パルスアーク溶接の出力制御方法
【課題】ピーク期間中のピーク電流の通電とベース期間中のベース電流の通電とを１パルス周期として繰り返すパルスアーク溶接にあって、短絡が発生しても所望の溶接電源の外部特性を形成すること。
【解決手段】本発明は、傾きＫｓ、溶接電流基準値Ｉｓ及び溶接電圧基準値Ｖｓによって外部特性を設定し、溶接電圧ｖｏ及び溶接電流ｉｏを検出し、第ｎ回目のパルス周期の開始時点から積分値Ｓvb＝∫（Ｋｓ・ｉｏ−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｏ）・ｄｔを演算し、ピーク期間に続くベース期間中の積分値Ｓvbが零以上になった時点で第ｎ回目のパルス周期を終了することによって外部特性を形成するパルスアーク溶接の出力制御方法において、短絡期間中の積分値Ｓvbの演算には、短絡解除電流が重畳しない溶接電流ｉｈ及びアークが発生しているとしたときの溶接電圧ｖｈを使用する。
【解決手段】本発明は、傾きＫｓ、溶接電流基準値Ｉｓ及び溶接電圧基準値Ｖｓによって外部特性を設定し、溶接電圧ｖｏ及び溶接電流ｉｏを検出し、第ｎ回目のパルス周期の開始時点から積分値Ｓvb＝∫（Ｋｓ・ｉｏ−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｏ）・ｄｔを演算し、ピーク期間に続くベース期間中の積分値Ｓvbが零以上になった時点で第ｎ回目のパルス周期を終了することによって外部特性を形成するパルスアーク溶接の出力制御方法において、短絡期間中の積分値Ｓvbの演算には、短絡解除電流が重畳しない溶接電流ｉｈ及びアークが発生しているとしたときの溶接電圧ｖｈを使用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所望の傾きＫｓを有する溶接電源の外部特性を形成するためのパルスアーク溶接の出力制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
消耗電極パルスアーク溶接では、美しいビード外観、均一な溶込み深さ等の溶接品質を良好にするために、溶接中のアーク長を適正値に維持することが極めて重要である。一般的に、アーク長は溶接ワイヤの送給速度とアーク入熱による溶融速度とのバランスによって決まる。したがって、溶接電流の平均値に略比例する溶融速度が送給速度と等しくなるとアーク長は常に一定となる。しかし、送給モータの回転速度の変動、溶接トーチケーブルの引き回しによる送給経路の摩擦力の変動等によって、溶接中の送給速度が変動する。このために、溶融速度とのバランスが崩れてアーク長が変化することになる。さらには、溶接作業者の手振れ等による給電チップ・母材間距離の変動、溶融池の不規則な振動等によっても、アーク長は変動する。したがって、これらの種々の変動要因（以下、外乱という）によるアーク長の変動を抑制するためには、外乱に応じて常に溶融速度を調整してアーク長の変化を抑制するアーク長制御が必要となる。
【０００３】
消耗電極パルスアーク溶接を含む消耗電極ガスシールドアーク溶接において、上述した種々の外乱に起因するアーク長の変動を抑制する方法として、溶接電源の外部特性を所望値に出力制御する方法が慣用されている。この外部特性の例を図６に示す。同図の横軸は溶接ワイヤを通電する溶接電流の平均値Ｉｗであり、縦軸は溶接ワイヤと母材との間に印加する溶接電圧の平均値Ｖｗである。特性Ｌ１は、傾きＫｓ＝０V/Aの完全な定電圧特性の場合である。また、特性Ｌ２は、傾きＫｓ＝−０．１V/Aと右下がりの傾きを有する定電圧特性の場合である。外部特性は直線として表わすことができるので、溶接電流基準値Ｉｓと溶接電圧基準値Ｖｓとの交点Ｐ０を通り傾きがＫｓである外部特性は下式で表わされる。
Ｖｗ＝Ｋｓ・（Ｉｗ−Ｉｓ）＋Ｖｓ ……（１）式
【０００４】
ところで、溶接電源の外部特性の傾きＫｓによってアーク長制御の安定性（自己制御作用と呼ばれる）が大きく影響されることが従来から知られている。すなわち、外乱に対してアーク長を安定化するためには、溶接法を含む溶接条件に応じて外部特性の傾きＫｓを適正値に制御する必要がある。例えば、傾きＫｓの適正値は、炭酸ガスアーク溶接法では０〜−０．０３V/A程度の範囲であり、パルスアーク溶接法では−０．０５〜−０．３V/A程度の範囲である。したがって、本発明の対象であるパルスアーク溶接法においては、アーク長制御を安定化するためには、同図に示す特性Ｌ１ではなく−０．０５〜−０．３V/A程度の範囲内で予め定めた傾きＫｓを有する特性Ｌ２等を形成する必要がある。以下、パルスアーク溶接において所望の傾きＫｓを有する外部特性を形成する従来技術について説明する。
【０００５】
図７は、パルスアーク溶接の電流・電圧波形図である。同図（Ａ）は溶接電流（瞬時値）ｉｏの、同図（Ｂ）は溶接電圧（瞬時値）ｖｏの波形図である。以下，同図を参照して説明する。
【０００６】
（１）時刻ｔ１〜ｔ２のピーク期間Ｔｐ
予め定めたピーク期間Ｔｐ中は、同図（Ａ）に示すように、溶接ワイヤを溶滴移行させるために大電流値の予め定めたピーク電流Ｉｐを通電し、同図（Ｂ）に示すように、この期間中のアーク長に略比例したピーク電圧Ｖｐが印加する。
【０００７】
（２）時刻ｔ２〜ｔ３のベース期間Ｔｂ
後述する溶接電源の出力制御によって定まるベース期間Ｔｂ中は、同図（Ａ）に示すように、溶接ワイヤ先端の溶滴を成長させないために小電流値の予め定めたベース電流Ｉｂを通電し、同図（Ｂ）に示すように、この期間中のアーク長に略比例したベース電圧Ｖｂが印加する。
【０００８】
上記のピーク期間Ｔｐ及びベース期間Ｔｂからなる時刻ｔ１〜ｔ３の期間を１パルス周期Ｔpbとして繰り返して溶接を行う。同図（Ａ）に示すように、このパルス周期Ｔpbごとの溶接電流の平均値がＩｗとなり、同様に同図（Ｂ）に示すように、このパルス周期Ｔpbごとの溶接電圧の平均値がＶｗとなる。溶接電源の外部特性を形成するための出力制御は、パルス周期Ｔpbの時間長さを操作量としてフィードバック制御することで行われる。すなわち、ピーク期間Ｔｐを一定値としてパルス周期Ｔpbを増減させることによって出力制御を行う。
【０００９】
図８に示すように、時刻ｔ(n)〜ｔ(n+1)の第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)の溶接電流平均値がＩｗ(n)となり、溶接電圧平均値がＶｗ(n)となる。上述した図６において、これらＩｗ(n)とＶｗ(n)との交点（動作点）Ｐ１が、設定された特性Ｌ２上に乗るように出力制御される。以下、所望の傾きＫｓを有する外部特性を形成するための溶接電源の出力制御方法について説明する。
【００１０】
図７で上述したパルスアーク溶接の波形図を参照して、従来技術の外部特性形成方法を説明する。形成すべき目標の外部特性は、上述した（１）式の外部特性である。第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)における溶接電流平均値Ｉｗ及び溶接電圧平均値Ｖｗは下式で表わすことができる。
Ｉｗ＝（１／Ｔpb(n)）・∫ｉｏ・ｄｔ ……（２）式
Ｖｗ＝（１／Ｔpb(n)）・∫ｖｏ・ｄｔ ……（３）式
但し、積分は第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)の間行う。
【００１１】
これら（２）式及び（３）式を上記の（１）式に代入して整理すると下式となる。
∫（Ｋｓ・ｉｏ−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｏ）・ｄｔ＝０ ……（４）式
但し、積分は第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)の間行い、上述したように、Ｋｓは外部特性の傾きであり、Ｉｓは溶接電流基準値であり、Ｖｓは溶接電圧基準値である。
【００１２】
したがって、第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)が終了した時点においては上記（４）式が成立することになる。ここで、上記（４）式の左辺を積分値Ｓvbとして定義すると下式となる。
Ｓvb＝∫（Ｋｓ・ｉｏ−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｏ）・ｄｔ ……（５）式
【００１３】
第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)が開始した時点から上記（５）式の積分値Ｓvbの演算を開始する。第ｎ回目の予め定めたピーク期間が終了して第ｎ回目のベース期間中に上記の積分値Ｓvb＝０（又はＳvb≧０）となった時点で第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)を終了する。この動作を繰り返すことによって、上記（１）式の外部特性を形成することができる。
