(57)【要約】【課題】パルスアーク溶接におけるスパッタの発生を抑制する。【解決手段】シールドガスと溶接ワイヤとを用いたパルスアーク溶接方法において、繰り返される溶接周期Ｔｗは、第１期間Ｔ１と第２期間Ｔ２と第３期間Ｔ３とを含む。第１期間Ｔ１では、溶接電流Ｉとして、１０ｍｓｅｃ以下となる第１パルス幅にて第１ピーク電流値Ｉｐ１を供給し、第１期間Ｔ１に続く第２期間Ｔ２では、溶接電流Ｉとして、１００ｎｓｅｃ以下となる第２パルス幅にて第１ピーク電流値Ｉｐ１よりも電流値が大きい第２ピーク電流値Ｉｐ２を供給し、第２期間Ｔ２に続く第３期間Ｔ３では、溶接電流Ｉとして、第１ピーク電流値Ｉｐ１よりも電流値が小さいベース電流値Ｉｂを供給する。【選択図】図４
2019034333.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールドガスと溶接ワイヤとを用いたパルスアーク溶接方法であって、
１０ｍｓｅｃ以下となる第１パルス幅にて第１パルス電流を供給する第１工程と、
１００ｎｓｅｃ以下となる第２パルス幅にて前記第１パルス電流よりも電流値が大きい第２パルス電流を供給する第２工程と、
前記第１パルス電流よりも電流値が小さいベース電流を供給する第３工程と
を繰り返すことを特徴とするパルスアーク溶接方法。
【請求項２】
前記第１工程および前記第３工程では、第１生成回路が生成した前記第１パルス電流および前記ベース電流を供給し、
前記第２工程では、前記第１生成回路とは異なる第２生成回路が生成した前記第２パルス電流を供給すること
を特徴とする請求項１記載のパルスアーク溶接方法。
【請求項３】
前記第２生成回路では、パルスフォーミングネットワーク回路を用いて前記第２パルス電流を生成すること
を特徴とする請求項２記載のパルスアーク溶接方法。
【請求項４】
シールドガスと溶接ワイヤとを用いて被溶接物を溶接してなる溶接物の製造方法であって、
１０ｍｓｅｃ以下となる第１パルス幅にて第１パルス電流を前記被溶接物に供給する第１工程と、
１００ｎｓｅｃ以下となる第２パルス幅にて、前記被溶接物に前記第１パルス電流よりも電流値が大きい第２パルス電流を当該被溶接物に供給する第２工程と、
前記第１パルス電流よりも電流値が小さいベース電流を前記被溶接物に供給する第３工程と
を繰り返すことを特徴とする溶接物の製造方法。
【請求項５】
１０ｍｓｅｃ以下となる第１パルス幅での第１パルス電流の生成と、当該第１パルス電流よりも電流値が小さいベース電流の生成とを繰り返し行う第１生成回路と、
１００ｎｓｅｃ以下となる第２パルス幅にて前記第１パルス電流よりも電流値が大きい第２パルス電流を生成する第２生成回路と、
前記第１生成回路の出力に前記第２生成回路の出力を重畳する重畳回路と
を含む溶接用電源装置。
【請求項６】
前記第２生成回路は、パルスフォーミングネットワーク回路からなることを特徴とする請求項５記載の溶接用電源装置。
【請求項７】
前記重畳回路は、ダイオード接続、コンデンサによる電界結合、あるいは、パルストランスによる磁気結合によって重畳を行うことを特徴とする請求項５または６記載の溶接用電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルスアーク溶接方法、溶接物の製造方法および溶接用電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭酸ガス単体又は炭酸ガスを主成分とする混合ガスをシールドガスとし、第１パルスと第２パルスとが交互に繰り返されるパルス電流を溶接電流として供給するパルスアーク溶接方法において、第１パルスと第２パルスとは、相互にパルスピーク電流レベル及びパルス幅の異なるパルス波形を有し、第１パルスのピーク電流Ｉｐ１が３００乃至７００Ａ、ピーク期間Ｔｐ１が０．３乃至５．０ｍｓ 、ベース電流Ｉｂ１が３０乃至２００Ａ、ベース期間Ｔｂ１が０．３乃至１０ｍｓであり、第２パルスのピーク電流Ｉｐ２が２００乃至６００Ａ、ピーク期間Ｔｐ２が１．０乃至１５ｍｓ、ベース電流Ｉｂ２が３０乃至２００Ａ、ベース期間Ｔｂ２が３．０乃至２０ｍｓであり、また、Ｉｐ１＞Ｉｐ２であるものが知られている（特許文献１参照）。また、特許文献１には、上述した溶接電流を供給することにより、１周期あたり１溶滴を移行させることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２３７２７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
