JPS60106673A - 溶接電源の出力制御方法 - 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】 技術分野 本発明は、消耗電極と母相との間で短絡とアーク発生と
を繰り返す消耗電極式アーク溶接法における溶接電源の
出力制御方法に関する。

鴛氷共槽 第１図は短絡とアーク発生とを交互に繰り返す消耗電極
式アーク溶接法の溶滴の形成と移行の過程を示しており
、２１は消耗電極（以下、溶接ワイヤという）、２２は
溶接ワイヤ２１の先端に形成された溶滴、２３はアーク
、２４は溶融池すなわち母材である。（、）は短絡直前
のアーク発生状態、（ｂ）は溶滴が溶融池と接触した短
絡初期状態、（ｃ）は溶滴と溶融池の接触が確実となり
、溶滴が溶融池へ移行している短絡中期状態、（ｄ）は
溶滴が溶融池側に移行し、溶接ワイヤと溶滴との間にく
びれが生じた短絡後期状態、（ｅ）は短絡が破れ、溶接
アークが発生した瞬間、（ｆ）は溶接ワイヤが溶融し、
溶滴が成長するアーク発生状態を示し、（ａ）〜（ｆ）
の過程が繰り返し行なわれる。

従来、この短絡とアーク発生とを繰り返す消耗電極式ア
ーク溶接法においては、溶接電源として定電圧特性を有
する直流電源が多く用いられている。この様な定電圧直
流電源を用いた場合の溶接電流出力波形は、第２図に示
す様になっている。

即ち、従来の定電圧直流電源においては、溶接ワイヤの
先端に形成された溶滴が溶融池と接触し短絡した瞬間か
呟溶接電流出力はその電源の電気回路の持つ時定数によ
って定まる増加率でアークが再発生するまで増加し続け
る。また、溶接ア一りが再発生した後は、溶接電流は上
記時定数によって定まる減少率で再び短絡するまで減少
する。

ところで、溶接アーク現象を高速度カメラなどで撮影し
、スパッタの発生状況を観察すると、スパッタが発生す
るのは、溶接ワイヤ先端の溶滴が溶融池へ移行してアー
クが再発生する瞬間や、溶滴が溶接ワイヤ先端で大きく
成長して溶融池と短絡しようとする瞬間に多く発生する
のが見られ、特に後者については平均溶接電流が高い場
合に多く観察される。

したがって、スパッタの発生原因は、主に溶接ワイヤ先
端１こ形成された溶滴あるいは溶滴の一部がアーク発生
時のアークの反撥力によって吹き飛ばされるものと考え
られる。従来の定電圧直流電源を使用するとスパッタ発
生量が多いのは、この電源の溶接電流出力が第２図に見
られる様に、アーク再発生の瞬間に最も高い値を取り、
アークの反撥力が最大となって、溶接ワイヤ先端に残っ
ていた溶滴の一部を吹き飛ばし、スパッタとして発生さ
せているものと考えられる。また、平均溶接電流が高い
場合には、第３図に示す様に、また、短絡直前に溶接電
流が最小値をとっても短絡時の電流値は高く、短絡直後
に溶滴を吹き飛ばすのに十分なエネルギーとなり得るの
である。

この様に、従来の定電圧直流電源では、スパッタの発生
量が多く、溶着効率の低下をもたらし、付着したスパッ
タの除去作業工程を必要とするなどの溶接作業の能率低
下を招くと共に、飛散したスパッタがシールドノズルレ
こ付着し、その結果として、シールドガスの流れを阻害
し、溶着金属中に大気中の窒素が混入して溶接部の機械
的性能の劣化を引き起こすなどの問題が残されていた。

これらの問題に対して、本発明者らは、アーク再発生の
瞬間及び溶滴が溶融池と短絡する前後において溶接電流
出力を低下せしめ、アークの反撥エネルギーを溶滴が吹
外飛ばされない程度に制御することにより、スパッタの
発生量を減少せしめる方法をすでに提案している。

これは、第４図に示される波形の様に溶接電流出力を制
御し、スパッタの発生量を従来の定電圧直流電源を用い
る場合と比較して、２０〜４０％程度にまで減らすこと
ができる様にしたものである。

第４図に示した溶接電流出力波形は、溶滴が溶融池と短
絡した直後より、短絡状態が確実となるまで溶接電流エ
ネルギーを加えない遅延時間ＴＳｓを設定し、短絡ｐｆ
確実となった呟溶滴の溶融池への移行が容易に行なわれ
る様に、短絡時の溶接電流ＩＳＰを流す様にしている。

