(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め定めたピーク期間中は溶滴移行をさせる値のピーク電流を通電し、続けて予め定めたベース期間中は溶接ワイヤの溶融を促進させない値のベース電流を通電する消耗電極パルスアーク溶接電源装置の出力制御方法において、
前記ピーク期間中は前記溶接電源装置の外部特性を垂下特性に制御し、前記ベース期間中は前記溶接電源装置の外部特性を定電流特性に制御するパルスアーク溶接電源装置の出力制御方法。
【請求項２】
ピーク期間中の垂下特性の傾きが、−５［Ｖ／100Ａ］以下−２０［Ｖ／100Ａ］以上の範囲内の値である請求項１に記載するパルスアーク溶接電源装置の出力制御方法。
【請求項３】
ピーク期間中の垂下特性の傾きが、ワイヤ送給速度、溶接ワイヤの直径又は被溶接物の材質の少なくとも１つ以上に対応して適正値に変化する請求項２に記載するパルスアーク溶接電源装置の出力制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、消耗電極パルスアーク溶接電源装置において、外部特性を形成するための出力制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
消耗電極パルスアーク溶接において、良好な溶接品質を得るためには溶接中のアーク長を適正値に維持する必要がある。このアーク長を適正値に維持するための溶接電源装置の出力制御方法としては、図３で後述するように、周波数変調制御、パルス幅変調制御、ピーク電流変調等がある。本発明では、図３で後述するように、溶接ワイヤを複数使用する多電極パルスアーク溶接において、上記の出力制御方法の中で優れた特質を有するピーク電流変調制御方法を対象とする。以下、従来技術のピーク電流変調制御方法について説明する。
【０００３】
図２は、パルスアーク溶接の電流・電圧波形図である。同図（Ａ）は出力電流Ｉｏの時間変化を示し、同図（Ｂ）は出力電圧Ｖｏの時間変化を示し、同図（Ｃ１）〜（Ｃ３）は各時刻におけるアーク発生状態を示す。以下、同図を参照して説明する。
【０００４】
▲１▼  時刻ｔ１〜ｔ２の期間（ピーク期間Ｔｐ）
予め定めたピーク期間Ｔｐ（約１〜３［ms］の範囲）中は、同図（Ｂ）に示すように、予め定めたピーク電圧設定値Ｖspに相当するピーク電圧Ｖｐが溶接ワイヤ・被溶接物間に印加する。このピーク電圧設定値Ｖspによって、適正なアーク長となるようにピーク電圧Ｖｐを設定する。一方、この期間中は、同図（Ａ）に示すように、上記のピーク電圧Ｖｐとアーク負荷によって定まるピーク電流Ｉｐが通電する。したがって、ピーク電流Ｉｐの値は、ピーク電圧Ｖｐ及びアーク負荷によって変化する。ただし、スパッタの付着のない良好なビード外観を得るためには、このピーク電流Ｉｐの変化幅は、１パルス１溶滴移行の電流範囲内であることが必要である。直径１．２［mm］の軟鋼ワイヤでは、この電流範囲は約４００〜５５０［Ａ］の範囲となる。
また、このときのアーク発生状は、同図（Ｃ１）に示すように、大電流値のピーク電流Ｉｐの通電によって、溶接ワイヤ１の溶融が促進されてワイヤ先端部に溶滴１ａが形成された状態となる。
【０００５】
▲２▼  時刻ｔ２〜ｔ３の期間（ベース期間Ｔｂ）
予め定めたベース期間Ｔｂ（約２〜２０［ms］の範囲）中は、同図（Ａ）に示すように、溶接ワイヤの溶融を促進させない値に予め定めたベース電流Ｉｂが通電する。このベース電流Ｉｂの値は、３０〜８０［Ａ］程度である。一方、この期間中は、同図（Ｂ）に示すように、上記のベース電流Ｉｂの通電に対応したベース電圧Ｖｂが印加する。
このときのアーク発生状態は、同図（Ｃ２）に示すように、ピーク期間Ｔｐ終了直後に溶滴がワイヤ先端から離脱して被溶接物２へ移行する。その後は、同図（Ｃ３）に示すように、ベース電流Ｉｂの値が小さいために溶接ワイヤの溶融はほとんど行われず、ワイヤ送給によってワイヤ先端位置が被溶接物２に接近する。
【０００６】
上述したように、溶接ワイヤ１はピーク期間Ｔｐ中のみ溶融し、ベース期間Ｔｂ中はほとんど溶融しない。ここで、ワイヤ送給速度をＷｆ［mm/ｓ］とすると、時刻ｔ１〜ｔ３期間中のワイヤ送給量はＷf1＝Ｗｆ×（Ｔｐ＋Ｔｂ）［mm］となる。他方、ピーク期間Ｔｐ中のワイヤ溶融量をＷm1［mm］とすると、アーク長を一定値に維持するためには、Ｗf1＝Ｗm1が成立する必要がある。上記のワイヤ溶融量Ｗm1は、ピーク期間Ｔｐの時間長さとピーク電流値Ｉｐとの積に比例する。ピーク期間Ｔｐが一定値のときには、ピーク電流Ｉｐの値によってワイヤ溶融量Ｗm1が変化する。また、ワイヤ溶融量Ｗm1とワイヤ送給量Ｗf1との差によって、時刻ｔ１〜ｔ３期間中のアーク長が変化する。したがって、ピーク電流Ｉｐの値の変化によってアーク長を制御することができる。このアーク長を制御するための出力制御方法を、ピーク電流変調制御方法という。
