(57)【要約】【課題】空中に飛散するスパッタを抑制することのできる消耗電極式アーク溶接装置を提供する。【解決手段】インバータ回路３の交流出力を電圧変換する絶縁トランス４の２次側に整流回路５を接続し、その整流回路５とワイヤを保持する溶接トーチ７との間にリアクトル６と電流遮断機構９とを備え、アーク溶接の実行時に、ワイヤの先端がアーク状態から短絡状態に移行した時に、電流遮断機構９がリアクトル６の出力する電流を一時遮断するようにした消耗電極式アーク溶接装置において、電流遮断機構９が電流を一時遮断するその電流遮断時間の長さＴＹと、短絡移行直前のアーク発生期間の長さＴＡとの関係が、「ＴＹ＝ＴＡ×α＋β」（αはアーク期間ＴＡの比例係数で、正の実数である。ｂは定数で、実数である。）となるようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電流を整流して直流とする第１の整流回路と、前記第１の整流回路の出力側に接続されて前記第１の整流回路の出力を高周波交流に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の出力側に接続されて前記インバータ回路の出力を電圧変換して２次側コイルから出力する絶縁トランスと、前記２次側コイルに接続されて前記絶縁トランスの出力を整流して直流とする第２の整流回路と、前記第２の整流回路の出力側とワイヤを保持する溶接トーチとの間に接続されて前記第２の整流回路の出力を平滑して溶接トーチに与えるリアクトルと、から構成されるアーク溶接主回路と、前記アーク溶接主回路中に置かれて前記リアクトルが出力する電流を遮断する電流遮断機構と、を備え、アーク溶接の実行時に、前記ワイヤの先端がアーク状態から短絡状態に移行した時に、前記電流遮断機構が前記リアクトルが出力する電流を一時遮断する消耗電極式アーク溶接装置であって、前記電流遮断機構が前記電流を一時遮断するその電流遮断時間の長さＴＹと、短絡移行直前のアーク発生期間の長さＴＡとの関係が、式（１）で表されることを特徴とする消耗電極式アーク溶接装置。
ＴＹ  ＝  ＴＡ×α  ＋  β    ・・・  （１）
、  （ここで、αはアーク期間ＴＡの比例係数であり、正の実数である。βは定数で、実数である。）
【請求項２】
前記電流遮断時間の長さＴＹは最大値を有することを特徴とする請求項１記載の消耗電極式アーク溶接装置。
【請求項３】
前記最大値は、指令溶接電流値、指令溶接電圧値、ワイヤの材質、ワイヤの径、およびシールドガスの種類の少なくとも１つ以上によって変更されることを特徴とする請求項２記載の消耗電極式アーク溶接装置。
【請求項４】
前記アーク期間ＴＡの比例係数αおよび定数βは、指令溶接電流値、ワイヤの材質、ワイヤの径、およびシールドガスの種類の少なくとも１つ以上によって変更されることを特徴とする請求項１記載の消耗電極式アーク溶接装置。
【請求項５】
交流電流を整流して直流とする第１の整流回路と、前記第１の整流回路の出力側に接続されて前記第１の整流回路の出力を高周波交流に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の出力側に接続されて前記インバータ回路の出力を電圧変換して２次側コイルから出力する絶縁トランスと、前記２次側コイルに接続されて前記絶縁トランスの出力を整流して直流とする第２の整流回路と、前記第２の整流回路の出力側とワイヤを保持する溶接トーチとの間に接続されて前記第２の整流回路の出力を平滑して溶接トーチに与えるリアクトルと、から構成されるアーク溶接主回路と、前記アーク溶接主回路中に置かれて前記リアクトルが出力する電流を遮断する電流遮断機構と、別の上位ＣＰＵから与えられる指令溶接電圧を基に前記電流遮断機構を遮断動作させる指令を出力する制御回路と、を備え、アーク溶接の実行時に、前記ワイヤの先端がアーク状態から短絡状態に移行した時に、前記電流遮断機構が前記リアクトルが出力する電流を一時遮断する消耗電極式アーク溶接装置であって、前記制御回路が前記電流遮断機構に出力する指令は、前記指令溶接電圧が高い場合には前記電流を遮断している時間を長く、前記指令溶接電圧が低い場合には前記電流を遮断している時間を短くするものであることを特徴とする消耗電極式アーク溶接装置。
