JP5558881B2 - プラズマミグ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、１つの溶接トーチを用いてミグアークとプラズマアークとを同時に発生させて溶接を行うプラズマミグ溶接方法に関するものである。

従来から、プラズマ溶接方法とミグ溶接方法とを組み合わせたプラズマミグ溶接方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このプラズマミグ溶接方法においては、溶接トーチを通して送給される溶接ワイヤと母材との間にミグ溶接電流を通電することによってミグアークを発生させる。これと同時に、溶接ワイヤを囲むようにアルゴンなどのガスを供給し、このガスを介して溶接トーチと母材との間にプラズマ溶接電流を通電することによってプラズマアークを発生させる。溶接ワイヤは、ミグアークを発生させる電極として機能すると共に、その先端が溶融することにより溶滴となって母材の接合を補助する。したがって、プラズマミグ溶接方法は、厚板の高効率溶接、薄板の高速溶接等に使用されることが多い。

上記のミグ溶接電流は、スパッタの発生を抑制し、かつ、溶滴を安定して供給するために、一般的に直流のパルス波形が使用される。したがって、ミグ溶接方法は、一般的なミグパルス溶接方法である。ミグパルス溶接方法を含む消耗電極式アーク溶接方法では、溶接中のアーク長を適正値に維持することが重要であるために、アーク長制御が行われる。上記のプラズマ溶接電流には、直流又は直流パルス波形が使用される。ここで、第１ピーク電流及び第１ベース電流から形成されるミグ溶接電流を通電してミグアークを発生させ、第２ピーク電流及び第２ベース電流から形成されるプラズマ溶接電流を通電してプラズマアークを発生させる場合において、上記の第１ピーク電流通電中に上記の第２ベース電流を通電し、上記第１ベース電流通電中に上記の第２ピーク電流を通電する従来技術（特許文献２参照）が開示されている。すなわち、ミグ溶接電流及びプラズマ溶接電流にパルス波形を使用すると共に、互いのピーク電流通電が重ならないように位相をずらしている。このようにすることによって、互いのピーク電流が重なって母材への入熱が過多になることがなくなるので、アルミニウム材の溶接において組織の劣化及び割れが防止でき、良好な溶接品質を得ることができる。これ以降の説明において、単にアーク長と記載したときはミグアークのアーク長を意味している。以下、この従来技術について説明する。

図９は、従来技術のプラズマミグ溶接方法を示す波形図である。同図（Ａ）はミグ溶接電流Ｉwmを示し、同図（Ｂ）はミグ溶接電圧Ｖwmを示し、同図（Ｃ）はプラズマ溶接電流Ｉwpを示す。ミグアークへの電力の供給は定電圧制御によって行われるので、電流及び電圧波形を示しており、プラズマアークへの電力の供給は定電流制御によって行われるので電流波形のみを示している。以下、同図を参照して説明する。

同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２のピーク期間Ｔｐ中は第１ピーク電流Ｉpmが通電し、時刻ｔ２〜ｔ３のベース期間Ｔｂ中は第１ベース電流Ｉbmが通電する。このピーク期間Ｔｐとベース期間Ｔｂとを合わせてパルス周期Ｔｆになる。そして、このミグ溶接電流Ｉwmの通電に対応して、同図（Ｂ）に示すように、ピーク期間Ｔｐ中は第１ピーク電圧Ｖpmが溶接ワイヤと母材との間に印加し、ベース期間Ｔｂ中は第１ベース電圧Ｖbmが印加する。

ミグ溶接では、良好な溶接品質を得るためにアーク長を適正値に維持するアーク長制御が行われる。通常、このアーク長制御は、ミグ溶接電圧Ｖwmがアーク長と略比例関係にあることを利用して、ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値が予め定めた電圧設定値と等しくなるようにパルス周期が制御される。ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値は、ミグ溶接電圧Ｖwmをローパスフィルタに通すことによって生成される。このアーク長制御の方式は、周波数変調制御と呼ばれる。この場合、ピーク期間Ｔｐ、第１ピーク電流Ｉpm及び第１ベース電流Ｉbmは所定値に設定され、定数のパルスパラメータとなる。第１ピーク電流Ｉpmは臨界値以上に設定され、ピーク期間Ｔｐと組み合わせてユニットパルス条件と呼ばれる。このユニットパルス条件は、１パルス周期１溶滴移行になるように設定される。第１ベース電流Ｉbmは、臨界値未満の数十Ａ程度の小電流値に設定される。ユニットパルス条件及び第１ベース電流Ｉbmは、溶接ワイヤの材質、直径、ガスの種類等に応じて適正値に設定される。上記のパルス周期Ｔｆは、フィードバック制御における操作量となるパラメータであり、周波数変調制御によってアーク負荷の変動に応動して過渡的に刻々と変化している。アーク状態が安定状態にあるときは、パルス周期Ｔｆは略一定値の定常値になる。溶接ワイヤの送給速度が変化すると、適正なアーク長を維持するためには、ミグ溶接電流Ｉwmの平均値もそれに対応して変化する必要がある。これは、アーク長は送給速度と溶融速度とのバランスによって定まり、溶融速度はミグ溶接電流Ｉwmの平均値に比例するからである。すなわち、周波数変調制御によるアーク長制御では、送給速度が変化すると電圧設定値をそれに対応して適正値に変化させるので、パルス周期Ｔｆの定常値が変化することになる。換言すれば、周波数変調制御では、送給速度に応じてパルス周期Ｔｆが変化することになる。

