溶接電源の出力制御方法
【課題】出力電流ｉの微分値に増幅率を乗じて電流微分値Ｂｉを算出し、予め定めた出力電圧設定値Ｅｒから電流微分値Ｂｉを減算して電圧制御設定値Ｅｃｒを算出し、出力電圧Ｅが電圧制御設定値Ｅｃｒと略等しくなるように出力を制御する溶接電源の出力制御方法において、リアクトルＷＬによる固定インダクタンス値Ｌｉ以下の適正インダクタンス値を電子的に形成すること。
【解決手段】本発明は、電流変化切換信号ＳｉがＨｉｇｈレベルのときは出力電圧設定値Ｅｒから電流微分値Ｂｉを減算して電圧制御設定値Ｅｃｒを算出し、電流変化切換信号ＳｉがＬｏｗレベルのときは出力電圧設定値Ｅｒに電流微分値Ｂｉを加算して電圧制御設定値Ｅｃｒを算出する溶接電源の出力制御方法である。
【解決手段】本発明は、電流変化切換信号ＳｉがＨｉｇｈレベルのときは出力電圧設定値Ｅｒから電流微分値Ｂｉを減算して電圧制御設定値Ｅｃｒを算出し、電流変化切換信号ＳｉがＬｏｗレベルのときは出力電圧設定値Ｅｒに電流微分値Ｂｉを加算して電圧制御設定値Ｅｃｒを算出する溶接電源の出力制御方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短絡アーク溶接に使用する溶接電源の出力制御方法に関し、特に、短絡期間及びアーク期間の出力電流の変化を適正化するためのリアクトルを電子的に形成するいわゆる電子リアクトル制御の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶接ワイヤと母材との間で短絡とアークとを繰り返す短絡アーク溶接においては、アーク負荷の変動に応じて短絡期間及びアーク期間中の出力電流ｉの変化を適正化することが良好な溶接品質を確保するために重要である。上記の短絡アーク溶接には、短絡移行アーク溶接だけでなく、短絡を伴うグロビュール移行溶接、短絡を伴うスプレー移行溶接等も含まれる。短絡アーク溶接には定電圧特性の溶接電源を使用するので、その出力電圧をＥ［Ｖ］とする。また、溶接電源の内部及び外部を合わせたリアクトルのインダクタンス値をＬ［Ｈ］とし、内部及び外部を合わせた抵抗の値をｒ［Ω］とし、アーク負荷の電圧（以下、溶接電圧という）をｖ［Ｖ］とすると、出力に関して下式が成立する。
Ｅ＝Ｌ・di/dt＋ｒ・ｉ＋ｖ …（１）式
上式において、抵抗値ｒは通常小さな値であるので省略し、電流変化率（電流微分値）ｄｉ／ｄｔで整理すると下式となる。
di/dt＝（Ｅ−ｖ）／Ｌ …（２）式
上式において出力電圧Ｅは予め設定された値であるので、アーク負荷が変動して溶接電圧ｖが変化したときの電流変化率ｄｉ／ｄｔはインダクタンス値Ｌに反比例することになる。したがって、アーク負荷の変動に応じて電流変化率ｄｉ／ｄｔを適正化するためには、インダクタンス値を適正値Ｌｍ［Ｈ］に設定すればよいことになる。
【０００３】
通常、上記の適正インダクタンス値Ｌｍは１００〜５００μＨと大きな値であり、かつリアクトルに通電する出力電流ｉは最大５００Ａ超と非常に大きな値であるために、リアクトルのサイズが大きくなり重量も重くなる。さらに、上記の適正インダクタンス値Ｌｍは、溶接ワイヤの材質、直径、シールドガスの種類、ワイヤ送給速度（平均出力電流値）等の種々の溶接条件によって変化する。しかし、鉄芯に導線を巻いて製作されるリアクトルでは、そのインダクタンス値を上記の溶接条件に応じて所望値に自在に変化させることはできない。そこで、以下に説明する従来技術では、このリアクトルと等価な作用を電子的に形成する制御（以下、電子リアクトル制御という）が開示され、広く慣用されている（例えば、特許文献１、２等参照）。
【０００４】
電子リアクトル制御の原理は以下のとおりである。出力電圧の設定値をＥｒ［Ｖ］とし、適正インダクタンス値をＬｍ［μＨ］とし、出力電流ｉを平滑するための数十μＨ（インバータ制御時）の固定インダクタンス値をＬｉ［μＨ］とし、電子リアクトル制御によって形成される電子インダクタンス値をＬｒ［μＨ］とする。したがって、Ｌｍ＝Ｌｉ＋Ｌｒとなる。これらを上記（２）式に代入して整理すると下式となる。
Ｅｒ−Ｌｒ・di/dt＝Ｌｉ・di/dt＋ｖ …（３）式
【０００５】
上式において、出力電圧がＥ＝Ｅｒ−Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔになるように制御することによって電子インダクタンス値Ｌｒを形成することができる。すなわち、出力電流ｉを検出して微分し増幅率Ｌｒを乗じた電流微分値Ｂｉ＝Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔを算出する．続いて、予め定めた出力電圧設定値Ｅｒから上記の電流微分値Ｂｉを減算して電圧制御設定値Ｅcr＝Ｅｒ−Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔを算出し、出力電圧Ｅがこの電圧制御設定値Ｅcrと略等しくなるように制御する。ここで、上記の増幅率Ｌｒ＝Ｌｍ−Ｌｉであるので、種々の溶接条件に応じて適正インダクタンス値Ｌｍが決まると、増幅率（電子インダクタンス値）Ｌｒが決まる。したがって、適正インダクタンス値Ｌｍを任意の値に電子リアクトル制御によって設定することができる。
【０００６】
図６は、上述した従来技術の電子リアクトル制御を採用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。
【０００７】
電源主回路ＰＭＣは、商用電源（３相２００Ｖ等）を入力として、後述する誤差増幅信号Ａmpに従ってインバータ制御、チョッパ制御、サイリスタ位相制御等による出力制御を行い、出力電圧Ｅを出力する。リアクトルＷＬは、鉄芯に導線を巻いたものであり、インバータ制御のときは数十μＨ程度の小さな値の固定インダクタンス値Ｌｉ［μＨ］を有する。溶接ワイヤ１はワイヤ送給装置の送給ロール５によって溶接トーチ４内を通って送給され、母材２との間にアーク３が発生する。
【０００８】
電流検出回路ＩＤは、出力電流ｉを検出して電流検出信号ｉｄを出力する。電子リアクトル制御回路ＥＲＣは、上記の電流検出信号ｉｄを微分して増幅率Ｌｒを乗じて電流微分信号Ｂｉ＝Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔを出力する。増幅率Ｌｒは、上述したように種々の溶接条件に応じて適正値に予め設定する。このときに、溶接状態を安定化するために、出力電流ｉの上昇時と下降時とで上記の増幅率Ｌｒを変化させて、上昇時は大きな値に下降時は小さな値に設定することも多い。
【０００９】
出力電圧設定回路ＥＲは、所望値の出力電圧設定信号Ｅｒを出力する。減算回路ＳＵＢは、この出力電圧設定信号Ｅｒから上記の電流微分信号Ｂｉを減算して、電圧制御設定信号Ｅcr＝Ｅｒ−Ｂｉを出力する。出力電圧検出回路ＥＤは、出力電圧Ｅを検出して出力電圧検出信号Ｅｄを出力する。誤差増幅回路ＡＭＰは、上記の電圧制御設定信号Ｅcrとこの出力電圧検出信号Ｅｄとの誤差を増幅して誤差増幅信号Ａmpを出力する。
【００１０】
図７は、図６で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）は出力電流ｉの、同図（Ｂ）は電流微分信号Ｂｉの、同図（Ｃ）は電圧制御設定信号Ｅcrの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００１１】
