JP4128725B2

JP4128725B2 - Welding power supply control device and consumable electrode gas shield arc welding device

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Publication number: JP4128725B2
Application number: JP2000141083A
Authority: JP
Inventors: 隆志宮本; 直樹松岡
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2000-05-15
Filing date: 2000-05-15
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2020-05-15
Also published as: JP2001321940A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
この発明は、シールドガス雰囲気中で消耗電極を用いてアーク溶接を行う消耗電極ガスシールドアーク溶接装置およびこの装置に用いられる溶接電源制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
消耗電極ガスシールドアーク溶接では、消耗電極ワイヤの消耗に伴いワイヤ先端部に溶滴が形成される。ワイヤの先端部に形成された溶滴は、溶滴に働く種々の作用力、例えば重力、アーク反力、電流ピンチ力、溶滴表面張力の結果として、溶滴がある一定の大きさになるとワイヤ先端部から離脱し、被処理材（母材）の溶融池に滴下される現象、いわゆる溶滴移行により母材に溶接ビードが連続的に形成され、溶接が行われる。
【０００３】
ワイヤの先端部に形成された溶滴の下部はアーク放電の陽極として、溶融池は陰極として働くため、アークより反作用を受ける。アークの安定性が悪化した場合、前記溶滴は不規則で大きな影響を受け、溶滴が飛び散るいわゆるスパッタの現象を引き起こしやすい。特に、炭酸ガスまたは炭酸ガスを主成分として含む混合ガスをシールドガスとして用いる炭酸ガス系のガスシールドアーク溶接では、アークが比較的収斂しているため、溶滴に対して上向きの大きな反力が働き、溶滴が不安定な場合、この反力によって溶滴が吹き飛ばされる。また溶滴が離脱し、アークが溶融池とワイヤ先端に再点灯する場合にも、急激なアーク反力がワイヤ先端部に働き、溶滴離脱後の残り湯あるいは溶融池を吹き飛ばし、スパッタが発生しやすい。この現象はアーク電流が大きく、またアーク状態（アーク長、アーク位置）の変動が大きな場合に著しく生じる。このために、特に炭酸ガス系のシールドガスを用いる高速の大電流溶接、あるいは溶着量の大きな高効率溶接を行った場合に大きな問題になってくる。
【０００４】
アーク長さ、位置の大きな変動をもたらす要因としては、▲１▼溶接ワイヤの送給速度の変動、▲２▼溶滴の形態不安定による陰極点の揺動、▲３▼大粒溶滴の離脱に伴うアーク再点灯、▲４▼溶滴の短絡によるインピーダンス急変動、その他が考えられる。
従来、これらの不安定要因を取り除く手法として、潤滑剤の最適化によるワイヤ送給性の向上やワイヤ表面の改善によるローラー送りの安定化、あるいはワイヤの組成などの改善による溶滴形状の安定化（表面張力の増大化）、または規則的な溶滴の離脱の促進によるアーク長の不規則な変動やワイヤ溶融池短絡防止などの方法が採られている。
【０００５】
規則的な溶滴の離脱の促進によるアーク長の不規則な変動やワイヤ溶融池短絡防止などによるスパッタを低減する方法の一つとして、溶接電源としてパルス電源を使用する方法がある。この方法は、特開平７−１６７４３号公報、特開平７−４７４７３号公報、特開平８−２６７２３８号公報等に示されているように、一定の周期でピーク電流とベース電流を繰り返す溶接電流波形を設定し、ピーク電流を与える期間内で溶滴の離脱と成長を促し、ベース電流期間中に溶滴の形状と位置を安定化させ、次の溶滴の離脱に備える、いわゆる１パルス１移行の電源波形の制御により規則正しい溶滴移行を実現しようとするものである。
【０００６】
ところが、これらの手法では１パルス１溶滴移行を実現するために、溶滴の平均移行周期とパルス周期とを一致させる様に電流波形が制御されているものの、実際の溶滴移行のタイミングとは無関係にパルスを印加しているため、移行周期にパルスを正確に同期させることが困難である。このため、ピーク電流中に溶滴離脱のタイミングがきた場合には、溶滴離脱後の電流値が高いので、ワイヤ先端部に形成され始めた溶滴が強いアークカによって吹き飛ばされてスパッタが発生する。一方、ピーク電流中に溶滴が離脱せずに、ベース電流中に溶滴離脱のタイミングがずれ込んだ場合には、溶滴の離脱ができないことが多くなり、１パルス１溶滴移行から外れて溶滴移行現象が不安定になり、溶融池との接触短絡が生じたり、大粒のスパッタが発生するなどの問題がある。このように、上記手法では、溶滴の離脱のタイミングにあわせて電源波形を制御していないため、溶滴離脱タイミングと電流波形の位相が逆転する事態が生じ、かえってスパッタを増加させてしまう場合が多かった。
【０００７】
この問題に対して、溶滴の離脱タイミングを検出し、そのタイミングにあわせて電流波形を制御する試みが種々なされている。これらの手法では、特開平８−２６７２３９号公報、特開平８−２９０２７０号公報、特開平８−３１８３７５号公報、特開平９−８５４３９号公報、特開平１０−２７２５９１号公報等に示されているように、溶接電流あるいは溶接電圧、さらにはこれらの時間変化信号が溶滴の離脱が生じるものと判断される一定の設定値を超えた場合に溶滴の離脱が生じたものと判断して溶滴の離脱を検出し、これによって出力された溶滴離脱信号に基づいて溶接電流波形を制御する手法が採られる。
【０００８】
これらの方法によって、一時的な高電流（ピーク電流）を用いることにより溶滴の離脱を促し、離脱の検出とともに低電流（ベース電流）まで速やかに低下させることにより、高電流条件下でのアーク再点弧によるワイヤ先端部の溶滴の飛散を防止し、かつ、適切なタイミングで溶滴の形成と形状安定化を促進することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
これらの手法においては、溶滴の離脱を正確に検出する必要がある。すなわち、溶滴離脱直後のスパッタを抑止するためには、溶滴の離脱とほぼ同時に、少なくとも引き続いてアークが母材とワイヤ先端部に再点灯するまでの時間以内（通常１msec以内）に溶接電流を速やかに低下させる必要がある。また、溶滴離脱に引き続く溶滴の形成と形状整形のためにも溶滴離脱のタイミングを正確に検出することが必要である。溶滴離脱の検出が実際の離脱より遅れると、溶滴が実際に離脱した後も高電流の状態が維持されることになり、スパッタが発生する。また溶滴離脱の検出が実際の離脱より早いと、実際の溶滴離脱前に電流値を下げてしまうことになり、溶滴の離脱がますます遅れ、極端な場合にはワイヤ先端部が溶融池に突っ込んでしまい、大量のスパッタ発生をもたらすことになる。
【００１０】
従来、溶滴の離脱の検出手法としては、溶接電圧が溶滴離脱が生じたと判断される基準電圧を超えたときに溶滴の離脱が生じたと判断する方法や、溶接電流あるいは溶接電圧の時間微分を取り、この時間微分信号が基準値を超えたときに溶滴の離脱が生じたとする検出手法が取られている。
すなわち、溶接電流特性や溶接電圧特性を決定するアークインピーダンスは、ワイヤ先端部の形状、ワイヤと母材との距離、アーク中に注入される元素（シールドガス、蒸発フラックス、ワイヤ成分など）やアーク温度等により左右されるプラズマ成分・密度などにより影響を受け、特にワイヤ先端部の溶滴移行に伴う母材−ワイヤ先端間距離の増大、および急峻な陰極点移動（溶滴移行に伴い溶滴下部から未溶解のワイヤ先端に飛び移ること）はアークインピーダンスに急峻で大きな変動をもたらす。従来の溶滴離脱の検出方法では、このような大きなアークインピーダンスの変化に起因して生じる溶接電流や溶接電圧の変化を利用して溶滴の離脱を検出するものである。
【００１１】
しかしながら、溶接電流あるいは溶接電圧、あるいはこれらの時間微分信号と溶滴離脱が生じると判断される閾値とを比較することにより溶滴離脱を検出する場合、実際には電源ノイズ（サイリスタノイズ、インバーターノイズ、その他の電流変換回路に現れるノイズ、外乱ノイズ）の影響を受けるために溶滴離脱信号以外のエクストラパルスを多く検出するという問題がある。この場合、ノイズの影響を避けるために閾値を高く設定したり、またローパスフィルタを設けることによりノイズ成分を除去する対策が取られるが、溶滴離脱にともなうインピーダンス変化に対応する信号と電源ノイズとを適切に区別することはできず、かかる対策を取っても実際の溶滴離脱に対応した溶滴離脱タイミングを見逃してしまうおそれがある。
【００１２】
