パルスアーク溶接電源
【課題】シールドガスに不活性ガスのみを使用し、ピーク電流及びベース電流からなる溶接電流Ｉｗを通電すると共に、消耗電極１と母材２との間の溶接電圧Ｖｗを検出しこの溶接電圧検出値Ｖｄをパルス波形の基準電圧波形Ｖｃからの所定変動範囲内Ｖｃ±ΔＶｃで制限して溶接電圧制限値Ｖftを算出し、この溶接電圧制限値Ｖftを平均化した溶接電圧制限平均値Ｖfaが予め定めた電圧設定値Ｖｓと略等しくなるように溶接電源の出力を制御するパルスアーク溶接電源において、異常電圧が重畳してもアーク長に比例した電圧値を溶接電源の電圧計に表示することができるようにする。
【解決手段】本発明は、溶接電圧検出値Ｖｄに代えて溶接電圧制限値Ｖft又は溶接電圧制限平均値Ｖfaを、溶接電源に配設した電圧計ＶＭ及び／又は外部機器とのインターフェース端子への入力信号とするパルスアーク溶接電源である。
【解決手段】本発明は、溶接電圧検出値Ｖｄに代えて溶接電圧制限値Ｖft又は溶接電圧制限平均値Ｖfaを、溶接電源に配設した電圧計ＶＭ及び／又は外部機器とのインターフェース端子への入力信号とするパルスアーク溶接電源である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シールドガスにアルゴンガスのみを使用するパルスアーク溶接においてアーク長と略比例する電圧値を電圧計に表示させるためのパルスアーク溶接電源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アーク溶接、特に消耗電極アーク溶接においては、電極先端と母材との間の距離であるアーク長が適正であることが溶接状態の安定化、ビード形成の健全化等の溶接品質を良好にするための重要な条件である。アーク長は、通常、電極と母材との間の電圧（溶接電圧Ｖｗ）の平均値Ｖavに略比例する。したがって、消耗電極アーク溶接電源では、この溶接電圧平均値Ｖavが予め定めた電圧設定値Ｖｓと略等しくなるように出力制御を行い、アーク長を適正値に制御している。さらに、溶け込みの適正化等の溶接品質を良好にするためには、アークを通電する溶接電流Ｉｗの平均値Ｉavを適正値に設定する必要がある。上述したように、溶接品質を良好にするためには、主にアーク長と等価な溶接電圧平均値Ｖav及び溶接電流平均値Ｉavを適正値に設定すればよい。したがって、溶接生産工程において溶接品質を管理するための管理項目として重要なものは、溶接電圧平均値Ｖav及び溶接電流平均値Ｉavである。この品質管理のために、通常、溶接電源のフロントパネルにはアナログ式又はデジタル式の電圧計及び電流計が配設されている。また、溶接電源から別の制御装置（外部機器）に溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力して、制御装置に配設された電圧計及び電流計に入力する場合もある。この場合に備えて、溶接電源には、通常、溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗの検出信号をインターフェース端子から取り出せるようにしている。（上述した従来技術については、例えば特許文献１、２参照）
【０００３】
図３は、本発明が対象とする消耗電極パルスアーク溶接における溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗの波形図である。以下、同図を参照して説明する。
【０００４】
時刻ｔ１〜ｔ２のピーク立上り期間Ｔup中は、同図（Ａ）に示すように、ベース電流Ｉｂからピーク電流Ｉｐへと上昇する遷移電流が通電し、同図（Ｂ）に示すように、ベース電圧Ｖｂからピーク電圧Ｖｐへと上昇する遷移電圧が電極・母材間に印加する。時刻ｔ２〜ｔ３のピーク期間Ｔｐ中は、同図（Ａ）に示すように、溶滴移行させるための大電流値のピーク電流Ｉｐが通電し、同図（Ｂ）に示すように、ピーク電圧Ｖｐが電極・母材間に印加する。時刻ｔ３〜ｔ４のピーク立下り期間Ｔdw中は、同図（Ａ）に示すように、ピーク電流Ｉｐからベース電流Ｉｂへと下降する遷移電流が通電し、同図（Ｂ）に示すように、ピーク電圧Ｖｐからベース電圧Ｖｂへと下降する遷移電圧が電極・母材間に印加する。時刻ｔ４〜ｔ５のベース期間Ｔｂ中は、同図（Ａ）に示すように、溶滴を成長させないための小電流値のベース電流Ｉｂが通電し、同図（Ｂ）に示すように、ベース電圧Ｖｂが電極・母材間に印加する。上記の時刻ｔ１〜ｔ５の期間をパルス周期Ｔｆとして繰り返し溶接が行われる。
【０００５】
同図（Ａ）に示すパルス波形の溶接電流Ｉｗを平均化したのが溶接電流平均値Ｉavであり、同図（Ｂ）に示すように、パルス波形の溶接電圧Ｖｗを平均化したのが溶接電圧平均値Ｖavである。同図において、瞬時的なアーク長はパルス周期Ｔｆ中刻々と変化している。しかし、上述した溶接品質に関係するアーク長とは、数周期〜十数周期の平均的なアーク長の変化である。このために、溶接電圧Ｖｗの瞬時値ではなく平均値によってアーク長の平均値の変化を検出している。上記及び下記において単にアーク長と表記したときはアーク長の平均値のことである。瞬時的なアーク長を表記する場合には瞬時的なアーク長と記す。上述したように、この溶接電圧平均値Ｖavが予め定めた電圧設定値Ｖｓと略等しくなるように溶接電源は出力制御される。この出力制御の方法としては、従来から、上記のパルス周期Ｔｆ、ピーク期間Ｔｐ、ピーク電流Ｉｐ等の少なくとも１つ以上をフィードバック制御によって可変する方法が使用されている。また、上述したように、溶接電圧Ｖｗ又は溶接電圧平均値Ｖavを電圧計に入力し、かつ、溶接電流Ｉｗ又は溶接電流平均値Ｉavを電流計に入力して、それらの表示値によって品質管理が行われる。電圧計及び電流計が瞬時値の平均値を表示するアナログ式でないデジタル式の場合には、溶接電圧平均値Ｖav及び溶接電流平均値Ｉavを演算して電圧計及び電流計に入力することになる。
