(57)【要約】  スパッタの生成を抑制するパルス溶接プロセスを実行する電気アーク溶接機（１００）及び方法を提供する。溶接機は、前進する電極（Ｅ）とワークピース（Ｗ）との間に電流を生成する。溶接機は、前進電極とワークピースとの間の短絡回路の発生を受けて、短絡状態を検出する短絡検出能力を含む。溶接機はまた、当該溶接機の溶接回路経路内に、電気スイッチと抵抗路とを有するスイッチングモジュールを含み得る。短絡期間の発生時間を追跡し、追跡された短絡期間に基づいて、パルス溶接プロセスの次のパルス周期における次の短絡期間を予測して、ブランキング信号を生成することができる。ブランキング信号を使用することで、スイッチングモジュール（１１０）を介して溶接回路経路内に追加の抵抗を導入することにより、あるいはブランキング期間中の溶接プロセスの波形の一部を制御することにより、溶接回路経路内の溶接電流を低減させることができる。
2013541422.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスアーク溶接プロセスにおいてスパッタを抑制する方法であって、
溶接システムのコントローラを用いて、パルスアーク溶接プロセスのパルス周期中の短絡期間の発生時間を追跡し、
前記追跡に基づき、前記パルスアーク溶接プロセスの少なくとも次のパルス周期の短絡期間の時間的位置を推定し、且つ
前記推定に基づき、少なくとも次のパルス周期のブランキング期間を決定する、
ことを有する方法。
【請求項２】
前記ブランキング期間に基づき、少なくとも次のパルス周期のブランキング信号を生成すること、を更に有する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ブランキング信号に応答して、前記ブランキング期間中に前記溶接システムの溶接回路経路の抵抗を増大させて、前記ブランキング期間中に前記溶接回路経路を流れる溶接電流を低減させること、を更に有する請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記抵抗を増大させることは、前記溶接回路経路内に配置されたスイッチングモジュールの電気スイッチを開くことを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記電気スイッチは抵抗路と並列にされている、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
当該方法は、前記ブランキング期間中に前記溶接プロセスの波形の一部を変更することによって、少なくとも次のパルス周期の前記ブランキング期間中に前記溶接システムの溶接回路経路を流れる溶接電流を低減させること、を更に有し、前記波形は前記溶接システムの波形発生器によって生成される、請求項１乃至５の何れか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記ブランキング期間は、少なくとも次のパルス周期の予期される短絡期間に対して、時間的に長く且つ時間的に重ねられる、請求項１乃至６の何れか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記追跡は、前記パルスアーク溶接プロセスのパルス周期中の短絡の発生及び／又は該短絡の消滅を検出することに基づく、請求項１乃至７の何れか一項に記載の方法。
【請求項９】
パルスアーク溶接プロセスにおいてスパッタを抑制するシステムであって、
当該システムはコントローラを有し、
前記コントローラは、溶接システムのパルスアーク溶接プロセスのパルス周期中の短絡期間の発生時間を追跡し、該追跡に基づき、前記パルスアーク溶接プロセスの少なくとも次のパルス周期の短絡期間の時間的位置を推定し、且つ該推定に基づき、少なくとも次のパルス周期のブランキング期間を決定するように構成され、且つ／或いは
前記コントローラは更に、前記ブランキング期間に基づき、少なくとも次のパルス周期のブランキング信号を生成するように構成され、且つ／或いは
当該システムは更に、前記溶接システムの溶接回路経路内に配置され且つ前記コントローラに動作的に接続されるスイッチングモジュールを有し、
前記スイッチングモジュールは、前記ブランキング信号に応答して、前記ブランキング期間中に前記溶接システムの前記溶接回路経路の抵抗を増大させて、前記ブランキング期間中に前記溶接回路経路を流れる溶接電流を低減するように構成され、且つ／或いは
前記スイッチングモジュールは電気スイッチと抵抗路とを並列に含み、且つ／或いは
前記コントローラは更に、前記ブランキング期間中に前記溶接プロセスの波形の一部を変更することによって、少なくとも次のパルス周期の前記ブランキング期間中に前記溶接システムの溶接回路経路を流れる溶接電流を低減させるように、前記溶接システムの波形発生器に命令するように構成され、且つ／或いは
前記ブランキング期間は、少なくとも次のパルス周期の予期される短絡期間に対して、時間的に長く且つ時間的に重なり、且つ／或いは
前記コントローラは更に、前記パルスアーク溶接プロセスのパルス周期中の短絡の発生及び／又は該短絡の消滅を検出するように構成される、
システム。
【請求項１０】
パルスアーク溶接プロセスにおいてスパッタを抑制する方法であって、
溶接システムのコントローラを用いて、パルスアーク溶接プロセスのパルス周期中の、ワークピースと前進する溶接棒との間の短絡を検出し、
前記短絡を検出したことに応答して、第１の期間、前記溶接システムの溶接回路経路の抵抗を増大させて、該溶接回路経路を流れる溶接電流を低減させ、
前記第１の期間の直後の第２の期間、前記溶接システムの前記溶接回路経路の前記抵抗を低減させて、前記溶接回路経路を流れる前記溶接電流を増大させ、且つ