また、たとえば定電圧動作の電源であっても、理想的な定電圧制御（出力インピーダンス＝０）ではなく、実際には有限の出力抵抗を有しており、また出力回路に電流平滑のための容量およびリアクタンスを有しているため、理想的な定電圧制御を行う場合に溶接電流に現れるはずの急峻な変化が実際には見られず、離脱タイミングを見逃すミッシングパルスのエラーを生じることも多々ある。このため、溶滴離脱検出を正確に行うことが困難で、意図した通りの溶滴離脱後の波形制御を安定的に行うことが困難であった。
【００１３】
図１６は、定電圧制御の溶接電源を使用した消耗電極ガスシールドアーク溶接装置における出力電流（溶接電流）、出力電圧（溶接電圧）の波形を示すが、出力電流、出力電圧には、電源固有のノイズが現れており、溶滴離脱信号をこれらのノイズと区別して検出することは困難であることがわかる。図１６は、一般的な定電圧特性を有する溶接電源の出力波形であるが、溶滴離脱に伴う波形の変化は電圧波形にむしろよく現れている。また、図１７は、溶接電圧を微分して得られる電圧時間微分信号波形を示すが、この信号にもノイズの影響が現れており、実際の溶滴離脱に伴うパルス（図中黒矢印）以外の擬パルス（図中白矢印）が多数観察される。なお、黒矢印は、実際の溶滴離脱のタイミングを高速度カメラにて観測し、確認された。
【００１４】
本発明はかかる問題に鑑みなされたものであり、消耗電極ガスシールドアーク溶接において、実際の溶滴の離脱を電気的に的確かつ簡便に検出することができ、もって溶滴離脱後の溶接電源波形を所定通りに制御することができる溶接電源制御装置、およびこれを用いた溶接装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の溶接電源制御装置は、消耗電極ワイヤと被溶接材とに導通接続する溶接電源装置を備え、シールドガス雰囲気中でアーク溶接を行う消耗電極ガスシールドアーク溶接装置において前記溶接電源装置を制御する溶接電源制御装置であって、溶接電圧と溶接電流とから溶接電圧／溶接電流の時間微分信号を求め、消耗電極ワイヤの先端部から溶滴の離脱が生じるものと判断される閾値に基づいて前記時間微分信号を弁別する弁別手段を有し、前記時間微分信号が前記閾値を超えたとき溶滴離脱信号を出力する溶滴移行検出部と、前記溶滴移行検出部からの溶滴離脱信号に基づいて溶滴離脱後の溶接電源波形を制御する溶接電源波形制御部を備える。
【００１６】
前記溶滴移行検出部には、溶接電圧と溶接電流とに基づいて溶接電圧／溶接電流の時間微分信号を出力するアナログ回路を設け、このアナログ回路はそのカットオフ周波数が１０ｋＨｚ以上の通過特性を有し、かつ予め所定の材料や溶接条件の組合せに応じて測定して算出した、実際の溶滴移行間隔の時間の平均である平均溶滴移行間隔より低い時定数を有するようにするのがよい。
また、前記溶滴移行検出部は、サンプリングレート１ｋＨｚ以上でサンプリングした溶接電圧／溶接電流の差分信号をサンプリング間隔で除して溶接電圧／溶接電流の時間微分信号を求めるようにするのがよい。
また、前記溶接電源制御装置には、溶滴離脱信号が溶滴移行検出部から出力された後、前記平均溶滴移行間隔に比して短い所定期間では前記溶滴移行検出部から新たな溶滴離脱信号が出力されないようにする不感処理手段をさらに設けることができる。
【００１７】
本発明の消耗電極ガスシールドアーク溶接装置は、消耗電極ワイヤが送給されるとともにその外周部にシールドガスを供給する溶接トーチと、前記消耗電極ワイヤと被溶接材とに導通接続される溶接電源装置と、前記溶接電源装置の電源波形を制御する溶接電源制御装置とを備えた溶接装置であって、前記溶接電源制御装置として、上記の溶接電源制御装置を用いたものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の溶接電源制御装置１０１は、好適には炭酸ガス系シールドガスを用いる消耗電極ガスシールドアーク溶接における溶接電源装置の制御に使用されるものであって、図１に示すように、消耗電極ワイヤの先端部からの溶滴の離脱を電気的に検出して溶滴離脱信号を出力する溶滴移行検出部１０２と、インバータを備えた溶接電源装置１１１に接続され、前記溶滴離脱信号に基づいて溶滴離脱前後の溶接電源波形を制御する溶接電源波形制御部１０３とを備えている。溶接電源装置１１１の出力側は、溶接トーチ、被溶接材（母材）に電気的に接続される。
【００１９】
前記溶滴移行検出部１０２は、電圧検出器Ｖ、電流検出器Ａから入力された溶接電圧、溶接電流に基づいてアークインピーダンスすなわち溶接電圧／溶接電流およびその時間微分信号を求める演算手段１０５と、アークインピーダンスの時間微分信号を溶滴離脱が生じると判断される基準値を閾値として弁別する弁別手段１０６とを有しており、前記時間微分信号が閾値を超えるとき溶滴離脱信号が出力される。前記溶接電源波形制御部１０３は、設定された電源波形となるように溶接電源波形を制御し、前記溶滴離脱信号によって溶滴離脱前後の波形を切り換える。
【００２０】
本発明では、溶滴離脱信号をアークインピーダンスの時間微分信号に基づいて生成させるところが特徴的である。溶接電流あるいは溶接電圧の単独信号ではなく、溶滴離脱に伴う溶接アークのインピーダンス変化に基づいて溶滴離脱信号を生成することで、実際の溶滴離脱のタイミングを的確に捉えることができる。
すなわち、溶滴離脱に伴うアーク状態の大きな変動は、溶接電流あるいは溶接電圧の波形変化として現れるが、アーク状態の変化をより直接的にモニタリングすることができるアークインピーダンスの時間微分を取ることにより、アーク状態の変化を大きな信号変化として見出すことができる。しかも、真にアーク変化に起因する信号を取り出すことができるため、例えば電源ノイズが付加された場合、溶接電圧の変化に比してアークインピーダンスの変化は軽減されるため、電源ノイズが付加された際のアークインピーダンスの時間微分信号と真の溶滴離脱に基づく前記時間微分信号との区別が容易になり、前記弁別手段の閾値を調整することにより、電源ノイズが付加された際に溶滴離脱信号の出力を抑制し、真の溶滴離脱に基づく溶滴離脱信号を出力することができる。電源出力の波形を変調してアークインピーダンスを得る手法は数々考えられるが、本発明ではアークインピーダンスの直流成分すなわち溶接電圧／溶接電流をモニタリングするので、特殊なプローブ波形を用いる必要がなく、簡便に溶滴移行検出を実施することができる。
【００２１】
図２は、定電圧制御の溶接電源装置を使用した場合のアークインピーダンス（溶接電圧／溶接電流）の時間微分信号波形を示したものであり、前記図１７で示された電源ノイズに起因する擬パルスが除去され、実際の溶滴離脱タイミング近傍にのみパルス状の急峻なアークインピーダンス時間微分信号が生じている。これより、電源ノイズが起因の擬パルスのほとんどは、溶接電圧／溶接電流の信号処理の過程で除去されていることがわかる。これは、アークインピーダンスの直流成分変化が電源ノイズに左右されないことに基づくものである。
【００２２】
ところで、溶滴の離脱が生じたとき、図２および離脱部分を拡大した図３から観察されるように、溶接電圧／溶接電流の微分信号波形には一回の溶滴離脱に伴い数回のパルス状信号が発生することが観察される。これは、溶滴の離脱に伴い、溶滴下部と溶融池の間でアーク点が激しく位置を変えることによって生じる現象で、電気接点のスイッチに見られるチャタリングに似ている。このようなチャタリングは、溶滴離脱検出において移行回数を過大評価する原因となる。チャタリングの発生は、次の溶滴移行までの間の時間間隔に比べて非常に短い時間間隔内にその発生が集中している。このことからこのチャタリングによる溶滴離脱の誤認識は、平均溶滴移行間隔に比べて小さな一定の時間内に生じる溶滴離脱信号を真の溶滴離脱信号として処理しないようにする不感処理を行うことで回避できる。前記平均溶滴移行間隔は、予め所定の材料や溶接条件の組合せに応じて測定して算出した、実際の溶滴移行間隔の時間平均である。
【００２３】
このため、図１に示すように、溶接電源制御装置１０１に前記不感処理を行う不感処理手段１０８を付設するようにすることが好ましい。不感処理手段１０８としては、溶滴離脱の際の初回の溶滴離脱信号を受けた後、チャタリングによって生じた見かけの溶滴離脱信号が入力されないように、溶接電源波形制御部１０３と溶滴移行検出部１０２との間に開閉ゲート１０９を設け、これを開閉制御部１１０の制御により所定の時間（不感時間という。）の間、閉鎖するようにすればよい。前記不感時間は、タイマーにより不感時間を直接的に設定してもよく、および／または溶滴形成と移行までに投入される積算電力に比べて小さな一定基準値である不感積算電力を用いて間接的に設定してもよい。なお、不感時間として不感積算電力を用いるときは、計測手段としては溶接電力を時間積分する積分器を使用することができる。
【００２４】
前記アークインピーダンスの時間微分信号は、アークインピーダンス（溶接電圧／溶接電流）を演算する除算器や、アークインピーダンス信号を微分する微分器からなるアナログ回路によって得ることができる。また、適当な周期で溶接電流、溶接電圧をサンプリングし、間欠的に溶接電流／溶接電圧を求め、サンプリング間隔の前後におけるアークインピーダンス信号の差分を前記間隔で除すことによって得られる変化値をアークインピーダンスの時間微分信号とすることができる。サンプリングにより、高周波の電源ノイズ（例えばパルス的なインバーターのスイッチングノイズなど）を適当な値のサンプリング周波数を設定することによって容易に排除することができ、またデジタル情報として記録容易になり、コンピュータなどによってインテリジェント制御を行う場合に便利である。もっとも、電源ノイズを除去するために、適宜のノイズフィルターを用いることができる。
