JP2022099368A - パルスアーク溶接電源 - Google Patents

Abstract

【課題】異常電圧を除去した溶接電圧に基づいて出力制御するパルスアーク溶接において、アークスタートからの過渡期間中に溶接状態が不安定になることを抑制する方法を提供する。【解決手段】溶接ワイヤ１を送給し、ピーク電流及びベース電流から形成される溶接電流Ｉｗを通電し、溶接電圧Ｖｗを検出し、溶接電圧の検出値Ｖｄを基準電圧波形を中心電圧値とする許容範囲内に制限して電圧制限値Ｖｆｔを算出する異常電圧除去制御を行い、電圧制限値Ｖｆｔに基づいて溶接電圧Ｖｗを出力制御するパルスアーク溶接電源において、許容範囲ΔＶｃを、アークスタート後の初期期間中は定常期間中よりも小さな値に設定する。また、初期期間中に短絡が発生したときは、初期期間中の許容範囲ΔＶｃを定常期間中よりも小さな値に設定する。【選択図】図５

Description

本発明は、溶接電圧から異常電圧を除去して出力制御するパルスアーク溶接電源に関するものである。

ピーク電流及びベース電流から形成される溶接電流を通電して溶接するパルスアーク溶接電源が広く使用されている。パルスアーク溶接を含む消耗電極式アーク溶接では、溶接ワイヤの先端と母材との最短距離である見かけのアーク長（以下、単にアーク長という）を適正値に維持することが、良好な溶接品質を得るためには重要である。このために、溶接電源はアーク期間中は定電圧制御される。これは、アーク長と溶接電圧とが比例関係にあることを利用して、アーク長を溶接電圧で検出し、この溶接電圧検出値が適正アーク長に相当する電圧設定値と等しくなるように出力制御することでアーク長を適正値に維持するためである。したがって、このアーク長制御の安定化のためには、アーク長を溶接電圧によって高精度に検出する必要がある。

消耗電極式アーク溶接は電極プラス極性ＥＰで行うのが通常であるので、溶接ワイヤ先端部に陽極点が形成され、母材表面に陰極点が形成されて、陽極点と陰極点との間にアークが発生する。陽極点はワイヤ先端部付近に形成された状態でほとんど移動しない。これに対して、陰極点は、母材表面の酸化皮膜のある部分を目指してふらふらと移動する。さらに、陰極点は、母材表面の汚れ、溶融池の運動状態、溶融池からのガス放出等によってもふらつく。短時間に陰極点の形成位置が変化しても見かけのアーク長は変化しない。これは、見かけのアーク長はワイヤ送給速度とワイヤ溶融速度との差によって変化するために、十数ms以下の短時間では微小にしか変化できない。しかし、上述した種々の原因によって陰極点がふらつくと溶接電圧に異常電圧が重畳する。この異常電圧は見かけのアーク長とは何ら比例しない電圧である。このために、この異常電圧が重畳した溶接電圧に基づいて出力制御を行うと、アーク長制御系が不安定になり、溶接品質が悪くなる。溶接電圧検出値から異常電圧を除去して見かけのアーク長と比例関係にある溶接電圧検出値を生成する方法が特許文献１に開示されている。

特許第４２６３８８６号公報

溶接電圧には、送給速度の変動、トーチ高さの変動、溶融池状態の変動等に起因するアーク長の変動に伴う電圧変動と、短絡期間、陰極点の移動等に起因する異常電圧とが重畳している。このアーク長の変動に伴う電圧変動は、アーク長制御を行うために正確に検出する必要がある。他方、アーク長の変動とは関係しない異常電圧については、できる限り除去することが、精密なアーク長制御を行うためには望ましい。このために、従来技術では、溶接電圧に重畳する異常電圧を除去する制御が行われている。