【０００６】
パルスアーク溶接では、溶滴移行を円滑にするためにアルゴンガスを主成分とするシールドガスが使用される。例えば、鉄鋼材にはアルゴン８０％＋炭酸ガス２０％の混合ガスが使用され、ステンレス鋼材にはアルゴン９８％＋酸素２％の混合ガスが使用される。また、アルミニウム材、インコネル材、時にはステンレス鋼材には、アルゴン１００％のガス（以下、純アルゴンガスという）が使用される。アルゴンガスを主成分とするガス（以下、アルゴンリッチガスという）をシールドガスとするパルスアーク溶接では、シールドガスに含まれる酸化性成分（上記の炭酸ガス、酸素等）が少ないためにアーク発生部に酸化皮膜を形成する作用が弱い。すなわち、アークによるクリーニング作用によって母材表面の酸化皮膜が除去されると、シールドガスの酸化作用が弱いためにアーク発生中心部には酸化皮膜は存在しない状態になる。他方、アークの陰極点は酸化皮膜のある部分に形成されやすい性質を有するので、陰極点は酸化皮膜を求めてアーク周辺部へと広がることになる。
【０００７】
図４は、短絡が発生したときのパルスアーク溶接における溶接電圧Ｖｗ及び溶接電圧制限値Ｖftの波形図である。同図は、シールドガスにアルゴンリッチガスを使用した場合である。パルスアーク溶接では１パルス周期に同期して１回の溶滴移行が行われることが多い。このパルス周波数１／Ｔｆは１００〜３００Ｈｚ程度である。すなわち、１秒間に１００〜３００回程度の溶滴移行が行われる。通常、この溶滴移行は短絡を伴わずに行われることが多いが、１秒間に十数回程度は短時間の短絡が発生する。同図は、ベース期間中の時刻ｔ１〜ｔ２に短絡が発生した場合である。
【０００８】
時刻ｔ１において短絡が発生すると、アークは消滅して瞬時的なアーク長は零となる。その後の時刻ｔ２においてアークは電極直下の母材部分に再発生する。このアーク再発生には大きなエネルギーが必要になる。そのエネルギーをアークに供給するために大きな異常電圧が重畳する。大きなエネルギーが必要な理由は、電極直下の母材表面には上述したように酸化皮膜が存在しないために陰極点を再形成するのに大きなエネルギーが必要なためである。時刻ｔ３において陰極点が酸化皮膜のあるアーク周辺部まで移動したために、エネルギーは必要でなくなり異常電圧は消滅して通常電圧に復帰する。上述した異常電圧は、上述した短絡直後だけでなく、酸化皮膜の状態が不均一で陰極点がふらふらと移動する場合等にも発生する。すなわち、異常電圧は酸化作用の弱いシールドガスを使用する場合に特に顕著となる。したがって、酸化成分を含まない純アルゴンガスを使用する場合には、異常電圧の値は大きく発生頻度も高い。
【０００９】
上述したように、溶接品質にとって重要なアーク長とは、パルス周期中の瞬時的なアーク長ではなく、数周期〜十数周期の平均的なアーク長である。上述した異常電圧はアーク長とは関係しない電圧であり、これを除去した平均電圧値がアーク長と比例関係にある電圧値である。特許文献３の発明は、この異常電圧を除去する方法に関するものである。以下、この除去方法について説明する。
【００１０】
同図（Ｂ）において、点線で示すパルス波形の基準電圧波形Ｖｃ及びそれを中心値とする変動範囲±ΔＶｃを予め設定する。そして、溶接電圧ＶｗがこのＶｃ±ΔＶｃの範囲外になるときは、異常電圧として除去する。この結果、溶接電圧Ｖｗは溶接電圧制限値Ｖftとなり、異郷電圧が除去されたアーク長に比例する電圧波形となる。この溶接電圧制限値Ｖftの平均値を算出して予め定めた電圧設定値と略等しくなるように出力制御することによって、アーク長を適正値に制御することができる。上記の基準電圧波形Ｖｃは、過去数周期〜十数周期にわたる溶接電圧制限値Ｖftを移動平均することで自動設定することもできる。
【００１１】
図５は、パルスアーク溶接中の溶接電圧平均値Ｖav、溶接電圧制限値の平均値Ｖfa及び電圧設定値Ｖｓの時間変化図である。同図に示すように、溶接電圧平均値Ｖavは異常電圧を含む電圧値の平均値であるために変動が大きい。これに対して、溶接電圧制限平均値Ｖfaは、異常電圧を除去したアーク長と比例する溶接電圧制限値Ｖftの平均値であるために変動が少ない。そして、溶接電圧制限平均値Ｖfaは電圧設定値Ｖｓと等しくなるように出力制御されるので、Ｖfa＝Ｖｓとなる。したがって、電圧設定値Ｖｓでアーク長を設定し、溶接電圧制限平均値Ｖfaによって適正アーク長になるように制御している。
【００１２】
【特許文献１】特開平５−２００５４７号公報
【特許文献２】特開平１０−３１４９４０号公報
【特許文献３】特開２００３−３１１４０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述したように、アルゴンリッチガスを使用したパルスアーク溶接では、短絡解除時の陰極点の再形成、酸化皮膜の状態の不均一に起因する陰極点のふらつき等によって、異常電圧が溶接電圧に重畳する。さらに、シールドガスが純アルゴンガスになると、この異常電圧の値が大きくなり、かつ、頻繁に発生するようになる。この異常電圧を含む溶接電圧によって電圧計を表示させると、アーク長とは比例しない値となる。上述したように、電圧計はアーク長を管理する指標として表示しているにもかかわらず、アーク長に比例しない値を表示したのでは意味がない。
【００１４】
図６は、純アルゴンガスを使用したステンレス鋼材のパルスアーク溶接における電圧計の表示値のバラツキを測定した図である。同図は、１００Ａ−２０Ｖ（電圧設定値）、１５０Ａー２２Ｖ及び２００Ａ−２４Ｖの３条件でそれそれ５回の溶接を行い、電圧計の表示値と電圧設定値との偏差を図示したものである。電圧計は、通常通り溶接電源の出力端子間の電圧すなわち溶接電圧を入力信号としている。
【００１５】