前記第２の期間の直後の第３の期間、前記短絡の消滅を予期して、前記溶接システムの前記溶接回路経路の前記抵抗を増大させて、前記溶接回路経路を流れる前記溶接電流を低減させる、
ことを有する方法。
【請求項１１】
前記抵抗を増大させることは、前記溶接回路経路内に配置されたスイッチングモジュールの電気スイッチを開くことを含み、且つ／或いは、前記抵抗を低減させることは、前記溶接回路経路内に配置されたスイッチングモジュールの電気スイッチを閉じることを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
当該方法は更に、前記短絡が消滅したことを検出することを有し、且つ当該方法は好ましくは更に、前記短絡が消滅したことの検出に応答して、前記溶接システムの前記溶接回路経路の前記抵抗を低減させることを有する、請求項１０又は１２に記載の方法。
【請求項１３】
パルスアーク溶接プロセスにおいてスパッタを抑制する方法であって、
溶接システムのコントローラを用いて、パルスアーク溶接プロセスのパルス周期中の、ワークピースと前進するワイヤ電極との間の短絡を検出し、
前記短絡を検出したことに応答して、決定された期間のうちの少なくとも一部にわたって前記溶接システムの溶接回路経路の電流を低減させ、ここで、前記パルスアーク溶接プロセスの大部分のパルス周期において、前記決定された期間は、前記溶接回路経路の前記電流を先ず増大させる必要なく前記短絡が消滅することが可能な長さの期間である、
ことを有する方法。
【請求項１４】
前記電流を低減させることは、前記溶接回路経路の抵抗を増大させることを含み、好ましくは前記抵抗を増大させることは、前記溶接回路経路内に配置されたスイッチングモジュールの電気スイッチを開くことを含み、前記スイッチングモジュールは前記電気スイッチを抵抗路と並列に含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
当該方法は更に、前記短絡が消滅していない場合に、前記決定された期間の直後に前記溶接システムの前記溶接回路経路の前記電流を増大させることを有し、且つ／或いは
前記電流を増大させることは、前記溶接回路経路の抵抗を低減させることを含み、且つ／或いは
抵抗を低減させることは、前記溶接回路経路内に配置されたスイッチングモジュールの電気スイッチを閉じることを含み、前記スイッチングモジュールは前記電気スイッチを抵抗路と並列に含み、且つ／或いは
当該方法は更に、前記電極と前記ワークピースとの間の前記短絡を検出したことに応答して、前記前進するワイヤ電極の速度を遅くすることを有し、且つ／或いは
前記前進するワイヤ電極の速度を遅くすることは、前記ワイヤ電極を前進させるワイヤフィーダのモータをオフに切り換えて該モータに制動をかけることを含み、且つ／或いは
前記制動は機械的制動又は電気的制動である、
請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
特定の実施形態は、パルス電気アーク溶接装置及びプロセスに関する。より具体的には、特定の実施形態は、ショートの期間中に出力電流を低減してスパッタを抑制することによって、パルス電気アーク溶接プロセス中に電極（溶接棒）とワークピース（加工対象物）との間に形成される短絡回路を防止する、あるいはそれに対処することに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気アーク溶接において、一般的な溶接プロセスは、アウターシールドガスとともに単線電極を主として使用するパルス溶接である。ミグ（ＭＩＧ）溶接は離間パルスを使用し、それにより、ワークピースへのアークを介して、先ず前進されるワイヤ電極の端部が溶融され、その後、ワイヤの端部から溶融金属が押し出される。パルス溶接プロセスのパルス周期ごとに、溶融金属の球塊が移行される。特定のパルス周期において、特に溶接棒がワークピースの非常に近くで作用する用途において、溶融金属は、前進ワイヤ電極から完全に解放される前にワークピースに接触する。これは、前進ワイヤ電極とワークピースとの間に短絡回路（ショートとしても知られる）を生じさせる。適正なパルス溶接に関連付けられるコンシステンシーを得るためには、ショートを迅速に排除あるいは除去することが望ましい。しかしながら、ショートを除去することは、望ましくないスパッタの生成をもたらし得る。そのようなスパッタは、溶接プロセスに非効率性を生じさせるとともに、溶融金属がワークピース上に飛び散り、それを後に例えば研削工具を用いて除去しなければならないということをもたらし得る。
【０００３】
図面を参照して本願の以下の部分にて説明される本発明の実施形態との比較を通じて、従来の伝統的な手法のその他の制約及び欠点が当業者に明らかになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態により、パルス電気アーク溶接プロセスにおいてスパッタを抑制する電気アーク溶接システム及び方法が提供される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態は、パルス電気アーク溶接プロセスにおいてスパッタを抑制する電気アーク溶接システム及び方法を含む。溶接棒とワークピースとの間で短絡が発生している期間中の溶接出力電流を抑制することにより、溶接処理中のスパッタが抑制される。一実施形態において、電気アーク溶接システムの電源の戻り溶接電流パス内に、電気スイッチと抵抗路とを含んだスイッチングモジュールが組み込まれる。パルス溶接処理の非短絡状態においては、電気スイッチが閉じられ、すなわち、オンにされ、溶接電流が該スイッチ中の小さい抵抗のみを経ることで自由に電源に戻ることが可能にされる。しかしながら、溶接プロセスにおいて短絡が予想される、あるいは発生しているとき、電気スイッチが開かれ、すなわち、オフにされ、溶接電流はスイッチングモジュールの抵抗路を進むことを強いられて、溶接電流のレベルをその他のときより低くさせる。短絡期間中に生成される低められた電流は、短絡が消滅するときに、作り出されるスパッタの減少をもたらす。パルス周期中の短絡の発生時間を追跡することができ、予期される短絡の対応する期間に重なるブランキング期間が、該ブランキング期間中にスイッチが開かれるように適用され得る。