【００１４】
上述した従来技術の外部特性形成方法を以下に整理して記載する。
（１）傾きＫｓ、溶接電流基準値Ｉｓ及び溶接電圧基準値Ｖｓによって目標の溶接電源の外部特性を予め設定する。
（２）溶接中の溶接電圧ｖｏ及び溶接電流ｉｏを検出する。
（３）第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)の開始時点から積分値Ｓvb＝∫（Ｋｓ・ｉｏ−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｏ）・ｄｔの演算を開始する。
（４）第ｎ回目の予め定めたピーク期間Ｔｐに続く第ｎ回目のベース期間Ｔｂ中の上記積分値Ｓvbが零以上（Ｓvb≧０）になった時点で第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)を終了する。
（５）続けて第ｎ＋１回目のパルス周期Ｔpb(n+1)を開始して、上記（３）〜（４）の動作を繰り返し行うことによって、所望の外部特性を形成する。
【００１５】
ととろで、溶接中に溶接ワイヤと母材とが短絡したときは、早期に短絡を解除してアークを再発生させるために、通常の溶接電流よりも大きな値の短絡解除電流ｉｃを重畳する（以下、短絡解除制御という）のが一般的である。以下、この短絡解除制御及び上述した外部特性形成方法を搭載した溶接電源について説明する。
【００１６】
図９は、上述した外部特性形成方法及び短絡解除制御を搭載した溶接電源のブロック図である。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。
【００１７】
電源主回路ＰＭは、３相２００Ｖ等の商用電源を入力として、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってインバータ制御、サイリスタ制御等の出力制御を行い、アーク溶接に適した溶接電流ｉｏ及び溶接電圧ｖｏを出力する。溶接ワイヤ１はワイヤ送給装置の送給ロール５の回転によって溶接トーチ４内を通って送給されて、母材２との間にアーク３が発生する。
【００１８】
電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流ｉｏを検出して、電流検出信号ｉｄを出力する。電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧ｖｏを検出して、電圧検出信号ｖｄを出力する。溶接電圧基準値設定回路ＶＳは、予め定めた溶接電圧基準値信号Ｖｓを出力する。溶接電流基準値設定回路ＩＳは、予め定めた溶接電流基準値信号Ｉｓを出力する。傾き設定回路ＫＳは、予め定めた傾き設定信号Ｋｓを出力する。積分値演算回路ＳＶＢは、電流検出信号ｉｄ、電圧検出信号ｖｄ、溶接電圧基準値信号Ｖｓ、溶接電流基準値信号Ｉｓ及び傾き設定信号Ｋｓを入力として、各パルス周期の開始時点から上記（５）式によって積分演算を行い積分値信号Ｓvbを出力する。比較回路ＣＭは、この積分値信号Ｓvbの値が零以上になった時点で短時間Ｈｉｇｈレベルになる比較信号Ｃｍを出力する。この比較信号Ｃｍの周期がパルス周期となる。タイマ回路ＭＭは、上記の比較信号ＣｍがＨｉｇｈレベルに変化した時点から予め定めたピーク期間設定値Ｔpsによって定まる期間だけＨｉｇｈレベルとなるタイマ信号Ｍｍを出力する。このタイマ信号ＭｍがＨｉｇｈレベルのときがピーク期間となり、Ｌｏｗレベルのときがベース期間となる。
【００１９】
ピーク電流設定回路ＩＰＳは、予め定めたピーク電流設定信号Ｉpsを出力する。ベース電流設定回路ＩＢＳは、予め定めたベース電流設定信号Ｉbsを出力する。切換回路ＳＷは、上記のタイマ信号ＭｍがＨｉｇｈレベルのときはａ側に切り換わり上記のピーク電流設定信号Ｉpsをパルス電流波形設定信号Ｉfsとして出力し、Ｌｏｗレベルのときはｂ側に切り換わり上記のベース電流設定信号Ｉbsをパルス電流波形設定信号Ｉfsとして出力する。
【００２０】
短絡判別回路ＣＤは、上記の電圧検出信号ｖｄを入力として、短絡を判別するとＨｉｇｈレベルとなる短絡判別信号Ｃｄを出力する。短絡解除電流設定回路ＩＣＳは、上記の短絡判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベル（短絡）のときのみ予め定めた短絡解除電流設定信号Ｉｃsを出力する。加算回路ＡＤは、上記のパルス電流波形設定信号Ｉfsと上記の短絡解除電流設定信号Ｉｃsとを加算して、電流加算設定信号Ｉasを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、この電流加算設定信号Ｉasと上記の電流検出信号ｉｄとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。これらのブロックによって、図７で上述したような溶接電流ｉｏが通電する。
【００２１】
図１０は、上述した溶接電源における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流ｉｏの、同図（Ｂ）は溶接電圧ｖｏの、同図（Ｃ）はパルス電流波形設定信号Ｉfsの、同図（Ｄ）は短絡解除電流設定信号Ｉｃsの時間変化を示す。第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)中は短絡は発生していない。このために、同図（Ｄ）に示すように、短絡解除電流設定信号Ｉｃsは出力されない。また、同図（Ｃ）に示すように、パルス電流波形設定信号Ｉfsに相当する同図（Ａ）に示す溶接電流ｉｏが通電する。続いて、第ｎ＋１回目のパルス周期Ｔpb(n+1)において、短絡が短絡期間Ｔｃ中発生する。この短絡期間Ｔｃ中は、同図（Ｄ）に示すように、短絡解除電流設定信号Ｉｃsが出力される。このために、同図（Ａ）に示すように、短絡期間Ｔｃ中の短絡解除電流ｉｃは、同図（Ｃ）に示すパルス電流波形設定信号Ｉfsに同図（Ｄ）に示す短絡解除電流設定信号Ｉｃsが重畳した波形となる。また、短絡期間Ｔｃ中の溶接電圧ｖｏは低い値の短絡電圧値ｖｃとなる。第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)及び第ｎ＋１回目のパルス周期Ｔpb(n+1)中のそれぞれの溶接電流平均値と溶接電圧平均値との動作点は所望の外部特性上に乗る。上述した従来技術を記載した文献としては、特願2003-423185、特許文献１〜２等がある。
【００２２】
【特許文献１】特開２００２−３６１４１７号公報
【特許文献２】特開平２−２９０６７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
図１１は、図１０で上述した溶接電流ｉｏ及び溶接電圧ｖｏの波形の動作点と外部特性との関係図である。特性Ｌ２は、所望の傾きを有する外部特性である。第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)の溶接電流平均値Ｉｗ(n)と溶接電圧平均値Ｖｗ(n)との動作点Ｐ１は特性Ｌ２上にある。第ｎ＋１回目のパルス周期Ｔpb(n+1)の溶接電流平均値Ｉｗ(n+1)と溶接電圧平均値Ｖｗ(n+1)との動作点Ｐ２も同様に特性Ｌ２上にある。すなわち、動作点はＰ１→Ｐ２へと移動する。
【００２４】
このときに、上述した図１０の第ｎ＋１回目のパルス周期Ｔpb(n+1)において、短絡期間Ｔｃを除外してアークが発している期間のみの動作点はＰ３となる。これは、短絡解除電流ｉｃ分だけ溶接電流平均値が小さくなり、短絡電圧ｖｃ分だけ溶接電圧平均値が大きくなるためである。上述したように、アーク長制御を安定化して溶接品質を向上させるために、各パルス周期の動作点が外部特性上を移動するように出力制御している。パルス周期中に短絡が発生したときに、アーク長制御の安定化を図るためには、短絡期間を含む動作点ではなくアーク発生期間のみの動作点が外部特性上に存在する方が良い。しかし、従来技術の外部特性形成方法では、短絡期間も含めた動作点が外部特性上に存在し、アーク期間の動作点は外部特性上から外れてしまう。この結果，短絡が発生するとアーク長制御の安定性が溶接条件によっては低下するという課題があった。
【００２５】
そこで、本発明では、上記の課題を解決することができる外部特性形成方法に関するパルスアーク溶接の出力制御方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
