JPS6178567A - 短絡移行ア−ク溶接方法及びその装置 - 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、短絡移行アーク溶接の改良に係り、特に短絡
区間時に出力電流を所定の波形に′Ｍ御することにより
ｉ８滴移行を短時間で確実に１「ってＩ−りを一層安定
的に発生させて効率の良い短絡移行アークを連続して行
えるようにした方法及びその装置に関する。

従来の技術 短絡移行アーク溶接方法は、消耗ｔｐｉを定速度で送給
しながら、消耗電極の母材への短絡と、引き離しを交互
に行ってアークを発生させて溶接を行うものである。

これを行うにあたっての問題点は、スバンクの発生を抑
止すること（短絡の発生時とアークの発生時において特
に著しい）、及び溶接中アークを常に安定して発生させ
ることが強く望まれる。

そこで、従来はこのような要請に応えるために直流リア
クトルの遅延特性を利用して短絡を流を制御しているが
、このような方法では、溶接条件が変わる度に必要な時
定数を有するリアクトルを選定することが堕点であるう
えに、電流の変化時に要求される時定数も非常に大きい
ものになるという欠点があり、このため必要なインダク
タンスは故１００μＨにも達して、設計、製作が困難と
なって製造コストも高価になるという問題があった。

また、短絡時の電流は数１００Ａと大きな値となるため
に大きいインダクタンスを要し、非常に大形のりアクド
ルが必要となる。このため、従来では鉄心を用いて大き
いインダクタンスを得ているが、このような場合には鉄
心の飽和の問題も無視できず、種々の問題があった。

そこで、近年に至っては直流リアクトルの有する蒸上の
問題点を解決すべく、出力フィードパ。

り回路中に位相遅れ要素を挿入して、負荷の変化に対し
て出力変化に位相遅れをもたせて実質上、直流リアクト
ルの効果を発生させるようにしたものが種々提富されて
いる。

例えば、特開昭５８−１１２６５９号に提案されたもの
は、その改良された代表例である。

すなわち、このものは、直流を源の出力悔（御にスイッ
チング素子によるスイッチング制御方式を使用し、かつ
出力側′ｍ回路を負部の変動に対して位相遅れをもたせ
る回路を備え、この位相遅れ量を出力の増加時と減少時
とでそれぞれ（すいγしζ調１．′可能な回路構成とし
たことを特徴とするもので、従来のように大形の直流リ
アクトルを用いることなく、常に溶接に最適な出力上昇
速度と下降速度とを容易に得ることができる利点があり
、溶接の安定性が飛躍的に向上し、かつビード形状の制
御が可能に行えるというものである。

発明が解決しようとする問題点 本発明は、位相遅れ要素を用いたアーク溶接方法を更に
改良したもので５従来の方法よりも効率が良（、しかも
アークの安定性が良好で、かつ（ｇ鯨性の高い短絡移行
アーク溶接方法を提供することを解決すべき問題点とし
たものであり、特に従来の方法においては１９．３８さ
れることのなかった短絡時の出力ｉｔを特定の波形に１
ｉ　′４１ｉすることによって上記した問題点を解決す
るものである。

問題点を解決するための手段 上記の問題点を解決するために、本発明者ろは短絡移行
アーク溶接法を実施するにあたって種々の検討を重ねた
結果、短絡時の出力電流の波形を特許請求の範囲に記載
したように設定することにより、溶滴移行を極めて短時
間に確実に行うと同時に、アーク発生時の電流値を抑制
して溶滴移行のための発熱を助長してアークを安定的に
連続して発生させて効率の良いアーク溶接が行えること
を知得し、本発明に到達したものである。

