(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
消耗電極ワイヤと被溶接材とに導通接続する溶接電源装置を備え、シールドガス雰囲気中でアーク溶接を行う消耗電極ガスシールドアーク溶接装置において前記溶接電源装置を制御する溶接電源制御装置であって、
溶接電圧と溶接電流とから溶接電圧／溶接電流の時間微分信号を求め、消耗電極ワイヤの先端部から溶滴の離脱が生じるものと判断される閾値に基づいて前記時間微分信号を弁別する弁別手段を有し、前記時間微分信号が前記閾値を超えたとき溶滴離脱信号を出力する溶滴移行検出部と、
前記溶滴移行検出部からの溶滴離脱信号に基づいて溶滴離脱後の溶接電源波形を制御する溶接電源波形制御部を備えた、溶接電源制御装置。
【請求項２】
前記溶滴移行検出部は、溶接電圧と溶接電流とに基づいて溶接電圧／溶接電流の時間微分信号を出力するアナログ回路を有し、このアナログ回路はそのカットオフ周波数が１０ｋＨｚ以上の通過特性を有し、かつ予め所定の材料や溶接条件の組合せに応じて測定して算出した、実際の溶滴移行間隔の時間の平均である平均溶滴移行間隔より低い時定数を有する請求項１に記載した溶接電源制御装置。
【請求項３】
前記溶滴移行検出部は、サンプリングレート１ｋＨｚ以上でサンプリングした溶接電圧／溶接電流の差分信号をサンプリング間隔で除して溶接電圧／溶接電流の時間微分信号を求める請求項１に記載した溶接電源制御装置。
【請求項４】
前記溶接電源制御装置は、溶滴離脱信号が溶滴移行検出部から出力された後、予め所定の材料や溶接条件の組合せに応じて測定して算出した、実際の溶滴移行間隔の時間の平均である平均溶滴移行間隔に比して短い所定期間では前記溶滴移行検出部から新たな溶滴離脱信号が出力されないようにする不感処理手段をさらに備えた、請求項１〜３のいずれか１項に記載した溶接電源制御装置。
【請求項５】
消耗電極ワイヤが送給されるとともにその外周部にシールドガスを供給する溶接トーチと、前記消耗電極ワイヤと被溶接材とに導通接続される溶接電源装置と、前記溶接電源装置の電源波形を制御する溶接電源制御装置とを備えた消耗電極ガスシールドアーク溶接装置であって、
前記溶接電源制御装置として、請求項１〜４のいずれか１項に記載した溶接電源制御装置を用いた消耗電極ガスシールドアーク溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
この発明は、シールドガス雰囲気中で消耗電極を用いてアーク溶接を行う消耗電極ガスシールドアーク溶接装置およびこの装置に用いられる溶接電源制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
消耗電極ガスシールドアーク溶接では、消耗電極ワイヤの消耗に伴いワイヤ先端部に溶滴が形成される。ワイヤの先端部に形成された溶滴は、溶滴に働く種々の作用力、例えば重力、アーク反力、電流ピンチ力、溶滴表面張力の結果として、溶滴がある一定の大きさになるとワイヤ先端部から離脱し、被処理材（母材）の溶融池に滴下される現象、いわゆる溶滴移行により母材に溶接ビードが連続的に形成され、溶接が行われる。
【０００３】
ワイヤの先端部に形成された溶滴の下部はアーク放電の陽極として、溶融池は陰極として働くため、アークより反作用を受ける。アークの安定性が悪化した場合、前記溶滴は不規則で大きな影響を受け、溶滴が飛び散るいわゆるスパッタの現象を引き起こしやすい。特に、炭酸ガスまたは炭酸ガスを主成分として含む混合ガスをシールドガスとして用いる炭酸ガス系のガスシールドアーク溶接では、アークが比較的収斂しているため、溶滴に対して上向きの大きな反力が働き、溶滴が不安定な場合、この反力によって溶滴が吹き飛ばされる。また溶滴が離脱し、アークが溶融池とワイヤ先端に再点灯する場合にも、急激なアーク反力がワイヤ先端部に働き、溶滴離脱後の残り湯あるいは溶融池を吹き飛ばし、スパッタが発生しやすい。この現象はアーク電流が大きく、またアーク状態（アーク長、アーク位置）の変動が大きな場合に著しく生じる。このために、特に炭酸ガス系のシールドガスを用いる高速の大電流溶接、あるいは溶着量の大きな高効率溶接を行った場合に大きな問題になってくる。
【０００４】
アーク長さ、位置の大きな変動をもたらす要因としては、▲１▼溶接ワイヤの送給速度の変動、▲２▼溶滴の形態不安定による陰極点の揺動、▲３▼大粒溶滴の離脱に伴うアーク再点灯、▲４▼溶滴の短絡によるインピーダンス急変動、その他が考えられる。
従来、これらの不安定要因を取り除く手法として、潤滑剤の最適化によるワイヤ送給性の向上やワイヤ表面の改善によるローラー送りの安定化、あるいはワイヤの組成などの改善による溶滴形状の安定化（表面張力の増大化）、または規則的な溶滴の離脱の促進によるアーク長の不規則な変動やワイヤ溶融池短絡防止などの方法が採られている。
