短絡期間の溶接電流制御方法
【課題】消耗電極アーク溶接において、溶接トーチの前進角が大きいときでも、良好な溶接品質を得ること。
【解決手段】短絡が発生すると溶接電流Ｉｗを初期電流値Ｉｉまで減少させて維持し、初期期間Ｔｉが経過すると溶接電流Ｉｗを第１傾斜Ｋ１で上昇させ、基準値Ｉｃに達すると溶接電流Ｉｗを第１傾斜Ｋ１よりも小さな値の第２傾斜Ｋ２でアークが再発生するまで上昇させる。短絡発生時点での溶接電流値Ｉａを検出し、初期期間Ｔｉ中の電流差積分値Ｓｉ＝∫（Ｉａ−Ｉｗ）・ｄｔを算出し、上記の基準値Ｉｃをこの電流差積分値Ｓｉに基づいて自動設定する。これにより、溶滴の大きさと相関関係にある電流差積分値Ｓｉによって基準値Ｉｃが適正化されるので、前進角が大きいときでも良好な溶接品質を得ることができる。
【解決手段】短絡が発生すると溶接電流Ｉｗを初期電流値Ｉｉまで減少させて維持し、初期期間Ｔｉが経過すると溶接電流Ｉｗを第１傾斜Ｋ１で上昇させ、基準値Ｉｃに達すると溶接電流Ｉｗを第１傾斜Ｋ１よりも小さな値の第２傾斜Ｋ２でアークが再発生するまで上昇させる。短絡発生時点での溶接電流値Ｉａを検出し、初期期間Ｔｉ中の電流差積分値Ｓｉ＝∫（Ｉａ−Ｉｗ）・ｄｔを算出し、上記の基準値Ｉｃをこの電流差積分値Ｓｉに基づいて自動設定する。これにより、溶滴の大きさと相関関係にある電流差積分値Ｓｉによって基準値Ｉｃが適正化されるので、前進角が大きいときでも良好な溶接品質を得ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返す消耗電極アーク溶接において、溶滴移行状態を良好にするための短絡期間の溶接電流制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
溶接ワイヤを定速で送給すると共に、シールドガスに炭酸ガス、アルゴンガス、炭酸ガスとアルゴンガスとの混合ガス等を使用して溶接を行う消耗電極アーク溶接は、高品質を得ることができ、自動化も容易であることから広く使用されている。このアーク溶接では、溶接ワイヤと母材との間で短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返して溶接が行われる場合が多い。アーク期間中に溶接ワイヤの先端が溶融して溶滴を形成し、短絡期間中に溶滴が溶融池に移行する。良好な溶接ビードを形成し、かつ、スパッタの発生量を少なくするためには、短絡期間中の溶接電流を適正値に制御して、溶滴移行を円滑に行わせることが重要である。以下、従来技術における短絡期間の溶接電流制御方法について説明する（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図３は、従来技術における消耗電極アーク溶接の電圧・電流波形図である。同図（Ａ）は溶接ワイヤと母材との間に印加される溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接ワイヤから母材へと通電する溶接電流Ｉｗの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【０００４】
同図において、時刻ｔ１〜ｔ２は短絡期間Ｔｓとなり、時刻ｔ２〜ｔ３はアーク期間となる。短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとは、交互に繰り返される。時刻ｔ１において溶接ワイヤ先端に形成された溶滴が溶融池と接触すると短絡状態になる。短絡状態になると、同図（Ａ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖ程度の短絡電圧値に急降下する。溶接電流Ｉｗは、同図（Ｂ）に示すように、予め定めた初期電流値Ｉｉまで傾斜を有して減少し、時刻ｔ１〜ｔ１１の予め定めた初期期間Ｔｉ中はその値を維持する。時刻ｔ１１において初期期間Ｔｉが終了すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは予め定めたピーク値まで急上昇し、アークが再発生する時刻ｔ２までその値を維持する。
【０００５】
時刻ｔ２においてアークが再発生すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは急上昇して数十Ｖ程度のアーク電圧値になる。溶接電流Ｉｗは、同図（Ｂ）に示すように、アークが再発生した時点で少し急減した後に、次の短絡が発生するまで徐々に減少する。
【０００６】
次に、溶滴の移行状態について説明する。短絡が発生した時点から初期期間Ｔｉの間は溶接電流Ｉｗを小さな値の初期電流値Ｉｉに維持している理由は、溶滴と溶融池との接触状態をより確実にするためである。短絡発生直後は溶滴の底部の一部が溶融池と接触している状態にあり、この状態で溶接電流Ｉｗの値が大きいと、溶滴が移行することなく接触状態が解除されてアークが再発生することになり、安定した溶滴移行状態が阻害される。初期期間Ｔｉが終了する時刻ｔ１１から溶接電流Ｉｗを大きくすることによって溶滴にピンチ力を作用させて、溶滴上部にくびれを生じさせて溶滴を溶融池に円滑に移行させる。時刻ｔ２においてアークが再発生した時点では、溶接ワイヤの先端は溶融していない。アーク期間Ｔａが進行するのに伴い、溶接ワイヤの先端がアークからの熱及びジュール熱によって次第に溶融して溶滴を形成する。
【０００７】
溶滴移行状態を安定化するためには、短絡期間Ｔｓ中の溶接電流Ｉｗのピーク値の設定を適正化することは重要である。このピーク値が適正値よりも小さいと、溶滴に作用するピンチ力が弱くなるので溶滴を移行させる時間が長くなり、溶接状態が不安定になる。逆に、ピーク値が適正値よりも大きいと、スパッタの発生量が多くなる。したがって、ピーク値は、シールドガスの種類、溶接ワイヤの材質、直径、送給速度等に応じて、適正値に設定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特公平４−４０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、溶滴移行状態を安定化するためには、短絡期間中の溶接電流のピーク値を溶接条件に応じて適正値に設定する必要がある。溶接トーチの前進角が０〜１０°程度と小さいときには、このピーク値を溶接条件に応じて適正化することによって、スパッタ発生量を少なくして、かつ、良好な溶接ビードを形成することができる。しかし、ピーク値を前進角が小さいときのままとして、前進角を２０°、３０°と大きくすると、スパッタ発生量が増加する。スパッタ発生量を少なくするために、ピーク値を小さくすると、時々１０msを超える長い短絡が発生するようになり、溶接状態が不安定になる。すなわち、前進角が２０°以上と大きくなると、従来技術においてピーク値をどの値に設定しても、スパッタ発生量を少なくすることと溶接状態を安定に保つことを両立させることはできないという問題があった。したがって、従来技術では、スパッタ発生量を犠牲にして溶接状態の安定性を優先させるか、又は、スパッタ発生量が少ないことを優先して溶接状態の安定性を犠牲にするかを選択して、ピーク値を設定していた。