【０００７】
図３は、上述したパルス電流変調制御方法の優れた特質を説明するための２電極パルスアーク溶接における電流波形図である。同図は、同図（Ａ）に示すように、２本の溶接ワイヤＡ１及びＢ１を使用して、同時に２つのアークＡ３及びＢ３を発生させて行う２電極パルスアーク溶接の場合である。同図（Ｂ１）及び（Ｂ２）は、出力制御方法が周波数変調制御の場合であり、同図（Ｂ１）は第１のアークＡ３を通電する第１の出力電流ＡＩｏの時間変化を示し、同図（Ｂ２）は第２のアークＢ３を通電する第２の出力電流ＢＩｏの時間変化を示す。また、同図（Ｃ１）及び（Ｃ２）は、出力制御方法がパルス電流変調制御の場合であり、同図（Ｃ１）は第１のアークＡ３を通電する第１の出力電流ＡＩｏの時間変化を示し、同図（Ｃ２）は第２のアークＢ３を通電する第２の出力電流ＢＩｏの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【０００８】
▲１▼  周波数変調制御の場合
同図（Ｂ１）に示すように、第１のアークＡ３には、時刻ｔ１〜ｔ２の予め定めたピーク期間Ｔｐ中は予め定めたピーク電流Ｉｐを通電し、続けて時刻ｔ３までの第１のパルス周期Ｔf1の期間中は予め定めたベース電流Ｉｂを通電する。周波集変調制御では、出力電圧Ｖｏの平均値が予め定めた電圧設定値と等しくなるように、上記の第１のパルス周期Ｔf1を制御してアーク長制御を行う。したがって、第１のパルス周期Ｔf1はアーク負荷の変動に応じて、毎周期ごとに刻々と変化する。
他方、同図（Ｂ２）に示すように、第２のアークＢ３にも。上記と同様に、時刻ｔ１〜ｔ２のピーク期間Ｔｐ中はピーク電流Ｉｐを通電し、続けて時刻ｔ４までの第２のパルス周期Ｔf2の期間中はベース電流Ｉｂが通電する。２つのアークＡ３及びＢ３はそれぞれ独立して周波数変調制御（アーク長制御）されているために、上記の第１のパルス周期Ｔf1の時間長さと上記の第２のパルス周期Ｔf2の時間長さとは異なった値となる。このために、時刻ｔ１〜ｔ２のピーク期間Ｔｐは同期を取ることができても、次のピーク期間Ｔｐの同期を取ることはできない。
【０００９】
２電極パルスアーク溶接では、隣接して２つのアークＡ３及びＢ３が発生するために、互いに干渉してアーク発生状態が不安定になりやすい。これを解決するためには、２つのアークＡ３及びＢ３を通電する大電流値のピーク電流Ｉｐを完全に同期させて通電する方法が提案されている。しかし、上述したように、周波数変調制御では、２つのアークのピーク電流Ｉｐを完全に同期させて通電することはできないために、アークの相互干渉を抑制してアーク発生状態を安定化することはできない。
【００１０】
また、図は省略しているが、パルス幅変調制御では、上記のパルス周期Ｔｆを一定値とし、ピーク期間Ｔｐを変化させてアーク長制御を行う。このために、パルス幅変調制御においても、ピーク期間Ｔｐの完全な同期を取ることはできず、その結果、アークの相互干渉を抑制してアーク発生状態を安定化することはできない。
【００１１】
▲２▼  ピーク電流変調制御の場合
同図（Ｃ１）に示すように、第１のアークＡ３には、時刻ｔ１〜ｔ２の予め定めたピーク期間Ｔｐ中はピーク電流Ｉp1が通電し、続けて時刻ｔ２〜ｔ３の予め定めたベース期間Ｔｂ中は予め定めたベース電流Ｉｂが通電する。他方、同図（Ｃ２）に示すように、第２のアークＢ３には、上記と同様にピーク期間Ｔｐ中はピーク電流Ｉp2が通電し、続いて上記と同様にベース期間Ｔｂ中はベース電流Ｉｂが通電する。したがって、２つのアークＡ３及びＢ３を通電するピーク電流Ｉp1及びＩp2の完全な同期を取ることができるので、アークの相互干渉を抑制してアーク発生状態を安定化することができる。上述したように、多電極アーク溶接においては、ピーク電流変調制御は、他の変調制御にはない優れた特質を有している。
【００１２】
図４は、上述した従来技術のピーク電流変調制御方法を搭載した溶接電源装置ＰＳのブロック図である。以下、同図を参照して説明する。
出力制御回路ＩＮＶは、商用交流電源（３相２００［Ｖ］等）を入力として、インバータ制御、サイリスタ位相制御等によって、後述する誤差増幅信号Ｅａに従ってアーク負荷に適した出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏを出力する。直流リアクトルＤＣＬは、出力電流Ｉｏの平滑を行う。溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給装置の送給ロール５ａによって溶接トーチ４を通って送給されて、被溶接物２との間でアーク３が発生する。
