JPH0342149B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、消耗性電極をほぼ定速度で送給し、
消耗性電極と母材との間で短絡とアークを交互に
繰り返し発生させて行なうアーク溶接方法に係
り、特にスパツタ発生の低減およびアーク安定性
の向上を計るに好適な溶接電源の出力制御方法に
関する。

〔従来の技術〕

一般に、短絡を伴うCO₂アーク溶接あるいはマ
グ溶接などは、直流定電圧特性電源を用い、消耗
性電極（ワイヤ）をほぼ定速度で送給して行なわ
れている。そのアーク現象の概要を示すと第３図
のようである。図において１はワイヤ、２は溶
滴、３は溶融池、４はアークであり、は溶滴と
溶融池が接触した短絡初期の状態、は溶滴と溶
融池が完全に短絡した短絡中期の状態、は電流
のジユール熱、電磁ピンチ力および溶融金属の表
面張力によつて、溶滴にくびれが生じ、溶滴の溶
融池への移行が完了する寸前である短絡後期の状
態、は短絡が破れアークが発生したアーク初期
の状態、はワイヤ先端が溶融し、溶滴が成長す
るアーク中期の状態、は溶接電流の減少に伴
い、ワイヤ溶融速度よりもワイヤ送給速度のほう
が大きくなり、アーク長が短くなつて、溶滴と溶
融池が短絡する寸前であるアーク後期の状態をそ
れぞれ示している。

第４図は、その電流・電圧波形であり、図中
〜はアーク現象を示す第３図の〜に対応す
る。しかしこの溶接方法は、溶接電源の自己制御
作用に依存しており、短絡電流・アーク電流・短
絡時間・アーク時間は電源に内蔵されたリアクト
ル、電源の外部特性などによつて決まる無制御因
子である。そのため、周期性のある均一な電流波
形を得ることが困難であり、短絡電流・短絡時間
のバラツキに起因する大量・大粒のスパツタの発
生、ビード止端部の不揃い・ヒレの発生あるいは
アーク時間・アーク電流のバラツキに起因する溶
滴の異常成長などの問題点を有している。

このような問題点を解決するために、特開昭60
−108179号では、第５図のような電流波形を用い
ることを提案している。

すなわち短絡を検出して、比較的低レベルの
第１の電流値I_D（10〜50A）に1.5〜2.5ｍＳの間保
持して、短絡を阻害するピンチ力の発生を防ぎ、
次に比較的高レベルの第２の電流値I_SP（350〜
450A）に移行させ、抵抗変化・電流変化・電
圧変化などの検出値から、アーク発生の寸前に生
じる溶滴のくびれを検知して、低レベルの第３の
電流値I_RA（20〜200A）に電流を低下させる。ア
ーク発生の瞬間に生じるアーク圧力の増加を抑制
し、溶滴の飛散を防止してスパツタ発生を防ぎか
つビード外観の均一化を計るためである。アー
クが発生すると、比較的高レベルの第４の電流値
I_AP（ワイヤ送給量によつて異なるが200〜400A程
度）に10〜20ｍＳ程度保持し、溶滴の形成を促進
するとともに、短絡の発生を防止する。次に、
短絡の促進を計るために、ほぼ定電流特性の比較
的低レベルの第５の電流値I_AB（50〜85A）に短絡
が生じるまで保持する。以上〜の過程を順次
実行することにより、第３図に示した現象が第５
図の〜の位置でそれぞれ生じ、短絡とアーク
が規則正しく繰り返され、アークや溶融池の不安
定な乱れを生じないから、従来の方法に較べスパ
ツタの発生量は1/5〜1/6に減少し、ビード止端部
の不揃いの原因となるヒレの発生もなく、美麗で
均一なビード外観が得られることが実施例で述べ
られている。

しかし、この公知例の方法では、 (1) 短絡を検出して、電流をI_Dに低下させている
が、どのような方法を用いても必ず若干の検出
遅れが含まれること、電流値のレベルがI_ABか
らI_Dに切り換わるためにも多少の時間を要する
ことにより、短絡状態に大きく影響する初期の
制御が十分ではない。

(2) 溶滴のくびれを検出して、電流をI_SPからI_RA
に低下させているが、くびれを検出するために
は電圧などの微小変化を検知しなければならな
いこと、くびれが生じてからアークが発生する
迄の時間は短いこと、高電流レベルI_SPから低
電流レベルI_RAの電流を切り換えるためには多
少時間を要することなどにより、所望の効果を
得るためには、検出回路・制御回路にかなりの
工夫が必要であり、安定した動作を行なわせる
には相当な困難がある。

(3) アーク後期に、短絡の促進を計るために電流
をI_APからI_ABに切り換えているが、I_ABはほぼ定
電流制御であるから、この区間ではアーク長制
御はほとんど行なわれない。またI_ABの区間は、
母材（溶融池）の加熱に必要な区間であり、単
に短絡の促進のみを目的として電流値を設定す
ると、母材への入熱が不足し、いわゆる湯流れ
が悪いといつた現象を生じる。さらに、アーク
期間中に電流値を急変させることも、アークの
安定性からは好ましくない。