アークスタートから定常期間に移行するまでの過渡期間中は、アーク発生状態も過渡状態にあるために、短絡の発生、陰極点のふらつき等に起因する異常電圧が溶接電圧に大きく重畳する。特に、短絡が多数回発生したり、長い時間の短絡が発生したりすると、溶接電圧に大きい異常電圧が重畳することになる。このために、過渡期間中に異常電圧除去制御を行っても、溶接電圧に重畳する異常電圧を十分に除去することができず、アーク長制御が不安定になり、溶接品質が悪くなるという問題がある。

そこで、本発明では、異常電圧を除去した溶接電圧に基づいて出力制御するパルスアーク溶接において、アークスタートからの過渡期間中に溶接状態が不安定になることを抑制することができるパルスアーク溶接電源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、
溶接ワイヤを送給し、ピーク電流及びベース電流から形成される溶接電流を通電し、溶接電圧を検出し、前記溶接電圧の検出値を基準電圧波形を中心電圧値とする許容範囲内に制限して電圧制限値を算出する異常電圧除去制御を行い、前記電圧制限値に基づいて前記溶接電圧を出力制御するパルスアーク溶接電源において、
前記許容範囲を、アークスタート後の初期期間中は定常期間中よりも小さな値に設定する、
ことを特徴とするパルスアーク溶接電源である。

請求項２の発明は、
前記初期期間中に短絡が発生したときは、前記初期期間中の前記許容範囲を前記定常期間中よりも小さな値に設定する、
ことを特徴とする請求項１に記載のパルスアーク溶接電源である。

請求項３の発明は、
前記初期期間中に基準時間以上の短絡が発生したときは、前記初期期間中の前記許容範囲を前記定常期間中よりも小さな値に設定する、
ことを特徴とする請求項１に記載のパルスアーク溶接電源である。

本発明によれば、異常電圧を除去した溶接電圧に基づいて出力制御するパルスアーク溶接において、アークスタートからの過渡期間中に溶接状態が不安定になることを抑制することができる。

実施の形態に係るパルスアーク溶接方法を示す波形図である。 実施の形態に係る、異常電圧を除去するために使用する基準電圧波形Ｖｃの設定方法を示す図である。 実施の形態に係る、短絡解除直後のアーク再点弧に伴う異常電圧発生時の電圧波形図である。 図２で上述した基準電圧波形Ｖｃを自動設定する方法を説明するための電圧制限値Ｖftの時間変化を示す図である。 実施の形態に係るパルスアーク溶接電源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。

図１は、実施の形態に係るパルスアーク溶接方法を示す波形図である。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗを示す。以下、同図を参照して説明する。

同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１～ｔ２のピーク立上り期間Ｔup中は、ベース電流Ｉｂからピーク電流Ｉｐへと上昇する遷移電流が通電し、続いて時刻ｔ２～ｔ３のピーク期間Ｔｐ中は、上記のピーク電流Ｉｐが通電し、続いて時刻ｔ３～ｔ４のピーク立下り期間Ｔdw中は、上記のピーク電流Ｉｐから上記のベース電流Ｉｂへと下降する遷移電流が通電し、続いて時刻ｔ４～ｔ５のベース期間Ｔｂ中は、上記のベース電流Ｉｂが通電する。また、上記の溶接電流Ｉｗの通電に対応して、同図（Ｂ）に示すように、上記のピーク立上り期間Ｔup中は、ベース電圧Ｖｂからピーク電圧Ｖｐへと上昇する遷移電圧が印加し、続いて上記のピーク期間Ｔｐ中は、上記のピーク電圧Ｖｐが印加し、続いて上記のピーク立下り期間Ｔdw中は、上記のピーク電圧Ｖｐから上記のベース電圧Ｖｂへと下降する遷移電圧が印加し、続いて上記のベース期間Ｔｂ中は、上記のベース電圧Ｖｂが印加する。時刻ｔ１～ｔ５の期間を１パルス周期Ｔｆとして繰り返して溶接が行われる。上記のパラメータの数値例を記載する。Ｉｐ＝５００Ａ、Ｉｂ＝５０Ａ、Ｔｐ＝１．２ms、ｔup＝０．５ms、Ｔdw＝０．５ms、Ｔｆ＝３～１０ms

