(57)【要約】      （修正有）【課題】高周波パルス及び負極性を用いる電気アーク溶接機を提供する。【解決手段】電気アーク溶接機は、ワークピースと該ワークピースの方に進む溶接電極との間の間隙を通じて負極性成分を有する高周波電流パルス１１０を形成するための、コントローラを備えた高速スイッチング電源を含み、該パルス及びバックグラウンド電流１１０ｅが一連の溶接周期を規定する。波形発生器は、各周期における制御されたランプアップ１１０ａ及び／又はランプダウン１１０ｄを含むパルス１１０及びバックグラウンド電流１１０ｅの形状と、パルスのうちの１つに負の電流を含む各溶接周期の繰り返しパターンのパルス１１０及び／又はバックグランド電流１１０ｅの形状を変更する回路とを規定する。周期の形状変更は第１の形状と第２の形状との間でのものか又は律動的ＡＣ変調によるものであり得る。【選択図】図３
0003202907.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
ワークピースと該ワークピースの方に送られる溶接ワイヤとの間の間隙を通じて５０〜４００Ｈｚの範囲の高周波電流パルスを生成するための、コントローラを備えた高速スイッチング電源と、
前記高周波電流パルスの形状及び前記高周波電流パルスの極性を規定する波形発生器と、
を含む電気アーク溶接機であって、
前記高周波電流パルスのうちの少なくとも１つが負極性電流を含む、電気アーク溶接機。
【請求項２】
前記波形発生器は、前記高周波電流パルスを有する溶接周期を規定し、該溶接周期は高エネルギー部及び低エネルギー部を含む、請求項１に記載の電気アーク溶接機。
【請求項３】
前記高エネルギー部と前記低エネルギー部とは低周波数で交番し、前記高周波電流パルスの周波数は前記高エネルギー部と前記低エネルギー部とが交番する前記低周波数よりも実質的に大きい、請求項２に記載の電気アーク溶接機。
【請求項４】
前記高エネルギー部と前記低エネルギー部とが交番する前記低周波数は１／４Ｈｚ〜４０Ｈｚの範囲にある、請求項３に記載の電気アーク溶接機。
【請求項５】
前記波形発生器に対応して前記高周波電流パルスの極性を制御する可変極性スイッチをさらに含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電気アーク溶接機。
【請求項６】
前記高周波電流パルスの形状を繰り返しパターンで変更する変調器をさらに含み、該繰り返しパターンは低周波数で発生する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電気アーク溶接機。
【請求項７】
前記繰り返しパターンは、正弦波、略矩形の交流波、のこぎり波及び交流波形曲線からなる群から選択され、前記繰り返しパターンは前記高周波電流パルスを有する溶接周期を規定し、該溶接周期は前記低周波数で交番する高エネルギー部及び低エネルギー部を含む、請求項６に記載の電気アーク溶接機。
【請求項８】
前記ワークピースの方に送られる前記溶接ワイヤを送給するワイヤ送給装置をさらに含み、該ワイヤ送給装置は前記波形発生器に対応してワイヤ送給速度を制御し、該ワイヤ送給速度は前記高エネルギー部の間は第１の値で、前記低エネルギー部の間は第２の値である、請求項７に記載の電気アーク溶接機。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）プロセスを用いる電気アーク溶接の技術に関し、より具体的には、溶接プロセスを構成する一連の溶接周期を形成する一連の高周波電流パルスを作るＧＭＡＷ電気アーク溶接機に関する。より具体的には、本考案は、請求項１のプリアンブルに記載の電気アーク溶接機に関するものである。
【０００２】
特許文献１〜７には、本願の主題に関連する背景情報が含まれており、それらの文献は、参照により本願に全体的に組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
アルミニウムの溶接で外観が重要になる場合、パルスＡＣ又は可変極性ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）が用いられることがある。溶接プロセスにおいて電流を変調することで溶接溜まりの拡張及び冷却が交互に起こり、時に「積み重ねた１０セント硬貨（stacked  dime）」様の外観と呼ばれる一連の隆起部が溶接ビードに形成される。溶接プロセスをＧＴＡＷプロセスのスピードを越えて迅速化するためにＧＭＡＷが用いられることが多いが、その場合「積み重ねた１０セント硬貨」様の溶接部の外観を得るのが難しい。ＧＴＡＷ溶接ではなくＧＭＡＷ溶接により同様の「積み重ねた１０セント硬貨」様の溶接部の外観を得るには、オペレータが接合部でトーチを前後に動かすことで実現できる。トーチを前後に動かすことで所望の積み重ねた１０セント硬貨様の外観を得ることができるが、オペレータはトーチを素早く操作しなければならないため、そのまま進めた場合（straight  progression）ほどにはプロセスの迅速化がなされず、一貫しない結果がもたらされる。ＧＭＡＷを用いて「積み重ねた１０セント硬貨」様の外観を得るための別のアプローチは、パルス波形のパラメータを調節して溶接周期に高エネルギー部と低エネルギー部とができるようにすることである。高エネルギー部では溶接溜まり／溶接池に高熱が届けられる一方、低エネルギー部では溶接溜まりに届けられる熱が比較的小さい。溶接周期の高エネルギー部では溶接溜まりの大きさが拡大するのに対して、溶接周期の低エネルギー部では溶接溜まりを冷却及び縮小させることができ、これにより「積み重ねた１０セント硬貨」様の外観に関連する隆起部が形成される。この方法は効果的であるが、所望のビード外観を得るにはパルスパラメータが大幅に異なっている必要があり、高エネルギーセグメントではスパッター（spattering）が発生し、低エネルギーセグメントではスタビング（stubbing）が発生することが多い。さらに別のアプローチは、ワイヤ送給速度を相乗的に調節して熱を調節し、所望の「積み重ねた１０セント硬貨」様の外観を得ることである。ワイヤ送給速度を（関連するパルスパラメータと共に）調節することは効果的で、所望のビード形状が得られる場合があるが、低エネルギー部によって、結果として得られる溶着速度が大幅に遅くなるため移動速度を下げる必要がある。従って、魅力的な「積み重ねた１０セント硬貨」様のビード形状の外観をもたらし、定常状態のＧＭＡＷプロセスと同様の速度で実現できるプロセスへのニーズがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第４９９４６４６号明細書
【特許文献２】米国特許第５６４３４７９号明細書
【特許文献３】米国特許第５６６７７０９号明細書
【特許文献４】米国特許第６５１５２５９号明細書
【特許文献５】米国特許第６６８３２７８号明細書
【特許文献６】米国特許第７１６６８１８号明細書
【特許文献７】特開昭５８−１７６０７４号公報
【考案の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本考案は、請求項１に記載の電気アーク溶接機を提供する。当該電気アーク溶接機は、ワークピースと該ワークピースの方に進む溶接ワイヤとの間の間隙を通じて（through）高周波電流パルスを形成するための、コントローラを備えた高速スイッチング電源と、高周波電流パルスの形状及び高周波電流パルスの極性を規定する波形発生器とを含み、高周波電流パルスのうちの少なくとも１つが負極性電流を含む。本考案は、電気アーク溶接の方法もさらに提供する。さらなる実施形態は下記の説明、図面及び請求項から推測可能である。
【０００６】
本考案の説明は、請求項で使用の文言を何ら限定しないか又は請求項若しくは本考案の範囲を制限しない。請求項で使用の文言は、それらの通常の完全な意味持つ。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
本明細書に組み込まれ且つその一部を構成する添付の図面には本考案の実施形態が図示されており、係る実施形態は、上述した本考案の概要及び下記の詳細な説明と共に本考案の実施形態を例示する。
【図１】図１は、本考案の一実施形態を行うためのシステム構成とブロック図とを組み合わせた例示の図である。
【図１Ａ】図１Ａは、本考案の一実施形態の例示のモーターコントローラの回路図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本考案の一実施形態の例示の可変極性スイッチの回路図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａに示す例示の可変極性スイッチの簡略化回路図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、別の例示の可変極性スイッチの別の簡略化回路図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、図２に示すシステムの一部を調節する例示のサブルーチンの配線及びブロック図である。
