JP4704632B2 - パルスアーク溶接電源装置の出力制御方法 - 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、予め定めた傾きＫｓを有する外部特性を形成する溶接電源装置の出力制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
消耗電極パルスアーク溶接では、美しいビード外観、均一な溶込み深さ等の溶接品質を良好にするためには、溶接中のアーク長を適正値に維持することが極めて重要である。一般的に、アーク長は溶接ワイヤの送給速度と溶融速度とのバランスによって決まる。したがって、溶接中の送給速度が略一定であり、かつ、この送給速度が、溶接電流の平均値に略比例する溶融速度と略等しくなると、アーク長は常に一定となる。しかし、送給モータの回転速度の変動、溶接トーチの曲がりによる送給経路の摩擦力の変動等によって、溶接中の送給速度は変動するために、溶融速度とのバランスが崩れてアーク長は変化する。また、溶接作業者の手振れ等によるチップ・被溶接物間距離の変動、溶融池の不規則な振動等によってもアーク長は変化する。したがって、これらの種々の変動（以下、外乱という）によるアーク長の変化を抑制するためには、外乱に応じて常に溶融速度を調整してアーク長の変化を抑制する必要がある（以下、アーク長制御という）。
【０００３】
このアーク長制御方法としては、アーク長と溶接電圧の平均値とが略比例関係にあることを利用して、溶接電圧の平均値が予め定めた目標値と等しくなるように溶接電源装置の出力を制御する方法が一般的に使用されている。以下、従来技術１の出力制御方法について説明する。
【０００４】
［従来技術１］
図１は、パルスアーク溶接の電流・電圧波形図である。同図（Ａ）は溶接電流瞬時値Ｉｏの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧瞬時値Ｖｏの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【０００５】
▲１▼ 時刻ｔ１〜ｔ２の期間（ベース期間Ｔｂ）
予め定めたベース期間Ｔｂの間は、同図（Ａ）に示すように、溶滴移行をさせないために２０〜８０［Ａ］程度の低電流値に予め定めたベース電流Ｉｂを通電し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧瞬時値Ｖｏは、上記の通電に応じてベース電圧Ｖｂとなる。また、上記のベース期間Ｔｂの時間長さは、溶接ワイヤの送給速度、材質、直径等に対応して適正値に予め設定される。
【０００６】
▲２▼ 時刻ｔ２〜ｔ３の期間（ピーク期間Ｔｐ）
ピーク期間Ｔｐの間は、同図（Ａ）に示すように、溶滴移行をさせるために３００〜６００［Ａ］程度に予め定めたピーク電流Ｉｐを通電し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧瞬時値Ｖｏは、上記の通電に応じてピーク電圧Ｖｐとなる。
【０００７】
【０００８】
同図（Ａ）に示すように、溶接電流瞬時値Ｉｏの１周期（パルス周期Ｔpb）の間の平均値が１周期溶接電流平均値Ｉｗとなり、同様に、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧瞬時値Ｖｏの１周期（パルス周期Ｔpb）の間の平均値が１周期溶接電圧平均値Ｖｗとなる。
パルスアーク溶接電源装置において、前述したように、アーク長を適正値に維持するための出力制御は以下のように行われる。すなわち、１周期溶接電圧平均値Ｖｗは、下式で表わされる。
Ｖｗ＝（１／Ｔpb）・∫Ｖｏ・ｄｔ （１）式
但し、上記の積分はパルス周期Ｔpb（時刻ｔ１〜ｔ３）の間行う。
上式に示す１周期溶接電圧平均値Ｖｗが予め定めた目標値の溶接電圧設定値Ｖｓと略等しくなるように、パルス周期Ｔpbの時間長さが制御される。なお、（１）式にＶｗ＝Ｖｓを代入して変形すると下式となる。
∫（Ｖｓ−Ｖｏ）・ｄｔ＝０ （２）式
但し、上記の積分は、パルス周期Ｔpbの間行う。
上式において、電圧誤差積分値Ｓｖ＝∫（Ｖｓ−Ｖｏ）・ｄｔと定義する。時刻ｔ１のパルス周期Ｔpbの開始時点から上記電圧誤差積分値Ｓｖの演算を開始し、時刻ｔ２以降のピーク期間Ｔｐ中の上記の電圧誤差積分値Ｓｖが０［Ｖ］となった時点で、パルス周期Ｔpbを終了し、次のパルス周期Ｔpbを開始する。このように、従来技術１の出力制御方法では、各周期ごとの１周期溶接電圧平均値Ｖｗが電圧設定値Ｖｓと等しくなるようにパルス周期Ｔpbの時間長さを制御することによってアーク長を適正値に維持する。
【０００９】
［従来技術２］
図２は、横軸に示す１周期溶接電流平均値Ｉｗと縦軸に示す１周期溶接電圧平均値Ｖｗとの関係を示す溶接電源装置の外部特性図である。以下、同図を参照して説明する。
同図において、特性Ｌ１は傾きＫｓ＝０［Ｖ／Ａ］の外部特性を示し、特性Ｌ２は傾きＫｓ＝−０．１［Ｖ／Ａ］の外部特性を示す。前述した従来技術１の出力制御方法では、１周期溶接電圧平均値Ｖｗは、１周期溶接電流平均値Ｉｗの値とは関係なく予め定めた溶接電圧設定値Ｖｓと等しくなるように出力制御されるために、傾きＫｓ＝０の上記の外部特性Ｌ１を形成することになる。
【００１０】
