JP2004322148A

JP2004322148A - アーク溶接制御方法及びアーク溶接機

Info

Publication number: JP2004322148A
Application number: JP2003120013A
Authority: JP
Inventors: Yoshiro Tanaka; 義朗田中; Atsuhiro Kawamoto; 篤寛川本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-04-24
Filing date: 2003-04-24
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2023-04-24
Also published as: JP4501355B2

Abstract

【課題】消耗電極式アーク溶接の溶接制御方法において、アーク切れを防止し、スパッタの発生を減少させることにより、溶接品質の向上と溶接作業性を向上することを目的とする。
【解決手段】短絡状態からアークが再発生した時点を時間起点として予め設定した第１ア−ク制御時間の間、出力電流を予め設定した第１アーク制御設定電流値に制御し、溶接出力電圧の微分値が予め設定された第１短絡制御判定値より大きくなると、溶接電源の出力をＯＦＦする
ことを特徴とする消耗電極式アーク溶接制御方法を用いる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アークを発生させて溶接出力制御を行うアーク溶接制御方法及びアーク溶接機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アーク溶接、例えば消耗電極式アーク溶接は、溶接用ワイヤ先端に電圧を供給し、ワイヤ先端と母材間にアーク放電を発生させ、発生する熱量を利用した接合方法である。
【０００３】
消耗電極式アーク溶接の短絡移行時は、アーク状態と短絡状態を交互に繰り返す。ただし、溶接用チップ内の通電点の変化、ワイヤの品質のばらつき、送給性のばらつき等に起因し、安定した短絡移行溶接中においても不規則にアーク切れが発生する場合がある。
【０００４】
アーク切れは、溶接安定性を損なう原因となり、スパッタの増加等をともない、溶接品質へ悪影響がある。
【０００５】
ＡＳ判定部は、アーク状態か短絡状態かを、溶接出力電圧とあらかじめ設定された値とを比較することにより、判別動作を行う。
【０００６】
従来の技術では、ＡＳ判定部により、溶接状態がアーク状態か短絡状態かを判別し、アーク状態中は、溶接出力電圧制御を行い、短絡状態中であれば、溶接出力電流制御を行っている。（例えば特許文献１参照）
また、近年の溶接電源の開発動向として、インバータ制御周波数の向上や、高速プロセッサの安価供給、また機種統合のニーズに伴い、マルチプロセス電源が指向されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭６２−２１４８７２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、マルチプロセス電源では、制御により溶接をコントロールする必要性があるため、設計上ｄｉ／ｄｔを大きく確保する必要がある。
【０００９】
ｄｉ／ｄｔを確保する為には、メイントランスの無負荷電圧を上げることや、２次側のＤＣＬのターン数を減らし、Ｌ値を小さくすることが考えられるが、実際には、安全規格上の制限がある為、無負荷電圧には限界が有り、ＤＣＬのＬ値を小さくして対応している。
【００１０】
小さいＬ値を持つ溶接電源を用いて、消耗電極式アーク溶接をおこなうと、Ｌ値が大きい場合と比較し、短絡からアークに移行した際に出力電流が急峻に落ちるため、アーク切れが発生しやすい。