【図３】図３は、本考案の一実施形態で用いられる高周波パルス及び負極性成分を示す電流グラフである。
【図４】図４は、図１に示す実施形態を実施するのに用いられ、図３の高周波パルス及び負極性成分を得るための論理図及びフローチャートである。
【図５】図５は、図４のフローチャートに例示的に加えられる論理図及びフローチャートである。
【図６】図６は、図１に示す本考案の実施形態の例示の変形例のフローチャート及びシステム構成である。
【図７】図７、図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃは、本考案のさらなる例示の実施のブロック図であり、図７Ｂ及び図７Ｃのグラフに示す結果を得るために図７Ａに示す参照テーブルによってパルス周波数及びワイヤ送給速度の双方が連係されている。
【図８】図８は、図７に図示の本考案の例示の実施形態と共に用いる図４に示すものと同様の論理図及びフローチャートである。
【図９】図９は、図３に示す本考案の例示の実施形態を行うのに用いられるブロック図及び論理網であり、図１の変調入力を概略的に示すものである。
【図１０】図１０は、図９の図及び論理網の使用によって具体的に変調された高周波パルス及び負極性成分を示す例示の電流曲線である。
【図１１】図１１は、図９の図及び論理網の使用によって具体的に変調された高周波パルス及び負極性成分を示す例示の電流曲線である。
【図１２】図１２は、図９の図及び論理網の使用によって具体的に変調された高周波パルス及び負極性成分を示す例示の電流曲線である。
【図１３】図１３は、図９の図及び論理網の使用によって具体的に変調された高周波パルス及び負極性成分を示す例示の電流曲線である。
【図１４】図１４は、図９の図及び論理網の使用によって具体的に変調された高周波パルス及び負極性成分を示す例示の電流曲線である。
【図１５】図１５は、図９の図及び論理網の使用によって具体的に変調された高周波パルス及び負極性成分を示す例示の電流曲線である。
【図１６】図１６は、図９の図及び論理網の使用によって具体的に変調された高周波パルス及び負極性成分を示す例示の電流曲線である。
【図１７】図１７は、本考案によって考えられる、２つの波形の間でシフトするための溶接システム及び方法の例示の実施を示すブロック図である。
【考案を実施するための形態】
【０００８】
図面を参照して（図面は本考案の例示の実施形態を説明することのみを目的としており、限定することを目的としていない）、図１は例示の溶接機Ａを開示する。溶接機Ａの構成は一般的に標準のものであり、インバータ又は降圧コンバータ等の高速スイッチング電源１０を含み、入力整流器１２及び出力トランス１４が、可変極性スイッチ（variable  polarity  switch）１６により電流パルスを電極Ｅに向けて送る。図２Ａ〜図２Ｃに様々な例示の可変極性スイッチ１６が記載されている。電極Ｅは、スプール又はドラム２２からのアルミニウムワイヤ２０を含む。アルミニウムワイヤ２０は、モーター３２の動作により送給装置３０によってワークピースＷの方に送られる。モーター３２はモーターコントローラ３１により制御される。例示のモーターコントローラを図１Ａに示す。このモーターコントローラでは、フィードバックタコメータ３６と、タコメータ３６からの入力４２を線４４上のレベルの形態のワイヤ送給速度（ＷＦＳ）コマンド信号と比較するための演算増幅器４０との指示を受けて、パルス幅変調器３４がモーター３２と故に送給装置３０の速度を制御する。他のモーターコントローラ３１を用いてもよい。再び図１を参照して、アルミニウム電極又はワイヤＥがワークピースＷの方に進むと、バックグラウンド電流と組み合わされた一連の電流パルスによって間隙ｇに亘ってアークが生成される。
【０００９】
例示の電源を参照して、インバータ段はスイッチング型インバータ１０を含む。インバータ１０には、現地の商用周波数に応じて５０又は６０Ｈｚの周波数を持つ３相電源Ｌ１〜Ｌ３から電力が供給される。インバータ１０の入力に向けられたＤＣリンク１１を提供するために、ＡＣ入力電圧が整流器１２によって整流される。インバータ１０の出力又は負荷は、第１の巻線１５ａ及び第２の巻線１５ｂを有し、センタータップ１７が接地されたトランス１４である。第２の巻線１５ｂは、電極Ｅ及びワークピースＷに接続された出力線２４、２６を形成するために可変極性スイッチ１６に向けられている。
【００１０】
可変極性スイッチ１６は、出力線２４、２６上に極性交番信号を生成可能な任意のスイッチング素子でよい。例えば、図２Ａは、正の出力端子３８と、出力スイッチング回路網（output  switching  network）４８に接続された負の出力端子４６とを形成するためにダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３及びＤ４を有する正の整流回路２８を備えた例示の可変極性スイッチ１６を示す。出力スイッチング回路網４８は２つのトランジスタ型スイッチＳＷ１及びＳＷ２を含む。通例、スイッチＳＷ１及びＳＷ２は基線５５、５６上のロジックに従ってオン及びオフにすることが可能な絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の形態であり得る。スイッチＳＷ１及びＳＷ２がオフのときに高圧を放散（dissipate）するためにスナバネットワーク５７、５８がスイッチＳＷ１、ＳＷ２に亘って接続されている。スイッチング回路網４８は、実質的に２００アンペアを超える高溶接電流をパルス化するのに用いることができる。１つの出力インダクタ７２は正のパルス部分７４と負のパルス部分７６とに分かれている。このように、電極Ｅ及びワークピースＷに接続された出力線２４、２６にＡＣ電流が生成される。制御基線５５、５６上のロジックを連続して交番することにより、電極Ｅ及びワークピースＷを含む溶接回路に交流電流が印加される。トランス１４、整流回路２８、スイッチング回路網４８及びインダクタ７２を示す簡略化回路を図２Ｂに示す。
【００１１】
他の実施形態では、可変極性スイッチ１６は、トランス１４ａ、整流回路２８ａ及びスイッチング回路網４８ａのスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３及びＳＷ４を示す図２Ｃに図示の簡略化回路を含み得る。この実施形態では、ＳＷ１及びＳＷ２がオンの場合はアークが正極性になり、ＳＷ２及びＳＷ３がオンの場合はアークが負極性になる。
【００１２】
可変極性スイッチ１６を用いることで、図１に示すように、制御された高周波交流電流が電極Ｅに生成される。この高周波数は、制御基線５５、５６上でロジックが交番する周波数によって決定される。これらの線上のロジックは、例えば波形発生器又は波形整形器（wave  shaper）のマイクロプロセッサによって処理されるソフトウェアプログラム又はサブルーチンによって生成され得る。例示のプログラムのブロック図を図２Ｄに示す。この例示のプログラムは、上述したものを含む様々な可変極性スイッチやスイッチング回路網と組み合わせてもよい。
【００１３】
図２Ｄを参照して、例示のパルス発生器９１、フリップフロップ９３及びスイッチング回路網９４を示す。フリップフロップ９３は、所望の高周波数で制御基線５５、５６における交番ロジック（alternating  logic）を生成するソフトウェアプログラムである。フリップフロップ９３は、スイッチング回路網９４（例えば、図２Ａ及び図２Ｂのスイッチング回路網４８又は図２Ｃのスイッチング回路網４８）の交互スイッチング（alternate  switching）を高周波数で制御して、スイッチング回路網９４の高周波出力を生成する。線５５、５６におけるロジックは、フリップフロップ９３の非同時（non-coincidental）の端子９５、９６の出力である。これらの端子上のロジックは、セット端子９７又はリセット端子９８のいずれかにおけるロジックに従って交番される。線５５、５６上のロジックを変更するために、パルス発生器９１により決定される周波数で端子９７、９８上のロジックが反転される（reversed）。パルス発生器９１により決定される周波数は線５５、５６上のロジックを交番するための高周波数であり、電極Ｅにおける溶接電流の周波数である。パルス発生器９１の出力は、セット端子９７に接続され、インバータ９９ｂを通じてリセット端子９８に接続された線９９ａ上のロジックである。パルス発生器９１の出力における正のパルスは、線５５にロジック１を形成するためにフリップフロップ９３を設定する。パルス発生器９１の出力におけるロジック０には逆の効果があり、線５６にロジック１を生成するために端子９８にロジック１を、故に逆の出力端子９６にロジック１を生成する。線５５又は５６のロジック１はスイッチング回路網９４（例えば、図２Ａ及び図２Ｂのスイッチング回路網４８又は図２Ｃのスイッチング回路網４８ａ）の関連するスイッチをオンにする。ロジック１が反対の出力線にシフトすると、スイッチが即座にオフになる。
