(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力回路中にリアクタを備える外部特性が略定電圧特性の直流溶接電源を用い、予め定める平均出力電圧を維持するようにして、パルス電圧を出力するパルス期間と、前記パルス電圧よりも低い電圧のベース電圧を出力するベース期間とを交互に繰り返す溶極式ガスシールドアーク溶接方法において、
前記パルス電圧と、前記パルス期間と、前記ベース期間とを予め定める値に固定し、前記ベース電圧の値を前記パルス電圧、前記パルス期間、前記ベース期間及び予め定めた前記平均出力電圧に基づいて設定し、
前記リアクタのリアクタンスの値を、パルス期間および溶接ワイヤと母材とが短絡する短絡期間は小さくし、その他の期間は大きくすることを特徴とする溶極式ガスシールドアーク溶接方法。
【請求項２】
溶接ワイヤと母材との短絡を検出する検出手段と、出力回路中にリアクタとを備え、外部特性が略定電圧特性の直流の溶極式ガスシールドアーク溶接電源において、
前記リアクタを同一の鉄心に巻きつけた第１のコイルと第１のコイルよりも巻数が多い第２のコイルとで構成すると共に、前記第１のコイルと前記第２のコイルを発生する磁束の方向が同一になるようにして前記出力回路に接続しておき、パルス電圧を出力するパルス期間と前記パルス電圧よりも低い電圧のベース電圧を出力するベース期間とを予め定める平均出力電圧を維持するようにして交互に繰り返して溶接する場合、前記パルス期間および溶接ワイヤと母材との短絡期間は前記第１のコイルを前記出力回路に接続し、その他の期間は前記第２のコイルを出力回路に接続することを特徴とする溶極式ガスシールドアーク溶接電源。
【請求項３】
前記第２のコイルを前記出力回路に常時接続させておき、通電状態の前記第１のコイルが前記第２のコイルに対して逆バイアスする方向に作用するように構成することを特徴とする請求項２に記載の溶極式ガスシールドアーク溶接電源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速溶接や極薄板の溶接を安定に行い、良好な溶接結果を得るための溶極式ガスシールドアーク溶接方法および溶接電源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来の外部特性が略定電圧特性の直流の溶接電源を用いてアーク電圧が高い通常のマグ溶接をしたときの電流波形を示す図である。図中に▼印で示す個所では、溶接ワイヤ（以下、ワイヤという。）と母材との間に短絡が発生しているが、短絡時には溶接電流よりも遥かに大きい短絡電流が流れ、ワイヤ先端の一部がワイヤから離脱することにより、短絡が解消されている。このように、アーク電圧が高い場合には、短絡期間が長くも、短絡が連続して発生することはほとんどなく、アークが不安定になることは少ない。
【０００３】
一方、高速溶接や極薄板の溶接において良好な溶接結果を得るためには、アーク長をできるだけ短く保ち、低アーク電圧で溶接する必要がある。この場合、ワイヤと母材が短絡する頻度が高くなるため、短絡期間を短くしてアークの安定性を確保することが重要となる。
【０００４】
図７は、特公平４−７１６２９号に開示された技術による出力波形図であり、上段は溶接電流波形を、下段はアーク電圧波形を示している。この技術では、出力電流値が所定値以上にある期間が予め定める期間Ｔｓに達するまでは出力電流の変化率を通常値とし、出力電流値が所定値以上にある期間が期間Ｔｓを経過した後は出力電流の変化率を通常より大きくすることにより、低アーク電圧域において生じ易いワイヤと溶融池との短絡に起因するアーク不安定を抑制するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この方法の場合、期間Ｔｓを経過するまでは通常の出力制御を行うため、有効性には限界がある。また、出力電流の変化率を極端に大きくすると出力制御回路が不安定になるため、変化率の上限値にも制約がある。
