(57)【要約】【課題】溶接中の溶接電流値Ｉｗが予め定めた最小電流値Ｉｍ以下になったときは溶接電源装置の出力を増大させて溶接電流Ｉｗのさらなる低下を制限してアーク切れを防止する最小電流制御では、定常溶接状態での変動に伴うアーク切れは抑制することができるが、アークスタート後の大きな過渡変動に伴うアーク切れを抑制することができない。【解決手段】本発明は、アークスタート後の過渡期間に相当する予め定めたスタート期間Ｔｓ中は、前記最小電流値を、定常溶接時の通常値Ｉｍよりも大きな電流値であり、かつ、前記過渡期間中のアークを維持するための溶接電圧値Ｖｗを溶接電源装置が出力することができる範囲の電流値Ｉｍｈに増加させることによって、アークスタート時のアーク切れを抑制する消耗電極ガスシールドアーク溶接の出力制御方法である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接電流が予め定めた最小電流値以下になったときは溶接電源装置の出力を増大させて溶接電流の低下を制限してアーク切れを防止する消耗電極ガスシールドアーク溶接の出力制御方法において、
アークスタート後の過渡期間に相当する予め定めた期間中は、前記最小電流値を、定常溶接時の通常値よりも大きな電流値でありかつ前記過渡期間中のアークを維持するための溶接電圧値を溶接電源装置が出力することができる範囲の電流値に増加させることを特徴とする消耗電極ガスシールドアーク溶接の出力制御方法。
【請求項２】
請求項１記載の溶接電源装置の出力の増大を、出力電圧を増大させることによって行う消耗電極ガスシールドアーク溶接の出力制御方法。
【請求項３】
請求項１記載の溶接電源装置の出力の増大を、最小電流値を下限値とする定電流制御することによって行う消耗電極ガスシールドアーク溶接の出力制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、消耗電極ガスシールドアーク溶接の出力制御方法に関し、特に、アーク期間中の溶接電流が極端に低くなることによって生じるアーク切れを抑制するための出力制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
消耗電極ガスシールドアーク溶接において、アーク期間中の溶接電流が数十Ａ以下の極端に低い値になると、アーク切れが発生しやすくなる。この理由は、電流値が５０Ａ程度以下になると、アーク特性が正特性から負特性の領域に入るために、アークを維持するために必要な溶接電圧値が非常に大きくなり、この電圧値を溶接電源装置が出力することができない場合が生じるためである。さらに、電流値が低くなると、アークの硬直性が低下するために、少しの外乱によってアークが大きくふらつきやすくなり、アーク切れに至るためである。このようなアーク切れは、平均溶接電流値が低い程アーク期間中の電流値も低くなるために、発生しやすくなる。また、炭酸ガスアーク溶接よりも、マグ溶接又はミグ溶接の方が、上記のようなアーク切れは発生しやい。これは、マグ溶接又はミグ溶接の方が、少しの外乱でアークがふらつきやすいからである。上記のようなアーク切れが発生すると、溶接状態が不安定になるために、溶接品質が悪くなる。
【０００３】
図５は、上記のアーク切れを抑制するための従来技術における出力制御方法を示す電流・電圧波形図である。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【０００４】
時刻ｔ１において、アークスタートすると、同図（Ａ）に示すように、アークスタート性を良好にするために、通常予め定めたホットスタート期間Ｔｈ中は大電流値のホットスタート電流Ｉｈを通電する。同時に、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、無負荷電圧Ｖｎからアーク電圧へと移行する。
【０００５】
その後、時刻ｔ３までは、アークスタートから定常状態に至る過渡期間となる。この過渡期間中は、アーク状態が常に変化しているために、同図（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗの値が変動する。同図は、この過渡変動が比較的小さい場合であるが、過渡変動が大きい場合もよくある。
【０００６】
