JPS60130469A - 溶接用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】 す１ 本発明は消耗電極と溶接母材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方法における溶接用
電源の出力制御方法に関する。

ｕ１術 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
式アーク溶接方法の溶滴の形成と移行の過程を示してお
り、１は消耗電極（以下、溶接ワイヤという）、２は溶
接ワイヤ１の先端に形成された溶滴、３はアーク、４は
溶融池すなわち母材である。（ａ）は溶滴２が溶融池４
と接触した短絡初期状態、（ｌ〕）は溶滴２と溶融池４
との接触が確実となって溶滴２が溶融池４へ移行してい
る短絡中期状態、（ｃ）は溶滴２が溶融池４側へ移行し
て溶接ワイヤ１と溶融池４との間の溶滴２にくびれが生
した短絡後期状態、（ｄ）は短絡が破れて溶接アーク３
が発生した瞬間、（ｅ）は溶接ワイヤ１の先端が溶融し
て溶滴２が成長するアーク発生状態、（ｆ）は溶滴２が
溶融池４と短絡する直前のアーク発生状態を夫々示し、
（、）〜（ｆ）の過程が繰り返し行なわれる。

従来の短絡とアーク発生とを繰り返す消耗電極式アーク
溶接方法に用いる溶接電源では、略定電圧特性の電源と
電流の立上りを制限するりアクドルとを組み合わせたも
のを用いていた。この場合の出力電流及び出力電圧の波
形を第２図に示す。

すなわも、短絡により出力電圧は急激に低下し、出力電
流はりアクドルと外部抵抗等により定まる時定数で上昇
していく。溶接ワイヤ先端に形成された溶滴の溶融池へ
の移行が終了し、アークが再発生すると、出力電圧は急
上昇し、出力電流はりアクドルとアークを含む外部抵抗
等により定まる時定数で低下する。

ところが、この略定電圧時性の電源を用いると、アーク
再発生の瞬間に溶接電流が最大となり、この時のエネル
ギーが溶接ワイヤ先端に残っていた溶滴を吹す飛ばし、
スパッターを発生させるとい３− う問題を生しることが知られている。

この点の改良については、既に本発明者等により提案が
なされている。即ち、アーク再発生の前兆を検知し、再
発生の瞬間には出力電流を低下させて、スパッターの発
生を減少させることを実施し、大きな効果を得ている。

この場合の出力電流波形は、第３図に示すように、アー
ク発生期間を２つの期間に分け、まず、アーク再発生直
後から高アーク電流１ＡＰを印加して溶接ワイヤ先端に
溶滴を形成させる期間とし、それに続外短絡するまで低
アーク電流ＩＡＢを保持する低電流期間とすることを提
案した。しかし、更に研究を進めると、上記の低電流期
間の長短及び低アーク電流ＩＡＢの大小が、ビード形状
や大粒スパッターの発生量などに影響を与えていること
が分がった。

一般に、すみ肉溶接などでは、平坦なビード形状が望よ
れる。しかるに、上述の低電流期間を長く設定すると、
アーク発生期間のうち力強いアークを発生する高電流期
間の比率が小さくなるので、アーク力で溶融池表面が充
分に押えつけられず、４− ビード形状が凸状になる。一方、アーク発生期間の高電
流期間を長くして低電流期間を短くすると、アーク力で
溶融池表面が充分に押えっけられるので、平坦なビード
形状が得られることが分かった。

また、平均溶接電流が高い時には、高電流期間の電流値
と共に低電流期間の電流値も高くしなければ、溶接作業
性が劣化することすなわちビード形状の不均一によるグ
ラインダ掛けなどの後処理作業を要することなども分か
った。

しかしなが呟第３図に示した電流波形のうちアーク発生
期間の低電流期間を設定した目的は、高電流期間中に大
きく形成されたワイヤ先端の溶滴が溶融池と短絡する前
にアーク力などで吹き飛ばされない様に、低電流を保持
して短絡するのを待つためである。ところが、溶滴の短
絡現象は不定期的な現象であるので、低電流期間はある
程度広い範囲で設定しておく必要がある。実際には、低
電流期間はアーク発生期間の２５％以下にはできない。

即ち、低電流期間を２５％以下にすると、高電流期間中
に溶滴が溶融池に近づ慇、アークカなどで溶滴が吹と飛
ばされ、大粒のスパッターが発生する場合が生じるので
ある。

