(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
消耗電極と母材との間でアーク発生状態と短絡状態とを繰り返す消耗電極アーク溶接にあって、短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれ現象を消耗電極・母材間の抵抗値の変化が予め定めたくびれ検出基準値に達したことによって検出し、このくびれ現象を検出すると短絡負荷に通電する溶接電流を急減させて低電流値の状態てアークが再発生するように出力制御する消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、
前記短絡状態中の前記溶接電流の変化率に応じて前記くびれ検出基準値を修正する、ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
【請求項２】
請求項１記載のくびれ検出基準値の修正は、前記溶接電流を微分して電流微分値を算出し、前記くびれ検出基準値からこの電流微分値を減算する修正である、ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短絡期間中の溶滴のくびれ現象を検出して溶接電流を急減させて溶接品質を向上させるための消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図４は、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを繰り返す消耗電極アーク溶接におけるくびれ検出制御方法を示す波形図である。同図（Ａ）は溶滴のくびれ検出信号Ｎｄの、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの、同図（Ｃ）は溶接電流Ｉｗの、同図（Ｄ）は溶滴部の抵抗値の変化率Δｒ＝ｄｒ／ｄｔの時間変化を示し、同図（Ｅ１）〜（Ｅ３）は溶滴の移行状態を示す。同図はサイリスタ位相制御溶接電源を使用した場合であり、同図（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗには全波整流制御の場合商用周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の６倍の周波数を有する大きなリップルが重畳する。以下、同図を参照して説明する。
【０００３】
時刻ｔ１〜ｔ２のアーク期間Ｔａ中は、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数十Ｖのアーク電圧値となり、同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗはワイヤ送給速度に対応した平均電流値となる。
【０００４】
時刻ｔ２において、同図（Ｅ１）に示すように、アーク期間Ｔａ中に溶接ワイヤ１の先端に形成された溶滴１ａが母材２と接触すると短絡期間Ｔｓが開始する。短絡期間Ｔｓが開始すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖの短絡電圧値となり、同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗは時間経過に伴い増加する。この電流通電による電磁的ピンチ力が溶滴１ａに作用して、同図（Ｅ２）に示すように、溶滴１ａにくびれ部１ｂが発生する。このくびれ１ｂが進行して、同図（Ｅ３）に示すように、溶滴１ａは溶融池２ａへと移行し、時刻ｔ３にアーク３が再発生する。したがって、くびれ１ｂの発生はアーク再発生の前兆現象であり、くびれ１ｂ発生から数百μｓ後にアークが再発生することが多い。
【０００５】
上述したように、くびれ１ｂが発生すると、溶接電流Ｉｗの通電路がくびれ部分１ｂで狭くなるために、通電路の抵抗値ｒが大きくなる。この抵抗値ｒはくびれ１ｂの進行に伴い急速に大きくなる。同図（Ｄ）は、この抵抗値ｒの変化率Δｒ＝ｄｒ／ｄｔ＝ｄ（Ｖｗ／Ｉｗ）／ｄｔの波形を示す。くびれ１ｂの進行に伴って抵抗値変化率Δｒが急上昇する。この値Δｒが予め定めたくびれ検出基準値ｒｔを超えたことを時刻ｔ２１に判別すると、同図（Ａ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになる。これに応動して、同図（Ｃ）に示すように、溶接電流値Ｉｗを急減させる。この急減のための特別な回路については図５で後述する。そして、時刻ｔ３においてアークが発生した時点における溶接電流値Ｉｗは低い値であるために、スパッタの発生が大幅に減少する。これは、スパッタのほとんどはアーク再発生時に発生し、その発生量はアーク再発生時の電流値の大きさに比例するためである。したがって、消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法とは、短絡期間中の抵抗値変化率Δｒによってくびれ１ｂの進行を検出し、溶接電流Ｉｗを急減させてアーク再発生時の電流値を低い値にして、スパッタ発生を大幅に減少させるものである。上記のくびれ検出信号Ｎｄは、時刻ｔ２１のくびれ検出時点から時刻ｔ３のアーク再発生時点までのくびれ検出時間Ｔｎの間Ｈｉｇｈレベルになる。
