JPS6195774A - 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材との開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電源の
出力制御方法に関する。

従来技術 第５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
、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、（ｂ）は溶？Ｉ１２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
生じた短絡後期状態、（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
、（ａ）〜（ｆ）の過程が繰り返される。

上述の消耗電極式アーク溶接法において用いられる従来
の溶接電源では、略定電圧特性の直流電源と電流の立上
りを制限するりアク）ルとが組合せて用いられていた。

第６図はこの従来の溶接電源を用いたときの溶接電圧と
溶接電流の波形を示しており、溶接電圧は溶接ワイヤと
母材との短絡により急激に低下し、溶接電流はりアクド
ルと外部抵抗等により定まる時定数で増加する。溶滴の
溶融池への移衡が終了し、アークが再発生すると、溶接
電圧は急上昇し、溶接電流はりアクドルとアークを含む
外部抵抗により定まる時定数で低下する。

ところで、スパッタが発生するのは、溶ｔ’／Ａが溶接
ワイヤ先端で大すく成長して溶融池と短絡しようとする
瞬間や、溶滴が電磁的ピンチ力によって溶接ワイヤ先端
から切断分ａされる瞬間に、多く観察されることが報告
されている。とくに、後者の場合、従来の溶接電源にお
いては、第６図にみられるように、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により溶
接ワイヤ先端の溶滴の一部を吹き飛ばしてスパッタを発
生させる。

このスパッタの発生原因に鑑みて、本発明者答は、アー
ク再発生の前兆をとらえて、溶接電流を低下させること
により、溶滴の溶融池への移行完了時の供給エネルギー
をアーク再発生に要する最低限としてスパッタの発生を
抑制しようとする方法を既に提案している。この方法は
、従来の溶接電源を用いる場合と比較して、スパッタの
発生量を減少させる上で大きい効果が得られる。

一方、アーク発生から短絡に移行する時に発生するスパ
ッタについては、溶接電流が大どく平均ｉ１接電圧が高
い場合には、その発生量が多いことが知られている。こ
の点に関して、従来の溶接電源では、短絡時とアーク発
生時とに同じり７クトルを使用するので、再短絡時の溶
接電流を任意に調整できず、とくに溶接電流が高レベル
であるときには再短絡時のスパッタを低減できなかった
。

そこで、本発明者等はアーク発生期間を２つの期間に分
け、まず、高電流で溶接ワイヤ先端に溶滴を形成する高
電流期間と、それに続く低電１鹿を保持して短絡を待つ
低電流期間とを設けることにより、スパッタの発生を低
減することを既に提案した。この場合の電流電圧波形を
第７図に示す。

本発明者等は、更に研究を進める内にアーク発生期間に
おける上述の低電流期間の長短がビード形状に大きい影
響を与えることを見い出した。一般に、ビード形状は平
坦であることが望まれるが、この平坦なビード形状を得
るためには、上記低電流期間を短くし、上記高電流期間
を長くして強いアーク力で溶融池を押しつけることが必
要である。

更に、ビードの平坦化にはアーク電圧が高いことが望ま
れるが、この低電流期間の比が大きいとアーク電圧を上
げられない傾向がある。しかるに、溶融池の振動等によ
り一定時間高電流期間を保持する場合には、ｆ起電流期
間はアーク発生期間の約２５％以下にはできなかった。

すなわち、地電流期間を２５％以下にした場合には、低
電流期間になる以前の高電流期間のうちに短絡が生じて
しまい、多量のスパッタを発生することがある。このた
め、安全の上から低電流期間をアーク発生期Ｉｌｌの約
２５％以上とすることが適当であった。しかし、上述の
ように、平坦なビード形状を得るためには低電流期間は
できるだけ短くする必要がある。

また、高電流期間と高電流値、低電流値は設定できるが
、低電流期間は、短絡が生じるまで続くものであり、溶
融池の状態やワイヤの振動などの溶接条件に左右される
ので、低電流期間のアーク発生期間に占める割合も変動
するという欠点がある。

発明の目的 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、短絡の前兆を検知して溶接電流または電圧を短絡
の直前に低下させることにより、スパッタの発生を減少
させるとともに、平坦なビード形状を得ることにあり、
この目的に合致した短絡前兆検知方法と検知信号を用い
と電流または電圧を低下させている期間を最小にする溶
接電源の出力Ｍ偉力法を提供することである。

