(57)【要約】【課題】改良された電弧溶接装置を提供する。【解決手段】第１・第２電極が溶接路に沿って一致して動くとき、第１電源によって第１電極と工作物の間に第１電流波形で第１交流溶接アークを発生させ、第２電源によって第２電極と工作物の間に第２電流波形で第２交流溶接アークを発生させるための電弧溶接装置。ここで、第１・第２電源はそれぞれ高速切換インバータを有し、該インバータは、波形整形器によって制御される各電流パルスの大きさと、信号によって制御される波形の極性をもつ、少なくとも１８ＫＨｚの周波数で発生する多数の電流パルスによってその波形を作る。第１交流波形は、その負部分とはエネルギーの異なる正部分をもち、及び／又は異なる形状か合成正弦状部分をもつ。【選択図】図１
2004223613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２電極が溶接路に沿って一致して動くとき、第１電源による第１電極と工作物の間の第１電流波形をもつ第１交流溶接アークと、第２電源による第２電極と工作物の間の第２電流波形をもつ第２交流溶接アークを作るための電弧溶接装置であって、第１及び第２電源がそれぞれ、波形整形器によって制御される各電流パルスの大きさと、信号によって制御される波形の極性をもつ少なくとも１８ＫＨｚの周波数で発生する多数の電流パルスによって波形を作る高速切換インバータからなり、そして少なくとも第１交流波形が負部分よりも実質的に小さなエネルギーの正部分を有して、第２交流波形から位相がシフトしていることを特徴とする電弧溶接装置。
【請求項２】
第１交流波形が少なくとも一方の極性において正弦波である請求項１の装置。
【請求項３】
第１交流波形が双方の極性において正弦波である請求項２の装置。
【請求項４】
第２交流波形が少なくとも一方の極性において正弦波である請求項１又は３の装置。
【請求項５】
第２交流波形が双方の極性において正弦波である請求項４の装置。
【請求項６】
極性が切り換わるとき、第１波形が垂直である請求項１〜５のいずれか１項の装置。
【請求項７】
極性が切り換わるとき、第２交流波形が、負部分よりも実質的に小さなエネルギーの正部分をもつ請求項１〜６の装置。
【請求項８】
第２交流波形が双方の極性において正弦波である請求項７の装置。
【請求項９】
第１及び第２交流波形の正部分が、それぞれ負部分よりも短い長さの時間を有する請求項１〜８のいずれか１項の装置。
【請求項１０】
溶接路がパイプの継目である請求項１〜９のいずれか１項の装置。
【請求項１１】
第１及び第２電極が溶接路に沿って一致して動くとき、第１電源による第１電極と工作物の間の第１電流波形をもつ第１交流溶接アークと、第２電源による第２電極と工作物の間の第２電流波形をもつ第２交流溶接アークを作るための電弧溶接装置であって、第１及び第２電源がそれぞれ、波形整形器によって制御される各電流パルスの大きさと、論理信号によって制御される波形の極性をもつ少なくとも１８ＫＨｚの周波数で発生する多数の電流パルスによって波形を作る高速切換インバータからなり、そして少なくとも第１交流波形が正部分よりも実質的に小さなエネルギーの負部分を有して、第２交流波形から位相がシフトしていることを特徴とする電弧溶接装置。
【請求項１２】
第１交流波形が少なくとも一方の極性において正弦波である請求項１１の装置。
【請求項１３】
第１交流波形が双方の極性において正弦波である請求項１１の装置。
【請求項１４】
第２交流波形が少なくとも一方の極性において正弦波である請求項１１の装置。
【請求項１５】
第２交流波形が双方の極性において正弦波である請求項１１の装置。
【請求項１６】
極性が切り換わるとき、第１波形が垂直である請求項１１の装置。
【請求項１７】
第２交流波形が、正部分よりも実質的に小さな負部分をもつ請求項１１の装置。
【請求項１８】
第１及び第２波形の負部分が、それぞれ正部分よりも短い長さの時間を有する請求項１１〜１７のいずれか１項の装置。
【請求項１９】
第１及び第２電極が溶接路に沿って一致して動くとき、第１電源による第１電極と工作物の間の第１電流波形をもつ第１交流溶接アークと、第２電源による第２電極と工作物の間の第２電流波形をもつ第２交流溶接アークを作るための電弧溶接装置であって、第１及び第２電源がそれぞれ、波形整形器によって制御される各電流パルスの大きさと、論理信号によって制御される波形の極性をもつ少なくとも１８ＫＨｚの周波数で発生する多数の電流パルスによって波形を作る高速切換インバータからなり、少なくとも第１交流波形が負部分と実質的に長さの異なる正部分を有しており、そして第２交流波形から位相がシフトしていることを特徴とする電弧溶接装置。
【請求項２０】
第１交流波形が少なくとも一方の極性において正弦波である請求項１９の装置。
【請求項２１】
第１交流波形が双方の極性において正弦波である請求項１９の装置。
【請求項２２】
第２交流波形が少なくとも一方の極性において正弦波である請求項１９の装置。
【請求項２３】
第２交流波形が双方の極性において正弦波である請求項１９の装置。
【請求項２４】
第２交流波形が負部分に実質的に長さの異なる正部分をもつ請求項１９の装置。
【請求項２５】
第１及び第２電極が溶接路に沿って一致して動くとき、第１電源による第１電極と工作物の間の第１電流波形をもつ第１交流溶接アークと、第２電源による第２電極と工作物の間の第２電流波形をもつ第２交流溶接アークを作るための電弧溶接装置であって、第１及び第２電源がそれぞれ、波形整形器によって制御される各電流パルスの大きさと、論理信号によって制御される波形の極性をもつ少なくとも１８ＫＨｚの周波数で発生する多数の電流パルスによって波形を作る高速切換インバータからなり、そして波形が異なる形状をもち、いずれも２０ｍｓ未満の同期をもつ同極性及び逆極性として定義される同時に起こる極性関係の同期が存在することを特徴とする電弧溶接装置。
【請求項２６】
第１交流波形が少なくとも一方の極性において正弦波である請求項２５の装置。
【請求項２７】
第１交流波形が双方の極性において正弦波である請求項２５の装置。
【請求項２８】
第２交流波形が少なくとも一方の極性において正弦波である請求項２５の装置。
【請求項２９】
第２交流波形が双方の極性において正弦波である請求項２５の装置。
【請求項３０】
いずれの同時に起こる極性関係の同期も、いずれか一方の波形の長さの１／２よりも実質的に短い請求項２５の装置。
【請求項３１】
いずれの同時に起こる極性関係の同期も１０ｍｓよりも短い請求項２５の装置。
【請求項３２】
波形の一方が、負部分よりも実質的に小さなエネルギーの正部分をもつ請求項２５の装置。
【請求項３３】
波形の双方が、負部分よりも実質的に小さなエネルギーの正部分をもつ請求項２５の装置。
【請求項３４】
波形の一方が、正部分よりも実質的に小さなエネルギーの負部分をもつ請求項２５の装置。
【請求項３５】
波形の双方が、正部分よりも実質的に小さなエネルギーの負部分をもつ請求項２５の装置。
【請求項３６】
第１及び第２電極が溶接路に沿って一致して動くとき、第１電源による第１電極と工作物の間の第１電流波形をもつ第１交流溶接アークと、第２電源による第２電極と工作物の間の第２電流波形をもつ第２交流溶接アークを作るための電弧溶接装置であって、第１及び第２電源がそれぞれ、波形整形器によって制御される各電流パルスの大きさと、論理信号によって制御される波形の極性をもつ少なくとも１８ＫＨｚの周波数で発生する多数の電流パルスによって波形を作る高速切換インバータからなり、そして一方の波形の一方の極性部分の時間長さが、当該波形の他方の極性部分の時間長さよりも実質的に短い時間長さと最大振幅をもつ正部分を各波形が有することを特徴とする電弧溶接装置。
