JP2003010971A - 溶接電源装置の出力電圧制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶接ロボットを使用したアルミニウム又はそ
の合金の交流パルスアーク溶接にあって、溶接中の溶接
ワイヤと被溶接物との短絡回数の検出値Ｎｄと予め定め
た短絡回数設定値Ｎｓとが略等しくなるように制御周期
Ｔｃ毎に溶接電源装置の出力電圧を制御する出力電圧制
御方法において、被溶接物の材質、溶接速度、溶接姿
勢、溶接継手形状又は溶接個所の変化によって見かけの
アーク長が変動して溶接品質が悪くなる。 【解決手段】 本発明は、被溶接物の材質、溶接速度、
溶接姿勢、溶接継手形状又は溶接個所の少なくとも一つ
以上に対応して、上記制御周期Ｔｃの時間長さをティー
チペンダントによって適正値に設定する溶接電源装置の
出力電圧制御方法である。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、溶接ロボットを使
用するアルミニウム又はその合金のパルスアーク溶接に
おいて、溶接中の溶接ワイヤと被溶接物との短絡回数の
検出値と予め定めた短絡回数設定値とが略等しくなるよ
うに制御周期毎に溶接電源装置の出力電圧を制御する出
力電圧制御方法に関する。 【０００２】 【従来の技術】消耗電極ガスシールドアーク溶接では、
溶接電源装置の出力電圧を制御することによって、溶接
品質に重大な影響を及ぼすアーク長を適正値に維持す
る。出力電圧を制御する理由は、アーク長を直接検出す
ることは困難であるために、アーク長と略比例関係にあ
る出力電圧を制御することによって間接的にアーク長を
制御するためである。しかしながら、被溶接物がアルミ
ニウム又はその合金（以下、アルミニウム合金等とい
う）であるときは、後述するように、クリ−ニング作用
の影響によってアーク長と出力電圧とが比例関係にない
場合があるために、出力電圧の制御によってアーク長を
適正値に維持することができない場合がある。この問題
を解決するために、アルミニウム合金等の溶接において
アーク長と反比例の関係にある溶接ワイヤと被溶接物と
の短絡回数を利用して、短絡回数が目標値と等しくなる
ように出力電圧を制御することによってアーク長を適正
値に維持する出力電圧制御方法が提案されている。以
下、まず従来技術１として、上述した通常の出力電圧制
御方法について説明した後に、従来技術２として、上述
した短絡回数による出力電圧制御方法について説明す
る。 【０００３】［従来技術１］図１は、溶接ロボットを使
用して消耗電極ガスシールドアーク溶接を行うための溶
接装置の構成図である。以下、同図を参照して説明す
る。溶接作業者は、ティーチペンダント９を使用して、
後述するロボット制御装置８に対してワイヤ送給速度、
出力電圧、溶接速度等の溶接条件Ｗｓを設定する。ロボ
ット制御装置８は、後述するマニュピュレータ７の動作
制御を行う動作制御信号Ｍｓを出力すると共に、上記の
ティーチペンダント９によって設定されたワイヤ送給速
度設定信号、電圧設定信号及び出力開始信号等から形成
されるインターフェース信号Ｉｆを後述する溶接電源装
置６へと送信する。マニュピュレータ７は、ワイヤ送給
モータＷＭ及び溶接トーチ４を搭載して、上記の動作制
御信号Ｍｓに従って溶接トーチ４の先端位置（ＴＣＰ）
を予め教示された動作軌跡に沿って移動させる。溶接ワ
イヤ１は、上記のワイヤ送給モータＷＭによって上記の
溶接トーチ４を通って送給される。 【０００４】溶接電源装置６は、上記のインターフェー
ス信号Ｉｆを受信して、それに含まれる電圧設定信号に
相当する出力電圧Ｖｏを出力する。その結果、溶接ワイ
ヤ１と被溶接物２との間にアーク３が発生して出力電流
Ｉｏが通電する。また、溶接電源装置６は、送給制御信
号Ｆｃを出力して、上記のワイヤ送給モータＷＭを制御
する。 【０００５】以下の説明においては、消耗電極ガスシー
ルドアーク溶接法の一例として、アルミニウム合金等の
溶接に多く使用される交流パルスアーク溶接法について
説明する。図２は、交流パルスアーク溶接の電流・電圧
波形図である。同図（Ａ）は出力電流Ｉｏの時間変化を
示し、同図（Ｂ）は出力電圧Ｖｏの時間変化を示し、同
図（Ｃ１）〜（Ｃ４）は各時刻におけるアーク発生状態
を示す。同図において、ＥＮとは電極マイナス極性を示
し、ＥＰとは電極プラス極性を示す。以下、同図を参照
して説明する。 【０００６】 時刻ｔ１〜ｔ２の期間（ピーク期間Ｔ
ｐ） 同図（Ａ）に示すように、電極プラス極性ＥＰで、予め
定めたピーク期間Ｔｐの間は予め定めたピーク電流Ｉｐ
が通電する。通常、このピーク期間Ｔｐ及びピーク電流
Ｉｐの値は、溶接ワイヤをアーク熱によって１パルス１
溶滴移行させるように設定される。その値は、ピーク期
間Ｔｐでは１〜３［ms］程度であり、ピーク電流Ｉｐで
は３００〜５５０［Ａ］程度である。また、同図（Ｂ）
に示すように、上記のピーク電流Ｉｐの通電に対応した
ピーク電圧Ｖｐが、溶接ワイヤ（＋）と被溶接物（−）
との間に印加する。 【０００７】 時刻ｔ２〜ｔ３の期間（電極マイナス
期間Ｔen） 時刻ｔ２において、電極プラス極性ＥＰから電極マイナ
ス極性ＥＮへと切り換わると、同図（Ａ）に示すよう
に、予め定めた電極マイナス期間Ｔenの間は予め定めた