第１パルスと第２パルスとを交互に繰り返すパルス電流を用いたパルスアーク溶接では、それ以前のパルスアーク溶接と比べて、スパッタの発生を抑制することが可能となった。しかしながら、依然としてスパッタが発生することがあり、スパッタの発生のさらなる抑制が求められていた。
本発明は、パルスアーク溶接におけるスパッタの発生を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、シールドガスと溶接ワイヤとを用いたパルスアーク溶接方法であって、１０ｍｓｅｃ以下となる第１パルス幅にて第１パルス電流を供給する第１工程と、１００ｎｓｅｃ以下となる第２パルス幅にて前記第１パルス電流よりも電流値が大きい第２パルス電流を供給する第２工程と、前記第１パルス電流よりも電流値が小さいベース電流を供給する第３工程とを繰り返すことを特徴としている。
このようなパルスアーク溶接方法において、前記第１工程および前記第３工程では、第１生成回路が生成した前記第１パルス電流および前記ベース電流を供給し、前記第２工程では、前記第１生成回路とは異なる第２生成回路が生成した前記第２パルス電流を供給することを特徴とすることができる。
また、前記第２生成回路では、パルスフォーミングネットワーク回路を用いて前記第２パルス電流を生成することを特徴とすることができる。
また、他の観点から捉えると、本発明は、シールドガスと溶接ワイヤとを用いて被溶接物を溶接してなる溶接物の製造方法であって、１０ｍｓｅｃ以下となる第１パルス幅にて第１パルス電流を前記被溶接物に供給する第１工程と、１００ｎｓｅｃ以下となる第２パルス幅にて、前記被溶接物に前記第１パルス電流よりも電流値が大きい第２パルス電流を前記被溶接物に供給する第２工程と、前記第１パルス電流よりも電流値が小さいベース電流を当該被溶接物に供給する第３工程とを繰り返すことを特徴としている。
さらに、他の観点から捉えると、本発明の溶接用電源装置は、１０ｍｓｅｃ以下となる第１パルス幅での第１パルス電流の生成と、当該第１パルス電流よりも電流値が小さいベース電流の生成とを繰り返し行う第１生成回路と、１００ｎｓｅｃ以下となる第２パルス幅にて前記第１パルス電流よりも電流値が大きい第２パルス電流を生成する第２生成回路と、前記第１生成回路の出力に前記第２生成回路の出力を重畳する重畳回路とを含んでいる。
このような溶接用電源装置において、前記第２生成回路は、パルスフォーミングネットワーク回路からなることを特徴とすることができる。
また、前記重畳回路は、ダイオード接続、コンデンサによる電界結合、あるいは、パルストランスによる磁気結合によって重畳を行うことを特徴とすることができる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、パルスアーク溶接におけるスパッタの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施の形態に係る溶接システムの概略構成を示す図である。
【図２】溶接システムにおける溶接電源装置の概略構成を示す図である。
【図３】パルス電力生成回路の概略構成を示す図である。
【図４】溶接用電源装置から出力される溶接電流の波形の概要を示す図である。
【図５】第１期間における溶接ワイヤの先端部の状態を説明するための図である。
【図６】第２期間における溶接ワイヤの先端部の状態を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
＜溶接システムの構成＞
図１は、本発明の実施の形態に係る溶接システム１の概略構成を示す図である。この溶接システム１は、消耗電極式（溶極式）のガスシールドアーク溶接法によって、被溶接物２００の溶接を行うものである。
【０００９】