他方、プラズマ溶接電流Ｉwpは、ミグ溶接電流Ｉwmと同期している。ここで、ピーク期間Ｔｐの終了時刻ｔ２から所定遅延期間Ｔｄ経過した時刻をｔ２１とすると、同図（Ｃ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２１の期間中は予め定めた第２ベース電流Ｉbpが通電し、時刻ｔ２１〜ｔ３の期間中は予め定めた第２ピーク電流Ｉppが通電する。すなわち、プラズマ溶接電流Ｉwpの波形においては、所定値である遅延期間Ｔｄ、第２ピーク電流Ｉpp及び第２ベース電流Ｉbpが定数のパルスパラメータとなり、その周期は上記のパルス周期Ｔｆと同一となる。このようにすることによって、第１ピーク電流Ｉpmの通電と第２ピーク電流Ｉppの通電とが重ならないように制御している。

特開２００８−２２９６４１号公報 特開２００８−１０５０３９号公報

上述したように従来技術では、パルス周期Ｔｆは、送給速度が一定である場合にはミグアークの負荷変動に応動して過渡的に変化する。さらに、パルス周期Ｔｆの定常値は、送給速度が変化するとそれに対応して変化する。ミグアークでは、このようにパルス周期Ｔｆが変化することによってアーク長が適正値に維持されることになり、安定したアーク状態となる。他方、プラズマ溶接電流Ｉwpに対しては、パルス周期Ｔｆが変化すると、それに伴ってプラズマ溶接電流Ｉwpの平均値が変化することになる。これは、上述したように、パルスパラメータである遅延期間Ｔｄ、第２ピーク電流Ｉpp及び第２ベース電流Ｉbpが所定値であるので、周期が変化するとその平均値が変化するためである。プラズマ溶接電流Ｉwpの平均値は、母材の溶接継手、板厚、溶接速度等に応じて良好な溶接ビードが形成されるように設定される。しかし、上述したように、周波数変調制御によってパルス周期Ｔｆが変化すると、強制的にプラズマ溶接電流Ｉwpの平均値も変化してしまう。この結果、溶接ビードが悪くなる場合が生じることになる。

そこで、本発明では、ミグ溶接電流を周波数変調制御してパルス周期が変化しても、プラズマ溶接電流の平均値を所定値に維持することができるプラズマミグ溶接方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、
第１ピーク電流の通電と第１ベース電流の通電とを１パルス周期として繰り返すことによって溶接ワイヤと母材との間にミグアークを発生させ、周波数変調制御によって前記パルス周期を変化させて前記ミグアークのアーク長を制御し、
前記第１ベース電流の通電期間の一部又は全部の期間中は第２ピーク電流を通電し、前記パルス周期のその他の期間中は第２ベース電流を通電して前記溶接ワイヤを囲むように配置されたプラズマ電極と前記母材との間にプラズマアークを発生させるプラズマミグ溶接方法において、
前記周波数変調制御によって前記パルス周期が変化して前記第２ピーク電流及び前記第２ベース電流から形成されるプラズマ溶接電流の平均値が変化すると、プラズマ溶接電流の平均値が予め定めた電流設定値と等しくなるように前記プラズマ溶接電流の波形パラメータを制御する、
ことを特徴とするプラズマミグ溶接方法である。

請求項２の発明は、前記波形パラメータの制御が、前記第２ベース電流と前記第２ピーク電流の通電期間とを所定値に設定し、前記プラズマ溶接電流の平均値が前記電流設定値と等しくなるように前記第２ピーク電流をフィードバック制御によって変化させる制御である、
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマミグ溶接方法である。

請求項３の発明は、前記波形パラメータの制御が、前記第２ベース電流及び前記第２ピーク電流を所定値に設定し、前記プラズマ溶接電流の平均値が前記電流設定値と等しくなるように前記第２ピーク電流の通電期間をフィードバック制御によって変化させる制御である、
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマミグ溶接方法である。

本発明によれば、ミグ溶接電流の第１ピーク電流の通電とプラズマ溶接電流の第２ピーク電流の通電とが重ならないように位相をずらしており、かつ、ミグ溶接電流の周波数変調制御によってパルス周期が変化してもプラズマ溶接電流の平均値が所定値になるように制御している。このために、互いのピーク電流が重なって母材への入熱が過多になることがなく、かつ、プラズマアークからの入熱を所定値にすることができるので、アルミニウム材の溶接において組織の劣化及び割れが防止でき、良好な溶接品質を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係るプラズマミグ溶接方法を実施するための溶接装置の構成図である。 図１の溶接装置を構成するミグ溶接電源ＰＳＭのブロック図である。 図１の溶接装置を構成するプラズマ溶接電源ＰＳＰのブロック図である。 実施の形態１において、送給速度が低速であるときのミグ溶接電源ＰＳＭ及びプラズマ溶接電源ＰＳＰの各信号のタイミングチャートである。 実施の形態１において、送給速度が高速であるときのミグ溶接電源ＰＳＭ及びプラズマ溶接電源ＰＳＰの各信号のタイミングチャートである。 本発明の実施の形態２に係るプラズマ溶接電源ＰＳＰのブロック図である。 実施の形態２において、送給速度が低速であるときのミグ溶接電源ＰＳＭ及びプラズマ溶接電源ＰＳＰの各信号のタイミングチャートである。 実施の形態２において、送給速度が高速であるときのミグ溶接電源ＰＳＭ及びプラズマ溶接電源ＰＳＰの各信号のタイミングチャートである。 従来技術におけるプラズマミグ溶接方法を示す波形図である。

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。

［実施の形態１］
本発明の実施の形態１は、ミグ溶接電流に対する周波数変調制御によってパルス周期が変化したときに、第２ピーク電流及び第２ベース電流から形成されるプラズマ溶接電流の平均値が予め定めた電流設定値と等しくなるように第２ピーク電流値をフィードバック制御するものである。

