(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極プラス期間中の電極プラス電流の通電と電極マイナス期間中の電極マイナス電流の通電とを１周期として予め定めた交流周波数で繰り返して溶接する交流ＴＩＧ溶接の電流制御方法において、
前記電極プラス期間に電極プラス立上り期間及び電極プラス立下り期間を設け、前記電極プラス電流を、前記電極プラス立上り期間中は予め定めた電極プラス折曲電流値までは急峻に立ち上げた後に予め定めた電極プラスピーク電流値までは緩やかな曲線状に立ち上げ、前記電極プラス立下り期間中は前記電極プラスピーク電流値から前記電極プラス折曲電流値までは緩やかな曲線状に立ち下げた後に前記電極プラス折曲電流値からは急峻に立ち下げ、
前記電極プラス折曲電流値、前記電極プラス立上り期間及び前記電極プラス立下り期間を、５０Ｈｚ〜２００Ｈｚの範囲で変化する前記交流周波数に対応させて設定することによって、クリーニング幅及び騒音のレベルを調整し、
前記電極マイナス期間に電極マイナス立上り期間及び電極マイナス立下り期間を設け、前記電極マイナス電流を、前記電極マイナス立上り期間中は予め定めた電極マイナス折曲電流値までは急峻に立ち上げた後に予め定めた電極マイナスピーク電流値までは緩やかな曲線状に立ち上げ、前記電極マイナス立下り期間中は前記電極マイナスピーク電流値から前記電極マイナス折曲電流値までは緩やかな曲線状に立ち下げた後に前記電極マイナス折曲電流値からは急峻に立ち下げることを特徴とする交流ＴＩＧ溶接の電流制御方法。
【請求項２】
電極プラス折曲電流値を電極プラスピーク電流値の７０％以上９５％以下の範囲内で設定し、電極プラス立上り期間及び電極プラス立下り期間を０．４ms以上１．８ms以下の範囲内で設定する請求項１記載の交流ＴＩＧ溶接の電流制御方法。
【請求項３】
電極プラスピーク電流値に応じて電極プラス折曲電流値を変化させ、電極マイナスピーク電流値に応じて電極マイナス折曲電流値を変化させる請求項１又は請求項２記載の交流ＴＩＧ溶接の電流制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流ＴＩＧ溶接の電流制御方法に関し、特に、アークからの騒音を低減する電流制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、特許文献１に開示された一般的な交流ＴＩＧ溶接の溶接電流波形図である。非消耗電極が電極プラス極性（Electrode Positive＝ＥＰ）となる予め定めた電極プラス期間Ｔep中は予め定めた電極プラスピーク電流値Ｉnpの電極プラス電流が通電する。続いて、非消耗電極の極性が電極マイナス極性（Electro Negative＝ＥＮ）に切り換わり、予め定めた電極マイナス期間Ｔen中は予め定めた電極マイナスピーク電流値Ｉnpの電極マイナス電流が通電する。同図のＡ１及びＡ２に示すように、電流が急峻に立ち上がりピーク電流値に急激に変化するために、アークから大きな騒音が発生する。同様に、同図のＡ２及びＡ４に示すように、ピーク電流値から急激に変化して電流が立ち下がるために、アークから大きな騒音が発生する。このために、溶接作業者は大きな騒音の中で溶接することになり、作業環境が悪くなる。アークからの騒音は、上記の電極プラス期間Ｔepと電極マイナス期間Ｔenとを繰り返す交流周波数が高いほど大きくなる。また、上記の電極プラスピーク電流値Ｉpp及び上記の電極マイナスピーク電流値Ｉnpが大きくなり、溶接電流平均値が大きくなるほど大きくなる。
【０００３】
図６は、上述したアークからの騒音を低減するための特許文献２に開示された従来技術を示す溶接電流波形図である。同図は、交流プラズマアーク溶接に関するものであるが、交流プラズマアーク溶接も交流ＴＩＧ溶接も非消耗電極を使用しかつ定電流特性の溶接電源装置を使用するアーク溶接である点は共通している。このために、交流プラズマアーク溶接の溶接電流制御方法を、交流ＴＩＧ溶接の電流制御方法に応用することができる場合が多い。同図に示すように、電極マイナス極性（ＥＮ）に切り換わった直後の期間ｔ１中は小電流を通電する。続く期間ｔ２中は緩やかな傾斜で上昇する電流を通電し，期間ｔ３中は電極マイナスピーク電流値Ｉnpを通電する。続いて、期間ｔ４中は緩やかな傾斜で下降する電流を通電し、期間ｔ５中は小電流を通電する。電極プラス極性（ＥＰ）に切り換わった後も、同図に示すように、上記と同様の溶接電流を通電する。この従来技術では、電極マイナスピーク電流値Ｉnp及び電極プラスピーク電流値Ｉppへの立上り期間（期間ｔ２）及び立下り期間（期間ｔ４）を設けて電流変化を緩やかにすることによって、アークからの騒音を低減するものである。
