JPS59202176A - 短絡移行溶接の電流制御方法および装置 - 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】 〔技術分野〕 この発明は短絡移行溶接に用いる溶接電源の制御方法と
装置に関する。

〔従来技術の問題点〕

ガスシールド溶接において、溶接ワイヤと母材間で短絡
とアーク発生とをくり返しながら溶接を行なう短絡移行
溶接におけるスパッタの多くは、短絡が破れアーク再生
する瞬間に発生し、またアーク再生時の電流が高い程大
粒のスパッタが発生することも明らか（こなっている。

ところが従来のりアクドルにより電流の上昇を遅らせる
だけの定電圧電源では第１図に示すようにアーク再生時
の電流が高いため非常にスパッタが多かった。この原因
に着目して、アーク再生時の電流を下げることが試みら
れているが、まだ実用に到っていない。

たとえばＷｅｌｄｉｎｇ　Ｒｅｔｅａｒｃｈ　１ｎｔｅ
ｒｎａｔｉｏｎａｌｖｏｌ、４．黒２，１９７４には、
大電流通電期間を短絡期の中央期間に限定させ、大電流
期間中消耗電極ワイヤと母材間の電圧を検出し、アーク
再生の前兆としての溶滴のくびれが発生した時の電圧を
設定しておき、検出電圧がある設定電圧と等しくなった
時大電流期間を終了させるようにプログラム制御してス
パッタを抑制する技術が開示されている。しかしながら
、前記文献にも記載されているように、実用にあたって
は、ワイヤ突出長の変動によって、この部分の電圧降下
が変動するため、溶滴のくびれた時の電圧が一定になら
ず、大電流期間の終了を指示する時期に誤差を生じ、安
定してスパッタを防止することができない。

周知のようにこの種のスパッタの発生は溶接の品質を低
下させ、またスパッタを除去するために煩雑な作業が必
要であり、溶接の作業能率を低下させる。

この欠点を除くために、溶接ワイヤと母材間の短絡電圧
ｖＬを各短絡毎に記憶し、この電圧から△Ｖだけもしく
は△Ｖと溶接ワイヤ突出部の温度上昇に伴なう電圧降下
分■Ｎとの和だけ電圧が上昇したとき溶滴のくびれが生
じた点であることを利用してＶＬを記憶した後の電圧Ｖ
Ｍから、ＶＬもしくはＶＬ十■Ｎを減算した差■Ｍ−■
Ｌ　もしき くは■Ｍ−（ＶＬ十■Ｎ）が一定値になったと戸接ワイ
ヤに流れる電流を下げることによりスパッタを減少させ
る方法が提案されている。しかしこの場合、短絡電流１
ｐは一定であるとしているが、これは溶接にとって好ま
しいとは限らず、短絡電流を変化させた方がよい場合も
考えられる。この場合には上述の提案された方法は適用
できない。

発明の目的 この発明は上述の欠点を解決するためになされたもので
あって、たとえば溶接ワイヤのエクステンション長の変
動、短絡電流の変化、短絡時間の変化等の種々の変動が
あっても、アーク発生の前兆としての溶滴のくびれを正
確に検知して、溶接ワイヤの電流を制御することにより
、短絡時におけるスパッタの発生を有効に低減し得る溶
接電源の出力制御方法と装置とを提供することを目的と
するものである。

実施例 以下にこの発明の一実施例を図面とともに説明する。

第１図において、１は溶接電圧、溶接電流の制御可能な
溶接電源、２は給電ケーブル、３は図示されていないモ
ータで供給される、消耗電極を用いた溶接ワイヤ、４は
コンタクトチップ、５はアーク、６は母材、７はアース
ケーブルを示す。

８はコンタクトチップ４と母材６間の電圧を検出する電
圧検出器、９は溶接ワイヤ３に流れる電流を検出する電
流検出器である。

上記の構成において、溶接ワイヤ３は速度制御されなが
らコンタクトチップ４から母材６に向かって送給され、
かつコンタクトチップ４からは公知のように溶接ワイヤ
３を包囲するようにシールドガスが供給され、溶接ワイ
ヤ３と母材６間で短絡とアーク発生とをくり返しながら
溶接が行なわれる。

