JP2007283393A - 消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 消耗電極交流パルスアーク溶接において、極性切換時に短絡が発生しているときのアーク安定性を良好にする。
【解決手段】 本発明は、電極プラス極性期間Ｔｅｐ中はピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂを通電し、電極マイナス極性期間Ｔｅｎ中は電極マイナス電流Ｉｎを通電し、前記電極プラス極性期間Ｔｅｐと前記電極マイナス極性期間Ｔｅｎとを交互に切り換えて溶接する消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法において、極性切換に際して、消耗電極と母材とが短絡しているときは短絡が解除されてアークが再発生し予め定めた遅延期間Ｔｄが経過した後に極性切換を行う消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、消耗電極交流パルスアーク溶接において極性切換時の安定性を向上させるための消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法に関するものである。

消耗電極交流パルスアーク溶接（以下、交流パルスアーク溶接という）は、溶接ワイヤを定速で送給すると共に、電極プラス極性期間Ｔep中はピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂを通電し、電極マイナス極性期間Ｔen中は電極マイナス電流Ｉｎを通電し、電極プラス極性期間Ｔepと電極マイナス極性期間Ｔenとを交互に切り換えて溶接を行う。この交流パルスアーク溶接において、高品質な溶接を行うためには、極性切換時にアーク切れが発生することなく安定に行われることが重要である。このために、極性切換時に溶接ワイヤ・母材間に高電圧を印加することでアーク切れを防止している。以下、従来技術の交流パルスアーク溶接について説明する。

図４は、交流パルスアーク溶接の波形図である。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗを示し、同図（Ｃ）は極性切換信号Ｃｐを示す。この極性切換信号ＣｐがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変化すると電極プラス極性期間Ｔepから電極マイナス極性期間Ｔenに切り換える動作に移行し、ＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化すると電極マイナス極性期間Tenから電極プラス極性期間Ｔepに切り換える動作に移行する。以下、同図を参照して説明する。

（１）時刻ｔ１〜ｔ２の期間
時刻ｔ１において、同図（Ｃ）に示すように、極性切換信号ＣｐがＬｏｗレベルに変化すると、同図（Ａ）に示すように、電極プラス極性期間Ｔepのベース電流Ｉｂは予め定めた極性切換電流値Ｉｃに向けて減少する。時刻ｔ２において、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗが極性切換電流値Ｉｃに等しくなると、高電圧が印加されると共に、同図（Ｂ）に示すように、極性が電極マイナス極性期間Ｔenに切り換わる。

（２）時刻ｔ２〜ｔ３の期間
時刻ｔ２〜ｔ３の所定期間中は、電極マイナス極性ＥＮで、同図（Ａ）に示すように、予め定めた電極マイナス電流Ｉｎが通電し、同図（Ｂ）に示すように、電極マイナス電圧Ｖｎが印加する。

（３）時刻ｔ３〜ｔ４の期間
時刻ｔ３において上記の所定期間が終了し、同図（Ｃ）に示すように、極性切換信号ＣｐがＨｉｇｈレベルに変化すると、同図（Ａ）に示すように、電極マイナス電流Ｉｎは極性切換電流値Ｉｃに向けて減少する。時刻ｔ４において、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗが極性切換電流値Ｉｃに等しくなると、高電圧が印加されると共に、同図（Ｂ）に示すように、極性が電極プラス極性ＥＰにに切り換わる。

（４）時刻ｔ４〜ｔ５の期間
時刻ｔ４〜ｔ５の予め定めたピーク期間Ｔｐ中は、電極プラス極性ＥＰで、同図（Ａ）に示すように、予め定めたピーク電流ＩＰが通電し、同図（Ｂ）に示すように、ピーク電圧Ｖｐが印加する。

（５）時刻ｔ５〜ｔ８の期間
時刻ｔ５〜ｔ８のフィードバック制御によって定まるベース期間Ｔｂ中は、電極プラス極性ＥＰで、同図（Ａ）に示すように、予め定めたベース電流Ｉｂが通電し、同図（Ｂ）に示すように、ベース電圧Ｖｂが印加する。

