(57)【要約】      （修正有）【課題】電気アーク溶接において、迅速にショートを排除するとともに、スパッタの発生を防止できる溶接装置を提供する。【解決手段】溶接波形を電極とワークピースとに提供して溶接する、溶接電力コンバータと、電極とワークピースとの間の短絡事象を検出する短絡検出回路と、短絡事象の検出の後、ＤＣ棒マイナス波形の電流の極性を負から正に変えるＡＣモジュールと、を備え、電流が正に変わった後、溶接電力コンバータはショート除去電流を出力して短絡事象を除去し、短絡事情が除去された後、ＡＣ溶接モジュールは電流の極性を正から負に変え、短絡事象の検出がなければ、電流はＤＣ棒マイナス溶接波形として維持される。【選択図】図１
0003204946.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
複数の電流ピーク部分とバックグラウンド部分とを有するＤＣ棒マイナス溶接波形である電流を出力する溶接電力コンバータであって、電流ピーク部分の各々のピーク電流は前記バックグラウンド部分の最も高い電流レベルより大きく、前記溶接電力コンバータは前記の溶接波形を電極と少なくとも１つのワークピースとに提供して前記少なくとも１つのワークピースを溶接する、溶接電力コンバータと、
前記電極と前記ワークピースとの間の短絡事象を検出する短絡検出回路と、
前記短絡事象の検出の後、前記ＤＣ棒マイナス波形の前記電流の極性を負から正に変えるＡＣ溶接モジュールと、
を備え、
前記電流が正に変わった後、前記溶接電力コンバータはショート除去電流を出力して前記短絡事象を除去し、前記短絡事象が除去された後、前記ＡＣ溶接モジュールは前記電流の極性を正から負に変え、
前記短絡事象の検出がなければ、前記電流はＤＣ棒マイナス溶接波形として維持される、
溶接装置。
【請求項２】
前記溶接波形はパルス型の溶接波形であり、前記電流ピーク部分の各々は前記のパルスのピークである、請求項１に記載の溶接装置。
【請求項３】
前記短絡事象の検出は、前記電極と前記少なくとも１つのワークピースとの間に短絡状態が作り出される前である、請求項１又は２に記載の溶接装置。
【請求項４】
前記短絡事象の検出は、前記電極と前記少なくとも１つのワークピースとの間に短絡状態が作り出された後である、請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の溶接装置。
【請求項５】
前記短絡事象が前記正の極性において除去された後、前記溶接電力コンバータは、前記極性が正から負に変えられる前に、ブーストパルスの電流を出力し、かつ／あるいは
前記短絡事象が前記正の極性において除去された後、前記極性が正から負に変えられる前に、前記溶接電力コンバータはアーク安定化電流を出力し、前記アーク安定化電流は、０．５乃至５ｍｓの範囲の期間について、維持される、
請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の溶接装置。
【請求項６】
アーク安定化電流の大きさが、前記バックグラウンド部分の前記最も高い電流レベルの大きさと同一であり、ただし正の極性であり、かつ／あるいは
前記アーク安定化電流の大きさが、前記バックグラウンド部分の前記最も高い電流レベルの大きさの８５乃至１２０％の範囲内であり、ただし正の極性である、
請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の溶接装置。
【請求項７】
前記短絡検出回路は、検出されたｄｊ／ｄｔ比率と、該検出されたｄｊ／ｄｔ比率と所定のｄｊ／ｄｔ閾値とにおける比較とを使用して、前記短絡事象を検出し、かつ／あるいは
前記の検出された短絡事象は、前記電極と前記少なくとも１つのワークピースとの間に短絡状態が存在する前であり、前記ＡＣ溶接モジュールは、前記短絡状態が存在する前に正の極性に切り替え、前記正の極性に切り替わった後、前記溶接電力コンバータは、低い電流レベルを出力して前記電極と前記少なくとも１つのワークピースとの間の接触を始動させ、前記接触の後、前記溶接電力コンバータは前記ショート除去電流を出力する、
請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の溶接装置。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、請求項１に記載の溶接装置に関する。本考案と調和するデバイス、システム及び方法が溶接に関し、より詳細には、溶接し、かつ短絡を除去するデバイス、システム及び方法に関する。
【０００２】
本考案は全体として、米国特許第６２１５１００号及び第７３０４２６９号の各々に記載された一般的タイプの溶接システムにおけるスパッタ及び入熱の改善に関し、上記米国特許の開示全体がそのまま本明細書において参照により援用される。
【背景技術】
【０００３】
電気アーク溶接において、棒マイナス状態における溶接は溶接動作の間、より少ない全体入熱をもたらし得ることが一般に知られている。例えば、ＧＭＡＷタイプの溶接は、棒マイナス状態のパルス波形を用いて行われ得ることが一般に知られている。しかしながら、棒マイナス状態において短絡が生じて負の極性を用いて除去されるとき、アークが不安定になり、あるいはスパッタ事象が生じるおそれがあることが認めらている。すなわち、例えば、あるパルス周期の間、特に、溶接電極がワークピースに非常に近接して動作する用途において、溶融金属が、前進するワイヤ電極から全体として離れる前にワークピースに接触する。このことは、前進するワイヤ電極とワークピースとの間の短絡（ショートとも言う）を作り出す。正しいパルス溶接に関連した一貫性を得るためには、迅速にショートを排除し、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で、望まれないスパッタを発生させることになるおそれがある。こうしたスパッタは、溶接プロセスを不十分なものにし、溶融金属がワークピースにわたってまき散らされる結果をもたらすおそれがあり、例えば、研磨ツールを用いて後で取り除かれなければならない場合がある。
【０００４】
従来の、旧来の、提案されているアプローチについてのさらなる制限及び欠点は、こうしたアプローチと、本出願の残りの部分に図面を参照して明記される本考案に係る実施形態との比較を通して、当業者に明らかになるであろう。
【考案の概要】
【０００５】
本明細書において言及される制限及び欠点を克服することが一目的である。この課題は、請求項１に記載の溶接装置によって解決される。本考案のさらなる実施形態はサブクレームの対象である。本考案の例示的一実施形態は、溶接電力コンバータを有し又は用いる溶接装置及び方法であり、この溶接電力コンバータは、複数のパルスとバックグラウンド部分とを有するＤＣ棒マイナス波形である電流を出力し、これにおいて、上記パルスの各々のピーク電流は、バックグラウンド部分のうち最も高い電流レベルより大きい。溶接電力コンバータは、電極と少なくとも１つのワークピースとに溶接波形を提供して該少なくとも１つのワークピースを溶接する。さらに、電極とワークピースとの間の短絡事象を検出する短絡検出回路と、短絡事象の検出の後、ＤＣ棒マイナス波形の電流の極性を負から正に変えるＡＣ溶接モジュールとが含まれる。電流が正に変わった後、溶接電力コンバータはショート除去電流を出力して短絡事象を除去し、短絡事象が除去された後、ＡＣ溶接モジュールは上記電流の極性を正から負に変える。短絡事象の検出がなければ、電流はＤＣ棒マイナス溶接波形として維持される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
本考案の上記及び／又は他の側面は、添付の図面を参照しながら本考案の例示的実施形態を詳細に説明することによって、より明らかになるであろう。
【図１】溶接電流戻り経路にスイッチングモジュールを組み込んだ電気アーク溶接システムの例示的一実施形態のブロック図を示す。
【図２】溶接電流戻り経路にスイッチングモジュールを含む図１のシステムのうち一部分の例示的一実施形態の図を示す。
【図３】図１及び図２のスイッチングモジュールの例示的一実施形態の回路図を示す。
【図４】図１のシステムを用いて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の例示的実施形態のフローチャートを示す。
【図５】図４の方法に従い図１乃至図３のスイッチングモジュールを使用しない従来の電気アーク溶接機から生じる従来のパルス状出力電流波形の一例を示す。
【図６】繋がれた接続を有する自由移行プロセスにおいて高速ビデオ技術を用いて見い出される爆発的なスパッタプロセスを示す。
