JPS59202170A - 溶接電源の制御方法 - 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】 この発明は溶接ｍ源の制御方法に係り、詳しくはスパッ
タを著しく減少させ得る溶接ｍ源の制御方法に関する。

消耗電極式のアーク溶接においては、スパッタの発生が
多いと溶着効率が低下するとともに飛散したスパッタを
除去する作業が必要となって作業効率が低下するという
問題が発生するため、ス／＜ツタの発生を極力押えるこ
とが従来から大きな課題となっている。ここで、スパッ
タの発生要因を解析するために、第１図（イ）〜（へ）
に消耗電極Ｃ以下溶接ワイヤと称す）の溶滴の移行過程
を示す。この図において１は溶接ワイヤ、２は母材、３
はアークであり、同図（イ）は短絡直前の了−り３の発
生状態、（ロ）は溶滴が溶融池に接触した短絡初期状態
、（ハ）は溶滴と溶融池の接触が確実となり溶滴が移行
する短絡中期状態、に）は溶滴が溶融池側に移行し溶接
ワイヤ１と溶滴との間にくびれが生じた短絡後期状態、
←）は短絡が破れ溶接子−り３が再発生した瞬間、（へ
）は溶接ワイヤ１の先端が溶融し始め溶滴が成長する了
−り再発生状態を各々示している。そして、溶接動作中
は上述した第１図（イ）〜６）に示す状態が順次くり返
し発生する。この過程においてスパッタは、短絡状態が
破れて溶接アーク３が再発生する瞬間、すなわち第１図
（ホ）に示す状態の時に発生し、またその発生量は溶接
アークが再発生する瞬間の短絡電流が大きいほど多くな
ることが知られている。

ところで、一般に用いられている溶接ｍ流は定ｍＦＥ特
性を有する直流電源であり、この種の電源を用いた場合
の溶接ｍ流の変化を第２図に示す。

第２図において期間Ｔ、は短絡期間（第１図（ロ）〜に
）参照）、期間Ｔ、はアーク発生期間であり、短絡期間
Ｔ１においてはこの区間における眠気回路の時定数によ
り定まる増加率で溶接電流が増加し、アーク発生期間Ｔ
２においてはこの区間の時定数によって定まる減少率で
溶接電流が減少する。したがって、従来の溶接ｍ流にお
いては短絡が破れて溶接アークが再発生する瞬間（第１
図（（ホ））、すなわち、スパッタが発生する瞬間にお
いて溶接電流が最大となり、スパッタが最も発生し易い
条件で溶接が行なわれる。この結果、従来の溶接ｍ流を
用いた場合はスパッタの発生量が極めて多く、飛散した
スパッタがシールドガスを吐出するシールドノズルに付
着し、このためシールドガスの流れが妨害されて溶融金
属中に大気中の窒素が混入し、溶接部の機械的強度が低
下するという問題が発生した。

そして、このような問題を解決するために、シールドガ
スとして不活性ガス（Ｈｅ、Ａｒ等）と活性ガス（ＣＯ
，等）の混合ガスを使用し、これにより、スパッタの発
生を防止する方法が考えられたが、この方法は溶接電流
がある値以上でなければ効果がなく、また、溶滴が自由
移行するスプつた。一方、溶接時における電気回路の抵
抗分とインダクタンス分とを適切に設定し、これにより
第２図に示す短絡期間Ｔ、とアーク発生期Ｔ、における
溶接電流の増加率と減少率とを調整して溶接子−り再発
生時の電流値を押えるという対策が従来採られたが、抵
抗分やインダクタンス分は溶接時の状況で大きく変化す
るため適切な値に設定することが極めて困難であり、結
局スパッタ防止のための実用的な対策にはなち得なかっ
た。

このように、従来のスパッタ防止対策はいずれもスパッ
タ防止のための根本的な対策とはなり得す、スパッタ発
生に対する改善は実質的には何らなされていないのと同
様であった。