【０００４】
しかし、上記の方法では、電流変化を緩やかにするために、立上り期間及び立下り期間を長く設定する必要がある。このために、交流周波数を高く設定した場合には、立上り期間及び立下り期間を必要な時間長さだけ設けることができなくなり、騒音低減効果は限定的となる。すなわち、交流周波数によってアークの集中性が変化するので、溶接継手に応じて５０〜２００Ｈｚ程度の範囲で交流周波数は適正値に設定される。しかし、この従来技術では、騒音低減効果を大きくするために立上り期間及び立下り期間を長くすると、交流周波数の上限が制限されて適正値に設定することができなくなる。
【０００５】
【特許文献１】
特公平７−９０３６６号公報
【特許文献２】
特開平８−３００１５６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、交流ＴＩＧ溶接では、極性切り換わり後の急激な電流変化によってアークから大きな騒音が発生して作業環境が悪くなっている。この騒音を低減するために、図６で上述した従来技術では、長い立上り期間及び立下り期間を設けて電流変化を緩やかにしている。しかし、この方法では、交流周波数を高くすることができないために、溶接継手に応じてアークの集中性を適正化することができない場合が生じる。
【０００７】
そこで、本発明では、アークからの騒音を低減し、かつ、交流周波数の上限値が制限されることもない交流ＴＩＧ溶接の電流制御方法を提供する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１の発明は、電極プラス期間中の電極プラス電流の通電と電極マイナス期間中の電極マイナス電流の通電とを１周期として予め定めた交流周波数で繰り返して溶接する交流ＴＩＧ溶接の電流制御方法において、
前記電極プラス期間に電極プラス立上り期間及び電極プラス立下り期間を設け、前記電極プラス電流を、前記電極プラス立上り期間中は予め定めた電極プラス折曲電流値までは急峻に立ち上げた後に予め定めた電極プラスピーク電流値までは緩やかな曲線状に立ち上げ、前記電極プラス立下り期間中は前記電極プラスピーク電流値から前記電極プラス折曲電流値までは緩やかな曲線状に立ち下げた後に前記電極プラス折曲電流値からは急峻に立ち下げ、
前記電極プラス折曲電流値、前記電極プラス立上り期間及び前記電極プラス立下り期間を、５０Ｈｚ〜２００Ｈｚの範囲で変化する前記交流周波数に対応させて設定することによって、クリーニング幅及び騒音のレベルを調整し、
前記電極マイナス期間に電極マイナス立上り期間及び電極マイナス立下り期間を設け、前記電極マイナス電流を、前記電極マイナス立上り期間中は予め定めた電極マイナス折曲電流値までは急峻に立ち上げた後に予め定めた電極マイナスピーク電流値までは緩やかな曲線状に立ち上げ、前記電極マイナス立下り期間中は前記電極マイナスピーク電流値から前記電極マイナス折曲電流値までは緩やかな曲線状に立ち下げた後に前記電極マイナス折曲電流値からは急峻に立ち下げることを特徴とする交流ＴＩＧ溶接の電流制御方法である。
【０００９】
また、請求項２の発明は、電極プラス折曲電流値を電極プラスピーク電流値の７０％以上９５％以下の範囲内で設定し、電極プラス立上り期間及び電極プラス立下り期間を０．４ms以上１．８ms以下の範囲内で設定する請求項１記載の交流ＴＩＧ溶接の電流制御方法である。
【００１０】
また、請求項３の発明は、電極プラスピーク電流値に応じて電極プラス折曲電流値を変化させ、電極マイナスピーク電流値に応じて電極マイナス折曲電流値を変化させる請求項１又は請求項２記載の交流ＴＩＧ溶接の電流制御方法である。
【００１１】
【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。
【００１２】
図１は、本発明の実施の形態に係る交流ＴＩＧ溶接の溶接電流波形図である。同図では、０Ａから上側が電極プラス極性（ＥＰ）を表わし、下側が電極マイナス極性（ＥＮ）を表わしている。以下、同図を参照して説明する。
【００１３】