【００２５】
図４は１．２φＣｕメッキソリッドワイヤを用いて炭酸ガスシールドアーク溶接を行った際のサンプリングによって得た溶接電圧／溶接電流の信号波形を示す。溶接電圧、溶接電流はＡＤ変換器を用い、サンプリング周波数２５ｋＨｚでサンプリングしたものである。前記溶接電圧／溶接電流のサンプリング間隔の前後の差分を求め、この差分をサンプリング間隔で除して得られた時間微分信号波形を図５に示す。この時間微分信号に閾値＝２００Ω／sec のディスクリミネートを設定し、さらに初回の溶滴離脱信号を受けてから１００ジュールの積算電力に至るまでの時間を不感時間として溶滴の離脱を検出した溶滴離脱信号列を図６の下段に示す。図６の上段には、前記溶接電圧／溶接電流の波形、および高速度カメラで観察された実際の溶滴の移行タイミングが縦の破線で示されている。図６より、溶滴移行検出部１０２により得られた溶滴離脱信号は、いくつかのエキストラパルスがなお残留しているものの、これまでの溶接電流あるいは溶接電圧を単独で微分して得られた信号に対して格段に検出精度が高まっていることがわかる。
【００２６】
次に、実施例を用いて本発明をより具体的に説明するが、本発明は実施例によって限定的に解釈されるものではない。例えば、本発明にかかる溶滴移行検出部、溶接電源波形制御部は、溶接電圧、溶接電流をＡＤ変換し、得られたデジタル信号をコンピューターによって処理することで実現することができる。
【００２７】
【実施例】
〔実施例１〕
図７は実施例にかかる消耗電極ガスシールドパルスアーク溶接装置の全体構成を示す機能ブロック図であり、この溶接装置はスプール１２２に巻き取られた消耗電極ワイヤＷが送給モータ１２３により送給されるとともに図示省略した炭酸ガス源からシールドガスが供給される溶接トーチ１２１と、前記消耗電極ワイヤＷと母材Ｍとの間に電気的に接続され、溶接電力を供給する溶接電源装置１１１と、前記溶接電源装置１１１の電源波形を制御する溶接電源制御装置１０１とを備えている。なお、溶接電源装置、溶接電源制御装置は図１に記載のものと同機能を有するので、同符号が付されている。
【００２８】
前記ワイヤＷは送給モータ１２３で駆動されるワイヤ送給ローラによって溶接トーチ１２１に向けて送給され、ワイヤＷと母材Ｍ間にアーク放電を発生させて溶接が行われる。送給モータ制御回路１２４は、溶接電源制御装置１０１に付設された出力設定器１９が設定するワイヤ送給速度に基づき送給モータ１２３の回転速度を制御する。
【００２９】
前記溶接電源装置１１１は、商用３相交流電力を溶接用電力に変換するものであり、溶接トーチ１２１と母材Ｍとの間に導通接続される。工場内に設けられた３相交流電力供給部から供給される交流電流は、第１整流回路２で直流に整流され、平滑用コンデンサ３により平滑される。この直流電流は、インバータ４によって高周波交流電流に変換され、インバータ４の出力はトランス５によって溶接用電圧に降圧される。トランス５から出力される高周波交流電流は第２整流回路６により溶接用直流電流に整流され、この溶接用電流は平滑用のリアクトル７を介して溶接ワイヤＷと母材Ｍとに供給されて、アーク溶接が行われる。
【００３０】
前記溶接電源制御装置１０１は、アーク電圧を検出するための電圧検出器８、溶接電流を検出するための電流検出器９を備えている。前記電圧検出器８の出力（溶接電圧）および電流検出器９の出力（溶接電流）はインバーター制御部１８および溶接電圧／溶接電流を出力する除算器２６、および電力乗算器２９に与えられる。
【００３１】
また、前記溶接電源制御装置１０１の出力制御部１７は、波形設定器１５により設定される溶接電流波形が溶接電源装置１１１から出力されるように、波形生成器１６からの波形生成信号を受けて、インバータ４を制御する。また、前記波形生成器１６は、溶滴移行検出部１０２によって溶滴がワイヤ先端部から離脱したことを検出したときに出力される溶滴離脱信号を受けて動作するパルストリガ回路２１からのトリガ信号により溶滴離脱後の溶接電流波形の切り換え制御を行う。
前記波形設定器１５によって設定される溶接電流波形としては、例えば図８（Ａ）に示すように、溶滴の離脱を促すピーク電流Ｐと、溶滴離脱後に溶滴の形成を行うベース電流Ｂとを交互に繰り返す方形波形とすることができる。この場合、波形生成器１６は溶滴離脱信号によってピーク電流波形をベース電流波形に切り換える。また、図８（Ｂ）に示すように、溶滴の離脱を促す第１ピーク電流Ｐ１と、溶滴離脱後に第１ピーク電流より低い電流値で溶滴の形成を促進する第２ピーク電流Ｐ２と、溶滴の形状整形を行うベース電流Ｂとを交互に繰り返す多段波形とすることができる。この多段波形の場合、波形生成器１６は溶滴離脱信号によって第１ピーク電流Ｐ１を第２ピーク電流Ｐ２に切り換える。
【００３２】
前記溶滴移行検出部１０２は、前記電流検出器８と電圧検出器９の出力を入力とし、そのアークインピーダンス（溶接電圧／溶接電流）を出力する除算器２６と、その出力を微分する微分器２５と、微分器２５からのアナログパルス状出力信号を、溶滴離脱の発生レベルに設定した閾値によって弁別し、低レベルのノイズを除去するディスクリミネーター２４と、ディスクリミネーター２４からの出力信号を整形し、閾値を超えたパルス状出力信号に対して溶滴離脱信号（１−０信号）を出力する波形整形器２３を備える。前記波形整形器２３から出力された溶滴離脱信号は、ゲート２２を経てパルストリガ２１およびリセットトリガ２７に入力される。前記ディスクリミネーター２４の閥値は、検出レベル設定器１４により設定される。なお、後述のスパッタ発生量の測定に際しては、前記ディスクリミネーター２４および波形整形器２３として、汎用のシングルチャンネルパルスハイトアナライザを使用した。
【００３３】
一方、電力乗算器２９で乗算された溶接投入電力は、積分器２８により積算され積算電力として出力される。積分器２８の積算投入電力の値は、前記溶滴移行検出部１０２から出力される溶滴離脱信号に基づいてリセットトリガ２７から出力されるリセット信号によりリセットされた後、積算が開始される。積分器２８からの積算電力信号は、比較器３０によって不感積算電力設定器１２によりあらかじめ設定された電力との比較がなされ、所定の積算電力に達した後にゲート２２へゲート開放信号を出力し、溶滴離脱信号を溶滴移行検出部１０２からパルストリガ２１、リセットトリガ２７へ伝達可能にする。これによって、不感積算電力値に達しない間に検出されたチヤタリングに伴う見かけの溶滴離脱信号の伝達が遮断され、一回の溶滴移行あたり一個の溶滴離脱信号が波形生成器１６に伝達され、ここで溶滴離脱後の電流波形が生成され、出力制御部１７を介してインバータ４が制御される。
【００３４】
また、ゲート２２の制御は、不感時間設定器１３によってもなされ、初回の溶滴離脱信号がパルストリガ回路２１に入力された後、設定された不感時間の間、ゲート２２が閉鎖される。また、前記多段波形により溶接電源波形を制御する場合、第１ピーク電流と第２ピーク電流とを流すピーク期間ＰＴのみに溶滴移行検出を制限できるように、電流波形の出力レベルに応じて波形生成器１６よりゲート２２に開閉信号が出力され、ゲート２２が開閉される。
【００３５】
上記溶接電源制御装置を備えた溶接装置を使用して、消耗電極ワイヤとしてφ１．２ｍｍＣｕメッキソリッドワイヤ（銘柄ＭＩＸ−５０Ｓ：神戸製鋼所製）を用い、シールドガスとして炭酸ガスを用いて、ガスシールドパルスアーク溶接を行い、スパッタ発生量を調べた。
【００３６】
また、比較のため、溶接電源制御装置の溶滴移行検出部として、アークインピーダンス変化を比較例Ａ：電圧レベル変化、比較例Ｂ：電圧波形の時間微分変化で捉え、これらの値に基づいて溶滴離脱信号を出力する従来の溶滴移行検出部を備えた溶接電源制御装置を備えた溶接装置により、実施例と同様の条件でガスシールドパルスアーク溶接を行った場合についてもスパッタ発生量を調査した。
比較のために用いた溶接電圧レベル変化による溶滴移行検出部は、図９に示すように、基準電圧を設定する検出レベル設定器４１と、電圧検出器から入力された溶接電圧と基準電圧との差分を出力する減算器４２と、差分波形がゼロとなる時点でゼロクロス信号を出力するゼロクロス検知器４３と、前記ゼロクロス信号を受けて溶滴離脱信号を出力する波形整形器４４とで構成されている。また、電圧波形の時間微分値を用いる場合は、検出レベル設定器によって溶接電圧の時間微分信号の基準値を設定するとともに、溶接電圧を微分する微分器を設け、微分器から出力される微分信号を前記減算器４２に入力するようにした。
【００３７】
スパッタ発生量の測定は、図１０に示すように、母材Ｍの長さ方向に沿って溶接トーチ１２１を移動させ、その上面にビードオンプレート溶接を行い、溶接部から全方向に飛び散ったスパッタを収集するように母材Ｍの溶接部を取り囲むように捕集箱１３１，１３１を付設し、捕集箱に収集されたスパッタ量を測定することにより行われた。
【００３８】
