JPS6228076A - 消耗電極式ア−ク溶接機 - 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、主としてＣＯ２ガス等で構成されるシールド
ガスによって溶接部を遮断し、消耗電極ワイヤを溶接部
に連続的に送給して溶融溶接を行う消耗電極式アーク溶
接機に関するものである。

従来の技術 消耗電極アーク溶接用電源としては、通常定電圧特性の
ものが用いられ、最近では出力制御にトランジスタなど
の制御素子を用いることが行なわれている。この様な出
力制御方式の電源に於て、アーク溶接を行う場合、負荷
状態が短絡とアークとを繰り返し行う場合、短絡時にお
ける負荷電流の立ち上がりなどの短絡特性は、溶接作業
性に大きな影響を与える。この場合、通常は溶接出力回
路中にインダクタンスを設け、短絡特性の調整を行うこ
とにより、作業性の改善を図っている。しかし、実際の
溶接時においては、採用する溶接電流、溶接速度、溶接
姿勢などにより最適なインダクタンス量は異なるが、平
均的使用状態に合わせてインダクタンス量を決定してい
る。これは、インダクタンス量の調整が容易でないこと
と、重量が重く、高価になるために、実際的にインダク
タンス量が調整可能となっていないためである。

これに対し、出力制御素子としてサイリスタやトランジ
スタなどの半導体素子を用いる溶接電源においては、溶
接状態を検出して、即ちアーク発生状態であるか、短絡
状態であるかを検出し、短絡状態である時には、溶接電
流の立ち上がりを、出力制御素子の導通状態を変化せし
めて、制御することにより、溶接特性の改善を行うこと
が行なわれている。

このような従来の消耗電極式アーク溶接機について第４
図〜第９図を用いて説明する。第４図は従来の消耗電極
式アーク溶接機の回路ブロック図で、１は整流装置、２
，３はリモコン、４はワイヤ送給指令回路、５は電圧指
令回路、６は出力電圧検出回路、７はパルス幅変調回路
、８はドライバー回路、９は短絡検出回路、１０は波形
制御回路、１１は溶接電流検出回路、１２は演算回路、
１３はワイヤ送給モータ、Ｌｌはフィルタチョーク、Ｃ
１はコンデンサ、０１〜Ｑ４はパワートランジスタ、Ｍ
Ｔは主トランス、ＭＴｌは１次巻線、ＭＴ２は２次巻線
、Ｄｌ、Ｄ２はダイオード、Ｌ２はりアクタ−である。

３相入力は整流装＠１により全波整流され、フィルタチ
日−りＬｌを通してコンデンサＣ１によって平滑され、
−回置流化される。直流化された電力は、パワートラン
ジスタ０１〜Ｑ４により高い周波数の交流に変換される
。この様子を第５図を用いて説明する。ある時間ｔ１に
おいて、パワートランジスタＱ１．Ｑ２がオン状態にな
って主トランスＭＴの１取巻ＩＭＴ１に１次Ｎ流ｉが流
れる。次の時間ｔ２において、パワートランジスタ０１
〜Ｑ４は全てオフし、１次巻線ＭＴ１には電流が流れな
い（この時間を「デッドタイム」と称す）。次の時間ｔ
３においては、パワートランジスタＱ３　、Ｃ４がオン
し、１次巻１！ＭＴＩに電、流−１が流れる。時間ｔ４
では再びデッドタイムとなる。パワートランジスタ０１
〜Ｑ４のスイッチングによって得られた高周波出力は、
主トランスＭＴにて降圧される。主トランスＭＴの出力
は、ダイオードＤ１．Ｄ２によって整流され、リアクタ
ーＬ２を通して溶接出力となる。ＭＴ２は主トランスＭ
Ｔの２次巻線である。このような制御方式は、一般的に
インバータ制御と呼ばれるもので、パワートランジスタ
０１〜Ｑ４のスイッチングのｔ１〜ｔ４のサイクルを１
周期Ｔとし、これを繰り返して直流→交流→直流の変換
を行っている。

インバータ制御方式の溶接電源において、溶接出力を制
御する方式は、いろいろ考えられるが、パルス幅変調も
その一つの方法で、スイッチングの周波数を一定とし、
１周期中のパワートランジスタＱ１〜Ｑ４のオンタイム
比率を変えること、すなわち（ｔ１＋ｔ３）／Ｔを変化
させることにより、出力の調整を行う。出力側の各部の
電圧波形を第６図に示す。Ａは主トランスＭＴの出力、
ＢはダイオードＤ１．０２の出力、ＣはリアクターＬ２
にて平滑され、ややギザギザを含んでいるが、リップル
の少ない溶接出力である。

