(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
消耗電極であるワイヤと被溶接物との間で短絡とアークを交互に繰り返して溶接を行う消耗電極式アーク溶接方法であって、
アーク再発生直後の溶接電流として短絡開放時の短絡開放電流に応じて前記短絡開放電流と同じあるいは増減した電流を所定時間出力する制御と、
アーク再発生直後の溶接電流として短絡開放時の短絡開放電流に関係なく予め設定された固定の電流を所定時間出力する制御とを切り換えて溶接を行い、
前記アーク再発生直後の溶接電流として短絡開放時の短絡開放電流に応じて前記短絡開放電流と同じあるいは増減した電流を所定時間出力する制御と、前記アーク再発生直後の溶接電流として短絡開放時の短絡開放電流に関係なく予め設定された固定の電流を所定時間出力する制御とを、短絡開放電流に基づいて切り換えて溶接を行う消耗電極式アーク溶接方法。
【請求項２】
短絡開放電流が予め設定された閾値より大きい場合には、アーク再発生直後の溶接電流として短絡開放時の短絡開放電流に応じて前記短絡開放電流と同じあるいは増減した電流を所定時間出力する制御を行い、
短絡開放電流が予め設定された閾値より小さい場合には、アーク再発生直後の溶接電流として短絡開放時の短絡開放電流に関係なく予め設定された固定の電流を所定時間出力する制御を行う
請求項１記載の消耗電極式アーク溶接方法。
【請求項３】
アークスタート期間と前記アークスタート期間の後の定常溶接期間において、
前記アークスタート期間では、アーク再発生直後の溶接電流として短絡開放時の短絡開放電流に応じて前記短絡開放電流と同じあるいは増減した電流を所定時間出力する制御を行い、
前記定常溶接期間では、アーク再発生直後の溶接電流として短絡開放時の短絡開放電流に関係なく予め設定された固定の電流を所定時間出力する制御を行う
請求項１記載の消耗電極式アーク溶接方法。
【請求項４】
定常溶接期間において、短絡開放電流が予め設定された閾値より大きい場合には、アーク再発生直後の溶接電流を短絡開放時の短絡開放電流に応じて前記短絡開放電流と同じあるいは増減した電流を所定時間出力する制御を行い、
短絡開放電流が予め設定された閾値より小さい場合には、アーク再発生直後の溶接電流を短絡開放時の短絡開放電流に関係なく予め設定された固定の電流を所定時間出力する制御を行う
請求項３記載の消耗電極式アーク溶接方法。
【請求項５】
短絡周期に生じるワイヤのくびれを検出して溶接電流をくびれ検出時の溶接電流よりも低減した後にアーク再発生直後の溶接電流の制御を行う請求項１から４のいずれか１項に記載のアーク溶接方法。
【請求項６】
消耗電極であるワイヤと被溶接物との間で短絡とアークを交互に繰り返して溶接を行うアーク溶接装置であって、
溶接出力を制御するスイッチング部と、
前記スイッチング部を制御する駆動部と、
溶接電流を検出する溶接電流検出部と、
溶接電圧を検出する溶接電圧検出部と、
前記溶接電圧検出部の出力に基づいて短絡状態であるのかアーク状態であるのかを検出する短絡／アーク検出部と、
前記短絡／アーク検出部から短絡状態であることを示す信号を受けて短絡時の溶接出力制御信号を前記駆動部に出力する短絡制御部と、
前記短絡／アーク検出部からアーク状態であることを示す信号を受けてアーク時の溶接出力制御信号を前記駆動部に出力するアーク制御部と、
設定されたアークスタート期間を出力するアークスタート期間出力部と、
設定された所定時間を出力する所定時間設定部と、
予め設定された固定値電流を後述するアーク電流制御部に出力する固定値電流設定部を備え、
前記アーク制御部は、
溶接出力制御信号を前記駆動部に出力するアーク電流制御部と、
計時機能を有しており前記アークスタート期間出力部からの信号と前記所定時間設定部からの信号を入力して前記アーク電流制御部にアークスタート期間であるか否かおよび前記所定時間であるか否かを出力する計時部とを備え、
前記アークスタート期間では、アーク再発生直後の溶接電流を短絡開放時の短絡開放電流に応じて前記短絡開放電流と同じあるいは増減した電流を前記所定時間出力する制御を行い、
前記アークスタート期間の後の定常溶接期間では、アーク再発生直後の溶接電流を短絡開放時の短絡開放電流に関係なく予め設定された前記固定値電流を前記所定時間出力する制御を行うアーク溶接装置。
【請求項７】
消耗電極であるワイヤと被溶接物との間で短絡とアークを交互に繰り返して溶接を行うアーク溶接装置であって、
溶接出力を制御するスイッチング部と、
前記スイッチング部を制御する駆動部と、
溶接電流を検出する溶接電流検出部と、
溶接電圧を検出する溶接電圧検出部と、
前記溶接電圧検出部の出力に基づいて短絡状態であるのかアーク状態であるのかを検出する短絡／アーク検出部と、
前記短絡／アーク検出部から短絡状態であることを示す信号を受けて短絡時の溶接出力制御信号を前記駆動部に出力する短絡制御部と、
前記短絡／アーク検出部からアーク状態であることを示す信号を受けてアーク時の溶接出力制御信号を前記駆動部に出力するアーク制御部と、
設定された所定時間を出力する所定時間設定部と、
予め設定された固定値電流を後述するアーク電流制御部に出力する固定値電流設定部を備え、