時刻ｔ３以降は、ほぼ定常状態になり、同図に示すように、短絡期間とアーク期間とを繰り返す。そして、時刻ｔ４〜ｔ５のアーク期間において、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗが予め定めた最小電流値Ｉｍ以下になると、上述したようにアーク切れのおそれが高くなるので、同図（Ｂ）に示すように、出力を増大させて溶接電流Ｉｗがさらに低下しないように制御する。この最小電流制限制御によって、アーク切れを抑制することができる。上記の最小電流値Ｉｍは、平均溶接電流に応じて変化するが、１５〜７０Ａ程度である。この値を大きく設定すれば当然アーク切れは発生しにくくなる。しかし、平均溶接電流が低い場合に最小電流値Ｉｍを大きくすると、アーク期間中のワイヤ溶融量が過剰となり過ぎてアーク状態がかえって不安定になる。したがって、最小電流値Ｉｍは、アーク切れがあまり発生しない範囲で、できるだけ低い値に設定する必要がある。例えば、平均溶接電流値が１００Ａ程度以下の場合、最小電流値Ｉｍ＝１５Ａ程度に設定するのが一般的である。上述した従来技術に対応した公知文献としては、例えば特許文献１がある。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭５９−２０６１６１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図６は、上述したアークスタート後の過渡変動が大きい場合の電流・電圧波形図である。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【０００９】
時刻ｔ１にアークスタートし、過渡期間中の時刻ｔ３において、過渡変動に伴いアークがふらつきアーク長が長くなると、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは低下して最小電流値Ｉｍに達する。このため、上述した最小電流制御が働き、同図（Ｂ）に示すように、出力が増大される。しかし、アークスタート後の過渡期間中の変動は定常状態の変動よりも大きいために、溶接電流Ｉｗを最小電流値Ｉｍに維持するように出力を増大させても、アーク長はさらに長くなり続けて、時刻ｔ４においてアーク切れが発生する。
【００１０】
図７は、このアーク切れの発生原因を説明するための過渡期間中のアーク特性と溶接電源装置の最大出力特性との関係図である。同図の横軸は溶接電流Ｉｗを示し、縦軸は溶接電圧Ｖｗを示す。同図に示すアーク特性は、アークスタート後の過渡期間中において、過渡変動が大きくなりアーク長が相当に長くなったときの特性である。溶接電流Ｉｗが最小電流値Ｉｍに維持されている状態で、アークを維持するためには動作点Ｐ１の溶接電圧値Ｖ１が必要になる。しかし、溶接電源装置の最大出力特性に示すように、溶接電源装置は最大出力電圧Ｖｍａｘしか出力することができない。この状態が、上述した図６の時刻ｔ４の状態であり、結果としてアーク切れが発生する。定常溶接状態でのアーク状態の変動は、上述したように、アークスタート直後ほど大きくはない。このため、定常状態での変動時のアーク特性は、同図に示すアーク特性を電圧が低くなる縦軸方向に平行移動した特性となる。したがって、最小電流Ｉｍが通電するアークを維持するための溶接電圧値Ｖ１は、最大出力電圧値Ｖｍａｘを超えない値となる。このために、定常溶接状態での変動では、アーク切れはほとんど発生しない。しかし、アークスタート後の過渡期間中は変動が大きいために、Ｖ１＞Ｖｍａｘである過渡アーク特性となる場合も多く、この結果、アーク切れが発生する。
【００１１】
このように、定常状態での変動を基準として設定された最小電流値Ｉｍに基づく最小電流制御では、アークスタート後の過渡期間における大きな過渡変動によるアーク切れを防止することはできなかった。この結果、平均溶接電流が１００Ａ程度以下の場合、従来技術ではアークスタート時にある程度のアーク切れは仕方のないものとされていた。しかし、良好な溶接品質を得るためには、このアークスタート時のアーク切れを抑制する必要がある。
【００１２】
そこで、本発明では、アークスタート時のアーク切れを抑制することができる消耗電極ガスシールドアーク溶接の出力制御方法を提供する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、溶接電流が予め定めた最小電流値以下になったときは溶接電源装置の出力を増大させて溶接電流の低下を制限してアーク切れを防止する消耗電極ガスシールドアーク溶接の出力制御方法において、