【００１１】
さらに、シールドガスにＣＯ２ガスを用いるとその傾向が顕著となる。
【００１２】
これは、ＣＯ２ガスはアルゴンリッチなシールドガスに比較してアーク中の電圧勾配が大きいためアーク状態を維持するために必要となる電圧が大きくなるためである。また、ＤＣＬのＬ値が小さくなると、インバータの点弧毎の電流リップルが大きくなり、このこともアーク切れを誘因する原因となる。
【００１３】
このような中で、上述した従来のアーク溶接制御方法においては、短絡状態からアーク状態に移行した瞬間の電流の急峻な落ち込みにより、アーク状態を維持できず、アーク切れが発生するといった問題があった。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明の消耗電極式アーク溶接制御方法は、短絡状態からアークが再発生した時点を時間起点として予め設定した第１ア−ク制御時間の間出力電流を予め設定した第１アーク制御設定電流値に制御する。さらに、溶接出力電圧の微分値が予め設定された第１短絡制御判定値より大きくなると、溶接電源の出力をＯＦＦする。
【００１５】
また、上記問題を解決するために、本発明のアーク溶接機は、上記溶接制御方法を用いる。
【００１６】
これらの方法により、本発明の消耗電極式アーク溶接方法は、ＤＣＬのＬ値が小さくなり、溶接状態が短絡からアークに状態が移行した際にも、アーク切れの発生を防止する作用を有する。さらに、短絡からアークへ移行する際に発生するスパッタの量を削減する作用を有する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施の形態）
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１８】
図１は、本発明における一実施の形態を示す。
【００１９】
図２は、本発明における溶接制御方法の一実施の形態を説明する図を示す。
【００２０】
図３は、本発明における溶接制御方法の一実施の形態を説明する図を示す。
【００２１】
図中、１は１次整流部、２は平滑コンデンサ、３はスイッチング素子、４はトランス、５は２次整流部、６はＤＣＬ、７は駆動部、８は切替部、９は設定部、１０は電圧検出部、１１は電流検出部、１２はＡＳ判定部、１３は比較部、１４は微分部、１５は第１アーク制御用タイマ、１６は第１短絡制御用タイマ、１７は第１アーク制御部、１８は第１短絡制御部、１９は短絡制御部、２０はアーク制御部、Ｔｓは短絡状態期間、Ｔａはアーク状態期間、Ｔａ１は第１アーク制御時間、Ｉａ１は第１アーク制御設定電流値、Ｅ１は短絡状態からアークが再発生した時点、Ｅ２は短絡からアークへの移行が開始した時点、Ｉｓ１は第１短絡制御設定電流値、Ｖａｓｌは第１短絡制御判定値である。
【００２２】
図２は、消耗電極アーク溶接の短絡移行時の溶出力電流波形、溶接出力電圧波形、ＡＳ判定部からの出力値を示している。ＡＳ判定部は、溶接状態が短絡の時はＬレベル、アーク状態の時はＨレベルを出力する。
【００２３】
本図においては、Ｅ１時点で短絡からアークに移行している。
【００２４】
本発明では短絡状態からアークが再発生した時点Ｅ１を起点として、予め設定される第１アーク制御時間Ｔａ１の期間、予め設定される第１アーク制御設定電流値Ｉａ１へ出力電流制御する。
【００２５】
第１アーク制御時間Ｔａ１は、設定電流値とワイヤ種類とワイヤ径により参照される予め作成されたテーブルデータベースの参照値でもよく、また設定電流と出力電流から算出される値でもよい。
【００２６】
また予め設定される固定値（たとえば０．６ｍｓ）でもよく、第１アーク制御設定電流値Ｉａｌは、アーク再点弧時点で検出された出力電流値に係数を乗算した値（たとえば０．７５）でもよく、また予め設定される固定値（たとえば３５０Ａ）でもよい。
