JP6895210B2 - アーク溶接制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接ワイヤの送給速度を正送期間と逆送期間とに交互に切り換え、短絡期間とアーク期間とを繰り返して溶接するアーク溶接制御方法に関するものである。

一般的な消耗電極式アーク溶接では、消耗電極である溶接ワイヤを一定速度で送給し、溶接ワイヤと母材との間にアークを発生させて溶接が行なわれる。消耗電極式アーク溶接では、溶接ワイヤと母材とが短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返す溶接状態になることが多い。

溶接品質をさらに向上させるために、溶接ワイヤの正送と逆送とを周期的に繰り返して溶接する正逆送給制御方法が提案されている。特許文献１の発明では、電流設定値に応じた送給速度の平均値とし、溶接ワイヤの正送と逆送との周波数及び振幅を電流設定値に応じた値としている。溶接ワイヤの正送と逆送とを繰り返す溶接方法では、定速送給の従来技術に比べて、短絡とアークとの繰り返しの周期を安定化することができるので、スパッタ発生量の削減、ビード外観の改善等の溶接品質の向上を図ることができる。

消耗電極式アーク溶接において、スパッタは短絡が発生するときと短絡状態が解除されてアークが再発生するときに発生する。このアーク再発生時のスパッタは、正逆送給制御とくびれ検出制御とを行うことによって大幅に削減することができる。他方、短絡発生時のスパッタは、短絡が発生するときの溶接電流を小電流値にすることによって削減することができる。このために、短絡が発生する直前に溶接電流を小電流値に切り換えるようにしている。しかし、短絡の発生を予測することは困難であるので、アーク再発生から所定時間が経過すると溶接電流を小電流値に切り換えるようにしている(特許文献２参照)。この小電流値への切換タイミングが早すぎると、アーク状態が不安定になる。逆に、遅すぎると、短絡発生時の溶接電流値を小さくすることができず、スパッタが発生することになる。すなわち、溶接電流を小電流値に切り換えるタイミングを、溶接条件に応じて適正化する必要がある。

日本国特許第５２０１２６６号公報 日本国特開２０１２−６０２０号公報

そこで、本発明では、溶接ワイヤの送給速度を正送期間と逆送期間とに交互に切り換える溶接方法において、アーク期間の後半に溶接電流を小電流値に切り換えるタイミングを適正化してスパッタの発生を削減することができる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、本発明のアーク溶接制御方法は、
溶接ワイヤの送給速度を正送期間と逆送期間とに交互に切り換え、短絡期間とアーク期間とを繰り返し、前記アーク期間の後半に溶接電流を小電流値に切り換えて通電し、平均送給速度設定値によって前記送給速度の平均値を設定し、電圧設定値によって前記アーク期間中の溶接電圧を設定するアーク溶接制御方法において、
前記平均送給速度設定値に基づいて前記溶接電流を小電流値に切り換えるタイミングを変化させるものである。

また、本発明のアーク溶接制御方法は、前記電圧設定値に基づいて前記溶接電流を小電流値に切り換えるタイミングを変化させるものである。

また、本発明のアーク溶接制御方法は、前記平均送給速度設定値に応じて基準電圧設定値を設定し、前記電圧設定値と前記基準電圧設定値との誤差増幅値に基づいて前記溶接電流を小電流値に切り換えるタイミングを変化させるものである。

本発明のアーク溶接制御方法は、前記誤差増幅値を算出するときの増幅率を前記平均送給速度設定値に応じて変化させるものである。

本発明によれば、溶接ワイヤの送給速度を正送期間と逆送期間とに交互に切り換える溶接方法において、アーク期間の後半に溶接電流を小電流値に切り換えるタイミングを適正化してスパッタの発生を削減することができる。

本発明の実施の形態１に係る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ミングチャートである。 本発明の実施の形態２に係る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、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ＰＭは、３相２００Ｖ等の商用電源（図示は省略）を入力として、後述する誤差増幅信号Ｅａに従ってインバータ制御等による出力制御を行い、出力電圧Ｅを出力する。この電源主回路ＰＭは、図示は省略するが、商用電源を整流する１次整流器、整流された直流を平滑する平滑コンデンサ、平滑された直流を高周波交流に変換する上記の誤差増幅信号Ｅａによって駆動されるインバータ回路、高周波交流を溶接に適した電圧値に降圧する高周波変圧器、降圧された高周波交流を直流に整流する２次整流器を備えている。

