JPS6356030B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は消耗電極である溶接ワイヤを用いて溶
融溶接を行うアーク溶接機において、アーク起動
特性を向上させるための溶接ワイヤ送給速度制御
装置に関するものである。

一般に、溶接ワイヤを連続的に送給してアーク
を発生させて溶融溶接を行うアーク溶接装置にお
いては、アークの起動特性が溶接作業に大きな影
響を及ぼしてしまう。例えば、溶接ワイヤが溶接
母材に接触しても、アークがスムーズに発生しな
い場合には、溶接開始部分のビード外観は著しく
損なわれることが多く、また時には激しくスパツ
タが発生して溶接トーチを汚損あるいは溶接ワイ
ヤが通電チツプに融着する等の不都合を生じる。

従来、このような問題点に対してアークの起動
特性を向上させるために次のような方法が採られ
ていた。

まず、その一つはホツト電圧印加方法であり、
この方法は溶接アーク起動時の溶接電圧値を定常
溶接時における溶接電圧値と比較して高めに設定
し、すなわちアークの起動時には高めの電圧（ホ
ツト電圧）を印加してアーク起動を行う方法であ
る。

第１図にそのホツト電圧印加方法について示し
ており、溶接開始時においてワイヤ送給を開始し
てから一定時限t_h間、定常溶接時の溶接電圧V_tに
比較して高めの値の、いわゆるホツト電圧V_hに
設定される。

また、もう一つの方法は、ワイヤスローダウン
制御方法であり、この方法は溶接アーク起動時に
は溶接ワイヤの送給速度を定常溶接時のワイヤ送
給速度より低めの値に設定して（以下、単にスロ
ーダウン速度という）アーク起動を行う方法であ
る。

第２図にそのスローダウンスタート制御方法に
ついて示しており、アークの起動時においては、
溶接ワイヤの送給を開始してから一定時限ts間、
通常のワイヤ送給速度vtに比較して低い値の送給
速度vsに設定される。溶接ワイヤの送給速度は当
然のこととして溶接電流値に比例して増大する
が、通常の、すなわち従来例に見られるスローダ
ウン速度は第３図の特性イに示すように定常溶接
時のワイヤ送給速度（第３図の特性ロ）に比較し
てほぼ一定の比率で低い値に設定される。

以上説明した２つの方法は、溶接ワイヤを用い
る方法においてアークの起動性能を改善させる効
果的な方法ではあるが、常に一定して良好なアー
ク起動特性を有するものではなく、溶接ワイヤの
表面状態，溶接母材の表面状態などの差異によつ
て起動特性にばらつきが生じるという欠点があつ
た。

本発明はアークスタート制御方法を改善するこ
とにより常に安定したアーク起動性能を有する装
置を提供するもので、さらに言い換えれば、従来
あまり検討が加えられていなかつた溶接アーク起
動時のワイヤ送給速度（以下、スタートワイヤ速
度という）について詳細に検討し、この結果求め
られた良好なアーク起動特性の得られるスタート
ワイヤ速度の制御装置に関するものである。

すなわち、本発明は、溶接アーク起動時のワイ
ヤ送給速度v₁を定常溶接時のワイヤ送給速度v₂と
比較して異つた値に設定し、溶接アーク起動を行
う溶接ワイヤを用いるアーク溶接機において、送
給速度v₂の変化に対する送給速度v₁との間にほぼ
一定の直線関係を成立させ、送給速度v₂が定数Ｃ
より小さい時は送給速度v₁を送給速度v₂より高め
の値に設定し、送給速度v₂が定数Ｃより大きい時
は、送給速度v₁を送給速度v₂より低めの値に設定
し、かつ前記定数Ｃの値を４〜6m／minに設定
して溶接アーク起動時のワイヤ送給速度を制御す
るものである。

本発明の溶接ワイヤ送給速度制御装置について
の理解を得るために、まずアークスタートについ
て詳細な説明を行い、次いで従来例を比較しなが
ら本発明の装置について説明する。

第４図ａ〜ｄにアークスタートの種々の状態と
その電流波形との関係を示しており、第４図ａは
最初の短絡で瞬時にアークスタートする場合、第
４図ｂは一度短絡して溶接ワイヤ先端部分が飛散
し、再度溶接ワイヤが母材に短絡してアークスタ
ートする場合、第４図Ｃは溶接ワイヤと母材との
短絡を２度繰返し、３度目の短絡時にアークスタ
ートする場合、第４図ｄは溶接ワイヤと母材との
短絡を３度繰返し、４度目の短絡時にアークスタ
ートする場合である。

