(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極と工作物間で溶接加工を行う電気アーク溶接機の制御装置であって、前記溶接加工がアーク状態である期間を少なくとも有した電気アーク溶接機の制御装置において、前記装置が、
高速スイッチングタイプの電源であって、この電源には、当該電源の出力電流を調節するための電流制御信号が入力され、少なくとも１０ＫＨｚのスイッチング周波数で動作するコントローラを具備する高速スイッチングタイプの電源と、
実際のアーク電圧を検出する第１のセンサと、
実際のアーク電流を検出する第２のセンサと、
前記溶接加工がアーク状態である間、所定のリアルタイムの電力レベルを表す電力プロファイル信号を発生させるための第１回路と、
リアルタイムに、検出された実際の電圧と検出された実際の電流との関数を発生させる第２回路と、
リアルタイムに、前記電力プロファイル信号と、検出された実際の電圧と検出された実際の電流との関数との差異に従って、前記電流制御信号を調整する第３回路と、
で構成したことを特徴とする電気アーク溶接機の制御装置。
【請求項２】
前記関数が、前記実際の電圧と電流の積であることを特徴とする請求項１記載の電気アーク溶接機の制御装置。
【請求項３】
前記関数が乗数を含むことを特徴とする請求項２記載の電気アーク溶接機の制御装置。
【請求項４】
前記関数が定数である乗数を含むことを特徴とする請求項２記載の電気アーク溶接機の制御装置。
【請求項５】
前記定数が１．０であることを特徴とする請求項４記載の電気アーク溶接機の制御装置。
【請求項６】
前記関数が傾斜をなす乗数を含むことを特徴とする請求項２記載の電気アーク溶接機の制御装置。
【請求項７】
前記乗数が電流と電圧／（電流×電圧）の和であることを特徴とする請求項６記載の電気アーク溶接機の制御装置。
【請求項８】
前記第１回路が、波形形成器であることを特徴とする請求項２記載の電気アーク溶接機の制御装置。
【請求項９】
前記高速スイッチングタイプの電源が、インバータであることを特徴とする請求項１記載の電気アーク溶接機の制御装置。
【請求項１０】
前記第１回路が、波形形成器であることを特徴とする請求項９記載の電気アーク溶接機の制御装置。
【請求項１１】
前記第１回路が、波形形成器であることを特徴とする請求項１記載の電気アーク溶接機の制御装置。
【請求項１２】
前記波形形成器が、デジタル処理装置であることを特徴とする請求項１１記載の電気アーク溶接機の制御装置。
【請求項１３】
前記溶接加工が、パルス溶接であることを特徴とする請求項１１記載の電気アーク溶接機の制御装置。
【請求項１４】
前記第３回路が、誤差増幅器であることを特徴とする請求項１記載の電気アーク溶接機の制御装置。
【請求項１５】
前記電流制御信号に従って、前記電源の出力を調節するためのパルス幅変調器が設けられていることを特徴とする請求項１記載の電気アーク溶接機の制御装置。
【請求項１６】
電極と工作物間で溶接加工を行う電気アーク溶接機の制御装置であって、前記装置が、
高速スイッチングタイプの電源であって、この電源には、当該電源の出力電流を調節するための電流制御信号が入力され、１８ＫＨｚ以上のスイッチング周波数で動作するコントローラを具備する高速スイッチングタイプの電源と、
実際のアーク電圧を検出する第１のセンサと、
実際のアーク電流を検出する第２のセンサと、
前記溶接加工期間に、決められた所定のリアルタイムの電力レベルを表す電力信号を発生させるための第１回路と、
検出された実際の電圧と検出された実際の電流との関数を発生させる第２回路と、
リアルタイムに、前記電力信号と、検出された実際の電圧と検出された実際の電流との関数との差異に従って、前記電流制御信号を調整する第３回路とからなり、
前記関数が、前記実際の電圧と電流の積であることを特徴とする電気アーク溶接機の制御装置。
【請求項１７】
前記高速スイッチングタイプの電源が、インバータであることを特徴とする請求項１６記載の電気アーク溶接機の制御装置。
【請求項１８】
前記第１回路が、波形形成器であることを特徴とする請求項１７記載の電気アーク溶接機の制御装置。
【請求項１９】
前記波形形成器が、デジタル処理装置であることを特徴とする請求項１８記載の電気アーク溶接機の制御装置。
【請求項２０】
前記第１回路が、波形形成器であることを特徴とする請求項１６記載の電気アーク溶接機の制御装置。
【請求項２１】
前記期間の回数が、スイッチング周波数と同じであることを特徴とする請求項１６記載の電気アーク溶接機の制御装置。
【請求項２２】
電極と工作物間に溶接加工を行う電気アーク溶接機の制御装置であって、前記加工の一期間においてアーク期間を伴う電気アーク溶接機の制御装置において、前記装置が、
高速スイッチングタイプの電源であって、当該電源の出力電流が、入力信号の値により制御される高速スイッチングタイプの電源と、
前記アーク期間において、実際の出力電流を検出するセンサと、
前記アーク期間において、実際の出力電圧を検出するセンサと、
前記アーク期間の電力信号を発生させるための第１回路と、