図１は、本発明の実施の形態１に係るプラズマミグ溶接方法を実施するための溶接装置の構成図である。以下、同図を参照して、各構成物について説明する。

本溶接装置は、破線で囲まれた溶接トーチＷＴ、ミグ溶接電源ＰＳＭ及びプラズマ溶接電源ＰＳＰを備えている。溶接トーチＷＴは、シールドガスノズル５２内に、プラズマノズル５１、プラズマ電極１ｂ及び給電チップ４が同心軸上に配置された構造となっている。シールドガスノズル５２とプラズマノズル５１との隙間からは、たとえばアルゴンガス、アルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガス等のシールドガス６３が供給される。プラズマノズル５１とプラズマ電極１ｂとの間には、たとえばアルゴンガス、アルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガス等のプラズマガス６２が供給される。プラズマ電極１ｂと給電チップ４との間には、たとえばアルゴンガス、アルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガス等のセンターガス６１が供給される。

給電チップ４に設けられた貫通孔からは、溶接ワイヤ１ａが送給される。給電チップ４は、溶接ワイヤ１ａに対して導通している。溶接ワイヤ１ａは、送給モータＷＭを駆動源とする送給ロール７の回転によって送給される。プラズマ電極１ｂは、たとえば銅又は銅合金からなり、図外の経路を通る冷却水によって間接的に水冷されている。プラズマノズル５１は、たとえば銅又は銅合金からなり、冷却水を通す流路が形成されていることにより、直接冷却されている。溶接トーチＷＴは、通常ロボット（図示は省略）によって保持された状態で、母材２に対して移動させられる。溶接ワイヤ１ａの先端と母材２との間には、ミグアーク３ａが発生する。プラズマ電極１ｂと母材２との間には、プラズマガス６２によって熱的に拘束されたプラズマアーク３ｂが発生する。したがって、ミグアーク３ａは、プラズマアーク３ｂに包まれた状態になっている。このために、プラズマアーク３ｂは、ミグアーク３ａの形状が広がるのを拘束する作用がある。

ミグ溶接電源ＰＳＭは、給電チップ４を介して溶接ワイヤ１ａと母材２との間に、ミグ溶接電圧Ｖwmを印加することにより、ミグ溶接電流Ｉwmを通電するための電源である。ミグ溶接電源ＰＳＭからは、送給モータＷＭに対して送給制御信号Ｆｃが送られ、溶接ワイヤ１ａの送給速度が制御される。また、ミグ溶接電源ＰＳＭから後述するピーク期間タイマ信号Ｔpsがプラズマ溶接電源ＰＳＰに出力される。ミグ溶接電源ＰＳＭからミグ溶接電圧Ｖwmが印加されるときは、溶接ワイヤ１ａが＋側とされる。ミグ溶接電源ＰＳＭは、定電圧特性の電源であり、ミグ溶接電圧Ｖwmが予め定めた電圧設定信号Ｖｒ（図示は省略）の値と等しくなるように制御される。また、ミグ溶接電流Ｉwmの平均値は、溶接ワイヤ１ａの送給速度によってその値が定まる。

プラズマ溶接電源ＰＳＰは、プラズマ電極１ｂと母材２との間にプラズマ溶接電圧Ｖwpを印加することによりプラズマ溶接電流Ｉwpを通電するための電源である。プラズマ溶接電源ＰＳＰからプラズマ溶接電圧Ｖwpが印加されるときは、プラズマ電極１ｂが＋側とされる。プラズマ溶接電源ＰＳＰは、定電流特性の電源であり、プラズマ溶接電流Ｉwpを形成する第２ピーク電流及び第２ベース電流が所定値になるように制御される。

図２は、上述した図１を構成するミグ溶接電源ＰＳＭ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。

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、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってインバータ制御等の出力制御を行い、ミグ溶接電圧Ｖwm及びミグ溶接電流Ｉwm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次整流回路と、整流された直流を平滑するコンデンサと、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と、高周波交流をアーク溶接に適した電圧値に降圧するインバータトランスと、降圧された高周波交流を整流する２次整流回路と、整流された直流を平滑するリアクトルと、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってＰＷＭ変調制御を行ないその結果に基づいてインバータ回路を駆動する駆動回路と、から構成される。溶接ワイヤ１ａは、送給モータＷＭに結合された送給ロール７によって給電チップ４内を通って送給され、母材２との間にミグアーク３ａが発生する。溶接トーチの構造は図１のとおりであり、ここでは簡略化して図示している。

電圧検出回路ＶＤは、パルス波形のミグ溶接電圧Ｖwmを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。電圧平均値算出回路ＶＡＶは、この電圧検出信号Ｖｄの平均値を算出して、電圧平均値信号Ｖavを出力する。この平均値の算出は、ローパスフィルタを通すことによって行う。

送給速度設定回路ＦＲは、予め定めた送給速度設定信号Ｆｒを出力する。送給制御回路ＦＣは、この送給速度設定信号Ｆｒによって定まる送給速度Ｆｗで溶接ワイヤ１ａを送給するための送給制御信号Ｆｃを送給モータＷＭに出力する。

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、この電圧設定信号Ｖｒと上記の電圧平均値信号Ｖavとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。電圧／周波数変換回路ＶＦは、この電圧誤差増幅信号Ｅｖの値に応じた周波数を有するパルス周期信号Ｔfsを出力する。このパルス周期信号Ｔfsは、パルス周期ごとに短時間だけＨｉｇｈレベルになるトリガ信号である。

ピーク期間設定回路ＴＰＲは、予め定めたピーク期間設定信号Ｔprを出力する。ピーク期間タイマ回路ＴＰＳは、上記のパルス周期信号ＴfsがＨｉｇｈレベルになると上記のピーク期間設定信号Ｔprの値によって定まる期間だけＨｉｇｈレベルになるピーク期間タイマ信号Ｔpsを、後述する電流設定制御回路ＩＲＣに出力すると共に、プラズマ溶接電源ＰＳＰに出力する。このピーク期間タイマ信号ＴpsがＨｉｇｈレベルのときがピーク期間となり、Ｌｏｗレベルのときがベース期間となる。