前記短絡制御部は、
短絡開放電流と比較するための閾値を設定するための短絡電流閾値設定部と、
前記溶接電流検出部から入力した短絡開放電流と前記短絡電流閾値設定部で設定された閾値とを比較して前記短絡開放電流が前記閾値より大きいか否かを後述するアーク電流制御部に出力する判定部とを備え、
前記アーク制御部は、
溶接出力制御信号を前記駆動部に出力するアーク電流制御部と、
計時機能を有しており前記所定時間設定部からの信号を入力して前記アーク電流制御部に前記所定時間であるか否かを出力する計時部とを備え、
短絡開放電流が予め設定された前記閾値より大きい場合には、アーク再発生直後の溶接電流を短絡開放時の短絡開放電流に応じて前記短絡開放電流と同じあるいは増減した電流を前記所定時間出力する制御を行い、短絡開放電流が予め設定された前記閾値より小さい場合には、アーク再発生直後の溶接電流を短絡開放時の短絡開放電流に関係なく予め設定された固定の電流を前記所定時間出力する制御を行うアーク溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、消耗電極である溶接用ワイヤ（以下、ワイヤ）を被溶接物（以下、母材）に送給しながら溶接ワイヤと母材との間で短絡とアークを交互に発生させて溶接を行うアーク溶接制御方法およびアーク溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、溶接分野においては母材へのスパッタ付着を低減することが望まれている。現在では、技術の進歩により溶接中のスパッタ発生量は低減されてきており、母材へのスパッタの付着も減少してきている。しかしながら、高速溶接を行う場合のアークスタート時や、ワーク（以下、母材）の位置ズレやギャップなどの外乱が発生しやすい状況下では、アーク状態が不安定となり、スパッタが発生しやすい状態となる。なお、スパッタの発生を低減すれば溶接品質を向上できる。また、母材や治具へのスパッタの付着を低減できるので保守性が向上する等作業環境を改善することができる。
【０００３】
従来のアーク溶接制御方法としては、溶接ワイヤが母材と短絡する短絡期間とアークが再発生しアーク放電するアーク期間とを交互に繰り返して母材を溶接するアーク溶接制御方法であって、アーク再発生直後の溶接出力電流を、設定した所定期間、アーク再発生直前の溶接出力電流より高くなるように制御するものが知られている（例えば特許文献１参照）。さらにこの特許文献１には、アーク再発生直後の溶接出力電流を、アーク再発生直前の溶接出力電流より高くなるように制御する所定期間より前のアーク再発生直前に、溶接出力電流を、急峻に低くするように制御する点も記載されている。
【０００４】
図７は、消耗電極アーク溶接の短絡移行時の溶接電流波形を示す図であり、横軸は経過時間、縦軸は溶接電流を示す。図７において、１０１はワイヤと母材が短絡している短絡期間、１０２はワイヤと母材間でアークが発生しているアーク期間、１０３は短絡が開放しアークが再発生するアーク再発生時点、１０４はアーク再発生直前電流、１０７はアーク初期電流値、１０８はアーク初期制御時間を示す。図７において、アーク再発生時点１０３で短絡が開放してアークが再発生している。アーク再発生時点１０３を起点とし、図示しない計時部で初期制御時間１０８を計時する。
【０００５】
そして、図示しないアーク初期制御部でアーク初期制御時間１０８における溶接出力電流がアーク初期電流値１０７となるように制御する。この時、制御目標として設定するアーク初期電流値１０７は、アーク再発生直前電流１０４より高い値になるようにする。そのアーク初期電流値１０７は、図示しない設定部から出力設定されるものであり、設定部に入力設定される設定電流、設定電圧、あるいはその他のワイヤ送給速度、シールドガス種類、ワイヤ種類、ワイヤ径、溶接法などのうち少なくとも１つに基づいて設定される。
【特許文献１】特開２００６−０２１２２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来の出力制御方法は、アーク再発生直後の溶接出力電流を設定した所定期間アーク再発生直前の溶接出力電流より高くなるようするものであり、短絡開放電流に所定値を加算するあるいは所定の係数を乗じる等、短絡開放電流に応じて制御するものである。しかし、溶接中の各開放時点における短絡開放電流は殆ど一致することはなくバラツキがあるため、アーク再発生直後の溶接出力電流も短絡開放電流に応じて異なる溶接電流が出力される。その結果、絶えずアーク長が異なり、短絡周期が変動しやすく、比較的アーク不安定になりやすい。
【０００７】
なお、短絡周期の大きな変動やアーク長の大きな変動が発生すると、短絡しているワイヤが短絡開放をスムーズに行えなかったり、微小短絡を発生させたりして、スパッタの発生が増加してしまうことがある。
【０００８】
そこで、安定した溶接が可能な定常溶接期間では、アーク再発生直後の溶接電流を固定値（固定値）として所定時間出力することが考えられる。
【０００９】
一方、母材に溶融プールが完全に形成されるまではアークが不安定に成り易いアークスタート期間では、アーク再発生直後の溶接電流を短絡開放電流に応じて所定時間出力する制御が必要と考えられる。
【００１０】