上述した課題を解決するために、第１の発明は、予め定めたパルス電流波形設定値に基づいてピーク期間中のピーク電流の通電とベース期間中のベース電流の通電とを１パルス周期として繰り返すと共に、溶接ワイヤと母材との間に溶接電圧ｖｏを印加して溶接を行い、溶接ワイヤと母材とが短絡している期間中は短絡解除電流が重畳した溶接電流ｉｏを通電するパルスアーク溶接の出力制御方法であって、
傾きＫｓ及び溶接電流基準値Ｉｓ及び溶接電圧基準値Ｖｓによって溶接電源の外部特性を予め設定し、溶接中の前記溶接電圧ｖｏ及び前記溶接電流ｉｏを検出し、第ｎ回目のパルス周期の開始時点から積分値Ｓvb＝∫（Ｋｓ・ｉｏ−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｏ）・ｄｔを演算し、予め定めた前記ピーク期間に続く前記ベース期間中の前記積分値Ｓvbが零以上になった時点で前記第ｎ回目のパルス周期を終了し、続けて第ｎ＋１回目のパルス周期を開始することによって前記設定された外部特性を形成するパルスアーク溶接の出力制御方法において、
前記短絡期間中の前記積分値Ｓvbの演算に際しては、前記短絡解除電流が重畳しない溶接電流又はアークが発生しているとしたときの溶接電圧のどちらか一方又は両方を使用することを特徴とするパルスアーク溶接の出力制御方法である。
【００２７】
また、第２の発明は、前記積分値Ｓvbの演算に際しては、前記溶接電流ｉｏに代えて前記パルス電流波形設定値を使用することを特徴とするパルスアーク溶接の出力制御方法である。
【００２８】
また、第３の発明は、前記積分値Ｓvbの演算を前記短絡期間中は一時停止することを特徴とするパルスアーク溶接の出力制御方法である。
【発明の効果】
【００２９】
上記第１の発明によれば、短絡期間中は短絡解除電流が重畳しない溶接電流及び／又はアークが発生しているとしたときの溶接電圧を使用して積分値を演算して外部特性を形成する。このために、パルス周期中に短絡が発生してもアーク発生状態の動作点が所望の外部特性上に存在するので、アーク長制御の安定性が向上する。
【００３０】
また、上記第２の発明によれば、溶接電流に代えてパルス電流波形設定値を使用して積分値を演算して外部特性を形成する。このために、パルス周期中に短絡が発生してもアーク発生状態の動作点が所望の外部特性上に存在するので、アーク長制御の安定性が向上する。
【００３１】
また、上記第３の発明によれば、短絡期間中は積分値の演算を一時停止して外部特性を形成する。このために、パルス周期中に短絡が発生してもアーク発生状態の動作点が所望の外部特性上に存在するので、アーク長制御の安定性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００３３】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係るパルスアーク溶接の出力制御方法を示す波形図である。同図は上述した図１０に対応している。同図（Ａ）は溶接電流ｉｏの、同図（Ｂ）は溶接電圧ｖｏの、同図（Ｃ）はパルス電流波形設定信号Ｉfsの、同図（Ｄ）は短絡解除電流設定信号Ｉｃsの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００３４】
上述したように、傾きＫｓ、溶接電流基準値Ｉｓ及び溶接電圧基準値Ｖｓによって所望の溶接電源の外部特性を予め設定する。次に、溶接中の溶接電圧ｖｏ及び溶接電流ｉｏを検出する。そして、第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)の開始時点から上記（５）式の積分値Ｓvb＝∫（Ｋｓ・ｉｏ−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｏ）・ｄｔを演算し、予め定めたピーク期間に続くベース期間中の積分値Ｓvbが零以上になった時点で第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)を終了し、続けて第ｎ＋１回目のパルス周期Ｔpb(n+1)を開始することによって設定された外部特性を形成する。
【００３５】
第ｎ＋１回目のパルス周期Ｔpb(n+1)中に短絡が発生したときは以下のように処理する。積分値Ｓvbの演算において、短絡期間Ｔｃ中は、同図（Ａ）に示すように、短絡解除電流ｉｃが重畳した溶接電流ｉｏに代えて短絡解除電流ｉｃが重畳しない溶接電流ｉｈを使用する。この短絡解除電流が重畳しない溶接電流ｉｈは、短絡直前の溶接電流値であっても良い。また、短絡がベース期間に発生したときはベース電流の設定値であり、短絡がピーク期間に発生したときはピーク電流の設定値であっても良い。
【００３６】
同様に、積分値Ｓvbの演算において、同図（Ｂ）に示すように、短絡期間Ｔｃ中は短絡電圧値ｖｃに代えてアークが発生しているとしたときの溶接電圧ｖｈを使用する。このアークが発生しているとしたときの溶接電圧ｖｈは、短絡直前の溶接電圧値であっても良い。また、短絡がベース期間中であればベース電圧の平均値であり、短絡がピーク期間中であればピーク電圧の平均値であっても良い。
【００３７】
上記の演算を整理すると以下のようになる。
（１）時刻ｔ１〜ｔ２のアーク期間
積分値Ｓvb＝∫（Ｋｓ・ｉｏ−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｏ）・ｄｔ
（２）時刻ｔ２〜ｔ３の短絡期間Ｔｃ
積分値Ｓvb＝∫（Ｋｓ・ｉｈ−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｈ）・ｄｔ …（６）式
（３）時刻ｔ３〜ｔ４のアーク期間
積分値Ｓvb＝∫（Ｋｓ・ｉｏ−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｏ）・ｄｔ
【００３８】
上記（６）式においてはｉｏ→ｉｈ及びｖｏ→ｖｈに置換しているが、どちらか一方だけを置換しても良い。これは、溶接条件によっては短絡解除電流ｉｃが小さな値であるために置換しなくても外部特性に与える影響が小さい場合があるからである。溶接電圧の置換についても、溶接条件によっては短絡期間Ｔｃが短いために置換しなくても外部特性に与える影響が小さい場合があるからである。
【００３９】
図２は、上述したパルスアーク溶接の出力制御方法を実施するための溶接電源のブロック図である。同図において、上述した図９と同一のブロックには同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図９とは異なる点線で示すブロックについて同図を参照して説明する。
【００４０】
電圧検出切換回路ＶＥは、短絡判別信号ＣｄがＬｏｗレベル（アーク発生状態）のときは電圧検出信号ｖｄを電圧検出切換信号ｖｅとして出力し、Ｈｉｇｈレベル（短絡状態）のときは短絡直前の電圧検出信号の値ｖｈを電圧検出切換信号ｖｅとして出力する。電流検出切換回路ＩＥは、短絡判別信号ＣｄがＬｏｗレベル（アーク発生状態）のときは電流検出信号ｉｄを電流検出切換信号ｉｅとして出力し、Ｈｉｇｈレベル（短絡状態）のときは短絡直前の電流検出信号の値ｉｈを電流検出切換信号ｉｅとして出力する。第１積分値演算回路ＳＶＢ１は、電流検出切換信号ｉｅ、電圧検出切換信号ｖｅ、溶接電圧基準値信号Ｖｓ、溶接電流基準値信号Ｉｓ及び傾き設定信号Ｋｓを入力として、各パルス周期の開始時点から積分値信号Ｓvb＝∫（Ｋｓ・ｉｅ−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｅ）・ｄｔを演算して出力する。
【００４１】
［実施の形態２］
本発明の実施の形態２は、積分値Ｓvbの演算を溶接電流ｉｏに代えてパルス電流波形設定値Ｉfsを使用するものである。上述した図１（Ｃ）に示すように、パルス電流波形設定信号Ｉfsは短絡解除電流ｉｃを重畳する前の溶接電流ｉｏを設定する信号である。したがって、上記（５）式においてｉｏ→Ｉfsに置換することによって短絡解除電流ｉｃが外部特性の形成に与える影響を除去することができる。したがって、実施の形態２では上記（５）式は下式となる。
Ｓvb＝∫（Ｋｓ・Ｉfs−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｏ）・ｄｔ ……（７）式
【００４２】
図３は、上述したパルスアーク溶接の出力制御方法を実施するための溶接電源のブロック図である。同図において、上述した図９と同一のブロックには同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図９とは異なる点線で示すブロックについて同図を参照して説明する。
【００４３】
