JPS6331304B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、ガスシールドアークにおける短絡
移行形溶接において、短絡回数を多くすること、
すなわち高速で短絡させることによつて、従来よ
りも高速溶接を可能にするための制御方法に関す
るものである。

従来短絡移行形溶接を行う装置として、炭酸ガ
ス直流アーク溶接機やマグ溶接機が代表的なもの
であるが、この種の装置としては第１図に示すよ
うな回路で構成されている。

図において、１は三相変圧器、２はこの三相変
圧器１に接続され、整流および点弧角を制御する
サイリスタスタツク、３はワイヤ送給速度設定
器、４はモータ駆動回路、５はモータであり、ワ
イヤ送給速度設定器３で設定された速度でモータ
５を駆動回路４によつて駆動する。６はモータ５
に直結されたローラで、加圧ローラ７とによつて
ワイヤリール８に巻かれたワイヤ９を送給する。

上記サイリスタスタツク２のプラス端子は、図
示していないがコンタクトチツプに接続され、前
記コンタクトチップからワイヤ９に給電される。
前記サイリスタスタツク２のマイナス端子は、直
流リアクトル１０を介して母材１１に接続されて
いる。１２はアーク電圧設定器であり、点弧角調
整器１３を介してサイリスタスタツク２に接続さ
れている。１４は溶接中のアークであり、前記ワ
イヤ送給速度設定器３と前記アーク電圧設定器１
２をバランス良く調整することによつて、略安定
なアーク１４が維持できる。

次に動作について説明する。溶接トーチ（図示
していない）に取りつけられたスイツチを入にす
ると、前記ワイヤ送給速度設定器３で調整された
速度で溶接ワイヤ９を送給すると同時にシールド
ガスが溶接トーチのノズルを介して前記溶接ワイ
ヤ９の回りを流れる。また、前記アーク電圧設定
器１２で設定されたアーク電圧になるように、点
弧角調整器１３によつて点弧角を調整し、サイリ
スタスタツク２によつて整流されアーク電圧を所
定の値に調整する。

ワイヤ９が母材１１と短絡すると、電流はサイ
リスタスタツク２のプラス端子からワイヤ９、母
材１１、直流リアクトル１０の順に流れ、前記ス
タツク２のマイナス端子に戻る。

この時、ワイヤ９の先端が大きな短絡電流によ
つて溶断しアークを発生する。前記リアクトル１
０は短絡移行溶接の状態を略最適に保つために、
短絡給電流の立上りを規定するために設けられて
いる。

以上のような回路によつて、ワイヤ９の先端と
母材１１が規則的に短絡するような短絡移行形の
アーク溶接を行うと、通常は第２図に示すような
電流、電圧波形となる。

第２図において、９および１４は第１図と同じ
ものを示し、９はワイヤ、１４はアーク、１１は
母材である。前記第１図で示した回路において、
溶接電源の特性は、略定電圧特性の適当なインダ
クタンスを持つた溶接電源となつており、出力電
圧も低く設定されている。したがつて、アーク長
は、きわめて短くワイヤ９が送給されると第２図
に示すようにアーク１４によつて溶融されたワイ
ヤ端金属と、溶融された母材との短絡が生じる。
短絡接触がおこると短絡電流によるピンチカによ
つて局部がくびれ、ワイヤ端金属が母材側へ移り
アークが再生する。

この場合、短絡電流があまり過大であるとアー
クの再生時に溶融金属がスパツタとなつて飛散す
るので、第１図の直流リアクトル１０を加えるな
どして電源回路のインダクタンスを適当にして電
流の急増を抑制している。

このように、ワイヤ端溶融金属の大部分を短絡
状態で、母材側へ移行させる方法をとれば、入熱
を制御した状態で溶接が行われるので、溶融金属
に温度は比較的低く粘性が高くなつて薄板溶接に
好都合である。

なお、第２図中電流、電圧波形中に記入してあ
る〜は、同図上部に示したワイヤ９上に記入
した〜の現象となる電流、電圧の位置を示す
ものである。

以上の理由で短絡移行溶接は、薄板の溶接に多
用されているが、このアーク特性を十分に発揮す
るためには、１秒間あたりの短絡回数が重要な因
子となる。すなわち短絡回数を安定に大きくでき
る溶接機ほど、毎分１〜1.5ｍを超すような高速
の溶接においても、安定した溶接が可能である。

