CN102126077B - 等离子金属惰性气体电弧焊接方法 - Google Patents

Abstract

在使金属惰性气体电弧(3a)以及等离子电弧(3b)从一个焊炬(WT)产生的等离子金属惰性气体电弧焊接方法中，即使焊炬高度(Lp)变化，也要维持稳定的金属惰性气体电弧的熔滴过渡状态。为此，在等离子电极(1b)与母材(2)之间通上等离子焊接电流(Iwp)，使等离子电弧(3b)产生。另外，在焊丝(1a)与母材(2)之间通上峰值期间中的峰值电流以及基值期间中的基值电流，使金属惰性气体电弧(3a)产生。而且，使上述峰值期间以及/或者上述峰值电流按照作为焊丝(1a)从等离子电弧(3b)受热的部分的长度的受热长度来发生变化。这样，即使焊炬高度(Lp)变化，也能够与之对应来优化上述单位脉冲条件，故熔滴过渡状态始终稳定。

Description

等离子金属惰性气体电弧焊接方法

技术领域

本发明涉及一种等离子金属惰性气体电弧焊接(plasma MIG welding)方法，其用一个焊炬使金属惰性气体(MIG：Metal Inert Gas)电弧和等离子电弧同时产生，来进行焊接。

背景技术

在现有技术中，提案了对等离子焊接方法和金属惰性气体电弧焊接方法进行组合的等离子金属惰性气体电弧焊接方法(参照例如专利文献1)。在这种等离子金属惰性气体电弧焊接方法中，通过在配置于焊炬内的等离子电极与母材之间通上等离子焊接电流，使等离子电弧产生。同时，将等离子电极设置成中空形状，穿过上述中空形状内部来进给经由配置在上述等离子电极内的供电芯片(chip)而被供电的焊丝，并通过在焊丝与母材之间通上金属惰性气体电弧焊接电流，使金属惰性气体电弧产生。因此，金属惰性气体电弧呈被等离子电弧包围的状态。焊丝作为使金属惰性气体电弧产生的电极发挥功能，并且，其前端熔融成为熔滴，辅助母材的接合。因此，等离子金属惰性气体电弧焊接方法多使用在厚板的高效率焊接、薄板的高速焊接等中。

关于上述金属惰性气体电弧焊接电流，为了抑制飞溅(sputter)的产生、且稳定地供给熔滴，一般多使用直流的脉冲波形。因此，金属惰性气体电弧焊接方法为一般的金属惰性气体电弧脉冲焊接方法。在包含金属惰性气体电弧脉冲焊接方法在内的消耗电极式电弧焊接方法中，将焊接中的电弧长维持成一个适当值很重要，故要进行电弧长控制。上述等离子焊接电流使用直流或者直流脉冲波形。在以后的说明中，当仅记载了电弧长时，其指的是金属惰性气体电弧的电弧长。以下，关于上述的等离子金属惰性气体电弧焊接方法进行说明。

图10是表示现有技术中的等离子金属惰性气体电弧焊接方法的波形图。同图(A)表示金属惰性气体电弧焊接电流Iwm，同图(B)表示金属惰性气体电弧焊接电压Vwm，同图(C)表示等离子焊接电流Iwp，同图(D)表示等离子焊接电压Vwp。以下，参照同图进行说明。

如同图(A)所示，通上由在峰值(peak)期间Tp中的峰值电流Ip以及在基值(base)期间Tb中的基值电流Ib组成的金属惰性气体电弧焊接电流Iwm。此峰值期间Tp和基值期间Tb合起来为脉冲期间Tf。而且，与此金属惰性气体电弧焊接电流Iwm的通电相对应，如同图(B)所示，在峰值期间Tp中，在焊丝和母材之间施加峰值电压Vp，而在基值期间Tb中，施加基值电压Vb。

在金属惰性气体电弧脉冲焊接中，为了得到良好的焊接质量，进行将电弧长维持成适当值的电弧长控制。通常，此电弧长控制，利用金属惰性气体电弧焊接电压Vwm与电弧长大致成正比的关系，控制脉冲周期，以使金属惰性气体电弧焊接电压Vwm的平均值等于预先设定的电压设定值。金属惰性气体电弧焊接电压Vwm的平均值，是使金属惰性气体电弧焊接电压Vwm通过低通滤波器而生成的。此电弧长控制的方式称作频率调制方式。在这种情况下，将峰值期间Tp、峰值电流Ip、以及基值电流Ib设定为规定值，其成为脉冲参数。将峰值电流Ip设定在临界值以上，其与峰值期间Tp组合在一起，被称作单位(unit)脉冲条件。此单位脉冲条件设定为在1个脉冲周期中进行1次熔滴过渡。将基值电流Ib设定为小于临界值的数十A左右的小电流值。根据焊丝的材质、直径、进给速度等将单位脉冲条件以及基值电流Ib设定为适当值。

另一方面，如同图(C)所示，对等离子焊接电流Iwp实施恒定电流控制，使其成为预先设定的恒定值的直流波形。另外，如同图(D)所示，在等离子电极与母材之间施加等离子焊接电压Vwp。因此，等离子电弧由恒定值的等离子焊接电流Iwp的通电产生。