第２積分値演算回路ＳＶＢ２は、パルス電流波形設定信号Ｉfs、電圧検出信号ｖｄ、溶接電圧基準値信号Ｖｓ、溶接電流基準値信号Ｉｓ及び傾き設定信号Ｋｓを入力として、各パルス周期の開始時点から積分値信号Ｓvb＝∫（Ｋｓ・Ｉfs−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｄ）・ｄｔを演算して出力する。
【００４４】
［実施の形態３］
本発明の実施の形態３は、積分値Ｓvbの演算を短絡期間中は一時停止するものである。これによって、短絡解除電流ｉｃ及び短絡電圧ｖｃが外部特性に与える影響を除去することができる。
【００４５】
図４は、上述したパルスアーク溶接の出力制御方法を実施するための溶接電源のブロック図である。同図において、上述した図９と同一のブロックには同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図９とは異なる点線で示すブロックについて同図を参照して説明する。
【００４６】
第３積分値演算回路ＳＶＢ３は、短絡判別信号Ｃｄ、電流検出信号ｉｄ、電圧検出信号ｖｄ、溶接電圧基準値信号Ｖｓ、溶接電流基準値信号Ｉｓ及び傾き設定信号Ｋｓを入力として、各パルス周期の開始時点から積分値信号Ｓvb＝∫（Ｋｓ・ｉｄ−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｄ）・ｄｔを短絡判別信号ＣｄがＬｏｗレベル（アーク発生状態）中は演算しＨｉｇｈレベル（短絡状態）中は一時停止して出力する。
【００４７】
［効果］
図５は、本発明の効果を示す外部特性と図１で上述した電流・電圧波形の動作点との関係図である。したがって、同図は上述した図１１と対応している。同図において、第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)の動作点はＰ１となる。第ｎ＋１回目のパルス周期Ｔpb(n+1)中のアーク発生状態の動作点はＰ３となり、外部特性Ｌ２上に存在する。このように、本発明では、短絡が発生してもアーク発生状態の動作点は所望の外部特性上に常にある。このために、アーク長制御の安定性が向上する。
【００４８】
上記においては、パルスアーク溶接が直流パルスアーク溶接である場合を説明したが、ベース期間の一部期間の電極極性が反転する交流パルスアーク溶接の場合も同様である。また、ピーク電流の立上り及び立下りにスロープがついている場合も同様である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態１に係るパルスアーク溶接の出力制御方法を示す波形図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る溶接電源のブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る溶接電源のブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態３に係る溶接電源のブロック図である。
【図５】本発明の効果を示す外部特性と動作点との関係図である。
【図６】従来技術における溶接電源の外部特性の設定方法を示す図である。
【図７】従来技術におけるパルスアーク溶接の電流・電圧波形図である。
【図８】従来技術における溶接電流平均値Ｉｗ及び溶接電圧平均値Ｖｗを示す電流・電圧波形図である。
【図９】従来技術における溶接電源のブロック図である。
【図１０】図９の溶接電源における各信号のタイミングチャートである。
【図１１】従来技術の課題を示す外部特性と動作点との関係図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 溶接ワイヤ
２ 母材
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
ＡＤ 加算回路
ＣＤ 短絡判別回路
Ｃｄ 短絡判別信号
ＣＭ 比較回路
Ｃｍ 比較信号
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
Ｉas 電流加算設定信号
Ｉｂ ベース電流
ＩＢＳ ベース電流設定回路
Ｉbs ベース電流設定信号
ｉｃ 短絡解除電流
ＩＣＳ 短絡解除電流設定回路
Ｉｃs 短絡解除電流設定信号
ｉｄ 電流検出信号
ｉｅ 電流検出切換信号
Ｉfs パルス電流波形設定信号
ｉｈ 短絡解除電流が重畳しない溶接電流
ｉｏ 溶接電流
Ｉｐ ピーク電流
ＩＰＳ ピーク電流設定回路
Ｉps ピーク電流設定信号
ＩＳ 溶接電流基準値設定回路
Ｉｓ 溶接電流基準値（信号）
Ｉｗ 溶接電流平均値
ＫＳ 傾き設定回路
Ｋｓ 傾き設定信号
Ｌ１、Ｌ２ 特性
ＭＭ タイマ回路
Ｍｍ タイマ信号
Ｐ０ 交点
Ｐ１〜Ｐ３ 動作点
ＰＭ 電源主回路
ＳＶＢ 積分値演算回路
Ｓvb 積分値（信号）
ＳＶＢ１ 第１積分値演算回路
ＳＶＢ２ 第２積分値演算回路
ＳＶＢ３ 第３積分値演算回路
ＳＷ 切換回路
Ｔｂ ベース期間
Ｔｃ 短絡期間
Ｔｐ ピーク期間
Ｔpb パルス周期
Ｔps ピーク期間設定値
Ｖｂ ベース電圧
ｖｃ 短絡電圧
ＶＤ 電圧検出回路
ｖｄ 電圧検出信号
ＶＥ 電圧検出切換回路
ｖｅ 電圧検出切換信号
ｖｈ 短絡していないとしたときの溶接電圧
ｖｏ 溶接電圧
Ｖｐ ピーク電圧
ＶＳ 溶接電圧基準値設定回路
Ｖｓ 溶接電圧基準値（信号）
Ｖｗ 溶接電圧平均値
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所望の傾きＫｓを有する溶接電源の外部特性を形成するためのパルスアーク溶接の出力制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
消耗電極パルスアーク溶接では、美しいビード外観、均一な溶込み深さ等の溶接品質を良好にするために、溶接中のアーク長を適正値に維持することが極めて重要である。一般的に、アーク長は溶接ワイヤの送給速度とアーク入熱による溶融速度とのバランスによって決まる。したがって、溶接電流の平均値に略比例する溶融速度が送給速度と等しくなるとアーク長は常に一定となる。しかし、送給モータの回転速度の変動、溶接トーチケーブルの引き回しによる送給経路の摩擦力の変動等によって、溶接中の送給速度が変動する。このために、溶融速度とのバランスが崩れてアーク長が変化することになる。さらには、溶接作業者の手振れ等による給電チップ・母材間距離の変動、溶融池の不規則な振動等によっても、アーク長は変動する。したがって、これらの種々の変動要因（以下、外乱という）によるアーク長の変動を抑制するためには、外乱に応じて常に溶融速度を調整してアーク長の変化を抑制するアーク長制御が必要となる。
【０００３】
消耗電極パルスアーク溶接を含む消耗電極ガスシールドアーク溶接において、上述した種々の外乱に起因するアーク長の変動を抑制する方法として、溶接電源の外部特性を所望値に出力制御する方法が慣用されている。この外部特性の例を図６に示す。同図の横軸は溶接ワイヤを通電する溶接電流の平均値Ｉｗであり、縦軸は溶接ワイヤと母材との間に印加する溶接電圧の平均値Ｖｗである。特性Ｌ１は、傾きＫｓ＝０V/Aの完全な定電圧特性の場合である。また、特性Ｌ２は、傾きＫｓ＝−０．１V/Aと右下がりの傾きを有する定電圧特性の場合である。外部特性は直線として表わすことができるので、溶接電流基準値Ｉｓと溶接電圧基準値Ｖｓとの交点Ｐ０を通り傾きがＫｓである外部特性は下式で表わされる。
Ｖｗ＝Ｋｓ・（Ｉｗ−Ｉｓ）＋Ｖｓ ……（１）式
【０００４】
ところで、溶接電源の外部特性の傾きＫｓによってアーク長制御の安定性（自己制御作用と呼ばれる）が大きく影響されることが従来から知られている。すなわち、外乱に対してアーク長を安定化するためには、溶接法を含む溶接条件に応じて外部特性の傾きＫｓを適正値に制御する必要がある。例えば、傾きＫｓの適正値は、炭酸ガスアーク溶接法では０〜−０．０３V/A程度の範囲であり、パルスアーク溶接法では−０．０５〜−０．３V/A程度の範囲である。したがって、本発明の対象であるパルスアーク溶接法においては、アーク長制御を安定化するためには、同図に示す特性Ｌ１ではなく−０．０５〜−０．３V/A程度の範囲内で予め定めた傾きＫｓを有する特性Ｌ２等を形成する必要がある。以下、パルスアーク溶接において所望の傾きＫｓを有する外部特性を形成する従来技術について説明する。
【０００５】
図７は、パルスアーク溶接の電流・電圧波形図である。同図（Ａ）は溶接電流（瞬時値）ｉｏの、同図（Ｂ）は溶接電圧（瞬時値）ｖｏの波形図である。以下，同図を参照して説明する。
【０００６】
（１）時刻ｔ１〜ｔ２のピーク期間Ｔｐ
