JP2019058926A - 交流非消耗電極アーク溶接制御方法 - Google Patents

交流非消耗電極アーク溶接制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 交流非消耗電極アーク溶接において、アーク切れの発生を抑制すること。【解決手段】電極マイナス極性期間と電極プラス極性期間とを交互に繰り返し、電極プラス極性期間への切換時に再点弧電圧を印加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、平均溶接電流値が100A以上であるときに、電極プラス極性期間中にアーク切れの前兆状態を検出したときは(時刻t8)、電極プラス極性期間が終了するよりも前に電極マイナス極性期間に切り換える。アーク切れの前兆状態の検出を、アークが発生した状態であり、かつ、予め定めた基準電流値未満の溶接電流Iwが通電していることによって行う。【選択図】 図2

Description

本発明は、電極マイナス極性期間と電極プラス極性期間とを交互に繰り返し、前記電極プラス極性期間への切換時に再点弧電圧を印加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。
交流非消耗電極アーク溶接では、極性を切り換えるときにアーク切れが発生する場合がある。特に、電極マイナス極性から電極プラス極性に切り換えるときは、アーク切れが発生しやすい。このために、電極マイナス極性から電極プラス極性へと切り換えるときは、300V程度の再点弧電圧を溶接電圧に重畳してアーク切れを抑制している。アーク切れが発生すると、溶接品質が悪くなる。
しかしながら、再点弧電圧を印加しても溶接条件によってはアーク切れが発生する場合がある。このために特許文献1の発明では、電極プラス極性期間中にアーク切れを検出すると、電極プラス極性期間が終了するよりも前に電極マイナス極性期間に切り換えることによって、アークの再点弧を円滑にしている。
特許第5429356号公報
従来技術では、アーク切れの発生を検出したときに、アークの再点弧を円滑化している。しかし、従来技術では、アーク切れが一旦発生しているために、溶接品質が悪くなるという問題があった。
そこで、本発明では、アーク切れの発生を抑制することができ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と電極プラス極性期間とを交互に繰り返し、前記電極プラス極性期間への切換時に再点弧電圧を印加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、
平均溶接電流値が100A以上であるときに、前記電極プラス極性期間中にアーク切れの前兆状態を検出したときは、前記電極プラス極性期間が終了するよりも前に前記電極マイナス極性期間に切り換える、
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、前記アーク切れの前兆状態の検出を、アークが発生した状態であり、かつ、予め定めた基準電流値未満の前記溶接電流(絶対値)が通電していることによって行う、
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、前記アーク切れの前兆状態の検出を、前記再点弧電圧が印加されている期間中に行う、
ことを特徴とする請求項1又は2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、アーク切れの発生を抑制することができる。
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。
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。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、慣例によって+側としている。
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。Tnr=10ms程度であり、Tpr=3ms程度である。
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、上記の電流比較信号Cm及び後述するアーク切れ前兆検出信号Zd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又は2のときが電極マイナス極性期間Tenとなり、3又は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。但し、この期間中に、アーク切れ前兆検出信号Zdが短時間Highレベルになったときは、その時点で強制的に1)の動作に移行する。
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。
再点弧電圧印加回路SDは、上記のタイマ信号Tmを入力として、タイマ信号Tmが3(電極プラス極性期間)に切り換わった時点から短時間(0.3ms程度)300V程度の再点弧電圧を電極1(+)と母材2(−)との間に印加する。
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。電極プラス極性電流振幅設定回路IPRは、予め定めた電極プラス極性電流振幅設定信号Iprを出力する。Inr及びIprは正の値である。
平均溶接電流検出回路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、平均溶接電流検出信号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。
アーク判別回路AD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電流通電判別値(1A程度)以上のときはアーク発生状態であると判別してHighレベルとなるアーク判別信号Adを出力する。
アーク切れ前兆検出回路ZDは、上記の平均溶接電流検出信号Iad、上記のタイマ信号Tm、上記のアーク判別信号Ad及び上記の電流検出信号Idを入力として、平均溶接電流検出信号Iadが100A以上であり、かつ、タイマ信号Tmが3(電極プラス極性期間Tep)であり、かつ、アーク判別信号AdがHighレベル(アーク発生状態)であり、かつ、Idが所定期間(0.2ms程度)の間予め定めた基準電流値It(15A程度)未満になったときは短時間だけHighレベルとなるアーク切れ前兆検出信号Zdを出力する。
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設定信号Inr及び上記の電極プラス極性電流振幅設定信号Ipr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設定信号Inr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設定信号Ipr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の時間変化を示し、同図(F)はアーク切れ前兆検出信号Zd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。また、同図は、平均溶接電流値が100A以上のときである。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〜t4の電極プラス極性期間Tep及び時刻t4〜t7の電極マイナス極性期間Ten中は、アーク切れの前兆状態となることなく安定したアーク発生状態となっている。そして、同図は、時刻t7からの電極プラス極性期間Tep中に、アーク切れの前兆状態となった場合である。
時刻t1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、タイマ信号Tmが3となるので、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t1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設定信号Ipr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。同時に、再点弧電圧が電極1と母材2との間に印加される。時刻t1〜t4の電極プラス極性期間Tep中は、溶接電流Iwの絶対値は基準電流値It以上となっている。