同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間Ｔｓ中はアーク負荷が短絡負荷になるために、出力電流ｉは上昇する。これに伴い、同図（Ｂ）に示すように、電流微分信号Ｂｉは出力電流ｉの上昇率に比例した正の値となる。続いて、同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ２〜ｔ３のアーク期間Ｔａ中は短絡負荷からアーク負荷に変化するために、出力電流ｉは下降する。これに伴い、同図（Ｂ）に示すように、電流微分信号Ｂｉは出力電流ｉの下降率に比例した負の値となる。そして、同図（Ｃ）に示すように、電圧制御設定信号Ｅcrは出力電圧設定信号Ｅｒから同図（Ｂ）に示す電流微分信号Ｂｉを減算した値となる。この電圧制御設定信号Ｅcrと略等しくなるように溶接電源の出力電圧Ｅが出力制御される。この結果、固定インダクタンス値Ｌｉよりも大きな値の適正インダクタンス値Ｌｍが形成される。このために、同図（Ａ）に示すように、実線の出力電流の電流変化は点線の固定インダクタンス値Ｌｉのみのときの電流変化よりも緩やかになる。
【００１２】
【特許文献１】特開２００４−１１４０９８号公報
【特許文献２】特開２００４−１８１５２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述した適正インダクタンス値Ｌｍを有するリアクトルの主な作用は２つある。第１は、出力電流ｉ及び出力電圧Ｅを平滑してリップルを所定値よりも小さくすることである。リップルが大きいと、平均出力電流が小さいときにアーク切れを発生しやすくなる。また、リップルが大きいとリップルによる電流変化幅が大きくなりビード外観が悪くなる場合もある。出力制御方式が数十ｋＨｚのインバータ制御の場合は、この平滑作用のために数十μＨ以上あれば十分であり、上述した固定インダクタンス値Ｌｉで対応することができる。しかし、出力制御方式がサイリスタ位相制御の場合には制御周波数が商用交流電源の６倍（３００又は３６０Ｈｚ）と低いために、この平滑作用のために数百μＨ例えば２５０μＨ程度のインダクタンス値が必要になる。数ｋＨｚのチョッパ制御の場合でも、１５０μＨ程度のインダクタンス値が必要となる。
【００１４】
第２の作用は、上述したように、短絡期間中の電流上昇率及びアーク期間中の電流下降率を適正化することである。この作用のためには、上述したように、１００〜５００μＨ程度のインダクタンス値が必要になる。この電流変化適正化作用は、アーク現象によって定まる値であるので、出力制御方式がインバータ制御、チョッパ制御又はサイリスタ位相制御と変わり制御周波数が変化してもあまり影響を受けない。
【００１５】
上述した電子リアクトル制御は、上記の第１の平滑作用においてインダクタンス値を電子的に形成することには使用することができない。この理由は、以下のとおりである。すなわち、電子リアクトル制御は電圧制御設定信号Ｅcrと出力電圧Ｅが略等しくなるようにそれぞれの出力制御方式の制御周波数で制御している。このために、制御周波数で定まるリップルを制御することはできない。したがって、第１の平滑作用に必要なインダクタンス値は固定インダクタンス値Ｌｉによって形成する必要がある。他方、第２の電流変化適正化作用に必要なインダクタンス値は、上述したように、電子リアクトル制御によって形成することができる。しかし、従来技術の電子リアクトル制御では、固定インダクタンス値Ｌｉに電子インダクタンス値Ｌｒを加算して大きくし適正インダクタンス値Ｌｍを得るものである。
【００１６】
インバータ制御のように制御周波数が高い場合には、上述したように、第１の平滑作用のためのインダクタンス値は数十μＨであるので、この値を固定インダクタンス値Ｌｉの値とすればよい。そして、第２の電流変化適正化作用のために必要な１００〜５００μＨと固定インダクタンス値Ｌｉとの差のインダクタンス値は電子的に形成すればよい。
【００１７】
他方、サイリスタ位相制御の場合には制御周波数が低いので、第１の平滑作用のために必要なインダクタンス値は２５０μＨ程度となる。この値を固定インダクタンス値Ｌｉにする必要がある。第２の電流変化適正化作用のために必要なインダクタンス値は１００〜５００μＨである。したがって、２５０μＨ以上のインダクタンス値が必要な場合には電子リアクトル制御によって形成することができる。しかし、１００μＨ以上２５０μＨ未満のインダクタンス値は固定インダクタンス値Ｌｉよりも小さいために電子リアクトル制御によっては形成することができない。チョッパ制御の場合も同様である。すなわち、固定インダクタンス値Ｌｉが電流変化適正化のための適正インダクタンス値Ｌｍよりも大きい場合には、従来技術の電子リアクトル制御では適正インダクタンス値Ｌｍを形成することができなかった。このために、適正インダクタンス値Ｌｍが小さな小電流の溶接において溶接品質をさらに改善したいという課題があった。特に、細径の溶接ワイヤ（直径１．０mm以下）を使用した小電流の溶接では適正インダクタンス値が１００μＨ程度と最小になるために、溶接品質の改善要望は強かった。
【００１８】
また、インバータ制御式溶接電源においても、溶接電源の出力端子と母材及び溶接トーチとが離れているために溶接ケーブルが長くなる場合には、ケーブルによるインダクタンス値とリアクトルＷＬによるインダクタンス値が加算されて１００μＨ超になることもある。このような場合には、制御周波数が高くても上述した課題が発生する。
【００１９】
そこで、本発明では、固定インダクタンス値Ｌｉよりも電流変化適正化のための適正インダクタンス値Ｌｍが小さい場合でも電子リアクトル制御によって形成することができる溶接電源の出力制御方法を提供する。
【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、第１の発明は、溶接ワイヤと母材との間で短絡とアークとを繰り返す短絡アーク溶接に使用する溶接電源にあって、前記溶接電源の出力電流の微分値に予め定めた増幅率を乗じて電流微分値を算出し、予め定めた出力電圧設定値から前記電流微分値を減算して電圧制御設定値を算出し、前記溶接電源の出力電圧が前記電圧制御設定値と略等しくなるように出力を制御する溶接電源の出力制御方法において、
負荷変動に対する前記出力電流の変化速度を緩やかにするときはＨｉｇｈレベルとなり速くするときはＬｏｗレベルとなる電流変化切換信号を出力する電流変化切換回路を設け、前記電流変化切換信号がＨｉｇｈレベルのときは前記出力電圧設定値から前記電流微分値を減算して前記電圧制御設定値を算出し、前記電流変化切換信号がＬｏｗレベルのときは前記出力電圧設定値に前記電流微分値を加算して前記電圧制御設定値を算出することを特徴とする溶接電源の出力制御方法である。
【００２１】
また、第２の発明は、第１の発明記載の電流変化切換回路は、溶接ワイヤの種類又はワイヤ送給速度に応じて予め定めた適正な電流変化切換信号を出力することを特徴とする溶接電源の出力制御方法である。
【００２２】
また、第３の発明は、第１の発明記載の電流変化切換回路は、負荷状態に応じて予め定めた適正な電流変化切換信号を出力することを特徴とする溶接電源の出力制御方法である。
【発明の効果】
【００２３】
上記第１の発明によれば、溶接電源内部及び外部のリアクトルによる固定インダクタンス値Ｌｉ以上又は未満の適正インダクタンス値Ｌｍを電子的に形成することができる。このために、サイリスタ位相制御、チョッパ制御等のように制御周波数が低く出力リップルを小さくするために固定インダクタンス値Ｌｉを大きくする必要がある場合ににおいて、溶接条件に応じた適正インダクタンス値Ｌｍを形成することができる。この結果、負荷変化に対する出力電流の変化速度が適正化されて、溶接品質が良好になる。また、インバータ制御式溶接電源においても、ＭＩＧ溶接の溶接性能を向上させるために固定インダクタンス値Ｌｉを大きくする場合がある。この溶接電源でＣＯ２溶接又はＭＡＧ溶接を行うと固定インダクタンス値Ｌｉが大きすぎるために溶接が不安定になる場合がある。このような場合にも本発明を適用することによって、上記のすべての溶接法において良好な溶接を行うことができる。さらに、長い溶接ケーブルによる固定インダクタンス値Ｌｉが大きくなる場合も同様である。