予め定めたピーク期間Ｔｐ中は、同図（Ａ）に示すように、溶接ワイヤを溶滴移行させるために大電流値の予め定めたピーク電流Ｉｐを通電し、同図（Ｂ）に示すように、この期間中のアーク長に略比例したピーク電圧Ｖｐが印加する。
【０００７】
（２）時刻ｔ２〜ｔ３のベース期間Ｔｂ
後述する溶接電源の出力制御によって定まるベース期間Ｔｂ中は、同図（Ａ）に示すように、溶接ワイヤ先端の溶滴を成長させないために小電流値の予め定めたベース電流Ｉｂを通電し、同図（Ｂ）に示すように、この期間中のアーク長に略比例したベース電圧Ｖｂが印加する。
【０００８】
上記のピーク期間Ｔｐ及びベース期間Ｔｂからなる時刻ｔ１〜ｔ３の期間を１パルス周期Ｔpbとして繰り返して溶接を行う。同図（Ａ）に示すように、このパルス周期Ｔpbごとの溶接電流の平均値がＩｗとなり、同様に同図（Ｂ）に示すように、このパルス周期Ｔpbごとの溶接電圧の平均値がＶｗとなる。溶接電源の外部特性を形成するための出力制御は、パルス周期Ｔpbの時間長さを操作量としてフィードバック制御することで行われる。すなわち、ピーク期間Ｔｐを一定値としてパルス周期Ｔpbを増減させることによって出力制御を行う。
【０００９】
図８に示すように、時刻ｔ(n)〜ｔ(n+1)の第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)の溶接電流平均値がＩｗ(n)となり、溶接電圧平均値がＶｗ(n)となる。上述した図６において、これらＩｗ(n)とＶｗ(n)との交点（動作点）Ｐ１が、設定された特性Ｌ２上に乗るように出力制御される。以下、所望の傾きＫｓを有する外部特性を形成するための溶接電源の出力制御方法について説明する。
【００１０】
図７で上述したパルスアーク溶接の波形図を参照して、従来技術の外部特性形成方法を説明する。形成すべき目標の外部特性は、上述した（１）式の外部特性である。第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)における溶接電流平均値Ｉｗ及び溶接電圧平均値Ｖｗは下式で表わすことができる。
Ｉｗ＝（１／Ｔpb(n)）・∫ｉｏ・ｄｔ ……（２）式
Ｖｗ＝（１／Ｔpb(n)）・∫ｖｏ・ｄｔ ……（３）式
但し、積分は第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)の間行う。
【００１１】
これら（２）式及び（３）式を上記の（１）式に代入して整理すると下式となる。
∫（Ｋｓ・ｉｏ−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｏ）・ｄｔ＝０ ……（４）式
但し、積分は第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)の間行い、上述したように、Ｋｓは外部特性の傾きであり、Ｉｓは溶接電流基準値であり、Ｖｓは溶接電圧基準値である。
【００１２】
したがって、第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)が終了した時点においては上記（４）式が成立することになる。ここで、上記（４）式の左辺を積分値Ｓvbとして定義すると下式となる。
Ｓvb＝∫（Ｋｓ・ｉｏ−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｏ）・ｄｔ ……（５）式
【００１３】
第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)が開始した時点から上記（５）式の積分値Ｓvbの演算を開始する。第ｎ回目の予め定めたピーク期間が終了して第ｎ回目のベース期間中に上記の積分値Ｓvb＝０（又はＳvb≧０）となった時点で第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)を終了する。この動作を繰り返すことによって、上記（１）式の外部特性を形成することができる。
【００１４】
上述した従来技術の外部特性形成方法を以下に整理して記載する。
（１）傾きＫｓ、溶接電流基準値Ｉｓ及び溶接電圧基準値Ｖｓによって目標の溶接電源の外部特性を予め設定する。
（２）溶接中の溶接電圧ｖｏ及び溶接電流ｉｏを検出する。
（３）第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)の開始時点から積分値Ｓvb＝∫（Ｋｓ・ｉｏ−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｏ）・ｄｔの演算を開始する。
（４）第ｎ回目の予め定めたピーク期間Ｔｐに続く第ｎ回目のベース期間Ｔｂ中の上記積分値Ｓvbが零以上（Ｓvb≧０）になった時点で第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)を終了する。
（５）続けて第ｎ＋１回目のパルス周期Ｔpb(n+1)を開始して、上記（３）〜（４）の動作を繰り返し行うことによって、所望の外部特性を形成する。
【００１５】
ととろで、溶接中に溶接ワイヤと母材とが短絡したときは、早期に短絡を解除してアークを再発生させるために、通常の溶接電流よりも大きな値の短絡解除電流ｉｃを重畳する（以下、短絡解除制御という）のが一般的である。以下、この短絡解除制御及び上述した外部特性形成方法を搭載した溶接電源について説明する。
【００１６】
図９は、上述した外部特性形成方法及び短絡解除制御を搭載した溶接電源のブロック図である。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。
【００１７】
電源主回路ＰＭは、３相２００Ｖ等の商用電源を入力として、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってインバータ制御、サイリスタ制御等の出力制御を行い、アーク溶接に適した溶接電流ｉｏ及び溶接電圧ｖｏを出力する。溶接ワイヤ１はワイヤ送給装置の送給ロール５の回転によって溶接トーチ４内を通って送給されて、母材２との間にアーク３が発生する。
【００１８】
電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流ｉｏを検出して、電流検出信号ｉｄを出力する。電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧ｖｏを検出して、電圧検出信号ｖｄを出力する。溶接電圧基準値設定回路ＶＳは、予め定めた溶接電圧基準値信号Ｖｓを出力する。溶接電流基準値設定回路ＩＳは、予め定めた溶接電流基準値信号Ｉｓを出力する。傾き設定回路ＫＳは、予め定めた傾き設定信号Ｋｓを出力する。積分値演算回路ＳＶＢは、電流検出信号ｉｄ、電圧検出信号ｖｄ、溶接電圧基準値信号Ｖｓ、溶接電流基準値信号Ｉｓ及び傾き設定信号Ｋｓを入力として、各パルス周期の開始時点から上記（５）式によって積分演算を行い積分値信号Ｓvbを出力する。比較回路ＣＭは、この積分値信号Ｓvbの値が零以上になった時点で短時間Ｈｉｇｈレベルになる比較信号Ｃｍを出力する。この比較信号Ｃｍの周期がパルス周期となる。タイマ回路ＭＭは、上記の比較信号ＣｍがＨｉｇｈレベルに変化した時点から予め定めたピーク期間設定値Ｔpsによって定まる期間だけＨｉｇｈレベルとなるタイマ信号Ｍｍを出力する。このタイマ信号ＭｍがＨｉｇｈレベルのときがピーク期間となり、Ｌｏｗレベルのときがベース期間となる。
【００１９】
ピーク電流設定回路ＩＰＳは、予め定めたピーク電流設定信号Ｉpsを出力する。ベース電流設定回路ＩＢＳは、予め定めたベース電流設定信号Ｉbsを出力する。切換回路ＳＷは、上記のタイマ信号ＭｍがＨｉｇｈレベルのときはａ側に切り換わり上記のピーク電流設定信号Ｉpsをパルス電流波形設定信号Ｉfsとして出力し、Ｌｏｗレベルのときはｂ側に切り換わり上記のベース電流設定信号Ｉbsをパルス電流波形設定信号Ｉfsとして出力する。
【００２０】
短絡判別回路ＣＤは、上記の電圧検出信号ｖｄを入力として、短絡を判別するとＨｉｇｈレベルとなる短絡判別信号Ｃｄを出力する。短絡解除電流設定回路ＩＣＳは、上記の短絡判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベル（短絡）のときのみ予め定めた短絡解除電流設定信号Ｉｃsを出力する。加算回路ＡＤは、上記のパルス電流波形設定信号Ｉfsと上記の短絡解除電流設定信号Ｉｃsとを加算して、電流加算設定信号Ｉasを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、この電流加算設定信号Ｉasと上記の電流検出信号ｉｄとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。これらのブロックによって、図７で上述したような溶接電流ｉｏが通電する。
