【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウムＭＩＧ溶接のアークスタート制御方法に関し、特に、アークスタート後のアーク長を速やかに適正値に収束させる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
消耗電極ガスシールドアーク溶接においては、溶接装置に溶接開始信号が入力されると溶接ワイヤが母材へ送給されて母材と接触するとアークが発生する。このアーク発生直後のアーク長は、接触状態から発生するために非常に短い。その後アーク長は、ワイヤ突出し部のジュール熱及びアーク熱によってワイヤ先端部が溶融して次第に長くなり定常アーク長に収束する。このアーク発生から定常アーク長に収束するまでの期間（以下、アーク長過渡期間という）中は、アーク長がオーバーシュート等により大きく変動する。このアーク長過渡期間の長さ及びアーク長の変動幅が大きくなると、アークスタート部の溶接品質が悪くなる。したがって、アークスタート部の溶接品質を良好にするためには、アーク長過渡期間をできるだけ短くし、かつ、アーク長の変動幅を小さくすることが重要である。以下、消耗電極ガスシールドアーク溶接の代表的な溶接法の１つであるパルスアーク溶接を例として、このアーク長の過渡特性について説明する。
【０００３】
図４は、パルスアーク溶接のアークスタート時の電流・電圧波形図である。同図（Ａ）は出力電流瞬時値ｉｏの、同図（Ｂ）は出力電圧瞬時値ｖｏの波形図である。時刻ｔ１において溶接ワイヤが母材と接触してアークが発生すると、同図（Ａ）に示すように、定常のパルス電流よりも大きなホットスタート電流Ｉｈが通電することが多い。これは、溶接ワイヤが母材に接触した瞬間にホットスタート電流Ｉｈを通電して、アークの発生を確実にするためである。このホットスタート電流Ｉｈの通電期間は、数ｍｓ〜数十ｍｓ程度である。一方、同図（Ｂ）に示すように、出力電圧瞬時値ｖｏは、時刻ｔ１に無負荷電圧Ｖｎからアーク電圧へと変化する。アークが発生した後は、同図に示すように、パルス電流及びパルス電圧が出力される。このパルス状の出力を平均化したものが、同図（Ａ）に示す出力電流Ｉｏ及び同図（Ｂ）に示す出力電圧Ｖｏになる。
【０００４】
図５は、アークスタート時の出力電圧Ｖｏ及びアーク長Ｌａの波形図である。同図は、鉄鋼ワイヤのパルスＭＡＧ溶接の場合である。以下、同図を参照して説明する。
【０００５】
アーク長Ｌａと出力電圧Ｖｏとは比例関係にあるので、定常状態でのアーク長（定常アーク長Ｌｃ）が適正値になるように定常出力電圧値Ｖｃを設定する。また、時刻ｔ１にアークが発生した以降の出力電圧Ｖｏは、通常一定値の定常出力電圧値Ｖｃとなる。他方、同図（Ｂ）に示すように、アーク長Ｌａは、時刻ｔ１のアーク発生時点からジュール熱及びアーク熱によってワイヤ先端部が溶融して次第に長くなる。この時刻ｔ１〜ｔ２の期間をアーク長上昇期間Ｔｕと呼ぶことにする。続く時刻ｔ２〜ｔ３の期間中は、アーク長Ｌａはオーバーシュートした後に定常アーク長Ｌｃに収束する。この時刻ｔ２〜ｔ３の期間を、オーバーシュート期間Ｔｏと呼ぶことにする。また、上記のアーク長過渡期間Ｔｔは、時刻ｔ１〜ｔ３の期間となる。
【０００６】
ワイヤ溶融に寄与する熱としては、ワイヤ突出し部の抵抗による発熱（ジュール熱）及びアーク熱がある。この内、アーク熱は１次の時間遅れ要素であるが、ジュール熱は２次の時間遅れ要素である。このために、アーク長Ｌａの過渡特性は、オーバーシュート、ハンチング等を発生しやすい。上記のアーク長上昇期間Ｔｕ及び上記のオーバーシュート期間Ｔｏは共に、数十ｍｓ〜数百ｍｓ程度の期間である。
【０００７】
図６は、上述したアーク長Ｌａの過渡特性を改善するための従来技術を示す波形図である。この従来技術では、同図（Ａ）に示すように、アーク長上昇期間Ｔｕ中の出力電圧値Ｖｏを定常出力電圧値Ｖｃ＋ΔＶとして数Ｖ高くし、オーバーシュート期間Ｔｏ中の出力電圧値Ｖｏを定常出力電圧値Ｖｃ−ΔＶとして数Ｖ低くし、それ以降の出力電圧値Ｖｏは定常出力電圧値Ｖｃとする。これにより、アーク長上昇期間Ｔｕ中は、出力電圧値Ｖｏが大きくなり出力電流値も大きくなるので、ワイヤ溶融が促進されて、同図（Ｂ）に示すように、アーク長Ｌａの上昇特性は速くなる。続くオーバーシュート期間Ｔｏ中は、出力電圧値Ｖｏが小さくなり出力電流値も小さくなるので、ワイヤ溶融が抑制されて、アーク長Ｌａのオーバーシュートが緩和される。この結果、アーク長Ｌａの過渡特性は、その収束までの時間及び変動幅について改善される（例えば、特許文献１及び２参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平４−２７００６９号公報
【特許文献２】
特開平７−２０４８４８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述したアーク長の過渡特性については、鉄鋼ワイヤのパルスＭＡＧ溶接の場合でるが、アルミニウム又はアルミニウム合金ワイヤのパルスＭＩＧ溶接の場合には以下のように異なった特性となる。
【００１０】
図７は、上述した図５に対応するアルミニウムワイヤのパルスＭＩＧ溶接における出力電圧Ｖｏ及びアーク長Ｌａの波形図である。同図に示すように、アーク長上昇期間Ｔｕは鉄鋼ワイヤの場合よりも短くなり、オーバーシュート期間Ｔｏは鉄鋼ワイヤの場合よりも長くなる。このアーク長上昇期間Ｔｕは数十ｍｓ程度であり、オーバーシュート期間Ｔｏは０．５〜１秒程度である。このように、鉄鋼ワイヤの場合とは異なるアーク長Ｌａの過渡特性となる理由は、以下のとおりである。すなわち、アルミニウムワイヤの溶融は、ワイヤ突出し部の抵抗値が鉄鋼ワイヤに比べて小さいために、ジュール熱よる寄与は少なく、ほとんどはアーク熱によるものとなる。さらに、アルミニウムワイヤは融点が低いために、ワイヤ溶融は急速に進行するので、同図（Ｂ）に示すように、アーク長上昇期間Ｔｕは短くなる。それ以降のオーバーシュート期間Ｔｏ中は、以下に示すアルミニウムＭＩＧ溶接に特有のアーク現象に起因してアーク長Ｌａが変動する。