溶接条件は実施例、比較例とも、シールドガス流量：２５リットル／分、ワイヤ送り速度：１０ｍ／min、ワイヤ突き出し長さ：２０mmとした。また、溶接電流の波形制御は、電流波形が図８（Ａ）の方形波形となるようにした。この場合、ピーク電流：３８０Ａ、ベース電流：１５０Ａ×５msecとした。
【００３９】
また、溶滴移行検出条件に関して、検出レベルの設定については、比較例ではスパッタ発生量が最低値を取る値、すなわち比較例Ａでは４２Ｖに、比較例Ｂでは５００Ｖ／sec に設定した。一方、実施例では不感積算電力を１００Ｊに設定し、ディスクリミネーターレベルを変化させてスパッタ発生量を調べた。このときの溶滴移行検出部のアナログ回路（除算器、微分器）のカットオフ周波数は１００ｋＨｚとした。また前記除算器、微分器の演算回路の必要応答速度を調べるため、微分器の時定数を十分高い０．０２msecに設定し、種々のカットオフ周波数をもつ除算器を用いて溶滴移行検出の安定性を調べた。
【００４０】
図１１に実施例の溶滴移行検出部のディスクリミネーターレベルとスパッタ発生量との関係を示す。また、参考として比較例による溶滴移行検出結果を図中に併せて示す。同図から、ディスクリミネーターレベルを低下させると、実際の溶滴移行に伴う溶滴離脱信号以外のエキストラパルスを多く検出してしまうようになり、スパッタが増加している。これとは逆にディスクリミネーターレベルを増大させると、ノイズによるエキストラパルスは除去されるものの、実際の溶滴移行に伴う信号も見逃してしまうためにスパッタが増加している。本実施例の条件ではディスクリミネーターレベルとして２００〜５００Ω／sec が適当であり、かかるディスクリミネーターレベルに設定することで、実施例では従来の溶滴移行検出を行った比較例に比してスパッタ量を大幅に低下できることがわかる。
【００４１】
一方、ディスクリミネーターレベルを２００Ω／sec に固定し、溶滴移行検部のアナログ回路（除算器、微分器）のカットオフ周波数の影響を調べた結果を図１２に示す。図１２より、アナログ回路の通過特性としてカットオフ周波数を１０ｋＨｚ以上にすることにより安定なスパッタ低減効果が得られることがわかる。
【００４２】
〔実施例２〕
前記実施例１と同様の溶接装置、消耗電極ワイヤを用いて、Ａｒガスと炭酸ガスとの混合ガス（流量：２５リットル／分）をシールドガスとしてシールドガスパルスアーク溶接を行い、スパッタ発生量を調べた。また、比較例として、前記電圧波形を微分して得られる時間微分信号に基づいて溶滴離脱信号を出力する溶滴移行検出部を備えた溶接電源制御装置を用いて溶滴移行検出を行い、同様の条件でシールドガスパルスアーク溶接を行った。
【００４３】
スパッタ量は実施例１と同様にして測定した。また、溶接電流波形は、実施例および比較例とも、図８（Ｂ）の多段波形となるように制御した。この際、第１ピーク電流Ｐ１：４８０Ａ、第２ピーク電流Ｐ２：３３０Ａ、ピーク時間ＰＴ：１３msec、ベース電流：１１０Ａ、ベース電流供給時間：１５msecとした。
【００４４】
また、溶滴移行検出レベルは、比較例ではスパッタ発生量が最低値を取る８００Ｖ／sec に設定した。実施例では、ディスクリミネーターレベルを変化させて溶接を行った。このときの除算器、微分器のアナログ回路のカットオフ周波数は１００ｋＨｚとした。また実施例では、不感積算電力を７０Ｊに設定し、ベース電流供給期間中はゲートを閉鎖し、ピーク電流の供給開始と同時にゲートを開放し溶滴移行検出を行うようにした。
【００４５】
図１３に実施例におけるディスクリミネーターレベルとスパッタ発生量との関係を示す。図中には、電圧変化を移行検出データとして処理した比較例のスパッタ発生量も併記した。実施例の条件ではディスクリミネーターレベルとして２００〜６００Ω／sec を設定することで、従来の溶滴移行検出に比してスパッタ量を大幅に低下させ得ることがわかる。
【００４６】
〔実施例３〕
サンプリングにより求めたアークインピーダンスの差分の時間微分信号に基づいて溶滴離脱信号を出力する溶滴移行検出部を有する溶接電源制御装置を備えた溶接装置を使用して炭酸ガスシールドパルスアーク溶接を行い、スパッタ発生量を調べた。
【００４７】
この溶接電源制御装置は、図７の装置と溶滴移行検出部が異なるので、この点について説明する。図１４は本実施例で使用した溶滴移行検出部１０２のブロック図であり、除算器２６、差分検出微分器２５Ａ、ディスクリミネーター２４、波形整形器２３からなり、前記差分検出微分器２５Ａの他の構成は図７と同様であるので、同符号を付している。
【００４８】
前記差分検出微分器２５Ａは、除算器２６からのアークインピーダンス信号と、この信号をサンプリング間隔（サンプリング周波数の逆数時間）遅延させる遅延回路３２を介して入力された遅延アークインピーダンス信号とを減算し、差分信号を出力する減算器３３と、サンプリング間隔を設定するサンプリング周波数設定器３４と、前記減算器３３からの差分信号をサンプリングタイミング毎にパルス発生器３５からの開閉信号により開閉するゲート３６と、ゲート開放時にゲート３６から出力された差分信号をサンプリング間隔時間で除す除算器３７とによって構成されている。この差分微分器２５Ａによって、除算器２６から入力された溶接電圧／溶接電流の差分を得て、この差分の時間変化率すなわちアークインピーダンスの時間微分信号がディスクリミネーター２４に出力され、所定の閾値と比較され、波形整形器２３から溶滴離脱信号が出力される。この溶滴移行検出部２５Ａでは、アークインピーダンスを離散的にサンプリングして、その差分を取ることにより、パルス的に発生する高周波のノイズに対してマスクをかけ、かつ、溶滴の移行に伴うインピーダンスの時間変化を検知することが可能になる。
【００４９】
サンプリング周波数を種々設定し、サンプリング周波数ごとにスパッタ量が最少量になる様にディスクリミネートレベルを調整し、得られたスパッタ発生量のサンプリング周波数依存性を調べた。その結果を図１５に示す。図１５より、サンプリング周波数が１００Ｈｚでは極端にスパッタ発生量が増加するが、サンプリング周波数を１ｋＨｚ以上に高めることにより、優れたスパッタ抑制効果が得られることがわかる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、消耗電極ガスシールドアーク溶接において、溶滴離脱の判断の基礎となるデータとしてアークインピーダンス（溶接電圧／溶接電流）の時間微分信号を用いるので、電源ノイズの影響を受け難くなり、簡単な構成により実際の溶滴移行タイミングを的確に検出することができ、これによって溶接電源波形を適正に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる溶接電源制御装置および溶接電源装置の機能ブロック図である。
【図２】アークインピーダンス（溶接電圧／溶接電流）の時間微分信号の波形図である。
【図３】アークインピーダンスの時間微分信号波形のチャタリング部の部分拡大図である。
【図４】サンプリングによって求めたアークインピーダンス信号の波形図である。
【図５】図４で示されたアークインピーダンスの時間微分信号の波形図である。
【図６】アークインピーダンス信号波形図（上段）およびその時間微分信号に基づいて検出された溶滴離脱信号の出力図（下段）である。
【図７】実施例にかかる溶接電源制御装置を備えた消耗電極ガスシールドアーク溶接装置の全体機能ブロック図である。
【図８】溶接電流波形制御における設定電流波形の２例を示す波形図である。
【図９】従来の電圧変化に基づく溶滴移行検出部の機能ブロック図である。
【図１０】実施例にかかるビードオンプレート溶接要領およびスパッタ捕集要領の説明図である。
【図１１】実施例１におけるディスクリミネーターレベルとスパッタ発生量との関係を示すグラフである。
【図１２】実施例１におけるアナログ回路のカットオフ周波数とスパッタ発生量との関係を示すグラフである。
【図１３】実施例２におけるディスクリミネーターレベルとスパッタ発生量との関係を示すグラフである。
【図１４】実施例３で使用した溶滴移行検出部の機能ブロック図である。
【図１５】実施例３におけるサンプリング周波数とスパッタ発生量との関係を示すグラフである。
【図１６】定電圧制御の溶接電源を使用して消耗電極ガスシールドアーク溶接を行った際の溶接電圧、溶接電流を示す波形図である。
【図１７】図１６の溶接電圧を時間微分して得られた溶接電圧時間微分信号の波形図である。
【符号の説明】
１０１溶接電源制御装置
１０２溶滴移行検出部
１０３溶接電源波形制御部
１０５演算手段
１０６弁別手段
１０８不感処理手段
１１１溶接電源装置[0001]
[Technical field to which the invention belongs]
The present invention relates to a consumable electrode gas shield arc welding apparatus that performs arc welding using a consumable electrode in a shield gas atmosphere, and a welding power source control apparatus used in the apparatus.
