(57)【要約】      （修正有）【課題】溶接作業における入熱を制御するためのアーク溶接電源およびアーク溶接電源を含むアーク溶接システムを提供する。【解決手段】システムは、溶接波形２００を溶接トーチに出力するように構成されるアーク溶接電源を含む。溶接電源は、出力される溶接波形を生成する波形生成器を含む。電源は、所望のＲＭＳ電圧設定点及び所望のＲＭＳ電圧範囲のうちの一方に基づいて、出力される溶接波形２００を最適化するコントローラも含む。最適化は、電力比及び持続時間比のうちの少なくとも一方を調整することによって実行される。電力比とは、溶接波形２００の正の部分２１０の電力に対する溶接波形２００の負の部分２０８の電力の比であり、持続時間比とは、溶接波形２００の正の部分２１０の持続時間ｔＥＰに対する溶接波形２００の負の部分２０８の持続時間ｔＥＮの比である。【選択図】図２
0003200614.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
溶接波形を溶接トーチに出力するように構成されるアーク溶接電源であって、当該アーク溶接電源は、
出力される溶接波形を生成する波形生成器と、
所望のＲＭＳ電圧設定点及び所望のＲＭＳ電圧範囲のうちの一方に基づいて、前記出力される溶接波形を最適化するコントローラと、
を含み、
前記所望のＲＭＳ電圧設定点及び前記所望のＲＭＳ電圧範囲のうちの前記一方は、所望の入熱がユーザ入力情報に基づいて前記コントローラによって判定される溶接作業のための前記所望の入熱と関連し、
前記の最適化は、電力比及び持続時間比のうちの少なくとも一方を調整することによって行われ、
前記電力比とは、前記溶接波形の正の部分の電力に対する前記溶接波形の負の部分の電力の比であり、
前記持続時間比とは、前記溶接波形の正の部分の持続時間に対する前記溶接波形の負の部分の持続時間の比である、
アーク溶接電源。
【請求項２】
前記コントロ−ラはアーク長に対応するＲＭＳ電圧信号を受信するように構成され、
前記コントローラは前記ＲＭＳ電圧信号を所望のＲＭＳ電圧設定点及び所望のＲＭＳ電圧範囲のうちの前記一方と比較し、かつ、前記の比較に基づいて前記の最適化を行うように構成される、請求項１に記載のアーク溶接電源。
【請求項３】
所望のＲＭＳ電圧設定点及び所望のＲＭＳ電圧範囲のうちの前記一方は、所望のアーク長に基づいて選択される、請求項１又は２に記載のアーク溶接電源。
【請求項４】
前記所望のＲＭＳ電圧範囲は、１５ボルトから３０ボルトの間であり、かつ／あるいは、
前記所望のＲＭＳ電圧設定点は２５ボルトである、請求項１から３のいずれか一項に記載のアーク溶接電源。
【請求項５】
所望のＲＭＳ電圧設定点及び所望のＲＭＳ電圧範囲のうちの前記一方は、溶接電流、ワイヤ送給速度、所望の波形関数、電極情報、ワークピース情報及び溶接電圧のうちの少なくとも１つに基づいて選択される、請求項１から４のいずれか一項に記載のアーク溶接電源。
【請求項６】
前記コントローラは、前記溶接波形の前記負の部分の、ピーク電流の大きさ、ピーク電流持続時間、電流ランプレート及び前記持続時間のうちの少なくとも１つを調整することを含む、前記溶接波形の前記負の部分の電力を調整する、請求項１から５のいずれか一項に記載のアーク溶接電源。
【請求項７】
前記溶接波形の前記負の部分は、第１ピークレベルにランプされ、続いて、前記第１ピークレベルが前記溶接波形を最適化できない場合、前記第１ピークレベルと異なる第２ピークレベルにランプされる、請求項１から６のいずれか一項に記載のアーク溶接電源。
【請求項８】
前記溶接波形の前記負の部分は、第１ランプレートでピークレベルにランプされ、続いて、前記第１ランプレートが前記溶接波形を最適化できない場合、前記第１ランプレートと異なる第２ランプレートでランプされる、請求項１から７のいずれか一項に記載のアーク溶接電源。
【請求項９】
前記の最適化は、前記溶接波形の周波数を一定に維持しながら、前記溶接波形の前記負の部分の前記持続時間を調整することによって行われる、請求項１から８のいずれか一項に記載のアーク溶接電源。
【請求項１０】
溶接トーチと、
請求項１から９のいずれか一項に記載の溶接電源と、
を含む、アーク溶接システム。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（優先権）
本願は、米国仮出願第６１／７２３，５２２号及び米国特許出願公開第１３／７９７，１０８号に優先権を主張し、その全体を本願の参照として取り入れる。
【０００２】
本考案は、溶接のためのシステム及び方法に関する。特に、本考案は、溶接中の入熱を制御するためのシステム及び方法に関する。さらに具体的には、本考案は、溶接電源及びアーク溶接システムに関し、かつ、アーク溶接システムを制御するための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
