JP6945290B2 - スパッタを低減したａｃ溶接用の溶接システム - Google Patents

Description

ある実施形態は電気アークに関する。より詳細には、実施形態によっては、スパッタを低減した交流（ＡＣ）溶接用のシステムに関する。最も詳細には、実施形態によっては、複数の位相を有する選択された波形の交流を供給する電源を備える溶接システムに関し、ここで波形は、棒プラスでのピンチ電流段階および離脱段階、それに続く負極性のピーク、テイルアウト、およびバックグラウンドの段階を示し、次の短絡現象の前に棒プラス段階に切り替わる。

米国特許第４，９７２，０６４号明細書 米国特許第６，０５１，８１０号明細書 米国特許第６，４９８，３２１号明細書 米国特許出願番号１１／８６１，３７９号明細書

本溶接システムの一実施形態は、１組の正の部分と負の部分を有する選択された波形の交流を供給する溶接電源を備え、この負の部分は、ピーク、テイルアウト、およびバックグラウンドの段階からなり、正の部分は、ピーク、テイルアウト、およびバックグラウンドからなり、この電源は、ピンチ段階において上り傾斜の電流を供給し、ピーク、テイルアウト、およびバックグラウンドの段階からなる負の部分において棒マイナスの電流に切り替わり、それに続いて棒プラス部分に切り替わり、次の短絡現象の前にこの正の部分が繰り返してもよい。

このシステムの別の実施形態によれば、波形は表面張力移行波形である。

システムの別の実施形態によれば、波形はＧＭＡＷ波形である。

システムの別の実施形態によれば、溶接電源は、選択された波形を供給するように構成された波形発生器を備え、この波形発生器は、ｄｖ／ｄｔ、インピーダンス、または予測モデルに基づくタイマのうちの少なくとも１つに基づいて、短絡回路の端部（すなわちネッキング）の状態を検出するように構成され、この電源は、短絡回路の端部を検出すると棒マイナスの電流に切り替わる。

システムの別の実施形態によれば、溶接電源は、棒プラスとしてピンチ電流を供給する。

システムの別の実施形態によれば、波形は離脱段階を含み、溶接電源は、棒プラスの電流を用いて離脱段階においてアークを再点火する。システムのさらに別の実施形態によれば、離脱段階の後、波形は、電極の遠位端を溶接パドルから遠ざけるよう押圧するようになされた噴射力を生成するように構成された、棒マイナスの電流に切り替わる。

システムの別の実施形態によれば、波形はさらに、ピンチ段階の前にバックグラウンド段階および濡れ段階を含み、このバックグラウンド段階および濡れ段階は棒プラスであり、バックグラウンド段階は濡れ段階よりアンペア数が高い。

システムの別の実施形態によれば、濡れ段階において、溶接電源は約２０アンペア〜約４０アンペアの電流を供給する。

システムの別の実施形態によれば、負極性のバックグラウンド段階において、溶接電源は約４０アンペア〜８０アンペアの範囲の電流を供給する。

システムの別の実施形態によれば、正極性のバックグラウンド段階において、溶接電源は約４０アンペア〜８０アンペアの範囲の電流を供給する。

システムの別の実施形態によれば、負極性のピーク電流段階において、溶接電源は約１５０アンペア〜３５０アンペアの範囲の電流を供給する。

システムの別の実施形態によれば、溶接電源は、約５０アンペア〜３００アンペアの範囲の２乗平均平方根（ＲＭＳ）の電流を供給する。

システムの別の実施形態によれば、１つまたは複数のパルスのそれぞれの持続時間が、約．５〜２ミリ秒の範囲にある。

システムの別の実施形態によれば、負の部分は、ピンチ段階の後に生じ、離脱段階によってピンチ段階から分離される。

システムの別の実施形態によれば、負のテイルアウト段階は、棒マイナスの電流を徐々に低減させることを含む。

システムの別の実施形態によれば、溶接電源は、状態関数発生器と通信する制御装置、状態関数発生器と通信するデジタル信号プロセッサ、デジタル信号プロセッサと通信するインバータを備え、このインバータは、電源、スイッチング回路、および電流低減装置に電気的に接続される。

システムのさらなる実施形態によれば、スイッチング回路はＨブリッジ極性スイッチである。

システムのさらに別の実施形態によれば、状態関数発生器は、トーチ、およびこのトーチから電圧帰還または電流帰還を受ける被加工物のうち少なくとも一方に電気的に接続される。

この溶接システムの別の実施形態は、選択された波形の交流を電極に供給するように構成された溶接電源を備え、この電極は消耗性であり、この波形は、電極がその露出した端部で溶融液滴を生成する際の１つまたは複数の段階を含み、溶融液滴が電極から離脱するときに電極と被加工物の間の短絡が発生し、溶接電源は、短絡を検出し、溶融液滴が被加工物に移動した後に棒マイナスのピーク電流を電極に供給するように構成され、この溶接電源は、溶融液滴が形成するパドルを被加工物に向けて押しつける噴射力を生成する。

別の実施形態によれば、波形は表面張力移行波形である。

本発明の一実施形態によれば、アーク溶接プロセスは、たとえば、シールド・ガスとしてアルゴンおよびＣＯ_２を使用し、またはＣＯ_２を単独で使用する、ガス・メタル・アーク溶接（ＧＭＡＷ）プロセスでもよい。溶接電極は、鋼またはステンレス鋼を含んでもよい。本発明の一実施形態によれば、バックグラウンド電流レベルは約７０アンペアでよく、ピーク電流レベルは約３３０アンペアでよく、中間電流レベルは約２１０アンペアでもよい。本発明の一実施形態によれば、増熱電流パルスの既定のパルス・レートは約３３３Ｈｚでもよく、アーク溶接プロセスのワイヤ供給速度は毎分約１５０インチでもよい。

