JP2023031419A - アーク溶接制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】正逆送給アーク溶接において、溶接電圧設定信号の値を変化させても溶接品質を良好に維持すること。
【解決手段】溶接ワイヤの送給をアーク期間中は正送し、短絡期間中は逆送し、溶接電圧設定信号Ｖｒに基づいて溶接電圧Ｖｗを制御するアーク溶接制御方法において、溶接電流設定信号Ｉｒを設定し、溶接電流設定信号Ｉｒを入力として溶接電圧設定信号Ｖｒの基準値を設定し、溶接電流設定信号Ｉｒを入力として送給の正送振幅Ｗｓｒ及び逆送振幅Ｗｒｒを設定し、溶接電圧設定信号Ｖｒの値が基準値よりも増加するように修正されたときは、正送振幅Ｗｓｒを小さくなるように修正し、逆送振幅Ｗｒｒを大きくなるように修正し、溶接電圧設定信号Ｖｒの値が基準値よりも減少するように修正されたときは、正送振幅Ｗｓｒを大きくなるように修正し、逆送振幅Ｗｒｒを小さくなるように修正する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、溶接ワイヤの送給をアーク期間中は正送し、短絡期間中は逆送し、溶接電圧設定信号に基づいて溶接電圧を制御するアーク溶接制御方法に関するものである。

一般的な消耗電極式アーク溶接では、消耗電極である溶接ワイヤを一定速度で送給し、溶接ワイヤと母材との間にアークを発生させて溶接が行なわれる。消耗電極式アーク溶接では、溶接ワイヤと母材とが短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返す溶接状態になることが多い。

溶接品質をさらに向上させるために、溶接ワイヤの送給を正送と逆送とに交互に切り換えて溶接する正逆送給アーク溶接が慣用されている。この正逆送給アーク溶接では、一定の送給速度の従来技術に比べて、短絡とアークとの繰り返しの周期を安定化することができるので、スパッタ発生量の削減、ビード外観の改善等の溶接品質の向上を図ることができる。

溶接ワイヤを送給して行うアーク溶接においては、溶接電圧設定信号に基づいて溶接電圧が定電圧制御される。そして、溶接電圧設定信号の値が変化すると、定電圧制御によってアーク超が適正値に維持されるように制御される。特許文献１の発明では、正逆送給アーク溶接において、溶接電圧設定信号の値が変化したときのアーク長制御の過渡応答性を向上させるために、送給の振幅を変化させている。

特許第６１２５９３２号公報

正逆送給アーク溶接において、従来技術のように、溶接電圧設定信号の値が変化したときに送給の振幅を連動して変化させると、送給速度の平均値が変動することになり、溶接品質に影響を及ぼすおそれがある。

そこで、本発明では、正逆送給アーク溶接において、溶接電圧設定信号の値を変化させても溶接品質を良好に維持することができる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、
溶接ワイヤの送給をアーク期間中は正送し、短絡期間中は逆送し、溶接電圧設定信号に基づいて溶接電圧を制御するアーク溶接制御方法において、
溶接電流設定信号を設定し、前記溶接電流設定信号を入力として前記溶接電圧設定信号の基準値を設定し、前記溶接電流設定信号を入力として前記送給の正送振幅及び逆送振幅を設定し、
前記溶接電圧設定信号の値が前記基準値よりも増加するように修正されたときは、前記正送振幅を小さくなるように修正し、前記逆送振幅を大きくなるように修正し、
前記溶接電圧設定信号の値が前記基準値よりも減少するように修正されたときは、前記正送振幅を大きくなるように修正し、前記逆送振幅を小さくなるように修正する、
ことを特徴とするアーク溶接制御方法である。

請求項２の発明は、
前記溶接電圧設定信号の値が前記基準値よりも増加するように修正されたときの前記正送振幅の電圧増加修正量と前記逆送振幅の電圧増加修正量とは等しい値であり、
前記溶接電圧設定信号の値が前記基準値よりも減少するように修正されたときの前記正送振幅の電圧減少修正量と前記逆送振幅の電圧減少修正量とは等しい値である、
ことを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接制御方法である。

