JP6576294B2

JP6576294B2 - パルスアーク溶接制御方法

Info

Publication number: JP6576294B2
Application number: JP2016088781A
Authority: JP
Inventors: 賢人高田; 利昭中俣
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 2016-04-27
Filing date: 2016-04-27
Publication date: 2019-09-18
Anticipated expiration: 2036-04-27
Also published as: JP2017196638A

Description

本発明は、消耗電極パルスアーク溶接の磁気吹き対策に関するものである。

消耗電極パルスアーク溶接では、溶接ワイヤを送給し、ピーク電流及びピーク電圧を出力するピーク期間と、ベース電流及びベース電圧を出力するベース期間とを繰り返して溶接が行われる。ピーク電流は５００Ａ程度の大電流値に設定され、溶接ワイヤを溶融して溶滴の形成及び移行が行われる。ベース電流は３０Ａ程度に設定され、溶接ワイヤはほとんど溶融しない。パルスアーク溶接では、１回のピーク電流の通電によって１つの溶滴を移行させる１パルス１溶滴移行の状態を維持することが、スパッタの発生の少ない高品質の溶接ビードを得るために重要である。

鉄鋼等のパルスアーク溶接においては、母材を通電する溶接電流によってアーク発生部の周辺に磁界が形成されて、この磁界からアークは力を受けて変形する場合がよくある。このような状態を、一般的に磁気吹き又はアークブローと呼んでいる。磁気吹きの発生状態がひどくなると、アークは大きく変形してアーク長が非常に長くなり、アークを維持することができなくなり、アーク切れを発生することになる。アーク切れが発生すると、溶接品質は悪くなる。このために、パルスアーク溶接においては、磁気吹き対策は大きな課題である。

特許文献１の発明では、ベース期間中にアークが発生しているときのベース電圧の上昇率が基準上昇率以上になったことを検出して磁気吹きが発生したと判別し、ベース電流を２００Ａ以上に急増する磁気吹き対処制御を行っている。磁気吹きは、電流値が小さいためにアークの硬直性が弱くなるベース期間中に発生する。磁気吹きによってアーク長が長くなると、アーク電圧(ベース電圧)が大きくなることを利用して、磁気吹きの発生を判別している。また、ベース電流を増加させると、アークの硬直性が強くなり、磁界から力を受けてもアークの変形を抑制することができる。この結果、アーク切れを防止することができる。このときに、ベース電流は急増させる必要がある。この理由は、磁気吹きは一定のレベルを超えると急速に進行するので、ベース電流の増加が緩やかであると、アークの変形を抑制することができないからである。

溶接電源の内部には溶接電圧を平滑するためのリアクトルが設けられている。リアクトルは、溶接電流の通電路(以下、単に通電路という場合がある)に挿入されているので、溶接電流の変化を緩やかにすることになる。リアクトルのインダクタンス値が大きくなるほど溶接電流の変化は緩やかになる。リアクトルとして可飽和リアクトルを使用する場合がある。可飽和リアクトルは、電流飽和値以下の電流範囲ではインダクタンス値が非常におおきくなり、飽和電流値よりも大きな電流範囲ではインダクタンス値が非常に小さくなる静謐を有している。可飽和リアクトルは、飽和電流値が通常のベース電流値よりも少し大きな値となるように設計される。この結果、ベース電流が通電するときのインダクタンス値が大きくなるために、通電状態が安定化する。そして、飽和電流値よりも大きな電流範囲ではインダクタンス値が小さくなるので、ベース電流からピーク電流への変化率を大きな値に設定することができる。

リアクトルのインダクタンス値が大きい場合には、磁気吹きを判別してベース電流を増加させるときの増加率が緩やかになる。この結果、上述した従来技術では、磁気吹きの進行に対してベース電流の増加が遅れるために、アーク切れを抑制することができないという問題があった。

