JPS5884677A - パルスア−ク溶接におけるア−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
だめ、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。

消耗性電極を用いろ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、しはピーク電流で
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が離脱し母材ろへ移行する
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か変化などが生じ、
アークの安定性に最も大きな影響を及ぼす。特に、ベー
ス時におけろ電源の出力特性を定電圧特性とした場合に
は、ピーク電流からベ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ベース電流がほとん
ど流れ々くなり、アーク切れを生じろことがある。

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
捷らせていた。平滑リアクタを通して得られたパルス波
形は、立」−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ろと、第６
図に示すようにピーク電流の立下りがゆるやかに々す、
ｄ区間でのアークの安定化がはかれろ。しかし、同時に
立上り波形もゆるやかになるだめ、所定のピーク電流が
得られず、したがつ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ガオなくなろ。

インダクタンスの小さい平滑リアクタを用いろと、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
は確実に行々われろが、ピーク電゛流の立下りが急峻と
なって、ｄ区間でベ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
することによろものである。

このため、通常は第６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ろを得々かった
。

一方、溶接トーチの手ぶれ、母材表面の凹凸なとの外乱
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　　　　７い。従来この外
乱に対する出力電圧の補償は、出・　３　・ 力電圧の平均値Ｖ、を負帰還し、 （１）第５図に示すようにピーク時間ＩＰ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’　：　Ｖ、が高くなったときのパルス周期、Ｔ“
：ｖａ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　　基準となろピー
ク時間、ｔ／Ｐ：■３が高くなったときのピーク時間、
ｔ″Ｐ：Ｖａが低く々つだときのピーク時間１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／ベース移行区間でのアークの安定性を改善すること
はできなかった。

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、溶滴離脱に必要なピーク電流を確保しな
がらピーク／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出力電圧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。

上記目的を達成するため本発明では、溶接電源・　４　
・ 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
ス電圧の値より高くし、かつ溶接電源出力電圧の平均値
を負帰還して上記ベース電圧の開始時の値を変化させろ
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、溶接電
源出力電圧の平均値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だめの電圧、電流波形図であ
る。同図（ａ）　Ｋ示すように時間ｔＰでピ１−り電圧
ｖＰを発生させろと、ピーク電流は平滑リアクタによる
遅れをともない同図（１））の■アのようになる。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■ＢＳｌ、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■３、ピーク電圧終了後ベ
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、ｖＢＳから■□への移行時間（以下、ピーク
／ベース移行時間という）をｔＰＢ、本来のベース電圧
■ゎの持続時間（以下、単にベース時間という）を稲と
して、同図（Ｃ）に示すように本来のベース電圧■およ
り高いベース開始電圧ｖＢｓ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、ベ
ース電流は同図（ｄ）の１８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ピーク■ＢＰが生じろ
。

よって、ピーク電流■１とベース電流■８が加え合わさ
れた溶接電源の出力電流は同図（ｅ）のＩ　ｌｒｌのよ
うになる。破線は従来法による場合の波形であり、この
破線と実線で四重れだ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■Ｂｓを本来のベ
ース電圧ＶＢ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、このベース電流のピーク■ＢＰがピー
ク電流ＩＰ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々わずにピーク電流■１か
らベース電流■３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■アの立
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。

出力Ｎ　ｍｉ　’　、　（７Ｄ　波形１ｒｉ、ｖＢＳ、
■８、’ＰＢ、ｔ（１の値を変えろことによって第８図
（ａ）、（１））、（Ｃ）のように任意に制御すること
ができろ。

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ΔＡ、　Ｂ　
Ｃがベース開始電圧ｖＢｓを高くしたことによってピー
ク電流の立下り制御された部分である（Ａ：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
）。

アーク長が伸びて出力電圧の平均値ｖａが適正値より高
くなった場合、ベース開始電圧■Ｂ１．Ｉを下げ、ベー
ス遅延時間ｔ６を長くしてやると、第８図（１〕）のよ
うにベース移行開始点の電流値■ＥＳが低くなり、これ
にとも々ってΔＡＢＣ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ろ量が少く
なり、したがって次づ・ 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、出力電
圧は減少し適正値に近付く。

逆に出力電圧の平均値■３が適正値より低くなった場合
、ＶＢＳを上げ、ｔ、ｉを短くしてやると、第８図（Ｃ
）のようにＴＢＳが高くなり、ΔＡ　Ｂ　Ｃも大きくな
る。その結果、ピーク／ベース移行区間での溶接ワイヤ
の加熱されろ量が多くなり、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量も多くなり、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。

このように出力電圧の平均値Ｖａを負帰還してＶＢＳを
増減し、必要に応じてｔＰＢ、ｔ、ｉをも増減すること
により、外乱に対してアーク長、すなわち出力電圧の平
均値ｖａをほぼ一定に保つことが１できる。

上記説明では本来のベース電圧■８を一定としているが
、ＶＢも出力電圧の平均値に応じて増減させれば、ｖＢ
Ｓ、ｔＰＢ、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、設定されだ・　８　・ 平均溶接電流値（１ｍ）に対して■おの増減には限度が
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／
ベ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だ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溶接電源は、トランジスタ５
を一定周期で断続動１作させ、その導通時間幅（デー−
ティサイクル）を変えろ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
させろ。溶接ワイヤ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
れろ。