その後、溶滴の移行がほぼ完了して再びアークが発生す
る際には、アークが発生することの前兆を検知し、アー
クが発生する瞬間には前述した様に溶接電流を低下せし
め、アークの反撥エネルギーを小さくする。また、アー
クが再発生した後は、溶接ワイヤ先端に溶滴を形成させ
るために高い電流ＩＡＰを流し、所定時間ＴＡＰだけこ
の高電流を保持した後に低電流ＩＡＢに下げる様に制御
するものである。これは、溶滴が溶融池と接触し短絡し
ようとする際には、低電流である方が容易に短絡し、且
つ、溶滴がアークの反撥力で吹外飛ばされない様にする
ためである。

ところが、本発明者らは、当初、溶接ワイヤ送給速度に
応じた短絡電流ｌ５ＰＩ高電流ＩＡＰ　ｌ高電流期間Ｔ
ＡＰｔ低電流ＩＡＢを夫々一定値に固定し、各期間毎に
それぞれ定電流制御を行なっていた。

このため、溶接ワイヤ突出長さすなわちエクステンショ
ン長、アーク長などが適正に保たれた状態での溶接に対
しては、スパッタの減少効果は大きく、スパッタの発生
率は従来の定電圧直流電源を用いた場合の１０〜２０％
に低下させることができた。しかし、実験を繰り返した
ところ、実用−ト避けられぬ程度の溶接ワイヤ送給速度
の変動、エクステンション長の変動、溶融池の形状変化
等により、スパッタ発生量の減少効果が小さくなり、ア
ークが不安定となる場合のあることが判明した。

上述のように、高電流期間Ｔ６．を一定とした場合、溶
接ワイヤのエクステンション長の増大とかワイヤ送給速
度の減少などの外６Ｌが生じると、高電流期間での溶接
ワイヤの溶融量が多く、アーク長が長くなり、高電流期
間ＴＡｐの後に引柊続く低電流期間ＴＡＢも必然的に延
びる傾向にあった。そのため、短絡回数が減少するとと
もに、平均溶接電圧が上昇することとなった。特に、ｌ
Ｊ＋’ｌ先内で゛のウィービング中にこのような状況は
起こり易い。

また、上述とは逆に、エクステンション長が短かくなっ
たり、ワイヤ送−給速度が増大したときは、低電流期間
が短かくなり、したがって、短絡回数が増加し、平均溶
接電圧は低下した。

いま、エクステンション長の変動のみに着目して説明す
ると、例えば、溶融に寄与する陽極電圧をφ、２５℃の
溶接ワイヤを１６００℃の溶鋼にするのに必要なエネル
ギーを１１　、　Ｉ　Ｊ　／ｍｍ’、溶接ワイヤの抵抗
値をＲｅｘｔとすると、溶接ワイヤの溶融量ＭＲは、 ＭＲ＝Ｔ、（φ弓ＡＰ　＋　Ｒｅｘｔ−ＩＡＰ　２）／
］１．　］［ｍｍ３１・・・・・・（１） で表わされる。ここで、ＴＩ、ｐ　”＝　１１　＋ｎ５
ｅｅ＋　φ０４、　ＯＶｔ　１．４ｐ”　３　Ｕ　ＯＡ
、直径１　、２　＋ｎ＋ｎである溶接ワイヤの単位長当
りの抵抗値を１１１１Ω／關とし、エクステンション長
が１０ｖｖのときと２０ｍｍのととのワイヤ溶融量ＭＲ
と、それを溶融ワイヤ長に換算したデータを表１に比較
して示す。

この表１から明らかなように、エクステンション長の長
い力が、同じ溶接電流に対して溶接ワイヤの溶融量が多
く、従って、アーク長が長くなり、短絡回数が減少する
。この様な状況は、高電流期間のエネルギーの供給が過
剰であるために生じるものであり、作業上好ましくない
。

そこで、本発明者らは、溶接現象をさらに詳しく調査し
た結果、ある範囲内で外的条件が変化しても、スパッタ
発生量を減少させ、アークを安定させるためには、高電
流期間″ｒＡＰを増減させることで、供給エネルギーを
調整すればよいことが判明した。

■−釣 本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目
的は、高電流期間ＴＡＰにおける溶接ワイヤへの供給エ
ネルギーを適正値に制御することにより、溶接ワイヤの
送給速度の変動に対してもスパッタの発生を抑制し得る
ようにした溶接電源の出力制御方法を提供することであ
る。