【００１０】
そこで、本発明では、溶接トーチの前進角が大きいときでも、スパッタ発生量を少なくすることができ、かつ、溶接状態の安定性を良好に保つことができる短絡期間の溶接電流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】
【００１１】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、溶接ワイヤを送給すると共に、短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返すアーク溶接にあって、
短絡が発生すると溶接電流Ｉｗを予め定めた初期電流値Ｉｉまで減少させて維持し、前記短絡発生時点から予め定めた初期期間Ｔｉが経過すると前記溶接電流を予め定めた第１傾斜で上昇させ、前記溶接電流が基準値Ｉｃに達すると前記溶接電流を前記第１傾斜よりも小さな値の予め定めた第２傾斜でアークが再発生するまで上昇させて溶接を行う短絡期間の溶接電流制御方法において、
前記短絡発生時点での溶接電流値Ｉａを検出し、前記初期期間Ｔｉ中の電流差積分値Ｓｉ＝∫（Ｉａ−Ｉｗ）・ｄｔを算出し、前記基準値Ｉｃをこの電流差積分値Ｓｉに基づいて自動設定する、
ことを特徴とする短絡期間の溶接電流制御方法である。
【００１２】
請求項２の発明は、前記基準値Ｉｃを所定範囲に制限する、
ことを特徴とする請求項１記載の短絡期間の溶接電流制御方法である。
【００１３】
請求項３の発明は、前記基準値Ｉｃ＝Ｇ・Ｓｉ（但し、Ｇは予め定めた定数）として自動設定する、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の短絡期間の溶接電流制御方法である。
【００１４】
請求項４の発明は、前記初期期間Ｔｉ中の溶接電流Ｉｗ＝Ｉｉであるとし、電流差積分値Ｓｉ＝∫（Ｉａ−Ｉｉ）・ｄｔ＝（Ｉａ−Ｉｉ）・Ｔｉとする、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の短絡期間の溶接電流制御方法である。
【００１５】
請求項５の発明は、前記初期電流値Ｉｉと前記初期期間Ｔｉとの乗算値Ｉｉ・Ｔｉ＝０であるとし、前記電流差積分値Ｓｉ＝（Ｉａ−Ｉｉ）・Ｔｉ＝Ｉａ・Ｔｉとする、
ことを特徴とする請求項４記載の短絡期間の溶接電流制御方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、短絡状態になると、初期期間中は溶接電流を小さな値の初期電流値に減少させて維持し、その後は第１傾斜で溶接電流を上昇させ、溶接電流が基準値に達すると第１傾斜よりも緩やかな第２傾斜でアークが再発生するまで溶接電流を上昇させる。そして、上記の基準値を初期期間中の電流差積分値に基づいて自動設定する。これにより、溶接状態が定常状態にあるときは基準値が自動的に小さな値に設定されるので、スパッタ発生量が少なくなる。外乱により溶滴形成状態が変動すると、基準値が自動的に大きな値に設定されるので、溶接状態が不安定になるのを抑制することができる。したがって、溶接トーチの前進角が大きいときでも、スパッタ発生量が少なく、かつ、溶接状態の安定性も良好な溶接を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態に係る短絡期間の溶接電流制御方法を示す電圧・電流波形図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る短絡期間の溶接電流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３】従来技術における消耗電極アーク溶接の電圧・電流波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
図１は、本発明の実施の形態に係る短絡期間の溶接電流制御方法を示す電圧・電流波形図である。同図（Ａ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｂは溶接電流Ｉｗの時間変化を示す。同図は、上述した図３と対応している。したがって、図３と同一事項についての説明は省略する。以下、同図を参照して説明する。
【００２０】
同図において、時刻ｔ１〜ｔ２は短絡期間Ｔｓを示し、時刻ｔ２〜ｔ３はアーク期間Ｔａを示す。短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとは、交互に繰り返される。
【００２１】
時刻ｔ１において溶接ワイヤ先端に形成された溶滴が溶融池と接触すると短絡状態になる。短絡状態になると、同図（Ａ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖ程度の短絡電圧値に急降下する。溶接電流Ｉｗは、同図（Ｂ）に示すように、短絡発生時電流値Ｉａから予め定めた初期電流値Ｉｉまで傾斜を有して減少し、時刻ｔ１〜ｔ１１の予め定めた初期期間Ｔｉ中はその値を維持する。この溶接電流Ｉｗが減少するときの傾斜は、溶接電流Ｉｗの通電路の抵抗値及びインダクタンス値によって決まる。すなわち、傾斜は、溶接電源と溶接トーチ及び母材とを接続するケーブルの長さによって変化する。ケーブルが長くなるほど、傾斜は緩やかになる。また、上記の短絡発生時電流値Ｉａは、短絡発生前のアーク期間Ｔａの長さに略比例している。これは、アーク期間Ｔａ中の溶接電流Ｉｗは、アーク期間Ｔａが進行するのに伴い次第に小さくなるからである。アーク期間Ｔａ中に形成される溶滴の大きさは、アーク期間Ｔａの長さに略比例するので、溶滴の大きさは短絡発生時電流値Ｉａに略反比例すると言える。
【００２２】
時刻ｔ１１において初期期間Ｔｉが終了すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、予め定めた基準値Ｉｃまで予め定めた第１傾斜Ｋ１で上昇する。溶接電流Ｉｗが上記の基準値Ｉｃに達すると、溶接電流Ｉｗは、上記の第１傾斜Ｋ１よりも緩やかな値に予め定めた第２傾斜Ｋ２でアークが再発生する時刻ｔ２まで上昇を継続する。上記の基準値Ｉｃの自動設定方法については、後述する。
【００２３】
時刻ｔ２においてアークが再発生すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは急上昇して数十Ｖ程度のアーク電圧値になる。溶接電流Ｉｗは、同図（Ｂ）に示すように、アークが再発生した時点で少し急減した後に、次の短絡が発生するまで徐々に減少する。
【００２４】
同図においても、初期期間Ｔｉを設けて溶接電流Ｉｗを小さな値に維持する理由は、上述したように、短絡発生直後のアーク再発生を防止して確実な短絡状態に導くためである。初期期間Ｔｉが終了した後は、溶接電流Ｉｗは速い第１傾斜Ｋ１で基準値Ｉｃまで急上昇する。この基準値Ｉｃが、従来技術のピーク値に相当する。この基準値Ｉｃは、従来技術のピーク値よりも小さな値に設定される。その後は、溶接電流Ｉｗは緩やかな第２傾斜Ｋ２で上昇する。この第２傾斜Ｋ２での上昇期間を設けているので、基準値Ｉｃは小さな値に設定することができる。