アーク溶接を行うとき、溶接中の入熱を制御することが望ましい。溶接アークは溶接部の周辺のワークピースの温度を著しく上昇させる可能性がある非常に高い熱量を発生する。この温度上昇は、反り（ｗａｒｐｉｎｇ）などを発生させると共にワークピースの材料特性に有害な影響を及ぼすので、溶接部の外部では不利益となる。ワークピースの温度を制御するための取り組みには、ワークピースに外部冷却を施すことや、溶接工程を変えることが含まれる。しかしながら、これらの方法は複雑であり、限定的な結果をもたらす。
【０００４】
従来の、伝統的な、提案される方法の更なる限定及び不利な点は、図面の参照と併せて本願の以下に明記されるように、本考案の実施形態のそのような手法との比較を通して、当業者にとって明らかとなるであろう。
【考案の概要】
【０００５】
本考案の実施形態は、溶接波形の電極の負の部分のさまざまなパラメータを調整することにより所望の入熱が維持される、アーク溶接のためのシステム及び方法、並びに、溶接工程の他の特徴を含む。一部の例示的な実施形態において、同時に溶接への入熱を最小限にし、かつ、アークの安定性を保ちながら、溶接波形の電極の負の部分だけが調整されて所望のアーク長及び／又は電圧を維持する波形バランスを得る。
【０００６】
例示的な一実施形態において、システムは、溶接トーチに溶接波形を出力するように構成されるアーク溶接電源を備える。溶接電源は波形生成器を備えて出力される溶接波形を生成する。電源は、コントローラも備えて所望のＲＭＳ電圧設定点及び所望のＲＭＳ電圧範囲のうちの一方に基づき、出力された溶接波形を最適化させる。最適化とは、電力比及び持続時間比のうちの少なくとも一方を調整することによって実行される。電力比とは、溶接波形の正の部分の電力に対する溶接波形の負の部分の電力の比である。持続時間比とは、溶接波形の正の部分の持続時間に対する溶接波形の負の部分の持続時間の比である。
【０００７】
他の例示的な実施形態において、アーク溶接システムを制御する方法は、溶接トーチを提供する工程と、溶接波形を生成する工程と、そして、溶接トーチに溶接波形を伝える工程とを含む。方法は、所望のＲＭＳ電圧設定点及び所望のＲＭＳ電圧範囲のうちの一方に基づいて溶接波形を最適化させる工程を更に含む。最適化は、電力比及び持続時間比のうちの少なくとも一方を調整することによって行われる。電力比とは、溶接波形の正の部分の電力に対する溶接波形の負の部分の電力の比である。持続時間比とは、溶接波形の正の部分の持続時間に対する溶接波形の負の部分の持続時間の比である。
【０００８】
請求項に係る本考案の上述及びその他の特徴、並びに、請求項に係る本考案の例示した実施形態の詳細が、以下の説明、請求項及び図面からより十分に理解されることになる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本考案の上述及び／又は他の態様は、添付の図面と併せて、本考案の例示的な実施形態を詳細に説明することによって、より明白になるだろう。
【図１】本考案の例示的な実施形態に従った溶接システムの図表示である。
【図２】本考案の実施形態と共に使用される溶接波形の図表示である。
【図３】本考案の実施形態と共に使用される他の溶接波形の図表示である。
【図４】本考案の実施形態と共に使用される更なる溶接波形の図表示である。
【図５Ａ】本考案の実施形態と共に使用され得る制御手順の図的表示である。
【図５Ｂ】本考案の実施形態と共に使用され得る制御手順の図的表示である。
【考案を実施するための形態】
【００１０】
本考案の例示的な実施形態が、添付の図面を参照して以下に説明される。説明される例示的な実施形態は、本考案の理解を助けることを目的とし、如何なる方法において本考案の範囲を制限することを目的としない。同様の参照番号は、全体を通して同様の要素を示す。
【００１１】
図１は、本考案の例示的な実施形態に従った、溶接システム１００の説明的な実施形態である。溶接システムは、電極Ｅを介して溶接波形を溶接トーチ１３０及びワークピースＷに伝えて溶接アークＡを生成する、溶接電源１１０を備える。電極Ｅは、ワイヤ送給器１５０を介して溶接作業に伝えられる。ワイヤ送給器１５０は、電極Ｅを溶接に伝えることができるように任意の公知の構成でよく、そして、一部の実施形態では、ワイヤ送給器１５０は溶接電源１１０からの信号に基づいて電極Ｅのワイヤ送給速度を調整することができる。これについては、以下でより詳細に議論する。
【００１２】
溶接電源１１０の一般的な構成は、溶接電源１１０が本明細書に説明されるような機能及び動作を行うことができる限り、ＧＭＡＷ／ＭＩＧ型溶接作業を可能にする公知の電源の構成と同様でよい。例えば、溶接電源１１０は、オハイオ州クリーブランドにあるリンカーンエレクトロニックカンパニー（Ｌｉｎｃｏｌｎ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙ）により開発されたＰｏｗｅｒ  Ｗａｖｅ（登録商標）型の電源と同様に構成され得る。もちろん、本考案の実施形態はそのような構成に限定されず、単なる例として意図される。
【００１３】