第１ベース電流設定回路ＩＢＭＲは、予め定めた第１ベース電流設定信号Ｉbmrを出力する。第１ピーク電流設定回路ＩＰＭＲは、予め定めた第１ピーク電流設定信号Ｉpmrを出力する。電流設定制御回路ＩＲＣは、上記のピーク期間タイマ信号ＴpsがＬｏｗレベルのときは上記の第１ベース電流設定信号Ｉbmrを電流設定制御信号Ｉrcとして出力し、Ｈｉｇｈレベルのときは上記の第１ピーク電流設定信号Ｉpmrを電流設定制御信号Ｉrcとして出力する。

電流検出回路ＩＤは、パルス波形のミグ溶接電流Ｉwmを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流設定制御信号Ｉrc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。上述したミグ溶接電源ＰＳＭでは、ミグ溶接電圧Ｖwm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が変化して周波数変調制御が行われるので、定電圧特性の電源となる。

図３は、上述した図１を構成するプラズマ溶接電源ＰＳＰ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。

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、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってインバータ制御等の出力制御を行いプラズマ溶接電流Ｉwpを出力する。このプラズマ溶接電流Ｉwpは、プラズマ電極１ｂ、プラズマアーク３ｂ、母材２を通って通電する。溶接トーチの構造は上述した図１のとおりであるが、ここでは簡略化して図示している。

論理反転回路ＮＯＴは、上述したようにミグ溶接電源ＰＳＭからのピーク期間タイマ信号Ｔpsを入力として、その論理反転を行い、論理反転信号Ｎotを出力する。この論理反転信号Ｎotは、ミグ溶接電流Ｉwmのピーク期間中はＬｏｗレベルになり、ベース期間中はＨｉｇｈレベルになる信号である。オンディレイ回路ＯＤは、この論理反転信号Ｎotを入力として、その信号がＨｉｇｈレベルになるのを予め定めたオンディレイ期間Ｔodだけ遅延させたオンディレイ信号Ｏｄを出力する。第２ピーク電流通電期間設定回路ＴＰＰＲは、予め定めた第２ピーク電流通電期間設定信号Ｔpprを出力する。第２ピーク電流通電期間タイマ回路ＴＰＰＳは、上記の論理反転信号Ｎot、上記のオンディレイ信号Ｏｄ及びこの第２ピーク電流通電期間設定信号Ｔpprを入力として、オンディレイ信号ＯｄがＨｉｇｈレベルに変化した時点から第２ピーク電流通電期間設定信号Ｔpprによって定まる期間だけＨｉｇｈレベルになる信号を生成し、この信号と論理反転信号Ｎotとの論理積を取り第２ピーク電流通電期間タイマ信号Ｔppsを出力する。この第２ピーク電流通電期間タイマ信号ＴppsがＨｉｇｈレベルのときは第２ピーク電流が通電する期間となり、Ｌｏｗレベルのときは第２ベース電流が通電する期間となる。そして、この第２ピーク電流通電期間タイマ信号ＴppsがＨｉｇｈレベルになる期間は、論理反転信号Ｎotとの論理積された信号であるので、ミグ溶接電流Ｉwmのベース期間中に限定されることになる。

電流検出回路ＩＤは、パルス波形のプラズマ溶接電流Ｉwpを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。電流平均値算出回路ＩＡＶは、この電流検出信号Ｉｄを入力として、その平均値を算出して電流平均値信号Ｉavとして出力する。電流設定回路ＩＡＲは、プラズマ溶接電流Ｉwpの平均値を設定するための予め定めた電流設定信号Ｉarを出力する。電流誤差積分回路ＳＩは、この電流設定信号Ｉar及び上記の電流平均値信号Ｉavを入力として、第２ピーク電流設定信号Ｉppr＝Ｉpp0＋∫（Ｉar−Ｉav）・ｄｔを出力する。ここで、Ｉpp0は予め定めた第２ピーク電流の初期値である。積分は溶接中行われる。第２ベース電流設定回路ＩＢＰＲは、予め定めた第２ベース電流設定信号Ｉbprを出力する。電流設定制御回路ＩＲＣは、上記の第２ピーク電流通電期間タイマ信号Ｔpps、上記の第２ピーク電流設定信号Ｉppr及び上記の第２ベース電流設定信号Ｉbprを入力として、第２ピーク電流通電期間タイマ信号ＴppsがＨｉｇｈレベルのときは第２ピーク電流設定信号Ｉpprを電流設定制御信号Ｉrcとして出力し、Ｌｏｗレベルのときは第２ベース電流設定信号Ｉbprを電流設定制御信号Ｉrcとして出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、この電流設定制御信号Ｉrc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。この電流誤差増幅信号Ｅｉに従って溶接電源の出力制御が行われることによって、第２ピーク電流及び第２ベース電流から形成されるプラズマ溶接電流Ｉwpが通電する。

図４及び図５は、上述したミグ溶接電源ＰＳＭ及びプラズマ溶接電源ＰＳＰの各信号のタイミングチャートである。図４は、送給速度が図５よりも低速に設定されている場合であり、周波数変調制御によってパルス周期Ｔｆが図５よりも長くなる場合である。他方、図５は、送給速度が図４よりも高速に設定されている場合であり、周波数変調制御によってパルス周期Ｔｆが図４よりも短くなる場合である。以下、両図を用いて動作を説明する。

図４は、送給速度が低速であるときのミグ溶接電源ＰＳＭ及びプラズマ溶接電源ＰＳＰの各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）はミグ溶接電流Ｉwmを示し、同図（Ｂ）はプラズマ溶接電流Ｉwpを示し、同図（Ｃ）はパルス周期信号Ｔfsを示し、同図（Ｄ）はピーク期間タイマ信号Ｔpsを示し、同図（Ｅ）は第２ピーク電流通電期間タイマ信号Ｔppsを示す。同図は、周波数変調制御によってピーク期間Ｔｐとパルス周期Ｔｆとの時間比がおよそ１：５となる場合である。以下、同図を参照して動作を説明する。

