JPH02187270A - 消耗電極式アーク溶接出力制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、主としてＣ０２ガス等で構成されるシールド
ガスによって溶接部を遮断し、消耗電極ワイヤを溶接部
に連続的に送給して溶融溶接を行なう消耗電極式アーク
溶接出力制御装置に関する。

（従来の技術） この種の消耗電極式アーク溶接装置のアーク溶接電流と
しては１通常、定電圧特性のものが用いられ、最近では
、７ａ接出力制御にトランジスタ等の制御素子を用いて
いる。

このような溶接出力制御方式の溶接電源において、アー
ク溶接を行なう場合、負荷状態が短絡とアークを繰返し
行なうとき、短絡時における負荷電流特性は、溶接作成
結果に大きな影響を与え、特に溶接中に発生するスパッ
タ量に大きな影響を与える。

この場合１通常は溶接出力回路にインダクタンスを設け
、短路特性の調整を行なうことにより作業性の改善を図
っている。しかし、実際の溶接におい−では、採用する
溶接電流、Ｗｊ接速度、溶接姿勢などにより、最適なイ
ンダクタンス量が異なるため、前記溶接出力制御素子と
して、サイリスタや、トランジスタ等の半導体素子を用
いる溶接電源においては、溶接状態を検出して、アーク
発生状態であるか、短絡状態であるかを検出し、短絡状
態であるときには、溶接電流の特性を、溶接出力制御素
子の導通状態を変化し制御することにより溶接特性の改
善を行なっている６ また、スパッタの発生は、アーク発生状態から短絡状態
に変移するとき、及び短絡状態からアーク発生状態に変
移するとき、即ち、溶接電流、溶接電圧波形が最も変化
するときにスパッタが多く発生する。

第２図はアークから短絡状態に移行した後、アークを再
生する過程を示す溶接状態図で（、）〜（ｆ）が各状態
を示す。なお、２１は消耗ワイヤ電極（以下単に消耗電
極という）、２２は溶接母材、２３は溶接アークを示す
。

まず、第２図（ａ）の状態は、消耗電極２１と溶接母材
２２の短絡直前のアーク発生状態で、溶接アーク２３が
消耗電極２１と溶接母材２２の間に発生している。同図
（ｂ）の状態は、消耗電極２１と溶接母材２２の溶融池
に接触した初期短絡状態である。同図（Ｃ）の状態は、
消耗電極２１と溶接母材２２の溶融池の接触が確実とな
り溶滴が移行する中間短絡状態である。同図（ｄ）は、
消耗電極２１の溶滴が溶接母材２２の溶融池側に移行し
、該消耗電極２１と溶融池との間にくびれ２１Ａが生じ
た後期短絡状態である。同図（ｅ）は、消耗電極２１と
溶接母材２２の短絡が開放されて、溶接アーク２３が再
発生した初期状態である。同図（ｆ）は、消耗電極２１
の先端が燃上って溶融が成長する状態であり、これら（
、）〜（ｆ）の過程が繰返されて溶接が進行する。ここ
で、（ｂ）〜（ｄ）が短絡期間（Ｓ）であり、（ａ）　
、　（ｅ）　、（ｆ）は溶接アーク期間（Ａ）である。

このような過程において、スパッタの発生は、既述のと
おり、（ａ）から（ｂ）の状態に移行するとき、即ちア
ーク発生状態から短絡状態に移行するとき、及び（ｄ）
から（ｅ）の状態に移行するとき、即ち短絡状態から開
放されてアーク状態に移行するときに多く発生する。特
に（ｄ）から（ｅ）の状態に移行するときが発生するス
パッタは極めて多い。

ところで、この短絡が開放されてアークを発生する瞬間
の短絡開放電流が、小さい値であるとスパッタが少ない
ことが知られている。そこで、第２図の（ｄ）状態で短
絡が開放するときに生じるくびれ２１Ａを検出すること
により、溶接電流を減少させて、溶接アークが再発生す
る時点を事前に検知して、短絡開放電流を急激に低減さ
せ、スパッタを少なくする制御が行なわれていた。

第３図は上記制御を行なうための従来の消耗電極式アー
ク溶接装置のブロック構成図を示す。３相入力は整流装
置１により全波整流され、フィルタチョークＬ□を通し
てコンデンサＣ□によって平滑され、−旦直流化される
。