その理由は、アークスタート直後は、溶融プールが形成されるまで短絡状態のワイヤ先端を溶融させて短絡開放させることが難しく、定常溶接期間の時より電気エネルギーを多く供給する必要がある。故に、必然的に短絡開放電流が高くなり、短絡状態が強くなるケースが多い。ここで、短絡状態が強いとは、時間×電流の面積である電気エネルギーが高いことを意味している。このような状態でアーク検出直後に固定値の溶接電流を所定時間出力すると、アーク期間中に形成されるワイヤ先端の溶滴の大きさが小さくなり、次の短絡時の短絡状態が強くなってしまう。そして最悪の場合、ワイヤが溶融しきれずに溶断して弾け飛び、アーク切れなどのアークスタートミスを発生してしまうことにもなる。
【００１１】
よって、アークスタート直後は短絡状態の強弱に応じたアーク検出直後の溶接電流を所定時間出力し、短絡状態に応じて柔軟に制御する方法が適していると考えられる。
【００１２】
また、安定したアーク状態の定常溶接期間中であっても、ワークの位置ズレやワーク形状のギャップなどの外乱があった場合には、短絡状態が強弱することがあり、アークが不安定になりやすく、スパッタが発生しやすくなる。故に、定常溶接期間であっても、短絡状態の強弱によりアーク再発生直後の溶接電流を短絡開放電流に応じた制御、もしくは固定値の制御を使い分けることが必要と考えられる。
【００１３】
その理由は、アークスタート直後のアーク不安定になるメカニズムと同じで、定常溶接期間において外乱により短絡開放電流が高くなり、短絡状態が強くなるケースもある。アーク検出直後に固定値の溶接電流を所定時間出力する制御であると、アーク期間中に形成されるワイヤ先端の溶滴の大きさが小さくなり、次の短絡時の短絡状態が強くなってしまい、最悪の場合これをきっかけにアーク不安定状態を継続してしまう可能性があるためである。
【００１４】
そこで、本発明は、アーク検出直後は短絡解放電流に応じた溶接電流を所定時間出力する制御と、短絡開放電流に関係なく固定値の溶接電流を所定時間出力する制御といった２種類の制御に関し、アークスタート期間と定常溶接期間との識別や短絡状態の強弱により、２種類の制御を使い分けることで、スパッタを低減しつつ、溶接速度の高速化による外乱の影響に強い消耗電極式アーク溶接を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の消耗電極式アーク溶接方法は、消耗電極であるワイヤと被溶接物との間で短絡とアークを交互に繰り返して溶接を行う消耗電極式アーク溶接方法であって、アーク再発生直後の溶接電流として短絡開放時の短絡開放電流に応じて前記短絡開放電流と同じあるいは増減した電流を所定時間出力する制御と、アーク再発生直後の溶接電流を短絡開放時の短絡開放電流に関係なく予め設定された固定の電流を所定時間出力する制御とを切り換えて溶接を行うものである。
【００１６】
また、本発明の消耗電極式アーク溶接方法は上記に加えて、アーク再発生直後の溶接電流として短絡開放時の短絡開放電流に応じて前記短絡開放電流と同じあるいは増減した電流を所定時間出力する制御と、アーク再発生直後の溶接電流として短絡開放時の短絡開放電流に関係なく予め設定された固定の電流を所定時間出力する制御とを、短絡開放電流に基づいて切り換えて溶接を行うものである。
【００１７】
また、本発明の消耗電極式アーク溶接方法は上記に加えて、短絡開放電流が予め設定された閾値より大きい場合には、アーク再発生直後の溶接電流として短絡開放時の短絡開放電流に応じて前記短絡開放電流と同じあるいは増減した電流を所定時間出力する制御を行い、短絡開放電流が予め設定された閾値より小さい場合には、アーク再発生直後の溶接電流として短絡開放時の短絡開放電流に関係なく予め設定された固定の電流を所定時間出力する制御を行うものである。
【００１８】
また、本発明の消耗電極式アーク溶接方法は上記に加えて、アークスタート期間と前記アークスタート期間の後の定常溶接期間において、前記アークスタート期間では、アーク再発生直後の溶接電流として短絡開放時の短絡開放電流に応じて前記短絡開放電流と同じあるいは増減した電流を所定時間出力する制御を行い、前記定常溶接期間では、アーク再発生直後の溶接電流として短絡開放時の短絡開放電流に関係なく予め設定された固定の電流を所定時間出力する制御を行うものである。
【００１９】
また、本発明の本発明の消耗電極式アーク溶接方法は上記に加えて、定常溶接期間において、短絡開放電流が予め設定された閾値より大きい場合には、アーク再発生直後の溶接電流として短絡開放時の短絡開放電流に応じて前記短絡開放電流と同じあるいは増減した電流を所定時間出力する制御を行い、短絡開放電流が予め設定された閾値より小さい場合には、アーク再発生直後の溶接電流を短絡開放時の短絡開放電流に関係なく予め設定された固定の電流を所定時間出力する制御を行うものである。
【００２０】
また、本発明の消耗電極式アーク溶接方法は上記に加えて、短絡周期に生じるワイヤのくびれを検出して溶接電流をくびれ検出時の溶接電流よりも低減した後にアーク再発生直後の溶接電流の制御を行うものである。
【００２１】