前記アーク期間において、アークの電力を表すリアルタイムアーク信号を発生させる第２回路と、
前記電力信号と前記リアルタイムアーク信号とを比較することで、前記アーク期間において、前記入力信号を調節する第３回路と、
で構成したことを特徴とする電気アーク溶接機の制御装置。
【請求項２３】
前記アーク期間でないとき、電流信号を生成する回路と、前記アーク期間でないとき、前記電流信号と前記実際の出力電流とを比較することで、前記入力信号を調節する回路とを含むことを特徴とする請求項２２記載の電気アーク溶接機の制御装置。
【請求項２４】
前進する溶接ワイヤと工作物間にアークをともなって溶接加工を行う電気アーク溶接機の制御装置において、前記装置が、
入力信号の値により、前記溶接ワイヤの送給速度を制御するためのモータと、
実際の出力電流を検出するセンサと、
実際の出力電圧を検出するセンサと、
溶接中の溶接加工のための瞬間の電力信号を生成する第１回路と、
前記溶接中に、与えられた時間のアーク電力を表すリアルタイムアーク信号を生成する第２回路と、
前記瞬間の電力信号と前記リアルタイムアーク信号とを比較することで、前記入力信号を調節する第３回路と、
で構成したことを特徴とする電気アーク溶接機の制御装置。
【請求項２５】
電極と工作物間で溶接加工を行う電気アーク溶接機の制御方法であって、前記アーク溶接機が、高速スイッチングタイプの電源を具備し、この電源には、当該電源の出力電流を調節するための電流制御信号が入力され、少なくとも１０ＫＨｚのスイッチング周波数で動作するコントローラを具備し、前記溶接加工は、アーク状態である期間とアーク状態でない期間とを含み、前記方法は、
（ａ）実際の瞬間アーク電圧を検出する工程と、
（ｂ）実際の瞬間アーク電流を検出する工程と、
（ｃ）前記溶接加工がアーク状態である間、所定のリアルタイムの電力レベルを表す電力プロファイル信号を発生させる工程と、
（ｄ）リアルタイムに、検出された実際の瞬間電圧と検出された実際の瞬間電流との関数を発生させる工程と、
（ｅ）リアルタイムに、前記電力プロファイル信号と、検出された実際の電圧と検出された実際の電流との関数との差異に従って、前記電流制御信号を調整する工程と、
を含むことを特徴とする電気アーク溶接機の制御方法。
【請求項２６】
前記関数が、前記実際の電圧と電流の積であることを特徴とする請求項２５記載の電気アーク溶接機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気アーク溶接技術に関し、さらに詳しくは溶接加工の間、電源を制御するための改良された装置および方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術とその課題】
電気アーク溶接において、インバータやチョッパのような高速切換型電源を用いることが通常であり、電源の出力電流は電源フィードバックを含む高速制御ループによって調整される。平均アーク電圧を基準電圧と比較して、電流コマンドを生じるための外部制御ループがある。電源への電流コマンド信号は、この外部制御ループによって直接制御されることがある。したがって、内部高速制御は電流フィードバックに基づき、平均電圧を保つように調整される。内部高速制御ループはインバータの周波数に近い周波数で働く。外部電圧制御ループは高速切換電源の約１／１０の周波数で働く。さらに、外部ループは高速内部ループで使われる実際の電流に関係なく作動する。したがって、低電流作動で、アーク電流は低くなりすぎて、アークを消滅させる。アルミニウムＧＭＡＷの溶接は高溶接率を保つためにさらに精密な制御を要する。こうして、高速電源の出力電流を制御することは、外部ループが比較的遅い反応時間をもつため、しばしば電流オーバーシュートを伴う。フィードバックが平均電圧にある短絡・パルス溶接において完全な溶接サイクルは外部ループに比較的遅い反応時間を生じさせながら処理されなければならない。制御ループは平均電圧を短絡溶接において長い時間ゼロ電圧近くに補償すべく保つため、減速させられる。こうして制御ループは非常に遅くなり、アーク長さが変えられる。これに伴い、電流は大幅に変えられてアーク長さを所定の制御電圧まで駆動する。これにより２つの問題が生じる。低電流短絡溶接において、背景電流はすでにとても低いので、電流振動により電流が低くなりすぎ、アークを消滅させる。これは特に、各短絡が終わった直後に顕著である。電流が背景レベルまで下がるので、制御電圧装置はオーバーシュートし、電流を低くしすぎて、アークを消す。これは各溶接サイクルに起こるので、高価な補正手続が取られない限り、アークが間欠的に消える。こうして、低電流での溶接は短絡モードにおいて通常きわめて困難である。アルミニウムを溶接するとき、アーク長さの速い変化により溶接加工が間欠的に混乱し、溶接ビーズの均一性を損なう。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