図１に示すように、溶接電源１１０はＬ１、Ｌ２及びＬ３を介して入力信号を受信することができる。図１は３相入力を描くが、他の実施形態では単一相入力のみを利用することができる。溶接電源１１０の出力が溶接アークを維持することができるように、溶接電源１１０は、入力信号を受信し、かつ、信号を出力位相（例えば出力インバータ１１４）に出力することができる電力変換ユニット１１２を備える。電力変換ユニット１１２は、多数の異なる構成要素で構成され得る。例えば、電力変換ユニット１１２は、整流回路と、整流された信号を受信し、かつ、一定電圧を出力インバータ１１４に出力する昇降圧回路（ｂｕｃｋ−ｂｏｏｓｔ  ｃｉｒｃｕｉｔ）とから構成され得る。もちろん、他の例示的な実施形態において、出力インバータ１１４はチョッパー、あるいは、電力変換ユニット１１２と共に動作して溶接信号を出力することができる任意の他の種類の出力回路でよい。溶接電源１１０は、電力変換ユニット１１２及び出力インバータ１１４のうちの少なくとも一方、あるいは、両方の出力を制御することを助ける回路である波形生成器１１６も備え、溶接アークＡを生成するように使用される所望の溶接波形を提供する。例えば、波形生成器１１６は、電力変換ユニット１１２及び出力インバータ１１４のうちの一方又は両方と結合して、溶接中の溶接アークＡを作り出し、かつ、維持するように使用される所望の電流波形を生成するように使用され得る（あるいは、如何なる出力構成要素も利用される）。更に、電源はコントローラ１１８を有し、これは溶接電源１１０の機能及び動作を制御することができる任意の種類のＣＰＵ又はプロセッサ型デバイスでよい。そのようなコントローラは一般に公知である。例示的な実施形態において、コントローラは、溶接作業中の溶接アークＡからの電流及び電圧フィードバックを（それぞれ）提供する電流フィードバック回路１２０及び電圧フィードバック回路１２２から、フィードバックを受信した。このフィードバックと共に、コントローラ１１８は、溶接電源１１０の動作を調整及び最適化して所望の出力を提供することができる。これについては、以下で更に議論する。
【００１４】
図１に示すように、一部の実施形態において、コントローラ１１８はワイヤ送給器１５０にも結合される。ワイヤ送給器１５０は、溶接作業中、コントローラが、例えばワイヤ送給速度などのワイヤ送給器１５０の動作を制御すると共に、ワイヤ送給器１５０からフィードバックを受信することができるようにする。これについても、以下で議論する。
【００１５】
図２は、本考案の実施形態と共に使用され得る例示的な電流波形２００を描く。一般的な注釈として、描かれた電流波形２００は、特にＧＭＡＷ／ＭＩＧ型動作の溶接作業において使用され得る多くの異なる種類の溶接電流波形を代表するものとして意図される全体的なパルス波形である。また、本考案の実施形態は、図２で描かれるような、あるいは、本明細書で議論される任意の図における、電流波形の使用に限定されない。図示するように、各サイクルＣにおいて、電流波形２００は電極の正の（ＥＰ：Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ｐｏｓｉｔｉｖｅ）部分２１０及び電極の負の（ＥＮ：Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ｎｅｇａｔｉｖｅ）部分２０８を有する。電流波形２００のＥＰ部分２１０は波形における時間であり、波形では、溶接の電極Ｅが正の極性を有する一方で（電流は電極ＥからワークピースＷへと流れている）、ＥＮ部分２０８の間、電流がワークピースＷから電極Ｅへと流れているように、電極Ｅは負の極性を有する。
【００１６】
各ＥＰ部分２１０は、ピーク電流２０１と、ピーク電流２０１に伴うバックグラウンド電流レベル２０３とを有する、パルス２０２を含む。バックグラウンド電流レベルは、ピーク電流２０１のレベルよりも小さい。バックグラウンド電流レベルであるバックグラウンド部分２０３と次のサイクルＣのピーク電流２０１との間が、ＥＮ部分２０８である。例示的な実施形態において、ＥＮ部分２０８は、ＥＮランプアップ部分２０５、ＥＮピーク部分２０７及びＥＮランプダウン部分２０９を含む。ＥＮ部分２０８は全ての持続時間ｔＥＮ及びピーク持続時間ｔＰＥＡＫＥＮを有する。
【００１７】
電流波形２００のＥＰ部分及びＥＮ部分の各々が、電流及び電圧の構成要素（電圧は図示しない）を有するので、ＥＰ部分２１０及びＥＮ部分２０８の各々は、電力を提供している。従って、各サイクルＣはＥＮ電力／ＥＰ電力に等しい負の電力比を有する。ＥＮ電力はＥＮ部分２０８によって入力される全電力であり、ＥＰ電力はＥＰ部分２１０によって入力される全電力量である。
【００１８】
溶接中、サイクルＣのＥＮ部分２０８は、ＥＰ部分２１０と比較すると、より小さい入熱を溶接パドルへ提供する。しかしながら、ＥＮ部分２０８は、溶接中、ＥＰ部分２１０よりも、前進する電極Ｅのより効率的な溶融を提供する。安定したアーク長を維持しながら、同時に、本考案のさまざまな実施形態は、サイクルＣの各部分のこれらの属性を採用して溶接への入熱を制御及び最適化する。これについては、以下で詳細に議論する。
