(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
消耗性電極を使用し、短絡とアーク発生とを繰り返しながら溶接を行う短絡移行式アーク溶接方法において、一回の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次のアーク発生期間における溶接電源の出力電圧を低減し、一回のアーク発生期間の長さに逆比例して次のアーク発生期間における溶接電流を増加させる短絡移行式アーク溶接方法。
【請求項２】
消耗性電極を使用し、短絡とアーク発生とを繰り返しながら溶接を行う短絡移行式アーク溶接方法において、短絡発生期間における溶接電源の出力電圧をアーク発生期間における溶接電源の出力電圧よりも低い一定値に設定するとともに、一回の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次のアーク発生期間における溶接電源の出力電圧を低減し、一回のアーク発生期間の長さに逆比例して次のアーク発生期間における溶接電流を増加させる短絡移行式アーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、消耗性電極を使用し、短絡とアークとを繰り返しながら溶接する短絡移行式アーク溶接方法の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
消耗電極式アーク溶接で安定した溶接を行うためには、定速送給される消耗性電極を消耗性電極の送給速度に匹敵する一定の速度で溶融するように制御しなければならない。特に短絡移行式アーク溶接法においては、消耗性電極と被溶接物との間が短絡したり、離れてアークが発生する現象を交互に繰り返すので溶融量の制御は難しい。従来、このような溶接での消耗性電極溶融量の制御は溶接時の平均電圧を一定にすることによってなされている。
【０００３】
図６に従来の短絡移行式アーク溶接方法を実施する装置の例を示す。同図において、１は交流電源であり商用交流電源が用いられる。２は電力変換回路であり、交流電源１からの電力を出力指令信号Ｓw1に応じた略定電圧特性の直流出力に変換する。３は直流リアクトルであり、電力変換回路２の出力電流に短絡移行式アーク溶接に適した電流変化の時定数を与える。４は溶接トーチであり電動機５によって駆動される送給ロール６によって被溶接物７に向かって送給される消耗性電極８が内挿され、これに電力変換回路２からの電力を給電する。９は電動機５の回転速度を一定に制御する電動機制御回路である。１０は溶接電圧の瞬時値Ｖd を検出する電圧検出器、１１は電圧検出器１０の出力を平滑して溶接電圧の平均値Ｖdaを得る溶接電圧平滑回路、１２は溶接電圧設定回路であり、溶接電圧設定値Ｖs を設定する。１３は比較器であり溶接電圧設定回路１２の設定値Ｖs と溶接電圧平滑回路１１の出力信号Ｖdaとを比較し、その差信号ΔＶ＝Ｖs −Ｖdaを出力する。１４は増幅器であり、比較器１３の出力信号ΔＶを必要に応じて増幅する。１５はアーク期間検出器であり、電圧検出器１０の出力信号Ｖd が所定値よりも高いときにアーク期間と判断してハイレベルのアーク期間信号Ｓadを出力する。１６は短絡期間用出力電圧設定器であり、短絡期間中の電力変換回路２の出力電流が過大にならないようにアーク期間中の出力電圧よりも低い値の出力電圧設定信号Ｖssを出力する。１７は信号切り替え回路であり、アーク期間検出器１５のアーク期間信号Ｓadがハイレベルのときは (a)側に、アーク期間信号Ｓadがローレベルのときは (b)側に信号を切り替えて電力変換回路２に伝達するアナログスイッチが用いられる。
【０００４】