上記のような遅い外部ループを用いることに伴う問題は、内部高速ループのみを用いる本発明によって克服されてきた。これは検知されたアーク電流およびアーク電圧の双方を利用することにより、電流×電圧、すなわち電力を表すフィードバック信号を生じることで可能になる。本質的に、電気アーク溶接はスプレー・パルス・交流溶接であれ、所定電力によって制御される実際のアーク電力をもつ。このため、検知電流・電圧の双方が使われる。過去、アーク電圧によって遅い反応時間で外部ループを制御した。内部ループは単に電流反応フィードバック装置で、デジタル誤差アンプがパルス幅変調器への入力を調整して、高速電源を駆動していた。実際の出力電流と電圧フィードバック信号の積を利用して、実際の電力が検知される。信号Ｐが波形形成器で作られた所定電力と比較される。これにより、出力電流が実際の電力を所定電力に等しくさせるように変化する。これは一般に外部ループ制御の１０倍速い速度で行われる。フィードバック信号を使うことにより、アーク長さは自動調整され、速い反応時間によって電流のオーバーシュートが防止される。
【０００４】
本発明によれば、電圧と電流の積Ｐに因子ｋが掛けられる。この積ｋＰは高速コントローラに導入され、溶接サイクルの時間位置に較正された設定値にアーク電力を保つ。遅い外部ループ制御は、もはや必要でない。溶接電流は高速ループに導入された電圧・電流双方に依存する。好ましくは、フィードバック信号はアーク電圧×アーク電流のみからなる。これはアーク電力Ｐである。これはｋによって修正される。この因子ｋはワイヤ供給速度を補償するために使われる。このフィードバック信号はｋＰであるが、ｋは通常１．０である。
【０００５】
さらに本発明の他の面によれば、アーク電力Ｐは波形形成器からの電力信号と比較するためのフィードバック信号である。波形形成器は特にアーク状態の間、電力波形を生じる。たとえば、ＳＴＴのような短絡溶接が行われるとき、波形形成器は短絡が破れてアークが再開した後に生じる所定のアーク電力を供給する。パルス溶接のとき、波形形成器はピークアーク電力を生じ、次に電力フィードバック信号ｋＰと比較するために背景アーク電力を生じる。交流溶接では、正極性の間、所定アーク電力が生じて正極性の電力フィードバック信号ｋＰと比較される。同様に、負極性の間、所定アーク電力が生じて負極性の電力フィードバック信号ｋＰと比較される。もちろん、アルミニウム溶接で使われるように、正極性の間の電力は負極性の間の電力とは大いに異なる。要するに、電力信号が与えられ、電力フィードバック信号ｋＰが検知される。この２つのパラメータが比較され、高速電源からの電流を制御する。もちろん、一定電力信号Ｐset  が内部ループを制御し、電力フィードバック信号ｋＰとの比較に使われるとき、スプレー溶接の間、波形形成器は不要である。こうして、本発明は第一に低電流溶接ができるという利点を有している。
【０００６】
電力フィードバック信号ｋＰは、検知電圧・電流の関係であり、乗数あるいは因子ｋは定数または変数である。実施例では、ｋは定数１．０なのでフィードバック信号は単にアーク電力である。この電力フィードバック信号は所定のアーク電力と比較され、電源の出力電流を制御する。ｋは定数、あるいは１次関数や他の関数である。この因子ｋは、実際の電圧や電流に依存し、ワイヤ供給速度・シールドガス・ワイヤ直径・ワイヤ材料等のようなパラメータを補償するようにフィードバック信号を修正する。ｋは、アルミニウムＭＩＧ溶接に使われるドルーパー機に傾斜を与えるため、電流＋（電圧／（電流×電圧））となることがわかった。この因子ｋが電流と電圧の間に線形関係を生じて、傾斜作動曲線を与える。ｋは電圧と電流の間に特定の関係を生じるため、どんな値も取り得る。しかし実際には、フィードバック信号はアーク電力である。このアーク電力信号は、所定のアーク電力と比較される。電力をある設定値に制御することの利点は、電力がインバータの高速切換速度で調整され得るという事実に基づいている。アーク長さのいかなる変化も、アーク力の変化となって、平衡を保つためアーク長さを増したり減らしたりする。たとえば、アーク電力が２，０００Ｗに設定されると、２０Ｖおよび１００Ａのとき平衡が得られる。これにより所定アーク長さが得られる。アーク長さを増すなら、出力電力は２，０００Ｗに保たれる。しかし、電圧はたとえば２２Ｖのように増す。これにより、電流は９１Ａのように低下する。それにより、アーク力が減り、アーク長さが減る。これにより、電圧が２０Ｖにもどり、電流が１００Ａに増す。同様に、アーク長さを減らすなら、出力電力は固定の２，０００Ｗに保たれる。したがって、電圧は減る。これにより、電流が増す。それにより、アーク力が増し、アーク長さが増す。したがって、短絡アーク長さが増し、２０００Ｗ制御電力値を生じるため、電流と電圧が平衡を求める。本発明を用いるアーク長さ変動は最小限である。速い安定性が保たれる。電源がアーク長さ変化に素早く反応するので、電流は少しだけ変動して低アーク長さを保つ。この利点は特に各短絡直後に顕著である。コントローラが平衡を素早く求め、突然の短絡クリア後でさえ、平衡を保つ。
【０００７】