【００２１】
図１０は、上述した溶接電源における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流ｉｏの、同図（Ｂ）は溶接電圧ｖｏの、同図（Ｃ）はパルス電流波形設定信号Ｉfsの、同図（Ｄ）は短絡解除電流設定信号Ｉｃsの時間変化を示す。第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)中は短絡は発生していない。このために、同図（Ｄ）に示すように、短絡解除電流設定信号Ｉｃsは出力されない。また、同図（Ｃ）に示すように、パルス電流波形設定信号Ｉfsに相当する同図（Ａ）に示す溶接電流ｉｏが通電する。続いて、第ｎ＋１回目のパルス周期Ｔpb(n+1)において、短絡が短絡期間Ｔｃ中発生する。この短絡期間Ｔｃ中は、同図（Ｄ）に示すように、短絡解除電流設定信号Ｉｃsが出力される。このために、同図（Ａ）に示すように、短絡期間Ｔｃ中の短絡解除電流ｉｃは、同図（Ｃ）に示すパルス電流波形設定信号Ｉfsに同図（Ｄ）に示す短絡解除電流設定信号Ｉｃsが重畳した波形となる。また、短絡期間Ｔｃ中の溶接電圧ｖｏは低い値の短絡電圧値ｖｃとなる。第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)及び第ｎ＋１回目のパルス周期Ｔpb(n+1)中のそれぞれの溶接電流平均値と溶接電圧平均値との動作点は所望の外部特性上に乗る。上述した従来技術を記載した文献としては、特願2003-423185、特許文献１〜２等がある。
【００２２】
【特許文献１】特開２００２−３６１４１７号公報
【特許文献２】特開平２−２９０６７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
図１１は、図１０で上述した溶接電流ｉｏ及び溶接電圧ｖｏの波形の動作点と外部特性との関係図である。特性Ｌ２は、所望の傾きを有する外部特性である。第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)の溶接電流平均値Ｉｗ(n)と溶接電圧平均値Ｖｗ(n)との動作点Ｐ１は特性Ｌ２上にある。第ｎ＋１回目のパルス周期Ｔpb(n+1)の溶接電流平均値Ｉｗ(n+1)と溶接電圧平均値Ｖｗ(n+1)との動作点Ｐ２も同様に特性Ｌ２上にある。すなわち、動作点はＰ１→Ｐ２へと移動する。
【００２４】
このときに、上述した図１０の第ｎ＋１回目のパルス周期Ｔpb(n+1)において、短絡期間Ｔｃを除外してアークが発している期間のみの動作点はＰ３となる。これは、短絡解除電流ｉｃ分だけ溶接電流平均値が小さくなり、短絡電圧ｖｃ分だけ溶接電圧平均値が大きくなるためである。上述したように、アーク長制御を安定化して溶接品質を向上させるために、各パルス周期の動作点が外部特性上を移動するように出力制御している。パルス周期中に短絡が発生したときに、アーク長制御の安定化を図るためには、短絡期間を含む動作点ではなくアーク発生期間のみの動作点が外部特性上に存在する方が良い。しかし、従来技術の外部特性形成方法では、短絡期間も含めた動作点が外部特性上に存在し、アーク期間の動作点は外部特性上から外れてしまう。この結果，短絡が発生するとアーク長制御の安定性が溶接条件によっては低下するという課題があった。
【００２５】
そこで、本発明では、上記の課題を解決することができる外部特性形成方法に関するパルスアーク溶接の出力制御方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
上述した課題を解決するために、第１の発明は、予め定めたパルス電流波形設定値に基づいてピーク期間中のピーク電流の通電とベース期間中のベース電流の通電とを１パルス周期として繰り返すと共に、溶接ワイヤと母材との間に溶接電圧ｖｏを印加して溶接を行い、溶接ワイヤと母材とが短絡している期間中は短絡解除電流が重畳した溶接電流ｉｏを通電するパルスアーク溶接の出力制御方法であって、
傾きＫｓ及び溶接電流基準値Ｉｓ及び溶接電圧基準値Ｖｓによって溶接電源の外部特性を予め設定し、溶接中の前記溶接電圧ｖｏ及び前記溶接電流ｉｏを検出し、第ｎ回目のパルス周期の開始時点から積分値Ｓvb＝∫（Ｋｓ・ｉｏ−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｏ）・ｄｔを演算し、予め定めた前記ピーク期間に続く前記ベース期間中の前記積分値Ｓvbが零以上になった時点で前記第ｎ回目のパルス周期を終了し、続けて第ｎ＋１回目のパルス周期を開始することによって前記設定された外部特性を形成するパルスアーク溶接の出力制御方法において、
前記短絡期間中の前記積分値Ｓvbの演算に際しては、前記短絡解除電流が重畳しない溶接電流又はアークが発生しているとしたときの溶接電圧のどちらか一方又は両方を使用することを特徴とするパルスアーク溶接の出力制御方法である。
【００２７】
また、第２の発明は、前記積分値Ｓvbの演算に際しては、前記溶接電流ｉｏに代えて前記パルス電流波形設定値を使用することを特徴とするパルスアーク溶接の出力制御方法である。
【００２８】
また、第３の発明は、前記積分値Ｓvbの演算を前記短絡期間中は一時停止することを特徴とするパルスアーク溶接の出力制御方法である。
【発明の効果】
【００２９】
上記第１の発明によれば、短絡期間中は短絡解除電流が重畳しない溶接電流及び／又はアークが発生しているとしたときの溶接電圧を使用して積分値を演算して外部特性を形成する。このために、パルス周期中に短絡が発生してもアーク発生状態の動作点が所望の外部特性上に存在するので、アーク長制御の安定性が向上する。
【００３０】
また、上記第２の発明によれば、溶接電流に代えてパルス電流波形設定値を使用して積分値を演算して外部特性を形成する。このために、パルス周期中に短絡が発生してもアーク発生状態の動作点が所望の外部特性上に存在するので、アーク長制御の安定性が向上する。
【００３１】
また、上記第３の発明によれば、短絡期間中は積分値の演算を一時停止して外部特性を形成する。このために、パルス周期中に短絡が発生してもアーク発生状態の動作点が所望の外部特性上に存在するので、アーク長制御の安定性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００３３】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係るパルスアーク溶接の出力制御方法を示す波形図である。同図は上述した図１０に対応している。同図（Ａ）は溶接電流ｉｏの、同図（Ｂ）は溶接電圧ｖｏの、同図（Ｃ）はパルス電流波形設定信号Ｉfsの、同図（Ｄ）は短絡解除電流設定信号Ｉｃsの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００３４】
上述したように、傾きＫｓ、溶接電流基準値Ｉｓ及び溶接電圧基準値Ｖｓによって所望の溶接電源の外部特性を予め設定する。次に、溶接中の溶接電圧ｖｏ及び溶接電流ｉｏを検出する。そして、第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)の開始時点から上記（５）式の積分値Ｓvb＝∫（Ｋｓ・ｉｏ−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｏ）・ｄｔを演算し、予め定めたピーク期間に続くベース期間中の積分値Ｓvbが零以上になった時点で第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)を終了し、続けて第ｎ＋１回目のパルス周期Ｔpb(n+1)を開始することによって設定された外部特性を形成する。
【００３５】
第ｎ＋１回目のパルス周期Ｔpb(n+1)中に短絡が発生したときは以下のように処理する。積分値Ｓvbの演算において、短絡期間Ｔｃ中は、同図（Ａ）に示すように、短絡解除電流ｉｃが重畳した溶接電流ｉｏに代えて短絡解除電流ｉｃが重畳しない溶接電流ｉｈを使用する。この短絡解除電流が重畳しない溶接電流ｉｈは、短絡直前の溶接電流値であっても良い。また、短絡がベース期間に発生したときはベース電流の設定値であり、短絡がピーク期間に発生したときはピーク電流の設定値であっても良い。
【００３６】
同様に、積分値Ｓvbの演算において、同図（Ｂ）に示すように、短絡期間Ｔｃ中は短絡電圧値ｖｃに代えてアークが発生しているとしたときの溶接電圧ｖｈを使用する。このアークが発生しているとしたときの溶接電圧ｖｈは、短絡直前の溶接電圧値であっても良い。また、短絡がベース期間中であればベース電圧の平均値であり、短絡がピーク期間中であればピーク電圧の平均値であっても良い。
