JP7198557B2 - アーク溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、パルスアーク溶接を行う期間と短絡移行アーク溶接を行う期間とを交互に切り換えて溶接するアーク溶接方法に関するものである。

溶接ワイヤを送給し、パルスアーク溶接を行う期間と短絡移行アーク溶接を行う期間とを交互に切り換えて溶接する方法が使用されている(例えば、特許文献１参照)。この場合の切換周波数は、０．１～１０Ｈｚ程度である。この溶接方法では、ウロコ状の美麗なビードを形成することができる。さらには、この溶接方法では、パルスアーク溶接の期間と短絡移行アーク溶接の期間との比率を調整することによって、母材への入熱制御を行うことができる。

また、特許文献２の発明では、溶接ワイヤを正送給してパルスアーク溶接を行う期間と溶接ワイヤを正逆送給して短絡移行アーク溶接を行う期間とを交互に切り換えて溶接するアーク溶接方法が開示されている。このアーク溶接方法では、短絡移行アーク溶接中の送給を、アーク期間中は正送給し、短絡期間中は逆送給している。さらに、パルスアーク溶接から短絡移行アーク溶接への切り換えを、パルスアーク溶接によって溶滴が移行した後のベース電流が通電するアーク期間中に行っている。

特開２００５－３１３１７９号公報 特開２０１５－２０５３４７号公報

従来技術では、パルスアーク溶接と短絡移行アーク溶接との切換時に、溶滴移行形態が変化するために、スパッタが発生し、溶接状態が不安定になるという問題がある。

そこで、本発明では、パルスアーク溶接と短絡移行アーク溶接との切り換えを円滑に行うことができるアーク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、
溶接ワイヤを正送給してパルスアーク溶接を行う期間と前記溶接ワイヤを正逆送給して短絡移行アーク溶接を行う期間とを交互に切り換えて溶接するアーク溶接方法において、
前記パルスアーク溶接の期間の最終パルス周期中に短絡が発生した時点で、前記短絡移行アーク溶接の期間に切り換え、
前記最終パルス周期中のベース電流の通電開始時点から前記ベース電流の値を、それ以外のパルス周期中の前記ベース電流の値よりも大とする、
ことを特徴とするアーク溶接方法である。

請求項２の発明は、前記短絡移行アーク溶接の期間の開始時点から、前記溶接ワイヤを逆送給に切り換える
ことを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接方法である。

請求項３の発明は、前記短絡移行アーク溶接のアーク期間中に前記パルスアーク溶接に切り換える、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のアーク溶接方法である。

請求項４の発明は、前記短絡移行アーク溶接においてアークが再発生して低レベル電流値の状態で前記パルスアーク溶接に切り換える、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のアーク溶接方法である。

本発明によれば、パルスアーク溶接と短絡移行アーク溶接との切り換えを円滑に行うことができる。

本発明の実施の形態１に係るアーク溶接方法を実施するための溶接電源のブロック図である。 本発明の実施の形態１に係るアーク溶接方法を示す図１の溶接電源におけるパルスアーク溶接期間Ｔａから短絡移行アーク溶接期間Ｔｃへの切換時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１に係るアーク溶接方法を示す図１の溶接電源における短絡移行アーク溶接期間Ｔｃからパルスアーク溶接期間Ｔａへの切換時の各信号のタイミングチャートである。

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］
図１は、本発明の実施の形態１に係るアーク溶接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。

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による出力制御を行い、出力電圧Ｅ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上記の誤差増幅信号Ｅａによって駆動されるインバータ回路、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次整流器を備えている。

リアクトルＷＬは、溶接電流Ｉｗを平滑して安定したアーク３を持続させる。

送給モータＷＭは、後述する送給制御信号Ｆｃを入力として、パルスアーク溶接期間中は正送給し、短絡移行アーク溶接期間中は正逆送給して溶接ワイヤ１を送給速度Ｆｗで送給する。送給モータＷＭには、過渡応答性の速いモータが使用される。溶接ワイヤ１の送給速度Ｆｗの変化率及び送給方向の反転を速くするために、送給モータＷＭは溶接トーチ４の先端の近くに設置される場合がある。また、送給モータＷＭを２個使用して、プッシュプル方式の送給系とする場合もある。

溶接ワイヤ１は、上記の送給モータＷＭ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。溶接トーチ４内の給電チップ（図示は省略）と母材２との間には溶接電圧Ｖｗが印加し、溶接電流Ｉｗが通電する。溶接トーチ４の先端からはシールドガス（図示は省略）が噴出して、アーク３を大気から遮蔽する。シールドガスとしては、溶接ワイヤ１の材質が鉄鋼の場合にはアルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガスが使用され、溶接ワイヤ１の材質がアルミニウムの場合にはアルゴンガスが使用される。

出力電圧設定回路ＥＲは、予め定めた出力電圧設定信号Ｅｒを出力する。出力電圧検出回路ＥＤは、上記の出力電圧Ｅを検出し平滑して、出力電圧検出信号Ｅｄを出力する。

電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の出力電圧設定信号Ｅｒ及び上記の出力電圧検出信号Ｅｄを入力として、出力電圧設定信号Ｅｒ（＋）と出力電圧検出信号Ｅｄ（－）との誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。

