(57)【要約】      （修正有）【課題】遠隔スイッチで動作する溶接電源の提供。【解決手段】溶接システム１０が、消耗溶接電極２８において溶接電流を生成するための一連の溶接波形を出力するように構成された電源１２と、溶接作業の間、溶接パドルの方に電極を前進させるワイヤ送給装置１４と、を含む。ワイヤ送給装置は、スイッチングデバイス２２および並列抵抗３８を有するサブ回路であって、電極と直列に接続されていることで、溶接電流がこのサブ回路を通って流れる。スイッチングデバイスは、導通状態と非導通状態との間で制御可能である。ワイヤ送給装置は、スイッチングデバイスに動作可能に接続されたコントローラ２４であって、スイッチングデバイスのスイッチング動作を制御するコントローラを含む。電源は、ワイヤ送給装置におけるスイッチング動作の発生を遠隔から特定し、かつ、スイッチング動作の発生に基づいて溶接波形を制御するように構成されている。【選択図】図３
2019025547.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接システムであって、
消耗溶接電極において溶接電流を生成するための一連の溶接波形を出力するように構成された電源と、
溶接作業の間、溶接パドルの方に前記消耗溶接電極を前進させるワイヤ送給装置であって、
スイッチングデバイスおよび並列抵抗を備えるサブ回路であって、前記消耗溶接電極と直列に接続されていることで、前記溶接電流が前記サブ回路を通って流れるようになっており、前記スイッチングデバイスが導通状態と非導通状態との間で制御可能である前記サブ回路と、
前記スイッチングデバイスに動作可能に接続され、かつ、前記スイッチングデバイスのスイッチング動作を制御するように構成されたコントローラと、
を備えるワイヤ送給装置と、
を備えるとともに、
前記電源が、前記ワイヤ送給装置における前記スイッチング動作の発生を遠隔から特定し、かつ、前記スイッチング動作の前記発生に基づいて前記溶接波形を制御するように構成された溶接システム。
【請求項２】
前記電源から前記ワイヤ送給装置に前記溶接電流を導通する電力ケーブルをさらに備えるとともに、前記ワイヤ送給装置が、前記電力ケーブルを介して前記電源に情報を伝達するように構成された、請求項１に記載の溶接システム。
【請求項３】
前記ワイヤ送給装置が、前記電源に前記スイッチング動作を伝達する、請求項１に記載の溶接システム。
【請求項４】
前記電源が、感知された溶接条件に基づいて前記ワイヤ送給装置における前記スイッチング動作の前記発生を遠隔から特定し、前記感知された溶接条件に基づいて前記溶接波形の部分のタイミングを制御する、請求項１に記載の溶接システム。
【請求項５】
前記コントローラが、溶接電圧の変化率に基づいて前記スイッチングデバイスの前記スイッチング動作のタイミングを制御し、前記電源が、前記溶接電流の変化率に基づいて前記ワイヤ送給装置における前記スイッチング動作の前記発生を遠隔から特定する、請求項１に記載の溶接システム。
【請求項６】
前記電源が、前記溶接電流の前記変化率に基づいて前記溶接波形の部分のタイミングを制御する、請求項５に記載の溶接システム。
【請求項７】
前記電源が、前記導通状態から前記非導通状態への、および同様に前記非導通状態から前記導通状態への、前記スイッチングデバイスの前記スイッチング動作の発生を、遠隔から特定するように構成された、請求項５に記載の溶接システム。
【請求項８】
前記電源が、前記非導通状態から前記導通状態に切り替えする前記スイッチングデバイスに基づいて、前記溶接波形の部分のタイミングを制御する、請求項７に記載の溶接システム。
【請求項９】
溶接システムであって、
消耗溶接電極において溶接電流を生成するための溶接波形の第１の部分、および溶接波形の第２の部分を制御するように構成された電源と、
溶接作業の間、溶接パドルの方に前記消耗溶接電極を前進させるワイヤ送給装置であって、
スイッチングデバイスおよび並列抵抗を備えるサブ回路であって、前記消耗溶接電極と直列に接続されていることで、前記溶接電流が前記サブ回路を通って流れるようになっており、前記スイッチングデバイスが導通状態と非導通状態との間で制御可能である前記サブ回路と、
前記スイッチングデバイスに動作可能に接続され、かつ、前記導通状態と前記非導通状態との間で前記スイッチングデバイスのスイッチング動作を制御して、前記溶接波形の前記第１の部分と、前記溶接波形の前記第２の部分との間に前記溶接波形の低電流部分を生成するように構成されたコントローラと、
を備えるワイヤ送給装置と、
を備えるとともに、
前記電源が、溶接電流センサを備え、前記電源が、感知された溶接電流に基づいて、前記ワイヤ送給装置における前記スイッチング動作の発生を判断し、かつ、前記低電流部分に対する前記溶接波形の前記第１の部分および前記溶接波形の前記第２の部分のうちの少なくとも１つのタイミングを制御するように構成された溶接システム。
【請求項１０】
前記電源から前記ワイヤ送給装置に前記溶接電流を導通する電力ケーブルをさらに備えるとともに、前記電源および前記ワイヤ送給装置が、前記電力ケーブルを介して通信する、請求項９に記載の溶接システム。
【請求項１１】
前記ワイヤ送給装置が、前記電力ケーブルを介して溶接パラメータの調節を前記電源に伝達するように構成された、請求項１０に記載の溶接システム。
【請求項１２】
前記ワイヤ送給装置が、前記電源から遠隔して、前記電源とは別個のハウジングに位置する、請求項９に記載の溶接システム。