溌■ｐ１−的 この発明は、上述の欠点を除き、スパッター発生量が少
く、かつ平坦な溶接ビードを得ることができる溶接用電
源の出力制御方法を提供することを目的とする。

発明の鼻粟 消耗電極と溶接母材すなわも溶融池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方法において
、アーク発生時に高電流を印加する高電流期間を設け、
アーク発生中に消耗電極先端の溶滴が溶融池と接触し短
絡することの前兆を検知し、溶滴と溶融池との短絡直前
にはアーク電流をそれまでの電流値より低下せしめるこ
とにより、スパッター発生量を低減するとともに良好な
ビード形状を得る。

づ１１ｙｖ１０ルリ 以下、本発明の一実施例を説明する。

本発明の第１の実施例について説明する。

第４図は、アーク発生から一定時間後に低電流期間を設
定した場合の溶接電流と溶接電圧の波形を示している。

ただし、この場合、溶接電源は高電流期間ＴＡＰは定電
圧特性、低電流期間ＴＡＢは定電流特性としである。こ
の様な制御においては、高電流期間ＴＡｔ）を長くする
と、溶融池表面の振動や溶滴の振れなどにより、高電流
期間ＴＡｔ）のうちに溶滴が溶融池と短絡することがあ
った。

そこで、本発明者等は、アーク発生中の溶接電流及び／
又は溶接電圧中に溶滴２の短絡の前兆を見い出すために
種々の検討を行った。第５図は、この様な検討結果の−
っで、短絡現象の直前のアーク電流の変化を記録したも
のである。この場合、低電流期間を無くし、高電流のま
ま短絡させているので、大粒のスパッターが発生した。

しかるに、この第５図の定電圧特性であるアーク発生期
間の電流波形を詳細に観察すると、短絡直前にはアーク
電流が増加していることが見られた。これは以下の理由
によるものと推定することがでトる。

第１図に示す溶滴の形成及び移行の過程におい７− て、アーク発生直後より印加される大電流のために、溶
接ワイヤ先端は溶融して溶滴が形成される。

アーク発生直後は、溶接ワイヤ先端が球状の溶滴になり
、所謂燃え上りが大島く、溶滴の先端と溶融池表面の距
離が天外いので短絡することはないが、溶接ワイヤが一
定の速度で送給されているので、溶滴と溶融池とが徐々
に接近し、ついには短絡に至る。即ち、短絡直前には、
溶滴と溶融池とが近接し、その間に発生している溶接ア
ークの長さも短くなるので、アークによる電気抵抗が小
さくなり、定電圧特性の電源では、短絡の直前にはアー
ク電流が増加することになる。

そこで、本発明者等は、このアーク電流の増加量を検知
し、これをもって短絡の前兆として低電流期間へ移行す
る制御方法を発明した。即ち、定電圧特性を有する溶接
電源のアーク発生中の出力特性において、アーク発生直
後に印加された高レベルなアーク電流が時間の経過と共
に略減少し、溶滴の短絡直前に増加に転じる特性を利用
し、アーク電流が略減少から増加に転じる時点のアーク
８− 電流値■八？しを記憶し、その後の任意の時間の経過後
のアーク電流値ＩＡＰＭを測定して、■ハＰＨ−■へｐ
Ｌ　”ΔＩＡＰを演算し、この電流値ＩＡＦ’にと電流
値ＩＡＰＬとの差の電流値ΔＴＡＰが設定値に達した時
点でアーク電流を低下せしめるものである。

