶滴移行形態を第１．２図に対照させて示す。

この図において、　ＩＢはベース電流、　ＩＰはピーク
電流であり、ａは溶接ワイヤ１がベース電流により予熱
される区間、ｂは溶滴２が成長するピーク電流の立上り
区間、Ｃは溶滴２が電磁ピンチ力を受ける電流のピーク
区間、ｄは溶接ワイヤ１から溶滴２が離脱し母材３へ移
行するピーク電流の立下り区間で、ピーク電流からベー
ス電流への移行区間でもある。このうち、ｄの区間では
ピーク電流（電圧）からベース電流（電圧）への電流、
電圧の急激な減少、ピーク時の短いアーク長から溶滴離
脱直後の長いアーク長へのアーク長の急激な変化などが
生じ、アークの安定性に最も大きな影響を及ぼす。

特に、ペース時における電源の出力特性を定電圧特性と
した場合には、ピーク電流からペース電流へ移行する瞬
間に出力電圧の減少とアーク長の増大によってペース電
流がほとんど流れなくなり、アーク切れを生じることが
ある。

このｄ区間でのアークを安定化するため、従来は平滑リ
アクタを電源回路に挿入して出力電流のパルス波形をな
まらせていた。平滑リアクタを通して得られたパルス波
形は、立上りと立下りがほぼ同じ形状で、そのピーク値
および立上り、立下りの傾斜が平滑リアクタのインダク
タンス値によって変化する。

インダクタンスの大きい平滑リアクタを用いると、第３
図に示すようにピーク電流の立下りがゆるやかになり、
ｄ区間でのアークの安定化がはかれる。しかし、同時に
立上り波形もゆるやかになるため、所定のピーク電流が
得られず、したがって電磁ピンチ力が不足し、溶接ワイ
ヤからの溶滴の離脱が行なえなくなる。

インダクタンスの小さい平滑リアクタを用いると、第４
図に示すように所定のピーク電流が得られ、溶滴の離脱
は確実に行なわれるが、ピーク電流の立下りが急峻とな
って、ｄ区間でペース電流が落ち込み、アーク切れが生
じやすい。これは、溶滴離脱によって増大したアーク長
が回復する間もなく溶接電源の出力電圧が急激に減少す
ることによるものである。

このため、通常は第３図と第４図の中間的な波形となる
ように平滑リアクタのインダクタンス値が設定され、溶
滴離脱に必要なピーク電流の確保あるいはｄ区間でのア
ーク安定性のいずれかを多少犠牲にせざるを得なかった
Ｏ 一方、溶接トーチの手ぶれ、母材表面の凹凸などの外乱
によってアーク長が変化し、溶接電源出力電圧が適正値
からはずれた場合、何らかの方法でこれを補償してやら
ないと良好な溶接ができない。従来この外乱に対する出
力電圧の補償は、出力電圧の平均値Ｖａを負帰還し、 （１）第５図に示すようにピーク時間ｔＰは一定として
パルス周期を増減する方法（Ｔ：基準となるパルス周期
、Ｔ’：Ｖａが高くなったときのパルス周期、ＴＩ：Ｖ
ａが低くなったときのパルス周期） （２）第６図に示すようにパルス周期Ｔは一定としてピ
ーク時間を増減する方法（ｔｐ：基準となるピーク時間
、ｔ’ｐ：Ｖａが高くなったときのピーク時間、ｔ″Ｐ
：　Ｖａが低くなったときのピーク時間） などによって行なわれていたが、これらの方法では前述
したピーク／ペース移行区間でのアークの安冗性を改善
することはできなかつた。

また、出力電圧の平均値Ｖａを負帰還した場合（１）　
　ピーク時の電源特性を所定のピンチ力が得られる電流
値を確保するため化、定電流特性とした場合、電流値は
ほぼ一定に保たれるが、電圧値すなわちアーク長は無制
御であり、外乱等の影響により、アーク長が変化すると
、ピーク電流値によって溶融されるワイヤの量が変化し
、過溶融、溶融不足を生じ、溶融量をほぼ適正値に均一
に保つことができない。

（２）通常の溶接では、ピーク電圧は約４０Ｖ、ペース
電圧は約２０Ｖ程度に設定している。

この電圧値を平均値Ｖａとして取り出すためには、電圧
値を平滑するフィルターが必要である。さらに出力電流
に比例して、パルス周波数を増減する溶接方法の場合、
低算流時にはペース電圧の比率が高く、高電流時にはピ
ーク電圧の比率が高いため、平均値Ｖａ、とじて検出す
る電圧の内容は電流値によって異なったものになる。