図６において、溶接中の電圧を電圧検出器１０で検出し、溶接電圧平滑回路１１で平滑し、検出電圧平滑信号Ｖdaを求める。溶接電圧設定回路１２からの出力である溶接電圧設定信号Ｖs と検出電圧平滑信号Ｖdaを比較器１３で比較してその差信号ΔＶ＝Ｖs −Ｖdaを出力する。比較器１３の出力ΔＶは次に増幅器１４に入力されて短絡期間用出力電圧設定器１６の出力電圧と対応するレベルに増幅されてアーク期間中の出力電圧指令信号Ｖudとなる。溶接中は短絡、アークが交互に発生するので電圧検出器１０の出力はまた、アーク期間検出器１５にも供給されて溶接電圧の瞬時値Ｖd が所定値よりも高いときはアーク期間信号Ｓadをハイレベル信号として出力する。信号切り替え回路１７はこのアーク期間信号Ｓadがハイレベルの間、すなわちアーク期間は信号切り替え回路１７を (a)側にし、増幅器１４の出力信号Ｖudを選択する。アーク期間信号Ｓadがローレベルの期間、即ち短絡期間には信号切り替え回路１７を (b)側にして短絡期間用出力電圧設定器１６の出力信号Ｖssを選択する。このようにして選択された出力指令信号Ｓw1は電力変換回路２に送られる。
【０００５】
図６の装置の動作のタイミングチャートを図７に示す。図７において、（ａ）は電圧検出器１０の出力信号である溶接電圧の瞬時値Ｖd を、（ｂ）は溶接電圧の瞬時値Ｖd を溶接電圧平滑回路１１にて平滑した検出電圧平滑信号Ｖdaを、（ｃ）は比較器１３の出力ΔＶを、（ｄ）は増幅器１４の出力信号Ｖudを、（ｅ）はアーク期間検出器１５の出力信号Ｓadを、また（ｆ）は信号切り替え回路１７によって選択された出力指令信号Ｓw1をそれぞれ時間の経過とともに示す。
図６および図７において、溶接中は消耗性電極８は被溶接物７に対してアーク発生と短絡とを１秒間に数十回も繰り返す。短絡が発生した場合には溶接電流は急速に増大し、この増大した電流が流れることによって短絡部に作用する電磁ピンチ力によって短絡部を切断してアークの再生を促す。このとき電流が過大になりすぎるとアーク再生時にスパッタの発生をもたらすので短絡期間中は信号切り替え回路１７が（ｂ）側に切り替えられて、電力変換回路２の出力電圧が短絡期間用出力電圧設定器１６の設定信号Ｖssで定まる低い値に低減される。通常この短絡時の溶接電流は短絡を解消するために必要な電磁ピンチ力を得るためとアーク再生時の許容スパッタ量とによってその下限と上限が定められる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来方法においては、平均電圧を一定にする制御であるので、溶接電圧を十分平滑して溶接電源の出力制御情報として用いなければならない。このために、制御の応答速度は遅くなり、充分な制御ができなかった。
【０００７】
図８にてこの点を詳細に説明する。図８は溶接中に段差を乗り越え、溶接トーチ４からの消耗性電極８の突出し長さが急に短くなった時の状態を示す。同図（ａ）は溶接電圧瞬時値Ｖd とこれを平滑した検出電圧平滑信号Ｖdaとを示し、（ｂ）は溶接電流の瞬時値Ｉa と平均アーク電流Ｉdaとを示し、（ｃ）は消耗性電極８の先端と被溶接物７との平均距離、即ち平均アーク長Ｌa と被溶接物７の状態とを各時刻毎に示してある。
【０００８】
溶接開始から時刻ｔ1 までの間は平均アーク長がＬ1 である。被溶接物７の段差を時刻ｔ1 に通過すると平均アーク長がＬ2 に急減し消耗性電極８の先端と被溶接物７の距離が接近するので短絡を生じ易くなる。すると電圧検出器１０の出力信号Ｖd は直ちに減少するが、（ａ）に示すように実際に制御に使用される溶接電圧平滑回路１１の出力信号Ｖdaは十分平滑した値なので変化は遅く、このために増幅器１４の出力信号Ｖudはあまり変化しない。また（ｂ）に示すように短絡回数が増えることによって溶接電流Ｉa は増加するがアーク時間そのものが短かいために十分な消耗性電極８の溶融が得られない。この結果、（ｃ）に示すように段差を乗り越えた後に元のアーク長に戻るためには時刻ｔ2 までかかることになる。
【０００９】
図９に図８に示したような段差を通過した時のビードの外観とスパッタ発生量を示す。同図に示すように、時刻ｔ1 を境にして短絡回数が急増するので発生するスパッタも急増し、溶接部の入熱も下がるためビード外観も大きく乱れることになる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の発明は、上記従来方法の課題を解決するために、消耗性電極を使用し、短絡とアーク発生とを繰り返しながら溶接を行う短絡移行式アーク溶接方法において、一回の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次のアーク発生期間における溶接電源の出力電圧を低減し、一回のアーク発生期間の長さに逆比例して次のアーク発生期間における溶接電流を増加させる短絡移行式アーク溶接方法を提案したものである。