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。短絡判別回路ＳＤは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、この値が予め定めた短絡判別値（１０Ｖ程度）未満のときは短絡期間にあると判別してＨｉｇｈレベルになり、以上のときはアーク期間にあると判別してＬｏｗレベルになる短絡判別信号Ｓｄを出力する。

正送加速期間設定回路ＴＳＵＲは、予め定めた正送加速期間設定信号Ｔsurを出力する。

正送減速期間設定回路ＴＳＤＲは、予め定めた正送減速期間設定信号Ｔsdrを出力する。

逆送加速期間設定回路ＴＲＵＲは、予め定めた逆送加速期間設定信号Ｔrurを出力する。

逆送減速期間設定回路ＴＲＤＲは、予め定めた逆送減速期間設定信号Ｔrdrを出力する。

正送ピーク値設定回路ＷＳＲは、予め定めた正送ピーク値設定信号Ｗsrを出力する。

逆送ピーク値設定回路ＷＲＲは、予め定めた逆送ピーク値設定信号Ｗrrを出力する。

短絡アーク送給速度設定回路ＦＣＲは、上記の正送加速期間設定信号Ｔsur、上記の正送減速期間設定信号Ｔsdr、上記の逆送加速期間設定信号Ｔrur、上記の逆送減速期間設定信号Ｔrdr、上記の正送ピーク値設定信号Ｗsr、上記の逆送ピーク値設定信号Ｗrr及び上記の短絡判別信号Ｓｄを入力として、以下の処理によって生成された送給速度パターンを短絡アーク送給速度設定信号Ｆcrとして出力する。この短絡アーク送給速度設定信号Ｆcrが正の値のときは正送期間となり、負の値のときは逆送期間となる。
１）正送加速期間設定信号Ｔsurによって定まる正送加速期間Ｔsu中は０から正送ピーク値設定信号Ｗsrによって定まる正の値の正送ピーク値Ｗspまで直線状に加速する短絡アーク送給速度設定信号Ｆcrを出力する。
２）続いて、正送ピーク期間Ｔsp中は、上記の正送ピーク値Ｗspを維持する短絡アーク送給速度設定信号Ｆcrを出力する。
３）短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル(アーク期間)からＨｉｇｈレベル(短絡期間)に変化すると、正送減速期間設定信号Ｔsdrによって定まる正送減速期間Ｔsdに移行し、上記の正送ピーク値Ｗspから０まで直線状に減速する短絡アーク送給速度設定信号Ｆcrを出力する。
４）続いて、逆送加速期間設定信号Ｔrurによって定まる逆送加速期間Ｔru中は０から逆送ピーク値設定信号Ｗrrによって定まる負の値の逆送ピーク値Ｗrpまで直線状に加速する短絡アーク送給速度設定信号Ｆcrを出力する。
５）続いて、逆送ピーク期間Ｔrp中は、上記の逆送ピーク値Ｗrpを維持する短絡アーク送給速度設定信号Ｆcrを出力する。
６）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル(短絡期間)からＬｏｗレベル(アーク期間)に変化すると、逆送減速期間設定信号Ｔrdrによって定まる逆送減速期間Ｔrdに移行し、上記の逆送ピーク値Ｗrpから０まで直線状に減速する短絡アーク送給速度設定信号Ｆcrを出力する。
７）上記の１）～６）を繰り返すことによって正負の台形波状に変化する送給パターンの短絡アーク送給速度設定信号Ｆcrが生成される。

減流抵抗器Ｒは、上記のリアクトルＷＬと溶接トーチ４との間に挿入される。この減流抵抗器Ｒの値は、短絡期間中の溶接電流Ｉｗの通電路の抵抗値（０．０１～０．０３Ω程度）の５０倍以上大きな値（０．５～３Ω程度）に設定される。この減流抵抗器Ｒが溶接電流Ｉｗの通電路に挿入されると、リアクトルＷＬ及び溶接ケーブルのリアクトル分に蓄積されたエネルギーが急速に消費される。

トランジスタＴＲは、上記の減流抵抗器Ｒと並列に接続されて、後述する駆動信号Ｄｒに従ってオン又はオフ制御される。

くびれ検出回路ＮＤは、上記の短絡判別信号Ｓｄ、上記の電圧検出信号Ｖｄ及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）であるときの電圧検出信号Ｖｄの電圧上昇値が基準値に達した時点でくびれの形成状態が基準状態になったと判別してＨｉｇｈレベルとなり、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）に変化した時点でＬｏｗレベルになるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。また、短絡期間中の電圧検出信号Ｖｄの微分値がそれに対応した基準値に達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。さらに、電圧検出信号Ｖｄの値を電流検出信号Ｉｄの値で除算して溶滴の抵抗値を算出し、この抵抗値の微分値がそれに対応する基準値に達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。

低レベル電流設定回路ＩＬＲは、予め定めた低レベル電流設定信号Ｉlrを出力する。電流比較回路ＣＭは、この低レベル電流設定信号Ｉlr及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、Ｉｄ＜ＩlrのときはＨｉｇｈレベルになり、Ｉｄ≧ＩlrのときはＬｏｗレベルになる電流比較信号Ｃｍを出力する。