【請求項３７】
第１交流波形が少なくとも一方の極性において正弦波である請求項３６の装置。
【請求項３８】
第１交流波形が双方の極性において正弦波である請求項３６の装置。
【請求項３９】
第２交流波形が少なくとも一方の極性において正弦波である請求項３６の装置。
【請求項４０】
第２交流波形が双方の極性において正弦波である請求項３６の装置。
【請求項４１】
他方の波形の一極性部分の時間長さが、当該波形の他極性部分の時間長さよりも実質的に短い請求項３６の装置。
【請求項４２】
第１及び第２電極が溶接路に沿って一致して動くとき、第１電源による第１電極と工作物の間の第１電流波形をもつ第１交流溶接アークと、第２電源による第２電極と工作物の間の第２電流波形をもつ第２交流溶接アークを作るための電弧溶接装置であって、第１及び第２電源がそれぞれ、波形整形器によって制御される各電流パルスの大きさと、論理信号によって制御される波形の極性をもつ少なくとも１８ＫＨｚの周波数で発生する多数の電流パルスによって波形を作る高速切換インバータからなり、そして一方の波形の一方の極性部分の最大振幅が、当該波形の他方の極性部分の最大振幅よりも実質的に小さい最大振幅と時間長さをもつ正部分を各波形が有することを特徴とする電弧溶接装置。
【請求項４３】
第１交流波形が少なくとも一方の極性において正弦波である請求項４２の装置。
【請求項４４】
第１交流波形が双方の極性において正弦波である請求項４２の装置。
【請求項４５】
第２交流波形が少なくとも一方の極性において正弦波である請求項４２の装置。
【請求項４６】
第２交流波形が双方の極性において正弦波である請求項４２の装置。
【請求項４７】
他方の波形の一極性部分の時間長さが、当該波形の他極性部分の時間長さよりも実質的に短い請求項４２の装置。
【請求項４８】
第１及び第２電極が溶接路に沿って一致して動くとき、第１電源による第１電極と工作物の間の第１電流波形をもつ第１交流溶接アークと、第２電源による第２電極と工作物の間の第２電流波形をもつ第２交流溶接アークを作るための電弧溶接装置であって、第１及び第２電源がそれぞれ、波形整形器によって制御される各電流パルスの大きさと、信号によって制御される波形の極性をもつ少なくとも１８ＫＨｚの周波数で発生する多数の電流パルスによって波形を作る高速切換インバータからなり、そして第１交流波形が少なくとも一方の極性において正弦波であることを特徴とする電弧溶接装置。
【請求項４９】
第１交流波形が双方の極性において正弦波である請求項４８の装置。
【請求項５０】
第２交流波形が少なくとも一方の極性において正弦波である請求項４８の装置。
【請求項５１】
第２交流波形が双方の極性において正弦波である請求項４８の装置。
【請求項５２】
極性間で切り換わるとき、第１及び第２波形が実質的に垂直である請求項４８〜５１のいずれか１項の装置。
【請求項５３】
第２交流波形が少なくとも一方の極性において正弦波である請求項４８の装置。
【請求項５４】
第２交流波形が双方の極性において正弦波である請求項４８の装置。
【請求項５５】
第１及び第２電極が溶接路に沿って一致して動くとき、第１電源による第１電極と工作物の間の第１電流波形をもつ第１交流溶接アークと、第２電源による第２電極と工作物の間の第２電流波形をもつ第２交流溶接アークを作るための電弧溶接装置であって、第１及び第２電源がそれぞれ、波形整形器によって制御される各電流パルスの大きさと、信号によって制御される波形の極性をもつ少なくとも１８ＫＨｚの周波数で発生する多数の電流パルスによって波形を作る高速切換インバータからなり、そして第１波形が、第２波形の一つの正部分及び負部分と同期して関連づけられた正部分及び当該第２波形の一つに続く次の第２波形の正部分及び負部分と同期して関連づけられた負部分をもつことを特徴とする電弧溶接装置。
【請求項５６】
第１及び第２波形の正部分及び負部分が、実質的に同一形状であるが逆極性である請求項５５の装置。
【請求項５７】
第１交流波形が少なくとも一方の極性において正弦波である請求項５５の装置。
【請求項５８】
第１交流波形が双方の極性において正弦波である請求項５７の装置。
【請求項５９】
第２交流波形が少なくとも一方の極性において正弦波である請求項５５又は５７の装置。
【請求項６０】
第２交流波形が双方の極性において正弦波である請求項５９の装置。
【請求項６１】
極性間で切り換わるとき、第１波形が垂直である請求項５５の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電弧溶接に関し、さらに詳しくは縦列電極を操作する電弧溶接装置に関するものである。
本発明は、大きな金属半加工品の継目溶接に使われるタイプの２又はそれ以上の縦列電極を駆動するための大容量交流電源を用いる電弧装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、出力極性を変えるためのスイッチをもつどんな標準交流電源を用いても実施できるが、スイッチが極性を反転させる前に電源がアーク電流を減小させる２つの大きな出力極性スイッチをもつインバータである特許文献１に記載されている切換コンセプトを用いる電源を用いることが好ましい。したがって、「切換点」という術語は、１００Ａのような所定値未満の電流を待って電源が最初に切られる複雑なプロセスをいう。１００Ａの閾値に達すると、電源の出力スイッチは、インバータの直流出力リンクから極性を反転させるために切り換えられる。こうして、「切換点」は、「キル」（ｋｉｌｌ）命令として知られている電源インバータへのオフ出力命令であり、その後に、切換命令が続いて出力極性を反転させる。このキル出力は、ある減小電流値への降下でありうる。この操作が各連続極性切換においてくり返されるので、交流電源は低電流でのみ極性を反転する。このようにして、出力極性制御スイッチ用緩衝回路は大きさを縮小され、あるいは不要にされる。この切換コンセプトは、本発明に用いられるような切換点を決めるのに好ましいので、特許文献１の内容を参考として組み入れる。縦列電極用交流電流の考えは、当分野において周知である。特許文献２は、個別インバータ電源によって縦列電極がそれぞれ電力を提供される装置を開示している。隣り合う縦列電極の交流間の干渉を減らすため、周波数が変えられる。実際、この特許文献２は、直流電極の後に交流電極、又は２以上の交流電極を駆動するための単一電源に関するものである。各例において、各電極に対して個別インバータ型電源が使われ、交流大容量電源において特許文献１における切換点の考えが採られている。この装置は、本発明に対する参考情報である。同様に、特許文献３は、単一電極アークと並列につながれた２以上の独立電源によって駆動される縦列溶接における電弧装置を開示している。この装置は、特許文献１に従って操作される極性反転スイッチ網への入力を形成する２以上の正確に平衡した電源をもつスイッチの１組を含んでいる。各電源は、単一命令信号によって駆動されるので、極性反転スイッチを通って導かれて結合する同一の電流値を共有する。このタイプの装置は、電極に向かう全電流が１組のスイッチを通って流れるので、大きな極性反転スイッチを要する。特許文献３公報は、単一電極に対する電源のマスター・スレーブ結合を示し、本発明に対する一般的な参考情報を開示している。そのため、特許文献３も参考として組み入れる。制御された切換点をもつ縦列電極を操作するための改善が、特許文献４に開示されている。この特許文献４も参考として組み入れる。
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６，１１１，２１６号