２功五遭虜 本発明の溶接電源の出力制御方法は、消耗電極を溶接母
材に対して送給し、消耗？［と溶接母材との開で短絡と
アークを交互に繰り返す消耗電極式アーク溶接法のアー
ク発生時において、短絡の前兆を検知し、該検知信号が
出力されている開または該検知信号発生から所定ＭＦＪ
Ｉ、アーク電圧またはアーク電流の設定を通常設定値よ
り低下させ、更に該検知信号の発生が停止した時または
前記所定期間後、再び前記通常設定に戻すことを特徴と
する。

以下、この構成について詳述する。

アーク発生から短絡が生じるまでの電流・電圧は第８図
に典型例として示されるような波形となる。第８図の波
形はアーク発生中は前半のゆるやかな傾斜部と、後半の
水平部とを有する電圧特性の電源で運転されている。第
８図のａに示すように短絡が発生する直前には、アーク
長が非常に短くなり、短時間、アーク電圧が低下し、ア
ーク電流が増加する兆候が現われる。また、これが短い
周期で連続的に発生する場合もある。第８図においては
ｅ点でのアークから安定しｒこ短終に移行したが、ｅ点
（ｅ’点）の電流が高い時には、１５図の（、）のよう
な状態にはならず、Ａ点が再び破断し、この時、溶滴２
が飛散してスパッタを発生させる場合がある。従って、
第８図のａ点において電流または電圧を低下させること
は短絡を確実にし、スパッタを減少させるために非常に
有効である。

ところが、ＣＯ，アーク溶接においてはアークが溶滴の
一部から発生し、かつ、この発生点が移動することがら
溶滴や溶融池を振動させ、加えて、ワイヤ送給速度も必
ずしも一定でなく変動を伴っていることか１８点に示し
たような短絡の前兆が現われても短絡に至らない場合が
ある。すなわち、ａ点と同様な電流・電圧波形がａ点よ
’）　ｎｆｈのｂ点にも観察されるが、上記理由により
再び溶滴と溶融池間がＲ間したものである。

また、アーク再生直後の０点は、短絡が破断した直後で
あり、非常にアーク長が短い時であることか呟短絡の前
兆と同様の電流・電圧波形を示すことがある。

以上のことから、■アーク再生後所定時間は短絡前兆検
知をしないかまたは検知しても電流または電圧を低下さ
せない、この所定Ｍｌｌ′Ｉは短絡前に充分な溶滴が形
成されるまでの時間としても良い。

■短絡前兆を検知したが、その後短絡に至らずアークが
続く場合には、短絡前兆検知信号がなくなった時または
短絡前兆検知信号が発生してから所定時間後に電流また
は電圧の低下を中止し、通常の電流または電圧に復帰さ
せる。こうすることにより、ｂ点以後低い電流または電
圧を続ける場合に比べて、アーク期間中に占める低電流
または低電圧の割合が少なくなったり、その結果、アー
ク力の低下、電圧の低下を最小限にし、平坦なビードを
得つつスパッタを減少させることができる。

次に、短絡前兆検知の方法について述べる。第８図のａ
（ａ’）、　ｔ＋（ｂ’）の短絡の前兆を検出するため
には、電圧または電流検出信号を低周波と高周波を遮断
するフィルタに通過させ、ｄ点に見られるアーク安定の
ために用いている電圧のゆるやかなスロープ（低周波）
やゆるやがな７−ク長変動によるｄ゛点に見られる電流
のゆるやがな振れ（低周波）を除去し、かつ、第８図に
は表われていないがスイッチング電源の場合、電源のリ
ンプル等（高周波）による影響を少なくする。しかる後
、電圧の低下量または電流の増加量があるレベル１こ達
した時に短絡前兆検知信号を発生させる。ここで、電圧
または電流のいずれか一方を用いるだけで良いことは明
らかである。ここで、制御される電源がリップルを含ま
ない場合には低周波遮断のフィルタだけでも良い。

短絡前兆検知は、以下に示す別の方法によってもできる
。ワイヤ径と材質とが〃スの種類が決まった場合に、短
絡直前の電流電圧の関係を実験すると第９図に示すよう
に表わされる。従って、電流と電圧を検出してＶ　＜ｋ
、　Ｉ　＋に、の時（ここでワイヤ：ＹＣＷ−Ｚ、ワイ
ヤ径＝１．２φ、ンールド〃スがＣＯ２の場合に、＝０
．０３６３．　ｋ２＝　１９）短絡前兆検知信号を発生
させれば良い。