【図７】図４の方法に従い図１乃至図３のスイッチングモジュールを使用する図１の電気アーク溶接機から生じる出力電流波形の一例を示す。
【図８】図１のシステムを用いて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別の例示的実施形態のフローチャートを示す。
【図９】図８の方法に従い図１乃至図３のスイッチングモジュールを使用する図１の電気アーク溶接機から生じる出力電流波形の一例を示す。
【図１０】ＡＣ溶接を実行する能力があって本考案の一実施形態に従い負から正に電流を切り替える能力がある本考案のさらなる例示的実施形態によるさらなる溶接システムの一例を示す。
【図１１】図１０のシステムにより発生させることができる溶接波形の一例を示す。
【図１２】本考案の例示的一実施形態による波形のショート除去部分の一例を示す。
【図１３】本考案の別の例示的実施形態による電圧及び電流溶接波形の一例を示す。
【考案を実施するための形態】
【０００７】
次に、添付の図面を参照することにより、本考案の例示的実施形態を以下に説明する。説明される例示的実施形態は、本考案の理解を支援することが意図され、本考案の範囲を限定することは決して意図されない。同様の参照番号は、全体を通して同様の要素を示す。
【０００８】
アーク溶接プロセスの間、電極のチップとワークピースとの間の距離が比較的短いとき、溶融金属は、接触移行プロセス（例えば、表面張力移行すなわちＳＴＴプロセス）、又は繋がれた接続を伴う自由移行（free-flight  transfer）プロセス（例えば、パルス溶接プロセス）を介して移行され得る。接触移行プロセスにおいて、溶接電極のチップ上の溶融金属ボールは、溶融金属ボールが電極のチップから実質的に分離し始める前にワークピースと接触し（すなわち、ショート）、ワークピース上の溶融たまりに「濡れ入り」始める。
【０００９】
自由移行プロセスにおいて、溶融金属ボールは電極のチップから離脱し、ワークピースに向かってアークを横切って「飛ぶ」。しかしながら、電極のチップとワークピースとの間の距離が比較的短いとき、溶融金属の細い繋ぎ部（テザー）が溶融金属ボールを電極のチップに依然として接続している間に、アークを横切って飛ぶ溶融金属ボールがワークピースと接触する（すなわち、ショートする）可能性がある。こうした繋がれた自由移行のシナリオにおいて、溶融金属の細いテザーは、溶融金属ボールが本明細書の図６に示されるようにワークピースに接触するとき、テザーを通る電流の急増に起因して、爆発し、スパッタをもたらす傾向にある。このことは、ＤＣ棒マイナス（ＤＣＥＮ）状態において溶接するときに特に当てはまる可能性がある。したがって、本考案の態様は、溶接波形がＤＣＥＮタイプの波形であるとき、正の極性において任意の短絡を除去することによって上記問題を解決する。
【００１０】
次に図１を参照すると、図１は、電気アーク溶接システム１００の例示的一実施形態のブロック図を示し、システム１００は、溶接出力戻り経路にスイッチングモジュール１１０を組み込んでおり、溶接出力１２１及び１２２を提供する。システム１００は電力コンバータ１２０を含み、電力コンバータ１２０は、入力電力を溶接出力電力に変換する能力がある。電力コンバータ１２０は、例えば、インバータ型の電力コンバータ又はチョッパ型の電力コンバータであってもよい。システム１００はワイヤフィーダ１３０をさらに含み、ワイヤフィーダ１３０は、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、溶接電極ワイヤＥを送給する（feeding）能力がある。
【００１１】
システム１００は電流シャント１４０（又は同様のデバイス）をさらに含み、電流シャント１４０は、電力コンバータ１２０と溶接出力１２１との間に動作可能に接続されてシステム１００の電流フィードバックセンサ１５０に溶接出力電流を供給し、電流フィードバックセンサ１５０は、電力コンバータ１２０により生成される溶接出力電流を感知する。システム１００は電圧フィードバックセンサ１６０をさらに含み、電圧フィードバックセンサ１６０は、溶接出力１２１と溶接出力１２２との間に動作可能に接続されて、電力コンバータ１２０により生成される溶接出力電圧を感知する。代替的に、スイッチングモジュール１１０は、送出側の溶接電流路、例えば、電力コンバータ１２０と電流シャント１４０との間、あるいは電流シャント１４０と溶接出力１２１との間に組み込まれてもよい。
【００１２】
システム１００は高速コントローラ１７０をさらに含み、高速コントローラ１７０は、電流フィードバックセンサ１５０と電圧フィードバックセンサ１６０とに動作可能に接続されて、感知された電流及び電圧を、溶接出力を表す信号１６１及び１６２の形式で受信する。システム１００は波形発生器１８０をさらに含み、波形発生器１８０は、高速コントローラ１７０に動作可能に接続されて、高速コントローラ１７０からコマンド信号１７１を受信する。コマンド信号１７１は、リアルタイムで溶接波形信号１８１を適合させる方法を波形発生器に教える。波形発生器１８０は、出力溶接波形信号１８１を生成し、電力コンバータ１２０は、出力溶接波形信号１８１を受信するように波形発生器１８０に動作可能に接続される。電力コンバータ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に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）を発生させる。
【００１３】
スイッチングモジュール１１０は、電力コンバータ１２０と溶接出力１２２との間に動作可能に接続され、溶接出力１２２は、動作の間、溶接されているワークピースＷに接続される。高速コントローラ１７０もまた、スイッチングモジュール１１０に動作可能に接続されて、切り替えコマンド信号（又は、ブランキング信号）１７２をスイッチングモジュール１１０に提供する。高速コントローラ１７０は、本考案の一実施形態によれば、ロジック回路、プログラマブルマイクロプロセッサ及びコンピュータメモリを含んでもよい。
【００１４】
本考案の一実施形態によれば、高速コントローラ１７０は、感知された電圧信号１６１、感知された電流信号１６２又はこれら２つの組み合わせを使用して、各パルス周期の間、前進する電極ＥとワークピースＷとの間でいつショートが生じるか、ショートがいつ除去され（clear）そうか、及びショートがいつ実際に除去されたかを判定してもよい。いつショートが生じるか、及びいつショートが除去されるかを判定するこうしたスキームは、当分野において周知であり、例えば、本明細書においてそのまま参照により援用される米国特許第７３０４２６９号に記載されている。高速コントローラ１７０は、ショートが生じたとき、かつ／あるいはショートが除去されたとき、波形発生器１８０に波形信号１８１を変更するように命じてもよい。例えば、ショートが除去されたと判定されるとき、高速コントローラ１７０は、前のショートの除去の直後に別のショートが生じるのを防止するために、波形発生器１８０に、波形信号１８１にプラズマブーストパルス（図７のパルス７５０を参照）を組み込むように命じてもよい。
【００１５】
図２は、図１のシステム１００の一部分の例示的一実施形態の図を示しており、スイッチングモジュール１１０を溶接電流戻り経路に含む。電力コンバータ１２０は、インバータ電力源１２３とフリーホイーリングダイオード１２４とを含んでもよい。溶接出力経路は、溶接出力経路内の様々な電気コンポーネントに起因して、固有の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、抵抗経路１１２（例えば、高電力定格抵抗の回路網）に並列に電気スイッチ１１１（例えば、電力トランジスタ回路）を有するものとして示されている。
【００１６】
溶接波形のパルス周期の間、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から切り替えコマンド信号１７２によって閉じるように命じられる。電気スイッチ１１１が閉じているとき、電気スイッチ１１１は、出力溶接戻り経路において非常に低抵抗の経路を提供し、溶接電流がスイッチ１１１を通って電力コンバータ１２０に自由に戻ることを可能にする。抵抗経路１１２は溶接出力戻り経路に依然として存在するが、電流のほとんどが、閉じられたスイッチ１１１により提供される低抵抗の経路を通って流れることになる。しかしながら、ショートが検出されたとき、電気スイッチ１１１は、高速コントローラ１７０から切り替えコマンド信号１７２によって開けるように命じられる。電気スイッチ１１１が開いているとき、電流は、スイッチ１１１を通る流れを遮断されて、抵抗経路１１２を通って流れるように強制され、電流のレベルが、抵抗経路１１２により提供される抵抗に起因して、低減されることになる。