（６）時刻ｔ８〜ｔ９の期間
上記（１）の動作に戻る。

（７）時刻ｔ６〜ｔ７の期間
ベース期間Ｔｂ中の時刻ｔ６〜ｔ７の期間中、溶接ワイヤと母材とが短絡すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは低い短絡電圧値になり、同図（Ａ）に示すように、短絡を早期に解除してアークを再発生させるために増加する短絡電流Ｉｓが通電する。その結果、時刻ｔ７においてアークは再発生する。短絡は、ベース期間Ｔｂ中だけでなく、ピーク期間Ｔｐ及び電極マイナス極性期間Ｔen中にも発生し、同様に短絡電流Ｉｓを通電する。

同図において、時刻ｔ２〜ｔ４の期間が電極マイナス極性期間Ｔenになり、時刻ｔ４〜ｔ９の期間が電極プラス極性期間Ｔepになる。上述したように、極性切換時に溶接電流Ｉｗを極性切換電流値Ｉｃまで減少させるのは、極性切換時の電流変化に伴い発生するサージ電圧を抑制して極性切換用スイッチング素子を保護するためであり、慣用されている。上述した従来技術としては、例えば、特許文献１、２参照。

特開昭５８−３８６６４号公報 特開２００５−３４９４０６号公報

上述した従来技術の交流パルスアーク溶接においては、極性切換時に高電圧を印加することによってアーク切れを防止して安定した極性切換を実現している。しかし、後述するように、極性切換時に短絡が発生している場合には長期短絡が発生しアーク切れが生じるおそれが高くなる。以下、この従来技術の問題点について説明する。

図５は、極性切換時に短絡が発生しているときの上述した図４に対応する波形図である。同図において、時刻ｔ１〜ｔ６までは図４と同一であるので説明は省略する。以下、同図を参照して時刻ｔ６以降について説明する。

時刻ｔ６において短絡が発生すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは低い短絡電圧値になり、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは短絡電流Ｉｓになり増加する。時刻ｔ７において、同図（Ｃ）に示すように、極性切換信号ＣｐがＬｏｗレベルに変化すると電極マイナス極性ＥＮへの切換動作に移行するので、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗ（短絡電流Ｉｓ）は極性切換電流値Ｉｃに向けて減少する。しかし、同図（Ｂ）に示すように、短絡状態のままであるために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗの減少速度はアーク発生状態よりもかなり緩やかになる。時刻ｔ７〜ｔ８の期間中、短絡状態謡であるにもかかわらず溶接電流Ｉｗを減少させるために、より短絡状態が解除されにくい状態になる。

時刻ｔ８において、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗが極性切換電流値Ｉｃに等しくなると電極マイナス極性ＥＮに切り換わる。しかし、同図（Ｂ）に示すように、極性が切り換わっても短絡状態は維持される。このために、同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ８以降も電極マイナス極性ＥＮでの大電流値の短絡電流Ｉｓが誘電し、時刻ｔ９においてワイヤ突出し部が溶断しアーク切れが発生する。

このように、極性切換時に短絡が発生している場合、極性切換のために溶接電流Ｉｗを減少させることによって短絡状態がより強固になり、短絡状態が長く続きアーク状態が不安定になったり、溶断によってアーク切れが発生したりする。このような現象が発生する背景は、パルスアーク溶接が短絡移行溶接ではないことである。このために、パルスアーク溶接においては、アーク安定化のために早期に短絡を解除してアークを再発生させる必要がある。ＣＯ2溶接及びＭＡＧ溶接等の短絡移行溶接では、短絡が１秒間に百回前後周期的に発生するので、この短絡期間中に極性切換を行うことができる。しかし、パルスアーク溶接では、短絡は不規則に発生するためにアーク発生状態で極性切換を行うように設計されている。

そこで、本発明では、極性切換時に短絡が発生していても安定した極性切換を行うことができる消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法を提供する。

上述した課題を解決するために、第１の発明は、電極プラス極性期間中はピーク電流及びベース電流を通電し、電極マイナス極性期間中は電極マイナス電流を通電し、前記電極プラス極性期間と前記電極マイナス極性期間とを交互に切り換えて溶接する消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法において、
極性切換に際して、消耗電極と母材とが短絡しているときは短絡が解除されてアークが再発生した後に極性切換を行う、ことを特徴とする消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法である。

第２の発明は、前記アーク再発生時点から予め定めた遅延期間が経過した時点で極性切換を行う、ことを特徴とする第１の発明記載の消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法である。