【００１３】
電圧検出回路ＶＤは、直流リアクトルＤＣＬによる平滑前の出力電圧を検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。ピーク電圧設定回路ＶＳＰは、予め定めたピーク電圧設定信号Ｖspを出力する。この信号Ｖspは、溶接電源装置の外部から設定される場合もある。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の電圧検出信号Ｖｄとピーク電圧設定信号Ｖspとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。
電流検出回路ＩＤは、出力電流Ｉｏを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。ベース電流設定回路ＩＳＢは、予め定めたベース電流設定信号Ｉsbを出力する。この信号Ｉsbは、溶接電源装置の外部から設定される場合もある。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流検出信号Ｉｄとベース電流設定信号Ｉsbとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。
【００１４】
切換タイマ回路ＴＰＢは、予め定めたピーク期間Ｔｐ中はＨｉｇｈレベルとなり、続けて予め定めたベース期間Ｔｂ中はＬｏｗレベルとなり、これらの出力を繰り返す切換信号Ｔpbを出力する。切換回路ＳＷは、上記の切換信号ＴpbがＨｉｇｈレベルのときはａ側に切り換って上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖを誤差増幅信号Ｅａとして出力し、上記の切換信号ＴpbがＬｏｗレベルのときはｂ側に切り換って上記の電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。したがって、切換信号ＴpbがＨｉｇｈレベルとなるピーク期間Ｔｐ中はピーク電圧設定信号Ｖspを目標値とする定電圧制御によって溶接電源装置の外部特性は定電圧特性となり、他方、切換信号ＴpbがＬｏｗレベルとなるベース期間Ｔｂ中はベース電流設定信号Ｉsbを目標値とする定電流制御によって溶接電源装置の外部特性は定電流特性となる。
【００１５】
図５は、上述したピーク電流変調制御方法によるアーク長制御を説明するための外部特性・アーク特性関係図である。同図はピーク期間中の外部特性Ｌ１を示しており、横軸はピーク電流Ｉｐを示し、縦軸はピーク電圧Ｖｐを示す。以下、同図を参照して説明する。
図４の説明の項で前述したように、ピーク期間Ｔｐ中はピーク電圧設定信号Ｖspを目標値とする定電圧制御によって溶接電源装置の外部特性Ｌ１は定電圧特性となる。一般的に、溶接電源装置の内部インピーダンスの影響によって、上記の定電圧特性Ｌ１の傾きＳｓは−２［Ｖ／100Ａ］程度となる。
【００１６】
アーク長が適正値の定常状態のときのアーク特性を特性Ｙ１とすると、上記の外部特性Ｌ１とアーク特性Ｙ１との交点Ｐ１が、定常状態での動作点となる。この動作点Ｐ１では、ピーク電流ＩｐはＩp1［Ａ］となり、ピーク電圧Ｖｐはピーク電圧設定信号Ｖspに相当するＶp1［Ｖ］となる。
この動作点Ｐ１の定常状態において、ワイヤ送給速度の変動、溶融池の不規則運動、手触れ等によるチップ・被溶接物間距離の変動等（以下、外乱という）によって、過渡的にアーク長が長くなると、それに応じてアーク特性は特性Ｙ１から特性Ｙ２へと変化する。外部特性Ｌ１は変化しないので、外部特性Ｌ１とアーク特性Ｙ２との交点Ｐ２が変化後の動作点となる。この動作点Ｐ２では、ピーク電流Ｉｐは減少してＩp2［Ａ］となり、ピーク電圧Ｖｐはアーク長が長くなったために増加してＶp2［Ｖ］となる。図２の説明の項で前述したように、ピーク電流Ｉｐが動作点Ｐ１のときのＩp1［Ａ］から動作点Ｐ２のときのＩp2［Ａ］へと減少するために、ワイヤ溶融速度Ｗｍは動作点Ｐ１のときのＷm1［mm/s］から動作点Ｐ２のときのＷm2［mm/s］へと小さくなる。一方、ワイヤ送給速度Ｗｆ［mm/s］は溶接中は一定値である。動作点Ｐ１のときはアーク長は適正値に維持されているので、Ｖｆ＝Ｗm1となる。しかし、動作点Ｐ２では、ワイヤ送給速度Ｗｆ＞ワイヤ溶融速度Ｗm2となるので、アーク長は短くなる方向へと変化する。この変化は、動作点Ｐ２が外部特性Ｌ１上を右方向へと移動して動作点Ｐ１に戻るまで続く。したがって、外乱によって過渡的に長くなったアーク長は、上記の動作点の移動に伴い適正値の定常状態に戻る。