【請求項１３】
前記コントローラが、溶接電圧の変化率に基づいて前記スイッチングデバイスの前記スイッチング動作のタイミングを制御し、前記電源が、前記溶接電流の変化率に基づいて前記ワイヤ送給装置における前記スイッチング動作の発生を判断する、請求項９に記載の溶接システム。
【請求項１４】
前記電源が、前記導通状態から前記非導通状態への、および同様に前記非導通状態から前記導通状態への、前記スイッチングデバイスの前記スイッチング動作の発生を判断するように構成された、請求項１３に記載の溶接システム。
【請求項１５】
溶接システムであって、
一連の溶接波形を生成するように制御されたインバータを備える電源と、
前記電源から遠隔して位置し、溶接作業の間、溶接パドルの方に消耗溶接電極を前進させるワイヤ送給装置であって、前記消耗溶接電極が、前記電源に動作可能に接続されて、前記溶接波形を備える溶接電流をワークピースに導通するワイヤ送給装置と、
スイッチングデバイスおよび並列抵抗を備えるサブ回路であって、前記消耗溶接電極と直列に接続されていることで、前記溶接電流が前記サブ回路を通って流れるようになっており、前記スイッチングデバイスが導通状態と非導通状態との間で制御可能である前記サブ回路と、
前記スイッチングデバイスに動作可能に接続され、かつ、前記スイッチングデバイスのスイッチング動作を制御するように構成されたコントローラと、
を備えるとともに、
前記コントローラおよび前記サブ回路が、前記電源から遠隔して位置し、前記ワイヤ送給装置に対してローカルであり、
前記電源が、前記スイッチングデバイスの前記スイッチング動作の発生を遠隔から特定し、かつ、前記スイッチングデバイスの前記スイッチング動作に対する前記インバータの動作のタイミングを制御するように構成された、溶接システム。
【請求項１６】
請求項１５に記載の溶接システムであって、
前記サブ回路および前記ワイヤ送給装置が、ともに前記電源とは別個のハウジングに位置するとともに、
前記電源から前記ワイヤ送給装置に前記溶接電流を導通する電力ケーブルをさらに備え、かつ、
前記ワイヤ送給装置が、前記電力ケーブルを介して溶接パラメータの調節を前記電源に伝達するように構成された、溶接システム。
【請求項１７】
前記電源が、溶接電流センサを備え、前記溶接電流の感知された変化率に基づいて前記溶接波形の部分のタイミングを制御する、請求項１５に記載の溶接システム。
【請求項１８】
前記電源が、前記導通状態から前記非導通状態への、および同様に前記非導通状態から前記導通状態への、前記スイッチングデバイスの前記スイッチング動作の発生を、遠隔から特定するように構成された、請求項１５に記載の溶接システム。
【請求項１９】
前記電源が、前記非導通状態から前記導通状態に切り替えする前記スイッチングデバイスに基づいて、前記溶接波形の部分のタイミングを制御する、請求項１８に記載の溶接システム。
【請求項２０】
前記抵抗が、並列に接続された、複数の個別切り替え抵抗器を備える可調節抵抗器である、請求項１５に記載の溶接システム。
【請求項２１】
前記コントローラが、前記ワイヤ送給装置が前記消耗溶接電極を前進させるワイヤ送給速度に基づいて前記可調節抵抗器の抵抗レベルを自動的に調節するように構成された、請求項２０に記載の溶接システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ワークピース付近の使用場所にワイヤ送給装置が位置する電気アーク溶接システム、およびこのワイヤ送給装置に接続された遠隔電源に関する。遠隔電源は、ワークピース上で溶接作業を行うための溶接波形を生成する。
【背景技術】
【０００２】
低電流部分によって分離された電流のパルスを有する周期的な溶接波形を用いて電気アーク溶接を行って、所望の金属移行および本溶接の特性を実現することが知られている。周期的な溶接波形は、ワークピースに対して溶接電極が短絡しないパルスアーク溶接、および短絡溶接のいずれにおいても用いることができる。周期的な溶接波形を用いる短絡溶接技術の１つは、表面張力移行（ＳＴＴ：Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｔｅｎｓｉｏｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ）である。ＳＴＴ溶接では、ワイヤ送給装置によって消耗ワイヤ電極がワークピースの方に駆動されるときに、溶接電源によって消耗ワイヤ電極が加圧される。バックグラウンド電流がワイヤ電極とワークピースとの間にアークを確立し、電極の端部に溶融ボールを生じる。溶融ボールは、ワイヤ送給装置によってワークピースの方に動かされ、最終的にはワークピースに対して短絡し、アークを消滅させる。ピンチ電流がバックグラウンド電流よりも大きく制御されていることにより、溶融ボールをワイヤ電極からピンチオフさせ、続いてプラズマブーストパルスが溶接電極に印加され、適正なアーク長を設定し、溶接パドルをワイヤ電極から遠ざけるように押し返す。周期的な溶接波形の様々な部分は、マイクロプロセッサに基づいたコントローラの制御の下で溶接の間、順に繰り返され、これにより、電源において所望の波形を生じるように、高周波スイッチング素子（例えば、インバータ、チョッパなど）の動作を制御する。コントローラは、溶接電源に位置するが、溶接電圧測定値に依拠して、ＳＴＴ溶接波形の異なる各部分をいつ適用するべきかを判断する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