【００１１】
図８は、アルミニウムＭＩＧ溶接に特有のアーク現象を説明するためのアーク発生部模式図である。同図（Ａ）は上述した図７の時刻ｔ１１時点の、同図（Ｂ）は時刻ｔ４時点のアーク発生部を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００１２】
アルミニウムＭＩＧ溶接では、通常、ワイヤ先端部に陽極点が形成され、母材表面尾の酸化皮膜のある部分に陰極点が形成される。同図（Ａ）に示すように、アークスタート直後の時刻ｔ１１においては、母材表面の酸化皮膜のクリーニングがまだ十分でないために、クリーニング幅はＷ！［ｍｍ］と狭い状態にある。このクリーニング幅Ｗ１の外側の酸化皮膜が存在する部分に陰極点が形成され、溶接トーチ４から供給される溶接ワイヤ１の先端部に陽極点が形成され、それらの極性間にアーク３が形成される。したがって、陽極点と陰極点との経路が真のアーク長Ｌｂ１［ｍｍ］となる。しかし、溶接品質に大きな影響を与えるのは、この真のアーク長Ｌｂ１ではなく、ワイヤ先端と母材との最短距離である見かけのアーク長Ｌａ１である。また、出力電圧Ｖｏと比例関係にあり、出力電圧Ｖｏを可変することで制御することができるのは真のアーク長Ｌｂ１である。単にアーク長Ｌａと称記した場合は、溶接品質と直結した上記の見かけのアーク長Ｌａ１のことをいう。このことから、上述した図７において、時刻ｔ１１の出力電圧値Ｖｏ＝Ｖｃによって制御されるのは真のアーク長Ｌｂ１となる。
【００１３】
次に、クリーニング状態がほぼ定常状態になる時刻ｔ４においては、同図（Ｂ）に示すように、クリーニング幅はＷ２［ｍｍ］と広くなる。このとき、出力電圧値Ｖｏ＝Ｖｃのままであるので、真のアーク長Ｌｂ２＝Ｌｂ１となる。このために、幾何学的な位置関係から、見かけのアーク長Ｌａ２はＬａ１よりも短くなる。定常出力電圧値Ｖｃは、同図（Ｂ）に示す定常アーク長Ｌｃが適正値になるように設定される。したがって、Ｌａ２＝Ｌｃとなる。この結果、アークスタート後から定常状態に移行するまでの見かけのアーク長Ｌａは、定常アーク長Ｌｃよりも長い状態からクリーニング幅Ｗの変化に合わせて次第に短くなり、定常アーク長Ｌｃに収束する。上述したように、アルミニウムＭＩＧ溶接に特有のクリーニング状態の影響によってアーク長Ｌａが変動することになる。この時刻ｔ１１〜ｔ４の期間がアルミニウムＭＩＧ溶接におけるオーバーシュート期間Ｔｏとなる。このオーバーシュート期間Ｔｏ中のアーク現象が鉄鋼ワイヤの場合とアルミニウムワイヤの場合とで異なるために、アーク長の過渡特性も異なる。
【００１４】
上述した鉄鋼ＭＡＧ溶接の場合には、陰極点はワイヤ直下の母材表面上に形成されるために、真のアーク長と見かけのアーク長とは略等しくなる。このために、上記の問題は発生しない。
【００１５】
図９は、アルミニウムＭＩＧ溶接に図６で上述した従来技術を適用したときの出力電圧Ｖｏ及びアーク長Ｌａの波形図である。アークスタート時の時刻ｔ１〜ｔ２の期間中の出力電圧値をＶｏ＝Ｖｃ＋ΔＶとし、続く時刻ｔ２〜ｔ３の期間中の出力電圧値をＶｏ＝Ｖｃ−ΔＶとする。しかし、従来技術は鉄鋼ワイヤを前提しているために、上述したように鉄鋼ワイヤとはアーク現象が異なるアルミニウムワイヤでは、アーク長Ｌａの過渡特性を改善することはできない。すなわち、同図（Ｂ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２の期間中は、出力電圧値Ｖｏが定常出力電圧値Ｖｃよりも大きいために、アーク長Ｌａの上昇が加速されてオーバーシュートが大きくなる。続く時刻ｔ２〜ｔ３の期間中は、出力電圧値Ｖｏが定常出力電圧値Ｖｃよりも小さくなるので、オーバーシュートは抑制される。しかし、時刻ｔ３において出力電圧値Ｖｏ＝Ｖｃになる。この時点ではクリーニング状態はまだ過渡状態にあるために、アーク長Ｌａが再び上昇する。このように、アーク長Ｌａの過渡特性は歪に変形されるだけで、改善されない。
【００１６】
そこで、本発明は、アルミニウムＭＩＧ溶接のアークスタート制御方法において、アーク長の過渡特性を良好にしてアークスタート部の溶接品質を向上させることを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１の発明は、溶接電源装置の出力電圧を制御してアーク長を適正値に維持するアルミニウムＭＩＧ溶接のアークスタート制御方法において、
前記出力電圧をアークスタート後の移行期間中は初期出力電圧値から予め定めた定常出力電圧値まで上昇させ、その後は前記定常出力電圧値に制御し、前記初期出力電圧値をアークスタート直後のアーク長と定常状態のアーク長との差に相当する値だけ前記定常出力電圧値よりも小さな値に設定し、前記移行期間をアークスタート直後のクリーニング状態から定常状態に移行する期間に相当する値に設定する、ことを特徴とするアルミニウムＭＩＧ溶接のアークスタート制御方法である。
【００１８】
また、請求項２の発明は、初期出力電圧値及び／又は移行期間の設定値を、母材表面の酸化皮膜の状態に応じて変化させることを特徴とするアルミニウムＭＩＧ溶接のアークスタート制御方法である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る出力電圧Ｖｏ、アーク長Ｌａ及びクリーニング幅Ｗの波形図である。以下、同図を参照して説明する。
【００２０】
