消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法
【課題】溶滴のくびれを検出して溶接電流を急減させるくびれ検出制御方法において、くびれ検出からアーク再発生までの時間が長いときに発生するスパッタを低減する。
【解決手段】短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれを検出し、このくびれ検出時点ｔ２から短絡負荷に通電する溶接電流Ｉｗを減少させて低レベル電流Ｉｌの状態でアークを再発生させる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、くびれ検出時点ｔ２からの経過時間がアークが再発生する前に予め定めた基準時間Ｔｔに達したときは、溶接電流Ｉｗを低レベル電流Ｉｌから高レベル電流Ｉｈへと増加させてアークを再発生させる。この高レベル電流Ｉｈの値及び／又は立上り傾斜を基準時間Ｔｔに達した時点ｔ２２でのくびれの進行度に応じて変化させる。これにより、アークの安定性を維持した上で、スパッタの発生を低減することができる。
【解決手段】短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれを検出し、このくびれ検出時点ｔ２から短絡負荷に通電する溶接電流Ｉｗを減少させて低レベル電流Ｉｌの状態でアークを再発生させる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、くびれ検出時点ｔ２からの経過時間がアークが再発生する前に予め定めた基準時間Ｔｔに達したときは、溶接電流Ｉｗを低レベル電流Ｉｌから高レベル電流Ｉｈへと増加させてアークを再発生させる。この高レベル電流Ｉｈの値及び／又は立上り傾斜を基準時間Ｔｔに達した時点ｔ２２でのくびれの進行度に応じて変化させる。これにより、アークの安定性を維持した上で、スパッタの発生を低減することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短絡期間中の溶滴のくびれを検出して溶接電流を減少させて溶接品質を向上させるための消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図４は、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを繰り返す消耗電極アーク溶接における電流・電圧波形及び溶滴移行を示す図である。同図（Ａ）は消耗電極（以下、溶接ワイヤ１という）を通電する溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接ワイヤ１と母材２との間に印加される溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）〜（Ｅ）は溶滴１ａの移行の様子を示す。以下、同図を参照して説明する。
【０００３】
時刻ｔ１〜ｔ３の短絡期間Ｔｓ中は溶接ワイヤ１先端の溶滴１ａが母材２と短絡した状態にある。溶接電流Ｉｗは、同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ１１の予め定めた初期期間中は小電流値の初期電流値に維持され、続く時刻ｔ１１〜ｔ１２の期間中は予め定めた傾斜で増加し、続く時刻ｔ１２からアークが再発生する時刻ｔ３までは予め定めたピーク値に制御される。初期期間は１ms程度に設定され、初期電流値は５０Ａ程度に設定され、傾斜は１００〜３００Ａ／ms程度に設定され、ピーク値は３００〜４００Ａ程度に設定される。これらの値は、溶接ワイヤの種類、シールドガスの種類、送給速度等に応じて適正値に設定される。溶接電圧Ｖｗは、同図（Ｂ）に示すように、短絡状態にあるために数Ｖ程度の低い値となる。
【０００４】
同図（Ｃ）に示すように、時刻ｔ１において溶滴１ａが母材２と接触して短絡状態に入る。短絡状態に入ると溶接電流は小電流値の初期電流に減少するので、より確実な短絡状態へと導かれる。その後溶接電流Ｉｗは増加するので、同図（Ｄ）に示すように、溶滴１ａを通電する溶接電流Ｉｗによる電磁的ピンチ力によって溶滴１ａ上部にくびれ１ｂが発生する。この電磁的ピンチ力は、溶接電流Ｉｗの値に比例して大きくなる。したがって、溶接電流Ｉｗを増加させることによって、電磁的ピンチ力を大きくして、くびれ１ｂの形成を促進している。そしてこのくびれ１ｂが急速に進行して、時刻ｔ３において同図（Ｅ）に示すように、溶滴１ａは溶接ワイヤ１から溶融池２ａへと移行しアーク３が再発生する。
【０００５】
溶滴１ａにくびれ１ｂが発生すると、数百μｓ程度の短い時間後に短絡が開放されてアーク３が再発生する。すなわち、このくびれ現象は短絡開放の前兆現象となる。くびれ１ｂが発生すると、溶接電流Ｉｗの通電路がくびれ部分で狭くなるために、くびれ部分の抵抗値が増大する。この抵抗値の増大は、くびれが進行してくびれ部分がより狭くなるほど大きくなる。したがって、短絡期間Ｔｓ中において溶接ワイヤ１と母材２との間の抵抗値の変化を検出することでくびれ現象の発生及び進行を検出することができる。この抵抗値の変化は、溶接電圧Ｖｗを溶接電流Ｉｗで除算することによって算出することができる。また、短絡期間Ｔｓ中の溶接電流Ｉｗの変化に比べて、くびれ形成後の抵抗値の変化の方が大きい。このために、抵抗値の変化に代えて溶接電圧Ｖｗの変化によってもくびれ現象の発生を検出することができる。具体的なくびれ検出方法としては、短絡期間Ｔｓ中の抵抗値又は溶接電圧値Ｖｗの変化率（微分値）を算出し、この微分値が予め定めたくびれ検出基準値Ｖtnに達したことによってくびれ検出を行う方法がある。また、他の方法として、同図（Ｂ）に示すように、短絡期間Ｔｓ中のくびれ発生前（上記の初期期間中）の安定した短絡電圧値Ｖｓからの電圧上昇値ΔＶを算出し、時刻ｔ２においてこの電圧上昇値ΔＶが予め定めたくびれ検出基準値Ｖtnに達したことによってくびれ検出を行う方法がある。以下の説明では、くびれ検出方法が上記の電圧上昇値ΔＶによる場合について説明するが、従来から種々提案されている他の方法であっても良い。時刻ｔ３のアーク再発生の検出は、溶接電圧Ｖｗが短絡／アーク判別値Ｖta以上になったことを判別して簡単に行うことができる。すなわち、Ｖｗ＜Ｖtaの期間が短絡期間Ｔｓとなり、Ｖｗ≧Ｖtaの期間がアーク期間Ｔａとなる。時刻ｔ２〜ｔ３のくびれ発生を検出してからアーク再発生までの時間を、以下くびれ検出時間Ｔｎと呼ぶことにする。時刻ｔ３においてアークが再発生すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗはなだらかに減少し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは２０〜３０Ｖ程度のアーク電圧値になる。したがって、上記の短絡／アーク判別値Ｖtaは１０〜１５Ｖ程度に設定される。時刻ｔ３〜ｔ４のアーク期間Ｔａ中は、溶接ワイヤ１先端が溶融されて溶滴１ａが形成される。以後、時刻ｔ１〜ｔ４の期間の動作を繰り返す。
【０００６】
上述した短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを繰り返す消耗電極アーク溶接には、炭酸ガスアーク溶接、マグ溶接、ミグ溶接、短絡を伴うパルスアーク溶接等がある。炭酸ガスアーク溶接、マグ溶接及びミグ溶接の場合には、溶滴移行形態は、２００Ａ程度未満の電流領域では短絡移行形態となり、電流値が大きくなるとグロビュール移行形態となる。また、パルスアーク溶接の場合には、溶滴移行形態はスプレー移行形態となる。これらグロビュール移行形態及びスプレー移行形態においても、高速溶接等を行う場合にはアーク長を短く設定するので、短絡が発生する。したがって、この短絡を開放するために、上述したように、くびれ１ｂが形成されることになる。
【０００７】
上述した短絡を伴う溶接では、時刻ｔ３においてアーク３が再発生したときのアーク再発生時電流値Ｉａが大電流値であると、アーク３から溶融池２ａへのアーク力が急峻に大きくなり、大量のスパッタが発生する。すなわち、アーク再発生時電流値Ｉａの値に略比例してスパッタ発生量が増加する。このため、スパッタの発生を抑制するためには、このアーク再発生時電流値Ｉａを小さくする必要がある。このための方法として、上記のくびれの発生を検出して溶接電流Ｉｗを減少させてアーク再発生時電流値Ｉａを小さくするくびれ検出制御方法を付加した溶接電源が従来から種々提案されている。以下、この従来技術（例えば、特許文献１参照）について説明する。
【０００８】
図５は、従来技術のくびれ検出制御方法を搭載した溶接装置のブロック図である。溶接電源ＰＳは、一般的な消耗電極アーク溶接用の溶接電源であり、溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力すると共に、送給モータＷＭの回転を制御するための送給制御信号Ｆｃを送給モータＷＭに出力する。減流抵抗器Ｒは出力に直列に挿入され、それと並列にトランジスタＴＲが接続されている。溶接ワイヤ１は、送給モータＷＭに結合された送給ロール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。
【０００９】
電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して電圧検出信号Ｖｄを出力する。電流検出回路ＩＤは、溶接電流Ｉｗを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。くびれ検出基準値設定回路ＶＴＮは、予め定めたくびれ検出基準値信号Ｖtnを出力する。くびれ検出回路ＮＤは、このくびれ検出基準値信号Ｖtn、上記の電圧検出信号Ｖｄ及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、上述したように短絡期間中の電圧上昇値ΔＶがくびれ検出基準値信号Ｖtnの値に達した時点でＨｉｇｈレベルとなり、アークが再発生して電圧検出信号Ｖｄの値が短絡／アーク判別値Ｖta以上になった時点でＬｏｗレベルになるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。したがって、このくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルの期間が上記のくびれ検出時間Ｔｎとなる。上述したように、短絡期間中の電圧検出信号Ｖｄの微分値がそれに対応したくびれ検出基準値信号Ｖtnの値に達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。さらに、電圧検出信号Ｖｄの値を電流検出信号Ｉｄの値で除算して溶滴の抵抗値を算出し、この抵抗値の微分値がそれに対応したくびれ検出基準値信号Ｖtnの値に達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。駆動回路ＤＲは、このくびれ検出信号ＮｄがＬｏｗレベルのとき（非くびれ検出時）は上記のトランジスタＴＲをオン状態にする駆動信号Ｄｒを出力する。したがって、上記のトランジスタＴＲは、上記のくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルのとき（くびれ検出時）はオフ状態になる。
【００１０】
図６は、上記の溶接装置の各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）はくびれ検出信号Ｎｄの時間変化を示し、同図（Ｄ）は駆動信号Ｄｒの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００１１】
同図において、時刻ｔ２〜ｔ３のくびれ検出時間Ｔｎ以外の期間は、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルであるので、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになる。この結果、トランジスタＴＲはオン状態になり減流抵抗器Ｒは短絡されるので、通常の消耗電極アーク溶接用の溶接装置と同一の動作となる。
【００１２】