【００１４】
再び図１を参照して、アーク電流がセンサ５２によって測定されて、アーク電流Ｉａを表す電圧が線５２ａに生成される。同様に、アーク電圧がセンサ５４に検知されて、アーク電圧Ｖａを表す電圧が線５４ａ上に形成される。標準的技法に従って、フィードバック電流及び／又は電圧に従ってパルスを形成するためにコントローラ６０として表されるデジタル処理装置が電源１０に接続されている。コントローラ６０は、１００ｋＨｚを超える周波数を持つ発振器６４により駆動されるパルス幅変調器６２を含むものとして図示されている。このパルス幅変調器は、発振器の各出力の間に電流パルスを生成する。パルス幅は電流パルスの振幅を決定する。溶接周期の間の電流のレベルはパルス幅変調器６２からの多くのパルスを含むため、電流は誤差増幅器６８の出力として図示される線６６上の電圧に従う（線７０上のコマンド信号も受信する）。ここまで説明したように、溶接機Ａは、電流パルスの波形を制御するコントローラ６０と、スイッチング及び極性を制御する可変極性スイッチ１６とを有する溶接機である。コントローラ６０及び可変極性スイッチ１６の双方は、溶接アークと呼ばれる間隙ｇにおける溶接周期の規定に寄与する。線７０上の電圧は、溶接プロセスの電流パルスのプロファイル、形状又は輪郭を決定する。リンカーン・エレクトリック社が販売するＰｏｗｅｒ  Ｗａｖｅ溶接機によって一般化されたように、線７０上の電圧は波形整形器又は波形発生器８０によって制御される。変調器１００に起因する変調がないと、波形発生器８０の出力９２が線７０上の電圧を決定付ける。
【００１５】
本考案によれば、波形整形器８０は線９２上の信号が低周波数で高エネルギー部と低エネルギー部との間を交番するように制御する。このように、ワークピースＷの溶接溜まりに適用される熱を制御及び調節して、「積み重ねた１０セント硬貨」様の外観をより速いスピードで且つ前述した例えばスパッターやスタビングといった好ましくない特性がない状態で得ることができる。特に、ワークピースＷ内の熱を、例えば高くなり過ぎないように制御することで、スパッターが発生することなく溶接をより速く行うことができる。高エネルギー部は形状セレクタ（shape  selector）又はソフトウェア８２ａからの線８２上の信号により決定付けられる。同様に、線８４上の信号は、形状セレクタ又はソフトウェア８４ａの制御の下で溶接プロセスの低エネルギー部を制御する。本考案の一態様では、これらの形状セレクタは溶接プロセスで使用される高周波パルスの形状を決定付ける。溶接プロセスの溶接周期は、低周波数でセレクタ８２ａとセレクタ８４ｂとの間を交番することを伴う。図４に示し且つ後でより詳細に説明する制御ロジック９０は、ソフトウェア又はセレクタ８２ａ及び８４ａを連続して繰り返し開始させる。一部の実施形態では、波形発生器又は波形整形器８０はセレクタ８２ａ、８４ａ及び制御ロジック９０に加えて、所望の波形を形成する他の任意のロジックを含み得る。このように、波形周期の高エネルギー部及び低エネルギー部を通して高周波パルスが生じ、パルスの高エネルギー群と低エネルギー群とが低周波数で交番する。
【００１６】
図３に示す波形電流グラフは、波形整形器８０に溶接周期の高エネルギー部及び低エネルギー部を制御させることによって得られる実施形態である。波形の高エネルギー部及び低エネルギー部は、（前で説明した）可変極性スイッチ１６の制御線５５、５６と組み合わせて、セレクタ８２ａ、８４ａを低周波数で交互に作動させて信号を出力して図３の波形を形成することにより得られる。波形の高エネルギー部及び低エネルギー部内の高周波パルスの特定の形状は、図４に示す制御ロジック９０により規定される。後で詳細に説明するように、高エネルギー部が８４ａによって規定され、低エネルギー部が８２ａによって規定される。
【００１７】
それに加えて、後で詳細に説明するように、本考案の代替的な実施形態では、波形の高エネルギー部及び低エネルギー部を形成するために、様々な振幅交番形状（magnitude  alternating  shapes）を有するいくつかの繰り返し変調波のうちの１つを形成するために変調器１００を利用する。例えば、セレクタブロック１０２からの正弦波、セレクタブロック１０４による交流若しくは矩形波又はセレクタブロック１０６からののこぎり波（saw  tooth  curve）である。セレクタブロックは、変調器１００からの曲線により変調を生じさせる。この曲線は線１０８上に出力される。図９を参照して後で説明するように、線１０８からの変調信号は、ブロック１０２、１０４、１０６のうちの１つによって表される曲線により線９２上の信号の特徴を乗算することで得られる。このプロセスは低周波変調溶接周期を生成する。変調器１００による線９２上の信号の変調は、本明細書で説明する実施形態のいずれかと組み合わせてもよい。
【００１８】
図３の電流グラフが示す実施形態では曲線変調器１００を利用しない。この実施形態では、波形整形器８０は、線７０上の電流コマンド信号の電圧を制御するための出力９２と、可変極性スイッチ１６を制御するための出力５５、５６とを有する。この実施形態によれば、パルス波ＰＷは、波形整形器８０によって、一定の数のパルスＣＯＵＮＴ１が経過した後に終了する低エネルギー部ＬＰと、一定の数のパルスＣＯＵＮＴ２が経過した後に終了する高エネルギー部ＨＰとで形成される。高エネルギー部ＨＰのパルスは図１の形状セレクタ又はソフトウェア８２ａによって制御され、低エネルギー部ＬＰのパルスは図１の形状セレクタ又はソフトウェア８４ａによって制御される。
【００１９】
図３に、低エネルギー部ＬＰを高周波パルスの負極性部と共に示す。パルスの部分の極性を負と正との間で変更することにより、放熱及び溶接溜まりの調節をより一層制御できる。負極及び陽極の挙動及び加熱特性は同じではない。溶接の間、陰極で生成される熱と陽極で生成される熱とは大幅に異なる。パルス波ＰＷの極性を逆にすると（例えば、図３に示すように正から負に又は負から正に）、正極と負極とが交換されて、これらの領域の加熱特性が逆になる。
【００２０】
図３Ａは、パルス波ＰＷの正極性部の間のアークと負極性部の間のアークとの間の違いの一部を強調する例示の溶接アークの図である。一般に、溶接は常にワークピースＷに対して熱を加えるが、溶接周期の負極性部では、正極性部よりもワークピースＷの溶接溜まりに加えられる熱が少ない。正極性部の間アーク１１１は溶接溜まり１１２全体に広がって、広範囲を加熱する。正極側では、アーク１１１は溶滴１１３の底部に集中する。電流は溶滴を通り、その電流に関連する磁気ピンチ力が溶滴１１３に作用するため、最終的に溶滴をワイヤから引っ張ってワークピースＷに移す。しかしながら、負極性部の間アーク１１５は溶接溜まり１１６の中央に集中し、溶接溜まりの端を冷却させて固化させ始める。負極側では、アーク１１５は電極の端部の大部分を覆って、大きな溶滴１１７を加熱する。このように、電流の大半は溶滴１１７を通らず、その電流に関連するピンチ力は溶滴１１７に及ぼされないため、溶滴がワイヤの端部にぶら下がって大きくなる。この大きな溶滴１１７は、次の正極性パルスピークによってワークピースＷに移される。負極性では、電極Ｅ内で熱が累積するため電極Ｅの燃焼速度（burn-off  rate）が高くなり、溶接溜まりを冷却させる。従って、電流が正極性を有する場合は熱の大半がワークピースＷの溶接溜まり内に放散されるか又は吸収される。電流が負極性を有する場合は熱の大半は電極Ｅ内に放散されるか又は吸収され、溶接溜まりには熱がそれほど放散されない。パルス波ＰＷの比較的小さな負極性部によって、パルス波ＰＷの高エネルギー（高熱）部ＨＰと低エネルギー（低熱）部ＬＰとの間でワークピースＷの加熱の差が大幅に高まる。この加熱差により、ワークピースＷ上に溶接ビードの積み重ねた１０セント硬貨様の外観が得られる。例えば、パルス波ＰＷの低エネルギー部ＬＰに負極性の部分を加えることで、ワークピースＷの溶接溜まり内に放散される熱が低エネルギー部ＬＰの間と高エネルギー部ＨＰの間とで大きく異なることになり、低エネルギー部の間に溶接溜まりをより冷却させることができ、エネルギー（及び熱）に大きな違いがない場合に得られる速度よりも速い速度で積み重ねたビードの外観が得られる。
【００２１】