固層■ 第１図は上述の溶接電源の出力制御方法を行う制御装置
の構成を示す、溶接ワイヤ送給速度設定回路１１の出力
端子が増幅器１２の入力端子に接続され、この増幅器１
２の出力端子が溶接ワイヤ送給モータ１３に接続される
。この溶接ワイヤ送給モータ１３により、溶接ワイヤ１
が溶接母材４に向けて送給される。溶接電源１４により
、溶接ワイヤ１と溶接母材４との開に溶接電流が供給さ
れる。

ここで電源４はスイッチング電源の一種であるインバー
タ方式の電源であるや溶接電源１４の供給線間に電圧検
出回路１５が設けられ、溶接電源１４と溶接母材４開の
帰線に電流検出回路１６が挿入される。電圧検出回路１
５の出力端子はアーク検知回路２１の入力端子に接続さ
れる。アーク検知回路２１の出力端子はタイマ回路２３
の入力端子に接続されるとともに、論理回路２４の入力
端子２４ｂにも接続される。また、このタイマ回路２３
の制御入力端子２３ａにはワイヤ送給速度設定回路１１
または固定設定回路２８の出力端子がスイッチ２２を介
して選択的に接続される。そして、このタイマ回路２３
の出力端子は論理回路２４の入力端子２４ａに接続され
る。

一方、レベル設定器１８と帯域フィルタ回路１９と比較
器２０とから成る短絡前兆検知回路５０が設けられ、電
圧検出回路１５または電流検出回路１６の出力端子はス
イッチ１７を介して選択的に帯域フィルタ回路１９の入
力端子に接続される。

レベル設定器１８と帯域フィルタ１９の出力端子は、そ
れぞれ比較器２０の入力端子２０ａ、２０ｂに接続され
、比較器２０の出力端子は前記論理回路の入力端子２４
ｃに接続される。論理回路２４の出力端子はスイッチ２
５を介して設定回路２６または遅れ回路２７の入力端子
に選択的に接続される。この遅れ回路２７の出力端子は
設定回路２６の別の入力端子に接ｖｃされる。設定回路
２６の出力端子は前記溶接部＃ｉ１４の制御入力端子１
４ｍに接続される。

次に、短絡前兆検知回路の別の例５０゛を第２図に示す
。

ワイヤ径、ワイヤ材質、シールドガスのいずれか一つ以
上の要素で決定される定数に、、　ｋ、を定めておき、
演算増幅器３０は電流検出回路１６がらの信号Ｉを受け
、ｋ３倍すると同時に定数設定器３１からの信号に２を
加算し、ｋ、　Ｉ　＋に２なる信号を比較器２０゛に出
力する。比較器２０゛は前記演算増幅器３０の出力信号
に、　Ｉ　＋に２と電圧検出回路１５からの信号Ｖを比
較し、Ｖ　＜ｋｌＩ　＋に２なるときに短絡前兆検知信
号を論理回路２４に出力する。

第１図に示した制御装置の動作を説明する。ここで、ス
イッチ１７は電圧検知側に、スイッチ２２は固定設定回
路側に、スイッチ２７は遅れ回路側にそれぞれ接続され
ている場合について説明し、スイッチの池の選択時につ
いては後述する。

溶接ワイヤ送給速度設定回路１１がらの信号で、増幅器
１２．溶接ワイヤ送給モータ１３により、ワイヤ１が母
材４に対して送給される。そして、溶接電源１４から溶
接ワイヤ１と溶接母材４との間に電流が供給され、溶接
部に吹き付けられるシールドガス（図示せず）の雰囲気
中で溶接が行なわれる。比較器２０は、低域および高域
の周波数成分を減衰させる帯域フィルタ１つを介した溶
接ワ　。

イヤ１と母材４との開の電圧を検出する電圧検出回路１
５の出力信号と、レベル設定器１８の信号とを比較し、
帯域フィルタ１９の信号がレベル設定器１８の信号を越
えたとき、短絡前兆検知信号を論理回路２４に出力する
。

アーク検知回路２１は電圧検出回路１５で得られる溶接
ワイヤ１と母材４との間の電圧から短絡が終了し、アー
クが発生したことを検知すると、アーク信号をタイマー
回路２３と論理回路２４に与える。タイマ回路２３はア
ーク検知回路２１からのアーク信号を受けると計時を開
始し、固定設定回路２８からの指示による時間が経過す
ると論理回路２４に許可信号を与える。論理回路２４は
、アーク検知回路２１のアーク信号と、タイマ回路２３
からの許可信号と、比較器２０からの短絡前兆検知信号
とがそろった時に遅れ回路２７を介して設定回路２６に
電圧の設定低下信号を与える。

