JP4319432B2 - 消耗電極パルスアーク溶接の磁気吹き対処制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、消耗電極パルスアーク溶接において磁気吹きが発生したときにアーク切れが生じないようにする磁気吹き対処制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄鋼等の消耗電極パルスアーク溶接では、大電流値で溶滴を移行させるピーク電流と数十Ａ程度の小電流値でワイヤ先端を溶融させないベース電流とを繰り返し通電して溶接を行う。パルスアーク溶接では、１回のピーク電流の通電によって１つの溶滴を移行させる１パルス１溶滴移行の状態を維持することが、スパッタの発生の少ない美しいビード外観を得るために重要である。しかし、鉄鋼等のパルスアーク溶接においては、母材を通電する溶接電流によってアーク周辺部に磁界が形成されて、この磁界からアークは力を受けて変形する場合がよくある。このような状態を、一般的に磁気吹き又はアークブローと呼んでいる。
【０００３】
図５は、磁気吹きが発生したときのアーク状態を示す図である。同図（Ａ）に示すように、溶接ワイヤ１と母材２との間に通常のアーク３が発生している。この状態で磁気吹きが発生すると、同図（Ｂ）に示すように、アーク３は磁界からの力によって大きく変形し、アーク長が長くなる。さらに変形が大きくなると、同図（Ｃ）に示すように、アークを維持することができなくなりアーク切れが発生する。パルスアーク溶接では、ピーク期間中は大電流が通電するのでアークの硬直性が強く、磁界からの力が作用してもアークはほとんど変形しない。他方、ベース期間中は小電流が通電するのでアークの硬直性が弱く、磁界からの力によって大きく変形する。したがって、磁気吹きが発生してアーク切れが生じるのは、ベース期間中である。磁気吹きによるアーク切れが多数回発生すると、アーク発生状態が不安定となり、スパッタの大量発生、ビード外観の悪化等が生じる。したがって、パルスアーク溶接においては、磁気吹きによるアーク切れを抑制することは良好な溶接品質を得るために重要である。
【０００４】
図６は、パルスアーク溶接において磁気吹きが発生したときの電流・電圧波形図である。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示す。以下、同図を参照して、従来技術の磁気吹き対処制御方法について説明する。
【０００５】
時刻ｔ１〜ｔ２のピーク期間Ｔｐ中は、同図（Ａ）に示すように、４００〜６００Ａ程度のピーク電流Ｉｐが通電し、同図（Ｂ）に示すように、アーク長に略比例したピーク電圧Ｖｐが印加する。時刻ｔ２以降のベース期間Ｔｂ中は、同図（Ａ）に示すように、数十Ａ程度のベース電流Ｉｂが通電し、同図（Ｂ）に示すように、アーク長に略比例したベース電圧Ｖｂが印加する。
【０００６】
時刻ｔ２１において、磁気吹きが発生してアークが変形すると、同図（Ｂ）に示すように、アークの変形に伴ってアーク長が長くなり、ベース電圧Ｖｂが次第に大きくなる。一方、同図（Ａ）に示すように、ベース電流Ｉｂは一定値のままである。時刻ｔ３において、磁気吹きによるアークの変形がさらに大きくなると、アーク長が非常に長くなるためにアークを維持することができなくなり、アーク切れが発生する。アーク切れが発生すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは出力最大電圧の無負荷電圧となる。
【０００７】
上述したように、磁気吹きが発生すると、溶接電圧Ｖｗが急激に大きくなる。そこで、同図（Ｂ）に示すように、ベース期間Ｔｂ中の溶接電圧Ｖｗが予め定めた基準電圧値Ｖｔ以上になったことを検出して、磁気吹きの発生を判別することができる。従来技術では、この方法によって磁気吹きの発生を判別して、アーク切れを防止するためにベース電流Ｉｂを数周期にわたって増加させている。これは、ベース電流Ｉｂが増加すると、アークの硬直性が増加するので、アークの変形を抑制してアーク切れを防止している。また、別の方法として、磁気吹きを判別すると、溶接ワイヤの送給速度を速くしてワイヤ先端・母材間距離を短くすることによって、アークの変形を抑制してアーク切れを防止する方法もある。（例えば、特許文献１参照）
【０００８】
【特許文献１】