【００２４】
また、上記第２の発明によれば、上記の効果に加えて、溶接ワイヤの種類又はワイヤ送給速度に応じて電流変化切換信号Ｓｉの適正値を自動的に設定することができる。このために、これらの溶接条件に応じた適正インダクタンス値Ｌｍを自動的に形成することができる。
【００２５】
また、上記第３の発明によれば、上記の効果に加えて、溶接中の負荷状態に応じて電流変化切換信号Ｓｉの適正値を自動的に設定することができる。このために、負荷状態に応じた適正インダクタンス値Ｌｍを自動的に形成することができる。負荷状態には、短絡負荷状態、アーク負荷状態だけでなく、アークスタート直後の負荷状態、溶接終了時の負荷状態、アーク長急変時負荷状態等種々の状態がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００２７】
［実施の形態１］
（１）Ｌｍ≧Ｌｉの場合
適正インダクタンス値Ｌｍが固定インダクタンス値Ｌｉ以上の場合は、Ｌｍ＝Ｌｉ＋Ｌｒとなる。Ｌｒは電子インダクタンス値である。この場合には従来技術の電子リアクトル制御を適用することができ、基本式は下記の（３）式になる。
Ｅｒ−Ｌｒ・di/dt＝Ｌｉ・di/dt＋ｖ …（３）式
ここで、Ｅｒは出力電圧設定値、Ｌｉは増幅率（電子インダクタンス値）、ｖは溶接電圧である。電圧制御設定値Ｅcr＝Ｅｒ−Ｌｒ・di/dtとし、出力電圧Ｅがこの電圧制御設定値Ｅcrと略等しくなるように制御する。これによってＬｍ≧Ｌｉの適正インダクタンス値を形成することができる。
【００２８】
（２）Ｌｍ＜Ｌｉの場合
適正インダクタンス値Ｌｍが固定インダクタンス値Ｌｉよりも小さい場合は、Ｌｍ＝Ｌｉ−Ｌｒとなる。したがって、上記（３）式は下記（４）式になる。
Ｅｒ＋Ｌｒ・di/dt＝Ｌｉ・di/dt＋ｖ …（４）式
ここで、電圧制御設定値Ｅcr＝Ｅｒ＋Ｌｒ・di/dtとし、出力電圧Ｅがこの電圧制御設定値Ｅcrと略等しくなるように制御する。これによって、Ｌｍ＜Ｌｉの適正インダクタンス値を形成することができる。
【００２９】
すなわち、Ｌｍ≧Ｌｉの場合はＥcr＝Ｅｒ−Ｌｒ・di/dtとし、Ｌｍ＜Ｌｉの場合にはＥcr＝Ｅｒ＋Ｌｒ・di/dtとすることによって、固定インダクタンス値Ｌｉ以上又は未満の適正インダクタンス値を電子的に形成することができる。ここで、電流変化切換回路ＳＩを溶接電源に設け、出力電流の電流変化を固定インダクタンス値Ｌｉのみのときよりも緩やかにするときはＨｉｇｈレベルとなり、速くするときはＬｏｗレベルになる電流変化切換信号Ｓｉを出力させる。したがって、電流変化切換信号Ｓｉは、Ｌｍ≧ＬｉのときはＨｉｇｈレベルになり、Ｌｍ＜ＬｉのときはＬｏｗレベルになる。上記の電子インダクタンス値は、溶接条件によって適正インダクタンス値Ｌｍが決まれば、固定インダクタンス値Ｌｉとの演算によって求まる。すなわち、Ｓｉ＝ＨｉｇｈレベルのときはＬｒ＝Ｌｍ−Ｌｉであり、Ｓｉ＝ＬｏｗレベルのときはＬｒ＝Ｌｉ−Ｌｍである。
【００３０】
例えば、サイリスタ位相制御の溶接電源において、上述したように、固定インダクタンス値Ｌｉ＝２５０μＨとし、適正インダクタンス値Ｌｍ＝３５０μＨの場合には、電流変化切換信号ＳｉＳｉ＝Ｈｉｇｈレベルに設定し、電子インダクタンス値Ｌｒ＝１５０μＨに設定すればよい。また、適正インダクタンス値Ｌｍ＝１５０μＨの場合には、電流変化切換信号Ｓｉ＝Ｌｏｗレベルに設定し、電子インダクタンス値Ｌｒ＝１００μＨに設定すればよい。このように、本発明の電子リアクトル制御によれば、細径溶接ワイヤの小電流溶接から太径溶接ワイヤの大電流溶接に至るまで、短絡アーク溶接を安定化させるための適正インダクタンス値Ｌｍを形成することができる。
【００３１】
図１は、本発明の実施の形態１に係る溶接電源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６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、点線で示す図６とは異なるブロックについて同図を参照して説明する。
【００３２】
電流変化切換回路ＳＩは、上述したように、負荷変動に対する出力電流の変化を緩やかにするときはＨｉｇｈレベルになり、速くするときはＬｏｗレベルになる電流変化切換信号Ｓｉを出力する。電圧制御設定回路ＥＣＲは、上記の電流変化切換信号ＳｉがＨｉｇｈレベルのときは上記（３）式のように出力電圧設定信号Ｅｒから電流微分信号Ｂｉを減算して電圧制御設定信号Ｅcrを算出し、電流変化切換信号ＳｉがＬｏｗレベルのときは上記（４）式のように出力電圧設定信号Ｅｒに電流微分信号Ｂｉを加算して電圧制御設定信号Ｅcrを算出する。この電圧制御設定信号Ｅcrと出力電圧検出信号Ｅｄとが略等しくなるように出力制御されて、適正インダクタンス値Ｌｍが形成される。
【００３３】
電流変化切換信号Ｓｉ＝Ｈｉｇｈレベルのときのタイミングチャートは、上述した図７と同一となる。したがって、図７（Ａ）に示すように、実船の出力電流波形の電流変化は、固定インダクタンス値のみのときの点線の出力電流波形Ａの電流変化よりも緩やかになる。
【００３４】
他方、電流変化切換信号Ｓｉ＝Ｌｏｗレベルのときのタイミングチャートを図２に示す．同図（Ａ）は出力電流ｉの、同図（Ｂ）は電流微分信号Ｂｉの、同図（Ｃ）は電圧制御設定信号Ｅcrの時間変化を示す。同図は上述した図７と対応している。同図（Ｂ）は、同図（Ａ）の出力電流ｉを微分した信号であり、電流微分信号Ｂｉ＝Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔとなる。同図（Ｃ）の電圧制御設定信号Ｅcrの算出方法が図７とは異なり、Ｅcr＝Ｅｒ＋Ｂｉとなる。この結果、同図（Ａ）に示すように、出力電流ｉの電流変化は、点線の固定インダクタンス値のみの出力電流波形Ａのときよりも速くなる。これは、適正インダクタンス値Ｌｍが固定インダクタンス値Ｌｉよりも小さくなるように制御されているからである。
【００３５】
［実施の形態２］
本発明の実施の形態２は、実施の形態１における電流変化切換回路ＳＩが溶接ワイヤの種類又はワイヤ送給速度に応じて予め定めた適正な電流変化切換信号Ｓｉを出力するものである。上述したように、サイリスタ位相制御、チョッパ制御等のように制御周波数が高くない場合には、固定インダクタンス値Ｌｉは大きな値になる。他方、適正インダクタンス値Ｌｍは、溶接ワイヤの直径が太くなるに伴い大きくなる。さらに、適正インダクタンス値Ｌｍは、溶接ワイヤの材質がアルミニウム材の場合は大きくなり、鉄鋼材の場合は小さくなる。さらに、適正インダクタンス値Ｌｍは、ワイヤ送給速度（平均出力電流値）が速くなるに伴い大きくなる。したがって、溶接ワイヤの種類又はワイヤ送給速度に応じて予め電流変化切換信号ＳｉをＨｉｇｈレベル又はＬｏｗレベルのどちらにするかを設定しておき、溶接条件に応じて適正な電流変化切換信号Ｓｉが自動設定されるようにする。
【００３６】