【００１７】
上記の動作を具体的な数字によって説明すると、以下のようになる。以下の説明は、直径１．２［mm］の軟鋼ワイヤを使用したパルスアーク溶接の場合である。上記の動作点Ｐ１でのピーク電流Ｉp1＝５００［Ａ］、ピーク電圧Ｖp1＝４５［Ｖ］とする。外乱によってアーク長が少し長くなり、その結果、動作点Ｐ２のピーク電圧Ｖp2＝４６［Ｖ］に増加すると、ピーク電流Ｉp2＝５００＋（１／−２）×１００＝４５０［Ａ］へと減少する。図２の説明の項で前述したように、この変化後のピーク電流Ｉp2＝４５０［Ａ］は、１パルス１溶滴移行の電流範囲内にある。
【００１８】
上述したように、溶接中に外乱によってアーク長が過渡的に長くなると、定電圧特性Ｌ１によってピーク電流Ｉｐが減少してワイヤ溶融量が小さくなり、その結果、アーク長は元の状態に引き戻される。逆に、溶接中に外乱によってアーク長が短くなると、定電圧特性Ｌ１によってピーク電流Ｉｐが増加してワイヤ溶融量が大きくなり、その結果、アーク長は元の状態に引き戻される。この作用を、一般的に、外部特性によるアーク長の自己制御作用という。
【００１９】
図６は、上述したアーク長が過渡的に長くなったときの電流波形・アーク長関係図である。同図（Ａ）は出力電流Ｉｏの時間変化を示し、同図（Ｂ１）〜（Ｂ６）は各時刻におけるアーク発生状態を示す。同図は、時刻ｔ１〜ｔ２の期間中に外乱によってアーク長が瞬間的に長くなった場合である。以下、同図を参照して説明する。
【００２０】
▲１▼  時刻ｔ１以前の期間（動作点Ｐ１）
時刻ｔ１以前の動作点は図５で前述した動作点Ｐ１となるので、同図（Ａ）に示すように、ピーク電流はＩp1［Ａ］となり、ベース電流はＩｂ［Ａ］となる。また、同図（Ｂ１）に示すように、アーク長は適正値のＬa1［mm］の定常状態にある。
▲２▼  時刻ｔ１〜ｔ２の期間（動作点Ｐ２）
時刻ｔ１〜ｔ２の期間中に、同図（Ｂ２）に示すように、外乱によってアーク長がＬa2［mm］へと瞬間的に長くなる。
▲３▼  時刻ｔ２〜ｔ３の期間（動作点Ｐ２）
前述した外部特性によるアーク長の自己制御作用によって、時刻ｔ２〜ｔ３の期間中の動作点はＰ２となり、同図（Ａ）に示すように、ピーク電流はＩp2［Ａ］へと減少するし、同図（Ｂ３）に示すように、アーク長はＬa3［mm］へと短くなる方向へ変化する。
【００２１】
▲４▼  時刻ｔ３〜ｔ４の期間（動作点Ｐ２から動作点Ｐ１への移動途中）
前述した外部特性によるアーク長の自己制御作用によって、時刻ｔ３〜ｔ４の期間中の動作点はＰ２からＰ１への移動の途中となり、同図（Ａ）に示すように、ピーク電流はＩp21［Ａ］へと増加する方向へ変化し、同図（Ｂ４）に示すように、アーク長はＬa31［mm］へと短くなる方向へ変化する。
▲５▼  時刻ｔ４〜ｔ５の期間（動作点Ｐ２から動作点Ｐ１への移動途中）
前述した外部特性によるアーク長の自己制御作用によって、時刻ｔ４〜ｔ５の期間中の動作点はＰ２からＰ１への移動の途中となり、同図（Ａ）に示すように、ピーク電流はＩp22［Ａ］へと増加する方向へ変化し、同図（Ｂ５）に示すように、アーク長はＬa32［mm］へと短くなる方向へ変化する。
▲６▼  時刻ｔ５以降の期間（動作点Ｐ１）
時刻ｔ５以降の期間中の動作点はＰ１となるので、同図（Ａ）に示すように、ピーク電流はＩp1［Ａ］へと戻り、同図（Ｂ６）に示すように、アーク長はＬa1［mm］へと戻る。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
図７は、本発明の解決課題を説明するための前述した図５に対応する外部特性・アーク特性関係図である。同図はピーク期間中の外部特性Ｌ１を示しており、横軸はピーク電流Ｉｐを示し、縦軸はピーク電圧Ｖｐを示す。また、同図に示す外部特性Ｌ１及びアーク特性Ｙ１は、図５のときと同一である。以下、同図を参照して説明する。
【００２３】
前述した図５のときと同様に、外部特性Ｌ１とアーク特性Ｙ１との交点Ｐ１が定常状態での動作点となる。この動作点Ｐ１では、ピーク電流ＩｐはＩp1［Ａ］となり、ピーク電圧Ｖｐはピーク電圧設定信号Ｖspに相当するＶp1［Ｖ］となる。
この動作点Ｐ１の定常状態において、外乱によって過渡的にアーク長が非常に長くなると、アーク特性は特性Ｙ１から特性Ｙ３へと変化する。外部特性Ｌ１は変化しないので、外部特性Ｌ１とアーク特性Ｙ３との交点Ｐ３が変化後の動作点となる。この動作点Ｐ３では、ピーク電流Ｉｐは大きく減少してＩp3［Ａ］となり、ピーク電圧Ｖｐはアーク長が非常に長くなったために大きく増加してＶp3［Ｖ］となる。したがって、同図に示すように、動作点Ｐ３でのピーク電流値Ｉp3は、１パルス１溶滴移行の電流範囲外の値となる。このために、動作点Ｐ３では、１パルス１溶滴移行とならないために、大粒のスパッタが発生して不良なビード外観となる。