すなわち、本発明方法によって提供される方法は、消耗
電極を定速度で送給しながら、短絡とアークの発生を交
互に行う短絡移行アーク溶接方法において、アーク発生
時には閉ループによる定電圧制御を行い、かつ短絡時に
は閉ループによる電流制御に切り換えて、その短絡区間
時において負荷に供給される出力電ｔｊｔＩｔの波形を
、正常時にはＩ、ｍＩａ＋Ｉｓ＋Ｉｔ　　（ここに、Ｉ
ａは短絡直前におけるアーク電流、Ｉｓは予め設定され
た立上がり分、Ｉ（は時間経過に連れて略直線状に増大
する変化分である〕に制御するとともに、上記短絡区間
時に負荷に出力電流が所定時間通電された後も、次に発
生すべきアークが生じない時には、上記出力ｔｉを急速
に増大させてアークの発生を強制的に行うことを一８′
旨としくいろ。

また、本発明方法を実施するために提供される装置は、
スイッチング制御回路を駆動して負荷に供給される出力
電圧、電流を閉ループＩＩ　ｊＭするようにした定電圧
制御ｎ回路と電圧制御回路とを組合わせて構成されたア
ーク溶接装置であって、特に上記定電圧制御回路は、ア
ーク発生時の負荷電圧を検出する電圧検出器からのアー
ク検出信号を受けて駆動され、該電圧検出器からの出力
信号を受けて上記スイッチング制御回路に予め設定され
た制御値に応じたドライブ信号を出力する電圧制御回路
を備えて成り、かつ上記を流制御回路は、上記電圧検出
器からの短絡検出信号を受けて駆動され、負荷を流を検
出する電流検出器からの出力信号を受けて上記スインチ
ングｆＩ１１御回路に予め設定された制御値に応じたド
ライブ信号を出力する電流制御回路を備えて成り、この
Ｔｉ電流制御回路１ｌ−Ｉａ＋Ｉｓ＋Ｉｔ　（ここに、
Ｉａは短絡直前におけるアークを流、Ｉｓは予め設定さ
れた立上がり分、Ｉ【は時間経過に連れて略直線状に増
大４“る変化分である〕で定められた所定の波形を育し
た出力電流をその短絡区間時に負荷に供給するとともに
、上記短絡区間時に負荷に出力電流が所定時間通電され
た後も、次に発生すべきアークが生じない時には、上記
出力電流を急速に増大させてアークの発生を強制的に行
うように構成されていることを要旨としているものであ
る。

発明の作用及び効果 本発明方法によれば、アーク発生時には定電圧１１ＩＩ
御を実施し、短絡発生時には電流制御に自動的に切り換
えられて、短絡移行によるアーク溶接が連続して行われ
る。そして、短絡区間時には負荷に供給される出力電流
Ｉ８が正常時には、Ｉよ−Ｉａ＋ｌｓ＋Ｉｔ　　（ここ
に、Ｉａは短絡直前におシするアークｔ′ｄＬ、ＩＳは
予め設定された立上がり分、１ｔは時間経過に連れて略
直線状に増大する変化分である〕で設定される特定の波
形に制御！ｌされ、このため電圧検出器により短絡が検
出された時には、短絡直前のアーク電流Ｉａを基準とし
た値に予めプリセットされた所定の立上り分１１を加算
した電流か１’Ｌ　ｔｒｉに供給されるごとにムリ、さ
らに短絡が進行するに連れてこの電流には時間経過に連
れて略直線状に増大する変化分１（が補足される。この
結果、負荷は接触！氏抗の大きい時間に大きな短絡電流
で急速に加熱されて素早く溶滴となり、しかもこの溶滴
の加熱温度の上昇とともに負荷の接触抵抗が増大すると
、この短絡電流には１１分、つまり時間経過に連れて増
大する変化分が加わって補足されることになるので、消
耗電極は極めて短い時間に小さい溶滴となって確実に分
断されると同時にアーク発生時の電流値を抑制し、溶ａ
移行のための発熱を助長するので、きめの細かいビード
が得られ、効率の良い連続した溶接作業が可能となる。

また、短絡区間時における負荷に供給される出力電流が
アークスタート時のように５負荷に所定時間通電されて
も次に発生すべきアークか発生しないような状態となる
異常時には、予め設定さ机た電流設定器により定められ
た大レベルの電流が重畳されて負荷に供給されることに
なるので、ア−りを強制的に発生させて溶接作業を連続
して実施できる。