良好な溶接品質を得るためにアーク長を適正値に維持するアーク長制御が行われる。通常、このアーク長制御は、溶接電圧Ｖｗがアーク長と略比例関係にあることを利用して、溶接電圧Ｖｗの平均値が予め定めた電圧設定値と等しくなるようにパルス周期が制御される。このアーク長制御の方式は、周波数変調方式と呼ばれる。この場合、ピーク期間Ｔｐ、ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂは所定値に設定され、パルスパラメータとなる。ピーク電流Ｉｐは臨界値以上に設定され、ピーク期間Ｔｐと組み合わせてユニットパルス条件と呼ばれる。このユニットパルス条件は、１パルス周期１溶滴移行になるように設定される。ベース電流Ｉｂは、臨界値未満の数十Ａ程度の小電流値に設定される。ユニットパルス条件及びベース電流Ｉｂは、溶接ワイヤの材質、直径、送給速度等に応じて適正値に設定される。アーク長制御の方式には、上記の周波数変調方式以外にパルス幅変調方式がある。このパルス幅変調方式では、パルス周期Ｔｆ、ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂが所定値に設定され、溶接電圧Ｖｗの平均値が予め定めた電圧設定値と等しくなるようにピーク期間Ｔｐが制御される。

パルスアーク溶接においては、アークの陰極点は母材表面の酸化皮膜が存在する位置に形成される性質を有している。アークによって酸化皮膜は除去（クリーニング）されていくので、陰極点は酸化皮膜が残っている個所を求めて周辺部へと移動して形成されるようになる。この結果、アークは常に移動している不安定な状態になるために、短絡が発生しやすくなる。溶接ワイヤと母材とが短絡しその短絡が解除されてアークが再点弧したとき、母材表面の酸化皮膜の不均一に起因するアーク陰極点のふらつき現象が発生したとき等において、異常電圧が溶接電圧Ｖｗに重畳することになる。この異常電圧はアーク長とは比例しない電圧であるので、アーク長を正確に検出するためには溶接電圧Ｖｗに重畳した異常電圧を除去する必要がある。この除去のための方法としては、パルス波形の基準電圧波形Ｖｃ及び許容範囲ΔＶｃを設定し、溶接電圧ＶｗがＶｃ±ΔＶｃの範囲外になる部分は異常電圧であるとしてカットするようにしている。以下、この異常電圧除去制御について説明する。

図２は、上記の基準電圧波形Ｖｃの設定方法を示す図である。まず、図４で後述するように、基準ピーク電圧値Ｖpc、基準ベース電圧値Ｖbc及び許容範囲ΔＶｃを設定する。そして、同図に示すように、ピーク立上り期間Ｔupの開始時点を０秒とする経過時間ｔによって、下式のように基準電圧波形Ｖｃが定義される。
０≦ｔ＜Ｔup
Ｖｃ＝（（Ｖpc－Ｖbc）／Ｔup）・ｔ＋Ｖbc （１１）式
Ｔup≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ
Ｖｃ＝Ｖpc （１２）式
Ｔup＋Ｔｐ≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw
Ｖｃ＝（（Ｖbc－Ｖpc）／Ｔdw）・（ｔ－Ｔup－Ｔｐ）＋Ｖpc （１３）式
Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw＋Ｔｂ
Ｖｃ＝Ｖbc （１４）式

例えば、同図に示すように、経過時間ｔ＝ｔａにおける溶接電圧検出値がＶd1であったとする。経過時間ｔａはＴup＋Ｔｐ≦ｔａ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdwのときであるので、上記（１３）式に代入して、基準電圧波形の中心電圧値Ｖc1は下式となる。
Ｖc1＝（（Ｖbc－Ｖpc）／Ｔdw）・（ｔａ－Ｔup－Ｔｐ）＋Ｖpc
したがって、経過時間ｔａのときの溶接電圧検出値Ｖd1は、許容範囲Ｖｃ１±ΔＶｃ内に制限される。すなわち、Ｖd1≧Ｖc1＋ΔＶｃのときには電圧制限値Ｖft1＝Ｖc1＋ΔＶｃに制限され、Ｖd1≦Ｖc1－ΔＶｃのときにはＶft1＝Ｖc1－ΔＶｃに制限される。このようにして算出された電圧制限値Ｖftは、異常電圧が略除去されたアーク長に略比例する電圧値となる。