同図から明らかなように、電圧計の表示値は、アーク長を設定する電圧設定値から３〜１０Ｖもズレており、かつ、１回ごとの電圧計の表示値のバラツキも大きい。したがって、電圧計の表示値によってアーク長を管理することはできなかった。
【００１６】
ちなみに、電流計の表示すなわち溶接電流平均値は、異常電圧が発生する状態でもその値はほとんど影響されない。その理由は、パルスアーク溶接電源は、通常、定電流制御されているので、異常電圧が発生する状態においても通電する電流値は図３（Ａ）で上述した電流波形と略同一になるからである。したがって、電流計へは溶接電流をシャント抵抗等で検出して入力信号とする通常の方法で何ら問題はない。
【００１７】
そこで、本発明では、純アルゴンガスを使用するパルスアーク溶接においてアーク長と略比例する電圧値を電圧計によって表示させることができるパルスアーク溶接電源を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上述した課題を解決するために、本発明は、シールドガスに不活性ガスのみを使用し、ピーク電流及びベース電流からなるパルス波形の溶接電流を通電すると共に、消耗電極と母材との間のパルス波形の溶接電圧を検出しこの溶接電圧検出値をパルス波形の基準電圧波形からの所定変動範囲内で制限して溶接電圧制限値を算出し、この溶接電圧制限値を平均化した溶接電圧制限平均値が予め定めた電圧設定値と略等しくなるように溶接電源の出力を制御するパルスアーク溶接電源において、
前記溶接電圧検出値に代えて前記溶接電圧制限値又は前記溶接電圧制限平均値を、溶接電源に配設した電圧計及び／又は外部機器とのインターフェース端子への入力信号とすることを特徴とするパルスアーク溶接電源である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係るパルスアーク溶接電源によれば、溶接電圧を基準電圧波形からの所定変動範囲内に制限して溶接電圧制限値を算出することによって異常電圧を除去することができる。この溶接電圧制限値又はその平均値を電圧計の入力信号とすることによって、アーク長と比例する電圧値を表示することができる。このために、重要な溶接品質であるアーク長の管理を正確に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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。
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態に係るパルスアーク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。
【００２２】
電源主回路ＰＭは、商用交流電源（３相２００Ｖ等）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、チョッパ制御等の出力制御を行い、溶接に適した溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗ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との間でアーク３が発生する。
【００２３】
電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗを検出して、溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する。基準電圧波形記憶回路ＶＣは、上述したように予め定めた又は移動平均によって自動設定された基準電圧波形を記憶し、後述する経過時間信号Ｓｔに対応する中心電圧値信号Ｖｃを出力する。変動範囲設定回路ΔＶＣは、予め定めた変動範囲信号ΔＶｃを出力する。制限フィルタ回路ＦＴは、上記の溶接電圧検出信号Ｖｄを入力として、上記の中心電圧値からの変動範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限して、溶接電圧制限値信号Ｖftを出力する。平均値算出回路ＶＦＡは、上記の溶接電圧制限値信号Ｖftを入力として平均値を算出し、溶接電圧制限平均値信号Ｖfaを出力する。
【００２４】
電圧設定回路ＶＳは、予め定めた電圧設定信号Ｖｓを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の溶接電圧制限平均値信号Ｖfaと電圧設定信号Ｖｓとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。電圧・周波数変換回路Ｖ／Ｆは、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖの値に比例した周波数に変換し、その周波数（パルス周期）ごとに短時間Ｈｉｇｈレベルとなるパルス周期信号Ｔｆを出力する。経過時間計数回路ＳＴは、上記のパルス周期信号ＴｆがＨｉｇｈレベルに変化した時点（ピーク立上り期間の開始時点）からの経過時間を計数して、経過時間信号Ｓｔを出力する。
【００２５】
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。電流制御設定回路ＩＳＣは、上記の経過時間信号Ｓｔを入力として、ピーク立上り期間Ｔup中は上記のベース電流設定信号Ｉbsから上記のピーク電流設定信号Ｉpsへと上昇する電流制御設定信号Ｉscを出力し、その後のピーク期間Ｔｐ中は上記のピーク電流設定信号Ｉpsを電流制御設定信号Ｉscとして出力し、その後のピーク立下り期間Ｔdw中は上記のピーク電流設定信号Ｉpsから上記のベース電流設定信号Ｉbsへと下降する電流制御設定信号Ｉscを出力し、その後のベース期間Ｔｂ中は上記のベース電流設定信号Ｉbsを電流制御設定信号Ｉscとして出力する。電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｗを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流制御設定信号Ｉscと電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。この結果、上記の電流制御設定信号Ｉscに相当する図３で上述した溶接電流Ｉｗが通電する。