また、本発明のアーク溶接装置は、消耗電極であるワイヤと被溶接物との間で短絡とアークを交互に繰り返して溶接を行うアーク溶接装置であって、溶接出力を制御するスイッチング部と、前記スイッチング部を制御する駆動部と、溶接電流を検出する溶接電流検出部と、溶接電圧を検出する溶接電圧検出部と、前記溶接電圧検出部の出力に基づいて短絡状態であるのかアーク状態であるのかを検出する短絡／アーク検出部と、前記短絡／アーク検出部から短絡状態であることを示す信号を受けて短絡時の溶接出力制御信号を前記駆動部に出力する短絡制御部と、前記短絡／アーク検出部からアーク状態であることを示す信号を受けてアーク時の溶接出力制御信号を前記駆動部に出力するアーク制御部と、設定されたアークスタート期間を出力するアークスタート期間出力部と、設定された所定時間を出力する所定時間設定部と、予め設定された固定値電流を後述するアーク電流制御部に出力する固定値電流設定部を備え、前記アーク制御部は、溶接出力制御信号を前記駆動部に出力するアーク電流制御部と、計時機能を有しており前記アークスタート期間出力部からの信号と前記所定時間設定部からの信号を入力して前記アーク電流制御部にアークスタート期間であるか否かおよび前記所定時間であるか否かを出力する計時部とを備え、前記アークスタート期間では、アーク再発生直後の溶接電流を短絡開放時の短絡開放電流に応じて前記短絡開放電流と同じあるいは増減した電流を前記所定時間出力する制御を行い、前記アークスタート期間の後の定常溶接期間では、アーク再発生直後の溶接電流を短絡開放時の短絡開放電流に関係なく予め設定された前記固定値電流を前記所定時間出力する制御を行うものである。
【００２２】
また、本発明のアーク溶接装置は、消耗電極であるワイヤと被溶接物との間で短絡とアークを交互に繰り返して溶接を行うアーク溶接装置であって、溶接出力を制御するスイッチング部と、前記スイッチング部を制御する駆動部と、溶接電流を検出する溶接電流検出部と、溶接電圧を検出する溶接電圧検出部と、前記溶接電圧検出部の出力に基づいて短絡状態であるのかアーク状態であるのかを検出する短絡／アーク検出部と、前記短絡／アーク検出部から短絡状態であることを示す信号を受けて短絡時の溶接出力制御信号を前記駆動部に出力する短絡制御部と、前記短絡／アーク検出部からアーク状態であることを示す信号を受けてアーク時の溶接出力制御信号を前記駆動部に出力するアーク制御部と、設定された所定時間を出力する所定時間設定部と、予め設定された固定値電流を後述するアーク電流制御部に出力する固定値電流設定部を備え、前記短絡制御部は、短絡開放電流と比較するための閾値を設定するための短絡電流閾値設定部と、前記溶接電流検出部から入力した短絡開放電流と前記短絡電流閾値設定部で設定された閾値とを比較して前記短絡開放電流が前記閾値より大きいか否かを後述するアーク電流制御部に出力する判定部とを備え、前記アーク制御部は、溶接出力制御信号を前記駆動部に出力するアーク電流制御部と、計時機能を有しており前記所定時間設定部からの信号を入力して前記アーク電流制御部に前記所定時間であるか否かを出力する計時部とを備え、短絡開放電流が予め設定された前記閾値より大きい場合には、アーク再発生直後の溶接電流を短絡開放時の短絡開放電流に応じて前記短絡開放電流と同じあるいは増減した電流を前記所定時間出力する制御を行い、短絡開放電流が予め設定された前記閾値より小さい場合には、アーク再発生直後の溶接電流を短絡開放時の短絡開放電流に関係なく予め設定された固定の電流を前記所定時間出力する制御を行うものである。
【発明の効果】
【００２３】
以上のように、本発明によれば、アーク検出直後は短絡解放電流に応じた溶接電流を所定時間出力する制御と、固定値の溶接電流を所定時間出力する制御といった２種類の制御を切り換え可能であり、アークスタート期間と定常溶接期間との識別や、短絡状態の強弱により、上記２種類の制御を使い分けることにより、スパッタを低減しつつ溶接速度の高速化による外乱の影響に強い消耗電極式アーク溶接を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、消耗電極式アーク溶接制御方法及びアーク溶接装置について、図面を用いて説明する。
【００２５】
図１は、アーク再発生直後に短絡開放電流に応じた溶接電流を所定時間出力する場合の溶接電流波形と溶接電圧波形を示している。なお、短絡開放電流に応じた溶接電流とは、短絡開放電流と同じ電流、あるいは、短絡開放電流よりも高いあるいは低い電流である。そして、アーク再発生直後の溶接電流が短絡開放電流と同じあるいは増減とすることに関しては、種々の溶接条件等で異なり、例えば実験等により予め求めておくこともできる。図１では、アーク再発生直後の溶接電流を短絡開放電流と同じにした例を示している。また、前述の所定時間も例えば実験等により求めておくことができる。
【００２６】
図２はアーク再発生直後の溶接電流を、短絡開放電流に応じるものではなく、予め定めた固定値（絶対値）とし、この固定値とした溶接電流を所定時間出力する場合の溶接電流波形と溶接電圧波形を示している。
【００２７】