【００２５】
上記の基準値Ｉｃは、以下のようにして自動設定される。初期期間Ｔｉ中の電流差積分値Ｓｉ（A・ms）を以下のように定義する。
Ｓｉ＝∫（Ｉａ−Ｉｗ）・ｄｔ …（１）式
但し、積分は初期期間Ｔｉ（ms）中行う。Ｉａは短絡発生時電流値である。
そして、基準値Ｉｃを以下のようにして自動設定する。
Ｉｃ＝Ｇ・Ｓｉ …（２）式
ここで、Ｇは予め定めた定数である。
【００２６】
基準値Ｉｃを電流差積分値Ｓｉに基づいて自動設定する理由は、以下のとおりである。上述したように基準値Ｉｃは従来技術のピーク値に相当しており、前進角が大きいときのスパッタ発生量を少なくするために、基準値Ｉｃはピーク値よりも小さな値になるように設定される。このために、溶接状態が不安定になる場合が生じる。溶接状態が不安定になる場合としては、短絡が発生した時点での溶滴の形成状態が十分ではないときであり、このようなときには短絡状態を安定して解除するために、基準値Ｉｃを大きくする必要がある。上述したように、短絡発生時電流値Ｉａと溶滴の大きさとは反比例する。短絡発生時電流値Ｉａが大きいと上記の電流差積分値Ｓｉも大きくなり、基準値Ｉｃも大きくなる。このことは、短絡が発生したときの溶滴の大きさに応じて基準値Ｉｃが適正化されていることになる。
【００２７】
さらには、初期期間Ｔｉ中は溶接電流Ｉｗが小さな値に維持されるために、溶滴の温度が低下することになる。したがって、短絡発生時電流値Ｉａをそのまま維持していたときに比べて、電流値を小さくしたことによって失われた熱量は、上記の電流差積分値Ｓｉに略比例することになる。そこで、初期期間Ｔｉ中に失われた仮想熱量が大きくなると、電流差積分値Ｓｉも大きくなり、その結果、基準値Ｉｃも大きくなる。このことは、初期期間Ｔｉ中に失われる仮想熱量に応じて基準値Ｉｃが適正化されていることになる。
【００２８】
短絡が発生した時点での溶滴の大きさの変動は、トーチ高さ、送給速度等の変動（外乱による変動）に起因して時々発生する。このような変動が生じたときに、溶接状態が不安定になるので、これを抑制するために基準値Ｉｃを電流差積分値Ｓｉに応じて適正化している。変動が生じていない定常状態では、短絡が発生した時点での溶滴の大きさは略一定の大きさとなる。このことから、短絡が発生した時点での溶滴の大きさが通常サイズであるときの基準値Ｉｃが従来技術のピーク値よりも小さくなるように上記（２）式における定数Ｇを決定している。
【００２９】
同図（Ｂ）の時刻ｔ１に示すように、溶接電流Ｉｗは、短絡状態になると傾斜を有して初期電流値Ｉｉまで減少する。上述したように、この溶接電流Ｉｗが減少する傾斜は、通電路の抵抗値及びインダクタンス値によって定まる。したがって、溶接電源と溶接トーチ及び母材とを接続するケーブルが長くなるのに伴い、電流減少傾斜は緩やかになる。このケーブル長の合計値が１０ｍ以下の短い場合には、電流減少傾斜は急になる。このような場合には、初期期間Ｔｉ中の溶接電流Ｉｗ＝Ｉｉと見なすことができる。このときには、上記（１）式は、下式となる。
Ｓｉ＝∫（Ｉａ−Ｉｗ）・ｄｔ＝（Ｉａ−Ｉｉ）・Ｔｉ …（11）式
さらに、初期電流値Ｉｉの設定値が３０Ａ以下と小さい場合には、Ｉｉ＝０と見なして、上式は下式となる。
Ｓｉ＝Ｉａ・Ｔｉ …（12）式
したがって、電流差積分値Ｓｉを（１）式、（11）式又は（12）式によって算出することができる。
【００３０】
上記（２）式において、算出された基準値Ｉｃを所定範囲内に制限するために、基準値Ｉｃの上限値及び下限値を設けても良い。また、（２）式の代わりに下式を用いるようにしても良い。
Ｉｃ＝ａ・Ｓｉ＋ｂ …（21）式
Ｉｃ＝ｃ・Ｓｉ・Ｓｉ＋ｄ・Ｓｉ＋ｅ …（22）式
但し、ａ〜ｅは定数である。
【００３１】
上記の各設定値の数値例を挙げると以下のようになる。シールドガスに８０％アルゴンガスと２０％炭酸ガスとの混合ガスを使用するマグ溶接において、溶接ワイヤに直径１．２mmの鉄鋼ワイヤを使用し、送給速度が３．５m/min（平均溶接電流１５０Ａ）の場合とする。各値は、初期期間Ｔｉ＝１ms、初期電流Ｉｉ＝５０Ａ、第１傾斜Ｋ１＝２００A/ms、第２傾斜Ｋ２＝５０A/ms、定数Ｇ＝３となる。ここで、電流差積分値Ｓｉを、上記（11）式によって算出する場合を考える。トーチ高さ、送給速度等の変動がない場合には、溶滴の大きさは略一定しているので、短絡発生時電流値Ｉａ＝１００Ａ程度になる。すると、（11）式によって電流差積分値Ｓｉ＝（１００−５０）・１＝５０となる。これを（２）式に代入すると、基準値Ｉｃ＝３・５０＝１５０Ａとなる。従来技術のピーク値は４００Ａ程度であるので、この基準値Ｉｃが小さいことが分かる。次に、トーチ高さ、送給速度等の変動が発生して溶滴の大きさが小さくなり、短絡発生時電流値Ｉａ＝１５０Ａと大きくなった場合、電流差積分値Ｓｉ＝（１５０−５０）・１＝１００となる。この結果、基準値Ｉｃ＝３・１００＝３００Ａとなり、短絡期間中の溶接電流Ｉｗを大きくすることによって短絡期間が長くなるのを抑制して、溶接状態の安定性を維持するようにしている。また、トーチ高さ、送給速度等の変動が発生して溶滴の大きさが大きくなり、短絡発生時電流値Ｉａ＝７０Ａと小さくなった場合、電流差積分値Ｓｉ＝（７０−５０）・１＝２０となる。この結果、基準値Ｉｃ＝３・２０＝６０Ａとなり、短絡期間中の溶接電流Ｉｗを小さくする。これによって、溶滴が大きい場合に増加するスパッタの発生を抑制している。ここで、上限値を４００Ａに設定し、下限値を１００Ａに設定して、基準値Ｉｃの変化範囲を１００〜４００Ａに制限しても良い。
【００３２】
上記の各設定地、初期期間Ｔｉ、初期電流値Ｉｉ、第１傾斜Ｋ１、第２傾斜Ｋ２、定数Ｇ、基準値Ｉｃの上限値と下限値は、シールドガスの種類、溶接ワイヤの材質、直径、送給速度等に応じて、実験によって適正値に設定される。
【００３３】
図２は、上述した本発明の実施の形態に係る短絡期間の溶接電流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。以下、同図を参照して、各ブロックについて説明する。
【００３４】
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駆動回路から構成される。
【００３５】
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。
【００３６】
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。電圧設定回路ＶＲは、予め定めた電圧設定信号Ｖｒを出力する。
【００３７】