などの事項が短所として挙げられる。

本発明は、上記した従来技術の問題点を解決す
るためになされたものであり、その目的は、アー
クの安定性向上・スパツタ発生量の低減・ビード
外観の美麗化などにより、作業性がさらに良好な
消耗電極式アーク溶接方法を提供することにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、消耗性電極をほぼ定速度で送給し、
消耗性電極と母材との間で短絡とアークを交互に
繰り返し発生させて行なうアーク溶接において、
短絡発生とアーク発生を検出し、短絡周期ごとに
下記(A)〜(F)の各過程を順次に、またはそのうちの
２つ以上の過程を組合わせて実行することを特徴
とするアーク溶接方法である。

(A) 短絡発生後、所定時間T_Dの間、溶接電流を
短絡直前の定電流設定レベルによつて決まる所
定の値に保持するように溶接電源出力を定電流
制御し、短絡状態を均一化する過程。

(B) 次に、溶接電流を所定の定電流設定レベルI_u
まで急激に増加させ、その後、短絡を開放する
のに十分なより高い定電流設定レベルI_Sに向つ
て所定の時定数S_Sで徐々に増加させて、短絡を
開放する過程。

(C) アーク発生後、所定時間T_hの間、溶接電圧
を比較的高い定電圧設定レベルV_h近傍に保持
するように溶接電源出力を定電圧制御し、その
間、上記定電圧設定レベルV_hとアーク状態に
よつて決まる電流値より若干高い定電流設定レ
ベルに最大電流値を規制する定電流制御を併用
して、消耗性電極に溶滴を形成・成長させる過
程。

(D) 所定時間T_h経過後、定電圧設定レベルを上
記の高レベルV_hから所定の低レベルV_Lに向つ
て所定の時定数S_Vで徐々に減少させ、これに
伴い、定電圧設定レベルとアーク状態によつて
決まる電流値より若干高い定電流設定レベルも
所定の低レベルI_Lに向つて所定の時定数S_iで
徐々に減少させて、アーク力を減少させながら
母材を加熱する過程。

(E) アーク長の減少に伴い溶接電源の自己制御作
用により生じる電流の増加を上記低レベルI_Lで
の定電流制御により防止し、溶滴の過度の成長
を抑制する過程。

(F) アーク発生後、所定時間（T_h＋T_L）経過し
た時点より、電流値をさらに低い定電流設定レ
ベルI_nに移行させて、消耗性電極の溶融を抑制
し、短絡を促進する過程。

〔作用〕

第１図は、本発明の作用を説明するための電
流・電圧波形図である。時々刻々変化する溶接電
圧と短絡／アーク判定電圧V_jの大小を比較し、
短絡状態かアーク状態かを判定する。V_jは平均
溶接電流の値によつて最適値が異なるが、10〜
20V程度であり、16〜17Vに設定すればほぼ全電
流範囲に適用できる。

の区間は、溶滴と溶融池の短絡状態を均一化
するための区間である。例えば、第３図のよう
に溶滴の一部が溶融池に接触した瞬間から電流が
増加すると、電流増加にともなうアーク力の増
加・アーク圧力の増加のために溶滴が押し上げら
れ溶融池表面が凹まされ、溶滴が溶融池に十分移
行する前に、短絡が破れることがある。このよう
な現象を生じると、電極先端にはかなりの量の溶
滴が残り、次の短絡までにさらに溶滴が成長し、
過大な溶滴となつて短絡する。さらに短絡周期も
短くなるので、短絡ピーク電流からの減少量が少
ない比較的大きい電流値で短絡することになる。
その結果、短絡が破れる際に多量のスパツタを発
生する。

そこで、溶接電圧がV_jよりも小さくなり、短
絡状態であると判定されたとき、溶接電流をその
直前の定電流設定レベルで決まる値に所定時間
T_Dの間保持し、電流の増加を抑制する。例えば
第１図のように一定値I_nで短絡した場合は、短
絡後T_Dの間も電流をI_nに保ち、もし、第１図
のように定電流設定レベルがスロープ状に変化し
ている途中で短絡が発生した場合には、短絡後の
電流はそのスロープの延長線上で制御する。この
ようにすることにより、第３図のように溶滴と
溶融池は確実に短絡するので、その後電流が増加
し短絡を開放しても、溶滴が溶融池に十分移行し
ないといつた現象を生じない。

なお短絡直後に電流を保持するレベルは低いほ
ど効果が大きいが、定電流設定レベルのスロープ
状変化の途中の比較的高レベルの電流値であつて
も、その効果はある。T_Dは溶滴の大きさと密接
な関係があり、ワイヤ送給量・ワイヤ径によつて
その適正値が異なる。

の区間は、短絡を開放するための区間であ
り、短絡検出後所定時間T_D経過したとき、電流
をI_u迄急激に増加させ、その後最大電流値を規制
するより高い定電流設定レベルI_Sに向つて、所定
の時定数S_Sで電流を徐々に増加させて短絡を開放
する。通常の短絡では第１図のようにI_Sに達す
る前に短絡が破れ、アークが発生するが、比較的
短絡時間が長くなる場合は、第１図のようにI_S
に到達してから短絡が開放される。