次にパワートランジスタＱ１〜Ｑ４の導通状態を制御す
る制御回路について説明する。溶接出力を指示するリモ
コン２の出力指示値は電圧指令回路５に入力される。溶
接電流を指示するリモコン３の出力はワイヤ送給指令回
路４に入力され、溶接電流値に応じてワイヤ送給モータ
１３を駆動させる。電圧指令回路５の出力は、フィード
バック信号である出力電圧検出回路６の出力と演算回路
１２により加減算され、パルス幅変調回路７の入力信号
となる。この入力信号は最終的な溶接出力を定める出力
電圧設定信号であって、パルス幅変調回路７は、この出
力電圧設定信号を、その信号の大きさに応じたパルス幅
に変調する回路である。このパルス幅変調回路７の出力
はドライバー回路８の入力信号となる。ドライバー回路
８は、パワートランジスタＱ１〜Ｑ４を駆動するための
ベース電流を供給する回路であると同時に、パワートラ
ンジスタＱ１〜Ｑ４をオフする時に逆バイアス（ベース
に負電圧印加）をかけるための回路である。ドライバー
回路８は、パルス幅変調回路７の出力信号を増幅して、
パワートランジスタ０１〜Ｑ４を駆動できる出力に変換
するとともに、パルス幅変調回路７の出力パルスのパル
ス幅に応じてパワートランジスタ０１〜Ｑ４を導通させ
る。ドライバー回路８の出力により、パワートランジス
タ０１〜Ｑ４はオン・オフを繰り返して発振し、主トラ
ンスＭＴの入力となって、前述のように主トランスＭＴ
の２次巻線ＭＴ２より溶接出力が得られる。

次にこのトランジスタインバータ電源において、従来用
いられてきた短絡時の溶接電流の立ち上り制御について
説明する。短絡検出回路９は、溶接状態がアーク発生状
態であるか、短絡状態であるかを検出し、波形制御回路
１０は、短絡検出回路９の信号を受けて短絡時の場合の
溶接電流の立ち上り制卸を行う。波形制御回路１０の出
力はパルス幅変調回路７に入力される。溶接電流の立ち
上りは、波形制御回路１０の特性で定まる様に制御され
る。

この様子について第７図に示す波形制御回路１ｏの具体
例とともに説明する。第７図にわいて、１４は関数発生
器であり、短Ｎ電流立ち上り特性を定める基準波形が得
られる。１５は直流電圧出力回路、１６は短絡検出回路
９の信号によって切り替わるスイッチ、１７は比較回路
であり、この比較回路１７は、オペアンプＩＣ１と抵抗
Ｒ１，Ｒ２、Ｒ３とで構成されている。溶接出力状態が
短絡状態である時は、スイッチ１６の働きによって、オ
ペアンプ■Ｃ１のマイナス入力端には関数発生器１４の
出力が入力され、アーク発生状態である時は、同様に直
流電圧出力回路１５の出力がオペアンプＩＣ１のマイナ
ス入力端に入力される。一方、オペアンプＩＣ１のプラ
ス入力端には、溶接電流増幅回路１８によって増幅され
た溶接＠流検出部１１からの溶接電流波形が入力される
。オペアンプ■Ｃ１の出力は、プラス入力端に抵抗Ｒ３
を通してフィードバックされているため、オペアンプＩ
ＣＩは比較回路として動作する。即ちプラス側入力とマ
イナス側入力とのレベルが比較され、大きいレベルの方
が出力される。波形制御回路１０の動作内容について、
さらにくわしく説明する。第８図（ａ）は基準波形であ
り、オペアンプＩＣＩのマイナス入力端に入力される電
圧波形である。短絡期間の電圧波形は関数発生器１４の
出力であり、アーク期間の直流電圧は直流電圧出力回路
１５の出力である。第８図（ｂ）は溶接電流波形である
。第８図（ａ）の基準波形と第８図（ｂ）の溶接電流波
形とを重ね合わせると、第８図（Ｃ）の様になる。アー
ク期間中は、基準波形の方が溶接電流波形よりも高めの
電圧になるように直流電圧出力回路１５の出力は調整さ
れている。このため、オペアンプＩＣ１のおいて、マイ
ナス側の電圧がプラス側の電圧より勝って、オペアンプ
ＩＣ１の出力はローレベルとなる。比較回路１７の出力
は、パルス幅変調回路７の入力端７ａに入力され、パル
ス幅変調回路７の出力をオン・オフする制御信号として
働く。入力端７ａの入力がローレベルの場合、パルス幅
変調回路７の出力は、入力端７ｂへのリモコン信号によ
って定まる。即ち、アーク期間中は、パルス幅変調回路
７はリモコン出力で定められるように出力が設定され、
波形制御回路１０の出力には影響されない。