【０００６】
以下の説明及び図面から、請求項に係る発明の上述及びその他の特徴、並びに請求項に係る発明の例示実施形態の詳細が、より十分に理解されることになる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】溶接電流戻り路内にスイッチングモジュールを組み入れた電気アーク溶接システムの一実施形態例を示すブロック図である。
【図２】溶接電流戻り路内にスイッチングモジュールを含んだ図１のシステムの一部の一実施形態例を示す図である。
【図３】図１及び図２のスイッチングモジュールの一実施形態例を示す模式図である。
【図４】図１のシステムを用いるパルス電気アーク溶接プロセスにおいてスパッタを防止する方法の第１の実施形態例を示すフローチャートである。
【図５】図４の方法に従って図１−３のスイッチングモジュールを用いない従来のパルス電気アーク溶接機により得られる従来のパルス出力電流波形の一例を示す図である。
【図６】繋ぎ接続を有する自由落下移行過程において高速ビデオ技術を用いて見出される爆発的なスパッタ過程を示す図である。
【図７】図４の方法に従って図１−３のスイッチングモジュールを用いる図１のパルス電気アーク溶接機により得られるパルス出力電流波形の一例を示す図である。
【図８】図１のシステムを用いるパルス電気アーク溶接プロセスにおいてスパッタを防止する方法の他の一実施形態例を示すフローチャートである。
【図９】図８の方法に従って図１−３のスイッチングモジュールを用いる図１のパルス電気アーク溶接機により得られるパルス出力電流波形の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
アーク溶接プロセスにおいて、溶接棒の先端とワークピースとの間の距離が比較的小さいとき、溶融金属は、接触移行過程（例えば、表面張力移行（surface-tension-transfer；ＳＴＴ）過程）、又は繋ぎ接続を伴う自由落下移行過程（例えば、パルス溶接過程）を介して移行され得る。接触移行過程においては、溶接棒の先端の溶融金属ボールは、該溶融金属ボールが溶接棒の先端から実質的に分離され始める前に、ワークピースと接触して（すなわち、ショートして）、ワークピース上の溶解池に“濡れ入り”始める。
【０００９】
自由落下移行過程においては、溶融金属ボールは、溶接棒の先端から抜け出して、アークを横切ってワークピースの方に“飛行”する。しかしながら、溶接棒の先端とワークピースとの間の距離が比較的短いとき、アークを横切って飛行する溶融金属ボールが、溶融金属の細い繋ぎ部（テザー）が依然として溶融金属ボールを溶接棒の先端に接続したままで、ワークピースと接触（すなわち、ショート）してしまい得る。そのような繋がれた自由落下移行の状況では、溶融金属の細いテザーは、図６に示すように、溶融金属ボールがワークピースと接触する時に、テザーを流れる電流の急増に起因して、爆発してスパッタを生じさせる傾向にある。
【００１０】
図１は、溶接出力リターンパス（戻り路）内にスイッチングモジュール１１０を組み入れて溶接出力１２１及び１２２を提供する電気アーク溶接システム１００の一実施形態例のブロック図を示している。システム１００は、入力電力を溶接出力電力へと変換することが可能な電力変換器１２０を含んでいる。電力変換器１２０は、例えば、インバータ型の電力変換器又はチョッパ型の電力変換器とし得る。システム１００は更に、溶接電極ワイヤＥを、例えば溶接電極ワイヤＥを溶接出力１２１に接続する溶接ガン（図示せず）を通して、送給することが可能なワイヤフィーダ１３０を含んでいる。
【００１１】
システム１００はまた、電流シャント（分路）１４０を含んでいる。電流シャント１４０は、電力変換器１２０によって生成される溶接出力電流を検知するために、システム１００の電流フィードバックセンサ１５０に溶接出力電流を送るように電力変換器１２０と溶接出力１２１との間に動作的に接続される。システム１００は更に、電圧フィードバックセンサ１６０を含んでいる。電圧フィードバックセンサ１６０は、電力変換器１２０によって生成される溶接出力電圧を検知するために、溶接出力１２１と溶接出力１２２との間に動作的に接続される。一代替例として、スイッチングモジュール１１０は、例えば、電力変換器１２０と電流シャント１４０との間、又は電流シャント１４０と溶接出力１２１との間など、送出溶接電流パス（経路）内に組み入れられてもよい。
【００１２】
システム１００はまた、高速コントローラ１７０を含んでいる。高速コントローラ１７０は、溶接出力を表す信号１６１及び１６２の形態の検知電流及び検知電圧を受信するよう、電流フィードバックセンサ１５０及び電圧フィードバックセンサ１６０に動作的に接続される。システム１００は更に、波形発生器１８０を含んでいる。波形発生器１８０は、高速コントローラ１７０に動作的に接続され、リアルタイムに溶接波形信号１８１をどのように適応させるかを当該波形発生器に伝えるコマンド信号１７１を高速コントローラ１７０から受信する。波形発生器１８０が出力溶接波形信号１８１を生成し、電力変換器１２０が、波形発生器１８０に動作的に接続されて、出力溶接波形信号１８１を受信する。電力変換器１２０は、出力溶接波形信号１８１に基づいて入力電力を溶接出力電力へと変換することによって、変調された溶接出力（例えば、電圧及び電流）を生成する。