電極マイナス電流Ｉenが通電する。通常、この電極マイ
ナス期間Ｔen及び電極マイナス電流Ｉenの値は、被溶接
物の材質、板厚、形状等に応じて溶滴移行をさせない範
囲内で適正値に設定される。その値は、電極マイナス期
間Ｔenでは１〜１０［ms］程度であり、電極マイナス電
流Ｉenでは３０〜１２０［Ａ］程度である。また、同図
（Ｂ）に示すように、上記の電極マイナス電流Ｉenの通
電に対応した電極マイナス電圧Ｖenが、溶接ワイヤ
（−）と被溶接物（＋）との間に印加する。 【０００８】 時刻ｔ３〜ｔ４の期間（ベース期間Ｔ
ｂ） 時刻ｔ３において、再び電極マイナス極性ＥＮから電極
プラス極性ＥＰへと切り換わると、同図（Ａ）に示すよ
うに、ベース期間Ｔｂの間は溶滴移行をさせない範囲内
（２０〜７０［Ａ］程度）で予め定めたベース電流Ｉｂ
が通電する。また、同図（Ｂ）に示すように、上記のベ
ース電流Ｉｂの通電に対応したベース電圧Ｖｂが、溶接
ワイヤ（＋）と被溶接物（−）との間に印加する。上記
のベース期間Ｔｂは、以下に示す変調制御によって自動
的に定まる。すなわち、同図（Ｂ）に示すように、ベー
ス期間Ｔｂの終了時点（時刻ｔ４）は、電極プラス極性
ＥＰ期間中の出力電圧Ｖｏと予め定めた電圧設定値Ｖｓ
との誤差の積分値Ｉｖが０［Ｖ］になった時点となる。
同図の場合、電極プラス極性ＥＰ期間の出力電圧Ｖｏに
は、前述したピーク期間Ｔｐ中のピーク電圧Ｖｐとベー
ス期間Ｔｂ中のベース電圧Ｖｂとを含んでいる。したが
って、ピーク期間Ｔｐ中のピーク電圧値Ｖｐと上記の電
圧設定値Ｖｓとの誤差の積分値Ｉv1＝∫（Ｖｐ−Ｖｓ）
ｄｔと、ベース期間Ｔｂ中のベース電圧値Ｖｂと上記の
電圧設定値Ｖｓとの誤差の積分値Ｉv2＝∫（Ｖｂ−Ｖ
ｓ）ｄｔとの加算値が０［Ｖ］となるように、次式によ
ってベース期間Ｔｂの終了時点（時刻ｔ４）が決まる。 Ｉｖ＝∫（Ｖｐ−Ｖｓ）ｄｔ＋∫（Ｖｂ−Ｖｓ）ｄｔ＝０ （１）式 時刻ｔ４以降は、上記の〜項の動作を１周期として
繰り返して溶接が行われる。 【０００９】 上述した各期間におけるアーク発生状
態 同図（Ｃ１）に示すように、上記項のピーク期間Ｔｐ
中は、大電流値のピーク電流Ｉｐの通電によって、溶接
ワイヤ１の先端部の溶融が促進して溶滴１ａが大きく成
長する。このときのアーク３の陰極点は、クリーニング
作用によって酸化皮膜が除去されていない被溶接物２の
表面上に形成される。次に、同図（Ｃ２）に示すよう
に、上記項のピーク期間Ｔｐの後半になると、ピーク
電流Ｉｐの通電によるピンチ力によって溶滴１ａの上部
にくびれが生じる。 【００１０】さらに、同図（Ｃ３）に示すように、上記
項のピーク期間Ｔｐが終了して電極プラス極性ＥＰか
ら電極マイナス極性ＥＮへと切り換わる時刻ｔ２直後に
おいて、溶滴１ａが溶接ワイヤ１から離脱して被溶接物
２へと移行する。この溶滴移行の直前に、溶滴１ａと被
溶接物２とが接触して溶接ワイヤ１と被溶接物２との短
絡が発生することがある。この短絡が発生する頻度（単
位時間当たりの短絡回数）は、溶接ワイヤ１の先端と被
溶接物２との最短距離（アーク長）が短い程多くなり、
長い程少なくなり、両者は反比例の関係にある。さら
に、同図（Ｃ４）に示すように、上記項の電極マイナ
ス期間Ｔen中は、電極マイナス電流Ｉenの通電によって
溶滴が徐々に成長する。このときのアーク３の陰極点
は、溶滴全体及び溶接ワイヤ１の下部の非溶融部を高速
に移動しながら形成するために、アーク３は溶滴及び溶
接ワイヤ１の下部の全体から発生する。上述した同図
（Ｃ１）〜（Ｃ４）に示すように、溶滴の形成、成長及
び移行の各プロセスを繰り返して溶接が行われる。 【００１１】図３は、上述した交流パルスアーク溶接を
実施するための溶接電源装置６のブロック図である。以
下、同図を参照して各回路ブロックについて説明する。
商用電源ＡＣは、溶接電源装置の入力電源であり、通常
は３相２００／２２０［Ｖ］が使用される。出力制御回
路ＩＮＶは、内部回路の図示を省略しているが、上記の
商用電源ＡＣを整流する１次側整流回路と、整流された
リップルのある電圧を平滑する平滑回路と、平滑された
直流電圧を高周波交流に変換するインバータ回路と、こ
のインバータ回路を形成する複数組のパワートランジス
タのドライブ回路と、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに
従って上記のインバータ回路のＰＷＭ制御を行うＰＷＭ
制御回路とから形成される。 【００１２】高周波変圧器ＩＮＴは、上記の高周波交流
をアーク負荷に適した電圧値に降圧する。２次側整流器
Ｄ2a〜Ｄ2dは、降圧された高周波交流を直流に整流す
る。極性切換ドライブ回路ＤＲは、後述する電極マイナ
ス期間信号Ｔenが入力されている（Ｈｉｇｈレベル）と
きは電極マイナス極性ドライブ信号Ｎdrを出力（Ｈｉｇ
ｈレベル）し、入力されていない（Ｌｏｗレベル）とき
は電極プラス極性ドライブ信号Ｐdrを出力（Ｈｉｇｈレ
ベル）する。したがって、電極マイナス極性ドライブ信
号Ｎdrが出力されているときは電極プラス極性ドライブ
信号Ｐdrは出力されず、反対に電極マイナス極性ドライ
ブ信号Ｎdrが出力されていないときは電極プラス極性ド
ライブ信号Ｐdrは出力されるという、互いに論理的に反
転した関係にある。電極プラス極性トランジスタＰＴＲ
は、上記の電極プラス極性ドライブ信号Ｐｄが出力され