この電流値Δ弘、は、第５図に示した様な実験結果等を
基に、溶接ワイヤの送給速度に関連して適宜設定すれば
よい。

例えば、ワイヤ送給速度が５　、２　ｍ／ｎ＋ｉｎの場
合、溶接電源を、第３図の溶接電流波形において、アー
ク発生中の高電流期間ＴＡＰを定電圧特性、それにひき
続く低電流期間ＴＡＢを定電流特性として、高電流期間
ＴＡＰを大きな値に設定し、この高電流期間ｌ、中に短
絡が発生する状態にしたところ、アークが再発生してか
ら略減少していたアーク電流は、短絡発生の約２〜４　
ｍ５ｅｃ前に増加傾向に転じ、その増加量はアーク電流
の最小値の約２０％であった。この波形は第５図に示し
である。次にアーク発生中のアーク電流の最小値Ｉ、Ａ
Ｉ’Ｌを記憶し、続いてアーク電流値が最小値Ｉ、ＡＰ
Ｌの１５〜２０％増加した時点で、あらかじめ設定した
低電流値ＴＡＢにアーク電流を低下せしめたところ、直
ちに短絡に至る様になった。このようにして、アーク発
生中はアーク力の強い高電流、短絡直前にはアーク力の
弱い低電流とすることが可能となり、スパッター発生量
が少く、かつ平坦なビーＰ形状が得られた。

第６図は上述の第１の実施例の溶接電源の出力制御方法
を行なう制御装置の構成を示しており、最小アーク電流
記憶器１４は、アーク発生検知器１３がアーク発生を検
知して出力する信号により動作を開始する。アーク発生
検知器１３は、溶接電圧検出器１２からの溶接ワイヤと
母材間の電圧を示す信号によりアーク発生を検知し、最
小アーク電流記憶器１４へ信号を出力する。最小アーク
電流記憶器１４は、アークが発生すると溶接電流検出器
１１からの溶接ワイヤと母材間に流れる溶接電流を示す
信号を入力し、アーク発生期間におけるアーク電流の最
小値ＩＡＰＬを記憶する。演算器１５は、溶接電流検出
器１１からのアーク発生中のアーク電流■ＡＰＭと最小
アーク電流記憶器１４からの最小アーク電流■△ｐＬを
入力し、アーク電流ＩＡＰＭと最小アーク電流ＩＡＰＬ
　との差ΔＩＡｐを算出する。比較器１７は、この演算
器１５からのΔＩＡＰと基準電流設定器１６からの予し
め定められた基準電流と比較し、ΔＩＡＰが基準電流値
と一致すると、溶接電流切替回路１８に対して信号を出
力する。ここで、溶接電流切替回路１８は、溶接電源１
９に対して溶接電流をこれまでの高電流から低電流に低
下させるための信号を出力する。

次に、本発明の第２の実施例について説明する。

アーク発生中の溶接電源の出力特性を略定電流特性とし
た場合について検討を行った。第７図は、アーク発生期
間を２分割にし、アーク発生直後より始まる高電流期間
とそれにひき続く低電流期間とし、いずれも略定電流特
性としたときの溶接電圧と溶接電源の波形を示す。この
時のアーク電圧を観察すると、アーク発生中の高電流期
間には略増加傾向、低電流期間には略減少傾向を示して
いることが分かる。

１１− 一般に、消耗電極式アーク溶接方法において、アーク電
圧が所定値以下に低下すると、アークが消滅し易くな１
）短絡を起こし易くなることが経験的に知られている。

例えば、溶接ワイヤが直径１゜２ｍ＋ｎのソリッドワイ
ヤで、ＣＯ２ガスシールドの場合、この電圧は１７〜２
０Ｖである。この点を利用するとアーク発生中において
、アーク電圧を観察することによ１）短絡の予知をする
ことが可能となる。即ち、減少傾向のアーク電圧を観察
し、アーク電圧が所定値ＶＡＰＬ　に達した時点で、ア
ーク電流値を低下せしめればよく、また、ＶＡＰＬの値
は、溶接ワイヤの種類、シールドガスの種類などによっ
て適宜選定すればよい。

しかし、ここで問題となるのは、アーク電流の値である
。第７図に示されている様に、アーク電流力状トい高電
流期間では、溶接ワイヤ先端に形成された溶滴は溶融池
に近づくことはなく、極端な場合は、所謂、バーンバッ
ク現象となって、溶接ワイヤが通電チップまで燃え上り
、溶滴が溶融池と短絡することはない。従って、アーク
発生中１２− にアーク電圧を観察して短絡の前兆を検知するには、そ
のアーク電流値は、アーク電圧が減少傾向を示すもので
なければならないことが分かった。

そこで、本発明者等は、溶接ワイヤの送給速度。

アーク電流などの諸条件によって変化する溶滴先端と溶
融池表面との距離！に注目して検討を行ったところ、短
絡の前兆を検知する際のアーク電流値は、溶接ワイヤの
送給速度の値によって適宜選定すれば良いことが分かっ
た。

