JP2018192526A - 交流非消耗電極アーク溶接制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 交流非消耗電極アーク溶接において、溶接ケーブルが長い場合でも平均電流値を所定値に維持すること。
【解決手段】交流の溶接電流Ｉｗを通電して溶接する交流非消耗電極アーク溶接制御方法において、溶接電流Ｉｗの絶対値の平均値を検出し、この平均値が予め定めた平均電流設定値と等しくなるように、溶接電流Ｉｗの振幅を変化させる振幅制御を行う。さらに、平均値と平均電流設定値との差の絶対値が基準値以上のときにのみ上記の振幅制御を行う。さらに、上記の振幅制御を、アークスタートから所定期間中だけ行う。これにより、溶接ケーブルが長いためにインダクタンス値が大きくなり、溶接電流波形が変化しても、平均電流値を所定値に維持することができるので、溶け込み深さを安定化することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、交流の溶接電流を通電して溶接する交流非消耗電極アーク溶接制御方法に関するものである。

交流非消耗電極アーク溶接には、交流ティグ溶接、交流プラズマアーク溶接等がある。交流非消耗電極アーク溶接では、電極にタングステン電極等の非消耗電極を使用し、アルゴンガス等のシールドガスによって大気から遮蔽した状態中で、交流の溶接電流を通電してアークを発生させて溶接を行う。交流の溶接電流は、電極マイナス極性期間中の電極マイナス極性電流と電極プラス極性期間中の電極プラス極性電流とから形成される。電極マイナス極性と電極プラス極性とが交互に繰り返されることになり、電極マイナス極性と電極プラス極性とで１周期となる。

交流非消耗電極アーク溶接は主にアルミニウムの溶接に使用される。母材であるアルミニウム材の表面には酸化皮膜があり、これを除去しなければ良好な溶接を行うことができない。交流非消耗電極アーク溶接では、電極プラス極性期間中は母材表面に陰極点が形成される。この陰極点が形成されるときのエネルギーによって酸化皮膜が除去される作用（クリーニング作用）が働く。すなわち、交流非消耗電極アーク溶接では、電極プラス極性期間を設けることによってクリーニング作用を働かせて酸化皮膜を除去している。このときに、電極プラス極性期間は非消耗電極の消耗が速いので、適正なクリーニング幅を確保することができる最短期間に設定される。１周期に占める電極マイナス極性期間の時間比率は７０％程度である。以下の説明では、非消耗電極のことを単に電極と記載する場合もある。

特許文献１の発明では、交流ティグ溶接において、平均電流設定値、電極マイナス極性期間比率設定値及び電極マイナス極性期間設定値を入力として電極マイナス極性電流設定値、電極プラス極性電流設定値及び電極プラス極性期間設定値を算出して、溶接電流の波形パラメータを決定するものである。

特許第３１７３１５９号公報

溶接電源と溶接トーチ(アーク発生個所)とを接続する溶接ケーブルが数ｍと短い場合には、溶接ケーブルのインダクタンス値が小さいために、設定された溶接電流波形と実際に通電する溶接電流の波形とは略一致する。

しかし、溶接ケーブルの長さが１０ｍ以上となる場合、時には５０ｍになる場合もあり、このような場合には溶接ケーブルのインダクタンス値が大きくなる。通電路のインダクタンス値が大きくなると溶接電流の変化速度が緩やかになるために、設定された溶接電流波形と実際に通電する溶接電流の波形とが異なるようになる。この結果、平均電流設定値に比べて通電する溶接電流の平均値が小さくなる。溶接電流の平均値は溶け込み深さと相関するので、溶接電流の平均値が小さくなると溶け込み深さが小さくなり、溶接品質が悪くなる。

そこで、本発明では、溶接ケーブルが長い場合でも、通電する溶接電流の平均値が平均電流設定値と常に等しくなる非消耗電極アーク溶接制御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、
電極マイナス極性期間中の電極マイナス極性電流及び電極プラス極性期間中の電極プラス極性電流から形成される交流の溶接電流を通電して溶接する交流非消耗電極アーク溶接制御方法において、
前記溶接電流の絶対値の平均値を検出し、
前記平均値が予め定めた平均電流設定値と等しくなるように前記溶接電流の振幅を変化させる振幅制御を行う、
ことを特徴とする交流非消耗電極アーク溶接制御方法である。

請求項２の発明は、前記平均値と前記平均電流設定値との差の絶対値が基準値以上のときにのみ前記振幅制御を行う、
ことを特徴とする請求項１に記載の交流非消耗電極アーク溶接制御方法である。

請求項３の発明は、前記振幅制御を、アークスタートから所定期間中だけ行う、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の交流非消耗電極アーク溶接制御方法である。

請求項４の発明は、溶接中の電極マイナス極性比率を検出し、
前記電極マイナス極性比率が予め定めた設定値と等しくなるように前記溶接電流の波形パラメータを変化させる波形制御を行う、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の交流非消耗電極アーク溶接制御方法である。

請求項５の発明は、前記電極マイナス極性比率は、１周期に占める前記電極マイナス極性期間の時間比率である、
ことを特徴とする請求項４に記載の交流非消耗電極アーク溶接制御方法である。

請求項６の発明は、前記電極マイナス極性比率は、前記溶接電流(絶対値)の１周期の積分値に占める前記電極マイナス極性電流(絶対値）の積分値の比率である、
ことを特徴とする請求項４に記載の交流非消耗電極アーク溶接制御方法である。