駆動回路ＤＲは、上記の電流比較信号Ｃｍ及び上記のくびれ検出信号Ｎｄを入力として、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルに変化するとＬｏｗレベルに変化し、その後に電流比較信号ＣｍがＨｉｇｈレベルに変化するとＨｉｇｈレベルに変化する駆動信号Ｄｒを上記のトランジスタＴＲのベース端子に出力する。したがって、この駆動信号Ｄｒはくびれが検出されるとＬｏｗレベルになり、トランジスタＴＲがオフ状態になり通電路に減流抵抗器Ｒが挿入されるので、溶接電流Ｉｗは急減する。そして、急減した溶接電流Ｉｗの値が低レベル電流設定信号Ｉlrの値まで減少すると、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになり、トランジスタＴＲがオン状態になるので、減流抵抗器Ｒは短絡されて通常の状態に戻る。

短絡アーク電流設定回路ＩＣＲは、上記の短絡判別信号Ｓｄ、上記の低レベル電流設定信号Ｉlr及び上記のくびれ検出信号Ｎｄを入力として、以下の処理を行い、短絡アーク電流設定信号Ｉcrを出力する。
１）短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル(アーク期間)のときは、低レベル電流設定信号Ｉlrとなる短絡アーク電流設定信号Ｉcrを出力する。
２）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル(短絡期間)に変化すると、予め定めた初期期間中は予め定めた初期電流設定値となり、その後は予め定めた短絡時傾斜で予め定めた短絡時ピーク設定値まで上昇してその値を維持する短絡アーク電流設定信号Ｉcrを出力する。
３）その後に、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルに変化すると、低レベル電流設定信号Ｉlrの値となる短絡アーク電流設定信号Ｉcrを出力する。

電流降下時間設定回路ＴＤＲは、予め定めた電流降下時間設定信号Ｔdrを出力する。

小電流期間回路ＳＴＤは、上記の短絡判別信号Ｓｄ及び上記の電流降下時間設定信号Ｔdrを入力として、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル(アーク期間)に変化した時点から電流降下時間設定信号Ｔdrによって定まる時間が経過した時点でＨｉｇｈレベルになり、その後に短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル(短絡期間)になるとＬｏｗレベルになる小電流期間信号Ｓtdを出力する。

パルス周期回路ＴＦは、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖを入力として、電圧誤差増幅信号Ｅｖを電圧／周波数変換して、パルス周期ごとに短時間Ｈｉｇｈレベルとなるパルス周期信号Ｔｆを出力する。このパルス周期信号Ｔｆによって、パルスアーク溶接のピーク期間とベース期間との繰り返し周期が決定される。

ピーク電流設定回路ＩＰＲは、予め定めたピーク電流設定信号Ｉprを出力する。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。ピーク電流設定信号Ｉprの値及びピーク期間設定信号Ｔprの値は、１パルス周期ごとに一つの溶滴が移行するいわゆる１パルス周期１溶滴移行状態となるように設定される。例えば、Ｉpr＝５００Ａ、Ｔpr＝２msである。

ベース電流設定回路ＩＢＲは、後述する最終パルス周期信号Ｓtfを入力として、最終パルス周期信号ＳtfがＬｏｗレベルのときは予め定めた定常ベース電流値となり、最終パルス周期信号ＳtfがＨｉｇｈレベルのときは予め定めた最終ベース電流値となるベース電流設定信号Ｉbrを出力する。最終ベース電流値は、定常ベース電流値よりも大である。例えば、定常ベース電流値＝５０Ａ、最終ベース電流値＝１００Ａに設定される。

パルス電流設定回路ＩＡＲは、後述する最終パルス周期信号Ｓtf、上記のパルス周期信号Ｔｆ、上記のピーク電流設定信号Ｉpr、上記のピーク期間設定信号Ｔpr及び上記のベース電流設定信号Ｉbrを入力として、以下の処理を行い、パルス電流設定信号Ｉarを出力する。
１）最終パルス周期信号ＳtfがＬｏｗレベルであるときにパルス周期信号Ｔｆが短時間Ｈｉｇｈレベルに変化すると、予め定めたピーク立上り期間Ｔｕ中は、ベース電流設定信号Ｉbrからピーク電流設定信号Ｉprまで上昇するパルス電流設定信号Ｉarを出力する。
２）続けて、ピーク期間設定信号Ｔprによって定まるピーク期間Ｔｐ中は、ピーク電流設定信号Ｉprとなるパルス電流設定信号Ｉarを出力する。
３）続けて、予め定めたピーク立下り期間Ｔｄ中は、ピーク電流設定信号Ｉprからベース電流設定信号Ｉbrまで下降するパルス電流設定信号Ｉarを出力する。
４）続けて、ベース期間Ｔｂ中は、ベース電流設定信号Ｉbrとなるパルス電流設定信号Ｉarを出力する。

パルスアーク溶接期間設定回路ＴＡＲは、予め定めたパルスアーク溶接期間設定信号Ｔarを出力する。短絡移行アーク溶接期間設定回路ＴＣＲは、予め定めた短絡移行アーク溶接期間設定信号Ｔcrを出力する。