時刻ｔ２において、同図（Ｂ）に示すように、短絡期間Ｔｓ中に溶接電圧Ｖｗが上昇して電圧上昇値ΔＶが予め定めたくびれ検出基準値信号Ｖtnの値と等しくなったことを検出して溶滴にくびれが発生したと判別すると、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになる。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＬｏｗレベルになるので、トランジスタＴＲはオフ状態になる。この結果、減流抵抗器Ｒが溶接電流Ｉｗの通電路に挿入される。この減流抵抗器Ｒの値は、短絡負荷（０．０１〜０．０３Ω程度）の１０倍以上大きな値（０．５〜３Ω程度）に設定される。このために、溶接電源内の直流リアクトル及びケーブルのリアクトルに蓄積されたエネルギーが急放電されて、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは急激に減少して小電流値の低レベル電流Ｉｌとなる。ここで、溶接電源ＰＳの出力電圧が５０Ｖであり、減流抵抗器Ｒが１Ωであるとすると、この低レベル電流Ｉｌは５０Ａとなる。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、時刻ｔ２において溶接電流Ｉｗが急減するために、一旦減少した後に急上昇する。そして、時刻ｔ３において、短絡が開放されてアークが再発生すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗが予め定めた短絡／アーク判別値Ｖta以上になる。これを検出して、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルになり、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになる。この結果、トランジスタＴＲはオン状態になり、通常の消耗電極アーク溶接の制御となる。時刻ｔ３において、アークが再発生してトランジスタＴＲがオン状態になると、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、所定の高電流値まで増加した後に緩やかに減少して送給速度によって定まる値に収束する。この動作によって、時刻ｔ３のアーク再発生時電流値Ｉａを小さくすることができるので、スパッタの発生を抑制することができる。くびれを検出したときに溶接電流Ｉｗを急速に減少させる手段として、上記では減流抵抗器Ｒを通電路に挿入する方法を説明した。これ以外の手段として、溶接装置の出力端子間にコンデンサをスイッチング素子を介して並列に接続し、くびれを検出するとスイッチング素子をオン状態にしコンデンサから放電電流を通電して溶接電流Ｉｗを急速に減少させる方法もある（例えば、特許文献２参照）。
【００１３】
上述したくびれ検出制御方法では、スパッタ発生量の抑制効果を大きくするためには、くびれの発生を正確に検出することが重要となる。くびれの発生及びその進行状態は、シールドガスの種類、溶接ワイヤの種類、溶接継手、溶接ワイヤの送給速度、溶接姿勢等の溶接条件によって変化する。このために、溶接条件に応じてくびれの発生を検出する感度を適正化する必要がある。このくびれ検出の感度は、上記のくびれ検出基準値Ｖtnを増減させることによって調整することができる。すなわち、くびれ検出基準値Ｖtnを増加させると感度は低くなり、逆に減少させると感度は高くなる。くびれ検出基準値Ｖtnが大きすぎると感度が低すぎることになり、上記のくびれ検出時間Ｔｎが短くなり、時にはくびれを検出できないときも生じ、アーク再発生までに溶接電流を充分に減少させることができないので、スパッタ発生量の抑制効果が小さくなる。逆に、くびれ検出基準値Ｖtnが小さすぎると感度は高すぎることになり、上記のくびれ検出時間Ｔｎが長くなりすぎてアークがなかなか再発生しないために溶接状態が不安定になる。したがって、上記のくびれ検出時間Ｔｎが、５０〜１０００μｓ程度の範囲になるときが、くびれ検出基準値Ｖtnが適正値に設定されているときであると言える。
【００１４】
上述したように、くびれ検出基準値Ｖtnは溶接条件に応じて適正値に設定されている。しかし、送給速度の変動、溶融池の不規則な運動、溶滴形状のバラツキ等の変動要因によって、くびれ検出基準値Ｖtnを適正化していても、くびれ検出時間Ｔｎはバラツキを生じる。このバラツキの範囲が、上述したように、５０〜１０００μｓ程度であるときは、スパッタの発生及び溶接状態の安定性にそれほど悪影響はない。また、くびれ検出時間Ｔｎが、ときたま５０μｓ未満になっても、少しスパッタが増える程度であり、大きな問題ではない。反面、くびれ検出時間Ｔｎが１０００μｓを超え、特に２０００μｓ以上になると、溶接状態が不安定になり、アークが再発生しない状態に至ることも生じる。このために、くびれを検出した時点からの経過時間が基準時間に達してもアークが再発生していないときは、溶接電流Ｉｗを増加させて電磁的ピンチ力を大きくすることでくびれの進行を促進してアークの再発生を導く補償制御が慣用されている。以下、この補償制御（例えば、特許文献３参照）について説明する。
【００１５】
図７は、補償制御について説明するための上述した図６に対応す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Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）はくびれ検出信号Ｎｄの時間変化を示し、同図（Ｄ）は駆動信号Ｄｒの時間変化を示す。同図において、時刻ｔ２１〜ｔ３の期間の動作以外は、図６と同一であるのでそれらの説明は省略する。以下、同図を参照して時刻ｔ２１〜ｔ３の期間の動作について説明する。
【００１６】
時刻ｔ２のくびれ検出時点からの経過時間ｔが、時刻ｔ２１において予め定めた基準時間Ｔｔに達したときに、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは短絡／アーク判別値Ｖta未満であるので、アークはまだ再発生していない。このような場合には、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒをＨｉｇｈレベルに変化させる。駆動信号ＤｒがＨｉｇｈレベルになると、図５のトランジスタＴＲがオン状態になるので、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、低レベル電流Ｉｌから急峻な傾斜で増加して所定値の高レベル電流Ｉｈとなる。この急峻な傾斜は、溶接装置が出力できる最速の傾斜であり、１０００Ａ／ms程度である。高レベル電流Ｉｈは５００Ａ程度である。溶接電流Ｉｗが大きくなると、電磁的ピンチ力も大きくなるので、くびれの進行が促進されて、時刻ｔ３においてアークが再発生する。溶接電圧Ｖｗは、同図（Ｂ）に示すように、時刻ｔ２の直後に一旦減少した後に、時刻ｔ２１まで緩やかに上昇する。そして、時刻ｔ２１において溶接電流Ｉｗが高レベル電流Ｉｈに増加すると、溶接電圧Ｖｗは急上昇し、時刻ｔ３において、アークが再発生すると、短絡／アーク判別値Ｖta以上のアーク電圧値となる。時刻ｔ３においてアークが再発生すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗはそれ以降なだらかに減少して定常値に収束する。同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号Ｎｄは、時刻ｔ２のくびれ検出時点から時刻ｔ３のアーク再発生までＨｉｇｈレベルになる。同図（Ｄ）に示すように、駆動信号Ｄｒは、時刻ｔ２１からＨｉｇｈレベルとなる。上記の基準時間Ｔｔは、１０００μｓ程度に設定される。この基準時間Ｔｔは、溶接ワイヤの種類、シールドガスの種類、溶接継手、溶接ワイヤの送給速度、溶接姿勢等に応じて適正値に設定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００６−２８１２１９号公報
【特許文献２】特開２００５−２８８５４０号公報
【特許文献３】特開２００６−１１６５８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
上述したように、くびれ検出時点からの経過時間が基準時間に達してもアークが再発生していないときは、溶接電流を増加させることによって、溶接状態が不安定になることを防止している。しかし、このような補償制御を行うと、図７（Ａ）に示すように、時刻ｔ３においてアークが再発生したときの電流値が大きな値になるために、大粒のスパッタが発生するという問題があった
【００１９】
そこで、本発明では、くびれ検出時点からの経過時間が基準時間に達してもアークが再発生していないときに、スパッタの発生を増やすことなく円滑にアークの再発生を行わせることができる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、溶接ワイヤと母材との間でアーク発生状態と短絡状態とを繰り返す消耗電極アーク溶接にあって、短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれを検出し、このくびれ検出時点から短絡負荷に通電する溶接電流を減少させて低レベル電流の状態でアークを再発生させる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、
前記くびれ検出時点からの経過時間がアークが再発生する前に予め定めた基準時間に達したときは溶接電流を前記低レベル電流から高レベル電流へと増加させてアークを再発生させ、この高レベル電流の値及び／又は立上り傾斜を前記基準時間に達した時点での前記くびれの進行度に応じて変化させる、
ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。
【００２１】
請求項２の発明は、前記くびれの進行度を、溶接ワイヤと母材との間の電圧値又は抵抗値の変化によって検出する、
ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、くびれ検出時点からの経過時間がアークが再発生する前に基準時間に達したときは溶接電流を低レベル電流から高レベル電流へと増加させてアークを再発生させ、この高レベル電流の値及び／又は立上り傾斜を基準時間に達した時点でのくびれの進行度に応じて変化させる。くびれの進行度が進んでいるときは、高レベル電流が比較的小さな値であってもアーク再発生に早期に導くことができる。他方、くびれの進行度が遅れているときは、高レベル電流が比較的大きな値でないとアーク再発生に導くことはできない。くびれ検出時点からの経過時間が基準時間以上となり高レベル電流が通電するケースは、溶接条件にもよるが１秒間当たり数回発生する。そして、基準時間に達した時点でのくびれの進行度にはバラツキがあるので、高レベル電流の値もそれに対応して変化することになる。この結果、アークが再発生したときの電流値も種々に変化することになり、その平均値は従来技術よりも小さな値となる。したがって、本発明では、くびれ検出時点からの経過時間が基準時間以上となった場合でも、円滑なアーク再発生に導くことができ、かつ、大粒のスパッタの発生量を総量として低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。
【図２】図１の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。
【図３】図１の高レベル電流設定回路ＩＨＲに内蔵されている電流設定関数及び立上り傾斜設定回路ＳＲに内蔵されている傾斜設定関数の一例を示す図である。
【図４】従来技術において、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを繰り返す消耗電極アーク溶接における電流・電圧波形及び溶滴移行を示す図である。
【図５】従来技術のくびれ検出制御方法を搭載した溶接装置のブロック図である。
【図６】図５の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。
【図７】従来技術における補償制御について説明するための上述した図６に対応する各信号のタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。
【００２５】
図１は、本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置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。
【００２６】
電源主回路ＰＭは、３相２００Ｖ等の商用電源（図示は省略）を入力として、後述する誤差増幅信号Ｅａに従ってインバータ制御等の出力制御を行い、溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力する。この電源主回路ＰＭは、図示は省略するが、商用電源を整流する１次整流器、整流された直流を平滑する平滑コンデンサ、平滑された直流を高周波交流に変換するインバータ回路、高周波交流を溶接に適した電圧値に降圧する高周波変圧器、降圧された高周波交流を直流に整流する２次整流器、整流された直流を平滑するリアクトル、誤差増幅信号Ｅａを入力としてパルス幅変調制御を行う変調回路、パルス幅変調制御信を入力としてインバータ回路のスイッチング素子を駆動するインバータ駆動回路から構成される。
【００２７】
減流抵抗器Ｒは、上記の電源主回路ＰＭと溶接トーチ４との間に挿入される。この減流抵抗器Ｒの値は、上述した従来技術と同様である。トランジスタＴＲは、減流抵抗器Ｒと並列に接続されて、後述する駆動信号Ｄｒに従ってオン又はオフ制御される。
【００２８】
溶接ワイヤ１は、送給モータ（図示は省略）に結合された送給ロール５の回転によって溶接トーチ４内を送給されて、母材２との間にアーク３が発生する。溶接ワイヤ１と母材２との間には溶接電圧Ｖｗが印加し、アーク３中を溶接電流Ｉｗが通電する。同図において、溶接ワイヤの送給を制御する回路については、図示は省略する。
【００２９】
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。電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。
【００３０】