同図（Ａ）に示すように、出力電圧Ｖｏを、アークスタート後の予め定めた移行期間（時刻ｔ１〜ｔ４）中は、初期出力電圧値Ｖｉから定常出力電圧値Ｖｃまで上昇させ、その後は定常出力電圧値Ｖｃに制御する。上記の初期出力電圧値Ｖｉを、アークスタート直後のアーク長（図８のＬａ１））と定常状態のアーク長（図８のＬａ２＝Ｌｃ）との差に相当する降下値Ｖｄだけ定常出力電圧値Ｖｃよりも小さな値に設定する。すなわち、Ｖｉ＝Ｖｃ−Ｖｄとする。定常出力電圧値Ｖｃは、上述したように、時刻ｔ４以降の定常状態での定常アーク長Ｌｃが適正値になるように設定される。また、上記の降下値Ｖｄは、以下のようにして設定される。上述した図８において、アークスタート直後のアーク長Ｌａ１は、クリーニング幅が狭いために定常アーク長Ｌｃよりも長くなる。このアーク長Ｌａ１が定常アーク長Ｌｃと等しくなるようにするためには、出力電圧値Ｖｏを定常出力電圧値ＶｃよりもＬａ１−Ｌｃの差に相当する値Ｖｄだけ小さくする必要がある。時刻ｔ１〜ｔ４の移行期間Ｔｔ中は、同図（Ｃ）に示すように、クリーニング状態が過渡状態にあるために、クリーニング幅Ｗが次第に広くなり定常値Ｗ２に収束する。このために、アーク長Ｌａを常に定常アーク長Ｌｃに維持するためには、上記の初期出力電圧値Ｖｉから定常出力電圧値Ｖｃまで上昇させる必要がある。上記の移行期間Ｔｔは、クリーニング状態が定常状態になるまでの過渡期間に相当する期間に設定される。
【００２１】
上記のように出力電圧Ｖｏを制御すると、同図（Ｂ）に示すように、アーク長Ｌａの上昇期間は、初期出力電圧値Ｖｉが定常出力電圧値Ｖｃよりも小さいために、若干長くなる。しかし、それ以降のアーク長Ｌａは、オーバーシュートのほとんどない良好な過渡特性となる。アークスタート直後の時刻ｔ１１において、アーク長Ｌａは、略定常アーク長Ｌｃに等しくなる。この時間は、上述したように、数十ｍｓ程度である。従来技術での移行期間Ｔｔは、上述したように、０．５〜１秒程度であるので、アーク長Ｌａの過渡期間は大幅に短縮される。この結果、アーク長Ｌａの過渡期間が短くなり、かつ、変動幅も小さくなるので、アークスタート部の溶接品質は大幅に改善される。
【００２２】
図２は、本発明においてアークスタート直後及び定常状態のときのアーク発生部模式図である。同図（Ａ）はアークスタート直後の時刻ｔ１１のときの、同図（Ｂ）は定常状態の時刻ｔ４のときのアーク発生部を示す。同図（Ｂ）は、上述した図８（Ｂ）と同一である。他方、同図（Ａ）に示すように、出力電圧値Ｖｏ＝初期出力電圧値Ｖｉであるために、真のアーク長Ｌｂ３は、図８（Ａ）のＬｂ１よりも短くなり、見かけのアーク長Ｌａ３は、図８（Ａ）のＬａ１よりも短くなり定常アーク長Ｌｃと略等しくなる。
【００２３】
図３は、本発明を実施するための溶接電源装置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。
【００２４】
電源主回路ＰＭは、交流商用電源（３相２００Ｖ等）を入力して、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってインバータ制御等の出力制御を行い、溶接に適した出力電流瞬時値ｉｏ及び出力電圧瞬時値ｖｏを出力する。溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給装置の送給ロール５の回転によって溶接トーチ４を通って送給され、母材２との間にアーク３が発生する。
【００２５】
電圧検出回路ＶＤは、上記の出力電圧瞬時値ｖｏを検出して、電圧検出信号ｖｄを出力する。電圧平均化回路ＶＡＶは、上記の電圧検出信号ｖｄを平均化して、電圧平均信号Ｖａｖを出力する。電流検出回路ＩＤは、上記の出力電流瞬時値ｉｏを検出して、電流検出信号ｉｄを出力する。電流通電判別回路ＣＤは、上記の電流検出信号ｉｄを入力して、溶接ワイヤが母材に接触して出力電流ｉｏが通電したことを判別してＨｉｇｈレベルとなる電流通電判別信号Ｃｄを出力する。初期出力電圧設定回路ＶＩＲは、予め定めた初期出力電圧設定信号Ｖｉｒを出力する。定常出力電圧設定回路ＶＣＲは、予め定めた定常出力電圧設定信号Ｖｃｒを出力する。移行期間設定回路ＴＴＲは、予め定めた移行期間設定信号Ｔｔｒを出力する。出力電圧設定信号生成回路ＶＲは、上記の電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベル（電流通電）になった時点から上記の移行期間設定信号Ｔｔｒによって定まる移行期間Ｔｔの間は、上記の初期出力電圧設定信号Ｖｉｒの値から上記の定常出力電圧設定信号Ｖｃｒの値まで上昇し、それ以降は上記の定常出力電圧設定信号Ｖｃｒの値となる出力電圧設定信号Ｖｒを出力する。
【００２６】
電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の出力電圧設定信号Ｖｒと上記の電圧平均信号Ｖａｖとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。電圧・周波数変換回路ＶＦは、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖに応じた周波数を有する周波数信号Ｖｆを出力する。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。ベース電流設定回路ＩＢＲは、予め定めたベース電流設定信号Ｉｂｒを出力する。電流制御設定回路ＩＲＣは、上記の周波数信号Ｖｆに応じて上記のピーク電流設定信号Ｉｐｒと上記のベース電流設定信号Ｉｂｒとを交互に切り換えて、電流制御設定信号Ｉｒｃとして出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流制御設定信号Ｉｒｃと上記の電流検出信号ｉｄとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。
【００２７】