請求項３の発明は、
前記溶接電圧設定信号の値が前記基準値よりも１Ｖ増加したときの前記電圧増加修正量は、前記溶接電圧設定信号の値が前記基準値よりも１Ｖ減少したときの前記電圧減少修正量よりも小さな値である、
ことを特徴とする請求項２に記載のアーク溶接制御方法である。

本発明によれば、正逆送給アーク溶接において、溶接電圧設定信号の値を変化させても溶接品質を良好に維持することができる。

本発明の実施の形態１に係る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１に係るアーク溶接制御方法を示す図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。

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、後述する誤差増幅信号Ｅａに従ってインバータ制御等による出力制御を行い、出力電圧Ｅ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次整流器、整流された直流を平滑する平滑コンデンサ、平滑された直流を高周波交流に変換する上記の誤差増幅信号Ｅａによって駆動されるインバータ回路、高周波交流を溶接に適した電圧値に降圧する高周波変圧器、降圧された高周波交流を直流に整流する２次整流器を備えている。

リアクトルＷＬは、上記の出力電圧Ｅを平滑する。このリアクトルＷＬのインダクタンス値は、例えば１００μＨである。

送給モータＷＭは、後述する送給制御信号Ｆｃを入力として、正送と逆送とを交互に繰り返して溶接ワイヤ１を送給速度Ｆｗで送給する。送給モータＷＭには、過渡応答性の速いモータが使用される。溶接ワイヤ１の送給速度Ｆｗの変化率及び送給方向の反転を速くするために、送給モータＷＭは溶接トーチ４の先端の近くに設置される場合がある。また、送給モータＷＭを２個使用して、プッシュプル方式の送給系とする場合もある。

溶接ワイヤ１は、上記の送給モータ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内を送給されて、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（図示は省略）が噴出される。

溶接電流設定回路ＩＲは、上記の溶接電流Ｉｗの平均値を設定するための予め定めた溶接電流設定信号Ｉｒを出力する。

溶接電圧基準値設定回路ＶＳＲは、上記の溶接電流設定信号Ｉｒを入力として、予め定めた電圧算出関数によって溶接電圧基準値設定信号Ｖsrを出力する。電圧設定関数は、溶接電流設定信号Ｉｒの値に対応して適正なアーク長となる溶接電圧基準値設定信号Ｖsrの値を算出する関数であり、予め実験によって定義される。

溶接電圧微調整回路ＤＶＲは、上記の溶接電圧基準値信号Ｖsrの値を修正するための正負の値となる予め定めた溶接電圧微調整信号Ｄvrを出力する。

溶接電圧設定回路ＶＲは、上記の溶接電圧基準値設定信号Ｖsr及び上記の溶接電圧微調整信号Ｄvrを入力として、両値を加算することによって溶接電圧基準値設定信号Ｖsrの値を修正して、溶接電圧設定信号Ｖｒを出力する。溶接電流設定信号Ｉｒ＝２００Ａであるときの溶接電圧基準値設定信号Ｖsr＝２１Ｖであるとする。また、溶接電圧微調整信号Ｄvr＝－２Ｖであると、溶接電圧設定信号Ｖｒ＝２１－２＝１９Ｖとなる。

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

電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の溶接電圧設定信号Ｖｒ及び上記の溶接電圧検出信号Ｖｄを入力として、両値の誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。

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

短絡判別回路ＳＤは、上記の溶接電圧検出信号Ｖｄを入力として、この値が予め定めた短絡判別値（１０Ｖ程度）未満のときは短絡期間にあると判別してＨｉｇｈレベルになり、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。

正送加速期間設定回路ＴＳＵＲは、予め定めた正送加速期間設定信号Ｔsurを出力する。

正送減速期間設定回路ＴＳＤＲは、予め定めた正送減速期間設定信号Ｔsdrを出力する。

逆送加速期間設定回路ＴＲＵＲは、予め定めた逆送加速期間設定信号Ｔrurを出力する。

逆送減速期間設定回路ＴＲＤＲは、予め定めた逆送減速期間設定信号Ｔrdrを出力する。

正送振幅基準値設定回路ＷＳＳＲは、上記の溶接電流設定信号Ｉｒを入力として、予め定めた正送振幅算出関数によって正送振幅基準値設定信号Ｗssrを出力する。正送振幅算出関数は、溶接電流設定信号Ｉｒの値に対応して良好な溶接状態となる正送振幅基準値設定信号Ｗssrの値を算出する関数であり、予め実験によって定義される。