リアクトルＷＬは、上記の出力電圧Ｅを平滑する。このリアクトルＷＬのインダクタンス値は、例えば１００μＨである。

送給モータＷＭは、後述する送給制御信号Ｆｃを入力として、正送と逆送とを交互に繰り返して溶接ワイヤ１を送給速度Ｆｗで送給する。送給モータＷＭには、過渡応答性の速いモータが使用される。溶接ワイヤ１の送給速度Ｆｗの変化率及び送給方向の反転を速くするために、送給モータＷＭは溶接トーチ４の先端の近くに設置される場合がある。また、送給モータＷＭを２個使用して、プッシュプル方式の送給系とする場合もある。

溶接ワイヤ１は、上記の送給モータＷＭ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内を送給されて、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。短絡判別回路ＳＤは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、この値が予め定めた短絡判別値（１０Ｖ程度）未満のときは短絡期間にあると判別してＨｉｇｈレベルになり、この値が短絡判別値以上のときはアーク期間にあると判別してＬｏｗレベルになる短絡判別信号Ｓｄを出力する。

電圧設定回路ＶＲは、予め定めた電圧設定信号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及び上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、電圧設定信号Ｖｒ（＋）と電圧検出信号Ｖｄ（−）との誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。

平均送給速度設定回路ＦＡＲは、予め定めた平均送給速度設定信号Ｆarを出力する。

正送加速期間設定回路ＴＳＵＲは、予め定めた正送加速期間設定信号Ｔsurを出力する。

正送減速期間設定回路ＴＳＤＲは、予め定めた正送減速期間設定信号Ｔsdrを出力する。

逆送加速期間設定回路ＴＲＵＲは、予め定めた逆送加速期間設定信号Ｔrurを出力する。

逆送減速期間設定回路ＴＲＤＲは、予め定めた逆送減速期間設定信号Ｔrdrを出力する。

正送ピーク値設定回路ＷＳＲは、上記の平均送給速度設定信号Ｆarを入力として、平均送給速度設定信号Ｆarに対応して予め定めた正送ピーク値設定信号Ｗsrを出力する。正送ピーク値設定信号Ｗsrは、送給速度Ｆｗの平均値と平均送給速度設定信号Ｆarの値とが等しくなるように実験によって予め算出される。そして、平均送給速度設定信号Ｆarに応じた正送ピーク値設定信号Ｗsrの値が記憶される。

逆送ピーク値設定回路ＷＲＲは、上記の平均送給速度設定信号Ｆarを入力として、平均送給速度設定信号Ｆarに対応して予め定めた逆送ピーク値設定信号Ｗrrを出力する。逆送ピーク値設定信号Ｗrrは、送給速度Ｆｗの平均値と平均送給速度設定信号Ｆarの値とが等しくなるように実験によって予め算出される。そして、平均送給速度設定信号Ｆarに応じた逆送ピーク値設定信号Ｗrrの値が記憶される。

送給速度設定回路ＦＲは、上記の正送加速期間設定信号Ｔsur、上記の正送減速期間設定信号Ｔsdr、上記の逆送加速期間設定信号Ｔrur、上記の逆送減速期間設定信号Ｔrdr、上記の正送ピーク値設定信号Ｗsr、上記の逆送ピーク値設定信号Ｗrr及び上記の短絡判別信号Ｓｄを入力として、以下の処理によって生成された送給速度パターンを送給速度設定信号Ｆｒとして出力する。この送給速度設定信号Ｆｒが０以上のときは正送期間となり、０未満のときは逆送期間となる。
１）正送加速期間設定信号Ｔsurによって定まる正送加速期間Ｔsu中は０から正送ピーク値設定信号Ｗsrによって定まる正の値の正送ピーク値Ｗspまで直線状に加速する送給速度設定信号Ｆｒを出力する。
２）続いて、正送ピーク期間Ｔsp中は、上記の正送ピーク値Ｗspを維持する送給速度設定信号Ｆｒを出力する。
３）短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル(アーク期間)からＨｉｇｈレベル(短絡期間)に変化すると、正送減速期間設定信号Ｔsdrによって定まる正送減速期間Ｔsdに移行し、上記の正送ピーク値Ｗspから０まで直線状に減速する送給速度設定信号Ｆｒを出力する。
４）続いて、逆送加速期間設定信号Ｔrurによって定まる逆送加速期間Ｔru中は０から逆送ピーク値設定信号Ｗrrによって定まる負の値の逆送ピーク値Ｗrpまで直線状に加速する送給速度設定信号Ｆｒを出力する。
５）続いて、逆送ピーク期間Ｔrp中は、上記の逆送ピーク値Ｗrpを維持する送給速度設定信号Ｆｒを出力する。
６）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル(短絡期間)からＬｏｗレベル(アーク期間)に変化すると、逆送減速期間設定信号Ｔrdrによって定まる逆送減速期間Ｔrdに移行し、上記の逆送ピーク値Ｗrpから０まで直線状に減速する送給速度設定信号Ｆｒを出力する。
７）上記の１）〜６）を繰り返すことによって正負の台形波状に変化する送給パターンの送給速度設定信号Ｆｒが生成される。