专利文献1：JP特开2008-229641号公报

在等离子金属惰性气体电弧焊接中，在1个焊炬与母材之间同时产生金属惰性气体电弧和等离子电弧两个电弧。而且，金属惰性气体电弧是在被等离子电弧包围的状态下产生的。因此，金属惰性气体电弧的焊丝将从等离子电弧受热。根据母材的厚度、接头形状、操作性等将焊炬前端与母材之间的距离(焊炬高度)设定为适当值。因此，焊炬高度按焊接位置不同或者即使在焊接中，也会有变化。若此焊炬高度变化，则等离子电极前端与母材之间的距离以及供电芯片前端与母材之间的距离将会变化，故作为焊丝从等离子电弧受热的部分的长度的受热长度将会变化。若此受热长度变化，则从等离子电弧到焊丝的热量会变化从而预热状态变化，故焊丝的伸出部的温度上升将会变化。其结果是，熔滴过渡状态将变化，还会产生从1个脉冲周期1次熔滴过渡状态脱离成为不稳定的状态的情况。

发明内容

为此，本发明的目的在于，提供一种等离子金属惰性气体电弧焊接方法，即使作为焊丝从等离子电弧受热的部分的长度的受热长度变化，也能够维持稳定的熔滴过渡状态。

为了解决上述课题，权利要求1的发明是一种等离子金属惰性气体电弧焊接方法，其通过在配置于焊炬内的等离子电极与母材之间施加等离子焊接电压并通上等离子焊接电流，从而使等离子电弧产生，并且，将所述等离子电极设置成中空形状，穿过所述中空形状内部来进给经由配置在所述等离子电极内的供电芯片而被供电的焊丝，并通过在所述供电芯片与母材之间施加金属惰性气体电弧焊接电压并通上将峰值期间中的峰值电流以及基值期间中的基值电流作为1个脉冲周期的金属惰性气体电弧焊接电流，从而使金属惰性气体电弧产生，

其中，使所述峰值期间以及/或者所述峰值电流按照作为所述焊丝从所述等离子电弧受热的部分的长度的受热长度来发生变化。

权利要求2的发明，根据权利要求1记载的等离子金属惰性气体电弧焊接方法，其特征在于，所述受热长度是所述等离子电极的前端与所述母材之间的距离。

权利要求3的发明，根据权利要求2记载的等离子金属惰性气体电弧焊接方法，其特征在于，根据将所述等离子焊接电流以及所述等离子焊接电压作为输入且预先设定的函数，来计算所述等离子电的前端与所述母材之间的距离。

权利要求4的发明，根据权利要求1记载的等离子金属惰性气体电弧焊接方法，其特征在于，所述受热长度是从所述等离子电极的前端与所述母材之间的距离减去所述金属惰性气体电弧的电弧长后得到的值。

权利要求5的发明，根据权利要求4记载的等离子金属惰性气体电弧焊接方法，其特征在于，根据将焊丝的进给速度以及所述金属惰性气体电弧焊接电压的平均值作为输入且预先设定的函数，来计算所述电弧长。

根据本发明，通过按照焊丝的受热长度来使金属惰性气体电弧焊接电流中的峰值期间以及/或者峰值电流变化，能够补偿伴随受热长度的变化的焊丝的预热状态的变化。因此，即使焊炬高度等变化，从而焊丝的受热长度变化，也能够维持1个脉冲周期1次熔滴过渡的状态，故焊接状态将始终稳定。

进一步地，根据权利要求4以及权利要求5的发明，将受热长度作为从等离子电极前端与母材之间的距离减去金属惰性气体电弧的电弧长后得到的值来计算。因此，即使金属惰性气体电弧的电弧长变化，也能够正确地计算受热长度。其结果是，能够更高精度地补偿伴随受热长度的变化的焊丝的预热状态的变化。