アルミニウムＧＭＡＷ溶接で公知なように、ワイヤの低抵抗と低溶融温度のため、アーク長さは一層制御困難である。本発明によって得られるように、アーク長さの素早い制御により、アルミニウム溶接のときでさえ、電源にアーク長さを一定に保つようにさせる。したがって、ワイヤ突出部が急速に変化しても、アーク長さは一定に保たれる。
本発明は一定アーク電力をもつ溶接と同様、パルス溶接にも適用できる。パルス溶接において、ピーク電力と背景電力双方の高速制御が得られる。過去、パルス溶接は周波数変化にもとづく適用ループによってアーク長さが決まる制御を伴っていた。したがって、フィードバック制御ループはパルス当り１回しか作動しないので、計算をして次のパルスに対し補正がなされた。本発明はこの問題を克服し、ピークと背景の間、電力を制御するだけである。これは調整的でない。パルス溶接のピークと背景期間にアーク長さを一定に保つことの利点を得るために、リアルタイムに電力を制御する。本発明によってパルス溶接は、従来の調整的コントローラによるよりも早く、アーク長さを自己制御できる。背景期間の低電流を制御することにより、突然の変化に対応する電源の順応性を改善する。
【０００８】
また本発明は、ＧＭＡＷ、ＦＣＡＷ、ＳＡＷ、ＭＣＡＷ、ＳＭＡＷのような混合極性溶接に対しても適用できることがわかった。これらすべては、フィードバック信号ｋＰによって調整できる。たとえば、方形波交流溶接が必要なら、波形形成器により所定の正・負のアーク電力を供給する。
異なる値の高速制御により、正・負パルスの間、アーク長さを素早く制御する。標準溶接によれば、正電力の大きさは負電力のそれとは異なる。波形とその時間が変わるが、波形制御は電力プロファイルにもとづき、その電力プロファイルは実際の電力フィードバック信号ｋＰと比較されてアーク電力を所定プロファイルに保つ。この電力プロファイルはアナログ、好ましくはデジタル波形形成器によって出力される。波形形成器は交流溶接のすべての位置でアーク電力を制御するため、所定電力プロファイルを生じる。
【０００９】
本発明によれば、高速制御に対するフィードバック信号はアーク電力である。これは検知アーク電圧・電流の積である。フィードバック信号を修正するため、因子ｋを用いる。ｋは０．５〜１．０の変数であり得る。上述したように、ｋ＝１．０が好ましい。電圧が変化すると、電源への電流制御信号が変化して、アーク電力を一定に保つ。因子ｋを使うことにより、電流と電圧の関係を変化させる柔軟性が与えられるが、フィードバック信号の電力プロファイルは変えない。こうして、本発明でフィードバック「電力」信号というとき、それは通常電流×電圧、すなわちＰであるが、因子を乗じたｋＰであり得る。実際、フィードバック信号はｋＰで、信号が実際のアーク電力Ｐのときｋ＝１．０である。こうして、本発明ではｋＰとして電力を表す。傾斜作動特性を生じさせるため、ｋは電圧＋（電流／電圧）×電流であり得る。また、ａＶarc  ＋ｂＩarc  ＋ｃ（ここでａ，ｂ，ｃは定数）のような１次式にｋＰを表せる。このｋをＰに乗じるとき、フィードバック信号はアーク電圧・電流である。このフィードバック信号は所定電力信号と比較され、素早い電源の反応を得る。ｋはワイヤ供給速度に依存して変わる。たとえば、ｋは１５０／ワイヤ供給速度なので、ワイヤが３００インチ／分で供給されればｋ＝０．５である。こうして、フィードバック信号を修正するために、ワイヤ供給速度が使われる。またｋは、シールドガスや移動速度あるいは電圧自身にもとづいても変わる。ｋが時間にもとづくとき、フィードバック信号はジュールで表される。電圧がｋであるとき、フィードバック信号はＩＶ2である。他の可能性も使い得るが、基本のフィードバック信号がアーク電圧×アーク電流である。因子ｋはさまざまな溶接変数やその組合せによって修正され得る。それらの変数は移動速度、ワイヤ供給速度、電圧、電流、時間、ガス混合物、実際の電極突出、ワイヤ径、インダクタンス等である。
【００１０】
本発明によれば、電気アーク溶接機用の制御装置が供給される。実施例では、電極は溶接ワイヤであり、モータで制御される速度でアーク内に供給される。この装置はインバータやチョッパのような高速切換型電源からなる。この電源は１０ｋＨｚ以上の切換周波数をもち、電源の出力電流を調整する入力電流信号をもつコントローラによって制御される。コントローラは電源の周波数よりも速く作動するが、切換周波数で制御する。第１センサがアーク電圧を検知し、第２センサがアーク電流を検知する。第１回路が供給されて所定のリアルタイム電力を表す信号を生じる。実施例では、この電力信号は波形形成器によって作られる。スプレー溶接では、電源は所定アーク電力の固定値である。制御装置を完成させるため、第２回路が第２電圧・電流の関数を発生させ、アーク電力を制御する２つのアーク・パラメータの関数を与える。したがって、第３回路が所定電力信号と実際の電圧・電流の関数との差に従って、電源への電流制御信号を調整するために使われる。この関数はフィードバック信号ｋＰで、所定の電力信号と比較され、アーク電力が所定値に保たれる。これにより、アーク長さの平衡が得られる。短絡回路を含むなら、電源は電流フィードバックモードで作動する。その後で、フィードバック信号ｋＰによって制御される。ｋＰは、ｋ＝１．０で電圧×電流になることが好ましい。しかし、ｋ≠１の値も採り得る。フィードバック電力信号は好ましくはＶa×Ｉaであり、ｋ＝１．０である。