【特許文献２】米国特許第６，２０７，９２９号
【特許文献３】米国特許第６，２９１，７９８号
【特許文献４】米国特許第６，４７２，６３４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
パイプ溶接のような溶接用途は、しばしば大電流を要し、縦列電極によって作られる数個のアークを用いる。そのような溶接装置は、２つの隣り合う縦列電極間の磁気相互作用によるアーク妨害によって、むらを生じやすい。隣り合う交流駆動縦列電極による不利を修正するための装置が、米国特許第６，２０７，９２９号公報に開示されている。その中で、各電極はそれぞれ個別インバータ電源を有している。各電源の出力周波数は、隣接電極間の干渉を防ぐように変えられる。この装置は、各電極用の個別電源を要する。ある電極に対する電流命令がインバータ電源の電流よりも大きくなると、新しい電源が設計され、製造されなければならない。こうして、そのような装置は、パイプ溶接に必要な大電流を得るため、大容量電源を必要とする。特別な大電流の電源の必要性を減らすため、譲受人は、各交流電極が並列につながれた２以上インバータ電源によって駆動される［特許文献５］に記載の装置を開発した。これらの並列電源は、極性切換回路の入力側で結合される出力電流を有する。こうして、より大電流が要求されるので、２以上の並列電源が使われる。この装置で、各電源は一致して操作され、出力電流を等しく共有する。こうして、溶接条件の変化によって要求される電流は、単一ユニットの過電流によってのみ供給されうる。電流平衡装置が幾つかのより小さな電源の結合を考慮したが、それらの電源は極性反転回路の入力側で並列に接続されねばならなかった。そのように、大きなスイッチが各電極に対して必要であった。したがって、そのような装置は、パイプ溶接に使われるタイプの縦列溶接における各電極用特別電源の必要性という不利を克服したが、なお、スイッチは大きくなければならず、かつ、入力並列電源が単一電流命令信号によって駆動されて正確に調整されねばならないという不利を有している。特許文献３は、電流を各電極に流す各溶接セルのための同期信号という考えを用いる。しかし、この装置は依然として、大きなスイッチを必要とした。このタイプの装置は、溶接セルを相互接続するイーサーネットにおける操作に利用できた。イーサーネット相互接続において、タイミングは正確に制御できない。この装置において、ある電極に対する切換タイミングは時間に基づいて移動することのみを要し、特別な時刻に対して正確に同定されることを要しない。こうして、電流と第一スイッチ回路の平衡に要する上記装置は、イーサーネットあるいはインターネット、及びイーサーネット制御装置を使うとき、縦列電弧溶接における使用のため、大電流を得る方式であった。そこには、インターネット・リンクを伴って、あるいは伴わずに、イーサーネット回路によって溶接機を制御したいという要望がある。タイミングの制約により、これらの回路は、一般的な同期技術のみを用いるタイプの制御電極装置の使用を規定した。このような装置は、ネットワークによって制御されうるだろうが、各並列電源に対するパラメータは変化しえないだろう。各セルは、同期信号によって互いにオフセットされうるのみだろう。このような装置は、セル間にオフセットを与えるのみの精巧なネットワークは有利でなかったので、インターネット及び／又はローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）制御による中央制御には適さなかった。特許文献４は、セル自身が切換回路をそれぞれもつ１以上の並列電源を含む各電極に対する単一交流電弧溶接セルの考えを開示している。切換回路の出力は、次に電極を駆動するために結合される。これにより、並列接続の各電源の極性切換のための比較的小さなスイッチの使用が可能になる。さらに、縦列溶接に使われる数個の電極の各々に大電流入力を与えるため、比較的小さな電源が並列に接続されうる。単一電極を駆動するため極性切換スイッチの後に並列に接続された数個のそれぞれ独立に制御される電源の使用により、インターネットやイーサーネットのようなネットワークを有利に使いうる。
【０００５】
特許文献４において、各装置のより小さな電源は、単一電極に電力を供給するため並列に接続されている。各並列電源の切換点を大電流インターフェースと調整することにより、交流出力電流は、極性切換スイッチの前の結合なしに、並列電源からの電流の総和である。このコンセプトを使って、イーサーネットは、各並列電源の溶接パラメータを制御できる。切換点のタイミングは、新規なインターフェースによって正確に制御されるが、各電源に対してコントローラに導かれる溶接パラメータは、正確な時間ベースをもたないイーサーネットによって与えられうる。こうして、インターネットリンクは、単一電極を駆動するため、各電源コントローラにパラメータを導くために使われうる。各電源に対してコード化されたこれらの溶接パラメータの時間ベースの正確さに対する要請はない。好ましい実施の形態では、切換点は、１００Ａのような最小閾値未満への電流降下の検出を待つ「キル」命令である。各電源が切換命令をもつと、切り換えられる。並列電源間の切換点は、瞬間時であれ、待ち遅れをもつ「キル」命令を含むシーケンスであれ、１０μｓ未満、好ましくは１〜５μｓの範囲の正確さをもつインターフェースカードによって正確に調整される。このタイミングの正確さにより、並列電源における切換操作が調整され、交流出力電流が調整される。
【０００６】
インターネット又はイーサーネットＬＡＮを使って、各電源に対する１組のパラメータが、並列電源用コントローラが正確なデジタル・インターフェースカードと相互接続される、正確さの劣る情報ネットワークについて利用できる。こうして、装置の個々の並列電源の切換が調整される。これは、溶接装置のインターネット及びＬＡＮ制御の使用を許す有利な点である。情報ネットワークは、選択された位相関係における縦列溶接で幾つかの電極に接続された電弧溶接装置を始動するための同期信号を含む。各電極は、異なる電極間での磁気干渉を防ぐために装置が遅らされている間、正確に制御された切換点をもつ。これにより、共通の情報ネットワークを用いる幾つかの交流電極が駆動される。米国特許第６，４７２，６３４号は、電極に交流電流を与えるため、並列電源に対して特に有用である。切換点は正確なインターフェースによって調整され、各並列電源に対する溶接パラメータは、一般的な情報ネットワークによって与えられる。これは譲受人が開発して米国特許を取得した技術であり、本明細書において「背景」として使われるので、必ずしも従来技術を構成しない。
【０００７】
