(57)【要約】【課題】溶接ワイヤを定速で送給すると共に、短絡状態Ｔｓとアーク状態Ｔａとを繰り返す短絡アーク溶接にあって、予め定めた極性切換信号Ｓａに応じて溶接電源の出力極性を溶接中に切り換えることによって電極プラス極性溶接と電極マイナス極性溶接とを切り換えて溶接を行う極性切換短絡アーク溶接方法において、極性切換時のアーク切れ及びサージ電圧の発生を抑制すること。【解決手段】本発明は、前記極性切換信号Ｓａが変化した場合（時刻ｔ１）は、その変化時点から最初の短絡が発生（時刻ｔ２）したときに、予め定めた短絡初期期間Ｔｉの間は溶接電流ｉを低い値Ｉｉに低下させ、この短絡初期期間Ｔｉ経過時点（時刻ｔ３）で溶接電源ｉの出力極性を切り換え、その後に溶接電流ｉを増加させて短絡状態を解除に導く極性切換短絡アーク溶接方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接ワイヤを定速で送給すると共に短絡状態とアーク状態とを繰り返す短絡アーク溶接にあって、予め定めた極性切換信号に応じて溶接電源の出力極性を溶接中に切り換えることによって電極プラス極性溶接と電極マイナス極性溶接とを切り換えて溶接を行う極性切換短絡アーク溶接方法において、
前記極性切換信号が変化した場合は、その変化時点から最初の短絡が発生したときに予め定めた短絡初期期間の間は溶接電流を低い値に低下させ、この短絡初期期間経過時点で溶接電源の出力極性を切り換え、その後に溶接電流を増加させて短絡状態を解除に導く、ことを特徴とする極性切換短絡アーク溶接方法。
【請求項２】
請求項１記載の短絡初期期間を、出力極性、ワイヤ送給速度、溶接ワイヤの種類又はシールドガスの種類のうちの少なくとも１つ以上に応じて適正値に設定する、ことを特徴とする極性切換短絡アーク溶接方法。
【請求項３】
請求項１記載の極性切換信号を、アークスタート後の予め定めたスタート初期期間が経過した時点で変化させて極性を切り換える、ことを特徴とする極性切換短絡アーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接中に電極プラス極性溶接と電極マイナス極性溶接とを効率よく切り換えるための極性切換短絡アーク溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
消耗電極式短絡アーク溶接は、消耗電極である溶接ワイヤを定速で送給すると共に、溶接ワイヤと母材との間でアーク状態と短絡状態とを繰り返しながら溶接が行われる。短絡アーク溶接には、中電流域以下のＣＯ2溶接、ＭＡＧ溶接、ＭＩＧ溶接等が該当する。短絡アーク溶接は、通常は溶接ワイヤが陽極となり母材が陰極となる電極プラス極性で溶接が行われる。しかし、ワークが薄板でギャップの大きい場合には、溶接ワイヤが陰極となり母材が陽極となる電極マイナス極性で溶接が行われるケースもある。電極プラス極性溶接では、溶込みが深くかつ全電流範囲にわたって安定した溶接を行うことができる。他方、電極マイナス極性溶接では、母材への入熱を低くすることができ、かつ、ワイヤ溶融量を多くすることができる。このために、薄板でギャップの大きなワークに対して良好な溶接品質を得ることができる。両極性とも定電圧特性の溶接電源が使用される。
【０００３】
溶接途中ではなく溶接停止時において溶接電源の出力極性を切り換えるためには、溶接電源の出力にスイッチング素子又は機械的スイッチを設けることによって可能となる。溶接停止時であるために任意のタイミングで極性を切り換えれば良い。他方、溶接中において極性を切り換えるためには、下記に説明する様々な工夫を行う必要がある。ワークの継手、板厚が溶接線に沿って変化する場合には、溶接途中において極性を切り換えた方が良好な溶接品質を得ることができる。したがって、このような場合には、１回の溶接中に数回程度極性を切り換えることになる。溶接中に極性を切り換える場合において、その切換タイミングがアーク状態であると、極性切換時にアーク切れが発生して不良な溶接になってしまう。このアーク切れを防止するために、極性切換時に数百Ｖの高電圧を印加する必要がある。この高電圧印加回路は回路構成が複雑であるために高価であり、かつ、大型であるという問題を有している。この問題を短絡アーク溶接において解決するために提案されたのが、以下に説明する特許文献１に記載する従来技術である。この従来技術では、溶接中の極性切り換えを必ず短絡状態において行うものである。アーク状態ではないのでアーク切れが発生する心配はない。このために、上記の高電圧印加回路も不要となる。以下、この従来技術について図面を参照して説明する。
【０００４】
