(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
消耗電極と母材との間でアーク発生状態と短絡状態とを繰り返す消耗電極アーク溶接にあって、短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれ現象を消耗電極・母材間の電圧値又は抵抗値の変化がくびれ検出基準値に達したことによって検出し、このくびれ現象を検出すると短絡負荷に通電する溶接電流を急減させて低電流値の状態でアークを再発生させる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、
溶接トーチの前進角が大きくなると、前記くびれ現象検出時点から前記アーク再発生時点までのくびれ検出時間が長くなるようにくびれ検出時間制御を行う、ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
【請求項２】
前記くびれ検出時間制御を、前記前進角が大きくなると前記くびれ検出基準値を小さくすることによって行う、ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
【請求項３】
前記くびれ検出時間を検出し、このくびれ検出時間の検出値がくびれ検出時間設定値と等しくなるようにフィードバック制御によって前記くびれ検出基準値を変化させ、
前記くびれ検出時間制御を、前記前進角が大きくなると前記くびれ検出時間設定値を大きくすることによって行う、ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
【請求項４】
前記前進角が大きくなるのに伴い前記短絡負荷に通電する溶接電流のピーク値が小さくなるように変化させる、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短絡期間中の溶滴のくびれ現象を検出して溶接電流を急減させて溶接品質を向上させるための消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図８は、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを繰り返す消耗電極アーク溶接における電流・電圧波形及び溶滴移行を示す図である。同図（Ａ）は消耗電極（以下、溶接ワイヤ１という）を通電する溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接ワイヤ１・母材２間に印加する溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）〜（Ｅ）は溶滴１ａの移行の様子を示す。以下、同図を参照して説明する。
【０００３】
時刻ｔ１〜ｔ３の短絡期間Ｔｓ中は溶接ワイヤ１先端の溶滴１ａが母材２と短絡した状態にあり、同図（Ａ）に示すように、短絡負荷を通電する溶接電流（短絡電流）Ｉｗは次第に増加し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは短絡状態にあるために数Ｖ程度の低い値となる。この短絡電流の増加傾斜及びピーク値は適正値に制御されている。同図（Ｃ）に示すように、時刻ｔ１において溶滴１ａが母材２と接触して短絡状態に入る。その後、同図（Ｄ）に示すように、溶滴１ａを通電する溶接電流Ｉｗによる電磁的ピンチ力によって溶滴１ａ上部にくびれ１ｂが発生する。そしてこのくびれ１ｂが急速に進行して、時刻ｔ３において同図（Ｅ）に示すように、溶滴１ａは溶接ワイヤ１から溶融池２ａへと移行しアーク３が再発生する。このときにスパッタ１ｃが発生する。
【０００４】
上記のくびれ現象が発生すると、数百μｓ程度の極短時間後に短絡が開放されてアーク３が再発生する。すなわち、このくびれ現象は短絡開放の前兆現象となる。くびれ１ｂが発生すると、溶接電流Ｉｗの通電路がくびれ部分で狭くなるために、くびれ部分の抵抗値が増大する。この抵抗値の増大は、くびれが進行してくびれ部分がより狭くなるほど大きくなる。したがって、短絡期間Ｔｓ中において溶接ワイヤ１・母材２間の抵抗値の変化を検出することでくびれ現象の発生及び進行を検出することができる。この抵抗値の変化は、溶接電圧Ｖｗ／溶接電流Ｉｗによって算出することができる。また、上述したように、くびれ発生時間は極短時間であるために、同図（Ａ）に示すように、この期間中の溶接電流Ｉｗの変化は小さい。このために、抵抗値の変化に代えて溶接電圧Ｖｗの変化によってもくびれ現象の発生を検出することができる。