JPH01205875A - 消耗電極式アーク溶接の制御方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、短絡移行を含む消耗電極式アーク溶接を制御
するための方法およびその装置に関するものである。

［従来の技術］ 溶接ワイヤと母材との間で短絡とアーク発生とを繰り返
しつつ溶接を行なう消耗電極式アーク溶接において、溶
滴の一般的な溶滴の形成・移行過程は、第８図（、）〜
（ｆ）に示すようになっている。

なお、第８図において、１１は溶接ワイヤ、１２は母材
、１３は溶滴であり、 （ａ）は短絡直前のアーク発生状態 （ｂ）は溶滴が溶融池に接触した短絡初期状態（ｃ）は
溶滴と溶融池との接触が確実となり溶滴が移行している
短絡中期状態 （ｄ）は溶滴が溶融池側に移行し溶接ワイヤと溶滴との
間にくびれを生じた短絡後期状態（ｅ）は短絡が破れ溶
接アークが発生した瞬間（ｆ）は溶接ワイヤが溶融し溶
滴が成長するアーク発生状態 を〃、シ、（ａ）〜（ｆ）の過程が繰り返し行なわれる
。

このような過程において、スパッタは、短絡が破れ、溶
接アークが再発生する瞬間、つまり第７図（ｅ）に多量
発生することが明らかになっている。

このスパッタ発生による利用者からの苦情により、第７
図（ｅ）に示す過程でのスパッタの発生を抑制しようと
する方法等が実用化されている。

即ち、溶滴１３が母材１２に短絡している間に溶接電流
を所定の短絡電流とし、ピンチ効果で短絡した溶滴１３
が第７図（ｄ）に示すようにくびれ始める前兆を、抵抗
の増加による電圧の増加分ΔＶを検知し、この値が予め
設定されている基準電圧値を超えた時点で、溶接電流を
再アーク可能な最低限の再アーク初期電流まで減少させ
、くびれた溶滴１３の溶融池への移行を緩和させるよう
にしている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上述の従来技術では、溶滴１３のくびれ
を検知して溶接電流を再アーク初期電流まで減少させる
ために、出力制御しても溶接電流減衰経路のインピーダ
ンスが少なく、実質的に所望の溶接電流の低減を行なえ
ない。

この点を改善した特開昭５９−２０６１５９号公報に示
された「溶接電源の制御方法および装置」では、溶接電
流の低減出力と同期して溶接電流減衰経路中に介在した
スイッチをオフさせ、そのスイッチと並列に設けたイン
ピーダンス素子にて溶接電流の減少を促進させるように
している。

しかし、実際には、使用時における半自動溶接。

自動溶接でのワイヤエクステンシ目ン、ワイヤ送給速度
、溶接速度等の装置設定上の変動や、作業者による溶接
条件の変更や、溶接姿勢により顕著に異なる溶融池の揺
動等の外乱などに起因して、また溶滴の大きさ、形状、
粘性等のバラツキにより、くびれを検知した後、溶接電
流を減少している間に、溶滴移行〔第７図（ｅ）参照〕
が完了してしまう場合がある。このような場合には、溶
接電流を十分に減少しきれずにスパッタが発生する結果
となる。このように、スパッタの発生を確実に抑制する
には、溶接電流の減少時間を短縮するだけの従来技術で
は、解決できない課題があった。

本発明は、このような課題の解決をはかろうとするもの
で、溶滴のくびれ現象の変動に左右されることなく、ス
パッタの発生を確実に抑制できるようにした消耗電極式
アーク溶接の制御方法およびその装置を提供することを
目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明の消耗電極式アーク
溶接の制御方法は、溶滴のくびれ（短絡終了の前兆）を
検知し、このくびれの検知からアーク再発生までの間に
溶接電流を所定値まで低下制御するとともに、くびれ検
知からアーク再発生までの時間を検出し、その検出時間
に応じて次の溶滴のくびれを検知する基準を決定するこ
とを特徴としている（請求項１）。

また、上記制御方法において、次の溶滴のくびれを検知
するための基準は、上記検出時間と所定の設定時間との
比較結果に基づいて決定し、特に、後述する理由により
、上記設定時間を１００〜３００μｓｅｃとするのが好
ましい（請求項２）。

一方、本発明の消耗電極式アーク溶接の制御装置は、直
流電圧を１個以上のスイッチング素子のオン／オフ動作
により出力制御して溶接電流を制御する溶接電源と、同
溶接電源から出力された溶接電流を消耗電極と母材との
間に印加して短絡からアーク発生までの状態を検知する
検知器と、同検知器からの出力と所定の基準値とを比較
して溶滴のくびれ（短絡終了の前兆）を検知する比較器
と、同比較器における上記所定の基準値を出力する出力
手段とをそなえ、上記出力手段を、上記検知器からの出
力によりアーク発生を判定して出力する判定器と、上記
比較器によるくびれ検知後に上記判定器からアーク発生
判定が出力されるまでの時間を検出する時間検出器と、
予め設定されたくびれ検知からアーク発生までの適正時
間と上記時間検出器からの検出時間との差を演算して出
力する演算器と、同演算器からの出力に応じて次の溶滴
のくびれを検知するための所定の基準値を上記比較器に
出力して設定する設定器とから構成したことを特徴とし
ている（請求項３）。

