(57)【要約】      （修正有）【課題】ＡＣ溶接波形の適応制御を提供する。【解決手段】溶接システムは、調節可能なＤＣオフセット及びデューティサイクルを有する溶接波形を発生させるための波形発生器を含む。溶接システムのセンサは、溶接作業中に溶接電極での溶接パラメータを検知する。溶接システムの制御装置は、センサ及び波形発生器に結合され、且つ溶接パラメータを既定のパラメータと比較する。制御装置は、電極の突出距離を制御するために、溶接パラメータを既定のパラメータと比較することに応答して溶接波形のＤＣオフセット及びデューティサイクルの少なくとも１つを調節する。【選択図】図５Ａ−５Ｆ
2018153866.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
調節可能なＤＣオフセット及び調節可能なデューティサイクルを有する溶接波形を発生させるように構成される波形発生器であって、前記溶接波形は既定の電圧及び既定の電流を含む、波形発生器と、
溶接作業中に溶接電極での溶接パラメータを検知するように構成されるセンサと、
前記センサ及び前記波形発生器に通信可能に結合される制御装置であって、
前記溶接パラメータを既定のパラメータと比較することと、
前記電極の突出距離を制御するために、前記溶接パラメータを前記既定のパラメータと比較することに応答して前記溶接波形の前記ＤＣオフセット及び前記デューティサイクルの少なくとも１つを調節することと
を行うように構成される制御装置と
を含む溶接システム。
【請求項２】
前記溶接波形はサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）波形である、請求項１に記載の溶接システム。
【請求項３】
前記溶接パラメータは、前記電極と被溶接物との間のアーク長に対応する、請求項１に記載の溶接システム。
【請求項４】
前記溶接パラメータは、前記電極と被溶接物との間の電圧に対応する、請求項１に記載の溶接システム。
【請求項５】
前記電極のワイヤ送給速度は実質的に一定に保持される、請求項１に記載の溶接システム。
【請求項６】
前記制御装置は、前記電極のワイヤ送給速度、前記溶接波形の前記既定の電圧、及び前記溶接波形の前記既定の電流が実質的に一定に保持されている間、前記電極と被溶接物との間のアーク長を制御するために、前記溶接パラメータを前記既定のパラメータと比較することに応答して前記溶接波形の前記ＤＣオフセット及び前記デューティサイクルの少なくとも１つを調節するように構成される、請求項１に記載の溶接システム。
【請求項７】
前記溶接波形の前記既定の電圧は二乗平均平方根（ＲＭＳ）電圧であり、及び前記溶接波形の前記既定の電流は二乗平均平方根（ＲＭＳ）電流である、請求項６に記載の溶接システム。
【請求項８】
調節可能な極性振幅及び調節可能なバランスを有する溶接波形を発生させるように構成される波形発生器であって、前記溶接波形は既定の電圧及び既定の電流を含む、波形発生器と、
溶接作業中に溶接電極での溶接パラメータを検知するように構成されるセンサと、
前記センサ及び前記波形発生器に通信可能に結合される制御装置であって、
前記溶接パラメータを既定のパラメータと比較することと、
前記電極の突出距離を制御するために、前記溶接パラメータを前記既定のパラメータと比較することに応答して前記溶接波形の前記極性振幅及び前記バランスの少なくとも１つを調節することと
を行うように構成される制御装置と
を含む溶接システム。
【請求項９】
前記溶接波形はガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）波形である、請求項８に記載の溶接システム。
【請求項１０】
前記溶接パラメータは、前記電極と被溶接物との間のアーク長に対応する、請求項８に記載の溶接システム。
【請求項１１】
前記溶接パラメータは、前記電極と被溶接物との間の電圧に対応する、請求項８に記載の溶接システム。
【請求項１２】
前記電極のワイヤ送給速度は実質的に一定に保持される、請求項８に記載の溶接システム。
【請求項１３】
前記制御装置は、前記電極のワイヤ送給速度、前記溶接波形の前記既定の電圧、及び前記溶接波形の前記既定の電流が実質的に一定に保持されている間、前記電極と被溶接物との間のアーク長を制御するために、前記溶接パラメータを前記既定のパラメータと比較することに応答して前記溶接波形の前記極性振幅及び前記バランスの少なくとも１つを調節するように構成される、請求項８に記載の溶接システム。
【請求項１４】