（３）　　溶接時にアーク長として目視できるのは主と
してワイヤが溶融される時の電圧値すなわちピーク電圧
値によって決才るアーク含であり、ビーク電圧値とベー
ス電圧値の平均値であるＶａは電流値によっては実際の
アーク長と多少異る。特にパルス周波数の低い低電流時
はど、その傾向が大きい。

などの短所があり、正確なアーク長の制御は行なえなか
った。

本発明の目的は、上記のようなパルスアーク溶接の問題
点を解決して、溶滴離脱に必要なビーク電流を確保しな
がらビーク／ベース移行区間でのアークの安定性を向上
し、併せて外乱に対する正確なアーク長の補償をも行な
えるアーク安定化方法を提供することにあるＯ 上記目・的を達成するため本発明では、溶接電源が発生
するベース電圧の開始時の値を定常状態でのベース電圧
の値より高＜シ、かっ実際のアーク長により近い値であ
るピーク電圧値を負帰還して上記ベース電圧の開始時の
値を変化させることにより、ピーク電流からベース電流
への移行区間における電流変化をよりゆるやかにすると
ともに、アーク長がほぼ一定となるように出力電流波形
を制御するものである。

第７図は本発明を説明するための電圧、電流波形図であ
る。同図（ａ）に示すように時間ｔｐでビーク電圧Ｖｐ
を発生させると、ピーク電流は平滑リアクタによる遅れ
をともない同図（ロ）のＩｐのようになる。また、ベー
ス電圧の開始時の値（以下、ベース開始電圧という）を
ＶＢＢ、　　定常状態でのベース電圧の値（以下、本来
のベース電圧という）をＶＢ　、ビーク電圧終了後ベー
ス電圧開始までの遅れ（以下、ベース遅延時間という）
をｔｄ、ＶｉｅからＶＢへの移行時間（以下、ビーク／
ベース移行時間という）をｔＰＢ、本来のベース電圧Ｖ
Ｂの持続時間（以下、単によ一ス時間という）をｔＢと
して、同図（Ｃ）に示すように本来のベース電圧ＶＢよ
り高いベース開始電圧ＶＢ８から本来のベース電圧ＶＢ
へスロープ状に移行するベース電圧を発生させると、ペ
ース電流は同図（ｄ）のＩＢのようになり、ベース開始
時期より若干遅れてベース電流のビークＩＢＰが生じる
。

よって、ピーク電流Ｉｐとベース電流ＩＢが加え合わさ
れた溶接電源の出力電流は同図（ｅ）のＩｍのようにな
る。破線は従来法番こよる場合の波形であり、この破線
と実線で囲まれた部分が本発明により改善された部分で
ある。

すなわち、ベース時の電源出力特性を定電圧特性とした
場合でも、ベース開始電圧ＶＢ８を本来のベース電圧Ｖ
ｓより高くすることにより、溶滴離脱後のアーク長が増
大した時期にアークを維持するに充分なベース電流が得
られ、このベース′亀流のビークＩＢＰがピーク電流Ｉ
ｐの立下りと重なって電流変化をゆるやかにするため、
アークの安定性を損なわずにピーク電流Ｉｐからペース
電流ＩＢへ円滑に移行できるのである。

この結果、電源回路に挿入する平滑リアクタのインダク
タンスは比較的小さくてよいので、ピーク電流ＩＰの立
上りは急峻となり、溶滴の離脱に必要なピーク電流を充
分確保できるＯ 出力電流１．の波形は、ＶＢ８、ＶＢ、　ｔｐｎ％ｔｄ
の値を変えることによって第８図（ａ）、（ｂ）、　（
Ｃ）のように任意に制御することができる。

今、安定なアーク状態が得られているときの電流波形が
第８図（ａ）のようになっているとすると、　ＡＢＣが
ベース開始電圧ＶＢＩＩを高くしたことによってピーク
電流の立下り制御婆れた部分である（人：ベース移行開
始点、Ｂ：従来のベース開始点Ｃ：ベース移行終了点）
アーク長が伸びてピーク電圧値ＶＰが適正値より高くな
った場合、ベース開始電圧ＶＢ８を下げ、ベース遅延時
間ｔｄを長くしてやると、第８図（ｂ）のようにベース
移行開始点の電流値ＩＢ８が低くなり、これにともなっ
て　ＡＢＣも小さくなる。その結果、ピーク／ベース移
行区間での溶接ワイヤの加熱される量が少くなり、した
がって次のパルスで溶接ワイヤから離脱する溶融金属の
量も少くなり、アーク長が短くなるように作用するため
、出方電圧は減少し適正値に近付く。