図３は、実施の形態２に係る溶接電源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６及び図１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、点線で示すブロックについて説明する。溶接条件設定回路ＷＣは、少なくとも溶接ワイヤの種類又はワイヤ送給速度を含む溶接条件設定信号Ｗｃを出力する。第２電流変化切換回路ＳＩ２は、上述したように、負荷変動に対する出力電流の電流変化を緩やかにするときはＨｉｇｈレベルになり、速くするときはＬｏｗレベルになり、上記の溶接条件設定信号Ｗｃに応じて予め定めたＨｉｇｈレベル又はＬｏｗレベルの電流変化切換信号Ｓｉを出力する。
【００３７】
［実施の形態３］
本発明の実施の形態３は、実施の形態１における電流変化切換回路ＳＩが負荷状態に応じて予め定めた適正な電流変化切換信号Ｓｉを出力するものである。溶接継手、溶接速度等の溶接条件によっては、適正インダクタンス値Ｌｍを負荷状態に応じて切り換えた方がよい場合がある。すなわち、負荷状態が短絡負荷であるときは適正インダクタンス値Ｌｍを小さくするために電流変化切換信号Ｓｉ＝Ｌｏｗレベルとし、アーク負荷であるときには適正インダクタンス値Ｌｍを大きくするために電流変化切換信号Ｓｉ＝Ｈｉｇｈレベルとする。ここで言う負荷状態とは、短絡負荷又はアーク負荷のときだけでなく、アークスタート時の負荷状態、溶接終了時の負荷状態、送給速度の変動等の外乱によってアーク長が急変したときの編負荷状態等も想定している。したがって、実施の形態３では、１回の溶接途中での負荷状態の変化に対応して電流変化切換信号Ｓｉの値を予め定めた値に変化させる。
【００３８】
図４は、実施の形態３に係る溶接電源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６及び図１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、点線で示すブロックについて説明する。電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧ｖを検出して電圧検出信号ｖｄを出力する。短絡アーク判別回路ＳＤは、上記の電圧検出信号ｖｄの値によって短絡又はアークを判別して、短絡負荷のときはＨｉｇｈレベルになりアーク負荷のときはＬｏｗレベルになる短絡アーク判別信号Ｓｄを出力する。第３電流変化切換回路ＳＩ３は、上述したように、負荷変動に対する出力電流の電流変化を緩やかにするときはＨｉｇｈレベルになり、速くするときはＬｏｗレベルになり、上記の短絡アーク判別信号Ｓｄに応じて予め定めたＨｉｇｈレベル又はＬｏｗレベルの電流変化切換信号Ｓｉを出力する。
【００３９】
図５は、上述した図４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。同図は、短絡期間Ｔｓ中は電流変化切換信号Ｓｉ＝Ｌｏｗレベルであり、アーク期間Ｔａ中は電流変化切換信号Ｓｉ＝Ｈｉｇｈレベルであるときである。同図（Ａ）は出力電流ｉの、同図（Ｂ）は電流微分信号Ｂｉの、同図（Ｃ）は電圧制御設定信号Ｅcrの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００４０】
同図（Ｂ）に示す電流微分信号Ｂｉは、同図（Ａ）に示す出力電流ｉを微分した信号である。同図（Ｃ）に示す電圧制御設定信号Ｅcrは、短絡又はアークの負荷状態によって上述したようにその算出方法が異なる。すなわち、時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間Ｔｓ中は、短絡アーク判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベルになり電流変化切換信号ＳｉはＬｏｗレベルになるので、Ｅcr＝Ｅｒ＋Ｂｉとして算出される。次に、時刻ｔ２〜ｔ３のアーク期間Ｔａ中は、短絡アーク判別信号ＳｄがＬｏｗレベルになり電流変化切換信号ＳｉはＨｉｇｈレベルになるので、Ｅcr＝Ｅｒ−Ｂｉとして算出される。この結果、同図（Ａ）に示すように、実践の出力電流ｉの電流変化は、固定インダクタンス値Ｌｉのみのときの点線の出力電流波形Ａの電流変化に比べて、短絡期間Ｔｓ中は速くなりアーク期間Ｔａ中は緩やかになる。このように、負荷状態に応じて固定インダクタンス値Ｌｉ以上又は未満の適正インダクタンス値Ｌｍを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施の形態１に係る溶接電源の出力制御方法法を実施するための溶接電源のブロック図である。
【図２】図１の各信号のタイミングチャートである。
【図３】本発明の実施の形態２に係る溶接電源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。
【図４】本発明の実施の形態３に係る溶接電源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。
【図５】図４の各信号のタイミングチャートである。
【図６】従来技術における溶接電源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。
【図７】図６の各信号のタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００４２】
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
ＡＭＰ 誤差増幅回路
Ａmp 誤差増幅信号
Ｂｉ 電流微分（値／信号）
ＷＬ リアクトル
ｄｉ／ｄｔ 電流変化率
Ｅ 出力電圧
ＥＣＲ 電圧制御設定回路
Ｅcr 電圧制御設定（値／信号）
ＥＤ 出力電圧検出回路
Ｅｄ 出力電圧検出信号
ＥＲ 出力電圧設定回路
Ｅｒ 出力電圧設定（値／信号）
ＥＲＣ 電子リアクトル制御回路
ｉ 出力電流
ＩＤ 電流検出回路
ｉｄ 電流検出信号
Ｌ インダクタンス値
Ｌｉ 固定インダクタンス値
Ｌｍ 適正インダクタンス値
Ｌｒ 増幅率／電子インダクタンス値
ＰＭＣ 電源主回路
ｒ 抵抗値
ＳＤ 短絡アーク判別回路
Ｓｄ 短絡アーク判別信号
ＳＩ 電流変化切換回路
Ｓｉ 電流変化切換信号
ＳＩ２ 第２電流変化切換回路
ＳＩ３ 第３電流変化切換回路
ＳＵＢ 減算回路
Ｔｓ 短絡期間
ｖ 溶接電圧
ＶＤ 電圧検出回路
ｖｄ 電圧検出信号
ＷＣ 溶接条件設定回路
Ｗｃ 溶接条件設定信号
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短絡アーク溶接に使用する溶接電源の出力制御方法に関し、特に、短絡期間及びアーク期間の出力電流の変化を適正化するためのリアクトルを電子的に形成するいわゆる電子リアクトル制御の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶接ワイヤと母材との間で短絡とアークとを繰り返す短絡アーク溶接においては、アーク負荷の変動に応じて短絡期間及びアーク期間中の出力電流ｉの変化を適正化することが良好な溶接品質を確保するために重要である。上記の短絡アーク溶接には、短絡移行アーク溶接だけでなく、短絡を伴うグロビュール移行溶接、短絡を伴うスプレー移行溶接等も含まれる。短絡アーク溶接には定電圧特性の溶接電源を使用するので、その出力電圧をＥ［Ｖ］とする。また、溶接電源の内部及び外部を合わせたリアクトルのインダクタンス値をＬ［Ｈ］とし、内部及び外部を合わせた抵抗の値をｒ［Ω］とし、アーク負荷の電圧（以下、溶接電圧という）をｖ［Ｖ］とすると、出力に関して下式が成立する。
Ｅ＝Ｌ・di/dt＋ｒ・ｉ＋ｖ …（１）式
上式において、抵抗値ｒは通常小さな値であるので省略し、電流変化率（電流微分値）ｄｉ／ｄｔで整理すると下式となる。