送給制御回路ＦＣは、上記の送給速度設定信号Ｆｒを入力として、送給速度設定信号Ｆｒの値に相当する送給速度Ｆｗで溶接ワイヤ１を送給するための送給制御信号Ｆｃを上記の送給モータＷＭに出力する。

減流抵抗器Ｒは、上記のリアクトルＷＬと溶接トーチ４との間に挿入される。この減流抵抗器Ｒの値は、短絡負荷（０．０１〜０．０３Ω程度）の１０倍以上大きな値（０．５〜３Ω程度）に設定される。この減流抵抗器Ｒが通電路に挿入されると、リアクトルＷＬ及び外部ケーブルのリアクトルに蓄積されたエネルギーが急放電される。

トランジスタＴＲは、上記の減流抵抗器Ｒと並列に接続されて、後述する駆動信号Ｄｒに従ってオン又はオフ制御される。

くびれ検出回路ＮＤは、上記の短絡判別信号Ｓｄ、上記の電圧検出信号Ｖｄ及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）であるときの電圧検出信号Ｖｄの電圧上昇値が基準値に達した時点でくびれの形成状態が基準状態になったと判別してＨｉｇｈレベルとなり、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）に変化した時点でＬｏｗレベルになるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。また、短絡期間中の電圧検出信号Ｖｄの微分値がそれに対応した基準値に達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。さらに、電圧検出信号Ｖｄの値を電流検出信号Ｉｄの値で除算して溶滴の抵抗値を算出し、この抵抗値の微分値がそれに対応する基準値に達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。

低レベル電流設定回路ＩＬＲは、予め定めた低レベル電流設定信号Ｉlrを出力する。電流比較回路ＣＭは、この低レベル電流設定信号Ｉlr及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、Ｉｄ＜ＩlrのときはＨｉｇｈレベルになり、Ｉｄ≧ＩlrのときはＬｏｗレベルになる電流比較信号Ｃｍを出力する。

駆動回路ＤＲは、上記の電流比較信号Ｃｍ及び上記のくびれ検出信号Ｎｄを入力として、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルに変化するとＬｏｗレベルに変化し、その後に電流比較信号ＣｍがＨｉｇｈレベルに変化するとＨｉｇｈレベルに変化する駆動信号Ｄｒを上記のトランジスタＴＲのベース端子に出力する。したがって、この駆動信号Ｄｒはくびれが検出されるとＬｏｗレベルになり、トランジスタＴＲがオフ状態になり通電路に減流抵抗器Ｒが挿入されるので、短絡負荷を通電する溶接電流Ｉｗは急減する。そして、急減した溶接電流Ｉｗの値が低レベル電流設定信号Ｉlrの値まで減少すると、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになり、トランジスタＴＲがオン状態になるので、減流抵抗器Ｒは短絡されて通常の状態に戻る。

電流制御設定回路ＩＣＲは、上記の短絡判別信号Ｓｄ、上記の低レベル電流設定信号Ｉlr及び上記のくびれ検出信号Ｎｄを入力として、以下の処理を行い、電流制御設定信号Ｉcrを出力する。
１）短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル(アーク期間)のときは、低レベル電流設定信号Ｉlrとなる電流制御設定信号Ｉcrを出力する。
２）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル(短絡期間)に変化すると、予め定めた初期期間中は予め定めた初期電流設定値となり、その後は予め定めた短絡時傾斜で予め定めた短絡時ピーク設定値まで上昇してその値を維持する電流制御設定信号Ｉcrを出力する。
３）その後に、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルに変化すると、低レベル電流設定信号Ｉlrの値となる電流制御設定信号Ｉcrを出力する。