上述した本発明の実施の形態において、初期出力電圧値Ｖｉ及び／又は移行期間Ｔｔは、上述したように、クリーニング幅の過状態に応じて適正値に設定される。クリーニング幅は、母材表面の酸化皮膜の状態によって変化するので、上記の両値は、母材表面の酸化皮膜の状態に応じてその設定値を変化させる必要がある。また、本発明は、アルミニウムＭＩＧ溶接に適用することができるので、パルスＭＩＧ溶接、直流ＭＩＧ溶接又は交流パルスＭＩＧ溶接に適用することができる。また、本発明は、アルミニウムと同様に酸化皮膜を有するマグネシウムワイヤのＭＩＧ溶接にも同様に適用することができる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明のアルミニウムＭＩＧ溶接のアークスタート制御方法によれば、アークスタート時の移行期間Ｔｔ中の出力電圧Ｖｏを初期出力電圧値Ｖｉから定常出力電圧値Ｖｃまで上昇させることによって、アルミニウムＭＩＧ溶接におけるアークスタート時のアーク長の過渡特性を大幅に改善することができ、アークスタート部の溶接品質を良好にすることができる。さらに、上記の移行期間Ｔｔ及び／又は初期出力電圧値Ｖｉを、母材表面の酸化皮膜の状態に応じて変化されることによって、アーク長の過渡特性を母材表面の酸化皮膜の状態に応じて適正化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る出力電圧Ｖｏ、アーク長Ｌａ及びクリーニング幅Ｗの波形図である。
【図２】本発明のアークスタート直後及び定常状態でのアーク発生部模式図である。
【図３】本発明に係る溶接電源装置のブロック図である。
【図４】従来技術におけるパルスアーク溶接のアークスタート時の電流・電圧波形図である。
【図５】従来技術の鉄鋼パルスＭＡＧ溶接におおけるアークスタート時の出力電圧Ｖｏ及びアーク長Ｌａの波形図である。
【図６】従来技術の鉄鋼パルスＭＡＧ溶接において、アーク長の過渡特性を改善したときのアークスタート時の出力電圧Ｖｏ及びアーク長Ｌａの波形図である。
【図７】従来技術のアルミニウムパルスＭＩＧ溶接におけるアークスタート時の出力電圧Ｖｏ及びアーク長Ｌａの波形図である。
【図８】従来技術のアルミニウムＭＩＧ溶接において、アークスタート直後及び定常状態でのアーク発生部を示す模式図である。
【図９】アルミニウムパルスＭＡＧ溶接において、アーク長の過渡特性の従改善方法を適用したときのアークスタート時の出力電圧Ｖｏ及びアーク長Ｌａの波形図である。
【符号の説明】
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
ＣＤ 電流通電判別回路
Ｃｄ 電流通電判別信号
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＶ 電圧誤差増幅回路
Ｅｖ 電圧誤差増幅信号
ＩＢＲ ベース電流設定回路
Ｉｂｒ ベース電流設定信号
ＩＤ 電流検出回路
ｉｄ 電流検出信号
Ｉｈ ホットスタート電流
Ｉｏ 出力電流
ｉｏ 出力電流瞬時値
ＩＰＲ ピーク電流設定回路
Ｉｐｒ ピーク電流設定信号
ＩＲＣ 電流制御設定回路
Ｉｒｃ 電流制御設定信号
Ｌａ （見かけの）アーク長
Ｌａ１〜Ｌａ３ 見かけのアーク長
Ｌｂ１〜Ｌｂ３ 真のアーク長
Ｌｃ 定常アーク長
ＰＭ 電源主回路
Ｔｏ オーバーシュート期間
Ｔｔ 過渡アーク長期間／移行期間
ＴＴＲ 移行期間設定回路
Ｔｔｒ 移行期間設定信号
Ｔｕ アーク長上昇期間
ＶＡＶ 電圧平均化回路
Ｖａｖ 電圧平均信号
Ｖｃ 定常出力電圧値
ＶＣＲ 定常出力電圧設定回路
Ｖｃｒ 定常出力電圧設定信号
Ｖｄ 降下値
ＶＤ 電圧検出回路
ｖｄ 電圧検出信号
ＶＦ 電圧・周波数変換回路
Ｖｆ 周波数信号
Ｖｉ 初期出力電圧値
ＶＩＲ 初期出力電圧設定回路
Ｖｉｒ 初期出力電圧設定信号
Ｖｎ 無負荷電圧
Ｖｏ 出力電圧
ｖｏ 出力電圧瞬時値
ＶＲ 出力電圧設定信号生成回路
Ｖｒ 出力電圧設定信号
Ｗ、Ｗ１、Ｗ２ クリーニング幅[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an arc start control method for aluminum MIG welding, and more particularly to a method for quickly converging an arc length after an arc start to an appropriate value.
[0002]
[Prior art]
In consumable electrode gas shielded arc welding, when a welding start signal is input to the welding apparatus, an arc is generated when a welding wire is fed to the base material and comes into contact with the base material. The arc length immediately after the occurrence of this arc is very short because it occurs from the contact state. After that, the arc length is gradually increased by melting the wire tip due to Joule heat and arc heat at the wire protruding portion, and converges to the steady arc length. During the period from the generation of the arc to the convergence to the steady arc length (hereinafter referred to as an arc length transient period), the arc length varies greatly due to overshoot or the like. When the length of the arc length transition period and the fluctuation range of the arc length are increased, the welding quality of the arc start portion is