一部の実施形態では、溶接周期の低エネルギー部ＬＰ及び高エネルギー部ＨＰは、低エネルギー部ＬＰと高エネルギー部ＨＰとの間でパルス波ＰＷの特定のパラメータを異ならせる一方、他のパラメータを変化させないことによって形成され得る。再び図３を参照して、一実施形態では、パルス波ＰＷは低エネルギー部ＬＰと高エネルギー部ＨＰとの間を交番して溶接周期を規定する。これらの周期は溶接プロセスの間繰り返される。この実施形態では、低エネルギー部ＬＰ及び高エネルギー部ＨＰの間ピーク電流１１０ｂ、ピーク時間１１０ｇ、バックグラウンド電流１１０ｅ及び期間１１０ｆは同じままである。高エネルギー部パルスと低エネルギーパルスとは、ピーク期間のランプアップ部及びランプダウン部の形状（例えば傾斜）並びに負極成分（negative  polarity  component）の含有の点で互いに異なる。図３に示す実施形態のパルス１１０は、波形整形器８０により５０〜４００Ｈｚの範囲の周波数で形成される。例えば、この周波数は、溶融アルミニウムの溶滴速度によりパルス繰り返し数を最適化する試みで選択することができる。パルス繰り返し数は溶接部の熱及び溶接溜まり内の熱に寄与する。これらの２つの側面を連係せるべきである。各パルスは、傾斜が制御されたランプアップ部１１０ａと、図示の全てのパルスで同じであるピーク電流（ＩＰＥＡＫ）１１０ｂと、電流レベルがピークにある時間であるピーク時間部１１０ｃと、ランプダウン部１１０ｄと、パルス又は負の電流成分による中断がない場合は一定であるバックグラウンド電流（ＩＢＡＣＫ）部１１０ｅとを有する。ランプアップ時間１１０ａはピーク時間に含まれる。ピーク電流１１０ｂ、ピーク時間１１０ｇ及び期間１１０ｆは同じままであるが、パルスがピーク電流（ＩＰＥＡＫ）１１０ｂにある時間はランプアップ部１１０ａの傾斜により決定付けられる。
【００２２】
一般に、パルスは正極性成分で構成されるが、一部のパルスは負極性部又は負極性成分を含み得る。負極性成分を有するパルスとしては、負極性部時間１１０ｈのための負の電流（ＩＮＥＧ）が挙げられる。図３には図示してないが、負極性成分の形状は、負電流へのランプダウン及び負電流からのランプアップに関連する様々な傾斜も含み得る。それに加えて、負極性部は、高エネルギー部ＨＰを含むパルス波ＰＷのどこに導入してもよい。負の電流成分は負の熱の谷としてみなすことができ、その間、前で詳細に説明したように電極Ｅ内により多くの熱が放散される。従って、可変のランプアップ部１１０ａ及び可変のランプダウン部１１０ｄに加えて、負極性部時間１１０ｈのための負の電流（ＩＮＥＧ）を有する負極性成分の選択的な存在が電極Ｅ及びワークピースＷ内に放散される熱の量を決定する。即ち、結果として得られる溶接周期又はパルス波ＰＷは、領域が異なるパルス１１０を含むため、ワークピースＷに異なる量の熱を生成する。負極性成分（及びそれらに関連する領域）は、ワークピースＷ内に放散される熱の負の寄与要因（negative  contributors）とみなすことができる。
【００２３】
そのため、とりわけ低エネルギー部ＬＰの間に、パルスによってワークピースＷ内に放散される熱の量を変更するために、負極性部時間１１０ｈに対して負の電流部を導入することができる。これは、上述したように、負極性の間熱がワークピースＷではなく電極Ｅで放散されるからである。時間１１０ｈのための負の電流部を有するパルスがワークピースＷ内に放散させるエネルギー及び熱は、負の電流部がないパルスに比べて小さい。負電流部分を例えば低エネルギー部ＬＰの各パルスで選択的に用いることで、パルス波ＰＷの低エネルギー部ＬＰと高エネルギー部ＨＰとの間でのエネルギーの差をより大きくすることができる。
【００２４】
パルスプロファイルに負の電流部分を組み込むことを、他のパルスプロファイリング法（pulse  profiling  techniques）と組み合わせてもよい。例えば、低エネルギー部ＬＰの間にランプアップ１１０ａを遅くし、ランプダウン１１０ｄを速くする。これにより、バックグラウンド電流１１０ｅ及び／又は負の電流部が溶接間隙ｇのアークを流れるときに短い時間１１０ｃと長い時間とができる。高エネルギー部ＨＰのパルス１１０は一般に領域（area）が大きい。高エネルギー部ＨＰの間、時間１１０ｆ及び１１０ｇは一定であるがランプアップ１１０ａは速くランプダウン１１０ｄは遅い。このように、各溶接周期において低周波数でパターンが繰り返される一連の低エネルギーパルス及び一連の高エネルギーパルスを形成するために電流の極性、立ち上がり又はランプアップ１１０ａの傾斜及び立ち下がり又はランプダウン１１０ｄの傾斜が形状セレクタ又はソフトウェア８２ａ、８４ａによって調整される。溶接プロセスによってワークピースＷ内に放散される熱の速さは電流パルスの２つの部分のパラメータの違いよって及びＣＯＵＮＴ１及びＣＯＵＮＴ２を構成する数によって決まる。これらのカウント数に達すると、パルス波ＰＷは溶接周期の２つのエネルギー部の間でシフトする。
【００２５】
前で述べたように、溶接作業には、低エネルギー部ＬＰ及び高エネルギー部ＨＰを有する溶接周期が伴う。これらの２つの部分が交番する周波数は、パルス１１０の比較的高い周波数に比べて低い。実際に、パルスの周波数の範囲は５０〜４００Ｈｚであるのに対して、パルス波ＰＷの高エネルギー部と低エネルギー部とが交番する周波数の範囲は１／４〜４０Ｈｚである。この概念の主たる特徴は、前記高周波数が前記低周波数よりも実質的に高い点である。例えば、高周波数が３００Ｈｚの範囲にある場合、低周波数は２０〜３０Ｈｚの範囲又は同様の比率であり得る。所望の低周波数を設定するために、低エネルギー部分ＬＰ及び高エネルギー部ＨＰのパルス１１０がカウントされる。パルス１１０の波形は、カウントを待つ次の他の部分にシフトする。各部分のカウント数は同じである必要はないが、一部の実施形態ではそれらのカウント数はかなり近いものであり得る。
【００２６】
波形のある部分から別の部分にシフトするために、図４に示すように制御ロジック９０が設けられている。波形整形器８０とそれに関連するセレクタ８２ａ、８４ａ及び制御ロジック９０は、後で詳細に解説するように高エネルギー部波形及び低エネルギー部波形の２つのパラレルなパルスサブルーチンを規定する波形ロジックを含む。例えば、各サブルーチンは、ランプアップ及びピーク（高電流）を規定する状態と、ランプダウンを規定する状態と、任意の負の成分を規定する状態と、各パルスの終わりに周期をリセットする状態とで構成されている。双方のサブルーチンは、特定のワイヤ送給速度でその動作を規定するためにデータテーブルを利用することができる。各リセットの間（各高速パルス周期の最後の状態）、ロジックはカウンタがリミットに到達したかを判断し、別のサブルーチンに切り替わる。カウンタがリミットに到達していない場合は、カウンタはカウントを行い次のパルスが動作する。ロジックは、例えば、溶接専用の状態ベースの論理ツリーであるリンカーン・エレクトリック社のWeld  Development論理プログラム等のソフトウェアプログラムで具現化され得る。他の状態ベースのプログラムと同様に、ロジックは状態チェック（conditional  check）が真になるまで（例えば、ピークタイマー＞＝２ミリ秒）、例えば３００アンペアで電流を出力する機能を実行する状態にあり、そしてロジックは次の状態に分岐する（状態チェックで規定される）。これらの状態変化は非常に素早く起こり、ルーチンを難解なプログラムとすることなく又はＰＣボードを変更することなく、比較的複雑なロジックをつなぎ合わせる。
【００２７】
図４では、ロジックの左側（１２０、１６８、１２４、１２６、１２８、１２９、１３０、１３２）が８２ａによって規定される。ロジックの右側（１６２、１４２、１５２、１５４、１５６、１５７、１５８、１６０）が８４ａによって規定される。カウンタは、（図１に示すように）ブロック８２ａ、８４ａを行き来する。ＣＯＵＮＴＣ１のためのカウンタ１２０は図３に示す低エネルギー部ＬＰの低熱パルスプロファイルを開始させるためにＮＯ線１２２を有し、それは形状セレクタ又はソフトウェア８４ａの動作によって通常制御される。低エネルギーパルスは、ステップ１２４に示すように時間ｔＲ１で終了する傾斜を有するランプアップ電流を有する。そして、ステップ１２６に示すように、時間ｔＰ１までピーク電流部Ｐ１が実施される。その後、ステップ１２８に示すように、時間ｔＳ１までスピード１で指数関数的減衰が起こる。そして、ステップ１２９に示すように、時間ｔＮ１まで負の電流Ｎ１が実施される。バックグラウンド電流Ｂ１は、ブロック又はステップ１３０に示すレベルで維持される。バックグラウンド電流のための時間はｔＢ１である。これの時間は、図３に示すように負の電流の終わりと次のランプアップの始まりとの間の時間である。この時間は、ランプダウン部１１０ｄの傾斜及び負の時間ｔＮ１によって制御される。定義によれば、ｔＢ1は、ｔＢ1＝ｔＰＥＲＩＯＤ−ｔＲ１−ｔＰ１−ｔＳ１−ｔＮ１、即ち、他の時間パラメータの後に残る時間である。前で述べたように、バックグラウンド電流は、図３に示す溶接プロセスの実施形態の全体を通して一定で維持される。低エネルギーパルス１１０の形成の最後に、線１３４内の信号が示すようにブロック又はステップ１３２でカウンタＣ１がインクリメントされる。図３に示すパルスプロファイルを表すためにブロック１２４、１２６、１２８、１２９、１３０及び１３２を特定の順番で示しているが、これらのブロックによって表される特徴はこの順番又は構成に限定されない。様々なパルスプロファイル及び溶接周期プロファイルを形成するために、これらの特徴の他の多くの組み合せを用いてもよい。例えば、ソフトウェア８４ａによって生成される低エネルギーパルス１１０が負の電流Ｎ１の前にバックグラウンド電流Ｂ１を用いるようにブロック１２９と１３０とを逆にしてもよい。