【００３７】
上記の演算を整理すると以下のようになる。
（１）時刻ｔ１〜ｔ２のアーク期間
積分値Ｓvb＝∫（Ｋｓ・ｉｏ−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｏ）・ｄｔ
（２）時刻ｔ２〜ｔ３の短絡期間Ｔｃ
積分値Ｓvb＝∫（Ｋｓ・ｉｈ−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｈ）・ｄｔ …（６）式
（３）時刻ｔ３〜ｔ４のアーク期間
積分値Ｓvb＝∫（Ｋｓ・ｉｏ−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｏ）・ｄｔ
【００３８】
上記（６）式においてはｉｏ→ｉｈ及びｖｏ→ｖｈに置換しているが、どちらか一方だけを置換しても良い。これは、溶接条件によっては短絡解除電流ｉｃが小さな値であるために置換しなくても外部特性に与える影響が小さい場合があるからである。溶接電圧の置換についても、溶接条件によっては短絡期間Ｔｃが短いために置換しなくても外部特性に与える影響が小さい場合があるからである。
【００３９】
図２は、上述したパルスアーク溶接の出力制御方法を実施するための溶接電源のブロック図である。同図において、上述した図９と同一のブロックには同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図９とは異なる点線で示すブロックについて同図を参照して説明する。
【００４０】
電圧検出切換回路ＶＥは、短絡判別信号ＣｄがＬｏｗレベル（アーク発生状態）のときは電圧検出信号ｖｄを電圧検出切換信号ｖｅとして出力し、Ｈｉｇｈレベル（短絡状態）のときは短絡直前の電圧検出信号の値ｖｈを電圧検出切換信号ｖｅとして出力する。電流検出切換回路ＩＥは、短絡判別信号ＣｄがＬｏｗレベル（アーク発生状態）のときは電流検出信号ｉｄを電流検出切換信号ｉｅとして出力し、Ｈｉｇｈレベル（短絡状態）のときは短絡直前の電流検出信号の値ｉｈを電流検出切換信号ｉｅとして出力する。第１積分値演算回路ＳＶＢ１は、電流検出切換信号ｉｅ、電圧検出切換信号ｖｅ、溶接電圧基準値信号Ｖｓ、溶接電流基準値信号Ｉｓ及び傾き設定信号Ｋｓを入力として、各パルス周期の開始時点から積分値信号Ｓvb＝∫（Ｋｓ・ｉｅ−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｅ）・ｄｔを演算して出力する。
【００４１】
［実施の形態２］
本発明の実施の形態２は、積分値Ｓvbの演算を溶接電流ｉｏに代えてパルス電流波形設定値Ｉfsを使用するものである。上述した図１（Ｃ）に示すように、パルス電流波形設定信号Ｉfsは短絡解除電流ｉｃを重畳する前の溶接電流ｉｏを設定する信号である。したがって、上記（５）式においてｉｏ→Ｉfsに置換することによって短絡解除電流ｉｃが外部特性の形成に与える影響を除去することができる。したがって、実施の形態２では上記（５）式は下式となる。
Ｓvb＝∫（Ｋｓ・Ｉfs−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｏ）・ｄｔ ……（７）式
【００４２】
図３は、上述したパルスアーク溶接の出力制御方法を実施するための溶接電源のブロック図である。同図において、上述した図９と同一のブロックには同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図９とは異なる点線で示すブロックについて同図を参照して説明する。
【００４３】
第２積分値演算回路ＳＶＢ２は、パルス電流波形設定信号Ｉfs、電圧検出信号ｖｄ、溶接電圧基準値信号Ｖｓ、溶接電流基準値信号Ｉｓ及び傾き設定信号Ｋｓを入力として、各パルス周期の開始時点から積分値信号Ｓvb＝∫（Ｋｓ・Ｉfs−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｄ）・ｄｔを演算して出力する。
【００４４】
［実施の形態３］
本発明の実施の形態３は、積分値Ｓvbの演算を短絡期間中は一時停止するものである。これによって、短絡解除電流ｉｃ及び短絡電圧ｖｃが外部特性に与える影響を除去することができる。
【００４５】
図４は、上述したパルスアーク溶接の出力制御方法を実施するための溶接電源のブロック図である。同図において、上述した図９と同一のブロックには同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図９とは異なる点線で示すブロックについて同図を参照して説明する。
【００４６】
第３積分値演算回路ＳＶＢ３は、短絡判別信号Ｃｄ、電流検出信号ｉｄ、電圧検出信号ｖｄ、溶接電圧基準値信号Ｖｓ、溶接電流基準値信号Ｉｓ及び傾き設定信号Ｋｓを入力として、各パルス周期の開始時点から積分値信号Ｓvb＝∫（Ｋｓ・ｉｄ−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｄ）・ｄｔを短絡判別信号ＣｄがＬｏｗレベル（アーク発生状態）中は演算しＨｉｇｈレベル（短絡状態）中は一時停止して出力する。
【００４７】
［効果］
図５は、本発明の効果を示す外部特性と図１で上述した電流・電圧波形の動作点との関係図である。したがって、同図は上述した図１１と対応している。同図において、第ｎ回目のパルス周期Ｔpb(n)の動作点はＰ１となる。第ｎ＋１回目のパルス周期Ｔpb(n+1)中のアーク発生状態の動作点はＰ３となり、外部特性Ｌ２上に存在する。このように、本発明では、短絡が発生してもアーク発生状態の動作点は所望の外部特性上に常にある。このために、アーク長制御の安定性が向上する。
【００４８】
上記においては、パルスアーク溶接が直流パルスアーク溶接である場合を説明したが、ベース期間の一部期間の電極極性が反転する交流パルスアーク溶接の場合も同様である。また、ピーク電流の立上り及び立下りにスロープがついている場合も同様である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態１に係るパルスアーク溶接の出力制御方法を示す波形図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る溶接電源のブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る溶接電源のブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態３に係る溶接電源のブロック図である。
【図５】本発明の効果を示す外部特性と動作点との関係図である。
【図６】従来技術における溶接電源の外部特性の設定方法を示す図である。
【図７】従来技術におけるパルスアーク溶接の電流・電圧波形図である。
【図８】従来技術における溶接電流平均値Ｉｗ及び溶接電圧平均値Ｖｗを示す電流・電圧波形図である。
【図９】従来技術における溶接電源のブロック図である。
【図１０】図９の溶接電源における各信号のタイミングチャートである。
【図１１】従来技術の課題を示す外部特性と動作点との関係図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 溶接ワイヤ
２ 母材
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
ＡＤ 加算回路
ＣＤ 短絡判別回路
Ｃｄ 短絡判別信号
ＣＭ 比較回路
Ｃｍ 比較信号
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
Ｉas 電流加算設定信号
Ｉｂ ベース電流
ＩＢＳ ベース電流設定回路
Ｉbs ベース電流設定信号
ｉｃ 短絡解除電流
ＩＣＳ 短絡解除電流設定回路
Ｉｃs 短絡解除電流設定信号
ｉｄ 電流検出信号
ｉｅ 電流検出切換信号
Ｉfs パルス電流波形設定信号
ｉｈ 短絡解除電流が重畳しない溶接電流
ｉｏ 溶接電流
Ｉｐ ピーク電流
ＩＰＳ ピーク電流設定回路
Ｉps ピーク電流設定信号
ＩＳ 溶接電流基準値設定回路
Ｉｓ 溶接電流基準値（信号）
Ｉｗ 溶接電流平均値
ＫＳ 傾き設定回路
Ｋｓ 傾き設定信号
Ｌ１、Ｌ２ 特性
ＭＭ タイマ回路
Ｍｍ タイマ信号
Ｐ０ 交点
Ｐ１〜Ｐ３ 動作点
ＰＭ 電源主回路
ＳＶＢ 積分値演算回路
Ｓvb 積分値（信号）
ＳＶＢ１ 第１積分値演算回路
ＳＶＢ２ 第２積分値演算回路
ＳＶＢ３ 第３積分値演算回路
ＳＷ 切換回路
Ｔｂ ベース期間
Ｔｃ 短絡期間
Ｔｐ ピーク期間