【０００６】
図５は、上述したくびれ検出制御方法を採用した溶接装置のブロック図である。溶接電源ＰＳは、一般的な消耗電極アーク溶接用のサイリスタ位相制御溶接電源である。トランジスタＴＲは出力に直列に挿入され、並列に抵抗器Ｒが接続されている。この抵抗器Ｒの抵抗値は短絡期間の負荷抵抗値数十mΩの１０倍以上の値に設定する。トランジスタＴＲは、上記した図４（Ａ）においてくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルの期間（くびれ検出時間Ｔｎ）のみオフ状態となり、電流通電経路に抵抗器Ｒが挿入される。くびれ検出時間Ｔｎ中は溶接電源の出力が停止された上で抵抗器Ｒが挿入されると、通電経路の抵抗値が１０倍以上に大きくなるために、電源内部の大きなリアクトルに蓄積されたエネルギーが急放電されて溶接電流Ｉｗが急減する。
【０００７】
電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。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。抵抗値変化率算出回路ΔＲは、これら電圧検出信号Ｖｄ及び電流検出信号Ｉｄを入力として、抵抗値変化率信号Δｒ＝ｄ（Ｖｄ／Ｉｄ）／ｄｔを算出する。くびれ検出回路ＮＤは、この抵抗値変化率信号Δｒと予め定めたくびれ検出基準値ｒｔとを比較して、Δｒ＞ｒｔのときにＨｉｇｈレベルとなるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。駆動回路ＤＲは、このくびれ検出信号Ｎｄを入力として、くびれ検出信号ＮｄがＬｏｗレベルのときに上記のトランジスタＴＲをオン状態にする駆動信号Ｄｒを出力する。トランジスタＴＲがオン状態のときは抵抗器Ｒは短絡されるので溶接電源ＰＳだけの通常の動作となる。
【０００８】
上述したくびれ検出制御方法において、くびれの発生を正確に検出することが重要である。このくびれ検出の精度を決める重要な要因の１つが、上記のくびれ検出基準値ｒｔが適正値設定されているかにある。くびれ検出基準値ｒｔの適正値は、溶接法、溶接ワイヤの種類、ワイヤ送給速度等の溶接条件に応じて変化する。このために、種々の溶接条件ごとに予め溶接試験を行いその適正値を求めておく必要がある。このくびれ検出基準値ｒｔの設定を自動的に行う方法が従来から提案されている。この従来技術では、図４（Ａ）で上述したくびれ検出時間Ｔｎが所定値になるようにくびれ検出基準値ｒｔを変化させて自動設定する。くびれ検出時間Ｔｎが短くなりすぎると溶接電流Ｉｗが低い値まで下がりきらない内にアークが再発生してスパッタ削減効果が小さくなる。逆に、くびれ検出時間Ｔｎが長くなりすぎるとくびれ検出の誤検出の可能性が高くなり、この状態で電流を急減させると却って溶接状態が不安定になる。したがって、くびれ検出時間Ｔｎが適正値（数百μｓ）になることは、くびれ検出の誤検出もなくアーク再発生時の電流値も低くなるので、スパッタが大幅に減少する。上述した従来技術については、特許文献１〜２を参照のこと。
【０００９】
【特許文献１】特開昭５９−２０６１５９号公報
【特許文献２】特開平１−２０５８７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述した図４（Ｄ）に示すように、時刻ｔ２１にくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになる直前の抵抗値変化率Δｒの上昇曲線Ｐ１は、同図（Ｃ）に示す溶接電流Ｉｗの変化曲線Ｐ２によって大きく影響される。これは、上昇曲線Ｐ１はくびれの進行に伴い上昇し、くびれは通電電流値によって進行速度が大きく影響されるためである。電流変化曲線Ｐ２の増加率が大きいほどくびれの進行速度は速くなり、上昇曲線Ｐ１は急上昇する。逆に、電流変化曲線Ｐ２の増加率がマイナス（減少）になると、くびれの進行速度が遅くなり、上昇曲線Ｐ１は緩やかに上昇する。従来技術によってくびれ検出時間Ｔｎが適正値になるようにくびれ検出基準値ｒｔを設定しても、くびれ発生時の溶接電流Ｉｗの変化に影響されてくびれ検出時間Ｔｎがバラツクことになる。これは、従来技術では前回の短絡期間におけるくびれ検出時間Ｔｎによってくびれ検出基準値ｒｔを決定するが、今回の短絡期間中の電流変化に影響されてくびれ検出時間Ｔｎが変化するためである。この短絡期間中の溶接電流の変化は、インバータ制御溶接電源でも生じるが、特にリップルの大きいサイリスタ位相制御溶接電源では大きくなる。したがって、サイリスタ位相制御溶接電源では特に、くびれ検出時間Ｔｎのバラツキが大きくなり、スパッタ削減効果が小さくなるという問題があった。
