(57)【要約】【課題】短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返すアーク溶接方法において、外乱による溶接状態の不安定化を抑制すること。【解決手段】本発明では、時刻ｔ２からのアーク期間に移行した後の溶融池の窪みの深さに相関する値に応じて、時刻ｔ２２〜ｔ３のアーク期間の溶接電流Ｉｗの変化率を制御する。相関する値としては、１）時刻ｔ２に短絡期間からアーク期間に移行したときの溶接電流Ｉｗの値、２）時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間中の溶接電流Ｉｗの最大値、３）時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間の時間長さ等である。これにより、外乱によって溶接状態が変動しても、アークによる溶融池の窪みの深さに応じてアーク期間中の溶接電流の変化率を適正化することができる。このために、アーク期間の変動を抑制することができるので、短絡期間とアーク期間との周期を安定した状態に復帰させることができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返すアーク溶接方法において、
前記短絡期間から前記アーク期間に移行した後の溶融池の窪みの深さに相関する値に応じて前記アーク期間の溶接電流の変化率を制御する、
ことを特徴とするアーク溶接方法。
【請求項２】
前記相関する値が、前記短絡期間から前記アーク期間に移行したときの前記溶接電流の値である、
ことを特徴とする請求項１記載のアーク溶接方法。
【請求項３】
前記相関する値が、前記短絡期間中の前記溶接電流の最大値である、
ことを特徴とする請求項１記載のアーク溶接方法。
【請求項４】
前記相関する値が、前記短絡期間の時間長さである、
ことを特徴とする請求項１記載のアーク溶接方法。
【請求項５】
前記相関する値が、前記短絡期間中の前記溶接電流の積分値である、
ことを特徴とする請求項１記載のアーク溶接方法。
【請求項６】
前記相関する値が、前記短絡期間から前記アーク期間に移行した時点からの所定期間中の溶接電圧の最大値である、
ことを特徴とする請求項１記載のアーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返すアーク溶接方法の安定性向上に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図３は、短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返す消耗電極式アーク溶接における電流・電圧波形図である。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの波形を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの波形を示し、同図（Ｃ）は定電圧制御の電圧目標値である出力電圧設定信号Ｅｒの波形を示す。以下、同図を参照して説明する。
【０００３】
消耗電極式アーク溶接には定電圧制御の溶接電源が使用される。この定電圧制御は、溶接電源の出力電圧が予め定めた出力電圧設定信号Ｅｒと等しくなるようにフィードバック制御されることによって行なわれる。同図（Ｃ）に示すように、出力電圧設定信号Ｅｒは溶接中は一定値であるので、定電圧制御によって一定の出力電圧が出力される。
【０００４】
時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間中は、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは次第に増加し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖの短絡電圧値になる。
【０００５】
時刻ｔ２〜ｔ３のアーク期間中は、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは短絡期間中の最大値から次第に減少する。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、時刻ｔ２のアーク再発生時点で数十Ｖのアーク電圧値に急増し、その後は時刻ｔ２１まで増加し、時刻ｔ２１〜ｔ３までは次第に減少する。時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間は４ms程度であり、時刻ｔ２〜ｔ３のアーク期間は１０ms程度であり、時刻ｔ２〜ｔ２１は１ms程度である。時刻ｔ２〜ｔ２１の期間中に溶接電圧Ｖｗが増加するのは、アークからの圧力によって溶融池に窪みが形成されてアーク長が長くなるためである。
【０００６】
アーク期間中に溶接ワイヤの先端に溶滴が形成され、短絡期間中に溶滴は溶融池へと移行する。安定した溶接状態にあるときは、短絡期間とアーク期間との周期は略一定となる。
【０００７】
しかし、溶接ワイヤの送給状態の変動、トーチ高さの変動、溶接速度の変動等の外乱が発生すると、短絡期間とアーク期間との周期が乱されて、溶接状態が不安定になる。この外乱による溶接状態の不安定を改善するための方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