【請求項６】
交流電流を整流して直流とし、この直流を高周波交流に変換し、この交流を低圧に電圧変換して、さらに整流して直流大電流とし、この直流大電流を平滑してワイヤを保持する溶接トーチに与え、この直流大電流を遮断する電流遮断機構を設け、アーク溶接の実行時に、前記ワイヤの先端がアーク状態から短絡状態に移行した時に、前記電流遮断機構が前記直流大電流を一時遮断する消耗電極式アーク溶接方法であって、前記電流遮断機構が前記直流電流を一時遮断するその電流遮断時間の長さＴＹと、短絡移行直前のアーク発生期間の長さＴＡとの関係が、式（１）で表されることを特徴とする消耗電極式アーク溶接方法。
ＴＹ  ＝  ＴＡ×α  ＋  β    ・・・  （１）
（ここで、αはアーク期間ＴＡの比例係数であり、正の実数である。βは定数で、実数である。）
【請求項７】
交流電流を整流して直流とし、この直流を高周波交流に変換し、この交流を低圧に電圧変換して、さらに整流して直流大電流とし、この直流大電流を平滑してワイヤを保持する溶接トーチに与え、この直流大電流を遮断する電流遮断機構を設け、アーク溶接の実行時に、前記ワイヤの先端がアーク状態から短絡状態に移行した時に、前記電流遮断機構が前記直流大電流を一時遮断する消耗電極式アーク溶接方法であって、
前記制御回路が前記電流遮断機構に出力する指令は、前記指令溶接電圧が高い場合には前記電流を遮断している時間を長く、前記指令溶接電圧が低い場合には前記電流を遮断している時間を短くするものであることを特徴とする消耗電極式アーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接ワイヤの先端で、短絡状態とアーク状態を繰り返す消耗電極式アーク溶接装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の短絡移行式アーク溶接においては、アーク発生期間を検出して制御する方法があった。例えば特許文献１では、各アーク発生期間の長さを検出し、検出したアーク発生期間の長さに比例してアーク発生期間における溶接電源の出力電圧を低減し、各アーク発生期間における溶接電流を増減させている。
また、短絡移行式アーク溶接において、電流の遮断機構を有するアーク溶接機を用いるものとして、下記の特許文献２〜４等がある。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２８５８２１
【特許文献２】特開平５−３１８１２８号公報
【特許文献３】特開２００４−２４９３３１号公報
【特許文献４】特開２００２−２７３５６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の消耗電極式アーク溶接電源では、溶接時に発生する溶接のスパッタ（高温のため溶けて液状化した金属微粒子）を十分に低減することはできない。
溶接のスパッタは、消耗電極の先端が空中に飛散する時に出る場合が多い。このため、消耗電極の先端の溶けた部分を溶融プールの中に十分に移行させることができればスパッタの発生を抑えることができる。
従来のアーク溶接方法で、電流遮断機構を有した溶接電源は、消耗電極の先端が溶融プールに接触した瞬間に電流を下げることで、消耗電極先端の溶融プールへの移行を促進させるのに有効である。しかしながら、消耗電極の先端の溶けた部分の量は、溶接状態により変化するため、従来のアーク溶接方法のように、一定期間の電流遮断時間では、消耗電極の先端の溶けた部分を溶融プールの中に十分に移行させることはできない。電流遮断時間が短いと溶融プールへの移行が十分にできずにスパッタとなる。電流遮断時間が長いとアーク発生期間に溶けていない消耗電極の先端が溶融プールに突っ込み、溶融プールの状態が不安定となり同じくスパッタ発生の要因となる。