溶接電源が溶接されるワークピースの付近に位置する場合、電源によって十分にＳＴＴ溶接を行うことができる。なぜなら、溶接ケーブルのインダクタンスが相対的に小さく、溶接電圧は、電源によって正確に測定可能であるからである。しかしながら、電源がワークピースからさらに離れた場所、例えば、１００フィート以上離れた場所などに移動するにつれて、ＳＴＴ溶接は困難になる。このようなシナリオでは、長い溶接ケーブルのインダクタンスは、６５μＨ以上になる可能性があるため、電源による溶接電圧測定値が不正確になってしまう可能性がある。電源がワークピースから遠隔して位置し、溶接回路内の溶接ケーブルのインダクタンスが大きい場合に、十分なＳＴＴ溶接を行うことが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
以下の概要は、本明細書で説明するデバイス、システムおよび／または方法のいくつかの態様を基本的に理解できるようにするために単純化した概要を提示する。この概要は、本明細書で説明するデバイス、システムおよび／または方法の広範囲にわたる概観ではない。このようなデバイス、システムおよび／または方法の重要な要素を特定すること、またはその範囲を正確に描くことを意図したものではない。その唯一の目的は、いくつかの概念を、後述するより詳細な説明への導入部として単純化された形態で提示することである。
【０００５】
本発明の１つの態様に従って提供されるのは、溶接システムであって、消耗溶接電極において溶接電流を生成するための一連の溶接波形を出力するように構成された電源と、溶接作業の間、溶接パドルの方に消耗溶接電極を前進させるワイヤ送給装置と、を含む溶接システムである。ワイヤ送給装置は、スイッチングデバイスおよび並列抵抗を備えるサブ回路であって、消耗溶接電極と直列に接続されていることで、溶接電流がこのサブ回路を通って流れるようになっており、スイッチングデバイスが導通状態と非導通状態との間で制御可能である前記サブ回路を備える。ワイヤ送給装置は、スイッチングデバイスに動作可能に接続され、かつ、スイッチングデバイスのスイッチング動作を制御するように構成されたコントローラを備える。電源は、ワイヤ送給装置におけるスイッチング動作の発生を遠隔から特定し、かつ、スイッチング動作の発生に基づいて溶接波形を制御するように構成されている。
【０００６】
本発明の別の態様に従って提供されるのは、溶接システムであって、消耗溶接電極において溶接電流を生成するための、溶接波形の第１の部分、および溶接波形の第２の部分を制御するように構成された電源を含む溶接システムである。溶接システムは、溶接作業の間、溶接パドルの方に消耗溶接電極を前進させるワイヤ送給装置を含む。ワイヤ送給装置は、スイッチングデバイスおよび並列抵抗を備えるサブ回路であって、消耗溶接電極と直列に接続されていることで、溶接電流がこのサブ回路を通って流れるようになっている前記サブ回路を備える。スイッチングデバイスは、導通状態と非導通状態との間で制御可能である。ワイヤ送給装置は、スイッチングデバイスに動作可能に接続されたコントローラであって、導通状態と非導通状態との間でスイッチングデバイスのスイッチング動作を制御して、溶接波形の第１の部分と、溶接波形の第２の部分との間に溶接波形の低電流部分を生成するように構成されたコントローラを備える。電源は、溶接電流センサを備え、また電源は、感知された溶接電流に基づいてワイヤ送給装置におけるスイッチング動作の発生を判断し、かつ、低電流部分に対する溶接波形の第１の部分および溶接波形の第２の部分のうちの少なくとも１つのタイミングを制御するように構成されている。
【０００７】
本発明の別の態様に従って提供されるのは、溶接システムであって、一連の溶接波形を生成するように制御されたインバータを備える電源と、電源から遠隔して位置するワイヤ送給装置であって、溶接作業の間、消耗溶接電極を溶接パドルの方に前進させるワイヤ送給装置と、を含む溶接システムである。消耗溶接電極は、電源に動作可能に接続されて、溶接波形を備える溶接電流をワークピースに導通する。溶接システムは、スイッチングデバイスおよび並列抵抗を備えるサブ回路であって、消耗溶接電極と直列に接続されていることで、溶接電流がこのサブ回路を通って流れるようになっている前記サブ回路を含む。スイッチングデバイスは、導通状態と非導通状態との間で制御可能である。コントローラは、スイッチングデバイスに動作可能に接続され、かつ、スイッチングデバイスのスイッチング動作を制御するように構成されている。コントローラおよびサブ回路は、電源から遠隔して位置し、ワイヤ送給装置に対してローカルである。電源は、スイッチングデバイスのスイッチング動作の発生を遠隔から特定し、かつ、スイッチングデバイスのスイッチング動作に対するインバータの動作のタイミングを制御するように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】例示的な溶接システムの斜視図である。
【図２】例示的な溶接システムのブロック図である。
【図３】例示的な溶接システムの概略図である。
【図４】例示的な溶接波形である。
【図５】例示的な溶接システムの一部の概略図である。