さらなる実施形態、すなわち、電気溶接波形を生成して、前進する溶接電極と金属の被加工物との間に一連の電気アーク・パルスを発生させることによって、アーク溶接プロセスを実行する溶接システムによれば、前記システムは、交流を生成するための電子構成部品の第１の構成であって、前記電気溶接波形のバックグラウンド電流段階、ピーク電流段階、およびテイルアウト電流段階の交流を供給し、前記バックグラウンド電流段階がバックグラウンド電流レベルをもたらし、前記ピーク電流段階がピーク電流レベルをもたらし、前記テイルアウト電流段階が、減少するテイルアウト電流レベルをもたらす第１の構成と、前記電気溶接波形のピンチ電流段階を生成するための電子構成部品の第２の構成であって、前記ピンチ電流段階が、増加するピンチ電流レベルをもたらす第２の構成と、前記電極が前記被加工物に短絡するのに応答して、前記バックグラウンド電流段階の終了時点において前記バックグラウンド電流レベルを下回って前記電気溶接波形の電流レベルを減少させるための電子構成部品の第３の構成であって、前記電極が短絡した後に、棒プラスの電流を印加してアークを再点火する第３の構成とを含み、電子構成部品の前記第１の構成が、ピーク電流段階において棒マイナスの電流を供給する。

特許請求される本発明の上記その他の特徴、ならびに本発明の例示した実施形態の詳細が、以下の説明および図面からさらに完全に理解されよう。

図１は、一実施形態による溶接システムの部分概略図である。 図１Ａは、ガス源がトーチに流体連結していて溶接作業用のガス・シールドを実現する、別の実施形態による溶接システムの部分概略図である。 図１Ｂは、フラックス源が設けられた別の実施形態による溶接システムの部分概略図である。 図２は、一実施形態による溶接システムの回路図である。 図３は、一実施形態による溶接システムで使用される電気アーク溶接波形の１サイクルの図である。 図４は、図３に示した１サイクル中に、一実施形態による溶接システムが実行するアーク溶接プロセスの各段階の図である。 図５は、一実施形態による溶接システムの動作を示す流れ図である。 図６は、一実施形態による溶接システムを示す機能ブロック図である。 図７は、交流電源波形で生成される、電極から被加工物上の溶接パドルに向けての電子流によって生成される噴射力の詳細を示す、一実施形態による電極の部分概略図である。 図８は、直流電源を使用する電極からの電子流を示す、図７と同様の電極の部分概略図である。

図１を参照すると、一実施形態による溶接システム１００が示してある。溶接システム１００は一般に、溶接部を形成するのに使用される装置１４０に電流を供給する溶接電源１２０を備える。電源１２０は制御装置を備えてもよく、これは全体として１３０で示してあり、ユーザまたは別の装置に情報を伝達するための、表示画面、ＬＥＤ、または他の視覚装置、聴覚装置、もしくは触覚装置などの出力部１３２を有する。電源１２０はまた、外部源からコマンドまたは他の情報を受信する入力部１３４を備えてもよい。入力部は、別のマシンとの接続部、つり下げ式の制御装置、またはノブ、スイッチ、キーパッドなどのオンボード制御装置でもよい。ユーザを含む外部源からの入力を使用して、溶接プロセスを選択するか、または溶接作業を実行する際に使用される設定もしくは特定の消耗性装置すなわち溶接装置１４０に関連する設定を調整してもよい。

溶接装置１４０は、溶接トーチ１４２でもよい。電源１２０は、装置１４０が供給する電極１５０に電気的に接続され、この電極には、前進ワイヤ、スティックなどの消耗電極が含まれるが、それだけには限定されない。電源１２０はさらに、接地ケーブル・クランプ１５７などによって被加工物２１０に接続されて、溶接回路１６０を形成する。

図１に示す例では、全体として１７０で示してあるワイヤ供給装置がトーチ１４２に接続されて、スプール、箱、または他のパッケージなどのワイヤ供給部１７４から、トーチ１４２を介して、被加工物２１０までワイヤ１７２を供給する。図１Ａに示すように、ガス源１８０を設け、トーチに流体接続して、１８２で示す溶接作業用のガス・シールドを実現してもよい。図１Ｂには、さらに別の実施形態が示してあり、フラックス供給が必要となるサブマージ・アークまたは他の溶接作業用に、フラックス源１９０が設けられている。所与の用途からの要求に応じて、各図に示した実施形態からの様々な構成要素を組み合わせてもよく、または交換してもよいことが理解されよう。

図２は、本発明による電源１２０の詳細を示す回路図である。電源１２０に電気的に接続された被加工物２１０に向けて供給される前進電極１５０が、概略的に示してある。電気溶接波形サイクル３００を生成するための、システム１００の例示的な一実施形態（図３）。システム１００は、本明細書に記載のような状態機械タイプのシステムである。Ｌｉｎｃｏｌｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｗａｖｅ（商標）Ｓ５００システムは、状態機械タイプの溶接システムの一例である。

システム１００は、状態ベースの関数発生器４２０にロードされる溶接プログラム４１０を含む。本発明の一実施形態によれば、状態ベースの関数発生器４２０は、プログラム可能なマイクロプロセッサ装置を備える。溶接プログラム４１０は、電気溶接波形３００を生成するためのソフトウェア命令を含む。このシステムはさらに、状態ベースの関数発生器４２０に動作可能なように接続されているデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）４３０を備える。このシステムはさらに、ＤＳＰ４３０に動作可能なように接続されている高速増幅器インバータ４４０を備える。

ＤＳＰ４３０は、状態ベースの関数発生器４２０から命令を取得し、高速増幅器インバータ４４０を制御する。高速増幅器インバータ４４０は、ＤＳＰ４３０からの制御信号４３５に従って、高電圧の入力電力４４１を低電圧の溶接出力電力に変換する。たとえば、本発明の一実施形態によれば、ＤＳＰ４３０は制御信号４３５を供給し、この制御信号は、高速増幅器インバータ４４０が様々な段階の電気溶接波形を発生させるための点弧角（スイッチを起動するタイミング）を決定する。