deteriorated. Therefore, in order to improve the welding quality of the arc start part, it is important to shorten the arc length transition period as much as possible and to reduce the fluctuation range of the arc length. Hereinafter, the transient characteristics of the arc length will be described by taking pulse arc welding as one of typical welding methods of consumable electrode gas shielded arc welding as an example.
[0003]
FIG. 4 is a current / voltage waveform diagram at the time of arc start of pulse arc welding. FIG. 6A is a waveform diagram of the output current instantaneous value io, and FIG. 4B is a waveform diagram of the output voltage instantaneous value vo. When an arc is generated when the welding wire comes into contact with the base metal at time t1, a hot start current Ih larger than the steady pulse current is often applied as shown in FIG. This is because the hot start current Ih is applied at the moment when the welding wire comes into contact with the base material to ensure the generation of an arc. The energization period of the hot start current Ih is about several ms to several tens of ms. On the other hand, as shown in FIG. 5B, the output voltage instantaneous value vo changes from the no-load voltage Vn to the arc voltage at time t1. After the arc is generated, a pulse current and a pulse voltage are output as shown in FIG. An output current Io shown in FIG. 5A and an output voltage Vo shown in FIG. 4B are obtained by averaging the pulse-like outputs.
[0004]
FIG. 5 is a waveform diagram of the output voltage Vo and arc length La at the time of arc start. The figure shows the case of pulse MAG welding of a steel wire. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.
[0005]
Since the arc length La and the output voltage Vo are in a proportional relationship, the steady output voltage value Vc is set so that the arc length in the steady state (steady arc length Lc) becomes an appropriate value. Further, the output voltage Vo after the occurrence of the arc at time t1 becomes a steady output voltage value Vc that is normally a constant value. On the other hand, as shown in FIG. 5B, the arc length La gradually increases from the time of arc generation at time t1 as the wire tip is melted by Joule heat and arc heat. This period from time t1 to t2 is referred to as an arc length increase period Tu. During the subsequent time t2 to t3, the arc length La overshoots and then converges to the steady arc length Lc. This period from time t2 to t3 will be referred to as an overshoot period To. The arc length transition period Tt is a period from time t1 to t3.