特開２００４−２６８０８１号公報

そこで、本発明では、リアクトルのインダクタンス値が大きな場合でも、磁気吹きによるアーク切れを抑制することができるパルスアーク溶接制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、溶接ワイヤを送給し、ピーク電流及びピーク電圧を出力するピーク期間とベース電流及びベース電圧を出力するベース期間とを繰り返し、前記ピーク電流及び前記ベース電流の通電路にリアクトルが設けられており、アークが発生しているときの前記ベース電圧の上昇に基づいて前記ベース電流を増加させて磁気吹きに対処するパルスアーク溶接制御方法において、
前記リアクトルと並列にトランジスタを設け、前記ベース電圧の上昇状態が予め定めた基準値以上になったときは、前記トランジスタをオン状態にして前記リアクトルを短絡状態にし、前記ベース電流を増加させる、
ことを特徴とするパルスアーク溶接制御方法である。

請求項２の発明は、前記増加させた前記ベース電流の値が予め定めた基準電流値以上になったときは、前記トランジスタをオフ状態にする、ことを特徴とする請求項１に記載のパルスアーク溶接制御方法である。

請求項３の発明は、前記リアクトルが可飽和リアクトルであるときは、前記基準電流値を飽和電流値よりも大きな値に設定する、ことを特徴とする請求項２に記載のパルスアーク溶接制御方法である。

本発明によれば、ベース電圧の上昇状態が基準値以上になったことで磁気吹きの発生を判別すると、トランジスタをオン状態にしてリアクトルを短絡状態にし、ベース電流を急速に増加させている。このために、本発明では、リアクトルのインダクタンス値が大きな場合でも、磁気吹きによるアーク切れを抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係るパルスアーク溶接制御方法を実施するための溶接電源のブロック図である。本発明の実施の形態１に係るパルスアーク溶接制御方法を示す図１の溶接電源における各信号のタイムチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係るパルスアーク溶接制御方法を実施するための溶接電源のブロック図である。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。

電源主回路ＭＣは、３相２００Ｖ等の商用電源（図示は省略）を入力として、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってインバータ制御、サイリスタ位相制御等の出力制御を行い、溶接に適した出力電圧を出力する。

リアクトルＷＬは、電源主回路ＭＣの出力に設けられ、出力電圧を平滑する。リアクトルＷＬとして、可飽和リアクトルが使用される場合がある。可飽和リアクトルは、通電する電流値が飽和電流値未満のときはインダクタンス値がおおきくなり、飽和電流値以上のときはインダクタンス値は小さくなる。ベース電流Ｉｂの通常値は２０〜５０Ａ程度であるので、飽和電流値が５０Ａ程度になるように可飽和リアクトルは設計される。

溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給モータ(図示は省略)に結合された送給ロール５の回転によって溶接トーチ４内を通って送給され、母材２との間にアーク３が発生する。溶接トーチ４内の給電チップ(図示は省略)と母材２との間には溶接電圧Ｖｗが印加し、溶接電流Ｉｗが通電する。

電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。電圧平均化回路ＶＡＶは、上記の電圧検出信号Ｖｄを平均化して、電圧平均信号Ｖavを出力する。電圧設定回路ＶＲは、所望値の電圧設定信号Ｖｒを出力する。

電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の電圧設定信号Ｖｒと上記の電圧平均信号Ｖavとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。Ｖ／ＦコンバータＶＦは、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖに応じた周波数を有するパルス周波数信号Ｔｆを出力する。このパルス周波数信号Ｔｆは、ピーク期間とベース期間とを１周期とする周波数を決定する信号である

ピーク期間タイマ回路ＴＴＰは、上記のパルス周波数信号Ｔｆの周波数ごとに予め定めたピーク期間ＴｐだけＨｉｇｈレベルとなるピーク期間信号Ｔtpを出力する。したがって、このピーク期間信号Ｔtpは、ピーク期間Ｔｐ中はＨｉｇｈレベルとなり、ベース期間中はＬｏｗレベルとなる信号である。

アーク判別回路ＡＤは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、この値に基づいてアーク発生状態であるかを判別してＨｉｇｈレベルとなるアーク判別信号Ａｄを出力する。

