JPS6365429B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は溶接電源出力制御装置に関するもの
で、その目的とするところはCO₂溶接、MIG溶接
に代表される消耗電極アーク溶接装置の出力制御
装置において、短絡時の出力制御を電気的に行な
うことにより適正な溶接作業状態を容易に選択で
き、作業能率を向上することのできる装置を得よ
うとするものである。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
は出力制御に制御整流素子（以下サイリスタと記
す）を用いる場合が多い。又、出力制御方式とし
て、出力信号電圧を帰還制御し定電圧特性を得る
場合と、単に出力電圧値を指定制御する場合があ
る。しかしながらアーク溶接の場合、負荷状態は
短絡とアークを繰りかえし行うため短絡時におけ
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。このため通常は溶接
出力回路中にインダクタンスを設け、短絡特性の
調整を行なうことにより作業性の改善をはかつて
いる。しかし、実際の溶接時は採用する溶接電
流、溶接速度、溶接姿勢などにより最適なインダ
クタンス量が異なるが、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、重量が重
く高価になるために実際上インダクタンス量の調
整ができないためである。

第１図は一般的な溶接用電源装置の全体構成の
一例を示したものである。T₁は一次巻線と二次
巻線とを有する主変圧器で、二次側は二重星型結
線とされ各星型結線間に相間リアクトルL₁が配
置されている。SCR₁〜SCR₆は制御整流素子（サ
イリスタ）、G₁〜G₆はそれぞれサイリスタSCR₁
〜SCR₆のゲート、K₁〜K₆はサイリスタSCR₁〜
SCR₆のカソード、L₁は相間リアクトル、L₂はリ
アクトル、１は消耗電極、２は被溶接母材、３は
アークである。現在サイリスタを用いた溶接電源
装置は通常200Vの三相交流を入力とし、主変圧
器T₁を介しての直流出力回路には、溶接中に起
こる消耗電極１と被溶接母材２の短絡に際し適当
な電流立上がりを設定できるリアクトルL₂を配
置している。第１図においてサイリスタのゲート
回路はK₁―G₁とK₄―G₄、K₂―G₂とK₅―G₅、K₃
―G₃とK₆―G₆を組とする位相の異なつた三種類
が必要である。

従来のこのようなサイリスタ式電源において、
ゲート回路構成としては、各サイリスタを定位相
で動作させ平均出力制御を行なうオープンループ
制御と、溶接中の出力電圧を帰還して設定した平
均出力を得るための制御を行なうフイードバツク
制御が行なわれているが、通常このような制御は
系の安定性を確保するため制御応答時間を大体
6msec以下にすることは不可能であつた。しかし
ながら溶接時における短絡時間は大体３〜
15msecが適当であるため、短絡時の電流立上が
り抑制用として直流側に調整困難なリアクトルを
必要としていた。即ち、このようにリアクトルを
用いて短絡時の溶接電流の立上がりを調整する方
式においては、前述のように溶接電流や溶接速
度、溶接姿勢などにより最適な値に調整すること
は極めて困難であつた。

本発明は出力状態が短絡時か、アーク時かを区
別し、溶接作業に重要な影響を与える短絡時、及
びアーク発生時のそれぞれに適した出力制御をを
電気的に行なうことにより短絡特性を調整し適正
な溶接作業状態を簡単に得ようとしたもので、以
下実施例として示した図面に従つてその構成を説
明する。第２図は溶接電源出力制御装置の制御部
回路の一例を示したもので、SCRは主回路部に
配置されたサイリスタ群、１は消耗電極、２は被
溶接母材、３はアーク、４は溶接電源出力端がア
ークか短絡かを検出する出力状態検出回路、５は
平均出力制御回路、６は短絡及びアーク特性改善
回路、７はサイリスタに制御信号を送るゲート回
路、８は消耗電極１の通電部と溶接母材２間の電
圧に比例した電圧信号を発生するアーク電圧検出
回路である。上記構成において、検出回路４によ
つて出力状態がアーク時か短絡時かを検出し、そ
の結果が短絡及びアーク特性改善回路６に入力さ
れる。また、アーク電圧検出回路６により消耗電
極１の通電部と溶接母材間の電圧が検出され、そ
の結果が特性改善回路６に入力される。特性改善
回路６は検出回路４から入力される信号により出
力状態がアーク時から短絡時に移行したことが検
出された時に、アーク電圧検出回路８から入力さ
れる信号に対応して出力低下量を決定するサイリ
スタの導通期間αを決定するとともに、このαを
時間の経過につれて小さくするように制御して出
力する。ゲート回路７は特性改善回路６の出力お
よび平均出力制御回路５の出力に従つてサイリス
タSCRを制御する。また、特性改善回路６は検
出回路４から入力される信号により出力状態が短
絡時かアーク時へ移行したことが検出された時
に、アーク電圧検出回路４から入力される信号に
対応して出力増加量を決定するサイリスタの導通
期間βを決定するとともに、こβを時間の経過に
つれて小さくするように制御して出力する。すな
わち出力状態が短絡時か、アーク時かを検出回路
４によつて検出し、短絡時には短絡後ただちに設
定された平均出力（溶接電流に適合した溶接電
圧）よりも出力を低下させる。この出力低下量は
サイリスタの導通期間αである。この後短絡期間
中徐々に平均設定出力に向つて出力を増大させる
制御を行なう。即ち短絡時の出力低下量導通期間
α及びその後の出力増加度合により短絡時の出力
電流を適正に制御するものである。