[0006]
Heat that contributes to wire melting includes heat generation (joule heat) and arc heat due to the resistance of the wire protrusion. Of these, arc heat is a primary time delay element, while Joule heat is a secondary time delay element. For this reason, the transient characteristic of the arc length La is likely to cause overshoot, hunting, and the like. Both the arc length increasing period Tu and the overshoot period To are about several tens of ms to several hundreds of ms.
[0007]
FIG. 6 is a waveform diagram showing a conventional technique for improving the transient characteristic of the arc length La described above. In this prior art, as shown in FIG. 4A, the output voltage value Vo during the arc length increase period Tu is increased by several V as the steady output voltage value Vc + ΔV, and the output voltage value Vo during the overshoot period To is steady. The output voltage value Vc−ΔV is lowered by several V, and the output voltage value Vo thereafter is a steady output voltage value Vc. As a result, during the arc length increase period Tu, the output voltage value Vo increases and the output current value also increases, so that wire melting is promoted, and as shown in FIG. Get faster. During the subsequent overshoot period To, the output voltage value Vo decreases and the output current value also decreases, so that wire melting is suppressed and overshoot of the arc length La is mitigated. As a result, the transient characteristic of the arc length La is improved with respect to the time to convergence and the fluctuation range (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-4-270069 [Patent Document 2]
JP-A-7-204848 [0009]
[Problems to be solved by the invention]
The transient characteristics of the arc length described above are in the case of pulse MAG welding of steel wires, but in the case of pulse MIG welding of aluminum or aluminum alloy wires, the following different characteristics are obtained.
[0010]
FIG. 7 is a waveform diagram of output voltage Vo and arc length La in pulsed MIG welding of an aluminum wire corresponding to FIG. 5 described above. As shown in the figure, the arc length increasing period Tu is shorter than that of the steel wire, and the overshoot period To is longer than that of the steel wire. The arc length increase period Tu is about several tens of ms, and the overshoot period To is about 0.5 to 1 second. Thus, the reason for the transient characteristics of the arc length La different from that of the steel wire is as follows. That is, the melting of the aluminum wire has a smaller contribution due to Joule heat because the resistance value of the wire protrusion is smaller than that of the steel wire, and is mostly due to arc heat. Further, since the melting point of the aluminum wire is low, the melting of the wire proceeds rapidly, so that the arc length increasing period Tu is shortened as shown in FIG. During the subsequent overshoot period To, the arc length La varies due to the arc phenomenon peculiar to aluminum MIG welding described below.
[0011]
FIG. 8 is a schematic diagram of an arc generating portion for explaining an arc phenomenon peculiar to aluminum MIG welding. FIG. 7A shows the arc generating portion at time t11 in FIG. 7 and FIG. 6B shows the arc generating portion at time t4. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.
[0012]
In aluminum MIG welding, an anode spot is usually formed at the tip of the wire, and a cathode spot is formed at a portion having an oxide film on the surface of the base material. As shown in FIG. 6A, at time t11 immediately after the arc start, the cleaning of the oxide film on the surface of the base material is not yet sufficient, so the cleaning width is W! [Mm] is in a narrow state. A cathode spot is formed at a portion where the oxide film outside the cleaning width W1 is present, an anode spot is formed at the tip of the welding wire 1 supplied from the welding torch 4, and an arc 3 is formed between these polarities. The Therefore, the path between the anode point and the cathode point becomes the true arc length Lb1 [mm]. However, it is not the true arc length Lb1, but the apparent arc length La1, which is the shortest distance between the wire tip and the base material, that has a great influence on the welding quality. The true arc length Lb1 is proportional to the output voltage Vo and can be controlled by varying the output voltage Vo. When the arc length La is simply referred to, it means the apparent arc length La1 directly connected to the welding quality. Therefore, in FIG. 7 described above, the true arc length Lb1 is controlled by the output voltage value Vo = Vc at time t11.
[0013]
Next, at the time t4 when the cleaning state becomes a substantially steady state, the cleaning width becomes wide as W2 [mm] as shown in FIG. At this time, since the output voltage value Vo = Vc remains, the true arc length Lb2 = Lb1. For this reason, the apparent arc length La2 is shorter than La1 due to the geometric positional relationship. The steady output voltage value Vc is set so that the steady arc length Lc shown in FIG. Therefore, La2 = Lc. As a result, the apparent arc length La from the start of the arc to the transition to the steady state gradually becomes shorter as the cleaning width W changes from a state longer than the steady arc length Lc, and converges to the steady arc length Lc. As described above, the arc length La varies due to the influence of the cleaning state unique to aluminum MIG welding. The period of time t11 to t4 is an overshoot period To in aluminum MIG welding. Since the arc phenomenon during the overshoot period To differs between the case of the steel wire and the case of the aluminum wire, the transient characteristics of the arc length are also different.
[0014]
In the case of the steel MAG welding described above, since the cathode spot is formed on the surface of the base material immediately below the wire, the true arc length and the apparent arc length are substantially equal. For this reason, the above problem does not occur.