【図６】例示的な溶接システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の実施形態は、ワークピース付近の使用場所にワイヤ送給装置が位置する電気アーク溶接システム、およびこのワイヤ送給装置に接続された遠隔電源に関する。次に図面を参照して本発明を説明する。図面では、全体を通して、同様の参照番号は、同様の要素を指すように用いられる。様々な図面は、図面ごとにおいても、また所与の図面内においても、必ずしも縮尺通りに描かれておらず、特に、構成部品の大きさは、図面を理解し易くするために任意の大きさで描かれていることを理解されたい。以下の記述では、説明の目的で、多数の特定の詳細が、本発明を十分に理解できるように記載されている。しかしながら、本発明が、これらの特定の詳細なしで実践し得ることは明らかである。加えて、本発明の他の実施形態が可能であり、記載されている以外の方法で本発明を実践し、行うことが可能である。本発明を説明する際に使用される用語および表現は、本発明の理解を促進する目的で使用され、限定するものとして解釈すべきではない。
【００１０】
図１は、溶接電源１２およびワイヤ送給装置１４を含む例示的な溶接システム１０を示す。電源１２は、電力会社または発電機などから入力電力を受け取り、ワークピース（図示せず）上で溶接作業を行うための溶接波形を生成する。溶接電力は、電源１２によって電力ケーブル１６を介してワイヤ送給装置１４に供給される。電源１２およびワイヤ送給装置１４は、別個のハウジング内に封入され、互いに離れた位置にあることがわかる。ワイヤ送給装置１４は、電源１２から遠隔して、例えば、電源から数百フィート離れた、溶接されるワークピース付近の使用場所に配置することができる。ワイヤ送給装置１４は、溶接電流を導通し、消耗溶接電極ワイヤを送給し、随意に、溶接トーチ１８にシールドガスを供給する。電源１２およびワイヤ送給装置１４は、アーク溶接電気回路を完結する接地クランプ２０を含んでいる場合がある。
【００１１】
電源１２は、電圧、電流、溶接プロセスなどといったような、様々な溶接パラメータを設定するためのユーザインタフェースを含んでいる。ワイヤ送給装置１４は、同様のパラメータを電源１２から遠隔して調節するためのユーザインタフェースもまた含んでいる場合がある。電源およびワイヤ送給装置１４は、互いに双方向に通信するように構成することができる。このような通信は、電力ケーブル１６を介して、無線で行うか、または追加の配線によって接続された通信ケーブルを介して行うことができる。オペレータは、ワイヤ送給装置１４においてローカルに溶接パラメータの調節を行うことができ、また、ワイヤ送給装置は、（例えば、電力ケーブル１６を介して）溶接パラメータの調節を電源に伝達することができる。
【００１２】
上記で言及したように、電源１２が使用場所から遠隔して位置している場合、長い電力ケーブル１６のインダクタンス（例えば、６５μＨ以上）により、電源における溶接電圧測定値が不正確になり、ＳＴＴ溶接が困難になる。ＳＴＴ溶接のための電力回路は、スイッチ（「ＳＴＴスイッチ」−典型的にはトランジスタスイッチ）と、溶接電極と直列に接続された並列抵抗と、を含む。ＳＴＴスイッチは通常、（例えば、オン状態、すなわち導通状態で）閉じられ、溶接電流は、スイッチを直接通って流れる。しかしながら、（例えば、溶接電極がワークピースに対して短絡すると直ちに、また、電極端部での溶融ボールの爆発による脱落を防ぐために）溶接波形の特定部分の間に、ＳＴＴスイッチを一時的に開いて、すなわち作動停止して、溶接電流をその並列抵抗器に強制的に流して、溶接電流を速やかに低レベルまで引き下げることができる。ＳＴＴスイッチの動作は、感知された溶接条件、例えば電圧などに基づいて制御される。しかしながら、電力ケーブル１６が溶接回路に導入するインダクタンスが大きい場合には、電源１２は、適正にＳＴＴスイッチを制御できるほど十分正確に溶接電圧を感知しない場合がある。電源１２がワークピースＷから遠隔して位置する場合（図２を参照）にＳＴＴ溶接に対処するために、ＳＴＴスイッチ２２およびその並列抵抗は、ワークピースにはるかに近いワイヤ送給装置１４にローカルに移動されている。ワイヤ送給装置１４は、ワークピースＷにおいてローカルに溶接電圧を監視するコントローラ２４を含み、これにより電源１２からの長い電力ケーブルが、溶接電圧測定値の精度に影響を及ぼさないようになっている。コントローラ２４は、感知された溶接電圧に基づいてＳＴＴスイッチの動作を制御する。したがって、電源１２ではなくワイヤ送給装置１４が、適時にＳＴＴスイッチを開くことによって、溶接波形の低電流部分を生成する。電源１２は、溶接電流を監視してワイヤ送給装置１４内のＳＴＴスイッチのスイッチング動作の発生を判断するとともに、電源によって生成される溶接波形の他の部分のタイミングを適正に制御するために、このような発生を同期信号またはタイミング信号として用いる。
【００１３】
例示的なアーク溶接システム１０の、より詳細な概略図が図３に示されている。アーク溶接システム１０は、溶接電源１２およびワイヤ送給装置１４を含む。溶接電源１２は、溶接電流を生成し、消耗溶接電極２８とワークピースＷとの間に電気アーク２６を生み出して、ワークピース上でアーク溶接作業を行うための、一連の溶接波形を出力する。
【００１４】