前記溶接波形の前記既定の電圧は二乗平均平方根（ＲＭＳ）電圧であり、及び前記溶接波形の前記既定の電流は二乗平均平方根（ＲＭＳ）電流である、請求項１３に記載の溶接システム。
【請求項１５】
溶接作業中に電極の突出距離を制御する方法であって、
調節可能な極性振幅及び調節可能なバランスを有する溶接波形を発生させる工程であって、前記溶接波形は既定の電圧及び既定の電流を含む、工程と、
溶接作業中に溶接電極での溶接パラメータを検知する工程と、
前記溶接パラメータを既定のパラメータと比較する工程と、
前記電極のワイヤ送給速度、前記溶接波形の前記既定の電圧、及び前記溶接波形の前記既定の電流が実質的に一定に保持されている間、前記電極と被溶接物との間のアーク長を制御するために、前記溶接パラメータを前記既定のパラメータと比較する前記工程に応答して前記溶接波形の前記極性振幅及び前記バランスの少なくとも１つを調節する工程と
を含む方法。
【請求項１６】
前記溶接波形はガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）波形である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記溶接波形はサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）波形である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記溶接パラメータは、前記電極と前記被溶接物との間の電圧又は前記電極において流れている電流の１つに対応する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記溶接波形の前記既定の電圧は二乗平均平方根（ＲＭＳ）電圧であり、及び前記溶接波形の前記既定の電流は二乗平均平方根（ＲＭＳ）電流である、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記電極の突出距離は、前記溶接パラメータを前記既定のパラメータと比較する前記工程に応答して前記溶接波形の前記極性振幅及び前記バランスの少なくとも１つを調節する前記工程によって制御される、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、溶接に関連したシステム及び方法に関し、より詳細には、ＡＣ溶接波形を用いる溶接作業のためのアーク長及び電極突出距離の制御を提供する溶接システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の幾つかのアーク溶接ワイヤ送給処理では、電圧、電流及び電極送給速度（ワイヤ送給速度）を含む３つの主な変数の２つが制御される。他の変数は、溶接システムでの適応的な変更のために用いられる。例えば、定電圧（ＣＶ）ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）システムは、ワイヤ送給速度及び電圧を設定し、電流を電極突出距離の変化に適応させることができる。定電圧（ＣＶ）サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）システムは、ワイヤ送給速度及び電圧を（一定の溶着速度をもたらすために）調節し、電流を適応させる。定電流（ＣＣ）サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）システムは、電流及び電圧を調節し、ワイヤ送給速度を適応させる。ユーザは、電流、電圧、及びワイヤ送給速度を予め調節することを望むであろうが、依然として電極突出距離の変化を補償するように適応され得る他のものを有することを望むであろう。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の実施形態は、電極のワイヤ送給速度並びに溶接波形の既定の電圧及び電流を実質的に一定に保持しながら、アーク長及び電極の突出距離の制御を提供する溶接システム及び方法を含む、溶接に関連したシステム及び方法を含む。実施形態によっては、溶接波形の既定の電圧はＲＭＳ電圧であり、及び溶接波形の既定の電流はＲＭＳ電流である。
【０００４】