ところで、溶接電源装置の外部特性の傾きＫｓによってアーク長制御系の安定性（自己制御作用と呼ばれる）が大きく影響されることが従来から広く知られている。すなわち、アーク長制御系を安定化するためには、種々の溶接法に対応して外部特性の傾きＫｓを適正値に設定する必要がある。例えば、炭酸ガスアーク溶接法では外部特性の傾きＫｓの適正値は（０〜−０．０３）［Ｖ／Ａ］程度であり、パルスアーク溶接法では外部特性の傾きＫｓの適正値は（-０．０５〜−０．３）［Ｖ／Ａ］程度であることが知られている。したがって、本発明の対象であるパルスアーク溶接法においては、アーク長制御系を安定化するためには、同図に示す外部特性Ｌ１ではなく、-０．０５〜−０．３［Ｖ／Ａ］程度の範囲内で予め定めた傾きＫｓを有する外部特性Ｌ２を形成する必要がある。しかしながら、前述したように、従来技術１の出力制御方法では０［Ｖ／Ａ］以外の傾きＫｓを有する外部特性を形成することはできない。そこで、この問題を解決するために、以下に説明する従来技術２の出力制御方法が提案されている。以下、図面を参照して従来技術２の出力制御方法について説明する。
【００１１】
以下の説明において、前述した図２の外部特性Ｌ２を、形成される目標の外部特性とする。したがって、外部特性Ｌ２の直線の式は、予め定めた溶接電流設定値Ｉｓ、溶接電圧設定値Ｖｓ及び傾きＫｓによって、下式となる。
Ｖｗ＝Ｋｓ・（Ｉｗ−Ｉｓ）＋Ｖｓ （３）式
以下、上式で示す外部特性Ｌ２を形成するための出力制御方法について説明する。
【００１２】
図３は、上記（３）式で示す外部特性Ｌ２を形成する従来技術２の出力制御方法を説明するための電流・電圧波形図である。同図（Ａ）は溶接電流瞬時値Ｉｏの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧瞬時値Ｖｏの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００１３】
第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)が開始する時点ｔ(n)において、第ｎ−１回目のパルス周期Ｔpb(n-1)中の前周期溶接電流平均値Ｉｗ(n-1)を算出し、Ｉｗ＝Ｉｗ(n-1)を前述した（３）式に代入して１周期溶接電圧平均値Ｖｗの目標値である電圧制御設定値Ｖsc(n)＝Ｋｓ・（Ｉｗ(n-1)−Ｉｓ）＋Ｖｓを演算する。この演算は、前述した図２の外部特性Ｌ２上のＰ１点の電圧制御設定値Ｖsc(n)を演算することになる。続いて、この電圧制御設定値Ｖsc(n)及び溶接電圧瞬時値Ｖｏによって、時刻ｔ(n)からの（２）式で前述した電圧誤差積分値Ｓｖ＝∫（Ｖsc(n)−Ｖｏ）・ｄｔを演算する。そして、第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)のピーク期間中の電圧誤差積分値Ｓｖが０［Ｖ］になった時点ｔ(n+1)で、第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)を終了して第ｎ＋１回目のパルス周期Ｔpb(n+1)を開始する。したがって、第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)中の１周期溶接電圧平均値Ｖｗ(n)＝Ｖsc(n)となる。以後、上記の動作を繰り返して出力制御を行う。上述した従来技術２の出力制御方法によって、予め定めた傾きＫｓを有する外部特性を形成することができる。
【００１４】
図４は、上述した従来技術２の出力制御方法を実施するための溶接電源装置ＰＳ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。
電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧瞬時値Ｖｏを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。電流検出回路ＩＤは、溶接電流瞬時値Ｉｏを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。１周期溶接電流平均値算出回路ＩＷは、上記の電流検出信号Ｉｄの１周期の間の平均値を算出して、１周期溶接電流平均値信号Ｉｗを出力する。
【００１５】
溶接電源装置の外部に設置された溶接電圧設定回路ＶＳは、予め定めた溶接電圧設定信号Ｖｓを出力する。溶接電源装置の外部に設置された溶接電流設定回路ＩＳは、予め定めた溶接電流設定信号Ｉｓを出力する。図示していないが、この溶接電流設定信号Ｉｓに対応した送給速度で溶接ワイヤ１が送給される。傾き設定回路ＫＳは、予め定めた外部特性の傾き設定信号Ｋｓを出力する。外部特性制御回路ＶＳＣは、上記の１周期溶接電流平均値信号Ｉｗ、溶接電圧設定信号Ｖｓ、溶接電流設定信号Ｉｓ及び傾き設定信号Ｋｓを入力として、前述した（３）式の演算によって、電圧制御設定信号Ｖscを出力する。電圧誤差積分回路ＳＶは、上記の電圧検出信号Ｖｄ及び電圧制御設定信号Ｖscを入力として、各パルス周期の開始時点から前述した（２）式の積分を行い、電圧誤差積分値信号Ｓｖを出力する。比較回路ＣＭは、上記の電圧誤差積分値信号Ｓｖと０［Ｖ］とを比較して、両値が等しくなった時点で、短時間Ｈｉｇｈレベルとなる比較信号Ｃｍを出力する。上記の外部特性制御回路ＶＳＣ、電圧誤差積分回路ＳＶ及び比較回路ＣＭによって、図３の説明の項で前述した従来技術２の出力制御方法の主要部を形成する。