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１６で検出された電流値とを比較し、所定のピーク電
流が得られろようにトランジスタ５の導通時間幅を制御
するだ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ろようにトランジス
タ５の導通時間幅を制御するだめのベース信号を発生す
る回路で、出力電圧検出器１９で検出された溶接電源出
力電圧の平均値■２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（ＶＢＳ）！！：たは
（ＶＢＳと１□）まだは（ＶＢＳと１．とｔＰＢ）捷だ
け（■３．とｔ４と’ＰＢとＶ、　）のそれぞれの値を
■２のフィードバック値に応じて変化させろ出力電圧補
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より入力されろ。

なお、パルス周波数ｆは、平均溶接電流■□をパラメー
タとしてほぼ、 ｆ＝ａＩｍ＋ｌ〕　まだば　ｆ　＝　ａ’　Ｉ、３−１
−　ｂ’Ｊ、　＋　ｃで表わされ、ワイヤ送給速度Ｗｖ
も同様に、町−ｒｌｌ□＋ｅ　　’！だは町＝ｄ’Ｉ：
　＋　ｅ　Ｉｍ＋　ｃで表わさねる。よって、溶接電流
設定器２２が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■□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
化できろ。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）全ベース時の
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　　　１値はそれぞれ（ｂ）、（ｄ）のようになり
、第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ろ。

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２６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Ｖｌ　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、ベース開始電圧調整器２７はベース開始
電圧■Ｂ８を調整するだめのポテンショメータ、ベース
電圧調整器２８は本来のベース電圧ＶＢを調整するだめ
のポテンショメータである。

ポテンショメータ２７の点２９と反対側の端は正電源（
＋■）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（ＯＶ）に接続されているので、点２
９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、■６のよう
に変化する。演算増幅器３０はｖ２、■６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から出力されろスロープ信号ｖ１　を比較
器６１に入れて出力電圧検出器１９がらの溶接電源出力
電圧■３のフィードバック値と比較し１ベ一ス信号の開
始点を決める。ベース信号の開始は、スロープ信号Ｖ１
が出力電圧検出器１９がらのフィードバック値より大き
くかったとき比較器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、ベース信号開始捷でのベース遅延時間
ｔ、ｉは、■、が低ければ短く、ｖａが高ければ長くな
るととがわかる。このベース信号開始点よりスロープ信
号Ｖ４がスイッチ３２を経て比較器６３に入力され、鋸
歯状波発生器６４の発振周波数をｌ・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３６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、この出力パルスア−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、ベース電圧は信号■４になら
ってスロープ状に変化する。ベース開始電圧ｖＢＳはス
ロープ信号■４のベース移行開始時の値■−によって決
まり、本来のベース電圧ＶＢはスロープ信号ｖ４のベー
ス移行終了時の値Ｖ／３によって決捷る。

本例では、■、の増減に対しベース開始電圧■ＢＳとベ
ース遅延時間ｔ４　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乙が、スロープ時
間（’４”ＰＢ）あるいはスロープ信号■４のベース移
行終了時の値札をもＶ。

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ろ。

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
びベース電圧（電流）を発生させろ回路例を示したが、
ピーク電圧発生用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において
も本発明を同様に実施できろ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
とが容易々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
の落ち込みが生じろ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
に必要々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、速やかにアーク長す々
わち溶接電源出力電圧を正常にもどす出力電圧補償機能
をも持たすことかできる。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し、かつ溶接電源出力
電圧の平均値を負帰還してベース開始電圧を変化させろ
ことにより、溶接電源出力電圧の平均値がほぼ一定とな
るようにピ−多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・
１５・ 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ろという効果が得られる。

【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
るだめの電流波形図、第２図は溶滴移行形態の説明図、
第６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だめの電圧、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
だ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１６・ 発生回路の詳細図、第１２図はその信号波形図である。 ■Ｐ＝ピーク電圧　　　■Ｐ：ピーク電流■Ｂ８；ベー
ス電圧の開始時の値（ベース開始電圧） ■Ｂ＝定常状態でのベース電圧の値（本来のベース電圧
） ■Ｂ＝ベース電流 ■ＢＰ：ベース電流のピーク値 ｔｄ二ベース遅延時間 ｔＰＢ　”Ｂｉｌ＋から■。への移行時間（ピーク／ベ
ース移行時間） ■□　°溶接電源出力電流 ■　；溶接電源出力電圧の平均値 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：ピーク信号発生回路 １６：トランジスタ制御回路 １７：ピーク／ベース切換器 １８：ベース信号発生回路 １９：出力電圧検出器 代理人弁理士　中村純之助 ・１９・ 第１　ｈ −２Ｃ α　　　　ｂ　　　　　Ｃ” １−４　肛 第５図 〔 （ ′ｊＩＰ６図　　　　（ （ □ 第７図 ｔｐ　　　　　ｔｒｔｓ　　　　　　　ｔＢＱ） Ｐ ｂ） ｃ）　　　　　　　　　　　　　　　　１堀 ８ ｄ）、８ ｒ飢 （ｅ） １９図 １−１０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ろパ
   ルスアーク溶接において、上名己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
   り高くしかつ溶接電源出力電圧の平均値を負帰還して上
   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
   よシゆるやかにするとともに、溶接電源出力電圧の平均
   値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におけるアーク安定化方
   法。