この溶接システム１は、溶接ワイヤ１００を用いて被溶接物２００を溶接する溶接トーチ１０と、溶接トーチ１０を保持するとともに溶接トーチ１０の位置や姿勢を設定するロボットアーム２０とを備えている。また、溶接システム１は、溶接トーチ１０に溶接ワイヤ１００を送給するワイヤ送給装置３０と、溶接トーチ１０に炭酸ガスを含むシールドガスを供給するシールドガス供給装置４０とを備えている。さらに、溶接システム１は、溶接トーチ１０を介して溶接ワイヤ１００および被溶接物２００に溶接電流を供給する溶接用電源装置５０と、ロボットアーム２０を制御するロボット制御装置６０とを備えている。
【００１０】
＜溶接用電源装置の構成＞
図２は、溶接システム１における溶接用電源装置５０の概略構成を示す図である。ただし、図２は、溶接用電源装置５０のうち、溶接電流の供給に関連する構成要素を示している。
【００１１】
溶接用電源装置５０は、商用交流電源５から供給されてくる三相交流に各種処理を施すことによって直流の溶接電流Ｉに変換し、溶接トーチ１０および被溶接物２００（ともに図１参照）へと供給する。この間、溶接用電源装置５０では、外部に出力する溶接電流Ｉの大きさ等を調整する。
【００１２】
本実施の形態の溶接用電源装置５０は、第１整流回路５１と、第１生成回路５２と、第２生成回路５３と、重畳回路５４と、直流リアクトル５５と、出力電流検出回路５６とを備えている。以下、溶接用電源装置５０の各構成要素について、順に説明を行う。
【００１３】
［第１整流回路］
第１整流回路５１は、入力側が商用交流電源５に接続されており、出力側が第１生成回路５２と第２生成回路５３とに接続されている。この第１整流回路５１は、商用交流電源５から入力されてくる三相交流を、整流および平滑化することで直流に変換する。この第１整流回路５１は、三相全波整流回路等で構成することができる。また、第１整流回路５１の出力側には、必要に応じて平滑コンデンサを並列に接続してもよい。
【００１４】
［第１生成回路］
第１生成回路５２は、入力側が第１整流回路５１に接続されており、出力側の正極は直流リアクトル５５に、出力側の負極は出力電流検出回路５６に、それぞれ接続されている。この第１生成回路５２は、第１整流回路５１から入力されてくる直流を、フラット電流Ｉ０および第１パルス電流Ｉ１を交互に繰り返す被重畳電流Ｉｘ（これらの詳細は後述する）に変換する。そして、この第１生成回路５２は、インバータ回路５２１と、変圧器５２２と、第２整流回路５２３とを備えている。
【００１５】
（インバータ回路）
インバータ回路５２１は、入力側が第１整流回路５１に接続されており、出力側が変圧器５２２に接続されている。このインバータ回路５２１は、第１整流回路５１から入力されてくる直流を、上記商用交流電源５よりも周波数の高い交流に変換する。このインバータ回路５２１は、パワートランジスタ等のスイッチング素子によって構成することができる。また、本実施の形態のインバータ回路５２１は、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によって動作する。
【００１６】
（変圧器）
変圧器５２２は、入力側がインバータ回路５２１に接続されており、出力側が第２整流回路５２３に接続されている。そして、変圧器５２２からみて入力側（図中左側）が一次側に、変圧器５２２からみて出力側（図中右側）が二次側になっている。この変圧器５２２は、インバータ回路５２１から入力されてくる交流（一次側電圧）を、より電圧値の低い交流（二次側電圧）に変換する。この変圧器５２２は、単相トランス等で構成することができる。
【００１７】
（第２整流回路）
第２整流回路５２３は、入力側が変圧器５２２に接続されており、出力側の正極は直流リアクトル５５に、出力側の負極は出力電流検出回路５６に、それぞれ接続されている。この第２整流回路５２３は、変圧器５２２から入力されてくる交流を、整流および平滑化することで直流に変換する。この第２整流回路５２３は、変圧器５２２における二次側のセンタータップ（図示せず）を利用する、センタータップ型全波整流回路等で構成することができる。
【００１８】
［第２生成回路］
第２生成回路５３は、入力側が第１整流回路５１に接続されており、出力側は重畳回路５４に接続されている。この第２生成回路５３は、第１整流回路５１から入力されてくる直流を、第２パルス電流Ｉ２を含む重畳電流Ｉｙ（これらの詳細は後述する）に変換する。そして、この第２生成回路５３は、パルス電力生成回路５３１を備えている。