[0002]
[Prior art]
In consumable electrode gas shielded arc welding, droplets are formed at the wire tip as the consumable electrode wire is consumed. When the droplet formed on the tip of the wire reaches a certain size as a result of various acting forces acting on the droplet, such as gravity, arc reaction force, current pinch force, and droplet surface tension, A weld bead is continuously formed on the base metal by a phenomenon that it is detached from the tip of the wire and dropped onto the molten pool of the material to be processed (base material), so-called droplet transfer, and welding is performed.
[0003]
The lower part of the droplet formed at the tip of the wire acts as an anode for arc discharge, and the molten pool acts as a cathode, so that it receives a reaction from the arc. When the stability of the arc deteriorates, the droplets are irregular and greatly affected, and the so-called spatter phenomenon is likely to occur. In particular, carbon dioxide gas shielded arc welding using carbon dioxide gas or a mixed gas containing carbon dioxide as a main component as a shielding gas has a large upward reaction force against the droplet because the arc is relatively convergent. When the droplet is unstable, the reaction force causes the droplet to blow away. Also, when the droplets are detached and the arc is lit again at the molten pool and the wire tip, an abrupt arc reaction force acts on the wire tip, blowing away the remaining hot water or molten pool after the droplet is detached and spattering occurs. It's easy to do. This phenomenon occurs remarkably when the arc current is large and the fluctuation of the arc state (arc length, arc position) is large. For this reason, it becomes a serious problem particularly when high-speed high-current welding using a carbon dioxide-based shielding gas or high-efficiency welding with a large amount of welding is performed.
[0004]
Factors that cause large fluctuations in arc length and position are as follows: (1) Fluctuation in the welding wire feed speed, (2) Oscillation of the cathode spot due to instability of the droplet, and (3) Separation of large droplets (4) Rapid impedance fluctuation due to short circuit of droplets, etc.
Conventionally, as a method to remove these instability factors, improvement of wire feedability by optimization of lubricant, stabilization of roller feed by improvement of wire surface, or stabilization of droplet shape by improvement of wire composition, etc. (Surface tension is increased), or irregular fluctuations in arc length by promoting regular detachment of droplets and wire molten pool short circuit prevention are employed.
[0005]
One method for reducing spatter due to irregular fluctuations in arc length by promoting regular droplet detachment and prevention of wire weld pool short-circuiting is to use a pulse power source as a welding power source. In this method, as shown in JP-A-7-16743, JP-A-7-47473, JP-A-8-267238, etc., a welding current waveform in which a peak current and a base current are repeated at a constant period. Is set so as to promote the detachment and growth of the droplet within the period in which the peak current is applied, stabilize the shape and position of the droplet during the base current period, and prepare for the next droplet detachment, so-called 1 pulse 1 transition It is intended to achieve regular droplet transfer by controlling the power supply waveform.
[0006]
However, in these methods, the current waveform is controlled so that the average transfer period and the pulse period of the droplets coincide with each other in order to realize one pulse / one droplet transfer, but the actual droplet transfer timing and Since the pulse is applied independently, it is difficult to accurately synchronize the pulse with the transition period. For this reason, when the timing of droplet detachment comes during the peak current, the current value after the droplet detachment is high, so that the droplet that has begun to form on the wire tip is blown off by a strong arc force and spatter occurs. . On the other hand, if the droplet does not detach during the peak current and the timing of detachment of the droplet deviates during the base current, the detachment of the droplet often cannot be made, and the transition from one pulse to one droplet is lost. There is a problem that the droplet transfer phenomenon becomes unstable, a contact short circuit with the molten pool occurs, or large spatter occurs. As described above, in the above method, since the power supply waveform is not controlled in accordance with the timing of droplet detachment, a situation occurs in which the phase of the droplet detachment timing and the current waveform are reversed, resulting in an increase in spatter. There were many.
[0007]
In order to solve this problem, various attempts have been made to detect the timing of detachment of the droplet and control the current waveform in accordance with the timing. These methods are disclosed in JP-A-8-267239, JP-A-8-290270, JP-A-8-318375, JP-A-9-85439, JP-A-10-272591, and the like. Thus, when the welding current or welding voltage, and these time-varying signals exceed a certain set value that is determined to cause droplet detachment, it is determined that droplet detachment has occurred. A method of detecting the detachment of the droplet and controlling the welding current waveform based on the droplet detachment signal output thereby is adopted.
[0008]
By using these methods, the temporary high current (peak current) is used to promote the detachment of the droplets, and when the detachment is detected, the current is rapidly reduced to a low current (base current), so that an arc under high current conditions can be obtained. It is possible to prevent the droplets from being scattered at the tip of the wire due to re-ignition and to promote the formation and shape stabilization of the droplets at an appropriate timing.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In these methods, it is necessary to accurately detect the detachment of the droplets. In other words, in order to suppress spattering immediately after the detachment of the droplets, the welding current is almost simultaneously with the detachment of the droplets, at least within the time until the arc re-lights the base metal and the wire tip (usually within 1 msec). Need to be quickly reduced. In addition, it is necessary to accurately detect the timing of droplet removal in order to form and shape the droplet following the droplet separation. If the detection of droplet detachment is delayed from the actual detachment, a high current state is maintained even after the droplet actually detaches, and spatter occurs. In addition, if the droplet detachment is detected earlier than the actual detachment, the current value will be lowered before the actual detachment, and the detachment of the droplet will be delayed further, and in extreme cases, the wire tip will melt. It will rush into the pond and cause a large amount of spatter.
[0010]
Conventionally, methods for detecting droplet detachment include methods for determining that droplet detachment has occurred when the welding voltage exceeds a reference voltage at which it is determined that droplet detachment has occurred, and welding current or welding voltage time. A detection method is taken in which the detachment of the droplet occurs when the differentiation is taken and the time differentiation signal exceeds a reference value.
In other words, the arc impedance that determines the welding current characteristics and welding voltage characteristics includes the shape of the tip of the wire, the distance between the wire and the base material, the elements injected into the arc (shield gas, evaporation flux, wire components, etc.) and the arc. It is affected by the plasma component and density that are affected by temperature, etc., especially the increase in the distance between the base metal and the wire tip accompanying the droplet transfer at the wire tip, and the steep cathode spot movement (the droplet dripping with the droplet transfer) Jumping from the part to the undissolved wire tip) causes a steep and large variation in arc impedance. In a conventional method for detecting droplet detachment, droplet detachment is detected by utilizing a change in welding current or welding voltage caused by such a large change in arc impedance.
[0011]
However, when droplet separation is detected by comparing the welding current or welding voltage, or a time differential signal thereof with a threshold value at which droplet separation is determined to occur, power noise (thyristor noise, inverter noise) is actually detected. There is a problem that many extra pulses other than the droplet separation signal are detected due to the influence of noise and disturbance noise appearing in other current conversion circuits. In this case, in order to avoid the influence of noise, measures are taken to remove the noise component by setting a high threshold value or by providing a low-pass filter, but the signal corresponding to the impedance change accompanying the detachment of the droplet and the power noise Cannot be properly distinguished, and even if such measures are taken, there is a possibility that the droplet ejection timing corresponding to the actual droplet separation may be missed.
[0012]
For example, even a power supply for constant voltage operation is not ideal constant voltage control (output impedance = 0), but actually has a finite output resistance, and the output circuit is used for current smoothing. Due to its capacity and reactance, there is no steep change that should appear in the welding current when ideal constant voltage control is performed, and a missing pulse error that often misses the separation timing is often generated. is there. For this reason, it is difficult to accurately detect droplet detachment, and it is difficult to stably perform waveform control after detachment as intended.