また、上記制御装置において、溶接電流の減衰特性を高
めるために、溶接電流減衰経路中に介挿され上記比較器
からの出力に応じてオフ状態になるスイッチ手段と、同
スイッチ手段に対して並列に接続されたコンデンサの両
端に所定の直流電圧を印加する電源回路とを設けること
ができる（請求項４）。

さらに、溶接電流の減衰率を一定にするために、上記電
源回路に、上記コンデンサの両端に印加される電圧を所
定値に維持する調整回路をそなえるか（請求項５）、上
記コンデンサの両端に印加された電圧のうち所定値を超
えた電圧分を溶接電源１次側直流電圧に回生ずる回生回
路をそなえるとよい（請求項６）。

［作　　　用］ 上述の本発明の消耗電極式アーク溶接の制御方法では、
装置設定条件の変動、溶接条件の変更。

溶滴の状態のバラツキなどにより溶滴のくびれ現象が変
動すると、その変動がくびれ検知からアーク再発生まで
の時間として検出される。そして、検出時間が適正時間
よりも長くなった場合には、次の溶滴のくびれを検知す
るための基準を、くびれ検知時点がアーク再発生時点に
近くなる方向に決定する一方、検出時間が適正な時間よ
りも短くなった場合には、上記基準を、くびれ検知時点
がアーク再発生時点から離れる方向に決定するようにす
る。これにより、くびれ検知からアーク再発生までの時
間が適正時間となり、消耗電極の母材への突込みやスパ
ッタの発生が確実に抑制される。

なお、上記適正時間を１００〜３００μｓｅｃと設定す
ることで、最も溶接作業性が安定し且つスパッタが減少
する。

また、上述の本発明の消耗電極式アーク溶接の制御装置
は前記方法を実施する際に直接使用されるもので、本装
置では、検知器および比較器により溶滴のくびれが検知
されるが、このとき、くびれを検知するために比較器に
おいて設定される所定の基準値は、出力手段により適切
に設定される。

この出力手段による上記所定の基準値の設定方法は、前
述した方法に沿うもので、比較器２判定器および時間検
出器により、くびれ検知からアーク再発生までの時間が
検出され、演算器および設定器により、検出時間および
適正時間に基づき上記所定の基準値が決定される。

さらに、比較器からの出力（溶滴のくびれ検知）に応動
してオフ状態になるスイッチ手段は、溶接電流減衰経路
中の電流を電源回路内のコンデンサへ流入させてそのエ
ネルギを吸収させるように働き、直線的で急峻な立ち下
がり傾斜を有する電流減衰特性を得られることになる。

また、調整回路は、上記コンデンサの両端電圧を一定に
維持し、溶接電流の減衰率が一定になるように働く。さ
らに、回生回路は、上記コンデンサの両端電圧を一定に
維持し、溶接電流の減衰率が一定になるとともに、電流
減衰時のエネルギロスが少なくなるように働く。

［発明の実施例］ 以下、図面により本発明の実施例について説明する。

第１図は本発明の第１実施例としての消耗電極式アーク
溶接の制御装置を示す回路図であり、１はトーチ、２は
溶接ワイヤ（消耗電極）、３は母材であり、溶接ワイヤ
２は図示しない供給装置から送給される。また、Ｌはリ
ナクトル、ＤＩ、Ｄ２は整流ダイオード、Ｅｌは商用交
流電源、ＤＢＩは交流電源Ｅ１からの交流電圧を直流電
圧に整流するダイオードブリッジ、Ｃ１は平滑用のコン
デンサ、ＳＷＩ〜ＳＷ４はスイッチング素子、Ｔ１はト
ランスであり、これらの交流電源Ｅｌ、ダイオードブリ
ッジＤＢＩ、コンデンサＣ１，スイッチング素子５ＷＩ
−５Ｗ４およびトランスＴ１から溶接電源Ｅが構成され
る。