弧−栗 消耗電極と溶接母材との短絡時に所定の短絡電流を印加
する期間と、アーク発生直後より所定の高電流を印加す
る高電流期間と、この高電流期間に引き続いて所定の低
電流を印加する低電流期間とを有する過程を繰り返す消
耗電極式アーク溶接における溶接電源の出力制御方法に
おいて、上記過程の状態に応じて次の上記過程の高電流
期間の長さを制御することにより、溶接ワイヤへの供給
エネルギーを制御し、アークを安定化し、スパッタの発
生を低減させる。

犬鵠刺 以下本発明の一実施例を説明する。

本実施例で゛は、溶接ワイヤをノズルを介して所定速度
で母材に対して送給する一方、上記ノズルからシールド
ガスを噴射しつつ溶接ワイヤと母相との間で発生するア
ーク部分を包囲するとともに、溶接ワイヤと母材との開
で短絡とアーク発生とを繰り返して溶接を行なう消耗電
極式アーク溶接法において、溶接電源の出方制御を行な
う。この溶接電源の出力制御においては、短絡時に所定
の短絡電流を印加する期間と、アーク発生直後より所定
の高電流を印加する高電流期間と、この高電流期間に引
き続いて所定の低電流を印加する期間とを有する。

第１の実施例は、高電流期間ＴＡＰの供給エネルギーの
過不足を低電流期間ＴＡＢの増減としてとらえ、高電流
期間ＴＡＰを増減する。すなわち、前述の如く、供給エ
ネルギーが多過ぎる場合には、低電流期間ＴＡＢが長く
なってエネルギーを減少させるように動作するが、この
低電流期間が延びた場合には、次回過程の高電流期間Ｔ
ＡＰを短くして供給エネルギーを減少せしめ、アークの
安定を図る。

第５図に示すように、１はワイヤ送給速度信号出力回路
で、ワイヤ送給速度を表わす信号を出力する。２はＴＡ
Ｐ設定回路で、ワイヤ送給速度信号出力回路１からの信
号に応じた高電流期間ＴＡＰの設定信号を出力する。３
は゛呻タイマで高電流期間ＴＡＰを計時する。５は溶接
電源６に対して溶接電流を制御する信号を出力する電流
切換回路である。７は短絡検知回路で、溶接ワイヤ８と
は祠９間の電圧を検出することにより、両者８と９との
短絡を検知する。１０はワンショット回路で、ＴＡＰタ
イマ３からの信号により動作して短かい時間パルスを出
力する。１１はフリップ７０ツブで、ＴＡＰタイマ３か
らの信号によりセットされ、短絡検知回路７からの信号
によりリセットされる。１２は積分回路で、接点１２ａ
が閉じることにより、初期化され、接点１２ｂが閉じる
ことにより積分動作を行なう。

いま、溶接ワイヤ８と母材９との開にアークが発生して
期間ＴＡＰに移行すると、ＴＡＰタイマ３が計時動作を
開始する。そして、Ｔ、Ｐタイマ３がタイムアツプして
高電流期間ＴＡＰか終了すると、ＴハＰタイマ３からの
信号がゲート回路４を介して電流切換回路５に入力され
、電流切換回路５は溶接電源６に対して溶接電流を高電
流ＩＡＰから低電流ＩＡＢへ切換えるための信号を出力
し、溶接ワイヤ８の電流は低電流ＩＡＢに切換えられる
。また、ＴＡＰタイマ３がタイムアツプすると、ＴＡＰ
タイマ３からの信号によりワンショット回路１０が動作
して、所定長さのパルスを出力して、接点１２ａをオン
とし、接点１２ａが短時間オンとなることにより積分回
路１２が初期化される。さらに、ＴＡＰタイマ３がタイ
ムアツプすると、７リツプフロツプ１１がセラ１．−れ
て、この７リツプ７０ツブ１１からの信号により接点１
２ｂが閉じて、積分回路１２が積分動作を開始する。