一方、アークの発生期間を測定することは、溶接状態を知る一つの手段である。従来のアーク溶接方法では、アーク発生期間が長くなるとアーク電流を下げる制御を行っている。この制御は、短絡の発生を定期的に行わせることには効果があるが、消耗電極の先端が溶融プールに移行できずに発生するスパッタを抑制する効果はない。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、アーク期間中に形成された消耗電極先端の溶けた部分を溶融プールの中に十分に移行させることで、空中に飛散するスパッタを抑制する消耗電極式アーク溶接装置および方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記問題を解決するため、請求項１記載の発明は、消耗電極式アーク溶接装置に係り、交流電流を整流して直流とする第１の整流回路と、前記第１の整流回路の出力側に接続されて前記第１の整流回路の出力を高周波交流に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の出力側に接続されて前記インバータ回路の出力を電圧変換して２次側コイルから出力する絶縁トランスと、前記２次側コイルに接続されて前記絶縁トランスの出力を整流して直流とする第２の整流回路と、前記第２の整流回路の出力側とワイヤを保持する溶接トーチとの間に接続されて前記第２の整流回路の出力を平滑して溶接トーチに与えるリアクトルと、から構成されるアーク溶接主回路と、前記アーク溶接主回路中に置かれて前記リアクトルが出力する電流を遮断する電流遮断機構と、を備え、アーク溶接の実行時に、前記ワイヤの先端がアーク状態から短絡状態に移行した時に、前記電流遮断機構が前記リアクトルが出力する電流を一時遮断する消耗電極式アーク溶接装置であって、前記電流遮断機構が前記電流を一時遮断するその電流遮断時間の長さＴＹと、短絡移行直前のアーク発生期間の長さＴＡとの関係が、式（１）で表されることを特徴としている。
ＴＹ  ＝  ＴＡ×α  ＋  β    ・・・（１）（ここで、αはアーク期間ＴＡの比例係数であり、正の実数である。βは定数で、実数である。）
【０００６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の消耗電極式アーク溶接装置において、前記電流遮断時間の長さＴＹが最大値を有することを特徴としている。
請求項３記載の発明は、請求項２記載の消耗電極式アーク溶接装置において、前記最大値が、指令溶接電流値、指令溶接電圧値、ワイヤの材質、ワイヤの径、およびシールドガスの種類の少なくとも１つ以上によって変更されることを特徴としている。
請求項４記載の発明は、請求項１記載の消耗電極式アーク溶接装置において、前記アーク期間ＴＡの比例係数αおよび定数βが、指令溶接電流値、ワイヤの材質、ワイヤの径、およびシールドガスの種類の少なくとも１つ以上によって変更されることを特徴としている。
請求項５記載の発明は、消耗電極式アーク溶接装置に係り、交流電流を整流して直流とする第１の整流回路と、前記第１の整流回路の出力側に接続されて前記第１の整流回路の出力を高周波交流に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の出力側に接続されて前記インバータ回路の出力を電圧変換して２次側コイルから出力する絶縁トランスと、前記２次側コイルに接続されて前記絶縁トランスの出力を整流して直流とする第２の整流回路と、前記第２の整流回路の出力側とワイヤを保持する溶接トーチとの間に接続されて前記第２の整流回路の出力を平滑して溶接トーチに与えるリアクトルと、から構成されるアーク溶接主回路と、前記アーク溶接主回路中に置かれて前記リアクトルが出力する電流を遮断する電流遮断機構と、別の上位ＣＰＵから与えられる指令溶接電圧を基に前記電流遮断機構を遮断動作させる指令を出力する制御回路と、を備え、アーク溶接の実行時に、前記ワイヤの先端がアーク状態から短絡状態に移行した時に、前記電流遮断機構が前記リアクトルが出力する電流を一時遮断する消耗電極式アーク溶接装置であって、前記制御回路が前記電流遮断機構に出力する指令は、前記指令溶接電圧が高い場合には前記電流を遮断している時間を長く、前記指令溶接電圧が低い場合には前記電流を遮断している時間を短くするものであることを特徴としている。