【００２７】
第１アーク制御時間が終了後は、定電圧制御であるアーク制御へ移行する。
【００２８】
上記方法によると、短絡からアークに移行した時点から、一定期間定電流特性にするために、急激な電流の垂下が発生しない。よって、出力電流が０値（＝アーク切れ）になりにくい。また、アーク状態が安定した後にアーク制御（定電圧制御）に移行するため安定した制御が可能となる。上記方法により、短絡からアーク移行した時点に発生する急激な電流の垂下に伴い発生するアーク切れを防止することができる。
【００２９】
次に、図１、３より、次の実施の形態例を説明する。
【００３０】
図３は、消耗電極アーク溶接の短絡移行時の溶出力電流波形、溶接出力電圧波形、ＡＳ判定部からの出力値溶接出力電圧の微分値を示している。
【００３１】
ＡＳ判定部は、溶接状態が短絡の時は、Ｌレベル、アーク状態の時はＨレベルを出力する。図３において、Ｅ２時点で短絡からアークへの移行開始点が確認できる。本発明において、溶接出力電圧の微分値が予め設定される第１短絡制御判定値Ｖａｓｌを超えた時点から溶接電源の出力がＯＦＦされる。溶接電源の出力をＯＮするのは、上記微分値の値がＶａｓｌより小さくなった時点でもよく、また予め設定される第１短絡制御出力停止時間Ｔｓ１が経過した時点でよく、また溶接状態がアーク状態となった時点でもよい。第１短絡制御出力停止時間Ｔｓ１は、予め設定されてもよい。溶接電源の出力がＯＮした後、予め設定される第１短絡制御設定電流値Ｉｓ１に出力電流制御する。
【００３２】
溶接状態がアークとなると、溶接電源出力はＯＮされ、アーク制御に移る。上記方法によって、短絡からアークへ移行する瞬間に発生するスパッタの発生を防止することができる。
【００３３】
図１よりその他の実施の形態例を説明する。
【００３４】
消耗電極溶接の短絡移行時に、ＡＳ判定部１２は短絡時はＬレベル、アーク時はＨレベルを出力する。短絡からアークへ移行すると、ＡＳ判定部１２は、切替部８と第１アーク制御用タイマ１５にＨレベルを出力する。第１アーク制御用タイマ１５は、切替部８からのＨレベルをうけカウントを開始し、設定部９により予め設定される第１ア−ク制御時間Ｔａ１までの期間、切替部８にＨレベルを出力する。切替部８は、第１アーク制御用タイマ１５からのＨレベル、ＡＳ判定部１２からのＨレベルを受ける期間、第１アーク制御部１７からの入力信号を駆動部７へ選択出力する。
【００３５】
第１アーク制御部１７は、電流検出部１１で検出される溶接出力電流値と設定部９で予め設定される第１アーク制御設定電流値Ｉａ１とをフィードバック演算した結果を切替部８に出力する。
【００３６】
また、第１アーク制御設定電流値Ｉａ１は、設定部９が、ＡＳ判定部１２からの入力がＨレベルであることを検知した瞬間に、電流検出部１１からの溶接出力電流値をホールドし、係数（たとえば０．７５）を乗算した値でもよい。
【００３７】
また、第１アーク制御設定電流値Ｉａ１は、設定部９がア−ク再発生直前までに検出している溶接出力電流値、溶接出力電圧値、設定電流値、設定電圧値、ワイヤ送給量、シ−ルドガス種類、ワイヤ材質、ワイヤ径の入力値から参照するテーブル固定値でもよい。駆動部７は、切替部８からの信号をうけ、スイッチング素子３をドライブし電源出力を制御する。
【００３８】
本構成により、短絡からアークへ移行した瞬間の、アーク電流の急峻な減衰に伴う、アーク切れを防止することができる。
【００３９】
図１よりさらにその他の実施の形態を説明する。
【００４０】
消耗電極溶接の短絡移行時に、電圧検出部１０が検出した溶接出力電圧値は、微分部１４へ出力される。
【００４１】
微分部１４は、溶接出力電圧値を微分演算した値を比較部１３へ出力する。比較部１３は、微分値と設定部９により予め設定される第１短絡制御判定値Ｖａｓｌとを比較し、微分値が大きくなると、Ｈレベルを駆動部７へ出力する。駆動部７は、比較部１３からのＨレベルをうけ、スイッチング素子３のドライブを停止する。