具体的なくびれ検出方法としては、短絡期間Ｔｓ中の抵抗値又は溶接電圧値Ｖｗの変化率（微分値）を算出し、この変化率が予め定めたくびれ検出基準値に達したことによってくびれ検出を行う方法がある。また、他の方法として、同図（Ｂ）に示すように、短絡期間Ｔｓ中のくびれ発生前の安定した短絡電圧値Ｖｓからの電圧上昇値ΔＶを算出し、時刻ｔ２においてこの電圧上昇値ΔＶが予め定めたくびれ検出基準値Ｖtnに達したことによってくびれ検出を行う方法がある。以下の説明では、くびれ検出方法が上記の電圧上昇値ΔＶによる場合について説明するが、従来から種々提案されている他の方法であっても良い。時刻ｔ３のアーク再発生の検出は、溶接電圧Ｖｗが短絡／アーク判別値Ｖta以上になったことを判別して簡単に行うことができる。ちなみに、Ｖｗ＜Ｖtaの期間が短絡期間Ｔｓとなり、Ｖｗ≧Ｖtaの期間がアーク期間Ｔａとなる。時刻ｔ２〜ｔ３のくびれ発生を検出してからアーク再発生までの時間を、以下くびれ検出時間Ｔｎと呼ぶことにする。時刻ｔ３においてアークが再発生すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは急上昇した後になだらかに減少し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数十Ｖ程度のアーク電圧値になる。時刻ｔ３〜ｔ４のアーク期間Ｔａ中は、溶接ワイヤ１先端が溶融されて溶滴１ａが形成される。以後、時刻ｔ１〜ｔ４の期間の動作を繰り返す。
【０００５】
上述した短絡を伴う溶接では、時刻ｔ３においてアーク３が再発生したときのアーク再発生時電流値Ｉａが大電流値であると、アーク３から溶融池２ａへのアーク力が急峻に大きくなり、大量のスパッタ１ｃが発生する。すなわち、アーク再発生時電流値Ｉａの値に略比例してスパッタ１ｃの発生量が増加する。したがって、スパッタ１ｃの発生を抑制するためには、このアーク再発生時電流値Ｉａを小さくする必要がある。このための方法として、上記のくびれ現象の発生を検出して溶接電流Ｉｗを急減させてアーク再発生時電流値Ｉａを小さくするくびれ検出制御方法を付加した溶接電源が従来から種々提案されている。以下、この従来技術（例えば、特許文献１参照）について説明する。
【０００６】
図９は、従来技術のくびれ検出制御方法を採用した溶接装置のブロック図である。溶接電源ＰＳは、一般的な消耗電極アーク溶接用の溶接電源であり、出力電圧Ｖｏ及び溶接電流Ｉｗを出力する。トランジスタＴＲは出力に直列に挿入され、それと並列に抵抗器Ｒが接続されている。溶接ワイヤ１と母材２との間には溶接電圧Ｖｗが印加されており、アーク３が発生する。溶接ワイヤ１の送給機構については図示を省略する。くびれ検出基準値設定回路ＶＴＮは、予め定めたくびれ検出基準値信号Ｖtnを出力する。くびれ検出制御回路ＮＤは、溶接電圧Ｖｗを入力として短絡期間中に溶滴にくびれが発生したことを電圧上昇値ΔＶがくびれ検出基準値信号Ｖtnの値に達したことによって検出するとＨｉｇｈレベルとなるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。駆動回路ＤＲは、このくびれ検出信号ＮｄがＬｏｗレベルのとき（非くびれ検出時）は上記のトランジスタＴＲをオン状態にする駆動信号Ｄｒを出力する。したがって、上記のトランジスタＴＲは、上記のくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルのとき（くびれ検出時）はオフ状態になる。
【０００７】
図１０は、上記の溶接装置の各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗを示し、同図（Ｃ）はくびれ検出信号Ｎｄを示し、同図（Ｄ）は駆動信号Ｄｒを示す。以下、同図を参照して説明する。
【０００８】
同図において、時刻ｔ２〜ｔ３のくびれ検出時間Ｔｎ以外の期間は、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルであるので、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになる。この結果、トランジスタＴＲはオン状態になるので、通常の消耗電極アーク溶接用の溶接電源と同一の動作となる。
【０００９】