次にアーク時には、アーク発生後ただちに設定
された平均出力より出力を増大させる。この出力
増加量はサイリスタの導通期間βである。その後
アーク発生期間中徐々に平均設定出力に向つて出
力を減少させる制御を行なう。即ちアーク発生時
の出力増加量、導通期間β及びその後の出力減少
度合によりアーク時の出力電流を適正に制御する
ものである。アーク電圧検出回路８の溶接電圧信
号は消耗電極１の通電部と溶接母材２間の距離の
増大にともなつてほぼ比例的に増大するととも
に、溶接条件が同一、かつ消耗電極１の通電部と
溶接母材２間の距離が同一であれば、出力状態が
短絡状態の場合もアーク状態の場合も消耗電極１
の通電部と溶接母材２間の電圧はほぼ同一であ
り、その出力は短絡及びアーク特性改善回路６に
接続され、前記電極１通電部と母材２間の距離の
大きさによつて短絡後の出力低下量（サイリスタ
の導通期間α）及びアーク発生後の出力増加量
（サイリスタの導通期間β）の値を自動的に制御
することができる。出力状態が短絡時であるか、
アーク発生時であるかによつて変化するサイリス
タの点弧位相の変化状態を第３図によつて説明す
る。

第３図においてａは短絡期間、ｂはアーク発生
期間、θは溶接出力に応じた基準導通期間Ｔを与
える点弧位相を示す。時限t₁について短絡が開始
されたとすると、サイリスタの点弧位相を導通期
間αだけ遅らせて点弧位相をθ₁にし、その後短絡
期間中は点弧位相をθ位相に向けて徐々に進める
（第３図Ａ線）。このようにして短絡後の出力を減
少させ溶接電流の立上がりを抑える。次にアーク
が発生した時限t₂においてはサイリスタの点弧位
相をθ位相よりβだけ進めてθ₂とし、その後徐々
に第３図Ｂ線に添つてサイリスタの点弧位相をθ
位相に近づけることによりアーク発生後の出力を
増大させ溶接アークを維持する。

上記のように短絡直後の出力増加量を抑える方
式の場合、短絡が良好に開放されないことがあ
り、極端な場合にはハジキが生じることがある。
なお、ハジキとは短絡からアークへ移行せずに、
ワイヤーが溶融飛散してしまうことをいう。これ
は短絡直後の出力抑制量に適正値が存在すること
を示しており、この適正値は溶接トーチの消耗電
極通電部と溶接母材金属との距離によつて変化す
る。詳細な実験結果によれば、消耗電極通電部と
溶接母材との距離が大きくなるに従つて短絡時の
抑制量（即ちα）の値を小さくすることが溶接特
性上好ましいことが判明した。このような電極通
電部と母材間の距離による影響はトーチを手で保
持して溶接を行なうため手のふれによつて前記距
離が変化する、いわゆる半自動溶接において影響
が大きく溶接アークがハジキを生ずることがあ
る。

このような消耗電極通電部と溶接母材間の距離
ｌの変動による溶接アークの不安定さを防ぐため
に、短絡直後の出力抑制量（導通期間α）を前記
の距離ｌに応じて変化させ良好な溶接アークを維
持する場合の変化制御量について説明する。

第４図は消耗電極通電部と溶接母材間の距離ｌ
の値と短絡時の適正抑制量（導通期間α）との関
係を示している。溶接出力電流値に相当した通電
部と母材間の標準距離l₁における適正抑制量（導
通期間α）の値は、距離ｌの増大にともない小さ
い値となる。又短絡時の適正抑制量の変化にとも
ないアーク時の適正キツク量（即ち導通期間β）
も異なり、抑制量αの減少と同時にキツク量βも
減少するように制御される。