説明の目的で、本開示の主題は、駆動ワイヤ消耗電極を使用するアーク溶接作業（例えば、ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ：ｇａｓ  ｍｅｔａｌ  ａｒｃ  ｗｅｌｄｉｎｇ）、有芯アーク溶接（ＦＣＡＷ：ｆｌｕｘ−ｃｏｒｅｄ  ａｒｃ  ｗｅｌｄｉｎｇ）、水中アーク溶接（ＳＡＷ：ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ  ａｒｃ  ｗｅｌｄｉｎｇ））に関連して説明されている。しかしながら、本開示の主題は、例えば、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ：ｇａｓ  ｔｕｎｇｓｔｅｎ  ａｒｃ  ｗｅｌｄｉｎｇ）などの、他の型のアーク溶接に適用し得る場合があることを認識されたい。
【００１５】
溶接電源１２は、商用電源または発電機などの電源２８から、アーク２６を生成するための電気エネルギーを受け取る。電源２８は、単相電源または三相電源とすることができる。特定の実施形態では、アーク溶接システム１０は、やはり溶接電源１２にエネルギーを供給する１つまたは複数のバッテリ（図示せず）を含むハイブリッドシステムとすることができる。
【００１６】
溶接電源１２は、所望の溶接波形に従ってアーク２６を生成するためのインバータ３０などの、切り替え型の電力変換装置を含む。これに代えて、またはこれに加え、溶接電源１２は、溶接波形を生成するためのＤＣチョッパ（図示せず）またはブーストコンバータ（図示せず）を含むことも可能であろう。電源２８からのＡＣ電力は、入力整流器３２によって整流される。整流器３２からのＤＣ出力は、インバータ３０に供給される。インバータ３０は、変圧器３４に高周波のＡＣ電力を供給し、変圧器の出力は出力整流器３６によってＤＣに変換し直される。出力整流器３６は、ワイヤ送給装置１４において、ＳＴＴスイッチ２２またはスイッチの並列抵抗器３８のいずれかを通して、アーク２６を生成するための電力を供給する。
【００１７】
アーク溶接システム１０は、ワイヤ送給装置１４を介して電源１２に動作可能に接続された溶接トーチ１８を含む場合がある。電源１２は、ＳＴＴスイッチ２２または並列抵抗器３８を通して、アーク２６を生成し、溶接作業を行うための溶接出力電気エネルギーを溶接トーチ１８に供給する。図３では、トーチ１８は、電源１２によって消耗溶接電極２８に供給される電気エネルギーを移行するためのコンタクトチップ４０を有する。
【００１８】
消耗溶接電極２８は、ワイヤ送給装置１４のモータ作動式ピンチローラ４４によってワイヤ送給装置のワイヤのスプール４２から送給することができる。モータ作動式ピンチローラ４４は、溶接作業の間、あるワイヤ送給速度（ＷＦＳ：ｗｉｒｅ  ｆｅｅｄ  ｓｐｅｅｄ）で、溶接パドルの方に電極を前進させる。ＷＦＳは、ＳＴＴスイッチ２２に結合されたコントローラ２４によって制御されてもよいし、別個のワイヤ送給装置コントローラによって制御されてもよい。
【００１９】
アーク溶接システム１０は、直流棒プラス（ＤＣ＋）、すなわち「逆」極性用に構成することができる。この場合、コンタクトチップ４０および電極２８が電源１２からのプラスのリード線に接続され、ワークピースＷがマイナスのリード線に接続されている。あるいは、アーク溶接システム１０は、直流棒マイナス（ＤＣ−）、すなわち「正」極性用に構成することができる。この場合、ワークピースＷがプラスのリード線に接続され、コンタクトチップ４０および電極２８がマイナスのリード線に接続されている。さらに、アーク溶接システム１０は、ＡＣ溶接用に構成することができる。この場合、ＡＣ波形がコンタクトチップ４０、電極２８、およびワークピースＷに供給される。
【００２０】
電源１２は、インバータ３０に動作可能に接続された、電源によって生成された溶接波形を制御するためのコントローラ４６を含む。コントローラ４６は、波形制御信号をインバータ３０に供給して、溶接波形、または溶接波形の部分（例えば、ＳＴＴスイッチ２２および並列抵抗器３８によって制御されない部分）を生成するように、その出力を制御することができる。コントローラ４６は、波形制御信号を介してインバータ３０の出力を制御して、所望の溶接波形、溶接電圧、溶接電流などを実現する。波形制御信号は、インバータ３０内で様々なスイッチ（例えば、トランジスタスイッチ）の動作を制御するための複数の別個の制御信号を含む場合がある。
【００２１】
コントローラ２４、４６は、電子制御装置とすることが可能であり、プロセッサを含んでもよい。コントローラ２４、４６は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、書き替え可能ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、ディスクリート論理回路などのうちの１つまたは複数を含む場合がある。コントローラ２４、４６は、本明細書でコントローラに割り当てられた機能性を提供させるプログラム命令を格納するメモリ部分（例えば、ＲＡＭまたはＲＯＭ）を含む場合がある。コントローラ２４、４６は、別個のコンパレータ、論理回路などと組み合わせたプロセッサのような、複数の物理的に別個の回路または電子デバイスを含む場合がある。しかしながら、説明し易くするために、コントローラ２４、４６は、一体構造のデバイスとして示されている。
【００２２】