【００４２】
また、駆動部７がＡＳ判定部１２からのＨレベルを受けている間は、駆動部７によるスイッチング素子３のドライブの停止を禁止してももよい。
【００４３】
本構成により、短絡からアークへ移行した瞬間の、スパッタの発生を低減できる。
【００４４】
また、比較部１３は、微分値と設定部９により予め設定される第１短絡制御判定値Ｖａｓｌとを比較し、微分値が小さくなると、Ｌレベルを駆動部７へ出力する。
駆動部７は、比較部１３からのＬレベルをうけ、スイッチング素子３のドライブをただちに開始してもよい。
【００４５】
また、比較部１３からのＨレベルをうけカウントを開始し、設定部９により予め設定される第１短絡制御時間Ｔｓ１までの期間のみ駆動部７にＨレベルを出力する第１短絡制御用タイマ１６からのＬレベルの信号を受けた時でもよい。
【００４６】
さらに、第１アーク制御用タイマ１５は、切替部８からのＨレベルをうけカウントを開始し、設定部９により予め設定される第１ア−ク制御時間Ｔａ１までの期間、切替部８にＨレベルを出力する。
切替部８は、比較部１３からのＨレベルを受けてからＡＳ判定部１２がＨレベルになるまでの期間、第１短絡制御部１８からの入力信号を駆動部７へ選択出力する。第１短絡制御部１８は、電流検出部１１で検出される溶接出力電流値と設定部９で予め設定される第１短絡制御設定電流値Ｉｓ１とをフィードバック演算した結果を切替部８に出力する。
【００４７】
上記構成により、比較部による短絡からア−クへの移行開始点検出の後は、アーク点弧までの間、電流一定に保つことができ、スパッタの発生を防ぐことができる。
【００４８】
なお、上記における実施の形態は、消耗電極式溶接の短絡移行時で説明したが、これに限定されるものではない。
【００４９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、短絡からアークに移行した際のアーク切れの発生を防止ができ、アーク切れにともなう溶接不安定を防止する。結果、溶接品質の向上、スパッタ量の減少が図れる。
【００５０】
さらに、短絡からアークへ移行する際に発生するスパッタ発生量を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における溶接制御方法の構成を示す図
【図２】本発明における溶接制御方法を示す図
【図３】本発明における溶接制御方法を示す図
【符号の説明】
１１次整流部
２平滑コンデンサ
３スイッチング素子
４トランス
５２次整流部
６ＤＣＬ
７駆動部
８切替部
９設定部
１０電圧検出部
１１電流検出部
１２ＡＳ判定部
１３比較部
１４微分部
１５第１アーク制御用タイマ
１６第１短絡制御用タイマ
１７第１アーク制御部
１８第１短絡制御部
１９短絡制御部
２０アーク制御部
Ｔｓ短絡状態期間
Ｔａアーク状態期間
Ｔａ１第１アーク制御時間
Ｉａ１第１アーク制御設定電流値
Ｅ１短絡状態からアークが再発生した時点
Ｅ２短絡からアークへの移行が開始した時点
Ｉｓ１第１短絡制御設定電流値
Ｖａｓｌ第１短絡制御判定値

Claims

短絡状態からアークが再発生した時点を時間起点として予め設定した第１ア−ク制御時間の間、溶接出力電流を予め設定した第１アーク制御設定電流値に制御するアーク溶接制御方法。
前記第１アーク制御設定電流値は、ア−ク再発生直前の溶接出力電流値に係数を乗じて算出された値とした請求項１記載のアーク溶接制御方法。
前記第１ア−ク制御時間及び前記第１アーク制御設定電流値はア−ク再発生直前までに検出している溶接出力電流値、溶接出力電圧値、設定電流値、設定電圧値、ワイヤ送給量、シ−ルドガス種類、ワイヤ材質、ワイヤ径の少なくとも１つ以上の関数とした請求項１または２記載のアーク溶接制御方法。