【００２８】
カウンタ１２０が設定数Ｎ１にインクリメントされていると、線１４０でロジック信号が受信されてＣ２カウンタをリセットし、図３に示す高エネルギー部ＨＰの高エネルギーパルスの処理が始まり、それは一般的には形状セレクタ又はソフトウェア８２ａの動作によって制御される。これは、線１５０によって表現され、ブロック又はステップ１５２、１５４及び１５６を連続して作動させて、高エネルギー部分ＨＰの高エネルギーパルスのランプアップ、ピーク電流及びランプダウンを生成する。その後、ステップ１５８に示すようにバックグラウンド電流が維持される。高エネルギーパルスの間の負の電流Ｎ２のための任意のブロック１５７を図４に破線で示す。図３に示すパルス波ＰＷには含まれていないが、後で説明する代替的な実施形態では高エネルギーパルスに負の電流部分が含められている。パルス１１０を構成する波形の様々な部分間のシフトを決定するのに実際には有効期限（expiration  time）が用いられる。バックグラウンドＢ１と等しいバックグランドＢ２は次の周期の開始時に終了し、時間ｔＢ２を有する。ブロック又はステップ１６０は、線１６０ａ内のロジックによりＣ２カウンタをインクリメントする。高エネルギー部ＨＰのカウント数が数Ｎ２にまだ到達していない場合は、線１６４が次の高エネルギーパルスを再形成する。数Ｎ２に到達してカウンタ１６２がカウントアウトされると、線１６６内のロジック信号が出力１７０を有するリセットステップ１６８を作動させて、パルス波の次の低エネルギー部ＬＰの第１のパルスを始動させる。図３に示すパルスプロファイルを表すために、ブロック１５２、１５４、１５６、１５７、１５８及び１６０を特定の順番で示しているが、これらのブロックによって表される特徴はこの順番又は構成に限定されない。様々なパルス及び溶接周期プロファイルを形成するためにこれらの特徴の多くの他の組み合せを用いてもよい。例えば、ソフトウェア８２ａによって生成される低エネルギーパルス１１０が任意の負の電流Ｎ２の前にバックグラウンド電流Ｂ２を用いるようにブロック１５７と１５８とを逆にしてもよい。
【００２９】
図４のロジックを用いることで、パルス１１０は、先ず低エネルギーパルス（低エネルギー部ＬＰを構成）に、その後に高エネルギーパルス（高エネルギー部ＨＰを構成する）になって溶接周期を完了する。前述のように、エネルギーレベルを交番する周波数は、個々のパルス１１０の高周波数に比べて低い。この高周波パルス波に低周波動作を重ねることで、上記の利点がもたらされる。後で詳細に解説するように、溶接周期の高エネルギー部と低エネルギー部との間で同様にエネルギーの差をもたらすためにパルス波ＰＷの変調（図１の変調器１００参照）を用いてもよい。
【００３０】
次に図５を参照して、補助制御ロジック１９０が図示されており、溶接プロセスの（ワークピースＷ内に放散される）熱は溶接の開始時に高く、溶接の間に漸進的に小さくなる。例えば、これはアルミニウム又はアルミニウム合金の溶接を始めるときに有利になり得る。熱が漸減することで、溶接の最後に溶融が生じるのが防止される。この目的のために様々な制御ロジックを用いることができるが、実際面ではブロック又はステップ１９２で溶接開始シーケンス（start  welding  sequence）を示す。図４をさらに参照して、このステップでは溶接の開始時にカウンタ１２０をより高い数にリセットし、カウンタ１６２を低い数にリセットする。その結果、溶接プロセスの終わりに、最後の数周期の間の全入熱が比較的小さくなって（とりわけアルミニウムを溶接する場合に）溶け落ちが防止される。ステップ１９２からの線１９２ａは、カウントインクリメントブロック又はステップ１９４を作動させる。エネルギー部の１つの完了の際に、線１４０上のロジックが示すようにブロック又はステップ１９４は、ブロック又はステップ１９６が示すようにカウント数Ｎ１をデクリメントさせる。それと同時に、ブロック１９８で示すようにカウント数Ｎ２がインクリメントする。他の実施形態ではブロック１９６を含まずにブロック１９８を含む。さらに他の実施形態では、ブロック１９８を含まずにブロック１９６を含む。さらに他の実施形態では、溶接の前半にブロック１９６のみを含み、次いで溶接の後半にブロック１９８のみを有する。これは、ブロック２００によって示される設定シーケンス（set  sequence）のために行われる。係るシーケンスは溶接の最後か又は溶接プロセスの間の特定の時間若しくは周期のカウントであり得る。実際面では、溶接プロセスの最後に設定される。シーケンスが完了しない場合は、ステップ２０２で線２０２ａ内の信号に溶接周期の熱の増加を続けさせる。シーケンスが完了している場合は、ステップ２００で、線２０４内の信号がサブルーチンを終了させる信号を生成する。図５は、溶接プロセスの開始時の高い値から、溶接プロセスの進展に伴って低い値に熱を下げるために用いられるサブルーチンの典型例にすぎない。これは溶接周期の終わりに不要な溶け込みを防止する。図１と同様に、図４及び図５は、本考案を実施するのに用いられるデジタル処理ソフトウェアを開示するために本考案を図の形式で示したものである。
【００３１】
本考案のさらな変形例を図６に示す。この例では、波形整形器２１０によって「相乗的（synergistic）」制御動作が実施される。この実施形態によって形成されるパルスは、図３に示すパルスと同じであり得るが、他の波形又は周期も生成し得る。前で述べたように、周期のパルスは高エネルギー部ＨＰと低エネルギー部ＬＰとの間で交番する。この波形を得るために前で説明した回路を概略的にブロック２１２として表す。２１２は参照テーブルを含み、高変調／低変調が高ＷＦＳパラメータセットと低ＷＦＳパラメータセットの間を行き来する。いずれかのパラメータセットは、生成される熱の量及びワークピースＷ内に放散される熱の量を制御するために負の成分を有し得る。一部の実施形態では、高エネルギー部ＨＰと低エネルギー部ＬＰとの間で熱の差を大きくするために、負の成分が低エネルギー部ＬＰにしか含まれない場合がある。他の実施形態では、低エネルギー部ＬＰに含まれる負の成分が高エネルギー部ＨＰに含まれるものよりも大きい。
【００３２】
図６に示すように、溶接機Ａは図１との関係で説明した構成要素を有し、線４４上のＷＦＳ信号のレベルに従って溶接作業にワイヤＥが供給されるようにワイヤ送給装置３０を含む。図６には、図１Ａに示す例示のモーターコントローラ３１が含まれているが、任意の他の好適なモーターコントローラを用いてもよい。図１に関連して前で説明した制御に加えて、波形整形器２１０は、高エネルギー部ＨＰが処理されているときは線４４上の信号が高レベルになり、低エネルギー部ＬＰが処理されているときには低レベルになるように係る信号を制御する。高エネルギー部分ＨＰ及び低エネルギー部ＬＰが組み合わされて、繰り返しの低周波溶接周期が生成される。その結果、図６に示す変形例は単に、図１〜図４に示す溶接機Ａによって処理されるエネルギーレベルを追尾する電圧レベルを線４４に出力すること前で説明した実施形態に加える。このように、高エネルギー部ＨＰ及び低エネルギー部ＬＰと、電極Ｅのワイヤ送給速度ＷＦＳとの間に相乗効果がある。
【００３３】