第３の発明は、前記遅延期間中は前記アーク再発生時点の溶接電流を維持する、ことを特徴とする第２の発明記載の消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法である。

上記第１の発明によれば、極性切換に際して短絡が発生しているときはアークが再発生した後に極性切換動作を行う。このために、極性切換が安定化し、長期短絡及びアーク切れを防止することができる。特に、母材への入熱低減又は高速溶接を目的として溶接電圧を低めに設定した場合短絡が多数発生するので、より効果が大きい。

上記第２の発明によれば、アーク再発生時点から遅延期間が経過した時点で極性切換動作を行う。このために、上記第１の発明の効果に加えて、アークが再発生した直後に再短絡して不安定になることを防止することができる。

上記第３の発明によれば、遅延期間中はアーク再発生時点での大電流値の溶接電流を維持することで、アーク長を長くすることができる。このために、上記第２の効果である再短絡をさらに確実にすることができる。

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。

図２は、本発明の実施の形態に係る消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換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。

インバータ回路ＩＮＶは、３相２００Ｖ等の商用電源ＡＣを入力として整流・平滑し、後述するパルス幅変調信号Ｐwmに従ってインバータ制御を行い、高周波交流を出力する。高周波トランスＩＮＴは、この高周波交流をアーク溶接に適した電圧値に降圧する。２次側整流器Ｄ２ａ〜Ｄ２ｄは、降圧された高周波交流を整流する。リアクトルＷＬは、整流された直流出力を平滑する。トランジスタＴＲ１〜ＴＲ４は、２次側インバータ回路を形成して、電極プラス極性ＥＰ又は電極マイナス極性ＥＮの溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力する。トランジスタＴＲ１及びＴＲ２がオンしているときは電極プラス極性ＥＰになり、トランジスタＴＲ３及びＴＲ４がオンしているときは電極マイナス極性ＥＮになる。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て、母材２との間にアーク３が発生する。

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。平均電圧算出回路ＶＡＶは、この電圧検出信号Ｖｄを平均化して、平均電圧信号Ｖav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。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の電圧設定信号Ｖｒと平均電圧信号Ｖavとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号ΔＶを出力する。Ｖ／Ｆコンバータ回路ＶＦは、この電圧誤差増幅信号ΔＶに比例した周波数を有するパルス周期信号Ｔｆを出力する。これにより、溶接電圧Ｖｗの平均値が電圧設定信号Ｖｒの値と等しくなるようにパルス周期（ベース期間）がフィードバック制御される。

電流検出回路ＩＤは、溶接電流Ｉｗを検出してその絶対値を算出し、電流検出信号Ｉｄを出力する。短絡判別回路ＳＤは、上記の電圧検出信号Ｖｄの値によって短絡状態を判別して、短絡判別信号Ｓｄを出力する。電流比較回路ＣＭは、上記の電流検出信号Ｉｄの値が予め定めた極性切換電流値Ｉｃ以下になったときにＨｉｇｈレベルとなる、電流比較信号Ｃｍを出力する。主制御回路ＣＣは、上記のパルス周期信号Ｔｆ、短絡判別信号Ｓｄ及び電流比較信号Ｃｍを入力として、図１で詳述する処理を行い、起動停止信号Ｓｔ、電流設定信号Ｉｒ及び駆動制御信号Ｄｃ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。パルス幅変調回路ＰＷＭは、上記の起動停止信号Ｓｔが出力されていないとき（Ｌｏｗレベル）、上記の電流誤差増幅信号Ｅｉに基づいてパルス幅変調を行い、パルス幅変調信号Ｐwmを出力する。駆動回路ＤＶは、上記の駆動制御信号Ｄｃに基づいてトランジスタＴＲ１〜ＴＲ４を駆動する。

図１は、本発明の実施の形態に係る消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法を示し、上述した溶接電源における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗを示し、同図（Ｃ）はパルス周期信号Ｔｆを示し、同図（Ｄ）は起動停止信号Ｓｔを示し、同図（Ｅ）は駆動制御信号Ｄｃを示す。同図は極性切換時に短絡が発生している場合である。以下、同図を参照して説明する。