ワイヤ送給装置１４のコントローラ２４は、ＳＴＴスイッチ２２に動作可能に接続されて、オン状態すなわち導通状態と、オフ状態すなわち非導通状態との間でそのスイッチング動作を制御している。抵抗器３８は、ＳＴＴスイッチ２２と並列に接続され、これにより、消耗溶接電極２８と直列に接続されたワイヤ送給装置１４内にサブ回路を形成するようになっている。サブ回路の動作、特に、ＳＴＴスイッチ２２のスイッチング動作は、電圧、電流、電力、時間といったような、感知された溶接条件、または溶接条件の組み合わせに基づいて、コントローラ２４によって制御される。ＳＴＴスイッチ２２が、オン状態すなわち導通状態にあるとき、溶接電流は、ＳＴＴスイッチを通ってトーチ１８および電極２８へと流れる。オン状態すなわち導通状態にあるとき、ＳＴＴスイッチ２２は、抵抗器３８を有効に短絡させる。ＳＴＴスイッチ２２がオフ状態すなわち非導通状態にあるとき、抵抗器３８は、トーチ１８および消耗溶接電極２８と直列に接続され、溶接電流は、抵抗器を通ってトーチおよび電極へと流れる。溶接電流の大きさは、ＳＴＴスイッチ２２をオフにして、溶接電流を抵抗器３８に強制的に流すことによって、抵抗器３８により決定された低レベルまで速やかに低減することが可能である。
【００２３】
ワイヤ送給装置１４は、溶接電圧コントローラ２４を監視するための電圧センサ４８を含む。電圧センサ４８は、コントローラ２４に電圧信号を供給し、また、感知された溶接電圧および／または他の感知された溶接条件に基づいて、コントローラが、ＳＴＴスイッチ２２のスイッチング動作を制御する。特に、コントローラ２４は、ＳＴＴスイッチ２２をオフにして溶接波形の低電流部分を開始し、ＳＴＴスイッチ２２をオンにして溶接波形の低電流部分を終了する。コントローラ２４は、電圧信号のレベルに基づいて、またはｄＶ／ｄｔ（溶接電圧の変化率）などの、電圧信号から導き出されたパラメータから、ＳＴＴスイッチ２２を作動開始／作動停止する時期を判断することができる。
【００２４】
ワイヤ送給装置のＳＴＴスイッチ２２および並列抵抗器３８のサブ回路と連動して、電源１２によって生成可能な例示的な溶接波形が、図４に示されている。図４の波形は、ＳＴＴ波形である。しかしながら、本発明は、ＳＴＴ波形に限定されるものではなく、高電流レベルから低電流レベルまでの移行が速やかであれば、恩恵を受けることになる任意の溶接波形に適用可能である。ＳＴＴ波形は、バックグラウンド電流部分５０と、ピンチ電流部分５２と、別のバックグラウンド電流部分へのテールアウト５６が後続するプラズマブーストパルス５４と、を含む。バックグラウンド電流部分５０とピンチ電流部分５２との間、およびピンチ電流部分５２とプラズマブーストパルス５４との間は、最小電流部分５８ａ、５８ｂである。バックグラウンド電流部分５０は、大きさが最小電流部分５８ａ、５８ｂよりも大きいが、ピンチ電流部分５２、およびプラズマブーストパルス５４（例えば、例示的な波形のピーク電流部分）よりも小さいことがわかる。ＳＴＴスイッチ２２（図３）は、溶接波形のバックグラウンド電流部分５０、ピンチ電流部分５２、およびプラズマブーストパルス５４部分の間、オン状態すなわち導通状態にあり、溶接電流は、これらの部分の間、ＳＴＴスイッチを通って流れている。溶接波形のバックグラウンド電流部分５０、ピンチ電流部分５２、およびプラズマブーストパルス５４部分は、電源１２によって生成される。ＳＴＴスイッチ２２は、最小電流部分５８ａ、５８ｂの間、オフ状態すなわち非導通状態にあり、溶接電流は、最小電流部分の間、抵抗器３８を通って流れている。最小電流部分５８ａ、５８ｂの大きさは、抵抗器３８により決定される。
【００２５】
バックグラウンド電流部分５０の間に、溶融ボールが電極２８の端部に生じ、電極を溶接パドルに短絡させることができる。ワイヤ送給装置１４のコントローラ２４は、溶接電圧信号を監視することにより、短絡の存在を識別することができる。（例えば、溶接電圧の急速な低下を示すｄＶ／ｄｔに基づいて）短絡が検出されると、コントローラ２４は、ＳＴＴスイッチ２２をオフにすることにより、溶接電流を最小電流レベルまで速やかに低減する。溶接電流を低減することは、完全な短絡を確実にすることに役立ち、また、電極がヒューズのように飛んでしまうのを回避する。第１の最小電流部分５８ａは、一定の継続時間とすることが可能であり、この後にコントローラ２４は、非導通状態から導通状態にＳＴＴスイッチ２２を切り替える。
【００２６】
電源１２のコントローラ４６は、溶接条件センサからのフィードバック信号を介して、溶接プロセスの局面を監視することができる。例えば、変流器（ＣＴ）または分流器６０などの溶接電流センサは、コントローラ４６に溶接電流フィードバック信号を供給することができ、また電圧センサ６２は、電圧フィードバック信号をコントローラに供給することができる。インバータ３０によって生成された溶接波形の部分（例えば、バックグラウンド電流部分５０、ピンチ電流部分５２、およびプラズマブーストパルス５４部分）のタイミングを制御するために、コントローラ４６は、ワイヤ送給装置１４のＳＴＴスイッチ２２をオフまたはオンにする時期を遠隔から特定する必要がある。ワイヤ送給装置１４は、例えば、無線で、または電力ケーブルを介して、電源１２に切り替え事象を伝達し、これにより、電源がこの伝達からスイッチング動作を特定し、溶接波形の部分のタイミングを制御するようにすることも可能であろう。あるいは、コントローラ４６は、１つまたは複数の溶接条件（例えば、電流、電力など）を監視し、ＳＴＴスイッチのスイッチング動作の発生を特定、または判断することができる。例えば、電源は、溶接電流フィードバック信号を監視して、ＳＴＴスイッチ２２のスイッチング動作の発生を判断することができる。コントローラ４６は、溶接電流レベルに基づいて、または、ｄＩ／ｄｔ（溶接電流の変化率）などの溶接電流フィードバック信号から導き出されたパラメータから、ＳＴＴスイッチ２２のスイッチング動作の発生を判断することができる。例えば、ｄＩ／ｄｔが溶接電流の急速な低減を示すと、コントローラ４６は、ＳＴＴスイッチ２２が導通状態から非導通状態に切り替わったと判断する。ｄＩ／ｄｔが溶接電流の急速な増大を示すと、コントローラ４６は、ＳＴＴスイッチ２２が非導通状態から導通状態に切り替わったと判断する。