溶接出力電圧の微分値が予め設定された第１短絡制御判定値より大きくなると、溶接電源の出力をＯＦＦすることを特徴とするアーク溶接制御方法。
溶接出力電圧の微分値が予め設定された第１短絡制御判定値より小さくなると、溶接電源の出力をＯＮすることを特徴とする請求項４記載のアーク溶接制御方法。
溶接電圧の微分値が予め設定された第１短絡制御判定値より大きくなった時点を時間起点とし、予め設定される第１短絡制御出力停止時間の間、電源出力をＯＦＦする請求項４または５記載のアーク溶接制御方法。
溶接電源の出力をＯＦＦした後、予め設定した第１短絡制御設定電流値に出力電流制御する請求項４から６のいずれかに記載のアーク溶接制御方法。
アーク期間中に、溶接出力電圧の微分値が予め設定された第１短絡制御判定値より大きくなると、電源出力をＯＦＦすることを禁止する請求項４から７のいずれかに記載のアーク溶接制御方法。
前記第１短絡制御設定電流値と前記第１短絡制御出力停止時間と前記第１短絡制御判定値は、ア−ク再発生直前までに検出している溶接出力電流値、溶接出力電圧値、設定電流値、設定電圧値、ワイヤ送給量、シ−ルドガス種類、ワイヤ材質、ワイヤ径の少なくとも１つ以上の関数とした請求項４から８のいずれかに記載のアーク溶接制御方法。
請求項１から３のいずれかに記載のアーク溶接制御方法と請求項４から９のいずれかに記載のアーク溶接制御方法を用いるアーク溶接制御方法。
請求項１から１０のいずれかに記載のアーク溶接制御方法を用いるアーク溶接機。
溶接出力電流を検出する電流検出部と、溶接出力電圧を検出する電圧検出部と、溶接状態が、短絡もしくはアークかを判別するアーク短絡検出部（ＡＳ検出部）とを備え、短絡状態からアークが再発生した時点を時間起点として予め設定した第１ア−ク制御時間の間、出力電流を予め設定した第１アーク制御設定電流値に制御するアーク溶接機。
前記第１アーク制御設定電流値は、ア−ク再発生直前の溶接出力電流値に係数を乗じて算出された値とする請求項１２記載のアーク溶接機。
前記第１ア−ク制御時間及び前記第１アーク制御設定電流値は、ア−ク再発生直前までに検出している溶接出力電流値、溶接出力電圧値、設定電流値、設定電圧値、ワイヤ送給量、シ−ルドガス種類、ワイヤ材質、ワイヤ径、の少なくとも１つ以上の関数とした請求項１２または１３記載のアーク溶接機。
溶接出力電圧を検出する電圧検出部と、溶接出力電圧検出値を微分する微分部と、前記微分部からの出力値と予め設定した第１短絡制御判定値とを比較する比較部と、比較部の出力により、溶接電源の出力をＯＮまたはＯＦＦさせる駆動部を有し、微分部からの出力が予め設定した値より大きくなると出力をＯＦＦさせるアーク溶接機。
溶接出力電圧の微分値が予め設定された第１短絡制御判定値より小さくなると、溶接電源の出力をＯＮする請求項１５記載のアーク溶接機。
溶接電圧の微分値が予め設定された第１短絡制御判定値より大きくなった時点を時間起点とし、予め設定される第１短絡制御出力停止時間の間、電源出力をＯＦＦする請求項１５または１６記載のアーク溶接機。
溶接電源の出力をＯＦＦした後、予め設定した第１短絡制御設定電流値に出力電流制御することを特徴とする請求項１５から１７のいずれかに記載のアーク溶接機。
アーク期間中に、溶接出力電圧の微分値が予め設定された第１短絡制御判定値より大きくなると、電源出力をＯＦＦすることを禁止する請求項１５から１８のいずれかに記載のアーク溶接機。
前記第１短絡制御設定電流値と前記第１短絡制御出力停止時間と前記第１短絡制御判定値は、ア−ク再発生直前までに検出している溶接出力電流値、溶接出力電圧値、設定電流値、設定電圧値、ワイヤ送給量、シ−ルドガス種類、ワイヤ材質、ワイヤ径の少なくとも１つ以上の関数とした請求項１５から１９いずれかに記載のアーク溶接機。