JPS6178570A - ア−ク長制御装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明はＴＩＧ溶接におけるアーク長制御装置に係り、
特にホットワイヤスイッチングＴＩＧ溶接（以下単にＨ
８Ｔ溶接という）のアーク長制御装置に関するものであ
る。

〔発明の背景〕

第８図ＬｉホットワイヤＴＩＧ溶接法で一般的に使用さ
れている機器の借成を示すものである。図において、タ
ングステン電極１と母材２を直流垂下特性のアーク電＃
６で接続し、タングステン電極１を負極、母材２を正極
としてアルゴンシールドガス中でアーク５を形成し母材
２の溶融を行なう。これに単にワイヤ６を添加すれば通
常のＴ４Ｇ溶接であるが、コンタクトチップ７と母材２
の間を直流あるいは交流のワイヤ電源９で接続し、ワイ
ヤ送給装ｒ！１９からアーク発生部に送られるワイヤ６
に直流あるいは交流電流を流してジュール熱を発生させ
ワイヤ６の溶融速度を向上させたのがホットワイヤＴＩ
Ｇ溶接法である。この方法で問題となるのはワイヤ６の
ワイヤ電流により発生するアーク５の磁気吹き現象であ
る。

すなわち、ワイヤ６への通電を行なうことによりアーク
５は進行方向の前方あるいは後方に大きく振られ溶融池
が安定せず作業性が著しく悪くなる。ワイヤ電流が交流
の場合でもアーク５が溶融池の中心に固定される時間が
ないためアーク５の硬直性が保たれず、溶融作業が悪い
ものとなっている。これらの磁気吹きの影響を少なくし
て溶接するためには通常、ワイヤ電流はアーク電流の２
分の１以下に制限され、ワイヤ６の溶融速度はせいぜい
２０ｇ／分程度までである。ところで、ワイヤ６への通
電によるアーク５の磁気干渉をなくし、さらにワイヤ６
の溶融速度を高める方法としてホットワイヤスイッチン
グＴＩＧ　（Ｈ８Ｔ）ｍ接法が具体化されるようになっ
た。この方法は第９図に示すごとく、アーク電流工αを
ピーク、ベース期間を持つパルス電流（アークピーク電
流工αｐおよびアークベース電流Ｉｂｐ）とし、ピーク
期間Ｔ１　　の時にはワイヤ６への通電は行なわず、ベ
ース期間Ｔ２　　の間だけワイヤ６に通電することによ
り、アーク５の磁気吹きをなくし高溶Ｍ量を得ようとす
るものである。この方法によると磁気吹きの影響がほと
んど受けずに１００９／分以上の溶融速度が得られてい
る。なお、第９図中工Ｗはワイヤ６へのワイヤ電流、Ｉ
ｗｐはワイヤビーク電流およびＴは時間を示す。

第１０図は市販ＴＩＧ電源にＧＴＯ（ＧＩ０ＬｔｇＴ１
ｔｒ九Ｏ／／　）サイリスタ（以下Ｇ’ｌ’Ｏと記す）
を用いたスイッチングユニットを加えて、ホットワイヤ
スイッチングＴＩＧ（Ｉ＝［ＳＴ）溶接を行なおうとす
るもので、直流垂下特性の溶接電＃Ｉ３をトーチ４と母
材２間に接続してアーク５を形状し、これと並列に第１
０ＴＯ１０を介して接続しこの０Ｎ−ＯＦＦによりワイ
ヤ６の加熱な周期的に行なうものである。すなわち第’
ｌＧ’ｌ’ｏ１０がＯＮ状態のときに溶接電源３からア
ーク電流として供給されていた電流がワイヤ６を介して
短絡されワイヤ電流となってワイヤ６の加熱を行なうわ
けであるが、このときアーク５が消失すると溶接を継続
することができないので、ベース電ｉ１ｆ［１２を付加
している。またワイヤ６の適正加熱制御は第２０ＴＯ１
１の０Ｎ−ＯＦＦにより亀流企短絡して行なうようにな
っている。