【００１６】
タイマ回路ＭＭは、上記の比較信号Ｃｍをトリガ信号として、予め定めたベース期間Ｔｂの間Ｈｉｇｈレベルとなる切換信号Ｍｍを出力する。ベース電流設定回路ＩＢは、予め定めたベース電流設定信号Ｉｂを出力する。ピーク電流設定回路ＩＰは、予め定めたピーク電流設定信号Ｉｐを出力する。ベース／ピーク切換回路ＳＷは、上記の切換信号Ｍｍを入力として、入力信号がＨｉｇｈレベルのときはａ側に切り換わり上記のベース電流設定信号Ｉｂを電流制御設定信号Ｉscとして出力し、入力信号がＬｏｗレベルのときはｂ側に切り換わり上記のピーク電流設定信号Ｉｐを電流制御設定信号Ｉscとして出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流制御設定信号Ｉscと電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。
【００１７】
出力制御回路ＩＮＶは、上記の電流誤差増幅信号Ｅｉを制御信号とし、交流商用電源（３相２００［Ｖ］等）を入力としてインバータ制御、サイリスタ位相制御等によって出力制御して、上記の電流制御設定信号Ｉscに相当する溶接電流瞬時値Ｉｏを通電する。すなわち、Ｉsc＝Ｉｂのときにはベース電流Ｉｂが通電し、Ｉsc＝Ｉｐのときにはピーク電流Ｉｐが通電する。
また、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を通って送給されて、被溶接物２との間にアーク３が発生する。
【００１８】
図５は、上述した溶接電源装置ＰＳの各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流瞬時値Ｉｏの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧瞬時値Ｖｏの時間変化を示し、同図（Ｃ）は電圧誤差積分値信号Ｓｖの時間変化を示し、同図（Ｄ）は比較信号Ｃｍの時間変化を示し、同図（Ｅ）は切換信号Ｍｍの時間変化を示す。同図（Ａ）及び（Ｂ）は、前述した図１と同一である。以下、同図を参照して説明する。
【００１９】
▲１▼ 時刻ｔ(n-1)〜ｔ(n)の期間（第ｎ−１回目のパルス周期Ｔpb(n-1)）
時刻ｔ(n-1)において、同図（Ｃ）に示すように、電圧誤差積分値信号Ｓｖが０［Ｖ］になると、同図（Ｄ）に示すように、比較信号Ｃｍが短時間Ｈｉｇｈレベルになる。この変化に応じて、同図（Ｅ）に示すように、切換信号Ｍｍはベース期間Ｔｂの間Ｈｉｇｈレベルとなり、同図（Ａ）に示すように、溶接電流瞬時値信号Ｉｏはベース電流Ｉｂとなる。このベース期間Ｔｂ中は、電圧誤差積分値信号Ｓｖ＝∫（Ｖsc(n-1)−Ｖｏ）・ｄｔ＝∫（Ｖsc(n-1)−Ｖｂ）・ｄｔの演算が行われる。ここで、Ｖ(n-1)＞Ｖｂなので、同図（Ｃ）に示すように、電圧誤差積分値信号Ｓｖは、時間経過と共に増加する。
【００２０】
同図（Ｅ）に示すように、切換信号ＭｍがＬｏｗレベルに変化すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電流瞬時値信号Ｉｏはピーク電流Ｉｐとなる。このピーク期間Ｔｐ中は、電圧誤差積分値信号Ｓｖ＝∫（Ｖsc(n-1)−Ｖｏ）・ｄｔ＝∫（Ｖsc(n-1)−Ｖｐ）・ｄｔの演算が行われる。ここで、Ｖ(n-1)＜Ｖｐなので、同図（Ｃ）に示すように、電圧誤差積分値信号Ｓｖは、時間経過と共に減少し、時刻ｔ(n)において０［Ｖ］になる。
【００２１】
▲２▼ 時刻ｔ(n)以降の期間（第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)
第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)の開始時点ｔ(n)において、図４の説明の項で前述したように、時刻ｔ(n-1)〜Ｔ(n)の間の前周期溶接電流平均値Ｉｗ(n-1)の算出値を（３）式に代入して、同図（Ｂ）に示すように、第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)の電圧制御設定信号Ｖsc(n)が演算される。これ以降の動作は、上記▲１▼項の動作と同様であるので、説明を省略する。
上述したように、従来技術２の出力制御方法では、予め定めた傾きＫｓを有する外部特性を形成することができる。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
▲１▼ 図６は、解決課題を説明するための前述した図３に対応する電流・電圧波形図である。同図（Ａ）は溶接電流瞬時値Ｉｏの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧瞬時値Ｖｏの時間変化を示す。同図は、第ｎ−１回目のパルス周期Ｔpb(n-1)中に溶接ワイヤと被溶接物との短絡が発生した場合である。一般的に、パルスアーク溶接においては、溶滴移行に伴って１秒間に数回〜数十回の短絡が発生する。以下、同図を参照して説明する。
【００２３】