第２図（イ）、（ロ）、ｅ→、に）はスパッタを減少さ
せるための溶接電圧、溶接電流、溶接中の溶接ワイヤと
母材間の抵抗の変化の波形とそれに応じた溶接状態を示
したものである。即ちアーク発生中（ａ）から徐々にア
ーク長が短かくなり、溶滴が母材６に接して短絡（ｂ）
に至る。最も溶滴が母材に強固に結合した時点（Ｃ）を
経過後溶接ワイヤ先端部がくびれ始めた（ｄ）点を経過
した後溶接ワイヤ３の電流を急激に低下させ、電流が充
分に低下した（ｅ）点にてアーク再生ができるようにす
る。

ここにおいて、短絡時の電流電圧を制御してアーク再生
の直前に電流を下げるために、溶接ワイヤ先端のくびれ
が生じた（ｄ）時点を正確に検出することが最も重要で
ある。。

短絡時において、溶接ワイヤの電流がＩ　（Ａｍｐ）。

溶接ワイヤと母材間電圧がＶ（Ｖｏｌｔ）、　　給電ケ
ーブルの抵抗をＲ１，コンタクトチップと溶接ワイヤノ
接触抵抗をＲ２、ワイヤエクステンション中の抵抗をＲ
３，溶接ワイヤ先端の溶融部分の抵抗をＲＡ、母材とア
ース端子部の接触抵抗Ｒ４、アースケーブル７の抵抗を
Ｒ５、溶接中の全抵抗をＫとすると（１）式が成立する
。

Ｒ−＝ｒ−に人士Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４＋Ｒ５（１１
Ｒ１〜Ｒ５は、溶接場所の変化、給電ケーブル長の変化
、給電ケーブルの温度変化、アース端子の取付方法の変
化などにより変わり、溶接中であってもエクステンショ
ンの変動によって変わる。しかし、１回の短絡期間中に
は、短絡期間が１ｍ５ｅｃ〜５Ｉ′ｎ５ｅｃ　　である
ので一定と考えて良い。いまここでＲＢ　＝Ｒ１＋”２
　＋Ｒ３＋Ｒ４＋Ｒ５とおくと（１）式は■ Ｒ：Ｔ：　ＲＡ八十Ｂ（２＋ となる。ここでＲＢを外的要因による抵抗と呼ぶ。

よって、電圧検出器８と電流検出器９が検出する電圧Ｖ
、雷電流により演算される抵抗にはＲＡとＲＢが加算さ
れたものである。

ここで、従来技術の欠点は、各短絡毎にＲＢが変化する
ことにより、溶滴のくびれた時の抵抗が一定にならず、
大電流期間の終了を指示する時期に誤差を生じ、安定し
てスパッタを除去することができない点にある。

そこで、本発明は、外的要因抵抗ｋＢの変動を取り除き
溶接ワイヤ先端のくびれの抵抗変化分だけを取り出せる
ようにしたものである。第２図において短絡期間中の最
低抵抗を示す【１時点の抵抗ｋ１．．．くびれが発生す
る１２時点の抵抗をＲＭとすると ＲＬ−ｋＡＬ±ＲＢＬ　　　　　　　　　　　　　（３
）ＲＭ＝　ＲＡＭ十ＲＢＭ（４１ と表現でき、ΔＲ＝ＲＭ−ＲｔとするとΔ”＝　ＲＭ　
”Ｌ＝　（ＲＡＭ−ＲＡＬ）＋（ＲＢＭ−ＲｕＬ）（５
） である。ＲＢＭとＲＢＬは給電ケーブルやワイヤエクス
テンションに左右される抵抗であるが、【１時点の抵抗
ＲＢＬ　とｔ２時点の抵抗ｋＢＭ　は、【１と【２の間
隔Δｔ＝：ｔ２−ｔ１　　が非常に短かい。すなわち、
短絡期間が１ｍ５ｅｃ〜５ｍ５ｅｃであルノテ０．５ｍ
８ｅｃ〜２．５ｍ５ｅｃ程度テアリ、コノ短時間のうち
にｋＢは変化することはなく、１回の弓Ｐ間中にはＲＢ
は変化することはなく、１回の短絡期間中にはＲＢ　＝
　ｃｏｎｓ　ｔであり、従って、ｋＢｌ、、−ｋＢＭ　
　とすることができるので、（５）式はΔ””Ｍ−ＲＬ
−ｋＡＭ−ＲＡＬ　　　　　　　　（６１となる。（６
）式は、【１時点すなわち第２図の（Ｃ）のワイヤ溶融
端の抵抗値とｔ２時点すなわち第２図の（ｄ）のワイヤ
溶融端にくびれが生じた時の抵抗値の差がΔにであり、
このΔには電圧検出器と電流検出器の各出力から演算さ
れるＲＭとＲＬの差であることを意味している。従って
短絡期間中のＲＬを記憶しておき、その後の抵抗ＲＭと
の差がある設定値Δｋになった時に、大電流期間の終了
点とし、電流を下げるように電源を駆動すれば、第２図
（３）に示すように【４時点前に電流を下げることがで
き、スパッタ発生を防止し得る。