di/dt＝（Ｅ−ｖ）／Ｌ …（２）式
上式において出力電圧Ｅは予め設定された値であるので、アーク負荷が変動して溶接電圧ｖが変化したときの電流変化率ｄｉ／ｄｔはインダクタンス値Ｌに反比例することになる。したがって、アーク負荷の変動に応じて電流変化率ｄｉ／ｄｔを適正化するためには、インダクタンス値を適正値Ｌｍ［Ｈ］に設定すればよいことになる。
【０００３】
通常、上記の適正インダクタンス値Ｌｍは１００〜５００μＨと大きな値であり、かつリアクトルに通電する出力電流ｉは最大５００Ａ超と非常に大きな値であるために、リアクトルのサイズが大きくなり重量も重くなる。さらに、上記の適正インダクタンス値Ｌｍは、溶接ワイヤの材質、直径、シールドガスの種類、ワイヤ送給速度（平均出力電流値）等の種々の溶接条件によって変化する。しかし、鉄芯に導線を巻いて製作されるリアクトルでは、そのインダクタンス値を上記の溶接条件に応じて所望値に自在に変化させることはできない。そこで、以下に説明する従来技術では、このリアクトルと等価な作用を電子的に形成する制御（以下、電子リアクトル制御という）が開示され、広く慣用されている（例えば、特許文献１、２等参照）。
【０００４】
電子リアクトル制御の原理は以下のとおりである。出力電圧の設定値をＥｒ［Ｖ］とし、適正インダクタンス値をＬｍ［μＨ］とし、出力電流ｉを平滑するための数十μＨ（インバータ制御時）の固定インダクタンス値をＬｉ［μＨ］とし、電子リアクトル制御によって形成される電子インダクタンス値をＬｒ［μＨ］とする。したがって、Ｌｍ＝Ｌｉ＋Ｌｒとなる。これらを上記（２）式に代入して整理すると下式となる。
Ｅｒ−Ｌｒ・di/dt＝Ｌｉ・di/dt＋ｖ …（３）式
【０００５】
上式において、出力電圧がＥ＝Ｅｒ−Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔになるように制御することによって電子インダクタンス値Ｌｒを形成することができる。すなわち、出力電流ｉを検出して微分し増幅率Ｌｒを乗じた電流微分値Ｂｉ＝Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔを算出する．続いて、予め定めた出力電圧設定値Ｅｒから上記の電流微分値Ｂｉを減算して電圧制御設定値Ｅcr＝Ｅｒ−Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔを算出し、出力電圧Ｅがこの電圧制御設定値Ｅcrと略等しくなるように制御する。ここで、上記の増幅率Ｌｒ＝Ｌｍ−Ｌｉであるので、種々の溶接条件に応じて適正インダクタンス値Ｌｍが決まると、増幅率（電子インダクタンス値）Ｌｒが決まる。したがって、適正インダクタンス値Ｌｍを任意の値に電子リアクトル制御によって設定することができる。
【０００６】
図６は、上述した従来技術の電子リアクトル制御を採用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。
【０００７】
電源主回路ＰＭＣは、商用電源（３相２００Ｖ等）を入力として、後述する誤差増幅信号Ａmpに従ってインバータ制御、チョッパ制御、サイリスタ位相制御等による出力制御を行い、出力電圧Ｅを出力する。リアクトルＷＬは、鉄芯に導線を巻いたものであり、インバータ制御のときは数十μＨ程度の小さな値の固定インダクタンス値Ｌｉ［μＨ］を有する。溶接ワイヤ１はワイヤ送給装置の送給ロール５によって溶接トーチ４内を通って送給され、母材２との間にアーク３が発生する。
【０００８】
電流検出回路ＩＤは、出力電流ｉを検出して電流検出信号ｉｄを出力する。電子リアクトル制御回路ＥＲＣは、上記の電流検出信号ｉｄを微分して増幅率Ｌｒを乗じて電流微分信号Ｂｉ＝Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔを出力する。増幅率Ｌｒは、上述したように種々の溶接条件に応じて適正値に予め設定する。このときに、溶接状態を安定化するために、出力電流ｉの上昇時と下降時とで上記の増幅率Ｌｒを変化させて、上昇時は大きな値に下降時は小さな値に設定することも多い。
【０００９】
出力電圧設定回路ＥＲは、所望値の出力電圧設定信号Ｅｒを出力する。減算回路ＳＵＢは、この出力電圧設定信号Ｅｒから上記の電流微分信号Ｂｉを減算して、電圧制御設定信号Ｅcr＝Ｅｒ−Ｂｉを出力する。出力電圧検出回路ＥＤは、出力電圧Ｅを検出して出力電圧検出信号Ｅｄを出力する。誤差増幅回路ＡＭＰは、上記の電圧制御設定信号Ｅcrとこの出力電圧検出信号Ｅｄとの誤差を増幅して誤差増幅信号Ａmpを出力する。
【００１０】
図７は、図６で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）は出力電流ｉの、同図（Ｂ）は電流微分信号Ｂｉの、同図（Ｃ）は電圧制御設定信号Ｅcrの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００１１】
同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間Ｔｓ中はアーク負荷が短絡負荷になるために、出力電流ｉは上昇する。これに伴い、同図（Ｂ）に示すように、電流微分信号Ｂｉは出力電流ｉの上昇率に比例した正の値となる。続いて、同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ２〜ｔ３のアーク期間Ｔａ中は短絡負荷からアーク負荷に変化するために、出力電流ｉは下降する。これに伴い、同図（Ｂ）に示すように、電流微分信号Ｂｉは出力電流ｉの下降率に比例した負の値となる。そして、同図（Ｃ）に示すように、電圧制御設定信号Ｅcrは出力電圧設定信号Ｅｒから同図（Ｂ）に示す電流微分信号Ｂｉを減算した値となる。この電圧制御設定信号Ｅcrと略等しくなるように溶接電源の出力電圧Ｅが出力制御される。この結果、固定インダクタンス値Ｌｉよりも大きな値の適正インダクタンス値Ｌｍが形成される。このために、同図（Ａ）に示すように、実線の出力電流の電流変化は点線の固定インダクタンス値Ｌｉのみのときの電流変化よりも緩やかになる。
【００１２】
【特許文献１】特開２００４−１１４０９８号公報
【特許文献２】特開２００４−１８１５２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述した適正インダクタンス値Ｌｍを有するリアクトルの主な作用は２つある。第１は、出力電流ｉ及び出力電圧Ｅを平滑してリップルを所定値よりも小さくすることである。リップルが大きいと、平均出力電流が小さいときにアーク切れを発生しやすくなる。また、リップルが大きいとリップルによる電流変化幅が大きくなりビード外観が悪くなる場合もある。出力制御方式が数十ｋＨｚのインバータ制御の場合は、この平滑作用のために数十μＨ以上あれば十分であり、上述した固定インダクタンス値Ｌｉで対応することができる。しかし、出力制御方式がサイリスタ位相制御の場合には制御周波数が商用交流電源の６倍（３００又は３６０Ｈｚ）と低いために、この平滑作用のために数百μＨ例えば２５０μＨ程度のインダクタンス値が必要になる。数ｋＨｚのチョッパ制御の場合でも、１５０μＨ程度のインダクタンス値が必要となる。
【００１４】
第２の作用は、上述したように、短絡期間中の電流上昇率及びアーク期間中の電流下降率を適正化することである。この作用のためには、上述したように、１００〜５００μＨ程度のインダクタンス値が必要になる。この電流変化適正化作用は、アーク現象によって定まる値であるので、出力制御方式がインバータ制御、チョッパ制御又はサイリスタ位相制御と変わり制御周波数が変化してもあまり影響を受けない。