図３は、短絡解除直後のアーク再点弧に伴う異常電圧発生時の電圧波形図である。同図（Ａ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は基準電圧波形によって異常電圧を除去した後の電圧制限値Ｖftの時間変化を示す。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、基準電圧波形を中心電圧値Ｖｃとする許容範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限される。この結果、時刻ｔ１～ｔ２の短絡期間中の電圧制限値Ｖft＝Ｖｃ－ΔＶｃとなり、時刻ｔ２～ｔ３の陰極点形成に伴う高電圧発生期間中の電圧制限値Ｖft＝Ｖｃ＋ΔＶｃとなる。このようにして、短絡期間中の電圧、陰極点形成に伴う高電圧等のアーク長とは関係しない異常電圧を略除去することができる。

図４は、図２で上述した基準電圧波形Ｖｃを自動設定する方法を説明するための電圧制限値Ｖftの時間変化を示す図である。同図において、現時点は時刻ｔｎであり、第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)の開始時点である。また、第ｎ－１回目のパルス周期Ｔｆ(n-1)におけるピーク期間のみの電圧制限値の平均値がピーク電圧制限値Ｖpf(n-1)であり、ベース期間のみの電圧制限値の平均値がベース電圧制限値Ｖbf(n-1)である。同様に、第ｎ－ｍ回目のパルス周期Ｔｆ(n-m)におけるピーク期間のみの電圧制限値の平均値がピーク電圧制限値Ｖpf(n-m)であり、ベース期間のみの電圧制限値の平均値がベース電圧制限値Ｖbf(n-m)である。ここで、ｍは２以上の整数であり、ｎはｍ＋１以上の整数である。

時刻ｔｎにおいて、上記の第(ｎ-1)～第(n-m)回目のピーク電圧制限値Ｖpfを入力として、下式のようにピーク電圧移動平均値Ｖpr(n)を算出する。
Ｖpr(n)＝（Ｖpf(n-1)＋…＋Ｖpf(n-m)）／ｍ （２１）式
同様に、時刻ｔｎにおいて、上記の第(ｎ-1)～第(n-m)回目のベース電圧制限値Ｖbfを入力として、下式のようにベース電圧移動平均値Ｖbr(n)を算出する。
Ｖbr(n)＝（Ｖbf(n-1)＋…＋Ｖbf(n-m)）／ｍ （２２）式

そして、上述した（１１）～（１４）式において、基準ピーク電圧値Ｖpcに上記のピーク電圧移動平均値Ｖprを代入し、かつ、基準ベース電圧値Ｖbcに上記のベース電圧移動平均値Ｖbrを代入すると、下式のように第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)期間中の基準電圧波形が自動設定される。
０≦ｔ＜Ｔup
Ｖｃ(n)＝（（Ｖpr(n）－Ｖbr(n)）／Ｔup）・ｔ＋Ｖbr(n) （３１）式
Ｔup≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ
Ｖｃ(n)＝Ｖpr(n) （３２）式
Ｔup＋Ｔｐ≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw
Ｖｃ(n)＝（（Ｖbr(n)－Ｖpr(n)）／Ｔdw）・（ｔ－Ｔup－Ｔｐ）＋Ｖpr(n) （３３）式
Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw＋Ｔｂ
Ｖｃ(n)＝Ｖbr(n) （３４）式

上述したように、パルス周期の開始時点ごとに、上記のピーク電圧移動平均値Ｖpr及びベース電圧移動平均値Ｖbrを算出し、上記（３１）式～（３４）式によって基準電圧波形が自動設定される。上記において、ピーク電圧移動平均値Ｖprを算出するときに、ピーク電圧制限値Ｖpfを重み付け移動平均して算出しても良い。同様に、ベース電圧移動平均値Ｖbrを算出するときに、ベース電圧制限値Ｖbfを重み付け移動平均して算出しても良い。また、移動平均する期間の長さ（所定期間）は、過去数周期～数十周期程度に設定する。この所定期間は、溶接ワイヤの材質、直径、送給速度、溶接速度、溶接継手等の溶接条件に応じて実験によって適正値に設定される。