図５は、従来技術の極性切換短絡アーク溶接における電圧・電流波形図である。同図（Ａ）は極性切換信号Ｓａの、同図（Ｂ）は極性切換開始信号Ｓｂの、同図（Ｃ）は溶接ワイヤと母材との間の電圧である溶接電圧ｖの、同図（Ｄ）はアーク／短絡負荷を通電する溶接電流ｉの時間変化を示す。同図において、ＥＰとは電極プラス極性を示し、ＥＮとは電極マイナス極性を示す。以下、同図を参照して説明する。
【０００５】
短絡期間Ｔｓ中は、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧ｖは数Ｖ程度の短絡電圧値となり、同図（Ｄ）に示すように、溶接電流ｉは次第に増加する。続いてアーク期間Ｔａ中は、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧ｖは数十Ｖ程度のアーク電圧値となり、同図（Ｄ）に示すように、溶接電流ｉは次第に減少する。上記の状態は、電極プラス極性ＥＰでも電極マイナス極性ＥＮでも略同様である。
【０００６】
時刻ｔ１において、同図（Ａ）に示すように、極性切換信号Ｓａが変化すると、これに応動して同図（Ｂ）に示すように、極性切換開始信号Ｓｂは時刻ｔ１以降の最初の短絡が時刻ｔ２で発生した後の時刻ｔ３において変化する。これに応動して、同図（Ｃ）に示す溶接電圧ｖ及び同図（Ｄ）に示す溶接電流ｉの極性は、電極プラス極性ＥＰから電極マイナス極性ＥＮへと切り換わる。従来技術では、短絡期間中に極性を切り換えるが、短絡期間中のどのタイミングで切り換えるかは特定されていない。
【０００７】
【特許文献１】特開昭５８−３８６６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来技術では、図５で上述したように、短絡期間中の時刻ｔ３において極性を切り換えるので高電圧印加回路がなくてもアーク切れを防止することができる。しかし、同図（Ｄ）に示すように、時刻ｔ３における極性切換時の電流値ｉｐは数百Ａ程度となる。この大電流値ｉｐをスイッチング素子によって高速に遮断して極性を切り換えるために、スイッチング素子に５００Ｖを超える非常に大きなサージ電圧が印加される。このサージ電圧からスイッチング素子を保護するためには、特別のサージ電圧保護回路が必要になる。このサージ電圧保護回路は高価な部品からなるために溶接電源の価格が高くなるという課題がある。
【０００９】
図６は、極性切換信号Ｓａが変化して最初に短絡が発生した時点ｔ２で極性を切り換えるときの電圧・電流波形図である。同図は上述した図５と対応しており、時刻ｔ２以降の動作のみが異なる。以下、時刻ｔ２以降の動作について説明する。
【００１０】
時刻ｔ２において、同図（Ｂ）に示すように、極性切換開始信号Ｓｂが短絡発生と同時に変化すると、極性切換動作を開始する。このときに短絡が偶然にも解除してアークが再発生すると、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧ｖは短絡電圧値からアーク電圧値へと高くなる。このアーク状態において極性切換が進行するためにアーク切れが発生し、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧ｖは無負荷電圧となり、同図（Ｄ）に示すように、溶接電流ｉは通電しなくなる。短絡直後の極性切換時電流値ｉｐが小さいためにサージ電圧は小さくなるが、短絡直後はまだ短絡状態が確実ではないのでアークが再発生しやすい。短絡期間中のどのタイミングでアークが再発生するかはバラツキがあるために、上述した図５の極性切換時にもアークが再発生する可能性がある。アークが再発生した状態で極性切換を行うと、高電圧印加回路がない限りアーク切れが発生する確率が高い。上述したように、従来技術においては、高電圧印加回路及び大容量のサージ保護回路を具備しないことを前提として、サージ電圧の発生及び極性切換時のアーク再発生に伴うアーク切れを抑制することが課題であった。
【００１１】
そこで、本発明は、上記の課題を解決することができる極性切換短絡アーク溶接方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した課題を解決するために、第１の発明は、溶接ワイヤを定速で送給すると共に短絡状態とアーク状態とを繰り返す短絡アーク溶接にあって、予め定めた極性切換信号に応じて溶接電源の出力極性を溶接中に切り換えることによって電極プラス極性溶接と電極マイナス極性溶接とを切り換えて溶接を行う極性切換短絡アーク溶接方法において、
前記極性切換信号が変化した場合は、その変化時点から最初の短絡が発生したときに予め定めた短絡初期期間の間は溶接電流を低い値に低下させ、この短絡初期期間経過時点で溶接電源の出力極性を切り換え、その後に溶接電流を増加させて短絡状態を解除に導く、ことを特徴とする極性切換短絡アーク溶接方法である。
【００１３】
また、第２の発明は、第１の発明記載の短絡初期期間を、出力極性、ワイヤ送給速度、溶接ワイヤの種類又はシールドガスの種類のうちの少なくとも１つ以上に応じて適正値に設定する、ことを特徴とする極性切換短絡アーク溶接方法である。