【００１７】
図３は、図１及び図２のスイッチングモジュール１１０の例示的一実施形態の回路図を示している。スイッチングモジュール１１０は、図示されるとおり、トランジスタ回路１１１及び抵抗回路網１１２を含む。スイッチングモジュール１１０は、例えば、トランジスタ回路１１１、抵抗回路網１１２、ＬＥＤ、及びステータスロジック回路を含む、モジュール１１０の様々な電気コンポーネントを取り付けるための回路基板を含んでもよい。
【００１８】
図４は、図１のシステム１００を用いて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し、ショートを除去する方法４００の第１の例示的実施形態のフローチャートを示しており、通常、溶接と同じ極性においてショートが除去されるときに使用される。ステップ４１０は、スイッチングモジュール１１０のスイッチ１１１が通常閉じているというオペレーションを表す（ショートのない状態）。ステップ４２０において、ショートが検出されない場合、スイッチ１１１は、閉じられたままである（ショートのない状態）。しかしながら、ショートが検出された場合、ステップ４３０において、スイッチ１１１は、ショート区間（すなわち、電極がワークピースにショートしている期間）の間、開いて閉じるシーケンスを経由するように命じられる。
【００１９】
ステップ４３０の開／閉シーケンスは、ショートが最初検出されたときにスイッチ１１１を開けることによって開始される。スイッチ１１１は、第１の期間（例えば、ショート区間の最初の１０％）について、開いたままである。このことは出力電流を迅速に減少させ、ゆえに、ショートが直ちにちぎれて（break）多量のスパッタを生じさせてしまうことはなくなる。第１の期間の後、スイッチは再び閉じられ、出力電流は、第２の期間の間に上昇されて、溶融ショートが、電極から離脱しショートを除去しようとして狭い首状部を形成し始めることになる。この第２の期間の間、電流が上昇されているので、ショートがいつ除去されることになるか（すなわち、首状部がいつちぎれることになるか）を予期するようにｄｖ／ｄｔスキームが実行される。上記のｄｖ／ｄｔスキームは当分野において周知である。それから、ショートがまさに除去されようとする直前（例えば、ショート区間の最後の１０％の間）、スイッチ１１１が再び開けられて、再度出力電流を迅速に低下させて、首状部が実際にちぎれるときの（すなわち、ショートが実際に除去されるときの）過度のスパッタリングを防止する。
【００２０】
ステップ４４０において、ショート（電極とワークピースとの間のショート）が依然として存在する場合、スイッチ１１１は開いたままである。しかしながら、ショートが除去された場合、ステップ４５０において、スイッチ１１１は再び閉じられる。こうして、ショート状態の間、スイッチ１１１は開／閉シーケンスを経由し、溶接出力経路を通って流れる電流は、スイッチが開いているときに低減され、スパッタの低減をもたらすことになる。方法４００は、本考案の一実施形態によれば、高速コントローラ１７０において実施される。さらに、本考案の一実施形態によれば、システム１００は１２０ｋＨｚのレートで応答することができ（すなわち、スイッチングモジュール１１０はこの高いレートにおいてオンとオフとに切り替わることができ）、効果的なやり方で方法４００を実施するのに十分な応答をショートの検出とショートの除去の検出とに対して提供することができる。
【００２１】
もう少し簡易な代替的な実施形態によれば、図４に関して上記で説明された開／閉シーケンスを経由することに代わって、溶接回路経路の電流は、前進するワイヤ電極とワークピースとの間のショートの検出に応じて、少なくともある決定された期間、スイッチ１１１を開け、これにより溶接電流路における抵抗を増加させることによって、減らされる。大抵のパルス周期について、上記決定された期間は、溶接回路経路の電流を最初増加させる必要なくショートを除去することを可能にする継続時間である。所与のパルス周期の間、決定された期間が所望されるとおり経過する前にショートが除去される場合、プロセスはパルス周期の次の部分に進む。しかしながら、ショートが所定の期間内に除去されない場合、決定された期間の直後、スイッチ１１１は再び閉じられて、溶接回路経路の電流を再度増加させ、ショートを除去させることになる。こうした代替的な実施形態において、スイッチ１１１は、ショートの検出に応じて、決定された期間の少なくとも一部について、単純に開けられる。大抵のパルス周期において、ショートを除去するために電流が増やされる必要はない。
【００２２】
さらに、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のショートが検出されたとき、前進するワイヤ電極のスピードが減速されてもよい。前進するワイヤ電極のスピードを減速させることは、ショートに対してその他の方法で付加されるであろうほど多くの材料を付加しないことによって、ショートをより容易に除去するのに役立つ。前進するワイヤ電極のスピードを減速させるために、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替えられてもよく、ブレーキがモータに適用されてもよい。ブレーキは、様々な実施形態に従い、機械ブレーキ又は電気ブレーキであってもよい。
【００２３】
図５は、図４の方法４００又は上述のより簡易な代替的な方法に従い図１乃至図３のスイッチングモジュール１１０を使用しない従来のパルス電気アーク溶接機から生じる従来のパルス状ＤＣＥＮ出力電流波形５００の一例を示しており、これにおいて、ショートは溶接波形と同じ極性において除去される。図５の波形５００からわかるとおり、ピークパルス５１０が発せられた（fired）後、ショートが生じることがあり、このショートは、例えば時間５２０において始まり、例えばショートが除去されるときの時間５３０まで続く。時間５２０及び５３０は、ショート区間５４０を定める。図５においてわかるとおり、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、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の間、ショート状態は生じることもあり、生じないこともある。従来のシステムにおいて、ショートが生じたとき、溶接出力回路には、インダクタンスに比べてほどんど抵抗が存在しない。電流は、電力源がオフにされたとしても流れ続ける。
【００２４】
再び図５を参照すると、ショート区間５４０の間、出力電流は、電極ＥとワークピースＷとの間のアークの不足（抵抗が非常に低くなる）に起因して、及び、電力コンバータ１２０が最小レベルの段階に戻るときでさえ、溶接出力経路に電流が流れ続けるように溶接回路インダクタンス２１０がふるまう事実に起因して、増加する傾向にある。電流は、ショートが除去されるまで（すなわち、溶融金属ショートが電極Ｅから離脱するまで）、増加する傾向にある。しかしながら、こうした増加した電流レベルにおいて、ショートがちぎれ、あるいは除去されるとき、増加した電流レベルは溶融金属を爆発させる傾向にあり、スパッタを生じさせることになる。
【００２５】
図６は、繋がれた接続を有する自由移行プロセスにおいて高速ビデオ技術を用いて見い出される爆発的なスパッタプロセスを示している。高ピークパルス（例えば５１０）が、溶融金属のボール６１０をワークピースＷに向かって押し出させ、ボール６１０と電極Ｅとの間の狭いテザー（tether）６２０を作り出す。ボール６１０はアークを横切ってワークピースＷに向かって飛ぶので、テザー６２０は狭くなり、最終的に、テザー６２０を通って電極ＥとワークピースＷとの間にショートが生じる。この状態は、溶接電極がワークピースに非常に近接して動作するオペレーションにおいて、ほぼあらゆるパルス周期について生じる傾向にある。具体的には、自由移行パルス溶接プロセスについて、テザー６２０が初期ショートを作り出し、多量の電流が狭いテザー６２０を通って流れ始め得ることが見出されている。図６に示されるとおり、電流レベルの増加が、最終的に、比較的細い溶融したテザー６２０を爆発させ、スパッタ６３０を作り出す。しかしながら、本明細書において上述されたとおり、スイッチングモジュール１１０と方法４００（又は、より簡易な代替法）とを組み込むことによって、作り出されるスパッタ６３０を大きく低減させることができる。
【００２６】