同図（Ａ）に示すように、第ｎ−１回目のパルス周期Ｔpb(n-1)中に短絡が発生すると、通常、短絡状態を早期に解除してアークを再発生させるために大きな値の短絡解除電流Ｉｔを通電する。このために、第ｎ−１回目のパルス周期Ｔpb(n-1)中の前周期溶接電流平均値Ｉｗ(n-1)は、その前の周期の値よりも大きくなる。図３の説明の項で前述したように、傾きＫｓを有する外部特性を形成するために、この前周期溶接電流平均値Ｉｗ(n-1)を（３）式に代入して、次周期の電圧制御設定値Ｖsc(n)を演算する。したがって、前周期溶接電流平均値Ｉｗ(n-1)が大きくなると、第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)の電圧制御設定値Ｖsc(n)は小さくなる。その結果、１周期溶接電圧平均値Ｖｗ(n)も小さくなるために、第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)中のアーク長は前周期よりも短くなり、さらに短絡が発生しやすい状態となる。すなわち、１回の短絡の発生が次の短絡を誘発することになり、アーク状態は不安定になり、ビード外観の悪化、溶込み深さの不均一、スパッタの大量発生等の溶接不良が生じやすい。
特に、高速溶接時においては、アンダーカット等の溶接欠陥の発生を防止するために、通常、アーク長を短く設定して溶接を行う必要がある。このために、短絡が発生しやすい状態にあり、従来技術の出力制御方法ではアーク状態が不安定になりやすい。
【００２４】
▲２▼ 従来技術２の出力制御方法では、前周期の状態をフィードバックして、次周期の出力制御を行うために、原理的にフィードバック制御系の位相余裕が小さくなり、制御系が不安定になりやすい状態にある。例えば、第ｎ−１回目のパルス周期Ｔpb(n-1)中の外乱によって溶接電圧瞬時値Ｖｏが大きくなると、電圧制御設定値Ｖsc(n-1)と等しくなるようにパルス周期Ｔpb(n-1)の時間長さは長くなる。このため、第ｎ−１回目の前周期溶接電流平均値Ｉｗ(n-1)が小さくなるために、次周期の電圧制御設定値Ｖsc(n)は、次周期中のアーク状態とは関係なく大きくなる。このように、前周期中の外乱によって次周期の電圧制御設定値Ｖsc(n)が変化し、次周期のアーク長に影響を及ぼすことになる。その結果、１つの外乱の発生に誘発されて、次周期以降のアーク長が変化する場合が生じる。
【００２５】
そこで、本発明では、予め定めた傾きＫｓを有する外部特性を形成すると共に、安定した制御系によって現周期の外乱によるアーク長への影響を現周期中に抑制し、次周期のアーク長に影響を与えない溶接電源装置の出力制御方法を提供する。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、図７〜９に示すように、
予め定めたベース期間Ｔｂ中は溶滴移行をさせない値に予め定めたベース電流Ｉｂを通電し、続けてピーク期間Ｔｐ中は溶滴移行をさせる値に予め定めたピーク電流Ｉｐを通電し、これら１周期の通電をパルス周期Ｔpbとして繰り返し通電して溶接する消耗電極パルスアーク溶接に使用する溶接電源装置の出力制御方法において、
溶接電源装置の外部特性の傾きＫｓ及び溶接電流設定値Ｉｓ及び溶接電圧設定値Ｖｓを予め設定し、上記設定値によって第１の変数Ａ＝Ｋｓ・（Ｉｐ−Ｉｓ）及び第２の変数Ｂ＝Ｋｓ・（Ｉｐ−Ｉｂ）・Ｔｂを演算した後に、溶接中の溶接電圧瞬時値Ｖｏを検出して第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)の開始時点からの傾き形成電圧誤差積分値Ｓva＝∫（Ａ＋Ｖｓ−Ｖｏ）・ｄｔを演算し、上記第ｎ回目のベース期間Ｔｂ(n)に続く第ｎ回目のピーク期間Ｔｐ(n)中の上記傾き形成電圧誤差積分値Ｓvaが上記第２の変数Ｂの値以下になった時点で上記第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)を終了し、続けて第ｎ＋１回目のパルス周期Ｔpb(n+1)を開始して上記動作を繰り返し行うことによって上記傾きＫｓを有する外部特性を形成して溶接を行うパルスアーク溶接電源装置の出力制御方法である。
【００２７】
第２の発明は、第１の発明に記載する第１の変数Ａ及び第２の変数Ｂの演算を、溶接中の予め定めた変数演算周期Ｔｃ毎に又はパルス周期の開始時点毎に行うパルスアーク溶接電源装置の出力制御方法である。
【００２８】
第３の発明は、図１０〜１１に示すように、
溶接ワイヤの送給速度設定値Ｗｓ並びに溶接ワイヤの材質及び直径を設定し、これらによって溶接電流設定値Ｉｓを算出する第１又は第２の発明に記載するパルスアーク溶接電源装置の出力制御方法である。
【００２９】
以下、本発明の実施の形態を例示する実施例１〜３について説明する。
［実施例１］
図７は、本発明の出力制御方法の動作原理を説明するための電流・電圧波形図である。同図（Ａ）は溶接電流瞬時値Ｉｏの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧瞬時値Ｖｏの時間変化を示す。同図において、実施例１の出力制御方法によって形成される目標の外部特性は、前述した（３）式と同様に、予め定めた溶接電流設定値Ｉｓ、溶接電圧設定値Ｖｓ及び傾きＫｓによってＶｗ＝Ｋｓ・（Ｉｗ−Ｉｓ）＋Ｖｓで示す直線である。以下、同図を参照して説明する。
【００３０】