実開昭５９−７３０８１号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術における磁気吹き対処制御方法には、以下に示す多くの課題がある。
【００１０】
▲１▼ 磁気吹きの判別方法の問題点
図７は、短絡が発生したときの電流・電圧波形図である。パルスアーク溶接において、適正な溶接条件に設定した場合、１秒間に数回〜数十回の溶接ワイヤと母材との短絡が発生する状態となる。同図（Ｂ）に示すように、短絡が発生すると、アークが消滅する。そして、再びアークが発生するときに大きなエネルギーが必要となる。この結果、短絡解除直後にこのエネルギーを供給するために溶接電圧Ｖｗに異常電圧が重畳する。この異常電圧の値は小さい場合も、同図（Ｂ）のように大きな場合もある。このように短絡解除直後の異常電圧が発生する状態において、磁気吹きの発生を正確に判別するためには、同図（Ｂ）に示すように、上記の基準電圧値Ｖｔを大きく設定しなければならない。しかし、基準電圧値Ｖｔを大きくすると、磁気吹き発生の判別時期が遅れることになる。この結果、判別時点ではアーク切れ寸前であり、この状態でベース電流を増加させても手遅れとなる。逆に、基準電圧値Ｖｔを小さく設定すると、上記の異常電圧によって誤検出することになる。したがって、従来技術の磁気吹き判別方法では、磁気吹き発生を早期にかつ正確に判別することができなかった。
【００１１】
▲２▼ 磁気吹きの発生を判別した後にベース電流を増加させることの問題点
ベース電流を数周期にわたって増加させた場合、磁気吹きによるアーク切れに対しては一定の効果は発揮する。しかし、ベース電流を増加させることによって、ワイヤ先端部が大きく溶融されるために、１パルス１溶滴移行の良好状態から外れることになる。この結果、磁気吹きによるアーク切れは抑制することができても、アーク状態が不安定になり、溶接品質が悪くなる。また、磁気吹き発生の判別が遅れた場合、ベース電流を増加させてもアーク切れを防止することはできないケースも多くなる。
【００１２】
▲３▼ 磁気吹きの発生を判別した後に送給速度を速くすることの問題点
磁気吹きの発生からアーク切れに至るまでの時間は、１ms〜十数ms程度である。このために、磁気吹き発生の判別後に送給速度を速くしても、この短い時間では応答できないために、多くの場合アーク切れを防止することはできない。
【００１３】
上述したように、従来技術では、種々の問題点があるために、磁気吹きによるアーク切れを溶接品質が悪くならない程度にまで抑制することはできなかった。そこで、本発明では、磁気吹きによるアーク切れを防止して良好な溶接品質を得ることができる消耗電極パルスアーク溶接の磁気吹き対処制御方法を提供する。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、ピーク電流とベース電流との通電を繰り返す消耗電極パルスアーク溶接において、
ベース電流の通電期間中にアークが発生しているときの溶接電圧の上昇率が予め定めた基準上昇率以上になりかつ前回発生した短絡の解除から予め定めた基準時間が経過しているときは磁気吹きが発生したと判別して前記ベース電流を２００Ａ以上に急増させ、この磁気吹き期間中に前記溶接電圧が減少したときは前記磁気吹きが解消したと判別して前記ベース電流を通常値に戻し、前記磁気吹きによるアーク切れを抑制することを特徴とする消耗電極パルスアーク溶接の磁気吹き対処制御方法である。
【００１６】
さらに、請求項２の発明は、磁気吹き期間中に溶接電圧がこの期間中の最大値から予め定めた基準減少値だけ減少したときは磁気吹きが解消したと判別する請求項１記載の消耗電極パルスアーク溶接の磁気吹き対処制御方法である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施の形態における磁気吹き対処制御方法を示す電流・電圧波形図である。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの、同図（Ｃ）は直前に短絡が発生していないベース期間Ｔｂ中のアーク発生中の溶接電圧Ｖｗの上昇率Ｄｖ＝dVw/dtの時間変化を示す．同図において、時刻ｔ２〜ｔ３のベース期間Ｔｂ以外の動作は、上述した図６のときと同一であるので説明は省略する。以下、同図を参照して、ベース期間Ｔｂの動作について説明する。
【００１９】
▲１▼ 磁気吹き発生の判別方法