ているときに導通状態になり、電極プラス極性期間とな
る。他方、電極マイナス極性トランジスタＮＴＲは、上
記の電極マイナス極性ドライブ信号Ｎdrが出力されてい
るときに導通状態になり、電極マイナス極性期間とな
る。 【００１３】上記の極性切換ドライブ回路ＤＲ、電極プ
ラス極性トランジスタＰＴＲ及び電極マイナス極性トラ
ンジスタＮＴＲによって極性切換回路ＳＷＰが形成され
る。この極性切換回路ＳＷＰは、電極マイナス期間信号
Ｔenが入力されている（Ｈｉｇｈレベル）ときは電源装
置の直流出力（２次側整流器Ｄ2a〜Ｄ2dの出力）を電極
マイナス極性に切り換え、入力されていない（Ｌｏｗレ
ベル）ときは電源装置の直流出力を電極プラス極性に切
り換える。 【００１４】リアクトルＷＬは、上記の電極プラス極性
トランジスタＰＴＲ又は電極マイナス極性トランジスタ
ＮＴＲを通電するリップルのある出力を平滑してアーク
３に供給する。図２で前述した電極プラス極性期間中の
ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂは、Ｄ2a又はＤ2b→
ＰＴＲ→ＷＬ→溶接ワイヤ１→被溶接物２の経路で通電
する。他方、電極マイナス極性期間中の電極マイナス電
流Ｉenは、被溶接物２→溶接ワイヤ１→ＮＴＲ→ＷＬ→
Ｄ2c又はＤ2dの経路で通電する。 【００１５】溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給装置の送給ロ
ール５ａによって溶接トーチ４を通って送給されると共
に、溶接トーチ４の先端部のコンタクトチップから給電
されて、被溶接物２との間にアーク３が発生する。 【００１６】ピーク期間タイマ回路ＴＰは、後述するリ
セット信号Ｃｐが入力（Ｈｉｇｈレベル）されると、予
め定めた一定期間Ｈｉｇｈレベルとなるピーク期間信号
Ｔｐを出力する。電極マイナス期間タイマ回路ＴＥＮ
は、上記のピーク期間信号ＴｐがＨｉｇｈレベルからＬ
ｏｗレベルへと変化すると、予め定めた一定期間Ｈｉｇ
ｈレベルとなる電極マイナス期間信号Ｔenを出力する。 【００１７】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。図１の説明の項で
前述したように、ティーチペンダント９によって設定さ
れた後にロボット制御装置７からインターフェース信号
Ｉｆの一部として送信された電圧設定信号Ｖｓは、電極
プラス極性期間中の電圧（図２で前述したピーク電圧Ｖ
ｐ及びベース電圧Ｖｂ）の平均値の目標値となる。電圧
誤差回路ＥＶは、上記のＶｄ−Ｖｓの誤差演算を行い、
電圧誤差信号Ｅｖを出力する。積分回路ＩＶは、前述し
た電極マイナス期間信号Ｔenが入力されていない（Ｌｏ
ｗレベル）ときには、上記の電圧誤差信号Ｅｖを積分し
て、積分値信号Ｉｖを出力する。上記において、電極マ
イナス期間信号Ｔenが入力されていないときとは、電極
プラス極性期間のときである。したがって、上記の積分
回路ＩＶは、前述した（１）式で示すＩｖ＝∫（Ｖｄ−
Ｖｓ）ｄｔ＝∫（Ｖｐ−Ｖｓ）ｄｔ＋∫（Ｖｂ−Ｖｓ）
ｄｔの積分を行っている。比較回路ＣＰは、上記の積分
値信号Ｉｖが０［Ｖ］になったときに短時間Ｈｉｇｈレ
ベルとなるリセット信号Ｃｐを出力する。このリセット
信号Ｃｐは、前述したピーク期間タイマ回路ＴＰに入力
されて、ピーク期間信号Ｔｐの出力開始のトリガ信号と
なる。 【００１８】上述した電圧誤差回路ＥＶ、積分回路ＩＶ
及び比較回路ＣＰによって変調回路ＭＣが形成され、前
述した（１）式に相当する以下の処理を行う。すなわ
ち、変調回路ＭＣは、ピーク期間信号Ｔｐの出力開始時
点からの電極プラス極性期間の電圧検出信号Ｖｄと電圧
設定信号Ｖｓとの誤差の積分値Ｉｖが０［Ｖ］になった
ときに、ピーク期間タイマ回路ＴＰが再び出力を開始す
るトリガ信号となるリセット信号Ｃｐを出力する。 【００１９】ピーク電流設定回路ＩＰは、溶滴移行をさ
せる値に予め定めたピーク電流設定信号Ｉｐを出力す
る。電極マイナス電流設定回路ＩＥＮは、溶滴移行をさ
せない値に予め定めた電極マイナス電流設定信号Ｉenを
出力する。ベース電流設定回路ＩＢは、溶滴移行をさせ
ない値に予め定めたベース電流設定信号Ｉｂを出力す
る。ピーク期間切換回路ＳＰは、前述したピーク期間信
号Ｔｐが入力されている（Ｈｉｇｈレベル）ときはａ側
に切り換って上記のピーク電流設定信号Ｉｐを電流制御
設定信号Ｉscとして出力し、入力されていない（Ｌｏｗ
レベル）ときはｂ側に切り換って後述する切換設定信号
Ｓｅを電流制御設定信号Ｉscとして出力する。電極マイ
ナス期間切換回路ＳＥは、前述した電極マイナス期間信
号Ｔenが入力されている（Ｈｉｇｈレベル）ときはａ側
に切り換って上記の電極マイナス電流設定信号Ｉenを切
換設定信号Ｓeとして出力し、入力されていない（Ｌｏ
ｗレベル）ときはｂ側に切り換って上記のベース電流設
定信号Ｉｂを切換設定信号Ｓｅとして出力する。上記の
ピーク期間切換回路ＳＰ及び電極マイナス期間切換回路
ＳＥによって電流制御設定回路ＩＳＣが形成されて、そ
の処理は以下のとおりである。すなわち、電流制御設定
回路ＩＳＣは、ピーク期間信号Ｔｐが入力されるとピー
ク電流設定信号Ｉｐを、電極マイナス期間信号Ｔenが入
力されると電極マイナス電流設定信号Ｉenを、上記両期