溶接中にエクステンション長が変化したり、溶接場所が
変わったりしたときにＲＢが変化し、第２図（３）に示
すように抵抗特性が変わった場合は、（７）式が成立し ΔＲ／　＝Ｒｉ−Ｒ′Ｌ＝　（ＲＮＭ−ＲλＬ　）　＋
（Ｒ−ｉ３Ｍ（７１（１１）ＲｈＬ） ことにおいても、前述の理由から一回の短絡期間中には
ｋｂＭ””　Ｒｈｒ−であるからΔＲ’　＝Ｒ幼−Ｒｉ
、　＝　Ｒ入Ｍ−ＲにＬ（８）ｋＮＬ、ＲＮＭ　はそれ
ぞれ第２図（Ｃ）と（ｄ）の状態のワイヤ先端の溶融部
の抵抗であるから、（５）式、（６）式の場合と同じ値
をとり、ｋ′ｊＳＬＬ−ＲＡＩ７．に入Ｍ−ＲＡＭ　　
となるので（８）式は Δｋ・−Ｒ，Ｑ−Ｒｉ＝＝Ｒ入や−に２ｋＬｒ−＝”ｈ
□−にい１．＝Δｋ（９） となる。（９）式はΔに′−Δにであり、Δには常に変
化せず、Δに′すなわちΔｋはＲｆ、４−　Ｒｉ、と等
しいことを意味する。

ａ、とＲ′Ｌの差がΔに′（＝ΔＫ〕と等しくなる時点
は、第２図（３）に示す【２時点であり、前記の実線の
場合の条件と同時点で、大電流期間の終了を電源に指示
することによって、溶接ワイヤの電流を低下させ第２図
（２）の破線ではなく実線の電流となり、【４前に電流
が低下するのでスパッタは発生しにくい。

上記に説明したように、■短絡期間毎にくびれ（１２） 発生時の抵抗ＲＭと短絡期間中の最低抵抗ＲＬを求めそ
の差が設定されたΔに値と等しくなる時を大電流期間の
終了とする制御によれば、溶接ワイヤのエクステンショ
ン等の変化による外部的要因の抵抗骨を取り除き、ワイ
ヤ先端溶融部の電圧降下分だけを取り出してフィードバ
ックできるので、スパッタが安定して減少する。しかし
、実験によると完全にスパッタがなくなるところまでは
至らず、時々スパッタが発生している。このスパッタが
発生している時の状態を詳細に検討すると、溶接ワイヤ
先端のくびれが生じた時点（ｄ）の検出がまだ正確でな
く、何かの要因で変動していることが明らかになり、ワ
イヤ送給速度の変動や、溶融池の振動などにより、短絡
時間に変化が生じた時に溶接ワイヤ先端のくびれが生じ
た時点（ｄ）の検出に誤差が生じていることが判明した
。くびれの有無による抵抗変化Δにの他に第３図に示す
ように短絡時間【に比例して、抵抗値がほぼ直線的に、
またはゆるやかな指数曲線的に増加して行くことがわか
った。この要因となるものは、短絡中の溶接ワイヤ突出
部ｌの抵抗が短絡期間中に増加しているものであること
がわかった。この溶接ワイヤ突出部の抵抗変化は、短絡
電流によりワイヤ突出部の温度が上昇し、鋼は温度が」
−昇すると抵抗が増加するために起こるものであり、下
式にて表現さＩＰ：短絡電流Ｊ：４．２（定数）ρ　：
密度Ｃ：比熱　　ｄ：ワイヤ径 （ｃｏｎｓ’とおくと、ΔＲＮ＝ｋＲＩｐ　Δｔ＝ｋｖ
ＩｐΔ（と表わされる。短絡後【時間後の溶接ワイヤ突
出部における抵抗変化ｋＮは、ｋＮ−ブ　ｋｖＩｐ　ｄ
ｉと表わせる。従って短絡が発生し、第２図（Ｃ）の状
態になったときの抵抗ｋＬを記憶し、その後の抵抗ＲＭ
からｋＬとＲＮを減算した差すなわち、（ＲＭ−（Ｒｉ
、十ＲＮ）　）がΔＲ（一定）になった時が溶接ワイヤ
端のくびれが生じた時であり、このとき電流を下げるこ
とにより、さらに確実にスパッタを減少させることがで
きる。