【００１１】
さらに本発明の第２の発明は、消耗性電極を使用し、短絡とアーク発生とを繰り返しながら溶接を行う短絡移行式アーク溶接方法において、短絡発生期間における溶接電源の出力電圧をアーク発生期間における溶接電源の出力電圧よりも低い一定電圧に設定するとともに、一回の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次のアーク発生期間における溶接電源の出力電圧を低減し、一回のアーク発生期間の長さに逆比例して次のアーク発生期間における溶接電流を増加させる短絡移行式アーク溶接方法を提案したものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の短絡移行式アーク溶接方法を実施する装置の例を示す接続図である。同図において、１８は出力電圧補正器であり、アーク期間検出器１５の出力であるアーク期間信号Ｓadを入力としてアーク期間の長さに応じた次のアーク期間の出力電圧補正信号Ｖmsを出力する。１９は減算器であり、比較器１３の出力ΔＶから出力電圧補正器１８の出力Ｖmsを減算し、その結果を短絡期間用出力電圧設定器１６の信号のレベルに対応するレベルまで増幅する。同図においてその他は図６に示した従来装置と同機能のものに同符号を付して説明を省略する。
【００１３】
同図において、溶接中の電圧を電圧検出器１０で検出し、溶接電圧平滑回路１１で平滑して平均電圧となる検出電圧平滑信号Ｖdaを求める。溶接電圧設定回路１２からの出力である溶接電圧設定信号Ｖs と検出電圧平滑信号Ｖdaを比較器１３で比較してその差信号ΔＶを出力する。溶接中は短絡、アークが交互に発生するのでアーク期間検出器１５により判定し、アーク期間中はハイレベルのアーク期間信号Ｓadを出力する。アーク期間信号Ｓadは出力電圧補正器１８にて計数されて、このアーク期間信号Ｓadの継続時間の長さに応じた大きさの出力電圧補正信号Ｖmsを出力する。比較器１３の出力ΔＶを増幅した増幅器１４の出力と出力電圧補正器１８の出力Ｖmsとは減算器１９に入力されて
Ｖuh＝Ａ・ΔＶ−Ｖms
となる。（但し、Ａは増幅器１４の増幅率によって定まる定数）
【００１４】
アーク期間中はアーク期間検出器１５のアーク期間信号Ｓadがハイレベルとなり、信号切り替え回路１７を (a)側にし、減算器１９の出力信号Ｖuhを選択する。逆に短絡期間にはアーク期間検出器１５のアーク期間信号Ｓadがローレベルになり、信号切り替え回路１７を (b)側に切り替えて、短絡期間用出力電圧設定器１６の出力電圧設定信号Ｖssを選択する。こうして選択された出力指令信号Ｓw1は電力変換回路２に供給される。
【００１５】
図２は出力電圧補正器１８の具体例を示す。図２において、ＭＭ１およびＭＭ２はモノマルチバイブレータであり入力信号の立ち下がり時にトリガーされて短時間幅のパルスを出力する。ＩＧ１は積分回路であり、アーク期間検出器１５の出力信号Ｓadを積分して信号Ｓigとして出力するとともにモノマルチバイブレータＭＭ２の出力信号によってリセットされるものである。ＳＨ１はサンプルホールド回路であり、入力信号Ｓadを積分する積分回路ＩＧ１の出力信号Ｓigを入力としてモノマルチバイブレータＭＭ１の出力信号の立ち上がり時にそのときの入力信号を記憶して、つぎにモノマルチバイブレータＭＭ１の出力信号の立ち上がりまで保持して出力電圧補正信号Ｖmsとして出力する。
【００１６】
図３は図１の装置に図２の出力電圧補正器を用いたときの動作を示すタイミングチャートである。同図において、（ａ）は電圧検出器１０の出力信号、即ち溶接電圧の瞬時値Ｖd を示し、（ｂ）はこの溶接電圧の瞬時値Ｖd を平滑した溶接電圧平滑回路１１の出力信号Ｖdaを示す。（ｃ）は検出電圧平滑信号Ｖdaと溶接電圧設定回路１２の出力信号である溶接電圧設定値Ｖs とを比較した比較器１３の出力信号ΔＶを増幅した増幅器１４の出力を示す。（ｄ）はアーク期間検出器１５の出力信号Ｓadを示し、（ｅ）は出力電圧補正器１８のモノマルチバイブレータＭＭ１の出力信号、（ｆ）は出力電圧補正器１８のモノマルチバイブレータＭＭ２の出力信号、（ｇ）は出力電圧補正器１８の積分回路ＩＧ１の出力信号、（ｈ）は出力電圧補正器１８のサンプルホールド回路ＳＨ１の出力信号、即ち出力電圧補正信号Ｖmsを示す。（ｉ）は増幅器１４の出力信号Ａ・ΔＶから出力電圧補正信号Ｖmsを減算する減算器１９の出力信号Ｖuh、（ｊ）はアーク期間検出器１５の出力信号Ｓadによって短絡期間とアーク期間とにおいて出力電圧設定信号をＶuhまたは短絡期間中の出力電圧設定信号Ｖssに切替える信号切り替え回路１７の出力指令信号Ｓw1を示す。