短絡判別回路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しきい値未満であるときはＨｉｇｈレベルとなる短絡判別信号Ｓｄを出力する。しきい値は、１０Ｖ程度に設定される。初期期間設定回路ＴＩＲは、予め定めた初期期間設定信号Ｔirを出力する。初期電流設定回路ＩＩＲは、予め定めた初期電流設定信号Ｉirを出力する。第１傾斜設定回路ＫＲ１は、予め定めた第１傾斜設定信号Ｋr1を出力する。第２傾斜設定回路ＫＲ２は、予め定めた第２傾斜設定信号Ｋr2を出力する。定数設定回路ＧＲは、予め定めた定数設定信号Ｇｒを出力する。
【００３８】
短絡発生時電流値検出回路ＩＡＤは、上記の電流検出信号Ｉｄ及び上記の短絡判別信号Ｓｄを入力として、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）に変化した時点での電流検出信号Ｉｄの値を短絡発生時電流値検出信号Ｉadとして出力する。電流差積分回路ＳＩは、この短絡発生時電流値検出信号Ｉad、上記の電流検出信号Ｉｄ、上記の短絡判別信号Ｓｄ及び上記の初期期間設定信号Ｔirを入力として、上述した（１）式に基づいて、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）に変化した時点から初期期間設定信号Ｔirによって定まる期間中はＳｉ＝∫（Ｉad−Ｉｄ）・ｄｔの積分を行い、電流差積分信号Ｓｉとして出力する。（１）式の代わりに、上述したように、（11）式又は（12）式を使用して電流差積分信号Ｓｉを算出するようにしても良い。基準値設定回路ＩＣＲは、この電流差積分信号Ｓｉ及び上記の定数設定信号Ｇｒを入力として、上述した（２）式に基づいて、基準値設定信号Ｉcr＝Ｇｒ・Ｓｉを算出して出力する。ここで、（２）式の代わりに、上述した（21）式又は（22）式を使用しても良い。
【００３９】
電流設定回路ＩＲは、上記の初期期間設定信号Ｔir、上記の初期電流設定信号Ｉir、上記の第１傾斜設定信号Ｋr1、上記の第２傾斜設定信号Ｋr2、上記の基準値設定信号Ｉcr及び上記の短絡判別信号Ｓｄを入力として、下記の処理を行い、電流設定信号Ｉｒを出力する。
１）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）に変化した時点から初期期間設定信号Ｔirによって定まる期間中は、初期電流設定信号Ｉir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の値を初期電流設定信号Ｉirの値から第１傾斜設定信号Ｋr1によって定まる傾斜で上昇させる。
３）電流設定信号Ｉｒの値が基準値設定信号Ｉcrと等しくなると、第２傾斜設定信号Ｋr2によって定まる傾斜で電流設定信号Ｉｒの値を上昇させる。この上昇は、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク）に変化するまで継続する。
４）短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク）に変化すると、その時点での電流設定信号Ｉｒの値を保持する。
【００４０】
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及び上記の短絡判別信号Ｓｄを入力として、短絡判別信号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。
【００４１】
上述した実施の形態によれば、短絡状態になると、初期期間中は溶接電流を小さな値の初期電流値に減少させて維持し、その後は第１傾斜で溶接電流を上昇させ、溶接電流が基準値に達すると第１傾斜よりも緩やかな第２傾斜でアークが再発生するまで溶接電流を上昇させる。そして、上記の基準値を初期期間中の電流差積分値に基づいて自動設定する。これにより、溶接状態が定常状態にあるときは基準値が自動的に小さな値に設定されるので、スパッタ発生量が少なくなる。外乱により溶滴形成状態が変動すると、基準値が自動的に大きな値に設定されるので、溶接状態が不安定になるのを抑制することができる。したがって、溶接トーチの前進角が大きいときでも、スパッタ発生量が少なく、かつ、溶接状態の安定性も良好な溶接を行うことができる。
【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
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
Ｇ 定数
ＧＲ 定数設定回路
Ｇｒ 定数設定信号
Ｉａ 短絡発生時電流値
ＩＡＤ 短絡発生時電流値検出回路
Ｉad 短絡発生時電流値検出信号
Ｉｃ 基準値
ＩＣＲ 基準値設定回路
Ｉcr 基準値設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｉ 初期電流値
ＩＩＲ 初期電流設定回路
Ｉir 初期電流設定信号
ＩＲ 電流設定回路
Ｉｒ 電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
Ｋ１ 第１傾斜
Ｋ２ 第２傾斜
ＫＲ１ 第１傾斜設定回路
Ｋr1 第１傾斜設定信号
ＫＲ２ 第２傾斜設定回路
Ｋr2 第２傾斜設定信号
ＰＭ 電源主回路
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
ＳＩ 電流差積分回路
Ｓｉ 電流差積分（値／信号）
ＳＷ 制御切換回路
Ｔａ アーク期間
Ｔｉ 初期期間
ＴＩＲ 初期期間設定回路
Ｔir 初期期間設定信号
Ｔｓ 短絡期間
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
Ｖｗ 溶接電圧
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返す消耗電極アーク溶接において、溶滴移行状態を良好にするための短絡期間の溶接電流制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
溶接ワイヤを定速で送給すると共に、シールドガスに炭酸ガス、アルゴンガス、炭酸ガスとアルゴンガスとの混合ガス等を使用して溶接を行う消耗電極アーク溶接は、高品質を得ることができ、自動化も容易であることから広く使用されている。このアーク溶接では、溶接ワイヤと母材との間で短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返して溶接が行われる場合が多い。アーク期間中に溶接ワイヤの先端が溶融して溶滴を形成し、短絡期間中に溶滴が溶融池に移行する。良好な溶接ビードを形成し、かつ、スパッタの発生量を少なくするためには、短絡期間中の溶接電流を適正値に制御して、溶滴移行を円滑に行わせることが重要である。以下、従来技術における短絡期間の溶接電流制御方法について説明する（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図３は、従来技術における消耗電極アーク溶接の電圧・電流波形図である。同図（Ａ）は溶接ワイヤと母材との間に印加される溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接ワイヤから母材へと通電する溶接電流Ｉｗの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【０００４】