電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流制御設定信号Ｉcr及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、電流制御設定信号Ｉcr（＋）と電流検出信号Ｉｄ（−）との誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。

電流降下時間設定回路ＴＤＲは、上記の平均送給速度設定信号Ｆarを入力とする予め定めた電流降下時間算出関数によって電流降下時間Ｔｄを算出して、電流降下時間設定信号Ｔdrを出力する。電流降下時間算出関数は、例えばＴd(ms)＝０．５×Ｆar(m/min)＋４である。Ｆar＝０〜１０m/minの範囲で設定される場合、Ｔｄ＝４〜９msの範囲で変化することになる。電流降下時間算出関数は、溶接ワイヤの直径及び材質に対応して、実験によって適正値に設定される。

小電流期間回路ＳＴＤは、上記の短絡判別信号Ｓｄ及び上記の電流降下時間設定信号Ｔdrを入力として、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル(アーク期間)に変化した時点から電流降下時間設定信号Ｔdrによって定まる電流降下時間ｔｄが経過した時点でＨｉｇｈレベルになり、その後に短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル(短絡期間)になるとＬｏｗレベルになる小電流期間信号Ｓtdを出力する。

電源特性切換回路ＳＷは、上記の電流誤差増幅信号Ｅｉ、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖ、上記の短絡判別信号Ｓｄ及び上記の小電流期間信号Ｓtdを入力として、以下の処理を行い、誤差増幅信号Ｅａを出力する。
１）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル(短絡期間)に変化した時点から、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル(アーク期間)に変化して予め定めた遅延期間が経過した時点までの期間中は、電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。
２）その後のアーク期間中は、電圧誤差増幅信号Ｅｖを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。
３）その後のアーク期間中に小電流期間信号ＳtdがＨｉｇｈレベルとなる期間中は、電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。
この回路によって、溶接電源の特性は、短絡期間、遅延期間及び小電流期間中は定電流特性となり、それ以外のアーク期間中は定電圧特性となる。

図２は、本発明の実施の形態１に係る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ミングチャートである。同図（Ａ）は送給速度Ｆｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図(Ｄ)は短絡判別信号Ｓｄの時間変化を示し、同図(Ｅ)は小電流期間信号Ｓtdの時間変化を示す。以下、同図を参照して各信号の動作について説明する。

同図（Ａ）に示す送給速度Ｆｗは、図１の送給速度設定回路ＦＲから出力される送給速度設定信号Ｆｒの値に制御される。送給速度Ｆｗは、図１の正送加速期間設定信号Ｔsurによって定まる正送加速期間Ｔsu、短絡が発生するまで継続する正送ピーク期間Ｔsp、図１の正送減速期間設定信号Ｔsdrによって定まる正送減速期間Ｔsd、図１の逆送加速期間設定信号Ｔrurによって定まる逆送加速期間Ｔru、アークが発生するまで継続する逆送ピーク期間Ｔrp及び図１の逆送減速期間設定信号Ｔrdrによって定まる逆送減速期間Ｔrdから形成される。さらに、正送ピーク値Ｗspは図１の正送ピーク値設定信号Ｗsrによって平均送給速度設定信号Ｆarに応じた値として定まり、逆送ピーク値Ｗrpは図１の逆送ピーク値設定信号Ｗrrによって平均送給速度設定信号Ｆarに応じた値として定まる。この結果、送給速度設定信号Ｆｒは、正負の略台形波波状に変化する送給パターンとなる。

［時刻ｔ１〜ｔ４の短絡期間の動作］
正送ピーク期間Ｔsp中の時刻ｔ１において短絡が発生すると、同図(Ｃ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖの短絡電圧値に急減するので、同図(Ｄ)に示すように、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル(短絡期間)に変化する。これに応動して、時刻ｔ１〜ｔ２の予め定めた正送減速期間Ｔsdに移行し、同図(Ａ)に示すように、送給速度Ｆｗは上記の正送ピーク値Ｗspから０まで減速する。例えば、正送減速期間Ｔsd＝１msに設定される。

同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは時刻ｔ２〜ｔ３の予め定めた逆送加速期間Ｔruに入り、０から上記の逆送ピーク値Ｗrpまで加速する。この期間中は短絡期間が継続している。例えば、逆送加速期間Ｔru＝１msに設定される。