[0013]
FIG. 16 shows waveforms of output current (welding current) and output voltage (welding voltage) in a consumable electrode gas shielded arc welding apparatus using a constant voltage control welding power source. Thus, it can be seen that it is difficult to detect the droplet separation signal separately from these noises. FIG. 16 shows an output waveform of a welding power source having a general constant voltage characteristic, but the change in the waveform accompanying the droplet detachment appears rather well in the voltage waveform. Further, FIG. 17 shows a voltage time differential signal waveform obtained by differentiating the welding voltage. The influence of noise also appears in this signal, except for the pulse (black arrow in the figure) accompanying the actual droplet detachment. Many pseudo-pulses (white arrows in the figure) are observed. The black arrow was confirmed by observing the actual timing of droplet removal with a high-speed camera.
[0014]
The present invention has been made in view of such problems, and in consumable electrode gas shielded arc welding, it is possible to electrically and easily detect actual detachment of a droplet, and thus a welding power source waveform after detachment of the droplet. It is an object of the present invention to provide a welding power source control device capable of controlling the power as prescribed, and a welding device using the same.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
  A welding power source control device according to the present invention includes a welding power source device that is electrically connected to a consumable electrode wire and a material to be welded, and controls the welding power source device in a consumable electrode gas shield arc welding device that performs arc welding in a shielding gas atmosphere. A welding power source control device,Discriminating means for obtaining a time differential signal of welding voltage / welding current from the welding voltage and welding current, and discriminating the time differential signal based on a threshold value that is determined to cause droplet detachment from the tip of the consumable electrode wire. And when the time differential signal exceeds the thresholdA droplet transfer detection unit that outputs a droplet detachment signal, and a welding power source waveform control unit that controls a welding power source waveform after droplet detachment based on the droplet detachment signal from the droplet transfer detection unitIs provided.
[0016]
  The droplet transfer detection unit is provided with an analog circuit that outputs a time differential signal of the welding voltage / welding current based on the welding voltage and welding current, and this analog circuit has a pass characteristic with a cutoff frequency of 10 kHz or more. Have andPre-measured and calculated according to a combination of predetermined materials and welding conditions,It is preferable to have a time constant lower than the average droplet transfer interval, which is the average of the actual droplet transfer interval times.
  Further, the droplet transfer detection unit may obtain a time differential signal of the welding voltage / welding current by dividing a difference signal of the welding voltage / welding current sampled at a sampling rate of 1 kHz or more by a sampling interval.
  In addition, after the droplet detachment signal is output from the droplet transfer detection unit, the welding power source control device receives a new droplet from the droplet transfer detection unit for a predetermined period shorter than the average droplet transfer interval. Insensitive processing means for preventing the drop separation signal from being output can be further provided.
[0017]
The consumable electrode gas shielded arc welding apparatus of the present invention includes a welding torch for supplying consumable electrode wires and supplying shield gas to the outer periphery thereof, and a welding power source electrically connected to the consumable electrode wires and the material to be welded. A welding apparatus including a welding power source control device that controls a power source waveform of the welding power source device, wherein the welding power source control device is used as the welding power source control device.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The welding power source control device 101 of the present invention is preferably used for controlling a welding power source device in consumable electrode gas shield arc welding using a carbon dioxide shielding gas. As shown in FIG. A droplet transfer detection unit 102 that electrically detects the detachment of the droplet from the tip end of the wire and outputs a droplet detachment signal, and a welding power supply device 111 having an inverter are connected to the droplet detachment signal. And a welding power source waveform control unit 103 that controls the welding power source waveform before and after the droplet detachment. The output side of the welding power source device 111 is electrically connected to a welding torch and a material to be welded (base material).
[0019]
The droplet transfer detection unit 102 includes a voltage detector V, a welding voltage input from the current detector A, a calculation means 105 for obtaining an arc impedance, that is, a welding voltage / welding current and a time differential signal based on the welding current, Discriminating means 106 for discriminating a time differential signal of arc impedance using a reference value determined to cause droplet detachment as a threshold value, and a droplet detachment signal is output when the time differential signal exceeds the threshold value. . The welding power source waveform control unit 103 controls the welding power source waveform so that the set power source waveform is obtained, and switches the waveform before and after the droplet detachment according to the droplet detachment signal.
[0020]
  The present invention is characterized in that the droplet separation signal is generated based on the time differential signal of arc impedance. By generating the droplet detachment signal based on the impedance change of the welding arc that accompanies the droplet detachment rather than the single signal of the welding current or welding voltage, the actual droplet detachment timing can be accurately grasped.
  In other words, large fluctuations in the arc state due to droplet detachment appear as a waveform change in the welding current or welding voltage, but by taking a time derivative of the arc impedance that can more directly monitor the change in the arc state, The change in the arc state can be found as a large signal change. Moreover, since it is possible to extract a signal that is truly caused by an arc change, for example, power supply noiseIs added, since the change in arc impedance is reduced compared to the change in welding voltage. Therefore, the time differential signal of arc impedance when power supply noise is added and the time differential signal based on true droplet detachment And the threshold value of the discriminating means is adjusted to suppress the output of the droplet separation signal when power supply noise is added,Droplet release signal based on true droplet releaseOutputbe able to. There are many ways to obtain the arc impedance by modulating the waveform of the power supply output. However, in the present invention, since the direct current component of the arc impedance, that is, the welding voltage / current is monitored, it is not necessary to use a special probe waveform, and it is easy to Droplet transfer detection can be performed.
[0021]
FIG. 2 shows a time differential signal waveform of arc impedance (welding voltage / welding current) when using a constant-voltage control welding power source device, and shows a pseudo waveform caused by the power source noise shown in FIG. The pulse is removed, and a pulsed steep arc impedance time differential signal is generated only in the vicinity of the actual droplet separation timing. From this, it can be seen that most of the pseudo pulses caused by the power supply noise are removed in the process of the welding voltage / welding current signal processing. This is based on the fact that the change in the DC component of the arc impedance is not influenced by the power supply noise.
[0022]
  By the way, when the detachment of the droplet occurs, as shown in FIG. 2 and FIG. 3 in which the detachment portion is enlarged, the differential signal waveform of the welding voltage / welding current is several times with one detachment of the droplet. It is observed that a pulsed signal is generated. This is a phenomenon that occurs when the position of the arc point changes violently between the droplet drop portion and the molten pool as the droplet detaches, and is similar to chattering seen in an electrical contact switch. Such chattering causes over-evaluation of the number of transitions in the detection of droplet detachment. The occurrence of chattering is concentrated within a very short time interval compared to the time interval until the next droplet transfer. For this reason, the misrecognition of droplet detachment by chattering performs a desensitization process in which a droplet detachment signal generated within a certain time smaller than the average droplet transfer interval is not processed as a true droplet detachment signal. Can be avoided. The average droplet transfer interval isIt is the time average of the actual droplet transfer interval, which is measured and calculated in advance according to a combination of predetermined materials and welding conditions.
[0023]
For this reason, as shown in FIG. 1, it is preferable that a dead power processing means 108 for performing the dead time processing is attached to the welding power source control device 101. As the dead processing means 108, after receiving the first droplet detachment signal at the time of droplet detachment, the welding power source waveform control unit 103 and the droplet transfer are prevented so that the apparent droplet detachment signal generated by chattering is not input. An open / close gate 109 may be provided between the detection unit 102 and the open / close gate 109 to be closed for a predetermined time (referred to as dead time) under the control of the open / close control unit 110. The dead time may be set directly by a timer and / or indirectly using a dead integrated power that is a constant reference value that is small compared to the accumulated power supplied before droplet formation and transfer. May be set automatically. In addition, when using dead integration electric power as dead time, the integrator which time-integrates welding electric power can be used as a measurement means.
[0024]
The time differential signal of the arc impedance can be obtained by an analog circuit including a divider for calculating arc impedance (welding voltage / welding current) and a differentiator for differentiating the arc impedance signal. In addition, the welding current and welding voltage are sampled at an appropriate period, the welding current / welding voltage is obtained intermittently, and the change value obtained by dividing the difference of the arc impedance signal before and after the sampling interval by the interval is determined by the arc. It can be a time differential signal of impedance. Sampling can easily eliminate high-frequency power supply noise (such as pulsed inverter switching noise) by setting an appropriate sampling frequency, and it can be easily recorded as digital information. This is convenient when performing intelligent control. However, an appropriate noise filter can be used to remove power supply noise.
[0025]
FIG. 4 shows a signal waveform of welding voltage / welding current obtained by sampling when carbon dioxide shielded arc welding is performed using a 1.2φ Cu plated solid wire. The welding voltage and welding current are sampled at a sampling frequency of 25 kHz using an AD converter. FIG. 5 shows a time differential signal waveform obtained by obtaining a difference before and after the welding voltage / welding current sampling interval and dividing the difference by the sampling interval. This time differential signal is set to a threshold = 200 Ω / sec. Discrimination of droplets is detected with the time from receiving the first droplet release signal to the integrated power of 100 joules being the dead time. The droplet separation signal train is shown in the lower part of FIG. In the upper part of FIG. 6, the waveform of the welding voltage / welding current and the actual droplet transfer timing observed with a high-speed camera are indicated by vertical broken lines. From FIG. 6, the droplet detachment signal obtained by the droplet transfer detection unit 102 was obtained by differentiating the current welding voltage or welding voltage so far, although some extra pulses still remain. It can be seen that the detection accuracy is remarkably increased with respect to the signal.