【０００５】
規則的な溶滴の離脱の促進によるアーク長の不規則な変動やワイヤ溶融池短絡防止などによるスパッタを低減する方法の一つとして、溶接電源としてパルス電源を使用する方法がある。この方法は、特開平７−１６７４３号公報、特開平７−４７４７３号公報、特開平８−２６７２３８号公報等に示されているように、一定の周期でピーク電流とベース電流を繰り返す溶接電流波形を設定し、ピーク電流を与える期間内で溶滴の離脱と成長を促し、ベース電流期間中に溶滴の形状と位置を安定化させ、次の溶滴の離脱に備える、いわゆる１パルス１移行の電源波形の制御により規則正しい溶滴移行を実現しようとするものである。
【０００６】
ところが、これらの手法では１パルス１溶滴移行を実現するために、溶滴の平均移行周期とパルス周期とを一致させる様に電流波形が制御されているものの、実際の溶滴移行のタイミングとは無関係にパルスを印加しているため、移行周期にパルスを正確に同期させることが困難である。このため、ピーク電流中に溶滴離脱のタイミングがきた場合には、溶滴離脱後の電流値が高いので、ワイヤ先端部に形成され始めた溶滴が強いアークカによって吹き飛ばされてスパッタが発生する。一方、ピーク電流中に溶滴が離脱せずに、ベース電流中に溶滴離脱のタイミングがずれ込んだ場合には、溶滴の離脱ができないことが多くなり、１パルス１溶滴移行から外れて溶滴移行現象が不安定になり、溶融池との接触短絡が生じたり、大粒のスパッタが発生するなどの問題がある。このように、上記手法では、溶滴の離脱のタイミングにあわせて電源波形を制御していないため、溶滴離脱タイミングと電流波形の位相が逆転する事態が生じ、かえってスパッタを増加させてしまう場合が多かった。
【０００７】
この問題に対して、溶滴の離脱タイミングを検出し、そのタイミングにあわせて電流波形を制御する試みが種々なされている。これらの手法では、特開平８−２６７２３９号公報、特開平８−２９０２７０号公報、特開平８−３１８３７５号公報、特開平９−８５４３９号公報、特開平１０−２７２５９１号公報等に示されているように、溶接電流あるいは溶接電圧、さらにはこれらの時間変化信号が溶滴の離脱が生じるものと判断される一定の設定値を超えた場合に溶滴の離脱が生じたものと判断して溶滴の離脱を検出し、これによって出力された溶滴離脱信号に基づいて溶接電流波形を制御する手法が採られる。
【０００８】
これらの方法によって、一時的な高電流（ピーク電流）を用いることにより溶滴の離脱を促し、離脱の検出とともに低電流（ベース電流）まで速やかに低下させることにより、高電流条件下でのアーク再点弧によるワイヤ先端部の溶滴の飛散を防止し、かつ、適切なタイミングで溶滴の形成と形状安定化を促進することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
これらの手法においては、溶滴の離脱を正確に検出する必要がある。すなわち、溶滴離脱直後のスパッタを抑止するためには、溶滴の離脱とほぼ同時に、少なくとも引き続いてアークが母材とワイヤ先端部に再点灯するまでの時間以内（通常１msec以内）に溶接電流を速やかに低下させる必要がある。また、溶滴離脱に引き続く溶滴の形成と形状整形のためにも溶滴離脱のタイミングを正確に検出することが必要である。溶滴離脱の検出が実際の離脱より遅れると、溶滴が実際に離脱した後も高電流の状態が維持されることになり、スパッタが発生する。また溶滴離脱の検出が実際の離脱より早いと、実際の溶滴離脱前に電流値を下げてしまうことになり、溶滴の離脱がますます遅れ、極端な場合にはワイヤ先端部が溶融池に突っ込んでしまい、大量のスパッタ発生をもたらすことになる。
【００１０】
従来、溶滴の離脱の検出手法としては、溶接電圧が溶滴離脱が生じたと判断される基準電圧を超えたときに溶滴の離脱が生じたと判断する方法や、溶接電流あるいは溶接電圧の時間微分を取り、この時間微分信号が基準値を超えたときに溶滴の離脱が生じたとする検出手法が取られている。
すなわち、溶接電流特性や溶接電圧特性を決定するアークインピーダンスは、ワイヤ先端部の形状、ワイヤと母材との距離、アーク中に注入される元素（シールドガス、蒸発フラックス、ワイヤ成分など）やアーク温度等により左右されるプラズマ成分・密度などにより影響を受け、特にワイヤ先端部の溶滴移行に伴う母材−ワイヤ先端間距離の増大、および急峻な陰極点移動（溶滴移行に伴い溶滴下部から未溶解のワイヤ先端に飛び移ること）はアークインピーダンスに急峻で大きな変動をもたらす。従来の溶滴離脱の検出方法では、このような大きなアークインピーダンスの変化に起因して生じる溶接電流や溶接電圧の変化を利用して溶滴の離脱を検出するものである。