【００１７】
図１ないし図３において、溶接電圧Ｖd は電圧検出器１０によって検出されて溶接電圧平滑回路１１にて平均値Ｖdaが導出されて比較器１３にて溶接電圧設定回路１２の設定値Ｖs と比較されて差信号ΔＶが算出される。一方、電圧検出器１０の出力はまた、アーク期間検出器１５にも供給されて信号Ｖd が一定値よりも高いときはアーク期間と判断されてハイレベルのアーク期間信号Ｓadが出力される。ハイレベルのアーク期間信号Ｓadは出力電圧補正器１８の積分回路ＩＧ１にて積分されて積分信号Ｓigとなりサンプルホールド回路ＳＨ１に出力される。アーク期間検出器１５の出力Ｓadはまた出力電圧補正器１８のモノマルチバイブレータＭＭ１にも供給されて、モノマルチバイブレータＭＭ１は入力信号Ｓadの立ち下がり、即ち、アーク期間の終了直後に短時間のパルス信号を出力する。モノマルチバイブレータＭＭ１のパルス出力はモノマルチバイブレータＭＭ２とサンプルホールド回路ＳＨ１とに供給され、サンプルホールド回路ＳＨ１はこのモノマルチバイブレータＭＭ１の出力信号の立ち上がりの瞬間の入力信号Ｓigを記憶して出力電圧補正信号Ｖmsとして出力する。モノマルチバイブレータＭＭ２はモノマルチバイブレータＭＭ１の出力信号の立ち上がりでトリガーされて短時間のパルス信号を出力し、積分回路ＩＧ１はこのモノマルチバイブレータＭＭ２の出力パルスの立ち下がりによりリセットされてその出力信号は零に復帰する。
【００１８】
一方、アーク期間検出器１５の出力はまた、信号切り替え回路１７にも供給されてアーク期間信号Ｓadがハイレベルのときは信号切り替え回路１７を (a)側に、アーク期間信号Ｓadがローレベルのときは信号切り替え回路１７を (b)側に切り替える。この結果、アーク期間信号Ｓadがハイレベルとなるアーク発生期間のはじめからアーク期間信号Ｓadが出力電圧補正器１８の積分回路ＩＧ１にて積分され、アーク期間の終了時にアーク期間信号Ｓadがローレベルに反転すると、その瞬間の積分回路ＩＧ１の出力信号がサンプルホールド回路ＳＨ１に記憶され、その後、モノマルチバイブレータＭＭ１の出力パルスの立ち下がりによってモノマルチバイブレータＭＭ２の出力によって積分回路ＩＧ１はリセットされ、出力信号Ｓigは零に戻り、次のアーク期間が始まってアーク期間信号Ｓadがハイレベルになるまで待機する。この結果、１回のアーク期間の長さが出力電圧補正器１８の積分回路ＩＧ１によって算出されて、これがそのアーク期間の終了に伴ってサンプルホールド回路ＳＨ１に記憶されて、次のアーク期間の終了時まで保持されて減算器１９に出力電圧補正信号Ｖmsとして出力される。減算器１９ではサンプルホールド回路ＳＨ１の出力信号Ｖmsを増幅器１４の出力信号から減算してＶuh＝Ａ・ΔＶ−Ｖmsを得て、信号切り替え回路１７にアーク期間における出力指令信号として出力する。
【００１９】
このように、アーク期間が長いときは出力電圧補正信号Ｖmsは大きくなり、次のアーク期間における減算器１９の出力信号Ｖuhは低くなり、電力変換回路２の出力電圧が低くなる。逆に、アーク期間が短かいときは出力電圧補正信号Ｖmsは小さくなり、次のアーク期間における減算器１９の出力信号Ｖuhは高くなって電力変換回路２の出力電圧が高くなる。
【００２０】
図４は図１の装置を用いて本発明の溶接方法を実施したときに、溶接中に段差を乗り越えてアーク長が急に短くなった時の状態を模式的に示した図である。同図（ａ）は溶接電圧の瞬時値Ｖd とその検出電圧平滑信号Ｖdaを示す。（ｂ）は溶接電流の瞬時値Ｉa と平均アーク電流Ｉdaを示す。（ｃ）は消耗性電極８と被溶接物７との距離、即ち平均アーク長Ｌa の変化および被溶接物７の状態を示す。溶接開始から時刻ｔ1 までの間は平均アーク長がＬ1 である。被溶接物７の段差を時刻ｔ1 に通過すると平均アーク長がＬ2 に急減し、消耗性電極８の先端