溶接ワイヤ８と母材９とが短絡すると、低電流期間ＴＡ
Ｂが終了する。短絡が生じると、短絡検知回路７から信
号か出力され、７リツプ７０ツブ１１がリセットされて
端子１２ｂが開き、積分回路１２は積分動作を停止する
。この時、積分回路１２の積分値は、低電流期間ＴＡＢ
に対応しており、積分回路１２はこの積分値を保持する
。積分回路１２から出力される低電流期間”′、ＩＢの
長さに対応した信号は、加え合せ点１３で、Ｔ、Ｐ設定
回路２の高電流期間ＴＡ’Ｐの設定値を表わす信号から
減算される。この減算結果を表わす信号がＴＡＰタイマ
３に入力され、ＴＡＰタイマ３には前回過程の低電流期
間の長さに応じて変更された高電流期間”Ａ　Ｐが新た
に設定される。すなわち、今回過程の低電流期間の長さ
に応じて次回過程の高電流期間の長さを増減することに
より、高電流期間に溶接ワイヤ８に供給されるエネルギ
ーを制御する。この場合、今回の低電流期間が長いと次
回の高電流期間を短くし、今回の低電流期間が短いと次
回の高電流期間を良くして、溶接ワイヤ８に供給される
エネルギーを制御し、アークの安定を図り、スパッタの
発生を抑制する。

第２の実施例は、上述の第１の実施例が低電流期間Ｔ６
．にのみ着目してなされたものであるのに対して、アー
クの発生期間の長さ、すなわち高電流期間Ｔ、Ｐ、！＝
低電流Ｍ間ＴＡＢとの和の期間に着目してなされたもの
である。

第６図において、第５図と同一部分には同じ符号を付す
。１４はサンプルホールド回路で、ＴＡＰタイマ３がタ
イムアツプして高電流期間ＴＡＰが終了した時にリセッ
トされ、短絡が生じて短絡検知回路７から信号か出力さ
れると、積分回路１２の出力を記憶する。短絡Ｍ＃１が
終了してアークが発生すると、高電流期間ＴＡＰに移行
し、短絡検知回路７からの信号により、ワンショット回
路１０が動作して接点１２ａが短時間閉じ、積分回路１
２が初期化されるとともに、接点１２）〕がｒ３Ａして
積分回路１２が積分動作を開始する。さらに、短絡検知
回路７からの信号により、ハ、タイマ３が高電流期間Ｔ
ＡＰの計時を開始する。ＴＡＰタイマ３がタイムアツプ
して高電流期間ＴＡＰが終了すると、電流切換回路５か
らの信号により溶接電源６の出力電流は高電流Ｉ／ＩＰ
がら低電流ＩＡＢに切換わり、低電流期間ＴＡＦ３に移
行する。また、ＴＡＰタイマ３のタイムアツプにより、
サンプルホールド回路１４が′リセットされる。

短絡が生じると、低電流期間′Ｉ漬が終了し、短絡検知
回路７からの信号により接点１２ｂか開き、積分回路１
２は積分動作を停止する。この時の積分回路１２の積分
値は、高電流期間ＴＡ、と低電流期間ＴＡＢとの和の期
間すなわちアーク発生期間に対応している。サンプルホ
ールド回路１４は、短絡検知回路７からの信号により積
分回路１２からの今回のアーク発生期間の長さに対応し
た大きさの信号を記憶する。そして、サンプルホールド
回路１４から出力されるアーク発生期間に対応した信号
は、加え合せ点１３で、″Ｉ、１２設定回路２の高電流
期間ＴＡＰの設定値を表わす信号から減算される。この
減算結果を表わす信号がＴＡＰタイマ３に入力され、Ｔ
Ａ、タイマ３には前回過程のアーク発生期間に応じて変
更された高電流期間ＴＡＰが新たに設定される。すなわ
ち、今回過程のアーク発生期間に応じて次回過程の高電
流期間を増減することにより、高電流期間における溶接
ワイヤ８への　−供給エネルギーを制御する。この場合
、今回のア−り発生期間が長いと次回の高電流期間を短
くし、今回のアーク発生期間が短いと次回の高電流期間
を長くする。

第３の実施例は、単位時間当りの短絡回数に応じて高電
流期間ＴＡＰを制御する。

第７図において、第５図と同一部分には同じ符号を付す
。１５はフィルタ回路であり、このフィルタ回路１５は
、十分に低いしゃ断周波数を有し、ワンショット回路１
０から短絡毎に出力されるパルスを入力し、短絡回数に
比例した電圧信号を出力する。このフィルタ回路１５か
らの短絡回数に対応した信号が、加え合せ点１３で１”
ＡＩ）設定回路２の高電流期間ＴＡＰの設定値を表わす
信号に加算される。この加算結果を表わす信号がＴＡＰ
タイマ３に入力され、′ｒ、ｌｌＰタイマ３には短絡回
数に応じて変更された高電流期間Ｔ炒’新たに設定され
る。