【００１１】
しかしながら、溶接電流あるいは溶接電圧、あるいはこれらの時間微分信号と溶滴離脱が生じると判断される閾値とを比較することにより溶滴離脱を検出する場合、実際には電源ノイズ（サイリスタノイズ、インバーターノイズ、その他の電流変換回路に現れるノイズ、外乱ノイズ）の影響を受けるために溶滴離脱信号以外のエクストラパルスを多く検出するという問題がある。この場合、ノイズの影響を避けるために閾値を高く設定したり、またローパスフィルタを設けることによりノイズ成分を除去する対策が取られるが、溶滴離脱にともなうインピーダンス変化に対応する信号と電源ノイズとを適切に区別することはできず、かかる対策を取っても実際の溶滴離脱に対応した溶滴離脱タイミングを見逃してしまうおそれがある。
【００１２】
また、たとえば定電圧動作の電源であっても、理想的な定電圧制御（出力インピーダンス＝０）ではなく、実際には有限の出力抵抗を有しており、また出力回路に電流平滑のための容量およびリアクタンスを有しているため、理想的な定電圧制御を行う場合に溶接電流に現れるはずの急峻な変化が実際には見られず、離脱タイミングを見逃すミッシングパルスのエラーを生じることも多々ある。このため、溶滴離脱検出を正確に行うことが困難で、意図した通りの溶滴離脱後の波形制御を安定的に行うことが困難であった。
【００１３】
図１６は、定電圧制御の溶接電源を使用した消耗電極ガスシールドアーク溶接装置における出力電流（溶接電流）、出力電圧（溶接電圧）の波形を示すが、出力電流、出力電圧には、電源固有のノイズが現れており、溶滴離脱信号をこれらのノイズと区別して検出することは困難であることがわかる。図１６は、一般的な定電圧特性を有する溶接電源の出力波形であるが、溶滴離脱に伴う波形の変化は電圧波形にむしろよく現れている。また、図１７は、溶接電圧を微分して得られる電圧時間微分信号波形を示すが、この信号にもノイズの影響が現れており、実際の溶滴離脱に伴うパルス（図中黒矢印）以外の擬パルス（図中白矢印）が多数観察される。なお、黒矢印は、実際の溶滴離脱のタイミングを高速度カメラにて観測し、確認された。
【００１４】
本発明はかかる問題に鑑みなされたものであり、消耗電極ガスシールドアーク溶接において、実際の溶滴の離脱を電気的に的確かつ簡便に検出することができ、もって溶滴離脱後の溶接電源波形を所定通りに制御することができる溶接電源制御装置、およびこれを用いた溶接装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の溶接電源制御装置は、消耗電極ワイヤと被溶接材とに導通接続する溶接電源装置を備え、シールドガス雰囲気中でアーク溶接を行う消耗電極ガスシールドアーク溶接装置において前記溶接電源装置を制御する溶接電源制御装置であって、溶接電圧と溶接電流とから溶接電圧／溶接電流の時間微分信号を求め、消耗電極ワイヤの先端部から溶滴の離脱が生じるものと判断される閾値に基づいて前記時間微分信号を弁別する弁別手段を有し、前記時間微分信号が前記閾値を超えたとき溶滴離脱信号を出力する溶滴移行検出部と、前記溶滴移行検出部からの溶滴離脱信号に基づいて溶滴離脱後の溶接電源波形を制御する溶接電源波形制御部を備える。
【００１６】
前記溶滴移行検出部には、溶接電圧と溶接電流とに基づいて溶接電圧／溶接電流の時間微分信号を出力するアナログ回路を設け、このアナログ回路はそのカットオフ周波数が１０ｋＨｚ以上の通過特性を有し、かつ予め所定の材料や溶接条件の組合せに応じて測定して算出した、実際の溶滴移行間隔の時間の平均である平均溶滴移行間隔より低い時定数を有するようにするのがよい。
また、前記溶滴移行検出部は、サンプリングレート１ｋＨｚ以上でサンプリングした溶接電圧／溶接電流の差分信号をサンプリング間隔で除して溶接電圧／溶接電流の時間微分信号を求めるようにするのがよい。
また、前記溶接電源制御装置には、溶滴離脱信号が溶滴移行検出部から出力された後、前記平均溶滴移行間隔に比して短い所定期間では前記溶滴移行検出部から新たな溶滴離脱信号が出力されないようにする不感処理手段をさらに設けることができる。
【００１７】
本発明の消耗電極ガスシールドアーク溶接装置は、消耗電極ワイヤが送給されるとともにその外周部にシールドガスを供給する溶接トーチと、前記消耗電極ワイヤと被溶接材とに導通接続される溶接電源装置と、前記溶接電源装置の電源波形を制御する溶接電源制御装置とを備えた溶接装置であって、前記溶接電源制御装置として、上記の溶接電源制御装置を用いたものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の溶接電源制御装置１０１は、好適には炭酸ガス系シールドガスを用いる消耗電極ガスシールドアーク溶接における溶接電源装置の制御に使用されるものであって、図１に示すように、消耗電極ワイヤの先端部からの溶滴の離脱を電気的に検出して溶滴離脱信号を出力する溶滴移行検出部１０２と、インバータを備えた溶接電源装置１１１に接続され、前記溶滴離脱信号に基づいて溶滴離脱前後の溶接電源波形を制御する溶接電源波形制御部１０３とを備えている。溶接電源装置１１１の出力側は、溶接トーチ、被溶接材（母材）に電気的に接続される。