【００１５】
上述した電子リアクトル制御は、上記の第１の平滑作用においてインダクタンス値を電子的に形成することには使用することができない。この理由は、以下のとおりである。すなわち、電子リアクトル制御は電圧制御設定信号Ｅcrと出力電圧Ｅが略等しくなるようにそれぞれの出力制御方式の制御周波数で制御している。このために、制御周波数で定まるリップルを制御することはできない。したがって、第１の平滑作用に必要なインダクタンス値は固定インダクタンス値Ｌｉによって形成する必要がある。他方、第２の電流変化適正化作用に必要なインダクタンス値は、上述したように、電子リアクトル制御によって形成することができる。しかし、従来技術の電子リアクトル制御では、固定インダクタンス値Ｌｉに電子インダクタンス値Ｌｒを加算して大きくし適正インダクタンス値Ｌｍを得るものである。
【００１６】
インバータ制御のように制御周波数が高い場合には、上述したように、第１の平滑作用のためのインダクタンス値は数十μＨであるので、この値を固定インダクタンス値Ｌｉの値とすればよい。そして、第２の電流変化適正化作用のために必要な１００〜５００μＨと固定インダクタンス値Ｌｉとの差のインダクタンス値は電子的に形成すればよい。
【００１７】
他方、サイリスタ位相制御の場合には制御周波数が低いので、第１の平滑作用のために必要なインダクタンス値は２５０μＨ程度となる。この値を固定インダクタンス値Ｌｉにする必要がある。第２の電流変化適正化作用のために必要なインダクタンス値は１００〜５００μＨである。したがって、２５０μＨ以上のインダクタンス値が必要な場合には電子リアクトル制御によって形成することができる。しかし、１００μＨ以上２５０μＨ未満のインダクタンス値は固定インダクタンス値Ｌｉよりも小さいために電子リアクトル制御によっては形成することができない。チョッパ制御の場合も同様である。すなわち、固定インダクタンス値Ｌｉが電流変化適正化のための適正インダクタンス値Ｌｍよりも大きい場合には、従来技術の電子リアクトル制御では適正インダクタンス値Ｌｍを形成することができなかった。このために、適正インダクタンス値Ｌｍが小さな小電流の溶接において溶接品質をさらに改善したいという課題があった。特に、細径の溶接ワイヤ（直径１．０mm以下）を使用した小電流の溶接では適正インダクタンス値が１００μＨ程度と最小になるために、溶接品質の改善要望は強かった。
【００１８】
また、インバータ制御式溶接電源においても、溶接電源の出力端子と母材及び溶接トーチとが離れているために溶接ケーブルが長くなる場合には、ケーブルによるインダクタンス値とリアクトルＷＬによるインダクタンス値が加算されて１００μＨ超になることもある。このような場合には、制御周波数が高くても上述した課題が発生する。
【００１９】
そこで、本発明では、固定インダクタンス値Ｌｉよりも電流変化適正化のための適正インダクタンス値Ｌｍが小さい場合でも電子リアクトル制御によって形成することができる溶接電源の出力制御方法を提供する。
【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、第１の発明は、溶接ワイヤと母材との間で短絡とアークとを繰り返す短絡アーク溶接に使用する溶接電源にあって、前記溶接電源の出力電流の微分値に予め定めた増幅率を乗じて電流微分値を算出し、予め定めた出力電圧設定値から前記電流微分値を減算して電圧制御設定値を算出し、前記溶接電源の出力電圧が前記電圧制御設定値と略等しくなるように出力を制御する溶接電源の出力制御方法において、
負荷変動に対する前記出力電流の変化速度を緩やかにするときはＨｉｇｈレベルとなり速くするときはＬｏｗレベルとなる電流変化切換信号を出力する電流変化切換回路を設け、前記電流変化切換信号がＨｉｇｈレベルのときは前記出力電圧設定値から前記電流微分値を減算して前記電圧制御設定値を算出し、前記電流変化切換信号がＬｏｗレベルのときは前記出力電圧設定値に前記電流微分値を加算して前記電圧制御設定値を算出することを特徴とする溶接電源の出力制御方法である。
【００２１】
また、第２の発明は、第１の発明記載の電流変化切換回路は、溶接ワイヤの種類又はワイヤ送給速度に応じて予め定めた適正な電流変化切換信号を出力することを特徴とする溶接電源の出力制御方法である。
【００２２】
また、第３の発明は、第１の発明記載の電流変化切換回路は、負荷状態に応じて予め定めた適正な電流変化切換信号を出力することを特徴とする溶接電源の出力制御方法である。
【発明の効果】
【００２３】
上記第１の発明によれば、溶接電源内部及び外部のリアクトルによる固定インダクタンス値Ｌｉ以上又は未満の適正インダクタンス値Ｌｍを電子的に形成することができる。このために、サイリスタ位相制御、チョッパ制御等のように制御周波数が低く出力リップルを小さくするために固定インダクタンス値Ｌｉを大きくする必要がある場合ににおいて、溶接条件に応じた適正インダクタンス値Ｌｍを形成することができる。この結果、負荷変化に対する出力電流の変化速度が適正化されて、溶接品質が良好になる。また、インバータ制御式溶接電源においても、ＭＩＧ溶接の溶接性能を向上させるために固定インダクタンス値Ｌｉを大きくする場合がある。この溶接電源でＣＯ２溶接又はＭＡＧ溶接を行うと固定インダクタンス値Ｌｉが大きすぎるために溶接が不安定になる場合がある。このような場合にも本発明を適用することによって、上記のすべての溶接法において良好な溶接を行うことができる。さらに、長い溶接ケーブルによる固定インダクタンス値Ｌｉが大きくなる場合も同様である。
【００２４】
また、上記第２の発明によれば、上記の効果に加えて、溶接ワイヤの種類又はワイヤ送給速度に応じて電流変化切換信号Ｓｉの適正値を自動的に設定することができる。このために、これらの溶接条件に応じた適正インダクタンス値Ｌｍを自動的に形成することができる。
【００２５】
また、上記第３の発明によれば、上記の効果に加えて、溶接中の負荷状態に応じて電流変化切換信号Ｓｉの適正値を自動的に設定することができる。このために、負荷状態に応じた適正インダクタンス値Ｌｍを自動的に形成することができる。負荷状態には、短絡負荷状態、アーク負荷状態だけでなく、アークスタート直後の負荷状態、溶接終了時の負荷状態、アーク長急変時負荷状態等種々の状態がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００２７】
［実施の形態１］
（１）Ｌｍ≧Ｌｉの場合
適正インダクタンス値Ｌｍが固定インダクタンス値Ｌｉ以上の場合は、Ｌｍ＝Ｌｉ＋Ｌｒとなる。Ｌｒは電子インダクタンス値である。この場合には従来技術の電子リアクトル制御を適用することができ、基本式は下記の（３）式になる。
Ｅｒ−Ｌｒ・di/dt＝Ｌｉ・di/dt＋ｖ …（３）式
ここで、Ｅｒは出力電圧設定値、Ｌｉは増幅率（電子インダクタンス値）、ｖは溶接電圧である。電圧制御設定値Ｅcr＝Ｅｒ−Ｌｒ・di/dtとし、出力電圧Ｅがこの電圧制御設定値Ｅcrと略等しくなるように制御する。これによってＬｍ≧Ｌｉの適正インダクタンス値を形成することができる。
【００２８】
（２）Ｌｍ＜Ｌｉの場合
適正インダクタンス値Ｌｍが固定インダクタンス値Ｌｉよりも小さい場合は、Ｌｍ＝Ｌｉ−Ｌｒとなる。したがって、上記（３）式は下記（４）式になる。
Ｅｒ＋Ｌｒ・di/dt＝Ｌｉ・di/dt＋ｖ …（４）式
ここで、電圧制御設定値Ｅcr＝Ｅｒ＋Ｌｒ・di/dtとし、出力電圧Ｅがこの電圧制御設定値Ｅcrと略等しくなるように制御する。これによって、Ｌｍ＜Ｌｉの適正インダクタンス値を形成することができる。