ここで、溶接ワイヤ先端の溶滴先端と溶融池表面との距
離ｆについて計算すると、以下の式がめられた。即ち、
アークが発生してから１秒後の距離夕は、（１）式でめ
られる。

！　＝　ｉｏ＋　ｒ　＋　（ｍ−ｖ）　ｔ−ｈ　・・・
（１）（１）、（２）式１こおいて、 タｏ：アーク発生時（ｔ＝ｏ）の距離 ｒ　：ｒ＝Ｄ／２　、Ｄ：溶接ワイヤ径ｍ　：溶融速度 Ｖ　：溶接ワイヤ送給速度 また、溶融速度ｍは（３）式で表わされる。

Ｉ　；アーク電流 ■ａミニアノードドロップ陰極降下） Ｒ：溶接ワイヤ電気抵抗 次に、（１）、（２＞、（３）式により、各種の溶接ワ
イヤ送給速度に対し、アーク発生がらの時間ｔ＝　２５
　ｌｌｌｓｅｃ以内に距離での値が常に減少傾向を示す
アーク電流の最大値をめたところ、第８図に示す関係が
得られた。即ち、アーク発生中１こおいて、溶滴先端と
溶融池表面が近づき、アーク電圧が減少傾向を示す限界
電流値曲線をめることができた。従って、アーク発生中
のアーク電流は、第８図に示す限界電流値以下であれば
、アーク電圧は減少傾向を示し、すなわら、溶滴は溶融
池に徐々に接近して短絡に至るので、アーク電圧を観察
することにより短絡の前兆を検知してアーク電流を低下
せしめることが可能となったのである。

ここで、ｔ　”　２５　ｍ５ｅｃとしたのは、２５ｍ５
ｅｃ以内で短絡すれば（短絡回数４０回／ｓｅｅ以上）
、比較的作業性の良好なアーク現象が得られるからであ
り、短絡回数が少なければ、溶滴は大粒となって溶接作
業者【こ良い印象を法えないためで、溶接作業者の好み
によっては、Ｌの値を自由に設定されるべ外ものである
。また、このｔの値は、本発明に何ら影響を与えるもの
ではない。

第９図は上述の第２の実施例の溶接電源の出力制御方法
を行なう制御装置の構成を示しており、アーク発生検知
器２３は、溶接電圧検出器２１から入力される溶接ワイ
ヤと母材間の電圧を示す信号によりアーク発生を検知す
ると、比較器２４に対して信号を出力する。比較器２４
は、アーク発生検知器２３から信号が入力されると動作
を開始する。比較器２４では、溶接電圧検出器２１から
１５− の溶接電圧ＶＡｌ’Ｌ　と基準電圧設定器２２からの予
しめ定められた基準電圧とを比較し、アーク発生中の溶
接電圧＼仏Ｐしが基準電圧と一致すると、溶接電流切替
回路２５に対して信号を出力する。溶接電流切替回路２
５は、比較器２４から信号が入力されると、溶接電源２
６に対して溶接電流を高電流から低電流に低下させるた
めの信号を出力する。

」二連の第２の実施例に関連して、ワイヤ送給速度が大
きい場合には、第８図に示されｔこアーク電流値では、
平均電流が不足し、溶接作業性が悪化する。そこで、本
発明者等は、アーク発生期間をｎ分割しくｎは２以上の
整数）、溶滴が短絡する第ｎ番目の期間は低電流期間、
第１１−１番目の期間はアーク電圧を観察し、短絡の前
兆を検知するために第８図に示された限界電流以下にア
ーク電流を保持する期間、そして、第１＠いから第ｎ−
２番目の期間は溶接ワイヤの送給速度に見合った高電流
期間とすれば良いことを見い出した。第ｎ−１番目の期
間が始まる時点は、第１番目から第ｎ−２番１６− 目までは高電流であり短絡することはないので、任意の
時点に設定し、その時点からアーク電圧を観察し、短絡
の前兆を検知することができる。この場合の溶接電流と
溶接電圧の波形の例を第１０図に示す。第１０図はｎ＝
３の場合であり、アーク発生期間の第２高電流期間の電
流は第８図の限界電流以下にする。