この直流化された電力は、トランジスタＱ、〜Ｑ４によ
り高い周波数の交流に変換される。

第４図（ａ）はこの直流、交流変換回路ＴＲ（トランジ
スタＱ１〜Ｑ、）、第４図（ｂ）〜（ｄ）はその動作状
態を説明する１次巻線ＭＴｒの一次電流と溶接出力を示
す。この変換回路では１−ランジスタＱｉ＋Ｑ２が（ｂ
）図に示す時間し、でＯＮ状態になり、主トランスのＭ
Ｔｒの１次巻線ＭＴｒ工に１次層流ｉが流れる。次の時
間ｔ２において、トランジスタＱ、〜Ｑ４は全てＯＦＦ
状態となり、１次巻線ＭＴｒ、には電流が流れない（こ
の時間ｔ２をデッドタイムと称する）。

次の時間し、においては、トランジスタＱ３とＱ４がＯ
Ｎ状態になって１次巻線ＭＴｒ、には、マイナス方向の
電流−１が流れる。そして、次の時間ｔ４では再びデッ
ドタイムとなる。

このトランジスタＱ０〜Ｑ４のスイッチングによって得
られた高周波出力（第４図（Ｃ））は、主トランスにて
降圧される。主トランスの出力は第３図に示す２次巻線
ＭＴｒ２を介してダイオードＤ２゜Ｄ、によって再び整
流されリアクトルＬ２を通して平滑されリップルの少な
い溶接出力（第４図（ｄ））となる。

このような制御方式は、一般にインバータ制御と呼ばれ
るもので、トランジスタＱ１〜Ｑ４のスイッチングサイ
クル（時間ｔユ〜ｔＪを１周期Ｔ（第４図（ｂ））とし
、これを繰返して直流→交流→直流の変換を行なってい
る。

このインバータ制御方式の溶接電源において、溶接出力
を制御する方式は１種々あるが、パルス幅変調もその１
つである。即ち、トランジスタのスイッチングの周波数
を一定として、１周期中のＩ−ランジスタのオン（ＯＮ
）タイム比率を変える、即ち、ｔ　ｔ　＋　ｔ　３　／
　Ｔ　（ただしＴはＴ工＋Ｔ、＋Ｔ、＋Ｔ、）を変化さ
せることにより調整を行なう。

これを、第３図に戻り説明すると、前記溶接出力電圧を
指示する電圧リモコン２を有し、その出力値は電圧指令
回路５に入力される。この電圧指令回路５の出力は、フ
ィードバック信号である出力電圧検出回路６の出力と加
減算され、パルス幅変調回路７への入力信号となる。こ
の入力信号は最終的な溶接出力を定める出力電圧設定信
号であって、パルス幅変調回路はこの出力電圧設定信号
を、その信号の大きさに応じたパルス幅に変調する回路
である。そのパルス幅変調回路７の出力は、ドライバー
回路８の入力信号となる。

ドライバー回路８は、前記直流、交流変換回路ＴＲのト
ランジスタＱ１〜Ｑ４を駆動するためのペース電流供給
回路であり、Ｑ１〜Ｑ４を遮断するために負電圧を印加
するための回路である。

一方、電流指令リモコン３を有し、その出力値はワイヤ
送給指令回路４に入力され、その出力はワイヤ送給モー
タＭに入力されてワイヤ送給がなされる。ここでのワイ
ヤは既述の消耗ワイヤ電極２１（消耗電極）を意味する
。

また、短絡、アーク検出回路９は、前記溶接出力電圧を
入力信号として、溶接電圧がアーク発生状態（Ａ）であ
るか、短絡状態（Ｓ）であるかを検知し、短絡状態での
溶接電流（Ａ／Ｓレベル）を波形制御回路ＩＯへ出力す
る。この波形制御回路ではシャント１５よりの溶接電流
波形及び短絡、アーク検出回路９よりのＡ／Ｓ信号を入
力し、短絡制御波形と比較してその出力をパルス幅変調
口［７に入力する。

また、くびれ信号検出回路１６は前記溶接電圧（波形）
を入力信号として、くびれ信号を検出し、これにもとづ
いて、ドライバー回路１８を駆動するための制御信号が
出力電流制御回路１７で作成される。ドライバー回路１
８はこの出力電流制御回路１７の信号を受けて「くびれ
信号発生時間」（第５図のシ、）の間だけ、トランジス
タＱ、を非導通状態に制御する。