この発明は上述した事情に鑑み、スパッタの発生を防止
し得る溶接ｍ流の制御方法を提供するもので、溶接ワイ
ヤのくびれ（第１図に））を検出することにより溶接子
−りが再発生する時点を予期し、溶接子−り再発時の溶
接ｍ流をいち早く低減させることを特徴としている。

ここで、この発明の原理について説明する。スパッタの
発生量は前述したように溶接アークの再発時（第１図（
ホ））における溶接電流値に比例するから、この時点の
電流値を低減させればスパッタの発生を防止することが
できる。そして、このような制御をするためには溶接ア
ークの再発生時点を確実に予期し、この時点の溶接電流
をいち早く減少させなければならない。そこで、この発
明においては溶接アークの再発生直前において溶接ワイ
ヤが第１図に）に示すようにくびれることに着目し、こ
のくびれを電気的に検出して溶接アークの再発時点を確
実に予期することを根本原理としている。

次に、くびれの検出方法について説明する。まず、くび
れを電気的に検出する方法としては、溶接ワイヤがくび
れることによる（径が小さくなることによる）抵抗変化
を短絡時（第１図１）〜←））における電圧変化として
検出する方法が考えられるが、この方法は以下に述べる
理由で不利な点が多い。

第３図は溶接回路の等価回路であり、５は直流電源部Ｅ
１ダイオードＤおよびスイッチ素子ＳＷとから成る溶接
電源である。この溶接ｍ流５はスイッチ素子ＳＷの０Ｎ
−ＯＦＦタイミングを制御することにより、出力♀１イ
圧の平均値を所望の値に制御するチョッパ一方式の電源
である。６は溶接ケーブル中に存在する浮遊インダクタ
ンス、７は溶接トーチであり、この溶接トーチ７に溶接
ワイヤ１が図示せぬ供給機構からその消耗分が逐次供給
される。上述した回路において電流Ｉが一定である場合
、ｍ線路抵抗ＲＷによる電圧降下とアーク電圧ｖａｒＣ
との和（Ｖａｒｏ＋Ｒｗ−１）と出力電圧■とが平衡す
る。この両町圧の波形を第４図に示す。なお、この図に
おいては尾瀬内部のインピーダンスは略零とみなしてい
る。この図に示すようにアーク電圧Ｖａｒｃはインダク
タンス６のフィルタ作用により、出力電圧■の平均値と
等しくなるが、溶接ワイヤ１のくびれによる電圧変化は
了−り電圧Ｖａｒａに現われ、溶接電源５の出力電圧Ｖ
で検出するにはフィルタが必要で、時間遅れを伴なわな
い敏速なくびれ検出手段とはなり得ない。

したがって、くびれを検出するためにはトーチ７と母材
２の間近からＩｆ圧信号を取り込む必要があり、このた
め、検出用のケーブルを２本別途に配置しなければなら
ない。この場合、トーチ側の検出用ケーブルは溶接ケー
ブルに沿わせてハーネス化して配置することができるが
、アース側の検出用ケーブルは溶接点の近傍まで別途に
運んで配置しなければならない。これは一般的な溶接現
場においては母材（ビルの鉄骨等）をアース母線として
兼用するため、この部分のりアクタンスによるリップル
の増大により後で述べる理由から検出遅れが生じる。

したがって、操作者がくびれ検出用のケーブルをいちい
ち溶接点まで運ばなければならない不都合が生じる。ま
た、アークｍ圧Ｖａｒｏには実際にはスイッチング素子
ＳＷの０Ｎ−ＯＦＦ周期に基づく現流すップル分が重畳
されるので、くびれ検出のための電圧レベルをある程度
高めに設定しなければならない。すなわち、第５図に示
すようにリップル分がない場合（曲線Ｃ８）は判定レベ
ルはＬｌ　でよいが、リップル分がある場合（折れ線Ｃ
！　）は判定レベルは誤動作を避けるためにＬ２でなけ
ればならない。この結果、くびれの検出時刻が判定レベ
ルＬ、の時に較べて△を遅れ、これにより、電流減少の
開始時刻が遅れて、溶接アーク再発時（第１図（ホ））
におけるｍ流域少量が不充分となる事態が発生する。な
お、第５図において１、はくびれ開始時刻、ｔ、は判定
レベルＬＩ　におけるくびれ検出時刻、ｔ、は判定レベ
ルＬ、におけるくびれ検出時刻である。