アークスタートからｍ回のパルス周期Ｔｆが経過するまでは、上記のピーク電圧移動平均値Ｖpr及び上記のベース電圧移動平均値Ｖbrを（２１）式及び（２２）式に基づいて算出することができない。そこで、この期間中は、ピーク電圧初期値及びベース電圧初期値を予め設定しておき、ピーク電圧移動平均値Ｖpr及びベース電圧移動平均値Ｖbrとして使用するようにする。また、アークスタートからｍ回のパルス周期Ｔｆが経過するまでは、前回の溶接中に算出された上記のピーク電圧移動平均値Ｖpr及び上記のベース電圧移動平均値Ｖbrを使用して基準電圧波形Ｖｃを形成しても良い。

上述したように、溶接電圧Ｖｗには、送給速度の変動、トーチ高さの変動、溶融池状態の変動等に起因するアーク長の変動に伴う電圧変動と、短絡期間、陰極点の移動等に起因する異常電圧とが重畳している。このアーク長の変動に伴う電圧変動は、アーク長制御を行うために正確に検出する必要がある。他方、アーク長の変動とは関係しない異常電圧については、できる限り除去することが、精密なアーク長制御を行うためには望ましい。

図５は、実施の形態に係る図１～４で上述した異常電圧除去制御を搭載したパルスアーク溶接電源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。

電源主回路ＰＭは、３相２００Ｖ等の商用電源（図示は省略）を入力として、後述する起動指令信号ＯｎがＨｉｇｈレベル（溶接開始）に変化すると、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、溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力する。この電源主回路ＰＭは、図示は省略するが、商用電源を整流する１次整流回路と、整流された直流を平滑するコンデンサと、平滑された直流を高周波交流に変換するインバータ回路と、高周波交流をアーク溶接に適した電圧値に降圧するインバータトランスと、降圧された高周波交流を整流する２次整流回路と、整流された直流を平滑するリアクトルと、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってＰＷＭ変調制御を行ないその結果に基づいてインバータ回路を駆動する駆動回路と、を備えている。

溶接ワイヤ１は、送給モータＷＭに結合された送給ロール５の回転によって溶接トーチ４内を通って送給され、母材２との間にアーク３が発生する。溶接トーチ４内の給電チップ（図示は省略）と母材２との間には溶接電圧Ｖｗが印加され、溶接電流Ｉｗが通電する。溶接トーチ４の先端からはシールドガスが噴出され、アーク３を大気から遮蔽する。

起動指令回路ＯＮは、溶接を開始するときにＨｉｇｈレベルとなり、溶接を終了するときはＬｏｗレベルになる起動指令信号Ｏｎを出力する。この起動指令回路ＯＮは、溶接トーチ４に設けられている起動指令スイッチ、ロボット溶接においてはロボット制御装置に内蔵されている回路等が相当する。、

電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。

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

通電判別回路ＣＤは、上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、この値が通電判別値（１０Ａ程度）以上のときは、溶接電流Ｉｗが通電していると判別してＨｉｇｈレベルとなる通電判別信号Ｃｄを出力する。

短絡判別回路ＳＤは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、この値が短絡判別値（１０Ｖ程度）未満のときは短絡期間にあると判別してＨｉｇｈレベルとなり、以上のときはアーク期間にあると判別してＬｏｗレベルになる短絡判別信号Ｓｄを出力する。

初期期間回路ＴＩは、上記の通電判別信号Ｃｄを入力として、通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベル（通電）に変化した時点から予め定めた初期期間中はＨｉｇｈレベルとなる初期期間信号Ｔｉを出力する。アークスタートして溶接電流Ｉｗが通電すると、通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルに変化する。初期期間は、アークスタートから定常期間に移行するまでの過渡期間に相当する期間として設定される。例えば、初期期間は０．１～０．７秒程度に設定される。パルス周期は、７ms程度であるので、初期期間中には１５～１００程度の周期が含まれることになる。