これらの結果、アーク発生時の正常時には出力を流Ｉｔ
が、Ｉｔ−Ｉａ＋ｌｓ＋Ｉｔ　　［ここに、Ｉａは短絡
直前におけるアーク電流、Ｉｓは予め設定された立上が
り分、＋１は時間経過に連れて略直線状に増大する変化
分である］で規定される波形に制御され、また上記制御
時に負荷に所定時間出力電流が通電供給されても、次に
発生すべきアークが発生しないような異常時には、負荷
に供給している出力電流を急速に増大させてアークの発
生を強制的に行うことによって、常に信韻性の高い短絡
移行アーク溶接が連続して可能となる。

更に、電流制御制御回路に短絡電流上限設定回路を設け
た場合には、負荷に供給される出力電流が常に監視され
ているので、短絡時に無限に増大することが未然に防止
でき、スパツクの発生の抑制されたアーク溶接が連続し
て実施できる利点もある。

発明の実施例 以下に、添付図を４″、！！！　Ｌ−ｒつ本発明方法４
・その装置の構成とともに詳細に説明する。

第１図に、本発明装置の構成をブロック線図をもって示
す。

本発明装置は、図に見るように、スイッチング制御回路
ＩＯを駆動して負荷に供給される出力電圧、電流を閉ル
ープ制御するようにした定電圧制御回路と、電流制御回
路とを組合わせて構成されており、アーク発生時には定
電圧制御が行われ、かつ短絡時には電流制御が行われる
ようになっている。

図において、ｌは不図示の制御系によって所定速度で送
給される消耗電極（溶接ワイヤ）、２は被溶接部材であ
る母材、３ばアーク発生時に生しる溶接アークを示し、
４は電流検出器、５は電圧検出器、６は定電圧ルＩ御モ
ード時に駆動される電圧ｔＩＩＩ′ｍ回路、７は電流制
御モード時に駆動される電流制御回路、８は平滑回路、
９は整流回路、ＩＯは負荷に対して必要な電圧、を流を
供給するために設けたスイッチング制ｉｎ回路、１１は
電圧検；１２＝５からのアーク検出信号、短絡検出信号
により定電圧制御と電流制御を交互に切り換えるスイッ
チング手段である。

ここに、電圧制御回路６は電圧検出器５がアークの発生
を検知した時に駆動され、発生したアーク３を安定的に
維持して消耗電極１を加熱溶融させるためにスイッチン
グ制御回路ｌＯを閉ループ制御して、アーク発生区間時
（７２〜Ｔｌ）には第３図（ａ）で示されるような一定
の出力電圧Ｖを負荷に安定的に供給する。

また、電流制御回路７は、電圧検出器５が短絡を検知し
た時に駆動され、正常時には負荷に対して、第３図（ｂ
）に示したような出力電流Ｉχを供給するが、出力電流
が負荷に所定時間【。継続して供給されても、次に発生
すべきアークが生じない時には、第３図（Ｃ）において
ｌ、で示したように負荷に供給する電流を急速に増大さ
せてアークを強制的に発生するように構成されている。

つまり、短絡区間時（Ｔｌ〜Ｔ２）に負荷に供給される
電流は正常時には、ｌｔ、つまり第３図（ｂ）に／１ミ
した。ｌ、うにｌ　：ｒ　’　ｌ−、−ｌ　＋と一１ζ
：ノ、。

わされ、発生すべきアークの発生しない異常時には＋２
、つまり第３図（Ｃ）に示したような波形を呈する。

第２図は、第１図のブロック線図を更に詳細にした構成
図であり、スイッチング制御回路１０はパワートランジ
スタなどによって具体化された出力調整素子ｌｏｔをド
ライバ＋０２で駆動する構成となし、このドライバ１０
２はパルス幅制御回路１０３によりドライブパルスのパ
ルス幅が調節可能になっている。