請求項７の発明は、前記波形制御を、アークスタートから所定期間中だけ行う、
ことを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の交流非消耗電極アーク溶接制御方法である。

請求項８の発明は、前記溶接電流の周期を検出し、
前記周期が予め定めた設定値と等しくなるように前記溶接電流の波形パラメータを変化させる周期制御を行う、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の交流非消耗電極アーク溶接制御方法である。

本発明によれば、溶接ケーブルが長い場合でも、通電する溶接電流の平均値が平均電流設定値と常に等しくなる。このために、高品質の溶接が可能となる。

本発明の実施の形態１に係る交流非消耗電極アーク溶接制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。 図１の溶接装置における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２に係る交流非消耗電極アーク溶接制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。 本発明の実施の形態３に係る交流非消耗電極アーク溶接制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。 本発明の実施の形態４に係る交流非消耗電極アーク溶接制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。 本発明の実施の形態５に係る交流非消耗電極アーク溶接制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。 本発明の実施の形態６に係る交流非消耗電極アーク溶接制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。 本発明の実施の形態７に係る交流非消耗電極アーク溶接制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。

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に係る交流非消耗電極アーク溶接制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。同図において、極性切換時に数百Ｖの高電圧を印加する回路については、図示は省略している。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。

インバータ回路ＩＮＶは、３相２００Ｖ等の交流商用電源（図示は省略）を入力として、整流及び平滑した直流電圧を、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉによるパルス幅変調制御によってインバータ制御を行い、高周波交流を出力する。

インバータトランスＩＮＴは、高周波交流電圧をアーク溶接に適した電圧値に降圧する。

２次整流器Ｄ２ａ〜Ｄ２ｄは、降圧された高周波交流を直流に整流する。

電極プラス極性トランジスタＰＴＲは後述する電極プラス極性駆動信号Ｐｄによってオン状態になり、溶接電源の出力は電極プラス極性ＥＰになる。電極マイナス極性トランジスタＮＴＲは後述する電極マイナス極性駆動信号Ｎｄによってオン状態になり、溶接電源の出力は電極マイナス極性ＥＮになる。

リアクトルＷＬは、リップルのある出力を平滑する。

溶接トーチ４の先端には電極１が装着されており、電極１と母材２との間にアーク３が発生する。アーク３中を交流の溶接電流Ｉｗが通電し、電極１と母材２との間に交流の溶接電圧Ｖｗが印加する。溶接電流Ｉｗは、母材２→アーク３→電極１の方向に通電するとき（電極マイナス極性期間Ｔenのとき）を＋側とするのが慣例である。

溶接電源の２つの出力端子(図示は省略)と溶接トーチ４又は母材２とは溶接ケーブル５、６で接続されている。この溶接ケーブル５、６が長いときはインダクタンス値が大きくなり、溶接電流Ｉｗの変化速度が緩やかになる。インダクタンス値は、溶接ケーブル５、６の引き回し状態によっても大きく変化する。溶接ケーブル５、６をぐるぐる巻きにするとインダクタンス値は非常に大きくなる。

電極マイナス極性期間設定回路ＴＮＲは、予め定めた電極マイナス極性期間設定信号Ｔnrを出力する。電極プラス極性期間設定回路ＴＰＲは、予め定めた電極プラス極性期間設定信号Ｔprを出力する。

電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｗの絶対値を検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。

電流比較回路ＣＭは、上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、電流検出信号Ｉｄの値が予め定めた極性切換電流値以下のときはＨｉｇｈレベルとなる電流比較信号Ｃｍを出力する。極性切換電流値は、例えば５０Ａに設定される。

タイマ回路ＴＭは、上記の電極マイナス極性期間設定信号Ｔnr、上記の電極プラス極性期間設定信号Ｔpr及び上記の電流比較信号Ｃｍを入力として、以下の処理を行い、タイマ信号Ｔｍを出力する。タイマ信号Ｔｍが１及び２のときが電極マイナス極性期間Ｔenとなり、３及び４のときが電極プラス極性期間Ｔepとなる。
１）電極マイナス極性期間設定信号Ｔnrによって定まる期間中は、タイマ信号Ｔｍ＝１を出力する。
２）続けて、電極マイナス極性期間設定信号Ｔnrによって定まる期間が経過してから、電流比較信号ＣｍがＨｉｇｈレベルに変化するまでの遷移期間中は、タイマ信号Ｔｍ＝２を出力する。
３）続けて、電流比較信号ＣｍがＨｉｇｈレベルに変化してから、電極プラス極性期間設定信号Ｔprによって定まる期間中は、タイマ信号Ｔｍ＝３を出力する。
４）続けて、電極プラス極性期間設定信号Ｔprによって定まる期間が経過してから、電流比較信号ＣｍがＨｉｇｈレベルに変化するまでの遷移期間中は、タイマ信号Ｔｍ＝４を出力する。
５）上記の１）〜４）を繰り返す。

２次側駆動回路ＤＶは、上記のタイマ信号Ｔｍを入力として、タイマ信号Ｔｍが１又は２のときは上記の電極マイナス極性駆動信号Ｎｄを出力し、タイマ信号Ｔｍが３又は４のときは上記の電極プラス極性駆動信号Ｐｄを出力する。これによって、タイマ信号Ｔｍが１又は２のときは、電極マイナス極性トランジスタＮＴＲがオン状態となり、電極マイナス極性期間Ｔenとなる。タイマ信号Ｔｍが３又は４のときは、電極プラス極性トランジスタＰＴＲがオン状態となり、電極プラス極性期間Ｔepとなる。