ベース電圧上昇状態検出回路ＤＶは、上記のピーク期間信号Ｔtp、上記のアーク判別信号Ａｄ及び上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、ピーク期間信号ＴtpがＬｏｗレベル(ベース期間Ｔｂ)であり、かつ、アーク判別信号ＡｄがＨｉｇｈレベル(アーク発生状態)であるときの電圧検出信号Ｖｄ(ベース電圧)の上昇状態を検出して、ベース電圧上昇状態検出信号Ｄｖを出力する。ベース電圧上昇状態検出信号Ｄｖは、例えば以下のようにして算出される。
１）ベース期間中のアーク発生状態における電圧検出信号Ｖｄの上昇率(微分地)
２）予め定めた基準ベース電圧値からの、ベース期間中のアーク発生状態における電圧検出信号Ｖｄの上昇値(差分値)
３）ベース期間中のアーク発生状態における電圧検出信号Ｖｄの絶対値

判別回路ＨＢは、上記のベース電圧上昇状態検出信号Ｄｖ及び上記のピーク期間信号Ｔtpを入力として、ベース電圧上昇状態検出信号Ｄｖの値が予め定めた基準値以上になるとＨｉｇｈレベルにセットされ、その後にピーク期間信号ＴtpがＨｉｇｈレベルになるとＬｏｗレベルにリセットされる判別信号Ｈｂを出力する。基準値は、ベース電圧の上昇状態が磁気吹き発生状態にあることを判別するためのしきい値である。

通常ベース電流設定回路ＩＢＳＲは、予め定めたベース電流の通常値を設定するための通常ベース電流設定信号Ｉbsrを出力する。通常ベース電流設定信号Ｉbsrの設定範囲は、２０〜５０Ａ程度である。

増加ベース電流設定回路ＩＢＵＲは、予め定めた増加ベース電流設定信号Ｉburを出力する。増加ベース電流設定信号Ｉburは、２００Ａ以上であり、ピーク電流設定信号Ｉpr以下に設定される。増加ベース電流設定信号Ｉburは、磁気吹き発生状態となり、急速に進行するアークの変形を抑制することができる値に設定される。

ベース電流設定回路ＩＢＲは、上記の判別信号Ｈｂ、上記の通常ベース電流設定信号Ｉbsr及び上記の増加ベース電流設定信号Ｉburを入力として、判別信号ＨｂがＬｏｗレベルのときは通常ベース電流設定信号Ｉbsrをベース電流設定信号Ｉbrとして出力し、判別信号ＨｂがＨｉｇｈレベル(磁気吹き発生状態)のときは増加ベース電流設定信号Ｉburをベース電流設定信号Ｉbrとして出力する。

ピーク電流設定回路ＩＰＲは、予め定めたピーク電流設定信号Ｉprを出力する。ピーク電流設定信号Ｉprは、溶接ワイヤの直径、材質、送給速度等に応じて、４００〜６００Ａ程度に設定される。

電流設定回路ＩＲは、上記のベース電流設定信号Ｉbr、上記のピーク電流設定信号Ｉpr及び上記のピーク期間信号Ｔtpを入力として、ピーク期間信号ＴtpがＨｉｇｈレベルのときはピーク電流設定信号Ｉprを電流設定信号Ｉｒとして出力し、ピーク期間信号ＴtpがＬｏｗレベルのときはベース電流設定信号Ｉbrを電流設定信号Ｉｒとして出力する。

電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｗを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流設定信号Ｉｒと上記の電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。