附图说明

图1是用于实施本发明的实施方式1的等离子金属惰性气体电弧焊接方法的焊接装置的构成图。

图2是表示在等离子焊接电流Iwp为50A时的受热长度Lh与峰值期间Tp以及峰值电流Ip之间的关系的图。

图3是表示在等离子焊接电流Iwp为100A时的受热长度Lh与峰值期间Tp以及峰值电流Ip之间的关系的图。

图4是表示在等离子焊接电流Iwp为150A时的受热长度Lh与峰值期间Tp以及峰值电流Ip之间的关系的图。

图5是表示等离子电弧的电弧特性的图。

图6是构成图1的焊接装置的金属惰性气体电弧焊接电源PSM的模块图。

图7是构成图1的焊接装置的等离子焊接电源PSP的模块图。

图8是表示本发明的实施方式2的金属惰性气体电弧的电弧特性的图。

图9是本发明的实施方式2的构成焊接装置的金属惰性气体电弧焊接电源PSM的模块图。

图10是表示现有技术的等离子金属惰性气体电弧焊接方法的波形图。

符号说明：

1a：焊丝

1b：等离子电极

2：母材

3a：金属惰性气体电弧

3b：等离子电弧

4：供电芯片

51：等离子喷嘴

52：保护气体喷嘴

61：中心气体

62：等离子气体

63：保护气体

7：进给辊

EI：电流误差放大电路

Ei：电流误差放大信号

EV：电压误差放大电路

Ev：电压误差放大信号

FC：进给控制电路

Fc：进给控制信号

FR：进给速度设定电路

Fr：进给速度设定信号

Fw：进给速度

Ib：基值电流

IBR：基值电流设定电路

Ibr：基值电流设定信号

ID：电流检测电路

Id：电流检测信号

Ip：峰值电流

IPR：峰值电流设定电路

Ipr：峰值电流设定信号

IPR2：第二峰值电流设定电路

IRC：电流设定控制电路

Irc：电流设定控制信号

Iwm：金属惰性气体电弧焊接电流

Iwp：等离子焊接电流

IWPR：等离子焊接电流设定电路

Iwpr：等离子焊接电流设定信号

La：金属惰性气体电弧的电弧长

LAR：金属惰性气体电弧长设定电路

Lar：金属惰性气体电弧长设定信号

Lh：受热长度

LHC：受热长度计算电路

Lhc：受热长度信号

Lp：焊炬高度、等离子电极前端与母材之间的距离

Lpa：等离子电弧的电弧长

LPC：等离子电极前端·母材间距离计算电路

Lpc：等离子电极前端·母材间距离信号

Lw：供电芯片前端与母材之间的距离

Lx：伸出长

PM：电源主电路

PSM：金属惰性气体电弧焊接电源

PSP：等离子焊接电源

Tb：基值期间

Tf：脉冲周期(信号)

TP：峰值期间定时(Timer)电路

Tp：峰值期间(信号)

TPR：峰值期间设定电路

Tpr：峰值期间设定信号

TPR2：第二峰值期间设定电路

VAV：电压平均值计算电路

Vav：电压平均值信号

Vb：基值电压

VD：电压检测电路

Vd：电压检测信号

VF：电压/频率变换电路

Vp：峰值电压

VR：电压设定电路

Vr：电压设定信号

Vwm：金属惰性气体电弧焊接电压

Vwp：等离子焊接电压

WM：进给电动机

WT：焊炬

具体实施方式

以下，参照附图，关于本发明的实施方式进行说明。

[实施方式1]

图1是用于实施本发明的实施方式1的等离子金属惰性气体电弧焊接方法的焊接装置的构成图。以下，参照同图，关于各构成物进行说明。

本焊接装置包括由虚线包围的焊炬WT、金属惰性气体电弧焊接电源PSM、以及等离子焊接电源PSP。焊炬WT是在保护气体喷嘴52内将等离子喷嘴51、等离子电极1b、以及供电芯片4配置在同心轴上的构造。从保护气体喷嘴52与等离子喷嘴51之间的间隙，供给例如氩气、氩气与二氧化碳的混合气体等的保护气体63。在等离子喷嘴51与等离子电极1b之间，供给例如氩气、氩气与二氧化碳的混合气体等的等离子气体62。在等离子电极1b与供电芯片4之间，供给例如氩气、氩气与二氧化碳的混合气体等的中心(center)气体61。

等离子电极1b形成为中空形状。在此等离子电极1b的中空形状内绝缘地配置供电芯片4。然后，从设置在此供电芯片4上的贯通孔来进给焊丝1a。供电芯片4对焊丝1a进行导通。但焊丝1a与等离子电极1b之间是绝缘的。焊丝1a通过以进给电动机WM为驱动源的进给辊(feed roll)7的旋转来进给。等离子电极1b由例如铜或者铜合金组成，由经过图外的路径的冷却水间接地进行水冷却。等离子喷嘴51由例如铜或者铜合金组成，通过形成使冷却水经过的流路，来进行直接冷却。在焊炬WT通常由机器人(图示省略)保持的状态下，使之相对母材2进行移动。在焊丝1a的前端与母材2之间产生金属惰性气体电弧3a。在等离子电极1b与母材2之间，产生由等离子气体62进行热拘束的等离子电弧3b。因此，金属惰性气体电弧3a呈被等离子电弧3b包围的状态。因而，等离子电弧3b有拘束金属惰性气体电弧3a的形状扩大的作用。

如同图所示，等离子电极1b的前端与母材2之间的距离为Lp(mm)，供电芯片4的前端与母材2之间的距离为Lw(mm)，金属惰性气体电弧3a的电弧长为La(mm)。且Lp＜Lw，La＜Lp。因此，等离子电弧3b的电弧长为上述的Lp(mm)。另外，焊丝1a的伸出长Lx＝Lw-La。如同图所示，由于焊丝1a的伸出部的一部分被等离子电弧3b包围，故受热而温度上升。此作用被称作预热作用。另外，焊丝1a从等离子电弧3b受热的部分的长度被称作受热长度Lh。关于受热长度Lh，正确地为Lh＝Lp-La(实施方式2的情况)。在简化的情况下，能看作受热长度Lh＝Lp(实施方式1的情况)。焊丝1a从等离子电弧3b受的热量根据等离子焊接电流Iwp以及受热长度Lh变化。即使等离子焊接电流Iwp为相同值，若受热长度Lh变化，则热量也会变化。在此，若将焊炬高度定义为上述的等离子电极1b的前端与母材2之间的距离Lp，则若焊炬高度变化，则上述的供电芯片4的前端与母材之间的距离Lw也会变化。即，若焊炬高度变化，则受热长度Lh也会变化。其结果是，焊丝1a的伸出部的温度会变化，从而会产生熔滴过渡状态受影响变得不稳定的情况。为了防止这种情况，在本实施方式中，按照受热长度Lh的变化，如图2～图4的后述所示，使单位脉冲条件(峰值期间Tp以及峰值电流Ip)变化成适当值。这样，即使焊炬高度变化从而受热长度Lh变化，也能够维持稳定的熔滴过渡状态。