【００１１】
本発明の他の面によれば、全回路がデジタル回路でデジタル信号プロセッサによって作動する。しかし、本発明の範囲から逸脱せずにアナログ回路・部品を使い得る。高速切換型電源は１０ｋＨｚよりも高い周波数、好ましくは１８ｋＨｚよりも高い周波数で作動するインバータが好ましい。もちろん、チョッパは高速切換を有し、信号ｋＰによって制御される高速内部制御ループをもつ。好ましくは、第１デジタル回路は波形形成器で、溶接サイクルのすべての時に所定電力値に合う電力プロファイルを出力する。
【００１２】
本発明はいろいろな溶接プロセスを用いて実施される。固定電力をもつなら、本発明は波形形成器を要さない。パルス溶接や交流溶接のような変動電力サイクルは、ｋＰによって制御され、所定アーク電力を出力するための素子を採用する。短絡溶接を実施するとき、電流制御が行われ、アーク状態でｋＰが使われる。デジタル誤差アンプによって実際のアーク電力と所定アーク電力の比較がなされ、その出力信号によってパルス幅変調器を制御して、電源の出力電流を調整する。他の実施は当業技術の範囲内にある。
【００１３】
本発明の他の面によれば、ｋＰがワイヤ供給速度を調整するためのフィードバック信号として使われる。ワイヤ供給速度の変化によって所定アーク電力を調整するため、アーク長さが変化する。また、本発明によれば、出力電流・電圧を検知し、電力信号を作り、アーク電力を表すリアルタイムのフィードバック信号ｋＰを作り、電力信号と信号ｋＰを比較することにより電源への入力信号を調整することによって、電気アーク溶接機を制御する方法が提供される。ここで電圧が減ると電流が増え、またその逆も生じる。この方法は、高速制御ループで実施されるさまざまなアナログおよびデジタル制御回路によって行われる。
【００１４】
本発明の他の面によれば、ＰあるいはｋＰはワイヤ供給速度のようなパラメータによって修正される。本発明の主な目的は、電力フィードバック信号ｋＰを用いて所定アーク電力を保つため、電気アーク溶接機の高速切換電源を制御するための装置および方法を提供することにある。より広い目的は、溶接パラメータを制御するための信号ｋＰを作ることである。本発明の他の目的は、アーク長さを安定させ、特に低電流でアルミニウムを溶接するとき、電流のオーバーシュートを減らす上記装置および方法を提供することにある。さらに他の目的は、電気アーク溶接機の制御装置を大幅に修正することなく、標準溶接技術を使って容易に実施できる上記装置および方法を提供することにある。これらおよび他の目的と利点は、以下の添付図面を用いた説明から明らかになるであろう。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いるがこれは本発明の具体例を説明するためだけの目的で、これと同一の内容に本発明を限定する目的ではない。図１に、高速切換型電源１０（図ではインバータであるが、チョッパでもよい）を用いて所定の溶接を行う溶接機Ａを示す。標準技術によれば、電源の切換周波数は１０ｋＨｚを超え、好ましくは１８ｋＨｚを超える。インバータ１０は３相整流器１２から直流リンクにわたって入力リード１４，１６の形で電力を供給される。出力トランス２０は中心タップ２次巻線２２を有し、出力整流器２４を駆動して出力回路３０（工作物３６とアークギャップを形成する電極３４とインダクタ３２からなる）で溶接を行わせる。
【００１６】
実際には、電極３４は供給スプールから工作物３６に向かって前進する溶接ワイヤである。ワイヤフィーダは図１３に示してある。標準技術によれば、コントローラＣは一般に約１０ｋＨｚで作動するオッシレータ４２によって駆動されるパルス幅変調器４０を用いるデジタルプロセッサである。デジタル誤差アンプ４４は波形形成器５０の出力によって決まる電圧値をもつ第１入力４６を有する。入力４６の信号はアーク状態の間、波形形成器５０によって形成される電力プロファイルである。本発明によれば、入力４６の電力信号が誤差アンプ４４によって入力５２のフィードバック信号と比較されるので、ライン４４ａ上の誤差信号がライン４８上の電流命令信号を調整する。こうして、電流命令信号がライン５２上のフィードバック信号（関数）ｋＰとライン４６上の所定電力値との関係によって制御される。ライン４８上の電流信号は入力４６、５２の関係によって調整され、アーク電流を直ちに変える。入力４６の電力値はデジタル波形形成器５０によって生じる。スプレー溶接では入力４６の値は一定である。しかし、パルス溶接や交流溶接では入力４６の電力信号は所定のリアルタイム・アーク電力を示すために変化する。これはアーク状態で生じる。こうして、溶接サイクルの間、ライン４６上の値はリアルタイムで変わる。
【００１７】