駆動回路ＤＲは、上記の判別信号Ｈｂ及び上記の電流検出信号ｉｄを入力として、判別信号ＨｂがＨｉｇｈレベルに変化するとＨｉｇｈレベルにセットされ、その後に電流検出信号Ｉｄの値が予め定めた基準電流値以上になるとＬｏｗレベルにリセットされる駆動信号Ｄｒを出力する。トランジスタＴＲは、上記のリアクトルＷＬと並列に接続されて、上記の駆動信号Ｄｒがベース端子に接続される。したがって、トランジスタＴＲは、駆動信号ＤｒがＨｉｇｈレベルになるとオン状態となり、Ｌｏｗレベルになるとオフ状態となる。すなわち、トランジスタＴＲは、磁気吹き発生を判別するとオン状態となり、リアクトルＷＬを短絡状態にする。トランジスタＴＲは、溶接電流Ｉｗの値が基準電流値まで増加するとオフ状態となり、リアクトルＷＬは通電路に挿入された通常の状態となる。上記の基準電流値は、通常ベース電流設定信号Ｉbsrの値よりも大きく、増加ベース電流設定信号Ｉburの値以下に設定される。リアクトルＷＬが可飽和リアクトルであるときは、基準電流値は、飽和電流値よりも１０〜５０Ａ程度大きな値に設定される。基準電流値の設定範囲は、６０〜１００Ａ程度に設定される。

図２は、本発明の実施の形態１に係るパルスアーク溶接制御方法を示す図１の溶接電源における各信号のタイムチャートである。同図(Ａ)は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図(Ｂ)は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図(Ｃ)は判別信号Ｈｂの時間変化を示し、同図(Ｄ)は駆動信号Ｄｒの時間変化を示す。同図は、リアクトルＷＬが可飽和リアクトルの場合である。以下、同図を参照して動作を説明する。

同図は、２周期の波形を示している。第１周期は、ベース期間Ｔｂ中に磁気吹きが発生しなかった場合である。第２周期は、ベース期間Ｔｂ中に磁気吹きが発生した場合である。

(１)時刻ｔ１〜ｔ３の第１周期の動作説明
時刻ｔ１〜ｔ２の予め定めたピーク期間Ｔｐ中は、同図(Ａ)に示すように、ベース電流Ｉｂから傾斜を有して増加した後に急速に増加し、予め定めたピーク電流Ｉｐが通電する。傾斜を有するのは、可飽和リアクトルのインダクタンス値が大きいためであり、飽和電流値以上になるとインダクタンス値が小さくなり、ピーク電流Ｉｐへと急速に増加する。同時に、同図(Ｂ)に示すように、アーク長に比例したピーク電圧が印加する。ピーク電流Ｉｐは、図１のピーク電流設定信号Ｉprによって設定される。ピーク期間Ｔｐ中に、溶接ワイヤの先端が溶融されて、溶滴が形成され、ピーク期間Ｔｐの終了前後のタイミングで溶滴は溶融池へと移行する（１パルス１溶滴移行状態)。ピーク期間Ｔｐ及びピーク電流Ｉｐは、この１パルス１溶滴移行状態になるように設定される。

時刻ｔ２〜ｔ３のベース期間Ｔｂ中は、磁気吹きが発生していない状態であるので、同図(Ａ)に示すように、ピーク電流Ｉｐから急速に減少した後に傾斜を有して減少し、予め定めた通常値のベース電流Ｉｂが通電する。傾斜を有するのは、上述したように、可飽和リアクトルのインダクタンス値が飽和電流値以下になると大きくなるためである。同時に、同図(Ｂ)に示すように、略一定値となる通常値のベース電圧Ｖｂが印加する。通常値のベース電流Ｉｂは、図１の通常ベース電流設定信号Ｉbsrによって設定される。

上述した時刻ｔ１〜ｔ３が１パルス周期となる。パルス周期(パルス周波数)は、溶接電圧Ｖｗの平均値が電圧設定信号Ｖｒの値と等しくなるようにフィードバック制御(周波数変調制御)される。これにより、アーク長の平均値が適正値に維持される。時刻ｔ１〜ｔ３の第１周期中は磁気吹きは発生していないので、同図(Ｃ)に示すように、判別信号ＨｂはＬｏｗレベルのままである。また、同図(Ｄ)に示すように、駆動信号ＤｒはＬｏｗレベルのままであるので、図１のトランジスタＴＲはオフ状態となり、リアクトルＷＬは通電路に挿入される通常の状態となる。