短絡／アーク判別回路ＳＤは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、その値が予め定めた短絡／アーク判別値Ｖta未満であるときは短絡状態にあると判別してＨｉｇｈレベルとなり、以上のときはアーク発生状態にあると判別してＬｏｗレベルになる短絡／アーク判別信号Ｓｄを出力する。くびれ検出回路ＮＤは、従来技術と同様に、上記の電圧検出信号Ｖｄ及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、上述したように短絡期間中の電圧上昇値ΔＶが予め定めたくびれ検出基準値Ｖtnの値に達した時点でＨｉｇｈレベルとなり、アークが再発生して電圧検出信号Ｖｄの値が短絡／アーク判別値Ｖta以上になった時点でＬｏｗレベルになるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。上述したように、短絡期間中の電圧検出信号Ｖｄの微分値がそれに対応したくびれ検出基準値Ｖtnに達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。さらに、電圧検出信号Ｖｄの値を電流検出信号Ｉｄの値で除算して溶滴の抵抗値を算出し、この抵抗値の微分値がそれに対応するくびれ検出基準値Ｖtnに達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。
【００３１】
低レベル電流設定回路ＩＬＲは、予め定めた低レベル電流設定信号Ｉlrを出力する。この低レベル電流設定信号Ｉlrの値は５０Ａ程度に設定される。電流比較回路ＣＭは、この低レベル電流設定信号Ｉlr及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、Ｉｄ＜ＩlrのときはＨｉｇｈレベルになり、Ｉｄ≧ＩlrのときはＬｏｗレベルになる電流比較信号Ｃｍを出力する。駆動回路ＤＲは、この電流比較信号Ｃｍ及び上記のくびれ検出信号Ｎｄを入力として、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルに変化するとＬｏｗレベルに変化し、その後に電流比較信号ＣｍがＨｉｇｈレベルに変化するとＨｉｇｈレベルに変化する駆動信号Ｄｒを上記のトランジスタＴＲのベース端子に出力する。したがって、この駆動信号Ｄｒはくびれが検出されるとＬｏｗレベルになり、トランジスタＴＲがオフ状態になり通電路に減流抵抗器Ｒが挿入されるので、短絡負かを通電する溶接電流Ｉｗは急減する。そして、急減した溶接電流Ｉｗの値が低レベル電流設定信号Ｉlrの値まで減少すると、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになり、トランジスタＴＲがオン状態になるので、減流抵抗器Ｒは短絡されて通常の状態に戻る。
【００３２】
基準時間設定回路ＴＴＲは、予め定めた基準時間設定信号Ｔtrを出力する。この基準時間設定信号Ｔtrの値は、６００〜１０００μｓ程度に設定される。経過時間判別回路ＣＴは、この基準時間設定信号Ｔtr及び上記のくびれ検出信号Ｎｄを入力として、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになっている時間が基準時間設定信号Ｔtrの値に達した時点でＨｉｇｈレベルにセットされ、くびれ検出信号ＮｄがＬｏｗレベルに変化した時点でＬｏｗレベルにリセットされる経過時間判別信号Ｃｔを出力する。
【００３３】
くびれ進行度検出回路ＮＳは、上記の経過時間判別信号Ｃｔ、上記の電圧検出信号Ｖｄ及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、経過時間判別信号ＣｔがＨｉｇｈレベルになった時点における電圧検出信号Ｖｄの値をくびれ進行度信号Ｎｓとして出力する。電圧検出信号Ｖｄの値が大きいほど、くびれが進行していることを示すので、電圧検出信号Ｖｄの値をくびれの進行度を示す指標として使用することができる。また、経過時間判別信号ＣｔがＨｉｇｈレベルになった時点における電圧検出信号Ｖｄの微分値をくびれの進行度を示す指標として使用することもできる。さらに、経過時間判別信号ＣｔがＨｉｇｈレベルになった時点における溶滴の抵抗値（＝Ｖｄ／Ｉｄ）の値又は微分値を、くびれの進行度を示す指標として使用することもできる。高レベル電流設定回路ＩＨＲは、このくびれ進行度信号Ｎｓを入力として、予め定めた電流設定関数によって算出された高レベル電流設定信号Ｉhrを出力する。立上り傾斜設定回路ＳＲは、このくびれ進行度信号Ｎｓを入力として、予め定めた傾斜設定関数によって算出された立上り傾斜設定信号Ｓｒを出力する。電流設定関数及び傾斜設定関数については、図３で後述する。
【００３４】
電流設定回路ＩＲは、上記の短絡／アーク判別信号Ｓｄ、上記の低レベル電流設定信号Ｉlr、上記のくびれ検出信号Ｎｄ、上記の経過時間判別信号Ｃｔ、上記の高レベル電流設定信号Ｉhr及び上記の立上り傾斜設定信号Ｓｒを入力として、以下の処理を行い、電流設定信号Ｉｒを出力する。この回路の動作については、図２でも詳述する。
１）短絡／アーク判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）に変化した時点から予め定めた初期期間中は、予め定めた初期電流設定値を電流設定信号Ｉｒとして出力する。
２）その後は、電流設定信号Ｉｒの値を、上記の初期電流設定値から予め定めた傾斜設定値で定まる傾斜で予め定めたピーク設定値まで上昇させ、その値を維持する。
３）くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベル（くびれ検出）に変化すると、電流設定信号Ｉｒの値を低レベル電流設定信号Ｉlrの値に切り換える。
４）経過時間判別信号ＣｔがＨｉｇｈレベル（くびれ検出時間が基準時間に達した時点）に変化すると、電流設定信号Ｉｒの値を、低レベル電流設定信号Ｉlrの値から立上り傾斜設定信号Ｓｒによって定まる傾斜で高レベル電流設定信号Ｉhrの値まで上昇させ、その値を維持する。
【００３５】
電圧設定回路ＶＲは、アーク期間中の溶接電圧を設定するための予め定めた電圧設定信号Ｖｒを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流設定信号Ｉｒ（＋）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。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の電圧設定信号Ｖｒ（＋）と電圧検出信号Ｖｄ（−）との誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。制御切換回路ＳＷは、上記の電流誤差増幅信号Ｅｉ、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖ及び上記の短絡／アーク判別信号Ｓｄを入力として、短絡／アーク判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）のときは電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力し、Ｌｏｗレベル（アーク）のときは電圧誤差増幅信号Ｅｖを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。この回路により、短絡期間中は定電流制御となり、アーク期間中は定電圧制御となる。
【００３６】
図２は、図１で上述した溶接装置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Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）はくびれ検出信号Ｎｄの時間変化を示し、同図（Ｄ）は駆動信号Ｄｒの時間変化を示し、同図（Ｅ）は短絡／アーク判別信号Ｓｄの時間変化を示し、同図（Ｆ）は経過時間判別信号Ｃｔの時間変化を示し、同図（Ｇ）は電流設定信号Ｉｒの時間変化を示す。同図は、くびれ検出時点からの経過時間がアークが再発生する前に基準時間Ｔｔに達した場合であり、上述した図７に対応している。くびれ検出時点からの経過時間が基準時間Ｔｔに達する前にアークが再発生する正常な状態の場合のタイミングチャートは、基本的には上述した図６と同様の動作となる。以下、同図を参照して説明する。
【００３７】
（１）時刻ｔ１の短絡発生から時刻ｔ２のくびれ検出時点までの動作
この期間中の動作は、上述した図６と同様である。時刻ｔ１において溶接ワイヤが母材と接触すると短絡状態になり、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖ程度の短絡電圧値に急減する。この溶接電圧Ｖｗが短絡／アーク判別値Ｖta未満になったことを判別して、同図（Ｅ）に示すように、短絡／アーク判別信号ＳｄはＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化する。これに応動して、同図（Ｇ）に示すように、電流設定信号Ｉｒは時刻ｔ１において低レベル電流設定信号Ｉlrの値から少し大きな値である予め定めた初期電流設定値に変化する。ここで、電流設定信号Ｉｒの値が、時刻ｔ１以前に低レベル電流設定信号Ｉlrの値であるのは、前回の短絡の解除（アーク再発生）がくびれ検出時点からの経過時間が基準時間Ｔｔに達する前に行われたためである。基準時間Ｔｔに達した以後に行われた場合には、時刻ｔ１以前の電流設定信号Ｉｒの値は、高レベル電流設定信号Ｉhrの値となる。どちらの値であっても、電流設定信号Ｉｒは時刻ｔ１以後の短絡期間しか使用されないので、動作には無関係である。電流設定信号Ｉｒは、同図（Ｇ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ１１の予め定めた初期期間中は予め定めた初期電流設定値となり、時刻ｔ１１〜ｔ１２の期間中は予め定めた傾斜設定値で定まる傾斜で上昇し、時刻ｔ１２〜ｔ２の期間中は予め定めたピーク設定値となる。短絡期間中は上述したように定電流制御されているので溶接電流Ｉｗは電流設定信号Ｉｒに相当する値に制御される。このために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、時刻ｔ１においてアーク期間の溶接電流から急減し、時刻ｔ１〜ｔ１１の初期期間中は初期電流値となり、時刻ｔ１１〜ｔ１２の期間中は所定傾斜で上昇し、時刻ｔ１２〜ｔ２の期間中はピーク値となる。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、溶接電流Ｉｗがピーク値となる時刻ｔ１２あたりから急上昇する。これは、溶滴にくびれが発生したためである。同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号Ｎｄは、後述する時刻ｔ２〜ｔ３の期間以外はＬｏｗレベルとなる。同図（Ｄ）に示すように、駆動信号Ｄｒは、後述する時刻ｔ２〜ｔ２１の期間はＬｏｗレベルとなり、それ以外の期間はＨｉｇｈレベルとなる。したがって、同図において時刻ｔ２以前の期間中は、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルとなり、図１のトランジスタＴＲがオン状態となるので、減流抵抗器Ｒは短絡されて通常の消耗電極アーク溶接装置と同一の状態となる。同図（Ｆ）に示すように、経過時間判別信号Ｃｔは、後述する時刻ｔ２２〜ｔ３の期間Ｈｉｇｈレベルとなり、それ以外の期間はＬｏｗレベルとなる。
【００３８】
（２）時刻ｔ２のくびれ検出時点から時刻ｔ２２の基準時間Ｔｔに達するまでの動作
時刻ｔ２において、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗが急上昇して初期期間中の電圧値からの電圧上昇値ΔＶが予め定めたくびれ検出基準値Ｖtnと等しくなったことによってくびれを検出すると、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＨｉｇｈレベルに変化する。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＬｏｗレベルになるので、図１のトランジスタＴＲはオフ状態となり減流抵抗器Ｒが通電路に挿入される。同時に、同図（Ｇ）に示すように、電流設定信号Ｉｒは低レベル電流設定信号Ｉlrの値に小さくなる。このために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗはピーク値から低レベル電流値Ｉｌへと急減する。そして、時刻ｔ２１において溶接電流Ｉｗが低レベル電流値Ｉｌまで減少すると、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルに戻るので、図１のトランジスタＴＲはオン状態となり減流抵抗器Ｒは短絡される。同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、電流設定信号Ｉｒが低レベル電流設定信号Ｉlrのままであるので、低レベル電流値Ｉｌを維持する。したがって、トランジスタＴＲは、時刻ｔ２にくびれが検出されてから時刻ｔ２１に溶接電流Ｉｗが低レベル電流値Ｉｌに減少するまでの期間のみオフ状態となる。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、時刻ｔ２から一旦減少した後に緩やかに上昇する。しかし、同図は時刻ｔ２のくびれ検出時点からの経過時間が基準時間Ｔｔに達する時刻ｔ２２の前にアークが再発生しない場合であるので、溶接電圧Ｖｗは時刻ｔ２２までに急上昇して短絡／アーク判別値Ｖta以上となることはない。