同図において、時刻ｔ１〜ｔ２は短絡期間Ｔｓとなり、時刻ｔ２〜ｔ３はアーク期間となる。短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとは、交互に繰り返される。時刻ｔ１において溶接ワイヤ先端に形成された溶滴が溶融池と接触すると短絡状態になる。短絡状態になると、同図（Ａ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖ程度の短絡電圧値に急降下する。溶接電流Ｉｗは、同図（Ｂ）に示すように、予め定めた初期電流値Ｉｉまで傾斜を有して減少し、時刻ｔ１〜ｔ１１の予め定めた初期期間Ｔｉ中はその値を維持する。時刻ｔ１１において初期期間Ｔｉが終了すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは予め定めたピーク値まで急上昇し、アークが再発生する時刻ｔ２までその値を維持する。
【０００５】
時刻ｔ２においてアークが再発生すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは急上昇して数十Ｖ程度のアーク電圧値になる。溶接電流Ｉｗは、同図（Ｂ）に示すように、アークが再発生した時点で少し急減した後に、次の短絡が発生するまで徐々に減少する。
【０００６】
次に、溶滴の移行状態について説明する。短絡が発生した時点から初期期間Ｔｉの間は溶接電流Ｉｗを小さな値の初期電流値Ｉｉに維持している理由は、溶滴と溶融池との接触状態をより確実にするためである。短絡発生直後は溶滴の底部の一部が溶融池と接触している状態にあり、この状態で溶接電流Ｉｗの値が大きいと、溶滴が移行することなく接触状態が解除されてアークが再発生することになり、安定した溶滴移行状態が阻害される。初期期間Ｔｉが終了する時刻ｔ１１から溶接電流Ｉｗを大きくすることによって溶滴にピンチ力を作用させて、溶滴上部にくびれを生じさせて溶滴を溶融池に円滑に移行させる。時刻ｔ２においてアークが再発生した時点では、溶接ワイヤの先端は溶融していない。アーク期間Ｔａが進行するのに伴い、溶接ワイヤの先端がアークからの熱及びジュール熱によって次第に溶融して溶滴を形成する。
【０００７】
溶滴移行状態を安定化するためには、短絡期間Ｔｓ中の溶接電流Ｉｗのピーク値の設定を適正化することは重要である。このピーク値が適正値よりも小さいと、溶滴に作用するピンチ力が弱くなるので溶滴を移行させる時間が長くなり、溶接状態が不安定になる。逆に、ピーク値が適正値よりも大きいと、スパッタの発生量が多くなる。したがって、ピーク値は、シールドガスの種類、溶接ワイヤの材質、直径、送給速度等に応じて、適正値に設定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特公平４−４０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、溶滴移行状態を安定化するためには、短絡期間中の溶接電流のピーク値を溶接条件に応じて適正値に設定する必要がある。溶接トーチの前進角が０〜１０°程度と小さいときには、このピーク値を溶接条件に応じて適正化することによって、スパッタ発生量を少なくして、かつ、良好な溶接ビードを形成することができる。しかし、ピーク値を前進角が小さいときのままとして、前進角を２０°、３０°と大きくすると、スパッタ発生量が増加する。スパッタ発生量を少なくするために、ピーク値を小さくすると、時々１０msを超える長い短絡が発生するようになり、溶接状態が不安定になる。すなわち、前進角が２０°以上と大きくなると、従来技術においてピーク値をどの値に設定しても、スパッタ発生量を少なくすることと溶接状態を安定に保つことを両立させることはできないという問題があった。したがって、従来技術では、スパッタ発生量を犠牲にして溶接状態の安定性を優先させるか、又は、スパッタ発生量が少ないことを優先して溶接状態の安定性を犠牲にするかを選択して、ピーク値を設定していた。
【００１０】
そこで、本発明では、溶接トーチの前進角が大きいときでも、スパッタ発生量を少なくすることができ、かつ、溶接状態の安定性を良好に保つことができる短絡期間の溶接電流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】
【００１１】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、溶接ワイヤを送給すると共に、短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返すアーク溶接にあって、
短絡が発生すると溶接電流Ｉｗを予め定めた初期電流値Ｉｉまで減少させて維持し、前記短絡発生時点から予め定めた初期期間Ｔｉが経過すると前記溶接電流を予め定めた第１傾斜で上昇させ、前記溶接電流が基準値Ｉｃに達すると前記溶接電流を前記第１傾斜よりも小さな値の予め定めた第２傾斜でアークが再発生するまで上昇させて溶接を行う短絡期間の溶接電流制御方法において、
前記短絡発生時点での溶接電流値Ｉａを検出し、前記初期期間Ｔｉ中の電流差積分値Ｓｉ＝∫（Ｉａ−Ｉｗ）・ｄｔを算出し、前記基準値Ｉｃをこの電流差積分値Ｓｉに基づいて自動設定する、
ことを特徴とする短絡期間の溶接電流制御方法である。
【００１２】
請求項２の発明は、前記基準値Ｉｃを所定範囲に制限する、
ことを特徴とする請求項１記載の短絡期間の溶接電流制御方法である。
【００１３】
請求項３の発明は、前記基準値Ｉｃ＝Ｇ・Ｓｉ（但し、Ｇは予め定めた定数）として自動設定する、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の短絡期間の溶接電流制御方法である。
【００１４】
請求項４の発明は、前記初期期間Ｔｉ中の溶接電流Ｉｗ＝Ｉｉであるとし、電流差積分値Ｓｉ＝∫（Ｉａ−Ｉｉ）・ｄｔ＝（Ｉａ−Ｉｉ）・Ｔｉとする、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の短絡期間の溶接電流制御方法である。
【００１５】
請求項５の発明は、前記初期電流値Ｉｉと前記初期期間Ｔｉとの乗算値Ｉｉ・Ｔｉ＝０であるとし、前記電流差積分値Ｓｉ＝（Ｉａ−Ｉｉ）・Ｔｉ＝Ｉａ・Ｔｉとする、