図７は、図４の方法４００に従い図１乃至図３のスイッチングモジュール１１０を使用する図１のパルス電気アーク溶接機１００から生じるパルス状出力波形７００の一例を示しており、しかしなお、ショートは波形７００と同じＥＮ極性において除去される。図７の波形７００からわかるとおり、ピークパルス７１０が発せられた後、ショートが生じることがあり、このショートは、例えば時間７２０において始まり、例えばショートが除去されるときの時間７３０まで続く。時間７２０及び７３０は、ショート区間７４０を定める。図７においてわかるとおり、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、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の間、ショート状態は生じることもあり、生じないこともある。しかしながら、電極のチップとワークピースとの間の距離が比較的短いとき、ショートはほぼあらゆるサイクルにおいて生じる可能性がある。
【００２７】
再び図７を参照すると、ショート区間７４０の間、スイッチングモジュール１１０のスイッチ１１１は、ショートが最初生じたときに開けられ、ショートがまさに除去されようとしているときに再び開けられて、出力電流を抵抗経路１１２を通って流すことになり、したがって、電流レベルを低減させることになる。一例として、切り替え信号１７２は、ショートが検出されたときにハイからローになるロジック信号であってもよく、これがスイッチを開けさせてもよい。同様にして、ショートが除去されたとき、切り替え信号１７２は、ローからハイになってスイッチ１１１を再び閉じてもよい。スイッチ１１１が開けられるとき、抵抗経路１１２は、溶接出力経路に負荷を与え、フリーホイーリング電流が所望のレベルまで迅速に落ち込むことを可能にする。電流は、ショートが除去されるまで低減する傾向にあり、こうした低減した電流レベルにおいて、ショートがちぎれ、あるいは除去されるとき、溶融金属は、非爆発的にくびれ切れる（pinch  off）傾向にあり、作り出されるスパッタを排除し、あるいは少なくともその量を低減させることになる。また、図７の波形７００において、プラズマブーストパルス７５０が、ショートがちょうど除去された直後に別のショートが生じることの防止を支援するのに使用され、これは、より優れており、より効果的である場合がある。
【００２８】
図８は、図１のシステム１００を用いた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８００の別の例示的実施形態のフローチャートを示しており、これにおいて、ショートは同じ極性において除去される。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、ショート及び／又はショートの除去の発生の時間を追跡し、ショート区間９４０（ショートの発生とショートが除去されるときとの間の時間）が少なくとも次のパルス周期の間のいつ生じることになるかの推定を提供する（図９を参照）。この推定から、ブランキング区間９６０（図９を参照）が決定され、ブランキング信号１７２を発生させるのに使用されてもよい。
【００２９】
方法８００のステップ８１０において、システム１００は、既知の手法に従い、パルス状溶接波形の繰り返しのパルス周期の間、ショート及び／又はショートの除去の発生を検出する。ステップ８２０において、パルス周期内での検出されたショート及び／又は除去の発生の時間が（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８２０において、次のパルス周期についてのショート区間９４０（図９を参照）の位置と継続時間とが、上記の追跡結果に基づいて推定される。ステップ８４０において、少なくとも次のパルス周期についての重なるブランキング区間９６０が、次のパルス周期についての推定されたショート区間の位置に基づいて決定される。ステップ８５０において、ブランキング信号（切り替え信号のタイプ）１７２が（例えば、コントローラ１７０によって）発生して、次のパルス周期の間、スイッチングモジュール１１０に適用される。
【００３０】
図９は、図８の方法８００に従い図１乃至図３のスイッチングモジュール１１０を使用する図１のパルス電気アーク溶接機１００から生じるパルス状出力波形９００の一例を示しており、ただし、棒プラス（electrode  positive）状態において示されている。波形９００について、電流波形は棒プラス状態において示されているが、下記の議論は棒マイナス（electrode  negative）状態に等しく適用されてもよいことが理解される。図９の波形９００からわかるとおり、ピークパルス９１０が発せられた後、ショートが生じることがあり、このショートは、例えば時間９２０において始まり、例えばショートが除去されるときの時間９３０まで続く。時間９２０及び９３０は、ショート区間９４０を定める。図９においてわかるとおり、ピークパルス９１０は、溶接プロセスの間、規則的な間隔で発せられる。任意の所与のサイクルの間、ショート状態は生じることもあり、生じないこともある。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に対して比較的近接して動作する）溶接プロセスの間、ショートはほぼあらゆるサイクルにおいて生じる可能性がある。
【００３１】
方法８００に従い、パルス周期内でのショート及び／又はショートの除去の発生の時間が、あらゆるパルス周期について決定され、追跡される。こうして、コントローラ１７０は、次の又は来たるパルス周期に生じそうなショート区間の位置を推定することができる。しかしながら、パルス溶接プロセスの始めにおいて、実質的な追跡情報が利用可能である前は、ショート区間の位置は、例えば、経験的なデータ、又は以前の溶接プロセスからの記憶されたデータに基づいた、記憶された既定位置であってもよい。ブランキング信号１７２は、次の（１又は複数の）パルス周期についての推定されたショート区間９４０に時間的に重なるブランキング信号１７２内のブランキング区間９６０を形成するように適合され、あるいは変更されてもよい。理想的には、ブランキング区間９６０は、次のパルス周期のショート区間９４０のすぐ前（例えば、時間９２０の前）に開始され、次のパルス周期のショート区間９４０のすぐ後（例えば、時間９３０の後）に終了し、こうして、時間的に重なる。一実施形態において、ショートの発生の時間だけが追跡され、ショートの除去は追跡されない。こうした一実施形態において、ブランキング区間の継続時間は、経験的な知識に基づいて、ショートが除去されるのに十分なほど長く続くように設定される。
【００３２】
こうして、次のパルス周期の間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が開けら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変動し（drift）、あるいは変わるため、ショート区間の位置は変動し、あるいは変わることがある。しかしながら、この実施形態において、ショート区間の位置は時間と共に追跡されているため、ブランキング信号の位置は、効果的にショート区間に追従し、ショート区間を予期するように適合させることができる。ブランキング区間９６０の間にスイッチ１１１を開けることによって、電流は落ち込み、ブランキング区間９６０の間に上記のテザーが生じ、ちぎれることが予期される。
【００３３】
特定のパルス溶接シナリオにおいて、本明細書で説明されるようにスイッチングモジュール１１０を使用することで、ショートを除去する時点における溶接出力電流レベルが約２８０アンペアから約４０アンペアに低減され、生成されるスパッタの量に大幅な違いが生まれ得ることを、経験的な結果が示している。一般に、電流を５０アンペア未満に低減させることが、スパッタを有意に低減させると考えられる。さらに、進行スピード（例えば、６０〜８０インチ／分）と溶着レートとは、維持されることが可能である。
【００３４】
溶接電極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させる他の手段及び方法が、同様に考えられる。例えば、代替的な一実施形態において、ショートの時間の間、出力電流を高度に統制されたレベルに制御するように、溶接電力源の制御トポロジーが構成されてもよい。電力源は、スパッタを低減させるように、ショート区間の間、ショート電流をより低いレベル（例えば、５０アンペア未満）に制御してもよい。例えば、図１を参照し、スイッチングモジュール１１０が無効にされ、あるいは排除されてもよく、すると電流は、溶接出力回路経路において自由に流れることが可能になる。コントローラ１７０は、溶接出力回路経路を通る溶接出力電流を低減させるために、ブランキング区間の間、溶接プロセスの出力溶接波形信号１８１の一部分を変更するよう波形発生器１８０に命じるように構成される。したがって、この代替的な実施形態において、コントローラ１７０は、スイッチングモジュール１１０を介するのに代わって、波形発生器１８０と電力コンバータ１２０とによってブランキング区間の間の電流を低減させる。こうした代替的な実施形態は、溶接回路のインダクタンス２１０が十分低い場合、かなりうまく作動する可能性がある。