時刻ｔ２において、同図（Ｂ）に示すように、短絡期間Ｔｓ中に溶接電圧Ｖｗが上昇して電圧上昇値ΔＶがくびれ検出基準値信号Ｖtnの値以上になったことを検出して溶滴にくびれが発生したと判別すると、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになる。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＬｏｗレベルになるので、トランジスタＴＲはオフ状態になる。この結果、抵抗器Ｒが溶接電流Ｉｗの通電路に挿入される。この抵抗器Ｒの値は短絡負荷（数十mΩ）の１０倍以上大きな値に設定されるために、同図（Ａ）に示すように、溶接電源内の直流リアクトル及びケーブルのリアクトルに蓄積されたエネルギーが急放電されて溶接電流Ｉｗは急激に減少する。時刻ｔ３において、短絡が開放されてアークが再発生すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗが予め定めた短絡／アーク判別値Ｖta以上になる。これを検出して、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルになり、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになる。この結果、トランジスタＴＲはオン状態になり、通常の消耗電極アーク溶接の制御となる。この動作によって、アーク再発生時（時刻ｔ３）のアーク再発生時電流値Ｉａを小さくすることができ、スパッタの発生を抑制することができる。
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−２８１２１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述したように、従来技術のくびれ検出制御方法では、くびれ現象を検出して溶接電流を急減させてアーク再発生時電流値Ｉａを小さくすることによって、スパッタの発生を削減することができる。しかし、溶接トーチの前進角が大きくなると、アーク再発生時のスパッタ発生メカニズムが変化するために、アーク再発生時電流値Ｉａを小さくしただけではスパッタの発生を大幅に削減することはできない。以下、前進角が大きくなったときのスパッタ発生メカニズムについて説明する。
【００１２】
図１１は、前進角θが大きい場合の溶滴移行の様子を示す図である。同図（Ａ）〜（Ｄ）は、上述した図１０と同一である。同図（Ｅ）〜（Ｇ）は、各タイミングにおける溶滴１ａの移行状態を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００１３】
時刻ｔ１において、同図（Ｅ）に示すように、溶接ワイヤ１の先端に形成された溶滴１ａが母材２上の溶融池２ａと接触すると、短絡期間Ｔｓになる。同図（Ｅ）に示すように、溶接トーチ４は前進角θの溶接姿勢になっている。短絡期間Ｔｓになると、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは増加し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは低い値の短絡電圧値になる。
【００１４】
同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗが増加するのに伴って溶滴１ａに電磁的ピンチ力が作用し、同図（Ｆ）に示すように、溶滴１ａの上部にくびれ１ｂが形成される。このくびれ１ｂは、前進角のために短絡している溶滴１ａが傾斜しているので、非対象に形成される。このくびれ１ｂの発生を、同図（Ｂ）に示すように、電圧上昇値ΔＶがくびれ検出基準値信号Ｖtnの値に達したことによって検出すると、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号Ｎｄは時刻ｔ２においてＨｉｇｈレベルになる。これに応動して、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは急減して低い値になる。
【００１５】
同図（Ｆ）に示すように、くびれ１ｂは非対称に進行するために、その進行速度が前進角が小さいとき（くびれ１ｂが略対象に形成されるとき）に比べて遅くなる。この結果、同図（Ｇ）に示すように、溶滴１ａが溶融池２ａに略移行する前にアーク３が再発生することになり、スパッタ１ｃが発生する。すなわち、前進角θが大きくなると、溶滴１ａの移行に要する時間が長くかかるために、くびれ検出時間Ｔｎ中に溶滴１ａが溶融池２ａにまだ十分に以降する前にアーク３が再発生することになり、スパッタ１ｃが発生する。
【００１６】
そこで、本発明は、溶接トーチの前進角が大きい場合でもスパッタの発生を削減することができる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御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】