請求項６記載の発明は、消耗電極式アーク溶接方法に係り、交流電流を整流して直流とし、この直流を高周波交流に変換し、この交流を低圧に電圧変換して、さらに整流して直流大電流とし、この直流大電流を平滑してワイヤを保持する溶接トーチに与え、この直流大電流を遮断する電流遮断機構を設け、アーク溶接の実行時に、前記ワイヤの先端がアーク状態から短絡状態に移行した時に、前記電流遮断機構が前記直流大電流を一時遮断する消耗電極式アーク溶接方法であって、前記電流遮断機構が前記直流電流を一時遮断するその電流遮断時間の長さＴＹと、短絡移行直前のアーク発生期間の長さＴＡとの関係が、式（１）で表されることを特徴としている。
ＴＹ  ＝  ＴＡ×α  ＋  β    ・・・  （１）
（ここで、αはアーク期間ＴＡの比例係数であり、正の実数である。βは定数で、実数である。）
請求項７記載の発明は、消耗電極式アーク溶接方法に係り、交流電流を整流して直流とし、この直流を高周波交流に変換し、この交流を低圧に電圧変換して、さらに整流して直流大電流とし、この直流大電流を平滑してワイヤを保持する溶接トーチに与え、この直流大電流を遮断する電流遮断機構を設け、アーク溶接の実行時に、前記ワイヤの先端がアーク状態から短絡状態に移行した時に、前記電流遮断機構が前記直流大電流を一時遮断する消耗電極式アーク溶接方法であって、
前記制御回路が前記電流遮断機構に出力する指令は、前記指令溶接電圧が高い場合には前記電流を遮断している時間を長く、前記指令溶接電圧が低い場合には前記電流を遮断している時間を短くするものであることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
上記の構成により、アーク期間中に形成された消耗電極先端の溶けた部分を溶融プールの中に十分に移行させることで、空中に飛散するスパッタを抑制することができ、その溶融プールへの移行は、電流遮断機構で電流を遮断している時に最もスムーズに行えるため、電流を遮断している時間を消耗電極先端の溶けた部分の量で変更させることでスパッタを抑制できるという効果がある。
また、本発明によれば、消耗電極先端の溶けた部分の量がアーク期間により変化すること、もしくは、指令電圧により変化することに着目したもので、これを制御に活用している。
また、本発明によれば、アーク期間、もしくは、指令電圧により消耗電極の溶けた部分の量を予測し、消耗電極の溶けた部分の量に見合った電流遮断時間を設定することにより、消耗電極の溶けた部分の溶融プールへの移行を十分に促進することができるので、消耗電極式アーク溶接のスパッタを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００９】
図１は、本発明の消耗電極式アーク溶接装置の構成図である。
商用交流電源１の電流は第１の整流回路２にて直流に変換される。第１の整流回路２の出力はインバータ回路３で２０〜２００[ＫＨｚ]の高周波に変換される。インバータ回路３の出力は、絶縁トランス４で溶接に適した電圧に変換され、第２の整流回路５で直流に変換された後、第１の直流リアクトル６を通り、アーク溶接部（図中の溶接トーチ７、ワーク８）の溶接トーチ７にてアーク電流となる。
そして、第２の整流回路５と溶接トーチ７との間（図１では、第１の直流リアクトル６と溶接トーチ７の間）に電流遮断機構９が設けられている。この電流遮断機構９は、制御回路１７からの指示によって第１の直流リアクトル６に流れる溶接電流を遮断する働きをしている。第１の直流リアクトル６は、パルス溶接用として２０[μＨ]以下のインダクタンスを有するものを適用している。