特許文献１の発明は、溶接電源の出力電圧をアーク期間開始後の一定時間はそれ以降のアーク期間中よりも高くし、短絡期間とアーク期間との周期を検出し、検出された周期に応じて上記の一定時間を変化させるものである。この方法によって外乱による溶接状態の不安定化はある程度改善される。しかしながら、この方法では、周期を検出するために１周期前の溶接状態を検出して、現周期の溶接状態を制御することになる。このために、制御遅れが生じ、不安定化の改善が十分ではないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−１５４４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、本発明では、外乱による溶接状態の不安定化を抑制することができるアーク溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、
短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返すアーク溶接方法において、
前記短絡期間から前記アーク期間に移行した後の溶融池の窪みの深さに相関する値に応じて前記アーク期間の溶接電流の変化率を制御する、
ことを特徴とするアーク溶接方法である。
【００１２】
請求項２の発明は、前記相関する値が、前記短絡期間から前記アーク期間に移行したときの前記溶接電流の値である、
ことを特徴とする請求項１記載のアーク溶接方法である。
【００１３】
請求項３の発明は、前記相関する値が、前記短絡期間中の前記溶接電流の最大値である、
ことを特徴とする請求項１記載のアーク溶接方法である。
【００１４】
請求項４の発明は、前記相関する値が、前記短絡期間の時間長さである、
ことを特徴とする請求項１記載のアーク溶接方法である。
【００１５】
請求項５の発明は、前記相関する値が、前記短絡期間中の前記溶接電流の積分値である、
ことを特徴とする請求項１記載のアーク溶接方法である。
【００１６】
請求項６の発明は、前記相関する値が、前記短絡期間から前記アーク期間に移行した時点からの所定期間中の溶接電圧の最大値である、
ことを特徴とする請求項１記載のアーク溶接方法である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、外乱によって溶接状態が変動しても、アークによる溶融池の窪みの深さに応じてアーク期間中の溶接電流の変化率を適正化することによって、アーク期間の変動を抑制することができるので、短絡期間とアーク期間との周期を安定した状態に復帰させることができる。このために、本発明では、外乱による溶接状態の不安定化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る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。
【図２】本発明の実施の形態１に係るアーク溶接方法を説明するための図１の溶接電源における各信号のタイミングチャートである。
【図３】従来技術において、短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返す消耗電極式アーク溶接における電流・電圧波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る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。
【００２１】
電源主回路ＰＭは、３相２００Ｖ等の商用電源（図示は省略）を入力として、後述する誤差増幅信号Ｅａに従ってインバータ制御等による出力制御を行い、出力電圧Ｅを出力する。この電源主回路ＰＭは、図示は省略するが、商用電源を整流する１次整流器、整流された直流を平滑する平滑コンデンサ、平滑された直流を高周波交流に変換するインバータ回路、高周波交流を溶接に適した電圧値に降圧する高周波変圧器、降圧された高周波交流を直流に整流する２次整流器、上記の誤差増幅信号Ｅａを入力としてパルス幅変調制御を行う変調回路、パルス幅変調制御信号を入力としてインバータ回路のスイッチング素子を駆動するインバータ駆動回路を備えている。
【００２２】
リアクトルＷＬは、上記の出力電圧Ｅを平滑する。
【００２３】
送給モータＷＭは、後述する送給制御信号Ｆｃを入力として、溶接ワイヤ１を定速で送給する。溶接ワイヤ１は、上記の送給モータＷＭに結合された送給ロール５の回転によって溶接トーチ４内を送給されて、母材２との間にアーク３が発生する。溶接トーチ４内の給電チップ（図示は省略）と母材２との間には溶接電圧Ｖｗが印加し、溶接電流Ｉｗが通電する。
【００２４】
電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗ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、この電圧検出信号Ｖｄを入力として、この値が予め定めた短絡判別値未満のときは短絡期間であると判別してＨｉｇｈレベルとなり、以上のときはアーク期間であると判別してＬｏｗレベルとなる短絡判別信号Ｓｄを出力する。この短絡判別値は、１５Ｖ程度に設定される。
【００２５】
溶接電流設定回路ＩＲは、予め定めた溶接電流設定信号Ｉｒを出力する。送給速度設定回路ＦＲは、この溶接電流設定信号Ｉｒを入力として、予め定めた電流・送給速度変換関数によって送給速度を算出して、送給速度設定信号Ｆｒを出力する。電流・送給速度変換関数は、溶接電流の平均値と送給速度との関係を示す関数であり、溶接ワイヤの材質、直径及びシールドガスの種類の組合せ条件ごとに、予め実験によって算出しておく。送給制御回路ＦＣは、この送給速度設定信号Ｆｒを入力として、この設定値に相当する送給速度Ｆｗで溶接ワイヤ１を送給するための送給制御信号Ｆｃを上記の送給モータＷＭに出力する。したがって、溶接ワイヤ１は、溶接電流設定信号Ｉｒに対応した送給速度で送給される。溶接電流設定信号Ｉｒは、溶接電流Ｉｗの平均値を設定することになる。