ことを特徴とする請求項４記載の短絡期間の溶接電流制御方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、短絡状態になると、初期期間中は溶接電流を小さな値の初期電流値に減少させて維持し、その後は第１傾斜で溶接電流を上昇させ、溶接電流が基準値に達すると第１傾斜よりも緩やかな第２傾斜でアークが再発生するまで溶接電流を上昇させる。そして、上記の基準値を初期期間中の電流差積分値に基づいて自動設定する。これにより、溶接状態が定常状態にあるときは基準値が自動的に小さな値に設定されるので、スパッタ発生量が少なくなる。外乱により溶滴形成状態が変動すると、基準値が自動的に大きな値に設定されるので、溶接状態が不安定になるのを抑制することができる。したがって、溶接トーチの前進角が大きいときでも、スパッタ発生量が少なく、かつ、溶接状態の安定性も良好な溶接を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態に係る短絡期間の溶接電流制御方法を示す電圧・電流波形図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る短絡期間の溶接電流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３】従来技術における消耗電極アーク溶接の電圧・電流波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
図１は、本発明の実施の形態に係る短絡期間の溶接電流制御方法を示す電圧・電流波形図である。同図（Ａ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｂは溶接電流Ｉｗの時間変化を示す。同図は、上述した図３と対応している。したがって、図３と同一事項についての説明は省略する。以下、同図を参照して説明する。
【００２０】
同図において、時刻ｔ１〜ｔ２は短絡期間Ｔｓを示し、時刻ｔ２〜ｔ３はアーク期間Ｔａを示す。短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとは、交互に繰り返される。
【００２１】
時刻ｔ１において溶接ワイヤ先端に形成された溶滴が溶融池と接触すると短絡状態になる。短絡状態になると、同図（Ａ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖ程度の短絡電圧値に急降下する。溶接電流Ｉｗは、同図（Ｂ）に示すように、短絡発生時電流値Ｉａから予め定めた初期電流値Ｉｉまで傾斜を有して減少し、時刻ｔ１〜ｔ１１の予め定めた初期期間Ｔｉ中はその値を維持する。この溶接電流Ｉｗが減少するときの傾斜は、溶接電流Ｉｗの通電路の抵抗値及びインダクタンス値によって決まる。すなわち、傾斜は、溶接電源と溶接トーチ及び母材とを接続するケーブルの長さによって変化する。ケーブルが長くなるほど、傾斜は緩やかになる。また、上記の短絡発生時電流値Ｉａは、短絡発生前のアーク期間Ｔａの長さに略比例している。これは、アーク期間Ｔａ中の溶接電流Ｉｗは、アーク期間Ｔａが進行するのに伴い次第に小さくなるからである。アーク期間Ｔａ中に形成される溶滴の大きさは、アーク期間Ｔａの長さに略比例するので、溶滴の大きさは短絡発生時電流値Ｉａに略反比例すると言える。
【００２２】
時刻ｔ１１において初期期間Ｔｉが終了すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、予め定めた基準値Ｉｃまで予め定めた第１傾斜Ｋ１で上昇する。溶接電流Ｉｗが上記の基準値Ｉｃに達すると、溶接電流Ｉｗは、上記の第１傾斜Ｋ１よりも緩やかな値に予め定めた第２傾斜Ｋ２でアークが再発生する時刻ｔ２まで上昇を継続する。上記の基準値Ｉｃの自動設定方法については、後述する。
【００２３】
時刻ｔ２においてアークが再発生すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは急上昇して数十Ｖ程度のアーク電圧値になる。溶接電流Ｉｗは、同図（Ｂ）に示すように、アークが再発生した時点で少し急減した後に、次の短絡が発生するまで徐々に減少する。
【００２４】
同図においても、初期期間Ｔｉを設けて溶接電流Ｉｗを小さな値に維持する理由は、上述したように、短絡発生直後のアーク再発生を防止して確実な短絡状態に導くためである。初期期間Ｔｉが終了した後は、溶接電流Ｉｗは速い第１傾斜Ｋ１で基準値Ｉｃまで急上昇する。この基準値Ｉｃが、従来技術のピーク値に相当する。この基準値Ｉｃは、従来技術のピーク値よりも小さな値に設定される。その後は、溶接電流Ｉｗは緩やかな第２傾斜Ｋ２で上昇する。この第２傾斜Ｋ２での上昇期間を設けているので、基準値Ｉｃは小さな値に設定することができる。
【００２５】
上記の基準値Ｉｃは、以下のようにして自動設定される。初期期間Ｔｉ中の電流差積分値Ｓｉ（A・ms）を以下のように定義する。
Ｓｉ＝∫（Ｉａ−Ｉｗ）・ｄｔ …（１）式
但し、積分は初期期間Ｔｉ（ms）中行う。Ｉａは短絡発生時電流値である。
そして、基準値Ｉｃを以下のようにして自動設定する。
Ｉｃ＝Ｇ・Ｓｉ …（２）式
ここで、Ｇは予め定めた定数である。
【００２６】
基準値Ｉｃを電流差積分値Ｓｉに基づいて自動設定する理由は、以下のとおりである。上述したように基準値Ｉｃは従来技術のピーク値に相当しており、前進角が大きいときのスパッタ発生量を少なくするために、基準値Ｉｃはピーク値よりも小さな値になるように設定される。このために、溶接状態が不安定になる場合が生じる。溶接状態が不安定になる場合としては、短絡が発生した時点での溶滴の形成状態が十分ではないときであり、このようなときには短絡状態を安定して解除するために、基準値Ｉｃを大きくする必要がある。上述したように、短絡発生時電流値Ｉａと溶滴の大きさとは反比例する。短絡発生時電流値Ｉａが大きいと上記の電流差積分値Ｓｉも大きくなり、基準値Ｉｃも大きくなる。このことは、短絡が発生したときの溶滴の大きさに応じて基準値Ｉｃが適正化されていることになる。
【００２７】
さらには、初期期間Ｔｉ中は溶接電流Ｉｗが小さな値に維持されるために、溶滴の温度が低下することになる。したがって、短絡発生時電流値Ｉａをそのまま維持していたときに比べて、電流値を小さくしたことによって失われた熱量は、上記の電流差積分値Ｓｉに略比例することになる。そこで、初期期間Ｔｉ中に失われた仮想熱量が大きくなると、電流差積分値Ｓｉも大きくなり、その結果、基準値Ｉｃも大きくなる。このことは、初期期間Ｔｉ中に失われる仮想熱量に応じて基準値Ｉｃが適正化されていることになる。
【００２８】
短絡が発生した時点での溶滴の大きさの変動は、トーチ高さ、送給速度等の変動（外乱による変動）に起因して時々発生する。このような変動が生じたときに、溶接状態が不安定になるので、これを抑制するために基準値Ｉｃを電流差積分値Ｓｉに応じて適正化している。変動が生じていない定常状態では、短絡が発生した時点での溶滴の大きさは略一定の大きさとなる。このことから、短絡が発生した時点での溶滴の大きさが通常サイズであるときの基準値Ｉｃが従来技術のピーク値よりも小さくなるように上記（２）式における定数Ｇを決定している。
【００２９】
同図（Ｂ）の時刻ｔ１に示すように、溶接電流Ｉｗは、短絡状態になると傾斜を有して初期電流値Ｉｉまで減少する。上述したように、この溶接電流Ｉｗが減少する傾斜は、通電路の抵抗値及びインダクタンス値によって定まる。したがって、溶接電源と溶接トーチ及び母材とを接続するケーブルが長くなるのに伴い、電流減少傾斜は緩やかになる。このケーブル長の合計値が１０ｍ以下の短い場合には、電流減少傾斜は急になる。このような場合には、初期期間Ｔｉ中の溶接電流Ｉｗ＝Ｉｉと見なすことができる。このときには、上記（１）式は、下式となる。