以上がアーク溶接主回路である。
また、本発明のアーク溶接装置では第２の整流回路５と並列なアーク溶接副回路１０を有している。アーク溶接副回路１０内では、絶縁トランス４の２次側の第２コイルから得られる溶接に適した電圧の交流電流が電流制御回路１１を通り、第３の整流回路１２で直流に変換された後、第２の直流リアクトル１３を通って出力され、アーク溶接部に電流を供給している。
電流制御回路１１はスイッチング半導体素子によって構成され、制御回路１７からの信号でスイッチング半導体をＯＮ／ＯＦＦし、第２の直流リアクトル１３に流れる電流を制御している。また、第２の直流リアクトル１３には、１００〜２０００[μＨ]のインダクタンスを有するものを適用している。
図１に示したアーク溶接装置は、本実施例においては図示しない産業用ロボット等と組み合わせて使用される。その際、アーク溶接部を構成する溶接トーチ７はロボットの先端部に取り付けられ、ロボットの動作に伴って様々な位置、姿勢をとる。アーク溶接装置とロボットコントローラは互いに通信を行いながら、協調して溶接作業を行う。
【００１０】
図２は、本発明のアーク溶接装置の制御回路１７内のブロック図である。
上位ＣＰＵ２５は、ロボットコントローラ等の外部機器から、電圧指令３０、電流指令３１、溶接法の番号３２を受け取る。
溶接法の番号とは、シールドガスの種類（ＣＯ2、ＭＡＧ、ＭＩＧ、等）、ワイヤの材質（鉄、ステンレス、アルミ、等）、ワイヤの径（φ１．２、φ１．０、φ０．９、等）等の条件の組合せごとに予め一意に割り当てられた番号である。
また、シールドガスの種類、ワイヤの材質、ワイヤの径等の各条件に個別に番号を割り当て、それらの番号の組合せにて溶接法を指定するようにしてもよい。
データベースメモリ２６には、指定された番号に対応した様々な溶接条件が予め格納されており、上位ＣＰＵ２５は、指定された番号に対応する溶接条件をデータベースメモリ２６から読み出し、下位のＣＰＵであるデジタルシグナルプロセッサ１８とデータのやり取りを行う。
デジタルシグナルプロセッサ１８は、図１に示す電流フィードバック１４、電圧フィードバック１５を取り込み、溶接の短絡状態およびアーク状態を判定しながら、インバータ回路３に指令を出力し、アーク溶接電流およびアーク溶接電圧の制御を行う。さらにデジタルシグナルプロセッサ１８は、電流遮断機構９を制御する。
【００１１】
図３は、本発明のアーク溶接装置による時間対溶接電流の波形（ａ）と溶接電圧の波形（ｂ）を示す図である。消耗電極式アーク溶接は、ワークに溶接ワイヤを送り、ワークと溶接ワイヤを短絡させ、短絡期間後、短絡を解放してアークに移行し、アーク期間ＴＡの間、アーク溶接を行う。その後、ワークと溶接ワイヤを短絡させる短絡期間が続くが、このとき電流遮断機構９が作動して、時間ＴＹだけ第１の直流リアクトル６からの電流を遮断させるようにしている。
本発明によると、電流遮断機構９が働いている時間、すなわち電流遮断時間ＴＹを一定とするのではなくて、電流遮断の直前におけるアーク発生期間ＴＡに基づいて可変とするもので、具体的には、電流遮断時間の長さＴＹと、短絡移行直前のアーク発生期間の長さＴＡとの関係を、
ＴＹ  ＝  ＴＡ×α  ＋  β  ・・・・・式（１）
（αはアーク期間ＴＡの比例係数であり、正の実数である。βは定数で、実数である。）としている。
この計算は、デジタルシグナルプロセッサ１８内の演算部２１が上記式の演算を行い、演算結果に基づいて電流遮断機構９を制御する。
前述のように、式（１）にて電流遮断時間ＴＹの算出に用いるアーク期間ＴＡは、直前のアーク期間のものを用いる。すなわち、図３において右側の電流遮断時間ＴＹの算出には図３中のアーク期間ＴＡを用いるが、左側の電流遮断時間ＴＹの算出には、図３には示されない直前のアーク期間を用いる。