図１および図２において、Ｐ１、Ｐ３、Ｐ５、Ｐ７は短絡が発生した時点を示しており、Ｐ２、Ｐ４、Ｐ６、Ｐ８はアークが再発生した時点を示している。Ｐ１からＰ２の期間が短絡期間Ｓ１であり、Ｐ２からＰ３の期間がアーク期間Ａ１であり、Ｐ３からＰ４の期間が短絡期間Ｓ２であり、Ｐ４からＰ５の期間がアーク期間Ａ２であり、Ｐ５からＰ６の期間が短絡期間Ｓ３であり、Ｐ６からＰ７の期間がアーク期間Ａ３であり、Ｐ７からＰ８の期間が短絡期間Ｓ４である。アーク再発生直後から所定の溶接電流を出力する期間を所定時間Ｔ１とする。
【００２８】
（実施の形態１）
図１において、まずＰ１からＰ３までの期間（短絡１周期分）について説明する。
Ｐ１は短絡発生時であり、Ｐ２はアーク再発生時であり、Ｐ１からＰ２までは短絡期間Ｓ１である。この短絡期間Ｓ１では、消耗電極であるワイヤが溶融プールと接触・短絡している状態であり、短絡を開放させるために溶接電流を徐々に上昇させ、電気エネルギーをワイヤに供給することでワイヤを溶融させることができる。その結果、ワイヤと溶融プールが離れて短絡開放となり、Ｐ２時点でアーク発生となる。
【００２９】
Ｐ２はアーク再発生時であり、Ｐ３は次の短絡発生時であり、Ｐ２のアーク再発生直後から所定時間Ｔ１の間は短絡開放電流に応じた溶接電流を出力するように制御する。なお、図１の例では、所定時間Ｔ１の間の溶接電流を短絡開放電流と同じとした例を示している。この所定時間Ｔ１の終了後は、次の短絡発生時点であるＰ３まで電圧制御に応じた電流を出力する。
このＰ１からＰ３までの期間が短絡１周期であり、Ｐ３からＰ５までの期間、Ｐ５からＰ７までの期間のように短絡周期を繰り返している。
【００３０】
図１に示しているように、短絡期間Ｓ１では、短絡開放電流が３００Ａである例を示しており、この短絡開放電流が３００Ａである場合を適正状態とすることとする。そして、この場合の短絡状態を適正とし、短絡状態が強くもなく弱くもない状態とする。なお、短絡期間における電流と時間の積で表される電気エネルギーが、この短絡解放電流３００Ａの時の電気エネルギーよりも大きい場合を短絡状態が強いと称し、小さい場合を短絡状態が弱いと称することとする。
【００３１】
短絡期間Ｓ１の後のアーク期間Ａ１において、アーク再発生直後の所定時間Ｔ１の間出力される溶接電流は、短絡開放電流３００Ａに応じた同じ値の溶接電流が出力される。よって、電気エネルギーが適正であり、これによりワイヤ先端の溶滴の大きさも適正となる。そして、アーク長も適正になりやすい。
【００３２】
短絡期間Ｓ２では、短絡時間が短絡期間Ｓ１より短く、短絡開放電流が適性値３００Ａより低い２５０Ａとなった例を示しており、短絡状態が弱い状態となっている。アーク期間Ａ２においてアーク再発生直後の所定時間Ｔ１の間出力される溶接電流は、短絡開放電流２５０Ａに応じた同じ値の溶接電流が出力される。よって、電気エネルギーが少ないため、適正状態より溶滴の大きさが小さくなる。また、アーク長も短くなる。よって、次の短絡のタイミングが早まる傾向になりやすい。
【００３３】
短絡期間Ｓ３では、短絡時間が長く、短絡開放電流が適正値３００Ａを超えて３５０Ａまで到達した例を示しており、短絡状態が強い状態となっている。
【００３４】
アーク期間Ａ３において、アーク再発生直後の所定時間Ｔ１の間出力される溶接電流は、短絡開放電流３５０Ａに応じた同じ値の３５０Ａが出力される。よって、電気エネルギーが大きいため、適正状態より溶滴の大きさが大きくなる。また、アーク長も長くなる。よって、次の短絡タイミングが遅くなる傾向になりやすい。
【００３５】
このように、短絡開放電流の大きさが異なることでアーク再発生直後の所定時間Ｔ１の間出力される溶接電流の大きさも異なるので、アーク再発生時のアーク長が異なり、短絡周期に変動が発生し易くなる。
【００３６】
なお、アークスタート期間の後の定常溶接期間のようなアーク安定性を得られる状態の時には、短絡周期の変動が発生し易い制御を行わないことが適切であることが、本発明者らによる実験等を通じてわかった。
【００３７】
また、短絡開放電流に応じた所定時間出力する溶接電流は、図１では短絡開放電流と同じ電流値としているが、同じに限るものではなく、短絡開放電流に対して増加あるいは低減した値としても良く、例えば、短絡開放電流±１００Ａ等としてもよい。そして、同じにするか増減するかは、例えば実験等を行うことにより予め決めておくことができる。
次に、図２を用いて、定常溶接期間のようなアーク安定性が得られる状態の時に適した制御について説明する。なお、図１と同様の箇所については図１と同様の符号を付している。
【００３８】
短絡期間Ｓ１は、短絡状態が強くも弱くもなく、短絡開放電流が３００Ａで適正であるとする。アーク期間Ａ１において、アーク再発生直後の所定時間Ｔ１の間出力される溶接電流は、予め決められた固定値の３００Ａが出力される。よって、電気エネルギーが適正のため、溶融の大きさも適正である。また、アーク長も適正になりやすい。
【００３９】
短絡期間Ａ２では、短絡状態が弱いため短絡時間が短く、短絡開放電流が適正値３００Ａより低い２５０Ａである例を示している。短絡期間Ａ２の後のアーク期間Ａ２において、アーク再発生直後の所定時間Ｔ１の間出力される溶接電流は、アーク期間Ａ１と同様の固定値である３００Ａが出力される。これも、固定値３００Ａの出力により電気エネルギーが適正のため、溶融の大きさも適正であり、また、アーク長も適正になりやすい。
【００４０】