すなわち、短絡回数に応じて高電流期間の供給エネルギ
ーを調整する。この場合、短絡回数が多いときには、高
電流期間を長くして溶接ワイヤ８への供給エネルギーを
増加し、短絡回数が少ないときには、高電流期間を短く
して供給エネルギーを低減する。

第４の実施例は、アーク電圧の平均値に応して高電流期
間を調整するようにしたものである。

第８図において、第５図と同一部分には同し符号を付す
。１６はアーク電圧検出回路で、溶接ワイヤ８と母材９
間のアーク電圧を検出する。１７はフィルタ回路であり
、このフィルタ回路１７は十分に低いしゃ断周波数を有
し、アーク電圧検出回路１６からのアーク電圧を表わす
信号を入力し、アーク電圧の平均値を表わす信号を出力
する。フィルタ回路１７からのアーク電圧の平均値を表
わす信号を出力する。フィルタ回路１７がらのアーク電
圧の平均値を表わす信号が、加え合せ点１３で、Ｌ、設
定回路２の高電流期間Ｔ４．の設定値を表わす信号から
減算される。この減算結果を表わす信号がＴＡＰタイマ
３にはアーク電圧の平均値に応じて変更された高電流期
間ＴＡＩ’が新たに設定される。

すなわち、アーク電圧の平均値に応じて次回過程の高電
流期間における溶接ワイヤ８への供給エネルギーを制御
する。この場合、今回のアーク電圧の平均値が上昇する
と次回の高電流期間を短くし、今回のアーク電圧の平均
値が下降すると次回の高電流期間を長くして、供給エネ
ルギーを制御する。

カス 以上説明したように、本発明においては、消耗電極と溶
接母材との短絡時に所定の短絡電流を印加する期間と、
アーク発生直後より所定の高電流を印加する高電流期間
と、この高電流期間に引き続いて所定の低電流を印加す
る低電流期間とを有する過程を繰り返す消耗電極式アー
ク溶接における溶接電源の出力制御方法において、上記
の過程の状態に応じて次の過程の高電流期間の長さを制
御して溶接ワイヤへの供給エネルギーを適正値に制御す
るようにしたか呟スパッタの発生量を減少させるととも
に、アークの安定化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は消耗電極式アーク溶接法の溶滴の形成と移行の
過程を示す図、第２図と第３図は定電圧直流電源を用い
たときの溶接電流出力波形を示す波形図、第４図は本発
明を適用した溶接電源の溶接電流出力波形を示す波形図
、第５図乃至第８図は本発明の実施例を示すブロック図
である。 ６・・・溶接電源、８・・・溶接ワイヤ、９・・・母材
、ＴＡＰ・・・高電流期間、ａ「・・低電流期間。 特許出願人　株式会社神戸製鋼所 代理人　弁理士青白　葆外２名 第１図 （ａ）　（ｂ）　（ｃ）　（ｄ）　（ｅ）　（ｆ）第２
１ 第３図 吟向 第４図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）消耗電極を所定速度で母材に対して送給する一方
   、ノズルからシールドガスを噴射しつつ、消耗電極と母
   材との開で発生するアーク部分を包囲するとともに、消
   耗電極と母材との間で短絡とアーク発生とを繰り返して
   溶接を行なう消耗電極式アーク溶接法であって、短絡時
   に所定の短絡電流を印加する期間と、アーク発生直後よ
   り所定の高電流をＩｈｌける高電流期間と、この高電流
   期間に引き続いて所定の低電流を印加する低電流期間と
   を有する過程を繰り返す溶接電源の出力制御方法におい
   て、 上記過程の状態に応じて次の過程における高電流期間の
   長さを制御するようにしたことを特徴とする溶接電源の
   出力制御方法。
2. （２）低電流期間の長さに応じて次の過程の高電流期間
   の長さを制御する特許請求の範囲第１項に記載の方法。
3. （３）高電流期間と低電流期間との和の期間の長さに応
   じて、次の過程の高電流期間の長さを制御する特許請求
   の範囲第１項に記載の方法。
4. （４）単位時間当りに生じる短絡の回数に応じて次の過
   程の高電流期間の長さを制御する特許請求の範囲第１項
   に記載の方法。
5. （５）アーク電圧の平均値に応して次の過程の高電流期
   間の長さを制御する特許請求の範囲第１項に記載の方法
   。