時刻ｔ３において逆送加速期間Ｔruが終了すると、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは逆送ピーク期間Ｔrpに入り、上記の逆送ピーク値Ｗrpになる。逆送ピーク期間Ｔrpは、時刻ｔ４にアークが発生するまで継続する。したがって、時刻ｔ１〜ｔ４の期間が短絡期間となる。逆送ピーク期間Ｔrpは所定値ではないが、２ms程度となる。また、逆送ピーク値Ｗrpは平均送給速度設定信号Ｆarによって変化するが、−３０〜−５０m/min程度に設定される。

同図(Ｂ)に示すように、時刻ｔ１〜ｔ４の短絡期間中の溶接電流Ｉｗは、予め定めた初期期間中は予め定めた初期電流値となる。その後、溶接電流Ｉｗは、予め定めた短絡時傾斜で上昇し、予め定めた短絡時ピーク値に達するとその値を維持する。

同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、溶接電流Ｉｗが短絡時ピーク値となるあたりから上昇する。これは、溶接ワイヤ１の逆送及び溶接電流Ｉｗによるピンチ力の作用により、溶接ワイヤ１の先端の溶滴にくびれが次第に形成されるためである。

その後に溶接電圧Ｖｗの電圧上昇値が基準値に達すると、くびれの形成状態が基準状態になったと判別して、図１のくびれ検出信号ＮｄはＨｉｇｈレベルに変化する。

くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになったことに応動して、図１の駆動信号ＤｒはＬｏｗレベルになるので、図１のトランジスタＴＲはオフ状態となり図１の減流抵抗器Ｒが通電路に挿入される。同時に、図１の電流制御設定信号Ｉcrが低レベル電流設定信号Ｉlrの値に小さくなる。このために、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは短絡時ピーク値から低レベル電流値へと急減する。そして、溶接電流Ｉｗが低レベル電流値まで減少すると、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルに戻るので、トランジスタＴＲはオン状態となり減流抵抗器Ｒは短絡される。同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、電流制御設定信号Ｉcrが低レベル電流設定信号Ｉlrのままであるので、アーク再発生から予め定めた遅延期間が経過するまでは低レベル電流値を維持する。したがって、トランジスタＴＲは、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルに変化した時点から溶接電流Ｉｗが低レベル電流値に減少するまでの期間のみオフ状態となる。同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、溶接電流Ｉｗが小さくなるので一旦減少した後に急上昇する。上述した各パラメータは、例えば以下の値に設定される。初期電流＝４０Ａ、初期期間＝０．５ms、短絡時傾斜＝２ms、短絡時ピーク値＝４００Ａ低レベル電流値＝５０Ａ、遅延期間＝１ms。

［時刻ｔ４〜ｔ７のアーク期間の動作］
時刻ｔ４において、溶接ワイヤの逆送及び溶接電流Ｉｗの通電によるピンチ力によってくびれが進行してアークが発生すると、同図(Ｃ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは数十Ｖのアーク電圧値に急増するので、図(Ｄ)に示すように、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル(アーク期間)に変化する。これに応動して、時刻ｔ４〜ｔ５の予め定めた逆送減速期間Ｔrdに移行し、同図(Ａ)に示すように、送給速度Ｆｗは上記の逆送ピーク値Ｗrpから０まで減速する。例えば、逆送減速期間Ｔrd＝１msに設定される。

時刻ｔ５において逆送減速期間Ｔrdが終了すると、時刻ｔ５〜ｔ６の予め定めた正送加速期間Ｔsuに移行する。この正送加速期間Ｔsu中は、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは０から上記の正送ピーク値Ｗspまで加速する。この期間中はアーク期間が継続している。例えば、正送加速期間Ｔsu＝１msに設定される。

時刻ｔ６において正送加速期間Ｔsuが終了すると、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは正送ピーク期間Ｔspに入り、上記の正送ピーク値Ｗspになる。この期間中もアーク期間が継続している。正送ピーク期間Ｔspは、時刻ｔ７に短絡が発生するまで継続する。したがって、時刻ｔ４〜ｔ７の期間がアーク期間となる。そして、短絡が発生すると、時刻ｔ１の動作に戻る。正送ピーク期間Ｔspは所定値ではないが、４ms程度となる。また、正送ピーク値Ｗspは平均送給速度設定信号Ｆarによって変化するが、３０〜５０m/min程度に設定される。

時刻ｔ４においてアークが発生すると、同図(Ｃ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは数十Ｖのアーク電圧値に急増する。他方、同図(Ｂ)に示すように、溶接電流Ｉｗは、時刻ｔ４から遅延期間の間は低レベル電流値を継続する。その後、溶接電流Ｉｗは増加して高電流値となる。この高電流値となるアーク期間中は、図１の電圧誤差増幅信号Ｅｖによって溶接電源のフィードバック制御が行われるので、定電圧特性となる。