【００１７】
上述した課題を解決するために、第１の発明は、
消耗電極と母材との間でアーク発生状態と短絡状態とを繰り返す消耗電極アーク溶接にあって、短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれ現象を消耗電極・母材間の電圧値又は抵抗値の変化がくびれ検出基準値に達したことによって検出し、このくびれ現象を検出すると短絡負荷に通電する溶接電流を急減させて低電流値の状態でアークを再発生させる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、
溶接トーチの前進角が大きくなると、前記くびれ現象検出時点から前記アーク再発生時点までのくびれ検出時間が長くなるようにくびれ検出時間制御を行う、ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。
【００１８】
第２の発明は、前記くびれ検出時間制御を、前記前進角が大きくなると前記くびれ検出基準値を小さくすることによって行う、ことを特徴とする第１の発明記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。
【００１９】
第３の発明は、前記くびれ検出時間を検出し、このくびれ検出時間の検出値がくびれ検出時間設定値と等しくなるようにフィードバック制御によって前記くびれ検出基準値を変化させ、
前記くびれ検出時間制御を、前記前進角が大きくなると前記くびれ検出時間設定値を大きくすることによって行う、ことを特徴とする第１の発明記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。
【００２０】
第４の発明は、前記前進角が大きくなるのに伴い前記短絡負荷に通電する溶接電流のピーク値が小さくなるように変化させる、
ことを特徴とする第１〜第３の発明のいずれか１項に記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。
【発明の効果】
【００２１】
上記第１の発明によれば、前進角が大きくなるとくびれ検出時間が長くなるように制御されるので、アークが再発生した直後に溶滴移行が完了することになる。このために、前進角が大きくなってもスパッタの増加を抑制することができる。
【００２２】
上記第２の発明によれば、前進角が大きくなるとくびれ検出基準値を小さくすることによって、くびれ検出時間を長くなるようにしている。これによって、前進角が大きくなってもアークが再発生した直後に溶滴の移行が完了するので、スパッタの発生を削減することができる。
【００２３】
上記第３の発明によれば、前進角が大きくなるとくびれ検出時間設定値を大きくすることによって、くびれ検出時間を長くなるようにしている。これによって、前進角が大きくなってもアークが再発生した直後に溶滴の移行が完了するので、スパッタの発生を削減することができる。
【００２４】
上記第４の発明によれば、前進角が大きくなるのに伴い短絡負荷を通電する溶接電流（短絡電流）のピーク値を小さくすることによって、非対象に進行するくびれ部に過剰な電磁的ピンチ力が作用することを抑制することができる。このために、スパッタの発生をさらに削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２６】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係るくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。同図は上述した図９と対応しており、同一のブロックには同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図９とは異なる点線で示すブロックについて同図を参照して説明する。
【００２７】
前進角設定回路θＲは、予め定めた前進角設定信号θｒを出力する。前進角対応くびれ検出基準値設定回路Ｆθは、この前進角設定信号θｒを入力として予め定めた前進角対応くびれ検出基準値設定関数ｆ（θｒ）によってくびれ検出基準値信号Ｖtnの値を算出して出力する。この前進角対応くびれ検出基準値設定関数Ｖtn＝ｆ（θｒ）については、図２で後述する。この算出されたくびれ検出基準値信号Ｖtnに従ってくびれの検出が行われる。これ以外のブロックについては図９の対応するブロックと同一である。
【００２８】
上記の前進角設定回路θＲは、溶接装置の操作パネルに設定ツマミを設けて、溶接作業者が手動で設定するようにしても良い。また、溶接ロボットを使用する場合には、ティーチペンダントから前進角設定信号θｒを設定するようにしても良い。さらに、ロボットの教示データから前進角を算出して、前進角設定信号θｒを自動設定するようにしても良い。