逆送振幅基準値設定回路ＷＲＳＲは、上記の溶接電流設定信号Ｉｒを入力として、予め定めた逆送振幅算出関数によって逆送振幅基準値設定信号Ｗrsrを出力する。逆送振幅算出関数は、溶接電流設定信号Ｉｒの値に対応して良好な溶接状態となる逆送振幅基準値設定信号Ｗrsrの値を算出する関数であり、予め実験によって定義される。

正送振幅設定回路ＷＳＲは、上記の正送振幅基準値設定信号Ｗssr及び上記の溶接電圧微調整信号Ｄvrを入力として、以下の処理を行い、正送振幅設定信号Ｗsrを出力する。
１）Ｄvr≧０のときは、Ｗsr＝Ｗssr＋Ｋs1・Ｄvrを算出して出力する。ここで、Ｋs1は負の値の定数であり、Ｄvrの値が＋１Ｖ増加したときの正送振幅の減少量となる。（Ｋs1・Ｄvr）は電圧増加修正量となる。
２）Ｄvr＜０のときは、Ｗsr＝Ｗssr＋Ｋs2・Ｄvrを算出して出力する。ここで、Ｋs2は負の値の定数であり、Ｄvrの値が－１Ｖ減少したときの正送振幅の増加量となる。（Ｋs2・Ｄvr）は電圧減少修正量となる。

逆送振幅設定回路ＷＲＲは、上記の逆送振幅基準値設定信号Ｗrsr及び上記の溶接電圧微調整信号Ｄvrを入力として、以下の処理を行い、逆送振幅設定信号Ｗrrを出力する。逆送の送給速度は負の値であるが、以下の説明において、逆送振幅は絶対値として記載する。
１）Ｄvr≧０のときは、Ｗrr＝Ｗrsr＋Ｋs3・Ｄvrを算出して出力する。ここで、Ｋs3は正の値の定数であり、Ｄvrの値が＋１Ｖ増加したときの逆送振幅の増加量となる。（Ｋs3・Ｄvr）は電圧増加修正量となる。
２）Ｄvr＜０のときは、Ｗrr＝Ｗrsr＋Ｋs4・Ｄvrを算出して出力する。ここで、Ｋs4は正の値の定数であり、Ｄvrの値が－１Ｖ減少したときの逆送振幅の減少量となる。（Ｋs4・Ｄvr）は電圧減少修正量となる。

以下、上述した正送振幅設定信号Ｗsr及び逆送振幅設定信号Ｗrrの算出方法について数値例を挙げて説明する。
溶接電流設定信号Ｉｒ＝２００Ａであるときの溶接電圧基準値設定信号Ｖsr＝２１Ｖであり、正送振幅基準値設定信号Ｗssr＝５０m/minであり、逆送振幅基準値設定信号Ｗrsr＝４０m/minであるとする。定数Ｋs1～Ｋs2は、溶接電圧微調整信号Ｄvrの値が１Ｖ変化したときの送給速度m/minの修正量である。Ｋs1＝－７、Ｋs2＝－５、Ｋs3＝６、Ｋs4＝４とする。
(１)溶接電圧微調整信号Ｄvrが＋１Ｖ増加したときの正送振幅設定信号Ｗsr及び逆送振幅設定信号Ｗrrの値は、以下のようになる。
Ｗsr＝Ｗssr＋Ｋs1・Ｄvr＝５０＋(－７)・(＋１)＝４３m/minとなり、電圧増加修正量は－７m/minとなる。
Ｗrr＝Ｗrsr＋Ｋs3・Ｄvr＝４０＋(＋５)・(＋１)＝４５m/minとなり、電圧増加修正量は＋５m/minとなる。
(２)溶接電圧微調整信号Ｄvrが－１Ｖ減少したときの正送振幅設定信号Ｗsr及び逆送振幅設定信号Ｗrrの値は、以下のようになる。
Ｗsr＝Ｗssr＋Ｋs2・Ｄvr＝５０＋(－６)・(－１)＝５６m/minとなり、電圧減少修正量は＋６m/minとなる。
Ｗrr＝Ｗrsr＋Ｋs4・Ｄvr＝４０＋(＋４)・(－１)＝３６m/minとなり、電圧減少修正量は－４m/minとなる。