第３図は、前記第１図に示すような溶接装置に
おいて、各電流値において安定に溶接できる最大
の短絡回数を測定したものである。第３図におい
て短絡回数は150A付近で最大となり、200Aを越
えると、回数は徐々に減少する。また、溶接速度
が150cm／分と速い場合には60cm／分の遅い場合
に安定していた短絡回数を維持できず、10〜20回
程度減少する。

一般に1.5ｍ／分以上の高速溶接を行う場合に
は、たとえば板厚が1.6mmあるいは2.0mm程度の薄
板であつても必要な溶接電流は200Aをかるく越
してしまうため、高速溶接を試みる場合には、低
電流域の短絡回数よりも、200A以上の高電流に
おける短絡回数が重要である。従来の溶接機の短
絡特性は、回路のインダクタンスに大きく左右さ
れるため、高電流域での良好な短絡移行形溶接は
望めず、短絡回数が減少するために、スパツタ粒
子が大粒となつたり、スタツビングによるビード
切れが発生するという欠点があつた。

第４図は従来の溶接機を用いて高速溶接を行つ
た場合のビード外観であり、ビード切れが発生し
ている。

この発明は上記のような従来のものの欠点を除
去するためになされたもので、溶接電流波形に比
較的高い略一定のパルス数をもつたパルス溶接電
流を用い、パルスの一周期間のエネルギーをワイ
ヤ送給量に略比例して制御することによつて、母
材とワイヤ溶接端とが高速で短絡をくり返すよう
にすることによつて、高速溶接が容易にできる方
法を提供することを目的としている。

以下この発明の一実施例について説明する。第
５図において１〜１４（但し２，１０，１２，１
３は除く）は第１図に示したものと同様のもので
構成されており、１は三相変圧器、３はワイヤ送
給速度設定器、４はモータ駆動回路、５はモー
タ、６はローラ、７は加圧ローラ、８はワイヤリ
ール、９はワイヤ、１１は母材、１４はアークで
ある。１５は整流器であり、三相変圧器１に接続
され、前記整流器１５の出力はそれぞれ母材１
１、およびトランジスタ１６のコレクタに接続さ
れ、前記トランジスタ１６のエミツタは図示して
いないがコンタクトチツプを介してワイヤ９に接
続されている。ワイヤ送給速度設定器３の出力は
モータ駆動回路４に入力され、その出力はモータ
５に接続されて、ローラ６を回転させ、第１図で
示したものと同様にワイヤ９を送給する。

また、１７はアーク電圧を検出する電圧検出器
であり、溶接ワイヤ９および母材１１に接続さ
れ、その出力電圧は前記ワイヤ送給速度設定器３
に接続された関数発生器１８の出力電圧と比較器
１９で比較され、前記比較器１９の出力は、パル
ス幅設定器２０に入力され、前記パルス幅設定器
２０の出力はトランジスタ駆動回路２１に入力さ
れる。２２および２３はパルス周波数設定器およ
びピーク電流設定器であり、各々の出力は前記ト
ランジスタ駆動回路２１に入力され、駆動回路２
１の出力は前記トランジスタ１６のベースに入力
されて、所定のパルス周波数、ピーク電流、パル
ス幅のパルス電流をアーク１４に供給している。
上記、電圧検出器１７によつてアーク電圧を検出
することは、平均溶接電圧を一定にするためであ
る。即ち、消耗性のアーク溶接機では、アーク長
さとアーク電圧とは略比例関係にあり、良好な溶
接を継続すためにはアーク長さを一定にする必要
がある。従つて、アーク長さを一定にすること
は、平均溶接電圧を一定にするということであ
る。

次に動作について説明する。

ワイヤ送給速度設定器３で調整された速度でワ
イヤ９が送給されるが、前記ワイヤ送給速度設定
器３の出力に応じてアーク電圧を自動指令する関
数発生器１８の出力と、アーク電圧の出力とが比
較されてパルス幅設定器２０に入力され、前記関
数発生器１８で指示されたアーク電圧になるよう
に、パルス幅を調整して、アーク電圧を制御す
る。パルス周波数設定器２２およびピーク電流設
定器２３では、予めパルス周波数およびピーク電
流が調整されており、トランジスタ駆動回路に入
力されて、電流波形としては第６図に示すような
パルス電流波形をアーク１４に供給する。