そして、５は図示しない回路からの所定の信号に基づい
てスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４をオン／オフするド
ライバであり、ここでは、スイッチング素子ＳＷＩ、Ｓ
Ｗ４と、ＳＷ２．ＳＷ３とをそれぞれ組として交互にオ
ン／オフ駆動して、溶接電流■が設定電流値となるよう
にＭ御するものである。６はトーチ１と母材３との間の
アーク電圧（短絡からアーク発生までの電気的変化）を
検出して増幅するアンプを含むアーク電圧検出回路（検
知器）、７は比較器で、アーク電圧検出回路６からの検
出信号を受け、その検出信号が、短絡開始後〔第８図（
ｂ）参照〕、後述する出力手段８により設定されるくび
れ検知レベル（所定の基準値）に達した場合に溶滴のく
びれ〔短絡終了の前兆；第８図（ｄ）参照〕を検知した
としてＨｉｇｈレベル信号を出力するものである。なお
、第１図には、図示しないが、溶接ワイヤ２の溶滴が母
材３の溶融池に接触し始めた時点（短絡開始時点）を、
アーク電圧検出回路６の出力から検知する短絡検出回路
が設けられている。

また、８は比較器７におけるくびれ検知レベルを設定・
出力する出力手段で、アーク電圧検出回路６からの電圧
検出信号に基づいてアーク発生時を判定して出力するア
ーク発生判定器８ａと、比較器７によるくびれ検知後に
アーク発生判定器８ａからアーク発生判定が出力される
までの時間（ＴＡ）を検出する時間検出器８ｂと、予め
設定されたくびれ検知からアーク発生までの適正時間（
Ｔ１）と時間検出器８ｂからの検出時間（ＴＡ）との差
を演算して出力する偏差演算器８ｃと、この偏差演算器
８ｃからの出力に応じて次の溶滴のくびれを検知するた
めのくびれ検知レベル（所定の基準値）比較器７に出力
して設定するくびれ検知レベル設定器８ｄとから構成さ
れている。

さらに、ＳＷＤはダイオードＤ　１　（Ｄ　２）と溶接
ケーブル４との間における溶接電流供給経路（溶接電流
減衰経路）中に介挿されたスイッチング素子（スイッチ
手段）、９はこのスイッチング素子ＳＷＤをオン／オフ
制御するドライバであり、比較器７からの信号がＬｏｗ
レベルからＨｉｇｈレベルに立ち上がると出力信号をＬ
ｏｗレベルにしてスイッチング素子ＳＷＤをオフ状態と
するものである。

なお、ドライバ９は、溶接電流Ｉが所定の電流値まで低
下すると再びスイッチング素子ＳＷＤをオン状態とする
ように構成されている。また、ドライバ５は、ドライバ
８からのＬｏｗレベル信号を受けると、スイッチング素
子ＳＷＩ〜ＳＷ４をすべてオフ状態にするようになって
いる。

一方、Ｐｏは定電圧電源（電源回路）で、商用交流電源
Ｅ２．トランスＴ２．ダイオードブリッジＤＢ２．抵抗
Ｒ１，スイッチング素子ＳＷ５およびコンデンサＣ２か
ら構成されている。コンデンサＣ２は、逆流防止用ダイ
オードＤ３を介し、スイッチング素子ＳＷＤに対して並
列に接続されている。また、交流電源Ｅ２からの交流電
圧は、トランスＴ２を介しダイオードブリッジＤＢ２に
よって直流電圧に整流されて、コンデンサＣ２に印加さ
れる。さらに、抵抗Ｒ１およびスイッチング素子ＳＷ５
は、コンデンサＣ２に対し並列に設けられていて、スイ
ッチング素子ＳＷ５を図示しない制御回路にてオン／オ
フ動作させることにより、コンデンサＣ２の両端に一定
の直流電圧Ｖ。を印加するようになっている。これらの
抵抗Ｒ１およびスイッチング素子ＳＷ５により、コンデ
ンサＣ２の両端に印加される電圧を所定値に維持する調
整回路が構成されている。

本発明の第１実施例としての消耗電極式アーク溶接の制
御装置は上述のごとく構成されているので、本実施例の
装置を使用することで、次のように動作し１本発明の方
法を実施することになる。

まず、交流電源Ｅ１が、ダイオードブリッジＤＢ１によ
り整流され、コンデンサＣ１で平滑化されて直流電源に
変換される。そして、ドライバ５によりスイッチング素
子ＳＷＩ〜ＳＷ４をオン／オフ駆動することで出力制御
された高周波交流が、トランスＴ１を介して降圧される
。通常、スイッチング素子ＳＷＤはオン状態であるので
、ダイオードＤｉ、Ｄ２で整流された溶接電流Ｉはトー
チ１→溶接ワイヤ２→母材３へ供給され、アーク電圧が
、溶接ワイヤ２と母材３との間に印加されて。

短絡移行アーク溶接が行なわれる。

この短絡移行アーク溶接における溶滴の移行過程は第８
図（ａ）〜（ｆ）にて説明した通りで、溶接ワイヤ２か
らの溶滴が母材３の溶融池に接触した後〔短絡開始時；
第８図（ｂ）参照〕、溶滴が溶融池側に移行し溶接ワイ
ヤ２と溶滴との間にくびれを生じ始める〔第８図（ｄ）
参照〕。この時点になると、アーク電圧検出回路６によ
り検出されるトーチ１と母材３との間のアーク電圧が大
きくなる。そして、このアーク電圧が、くびれ検知レベ
ルに到達すると、比較器７において、くびれが発生した
と判断され、Ｈｉｇｈレベル信号がドライバ９へ出力さ
れる。これに伴いドライバ９が動作して、スイッチング
素子ＳＷＩ〜ＳＷ４およびＳＷＤがオフ状態に駆動制御
される。