【００１９】
前記溶滴移行検出部１０２は、電圧検出器Ｖ、電流検出器Ａから入力された溶接電圧、溶接電流に基づいてアークインピーダンスすなわち溶接電圧／溶接電流およびその時間微分信号を求める演算手段１０５と、アークインピーダンスの時間微分信号を溶滴離脱が生じると判断される基準値を閾値として弁別する弁別手段１０６とを有しており、前記時間微分信号が閾値を超えるとき溶滴離脱信号が出力される。前記溶接電源波形制御部１０３は、設定された電源波形となるように溶接電源波形を制御し、前記溶滴離脱信号によって溶滴離脱前後の波形を切り換える。
【００２０】
本発明では、溶滴離脱信号をアークインピーダンスの時間微分信号に基づいて生成させるところが特徴的である。溶接電流あるいは溶接電圧の単独信号ではなく、溶滴離脱に伴う溶接アークのインピーダンス変化に基づいて溶滴離脱信号を生成することで、実際の溶滴離脱のタイミングを的確に捉えることができる。
すなわち、溶滴離脱に伴うアーク状態の大きな変動は、溶接電流あるいは溶接電圧の波形変化として現れるが、アーク状態の変化をより直接的にモニタリングすることができるアークインピーダンスの時間微分を取ることにより、アーク状態の変化を大きな信号変化として見出すことができる。しかも、真にアーク変化に起因する信号を取り出すことができるため、例えば電源ノイズが付加された場合、溶接電圧の変化に比してアークインピーダンスの変化は軽減されるため、電源ノイズが付加された際のアークインピーダンスの時間微分信号と真の溶滴離脱に基づく前記時間微分信号との区別が容易になり、前記弁別手段の閾値を調整することにより、電源ノイズが付加された際に溶滴離脱信号の出力を抑制し、真の溶滴離脱に基づく溶滴離脱信号を出力することができる。電源出力の波形を変調してアークインピーダンスを得る手法は数々考えられるが、本発明ではアークインピーダンスの直流成分すなわち溶接電圧／溶接電流をモニタリングするので、特殊なプローブ波形を用いる必要がなく、簡便に溶滴移行検出を実施することができる。
【００２１】
図２は、定電圧制御の溶接電源装置を使用した場合のアークインピーダンス（溶接電圧／溶接電流）の時間微分信号波形を示したものであり、前記図１７で示された電源ノイズに起因する擬パルスが除去され、実際の溶滴離脱タイミング近傍にのみパルス状の急峻なアークインピーダンス時間微分信号が生じている。これより、電源ノイズが起因の擬パルスのほとんどは、溶接電圧／溶接電流の信号処理の過程で除去されていることがわかる。これは、アークインピーダンスの直流成分変化が電源ノイズに左右されないことに基づくものである。
【００２２】
ところで、溶滴の離脱が生じたとき、図２および離脱部分を拡大した図３から観察されるように、溶接電圧／溶接電流の微分信号波形には一回の溶滴離脱に伴い数回のパルス状信号が発生することが観察される。これは、溶滴の離脱に伴い、溶滴下部と溶融池の間でアーク点が激しく位置を変えることによって生じる現象で、電気接点のスイッチに見られるチャタリングに似ている。このようなチャタリングは、溶滴離脱検出において移行回数を過大評価する原因となる。チャタリングの発生は、次の溶滴移行までの間の時間間隔に比べて非常に短い時間間隔内にその発生が集中している。このことからこのチャタリングによる溶滴離脱の誤認識は、平均溶滴移行間隔に比べて小さな一定の時間内に生じる溶滴離脱信号を真の溶滴離脱信号として処理しないようにする不感処理を行うことで回避できる。前記平均溶滴移行間隔は、予め所定の材料や溶接条件の組合せに応じて測定して算出した、実際の溶滴移行間隔の時間平均である。
【００２３】
このため、図１に示すように、溶接電源制御装置１０１に前記不感処理を行う不感処理手段１０８を付設するようにすることが好ましい。不感処理手段１０８としては、溶滴離脱の際の初回の溶滴離脱信号を受けた後、チャタリングによって生じた見かけの溶滴離脱信号が入力されないように、溶接電源波形制御部１０３と溶滴移行検出部１０２との間に開閉ゲート１０９を設け、これを開閉制御部１１０の制御により所定の時間（不感時間という。）の間、閉鎖するようにすればよい。前記不感時間は、タイマーにより不感時間を直接的に設定してもよく、および／または溶滴形成と移行までに投入される積算電力に比べて小さな一定基準値である不感積算電力を用いて間接的に設定してもよい。なお、不感時間として不感積算電力を用いるときは、計測手段としては溶接電力を時間積分する積分器を使用することができる。