次に短絡時の場合について説明する。第９図（Ｂ）は第
８図の（ｄ）部の拡大図である。第９図において、■は
パワートランジスタ０１〜Ｑ４の発振周期である。短絡
時の場合、溶接電流は、リアクター１２などの特性によ
って定まるカーブで第９図（Ｂ）の実ｍ＜イ）のように
増大する。パワートランジスタ０１〜Ｑ４の発振周期に
同期した例えばａ点で、溶接電流と実線（ロ）で示す基
準波形との比較が成される。ａ点においては、溶接電流
は基準波形よりも大きい。即ちオペアンプＩＣＩの出力
はハイレベルとなり、パルス幅調整回路７の出力をオフ
する。このため、パワートランジスタ０１〜Ｑ４は発振
が止まり、出力が抑制されて、ａ点→ｂ点のように電流
の増大は生じない。ｂ点においては、溶接電流は基準波
形よりも小さく、オペアンプＩＣＩの出力はローレベル
となり、パルス幅変調回路７は、リモコン２によって定
められた出力となる。このため短絡電流は溶接電流と同
じように増大する。このようにして溶接短絡電流は、発
振周期ごとに基準波形と比較され、増大する。即ち、溶
接短絡電流の立ち上がり特性は、基準波形によって定ま
る。以上が従来用いられてきた短絡時の溶接電流の立ち
上り制御の具体例である。この波形制御によれば、イン
バータの発振周波数が高いため、短絡電流の立ち上り特
性をきめ細かく制御できる。特に短絡時のピーク電流値
を抑制することにより、溶接リアクトルのインダクタン
ス量を増大させないで、スパッタを抑制できる利点があ
る。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、従来のこの種のピーク溶接電流値の抑制
レベルは、平均溶接電流値や溶接電圧値に関係なく一定
であったため、溶接条件によっては、スパッタの抑制量
が充分でなかつたり、あるいは溶接アークがはじき易く
なるなどの問題点を有していることが判明した。

問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するため、本発明の消耗電極式アーク
溶接機は、少なくとも１個の制御素子からなる溶接出力
供給手段と、出力状態がアーク状態であるか短絡状態で
あるかを検知する状態検知手段と、この状態検知手段に
より検知された出力状態がアーク状態より短絡状態に変
化した後の短絡電流の立ち上がりが予じめ設定されたト
レースカーブに沿って増大するように前記溶接出力供給
手段の制御素子の導通位相を制御する溶接出力制御手段
とを備え、短絡時のピーク溶接電流値を抑制するように
前記トレースカーブの特性を定め、かつ前記ピーク溶接
電流値を抑制するピーク抑制レベルを、グロビユール移
行領域で最も大きな値に、短絡移行領域およびスプレー
移行領域で小さな値に設定したものである。

作用 上記構成によれば、平均溶接電流値に応じたピーク抑制
レベルの異なる波形制御を短絡発生時に加えることがで
きるので、スパッタの発生量を大きく抑制できると同時
に、従来この種の波形制御を加えた場合に問題であった
溶接アークのはじき・　易さについても解決できる。

実施例 以下、本発明の一実施例を第１図〜第３図に基づいて説
明する。

第３図は溶接電流波形とワイヤ溶融塊移行状態との関係
を示すものである。第３図において、（ａ）は溶接ワイ
ヤが被溶接物（溶融プール）に短絡する寸前の状態、（
ｂ）は溶接ワイヤ先端が溶融プールに接触した直後の状
態であり、この時点から実Ｍｌ（ハ）で示す溶接電流波
形の区間Ω１のカーブに沿って短絡電流が増大し、区間
Ｑ２のカーブにおいては、ピーク値が抑制されて一定短
絡電流のままで溶接ワイヤを溶融させ、（Ｃ）の状態、
即ち溶接ワイヤが短絡状態から開放される直前の状態ま
で溶融が進行した後、（ｄ）の状態で溶接ワイヤが短絡
状態から開放されてアークに移行する。