【００１４】
また、第３の発明は、第１の発明記載の極性切換信号を、アークスタート後の予め定めたスタート初期期間が経過した時点で変化させて極性を切り換える、ことを特徴とする極性切換短絡アーク溶接方法である。
【発明の効果】
【００１５】
上記第１の発明によれば、極性切換信号が変化して最初の短絡が発生した時点から予め定めた短絡初期期間の間は溶接電流を低い値に低下させ、この短絡初期期間が経過した時点て極性を切り換えるので、確実な短絡状態において低い電流値で極性を切り換えることができる。このために、極性切換時にアークが再発生してアーク切れが発生することがなく、かつ、低い電流値であるのでサージ電圧値も小さくなる。この結果、アーク切れを防止するための高電圧印加回路及びサージ電圧から極性切換用スイッチング素子を保護するための大容量のサージ電圧保護回路も不要である。したがって、溶接品質の向上及び溶接電源のコスト低減を図ることができる。
【００１６】
さらに、上記第２の発明によれば、上述した効果に加えて、出力極性、ワイヤ送給速度、溶接ワイヤの種類又はシールドガスの種類に応じて短絡初期期間を適正化することによって、短絡状態がより確実な短絡状態になってから極性を切り換えることができる。このために、アーク切れ及びサージ電圧の抑制効果を最大限にすることができる。
【００１７】
さらに、上記第３の発明によれば、アークスタート後の予め定めたスタート初期期間が経過した時点で第１の発明によって極性を切り換えることができる。定常時は電極プラス極性溶接又は電極マイナス極性溶接であってもアークスタート時は別の極性である方が溶接品質が良好になることがある。このような場合に本発明を適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。
【００１９】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る極性切換短絡アーク溶接方法を示す電圧・電流波形図である。同図（Ａ）は極性切換信号Ｓａの、同図（Ｂ）は極性切換開始信号Ｓｂの、同図（Ｃ）は溶接電圧ｖの、同図（Ｄ）は溶接電流ｉの時間変化を示す。同図は上述した図５と対応しており、時刻ｔ１以前の動作は同一である。以下、同図を参照して時刻ｔ１以降の動作について説明する。
【００２０】
時刻ｔ１において、同図（Ａ）に示すように、極性切換信号Ｓａが変化して時刻ｔ２において最初の短絡が発生すると、同図（Ｂ）に示すように、短絡発生時点から予め定めた短絡初期期間Ｔｉが経過後に極性切換開始信号Ｓｂが変化する。この短絡初期期間Ｔｉ中は、同図（Ｄ）に示すように、溶接電流ｉを数十Ａ程度の短絡初期電流Ｉｉに低下させる。この状態で短絡初期期間Ｔｉが経過した時刻ｔ３において、同図（Ｂ）に示す極性切換開始信号Ｓｂが変化したことに応動して極性切換動作に移行する。この結果、同図（Ｃ）に示す溶接電圧ｖ及び同図（Ｄ）に示す溶接電流ｉは、電極プラス極性ＥＰから電極マイナス極性ＥＮへと切り換わる。
【００２１】
上記において、短絡直後に溶接電流ｉを低下させると共に短絡初期期間Ｔｉの間維持することによって、短絡初期状態をより確実な短絡状態へと移行させて短絡直後にアークが再発生する確率を著しく低くしている。これによって、極性切換時にアークが再発生してアーク切れが生じることがない。さらに、極性切換時の電流値ｉｐ＝Ｉｉとなり非常に低い値であるので、極性切換時に発生するサージ電圧値も著しく小さな値となる。
【００２２】
時刻ｔ３において極性を切り換えた後は、溶接電流ｉを増加させて短絡の解除に導く。この電流増加のタイミングは、極性切換時点でも良いし、切換状態が安定するまで遅延させても良い。
【００２３】
図２は、上述した実施の形態１に係る極性切換短絡アーク溶接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。
【００２４】
インバータ回路ＩＮＶは、交流商用電源ＡＣ（３相２００Ｖ等）を入力として整流し、後述する駆動信号Ｄｖに従ってインバータ制御によって高周波交流を出力する。高周波トランスＩＮＴは、高周波交流をアーク溶接に適した電圧値へと降圧した高周波交流を出力する。２次側ダイオードＤ２ａ〜Ｄ２ｄは、降圧された高周波交流を直流に整流する。電極プラス極性スイッチング素子ＰＴＲは、後述する電極プラス極性駆動信号Ｐｄに従ってオン／オフされ、オン状態のときは電極プラス極性ＥＰになる。電極マイナス極性スイッチング素子ＮＴＲは、後述する電極マイナス極性駆動信号Ｎｄに従ってオン／オフされ、オン状態のときは電極マイナス極性ＥＮになる。リアクトルＷＬは、整流されたリップルのある直流を平滑する。溶接ワイヤ１はワイヤ送給装置の送給ロール５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。