【００２６】
電圧計ＶＭは、上記の溶接電圧制限値信号Ｖftを入力信号として異常電圧を除去したアーク長に比例した電圧値を表示する。また、溶接電圧制限値信号Ｖftに代えて溶接電圧制限平均値信号Ｖfaを入力信号としても同様である。さらに、上述したように、溶接電圧制限値信号Ｖft又は溶接電圧制限平均値信号Ｖfaを外部機器とのインターフェース端子への入力信号としてもよい。これによって、アーク長と比例する電圧値を、溶接電源又は外部機器に配設された電圧計に表示することができる。したがって、良好な溶接品質を得るために必須なアーク長の管理を正確に行うことができる。
【００２７】
図２は、本発明の効果の一例を示す上述した図６に対応する純アルゴンガスを使用したステンレス鋼材のパルスアーク溶接における電圧計の表示値のバラツキを測定した図である。同図は、１００Ａ−２０Ｖ（電圧設定値）、１５０Ａー２２Ｖ及び２００Ａ−２４Ｖの３条件でそれそれ５回の溶接を行い、電圧計の表示値と電圧設定値との偏差を図示したものである。電圧計は、図１で上述したように溶接電圧制限値信号Ｖftを入力信号としている。
【００２８】
同図から明らかなように、電圧計の表示値は、アーク長を設定する電圧設定値と略一致しており、かつ、５回の測定値のバラツキもほとんどない。このように、本発明によれば、アーク長を正確にバラツキなく電圧計によって表示することができる。
【００２９】
上記の説明は直流パルスアーク溶接についての場合であるが、交流パルスアーク溶接の場合も同様に本発明を適用することができる。
【００３０】
上記においては、酸化作用成分を含まない純アルゴンガスの場合について説明した。しかし、溶接に使用される不活性ガスとして、アルゴンガス以外にもヘリウムガス、アルゴンガスとヘリウムガスとの混合ガス等が一般的に使用される。これらの不活性ガスのみを使用する場合にも、炭酸ガス、酸素等の酸化作用成分を含まないので、上述した実施の形態はそのまま適合する。すなわち、本発明は、純アルゴンガス、純ヘリウムガス、アルゴンガスとヘリウムガスとの混合ガス等の不活性ガスのみをシールドガスに使用するパルスアーク溶接に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態に係るパルスアーク溶接電源のブロック図である。
【図２】本発明の効果を説明するための電圧計の表示値と電圧設定値との偏差を示す図である。
【図３】従来技術のパルスアーク溶接の電流・電圧波形図である。
【図４】従来技術における異常電圧が重畳した溶接電圧Ｖｗ及び異常電圧を除去した溶接電圧制限値Ｖftの波形図である。
【図５】従来技術におけるパルスアーク溶接中の溶接電圧平均値Ｖav、溶接電圧制限平均値Ｖfa及び電圧設定値Ｖｓの時間変化図である。
【図６】本発明の課題を説明するための電圧計の表示値と電圧設定値との偏差を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
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
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＶ 電圧誤差増幅回路
Ｅｖ 電圧誤差増幅信号
ＦＴ 制限フィルタ回路
Ｉav 溶接電流平均値
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
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
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
ＩＳＣ 電流制御設定回路
Ｉsc 電流制御設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＰＭ 電源主回路
ＳＴ 経過時間計数回路
Ｓｔ 経過時間信号
Ｔｂ ベース期間
Ｔdw ピーク立下り期間
Ｔｆ パルス周期（信号）
Ｔｐ ピーク期間
Ｔup ピーク立上り期間
Ｖ／Ｆ 電圧・周波数変換回路
Ｖav 溶接電圧平均値
Ｖｂ ベース電圧
ＶＣ 基準電圧波形記憶回路
Ｖｃ 基準電圧波形／中心電圧値信号
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 溶接電圧検出信号
ＶＦＡ 平均値算出回路
Ｖfa 溶接電圧制限平均値（信号）
Ｖft 溶接電圧制限値（信号）
ＶＭ 電圧計
Ｖｐ ピーク電圧
ＶＳ 電圧設定回路
Ｖｓ 電圧設定（値／信号）
Ｖｗ 溶接電圧
ΔＶＣ 変動範囲設定回路