(２)時刻ｔ３〜ｔ４の第２周期の動作説明
時刻ｔ３〜ｔ４のピーク期間Ｔｐの動作は、時刻ｔ１〜ｔ２と同様である。さらに、時刻ｔ４〜ｔ４１の期間の動作は、時刻ｔ２〜ｔ３と同様である。

時刻ｔ４１において、磁気吹きが発生したためにアークが変形してアーク長が通常状態よりも次第に長くなる。このために、同図(Ｂ)に示すように、ベース電圧Ｖｂは、時刻ｔ４１から上昇し、時刻ｔ４２において上昇状態が基準値以上となる。ベース電圧Ｖｂの上昇状態が基準値以上となると、同図(Ｃ)に示すように、判別信号ＨｂがＨｉｇｈレベルに変化する。これに応動して、同図(Ｄ)に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルに変化し、トランジスタＴＲがオン状態となり、リアクトルＷＬは短絡状態(バイパス状態)となる。このために、通電路のインダクタンス値は飽和電流値未満であっても小さな値となる。そして、同図(Ａ)に示すように、ベース電流Ｉｂはインダクタンス値が小さいので増加ベース電流値Ｉbuへと急速に増加する。増加中の時刻ｔ４３において、ベース電流Ｉｂの値が予め定めた基準電流値以上となると、同図(Ｄ)に示すように、駆動信号Ｄｒはオフ状態に戻り、通電路にリアクトルＷＬが挿入された状態に戻る。駆動信号ＤｒがＬｏｗレベルにリセットされるタイミングを、ベース電流Ｉｂの値が増加ベース電流値Ｉbuに達した時点、又は、次のパルス周期が開始された時点としても良い。増加ベース電流値Ｉbuは、図１の増加ベース電流設定信号Ｉburによって設定される。

時刻ｔ４３から、同図(Ａ)に示すように、ベース電流Ｉｂが増加ベース電流値Ｉbuへと急増するために、アークの変形は抑制される。この結果、同図(Ｂ)に示すように、ベース電圧Ｖｂは、時刻ｔ４３から上昇状態が緩やかになり、その後は時刻ｔ５まで下降状態となる。時刻ｔ４３〜ｔ５の期間中は、同図(Ａ)に示すように、ベース電流Ｉｂは増加ベース電流値Ｉbuを維持する。時刻ｔ５において、次のパルス周期が開始されると、同図(Ｃ)に示す判別信号ＨｂはＬｏｗレベルに戻る。判別信号ＨｂがＬｏｗレベルにリセットされるタイミングを、ベース電圧Ｖｂの上昇状態が終わり下降状態になったときとしても良い。同図ではリアクトルＷＬが可飽和リアクトルである場合を説明したが、電流範囲によらずインダクタンス値が略一定値となる通常のリアクトルの場合も同様である。

以下、実施の形態１に係るパルスアーク溶接制御方法による磁気吹き対処の作用について説明する。図２の第２周期の動作で説明したように、ベース電圧Ｖｂの上昇状態によって磁気吹きの発生を判別している。ベース電圧Ｖｂの上昇状態が基準値以上になったことによって磁気吹きの発生を判別すると、トランジスタＴＲをオン状態にしてリアクトルＷＬを短絡状態(バイパス状態)にする。そして、通電路のインダクタンス値を小さくした上で、ベース電流Ｉｂを増加ベース電流値Ｉbuまで急速に増加させる。これにより、アークの硬直性を迅速に強くして、アーク切れの発生を阻止している。従来技術では、リアクトルのインダクタンス値が大きい場合には、ベース電流Ｉｂが増加ベース電流値Ｉbuに達するまでに時間がかかり、アーク切れが発生する場合があった。これに対して、本実施の形態では、アーク切れを確実に阻止することができる。