電極マイナス極性電流振幅設定回路ＩＮＲは、予め定めた電極マイナス極性電流振幅設定信号Ｉnrを出力する。

平均電流検出回路ＩＡＤは、上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、平均値を算出して、平均電流検出信号Ｉadを出力する。平均値の算出は、例えば、電流検出信号Ｉｄを１〜５Ｈｚ程度のカットオフ周波数のローパスフィルタに通すことによって行う。また、平均値の算出は、電流検出信号Ｉｄを０．１ms程度ごとにサンプリングして、溶接電流波形の所定周期ごとに平均値を算出しても良い。

平均電流設定回路ＩＡＲは、予め定めた平均電流設定信号Ｉarを出力する。

平均電流誤差増幅回路ＥＡは、上記の平均電流設定信号Ｉar及び上記の平均電流検出信号Ｉadを入力として、両値の誤差を増幅して、平均電流誤差増幅信号Ｅa＝Ｇ・(Ｉar−Ｉad)を出力する。Ｇは、増幅率であり、例えば０．２〜２程度に設定される。この増幅率Ｇは、振幅制御系が安定になるように調整される。

振幅制御回路ＩＮＣは、上記の電極マイナス極性電流振幅設定信号Ｉnr及び上記の平均電流誤差増幅信号Ｅａを入力として、溶接中は平均電流誤差増幅信号Ｅａを積分して、電極マイナス極性電流振幅制御信号Ｉnc＝Ｉnr＋∫Ｅａ・ｄｔを出力する。Ｉnc＞０である。

電極プラス極性電流振幅制御回路ＩＰＣは、上記の電極マイナス極性電流振幅制御信号Ｉncを入力として、予め定めた関数によって電極プラス極性電流振幅制御信号Ｉpcを算出して出力する。関数は、例えばＩpc＝Ｉnc＋５０である。このときは、溶接電流Ｉｗは非平衡波形となる。また、関数を、Ｉpc＝Ｉncとしても良い。このときは、両極性の振幅が同一値となり、溶接電流Ｉｗは平衡波形となる。Ｉpc＞０である。

上記の平均電流誤差増幅回路ＥＡ、上記の振幅制御回路ＩＮＣ及び上記の電極プラス極性電流振幅制御回路ＩＰＣによって、平均電流検出信号Ｉadの値が平均電流設定信号Ｉarの値と等しくなるように、電極マイナス極性電流Ｉen及び電極プラス極性電流Ｉepの振幅が制御される(振幅制御)。

切換回路ＳＷは、上記のタイマ信号Ｔｍ、上記の電極マイナス極性電流振幅制御信号Ｉnc及び上記の電極プラス極性電流振幅制御信号Ｉpcを入力として、以下の処理を行い、電流設定信号Ｉｒを出力する。
１）タイマ信号Ｔｍ＝１のときは、電極マイナス極性電流振幅制御信号Ｉncを電流設定信号Ｉｒとして出力する。
２）タイマ信号Ｔｍ＝２のときは、電流設定信号Ｉｒ＝０を出力する。
３）タイマ信号Ｔｍ＝３のときは、電極プラス極性電流振幅制御信号Ｉpcを電流設定信号Ｉｒとして出力する。
４）タイマ信号Ｔｍ＝４のときは、電流設定信号Ｉｒ＝０を出力する。

電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流設定信号Ｉｒ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。これにより、溶接電源は定電流特性となり、交流の溶接電流Ｉｗが通電する。

図２は、図１の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。同図(Ａ)は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図(Ｂ)は電流比較信号Ｃｍの時間変化を示し、同図(Ｃ)は電極マイナス極性駆動信号Ｎｄの時間変化を示し、同図(Ｄ)は電極プラス極性駆動信号Ｐｄの時間変化を示し、同図(Ｅ)は電流設定信号Ｉｒの時間変化を示す。同図(Ａ)に示す溶接電流Ｉｗは、０から上側が電極マイナス極性電流Ｉenであり、０から下側が電極プラス極性電流Ｉepである。同図は、溶接電流Ｉｗの電極プラス極性ＥＰの振幅が電極マイナス極性ＥＮの振幅よりも大きい非平衡波形の場合である。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(Ａ)に示すように、溶接電流Ｉｗ（電極プラス極性電流Ｉep）の絶対値が予め定めた極性切換電流値以下となるので、同図(Ｂ)に示すように、電流比較信号Ｃｍが短時間Ｈｉｇｈレベルとなる。これに応動して、同図(Ｃ)に示すように、電極マイナス極性駆動信号ＮｄがＨｉｇｈレベルとなり、電極マイナス極性トランジスタＮＴＲがオン状態となり、電極マイナス極性ＥＮへと切り換わる。同時に、同図(Ｄ)に示すように、電極プラス極性駆動信号ＰｄはＬｏｗレベルになり、電極プラス極性トランジスタＰＴＲはオフ状態となる。時刻ｔ１において、同図(Ｅ)に示すように、電流設定信号Ｉｒは０から電極マイナス極性電流振幅制御信号Ｉncに切り換わる。同図(Ａ)に示すように、溶接電流Ｉｗは、負の値の極性切換電流値から正の値の極性切換電流値へと瞬時的に変化する。