【００２９】
図２は、上記の前進角対応くびれ検出基準値設定関数Ｖtn＝ｆ（θｒ）を例示する図である。同図の横軸は前進角設定信号θｒを示し、縦軸はくびれ検出基準値信号Ｖtnを示す。以下、同図を参照して説明する。
【００３０】
同図（Ａ）に示すように、関数ｆ（θｒ）の例示１は、前進角設定信号θｒが大きくなるのに伴いくびれ検出基準値信号Ｖtnの値は小さくなる。また、同図（Ｂ）に示すように、関数ｆ（θｒ）の例示２は、前進角設定信号θｒが所定値θｐ未満のときはくびれ検出基準値信号Ｖtnの値を第１所定値に設定し、θｐ以上のときは第１所定値よりも小さな値の第２所定値に設定する。また、同図（Ｃ）に示すように、関数ｆ（θｒ）の例示３は、前進角設定信号θｒの値が大きくなるのに伴いくびれ検出基準値信号Ｖtnの値は小さくなる。さらに、所定値θｐ以上になるとその反比例の傾きを大きくする。
【００３１】
同図（Ｂ）及び同図（Ｃ）において、θｐを設けている理由は、前進角が所定値θｐ以上になるとスパッタの発生が一段と増加するためである。θｐは、例えば３５〜４５程度である。
【００３２】
上述したように、前進角が大きくなると、くびれの形成が非対称になるために、溶滴が完全に溶融池に移行するのに時間がかかるようになる。この移行が完了する前にアークが再発生すると、スパッタが発生することになる。したがって、前進角が大きくなるのに伴いくびれ検出時間Ｔｎが長くなるように制御（くびれ検出時間制御）すれば、アークが再発生した直後に溶滴の移行が略完了するようになり、スパッタの発生を削減することができる。上述した実施の形態１では、このくびれ検出時間制御として、前進角が大きくなるのに伴いくびれ検出基準値を小さくなるようにしている。これによって、くびれ検出感度が高くなるために、くびれの発生をより早い段階で検出することができるようになる。この結果、くびれ検出時間が長くなる。
【００３３】
したがって、上述した実施の形態１によれば、前進角が大きくなるとくびれ検出基準値を小さくすることによって、くびれ検出時間を長くなるようにしている。これによって、前進角が大きくなっても、アークが再発生した直後に溶滴の移行が略完了するので、スパッタの発生を削減することができる。
【００３４】
［実施の形態２］
図３は、本発明の実施の形態２に係るくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。同図において上述した図９と同一のブロックについては同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図９とは異なる点線で示すブロックについて説明する。
【００３５】
くびれ検出時間検出回路ＴＮＤは、くびれ検出信号Ｎｄを入力として短絡ごとのくびれ検出時間Ｔｎを検出しそれらの平均値を算出して、くびれ検出時間検出信号Ｔndを出力する。
【００３６】
前進角設定回路θＲは、予め定めた前進角設定信号θｒを出力する。前進角対応くびれ検出時間設定回路ＴＮＲは、この前進角設定信号θｒを入力として予め定めた前進角対応くびれ検出時間設定関数ｇ（θｒ）に従ってくびれ検出時間設定信号Ｔnrを出力する。誤差増幅回路ＥＴは、このくびれ検出時間設定信号Ｔnrと上記のくびれ検出時間検出信号Ｔndとの誤差を増幅して、時間誤差増幅信号ΔＴを出力する。誤差積分回路ＳＤＴは、この時間誤差増幅信号ΔＴを積分して、くびれ検出基準値信号Ｖtnを出力する。このくびれ検出基準値信号Ｖtnによってくびれを検出してくびれ検出制御を行う。
【００３７】
上記の構成によって、くびれ検出基準値信号Ｖtnは、くびれ検出時間検出信号Ｔndの値がくびれ検出時間設定信号Ｔnrの値と等しくなるようにフィードバック制御されて自動調整される。また、くびれ検出時間設定信号Ｔnrの値は、前進角設定信号θｒに応じて適正値に変化する。すなわち、前進角設定信号θｒの値が大きくなると、くびれ検出時間設定信号Ｔnrの値は長くなるように設定される。このために、前進角が大きくなるに伴い、くびれ検出時間Ｔｎは長くなるようにくびれ検出時間制御が行われる。
【００３８】
図４は、上記の前進角対応くびれ検出時間設定関数ｇ（θｒ）を例示するための図である。同図の横軸は前進角設定信号θｒを示し、縦軸はくびれ検出時間設定信号Ｔnrを示す。以下、同図を参照して説明する。
【００３９】