【００２６】
電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｗを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。
【００２７】
溶融池窪み深さ相関値検出回路ＤＤは、上記の短絡判別信号Ｓｄ、上記の電流検出信号Ｉｄ及び上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、以下の処理を行い、相関値信号Ｄｄを出力する。
１）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）からＬｏｗレベル（アーク）に変化した時点における電流検出信号Ｉｄの値を相関値として検出する。
２）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）であるときの電流検出信号Ｉｄの最大値を相関値として検出する。
３）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）であるときの時間長さを相関値として検出する。
４）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）であるときの電流検出信号Ｉｄの積分値を相関値として検出する。
５）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）からＬｏｗレベル（アーク）に変化した時点から所定期間中の電圧検出信号Ｖｄの最大値を相関値として検出する。
６）上記の１）〜５）の中から１つを予め選択して相関値信号Ｄｄとして出力する。
【００２８】
出力電圧設定回路ＥＲは、予め定めた出力電圧設定信号Ｅｒを出力する。出力電圧検出回路ＥＤは、上記の出力電圧Ｅを検出し平滑して、出力電圧検出信号Ｅｄを出力する。
【００２９】
変化率設定回路ＫＲは、上記の相関値信号Ｄｄを入力として、予め定めた相関値・変化率変換関数によって変化率を算出して、変化率設定信号Ｋｒとして出力する。この相関値・変化率変換関数は、相関値信号Ｄｄの値が大きくなると、変化率が比例して大きくなる関数である。この相関値・変化率変換関数は、溶接ワイヤの種類、溶接法、送給速度等の溶接条件ごとに予め実験によって求めておく。
【００３０】
出力電圧制御設定回路ＥＣＲは、上記の出力電圧設定信号Ｅｒ、上記の変化率設定信号Ｋｒ及び上記の短絡判別信号Ｓｄを入力として、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）であるとき及び短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク）に変化した時点から上記の所定期間中は出力電圧設定信号Ｅｒの値をそのまま出力電圧制御設定信号Ｅcrとして出力し、所定期間が経過した時点からは出力電圧設定信号Ｅｒの値から変化率設定信号Ｋｒによって定まる変化率で小さくなる値を出力電圧制御設定信号Ｅcrとして出力する。
【００３１】
誤差増幅回路ＥＡは、上記の出力電圧制御設定信号Ｅcr及び上記の出力電圧検出信号Ｅｄを入力として、出力電圧制御設定信号Ｅcr（＋）と出力電圧検出信号Ｅｄ（−）との誤差を増幅して、誤差増幅信号Ｅａを出力する。この回路によって、溶接電源は定電圧制御される。
【００３２】
図２は、本発明の実施の形態１に係るアーク溶接方法を説明するための図１の溶接電源における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は定電圧制御の電圧目標値である出力電圧制御設定信号Ｅcrの時間変化を示す。同図は上述した図３と対応しており、同一の動作についての説明は繰り返さない。以下、同図を参照して説明する。
【００３３】
時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間中は、同図（Ｃ）に示すように、出力電圧制御設定信号Ｅcrの値は出力電圧設定信号Ｅｒの値と同一値であり、一定値となる。このために、短絡期間中の動作は、図３と同一となる。したがって、短絡期間中は、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは次第に増加し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖの短絡電圧値となる。
【００３４】
時刻ｔ２においてアークが再発生すると、アークからの圧力によって溶融池に窪みが形成される。溶融池の窪みが次第に深くなる時刻ｔ２〜ｔ２１の期間中は、同図（Ｂ）に示すように、アーク長が長くなるので溶接電圧Ｖｗは増加する。溶融池の窪みの深さが最大となる時刻ｔ２１において、溶接電圧Ｖｗは最大値となる。時刻ｔ２から所定期間が経過した時刻ｔ２２において、図１の溶融池窪み深さ相関値検出回路ＤＤによって相関値信号Ｄｄが出力される。この相関値信号Ｄｄの値は、上述したように、１）短絡期間からアーク期間に移行した時点（時刻ｔ２）における溶接電流Ｉｗの値、２）短絡期間中の溶接電流Ｉｗの最大値（時刻ｔ２の電流値）、３）短絡期間の時間長さ（時刻ｔ１〜ｔ２の時間長さ）、４）短絡期間（時刻ｔ１〜ｔ２の期間）中の溶接電流Ｉｗの積分値、又は５）短絡期間からアーク期間に移行した時点から所定期間（時刻ｔ２〜ｔ２２の期間）中の溶接電圧Ｖｗの最大値（時刻ｔ２１の電圧値）のいずれかである。この相関値信号Ｄｄが、図１の変化率設定回路ＫＲに入力されて、内蔵されている相関値・変化率返還関数によって変化率設定信号Ｋｒが出力される。上記の所定期間は、溶融池の窪みの深さが最大となる時間よりも長く、かつ、アーク期間よりも短い時間に設定され、例えば２msに設定される。