[0015]
FIG. 9 is a waveform diagram of the output voltage Vo and the arc length La when the prior art described above with reference to FIG. 6 is applied to aluminum MIG welding. The output voltage value during the period from time t1 to t2 at the time of arc start is Vo = Vc + ΔV, and the output voltage value during the subsequent period from time t2 to t3 is Vo = Vc−ΔV. However, since the conventional technology presupposes a steel wire, the transient characteristics of the arc length La cannot be improved with an aluminum wire having an arc phenomenon different from that of the steel wire as described above. That is, as shown in FIG. 5B, during the period from time t1 to time t2, since the output voltage value Vo is larger than the steady output voltage value Vc, the increase in the arc length La is accelerated and the overshoot is large. Become. During the subsequent period from time t2 to t3, the output voltage value Vo becomes smaller than the steady output voltage value Vc, so that overshoot is suppressed. However, at time t3, the output voltage value Vo = Vc. At this time, the cleaning state is still in a transient state, so the arc length La increases again. As described above, the transient characteristic of the arc length La is merely deformed into strain and is not improved.
[0016]
In view of this, an object of the present invention is to improve the welding quality of an arc start portion by improving the transient characteristics of the arc length in an arc start control method for aluminum MIG welding.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the invention of claim 1 is directed to an arc start control method for aluminum MIG welding in which an output voltage of a welding power source device is controlled to maintain an arc length at an appropriate value.
The output voltage is increased from an initial output voltage value to a predetermined steady output voltage value during a transition period after the arc start, and then controlled to the steady output voltage value, and the initial output voltage value is set to an arc immediately after the arc start. The value corresponding to the difference between the length and the arc length in the steady state is set to a value smaller than the steady output voltage value, and the transition period is set to a value corresponding to the period in which the cleaning state immediately after the arc start is shifted to the steady state. An arc start control method for aluminum MIG welding, characterized in that it is set.
[0018]
The invention of claim 2 is an arc start control method for aluminum MIG welding characterized in that the initial output voltage value and / or the set value of the transition period are changed according to the state of the oxide film on the surface of the base material. is there.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a waveform diagram of output voltage Vo, arc length La, and cleaning width W according to the embodiment of the present invention. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.
[0020]
As shown in FIG. 5A, the output voltage Vo is increased from the initial output voltage value Vi to the steady output voltage value Vc during a predetermined transition period (time t1 to t4) after the arc start, and thereafter Control to a steady output voltage value Vc. The initial output voltage value Vi is a steady output voltage value corresponding to the drop value Vd corresponding to the difference between the arc length immediately after the arc start (La1 in FIG. 8) and the arc length in the steady state (La2 = Lc in FIG. 8). Set to a value smaller than Vc. That is, Vi = Vc−Vd. As described above, the steady output voltage value Vc is set so that the steady arc length Lc in a steady state after time t4 becomes an appropriate value. The drop value Vd is set as follows. In FIG. 8 described above, the arc length La1 immediately after the arc start is longer than the steady arc length Lc because the cleaning width is narrow. In order to make the arc length La1 equal to the steady arc length Lc, the output voltage value Vo needs to be made smaller than the steady output voltage value Vc by a value Vd corresponding to the difference between La1 and Lc. During the transition period Tt from time t1 to time t4, as shown in FIG. 5C, the cleaning state is in a transient state, so the cleaning width W gradually increases and converges to the steady value W2. For this reason, in order to always maintain the arc length La at the steady arc length Lc, it is necessary to increase the initial output voltage value Vi to the steady output voltage value Vc. The transition period Tt is set to a period corresponding to a transition period until the cleaning state becomes a steady state.
[0021]
When the output voltage Vo is controlled as described above, the rising period of the arc length La becomes slightly longer because the initial output voltage value Vi is smaller than the steady output voltage value Vc, as shown in FIG. However, the arc length La thereafter becomes good transient characteristics with almost no overshoot. At time t11 immediately after the arc start, the arc length La becomes substantially equal to the steady arc length Lc. As described above, this time is about several tens of ms. Since the transition period Tt in the prior art is about 0.5 to 1 second as described above, the transition period of the arc length La is greatly shortened. As a result, the transition period of the arc length La is shortened and the fluctuation range is also reduced, so that the welding quality of the arc start portion is greatly improved.
[0022]
FIG. 2 is a schematic diagram of an arc generating portion immediately after the arc start and in a steady state in the present invention. FIG. 4A shows the arc generating part at time t11 immediately after the arc start, and FIG. 4B shows the arc generating part at time t4 in the steady state. FIG. 8B is the same as FIG. On the other hand, as shown in FIG. 8A, since the output voltage value Vo = the initial output voltage value Vi, the true arc length Lb3 becomes shorter than Lb1 in FIG. 8A, and the apparent arc length. La3 is shorter than La1 in FIG. 8A and is approximately equal to the steady arc length Lc.
[0023]
FIG. 3 is a block diagram of a welding power source apparatus for carrying out the present invention. Hereinafter, each block will be described with reference to FIG.
[0024]
The power supply main circuit PM inputs an AC commercial power supply (three-phase 200 V, etc.), performs output control such as inverter control according to a current error amplification signal Ei described later, and outputs an instantaneous output current value io and an instantaneous output voltage suitable for welding. Outputs the value vo. The welding wire 1 is fed through the welding torch 4 by the rotation of the feeding roll 5 of the wire feeding device, and an arc 3 is generated between the welding wire 1 and the base material 2.