【０００６】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、高速溶接や極薄板の溶接などに用いられる比較的短いアーク長(低アーク電圧域)の溶接においてもアークが安定で、良好な溶接作業性および溶接結果が得られる溶極式ガスシールドアーク溶接方法および溶接電源を提供するにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項１の発明は、出力回路中にリアクタを備える外部特性が略定電圧特性の直流溶接電源を用い、予め定める平均出力電圧を維持するようにして、パルス電圧を出力するパルス期間と、前記パルス電圧よりも低い電圧のベース電圧を出力するベース期間とを交互に繰り返す溶極式ガスシールドアーク溶接方法において、前記パルス電圧と、前記パルス期間と、前記ベース期間とを予め定める値に固定し、前記ベース電圧の値を前記パルス電圧、前記パルス期間、前記ベース期間及び予め定めた前記平均出力電圧に基づいて設定し、前記リアクタのリアクタンスの値を、パルス期間および溶接ワイヤと母材とが短絡する短絡期間は小さくし、その他の期間は大きくすることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２の発明は、溶接ワイヤと母材との短絡を検出する検出手段と、出力回路中にリアクタとを備え、外部特性が略定電圧特性の直流の溶極式ガスシールドアーク溶接電源において、前記リアクタを同一の鉄心に巻きつけた第１のコイルと第１のコイルよりも巻数が多い第２のコイルとで構成すると共に、前記第１のコイルと前記第２のコイルを発生する磁束の方向が同一になるようにして前記出力回路に接続しておき、パルス電圧を出力するパルス期間と前記パルス電圧よりも低い電圧のベース電圧を出力するベース期間とを予め定める平均出力電圧を維持するようにして交互に繰り返して溶接する場合、前記パルス期間および溶接ワイヤと母材との短絡期間は前記第１のコイルを前記出力回路に接続し、その他の期間は前記第２のコイルを出力回路に接続することを特徴とする。
【０００９】
また、請求項３の発明は、請求項２において、前記第２のコイルを前記出力回路に常時接続させておき、通電状態の前記第１のコイルが前記第２のコイルに対して逆バイアスする方向に作用するように構成することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００１１】
図１は、本発明に係る溶極式ガスシールドアーク溶接電源（以下、溶接電源という。）の構成図である。この溶接電源Ｐは、商用の三相交流電源１の交流電圧を第１の整流回路２で整流し、整流した直流電圧をＩＧＢＴやＦＥＴ等の大電流スイッチング素子で構成されたインバータ回路３で約２０ｋＨｚの高周波交流電圧に変換する。そして、変換した高周波交流電圧を高周波変圧器４で溶接に適した交流電圧に変換し、第２の整流回路５で整流する。第２の整流回路５のプラス側端子は、後述するリアクタ切換制御回路３０により制御されるスイッチ６の共通端子６ｃに、マイナス側端子は母材１０に接続されている。鉄心とコイルとからなるリアクタＬｐとリアクタＬｂは、鉄心７ｃが共通であり、リアクタＬｐを構成するコイル７ａは巻数がＮｐ、リアクタＬｂを構成するコイル７ｂは巻数がＮｂ（ただし、Ｎｂ＞Ｎｐである。）である。そして、コイル７ａは一方の端子をスイッチ６の端子６ａに、他方の端子をローラ８により送り出されるワイヤ９に接続されている。また、コイル７ｂは、溶接電流が流れることにより発生する磁束の方向が、コイル７ａに溶接電流が流れることによりコイル７ａに発生する磁束の方向と同一になるようにして、一方の端子をスイッチ６の端子６ｂに、他方の端子をコイル７ａの他方の端子に接続されている。ワイヤ９と母材１０との間には短絡検出回路１１が接続されている。短絡検出回路１１は、アーク電圧Ｖと予め設定されている判定電圧Ｖｈの大小を比較し、Ｖ≦Ｖｈとなる期間ＴＳはワイヤ９と母材１０とが短絡したと判定して短絡信号をリアクタ切換制御回路３０に出力する。