一実施形態は、波形発生器、センサ、及び制御装置を有する溶接システムを含む。波形発生器は、調節可能なＤＣオフセット及び調節可能なデューティサイクルを有する溶接波形を発生させるように構成される。一実施形態では、溶接波形はサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）波形である。溶接波形は、既定の電圧及び既定の電流を有する。一実施形態によれば、既定の電圧は二乗平均平方根（ＲＭＳ）電圧であり得、及び既定の電流はＲＭＳ電流であり得る。センサは、溶接作業中に溶接電極での溶接パラメータを検知するように構成される。制御装置は、センサ及び波形発生器に通信可能に結合され、且つ溶接パラメータを既定のパラメータと比較するように構成される。制御装置は、電極の突出距離を制御するために、溶接パラメータを既定のパラメータと比較することに応答して溶接波形のＤＣオフセット及びデューティサイクルの少なくとも１つを調節するようにも構成される。電極のワイヤ送給速度は、実質的に一定に保持されてもよい。溶接パラメータは、例えば、電極と被溶接物との間のアーク長又は電極と被溶接物との間の電圧に対応し得る。一実施形態では、制御装置は、電極のワイヤ送給速度、溶接波形の既定の電圧、及び溶接波形の既定の電流が実質的に一定に保持されている間、電極と被溶接物との間のアーク長を制御するために、溶接パラメータを既定のパラメータと比較することに応答して溶接波形のＤＣオフセット及びデューティサイクルの少なくとも１つを調節するように構成される。一実施形態では、溶接波形の既定の電圧はＲＭＳ電圧であり、及び溶接波形の既定の電流はＲＭＳ電流である。
【０００５】
一実施形態は、波形発生器、センサ、及び制御装置を有する溶接システムを含む。波形発生器は、調節可能な極性振幅及び調節可能なバランスを有する溶接波形を発生させるように構成される。一実施形態では、溶接波形はガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）波形である。溶接波形は、既定の電圧及び既定の電流を有する。一実施形態によれば、既定の電圧はＲＭＳ電圧であり得、及び既定の電流はＲＭＳ電流であり得る。センサは、溶接作業中に溶接電極での溶接パラメータを検知するように構成される。制御装置は、センサ及び波形発生器に通信可能に結合され、且つ溶接パラメータを既定のパラメータと比較するように構成される。制御装置は、電極の突出距離を制御するために、溶接パラメータを既定のパラメータと比較することに応答して溶接波形の極性振幅及びバランスの少なくとも１つを調節するようにも構成される。電極のワイヤ送給速度は、実質的に一定に保持されてもよい。溶接パラメータは、例えば、電極と被溶接物との間のアーク長又は電極と被溶接物との間の電圧に対応し得る。一実施形態では、制御装置は、電極のワイヤ送給速度、溶接波形の既定の電圧、及び溶接波形の既定の電流が実質的に一定に保持されている間、電極と被溶接物との間のアーク長を制御するために、溶接パラメータを既定のパラメータと比較することに応答して溶接波形の極性振幅及びバランスの少なくとも１つを調節するように構成される。一実施形態では、溶接波形の既定の電圧はＲＭＳ電圧であり、及び溶接波形の既定の電流はＲＭＳ電流である。
【０００６】
一実施形態は、溶接作業中に電極の突出距離を制御する方法を含む。この方法は、調節可能な極性振幅及び調節可能なバランスを有する溶接波形を発生させる工程を含む。一実施形態では、溶接波形はガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）波形である。別の実施形態では、溶接波形はサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）波形である。溶接波形は、既定の電圧及び既定の電流を有する。一実施形態によれば、既定の電圧はＲＭＳ電圧であり得、及び既定の電流はＲＭＳ電流であり得る。この方法は、溶接作業中に溶接電極での溶接パラメータを検知する工程、及び溶接パラメータを既定のパラメータと比較する工程も含む。一実施形態では、溶接パラメータは電極と被溶接物との間の電圧に対応する。この方法は、電極のワイヤ送給速度、溶接波形の既定の電圧、及び溶接波形の既定の電流が実質的に一定に保持されている間、電極と被溶接物との間のアーク長を制御するために、溶接パラメータを既定のパラメータと比較することに応答して溶接波形の極性振幅及びバランスの少なくとも１つを調節する工程を更に含む。一実施形態では、電極の突出距離が制御される。一実施形態によれば、溶接波形の既定の電圧はＲＭＳ電圧であり得、及び溶接波形の既定の電流はＲＭＳ電流であり得る。
【０００７】
例示的な実施形態についての以降の詳細な説明、特許請求の範囲、及び添付の図面から、一般的な本発明の概念に係る多数の態様が直ちに明らかになるであろう。
【０００８】
