JPH0635059B2

JPH0635059B2 - 溶接電源の出力制御装置

Info

Publication number: JPH0635059B2
Application number: JP60076702A
Authority: JP
Inventors: 隆明小笠原; 徳治丸山; 正晴佐藤; 幸雄樋田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1985-04-12
Filing date: 1985-04-12
Publication date: 1994-05-11
Anticipated expiration: 2009-05-11
Also published as: JPS61235079A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は溶接ワイヤを送給しつつ行う消耗電極式アーク
溶接に用いられる溶接電源の出力制御方法に関する。

〔従来の技術〕

従来の、この種の溶接電源としては、商用交流を直流変
換した後、高周波数インバータで高周波電力に変換し、
該高周波電力を全波整流したのち直流リアクトルを介し
て溶接ワイヤー溶接母材間に供給するようにしたものが
ある。

この種の溶接電源では、上記のようにその出力回路に直
流リアクトルを挿入して溶接ワイヤと溶接母材との短絡
時に、溶融金属が溶融池に円滑に吸収されるように電流
の急激な変化を抑制するようにしており、この為、溶接
電源の設定電圧をＶｏ、上記出力回路の抵抗をＲｓ、直
流リアクトルのインダクタンスをＬとした場合、上記短
絡時の電流ＩｓはＶ／Ｒｓに向かつて時定数Ｌ／Ｒｓ
で、第８図に示すように指数関数的に上昇する。この短
絡時に直流リアクトルに蓄積されたエネルギーはアーク
発生後徐々に放出さるが、アーク長に比例する抵抗をＲ
ａをすると、電流ＩａはＶ／Ｒａに向かつて非常に長い
時定数Ｌ／Ｒａで指数的に減衰し、その間にアーク力に
よつて溶接ワイヤ先端に溶融金属が形成されると共に溶
接母材に溶融池が形成される。通常、溶融池が安定した
状態では、上記の現象が繰り返され、非常に安定した溶
接が行える。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、上記直流リアクトルがあることにより、アーク
期間における電流Ｉａの電流変化率（従来は、約６０〜
１３０〔A/ms〕）が小さくなるので、アーク長が激しく
変動する起動直後では電流変化が該アーク長変化に追随
しきれずに電圧が第９図に示す如く大きく変動し、短絡
回数も上記定常溶接時のほぼ１／２程度に減少してお
り、定常溶接時の短絡回数に回復するまでに数秒を要す
るので、その間のビード形状は第１０図(a)及び(b)に示
すように定常溶接時に比し広巾で余盛も大きくなつてし
まう。

このため、溶接長が短い場合には、所望のビード形状が
得られないまま溶接が終了してしまうと云う問題があつ
た。

また、高速溶接を行う場合には、アークスタート直後だ
けでなく、常に、溶融池などが不安定な状態にあり、電
圧波形は常に乱れた状態となつているので、上記従来の
溶接電源では安定した高速溶接を行うことは難しいと云
う問題があつた。

〔発明の目的〕

本発明は上記従来の問題を解消するためになされたもの
で、短絡時の溶接電流の急激な立上りを抑制し、しかも
アーク時における電流変化率を高くすることができ、起
動直後からの安定した溶接を可能にする溶接電源の出力
制御装置を得ることを目的とする。

〔問題を解決するための手段〕

本発明は上記目的を達成するため、短絡モードとアーク
モードを識別するモード判別器を設け、アークモード時
にはアーク電圧を設定アーク電圧と比較して設定アーク
電圧になるように高周波インバータを制御し、短絡モー
ド時には溶接電流を設定短絡電流と比較して設定短絡電
流になるように高周波インバータを制御し、かつアーク
モード時には、電流変化率を２００A/ms〜３０００A/ms
の高電流変化率にしたものである。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例をブロツク図で示したもので
ある。同図において、１は３相の商用交流電源、２はダ
イオード全波整流器、３は平滑回路、４は高周波インバ
ータ、５は変圧器、６はダイオード全波整流器、７は直
流リアクトルであり、１〜７により溶接電源が構成され
ている。高周波インバータ（トランジスタインバータ）
４は平滑回路３で平滑された整流出力を高周波電力
（１．５kHz以上）に変換し、該高周波電力は変圧器５
で所定の電圧に変圧された後、ダイオード全波整流器６
で直流電力に変換され、直流リアクトル７を介して出力
される。８は給電チツプ、９は溶接ワイヤ、１０は溶接
母材である。