【００１１】
図６は、上述した溶接電流の変化に伴うくびれ検出時間Ｔｎのバラツキを示す波形図である。同図は上述した図４と対応している。同図（Ｃ）に示すように、くびれ発生時の電流変化曲線Ｐ４の増加率が大きいために、同図（Ｄ）に示すように、抵抗値変化率Δｒの上昇曲線Ｐ３の増加率が速くなる。このために、抵抗値変化率Δｒがくびれ検出基準値ｒｔに達した直後にアークが再発生する。この結果、同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗを急減させる時間がなくスパッタを減少させることができない。逆に、くびれ発生時の電流変化が減少状態にあるときは、くびれ検出時間Ｔｎが長くなりすぎて溶接状態が不安定になる場合が生じる。
【００１２】
そこで、本発明は、くびれ発生時の電流変化に影響されることなく正確なくびれ検出を行うことができる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した課題を解決するために、第１の発明は、消耗電極と母材との間でアーク発生状態と短絡状態とを繰り返す消耗電極アーク溶接にあって、短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれ現象を消耗電極・母材間の抵抗値の変化が予め定めたくびれ検出基準値に達したことによって検出し、このくびれ現象を検出すると短絡負荷に通電する溶接電流を急減させて低電流値の状態てアークが再発生するように出力制御する消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、
前記短絡状態中の前記溶接電流の変化率に応じて前記くびれ検出基準値を修正する、ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。
【００１４】
また、第２の発明は、第１の発明記載のくびれ検出基準値の修正は、前記溶接電流を微分して電流微分値を算出し、前記くびれ検出基準値からこの電流微分値を減算する修正である、ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。
【発明の効果】
【００１５】
上記の本発明によれば、くびれを検出するためのくびれ検出基準値を溶接電流の変化率に応じて修正することによって、くびれ発生時の溶接電流の変化に起因するくびれ検出精度の低下を補償して高精度なくびれ検出を実現することができる。このために、溶接電流の変化（リップル）の大きなサイリスタ位相制御電源に適用する場合、特に大きなくびれ検出精度の向上を図ることができる。くびれ検出精度が向上すると、アーク再発生時の電流値を確実に低い値にすることができるので、スパッタ発生が大幅に減少して溶接品質が大きく向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を示す波形図である。同図（Ａ）はくびれ検出信号Ｎｄの、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの、同図（Ｃ）は溶接電流Ｉｗの、同図（Ｄ）は抵抗値変化率Δｒ及びくびれ検出基準算出値ｒtcの時間変化を示す。同図において上述した図４と異なる点について説明する。
【００１８】
同図（Ｄ）に示すくびれ検出基準算出値ｒtcは、ｒtc＝ｒｔ−Ｇ・（ｄＩｗ／ｄｔ）によって算出される。ここで、ｒｔは予め定めたくびれ検出基準値であり、ｄＩｗ／ｄｔは溶接電流Ｉｗの微分値であり、Ｇは正の増幅率である。同図（Ｄ）に示すように、くびれが発生すると抵抗値変化率Δｒは上昇する。このとき、同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗの変化が増加方向であるために、電流微分値Ｇ・（ｄＩｗ／ｄｔ）＞０となり、くびれ検出基準算出値ｒtc＜ｒｔとなる。すなわち、くびれ検出レベルが低くなる。この結果、時刻ｔ２１において、同図（Ａ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになる。これに応動して、同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗが急減し、アーク再発生時の電流値は低くなる。同図は上述した図６のときと同様にくびれ発生時の溶接電流Ｉｗが大きく増加している場合であるが、本実施の形態では正確にくびれ検出を行うことができている。
【００１９】