第３図を用いて実施例を説明する。（２）はワイヤ送給
速度の変動や溶融池の振動などの要因で短絡時間が（１
）に比べて長くなった時であるが、ＲＭ　　（ＲＩ−十
ＲＮ）＝ＲＭ２　　””２＋ｆ。”２　ｋ　ｖ　Ｉ　ｐ
２ｄり二Δにの時に電流を低下させることでスパッタの
減少が安定して得られた。

ＲＭ−（Ｒｒ−１−ＲＮ）　−ＲＭ２−（ＲＬ２　＋、
／ｌ’ｌ　ｋｖＩｐ　ｄｔ　）＝ΔＶ（ｃｏｎｓりの時
に電流を低下させれば、同様に好結果が得られる。

上述のように、溶接ワイヤのエクステンションの短絡後
の発熱による抵抗上昇分を短絡時の電圧■と電流Ｉｐと
の値を積分しである定数を乗算した値として求めること
により、この上昇分を除去してワイヤ先端のくびれによ
って生じる抵抗ΔＫを正確に把握することができるため
、スパッタを減少させうる効果が得られるばかりでなく
、大粒のスパッタによるアーク長の変動がなくなり、ビ
ードが均一で、溶は込みも安定した美しいビードが得ら
れるようになった。具体的には、従来の市販電源では、
１５０Ａの溶接電流時にノズルに付着するスパッタ量は
０．１５　！ｉ’　７ｆｎ　＋　、ｎ程度であったもの
が本発明の制御方法によれば０．０７　ｆ　／ｍｉ　ｎ
と木程度まで減少でき、ノズルに付着しないで外に飛散
する大粒のスパッタはν程度まで減少した。

以下に上述の方法を具体化する装置について説明する。

なお第４図には第１図と同じ部分には同一の符号を付し
た。

第４図において、電圧検出器８は、溶接電圧を検出し、
電流検出器９は、溶接電流を検出する。

抵抗演算器１０は、電圧検出器８と電流検出器の各出力
を受けて、溶接ワイヤ３と母材６間の短絡時の抵抗値を
演算するものである。くびれ演算器２０は、抵抗演算器
１０の出力を受け、溶滴のくびれを演算し、くびれがあ
る一定値に達したとき、短絡電流を減少させる指示を溶
接電源１に与えるものである。

抵抗演算器１０は、第５図に示すように、電圧検出器８
の出力を受けて電圧■を１！０！ｉ’ｌＶＩとして対数
化する対数変換器１１．電流検出器９の出力を受けて短
絡電流ＩｐをＪｏ！ｉ’ｌＩ、ｐｌとして対数化する対
数変換器１２．前記画質換器の各出力を受けて、短絡時
の抵抗値をｆｏＰＩＲＩ−１！ｏＰｌｖｌ−１ｏＶＩ　
Ｉｐｌにより演算する加減算器１３と、加減算器１３で
演算された抵抗値（？Ｏ！ｉ’１ＲＩ）を対数逆変換（
Ｒ）する対数逆変換器１４で構成される。