この結果、溶接電流Ｉは、溶接ワイヤ２→母材３→トラ
ンスＴ１→ダイオードＤ　１　（Ｄ　２）→ダイオード
Ｄ３→コンデンサＣ２→リアクトルＬ→トーチ１→溶接
ワイヤ２の順に流れて減衰する。この電流減衰中１本実
施例では、溶接電流がコンデンサＣ２に流れ込みそのエ
ネルギが吸収されて、コンデンサＣ２の両端電圧が多少
増加するが、図示しない制御回路によりスイッチング素
子ＳＷ５をオン／オフ駆動することで、コンデンサＣ２
に蓄積されたエネルギが抵抗Ｒ１により消費される。

従って、コンデンサＣ２の両端電圧は、常に一定値ｖ０
に維持される。

ここで、スイッチング素子ＳＷＩ〜ＳＷ４およびＳＷＤ
をオフ状態にした時点での溶接電流を■。とすれば、減
衰電流工は等測的に次式で表わされる。

ｘ＝ｔ、−（ｖ０／Ｌ）・ｔ ただし、Ｉ　ｏ　＜　Ｖ　ｏ　／　ＲＡ、Ｉ＞０１ＲＡ
は溶接ワイヤ２の抵抗、ｔは時間であり、スイッチング
素子ＳＷ５および抵抗Ｒ１からなる調整回路により、コ
ンデンサＣ２の両端電圧Ｖ。は一定に維持されるので、
電流の減衰率Ｖ、／Ｌは一定になっている。また、諸回
路定数を、ｌ０＝４００Ａ、１＝５０μＨ，Ｖｏ＝４０
０Ｖ−ＲＡ＝２０ｍΩとすれば、上式に基づく減衰電流
Ｉは、第３図に符号ａで示すような減衰特性を有するこ
とになる。これによれば、直線的で急峻な立ち下がり傾
斜を有する電流減衰特性が得られることが明らかで、８
０Ａまでの減衰時間が４０μｓｅｃとなっている。

なお、第３図における符号すは、従来装置において、ス
イッチ手段（本実施例のスイッチング素子５ＷＤ）に対
して並列なインピーダンス素子として１Ωの抵抗を設け
た場合の電流減衰特性を示す曲線であり、曲線ａとｂと
を比較すると、本実施例では、４００Ａから８ＯＡまで
の減衰時間が約１／２まで短時間に低減されていること
が判る。

また、第４図には、スイッチング素子ＳＷＤにかかる電
圧ｖ　ｓｗｏと、溶接電流が４０ＯＡから８０Ａまでに
減少するのに要する時間との関係が示されており、符号
Ｃは本実施例によるもので、符号ｄは従来装置（インピ
ーダンス素子として抵抗Ｒを設けた場合）によるものを
示している。これらの曲線ｃ、ｄを比較して明らかなよ
うに、本実施例では、スイッチング素子ＳＷＤにかかる
電圧が同じであれば、約１７２の短時間の減衰時間とな
っている。逆に、同じ減衰時間を得るためには１本実施
例では、従来の約１７２の耐圧を有するスイッチング素
子ＳＷＤを用いればよいことが判る。

さらに、上記減衰率は、コンデンサＣ２の両端電圧ｖ０
を調整することにより変更できるが、短絡時の溶接電流
ＩＳＰが前回短絡時の溶接電流と同じであれば、くびれ
検知後の溶接電流工を、前回の溶接電流制御時の傾き（
溶接電流の減衰率）と同じ傾きで所定の再アーク初期電
流ＩＲＡまで低下制御するようにする。

上述のようにして、溶接電流工が短絡電流（Ｉｓｐ）か
ら所定の電流値（再アーク初期電流Ｉ　ＲＡ）まで低下
すると、ドライバ９により再びスイッチング素子ＳＷＤ
はオン状態となるとともに、スイッチング素子ＳＷＩ〜
ＳＷ４もドライバ５により通常の通りオン／オフ駆動さ
れる。以後は、上述した動作が繰り返される。

ところで、以上のような動作を繰り返してアーク溶接を
行なっている間、比較器７に設定されるくびれ検知レベ
ル（所定の基準値）は、くびれ変動に伴い出力手段８の
動作によって次のように決定・設定変更される。第２図
（ａ）、（ｂ）はこれを説明するためのもので、短絡か
らアーク発生に移動する際の溶滴にくびれが生じてから
アーク発生に至る過程での溶接電圧■、溶接電流工の波
形を拡大して模式的に示したものである。