逆にピーク電圧値ＶＰが適正値より低くなった場合、■
ＢＢを上げ、ｔｄを短くしてやると、第８図（Ｃ）のよ
うにＩＢ８が高くなり、　ＡＢＣも大きくなる。その結
末、ピーク／ペース移行区間での浴接ワイヤの加熱され
る量が多くなり、したがって次のパルスで溶接ワイヤか
ら離脱する溶融金属の童も多くなり、アーク長が長くな
るように作用するため、出力電圧は増大し適正値に近付
く。

このようにピーク電圧値Ｖｐを負帰還してＶＢ＋３を増
減し、必要に応じてｔｐＢ％ｔｄをも増減することによ
り、外乱に対してアーク長をほぼ一定に保つことかでき
る。

アーク長を一定に保つように制御する負帰還値としては
出力電圧の平均値Ｖａを用いるよりも、ピーク電圧値Ｖ
ｐを用いたほうが実際のアーク長に近い値とすることが
でき、遅れ要素となる平滑フィルターも不要となるため
、アーク長変化に対する応答をより速く、正確にするこ
とができる。また、ピーク時の電源特性を定電流特性と
した場合の短所であるピーク電圧値が無制御になるとい
ったことに対する補償効果を付加することができるとい
った効果がある。

上記説明では本来のベース電圧ＶＢを一定としているが
、　ＶＢもピーク電圧値に応じて増減させれば、ＶＢ８
、ｔｐｎ、　ｔｄの増減の幅が少くてすみ、制御が一層
容易になる。しかし、設定された平均溶接電流値（Ｉｎ
）に対してＶＢの増減には限度があるので、ＶＢ８の増
減によるピーク電流の立下り制御を用いた方が出力電圧
の補償がしやすく、またピーク／ペース移行区間でのア
ークの安定化にも有効である。

第９図は本発明を実施するための溶接装置の一例を示す
。この図において、整流回路４、スイッチングトランジ
スタ５、フライホイールダイオード６、平滑リアクタ７
を主要部として構成された浴接電源は、トランジスタ５
を一定周期で断続動作させ、その導通時間幅（デユーテ
ィサイクル）を変えることによってピークおよびベース
電圧（電流）を作り出し、このピーク電圧（電流）とベ
ース電圧（電流）が加え合わされた電源出力により溶接
ワイヤ９と母材１２との間にパルスアーク１１を発生さ
せる。浴接ワイヤ９はワイヤ送給制御回路２０で駆動さ
れる送給ローラ１０によってほぼ一定の速度で送給され
る。

１６はピーク信号とベース信号に応じてトランジスタ５
の導通時間幅を制御するトランジスタ制御回路、１７は
パルス周波数設定器２１で設定されたピーク時間とベー
ス時間（ピーク／ベース移行時間を含む）に応じてピー
ク信号発生回路１４とベース信号発生回路１８からの信
号を切換えトランジスタ制御回路１６へ伝送するピーク
／ベース切換器である。

ピーク信号発生回路１４は、ピーク電流設定器１５で設
定された電流値と電流検出器８およびピーク電流検出回
路１３で検出された電流値とを比較し、所定のピーク電
流が得られるようにトランジスタ５の導通時間幅を制御
するためのピーク信号を発生する。ベース信号発生回路
１８は、所定のベース電圧が得られるようにトランジス
タ５の導通時間幅を制御するためのベース信号を発生す
る回路で、パルス周波数設定器２１で設定されたピーク
時間と出力電圧の値から、ピーク電圧のみを検出するピ
ーク電圧検出器１９で検出されたピーク電圧値ＶＰが常
にほぼ一定となるように、ベース電圧波形を決定する諸
量のうち（ＶＢ８）または（■Ｂｓとｔｄ）まタハ（Ｖ
Ｂ８トｔｄとｔＰＢ）　ｔ　タハ（ＶＢ１３とｔｄとｔ
ｐｎとＶＢ）のそれぞれの値をＶＰのフィードバック値
に応じて変化させる出力電圧補償機能を有している。ベ
ース移行開始点を決める基準タイミングはパルス周波数
設定器２１より入力される。