同図（Ｂ）に示すように、時刻ｔ２１において短絡が発生し時刻ｔ２２において短絡が解除してアークが再発生すると、上述したように、異常電圧が重畳する。その後、時刻ｔ２４から磁気吹きが発生すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗが上昇し始める。これに伴って、同図（Ｃ）に示すように、アーク発生中の電圧上昇率Ｄｖは次第に大きくなる。そして、時刻ｔ２５において、電圧上昇率Ｄｖが予め定めた基準上昇率Ｄvt以上になったことを検出すると、磁気吹きが発生したと判別する。上記において、同図（Ｃ）に示す電圧上昇率Ｄｖは、直前に短絡が発生し解除されて異常電圧が重畳していないベース期間Ｔｂ中の溶接電圧Ｖｗの上昇率である。直前に短絡が発生していないことを判別する方法は以下のとおりである。すなわち、同図（Ｂ）に示すように、時刻ｔ２２に短絡が解除された時点から予め定めた基準時間Ｔｄが経過した時点ｔ２３以後に、電圧上昇率Ｄｖが基準上昇率Ｄvt以上になったことを検出して、磁気吹き発生を判別する。これによって、短絡解除直後の異常電圧による誤検出を防止することができる。さらに、溶接電圧の上昇率を使用することで、磁気吹き発生に伴う溶接電圧の上昇を早期にかつ確実に検出することができる。これ以外にも、短絡直後の溶接電圧値によって異常電圧が収束したことを判別しても良い。短絡解除直後はアーク長が短いので、磁気吹きは生じにくい。したがって、上記の基準時間Ｔｄ中に磁気吹きが生じることはほとんどない。上記の基準上昇率Ｄvtの値は例えば５V/ms程度であり、上記の基準時間Ｔｄの値は例えば２ms程度である。
【００２０】
▲２▼ 磁気吹き対処制御方法
時刻ｔ２５において、磁気吹き発生を判別すると、同図（Ａ）に示すように、ベース電流Ｉｂを予め定めた増加電流値Ｉｕだけ急増させる。したがって、ベース電流値はＩｂ＋Ｉｕになる。この増加後のベース電流値は２００Ａ以上の大電流値に設定する。この理由は、磁気吹きによるアークの変形を通常の形状に復帰させるためには、２００Ａ以上の大電流を通電してアークの硬直性を強くする必要がある。増加させるベース電流（Ｉｂ＋Ｉｕ）の最大値は、アーク発生状態が不安定にならないようにするためにピーク電流値程度とする。上述した従来技術では、ベース電流の増加は、アークの変形を抑制する目的であるために、１００Ａ程度以下に設定されるのが一般的である。しかし、本発明では、大電流を短時間だけ通電することによって、アークの変形を通常の形状にまで復帰させることが目的である。
【００２１】
▲３▼ 磁気吹き解消の判別方法
時刻ｔ２６において、同図（Ｂ）に示すように、磁気吹き発生期間中の溶接電圧Ｖｗが減少したことを検出すると、磁気吹きが解消されたと判別して、ベース電流を通常値Ｉｂに戻す。溶接電圧Ｖｗの減少は、同図（Ｂ）に示すように、磁気吹き期間中の最大値Ｖｍから予め定めた基準減少値ΔＶだけ溶接電圧Ｖｗが降下したことによって判別する。また、別の方法としては、磁気吹き期間中の溶接電圧Ｖｗの減少率によって判別する方法もある。上記の基準減少値ΔＶの値は、例えば５Ｖ程度に設定する。
【００２２】
上述したように、磁気吹き発生を早期に判別してベース電流を大電流値に急増させて短時間でアークの変形を通常の形状に復帰させ、磁気吹き解消を即時に判別してベース電流を通常値に戻す。したがって、同図（Ｂ）に示すように、ベース電流の増加期間Ｔｕは短時間となるので、１パルス１溶滴移行の良好なアーク状態への影響はほとんどない。
【００２３】
図２は、上述した図１の時刻ｔ２４〜ｔ２６の期間中のアーク状態を示す図である。時刻ｔ２４直前の磁気吹き発生前においては、同図（Ａ）に示すように、通常の形状のアーク３が発生している。時刻ｔ２４〜ｔ２５の磁気吹きが発生している機関中は、同図（Ｂ）に示すように、磁気吹きによってアーク３は少し変形している。時刻ｔ２５〜ｔ２６のベース電流の増加によって、同図（Ｃ）に示すように、アーク３は通常の形状に復帰する。
【００２４】
図３は、本発明の溶接電源装置のブロック図である。以下、同図を参照して各回路について説明する。
【００２５】