第２図（ａ）、（ｂ）に示すように、くびれ検知時刻ｔ
。から再アーク発生時刻ｔ１までの時間が適正であると
き、その適正時間をＴい溶滴のくびれによる電圧の変化
分をΔＶ□とする。

ここで、溶接電流■を所定の再アーク初期電流ＩＲＡに
低下させてから、再アーク発生に至る時間は概ね数１０
〜数１００μｓｅｃであることが知見されているが、実
験の結果、５００μｓｅｃ以上では溶接ワイヤ２が母材
３に突き込んでしまう確率が急増する一方、３０μｓｅ
ｃ以下では溶接電流工を再アーク初期電流ＩＲＡまで低
下しないうちにアークが発生してスパッタが増加してし
まうことが分かった。特に、１００〜３００μｓｅｃ程
度が最も溶接作業性が安定し且つスパッタが減少する領
域であることが確かめられ、この値を適正時間Ｔ工とす
ることが好ましい。

さて、くびれ検知時刻ｔ０後にアークが発生した時刻ｔ
２が、適正なアーク発生時刻１１（＝１１１＋Ｔ１）よ
りも遅く、その時間がＴ２（＞Ｔ、）と長くなった場合
には、相対的に溶接電流工を下げるタイミングが早すぎ
て、再アーク初期電流ＩＲＡのまま短絡が終了しないで
いる時間が長いことになる。

従って、溶接ワイヤ２が母材３に突っ込む可能性が増加
するので、次の過程では、その検出時間Ｔ２に応じてく
びれ検知レベルをΔＶ□よりも高い値Δｖ２に修正し、
溶接電流工を下げるタイミングを遅らせる。これにより
、くびれ検知からアーク発生までの時間が適正時間Ｔ□
に戻すように操作される。

一方、くびれ検知時刻ｔ。後にアークが発生した時刻ｔ
、が、適正なアーク発生時刻１１（＝１゜＋Ｔ、）より
も早く、その時間がＴ、（＜Ｔ、）と短く成った場合に
は、相対的に溶接電流工を下げるタイミングが遅すぎて
、溶接電流工が下がった直後にアークが発生してしまい
、今だ短絡電流による強力な電磁力の慣性でワイヤ溶融
端の強い運動が存在する。従って、スパッタが発生する
危険が増加するので、次の過程では、その検出時間Ｔ、
に応じてくびれ検知レベルをΔＶ工よりも低い値Δｖ３
に修正し、溶接電流工を下げるタイミングを早くする。

これにより、くびれ検知からアーク発生までの時間が適
正時間Ｔ１に戻すように操作される。

なお、スパッタを抑制し且つ溶接を安定して継続させる
ための再アーク初期電流ＩＲＡとしては、３Ｏ−１５０
Ａ程度が望ましい。

また、くびれ検知からアーク発生までの検出時間に応じ
てくびれ検知レベルを修正する際には、くびれ検知レベ
ルを検出時間の関数として与えこの関数に基づいて修正
してもよいし、検出時間と適正時間Ｔ□との偏差ΔＴに
比例して修正してもよい（本実施例の装置の場合にはこ
れを適用しており後述する）。また、適当な不感帯を設
けておき、修正しない領域を設けるようにしてもよい。

ついで、第２図（ａ）、（ｂ）により説明したような比
較器７におけるくびれ検知レベルの決定機能を有する出
力手段８の具体的な動作について説明する。

出力手段８におけるアーク発生判定器８ａは、アーク電
圧検出回路６からの電圧検出信号を受けて短絡であるか
アーク発生であるかを判定し、アークが発生した場合に
Ｈｉｇｈレベルの信号を出力する。そして、時間検出器
８ｂは、比較器７のくびれ検知信号（ｆ（ｉｇｈレベル
信号）を受けてから、アーク発生判定器８ａの出力を受
けるまでの時間ＴＡを検出して偏差演算器８ｃへ出力す
る。偏差演算器８ｃは、予め設定される前述の適正時間
Ｔ１と検出時間ＴＡとの偏差ΔＴ（＝ＴＡ−Ｔ工）を算
出し、くびれ検知レベル設定器８ｄは、偏差演算器から
のの偏差ΔＴに比例した値ａ・ΔＴ（ａは比例定数）を
それ以前のくびれ検知レベルΔＶに加えた新しいくびれ
検知レベル（ΔＶ＋ａ・ΔＴ）を出力し、これを比較器
７における次の過程でのくびれ検知基準として設定する
。

今ここで、検出時間ＴＡが適正時間Ｔ工よりも大きく、
偏差ΔＴが正の値となれば、くびれ検知レベルが小さく
て溶接電流工を下げるタイミングが早すぎるので、新し
いくびれ検知レベルをΔＶ＋ａ・ΔＴと大きくする。逆
に、検出時間へが適正時ＭＴ、よいも小さく、偏差ΔＴ
が負の値となれば、くびれ検知レベルが大きくて溶接電
流工を下げるタイミングが遅すぎるので、新しいくびれ
検知レベルをΔＶ　＋　ａ・ΔＴと小さくする。