上記くびれ信号を得るための短絡期間中の溶接電圧波形
について第５図で説明する。同図においてＡはアーク発
生期間、Ｓは短絡期間を示す。ここで、短絡を開始する
と、短絡時の制御波形に従って短絡電流が流れる。短絡
が開始して安定した短絡が得られる時限ｔ、後において
、短絡が開放するに十分な電流ＴＩＰを流す。この短絡
電流Ｉ　ｓｐを一定に制御しても短絡電流Ｒｐが流れて
いるときの溶接電圧は一定とならず、短絡電流Ｉ　ｓｐ
が十分に立上った時間ｔ０より時限ｔ工に至る時間ｔｕ
は溶接電圧が直線的に増加する傾向を示す。これは短絡
期間中の消耗電極の発熱によるインピーダンスの増加分
が寄与しているためである。

前記第２図（ｄ）で示した後期短絡状態で、くびれ２１
Ａが発生し始めると、溶接電圧の上昇分は時限し、より
Ｌ２に至るくびれ信号発生時間１．が急上昇となる。こ
の溶接電圧の急上昇分を第３図でのべたくびれ信号検出
回路１６でくびれ信号を検出する。上記短ｍ電流Ｉ　ｓ
ｐが十分に立上った時限１、におれる溶接電圧をＶ？。

、時限し。以後のｔＵまで直線的に増加する溶接電圧の
増加量を■。、短絡時の溶接電圧を■８として、くびれ
電圧ΔＶを、ΔＶ＝Ｖ、−１１−Ｖ　ｙ。により演算し
て求める。

ここで、設定電圧をｖｃとして、ΔＶ≧ｖｃを満足した
とき、くびれ信号を得るようにしている。

この短絡が開放してアークが発生（第２図（ｅ））する
までの期間は、例えば、　５ＯＯｔｉｓから１ｍｓ程度
の極めて短い時間であるが、第３図のくびれ信号を検出
しスパッタを制御する回路では、溶接電流は抵抗Ｒ２を
通して流すため、くびれ信号発生とともに大きく減衰し
、溶接アークが再発生する時点（第２図（Ｃ））での溶
接電流は小さくなりスパッタが少くなる。

（発明が解決しようとする課題） 上記において、くびれ信号が発生すると短絡電流を絞り
（減少）込んでしまうために、タイミング良く、くびれ
信号を発生させることが良好な溶接結果を得る上で極め
て重要である。例えば、くびれ検知が早すぎると、早い
時期に短絡電流を絞り込んでしまうために短絡の開放が
円滑に行なわれず、アークは不安定となって良好な溶接
結果は得られなくなる。これと逆に、くびれ検知が遅す
ぎると、短絡電流が絞り込まれないうちにアーク発生と
なるため、スパッタ低減の効果が得られないという不具
合が生ずる。

これを詳細に説明すると、第６図（ａ）は短絡期間Ｓが
短い場合の溶接電圧波形を示す６時限１、より、くびれ
による溶接電圧の上昇を開始し。

くびれ電圧ΔＶが設定電圧ｖｃと等しくなった時点ｔ２
でくびれ信号Ｋを発生する。

実験結果によると、短絡期間の短い場合、くびれ発生に
よって得られる電圧上昇度合（以下、くびれ電圧傾度と
いう）は小さい、このため、くびれ信号Ｋが得られるま
でのくびれ電圧発生期間ｔ、は比較的長くなり、この期
間中に消耗電極２工に供給されるエネルギーは大きくな
る。このため、くびれ信号Ｋが発生（時限ｔ、ｌ）シて
アークが発生（時限ｔｉ）するまでの（びれ信号幅１に
は短かくなる。

一方、第６図（ｂ）は、短絡期間Ｓが長い場合の溶接電
圧波形を示す。時限ｔ工よりくびれによる電圧上昇を開
始する。くびれ電圧ΔＶが設定電圧ＶＣと等しくなった
時限ｔ、より、くびれ信号Ｋを発生する。

実験結果によると、短絡期間の長い場合、くびれ発生に
よって得られるくびれ電圧傾度は大きくなる。このため
、くびれ信号Ｋが得られるまでの（びれ電圧発生期間し
６は前者の場合（ａ）に比べ短かくなる。即ちこの期間
ｔイ中に消耗電極２１に供給されるエネルギーは小さく
なる。くびれ信号が発生すると短絡電流を絞り込むため
短絡は開放されにくくなり、アークは不安定となる。そ
して、くびれ（４号が発生（時限ｔ２）シて、アークが
発生（時限ｔｊまでのくびれ信号幅ｔ、は前者の場合（
ａ）に比べて長くなる。

このような短絡期Ｈについて実測してみると。

可成り大きな範囲でバラツキがあることが確認された。

従って、第３図に示すくびれ信号を検出しスパッタを制
御する回路において、くびれ電圧ΔＶを単に一定の設定
電圧ｖｃと比較するものでは、くびれ信号Ｋが発生する
時限は適正でなく、このためアークが不安定となって、
良好な溶接結果が得られないという問題点があった。