電源主回路ＭＣは、交流商用電源（３相２００Ｖ等）を入力として、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってインバータ制御、サイリスタ位相制御等の出力制御を行い、溶接に適した溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力する。溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給装置の送給ロール５の回転によって溶接トーチ４を通って送給されて、母材２との間にアーク３が発生する。
【００２６】
電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。電圧平均化回路ＶＡＶは、上記の電圧検出信号Ｖｄを平均化して、電圧平均信号Ｖavを出力する。電圧設定回路ＶＲは、所望値の電圧設定信号Ｖｒを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の電圧設定信号Ｖｒと上記の電圧平均信号Ｖavとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。Ｖ／ＦコンバータＶＦは、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖに応じた周波数を有するパルス周波数信号Ｔｆを出力する。このパルス周波数信号Ｔｆは、ピーク期間とベース期間とを１周期とする周波数を決定する信号である。ピーク期間タイマ回路ＴＴＰは、上記のパルス周波数信号Ｔｆの周波数ごとにピーク期間ＴｐだけＨｉｇｈレベルとなるピーク期間信号Ｔtpを出力する。したがって、このピーク期間信号Ｔtpは、ピーク期間Ｔｐ中はＨｉｇｈレベルとなり、ベース期間中はＬｏｗレベルとなる信号である。
【００２７】
ピーク電流設定回路ＩＰＲは、予め定めたピーク電流設定信号Ｉprを出力する。ベース電流設定回路ＩＢＲは、予め定めたベース電流設定信号Ｉbrを出力する。切換回路ＳＷは、上記のピーク期間信号ＴtpがＨｉｇｈレベルのときには上記のピーク電流設定信号Ｉprを電流切換設定信号Ｉswとして出力し、ピーク期間信号ＴtpがＬｏｗレベルのときには上記のベース電流設定信号Ｉbrを電流切換設定信号Ｉswとして出力する。
【００２８】
短絡解除後基準時間経過計測回路ＰＭは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力して、ベース期間中にアークが発生しておりかつ前回の短絡解除から予め定めた基準時間Ｔｄが経過しているときにＨｉｇｈレベルとなる検出許可信号Ｐｍを出力する。電圧上昇率判別回路ＤＶは、上記の検出許可信号ＰｍがＨｉｇｈレベルのときには電圧検出信号Ｖｄの上昇率を検出し、検出値が予め定めた基準上昇率Ｄvt以上のときはＨｉｇｈレベルとなるセット信号Ｓｔを出力する。電圧減少判別回路ＣＶは、後述する増加期間信号ＴｕがＨｉｇｈレベル（磁気吹き期間）のときに電圧検出信号Ｖｄがこの期間中の最大値Ｖｍから予め定めた基準減少値ΔＶだけ降下したことを判別してＨｉｇｈレベルとなるリセット信号Ｒｓを出力する。
【００２９】
フリップフロップ回路ＦＦは、上記のセット信号ＳｔがＨｉｇｈレベルに変化するとＨｉｇｈレベルとなり、上記のリセット信号ＲｓがＨｉｇｈレベルに変化するとＬｏｗレベルになる増加期間信号Ｔｕを出力する。増加電流設定回路ＩＵＲは、上記の増加期間信号ＴｕがＨｉｇｈレベルの期間中だけ予め定めた増加電流設定信号Ｉurを出力する。
【００３０】
加算回路ＡＤは、上記の電流切換設定信号Ｉswと上記の増加電流設定信号Ｉurとを加算して、電流制御設定信号Ｉcrを出力する。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。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流制御設定信号Ｉcr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。上述した溶接電源装置によって、上述した図１の動作を行うことができる。
【００３１】