【００３９】
（３）時刻ｔ２２の基準時間Ｔｔに達した時点から時刻ｔ３のアーク再発生までの動作
時刻ｔ２２において、時刻ｔ２にくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになった時点からの経過時間が基準時間設定信号Ｔtrによって定まる基準時間Ｔｔに達すると、同図（Ｆ）に示すように、経過時間判別信号ＣｔはＨｉｇｈレベルに変化する。これに応動して、同図（Ｇ）に示すように、電流設定信号Ｉｒは、低レベル電流設定信号Ｉlrの値から立上り傾斜設定信号Ｓｒによって定まる傾斜で高レベル電流設定信号Ｉhrの値まで上昇して、その値を維持する。このために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、低レベル電流値Ｉｌから所定の立上り傾斜Ｓで高レベル電流値Ｉｈまで上昇し、その値を維持する。立上り傾斜設定信号Ｓｒ及び高レベル電流設定信号Ｉhrの両値は、経過時間判別信号ＣｔがＨｉｇｈレベルに変化する時刻ｔ２２時点でのくびれの進行度に応じて予め定めた関数に従って変化させる。くびれの進行度については、図１で上述したとおりである。関数については、図３で後述する。溶接電流Ｉｗが増加したことによってくびれの進行が促進されて時刻ｔ３においてアークが再発生すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、溶接電流Ｉｗが高レベル電流値Ｉｈになったあたりから急上昇して、時刻ｔ３において短絡／アーク判別値Ｖta以上となる。これに応動して、同図（Ｅ）に示すように、短絡／アーク判別信号ＳｄがＬｏｗレベルに変化する。この結果、溶接装置は定電流制御から定電圧制御へと切り換えられる。このために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは高レベル電流値Ｉｈから次第に減少する。同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号Ｎｄは、短絡／アーク判別信号ＳｄがＬｏｗレベルに変化するので、Ｌｏｗレベルに変化する。同様に、同図（Ｆ）に示すように、経過時間判別信号ＣｔもＬｏｗレベルに変化する。同図（Ｇ）に示すように、電流設定信号Ｉｒは、時刻ｔ３以後もその値を維持する。ここでは、時刻ｔ３時点では高レベル電流設定信号Ｉhrの値となっているので、その値を維持することになる。
【００４０】
図３は、図１で上述した高レベル電流設定回路ＩＨＲに内蔵されている電流設定関数及び立上り傾斜設定回路ＳＲに内蔵されている傾斜設定関数の一例を示す図である。同図の横軸はくびれ進行度信号Ｎｓ（Ｖ）を示しており、０〜１０Ｖの範囲となっている。左縦軸は高レベル電流設定信号Ｉhr（Ａ）を示しており、０〜６００Ａの範囲となっている。右縦軸は立上り傾斜設定信号Ｓｒ（Ａ／ms）を示しており、０〜６００Ａ／msの範囲となっている。同図において、実線は電流設定関数を示しており、くびれ進行度信号Ｎｓと高レベル電流設定信号Ｉhrとの関係を示す。破線は傾斜設定関数を示しており、くびれ進行度信号Ｎｓと立上り傾斜設定信号Ｓｒとの関係を示す。
【００４１】
くびれ進行度信号Ｎｓとしては、上述したように、経過時間判別信号ＣｔがＨｉｇｈレベルになった時点における電圧検出信号Ｖｄの値を使用する場合である。すなわち、くびれ検出時点からの経過時間がアークが再発生する前に基準時間Ｔｔに達した時点（図２の時刻ｔ２２）における溶接電圧Ｖｗの値である。
【００４２】
同図に示すように、電流設定関数は、Ｎｓ＜３．０のときはＩhr＝５００となり、３．０≦Ｎｓ＜７．０の範囲ではＩhrは５００から２００まで右肩下がりの直線となり、Ｎｓ≧７．０のときはＩhr＝２００となる。また、傾斜設定関数は、Ｎｓ＜３．０のときはＳｒ＝５００となり、３．０≦Ｎｓ＜７．０の範囲ではＳｒは５００から１００まで右肩下がりの直線となり、Ｎｓ≧７．０のときはＳｒ＝１００となる。すなわち、高レベル電流設定信号Ｉhrの値は、くびれ進行度信号Ｎｓが大きくなる（くびれの進行度が進む）のに伴い、概ね小さくなる。立上り傾斜設定信号Ｓｒの値は、くびれ進行度信号Ｎｓが大きくなる（くびれの進行度が進む）のに伴い、概ね小さくなる。両関数共に、曲線状、階段状等に変化するようにしても良い。両関数は、溶接ワイヤの種類、シールドガスの種類、溶接継手、溶接ワイヤの送給速度、溶接姿勢等に応じて実験によって適正化することが望ましい。
【００４３】
次に、本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法の作用効果について、上述した図１〜図３を参照して説明する。以下の説明においては、２つのケースに分けて説明する。第１のケースは、くびれ検出時点からの経過時間が基準時間に達する前にアークが再発生する正常なくびれ検出制御の場合である。第２のケースは、くびれ検出時点からの経過時間がアークが再発生する前に基準時間に達した場合である。第２のケースが、上述した図２のタイミングチャートの場合であり、本発明が効果を奏する場合である。
【００４４】
（１） 第１のケース
このケースにおいても、図２の時刻ｔ１〜ｔ２１までの期間の動作は同様であるので説明は省略する。時刻ｔ２１において、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは低レベル電流値Ｉｌの状態にある。そして、時刻ｔ２のくびれ検出時点からの経過時間が基準時間Ｔｔに達する前に、くびれが進行してアークが再発生する。すなわち、時刻ｔ２１〜ｔ２２の期間の途中でアークが再発生する。アークが再発生すると、同図（Ｂ）に示す溶接電圧Ｖｗは急上昇して短絡／アーク判別値Ｖta以上のアーク電圧値となる。これに応動して、同図（Ｅ）に示す短絡／アーク判別信号ＳｄはＬｏｗレベルに変化するので、定電流制御から定電圧制御へと切り換えられる。この結果、同図（Ａ）に示す溶接電流Ｉｗは増加した後に緩やかに減少する。このケースにおける溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗの波形は、上述した図６と同様になる。
【００４５】
（２） 第２のケース
第２のケースの動作は、上述した図２のとおりである。時刻ｔ２のくびれ検出時点からの経過時間が時刻ｔ２２において基準時間Ｔｔに達してもアークが再発生していないので、溶接電流Ｉｗを高レベル電流値Ｉｈに増加させてくびれの進行を促進することによってアークの再発生へと導いている。上述した従来技術では、基準時間Ｔｔに達した時点におけるくびれの進行度とは無関係に最速の立上り傾斜（１０００Ａ／ms）で予め定めた高レベル電流値Ｉｈ（５００Ａ）に増加させる。このために、アーク再発生時の電流値は５００Ａとなり、大きな値となるために大粒のスパッタが発生することになる。これに対して、本実施の形態では、基準時間Ｔｔに達した時点におけるくびれの進行度を検出し、このくびれ進行度に応じて高レベル電流の値及び／又は立上り傾斜を適正化して、アーク再発生時の電流値を従来技術よりも小さくすることによってスパッタの発生を抑制している。これは、くびれ進行度が進んでいる場合には、高レベル電流の値及び／又は立上り傾斜を小さくしてもアークの再発生に導くことができるためである。
【００４６】
以下、数値例を挙げて説明する。図３において、基準時間Ｔｔに達した時点におけるくびれ進行度Ｎｓ＝５．０Ｖであるとする。そして、基準時間から０．５ms、１．０ms又は１．５msの時間が経過したときにアークが再発生するとする。実溶接においてもほぼこの範囲でアークが再発生する確率が高い。従来技術では、立上り傾斜が１０００Ａ／msであり、高レベル電流値が５００Ａであるので、アーク再発生時の電流値は５００Ａ、５００Ａ、５００Ａとなる。これに対して、本実施の形態において、くびれ進行度に応じて高レベル電流値のみを変化させる場合には、図３からＮｓ＝５．０Ｖのときの高レベル電流値は３５０Ａとなるので、アーク再発生時の電流値は３５０Ａ、３５０Ａ、３５０Ａとなる。くびれ進行度に応じて立上り傾斜のみを変化させる場合には、図３からＮｓ＝５．０Ｖのときの立上り傾斜は３００Ａ／msであるので、アーク再発生時の電流値は２００Ａ、３５０Ａ、５００Ａとなる。くびれ進行度に応じて高レベル電流の値及び立上り傾斜の両方を変化させる場合には、図３から、２００Ａ、３５０Ａ、３５０Ａとなる。これらの数値例から分かるように、本実施の形態の方が、従来技術に比べてアーク再発生時の電流値が小さくなる。したがって、スパッタの発生も少なくなる。
【００４７】
上述した実施の形態によれば、くびれ検出時点からの経過時間がアークが再発生する前に基準時間に達したときは溶接電流を低レベル電流から高レベル電流へと増加させてアークを再発生させ、この高レベル電流の値及び／又は立上り傾斜を基準時間に達した時点でのくびれの進行度に応じて変化させる。くびれの進行度が進んでいるときは、高レベル電流が比較的小さな値であってもアーク再発生を早期に導くことができる。他方、くびれの進行度が遅れているときは、高レベル電流が比較的大きな値でないとアーク再発生に導くことはできない。くびれ検出時点からの経過時間が基準時間以上となり高レベル電流が通電するケースは、溶接条件にもよるが１秒間当たり数回発生する。そして、基準時間に達した時点でのくびれの進行度にはバラツキがあるので、高レベル電流の値もそれに対応して変化することになる。この結果、アークが再発生したときの電流値も種々に変化することになり、その平均値は従来技術よりも小さな値となる。したがって、本実施の形態では、くびれ検出時点からの経過時間が基準時間以上となった場合でも、円滑なアーク再発生に導くことができ、かつ、大粒のスパッタの発生量を総量として低減することができる。
【００４８】
上記においては、高レベル電流を通電しているときは、くびれの検出制御を禁止している場合について説明した。しかし、高レベル電流を通電しているときもくびれ検出制御を行うようにしても良い。すなわち、図２において、時刻ｔ２２からの高レベル電流の通電中にくびれを検出した場合には、時刻ｔ２以後のように低レベル電流値へと溶接電流Ｉｗを再び急減させる。但し、１回目のくびれ検出時点からの経過時間が基準時間を越えて高レベル電流を通電する場合であるので、くびれの進行が円滑ではない。したがって、高レベル電流を通電しているときに正常にくびれが検出されて溶接電流が急減されるような場合は、確率的にはそれほど高くはない。しかし、スパッタを低減する一定の効果はある。
【符号の説明】
【００４９】
１ 溶接ワイヤ
１ａ 溶滴
１ｂ くびれ
２ 母材
２ａ 溶融池
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
ＣＭ 電流比較回路
Ｃｍ 電流比較信号
ＣＴ 経過時間判別回路
Ｃｔ 経過時間判別信号
ＤＲ 駆動回路
Ｄｒ 駆動信号
Ｅａ 誤差増幅信号
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
Ｆｃ 送給制御信号
Ｉａ アーク再発生時電流値
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｈ 高レベル電流
ＩＨＲ 高レベル電流設定回路
Ｉhr 高レベル電流設定信号
Ｉｌ 低レベル電流
ＩＬＲ 低レベル電流設定回路
Ｉlr 低レベル電流設定信号
ＩＲ 電流設定回路
Ｉｒ 電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＮＤ くびれ検出回路
Ｎｄ くびれ検出信号
ＮＳ くびれ進行度検出回路
Ｎｓ くびれ進行度信号
ＰＭ 電源主回路
ＰＳ 溶接電源
Ｒ 減流抵抗器
Ｓ 傾斜
ＳＤ 短絡／アーク判別回路
Ｓｄ 短絡／アーク判別信号
ＳＲ 立上り傾斜設定回路
Ｓｒ 立上り傾斜設定信号
ＳＷ 制御切換回路
ｔ 経過時間
Ｔａ アーク期間
Ｔｎ くびれ検出時間
ＴＲ トランジスタ
Ｔｓ 短絡期間
Ｔｔ 基準時間
ＴＴＲ 基準時間設定回路
Ｔtr 基準時間設定信号
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
Ｖｓ 短絡電圧値
Ｖta 短絡／アーク判別値
ＶＴＮ くびれ検出基準値設定回路
Ｖtn くびれ検出基準値（信号）
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＭ 送給モータ
ΔＶ 電圧上昇値