本発明の目的は短絡期間の長短に係わらず、くびれ信号
を適正なタイミング位置に安定して発生させ、スパッタ
の少ない良好な溶接を行なう装置を提供することにある
。

（課題を解決するための手段） 本発明はこのような問題点を解決するため、シールドガ
ス中で消耗電極を用いて溶接を行なう消耗電極式アーク
溶接装置において、溶接出力状態が短絡かアーク発生か
を検出する手段と、該検出手段により短絡発生を検出し
て一定時限り、後の短絡ｆｆｉ接電圧■Ｔ１．と、一定
時限し。以後における短絡溶接電圧の直線的電圧増加量
Ｖ、と、短絡期間中の溶接電圧Ｖ、とによｊ＋、くびれ
電圧△Ｖ（＝Ｖｓ　　ＶＵ　　Ｖｙｏ）を演算する手段
と、該くびれ電圧が設定電圧■６に達したとき短絡溶接
電圧を；減少させかつ、前記直線的電圧増加ｔｖＬｌが
得られる直線的゛４（圧増加時間１．の時間量に応じて
、前記設定電圧Ｖ、の値を変化させ溶接出力を制御する
“ト段とで構成されたことを特徴とする消耗電極式アー
ク溶接出力制御装置である。

また、前記設定電圧■。の値を、直線的電圧増加時間し
工の大きさに直線的に比例して変化させることも構成上
の特徴の１つでもある。

（作　用） 本発明は、くびれ電圧ΔＶを、ΔＶ　”　Ｖ　ｓ　　Ｖ
　ｕ−■、。の演算で求めるが、（びれ電圧の設定電圧
ｖｃは従来のように一定とせず、直線的電圧増加時間１
ｕの時間量に応じて変化させるように動作する。

第７図は直線的電圧増加時間し、、（横ｌ１ｉＩＩＩ）
に対するくびれ電圧ΔＶの傾度（縦軸）を示す、即ち、
短絡時間が長くなって直線的電圧増加時間ｔ、が増大す
ると、くびれ電圧ΔＶの傾きは直線的に増加することを
示している。従って直線的電圧増加時間ｔ、、が長くな
れば、それに従ってくびれ電圧ΔＶの設定電圧ｖｃを増
大させると、第６図で示したくびれ信号にの幅ｔ、をほ
ぼ一定になるように制御できる。即ち本発明は、直線的
電圧増加時間し工が長くなれば、それに従ってくびれ電
圧ΔＶの設定電圧ｖｃを増大させているため、くびれ信
号幅１．をほぼ一定になるように作用する。

このように制御すると、くびれ信号には短絡時間の長さ
に関係なく安定して得られるため、くびれ信号を用いて
短絡開放電流を安定してＦげることかできる。このこと
は、全ての短絡に対応して安定して得られたくびれ信号
により、溶接電流を減少させて、スパッタの発生を極力
少なくすることができる。

また、くびれ信号幅は短絡時間に関係なく一定であるた
め、換言すれば、くびれ信号が発生する時限を溶接結果
が最適値を示すように安定して設定できるように作用さ
せて、良好な溶接結果をうることができる。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例のブロック構成図を示し、図
において、２０は溶接電源、２１は溶接ワイヤ電極（消
耗電極）、２２は溶接母材、２３は溶接アーク、２４は
溶接電圧（波形）を入力して溶接出方状態がアーク状態
（Ａ）か、短絡状ＩＩＡ（Ｓ）かを検出するＡ／Ｓ判別
回路、２５は該Ａ／Ｓ判別回路２４及び前記溶接電圧（
波形）を入力信号とする短絡電圧（波形）検出回路、２
６は該短絡電圧（波形）検出回路２５からの信号を入力
して、第５図に示した時限ｔ０から溶接電圧の直線的に
増加する電圧増加量Ｖ。