時刻ｔ１〜ｔ２の期間中は、同図(Ａ)に示すように、溶接電流Ｉｗは、極性切換電流値から電極マイナス極性電流振幅制御信号Ｉncの値まで傾斜を有して増加する。この傾斜が溶接ケーブルによるインダクタンス値によって決まる。インダクタンス値が大きいほど傾斜は緩やかになる。時刻ｔ２〜ｔ３の期間中は、同図(Ａ)に示すように、溶接電流Ｉｗは電極マイナス極性電流振幅制御信号Ｉncの値となる。

時刻ｔ３において、時刻ｔ１からの経過時間が電極マイナス極性期間設定信号Ｔnrの値に達すると、同図(Ｅ)に示すように、電流設定信号Ｉｒは０に変化する。これに応動して、同図(Ａ)に示すように、溶接電流Ｉｗは傾斜を有して減少する。この傾斜も溶接ケーブルによるインダクタンス値によって決まる。そして、時刻ｔ４において、溶接電流Ｉｗの値が極性切換電流値以下となると、同図(Ｂ)に示すように、電流比較信号Ｃｍが短時間Ｈｉｇｈレベルとなる。

時刻ｔ４において、同図(Ｂ)に示すように、電流比較信号Ｃｍが短時間Ｈｉｇｈレベルになると、同図(Ｄ)に示すように、電極プラス極性駆動信号ＰｄがＨｉｇｈレベルとなり、電極プラス極性トランジスタＰＴＲがオン状態となり、電極プラス極性ＥＰへと切り換わる。同時に、同図(Ｃ)に示すように、電極マイナス極性駆動信号ＮｄはＬｏｗレベルになり、電極マイナス極性トランジスタＮＴＲはオフ状態となる。時刻ｔ４において、同図(Ｅ)に示すように、電流設定信号Ｉｒは０から正の値の電極プラス極性電流振幅制御信号Ｉpcに切り換わる。同図(Ａ)に示すように、溶接電流Ｉｗは、正の値の極性切換電流値から負の値の極性切換電流値へと瞬時的に変化する。

時刻ｔ４〜ｔ５の期間中は、同図(Ａ)に示すように、溶接電流Ｉｗは、極性切換電流値から電極プラス極性電流振幅制御信号Ｉpcの値まで傾斜を有して増加する。この傾斜も溶接ケーブルによるインダクタンス値によって決まる。時刻ｔ５〜ｔ６の期間中は、同図(Ａ)に示すように、溶接電流Ｉｗは電極プラス極性電流振幅制御信号Ｉpcの値となる。

時刻ｔ６において、時刻ｔ４からの経過時間が電極プラス極性期間設定信号Ｔprの値に達すると、同図(Ｅ)に示すように、電流設定信号Ｉｒは０に変化する。これに応動して、同図(Ａ)に示すように、溶接電流Ｉｗは傾斜を有して減少する。この傾斜も溶接ケーブルによるインダクタンス値によって決まる。そして、時刻ｔ７において、溶接電流Ｉｗの値が極性切換電流値以下となると、同図(Ｂ)に示すように、電流比較信号Ｃｍが短時間Ｈｉｇｈレベルとなる。

以後、上記の動作を繰り返すことになる。

時刻ｔ１〜ｔ７が１周期となる。溶接ケーブルによるインダクタンス値によって、時刻ｔ１〜ｔ２、時刻ｔ３〜ｔ４、時刻ｔ４〜ｔ５及び時刻ｔ６〜ｔ７の傾斜が影響を受けるので、平均電流値が変化することになる。したがって、本実施の形態では、溶接電流Ｉｗの絶対値の平均値を平均電流検出信号Ｉadとして出力し、この平均電流検出信号Ｉadの値が予め定めた平均電流設定信号Ｉarと等しくなるように、電極マイナス極性電流振幅制御信号Ｉnc及び電極プラス極性電流振幅制御信号Ｉpcをフィードバック制御している。これにより、溶接電流Ｉｗの正負の振幅が制御されるので、平均電流値が所定値となる。同図は、溶接電流波形が非平衡波形の場合であるが、平衡波形の場合も同様である。さらに、同図は、溶接電流波形が台形波の場合であるが、正弦波等の曲線状に変化する波形の場合も同様である。

上述した実施の形態１によれば、溶接電流の絶対値の平均値を検出し、この平均値が予め定めた平均電流設定値と等しくなるように溶接電流の振幅を変化させる振幅制御を行う。これにより、本実施の形態では、溶接ケーブルが長いためにインダクタンス値が大きい場合でも、通電する溶接電流の平均値が平均電流設定値と常に等しくなるように制御することができる。このために、溶け込み深さを均一化することができ、高品質の溶接結果を得ることができる。

［実施の形態２］
実施の形態２の発明は、平均電流検出信号Ｉadと平均電流設定信号Ｉarとの差の絶対値が基準値以上のときにのみ上述した振幅制御を行うものである。

図３は、本発明の実施の形態２に係る交流非消耗電極アーク溶接制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。同図は上述した図１と対応しており、同一ブロックには同一符号を付して、それらの説明は繰り返さない。同図は、図１の平均電流誤差増幅回路ＥＡを第２平均電流誤差増幅回路ＥＡ２に置換したものである。以下、同図を参照してこのブロックについて説明する。