[0026]
Next, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the examples. For example, the droplet transfer detection unit and the welding power source waveform control unit according to the present invention can be realized by AD converting the welding voltage and the welding current and processing the obtained digital signal by a computer.
[0027]
【Example】
[Example 1]
FIG. 7 is a functional block diagram showing the overall configuration of the consumable electrode gas shield pulse arc welding apparatus according to the embodiment. In this welding apparatus, the consumable electrode wire W wound around the spool 122 is fed by the feeding motor 123. A welding torch 121 to which a shielding gas is supplied from a carbon dioxide gas source (not shown), a welding power supply device 111 that is electrically connected between the consumable electrode wire W and the base material M and supplies welding power, A welding power source control device 101 for controlling a power source waveform of the welding power source device 111. The welding power supply device and the welding power supply control device have the same functions as those shown in FIG.
[0028]
The wire W is fed toward the welding torch 121 by a wire feeding roller driven by a feeding motor 123, and arc discharge is generated between the wire W and the base material M to perform welding. The feed motor control circuit 124 controls the rotation speed of the feed motor 123 based on the wire feed speed set by the output setting device 19 attached to the welding power source control device 101.
[0029]
The welding power source device 111 converts commercial three-phase AC power into welding power, and is conductively connected between the welding torch 121 and the base material M. The alternating current supplied from the three-phase alternating current power supply unit provided in the factory is rectified to direct current by the first rectifier circuit 2 and smoothed by the smoothing capacitor 3. This direct current is converted into a high frequency alternating current by the inverter 4, and the output of the inverter 4 is stepped down to a welding voltage by the transformer 5. The high-frequency alternating current output from the transformer 5 is rectified into a direct current for welding by the second rectifier circuit 6, and this welding current is supplied to the welding wire W and the base material M via the smoothing reactor 7, Arc welding is performed.
[0030]
The welding power source control device 101 includes a voltage detector 8 for detecting an arc voltage and a current detector 9 for detecting a welding current. The output of the voltage detector 8 (welding voltage) and the output of the current detector 9 (welding current) are supplied to an inverter control unit 18, a divider 26 for outputting a welding voltage / welding current, and a power multiplier 29.
[0031]
The output control unit 17 of the welding power source control device 101 receives a waveform generation signal from the waveform generator 16 so that the welding current waveform set by the waveform setting unit 15 is output from the welding power source device 111. The inverter 4 is controlled. The waveform generator 16 is triggered by a pulse trigger circuit 21 that operates in response to a droplet separation signal that is output when the droplet transfer detection unit 102 detects that the droplet has detached from the wire tip. The switching control of the welding current waveform after droplet detachment is performed by the signal.
For example, as shown in FIG. 8A, the welding current waveform set by the waveform setting unit 15 includes a peak current P that prompts the detachment of the droplet, and a base current B that forms the droplet after the detachment of the droplet. And a square waveform that repeats alternately. In this case, the waveform generator 16 switches the peak current waveform to the base current waveform by the droplet separation signal. Further, as shown in FIG. 8B, a first peak current P1 that promotes the detachment of the droplet, and a second peak current P2 that promotes the formation of the droplet at a current value lower than the first peak current after the detachment of the droplet. And a base current B for shaping the droplet shape can be made into a multistage waveform that repeats alternately. In the case of this multistage waveform, the waveform generator 16 switches the first peak current P1 to the second peak current P2 by the droplet separation signal.
[0032]
The droplet transfer detector 102 receives the outputs of the current detector 8 and the voltage detector 9 as inputs, a divider 26 for outputting arc impedance (welding voltage / welding current), and a differentiator for differentiating the output. 25, the discriminator 24 for discriminating the analog pulse-like output signal from the differentiator 25 by the threshold value set at the level of occurrence of droplet detachment, and removing the low level noise, and the output signal from the discriminator 24 And a waveform shaper 23 that outputs a droplet separation signal (1-0 signal) in response to a pulsed output signal that exceeds the threshold. The droplet separation signal output from the waveform shaper 23 is input to the pulse trigger 21 and the reset trigger 27 through the gate 22. The threshold value of the discriminator 24 is set by the detection level setting unit 14. In measuring the spatter generation amount described later, a general-purpose single channel pulse height analyzer was used as the discriminator 24 and the waveform shaper 23.
[0033]
On the other hand, the welding power multiplied by the power multiplier 29 is integrated by the integrator 28 and output as integrated power. The integration input power value of the integrator 28 is reset by a reset signal output from the reset trigger 27 based on the droplet separation signal output from the droplet transfer detection unit 102, and then integration is started. The integrated power signal from the integrator 28 is compared with the power set in advance by the insensitive integrated power setting unit 12 by the comparator 30, and after reaching a predetermined integrated power, a gate opening signal is output to the gate 22. The droplet release signal can be transmitted from the droplet transfer detection unit 102 to the pulse trigger 21 and the reset trigger 27. As a result, the transmission of the apparent droplet separation signal accompanying the chattering detected before the dead integrated power value is not reached is cut off, and one droplet separation signal is transmitted to the waveform generator 16 per droplet transfer. Here, a current waveform after the droplet detachment is generated, and the inverter 4 is controlled via the output control unit 17.
[0034]
The gate 22 is also controlled by the dead time setter 13, and the gate 22 is closed for the set dead time after the first droplet separation signal is input to the pulse trigger circuit 21. Further, when the welding power source waveform is controlled by the multistage waveform, the waveform according to the output level of the current waveform so that the droplet transfer detection can be limited only to the peak period PT in which the first peak current and the second peak current are passed. An open / close signal is output from the generator 16 to the gate 22, and the gate 22 is opened / closed.
[0035]
A gas shield using a welding apparatus equipped with the above welding power source control device, using a φ1.2 mm Cu plated solid wire (brand MIX-50S: manufactured by Kobe Steel) as a consumable electrode wire, and carbon dioxide as a shielding gas. Pulse arc welding was performed to examine the amount of spatter generated.
[0036]
For comparison, as a droplet transfer detection unit of the welding power source control device, the arc impedance change is captured as Comparative Example A: voltage level change and Comparative Example B: time derivative change of the voltage waveform, and based on these values Investigate the amount of spatter generated even when gas shielded pulse arc welding is performed under the same conditions as in the example with a welding device equipped with a welding power source control device equipped with a conventional droplet transfer detection unit that outputs a droplet separation signal did.
As shown in FIG. 9, the droplet transfer detection unit based on the welding voltage level change used for comparison includes a detection level setting unit 41 for setting a reference voltage, and a welding voltage and a reference voltage input from the voltage detector. The subtractor 42 that outputs the difference between the zero cross signal, the zero cross detector 43 that outputs a zero cross signal when the difference waveform becomes zero, and the waveform shaper 44 that receives the zero cross signal and outputs a droplet separation signal. ing. In addition, when using the time differential value of the voltage waveform, the reference value of the time differential signal of the welding voltage is set by the detection level setting device, a differentiator for differentiating the welding voltage is provided, and the differential signal output from the differentiator Is input to the subtractor 42.
[0037]
As shown in FIG. 10, the amount of spatter generated is measured by moving the welding torch 121 along the length direction of the base material M, performing bead-on-plate welding on the upper surface, and spattering from the welded portion in all directions. The collection boxes 131 and 131 are attached so as to surround the welded portion of the base material M so as to collect the material, and the amount of spatter collected in the collection box is measured.
[0038]
The welding conditions in both the examples and comparative examples were as follows: shield gas flow rate: 25 liters / minute, wire feed speed: 10 m / min, and wire protrusion length: 20 mm. In addition, the waveform control of the welding current was performed so that the current waveform became the square waveform of FIG. In this case, the peak current was 380 A and the base current was 150 A × 5 msec.
[0039]
In addition, regarding the droplet transfer detection condition, the detection level was set to a value at which the spatter generation amount takes the lowest value in the comparative example, that is, 42 V in the comparative example A and 500 V / sec in the comparative example B. On the other hand, in the examples, the dead integrated power was set to 100 J, and the amount of spatter was examined by changing the discriminator level. The cutoff frequency of the analog circuit (divider, differentiator) of the droplet transfer detection unit at this time was 100 kHz. In order to investigate the required response speed of the arithmetic circuit of the divider and differentiator, the time constant of the differentiator is set to a sufficiently high 0.02 msec, and droplet transfer detection is performed using dividers with various cutoff frequencies. Stability was examined.
[0040]
FIG. 11 shows the relationship between the discriminator level of the droplet transfer detection unit and the amount of spatter generated in the example. For reference, the results of detection of droplet transfer by a comparative example are also shown in the figure. From this figure, when the discriminator level is lowered, many extra pulses other than the droplet detachment signal accompanying actual droplet transfer are detected, and the spatter increases. On the other hand, when the discriminator level is increased, the extra pulse due to noise is removed, but the signal accompanying the actual droplet transfer is missed, so that spatter increases. The discriminator level of 200 to 500 Ω / sec is appropriate under the conditions of the present embodiment. By setting the discriminator level, the embodiment is compared with the comparative example in which conventional droplet transfer detection is performed. It can be seen that the amount of spatter can be greatly reduced.