図４は、本発明の効果の一例を示す磁気吹きによるアーク切れ発生回数の比較図である。同図は、鉄鋼のＭＡＧパルス溶接の場合であり、平均溶接電流を１４０Ａに設定し、５分間の溶接中の磁気吹きによるアーク切れ発生回数を従来技術と本発明とで比較したものである。また、同図は、溶接電源装置の出力端子と母材とをケーブルで接続する位置（母材のアース位置）を磁気吹きがわざと起こりやすい状態にした場合である。同図から明らかなように、従来技術では３回／分程度アーク切れが発生するが、本発明ではほとんど発生しない。また、本発明では、磁気吹きによるアーク切れ防止のためのベース電流の増加期間が短いので、アーク状態は常に良好なままである。この結果、スパッタの少ない良好なビード外観を得ることができる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の消耗電極パルスアーク溶接の磁気吹き対処制御方法によれば、磁気吹き発生を早期に確実に判別し、ベース電流を急増してアークの変形を復帰させ、磁気吹き解消を判別してベース電流を通常値に戻すことによって、磁気吹きによるアーク切れを防止することができる。また、短時間だけベース電流を増加させるので、アーク状態への影響はほとんどない。また、短絡直後の異常電圧によって磁気吹き発生を誤検出することもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における磁気吹き対処制御方法を示す電流・電圧波形図である。
【図２】本発明における磁気吹き発生時のアーク状態図である。
【図３】本発明の溶接電源装置のブロック図である。
【図４】本発明の効果を示す磁気吹きによるアーク切れ発生回数の比較図である。
【図５】従来技術における磁気吹き発生時のアーク状態図である。
【図６】従来技術における磁気吹き対処制御方法を示す電流・電圧波形図である。
【図７】短絡解除直後の異常電圧の重畳を示す電流・電圧波形図である。
【符号の説明】
１ 溶接ワイヤ
２ 母材
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
ＡＤ 加算回路
ＤＶ 電圧上昇率判別回路
Ｄｖ 電圧上昇率
Ｄvt 基準上昇率
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＶ 電圧誤差増幅回路
Ｅｖ 電圧誤差増幅信号
ＦＦ フリップフロップ回路
Ｉｂ ベース電流
ＩＢＲ ベース電流設定回路
Ｉbr ベース電流設定信号
Ｉcr 電流制御設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｐ ピーク電流
ＩＰＲ ピーク電流設定回路
Ｉpr ピーク電流設定信号
Ｉsw 電流切換設定信号
Ｉｕ 増加電流値
ＩＵＲ 増加電流設定回路
Ｉur 増加電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＭＣ 電源主回路
ＰＭ 短絡解除後基準時間経過計測回路
Ｐｍ 検出許可信号
Ｒｓ リセット信号
Ｓｔ セット信号
ＳＷ 切換回路
Ｔｂ ベース期間
Ｔｄ 基準時間
Ｔｆ パルス周波数信号
Ｔｐ ピーク期間
ＴＴＰ ピーク期間タイマ回路
Ｔtp ピーク期間信号
Ｔｕ 増加期間（信号）
ＶＡＶ 電圧平均化回路
Ｖav 電圧平均信号
Ｖｂ ベース電圧
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
ＶＦ Ｖ／Ｆコンバータ
Ｖｍ 最大値
Ｖｐ ピーク電圧
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
Ｖｔ 基準電圧値
Ｖｗ 溶接電圧
ΔＶ 基準減少値
ＣＶ 電圧減少判別回路

Claims (2)

1. ピーク電流とベース電流との通電を繰り返す消耗電極パルスアーク溶接において、
   ベース電流の通電期間中にアークが発生しているときの溶接電圧の上昇率が予め定めた基準上昇率以上になりかつ前回発生した短絡の解除から予め定めた基準時間が経過しているときは磁気吹きが発生したと判別して前記ベース電流を２００Ａ以上に急増させ、この磁気吹き期間中に前記溶接電圧が減少したときは前記磁気吹きが解消したと判別して前記ベース電流を通常値に戻し、前記磁気吹きによるアーク切れを抑制することを特徴とする消耗電極パルスアーク溶接の磁気吹き対処制御方法。
2. 磁気吹き期間中に溶接電圧がこの期間中の最大値から予め定めた基準減少値だけ減少したときは磁気吹きが解消したと判別する請求項１記載の消耗電極パルスアーク溶接の磁気吹き対処制御方法。

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