今仮に、短絡が開放される迄一定の電流値I_Pに
保持するものとすると、適正条件でI_Pを選定した
場合はスパツタの発生等は抑制できるが、ワイヤ
送給の変動などに起因する大きい短絡が生じた場
合、I_Pでは対処できず、アーク不安定を生じる。
逆にアーク不安定を考慮し、I_Pを十分大きい値に
設定すると、通常の短絡時に過大な電流が流れ、
スパツタやヒレ発生の原因となる。

しかし第１図のように、短絡時間に応じて電
流を増加させ、短絡を開放するようにすると、短
絡状態に応じた必要最小限の電流値で短絡が開放
されるから、スパツタやヒレの発生は少ない。

I_uはワイヤ送給速度・ワイヤ径に応じて変化さ
せる必要があるが、S_Sはほぼ一定値としてよい。

の区間は、電極先端に溶滴を形成するための
区間であり、溶接電圧がV_jよりも大きくなり、
アーク状態であると判定されてから所定の時間
T_hの間、溶接電圧を比較的高い電圧レベルV_h近
傍に保持するように溶接電源出力を定電圧制御
し、定電圧特性によるアーク長制御を行いながら
溶滴を形成・成長させる。なお、図ではこの区間
の最大電流値を規制する定電流設定レベル（破線
で示す）をI_Sとしているが、必要に応じて、もつ
と低いレベルに設定したり、あるいは所定レベル
I_Rに向つて徐々に減少させるといつた手法を用い
てもよい。

の区間は、溶融池および母材を加熱するため
の区間である。この区間の電流値が少ないと、溶
融池・母材に与えられる入熱量が不足し、溶込み
深さの減少あるいは高速溶接時の溶融池の追随性
いわゆる湯流れの悪化などを招くため、急激に電
流値を低下させることは作業性の面から好ましく
ない。またこの区間では、溶接電流低下にともな
うアーク力の減少により、上方に押し上げられて
いた溶滴が下方に垂れ下がり、次の短絡に備えて
溶滴形状の整形が行われる。その結果、アーク長
は常に変動しており、この区間のアーク長管理が
不十分であると、アーク不安定を生じることにな
る。

そこで、定電圧設定レベルを高レベルV_hから
低レベルV_Lまで、所定の時定数S_Vで徐々に減少
させる。このようにすると、アーク長は定電圧特
性による自己制御作用でコントロールされ、溶融
池・母材に与えられる入熱を、作業の種類に応じ
て、S_VおよびV_Lを好適値に設定することにより、
任意に制御することができる。

しかしCO₂アーク溶接・マグ溶接などでは、一
般にこの区間の溶滴、溶融池の変動に伴い、ごく
短時間の短絡（瞬間的短絡）を生じ易い。定電圧
制御においてこのような短絡があると、次の短絡
のために下方に垂れ下がつてきた溶滴が、電流の
増加によつて再度上方に押し上げられ、次の短絡
に悪影響を及ぼす。そこで、V_h・V_L・S_Vおよび
アーク状態で決まる電流値より若干高い定電流設
定レベルも電圧の減少と共にI_RからI_Lに所定の時
定数S_iで徐々に減少させる（図中破線で示す）。
最大電流値を規制する定電流設定レベルをこのよ
うに設定することにより、瞬間的短絡が発生して
も電流は僅かしか増加せず、次の短絡に与える悪
影響も少なくできる。

の区間は、溶滴の異常な成長を抑制するため
の区間である。アーク後期になると電流が低レベ
ルまで減少するため、ワイヤの溶融量よりも送給
量のほうが多くなり、アーク長はだんだん短くな
る。しかし定電圧特性では、自己制御作用のため
に電流が増加し、アーク長がつまるのを防ごうと
するから、溶滴がより一層大きくなり、仲々短絡
しないといつた現象を生じることがある。

本発明では、区間に引き続き区間でも定電
流設定レベルI_Lを設けているので、上述のような
アーク長の減少に伴う電流の増加があつても、I_L
で規制され、溶滴の異常成長は生じない。

の区間では、短絡を促進するための区間であ
り、定電圧設定レベルをV_hからV_Lに向つて時定
数S_Vで減少させはじめてから所定時間T_L経過後、
すなわちアーク発生から（T_h＋T_L）経過後、電
流値をさらに低い定電流設定レベルI_nに移行させ
ることにより、ワイヤの溶融を抑制し、早く短絡
を生じるようにする。

以上〜の各区間を順次経過して溶接を行な
い、通常はの区間で短絡を生じるように各因子
を設定するが、外乱等により〜の区間で短絡
を生じることも予想される。

〜のいずれの区間であつても、短絡を検出
したら、第４図のようにその直前の定電流設定
レベルによつて決まる電流値に時間T_Dの間保持
し、T_D経過後も短絡が破れない場合は、電流をI_u
まで増加し、以降の区間を実行させる。もし、
T_D経過以前にアークを検出（短絡が開放）した
ら、そのままの順序で続行させ、の区間には戻
さない。