【００１２】
制御回路２０には、高電圧のパルス電圧Ｖｐを設定するためのＶｐ設定器２１と、パルス電圧Ｖｐを継続させる期間Ｔｐを設定するためのＴｐ設定器２２と、パルス電圧Ｖｐよりも低いベース電圧Ｖｂを継続させる期間Ｔｂを設定するためのＴｂ設定器２３と、ベース電圧Ｖｂを設定するＶｂ演算装置２４とが接続されている。そして、制御回路２０は、外部特性が略定電圧特性になるようにして、パルス電圧Ｖｐの期間Ｔｐとベース電圧Ｖｂの期間Ｔｂを交互に繰り返すようにインバータ回路３を制御する。
【００１３】
Ｖｂ演算装置２４には、Ｖｐ設定器２１と、Ｔｐ設定器２２と、Ｔｂ設定器２３と、アーク電圧Ｖ（ワイヤ９と母材１０の間の電圧）の平均値である平均アーク電圧Ｖａｖの値を指令するためのＶａｖ設定器２５が接続されている。そして、Ｖｂ演算装置２４は、Ｖｐ設定器２１、Ｔｐ設定器２２およびＴｂ設定器２３でそれぞれ設定された値に応じて、アーク電圧Ｖの平均値がＶａｖ設定器２５で指令された指令値Ｖａｖに一致するように、ベース電圧Ｖｂを
Ｖｂ＝｛Ｖａｖ（Ｔｐ＋Ｔｂ）−ＶｐＴｐ｝／Ｔｂ
として演算し、演算した値を制御回路２０に入力する。
【００１４】
リアクタ切換制御回路３０は、制御回路２０と短絡検出回路１１に接続され、スイッチ６を切り換える。
【００１５】
ワイヤ送給速度制御装置４０は、溶接電流設定器４１で設定される溶接電流値（平均値）に応じた一定の速度でワイヤ９を送り出す。
【００１６】
次に、本実施の形態の動作を説明する。
【００１７】
溶接時、ワイヤ９は溶接電流設定器４１で設定された値で定速度送給される。制御回路２０は、外部特性が略定電圧特性になるようにして、パルス電圧Ｖｐの期間Ｔｐとベース電圧Ｖｂの期間Ｔｂを交互に繰り返すようにインバータ回路３を制御し、リアクタ切換制御回路３０は期間Ｔｐおよび短絡信号が出力される期間ＴＳには共通端子６ｃと端子６ａを接続し、その他の期間は共通端子６ｃと端子６ｂを接続する。
【００１８】
図２は本発明に係る出力波形図であり、上段は溶接電流波形を、下段はアーク電圧波形を示している。期間Ｔｂが終了して、期間Ｔｐに移行する際、リアクタＬｂに蓄えられていたエネルギがリアクタＬｐ側へ変換され、出力回路すなわちワイヤ９と母材１０との間には、溶接電流として両者のアンペアターンが等しくなるような過渡電流Ｉｐｔが流れる。この結果、出力回路に流れる電流は、ベース電圧Ｖｂによって通電されていた電流値Ｉｂから過渡電流値Ｉｐｔ（Ｉｐｔ＝Ｎｂ・Ｉｂ／Ｎｐ。ただし、Ｎｐはコイル７ａの巻数、Ｎｂはコイル７ｂの巻数である。）まで急激に増加し、その後漸増してパルス電圧Ｖｐによって決まる電流値Ｉｐになる。
【００１９】
また、期間Ｔｐが終了して、期間Ｔｂに移行する際、リアクタＬｂに蓄えられるエネルギがリアクタＬｐ側へ変換され、出力回路には、溶接電流として両者のアンペアターンが等しくなるような過渡電流Ｉｂｔが流れる。この結果、出力回路に流れる電流は、パルス電圧Ｖｐによって通電されていた電流値Ｉｐから過渡電流値Ｉｂｔ（Ｉｂｔ＝Ｎｐ・Ｉｐ／Ｎｂ）まで急激に減少し、その後徐々にベース電圧Ｖｂによって決まる電流値Ｉｂになる。
【００２０】
そして、期間Ｔｂ中に短絡が発生した時も、溶接電流は上記と同様の挙動を示し、短絡が生じている期間ＴＳでは、上述のパルス電流波形に類似した、矩形波に極めて近いパルス状の電流が出力回路に供給される。