平均溶接電流が２００Ａから３００Ａ程度のいわゆる中
電流領域において、即ち、溶融金属が大きな溶融塊とな
って母材に移行するいわゆるグロごュール移行領域にお
いては、溶接ワイヤの溶融塊が溶接電流に起因するアー
ク力によって大きく成長して、溶融塊移行がスムースに
行なわれにくい。このような領域においては、ピーク抑
制レベルを大きくして、短絡電流値を小さな値に抑制す
ると、アーク力が減少して、溶融塊移行がスムースとな
り、スパッタが低下する。しかしながら、２００Ａまで
の小電流領域、即ち短絡移行領域においては、短絡電流
を増大させて、即ちピーク抑制レベルを小さくして、短
絡期間の短い間にアークに移行させて行う方式の場合に
、むしろスパッタが減少し、且つアークがはじきにくく
なることが判明した。

これは、ピーク抑制レベルを大きくすると、短い短絡期
間では充分なワイヤ溶融エネルギーを得られないため、
アークになりにくくなってはじき易くなり、また短絡期
間が長くなって１回の短絡時の溶融金属量が増大してア
ークが不安定になり、その結果としてスパッタが増大す
るからである。

また、３ＧＯＡを越える大電流領域、即ちスプレー移行
領域においては、類Ｎ電流を増大させて、即ちピーク抑
制レベルを小さくして、むしろスプレー化を促進ぜしめ
る方式のとき、スパッタは減少することが判明した。こ
れは、ピーク抑制レベルを大きくすると、短絡ピーク電
流の増大が抑制されるために、溶融金属がスプレーにな
りにくくなり、結果としてアークが不安定となって、む
しろスパッタは増大するためである。以上の結果をまと
めて、平均溶接電流値と最適なピーク抑制レベルとの関
係を第１図（Ａ）に示す。

第１図（Ｂ）は、溶接ワイヤ径が１．２ｓで平均溶接電
流が２５０Ａの場合の溶接電圧と最適なピーク抑制レベ
ルとの関係の説明図である。平均溶接電流が２５０Ａの
場合の最適な溶接電圧は、はぼ２７Ｖであるが、この最
適な溶接電圧値より低い電圧値のアークの場合、抑制レ
ベルを小さくすると、むしろはじきにくくなり、スパッ
タも減少することが判明した。これは、溶接電圧値が低
くなると、溶接ワイヤ溶融のためのエネルギーが低下し
、さらに短絡電流値を抑制するとアークに移行しにくく
なるためである。したがって、低い溶接アーク電圧値の
場合は、むしろ抑制レベルを小さくする方が、スパッタ
の少ない、はじきにくい安定したアークを得ることがで
きる。

第２図は、以上説明したような平均溶接電流値および溶
接電圧値によって異るピーク抑制レベルを有する短絡期
間中の基準波形を得るための関数発生器の回路ブロック
図で、２１は記憶装置、２２はマイクロコンピュータ、
２３はインターフェース、２４、２５はＡ／Ｄコンバー
タ、２６はＤ／Ａコンバータであり、これらにより関数
発生器２７が構成されている。２８は短絡検出回路、２
９は溶接電流リモコン、３０は溶接電圧リモコン、３１
は基準波形である。

マイクロコンピュータ２２に対する情報を伝達するため
のインターフェース２３には、短絡状態かアーク発生状
態かによってレベルの異なる短絡検出回路２８の信号が
入力される。また平均溶接電流値を定める溶接電流リモ
コン２９のアナログ電圧値が、Ａ１０コンバータ２４に
よってデジタル信号化されてインターフェース２３に入
力される。また溶接電圧値を定める溶接電圧リモコン３
０のアナログ電圧値が、Ａ／Ｄコンバータ２５によって
デジタル信号化されてインターフェース２３に入力され
る。マイクロコンピュータ２２は、短絡検出回路２８の
信号によって短絡状態であると判断した時、インターフ
ェース２３及びＤ／Ａコンバータ２６を通して基準波形
３１を出力する。この基準波形３１は、記憶＠Ｉｔ２１
のテーブル値によって定まる。記憶装置２１には、短絡
ピーク電流抑制レベルの異なる基準波形が格納されてい
て、テーブル番号がつけられている。マイクロコンピュ
ータ２２が、記憶装置１！２１のテーブルに格納された
データのうち、どのデータを索引するかは、溶接電流リ
モコン２９からの指示および溶接電圧リモコン３０から
の指示によって決定される。即ち、溶接電流リモコン２
９のアナログ値はＡ／Ｄコンバータ２４によってデジタ
ル信号化されてマイクロコンピュータ２２に読み取られ
、さらに溶接電圧リモコン３０のアナログ値は＾／ロコ
ンバータ２５によってデジタル信号化されてマイクロコ
ンピュータ２２に読み取られ、マイクロコンピュータ２
２は、この２つのデジタル信号によって記憶装置２１の
テーブル番号を指定する。また、溶接電流リモコン２９
の出力が中電流領域、即ちグロビユール移行を示す時に
は、短絡ピーク電流抑制レベルめ高い基準波形を索引し
、また溶接電圧値が平均溶接電流値に最適な溶接電圧値
と比較して同等あるいはそれ以上大きい場合には、短絡
ピーク電流抑制レベルの高い基準波形を索引するように
ソフト上構成されている。