金属惰性气体电弧焊接电源PSM是用于通过经由供电芯片4在焊丝1a与母材2之间施加金属惰性气体电弧焊接电压Vwm来通上金属惰性气体电弧焊接电流Iwm的电源。从金属惰性气体电弧焊接电源PSM对进给电动机WM发送进给控制信号Fc，从而控制焊丝1a的进给速度。当金属惰性气体电弧焊接电源PSM施加金属惰性气体电弧焊接电压Vwm时，使焊丝1a在“+”侧。金属惰性气体电弧焊接电源PSM是恒定电压特性的电源，对其进行控制，以使金属惰性气体电弧焊接电压Vwm等于预先设定的电压设定信号Vr(图示省略)的值。另外，金属惰性气体电弧焊接电流Iwm根据焊丝1a的进给速度，来决定其值。

等离子焊接电源PSP是用于通过在等离子电极1b与母材2之间施加等离子焊接电压Vwp来通上等离子焊接电流Iwp的电源。当从等离子焊接电源PSP施加等离子焊接电压Vwp时，使等离子电极1b在“+”侧。等离子焊接电源PSP是恒定电流特性的电源，对其进行控制，以使等离子焊接电流Iwp为规定值。

等离子焊接电流设定电路IWPR将预先设定的等离子焊接电流设定信号Iwpr输出到金属惰性气体电弧焊接电源PSM以及等离子焊接电源PSP。此等离子焊接电流设定信号Iwpr是用于设定上述等离子焊接电流Iwp的信号。等离子焊接电流设定电路IWPR，在为机器人焊接的情况下，设置在机器人控制装置内。

金属惰性气体电弧焊接电流Iwm、金属惰性气体电弧焊接电压Vwm、等离子焊接电流Iwp、以及等离子焊接电压Vwp的波形图与上述的图10相同。如上所述，在本实施方式中，作为单位脉冲条件的峰值期间Tp以及峰值电流Ip根据焊丝1a的受热长度Lh而变化。这点与现有技术不同。以下，关于这点进行说明。

图2是表示受热长度Lh与作为单位脉冲条件的峰值期间Tp以及峰值电流Ip之间的关系的图。同图的横轴表示受热长度Lh(mm)，表示了在实用中使用较多的15～25mm的范围。纵轴表示了峰值期间Tp(ms)以及峰值电流Ip(A)。在同图中，实线表示峰值期间Tp的变化，虚线表示峰值电流Ip的变化。同图是等离子焊接电流值Iwp＝50A的情况。为焊丝使用直径1.2mm的铝合金丝、进给速度＝9m/min的情况。基值电流Ib为30A的恒定值。

如同图所示，当受热长度Lh＝15mm时，设定为峰值期间Tp＝1.0ms以及峰值电流Ip＝340A。随着受热长度Lh变长，峰值期间Tp以及峰值电流Ip均变小。这是由于，因受热长度Lh越长，焊丝从等离子电弧受的热量越大，故能够通过将单位脉冲条件设小，来维持1个脉冲周期1次熔滴过渡状态。而且，若受热长度Lh＝20mm，则设定为峰值期间Tp＝0.8ms以及峰值电流Ip＝330A。若变成受热长度Lh＝25mm，则峰值期间Tp＝0.6ms以及峰值电流Ip＝320A。

图3是表示在等离子焊接电流值Iwp＝100A时的受热长度Lh与作为单位脉冲条件的峰值期间Tp以及峰值电流Ip之间的关系的图。同图的横轴表示受热长度Lh(mm)，表示了在实用中使用较多的15～25mm的范围。纵轴表示了峰值期间Tp(ms)以及峰值电流Ip(A)。在同图中，实线表示峰值期间Tp的变化，虚线表示峰值电流Ip的变化。同图与上述图2对应，除等离子焊接电流值Iwp以外的焊接条件相同。

如同图所示，当受热长度Lh＝15mm时，设定为峰值期间Tp＝1.0ms以及峰值电流Ip＝310A。随着受热长度Lh变长，峰值期间Tp以及峰值电流Ip均变小。这是由于，因受热长度Lh越长，焊丝从等离子电弧受的热量越大，故能够通过将单位脉冲条件设小，来维持1个脉冲周期1次熔滴过渡状态。而且，若受热长度Lh＝20mm，则设定为峰值期间Tp＝0.8ms以及峰值电流Ip＝300A。若变成受热长度Lh＝25mm，则峰值期间Tp＝0.6ms以及峰值电流Ip＝290A。另外，若将同图与上述图2进行比较，则在受热长度Lh为同一值时的峰值期间Tp以及峰值电流Ip，同图中的与图2比较，为相对较小的值。这是由于，为了使同图中的等离子焊接电流值Iwp变大，焊丝从等离子电弧受的热量将会变大，故为了维持1个脉冲周期1次熔滴过渡状态，减小了峰值期间Tp以及峰值电流Ip。