間信号Ｔｐ及びＴenがいずれも入力されていないときは
ベース電流設定信号Ｉｂを、電流制御設定信号Ｉscとし
て出力する。 【００２０】電流検出回路ＩＤは、交流である出力電流
Ｉｏを検出してその値を絶対値に変換して電流検出信号
Ｉｄを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流
検出信号Ｉｄと電流制御設定信号Ｉscとの誤差を増幅し
て、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。この電流誤差増
幅信号Ｅｉに従って、前述した出力制御回路ＩＮＶは出
力電流Ｉｏの通電値を制御する。したがって、Ｉsc＝Ｉ
ｐのときはピーク電流Ｉｐが通電し、Ｉsc＝Ｉenのとき
は電極マイナス電流Ｉenが通電し、Ｉsc＝Ｉｂのときは
ベース電流Ｉｂが通電する。 【００２１】図４は、上述した従来技術１の溶接電源装
置６における各信号のタイミングチャートである。同図
（Ａ）は出力電流Ｉｏの時間変化を示し、同図（Ｂ）は
出力電圧Ｖｏの時間変化を示し、同図（Ｃ）はピーク期
間信号Ｔｐの時間変化を示し、同図（Ｄ）は電極マイナ
ス期間信号Ｔenの時間変化を示し、同図（Ｅ）は積分値
信号Ｉｖの時間変化を示し、同図（Ｆ）はリセット信号
Ｃｐの時間変化を示す。同図（Ａ）及び（Ｂ）は前述し
た図２と同一である。以下、同図を参照して説明する。 【００２２】 時刻ｔ１〜ｔ２の期間（ピーク期間Ｔ
ｐ） 同図（Ｄ）に示すように、この期間中は電極マイナス期
間信号Ｔenが出力されていない（Ｌｏｗレベル）ため
に、電極プラス極性ＥＰとなる。また、同図（Ｃ）に示
すように、ピーク期間信号Ｔｐが出力（Ｈｉｇｈレベ
ル）されているので、同図（Ａ）に示すように、ピーク
電流Ｉｐが通電する。さらに、同図（Ｅ）に示すよう
に、積分値信号Ｉｖは、同図（Ｂ）に示すピーク電圧Ｖ
ｐ及び電圧設定信号ＶｓによってＩｖ＝∫（Ｖｐ−Ｖ
ｓ）ｄｔの積分値となる。このとき、Ｖｐ＞Ｖｓである
ので、その積分値は時間の経過と共に大きくなる。 【００２３】 時刻ｔ２〜ｔ３の期間（電極マイナス
期間Ｔen） 同図（Ｄ）に示すように、この期間中は電極マイナス期
間信号Ｔenが出力されている（Ｈｉｇｈレベル）ため
に、電極マイナス極性ＥＮとなり、同図（Ａ）に示すよ
うに、電極マイナス電流Ｉenが通電する。また、同図
（Ｅ）に示すように、上記の電極マイナス期間信号Ｔen
が出力されているために積分処理は停止し、積分値信号
Ｉｖはこの期間中は変化しない。 【００２４】 時刻ｔ３〜ｔ４の期間（ベース期間Ｔ
ｂ） 同図（Ｄ）に示すように、この期間中は電極マイナス期
間信号Ｔenが出力されていない（Ｌｏｗレベル）ため
に、再び電極プラス極性ＥＰとなる。また、同図（Ｃ）
に示すピーク期間信号Ｔｐ及び同図（Ｄ）に示す電極マ
イナス期間信号Ｔenが共に出力されていない（Ｌｏｗレ
ベル）ために、同図（Ａ）に示すように、ベース電流Ｉ
ｂが通電する。さらに、同図（Ｅ）に示すように、積分
値信号Ｉｖは、同図（Ｂ）に示すベース電圧Ｖｂ及び電
圧設定信号ＶｓによってＩｖ＝∫（Ｖｂ−Ｖｓ）ｄｔの
積分値となる。このとき、Ｖｂ＜Ｖｓであるので、その
積分値は時間の経過と共に小さくなり、時刻ｔ４におい
て０［Ｖ］になる。積分値信号Ｉｖが０［Ｖ］になる
と、同図（Ｆ）に示すように、リセット信号Ｃｐが短時
間Ｈｉｇｈレベルとなり、その結果、再び上記項に示
すピーク期間信号Ｔｐの出力が開始する。 【００２５】上述したように、従来秘術１では、電極プ
ラス極性期間のピーク電圧Ｖｐ及びベース電圧Ｖｂの平
均値が電圧設定値Ｖｓと等しくなるように出力電圧を制
御することによって、アーク長を適正値に維持すること
ができる。 【００２６】［従来技術２］前述したように、出力電圧
とアーク長とが比例関係にある場合には、上述した従来
技術１の出力電圧制御方法によってアーク長を適正値に
維持することができる。しかし、アルミニウム合金等の
アーク溶接においては、以下の理由によって出力電圧と
アーク長とは比例関係にないために、従来技術１の出力
電圧制御方法ではアーク長を適正値に維持することがで
きない。以下、この理由について図５を参照して説明す
る。 【００２７】図５は、アルミニウム合金等のアーク溶接
におけるアーク発生状態図である。同図（Ａ）は、アー
クによる被溶接物表面の酸化皮膜の除去範囲を示すクリ
ーニング幅Ｗc1［mm］が狭い場合であり、同図（Ｂ）は
クリーニング幅Ｗc2［mm］が広い場合である。また、同
図は、溶接ワイヤ１が陽極となり、被溶接物２が陰極と
なる電極マイナス極性のときである。以下、同図を参照
して説明する。 【００２８】通常、アーク３の陰極点は、電子の放出が
容易であるクリーニングされていない酸化皮膜の存在す
る領域に形成する。したがって、同図（Ａ）に示すよう
に、溶接ワイヤ１の先端部Ａ点に陽極が形成し、クリー
ニング領域の外周部Ｂ点周辺に陰極点が形成する。この
ために、Ａ点とＢ点との距離Ｌt1［mm］が真のアーク長
となる。他方、溶接ワイヤの先端部Ａ点と溶接ワイヤ直
下の被溶接物上のＣ点との距離Ｌa1［mm］が見かけのア
ーク長となる。これまでの説明におけるアーク長とは見
かけのアーク長のことである。この真のアーク長Ｌt1と
出力電圧とは比例関係にあり、見かけのアーク長Ｌa1と