【００２９】
すなわち、Ｌｍ≧Ｌｉの場合はＥcr＝Ｅｒ−Ｌｒ・di/dtとし、Ｌｍ＜Ｌｉの場合にはＥcr＝Ｅｒ＋Ｌｒ・di/dtとすることによって、固定インダクタンス値Ｌｉ以上又は未満の適正インダクタンス値を電子的に形成することができる。ここで、電流変化切換回路ＳＩを溶接電源に設け、出力電流の電流変化を固定インダクタンス値Ｌｉのみのときよりも緩やかにするときはＨｉｇｈレベルとなり、速くするときはＬｏｗレベルになる電流変化切換信号Ｓｉを出力させる。したがって、電流変化切換信号Ｓｉは、Ｌｍ≧ＬｉのときはＨｉｇｈレベルになり、Ｌｍ＜ＬｉのときはＬｏｗレベルになる。上記の電子インダクタンス値は、溶接条件によって適正インダクタンス値Ｌｍが決まれば、固定インダクタンス値Ｌｉとの演算によって求まる。すなわち、Ｓｉ＝ＨｉｇｈレベルのときはＬｒ＝Ｌｍ−Ｌｉであり、Ｓｉ＝ＬｏｗレベルのときはＬｒ＝Ｌｉ−Ｌｍである。
【００３０】
例えば、サイリスタ位相制御の溶接電源において、上述したように、固定インダクタンス値Ｌｉ＝２５０μＨとし、適正インダクタンス値Ｌｍ＝３５０μＨの場合には、電流変化切換信号ＳｉＳｉ＝Ｈｉｇｈレベルに設定し、電子インダクタンス値Ｌｒ＝１５０μＨに設定すればよい。また、適正インダクタンス値Ｌｍ＝１５０μＨの場合には、電流変化切換信号Ｓｉ＝Ｌｏｗレベルに設定し、電子インダクタンス値Ｌｒ＝１００μＨに設定すればよい。このように、本発明の電子リアクトル制御によれば、細径溶接ワイヤの小電流溶接から太径溶接ワイヤの大電流溶接に至るまで、短絡アーク溶接を安定化させるための適正インダクタンス値Ｌｍを形成することができる。
【００３１】
図１は、本発明の実施の形態１に係る溶接電源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６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、点線で示す図６とは異なるブロックについて同図を参照して説明する。
【００３２】
電流変化切換回路ＳＩは、上述したように、負荷変動に対する出力電流の変化を緩やかにするときはＨｉｇｈレベルになり、速くするときはＬｏｗレベルになる電流変化切換信号Ｓｉを出力する。電圧制御設定回路ＥＣＲは、上記の電流変化切換信号ＳｉがＨｉｇｈレベルのときは上記（３）式のように出力電圧設定信号Ｅｒから電流微分信号Ｂｉを減算して電圧制御設定信号Ｅcrを算出し、電流変化切換信号ＳｉがＬｏｗレベルのときは上記（４）式のように出力電圧設定信号Ｅｒに電流微分信号Ｂｉを加算して電圧制御設定信号Ｅcrを算出する。この電圧制御設定信号Ｅcrと出力電圧検出信号Ｅｄとが略等しくなるように出力制御されて、適正インダクタンス値Ｌｍが形成される。
【００３３】
電流変化切換信号Ｓｉ＝Ｈｉｇｈレベルのときのタイミングチャートは、上述した図７と同一となる。したがって、図７（Ａ）に示すように、実船の出力電流波形の電流変化は、固定インダクタンス値のみのときの点線の出力電流波形Ａの電流変化よりも緩やかになる。
【００３４】
他方、電流変化切換信号Ｓｉ＝Ｌｏｗレベルのときのタイミングチャートを図２に示す．同図（Ａ）は出力電流ｉの、同図（Ｂ）は電流微分信号Ｂｉの、同図（Ｃ）は電圧制御設定信号Ｅcrの時間変化を示す。同図は上述した図７と対応している。同図（Ｂ）は、同図（Ａ）の出力電流ｉを微分した信号であり、電流微分信号Ｂｉ＝Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔとなる。同図（Ｃ）の電圧制御設定信号Ｅcrの算出方法が図７とは異なり、Ｅcr＝Ｅｒ＋Ｂｉとなる。この結果、同図（Ａ）に示すように、出力電流ｉの電流変化は、点線の固定インダクタンス値のみの出力電流波形Ａのときよりも速くなる。これは、適正インダクタンス値Ｌｍが固定インダクタンス値Ｌｉよりも小さくなるように制御されているからである。
【００３５】
［実施の形態２］
本発明の実施の形態２は、実施の形態１における電流変化切換回路ＳＩが溶接ワイヤの種類又はワイヤ送給速度に応じて予め定めた適正な電流変化切換信号Ｓｉを出力するものである。上述したように、サイリスタ位相制御、チョッパ制御等のように制御周波数が高くない場合には、固定インダクタンス値Ｌｉは大きな値になる。他方、適正インダクタンス値Ｌｍは、溶接ワイヤの直径が太くなるに伴い大きくなる。さらに、適正インダクタンス値Ｌｍは、溶接ワイヤの材質がアルミニウム材の場合は大きくなり、鉄鋼材の場合は小さくなる。さらに、適正インダクタンス値Ｌｍは、ワイヤ送給速度（平均出力電流値）が速くなるに伴い大きくなる。したがって、溶接ワイヤの種類又はワイヤ送給速度に応じて予め電流変化切換信号ＳｉをＨｉｇｈレベル又はＬｏｗレベルのどちらにするかを設定しておき、溶接条件に応じて適正な電流変化切換信号Ｓｉが自動設定されるようにする。
【００３６】
図３は、実施の形態２に係る溶接電源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６及び図１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、点線で示すブロックについて説明する。溶接条件設定回路ＷＣは、少なくとも溶接ワイヤの種類又はワイヤ送給速度を含む溶接条件設定信号Ｗｃを出力する。第２電流変化切換回路ＳＩ２は、上述したように、負荷変動に対する出力電流の電流変化を緩やかにするときはＨｉｇｈレベルになり、速くするときはＬｏｗレベルになり、上記の溶接条件設定信号Ｗｃに応じて予め定めたＨｉｇｈレベル又はＬｏｗレベルの電流変化切換信号Ｓｉを出力する。
【００３７】
［実施の形態３］
本発明の実施の形態３は、実施の形態１における電流変化切換回路ＳＩが負荷状態に応じて予め定めた適正な電流変化切換信号Ｓｉを出力するものである。溶接継手、溶接速度等の溶接条件によっては、適正インダクタンス値Ｌｍを負荷状態に応じて切り換えた方がよい場合がある。すなわち、負荷状態が短絡負荷であるときは適正インダクタンス値Ｌｍを小さくするために電流変化切換信号Ｓｉ＝Ｌｏｗレベルとし、アーク負荷であるときには適正インダクタンス値Ｌｍを大きくするために電流変化切換信号Ｓｉ＝Ｈｉｇｈレベルとする。ここで言う負荷状態とは、短絡負荷又はアーク負荷のときだけでなく、アークスタート時の負荷状態、溶接終了時の負荷状態、送給速度の変動等の外乱によってアーク長が急変したときの編負荷状態等も想定している。したがって、実施の形態３では、１回の溶接途中での負荷状態の変化に対応して電流変化切換信号Ｓｉの値を予め定めた値に変化させる。
【００３８】
図４は、実施の形態３に係る溶接電源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６及び図１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、点線で示すブロックについて説明する。電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧ｖを検出して電圧検出信号ｖｄを出力する。短絡アーク判別回路ＳＤは、上記の電圧検出信号ｖｄの値によって短絡又はアークを判別して、短絡負荷のときはＨｉｇｈレベルになりアーク負荷のときはＬｏｗレベルになる短絡アーク判別信号Ｓｄを出力する。第３電流変化切換回路ＳＩ３は、上述したように、負荷変動に対する出力電流の電流変化を緩やかにするときはＨｉｇｈレベルになり、速くするときはＬｏｗレベルになり、上記の短絡アーク判別信号Ｓｄに応じて予め定めたＨｉｇｈレベル又はＬｏｗレベルの電流変化切換信号Ｓｉを出力する。