图4是表示在等离子焊接电流值Iwp＝150A时的受热长度Lh与作为单位脉冲条件的峰值期间Tp以及峰值电流Ip之间关系的图。同图的横轴表示受热长度Lh(mm)，表示了在实用中使用较多的15～25mm的范围。纵轴表示了峰值期间Tp(ms)以及峰值电流Ip(A)。在同图中，实线表示峰值期间Tp的变化，虚线表示峰值电流Ip的变化。同图与上述图2以及图3对应，除等离子焊接电流值Iwp以外的焊接条件相同。

如同图所示，当受热长度Lh＝15mm时，设定为峰值期间Tp＝1.0ms以及峰值电流Ip＝290A。随着受热长度Lh变长，峰值期间Tp以及峰值电流Ip均变小。这是由于，因受热长度Lh越长，焊丝从等离子电弧受的热量越大，故能够通过将单位脉冲条件设小，来维持1个脉冲周期1次熔滴过渡状态。而且，若受热长度Lh＝20mm，则设定为峰值期间Tp＝0.8ms以及峰值电流Ip＝280A。若变成受热长度Lh＝25mm，则峰值期间Tp＝0.6ms以及峰值电流Ip＝270A。另外，若将同图与上述图2以及图3进行比较，则在受热长度Lh为同一值时的峰值期间Tp以及峰值电流Ip，同图中的为相对较小的值。这是由于，为了使同图中的等离子焊接电流值Iwp变大，焊丝从等离子电弧受的热量将会变大，故为了维持1个脉冲周期1次熔滴过渡状态，减小了峰值期间Tp以及峰值电流Ip。

在图2～图4中，将峰值期间Tp相对上述的受热长度Lh的变化称作峰值期间计算函数。另外，将峰值电流Ip相对受热长度Lh的变化称作峰值电流计算函数。这些函数按照等离子焊接电流值Iwp、焊丝的材质、直径、进给速度等设定成适当值。此设定通过实验来进行。另外，在图2～图4中，说明了当受热长度Lh变化时，单位脉冲条件的两个参数(峰值期间Tp以及峰值电流Ip)均依照预先设定的函数进行变化的情况。然而，也可以仅使单位脉冲条件内的其中一个变化。这是由于在受热长度Lh变化时焊丝从等离子电弧受的热量也会变化，故使单位脉冲条件变化，来补偿给焊丝的热量的变化。因此，没有必要为了此补偿来使单位脉冲条件的两方面都变化，而只需其中一方变化即可。即，与受热长度Lh的变化对应，使峰值期间Tp以及/或者峰值电流Ip变化即可。

接下来，关于受热长度Lh的检测方法进行说明。在本实施方式中，如上所述，由于将受热长度Lh看作等离子电极前端与母材之间的距离Lp，故受热长度Lh的检测相当于检测等离子电极前端与母材之间的距离Lp。作为此检测方法，有以下所示的两种方法。

(1)从机器人控制装置发送的方法

在使用了机器人的焊接中，在示教焊接线时按照使焊炬高度为适当值的方式进行。如上所述，由于焊炬高度为等离子电极前端与母材之间的距离Lp，故在示教时，使在操作程序中写入此值。而且，在进行焊接时，从机器人控制装置发送此数据(等离子电极前端与母材之间的距离)到焊接电源PSM即可。

(2)根据等离子焊接电压Vwp以及等离子焊接电流Iwp进行计算的方法

等离子电弧是非消耗电极式电弧，故等离子电弧的电弧长Lpa和等离子电极前端与母材之间的距离Lp一致。电弧长Lpa若被设定为等离子焊接电流值Iwp，则与等离子焊接电压值Vwp呈正比关系。此正比关系被称作电弧特性。因此，在焊接中检测等离子焊接电压Vwp，能够根据电弧特性来计算与之对应的电弧长Lpa。在这种方法中，根据等离子焊接电流值Iwp以及等离子焊接电压值Vwp来计算等离子电弧的电弧长Lpa，电弧长Lpa等于等离子电极前端与母材之间的距离Lp，进一步地，等离子电极前端与母材之间的距离Lp等于受热长度Lh。因此，能够根据电弧特性来计算受热长度Lh。在图1中，此计算在等离子焊接电源PSP内进行，故等离子电极前端·母材间距离信号Lpc从等离子焊接电源PSP输出到金属惰性气体电弧焊接电源PSM。

图5是表示上述的等离子电弧的电弧特性的图。同图的横轴表示等离子焊接电压Vwp(V)，纵轴表示等离子电弧的电弧长Lpa(mm)。在同图中，实线表示了等离子焊接电流值Iwp＝50A时的情况，虚线表示了Iwp＝100A时的情况，点划线表示了Iwp＝150A时的情况。

如同图所示，等离子焊接电压值Vwp越大，电弧长Lpa越长。另外，当等离子焊接电压值Vwp为同一值时，等离子焊接电流值Iwp越大，电弧长Lpa越短。例如，当等离子焊接电流值Iwp＝100A时，在等离子焊接电压值Vwp＝31A的情况下，电弧长Lpa为20mm。这样，能够计算出等离子电弧的电弧长Lpa，而由于电弧长Lpa等于等离子电极前端与母材之间的距离Lp，故究其结果，能够计算出等离子电极前端与母材之间的距离Lp。以下，将同图所示的电弧特性称作等离子电弧长计算函数。此电弧长计算函数将等离子焊接电流值Iwp以及等离子焊接电压值Vwp作为输入，并输出等离子电弧的电弧长Lpa。此等离子电弧长计算函数按照等离子气体62以及保护气体63的种类、等离子电极1b的形状等设定为适当值。此设定通过实验来进行。在同图中，当等离子焊接电流值Iwp＝70A时，根据Iwp＝50A的电弧特性和Iwp＝100a的电弧特性进行插值，来计算等离子电弧长Lpa。