同図（Ｃ）に示すように、パルス周期信号Ｔfsは、時刻ｔ１及び時刻ｔ３において短時間だけＨｉｇｈレベルになるトリガ信号である。この時刻ｔ１〜ｔ３の期間がパルス周期Ｔf1となる。このパルス周期Ｔf1は、ミグ溶接電圧の平均値が電圧設定信号Ｖｒの値と等しくなるように周波数変調制御によって決定される。同図（Ｄ）に示すように、ピーク期間タイマ信号Ｔpsは、パルス周期信号ＴfsがＨｉｇｈレベルに変化した時点（時刻ｔ１及びｔ３）からピーク期間設定信号Ｔprによって定まる期間（時刻ｔ１〜ｔ２の期間）だけＨｉｇｈレベルになる信号である。したがって、同図（Ｄ）に示すように、ピーク期間タイマ信号Ｔpsは、時刻ｔ１〜ｔ２のピーク期間Ｔｐ中はＨｉｇｈレベルになり、時刻ｔ２〜ｔ３のベース期間Ｔｂ中はＬｏｗレベルになる。同図（Ａ）に示すように、ミグ溶接電流Ｉwmは、ピーク期間タイマ信号ＴpsがＨｉｇｈレベルのピーク期間Ｔｐ中は第１ピーク電流Ｉpmが通電し、Ｌｏｗレベルのベース期間Ｔｂ中は第１ベース電流Ｉbmが通電する。

同図（Ｅ）に示すように、第２ピーク電流通電期間タイマ信号Ｔppsは、同図（Ｄ）に示すピーク期間タイマ信号ＴpsがＬｏｗレベルに変化する時刻ｔ２から予め定めたオンディレイ期間Ｔodが経過した時刻ｔ２１においてＨｉｇｈレベルになり、その時点から第２ピーク電流通電期間設定信号Ｔpprによって定まる時間が経過した時刻ｔ２２においてＬｏｗレベルになる。したがって、同図（Ｅ）に示すように、第２ピーク電流通電期間タイマ信号Ｔppsは、時刻ｔ２１〜ｔ２２の期間だけＨｉｇｈレベルになる。同図（Ｂ）に示すように、プラズマ溶接電流Ｉwpは、同図（Ｅ）に示す第２ピーク電流通電期間タイマ信号ＴppsがＨｉｇｈレベルになる時刻ｔ２１〜ｔ２２の期間中は第２ピーク電流Ｉppが通電し、Ｌｏｗレベルになる時刻ｔ１〜ｔ２１及び時刻ｔ２２〜ｔ３の期間中は第２ベース電流Ｉbpが通電する。

同図（Ａ）に示すミグ溶接電流Ｉwmの波形において、第１ピーク電流Ｉpm、第１ベース電流Ｉbm及びピーク期間Ｔｐは所定値であり、周波数変調制御によってパルス周期Ｔｆは変化し、これに伴いベース期間Ｔｂも変化する。他方、同図（Ｂ）に示すプラズマ溶接電流Ｉwpの波形において、第２ベース電流Ｉbp及び第２ピーク電流通電期間Ｔppは所定値である。そして、ミグ溶接電流Ｉwmの周波数変調制御によってパルス周期Ｔｆが変化しても、プラズマ溶接電流Ｉwpの平均値が設定値になるように第２ピーク電流Ｉppの値が制御される。この制御を電流変調制御と呼ぶことにする。同図では、第２ピーク電流Ｉpp＝Ｉpp1となっている。

図５は、送給速度が高速であるときのミグ溶接電源ＰＳＭ及びプラズマ溶接電源ＰＳＰの各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）はミグ溶接電流Ｉwmを示し、同図（Ｂ）はプラズマ溶接電流Ｉwpを示し、同図（Ｃ）はパルス周期信号Ｔfsを示し、同図（Ｄ）はピーク期間タイマ信号Ｔpsを示し、同図（Ｅ）は第２ピーク電流通電期間タイマ信号Ｔppsを示す。同図は、周波数変調制御によってピーク期間Ｔｐとパルス周期Ｔｆとの時間比がおよそ１：２となる場合である。同図は図４と対応しており、同一動作については説明を省略し、異なる点について説明する。

同図（Ａ）に示すミグ溶接電流Ｉwmの波形において、第１ピーク電流Ｉpm、第１ベース電流Ｉbm及びピーク期間Ｔｐは図４と同一値であり、周波数変調制御によってパルス周期Ｔｆは変化し、これに伴いベース期間Ｔｂも変化する。図４ではパルス周期Ｔｆ＝Ｔf1となり、同図ではパルス周期Ｔｆ＝Ｔf2となる。Ｔf1＞Ｔf2である。他方、同図（Ｂ）に示すプラズマ溶接電流Ｉwpの波形において、第２ベース電流Ｉbp及び第２ピーク電流通電期間Ｔppは図４と同一値である。そして、ミグ溶接電流Ｉwmの周波数変調制御によってパルス周期Ｔｆが変化しても、プラズマ溶接電流Ｉwpの平均値が電流設定値になるように第２ピーク電流Ｉppの値が制御される。図４では、第２ピーク電流Ｉpp＝Ｉpp1となっており、同図では、第２ピーク電流Ｉpp＝Ｉpp2となっている。Ｉpp1＞Ｉpp2である。これは、パルス周期Ｔｆは同図の方が短いので、同一の平均値を得るためには第２ピーク電流Ｉppを小さくできるためである。