上述したように溶接ワイヤ１のくびれをアーク電圧Ｖａ
ｒｃの変化から検出するのは不利な点が多い。

そこで、この発明においては以下に述べるくびれ検出方
法を採っている。スイッチング素子の導通幅を制御して
溶接電流一定制御を行う溶接ｍ源においては、溶接ワイ
ヤがくびれると負荷抵抗（トーチと母材間の抵抗）が増
加し、出力電圧が上昇する。そして、この電圧上昇はス
イッチング素子の導通幅増加となって表われる。そこで
、この発明においてはスイッチング素子の導通幅の増加
量を検出し、増加量が基準値を越えた場合にくびれが発
生したと判定する。

次に、この発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第６図はこの発明を適用した溶接ｍ源制御装置の構成を
示すブロック図であり、第３図の各部と対応する部分に
は同一の符号を付しその説明を省略する。

この図においてＲｓは溶接電流■を検出するためのシャ
ント抵抗であり、このシャント抵抗Ｒｓの両端電圧がア
ンプ１ｏに増幅されて電流検出信号ＳＩとなる。Ｒ，、
Ｃ，，１１は各々積分回路１２を構成する抵抗、コンデ
ンサ、演算増幅器であり、この積分回路１２の出力信号
Ｓ、がコンパレータＣＯＭ　１においてのこぎり波発振
器１３の出力信号Ｓ、と比較される。信号Ｓ、は第７図
仔）に示すように一定周期ののこぎり波であり、また、
コンパレータＣ０Ｍ１の出力信号ｓ３は同［４（ロ）に
示すように周期が信号ｓ２と等しく、パルス幅が信号Ｓ
１のレベルに対応するパルス信号となる。

１４は信号Ｓ、を増幅してスイッチング素子ｓｗに供給
するドライバであり、ｏＥＦ端子に″Ｈ″レベルの信号
が供給されると、動作を停止する。

スイッチング素子ＳＷはドライバ１４が動作軟菌のとき
は信号Ｓ、に同期して０Ｎ−ＯＦＦＬ（信号Ｓ３が″Ｈ
ルベルのときＯＮ）、ドライバ１４がＯＦＦ状態のとき
はＯＦＦ状態になる。一方、１５．１６は各々アーク発
生時の溶接ｍ源を設定する可変抵抗および短絡時の溶接
電流を設定する可変抵抗である。ＳＷ、はアーク発生時
には接点ａ側、短絡時には接点す側に接するスイッチン
グ素子であり、可変抵抗１５の設定信号ＳＴａが接点ａ
、低抵抗２を介して偏差検出点１７に供給され、ｍ安弁
〒可変抵抗１６の設定信号ＳＩ８が接点ｂ１抵抗Ｒ１を
介して偏差検出点１７に供給される。上述した構成によ
れば、スイッチング素子ｓｗの０Ｎ−ＯＦＦタイミング
は偏差検出点１７での偏差が０となるように制御される
。次に、１８．１９、Ｃ０Ｍ２は各々短絡検知回路２０
を構成する演算増幅器、可変抵抗およびフンパレータで
あり、トーチ−母材間の電圧値が可変抵抗１９によって
設定される基準値を下回った場合にＩ（”レベルの検出
信号を出力する。この場合、増幅器１８の一方の入力端
は溶接ケーブルに沿って配置された検出用ケーブル２１
の一端に接続され、この検出用ケーブルの他端がトーチ
７の近傍に接続されている。また、増幅器１８の他方の
入力端は溶接電流５の了−スラインに接続（１１） されている。このように増幅器１８の他方の入力端を母
材２における溶接点近傍に接続しないのは、短絡を検出
するだけなら検出電圧値に高精度が要求されないからで
あり、比較的電位の不安定な母材（現場における鉄骨等
）を了−ス線として兼用することができるからである。