第２図は、上記〜の過程を再度、電源の外
部特性との関連で説明するための図である。

(1)；短絡発生後T_Dの間は、定電圧設定レベル
V_L・定電流設定レベルI_nである外部特性上の
点に保持される。

(2)；T_Dが経過すると、外部特性が定電圧設定レ
ベルV_h・定電流設定レベルI_uに切り換わるの
で、動作点はに移動する。

(3)；次に、定電圧設定レベルV_hはそのままで、
定電流設定レベルをI_uからI_Sまで時定数S_Sで増
加させる。今、I_uからI_Sに向う途中の定電流設
定レベルI₁上の点で短絡が開放されたとする
と、アーク発生に伴う電圧の上昇によつて、動
作点は→→と移動する。

(4)；アーク発生後、所定時間T_hの間はそのまま
の状態で保持され、動作点はアーク長に応じて
の近傍を移動する。

(5)；アーク発生後所定時間T_h経過すると、定電
圧設定レベルはV_hからV_Lまで時定数S_Vで減少
し、同時に定電流設定レベルはI_SからI_Rまで急
激に低下し、その後はI_RからI_Lまで時定数S_iで
減少する。例えば、その途中の外部特性はV₂
−Ｂ−I₂、動作点はのようである。

(6)；アーク後期になり、アーク長が短くなつてく
ると、定電圧特性による自己制御作用のため
に、電流はからＣに向つて増加するが、定電
流設定レベルI_Lによつて増加は抑制され、動作
点はのようにI_L上に設定される。

(7)；アーク発生後所定時間（T_h＋T_L）経過する
と、定電流設定レベルはさらに低いレベルI_nに
移行するので、動作点もに移動する。

(8)；その後、動作点はI_n上を下降し、短絡が生じ
てに戻り、以後、上述の動作を繰り返す。

なお、短絡時間がT_D未満の場合は、短絡を無
視して上記動作をそのまま続行し、T_D以上の場
合は動作点に移行する。

第２図では、の区間の定電圧設定レベルを
V_Lとしているが、小電流でのアーク切れを防止
するため、この区間の定電圧設定レベルをV_hあ
るいはそれよりさらに高いレベルとしてもよい。

第２図中〜の動作点は、第１図〜とそ
れぞれ対応している。さらに、〜は第３図
〜の状態とも対応している。

なお、上記説明では短絡からアーク状態を経て
次の短絡に至る(A)〜(F)の各過程の制御方法を連続
して実行する場合について述べたが、これら各過
程の制御方法のうち、いずれか２つ以上を組合わ
せて実行しても、それなりの効果が得られる。こ
の場合、他の過程では、上記以外の方法により電
流・電圧を制御してもよいし、あるいは溶接電源
の自己制御作用に依存してもよい。

〔実施例〕

本発明の実施例を以下に説明する。

実施例 １ (a)サイリスタ制御定電圧特性電源を用い、出力
電圧をワイヤ送給量に対する最適電圧19Vに設定
し、1.2mmφワイヤを3.2ｍ／minの速度で送給し
て従来法によるCO₂アーク溶接を行なつた場合
と、(b)第１６図に示すインバータ制御溶接電源を
用い、溶接電源出力を決定する各波形因子を下記
のように設定し、同じく1.2mmφワイヤを3.2ｍ／
minの速度で送給して本発明によるCO₂アーク溶
接を行なつた場合のスパツタ発生状況および電
流・電圧波形を比較観察した。いずれも、使用ガ
スはCO₂、ガス流量は15／minである。

I_u＝185A、I_S＝550A、I_R＝270A I_L＝70A、I_n＝40A V_h＝30V、V_L＝18.5V DCL＝36μH（直流リアクタンスのインダクタ
ンス） S_S＝20ｍＳ、S_i＝７ｍＳ、S_v＝39ｍＳ T_D＝２ｍＳ、T_h＝４ｍＳ、T_L＝11ｍＳ その結果、従来法の(a)に比べ、本発明の(b)で
は、スパツタ発生量は著しく少ないことがわかつ
た。

第６図ａ，ｂは、上記(a)，(b)にそれぞれ対応す
る電流・電圧のオシロ波形で、従来法の(a)に比
べ、本発明の(b)では、より均一かつ周期性のある
波形が得られており、アーク状態が極めて安定し
ていることを示している。

実施例 ２ （a′）サイリスタ制御定電圧特性電源を用い、
出力電圧を24.5Vに設定し、1.2mmφワイヤを８
ｍ／minの速度で送給して従来法によるCO₂アー
ク溶接を行なつた場合と、（b′）第１６図に示す
インバータ制御溶接電源を用い、各波形因子を下
記のように設定し、同じく1.2mmφワイヤを８
ｍ／minの速度で送給して本発明によるCO₂アー
ク溶接を行なつた場合のスパツタ発生状況および
電流・電圧波形を比較観察した。使用ガス、ガス
流量は実施例１と同じである。