第２平均電流誤差増幅回路ＥＡ２は、上記の平均電流設定信号Ｉar及び上記の平均電流検出信号Ｉadを入力として、両信号の差の絶対値｜Ｉar−Ｉad｜が予め定めた基準値未満のときは平均電流誤差増幅信号Ｅａ＝０を出力し、差の絶対値が基準値以上のときは両値の誤差を増幅して、平均電流誤差増幅信号Ｅa＝Ｇ・(Ｉar−Ｉad)を出力する。基準値は、例えば５Ａに設定される。

上記の回路によって、平均電流検出信号Ｉadと平均電流設定信号Ｉarとの差の絶対値が基準値以上のときにのみ振幅制御が行われる。これにより、溶接電流Ｉｗの平均値が設定値と近似しているときは、振幅制御を行わないので、過敏な制御とならず制御系が安定し、溶接状態がさらに安定化する。このときに、溶接電流Ｉｗの平均値が設定値と近似しているときは、溶け込み深さの変動も少なく、溶接品質には問題ない。

［実施の形態３］
実施の形態３の発明は、振幅制御を、アークスタートから所定期間中だけ行うものである。

図４は、本発明の実施の形態３に係る交流非消耗電極アーク溶接制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。同図は上述した図１と対応しており、同一ブロックには同一符号を付して、それらの説明は繰り返さない。同図は、図１に初期期間回路ＴＳを追加し、図１の平均電流誤差増幅回路ＥＡを第３平均電流誤差増幅回路ＥＡ３に置換したものである。以下、同図を参照してこれらのブロックについて説明する。

初期期間回路ＴＳは、上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、この値が予め定めた通電判別値以上となってから所定期間の間だけＨｉｇｈレベルとなる初期期間信号Ｔｓを出力する。通電判別値は、例えば１Ａに設定される。初期期間信号ＴｓがＨｉｇｈレベルの期間は、アークスタートしてから所定期間中のときである。所定期間は、例えば０．１〜１秒程度に設定される。

第３平均電流誤差増幅回路ＥＡ３は、上記の平均電流設定信号Ｉar、上記の平均電流検出信号Ｉad及び上記の初期期間信号Ｔｓを入力として、初期期間信号ＴｓがＬｏｗレベルのときは平均電流誤差増幅信号Ｅａ＝０を出力し、初期期間信号ＴｓがＨｉｇｈレベルのときは両値の誤差を増幅して、平均電流誤差増幅信号Ｅa＝Ｇ・(Ｉar−Ｉad)を出力する。

上記の回路によって、アークスタートから所定期間だけ振幅制御が行われる。溶接ケーブルによるインダクタンス値は、溶接ケーブルが一旦敷設されるとほとんど変化しない。このために、アークスタートから短時間のみ振幅制御を行えば、その後は溶接電流Ｉｗの平均値は設定値と一致する。このようにすることによって、振幅制御は短時間だけ行われるので、制御系が安定し、溶接状態がさらに安定化する。実施の形態３は、実施の形態１を基にしているが、実施の形態２を基にしても良い。

［実施の形態４］
実施の形態４の発明は、上述した振幅制御に加えて、溶接中の電極マイナス極性比率を検出し、電極マイナス極性比率が予め定めた設定値と等しくなるように溶接電流の波形パラメータを変化させる波形制御を行うものである。

図５は、本発明の実施の形態４に係る交流非消耗電極アーク溶接制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。同図は上述した図１と対応しており、同一ブロックには同一符号を付して、それらの説明は繰り返さない。同図は、図１に、電極マイナス極性比率検出回路ＲＮＤ、電極マイナス極性比率設定回路ＲＮＲ、比率誤差増幅回路ＥＨ及び波形制御回路ＴＰＣを追加したものである。以下、同図を参照してこれらのブロックについて説明する。

電極マイナス極性比率検出回路ＲＮＤは、上記のタイマ信号Ｔｍを入力として、以下の処理を行い、電極マイナス極性比率検出信号Ｒndを出力する。本実施の形態においては、電極マイナス極性比率が、１周期に占める電極マイナス極性期間の時間比率(％)の場合である。
１）タイマ信号Ｔｍが１→２→３に変化する時間を電極マイナス極性期間Ｔenとして測定する。
２）タイマ信号Ｔｍが１→２→３→４→１に変化する時間を１周期Ｔｆとして測定する。
３）電極マイナス極性比率検出信号Ｒnd＝（Ｔen／Ｔｆ）×１００を算出して出力する。

電極マイナス極性比率設定回路ＲＮＲは、予め定めた電極マイナス極性比率設定信号Ｒnrを出力する。

比率誤差増幅回路ＥＨは、上記の電極マイナス極性比率検出信号Ｒnd及び上記の電極マイナス極性比率設定信号Ｒnrを入力として、両値の誤差を増幅して、比率誤差増幅信号Ｅｈ＝Ｇｈ・(Ｒnd−Ｒnr)を出力する。Ｇｈは、正の値の増幅率であり、例えば０．０１〜０．１程度に設定される。この増幅率Ｇｈは、波形制御系が安定になるように調整される。