【００１３】
スイッチングモジュール１１０は、処理中に溶接ワークピースＷに接続される溶接出力１２２と電力変換器１２０との間に動作的に接続される。高速コントローラ１７０もスイッチングモジュール１１０に動作的に接続され、スイッチングモジュール１１０にスイッチングコマンド信号（又はブランキング信号）１７２を提供する。高速コントローラ１７０は、本発明の一実施形態によれば、ロジック回路、プログラム可能マイクロプロセッサ、及びコンピュータメモリを含み得る。
【００１４】
本発明の一実施形態によれば、高速コントローラ１７０は、検知された電圧信号１６１、検知された電流信号１６２、又はこれら２つの組合せを用いて、各パルス周期中に、前進する溶接棒ＥとワークピースＷとの間でいつショートが起こるか、ショートがいつ消え去りそうか、及びショートが実際にいつ消え去ったか、を決定し得る。ショートが起こる時及びショートが消え去る時を決定するこのような手法は、技術的に周知であり、例えば米国特許第７３０４２６９号明細書に記載されている。なお、この文献のその部分をここに援用する。高速コントローラ１７０は、ショートが起こるとき及び／又はショートが消え去るときに波形信号１８１を変更するよう波形発生器１８０に命令し得る。例えば、ショートが既に消え去ったと決定されたとき、高速コントローラ１７０は、先のショートの除去の直後に別のショートが起こることを防止するために、波形信号１８１内にプラズマブーストパルス（図７のパルス７５０参照）を組み入れるよう、波形発生器１８０に命令し得る。
【００１５】
図２は、溶接電流リターンパス内にスイッチングモジュール１１０を含んだ図１のシステム１００の一部の一実施形態例を示す図である。電力変換器１２０は、インバータ電源１２３とフリーホイールダイオード１２４とを含み得る。溶接出力パスは、当該溶接出力パス内の様々な電気的成分に起因して、生来的な溶接回路インダクタンス２１０を有することになる。スイッチングモジュール１１０は、抵抗路１１２（例えば、高電力定格の抵抗器の回路）と並列な電気スイッチ１１１（パワートランジスタ回路）として示されている。
【００１６】
溶接波形の或るパルス周期において、ショートが存在しないとき、電気スイッチ１１１は、高速コントローラ１７０からのスイッチングコマンド信号１７２により、閉じるように命令される。電流スイッチ１１１が閉じているとき、電気スイッチ１１１は、出力溶接リターンパスに、溶接電流がスイッチ１１１を通って電力変換器１２０まで自由に戻ることを可能にする非常に低い抵抗の経路を提供する。抵抗路１１２も依然として溶接出力リターンパス内に存在するが、電流の大部分は、閉じたスイッチ１１１によって提供される低抵抗路を流れることになる。しかし、ショートが検出されると、電気スイッチ１１１は、高速コントローラ１７０からのスイッチングコマンド信号１７２により、開くように命令される。電気スイッチ１１１が開いているとき、電流は、スイッチ１１１を流れないように遮断されて、抵抗路１１２を流れるようにさせられ、その結果、抵抗路１１２によって提供される抵抗によって電流レベルが低下される。
【００１７】
図３は、図１及び図２のスイッチングモジュール１１０の一実施形態例の模式図を示している。スイッチングモジュール１１０は、図示のようにトランジスタ回路１１１と抵抗網１１２とを含んでいる。スイッチングモジュール１１０は、モジュールの様々な電気部品（例えば、トランジスタ回路１１１、抵抗網１１２、ＬＥＤ、及びステータスロジック回路を含む）を実装するための回路基板を含み得る。
【００１８】
図４は、図１のシステム１００を用いるパルス電気アーク溶接プロセスにおいてスパッタを防止する方法４００の第１の実施形態例のフローチャートを示している。ステップ４１０は、スイッチングモジュール１１０のスイッチ１１１が通常のように閉じている動作（ショートのない状態）を表している。ステップ４２０にて、ショートが検出されない場合、スイッチ１１１は閉じたままである（ショートのない状態）。しかし、ショートが検出されると、ステップ４３０にて、スイッチ１１１は、短時間（すなわち、溶接棒がワークピースにショートされる期間）の間、開いて閉じるシーケンスを実行するように命令される。
【００１９】
ステップ４３０におけるこの開／閉シーケンスは、ショートが最初に検出されたときにスイッチ１１１を開くことによって開始する。スイッチ１１１は、第１の期間（例えば、短絡期間の最初の１０％）にわたって開いたままである。これは、ショートが直ちにはじけて多量のスパッタを生じさせないよう、出力電流を迅速に低下させる。第１の期間の後、スイッチは再び閉じられ、第２の期間中、溶融ショートが溶接棒から抜け出てショートを消し去ろうとする際に細い首状部を形成し始めるよう、出力電流が上昇される。この第２の期間中、電流が上昇されるときに、ショートがいつ消え去るか（すなわち、首状部がいつ破断するか）を予測するためにｄｖ／ｄｔ検出が実行される。このようなｄｖ／ｄｔ方式は技術的によく知られている。そして、ショートが消え去ろうとする直前（例えば、短絡期間の最後の１０％の間）に、首状部が実際に破断する時（すなわち、ショートが実際に消え去る時）の過剰なスパッタを防止するよう出力電流をもう一度迅速に低下させるために、スイッチ１１１が再び開かれる。
【００２０】