【００１９】
（パルス電力生成回路）
図３は、パルス電力生成回路５３１の概略構成を示す図である。本実施の形態では、パルス電力生成回路５３１を、伝送線路の特性を活かした、パルスフォーミングネットワーク（Pulse Forming Network：ＰＦＮ）回路で構成している。パルス電力生成回路５３１すなわちＰＦＮ回路は、ｎ段（ｎ≧１）のＬＣ回路によって構成されている。ここで、各段におけるインダクタンスＬおよびキャパシタンスＣの値は、所望するパルス幅、および接続される負荷（接続ケーブルを含む）の特性インピーダンスによって決められる。その関係式は、ＬＣ回路の段数をｎ、所望するパルス幅をＴ、負荷の特性インピーダンスをＺ０としたとき、以下のように表される。
【００２０】
【数１】
2019034333.tif 000003
【００２１】
［重畳回路］
重畳回路５４は、入力側が第２生成回路５３（より具体的にはパルス電力生成回路５３１）に接続されており、出力側が第１生成回路５２（より具体的には第２整流回路５２３）の出力に接続されている。この重畳回路５４は、第１生成回路５２の出力（被重畳電流Ｉｘ）に、第２生成回路５３の出力（重畳電流Ｉｙ）を重畳することで、溶接電流Ｉを生成する。この重畳回路５４は、第１生成回路５２側から第２生成回路５３側への電流の流入（逆流）を防止するダイオード等で構成することができる。また、重畳回路５４は、第１生成回路５２の出力に対し、第２生成回路５３の出力の交流成分のみをカップリングさせる、コンデンサ（電界結合を利用）やパルストランス（磁気結合を利用）等で構成することもできる。
【００２２】
［直流リアクトル］
直流リアクトル５５は、入力側が第１生成回路５２および重畳回路５４の正極に接続されており、出力側が溶接トーチ１０を介して溶接ワイヤ１００（図１参照）に接続されている。この直流リアクトル５５は、溶接電流Ｉの波形を平滑化するとともに、溶接ワイヤ１００が母材である被溶接物２００に接触短絡した場合や、溶滴が溶融池に接触した場合などにおける溶接電流Ｉの流れをコントロールする。
【００２３】
［出力電流検出回路］
出力電流検出回路５６は、入力側が第１生成回路５２および重畳回路５４の負極に接続されており、出力側が被溶接物２００（図１参照）に接続されている。この出力電流検出回路５６は、溶接トーチ１０から溶接ワイヤ１００およびアークを介して被溶接物２００に流れる、出力電流すなわち溶接電流Ｉの電流値を検出する。なお、本実施の形態では、出力電流検出回路５６が検出した溶接電流Ｉの電流値に基づき、図示しないコントローラが、インバータ回路５２１の動作を制御するようになっている。
【００２４】
［従来の構成との関係］
本実施の形態の溶接用電源装置５０が、第１整流回路５１と、第１生成回路５２（インバータ回路５２１、変圧器５２２および第２整流回路５２３）と、直流リアクトル５５と、出力電流検出回路５６とを備えている点は、従来の回路構成と同じである。これに対し、本実施の形態の溶接用電源装置５０は、第２生成回路５３と重畳回路５４とをさらに備えている点が、従来の回路構成とは異なる。
【００２５】
＜溶接用電源装置の動作＞
では、図２に示す溶接用電源装置５０の動作を説明する。
第１整流回路５１は、商用交流電源５から供給される三相交流を直流に変換する。
次に、第１生成回路５２では、インバータ回路５２１が直流を交流に変換し、変圧器５２２が交流の電圧を変換し、第２整流回路５２３が交流を直流に変換する。このとき、第１生成回路５２では、インバータ回路５２１のスイッチング動作を制御することにより、平坦なフラット電流Ｉ０と、一時的に突出する第１パルス電流Ｉ１とを交互に出力する、被重畳電流Ｉｘを生成する。
【００２６】
一方、第２生成回路５３では、第１生成回路５２における被重畳電流Ｉｘの生成に並行して、パルス電力生成回路５３１が、直流を周期的なパルスに変換する。このとき、パルス電力生成回路５３１では、電流値が０の状態と、電流値が一時的に突出する第２パルス電流Ｉ２とを交互に出力する、重畳電流Ｉｙを生成する。
【００２７】