同図に示すように、第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)中の１周期溶接電流平均値Ｉｗ(n)及び１周期溶接電圧平均値Ｖｗ(n)を算出し、両算出値にＶｗ(n)＝Ｋｓ・（Ｉｗ(n)−Ｉｓ）＋Ｖｓの関係が成立した時点ｔ(n+1)で、第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)を終了し、第ｎ＋１回目のパルス周期Ｔpb(n+1)を開始するように出力制御する。これによって、（３）式で示す目標の外部特性が形成されると共に、従来技術２では前周期溶接電流平均値Ｉｗ(n-1)と現周期の１周期溶接電圧平均値Ｖｗ(n)とが（３）式の関係にあったのに対して、実施例１では、現周期の１周期溶接電流平均値Ｉｗ(n)と現周期の１周期溶接電圧平均値Ｖｗ(n)とが（３）式の関係にある。したがって、前周期に発生した外乱によって、現周期の出力制御が影響を受けることはない。以下、本発明の基礎となる前述した（２）式に対応する制御式を導出する。
【００３１】
下記のすべての式における積分は、第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)の開始時点から終了時点までの間行うものとする。
(1) １周期溶接電流平均値Ｉｗ［Ａ］は、ピーク電流Ｉｐ［Ａ］、ベース電流Ｉｂ［Ａ］、ベース期間Ｔｂ［ｓ］及び第ｎ回目のピーク期間Ｔｐ(n)［ｓ］によって、下式で表わされる。
Ｉｗ＝Ｉｐ−（（Ｉｐ−Ｉｂ）・Ｔｂ／（Ｔｐ(n)＋Ｔｂ）） （41）式
(2) 上式において、Ｉｗ＝電流設定値Ｉｓ［Ａ］のときＴｐ＝Ｔpsとすると下式となる。
Ｉｓ＝Ｉｐ−（（Ｉｐ−Ｉｂ）・Ｔｂ／（Ｔps＋Ｔｂ） （42）式
(3) (41)式及び(42)式から下式が得られる。
Ｉｗ−Ｉｓ＝（Ｉｐ−Ｉｂ）・Ｔｂ・（（１／（Ｔps＋Ｔｂ））−（１／（Ｔｐ(n)＋Ｔｂ））） (43)式
【００３２】
(4) 外部特性の傾きＫｓ［Ｖ／Ａ］は、第ｎ回目の１周期溶接電圧平均値Ｖｗ(n)［Ｖ］、電圧設定値Ｖｓ［Ｖ］、第ｎ回目の１周期溶接電流平均値Ｉｗ(n)［Ａ］及び電流設定値Ｉｓ［Ａ］によって、下式で表わされる。
Ｋｓ＝（Ｖｗ(n)−Ｖｓ）／（Ｉｗ(n)−Ｉｓ） （44）式
(5) 上式に（43）式を代入すると下式となる。
Ｖｗ(n)−Ｖｓ＝Ｋｓ・（Ｉｐ−Ｉｂ）・Ｔｂ・（（１／（Ｔps＋Ｔｂ））−（１／（Ｔｐ(n)＋Ｔｂ））） （45）式
(6) １周期溶接電圧平均値Ｖｗ(n)は、溶接電圧瞬時値Ｖｏによって下式で定義される。
Ｖｗ(n)＝（１／（Ｔｐ(n)＋Ｔｂ））・∫Ｖｏ・ｄｔ （46）式
【００３３】
(7) 上式を(45)式に代入すると下式となる。
（１／（Ｔｐ(n)＋Ｔｂ））・∫（Ｖｏ−Ｖｓ）・ｄｔ＝Ｋｓ・（Ｉｐ−Ｉｂ）・Ｔｂ・（（１／（Ｔps＋Ｔｂ））−（１／（Ｔｐ(n)＋Ｔｂ））） （47）式
(8) 上式を変形すると下式となる。
∫（Ｖｏ−Ｖｓ）・ｄｔ＝Ｋｓ・（Ｉｐ−Ｉｂ）・Ｔｂ・（（Ｔｐ(n)＋Ｔｂ）／（Ｔps＋Ｔｂ））−Ｋｓ・（Ｉｐ−Ｉｂ）・Ｔｂ （48）式
(9) (42)式を変形すると下式となる。
（Ｉｐ−Ｉｂ）・Ｔｂ／（Ｔps＋Ｔｂ）＝Ｉｐ−Ｉｓ (49)式
(10) 上式を(48)式に代入すると下式となる。
∫（Ｖｏ−Ｖｓ）・ｄｔ＝Ｋｓ・（Ｉｐ−Ｉｓ）・（Ｔｐ(n)＋Ｔｂ）−Ｋｓ・（Ｉｐ−Ｉｂ）・Ｔｂ (410)式
(11) 上式を変形すると下式となる。
∫Ｋｓ・（Ｉｐ−Ｉｓ）・ｄｔ−∫（Ｖｏ−Ｖｓ）・ｄｔ＝Ｋｓ・（Ｉｐ−Ｉｂ）・Ｔｂ (411)式
【００３４】
(12) ここで、式を簡潔にするために、第１の変数Ａを導入して下式で定義する。
Ａ＝Ｋｓ・（Ｉｐ−Ｉｓ） （５）式
(13) 同様に、第２の変数Ｂを導入して下式で定義する。
Ｂ＝Ｋｓ・（Ｉｐ−Ｉｂ）・Ｔｂ （６）式
(14) （５）式及び（６）式を（411）式に代入すると、本発明の制御式である下式が得られる。
∫（Ａ＋Ｖｓ−Ｖｏ）・ｄｔ＝Ｂ （７）式
【００３５】
したがって、第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)の終了時点において、上式が成立することになる。第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)の開始時点においては、傾きＫｓ、ピーク電流Ｉｐ、電流設定値Ｉｓ、ベース電流Ｉｂ及びベース期間Ｔｂの設定値パラメータは定数とみなすことができるので、上記（５）式で示す第１の変数Ａ及び上記（６）式で示す第２の変数Ｂは共に定数とみなすことができる。ここで、第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)の開始時点からの傾き形成電圧誤差積分値Ｓvaを上記（７）式の左辺である
Ｓva＝∫（Ａ＋Ｖｓ−Ｖｏ）・ｄｔ