出力電圧とは比例関係にはない。したがって、上述した
従来技術１の出力電圧制御方法では、真のアーク長を一
定値に維持していることになる。しかしながら、溶込み
深さ、ビード外観等の溶接品質は、見かけのアーク長Ｌ
a1によって大きく影響され、真のアーク長による影響は
小さい。すなわち、良好な溶接品質を得るためには、見
かけのアーク長を適正値に維持する必要がある。ところ
で、鉄鋼のアーク溶接では、その表面に酸化皮膜がない
ために、陰極点はアークの経路が最短となるＣ点周辺に
形成する。したがって、真のアーク長Ｌt1と見かけのア
ーク長Ｌa1とは略等しくなる。このため、従来技術１の
出力電圧制御方法によって真のアーク長を制御すること
は、同時に見かけのアーク長を制御することになる。 【００２９】溶接中の被溶接物の表面状態（汚れ等）、
シールドガスの遮蔽状態、溶接進行に伴う被溶接物の温
度等の変動によって、被溶接物のクリーニング幅Ｗｃは
大きく変化する。溶接中にクリーニング幅が、同図
（Ａ）に示すクリーニング幅Ｗc1［mm］から同図（Ｂ）
に示すクリーニング幅Ｗc2［mm］へと広くなると、以下
のようにアーク発生状態が変化する。すなわち、同図
（Ｂ）に示すように、陰極点はクリーニング領域の外周
部Ｅ点周辺に形成する。このとき、上述したように、従
来技術１の出力電圧制御によって真のアーク長（Ｄ点−
Ｅ点）は、同図（Ａ）と同一値のＬt1［mm］となる。こ
の結果、幾何学的な位置関係から明らかように、見かけ
のアーク長はＬa2［mm］へと短くなる。上記とは逆に、
溶接中にクリーニング幅が狭くなると、見かけのアーク
長は長くなる。 【００３０】上述したように、アルミニウム合金等のア
ーク溶接において、従来技術１の出力電圧制御方法で
は、溶接中のクリーニング幅の変動に伴って見かけのア
ーク長が変化して、溶接品質が悪くなるという問題があ
った。こｎ問題を解決するために、以下に説明する従来
技術２の短絡回数による出力電圧制御方法が提案されて
いる。すなわち、従来技術２の出力電圧制御方法では、
図２の説明の項で前述したように、溶滴移行の直前に発
生する短絡の頻度（単位時間当たりの短絡回数）と見か
けのアーク長とが反比例の関係にあることを利用して、
短絡回数が目標値と等しくなるように出力電圧を制御す
ることによって、見かけのアーク長を適正値に維持する
方法である。以下、図面を参照して従来技術２について
説明する。 【００３１】図６は、従来技術２の出力電圧制御方法を
実施するための短絡回数制御溶接電源装置６１のブロッ
ク図である。同図において、前述した図３と同一の回路
ブロックには同一符号を付し、それらの説明は省略す
る。以下、図３とは異なる回路ブロックである点線で示
す短絡回数検出回路ＮＤ、短絡回数設定回路ＮＳ及び短
絡回数誤差積分回路ＥＮＩについて説明する。 【００３２】短絡回数検出回路ＮＤは、電圧検出信号Ｖ
ｄの電圧値によって短絡を判別し、単位時間当たりの短
絡回数を計数して、短絡回数検出信号Ｎｄを出力する。
単位時間としては１［ｓ］が使用される。短絡回数設定
回路ＮＳは、図１で前述したティーチペンダント９によ
って設定された短絡回数設定値を含むインターフェース
信号Ｉｆを入力として、短絡回数設定信号Ｎｓを出力す
る。したがって、この短絡回数設定信号Ｎｓは、ティー
チペンダントによって設定する。短絡回数誤差積分回路
ＥＮＩは、上記の短絡回数検出信号Ｎｄと短絡回数設定
信号Ｎｓとを入力として、下式の演算を行い、電圧制御
設定信号Ｖsc(n)を出力する。 Ｖsc(n)＝Ｖsc(n-1)＋Ｇ×（Ｎｄ−Ｎｓ） （２）式 但し、Ｇは予め定めた増幅率である。上記（２）式の演
算では、予め定めた制御周期Ｔｃ［ｓ］毎にＧ×（Ｎｄ
−Ｎｓ）を演算し、前回の電圧制御設定信号Ｖsc(n-1に
加算して今回の電圧制御設定信号Ｖsc(n)を演算する。
この制御周期Ｔｃは、上述した単位時間に相当するの
で、定常状態では１［ｓ］程度に設定される。ただし、
上記（２）式のＮｄ−Ｎｓの誤差が大きいときには、制
御系の過渡応答性を改善するために、制御周期Ｔｃが上
記誤差に応じて過渡的に短くなるように変化する方法も
提案されている。これ以降の動作は、前述した図３のと
きと同様であるので、説明は省略する。上述したよう
に、従来技術２では、見かけのアーク長の適正値に対応
した短絡回数設定信号Ｎｓを設定し、溶接中の短絡回数
検出信号Ｎｄがこの短絡回数設定信号Ｎｓと略等しくな
るように、溶接電源装置の出力電圧を制御する。 【００３３】 【発明が解決しようとする課題】 被溶接物がアルミ
ニウム−マグネシウム（Ａｌ−Ｍｇ）合金であるときの
パルスアーク溶接では、被溶接物の表面性状が安定して
おりクリーニング幅に代表されるアークの形状が急変す
ることが少ないため、溶滴移行に伴う短絡回数のバラツ
キは小さく、前述した従来技術２の出力電圧制御方法に
よって見かけのアーク長を適正値に維持することができ
る。しかし、被溶接物が鋳物に代表されるアルミニウム
−シリコン（Ａｌ−Ｓｉ）合金であるときのパルスアー
ク溶接では、被溶接物の表面性状のバラツキが比較的大
きく、クリーニング幅に代表されるアークの形状が急変
する場合があるため、溶滴移行がやや不安定となり、溶
滴移行に伴う短絡回数のバラツキが大きくなる。このた
めに、従来技術２の出力電圧制御方法では、溶接中の見