上述した実施の形態１によれば、通電路のリアクトルと並列にトランジスタを設け、ベース電圧の上昇状態が予め定めた基準値以上になったときは、トランジスタをオン状態にしてリアクトルを短絡状態にし、ベース電流を急速に増加させる。本実施の形態では、ベース電圧の上昇状態が基準値以上になったことで磁気吹きの発生を判別すると、トランジスタをオン状態にしてリアクトルを短絡状態にし、ベース電流を急速に増加させている。このために、本実施の形態では、リアクトルのインダクタンス値が大きな場合でも、磁気吹きによるアーク切れを抑制することができる。

さらに、本実施の形態において、増加させた前記ベース電流の値が予め定めた基準電流値以上になったときは、トランジスタをオフ状態に戻すようにしても良い。このようにすると、必要最小限の時間だけトランジスタがオン状態となるので、トランジスタの損失を小さくすることができ、安価になる。また、電流値が必要以上に大きくなる前にトランジスタがオフされるので、ターンオフ時のサージ電圧を小さく抑制することができ、トランジスタの損傷を抑制することができる。

さらに、本実施の形態において、リアクトルが可飽和リアクトルであるときは、基準電流値を飽和電流値よりも１０〜５０Ａ大きな値に設定する。これにより、トランジスタのオン状態を必要最小限の適正時間に設定することができる。

１溶接ワイヤ
２母材
３アーク
４溶接トーチ
５送給ロール
ＡＤアーク判別回路
Ａｄアーク判別信号
ＤＲ駆動回路
Ｄｒ駆動信号
ＤＶベース電圧上昇状態検出回路
Ｄｖベース電圧上昇状態検出信号
ＥＩ電流誤差増幅回路
Ｅｉ電流誤差増幅信号
ＥＶ電圧誤差増幅回路
Ｅｖ電圧誤差増幅信号
ＨＢ判別回路
Ｈｂ判別信号
Ｉｂベース電流
ＩＢＲベース電流設定回路
Ｉbr ベース電流設定信号
ＩＢＳＲ通常ベース電流設定回路
Ｉbsr 通常ベース電流設定信号
ＩＢＵＲ増加ベース電流設定回路
Ｉbur 増加ベース電流設定信号
ＩＤ電流検出回路
Ｉｄ電流検出信号
Ｉｐピーク電流
ＩＰＲピーク電流設定回路
Ｉpr ピーク電流設定信号
ＩＲ電流設定回路
Ｉｒ電流設定信号
Ｉｗ溶接電流
ＭＣ電源主回路
Ｔｂベース期間
Ｔｆパルス周波数信号
Ｔｐピーク期間
ＴＲトランジスタ
ＴＴＰピーク期間タイマ回路
Ｔtp ピーク期間信号
ＶＡＶ電圧平均化回路
Ｖav 電圧平均信号
Ｖｂベース電圧
ＶＤ電圧検出回路
Ｖｄ電圧検出信号
ＶＦＶ／Ｆコンバータ
ＶＲ電圧設定回路
Ｖｒ電圧設定信号
Ｖｗ溶接電圧
ＷＬリアクトル

Claims

溶接ワイヤを送給し、ピーク電流及びピーク電圧を出力するピーク期間とベース電流及びベース電圧を出力するベース期間とを繰り返し、前記ピーク電流及び前記ベース電流の通電路にリアクトルが設けられており、アークが発生しているときの前記ベース電圧の上昇に基づいて前記ベース電流を増加させて磁気吹きに対処するパルスアーク溶接制御方法において、
前記リアクトルと並列にトランジスタを設け、
前記ベース電圧の上昇状態が予め定めた基準値以上になったときは、前記トランジスタをオン状態にして前記リアクトルを短絡状態にし、前記ベース電流を増加させる、
ことを特徴とするパルスアーク溶接制御方法。
前記増加させた前記ベース電流の値が予め定めた基準電流値以上になったときは、前記トランジスタをオフ状態にする、
ことを特徴とする請求項１に記載のパルスアーク溶接制御方法。
前記リアクトルが可飽和リアクトルであるときは、前記基準電流値を飽和電流値よりも大きな値に設定する、
ことを特徴とする請求項２に記載のパルスアーク溶接制御方法。