高速増幅器インバータ４４０の出力４４２および４４３が、それぞれ溶接電極１５０および被加工物２１０に動作可能なように接続されて溶接電流を供給し、この電流が、電極１５０と被加工物２１０の間に電気アークＥＡを形成する。システム１００はまた、電圧および電流の帰還機能４７０を備え、これが電極１５０と被加工物２１０の間の電圧を検知し、電極１５０、被加工物２１０、および高速増幅器インバータ４４０によって形成される溶接回路を通って流れる電流を検知する。検知された電流および電圧を状態ベースの関数発生器４２０が使用して、電極１５０と被加工物２１０の短絡（すなわち短絡状態）を検出し、溶融金属ボールがいつ電極１５０から分離するのか（すなわち脱短絡状態）を検出する。

システム１００はさらに、電流低減装置スイッチ４８２を備え、これを以下でより完全に説明する。電流低減装置４８０は、高速増幅器インバータ４４０の出力４４２と４４３の間に動作可能なように接続されている。電流低減装置４８０はまた、ＤＳＰ４３０に動作可能なように接続されている。電極１５０と被加工物２１０の間に短絡状態が発生すると、ＤＳＰ４３０は、溶接回路を通る電流レベルを所定のバックグラウンド電流レベルを下回って引き下げるよう、制御信号４３６を介して電流低減装置４８０に命令する。たとえば図に示すように、電流低減装置４８０は、スイッチ４８２Ａおよび４８２Ｂ、ならびに抵抗器４８４を備えてもよく、これらが互いに動作して、動作回路に抵抗器４８４を選択的に付加して、電極１５０への電流を低減させる。同様に、本明細書において離脱とも呼ぶ脱短絡状態が発生すると（すなわち溶融金属ボールが電極１５０の遠位端から分離すると）、ＤＳＰ４３０は、溶接回路を流れる電流レベルを所定のバックグラウンド電流レベルを下回って引き下げるよう電流低減装置４８０に命令する。極性の制御、すなわち棒プラスまたは棒マイナスの電流の印加は、全体として４９０で示した極性制御装置によって調整してもよい。たとえば、極性制御装置４９０は、Ｈブリッジ極性スイッチ４９２もしくは他の適切な固体構成部品、または電流極性を制御できるプログラム可能な制御装置を備えてもよい。

図３には、アーク溶接プロセス２００で使用される、電気溶接波形３０５のサイクル３００の例示的な実施形態が示してある。図４には、図３の電気溶接波形を使用するサイクル３００にわたる、アーク溶接プロセスの様々な段階（Ａ〜Ｅ）が示してあり、溶接電極１５０と金属の被加工物２１０の間の関係が示してある。アーク溶接プロセス中、溶接システム１００は、選択された波形３０５の電流を供給して、電気アーク・パルスを生成する。一般に、アーク溶接プロセス中にサイクル３００が周期的に繰り返されて、その結果、溶接部が生成される。しかし、以下でより完全に説明するように、同じ数のパルスでなくても、場合によってはサイクル３００内の一定の段階でなくても、サイクル３００を繰り返すことができる。

電気溶接波形３０５のサイクル３００は、正極性のバックグラウンド電流レベル３１１をもたらす正極性のバックグラウンド電流段階３１０、単調に増加するピンチ電流レベル３２１をもたらす正のピンチ電流段階３２０、負極性のピーク電流レベル３３１をもたらす負極性のピーク電流段階３３０、および減少するテイルアウト電流レベル３４１をもたらす負のテイルアウト電流段階３４０を含む。

正極性のバックグラウンド電流段階３１０においては、電極１５０と被加工物２１０の間に電気アークＥＡが維持され、電極１５０の遠位端１５５に溶融金属ボール２２０を生成する（図４の段階Ａを参照）。段階Ｂでは、依然として電極１５０につながっている溶融金属ボール２２０が、被加工物２１０に短絡する。短絡が発生すると、アークＥＡが消失し、波形３０５の電流レベルがバックグラウンド電流レベル３１１を下回って電流レベル３１２まで降下し、溶融ボール２２０が被加工物２１０上のパドルに濡れるように流れ込むことになる。図３に示す一実施形態によれば、溶融金属ボール２２０が短絡し、これが離脱すると、溶接システム１００は、棒マイナス電流を電極１５０に供給する。

正極性のピンチ電流段階３２０においては、波形３０５の電流レベルが、バックグラウンド電流レベル３１１を超えて単調に増加し（たとえば上方に傾斜し）、ピンチ電流レベル３２１が増加し、これにより、図４の段階Ｃに示すように、短絡した溶融金属ボール２２０が電極１５０の遠位端から被加工物２１０のパドルに向けて分離し始める。溶融金属ボール２２０が電極１５０から分離しようとするとき、波形３０５の電流レベルは、再びバックグラウンド電流レベル３１１を下回って電流レベル３１４まで降下してスパッタを回避し、電極１５０と被加工物２１０の間にアークＥＡが再確立される。

アークＥＡが再確立すると、波形３０５は負極性のピーク電流段階３３０に入る。負極性のピーク電流段階３３０において、波形３０５の電流レベルは、負極性のピーク電流レベル３３１まで増加し、そのレベルで保持される。一実施形態によれば、ピーク電流レベル３３１は通常、波形３０５の最も高い電流レベルであり、電極１５０と被加工物２１０の間に十分な強度のアークＥＡを確立して、電極１５０の遠位端で次の溶融金属ボール２２０の形成を開始する。

負極性のピーク電流段階３３０の後、波形３０５は、負極性のテイルアウト電流段階３４０に入る。負極性のテイルアウト電流段階３４０において、波形３０５の電流レベルは、負のバックグラウンド電流レベル３４１まで減少し、テイルアウト電流レベルが減少する。図示した例では、テイルアウトの減少が指数関数的に実行される（図３）。波形３０５の電流が、溶接部に熱を投入する。