本発明によれば、溶接機１０に対する高速制御ループが、遅い外部制御ループを排して使われる。これは図１のように電流・電圧の双方が内部制御ループで使われるので、実現できる。ライン５２上のフィードバック信号ｋＰはフィードバック回路ＦＢから得られる。本発明によれば、信号アーク電力Ｐはアーク電力ｋＰの関数として表される。この関数はアーク電圧・電流と所定電力との瞬間比較を伴う。アーク電流を得るために、シャント６０が電流信号をライン６２に生じる。この信号Ｉaは瞬間アーク電流である。同様に、瞬間アーク電圧Ｖaがセンサ７０から出力ライン７２に与えられる。関数発生器１００がライン６２、７２の各信号の値を乗じて、アーク電力Ｐである積を生じる。後述するように、アーク電力Ｐは定数あるいは変数である因子ｋを乗じられる。こうして、電力フィードバック信号はＰあるいはｋＰである。ｋＰとして表すとき、アーク電力Ｐはｋ＝１．０のときである。
【００１８】
溶接プロセスにおいて、しばしば短絡、すなわちアークのない溶接サイクル部分がある。そのときには、関数発生器１００からのアーク電力を使う必要がない。アークの存在を決めるため、多くの回路が知られている。そのような回路として図１にアーク検出器１０２を例示する。ライン７２のアーク電圧は閾値と比較され、アークを検出するためアーク電圧が増すとき、特定論理（信号）が出力１０２ａに現れる。ライン７２の低い値は短絡を意味する。短絡の間、フィードバック信号ｋＰは使う必要がない。アークがないとき、すなわち短絡のときライン１１２に値を出力するデジタルスイッチ１１０を、ライン１０２ａの論理によって制御する。そのとき、ライン６２の検知アーク電流がスイッチ１１０を通って誤差アンプ４４の入力５２に導かれる。したがって、アークのないとき、コントローラＣはアーク電流Ｉaのフィードバックに基づいて作動する。短絡の間、電流命令信号がライン４６で使われ、ライン１０２ａを用いて波形形成器５０を電流制限モードに移す。アーク状態の間、関数発生器１００はスイッチ１１０を通ってライン５２に信号ｋＰを形成する信号をライン１１４に供給する。信号ｋＰはアーク電力フィードバック信号である。アーク電力がライン４６に与えられるので、ライン４６、５２上の信号レベルの比較によりライン４８に電流命令信号が決定される。因子ｋは１．０である。こうして、アーク電力ｋＰはライン５２の信号で、アーク状態の間の所定アーク電力は波形形成器５０からライン４６に出力される。内部高速ループがアーク電力ｋＰを検知し、それを所定電力と比較して、直ちに溶接電流の高速較正を行う。
【００１９】
電流・電圧間の関係は、因子ｋの値によって決まる。図２で、因子ｋ＝Ｉ＋Ｖ／ＩＶ（Ｉは電流、Ｖは電圧）である。したがって、入力５２に導かれるライン１１４の電力信号は、図２で直線１２０に示すような傾斜を与える電圧×電流である。実際にはｋ＝１．０なので、ライン５２の信号はアーク電流×アーク電圧によって得られるアーク電力Ｐである。図３は、ｋ＝１．０の場合のアーク電流・電圧の関係を示している。所定電力はカーブ１３０のような２，０００Ｗか、あるいはグラフ１３２のような４，０００Ｗである。図２及び図３R>３は、図１のフィードバック回路ＦＢにおける電流・電圧の関係を制御するために、因子ｋがさまざまな値を取り得ることを表している。図４は、一定電力溶接操作による本発明の操作を示している。これはパルス溶接におけるパルスの一定ピーク電力、あるいは短絡溶接における一定背景電力である。この場合、ｋＰは所定値と比較され、ｋ＝１．０である。それは実際には、スプレー溶接における所定固定電力である。図４のレベルにライン４６の所定電力が保たれている間、アーク長さの各変化によりグラフ１４２のようにアーク電圧が変わる。電源１０の切換時間内に、ライン４８の電流命令信号が調整され、アーク電力を直線１４０の設定値に保つ。内部高速制御ループは切換周波数で作動する。それは従来技術の遅い、適用型ループではない。こうして、アーク長さが減ると、電圧が減り、電流が直ちに増す。これによりアーク力が急増し、アーク長さが増す。ｋＰが電力をライン４６の値に保つ。アーク長さが増すと、電圧が増し、電流が直ちに減ってアーク力を減らし、アーク長さを減らす。したがって、本発明はフィードバック信号ｋＰを使って所定アーク電力と比較して速やかに平衡に達し、所定アーク長さを保つ。これは低電流操作やアルミニウムＧＭＡＷ溶接のとき、特に重要である。
【００２０】
図５に短絡溶接に対する本発明の実施を示す。ここで、アーク状態での電力信号をグラフ１５０で示す。これは、カーブ１５２のような電圧に従ってグラフ１５４のような電流を制御するために用いられる波形形成器の出力である。アーク検出器１０２によってアークの存在が検出されると、スイッチ１１０がライン５２に信号ｋＰを生じる。時刻ｔ1で短絡状態になる。溶融金属ビーズが工作物に触れるとアーク検出器１０２によってスイッチ１１０を動かし、入力５２に電流のみを生じさせる。ライン１０２ａの論理によって波形形成器５０が電流制御モードに移る。図５のグラフ１５０の部分１６０はそれを示している。このとき、電圧は部分１６２のように低下する。また電流は部分１６４のように上昇する。時刻ｔ2で短絡が破れると、ライン４６の信号は再び所定電力であり、部分１５０ａのように低下する。こうして、遷移部１５２ａの電圧と同部１５４ａの電流の積は所定電力レベルに従う。この遷移部は時刻ｔ3で終わる。アーク状態が再び現れ、実際のアーク電力ｋＰをグラフ１５０の所定アーク電力と比較することにより溶接機１０が運転される。このプロセスは各短絡サイクルの間、くり返される。ＳＴＴ短絡のような他のタイプの短絡溶接も溶接機１０によって行われ得る。