そして、重畳回路５４は、第１生成回路５２が出力する被重畳電流Ｉｘに、第２生成回路５３が出力する重畳電流Ｉｙを重畳し、溶接電流Ｉとして出力する。この溶接電流Ｉは、直流リアクトル５５によって波形が平滑化された状態で、溶接トーチ１０、溶接ワイヤ１００およびアークを介して、被溶接物２００に流れる。このとき、溶接ワイヤ１００の先端が、アークにより溶融して溶滴となり、成長した溶滴が溶接ワイヤ１００から離脱して被溶接物２００へと移行し、被溶接物２００の溶接が行われることになる。その結果、被溶接物２００を、溶接ワイヤ１００を用いて溶接してなる溶接物が得られる。
【００２８】
＜溶接電流の波形＞
図４は、溶接用電源装置５０から出力される溶接電流Ｉの波形の概要を示す図である。図４において、横軸は時間ｔ（ｓｅｃ）であり、縦軸は溶接電流Ｉ（Ａ）である。本実施の形態において、溶接電流Ｉ（Ａ）は、常時正の値をとるとともに、溶接周期Ｔｗにて同じ波形が繰り返し出力される。
【００２９】
［溶接周期］
溶接周期Ｔｗは、フラット電流Ｉ０に第１パルス電流Ｉ１を加えて出力する第１期間Ｔ１と、第１期間Ｔ１に続いて、第２パルス電流Ｉ２を出力する第２期間Ｔ２と、第２期間Ｔ２に続いて、フラット電流Ｉ０を出力する第３期間Ｔ３とを有している（Ｔｗ＝Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３）。ここで、上述したように、フラット電流Ｉ０および第１パルス電流Ｉ１は第１生成回路５２（図２参照）が生成し、第２パルス電流Ｉ２は第２生成回路５３（図２参照）が生成する。なお、本実施の形態では、第１期間Ｔ１が第１工程に、第２期間Ｔ２が第２工程に、第３期間Ｔ３が第３工程に、それぞれ対応している。
【００３０】
［第１期間］
第１期間Ｔ１は、溶接ワイヤ１００の先端を溶融し、溶滴を成長させるための期間である。この第１期間Ｔ１は、溶接電流Ｉがフラット電流Ｉ０のベース電流値Ｉｂから第１パルス電流Ｉ１の第１ピーク電流値Ｉｐ１まで増加する第１立ち上がり期間Ｔｒ１と、第１立ち上がり期間Ｔｒ１に続いて、溶接電流Ｉが第１ピーク電流値Ｉｐ１に維持される第１ピーク期間Ｔｐ１と、第１ピーク期間Ｔｐ１に続いて、溶接電流Ｉが第１ピーク電流値Ｉｐ１からベース電流値Ｉｂまで減少する第１立ち下がり期間Ｔｆ１とで構成される。
【００３１】
第１ピーク電流値Ｉｐ１の大きさおよび第１期間Ｔ１の長さは、溶接ワイヤ１００のワイヤ径および送給速度によって定められる。ここで、第１ピーク電流値Ｉｐ１の大きさは、６００（Ａ）以下とすることが望ましい。ここで、第１ピーク電流値Ｉｐ１の大きさが６００（Ａ）を超えると、ワイヤ径にもよるが、溶接ワイヤ１００が自身のジュール発熱によって軟化する現象が始まり、溶接ワイヤ１００の先端が回転を始める移行形態（ローテーティング移行）に変化し、スパッタの増加等を誘発するおそれがある。また、溶融速度も非常に速くなるので、溶接ワイヤ１００の送給速度が追いつかなくなるという問題が発生する場合もあり得る。一方、第１期間Ｔ１の長さは、全体で１０ｍｓｅｃ以下であることが望ましい。ここで、第１期間Ｔ１の長さが１０ｍｓｅｃを超えると、溶接ワイヤ１００の先端での溶滴の成長が促進され、溶滴が巨大化するおそれがある。また、第１期間Ｔ１を構成する第１立ち上がり期間Ｔｒ１、第１ピーク期間Ｔｐ１および第１立ち下がり期間Ｔｆ１の長さは、それぞれ、数百μｓｅｃ〜数ｍｓｅｃの範囲から選択することが望ましい。
【００３２】
［第２期間］
第２期間Ｔ２は、上記第１期間Ｔ１で成長させた溶滴を、溶接ワイヤ１００の先端から離脱させるための期間である。ただし、第２期間Ｔ２では、実際には、溶滴を完全には離脱させず、溶滴に離脱寸前まで力（電磁ピンチ力）を作用させる程度とすることが望ましい。なお、ここでいう第２期間Ｔ２は、図３に示すパルス電力生成回路５３１のところで説明したパルス幅Ｔと同義である。この第２期間Ｔ２は、溶接電流Ｉがフラット電流Ｉ０のベース電流値Ｉｂから第２パルス電流Ｉ２の第２ピーク電流値Ｉｐ２まで増加する第２立ち上がり期間Ｔｒ２と、第２立ち上がり期間Ｔｒ２に続いて、溶接電流Ｉが第２ピーク電流値Ｉｐ２に維持される第２ピーク期間Ｔｐ２と、第２ピーク期間Ｔｐ２に続いて、溶接電流Ｉが第２ピーク電流値Ｉｐ２からベース電流値Ｉｂまで減少する第２立ち下がり期間Ｔｆ２とで構成される。