特許文献２の装置の特徴として、２以上の電源が第一電極を駆動しうる。こうして、この装置は、第１コントローラに受信される信号を同期する装置に関して、一般的なタイミング関係で、極性切換点をもつ切換信号を発生させることにより、電極と工作物の間に交流電流を第１電源に生じさせる第１電源用第１コントローラを有する。第１コントローラは、第１コントローラに導かれる１組の第１電源特別パラメータ信号に応じて、第１溶接パラメータで操作される。切換点で交流電流の極性を反転させることにより、同一の電極と工作物の間に交流電流を発生させるスレーブ電源を操作するため、少なくとも１つのスレーブ・コントローラが供給される。スレーブ・コントローラは、スレーブ・コントローラへの第２組の電源特別パラメータ信号に応じて、第２溶接パラメータで作動する。第１コントローラおよび第２（スレーブ）コントローラに接続された情報ネットワークは、これら２つのコントローラに対するデジタル第１・第２電源特別パラメータ信号、及び装置特別同期信号を含む。こうして、コントローラは、インターネット・リンクを有する、あるいは有さないイーサーネット、又は単なるＬＡＮである情報ネットワークから、パラメータ信号及び同期信号を受信する。本発明は、第１（マスター）コントローラからの切換信号によって、第２（スレーブ）電源の切換点を制御するため、第１コントローラと第２コントローラを接続するデジタル・インターフェースを有する。実際には、第１コントローラは、切換点で電流反転を始める。この反転が、高精度で第２コントローラに伝えられ、その電流反転を始めさせる。各コントローラが、ある値未満のアーク電流を検知すると、「用意信号」が生じる。すべての並列電源から「用意信号」が出た後、すべての電源が極性を反転する。これは、各２５μｓであるストロボ命令又はルック命令信号を受けると生じる。こうして、切換は一致し、２５μｓ未満の遅延をもつ。したがって、双方のコントローラは、単一電極への交流電流の切換点を制御する相互接続データをもつ。同一のコントローラが、インターネットとイーサーネットの結合又はＬＡＮからなる情報ネットワークから、パラメータ情報と同期信号を受ける。デジタル・インターフェースのタイミング精度は１０μｓ未満で、好ましくは１〜５μｓである。こうして、２つのコントローラに対する切換点は、５μｓ未満に命令される。その次に、切換が２５μｓ以内に生じる。同時に、比較的より短い時間を検知可能な情報が、２つのコントローラに接続された情報ネットワークから受信される。最大２５μｓの遅延が変えられうるが、切換命令の正確さよりも小さい。
【０００８】
特許文献４に開示されている制御装置は、特許文献３に開示されているパイプ継目溶接に主に使われる縦列電極用電源を制御するために使われる。特許文献３は、回転パイプの両端間あるいは２つのパイプ隣接部の両端間の空間に連続して溶接ビーズを置くため、溶接路に沿って動ける縦列電極に関するものである。ここで使われている個々の交流波形は、波形整形器によって制御される各電流パルスの大きさをもつ、少なくとも１８ＫＨｚの周波数で生じる電流パルスによって作られる。この技術は特許文献６に遡る。２つの隣接する縦列電極の交流電流波形の整形は公知で、この特許文献６ばかりでなく、特許文献２にも示されている。後者において、交流電流の周波数は、磁気干渉を防ぐために調整されている。オハイオ州のリンカーン電気社によるこれらすべての上記特許文献は、個々の交流波形によってそれぞれ操作される縦列電極の操作において先端的であった。しかし、これらの特許文献は、それぞれ交流電流を用いる隣り合う電極による縦列溶接に用いるため、そのような波形技術を用いるように導かれる本発明を開示していない。従来の通常の変換技術は、溶接パドルの動特性を制御するのは困難であった。こうして、溶融溶接パドルの動特性と物理を制御するように特別に設計された縦列電極用電弧溶接装置に対するニーズが存在する。それは、磁気干渉を減らすために単に周波数を変化させるだけでは、得ることができない。
【０００９】
【特許文献５】米国特許第６，２９１，７９８号
【特許文献６】米国特許第５，２７８，３９０号
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、特許文献６に開示され、特許文献２、特許文献３、及び特許文献４による縦列電極溶接装置に使われる波形技術の改良に関するものである。その改良は、溶接の間に溶接パドルが静止しているように縦列電極によって作られる交流波形を制御することである。この目的は、貫通と堆積における差異を得ながら極性の反転のような極性関係の発生時間を制限するため、縦列電極の交流電流間の関係を制御する装置を使うことによって達成される。２つの隣り合う縦列電極の波形が同極性の間、溶融金属溶接プールは物理的に崩れるが、反対極性の間ははじかれることがわかった。隣り合う交流パルスの時間間隔が同じ極性のもとで２０μｓを越えて長ければ、溶接プール内の溶融金属の崩れあるいははじきは、溶接プロセスに妨害となる。その結果、固化する溶接ビーズの形が不均一になる。隣り合う電極に交流電流を用いる際、本発明は、ある一つの極性が長時間続かないようにする。これは本発明の一つの側面である。他の側面は、波形が一方又は双方の極性において正弦波状である縦列電極の各々において、交流溶接の波形を形成することである。過去、正弦波形はトランスによって作られ、リンカーン社の上記特許文献に示されていたような波形技術タイプの溶接装置には用いられなかった。したがって、本発明の他の側面は、溶接コントローラ用パルス幅変調チップをもたない標準として得られる。あるいは溶接機の標準コントローラ内に一体化した波形整形器及びパルス幅変調器を用いる波形技術によって、交流溶接において波形を作ることにある。したがって、本発明は、正極性が負極性又は双方の極性で正弦波をもつ波形を実行し、縦列電極における特定の交流波形を選択してそれを作り出すことにより、溶接パドルの動特性を制御することに関するものである。本発明のこれら２つの側面は独特であり、溶融金属をかき混ぜることなく縦列電極に交流溶接の波形を与えさせ、その利点を得させる。
【００１１】
本発明によれば、第１・第２電極が一致して動かされるとき、第１電源によって第１電極と工作物の間に第１電流波形を用いて第１交流溶接アークを生じさせ、第２電源によって、第２電極と工作物の間に第２電流波形を用いて第２交流溶接アークを生じさせるための電弧溶接装置が開発される。縦列電極は、特定の形状をもつ波形を有する交流電流によって、それぞれ駆動される。波形整形器によって制御される各電流パルスの大きさと、論理信号によって制御される波形の極性をもち、少なくとも１８ＫＨｚの周波数で生じる多数の電流パルスによってその波形を作るための高速切換インバータからなる電源によって、波形が作られる。各電源は、電極にかかる波形が波形整形器によって制御されるさまざまな従来特許にみられる一般のタイプである。極性の切換は、特許文献４に開示されているように、論理信号のような信号によって制御される。このタイプの電源は、時に波形発生器と言われる波形整形器によって決定される形状をもつ波形を生じる。本発明は、それぞれ交流電流によって駆動される縦列電極のために使われるこのタイプの電源に関するものである。
【００１２】
本発明の一側面によれば、少なくとも第１交流波形が負部分よりも実質的に小さなエネルギーの正部分をもち、第２交流波形から位相シフトしている。したがって、波形の正部分によって生じる貫通は、波形の負部分によって生じる堆積とは異なるエネルギーを用いる。波形は、縦列電極の交流波形が対応せず、したがって溶接の間、同一極性又は反対極性のいずれかが長時間生じる長期の極性一致を生じさせるように、シフトされる。
【００１３】
本発明の他の側面によれば、波形は、急速に生じる電流パルス列を用いる波形整形器によって作られる正弦波形を含む。正弦波電流は、波形が正部分の間、負部分の間、又は双方の部分の間に生じ得る。現在まで、交流電流によってそれぞれ駆動される電極の縦列操作は、正弦波形を生じもしなければ、極性一致関係の限られた時間も生じなかった。これらは、本発明によって得られる利点である。
【００１４】
本発明の他の側面によれば、交流波形の１以上の負部分は、正部分よりも小さなエネルギーをもつ。このようにして、溶接の間、波形により堆積よりも貫通を増すように波形が仕立てられる。波形の正部分か負部分の最大値を上げることにより、又は正部分に対する負部分の時間を調整することにより、エネルギー差が達成される。こうして、作られる波形における負極性と正極性のエネルギー制御が、他方の部分に対する一方の部分の大きさ又は時間によって達成される。
【００１５】