ΔＶｃ 変動範囲（信号）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シールドガスにアルゴンガスのみを使用するパルスアーク溶接においてアーク長と略比例する電圧値を電圧計に表示させるためのパルスアーク溶接電源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アーク溶接、特に消耗電極アーク溶接においては、電極先端と母材との間の距離であるアーク長が適正であることが溶接状態の安定化、ビード形成の健全化等の溶接品質を良好にするための重要な条件である。アーク長は、通常、電極と母材との間の電圧（溶接電圧Ｖｗ）の平均値Ｖavに略比例する。したがって、消耗電極アーク溶接電源では、この溶接電圧平均値Ｖavが予め定めた電圧設定値Ｖｓと略等しくなるように出力制御を行い、アーク長を適正値に制御している。さらに、溶け込みの適正化等の溶接品質を良好にするためには、アークを通電する溶接電流Ｉｗの平均値Ｉavを適正値に設定する必要がある。上述したように、溶接品質を良好にするためには、主にアーク長と等価な溶接電圧平均値Ｖav及び溶接電流平均値Ｉavを適正値に設定すればよい。したがって、溶接生産工程において溶接品質を管理するための管理項目として重要なものは、溶接電圧平均値Ｖav及び溶接電流平均値Ｉavである。この品質管理のために、通常、溶接電源のフロントパネルにはアナログ式又はデジタル式の電圧計及び電流計が配設されている。また、溶接電源から別の制御装置（外部機器）に溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力して、制御装置に配設された電圧計及び電流計に入力する場合もある。この場合に備えて、溶接電源には、通常、溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗの検出信号をインターフェース端子から取り出せるようにしている。（上述した従来技術については、例えば特許文献１、２参照）
【０００３】
図３は、本発明が対象とする消耗電極パルスアーク溶接における溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗの波形図である。以下、同図を参照して説明する。
【０００４】
時刻ｔ１〜ｔ２のピーク立上り期間Ｔup中は、同図（Ａ）に示すように、ベース電流Ｉｂからピーク電流Ｉｐへと上昇する遷移電流が通電し、同図（Ｂ）に示すように、ベース電圧Ｖｂからピーク電圧Ｖｐへと上昇する遷移電圧が電極・母材間に印加する。時刻ｔ２〜ｔ３のピーク期間Ｔｐ中は、同図（Ａ）に示すように、溶滴移行させるための大電流値のピーク電流Ｉｐが通電し、同図（Ｂ）に示すように、ピーク電圧Ｖｐが電極・母材間に印加する。時刻ｔ３〜ｔ４のピーク立下り期間Ｔdw中は、同図（Ａ）に示すように、ピーク電流Ｉｐからベース電流Ｉｂへと下降する遷移電流が通電し、同図（Ｂ）に示すように、ピーク電圧Ｖｐからベース電圧Ｖｂへと下降する遷移電圧が電極・母材間に印加する。時刻ｔ４〜ｔ５のベース期間Ｔｂ中は、同図（Ａ）に示すように、溶滴を成長させないための小電流値のベース電流Ｉｂが通電し、同図（Ｂ）に示すように、ベース電圧Ｖｂが電極・母材間に印加する。上記の時刻ｔ１〜ｔ５の期間をパルス周期Ｔｆとして繰り返し溶接が行われる。
【０００５】
同図（Ａ）に示すパルス波形の溶接電流Ｉｗを平均化したのが溶接電流平均値Ｉavであり、同図（Ｂ）に示すように、パルス波形の溶接電圧Ｖｗを平均化したのが溶接電圧平均値Ｖavである。同図において、瞬時的なアーク長はパルス周期Ｔｆ中刻々と変化している。しかし、上述した溶接品質に関係するアーク長とは、数周期〜十数周期の平均的なアーク長の変化である。このために、溶接電圧Ｖｗの瞬時値ではなく平均値によってアーク長の平均値の変化を検出している。上記及び下記において単にアーク長と表記したときはアーク長の平均値のことである。瞬時的なアーク長を表記する場合には瞬時的なアーク長と記す。上述したように、この溶接電圧平均値Ｖavが予め定めた電圧設定値Ｖｓと略等しくなるように溶接電源は出力制御される。この出力制御の方法としては、従来から、上記のパルス周期Ｔｆ、ピーク期間Ｔｐ、ピーク電流Ｉｐ等の少なくとも１つ以上をフィードバック制御によって可変する方法が使用されている。また、上述したように、溶接電圧Ｖｗ又は溶接電圧平均値Ｖavを電圧計に入力し、かつ、溶接電流Ｉｗ又は溶接電流平均値Ｉavを電流計に入力して、それらの表示値によって品質管理が行われる。電圧計及び電流計が瞬時値の平均値を表示するアナログ式でないデジタル式の場合には、溶接電圧平均値Ｖav及び溶接電流平均値Ｉavを演算して電圧計及び電流計に入力することになる。
【０００６】
パルスアーク溶接では、溶滴移行を円滑にするためにアルゴンガスを主成分とするシールドガスが使用される。例えば、鉄鋼材にはアルゴン８０％＋炭酸ガス２０％の混合ガスが使用され、ステンレス鋼材にはアルゴン９８％＋酸素２％の混合ガスが使用される。また、アルミニウム材、インコネル材、時にはステンレス鋼材には、アルゴン１００％のガス（以下、純アルゴンガスという）が使用される。アルゴンガスを主成分とするガス（以下、アルゴンリッチガスという）をシールドガスとするパルスアーク溶接では、シールドガスに含まれる酸化性成分（上記の炭酸ガス、酸素等）が少ないためにアーク発生部に酸化皮膜を形成する作用が弱い。すなわち、アークによるクリーニング作用によって母材表面の酸化皮膜が除去されると、シールドガスの酸化作用が弱いためにアーク発生中心部には酸化皮膜は存在しない状態になる。他方、アークの陰極点は酸化皮膜のある部分に形成されやすい性質を有するので、陰極点は酸化皮膜を求めてアーク周辺部へと広がることになる。
【０００７】
図４は、短絡が発生したときのパルスアーク溶接における溶接電圧Ｖｗ及び溶接電圧制限値Ｖftの波形図である。同図は、シールドガスにアルゴンリッチガスを使用した場合である。パルスアーク溶接では１パルス周期に同期して１回の溶滴移行が行われることが多い。このパルス周波数１／Ｔｆは１００〜３００Ｈｚ程度である。すなわち、１秒間に１００〜３００回程度の溶滴移行が行われる。通常、この溶滴移行は短絡を伴わずに行われることが多いが、１秒間に十数回程度は短時間の短絡が発生する。同図は、ベース期間中の時刻ｔ１〜ｔ２に短絡が発生した場合である。
【０００８】