また、検出用ケーブル２１を使用しない場合は溶接用ｍ
源５の両出力端をローパスフィルタを介して増幅器１８
の両入力端に接続すればよい。２２はオンディレィタイ
マであり、入力に″Ｈ″レベルの信号が供給されると設
定部間経過後に”　Ｔ−Ｔ”レベルの信号を出力する。

このタイマ２２における設定時間は短絡検知回路２０が
短絡を検知した時点から短絡が確実になるまでの時間が
設定されている。このタイマ２２が″Ｈ″レベルの信号
を出力すると、スイッチング素子ＳＷ１が接点す側に切
り替り、溶接電流■が可変抵抗１６の設定値に一致する
ように制御される。２５はサンプルホールド回Ｍであり
、スイッチング素子ＳＷのスイッチング期間終了付近に
おける信号Ｓ、の値をホールドするとともに、（１２） このホールドした値を次のスイッチング期間の終了付近
において出力する。また、サンプルホールド回路２５は
発振器１３から供給される信号Ｓ２に基づいて上述した
サンプリング動作およびホールド値出力動作の同期をと
る。２６は利得にの増幅器、Ｃ０Ｍ３はコンパレータで
あり、増幅器２６、コンパレータＣＯＭ　３およびサン
プルホールド回路２５でくびれ検出回路２８が構成され
ている。２９はセットリセットフリップフロップＣ以下
ＦＦと略称する）、３２はアンドゲート、３３はオンデ
ィレィタイマであり、ＦＦ２９がセットされてから所定
時間経過後にＨ’”レベルの信号を出力してＦＦ２９を
リセットする。

次に、上述した構成によるこの回路の動作を説明する。

まず、短絡検知回路２０が短絡状態を検出すると、設定
時間（短絡が確実になる時間）後にタイマ２２の出力信
号が″Ｈ″レベルになり、スイッチング素子ＳＷ１が接
点すに接する。この結果、溶接電流■の平均値は可変抵
抗１６が設定する基準信号ＳＩ８に等しくなるように制
御される。したがって、電流検出信号ＳＩは第７図（ハ
）に示すようになる。そして、くびれ検出回路２８は現
時点の信号Ｓ、の値と１区間（１スイッチング区間）前
の信号ＳＩの値とを比較し、現時点の信号Ｓ１の減少量
が基準値を上回った場合に出力信号Ｓ４を″Ｈ″レベル
にする。この場合の基準値は図から分るように増幅器２
６の利得によって決定される。そして、時刻ｔ、におい
てくびれが発生すると、負荷抵抗が増大するから、出力
電圧を増大させるために信号Ｓ１が減少して信号Ｓ、の
パルス幅を増大させる。この時、くびれ検出回路２８は
信号Ｓｔの減少量が基準値を越えたと判定して信号Ｓ４
をＨ”レベルにする（第７図（ニ））。信号Ｓ４が＠　
Ｈ１１レベルになるとＦＦ２９がセットされて信号Ｓ、
がＨ”レベルになり（第７図（ホ））、信号Ｓ１１が″
Ｈルベルになると、この時点でタイマ２２の出力信号は
ｗ　ＨＩＩレベルになっているから、アンドゲート３２
が″Ｈ″レベルの信号を出力し、これによりドライバ１
４が動作を停止してスイッチング素子ＳＷがＯＦＦとな
る。スイッチング素子ＳＷがＯＦＦになると、溶接電流
■が低下し、したがって、電流検出信号ＳＩも第７図（
ハ）に示すように低下してゆく。そして、溶接ｍ流■が
充分に低下した時刻ｔ６においてアークが再発生し、ア
ークが再発生すると短絡検知回路２゜の出力信号が″Ｌ
′″レベルになり、タイマ２２、アンドゲート３２の出
力信号がｅｌ　Ｔ、　ｌ”レベルになる。この結果、ス
イッチング素子ＳＷ１が接点ａ側に接するとともに、ド
ライバ１４が動作を再開する。したがって、溶接ｍ流■
は平均値が可変抵抗１５の設定値ＳＩａに等しくなるよ
うに制御される。一方、タイマ３３は信号Ｓａが立ち上
ってから所定時間（溶接ｍ流■が充分に減少し得る時間
）後に″′Ｈ″レベルの信号を出力し、これにより、Ｆ
Ｆ２９がリセットされる。