波形制御回路ＴＰＣは、上記の電極プラス極性期間設定信号Ｔpr及び上記の比率誤差増幅信号Ｅｈを入力として、溶接中は比率誤差増幅信号Ｅｈを積分して、電極プラス極性期間制御信号Ｔpc＝Ｔpr＋∫Ｅｈ・ｄｔを出力する。電極プラス極性期間制御信号Ｔpcは、電極プラス極性期間設定信号Ｔprの代替信号としてタイマ回路ＴＭに入力される。

上記の比率誤差増幅回路ＥＨ及び上記の波形制御回路ＴＰＣによって、電極マイナス極性比率検出信号Ｒndの値が電極マイナス極性比率設定信号Ｒnrの値と等しくなるように、溶接電流の波形パラメータとして電極プラス極性期間Ｔep（電極プラス極性期間制御信号Ｔpc）が制御される(波形制御)。すなわち、電極マイナス極性比率検出信号Ｒndと電極マイナス極性比率設定信号Ｒnrとが等しくなるように、溶接電流の波形パラメータである電極プラス極性期間Ｔep及び／又は電極マイナス極性期間Ｔenがフィードバック制御されれば良い。

図５の溶接装置における各信号のタイミングチャートは、上述した図２と同様であるので、説明は繰り返さない。但し、以下の点は異なっている。図２において、時刻ｔ１〜ｔ７が１周期Ｔｆとなる。溶接ケーブルによるインダクタンス値によって、時刻ｔ１〜ｔ２、時刻ｔ３〜ｔ４、時刻ｔ４〜ｔ５及び時刻ｔ６〜ｔ７の傾斜が影響を受ける。ここで、電極マイナス極性比率検出信号Ｒnd(％)＝（Ｔen／Ｔｆ）×１００＝(時刻ｔ１〜ｔ４の時間／時刻ｔ１〜ｔ７の時間）×１００となる。このために、電極マイナス極性比率検出信号Ｒndの値は、溶接ケーブルのインダクタンス値に影響されて大きく変動する。したがって、本実施の形態では、溶接中の電極マイナス極性比率を検出し、この電極マイナス極性比率検出信号Ｒndが予め定めた電極マイナス極性比率設定信号Ｒnrと等しくなるように、溶接電流の波形パラメータの１つである電極プラス極性期間制御信号Ｔpcを変化させる波形制御を行っている。これにより、時刻ｔ４〜ｔ７の電極プラス極性期間Ｔepが制御されるので、電極マイナス極性比率検出信号Ｒndが所定値となる。変化させる波形パラメータとしては、電極プラス極性期間Ｔep及び／又は電極マイナス極性期間Ｔenである。本実施の形態は、実施の形態１を基礎として波形制御を追加しているが、実施の形態２又は３を基礎として波形制御を追加しても良い。

上述した実施の形態４によれば、実施の形態１〜３の効果に加えて、溶接中の電極マイナス極性比率を検出し、電極マイナス極性比率が予め定めた設定値と等しくなるように溶接電流の波形パラメータを変化させる波形制御を行う。これにより、本実施の形態では、溶接ケーブルのインダクタンス値が変化しても、電極マイナス極性比率を常に所望値に維持することができる。このために、溶接ビードの形状を均一化することができ、高品質の溶接結果を得ることができる。

［実施の形態５］
実施の形態５の発明は、電極マイナス極性比率が、実施の形態４では１周期に占める電極マイナス極性期間の時間比率であるのに対して、溶接電流(絶対値)の１周期の積分値に占める電極マイナス極性電流(絶対値）の積分値の比率である点が異なる。

図６は、本発明の実施の形態５に係る交流非消耗電極アーク溶接制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。同図は上述した図５と対応しており、同一ブロックには同一符号を付して、それらの説明は繰り返さない。同図は、図５の電極マイナス極性比率検出回路ＲＮＤを第２電極マイナス極性比率検出回路ＲＮＤ２に置換したものである。以下、同図を参照してこのブロックについて説明する。

第２電極マイナス極性比率検出回路ＲＮＤ２は、上記のタイマ信号Ｔｍ及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、以下の処理を行い、電極マイナス極性比率検出信号Ｒndを出力する。本実施の形態においては、電極マイナス極性比率が、溶接電流(絶対値)の１周期の積分値に占める電極マイナス極性電流(絶対値）の積分値の比率(％)の場合である。
１）タイマ信号Ｔｍが１及び２となる電極マイナス極性期間Ｔen中の電流検出信号Ｉｄ(電極マイナス極性電流)の積分値を演算する。
２）タイマ信号Ｔｍが１〜４となる１周期Ｔｆ中の電流検出信号Ｉｄの積分値を演算する。
３）電極マイナス極性比率検出信号Ｒnd＝（(電極マイナス極性電流の積分値）／（１周期中の溶接電流の積分値））×１００を算出して出力する。

図６の溶接装置における各信号のタイミングチャートは、上述した図２と同一であるので、説明は省略する。但し、本実施の形態においては、電極マイナス極性比率検出信号Ｒndが溶接電流(絶対値)の１周期の積分値に占める電極マイナス極性電流(絶対値）の積分値の比率である。実施の形態５によれば、実施の形態４と同様の効果を奏する。

［実施の形態６］
実施の形態６の発明は、実施の形態４及び５の波形制御を、アークスタートから所定期間中だけ行うものである。

図７は、本発明の実施の形態６に係る交流非消耗電極アーク溶接制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。同図は上述した図５と対応しており、同一ブロックには同一符号を付して、それらの説明は繰り返さない。同図は、図５に初期期間回路ＴＳを追加し、図５の平均電流誤差増幅回路ＥＡを第３平均電流誤差増幅回路ＥＡ３に置換し、図５の比率誤差増幅回路ＥＨを第２比率誤差増幅回路ＥＨ２に置換したものである。以下、同図を参照してこれらのブロックについて説明する。