本発明の他の側面によれば、波形整形器によって作られる第１交流波形は、負部分とは実質的に長さが異なる正部分をもつ。これにより、それぞれ交流電流により操作される縦列電極による貫通と堆積の間のトレードオフが成し遂げられる。
【００１６】
さらに他の本発明の側面によれば、同極性又は逆極性として現れる一致極性関係の時間は２０ｍｓ未満である電弧溶接装置を提供する。好ましくは、この時間は、２つの波形のいずれか一方の長さ未満である。また好ましくは、作られた波形の時間の１／２未満である。
【００１７】
本発明を用いれば、溶接パドルが制御され、交流電流が正弦波部分に形成されうる。これが本発明の第１の目的である。
【００１８】
本発明の第２の目的は、特定の極性関係が同時に発生する時間を制限する、隣り合う縦列電極で２つの交流溶接アークを作るための電弧溶接装置を提供することにある。
【００１９】
本発明の第３の目的は、波形の正部分、負部分又は双方において正弦波形を用いる上記電弧溶接装置を提供することにある。
【００２０】
本発明の第４の目的は、パドルのかき回しを防いで均一な溶接ビーズを得るため、溶接パドルの動特性を制御する上記電弧溶接装置を提供することにある。
【００２１】
本発明の第５の目的は、波形の正弦波を得るとともに溶接パドルの制御の利点を得ながら、波形技術を用いる上記電弧溶接装置を提供することにある。
【００２２】
これら及び他の目的及び利点は、図面を参照して行う以下の説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を用いて説明するが、これらは本発明の好ましい実施の形態を説明するためだけのものであり、本発明をこれらと同一のものに限定するためではない。本発明を実施するための装置の構成を図１、２及び１６に示す。図１において、溶接ステーションＷＳにアークとして交流電流を作るため、一つのセルの形で、一つの電弧溶接装置Ｓがある。この装置すなわちセルは、パイプ継目接合等の溶接の形状に電極Ｅ及び工作物Ｗを伴って、直列に出力線１０、１２をもつ第１マスター溶接機Ａを有する。溶接機Ａの電流に比例する電圧をライン１６に、ホール効果電流変換素子１４から与える。溶接パラメータのような、時間的に臨界でないデータが、離れた中央制御１８に発生する。同様に、付加的な交流電流を溶接ステーションＷＳに導くため、スレーブ（追随）溶接機Ｂが出力線１０、１２と並列につながれたリード線２０、２２を有する。溶接の間、溶接機Ｂの電流値を表す電圧を、ホール効果電流変換素子２４がライン２６に生じさせる。一つのスレーブ溶接機Ｂしか図示していないが、どんな数の溶接機Ｂもマスター溶接機Ａと並列につないで、電極Ｅと工作物Ｗの間に交流電流を流せる。交流電流は、極性切換回路の前の代りに、溶接ステーションで結合する。各溶接機は、マスター制御器電源３０及びスレーブ制御器電源３２として図示する、制御器とインバータ・ベースの電源が結合したものを有する。制御器電源３０、３２は、比較的低いレベルの論理回路からパラメータ・データと同期データを受ける。これらのデータは、各電源が電流・電圧やワイヤ供給速度のような所定のパラメータを供給される電源特有値である。低レベルデジタル回路がパラメータを供給しうるが、極性反転用交流電流が同時に生じる。「同時」とは、１０μｓ未満、好ましくは１〜５μｓの時間差を意味する。電源３０、３２からの交流出力の正確な協同を達成するため、タイミングが正確でない一般の論理回路からは、切換点と極性の情報が供給されえない。個々の交流電源は、「ゲートウェイ」と呼ばれる高速で高精度の直流論理インタフェースによって調整される。図１に示すように、電源３０、３２はそれぞれ双方向リード線４２ｍ、４２ｓによって示される必要な作動パラメータを与えられている。この時間に関与しない情報は、図１のデジタル回路によって与えられる。マスター電源３０は、その交流出力電流のコントローラの作動を時間調整するための同期信号（単方向ライン４０で示す）を受ける。電源３０に対する交流電流の極性は、ライン４６で示すように出力される。マスター電源３０の交流電流に対する実際の切換命令はライン４４上に出力される。切換命令が、インバータの形の電源Ｓに、電流の大幅な低減である「キル」を命じる。二者択一において、これは実際に逆極性への切換信号である。ライン４４上の「切換点」すなわち命令は、好ましくは「キル」であり、特許文献１に開示されているような「切換点」を用いる電流逆転命令である。こうして、調時された切換点は、ライン４４によって電源３０から出力される。これらの切換点は、その後に低電流又は電流切換点で切換準備信号が続く電源「キル」を含む。切換「準備」は、所定の電流値未満になるまでどのインバータも逆転しな��ので、「キル」が実行されるときに使われる。これを図１６に示す。電源３０のスイッチの極性により、ライン４６の論理を制御する。スレーブ電源３２は、ライン４４ｂに切換点信号を、またライン４６ｂに極性論理信号を受ける。これら２つの信号は、送信ゲートウェイ５０及び受信ゲートウェイ５２として示す高精度論理インタフェースを通して、マスター電源３０とスレーブ電源３２の間で相互接続される。これらのゲートウェイは、ライン４４ｂ、４６ｂの論理がそれぞれライン４４、４６の論理と密接に調時されるように、各電源に対する回路インタフェース・カードである。実際は、ゲートウェイ５０、５２はこの論理を１０μｓ以内、好ましくは１〜５μｓ以内で制御する。低精度の回路がライン４２ｍ、４２ｓを通して、中央制御１８からのデータに対する電源を制御する。これらのラインは、時間に鋭敏でなくゲートウェイの高精度特性を用いない（中央制御１８のような）離れたエリアからのデータを含む。極性切換のタイミングをとるための高精度データは、ゲートウェイ５０、５２を通る論理信号を用いる。図１の装置は、単一交流アークのための単一セルであるが、本発明は、パイプ溶接にみられる大きな隙間を埋めるために２以上の交流アークが作られる縦列電極に用いられる。こうして、第１電極用マスター電源３０は、第１電極に対する装置Ｓの調時（位相）動作を決定する同期信号ＡＲＣ１を受ける。装置Ｓは、同期出力８４、８６、８８によって調時された同期信号ＡＲＣ２、３、４をそれぞれ発生するため、他の同様の装置とともに使われる。これを図５に示す。同期（位相設定）信号ライン８２〜８８を、縦列電極の１つのみとともに図１に示す。中央制御コンピュータ及び／又はウェブサーバ６０を有する情報ネットワークＮが、縦列動作において異なる電極を制御する特定の電源に関するデジタル情報（データ）を供給する。ローカルな相互接続ライン７０ａ、７０ｂ、７０ｃをもつイーサーネット７０の形のＬＡＮに、インターネット情報が導かれる。同様の相互接続ラインが、ＡＲＣ１〜４を生じる４つのセルに使われる各電源に導かれる。装置（セル）Ｓの説明は、他の電極で各アークに適用される。交流電流が使われると、マスター電源が使われる。ある数例では、マスター電源だけがセル特有の同期信号を伴って使われる。より高い値の電流が必要なら、図１に示すように、マスター電源とスレーブ電源の組合せが用いられる。ある数例では、可変パルス発生器８０によって同期された２以上の交流アークを伴って１つの直流アークが使われる。しばしば、直流アークは最初の電極に使われ、その後２以上の交流アークが使われる。直流電源は同期する必要がなく、極性及び切換点信号の正確な相互接続も要らない。ある直流駆動電極は正負間で、切り換えられるが、交流駆動電極の周波数においては切り換えられない。アークの形成にかかわらず、イーサーネット７０は、縦列溶接に使われるさまざまな装置の特定電源用に設計されたコード方式で同定されたパラメータ情報を含む。このイーサーネットも同期信号を使って、いくつかの装置が時間的にずれるようにする。これらの同期信号は、図１のライン４０でマスター電源３０によって解読され、受信される。こう���て、交流アークが時間的にずらされる。これらの同期信号は、ゲートウェイ５０、５２を通る切換点ほどには、正確さを要しない。データ・ネットワークの同期信号は、可変パルス発生器８０の形のインタフェースに受信される。この発生器は、ライン８４、８６、８８にオフセット同期信号を生じる。これらの信号は、縦列電極に対する各交流電流の位相を示し、発生回路８０によって作られて、イーサーネット７０を通して受信される。実際には、イーサーネット７０は、多くの同期信号に対する遅延パターンを作るため、発生器８０を作動させるだけである。また、発生器８０は、縦列溶接に望ましいなら、同期パルスの周波数によって各装置の周波数を変えうる。