ステップ４４０にて、ショート（溶接棒とワークピースとの間の短絡）が依然として存在している場合、スイッチ１１１は開いたままにされる。一方、ショートが消え去った場合、ステップ４５０にて、スイッチ１１１は再び閉じられる。斯くして、短絡状態の間、スイッチ１１１は開／閉シーケンスを実行し、スイッチが開いているときに溶接出力パスを流れる電流が低減されて、スパッタの抑制がもたらされる。方法４００は、本発明の一実施形態によれば、高速コントローラ１７０に実装される。また、本発明の一実施形態によれば、システム１００は、１２０ｋＨｚの速度で反応することができ（すなわち、スイッチングモジュール１１０はこの高い速度でオン／オフに切り換えられることができ）、方法４００を実効的に実現するのに十分なショート検出及びショート除去検出への反応が提供される。
【００２１】
もう少し単純な代替的な一実施形態によれば、前進するワイヤ電極とワークピースとの間でのショートの検出に応答して、図４に関して上述した開／閉シーケンスを実行することに代えて、少なくとも決定された期間にわたってスイッチ１１１を開くことで溶接回路パスの抵抗を増大させることによって、溶接回路パスの電流が低減される。ほとんどのパルス周期において、上記決定された期間は、溶接回路パスの電流を最初に増大させる必要なく短絡が消え去ることを可能にする期間にされる。所与のパルス周期中、決定された期間が所望通りに満了する前にショートが消え去る場合、プロセスは該パルス周期の次の部分に進む。しかしながら、この予め決定された期間内にショートが消えない場合、この決定された期間の直後にスイッチ１１１が再び閉じられ、溶接回路パスの電流がもう一度増大されてショートを除去するようにされる。代替的な一実施形態において、スイッチ１１１は単純に、ショートの検出に応答して、決定された期間のうちの少なくとも一部にわたって開かれる。ほとんどのパルス周期において、電流は、ショートを除去するために増大される必要がない。
【００２２】
また、一選択肢として、前進するワイヤ電極とワークピースとの間でのショートが検出されるとき、前進するワイヤ電極の速度を低下させることができる。前進するワイヤ電極の速度を低下させることは、そうでない場合に付与されるのと同程度の多さの材料をショートに付与しないことによって、より容易にショートを除去する助けとなる。前進するワイヤ電極の速度を低下させるため、ワイヤ電極を前進させるワイヤフィーダのモータがオフに切り換えられてモータに制動（ブレーキ）がかけられ得る。この制動は、様々な実施形態に従って、機械的な制動又は電気的な制動とし得る。
【００２３】
図５は、図４の方法４００又は上述の単純な代替法に従って図１−３のスイッチングモジュール１１０を用いない従来のパルス電気アーク溶接機により得られる従来のパルス出力電流波形５００の一例を示している。図５の波形５００から見て取れるように、ピークパルス５１０が発せられた後、ショートが時間５２０に始まって、例えば、ショートが消え去る時である時間５３０まで続き得る。時間５２０と５３０とが短絡期間５４０を定める。図５にて見て取れるように、ピークパルス５１０は、溶接プロセスの複数のパルス周期又はサイクルの間に規則的な間隔で発せられる。任意の所与のサイクル又はパルス周期において、短絡状態は発生することもあるし、発生しないこともある。従来システムにおいては、ショートが発生するとき、溶接出力パス内には、インダクタンスと比較して非常に小さい抵抗が存在するのみである。電源がオフにされた場合であっても電流が流れ続ける。
【００２４】
再び図５を参照するに、短絡期間５４０中、出力電流は、溶接棒とワークピースＷとの間のアークの欠如（抵抗が非常に低くなる）に起因して、また、電力変換器１２０が最小レベルに戻されるときであっても溶接回路インダクタンス２１０が溶接出力パスを流れる電流を維持するように作用することに起因して、上昇する傾向にある。電流は、ショートが消え去るまで（すなわち、溶融金属ショートが溶接棒から抜け出すまで）上昇する傾向にある。しかしながら、そのような上昇された電流レベルにおいては、ショートが中断あるいは消滅するときに、上昇された電流レベルにより、溶融金属が爆発してスパッタを引き起こすようになる傾向がある。
【００２５】
図６は、繋ぎ接続を有する自由落下移行過程において高速ビデオ技術を用いて見出される爆発的なスパッタ過程を示している。高いピークのパルス（例えば、５１０）により、溶融金属のボール６１０がワークピースＷに向けて押し出され、ボール６１０と溶接棒Ｅとの間の細い繋ぎ部（テザー）６２０が作り出される。ボール６１０がアークを横切ってワークピースＷに向かって飛行するとき、テザー６２０が細くなり、最終的に、テザー６２０を介して溶接棒ＥとワークピースＷとの間でショートが発生する。この状態は、溶接棒がワークピースの非常に近くで作用する処理において、ほぼ全てのパルス周期で発生する傾向にある。特に、自由落下移行式のパルス溶接プロセスの場合、テザー６２０が初期のショートを作り出し、多量の電流が細いテザー６２０を流れ始め得ることが見出された。上昇する電流レベルは、最終的に、図６に示されるように、比較的細い溶融テザー６２０が爆発してスパッタ６３０を生み出すことを引き起こす。しかしながら、上述のスイッチングモジュール１１０及び方法４００を組み込むことにより、生み出されるスパッタ６３０を大幅に抑制することができる。
【００２６】
図７は、図４の方法４００に従って図１−３のスイッチングモジュール１１０を用いる図１のパルス電気アーク溶接機１００により得られるパルス出力電流波形７００の一例を示している。図７の波形７００から見て取れるように、ピークパルス７１０が発せられた後、ショートが時間７２０に始まって、例えば、ショートが消え去る時である時間７３０まで続き得る。時間７２０と７３０とが短絡期間７４０を定める。図７にて見て取れるように、ピークパルス７１０は、溶接プロセスの複数のパルス周期又はサイクルの間に規則的な間隔で発せられる。任意の所与のサイクル又はパルス周期において、短絡状態は発生することもあるし、発生しないこともある。しかしながら、溶接棒の先端とワークピースとの間の距離が比較的小さいとき、ほぼ全てのサイクルでショートが発生し得る。