タイマ回路ＴＭは、上記のパルスアーク溶接期間設定信号Ｔar、上記の短絡移行アーク溶接期間設定信号Ｔcr、上記の短絡判別信号Ｓｄ及び上記のパルス周期信号Ｔｆを入力として、
タイマ信号ＴｍがＬｏｗレベル（短絡移行アーク溶接期間Ｔｃ）に変化した時点から短絡移行アーク溶接期間設定信号Ｔcrによって定まる期間が経過した後に、短絡判別信号Ｓｄが最初にＬｏｗレベル（アーク期間）に変化して予め定めた遅延期間が経過した時点でタイマ信号ＴｍはＨｉｇｈレベルに変化し、
タイマ信号ＴｍがＨｉｇｈレベル（パルスアーク溶接期間Ｔａ）に変化した時点からパルスアーク溶接期間設定信号Ｔarによって定まる期間が経過した後にパルス周期信号Ｔｆが短時間Ｈｉｇｈレベルになると最終パルス周期Ｔsfに入り、最終パルス周期Ｔsf中に短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）となった時点で最終パルス周期Ｔsfを終了してタイマ信号ＴｍはＬｏｗレベルに変化し、
上記の最終パルス周期Ｔsf中のみＨｉｇｈレベルとなる最終パルス周期信号Ｓtfを出力する。
したがって、パルスアーク溶接期間Ｔａは、パルスアーク溶接期間設定信号Ｔarの期間＋最終パルス周期Ｔsfが開始するまでの期間＋最終パルス周期Ｔsf中に短絡が発生するまでの期間となる。短絡移行アーク溶接期間Ｔｃは、短絡移行アーク溶接期間設定信号Ｔcrの期間＋その後に最初の遅延期間が終了するまでの期間となる。

パルス送給速度設定回路ＦＡＲは、予め定めた正の値のパルス送給速度設定信号Ｆarを出力する。

送給速度設定回路ＦＲは、上記のタイマ信号Ｔｍ、上記の短絡アーク送給速度設定信号Ｆcr及び上記のパルス送給速度設定信号Ｆarを入力として、タイマ信号ＴｍがＨｉｇｈレベル（パルスアーク溶接期間Ｔａ）のときはパルス送給速度設定信号Ｆarを送給速度設定信号Ｆｒとして出力し、Ｌｏｗレベル（短絡移行アーク溶接期間Ｔｃ）のときは短絡アーク送給速度設定信号Ｆcrを送給速度設定信号Ｆｒとして出力する。

送給制御回路ＦＣは、上記の送給速度設定信号Ｆｒを入力として、送給速度設定信号Ｆｒの値に相当する送給速度Ｆｗで溶接ワイヤ１を送給するための送給制御信号Ｆｃを上記の送給モータＷＭに出力する。

電流設定回路ＩＲは、上記のタイマ信号Ｔｍ、上記の短絡アーク電流設定信号Ｉcr及び上記のパルス電流設定信号Ｉarを入力として、タイマ信号ＴｍがＨｉｇｈレベル（パルスアーク溶接期間Ｔａ）のときはパルス電流設定信号Ｉarを電流設定信号Ｉｒとして出力し、Ｌｏｗレベル（短絡移行アーク溶接期間Ｔｃ）のときは短絡アーク電流設定信号Ｉcrを電流設定信号Ｉｒとして出力する。

電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流設定信号Ｉｒ及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、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。

電源特性切換回路ＳＷは、上記のタイマ信号Ｔｍ、上記の電流誤差増幅信号Ｅｉ、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖ、上記の短絡判別信号Ｓｄ及び上記の小電流期間信号Ｓtdを入力として、以下の処理を行い、誤差増幅信号Ｅａを出力する。
１）タイマ信号ＴｍがＬｏｗレベルであり、かつ、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル(短絡期間)に変化した時点から、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル(アーク期間)に変化して上記の遅延期間が経過した時点までの期間中は、電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。
２）その後の大電流アーク期間中は、電圧誤差増幅信号Ｅｖを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。
３）その後のアーク期間中に小電流期間信号ＳtdがＨｉｇｈレベルとなる小電流アーク期間中は、電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。
４）タイマ信号ＴｍがＨｉｇｈレベルのときは、電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。
この回路によって、短絡移行アーク溶接期間Ｔｃ中の溶接電源の特性は、短絡期間、遅延期間及び小電流アーク期間中は定電流特性となり、それ以外の大電流アーク期間（タイマ信号TmがLowの期間において、短絡判別信号SdがHighからLowに変化してから上記の遅延時間が経過した時点から、小電流期間信号StdがLowからHighの変化する時点までの期間）中は定電圧特性となる。また、パルスアーク溶接期間Ｔａ中の溶接電源の特性は、定電流特性となる。

図２は、本発明の実施の形態１に係るアーク溶接方法を示す図１の溶接電源におけるパルスアーク溶接期間Ｔａから短絡移行アーク溶接期間Ｔｃへの切換時の各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は送給速度Ｆｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図(Ｄ)は短絡判別信号Ｓｄの時間変化を示し、同図(Ｅ)は小電流期間信号Ｓtdの時間変化を示し、同図（Ｆ）はタイマ信号Ｔｍの時間変化を示し、同図（Ｇ）は最終パルス周期信号Ｓtfの時間変化を示す。以下、同図を参照して各信号の動作について説明する。