時刻ｔ４にアークが発生してから、図１の電流降下時間設定信号Ｔdrによって定まる電流降下時間Ｔｄが経過する時刻ｔ６１において、同図(Ｅ)に示すように、小電流期間信号ＳtdがＨｉｇｈレベルに変化する。これに応動して、溶接電源は定電圧特性から定電流特性に切り換えられる。このために、同図(Ｂ)に示すように、溶接電流Ｉｗは低レベル電流値に低下し、短絡が発生する時刻ｔ７までその値を維持する。同様に、同図(Ｃ)に示すように、溶接電圧Ｖｗも低下する。小電流期間信号Ｓtdは、時刻ｔ７に短絡が発生するとＬｏｗレベルに戻る。

電流降下時間Ｔｄは平均送給速度設定信号Ｆarに応じた値となる。電流降下時間Ｔｄは、溶接電流Ｉｗが小電流値となるタイミング(小電流期間信号ＳtdがＨｉｇｈレベルとなる時刻ｔ６１)が短絡が発生する時刻ｔ７よりも０．５〜１ms程度前のタイミングになることが望ましい。この結果、時刻ｔ６１のタイミングは正送ピーク期間Ｔsp中となる。電流降下時間Ｔｄが短すぎると、小電流値の期間ｔ６１〜ｔ７が長くなり、アーク状態が不安定になる。逆に、電流降下時間Ｔｄが長すぎると、短絡が発生しても小電流値になっていないので、スパッタが増加することになる。すなわち、電流降下時間Ｔｄが溶接条件に応じて適正値に設定されることが重要である。溶接条件の中で、平均送給速度がアーク期間の時間長さに最も影響を与えるので、本実施の形態では、平均送給速度に応じて電流降下時間Ｔｄを適正化している。

上述した実施の形態１によれば、平均送給速度設定値に基づいて溶接電流を小電流値に切り換えるタイミングを変化させる。平均送給速度設定値によって送給速度の平均値が設定され、送給速度の平均値によって溶接電流の平均値が設定される。送給速度の平均値が変化すると、アーク状態が変化してアーク期間の時間長さが変化する。したがって、溶接電流を小電流値に切り換えるタイミング(電流降下時間)を平均送給速度設定値に応じて変化させて適正化すると、短絡の発生する直前に溶接電流が小電流値に切り換わることになる。このために、アーク状態を安定に維持し、かつ、スパッタ発生量を少なくすることができる。

上記においては、電流降下時間Ｔｄの始点をアーク再発生時としているが、送給速度Ｆｗが正送に切り換わる時刻ｔ５としても良い。また、電流降下時間Ｔｄの始点をアークが再発生し、遅延期間が終了する時点としても良い。

［実施の形態２］
実施の形態２の発明では、平均送給速度設定値に加えて電圧設定値に基づいて溶接電流を小電流値に切り換えるタイミングを変化させる。具体的には、実施の形態２の発明では、平均送給速度設定値に応じて基準電圧設定値を設定し、電圧設定値と基準電圧設定値との誤差増幅値に基づいて溶接電流を小電流値に切り換えるタイミングを変化させる。

図３は、本発明の実施の形態２に係る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。同図は上述した図１と対応しており、同一のブロックには同一符号を付して、それらの説明は繰り返さない。同図は、図１に基準電圧設定回路ＶＳＲ、電圧微調整回路ＶＢＲ及び増幅率設定回路ＧＲを追加し、図１の電圧設定回路ＶＲを第２電圧設定回路ＶＲ２に置換し、図１の電流降下時間設定回路ＴＤＲを第２電流降下時間設定回路ＴＤＲ２に置換したものである。以下、同図を参照してこれらのブロックについて説明する。

基準電圧設定回路ＶＳＲは、上記の平均送給速度設定信号Ｆarを入力とする予め定めた一元調整関数によって基準電圧値を算出して、基準電圧設定信号Ｖsrを出力する。この回路は、慣用技術である一元調整制御に関するものであり、平均送給速度に応じて溶接電圧の推奨値となる基準電圧値を設定する。