また、スイッチング手段１１としては、パルス幅制御回
路１０３の後段に設けたスイッチング回路１１が採用さ
れており、このスイッチング回路１１は、上記した電圧
検出、？Ｓ５からアーク検出信号を受けると制御モード
を定電圧制御に選択し、更に短絡検出信号を受けると制
御モードを定電圧制御から電流制御に切り換える。

このスイッチング回路１１の後段には、電圧制御回路６
と、を流制御回路７とが接続されており、電圧制御口Ｂ
６は、実施例では誤差増幅器６１、電圧設定器６２を含
んで構成されており、誤差増幅器６１では、電圧検出器
５からの出力信号と電圧設定器６２からの出力信号が比
較されて、両者の誤差出力がスイッチング回路ＩＩを介
してパルス幅制御回路１０３に送られている。

ここに、電圧設定器６２は定電圧制御モード時における
ＭａＩ値を規定するもので、定電圧Ｍ御モードの実行時
には、出力１１１！Ｉ素子１０１に制御値に応じた信号
が送られて負荷に一定電圧を供給するフィードバック制
御がなされる。

一方、電流制御回路７は、実施例では、スイ。

チング回路７０と誤差増幅器７１．電流設定器７２及び
コンパレータ７３．更に加Ｘ回路７４．Ｉ／■コンバー
タ７５、時間設定器７６、積分回路７７、サンプルホー
ルド回路７８．立上り置設定器７９とを組合わせて構成
されており、スイッチング回路７０は、コンパレータ７
３の反転出力信号により、加算回路７４と電流設定器７
２との選択切り換えを可能にしており、コンパレータ７
３から反転出力（３号か出力されると、加Ｔ；１１ｕｌ
　ｎ　７４からｔ波設定器７２に切り換え接続される。

ここに、誤差増幅器７１はスイッチング回路７０を介し
て出力される加算回路７４からの出力を基準として、Ｉ
／Ｖコンバーク７５からの出力との比較をなし、両者の
出力誤差を増幅しており、その誤差出力がスイッチング
回路１１を介してパルス幅１７４８回Ｉａ　ＩＯ３ｃｉ
Ｍうｈテ、ｍＮ２Ｊ　＜ｂ＞に示した短絡区間（Ｔｌ−
Ｔ２）時の１を流制御がなされる。つまり、短絡区間時
の正常時には、加算回路７４からの加電出力により規定
され、第３図（ｂ）に示した特異な波形を有した出力筒
′ｆＬ１工が負荷に供給される。

ところが、一方コンパレータ７３が積分回路７７の出力
と時間設定器７６の出力を比較し、時間設定器７６の出
力が積分回路７７の出力を越えた時に反転出力信号を出
してスイッチング回路７０を作動し、加算回路７４から
の出力を遮断し、電流設定器７２からの出力を誤差増幅
器７１に出力する。つまり、このコンパレータ７３では
、積分回路７７の出ノｊを時間設定２Ｓ７６の出力を基
準にして比較動作をすることにより短絡時に負荷に供給
される出力を流の通１ｉｔ時間を判断しており、積分回
路７７の出力が時間設定器７６の出力を越えると所定の
通電時間ｔ０が経過したものと判断されてスインチング
回１Ｓ７０に反転出力信号を送って電流設定器７２によ
って規定される大レベルの電流を負荷に供給することに
なる。

第３図（Ｃ）は、この場合に負荷に供給される電流Ｉｔ
の波形を示しており、始めは１１で立上り、【０時間こ
のようなレヘルの電流が負荷に継続して供給された後は
、その電流しヘルがｌ、で示したように急速に増大して
いることが分かる。

一方、サンプルホールド回路７８は、Ｉ／Ｖコンバータ
７５を介して送られて来る出力電流Ｉａに対応じた電圧
信号をサンプリングし、上記した電圧検出器５から短絡
検出信号を受けるたびに、そのサンプリングした信号を
ホールドして出力するものであり、また立上り量設定ｒ
Ｇ７９は、出力電流の立上り分１ｓを任πに規定するた
めに溶接条件に応して定めたレヘルの、Ｌ圧（４１号を
出力し、積分回路７７は出力電流がＩｓ分だけ立上がっ
た後に、補足される変化分１【の勾配値ｔａｎδを規定
する。