【００３５】
要約するに、スパッタの低減をもたらすパルス溶接プロセスを実行するための電気アーク溶接機及び方法が開示されている。溶接機は、前進する電極とワークピースとの間の電流を生成する。溶接機は、前進する電極とワークピースとの間の短絡の発生に応じてショート状態を検出するショート検出能力を含む。溶接機は、ショートの時間の間、前進する電極とワークピースとの間の電流を低減させて、ショートが除去されるときの溶融金属のスパッタを低減させるように制御される。
【００３６】
本考案の一実施形態は、パルスアーク溶接プロセスにおいてスパッタを低減させる方法を含む。この方法は、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の間、ショート区間の発生の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の間、ショート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の間、ショートの除去を検出することとのうち、少なくとも１つに基づいてもよい。上記方法は、上記追跡に基づいて、パルス溶接プロセスの少なくとも次のパルス周期について、ショート区間の時間的位置を推定することをさらに含む。上記方法は、この推定に基づいて、少なくとも次のパルス周期について、ブランキング区間を決定することをさらに含む。上記方法は、ブランキング区間に基づいて、少なくとも次のパルス周期について、ブランキング信号を発生させることをさらに含んでもよい。上記方法は、ブランキング区間の間に溶接回路経路を通る溶接電流を低減させるように、ブランキング信号に応じてブランキング区間の間、溶接システムの溶接回路経路の抵抗を増加させることをさらに含んでもよい。抵抗を増加させることには、溶接回路経路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けることを含んでもよい。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経路に並列である。上記方法は、ブランキング区間の間、溶接プロセスの波形の一部分を変更することによって、少なくとも次のパルス周期について、ブランキング区間の間、溶接システムの溶接回路経路を通る溶接電流を低減させることを含んでもよく、これにおいて、波形は、溶接システムの波形発生器によって発生する。一実施形態によれば、ブランキング区間は、少なくとも次のパルス周期の予期されるショート区間に対して、時間的に広く、時間的に重なる。
【００３７】
本考案の一実施形態は、パルスアーク溶接プロセスにおいてスパッタを低減させるシステムを含む。このシステムは、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の間、ショート区間の発生の時間を追跡するように構成されたコントローラを含む。コントローラは、上記追跡に基づいて、パルス溶接プロセスの少なくとも次のパルス周期について、ショート区間の時間的位置を推定するようさらに構成される。コントローラは、この推定に基づいて、少なくとも次のパルス周期について、ブランキング区間を決定するようさらに構成される。コントローラは、ブランキング区間に基づいて、少なくとも次のパルス周期について、ブランキング信号を発生させるようさらに構成されてもよい。一実施形態によれば、ブランキング区間は、少なくとも次のパルス周期についての予期されるショート区間より時間的に広く、該ショート区間に時間的に重なる。上記システムは、溶接システムの溶接回路経路に配置され、コントローラに動作可能に接続されたスイッチングモジュールをさらに含んでもよい。スイッチングモジュールは、ブランキング区間の間に溶接回路経路を通る溶接電流を低減させるように、ブランキング信号に応じてブランキング区間の間、溶接システムの溶接回路経路の抵抗を増加させるよう構成される。スイッチングモジュールは、電気スイッチと抵抗経路とを並列に含む。コントローラは、ブランキング区間の間、溶接プロセスの波形の一部分を変更することによって、少なくとも次のパルス周期について、ブランキング区間の間、溶接システムの溶接回路経路を通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じるよう構成されてもよい。コントローラは、パルス溶接プロセスのパルス周期の間、ショートの発生を検出し、パルス溶接プロセスのパルス周期の間、ショートの除去の発生を検出するように、さらに構成されてもよい。
【００３８】
本考案の一実施形態は、パルスアーク溶接プロセスにおいてスパッタを低減させる方法を含む。この方法は、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の間、ショートを検出することを含む。上記方法は、ショートの検出に応答して溶接回路経路を通る溶接電流を低減させるように、第１の期間について、溶接システムの溶接回路経路の抵抗を増加させることをさらに含む。上記方法は、溶接回路経路を通る電流を増加させるように、第１の期間の直後、第２の期間について、溶接システムの溶接回路経路の抵抗を減少させることをさらに含む。上記方法は、ショートの除去を予期して溶接回路経路を通る溶接電流を低減させるように、第２の期間の直後、第３の期間について、溶接システムの溶接回路経路の抵抗を増加させることをさらに含む。抵抗を増加させることには、溶接回路経路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けることを含んでもよい。抵抗を減少させることには、溶接回路経路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んでもよい。上記方法は、ショートが除去されたと検出することと、ショートが除去されたと検出することに応答して溶接システムの溶接回路経路の抵抗を減少させることととをさらに含んでもよい。
【００３９】
本考案の一実施形態は、パルスアーク溶接プロセスにおいてスパッタを低減させる方法を含む。この方法は、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の間、ワークピースと前進するワイヤ電極との間のショートを検出することを含む。上記方法は、ショートを検出することに応答して、決定された期間の少なくとも一部分について、溶接システムの溶接回路経路の電流を減少させることをさらに含み、これにおいて、パルスアーク溶接プロセスの大抵のパルス周期の間、上記決定された期間は、溶接回路経路の電流を最初増加させる必要なくショートを除去することを可能にする継続時間である。電流を減少させることには、溶接回路経路の抵抗を増加させることを含んでもよい。抵抗を増加させることには、溶接回路経路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けることを含んでもよく、これにおいて、スイッチングモジュールは、抵抗経路に並列に電気スイッチを含む。上記方法は、ショートが除去されなかった場合、決定された期間の直後、溶接システムの溶接回路経路の電流を増加させることをさらに含んでもよい。電流を増加させることには、溶接回路経路の抵抗を減少させることを含んでもよい。抵抗を減少させることには、溶接回路経路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んでもよく、これにおいて、スイッチングモジュールは、抵抗経路に並列に電気スイッチを含む。上記方法は、電極とワークピースとの間のショートを検出することに応答して、前進するワイヤ電極のスピードを減速させることをさらに含んでもよい。前進するワイヤ電極のスピードを減速させることには、ワイヤ電極を前進させるワイヤフィーダのモータのオフに切り替えることと、モータにブレーキを適用することとを含んでもよい。ブレーキは、様々な実施形態に従い、機械ブレーキ又は電気ブレーキであってもよい。
【００４０】
上記議論は全体として、溶接波形がＤＣＥＮかＤＣＥＰかにかかわらず、溶接波形と同じ極性において短絡を除去することに関連しているが、同様のロジック及び制御方法論が、溶接波形はＤＣＥＮ波形であるが短絡はＥＰ状態において除去されるところの本考案の実施形態に使用されてもよいことに留意する。このことは、図１０乃至図１２に関連して以下でさらに説明される。