【００２４】
前記アークインピーダンスの時間微分信号は、アークインピーダンス（溶接電圧／溶接電流）を演算する除算器や、アークインピーダンス信号を微分する微分器からなるアナログ回路によって得ることができる。また、適当な周期で溶接電流、溶接電圧をサンプリングし、間欠的に溶接電流／溶接電圧を求め、サンプリング間隔の前後におけるアークインピーダンス信号の差分を前記間隔で除すことによって得られる変化値をアークインピーダンスの時間微分信号とすることができる。サンプリングにより、高周波の電源ノイズ（例えばパルス的なインバーターのスイッチングノイズなど）を適当な値のサンプリング周波数を設定することによって容易に排除することができ、またデジタル情報として記録容易になり、コンピュータなどによってインテリジェント制御を行う場合に便利である。もっとも、電源ノイズを除去するために、適宜のノイズフィルターを用いることができる。
【００２５】
図４は１．２φＣｕメッキソリッドワイヤを用いて炭酸ガスシールドアーク溶接を行った際のサンプリングによって得た溶接電圧／溶接電流の信号波形を示す。溶接電圧、溶接電流はＡＤ変換器を用い、サンプリング周波数２５ｋＨｚでサンプリングしたものである。前記溶接電圧／溶接電流のサンプリング間隔の前後の差分を求め、この差分をサンプリング間隔で除して得られた時間微分信号波形を図５に示す。この時間微分信号に閾値＝２００Ω／sec のディスクリミネートを設定し、さらに初回の溶滴離脱信号を受けてから１００ジュールの積算電力に至るまでの時間を不感時間として溶滴の離脱を検出した溶滴離脱信号列を図６の下段に示す。図６の上段には、前記溶接電圧／溶接電流の波形、および高速度カメラで観察された実際の溶滴の移行タイミングが縦の破線で示されている。図６より、溶滴移行検出部１０２により得られた溶滴離脱信号は、いくつかのエキストラパルスがなお残留しているものの、これまでの溶接電流あるいは溶接電圧を単独で微分して得られた信号に対して格段に検出精度が高まっていることがわかる。
【００２６】
次に、実施例を用いて本発明をより具体的に説明するが、本発明は実施例によって限定的に解釈されるものではない。例えば、本発明にかかる溶滴移行検出部、溶接電源波形制御部は、溶接電圧、溶接電流をＡＤ変換し、得られたデジタル信号をコンピューターによって処理することで実現することができる。
【００２７】
【実施例】
〔実施例１〕
図７は実施例にかかる消耗電極ガスシールドパルスアーク溶接装置の全体構成を示す機能ブロック図であり、この溶接装置はスプール１２２に巻き取られた消耗電極ワイヤＷが送給モータ１２３により送給されるとともに図示省略した炭酸ガス源からシールドガスが供給される溶接トーチ１２１と、前記消耗電極ワイヤＷと母材Ｍとの間に電気的に接続され、溶接電力を供給する溶接電源装置１１１と、前記溶接電源装置１１１の電源波形を制御する溶接電源制御装置１０１とを備えている。なお、溶接電源装置、溶接電源制御装置は図１に記載のものと同機能を有するので、同符号が付されている。
【００２８】
前記ワイヤＷは送給モータ１２３で駆動されるワイヤ送給ローラによって溶接トーチ１２１に向けて送給され、ワイヤＷと母材Ｍ間にアーク放電を発生させて溶接が行われる。送給モータ制御回路１２４は、溶接電源制御装置１０１に付設された出力設定器１９が設定するワイヤ送給速度に基づき送給モータ１２３の回転速度を制御する。
【００２９】
前記溶接電源装置１１１は、商用３相交流電力を溶接用電力に変換するものであり、溶接トーチ１２１と母材Ｍとの間に導通接続される。工場内に設けられた３相交流電力供給部から供給される交流電流は、第１整流回路２で直流に整流され、平滑用コンデンサ３により平滑される。この直流電流は、インバータ４によって高周波交流電流に変換され、インバータ４の出力はトランス５によって溶接用電圧に降圧される。トランス５から出力される高周波交流電流は第２整流回路６により溶接用直流電流に整流され、この溶接用電流は平滑用のリアクトル７を介して溶接ワイヤＷと母材Ｍとに供給されて、アーク溶接が行われる。
【００３０】
前記溶接電源制御装置１０１は、アーク電圧を検出するための電圧検出器８、溶接電流を検出するための電流検出器９を備えている。前記電圧検出器８の出力（溶接電圧）および電流検出器９の出力（溶接電流）はインバーター制御部１８および溶接電圧／溶接電流を出力する除算器２６、および電力乗算器２９に与えられる。
【００３１】