このように変更されたくびれ検知レベルは、比較器７に
設定され、次の過程からは新たなくびれ検知レベルとア
ーク電圧検出回路６からの電圧検出信号とが比較されて
、くびれが検知される。この結果、次回の溶滴にくびれ
が生じてからアーク発生に至る過程においては、溶接電
圧Ｖが変更されたくびれ検知レベルになると、比較器７
がくびれ検知信号を出力する。

従って、最初のくびれ検知レベルは、ある基準レベルΔ
Ｖ□であり、以後、溶滴にくびれが生じるごとに、出力
手段８により上述した動作が繰り返されることで、検出
時間ＴＡが適正時間Ｔ□になるようにくびれ検知レベル
が制御されることになる。

以下に、本発明の方法・装置を実際に適用して行なった
実験結果を示す。ただし、溶接ワイヤはＹＧＷＩ　２（
直径１　、２＋ｍ）、シールドガスはＣｏ２ガス（１５
Ｑ　／分）、母材はＳ　Ｐ　ＣＣ（３，２ｔ）、平均溶
接電流は１６５Ａ、平均溶接電圧は２０Ｖ、ワイヤ送給
速度は４．５ｍ／分、溶接スピード７Ｑｃｐｍとする。

このような条件の溶接を２０分間行なった後、シールド
ガスノズルに付着したスパッタの重量を測定した結果を
次の表１に示すが、この表１より明らかなようにスパッ
タは大幅に減少した。

表　　１ このように、本実施例の消耗電極式アーク溶接の制御方
法およびその装置によれば、出力手段８により、比較器
７における次回のくびれ検知レベルを、くびれ検知から
アーク再発生までの検出時間に応じて適宜設定変更でき
るようにしたので、再アーク初期電流ＩＲＡの印加時間
を制御し、溶接電流工を下げてからアーク再発生時点ま
での時間を常に適正時間Ｔ１に保つことができるととも
に、使用時の外乱による溶滴移行の変動に適応でき。

スパッタを常に確実に抑制することができる。

また、本実施例では、くびれの発生（短絡終了の前兆）
がアーク電圧の上昇として検出されると、これに応動し
てスイッチング素子ＳＷＤがオフ状態にされ、溶接電流
減衰経路中の電流が両端電圧一定のコンデンサＣ２に流
れ込みエネルギが吸収されて、直線的で急峻な立ち下が
り傾斜を有する電流減衰特性（第３図参照）を得られる
ことになるので、くびれ発生後、溶接電流Ｔを極めて短
時間のうちに低溶接電流（再アーク初期電流Ｉ　ＲＡ）
まで効果的に減衰させることが可能となり、より確実に
スパッタの発生を抑制できる。

これにより、スパッタに起因する様々な弊害を解消でき
、その工業的価値は極めて大きい。

なお、本実施例では、くびれを検知する手段の一例とし
て、アーク電圧（短絡電圧の変化分）を検出しくびれ検
知レベルと比較する手段を説明しているが、消耗電極の
抵抗測定や溶接電流の変化などを検出してくびれ検知レ
ベルと比較するようにしてもよく、短絡終了の前兆であ
るくびれを検知できる手段であればよい。

また、本実施例によれば、第４図により説明したように
、従来装置に比べ、スイッチング素子ＳＷＤの耐圧を低
くできる効果もある。

なお、本実施例では、くびれ発生時だけでなく、短絡直
後において溶接電流を急激に低減させれば、短絡直後の
電流上昇により発生するスパッタを防止することもでき
る。また、溶接電流が所定の低溶接電流よりも低下した
場合には、スイッチング素子ＳＷＤをオン状態として溶
接電流■の立ち下がり過ぎを抑制することにより、アー
ク再生時のアーク切れを防止することができる。

また、本実施例では、くびれの発生が検出された場合に
、スイッチング素子ＳＷＩ〜ＳＷ４およ　・びＳＷＤの
すべてをオフ状態とした時の電流減衰特性について説明
したが、本発明の溶接電源によれば、スイッチング素子
ＳＷＤのみオフ状態とし。

スイッチング素子ＳＷＩ〜ＳＷ４はすべてオフ状態にし
なくても、上述と同様の作用効果が得られる。つまり、
スイッチング素子ＳＷＤのみオフ状態とした場合には、
溶接電源の無負荷電圧をＶｐとすれば、減衰電流Ｉａは
、 Ｉ　ａ”　Ｉ　ｏ　　（Ｖｏ　　Ｖｐ）”　ｔ　／　Ｌ
で表わされ、減衰の傾斜（減衰率）は多少小さくなるが
、直線的な傾斜が得られることに変わりはなく、減衰目
標値を低電流としても素早く短時間で減衰を行なうこと
ができる。例えば、スイッチング素子ＳＷＤのみをオフ
状態とした時、溶接電流工を、４００Ａから８ＯＡまで
に減衰させるために要する時間ｔは、Ｖｐ＝７０Ｖとす
ると、ｔ＝Ｌ（Ｉｏ　　Ｉａ）／（Ｖｏ　　Ｖｐ）＝５
０・（４００−８０）／（４００−７０）斗４８ｓｅｃ となる。