図６は本考案で用いられ得るさらなる変形例も示す。オペレータ又はロボットによってアーク長が長くされることによって熱が変わる。アーク長の変動を補償するために、溶接機Ａは制御システムＳを備え、線５４ａ上の電圧はアーク長を表す。この測定は、電流が通常一定で且つ変調されないパルス１１０の部分で行わなければならない。そのような部分の一例が所望のレベルで維持されるピーク電流（ＩＰＥＡＫ）又はバックグラウンド電流（ＩＢＡＣＫ）の間である。そのため、識別ブロック２２０は、ピーク電流時間又はバックグラウンド電流時間の間にだけ線５４ａ上の電圧を測定する。線５４ａ上の信号は、線２２０で示すようにパルス１１０の他の時間では放置される。そのため、線２２４上で測定された電圧は、アーク長の変化に従って変化する一定のピーク電流電圧である。アーク長が長くなると電圧が増加する。アーク長を表すこの信号は、線２２４によって誤差増幅器２３０に向けて送られ、該信号が線２２６上のアーク長設定値信号と比較される。線２３２における増幅器２３０の出力は、アーク長の設定値からの差異である。アーク長が短すぎる場合は熱が増加される。その結果、相乗的波形整形器２１０は、例えば図３のパルス波ＰＷのパラメータを変更するために線２３２上の値を測定するサブルーチンを有する。例えば、熱が高すぎる場合には、波形整形器２１０は、パルス波ＰＷの高エネルギー部ＨＰ及び低エネルギー部ＬＰの一方又は双方における熱を減らすことにより対応できる。例えば、波形整形器２１０は、高エネルギー部ＨＰのパルスの特性を変更することによって高エネルギー部ＨＰのパルスのサイズを小さくすることができる。例えば、これらの変更は、負極性電流を加えることを含む、図４のブロック１５２、１５４、１５６、１５７、１５８及び１６０に示すパルスの特徴の任意の組み合せを変更することを含み得る。負極性電流を加えることで熱が減少する。同様に、高エネルギー部ＨＰにおける変化に加えて又はその代わりに、低エネルギー部ＬＰの特徴を変更してもよい。
【００３４】
同様に、線２２４上の低電圧によって決まるように熱が低すぎる場合、高エネルギー部ＨＰのパルス１１０のサイズが大きくされる。前で述べたように、低エネルギー部ＬＰ又は高エネルギー部ＨＰのいずれかの熱を増やすか又は減らすことは、例えば、ランプアップ及びランプダウンの傾斜の調整、負の時間又は負の電流成分を追加又は削除することを含むこと等の前述の特徴の任意の組み合せを用いて得ることがでる。当然ながら、アーク長の変動を補償及び訂正するために、線２３２上の電圧のレベルを用いてパルス波の高エネルギー部のカウント数を変更して加熱を変更することもできる。要約すると、システムＳはアーク長を測定し、アーク長の変動を補償するために溶接プロセスの熱を変化させる。これらの調整と併せて、相乗的波形整形器２１０は線４４に信号を出力してワイヤの送給速度を溶接プロセスにおいて生成される熱と関連付ける。波形整形器は線２１０ａのコマンド信号も制御する。溶接機Ａの様々な補正動作及び制御機能を適合するために、波形整形器に他の相乗的な変更を加えることができる。アーク長制御システムＳは、図１及び図３に示す相乗プログラムで又はパルスの制御に用いられ得る。
【００３５】
本考案で用いられる概念を利用する他の実施形態を図７、図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃに示す。図３及び図４に関連して説明した実施形態とは対照的に、ピーク電流、ピーク時間及びバックグラウンド電流を含む様々なパラメータが、ある作業ポイント（workpoint）と別の作業ポイントとで異なり得る。これらの実施形態では、図７に示すように、相乗的波形整形器２５０が用いられ、線２５０ａによって表される入力信号の値に従って、参照テーブル２５２からの作業ポイントを処理する。図７Ａは、例示の作業ポイントのサブセットと、それらに関連する例示のパラメータを示す。それらは、参照図面に示すパラメータの値に対応しないことがある。線２５０ａ上の信号のレベルによって表される作業ポイントは、参照テーブル２５２に従って出力される。選択された作業ポイントのためのパルスの特徴及びワイヤ送給速度は、パルスの形状を制御するためにコントローラ２５６によって、ワイヤ送給速度はコントローラ２５８によって用いられる。例えば、図３に示すパルスの形状は、線２１０ａ上の信号により波形整形器又はコントローラ２５６により実施され得る。コントローラ２５８の指示により線４４上のＷＦＳ信号が電源信号２１０ａと連携される。波形整形器２５０は、参照テーブル２５２の作業ポイントによって決定される波形及びワイヤ送給速度を生成する。溶接機のための通常の作業ポイントは、入力線２５０ａによる出力線２５０ｂ、２５０ｃ及び波形整形器２５０との通信のためのセレクタ２５４から出力される。
【００３６】
例えば、一実施形態では、作業ポイントは、図７Ｂのパルス２６０によって示される形状を有する予め選択された一連の高エネルギーパルスのために、参照テーブル２５２からの線２１０ａ上に出力を生成し得る。それと同時に、参照テーブル２５２からの線４４上の出力は、図７Ｃに示すようにレベル２６２を有するＷＦＳ信号を生成する。高周波パルス２６０及びワイヤ送給速度ＷＦＳが共に制御される。本実施形態によれば、溶接周期の高エネルギー部ＨＰ及び低エネルギー部ＬＰを生成するために、テーブル２５２からの作業ポイントが各溶接周期の間に漸進的に変更される。これらの高エネルギー部ＨＰ及び低エネルギー部ＬＰを交番することで溶接プロセスに低周波成分が生成される。
【００３７】
図示の実施形態では、変調器２７０は、乗算器２７０ｂによってセレクタ２５４からの設定又は通常の作業ポイントで乗算される交番出力線（alternating  output  line）２７０ａを有する。そのため、線２５０ａ上の電圧のレベルは変調器２７０の出力に従って変調される。この変調器は、例えばセレクタブロック２７２で正弦波を、セレクタブロック２７４で矩形波を又はセレクタブロック２７６でのこぎり波を選択するといったように繰り返し曲線を選択する。図示の実施形態では、通常範囲が１／４〜４０Ｈｚの低周波数で、ある作業ポイントから別の作業ポイントにシフトする溶接周期を溶接プロセスが有するように、ブロック２７４の矩形波が選択される。再び図７Ｂ及び図７Ｃを参照して、溶接周期の低エネルギー部ＬＰはパルス２８０及び低ＷＦＳレベル２８２を含む。図７Ｂに示すように、パルス２８０は例示の負極性成分を含む。ある作業ポイントから次に選択された作業ポイントにシフトし、このプロセスを繰り返すことで、パルス２６０によってもたらされる高熱が、パルス２８０によってもたらされる低熱に低周波数で交代される。それと同時に、波形整形器は、同じ低周波数で線４４上の電圧レベルを高レベル２６２と低レベル２８２との間でシフトさせる。図示の実施形態では、曲線又はブロック２７４からの変調は、高エネルギー部ＨＰよりも長い低エネルギー部ＬＰを有する。それに加えて、パルスは異なる周波数を有し、バックグラウンド電流は異なるレベルを有する。ワイヤ送給速度を高エネルギー部ＨＰ及び低エネルギー部ＬＰと連携させる場合、等間隔の電流パルスの制限が当てはまらないか又は必要ではない。これはパルスが同じ周波数及びバックグラウンド電流を有する図３に示す実施形態とは対照的である。高エネルギー部ＨＰと低エネルギー部ＬＰとを交番させるために形状の変更及び変調の一方又は双方を用いることができる。図７、図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃに示す本考案の実施形態を用いて、繰り返しの溶接周期をワイヤ送給速度ＷＦＳに連係させて、アークを通じてワークピースＷに送られる熱に大幅な変化をもたらすという本考案の広い態様を説明した。それに加えて、例えば図６に示すアーク長フィードバックシステムＳは、この例示の溶接プロセスで実施することができる。
【００３８】
他の実施形態では、高エネルギー及び低エネルギー制御をワイヤ送給速度制御と組み合わせる相乗的プロセスを図８に示す。高エネルギー部ＨＰと低エネルギー部ＬＰとの間のシフトは図４の制御ロジック９０を用いた計数を用いても得られるが、ここではタイミング動作により得られる。相乗的プロセスのためのタイミングコンセプトは、ステップ又はブロック３００による高作業ポイントの開始を有する制御ロジック９０’を伴う。溶接周期の開始時にこのステップ又はブロックが実施される。先ず制御ロジック９０’は高作業ポイントについて相乗的参照テーブルに問い合わせを行う。ステップ３０２、３０４で示すように、この高作業ポイントが選択されて、図７の電源コントローラ２５６からの線２１０ａ上に形状コントロール信号が形成される。その後、線４４上にワイヤ送給速度コントローラ２５８から高ワイヤ送給速度ＷＦＳ信号が出力される。次いで、ステップ３０６では、タイマー３０８がインクリメントされて所望の時間に設定される。この所望の時間は、図６に示す制御システムＳからの線２３２におけるアーク長誤差信号に従って調整できる。タイマー３０８がタイムアウトしていない場合は、線３１０が示すように高エネルギー電流パルス及び高ワイヤ送給速度ＷＦＳが継続される。最終的に、タイマー３０８がタイムアウトになると、線３１２内の信号によってステップ３２０が作動されて、参照テーブル２５２から低作業ポイントが選択される。これは、先ずステップ３２２で示す低エネルギーパルスを実施し、その後にステップ３２４で示すようにワイヤ送給装置のための低ワイヤ送給速度ＷＳＦを実施する。その後、ステップ３２６では、セットされたタイマー３２８がインクリメントされ、タイマーが失効（expired）しているかどうかを判断する。失効していない場合は、線３３０が示すように低エネルギー及び低ワイヤ送給速度ＷＦＳの周期が継続される。タイマー３２８がタイムアウトすると、線３２８ａ上の信号によってステップ又はブロック３３２が作動され、高エネルギー及び高ワイヤ送給速度ＷＦＳが繰り返される。制御ロジック９０’を用いることで、高送給速度及び低送給速度が、低周波数で高エネルギー及び低エネルギーと連携される。このタイミング機能は、図４の計数機能の代替として用いることができる。