短絡期間Ａ３は、短絡開放電流が適正値３００Ａより高い３５０Ａに到達しているが、アーク期間Ａ３においてアーク再発生直後の所定時間Ｔ１の間出力される溶接電流は、アーク期間Ａ１やアーク期間Ａ２と同様に固定値の３００Ａが出力される。これもまた、固定値３００Ａの出力により電気エネルギーが適正のため溶融の大きさも適正であり、また、アーク長も適正になりやすい。
【００４１】
但し、定常溶接期間の前のアークスタート期間では、アークスタート期間の溶融プールが完全に形成されるまでの短絡状態の強弱があり、アークが不安定になり易い。そして、アークが不安定になりやすい状態では、アーク再発生直後の所定時間Ｔ１の間出力される溶接電流は、固定値ではなく短絡開放電流に応じた制御を行う方が適切である。
【００４２】
その理由は、アーク再発生直後の所定時間Ｔ１に出力される溶接電流が短絡開放電流に応じた溶接電流であると、短絡状態が強い時にアーク再発生時には燃え上がらせてワイヤ先端の溶滴の大きさを大きくすることで次の短絡状態を緩和させることができるからである。
【００４３】
一方、固定値の溶接電流では、ワイヤ先端の溶滴の大きさが小さく、燃え上がらせることができず、次の短絡状態も強くなり、アーク再発生しにくい状態になる。そして、最悪の場合、ワイヤ先端が溶融できずワイヤ溶断によりはじけ飛ぶようなことも十分ありえる。
【００４４】
故に、アークスタート期間のようにアークが不安定になりやすい状態の時には、短絡開放電流に応じた溶接電流を所定時間出力する制御が適切であり、定常溶接期間のようなアークが安定しやすい状態の時には固定値の溶接電流を所定時間出力する制御が適切であることが発明者らの実験等を通じてわかった。
【００４５】
図３は、アークが不安定になりやすい状態のアークスタート期間ＴＳでは短絡開放電流に応じた溶接電流を所定時間出力する制御を行い、アークが安定しやすい状態の定常溶接期間ＴＮでは固定値の溶接電流を所定時間出力する制御を行うといった制御の使い分けのタイミングの一例を示したものである。
【００４６】
この図３では、ワイヤ送給速度ＷＦが定常溶接期間の送給速度である定常送給速度に到達した時点をトリガにして、アーク再発生直後の所定時間Ｔ１の間出力される溶接電流を短絡開放電流に応じた溶接電流にする、あるいは、固定値の電流にする、といった２種類の制御を切り換える例を示している。すなわち、定常送給速度になるまではアークスタート期間ＴＳとしてアーク再発生直後の所定時間Ｔ１の間出力される溶接電流を短絡開放電流に応じた電流とし、定常送給速度になってからは定常溶接期間ＴＮとしてアーク再発生直後の所定時間Ｔ１の間出力される溶接電流を固定値とするものである。
【００４７】
しかし、制御の切り換えのタイミングはこれに限るものではなく、例えば、図３に示すように溶接開始時の電流を検出し、この電流検出からの時間を計時して所定の経過時間をトリガにして、２種類の制御を切り換えるようにしてもよい。
【００４８】
次に、図４を用いて、上記制御を行う本実施の形態におけるアーク溶接装置について説明する。図４は本実施の形態におけるアーク溶接装置の概略構成を示す図である。
【００４９】
入力電源１からの電力は１次整流部２で整流され、スイッチング素子３により交流に変換され、トランス４により降圧され、２次整流部５およびＤＣＬ（インダクタタンス，コイル）６により整流され、ワイヤ２０と母材２３との間に印加される。また、スイッチング素子３を制御するための駆動部７と、溶接用電源出力端子間に接続されており溶接電圧を検出する溶接電圧検出部８と、溶接電流を検出する溶接電流検出部９と、溶接電圧検出部８からの信号に基づいて短絡期間であるのかアーク期間であるのかを判定する短絡／アーク検出部１０と、短絡期間の電流を制御する信号を出力する短絡制御部１１と、アーク期間の電流を制御する信号を出力するアーク制御部１５と、アーク制御部１５に対して予め設定されたアークスタート期間を出力するアークスタート期間出力部１８とを備えている。なお、短絡制御部１１は、駆動部７に電流制御信号を出力する短絡電流制御部１２を備えている。また、アーク制御部１５は、時間を計時する計時部１６と、計時部１６からの信号に基づいてアーク期間の電流制御信号を駆動部７に出力するアーク電流制御部１７を備えている。また、所定時間Ｔ１を設定するための所定時間設定部２４と、所定時間Ｔ１の間出力する電流を設定するための固定値電流設定部２５を備えている。また、ワイヤ２０はワイヤ送給モータ１９により母材２３の方向に送給され、ワイヤ２０はチップ２１を介して給電され、ワイヤ２０と母材２３との間にアーク２２が発生する。
【００５０】
なお、図４で示したアーク溶接装置を構成する各構成部は、各々単独に構成してもよいし、複数の構成部を複合して構成するようにしてもよい。
【００５１】
次に、短絡／アーク検出部１０の判定後のアーク制御について説明する。
短絡制御部１１は、ワイヤが溶融プールと接触・短絡している短絡状態を開放させるための溶接電流をワイヤ２０に供給させるために、短絡期間の電流を制御する短絡電流制御部１２から構成されている。
【００５２】