Ｔpb パルス周期
Ｔps ピーク期間設定値
Ｖｂ ベース電圧
ｖｃ 短絡電圧
ＶＤ 電圧検出回路
ｖｄ 電圧検出信号
ＶＥ 電圧検出切換回路
ｖｅ 電圧検出切換信号
ｖｈ 短絡していないとしたときの溶接電圧
ｖｏ 溶接電圧
Ｖｐ ピーク電圧
ＶＳ 溶接電圧基準値設定回路
Ｖｓ 溶接電圧基準値（信号）
Ｖｗ 溶接電圧平均値
【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め定めたパルス電流波形設定値に基づいてピーク期間中のピーク電流の通電とベース期間中のベース電流の通電とを１パルス周期として繰り返すと共に、溶接ワイヤと母材との間に溶接電圧ｖｏを印加して溶接を行い、溶接ワイヤと母材とが短絡している期間中は短絡解除電流が重畳した溶接電流ｉｏを通電するパルスアーク溶接の出力制御方法であって、
傾きＫｓ及び溶接電流基準値Ｉｓ及び溶接電圧基準値Ｖｓによって溶接電源の外部特性を予め設定し、溶接中の前記溶接電圧ｖｏ及び前記溶接電流ｉｏを検出し、第ｎ回目のパルス周期の開始時点から積分値Ｓvb＝∫（Ｋｓ・ｉｏ−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｏ）・ｄｔを演算し、予め定めた前記ピーク期間に続く前記ベース期間中の前記積分値Ｓvbが零以上になった時点で前記第ｎ回目のパルス周期を終了し、続けて第ｎ＋１回目のパルス周期を開始することによって前記設定された外部特性を形成するパルスアーク溶接の出力制御方法において、
前記短絡期間中の前記積分値Ｓvbの演算に際しては、前記短絡解除電流が重畳しない溶接電流又はアークが発生しているとしたときの溶接電圧のどちらか一方又は両方を使用することを特徴とするパルスアーク溶接の出力制御方法。
【請求項２】
予め定めたパルス電流波形設定値に基づいてピーク期間中のピーク電流の通電とベース期間中のベース電流の通電とを１パルス周期として繰り返すと共に、溶接ワイヤと母材との間に溶接電圧ｖｏを印加して溶接を行い、溶接ワイヤと母材とが短絡している期間中は短絡解除電流が重畳した溶接電流ｉｏを通電するパルスアーク溶接の出力制御方法であって、
傾きＫｓ及び溶接電流基準値Ｉｓ及び溶接電圧基準値Ｖｓによって溶接電源の外部特性を予め設定し、溶接中の前記溶接電圧ｖｏ及び前記溶接電流ｉｏを検出し、第ｎ回目のパルス周期の開始時点から積分値Ｓvb＝∫（Ｋｓ・ｉｏ−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｏ）・ｄｔを演算し、予め定めた前記ピーク期間に続く前記ベース期間中の前記積分値Ｓvbが零以上になった時点で前記第ｎ回目のパルス周期を終了し、続けて第ｎ＋１回目のパルス周期を開始することによって前記設定された外部特性を形成するパルスアーク溶接の出力制御方法において、
前記積分値Ｓvbの演算に際しては、前記溶接電流ｉｏに代えて前記パルス電流波形設定値を使用することを特徴とするパルスアーク溶接の出力制御方法。
【請求項３】
予め定めたパルス電流波形設定値に基づいてピーク期間中のピーク電流の通電とベース期間中のベース電流の通電とを１パルス周期として繰り返すと共に、溶接ワイヤと母材との間に溶接電圧ｖｏを印加して溶接を行い、溶接ワイヤと母材とが短絡している期間中は短絡解除電流が重畳した溶接電流ｉｏを通電するパルスアーク溶接の出力制御方法であって、
傾きＫｓ及び溶接電流基準値Ｉｓ及び溶接電圧基準値Ｖｓによって溶接電源の外部特性を予め設定し、溶接中の前記溶接電圧ｖｏ及び前記溶接電流ｉｏを検出し、第ｎ回目のパルス周期の開始時点から積分値Ｓvb＝∫（Ｋｓ・ｉｏ−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｏ）・ｄｔを演算し、予め定めた前記ピーク期間に続く前記ベース期間中の前記積分値Ｓvbが零以上になった時点で前記第ｎ回目のパルス周期を終了し、続けて第ｎ＋１回目のパルス周期を開始することによって前記設定された外部特性を形成するパルスアーク溶接の出力制御方法において、
前記積分値Ｓvbの演算を前記短絡期間中は一時停止することを特徴とするパルスアーク溶接の出力制御方法。
【請求項１】
予め定めたパルス電流波形設定値に基づいてピーク期間中のピーク電流の通電とベース期間中のベース電流の通電とを１パルス周期として繰り返すと共に、溶接ワイヤと母材との間に溶接電圧ｖｏを印加して溶接を行い、溶接ワイヤと母材とが短絡している期間中は短絡解除電流が重畳した溶接電流ｉｏを通電するパルスアーク溶接の出力制御方法であって、
傾きＫｓ及び溶接電流基準値Ｉｓ及び溶接電圧基準値Ｖｓによって溶接電源の外部特性を予め設定し、溶接中の前記溶接電圧ｖｏ及び前記溶接電流ｉｏを検出し、第ｎ回目のパルス周期の開始時点から積分値Ｓvb＝∫（Ｋｓ・ｉｏ−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｏ）・ｄｔを演算し、予め定めた前記ピーク期間に続く前記ベース期間中の前記積分値Ｓvbが零以上になった時点で前記第ｎ回目のパルス周期を終了し、続けて第ｎ＋１回目のパルス周期を開始することによって前記設定された外部特性を形成するパルスアーク溶接の出力制御方法において、
前記短絡期間中の前記積分値Ｓvbの演算に際しては、前記短絡解除電流が重畳しない溶接電流又はアークが発生しているとしたときの溶接電圧のどちらか一方又は両方を使用することを特徴とするパルスアーク溶接の出力制御方法。
【請求項２】
予め定めたパルス電流波形設定値に基づいてピーク期間中のピーク電流の通電とベース期間中のベース電流の通電とを１パルス周期として繰り返すと共に、溶接ワイヤと母材との間に溶接電圧ｖｏを印加して溶接を行い、溶接ワイヤと母材とが短絡している期間中は短絡解除電流が重畳した溶接電流ｉｏを通電するパルスアーク溶接の出力制御方法であって、
傾きＫｓ及び溶接電流基準値Ｉｓ及び溶接電圧基準値Ｖｓによって溶接電源の外部特性を予め設定し、溶接中の前記溶接電圧ｖｏ及び前記溶接電流ｉｏを検出し、第ｎ回目のパルス周期の開始時点から積分値Ｓvb＝∫（Ｋｓ・ｉｏ−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｏ）・ｄｔを演算し、予め定めた前記ピーク期間に続く前記ベース期間中の前記積分値Ｓvbが零以上になった時点で前記第ｎ回目のパルス周期を終了し、続けて第ｎ＋１回目のパルス周期を開始することによって前記設定された外部特性を形成するパルスアーク溶接の出力制御方法において、
前記積分値Ｓvbの演算に際しては、前記溶接電流ｉｏに代えて前記パルス電流波形設定値を使用することを特徴とするパルスアーク溶接の出力制御方法。
【請求項３】
予め定めたパルス電流波形設定値に基づいてピーク期間中のピーク電流の通電とベース期間中のベース電流の通電とを１パルス周期として繰り返すと共に、溶接ワイヤと母材との間に溶接電圧ｖｏを印加して溶接を行い、溶接ワイヤと母材とが短絡している期間中は短絡解除電流が重畳した溶接電流ｉｏを通電するパルスアーク溶接の出力制御方法であって、
傾きＫｓ及び溶接電流基準値Ｉｓ及び溶接電圧基準値Ｖｓによって溶接電源の外部特性を予め設定し、溶接中の前記溶接電圧ｖｏ及び前記溶接電流ｉｏを検出し、第ｎ回目のパルス周期の開始時点から積分値Ｓvb＝∫（Ｋｓ・ｉｏ−Ｋｓ・Ｉｓ＋Ｖｓ−ｖｏ）・ｄｔを演算し、予め定めた前記ピーク期間に続く前記ベース期間中の前記積分値Ｓvbが零以上になった時点で前記第ｎ回目のパルス周期を終了し、続けて第ｎ＋１回目のパルス周期を開始することによって前記設定された外部特性を形成するパルスアーク溶接の出力制御方法において、
前記積分値Ｓvbの演算を前記短絡期間中は一時停止することを特徴とするパルスアーク溶接の出力制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００６−２０５２１３（Ｐ２００６−２０５２１３Ａ）
【公開日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２０７９３（Ｐ２００５−２０７９３）
【出願日】平成１７年１月２８日（２００５．１．２８）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月１０日（２００６．８．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月２８日（２００５．１．２８）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
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