Ｓｉ＝∫（Ｉａ−Ｉｗ）・ｄｔ＝（Ｉａ−Ｉｉ）・Ｔｉ …（11）式
さらに、初期電流値Ｉｉの設定値が３０Ａ以下と小さい場合には、Ｉｉ＝０と見なして、上式は下式となる。
Ｓｉ＝Ｉａ・Ｔｉ …（12）式
したがって、電流差積分値Ｓｉを（１）式、（11）式又は（12）式によって算出することができる。
【００３０】
上記（２）式において、算出された基準値Ｉｃを所定範囲内に制限するために、基準値Ｉｃの上限値及び下限値を設けても良い。また、（２）式の代わりに下式を用いるようにしても良い。
Ｉｃ＝ａ・Ｓｉ＋ｂ …（21）式
Ｉｃ＝ｃ・Ｓｉ・Ｓｉ＋ｄ・Ｓｉ＋ｅ …（22）式
但し、ａ〜ｅは定数である。
【００３１】
上記の各設定値の数値例を挙げると以下のようになる。シールドガスに８０％アルゴンガスと２０％炭酸ガスとの混合ガスを使用するマグ溶接において、溶接ワイヤに直径１．２mmの鉄鋼ワイヤを使用し、送給速度が３．５m/min（平均溶接電流１５０Ａ）の場合とする。各値は、初期期間Ｔｉ＝１ms、初期電流Ｉｉ＝５０Ａ、第１傾斜Ｋ１＝２００A/ms、第２傾斜Ｋ２＝５０A/ms、定数Ｇ＝３となる。ここで、電流差積分値Ｓｉを、上記（11）式によって算出する場合を考える。トーチ高さ、送給速度等の変動がない場合には、溶滴の大きさは略一定しているので、短絡発生時電流値Ｉａ＝１００Ａ程度になる。すると、（11）式によって電流差積分値Ｓｉ＝（１００−５０）・１＝５０となる。これを（２）式に代入すると、基準値Ｉｃ＝３・５０＝１５０Ａとなる。従来技術のピーク値は４００Ａ程度であるので、この基準値Ｉｃが小さいことが分かる。次に、トーチ高さ、送給速度等の変動が発生して溶滴の大きさが小さくなり、短絡発生時電流値Ｉａ＝１５０Ａと大きくなった場合、電流差積分値Ｓｉ＝（１５０−５０）・１＝１００となる。この結果、基準値Ｉｃ＝３・１００＝３００Ａとなり、短絡期間中の溶接電流Ｉｗを大きくすることによって短絡期間が長くなるのを抑制して、溶接状態の安定性を維持するようにしている。また、トーチ高さ、送給速度等の変動が発生して溶滴の大きさが大きくなり、短絡発生時電流値Ｉａ＝７０Ａと小さくなった場合、電流差積分値Ｓｉ＝（７０−５０）・１＝２０となる。この結果、基準値Ｉｃ＝３・２０＝６０Ａとなり、短絡期間中の溶接電流Ｉｗを小さくする。これによって、溶滴が大きい場合に増加するスパッタの発生を抑制している。ここで、上限値を４００Ａに設定し、下限値を１００Ａに設定して、基準値Ｉｃの変化範囲を１００〜４００Ａに制限しても良い。
【００３２】
上記の各設定地、初期期間Ｔｉ、初期電流値Ｉｉ、第１傾斜Ｋ１、第２傾斜Ｋ２、定数Ｇ、基準値Ｉｃの上限値と下限値は、シールドガスの種類、溶接ワイヤの材質、直径、送給速度等に応じて、実験によって適正値に設定される。
【００３３】
図２は、上述した本発明の実施の形態に係る短絡期間の溶接電流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。以下、同図を参照して、各ブロックについて説明する。
【００３４】
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駆動回路から構成される。
【００３５】
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。
【００３６】
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。電圧設定回路ＶＲは、予め定めた電圧設定信号Ｖｒを出力する。
【００３７】
短絡判別回路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しきい値未満であるときはＨｉｇｈレベルとなる短絡判別信号Ｓｄを出力する。しきい値は、１０Ｖ程度に設定される。初期期間設定回路ＴＩＲは、予め定めた初期期間設定信号Ｔirを出力する。初期電流設定回路ＩＩＲは、予め定めた初期電流設定信号Ｉirを出力する。第１傾斜設定回路ＫＲ１は、予め定めた第１傾斜設定信号Ｋr1を出力する。第２傾斜設定回路ＫＲ２は、予め定めた第２傾斜設定信号Ｋr2を出力する。定数設定回路ＧＲは、予め定めた定数設定信号Ｇｒを出力する。
【００３８】
短絡発生時電流値検出回路ＩＡＤは、上記の電流検出信号Ｉｄ及び上記の短絡判別信号Ｓｄを入力として、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）に変化した時点での電流検出信号Ｉｄの値を短絡発生時電流値検出信号Ｉadとして出力する。電流差積分回路ＳＩは、この短絡発生時電流値検出信号Ｉad、上記の電流検出信号Ｉｄ、上記の短絡判別信号Ｓｄ及び上記の初期期間設定信号Ｔirを入力として、上述した（１）式に基づいて、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）に変化した時点から初期期間設定信号Ｔirによって定まる期間中はＳｉ＝∫（Ｉad−Ｉｄ）・ｄｔの積分を行い、電流差積分信号Ｓｉとして出力する。（１）式の代わりに、上述したように、（11）式又は（12）式を使用して電流差積分信号Ｓｉを算出するようにしても良い。基準値設定回路ＩＣＲは、この電流差積分信号Ｓｉ及び上記の定数設定信号Ｇｒを入力として、上述した（２）式に基づいて、基準値設定信号Ｉcr＝Ｇｒ・Ｓｉを算出して出力する。ここで、（２）式の代わりに、上述した（21）式又は（22）式を使用しても良い。
【００３９】
電流設定回路ＩＲは、上記の初期期間設定信号Ｔir、上記の初期電流設定信号Ｉir、上記の第１傾斜設定信号Ｋr1、上記の第２傾斜設定信号Ｋr2、上記の基準値設定信号Ｉcr及び上記の短絡判別信号Ｓｄを入力として、下記の処理を行い、電流設定信号Ｉｒを出力する。
１）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）に変化した時点から初期期間設定信号Ｔirによって定まる期間中は、初期電流設定信号Ｉir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の値を初期電流設定信号Ｉirの値から第１傾斜設定信号Ｋr1によって定まる傾斜で上昇させる。
３）電流設定信号Ｉｒの値が基準値設定信号Ｉcrと等しくなると、第２傾斜設定信号Ｋr2によって定まる傾斜で電流設定信号Ｉｒの値を上昇させる。この上昇は、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク）に変化するまで継続する。
４）短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク）に変化すると、その時点での電流設定信号Ｉｒの値を保持する。
【００４０】
