JPS6044181A - 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】 〔技術分厭〕 この発明は短絡とアーク発生とをくり返す短絡を伴なう
アーク溶接における溶接電源の出力制御方法に関する。

〔従来技術の問題点〕

短絡とアーク発生とを繰シ返す消耗電極式アーク溶接法
においては、定電圧特性を有する直流電源が多く用いら
れている。この定電圧特性とは、出力の平均電圧を一定
に保持するものであり、負荷端の電圧は一定ではない。

上述の様な直流電源を用いた場合の溶接電流及び電圧の
出力波形は、第１図及び第２図に示すように、溶接電流
ｔユ、消耗電極（以下溶接ワイヤという）先端に形成さ
れた溶滴が溶融池と接触して溶接ワイヤと被溶接母材が
短絡した瞬間から電源回路が有する時定数によシ定まる
増加率でアークの再発生まで増加し続ける。さら圧、溶
接電圧も溶接電流に応じて変化する。そして、アークの
再発生後は、溶接電流は電源回路の時定数で定まる減少
率で溶接ワイヤと母材とが短絡するまで減少するＯ ところで、溶接アークの現象を高速度カメラなどで撮影
してスパッタの発生状況を観察すると、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に
スパッタが多く発生するのが見られる。これは、スパッ
タの発生原因は、主に、溶接ワイヤ先端に形成された溶
滴あるいは溶滴の一部がアーク再発生時のアークの放電
エネルギによる反発力で吹き飛ばされるものと考えられ
る。

従来の定電正直流電＃を使用するとスパッタの発生量が
多いのは、第１図に示すように、この定電圧直流電源の
溶接電流出力がアーク再発生の瞬間に最も高い値となシ
、このアークの反発力が最大になる時に溶接ワイヤ先端
の溶滴の一部が吹き飛ばされることが原因である。

この様に、従来の定電圧直流電源を用いた場合には、ス
パッタの発生量が多く、このために溶着効率の低下、母
材に付着したスパッタの除去作業などによる溶接作業の
能率低下を招くとともに、飛散したスパッタが溶接トー
チに取り付けられたシールドノズルに付着し、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
気中の窒素が混入乙で溶接部の機械的性能の劣化を引き
起こすなどの問題点を生じていた。

本発明者は、上述の問題点に鑑みて、第３図に示すよう
にアーク再発生の瞬間に溶接電流を低下させ、アークの
反発エネルギを溶滴が吹き飛ばされない程度に制御する
ことによシ、スパッタの発生量を減少せしめる方法を既
に発明した。この場合、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の２０〜４０係程度にまで減
らすことができた。

上述の溶接電流の制御方法では、溶接ワイヤ先端の溶滴
が母材と短絡した直後より短絡状態が確実となるまで溶
接電流を流さない遅延時間（Ｉｌｌ　８８）を設定し、
短絡が確実となったら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。その
後、溶滴の溶融池への移行がほぼ完了し、再びアークが
発生する直前に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上述の様に溶接電流を低下せし
め、アークの反発エネルギを小さくすることにより、上
述の如くスパッタを減少させることができた。

前述の様にアーク再発生時の電流値が小さい方がスパッ
タの発生量が少ないが、上記方法ではアーク発生の前兆
を検出するまで溶接電流は一定値（Ｉｓｐ）に保持され
ているので、当該溶接装置の電源装置の外部配線等のイ
ンダクタンスが大きい場合には、アーク再発生時に溶接
電流値を十分に低減することができず、スパッタの発生
量を必ずしも少なくすることができなかった。

〔発明の目的〕

この発明は、従来の消耗電極式アーク溶接法における上
述の問題点を解決するためになされたものであり、短絡
時の負荷電圧を制御することにより、スパッタの発生を
確実に低減できるようにした溶接電源の出力制御方法を
提供することを目的とする。

〔発明の概要〕 この発明による溶接電源の出力制御方法においては、溶
接ワイヤと母材との短絡時の負荷電圧を検出して、この
検出値が所定の設定値と等しくなるように負荷電圧を制
御する。

まだ、この発明による溶接電源の出力制御方法においで
は、短絡時の負荷電流を検出し、この検出値が所定の設
定値と等しくなるように負荷電流を制御する電流制御期
間を有し、この電流制御期間の後に電流制御期間中の負
荷電圧を設定値とする電圧制御に切換える。