一方、ＴＩＧ溶接においてアーク長を一定に保つ方法と
しては、アーク電圧を測定してそれが基準電圧と等しく
なるようにトーチ２上、下動させるＡｒｏ　Ｖｏｌｔｃ
ＨＨＣｏｎｔｒｏｌ　　（以下単にＡｖＣという）装置
がしばしば用いられている。

第１１図はＴＩＧ溶接におけるアーク電圧と電流の特性
曲線図で、曲線Ａ、Ｂ、Ｏはアーク長を示しアーク長の
関係は曲線Ａ、Ｂ、０の順に長く、曲線りは電源の外部
特性、点Ｅ、Ｆ、Ｇは動作点である。

第１１図の特性曲線図からアーク電圧は電流の低い領域
では変化が大きいが、実用電流域ではアーク長が一定な
ら電流が変化してもほとんど変化しないという特徴があ
る。この特徴を利用してアーク長を一定に保つようにし
たのがＡＶＯ装置である。つまり、アーク長を曲線Ｂ上
で一定に制御する場合はこのときのアーク電圧Ｅ２　　
を基準電圧としておき、何らかの理由でアーク５のアー
ク長が長くなったときにはそのアーク電圧が基準電圧Ｅ
２　　に等しくなるまでトーチ４を下降させ、またアー
ク５のアーク長が短くなったときにはトーチ４を上昇さ
′せるようにして常にアーク長を曲線Ｂ上で一定に保つ
ようにするもので、多くの自動ＴＩＧ溶接機で使用され
ている。

しかし、アーク電圧は、アーク長が一定であってもタン
グステン電極１の先端の形状、直径、母材２の材質、シ
ールドガスの流量、さらにアーク電源３によって異なる
。例えば、第１２図（α）に示すようにタングステン電
極１の先端が説く尖った電極と、第１２図（ｂ）に示す
ようにタングステン電極１の先端が丸みを帯びた電極で
は第１２図（Ｃ）に示すように同じアーク長でも電圧が
大きく興なっている。なお、＠１２図の曲線Ｈは第１２
図（α）の電極、曲線Ｉは第１２図（ｂ）の電極を示す
。この様に前記した条件が変わる都度、第１１図のよう
なアーク長と電流、電圧の関係を実験で求めなければな
らず、ＡＶＯ装置を装備しても用途範囲は狭い欠点があ
る。

また、タングステン電極１は研磨直後の電極と一度溶接
作業に使用した後の電極では第１２図（６）に示すよう
に電圧に差が生じ、あるいは溶接中にタングステン電極
１が消耗する度に変化する問題もある。

一方、第８図は、自動Ｔ工Ｇ溶接の一種で添加ワイヤ６
を通電加熱しながら送給するホットワイヤＴＩＧ溶接を
示すものであるが、アーク電源３によりタングステン電
極ｌ極１、母材２ｒＪＪに電力が供給されアーク５を発
生し、母材２およびワイヤ６号溶融する。これとは別に
、フンタクトチップ７を介してワイヤ電源８より供給さ
れる電力によりワイヤ６は加熱されながら溶融池に送給
され、ワイヤ６の加熱を行なわない通常のＴＩＧ溶接に
比べ大きい溶着量が得られる。しかし、ワイヤ６への通
電によりアーク５が干渉され磁気吹きを起こすためワイ
ヤ電流はあまり大きくすることができない。アーク５の
磁気吹きの影響を減少させ溶着Ｒを増大させる方法とし
てホットワイヤスイッチングＴｒＧ（以下Ｈ８Ｔと略す
）溶接法がある。

これは、第９図に示すようにアーク電流Ｉαをパルス状
にし、電流の低いベース期間のみワイヤ６に仏罰して磁
気吹きの影響を少なくする方法である。

ｆｌ　Ｓ　Ｔ溶接でアーク長を一定にするＡ　Ｖ　ＯＩ
Ｊ御を行なう場合に、アーク電流はパルス電流の一淑で
、あるので、前述したようにアーク電流工αのベース時
（Ｔｚ）かピーク時Ｔ、　　を選択してＡｖＣ制御する
必要がある。アーク電流工αのベース期間α２）はワイ
ヤ６へは加熱電流Ｉｗが通電されるためアーク５の磁気
吹きが生じており、このときの電圧をアーク長と対応さ
せてアーク長を制御することは非常に困難である。他方
、アーク電流工αのピーク期１１Ｊ　（Ｔｚ）中の電圧
は、電流の立上り時に急に高くなりその後徐々に下降す
る傾向３もっている。