時刻ｔ１は、同図（Ｆ）に示すタイマ信号ＴｍがＨｉｇｈレベルに変化した時点（パルスアーク溶接期間Ｔａの開始時点）からの経過時間が図１のパルスアーク溶接期間設定信号Ｔarによって定まる期間に達した後に、図１のパルス周期信号Ｔｆが短時間Ｈｉｇｈレベルとなるタイミングである。時刻ｔ１において、同図（Ｇ）に示すように、最終パルス周期信号ＳtfがＨｉｇｈレベルに変化して最終パルス周期Ｔsfに入る。時刻ｔ１～ｔ３の最終パルス周期Ｔsf中は、同図（Ｂ）に示すように、予め定めたピーク立上り期間Ｔｕ中は、図１のピーク電流設定信号Ｉprによって定まるピーク電流値へと上昇する遷移電流が通電する。その後の図１のピーク期間設定信号Ｔprによって定まる期間中は、上記のピーク電流値が通電する。その後の予め定めたピーク立下り期間Ｔｄ中は、上記のピーク電流値から図１のベース電流設定信号Ｉbrによって定まる最終ベース電流値へと下降する遷移電流が通電する。時刻ｔ２からのベース期間中は、上記の最終ベース電流値が通電する。時刻ｔ３において、最終パルス周期Ｔsf中に短絡が発生すると、同図（Ｇ）に示すように、最終パルス周期信号ＳtfはＬｏｗレベルに戻り、最終パルス周期Ｔsfが終了する。最終パルス周期Ｔsf中の最終ベース電流値は、最終パルス周期Ｔsf以外の定常パルス周期中の定常ベース電流値よりも大きな値に設定されることが望ましい。これは、時刻ｔ３に短絡が発生した時点において、溶接ワイヤ先端に溶滴が形成された状態にするためである。また、最終パルス周期Ｔsfは、短絡が発生するまで継続する。したがって、最終パルス周期Ｔsf中のベース期間は、定常パルス周期中のベース期間よりも長くなることが多い。

時刻ｔ３は、同図（Ｆ）に示すタイマ信号ＴｍがＨｉｇｈレベル（パルスアーク溶接期間Ｔａ）に変化した時点から図１のパルスアーク溶接期間設定信号Ｔarによって定まる期間が経過した後に、図１のパルス周期信号Ｔｆが短時間Ｈｉｇｈレベルになり最終パルス周期Ｔsfに入り、最終パルス周期Ｔsf中に短絡が発生したタイミングとなる。そして、時刻ｔ３において、同図（Ｆ）に示すように、タイマ信号ＴｍはＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変化する。したがって、時刻ｔ３において、パルスアーク溶接期間Ｔａから短絡移行アーク溶接期間Ｔｃに切り換わる。同図において、時刻ｔ３以前の期間中は、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは、図１のパルス送給速度設定信号Ｆarによって定まる一定の速度で正送されている。同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、溶接電流Ｉｗと相似した波形となる。同図（Ｄ）に示すように、短絡判別信号Ｓｄは、アーク期間が継続しているのでＬｏｗレベルのままである。同図（Ｅ）に示すように、小電流期間信号Ｓtdは、Ｌｏｗレベルのままである。

時刻ｔ３からの短絡移行アーク溶接期間Ｔｃ中は、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは、図１の短絡アーク送給速度設定回路ＦＣＲから出力される短絡アーク送給速度設定信号Ｆcrの値に制御される。そして、短絡移行アーク溶接期間中の定常期間の送給速度Ｆｗは、図１の正送加速期間設定信号Ｔsurによって定まる正送加速期間Ｔsu、短絡が発生するまで継続する正送ピーク期間Ｔsp、図１の正送減速期間設定信号Ｔsdrによって定まる正送減速期間Ｔsd、図１の逆送加速期間設定信号Ｔrurによって定まる逆送加速期間Ｔru、アークが発生するまで継続する逆送ピーク期間Ｔrp及び図１の逆送減速期間設定信号Ｔrdrによって定まる逆送減速期間Ｔrdから形成される。さらに、正送ピーク値Ｗspは図１の正送ピーク値設定信号Ｗsrによって定まり、逆送ピーク値Ｗrpは図１の逆送ピーク値設定信号Ｗrrによって定まる。この結果、短絡アーク送給速度設定信号Ｆcrは、正負の略台形波波状に変化する送給パターンとなる。

［時刻ｔ３～ｔ６の短絡期間の動作］
最終パルス周期Ｔsf中の時刻ｔ３において短絡が発生すると、同図(Ｃ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖの短絡電圧値に急減するので、同図(Ｄ)に示すように、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル(短絡期間)に変化する。これに応動して、時刻ｔ３～ｔ４の予め定めた正送減速期間Ｔsdに移行し、同図(Ａ)に示すように、送給速度Ｆｗは上記のパルス送給速度設定信号Ｆcrによって定まる正送値（２回目以降の短絡発生時は正送ピーク値Ｗsp）から０まで減速する。例えば、正送減速期間Ｔsd＝１msに設定される。

同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは時刻ｔ４～ｔ５の予め定めた逆送加速期間Ｔruに入り、０から上記の逆送ピーク値Ｗrpまで加速する。この期間中は短絡期間が継続している。例えば、逆送加速期間Ｔru＝１msに設定される。

時刻ｔ５において逆送加速期間Ｔruが終了すると、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは逆送ピーク期間Ｔrpに入り、上記の逆送ピーク値Ｗrpになる。逆送ピーク期間Ｔrpは、時刻ｔ６にアークが発生するまで継続する。したがって、時刻ｔ３～ｔ６の期間が短絡期間となる。逆送ピーク期間Ｔrpは所定値ではないが、４ms程度となる。例えば、逆送ピーク値Ｗrp＝－６０m/minに設定される。