〔発明の原理〕

第４図は溶接ワイヤと母材間の短絡とアーク発生の移行
の状態を示しておシ、（ａ）　Ｕ溶接ワイヤ１０１の　
先端部の溶滴１０１ａと母材１０２との短絡直後の状態
、（ｂ）は短絡して溶滴が母材の溶融池へ移行する状態
、（Ｃ）は溶滴の母材への移行が進んで溶接ワイヤ先端
部にくびれが生じた状態、（ｄ）は溶接ワイヤと母材が
離れてアーク再発生に至る状態を夫々示している。

この場合の溶接１・−チと母材間の抵抗値は、第５図に
示すように変化する。第５図の点ａ、ｂ。

ｃ、ｄは第４図の（ａ）　、　（ｂ）　、　（Ｃ）　、
　（ｄ）の各状態における抵抗値に夫々対応している。

点ａで短絡が始まシ、点ｄでアークが再発生する。点ａ
と点すの間は短絡の初期で、溶滴と溶融池との接触が強
固になってゆく過程であり、抵抗値が減少する。点すか
ら点Ｃの間では溶滴が溶融池へ表面張力で引き込まれて
ゆくと同時に、溶接ワイヤの突出し部がジュール加熱さ
れて抵抗値が増大していく。点Ｃから点ｄの間では溶接
ワイヤ先端の短絡部のくびれが進行して接触断面積が急
激に減少し、抵抗値が急増する。そして、ｄ点でアーク
発生に移行する。

本発明においては、短絡時の負荷電圧を制御して、上述
の溶接ワイヤと母材間の抵抗変化に応じてアーク再発生
時には溶接電流を急激に減少させて、スパッタの発生量
を少なくする。

〔実施例〕

以下の実施例は、短絡期間とアーク発生期間を交互に繰
り返す消耗電極式アーク溶接法において、短絡期間から
アーク発生期間に移行するときに溶接電流を減少させる
溶接電源の出力制御に関するもので、アーク発生期間の
出力制御については従来と同様でろる。

第１の実施例は、第６図に示すように、電圧検出器１で
溶接ワイヤ２と母材３との間の負荷電圧を検出し、この
電圧検出器１の出力信号により短絡検出回路４が溶接ワ
イヤ２と母相３とが短絡状態にならたことを検出してス
イッチ５を端子５ａ側に閉じると、短絡電圧設定器６か
らの短絡時の電圧設定値が誤差増幅器７に入力される。

誤差増幅器７では、電圧検出器１からの負荷電圧とこの
電圧設定値との差に応じた信号を出力回路８へ出力し、
出力回路８では、溶接ワイヤ２と母材３間の負荷電圧が
設定値になるように電源（不図示）からの給電を制御す
る。

この場合、短絡時の負荷電圧をＥ、溶接ワイヤ２と母材
３間の抵抗をＲとすると、溶接電流は■−Ｅ／Ｒとなシ
、負荷電圧Ｅを上述のように一定となるように制御する
と、第５図に示す溶接ワイヤー母材間の抵抗変化により
、溶接電流は、第７図に示すように、短絡状態からアー
ク再発生に移行するときに急激に減少する。したがって
・アーク再発生に移行した時の溶接電流が減少する結果
、アークの反発力を弱めてスパッタの発生を少なくする
ことができる。

なお、アーク発生に移行すると、電圧検出器ｌからの信
号によシ短絡検出回路４が短絡状態でないことを検出し
、スイッチ５が端子５ｂ側に閉じられて、アーク電圧設
定器９からのアーク電圧設定値が誤差増幅器７に入力さ
れ、アーク発生時の負荷電圧がこのアーク電圧設定値に
なるように制御される。

第２の実施例は、溶接ワイヤの送給速度と負荷電圧との
相関関係を利用したものである。第８図は溶接ワイヤ送
給速度と適正負荷電圧の関係を示しており、図中の斜線
部が適正な範囲となり、この斜線部より下になると、短
絡時間が急激に長くなるとともに、未溶融の溶接ワイヤ
が溶融池の底部に突き当って安定した溶接が困難になる
。また、斜線部より上になると、電流が過大となシ、ア
ーク再発生にスパッタの発生が増えるとともに、短絡し
た瞬間に大電流が流れるため、十分に溶滴が溶融池と結
合しないうちにピンチ力で溶滴と溶融池との接触部が遮
断され、安定した短絡移行が困難となる。第２の実施例
では、この溶接ワイヤ送給速度と適正負荷電圧との関係
から、溶接ワイヤ送給速度に応じて短絡時の負荷電圧を
設定する。