【００２４】
図１に示すような装置を実用化するのにさまざまな制御器と電源を使いうるが、好ましい構成を図２に示す。すなわち、図２において、電源ＰＳＡは制御器と電源３０が結合され、電源ＰＳＢは制御器と電源３２が結合している。これら２つのユニットは、本質的に構造が同じで、適当な場合には同一符号を付けてある。電源ＰＳＡの説明は、電源ＰＳＢに等しく当てはまる。インバータ１００は、３相線電流Ｌ１、Ｌ２およびＬ３を受けるための入力整流器１０２を有する。出力トランス１１０は、出力整流器１１２を通して、極性スイッチＱ１、Ｑ２を駆動するためタップ・インダクタ１２０につながれている。電源ＰＳＡの制御器１４０ａとＰＳＢの制御器１４０ｂは、本質的に同一だが、制御器１４０ａがタイミング情報を制御器１４０ｂに出力する点が異なる。切換点（ライン）１４２、１４４は、さらに詳細に米国特許第６，１１１，２１６号に説明されているが、ライン１４２、１４４上の論理によって示される時刻に極性を反転させるため、極性スイッチＱ１、Ｑ２の導通を制御する。Ａ／Ｄ変換器１５０がフィードバックライン１６、２６の電流情報を誤差アンプ１５２からの出力値に対する制御デジタル値に変換するようにして、デジタルで制御される。これはデジタル系で、制御系統にはそれ以上アナログ信号がない。アンプは変換器１５０から第１入力１５２ａと、また制御器１４０ａ、１４０ｂから第２入力１５２ｂを得る。ライン１５２ｂ上の電流命令信号は、溶接ステーションＷＳでアークにわたる交流電流に必要な波形を含む。これは［特許文献２］及び［特許文献６］等に示されている標準的な技術である。アンプ１５２からの出力は、変換器１６０によってアナログ電圧信号に変えられて、タイマー・プログラムである発振器１６４で制御される周波数でパルス幅変調器１６２を駆動する。アークでの波形はライン１５２ｂでの電圧である。発振器１６４の周波数は１８ＫＨｚを越える。この装置の全構成は本発明の好ましい実施の形態においてデジタル化され、アナログ信号への再変換は含まない。しかし、このことは、本発明の実施に用いる電源のタイプを制御することを意図していない。他のタイプの電源も使いうる。
【００２５】
図１、２の概念を用いる本発明の実施について、図３、４を用いて説明する。工作物２００は、それぞれ電源ＰＳ１、ＰＳ２およびＰＳ３によって駆動される縦列電極２０２、２０４および２０６によって溶接されるパイプの継目である。電源は、特許文献４に従う１以上の電源を含みうる。先頭電極２０２に対しては直流アークが、続く各縦列電極２０４、２０６に対しては交流アークが生ずる。縦列電極の生成波形は交流電流で、すでに説明した波形技術による波形整形器（発生器）によって生ずる波形を含む。電極２０２、２０４、２０６が溶接路ＷＰに沿って動くと、溶融金属パドルＰが、それぞれ順に開根部２１０、２１２、２１４および２１６をもつパイプ継目である工作物２００内に堆積される。図１５の波形で示すように、２以上の交流駆動電極が、隣接電極の交流電流に関する本発明によって作動しうる。図４の電源は、それぞれ整流器２２２から直流リンクを受けるインバータ２２０を有する。リンカーン社の波形技術によれば、パルス幅変調器２２４が１８ＫＨｚを越え、好ましくは２０ＫＨｚを超える周波数で発振器２２６によって駆動される。その出力電流は、ライン２４２に電圧として示される波形整形器２４０からの出力波形をもつ。リアルタイムでの波形がライン２３２の実際のアーク電流と比較され、ライン２３４の出力が交流波形を制御する。ライン２３４の電圧によって、インバータ２２０を制御するライン２２４ａの出力信号が決まるので、アークの電流波形は波形整形器２４０からの出力に従う。電源ＰＳ１が先頭電極２０２で直流アークを生ずるので、この電源の波形整形器２４０からの出力は直流電流の大きさを示す定常状態である。本発明は直流アークの形成には関与しない。逆に、本発明は、縦列電極２０４、２０６に対する交流アークにおける電流の制御に関するものである。本発明によれば、波形整形器２４０は望ましい交流波形を選択するために使われる入力２５０を有する。この波形はシフトプログラム２５２で表される相互プログラムによってリアルタイムでシフトしうる。波形整形器２４０はライン２５４の優先信号である出力をもつ。この優先信号は図７に示すような１ビットの論理である。論理１は波形の負極性を、論理０は正極性を表す。論理信号は図１６の技術によって読まれる。インバータはライン２５４の論理の変化によって始まる「準備」時刻で、正極性を負極性に、あるいはその逆に切り換える。この論理信号は図１、５に示す可変パルス発生器８０から受信される。図３、４の溶接装置は、電極２０４、２０６での交流アーク電流の波形が本発明の利点を得られる。すなわち、静止した溶融金属パドル及び／又はアーク溶接用トランス波形と互換性のある合成正弦波形を得られる新規な形状をもつ本発明の実施において用いられる。図３、４の装置は、波形整形器２４０に対する「選択」プログラム２５０での波形を選択するプログラムを有する。こうして、本発明の独特の波形が縦列電極によって使われる。交流アークを生じさせるための電源の１つを図５に示す。この電源は、図１の可変パルス発生器８０によって制御される。発生器からの信号２６０が第１アーク用電源を制御する。この信号は、ライン２５４上に、極性ビットとともに同期波形を含む。ライン２６０ａ〜２６０ｎの信号は、後続する縦列交流アークを制御する。これらの信号の調時（タイミング合せ）により、他の波形の始動をシフトできる。図５は単に、図４で説明した後続アークを制御する可変パルス発生器８０の関係を示しているにすぎない。
【００２６】
［特許文献４］の溶接装置において、交流波形は図６に示すように、電極２０４でアークＡＣ１用の波形整形器が正部分２７２と負部分２７４をもつ信号２７０を生ずるように作られる。電極２０６での第２アークＡＣ２は、正部分２８２と負部分２８４をもつ信号２８０によって制御される。これら２つの信号は同じだが、発生器８０からの信号によって図６の距離ｘだけシフトしている。１つのアークで作られる波形は、正部分２９０と負部分２９２をもつ波形である。波形整形器からの論理ビットは、波形が正から負の極性に、又はその逆に切り換わるときを決める。米国特許第６，１１１，２１６号によれば、パルス幅変調器２２４は点２９１ａ、２９１ｂでより低いレベルにシフトする。次に、電流が１００Ａのようなある一定値に達するまで減小する。したがって、スイッチは点２９４ａ、２９４ｂで極性を切り換える。これにより、正部分２９０と負部分２９２の間の電流遷移の間に垂直部２９６ａ、２９６ｂが生ずる。これが、磁気干渉を防ぐため同様の波形がシフトする特許文献４にある装置である。正部分２９０と負部分２９２は、アークＡＣ１とアークＡＣ２で同じである。