したがって、この実施例では、電流制御モードの正常時
には誤差増幅器７１には、ｌ／Ｖコンバータ７５の出力
信号と、加算回路７４の出力、つまりサンプルホールド
回路７８、立上りｉ設定器７９、積分回路７７の加算さ
れた信号とｌ／Ｖコンバータ７５からの出力信号が人力
され、これらの誤差信号がスイッチング回路１１に供給
されて、短絡区間時の出力を流は第３図（ｂ）に示した
ような波形に制御されている。

ところが、このような電流■制御モード時に８いては、
コンパレータ７３は、積分回路７７の出力信号と時間設
定器７６の出力信号を比較動作しており、制御の異常を
検出している。

つまり、負荷に出力を流が所定時間供給されても、次に
発生すべき７−りが生しない時にはコンパレータ７３か
らスイッチング回路７０には反転出力信号が送られて加
算回路７４の出力を遮断し、電流設定器７２の出力を誤
差増幅器７１がスイッチング回路１１を介してパルス幅
ｍｍ回路１０３に送られ、負荷には第３図（Ｃ）で示し
たような出力電流が供給されることになり、この結果、
アークが強制的に生じることになる。

なお、図示はされていないが、電流制御モード時におけ
る正常時に短絡電流が無限に上昇しないように上限を規
定する回路を組み込むことは望ましく、このようにすれ
ば短絡時の出力電流１ｔが無限に増大するのが未然に防
止されることになり、短絡制御時のスパックの発生が有
効に抑制されることになる。

次に、第２図に示したブロック線図と、第３図の波形図
を参照して回路の動作と本発明方法を説明する。

アーク溶接のスタート時には、アークの発生を容易にす
るために適当な前置制御がなされ、消耗電極ｌが定速度
で送給されてアーク３が強制的に発生される。

アーク３が発生すると、電圧検出２Ｓ５からスイッチン
グ回路１１にアーク検出信号が送られて電圧制御回路７
がパルス幅１１１１　？Ｂ回路１０３に接続される。し
たがって、制御は通常の定電圧制御モードが選択され、
電圧設定器６２によって予め設定された出力電圧が負荷
に供給されることになろ。

この時の出力電圧■の波形は第３図（ａ）に示されてい
る。

しかるに、消耗電極１の送給が更に続けて行われて、消
耗電極１と母材２との間隙距離が次第に減少して、アー
クから短絡に至る。

すると、電圧検出器５は、直ちにその状態を検出し、短
絡検出信号を出力する。

すなわち、この状態では、出力電圧が数十ボルトから零
ボルト付近に急変するので、この状態を電圧検出器５に
より検出するには、電圧検出器５を例えば、比較器で基
準電圧と比較できるように構成すればよい。

第２図に示した実施例では、この時の検出信号でスイッ
チング回路ＩＩを駆動して、電圧制御回路６を直らに遮
断して電流ＩＩ御回路７をパルス幅設定回路１０３に接
続する構成にしてあり、同時に積分回路７７及びサンプ
ルホールド回路７８にも駆動信号を送って閉ループによ
る電流制御が可能になるようになっている。

しかして、電圧検出器５が、短絡検出信号を出力すると
、スイッチング回路１１は電流制御モードに切り換わり
、積分回路７７が駆動され、かつサンプルホールド回路
７８がサンプリングした信号をホールドする。この結果
、電流制御モードの正常時には誤差増幅器７１には、積
分回路７７、サンプルホールド回路７８、立上り置設定
器７９の各々から出力された加算信号が制御値の基準信
号として誤差増幅器７２に入力され、Ｉ／Ｖコンバータ
７５を介して電流検出器４より送られて来る出力電流Ｉ
ａと比較されて、加算信号によって規定された上述した
ような特異な波形をした出力電流Ｉｔ　　（第３図（ｂ
）参照）が出力されることになる。そして、このような
電流制御モード時に異常が生じたりして、負荷に供給さ
れる出力を流が所定時間り、通電さｎ、でも、次！、：
住しるへきＩ′りが発生されないような場合には、第３
図（ｃ）に１．で示したようにその出力電流］ｔは急速
に増大してアークを強制的に発生させることになる。