[0041]
On the other hand, FIG. 12 shows the result of investigating the influence of the cutoff frequency of the analog circuit (divider, differentiator) of the droplet transfer detection section with the discriminator level fixed at 200 Ω / sec. From FIG. 12, it can be seen that a stable sputtering reduction effect can be obtained by setting the cutoff frequency to 10 kHz or more as the pass characteristic of the analog circuit.
[0042]
[Example 2]
Using the same welding apparatus and consumable electrode wire as in Example 1, shield gas pulse arc welding was performed using a mixed gas of Ar gas and carbon dioxide gas (flow rate: 25 liters / minute) as a shield gas, and the amount of spatter generated was reduced. Examined. In addition, as a comparative example, droplet transfer detection is performed using a welding power source control device including a droplet transfer detection unit that outputs a droplet release signal based on a time differential signal obtained by differentiating the voltage waveform, Shielded gas pulse arc welding was performed under the same conditions.
[0043]
The amount of spatter was measured in the same manner as in Example 1. In addition, the welding current waveform was controlled so as to be the multistage waveform of FIG. 8B in both the example and the comparative example. At this time, the first peak current P1: 480A, the second peak current P2: 330A, the peak time PT: 13 msec, the base current: 110 A, and the base current supply time: 15 msec.
[0044]
In addition, the droplet transfer detection level was set to 800 V / sec at which the spatter generation amount takes the lowest value in the comparative example. In the examples, welding was performed by changing the discriminator level. The cutoff frequency of the analog circuit of the divider and differentiator at this time was 100 kHz. In the example, the dead integrated power is set to 70 J, the gate is closed during the base current supply period, and the gate is opened simultaneously with the start of supply of the peak current to detect the droplet transfer.
[0045]
FIG. 13 shows the relationship between the discriminator level and the amount of spatter generated in the example. In the figure, the spatter generation amount of the comparative example in which the voltage change is processed as the transition detection data is also shown. It can be seen that by setting 200 to 600 Ω / sec as the discriminator level under the conditions of the example, the spatter amount can be significantly reduced as compared with conventional droplet transfer detection.
[0046]
Example 3
Carbon dioxide gas shielded pulse arc welding is performed using a welding apparatus equipped with a welding power source control unit having a droplet transfer detection unit that outputs a droplet separation signal based on a time differential signal of the difference in arc impedance obtained by sampling. The amount of spatter generated was examined.
[0047]
Since this welding power source control device is different from the device of FIG. 7 in the droplet transfer detection unit, this point will be described. FIG. 14 is a block diagram of the droplet transfer detection unit 102 used in the present embodiment, which comprises a divider 26, a difference detection differentiator 25A, a discriminator 24, and a waveform shaper 23, and the difference detection differentiator 25A. Since other configurations are the same as those in FIG. 7, the same reference numerals are given.
[0048]
The differential detection differentiator 25A subtracts the arc impedance signal from the divider 26 and the delayed arc impedance signal input via the delay circuit 32 that delays the signal by a sampling interval (reciprocal time of sampling frequency), A subtractor 33 that outputs a difference signal; a sampling frequency setter 34 that sets a sampling interval; a gate 36 that opens and closes the difference signal from the subtractor 33 by an open / close signal from a pulse generator 35 at each sampling timing; The divider 37 is configured to divide the difference signal output from the gate 36 when the gate is opened by the sampling interval time. The difference differentiator 25A obtains the difference between the welding voltage and the welding current input from the divider 26, and the time change rate of this difference, that is, the time differential signal of the arc impedance is output to the discriminator 24, and a predetermined threshold value is obtained. And a droplet dropout signal is output from the waveform shaper 23. In this droplet transfer detection unit 25A, the arc impedance is discretely sampled, and the difference between the arc impedances is masked against high-frequency noise generated in pulses, and the impedance accompanying the droplet transfer It becomes possible to detect the time change of.
[0049]
Various sampling frequencies were set, the discriminant level was adjusted so that the amount of spatter was minimized for each sampling frequency, and the dependence of the amount of sputter generated on the sampling frequency was investigated. The result is shown in FIG. From FIG. 15, it can be seen that when the sampling frequency is 100 Hz, the amount of spatter generated increases extremely, but by increasing the sampling frequency to 1 kHz or more, an excellent sputtering suppression effect can be obtained.
[0050]
【The invention's effect】
  According to the present invention, in consumable electrode gas shielded arc welding, the time differential signal of arc impedance (welding voltage / welding current) is used as data that is the basis for the determination of droplet detachment.It becomes difficult to receiveThe actual droplet transfer timing can be accurately detected with a simple configuration, and thereby the welding power source waveform can be appropriately controlled.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a functional block diagram of a welding power source control device and a welding power source device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a waveform diagram of a time differential signal of arc impedance (welding voltage / welding current).
FIG. 3 is a partially enlarged view of a chattering portion of a time differential signal waveform of arc impedance.
FIG. 4 is a waveform diagram of an arc impedance signal obtained by sampling.
FIG. 5 is a waveform diagram of a time differential signal of arc impedance shown in FIG. 4;
FIG. 6 is an arc impedance signal waveform diagram (upper stage) and an output diagram (lower stage) of a droplet detachment signal detected based on the time differential signal.
FIG. 7 is an overall functional block diagram of a consumable electrode gas shield arc welding apparatus provided with a welding power source control apparatus according to an embodiment.
FIG. 8 is a waveform diagram showing two examples of a set current waveform in welding current waveform control.
FIG. 9 is a functional block diagram of a droplet transfer detection unit based on a conventional voltage change.
FIG. 10 is an explanatory diagram of a bead-on-plate welding procedure and a sputter collection procedure according to an example.
11 is a graph showing the relationship between the discriminator level and the amount of spatter generated in Example 1. FIG.
12 is a graph showing the relationship between the cutoff frequency of the analog circuit and the amount of spatter generated in Example 1. FIG.
13 is a graph showing the relationship between the discriminator level and the amount of spatter generated in Example 2. FIG.
14 is a functional block diagram of a droplet transfer detection unit used in Example 3. FIG.
15 is a graph showing the relationship between the sampling frequency and the amount of spatter generated in Example 3. FIG.
FIG. 16 is a waveform diagram showing a welding voltage and a welding current when consumable electrode gas shielded arc welding is performed using a constant voltage controlled welding power source.
17 is a waveform diagram of a welding voltage time differential signal obtained by time differentiation of the welding voltage of FIG.
[Explanation of symbols]
101 Welding power control device
102 Droplet transfer detection unit
103 Welding power waveform control unit
105 Calculation means
106 Discrimination means
108 Insensitive processing means
111 Welding power supply

Claims

A welding power supply control device for controlling the welding power supply device in a consumable electrode gas shielded arc welding device that includes a welding power supply device that is conductively connected to the consumable electrode wire and the material to be welded, and performs arc welding in a shield gas atmosphere,
Discriminating means for obtaining a time differential signal of welding voltage / welding current from the welding voltage and welding current, and discriminating the time differential signal based on a threshold value that is determined to cause droplet detachment from the tip of the consumable electrode wire. A droplet transfer detection unit that outputs a droplet detachment signal when the time differential signal exceeds the threshold; and
A welding power source control device comprising a welding power source waveform control unit that controls a welding power source waveform after droplet ejection based on a droplet separation signal from the droplet transfer detection unit.

The droplet transfer detection unit has an analog circuit that outputs a time differential signal of welding voltage / welding current based on a welding voltage and a welding current, and the analog circuit has a pass characteristic with a cutoff frequency of 10 kHz or more. And having a time constant lower than an average droplet transfer interval that is an average of actual droplet transfer interval times, which is calculated in advance according to a combination of predetermined materials and welding conditions. Welding power source control device.

2. The welding power source control according to claim 1, wherein the droplet transfer detection unit obtains a time differential signal of the welding voltage / welding current by dividing a welding voltage / welding current difference signal sampled at a sampling rate of 1 kHz or more by a sampling interval. apparatus.

The welding power source control device calculates the actual droplet transfer interval time, which is measured and calculated in advance according to a combination of a predetermined material and welding conditions after the droplet release signal is output from the droplet transfer detection unit. Any of the Claims 1-3 further provided the dead processing means which prevents a new droplet detachment | leave signal from being output from the said droplet transfer detection part in the predetermined period short compared with the average droplet transfer space | interval which is an average. A welding power source control device according to claim 1.

A welding torch for supplying consumable electrode wires and supplying shield gas to the outer periphery thereof, a welding power supply device connected to the consumable electrode wires and the material to be welded, and a power supply waveform of the welding power supply device are controlled. A consumable electrode gas shield arc welding device comprising a welding power source control device,
A consumable electrode gas shield arc welding apparatus using the welding power source control device according to any one of claims 1 to 4 as the welding power source control device.