I_u＝300A、I_S＝550A、I_R＝370A I_L＝150A、I_n＝80A V_h＝37.5V、V_L＝25.5V DCL＝36μH S_S＝20ｍＳ、S_i＝18ｍＳ、S_V＝56ｍＳ T_D＝3.5ｍＳ、T_h＝10.5ｍＳ、T_L＝15ｍＳ その結果、従来法の（a′）に比べ、本発明の
（b′）では、スパツタ発生量は激減することがわ
かつた。第７図ａ，ｂは、上記の（a′），（b′）に
それぞれ対応する電流・電圧のオシロ波形で、第
６図と同様に、従来法の（a′）に比べ、本発明の
（b′）では、より均一で周期性のある波形が得ら
れている。

実施例 ３ 上記第１図の説明において、アーク後期の電流
値が溶融池・母材の加熱に関係することを述べ
た。この観点から考えると、短絡を促進するため
に電流をI_nに低下させることは、高速溶接など母
材への入熱が十分必要な場合には好ましくない。

上記問題点を解決するため、I_nとなる区間が生
じないようにしてワイヤ送給速度3.2ｍ／minで
CO₂アーク溶接を行つた場合のスパツタ発生状況
および電流・電圧波形を観察した。第８図は電
流・電圧のオシロ波形を示す。本実施例では、実
施例１において記述した波形因子の設定値のう
ち、V_hを26Vに、T_hを2.5ｍＳに、T_Lを∞に変更
し、その他は同一とした。

V_h・T_hを小さくしたのは、溶滴の形成量を少
なく、アーク長を短くすることによつて短絡周期
を短くし、アーク時間が長くなることによつて生
じる溶滴の異常成長を防止するためである。

本実施例では、実施例１の(b)に比べ、スパツタ
の発生はやや多くなるが、従来法の(a)よりは少な
い。また電流・電圧波形もそれほど周期性のくず
れない均一な波形が得られている。

上記実施例１〜３におけるノズル、母材への付
着スパツタの重量の実測結果を第１４図に示す。
図中、本発明の条件(1)はI_nの区間を含む場合、条
件(2)はI_nの区間を含まない場合である。また、ワ
イヤ送給速度８ｍ／minにおける条件(2)では、T_L
＝∞とし、V_hのみ33.5Vに変更して溶接を行つ
た。ワイヤ送給速度3.2ｍ／minの場合の母材付
着スパツタは、いずれの方法においても微量であ
るので省略した。

スパツタ付着量の実測結果においても、従来法
に比べ、本発明の条件(1)では付着量が激減してお
り、母材への入熱を確保するために、多少のスパ
ツタ発生を犠牲にした条件(2)においても、従来法
よりスパツタ付着量は少ない。

第９〜１２図は、1.2mmφワイヤを用いたCO₂
アーク溶接におけるワイヤ送給速度に対する本発
明の各波形因子の適正値の一例を示した図であ
る。

図において波形因子の後に(1)、(2)をつけて区別
しているのは、I_n区間を含む場合(1)、含まない場
合(2)の値を意味している。また一部因子でワイヤ
送給速度4.5ｍ／minの時に折れ曲がつているの
は、送給速度がこの点より大きくなると、溶滴の
移行形態が短絡移行からグロビユラー移行に変化
することと対応している。ワイヤ送給速度10ｍ／
min以上でのT_Dが一定値となつているのは、アー
ク不安定を生じないT_Dの上限値であることを意
味している。T_Dを長く設定しすぎると、短絡期
間中もワイヤは送給され続けているから、短絡を
開放するのに過大な電流が必要となり、電流増加
に伴うスパツタ発生量の増加、短絡周期の不均一
化によるアーク不安定あるいは極端な場合にはア
ーク切れの発生といつた現象を生じる。I_Sおよび
S_Sについての記述がないのは、それぞれ550A、
20ｍＳ一定としたためである。

第９〜１２図では各波形因子の値をワイヤ送給
速度に対して示したが、これらの設定条件を用い
て溶接を行うと、ワイヤ送給速度と平均溶接電流
I_ave、平均溶接電圧V_aveの間には第１３図に示す
ような関係があるので、各波形因子の値をI_aveあ
るいはV_aveについて整理することができるのは言
うまでもない。

第１５図は、1.0mmφワイヤを用いてCO₂アー
ク溶接を行つた際の各波形因子の設定例であり、
条件(1)はI_n区間ありの場合、条件(2)はI_n区間なし
の場合である。

なお、アーク長（アーク電圧）を微調整する場
合は、アーク期間中の出力を決定する因子、すな
わちV_h、V_L、S_V、T_hおよびワイヤ送給速度を増
減させればよい。これらの因子のうち、短絡移行
の小電流域ではV_h・T_h、グロビユラ移行の中・
大電流域ではV_L・S_Vの効果が大きい。ワイヤ送
給速度はいずれの電流域でもアーク長を決定する
因子であるが、大電流域ほど変化量を大きくしな
ければならない。

第１６図は、本発明を実施するための溶接電源
の構成の一例を示すブロツク図である。

１は交流を直流に変換するための１次整流回
路、２は出力を制御するためのインバータ回路、
３は溶接トランス、４はインバータ回路２で作ら
れた高周波交流（例えば20KHz）を溶接トランス
３で変成した後、直流に変換するための２次整流
回路である。５は、母材７を溶接するためにワイ
ヤ送給ローラ６で送給される溶接ワイヤ、１１は
分流器８の出力によつて電流を検出する溶接電流
検出器、１２は溶接電圧検出器である。