時刻ｔ１において短絡が発生すると、アークは消滅して瞬時的なアーク長は零となる。その後の時刻ｔ２においてアークは電極直下の母材部分に再発生する。このアーク再発生には大きなエネルギーが必要になる。そのエネルギーをアークに供給するために大きな異常電圧が重畳する。大きなエネルギーが必要な理由は、電極直下の母材表面には上述したように酸化皮膜が存在しないために陰極点を再形成するのに大きなエネルギーが必要なためである。時刻ｔ３において陰極点が酸化皮膜のあるアーク周辺部まで移動したために、エネルギーは必要でなくなり異常電圧は消滅して通常電圧に復帰する。上述した異常電圧は、上述した短絡直後だけでなく、酸化皮膜の状態が不均一で陰極点がふらふらと移動する場合等にも発生する。すなわち、異常電圧は酸化作用の弱いシールドガスを使用する場合に特に顕著となる。したがって、酸化成分を含まない純アルゴンガスを使用する場合には、異常電圧の値は大きく発生頻度も高い。
【０００９】
上述したように、溶接品質にとって重要なアーク長とは、パルス周期中の瞬時的なアーク長ではなく、数周期〜十数周期の平均的なアーク長である。上述した異常電圧はアーク長とは関係しない電圧であり、これを除去した平均電圧値がアーク長と比例関係にある電圧値である。特許文献３の発明は、この異常電圧を除去する方法に関するものである。以下、この除去方法について説明する。
【００１０】
同図（Ｂ）において、点線で示すパルス波形の基準電圧波形Ｖｃ及びそれを中心値とする変動範囲±ΔＶｃを予め設定する。そして、溶接電圧ＶｗがこのＶｃ±ΔＶｃの範囲外になるときは、異常電圧として除去する。この結果、溶接電圧Ｖｗは溶接電圧制限値Ｖftとなり、異郷電圧が除去されたアーク長に比例する電圧波形となる。この溶接電圧制限値Ｖftの平均値を算出して予め定めた電圧設定値と略等しくなるように出力制御することによって、アーク長を適正値に制御することができる。上記の基準電圧波形Ｖｃは、過去数周期〜十数周期にわたる溶接電圧制限値Ｖftを移動平均することで自動設定することもできる。
【００１１】
図５は、パルスアーク溶接中の溶接電圧平均値Ｖav、溶接電圧制限値の平均値Ｖfa及び電圧設定値Ｖｓの時間変化図である。同図に示すように、溶接電圧平均値Ｖavは異常電圧を含む電圧値の平均値であるために変動が大きい。これに対して、溶接電圧制限平均値Ｖfaは、異常電圧を除去したアーク長と比例する溶接電圧制限値Ｖftの平均値であるために変動が少ない。そして、溶接電圧制限平均値Ｖfaは電圧設定値Ｖｓと等しくなるように出力制御されるので、Ｖfa＝Ｖｓとなる。したがって、電圧設定値Ｖｓでアーク長を設定し、溶接電圧制限平均値Ｖfaによって適正アーク長になるように制御している。
【００１２】
【特許文献１】特開平５−２００５４７号公報
【特許文献２】特開平１０−３１４９４０号公報
【特許文献３】特開２００３−３１１４０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述したように、アルゴンリッチガスを使用したパルスアーク溶接では、短絡解除時の陰極点の再形成、酸化皮膜の状態の不均一に起因する陰極点のふらつき等によって、異常電圧が溶接電圧に重畳する。さらに、シールドガスが純アルゴンガスになると、この異常電圧の値が大きくなり、かつ、頻繁に発生するようになる。この異常電圧を含む溶接電圧によって電圧計を表示させると、アーク長とは比例しない値となる。上述したように、電圧計はアーク長を管理する指標として表示しているにもかかわらず、アーク長に比例しない値を表示したのでは意味がない。
【００１４】
図６は、純アルゴンガスを使用したステンレス鋼材のパルスアーク溶接における電圧計の表示値のバラツキを測定した図である。同図は、１００Ａ−２０Ｖ（電圧設定値）、１５０Ａー２２Ｖ及び２００Ａ−２４Ｖの３条件でそれそれ５回の溶接を行い、電圧計の表示値と電圧設定値との偏差を図示したものである。電圧計は、通常通り溶接電源の出力端子間の電圧すなわち溶接電圧を入力信号としている。
【００１５】
同図から明らかなように、電圧計の表示値は、アーク長を設定する電圧設定値から３〜１０Ｖもズレており、かつ、１回ごとの電圧計の表示値のバラツキも大きい。したがって、電圧計の表示値によってアーク長を管理することはできなかった。
【００１６】
ちなみに、電流計の表示すなわち溶接電流平均値は、異常電圧が発生する状態でもその値はほとんど影響されない。その理由は、パルスアーク溶接電源は、通常、定電流制御されているので、異常電圧が発生する状態においても通電する電流値は図３（Ａ）で上述した電流波形と略同一になるからである。したがって、電流計へは溶接電流をシャント抵抗等で検出して入力信号とする通常の方法で何ら問題はない。
【００１７】
そこで、本発明では、純アルゴンガスを使用するパルスアーク溶接においてアーク長と略比例する電圧値を電圧計によって表示させることができるパルスアーク溶接電源を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上述した課題を解決するために、本発明は、シールドガスに不活性ガスのみを使用し、ピーク電流及びベース電流からなるパルス波形の溶接電流を通電すると共に、消耗電極と母材との間のパルス波形の溶接電圧を検出しこの溶接電圧検出値をパルス波形の基準電圧波形からの所定変動範囲内で制限して溶接電圧制限値を算出し、この溶接電圧制限値を平均化した溶接電圧制限平均値が予め定めた電圧設定値と略等しくなるように溶接電源の出力を制御するパルスアーク溶接電源において、