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短絡期間中の溶滴のくびれを検出して溶接電流を減少させて溶接品質を向上させるための消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図４は、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを繰り返す消耗電極アーク溶接における電流・電圧波形及び溶滴移行を示す図である。同図（Ａ）は消耗電極（以下、溶接ワイヤ１という）を通電する溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接ワイヤ１と母材２との間に印加される溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）〜（Ｅ）は溶滴１ａの移行の様子を示す。以下、同図を参照して説明する。
【０００３】
時刻ｔ１〜ｔ３の短絡期間Ｔｓ中は溶接ワイヤ１先端の溶滴１ａが母材２と短絡した状態にある。溶接電流Ｉｗは、同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ１１の予め定めた初期期間中は小電流値の初期電流値に維持され、続く時刻ｔ１１〜ｔ１２の期間中は予め定めた傾斜で増加し、続く時刻ｔ１２からアークが再発生する時刻ｔ３までは予め定めたピーク値に制御される。初期期間は１ms程度に設定され、初期電流値は５０Ａ程度に設定され、傾斜は１００〜３００Ａ／ms程度に設定され、ピーク値は３００〜４００Ａ程度に設定される。これらの値は、溶接ワイヤの種類、シールドガスの種類、送給速度等に応じて適正値に設定される。溶接電圧Ｖｗは、同図（Ｂ）に示すように、短絡状態にあるために数Ｖ程度の低い値となる。
【０００４】
同図（Ｃ）に示すように、時刻ｔ１において溶滴１ａが母材２と接触して短絡状態に入る。短絡状態に入ると溶接電流は小電流値の初期電流に減少するので、より確実な短絡状態へと導かれる。その後溶接電流Ｉｗは増加するので、同図（Ｄ）に示すように、溶滴１ａを通電する溶接電流Ｉｗによる電磁的ピンチ力によって溶滴１ａ上部にくびれ１ｂが発生する。この電磁的ピンチ力は、溶接電流Ｉｗの値に比例して大きくなる。したがって、溶接電流Ｉｗを増加させることによって、電磁的ピンチ力を大きくして、くびれ１ｂの形成を促進している。そしてこのくびれ１ｂが急速に進行して、時刻ｔ３において同図（Ｅ）に示すように、溶滴１ａは溶接ワイヤ１から溶融池２ａへと移行しアーク３が再発生する。
【０００５】
溶滴１ａにくびれ１ｂが発生すると、数百μｓ程度の短い時間後に短絡が開放されてアーク３が再発生する。すなわち、このくびれ現象は短絡開放の前兆現象となる。くびれ１ｂが発生すると、溶接電流Ｉｗの通電路がくびれ部分で狭くなるために、くびれ部分の抵抗値が増大する。この抵抗値の増大は、くびれが進行してくびれ部分がより狭くなるほど大きくなる。したがって、短絡期間Ｔｓ中において溶接ワイヤ１と母材２との間の抵抗値の変化を検出することでくびれ現象の発生及び進行を検出することができる。この抵抗値の変化は、溶接電圧Ｖｗを溶接電流Ｉｗで除算することによって算出することができる。また、短絡期間Ｔｓ中の溶接電流Ｉｗの変化に比べて、くびれ形成後の抵抗値の変化の方が大きい。このために、抵抗値の変化に代えて溶接電圧Ｖｗの変化によってもくびれ現象の発生を検出することができる。具体的なくびれ検出方法としては、短絡期間Ｔｓ中の抵抗値又は溶接電圧値Ｖｗの変化率（微分値）を算出し、この微分値が予め定めたくびれ検出基準値Ｖtnに達したことによってくびれ検出を行う方法がある。また、他の方法として、同図（Ｂ）に示すように、短絡期間Ｔｓ中のくびれ発生前（上記の初期期間中）の安定した短絡電圧値Ｖｓからの電圧上昇値ΔＶを算出し、時刻ｔ２においてこの電圧上昇値ΔＶが予め定めたくびれ検出基準値Ｖtnに達したことによってくびれ検出を行う方法がある。以下の説明では、くびれ検出方法が上記の電圧上昇値ΔＶによる場合について説明するが、従来から種々提案されている他の方法であっても良い。時刻ｔ３のアーク再発生の検出は、溶接電圧Ｖｗが短絡／アーク判別値Ｖta以上になったことを判別して簡単に行うことができる。すなわち、Ｖｗ＜Ｖtaの期間が短絡期間Ｔｓとなり、Ｖｗ≧Ｖtaの期間がアーク期間Ｔａとなる。時刻ｔ２〜ｔ３のくびれ発生を検出してからアーク再発生までの時間を、以下くびれ検出時間Ｔｎと呼ぶことにする。時刻ｔ３においてアークが再発生すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗはなだらかに減少し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは２０〜３０Ｖ程度のアーク電圧値になる。したがって、上記の短絡／アーク判別値Ｖtaは１０〜１５Ｖ程度に設定される。時刻ｔ３〜ｔ４のアーク期間Ｔａ中は、溶接ワイヤ１先端が溶融されて溶滴１ａが形成される。以後、時刻ｔ１〜ｔ４の期間の動作を繰り返す。
【０００６】
上述した短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを繰り返す消耗電極アーク溶接には、炭酸ガスアーク溶接、マグ溶接、ミグ溶接、短絡を伴うパルスアーク溶接等がある。炭酸ガスアーク溶接、マグ溶接及びミグ溶接の場合には、溶滴移行形態は、２００Ａ程度未満の電流領域では短絡移行形態となり、電流値が大きくなるとグロビュール移行形態となる。また、パルスアーク溶接の場合には、溶滴移行形態はスプレー移行形態となる。これらグロビュール移行形態及びスプレー移行形態においても、高速溶接等を行う場合にはアーク長を短く設定するので、短絡が発生する。したがって、この短絡を開放するために、上述したように、くびれ１ｂが形成されることになる。
【０００７】
上述した短絡を伴う溶接では、時刻ｔ３においてアーク３が再発生したときのアーク再発生時電流値Ｉａが大電流値であると、アーク３から溶融池２ａへのアーク力が急峻に大きくなり、大量のスパッタが発生する。すなわち、アーク再発生時電流値Ｉａの値に略比例してスパッタ発生量が増加する。このため、スパッタの発生を抑制するためには、このアーク再発生時電流値Ｉａを小さくする必要がある。このための方法として、上記のくびれの発生を検出して溶接電流Ｉｗを減少させてアーク再発生時電流値Ｉａを小さくするくびれ検出制御方法を付加した溶接電源が従来から種々提案されている。以下、この従来技術（例えば、特許文献１参照）について説明する。
【０００８】
図５は、従来技術のくびれ検出制御方法を搭載した溶接装置のブロック図である。溶接電源ＰＳは、一般的な消耗電極アーク溶接用の溶接電源であり、溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力すると共に、送給モータＷＭの回転を制御するための送給制御信号Ｆｃを送給モータＷＭに出力する。減流抵抗器Ｒは出力に直列に挿入され、それと並列にトランジスタＴＲが接続されている。溶接ワイヤ１は、送給モータＷＭに結合された送給ロール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。
【０００９】
電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して電圧検出信号Ｖｄを出力する。電流検出回路ＩＤは、溶接電流Ｉｗを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。くびれ検出基準値設定回路ＶＴＮは、予め定めたくびれ検出基準値信号Ｖtnを出力する。くびれ検出回路ＮＤは、このくびれ検出基準値信号Ｖtn、上記の電圧検出信号Ｖｄ及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、上述したように短絡期間中の電圧上昇値ΔＶがくびれ検出基準値信号Ｖtnの値に達した時点でＨｉｇｈレベルとなり、アークが再発生して電圧検出信号Ｖｄの値が短絡／アーク判別値Ｖta以上になった時点でＬｏｗレベルになるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。したがって、このくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルの期間が上記のくびれ検出時間Ｔｎとなる。上述したように、短絡期間中の電圧検出信号Ｖｄの微分値がそれに対応したくびれ検出基準値信号Ｖtnの値に達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。さらに、電圧検出信号Ｖｄの値を電流検出信号Ｉｄの値で除算して溶滴の抵抗値を算出し、この抵抗値の微分値がそれに対応したくびれ検出基準値信号Ｖtnの値に達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。駆動回路ＤＲは、このくびれ検出信号ＮｄがＬｏｗレベルのとき（非くびれ検出時）は上記のトランジスタＴＲをオン状態にする駆動信号Ｄｒを出力する。したがって、上記のトランジスタＴＲは、上記のくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルのとき（くびれ検出時）はオフ状態になる。
【００１０】
図６は、上記の溶接装置の各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）はくびれ検出信号Ｎｄの時間変化を示し、同図（Ｄ）は駆動信号Ｄｒの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００１１】
同図において、時刻ｔ２〜ｔ３のくびれ検出時間Ｔｎ以外の期間は、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルであるので、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになる。この結果、トランジスタＴＲはオン状態になり減流抵抗器Ｒは短絡されるので、通常の消耗電極アーク溶接用の溶接装置と同一の動作となる。
【００１２】
時刻ｔ２において、同図（Ｂ）に示すように、短絡期間Ｔｓ中に溶接電圧Ｖｗが上昇して電圧上昇値ΔＶが予め定めたくびれ検出基準値信号Ｖtnの値と等しくなったことを検出して溶滴にくびれが発生したと判別すると、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになる。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＬｏｗレベルになるので、トランジスタＴＲはオフ状態になる。この結果、減流抵抗器Ｒが溶接電流Ｉｗの通電路に挿入される。この減流抵抗器Ｒの値は、短絡負荷（０．０１〜０．０３Ω程度）の１０倍以上大きな値（０．５〜３Ω程度）に設定される。このために、溶接電源内の直流リアクトル及びケーブルのリアクトルに蓄積されたエネルギーが急放電されて、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは急激に減少して小電流値の低レベル電流Ｉｌとなる。ここで、溶接電源ＰＳの出力電圧が５０Ｖであり、減流抵抗器Ｒが１Ωであるとすると、この低レベル電流Ｉｌは５０Ａとなる。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、時刻ｔ２において溶接電流Ｉｗが急減するために、一旦減少した後に急上昇する。そして、時刻ｔ３において、短絡が開放されてアークが再発生すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗが予め定めた短絡／アーク判別値Ｖta以上になる。これを検出して、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルになり、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになる。この結果、トランジスタＴＲはオン状態になり、通常の消耗電極アーク溶接の制御となる。時刻ｔ３において、アークが再発生してトランジスタＴＲがオン状態になると、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、所定の高電流値まで増加した後に緩やかに減少して送給速度によって定まる値に収束する。この動作によって、時刻ｔ３のアーク再発生時電流値Ｉａを小さくすることができるので、スパッタの発生を抑制することができる。くびれを検出したときに溶接電流Ｉｗを急速に減少させる手段として、上記では減流抵抗器Ｒを通電路に挿入する方法を説明した。これ以外の手段として、溶接装置の出力端子間にコンデンサをスイッチング素子を介して並列に接続し、くびれを検出するとスイッチング素子をオン状態にしコンデンサから放電電流を通電して溶接電流Ｉｗを急速に減少させる方法もある（例えば、特許文献２参照）。
【００１３】
上述したくびれ検出制御方法では、スパッタ発生量の抑制効果を大きくするためには、くびれの発生を正確に検出することが重要となる。くびれの発生及びその進行状態は、シールドガスの種類、溶接ワイヤの種類、溶接継手、溶接ワイヤの送給速度、溶接姿勢等の溶接条件によって変化する。このために、溶接条件に応じてくびれの発生を検出する感度を適正化する必要がある。このくびれ検出の感度は、上記のくびれ検出基準値Ｖtnを増減させることによって調整することができる。すなわち、くびれ検出基準値Ｖtnを増加させると感度は低くなり、逆に減少させると感度は高くなる。くびれ検出基準値Ｖtnが大きすぎると感度が低すぎることになり、上記のくびれ検出時間Ｔｎが短くなり、時にはくびれを検出できないときも生じ、アーク再発生までに溶接電流を充分に減少させることができないので、スパッタ発生量の抑制効果が小さくなる。逆に、くびれ検出基準値Ｖtnが小さすぎると感度は高すぎることになり、上記のくびれ検出時間Ｔｎが長くなりすぎてアークがなかなか再発生しないために溶接状態が不安定になる。したがって、上記のくびれ検出時間Ｔｎが、５０〜１０００μｓ程度の範囲になるときが、くびれ検出基準値Ｖtnが適正値に設定されているときであると言える。