かけのアーク長の変動が大きくなり、溶込み深さ、ビー
ド外観等が変化して溶接品質が悪くなる。また、アルミ
ニウム合金等の交流パルスアーク溶接では、直流パルス
アーク溶接に比べて溶滴移行がやや不安定であるため
に、上記と同様の問題が生じる。 【００３４】図７は、上述した問題の具体例を示す短絡
回数・見かけのアーク長変動図である。同図（Ａ）は短
絡回数検出信号Ｎｄの時間変化を示し、同図（Ｂ）は見
かけのアーク長Ｌａの時間変化を示す。同図は、被溶接
物にアルミニウム−シリコン合金を使用した交流パルス
アーク溶接の場合である。以下、同図を参照して説明す
る。 【００３５】前述したように、被溶接物がアルミニウム
−シリコン合金であり、かつ、溶接法が交流パルスアー
ク溶接法であるために、溶滴移行はやや不安定になる。
このために、同図（Ａ）に示すように、溶滴移行に伴う
短絡回数の検出信号Ｎｄは大きく変動する。この短絡回
数検出信号Ｎｄをフィードバック信号として出力電圧制
御が行われるために、図示していない出力電圧が大きく
変動して、その結果、同図（Ｂ）に示すように、見かけ
のアーク長Ｌａも大きく変動する。このために、溶込み
深さ、ビード外観等が変化して溶接品質は悪くなる。 【００３６】 溶接速度、溶接姿勢、溶接継手形状、
溶接個所等が変化すると、見かけのアーク長が変化す
る。すなわち、溶接速度が遅いときには溶融池がワイヤ
直下にあるために、ワイヤ先端とワイヤ直下の溶融池と
の距離が見かけのアーク長となる。しかし、溶接速度が
速くなると溶融池がワイヤ直下よりも後方にあるため
に、ワイヤ先端と溶融池との距離（見かけのアーク長）
が長くなる。したがって、溶接中に溶接速度が速くなる
と、見かけのアーク長は長くなる。また、溶接姿勢につ
いては、溶接トーチの前進角によって、ワイヤ先端とワ
イヤ送給方向の溶融池との距離（見かけのアーク長）が
変化する。したがって、溶接中に溶接姿勢の前進角が変
化すると、見かけのアーク長が変化する。また、溶接継
手形状が例えば重ねすみ肉継手から突き合わせ継手へと
変化すると、クリーニング状態が変化するために見かけ
のアーク長が変化する。また、溶接個所の形状、板厚等
が変化すると、アーク熱による溶接部の温度が変化する
ためにクリーニング状態が変化して見かけのアーク長が
変化する。 【００３７】上述したように、見かけのアーク長が変化
すると短絡回数が変化するので、従来技術２の出力電圧
制御方法によって見かけのアーク長は元の適正値に復帰
する。前述したように、出力電圧の制御周期Ｔｃは定常
状態では１［ｓ］と長いために一旦見かけのアーク長が
大きく変化して短絡回数が大きく変化した後に、検出値
と目標値との誤差が大きくなるために制御周期Ｔｃが過
渡的に短くなり、見かけのアーク長は元の適正値に復帰
する。したがって、定常状態での長い制御周期Ｔｃの間
は一旦見かけのアーク長が大きく変化するために、見か
けのアーク長が適正値に戻るまでの復帰時間Ｔd1［ｓ］
は長くなる。その結果、見かけのアーク長が長くなった
溶接個所の溶込み深さ、ビード外観が変化して溶接品質
が悪くなる。なお、定常状態の制御周期Ｔｃが１［ｓ］
に設定されているのは、種々の溶接条件の下でも定常状
態での制御安定性（見かけのアーク長の変動）を確保す
るためである。 【００３８】図８は、上述した問題の具体例を示す短絡
回数・見かけのアーク長変動図である。同図（Ａ）は短
絡回数検出信号Ｎｄの時間変化を示し、同図（Ｂ）は見
かけのアーク長Ｌａの時間変化を示す。同図は、溶接途
中の時刻ｔ１において溶接速度を速くした場合である。 【００３９】同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１におい
て溶接速度が速くなると、前述したように見かけのアー
ク長は長くなるために、短絡回数検出信号Ｎｄは短絡回
数設定信号Ｎｓよりも小さくなる。このために、前述し
た（２）式によって出力電圧（Ｖsc）は小さくなるよう
に制御される。その結果、見かけのアーク長は元の適正
値に復帰する。しかしながら、前述したように、定常状
態では（２）式の演算は制御周期Ｔｃ＝１［ｓ］毎に行
われるために、同図（Ｂ）に示すように、見かけのアー
ク長Ｌaは時刻ｔ１後に一旦大きく変化して時刻ｔ２ま
での長い復帰時間Ｔd1［ｓ］経過後に適正値に戻る。こ
のために、時刻ｔ１〜ｔ２の期間中は見かけのアーク長
Ｌａが適正値よりも長くなるために、溶込み深さ、ビー
ド外観等が変化して溶接品質は悪くなる。 【００４０】項及び項で上述したように、アルミニ
ウム合金等の交流パルスアーク溶接における従来技術１
及び従来技術２では、被溶接物の材質、溶接速度、溶接
姿勢、溶接継手形状又は溶接個所の変化に起因して、見
かけのアーク長が変化するために、溶込み深さ、ビード
外観等が変化して溶接品質が悪化するという解決すべき
課題があった。そこで、本発明では、被溶接物の材質、
溶接速度、溶接姿勢、溶接継手形状又は溶接個所が変化
しても常に見かけのアーク長を適正値に維持することが
できる溶接電源装置の出力電圧制御方法を提供する。 【００４１】 【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、図９
に示すように、ティーチペンダント９によって溶接条件
を設定し、溶接電源装置６及び溶接ロボット７を使用し