２８は短絡／アークの判定回路であり、判定電
圧V_jの設定器２５の出力と溶接電圧検出器１２
の出力の大小を比較し、短絡であるかアークであ
るかの判定信号をT_Dタイマ２２および入出力装
置（ｉ／ｏ）２３に送る。

T_Dタイマ２２は短絡が発生した時点から動作
を開始し、所定の時間T_Dが経過しても短絡が続
いている場合に割り込み信号iRQ2をマイクロプ
ロセツサ（MPU）２４に送る。ｉ／ｏ２３は、
短絡からアークに移行した際に、割り込み信号
iRQ3をMPU２４に送る。

２６は溶接に使用する出力パタン（溶接波形因
子の設定条件）を指定するための条件選定器であ
り、具体的には、ワイヤ送給速度、平均溶接電流
および平均溶接電圧のうちのいずれか１つの値を
とつて表示する。２７はアーク長の微調整を行う
ための設定器であり、アーク期間中の電圧設定に
関係する因子であるV_h、T_h、S_VおよびV_Lのうち
のいずれか１つあるいは複数個の因子を組み合わ
せて、所定の設定条件レベルを増減させる。いず
れの因子あるいは因子を組み合わせるかは、
MPU２４を制御するプログラムにおいて指定す
る。

２６および２７で設定された条件選定信号、微
調整信号はＡ／Ｄ変換器２９，３０およびｉ／ｏ
３１を介して、MPU２４に入力される。

２０はワイヤ送給速度、平均溶接電流あるいは
平均溶接電圧などの各波形因子の設定条件ごと
に、例えば第９〜１２図に示した各波形因子の値
を記憶しているメモリであり、条件選定器２６か
らの信号に応じて、所定の波形因子の設定を行う
ためのデータをMPU２４に送る。MPU２４では
メモリ２０からのデータに、微調整用設定器２７
からの所定因子の増減指令を加えて各波形因子の
設定レベルを決定する。

２１はT_hおよびT_Lを制御するためのタイマで
あり、アークが発生したことを知らせる割り込み
信号iRQ3がMPU２４に入力されると、MPU２
４から動作開始指令を受け、所定の時間T_hが経
過すると割り込み信号iRQ1をMPU２４に送る。
割り込み信号iRQ1が入ると、MPU２４から再び
動作開始指令が、タイマ２１に送られ、所定の時
間T_Lが経過すると再度割り込み信号iRQ1が
MPU２４に入力される。

なお、タイマ２１がいかなる状態にあつても、
割り込み信号iRQ2が発生すると、その動作を停
止させる指令がMPU２４から送られる。

ワイヤ送給速度の制御指令は、MPU２４から
ｉ／ｏ１９およびＤ／Ａ変換器１４を介してワイ
ヤ送給ローラ駆動回路１３に入力され、波形因子
の制御指令は、MPU２４からｉ／ｏ１９および
Ｄ／Ａ変換器１６，１８を介して電流制御用CR
積分回路１５および電圧制御用CR積分回路１７
に入力される。これらの制御指令は、次の制御指
令が出されるまでｉ／ｏ１９で保持されるものと
する。CR積分回路１５および１７は、所定の時
定数で電流・電圧の設定レベルを変化させるスロ
ープ制御を行なうためのもので、いずれの時定数
を選択するかの指令は別途ｉ／ｏ１９から送られ
る。第１７図はCR積分回路１５および１７の構
成例を示す図で、いずれも抵抗R₁〜R_oとアナロ
グスイツチS₁〜S_oをラダー形に接続した回路と積
分コンデンサC₁とで構成され、各抵抗に並列接
続されたアナログスイツチをｎビツトの時定数選
択信号で開閉することにより、時定数を可変にし
ている。

電流制御用CR積分回路１５から出た電流設定
信号は、加算器３２で溶接電流検出器１１からの
電流フイードバツク信号との差分をとつてパルス
幅制御回路１０に入力され、電圧制御用CR積分
回路１７から出た電圧設定信号はそのままパルス
幅制御回路１０に入力される。第１８図はパルス
幅制御回路１０の構成例を示す図で、入力された
電流設定信号を増幅器３４で増幅した制御バイア
スと鋸歯状波発生器３３からの鋸歯状波とを比較
器３６で比較して得られる電流設定信号に対応し
たパルス幅のパルス列P_AをNAND回路３８の一
方の入力とし、電圧設定信号を増幅器３５で増幅
した制御バイアスと鋸歯状波発生器３３からの鋸
歯状波とを比較器３７で比較して得られる電圧設
定信号に対応したパルス幅のパルス列P_Bを
NAND回路３８の他方の入力として、どちらか
幅狭い方のパルス列をNAND回路３８、NOT回
路３９により選択し、パルス幅制御信号としてイ
ンバータ駆動回路９へ送る。インバータ回路２の
スイツチング素子であるMOSFETの導通幅は印
加されるパルス幅制御信号のパルス幅で決まり、
それによつて溶接電源の出力が制御される。