【００１４】
上述したように、くびれ検出基準値Ｖtnは溶接条件に応じて適正値に設定されている。しかし、送給速度の変動、溶融池の不規則な運動、溶滴形状のバラツキ等の変動要因によって、くびれ検出基準値Ｖtnを適正化していても、くびれ検出時間Ｔｎはバラツキを生じる。このバラツキの範囲が、上述したように、５０〜１０００μｓ程度であるときは、スパッタの発生及び溶接状態の安定性にそれほど悪影響はない。また、くびれ検出時間Ｔｎが、ときたま５０μｓ未満になっても、少しスパッタが増える程度であり、大きな問題ではない。反面、くびれ検出時間Ｔｎが１０００μｓを超え、特に２０００μｓ以上になると、溶接状態が不安定になり、アークが再発生しない状態に至ることも生じる。このために、くびれを検出した時点からの経過時間が基準時間に達してもアークが再発生していないときは、溶接電流Ｉｗを増加させて電磁的ピンチ力を大きくすることでくびれの進行を促進してアークの再発生を導く補償制御が慣用されている。以下、この補償制御（例えば、特許文献３参照）について説明する。
【００１５】
図７は、補償制御について説明するための上述した図６に対応す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Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）はくびれ検出信号Ｎｄの時間変化を示し、同図（Ｄ）は駆動信号Ｄｒの時間変化を示す。同図において、時刻ｔ２１〜ｔ３の期間の動作以外は、図６と同一であるのでそれらの説明は省略する。以下、同図を参照して時刻ｔ２１〜ｔ３の期間の動作について説明する。
【００１６】
時刻ｔ２のくびれ検出時点からの経過時間ｔが、時刻ｔ２１において予め定めた基準時間Ｔｔに達したときに、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは短絡／アーク判別値Ｖta未満であるので、アークはまだ再発生していない。このような場合には、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒをＨｉｇｈレベルに変化させる。駆動信号ＤｒがＨｉｇｈレベルになると、図５のトランジスタＴＲがオン状態になるので、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、低レベル電流Ｉｌから急峻な傾斜で増加して所定値の高レベル電流Ｉｈとなる。この急峻な傾斜は、溶接装置が出力できる最速の傾斜であり、１０００Ａ／ms程度である。高レベル電流Ｉｈは５００Ａ程度である。溶接電流Ｉｗが大きくなると、電磁的ピンチ力も大きくなるので、くびれの進行が促進されて、時刻ｔ３においてアークが再発生する。溶接電圧Ｖｗは、同図（Ｂ）に示すように、時刻ｔ２の直後に一旦減少した後に、時刻ｔ２１まで緩やかに上昇する。そして、時刻ｔ２１において溶接電流Ｉｗが高レベル電流Ｉｈに増加すると、溶接電圧Ｖｗは急上昇し、時刻ｔ３において、アークが再発生すると、短絡／アーク判別値Ｖta以上のアーク電圧値となる。時刻ｔ３においてアークが再発生すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗはそれ以降なだらかに減少して定常値に収束する。同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号Ｎｄは、時刻ｔ２のくびれ検出時点から時刻ｔ３のアーク再発生までＨｉｇｈレベルになる。同図（Ｄ）に示すように、駆動信号Ｄｒは、時刻ｔ２１からＨｉｇｈレベルとなる。上記の基準時間Ｔｔは、１０００μｓ程度に設定される。この基準時間Ｔｔは、溶接ワイヤの種類、シールドガスの種類、溶接継手、溶接ワイヤの送給速度、溶接姿勢等に応じて適正値に設定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００６−２８１２１９号公報
【特許文献２】特開２００５−２８８５４０号公報
【特許文献３】特開２００６−１１６５８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
上述したように、くびれ検出時点からの経過時間が基準時間に達してもアークが再発生していないときは、溶接電流を増加させることによって、溶接状態が不安定になることを防止している。しかし、このような補償制御を行うと、図７（Ａ）に示すように、時刻ｔ３においてアークが再発生したときの電流値が大きな値になるために、大粒のスパッタが発生するという問題があった
【００１９】
そこで、本発明では、くびれ検出時点からの経過時間が基準時間に達してもアークが再発生していないときに、スパッタの発生を増やすことなく円滑にアークの再発生を行わせることができる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、溶接ワイヤと母材との間でアーク発生状態と短絡状態とを繰り返す消耗電極アーク溶接にあって、短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれを検出し、このくびれ検出時点から短絡負荷に通電する溶接電流を減少させて低レベル電流の状態でアークを再発生させる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、
前記くびれ検出時点からの経過時間がアークが再発生する前に予め定めた基準時間に達したときは溶接電流を前記低レベル電流から高レベル電流へと増加させてアークを再発生させ、この高レベル電流の値及び／又は立上り傾斜を前記基準時間に達した時点での前記くびれの進行度に応じて変化させる、
ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。
【００２１】
請求項２の発明は、前記くびれの進行度を、溶接ワイヤと母材との間の電圧値又は抵抗値の変化によって検出する、
ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、くびれ検出時点からの経過時間がアークが再発生する前に基準時間に達したときは溶接電流を低レベル電流から高レベル電流へと増加させてアークを再発生させ、この高レベル電流の値及び／又は立上り傾斜を基準時間に達した時点でのくびれの進行度に応じて変化させる。くびれの進行度が進んでいるときは、高レベル電流が比較的小さな値であってもアーク再発生に早期に導くことができる。他方、くびれの進行度が遅れているときは、高レベル電流が比較的大きな値でないとアーク再発生に導くことはできない。くびれ検出時点からの経過時間が基準時間以上となり高レベル電流が通電するケースは、溶接条件にもよるが１秒間当たり数回発生する。そして、基準時間に達した時点でのくびれの進行度にはバラツキがあるので、高レベル電流の値もそれに対応して変化することになる。この結果、アークが再発生したときの電流値も種々に変化することになり、その平均値は従来技術よりも小さな値となる。したがって、本発明では、くびれ検出時点からの経過時間が基準時間以上となった場合でも、円滑なアーク再発生に導くことができ、かつ、大粒のスパッタの発生量を総量として低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。
【図２】図１の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。
【図３】図１の高レベル電流設定回路ＩＨＲに内蔵されている電流設定関数及び立上り傾斜設定回路ＳＲに内蔵されている傾斜設定関数の一例を示す図である。
【図４】従来技術において、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを繰り返す消耗電極アーク溶接における電流・電圧波形及び溶滴移行を示す図である。
【図５】従来技術のくびれ検出制御方法を搭載した溶接装置のブロック図である。
【図６】図５の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。
【図７】従来技術における補償制御について説明するための上述した図６に対応する各信号のタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。
【００２５】
図１は、本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置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。
【００２６】
電源主回路ＰＭは、３相２００Ｖ等の商用電源（図示は省略）を入力として、後述する誤差増幅信号Ｅａに従ってインバータ制御等の出力制御を行い、溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力する。この電源主回路ＰＭは、図示は省略するが、商用電源を整流する１次整流器、整流された直流を平滑する平滑コンデンサ、平滑された直流を高周波交流に変換するインバータ回路、高周波交流を溶接に適した電圧値に降圧する高周波変圧器、降圧された高周波交流を直流に整流する２次整流器、整流された直流を平滑するリアクトル、誤差増幅信号Ｅａを入力としてパルス幅変調制御を行う変調回路、パルス幅変調制御信を入力としてインバータ回路のスイッチング素子を駆動するインバータ駆動回路から構成される。
【００２７】
減流抵抗器Ｒは、上記の電源主回路ＰＭと溶接トーチ４との間に挿入される。この減流抵抗器Ｒの値は、上述した従来技術と同様である。トランジスタＴＲは、減流抵抗器Ｒと並列に接続されて、後述する駆動信号Ｄｒに従ってオン又はオフ制御される。
【００２８】
溶接ワイヤ１は、送給モータ（図示は省略）に結合された送給ロール５の回転によって溶接トーチ４内を送給されて、母材２との間にアーク３が発生する。溶接ワイヤ１と母材２との間には溶接電圧Ｖｗが印加し、アーク３中を溶接電流Ｉｗが通電する。同図において、溶接ワイヤの送給を制御する回路については、図示は省略する。
【００２９】
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。電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。
【００３０】
短絡／アーク判別回路ＳＤは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、その値が予め定めた短絡／アーク判別値Ｖta未満であるときは短絡状態にあると判別してＨｉｇｈレベルとなり、以上のときはアーク発生状態にあると判別してＬｏｗレベルになる短絡／アーク判別信号Ｓｄを出力する。くびれ検出回路ＮＤは、従来技術と同様に、上記の電圧検出信号Ｖｄ及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、上述したように短絡期間中の電圧上昇値ΔＶが予め定めたくびれ検出基準値Ｖtnの値に達した時点でＨｉｇｈレベルとなり、アークが再発生して電圧検出信号Ｖｄの値が短絡／アーク判別値Ｖta以上になった時点でＬｏｗレベルになるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。上述したように、短絡期間中の電圧検出信号Ｖｄの微分値がそれに対応したくびれ検出基準値Ｖtnに達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。さらに、電圧検出信号Ｖｄの値を電流検出信号Ｉｄの値で除算して溶滴の抵抗値を算出し、この抵抗値の微分値がそれに対応するくびれ検出基準値Ｖtnに達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。
【００３１】
低レベル電流設定回路ＩＬＲは、予め定めた低レベル電流設定信号Ｉlrを出力する。この低レベル電流設定信号Ｉlrの値は５０Ａ程度に設定される。電流比較回路ＣＭは、この低レベル電流設定信号Ｉlr及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、Ｉｄ＜ＩlrのときはＨｉｇｈレベルになり、Ｉｄ≧ＩlrのときはＬｏｗレベルになる電流比較信号Ｃｍを出力する。駆動回路ＤＲは、この電流比較信号Ｃｍ及び上記のくびれ検出信号Ｎｄを入力として、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルに変化するとＬｏｗレベルに変化し、その後に電流比較信号ＣｍがＨｉｇｈレベルに変化するとＨｉｇｈレベルに変化する駆動信号Ｄｒを上記のトランジスタＴＲのベース端子に出力する。したがって、この駆動信号Ｄｒはくびれが検出されるとＬｏｗレベルになり、トランジスタＴＲがオフ状態になり通電路に減流抵抗器Ｒが挿入されるので、短絡負かを通電する溶接電流Ｉｗは急減する。そして、急減した溶接電流Ｉｗの値が低レベル電流設定信号Ｉlrの値まで減少すると、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになり、トランジスタＴＲがオン状態になるので、減流抵抗器Ｒは短絡されて通常の状態に戻る。