第９図に示すように、送給速度設定器１１からの溶接ワ
イヤ２の送給速度の設定値が速度制御回路１２へ入力さ
れ、速度制御回路１２では溶接ワイヤ２の送給速度がこ
の設定値になるように溶接ワイヤ送給装置１３を駆動す
る。送給速度設定器１１からの送給速度設定値は、また
、短絡電圧設定器６に入力され、この短絡電圧設定器６
から上述の溶接ワイヤ送給速度に応じた適正負荷電圧で
ある短絡電圧設定値が出力される。そして、溶接ワイヤ
２と母材３とが短絡状態になると、第１の実施例と同様
にして、スイッチ５が端子５ａ側に閉じて短絡電圧設定
器６からの短絡電圧設定値が誤差増幅器７に入力され、
負荷電圧がこの短絡電圧設定値になるように制御され、
この結果、アーク再発生時の溶接電流を減少させてスパ
ッタの発生量を少なくする。

第３の実施例は、使用する溶接ワイヤの種類に変更する
。溶接ワイヤの種類、例えば材質が鋼又はアルミニウム
等、又は溶接ワイヤの構造がンリツドワイヤであるかコ
アードワイヤであるか等、さらに溶接ワイヤの直径が１
２ｍｍであるか１．６龍であるか等によシ適正な短絡電
圧が異なることは明らかである。

第１０図に示すように、スイッチ１５からの溶接ワイヤ
の構造がソリッドか又はコアー−ドがを示す信号と、ス
イッチ１６からの溶接ワイヤの直径が１，２朋か又は１
．６朋かを示す信号とが短絡電圧設定器６に入力され、
短絡電圧設定器６ではこの設定された溶接ワイヤの種類
に応じて送給速度設定器１１からの送給速度設定値に対
して適正な短絡電圧設定値を出力する。負荷電圧の制御
動作は上述の実施例と同様である。

第４の実施例は第１の実施例を改良したものである・第
１の実施例では実験室的には極めて良好な結果を持たら
し、この制御が有効なことを示すが、現場で実際に溶接
作業を行なうに際して、負荷電圧の検出用端子を接続す
る場所によシ適正電圧がわずかに変化する。これは溶接
ワイヤと母材間の抵抗以外にトーチケーブルや母材の抵
抗が関与するためで、これらの外乱となる要因を取り除
いたのが第４の実施例である。

第１１図はこの第４の実施例の構成を示しており、第１
２図と第１３図は負荷電圧と負荷電流の時間変化を夫々
示す。電圧検出器１からの信号により短絡検出回路４が
短絡を検出すると、タイマ２５がカウントを開始すると
ともに、スイッチ２１を端子２Ｉａ側に閉じて電流制御
モードとする。

この電流制御モードでは、短絡電流設定器２２からの短
絡電流の設定値と電流検出器２３からの負荷電流値とが
誤差増幅器２４に入力され、誤差増幅器２４から短絡電
流の設定値と負荷電流値との差に応じた信号がスイッチ
２１を介して出力回路８に入力される。そして、出力回
路８は、負荷電流がこの短絡電流設定値■になるように
電源（不図示）からの給電を制御する。

電流制御モードが開始してから負荷電流が設定値■に達
しだ時又はタイマ２５がタイムアツプした時（第１３図
Ａ点）に、サンプルホールド回路２６は電圧検出器１か
らのこの時の負荷電圧値を記憶する。そして、スイッチ
２１が端子２Ｉｂ側に閉じられて、電圧制御モードに切
シ換えられる。

電圧制御モードでは、サンプルホールド回路２６で記憶
した電流制御モードから電圧制御モードへの切換時の負
荷電圧値がスイッチ５を介して誤差増幅器７へ入力され
る。そして、誤差増幅器７では電圧検出器１からの負荷
電圧とサンプルホールド回路２６からの負荷電圧の記憶
値との差に応じた信号を出力し、この信号がスイッチ２
１を介して出力回路８に入力される。そして、上述の実
施例と同様の方法で、負荷電圧がサンプルホールド回路
２６の記憶値になるように制御が行なわれる。