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及び上記の短絡判別信号Ｓｄを入力として、短絡判別信号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。
【００４１】
上述した実施の形態によれば、短絡状態になると、初期期間中は溶接電流を小さな値の初期電流値に減少させて維持し、その後は第１傾斜で溶接電流を上昇させ、溶接電流が基準値に達すると第１傾斜よりも緩やかな第２傾斜でアークが再発生するまで溶接電流を上昇させる。そして、上記の基準値を初期期間中の電流差積分値に基づいて自動設定する。これにより、溶接状態が定常状態にあるときは基準値が自動的に小さな値に設定されるので、スパッタ発生量が少なくなる。外乱により溶滴形成状態が変動すると、基準値が自動的に大きな値に設定されるので、溶接状態が不安定になるのを抑制することができる。したがって、溶接トーチの前進角が大きいときでも、スパッタ発生量が少なく、かつ、溶接状態の安定性も良好な溶接を行うことができる。
【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
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
Ｇ 定数
ＧＲ 定数設定回路
Ｇｒ 定数設定信号
Ｉａ 短絡発生時電流値
ＩＡＤ 短絡発生時電流値検出回路
Ｉad 短絡発生時電流値検出信号
Ｉｃ 基準値
ＩＣＲ 基準値設定回路
Ｉcr 基準値設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｉ 初期電流値
ＩＩＲ 初期電流設定回路
Ｉir 初期電流設定信号
ＩＲ 電流設定回路
Ｉｒ 電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
Ｋ１ 第１傾斜
Ｋ２ 第２傾斜
ＫＲ１ 第１傾斜設定回路
Ｋr1 第１傾斜設定信号
ＫＲ２ 第２傾斜設定回路
Ｋr2 第２傾斜設定信号
ＰＭ 電源主回路
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
ＳＩ 電流差積分回路
Ｓｉ 電流差積分（値／信号）
ＳＷ 制御切換回路
Ｔａ アーク期間
Ｔｉ 初期期間
ＴＩＲ 初期期間設定回路
Ｔir 初期期間設定信号
Ｔｓ 短絡期間
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
Ｖｗ 溶接電圧
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接ワイヤを送給すると共に、短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返すアーク溶接にあって、
短絡が発生すると溶接電流Ｉｗを予め定めた初期電流値Ｉｉまで減少させて維持し、前記短絡発生時点から予め定めた初期期間Ｔｉが経過すると前記溶接電流を予め定めた第１傾斜で上昇させ、前記溶接電流が基準値Ｉｃに達すると前記溶接電流を前記第１傾斜よりも小さな値の予め定めた第２傾斜でアークが再発生するまで上昇させて溶接を行う短絡期間の溶接電流制御方法において、
前記短絡発生時点での溶接電流値Ｉａを検出し、前記初期期間Ｔｉ中の電流差積分値Ｓｉ＝∫（Ｉａ−Ｉｗ）・ｄｔを算出し、前記基準値Ｉｃをこの電流差積分値Ｓｉに基づいて自動設定する、
ことを特徴とする短絡期間の溶接電流制御方法。
【請求項２】
前記基準値Ｉｃを所定範囲に制限する、
ことを特徴とする請求項１記載の短絡期間の溶接電流制御方法。
【請求項３】
前記基準値Ｉｃ＝Ｇ・Ｓｉ（但し、Ｇは予め定めた定数）として自動設定する、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の短絡期間の溶接電流制御方法。
【請求項４】
前記初期期間Ｔｉ中の溶接電流Ｉｗ＝Ｉｉであるとし、電流差積分値Ｓｉ＝∫（Ｉａ−Ｉｉ）・ｄｔ＝（Ｉａ−Ｉｉ）・Ｔｉとする、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の短絡期間の溶接電流制御方法。
【請求項５】
前記初期電流値Ｉｉと前記初期期間Ｔｉとの乗算値Ｉｉ・Ｔｉ＝０であるとし、前記電流差積分値Ｓｉ＝（Ｉａ−Ｉｉ）・Ｔｉ＝Ｉａ・Ｔｉとする、
ことを特徴とする請求項４記載の短絡期間の溶接電流制御方法。
【請求項１】
溶接ワイヤを送給すると共に、短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返すアーク溶接にあって、
短絡が発生すると溶接電流Ｉｗを予め定めた初期電流値Ｉｉまで減少させて維持し、前記短絡発生時点から予め定めた初期期間Ｔｉが経過すると前記溶接電流を予め定めた第１傾斜で上昇させ、前記溶接電流が基準値Ｉｃに達すると前記溶接電流を前記第１傾斜よりも小さな値の予め定めた第２傾斜でアークが再発生するまで上昇させて溶接を行う短絡期間の溶接電流制御方法において、
前記短絡発生時点での溶接電流値Ｉａを検出し、前記初期期間Ｔｉ中の電流差積分値Ｓｉ＝∫（Ｉａ−Ｉｗ）・ｄｔを算出し、前記基準値Ｉｃをこの電流差積分値Ｓｉに基づいて自動設定する、
ことを特徴とする短絡期間の溶接電流制御方法。
【請求項２】
前記基準値Ｉｃを所定範囲に制限する、
ことを特徴とする請求項１記載の短絡期間の溶接電流制御方法。
【請求項３】
前記基準値Ｉｃ＝Ｇ・Ｓｉ（但し、Ｇは予め定めた定数）として自動設定する、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の短絡期間の溶接電流制御方法。
【請求項４】
前記初期期間Ｔｉ中の溶接電流Ｉｗ＝Ｉｉであるとし、電流差積分値Ｓｉ＝∫（Ｉａ−Ｉｉ）・ｄｔ＝（Ｉａ−Ｉｉ）・Ｔｉとする、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の短絡期間の溶接電流制御方法。
【請求項５】
前記初期電流値Ｉｉと前記初期期間Ｔｉとの乗算値Ｉｉ・Ｔｉ＝０であるとし、前記電流差積分値Ｓｉ＝（Ｉａ−Ｉｉ）・Ｔｉ＝Ｉａ・Ｔｉとする、
ことを特徴とする請求項４記載の短絡期間の溶接電流制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−２３２３１２（Ｐ２０１２−２３２３１２Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１００３２４（Ｐ２０１１−１００３２４）
【出願日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２９日（２０１２．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２８日（２０１１．４．２８）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
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