通常、良好なアークスタートとは、第４図ａに
示すような瞬間アークスタートか、あるいは第４
図ｂに示すような１発目アークスタートの場合で
あり、第４図ｃあるいは第４図ｄに示すような２
発目、あるいは３発目アークスタートはアークス
タート不良の場合である。

ところで、第５図ａに示す状態に溶接トーチ１
がセツトされ、アーク起動に伴いワイヤ送給が開
始されると、溶接ワイヤ２は第５図ｂに示すよう
に母材３に短絡する。この時は、溶接電源の特性
で定まる通常の溶接電流に比べて大きな短絡電流
が流れ、そのまま正常なアークに移行するのが、
第４図ａに示す状態であるが、このようなことは
きわめて少なくまれである。通常、最初の短絡に
よる短絡電流によつて溶接ワイヤ２は異常に加熱
され、そのために第５図ｃに示すように溶接ワイ
ヤ２は溶融飛散する。また第５図ｄに示すように
溶接ワイヤ２が再度母材３に短絡すると、溶接ワ
イヤ２先端は先の短絡電流によつて加熱されてい
るため、第５図ｅに示すようにスムーズにアーク
に移行する。しかしながら、この場合、溶接ワイ
ヤ２先端が加熱されていても、溶接ワイヤ２が母
材３に送給される時のワイヤ速度によつて大きく
影響され、このワイヤ速度が適切でない場合に
は、第４図ｃ，ｄに示すように１発目アークスタ
ートにならず、溶接ワイヤ２先端は再度溶融飛散
を繰り返す。

本発明は第４図ｂおよび第５図に示すような１
発目アークスタートが得られるように、すなわち
溶接ワイヤが母材金属に２度目の短絡で確実にア
ークスタートが得られるように溶接ワイヤのスタ
ートワイヤ速度を制御する装置に関するものであ
り、以下具体的内容について第６図〜第８図を用
いて説明する。

まず、本発明の制御装置の原理について第６図
を用いて説明する。

第６図は溶接電流値とワイヤ送給速度との関係
を示す図であり、この第６図においてv₂は定常溶
接時のワイヤ送給速度と溶接電流値との関係を示
す曲線、v₁′は従来のスローダウン速度と溶接電
流値との関係を示す曲線であり、定常溶接時のワ
イヤ速度v₂に比べて一定の比率で低い値に定めら
れている。

ところで、溶接電流値が比較的に大電流i_hの時
には、定常溶接時のワイヤ送給速度v_2hであり、
その時のスタートワイヤ速度がv_1h′の場合１発目
アークスタートになる確率は５割程度でばらつき
が多く、２発目、３発目アークスタートとなり、
すなわち良好なアークスタートは得られにくい。
これはスタートワイヤ速度v_1h′の値が依然として
大きいからで、先の短絡電流により、溶接ワイヤ
先端が加熱されているにもかかわらず、溶接ワイ
ヤが高速で母材に再突入するため、スムーズにア
ークスタートしにくいのである。

一方、例えば速度v_eのように、スタートワイヤ
速度を遅くすると、先の短絡から次の短絡までの
時間（第４図ｂのｔで示す時間）が大となり、す
なわち先の短絡電流による溶接ワイヤ先端の加熱
効果がうすれ、アークは１発で良好にスタートし
ない。すなわち、高速度のスタートワイヤ速度
v_1h′および低速度のスタートワイヤ速度v_eとの間
に、ほぼ１発目アークスタートが得られる適正範
囲（v_1hで代表する）が存在する。

次に、溶接電流値が比較的に小電流i_eの時には
定常溶接時のワイヤ送給速度はv_2eであり、その
時スタートワイヤ速度がv_1e′であるとすると、こ
のスタートワイヤ速度は遅いため、先の短絡から
次の短絡までの時間（第４図ｂのｔで示す時間）
が大となり、すなわち先の短絡電流による溶接ワ
イヤ先端の加熱効果がうすれ、アークは１発で良
好にアークスタートしない。

一方、例えばv_hのようにスタートワイヤ速度を
速くすると、先の短絡電流により溶接ワイヤ先端
が加熱されているにもかかわらず、溶接ワイヤが
高速で母材に再突入するため、スムーズにアーク
スタートしにくいのである。すなわち、低速度の
スタートワイヤ速度v_1e′と、高速度のスタートワ
イヤ速度v_hとの間に、ほぼ１発目アークスタート
が得られる適正範囲（v_1eで代表する）が存在す
る。