なお、パルス周波数ｆは、平均溶接電流１゜をパラメー
タとしてほぼ、 ｆ　＝　ａ　Ｉ　ｍ　＋　ｂ　　または　ｆ＝ａ’Ｉ：
＋　ｂ’Ｉ、＋ｃで表わされ、ワイヤ送給速度Ｗｖも同
様に、Ｗｙ　＝　ｄ　Ｉ　、＋　ｅ　またはＷｙ＝ｄ’
Ｉｍ＋ｅＩ、＋　ｃで表わされる。よって、溶接電流設
定器２２からワイヤ送給制御回路２０、パルス周波数設
定器２１へそれぞれ上記した溶接電流Ｉｍの関数に相当
する信号を出すようにすれば、溶接条件の設定を一元化
できる。この場合、ピーク電圧波形およびベース電圧波
形が電流値に関係なく一定であれば、平均溶接電圧はパ
ルス周波数によって決まる。

第１０図はトランジスタ５のスイッチング波形と出力電
圧波形の関係を示し、（ａ）をピーク時のスイッチング
波形、（Ｃ）をベース時のスイッチング波形とすると、
ピーク電圧、ベース電圧の平均値はそれぞれ（ｂ）、（
ｄ）のようになり、ｉ＠７図（ｅ）のようにピーク電流
の立下りが制御された出力電流が得られる。

第９図中のベース信号発生回路１８の具体例を第１１図
に示す。第１２図はその信号波形図である。

ピーク信号終了後、パルス周波数設定器２１から所定レ
ベルの信号がスロープ信号発生部２３に入力すると、ス
ロープ時間調整器２４とコンデンサ２５および演算増幅
器２６によりスロープ信号が発生し、演算増幅器２６の
出力端とベース開始電圧調整器２７、ベース電圧調整器
２８を結ぶ点２９の電位は、第１２図の■１のようにロ
ーレベルからハイレベルへ直線的に上昇する。

ここで、スロープ時間調整器２４はスロープ時間を調整
するための可変抵抗、ペース開始電圧調整器２７はベー
ス開始電圧■ＢＢを調整するためのポテンショメータ、
ベース電圧調整器２８は本来のペース電圧ＶＢを調整す
るためのポテンショメータである。ボテンショメーｆ２
７の点２９と反対側の端は正電源（＋Ｖ）に接続され、
ポテンショメータ２８の点２９と反対側の端はアース（
０■）に接続されているので、点２９の電位が上昇する
にともないポテンショメータ２７．２８の出力電圧はそ
れぞれ第１２図のｖ２、■３のように変化する。演算増
幅器３０はｖ２、■３の差を増幅し、その出力電圧は第
１２図の■４のようにハイレベルからローレベルへ変化
するスロープ信号となる。一方、演算増幅器２６から出
力されるスロープ信号■１を比較器３１に入れてピーク
電圧検出器１９からのピーク電圧■Ｐのフィードバック
値と比較しベース信号の開始点を決める。ベース信号の
開始は、スロープ信号■１がピーク電圧検出器１９から
のフィードバック値より大きくなったとき比較器３１か
ら出力される信号でスイッチ３２をオンにすることによ
って行なう。第１２図よりピーク信号終了後、ベース信
号開始までのベース遅延時間ｔｄは、ＶＰが低ければ短
く、ＶＰが高ければ長くなることがわかる。このベース
信号開始点よりスロープ信号■４がスイッチ３２を経て
比較器３３に入力され、鋸歯状波発生器３４の発振周波
数をトランジスタ５のオンオフ繰返し周波数と等しくし
ておくと、比較器３３の出力パルス幅は信号■４のスロ
ープに従って変化するので、この出力パルスをベース信
号としてトランジスタ５の導通時間幅を制御すれば、ペ
ース電圧は’ｔＨ号Ｖ４にならってスロープ状に変化す
る。ペース開始電圧ｖｎｓはスロープ信号■４のベース
移行開始時の値Ｖ’Ｂ８によって決まり、本来のペース
電圧ＶＢはスロープ信号■４のベース移行終了時の値ｖ
′Ｂによって決まる。

本例では、ｖＰの増減に対しペース開始電圧ＶＢ８とベ
ース遅延時間ｔｄを変化させてピーク電流の立下りを制
御し、出力電圧の補償を行なっているが、スロープ時間
（’ｄ＋　ｔｐｎ　）あるいはスロープ信号■４のベー
ス移行終了時の値ｖ′ＢをもＶＰの増減に応じて変化さ
せる手段を付加すれば、電流波形の制御範囲をさらに拡
げることができる。