【００１９】
溶接中、電極ＥとワークピースＷとの間で、溶接アークＡのアーク長及び／又は電圧を変えることができる多くの異なる事象がある。例えば、溶接エラーに起因して、かつ／あるいは、ワークピースＷの表面における変化に起因して、溶接トーチ１３０がワークピースＷにより近づいて、かつ、ワークピースＷから更に離れて移動されるにつれて、半自動の溶接中、電極ＥとワークピースＷとの間のアーク長は変化する。これらの変化が起こると、多くの他の悪影同様に、溶接アークＡは不安定になるか、あるいは、そうでなければ、溶接への入熱に影響を及ぼすことによって、溶接の健全性（ｗｅｌｄ  ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）に悪影響が及んでしまう。本考案の実施形態は、アーク長及び溶接への入熱を簡単に制御することができるシステム及び方法を提供することによって、これらの悪影響を軽減させ、かつ、なくすことを助ける。
【００２０】
図２に示し、かつ、上述で議論したように、本考案の実施形態は、電流波形２００のサイクルＣにおけるＥＮ部分２０８を用いる。サイクルＣのＥＮ部分２０８は、（持続時間において）ＥＰ部分２１０よりも一般に短いが、ＥＰ部分２１０よりも、より効率的に電極Ｅを「バーンバック（ｂｕｒｎ  ｂａｃｋ）」することができ、結果的に「より冷たい」アークをもたらす。そのようなＥＮ部分２０８は、溶接アークＡの所望のアーク長を維持するのに役立つように使用され得る。本考案の実施形態は、ＡＣ型波形、あるいは、本明細書で説明するにＡＣを断続的に使用する一般的なＤＣ波形の両方において使用され得る。
【００２１】
例示的な実施形態において、溶接中、溶接電源１１０はアーク電流及び電圧の両方を監視し、その情報をコントローラ１１８に提供する。例えば、コントローラ１１８は、溶接中に、電流波形である溶接波形２００のＲＭＳ電圧を監視することができる。この監視されたＲＭＳ電圧は、溶接作業のための所望の、あるいは、既定のＲＭＳ電圧と比較される。所望の、あるいは、既定のＲＭＳ電圧は、溶接作業に関するさまざまなユーザ入力情報を用いることによって、溶接電源１１０（例えば、コントローラ１１８）によりあらかじめ調整される。例えば、ユーザは、電流、ワイヤ送給速度、所望の波形関数、電極Ｅ及び／又はワークピースＷの情報、電圧、あるいは、他の共通して使用される入力データなどの情報を入力することができる。続いて、コントローラ１１８はこの情報を用いて、溶接中に溶接波形２００のための所望のＲＭＳ電圧又はＲＭＳ電圧閾値（又は範囲）を判定すると共に、所望の溶接波形２００を生成する。ＲＭＳ電圧の設定点又は範囲は、溶接工程中に維持される所望の入熱と関連し得る。
【００２２】
一旦、溶接工程が開始されると、溶接波形２００のＲＭＳ電圧は、監視され、かつ、ＲＭＳ電圧の設定点又は範囲と比較されて、溶接作業が所望のＲＭＳ電圧を維持しているかどうかを判定する。一部の例示的な実施形態において、設定点は１５から３０ボルトの範囲における単一のＲＭＳ電圧である。もちろん、他の設定点は、溶接波形２００の所望のＲＭＳ電圧に応じて使用され得る。他の例示的な実施形態において、設定点は、範囲内のいかなる検出されたＲＭＳ電圧も許容可能であるということを意味する範囲でよい。例えば、一部の例示的な実施形態において、設定点の範囲は合計１ボルト（例えば、２４から２５ボルトの間）でよい。他の例示的な実施形態において、設定点の範囲は合計３ボルト（例えば、２４から２７ボルト）でよい。例示的な実施形態において、溶接電源１１０及び／又はコントローラ１１８は、単一のＲＭＳ設定点又はＲＭＳ電圧範囲がユーザ入力溶接情報に基づいて使用され得るかどうかを判定することができる。つまり、一部の溶接作業は更なる制御を必要とし、従って、所望のＲＭＳ電圧範囲とは対照的なＲＭＳ電圧設定点を用いることがより望ましい。電圧設定点の使用は、そのような制御及び精度を必要とする溶接作業のためのより積極的な制御プロトコルを提供することができる。
【００２３】
ただし、本明細書の議論は、単一のＲＭＳ電圧閾値又はＲＭＳ電圧範囲のどちらか一方を使用して溶接工程を制御することができる実施形態に関するということが留意されるべきである。しかしながら、明確化及び効率化のため、ＲＭＳ電圧設定点は以下の例示的な議論において使用されるが、これら議論は所望のＲＭＳ電圧範囲の使用に対して同様に適応可能である。
【００２４】
溶接作業が進むにつれて、かつ、溶接波形２００のＲＭＳ電圧が監視されるにつれて、コントローラ１１８は、実際のＲＭＳ電圧が所望のＲＭＳ電圧設定点（例えば、２０ボルト）と同じか、それを下回るか、あるいは、上回るかどうかを判定する。実際のＲＭＳ電圧が設定点を下回る場合、これは、溶接アークＡの電圧が低下しつつある兆候であり、アーク長が減少しつつある、かつ／あるいは、溶接回路の抵抗が低下しつつあるということを意味することができる（これらは、さまざまな理由により起こる可能性がある）。この変化が、アーク長が減少しつつあるという事実に起因する場合、電極Ｅは、アークを不安定にするか、あるいは、短絡の危険性を高める可能性があるワークピースＷに近づきつつある。代替的に、実際のＲＭＳ電圧が設定点に対して上昇している場合、これは電極ＥがワークピースＷから離れているため、アーク長が長すぎるということを意味する。