[0025]
The voltage detection circuit VD detects the output voltage instantaneous value vo and outputs a voltage detection signal vd. The voltage averaging circuit VAV averages the voltage detection signal vd and outputs a voltage average signal Vav. The current detection circuit ID detects the output current instantaneous value io and outputs a current detection signal id. The current supply determination circuit CD receives the current detection signal id described above, determines that the welding wire is in contact with the base material and the output current io is supplied, and outputs a current supply determination signal Cd that is at a high level. . The initial output voltage setting circuit VIR outputs a predetermined initial output voltage setting signal Vir. The steady output voltage setting circuit VCR outputs a predetermined steady output voltage setting signal Vcr. The transition period setting circuit TTR outputs a predetermined transition period setting signal Ttr. The output voltage setting signal generation circuit VR performs the initial output voltage setting during the transition period Tt determined by the transition period setting signal Ttr from the time when the current conduction determination signal Cd becomes High level (current conduction). The value rises from the value of the signal Vir to the value of the steady output voltage setting signal Vcr, and thereafter, the output voltage setting signal Vr that becomes the value of the steady output voltage setting signal Vcr is output.
[0026]
The voltage error amplification circuit EV amplifies an error between the output voltage setting signal Vr and the voltage average signal Vav, and outputs a voltage error amplification signal Ev. The voltage / frequency conversion circuit VF outputs a frequency signal Vf having a frequency corresponding to the voltage error amplification signal Ev. The peak current setting circuit IPR outputs a predetermined peak current setting signal Ipr. Base current setting circuit IBR outputs a predetermined base current setting signal Ibr. The current control setting circuit IRC switches the peak current setting signal Ipr and the base current setting signal Ibr alternately according to the frequency signal Vf, and outputs it as a current control setting signal Irc. The current error amplification circuit EI amplifies an error between the current control setting signal Irc and the current detection signal id and outputs a current error amplification signal Ei.
[0027]
In the embodiment of the present invention described above, the initial output voltage value Vi and / or the transition period Tt are set to appropriate values according to the excessive state of the cleaning width, as described above. Since the cleaning width changes depending on the state of the oxide film on the surface of the base material, the above two values need to be changed according to the state of the oxide film on the surface of the base material. Further, since the present invention can be applied to aluminum MIG welding, it can be applied to pulse MIG welding, DC MIG welding, or AC pulse MIG welding. Further, the present invention can be similarly applied to MIG welding of a magnesium wire having an oxide film similarly to aluminum.
[0028]
【The invention's effect】
According to the arc start control method for aluminum MIG welding of the present invention, the output voltage Vo during the transition period Tt at the time of arc start is increased from the initial output voltage value Vi to the steady output voltage value Vc, whereby an arc in aluminum MIG welding is performed. The arc length transient characteristics at the start can be greatly improved, and the welding quality of the arc start portion can be improved. Further, by changing the transition period Tt and / or the initial output voltage value Vi according to the state of the oxide film on the base material surface, the transient characteristics of the arc length can be changed according to the state of the oxide film on the base material surface. Can be optimized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a waveform diagram of an output voltage Vo, an arc length La, and a cleaning width W according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram of an arc generation part immediately after an arc start and in a steady state according to the present invention.
FIG. 3 is a block diagram of a welding power source apparatus according to the present invention.
FIG. 4 is a current / voltage waveform diagram at the time of arc start of pulse arc welding in the prior art.
FIG. 5 is a waveform diagram of output voltage Vo and arc length La at the time of arc start in conventional steel pulse MAG welding.
6 is a waveform diagram of an output voltage Vo and an arc length La at the time of arc start when the transient characteristics of the arc length are improved in conventional steel pulse MAG welding. FIG.
FIG. 7 is a waveform diagram of an output voltage Vo and an arc length La at the time of arc start in conventional aluminum pulse MIG welding.
FIG. 8 is a schematic diagram showing an arc generation part immediately after an arc start and in a steady state in conventional aluminum MIG welding.
FIG. 9 is a waveform diagram of an output voltage Vo and an arc length La at the time of arc start when the sub-improvement method for the transient characteristics of the arc length is applied in aluminum pulse MAG welding.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Welding wire 2 Base material 3 Arc 4 Welding torch 5 Feed roll CD Current energization discrimination circuit Cd Current energization discrimination signal EI Current error amplification circuit Ei Current error amplification signal EV Voltage error amplification circuit Ev Voltage error amplification signal IBR Base current setting circuit Ibr base current setting signal ID current detection circuit id current detection signal Ih hot start current Io output current io output current instantaneous value IPR peak current setting circuit Ipr peak current setting signal IRC current control setting circuit Irc current control setting signal La (apparent) Arc length La1 to La3 Apparent arc length Lb1 to Lb3 True arc length Lc Steady arc length PM Power main circuit To Overshoot period Tt Transient arc long period / transition period TTR Transition period setting circuit Ttr Transition period setting signal Tu Arc length increase Period VAV Voltage averaging circuit V v Voltage average signal Vc Steady output voltage value VCR Steady output voltage setting circuit Vcr Steady output voltage setting signal Vd Drop value VD Voltage detection circuit vd Voltage detection signal VF Voltage / frequency conversion circuit Vf Frequency signal Vi Initial output voltage value VIR Initial output voltage Setting circuit Vir Initial output voltage setting signal Vn No-load voltage Vo Output voltage vo Output voltage instantaneous value VR Output voltage setting signal generation circuit Vr Output voltage setting signals W, W1, W2 Cleaning width