これは、溶接電源にトランジスタチョッパ制御の電源を
用いた場合の波形であるが、池のＨ８Ｔ電源においても
この傾向に変わりはなく、ピーク期間の電圧もアーク長
との対応をとりにくい。

このように、Ｈ８Ｔ溶接では、ベース期間も、ピーク期
間も電圧とアーク長の正確な対応をとることが困難で、
従来のＡＴＯ装置では安定したアーク長制御を行なうこ
とができない。

〔発明の目的〕

本発明はかかる従来の欠点を解消しようとするもので、
その目的とするところはタングステン電極の形状、径、
シールドガス流量、母材の材質等の溶接条件が変化して
もほぼ一定のアーク長に制御しようとするものである□ 〔発明の概要） 本発明は前述の目的を達成するために、アーク電圧の立
上りから一定時間経過した後のアーク電圧を基準電圧と
するアーク電圧制御装置を設け、この基準電圧を基にタ
ングステン電極を上、下動させるようにしたものである
。

〔発明の実施例〕

第１図は本発明によるＨ８Ｔ溶接装置の構成図、第２図
はタッチスタートの方法ご説明する図、第′５図はＨ８
Ｔ溶接におけるアーク電圧の変動を示す図、第４図はＡ
４０制御装置のブロック図、第５図は第４図のＡＶＯ制
御装置で得られるアーク電圧の変化図、第６図はアーク
電圧によるリレーの動きを説明する図、第７図はトーチ
の移動を制御する系銃図である。

まず、第１図において、符号１から１２までは従来のも
のと同一であり、１６はＡＴＯ装置、１４ｉ、ｆＡＶＯ
装置ｉ’２１３により駆動するモータで、トーチ４を上
、下動させる。

第１図において、アーク５が発生し第１図の溶接ヘッド
が移動しはじめる直前のアーク長ｌの状態でのアーク電
圧を測定し、この電圧′ｆ：ＡＶｏの基準電圧としてＡ
ＶＯ装置１３に記憶させる。このとき、基準電圧は０．
１〜１．０秒間の平均電圧を測定することにより電源の
リップルの影響を除く。

ヘッドが移動し溶接が始まったなら、基準電圧と溶接中
のアーク電圧の差が一定の範囲内に入るようにトーチ４
ｔ−ＡＴＯ駆動モータ１４により上、下動させ、アーク
長が一定になるように制御する。

この方法では、あらかじめ設定されたトーチ高さでのア
ーク電圧を測定しこれを基準電圧とするため、アーク長
と電流、電圧の関係を従来のように実験により求める必
要はない。従って、溶接の目的により電極径、形状を変
えても、シールドガス流量や母材材質他の溶接条件が変
ってもそれらに影響されることなく設定したアーク長を
保持でき、信頼性も高くなる。

ＴＩＧ溶接のアークスタート法には、高電圧の高周波を
印加してアーク５を発生させる高周波スタートと、−貝
母材２にタングステン電極１を接触させ再び引き離すこ
とによりアーク５を発生させるタッチスタート法とがあ
る。前者の場合、溶接前に設定したトーチ高さでアーク
が発生するため、このアーク長での電圧をＡＶＯの基準
電圧とする。後者は、アークスタート時にトーチ４が移
動するためアーク長を決定しくいがその方法を第２図に
示す。

第２図（α）は溶接前の状態、第２図（ｂ）はタングス
テン電極１が母材２に接触した状態、第２図（ｃ）はア
ーク５が発生した状態を示す。

第３１２Ｊ（α）の溶接前の状態からトーチ４が下降し
はじめ、タングステン電極１が母材２に接触し電流企険
出すると１２図（ｂ）の状態のようにトーチ４は停止す
る。次にトーチ４が上昇するわけであるがこのときアー
ク長が設定すべきアーク長りになるようにトーチ４の上
昇分停止させる。つまり、トーチ４の上下移動に第１図
のＤｏモータ１４を使用し、モータ１４の回転数あるい
は駆動時間を制御することによって任意のアーク長ｌを
機械的に得るわけである。