图6是构成上述图1的金属惰性气体电弧焊接电源PSM的模块图。同图，如上所述，是从等离子焊接电源PSP输入等离子电极前端·母材间距离信号Lpc的情况。以下，参照同图关于各模块进行说明。

电源主电路PM将3相200V等商用电源(图示省略)作为输入，根据后述的电流误差放大信号Ei进行逆变控制等的输出控制，输出金属惰性气体电弧焊接电压Vwm以及金属惰性气体电弧焊接电流Iwm。此电源主电路PM，图示虽省略，其由以下构成：一次整流电路，其对商用电源进行整流；电容器，其使整流后的直流平滑；逆变器(inverter)电路，其将平滑后的直流变换成高频交流；逆变变压器(inverter transformer)其将高频交流降压成适合电弧焊接的电压值；二次整流电路，其对降压后的高频交流进行整流；电抗器(reactor)，其使整流后的直流平滑；和驱动电路，其根据后述的电流误差放大信号Ei来进行PWM调制控制，并基于此结果来驱动逆变器电路。焊丝1a穿过供电芯片4内部，由与进给电动机WM结合的进给辊7来实施进给，并在与母材2之间产生金属惰性气体电弧3a。焊炬的构造与图1相同，但在此简化来进行图示。

电压检测电路VD检测金属惰性气体电弧焊接电压Vwm，并输出电压检测信号Vd。电压平均值计算电路VAV计算此电压检测信号Vd的平均值，并输出电压平均值信号Vav。

在图1中，如上所述，设置在金属惰性气体电弧焊接电源PSM的外部的等离子焊接电流设定电路IWPR输出预先设定的等离子焊接电流设定信号Iwpr。进给速度设定电路FR输出预先设定的进给速度设定信号Fr。进给控制电路FC将此进给速度设定信号Fr作为输入，并将用于以根据进给速度设定信号Fr的值而决定的进给速度Fw来进给焊丝1a的进给控制信号Fc输出到进给电动机WM。

电压设定电路VR输出预先设定的电压设定信号Vr。电压误差放大电路EV对此电压设定信号Vr与上述的电压平均值信号Vav之间的误差进行放大，并输出电压误差放大信号Ev。电压/频率变换电路VF输出具有与此电压误差放大信号Ev的值对应的频率的脉冲周期信号Tf。此脉冲周期信号Tf是在每个脉冲周期中仅短时间为高电平(High level)的触发信号。

峰值期间设定电路TPR将来自上述的等离子焊接电流设定信号Iwpr以及等离子焊接电源PSP的等离子电极前端·母材间距离信号Lpc作为输入，基于图2～图4中上述的预先设定的峰值期间计算函数，来输出峰值期间设定信号Tpr。峰值期间定时电路TP输出峰值期间信号Tp，该峰值期间信号Tp在上述的脉冲周期信号Tf为高电平时，仅在根据上述的峰值期间设定信号Tpr的值而决定的期间内为高电平。此峰值期间信号Tp为高电平时为峰值期间，而在为低电平(Low level)时为基值期间。

基值电流设定电路IBR输出预先设定的基值电流设定信号Ibr。峰值电流设定电路IPR将来自上述的等离子焊接电流设定信号Iwpr以及等离子焊接电源PSP的等离子电极前端·母材间距离信号Lpc作为输入，基于图2～图4中上述的峰值电流计算函数，来输出峰值电流设定信号Ipr。电流设定控制电路IRC，在上述峰值期间信号Tp为低电平时，将上述基值电流设定信号Ibr作为电流设定控制信号Irc输出，而在为高电平时，将上述峰值电流设定信号Ipr作为电流设定控制信号Irc输出。

电流检测电路ID检测金属惰性气体电弧焊接电流Iwm，并输出电流检测信号Id。电流误差放大电路EI对上述电流设定控制信号Irc与上述电流检测信号Id之间的误差进行放大，并输出电流误差放大信号Ei。通过根据此电流误差放大信号Ei来进行焊接电源的输出控制，在图10(A)中，通上上述的金属惰性气体电弧焊接电流Iwm。对上述的金属惰性气体电弧焊接电源PSM，按照脉冲周期变化来进行输出控制，以使金属惰性气体电弧焊接电压Vwm的平均值等于电压设定信号Vr的值，故其为恒定电压特性的电源。

图7是构成上述图1的等离子焊接电源PSP的模块图。同图表示了根据上述(2)的方法将等离子焊接电流值Iwp以及等离子焊接电压值Vwp作为输入的等离子电弧长计算函数来计算受热长度Lh的情况。以下，参照同图，关于各模块进行说明。

电源主电路PM将3相200V等商用电源(图示省略)作为输入，根据后述的电流误差放大信号Ei进行逆变控制等的输出控制，并输出等离子焊接电流Iwp。此等离子焊接电流Iwp通过等离子电极1b、等离子电弧3b、母材2来进行通电。焊炬的构造与上述的图1相同，但在此简化来进行图示。