また、前記溶接電源制御装置１０１の出力制御部１７は、波形設定器１５により設定される溶接電流波形が溶接電源装置１１１から出力されるように、波形生成器１６からの波形生成信号を受けて、インバータ４を制御する。また、前記波形生成器１６は、溶滴移行検出部１０２によって溶滴がワイヤ先端部から離脱したことを検出したときに出力される溶滴離脱信号を受けて動作するパルストリガ回路２１からのトリガ信号により溶滴離脱後の溶接電流波形の切り換え制御を行う。
前記波形設定器１５によって設定される溶接電流波形としては、例えば図８（Ａ）に示すように、溶滴の離脱を促すピーク電流Ｐと、溶滴離脱後に溶滴の形成を行うベース電流Ｂとを交互に繰り返す方形波形とすることができる。この場合、波形生成器１６は溶滴離脱信号によってピーク電流波形をベース電流波形に切り換える。また、図８（Ｂ）に示すように、溶滴の離脱を促す第１ピーク電流Ｐ１と、溶滴離脱後に第１ピーク電流より低い電流値で溶滴の形成を促進する第２ピーク電流Ｐ２と、溶滴の形状整形を行うベース電流Ｂとを交互に繰り返す多段波形とすることができる。この多段波形の場合、波形生成器１６は溶滴離脱信号によって第１ピーク電流Ｐ１を第２ピーク電流Ｐ２に切り換える。
【００３２】
前記溶滴移行検出部１０２は、前記電流検出器８と電圧検出器９の出力を入力とし、そのアークインピーダンス（溶接電圧／溶接電流）を出力する除算器２６と、その出力を微分する微分器２５と、微分器２５からのアナログパルス状出力信号を、溶滴離脱の発生レベルに設定した閾値によって弁別し、低レベルのノイズを除去するディスクリミネーター２４と、ディスクリミネーター２４からの出力信号を整形し、閾値を超えたパルス状出力信号に対して溶滴離脱信号（１−０信号）を出力する波形整形器２３を備える。前記波形整形器２３から出力された溶滴離脱信号は、ゲート２２を経てパルストリガ２１およびリセットトリガ２７に入力される。前記ディスクリミネーター２４の閥値は、検出レベル設定器１４により設定される。なお、後述のスパッタ発生量の測定に際しては、前記ディスクリミネーター２４および波形整形器２３として、汎用のシングルチャンネルパルスハイトアナライザを使用した。
【００３３】
一方、電力乗算器２９で乗算された溶接投入電力は、積分器２８により積算され積算電力として出力される。積分器２８の積算投入電力の値は、前記溶滴移行検出部１０２から出力される溶滴離脱信号に基づいてリセットトリガ２７から出力されるリセット信号によりリセットされた後、積算が開始される。積分器２８からの積算電力信号は、比較器３０によって不感積算電力設定器１２によりあらかじめ設定された電力との比較がなされ、所定の積算電力に達した後にゲート２２へゲート開放信号を出力し、溶滴離脱信号を溶滴移行検出部１０２からパルストリガ２１、リセットトリガ２７へ伝達可能にする。これによって、不感積算電力値に達しない間に検出されたチヤタリングに伴う見かけの溶滴離脱信号の伝達が遮断され、一回の溶滴移行あたり一個の溶滴離脱信号が波形生成器１６に伝達され、ここで溶滴離脱後の電流波形が生成され、出力制御部１７を介してインバータ４が制御される。
【００３４】
また、ゲート２２の制御は、不感時間設定器１３によってもなされ、初回の溶滴離脱信号がパルストリガ回路２１に入力された後、設定された不感時間の間、ゲート２２が閉鎖される。また、前記多段波形により溶接電源波形を制御する場合、第１ピーク電流と第２ピーク電流とを流すピーク期間ＰＴのみに溶滴移行検出を制限できるように、電流波形の出力レベルに応じて波形生成器１６よりゲート２２に開閉信号が出力され、ゲート２２が開閉される。
【００３５】
上記溶接電源制御装置を備えた溶接装置を使用して、消耗電極ワイヤとしてφ１．２ｍｍＣｕメッキソリッドワイヤ（銘柄ＭＩＸ−５０Ｓ：神戸製鋼所製）を用い、シールドガスとして炭酸ガスを用いて、ガスシールドパルスアーク溶接を行い、スパッタ発生量を調べた。
【００３６】
また、比較のため、溶接電源制御装置の溶滴移行検出部として、アークインピーダンス変化を比較例Ａ：電圧レベル変化、比較例Ｂ：電圧波形の時間微分変化で捉え、これらの値に基づいて溶滴離脱信号を出力する従来の溶滴移行検出部を備えた溶接電源制御装置を備えた溶接装置により、実施例と同様の条件でガスシールドパルスアーク溶接を行った場合についてもスパッタ発生量を調査した。
比較のために用いた溶接電圧レベル変化による溶滴移行検出部は、図９に示すように、基準電圧を設定する検出レベル設定器４１と、電圧検出器から入力された溶接電圧と基準電圧との差分を出力する減算器４２と、差分波形がゼロとなる時点でゼロクロス信号を出力するゼロクロス検知器４３と、前記ゼロクロス信号を受けて溶滴離脱信号を出力する波形整形器４４とで構成されている。また、電圧波形の時間微分値を用いる場合は、検出レベル設定器によって溶接電圧の時間微分信号の基準値を設定するとともに、溶接電圧を微分する微分器を設け、微分器から出力される微分信号を前記減算器４２に入力するようにした。