【００２７】
電源１２は、遠隔ＳＴＴスイッチ２２の切り替え発生の判断を、例えば、溶接電流のｄＩ／ｄｔの分析を介して、同期信号として用いて、溶接波形の部分のタイミングを制御する。電源１２およびワイヤ送給装置１４は協働して、すなわち、ワイヤ送給装置が溶接電圧に基づいて低電流部分または最小電流部分を生成し、電源が遠隔ＳＴＴスイッチ２２のスイッチング動作の発生の判断に基づいて溶接波形の他の高電流部分のタイミングを制御して、溶接波形を生成することができる（切り替えの発生は、溶接電流に対する変化からコントローラ４６によって推論される）。
【００２８】
コントローラ４６は、溶接電流のｄＩ／ｄｔが溶接電流の急速な増大を示すと、第１の最小電流部分５８ａが終了したと判断する。第１の最小電流部分５８ａが終了した（すなわち、ＳＴＴスイッチ２２が再び導通状態にある）と判断すると直ちに、コントローラ４６は、インバータ３０を制御して、ピンチ電流５２を生成し、溶接パドルへと分離するために電極２８の端部がくびれて垂れ下がるようにする。電極２８は、溶接波形のピンチ電流５２の部分の間に、溶接パドルに対して短絡される。短絡が除去される直前に、ワイヤ送給装置１４のコントローラ２４は、再びＳＴＴスイッチ２２をオフにして、（溶融ボールが電極からピンチオフするときに、スパッタを防ぎ、アークの安定性を高めるために）溶接電流を第２の最小電流部分５８ｂまで速やかに低減する。溶接電圧および／または溶接電圧の変化率を監視することによって、ワイヤ送給装置１４のコントローラ２４は、溶融ボールが電極２８からほぼ分離していると判断し、これにより、ＳＴＴスイッチ２２のスイッチング動作のタイミングを制御することができる。電源１２のコントローラ４６は、溶接電流の急速な低減から、ＳＴＴスイッチ２２がオフに切り替わっていることを識別する。
【００２９】
ワイヤ送給装置１４のコントローラ２４は、溶接電圧を監視することにより、アークが再び確立されていると判断することができる。アークが再び確立されたら（または、溶接電極２８の不必要なスタッビングを防ぐために選択された時間が経過した後に）、ワイヤ送給装置１４のコントローラ２４は、ＳＴＴスイッチ２２を切り替えて導通状態に戻す。電源１２のコントローラ４６は、溶接電流のｄＩ／ｄｔが溶接電流の急速な増大を示すと、第２の最小電流部分５８ｂが終了したと判断する。溶接電流のｄＩ／ｄｔから、ＳＴＴスイッチ２２が非導通状態から導通状態に切り替わったと判断すると直ちに、電源１２のコントローラ４６は、インバータ３０を制御して、溶接波形のピーク電流（プラズマブーストパルス５４）部分を生成し、適正なアーク長を設定して、溶接パドルをワイヤ電極から押し離すようにする。次に、プラズマブーストパルス５４は、コントローラ４６によってテールアウト５６され、溶接電流をバックグラウンド電流５０のレベルに戻す。ＳＴＴの波形は、上述のように協働する電源１２およびワイヤ送給装置１４によって繰り返すことができる。
【００３０】
特定の実施形態では、抵抗器３８は、最小溶接電流レベルを選択的に調節することが可能な可調節抵抗器とすることができる。溶接波形の最小電流部分５８ａ、５８ｂの大きさは、可調節抵抗器を介して（例えば、可調節抵抗器の抵抗レベルを上げ下げすることによって）制御、および調節することができる。例示的な可調節抵抗器を図５に示す。可調節抵抗器は、並列に接続された、個別切り替え抵抗器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３のアレイを含む場合がある。図５に示されている例では、可調節抵抗器は、並列に接続された、３個の個別切り替え抵抗器を含む。しかしながら、可調節抵抗器は、選択可能な所望の最小電流レベルの数によっては、４個以上または２個以下の個別切り替え抵抗器を含むことも可能であろう。抵抗器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の値または大きさは、互いに異なっていてもよいし、同じであってもよい。抵抗器の値は、例えば、５０オーム以下、２０オーム以下（例えば、２０オーム、１５オーム、１０オーム、５オーム、２．５オーム、１．２５オームなど）、および１０オーム以下（例えば、１０オーム、５オーム、２．５オーム、１．２５オームなど）である。
【００３１】
抵抗器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の一部またはすべての作動開始は、それぞれのスイッチ６４、６６、６８によって制御することができる。スイッチ６４、６６および６８は、トランジスタスイッチまたは他の型の制御可能なスイッチとすることができるが、その動作は、ワイヤ送給装置１４のコントローラ２４によって制御される。図５の例では、可調節抵抗器は、直列接続された第１のトランジスタスイッチ６４および第１の抵抗器Ｒ１と、直列接続された第２のトランジスタスイッチ６６および第２の抵抗器Ｒ２と、直列接続された第３のトランジスタスイッチ６８および第３の抵抗器Ｒ３と、を備え、直列接続された第１のトランジスタスイッチおよび第１の抵抗器は、直列接続された第２のトランジスタスイッチおよび第２の抵抗器と並列に接続されるとともに、直列接続された第３のトランジスタスイッチおよび第３の抵抗器ともまた並列に接続されている。