負のバックグラウンド電流３４１の後、正極性部分に入り、正極性電流を供給する。正極性部分において、少なくとも１つの増熱電流パルスが生成され、中間電流レベル３５１を供給し、その振幅はバックグラウンド電流レベル３１１と負極性のピーク電流レベル３３１との間にある。溶融金属ボール２２０と被加工物２１０の間の次の短絡が発生するまで、正極性部分でこの増熱電流パルスを周期的に繰り返してもよく、短絡が発生した時点でアークＥＡが消失し、波形３０５の電流レベルがバックグラウンド電流レベル３１１を下回って電流レベル３１２まで降下し、次の溶融ボール２２０が被加工物２１０上のパドルに濡れるように流れ込むことになる（段階Ｂ）。

増熱電流パルス３５０の働きにより、パドルおよび周辺領域を再加熱して、さらに溶け込むようにする。パドルの流動性を高めることなく、より良好な溶け込みを実現するには、たとえばオープン・ルート継手の溶接において、増熱電流パルス３５０によってもたらされる熱がこうして増えることが望ましい場合がある。増熱パルスは、アークの端から端まで液滴を移動させるほど振幅が大きくなく、また、強制的に溶接システムが短絡アーク遷移を超えて球状移動するほどパルス幅は広くない。やはり一般に、アーク溶接プロセス中にサイクル３００が周期的に繰り返されて、その結果、溶接部が生成される。しかし、同じ数の増熱パルス３５０でなくても、また、場合によっては短絡が発生しないときはピンチ電流段階３２０でなくても、サイクル３００を繰り返すことができる。

一実施形態によれば、波形３０５を使用して、表面張力移行プロセス（ＳＴＴ）を実行し、ここで、溶融液滴が電極１５０の端部に形成され、被加工物２１０または溶接パドルに濡れるように流れ込む。他の実施形態では、ＳＴＴプロセスはビードを引っ張る役には立たず、このビードは、電気アークＥＡにおいて生成される電磁力によって遠位端から排出される。本明細書に記載の各実施形態は、ＭＩＧ／ＭＡＧ、ＧＭＡＷ、ＳＭＡＷ、ＦＣＭＡＷなどを含め、任意の溶接プロセスで使用してもよい。

図３を参照すると、電源１２０は、正極性のバックグラウンド段階３１０において、正極性のバックグラウンド電流３１１を供給する。図２を参照すると、濡れ段階は、以下でより完全に説明するスイッチ４８２を開いて、抵抗値を増大させ、液滴への電流を減少させるステップを含む。この液滴は、被加工物またはこれまでの液滴が形成した溶接パドルに濡れるように流れ込む。濡れ段階のアンペア数は、一般にバックグラウンド電流よりも少なく、具体的なハードウェア、すなわち被加工物の材料、電極材料、および電源に応じて変化する。図示した例では、濡れアンペア数は、約２０アンペア〜約４０アンペアの範囲である。濡れ段階の持続時間は、液滴がパドルまたは被加工物に濡れるように流れ込むのに十分な時間を可能にするよう変化してもよい。濡れ段階の後、スイッチが閉じて抵抗値が下がり、電流レベルが段階的に上昇して、ピンチ段階が始まる。先に述べた通り、ピンチ段階は、電流を増加させて溶融液滴を分離し、電極１５０の遠位端からこの液滴を排出するステップを含む。

一例として、本発明の一実施形態によれば、アーク溶接プロセスは、たとえば、ＳＴＴプロセスで加えられるシールド・ガスとしてアルゴンおよび二酸化炭素を使用する、ガス・メタル・アーク溶接（ＧＭＡＷ）プロセスである。バックグラウンド電流レベル３１１は約７０アンペアであり、ピーク電流レベル３３１は約３３０アンペアであり、中間電流レベル３５１は約２１０アンペアである。単一の増熱パルス３５０のパルス幅は約１ミリ秒であり、バックグラウンド電流段階３１０において、３〜６パルスまで約３ミリ秒ごとに繰り返してもよい。サイクル３００の周期は約１５ミリ秒である。

図６には、図１の電気溶接波形３０５を生成するための、システム６００の第１の例示的な実施形態の機能ブロック図が示してある。システム６００は、交流電源６１０を用いた発電機能、および調節波形生成／整形機能６２０を実現して、調節波形３０５’を生成する。システム６００はまた、短絡検出器／脱短絡予測装置６３０において短絡検出／前兆検出（脱短絡予測）機能を実現して、電極１５０と被加工物２１０の間の短絡状態がいつ発生するかを検出し、溶融金属ボール（たとえば２２０）が被加工物２１０上のパドルに向けて分離するとき、短絡状態がいつ終了する（脱短絡状態）かを予測する。

調節波形生成／整形機能６２０によって生成される調節波形３０５’を使用して、電気溶接波形３０５の形で電極１５０および被加工物２１０に電流を供給する発電機能６１０を調節する。調節波形生成／整形機能６２０は、周期的なベース波形生成機能６２１を含む。図３および４には、図６のシステム６００の様々な機能によって生成される、調節波形３０５’の各部分の例示的な実施形態が示してある。図３には、周期的なベース波形生成機能６２１によって生成される、周期的なベース波形サイクル３００が示してある。周期的なベース波形生成機能６２１は、調節波形３０５’のバックグラウンド電流段階３１０、ピーク電流段階３３０、およびテイルアウト電流段階３４０を周期的に生成する。

調節波形生成／整形機能６２０はまた、ピンチ電流段階生成機能６２２を含む。図３には、ピンチ電流段階３２０を有する、周期的なベース波形部分３００が示してある。本発明の一実施形態によれば、調節波形生成／整形機能６２０の信号加算機能６２３を使用して、ピンチ電流段階３２０と、周期的なベース波形部分３００とを加算してもよい。