【００２７】
再び図７を参照するに、短絡期間７４０中、スイッチングモジュール１１０のスイッチ１１１が、ショートが最初に起こるときに開かれ、そして、ショートが消え去ろうとするときに再び開かれ、それにより、出力電流が抵抗路１１２を流れるようにされ、ひいては、電流レベルが低減される。一例として、スイッチング信号１７２は、ショートが検出されるときにｈｉｇｈ（高）からｌｏｗ（低）になってスイッチを開かせる論理信号とし得る。同様に、ショートが除去されるとき、スイッチング信号１７２はスイッチ１１１を再び閉じるようにｌｏｗからｈｉｇｈになり得る。スイッチ１１１が開かれているとき、抵抗路１１２は溶接出力パス上に負荷を置き、フリーホイール（還流）電流が所望レベルまで迅速に低下することを可能にする。電流は、ショートが除去されるまで低下する傾向にあり、そのような低下した電流レベルでショートが中断あるいは消滅するとき、溶融金属は非爆発的にピンチオフする（摘み切られる）傾向にあり、それにより、生み出されるスパッタが排除され、あるいは少なくとも、その量が低減される。また、図７の波形７００においては、ショートが消え去った直後に別のショートが発生することを防止する助けとなるよう使用されるプラズマブーストパルス７５０が、より目立ったもの且つ潜在的に一層効果的なものになる。
【００２８】
図８は、図１のシステム１００を用いるパルス電気アーク溶接プロセスにおいてスパッタを防止する他の一実施形態例に係る方法８００のフローチャートを示している。一実施形態によれば、方法８００は、コントローラ１７０によって実行される。高速コントローラ１７０は、ショートの発生時間及び／又はショートの除去の起こった時間を追跡し、少なくとも次のパルス周期において短絡期間９４０（ショートの発生とショートが除去された時との間の期間）（図９参照）がいつ発生するかの推定を提供する。この推定から、ブランキング信号１７２を生成するために使用されるブランキング期間９６０（図９参照）を決定することができる。
【００２９】
方法８００のステップ８１０にて、システム１００は、パルス溶接波形の繰り返しのパルス周期において、既知の技術に従ってショートの発生及び／又はそれらショートの消滅を検出する。ステップ８２０にて、パルス周期内での検出ショート及び／又は消滅の発生時間が（例えば、高速コントローラ１７０によって）追跡される。ステップ８３０にて、追跡結果に基づいて、次のパルス周期の短絡期間９４０（図９参照）の位置及び継続時間が推定される。ステップ８４０にて、次のパルス周期の短絡期間の推定位置に基づいて、それに重なる少なくとも次のパルス周期のブランキング期間９６０が決定される。ステップ８５０にて、次のパルス周期中にスイッチングモジュール１１０に与えるべきブランキング信号（一種のスイッチング信号）１７２が（例えば、コントローラ１７０によって）生成される。
【００３０】
図９は、図８の方法８００に従って図１−３のスイッチングモジュール１１０を用いる図１のパルス電気アーク溶接機１００により得られるパルス出力電流波形９００の一例を示している。図９の波形９００から見て取れるように、ピークパルス９１０が発せられた後、ショートが時間９２０に始まって、例えば、ショートが消え去る時である時間９３０まで続き得る。時間９２０と９３０とが短絡期間９４０を定める。図９にて見て取れるように、ピークパルス９１０は、溶接プロセス中に規則的な間隔で発せられる。任意の所与のサイクルにおいて、短絡状態は発生することもあるし、発生しないこともある。しかしながら、アーク長が比較的短い（すなわち、ワイヤ電極がワークピースの比較的近くで操作される）溶接プロセスにおいては、ほぼ全てのサイクルでショートが発生し得る。
【００３１】
方法８００によれば、パルス周期内でのショートの発生時間及び／又はショートの消滅時間が、パルス周期ごとに決定され、追跡される。斯くして、コントローラ１７０は、次あるいは来たるパルス周期において起こりそうな短絡期間の位置を推定し得る。しかしながら、何らかの実質的な追跡情報が利用可能になる前の、パルス溶接プロセスの開始時においては、短絡期間の位置は、例えば実験データ又は先行溶接プロセスからの保管データに基づいた、格納されたデフォルト位置とし得る。ブランキング信号１７２は、次のパルス周期の推定短絡期間９４０に時間的に重なるブランキング信号１７２内のブランキング期間９６０を形成するよう、適応あるいは修正されることができる。理想的には、ブランキング期間９６０は、時間的オーバーラップで、次のパルス周期の短絡期間９４０の少し前（例えば、時間９２０の前）に始まり、次のパルス周期の短絡期間９４０の少し後（例えば、時間９３０の後）に終了する。一実施形態においては、ショートの発生時間のみが追跡され、ショートの消滅は追跡されない。そのような一実施形態において、ブランキング期間の長さは、実験的知識に基づき、ショートが消え去るのに十分な長さだけ続くように設定される。
【００３２】
斯くして、次のパルス周期中のショートの実際の発生は、スイッチングモジュール１１０のスイッチ１１１が開かれ得る前に検出される必要はない。パルス溶接プロセスが進むにつれて、例えばワイヤ電極とワークピースとの間の距離がドリフトあるいは変化するために、短絡期間の位置がドリフトあるいは変化することがある。しかしながら、この実施形態においては、短絡期間の位置が経時的に追跡されるので、ブランキング信号１７２の位置を、短絡期間を実効的に追従・予測するように適応させることができる。ブランキング期間９６０中にスイッチ１１１を開くことにより、電流が低下し、そして、ブランキング期間９６０中にテザーが生じて破断することが期待される。
【００３３】