このような構成にすることにより、第１図に示
した電流・電圧波形の制御を行うことができる。
すなわち、短絡／アーク判定回路２８からの信号
により、短絡が発生したことを検出してT_Dタイ
マ２２が動作を開始し、所定時間T_Dが経過する
と割り込み信号iRQ2が発生する。その間、電流
および電圧の設定レベルはそのまま維持される。
割り込み信号iRQ2が発生すると、定電流設定レ
ベルはI_uに、定電圧設定レベルはV_hになり、その
後定電圧設定レベルはV_hのままで、定電流設定
レベルのみI_uからI_Sに向つて、MPU２４で設定さ
れたCR積分回路１５の時定数S_Sで徐々に増加す
る。

短絡／アーク判定回路２８からの信号に基づい
て、アークが発生したことを知らせる割り込み信
号iRQ3が発生すると、MPU２４からの指令によ
りタイマ２１が動作し、所定の時間T_hが経過す
ると割り込み信号iRQ1が発生する。

割り込み信号iRQ1が発生すると、定電流設定
レベルはI_Rに急激に低下し、その後I_RからI_Lに向
いMPU２４で設定されるCR積分回路１５の時定
数S_iで徐々に減少する。同時に、定電圧設定レベ
ルはV_hからV_Lに向つて、MPU２４で設定される
CR積分回路１７の時定数S_Vで徐々に減少する。
さらに所定時間T_hが経過すると、MPU２４から
の指令によりタイマ２１が再び動作を開始し、所
定の時間T_Lが経過すると、再び割り込み信号
iRQ1を発生する。

この割り込み信号iRQ1により、定電流設定レ
ベルはI_nに移行するが、定電圧設定レベルはV_L
のままである。

なお、タイマ２１動作中に短絡が発生すると、
T_Dタイマ２２は動作を開始するが、所定の時間
T_D経過以前にアークが発生すると、T_Dタイマ２
２は動作を停止し、割り込み信号iRQ2は発生さ
せない。さらに、その場合にはアーク発生を知ら
せる割り込み信号iRQ3も発生させない。iRQ2が
発生した場合のみiRQ3も発生する。

タイマ２１の動作中に、割り込み信号iRQ2が
発生すると、タイマ２１は動作を停止し、その直
前の電流・電圧がいかなるレベルにあつても、す
べて定電流設定レベルはI_uに、定電圧設定レベル
はV_hに設定される。

また、母材・溶融池への入熱を確保するため
に、アーク後期の電流設定をI_nに低下させない場
合には、タイマ２１が２度目の割り込み信号
iRQ1を発生させないように、すなわちT_hが終了
した後にタイマ２１の動作開始指令が出ないよう
に、別途作成した制御プログラムでMPU２４を
作動させる。

上記のようにマイクロプロセツサを用いて溶接
電源の出力制御を行なう場合、出力制御はすべて
MPU２４の割り込み処理によつて行なうことが
でき、それぞれの処理時間は比較的短かくてすむ
ので、余剰の時間を溶接シーケンスの処理などに
利用できる。

〔発明の効果〕

本発明の効果を挙げれば次の通りである。

(1) (A)〜(F)のどの過程の出力制御もスパツタ発生
量の低減に有効であり、スパツタ発生量が少な
いため、母材やノズルに付着したスパツタの除
去作業が軽減する。特に、グロビユラー移行の
中間電流域でその効果が大きい。

(2) 同じく、どの過程の出力制御も電流・電圧波
形の均一化に寄与する。電流・電圧波形が均一
化され、短絡周期性が良好となるため、アーク
の安定性が向上し、ビード形状も美麗となる。

(3) (D)、(E)、(F)の各過程での出力制御により、作
業の種類に応じて母材・溶融池への入熱量を容
易に制御できるので、高速溶接も可能であり、
作業性が向上する。

(4) (C)、(D)の各過程を通して、アーク期間中は主
として定電圧制御されるため、アーク状態に応
じた適確なアーク長制御が可能であり、別途ア
ーク長制御回路などを付加する必要もない。

(5) ワイヤ送給速度、平均溶接電流あるいは平均
溶接電圧と各過程の波形因子との間には一義的
な関係があるから、波形因子の一元設定が可能
であり、条件設定が容易である。

(6) 短絡後期の(B)の過程では、短絡時間に応じて
電流値を所定の時定数で増加させ、短絡を開放
するようにしているので、制御が容易で、安定
した動作が期待できる。