と被溶接物７との距離が接近するので短絡を生じ易くなる。すると同図（ａ）に示すように溶接電圧の瞬時値Ｖd は減少する。これに対して、実際の検出電圧平滑信号Ｖdaは十分平滑した値なので変化は遅くあまり変化しない。しかし短絡回数が増加し、アーク時間が短くなるので出力電圧補正信号Ｖmsはマイナス方向に小さく、次のアーク期間の減算器１９の出力信号Ｖuhは大きな値となり、アーク期間中の出力電圧が増加する。これによりアーク電流が急速に増加して十分な消耗性電極の溶融量が得られる。この結果、（ｃ）に示すように消耗性電極８は急速に溶融することになり、段差乗り越え後にもとのアーク長に戻るために要する時間は従来よりも大幅に減少する。
【００２１】
図５に被加工物の段差を通過した時の溶接ビードの外観とスパッタ発生量とを示す。同図のように時刻ｔ1 を境にして短絡回数が急増するので発生するスパッタも増加するが、アーク期間の減少に反比例して溶接電流が急増する結果、消耗性電極の溶融速度が急速に増加してアーク長がすぐに回復するので、スパッタ発生期間も、ビード外観が乱れる期間も従来方法によるよりも短くなる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の短絡移行式アーク溶接方法は、上記の通りであるので、消耗性電極と被溶接物との間の距離が急変した場合でも消耗性電極の溶融量を即座に変化させ、適正なアーク状態まで早く復帰させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の短絡移行式アーク溶接方法を実施する装置の例を示す接続図である。
【図２】図１の装置に用いる出力電圧補正器１８の実施例を示す接続図である。
【図３】図１の装置に図２の出力電圧補正器を用いたときのの動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】図１の装置によって本発明の短絡移行式アーク溶接方法を実施したときの溶接電圧、溶接電流、消耗性電極と被溶接物との位置関係を時間の経過と共に示した模式図である。
【図５】本発明の短絡移行式アーク溶接方法を実施したときに被加工物の段差を通過した時の溶接ビードの外観とスパッタ発生量とを示す図である。
【図６】従来の短絡移行式アーク溶接方法を実施する装置の例を示した接続図である。
【図７】図６の従来装置の動作を説明するための線図である。
【図８】図６の装置によって従来の短絡移行式アーク溶接方法を実施したときの溶接電圧、溶接電流、消耗性電極と被溶接物との位置関係を時間の経過と共に示した模式図である。
【図９】図６の装置によって従来の短絡移行式アーク溶接方法を実施したときの被加工物の段差を通過した時の溶接ビードの外観とスパッタ発生量とを示す図である。
【符号の説明】
１  交流電源
２  電力変換回路
３  直流リアクトル
４  溶接トーチ
５  電動機
６  送給ロール
７  被溶接物
８  消耗性電極
９  電動機制御回路
１０  溶接電圧の瞬時値Ｖd を検出する電圧検出器
１１  溶接電圧平滑回路
１２  溶接電圧設定回路
１３  比較器
１４  増幅器
１５  アーク期間検出器
１６  短絡期間用出力電圧設定器
１７  信号切り替え回路
１８  出力電圧補正器
１９  減算器
ＭＭ１  モノマルチバイブレータ
ＭＭ２  モノマルチバイブレータ
ＩＧ１  積分回路
ＳＨ１  サンプルホールド回路
Ｖd   溶接電圧の瞬時値
Ｖs   溶接電圧設定値
ΔＶ  溶接電圧設定値Ｖs と検出電圧平滑信号Ｖdaとの差信号
Ｓad  アーク期間信号
Ｖss  短絡期間中の出力電圧設定信号
Ｖda  検出電圧平滑信号
Ｖms  出力電圧補正信号
Ｖud  増幅器１４の出力信号
Ｖuh  減算器１９の出力信号
Ｓw1  出力指令信号
Ｓig  積分回路ＩＧ１の出力信号
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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