【００２４】
前述した図５のときと同様に、上記の動作を具体的な数字によって説明すると、以下のようになる。以下の説明は、直径１．２［mm］の軟鋼ワイヤを使用したパルスアーク溶接の場合である。動作点Ｐ１でのピーク電流Ｉp1＝５００［Ａ］、ピーク電圧Ｖp1＝４５［Ｖ］とする。外乱によってアーク長が非常に長くなり、動作点Ｐ３のピーク電圧Ｖp3＝４８［Ｖ］へと増加すると、ピーク電流Ｉp3＝５００＋（３／−２）×１００＝３５０［Ａ］へと減少する。したがって、変化後のピーク電流Ｉp3＝３５０［Ａ］は、前述したように、約４００〜５５０［Ａ］の１パルス１溶滴移行の電流範囲外の値となる。
【００２５】
前述したように、パルスアーク溶接では、ピーク電流Ｉｐの通電によって１パルス１溶滴移行させることで、溶滴移行を微細化してスパッタの付着のない良好なビード外観を得ることができる。しかし、上述したように、外乱によってアーク長が大きく変化すると、定電圧特性Ｌ１によってピーク電流がＩp3［Ａ］へと大きく減少する。このために、ピーク電流値Ｉp3が１パルス１溶滴移行の電流範囲外となり、１パルス１溶滴移行が維持されなくなるために、溶滴移行が大粒になり、大粒のスパッタの付着した不良なビード外観となる。前述したように、直径１．２［mm］の軟鋼ワイヤの場合、１パルス１溶滴移行をさせる電流範囲は約４００〜５５０［Ａ］の範囲である。したがって、Ｉp3＝３５０［Ａ］では、１パルス１溶滴移行させることはできない。ピーク電流Ｉｐの変化幅を４００〜５５０［Ａ］の範囲内に収めるためには、アーク長の変化に伴うピーク電圧Ｖｐの変化幅が＋２〜−１［Ｖ］の非常に狭い範囲内での変化である必要がある。しかしながら、実際の溶接において、外乱によるアーク長の変化に伴うピーク電圧Ｖｐの変化幅は、±５［Ｖ］程度になることも多い。したがって、従来技術のピーク電流変調制御方法では、常に１パルス１溶滴移行の状態を維持することができない場合が生じるために、常にスパッタの付着のない良好なビード外観を得ることは困難であった。
【００２６】
そこで、本発明では、溶接中に外乱によってアーク長が大きく変化したときでも、１パルス１溶滴移行の状態を維持したままでピーク電流値Ｉｐが変化して、アーク長を元の適正値に戻すことができるピーク電流変調制御方法を提供する。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
出願時の請求項１の発明は、図8〜１１に示すように、
予め定めたピーク期間Ｔｐ中は溶滴移行をさせる値のピーク電流Ｉｐを通電し、続けて予め定めたベース期間Ｔｂ中は溶接ワイヤの溶融を促進させない値のベース電流Ｉｂを通電する消耗電極パルスアーク溶接電源装置の出力制御方法において、
上記ピーク期間Ｔｐ中は上記溶接電源装置の外部特性を垂下特性に制御し、上記ベース期間Ｔｂ中は上記溶接電源装置の外部特性を定電流特性に制御するパルスアーク溶接電源装置の出力制御方法である。
【００２８】
出願時の請求項２の発明は、図１２に示すように、
出願時の請求項１に記載するピーク期間Ｔｐ中の垂下特性の傾きＳｓが、−５［Ｖ／100Ａ］以下−２０［Ｖ／100Ａ］以上の範囲内の値である出願時の請求項１に記載するパルスアーク溶接電源装置の出力制御方法である。
【００２９】
出願時の請求項３の発明は、図１２〜１３に示すように、
出願時の請求項２に記載するピーク期間Ｔｐ中の垂下特性の傾きＳｓが、ワイヤ送給速度、溶接ワイヤの直径又は被溶接物の材質の少なくとも１つ以上に対応して適正値に変化する出願時の請求項２に記載するパルスアーク溶接電源装置の出力制御方法である。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の一例は、図１（図８と同一図）に示すように、
予め定めたピーク期間Ｔｐ中は溶滴移行をさせる値のピーク電流Ｉｐを通電し、続けて予め定めたベース期間Ｔｂ中は溶接ワイヤの溶融を促進させない値のベース電流Ｉｂを通電する消耗電極パルスアーク溶接電源装置の出力制御方法において、
上記ピーク期間Ｔｐ中は、溶接電源装置の外部特性を、−５［Ｖ／100Ａ］以下−２０［Ｖ／100Ａ］以上の範囲内でワイヤ送給速度、溶接ワイヤの直径又は被溶接物の材質の少なくとも１つ以上に対応して適正値に変化する傾きＳｓを有する垂下特性Ｌ２に制御し、上記ベース期間Ｔｂ中は溶接電源装置の外部特性を略定電流特性に制御するパルスアーク溶接電源装置の出力制御方法（ピーク電流変調制御方法）である。
【００３１】
【実施例】
［実施例１］