アークスタート期間出力部１８は、アークスタート期間（時間）を計時部１６に出力する。計時部１６はアークスタート期間出力部１８からアークスタート期間の時間を得、さらに例えば図示しない溶接用トーチのトーチスイッチがオンされてからの経過時間を計時し、これらの情報に基づいてアークスタート期間であるのか定常溶接期間であるのかをアーク電流制御部１７に出力する。また、計時部１６は、所定時間設定部２４から所定時間を得、さらに短絡／アーク検出部１０からの信号に基づいてアーク発生時からの時間を計時し、これらの情報に基づいて所定期間Ｔ１であるか否かをアーク電流制御部１７に出力する。
【００５３】
アーク電流制御部１７は、計時部１６からの信号を受けて短絡開放によりアーク再発生直後の所定時間Ｔ１の間出力する溶接電流を、短絡開放電流に応じた電流とするのか、あるいは、短絡開放電流に関係なく固定値とするのかの制御を行う。なお、溶接電流の固定値は固定値電流設定部２５からの信号に基づくものである。
【００５４】
そして、アーク再発生直後には、アークスタート期間であれば、短絡開放電流に応じた溶接電流を出力し、定常溶接期間であれば、短絡開放電流に関係なく予め設定された固定値の溶接電流を出力することになる。
【００５５】
以上のように、アークが不安定になりやすい状態のアークスタート期間には、短絡開放電流に応じた溶接電流を出力する制御を行い、アークが安定しやすい状態の定常溶接期間には、固定値の溶接電流を出力する制御を行い、このように制御方法を使い分けることで生産効率や作業環境への悪影響を抑えることが可能である。
【００５６】
（実施の形態２）
本実施の形態において、実施の形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。実施の形態１と異なる主な点は、定常溶接期間において、アークが安定しやすい状態ではアーク再発生直後の所定時間Ｔ１の間は固定値の溶接電流になるように制御を行うが、定常溶接期間であっても、外乱などによりアーク不安定になった時のみアーク再発生直後の所定時間Ｔ１の間は短絡開放電流に応じた溶接電流を出力するように制御を行うというように、定常溶接期間において制御を切り換えるようにした点である。具体的には、短絡開放電流閾値を設定し、短絡開放電流がこの閾値を超えるか否かにより制御を切り換えるようにしている。
【００５７】
図５は、短絡とアークを交互に繰り返す消耗電極式アーク溶接における溶接電流波形を示している。図５は、アークが安定しやすい状態の定常溶接期間において、母材２３の位置ズレやギャップといった外乱などによりアークが不安定になった時に短絡開放電流の大きさが異なり、短絡状態の強弱が発生した際に、２種類の制御を切り換えて制御を行う例を説明した図である。
Ｐ１１は短絡発生時、Ｐ１２はアーク再発生時であり、Ｐ１１からＰ１２までは短絡期間Ｓ１１である。Ｐ１２から短絡発生時Ｐ１３まではアーク期間Ａ１１である。
【００５８】
まず、図５（ａ）に示すアークが安定状態の場合であるが、短絡期間Ｓ１１では、短絡状態が弱いために短絡時間が短く、短絡開放電流も２００Ａである。よって、予め設定された短絡電流閾値である２５０Ａを上回っていないため、アーク期間Ａ１１のアーク再発生直後の所定時間Ｔ１の間出力される溶接電流は短絡開放電流に関係なく予め設定された固定値の３００Ａを出力する。
短絡期間Ｓ１２以降も同様に短絡電流閾値２５０Ａを上回ることがなくアーク安定しているため、短絡期間Ｓ１１とアーク期間Ａ１１とで同様の制御が行われる。
【００５９】
次に、図５（ｂ）に示すアークの不安定状態が発生した場合であるが、短絡期間Ｓ１１は、短絡状態が強いために短絡時間が長く、短絡開放電流が３５０Ａまで到達している。よって、予め設定された短絡電流閾値である２５０Ａを上回っているため、アーク期間Ａ１１のアーク再発生直後の所定時間Ｔ１の間出力される溶接電流は、短絡開放電流に応じた３５０Ａを出力する。
【００６０】
次の短絡期間Ｓ１２では、短絡状態が弱いことから短絡開放電流は２００Ａである。短絡電流閾値２５０Ａを上回っていないため、アーク期間Ａ１２のアーク再発生直後の所定時間Ｔ１の間出力される溶接電流は、短絡開放電流に関係なく予め設定された固定値の３００Ａを出力する。
【００６１】
次の短絡期間Ｓ１３では、短絡状態が強いために短絡時間が長く、短絡開放電流も４００Ａまで到達している。よって、短絡電流閾値２５０Ａを上回っているため、アーク期間Ａ１３のアーク再発生直後の所定時間Ｔ１出力される溶接電流は短絡開放電流に応じて４００Ａ出力する。
【００６２】
なお、短絡開放電流に応じて所定時間出力する溶接電流は、図５（ｂ）では短絡開放電流と同じ電流を示しているが、短絡開放電流に対して増減しても良い（例えば、短絡開放電流±１００Ａ）。
【００６３】
また、短絡電流閾値を上回る場合は短絡開放電流に応じた溶接電流を所定時間Ｔ１の間出力する制御の例を示しているが、次のような制御でも代用可能である。例えば、固定値の溶接電流を所定時間出力する制御による通常の固定値の溶接電流よりも高い第２の固定値の溶接電流を設けても良い（例えば、通常の溶接電流３００Ａに対して、第２の固定値の溶接電流４００Ａ）。
【００６４】