【００３５】
同図（Ｃ）に示すように、出力電圧制御設定信号Ｅcrは、時刻ｔ２〜ｔ２２の期間中は出力電圧設定信号Ｅｒの値であり、時刻ｔ２２からは時間経過に伴い変化率設定信号Ｋｒによって定まる変化率で直線状に小さくなる。これに応動して、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、時刻ｔ２〜ｔ２１の期間中は増加し、時刻ｔ２１からは減少に転じ、時刻ｔ２２からは変化率設定信号Ｋｒによって定まる変化率で次第に減少する。この結果、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、時刻ｔ２〜ｔ２２の期間中はアーク現象によって変動する変化率で減少し、時刻ｔ２２からは所定の変化率で次第に減少する。
【００３６】
時刻ｔ３〜ｔ４の短絡期間の動作は、時刻ｔ１〜ｔ２と同様である。但し、外乱によって溶滴移行状態が変動したために、時刻ｔ３〜ｔ４の時間長さは、時刻ｔ１〜ｔ２の時間長さよりも長くなっている。このために、時刻ｔ４においてアークが再発生し、それから所定期間が経過した時刻ｔ４２における相関値信号Ｄｄの値は、５つの値ともに時刻ｔ２２時点よりも大きくなる。この結果、同図（Ｃ）に示すように、時刻ｔ４２〜ｔ５の出力電圧制御設定信号Ｅcrの変化率は時刻ｔ２２〜ｔ３のときよりも大きくなる。これに応動して、同図（Ｂ）に示すように、時刻ｔ４２〜ｔ５の溶接電圧Ｖｗの変化率は時刻ｔ２２〜ｔ３よりも大きくなり、同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ４２〜ｔ５の溶接電流Ｉｗの変化率は時刻ｔ２２〜ｔ３よりも大きくなる。
【００３７】
時刻ｔ２においてアークが再発生すると、アークからの圧力が溶融池に作用して溶融池には窪みが形成される。この窪みは、溶接電流Ｉｗが小さくなりアーク圧力が小さくなるのに伴い解消されて、溶融池は対流によって次第に凸形状になる。溶融池が凸形状になると、溶接ワイヤの先端と接触して短絡が発生する。溶融池の窪みの深さは、相関値信号Ｄｄによって検出することができる。溶融池の窪みの深さに応じて、溶接電流Ｉｗの変化率を適正化すると、窪みの解消タイミングを調整することができるので、アーク期間の時間長さを一定にすることができる。すなわち、外乱によって短絡状態が変動してアークによる溶融池の窪にの深さが変動した場合でも、相関値信号Ｄｄによって窪みの深さを検出し、溶接電圧Ｖｗの変化率を適正化することで溶接電流Ｉｗの変化率を適正化して、アーク期間の変動を抑制することができる。外乱によってアーク状態が変動した場合には、この変動によって短絡状態が変動するので、上記と同様になる。
【００３８】
上述した実施の形態１によれば、短絡期間からアーク期間に移行した後の溶融池の窪みの深さに相関する値に応じて、アーク期間の溶接電流の変化率を制御する。相関する値としては、１）短絡期間からアーク期間に移行したときの溶接電流の値、２）短絡期間中の溶接電流の最大値、３）短絡期間の時間長さ、４）短絡期間中の溶接電流の積分値、又は５）短絡期間からアーク期間に移行した時点からの所定期間中の溶接電圧の最大値である。これにより、外乱によって溶接状態が変動しても、アークによる溶融池の窪みの深さに応じてアーク期間中の溶接電流の変化率を適正化することによって、アーク期間の変動を抑制することができるので、短絡期間とアーク期間との周期を安定した状態に復帰させることができる。このために、本実施の形態では、外乱による溶接状態の不安定化を抑制することができる。
【符号の説明】
【００３９】
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
ＤＤ            溶融池窪み深さ相関値検出回路
Ｄｄ            相関値信号
Ｅ            出力電圧
ＥＡ            誤差増幅回路
Ｅａ            誤差増幅信号
ＥＣＲ            出力電圧制御設定回路
Ｅcr            出力電圧制御設定信号
ＥＤ            出力電圧検出回路
Ｅｄ            出力電圧検出信号
ＥＲ            出力電圧設定回路
Ｅｒ            出力電圧設定信号
ＦＣ            送給制御回路
Ｆｃ            送給制御信号
ＦＲ            送給速度設定回路
Ｆｒ            送給速度設定信号
Ｆｗ            送給速度
ＩＤ            電流検出回路
Ｉｄ            電流検出信号
ＩＲ            溶接電流設定回路
Ｉｒ            溶接電流設定信号
Ｉｗ            溶接電流
ＫＲ            変化率設定回路
Ｋｒ            変化率設定信号
ＰＭ            電源主回路
ＳＤ            短絡判別回路
Ｓｄ            短絡判別信号
ＶＤ            電圧検出回路
Ｖｄ            電圧検出信号
Ｖｗ            溶接電圧
ＷＬ            リアクトル
ＷＭ            送給モータ
【図１】
2015171726.tif 000003
【図２】
2015171726.tif 000004
【図３】
2015171726.tif 000005