【００２５】
続いて、溶接波形２００を所望のＲＭＳ電圧設定点に戻すために溶接波形２００の負の電力比が変化するように、本考案の実施形態は、この情報を用いて溶接波形２００のＥＮ部分２０８を調整する。例えば、実際のＲＭＳ電圧が設定点を下回る（アーク長が短すぎることを示す）と判定される場合、溶接電源１１０（コントローラ１１８、波形発生器１１６、電力変換ユニット１１２及び／又は出力インバータ１１４を使用）は、溶接アークＡに出力されるＥＮ電力の量を増大させることによって、負の電力比を高める。ＥＮ電力の量を増大させることにより、ＥＰ電力に対して、溶接への入熱を増加させるオーバーレイなしに、電極Ｅは、より速い、あるいは、より効率的な速度でバーンバックされ得る。反対に、ＲＭＳ電圧が設定点よりも高いということが検出されると、溶接電源１１０は、ＥＮ電力を低下させることによって、負の電力比を低下させる。これにより、再び入熱に悪影響を及ぼすことなくアーク長を短くすることを可能にする電極Ｅの消費速度が減速する。本考案の例示的な実施形態において、溶接波形２００のＥＰ部分２１０又は波形の周波数には、何の変更も行わない。従って、本考案の実施形態は、溶接波形２００のＥＮ部分２０８への変更を用いるだけで所望のＲＭＳ電圧を維持する。これは、溶接への入熱に対して最小限の悪影響で、あるいは、悪影響が全くなく、最適なアーク長の制御を可能にする。他の例示的な実施形態において、負の電力比は、波形の正のパルス２０２に任意の変更を行わずに、変更される。正のパルス２０２のピーク電流２０１、持続時間及びランプレート（ｒａｍｐ  ｒａｔｅｓ）は変更されないままあるが、ＥＰ部分２１０のバックグラウンド部分２０３の持続時間が変更され得る。
【００２６】
本考案の実施形態は、ＥＮ部分２０８のさまざまな態様に対する調整を利用して、所望のＲＭＳ電圧を達成する。例えば、ＥＮ部分への変更は、ランプアップ部分であるリード電流ランプレート２０５、ピーク部分２０７（大きさ又はｔＰＥＡＫＥＮへの変化を通して）、ランプダウン部分であるトレール電流ランプレート（ｔｒａｉｌ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｒａｍｐ  ｒａｔｅ）２０９及び／又はＥＮ部分２０８の持続時間ｔＥＮへの変更を含む。つまり、溶接電源１１０は、ＥＮ部分２０８のこれらのパラメータのいずれか１つ、任意の組み合わせ、あるいは、全てを調整して負の電力比を変更させ、溶接波形２００のＲＭＳ電圧を駆動してＲＭＳ電圧設定点にすることができる。
【００２７】
本考案の実施形態は、さまざまなフィードバック又は制御手順を用いて、溶接波形２００の負の電力比を制御することができる。例えば、溶接電源１１０は、実際のＲＭＳ電圧（システムに基づく更新レート（ｕｐｄａｔｅ  ｒａｔｅ）内）を連続的に監視することができ、偏差が検出されるとすぐに負の電力比を調整することができる。本考案の例示的な実施形態において、ＲＭＳ電圧に関する更新レートは、１から１０ＫＨｚの範囲内である。もちろん、他の更新レートが、本考案の範囲又は精神から逸脱することなく使用され得る。他の実施形態では、異なるフィードバック手順を使用することができる。例えば、溶接電源１１０／コントローラ１１８は、溶接波形２００の複数のＮサイクルの、あるいは、ある期間の平均ＲＭＳ電圧を監視することができ、そして、判定された平均ＲＭＳ電圧を設定値と比較して、負の電力比における変更を行うべきかどうかを判定することができる。もちろん、他の制御手順が、本考案の精神又は範囲から逸脱することなく使用され得る。
【００２８】
他の例示的な実施形態において、溶接電源１１０及び／又はコントローラ１１８は、ＲＭＳ電圧を監視して（使用されるシステムのサンプルレート又は更新レートに基づく）、設定点からの偏差が検出されるかどうかを判定するが、複数の逐次的な偏差が検出された後になるまで、溶接波形２００を変更しない。そのような実施形態は、持続時間において短い異常性（ａｎｏｍａｌｉｅｓ）及び短時間における自己修正の検出に基づく溶接波形２００の変更を防ぐ。例えば、例示的な実施形態において、システムは検出されたＲＭＳ電圧を設定点と比較し、偏差が検出されると、コントローラ１１８は第１に続く逐次的な偏差の数を数えるカウンターを開始する。検出される逐次的な偏差の数が所望の総計を超えると、本明細書に記載されるように負の電力比が変更される。例えば、検出される偏差の逐次的な数は、５から２０の範囲内でよい。一部の実施形態において、逐次的偏差の所定数に到達する前に、検出されたＲＭＳ電圧が設定点に戻る場合、溶接波形２００には変更が生じす、カウンターはゼロにリセットされる。