さらに、本実施例では、調整回路を、抵抗Ｒ１およびス
イッチング素子ＳＷ５により構成したが、これに代えて
、ツェナダイオードを用いてもよい。

次に、本発明の第２実施例としての溶接電源を説明する
と、第５図はその回路図である。なお、第５図中、既述
の符号と同一の符号は同一部分を示しているので、その
説明は省略するほか、この第５図においては、第１図に
示したアーク電圧検出回路６．比較器７．出力手段８．
ドライバ５゜９の図示は省略されている。

第５図に示すように、第２実施例も第１実施例とほぼ同
様に構成されているが、この第２実施例における定電圧
電源ＰＯＩ（電源回路）には、第１実施例の定電圧電源
ｐｏにおける抵抗Ｒ１に代えて、フライホイールダイオ
ードＤ４．トランスＴ３、ダイオードＤ５により構成さ
れるエネルギ回生回路がそなえられている。

このエネルギ回生回路は、電流減衰時にコンデンサＣ２
に蓄えられるエネルギを、スイッチング素子ＳＷ５のオ
ン／オフ動作によりコンデンサＣ１に回生ずるのである
。つまり、コンデンサｃ２の両端に印加された電圧のう
ち所定値ｖ０を超えた電圧分を、溶接電源１次側直流電
圧に回生して、コンデンサＣ２の両端電圧を一定値Ｖ。

に維持するのである。

これにより、第２実施例によっても第１実施例と同様の
作用効果が得られるほか、この第２実施例テハ、電流減
衰時のエネルギロスを抑えるコトができ、しかも同時に
電流減衰率を一定に保つことができるのである。

なお、上述した第１および第２実施例では、いずれもフ
ルブリッジ型インバータによる単極性溶接電源の主回路
をそなえた場合について説明しているが、正逆極性切替
型の溶接電源についても各極性ごとにみればアーク現象
は同じである。従って、スイッチング素子ＳＷＤおよび
定電圧電源ＰＯ（ＰＯＩ）を溶接電流減衰経路中にそな
えることで、本発明は、正逆極性切替型の溶接電源にも
第　−１および第２実施例の場合と同様に適用され同様
の作用効果を得ることができる。

また、第６，７図にそれぞれ示すようなハーフブリッジ
型インバータおよびチョッパ型による電源においても、
本発明は、スイッチング素子ＳＷＤおよび定電圧電源Ｐ
Ｏ（ＰＯＩ）を溶接電流減衰経路中にそなえることで、
第１および第２実施例の場合と同様に適用され同様の作
用効果を得ることができる。ただし、第６，７図中、符
号Ｅは直流電源、５ＷＩＡ、５ＷＩＢはスイッチング素
子、Ｔはトランスを示している。

前述の各実施例における定電圧電源のスイッチング素子
ＳＷＤを並列に設けたコンデンサの代わりに、ツェナダ
イオードを用いてもよい。また、逆流防止用のダイオー
ドＤ３の代わりに、スイッチング素子ＳＷＤの動作に同
期するスイッチング手段などを用いてもよい。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明の消耗電極式アーク溶接の
制御方法およびその装置によれば、以下に記載されるよ
うな効果を奏する。

比較器における次回の基準の所定値（くびれ検知レベル
）をくびれ検知からアーク再発生までの検出時間に応じ
て適宜設定変更するので、溶接電流を下げてからアーク
再発生時点までの時間を常に適正時間に保持できるとと
もに、使用時の外乱による溶滴移行の変動に適応でき、
スパッタを常に確実に抑制できて、スパッタに起因する
様々な弊害が解消され、極めて大きな工業的価値が得ら
れる。

そして、上記訂正時間を１００〜３００μｓｅｃとする
ことにより、溶接作業性が極めて安定するとともに、ス
パッタが大幅に減少する。

また、くびれが検知されると、これに応動してスイッチ
手段をオフ状態にすることで、溶接電流減衰経路中の電
流が両端電圧一定のコンデンサに流れ込みエネルギが吸
収されて、直線的で急峻な立ち下がり傾斜を有する電流
減衰特性を得られるので、くびれ発生後、溶接電流を極
めて短時間のうちに再アーク初期電流まで効果的に減衰
させることが可能となり、より確実にスパッタの発生を
抑制できる。