て行うアルミニウム又はその合金の交流パルスアーク溶
接にあって、溶接中の溶接ワイヤ１と被溶接物２との短
絡回数の検出値Ｎｄと予め定めた短絡回数設定値Ｎｓと
が略等しくなるように制御周期Ｔｃ毎に上記溶接電源装
置６の出力電圧Ｖｏを制御する出力電圧制御方法におい
て、被溶接物の材質、溶接速度、溶接姿勢、溶接継手形
状又は溶接個所の少なくとも一つ以上に対応して、上記
制御周期Ｔｃの時間長さを上記ティーチペンダント９に
よって適正値に設定する溶接電源装置の出力電圧制御方
法である。 【００４２】 【発明の実施の形態】以下に説明する実施の形態は、請
求項１の発明に対応する。本実施の形態は、溶接ロボッ
トを使用したアルミニウム合金等の交流パルスアーク溶
接において、被溶接物の材質、溶接速度、溶接姿勢、溶
接継手形状又は溶接個所の少なくとも一つ以上に対応し
て、ティーチペンダントによって制御周期Ｔｃの時間長
さを適正値に設定し、溶接中の短絡回数検出値Ｎｄと予
め定めた短絡回数設定値Ｎｒとが略等しくなるように上
記の制御周期Ｔｃ毎に溶接電源装置の出力電圧を制御す
る出力電圧制御方法である。以下、図９を参照して説明
する。 【００４３】図９は、本発明の出力電圧制御方法を実施
するための制御周期可変溶接電源装置６２のブロック図
である。同図において、前述した図６と同一の回路ブロ
ックには同一符号を付し、それらの説明は省略する。以
下、図６とは異なる点線で示す制御周期可変短絡検出回
路ＣＮＤ、制御周期設定回路ＴＣ及び制御周期可変短絡
回数誤差積分回路ＣＥＮについて説明する。 【００４４】制御周期可変短絡回数検出回路ＣＮＤは、
電圧検出信号Ｖｄの電圧値によって短絡を判別し、後述
する制御周期Ｔｃ毎の短絡回数を計数し、その計数値を
単位時間当たりの短絡回数に変換して、短絡回数検出信
号Ｎｄを出力する。制御周期設定回路ＴＣは、図１で前
述したティーチペンダント９によって設定された制御周
期Ｔｃを含むインターフェース信号Ｉｆを入力として、
制御周期設定信号Ｔｃを出力する。この制御周期設定信
号Ｔｃの値は、被溶接物の材質、溶接速度、溶接姿勢、
溶接継手形状又は溶接個所に対応して適正値にティーチ
ペンダントによって設定する。 【００４５】制御周期可変短絡回数誤差積分回路ＣＥＮ
は、上記の短絡回数検出信号Ｎｄと短絡回数設定信号Ｎ
ｓとを入力として、上記の制御周期Ｔｃ毎に前述した
（２）式の演算を行い、電圧制御設定信号Ｖsc(n)を出
力する。上述したように、本実施の形態では、被溶接物
の材質、溶接速度、溶接姿勢、溶接継手形状又は溶接個
所の少なくとも一つ以上に対応して、上記の制御周期Ｔ
ｃの時間長さをティーチペンダントによって適正値に設
定するので、常に見かけのアーク長を適正値に維持する
ことができる。 【００４６】［効果］図１０は、本発明の効果を示すた
めの前述した図７に対応する短絡回数・見かけのアーク
長変動図である。同図（Ａ）は短絡回数検出信号Ｎｄの
時間変化を示し、同図（Ｂ）は見かけのアーク長Ｌａの
時間変化を示す。同図は、前述した図７と同様に、被溶
接物にアルミニウム−シリコン合金を使用した交流パル
スアーク溶接の場合である。また、同図では、制御周期
Ｔｃをティーチペンダントによって上記の溶接条件に最
適な２［ｓ］に設定した場合である。以下、同図を参照
して説明する。 【００４７】前述したように、被溶接物がアルミニウム
−シリコン合金であり、かつ、溶接法が交流パルスアー
ク溶接法であるために、溶滴移行はやや不安定になる。
このために、短い周期で検出した場合の短絡回数には大
きなバラツキが生じるが、制御周期Ｔｃを２［ｓ］に長
くして平均化を行っているので、同図（Ａ）に示すよう
に、短絡回数検出信号Ｎｄの変動幅は小さくなる。この
短絡回数検出信号Ｎｄをフィードバック信号として出力
電圧制御が行われるので、図示していない出力電圧の変
動幅は小さくなる。その結果、同図（Ｂ）に示すよう
に、見かけのアーク長Ｌａの変動幅は小さくなり、適正
値に安定して維持される。 【００４８】図１１は、本発明の上記とは別の効果を示
すための前述した図８に対応する短絡回数・見かけのア
ーク長変動図である。同図（Ａ）は短絡回数検出信号Ｎ
ｄの時間変化を示し、同図（Ｂ）は見かけのアーク長Ｌ
ａの時間変化を示す。同図は、前述した図８と同様に、
溶接途中の時刻ｔ１において溶接速度を速くした場合で
ある。また、同図は、ティーチペンダントによって、時
刻ｔ１直前以降又は時刻ｔ１以降の制御周期Ｔｃを時刻
ｔ１以前よりも短くなるように予め設定した場合であ
る。 【００４９】同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１におい
て、溶接速度が速くなると、見かけのアーク長は長くな
るために、短絡回数検出信号Ｎｄは短絡回数設定信号Ｎ
ｓよりも小さくなる。このために、前述した（２）式に
よって出力電圧（Ｖsc）は小さくなるように制御され
る。その結果、見かけのアーク長は元の適正値に復帰す
る。この制御において、時刻ｔ１直前又は時刻ｔ１と同
時に制御周期Ｔｃが、それ以前の定常状態での長い時間
長さから短い時間長さに変化するので、フィードバック
正誤系の過渡応答性が向上する。このために、同図
（Ａ）に示すように、復帰時間は図８のときのＴd1