（１）時刻ｔ１〜ｔ２の期間
時刻ｔ１において、同図（Ｃ）に示すように、パルス周期信号Ｔｆが短時間Ｈｉｇｈレベルに変化すると、同図（Ｄ）に示すように、起動停止信号ＳｔがＨｉｇｈレベルになり溶接電源は出力を停止し、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは減少する。時刻ｔ２において溶接電流Ｉｗが極性切換電流値Ｉｃまで減少し、図２に示す電流比較信号ＣｍがＨｉｇｈレベルに変化すると、同図（Ｄ）に示すように、起動停止信号ＳｔはＬｏｗレベルに戻るので溶接電源は出力を開始する。これに応動して、図２に示す電流設定信号Ｉｒは電極マイナス電流Ｉｎに相当する値となり、同図（Ｅ）に示すように、駆動制御信号ＤｃはＬｏｗレベルに変化するので、トランジスタＴＲ３及びＴＲ４はオンになり電極マイナス極性ＥＮに切り換わる。

（２）時刻ｔ２〜ｔ３の期間
時刻ｔ２〜ｔ３の所定期間中は、同図（Ｅ）に示すように、駆動制御信号ＤｃはＬｏｗレベルのままであるので、同図（Ａ）に示すように、電極マイナス電流Ｉｎが通電し、同図（Ｂ）に示すように、電極マイナス電圧が印加する。

（３）時刻ｔ３〜ｔ４の期間
時刻ｔ４において所定期間が経過すると、同図（Ｄ）に示すように、起動停止信号ＳｔがＨｉｇｈレベルになり溶接電源は出力を停止し、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは減少する。時刻ｔ４において溶接電流Ｉｗが極性切換電流値Ｉｃまで減少し図２に示す電流比較信号ＣｍがＨｉｇｈレベルに変化すると、同図（Ｄ）に示すように、起動停止信号ＳｔはＬｏｗレベルに戻るので溶接電源は出力を開始する。これに応動して、図２に示す電流設定信号Ｉｒはピーク電流Ｉｐに相当する値となり、同図（Ｅ）に示すように、駆動制御信号ＤｃはＨｉｇｈレベルに変化するので、トランジスタＴＲ１及びＴＲ２はオンになり電極プラス極性ＥＰに切り換わる。

（４）時刻ｔ４〜ｔ５の期間
時刻ｔ４〜ｔ５の予め定めたピーク期間Ｔｐ中は、同図（Ｅ）に示すように、駆動制御信号ＤｃはＨｉｇｈレベルのままであるので、同図（Ａ）に示すように、電極プラス極性ＥＰでピーク電流Ｉｐが通電し、同図（Ｂ）に示すように、ピーク電圧が印加する。

（５）時刻ｔ５〜ｔ６の期間
時刻ｔ５〜ｔ６のベース期間Ｔｂ中は、同図（Ａ）に示すように、ベース電流Ｉｂが通電し、同図（Ｂ）に示すように、ベース電圧が印加する。

（６）時刻ｔ６〜ｔ７の期間
時刻ｔ６において短絡が発生すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは低い短絡電圧値になり、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは短絡電流Ｉｓとなり増加する。

（７）時刻ｔ７〜ｔ８の期間
時刻ｔ７において、同図（Ｃ）に示すように、パルス周期信号Ｔｆが短時間Ｈｉｇｈレベルに変化するが短絡発生中であるので極性切換動作には移行しないので、同図（Ｄ）に示すように、起動停止信号Ｓｔは変化しない。このために、同図（Ａ）に示すように、短絡電流Ｉｓの通電が継続される。

（８）時刻ｔ８〜ｔ９の期間
時刻ｔ８において短絡電流Ｉｓの通電によってアークが再発生すると、その時点から時刻ｔ９までの予め定めた遅延期間Ｔｄ中は、アーク再発生時の電流を維持する。このときに電流値はベース電流値Ｉｂに戻しても良い。遅延期間Ｔｄを設ける理由は、アーク再発生直後の再短絡を防止するためである。遅延期間Ｔｄは、０〜数msの範囲で適正値に設定する。遅延期間Ｔｄはなしでも良い。