なお消耗電極通電部と溶接母材の距離ｌが大き
くなるに従つて短絡時の抑制量αの値を小さく
し、それに伴ないアーク発生時のキツク量βの値
を小さくすると溶接アークが安定してハジキが生
じにくいことが実験結果により確認された。

すなわち、第５図は抑制量αの値をα₁，α₂，α₃
（第４図のようにα₁＞α₂＞α₃）に設定し、キツク
量βの値をβ₁，β₂，β₃（第４図のようにβ₁＞β₂＞
β₃）に設定し、電極と母材間の距離ｌを変えた時
のハジキの確率を示し、距離ｌをl₁からl₂まで変
化させた時、抑制量がα₁、キツク量がβ₁であれば
100回の電極母材間距離変化に対し13回のハジキ
が発生（ハジキ確率13％）し、抑制量α₂、キツク
量β₂であればハジキは生じなかつた。

なお、上記実験において、l₁は15mm、l₂は18mm、
l₃は22mmとし、α₁＝18゜、α₂＝10゜、α₃＝2゜、β₁
＝
18゜、β₂＝9゜、β₂＝1゜とした。また、実験条件は、
溶接電流120A、溶接電圧19V、直径1.2mmの通常
のソリツドワイヤ、シールドガスはCO₂ガスとし
た。

上記のような距離ｌの長さに応じて短絡後の抑
制量（導通期間α）及びアーク発生後のキツク量
（導通期間β）の値は、距離ｌとほぼ直線的な関
係を有する溶接電圧信号によつて自動的に制御さ
れ安定した溶接アークを維持することができる。

本発明は上記のように構成及び作用を有し、短
絡時には積極的に溶接出力の増大を抑制し、一方
アーク発生時には溶接出力を増大させて溶接アー
クを維持する制御を加え、主サイリスタの点弧位
相を制御し溶接電源の動的特性を最適値にするこ
とにより、溶接アークによる溶接特性は大幅に改
善でき、しかも短絡後の出力低下量及びアーク発
生後の出力増加量の値は消耗電極通電部と溶接母
材との距離に応じて変えることにより、制御を自
動的に行なうことができる。シールドガスとして
CO₂を用いるCOO₂溶接法においては消耗電極が
母材金属との短絡を繰返すことにより消耗電極が
溶融して母材金属に移行する、いわゆる短絡移行
と消耗電極が溶融状態となつて母材金属に移行す
る、いわゆるグロビユール移行とが不安定に入り
交つた中電流領域において特にその効果は顕著で
あり、溶接ビートの縁部は大幅に改善され、コー
ルドラツプやヒゲのない良好な溶接ビードを得る
ことができ、且つ溶接スパツタも極めて少ない。
従つて極めて良好な溶接状態を得ることができ作
業能率を向上できる等の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は溶接用電源装置の一例を示した回路
図、第２図は本願発明による溶接電源出力制御装
置の一実施例を示したブロツク図、第３図は本願
発明装置におけるアーク発生時、及び短絡時の点
弧位相の変化状態図、第４図は本願発明装置にお
ける消耗電極通電部と溶接母材の距離ｌの値と、
短絡時の抑制量（導通期間α）及びアーク時のキ
ツク量（導通期間β）との関係を示す図、第５図
は電極母材間距離とハジキ確率の関係を示す特性
図である。 １……消耗電極、２……被溶接母材、４……出
力状態検出回路、５……平均出力制御回路、６…
…短絡及びアーク特性改善回路、８……アーク電
圧検出回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 消耗電極を用い、出力制御手段として複数個
   の制御整流素子を用いたアーク溶接装置におい
   て、溶接出力状態がアーク状態か短絡状態かを検
   知する出力状態検出回路と、溶接出力に応じて前
   記制御整流素子の基準導通期間Ｔを与える平均出
   力制御回路と、短絡発生直後に前記制御整流素子
   の導通期間を前記基準導通期間Ｔよりαだけ短か
   くし、短絡が発生してから時間の経過とともに前
   記導通期間を徐々に前記基準導通期間Ｔに近づけ
   る短絡特性改善回路と、アーク発生直後に前記導
   通期間を前記基準導通期間Ｔよりβだけ長くし、
   アークが発生してから時間の経過とともに前記導
   通期間を徐々に前記基準導通期間Ｔに近づけるア
   ーク特性改善回路と、アーク電圧検出回路によつ
   て検出された電圧値の増大にともない前記αの値
   を小さく制御する適正抑制量制御回路および前記
   βの値を小さく制御するキツク電圧制御回路とを
   備えてなる溶接用電源出力制御装置。