また、式（１）の比例係数α、定数βは、ロボットコントローラ等から指令された溶接電圧（電圧指令３０）および溶接電流値（電流指令３１）や、前述の溶接法の番号３２（シールドガスの種類、ワイヤの材質、もしくは、ワイヤの径）によって変化する。
また、電流遮断時間ＴＹの最大値も予め決められており、式（１）によって算出された電流遮断時間ＴＹの値が最大値を越える場合は、電流遮断機構９への指令はその最大値に制限される。この最大値は、指令された溶接電圧（電圧指令３０）および溶接電流値（電流指令３１）、シールドガスの種類、ワイヤの材質、ワイヤの径によって変化する。
一方、βは負の値となる場合もあり、そうした際に式（１）によって算出されたＴＹの値が０未満となった場合は、ＴＹには０が用いられる。
さらに演算部２１は、電流フィードバック１４の値すなわちアーク溶接電流が予め定めた値より小さい場合は、その期間をアーク期間ＴＡから除外するような演算を行う。
前述のように、デジタルシグナルプロセッサ１８は電流遮断機構９へ指令を出力することと並行してインバータ回路３にも指令を出力し、その結果、図３のような溶接電流および溶接電圧波形を実現する。
【実施例２】
【００１２】
本発明の第２実施例では、図１および図２に示したアーク溶接装置において、次の式（２）に基づいて電流遮断機構９を制御する。
ＴＢは実数であり、実数ＴＢは電圧指令３０の値から、予めデータベースメモリ２６に設定された値を引いたものの関数（時間）である。
ＴＹ＝ＴＢ×ａ＋ｂ  ・・・  式（２）
（ここで、ａは比例係数であり、正の実数である。ｂは定数で、実数である。）
この差が０未満となった場合は、ＴＢには０が用いられる。この処理は図２の上位ＣＰＵ２５とデジタルシグナルプロセッサ１８が行う。式（２）から明らかなように、電圧指令３０が大きい時には電流遮断時間ＴＹは長くなり、電圧指令３０が小さい時にはＴＹは短くなる。
また、実施例１と同様、式（２）の比例係数ａ、定数ｂは、ロボットコントローラ等から指令された溶接電圧（電圧指令３０）および溶接電流値（電流指令３１）、シールドガスの種類、ワイヤの材質、ワイヤの径で変化する。
また、電流遮断時間ＴＹの最大値も予め決められており、式（２）によって算出されたＴＹの値が最大値を越える場合は、電流遮断機構９への指令はその最大値に制限される。この最大値は、指令された溶接電圧（電圧指令３０）および溶接電流値（電流指令３１）、シールドガスの種類、ワイヤの材質、ワイヤの径によって変化する。
一方、ｂは負の値となる場合もあり、そうした際に式（２）によって算出されたＴＹの値が０未満となった場合は、ＴＹには０が用いられる。
【産業上の利用可能性】
【００１３】
本実施例ではロボットを用いたアーク溶接を例としたが、本発明は、これに限らず消耗電極式アーク溶接に広く適用できることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例を示すアーク溶接装置の構成図である。
【図２】本発明の制御回路のブロック図である。
【図３】本発明による溶接電流波形、溶接電圧波形を示す図である。
【符号の説明】
【００１５】
１  商用交流電源
２  第１の整流回路
３  インバータ回路
４  絶縁トランス
５  第２の整流回路
６  第１の直流リアクトル
７  溶接トーチ
８  ワーク
９  電流遮断機構
１０  アーク溶接副回路
１１  電流制御回路
１２  第３の整流回路
１３  第２の直流リアクトル
１４  電流フィードバック
１５  電圧フィードバック
１７  制御回路
１８  デジタルシグナルプロセッサ
１９、２０  Ａ／Ｄコンバータ
２１  演算部
２２  メモリ
２３  ドライバへの指令生成部
２４  インバータ駆動用ドライバ
２５  上位ＣＰＵ
２６  データベースメモリ
３０  電圧指令
３１  電流指令
３２  溶接法の番号
【図１】
2007222893.tif 000003
【図２】
2007222893.tif 000004
【図３】
2007222893.tif 000005