【００２１】
図３は、本発明により板厚２．３ｍｍのＳＰＣＣ材の重ねすみ肉継手を溶接したときの実際の出力波形図であり、上段は溶接電流波形を、下段はアーク電圧波形を示している。なお、溶接電流は４００Ａ、パルス電圧Ｖｐは４５Ｖ、期間Ｔｐは０．９ｍｓ、期間Ｔｂは２．５ｍｓ、平均アーク電圧Ｖａｖは３０Ｖ、溶接速度は２．５ｍ／ｍｉｎ、ワイヤは１．２ｍｍのＪＩＳ  ＹＧＷ１１ワイヤ、シールドガスは炭酸ガス１００％である。
【００２２】
同図中に▼印で示す個所では、ワイヤ９の先端に形成された溶滴と母材１０上に形成された溶融池との間に短絡が発生しているが、短絡に起因する溶接電流の増加は少なく、ほぼ均一な溶接電流であった。この結果、短絡に伴うスパッタの発生が極めて少なく、美麗なビード外観が得られた。また、１ｍｍ程度のルートギャップが存在しても、良好な溶接結果が得られることを確認できた。
【００２３】
図４は、本発明により板厚０．５ｍｍのＳＵＳ３０４材の重ねすみ肉継手を溶接したときの実際の溶接電流波形を示す図であり、溶接電流は４５Ａ、パルス電圧Ｖｐは３８Ｖ、期間Ｔｐは１．０ｍｓ、期間Ｔｂは３．０ｍｓ、平均アーク電圧Ｖａｖは１６Ｖ、溶接速度８００ｍｍ／ｍｉｎ、ワイヤは０．６ｍｍのＳＵＳ３０８ワイヤ、シールドガスはＡｒ＋５％Ｏ２である。
【００２４】
同図中に▼印で示す個所が短絡の発生個所であり、短絡の発生に伴う溶接電流の増加が多少認められるが、例えば上記図６の場合に比べて短絡時間、短絡周期共にかなり短くなっており、ワイヤ先端に形成される溶滴が比較的小粒で短絡移行していることが推察される。この結果、短絡およびその解放によって溶融池に加えられる圧力や振動などが低減され、板厚０．５ｍｍという極薄板であるにもかかわらず、溶落ちや穴明きがない良好な溶接結果が得ることができた。
【００２５】
この実施の形態では、リアクタＬｐとリアクタＬｂの鉄心を同一とし、発生する磁束の方向が同一になるようにして出力回路に接続したから、リアクタＬｐとリアクタＬｂの電磁的結合を密にすることができる。
【００２６】
なお、上記では鉄心７ｃに対してコイル７ａとコイル７ｂを別々に巻きつけるようにしたが、１個のコイルに中間端子を設けておき、コイル７ａを一方の端子から中間端子までとし、コイル７ｂを一方の端子から他方の端子までとするように構成してもよい。
【００２７】
また、図１に破線で示すように、ワイヤ送給速度を示すワイヤ送給制御回路３１からの信号とワイヤ径や材質などに応じて決まる所定の関数に基づいて、アーク電圧設定器２５の設定を自動的に実行するように構成すると、溶接条件設定の一元化が可能となり、溶接装置の取扱いをより容易にすることができる。
【００２８】
図５は、本発明に係る他の溶接電源の構成およびその接続図であり、図１と同じものまたは機能が同一のものは同一の符号を付して説明を省略する。
【００２９】
高周波変圧器５０の二次側には中間タップＫが設けてある。整流回路５１は４個のダイオード５１ａ〜５１ｄで構成されている。そして、整流回路５１のプラス側の一方の端子５２ｐはスイッチング素子５３を介してコイル７ａの一方の端子に接続されており、他方の端子５２ｂはコイル７ｂの一方の端子に接続されている。スイッチング素子５３はリアクタ切換制御回路３０によりオンオフ制御される。また、５４は溶接トーチである。
【００３０】
次に、この実施の形態の動作を説明する。
【００３１】