初期期間回路ＴＳ及び第３平均電流誤差増幅回路ＥＡ３の動作は、図４の同一回路と同じであるので、説明は繰り返さない。第２比率誤差増幅回路ＥＨ２は、上記の電極マイナス極性比率検出信号Ｒnd、上記の電極マイナス極性比率設定信号Ｒnr及び上記の初期期間信号Ｔｓを入力として、初期期間信号ＴｓがＬｏｗレベルのときは比率誤差増幅信号Ｅｈ＝０を出力し、初期期間信号ＴｓがＨｉｇｈレベルのときは両値の誤差を増幅して比率誤差増幅信号Ｅｈ＝Ｇｈ・(Ｒnd−Ｒnr)を出力する。

上記の回路によって、アークスタートから所定期間だけ波形制御が行われる。溶接ケーブルによるインダクタンス値は、溶接ケーブルが一旦敷設されるとほとんど変化しない。このために、アークスタートから短時間のみ波形制御を行えば、その後は電極マイナス極性比率は設定値と一致する。このようにすることによって、波形制御は短時間だけ行われるので、制御系が安定し、溶接状態がさらに安定化する。実施の形態６は、実施の形態４を基にしているが、実施の形態５を基にしても良い。

［実施の形態７］
実施の形態７の発明は、実施の形態１〜３の振幅制御に加えて、溶接電流の周期を検出し、周期が予め定めた設定値と等しくなるように溶接電流の波形パラメータを変化させるものである。

図８は、本発明の実施の形態７に係る交流非消耗電極アーク溶接制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。同図は上述した図１と対応しており、同一ブロックには同一符号を付して、それらの説明は繰り返さない。同図は、図１に、周期検出回路ＴＦＤ、周期設定回路ＴＦＲ、周期誤差増幅回路ＥＳ及び周期制御回路ＴＰＣ２を追加したものである。以下、同図を参照してこれらのブロックについて説明する。

周期検出回路ＴＦＤは、上記のタイマ信号Ｔｍを入力として、タイマ信号Ｔｍが１→２→３→４→１に変化する時間を１周期Ｔｆとして測定して、周期検出信号Ｔfdとして出力する。

周期設定回路ＴＦＲは、予め定めた周期設定信号Ｔfrを出力する。

周期誤差増幅回路ＥＳは、上記の周期検出信号Ｔfd及び上記の周期設定信号Ｔfrを入力として、両値の誤差を増幅して、周期誤差増幅信号Ｅｓ＝Ｇｓ・(Ｔfr−Ｔfd)を出力する。Ｇｓは、正の値の増幅率であり、例えば０．１〜１．０程度に設定される。この増幅率Ｇｓは、周期制御系が安定になるように調整される。

周期制御回路ＴＰＣ２は、上記の電極プラス極性期間設定信号Ｔpr及び上記の周期誤差増幅信号Ｅｓを入力として、溶接中は周期誤差増幅信号Ｅｓを積分して、電極プラス極性期間制御信号Ｔpc＝Ｔpr＋∫Ｅｓ・ｄｔを出力する。

上記の周期誤差増幅回路ＥＳ及び上記の周期制御回路ＴＰＣ２によって、周期検出信号Ｔfdの値が周期設定信号Ｔfrの値と等しくなるように、溶接電流の波形パラメータとして電極プラス極性期間Ｔep（電極プラス極性期間制御信号Ｔpc）が制御される(周期制御)。すなわち、電極マイナス極性比率検出信号Ｒndと電極マイナス極性比率設定信号Ｒnrとが等しくなるように、溶接電流の波形パラメータである電極プラス極性期間Ｔep及び／又は電極マイナス極性期間Ｔenがフィードバック制御されれば良い。

図８の溶接装置における各信号のタイミングチャートは、上述した図２と同様であるので、説明は繰り返さない。但し、以下の点は異なっている。図２において、時刻ｔ１〜ｔ７が１周期Ｔｆとなる。溶接ケーブルによるインダクタンス値によって、時刻ｔ１〜ｔ２、時刻ｔ３〜ｔ４、時刻ｔ４〜ｔ５及び時刻ｔ６〜ｔ７の傾斜が影響を受ける。このために、周期検出信号Ｔfdの値は、溶接ケーブルのインダクタンス値に影響されて大きく変動する。したがって、本実施の形態では、溶接中の周期Ｔｆを検出し、この周期検出信号Ｔfdが予め定めた周期設定信号Ｔfrと等しくなるように、溶接電流の波形パラメータの１つである電極プラス極性期間制御信号Ｔpcを変化させる周期制御を行っている。これにより、時刻ｔ４〜ｔ７の電極プラス極性期間Ｔepが制御されるので、周期検出信号Ｔfdが所定値となる。変化させる波形パラメータとしては、電極プラス極性期間Ｔep及び／又は電極マイナス極性期間Ｔenである。本実施の形態は、実施の形態１を基礎として周期制御を追加しているが、実施の形態２及び３を基礎として周期制御を追加しても良い。