添付の図面は、本明細書に組み込まれて本明細書の一部を構成し、本開示の様々な実施形態を示す。図中で図示した要素の境界（例えば、ボックス、ボックスのグループ、又は他の形状）は境界の一実施形態を表していることが理解されるであろう。実施形態によっては、１つの要素は複数の要素として設計されてもよく、又は複数の要素は１つの要素として設計されてもよい。実施形態によっては、別の要素の内部構成要素として示される要素は外部構成要素として実装されてもよく、逆も同様である。更に、要素は正確な縮尺で描かれていないことがある。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】アーク長及び電極の突出距離を制御するための溶接システムの一実施形態を示す。
【図２Ａ−２Ｂ】一実施形態による、ＡＣ溶接波形のＤＣオフセット及びデューティサイクルを調節する一例を示す。
【図３Ａ−３Ｂ】一実施形態による、ＡＣ溶接波形の極性振幅及びバランスを調節する一例を示す。
【図４】電極の目に見える突出距離、電極の電気的な突出距離、及びアーク長を有するアークを示す、砲身（ノズル）の一実施形態を示す。
【図５Ａ−５Ｆ】図１の溶接システムによって制御される様々な溶接波形の例示的な実施形態を示す。
【図６】アーク長及び電極の突出距離を制御するために図１の溶接システムにおいて実施することができる方法のフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
溶接システム及び方法の実施形態が開示される。一実施形態では、溶接システム及び方法は、電極のワイヤ送給速度並びに溶接波形の既定の電圧及び電流を実質的に一定に保持しながら、溶接作業中にアーク長及び電極の突出距離の制御を提供する。
【００１１】
ここで、図面が参照される。図面は、本発明の例示的な実施形態を図示する目的のみのものであり、限定する目的のものではない。図１は、アーク長及び電極の突出距離を制御するための溶接システム１００の一実施形態を示す。溶接システム１００は、波形発生器１０７を有する溶接電源１０５を含む。溶接システム１００は、制御装置１１０、溶接ノズル、ガン、又はトーチ１２０、ワイヤ送給器１３０、及びワイヤリール供給源１４０も含む。図１では、溶接電源１０５及び制御装置１１０は、制御ケーブル１１５によって接続された２つの装置として示されている。しかしながら、別の実施形態によれば、溶接電源１０５及び制御装置１１０は、単一のユニットに完全に一体化され得る。電極ワイヤ１４５は、ワイヤリール供給源１４０からワイヤ送給器１３０を経てノズル１２０へ送給される。
【００１２】
溶接電源１０５及び制御装置１１０は、ワイヤ送給器制御ケーブル１３５を介してワイヤ送給器１３０に動作可能に接続されている。溶接電源１０５は、電極ケーブル１２５を介して溶接ノズル１２０に動作可能に接続されている。溶接される被溶接物１５０は、ワークケーブル１５５を介して溶接電源１０５に動作可能に接続されている。一実施形態によれば、溶接システム１００はサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）システムである。別の実施形態によれば、溶接システム１００はガスメタルアーク溶接システム（ＧＭＡＷ）である。他の実施形態によれば、他のタイプの溶接システムも可能である。
【００１３】
溶接電源１０５は、ケーブル１２５及び１５５を介してＡＣ電圧及び電流波形の形態で溶接電力を供給して、電極ワイヤ１４５（例えば、ワイヤ送給器１３０からノズル１２０を経て送給される）と被溶接物１５０との間にアークを形成する。様々な実施形態によれば、ＡＣ電圧及び電流波形は、溶接動作を行って（例えば、ＳＡＷ動作又はＧＭＡＷ動作）、金属（即ち、ワイヤ１４５）を被溶接物１５０上に溶接するためのエネルギーを供給する。ＡＣ波形の様々な特性が、浸透及び溶着など、結果として得られる様々な溶接特性を決定する。そのような様々なＡＣ波形特性としては、本明細書で詳述される電流、電圧、バランス、ＤＣオフセット、極性振幅、及びデューティサイクルが挙げられる。本明細書では例示的なＡＣ波形を示している（例えば、図５を参照されたい）が、他の実施形態によれば、他の形状及び特性を有する他の波形も可能である。
【００１４】