第９図にはスイッチングトランジスタ１個でピークおよ
びペース電圧（電流）を発生させる１ｌａｌ路Ｎ　ｌａ
、小１−　ｆ、・が、ピー　り電ＩＩ　４Ｌ’ｌ　ＩＨ
のスイッチング素子とベース電圧発生用のスイッチング
素子を分けて設けた回路方式ｔこおいても本発明を同様
に実施できることは言うまでもない。

以上の説明でわかるように本発明によれば、ベース時の
電源特性を自己制御作用によりアーク長を一定に保つこ
とが容易な定電圧特性とした場合、ピーク電流からベー
ス電流への移行区間にアーク切れなどの原因となる電流
の落ち込みが生じるのを防止できてアークの安定性が向
上し、かつピーク電流の立上りを急峻にして溶滴の離脱
に必要なピーク電流を確保することができ、併せて外乱
によりアーク長が変化した場合、速やかにアーク長を正
常にもどす出力電圧補償機能をも持たすことができる。

特に本発明では、ベース開始電圧を本来のベース電圧よ
り高くシ、ピーク電圧値を負帰還してベース開始電圧を
変化させることにより、アーク長がほぼ一定となるよう
にピーク電流の立下り波形を制御しているので、本来の
ベース電圧（電流）を大きくできない低電流域の溶接に
おいても常に安定なアーク状態を保ちながらスプレー移
行溶接を続行できるという効果が得られる。なお、ベー
ス時の電源特性を定電流特性とした場合にもアーク長を
一定とする制御に本発明を同様に適用できることは言う
までもない。

【図面の簡単な説明】

第１図はパルスアーク溶接における溶滴の移行を説明す
るための電流波形図、第２図は溶滴移行形態の説明図、
第３図は従来のパルスアーク溶接において平滑リアクタ
のインダクタンスが大きい場合のパルス波形図、第４図
は同じく平滑リアクタのインダクタンスが小さい場合の
パルス波形図第５図は外乱に対する出力電圧の補償をパ
ルス周期を変えて行なう方法の説明図、第６図は外乱に
対する出力電圧の補償をピーク時間を変えて行なう方法
の説明図、第７図は本発明を説明するための電圧、電流
波形図、第８図はピーク立下り波形を変えて出力電圧の
補償を行なう方法の説明図、第９図は本発明を実施する
ための溶接装置の一例を示すブロック図、第１０図は第
９図の装置におけるトランジスタのスイッチング波形と
出力電圧波形を示す図、第１１図は第９図中のベース信
号発生回路の詳細図、第１２図はその信号波形図である
。 ｖＰ：ビーク電圧　　ＩＰ：ピーク電流ＶＢＩＩＩ　：
ベース電圧の開始時の値（ベース開始電圧） ｖＢ：定常状態でのペース電圧の値（本来のベース電圧
） より＝ベース電流 ＩＢＰ：ペース電流のピーク値 ｔｄ：ベース遅延時間 ｊｒＢ：ＶＢＢからＶＢへの移行時間（ビーク／ベース
移行時間） 工加：溶接電源出力電流 ■ａ：ｆｇ接電源出カ電圧の平均値 ４　：溶接電源の整流回路 ５　ニスイツチングトランジスタ ７　：平滑リアクタ　　９：溶接ワイヤ１１：パルスア
ーク　　１２：母材 １４：ビーク信号発生回路 １６：トランジスタ制御回路 １７：ピーク／ベース切換器 １８二ベ一ス信号発生回路 １９：ビーク電圧検出器 代理人弁理士　薄　１）利　幸 ｌ；−リ 、Ｓ；・−″パへ 察１図 ＄２図 ａ　　　　　ｂ　　　　　Ｃｄ ネ３．　　　　１■ ネ５１２１ 給７図 ネ８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ベース電圧、電流とピーク電圧、電流とが加え合わされ
   た出力電圧、電流を発生する溶接電源を用いて溶接ワイ
   ヤと母材との間にアークを発生させ、ピーク電流による
   ピンチ力を利用して溶接ワイヤから溶滴を離脱させるパ
   ルスアーク溶接において、上記溶接電源が発生するベー
   ス電圧の開始時の値を定常状態でのベース電圧の値より
   高＜シ、かつピーク電圧を負帰還して上記ベース電圧の
   開始時の値を変化させることにより、ピーク電流からベ
   ース電流への移行区間における電流変化をよりゆるやか
   にするとともに、アーク長がほぼ一定となるように出力
   電流波形を制御することを特徴とするパルスアーク溶接
   のアーク安定化方法。