実験結果が示すことには、特定のパルス溶接状況においてここで説明したようにスイッチングモジュール１１０を使用すると、ショートを除去する時点での出力電流レベルを約２８０アンペアから約４０アンペアに低減することができ、生成されるスパッタの量に著しい差を生じる。一般に、電流を５０アンペア未満に低減することがスパッタを大幅に低減するようである。また、進行速度（例えば、６０−８０インチ／分）及び溶着速度を維持することができる。
【００３４】
溶接棒とワークピースとの間にショートが存在する期間中の溶接出力電流レベルを低減するその他の手段及び方法も同様に可能である。例えば、代替的な一実施形態において、溶接用電源の制御トポロジが、ショートの期間中に出力電流を高度に安定化されたレベルに制御するように構成されてもよい。この電源は、短絡期間中にショート電流を、より低いレベル（例えば、５０アンペア未満）に制御して、スタッパを抑制することができる。例えば、図１を参照するに、スイッチングモジュール１１０を無効化あるいは排除して、電流が溶接出力回路パス内を自由に流れることを可能にすることができる。コントローラ１７０は、溶接出力回路パス中の溶接出力電流を低減するようにブランキング期間中の溶接プロセスの出力溶接波形信号１８１の一部を変更するよう、波形発生器１８０に命令するように構成される。故に、この代替実施形態においては、コントローラ１７０は、スイッチングモジュール１１０を介することに代えて、波形発生器１８０及び電力変換器１２０を介してブランキング期間中の電流を低減させる。このような代替実施形態は、溶接回路のインダクタンス２１０が十分に低い場合に非常に良好に機能することができる。
【００３５】
まとめるに、生成されるスパッタを抑制するパルス溶接プロセスを実行する電気アーク溶接機及び方法を開示した。溶接機は、前進する電極とワークピースとの間に電流を生成する。溶接機は、前進電極とワークピースとの間の短絡回路の発生を受けて、短絡状態を検出する短絡検出能力を含む。溶接機は、短絡が消滅する時の溶融金属のスパッタを抑制するため、短絡期間中の前進電極とワークピースとの間の電流を抑制するように制御される。
【００３６】
本発明の一実施形態は、パルスアーク溶接プロセスにおいてスパッタを抑制する方法を有する。当該方法は、溶接システムのコントローラを用いて、パルスアーク溶接プロセスのパルス周期中の短絡期間の発生時間を追跡することを含む。この追跡は、パルス溶接プロセスのパルス周期中の短絡の発生を検出することと、パルス溶接プロセスのパルス周期中の短絡の消滅を検出することと、のうちの少なくとも一方に基づき得る。当該方法は更に、前記追跡に基づき、パルスアーク溶接プロセスの少なくとも次のパルス周期の短絡期間の時間的位置を推定することを含む。当該方法はまた、前記推定に基づき、少なくとも次のパルス周期のブランキング期間を決定することを含む。当該方法は更に、ブランキング期間に基づき、少なくとも次のパルス周期のブランキング信号を生成することを含み得る。当該方法は更に、ブランキング信号に応答して、ブランキング期間中に溶接システムの溶接回路経路の抵抗を増大させて、ブランキング期間中に溶接回路経路を流れる溶接電流を低減させることを含み得る。抵抗を増大させることは、溶接回路経路内に配置されたスイッチングモジュールの電気スイッチを開くことを含み得る。一実施形態によれば、電気スイッチはスイッチングモジュール内の抵抗路と並列にされる。当該方法は、ブランキング期間中に溶接プロセスの波形の一部を変更することによって、少なくとも次のパルス周期のブランキング期間中に溶接システムの溶接回路経路を流れる溶接電流を低減させること、を含んでいてもよく、該波形は溶接システムの波形発生器によって生成され得る。一実施形態によれば、ブランキング期間は、少なくとも次のパルス周期の予期される短絡期間に対して、時間的に長く且つ時間的に重ねられる。
【００３７】
本発明の一実施形態は、パルスアーク溶接プロセスにおいてスパッタを抑制するシステムを有する。当該システムはコントローラを有し、該コントローラは、溶接システムのパルスアーク溶接プロセスのパルス周期中の短絡期間の発生時間を追跡するように構成される。該コントローラは更に、前記追跡に基づき、パルスアーク溶接プロセスの少なくとも次のパルス周期の短絡期間の時間的位置を推定するように構成される。該コントローラはまた、前記推定に基づき、少なくとも次のパルス周期のブランキング期間を決定するように構成される。該コントローラはまた、ブランキング期間に基づき、少なくとも次のパルス周期のブランキング信号を生成するように構成され得る。一実施形態によれば、ブランキング期間は、少なくとも次のパルス周期の予期される短絡期間に対して、時間的に長く且つ時間的に重なる。当該システムは更に、溶接システムの溶接回路経路内に配置され且つ前記コントローラに動作的に接続されるスイッチングモジュールを含み得る。スイッチングモジュールは、ブランキング信号に応答して、ブランキング期間中に溶接システムの溶接回路経路の抵抗を増大させて、ブランキング期間中に溶接回路経路を流れる溶接電流を低減させるように構成される。スイッチングモジュールは電気スイッチと抵抗路とを並列に含む。前記コントローラは、ブランキング期間中に溶接プロセスの波形の一部を変更することによって、少なくとも次のパルス周期のブランキング期間中に溶接システムの溶接回路経路を流れる溶接電流を低減させるように、溶接システムの波形発生器に命令するように構成され得る。前記コントローラは更に、パルスアーク溶接プロセスのパルス周期中の短絡の発生及び／又は該短絡の消滅を検出するように構成され得る。
【００３８】