【００２１】
図６、図７及び図８にパルス溶接に対する本発明の実施を示す。機能的に等価な部品は図１と同じ符号である。波形形成器２００はパルス溶接の所定電力に対応した電力プロファイル２０２を生じる。電力プロファイル２０２を図７に、さらに詳しくは図８に示す。これを所定のプロファイルに保つため、図７の電圧グラフ２１０と電流カーブ２１２が関数発生器１００で掛け合わされ、誤差アンプ４４の入力４６にアーク・プロファイルを生じる。図８の電力プロファイル２０２は上昇部２０２ａとピーク部２０２ｂを有する。その後、減衰部２０２ｃを経て、点２０２ｄでターゲット電力に達する。その後、背景部２０２ｅに移り、次のパルスの上昇部２０２ａを待つ。本発明によれば、電力プロファイル２０２によりパルス溶接の各部でアーク電力が制御される。実際には、上昇部２０２ａと指数関数的減衰部２０２ｃは時々電圧あるいは電流によって制御されるが、ピーク部２０２ｂで背景部２０２ｅの各固定電力レベルはフィードバック信号ｋＰを波形形成器２００からの所定電力と比較することによって制御される。パルスサイクルの全部分は電力プロファイルによって制御されることが好ましい。しかし、ある修正においては、選択したアーク部は電力によって制御されるが、残りの部分は電流や電圧によって制御される。本発明の態様では、パルス圧縮部２０２ａ・２０２ｂ・２０２ｃは電流制御に移る。そして背景部２０２ｅのみが、ｋＰと所定アーク電力との比較によって制御される。
【００２２】
本発明はすべてのタイプの電気アーク溶接ではないにしても、たいていのものに使用される。図９に交流溶接モードで運転される溶接機Ｂの例を示し、図１０１０及び図１１に操作グラフを示す。電気アーク溶接機Ｂは図１と同様の基本構造を有し、機能的に同等の部品は同じ符号を有している。出力２次巻線２２は順方向整流器２４ａと逆方向整流器２４ｂを駆動する。電力は、それぞれ活性化ゲート２２０ａ，２２２ａをもつ極性スイッチ２２０，２２２を通してアークに与えられる。モードが電力として表されている以外は、これが交流溶接における標準実施である。波形形成器２４０からのライン２３０上の一連のパルス２３０ａにより、その周波数でスイッチ２２０・２２２を交互に切り換える。ゲート２３２は非一致ゲートなので、スイッチ２２０をスイッチ２２２と異なる回数操作させる。リンカーン電気社によって開発された技術によれば、溶接電流が１００Ａのように所定の低レベルまで下がったとき、スイッチ２２０・２２２が好ましく切り換えられる。これは本発明の一部をなさないが、高いアーク電流で極性反転を防ぐために用いられる技術である。波形形成器２４０は電力プロファイル２６０を成形し、デジタル誤差アンプ４４の入力４６に出力する。誤差アンプ４４は出力４４ａをもち、パルス幅変調器４０を駆動する。関数発生器１００の出力はライン２５０上の信号ｋＰである。交流操作に従い、ライン２５０上の電力の絶対値が使われる。この絶対値は変換回路２５２によって得られる。こうして図１０１０の電力プロファイル２６０が正の値のみをもつように得られる。正−負パルスの間、相対電力を制御するために、正パルス部２６２ａの値が負パルス部２６２ｂの値よりも大きい。また正パルス部の方が負パルス部よりも持続時間が長い。すなわち、時刻ｔ4〜ｔ5の時間Ｔの方が、時刻ｔ5  〜ｔ4'の時間Ｔ'よりも大きい。電力レベルとタイミングは電力プロファイル２６０によって示される。図１１はさらに詳細に示し、より高いアーク部２６２ａは傾斜部２６２ｃに沿って減少し、時刻ｔ5で極性を変える。そして傾斜部２６２ｄに沿って上昇し、負パルス部２６２ｂとなる。こうして、各極性変化により電力の減少と増大を伴う。これにより、極性変化時に低電力を生じる。電力プロファイル２６０は、出力電流の極性を変える一連のパルス２７０ａからなるグラフ２７０で示されるライン２３０上の信号と共同作用する。実際の電力は正部２７２ａと負部２７２ｂからなるグラフ２７２で示される。実際の電圧は正部２７４ａと負部２７４ｂからなるグラフ２７４で示され、実際の電流は正部２７６ａと負部２７６ｂからなるグラフ２７６で示される。このように、切換は低電力で生じる。図９〜図１１は、多様性を示すため交流溶接に本発明を用いることを説明している。
【００２３】
図１、図６及び図９に示すように、誤差アンプ４４への入力は波形形成器の出力である必要はない。図１２で誤差アンプ４４の入力３００は所定電力レベルに設定した値Ｐset  を有する。この値が誤差アンプ４４でライン５２の信号ｋＰと比較され、ライン４８に電流命令信号の変化をもたらし、アーク電圧を変化させる。図９はその最も簡単な場合の構成を示している。一つの変形例を図１３に示す。信号ｋＰはフィードバックである。波形形成器３１０からの所定電力が誤差アンプ３１４への入力に加えられる。この設定電力がライン５２の信号ｋＰと比較される。その出力３１６がワイヤフィーダのマイクロプロセッサ３２０を制御する。すなわち、ワイヤ供給モータ３２２の速度を制御してワイヤフィーダ３２４を駆動し、溶接ワイヤをスプール３３０から工作物３６に向かわせる。フィードバック信号ｋＰを使うことにより、アーク長さを減らすために電圧が増すとき、ワイヤ供給速度が増す。電圧が減ると、ワイヤ供給速度が下がってアーク長さを補正する。この実施例は、溶接パラメータのフィードバック制御に対する信号ｋＰの使用を説明している。