と定義する。通常、Ｋｓ≦０、Ｉｂ＜Ｉｓ＜Ｉｐ、Ｔｂ＞０なので、Ａ＝Ｋｓ・（Ｉｐ−Ｉｓ）≦０及びＢ＝Ｋｓ・（Ｉｐ−Ｉｂ）・Ｔｂ≦０となる。図７において、ベース期間Ｔｂ中はＶｓ＞Ｖｏ（＝Ｖｂ）となるが、（Ａ＋Ｖｓ−Ｖｏ）の値は上記の設定値パラメータの値によって正の値にも負の値にもなる。他方、ピーク期間Ｔｐ中はＶｓ＜Ｖｏ（＝Ｖｐ）なので、（Ａ＋Ｖｓ−Ｖｏ）＜０となり、上記の傾き形成電圧誤差積分値Ｓvaの値は、ピーク期間Ｔｐ中は時間経過と共に次第に小さくなる。したがって、第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)の開始時点からの傾き形成電圧誤差積分値Ｓvaを演算し、その演算値が第２の変数Ｂの値と等しくなるか又は第２の変数Ｂの値以下になった時点で、第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)を終了する。すなわち、下式が成立した時点でパルス周期を終了する。
Ｓva＝∫（Ａ＋Ｖｓ−Ｖｏ）・ｄｔ≦Ｂ （８）式
但し、上記積分は、第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)の間行う。
【００３６】
上述したように、本発明は、第１の変数Ａ＝Ｋｓ・（Ｉｐ−Ｉｓ）及び第２の変数Ｂ＝Ｋｓ・（Ｉｐ−Ｉｂ）・Ｔｂを演算した後に、溶接中の溶接電圧瞬時値Ｖｏを検出して第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)の開始時点からの傾き形成電圧誤差積分値Ｓva＝∫（Ａ＋Ｖｓ−Ｖｏ）・ｄｔを演算し、上記第ｎ回目のベース期間Ｔｂに続く第ｎ回目のピーク期間Ｔｐ中の上記傾き形成電圧誤差積分値Ｓvaの値が上記第２の変数Ｂの値以下になった時点で、上記第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)を終了し、続けて第ｎ＋１回目のパルス周期Ｔpb(n+1)を開始して上記動作を繰り返し行うことによって、上記傾きＫｓを有する外部特性を形成して溶接を行うパルスアーク溶接電源装置の出力制御方法である。
【００３７】
なお、傾きＫｓ＝０と設定すると、第１の変数Ａ＝０及び第２の変数Ｂ＝０となるので、（８）式は
Ｓva＝∫（Ｖｓ−Ｖｏ）・ｄｔ≦０
となり、前述した従来技術のときの（２）式と一致する。すなわち、本発明の出力制御方法を示す（８）式における特別な場合（Ｋｓ＝０）が、従来技術の出力制御方法を示す（２）式の場合となる。
【００３８】
図８は、上述した本発明を実施するための実施例１のパルス周期毎制御溶接電源装置ＰＳＡのブロック図である。同図において、前述した図４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４とは異なる点線で示す回路ブロックについて説明する。
【００３９】
第１の変数演算回路ＣＡは、傾き設定信号Ｋｓ、ピーク電流設定信号Ｉｐ及び溶接電流設定信号Ｉｓを入力として、前述した（５）式の演算を行い、第１の変数演算値信号Ｃａを出力する。第２の変数演算回路ＣＢは、傾き設定信号Ｋｓ、ピーク電流設定信号Ｉｐ、ベース電流設定信号Ｉｂ及びベース期間設定信号Ｔｂを入力として、前述した（６）式の演算を行い、第２の変数演算値信号Ｃｂを出力する。
【００４０】
傾き形成電圧誤差積分回路ＳＶＡは、上記の第１の変数演算値信号Ｃａ、溶接電圧設定信号Ｖｓ及び電圧検出信号Ｖｄを入力として、第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)の開始時点から前述した（８）式左辺の積分を行い、傾き形成電圧誤差積分値信号Ｓvaを出力する。変数比較回路ＣＭＡは、上記の傾き形成電圧誤差積分値信号Ｓvaと上記の第２の変数演算値信号Ｃｂとを比較して、ＳVa≦Ｃｂになった時点で、短時間Ｈｉｇｈレベルとなる比較信号Ｃｍを出力する。すなわち、上記の傾き形成電圧誤差積分回路ＳＶＡ及び変数比較回路ＣＭＡによって、本発明の出力制御方法を示す前述した（８）式の演算を行う。
これ以降の動作の説明は、図４のときと同様であるので省略する。
【００４１】
図９は、前述した（８）式左辺に示す傾き形成電圧誤差積分値Ｓvaの時間変化とパルス周期Ｔpbとの関係を示す図である。同図（Ａ）は溶接電流瞬時値Ｉｏの時間変化を示し、同図（Ｂ）は、縦軸にパルス周期の開始時点（ｔ０）からの傾き形成電圧誤差積分値Ｓvaの時間変化を示し、横軸にパルス周期Ｔpbの時間長さを示す。同図に示す３つの特性Ｙ１〜Ｙ３は、図７の説明の項で前述した設定値パラメータが同一であり、そのために（８）式における第１の変数Ａ、第２の変数Ｂ及び溶接電圧設定値Ｖｓが同一である場合において、溶接中のアーク長が適正値の場合（特性Ｙ２）、適正値よりも短い場合（特性Ｙ１）及び適正値よりも長い場合（特性Ｙ３）を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００４２】
▲１▼ アーク長が適正値の場合（特性Ｙ２）
アーク長が適正値の場合のベース電圧をＶb2とし、ピーク電圧をＶp2とする。同図（Ａ）に示す時刻ｔ０〜ｔ１までのベース期間Ｔｂ中は、傾き形成電圧誤差積分値ＳvaはＳva＝∫（Ａ＋Ｖｓ-Ｖb2）・ｄｔの演算値として時間経過と共に次第に小さくなる。そして、時刻ｔ１以降のピーク期間Ｔｐ中は、傾き形成電圧誤差積分値ＳvaはＳva＝∫（Ａ＋Ｖｓ-Ｖp2）・ｄｔの演算値として時間経過と共に、上記のベース期間Ｔｂ中とは異なる傾斜で次第に小さくなり、時刻ｔ３においてＳva≦Ｂとなるとパルス周期Ｔpb2が終了する。
【００４３】
▲２▼ アーク長が適正値よりも短い場合（特性Ｙ１）