調節波形の生成／整形の機能６２０は、ピーク、テイルアウト、およびバックグラウンドを有する負極性部分の電流生成機能６２４Ａを含む。図３には、ピーク３３０、テイルアウト３４０、およびレベル３４１でのバックグラウンドを有する、周期的な負極性部分が示してある。

調節波形生成／整形機能６２０はさらに、正のピーク、テイルアウト、およびバックグラウンドの段階を有する正極性部分を含み、これらは増熱パルス生成機能６２４Ｂと呼ばれる。図３にはさらに、負極性部分の後に切り替わる増熱パルス３５０を有する、周期的な正極性部分が示してある。本発明の一実施形態によれば、調節波形生成／整形機能６２０の信号切替え機能６２５を使用して、バックグラウンド電流段階３１０において増熱電流パルス３５０に切り替えてもよい。

調節波形生成／整形機能６２０はまた、サブバックグラウンド電流レベル生成（電流低減）機能６２６を含む。図３には、サブバックグラウンド電流の濡れ部分３１２を有する、周期的なベース波形が示してある。検出すると、別のサブバックグラウンド電流部分が発生してもよい。

図１および図２に示すように、その結果得られる調節波形３０５’を使用して、発電機能６１０を調節して、電気溶接波形３０５の様々な部分の実際の電流レベル（３１１、３１２、３１４、３２１、３３１、３４１、３５１）を、電極１５０および被加工物２１０に供給する。本明細書では、用語「電流レベル」は、実質的には安定しているが、電気溶接波形の生成が多少は厳密でないことからいくらか変動する場合がある電流振幅を指す。

システム６００を使用する溶接プロセス中、短絡検出／脱短絡予測機能６３０が、電極１５０および被加工物２１０での電流および電圧を監視し、電極１５０と被加工物２１０の間の短絡状態がいつ発生するかを検出し、また短絡状態がいつ終了する（脱短絡状態）かを予測する。短絡状態が発生すると、サブバックグラウンド電流レベル機能６２６は、短絡状態が検出されるのに応答して、バックグラウンド電流レベル３１１を下回って電流レベル３１２まで波形３０５の電流レベルを直ちに引き下げ、本明細書において先に述べたように溶融金属ボールが被加工物２１０上のパドルに濡れるように流れ込むことになる。次いで、ピンチ電流段階生成機能６２２は、単調に増加するピンチ電流レベル６２１を波形３０５に加える。

脱短絡状態が予測されると（すなわち、溶融金属ボールが電極の遠位端から分離しようとしている）、サブバックグラウンド電流レベル機能６２６がやはり、脱短絡状態が予測されるのに応答して、バックグラウンド電流レベル３１１を下回って電流レベル３１４まで波形３０５の電流レベルを引き下げて、スパッタを回避する。一実施形態によれば、再点火機能６２８は、棒プラス電流レベル３１４を供給して、安定性を高め、スパッタを低減しながら電気アークを再点火する。

さらに、波形生成／整形機能６２０のタイミング機能６２７が起動される。タイミング機能６２７が、負のピーク電流段階３３０およびテイルアウト電流段階３４０によって占有される時間セグメントにわたってカウントダウンした後、波形３０５が正極性部分に切り替わり、これが正のピーク電流段階３５０で始まる。

本発明の一実施形態によれば、タイミング機能６２７が、脱短絡状態と負の部分への入口との間に生じる時間、およびそれに続く正極性部分に入る前の時間で事前プログラムされる。タイミング機能６２７がカウントダウンを完了し、正極性バックグラウンド電流段階３１０に入ったことを示すと、信号切替え機能６２５が起動されて、波形３０５の正極性部分を繰り返した後、次の短絡状態が検出される。パルスの振幅および持続時間は、被加工物または電極の材料のタイプに応じて、事前に選択してもよく、または調整してもよい。図示した例では、パルスは約３３３Ｈｚの速度で印加され、ワイヤの供給速度は毎分約１５０インチであり、また鋼製の被加工物の厚さは約．０４５インチである。任意選択により、薄肉の被加工物、またはアルミニウムなど熱入力の影響を比較的受けやすいことがある被加工物材料では、棒マイナの増熱パルスに切り替えることによって、熱入力の制御を比較的良好に実施することができる。

アナログおよび／またはデジタルの電子構成部品を含んでもよい電子構成部品の構成を使用して、図６のシステム６００の様々な機能を実施してもよい。電子構成部品のこのような構成には、たとえば、パルス発生器、タイマ、カウンタ、整流器、トランジスタ、インバータ、発振器、スイッチ、トランス、波形整形器、増幅器、状態機械、デジタル信号プロセッサ、マイクロプロセッサ、およびマイクロコントローラが含まれ得る。このような構成の各部分は、実装するのが柔軟になるようプログラム可能でもよい。電子構成部品のこうした構成の様々な例を、（特許文献１）、（特許文献２）、（特許文献３）、および（特許文献４）に見つけることができ、これらのそれぞれを、そっくりそのまま参考として本明細書に援用する。

本発明の一実施形態によれば、システム６００は電子構成部品の第１の構成を備えており、この構成は、電気溶接波形３０５のバックグラウンド電流段階３１０、ピーク電流段階３３０、およびテイルアウト電流段階３４０を生成する。システム６００はさらに、電子構成部品の第２の構成を備えており、この構成は、電気溶接波形３０５のピンチ電流段階３２０を生成する。システム６００はさらに、電子構成部品の第３の構成を備えており、この構成は、棒プラス電流で電気アークを再点火する。システム６００はまた、電子構成部品の第４の構成を備えており、この構成は、バックグラウンド電流段階３１０において電気溶接波形３０５の少なくとも１つの増熱電流パルス３５０を生成する。