送給速度設定回路ＦＲは、上記の正送加速期間設定信号Ｔsur、上記の正送減速期間設定信号Ｔsdr、上記の逆送加速期間設定信号Ｔrur、上記の逆送減速期間設定信号Ｔrdr、上記の正送振幅設定信号Ｗsr、上記の逆送振幅設定信号Ｗrr及び上記の短絡判別信号Ｓｄを入力として、以下の処理によって生成された送給速度パターンを送給速度設定信号Ｆｒとして出力する。この送給速度設定信号Ｆｒが０以上のときは正送期間となり、０未満のときは逆送期間となる。
１）正送加速期間設定信号Ｔsurによって定まる正送加速期間Ｔsu中は０から正送振幅設定信号Ｗsrによって定まる正送振幅Ｗspまで加速する送給速度設定信号Ｆｒを出力する。
２）続いて、正送ピーク期間Ｔsp中は、上記の正送振幅Ｗspを維持する送給速度設定信号Ｆｒを出力する。
３）短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）からＨｉｇｈレベル（短絡期間）に変化すると、正送減速期間設定信号Ｔsdrによって定まる正送減速期間Ｔsdに移行し、上記の正送振幅Ｗspから０まで減速する送給速度設定信号Ｆｒを出力する。
４）続いて、逆送加速期間設定信号Ｔrurによって定まる逆送加速期間Ｔru中は０から逆送振幅設定信号Ｗrrによって定まる逆送振幅Ｗrpまで加速する送給速度設定信号Ｆｒを出力する。
５）続いて、逆送ピーク期間Ｔrp中は、上記の逆送振幅Ｗrpを維持する送給速度設定信号Ｆｒを出力する。
６）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）からＬｏｗレベル（アーク期間）に変化すると、逆送減速期間設定信号Ｔrdrによって定まる逆送減速期間Ｔrdに移行し、上記の逆送振幅Ｗrpから０まで減速する送給速度設定信号Ｆｒを出力する。
７）上記の１）～６）を繰り返すことによって正負の台形波状に変化する送給パターンの送給速度設定信号Ｆｒが生成される。

送給制御回路ＦＣは、上記の送給速度設定信号Ｆｒを入力として、送給速度設定信号Ｆｒの値に相当する送給速度Ｆｗ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。

減流抵抗器Ｒは、上記のリアクトルＷＬと溶接トーチ４との間に挿入される。この減流抵抗器Ｒの値は、短絡負荷（０．０１～０．０３Ω程度）の５０倍以上大きな値（０．５～３Ω程度）に設定される。この減流抵抗器Ｒが通電路に挿入されると、リアクトルＷＬ及び外部ケーブルのリアクトルに蓄積されたエネルギーが急放電される。

トランジスタＴＲは、上記の減流抵抗器Ｒと並列に接続されて、後述する駆動信号Ｄｒに従ってオン又はオフ制御される。

くびれ検出回路ＮＤは、上記の短絡判別信号Ｓｄ、上記の溶接電圧検出信号Ｖｄ及び上記の溶接電流検出信号Ｉｄを入力として、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）であるときの溶接電圧検出信号Ｖｄの電圧上昇値が基準値に達した時点でくびれの形成状態が基準状態になったと判別してＨｉｇｈレベルとなり、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）に変化した時点でＬｏｗレベルになるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。また、短絡期間中の溶接電圧検出信号Ｖｄの微分値がそれに対応した基準値に達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。さらに、溶接電圧検出信号Ｖｄの値を溶接電流検出信号Ｉｄの値で除算して溶滴の抵抗値を算出し、この抵抗値の微分値がそれに対応する基準値に達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。

低レベル電流設定回路ＩＬＲは、予め定めた低レベル電流設定信号Ｉlrを出力する。電流比較回路ＣＭは、この低レベル電流設定信号Ｉlr及び上記の溶接電流検出信号Ｉｄを入力として、Ｉｄ＜ＩlrのときはＨｉｇｈレベルになり、Ｉｄ≧ＩlrのときはＬｏｗレベルになる電流比較信号Ｃｍを出力する。