アークスタート後の過渡期間に相当する予め定めた期間中は、前記最小電流値を定常溶接時の通常値よりも大きな電流値でありかつ前記過渡期間中のアークを維持するための溶接電圧値を溶接電源装置が出力することができる範囲の電流値に増加させることを特徴とする消耗電極ガスシールドアーク溶接の出力制御方法である。
【００１４】
また、請求項２の発明は、請求項１記載の溶接電源装置の出力の増大を、出力電圧を増大させることによって行う消耗電極ガスシールドアーク溶接の出力制御方法である。
【００１５】
また、請求項３の発明は、請求項１記載の溶接電源装置の出力の増大を、最小電流値を下限値とする定電流制御することによって行う消耗電極ガスシールドアーク溶接の出力制御方法である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態に係る消耗電極ガスシールドアーク溶接の出力制御方法を示す電流・電圧波形図である。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００１８】
時刻ｔ１にアークスタートし、その後時刻ｔ５までの過渡期間を経て定常状態へと移行する。本発明では、この過渡期間に相当する予め定めたスタート期間Ｔｓ中は、最小電流値を定常状態の通常値Ｉｍよりも大きな値Ｉｍｈに設定する。これによってアークスタート後の過渡期間中のアーク切れが抑制される理由は以下のとおりである。すなわち、同図（Ａ）に示すように、過渡変動によってアークがふらつきアーク長が長くなると、アーク負荷が大きくなるために溶接電流Ｉｗが低下する。そして、時刻ｔ３において、溶接電流Ｉｗはスタート期間最小電流値Ｉｍｈまで低下する。このため、同図（Ｂ）に示すように、最小電流制御が働き出力が増大される。このときに、スタート期間最小電流値Ｉｍｈは、通常値Ｉｍよりも大きい電流値であり、かつ、過渡期間中のアークを維持するための溶接電圧値を溶接電源装置が出力することができる範囲の電流値に設定する。このように設定したときの動作を、上述した図７を参照して説明する。
【００１９】
図７に示すアーク特性は、上述したように、アークスタート後の過渡期間中に過渡変動が大きくなりアーク長が相当に長くなったときの特性である。この場合、溶接電流Ｉｗはスタート期間最小電流値Ｉｍｈに維持されるので、動作点はＰ２となる。この動作点Ｐ２のアークを維持するための溶接電圧値Ｖ２は、溶接電源装置の最大出力電圧Ｖｍａｘ以下となるので、アーク切れを起こすことなくアークを維持することができる。したがって、過渡期間中のアーク特性が変化しても、このスタート期間最小電流値Ｉｍｈが通電するアークを維持するための溶接電圧値Ｖ２が溶接電源装置の最大出力電圧Ｖｍａｘ以下になるように、スタート期間最小電流値Ｉｍｈを設定すればよい。例えば、上記のスタート期間Ｔｓは十数〜数十ｍｓ程度であり、上記のスタート期間最小電流値Ｉｍｈは３０〜７０Ａ程度である。
【００２０】
時刻ｔ５において、スタート期間Ｔｓが終了すると、同図（Ａ）に示すように、最小電流値は通常値Ｉｍに切り換わり、以後は上述した従来技術と同様の最小電流制御となる。
【００２１】
上述したように、本発明では、アークスタート後の過渡期間Ｔｓ中の最小電流値を通常値Ｉｍよりも大きな値Ｉｍｈに設定することによって、アークスタート時の過渡変動に伴うアーク切れを抑制することができる。また、本発明の最小電流制御において出力を増大させる方法としては、以下の２つの方法がある。１つ目は、溶接電流Ｉｗが最小電流値以下になると、溶接電源装置の出力電圧を増大させる方法である。２つ目は、溶接電流Ｉｗを定電流制御することによって最小電流値以下にならないように、電流設定値に下限制限を行う方法である。以下、この２つの方法に対応した本発明を実施するための溶接電源装置の構成について説明する。
【００２２】
図２は、上述した出力電圧を増大させる本発明の実施の形態に係る溶接電源装置のブロック図である。以下、同図を参照して、各回路について説明する。
【００２３】
電源主回路ＭＣは、交流商用電源（３相２００Ｖ等）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、サイリスタ位相制御等の出力制御を行い、アーク負荷に適した出力電圧Ｅ及び溶接電流Ｉｗを出力する。リアクトルＬは、出力電圧Ｅを平滑して溶接電圧Ｖｗとする。溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給装置の送給ロール５によって溶接トーチ４を通って送給され、母材２との間にアーク３が発生する。