なお、上述した実施例においてはスイッチング区間の終
了点付近の信号Ｓｓ　　（導通幅制御信号）の値を検出
し、１区間前の検出値と現時点の検出値との偏差が基準
値を越えた場合にくびれ発生と（１５） ！［！ｉ定するようにしたが、これに代えて例えば短絡
が確実になった時点での信号ＳＩの値を１つのみ記憶し
、この記憶した値と現時点の信号ＳＩの値との偏差から
くびれを検出するようにしてもよい。

そして、この場合のサンプルホールＹ回Ｗｔ’ｔ　２５
　ハ第６図に破線で示すようにタイマ２２の出力信号を
サンプリングの同期信号として取り込めばよい。

また、信号Ｓ１の値を比較することに代えて、信号Ｓ、
のパルス幅（導通幅）を検出して比較しても同様の効果
を得ることができる。

さらに、この実施例においてはアーク発生時においても
短絡時と同様に溶接ｍ流（平均値）を一定にする制御を
行っているが、アーク発生時においてはアーク電圧を一
定にする制御を行ってもよい。

以上説明したようにこの発明によれば、消耗電極が母材
と接する短絡状態においては溶接電流の平均値を一定に
制御するとともに、前記スイッチング素子の導通幅もし
くは導通幅制御信号をスイッチング区間毎に検出するこ
とにより前記導通幅（１６） の増加量を検出［７、この増加量が基準値を越えた場合
に前記消耗正極にくびれが発生したと判定して前記溶接
電流を減少させるようにしたので、くびれの検出が確実
かつ高速になり、これにより、アーク再発生時点での溶
接電流値を小さくすることができ、スパッタの発生を防
止することができる。また、アース側の検出用ケーブル
を設ける必要がないので、溶接施行上極めて有利である
。

【図面の簡単な説明】

第１図（梢〜（へ））は消耗正極の溶滴の移行過程を示
す図、第２図は定電圧特性溶接電源を用いた場合の溶接
ｍ流の変化を示す図、第５図番ま一般的な溶接回路の等
価回路、第４図は第３図に示す回路における出力可圧Ｖ
とアーク電圧Ｖａｒｃの変化を示す波形図、第５図【ま
くびれ検出のための電圧判定レベルを示す図、第６図は
この発明の一実施例である溶接電源制御装置の構成を示
すブロック図、第７１４（イ）〜←）は各々第６図に示
す回路各部の波形を示す波形図である。 （１７） １・・・・・溶接ワイヤ（消耗電極）、２・・・・・母
材、１２・・・・・積分回路、１４・・・・・　ドライ
バ、２０・・・・・短絡検知回路、２５・・・・・サン
プルホールド回路、ＳＷ・・・・・スイッチング素子。 出願人神＃４電機株式会社 （１８）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. スイッチング素子の導通幅を制御して出力を制御する消
   耗ｍ極用の溶接ｍ源の制御方法において、前記消耗電極
   が母材と接する短絡状態においては溶接電流の平均値を
   一定に制御するとともに、前記スイッチング素子の導通
   ＩＩｒｍもしくは導通幅制御信号をスイッチング区間毎
   に検出することにより前記導通幅の増加量を検出し、こ
   の増加量が基準値を越えた場合に前記消耗電極にくびれ
   が発生したと判定して前記溶接電流を減少させることを
   特徴とする溶接ｍ源の制御方法。