前記溶接電圧検出値に代えて前記溶接電圧制限値又は前記溶接電圧制限平均値を、溶接電源に配設した電圧計及び／又は外部機器とのインターフェース端子への入力信号とすることを特徴とするパルスアーク溶接電源である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係るパルスアーク溶接電源によれば、溶接電圧を基準電圧波形からの所定変動範囲内に制限して溶接電圧制限値を算出することによって異常電圧を除去することができる。この溶接電圧制限値又はその平均値を電圧計の入力信号とすることによって、アーク長と比例する電圧値を表示することができる。このために、重要な溶接品質であるアーク長の管理を正確に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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。
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態に係るパルスアーク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。
【００２２】
電源主回路ＰＭは、商用交流電源（３相２００Ｖ等）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、チョッパ制御等の出力制御を行い、溶接に適した溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗ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との間でアーク３が発生する。
【００２３】
電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗを検出して、溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する。基準電圧波形記憶回路ＶＣは、上述したように予め定めた又は移動平均によって自動設定された基準電圧波形を記憶し、後述する経過時間信号Ｓｔに対応する中心電圧値信号Ｖｃを出力する。変動範囲設定回路ΔＶＣは、予め定めた変動範囲信号ΔＶｃを出力する。制限フィルタ回路ＦＴは、上記の溶接電圧検出信号Ｖｄを入力として、上記の中心電圧値からの変動範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限して、溶接電圧制限値信号Ｖftを出力する。平均値算出回路ＶＦＡは、上記の溶接電圧制限値信号Ｖftを入力として平均値を算出し、溶接電圧制限平均値信号Ｖfaを出力する。
【００２４】
電圧設定回路ＶＳは、予め定めた電圧設定信号Ｖｓを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の溶接電圧制限平均値信号Ｖfaと電圧設定信号Ｖｓとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。電圧・周波数変換回路Ｖ／Ｆは、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖの値に比例した周波数に変換し、その周波数（パルス周期）ごとに短時間Ｈｉｇｈレベルとなるパルス周期信号Ｔｆを出力する。経過時間計数回路ＳＴは、上記のパルス周期信号ＴｆがＨｉｇｈレベルに変化した時点（ピーク立上り期間の開始時点）からの経過時間を計数して、経過時間信号Ｓｔを出力する。
【００２５】
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。電流制御設定回路ＩＳＣは、上記の経過時間信号Ｓｔを入力として、ピーク立上り期間Ｔup中は上記のベース電流設定信号Ｉbsから上記のピーク電流設定信号Ｉpsへと上昇する電流制御設定信号Ｉscを出力し、その後のピーク期間Ｔｐ中は上記のピーク電流設定信号Ｉpsを電流制御設定信号Ｉscとして出力し、その後のピーク立下り期間Ｔdw中は上記のピーク電流設定信号Ｉpsから上記のベース電流設定信号Ｉbsへと下降する電流制御設定信号Ｉscを出力し、その後のベース期間Ｔｂ中は上記のベース電流設定信号Ｉbsを電流制御設定信号Ｉscとして出力する。電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｗを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流制御設定信号Ｉscと電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。この結果、上記の電流制御設定信号Ｉscに相当する図３で上述した溶接電流Ｉｗが通電する。
【００２６】
電圧計ＶＭは、上記の溶接電圧制限値信号Ｖftを入力信号として異常電圧を除去したアーク長に比例した電圧値を表示する。また、溶接電圧制限値信号Ｖftに代えて溶接電圧制限平均値信号Ｖfaを入力信号としても同様である。さらに、上述したように、溶接電圧制限値信号Ｖft又は溶接電圧制限平均値信号Ｖfaを外部機器とのインターフェース端子への入力信号としてもよい。これによって、アーク長と比例する電圧値を、溶接電源又は外部機器に配設された電圧計に表示することができる。したがって、良好な溶接品質を得るために必須なアーク長の管理を正確に行うことができる。
【００２７】
図２は、本発明の効果の一例を示す上述した図６に対応する純アルゴンガスを使用したステンレス鋼材のパルスアーク溶接における電圧計の表示値のバラツキを測定した図である。同図は、１００Ａ−２０Ｖ（電圧設定値）、１５０Ａー２２Ｖ及び２００Ａ−２４Ｖの３条件でそれそれ５回の溶接を行い、電圧計の表示値と電圧設定値との偏差を図示したものである。電圧計は、図１で上述したように溶接電圧制限値信号Ｖftを入力信号としている。
【００２８】
同図から明らかなように、電圧計の表示値は、アーク長を設定する電圧設定値と略一致しており、かつ、５回の測定値のバラツキもほとんどない。このように、本発明によれば、アーク長を正確にバラツキなく電圧計によって表示することができる。