電圧微調整回路ＶＢＲは、予め定めた電圧微調整信号Ｖbrを出力する。電圧微調整信号Ｖbrは、例えば−５Ｖ〜＋５Ｖの範囲に設定される。

増幅率設定回路ＧＲは、上記の平均送給速度設定信号Ｆarを入力とする予め定めた増幅率算出関数によって増幅率を算出して、増幅率設定信号Ｇｒを出力する。増幅率算出関数は、例えば、Ｆar＜４のときはＧｒ＝０．５となり、Ｆar≧４のときはＧｒ＝１．０となる関数である。この関数は、直線又は曲線に対応する関数であっても良い。

第２電圧設定回路ＶＲ２は、上記の基準電圧設定信号Ｖsr及び上記の電圧微調整信号Ｖbrを入力として、両値を加算（Ｖsr＋Ｖbr）して、電圧設定信号Ｖｒを出力する。

第２電流降下時間設定回路ＴＤＲ２は、上記の平均送給速度設定信号Ｆar、上記の電圧微調整信号Ｖbr及び上記の増幅率設定信号Ｇｒを入力として、以下の処理を行い、電流降下時間設定信号Ｔdrを出力する。
１）予め定めた電流降下時間算出関数に平均送給速度設定信号Ｆarを入力して基準電流降下時間を算出する。
２）電流降下時間Ｔｄ＝基準電流降下時間＋Ｇｒ・Ｖbrを演算して、電流降下時間設定信号Ｔdrを出力する。この“Ｇｒ・Ｖbr”は、誤差増幅値を構成する。

上記の第２電流降下時間設定回路ＴＤＲ２によって以下の動作を行っている。
ステップ１）実施の形態１と同様に、平均送給速度設定値に対応した基準電流降下時間を算出する。
ステップ２）平均送給速度設定値に対応した基準電圧設定値を算出する。
ステップ３）電圧設定値と上記の基準電圧設定値との誤差増幅値を算出する。増幅率は平均送給速度設定値の関数である。
ステップ４）上記の基準電流降下時間を上記の誤差増幅値で修正して、電流降下時間Ｔｄを算出する。

上記のステップ１）〜４）の数値例を示す。
ステップ１Ｆar＝３m/minとすると、基準電流降下時間＝０．５×３＋４＝５．５msを算出する。
ステップ２）Ｆar＝３であるときの基準電圧設定値＝１８Ｖを算出する。
ステップ３）電圧設定値＝１９Ｖと上記の基準電圧設定値＝１８Ｖとの誤差増幅値＝０．５×(１９−１８)＝０．５を算出する。増幅率はＦar＝３であるので０．５となる。
ステップ４）上記の基準電流降下時間＝５．５msを、上記の誤差増幅値＝０．５で修正して、電流降下時間Ｔｄ＝５．５＋０．５＝６．０msを算出する。

ステップ１Ｆar＝６m/minとすると、基準電流降下時間＝０．５×６＋４＝７．０msを算出する。
ステップ２）Ｆar＝６であるときの基準電圧設定値＝２６Ｖを算出する。
ステップ３）電圧設定値＝２５Ｖと上記の基準電圧設定値＝２６Ｖとの誤差増幅値＝１．０×(２５−２６)＝−１．０を算出する。増幅率はＦar＝６であるので１．０となる。
ステップ４）上記の基準電流降下時間＝７．０msを、上記の誤差増幅値＝−１．０で修正して、電流降下時間Ｔｄ＝７．０−１．０＝６．０msを算出する。

図３における各信号の動作は、上述した図２と同様である。但し、電流降下時間Ｔｄの設定方法が上述したように実施の形態１とは異なっている。

上述した実施の形態２によれば、平均送給速度設定値に加えて、電圧設定値に基づいて溶接電流を小電流値に切り換えるタイミング(電流降下時間)を変化させる。具体的には、実施の形態２においては、平均送給速度設定値に応じて基準電圧設定値を設定し、電圧設定値と基準電圧設定値との誤差増幅値に基づいて溶接電流を小電流値に切り換えるタイミングを変化させる。平均送給速度に加えて、電圧設定値が異なるとアーク状態が変化してアーク期間の時間長さが変化する。したがって、実施の形態２では、平均送給速度に応じて設定される電流降下時間を、電圧設定値に応じて修正している。このために、実施の形態２では、平均送給速度及び電圧設定値に応じて電流降下時間を適正化することができるので、アーク状態をさらに安定化することができ、スパッタ発生量をさらに少なくすることができる。