これは、これまで採用されていなかった仕方で溶融金属パドルを制御し、及び／又は正弦波形を合成するためアークＡＣ１、ＡＣ２で波形を変えることに関する本発明と異なっている。図６は、波形シフトの概念を示すためのものであるが、隣接する波形のそれぞれを変える本発明を示すものではない。正負極性間で垂直部を作るための同じ切換操作が、本発明の好ましい実施の形態において使われる。図６の溶接装置から本発明への変換は、図７に示されている。ライン２５４の論理は、部分３００で論理１で、部分３０２で論理０である。図１６の装置が極性を変えるとき、論理の変化が信号を出す。これを図６の下側のグラフの点２９４ａ、２９４ｂに示す。本発明によれば、隣り合う各交流アーク用波形整形器２４０は、一方の極性に対する第１波形３１０および他方の極性に対する第２波形３１２を有する。各波形３１０、３１２は、ライン２３４、２５４の論理によって作られる。こうして、図７のパルス３１０、３１２は、正・負極性部に対して異なるパルスである。各パルス３１０、３１２は、別々のパルス３１０ａ、３１２ａによって作られる。極性の切換は、図６のように、波形整形器で作られた波形が波形３１０、３１２をもつようにして達成される。正極性は貫通を制御し、負極性は堆積を制御する。本発明によれば、波形の正・負パルスは異なり、切換点は、１つのアークで交流波形が両極性で制御されて特定の形状になるように制御される。図７の電流をもつアークに隣り合うアークに対する波形は、本発明の利点を得るために異なって制御される。これを図８に示す。アークＡＣ１での波形は図８の上のグラフであり、電流パルス３２０ａで示される正部分３２０と、パルス３２２ａで示される負部分３２２をもつ。正部分３２０は最大値ａおよび幅（時間）ｂをもつ。負部分３２２は最大値ｄおよび幅ｃをもつ。これら４つのパラメータａ〜ｄは波形整形器２４０によって調整される。アークＡＣ２は、図８の下のグラフのように正部分３３０が電流パルス３３０ａで形成され、最大値ａ’と幅（時間）ｂ’をもつ。負部分３３２はパルス３３２ａで形成され、最大値ｄ’と幅ｃ’をもつ。これら４つのパラメータａ’〜ｄ’は波形整形器２４０によって調整される。本発明によれば、アークＡＣ１の波形は、アークＡＣ２の波形とは位相がずれている。２つの波形は、（ａ）貫通と堆積が制御され、（ｂ）パドルＰが同極性であれ、逆極性であれ、ある特定の極性に従うのは長時間ではないように、調整されるパラメータをもつ。これにより、図９、１０で説明するような長時間極性が防がれる。図９で電極２０４、２０６は同じ極性をもつ。そのとき、電極２０４の磁束３５０と電極２０６の磁束３５２が同方向にあって、電極間の中央部３５４で互いに打ち消し合う。これにより、電極２０４、２０６からの溶融金属部３６０、３６２は、溶融パドルＰ内で矢印ｃのように互いに動く。電極２０４、２０６間のこの内向きの運動により、約２０ｍｓ未満等の非常に短い時間内に終わらないなら、上方への噴出をひきおこすことになろう。図１０に示すように、電極２０４、２０６が逆極性をもつときには、逆向きの運動がおこる。すなわち、磁束３７０、３７２が電極間の中央部３３４に集まって増加する。電極間の強い力により、パドルＰの溶融金属部３６４、３６６が互いに遠ざかるようになる。これを矢印ｒで示す。この外向きの力により、一般に１０ｍｓ未満である時間接続するなら、溶接ビーズの分裂が生じる。図９、１０からわかるように、隣接電極の極性が同じか逆である間の時間を制限することが好ましい。本発明は図６のような波形を用いて、同極性であれ逆極性であれ、特定の極性関係が長時間続くのを防ぐことができる。これらの極性関係は双方とも高品質溶接には有害であり、本発明を用いることにより避けられる。図８に示すように、同極性と逆極性は、アークＡＣ１、ＡＣ２で波形の１サイクル長よりも短い時間だけ保たれる。これと、異なる形状および異なる正・負部分の割合をもつパルスを用いるという新規な概念を結合させることにより、パドルを制御し、リンカーン社の波形技術をふつうに用いてはこれまで得ることのできなかったようにして、貫通と堆積を制御できる。
【００２７】
図１１に、交流波形の正・負部分がそれぞれ異なるエネルギーをもつ正弦波状に合成されている本発明の１実施例を示す。波形の合成正弦波は新規である。これにより、波形がトランス溶接回路と互換になり、正弦波溶接の評価と互換になる。図１１において、波形３７０はアークＡＣ１で、波形３７２はアークＡＣ２でのものである。これらの縦列アークは図１１の交流溶接電流を用い、小さな正部分３７０ａはアークＡＣ１で金属の貫通を制御し、より大きな負部分３７０ｂはアークＡＣ１で金属の堆積を制御する。図７で説明したように、論理ビットの変化を伴って極性間で切換がある。正弦状波形３７０は垂直線３７０ｃで示すように、ゼロ電流を通って約１００Ａ減小する。負部分３７０ｂと正部分３７０ａの間の遷移も、垂直線３７０ｄで示すような急激な増大を有する。同様に、アークＡＣ２の正弦状波形３７２は小さな貫通部３７２ａとより大きな堆積部３７２ｂをもつ。極性間の遷移は垂直線３７２ｃ、３７２ｄで示される。波形３７２は、パドルの動特性がアークＡＣ１、ＡＣ２の極性によって生じるパドル内の溶融金属の過度な斥力なしに制御されるように、波形３７０に対してシフトしている。図１１の実施例においては、正弦状波形は同じで、周波数も同じである。ある特定の極性関係が長時間続くことを防ぐためにのみ、それらの波形はシフトする。
【００２８】
本発明の他の側面を図１２に示す。波形３８０はアークＡＣ１に対し、波形３８２はアークＡＣ２に対して使われる。部分３８０ａ、３８０ｂ、３８２ａ、３８２ｂは正弦波状に合成され、同じ大きさである。これら２つの波形を９０°ずらすと、一致極性部分がエリア３９０、３９２、３９４、３９６と同一になる。シフトした波形を正弦波形とともに用いることにより、同極性又は逆極性が長時間続かない。こうして、溶融金属パドルはかき回されず、静止して保たれる。この利点は本発明を用いることによって得られる。図１２は、一致極性関係の定義およびそれらが短時間しか保たれないことを示している。これを達成するため、本発明の他の実施例を図１３に示す。正弦状波形３８０がアークＡＣ２ａの鋸歯状波形４００、又はアークＡＣ２ｂの矩形波形４０２と結合している。これにより、非常に短時間の一致極性エリア４１０、４１２、４１４・・・・・・しか生じない。図１４の本発明の例は、他のアークで発生した交流波形とは全く異なるアークで発生した交流波形をもつ。波形４２０は交流パルス波形で、波形４３０は波形４２０の約１／２の周期をもつ正弦状波形である。波形４２０は小さな貫通正部分４２０ａと、直線極性遷移部４２０ｃを伴う大きな堆積負部分４２０ｂを有する。波形４３０は正部分４３０ａと、垂直極性遷移部４３０ｃを伴う、負部分４３０ｂを有する。これら２つの異なる波形をもつことにより、双方の合成正弦波概念が１つの電極に採用され、長時間一致極性関係が存在しない。こうして、パドルＰ内の溶融金属はアークＡＣ１、ＡＣ２双方における溶接の間、静止して保たれる。
【００２９】
本発明の他の側面を図１５に示す。波形４５０、４５２、４５４、４５６は４つの縦列アークＡＣ１〜ＡＣ４の各々に対して発生したものである。隣接するアークは、波形が負部分から正部分に移るときに区切られる同期信号４６０によって整列される。この同期信号は、開始パルスが整列される以外は、図１の発生器８０によって作られる。第１波形４５０は、隣接する波形４５２、４５４、４５６の正部分および負部分の双方と同期している正部分４５０ａをもつ。たとえば、正部分４５０ａは、波形４５２の正部分４５２ａおよび負部分４５２ｂと同期し、関連をもつ。同様に、波形４５２の正部分４５２ａは、波形４５４の正部分４５４ａおよび負部分４５４ｂと同期し、関連をもつ。波形４５６の正部分４５６ａおよび負部分４５６ｂに対しても成り立つ。負部分４５０ｂは、波形４５２の正部分４５２ａおよび負部分４５２ｂと同期し、関連をもつ。同様の関係が波形４５４に対しても成り立つ。すなわち、隣接する各アークにおいて、波形の１つの極性部分が隣接するアークの全波形と関連をもつ。こうして、図９、１０で説明したパドルＰの崩れと撥じきは動的に制御される。１以上の正部分又は負部分が、図１１、１２で説明したように正弦状波になりうる。