【００２９】
上記の説明は直流パルスアーク溶接についての場合であるが、交流パルスアーク溶接の場合も同様に本発明を適用することができる。
【００３０】
上記においては、酸化作用成分を含まない純アルゴンガスの場合について説明した。しかし、溶接に使用される不活性ガスとして、アルゴンガス以外にもヘリウムガス、アルゴンガスとヘリウムガスとの混合ガス等が一般的に使用される。これらの不活性ガスのみを使用する場合にも、炭酸ガス、酸素等の酸化作用成分を含まないので、上述した実施の形態はそのまま適合する。すなわち、本発明は、純アルゴンガス、純ヘリウムガス、アルゴンガスとヘリウムガスとの混合ガス等の不活性ガスのみをシールドガスに使用するパルスアーク溶接に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施の形態に係るパルスアーク溶接電源のブロック図である。
【図２】本発明の効果を説明するための電圧計の表示値と電圧設定値との偏差を示す図である。
【図３】従来技術のパルスアーク溶接の電流・電圧波形図である。
【図４】従来技術における異常電圧が重畳した溶接電圧Ｖｗ及び異常電圧を除去した溶接電圧制限値Ｖftの波形図である。
【図５】従来技術におけるパルスアーク溶接中の溶接電圧平均値Ｖav、溶接電圧制限平均値Ｖfa及び電圧設定値Ｖｓの時間変化図である。
【図６】本発明の課題を説明するための電圧計の表示値と電圧設定値との偏差を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
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
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＶ 電圧誤差増幅回路
Ｅｖ 電圧誤差増幅信号
ＦＴ 制限フィルタ回路
Ｉav 溶接電流平均値
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
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
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
ＩＳＣ 電流制御設定回路
Ｉsc 電流制御設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＰＭ 電源主回路
ＳＴ 経過時間計数回路
Ｓｔ 経過時間信号
Ｔｂ ベース期間
Ｔdw ピーク立下り期間
Ｔｆ パルス周期（信号）
Ｔｐ ピーク期間
Ｔup ピーク立上り期間
Ｖ／Ｆ 電圧・周波数変換回路
Ｖav 溶接電圧平均値
Ｖｂ ベース電圧
ＶＣ 基準電圧波形記憶回路
Ｖｃ 基準電圧波形／中心電圧値信号
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 溶接電圧検出信号
ＶＦＡ 平均値算出回路
Ｖfa 溶接電圧制限平均値（信号）
Ｖft 溶接電圧制限値（信号）
ＶＭ 電圧計
Ｖｐ ピーク電圧
ＶＳ 電圧設定回路
Ｖｓ 電圧設定（値／信号）
Ｖｗ 溶接電圧
ΔＶＣ 変動範囲設定回路
ΔＶｃ 変動範囲（信号）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールドガスに不活性ガスのみを使用し、ピーク電流及びベース電流からなるパルス波形の溶接電流を通電すると共に、消耗電極と母材との間のパルス波形の溶接電圧を検出しこの溶接電圧検出値をパルス波形の基準電圧波形からの所定変動範囲内で制限して溶接電圧制限値を算出し、この溶接電圧制限値を平均化した溶接電圧制限平均値が予め定めた電圧設定値と略等しくなるように溶接電源の出力を制御するパルスアーク溶接電源において、
前記溶接電圧検出値に代えて前記溶接電圧制限値又は前記溶接電圧制限平均値を、溶接電源に配設した電圧計及び／又は外部機器とのインターフェース端子への入力信号とすることを特徴とするパルスアーク溶接電源。
【請求項１】
シールドガスに不活性ガスのみを使用し、ピーク電流及びベース電流からなるパルス波形の溶接電流を通電すると共に、消耗電極と母材との間のパルス波形の溶接電圧を検出しこの溶接電圧検出値をパルス波形の基準電圧波形からの所定変動範囲内で制限して溶接電圧制限値を算出し、この溶接電圧制限値を平均化した溶接電圧制限平均値が予め定めた電圧設定値と略等しくなるように溶接電源の出力を制御するパルスアーク溶接電源において、
前記溶接電圧検出値に代えて前記溶接電圧制限値又は前記溶接電圧制限平均値を、溶接電源に配設した電圧計及び／又は外部機器とのインターフェース端子への入力信号とすることを特徴とするパルスアーク溶接電源。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−８５７（Ｐ２００６−８５７Ａ）
【公開日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１７６３２２（Ｐ２００４−１７６３２２）
【出願日】平成１６年６月１５日（２００４．６．１５）
【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１月５日（２００６．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月１５日（２００４．６．１５）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
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