【００３２】
コントローラ２４は、抵抗器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３のうちの１つまたは複数の中で選択的に切り替えることにより、可調節抵抗器の抵抗レベルを設定することにより、溶接波形の最小電流部分の大きさを設定することができる。抵抗器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３がそれぞれ、異なったそれぞれの抵抗値（例えば、５オーム、２．５オーム、１．２５オーム）を有しているのであれば、以下の組み合わせにより、７個の異なる最小電流の大きさ、すなわち、Ｒ１のみ、Ｒ２のみ、Ｒ１｜｜Ｒ２（Ｒ１およびＲ２がオンに切り替わっている＝１．６７オーム）、Ｒ３のみ、Ｒ１｜｜Ｒ３（Ｒ１およびＲ３がオンに切り替わっている＝１．０オーム）、Ｒ２｜｜Ｒ３（Ｒ２およびＲ３がオンに切り替わっている＝０．８３オーム）、およびＲ１｜｜Ｒ２｜｜Ｒ３（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３がオンに切り替わっている＝０．７１オーム）を得ることができる。電源出力が、例えば１００Ｖであれば、上記の抵抗器の構成を用いて、溶接波形の最小電流部分の大きさは、２０Ａから１４０Ａまで２０Ａ刻みで（２０Ａ、４０Ａ、６０Ａ、８０Ａ、１００Ａ、１２０Ａ、１４０Ａ）調節することができる。さらに個別切り替え抵抗器を可調節抵抗器に追加することにより、８個以上の異なる溶接波形の最小電流の大きさを選択することが可能になるであろう。
【００３３】
電源上またはワイヤ送給装置上のユーザインタフェースを通して、オペレータは、可調節抵抗器のレベルを手動で設定することができる。これに代えて、またはこれに加え、ワイヤ送給装置１４のコントローラ２４または電源のコントローラ４６（図３）は、可調節抵抗器の抵抗レベルを自動的に設定することにより、溶接波形の最小電流部分の大きさを設定することができる。コントローラは、１つまたは複数の溶接パラメータに基づいて、可調節抵抗器の抵抗レベルを自動的に調節することができる。例えば、高速の電極ワイヤ送給速度では、可調節抵抗器をもっと低いレベルに設定して、最小電流レベルを上げて、電極が高速のワイヤ送給速度で十分に焼き切れるようにすることができる。逆に、低速のワイヤ送給速度では、コントローラは、可調節抵抗器の抵抗を自動的に増大させて、最小電流レベルを下げることができる。ワイヤ送給速度に基づいて調節可能な最小電流レベルを提供することにより、特に、ＳＴＴ溶接時のピンチ電流部分とプラズマブーストパルスとの間で溶接性能を向上させる（例えば、アークの安定性を高める）ことができる。
【００３４】
上記では、ＳＴＴサブ回路（スイッチおよび並列抵抗器）は、ワイヤ送給装置用のハウジング内など、ワイヤ送給装置１４に含まれているものとして説明してきた。しかしながら、ＳＴＴスイッチ２２、並列抵抗器、およびコントローラ２４はワイヤ送給装置１４内にある必要がなく、増設デバイスとして構成することも可能であろう。図６は、溶接回路に沿って、電源１２とワイヤ送給装置１４との間などに、挿入（例えば、差し込み）することが可能な増設遠隔ＳＴＴスイッチ７０を示す。増設遠隔ＳＴＴスイッチ７０は、電源１２およびワイヤ送給装置１４のいずれからも分離された、ワイヤ送給装置でローカルに使用される、スタンドアローンのデバイスである。
【００３５】
当然ながら、本開示は例示としてのものであり、本開示に含まれる教示の公正な範囲から逸脱することなく、詳細を追加、修正、または除去することによって、様々な変更を行うことができる。したがって、本発明は、以下の特許請求の範囲がそのように限定される必要がある範囲を除いて、本開示の特定の詳細に限定されない。
【符号の説明】
【００３６】
１０  溶接システム
１２  溶接電源
１４  ワイヤ送給装置
１６  電力ケーブル
１８  溶接トーチ
２０  接地クランプ
２２  ＳＴＴスイッチ
２４  コントローラ
２６  アーク
２８  消耗溶接電極
３０  インバータ
３２  入力整流器
３４  変圧器
３６  出力整流器
３８  並列抵抗器
４０  コンタクトチップ
４２  ワイヤのスプール
４４  ピンチローラ
４６  コントローラ
４８  電圧センサ
５０  バックグラウンド電流部分
５２  ピンチ電流部分
５４  プラズマブーストパルス
５６  テールアウト
５８ａ  第１の最小電流部分
５８ｂ  第２の最小電流部分
６０  変流器
６２  電圧センサ
６４  第１のトランジスタスイッチ
６６  第２のトランジスタスイッチ
６８  第３のトランジスタスイッチ
７０  増設遠隔ＳＴＴスイッチ
【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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【外国語明細書】
2019025547000001.pdf