駆動回路ＤＲは、上記の電流比較信号Ｃｍ及び上記のくびれ検出信号Ｎｄを入力として、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルに変化するとＬｏｗレベルに変化し、その後に電流比較信号ＣｍがＨｉｇｈレベルに変化するとＨｉｇｈレベルに変化する駆動信号Ｄｒを上記のトランジスタＴＲのベース端子に出力する。したがって、この駆動信号Ｄｒはくびれが検出されるとＬｏｗレベルになり、トランジスタＴＲがオフ状態になり通電路に減流抵抗器Ｒが挿入されるので、短絡負荷を通電する溶接電流Ｉｗは急減する。そして、急減した溶接電流Ｉｗの値が低レベル電流設定信号Ｉlrの値まで減少すると、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになり、トランジスタＴＲがオン状態になるので、減流抵抗器Ｒは短絡されて通常の状態に戻る。

第１アーク期間設定回路ＴＡ１Ｒは、予め定めた第１アーク期間設定信号Ｔa1rを出力する。

第１アーク期間回路ＳＴＡ１は、上記の短絡判別信号Ｓｄ及び上記の第１アーク期間設定信号Ｔa1rを入力として、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）に変化し予め定めた遅延期間Ｔｃが経過した時点から第１アーク期間設定信号Ｔa1rによって予め定めた第１アーク期間Ｔa1中はＨｉｇｈレベルとなる第１アーク期間信号Ｓta1を出力する。

第１アーク電流設定回路ＩＡ１Ｒは、予め定めた第１アーク電流設定信号Ｉa1rを出力する。

第３アーク期間回路ＳＴＡ３は、上記の短絡判別信号Ｓｄを入力として、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）に変化した時点から予め定めた電流降下時間Ｔｄが経過した時点でＨｉｇｈレベルになり、その後に短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）になるとＬｏｗレベルになる第３アーク期間信号Ｓta3を出力する。

第３アーク電流設定回路ＩＡ３Ｒは、予め定めた第３アーク電流設定信号Ｉa3rを出力する。

電流制御設定回路ＩＣＲは、上記の短絡判別信号Ｓｄ、上記の低レベル電流設定信号Ｉlr、上記のくびれ検出信号Ｎｄ、上記の第１アーク期間信号Ｓta1、上記の第３アーク期間信号Ｓta3、上記の第１アーク電流設定信号Ｉa1r及び上記の第３アーク電流設定信号Ｉa3rを入力として、以下の処理を行い、電流制御設定信号Ｉcrを出力する。
１）短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル(アーク期間)に変化した時点から第１アーク期間信号Ｓta1がＨｉｇｈレベルに変化するまでの遅延期間中は、低レベル電流設定信号Ｉlrの値となる電流制御設定信号Ｉcrを出力する。
２）その後に、第１アーク期間信号Ｓta1がＨｉｇｈレベル（第１アーク期間）のときは、第１アーク電流設定信号Ｉa1rとなる電流制御設定信号Ｉcrを出力する。
３）第１アーク期間信号Ｓta1がＬｏｗレベルに変化した時点から第３アーク期間信号Ｓta3がＬｏｗレベルに変化するまでの期間（第２アーク期間及び第３アーク期間）中は、第３アーク電流設定信号Ｉa3rとなる電流制御設定信号Ｉcrを出力する。
４）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）に変化すると、予め定めた初期期間中は予め定めた初期電流設定値となり、その後は予め定めた短絡時傾斜で予め定めた短絡時ピーク設定値まで上昇してその値を維持する電流制御設定信号Ｉcrを出力する。
５）その後に、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルに変化すると、低レベル電流設定信号Ｉlrの値となる電流制御設定信号Ｉcrを出力する。

電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流制御設定信号Ｉcr及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、電流制御設定信号Ｉcr（＋）と電流検出信号Ｉｄ（－）との誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。

電源特性切換回路ＳＷは、上記の電流誤差増幅信号Ｅｉ、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖ、上記の第１アーク期間信号Ｓta1及び上記の第３アーク期間信号Ｓta3を入力として、以下の処理を行い、誤差増幅信号Ｅａを出力する。
１）第１アーク期間信号Ｓta1がＬｏｗレベルに変化し、第３アーク期間信号Ｓta3がＨｉｇｈレベルに変化するまでの第２アーク期間Ｔa2中は、電圧誤差増幅信号Ｅｖを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。
２）それ以外の期間中は、電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。
この回路によって、溶接電源の特性は、短絡期間、遅延期間、第１アーク期間Ｔa1及び第３アーク期間Ｔa3中は定電流特性となり、第２アーク期間Ｔa2中は定電圧特性となる。