短絡前兆検知信号がなくなった時には設定は元の通常設
定にもどるが、再び短絡前兆を検出した時、同様の制御
が成される。遅へ回路２７は、論理回路２４からの設定
低下信号が与えられると直に設定低下信号を設定回路２
６に与えるが、設定低下信号が入力されなくなっても一
定期開設定低下信号を与える遅れ動作をするものである
。設定回路２６は溶接電源１４に設定低下制御信号を入
力し、溶接電源１４は所定の制御が成されろ。

スイッチ１７を電流検出器側に倒すと、短絡前兆検知回
路５０は電流信号を得て同様な短絡前兆検知動作を行な
う、スイッチ２２をワイヤ送給速度設定側に切り換える
と、タイマ回路２３はアーク発生後ワイヤ送給速度に対
応した時間だけ経過してから許可信号を論理回路２４に
与える６スイツチ２５を設定器２６側に倒すと、論理回
路２４の設定低下信号は直接設定回路２６に与えられ、
遅れなしの制御が成される。

帯域フィルタは短絡の前兆に関係のない電流または電圧
の変化を除去するために重要である。低周波成分として
ゆるやかなアーク長変動による電流の揺れやアーク安定
を目的として意図的に設定している電圧スロープ等の成
分を除去するためには、２００Ｈｚ以下の周波数を遮断
する必要があり、５００Ｈｚ以下を遮断することが望ま
しい。

また、高周波成分としては、電源がインバータ等のスイ
ッチング電源の場合、電源自身がある周波数のリップル
をもっているため、この影響を除去する必要があり、少
なくともリップルの周波数以上、望ましくはリップルの
周波数の１／２以上の高周波成分を遮断するのがよい。

本発明の制御を用いた場合の典型的波形を第３図、第４
図に示す。この時の条件は以下の通りである。

溶接条件　：　　２６ＯＡ　　２７Ｖ−３０ｃｐｍワイ
ヤ：　　ＪＩＳ、ＹＣＷ−２，１２φン−ルド〃ス：　
ＣＯ２２０ｆ／ｍｉ口制御条件　： 短絡前兆検知に用いた信号として溶接ワイヤと母材間の
電圧を用いた。帯域フィルタは一３ｄＢ点が１．０６Ｋ
Ｈｚで６ｄＢ１０ｃｔの低周波遮断フィルタと、−６ｄ
Ｂ点が４．８２ＫＨｚで１２ｄＢ１０ａｔの高周波遮断
フィルタの組合せである。短絡前兆検知回路検出電圧増
加の検知レベルとして０．５１Ｖ、短絡前兆検知が検知
しなくなってから１ｍ５ｅｃ後に元の電圧に復帰させる
遅れ制御を付加した。

第３図は１回目の短絡前兆（時点の）検知後、短ｉにな
ったもので、設定を低下し、電流が下がつといる時間は
わずかで、アーク期間に占める割合は３．２％だけであ
る。１４図は１回目の短絡前兆（時点＠）検知時には短
絡に至らず、約１．５ｍ５ｅｅ後元の設定に戻り、２回
目短絡前兆（時点Ｏ）検知後、短絡が発生した。この場
合でも電流が下がっている時間のアーク時間に占める割
合は高々５．４％である。仮に、第１回目の検知でその
まま設定を下げていると、電流の低下している時間のア
ーク時間に占める割合は２４％にも及ぶことになる。従
って、ＣＯ２をシールドが又として用いる消耗電極式ア
ーク溶接においては、本発明の制御がビード形状改善と
スパンタ減少の両立に有効であることが明らかである。

次に、従来例との比較性能テストを行った結果を示す。

Ｔｌ：ｉ１２図に示す波形を制御する制御方法。

Ｔ２：第４図に示す波形を制御する制御方法。

Ｔ３：実施例（第３１２Ｉ、第４図）すなわち、本発明
の制御方法。

の３種の１１制御方法で電源の出力を制御し、スパッタ
とビード形状についと比較した。ワイヤ送給速度は８．
４ｍ／ｍ、ワイヤはＹＣＷ−２，１，２φで、シールト
ガ入ＣＯ２を用いた。スパッタは５分間の溶接にシール
１″ノズルに付着したスパッタを測定した。