電極プラス期間Ｔep中に電極プラス立上り期間Ｔpu及び電極プラス立下り期間Ｔpdを設ける。そして、この電極プラス立上り期間Ｔpu中は、電極プラス電流を、予め定めた電極プラス折曲電流値Ｉptまでは急峻に立ち上げ、その後に予め定めた電極プラスピーク電流値Ｉppまでは緩やかな曲線状に立ち上げる。他方、電極プラス立下り期間Ｔpd中は、電極プラス電流を、電極プラスピーク電流値Ｉppから上記の電極プラス折曲電流値Ｉptまでは緩やかな曲線状に立ち下げ、その後に上記の電極プラス折曲電流値Ｉptからは急峻に立ち下げる。
【００１４】
さらに、電極マイナス期間Ｔen中に電極マイナス立上り期間Ｔnu及び電極マイナス立下り期間Ｔndを設ける。そして、上記の電極マイナス立上り期間Ｔnu中は、電極マイナス電流を、予め定めた電極マイナス折曲電流値Ｉntまでは急峻に立ち上げ、その後に予め定めた電極マイナスピーク電流値Ｉnpまでは緩やかな曲線状に立ち上げる。他方、電極マイナス立下り期間Ｔnd中は、電極マイナス電流を、電極マイナスピーク電流値Ｉnpから上記の電極マイナス折曲電流値Ｉntまでは緩やかな曲線状に立ち下げ、その後に上記の電極マイナス折曲電流値Ｉntからは急峻に立ち下げる。
【００１５】
上記のように、電極プラス期間Ｔep及び電極マイナス期間Ｔen中にそれぞれの立上り期間及び立下り期間が設けられるので、交流周波数の上限値を制限しない。また、立上り期間及び立下り期間は、電極プラス折曲電流値Ｉpt及び電極マイナス折曲電流値Ｉntを境界値として、溶接電流は緩やかな曲線状に変化するために、電流変化率が急変することがない。このために、アークからの騒音が低減される。この騒音低減効果は、立上り期間及び立下り期間の時間長さが長いほど大きくなる。また、騒音低減効果は、折曲電流値の絶対値が小さいほど大きくなる。これは、溶接電流が緩やかに曲線状に変化する部分が多くなるからである。反面、緩やかに曲線状に変化する部分が多くなると、電極プラス期間Ｔep及び電極マイナス期間Ｔen中の電流積分値が小さくなる。通常の溶接条件では、電極マイナス期間Ｔenは長く設定されるために、電流積分値の減少率は少なく溶接品質への影響はほとんどない。他方、電極プラス機関Ｔepは短く設定されるために、電流積分値の減少率は大きくなり、溶接品質（クリーニング幅）への影響は大きい。以下、数値例をあげて上記について説明する。
【００１６】
交流周波数を使用範囲の最低周波数である５０Ｈｚに設定した場合、電極プラス期間Ｔep／電極マイナス期間Ｔenの比率は、３０／７０付近に設定されることが多い。したがって、電極プラス期間Ｔep＝６msとなり、電極マイナス期間Ｔen＝１４msとなる。また、交流周波数を使用範囲の最高周波数２である２００Ｈｚに設定した場合、同様にして、電極プラス期間Ｔep＝１．５msとなり、電極マイナス期間Ｔen＝３msとなる。このように、電極プラス期間Ｔepは短く設定されるのが一般的であるので、上述した電流積分値の減少率は大きくなる。交流ＴＩＧ溶接は、主にアルミニウムの溶接に使用される。このときに、電極プラス期間Ｔepは、母材の酸化皮膜を除去するクリーニング作用が行われる。そして、電流積分値に比例してクリーニング幅が変化する。したがって、良好なクリーニング幅を確保するためには、この電流積分値を適正範囲内に設定する必要がある。このために、溶接電流が緩やかに曲線状に変化する部分が多くなると、電極プラス期間Ｔepの電流積分値が減少してクリーニング幅が狭くなる。上記をまとめると、電極プラス期間Ｔepの電極プラス折曲電流値Ｉptの上限値は騒音低減効果によって定まり、下限値は良好なクリーニング幅を確保することができる値として定まる。また、電極プラス立上り期間Ｔpu及び電極プラス立下り期間Ｔpdの上限値は良好なクリーニング幅を確保することができる値として定まり、下限値は騒音低減効果によって定まる。以下、これらの具体的な数値について説明する。
【００１７】
図２は、騒音レベルを８５ｄＢ以下に低減し、かつ、良好なクリーニング幅を確保することができる電極プラス折曲電流値Ｉpt、電極プラス立上り期間Ｔpu及び電極プラス立下り期間Ｔpdの範囲を示す図である。同図では、Ｔpu＝Ｔpdに設定した場合である。また、電極プラス折曲電流値Ｉpt＝電極プラスピーク電流値Ｉpp×係数α（０≦α≦１）として定義し、同図の縦軸を係数αとした場合である。騒音レベルの測定は、アーク発生個所と溶接作業者との一般的な距離を考慮して、アーク発生箇所から１ｍ離れた位置とした。また、騒音レベルのしきい値を８５ｄＢ以下としたのは、溶接作業者が許容できる値を実験によって調査した結果である。
【００１８】