そして、前述のごとく、高い電流減衰特性が得られるた
め、減衰時間を短くできて、従来装置に比べ、スイッチ
手段の耐圧を低くできるほか、スイッチング素子をすべ
てオフ状態とせずに、スイッチ手段のみをオフ状態とす
ることでも直線的で急峻な立ち下がり傾斜を有する電流
減衰特性が得られる。

また、調整回路を設けることにより、コンデンサの両端
電圧が一定に維持され、溶接電流の減衰率を常に一定と
することができる。

さらに、回生回路を設けることにより、コンデンサの両
端電圧が一定に維持され、溶接電流の減衰率を常に一定
とすることができるとともに、電流減衰時のエネルギロ
スを抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例としての消耗電極式アーク
溶接の制御装置を示す回路図、第２図（ａ）、（ｂ）お
よび第３，４図はいずれも上記第１実施例の動作を説明
するためのグラフ、第５図は本発明の第２実施例として
の消耗電極式アーク溶接の制御装置を示す回路図、第６
，４図はいずれも本発明が適用される消耗電極式アーク
溶接の制御装置の変形例を示す回路図であり、第８図（
ａ）〜（ｆ）は消耗電極の溶滴の移行過程を示す図であ
る。 図において、２・−溶接ワイヤ（消耗電極）、３−母材
、５・−ドライバ、６−アーク電圧検出回路、７・・−
比較器、８・−出力手段、８ａ−・−アーク発生判定器
、８ｂ・−・・時間検出器、８　ｃ　−偏差演算器、８
ｄ・−・・くびれ検知レベル設定器、９−・ドライバ、
ＰＯ，ＰＯＩ−・一定電圧電源（電源回路）、Ｃ２・−
コンデンサ、Ｒ１−抵抗、ＳＷＩ〜ＳＷ５・・−スイッ
チング素子、ＳＷＤ・・−スイッチング素子（スイッチ
手段）、Ｅ・−溶接電源。 なお、図中、同一の符号は同一または相当部分を示して
いる。 特許出願人　株式会社　神戸製鋼所

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）消耗電極と母材との間で短絡とアーク発生とを繰
   り返して溶接を行なう消耗電極式アーク溶接の制御方法
   であって、短絡終了の前兆である溶滴のくびれを検知し
   、このくびれの検知からアーク再発生までの間に溶接電
   流を所定値まで低下制御するとともに、くびれ検知から
   アーク再発生までの時間を検出し、その検出時間に応じ
   て次の溶滴のくびれを検知する基準を決定することを特
   徴とする消耗電極式アーク溶接の制御方法。
2. （２）次の溶滴のくびれを検知するための基準を、上記
   検出時間と所定の設定時間とを比較して決定し、上記設
   定時間を１００〜３００μｓｅｃとしたことを特徴とす
   る請求項１記載の消耗電極式アーク溶接の制御方法。
3. （３）消耗電極と母材との間で短絡とアーク発生とを繰
   り返して溶接を行なうべく、直流電圧を１個以上のスイ
   ッチング素子のオン／オフ動作により出力制御して溶接
   電流を制御する溶接電源をそなえた消耗電極式アーク溶
   接の制御装置において、上記溶接電源から出力された溶
   接電流を上記の消耗電極と母材との間に印加して短絡か
   らアーク発生までの状態を検知する検知器と、同検知器
   からの出力と所定の基準値とを比較して短絡終了の前兆
   である溶滴のくびれを検知する比較器と、同比較器にお
   ける上記所定の基準値を出力する出力手段とをそなえ、
   上記出力手段が、上記検知器からの出力によりアーク発
   生を判定して出力する判定器と、上記比較器によるくび
   れ検知後に上記判定器からアーク発生判定が出力される
   までの時間を検出する時間検出器と、予め設定されたく
   びれ検知からアーク発生までの適正時間と上記時間検出
   器からの検出時間との差を演算して出力する演算器と、
   同演算器からの出力に応じて次の溶滴のくびれを検知す
   るための所定の基準値を上記比較器に出力して設定する
   設定器とから構成されていることを特徴とする消耗電極
   式アーク溶接の制御装置。
4. （４）溶接電流減衰経路中に介挿され上記比較器からの
   出力に応じてオフ状態になるスイッチ手段と、同スイッ
   チ手段に対して並列に接続されたコンデンサの両端に所
   定の直流電圧を印加する電源回路とを設けたことを特徴
   とする請求項３記載の消耗電極式アーク溶接の制御装置
   。
5. （５）上記電源回路が、上記コンデンサの両端に印加さ
   れる電圧を所定値に維持する調整回路を有していること
   を特徴とする請求項４記載の消耗電極式アーク溶接の制
   御装置。
6. （６）上記電源回路が、上記コンデンサの両端に印加さ
   れた電圧のうち所定値を超えた電圧分を溶接電源１次側
   直流電圧に回生する回生回路を有していることを特徴と
   する請求項４記載の消耗電極式アーク溶接の制御装置。