一実施形態では、溶接システム１００のワイヤ送給器１３０は、溶接作業中に溶接電極１４５での溶接パラメータ（例えば、電圧）を検知するように構成されるセンサ１３９（例えば、電圧センサ）を含む。被溶接物１５０とワイヤ送給器１３０との間にワーク検知リード線１５６が動作可能に接続され得る。同様に、溶接ヘッド及びノズル１２０とワイヤ送給器１３０との間に電極検知リード線１５７が動作可能に接続され得る。これらの検知リード線１５６及び１５７により、センサ１３９が溶接パラメータを検知することが可能になる。一実施形態では、センサ１３９は、制御装置１１０に動作可能に接続されて、検知された溶接パラメータを制御装置１１０にフィードバックする。一実施形態によれば、検知された溶接パラメータが制御装置１１０によって使用されて、波形発生器１０７によって生成される溶接波形を制御することができる。
【００１５】
一実施形態では、溶接電源１０５の波形発生器１０７は、調節可能なＤＣオフセット及び調節可能なデューティサイクルを有する溶接波形を発生させるように構成される。溶接波形は、既定の電圧及び既定の電流（例えば、ＲＭＳ電圧及びＲＭＳ電流）を含む。本明細書で使用する場合、ＤＣオフセットという用語は、ゼロである基準（ゼロの電圧又は電流）からのＡＣ溶接波形の平均振幅の変位量を指す。本明細書で使用する場合、デューティサイクルという用語は、波形が正である（ゼロ電圧又は電流より大きい）ＡＣ溶接波形の１周期の小部分を指す。一例として、ゼロボルトを中心とする８０ボルトのピーク間対称的矩形波である電圧溶接波形２００（図２Ａを参照されたい）は、２５％のデューティサイクル及び＋１０ボルトのＤＣオフセットを有するように調節され得る。その結果は、各サイクルの２５％について＋５０ボルトであり、各サイクルの７５％について−３０ボルトである、調節された波形２１０（図２Ｂを参照されたい）である。調節可能なＤＣオフセット及びデューティサイクルを示す波形の例を図５に関して本明細書で更に考察する。
【００１６】
一実施形態では、溶接電源１０５の波形発生器１０７は、調節可能な極性振幅及び調節可能なバランスを有する溶接波形を発生させるように構成される。溶接波形は、既定の電圧及び既定の電流（例えば、ＲＭＳ電圧及びＲＭＳ電流）を含む。本明細書で使用する場合、「極性振幅」という用語は、ＡＣ溶接波形の正の部分の正のピーク（電圧又は電流）と、ＡＣ溶接波形の負の部分の負のピーク（電圧又は電流）とを指す。極性振幅を調節することは、必ずしもそうであるとは限らないが、ＤＣオフセットを適用することに対応し得る。ＤＣオフセットを適用すると、正及び負のピーク振幅の両方が同じ方向に同じ量だけ変化する。しかしながら、（正及び負の）極性振幅は、異なる量だけ互いに独立して調節することができる。
【００１７】
本明細書で使用する場合、「バランス」という用語は、ＡＣ溶接波形の１周期にわたる、ＡＣ溶接波形の電流又は電圧が負である（ゼロより低い）時間の量に対する、ＡＣ溶接波形の電圧又は電流が正である（ゼロより高い）時間の量を指す。バランスを調節することは、必ずしもそうであるとは限らないが、（例えば、波形の周期が変更可能である場合）デューティサイクルを調節することに対応し得る。一例として、ゼロアンペアを中心とする１００アンペアの（＋５０アンペアの正のピーク及び−５０アンペアの負のピーク）ピーク間対称的矩形波（１：１バランス）である電流溶接波形３００（図３Ａを参照されたい）は、各サイクルについて１：１．５（正：負）のバランスを有する、５０アンペアのピーク正電流及び−６０アンペアのピーク負電流を有する修正された波形３１０（図３Ｂを参照されたい）に調節され得る。図３Ｂでは、ピーク正振幅は＋５０アンペアに留まるが、ピーク負振幅は−６０アンペアに変化している（変化した負の極性振幅はピーク間に１１０アンペアをもたらしている）ことに注目されたい。また、波形の正の部分の持続時間が減少する一方、波形の負の部分の持続時間は増加している（バランスが、１：１から１：１．５に変化した）。本明細書では、調節可能な極性振幅及びバランスを示す波形の例を図５に関して更に考察する。
【００１８】
図４は、電極１４５の目に見える突出距離、電極１４５の電気的な突出距離、及びアーク長を有するアーク４１０を示す、砲身（ノズル）１２０の一実施形態を示す。電気的な突出距離は、（砲身（ノズル）１２０内部での）コンタクトチップとワイヤ電極１４５との電気的接触点からアーク４１０の最上部までの距離として規定され得る。目に見える突出距離は、砲身（ノズル）１２０の底部からアーク４１０の最上部までの距離として規定され得る。一般的に、目に見える突出距離と電気的な突出距離との両方とも一緒に増減する。しかしながら、本明細書で使用する場合、「突出距離」という用語は、特に断りのない限り電気的な突出距離を指す。
【００１９】