許容範囲制御回路ＤＣは、上記の初期期間信号Ｔｉ及び上記の短絡判別信号Ｓｄを入力として、以下に示す１）～３）のいずれか一つを選択して処理を行い、許容範囲制御信号Ｄｃを出力する。
１）初期期間信号ＴｉがＨｉｇｈレベルとなる初期期間中はＨｉｇｈレベルとなる許容範囲制御信号Ｄｃを出力する。
２）初期期間信号ＴｉがＨｉｇｈレベルとなる初期期間中であり、かつ、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）に変化したときはＨｉｇｈレベルとなり、初期期間が終了するとＬｏｗレベルになる許容範囲制御信号Ｄｃを出力する。
３）初期期間信号ＴｉがＨｉｇｈレベルとなる初期期間中であり、かつ、短絡判別信号Ｓｄが予め定めた基準時間（５ms程度）以上Ｈｉｇｈレベル（短絡）になったときはＨｉｇｈレベルとなり、初期期間が終了するとＬｏｗレベルになる許容範囲制御信号Ｄｃを出力する。

許容範囲設定回路ΔＶＣは、上記の許容範囲制御信号Ｄｃを入力として、許容範囲制御信号ＤｃがＬｏｗレベルのときは予め定めた通常許容範囲となり、許容範囲制御信号ＤｃがＨｉｇｈレベルのときは上記の通常許容範囲よりも小さな値に予め定めた初期許容範囲となる許容範囲設定信号ΔＶｃを出力する。例えば、通常許容範囲は±４Ｖ程度であり、初期許容範囲は±１Ｖ程度である。

電圧制限値算出回路ＦＴは、上記の電圧検出信号Ｖｄを後述する基準電圧波形信号Ｖｃ及び上記の許容範囲設定信号ΔＶｃによって定まる制限範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限して、電圧制限値信号Ｖftを出力する。

電圧移動平均値算出回路ＶＲＡは、上記の電圧制限値信号Ｖftを入力として、図４で上述したように、ピーク電圧移動平均値信号Ｖpr及びベース電圧移動平均値信号Ｖbrを算出する。これらの算出方法は、上述した（２１）式及び（２２）式に基づいて行われる。
アークスタートからｍ回（ｍは２以上の整数）のパルス周期Ｔｆが経過するまでは、上記のピーク電圧移動平均値Ｖpr及び上記のベース電圧移動平均値Ｖbrを算出することができない。そこで、この期間中は、ピーク電圧初期値及びベース電圧初期値を予め設定しておき、ピーク電圧移動平均値Ｖpr及びベース電圧移動平均値Ｖbrの値として使用する。また、アークスタートからｍ回のパルス周期Ｔｆが経過するまでは、前回の溶接中に算出された上記のピーク電圧移動平均値Ｖpr及び上記のベース電圧移動平均値Ｖbrを使用するようにしても良い。

基準電圧波形設定回路ＶＣは、上記のピーク電圧移動平均値信号Ｖpr及び上記のベース電圧移動平均値信号Ｖbrを入力として、図２で上述したような基準電圧波形信号Ｖｃを出力する。この基準電圧波形信号Ｖｃの設定は、上述した（３１）式～（３４）式によって行われる。

電圧積分回路ＳＶは、各パルス周期の開始時点から上記の電圧制限値信号Ｖftを積分(1/t)∫Ｖft・ｄｔして、電圧積分値信号Ｓｖを出力する。ここで、ｔは各パルス周期の開始時点からの経過時間（秒）である。したがって、この電圧積分値信号Ｓｖの値は、電圧制限値信号Ｖftの平均値を刻々と算出していることになる。