【００３３】
ここで、第２ピーク電流値Ｉｐ２の大きさは、少なくとも上述した第１ピーク電流値Ｉｐ１の大きさよりも大きい（Ｉｐ２＞Ｉｐ１）。また、第２立ち上がり期間Ｔｒ２における溶接電流Ｉの微分値（ｄｉ／ｄｔ）は、溶接ワイヤ１００のワイヤ径と溶接ワイヤ１００の表皮効果とを考慮し、十分に大きくなるように設定することが望ましい。一方、第２期間Ｔ２の長さは、全体で１００ｎｓｅｃ以下であることが望ましい。ここで、第２期間Ｔ２の長さが１００ｎｓｅｃを超えると、第２期間Ｔ２においても、溶接ワイヤ１００の先端での溶滴の成長が促進され、溶滴が巨大化するおそれがある。また、第２期間Ｔ２を構成する第２立ち上がり期間Ｔｒ２、第２ピーク期間Ｔｐ２および第２立ち下がり期間Ｔｆ２の長さは、それぞれ、数（ｎｓｅｃ）〜１００（ｎｓｅｃ）の範囲から選択することが望ましい。
【００３４】
［第３期間］
第３期間Ｔ３は、上記第２期間Ｔ２で溶接ワイヤ１００から離脱した溶滴を、円滑に母材すなわち被溶接物２００側へ移行させるための期間である。第３期間Ｔ３は、溶接電流Ｉがフラット電流Ｉ０のベース電流値Ｉｂに維持されるベース期間Ｔｂで構成される。
【００３５】
ここで、ベース電流値Ｉｂの大きさは、少なくとも上述した第１ピーク電流値Ｉｐ１の大きさよりも小さい（Ｉｂ＜Ｉｐ１）。また、ベース電流値Ｉｂの大きさは、溶接ワイヤ１００の先端と被溶接物２００との間に生じたアークが維持できる程度、例えば３００（Ａ）以下とすることが望ましい。一方、第３期間Ｔ３すなわちベース期間Ｔｂの長さは、溶滴の移行周期や平均アーク長等を加味し、数（ｍｓｅｃ）以下とすることが望ましい。
【００３６】
なお、本実施の形態では、第３期間Ｔ３が終了すると、次の溶接周期Ｔｗにおける第１期間Ｔ１へと移行し、溶接ワイヤ１００の先端において、次の溶滴の成長が開始されることになる。このようにして、各溶接周期Ｔｗにて、溶滴の成長および離脱が行われる。
【００３７】
＜溶接電流による溶接ワイヤの挙動＞
では、図４に示す波形の溶接電流Ｉを供給した場合の、溶接ワイヤ１００の挙動を説明する。
最初に、第１期間Ｔ１において第１パルス（第１ピーク電流値Ｉｐ１）の溶接電流Ｉを供給することで、溶接ワイヤ１００の先端に、狙いとする大きさの溶滴を粗方生成した後、第２期間Ｔ２で極短時間（ナノ秒オーダ）の第２パルス（第２ピーク電流値Ｉｐ２）の溶接電流Ｉを供給する。極短時間の高電流パルス（第２パルス）は、換言すれば、ｄｉ／ｄｔの高い高周波電流である。そのため、その電流挙動は、表皮効果の影響を受け、溶接ワイヤ１００および溶接ワイヤ１００の先端に生成された溶滴の表面に集中的に分布する。
【００３８】
ここで、電流値が１／ｅとなる表皮厚さδは、電気抵抗率ρおよび比透磁率μと、周波数ｆとを用いて、以下のように表される。
【００３９】
【数２】
2019034333.tif 000004
【００４０】
ところで、この表皮厚さδを決める各要素のうち、電気抵抗率ρおよび比透磁率μは、材質の温度と密接な関係がある。溶接ワイヤ１００の電気抵抗率ρは、温度の上昇とともに高くなる。これに対し、溶接ワイヤ１００の比透磁率は、温度上昇とともに一旦上昇するものの、ある温度を境に低下をはじめ、キュリー温度と呼ばれる温度にて真空の透磁率（比透磁率が１）とほぼ等しくなる。キュリー温度は、融点よりも低い温度であることから、溶接ワイヤ１００の先端部での表皮厚さδは、電気抵抗率ρの変化が支配的となる。一方、アークプラズマでは、表皮厚さδに寄与する電気抵抗率ρは金属導体である溶接ワイヤ１００に比較して遥かに大きい。また、アークプラズマの比透磁率μは、真空の透磁率とほぼ等しく、表皮効果の影響は受けないに等しい。
【００４１】
ここで、溶滴移行に寄与する電磁ピンチ力Ｆ（後述する図５も参照）は、溶接電流Ｉと磁束Ｂとに比例する（Ｆ∝ＢＩｓｉｎθ、θ：溶接電流Ｉと磁束Ｂとがなす角度）ため、電流密度の高いところに、より強く作用する。先の表皮効果の影響により、溶滴と溶接ワイヤ１００の接触する固相と液相との界面に対し、溶滴とアークプラズマとが接する溶滴先端の電流密度は低くなる。これにより、溶滴上部から離脱方向に作用する力を、溶滴下面の溶滴を押し上げる力よりも強く作用させることが可能となり、溶滴移行を促すことができる。加えて、この第２パルスは時間的に極めて短時間であることから、第２パルスによって加えられる熱エネルギーは微小であり、溶滴の成長にはほとんど寄与しない。このため、溶接ワイヤ１００の溶融とは独立して、溶滴移行を促進させることが可能となる。