被溶接物の位置が溶接砲身（ノズル）に対して変化すると、突出距離は変化する。これは、多くの場合、溶接作業において起こることであり、一定のアーク長及び溶接システムの制御を維持するために考慮され得る。突出距離が増加すると、電極がアークに接近したときに電極の抵抗加熱が電極をより高温にする。（例えば、電流、電圧、ワイヤ送給速度、又は極性が）いずれも調節されていなければ、アーク長は増加する傾向がある。逆に、突出距離が減少すると電極の抵抗加熱がより小さくなり、電極は、アークに接近したときほどに熱くはならない。再度、（例えば、電流、電圧、ワイヤ送給速度、又は極性が）いずれも調節されていなければ、アークは減少する傾向がある。溶接処理（例えば、ＳＡＷ又はＧＭＡＷ溶接作業）中に一定のアーク長を維持することは、溶接処理自体を制御することに等しい。突出距離の変化はシステムの変化の結果である一方、システムの制御を維持するために、いずれかのものが突出距離の変化を補償する必要がある。
【００２０】
以前には、ＣＶ  ＧＭＡＷ又はＳＡＷシステムにおいてアーク長又は突出距離を制御するために、電圧及びワイヤ送給速度を比較的不変に保持しながら電流を変化させていた（一定の溶着速度システム）。ＣＣ  ＧＭＡＷ又はＳＡＷシステムにおいてアーク長又は突出距離を制御するために、電流及び電圧を比較的不変に保持しながらワイヤ送給速度を変化させていた（一定加熱システム）。本発明の特定の実施形態によれば、電流、電圧、及びワイヤ送給速度は溶接作業中に実質的に一定に保持され、代わりに溶接波形のＤＣオフセット（又は極性振幅）及びデューティサイクル（又はバランス）の１つ又は複数を調節してアーク長又は突出距離を制御する。
【００２１】
図５Ａ〜５Ｆは、図１の溶接システム１００によって制御される様々な溶接波形の例示的な実施形態を示す。溶接作業中に所望のアーク長を維持しようとする間、アーク長が短すぎるか又は長すぎる場合、突出距離を調節することができる。図５Ａ〜５Ｃは、ＳＡＷ溶接作業に対応する。図５Ｂは、公称の又は所望の突出距離及びアーク長を提供するＳＡＷ溶接作業で用いられるＡＣ溶接波形（例えば、電圧又は電流）の一実施形態を示す。アーク長が伸長又は短縮により所望のアーク長からずれ始めた場合、図５ＢのＡＣ波形を調節して、突出距離の調節をもたらす図５Ａ又は図５ＣのＡＣ波形を形成する。
【００２２】
アーク長が長すぎる場合、アーク電圧が高すぎており、より低い「熱」又はより小さい「燃焼速度」が必要である。燃焼速度の低下は、正の振幅をより多くし、且つ波形の正の部分に費やされる時間をより多くすることに対応する。従って、図５ＡのＡＣ溶接波形を達成するために正のＤＣオフセットが図５ＢのＡＣ溶接波形に適用され、また、図５Ａに示すように、より多くの時間が波形の正の部分に費やされ、より少ない時間が波形の負の部分に費やされるようにデューティサイクルが調節される。一実施形態によれば、ＤＣオフセット及びデューティサイクルは、図５Ａ及び図５Ｂの溶接波形のＲＭＳ電流が実質的に同じになり、また、図５Ａ及び図５Ｂの溶接波形のＲＭＳ電圧が実質的に同じになり、また、溶接ワイヤ電極のワイヤ送給速度が実質的に変わらないままである（即ち、ＲＭＳ電流、ＲＭＳ電圧、及びワイヤ送給速度が実質的に一定に保持される）ように調節される。しかしながら、ＲＭＳ電流、ＲＭＳ電圧、及びワイヤ送給速度において比較的軽微な変動が発生し得る。
【００２３】
アーク長が短すぎる場合、アーク電圧が低すぎており、より高い「熱」又はより大きい「燃焼速度」が必要である。燃焼速度の増加は、負の振幅をより多くし、且つ溶接波形の負の部分に費やされる時間をより多くすることに対応する。従って、図５ＣのＡＣ溶接波形を達成するために負のＤＣオフセットが図５ＢのＡＣ溶接波形に適用され、また、図５Ｃに示すように、より多くの時間が波形の負の部分に費やされ、より少ない時間が波形の正の部分に費やされるようにデューティサイクルが調節される。一実施形態によれば、ＤＣオフセット及びデューティサイクルは、図５Ｂ及び図５Ｃの溶接波形のＲＭＳ電流が実質的に同じになり、また、図５Ｂ及び図５Ｃの溶接波形のＲＭＳ電圧が実質的に同じになり、また、溶接ワイヤ電極のワイヤ送給速度が実質的に変わらないままである（即ち、ＲＭＳ電流、ＲＭＳ電圧、及びワイヤ送給速度が実質的に一定に保持される）ように調節される。しかしながら、ＲＭＳ電流、ＲＭＳ電圧、及びワイヤ送給速度において比較的軽微な変動が発生し得る。
【００２４】
このようにして、既定の（例えば、ユーザが設定した）電流、電圧、及びワイヤ送給速度を実質的に一定に保持しながら、ＡＣ溶接波形のＤＣオフセット及び／又はデューティサイクルを調節することにより、アーク長及び突出距離を制御することができる。そのような制御は、ＳＡＷ用途において特に有効である。