【００４１】
図１０乃至図１２は、改善されたパフォーマンス、スパッタ制御及び入熱（heat  input）を達成するパルス溶接のためのさらなる装置及び方法を表している。詳細には、図１０乃至図１２に示される実施形態はＤＣＥＮ波形を利用し、短絡はＥＰ状態において除去されており、このことが以下でより詳細に説明される。
【００４２】
図１０は、溶接システム１０００の例示的一実施形態を表しており、システム１０００は、構図及び動作において、該システム１０００が（本明細書において論じられた実施形態を含む）パルス溶接を使用してワークピースＷを溶接する能力がある点では、本明細書において説明されたシステム１００と同様である。システム１０００は、波形発生器１８０、電力コンバータ／インバータ１２０、シャント１４０、スイッチングモジュール１１０、高速コントローラ１７０、電圧フィードバック１６０、電流フィードバック１５０等を含む上記で論じられたコンポーネントと同様のコンポーネントを有する。しかしながら、この例示的実施形態は、ＡＣ溶接モジュール１０１０をさらに利用する。モジュール１０１０は、溶接の間にワークピースに対してＡＣ溶接信号を提供し、あるいは短絡事象の間などの所望されるときに溶接信号の極性を少なくとも変えることができるように構築され、構成される。図１０に示されるシステム１０００において、モジュール１０１０は、電力コンバータ／インバータ１２０とは別個のコンポーネントとして示されており、実際、電力コンバータ／インバータ１２０のハウジングの外側の電源（power  supply）に結合された別個のモジュールであってもよい。しかしながら、他の例示的実施形態において、モジュール１０１０は電力コンバータ／インバータ１２０と一体にされてもよく、したがって、これらは単一のハウジング内に存在することになる。上記で説明された実施形態と同様に、電力コンバータ／インバータ１２０は、溶接信号を出力する能力がある溶接用途に使用される任意のタイプの既知の電源モジュールであってよく、図示されるとおり、少なくとも１つの変圧器を含んでもよい。図１０に示されるＡＣ溶接モジュール１０１０の構成は例示的であることが意図され、本考案の実施形態は図示される構成を使用することに限定されず、以下で説明されるＡＣ溶接信号を提供するために他の回路が使用されてもよい。図１０に示されるモジュール１０１０は、構図の点で、本明細書においてその全体を参照により援用される米国特許第６２１５１００号に記載のＡＣ溶接回路と同様であり、該ＡＣ溶接回路は、より詳細には、上記援用特許の図４に関連して記載されている。該回路の動作及び構図が上記援用特許において詳細に論じられているため、その議論は参照により援用されることになるので、本明細書においては繰り返されない。しかしながら、明りょうさのために、図１０に示される波形発生器／コントローラ１８０は、上記第６２１５１００号特許の図４に示されるコントローラ２２０を具現化してもよい。さらに、高速コントローラ１７０がコントローラ１８０とは別個のモジュールとして示されているが、他の実施形態において、高速コントローラ１７０はコントローラ１８０と一体にされてもよい。さらに、いくつかの実施形態において、図１０に示されるとおり、電流フィードバック１５０は、そのフィードバックをモジュール１０１０の制御のためにコントローラ１８０が使用することができるように、コントローラ１８０に直接結合されてもよく、概して上記第６２１５１００号特許に記載されるとおりであり得る。
【００４３】
本考案のいくつかの例示的実施形態において、スイッチングモジュール１１０は、ＡＣモジュール１０１０を利用する実施形態には存在しなくてもよい。これは、なぜならば、スイッチＱ１及びＱ２を上記で説明されたスイッチングモジュール１１０と同様の方法で利用することができるからである。すなわち、波形のうち一定極性部分の間、スイッチＱ１及び／又はＱ２が同様の方法で制御されてもよく、したがって、スイッチングモジュール１１０は利用されない。
【００４４】
図１０に示されるとおり、モジュール１０１０は、インダクタＬ１を通る電流フローを制御するのに使用される２つのスイッチＱ１及びＱ２を有し、したがって、信号の極性を溶接の間に反転させ得るような方法で、電極ＥとワークピースＷとを通る電流のフローを制御することができる。詳細には、電極Ｅが、溶接波形のうちいくらかの間は正であって、それから該波形のうち残りについて負に切り替えられるように、スイッチＱ１及びＱ２が電流のフローを制御することができる。スイッチＱ１が閉じられ、スイッチＱ２が開いているとき、電流フローは、電極Ｅが正の極性を有するようになり、スイッチＱ２が閉じられ、スイッチＱ１が開いているとき、電極Ｅは負の極性を有する。スナバ（snubbers）１０１１及び１０１３が、上記で説明された抵抗１１２と同様の方法で使用されており、ＳＴＴタイプの回路制御を実施するために使用されてもよい。
【００４５】
本考案の主旨及び範囲から逸脱することなく、他のＡＣ溶接電源及びＡＣ溶接回路が採用されてもよい。
【００４６】
本出願の図５、図７及び図９に示されるとおり、パルス溶接は、溶接フォーム全体が１つの極性（典型的には正）を有するときに実行され得る。このことは、電流が溶接プロセス全体を通して単一の方向に流れることを意味する。先に説明されたとおり、１つの極性において溶接しているとき、反対の極性において短絡を除去することが有利な場合がある。このことは、溶接波形がＤＣＥＮ波形であって短絡事象が生じるときに特に当てはまる。棒プラスモードにおいて短絡を除去することに利点が存在することが見出されている。
【００４７】
図１１は、本考案の例示的一実施形態による電流波形１１００を表している。図に示すとおり、波形１１００は当初ＤＣＥＮ波形である。この例に示される波形は一例示的なパルス溶接波形であり、任意の他のタイプのＤＣＥＮ溶接波形が採用されてよく、これらに限定されないが、表面張力移行（ＳＴＴ）、又はＤＣＥＮモードにおいて溶接することができる任意の他の波形が含まれる。この波形は、例示目的で示されている。
【００４８】
波形１１００はバックグラウンド電流レベル１１０１と複数のパルス１１１０とを有し、パルス１１１０はピーク電流レベル１１０３を各々有する。図示されるとおり、パルス１１１０の後、１１０５においてショート事象が生じ、これにおいて、電極とワークピースとの間で短絡状態が生じる（あるいは、まさに生じようとしている）。本考案の実施形態において、短絡事象が生じたとき、あるいは検出されたとき、電源（例えば、図１０において説明されたもの）は、ショート除去機能が実施される前に、極性をＤＣＥＮからＥＰに切り替える。ゆえに、図示されるとおり、短絡事象において波形１１００の極性はＥＮからＥＰに切り替わり、したがって、波形がＥＰ状態にあるときにショート区間１１２３が生じる。いったんＥＰ状態になると、電源は、任意の既知のショート除去パルス１１２０又は機能を使用してショートを除去することができる。例えば、標準的な短絡除去機能が利用されてもよい。別法として、図１１に示されるとおり、ショートが除去された後、所望されるとおりの電極のさらなるバーンバック（burn  back）を提供するように、ブーストパルス又はプラズマブーストパルス１１２１が実施されてもよい。ショートを除去した後のブーストパルス又はプラズマブーストパルスの使用は知られており、本明細書において詳細に説明される必要はない。
【００４９】
いったんショート除去パルス１１２０又は機能がＥＰ状態において完了すると、電源は波形１１００の極性をＥＰからＥＮに切り替え、ＤＣＥＮ波形が再開される。例えば、図示されるとおり、バックグラウンド電流１１０１に至り、次のパルス１１１０がトリガされるまでバックグラウンド電流１１０１が保持される。電流極性の切り替えは、例えば、図１０に示されるシステムによって達成されてもよい。当然ながら、ＡＣモードにおいて溶接する能力がある他の電源が、本考案の実施形態を実施するのに利用されてもよい。
【００５０】
これまでに説明されたとおり、ショートがＥＮ状態において除去されるとき、時にこのことが過度のスパッタをもたらし得ることが見出されている。このことは、ショートがＥＮにおいて除去されるときに電極を押し上げる噴射力に起因する可能性がある。ショートをＥＰ状態において除去することで、スパッタをより少なくすると共にショートの除去をより安定させる結果になると判定されている。
【００５１】