以下に説明する実施例１の発明は、出願時の請求項１の発明に対応する。実施例１の発明は、予め定めたピーク期間Ｔｐ中は溶接電源装置の外部特性を前述した従来技術のときの定電圧特性ではなく垂下特性に制御し、予め定めたベース期間Ｔｂ中は溶接電源装置の外部特性を前述した従来技術と同様に略定電流特性に制御するピーク電流変調制御方法である。以下、図面を参照して、実施例１の発明について説明する。
【００３２】
図８は、実施例１のピーク電流変調制御方法を説明するための前述した図７に対応する外部特性・アーク特性関係図である。同図はピーク期間中の外部特性Ｌ２を示しており、横軸はピーク電流Ｉｐを示し、縦軸はピーク電圧Ｖｐを示す。また、同図において、ピーク期間Ｔｐ中の外部特性Ｌ２は、傾きＳｓ＝−１０［Ｖ／100Ａ］を有する垂下特性に制御されている。アーク特性Ｙ１及びＹ３は、図７のときと同一である。以下、同図を参照して説明する。
【００３３】
前述した図７と同様に、外部特性Ｌ２とアーク特性Ｙ１との交点Ｐ１が定常状態での動作点となる。この動作点Ｐ１では、ピーク電流ＩｐはＩp1［Ａ］となり、ピーク電圧Ｖｐはピーク電圧設定信号Ｖspに相当するＶp1［Ｖ］となる。
この動作点Ｐ１の定常状態において、前述した図７のときと同様に、外乱によって過渡的にアーク長が非常に長くなると、アーク特性は特性Ｙ１から特性Ｙ３へと変化する。外部特性Ｌ２は変化しないので、外部特性Ｌ２とアーク特性Ｙ３との交点Ｐ４が変化後の動作点となる。この動作点Ｐ４では、ピーク電流ＩｐはＩp4［Ａ］となり、ピーク電圧Ｖｐはアーク長が非常に長くなったために増加してＶp4［Ｖ］となる。
【００３４】
前述した図７のときと同様に、上記の動作を具体的な数字によって説明すると、以下のようになる。動作点Ｐ１でのピーク電流Ｉp1＝５００［Ａ］、ピーク電圧Ｖp1＝４５［Ｖ］とする。外乱によってアーク長が非常に長くなり、動作点Ｐ４のピーク電圧Ｖp4が４８［Ｖ］に増加すると、ピーク電流Ｉp4＝５００＋（３／−１０）×１００＝４６７［Ａ］へと減少する。このピーク電流Ｉp4＝４６７［Ａ］は１パルス１溶滴移行の電流範囲内にあるので、溶滴移行は微細化してスパッタの発生量は非常に少ない。かつ、アーク長の変化に応じてピーク電流値Ｉｐが変化してアーク長を元の適正値に戻す外部特性によるアーク長の自己制御作用も有している。
【００３５】
さらに、溶接中に外乱によってアーク長が上記の場合よりもさらに大きく変化しても、変化後のピーク電圧Ｖｐが＋１０〜−５［Ｖ］の変化であれば、ピーク電流Ｉｐは４００〜５５０［Ａ］の１パルス１溶滴移行の電流範囲内の変化となるので、スパッタの付着のない良好なビード外観を得ることができる。
【００３６】
図９は、図８で上述したアーク長が過渡的に長くなったときの電流波形・アーク長関係図である。同図（Ａ）は出力電流Ｉｏの時間変化を示し、同図（Ｂ１）〜（Ｂ６）は各時刻におけるアーク発生状態を示す。同図は、前述した図６のときと同様に、時刻ｔ１〜ｔ２の期間中に外乱によってアーク長が、適正値Ｌa1［mm］からＬa2［mm］へと長くなった場合である。以下、同図を参照して説明する。
【００３７】
▲１▼  時刻ｔ１以前の期間（動作点Ｐ１）
時刻ｔ１以前の動作点は図８で前述した動作点Ｐ１となるので、同図（Ａ）に示すように、ピーク電流はＩp1［Ａ］となり、ベース電流はＩｂ［Ａ］となる。また、同図（Ｂ１）に示すように、アーク長は適正値のＬa1［mm］となる。
▲２▼  時刻ｔ１〜ｔ２の期間（動作点Ｐ４）
時刻ｔ１〜ｔ２の期間中に、同図（Ｂ２）に示すように、外乱によってアーク長がＬa2［mm］へと瞬間的に長くなる。
▲３▼  時刻ｔ２〜ｔ３の期間（動作点Ｐ４）
前述した外部特性によるアーク長の自己制御作用によって、時刻ｔ２〜ｔ３の期間中の動作点はＰ４となり、同図（Ａ）に示すように、ピーク電流はＩp4［Ａ］に減少し、同図（Ｂ３）に示すように、アーク長はＬa4［mm］へと短くなる方向へ変化する。
【００３８】
▲４▼  時刻ｔ３〜ｔ４の期間（動作点Ｐ４から動作点Ｐ１への移動途中）
前述した外部特性によるアーク長の自己制御作用によって、時刻ｔ３〜ｔ４の期間中の動作点はＰ４からＰ１への移動の途中となり、同図（Ａ）に示すように、ピーク電流はＩp41［Ａ］へと増加する方向へ変化し、同図（Ｂ４）に示すように、アーク長はＬa41［mm］へと短くなる方向へ変化する。
▲５▼  時刻ｔ４〜ｔ５の期間（動作点Ｐ４から動作点Ｐ１への移動途中）
前述した外部特性によるアーク長の自己制御作用によって、時刻ｔ４〜ｔ５の期間中の動作点はＰ４からＰ１への移動の途中となり、同図（Ａ）に示すように、ピーク電流はＩp42［Ａ］へと増加する方向へ変化し、同図（Ｂ５）に示すように、アーク長はＬa42［mm］へと短くなる方向へ変化する。