【００２５】
電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧ｖ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の値によって短絡状態を判別してＨｉｇｈレベルとなる短絡判別信号Ｓｄを出力する。極性切換信号回路ＳＡは、溶接箇所等に応じた極性に切り換えるための極性切換信号Ｓａを出力する。短絡初期期間設定回路ＴＩＲは、予め定めた短絡初期期間設定信号Ｔirを出力する。極性切換開始信号生成回路ＳＢは、上記の極性切換信号Ｓａが変化して上記の短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）になった時点から上記の短絡初期期間設定信号Ｔirによって定まる期間中はＨｉｇｈレベルとなる短絡初期期間信号Ｔｉを出力する。さらに、極性切換開始信号生成回路ＳＢは、上記の短絡初期期間設定信号Ｔirによって定まる期間が経過した時点で変化する極性切換開始信号Ｓｂを出力する。すなわち、上述した図１において、上記の短絡初期期間信号Ｔｉは時刻ｔ２〜ｔ３の間Ｈｉｇｈレベルとなる。電圧低下設定回路ΔＶＲは、上記の短絡初期期間信号ＴｉがＨｉｇｈレベルの間は予め定めた値となりそれ以外の間は零となる電圧低下設定信号ΔＶｒを出力する。
【００２６】
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。減算回路ＳＵＢは、上記の電圧設定信号Ｖｒから上記の電圧低下設定信号ΔＶｒを減算して、電圧制御設定信号Ｖcr＝Ｖｒ−ΔＶｒを出力する。したがって、短絡初期期間中の電圧制御設定信号Ｖcrの値を小さくすることになり、これによって溶接電圧ｖを低下させて溶接電流ｉを低い値に低下させることができる。誤差増幅回路ＡＭＰは、上記の電圧制御設定信号Ｖcrと上記の電圧検出信号Ｖｄとの誤差を増幅して誤差増幅信号Ａmpを出力する。この回路によって溶接電源は定電圧特性となる。溶接開始回路ＯＮは、溶接を開始するときにＨｉｇｈレベルに変化する溶接開始信号Ｏｎを出力する。１次側駆動回路ＤＶ１は、上記の溶接開始信号ＯｎがＨｉｇｈレベルのときは上記の誤差増信号Ａmpに従って上記のインバータ回路ＩＮＶを駆動するための駆動信号Ｄｖを出力する。
【００２７】
２次側駆動回路ＤＶ２は、上記の極性切換開始信号ＳｂがＨｉｇｈレベルのときは上記の電極プラス極性駆動信号Ｐｄを出力し、Ｌｏｗレベルのときは上記の電極マイナス極性駆動信号Ｎｄを出力する。上記においては、短絡初期期間中の電圧制御設定信号Ｖcrを低下させることによって溶接電流ｉを低下させる場合を説明した。これ以外にも、短絡初期期間中は溶接電源を定電流特性に切り換えて、電流設定信号を低い値に設定することによって溶接電流ｉを低下させても良い。
【００２８】
また、上記の短絡初期期間は、出力極性、ワイヤ送給速度、溶接ワイヤの種類又はシールドガスの種類等に応じて適正値に設定する。この理由は、溶滴が溶融池に接触する短絡初期状態から溶融池の表面張力によって溶滴がより確実な短絡状態へと移行するまでの時間は、上記の溶接条件によって少しずつ異なるためである。このために、最適値に設定するためには溶接条件応じて変化させる必要がある。
【００２９】
［実施の形態２］
図３は、本発明の実施の形態２に係る極性切換短絡アーク溶接方法を示す電圧・電流波形図である。同図（Ａ）は極性切換信号Ｓａの、同図（Ｂ）は極性切換開始信号Ｓｂの、同図（Ｃ）は溶接電圧ｖの、同図（Ｄ）は溶接電流ｉの、同図（Ｅ）は溶接開始信号Ｏｎの時間変化を示す。同図は溶接開始時の波形図であり、アークスタートから予め定めたスタート初期期間Ｔaiが経過した時刻ｔ１以降の動作は上述した図１と同一である。以下、時刻ｔ１以前の動作について同図を参照して説明する。
【００３０】
時刻ｔａにおいて、同図（Ｅ）に示すように、溶接開始信号ＯｎがＨｉｇｈレベル（溶接開始）に変化すると、溶接ワイヤの送給を開始し、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧ｖが出力される。時刻ｔｂにおいて、溶接ワイヤが母材に到達して接触すると、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧ｖは短絡電圧値となり、同図（Ｄ）に示すように、溶接電流ｉの通電が開始してアークスタートする。この時点から予め定めたスタート初期期間Ｔaiが経過した時刻ｔ１において、同図（Ａ）に示すように、極性切換信号Ｓａが変化する。これ以降の動作は図１と同一であるので省略する。同図では、スタート初期期間Ｔai中は電極プラス極性ＥＰでそれ以降は電極マイナス極性ＥＮである例であるが、その逆でも良い。アークスタート時に極性を切り換える理由は、溶接ワイヤの種類、シールドガスの種類、ワークの材質、板厚、継手等によってはアークスタート部の品質が良好になる極性が決まる場合があるからである。したがって、このスタート初期期間Ｔaiは、これら種々の溶接条件に応じて適正値に設定する。