同図(Ｂ)に示すように、時刻ｔ３～ｔ６の短絡期間中の溶接電流Ｉｗは、予め定めた初期期間中は予め定めた初期電流値となる。その後、溶接電流Ｉｗは、予め定めた短絡時傾斜で上昇し、予め定めた短絡時ピーク値に達するとその値を維持する。

同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、溶接電流Ｉｗが短絡時ピーク値となるあたりから上昇する。これは、溶接ワイヤ１の逆送及び溶接電流Ｉｗによるピンチ力の作用により、溶接ワイヤ１の先端の溶滴にくびれが次第に形成されるためである。

その後に溶接電圧Ｖｗの電圧上昇値が基準値に達すると、くびれの形成状態が基準状態になったと判別して、図１のくびれ検出信号ＮｄはＨｉｇｈレベルに変化する。

くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになったことに応動して、図１の駆動信号ＤｒはＬｏｗレベルになるので、図１のトランジスタＴＲはオフ状態となり図１の減流抵抗器Ｒが通電路に挿入される。同時に、図１の短絡アーク電流設定信号Ｉcrが低レベル電流設定信号Ｉlrの値に小さくなる。このために、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは短絡時ピーク値から低レベル電流値へと急減する。そして、溶接電流Ｉｗが低レベル電流値まで減少すると、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルに戻るので、トランジスタＴＲはオン状態となり減流抵抗器Ｒは短絡される。同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、短絡アーク電流設定信号Ｉcrが低レベル電流設定信号Ｉlrのままであるので、アーク再発生から予め定めた遅延期間が経過するまでは低レベル電流値を維持する。したがって、トランジスタＴＲは、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルに変化した時点から溶接電流Ｉｗが低レベル電流値に減少するまでの期間のみオフ状態となる。同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、溶接電流Ｉｗが小さくなるので一旦減少した後に急上昇する。上述した各パラメータは、例えば以下の値に設定される。初期電流＝４０Ａ、初期期間＝０．５ms、短絡時傾斜＝１８０A/ms、短絡時ピーク値＝４００Ａ、低レベル電流値＝５０Ａ、遅延期間＝０．５ms。

［時刻ｔ６～ｔ９のアーク期間の動作］
時刻ｔ６において、溶接ワイヤの逆送及び溶接電流Ｉｗの通電によるピンチ力によってくびれが進行してアークが発生すると、同図(Ｃ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは数十Ｖのアーク電圧値に急増するので、同図(Ｄ)に示すように、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル(アーク期間)に変化する。これに応動して、時刻ｔ６～ｔ７の予め定めた逆送減速期間Ｔrdに移行し、同図(Ａ)に示すように、送給速度Ｆｗは上記の逆送ピーク値Ｗrpから０まで減速する。

時刻ｔ７において逆送減速期間Ｔrdが終了すると、時刻ｔ７～ｔ８の予め定めた正送加速期間Ｔsuに移行する。この正送加速期間Ｔsu中は、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは０から上記の正送ピーク値Ｗspまで加速する。この期間中はアーク期間が継続している。例えば、正送加速期間Ｔsu＝１msに設定される。

時刻ｔ８において正送加速期間Ｔsuが終了すると、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは正送ピーク期間Ｔspに入り、上記の正送ピーク値Ｗspになる。この期間中もアーク期間が継続している。正送ピーク期間Ｔspは、時刻ｔ９に短絡が発生するまで継続する。したがって、時刻ｔ６～ｔ９の期間がアーク期間となる。そして、短絡が発生すると、時刻ｔ３の動作に戻る。正送ピーク期間Ｔspは所定値ではないが、４ms程度となる。例えば、正送ピーク値Ｗsp＝７０m/minに設定される。

時刻ｔ６においてアークが発生すると、同図(Ｃ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは数十Ｖのアーク電圧値に急増する。他方、同図(Ｂ)に示すように、溶接電流Ｉｗは、時刻ｔ６～ｔ６１の遅延期間の間は低レベル電流値を継続する。その後、時刻ｔ６１から溶接電流Ｉｗは急速に増加してピーク値となり、その後は徐々に減少する大電流値となる。この時刻ｔ６１～ｔ８１の大電流アーク期間中は、図１の電圧誤差増幅信号Ｅｖによって溶接電源のフィードバック制御が行われるので、定電圧特性となる。したがって、大電流アーク期間中の溶接電流Ｉｗの値はアーク負荷によって変化する。

時刻ｔ６にアークが発生してから図１の電流降下時間設定信号Ｔdrによって定まる電流降下時間が経過する時刻ｔ８１において、同図(Ｅ)に示すように、小電流期間信号ＳtdがＨｉｇｈレベルに変化する。これに応動して、溶接電源は定電圧特性から定電流特性に切り換えられる。このために、同図(Ｂ)に示すように、溶接電流Ｉｗは低レベル電流値に低下し、短絡が発生する時刻ｔ９までその値を維持する。同様に、同図(Ｃ)に示すように、溶接電圧Ｖｗも低下する。小電流期間信号Ｓtdは、時刻ｔ９に短絡が発生するとＬｏｗレベルに戻る。