本発明の一実施形態は、パルスアーク溶接プロセスにおいてスパッタを抑制する方法を有する。当該方法は、溶接システムのコントローラを用いて、パルスアーク溶接プロセスのパルス周期中の、ワークピースと前進する溶接棒との間の短絡を検出することを含む。当該方法は更に、短絡を検出したことに応答して、第１の期間、溶接システムの溶接回路経路の抵抗を増大させて、溶接回路経路を流れる溶接電流を低減させることを含む。当該方法はまた、第１の期間の直後の第２の期間、溶接システムの溶接回路経路の抵抗を低減させて、溶接回路経路を流れる溶接電流を増大させることを含む。当該方法は更に、第２の期間の直後の第３の期間、短絡の消滅を予期して、溶接システムの溶接回路経路の抵抗を増大させて、溶接回路経路を流れる溶接電流を低減させることを含む。抵抗を増大させることは、溶接回路経路内に配置されたスイッチングモジュールの電気スイッチを開くことを含み得る。抵抗を低減させることは、溶接回路経路内に配置されたスイッチングモジュールの電気スイッチを閉じることを含み得る。当該方法は更に、短絡が消滅したことを検出し、短絡が消滅したことの検出に応答して、溶接システムの溶接回路経路の抵抗を低減させることを含み得る。
【００３９】
本発明の一実施形態は、パルスアーク溶接プロセスにおいてスパッタを抑制する方法を有する。当該方法は、溶接システムのコントローラを用いて、パルスアーク溶接プロセスのパルス周期中の、ワークピースと前進するワイヤ電極との間の短絡を検出することを含む。当該方法は更に、短絡を検出したことに応答して、決定された期間のうちの少なくとも一部にわたって溶接システムの溶接回路経路の電流を低減させることを含み、パルスアーク溶接プロセスの大部分のパルス周期において、前記決定された期間は、溶接回路経路の電流を先ず増大させる必要なく短絡が消滅することが可能な長さの期間である。電流を低減させることは、溶接回路経路の抵抗を増大させることを含み得る。抵抗を増大させることは、溶接回路経路内に配置されたスイッチングモジュールの電気スイッチを開くことを含むことができ、スイッチングモジュールは電気スイッチを抵抗路と並列に含み得る。当該方法は更に、短絡が消滅していない場合に、前記決定された期間の直後に溶接システムの溶接回路経路の電流を増大させることを含み得る。電流を増大させることは、溶接回路経路の抵抗を低減させることを含み得る。抵抗を低減させることは、溶接回路経路内に配置されたスイッチングモジュールの電気スイッチを閉じることを含むことができ、スイッチングモジュールは電気スイッチを抵抗路と並列に含み得る。当該方法は更に、電極とワークピースとの間の短絡を検出したことに応答して、前進するワイヤ電極の速度を遅くすることを含み得る。前進するワイヤ電極の速度を遅くすることは、ワイヤ電極を前進させるワイヤフィーダのモータをオフに切り換えて該モータに制動をかけることを含み得る。この制動は、様々な実施形態に従って、機械的制動又は電気的制動とし得る。
【００４０】
特定の実施形態を参照して特許請求に係る本願の主題を説明してきたが、当業者に理解されるように、特許請求に係る主題の範囲を逸脱することなく、様々な変形が為され、均等物が代用され得る。また、特許請求に係る主題の教示に合わせて、その範囲を逸脱することなく、特定の状況又は材料を適応させるように数多くの変更が為され得る。故に、特許請求に係る主題は、開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の請求項の範囲に入る全ての実施形態を含むものである。
【００４１】
本願は、２０１０年１０月２２日に出願した米国仮特許出願第６１／４０５８９５号の優先権及び利益を主張するものであり、その内容全体をここに援用する。
【００４２】
本願は、２０１０年１１月１２日に出願した米国仮特許出願第６１／４１３００７号の優先権及び利益を主張するものであり、その内容全体をここに援用する。
【００４３】
２００７年１２月４日に発行された米国特許第７３０４２６９号明細書の好適な実施形態の部分及び図面をここに援用する。
【符号の説明】
【００４４】
１００  電気アーク溶接システム
１１０  スイッチングモジュール
１１１  電気スイッチ
１１２  抵抗路（抵抗パス）
１２０  電力変換器
１２１、１２２  溶接出力
１２３  インバータ電源
１２４  フリーホイールダイオード
１３０  ワイヤフィーダ
１４０  電流シャント
１５０  電流フィードバックセンサ
１６０  電圧フィードバックセンサ
１６１、１６２  信号
１７０  高速コントローラ
１７１  コマンド信号
１７２  スイッチングコマンド信号
１８０  波形発生器
１８１  出力波形信号
２１０  溶接回路インダクタンス
５００  波形
５１０  ピークパルス
５２０、５３０  時間
５４０  短絡期間
６１０  溶融金属ボール
６２０  繋ぎ部（テザー）
６３０  スパッタ
７００  電流波形
７１０  ピークパルス
７２０、７３０  時間
７４０  短絡期間
９００  電流波形
９１０  ピークパルス
９２０、９３０  時間
９４０  短絡期間
９６０  ブランキング期間
Ｅ      溶接棒（電極）
Ｗ      ワークピース
【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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【図７】
2013541422.tif 000009
【図８】
2013541422.tif 000010
【図９】
2013541422.tif 000011
【国際調査報告】
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2013541422.tif 000013
2013541422.tif 000014
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