▲６▼  時刻ｔ５以降の期間（動作点Ｐ４）
時刻ｔ５以降の期間中の動作点はＰ１となるので、同図（Ａ）に示すように、ピーク電流はＩp1［Ａ］へと戻り、同図（Ｂ６）に示すように、アーク長は適正値Ｌa1［mm］へと戻る。
上述したピーク電流Ｉp1、Ｉp2、Ｉp4、Ｉp41及びＩp42は、１パルス１溶滴移行の電流範囲内にあるので、スパッタの付着のない良好なビード外観となる。
【００３９】
図１０は、実施例１のピーク電流変調制御方法を実施するための外部特性制御溶接電源装置ＣＰＳのブロック図である。同図において、前述した図４と同一回路ブロックには同一符号を付し、それらの説明は省略する。以下、図４とは異なる回路ブロックである点線で示す外部特性傾き設定回路ＳＳ及び外部特性制御回路ＶＳＣについて、同図を参照して説明する。
【００４０】
外部特性傾き設定回路ＳＳは、予め定めた１００［Ａ］当たりの外部特性傾き設定信号Ｓｓを出力する。外部特性制御回路ＶＳＣは、上記の外部特性傾き設定信号Ｓｓ、電流検出信号Ｉｄ及びピーク電圧設定信号Ｖspを入力として、下式の演算を行い、外部特性を形成するための電圧制御設定信号Ｖscを出力する。
Ｖsc＝（Ｓｓ／100）×（Ｉｄ−Ｉst）＋Ｖsp    （１）式
ただし、基準電流値Ｉst［Ａ］は予め定めた定数である。この外部特性の制御方法については、図１１で後述する。
【００４１】
図１１は、外部特性の制御方法を説明するための外部特性図である。同図において、横軸は電流検出信号Ｉｄを示し、縦軸は電圧制御設定信号Ｖscを示す。同図はピーク期間Ｔｐ中の外部特性であるので、横軸の電流検出信号Ｉｄはピーク電流Ｉｐに対応し、縦軸の電圧制御設定信号Ｖscはピーク電圧Ｖｐに対応する。
以下、同図を参照して説明する。
【００４２】
同図において、横軸に示す電流検出信号Ｉｄの値が予め定めた定数の基準電流値Ｉst［Ａ］であるときの、縦軸に示す電圧制御設定信号Ｖscの値がピーク電圧設定信号Ｖspとなる（Ｐ５点）。かつ、外部特性Ｌ３の傾きがＳｓ［Ｖ／100Ａ］であるので、外部特性Ｌ３の直線の式は、前述した（１）式で表わされる。
ここで、電流検出信号Ｉｄの値がＰ５点のＩd1（Ｉst）［Ａ］からＰ６点のＩd2［Ａ］に変化すると、（１）式によって下記のようにＶsc2［Ｖ］が演算される。
Ｖsc2＝（Ｓｓ／100）×（Ｉd2−Ｉst）＋Ｖsp
同様に、電流検出信号Ｉｄの値がＰ７点のＩd3［Ａ］に変化すると、（１）式によって下記のようにＶsc３［Ｖ］が演算される。
Ｖsc3＝（Ｓｓ／100）×（Ｉd3−Ｉst）＋Ｖsp
上述したように、電流検出信号Ｉｄに対応した電圧制御設定信号Ｖscを（１）式に基づいて演算することによって、予め定めた外部特性傾きＳｓを有する所定の外部特性（垂下特性）を形成することができる。
【００４３】
［実施例２］
以下に説明する実施例２の発明は、出願時の請求項２の発明に対応する。実施例２の発明は、前述した実施例１の発明におけるピーク期間Ｔｐ中の垂下特性の傾きＳｓが、−５［Ｖ／100Ａ］以下−２０［Ｖ／100Ａ］以上の範囲内の値であるピーク電流変調制御方法である。以下、実施例２の発明について、図１２を参照して説明する。
【００４４】
実施例２のピーク電流変調制御方法は、前述した図１０の外部特性制御溶接電源装置ＣＰＳによって実施することができる。すなわち、図１０の外部特性傾き設定信号Ｓｓの値を、−５以下−２０以上の範囲内で所定値に設定すればよい。
図１２は、種々の溶接条件下におぇる外部特性傾きＳｓの適正範囲を示す図である。同図において、横軸はワイヤ送給速度［ｍ／分］を示し、縦軸はピーク期間Ｔｐ中の外部特性の傾きＳｓ［Ｖ／100Ａ］を示す。同図は、溶接ワイヤが直径１．２［mm］の軟鋼ワイヤ、直径１．６［mm］の軟鋼ワイヤ、直径１．２［mm］のステンレス鋼（ＳＵＳ）ワイヤ及び直径１．２［mm］のアルミニウム合金（Ａｌ）ワイヤであるときの、ワイヤ送給速度に対する外部特性傾きＳｓの適正値を示す。同図から明らかなように、外部特性傾きＳｓの適正範囲は、−５以下−２０以上の範囲であることがわかる。
【００４５】
［実施例３］
以下に説明する実施例３の発明は、出願時の請求項３の発明に対応する。実施例３の発明は、前述した実施例２の発明におけるピーク期間Ｔｐ中の垂下特性の傾きＳｓが、ワイヤ送給速度、溶接ワイヤの直径又は被溶接物の材質の少なくとも１つ以上に対応して適正値に変化するピーク電流変調制御方法である。以下、図１３を参照して実施例３の発明について説明する。
【００４６】