電圧設定回路ＶＲは、予め定めた電圧設定信号Ｖｒを出力する。比較回路ＣＭは、上記の電圧積分値信号Ｓｖと上記の電圧設定信号Ｖｒとを比較して、同じ値になった時点でパルス周期を終了するために短時間Ｈｉｇｈレベルとなるパルス周期信号Ｔｆを出力する。Ｓｖ＝Ｖｒとなることは、各パルス周期における電圧制限値信号Ｖftの平均値が電圧設定信号Ｖｒの値と等しくなったことを意味している。このようにして、上述したアーク長制御が行われる。したがって、パルス周期信号Ｔｆが短時間Ｈｉｇｈレベルに変化する間隔が各パルス周期の長さとなる。

経過時間測定回路ＳＴは、上記のパルス周期信号ＴｆがＨｉｇｈレベルに変化した時点（各パルス周期の開始時点）からの経過時間を測定して、経過時間信号Ｓｔ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、上記の経過時間信号Ｓｔ、上記のピーク電流設定信号Ｉpr及び上記のベース電流設定信号Ｉbrを入力として、経過時間信号Ｓｔが０にリセットされるごとに、予め定めたピーク立上り期間Ｔup中はベース電流設定信号Ｉbrの値からピーク電流設定信号Ｉprの値へと上昇する電流制御設定信号Ｉrcを出力し、その後の予め定めたピーク期間Ｔｐ中はピーク電流設定信号Ｉprの値を電流制御設定信号Ｉrcとして出力し、その後の予め定めたピーク立下り期間Ｔdw中はピーク電流設定信号Ｉprの値からベース電流設定信号Ｉbrの値へと下降する電流制御設定信号Ｉrcを出力し、その後のベース期間Ｔｂ中はベース電流設定信号Ｉbrの値を電流制御設定信号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。

送給制御回路ＦＣは、予め定めた送給速度設定値で溶接ワイヤ１を送給するための送給制御信号Ｆｃを上記の送給モータＷＭに出力する。

上述した実施の形態の、作用効果について説明する。
１）起動指令信号ＯｎがＨｉｇｈレベルになると、溶接電源は出力を開始すると共に、溶接ワイヤ１の送給を開始する。
２）溶接ワイヤ１が送給されて母材２と接触すると、アークスタートして溶接電流Ｉｗの通電が開始する。
３）電圧制限値算出回路ＦＴは、電圧検出信号Ｖｄを基準電圧波形信号Ｖｃ及び許容範囲設定信号ΔＶｃによって定まる制限範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限して、電圧制限値信号Ｖftを出力する。上記の許容範囲設定信号ΔＶｃの値は、アークスタート後の初期期間中、初期期間中に短絡が発生したとき又は初期期間中に基準時間以上の短絡が発生したときは、予め定めた初期許容範囲となる。その後の定常期間中は通常許容範囲となる。
４）電圧制限値信号Ｖftの平均値と予め定めた電圧設定信号Ｖｒとが等しくなるように周波数変調制御されて溶接電源の出力が制御される。

上述した実施の形態によれば、許容範囲を、アークスタート後の初期期間中は定常期間中よりも小さな値に設定する。アークスタートから定常期間に移行するまでの過渡期間中は、アーク発生状態も過渡状態にあるために、短絡の発生、陰極点のふらつき等に起因する異常電圧が溶接電圧に大きく重畳する。特に、短絡が多数回発生したり、長い時間の短絡が発生したりすると、溶接電圧に大きい異常電圧が重畳することになる。本実施の形態では、過渡期間に相当する初期期間中は、許容範囲を小さくして異常電圧除去制御を行うことによって、溶接電圧に重畳する異常電圧を十分に除去するようにしている。このときに、アーク長の変動に伴う溶接電圧の変動も少し除去することになるので、アーク長制御の過渡応答性が少し遅くなる。しかし、異常電圧を十分に除去する効果の方が大きい。したがって、定常期間中はアーク長の変動に伴う溶接電圧を除去しないようにするために許容範囲を通常値にしている。この結果、本実施の形態では、異常電圧を除去した溶接電圧に基づいて出力制御するパルスアーク溶接において、アークスタートからの過渡期間中に溶接状態が不安定になることを抑制することができる。