【００４２】
ここで、本実施の形態における溶滴の成長および離脱には、溶接電流Ｉを構成する第１パルスおよび第２パルスと、これらによって生じる電磁ピンチ力Ｆとの関係が影響する。次に、第１期間Ｔ１（第１パルス）および第２期間Ｔ２（第２パルス）のそれぞれにおける、電磁ピンチ力Ｆの作用について説明を行う。
【００４３】
［第１期間について］
図５は、第１期間Ｔ１における溶接ワイヤ１００の先端部の状態を説明するための図である。図５に示す例では、溶接ワイヤ１００の下方に被溶接物２００が位置しており、溶接ワイヤ１００の下側の端部すなわち先端部と、被溶接物２００との間には、溶接電流Ｉの供給に伴ってアーク３００が生じている。また、溶接ワイヤ１００の先端部には、アーク３００の発生に伴って溶接ワイヤ１００が溶融することにより、溶滴４００が形成されている。なお、これらの関係については、後述する図６においても同様である。
【００４４】
第１期間Ｔ１において、溶接電流Ｉ（第１パルス）は、中心部を含む溶接ワイヤ１００の全体にわたって流れている。このときの溶接ワイヤ１００での電流密度である第１電流密度Ｊｐ１は、溶接ワイヤ１００の半径をｄｗとしたとき、以下の式で表される。
【００４５】
【数３】
2019034333.tif 000005
【００４６】
また、このときのアーク３００での電流密度である第１電流密度Ｊｐ１は、アーク３００の半径をｄａとしたとき、以下の式で表される。
【００４７】
【数４】
2019034333.tif 000006
【００４８】
実際には、アークプラズマでは、その温度によって導電率が異なるため、温度分布に従った電流密度分布となる。アーク温度は側面よりも中央、母材側（被溶接物２００側）よりも電極側（溶接ワイヤ１００側）で高くなる傾向がある。
【００４９】
［第２期間について］
図６は、第２期間Ｔ２における溶接ワイヤ１００の先端部の状態を説明するための図である。
【００５０】
第２期間Ｔ２では、上記第１期間Ｔ１と比べて、溶接電流Ｉ（第２パルス）の変化が急峻であり、極めて短時間に電流変化が生じることになる（ｄｉ／ｄｔが大きい）。このため、電流の挙動は高周波としての特性を持ち、溶接ワイヤ１００および溶滴４００では、表皮効果により、その電流密度分布が表面に集中することになる。
【００５１】
ここで、電流値が１／ｅとなる表皮厚さδは、上述した数式（５）で表される。ここから、電流の大半が表面から表皮厚さδの範囲に流れているとすると、このときの溶接ワイヤ１００での電流密度である第２電流密度Ｊｐ２は、以下のように表される。
【００５２】
【数５】
2019034333.tif 000007
【００５３】
すなわち、表皮厚さδが小さくなればなるほど、第２電流密度Ｊｐ２は大きくなっていくことが分かる。ここで、比透磁率μは、キュリー温度以上ではほぼ１となるため、表皮厚さδは、電気抵抗率ρおよび周波数fが支配的となり、電気抵抗率ρは温度の上昇とともに増加する。このため、溶滴４００の上部（溶接ワイヤ１００側）と下部（被溶接物２００側）とで、表皮厚さδは異なり、温度の低い溶滴４００の上部側となるほど、表皮厚さδは小さくなる。結果、第２電流密度Ｊｐ２も溶滴４００の下部に対し、上部の方が高くなる。
【００５４】
一方、アーク３００においては、表皮厚さδに関わる電気抵抗率ρは遥かに大きく、比透磁率もほぼ１である。また、温度分布についても、第２期間Ｔ２は非常に短い時間（１００ｎｓｅｃ以下）であることから、熱伝導の時定数から考えても、その温度分布が大きく変化することはない。したがって、アーク３００での電流密度分布については、第１期間Ｔ１とほぼ変化がなく、電流の増加割合分だけ上昇するような形となる。
【００５５】
［電磁ピンチ力］