本考案の態様は種々の方法において実施されてよく、このことが以下に簡潔に説明される。すなわち、いくつかの例示的実施形態において、負の極性から正の極性への変化は、短絡（電極とたまり（puddle）との間の物理的接触）が生じたとき又はその後に生じてもよく、あるいは上記変化は実際の短絡が生じる前に生じてもよい。最初の例において、電源は、電圧及び／又は電流を監視することによって短絡を検出する。こうした監視及び検出は一般に知られている。短絡が検出されたとき、電源は電流の極性を切り替え、ショートが除去されかつ溶接アークが再確立されるときまで、ＥＰ状態において電流を駆動する（drives）。アークが再確立されたとき、電源は極性を再び切り替えてＤＣＥＮ波形１１００に戻す。他の例示的実施形態において、電源は（一般に知られる）予知回路を使用してもよく、この予知回路は例えばｄｖ／ｄｔを監視することができ、短絡事象が差し迫って生じると決定されたとき、電源は、波形１１００の極性をＥＮからＥＰに切り替えて短絡を除去することができる。本考案を目的として、短絡事象の検出には、予知回路（又は同様のもの）の使用を通した実際の短絡状態の検出又は差し迫った短絡事象の決定を含む。ゆえに、本考案の実施形態は、短絡事象についてのいずれかの検出を使用して極性の切り替えをトリガすることができる。
【００５２】
上記で説明されたとおり、ＥＰ状態における短絡除去は、波形１１００がＥＮ状態に戻る前にショートが除去される限り、任意数の方法において行われてよい。図１２は、本考案の一実施形態によるショート除去事象の例示的一表現である。図示されるとおり、短絡検出事象が点１１０５において生じ（点１１０５は、実際の短絡であるか、あるいは生じそうな短絡の予知である）、短絡検出事象の後、電源（例えば、図１０のもの）は、図示されるとおり、電流をＥＮ状態からＥＰ状態に駆動する。図示される例において、電流は第１の電流レベル１１２３へと駆動されて、溶接アークを発火させるほど十分なアークを確立し、短絡を除去し始め、例えば、電極を狭めて落とし（necking  down）始める。第１の電流レベル１１２３の後、電流は、ショートが除去されている間、第２の電流レベル１１２５へと駆動され、これにおいて、第２の電流レベル１１２５は第１の電流レベル１１２３より低い。この実施形態において、より低い第２の電流レベルは、点１１０７においてショートが除去されるとき、過度に多くスパッタが作成されることの防止を支援することになる。いくつかの例示的な実施形態において、ショートが除去された後１１０７、波形はＥＮ状態へと駆動されて戻ってもよい。しかしながら、図示される実施形態において、ブーストパルス１１２１が、ＥＮ状態に戻る前に電極をバーンバックし、アーク安定化を保証するのに利用され、これにおいて、ブーストパルス１１２１の電流ピークは第１の電流レベル又は第２の電流レベルのいずれかより高い。いくつかの例示的実施形態において、電流は、ブーストパルス１１２１の後、ＥＮに戻される。しかしながら、図１２に示されるとおり、他の例示的実施形態において、アーク安定化期間１１２７が実施され、これにおいて、電流がＥＮ状態に戻される前、アーク及び溶接たまりが安定する間、ある継続時間について電流はＥＰのままである。いくつかの例示的実施形態において、アーク安定化期間は０．５乃至５ｍｓの範囲内である。他の例示的実施形態において、上記範囲は必要に応じて長くなってもよい。さらに、いくつかの例示的実施形態において、アーク安定化期間の電流レベルは、ＥＮ波形１１００のバックグラウンド部分１１０１の電流レベルと同一である。例えば、バックグラウンド１１０１レベルが−４０アンペアである場合、期間１１２７の電流レベルは＋４０アンペアであろう。他の例示的実施形態において、アーク安定化期間１１２７の電流レベルは、バックグラウンド電流１１０１レベルの８５乃至１２０％の範囲内である。こうした実施形態において、安定化期間１１２７は、溶接の間の溶接への入熱の制御を支援するのに使用されてもよい。すなわち、電流レベルは、十分な及び／又は安定した入熱が溶接に入れられることを保証するように調整されてもよい。この電流レベルを変化させることによって、電源は、ＥＰ安定化期間１１２７を使用して溶接への入熱の側面を制御することができる。さらに、期間１１２７の継続時間は、入熱が所望されるとおりに制御されるように、電源（例えば、図１０のもの）によって調整されてもよい。例えば、溶接への入熱を増加させることが望まれる場合、電源は、電流レベル及び／又��期間１１２７の継続時間を増加させて溶接への入熱を増加させることができる。さらに、本考案の他の例示的実施形態において、期間１１２７の電流レベルは、バックグラウンドレベル１１０１の電流レベルより低く、バックグラウンドレベルの７５乃至９５％の範囲内である。（例えば、バックグラウンドレベルが−５０アンペアである場合、上記範囲は＋３７．５乃至＋４７．５アンペアであろう。）こうした実施形態において、期間１１２７からの入熱は、低い入熱を維持することが望まれる限りでは、最小限に保たれる。
【００５３】
これまでに説明されたとおり、本考案の例示的実施形態は、上記で論じられた溶接プロセスの電流波形を使用することに限定されず、他の溶接プロセスが利用されてもよい。例えば、図１３に示されるとおり、定電圧タイプの波形が使用されてもよく、これにおいて、波形の大部分は負の極性にあるが、ショート除去は正の極性にある。図示されるとおり、電圧波形１３００は、負の極性にあるピーク電圧１３０３及びバックグラウンド電圧１３０１を有するが、短絡検出事象が検出されるとき、電圧及び電流は、短絡除去部分１３０５（電圧）及び１３１５（電流）について、正の極性に変えられる。図示される例示的実施形態において、短絡が除去された後、プラズマブースト部分（１３０９及び１３１９）が実施される。当然ながら、他の例示的実施形態において、プラズマブーストは利用されなくてもよく、他のショート除去後（post  short  clearing）機能が使用されてもよい。負の電流から正の電流への移行は、上記で説明されたとおり実施することができる。
【００５４】
上記で説明されたとおり、短絡事象を検出し、あるいは決定するために様々な方法が使用されてよく、短絡事象を検出し、あるいは予測する既知の方法が含まれる。例えば、いくつかの例示的実施形態が、検出されたアーク電力及び／又はアーク電圧を使用してショート事象がいつ生じそうか、あるいは既に生じたかを決定してもよい。例示的実施形態において、検出された電圧又は電力が電圧閾値及び／又は電力閾値を上回るときに極性の変化が始動されるように、電圧及び／又は電力の閾値が設定されてもよい。例えば、いくつかの実施形態において、閾電圧レベル及び／又は閾電力レベルが、所望のアーク長に基づいて選択される。このことは、切り替えの前にアーク長が所望のアーク長又はその近傍にあるときに極性が切り替わることを保証することになる。いくつかの例示的実施形態において、所望のアーク長は０．２乃至０．５ｍｍの範囲内である。この制御方法は、いくつかの実施形態において、負の極性を使用するときにアーク力がたまりの上よりも強く上記消耗品を押し上げ、ゆえにアーク長が迅速に大きくなることになるため、望まれる場合がある。瞬間的な電力及び／又は電圧を検出し、利用し、それを閾値と比較することが、アーク長を切り替えることに対応し、上記のことによって、極性を所望の点において切り替えることができる。閾電力値及び／又は閾電圧値は、ユーザ入力情報を含む溶接プロセス及び動作に関連した様々な入力パラメータに基づいて設定されてよく、ルックアップテーブルを用いた電源／コントローラ等が、所望の極性切り替え電力値及び／又は電圧値を設定してもよい。
【００５５】
他の例示的実施形態において、電源が回路を利用して溶接波形についての比率ｄｊ／ｄｔ（時間の変化にわたる出力ジュールの変化）を検出し、あるいは決定してもよく、検出された変化のレートが所定閾値に達するとき、電源は負の極性から正の極性に切り替える。例えば、負のパルス溶接波形を利用するとき、各パルスの間、大きい溶融ボールが電極の端部に作り出される。ｄｊ／ｄｔ検出回路（この回路は、ｄｉ／ｄｔ又はｄｖ／ｄｔ回路と同様に構築されてもよく、既知の回路構成を使用してもよい）は、コントローラ１７０及び／又は発生器１８０の中に存在してもよく、溶融ボールのサイズ又は短絡事象への近さを予測するのに使用されてもよく、検出されたｄｊ／ｄｔ比率が所定の閾値又は値に達するとき、電流は負の極性から正の極性に切り替えられる。例示的実施形態において、ｄｊ／ｄｔの所定の閾値又は値は、溶接動作に関連する入力情報に基づいてコントローラ１７０において決定され、溶接動作が始まるに存在し、実際のｄｊ／ｄｔ比率がこの閾値と比較されて、電流がいつ負の極性から正の極性に切り替えられるべきかを決定する。本考案の例示的実施形態において、ｄｊ／ｄｔ比率は、ｄｊ／ｄｔ閾値に達したときに溶融ボールは電極からたまりへの移行の準備ができているがボールはまだたまりに接触していないような、電極の端部における溶融ボールの相対的サイズに関連付けられてもよい。こうして、ボール移行の前に、電流の極性は負から正に切り替わり、ただし、溶滴がたまりに向かって移動し、かつ比較的低いアーク力でたまりに接することができるような低い電流レベルに留まる。いったん溶融ボールがたまりに接触すると、コントローラは正の極性においてショート除去機能を始動させ、いったんショート除去機能が完了すると、電極を負に切り替えて戻す。正の極性に切り替えた後に低い電流レベルを使用することによって、ボール移行は正の極性において低いアーク力で生じて、安定した及び制御された溶滴移行を提供することができる。いくつかの例示的実施形態において、正に切り替えた後の低い電流レベルは５乃至１００アンペアの範囲内であり、この電流レベルは、溶滴がたまりに接触するまで維持され、上記接触のときに、ショート除去機能が実施される。他の例示的実施形態において、電流は５乃至４０アンペアの範囲内である。