同図において数値例を挙げて説明する。ミグ溶接電流Ｉwmの波形パラメータである第１ピーク電流Ｉpm＝４５０Ａ、第１ベース電流Ｉbm＝５０Ａ、ピーク期間Ｔｐ＝２msとして、パルス周期Ｔf1＝１０msに制御されたとする。他方、プラズマ溶接電流Ｉwpの波形パラメータであるオンディレイ期間Ｔod＝０、第２ベース電流Ｉbp＝５０Ａ、第２ピーク電流通電期間Ｔpp＝２msとし、電流変調制御によって第２ピーク電流Ｉpp＝５０〜４５０Ａの範囲で変化すると、プラズマ溶接電流Ｉwpの平均値は５０〜１３０Ａの範囲で設定することができる。このときのミグ溶接電流Ｉwmの平均値は１３０Ａである。プラズマ溶接電流Ｉwpの平均値は、実用上、ミグ溶接電流Ｉwmの平均値以下で設定されることが多いので、上記の設定範囲はさほど問題ではない。図５の場合には、パルス周期Ｔf2＝４msとすると、プラズマ溶接電流Ｉwpの平均値は５０〜２５０Ａの範囲で設定することができる。このときのミグ溶接電流Ｉwmの平均値は２５０Ａである。この設定範囲についても、上記と同様である。

オンディレイ期間Ｔodを設ける理由は、以下のとおりである。オンディレイ期間Ｔod＝０の場合には、図４及び図５の時刻ｔ２において、第１ピーク電流Ｉpmは立ち下がり、第２ピーク電流Ｉppは立ち上がることになる。実際の電流波形では、溶接電源内部のリアクトル及び外部のケーブルの引き回しによるリアクトルの影響によって、立下り及び立上りに傾斜が存在する。このために、オンディレイ期間Ｔodを設けることで、立下りと立上りとの交差する期間における電流の重なりを防止して、母材への過熱を抑制している。

上述した実施の形態１によれば、ミグ溶接電流の第１ピーク電流の通電とプラズマ溶接電流の第２ピーク電流の通電とが重ならないように位相をずらしており、かつ、ミグ溶接電流の周波数変調制御によってパルス周期が変化してもプラズマ溶接電流の平均値が所定値になるように制御している。このために、互いのピーク電流が重なって母材への入熱が過多になることがなく、かつ、プラズマアークからの入熱を所定値にすることができるので、アルミニウム材の溶接において組織の劣化及び割れが防止でき、良好な溶接品質を得ることができる。さらに、本実施の形態では、プラズマ溶接電流の平均値が常に所定値に制御されるので、プラズマアークからの溶接ワイヤへの予熱が一定となり、溶接ワイヤの溶滴移行が安定化され、溶接ヒューム及びスパッタの発生を低減することができる。

［実施の形態２］
本発明の実施の形態２は、ミグ溶接電流に対する周波数変調制御によってパルス周期が変化したときに、第２ピーク電流及び第２ベース電流から形成されるプラズマ溶接電流の平均値が予め定めた電流設定値と等しくなるように第２ピーク電流の通電期間をフィードバック制御するものである。

実施の形態２に係るプラズマミグ溶接方法を実施するための溶接装置は、上述した図１と同一である。また、溶接装置を構成するミグ溶接電源ＰＳＭのブロック図についても、上述した図２と同一である。しかし、溶接装置を構成するプラズマ溶接電源ＰＳＰのブロック図は、上述した図３とは一部が異なっているので、以下、その点について説明する。

図６は、実施の形態２に係るプラズマ溶接電源ＰＳＰのブロック図である。同図において、上述した図３と同一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。同図は、図３の第２ピーク電流通電期間設定回路ＴＰＰＲを削除し、図３の電流誤差積分回路ＳＩを破線で示す第２電流誤差積分回路ＳＩ２に置換し、破線で示す第２ピーク電流設定回路ＩＰＰＲを追加したものである。以下、これらのブロックについて同図を参照して説明する。

第２電流誤差積分回路ＳＩ２は、電流設定信号Ｉar及び電流平均値信号Ｉavを入力として、第２ピーク電流通電期間設定信号Ｔppr＝Ｔpp0＋∫（Ｉar−Ｉav）・ｄｔを出力する。ここで、Ｔpp0は予め定めた第２ピーク電流通電期間の初期値である。積分は溶接中行われる。第２ピーク電流設定回路ＩＰＰＲは、予め定めた第２ピーク電流設定信号Ｉpprを出力する。

図７及び図８は、実施の形態２に係るミグ溶接電源ＰＳＭ及びプラズマ溶接電源ＰＳＰの各信号のタイミングチャートである。図７は、上述した図４と対応しており、送給速度が図８よりも低速に設定されている場合であり、周波数変調制御によってパルス周期Ｔｆが図８よりも長くなる場合である。他方、図８は、上述した図５に対応しており、送給速度が図７よりも高速に設定されている場合であり、周波数変調制御によってパルス周期Ｔｆが図７よりも短くなる場合である。以下、両図を用いて動作を説明する。

図７は、送給速度が低速であるときのミグ溶接電源ＰＳＭ及びプラズマ溶接電源ＰＳＰの各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）はミグ溶接電流Ｉwmを示し、同図（Ｂ）はプラズマ溶接電流Ｉwpを示し、同図（Ｃ）はパルス周期信号Ｔfsを示し、同図（Ｄ）はピーク期間タイマ信号Ｔpsを示し、同図（Ｅ）は第２ピーク電流通電期間タイマ信号Ｔppsを示す。同図は、周波数変調制御によってピーク期間Ｔｐとパルス周期Ｔｆとの時間比がおよそ１：５となる場合である。以下、同図を参照して動作を説明する。