ここで抵抗演算器は市販の除算器を用いてＶ／Ｉｐを演
算させても良い。くびれ演算器は第６図に示す。抵抗増
分演算器２２は、その具体例をさらに第７図に示すよう
に、電圧検出器８．電流検出器９の各出力を受けてそれ
ぞれ対数変換器３１．対数変換器３２で対数化し、ｌ！
０グｌｖｌ　　、　ｌ！ｏＦＩＩｐｌを求める。ここで
、抵抗演算器１０に含まれる対数変換器１１．対数変換
器１２の出力結果を用いてもよいことは言うまでもない
。両対数変換器３１．３２から出力されるＪＯＦＩＶＩ
　　、　ｆＯＦＩＩＰＩ　　を加減算器３３に入力し、
ｆｏＰＩｖｌ　１Ｉｐｌ　＝ｌｏＰｍ＋／？ｏＰＩＩｐ
ｌを演算する。次に、加減算器３３で演算された結果を
対数逆変換器３４に入力し、ｌ！０１ｍ　ｌ　Ｉｐｌ　
　をＶ・Ｉｐに逆変換する（Ｖ、Ｉｐを求めるには、市
販の乗算器を用いても良い。）積分器３５は、逆変換さ
れた■・Ｉｐを時間について積分／Ｌ　ｙ・Ｉｐｄｔを
行ない、この積分値を出する。

積分器３５によって積分された結果ｆ、”　Ｖ−Ｉｐ　
ｄｔは増幅器３６に入力され、ここでに倍（ｋは定数）
　ｆ　ｔｋ　Ｖ　−Ｉ　Ｐ　ｄ　ｔ　＝　ＲＮヲ得ル。

次に第６図のくびれ演算器２０について説明すると、記
憶器２　１は溶接ワイヤの短絡後の最低抵抗値を記憶し
、再アークの発生もしくは、比較器２５が出力回路に対
し、短絡電流を減少させるように指示を出した時、電圧
検出器８．電流検出器９または、比較器２５の各信号に
より、記憶が消去されるようになっている。加減算器２
３は、記憶器２ｆ、抵抗演算器１０．抵抗増分演算器２
２の各出力を受けＲＭ−（Ｒｒ−ｌ−ＲＮ　）の演算を
行う。

くびれ抵抗値設定器２４は可変抵抗と演算増幅器とによ
り構成され、任意の溶接電流に応じて溶滴のくびれ時の
くびれ抵抗値Δｋを設定できるようになっている。

一方、比較器２５は加減算器２３の出力とくびれ抵抗値
設定器２４の出力Δにとを比較し、ＲＭ（Ｒｔ−１−Ｒ
Ｎ　）　＝Δにとなったとき、溶接電源１に対して短絡
電流ＩＰを減少させる指示を表わす信号を出力する。な
お、溶接ワイヤ突出部の温度上昇による抵抗変化を考慮
しない場合は、抵抗増分演算器２２を取り除き、これに
対する入力、またこれからの出力を除けば同様に考えら
れる。

このように構成することにより、前述の演算方法により
アーク再生の前徴である溶滴のくびれを正確に検出でき
、この溶滴のくびれ検出に従って溶接ワイヤ３の電流を
低減することにより、アーク再生時のスパッタを減少さ
せ、ひいては短絡移行溶接時のスパッタを減少させるこ
とができるため、スパッタに帰因する様々な障害を軽減
することができるので工業的に有益である。

発明の効果 以上詳述したように、この発明は短絡移行溶接において
、短絡時の溶滴のくびれを溶接ワイヤの出 抵抗値の変化１こより撚寺て溶接ワイヤの電流を低減す
ることによりスパッタを減少させるものにおいて溶接ワ
イヤへの配線等による外的要因による抵抗分を除いた抵
抗値の変化を検出するようにしたものであるから、溶滴
のくびれの時期を極めて正確に検出でき、したがってス
パッタの発生を効果的に抑止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は短絡移行溶接に用いる装置の概略を示す回路図
、第２図は短絡移行過程とこれに対応する溶接電圧と溶
接電流および溶接ワイヤと母材間の抵抗の変化を併せて
示す図、第３図はこの発明の制御方法の概略の電圧、電
流および抵抗の変化を示す図、第４図は第３図の制御方
法に用いる制御装置を示す回路図、第５図は第４図の制
御装置に用いられる抵抗演算器の詳細な回路図、第６図
は第４図の制御装置に用いられるくびれ演算器の詳細な
回路図、第７図は第５図に示した抵抗演算器に用いられ
る抵抗増分演算器の詳細な回路図、第８図はくびれ抵抗
値設定器の一例を示す回路図である。 １・・・溶接電源、　　３・・・溶接ワイヤ、　６・・
・母材、８・・・電圧検出器、９・・・電流検出器、１
０・・・抵抗演算器、２０・・・くびれ演算器 特許出願人　株式会社　神戸製鋼所 代理人弁理士青山　葆外２名