【００２５】
図５Ｄ〜５Ｆは、ＧＭＡＷ溶接作業に対応する。図５Ｅは、公称の又は所望の突出距離及びアーク長を提供するＧＭＡＷ溶接作業で用いられるＡＣ溶接波形（例えば、電圧又は電流）の一実施形態を示す。アーク長が伸長又は短縮により所望のアーク長からずれ始めた場合、図５ＥのＡＣ波形を調節して、突出距離の調節をもたらす図５Ｄ又は図５ＦのＡＣ波形を形成する。
【００２６】
アーク長が長すぎる場合、アーク電圧が高すぎており、より低い「熱」又はより小さい「燃焼速度」が必要である。燃焼速度の低下は、正の振幅をより多くし、且つ波形の正の部分に費やされる時間をより多くすることに対応する。従って、図５ＤのＡＣ溶接波形を達成するために図５ＥのＡＣ溶接波形の負の極性振幅が低減され（この例では、正の極性振幅は同一に保持される）、また、図５Ｄに示すように、より多くの時間が波形の正の部分に費やされ、より少ない時間が波形の負の部分に費やされるようにバランスが調節される。一実施形態によれば、負の極性振幅及びバランスは、図５Ｄ及び図５Ｅの溶接波形のＲＭＳ電流が実質的に同じになり、また、図５Ｄ及び図５Ｅの溶接波形のＲＭＳ電圧が実質的に同じになり、また、溶接ワイヤ電極のワイヤ送給速度が実質的に変わらないままである（即ち、ＲＭＳ電流、ＲＭＳ電圧、及びワイヤ送給速度が実質的に一定に保持される）ように調節される。しかしながら、ＲＭＳ電流、ＲＭＳ電圧、及びワイヤ送給速度において比較的軽微な変動が発生し得る。他の実施形態では、正の極性振幅を調節して負の極性振幅を同一に保持し得るか、又は正及び負の極性振幅の両方を調節し得る。調節可能な極性振幅は、単純なＤＣオフセットを上回るこのような柔軟性をもたらす。
【００２７】
アーク長が短すぎる場合、アーク電圧が低すぎており、より高い「熱」又はより大きい「燃焼速度」が必要である。燃焼速度の増加は、負の振幅をより多くし、且つ溶接波形の負の部分に費やされる時間をより多くすることに対応する。従って、図５ＦのＡＣ溶接波形を達成するために図５ＥのＡＣ溶接波形の負の極性振幅が増加され（この例では、正の極性振幅は同一に保持される）、また、図５Ｆに示すように、より少ない時間が波形の正の部分に費やされ、より多くの時間が波形の負の部分に費やされるようにバランスが調節される。一実施形態によれば、負の極性振幅及びバランスは、図５Ｅ及び図５Ｆの溶接波形のＲＭＳ電流が実質的に同じになり、また、図５Ｅ及び図５Ｆの溶接波形のＲＭＳ電圧が実質的に同じになり、また、溶接ワイヤ電極のワイヤ送給速度が実質的に変わらないままである（即ち、ＲＭＳ電流、ＲＭＳ電圧、及びワイヤ送給速度が実質的に一定に保持される）ように調節される。しかしながら、ＲＭＳ電流、ＲＭＳ電圧、及びワイヤ送給速度において比較的軽微な変動が発生し得る。他の実施形態では、正の極性振幅を調節して負の極性振幅を同一に保持し得るか、又は正及び負の極性振幅の両方を調節し得る。再度、調節可能な極性振幅は、単純なＤＣオフセットを上回るこのような柔軟性をもたらす。
【００２８】
このようにして、既定の（例えば、ユーザが設定した）電流、電圧、及びワイヤ送給速度を実質的に一定に保持しながら、ＡＣ溶接波形の極性振幅及び／又はバランスを調節することにより、アーク長及び突出距離を制御することができる。そのような制御は、ＧＭＡＷ用途において特に有効である。
【００２９】
図６は、溶接作業中にアーク長及び電極の突出距離を制御するために図１の溶接システム１００において実施することができる方法６００のフローチャートを示す。方法６００の６１０では、調節可能な極性振幅（又は調節可能なＤＣオフセット）及び調節可能なバランス（又は調節可能なデューティサイクル）を有する溶接波形を生成する。この溶接波形は、既定の電圧及び既定の電流を含む（例えば、ＲＭＳ電圧及び電流がユーザによって設定されていることができる）。一実施形態では、この溶接波形は図１の波形発生器１０７によって生成されたＡＣ波形である。溶接波形は、例えば、ＧＭＡＷ波形又はＳＡＷ波形であり得る。
【００３０】
６２０では、溶接作業中に溶接電極での溶接パラメータを検知する。例えば、溶接パラメータは、電極と被溶接物との間で検知される電圧であり得る。一実施形態では、そのような電圧は、検知リード線１５６及び１５７を介して図１のセンサ１３９（例えば、抵抗性の又は容量性の分圧器センサ）によって検知される。他の実施形態に従って、他のタイプのセンサを使用して他のタイプの溶接パラメータを検知してもよい（例えば、分路又はコイルを使用して電極において流れている電流を検知するか、又は撮像装置を使用してアーク長を直接的に検知する）。