同図（Ａ）に示すように、関数ｇ（θｒ）の例示１は、前進角設定信号θｒが大きくなるのに伴いくびれ検出時間設定信号Ｔnrの値は大きくなる。また、同図（Ｂ）に示すように、関数ｇ（θｒ）の例示２は、前進角設定信号θｒが所定値θｐ未満のときはくびれ検出時間設定信号Ｔnrの値を第１所定値に設定し、θｐ以上のときは第１所定値よりも大きな値の第２所定値に設定する。また、同図（Ｃ）に示すように、関数ｇ（θｒ）の例示３は、前進角設定信号θｒの値が大きくなるのに伴いくびれ検出時間設定信号Ｔnrの値は大きくなる。さらに、所定値θｐ以上になるとその比例の傾きを大きくする。
【００４０】
同図（Ｂ）及び同図（Ｃ）において、θｐを設けている理由は、前進角が所定値θｐ以上になるとスパッタの発生が一段と増加するためである。
【００４１】
上述したように、前進角が大きくなると、くびれの形成が非対称になるために、溶滴が溶融池に移行するのに時間がかかるようになる。この移行が略完了する前にアークが再発生すると、スパッタが発生することになる。したがって、前進角が大きくなるのに伴いくびれ検出時間Ｔｎが長くなるように制御（くびれ検出時間制御）すれば、アークが再発生した直後に溶滴の移行が略完了するようになり、スパッタの発生を削減することができる。上述した実施の形態２では、このくびれ検出時間制御として、前進角が大きくなるのに伴いくびれ検出時間設定信号の値を大きくなるようにしている。この結果、くびれ検出時間が長くなる。
【００４２】
したがって、上述した実施の形態２によれば、前進角が大きくなるとくびれ検出時間設定信号の値を大きくすることによって、くびれ検出時間を長くなるようにしている。これによって、前進角が大きくなっても、アークが再発生した直後に溶滴の移行が略完了するので、スパッタの発生を削減することができる。
【００４３】
［実施の形態３］
図５は、本発明の実施の形態３に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を示す短絡電流の波形図である。同図（Ａ）は溶接トーチの前進角が小さいときの波形図であり、同図（Ｂ）は前進角が大きいときの波形図である。以下、同図を参照して説明する。
【００４４】
時刻ｔ１において、溶接ワイヤ先端に形成された溶滴が母材と短絡状態になると、短絡負荷を通電する溶接電流である短絡電流が増加する。同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ２において溶滴にくびれが発生したことを検出すると、短絡電流は急減する。時刻ｔ３においてアークが再発生すると、溶接電流は増加する。同図（Ｂ）の場合も同様である。但し、実施の形態１及び２で上述したくびれ検出時間制御が作用するので、前進角が大きい同図（Ｂ）の場合は、くびれを時刻ｔ２に検出してからアークが再発生するタイミングは時刻ｔ４まで遅くなる。これは、前進角が大きくなると、時刻ｔ２〜ｔ４のくびれ検出時間が長くなるように制御されるためである。
【００４５】
同図（Ａ）のときの短絡電流のピーク値はＩp1となり、同図（Ｂ）のときの短絡電流のピーク値はＩp2となる。ここで、Ｉp1＞Ｉp2になるように短絡電流を制御する。すなわち、前進角が大きくなるのに伴い、短絡電流のピーク値が小さくなるように短絡電流を制御する。前進角が大きいときに短絡電流のピーク値を小さくすると、くびれに作用する電磁的ピンチ力が弱くなるために、溶滴を変形させる力が弱くなる。この結果、前進角が大きいときのスパッタの発生を抑制することができる。
【００４６】
図６は、本発明の実施の形態３に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。同図は上述した図１と対応しており、、図１と同一のブロックには同一符号を付してそれらの説明は省略する。図１と異なる点は、前進角設定信号θｒが溶接電源ＰＳに入力されていることである。これ以外は図１と同一である。
【００４７】
図７は、上述した図６における溶接電源ＰＳの詳細なブロック図である。同図に示す溶接電源ＰＳは、外部からの前進角設定信号θｒを入力として出力電圧Ｖｏ及び溶接電流Ｉｗを出力する。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。
【００４８】
電源主回路ＰＭは、３相２００Ｖ等の商用電源（図示は省略）を入力として、後述するパルス幅変調信号Ｐwmに従ってインバータ制御による出力制御を行い、出力電圧Ｖｏ及び溶接電流Ｉｗを出力する。この電源主回路ＰＭは、商用電源を整流する１次整流器、整流された直流を平滑するコンデンサ、平滑された直流を高周波交流に変換するインバータ回路、高周波交流をアーク溶接に適した電圧値に降圧する高周波変圧器、降圧された高周波交流を整流する２次整流器、整流された直流を平滑するリアクトル、上記のパルス幅変調信号Ｐwmを入力としてインバータ回路のスイッチング素子を駆動するインバータ駆動回路から構成される。