【００２４】
電流検出回路ＩＤは、溶接電流Ｉｗを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。スタート期間タイマ回路ＴＳは、アークスタート後に溶接電流Ｉｗが通電してから予め定めたスタート期間中だけＨｉｇｈレベルとなるスタート期間信号Ｔｓを出力する。スタート期間最小電流設定回路ＩＭＨＲは、予め定めたスタート期間最小電流設定信号Ｉｍｈｒを出力する。最小電流設定回路ＩＭＲは、予め定めた通常値の最小電流設定信号Ｉｍｒを出力する。切換回路ＳＷは、上記のスタート期間信号ＴｓがＨｉｇｈレベルのときはａ側に切り換わり上記のスタート期間最小電流設定信号Ｉｍｈｒを最小電流切換信号Ｉｓｗとして出力し、Ｌｏｗレベルのときはｂ側に切り換わり上記の最小電流設定信号Ｉｍｒを最小電流切換信号Ｉｓｗとして出力する。
【００２５】
電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流検出信号Ｉｄが上記の最小電流切換信号Ｉｓｗよりも小さくなったときはその誤差（Ｉｓｗ−Ｉｄ）に応じた電圧設定修正信号ΔＥｒを出力する。出力電圧設定回路ＥＲは、所望値の出力電圧設定信号Ｅｒを出力する。加算回路ＡＤは、上記の出力電圧設定信号Ｅｒと上記の電圧設定修正信号ΔＥｒとを加算して、電圧制御設定信号Ｅｃｒを出力する。出力電圧検出回路ＥＤは、上記の出力電圧Ｅを検出して、出力電圧検出信号Ｅｄを出力する。誤差増幅回路ＥＡは、上記の電圧制御設定信号Ｅｃｒと上記の出力電圧検出信号Ｅｄとの誤差を増幅して、誤差増幅信号Ｅａを出力する。
【００２６】
上述した構成の溶接電源装置によれば、スタート期間信号ＴｓがＨｉｇｈレベルの期間中に電流検出信号Ｉｄがスタート期間最小電流設定信号Ｉｍｈｒよりも小さくなると、その誤差に応じて電圧設定修正信号ΔＥｒだけ出力電圧設定信号Ｅｒが増加する。この結果、定電圧制御によって出力電圧Ｅが増大する。このために、アークスタート後の過渡期間中のアーク切れを抑制することができる。
【００２７】
図３は、上述した定電流制御によって出力を増大させる２つ目の方法に対応する実施の形態に係る溶接電源装置のブロック図である。同図において、上述した図２と同一の回路には同一符号を付して、それらの説明は省略する。以下、点線で示す図２とは異なる回路について説明する。
【００２８】
溶接電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して、溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する。溶接電圧設定回路ＶＲは、所望値の溶接電圧設定信号Ｖｒを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の溶接電圧設定信号Ｖｒと上記の溶接電圧検出信号Ｖｄとの誤差に応じて、電流設定修正信号ΔＩｒを出力する。電流設定回路ＩＲは、予め定めた電流設定信号Ｉｒを出力する。加算回路ＡＤは、上記の電流設定信号Ｉｒと上記の電流設定修正信号ΔＩｒとを加算して、電流設定加算信号Ｉａｄを出力する。電流設定制限回路ＬＭは、上記の電流設定加算信号Ｉａｄの値の最小値を最小電流切換信号Ｉｓｗの値に制限して、電流制御設定信号Ｉｃｒを出力する。したがって、この電流制御設定信号Ｉｃｒは、スタート期間中はスタート期間最小電流設定信号Ｉｍｈｒに制限され、それ以降の期間中は最小電流設定信号Ｉｍｒに制限される。誤差増幅回路ＥＡは、上記の電流制御設定信号Ｉｃｒと電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して誤差増幅信号Ｅａを出力する。
【００２９】
上述した構成の溶接電源装置によれば、スタート期間信号ＴｓがＨｉｇｈレベルのときの電流制御設定信号Ｉｃｒの最小値がスタート期間最小電流設定信号Ｉｍｈｒの値以下にならないように定電流制御される。このために、アークスタート後の過渡期間中のアーク切れを抑制することができる。
【００３０】