在图1中，如上所述，设置在等离子焊接电源PSP的外部的等离子焊接电流设定电路IWPR输出预先设定的等离子焊接电流设定信号Iwpr。电流检测电路ID检测上述等离子焊接电流Iwp，并输出电流检测信号Id。电流误差放大电路EI对上述等离子焊接电流设定信号Iwpr与上述电流检测信号Id之间的误差进行放大，并输出电流误差放大信号Ei。通过根据此电流误差放大信号Ei来进行焊接电源的输出控制，在图10(C)中，通上上述的直流的等离子焊接电流Iwp。对上述的等离子焊接电源PSP，进行输出控制，以使等离子焊接电流Iwp等于等离子焊接电流设定信号Iwpr的值，故其为恒定电流特性的电源。

电压检测电路VD检测上述等离子焊接电压Vwp，并输出电压检测信号Vd。等离子电极前端·母材间距离计算电路LPC将上述等离子焊接电流设定信号Iwpr以及上述电压检测信号Vd作为输入，根据图5中上述的预先设定的等离子电弧长计算函数来计算等离子电弧的电弧长，并作为等离子电极前端·母材间距离信号Lpc输出到金属惰性气体电弧焊接电源PSM。

在本实施方式中，说明了等离子焊接电流Iwp为直流的情况。当等离子焊接电流Iwp为脉冲波形时，作为上述峰值期间计算函数、峰值电流计算函数、以及等离子电弧长计算函数的输入，使用等离子焊接电流Iwp的平均值以及等离子焊接电压Vwp的平均值即可。

根据上述实施方式1，通过按照焊丝的受热长度使金属惰性气体电弧焊接电流的峰值期间以及/或者峰值电流变化，能够补偿伴随受热长度的变化的焊丝的预热状态的变化。因此，即使焊炬高度等变化从而焊丝的受热长度变化，也能够维持1个脉冲周期1次熔滴过渡状态，故焊接状态始终稳定。

[实施方式2]

本发明的实施方式2是受热长度Lh＝Lp-La的情况。在此，如上所述，Lp为等离子电极前端与母材之间的距离，La为金属惰性气体电弧的电弧长。关于等离子电极前端与母材之间的距离Lp的检测方法，与实施方式1相同。作为电弧长La的设定方法，有以下所示的3种方法。

(1)预先设定电弧长La的情况

用于进行良好的焊接的电弧长La的适当范围为3～5mm左右。因此，将电弧长La设定为预先设定的常数(例如4mm)。这样，虽然与实际的电弧长La之间会产生1mm左右的误差，但只要是这种程度的误差，对受热长度Lh的计算值的影响就小。若使用这种方法，有受热长度Lh的计算方法简单的优点。

(2)基于电压设定信号Vr来设定电弧长La的情况

在图6中，上述的金属惰性气体电弧焊接电源PSM内的电压设定信号Vr的值是金属惰性气体电弧的电弧长控制的目标值。即，进行电弧长控制，以使成为与电压设定信号Vr的值对应的电弧长La。因此，根据将此电压设定信号Vr作为输入且预先设定的第一金属惰性气体电弧长计算函数，来计算电弧长La。例如，使此第一金属惰性气体电弧长计算函数为La＝a·Vr+b。在此，a以及b为常数，通过实验来决定。常数a以及b按照中心气体、等离子气体、以及保护气体的种类、焊丝的材质及直径等，通过实验设定为适当值。

(3)根据金属惰性气体电弧焊接电压Vwm以及金属惰性气体电弧焊接电流Iwm进行计算的方法

由于金属惰性气体电弧是消耗电极式电弧，故一直熔融的焊丝的前端与母材之间的距离是电弧长La。若设定焊丝的进给速度Fw(金属惰性气体电弧焊接电流Iwm的平均值)，则电弧长La与金属惰性气体电弧焊接电压Vwm的平均值成正比关系。此正比关系被称作电弧特性。因此，能够在焊接中检测金属惰性气体电弧焊接电压Vwm的平均值，并根据电弧特性计算与之对应的电弧长La。在这种方法中，根据将进给速度Fw以及金属惰性气体电弧焊接电压Vwm的平均值作为输入而预先设定的第二金属惰性气体电弧长计算函数，来计算电弧长La。在图1中，此计算在金属惰性气体电弧焊接电源PSM内进行。

图8是表示上述的金属惰性气体电弧的电弧特性的图。同图的横轴表示金属惰性气体电弧焊接电压Vwm的平均值(V)，纵轴表示金属惰性气体电弧的电弧长La(mm)。在同图中，实线表示了进给速度Fw＝9m/min(金属惰性气体电弧焊接电流Iwm的平均值＝70A)时的情况，虚线表示了Fw＝12m/min(金属惰性气体电弧焊接电流Iwm的平均值＝105A)时的情况，点划线表示了Fw＝14m/min(金属惰性气体电弧焊接电流Iwm的平均值＝135A)时的情况。其中，()内的金属惰性气体电弧焊接电流Iwm的平均值是等离子焊接电流值Iwp＝100A的情况。