【００３９】
繰り返しの曲線係数又は関数（curvilinear  factor  or  function）による低周波数での高周波パルスの変調は、図３に示す単なる高エネルギー状態及び低エネルギー状態を代替するものである。この変調法を図９に示す。変調器１００は、例えば図１に示す曲線１０２、１０４若しくは１０６又は図７に示す曲線２７２、２７４若しくは２７６等の選択された曲線によって駆動される。変調図（modulation  diagram）４００は、選択された低周波波形を変調器１００で変調波形整形器４０２から出力される所望のパルス構成に変換する。例示の実施形態では、パルス１１０の様々な特徴がネットワーク４１０、４１２、４１４、４１６、４１８、４２０、４２２及び４２４によって具体的に処理される。これらのネットワークのそれぞれは、乗算器４３０、４３２及び加算接合器（summing  junction）４３４を含む。個々のネットワーク４１０、４１２、４１４、４１６、４１８、４２０、４２２及び４２４によって処理されているパルスの特定の特徴がレジスタ４３６にロードされる。個々のネットワークは、乗算器４３０の一つの入力として利得（ウェート）入力４４０、４４２、４４４、４４６、４４８、４５０、４５２及び４５４を有する。他の入力はそれぞれ線１００ａ〜１００ｈである。線４４０、４４２、４４４、４４６、４４８、４５０、４５２及び４５４上の電圧レベル又はデジタル数は、選択されたパルスの特徴に特定の変化を生じさせるウェートである。ネットワーク４１０はレジスタ４３６にロードされたピーク電流を有する。これは、図３に示すパルス１１０の部分１１０ｂであり得る。ネットワーク４１２にロードされたピーク時間は時間１１０ｃであり得る。ネットワーク４１４のレジスタ４３６にロードされたバックグラウンド電流は電流レベル１１０ｅであり得る。ネットワーク４１６のレジスタ４３６にロードされたバックグラウンド時間はランプダウン１１０ｄ又は負の電流時間１１０ｈの終わりからランプアップ１１０ａの始まりまでの時間であり得る。ランプアップ時間はパルスの始まりからピーク電流までの時間であり得る。これはネットワーク４１８によって処理される。ネットワーク４２０は、このネットワークのレジスタ４３６にロードされたランプダウン時間を処理する。ネットワーク４２２はレジスタ４３６にロードされた負の電流を有する。ネットワーク４２４にロードされた負の電流時間は時間１１０ｈであり得る。図９に図示のネットワークは本質的に典型的なものである。実際に、変調のコンセプトの他の実施を、別のパルスパラメータと共に別の組み合せで用いることができる。図３に示すように、パルス１１０は高エネルギーパルスとして又は低エネルギーパルスとして処理され得る。これは例示の実施である。しかしながら、これらのパルスは図９に示す変調図４００により変調することもできる。
【００４０】
図１０を参照して、図４００の例示の実施を示す。この図では、等間隔の高周波パルス５００が変調バックグラウンド電流５０２と組み合わされている。これは、高エネルギー部５０４の低エネルギー部５０６への代替を生じさせる。これらの部分は、変調器１００によって選択された正弦波構成に従って波状になっている。それに加えて、パルス波ＰＷは、特定の時間に負極性成分５０８になる電流の谷を含む。正弦波入力を用いることで、各ネットワーク４１０、４１２、４１４、４１６、４１８、４２０、４２２及び４２４における乗算器４３０の入力への線１００ａ〜１００ｈの全てで正弦波が現れる。図１０に示す波形を得るために、ウェート線又は利得線である線４４０、４４２、４４４、４４６、４４８、４５０、４５２及び４５４の全ての入力は、線４４４及び４５２を除いてゼロである。この入力の値は非ゼロ値である。そのため、バックグラウンド電流及び負の電流は、入力線１００ｃ及び１００ｇ上の正弦波をたどる。パルス機能の残りは固定され、変更されない。ピーク電流、ピーク時間、バックグラウンド時間、負の時間、ランプアップ時間及びランプダウン時間は全てのパルスで同じである。そのため、バックグラウンド電流及び負の電流を変調するだけで高エネルギー部５０４及び低エネルギー部５０６を得ることができる。
【００４１】
次に図１１を参照して、別の実施形態では、バックグラウンド電流は同じままである。従って、入力１４４上の利得信号はゼロである。この特定のグラフでは、各パルスは負極性成分を含み、線１００ｂの正弦波関数に従ってピーク時間が変更される。ネットワーク４１０、４１２、４１４、４１６、４１８、４２０、４２２及び４２４の乗算器４３０への入力の全ては入力４２２を除いてゼロである。これは、図１１に示すような起伏のある変調波形を生成する。次に図１２の実施形態に移って、初期乗算器（initial  multiplier）４３０への入力は、入力４４０、入力４４４及び入力４５４を除いてゼロである。ピーク電流、バックグラウンド電流及び負の時間がそれぞれ変調される。この実施形態では、各パルスは負極性成分を含む。
【００４２】
一般に、変調を調整するには、入力線４４０、４４２、４４４、４４６、４４８、４５０、４５２及び／又は４５４上の電圧又は数の大きさを変更する。図９の図４００を用いることで、図３のパルス波ＰＷが変調されて高エネルギー部及び低エネルギー部が形成され得る。変調は、パルスの他の成分及び特徴を変調させる。図３では、例えばパルスの周波数は一定である。線１００ｅ上の信号に従ってネットワーク４８のランプアップ時間が変調された場合、周波数が変化し得る。パルスの時間が変動し得る。一定の周波数を維持するために、例えば入力線４４８の変調を線４５０の変調と連携させることができる。例示の実施形態では、これらの信号のうちの１つが正であり、他のものが負である。このように、ランプアップ時間を増やす一方でランプダウン時間を減らすことによりパルス期間は変化しない。変調図４００によりパルス１１０を変調するための様々な技法を実施できる。
【００４３】
例示の変調法の詳細は、低周波数で交番によって変調されるか又は選択した曲線によって波状にされた高周波パルス波の概念に限定されることを意図していない。変調図４００は、レジスタ４３６の例示のパルス特徴の任意の組み合せを用いて様々なパルス波の生成が可能である。例えば、他の例示のパルス波を図１３〜図１６に示し、それらは様々な変調法によって生成され得る様々な非包括的（non-exhaustive）パルス波を示す。図１０〜図１６に示すパルス波は、パルス５００、バックグラウンド電流５０２、高エネルギー部５０４、低エネルギー部５０６及び負極性成分５０８を含む。
【００４４】
図１０〜図１６の実施形態に示すように、平均電流は変調の間何ら変調されていないため変化しない。これらの実施形態では、変調によって１つの周期の電流に加算／減算が行われるだけであるため、平均電流が維持される。また、周波数が一定の場合（即ち、パルス期間が変調されない）パルスの高周波数は変調のために用いられる低周波数の整数倍である。
【００４５】
図１７に、本考案の概念のさらなる実施形態を示す。システム６００は、図１に関連して説明したように誤差増幅器６８を通じて溶接プロセスの出力形状を制御するために線７０上の電流コマンド信号７０を制御する。システム６００は、図１の波形整形器８０と共に用いられる形状セレクタ又はソフトウェア８２ａ、８４ａに概して対応する２つの波形形成デジタル処理部６０２、６０４を有する。波形Ａは、波形整形部６０２の出力６０２ａがコマンド入力線７０に向けて送られた場合に処理される。同様に、波形Ｂは、波形整形部６０４の出力線６０４ａがコマンド信号線７０に接続されている場合に溶接プロセスを制御するのに用いられる。図４に示すように、波形整形部６０２のパルスがカウンタ６１０によってカウントされ、波形整形部６０４から出力されるパルスがカウンタ６１２によりカウントされる。これらのカウントは、線６１４により、入力装置６２２によって設定されたカウントＡ及びＢを有するスイッチ制御６２０に通信される。スイッチ制御６２０は、装置６２２によって設定されたカウント数Ａ及びＢに従って、出力線６０２ａ、６０４ａの間で電気スイッチ６３０をシフトさせる。これらのカウント数は概して図４のカウントＮ１、Ｎ２に対応し得る。場合によっては、システム６００は図４の制御ロジック９０によって行われたように個々のパルスをカウントするのではなく、波形Ａ又は波形Ｂの全溶接周期をカウントするように変調され得る。その結果、スイッチ制御６２０は、装置６２２から入力された予め選択されたカウント数に従って、あるプロセスから別のプロセスにシフトする。この様に、例えば、システム６００は、線６０２ａが溶接制御線の場合に高エネルギープロセスを処理し、制御線が線６０４ａの場合に低エネルギープロセスを処理できる。これは単に、予め選択された変調に従って全溶接プロセスにおける高エネルギーと低エネルギーとの間でシフトすることの別のバーションである。この実施形態では、変調は波形Ａ及びＢのそれぞれからのパルス周期のいずれかのカウント数によるものである。