図４は、本発明の効果の一例を示す良好アークスタート率の比較図である。同図は、鉄鋼のマグ溶接において、平均溶接電流７５Ａ、平均溶接電圧１６Ｖに設定し、最小電流値Ｉｍ＝１５Ａ、スタート期間最小電流値Ｉｍｈ＝３０Ａに設定して、アークスタート後の過渡期間中にアーク切れが発生しない良好アークスタートの比率を、従来技術と本発明とで比較したものである。同図から明らかなように、従来技術では６２％程度であるのに対して、本発明では９８％に達している。したがって、本発明では、アークスタート後の過渡期間中のアーク切れを大幅に抑制することができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の消耗電極ガスシールドアーク溶接の出力制御方法によれば、アークスタート後の過渡期間に相当する予め定めたスタート期間中の最小電流値を通常値よりも大きなアーク特性が正特性となる領域に設定することによって、過渡期間中のアーク切れを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の消耗電極ガスシールドアーク溶接の出力制御方法を示す電流・電圧波形図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る溶接電源装置のブロック図である。
【図３】本発明の別の実施の形態に係る溶接電源装置のブロック図である。
【図４】本発明の効果を示す良好アークスタート率の比較図である。
【図５】従来技術の消耗電極ガスシールドアーク溶接の出力制御方法を示す電流・電圧波形図である。
【図６】課題を示す電流・電圧波形図である。
【図７】課題及び本発明を説明するためのアークスタート後の過渡期間中のアーク特性と溶接電源装置の最大出力特性との関係図である。
【符号の説明】
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
ＡＤ            加算回路
Ｅ            出力電圧
ＥＡ            誤差増幅回路
Ｅａ            誤差増幅信号
Ｅｃｒ            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
ＥＩ            電流誤差増幅回路
ＥＲ            出力電圧設定回路
Ｅｒ            出力電圧設定信号
ＥＶ            電圧誤差増幅回路
Ｉａｄ            電流設定加算信号
Ｉｃｒ            電流制御設定信号
ＩＤ            電流検出回路
Ｉｄ            電流検出信号
Ｉｈ            ホットスタート電流
Ｉｍ            最小電流値
Ｉｍｈ            スタート期間最小電流値
ＩＭＨＲ          スタート期間最小電流設定回路
Ｉｍｈｒ          スタート期間最小電流設定信号
ＩＭＲ            最小電流設定回路
Ｉｍｒ            最小電流設定信号
ＩＲ            電流設定回路
Ｉｒ            電流設定信号
Ｉｓｗ            最小電流切換信号
Ｉｗ            溶接電流
Ｌ            リアクトル
ＬＭ            電流設定制限回路
ＭＣ            電源主回路
ＳＷ            切換回路
Ｔｈ            ホットスタート期間
ＴＳ            スタート期間タイマ回路
Ｔｓ            スタート期間（信号）
ＶＤ            溶接電圧検出回路
Ｖｄ            溶接電圧検出信号
Ｖｍａｘ          最大出力電圧
Ｖｎ            無負荷電圧
ＶＲ            溶接電圧設定回路
Ｖｒ            溶接電圧設定信号
Ｖｗ            溶接電圧
ΔＥｒ            電圧設定修正信号
ΔＩｒ            電流設定修正信号
【図１】
2004290986.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2004290986.tif 000006
【図５】
2004290986.tif 000007
【図６】
2004290986.tif 000008
【図７】
2004290986.tif 000009