如同图所示，金属惰性气体电弧焊接电压Vwm的平均值越大，电弧长La越长。另外，当金属惰性气体电弧焊接电压Vwm的平均值为相同值时，进给速度Fw越大，电弧长La越短。例如，当进给速度Fw＝12m/min时，在金属惰性气体电弧焊接电压Vwm的平均值＝17V的情况下，电弧长La为5mm。这样，能够计算出金属惰性气体电弧的电弧长La。同图所示的电弧特性为第二金属惰性气体电弧长计算函数。此第二金属惰性气体电弧长计算函数将进给速度Fw以及金属惰性气体电弧焊接电压Vwm的平均值作为输入，并输出金属惰性气体电弧的电弧长La。此第二金属惰性气体电弧长计算函数根据上述中心气体61、等离子气体62、以及保护气体63的种类、焊丝1a的材质及直径等，设定为适当值。此设定通过实验来进行。

用于实施实施方式2的等离子金属惰性气体电弧焊接方法的焊接装置的构成图与上述的图1相同。但将构成此焊接装置的金属惰性气体电弧焊接电源PSM的模块图(图6)改变成后述的图9。另外，关于表示受热长度Lh与作为单位脉冲条件的峰值期间Tp以及峰值电流Ip之间关系的上述图2～图4，也相同。关于这些相同的事项，省略其说明。

图9是本发明的实施方式2的构成图1的金属惰性气体电弧焊接电源PSM的模块图。同图，如上所述，是从等离子焊接电源PSP输入等离子电极前端·母材间距离信号Lpc的情况。同图与上述图6对应，对同一模块付与同一记号，省略其说明。同图是在图6中追加用虚线表示的金属惰性气体电弧长设定电路LAR以及用虚线表示的受热长度计算电路LHC，将图6的峰值期间设定电路TPR置换成用虚线表示的第二峰值期间设定电路TPR2，并将图6的峰值电流设定电路IPR置换成用虚线表示的第二峰值电流设定电路IPR2。以下，参照同图，关于这些模块进行说明。

金属惰性气体电弧长设定电路LAR将进给速度设定信号Fr以及电压平均值信号Vav作为输入，根据图8中上述的预先设定的第二金属惰性气体电弧长计算函数，来计算金属惰性气体电弧的电弧长，并将其作为金属惰性气体电弧长设定信号Lar输出。受热长度计算电路LHC将来自此金属惰性气体电弧长设定信号Lar以及图7中上述的等离子焊接电源PSP的等离子电极前端·母材间距离信号Lpc作为输入，计算受热长度信号Lhc＝Lpc-Lar，并进行输出。

第二峰值期间设定电路TPR2将等离子焊接电流设定信号Iwpr以及上述受热长度信号Lhc作为输入，基于图2～图4中上述的预先设定的峰值期间计算函数，来输出峰值期间设定信号Tpr。第二峰值电流设定电路IPR2将等离子焊接电流设定信号Iwpr以及上述受热长度信号Lhc作为输入，基于图2～图4中上述的预先设定的峰值电流计算函数，来输出峰值期间设定信号Tpr。

在同图中，是用上述(3)的方法进行金属惰性气体电弧长的设定的情况，而用(1)以及(2)的方法来进行的情况，为以下所示。

(1)预先设定电弧长La的情况

金属惰性气体电弧长设定电路LAR输出预先设定的金属惰性气体电弧长设定信号Lar。

(2)基于电压设定信号Vr来设定电弧长La的情况

金属惰性气体电弧长设定电路LAR将电压设定信号Vr作为输入，根据上述的预先设定的第一金属惰性气体电弧长计算函数来计算金属惰性气体电弧的电弧长，并将其作为金属惰性气体电弧长设定信号Lar输出。

根据上述实施方式2，将受热长度作为从等离子电极前端与母材之间的距离减去金属惰性气体电弧的电弧长后得到的值进行计算。因此，即使金属惰性气体电弧的电弧长变化，也能够正确地计算出受热长度。其结果是，能够更高精度地补偿伴随受热长度的变化的焊丝的预热状态的变化。

Claims (3)

1.一种等离子金属惰性气体电弧焊接方法，其通过在配置于焊炬内的等离子电极与母材之间施加等离子焊接电压并通上等离子焊接电流，从而使等离子电弧产生，并且，将所述等离子电极设置成中空形状，穿过所述中空形状内部来进给经由配置在所述等离子电极内的供电芯片被供电的焊丝，并通过在所述供电芯片与母材之间施加金属惰性气体电弧焊接电压并通上将峰值期间中的峰值电流以及基值期间中的基值电流作为1个脉冲周期的金属惰性气体电弧焊接电流，从而使金属惰性气体电弧产生，

该等离子金属惰性气体电弧焊接方法的特征在于，使所述峰值期间以及/或者所述峰值电流按照作为所述焊丝从所述等离子电弧受热的部分的长度的受热长度来发生变化，

所述受热长度是从所述等离子电极的前端与所述母材之间的距离减去所述金属惰性气体电弧的电弧长后得到的值，在简化的情况下，所述受热长度是所述等离子电极的前端与所述母材之间的距离。

2.如权利要求1所述的等离子金属惰性气体电弧焊接方法，其特征在于，

根据将所述等离子焊接电流以及所述等离子焊接电压作为输入且预先设定的函数，来计算所述等离子电极的前端与所述母材之间的距离。

3.如权利要求1所述的等离子金属惰性气体电弧焊接方法，其特征在于，

根据将焊丝的进给速度以及所述金属惰性气体电弧焊接电压的平均值作为输入且预先设定的函数，来计算所述电弧长。