さらに、本実施の形態によれば、初期期間中に短絡が発生したときは、初期期間中の許容範囲を定常期間中よりも小さな値に設定することが好ましい。初期期間中に異常電圧が発生する要因は、アーク発生状態が過渡状態にあるために、短絡が多数回発生することが多いためである。そこで、初期期間中に短絡が発生したときは、初期期間中の許容範囲を小さくすることによって、異常電圧を十分に除去している。このようにすると、初期期間中に短絡が発生しなかったときは、許容範囲は通常値のままであるので、アーク長制御の過渡応答性を損なうことがない。この結果、本実施の形態では、過渡期間中の溶接状態をより安定にすることができる。

さらに、本実施の形態によれば、初期期間中に基準時間以上の短絡が発生したときは、初期期間中の許容範囲を定常期間中よりも小さな値に設定することが好ましい。初期期間中に異常電圧が発生する要因は、アーク発生状態が過渡状態にあるために、基準時間以上の長期の短絡が発生することが多いためである。そこで、初期期間中に基準時間以上の短絡が発生したときは、初期期間中の許容範囲を小さくすることによって、異常電圧を十分に除去している。このようにすると、初期期間中に長期の短絡が発生しなかったときは、許容範囲は通常値のままであるので、アーク長制御の過渡応答性を損なうことがない。この結果、本実施の形態では、過渡期間中の溶接状態をより安定にすることができる。

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 通電判別回路
Ｃｄ 通電判別信号
ＣＭ 比較回路
ＤＣ 許容範囲制御回路
Ｄｃ 許容範囲制御信号
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＦＴ 電圧制限値算出回路
Ｉｂ ベース電流
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
Ｉｐ ピーク電流
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
Ｉｗ 溶接電流
ＯＮ 起動指令回路
Ｏｎ 起動指令信号
ＰＭ 電源主回路
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
ＳＴ 経過時間測定回路
Ｓｔ 経過時間信号
ＳＶ 電圧積分回路
Ｓｖ 電圧積分値信号
ｔ 経過時間
ｔａ 経過時間
Ｔｂ ベース期間
Ｔdw ピーク立下り期間
Ｔｆ パルス周期（信号）
ＴＩ 初期期間回路
Ｔｉ 初期期間信号
Ｔｐ ピーク期間
Ｔup ピーク立上り期間
Ｖｂ ベース電圧
Ｖbc 基準ベース電圧値
Ｖbf ベース電圧制限値
Ｖbr ベース電圧移動平均値（信号）
ＶＣ 基準電圧波形設定回路
Ｖｃ 基準電圧波形（信号）
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖft 電圧制限値（信号）
Ｖｐ ピーク電圧
Ｖpc 基準ピーク電圧値
Ｖpf ピーク電圧制限値
Ｖpr ピーク電圧移動平均値（信号）
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
ＶＲＡ 電圧移動平均値算出回路
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＭ 送給モータ
ΔＶＣ 許容範囲設定回路
ΔＶｃ 許容範囲（設定信号）

Claims (3)

1. 溶接ワイヤを送給し、ピーク電流及びベース電流から形成される溶接電流を通電し、溶接電圧を検出し、前記溶接電圧の検出値を基準電圧波形を中心電圧値とする許容範囲内に制限して電圧制限値を算出する異常電圧除去制御を行い、前記電圧制限値に基づいて前記溶接電圧を出力制御するパルスアーク溶接電源において、
   前記許容範囲を、アークスタート後の初期期間中は定常期間中よりも小さな値に設定する、
   ことを特徴とするパルスアーク溶接電源。
2. 前記初期期間中に短絡が発生したときは、前記初期期間中の前記許容範囲を前記定常期間中よりも小さな値に設定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のパルスアーク溶接電源。
3. 前記初期期間中に基準時間以上の短絡が発生したときは、前記初期期間中の前記許容範囲を前記定常期間中よりも小さな値に設定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のパルスアーク溶接電源。

Images