このようにして各電流値における適正なスター
トワイヤ速度を求めてみると、第６図のV₁に示
すようなほぼ直線状の関係が得られる。

この第６図から明らかなように、直線v₁は定常
溶接時のワイヤ送給速度v₂と交鎖するが、その交
点におけるワイヤ送給速度をv_cとし、溶接電流値
をi_cとすれば、送給速度v₂がv_cより大きい時は、
スタートワイヤ速度v₁は送給速度v₂より低めの値
に設定される。一方、送給速度v₂がv_cより小さい
時は、スタートワイヤ速度v₁は送給速度v₂より高
めの値に設定される。また、前記交点における送
給速度v₂の値は、４〜6m／minであるが、この
４〜6m／minの値はアークスタート時間とスタ
ートワイヤ速度との関係について行つた実験結果
から求めた。

第７図ａ〜ｃにその時の結果を示し、第７図ａ
は定常溶接時のワイヤ送給速度v₂が12m／minの
時、第７図ｂはそのワイヤ送給速度v₂が6m／
minの時、第７図ｃはそのワイヤ送給速度v₂が
2m／minの時の特性である。

このときの実験条件は以下の通りである。

ａ〜ｃのいずれも、ワイヤ径、材質は共通であ
り、ワイヤ径は1.2mm、ワイヤ材質はYGW12であ
る。溶接電流はａが320A、ｂが200A、ｃが120A
である。

第７図において、アークスタート時間が短いも
のほどアークスタート特性は良好である。

また、第７図ａ〜ｃに示す結果を整理したのを
示すのが第８図であり、第８図の斜線範囲が適性
条件範囲である。すなわち、この第８図より第５
図のワイヤ送給速度V_cの値が４〜6m／minであ
ることが判る。

次に、第６図にv₁で示した良好なアークスター
トが得られるスタートワイヤ速度について、定常
ワイヤ送給速度と関連させて整理すると、第３図
のハに示すようになり、すなわち定常溶接時のワ
イヤ送給速度v₂とスタートワイヤ速度v₁との関係
は、ほぼ直線状の関係となる。また、直線ロと直
線ハとは交鎖するが、その交点における定常溶接
時のワイヤ送給速度の値がv_cであることは第６図
より明らかである。

以上に本発明における制御方法を従来における
スローダウン速度制御と比較しながら説明した
が、第６図から明らかなように良好なアークスタ
ートの得られる本発明のスタートワイヤ速度は溶
接電流値により大きく変化せず、ほぼ一定とな
る。これは第４図ｂのｔで示す先の短絡から次の
短絡までの時間が溶接電流値にかかわらず、ほぼ
一定となることを示している。

次に、溶接電流値が小さい時、具体的には定常
溶接時のワイヤ送給速度がv_cより小さい時のスタ
ートワイヤ速度についてさらに検討を加えてみる
と、次のようなことが判明した。すなわち、この
範囲については、定常溶接時のワイヤ送り速度が
もともと低いため、比較的スムーズにアークにな
り易く、この範囲で、特にスタートワイヤ速度制
御をせず、すなわち溶接起動時のワイヤ送給速度
V₁と定常溶接時のワイヤ送給速度V₂を特しくし
てアーク起動を行うと、前述の説明から明らかな
ように先の短絡から再短絡までの時間が比較的長
いため（第４図ｂのｔが大）、先の短絡電流によ
る加熱効果がうすれた100％の１発目アークスタ
ートは困難であるものの、それでもほぼ95％以上
の１発目アークスタートが得られることが判明し
た。この値は、従来の制御装置のように低電流に
おいてもスローダウン制御する方式に比べると、
かなりアークスタート特性は改善される。

第９図に定常溶接時のワイヤ送給速度v₂が送給
速度v_cよりも低い時に、スタートワイヤ速度v₁と
定常送給速度v₂とをほぼ等しく設定し、送給速度
v₂が送給速度v_cより高い時に、スタートワイヤ速
度v₁の値を定常送給速度v₂の値の増大とともに、
わずかながら増大するように制御する本発明の溶
接ワイヤ送給速度制御装置の具体的回路を示して
いる。

第９図において、VRは送給速度を制御するた
めの可変抵抗、ZDはツエナーダイオードであり、
このツエナーダイオードZDの電圧値は、ワイヤ
送給モータの回転数がワイヤ送給速度v_cを与える
値に選ばれている。CR₁は電流検出リレーの常閉
の接点であり、この接点CR₁は溶接ワイヤが溶接
アークの起動等に母材金属に短絡して短絡電流が
流れてから一定時間t′後に働いて開放する。その
時限t′は溶接ワイヤの２度目の短絡（第４図ｂ）
までの時限ｔよりも大きくなるように設定される
が、この時限t′の値は重要で適正値が存在し、時
限ｔよりやや大きい値であるとともに、第２図に
示すt_sの値に比べてかなり大きい値でそのt_sの値
の数倍から数十倍の値を有する。