１１は電圧検出器であつて、溶接ワイヤ９と溶接母材１
０間の電圧を検出する。１２は電流検出器であつて、溶
接電流を検出する。１３は短絡電流設定器であつて、こ
こで設定された設定短絡電流値Ｉｏと電流検出器１２が
検出した溶接電流Ｉは誤差増幅器１４で比較される。１
５はアーク電圧設定器であつて、ここで設定された設定
アーク電圧Ｖｏと電圧検出器１１が検出した電圧Ｖは誤
差増幅器１６で比較される。１７はモード識別用しきい
値電圧設定器であつて、ここで設定されたしきい値電圧
Ｅ（Ｖｏ＞Ｅ＞短絡時の電圧）は電圧検出器１１の出力
とモード判別器（比較器）１８で比較され、該モード判
別器は前者が後者より小さい時にはアークモードである
ことを表すＨレベルの出力を発生し、逆の場合には短絡
モードであることを表すＬレベルの出力を発生する。こ
のモード判別器１８の出力は、直接、スイツチ１９ａ
に、また、反転器２０を介してスイツチ１９ｂに開閉信
号として供給される。スイツチ１９ａ、１９ｂは供給さ
れる開閉信号がＨレベルである時に閉路する。２１は三
角波信号を発生する基準信号発生器、２２は比較器、２
３は高周インバータ４のベース駆動回路である。比較器
２２はスイッチ１９ａを介して誤差増幅器１６が出力す
る誤差信号を受け、これを基準信号発生器２１が出力す
る第２図の三角波信号Ｘと比較して導通巾制御信号（平
均電圧制御信号）Ｙを作成し、また誤差増幅器１４が送
出する誤差信号をスイツチ１９ｂを介して受け、これを
上記三角波信号と比較して導通巾制御信号（平均電圧制
御信号）Ｙを作成する。ベース駆動回路２３は上記導通
巾制御信号Ｙを受けて高周波インバータ４を構成するト
ランジスタにベース駆動信号を供給しその導通巾を制御
する。

この構成においては、溶接ワイヤ９と溶接母材１０との
間にアークが発生しているアーク期間になると、モード
判別器１８がアークモードであることを判別してＨレベ
ルの出力を送出するので、スイツチ１９ａが閉成され、
電圧検出器１１を介して取出されたアーク電圧Ｖａと設
定アーク電圧Ｖｏとの誤差信号ε＝Ｖａ−Ｖｏが比較器
２２に入力される。比較器２２は高周波インバータ４の
導通巾を誤差信号εの大きさに比例して増減する導通巾
制御信号Ｙを送出するので、アーク電圧は設定アーク電
圧Ｖｏに維持される。

また、溶接ワイヤ９と溶接母材１０とが接触して短絡す
ると、モード判別器１８が短絡モードであることを判別
してＬレベルの出力を発生するので、今度は、スイツチ
１９ｂが閉成され電流検出器１２により検出された短絡
電流Ｉｓと設定短絡電流Ｉｏとの誤差信号εｉが比較器
２２に入力される。比較器２２高周波インバータ４の導
通巾をこの誤差信号εｉ＝Ｉｓ−Ｉｏの大きさに比例し
て増減する導通巾制御信号を送出するので、上記アーク
時と同様に、短絡電流は設定短絡電流に維持される。
尚、短絡期間は、通常、３msから１０msであり、直流リ
アクトルを小さくしても素子を破壊することなくこの期
間を安定して制御するためには、高周波インバータのス
イツチング周波数を１．５kHz以上とすることが望まし
い。

このように、本実施例では、短絡電流の大きさを設定短
絡電流値に定電流制御することができるので、直流リア
クトルのリアクトル値を低く設定してアーク期間におけ
る電流変化率を高めることが可能となる。

なお、この装置において、無負荷電圧を６０ボルト、設
定アーク電圧Ｖｏを４０ボルトとした場合、直流リアク
トルの値を１００マイクロ・ヘンリーとすることによ
り、ほぼ２００アンペア／ミリ秒のと電流変化率を得
た。

次に、実施例の装置の効果を実験結果に基づき具体的に
説明する。

本発明者等は、アークスタート直後から定常状態に移行
するまでの電圧波形を数多く観測したところ、アーク期
間中の電圧波形が安定するのに伴い、短絡回数も増加し
て定常的な短絡回数に収束することを見い出した。

そこで、アーク期間中の電圧Ｖａを第４図に…線で示す
ように設定し、電流変化率を種々変化させて、アークス
タート直後１秒間の短絡回数が定常溶接中の短絡回数に
比べてどの程度になつているかを、下記溶接使用のもの
について実験・測定したところ、溶接ワイヤ径：１．２mm、溶接母材板厚：２．３mm、溶接速度：１．５m/min 電源：３２０アンペア、２６ボルト重ねスミ肉溶接第３図に示す結果を得た。

この図から、アークスタート直後１秒間の短絡回数は、
電流変化率が２００A/msのところでは定常溶接時の約９
０％に達し、３００A/ms以上ではアークスタート直後か
ら定常溶接時と殆ど変わらない短絡回数が得られること
が分かる。また、アークスタート直後１秒間の短絡回数
が定常溶接時の約９０％以上に達していると、ビードの
外観も定常溶接時のものと殆ど同じであることが観察さ
れた。