本発明の一実施形態によれば、システム６００はまた、電子構成部品の第５の構成を備え、この構成は、電極が被加工物に短絡するのに応答して、バックグラウンド電流段階３１０の終了時点においてバックグラウンド電流レベルを下回って電気溶接波形３０５の電流レベルを減少させ、液滴が被加工物２１０または溶接パドル２２０に濡れるように流れ込むことになる。システム２００はさらに、電子構成部品の同様の構成を備え、この構成は、液滴が電極１５０から離脱するのを予測して、ピンチ電流段階３２０の終了時点においてバックグラウンド電流レベルを下回って電気溶接波形３０５の電流レベルを減少させる。

電子構成部品の第１〜第５の構成は、必ずしも互いに無関係ではないが、一定の電子構成部品を共用してもよい。たとえば、本発明の一実施形態によれば、第１の構成の電子構成部品の多くが、第３の構成の電子構成部品の多くと同じでもよい。同様に、第４の構成の電子構成部品の多くが、第５の構成の電子構成部品の多くと同じでもよい。本発明の様々な実施形態によれば、他の共用構成部品も同様に使用可能でよい。

図６に示す機能的な実装は、例示的な一実施形態を示す。他の実施形態も同様に実現可能である。たとえば、別の実施形態によれば、信号加算機能６２３を用いて合計する代わりに、信号切替え機能６２５を用いて、ピンチ電流段階３２０を変調波形３０５’に切り替えてもよい。同様に、信号切替え機能６２５を用いて切り替える代わりに、信号加算機能６２３を用いて、増熱パルス３５０を変調波形３０５’に加算してもよい。修正された他の実施形態も同様に実現可能であり、こうした実施形態によって、図１の電気溶接波形３０５、またはバックグラウンド電流段階中に少なくとも１つの増熱電流パルスを有する同様の波形を生成することになる。

図５には、システム１００の構成部品および機能、ならびに図３に示す波形などの波形を使用して、交流アーク溶接プロセスを実行する方法５００の第１の例示的な実施形態の流れ図が示してある。ステップ５１０では、正極性電流が供給され、バックグラウンド電流レベル３１１にまで調整されて、電極１５０と被加工物２１０の間に電気アークＥＡを維持し、電極１５０の遠位端１５５に溶融金属ボール２２０を生成する。ステップ５２０では、溶融金属ボール２２０が被加工物２１０に短絡し、電気アークＥＡを消失させるのに応答して、たとえば抵抗を溶接回路に付加することによって、この電流がバックグラウンド電流レベル３１１を下回って降下する。電流レベルの降下が維持されて、溶融金属ボール２２０が被加工物２１０上のパドルに濡れるように流れ込むことになる。ステップ５３０では、バックグラウンド電流レベル３１１を超えて出力電流レベルを自動的に上昇させて、溶融金属ボール２２０が電極１５０の遠位端１５５から分離するようになる。先に述べた通り、この上昇は、５３５で離脱が予測されるまで電流を増加させるため、１次関数として実行してもよい。

ステップ５４０では、溶融金属ボール２２０が電極１５０の遠位端から被加工物２１０上に分離するとき、バックグラウンド電流レベル３１１を下回って出力電流レベルを減少させ、電極１５０と被加工物２１０の間に棒プラス電流で電気アークＥＡを再点火する。ステップ５５０では、極性を棒マイナスに変更し、電気アークＥＡの再確立に応答して、波形３０５のピーク電流レベル３３１まで出力電流レベルを増加させる。ステップ５６０では、正極性部分に遷移し、電極１５０の遠位端１５５に次の溶融金属ボール２２０を生成する。ステップ５７０では、さらに加熱する必要がある場合、ステップ５７５を実行して、必要に応じて既定のパルス・レートで、バックグラウンド電流レベル３１１とピーク電流レベル３３１の間にある中間電流レベル３５１で増熱パルスを印加し、その後、次の溶融金属ボール２２０との間で次の短絡が確立される。ステップ５８０では、アーク溶接プロセスは、完了していない場合はステップ５２０に戻り、完了している場合は終了する。

前述の実施形態によれば、波形３０５内に交流源を設けることで、図７に示すように電子流を有する電気アークＥＡを生成する。このようにして、システム１００は、電極１５０に対して拡散した電子流に対応する、矢印で示した噴射力７１０を加える。図に示すように、電極１５０からの電子流が、電極１５０、およびこの電極の中心から徐々に長くなる距離で被加工物に接触する放射状アーク内の溶融液滴２２０から下方に放射される。このようにして、システム１００は、アーク放電段階において下部の溶接パドルＰに噴射力７１０を加え、溶融液滴２２０には、これが電極１５０から離脱するときに、より均等に分散された外向きの力を加える。噴射力７１０は、溶融金属液滴２２０をパドルＰ内に押圧し、均等な力分布でパドルＰを電極から外方に押しつけ、その結果、溶融溶接材料が固化するとより良好なビード形状をもたらす。より安定な電子流パターン、およびその結果得られる噴射力により、液滴が離脱してパドルＰに移動するときさらに均等な力を加えること、およびアークの再点火中に液滴の後端部が破裂する原因となることもある不安定性を低減することによって、スパッタの可能性がさらに低下する。対照的に、同じ波形３０５に直流（ＤＣ）を加えると、結果として、図８に示すように電子流が集束し、力が集中することになる。生成された力が液滴を寄せ付けず、不均一または不安定になる場合もあり、その結果得られる溶接パドルＰは不規則であり、または固化する際に所望の形状とならない。実際には、ビードの外観に欠陥があれば、後で機械加工する必要があり、またはビードが不完全であれば溶接をやり直すことも必要になる。

要約すれば、本溶接システムの第１の一実施形態は、１組の正の部分と負の部分を有する選択された波形の交流を供給する溶接電源を備え、この負の部分は、ピーク、テイルアウト、およびバックグラウンドの段階からなり、正の部分は、ピーク、テイルアウト、およびバックグラウンドの段階からなり、この電源は、ピンチおよび離脱の段階において上り傾斜の電流を供給し、負のピーク、テイルアウト、およびバックグラウンドの段階において棒マイナスの電流に切り替わり、それに続いて棒プラス部分に切り替わり、次の短絡現象の前にこの正の部分が繰り返してもよい。