実施例３のピーク電流変調制御方法を実施するための溶接電源装置のブロック図は、前述した図１０の外部特性傾き設定回路ＳＳを後述する図１３の回路に置換したブロック図となる。上記以外の回路ブロックは図１０と同一であるので、それらの説明は省略する。
図１３は、実施例３の外部特性傾き設定回路ＳＳのブロック図である。外部特性傾き設定回路ＳＳは、ワイヤ送給速度、溶接ワイヤの直径及び被溶接物の材質に対応した適正値の外部特性傾き設定信号Ｓｓを出力する。ワイヤ送給速度、溶接ワイヤの直径及び被溶接物の材質に対応した外部特性傾きＳｓの適正値は、前述した図１２のようになる。例えば、ワイヤ送給速度が１０［ｍ／分］であり、溶接ワイヤの直径が１．２［mm］であり、被溶接物の材質が軟鋼のときの外部特性傾きＳｓの適正値は、同図に示すように、−９［Ｖ／100Ａ］となる。また、ワイヤ送給速度が１０［ｍ／分］であり、溶接ワイヤの直径が１．２［mm］であり、被溶接物の材質がアルミニウム合金のときの外部特性傾きＳｓの適正値は、同図に示すように、−２０［Ｖ／100Ａ］となる。
【００４７】
上述した実施例１〜３においては、パルスアーク溶接法として直流パルスアーク溶接法について説明したが、交流パルスアーク溶接法についても同様である。
すなわち、交流パルスアーク溶接において、電極プラス極性のピーク期間中は外部特性を垂下特性に制御し、電極プラス極性のベース期間中及び電極マイナス極性の電極マイナス期間中は外部特性を略定電流特性に制御するピーク電流変調制御方法である。
また、上述した実施例１〜３において、ベース期間Ｔｂ中の外部特性を略定電流特性としたが、略定電流特性には急な傾きＳｓを有する垂下特性を含んでいる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明では、ピーク期間Ｔｐ中の外部特性を垂下特性とすることによって、溶接中に外乱によってアーク長が大きく変化しても、常に１パルス１溶滴移行の電流範囲内でピーク電流Ｉｐが変化してアーク長を適正値速やかに戻すので、スパッタの付着のない良好なビード外観を得ることができる。
さらに、実施例３の発明では、ピーク期間Ｔｐ中の外部特性の傾きＳｓがワイヤ送給速度、溶接ワイヤの直径又は被溶接物の材質の少なくとも１つ以上に対応して適正値に変化するので、種々の溶接条件下においても上記の効果を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態を例示する外部特性・アーク特性関係図
【図２】パルスアーク溶接の電流・電圧波形図
【図３】２電極パルスアーク溶接の電流波形図
【図４】従来の溶接電源装置のブロック図
【図５】従来技術のときの外部特性・アーク特性関係図
【図６】従来技術のときの電流波形・アーク長関係図
【図７】解決課題を説明するための外部特性・アーク特性関係図
【図８】実施例１の外部特性・アーク特性関係図
【図９】実施例１の電流波形・アーク長関係図
【図１０】実施例１の溶接電源装置のブロック図
【図１１】実施例１の外部特性図
【図１２】外部特性の傾きの適正範囲図
【図１３】実施例３の外部特性傾き設定回路ＳＳのブロック図
【符号の説明】
１  溶接ワイヤ
１ａ  溶滴
２  被溶接物
３  アーク
４ａ  溶接トーチのコンタクトチップ
５ａ  ワイヤ送給装置の送給ロール
Ａ１  第１の溶接ワイヤ
Ａ３  第１のアーク
ＡＩｏ  第１の出力電流
Ｂ１  第２の溶接ワイヤ
Ｂ３  第２のアーク
ＢＩｏ  第２の出力電流
ＣＰＳ  外部特性制御溶接電源装置
ＤＣＬ  直流リアクトル
Ｅａ  誤差増幅信号
ＥＩ  電流誤差増幅回路
Ｅｉ  電流誤差増幅信号
ＥＶ  電圧誤差増幅回路
Ｅｖ  電圧誤差増幅信号
Ｉｂ  ベース電流
ＩＤ  電流検出回路
Ｉｄ  電流検出信号
ＩＮＶ  出力制御回路
Ｉｏ  出力電流
Ｉｐ  ピーク電流
ＩＳＢ  ベース電流設定回路
Ｉsb  ベース電流設定（値／信号）
Ｉst  基準電流値
Ｌ１〜Ｌ３  外部特性
Ｌａ  アーク長
Ｐ１〜Ｐ７  動作点
ＰＳ  溶接電源装置
ＳＳ  外部特性傾き設定回路
Ｓｓ  外部特性傾き（設定信号）
ＳＷ  切換回路
Ｔｂ  ベース期間
Ｔｆ  パルス周期
Ｔｐ  ピーク期間
ＴＰＢ  切換タイマ回路
Ｔpb  切換信号
Ｖｂ  ベース電圧
ＶＤ  電圧検出回路
Ｖｄ  電圧検出信号
Ｖｏ  出力電圧
Ｖｐ  ピーク電圧
ＶＳＣ  外部特性制御回路
Ｖsc  電圧制御設定信号
ＶＳＰ  ピーク電圧設定回路
Ｖsp  ピーク電圧設定（値／信号）
Ｙ１〜Ｙ３  アーク特性
【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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