【００３２】
基準時間設定回路ＴＴＲは、予め定めた基準時間設定信号Ｔtrを出力する。この基準時間設定信号Ｔtrの値は、６００〜１０００μｓ程度に設定される。経過時間判別回路ＣＴは、この基準時間設定信号Ｔtr及び上記のくびれ検出信号Ｎｄを入力として、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになっている時間が基準時間設定信号Ｔtrの値に達した時点でＨｉｇｈレベルにセットされ、くびれ検出信号ＮｄがＬｏｗレベルに変化した時点でＬｏｗレベルにリセットされる経過時間判別信号Ｃｔを出力する。
【００３３】
くびれ進行度検出回路ＮＳは、上記の経過時間判別信号Ｃｔ、上記の電圧検出信号Ｖｄ及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、経過時間判別信号ＣｔがＨｉｇｈレベルになった時点における電圧検出信号Ｖｄの値をくびれ進行度信号Ｎｓとして出力する。電圧検出信号Ｖｄの値が大きいほど、くびれが進行していることを示すので、電圧検出信号Ｖｄの値をくびれの進行度を示す指標として使用することができる。また、経過時間判別信号ＣｔがＨｉｇｈレベルになった時点における電圧検出信号Ｖｄの微分値をくびれの進行度を示す指標として使用することもできる。さらに、経過時間判別信号ＣｔがＨｉｇｈレベルになった時点における溶滴の抵抗値（＝Ｖｄ／Ｉｄ）の値又は微分値を、くびれの進行度を示す指標として使用することもできる。高レベル電流設定回路ＩＨＲは、このくびれ進行度信号Ｎｓを入力として、予め定めた電流設定関数によって算出された高レベル電流設定信号Ｉhrを出力する。立上り傾斜設定回路ＳＲは、このくびれ進行度信号Ｎｓを入力として、予め定めた傾斜設定関数によって算出された立上り傾斜設定信号Ｓｒを出力する。電流設定関数及び傾斜設定関数については、図３で後述する。
【００３４】
電流設定回路ＩＲは、上記の短絡／アーク判別信号Ｓｄ、上記の低レベル電流設定信号Ｉlr、上記のくびれ検出信号Ｎｄ、上記の経過時間判別信号Ｃｔ、上記の高レベル電流設定信号Ｉhr及び上記の立上り傾斜設定信号Ｓｒを入力として、以下の処理を行い、電流設定信号Ｉｒを出力する。この回路の動作については、図２でも詳述する。
１）短絡／アーク判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）に変化した時点から予め定めた初期期間中は、予め定めた初期電流設定値を電流設定信号Ｉｒとして出力する。
２）その後は、電流設定信号Ｉｒの値を、上記の初期電流設定値から予め定めた傾斜設定値で定まる傾斜で予め定めたピーク設定値まで上昇させ、その値を維持する。
３）くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベル（くびれ検出）に変化すると、電流設定信号Ｉｒの値を低レベル電流設定信号Ｉlrの値に切り換える。
４）経過時間判別信号ＣｔがＨｉｇｈレベル（くびれ検出時間が基準時間に達した時点）に変化すると、電流設定信号Ｉｒの値を、低レベル電流設定信号Ｉlrの値から立上り傾斜設定信号Ｓｒによって定まる傾斜で高レベル電流設定信号Ｉhrの値まで上昇させ、その値を維持する。
【００３５】
電圧設定回路ＶＲは、アーク期間中の溶接電圧を設定するための予め定めた電圧設定信号Ｖｒを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流設定信号Ｉｒ（＋）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。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の電圧設定信号Ｖｒ（＋）と電圧検出信号Ｖｄ（−）との誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。制御切換回路ＳＷは、上記の電流誤差増幅信号Ｅｉ、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖ及び上記の短絡／アーク判別信号Ｓｄを入力として、短絡／アーク判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）のときは電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力し、Ｌｏｗレベル（アーク）のときは電圧誤差増幅信号Ｅｖを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。この回路により、短絡期間中は定電流制御となり、アーク期間中は定電圧制御となる。
【００３６】
図２は、図１で上述した溶接装置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Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）はくびれ検出信号Ｎｄの時間変化を示し、同図（Ｄ）は駆動信号Ｄｒの時間変化を示し、同図（Ｅ）は短絡／アーク判別信号Ｓｄの時間変化を示し、同図（Ｆ）は経過時間判別信号Ｃｔの時間変化を示し、同図（Ｇ）は電流設定信号Ｉｒの時間変化を示す。同図は、くびれ検出時点からの経過時間がアークが再発生する前に基準時間Ｔｔに達した場合であり、上述した図７に対応している。くびれ検出時点からの経過時間が基準時間Ｔｔに達する前にアークが再発生する正常な状態の場合のタイミングチャートは、基本的には上述した図６と同様の動作となる。以下、同図を参照して説明する。
【００３７】
（１）時刻ｔ１の短絡発生から時刻ｔ２のくびれ検出時点までの動作
この期間中の動作は、上述した図６と同様である。時刻ｔ１において溶接ワイヤが母材と接触すると短絡状態になり、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖ程度の短絡電圧値に急減する。この溶接電圧Ｖｗが短絡／アーク判別値Ｖta未満になったことを判別して、同図（Ｅ）に示すように、短絡／アーク判別信号ＳｄはＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化する。これに応動して、同図（Ｇ）に示すように、電流設定信号Ｉｒは時刻ｔ１において低レベル電流設定信号Ｉlrの値から少し大きな値である予め定めた初期電流設定値に変化する。ここで、電流設定信号Ｉｒの値が、時刻ｔ１以前に低レベル電流設定信号Ｉlrの値であるのは、前回の短絡の解除（アーク再発生）がくびれ検出時点からの経過時間が基準時間Ｔｔに達する前に行われたためである。基準時間Ｔｔに達した以後に行われた場合には、時刻ｔ１以前の電流設定信号Ｉｒの値は、高レベル電流設定信号Ｉhrの値となる。どちらの値であっても、電流設定信号Ｉｒは時刻ｔ１以後の短絡期間しか使用されないので、動作には無関係である。電流設定信号Ｉｒは、同図（Ｇ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ１１の予め定めた初期期間中は予め定めた初期電流設定値となり、時刻ｔ１１〜ｔ１２の期間中は予め定めた傾斜設定値で定まる傾斜で上昇し、時刻ｔ１２〜ｔ２の期間中は予め定めたピーク設定値となる。短絡期間中は上述したように定電流制御されているので溶接電流Ｉｗは電流設定信号Ｉｒに相当する値に制御される。このために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、時刻ｔ１においてアーク期間の溶接電流から急減し、時刻ｔ１〜ｔ１１の初期期間中は初期電流値となり、時刻ｔ１１〜ｔ１２の期間中は所定傾斜で上昇し、時刻ｔ１２〜ｔ２の期間中はピーク値となる。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、溶接電流Ｉｗがピーク値となる時刻ｔ１２あたりから急上昇する。これは、溶滴にくびれが発生したためである。同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号Ｎｄは、後述する時刻ｔ２〜ｔ３の期間以外はＬｏｗレベルとなる。同図（Ｄ）に示すように、駆動信号Ｄｒは、後述する時刻ｔ２〜ｔ２１の期間はＬｏｗレベルとなり、それ以外の期間はＨｉｇｈレベルとなる。したがって、同図において時刻ｔ２以前の期間中は、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルとなり、図１のトランジスタＴＲがオン状態となるので、減流抵抗器Ｒは短絡されて通常の消耗電極アーク溶接装置と同一の状態となる。同図（Ｆ）に示すように、経過時間判別信号Ｃｔは、後述する時刻ｔ２２〜ｔ３の期間Ｈｉｇｈレベルとなり、それ以外の期間はＬｏｗレベルとなる。
【００３８】
（２）時刻ｔ２のくびれ検出時点から時刻ｔ２２の基準時間Ｔｔに達するまでの動作
時刻ｔ２において、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗが急上昇して初期期間中の電圧値からの電圧上昇値ΔＶが予め定めたくびれ検出基準値Ｖtnと等しくなったことによってくびれを検出すると、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＨｉｇｈレベルに変化する。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＬｏｗレベルになるので、図１のトランジスタＴＲはオフ状態となり減流抵抗器Ｒが通電路に挿入される。同時に、同図（Ｇ）に示すように、電流設定信号Ｉｒは低レベル電流設定信号Ｉlrの値に小さくなる。このために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗはピーク値から低レベル電流値Ｉｌへと急減する。そして、時刻ｔ２１において溶接電流Ｉｗが低レベル電流値Ｉｌまで減少すると、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルに戻るので、図１のトランジスタＴＲはオン状態となり減流抵抗器Ｒは短絡される。同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、電流設定信号Ｉｒが低レベル電流設定信号Ｉlrのままであるので、低レベル電流値Ｉｌを維持する。したがって、トランジスタＴＲは、時刻ｔ２にくびれが検出されてから時刻ｔ２１に溶接電流Ｉｗが低レベル電流値Ｉｌに減少するまでの期間のみオフ状態となる。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、時刻ｔ２から一旦減少した後に緩やかに上昇する。しかし、同図は時刻ｔ２のくびれ検出時点からの経過時間が基準時間Ｔｔに達する時刻ｔ２２の前にアークが再発生しない場合であるので、溶接電圧Ｖｗは時刻ｔ２２までに急上昇して短絡／アーク判別値Ｖta以上となることはない。
【００３９】
（３）時刻ｔ２２の基準時間Ｔｔに達した時点から時刻ｔ３のアーク再発生までの動作
時刻ｔ２２において、時刻ｔ２にくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになった時点からの経過時間が基準時間設定信号Ｔtrによって定まる基準時間Ｔｔに達すると、同図（Ｆ）に示すように、経過時間判別信号ＣｔはＨｉｇｈレベルに変化する。これに応動して、同図（Ｇ）に示すように、電流設定信号Ｉｒは、低レベル電流設定信号Ｉlrの値から立上り傾斜設定信号Ｓｒによって定まる傾斜で高レベル電流設定信号Ｉhrの値まで上昇して、その値を維持する。このために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、低レベル電流値Ｉｌから所定の立上り傾斜Ｓで高レベル電流値Ｉｈまで上昇し、その値を維持する。立上り傾斜設定信号Ｓｒ及び高レベル電流設定信号Ｉhrの両値は、経過時間判別信号ＣｔがＨｉｇｈレベルに変化する時刻ｔ２２時点でのくびれの進行度に応じて予め定めた関数に従って変化させる。くびれの進行度については、図１で上述したとおりである。関数については、図３で後述する。溶接電流Ｉｗが増加したことによってくびれの進行が促進されて時刻ｔ３においてアークが再発生すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、溶接電流Ｉｗが高レベル電流値Ｉｈになったあたりから急上昇して、時刻ｔ３において短絡／アーク判別値Ｖta以上となる。これに応動して、同図（Ｅ）に示すように、短絡／アーク判別信号ＳｄがＬｏｗレベルに変化する。この結果、溶接装置は定電流制御から定電圧制御へと切り換えられる。このために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは高レベル電流値Ｉｈから次第に減少する。同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号Ｎｄは、短絡／アーク判別信号ＳｄがＬｏｗレベルに変化するので、Ｌｏｗレベルに変化する。同様に、同図（Ｆ）に示すように、経過時間判別信号ＣｔもＬｏｗレベルに変化する。同図（Ｇ）に示すように、電流設定信号Ｉｒは、時刻ｔ３以後もその値を維持する。ここでは、時刻ｔ３時点では高レベル電流設定信号Ｉhrの値となっているので、その値を維持することになる。