【００３０】
図１、２に示したように、マスター電源が切り換えられるべきときには、スイッチ命令信号が電源３０のマスター制御器１４０ａに出される。これにより、「キル」信号がマスター制御器に受信され、キル信号と極性論理信号が制御器に送られる。標準的な交流電源が極性スイッチと並列に接続されている大きな緩衝器とともに使われるなら、スレーブ制御器はマスター電源がスイッチ命令信号を受けた後１〜１０μｓ以内に直ちに切り換えられる。これが高精度インタフェースカード、すなわちゲートウェイの利点である。実際には、並列電源の電流反転は、出力電流が約１００Ａ未満になるまでは起こらない。これにより、より小さなスイッチを使いうる。
【００３１】
単一交流アークに対しすべての電源を切り換えることは、全電源が所定の低電流値未満まで下がった後にのみ実際の切換が生じ得るという遅延切換技術を用いて行う。遅延プロセスはデジタルプロセッサのソフトウエア内で達成され、その概略構成を図１６に示す。マスター電源５００の制御器がライン５０２から命令信号を受けると、電源は切換シーケンスを開始する。マスター電源はライン５０４に論理信号を出力して、スレーブ電源の切換に望ましい極性を与え、マスター電源の極性切換に対応させる。マスター電源５００のインバータは切られ、あるいは低減されるので、電極Ｅへの電流がホール効果変換素子５１０によって読み取られるように減小する。ライン５０２の切換命令信号により、ライン５１２に「キル」信号を出力して並列のスレーブ電源５２０、５２２に与え、ホール効果変換素子５３２、５３４によって測定される電流を接合点５３０に与える。全電源は、インバータを切るか低減させた状態で切換シーケンスを受ける。ソフトウエア比較回路５５０、５５２、５５４は減小した電流を所定の低電流値と比較する。各電源が所定値よりも下がると、信号がライン５６０、５６２、５６４に出され、サンプルと接続回路５７０、５７２、５７４に入力される。ライン５８０にストロボ信号によって各電源から出力される。回路５７０、５７２、５７４に設定論理が貯えられると、ラインＲＥＡＤＹ１、ＲＥＡＤＹ２、ＲＥＡＤＹ３にＹＥＳ論理が現れる。この信号は電源で作られ２５μＳの同期をもつが、他の高速ストロボでも使いうる。信号は図１６の破線で囲んだ部分のマスター電源の制御器Ｃに導かれる。ＡＮＤゲート５９０で表れるソフトウエアＡＮＤ機能は、全電源が極性切換の準備ができたとき、ライン５８２にＹＥＳ論理を出力する。この出力はソフトウエアフリップフロップ６００のクロック可能端子ＥＣＬＫに送られＤ端子から切換えられるべき極性の所望論理をライン５０４に出力する。約１ＭＨｚで作動する発振器がＣＫ端子につながるライン６０２の信号によってフリップフロップをクロックする。これにより、ライン５０４の極性命令論理をＱ端子６０４に変換し、ライン６１０のこの論理を、ライン６１２の論理がマスター電源５００を切り換えると同時にスレーブ電源５２０、５２２に与える。切換後、ライン５０４の極性論理が逆極性にシフトするが、マスター電源は切換周波数に基づく次の切換命令を待つ。他の回路は切換シーケンスにおける遅延を効果あらしめるために使われうるが、図１６の構成例は本発明の機構である。
【００３２】
本発明は、［特許文献３］や［特許文献４］に開示されているような単一電源又は多電源を有する電弧電源の波形整形器によって制御される波形に関するものである。本発明は交流波形によって駆動される縦列電極に関するものである。２つの隣接電極は、電極間の溶融金属パドルの動力学を制御する波形を有し、及び／又は縦列溶接装置の操作を標準トランス溶接操作に関連づけるために合成正弦波を使う。本発明は、高速切換インバータの使用を通して各交流波形の正・負部分のエネルギーを制御することを含む。正部分と負部分のエネルギー差により、特定電極による堆積量に対する貫通量の関係が制御される。これにより、溶接パドルを静止して保つように電極を調整できる。その結果、生ずる溶接ビーズを改良し、溶接効率を改善できる。溶接パドルを制御するために、隣接する波形は異なって所定の極性関係が存在する間の時間を制御する。すなわち、隣接電極が同極性あるいは逆極性をもつ時間が、２つの隣接する交流波形の間の異なる関係及び異なる波形を使うことによって制限される。図１５に示したように、隣接波形の同期は本質的に２つの積である。これらの独特な波形のすべては新規で、縦列電極を用いる電弧溶接、特にパイプの継目溶接に対して利点を与える。
【００３３】
本発明で開示されたさまざまな波形が、添付の請求範囲に記載されたようにして発生した波形の関係を混合するように関連づけられうる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の好ましい実施形態のブロック図。
【図２】本発明の実施に用いられる２つの並列電源のブロック図。
【図３】３つの縦列電極の側断面図。
【図４】米国特許第６，４７２，６３４号、第６，２９１，７９８号に開示された溶接装置のブロック図。
【図５】図４の装置によって駆動される単一電極のブロック図。
【図６】同期パルスの電流グラフと平衡交流波形グラフ。
【図７】本発明の実施に用いられる波形の極性を決定する論理をもつ信号に重ね合わせた電流のグラフ。
【図８】本発明の好ましい実施形態の側面を示す電流グラフ。
【図９】溶接パドルの動力学を示す図。
【図１０】溶接パドルの動力学を示す図。
【図１１】本発明による２つの隣接電極の波形を示す一方の電流グラフ。
【図１２】隣接電極の交流波形の一対の電流グラフ。
【図１３】一致極性関係の時間を制限するため、一方の電極の交流波形が他方の電極の波形と異なる隣接電極の波形の電流グラフ。
【図１４】隣接する電極に対する波形の電流グラフ。
【図１５】縦列電極の４つの隣接する交流アークでの波形を示す電流グラフ。
【図１６】並列電源の切換をさせるためのソフトウエアプログラムの概略構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００３５】
Ｓ：電弧溶接装置
Ａ：マスター溶接機
Ｂ：スレーブ溶接機
ＷＳ：溶接ステーション
Ｅ：電極
Ｗ：工作物
Ｎ：情報ネットワーク
３０：マスター制御器電源
３２：スレーブ制御器電源
５０：送信ゲートウェイ
５２：受信ゲートウェイ
ＰＳＡ、ＰＳＢ：電源
１００：インバータ
１１０：出力トランス
１４０ａ、１４０ｂ：制御器
１５０：Ａ／Ｄ変換器
Ｐ：溶融金属パドル
２００：工作物
２０２、２０４、２０６：電極
２７０、２８０：信号
３５０、３５２、３７０、３７２；磁束
３６０、３６２、３６４、３６６：溶融金属部
３８０、３８２：電流波形
４００：鋸歯状波形
４０２：矩形波形
４２０：交流パルス波形
４３０：正弦状波形
４５０、４５２、４５４、４５６：波形
４６０：同期信号
５００：マスター電源
５２０、５２２：スレーブ電源
Ｃ：制御器
５９０：ＡＮＤゲート
６００：ソフトウエアフリップフロップ
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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