溶接電圧瞬時値Ｖｏはアーク長に略比例するので、アーク長が適正値よりも短い場合のベース電圧はＶb1＜Ｖb2となり、ピーク電圧はＶp1＜Ｖp2となる。同図（Ａ）に示す時刻ｔ０〜ｔ１までのベース期間Ｔｂ中は、傾き形成電圧誤差積分値ＳvaはＳva＝∫（Ａ＋Ｖｓ-Ｖb1）・ｄｔの演算値として時間経過と共に、上記▲１▼項のときよりも緩やか勾配で小さくなる。そして、時刻ｔ１以降のピーク期間Ｔｐ中は、傾き形成電圧誤差積分値ＳvaはＳva＝∫（Ａ＋Ｖｓ-Ｖp1）・ｄｔの演算値として時間経過と共に、ベース期間Ｔｂ中とは異なる勾配で小さくなり、時刻ｔ４においてＳva≦Ｂとなるとパルス周期Ｔpb1が終了する。したがって、アーク長が適正値よりも短い場合には、パルス周期Ｔpb1は上記▲１▼項のときのＴpb2よりも長くなり、１周期溶接電圧平均値Ｖｗが大きくなるので、アーク長は長くなる方向に変化して適正値に近づくことになる。
【００４４】
▲３▼ アーク長が適正値よりも長い場合（特性Ｙ３）
前述したように、溶接電圧瞬時値Ｖｏはアーク長に略比例するので、アーク長が適正値よりも長い場合のベース電圧はＶb3＞Ｖb2となり、ピーク電圧はＶp3＞Ｖp2となる。同図（Ａ）に示す時刻ｔ０〜ｔ１までのベース期間Ｔｂ中は、傾き形成電圧誤差積分値ＳvaはＳva＝∫（Ａ＋Ｖｓ-Ｖb3）・ｄｔの演算値として時間経過と共に、上記▲１▼項のときよりも急な勾配で小さくなる。そして、時刻ｔ１以降のピーク期間Ｔｐ中は、傾き形成電圧誤差積分値ＳvaはＳva＝∫（Ａ＋Ｖｓ-Ｖp3）・ｄｔの演算値として時間経過と共にベース期間Ｔｂ中とは異なる勾配で小さくなり、時刻ｔ２においてＳva≦Ｂとなるとパルス周期Ｔpb3が終了する。したがって、アーク長が適正値よりも長い場合には、パルス周期Ｔpb3は上記▲１▼項のときのＴpb2よりも短くなり、１周期溶接電圧平均値Ｖｗが小さくなるので、アーク長は短くなる方向に変化して適正値に近づくことになる。
上述したように、溶接中のアーク長の変動に応じて、傾き形成電圧誤差積分値Ｓvaの勾配が変化することによってパルス周期が変化し、その結果、１周期溶接電圧平均値Ｖｗが変化してアーク長の変動を抑制する。
【００４５】
［実施例２］
実施例２の発明は、上述した実施例１の発明における第１の変数Ａ及び第２の変数Ｂの演算を、溶接中の予め定めた変数演算周期Ｔｃ［ｓ］毎に又はパルス周期Ｔpbの開始時点毎に行うパルスアーク溶接電源装置の出力制御方法である。以下、実施例２の発明について説明する。
【００４６】
実施例２の出力制御方法を実施するための溶接電源装置は、前述した図８における第１の変数演算回路ＣＡ及び第２の変数演算回路ＣＢの動作を以下のように変更した構成となる。
実施例２の第１の変数演算回路ＣＡは、傾き設定信号Ｋｓ、ピーク電流設定信号Ｉｐ及び溶接電流設定信号Ｉｓを入力として、予め定めた変数演算周期Ｔｃ毎に又は変数比較信号Ｃｍが短時間Ｈｉｇｈレベルとなるパルス周期Ｔpbの開始時点毎に、前述した（５）式の演算を行い、第１の変数演算値信号Ｃａを出力する。実施例２の第２の変数演算回路ＣＢは、傾き設定信号Ｋｓ、ピーク電流設定信号Ｉｐ、ベース電流設定信号Ｉｂ及びベース期間設定信号Ｔｂを入力として、予め定めた変数演算周期Ｔｃ毎に又は変数比較信号Ｃｍが短時間Ｈｉｇｈレベルとなるパルス周期Ｔpbの開始時点毎に、前述した（６）式の演算を行い、第２の変数演算値信号Ｃｂを出力する。
【００４７】
実施例２の発明では、溶接中に設定値パラメータが変化しても、その変化に対応して第１の変数Ａ及び第２の変数Ｂが再演算されるので、常にその時点での設定値パラメータに応じた適正な出力制御が行われる。
【００４８】
［実施例３］
実施例３の発明は、溶接ワイヤの送給速度設定値Ｗｓ並びに溶接ワイヤの材質及び直径を設定し、それらによって実施例１又は実施例２の発明における溶接電流設定値Ｉｓを算出するパルスアーク溶接電源装置の出力制御方法である。以下、実施例３の発明について説明する。
【００４９】
実施例３の発明を実施するための溶接電源装置は、前述した図８における溶接電流設定回路ＩＳを図１１０で後述する溶接電流設定値算出回路ＣＩＳに置換した構成となる。
図１０は、上記の溶接電流設定値算出回路ＣＩＳのブロック図である。溶接電源装置の外部に設置された送給速度設定回路ＷＳは、予め定めた送給速度設定信号Ｗｓを出力する。溶接電源装置に内蔵された溶接電流設定値算出回路ＣＩＳは、上記の送給速度設定信号Ｗｓ、溶接ワイヤの材質及び溶接ワイヤの直径を入力として、図１１に例示する溶融特性によって算出した溶接電流設定信号Ｉｓを出力する。
【００５０】
図１１は、縦軸に示す送給速度設定値Ｗｓと横軸に示す溶接電流設定値Ｉｓとの関係を示す溶融特性図である。同図は、溶接ワイヤの材質はアルミニウム合金Ａ５３５６の場合であり、溶接ワイヤの直径が１．２［mm］又は１．６［mm］の場合の溶融特性を示す。例えば、送給速度設定値Ｗｓ＝９００［cm/分］のときの溶接電流設定値Ｉｓは、直径１．２［mm］のときはＩｓ＝１５０［Ａ］となり、直径１．６［mm］のときはＩｓ＝２５０［Ａ］となる。
溶接ワイヤの材質が鉄鋼、ステンレス鋼等の場合にも、同図に相当する溶融特性図から溶接電流設定値Ｉｓを算出する。
【００５１】