このように、平均溶接電流値および溶接電圧値に応じた
ピーク抑制レベルの興なる波形制御を短絡発生時に加え
るようにしたので、スパッタの発生量を大きく抑制でき
ると同時に、従来この種の波形制御を加えた場合に問題
であった溶接アークのはじき易さについても解決するこ
とが出来る。

この結果、スパッタを大幅に低減でき、且つ全電流域お
よび電圧域にわたって、はじきにくい溶接アークが得ら
れ、作業性が大幅に向上する。

発明の効果 以上述べたごとく本発明によれば、平均溶接電流値に応
じたピーク抑制レベルの異なる波形ｌＩＩ１１１１１を
短絡発生時に加えることができるので、スパッタの発生
量を大きく抑制し、且つ、従来この種の波形制御を加え
た場合に問題であった溶接アークのはじき易さについて
も解決することができる。

この結果、スパッタを大幅に低減でき、且つ全電流域に
わたってはじきにくい溶接アークが得られ、作業性を大
幅に向上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（＾）は本発明の一実施例における消耗電極式ア
ーク溶接機の平均溶接電流値と最適ピーク抑制レベルと
の関係の説明図、同図（Ｂ＞は同消耗電極式アーク溶接
機の溶接電圧値と最適ピーク抑制レベルとの関係の説明
図、第２図は同消耗電極式アーク溶接機における関数発
生器の回路ブロック図、第３図は同消耗電極式アーク溶
接機の溶接電流波形とワイヤ溶融塊移行状態との関係の
説明図、第４図は従来の消耗電極式アーク溶接機の回路
ブロック図、第５図は同消耗電極式アーク溶接機におけ
る直流→交流変換の４説明図、第６図は同消耗電極式ア
ーク溶接機における主トランスの出力側の各部信号波形
図、第７図は同消耗電極式アーク溶接機における波形制
御回路の回路７０７９図、第８図は第７図に示す波形制
御回路の各部信号波形図、第９図は第７図に示す波形制
御回路における比較回路の動作説明図である。 ２１・・・記憶＠置、２２・・・マイクロコンピュータ
、２３・・・インターフェース、２７・・・関数発生器
、２８・・・短絡検出回路、０１〜Ｑ４・・・パワート
ランジスタ代理人　　　森　　本　　義　　弘 第１図 イ４ン （Ｂン 蟲埠ｌ！几 第３図 第４図 ！ 夕／″Ｊ◆　−一−ノぐワー→・ランジスタ第５図 Ｉ−Ｔ六 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくとも１個の制御素子からなる溶接出力供給手
   段と、出力状態がアーク状態であるか短絡状態であるか
   を検知する状態検知手段と、この状態検知手段により検
   知された出力状態がアーク状態より短絡状態に変化した
   後の短絡電流の立ち上がりが予じめ設定されたトレース
   カーブに沿って増大するように前記溶接出力供給手段の
   制御素子の導通位相を制御する溶接出力制御手段とを備
   え、短絡時のピーク溶接電流値を抑制するように前記ト
   レースカーブの特性を定め、かつ前記ピーク溶接電流値
   を抑制するピーク抑制レベルを、グロビユール移行領域
   で最も大きな値に、短絡移行領域およびスプレー移行領
   域で小さな値に設定した消耗電極式アーク溶接機。 ２、ピーク抑制レベルは、溶接電圧値が平均溶接電流値
   に最適な溶接電圧値と比較して低い場合に、小さな値に
   設定した特許請求の範囲第１項記載の消耗電極式アーク
   溶接機。