【００４９】
電流検出回路ＩＤは、溶接電流Ｉｗを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。電圧検出回路ＶＤは、出力電圧Ｖｏを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。短絡判別信号ＳＤは、この電圧検出信号Ｖｄを入力として、その値によって短絡期間とアーク期間とを判別し、短絡期間中はＨｉｇｈレベルになりアーク期間中はＬｏｗレベルになる短絡判別信号Ｓｄを出力する。電圧設定回路ＶＲは、予め定めた電圧設定信号Ｖｒを出力する。この電圧設定信号Ｖｒは、アーク期間中のアーク電圧を設定することによってアーク長を設定する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の電圧設定信号Ｖｒと上記の電圧検出信号Ｖｄとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。
【００５０】
ピーク値設定回路ＩＰＲは、外部からの前進各設定信号θｒを入力としてその値に応じたピーク値設定信号Ｉprを出力する。このピーク値設定信号Ｉprの値は、前進各設定信号θｒの値が大きくなるほど小さくなるように設定される。短絡電流波形設定回路ＩＳＲは、このピーク値設定信号Ｉprを入力として、このピーク値に応じた短絡電流波形を形成するための短絡電流波形設定信号Ｉsrを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、この短絡電流波形設定信号Ｉsr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。外部特性切換回路ＳＰは、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖ、上記の電流誤差増幅信号Ｅｉ及び上記の短絡判別信号Ｓｄを入力として、誤差増幅信号Ｅａを出力する。この外部特性切換回路ＳＰは、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）のときは電圧誤差増幅信号Ｅｖを誤差増幅信号Ｅａとして出力し、Ｈｉｇｈレベル（短絡期間）のときは電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。したがって、溶接電源の外部特性は、アーク期間中は定電圧特性となり、短絡期間中は定電流特性となる。短絡期間中が定電流特性になるために、上記の短絡電流波形設定信号Ｉsrに従った短絡電流を通電することができる。この結果、短絡電流のピーク値は、上記のピーク値設定信号Ｉprによって定まる値に制御される。
【００５１】
パルス幅変調回路ＰＷＭは、上記の誤差増幅信号Ｅａを入力として、パルス幅変調制御を行い、パルス幅変調信号Ｐwmを出力する。これにより、上記の電源主回路ＰＭに含まれるインバータ回路はパルス幅変調制御によって出力制御が行われる。同図において、溶接ワイヤの送給に関するブロックについては図示を省略している。
【００５２】
上述した実施の形態３においては、くびれ検出時間制御が実施の形態１の方法である場合について説明したが、実施の形態２のくびれ検出時間制御の方法に対しても同様に適用することができる。
【００５３】
上述した実施の形態３によれば、前進角が大きくなるのに伴い短絡負荷を通電する溶接電流（短絡電流）のピーク値を小さくすることによって、非対象に進行するくびれ部に過剰な電磁的ピンチ力が作用することを抑制することができる。このために、スパッタの発生をさらに削減することができる。
【００５４】
上述した関数ｆ（θｒ）及びｇ（θｒ）は、溶接法、溶接ワイヤの種類、平均溶接電流等に応じて変化させても良い。本発明は、消耗電極アーク溶接全般に適用することができるので、ＣＯ2溶接、ＭＡＧ／ＭＩＧ溶接、パルスアーク溶接、交流パルスアーク溶接等に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施の形態１に係るくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。
【図２】図１における前進角対応くびれ検出基準値設定関数ｆ（θｒ）を例示するための図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係るくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。