R₁，R₂は抵抗、Ｅは直流電源である。

ここで前記可変抵抗VRと直流電源Ｅとは閉回
路を構成し、そしてその可変抵抗VRの一端Ｎと
中間スライド端子Ｐとの間に、抵抗R₂と接点CR₁
とツエナーダイオードZDとの直列回路を抵抗R₁
を介して並列に接続し、その直列回路の両端を溶
接ワイヤを送給するモータの制御回路に接続して
いる。

第１０図にその第９図に示す制御装置によるス
タートワイヤ速度制御特性を示しており、この第
１０図を用いて第９図に示す制御装置の動作を説
明する。

第１０図において、定常溶接時のワイヤ送給速
度v₂が、送給速度v_cよりも小さい時（v₂＜v_c）
は、可変抵抗VRの設定電位はツエナーダイオー
ドZDの電位より低くなり、すなわち送給速度は
可変抵抗VRの電位のみで決定され、またスロー
ダウン速度v₁と定常送給速度v₂は等しくなる。そ
して溶接電流が流れ、電流検出リレーの接点CR₁
が開放すれば、当然ながら送給速度は可変抵抗
VRの電位のみで決定される。

また、送給速度v₂の値が送給速度v_cよりも高い
時（v₂＞v_c）は、可変抵抗VRの電位はツエナー
ダイオードZDの電位より高い値に設定される。
そして、スローダウン速度v₁は、ツエナー電圧お
よび抵抗R₁，R₂の値によつて決まり、抵抗R₁の
値が抵抗R₂の値に比べて大きい時は、第１０図
の直線イのようになり、また抵抗R₁の値が小さ
くなるに従い、直線イの傾きは直線ロのように変
る。

そして、溶接電流が流れて電流検出リレーが動
作し、接点CR₁が開放すれば、当然ながら送給速
度は可変抵抗VRの設定電位で定まる値になる。

また、第１１図に定常溶接時のワイヤ送給速度
v₂が送給速度v_cより低い時にスタートワイヤ速度
v₁をワイヤ送給速度v₂より高めの値に設定し、ワ
イヤ送給速度v₂が送給速度v_cより高い時にスター
トワイヤ速度v₁の値をワイヤ送給速度v₂の値より
低めの値に設定する他の本発明の溶接ワイヤ送給
速度制御装置の具体的回路を示している。

すなわち、この第１１図に示す回路では、第９
図に示した回路に加えて、ツエナーダイオード
ZD₁と電流検出リレーの接点CR₂と抵抗R₃との直
列回路を可変抵抗VRの中間スライド端子Ｐとも
う一端Ｍとの間に並列に接続している。

この第１１図において、可変抵抗VRの両端
Ｍ，Ｎには直流電源Ｅの電圧が印加されており、
可変抵抗VRによつて調整された信号が抵抗R₁を
通つて溶接ワイヤを送給するモータの制御回路に
印加される。そして、ツエナーダイオードZD，
ZD₁はそれぞれツエナー電圧を加えた値が直流電
源Ｅの電圧と等しくなるようにツエナー電圧が選
定されている。

第１２図にその第１１図に示す制御装置におけ
るスタートワイヤ速度制御特性を示しており、こ
の第１２図を用いて第１１図に示す制御装置の動
作を説明する。

今、定常溶接時のワイヤ送給速度v₂が送給速度
v_cよりも小さい時（v₂＜v_c）、すなわち可変抵抗
VRの設定電位がツエナーダイオードZDのツエナ
ー電圧よりも低い場合は、ツエナーダイオード
ZDは不導通となるが、ツエナーダイオードZD₁
が導通する。その結果、モータ制御回路への信号
v_nは可変抵抗VRで決まる電位よりも高い値とな
り、その時のワイヤ送給速度v₁は第１２図のイま
たはロのように定常溶接時のワイヤ送給速度v₂よ
りも速い速度となる。この時、抵抗R₃の値を小
さくすれば第１２図のイのようになり、また大き
くすれば第１２図のロのように可変することがで
きる。