【００３７】
スパッタ発生量の測定は、図１０に示すように、母材Ｍの長さ方向に沿って溶接トーチ１２１を移動させ、その上面にビードオンプレート溶接を行い、溶接部から全方向に飛び散ったスパッタを収集するように母材Ｍの溶接部を取り囲むように捕集箱１３１，１３１を付設し、捕集箱に収集されたスパッタ量を測定することにより行われた。
【００３８】
溶接条件は実施例、比較例とも、シールドガス流量：２５リットル／分、ワイヤ送り速度：１０ｍ／min、ワイヤ突き出し長さ：２０mmとした。また、溶接電流の波形制御は、電流波形が図８（Ａ）の方形波形となるようにした。この場合、ピーク電流：３８０Ａ、ベース電流：１５０Ａ×５msecとした。
【００３９】
また、溶滴移行検出条件に関して、検出レベルの設定については、比較例ではスパッタ発生量が最低値を取る値、すなわち比較例Ａでは４２Ｖに、比較例Ｂでは５００Ｖ／sec に設定した。一方、実施例では不感積算電力を１００Ｊに設定し、ディスクリミネーターレベルを変化させてスパッタ発生量を調べた。このときの溶滴移行検出部のアナログ回路（除算器、微分器）のカットオフ周波数は１００ｋＨｚとした。また前記除算器、微分器の演算回路の必要応答速度を調べるため、微分器の時定数を十分高い０．０２msecに設定し、種々のカットオフ周波数をもつ除算器を用いて溶滴移行検出の安定性を調べた。
【００４０】
図１１に実施例の溶滴移行検出部のディスクリミネーターレベルとスパッタ発生量との関係を示す。また、参考として比較例による溶滴移行検出結果を図中に併せて示す。同図から、ディスクリミネーターレベルを低下させると、実際の溶滴移行に伴う溶滴離脱信号以外のエキストラパルスを多く検出してしまうようになり、スパッタが増加している。これとは逆にディスクリミネーターレベルを増大させると、ノイズによるエキストラパルスは除去されるものの、実際の溶滴移行に伴う信号も見逃してしまうためにスパッタが増加している。本実施例の条件ではディスクリミネーターレベルとして２００〜５００Ω／sec が適当であり、かかるディスクリミネーターレベルに設定することで、実施例では従来の溶滴移行検出を行った比較例に比してスパッタ量を大幅に低下できることがわかる。
【００４１】
一方、ディスクリミネーターレベルを２００Ω／sec に固定し、溶滴移行検部のアナログ回路（除算器、微分器）のカットオフ周波数の影響を調べた結果を図１２に示す。図１２より、アナログ回路の通過特性としてカットオフ周波数を１０ｋＨｚ以上にすることにより安定なスパッタ低減効果が得られることがわかる。
【００４２】
〔実施例２〕
前記実施例１と同様の溶接装置、消耗電極ワイヤを用いて、Ａｒガスと炭酸ガスとの混合ガス（流量：２５リットル／分）をシールドガスとしてシールドガスパルスアーク溶接を行い、スパッタ発生量を調べた。また、比較例として、前記電圧波形を微分して得られる時間微分信号に基づいて溶滴離脱信号を出力する溶滴移行検出部を備えた溶接電源制御装置を用いて溶滴移行検出を行い、同様の条件でシールドガスパルスアーク溶接を行った。
【００４３】
スパッタ量は実施例１と同様にして測定した。また、溶接電流波形は、実施例および比較例とも、図８（Ｂ）の多段波形となるように制御した。この際、第１ピーク電流Ｐ１：４８０Ａ、第２ピーク電流Ｐ２：３３０Ａ、ピーク時間ＰＴ：１３msec、ベース電流：１１０Ａ、ベース電流供給時間：１５msecとした。
【００４４】
また、溶滴移行検出レベルは、比較例ではスパッタ発生量が最低値を取る８００Ｖ／sec に設定した。実施例では、ディスクリミネーターレベルを変化させて溶接を行った。このときの除算器、微分器のアナログ回路のカットオフ周波数は１００ｋＨｚとした。また実施例では、不感積算電力を７０Ｊに設定し、ベース電流供給期間中はゲートを閉鎖し、ピーク電流の供給開始と同時にゲートを開放し溶滴移行検出を行うようにした。
【００４５】
図１３に実施例におけるディスクリミネーターレベルとスパッタ発生量との関係を示す。図中には、電圧変化を移行検出データとして処理した比較例のスパッタ発生量も併記した。実施例の条件ではディスクリミネーターレベルとして２００〜６００Ω／sec を設定することで、従来の溶滴移行検出に比してスパッタ量を大幅に低下させ得ることがわかる。
【００４６】
〔実施例３〕
サンプリングにより求めたアークインピーダンスの差分の時間微分信号に基づいて溶滴離脱信号を出力する溶滴移行検出部を有する溶接電源制御装置を備えた溶接装置を使用して炭酸ガスシールドパルスアーク溶接を行い、スパッタ発生量を調べた。
【００４７】