アーク長ｌが決まった後、溶融池が安定な状態になった
ところでアーク電圧を測定し基準電圧として、アーク長
制御を行なう。

第６図はＨ８Ｔ溶接法に用いる基準電圧を示すものであ
る。

アーク５がスタートしアーク長が所定の長さになりスイ
ッチングが開始されたときに、第６図のアーク電圧測定
期間Ｔ８　の電圧の平均値を測定しこｈをＡＶＯ装置１
３の基準電圧Ｖｇ　　とする。さらに溶接中にはアーク
電圧測定期間Ｔ’ｇ　の平均電圧と、切めに設定した基
準電圧ｖ１　　を比較してこの差が一定範１ｆｆｉに入
るようトーチ４を上下させれば安定したアーク長制御を
行な゛うことができる。

アーク電圧の測定をアーク電圧測定期間Ｔｓ　だけで行
ないアーク通電期間Ｔα全体で行なわないのは、電流が
ワイヤ６からタングステン’２１１極１（Ｉｌｌｌｌに
切替わった直後の（Ｔα−Ｔｇ）期間は急激に電圧が高
くなり測定値の変動が激しくアーク長制御が不安定にな
るからである。

第４図は、ＡＶＣ装置１６のブロック図を示すものであ
る。アーク電圧は第４図のＪから取り入れられ分圧器１
５、ノイズフィルタ１６号通しアンプ１７により増幅さ
れた後、ローパスフィルタ１８を通して電圧のリップル
がとり除かれる。一方この電圧波形より電圧測定用のタ
イミング波形分整形し、アーク１「う庄の立上がりから
一定時間遅れた時点（第６図のＴα−Ｔｓ）で電圧を測
定し、これとＡｖＣ装置１３の基準電圧をフンパレータ
１９．２０．２１でそれぞれ比較し、リレー２２゜２３
．２４を動かす。これと連動してリレー２６゜２７．２
８が動作するが、リレー２６はトーチ４を上昇させ、リ
レー２７はトーチ４を下降させる。

また、リレー２８はＡＶＯ装置１３　′ｆｉ：０Ｎ１０
ＦＦするリレーである。

要するにＡＶＯ装置１ろは、アーク電圧が比較的安定す
る時のタイミングをとってその電圧を測定することによ
りＡＶＯ制御を行なうものである。

第５図は、第４図のブロック図のＪ−Ｎ点のそれぞれの
位置での電圧波形を示したものであるＪから、入力され
たアーク電圧は、分圧器１５、ノイズフィルタ１６、ア
ンプ１７、ローパスフィルタ１８を通して点にでは第５
図（ｂ）のアーク電圧波形になる。このに点でのアーク
電圧波形より波形整形２９によって第５図（６）のタイ
ミング波形の基準波形を整形する。第４図のＭ点では、
第５図（ｃ）のタイミング波形の立上がりから一定時間
Ｔ　（１〜１０　ｍ５ｅｃ　）　　の遅れをとるワンシ
ョット３０によって＠　５　ｒＩＩＪ（ｄ）の波形ｆ、
整形し、第４図のＮ点では第５図（ｄ）の立下がり時に
ワンショット３１によりサンプルホールド２５によって
サンプルホールド信号を出して、第５図（６）のアーク
電圧をホールドする。すなわち、パルス状のアーク電圧
の波形の立上がりから、常に一定時間（Ｔα−Ｔｇ）が
経過した時点で電圧を測定することによりスイッチング
による激しい電圧の変化を吸収するようにしたものであ
る。

第５　ＦＸＪ　（ｅ）のタイミングで測定された電圧は
、コンパレータ１９，２０．２１で基準電圧と比較され
リレー２２，２３．２４を動かすが、第６図はそのリレ
ーの状態を示したものである。