短絡移行アーク溶接期間Ｔｃは、短絡期間とアーク期間との繰り返しの複数の周期を含んでいる。短絡／アークの１周期は、例えば１０ms程度である。短絡移行アーク溶接期間Ｔｃは、例えば５０～５００ms程度である。図２においては、最終パルス周期Ｔsf中のベース期間中に短絡が発生した時点で短絡移行アーク溶接期間Ｔｃに切り換わる場合である。これ以外にも、最終パルス周期Ｔsf中のピーク期間中に短絡が発生した時点で切り換わる場合もある。

図３は、本発明の実施の形態１に係るアーク溶接方法を示す図１の溶接電源における短絡移行アーク溶接期間Ｔｃからパルスアーク溶接期間Ｔａへの切換時の各信号のタイミングチャートである。同図は、短絡移行アーク溶接期間Ｔｃからパルスアーク溶接期間Ｔａへの切換時におけるタイミングチャートである。同図（Ａ）は送給速度Ｆｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図(Ｄ)は短絡判別信号Ｓｄの時間変化を示し、同図(Ｅ)は小電流期間信号Ｓtdの時間変化を示し、同図（Ｆ）はタイマ信号Ｔｍの時間変化を示す。以下、同図を参照して各信号の動作について説明する。

時刻ｔ１において、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、短絡が解除されてアークが再発生した後の遅延期間中であるので、低レベル電流値となっている。そして、時刻ｔ１において、同図（Ｆ）に示すタイマ信号ＴｍがＬｏｗレベル（短絡移行アーク溶接期間Ｔｃ）に変化した時点から図１の短絡移行アーク溶接期間設定信号Ｔcrによって定まる期間が経過した後に、短絡判別信号Ｓｄが最初にＬｏｗレベル（アーク期間）に変化して予め定めた遅延期間が経過した時点であるので、同図（Ｆ）に示すように、タイマ信号ＴｍはＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化する。したがって、時刻ｔ１において、短絡移行アーク溶接期間Ｔｃからパルスアーク溶接期間Ｔａに切り換わる。同図において、時刻ｔ１以前の期間中は、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは、逆送ピーク値Ｗrpから０への逆送減速期間Ｔrdの状態にある。同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗはアーク電圧値となっている。同図（Ｄ）に示すように、短絡判別信号Ｓｄは、遅延期間中はＬｏｗレベルとなっている。同図（Ｅ）に示すように、小電流期間信号Ｓtdは、Ｌｏｗレベルのままである。

時刻ｔ１において、同図（Ｆ）に示すように、タイマ信号ＴｍがＨｉｇｈレベルに変化してパルスアーク溶接期間Ｔａに入る。これに応動して、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは、図１のパルス送給速度設定信号Ｆarによって定まる一定の速度で正送される。

同図（Ｂ）に示すように、時刻ｔ１～ｔ２の予め定めたピーク立上り期間Ｔｕ中は、図１のピーク電流設定信号Ｉprによって定まるピーク電流値Ｉｐへと上昇する遷移電流が通電する。時刻ｔ２～ｔ３の図１のピーク期間設定信号Ｔprによって定まるピーク期間Ｔｐ中は、ピーク電流値Ｉｐが通電する。時刻ｔ３～ｔ４の予め定めたピーク立下り期間Ｔｄ中は、ピーク電流値Ｉｐから図１のベース電流設定信号Ｉbrによって定まる定常ベース電流値Ｉｂへと下降する遷移電流が通電する。時刻ｔ４～ｔ５のベース期間Ｔｂ中は、ベース電流値Ｉｂが通電する。パルスアーク溶接期間Ｔａ中は、溶接電源は定電流特性となっている。このために、溶接電流Ｉｗは、図１のパルス電流設定信号Ｉarによって設定される。同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、電流波形と相似した波形となる。時刻ｔ１～ｔ５のパルス周期Ｔｆは、溶接電圧Ｖｗの平均値が所望値となるようにフィードバック制御される。電流波形パラメータは、１パルス周期Ｔｆごとに１つの溶滴が移行するように設定される。例えば、ピーク電流Ｉｐ＝５００Ａ、ベース電流Ｉｂ＝６０Ａ、ピーク立上り期間Ｔｕ＝１ms、ピーク期間Ｔｐ＝２ms、ピーク立下り期間Ｔｄ＝１msに設定される。

パルスアーク溶接期間Ｔａは、複数のパルス周期Ｔｆを含んでいる。パルス周期Ｔｆは、例えば１５ms程度である。パルスアーク溶接期間Ｔａは、例えば５０～５００ms程度である。図３は、遅延期間中にパルスアーク溶接期間Ｔａに切り換わる場合である。これ以外にも、パルスアーク溶接期間Ｔｃがベース期間Ｔｂから開始するようにしても良い。最初のピーク電流Ｉｐが通電するまでに小電流の期間が先行していれば良い。

以下、本実施の形態の作用効果について説明する。本実施の形態によれば、図２の時刻ｔ３に示すように、パルスアーク溶接の期間の最終パルス周期中に短絡が発生した時点で、短絡移行アーク溶接の期間に切り換える。短絡期間では送給速度が急峻に変化しても溶接状態は不安定になりにくいので、パルスアーク溶接期間から短絡移行アーク溶接期間への切り換えが円滑に行われる。

さらに、本実施の形態によれば、最終パルス周期中の最終ベース電流値を、それ以外のパルス周期中の定常ベース電流値よりも大とする。このようにすると、最終ベース電流の通電によって溶滴を形成した状態で短絡が発生するようになる。この結果、短絡移行アーク溶接期間への切り換えがより円滑となる。