この溶接電源制御装置は、図７の装置と溶滴移行検出部が異なるので、この点について説明する。図１４は本実施例で使用した溶滴移行検出部１０２のブロック図であり、除算器２６、差分検出微分器２５Ａ、ディスクリミネーター２４、波形整形器２３からなり、前記差分検出微分器２５Ａの他の構成は図７と同様であるので、同符号を付している。
【００４８】
前記差分検出微分器２５Ａは、除算器２６からのアークインピーダンス信号と、この信号をサンプリング間隔（サンプリング周波数の逆数時間）遅延させる遅延回路３２を介して入力された遅延アークインピーダンス信号とを減算し、差分信号を出力する減算器３３と、サンプリング間隔を設定するサンプリング周波数設定器３４と、前記減算器３３からの差分信号をサンプリングタイミング毎にパルス発生器３５からの開閉信号により開閉するゲート３６と、ゲート開放時にゲート３６から出力された差分信号をサンプリング間隔時間で除す除算器３７とによって構成されている。この差分微分器２５Ａによって、除算器２６から入力された溶接電圧／溶接電流の差分を得て、この差分の時間変化率すなわちアークインピーダンスの時間微分信号がディスクリミネーター２４に出力され、所定の閾値と比較され、波形整形器２３から溶滴離脱信号が出力される。この溶滴移行検出部２５Ａでは、アークインピーダンスを離散的にサンプリングして、その差分を取ることにより、パルス的に発生する高周波のノイズに対してマスクをかけ、かつ、溶滴の移行に伴うインピーダンスの時間変化を検知することが可能になる。
【００４９】
サンプリング周波数を種々設定し、サンプリング周波数ごとにスパッタ量が最少量になる様にディスクリミネートレベルを調整し、得られたスパッタ発生量のサンプリング周波数依存性を調べた。その結果を図１５に示す。図１５より、サンプリング周波数が１００Ｈｚでは極端にスパッタ発生量が増加するが、サンプリング周波数を１ｋＨｚ以上に高めることにより、優れたスパッタ抑制効果が得られることがわかる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、消耗電極ガスシールドアーク溶接において、溶滴離脱の判断の基礎となるデータとしてアークインピーダンス（溶接電圧／溶接電流）の時間微分信号を用いるので、電源ノイズの影響を受け難くなり、簡単な構成により実際の溶滴移行タイミングを的確に検出することができ、これによって溶接電源波形を適正に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる溶接電源制御装置および溶接電源装置の機能ブロック図である。
【図２】アークインピーダンス（溶接電圧／溶接電流）の時間微分信号の波形図である。
【図３】アークインピーダンスの時間微分信号波形のチャタリング部の部分拡大図である。
【図４】サンプリングによって求めたアークインピーダンス信号の波形図である。
【図５】図４で示されたアークインピーダンスの時間微分信号の波形図である。
【図６】アークインピーダンス信号波形図（上段）およびその時間微分信号に基づいて検出された溶滴離脱信号の出力図（下段）である。
【図７】実施例にかかる溶接電源制御装置を備えた消耗電極ガスシールドアーク溶接装置の全体機能ブロック図である。
【図８】溶接電流波形制御における設定電流波形の２例を示す波形図である。
【図９】従来の電圧変化に基づく溶滴移行検出部の機能ブロック図である。
【図１０】実施例にかかるビードオンプレート溶接要領およびスパッタ捕集要領の説明図である。
【図１１】実施例１におけるディスクリミネーターレベルとスパッタ発生量との関係を示すグラフである。
【図１２】実施例１におけるアナログ回路のカットオフ周波数とスパッタ発生量との関係を示すグラフである。
【図１３】実施例２におけるディスクリミネーターレベルとスパッタ発生量との関係を示すグラフである。
【図１４】実施例３で使用した溶滴移行検出部の機能ブロック図である。
【図１５】実施例３におけるサンプリング周波数とスパッタ発生量との関係を示すグラフである。
【図１６】定電圧制御の溶接電源を使用して消耗電極ガスシールドアーク溶接を行った際の溶接電圧、溶接電流を示す波形図である。
【図１７】図１６の溶接電圧を時間微分して得られた溶接電圧時間微分信号の波形図である。
【符号の説明】
１０１  溶接電源制御装置
１０２  溶滴移行検出部
１０３  溶接電源波形制御部
１０５  演算手段
１０６  弁別手段
１０８  不感処理手段
１１１  溶接電源装置
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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