サンプルホールドされた測定電圧牙Ｖ１基準電圧をＶｊ
　　とすると、フンパレータ１９では、（Ｖ−Ｖｓ）〉
ΔＶ（７）ときリレー２２をＯＮにする。ΔＶは、トー
チ４を上、下動する際の電圧の余裕幅で通常０．１〜０
．５（７）とする。コンパレータ２０では、（Ｖ−Ｖｇ
）≧０のときリレー２３をＯＮにする。コンパレータ２
１は、 （Ｖ−Ｖｓ）＜、−ΔＶ（７）ときリレー２４をＯＮに
する。

第７図は、リレー１９からリレー２１の動きに伴なって
トーチ４の上、下動を行なうリレー２６゜２７．２８の
動きを説明する図である。この図でリレー２６はトーチ
４の上昇、リレー２７はトーチ４の下降、ＩＪ　ｌｚ　
−２Ｆ３はＡＹＯ装置１３ｔ−ＯＮｌｏＦＦするリレー
である。測定電圧Ｖが低く、リレー２２，２３．２４が
すべてＯＦＦのときは、接点３３．３４が閉となるので
リレー２６がＯＮとなりトーチ４は上昇する。

トーチ４の上昇に伴い測定電圧Ｖが高くなりリレー２４
がＯＮになると接点３４が開となるが接点６５が閉のま
まなのでトーチ４は上昇し続ける。

リレー２３がＯＮになると接点３３．３４が開になりリ
レー２６はＯＦＦとなってトーチ４は停止する。さらに
測定電圧Ｖが上昇すると、リレー２２がＯＮになり、接
点３２．３３が閉となりリレー２７がＯＮになってトー
チ４が下降する。トーチ４の下降は、測定電圧Ｖが低く
なりリレー２２．２３がＯＦＦになるまで続く。ＡｖＣ
装置１３の０Ｎ−ＯＦＦはリレー２８で行なう。従って
、例えば、リレー２８を溶接機の電流検出の端子に接続
すればアーク発生時のみＡ　Ｖ　ＣＩＩＪ　御を行なう
ようにすることができる。

〔発明の効果〕

本発明はアーク電圧の立上りから一定時間経過した後の
アーク電圧を基準電圧とするアーク電圧制御装置を設け
、この基準電圧を基にタングステン電極を上、下動させ
るようにしたので、電極の形状、径、母材の材質などの
溶接条件に関係なく常にアーク長を制御することができ
、安定したアーク長制御ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるＨ８Ｔ溶接装置の楢晩図、第２図
はタッチスタートの方法を説明する図、第３図はＨ８Ｔ
溶接におけるアーク電圧の変動を示す図、第４図はＡｖ
Ｃ制御装置のブロック図、第５図は第４図のＡＴＯ装置
で得られるアーク電圧の変化図、第６図はアーク電圧に
よるリレーの動きを説明する図、第７図はトーチの移動
を制御する系統図、第８ｒＸＪは従来使用されているホ
ットワイヤＴＩＧ溶接分示す基本構成図、第９図はホッ
トワイヤスイッチングＴＩＧ溶接のアーク電流およびワ
イヤ電流の特性図、＠１０図はＧＴＯを用いたホットワ
イヤスイッチングＴＩＧ溶接の基本何戎図、第１１図は
ＴＩＧ溶接におけるアーク電圧と′１流の特性曲線図、
第１２図は電極の先端形状の違いによるアーク電圧の変
化を示す図である。 １・・・タングステン電極、４・・・トーチ、１３・・
・ＡｖＣ装置、１４・・・モータ、Ｖｘ・・・基準電圧
。 第１図 第２図 第３図 □　　　　　　時間 第４図 第５図 第６図 亮７図 トーチ上昇　　　トーチ下降 第１０図 第１１図 →　ｔ３丸　　１ （Ｃ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ホットワイヤスイッチングＴＩＧ溶接時のアーク電圧を
   測定してアーク長を制御するアーク電圧制御装置を備え
   たものにおいて、前記アーク電圧の立上りから一定時間
   経過した後のアーク電圧を基準電圧とするアーク電圧制
   御装置を設け、この基準電圧を基にタングステン電極を
   上、下動させるようにしたことを特徴とするアーク長制
   御装置。