上述のよって、短絡の初期には電流制御を行なうことに
よシ外部回路の抵抗にかかわらず一定の負荷電流を流す
ことができ、適正電圧の変動を無くするとともに、短絡
の後期には電圧制御を行なうことによシ上述の実施例と
同様の方法でスバツタの発生量を少なくすることができ
る・第５の実施例は、上述の短絡電流の設定値工を溶接
ワイヤ送給速度の関数として設定する。この溶接ワイヤ
送給速度と短絡電流との関係は、上述の第８図の溶接ワ
イヤ送給速度と負荷電圧との関係からめられる。第１４
図に示すように・送給速度設定器１１からの溶接ワイヤ
の送給速度の設定値が、速度制御回路１２に入力され、
この速度制御回路１２により溶接ワイヤの送給速度が設
定値になるように溶接ワイヤ送給装置Ｊ３が駆動される
。送給速度設定器１１からの送給速度の設定値は、さら
に、短絡電流設定器２２に入力され、短絡電流設定器２
２から送給速度に応じた適正な短絡電流の設定値が出力
される。そして、この短絡電流の設定値にもとづいて上
述の電流制御モードが行なわれる。

第６の実施例は、上述の短絡電流の設定値工を溶接ワイ
ヤ送給速度とともに溶接ワイヤの種類に・応じて設定す
る。第１５図に示すように、短絡電流設定器２２には送
給速度設定器１１からの送給速度設定値とスイッチ１７
からの溶接ワイヤの材質がステンレスか鋼かを示す信号
とスイッチ１６からの溶接ワイヤの直径が１．２韻か１
６朋かを示す信号とが入力される。そして、短絡電流設
定器２２からはこの溶接ワイヤ送給速度と溶接ワイヤの
種類に応じた短絡電流の設定値が出力され、電流制御モ
ードにおいてはこの短絡電流設定値にもとづいて電流制
御が行なわれる。電圧制御モードの動作は上述の第５の
実施例と同様である。

第７の実施例は、溶滴のくびれを検出したときに電源の
出力を禁止することによって、よりいっそうアーク再発
生時の負荷電流を減少させる。第１６図において、第１
の実施例と同様に、短絡電圧設定器６からの短絡電圧の
設定値にもとづ−て負荷電圧の制御が行なわれる。そし
て、前述のように短絡後期に溶滴のくびれが生じると、
抵抗の増大とともに負荷電流が減少する。電流検出器２
３からのこの負荷電流値がコンパレータ３１へ入力され
、コンパレータ３１ではこの負荷電流値が下限電流設定
器３２からの予じめ設定された下限電流値と比較される
。負荷電流が減少して下限電流値よシ小さくなると、コ
ンパレータ３１からの信号によりスイッチ３３が端子３
］ｂ側に閉じられ、誤差増幅器７から出力回路８への信
号の入力が停止して、出力回路８によシミ源からの出力
が禁止される。この場合、第１の実施例における定電圧
運転の場合よシアーク再発生時の急激な電流低減が達成
できる。

この第７の実施例は、溶接ワイヤ送給速度が早く、短絡
電圧が高い時に有効である。さらに、外部インダクタン
不が大きく負荷電流の減衰に時間がかかる場合には、と
の溶滴のくびれ検出信号により、電源６の出力を禁止す
るとともに還流回路の時定数を減少させるように構成し
てもよい。

第８の実施例は、第４の実施例においてさらに溶滴のく
びれを検出して電源出力を禁止することにより、アーク
再発生時の負荷電流を低減する。

第１７図に示すように、短絡後期に溶滴のくびれが生じ
て抵抗が増大し、電流検出器２３からの負荷電流値が短
絡電流設定器２２からの短絡電流設定値よシΔ工設定器
４１の設定値ム■だけ低下した時（第１３図Ｂ点）をア
ーク再発生の前兆としてとらえ、この時のコンパレータ
４２からの信号によシスイッチ３３を端子３３ｂ側に閉
じて、誤差増幅器７から出力回路８への信号入力を停止
して翫電源出力を禁止する。この結果、第１３図に破線
で示すように、アーク再発生時の負荷電流の急激な低減
が達成できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明においては、溶接ワイヤと
母料との短絡時に適正な電圧設定値にもとづいて定電圧
制御を行なうので、溶滴のくびれの進行にともなって負
荷電流が減少し、従来の定電流制御の様に溶滴のくびれ
検知によシミ流を減少させる場合よシも、アーク再発生
時の負荷電流を低く押えることができ、スパッタの発生
量の減少が著しくなる。また、溶融池等の振動で溶滴の
くびれが止まりさらに再び太くなる場合に自動的に出力
を増大できる。