【図４】図３における前進角対応くびれ検出時間設定関数ｇ（θｒ）を例示するための図である。
【図５】本発明の実施の形態３に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を示す短絡電流の波形図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。
【図７】図６における溶接電源ＰＳの詳細なブロック図である。
【図８】従来技術における消耗電極アーク溶接の電流・電圧波形図である。
【図９】従来技術におけるくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。
【図１０】図９の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。
【図１１】課題を説明するための前進角が大きい場合の溶滴移行の状態を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１            溶接ワイヤ
１ａ            溶滴
１ｂ            くびれ
１ｃ            スパッタ
２            母材
２ａ            溶融池
３            アーク
４            溶接トーチ
ＤＲ            駆動回路
Ｄｒ            駆動信号
Ｅａ            誤差増幅信号
ＥＩ            電流誤差増幅回路
Ｅｉ            電流誤差増幅信号
ＥＴ            誤差増幅回路
ＥＶ            電圧誤差増幅回路
Ｅｖ            電圧誤差増幅信号
ｆ（θｒ）        前進角対応くびれ検出基準値設定関数
Ｆθ            前進角対応くびれ検出基準値設定回路
ｇ（θｒ）        前進角対応くびれ検出時間設定関数
Ｉａ            アーク再発生時電流値
ＩＤ            電流検出回路
Ｉｄ            電流検出信号
Ｉp1、Ｉp2        短絡電流のピーク値
ＩＰＲ            ピーク値設定回路
Ｉpr            ピーク値設定信号
Ｉｗ            溶接電流
ＮＤ            くびれ検出制御回路
Ｎｄ            くびれ検出信号
ＰＭ            電源主回路
ＰＷＭ            パルス幅変調回路
Ｐwm            パルス幅変調信号
ＰＳ            溶接電源
Ｒ            抵抗器
ＳＤ            短絡判別回路
Ｓｄ            短絡判別信号
ＳＰ            外部特性切換回路
ＳＤＴ            誤差積分回路
Ｔａ            アーク期間
Ｔｎ            くびれ検出時間
ＴＮＤ            くびれ検出時間検出回路
Ｔnd            くびれ検出時間検出信号
ＴＮＲ            くびれ検出時間設定回路
Ｔnr            くびれ検出時間設定信号
ＴＲ            トランジスタ
Ｔｓ            短絡期間
ＶＤ            電圧検出回路
Ｖｄ            電圧検出信号
Ｖｏ            出力電圧
ＶＲ            電圧設定回路
Ｖｒ            電圧設定信号
Ｖｓ            短絡電圧値
Ｖta            短絡／アーク判別値
ＶＴＮ            くびれ検出基準値設定回路
Ｖtn            くびれ検出基準値（信号）
Ｖｗ            溶接電圧
ΔＴ            時間誤差増幅信号
ΔＶ            電圧上昇値
θ            前進角
θＲ            前進角設定回路
θｒ            前進角設定信号
【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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【図１０】
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【図１１】
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