さらに、図３の時刻ｔ１に示すように、本実施の形態によれば、短絡移行アーク溶接のアーク期間中にパルスアーク溶接に切り換える。短絡期間中にパルスアーク溶接に切り換えると、溶滴移行状態が不安定になるので、溶接状態が不安定になり、大粒のスパッタが発生するおそれがある。アーク期間中に切り換えると、円滑にパルスアーク溶接へと移行する。

さらに、本実施の形態によれば、短絡移行アーク溶接においてアークが再発生して低レベル電流値の状態でパルスアーク溶接に切り換える。このようにすると、溶滴が形成されていない状態でパルスアーク溶接に切り換わるので、１パルス周期１溶滴移行状態を最初のパルス周期から実現することができる。このために、溶接状態をさらに安定化することができる。

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
ＣＭ 電流比較回路
Ｃｍ 電流比較信号
ＤＲ 駆動回路
Ｄｒ 駆動信号
Ｅ 出力電圧
Ｅａ 誤差増幅信号
ＥＤ 出力電圧検出回路
Ｅｄ 出力電圧検出信号
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＲ 出力電圧設定回路
Ｅｒ 出力電圧設定信号
ＥＶ 電圧誤差増幅回路
Ｅｖ 電圧誤差増幅信号
ＦＡＲ パルス送給速度設定回路
Ｆar パルス送給速度設定信号
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＦＣＲ 短絡アーク送給速度設定回路
Ｆcr 短絡アーク送給速度設定信号
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
Ｆｗ 送給速度
ＩＡＲ パルス電流設定回路
Ｉar パルス電流設定信号
Ｉｂ ベース電流
ＩＢＲ ベース電流設定回路
Ｉbr ベース電流設定信号
ＩＣＲ 短絡アーク電流設定回路
Ｉcr 短絡アーク電流設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＬＲ 低レベル電流設定回路
Ｉlr 低レベル電流設定信号
Ｉｐ ピーク電流
ＩＰＲ ピーク電流設定回路
Ｉpr ピーク電流設定信号
ＩＲ 電流設定回路
Ｉｒ 電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＮＤ くびれ検出回路
Ｎｄ くびれ検出信号
ＰＭ 電源主回路
Ｒ 減流抵抗器
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
ＳＴＤ 小電流期間回路
Ｓtd 小電流期間信号
Ｓtf 最終パルス周期信号
ＳＷ 電源特性切換回路
Ｔａ パルスアーク溶接期間
ＴＡＲ パルスアーク溶接期間設定回路
Ｔar パルスアーク溶接期間設定信号
Ｔｂ ベース期間
Ｔｃ 短絡移行アーク溶接期間
ＴＣＲ 短絡移行アーク溶接期間設定回路
Ｔcr 短絡移行アーク溶接期間設定信号
Ｔｄ ピーク立下り期間
ＴＤＲ 電流降下時間設定回路
Ｔdr 電流降下時間設定信号
ＴＦ パルス周期回路
Ｔｆ パルス周期（信号）
ＴＭ タイマ回路
Ｔｍ タイマ信号
Ｔｐ ピーク期間
ＴＰＲ ピーク期間設定回路
Ｔpr ピーク期間設定信号
ＴＲ トランジスタ
Ｔrd 逆送減速期間
ＴＲＤＲ 逆送減速期間設定回路
Ｔrdr 逆送減速期間設定信号
Ｔrp 逆送ピーク期間
Ｔru 逆送加速期間
ＴＲＵＲ 逆送加速期間設定回路
Ｔrur 逆送加速期間設定信号
Ｔsd 正送減速期間
ＴＳＤＲ 正送減速期間設定回路
Ｔsdr 正送減速期間設定信号
Ｔsf 最終パルス周期
Ｔsp 正送ピーク期間
Ｔsu 正送加速期間
ＴＳＵＲ 正送加速期間設定回路
Ｔsur 正送加速期間設定信号
Ｔｕ ピーク立上り期間
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＬ リアクトル
ＷＭ 送給モータ
Ｗrp 逆送ピーク値
ＷＲＲ 逆送ピーク値設定回路
Ｗrr 逆送ピーク値設定信号
Ｗsp 正送ピーク値
ＷＳＲ 正送ピーク値設定回路
Ｗsr 正送ピーク値設定信号

Claims (4)

1. 溶接ワイヤを正送給してパルスアーク溶接を行う期間と前記溶接ワイヤを正逆送給して短絡移行アーク溶接を行う期間とを交互に切り換えて溶接するアーク溶接方法において、
   前記パルスアーク溶接の期間の最終パルス周期中に短絡が発生した時点で、前記短絡移行アーク溶接の期間に切り換え、
   前記最終パルス周期中のベース電流の通電開始時点から前記ベース電流の値を、それ以外のパルス周期中の前記ベース電流の値よりも大とする、
   ことを特徴とするアーク溶接方法。
2. 前記短絡移行アーク溶接の期間の開始時点から、前記溶接ワイヤを逆送給に切り換える
   ことを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接方法。
3. 前記短絡移行アーク溶接のアーク期間中に前記パルスアーク溶接に切り換える、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のアーク溶接方法。
4. 前記短絡移行アーク溶接においてアークが再発生して低レベル電流値の状態で前記パルスアーク溶接に切り換える、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のアーク溶接方法。

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