【００２９】
他の例示的な実施形態において、偏差が検出されるとき、実際のＲＭＳ電圧の検出に関する更新レートは変化する。例えば、溶接中、第１更新レートが使用され、偏差が検出されると、更新レートはより速い更新レートへと変化して実際のＲＭＳ電圧を監視し、かつ、負の電力比調整を提供する。
【００３０】
ただし、本考案の他の例示的な実施形態において、溶接電源１１０は負の持続時間比を変更する。負の持続時間比は、ｔＥＮ／ｔＥＰである。そのような実施形態において、より長い持続時間の間、波形がＥＮ状態を有するように、溶接電源１１０はＥＮ部分２０８の持続時間ｔＥＮを調整する。そのような実施形態において、たとえＥＮ部分２０８のピーク部分であるピーク電流２０７が減少されても、ＥＮ部分２０８の増加した持続時間が、電極Ｅのより速い溶融を生じさせて、所望のＲＭＳ電圧の維持に役立ち、それ故、アーク長の維持にも役立つ。
【００３１】
図３は、溶接電源１１０によって生成され得る溶接波形２００の他の例示的な実施形態を描く。この実施形態において、溶接電源１１０は実際のＲＭＳ電圧における変化及び／又は変化率を監視し、変化／変化率が許容可能な範囲の範囲外、あるいは、所定の閾値外である場合、ＥＮ部分２０８がＲＭＳ電圧の許容可能な変化／変化率に到達する間、電源はその電流出力を調整する。一実施例が図３に示される。図示するように、ＥＮ部分２０８は、第１ランプレート２０５’及び第１ピークレベル２０７’によって定義される第１段階を有する。しかしながら、第１段階の電力、電流及び／又は電圧が、所望のＲＭＳ電圧に到達するように所望の出力を提供しないと判定される場合、溶接電源１１０は、少なくともＥＮ部分２０８における電流出力を第２ランプレート２０５”で第２ピークレベル２０７”に変更する。第２ピークレベル２０７”は第１ピークレベル２０７’とは異なる。例えば、一部の例示的な実施形態において、溶接電源１１０は、所定の期間（例えば、２から６ミリ秒（ｍｓ）の範囲）に、第１ピークレベル２０７’を出力することができる。続いて、図示するように、予期されたＥＮ電力が不十分である（あるいは、過度である）と判定されると、ＥＮ部分２０８の電流出力における変更が行われる。図３において、第２ピークレベル２０７”は第１ピークレベル２０７’よりも高いものとして図示される。これは、電極Ｅを更にバーンバックするために使用される。しかしながら、他の実施例では、過度な電力がＥＮ部分２０８に加えられていると検出される場合、第２ピークレベル２０７”が第１ピークレベル２０７’よりも小さいように、電源は電流レベルを低下させることができる。実際、他の例示的な実施形態において、第１段階の後、十分な変化量がＲＭＳ電圧に生じた（生じる）場合、次のパルス２０２の開始前に、溶接電源１１０は電流を正のバックグラウンド電流レベル２０３に戻すことが決められ得る。これは、溶接波形２００の過剰修正や変更を行わずに、所望のＲＭＳ電圧が維持されることを確実にする。
【００３２】
ただし、一部の例示的な実施形態において、正のパルス２０２が波形のＥＮ部分２０８の完了直後に開始されるように、溶接波形２００が制御されるということが留意される。これについては、図２を参照のこと。しかしながら、これを他の実施形態に当てはめなくてよい。例えば、上記で説明したように、実施形態は、所望のＲＭＳ電圧レベルの到達／維持に先立って、ＥＮ部分２０８を終了させることができる。そのような実施形態において、次のパルスの開始前に、電流は正のバックグラウンド電流レベル２０３に戻ることができる。これによって、波形周波数は維持される。
【００３３】
従って、一部の例示的な実施形態において、溶接電源１１０は実際のＲＭＳ電圧を監視し、実際のＲＭＳ電圧が設定点に到達するとき、周波数に変化が起こらないように波形の所望の周波数を維持しながら、ＥＮ部分２０８を終了させ、ＥＰ部分２１０へと進む。
【００３４】
図４は、本考案の他の例示的な溶接波形２００を描く。この実施形態において、溶接電源１１０は、ＲＭＳ電圧フィードバックに基づいてＥＮ部分２０８のランプレートを調整する。特に、溶接電源１１０は、ＥＮ部分２０８に対して第１ランプレート２０５’を利用してピーク部分である所望のピークレベル２０７に到達し、かつ、第１ランプレート２０５’に基づいて実際のＲＭＳ電圧における変更を監視又は判定する。第１ランプレート２０５’が不十分な変更、あるいは、オーバーレイの積極的な変更をＲＭＳ電圧に提供する場合、所望のＲＭＳ電圧設定点が到達されるように、あるいは、ＲＭＳ電圧における所望の変化がサイクルＣ中に実現されるように、溶接電源１１０は、ランプレートを第１ランプレート２０５’とは異なる第２ランプレート２０５”に調整する。第２ランプレートは、検出されるか、あるいは、所望の、ＲＭＳ電圧に対する変更に応じる第１ランプレートよりも速いか、あるいは、遅い。
【００３５】