ところで、このとき発生する電磁ピンチ力Ｆは、上述したように、Ｆ∝ＢＩｓｉｎθで表され、電流値と磁束密度とに比例して強くなる。それゆえ、先の電流密度分布と、その電流分布によって生じた磁束密度分布とにしたがって、電磁ピンチ力Ｆの発生分布も決まる。第１期間Ｔ１では、図５に示すように、溶接ワイヤ１００および溶滴４００の全体に電流が分散しているが、第２期間Ｔ２では、図６に示すように、溶接ワイヤ１００および溶滴４００の表面に電流が集中している。また、表面への集中度合いは、溶滴４００の下部よりも上部の方が高いため、電磁ピンチ力Ｆについても、溶滴４００の上部に、より大きく作用することになる。電磁ピンチ力Ｆの方向は、同一方向に流れる電流が相互に及ぼす力の関係上、基本的にワイヤ軸に対し垂直に作用する。また、それに加え、電流がワイヤ軸に対し垂直方向に拡がって流れる場合は母材方向に、電流がワイヤ軸に対し垂直方向に収束するように流れる場合は電極側に、それぞれ電磁ピンチ力Ｆが発生する。第１期間Ｔ１で溶滴４００を成長させた後、第２期間Ｔ２での電磁ピンチ力Ｆを溶滴４００に作用させると、溶滴４００の下部よりも上部の方に強い電磁ピンチ力Ｆが作用する。これにより、溶接ワイヤ１００の先端の溶滴４００を下方に押し下げ、溶滴４００の離脱を促すことが可能となる。この第２期間Ｔ２において、溶接ワイヤ１００の下端と溶滴４００の上端との間にしっかりとした括れを形成してやることで、第３期間Ｔ３に移行した後に、速やかに溶滴４００を離脱させることが可能になる。
【００５６】
＜本実施の形態の効果＞
以上説明したように、本実施の形態では、溶接電流Ｉとして、第１ピーク電流値Ｉｐ１を供給する第１期間Ｔ１を１０ｍｓｅｃ以下とし、第１ピーク電流値Ｉｐ１よりも電流値が大きい第２ピーク電流値Ｉｐ２を供給する第２期間Ｔ２を１００ｎｓｅｃ以下とした。これにより、第２ピーク電流値Ｉｐ２を供給する期間を１００ｎｓｅｃ超とした場合と比較して、第２ピーク電流値Ｉｐ２を供給している間での、溶滴の成長を抑制することができる。このため、離脱時の溶滴の巨大化を抑制することが可能となり、結果として、スパッタの発生を抑制することができる。
【００５７】
また、本実施の形態では、第１パルス電流Ｉ１とフラット電流Ｉ０とを含む被重畳電流Ｉｘを第１生成回路５２で生成する一方、第２パルス電流Ｉ２を含む重畳電流Ｉｙを第２生成回路５３で生成するようにした。ここで、本実施の形態では、短時間且つ高電流値となる第２パルス電流Ｉ２を生成するパルス電力生成回路５３１を、パルスフォーミングネットワーク回路で構成するようにした。そして、第１生成回路５２が生成した被重畳電流Ｉｘに対し、第２生成回路５３が生成した重畳電流Ｉｙを、重畳回路５４によって重畳し、溶接電流Ｉとした。ここで、重畳回路５４としては、ダイオード接続、コンデンサによる電界結合、あるいは、パルストランスによる磁気結合を採用するようにした。これにより、簡易な構成で、本実施の形態の溶接電流Ｉを生成することが可能になる。
【００５８】
＜その他＞
なお、本実施の形態では、炭酸ガスを含むシールドガスを用いた場合を例として説明を行ったが、これに限られるものではない。例えば、炭酸ガスからなるシールドガスを用いた場合に適用してもよいし、炭酸ガスを含まない不活性ガスからなるシールドガスを用いた場合に適用してもよい。
【００５９】
また、本実施の形態では、第１期間Ｔ１と第２期間Ｔ２との間に、フラット電流Ｉ０を維持する期間を設けていなかったが、これに限られるものではない。例えば第１期間Ｔ１と第２期間Ｔ２との間に、第３期間Ｔ３のようにフラット電流Ｉ０を一定時間だけ維持する期間を設けてもよい。
【符号の説明】
【００６０】
１…溶接システム、５…商用交流電源、１０…溶接トーチ、２０…ロボットアーム、３０…ワイヤ送給装置、４０…シールドガス供給装置、５０…溶接用電源装置、５１…第１整流回路、５２…第１生成回路、５２１…インバータ回路、５２２…変圧器、５２３…第２整流回路、５３…第２生成回路、５３１…パルス電力生成回路、５４…重畳回路、５５…直流リアクトル、５６…出力電流検出回路、１００…溶接ワイヤ、２００…被溶接物、３００…アーク、４００…溶滴
【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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