さらに、実施の形態２において、誤差増幅値を算出するときの増幅率を平均送給速度設定値に応じて変化させるようにしても良い。このようにすれば、電圧設定値に応じて電流降下時間を修正するときの修正量を、平均送給速度に応じて適正化することができる。電圧設定値の変化量に対するアーク期間の時間長さの変化量は、平均送給速度によって異なっている。このために、平均送給速度に応じて増幅率を適正化すれば、修正量を適正化することができる。この結果、電圧設定値が変化したときに、アーク状態の安定化及びスパッタ発生量の削減をさらに図ることができる。

本発明によれば、送給速度の正送期間と逆送期間とを交互に切り換える溶接において、給電チップ・母材間距離が変動しても、溶接電流平滑値を一定に保つことができるので、溶け込み深さを均一化することができる。

以上、本発明を特定の実施形態によって説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、開示された発明の技術思想を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。本出願は、２０１６年８月２日出願の日本特許出願（特願２０１６−１５２０２８）に基づくものであり、その内容はここに取り込まれる。

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
ＣＭ 電流比較回路
Ｃｍ 電流比較信号
ＤＲ 駆動回路
Ｄｒ 駆動信号
Ｅ 出力電圧
Ｅａ 誤差増幅信号
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
ＦＡＲ 平均送給速度設定回路
Ｆar 平均送給速度設定信号
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
Ｆｗ 送給速度
ＧＲ 増幅率設定回路
Ｇｒ 増幅率設定信号
ＩＣＲ 電流制御設定回路
Ｉcr 電流制御設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＬＲ 低レベル電流設定回路
Ｉlr 低レベル電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＮＤ くびれ検出回路
Ｎｄ くびれ検出信号
ＰＭ 電源主回路
Ｒ 減流抵抗器
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
ＳＴＤ 小電流期間回路
Ｓtd 小電流期間信号
ＳＷ 電源特性切換回路
ｔｄ 電流降下時間
ＴＤＲ 電流降下時間設定回路
Ｔdr 電流降下時間設定信号
ＴＤＲ２ 第２電流降下時間設定回路
ＴＲ トランジスタ
Ｔrd 逆送減速期間
ＴＲＤＲ 逆送減速期間設定回路
Ｔrdr 逆送減速期間設定信号
Ｔrp 逆送ピーク期間
Ｔru 逆送加速期間
ＴＲＵＲ 逆送加速期間設定回路
Ｔrur 逆送加速期間設定信号
Ｔsd 正送減速期間
ＴＳＤＲ 正送減速期間設定回路
Ｔsdr 正送減速期間設定信号
Ｔsp 正送ピーク期間
Ｔsu 正送加速期間
ＴＳＵＲ 正送加速期間設定回路
Ｔsur 正送加速期間設定信号
ＶＢＲ 電圧微調整回路
Ｖbr 電圧微調整信号
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
ＶＲ２ 第２電圧設定回路
ＶＳＲ 基準電圧設定回路
Ｖsr 基準電圧設定信号
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＬ リアクトル
ＷＭ 送給モータ
Ｗrp 逆送ピーク値
ＷＲＲ 逆送ピーク値設定回路
Ｗrr 逆送ピーク値設定信号
Ｗsp 正送ピーク値
ＷＳＲ 正送ピーク値設定回路
Ｗsr 正送ピーク値設定信号

Claims (4)

1. 溶接ワイヤの送給速度を正送期間と逆送期間とに交互に切り換え、短絡期間とアーク期間とを繰り返し、前記アーク期間の後半に溶接電流を小電流値に切り換えて通電し、平均送給速度設定値によって前記送給速度の平均値を設定し、電圧設定値によって前記アーク期間中の溶接電圧を設定するアーク溶接制御方法において、
   前記平均送給速度設定値に基づいて前記溶接電流を小電流値に切り換えるタイミングを変化させるアーク溶接制御方法。
2. 前記電圧設定値に基づいて前記溶接電流を小電流値に切り換えるタイミングを変化させる、請求項１に記載のアーク溶接制御方法。
3. 前記平均送給速度設定値に応じて基準電圧設定値を設定し、前記電圧設定値と前記基準電圧設定値との誤差増幅値に基づいて前記溶接電流を小電流値に切り換えるタイミングを変化させる、請求項２に記載のアーク溶接制御方法。
4. 前記誤差増幅値を算出するときの増幅率を前記平均送給速度設定値に応じて変化させる、請求項３に記載のアーク溶接制御方法。

Images