【００４６】
さらなる実施形態は、ワークピースＷと該ワークピースＷの方に進む溶接ワイヤＥとの間の間隙ｇを通して高周波電流パルス１０を形成するための手段と、高周波電流パルスを整形するための手段８０と、高周波電流パルス１１０の極性を変更するための手段とを含み、高周波パルスのうちの少なくとも１つが負極性電流を含む、電気アーク溶接機Ａを提供する。
【００４７】
本考案をその実施形態の説明により例示し、係る実施形態を少し詳しく説明してきたが、そのような詳細に添付の請求項の範囲を制限するか又は限定することを出願人は意図していない。当業者であればさらなる利点及び変更が容易に分かる。従って、本考案はその広範な面で特定の詳細、例示の装置及び方法並び図示説明した例に限定されない。従って、出願人の一般的発明概念の精神又は範囲から逸脱することなく、そのような詳細から逸脱があり得る。
【符号の説明】
【００４８】
０  ロジック
１  ロジック
１０  電源
１１  ＤＣリンク
１２  入力整流器
１４  出力トランス
１４ａ  トランス
１５ａ  第１の巻線
１５ｂ  第２の巻線
１６  極性スイッチ
１７  センタータップ
２０  アルミニウムワイヤ
２２  スプール／ドラム
２４  出力線
２６  出力線
２８  正の整流回路
２８ａ  整流回路
３０  送給装置
３１  モーターコントローラ
３２  モーター
３４  パルス幅変調器
３６  タコメータ
３８  正の出力端子
４０  演算増幅器
４２  比較入力
４４  線
４６  負の出力端子
４８  出力スイッチング回路網
４８ａ  スイッチング回路網
５２  センサ
５２ａ  線
５４  センサ
５４ａ  線
５５  基線
５６  基線
５７  スナバネットワーク
５８  スナバネットワーク
６０  コントローラ
６２  パルス幅変調器
６４  発振器
６６  線
６８  誤差増幅器
７０  線
７２  出力インダクタ
７４  正のパルス部
７６  負のパルス部
８０  波形発生器
８２  線
８２ａ  ソフトウェア／セレクタ
８４  線
８４ａ  ソフトウェア／セレクタ
９０  制御ロジック
９０’  制御ロジック
９１  パルス発生器
９２  出力／線
９３  フリップフロップ
９４  スイッチング回路網
９５  非同時端子
９６  非同時端子
９７  セット端子
９８  リセット端子
９９ａ  線
９９ｂ  インバータ
１００  変調器
１００ａ〜１００ｈ  線
１０２  セレクタブロック／曲線
１０４  セレクタブロック／曲線
１０６  セレクタブロック／曲線
１０８  線
１１０  パルス
１１０ａ  ランプアップ部
１１０ｂ  ピーク電流
１１０ｃ  ピーク時間部
１１０ｄ  ランプダウン部
１１０ｅ  バックグラウンド電流
１１０ｆ  期間
１１０ｇ  ピーク時間
１１０ｈ  負極性部時間
１１１  アーク
１１２  溶融溜まり
１１３  溶滴
１１５  アーク
１１６  溶融溜まり
１１７  溶滴
１２０  左側ロジック／カウンタ
１２２  ＮＯ線
１２４  左側ロジック／ステップ
１２６  左側ロジック／ステップ
１２８  左側ロジック
１２９  左側ロジック／ステップ
１３０  左側ロジック／ステップ
１３２  左側ロジック
１３４  線
１４０  線
１４２  右側ロジック
１５０  線
１５２  右側ロジック／ステップ
１５４  右側ロジック／ステップ
１５６  右側ロジック／ステップ
１５７  右側ロジック
１５８  右側ロジック／ステップ
１６０  右側ロジック／ステップ
１６０ａ  線
１６２  右側ロジック／カウンタ
１６４  線
１６６  線
１６８  左側ロジック／リセットステップ
１７０  出力
１９０  中央ロジック
１９２  ブロック／ステップ
１９２ａ  線
１９４  ステップ
１９６  ブロック／ステップ
１９８  ブロック
２００  ブロック
２０２  ステップ
２０２ａ  線
２０４  線
２１０  波形整形器
２１０ａ  線
２１２  ブロック
２２０  識別ブロック／線
２２４  線
ウェート  線
２３０  誤差増幅器
２３２  線
２５０  波形整形器
２５０ａ  入力線
２５０ｂ  出力線
２５０ｃ  出力線
２５２  参照テーブル
２５４  セレクタ
２５６  コントローラ
２５８  コントローラ
２６０  パルス
２６２  レベル
２７０  変調器
２７０ａ  交番出力線
２７０ｂ  乗算器
２７２  セレクタブロック／曲線
２７４  セレクタブロック／曲線
２７６  セレクタブロック／曲線
２８０  パルス
２８２  低ＷＦＳレベル
３００  ブロック／ステップ
３０４  ステップ
３０６  ステップ
３０８  タイマー
３１０  線
３１２  線
３２０  ステップ
３２２  ステップ
３２４  ステップ
３２６  ステップ
３２８  タイマー
３２８ａ  線
３３０  線
３３２  ブロック／ステップ
４００  変調図
４０２  波形整形器
４１０  ネットワーク
４１２  ネットワーク
４１４  ネットワーク
４１６  ネットワーク
４１８  ネットワーク
４２０  ネットワーク
４２２  ネットワーク
４２４  ネットワーク
４３０  乗算器
４３２  乗算器
４３４  加算接合器
４３６  レジスタ
４４０  ウェート入力／線
４４２  荷重入力／線
４４４  ウェート入力／線
４４６  ウェート入力／線
４４８  ウェート入力／線
４５０  ウェート入力／線
４５２  ウェート入力／線
４５４  ウェート入力／線
５００  高周波パルス
５０２  バックグラウンド電流
５０４  高エネルギー部
５０６  低エネルギー部
５０８  負極性成分
６００  システム
６０２  処理部
６０２ａ  出力
６０４  処理部
６０４ａ  出力線
６１０  カウンタ
６１２  カウンタ
６１４  線
６２０  スイッチ制御
６２２  入力装置
６３０  電気スイッチ
Ａ  溶接機
Ｂ  波形
Ｂ１  電流
Ｂ２  バックグラウンド
Ｃ２  カウンタ
ＣＯＵＮＴ１  パルス
ＣＯＵＮＴ２  パルス
Ｄ１  ダイオード
Ｄ２  ダイオード
Ｄ３  ダイオード
Ｄ４  ダイオード
Ｅ  電極
ＨＰ  高エネルギー部
Ｉａ  アーク電流
Ｌ１〜Ｌ３  三相電源
ＬＰ  低エネルギー部
Ｎ１  負の電流
Ｎ２  数
Ｐ１  ピーク電流部
ＰＷ  パルス波
Ｓ  制御システム
ＳＷ１  スイッチ
ＳＷ２  スイッチ
ＳＷ３  スイッチ
ＳＷ４  スイッチ
ｔＢ１  時間
ｔＢ２  時間
ｔＮ１  時間
ｔＳ１  時間
Ｖａ  アーク電圧
Ｗ  ワークピース
【図１】
0003202907.tif 000003
【図１Ａ】
0003202907.tif 000004
【図２Ａ】
0003202907.tif 000005
【図２Ｂ】
0003202907.tif 000006
【図２Ｃ】
0003202907.tif 000007
【図２Ｄ】
0003202907.tif 000008
【図３】
0003202907.tif 000009
【図３Ａ】
0003202907.tif 000010
【図４】
0003202907.tif 000011
【図５】
0003202907.tif 000012
【図６】
0003202907.tif 000013
【図７】
0003202907.tif 000014
【図７Ａ】
0003202907.tif 000015
【図７Ｂ】
0003202907.tif 000016
【図７Ｃ】
0003202907.tif 000017
【図８】
0003202907.tif 000018
【図９】
0003202907.tif 000019
【図１０】
0003202907.tif 000020
【図１１】
0003202907.tif 000021
【図１２】
0003202907.tif 000022
【図１３】
0003202907.tif 000023
【図１４】
0003202907.tif 000024
【図１５】
0003202907.tif 000025
【図１６】
0003202907.tif 000026
【図１７】
0003202907.tif 000027