【００３１】
図４は、上述した実施の形態２に係る極性切換短絡アーク溶接方法を実施するための溶接電源のブロック図である。同図において上述した図２と同一のブロックには同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図２とは異なる点線で示すブロックについて説明する。
【００３２】
電流検出回路ＩＤは、溶接電流ｉの通電を判別してＨｉｇｈレベルとなる電流検出信号Ｉｄを出力する。スタート初期期間設定回路ＴＡＩは、予め定めたスタート初期期間設定信号Ｔaiを出力する。第２極性切換信号回路ＳＡ２は、溶接開始信号ＯｎがＨｉｇｈレベルになり上記の電流検出信号ＩｄがＨｉｇｈレベルに変化した時点から、上記のスタート初期期間設定信号Ｔaiによって定まる期間が経過した時点で変化する極性切換信号Ｓａを出力する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る極性切換短絡アーク溶接方法を示す電圧・電流波形図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る溶接電源のブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る極性切換短絡アーク溶接方法を示す電圧・電流波形図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る溶接電源のブロック図である。
【図５】従来技術における極性切換短絡アーク溶接方法を示す電圧・電流波形図である。
【図６】課題を説明するための極性切換短絡アーク溶接方法を示す電圧・電流波形図である。
【符号の説明】
【００３４】
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
ＡＣ            商用電源
ＡＭＰ            誤差増幅回路
Ａmp            誤差増幅信号
Ｄ２ａ〜Ｄ２ｄ        ２次側ダイオード
Ｄｖ            駆動信号
ＤＶ１            １次側駆動回路
ＤＶ２            ２次側駆動回路
ＥＮ            電極マイナス極性
ＥＰ            電極プラス極性
ｉ            溶接電流
Ｉｉ            短絡初期電流
ＩＤ            電流検出回路
Ｉｄ            電流検出信号
ＩＮＴ            高周波トランス
ＩＮＶ            インバータ回路
ｉｐ            極性切換時電流値
Ｎｄ            電極マイナス極性駆動信号
ＮＴＲ            電極マイナス極性スイッチング素子
ＯＮ            溶接開始回路
Ｏｎ            溶接開始信号
Ｐｄ            電極プラス極性駆動信号
ＰＴＲ            電極プラス極性スイッチング素子
ＳＡ            極性切換信号回路
Ｓａ            極性切換信号
ＳＡ２            第２極性切換信号回路
ＳＢ            極性切換開始信号生成回路
Ｓｂ            極性切換開始信号
ＳＤ            短絡判別回路
Ｓｄ            短絡判別信号
ＳＵＢ            減算回路
Ｔａ            アーク期間
ＴＡＩ            スタート初期期間設定回路
Ｔai            スタート初期期間（設定信号）
Ｔｉ            短絡初期期間（信号）
ＴＩＲ            短絡初期期間設定回路
Ｔir            短絡初期期間設定信号
Ｔｓ            短絡期間
ｖ            溶接電圧
Ｖcr            電圧制御設定信号
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
ＷＬ            リアクトル
ΔＶＲ            電圧低下設定回路
ΔＶｒ            電圧低下設定信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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