第６図において前記ワイヤ送給速度設定器３の
出力が大きくなると、すなわちワイヤ送給速度が
速くなると、予め関数発生器１８で定められたア
ーク電圧となるように、パルス幅がａ，ｂ，ｃの
順に大となるように自動調整される。

このような電流波形を用いて、前記ワイヤ９の
先端と母材１１を積極的に短絡させるような短絡
移行形のアーク溶接を行うと、第７図に示すよう
にパルス電流の終了部付近イで前記ワイヤ９と母
材１１が短絡し、パルス電流が切れる過程、ロで
アークが発生し、少なくとも３パルスに１度はパ
ルスに同期して短絡とアークを繰り返すことを可
能とする。

第６図および第７図に示すパルス電流波形によ
つて短絡移行溶接を行うと、ほぼパルスに同期し
て短絡とアークが繰り返される理由は第８図に示
すようにパルスのバツクグラウンド電流I_B期間で
前記ワイヤ９の先端が幾分溶融され(i)、次にパル
ス電流が印加されるとパルスのピンチ効果によつ
て先端の溶滴上部がくびれ(ii)、溶滴全体が引き伸
ばされるために、溶滴先端と母材溶融部との距離
が強制的に短くなり、短絡しやすい状態となる。
この結果次の過程(iii)ではワイヤ先端と母材が短絡
するが、短絡した時の電流値は、パルス期間中の
ため高い電流値に設定されているため、非常に高
速は短絡が解かれ、パルス電流の終了付近におい
て溶滴がパルス電流のピンチ力によつて切断され
(iv)、パルス電流がバツクグラウンド電流に移る過
程で再びアークを再生する。この状態を各パルス
毎にくり返すため、短絡とアークがほぼパルスに
同期するか、又は少なくとも３パルスに１度はパ
ルスに同期することになる。

したがつて、この発明ではアーク発生中のパル
スによりピンチ力によつて溶滴をひきのばして短
絡しやすくかつ切断されやすい状態とし、かつ、
短絡時には高いピーク電流によつて、アークの再
点弧を容易にすることによつて高速で短絡させる
ことを可能にしている。なお、すでに記憶したよ
うに高速溶接を行う場合には、短絡回数を大きく
とつてもスタツピング等に現象が発生しないこと
が必要であるが、この発明において、パルス周波
数を150〜350Hz、ピーク電流をワイヤ径が1.2mm
φでは300〜500A、1.6mmφでは400〜700A、0.9
〜1.0mmφでは200〜400Aの範囲に設定し、所定
のアーク電圧になるようにパルス幅を調整するこ
とによつて短絡回数を増加させることが可能にな
つた。例えば第９図に示すように1.2mmφワイヤ
では平均電流が200A以上の領域では従来方法に
比べ約２倍の短絡回数を容易に維持できる。

またこの発明によれば、溶接速度が低速域でも
高速域でもほとんど変化しない安定した溶接が可
能である。

第１０図はこの発明における高速溶接における
ビード外観であり、従来法のようにビード切れが
発生せず、高速まで安定に溶接可能である。

なお、この発明においてパルス周波数は150〜
350Hzの範囲が適当であるが、図１１に示すよう
にパルス周波数と短絡回数の関係は、150Hz〜350
Hzの間ではほぼ一定で高い値を示すのに対し、
150Hz以下あるいは400Hz以上では逆に低い値とな
る。この理由は、150Hz以下では１パルスのエネ
ルギーが過大となり、短絡状態が不規則となるた
めであり、400Hz以上では、１パルスのエネルギ
ーが小さすぎて、移行現象がパルスに同期せず、
従来法の特性に近ずくためである。

なお上記実施例では、関数発生器１８から比較
器を経由してパルス幅設定器２０に入力されて、
パルス幅を変化させることによつてパルスの一周
期間のエネルギーをワイヤ送給量に略比例して制
御するようにしているが、第５図においてパルス
幅設定器２０とピーク電流設定器２３を入れ替え
て、パルス幅を一定とし、ピーク電流を変化させ
ることによつてパルスエネルギーをワイヤ送給量
に略比例して制御するようにしても同等の効果を
奏する。さらに、パルスのバツクグラウンド電流
を変化させても同等の効果があり、パルス幅とピ
ーク電流とバツクグラウンド電流のうち、２つ以
上を変化させてパルスの一周期間のエネルギー
を、ワイヤ送給量に略比例して制御するようにし
ても良い。第１２図はパルスの一周期間のエネル
ギーを変化させる方法としては、ピーク電流を変
化させた場合であり、第１３図はバツクグラウン
ド電流を変化させた場合、第１４図はパルス幅と
ピーク電流を同時に変化させた場合である。