発明の詳細 な説明したように、本発明においでは、アーク発生中に
おいて、溶接電源が定電圧特性であればアーク電流を検
出し、定電流特性であればアーク電圧を検出することに
より、溶滴と溶融池との短絡の前兆を検知して、アーク
電流をそれまでより低下せしめるようにしたか呟スパッ
ター発生量が少く且つ平坦なビードが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は溶滴の形成と移行の過程を示す図、第２図は従
来の溶接電源を用いたときの溶接電流と溶接電圧の波形
を示す図、第３図はスパッターの発生量を低減するよう
にした溶接電流の波形を示す図、第４図はアーク発生か
ら一定時間後に低電流期間を設定した場合の溶接電流と
溶接電圧の波形を示す図、第５図は短絡直前のアーク電
流の変化を示す波形図、第６図は本発明の第１の実施例
を示すブロック図、第７図は高電流期間と低電流期間を
略定電流特性としたときの溶接電圧と溶接電流の波形を
示す図、第８図は溶滴と溶融池との距離ｅが減少傾向を
示す限界電流値を示すグラフ、第９図は本発明の第２の
実施例を示すブロック図、第１０図はｎ＝３の場合の溶
接電流と溶接電圧の波形を示す図である。 １・・・溶接ワイヤ、２・・・溶滴、３・・・アーク、
４・・・溶融池、１１・・・溶接電流検出器、１２．２
１・・・溶接電圧検出器、１３．２３・・・アーク発生
検知器、１４・・・最小アーク電流記憶器、１５・・・
演算器、１６・・・基準電流設定器、１．７．２４・・
・比較器、１８゜２５・・・溶接電流切替回路、１９．
２６・・・溶接電源、２２・・・基準電圧設定器。 特許出願人　株式会社神戸製鋼所 代理人弁理士青山　葆外２名 １９− 智寮 特開昭ＧＯ−１３０４６９（７） −す 　１ 皆智 の　両全 −１回 隼 卜　廓 ￥ 沢 油 軸 ！？　餌　ｈ　− − 儂 特開昭ＧＯ−１３０４６９（８） 智梨　智田 −Ｗ　肇翼 ｆｉｌ室島乙−人

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）消耗電極と溶接母材すなわち溶融池との間で短絡
   とアーク発生とを繰り返す消耗電極式アーク溶接方法に
   おいて、アーク発生時に高電流を印加する高電流期間を
   設け、アーク発生中に消耗電極先端の溶滴が溶融池と接
   触し短絡することの前兆を検知し、溶滴と溶融池との短
   絡直前にはアーク電流をそれまでの電流値より低下せし
   めることを特徴とする溶接用電源の出力制御方法。
2. （２）アーク発生中の溶接用電源の出力特性を略定電圧
   特性とし、アーク発生時の特定の時点のアーク電流値Ｉ
   ＡＰＬと、その特定の時点より任意の時間の経過後のア
   ーク電流値ＩＡＰＭとを測定し、アーク電流値ＩＡＩ’
   −とアーク電流値ＩＡＩ’Ｌ　との差の電流値ΔＩＡＰ
   を演算して、電流値ΔＩＡＰが設定値に達したことを溶
   滴と溶融池との短絡の前兆として検知し、アーク電流を
   それまでの電流値より低下せしめることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の溶接用電源の出力制御方法。
3. （３）アーク発生中の溶接用電源の出力特性に略定電流
   特性とし、アーク発生時より任意の時間の経過後のアー
   ク電圧値ＶＡｐＬ　を測定し、このアーク電圧値ＶＡＰ
   Ｌが設定値に達したことを溶滴と溶融池との短絡の前兆
   として検知し、アーク電流をそれまでの電流値より低下
   せしめることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   溶接用電源の出力制御方法。
4. （４）アーク発生中の溶接用電源の出力特性を略定電流
   特性とすると共に、アーク発生期間をｎ分割し、溶滴が
   溶融池と短絡する第ｎ番目の期間は低電流期間とし、第
   ｎ−１番目の期間は、消耗電極の送給速度によって定ま
   る電流値を保持しながら、溶滴と溶融池との短絡の前兆
   を検知する期間とすることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項及び第３項記載の溶接用電源の出力制御方法。
5. （５）第ｎ−１番目の期間の電流値は、その時のアーク
   電圧が減少傾向特性を有する電流値であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１．第３及び第４項記載の溶接用
   電源の出力制御方法。