(7) アーク期間中も、第１図−−のように
電流値が連続して変化するように制御している
ので、電流値の急変により、アークが不安定に
なることもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の作用を説明するための電流・
電圧波形図、第２図は本発明における溶接電源の
出力制御の説明図、第３図は短絡を伴うアーク現
象の説明図、第４図は一般的な従来技術における
電流・電圧波形図、第５図は本発明に最も近い公
知例の電流・電圧波形図、第６図ａ，ｂはそれぞ
れ実施例１において記述した(a)，(b)の条件でCO₂
アーク溶接を行なつた場合の電流・電圧のオシロ
波形図、第７図ａ，ｂはそれぞれ実施例２におい
て記述した（a′），（b′）の条件でCO₂アーク溶接
を行なつた場合の電流・電圧のオシロ波形図、第
８図は実施例３において記述した条件でCO₂アー
ク溶接を行なつた場合の電流・電圧のオシロ波形
図、第９図、第１０図、第１１図、第１２図は本
発明における各波形因子の適正値の一例を示した
グラフ、第１３図はワイヤ送給速度と平均溶接電
流・平均溶接電圧の関係の一例を示すグラフ、第
１４図は各実施例におけるノズル・母材への付着
スパツタ重量の実測結果を示す図表、第１５図は
ワイヤ径を変えた他の実施例における各波形因子
の設定例を示す図表、第１６図は本発明を実施す
るための溶接電源の構成例を示すブロツク図、第
１７図は第１６図中のCR積分回路の詳細図、第
１８図は同じくパルス幅制御回路の詳細図であ
る。 ２……出力制御用インバータ回路、５……消耗
性電極（ワイヤ）、６……ワイヤ送給ローラ、７
……母材、９……インバータ駆動回路、１０……
パルス幅制御回路、１１……溶接電流検出器、１
２……溶接電圧検出器、１３……ワイヤ送給ロー
ラ駆動回路、１５……電流制御用CR積分回路、
１７……電圧制御用CR積分回路、２０……波形
因子設定用メモリ、２１……T_h・T_L制御用タイ
マ、２２……T_D制御用タイマ、２４……出力制
御用マイクロプロセツサ、２５……短絡／アーク
判定電圧V_j設定器、２６……条件設定器、２７
……微調整用設定器、２８……短絡／アーク判定
回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 消耗性電極をほぼ定速度で送給し、消耗性電
   極と母材との間で短絡とアークを交互に繰り返し
   発生させて行なうアーク溶接において、短絡発生
   とアーク発生を検出し、短絡周期ごとに下記(A)〜
   (F)の各過程を順次に、またはそのうちの２つ以上
   の過程を組合わせて実行することを特徴とするア
   ーク溶接方法。 (A) 短絡発生後、所定時間T_Dの間、溶接電流を
   短絡直前の定電流設定レベルによつて決まる所
   定の値に保持するように溶接電源出力を定電流
   制御し、短絡状態を均一化する過程。 (B) 次に、溶接電流を所定の定電流設定レベルI_u
   まで急激に増加させ、その後、短絡を開放する
   のに十分なより高い定電流設定レベルI_Sに向つ
   て所定の時定数S_Sで徐々に増加させて、短絡を
   開放する過程。 (C) アーク発生後、所定時間T_hの間、溶接電圧
   を比較的高い定電圧設定レベルV_h近傍に保持
   するように溶接電源出力を定電圧制御し、その
   間、上記定電圧設定レベルV_hとアーク状態に
   よつて決まる電流値より若干高い定電流設定レ
   ベルに最大電流値を規制する定電流制御を併用
   して、消耗性電極に溶滴を形成・成長させる過
   程。 (D) 所定時間T_h経過後、定電圧設定レベルを上
   記の高レベルV_hから所定の低レベルV_Lに向つ
   て所定の時定数S_Vで徐々に減少させ、これに
   伴い、定電圧設定レベルとアーク状態によつて
   決まる電流値より若干高い定電流設定レベルも
   所定の低レベルI_Lに向つて所定の時定数S_iで
   徐々に減少させて、アーク力を減少させながら
   母材を加熱する過程。 (E) アーク長の減少に伴い溶接電源の自己制御作
   用により生じる電流の増加を上記低レベルI_Lで
   の定電流制御により防止し、溶滴の過度の成長
   を抑制する過程。 (F) アーク発生後、所定時間（T_h＋T_L）経過し
   た時点より、電流値をさらに低い定電流設定レ
   ベルI_nに移行させて、消耗性電極の溶融を抑制
   し、短絡を促進する過程。 ２ 溶接電流を所定の値に保持する時間T_Dは、
   消耗性電極の径および送給速度によつて決まる変
   数であることを特徴とする特許請求の範囲１に記
   載のアーク溶接方法。 ３ 定電流設定レベルI_uは、消耗性電極の径およ
   び送給速度によつて決まる変数であり、定電流設
   定レベルI_Sおよび定電流設定レベルをI_uからI_Sに
   変化させる時定数S_Sは、消耗性電極の送給速度に
   関係なく一定であることを特徴とする特許請求の
   範囲１に記載のアーク溶接方法。 ４ 短絡発生後、所定の時間T_Dが経過しても短
   絡が続いている場合のみ、短絡を開放する過程に
   移行し、所定の時間T_Dが経過する以前にアーク
   発生が検出された場合には、実行中の過程を継続
   させることを特徴とする特許請求の範囲１に記載
   のアーク溶接方法。 ５ 定電圧設定レベルV_h，V_L、定電流設定レベ
   ルI_S，I_u，I_L，I_nおよび時定数S_S，S_V，S_iは、消耗
   性電極の送給速度、平均溶接電流および平均溶接
   電圧のうちの１つに基づいて決定される変数であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲１に記載のア
   ーク溶接方法。