これらの制御の結果、アーク発生時には、装置は定電圧
制御モードとなり、かつ短絡発生時には電流制御モード
となって、その正常時には第３図（ｂ）で示した特異な
波形の出力ｔｍｌ□が負荷に供給され、またアークの発
生が不完全となるような異常時には第３図（ｃ）に示し
たような波形の出力電ｔｌＬ＋ｚ’が負荷に供給される
ことになり短い時間に小さい溶滴となって確実に分断さ
れて、効率の良いアーク溶接が行われる訳である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明装置の概略構成を示すブロック線図、
第２図は第１図に示した４ｊｔ置を更に詳細に示すブロ
ック線図、第３図は本発明方法によって制御される出力
電圧、出力電流の波形図である。 （符号の説明） 図において、ｌは消耗電極、２は母材、３は溶接時に発
生するアーク、４は電流検出器、５は電圧検出器、１０
はスイッチング制御回路である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）消耗電極を定速度で送給しながら、短絡とアーク
   の発生を交互に行う短絡移行アーク溶接方法であって、
   アーク発生時には閉ループによる定電圧制御を行い、か
   つ短絡時には閉ループによる電流制御に切り換えて、そ
   の短絡区間時において負荷に供給される出力電流Ｉ＿２
   の波形を、Ｉ＿２＝Ｉａ＋Ｉｓ＋Ｉｔ〔ここに、Ｉａは
   短絡直前におけるアーク電流、Ｉｓは予め設定された立
   上がり分、Ｉｔは時間経過に連れて略直線状に増大する
   変化分である〕に規定された波形に制御するものにおい
   て、 上記短絡区間時に負荷に供給される出力電流が所定時間
   通電された後も、次に発生すべきアークが生じない時に
   は、上記出力電流を急速に増大させてアークの発生を強
   制的に行うことを特徴とする短絡移行アーク溶接方法。
2. （２）スイッチング制御回路を駆動して負荷に供給され
   る出力電圧、電流を閉ループ制御するようにした定電圧
   制御回路と電流制御回路とを組合わせて構成されたアー
   ク溶接装置であって、 上記定電圧制御回路は、アーク発生時の負荷電圧を検出
   する電圧検出器からのアーク検出信号を受けて駆動され
   、該電圧検出器からの出力信号を受けて上記スイッチン
   グ制御回路に予め設定された制御値に応じたドライブ信
   号を出力する電圧制御回路を備えて成り、 かつ上記電流制御回路は、上記電圧検出器からの短絡検
   出信号を受けて駆動され、負荷電流を検出する電流検出
   器からの出力信号を受けて上記スイチング制御回路に予
   め設定された制御値に応じたドライブ信号を出力する電
   流制御回路を備えて成り、この電流制御回路は Ｉ＿２＝Ｉａ＋Ｉｓ＋Ｉｔ〔ここに、Ｉａは短絡直前に
   おけるアーク電流、Ｉｓは予め設定された立上がり分、
   Ｉｔは時間経過に連れて略直線状に増大する変化分であ
   る〕で規定された所定の波形を有した出力電流Ｉ＿２を
   その短絡区間時に負荷に供給するとともに、上記短絡区
   間時に負荷に出力電流が所定時間通電された後も、次に
   発生すべきアークが生じない時には、上記出力電流を急
   速に増大させてアークの発生を強制的に行うように構成
   されていることを特徴とするアーク溶接装置。
3. （３）上記電流制御回路が出力電流の上限値を予め設定
   された値に制限する短絡電流上限設定器を備えたもので
   ある特許請求の範囲第２項記載のアーク溶接装置。