【００３９】
図５は、上述した図４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。同図は、短絡期間Ｔｓ中は電流変化切換信号Ｓｉ＝Ｌｏｗレベルであり、アーク期間Ｔａ中は電流変化切換信号Ｓｉ＝Ｈｉｇｈレベルであるときである。同図（Ａ）は出力電流ｉの、同図（Ｂ）は電流微分信号Ｂｉの、同図（Ｃ）は電圧制御設定信号Ｅcrの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００４０】
同図（Ｂ）に示す電流微分信号Ｂｉは、同図（Ａ）に示す出力電流ｉを微分した信号である。同図（Ｃ）に示す電圧制御設定信号Ｅcrは、短絡又はアークの負荷状態によって上述したようにその算出方法が異なる。すなわち、時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間Ｔｓ中は、短絡アーク判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベルになり電流変化切換信号ＳｉはＬｏｗレベルになるので、Ｅcr＝Ｅｒ＋Ｂｉとして算出される。次に、時刻ｔ２〜ｔ３のアーク期間Ｔａ中は、短絡アーク判別信号ＳｄがＬｏｗレベルになり電流変化切換信号ＳｉはＨｉｇｈレベルになるので、Ｅcr＝Ｅｒ−Ｂｉとして算出される。この結果、同図（Ａ）に示すように、実践の出力電流ｉの電流変化は、固定インダクタンス値Ｌｉのみのときの点線の出力電流波形Ａの電流変化に比べて、短絡期間Ｔｓ中は速くなりアーク期間Ｔａ中は緩やかになる。このように、負荷状態に応じて固定インダクタンス値Ｌｉ以上又は未満の適正インダクタンス値Ｌｍを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施の形態１に係る溶接電源の出力制御方法法を実施するための溶接電源のブロック図である。
【図２】図１の各信号のタイミングチャートである。
【図３】本発明の実施の形態２に係る溶接電源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。
【図４】本発明の実施の形態３に係る溶接電源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。
【図５】図４の各信号のタイミングチャートである。
【図６】従来技術における溶接電源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。
【図７】図６の各信号のタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００４２】
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
ＡＭＰ 誤差増幅回路
Ａmp 誤差増幅信号
Ｂｉ 電流微分（値／信号）
ＷＬ リアクトル
ｄｉ／ｄｔ 電流変化率
Ｅ 出力電圧
ＥＣＲ 電圧制御設定回路
Ｅcr 電圧制御設定（値／信号）
ＥＤ 出力電圧検出回路
Ｅｄ 出力電圧検出信号
ＥＲ 出力電圧設定回路
Ｅｒ 出力電圧設定（値／信号）
ＥＲＣ 電子リアクトル制御回路
ｉ 出力電流
ＩＤ 電流検出回路
ｉｄ 電流検出信号
Ｌ インダクタンス値
Ｌｉ 固定インダクタンス値
Ｌｍ 適正インダクタンス値
Ｌｒ 増幅率／電子インダクタンス値
ＰＭＣ 電源主回路
ｒ 抵抗値
ＳＤ 短絡アーク判別回路
Ｓｄ 短絡アーク判別信号
ＳＩ 電流変化切換回路
Ｓｉ 電流変化切換信号
ＳＩ２ 第２電流変化切換回路
ＳＩ３ 第３電流変化切換回路
ＳＵＢ 減算回路
Ｔｓ 短絡期間
ｖ 溶接電圧
ＶＤ 電圧検出回路
ｖｄ 電圧検出信号
ＷＣ 溶接条件設定回路
Ｗｃ 溶接条件設定信号
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接ワイヤと母材との間で短絡とアークとを繰り返す短絡アーク溶接に使用する溶接電源にあって、前記溶接電源の出力電流の微分値に予め定めた増幅率を乗じて電流微分値を算出し、予め定めた出力電圧設定値から前記電流微分値を減算して電圧制御設定値を算出し、前記溶接電源の出力電圧が前記電圧制御設定値と略等しくなるように出力を制御する溶接電源の出力制御方法において、
負荷変動に対する前記出力電流の変化速度を緩やかにするときはＨｉｇｈレベルとなり速くするときはＬｏｗレベルとなる電流変化切換信号を出力する電流変化切換回路を設け、前記電流変化切換信号がＨｉｇｈレベルのときは前記出力電圧設定値から前記電流微分値を減算して前記電圧制御設定値を算出し、前記電流変化切換信号がＬｏｗレベルのときは前記出力電圧設定値に前記電流微分値を加算して前記電圧制御設定値を算出することを特徴とする溶接電源の出力制御方法。
【請求項２】
請求項１記載の電流変化切換回路は、溶接ワイヤの種類又はワイヤ送給速度に応じて予め定めた適正な電流変化切換信号を出力することを特徴とする溶接電源の出力制御方法。
【請求項３】
請求項１記載の電流変化切換回路は、負荷状態に応じて予め定めた適正な電流変化切換信号を出力することを特徴とする溶接電源の出力制御方法。
【請求項１】
溶接ワイヤと母材との間で短絡とアークとを繰り返す短絡アーク溶接に使用する溶接電源にあって、前記溶接電源の出力電流の微分値に予め定めた増幅率を乗じて電流微分値を算出し、予め定めた出力電圧設定値から前記電流微分値を減算して電圧制御設定値を算出し、前記溶接電源の出力電圧が前記電圧制御設定値と略等しくなるように出力を制御する溶接電源の出力制御方法において、
負荷変動に対する前記出力電流の変化速度を緩やかにするときはＨｉｇｈレベルとなり速くするときはＬｏｗレベルとなる電流変化切換信号を出力する電流変化切換回路を設け、前記電流変化切換信号がＨｉｇｈレベルのときは前記出力電圧設定値から前記電流微分値を減算して前記電圧制御設定値を算出し、前記電流変化切換信号がＬｏｗレベルのときは前記出力電圧設定値に前記電流微分値を加算して前記電圧制御設定値を算出することを特徴とする溶接電源の出力制御方法。
【請求項２】
請求項１記載の電流変化切換回路は、溶接ワイヤの種類又はワイヤ送給速度に応じて予め定めた適正な電流変化切換信号を出力することを特徴とする溶接電源の出力制御方法。
【請求項３】
請求項１記載の電流変化切換回路は、負荷状態に応じて予め定めた適正な電流変化切換信号を出力することを特徴とする溶接電源の出力制御方法。
【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２００６−１１６５４６（Ｐ２００６−１１６５４６Ａ）
【公開日】平成１８年５月１１日（２００６．５．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３０３６４２（Ｐ２００４−３０３６４２）
【出願日】平成１６年１０月１９日（２００４．１０．１９）
【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５月１１日（２００６．５．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月１９日（２００４．１０．１９）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
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