以上の方法により短絡回数は飛躍的に向上する
が、第１２図あるいは第１４図に示したように、
小電流域ではパルスのピーク電流を小さくし、大
電流ではピーク電流を増大させると、小電流域で
のスパツタの発生がより少なくなり、大電流域で
は、ワイヤが溶融しないフリージングが発生せず
より安定な溶接が可能となる。このピーク電流を
変化させる方法としては、ワイヤ送給量が増加す
るにつれ、段階的に変化させても連続的に変化さ
せてもよい。

以上のように、この発明によれば溶接電流のパ
ルスを比較的高い略一定のパルス周波数に保持し
ながらパルスの一周期間のエネルギーをワイヤ送
給量に略比例して制御するようにして、短絡移行
形アーク溶接を行うようにしたので、短絡回数は
高いパルス周波数にほぼ同期し、特に薄板の高速
溶接で必要となる200A以上における短絡回数が
飛躍的に改善され、安定に高速溶接ができるとい
う効果がある。パルス周波数を固定したので、
溶接電流の全範囲で高速溶接ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の短絡移行形溶接を行う装置を示
す回路図、第２図は従来の短絡移行溶接時の電
流、電圧波形を示す模式図、第３図は従来の装置
を用いた場合の各電流値における短絡回数を示す
曲線図、第４図は従来の装置による高速溶接時の
ビード外観を示す図、第５図はこの発明の一実施
例による短絡移行形溶接装置を示す回路図、第６
図はこの発明の一実施例における電流波形を示す
模式図、第７図はこの発明におけるパルス電流と
短絡移行の位置関係を示す図、第８図はこの発明
における溶滴移行形態を示す模式図、第９図はこ
の発明の一実施例による各電流値における短絡回
数を示す図、第１０図はこの発明の一実施例によ
る高速溶接時のビード外観を示す図、第１１図は
パルス周波数と短絡回数との関係を示す図、第１
２図〜１４図はパルスの一周期間のエネルギーを
変化させるための別の方法を示す図である。 なお、図中１は変圧器、２はサイリスタ、３は
ワイヤ送給速度設定器、４はモータ駆動回路、５
はモータ、６はローラ、７は加圧ローラ、８はワ
イヤリール、９はワイヤ、１０は直流リアクト
ル、１１は母材、１２はアーク電圧設定器、１３
は点弧角調整器、１４はアーク、１５は整流器、
１６はトラジスタ、１７は電圧検出器、１８は関
数発生器、１９は比較器、２０はパルス幅増設定
器、２１はトランジスタ駆動回路、２２はパルス
周波数設定器、２３はピーク電流設定器である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 溶接電流を半導体スイツチング素子にてパル
   ス化して溶接ワイヤと母材間に供給し、その両者
   にアークを発生させて溶接を行うアーク溶接にお
   いて、アーク電圧検出器の出力と、ワイヤ送給速
   度設定器にて設定されたワイヤ送給量に応じたア
   ーク電圧を指令する関数発生器の出力とを比較
   し、この比較出力にて上記パルス電流の１周期間
   のエネルギーがワイヤ送給量に略比例するよう上
   記半導体スイツチング素子を制御すると共に、パ
   ルス周波数設定器の出力にて上記パルス電流の周
   波数が150Hz〜350Hzの一定パルス周波数に保持さ
   れるよう上記半導体スイツチング素子を制御する
   ことを特徴とする高速短絡溶接制御方法。 ２ ステイール系ワイヤにおいて、パルスのピー
   ク電流値は1.2mmφのワイヤでは、300〜500A、
   1.6mmφのワイヤでは400〜700A、0.9〜1.0mmφの
   ワイヤでは200〜400Aの範囲に設定したことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の高速短絡溶
   接制御方法。 ３ 前記特許請求の範囲第２項に記載したピーク
   電流値の範囲内で、ワイヤ送給量が増加するにつ
   れ、段階的にパルスのピーク電流値を増加させる
   か、又は連続的にパルスのピーク電流値を増加さ
   せるようにした特許請求の範囲第１〜２項のいず
   れかに記載の高速短絡溶接制御方法。