同図に示すように、係数αが７０％以上９５％以下であり、かつ、電極プラス立上り期間Ｔpu及び電極プラス立下り期間Ｔpdが０．４ms以上１．８ms以下の範囲にあるときに、騒音レベルが８５ｄＢ以下となり、かつ、良好なクリーニング幅を確保することができる。
【００１９】
ところで、電極プラス折曲電流値Ｉpt及び電極マイナス折曲電流値Ｉntを設定する場合、直接に電流値によって設定することができる。また、上記のように、Ｉpt＝Ｉpp×αとして係数αを予め設定することもできる。このようにすれば、電極プラスピーク電流値Ｉppに応じて電極プラス折曲電流値Ｉptを自動設定することができる。同様に、電極マイナス折曲電流値Ｉnt＝電極マイナスピーク電流値Ｉnp×係数βとすれば、電極マイナスピーク電流値Ｉnpに応じて電極マイナス折曲電流値Ｉntを自動設定することができる。
【００２０】
図３は、本発明を実施するための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。
【００２１】
インバータ回路ＩＮＶは、商用交流電源ＡＣ（３相２００Ｖ等）を入力して、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってインバータ制御を行い高周波交流を出力する。高周波変圧器ＩＮＴは、上記の高周波交流をアーク負荷に適した電圧値に降圧する。整流器Ｄ１〜Ｄ４は、降圧された高周波交流を整流して直流出力に変換する。電極プラストランジスタＰＴＲは、電極プラス駆動信号Ｐdrによって電極プラス期間中導通する。電極マイナストランジスタＮＴＲは、電極マイナス駆動信号Ｎdrによって電極マイナス期間中導通する。リアクトルＷＬは、溶接電流Ｉｗを平滑する。溶接トーチ４の先端に取り付けられた非消耗電極１と母材２との間にアーク３が発生する。
【００２２】
極性切換信号タイマ回路ＴＭは、予め定めた電極プラス期間中はＨｉｇｈレベルとなり、予め定めた電極マイナス期間中はＬｏｗレベルとなる極性切換信号Ｔｍを出力する。駆動回路ＤＲは、上記の極性切換信号ＴｍがＨｉｇｈレベルのときは電極プラストランジスタＰＴＲを導通させる電極プラス駆動信号Ｐdrを出力し、Ｌｏｗレベルのときは電極マイナストランジスタＮＴＲを導通させる電極マイナス駆動信号Ｎdrを出力する。
【００２３】
電極プラス電流設定回路ＩＰＳは、上記の極性切換信号Ｔｍを入力して、以下に説明する電極プラス電流設定信号Ｉpsを出力する。この電極プラス電流設定回路ＩＰＳは、図１で上述したように、上記の極性切換信号ＴｍがＨｉｇｈレベルに変化すると、予め定めた電極プラス立上り期間Ｔpu中は急峻に立ち上がり、予め定めた電極プラス折曲電流値Ｉptに相当する値に達すると緩やかに曲線状に変化し、予め定めた電極プラスピーク電流値Ｉppに相当する値を維持し、予め定めた電極プラス立下り期間Ｔpd中は上記の電極プラス折曲電流値Ｉptに相当する値までは緩やかに曲線状に立ち下がり、その後は急峻に立ち下がる電極プラス電流設定信号Ｉpsを出力する。電極マイナス電流設定回路ＩＮＳは、上記の極性切換信号Ｔｍを入力し、図１で上述したような電極マイナス電流設定信号Ｉnsを出力する。
【００２４】
電流設定切換回路ＳＩは、上記の極性切換信号Ｔｍを入力し、Ｈｉｇｈレベルのときはａ側に切り換わり上記の電極プラス電流設定信号Ｉpsを電流制御設定信号Ｉsc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電極マイナス電流設定信号Ｉnsを電流制御設定信号Ｉscとして出力する。電流検出回路ＩＤは、交流の溶接電流Ｉｗを検出して絶対値に変換し、電流検出信号Ｉｄを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流制御設定信号Ｉscと上記の電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。この結果、電流制御設定信号Ｉscに相当する溶接電流Ｉｗが通電する。
【００２５】
図４は、騒音低減効果を示す騒音レベル比較図である。同図は、図５で上述した従来技術１と本発明とのアークからの騒音レベルを溶接電流平均値を変化させて測定したものである。溶接条件は、電極プラス期間Ｔep＝１．５ms、電極マイナス期間Ｔen＝３．５msに設定し、電極プラスピーク電流値Ｉppと電極マイナスピーク電流値Ｉnpを同一値に設定した場合である。本発明では、係数α＝８０％に設定し、電極プラス立上り期間Ｔpu、電極プラス立下り期間Ｔpd、電極マイナス立ち上がり期間Ｔnu及び電極マイナス立下り期間Ｔndを全て同一値の０．６msに設定した場合である。同図は、アルミニウム合金を交流ＴＩＧ溶接した場合である。