（９）時刻ｔ９〜ｔ１０の期間
時刻ｔ９において遅延期間Ｔｄが経過すると、同図（Ｄ）に示すように、起動停止信号ＳｔがＨｉｇｈレベルになり溶接電源は出力を停止し、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは減少する。時刻ｔ１０において溶接電流Ｉｗが極性切換電流値Ｉｃまで減少し図２に示す電流比較信号ＣｍがＨｉｇｈレベルに変化すると、同図（Ｄ）に示すように、起動停止信号ＳｔはＬｏｗレベルに戻るので溶接電源は出力を開始する。これに応動して、図２に示す電流設定信号Ｉｒは電極マイナス電流Ｉｎに相当する値となり、同図（Ｅ）に示すように、駆動制御信号ＤｃはＬｏｗレベルに変化するので、トランジスタＴＲ３及びＴＲ４はオンになり電極マイナス極性ＥＮに切り換わる。

上記（１）〜（９）の動作を繰り返して溶接が進行する。上述した実施の形態によれば、極性切換に際して短絡が発生しているときはアークが再発生した後に極性切換動作を行う。このために、極性切換が安定化し、長期短絡及びアーク切れを防止することができる。

［効果］
図３は、本発明の効果の一例を示す長期短絡発生回数の比較図である。同図は、直径１．２mmのアルミニウム合金ワイヤを使用し、１００Ａ−１５．５Ｖで交流パルスＭＩＧ溶接を行い、１０ms以上の長期短絡が３０秒間に何回発生したかをカウントしたものである。また、同図では、効果を明確にするために、溶接電圧値を適正範囲内で低い値に設定して短絡が発生しやすい条件にしている。

同図に示すように、従来技術では短絡が長期短絡に至った回数が８３回もあったが、これに対して本発明では０回に減少した。両者とも略同じ回数の短絡が発生しているので、本発明では長期短絡に至らずにアークが再発生していることになる。長期短絡が発生しないことはアーク切れも発生しないことであり、アーク安定性が良好になる。

本発明の実施の形態に係る消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法を示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態に係る溶接電源のブロック図である。 本発明の効果の一理を示す長期短絡発生回数の比較図である。 従来技術の交流パルスアーク溶接の電流・電圧波形図である。 課題を示す図４に対応する電流・電圧波形図である。

符号の説明

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
ＡＣ 商用電源
ＣＣ 主制御回路
ＣＭ 電流比較回路
Ｃｍ 電流比較信号
Ｃｐ 極性切換信号
Ｄ２ａ-Ｄ２ｄ ２次側整流器
Ｄｃ 駆動制御信号
ＤＶ 駆動回路
Ｄｖ 駆動信号
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＮ 電極マイナス極性
ＥＰ 電極プラス極性
ＥＶ 電圧誤差増幅回路
Ｉｂ ベース電流
Ｉｃ 極性切換電流値
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｎ 電極マイナス電流
ＩＮＴ 高周波トランス
ＩＮＶ インバータ回路
Ｉｐ ピーク電流
Ｉｒ 電流設定信号
Ｉｓ 短絡電流
Ｉｗ 溶接電流
ＰＷＭ パルス幅変調回路
Ｐwm パルス幅変調信号
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
Ｓｔ 起動停止信号
Ｔｂ ベース期間
Ｔｄ 遅延期間
Ｔen 電極マイナス極性期間
Ｔep 電極プラス極性期間
Ｔｆ パルス周期信号
Ｔｐ ピーク期間
ＴＲ１〜ＴＲ４ トランジスタ
ＶＡＶ 平均電圧算出回路
Ｖav 平均電圧信号
Ｖｂ ベース電圧
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
ＶＦ Ｖ／Ｆコンバータ回路
Ｖｎ 電極マイナス電圧
Ｖｐ ピーク電圧
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＬ リアクトル
ΔＶ 電圧誤差増幅信号

Claims (3)

1. 電極プラス極性期間中はピーク電流及びベース電流を通電し、電極マイナス極性期間中は電極マイナス電流を通電し、前記電極プラス極性期間と前記電極マイナス極性期間とを交互に切り換えて溶接する消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法において、
   極性切換に際して、消耗電極と母材とが短絡しているときは短絡が解除されてアークが再発生した後に極性切換を行う、ことを特徴とする消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法。
2. 前記アーク再発生時点から予め定めた遅延期間が経過した時点で極性切換を行う、ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法。
3. 前記遅延期間中は前記アーク再発生時点の溶接電流を維持する、ことを特徴とする請求項２記載の消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法。
   
   

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