上述した実施例３の発明では、実用上は溶接電流設定信号Ｉｓに代えて多く使用される送給速度設定信号Ｗｓが外部から入力される場合においても、本発明の出力制御方法を実施することができる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明では、各パルス周期Ｔpb中の１周期溶接電流平均値Ｉｗと１周期溶接電圧平均値Ｖｗとの動作点は必ず目標の外部特性上に存在するので、各パルス周期Ｔpb中の外乱によるアーク長の変動は、その周期中に抑制される。したがって、外乱に対する過渡応答性に優れているので、溶接中のアーク長の変動が少なくなり、常に良好な溶接品質を得ることができる。
さらに、実施例２の発明では、溶接中に設定値パラメータが変化しても、それに応じて第１の変数Ａ及び第２の変数Ｂを再演算することによって、常に適正な出力制御を行うことができる。
さらに、実施例３の発明では、外部から溶接電流設定信号Ｉｓに代えて送給速度設定信号Ｗｓが入力される場合でも、本発明の出力制御方法を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】パルスアーク溶接の電流・電圧波形図
【図２】溶接電源装置の外部特性図
【図３】従来技術２の出力制御方法を説明するための電流・電圧波形図
【図４】従来技術２の溶接電源装置のブロック図
【図５】従来技術２の溶接電源装置のタイミングチャート
【図６】解決課題を説明するための電流・電圧波形図
【図７】実施例１の出力制御方法を説明するための電流・電圧波形図
【図８】実施例１の溶接電源装置のブロック図
【図９】実施例１の傾き形成電圧誤差積分値Ｓvaの時間変化とパルス周期Ｔpbとの関係を示す図
【図１０】実施例３における溶接電流設定値算出回路ＣＩＳのブロック図
【図１１】送給速度設定値Ｗｓと溶接電流設定値Ｉｓとの関係を示す溶融特性図
【符号の説明】
１ 溶接ワイヤ
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
Ａ 第１の変数
Ｂ 第２の変数
ＣＡ 第１の変数演算回路
Ｃａ 第１の変数演算値信号
ＣＢ 第２の変数演算回路
Ｃｂ 第２の変数演算値信号
ＣＩＳ 溶接電流設定値算出回路
ＣＭ 比較回路
Ｃｍ 比較信号
ＣＭＡ 変数比較回路
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＩＢ ベース期間設定回路
Ｉｂ ベース電流（設定信号）
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＮＶ 出力制御回路
Ｉｏ 溶接電流瞬時値
ＩＰ ピーク期間設定回路
Ｉｐ ピーク電流（設定信号）
ＩＳ 溶接電流設定回路
Ｉｓ 溶接電流設定（値／信号）
Ｉsc 電流制御設定信号
Ｉｔ 短絡解除電流
ＩＷ １周期溶接電流平均値算出回路
Ｉｗ、Ｉｗ(n) １周期溶接電流平均値（信号）
ＫＳ 傾き設定回路
Ｋｓ 外部特性の傾き（設定信号）
Ｌ１、Ｌ２ 外部特性
ＭＭ タイマ回路
Ｍｍ 切換信号
Ｐ１ 動作点
ＰＳ 溶接電源装置
ＰＳＡ パルス周期毎制御溶接電源装置
ＳＶ 電圧誤差積分回路
Ｓｖ 電圧誤差積分値（信号）
ＳＶＡ 傾き形成電圧誤差積分回路
Ｓva 傾き形成電圧誤差積分値（信号）
ＳＷ ベース／ピーク切換回路
Ｔｂ ベース期間（設定信号）
Ｔｐ ピーク期間
Ｔpb、Ｔpb(n) パルス周期
Ｖｂ ベース電圧
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖｏ 溶接電圧瞬時値
Ｖｐ ピーク電圧
ＶＳ 溶接電圧設定回路
Ｖｓ 溶接電圧設定（値／信号）
ＶＳＣ 外部特性制御回路
Ｖsc 電圧制御設定（値／信号）
Ｖｗ、Ｖｗ(n) １周期溶接電圧平均値
ＷＳ 送給速度設定回路
Ｗｓ 送給速度設定（値／信号）
Ｙ１〜Ｙ３ 溶融特性

Claims (3)

1. 予め定めたベース期間Ｔｂ中は溶滴移行をさせない値に予め定めたベース電流Ｉｂを通電し、続けてピーク期間中は溶滴移行をさせる値に予め定めたピーク電流Ｉｐを通電し、これら１周期の通電をパルス周期として繰り返し通電して溶接する消耗電極パルスアーク溶接に使用する溶接電源装置の出力制御方法において、
   溶接電源装置の外部特性の傾きＫｓ及び溶接電流設定値Ｉｓ及び溶接電圧設定値Ｖｓを予め設定し、前記設定値によって第１の変数Ａ＝Ｋｓ・（Ｉｐ−Ｉｓ）及び第２の変数Ｂ＝Ｋｓ・（Ｉｐ−Ｉｂ）・Ｔｂを演算した後に、溶接中の溶接電圧瞬時値Ｖｏを検出して第ｎ回目のパルス周期の開始時点からの傾き形成電圧誤差積分値Ｓva＝∫（Ａ＋Ｖｓ−Ｖｏ）・ｄｔを演算し、前記第ｎ回目のベース期間に続く第ｎ回目のピーク期間中の前記傾き形成電圧誤差積分値Ｓvaが前記第２の変数Ｂの値以下になった時点で前記第ｎ回目のパルス周期を終了し、続けて第ｎ＋１回目のパルス周期を開始して前記動作を繰り返し行うことによって前記傾きＫｓを有する外部特性を形成して溶接を行うパルスアーク溶接電源装置の出力制御方法。
2. 請求項１に記載する第１の変数Ａ及び第２の変数Ｂの演算を、溶接中の予め定めた変数演算周期毎に又はパルス周期の開始時点毎に行うパルスアーク溶接電源装置の出力制御方法。
3. 溶接ワイヤの送給速度設定値並びに溶接ワイヤの材質及び直径を設定し、これらによって溶接電流設定値Ｉｓを算出する請求項１又は請求項２に記載するパルスアーク溶接電源装置の出力制御方法。

Images