上述した実施の形態７によれば、実施の形態１〜３の効果に加えて、溶接中の周期を検出し、周期が予め定めた設定値と等しくなるように溶接電流の波形パラメータを変化させる周期制御を行う。これにより、本実施の形態では、溶接ケーブルのインダクタンス値が変化しても、周期を常に所望値に維持することができる。このために、溶接ビードの形状を均一化することができ、高品質の溶接結果を得ることができる。

上記においては、交流非消耗電極アーク溶接が交流ティグ溶接の場合であるが、交流プラズマアーク溶接の場合も同様である。

１ 電極
２ 母材
３ アーク
４ 溶接トーチ
５、６ 溶接ケーブル
ＣＭ 電流比較回路
Ｃｍ 電流比較信号
Ｄ２ａ〜Ｄ２ｄ ２次整流器
ＤＶ ２次側駆動回路
ＥＡ 平均電流誤差増幅回路
Ｅa 平均電流誤差増幅信号
ＥＡ２ 第２平均電流誤差増幅回路
ＥＡ３ 第３平均電流誤差増幅回路
ＥＨ 比率誤差増幅回路
Ｅｈ 比率誤差増幅信号
ＥＨ２ 第２比率誤差増幅回路
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＮ 電極マイナス極性
ＥＰ 電極プラス極性
ＥＳ 周期誤差増幅回路
Ｅｓ 周期誤差増幅信号
Ｇ 増幅率
Ｇｈ 増幅率
Ｇｓ 増幅率
ＩＡＤ 平均電流検出回路
Ｉad 平均電流検出信号
ＩＡＲ 平均電流設定回路
Ｉar 平均電流設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉen 電極マイナス極性電流
Ｉep 電極プラス極性電流
ＩＮＣ 振幅制御回路
Ｉnc 電極マイナス極性電流振幅制御信号
ＩＮＲ 電極マイナス極性電流振幅設定回路
Ｉnr 電極マイナス極性電流振幅設定信号
ＩＮＴ インバータトランス
ＩＮＶ インバータ回路
ＩＰＣ 電極プラス極性電流振幅制御回路
Ｉpc 電極プラス極性電流振幅制御信号
Ｉｒ 電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
Ｎｄ 電極マイナス極性駆動信号
ＮＴＲ 電極マイナス極性トランジスタ
Ｐｄ 電極プラス極性駆動信号
ＰＴＲ 電極プラス極性トランジスタ
ＲＮＤ 電極マイナス極性比率検出回路
Ｒnd 電極マイナス極性比率検出信号
ＲＮＤ２ 第２電極マイナス極性比率検出回路
ＲＮＲ 電極マイナス極性比率設定回路
Ｒnr 電極マイナス極性比率設定信号
ＳＷ 切換回路
Ｔen 電極マイナス極性期間
Ｔep 電極プラス極性期間
Ｔｆ 周期
ＴＦＤ 周期検出回路
Ｔfd 周期検出信号
ＴＦＲ 周期設定回路
Ｔfr 周期設定信号
ＴＭ タイマ回路
Ｔｍ タイマ信号
ＴＮＲ 電極マイナス極性期間設定回路
Ｔnr 電極マイナス極性期間設定信号
ＴＰＣ 波形制御回路
Ｔpc 電極プラス極性期間制御信号
ＴＰＣ２ 周期制御回路
ＴＰＲ 電極プラス極性期間設定回路
Ｔpr 電極プラス極性期間設定信号
ＴＳ 初期期間回路
Ｔｓ 初期期間信号
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＬ リアクトル

Claims (8)

1. 電極マイナス極性期間中の電極マイナス極性電流及び電極プラス極性期間中の電極プラス極性電流から形成される交流の溶接電流を通電して溶接する交流非消耗電極アーク溶接制御方法において、
   前記溶接電流の絶対値の平均値を検出し、
   前記平均値が予め定めた平均電流設定値と等しくなるように前記溶接電流の振幅を変化させる振幅制御を行う、
   ことを特徴とする交流非消耗電極アーク溶接制御方法。
2. 前記平均値と前記平均電流設定値との差の絶対値が基準値以上のときにのみ前記振幅制御を行う、
   ことを特徴とする請求項１に記載の交流非消耗電極アーク溶接制御方法。
3. 前記振幅制御を、アークスタートから所定期間中だけ行う、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の交流非消耗電極アーク溶接制御方法。
4. 溶接中の電極マイナス極性比率を検出し、
   前記電極マイナス極性比率が予め定めた設定値と等しくなるように前記溶接電流の波形パラメータを変化させる波形制御を行う、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の交流非消耗電極アーク溶接制御方法。
5. 前記電極マイナス極性比率は、１周期に占める前記電極マイナス極性期間の時間比率である、
   ことを特徴とする請求項４に記載の交流非消耗電極アーク溶接制御方法。
6. 前記電極マイナス極性比率は、前記溶接電流(絶対値)の１周期の積分値に占める前記電極マイナス極性電流(絶対値）の積分値の比率である、
   ことを特徴とする請求項４に記載の交流非消耗電極アーク溶接制御方法。
7. 前記波形制御を、アークスタートから所定期間中だけ行う、
   ことを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の交流非消耗電極アーク溶接制御方法。
8. 前記溶接電流の周期を検出し、
   前記周期が予め定めた設定値と等しくなるように前記溶接電流の波形パラメータを変化させる周期制御を行う、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の交流非消耗電極アーク溶接制御方法。

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