このシステムの別の実施形態によれば、波形は表面張力移行波形である。

システムの別の実施形態によれば、波形はＧＭＡＷ波形である。

システムの別の実施形態によれば、溶接電源は、選択された波形を供給するように構成された波形発生器を備え、この波形発生器は、ｄｖ／ｄｔ、インピーダンス、または予測モデルに基づくタイマのうちの少なくとも１つに基づいて、短絡回路の端部（すなわちネッキング）の状態を検出するように構成され、この電源は、短絡回路の端部を検出すると棒マイナスの電流に切り替わる。

システムの別の実施形態によれば、溶接電源は、棒プラスとして上り傾斜の電流を供給する。

システムの別の実施形態によれば、波形は離脱段階を含み、溶接電源は、棒プラスの電流を用いて離脱段階においてアークを再点火する。システムのさらに別の実施形態によれば、離脱段階の後、波形は、電極の遠位端を溶接パドルから遠ざけるようになされた噴射力を生成するように構成された、棒マイナスの電流に切り替わる。

システムの別の実施形態によれば、波形はさらに、ピンチ段階の前にバックグラウンド段階および濡れ段階を含み、バックグラウンド段階および濡れ段階は棒プラスであり、バックグラウンド段階は濡れ段階よりアンペア数が高い。

システムの別の実施形態によれば、濡れ段階において、溶接電源は約２０アンペア〜約４０アンペアの電流を供給する。

システムの別の実施形態によれば、バックグラウンド段階において、溶接電源は約５０アンペア〜７５アンペアの範囲のバックグラウンド電流を供給する。

システムの別の実施形態によれば、ピーク電流段階において、溶接電源は約１００アンペア〜２５０アンペアの範囲の電流を供給する。

システムの別の実施形態によれば、１つまたは複数のパルスのそれぞれの持続時間が、約．５〜２ミリ秒の範囲にある。

システムの別の実施形態によれば、負極性部分は、ピンチ段階の後に生じ、離脱段階によってピンチ段階から分離される。

システムの別の実施形態によれば、負のテイルアウト段階は、棒マイナスの電流を徐々に低減させることを含む。

システムの別の実施形態によれば、溶接電源は、状態関数発生器と通信する制御装置、状態関数発生器と通信するデジタル信号プロセッサ、デジタル信号プロセッサと通信するインバータを備え、このインバータは、電源、スイッチング回路、および電流低減装置に電気的に接続される。

システムのさらなる実施形態によれば、スイッチング回路はＨブリッジ極性スイッチである。

システムのさらに別の実施形態によれば、状態関数発生器は、トーチ、およびこのトーチから電圧帰還または電流帰還を受ける被加工物のうち少なくとも一方に電気的に接続される。

この溶接システムの別の実施形態は、選択された波形の交流を電極に供給するように構成された溶接電源を備え、この電極は消耗性であり、この波形は、電極がその露出した端部で溶融液滴を生成する際の１つまたは複数の段階を含み、溶融液滴が電極から離脱するときに電極と被加工物の間の短絡が発生し、溶接電源は、短絡の離脱を検出し、溶融液滴が被加工物に移動した後に棒マイナスのピーク電流を電極に供給するように構成され、この溶接電源は、溶融液滴を移動した後に棒プラスから棒マイナスに電流を切り替えるように構成され、この溶接電源は、溶融液滴が形成するパドルＰを被加工物に向けて押しつける噴射力を生成する。

別の実施形態によれば、波形は表面張力移行波形である。

本発明の一実施形態によれば、アーク溶接プロセスは、たとえば、シールド・ガスとしてアルゴンおよびＣＯ_２を使用し、またはＣＯ_２を単独で使用する、ガス・メタル・アーク溶接（ＧＭＡＷ）プロセスでもよい。溶接電極は、鋼またはステンレス鋼を含んでもよい。本発明の一実施形態によれば、バックグラウンド電流レベルは約７０アンペアでよく、ピーク電流レベルは約３３０アンペアでよく、中間電流レベルは約２１０アンペアでもよい。本発明の一実施形態によれば、増熱電流パルスの既定のパルス・レートは約３３３Ｈｚでもよく、アーク溶接プロセスのワイヤ供給速度は毎分約１５０インチでもよい。

ある一定の実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えてもよく、また均等物で代用してもよいことが当業者には理解されよう。さらに、本発明の範囲から逸脱することなく、多くの修正を加えて、具体的な状況または材料を本発明の教示に適合させてもよい。したがって、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、添付特許請求の範囲に記載の範囲に含まれる全ての実施形態を含むものである。

１００ 溶接システム
１２０ 溶接電源
１３０ 制御装置
１３２ 出力部
１３４ 入力部
１４０ 溶接装置
１４２ 溶接トーチ
１５０ 電極
１５５ 遠位端
１５７ 接地ケーブル・クランプ
１６０ 溶接回路
１７０ ワイヤ供給装置
１７２ ワイヤ
１７４ ワイヤ供給部
１８０ ガス源
１８２ ガス・シールド
１９０ フラックス源
２００ アーク溶接プロセス
２１０ 被加工物
２２０ 溶融金属ボール
３００ 電気溶接波形サイクル
３０５ 電気溶接波形
３０５’ 調節波形
３１０ バックグラウンド電流段階
３１１ バックグラウンド電流レベル
３１２ 電流レベル
３１４ 電流レベル
３２０ ピンチ電流段階
３２１ ピンチ電流レベル
３３０ ピーク電流段階
３３１ ピーク電流レベル
３４０ テイルアウト電流段階
３４１ テイルアウト電流レベル
３５０ 増熱電流パルス
３５１ 中間電流レベル
４１０ 溶接プログラム
４２０ 状態ベースの関数発生器
４３０ デジタル信号プロセッサ
４３５ 制御信号
４３６ 制御信号
４４０ 高速増幅器インバータ
４４１ 入力電力
４４２ 出力
４４３ 出力
４７０ 電圧および電流の帰還機能
４８０ 電流低減装置
４８２ 電流低減装置スイッチ
４８２Ａ スイッチ
４８２Ｂ スイッチ
４８４ 抵抗器
４９０ 極性制御装置
４９２ Ｈブリッジ極性スイッチ
５００ 方法
５１０ ステップ
５２０ ステップ
５３０ ステップ
５４０ ステップ
５５０ ステップ
５６０ ステップ
５７０ ステップ
５７５ ステップ
５８０ ステップ
６００ システム
６１０ 交流電源
６２０ 調節波形生成／整形機能
６２１ ベース波形生成機能
６２２ ピンチ電流段階生成機能
６２３ 信号加算機能
６３０ 短絡検出器／脱短絡予測装置
６２４Ａ 電流生成機能
６２４Ｂ 増熱パルス生成機能
６２５ 信号切替え機能
６２６ サブバックグラウンド電流レベル生成機能
６２７ タイミング機能
６２８ 再点火機能
６３０ 短絡検出／脱短絡予測機能
７１０ 噴射力