【００４０】
図３は、図１で上述した高レベル電流設定回路ＩＨＲに内蔵されている電流設定関数及び立上り傾斜設定回路ＳＲに内蔵されている傾斜設定関数の一例を示す図である。同図の横軸はくびれ進行度信号Ｎｓ（Ｖ）を示しており、０〜１０Ｖの範囲となっている。左縦軸は高レベル電流設定信号Ｉhr（Ａ）を示しており、０〜６００Ａの範囲となっている。右縦軸は立上り傾斜設定信号Ｓｒ（Ａ／ms）を示しており、０〜６００Ａ／msの範囲となっている。同図において、実線は電流設定関数を示しており、くびれ進行度信号Ｎｓと高レベル電流設定信号Ｉhrとの関係を示す。破線は傾斜設定関数を示しており、くびれ進行度信号Ｎｓと立上り傾斜設定信号Ｓｒとの関係を示す。
【００４１】
くびれ進行度信号Ｎｓとしては、上述したように、経過時間判別信号ＣｔがＨｉｇｈレベルになった時点における電圧検出信号Ｖｄの値を使用する場合である。すなわち、くびれ検出時点からの経過時間がアークが再発生する前に基準時間Ｔｔに達した時点（図２の時刻ｔ２２）における溶接電圧Ｖｗの値である。
【００４２】
同図に示すように、電流設定関数は、Ｎｓ＜３．０のときはＩhr＝５００となり、３．０≦Ｎｓ＜７．０の範囲ではＩhrは５００から２００まで右肩下がりの直線となり、Ｎｓ≧７．０のときはＩhr＝２００となる。また、傾斜設定関数は、Ｎｓ＜３．０のときはＳｒ＝５００となり、３．０≦Ｎｓ＜７．０の範囲ではＳｒは５００から１００まで右肩下がりの直線となり、Ｎｓ≧７．０のときはＳｒ＝１００となる。すなわち、高レベル電流設定信号Ｉhrの値は、くびれ進行度信号Ｎｓが大きくなる（くびれの進行度が進む）のに伴い、概ね小さくなる。立上り傾斜設定信号Ｓｒの値は、くびれ進行度信号Ｎｓが大きくなる（くびれの進行度が進む）のに伴い、概ね小さくなる。両関数共に、曲線状、階段状等に変化するようにしても良い。両関数は、溶接ワイヤの種類、シールドガスの種類、溶接継手、溶接ワイヤの送給速度、溶接姿勢等に応じて実験によって適正化することが望ましい。
【００４３】
次に、本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法の作用効果について、上述した図１〜図３を参照して説明する。以下の説明においては、２つのケースに分けて説明する。第１のケースは、くびれ検出時点からの経過時間が基準時間に達する前にアークが再発生する正常なくびれ検出制御の場合である。第２のケースは、くびれ検出時点からの経過時間がアークが再発生する前に基準時間に達した場合である。第２のケースが、上述した図２のタイミングチャートの場合であり、本発明が効果を奏する場合である。
【００４４】
（１） 第１のケース
このケースにおいても、図２の時刻ｔ１〜ｔ２１までの期間の動作は同様であるので説明は省略する。時刻ｔ２１において、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは低レベル電流値Ｉｌの状態にある。そして、時刻ｔ２のくびれ検出時点からの経過時間が基準時間Ｔｔに達する前に、くびれが進行してアークが再発生する。すなわち、時刻ｔ２１〜ｔ２２の期間の途中でアークが再発生する。アークが再発生すると、同図（Ｂ）に示す溶接電圧Ｖｗは急上昇して短絡／アーク判別値Ｖta以上のアーク電圧値となる。これに応動して、同図（Ｅ）に示す短絡／アーク判別信号ＳｄはＬｏｗレベルに変化するので、定電流制御から定電圧制御へと切り換えられる。この結果、同図（Ａ）に示す溶接電流Ｉｗは増加した後に緩やかに減少する。このケースにおける溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗの波形は、上述した図６と同様になる。
【００４５】
（２） 第２のケース
第２のケースの動作は、上述した図２のとおりである。時刻ｔ２のくびれ検出時点からの経過時間が時刻ｔ２２において基準時間Ｔｔに達してもアークが再発生していないので、溶接電流Ｉｗを高レベル電流値Ｉｈに増加させてくびれの進行を促進することによってアークの再発生へと導いている。上述した従来技術では、基準時間Ｔｔに達した時点におけるくびれの進行度とは無関係に最速の立上り傾斜（１０００Ａ／ms）で予め定めた高レベル電流値Ｉｈ（５００Ａ）に増加させる。このために、アーク再発生時の電流値は５００Ａとなり、大きな値となるために大粒のスパッタが発生することになる。これに対して、本実施の形態では、基準時間Ｔｔに達した時点におけるくびれの進行度を検出し、このくびれ進行度に応じて高レベル電流の値及び／又は立上り傾斜を適正化して、アーク再発生時の電流値を従来技術よりも小さくすることによってスパッタの発生を抑制している。これは、くびれ進行度が進んでいる場合には、高レベル電流の値及び／又は立上り傾斜を小さくしてもアークの再発生に導くことができるためである。
【００４６】
以下、数値例を挙げて説明する。図３において、基準時間Ｔｔに達した時点におけるくびれ進行度Ｎｓ＝５．０Ｖであるとする。そして、基準時間から０．５ms、１．０ms又は１．５msの時間が経過したときにアークが再発生するとする。実溶接においてもほぼこの範囲でアークが再発生する確率が高い。従来技術では、立上り傾斜が１０００Ａ／msであり、高レベル電流値が５００Ａであるので、アーク再発生時の電流値は５００Ａ、５００Ａ、５００Ａとなる。これに対して、本実施の形態において、くびれ進行度に応じて高レベル電流値のみを変化させる場合には、図３からＮｓ＝５．０Ｖのときの高レベル電流値は３５０Ａとなるので、アーク再発生時の電流値は３５０Ａ、３５０Ａ、３５０Ａとなる。くびれ進行度に応じて立上り傾斜のみを変化させる場合には、図３からＮｓ＝５．０Ｖのときの立上り傾斜は３００Ａ／msであるので、アーク再発生時の電流値は２００Ａ、３５０Ａ、５００Ａとなる。くびれ進行度に応じて高レベル電流の値及び立上り傾斜の両方を変化させる場合には、図３から、２００Ａ、３５０Ａ、３５０Ａとなる。これらの数値例から分かるように、本実施の形態の方が、従来技術に比べてアーク再発生時の電流値が小さくなる。したがって、スパッタの発生も少なくなる。
【００４７】
上述した実施の形態によれば、くびれ検出時点からの経過時間がアークが再発生する前に基準時間に達したときは溶接電流を低レベル電流から高レベル電流へと増加させてアークを再発生させ、この高レベル電流の値及び／又は立上り傾斜を基準時間に達した時点でのくびれの進行度に応じて変化させる。くびれの進行度が進んでいるときは、高レベル電流が比較的小さな値であってもアーク再発生を早期に導くことができる。他方、くびれの進行度が遅れているときは、高レベル電流が比較的大きな値でないとアーク再発生に導くことはできない。くびれ検出時点からの経過時間が基準時間以上となり高レベル電流が通電するケースは、溶接条件にもよるが１秒間当たり数回発生する。そして、基準時間に達した時点でのくびれの進行度にはバラツキがあるので、高レベル電流の値もそれに対応して変化することになる。この結果、アークが再発生したときの電流値も種々に変化することになり、その平均値は従来技術よりも小さな値となる。したがって、本実施の形態では、くびれ検出時点からの経過時間が基準時間以上となった場合でも、円滑なアーク再発生に導くことができ、かつ、大粒のスパッタの発生量を総量として低減することができる。
【００４８】
上記においては、高レベル電流を通電しているときは、くびれの検出制御を禁止している場合について説明した。しかし、高レベル電流を通電しているときもくびれ検出制御を行うようにしても良い。すなわち、図２において、時刻ｔ２２からの高レベル電流の通電中にくびれを検出した場合には、時刻ｔ２以後のように低レベル電流値へと溶接電流Ｉｗを再び急減させる。但し、１回目のくびれ検出時点からの経過時間が基準時間を越えて高レベル電流を通電する場合であるので、くびれの進行が円滑ではない。したがって、高レベル電流を通電しているときに正常にくびれが検出されて溶接電流が急減されるような場合は、確率的にはそれほど高くはない。しかし、スパッタを低減する一定の効果はある。
【符号の説明】
【００４９】
１ 溶接ワイヤ
１ａ 溶滴
１ｂ くびれ
２ 母材
２ａ 溶融池
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
ＣＭ 電流比較回路
Ｃｍ 電流比較信号
ＣＴ 経過時間判別回路
Ｃｔ 経過時間判別信号
ＤＲ 駆動回路
Ｄｒ 駆動信号
Ｅａ 誤差増幅信号
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
Ｆｃ 送給制御信号
Ｉａ アーク再発生時電流値
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｈ 高レベル電流
ＩＨＲ 高レベル電流設定回路
Ｉhr 高レベル電流設定信号
Ｉｌ 低レベル電流
ＩＬＲ 低レベル電流設定回路
Ｉlr 低レベル電流設定信号
ＩＲ 電流設定回路
Ｉｒ 電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＮＤ くびれ検出回路
Ｎｄ くびれ検出信号
ＮＳ くびれ進行度検出回路
Ｎｓ くびれ進行度信号
ＰＭ 電源主回路
ＰＳ 溶接電源
Ｒ 減流抵抗器
Ｓ 傾斜
ＳＤ 短絡／アーク判別回路
Ｓｄ 短絡／アーク判別信号
ＳＲ 立上り傾斜設定回路
Ｓｒ 立上り傾斜設定信号
ＳＷ 制御切換回路
ｔ 経過時間
Ｔａ アーク期間
Ｔｎ くびれ検出時間
ＴＲ トランジスタ
Ｔｓ 短絡期間
Ｔｔ 基準時間
ＴＴＲ 基準時間設定回路
Ｔtr 基準時間設定信号
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
Ｖｓ 短絡電圧値
Ｖta 短絡／アーク判別値
ＶＴＮ くびれ検出基準値設定回路
Ｖtn くびれ検出基準値（信号）
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＭ 送給モータ
ΔＶ 電圧上昇値
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接ワイヤと母材との間でアーク発生状態と短絡状態とを繰り返す消耗電極アーク溶接にあって、短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれを検出し、このくびれ検出時点から短絡負荷に通電する溶接電流を減少させて低レベル電流の状態でアークを再発生させる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、
前記くびれ検出時点からの経過時間がアークが再発生する前に予め定めた基準時間に達したときは溶接電流を前記低レベル電流から高レベル電流へと増加させてアークを再発生させ、この高レベル電流の値及び／又は立上り傾斜を前記基準時間に達した時点での前記くびれの進行度に応じて変化させる、
ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
【請求項２】
前記くびれの進行度を、溶接ワイヤと母材との間の電圧値又は抵抗値の変化によって検出する、
ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
【請求項１】
溶接ワイヤと母材との間でアーク発生状態と短絡状態とを繰り返す消耗電極アーク溶接にあって、短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれを検出し、このくびれ検出時点から短絡負荷に通電する溶接電流を減少させて低レベル電流の状態でアークを再発生させる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、
前記くびれ検出時点からの経過時間がアークが再発生する前に予め定めた基準時間に達したときは溶接電流を前記低レベル電流から高レベル電流へと増加させてアークを再発生させ、この高レベル電流の値及び／又は立上り傾斜を前記基準時間に達した時点での前記くびれの進行度に応じて変化させる、
ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
【請求項２】
前記くびれの進行度を、溶接ワイヤと母材との間の電圧値又は抵抗値の変化によって検出する、
ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−１０１３１（Ｐ２０１３−１０１３１Ａ）
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４５５８４（Ｐ２０１１−１４５５８４）
【出願日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
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