同図（Ｃ）に示すように、パルス周期信号Ｔfsは、時刻ｔ１及び時刻ｔ３において短時間だけＨｉｇｈレベルになるトリガ信号である。この時刻ｔ１〜ｔ３の期間がパルス周期Ｔf1となる。このパルス周期Ｔf1は、ミグ溶接電圧の平均値が電圧設定信号Ｖｒの値と等しくなるように周波数変調制御によって決定される。同図（Ｄ）に示すように、ピーク期間タイマ信号Ｔpsは、パルス周期信号ＴfsがＨｉｇｈレベルに変化した時点（時刻ｔ１及びｔ３）からピーク期間設定信号Ｔprによって定まる期間（時刻ｔ１〜ｔ２の期間）だけＨｉｇｈレベルになる信号である。したがって、同図（Ｄ）に示すように、ピーク期間タイマ信号Ｔpsは、時刻ｔ１〜ｔ２のピーク期間Ｔｐ中はＨｉｇｈレベルになり、時刻ｔ２〜ｔ３のベース期間Ｔｂ中はＬｏｗレベルになる。同図（Ａ）に示すように、ミグ溶接電流Ｉwmは、ピーク期間タイマ信号ＴpsがＨｉｇｈレベルのピーク期間Ｔｐ中は第１ピーク電流Ｉpmが通電し、Ｌｏｗレベルのベース期間Ｔｂ中は第１ベース電流Ｉbmが通電する。

同図（Ｅ）に示すように、第２ピーク電流通電期間タイマ信号Ｔppsは、同図（Ｄ）に示すピーク期間タイマ信号ＴpsがＬｏｗレベルに変化する時刻ｔ２から予め定めたオンディレイ期間Ｔodが経過した時刻ｔ２１においてＨｉｇｈレベルになり、その時点から第２ピーク電流通電期間設定信号Ｔpprによって定まる時間が経過した時刻ｔ２２においてＬｏｗレベルになる。したがって、同図（Ｅ）に示すように、第２ピーク電流通電期間タイマ信号Ｔppsは、時刻ｔ２１〜ｔ２２の期間だけＨｉｇｈレベルになる。同図（Ｂ）に示すように、プラズマ溶接電流Ｉwpは、同図（Ｅ）に示す第２ピーク電流通電期間タイマ信号ＴppsがＨｉｇｈレベルになる時刻ｔ２１〜ｔ２２の期間中は第２ピーク電流Ｉppが通電し、Ｌｏｗレベルになる時刻ｔ１〜ｔ２１及び時刻ｔ２２〜ｔ３の期間中は第２ベース電流Ｉbpが通電する。

同図（Ａ）に示すミグ溶接電流Ｉwmの波形において、第１ピーク電流Ｉpm、第１ベース電流Ｉbm及びピーク期間Ｔｐは所定値であり、周波数変調制御によってパルス周期Ｔｆは変化し、これに伴いベース期間Ｔｂも変化する。他方、同図（Ｂ）に示すプラズマ溶接電流Ｉwpの波形において、第２ベース電流Ｉbp及び第２ピーク電流Ｉppは所定値である。そして、ミグ溶接電流Ｉwmの周波数変調制御によってパルス周期Ｔｆが変化しても、プラズマ溶接電流Ｉwpの平均値が電流設定値になるように第２ピーク電流通電期間Ｔppが制御される。この制御を期間変調制御と呼ぶことにする。同図では、第２ピーク電流通電期間Ｔpp＝Ｔpp1となっている。

図８は、送給速度が高速であるときのミグ溶接電源ＰＳＭ及びプラズマ溶接電源ＰＳＰの各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）はミグ溶接電流Ｉwmを示し、同図（Ｂ）はプラズマ溶接電流Ｉwpを示し、同図（Ｃ）はパルス周期信号Ｔfsを示し、同図（Ｄ）はピーク期間タイマ信号Ｔpsを示し、同図（Ｅ）は第２ピーク電流通電期間タイマ信号Ｔppsを示す。同図は、周波数変調制御によってピーク期間Ｔｐとパルス周期Ｔｆとの時間比がおよそ１：２となる場合である。同図は図７と対応しており、同一動作については説明を省略し、異なる点について説明する。

同図（Ａ）に示すミグ溶接電流Ｉwmの波形において、第１ピーク電流Ｉpm、第１ベース電流Ｉbm及びピーク期間Ｔｐは図４と同一値であり、周波数変調制御によってパルス周期Ｔｆは変化し、これに伴いベース期間Ｔｂも変化する。図７ではパルス周期Ｔｆ＝Ｔf1となり、同図ではパルス周期Ｔｆ＝Ｔf2となる。Ｔf1＞Ｔf2である。他方、同図（Ｂ）に示すプラズマ溶接電流Ｉwpの波形において、第２ベース電流Ｉbp及び第２ピーク電流Ｉppは図７と同一値である。そして、ミグ溶接電流Ｉwmの周波数変調制御によってパルス周期Ｔｆが変化しても、プラズマ溶接電流Ｉwpの平均値が電流設定値になるように第２ピーク電流通電期間Ｔppの時間長さが制御される。図７では、第２ピーク電流通電期間Ｔpp＝Ｔpp1となっており、同図では、第２ピーク電流通電期間Ｔpp＝Ｔpp2となっている。Ｔpp1＞Ｔpp2である。これは、パルス周期Ｔｆは同図の方が短いので、同一の平均値を得るためには第２ピーク電流通電期間Ｔppは短くなるためである。

同図において数値例を挙げて説明する。ミグ溶接電流Ｉwmの波形パラメータである第１ピーク電流Ｉpm＝４５０Ａ、第１ベース電流Ｉbm＝５０Ａ、ピーク期間Ｔｐ＝２msとして、パルス周期Ｔf1＝１０msに制御されたとする。他方、プラズマ溶接電流Ｉwpの波形パラメータであるオンディレイ期間Ｔod＝０、第２ベース電流Ｉbp＝５０Ａ、第２ピーク電流Ｉpp＝４５０Ａとし、期間変調制御によって第２ピーク電流通電期間Ｔpp＝０〜８msのベース期間Ｔｂの範囲で変化すると、プラズマ溶接電流Ｉwpの平均値は５０〜３７０Ａの範囲で設定することができる。このときのミグ溶接電流Ｉwmの平均値は１３０Ａとなる。図８の場合には、パルス周期Ｔf2＝４msとすると、プラズマ溶接電流Ｉwpの平均値は５０〜２５０Ａの範囲で設定することができる。このときのミグ溶接電流Ｉwmの平均値は２５０Ａとなる。