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）短絡とアークとを交互に発生する短絡移行溶接に
   おいて、溶接ワイヤと母材との短絡時の溶接ワイヤと母
   材間の抵抗値を演算して溶滴のくびれを検出し、このく
   びれ検出によって溶接ワイヤの電流を制御することを特
   徴とする短絡移行溶接の電流制御方法。
2. （２）溶滴のくびれを溶接ワイヤの短絡時の抵抗値と短
   絡時の最低抵抗値とにより検出するものである特許請求
   の範囲第１項に記載の短絡移行溶接の電流制御方法。
3. （３）溶滴のくびれを溶接ワイヤの短絡時の抵抗値と短
   絡時の最低抵抗値と短絡期間中の抵抗増分値とにより検
   出するものである特許請求の範囲第１項に記載の短絡移
   行溶接の電流制御方法。
4. （４）短絡とアークとが交互に発生する短絡移行溶接の
   電源の制御装置において、溶接電圧と電流の制御可能な
   溶接電源と、溶接電圧検出器と、溶接電流検出器と、前
   記雨検出器の信号を受けて溶接ワイヤと母材間の短絡抵
   抗を演算する抵抗演算器と、前記抵抗演算器の出力を入
   力し、溶滴のくびれを演算しくびれがある一定値に達し
   た時、溶接ワイヤの短絡電流を減少させる指示を溶接電
   源に与えるくびれ演算器とを備え、アーク再生の前に短
   絡電流を減少させることを特徴とする短絡移行溶接用電
   源の制御装置。
5. （５）抵抗演算器が電流検出器の出力を対数化する第１
   の対数変換器と電圧検出器の出力を対数化する第２の対
   数変換器と、前記両対数変換器の出力を加減算する加減
   算器と、前記加減算器の出力を対数逆変換する対数逆変
   換器より構成した特許請求の範囲第４項に記載の制御装
   置。
6. （６）くびれ演算器が短絡抵抗の最低値を記憶する記憶
   器を含み、抵抗演算器と前記記憶器の出力を加減算する
   加減算器と、溶滴くびれ時の抵抗値を設定するくびれ抵
   抗設定器と、前記加減算器の出力と前記くびれ抵抗設定
   器の出力を比較する比較器から構成されるものである特
   許請求の範囲第４項に記載の制御装置。
7. （７）くびれ演算器が、短絡抵抗値の最低値を記憶する
   記憶器と、エクステンション部における抵抗増加分を演
   算する抵抗増分演算器と、前記記憶器と前記抵抗増分演
   算器と抵抗演算器の各出力を加減算する加減算器と、溶
   接くびれ時の抵抗値を設定するくびれ抵抗設定器と、前
   記加減算器の出力と前記くびれ抵抗設定器の出力を比較
   する比較器より構成されるものである特許請求の範囲第
   ４項に記載の制御装置。
8. （８）抵抗増分演算器が電流検出器および電圧検出器の
   両出力を対数化する両対数変換器と、前記両対数変換器
   の両出力を加減算する加減算器と、前記加減算器の出力
   を対数逆変換する対数逆変換器と、前記逆変換器の出力
   を積分する積分器と、前記積分器の出力を増幅する増幅
   器とから構成されるものである特許請求の範囲第７項に
   記載の制御装置。
9. （９）くびれ抵抗設定器が１１乗算器を含み、電流検出
   器からの信号をこある定数を乗算した値をくびれ抵抗設
   定器の出力信号とすることを特徴とする特許請求の範囲
   第６項または第７項に記載の制御装置。