図２は、上述した図１とは異なりくびれ発生時の電流変化が減少状態にあるときの波形図である。同図（Ｃ）に示すように、くびれ発生時の溶接電流Ｉｗの変化は、図１とは異なり減少方向にある。このために、電流微分値Ｇ・（ｄＩｗ／ｄｔ）＜０となり、同図（Ｄ）に示すように、くびれ検出基準算出値ｒtc＞ｒｔとなる。上述したように、溶接電流Ｉｗの変化が減少方向にあるときは、くびれの進行速度も遅くなる。このために、くびれ検出基準算出値ｒtcをくびれ検出基準値ｒｔよりも高くすることで、くびれ検出タイミングを遅らせてくびれ検出時間Ｔｎがほぼ適正値になるようにしている。
【００２０】
図１及び図２で上述したように、くびれ発生時の溶接電流Ｉｗの変化率に応じてくびれ検出基準算出値ｒtcを修正することによって、溶接電流Ｉｗの変化の影響を受けることなく常に正確なくびれ検出を行うことができる。これは、図１及び図２のくびれ検出時間Ｔｎが、電流変化が異なるにも係わらず略一定値であることから明らかである。この結果、スパッタ発生を大幅に減少させて高品質な溶接が可能となる。
【００２１】
図３は、上述した消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。同図において上述した図５と同一ブロックには同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図５とは異なる点線で示すブロックについて説明する。
【００２２】
電流微分回路ＢＩは、電流検出信号Ｉｄを微分して、電流微分信号Ｂｉ＝Ｇ・（ｄＩｗ／ｄｔ）を出力する。ここで、Ｇは予め定めた正の増幅率である。くびれ検出基準算出回路ＲＴＣは、予め定めたくびれ検出基準値ｒｔからこの電流微分信号Ｂｉを減算して、くびれ検出基準算出値信号ｒtc＝ｒｔ−Ｂｉを出力する。このくびれ検出基準算出値信号ｒtcをしきい値としてくびれ検出を行う。
【００２３】
上記においては、くびれ発生時の電流変化率によってくびれ検出基準算出値を修正する方法として、電流微分信号を減算する方法を例示した。これ以外にも、電流変化率をその値に応じて数段階に分け、この数段階に対応させたくびれ検出基準算出値を予め定めておく方法でも良い。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を示す波形図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を示す図１とは異なる波形図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。
【図４】従来技術の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を示す波形図である。
【図５】従来技術の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。
【図６】従来技術の課題を示す波形図である。
【符号の説明】
【００２５】
１            溶接ワイヤ
１ａ            溶滴
１ｂ            くびれ
２            母材
２ａ            溶融池
３            アーク
ＢＩ            電流微分回路
Ｂｉ            電流微分信号
ＤＲ            駆動回路
Ｄｒ            駆動信号
Ｇ            増幅率
ＩＤ            電流検出回路
Ｉｄ            電流検出信号
Ｉｗ            溶接電流
ＮＤ            くびれ検出回路
Ｎｄ            くびれ検出信号
Ｐ１、Ｐ３        上昇曲線
Ｐ２、Ｐ４        電流変化曲線
ＰＳ            溶接電源
Ｒ            抵抗器
ｒ            消耗電極・母材間の抵抗値
ｒｔ            くびれ検出基準値
ＲＴＣ            くびれ検出基準算出回路
ｒtc            くびれ検出基準算出値（信号）
Ｔａ            アーク期間
Ｔｎ            くびれ検出時間
ＴＲ            トランジスタ
Ｔｓ            短絡期間
ＶＤ            電圧検出回路
Ｖｄ            電圧検出信号
Ｖｗ            溶接電圧
ΔＲ            抵抗値変化率算出回路
Δｒ            抵抗値変化率（信号）
【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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