上述した実施の形態２によれば、ミグ溶接電流の周波数変調制御によってパルス周期が変化しても、プラズマ溶接電流の第２ピーク電流通電期間を制御することによってプラズマ溶接電流の平均値を所定値にすることができる。このために、実施の形態１と同様の効果を奏する。さらに、プラズマ溶接電流の平均値の設定範囲を実施の形態１よりも広くすることができる。

その他の実施の形態として、プラズマ溶接電流の平均値が電流設定値と等しくなるように第２ベース電流値をフィードバック制御しても良い。さらに、プラズマ溶接電流の平均値が電流設定値と等しくなるように第２ピーク電流値、第２ベース電流値又は第２ピーク電流通電期間の少なくとも２つ以上を組み合わせてフィードバック制御しても良い。また、ミグアークに対する周波数変調制御において、ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値に代えて、第１ピーク電圧Ｖpmの瞬時値又は平均値を使用しても良い。これは、母材にアルミニウム材を使用する場合には、ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値よりも第１ピーク電圧Ｖpmの瞬時値又は平均値の方がアーク長をより正確に検出することができるためである。

１ａ 溶接ワイヤ
１ｂ プラズマ電極
２ 母材
３ａ ミグアーク
３ｂ プラズマアーク
４ 給電チップ
７ 送給ロール
５１ プラズマノズル
５２ シールドガスノズル
６１ センターガス
６２ プラズマガス
６３ シールドガス
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 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
Ｆｗ 送給速度
ＩＡＲ 電流設定回路
Ｉar 電流設定信号
ＩＡＶ 電流平均値算出回路
Ｉav 電流平均値信号
Ｉbm 第１ベース電流
ＩＢＭＲ 第１ベース電流設定回路
Ｉbmr 第１ベース電流設定信号
Ｉbp 第２ベース電流
ＩＢＰＲ 第２ベース電流設定回路
Ｉbpr 第２ベース電流設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉpm 第１ピーク電流
ＩＰＭＲ 第１ピーク電流設定回路
Ｉpmr 第１ピーク電流設定信号
Ｉpp 第２ピーク電流
ＩＰＰＲ 第２ピーク電流設定回路
Ｉppr 第２ピーク電流設定信号
ＩＲＣ 電流設定制御回路
Ｉrc 電流設定制御信号
Ｉwm ミグ溶接電流
Ｉwp プラズマ溶接電流
ＮＯＴ 論理反転回路
Ｎot 論理反転信号
ＯＤ オンディレイ回路
Ｏｄ オンディレイ信号
ＰＭ 電源主回路
ＰＳＭ ミグ溶接電源
ＰＳＰ プラズマ溶接電源
ＳＩ 電流誤差積分回路
ＳＩ２ 第２電流誤差積分回路
Ｔｂ ベース期間
Ｔｄ 遅延期間
Ｔｆ パルス周期
Ｔfs パルス周期信号
Ｔod オンディレイ期間
Ｔｐ ピーク期間
Ｔpp 第２ピーク電流通電期間
ＴＰＰＲ 第２ピーク電流通電期間設定回路
Ｔppr 第２ピーク電流通電期間設定信号
ＴＰＰＳ 第２ピーク電流通電期間タイマ回路
Ｔpps 第２ピーク電流通電期間タイマ信号
ＴＰＲ ピーク期間設定回路
Ｔpr ピーク期間設定信号
ＴＰＳ ピーク期間タイマ回路
Ｔps ピーク期間タイマ信号
ＶＡＶ 電圧平均値算出回路
Ｖav 電圧平均値信号
Ｖbm 第１ベース電圧
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
ＶＦ 電圧／周波数変換回路
Ｖpm 第１ピーク電圧
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
Ｖwm ミグ溶接電圧
Ｖwp プラズマ溶接電圧
ＷＭ 送給モータ
ＷＴ 溶接トーチ

Claims (3)

1. 第１ピーク電流の通電と第１ベース電流の通電とを１パルス周期として繰り返すことによって溶接ワイヤと母材との間にミグアークを発生させ、周波数変調制御によって前記パルス周期を変化させて前記ミグアークのアーク長を制御し、
   前記第１ベース電流の通電期間の一部又は全部の期間中は第２ピーク電流を通電し、前記パルス周期のその他の期間中は第２ベース電流を通電して前記溶接ワイヤを囲むように配置されたプラズマ電極と前記母材との間にプラズマアークを発生させるプラズマミグ溶接方法において、
   前記周波数変調制御によって前記パルス周期が変化して前記第２ピーク電流及び前記第２ベース電流から形成されるプラズマ溶接電流の平均値が変化すると、プラズマ溶接電流の平均値が予め定めた電流設定値と等しくなるように前記プラズマ溶接電流の波形パラメータを制御する、
   ことを特徴とするプラズマミグ溶接方法。
2. 前記波形パラメータの制御が、前記第２ベース電流と前記第２ピーク電流の通電期間とを所定値に設定し、前記プラズマ溶接電流の平均値が前記電流設定値と等しくなるように前記第２ピーク電流をフィードバック制御によって変化させる制御である、
   ことを特徴とする請求項１記載のプラズマミグ溶接方法。
3. 前記波形パラメータの制御が、前記第２ベース電流及び前記第２ピーク電流を所定値に設定し、前記プラズマ溶接電流の平均値が前記電流設定値と等しくなるように前記第２ピーク電流の通電期間をフィードバック制御によって変化させる制御である、
   ことを特徴とする請求項１記載のプラズマミグ溶接方法。

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