上表に示されるように本発明の制御方法（Ｔ３）は、主
としてスパッタ減少を主眼として開発された制御方法（
Ｔ１）の波形上りわずかにスパ／りが増加するが、本制
御を用いない制御方法（Ｔ２）と比較して１／２以下の
スパッタ発生量となる効果を有し、かつ、制御方法（Ｔ
１）の欠点である凸ビード形状は完全になくなり、制御
方法（Ｔ２）の波形と同等の７ラツトなビード形状が得
られる。

なお、本発明の短絡前兆検知の効果だけを確認するため
、Ｔ１．Ｔ２．Ｔ３の波形について比較したが、■１〜
Ｔ３の制御においては短絡時の波形制御が行なわれてお
り、これらが行なわれていない従来電源、たとえば第６
図に示す波形の電源のスパッタ発生量は同一条件におい
て１．６〜１．８ｇ／ｌｉｌである。

発明の効果 以上に説明したように、本発明の制御方法によれば、ス
パッタを大幅に減少させつつフラットなビードが得られ
るため、スパッタ除去時間の短縮、ロボッＹ等における
長時間の連続溶接で問題となるシールドノズル付着スパ
ッタ１こよるシールド不良の防止、ビード形状不良など
が防止できるため、溶接の能率向上と品質の向上に非常
に有香である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の溶接電源の出力制御方法を行なう制
御装置の構成を示すブロック図、１＠２図は短絡前兆検
知回路のもう１つの方法を行なう制御装置の構成を示す
図、第３図およびｔｌＳ４図は本発明の溶接電源の出力
制御方法による溶接電圧と電流の波形を示す図、第５図
は溶滴の形成と移行の過程を示す図、第６図は従来の溶
接電源を用いた時の溶接電圧と？８接電流の波形を示す
図、第７図は本発明者等が既に提案した溶接電源の出力
制御方法における溶接電圧・電流の波形を示す図、第８
図はアーク発生から短絡まで短絡前兆検知なせずに通常
電圧で溶接した時の溶接電流、電圧波形を示す図、第９
図は短絡直前の電流、電圧特性を示す図である。 １５・・・電圧検出回路、１６・・・電流検出回路、１
７．２２，２　Ｓ・・・スイッチ、１８・・・レベル設
定器、１９・・・帯域フィルタ回路、２０．２０’・・
・比較器、２１・・・アーク検知回路、２３・・・タイ
マ回路、２４・・・論理回路、２６・・・設定回路、２
７・・・遅れ回路、２８・・・固定設定回路、３０・・
・演算増幅器、３１・・・定数設定器、５０．５０’・
・・短絡前兆検知回路。 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 手続補正書 昭和６０年９　月３０日

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）消耗電極を溶接母材に対して送給し、消耗電極と
   溶接母材との間で短絡とアークを交互に繰り返す消耗電
   極式アーク溶接法のアーク発生時において、短絡の前兆
   を検知し、該検知信号が出力されている間または該検知
   信号発生から所定期間、アーク電圧またはアーク電流の
   設定を通常設定値より低下させ、更に該検知信号の発生
   が停止した時または前記所定期間後、再び前記通常設定
   に戻すことを特徴とする溶接電源の出力制御方法。
2. （２）上記短絡の前兆検知は、アーク電圧またはアーク
   電流信号をフィルタを通して短絡前兆に関係のないアー
   ク電圧またはアーク電流の変化を除去した信号とし、該
   信号と検知レベル設定値と比較し、前記信号が検知レベ
   ル設定値以上である時、短絡前兆検知信号を出力するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の溶接電源の
   出力制御方法。
3. （３）上記短絡の前兆検知は、アーク電流Ｉとアーク電
   圧Ｖを検出し、ワイヤ径、ワイヤ材質、シールドガスの
   いずれか１つ以上の要素で決定される定数ｋ＿１、ｋ＿
   ２を定め、Ｖ＜ｋ＿１Ｉ＋ｋ＿２の条件を満足する時、
   短絡前兆検知信号を出力することを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載の溶接電源の出力制御方法。
4. （４）フィルタは低域遮断周波数が２００Ｈｚ以上であ
   る低域遮断フィルタであることを特徴とする特許請求の
   範囲第２項記載の溶接電源の出力制御方法。
5. （５）フィルタは低域遮断周波数が２００Ｈｚ以上であ
   り、かつ、高域遮断周波数が制御されるスイッチング方
   式のリップル周波数以下である帯域フィルタであること
   を特徴とする特許請求の範囲第２項記載の溶接電源の出
   力制御方法。