［ｓ］からＴd2［ｓ］へと大幅に短縮する。したがっ
て、同図（Ｂ）に示すように、見かけのアーク長Ｌａは
短時間で適正値に戻る。 【００５０】ところで、溶接作業者は、被溶接物の材
質、溶接速度、溶接姿勢、溶接継手形状、溶接個所の形
状等について溶接前に知っている。したがって、溶接作
業者は上記の溶接条件が変化する溶接個所に応じて、溶
接前にティーチペンダントによって制御周期Ｔｃを適正
値に設定することができる。このために、本発明では、
被溶接物の材質、溶接速度、溶接姿勢、溶接継手形状又
は溶接個所の少なくとも一つ以上の変化に対応して、そ
の変化の直前又は変化と同時に制御周期Ｔｃを適正値に
修正するので、常に見かけのアーク長を適正値に維持す
ることができる。 【００５１】 【発明の効果】本発明では、アルミニウム合金等のパル
スアーク溶接において、被溶接物の材質、溶接速度、溶
接姿勢、溶接継手形状又は溶接個所の少なくとも一つ以
上に対応して、ティーチペンダントによって短絡回数に
よる出力電圧の制御周期Ｔｃを適正値に設定するので、
常に見かけのアーク長を適正値に維持することができ、
良好な溶接品質を得ることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】溶接ロボットを使用した消耗電極ガスシールド
アーク溶接装置の構成図 【図２】交流パルスアーク溶接の電流・電圧波形図 【図３】従来技術１の交流パルスアーク溶接電源装置の
ブロック図 【図４】従来技術１の溶接電源装置のタイミングチャー
ト 【図５】アルミニウム合金等のアーク発生状態図 【図６】従来技術２の溶接電源装置のブロック図 【図７】解決課題を示す短絡回数・見かけのアーク長変
動図 【図８】別の解決課題を示す短絡回数・見かけのアーク
長変動図 【図９】本発明の溶接電源装置のタブロック図 【図１０】本発明の効果を示す短絡回数・見かけのアー
ク長変動図 【図１１】本発明の別の効果を示す短絡回数・見かけの
アーク長変動図 【符号の説明】 １ 溶接ワイヤ １ａ 溶滴 ２ 被溶接物 ３ アーク ４ 溶接トーチ ５ａ ワイヤ送給装置の送給ロール ６ 溶接電源装置 ６１ 短絡回数制御溶接電源装置 ６２ 制御周期可変溶接電源装置 ７ 溶接ロボット（マニュピュレータ） ８ ロボット制御装置 ９ ティーチペンダント ＡＣ 商用電源 ＣＥＮ 制御周期可変短絡回数誤差積分回路 ＣＮＤ 制御周期可変短絡回数検出回路 ＣＰ 比較回路 Ｃｐ リセット信号 Ｄ2a〜Ｄ2d ２次側整流器 ＤＲ 極性切換ドライブ回路 ＥＩ 電流誤差増幅回路 Ｅｉ 電流誤差増幅信号 ＥＮ 電極マイナス極性 ＥＮＩ 短絡回数誤差積分回路 ＥＰ 電極プラス極性 ＥＶ 電圧誤差回路 Ｅｖ 電圧誤差信号 Ｆｃ 送給制御信号 Ｇ 増幅率 ＩＢ ベース電流設定回路 Ｉｂ ベース電流（設定信号） ＩＤ 電流検出回路 Ｉｄ 電流検出信号 ＩＥＮ 電極マイナス電流設定回路 Ｉen 電極マイナス電流（設定信号） Ｉｆ インターフェース信号 ＩＮＴ 高周波変圧器 ＩＮＶ 出力制御回路 Ｉｏ 出力電流 ＩＰ ピーク電流設定回路 Ｉｐ ピーク電流（設定信号） ＩＳＣ 電流制御設定回路 Ｉsc 電流制御設定信号 ＩＶ 積分回路 Ｉｖ 積分値（信号） Ｌａ 見かけのアーク長 Ｌｔ 真のアーク長 ＭＣ 変調回路 Ｍｓ 動作制御信号 ＮＤ 短絡回数検出回路 Ｎｄ 短絡回数検出信号 Ｎdr 電極マイナス極性ドライブ信号 ＮＳ 短絡回数設定回路 Ｎｓ 短絡回数設定信号 ＮＴＲ 電極マイナス極性トランジスタ Ｐdr 電極プラス極性ドライブ信号 ＰＴＲ 電極プラス極性トランジスタ ＳＥ 電極マイナス期間切換回路 Ｓｅ 切換設定信号 ＳＰ ピーク期間切換回路 ＳＷＰ 極性切換回路 Ｔｂ ベース期間 ＴＣ 制御周期設定回路 Ｔｃ 制御周期（設定信号） Ｔｄ 復帰時間 ＴＥＮ 電極マイナス期間タイマ回路 Ｔen 電極マイナス期間（信号） ＴＰ ピーク期間タイマ回路 Ｔｐ ピーク期間（信号） Ｖｂ ベース電圧 ＶＤ 電圧検出回路 Ｖｄ 電圧検出信号 Ｖen 電極マイナス電圧 Ｖｏ 出力電圧 Ｖｐ ピーク電圧 ＶＳ 電圧設定回路 Ｖｓ 電圧設定（値／信号） Ｖsc 電圧制御設定信号 Ｗｃ クリーニング幅 ＷＬ リアクトル ＷＭ ワイヤ送給モータ

フロントページの続き (72)発明者 仝 紅軍 大阪府大阪市淀川区田川２丁目１番11号 株式会社ダイヘン内 Ｆターム(参考） 4E082 AA01 EC17 ED01 5H790 BA03 BB08 CC02 DD06 EA02 EA03 EA07 EA15 EB03 EB04

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 ティーチペンダントによって溶接条件を
   設定し、溶接電源装置及び溶接ロボットを使用して行う
   アルミニウム又はその合金のパルスアーク溶接にあっ
   て、溶接中の溶接ワイヤと被溶接物との短絡回数の検出
   値と予め定めた短絡回数設定値とが略等しくなるように
   制御周期毎に前記溶接電源装置の出力電圧を制御する出
   力電圧制御方法において、 被溶接物の材質、溶接速度、溶接姿勢、溶接継手形状又
   は溶接個所の少なくとも一つ以上に対応して、前記制御
   周期の時間長さを前記ティーチペンダントによって適正
   値に設定する溶接電源装置の出力電圧制御方法。