を検出するリニア電圧検出回路、２７は前記短絡電圧（
波形）検出回路２５からの信号を入力して第５図に示し
た時限ｔ０における短絡溶接電圧Ｖ？。を検出する（短
絡電流立上り後の初期電圧Ｖ、、）初期電圧検出回路、
２８は前記短絡電圧（波形）検出回路２５からの４４号
を入力して溶接電圧ｖ８、リニア電圧検出回路２６から
の信号を入力して直線的電圧増加ｆｆ１ｖ、、及び初期
電圧検出回路２７からの信号を入力して短絡溶接電圧（
初期電圧）■□を夫々求めて、くびれ電圧ΔＶ　（＝　
Ｖ　ｍ　−Ｖ　ｕ　　Ｖ　？０　）を演算スルくびれ電
圧検出回路、２９は前記短絡電圧（波形）検出回路２５
からの信号を入力として、第５図に示した時限ｔ０から
くびれが生じるまでの時限ｔ１までの直線的電圧増加時
間１．を検出するリニア電圧増加時間検出回路、３０は
該リニア電圧増加時間検出回路２９からの信号を入力し
てくびれ設定電圧ｖｅを定めるくびれ電圧設定回路、３
１は前記くびれ電圧検出回路２８及び前記くびれ電圧設
定回路３０からの信号を入力して、第６図に示したくび
れ信号Ｋを発生するくびれ信号発生回路であり、この出
力信号は前記溶接電源２０にフィードバックされて溶接
出力の調整が行なわれるよう構成されている。

次に動作を説明すると、くびれ電圧ΔＶは、くびれ電圧
検出回路２８で求められ、既述のとおり、ΔＶ”Ｖｉ　
　Ｖｔ＋　　Ｖ□が演算して行なわれる。

また、くびれ設定電圧ｖｃは一定でなくリニア電圧増加
時間検出回路２９の出力をくびれ電圧設定回路３０に入
力して、直線的電圧増加時間ｔ、の時間量によってくび
れ設定電圧■。が変化する。

いま、くびれ電圧検出回路２８からのくびれ電圧ΔＶと
、くびれ電圧設定回路３０からのくびれ設定電圧■。を
、くびれ信号発生回路３１に入力すると、ΔＶ≧ｖｃを
満足した時点で、くびれ信号Ｋが得られ、これを溶接型
１１２０ヘフィードバックして溶接出力の調整が行なわ
れる。即ち、くびれ信号Ｋが生じた時点で短絡時の溶接
電流を減少させて。

スパッタを減少させることができる。そして、くびれ信
号にの信号幅１には、はぼ一定となるため、くびれ信号
が発生する時間を適正値に安定して設定できる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によればくびれ信号を適正
なタイミング位置に安定して発生させることができる結
果、アークは安定しかつスパッタの少ない良好な溶接を
行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のブロック構成図、第２図は
アークから短絡状態に移行した後、アークを再生する過
程を示す溶接状態図、第３図は従来の消耗電極式アーク
溶接装置のブロック構成図、第４図は第３図の直流、交
流変換回路ＴＲの動作説明図、第５図及び第６図はくび
れ信号発生位置を説明する溶接電圧波形図、第７図は直
線的電圧増加時間ｔ工とくびれ電圧ΔＶの傾斜特性を示
す図である。 ２０・・・溶接電源、２１・・・溶接ワイヤ電極（消耗
電極）、２２・・・溶接母材、２３・・・溶接アーク、
２４・・・Ａ／Ｓ判別回路、２５・・・短絡電圧（波形
）検出回路、２６・・・リニア電圧検出回路、２７・・
・初期電圧検出回路、２８・・・　くびれ電圧検出回路
、２９・・・　リニア電圧増加時間検出回路。 ３０・・・　くびれ電圧設定回路、３１・・・くびれ信
号発生回路。 特許出願人　松下電器産業株式会社 １次を浅 違清比カ 第 図 第 ア 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. シールドガス中で消耗電極を用いて溶接を行なう消耗電
   極式アーク溶接装置において、溶接出力状態が短絡かア
   ーク発生かを検出する手段と、該検出手段により短絡発
   生を検出して一定時限ｔ＿０後の短絡溶接電圧Ｖ＿Ｔ＿
   ０、一定時限ｔ＿０以後における短絡溶接電圧の直線的
   電圧増加量Ｖ＿Ｕと、短絡期間中の溶接電圧Ｖ＿Ｓとに
   より、くびれ電圧ΔＶ（＝Ｖ＿Ｓ−Ｖ＿Ｕ−Ｖ＿Ｔ＿０
   ）を演算する手段と、該くびれ電圧が設定電圧Ｖ＿Ｃに
   達したとき短絡溶接電圧を減少させかつ、前記直線的電
   圧増加量Ｖ＿０が得られる直線的電圧増加時間ｔ＿Ｕの
   時間量に応じて、前記設定電圧Ｖ＿Ｃの値を変化させ溶
   接出力を制御する手段とで構成されたことを特徴とする
   消耗電極式アーク溶接出力制御装置。