【００３１】
６３０では、検知した溶接パラメータを既定のパラメータと比較する。例えば、検知された電圧は、制御装置１１０に記憶された既定の電圧レベルと比較されてもよく、又は検知された電流は、制御装置１１０に記憶された既定の電流レベルと比較されてもよい。一実施形態では、この比較は制御装置１１０によって行われ、制御装置１１０は比較値を生成する。比較値は、例えば、検知された溶接パラメータと既定のパラメータとの差であり得る。他の実施形態による他のタイプの比較値も可能である。
【００３２】
６４０では、溶接パラメータと既定のパラメータとの比較に応答して溶接波形の極性振幅（又はＤＣオフセット）及びバランス（又はデューティサイクル）の少なくとも１つを調節する。溶接波形を調節することにより、溶接波形の既定の電圧及び溶接波形の既定の電流を実質的に一定に保持しながら、電極と被溶接物との間のアーク長（及び突出距離）が制御される。一実施形態では、電極の既定のワイヤ送給速度も実質的に一定に保持され得る。一実施形態によれば、溶接波形の既定の電圧は二乗平均平方根（ＲＭＳ）電圧であり、及び溶接波形の既定の電流は二乗平均平方根（ＲＭＳ）電流である。図６の方法６００は、一実施形態に従って、溶接作業中に所望のアーク長が維持されるようにリアルタイムで連続的に行われる。
【００３３】
要約すると、溶接システム及び方法の実施形態が開示された。一実施形態では、溶接システムは、調節可能なＤＣオフセット（及び／又は調節可能な極性振幅）並びに調節可能なデューティサイクル（及び／又は調節可能なバランス）を有するＡＣ溶接波形を発生させるための波形発生器を含む。溶接システムのセンサは、溶接作業中に溶接電極での溶接パラメータを検知する。溶接システムの制御装置は、センサ及び波形発生器に結合され、且つ溶接パラメータを既定のパラメータと比較する。制御装置は、アーク長及び電極の突出距離を制御するために、溶接パラメータを既定のパラメータと比較することに応答して溶接波形のＤＣオフセット（又は極性振幅）及びデューティサイクル（又はバランス）の少なくとも１つを調節する。
【００３４】
開示した実施形態が相当に詳細に図示及び説明されたが、決して添付の特許請求の範囲をそのような詳細に制限又は限定することは意図されていない。当然のことながら、特許対象の様々な態様を説明する目的のために、構成要素又は方法のあらゆる考えられる組み合わせを記載することは不可能である。従って、本開示は、図示して説明した特定の詳細又は例示的な例に限定されない。従って、本開示は、米国特許法第１０１条の法定の特許対象要件を満足する添付の特許請求の範囲内に該当する変更形態、修正形態、及び変形形態を包含することが意図されている。特定の実施形態の上述の説明は、例として示されたものである。示された開示から、当業者であれば、一般的な本発明の概念及び付随する利点を理解するだけでなく、開示された構造及び方法に対する明らかな様々な変更形態及び修正形態を見いだすであろう。従って、添付の特許請求の範囲及びその均等物によって規定される、一般的な本発明の概念の趣旨及び範囲内にあるそのような変更形態及び修正形態の全てを包含することが求められる。
【符号の説明】
【００３５】
１００  溶接システム
１０５  溶接電源
１０７  波形発生器
１１０  制御装置
１１５  制御ケーブル
１２０  ノズル
１２５  電極ケーブル
１３０  ワイヤ送給器
１３５  ワイヤ送給器制御ケーブル
１３９  センサ
１４０  ワイヤリール供給源
１４５  電極ワイヤ
１５０  被溶接物
１５５  ワークケーブル
１５６  ワーク検知リード線
１５７  電極検知リード線
２００  電圧溶接波形
２１０  調節された波形
３００  電流溶接波形
３１０  修正された波形
４１０  アーク
【図１】
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【図２Ａ−２Ｂ】
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【図３Ａ−３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ−５Ｆ】
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【図６】
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【外国語明細書】
2018153866000001.pdf