ただし、上記で議論された実施形態の一部において、ＲＭＳ電圧が到達されるとき、続いて波形がＥＰへと変更されて所望のＲＭＳ電圧を維持するように、ＲＭＳ電圧は、ＥＮ部分２０８の間、監視されるということが留意される。しかしながら、他の実施形態において、単一サイクル中のＲＭＳ電圧を完全に修正する必要はない。例えば、ＲＭＳ電圧設定点に戻ることは、複数のサイクルＣにわたって起こる可能性があり、各サイクルＣの間、実際のＲＭＳ電圧と設定点との間の差異の割合は変更される。
【００３６】
さまざまな制御方法又は制御手順が、記載された実施形態を実施するように使用され得る。例えば、コントローラ１１８は、状態テーブル（ｓｔａｔｅ  ｔａｂｌｅｓ）、ルックアップテーブル又はアルゴリズム型制御手順を利用して本考案の実施形態を実施することができる。そのような実施形態は、検出されたＲＭＳ電圧及び電圧設定点（又は範囲）を利用し、かつ、この情報を用いて、波形のＥＮ部分２０８に対する変更の量及び種類を判定し、所望のＲＭＳ電圧を維持する。ただし、本考案の実施形態が、検出されたＲＭＳ電圧と設定点との間の偏差に基づいてＥＮ部分の異なる態様（例えば、ピーク電流のランプレート、持続時間）を変更することができるということが留意される。従って、一部の実施形態において、検出される差異が大きいとき、ＥＮ部分２０８に対するより積極的な変更が行われ得る。
【００３７】
本考案の更なる例示的な実施形態において、溶接電源１１０及び／又はコントローラ１１８は、溶接作業の他の態様における変更を利用して所望のＲＭＳ電圧を達成又は維持することができる。例えば、一部の実施形態において、溶接波形２００のＥＮ部分を変更することに加えて、コントローラ１１８はワイヤ送給器１５０の送給速度を制御して、所望のＲＭＳ電圧出力を達成することができる。そのような実施形態において、ＲＭＳ電圧が低下すると（アークの長さの減少を表す）、コントローラ１１８は、ワイヤ送給器１５０にワイヤ送給速度を減速させて、所望のＲＭＳ電圧に到達することか、あるいは、所望のＲＭＳ電圧を維持することに役立つこともできる。代替的に、ＲＭＳ電圧が設定点（アーク長の増加を表す）を上回って上昇する場合、コントローラ１１８は、ワイヤ送給器にそのワイヤ送給速度を加速させ、電極ＥとワークピースＷとの間隙を埋めることを助けて、所望のＲＭＳ電圧を維持することができる。
【００３８】
一部の例示的な実施形態において、ＲＭＳ電圧と設定点との間の偏差の大きさが、ワイヤ送給速度が利用されて設定点の維持又は設定点への復帰を助ける程度を決定することができる。図５Ａは、この議論に役立つように利用され得る。
【００３９】
図５Ａで示すように、電源はＲＭＳ電圧設定点ＶＲＭＳを有することができる（ただし、上記で議論したように、動作範囲がＶＲＭＳのために使用され得るが、この図のために、設定点が使用される、ということが留意されるべきである）。図示するように、一部の実施形態では、第１動作範囲θがＶＲＭＳの付近で確立される。図５Ａは、ＶＲＭＳを中心にした第１動作範囲θを描くが、これを全ての実施形態に当てはめる必要はない。ＲＭＳ電圧が第１動作範囲θの範囲内にある場合、第１ＲＭＳ電圧の変更プロトコルが溶接波形２００のための所望のＲＭＳ電圧を維持するために使用されるように、この第１動作範囲θは電圧の範囲を有する。一方で、ＲＭＳ電圧が第１動作範囲θの範囲外にある場合、第２ＲＭＳ変更プロトコルは所望のＲＭＳ電圧を維持するように使用される。例えば、判定されたＲＭＳ電圧が第１動作範囲θの範囲内にある場合、溶接電源１１０／コントローラ１１８は、溶接波形２００のみに対する調整を使用して（上述のように）、所望のＲＭＳ電圧値を維持する。一方で、ＲＭＳ電圧が第１動作範囲θの範囲外にある場合、コントローラ１１８は溶接波形２００及びワイヤ送給速度に対して変更を実行して所望のＲＭＳ電圧に戻る。もちろん、ＲＭＳ電圧が第１動作範囲θの範囲内か、あるいは、範囲外かによって、他のパラメータが調整され得る。例えば、第１動作範囲θの範囲内のとき、溶接電源１１０はＥＮ部分２０８の１つのパラメータ（例えば、ランプレート、ピーク、持続時間）を調整する。一方で、第１動作範囲θの範囲外のとき、溶接電源１１０は第１パラメータを含むことができる少なくとも２つのパラメータ（例えば、ランプレート、持続時間パラメータ）を調整する。さまざまな実施形態が、本明細書で議論される任意のパラメータの異なる組み合わせを使用して、負の電力比、負の持続時間比及び／又はワイヤ送給速度を調整し、ＲＭＳ電圧を設定点に調整することができる。
【００４０】
図５Ｂは、本考案の他の実施形態を示す。上記で議論したように使用される第１動作範囲θと、上記で議論されたものと同様に使用される第２動作範囲αとがある。つまり、第１動作範囲θの間、第１パラメータ又はパラメータのグループ化がＲＭＳ電圧を制御するように使用される一方で、第２動作範囲αにおいて、第２パラメータ又はパラメータのグループ化がＲＭＳ電圧を制御するために使用される。そして、第２動作範囲αの範囲外のとき、第３パラメータ又はパラメータのグループ化が波形のＲＭＳ電圧を制御するように使用される。参照のため、使用され得るパラメータは、ＥＮ部分の負の電力比、負の持続時間比、電流ランプレート、ピーク電流及び持続時間と、ワイヤ送給速度と、そして、ＥＰ部分の電流ランプレート、ピーク電流及び持続時間とを含む。