次に、定常溶接時のワイヤ送給速度v₂が送給速
度v_cよりも大きい時（v₂＞v_c）、すなわち可変抵
抗VRの設定電位がツエナーダイオードZDのツエ
ナー電圧よりも高い場合は、ツエナーダイオード
ZD₁が不導通となり、ツエナーダイオードZDが
導通する。その結果、モータ制御回路への信号
V_nは可変抵抗VRで決まる電位よりも低い値とな
り、その時のワイヤ送給速度v₁は第１２図のハま
たはニのように定常溶接時のワイヤ送給速度v₂よ
りも遅い速度となる。この時、抵抗R₂の値を小
さくすれば、第１２図のハのようになり、また大
きくすれば、第１２図のニのように可変すること
ができる。

なお、ツエナーダイオードZDのツエナー電圧
を小さくし、ツエナーダイオードZD₁のツエナー
電圧を大きくすれば、第１２図におけるv_cの点を
左方へ移動させることができ、逆にすれば右方へ
移動させることができる。

また、溶接電流が流れて電流検出リレーが動作
し、２つの常閉接点である接点CR₁，CR₂が開放
すれば、当然のことながらワイヤ送給速度は可変
抵抗VRの設定電位で決まる値となる。

以上のように本発明の溶接ワイヤ送給速度制御
装置によればアーク制御装置におけるアークの起
動性を良好にすることができ、これによつてアー
ク起動時におけるスパツタの飛散を少なくするこ
とができるとともに、ビード外観が損われるのを
も防ぐことができ、また溶接トーチ先端のチツプ
やノズルの摩耗も著しく軽減させることができる
という非常に優れた効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はホツト電圧印加方法を説明するための
特性図、第２図はスローダウン制御方法を説明す
るための特性図、第３図は本発明と従来例とにつ
いて定常溶接時のワイヤ送給速度とスタートワイ
ヤ速度との関係を比較して示す特性図、第４図ａ
〜ｄはアーク起動時における溶接アーク電流波形
を示す特性図、第５図ａ〜ｅはアーク起動時にお
いて、溶接ワイヤと母材金属との短絡から正常な
アーク移行までの状態を示す説明図、第６図は溶
接電流値と、定常溶接時のワイヤ送給速度v₂、従
来のスローダウン制御方法によるスタートワイヤ
速度v₁′および本発明の制御方法によるスタート
ワイヤ速度v₁との関係を示す特性図、第７図ａ〜
ｃは定常ワイヤ送給速度が12m／min，6m／
min，2m／minの場合にスタートワイヤ速度とア
ークスタート時間との関係を示す特性図、第８図
はその第７図ａ〜ｃの結果をまとめたスタートワ
イヤ速度の適性範囲を示す特性図、第９図は本発
明の一実施例による溶接ワイヤ送給速度制御装置
の具体的回路を示す電気回路図、第１０図はその
装置による制御特性を示す特性図、第１１図は本
発明の他の実施例による溶接ワイヤ送給速度制御
装置の具体的回路を示す電気回路図、第１２図は
その装置による制御特性を示す特性図である。 Ｅ……直流電源、VR……可変抵抗、R₁，R₂，
R₃……抵抗、ZD，ZD₁……ツエナーダイオード、
CR₁，CR₂……接点。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 直流電源に両端子Ｍ，Ｎを接続した可変抵抗
   の中間スライド端子Ｐと、前記端子Ｍとの間にツ
   エナーダイオードZD１と電流検出リレーの常閉
   接点CR２と抵抗（Ｒ１＋Ｒ３）とより構成され
   た直列回路Ｘを接続し、前記中間スライド端子Ｐ
   と、前記端子Ｎとの間にツエナーダイオードZD
   と電流検出リレーの常閉接点CR１と抵抗（Ｒ１
   ＋Ｒ２）とより構成された直列回路Ｙを接続し、
   前記ツエナーダイオードZD１およびZDの両方の
   ツエナナー電圧を加えた値が前記直流電源の電圧
   値と等しくなるように設定し、かついずれか一方
   の直流回路の両端を溶接ワイヤを送給するモータ
   の制御回路に接続し、ワイヤ送給速度V_cの値を
   ４〜6m／分として前記ツエナーダイオードZDの
   ツエナー電圧はワイヤ送給速度V_cを与える値に
   設定し、溶接アーク起動時のワイヤ送給速度を
   V₁、定常溶接時のワイヤ送給速度をV₂とした時、
   V₂の変化に対するV₁の値との間にほぼ一定の直
   線関係を成立させ、かつV₂がV_cより低い時はV₁
   をV₂より高めの値に設定し、V₂がV_cより高い時
   はV₁をV₂より低いめの値に設定して溶接アーク
   起動時の溶接ワイヤの送給速度を制御することを
   特徴とする溶接ワイヤ送給速度制御装置。