【００２６】
同図から明らかなように、従来技術１に比べて本発明は、騒音レベルを１０ｄＢ以上低減している。そして、溶接電流平均値が３００Ａの場合でも本発明の騒音レベルは８５ｄＢ以下になっている。しかも、同図は交流周波数が２００Ｈｚの場合であるが、本発明では良好なクリーニング幅を確保して良好な溶接ビードが形成されている。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１記載の交流ＴＩＧ溶接の電流制御方法によれば、電流の立上り及び立下りに緩やかに曲線状に変化する部分を設けることによって、アークからの騒音を低減することができる。また、交流周波数の使用範囲を制限することもない。
【００２８】
請求項２記載の交流ＴＩＧ溶接の電流制御方法によれば、電極プラス折曲電流値、電極プラス立上り期間及び電極プラス立下り期間の範囲を限定することによって、上記の効果に加えて、良好なクリーニング幅を確保することができる。
【００２９】
請求項３記載の交流ＴＩＧ溶接の電流制御方法によれば、係数α及び係数βを使用することによって、電極プラス折曲電流値を電極プラスピーク電流値に応じて設定し、電極マイナス折曲電流値を電極マイナスピーク電流値に応じて設定することができるので、溶接電流平均値が決まり電極プラスピーク電流値及び電極マイナスピーク電流値が決まれば、電極プラス折曲電流値及び電極マイナス折曲電流値は適正値に自動設定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の溶接電流波形図である。
【図２】本発明における係数α、電極プラス立上り期間Ｔpu及び電極プラス立下り期間Ｔpdの良好範囲を示す図である。
【図３】本発明に係る溶接電源装置のブロック図である。
【図４】本発明の効果の一例を示す騒音レベル比較図である。
【図５】従来技術１の溶接電流波形図である。
【図６】従来技術２の溶接電流波形図である。
【符号の説明】
１            非消耗電極
２            母材
３            アーク
４            溶接トーチ
Ｄ１〜Ｄ４        整流器
ＤＲ            駆動回路
ＥＩ            電流誤差増幅回路
Ｅｉ            電流誤差増幅信号
ＩＤ            電流検出回路
Ｉｄ            電流検出信号
Ｉnp            電極マイナスピーク電流値
ＩＮＳ            電極マイナス電流設定回路
Ｉns            電極マイナス電流設定信号
ＩＮＴ            高周波変圧器
Ｉnt            電極マイナス折曲電流値
ＩＮＶ            インバータ回路
Ｉpp            電極プラスピーク電流値
ＩＰＳ            電極プラス電流設定回路
Ｉps            電極プラス電流設定信号
Ｉpt            電極プラス折曲電流値
Ｉsc            電流制御設定信号
Ｉｗ            溶接電流
Ｎdr            電極マイナス駆動信号
ＮＴＲ            電極マイナストランジスタ
Ｐdr            電極プラス駆動信号
ＰＴＲ            電極プラストランジスタ
ＳＩ            電流設定切換回路
ｔ１〜ｔ５        期間
Ｔen            電極マイナス期間
Ｔep            電極プラス期間
ＴＭ            極性切換信号タイマ回路
Ｔｍ            極性切換信号
Ｔnd            電極マイナス立下り期間
Ｔnu            電極マイナス立上り期間
Ｔpd            電極プラス立下り期間
Ｔpu            電極マイナス立上り期間
ＷＬ            リアクトル
α            係数
β            係数
【図１】
0004657588.tif 000002
【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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