溶接時、ワイヤ９は溶接電流設定器４１で設定された値で定速度送給される。制御回路２０は、外部特性が略定電圧特性になるようにして、パルス電圧Ｖｐの期間Ｔｐとベース電圧Ｖｂの期間Ｔｂを交互に繰り返すようにインバータ回路３を制御し、リアクタ切換制御回路３０は期間Ｔｐおよび短絡信号が出力される期間ＴＳにはスイッチング素子５３をオンし、その他の期間はスイッチング素子５３をオフする。スイッチング素子５３がオンされてコイル７ａに通電が開始されると、コイル７ａに発生する電圧が逆バイアスする方向に作用する結果、コイル７ｂには電流が流れない。したがって、端子５２ｂとコイル７ｂを接続する回路を遮断する装置を設けなくても、スイッチング素子５３をオンするだけで、コイル７ｂ側の回路を遮断することができ、スイッチング素子５３をオフすることにより溶接電流をコイル７ｂに流すことができる。なお、スイッチング素子５３以外の動作は上記図１に示した実施の形態の場合と実質的に同一であるため説明を省略するが、上記図１の場合と同様の効果を得ることができる。
【００３２】
なお、この実施の形態の場合も、図中に破線で示すように、ワイヤ送給速度を示すワイヤ送給制御回路３１からの信号とワイヤ径や材質などに応じて決まる所定の関数に基づいて、アーク電圧設定器２５の設定を自動的に実行するように構成すると、溶接条件設定の一元化が可能となり、溶接装置の取扱いをより容易にすることができる。
【００３３】
また、上記ではいずれも期間Ｔｂに短絡が生じる場合について説明したが、ベース電圧Ｖｂを短絡が発生しないアーク電圧に設定して溶接をする場合にも本発明を適用できることは言うまでもない。そして、ベース電圧値をかなり高く設定する大電流域では、大きいベース電流が通電されるから、アークの指向性・硬直性が一層強められると共に母材への入熱が増加し、従来よりも深い溶込みを得ることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、電磁的な結合が極めて良好で巻数が異なる２つの直流リアクタを用い、パルス期間中および短絡発生期間中は巻数が少ないリアクタに通電し、短絡が生じていないベース期間中は巻数が多いリアクタへ通電することにより、通電遮断側のリアクタに蓄えられているエネルギを通電開始側となる他方のリアクタに変換するから、パルス期間および短絡発生期間の開始時および終了時の電流の変化率を大きくでき、ほぼ矩形波状のパルス電流を供給することができる。したがって、パルス電流値およびパルス電流期間を必要最小限の大きさにすることができるだけでなく、短絡電流通電期間も短くすることができ、溶滴移行の規則性が向上し、スパッタ発生量の低減および短絡に起因するアーク不安定の抑制を図ることができる。また、アーク電圧を低くしても安定なアーク状態を維持することができるから、溶接速度の高速化だけでなく、極薄板の溶接およびルートギャップが大きい場合の溶接が容易になる。また、ベース電圧によって平均アーク電圧を変化させるようにしたから、高いベース電圧の設定によって大電流のベース電流が通電されることとなる大電流域では、アークの指向性・硬直性がより一層強化され、ワイヤの抵抗発熱が減少して母材への入熱が増加し、従来よりも深い溶込みを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る溶接電源の構成図である。
【図２】本発明に係る出力波形図であ。
【図３】本発明に係る実際の溶接時の出力波形図である。
【図４】本発明に係る実際の溶接電流波形を示す図である。
【図５】本発明に係る他の溶接電源の構成図である。
【図６】従来の電流波形を示す図である。
【図７】従来の電流波形を示す図である。
【符号の説明】
７ａ  コイル
７ｂ  コイル
７ｃ  鉄心
９  ワイヤ
１０  母材
Ｔｐ  期間
ＴＳ  短絡期間
Ｖｐ  パルス電圧
Ｖｂ  ベース電圧
Ｌｐ  リアクタ
Ｌｂ  リアクタ
【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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