また、本発明によれば、溶接ワイ雲の送給速度さらには
溶接ワイヤの種類に応じて短絡時の電圧設定値を調整で
きるようにしたから、送給速度の低い場合から早い場合
まで対応が可能になる。さらに、本発明においては、短
絡の初期において電流制御モードで所定の電流を流した
後、電流制御モード時の電圧を保持するように電圧制御
を行なうようにしたから、トーチケーブルや母材の抵抗
による電圧降下の影響を無くすることができる。

さらに、負荷電流が所定値以下に減少したときをアーク
再発生の前兆としてとらえ、電源出力を禁止することに
より、スパッタの発生を大幅に減少させることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の消耗電極式アーク溶接方法の電流波形を
示す波形図、第２図は従来の消耗電極式アーク溶接方法
の電圧波形を示す波形図、第３図はスパッタの発生量を
少なくした消耗電極式アーク溶接方法の電流波形を示す
波形図、第４図は溶接ワイヤと母材間の短絡とアーク発
生の移行の状態を示す図、第５図は溶接トーチと母材間
の抵抗値の時間変化金示すグラフ、第６図は本発明の第
１の実施例を示すブロック図、第７図は定電圧制御時の
負荷電流の変化を示すグラフ、第８図はワイヤ送給速度
と適正負荷電圧との関係を示すグラフ、第９図は本発明
の第２の実施例を示すブロック図、第１０図は本発明の
第３の実施例を示すブロック図、第１１図は本発明の第
４の実施例を示すブロック図、第１２図（は電流制御期
間と電圧制御期間の電圧波形を示す波形図、第１３図は
電流制御期間と電圧制御期間の電流波形を示す波形図、
第１４図は本発明の第５の実施例を示すブロック図、第
１５図は本発明の第６の実施例を示すブロック図、第１
６図は本発明の第７の実施例を示すブロック図、第１７
図は本発明の第８の実施例を示すブロック図である。 １・・・電圧検出器、２・・・溶接ワイヤ、６・・・短
絡電圧設定器、７・・・誤差増幅器、１１・・・送給速
度設定器、１５，１６．１７・・・スイッチ、２２・・
・短絡電流設定器、２３・・電流検出器、２４・・・誤
差増幅器、２５・・・タイマ、２６・・・サンプルホー
ルド回路、３１．４２・・・コンパレータ、３２・・・
下限電流設定器５４１・・・ムＩ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 第１図 時間 第２図 時間 第３図 第４図 （ａ）　（ｂ）　（ｃ）　（ｄ） 第５図 第６図 第７図 第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）短絡を伴なう溶接に用いる溶接電源の短絡時の出
   力制御方法において、短絡時の負荷電圧を検出し、この
   検出値が所定の短絡電圧設定値と等しくなるように負荷
   電圧を制御するととを特徴とする溶接電源の出力制御方
   法。 （２）短絡電圧設定値は溶接ワイヤの送給速度の関数で
   ある特許請求の範囲第１項に記載の方法、（３）短絡電
   圧設定値は溶接ワイヤの送給速度と溶接ワイヤの種類に
   対応している特許請求の範囲第１項に記載の方法。 （４）短絡を伴なう溶接に用いる溶接電源の短絡時の出
   力制御方法において、短絡時の負荷電流を検出し、この
   検出値が所定の短絡電流設定値と等しくなるように負荷
   電流を制御する電流制御期間を有し、この電流、制御期
   間中の負荷電圧を検出して記憶し、電流制御期間の後に
   上記負荷電圧の記憶値を短絡電圧設定値とする電圧制御
   に切換えることを特徴とする溶接電源の出力制御方法。 （５）短絡電流設定値は溶接ワイヤの送給速度に対応す
   る特許請求の範囲第４項に記載の方法。 （６）短絡電流設定値は溶接ワイヤの送給速度と溶接ワ
   イヤの種類に対応する嘴許請求の範囲第４項に記載の方
   法。 （７ン　負荷電流を検出し、この検出値が所定値以下に
   なったことをアーク再発生の前兆としてとらえて電源出
   力を低下させる特許請求の範囲第１項、第２項及び第３
   項に記載の方法。 （８）電圧制御期間における負荷電流が所定値以下にな
   ったことをアーク再発生の前兆としてとらえて電源出力
   を低下させる特許請求の範囲第４項、第５項及び第６項
   に記載の方法。