【００２４】
図１４・１５に信号ｋＰを使う他の実施例を示す。３００は図１２のように、所定のアーク電力である。そのレベルは調整可能、あるいは波形形成器の出力でもあり得る。図１４で関数発生器１００からの信号ｋＰは、ワイヤ供給速度ノブ３５２からライン３５０に出力される信号によって修正される。この回路は溶接機Ａ、Ｂあるいそれらの変形とともに用いられる。図１５で、電極移動速度ノブ３６２からライン３６０に出力された信号によって、信号ｋＰが修正される。他の手段による信号ｋＰの修正も溶接制御に用いられる。
【００２５】
図１６で溶接機Ａは図１の部材を有し、同じ符号を振られている。アーク検出器１０２がライン１０２ａの論理を制御し、電極３４と工作物３６の間にアークがある間のみ、波形形成器４００によって命令電力プロファイル４０２が出力される。アーク電流・電圧がコントローラＣに導かれ、回路４１０によって掛け合わされる。その出力４１０ａが因子ｋを乗じられ、ライン５２にフィードバック信号（関数）ｋＰを生じる。これがフィードバック電力信号で、１．０に等しい因子ｋを伴う。こうして、実際のアーク電力を示す信号がライン５２に現れる。これがライン４６の所定アーク電力と比較され、アーク電圧の変化を伴って電流を直ちに制御する。したがって、アーク電力は一定値、あるいは平衡アーク長さを伴う所定値に保たれる。フィードバック信号ｋＰを用いる本発明の他の実施は、電気アーク溶接分野における当業者には明らかである。
【００２６】
以上の説明で、アナログ部品の使用は本発明の好ましい態様を説明するためのものであるが、実際には、それらの部品はデジタル値をもつソフトウエア・プログラム、あるいはアナログとデジタルの組合せである。アーク値のフィードバックはアナログ−デジタル変換器によってデジタル化される。それらの設計のすべては、溶接分野で公知である。波形形成器はデジタルで、本発明の実施においてはマイクロプロセッサ内にある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一態様を説明するためのブロック回路図。
【図２】図１の態様において、ｋが１次式で表されるときの電圧／電流の関係を示すグラフ。
【図３】図１の態様においてｋ＝１．０のときの図２のグラフ。
【図４】ｋ＝１．０で一定アーク電力のときの出力を示すグラフ。
【図５】短絡溶接に対するアーク状態を示すグラフ。
【図６】パルス溶接に対する本発明の一態様のブロック回路図。
【図７】図６の回路を使ったときの電流と電圧と電力を示すグラフ。
【図８】図７の破線囲み部の拡大グラフ。
【図９】交流溶接用に用いたときの本発明の一態様のブロック回路図。
【図１０】図９の回路を使ったときの各波形を示すグラフ。
【図１１】図１０の一部拡大グラフ。
【図１２】固定の所定アーク電力を伴う場合の一部ブロック回路図。
【図１３】ワイヤ供給速度制御用フィードバック信号ｋＰを用いる一部ブロック回路図。
【図１４】信号ｋＰがワイヤ供給速度によってモニターされる場合の一部ブロック回路図。
【図１５】信号ｋＰが電極移動速度によってモニターされる場合の一部ブロック回路図。
【図１６】本発明の他の一態様を説明するためのブロック回路図。
【符号の説明】
Ａ，Ｂ：  溶接機
Ｃ：  コントローラ
１０：  高速切換電源
２０：  出力トランス
３０：  出力回路
３４：  電極
３６：  工作物
４０：  パルス幅変調器
４４：  誤差アンプ
５０：  波形形成器
６０：  シャント
７０：  センサ
１００：  関数発生器
１０２：  アーク検出器
Ｉａ：  アーク電流
Ｖａ：  アーク電圧
ｋＰ：  フィードバック信号（関数）
ｋ：  因子
【図１】
0003802832.tif 000002
【図２】
0003802832.tif 000003
【図３】
0003802832.tif 000004
【図４】
0003802832.tif 000005
【図５】
0003802832.tif 000006
【図６】
0003802832.tif 000007
【図７】
0003802832.tif 000008
【図８】
0003802832.tif 000009
【図９】
0003802832.tif 000010
【図１０】
0003802832.tif 000011
【図１１】
0003802832.tif 000012
【図１２】
0003802832.tif 000013
【図１３】
0003802832.tif 000014
【図１４】
0003802832.tif 000015
【図１５】
0003802832.tif 000016
【図１６】
0003802832.tif 000017