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プラス極性電流振幅設定信号Iprの値まで傾斜を有して増加する。この傾斜は、リアクトルWL及び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t2〜t3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設定信号Ipr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プラス極性期間設定信号Tprの値に達すると、タイマ信号Tmが4となり、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、リアクトルWL及び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(A)に示すように、溶接電流Iw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レベルとなり、タイマ信号Tmが1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から電極マイナス極性電流振幅設定信号Inr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。電極マイナス極性ENへの切換時には再点弧電圧は印加されない。これは、電極マイナス極性期間Ten中はアーク切れはほとんど発生しないからである。
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マイナス極性電流振幅設定信号Inrの値まで傾斜を有して増加する。この傾斜も、リアクトルWL及び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は電極マイナス極性電流振幅設定信号Inr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マイナス極性期間設定信号Tnrの値に達すると、タイマ信号Tmが2となり、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、リアクトルWL及び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。
時刻t7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、タイマ信号Tmが3となるので、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t7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設定信号Ipr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。同時に、再点弧電圧が電極1と母材2との間に印加される。
しかしながら、電極プラス極性期間Tepに切り換わった直後からアーク発生状態はアーク切れの前兆状態となる。このために、同図(A)に示すように、溶接電流Iwの絶対値は基準電流値It未満となっている。そして、時刻t8において、平均溶接電流値が100A以上であり、かつ、電極プラス極性期間Tep中であり、かつ、アーク発生状態であり、かつ、基準電流値It未満の溶接電流Iwが所定期間中通電したために、同図(F)に示すように、アーク切れ前兆検出信号Zdが短時間Highレベルに変化する。これに応動して、タイマ信号Tmが3から1へと強制的に変化するので、電極マイナス極性期間Tenへと切り換わる。これ以後の動作は、時刻t4からの動作と同様である。電極プラス極性期間Tep中にアーク切れの前兆状態となっても、電極マイナス極性期間Tenに切り換えることによって、安定したアーク発生状態へと移行させることができる。この結果、アーク切れの発生を抑制することができる。
アーク切れの前兆状態とは、アークの陰極点が母材表面の酸化被膜のある部分に形成されずに、酸化被膜のないビード部に形成された状態である。このような状態は、平均溶接電流値が100A以上となりビード幅が所定値以上となる場合に発生しやすい。このような状態になると、陰極点を維持するために大きなエネルギーが必要となるために、設定された値の溶接電流Iwを通電することができずに、基準電流値It未満の値となる。
アーク切れの前兆状態になるのは、再点弧電圧の印加中であるときがほとんどである。再点弧電圧の印加が終了した後の電極プラス極性期間Tep中にアーク切れの前兆状態となることはほとんどない。したがって、アーク切れの前兆状態の検出を再点弧電圧の印加中に限定しても良い。このようにすれば、アーク切れの前兆状態の誤検出を防ぐことができる。
図2では、電流波形が非平衡波形の場合を例示したが、Inr=Iprとなる平衡波形の場合も同様である。また、電流波形が正弦波であっても良い。
上述した実施の形態1の発明によれば、平均溶接電流値が100A以上であるときに、電極プラス極性期間中にアーク切れの前兆状態を検出したときは、電極プラス極性期間が終了するよりも前に電極マイナス極性期間に切り換える。このために、アーク切れの発生を抑制することができる。アーク切れの前兆状態の検出を、アークが発生した状態であり、かつ、予め定めた基準電流値未満の前記溶接電流(絶対値)が通電していることによって検出する。
さらに、アーク切れの前兆状態の検出を、再点弧電圧が印加されている期間中に行うようにしても良い。このようにすると、上述した効果に加えて、アーク切れの前兆状態の誤検出を防止することができる。
1 電極
2 母材
3 アーク
4 溶接トーチ
AD アーク判別回路
Ad アーク判別信号
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
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
IAD 平均溶接電流検出回路
Iad 平均溶接電流検出信号
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
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
IPR 電極プラス極性電流振幅設定回路
Ipr 電極プラス極性電流振幅設定信号
Ir 電流設定信号
It 基準電流値
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
SD 再点弧電圧印加回路
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
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
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
Vw 溶接電圧
WL リアクトル
ZD アーク切れ前兆検出回路
Zd アーク切れ前兆検出信号

Claims (3)

  1. 電極マイナス極性期間と電極プラス極性期間とを交互に繰り返し、前記電極プラス極性期間への切換時に再点弧電圧を印加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、
    平均溶接電流値が100A以上であるときに、前記電極プラス極性期間中にアーク切れの前兆状態を検出したときは、前記電極プラス極性期間が終了するよりも前に前記電極マイナス極性期間に切り換える、
    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. 前記アーク切れの前兆状態の検出を、アークが発生した状態であり、かつ、予め定めた基準電流値未満の前記溶接電流(絶対値)が通電していることによって行う、
    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. 前記アーク切れの前兆状態の検出を、前記再点弧電圧が印加されている期間中に行う、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の交流非消耗電極アーク溶接制御方法。
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