【００４１】
本考案の例示的な実施形態も、溶接作業への入熱を制御するために使用され得る。例えば、溶接作業への全ての入熱が、監視又は判定される。例えば、熱センサは溶接への入熱を監視するために使用され、かつ／あるいは、電流及び／又は電圧は、溶接への入熱の全体的な量を判定するために使用され得る。この情報に基づいて、コントローラ１１８は負の電力比を調整して、溶接への入熱を増加又は減少させることができる。他の例示的な実施形態において、熱はコントローラ１１８又は他の構成要素によって計算又は判定され得る。例えば、熱はアーク内の真のエネルギー（ｔｒｕｅ  ｅｎｅｒｇｙ）を利用することによって、かつ／あるいは、真のエネルギー／堆積されるワイヤを使用することによって判定され得る。そのような方法が一般的に公知であり、本明細書では詳細に議論する必要はない。更に、他の例示的な実施形態において、熱は、センサと、コントローラ１１８による計算又は判定との組み合わせによって判定され得る。つまり、溶接への入熱を増加させるために、負の電力比及び／又は負の持続時間比は低下され（例えば、波形のＥＮ部分を調整することによって）、かつ、溶接への入熱を減少させるために、負の電力比及び／又は負の持続時間比は高められる（例えば、波形のＥＮ部分を調整することによって）。しかしながら、アーク長が一定であることを確実にするため、かつ、波形のＥＮ部分２０８の調整が電極Ｅに対して異なる燃焼速度（ｂｕｒｎ  ｒａｔｅ）を生じさせるので、コントローラ１１８は、溶接波形２００への変更と共に、電極Ｅのワイヤ送給速度も調整する。つまり、波形のＥＮ部分２０８が増加するにつれて、電極Ｅの上昇した燃焼速度を補うようにワイヤ送給速度も増加する。そして、波形のＥＮ部分が減少するにつれて、電極Ｅの低下した燃焼速度を補うように、ワイヤ送給速度も減少する。
【００４２】
本考案の一部の例示的な実施形態において、たとえ負の電力比が一方の段階から他方へと変化しても、各サイクルＣによって生成される全体的な電力は、一方のサイクルＣから次のサイクルへと変化しない。つまり、たとえ負の電力比が本明細書に説明されるように変化しても、溶接波形２００の各サイクルＣに関する全サイクルの電力は、サイクルごとに変化しない。そのような実施形態において、溶接工程中に提供される電圧は、一定のままである。
【００４３】
これら上記の実施形態は、本明細書に記載される範囲と一致する他の実施形態と同様に、入熱を最小限にしつつ、かつ、波形のＥＰ部分又は周波数における変更を必要とせずに、所望のアーク長の制御及び維持をもたらす。そのような制御は、入熱を増加させ、溶接周波数を変更し、そうでなければ波形の全ての態様を修正する、公知の制御手順と比較して有益な利点を提供する。
【００４４】
特定の実施形態を参照して本考案を説明してきたが、当業者に理解されるように、本考案の範囲から逸脱することなく、各種の変更が可能であり、かつ、均等物が代用され得る。また、本考案の範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本考案の教示に適応させるように、数多くの修正がなされ得る。それ故、本考案は、開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の実用新案登録請求の範囲に該当する全ての実施形態を含むように意図されている。
【符号の説明】
【００４５】
１００    溶接システム
１１０    溶接電源
１１２    電力変換ユニット
１１４    出力インバータ
１１６    波形生成器
１１８    コントローラ
１２０    電流フィードバック回路
１２２    電圧フィードバック回路
１３０    溶接トーチ
１５０    ワイヤ送給器
２００    電流波形
２０１    ピーク電流
２０２    パルス
２０３    バックグラウンド電流レベル
２０５    ランプアップ部分
２０５’    第１ランプレート
２０５”    第２ランプレート
２０７    ピーク部分
２０７’    第１ピークレベル
２０７”    第２ピークレベル
２０８    電極の負の部分（ＥＮ部分）
２０９    ランプダウン部分
２１０    電極の正の部分（ＥＰ部分）
Ａ    溶接アーク
Ｃ    サイクル
Ｅ    電極
ｔＥＮ    持続時間
ｔＰＥＡＫＥＮ    ピーク持続時間
ＶＲＭＳ    電圧設定点
Ｗ    ワークピース
α    第２動作範囲
θ    第１動作範囲
【図１】
0003200614.tif 000003
【図２】
0003200614.tif 000004
【図３】
0003200614.tif 000005
【図４】
0003200614.tif 000006
【図５Ａ】
0003200614.tif 000007
【図５Ｂ】
0003200614.tif 000008