Claims (12)

1. 溶接システムにおいて、
   選択された波形を供給する溶接電源を具え、
   前記選択された波形が、以下の順序の複数の電流段階であって、
   正極性のピンチ段階および正極性の離脱の段階と、負のピーク電流段階、負のテイルアウト段階、負のバックグラウンド段階を含む負極性部分と、これに続く正のピーク電流段階、正のテイルアウト電流段階、正のバックグラウンド段階を含む正極性部分と、を有する複数の電流段階を有し、
   前記電源が、前記正極性のピンチ段階において上り傾斜の電流を供給し、
   前記電源が、前記正極性の離脱の段階において、前記正のバックグラウンド段階よりも小さな正極性の電流レベルでアークを再点火し、
   前記波形は、前記正極性の離脱の段階から前記負のピーク電流段階に直接切り替わり、その間に前記アークが点火されて電極の遠位端を溶接パドルから遠ざけることを特徴とする溶接システム。
2. 請求項１に記載の溶接システムにおいて、前記波形が表面張力移行波形であることを特徴とする溶接システム。
3. 請求項１に記載の溶接システムにおいて、前記波形がさらに、前記正極性のピンチ段階の前に最初の正極性のバックグラウンド電流段階および濡れ段階を含み、前記最初の正極性のバックグラウンド電流段階および濡れ段階が棒プラスであり、前記最初の正極性のバックグラウンド電流段階が前記濡れ段階よりアンペア数が高いことを特徴とする溶接システム。
4. 請求項３に記載の溶接システムにおいて、前記溶接電源が、前記濡れ段階において、約２０アンペア〜約４０アンペアの電流を供給することを特徴とする溶接システム。
5. 請求項１に記載の溶接システムにおいて、前記正のバックグラウンド段階において、前記溶接電源が、約２０アンペア〜１００アンペアの範囲のバックグラウンド電流を供給することを特徴とする溶接システム。
6. 請求項１に記載の溶接システムにおいて、前記負のピーク電流段階において、前記溶接電源が、約１５０アンペア〜３５０アンペアの範囲の電流を供給することを特徴とする溶接システム。
7. 請求項１に記載の溶接システムにおいて、前記溶接電源が、状態関数発生器と通信する制御装置、前記状態関数発生器と通信するデジタル信号プロセッサ、デジタル信号プロセッサと通信するインバータを備え、前記インバータが、電源、極性スイッチング回路、および電流低減装置に電気的に接続されることを特徴とする溶接システム。
8. 請求項７に記載の溶接システムにおいて、前記スイッチング回路がＨブリッジ極性スイッチであることを特徴とする溶接システム。
9. 請求項７に記載の溶接システムにおいて、前記状態関数発生器が、トーチ、およびこのトーチから電圧帰還または電流帰還を受ける被加工物のうち少なくとも一方に電気的に接続されることを特徴とする溶接システム。
10. 溶接システムにおいて、
    溶接トーチと、
    前記溶接トーチに接続されて前記溶接トーチに溶接電極を送達するワイヤ供給装置と、
    前記溶接電極と被加工物との間に周期的な交流の溶接波形を供給する溶接電源と、を具え、
    前記周期的な交流の溶接波形が、以下の順序の複数の電流部分であって、
    正極性のバックグラウンド電流部分、
    前記溶接電極から溶接パドルへのショート回路状態における上り傾斜の正極性のピンチ電流部分、
    前記ピンチ電流部分に直後の正極性の離脱段階であって、当該正極性の離脱段階は前記正極性のバックグラウンド段階よりも電流レベルが低く、当該正極性の離脱段階の間に前記溶接電源が前記溶接電極と被加工物との間のアークを再点火する正極性の離脱段階、
    負極性のピーク電流段階であって、溶接波形が前記正極性の離脱段階から前記負極性のピーク電流段階に直接切り替わり、アークが点火されて電極を前記溶接パドルから遠ざけるようにする負極性のピーク段階、
    前記負極性のピーク電流段階に続く負極性のテールアウト段階および負極性のバックグラウンド段階、および、
    前記負極性のバックグラウンド段階に続くさらなる正極性の部分、を含む複数の電流部分を含むことを特徴とする溶接システム。
11. 請求項１０に記載の溶接システムにおいて、前記溶接波形は、溶融液滴が溶接パドル内へ離脱した直後に前記正極性のバックグラウンド電流部分よりも低い電流レベルでアークが再点火する際にのみ、正極性から負極性へと切り替わることを特徴とする溶接システム。
12. 請求項１に記載の溶接システムにおいて、前記波形は、溶融液滴が溶接パドル内へ離脱した直後に前記正のバックグラウンド段階よりも小さな正極性の電流レベルでアークが再点火する際にのみ、正極性から負極性へと切り替わることを特徴とする溶接システム。

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