第５図は上記実験において測定したアーク期間中の電圧
・電流波形を図示したもので、同図(a)は上記実施例の
装置を使用して電流変化率を８００A/msとした時の電圧
・電流波形であり、この図から、アーク発生直後から次
の短絡発生時までという非常に短い期間においても、電
圧波形が安定し、アーク長変動が速い電流変化率で吸収
されているのが分かる。同図(b)は前記した従来の電流
変化率の場合の電圧・電流波形であり、アーク長変動が
吸収されず、アーク電圧は不安定である。

また、第６図に、上記実施例の装置を使用して電流変化
率を８００A/msとした時の起動直後の電圧・電流波形を
示す。該電圧・電流波形を第９図の従来の起動直後の電
圧電流波形と比較すると、アーク長変動が殆ど吸収さ
れ、電圧が安定していることが分かる。

また、第７図(a)に、高速溶接において、電流変化率を
８００A/msとした場合の溶接部の状態を示し、第７図
(b)に、同じ高速溶接において、電流変化率を３０００A
/msとした場合の溶接部の状態を示す。なお、溶接仕様
は下記の通りである。

ワイヤ径：１．２mmソリツド溶接母材板厚：２．３mm 溶接速度：３．０m/mm ＣＯ_２ガスシールド電圧、電流：３６０アンペア、２６ボルト尚、上記測定によれば、電流変化率が３０００A/msを越
えると、溶接ワイヤ先端に大きな溶滴が形成されてスパ
ツタとして吹き飛ばされる現象、高速溶接の場合に、溶
接母材への溶着量が不足しアンダーカツトやハンピング
ビードが発生する現象が強く現れ、電流変化率を更に高
めるに従い溶接欠陥の発生数が急増する。

以上の実験結果から、アーク期間の電流変化率として、
２００A/ms〜３０００A/msという高電流変化率を与える
ことにより、安定した良好な溶接が実現されることは明
らかであり、実施例の装置によれば、短絡時の溶接電流
の時定数を所望の値にして容易に上記高電流変化率を与
えることができる。

〔発明の効果〕

本発明は以上説明した通り、直流リアクトルの値を従来
に比し小さくしてアーク期間における電流変化率を大幅
に高めることができるので、起動直後から安定した溶接
を可能とし、また、安定した高速溶接を実現をする利点
がある。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明の一実施例を示すブロツク図、第２図は
上記実施例における各部波形図、第３図は電流変化率と
短絡回数との関係を示す測定図、第４図は上記測定に使
用したアーク電圧の特性図、第５図(a)は上記実施例に
よる電圧・電流波形図、第５図(b)は従来装置による電
圧・電流波形図、第６図は上記実施例による起動直後の
電圧・電流波形図、第７図は従来の問題点を説明するた
めの定常溶接時の電圧・電流波形図、第８図は従来問題
点を説明するための起動直後の電圧・電流波形図、第９
図(a)及び(b)は従来の問題点を説明するためのビード形
状を示すそれぞれ平面図および側面図である。４……高周波インバータ、７……直流リアクトル、１３
……短絡電流設定器、１４、１６……誤差増幅器、１５
……アーク電圧設定器、１７……モード識別電圧発生
器、１８……モード判別器、１９ａ、１９ｂ……スイツ
チ、２１……基準信号発生器、２２……比較器、２３…
…ベース駆動回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高周波インバータの出力を変圧器を介して
所定の電圧に降圧して直流電力に変換したのち、直流リ
アクトルを介して出力端子間に挿入の溶接ワイヤ・溶接
母材間に印加する消耗電極式溶接電源において、上記溶接ワイヤ・溶接母材間の電圧を入力して設定アー
ク電圧と比較する第１の誤差増幅器、上記出力端子を通して流れる溶接電流を入力して設定短
絡電流と比較する第２の誤差増幅器、上記出力端子間の電圧を入力してモード識別用設定電圧
と比較し、短絡・アークモードを判別するモード判別
器、そのモード判別器のアークモード判別時に閉路されて上
記第１の誤差増幅器の誤差信号を比較器に入力するスイ
ッチ、上記モード判別器の短絡モード判別時に閉路されて上記
第２の誤差増幅器の誤差信号を上記比較器に入力するス
イッチを備え、上記比較器は、入力される上記誤差信号を基準信号と比
較して該誤差信号の増減に対応して増減する周波数制御
信号を作成し、その周波数制御信号を上記高周波インバ
ータの駆動回路に供給し、上記変圧器の無負荷電圧および上記直流リアクトルの値
を、上記モード判別器のアークモード判別時の電流変化
率が２００A/ms〜３０００A/msになるように設定したこ
とを特徴とする溶接電源の出力制御装置。