【００５６】
本出願の請求対象事項が特定の実施形態を参照して説明されてきたが、請求対象事項の範囲から逸脱することなく様々な変更がなされる可能性があり、均等物が代替にされる可能性があることを当業者は理解するであろう。さらに、請求対象事項の範囲から逸脱することなく請求対象事項の教示に対して特定の状況又は材料を適合させるように多くの変更がなされる可能性もある。したがって、請求対象事項は開示された特定の実施形態に限定されず、請求対象事項は別記の請求項の範囲内に入るすべての実施形態を含むものであることが意図される。
【符号の説明】
【００５７】
１００      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      抵抗経路
１２０      電力コンバータ
１２１      溶接出力
１２２      溶接出力
１２３      電力源
１２４      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      信号
１６２      信号
１７０      高速コントローラ
１７１      信号
１７２      信号
１８０      波形発生器
１８１      信号
２１０      溶接回路インダクタンス
２２０      コントローラ
４００      方法
４１０      ステップ
４２０      ステップ
４３０      ステップ
４４０      ステップ
４５０      ステップ
５００      出力電流波形
５１０      ピークパルス
５２０      時間
５３０      時間
５４０      区間
６１０      溶融金属のボール
６２０      テザー
６３０      スパッタ
７００      波形
７１０      ピークパルス
７２０      時間
７３０      時間
７４０      区間
７５０      パルス
８００      方法
８１０      ステップ
８２０      ステップ
８３０      ステップ
８４０      ステップ
８５０      ステップ
９００      波形
９１０      ピークフォーム
９２０      時間
９３０      時間
９４０      区間
９６０      ブランキング区間
１０００    システム
１０１０    モジュール
１０１１    スナバ
１０１３    スナバ
１１００    電流波形
１１０１    バックグラウンド電流レベル
１１０３    ピーク電流レベル
１１０５    ショート事象
１１０７    除去／点
１１１０    パルス
１１２０    除去パルス
１１２１    プラズマブーストパルス
１１２３    第１の電流レベル
１１２５    第２の電流レベル
１１２７    アーク安定化期間
１３００    電圧波形
１３０１    バックグラウンド
１３０３    ピーク
１３０５    短絡除去部分
１３０９    プラズマブースト部分
１３１５    短絡除去部分
１３１９    プラズマブースト部分
Ｑ１        スイッチ
Ｑ２        スイッチ
Ｅ          ワイヤ
Ｌ１          インダクタ
Ｗ          ワークピース
【図１】
0003204946.tif 000003
【図２】
0003204946.tif 000004
【図３】
0003204946.tif 000005
【図４】
0003204946.tif 000006
【図５】
0003204946.tif 000007
【図６】
0003204946.tif 000008
【図７】
0003204946.tif 000009
【図８】
0003204946.tif 000010
【図９】
0003204946.tif 000011
【図１０】
0003204946.tif 000012
【図１１】
0003204946.tif 000013
【図１２】
0003204946.tif 000014
【図１３】
0003204946.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成28年4月22日(2016.4.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】実用新案登録請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
複数の電流ピーク部分とバックグラウンド部分とを有するＤＣ棒マイナス溶接波形である電流を出力する溶接電力コンバータであって、電流ピーク部分の各々のピーク電流は前記バックグラウンド部分の最も高い電流レベルより大きく、前記溶接電力コンバータは前記の溶接波形を電極と少なくとも１つのワークピースとに提供して前記少なくとも１つのワークピースを溶接する、溶接電力コンバータと、
前記電極と前記ワークピースとの間の短絡事象を検出する短絡検出回路と、
前記短絡事象の検出の後、前記ＤＣ棒マイナス波形の前記電流の極性を負から正に変えるＡＣ溶接モジュールと、
を備え、
前記電流が正に変わった後、前記溶接電力コンバータはショート除去電流を出力して前記短絡事象を除去し、前記短絡事象が除去された後、前記ＡＣ溶接モジュールは前記電流の極性を正から負に変え、
前記短絡事象の検出がなければ、前記電流はＤＣ棒マイナス溶接波形として維持される、
溶接装置。
【請求項２】
前記溶接波形はパルス型の溶接波形であり、前記電流ピーク部分の各々は前記のパルスのピークである、請求項１に記載の溶接装置。
【請求項３】
前記短絡事象の検出は、前記電極と前記少なくとも１つのワークピースとの間に短絡状態が作り出される前である、請求項１又は２に記載の溶接装置。
【請求項４】
前記短絡事象の検出は、前記電極と前記少なくとも１つのワークピースとの間に短絡状態が作り出された後である、請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の溶接装置。
【請求項５】
前記短絡事象が前記正の極性において除去された後、前記溶接電力コンバータは、前記極性が正から負に変えられる前に、ブーストパルスの電流を出力し、かつ／あるいは
前記短絡事象が前記正の極性において除去された後、前記極性が正から負に変えられる前に、前記溶接電力コンバータはアーク安定化電流を出力し、前記アーク安定化電流は、０．５乃至５ｍｓの範囲の期間について、維持される、
請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の溶接装置。
【請求項６】
前記アーク安定化電流の大きさが、前記バックグラウンド部分の前記最も高い電流レベルの大きさと同一であり、ただし正の極性であり、かつ／あるいは
前記アーク安定化電流の大きさが、前記バックグラウンド部分の前記最も高い電流レベルの大きさの８５乃至１２０％の範囲内であり、ただし正の極性である、
請求項５に記載の溶接装置。
【請求項７】
前記短絡検出回路は、検出されたｄｊ／ｄｔ比率と、該検出されたｄｊ／ｄｔ比率と所定のｄｊ／ｄｔ閾値とにおける比較とを使用して、前記短絡事象を検出し、かつ／あるいは
前記の検出された短絡事象は、前記電極と前記少なくとも１つのワークピースとの間に短絡状態が存在する前であり、前記ＡＣ溶接モジュールは、前記短絡状態が存在する前に正の極性に切り替え、前記正の極性に切り替わった後、前記溶接電力コンバータは、低い電流レベルを出力して前記電極と前記少なくとも１つのワークピースとの間の接触を始動させ、前記接触の後、前記溶接電力コンバータは前記ショート除去電流を出力する、
請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の溶接装置。