上記のように、溶接状態は絶えず安定するとは限らず、外乱などによる不安定になる場合もある。定常溶接期間であっても、短絡状態の強弱があり、アーク不安定になりやすい状態では、アーク再発生直後の所定時間Ｔ１の間出力される溶接電流を予め決められた固定値とする制御ではなく、短絡開放電流に応じて溶接電流が所定時間出力する制御が適切である。
【００６５】
その理由は、アーク再発生直後の所定時間Ｔ１の間出力される溶接電流が固定値の溶接電流であると、短絡状態が強い時にアーク再発生時にはワイヤ先端の溶滴の大きさが小さくなり、燃え上がらせることができず、次の短絡状態を緩和させることができない。
【００６６】
よって、固定値の溶接電流では、次の短絡状態も強くなり、アーク再発生しにくい状態になる。最悪の場合、ワイヤ先端が溶融できず、ワイヤ溶断により弾け飛ぶようなことも十分ありえる。
【００６７】
上記のことから、アークが不安定になりやすい状態の時には、定常溶接期間のようなアーク安定しやすい状態の時に行う固定値の溶接電流を出力する制御から、短絡開放電流に応じた溶接電流を出力する制御に切り換える方が適切であることが発明者らによる実験等を通じてわかった。
【００６８】
次に、図６を用いて本実施の形態における上記制御を行うアーク溶接装置について説明する。
【００６９】
図６は本実施の形態におけるアーク溶接装置の概略構成を示す図である。実施の形態１で説明した図４と同様の箇所には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。図６の構成が図４の構成と異なる主な点は、短絡制御部１１の構成である。短絡制御部１１は、短絡期間中に駆動部７に電流制御信号を出力する短絡電流制御部１２と、短絡電流閾値を設定するための短絡電流閾値設定部１３と、短絡電流閾値設定部１３からの信号と溶接電流検出部９からの信号に基づいて短絡開放電流が短絡電流閾値を超えたか否かを判定し、その判定結果をアーク電流制御部１７に出力する判定部１４を備えている。
【００７０】
次に、短絡／アーク検出部１０の判定後の短絡制御について説明する。
【００７１】
短絡制御部１１は、短絡電流制御部１２と短絡電流閾値設定部１３と短絡電流閾値検出部１４から構成されている。判定部１４は短絡電流閾値設定部１３からの閾値を入力し、また、電流検出部９からの信号により電流を監視し、溶接電流が短絡電流閾値設定部１３に設定された所定の閾値を上回るか否かを判定している。そして、短絡開放によりアーク再発生直後の所定時間Ｔ１の間出力する溶接電流を、短絡開放電流に応じた電流出力とするのか、あるいは、固定値の電流出力とするのかを判定してアーク電流制御部１７に出力するものである。
【００７２】
そして、外乱発生時の短絡状態の強弱により、短絡電流閾値を上回れば短絡開放電流に応じた溶接電流を出力し、短絡電流閾値を下回れば、固定値の溶接電流を出力することになる。
【００７３】
以上のように、アークが安定しやすい状態の定常溶接期間には固定値の溶接電流を所定時間出力する制御を行い、アーク不安定になりやすい状態のアークスタート期間や外乱発生時には、短絡開放電流に応じた溶接電流を所定時間出力する制御を行うといった制御の使い分けができ、生産効率や作業環境への悪影響を抑えることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、アーク検出直後は短絡解放電流に応じた溶接電流を所定時間出力する制御と、固定値の溶接電流を所定時間出力する制御といった２種類の制御を切り換え可能であり、アークスタート期間と定常溶接期間との識別や、短絡状態の強弱により、上記２種類の制御を使い分けることによりスパッタを低減でき、消耗電極を用いて短絡溶接を行う溶接方法や溶接装置として産業上有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】実施の形態１における溶接電流波形と溶接電圧波形を示す図
【図２】実施の形態１における溶接電流波形と溶接電圧波形を示す図
【図３】実施の形態１におけるアークスタート期間と定常溶接期間およびワイヤ送給速度の時間変化示す図
【図４】実施の形態１におけるアーク溶接装置の概略構成を示す図
【図５】実施の形態２における溶接電流波形を示す図
【図６】実施の形態２におけるアーク溶接装置の概略構成を示す図
【図７】従来のアーク溶接における溶接電流波形を示す図
【符号の説明】
【００７６】
Ｔ１  所定時間
ＴＮ  定常溶接期間
ＴＳ  アークスタート期間
１  入力電源
２  １次整流部
３  スイッチング素子
４  トランス
５  ２次整流部
６  ＤＣＬ（インダクタンス，コイル）
７  駆動部  
８  溶接電流検出部
９  溶接電圧検出部
１０  短絡／アーク検出部
１１  アーク制御部
１２  短絡制御部
１３  短絡電流閾値設定部
１４  判定部
１５  アーク制御部
１６  計時部
１７  アーク電流制御部
１８  アークスタート期間出力部
１９  ワイヤ送給モータ
２０  ワイヤ
２１  チップ
２２  溶接アーク
２３  母材
２４  所定時間設定部
２５  固定値電流設定部
【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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