図２は、本発明の実施の形態１に係るアーク溶接制御方法を示す図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）は送給速度Ｆｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｄ）は短絡判別信号Ｓｄの時間変化を示し、同図（Ｅ）は第１アーク期間信号Ｓta1の時間変化を示し、同図(Ｆ)は第３アーク期間信号Ｓta3の時間変化を示す。以下、同図を参照して各信号の動作について説明する。

同図（Ａ）に示す送給速度Ｆｗは、図１の送給速度設定回路ＦＲから出力される送給速度設定信号Ｆｒの値に制御される。送給速度Ｆｗは、図１の正送加速期間設定信号Ｔsurによって定まる正送加速期間Ｔsu、短絡が発生するまで継続する正送ピーク期間Ｔsp、図１の正送減速期間設定信号Ｔsdrによって定まる正送減速期間Ｔsd、図１の逆送加速期間設定信号Ｔrurによって定まる逆送加速期間Ｔru、アークが発生するまで継続する逆送ピーク期間Ｔrp及び図１の逆送減速期間設定信号Ｔrdrによって定まる逆送減速期間Ｔrdから形成される。さらに、正送振幅Ｗspは図１の正送振幅設定信号Ｗsrによって定まり、逆送振幅Ｗrpは図１の逆送振幅設定信号Ｗrrによって定まる。この結果、送給速度Ｆｗは、正送期間は正の値となり逆送期間は負の値となり、正負の略台形波波状に変化する送給パターンとなる。

［時刻ｔ１～ｔ４の短絡期間の動作］
正送ピーク期間Ｔsp中の時刻ｔ１において短絡が発生すると、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖの短絡電圧値に急減するので、同図（Ｄ）に示すように、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）に変化する。これに応動して、時刻ｔ１～ｔ２の予め定めた正送減速期間Ｔsdに移行し、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは上記の正送振幅Ｗspから０まで減速する。例えば、正送減速期間Ｔsd＝１msに設定される。

同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは時刻ｔ２～ｔ３の予め定めた逆送加速期間Ｔruに入り、０から上記の逆送振幅Ｗrpまで加速する。この期間中は短絡期間が継続している。例えば、逆送加速期間Ｔru＝１msに設定される。

時刻ｔ３において逆送加速期間Ｔruが終了すると、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは逆送ピーク期間Ｔrpに入り、上記の逆送振幅Ｗrpになる。逆送ピーク期間Ｔrpは、時刻ｔ４にアークが発生するまで継続する。したがって、時刻ｔ１～ｔ４の期間が短絡期間となる。逆送ピーク期間Ｔrpは所定値ではないが、３ms程度となる。また、例えば、逆送振幅Ｗrp＝４０m/minに設定される。

同図（Ｂ）に示すように、時刻ｔ１～ｔ４の短絡期間中の溶接電流Ｉｗは、予め定めた初期期間中は予め定めた初期電流値となる。その後、溶接電流Ｉｗは、予め定めた短絡時傾斜で上昇し、予め定めた短絡時ピーク値に達するとその値を維持する。

同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、溶接電流Ｉｗが短絡時ピーク値となるあたりから上昇する。これは、溶接ワイヤ１の逆送及び溶接電流Ｉｗによるピンチ力の作用により、溶接ワイヤ１の先端の溶滴にくびれが次第に形成されるためである。

その後に溶接電圧Ｖｗの電圧上昇値が基準値に達すると、くびれの形成状態が基準状態になったと判別して、図１のくびれ検出信号ＮｄはＨｉｇｈレベルに変化する。

くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになったことに応動して、図１の駆動信号ＤｒはＬｏｗレベルになるので、図１のトランジスタＴＲはオフ状態となり図１の減流抵抗器Ｒが通電路に挿入される。同時に、図１の電流制御設定信号Ｉcrが低レベル電流設定信号Ｉlrの値に小さくなる。このために、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは短絡時ピーク値から低レベル電流値へと急減する。そして、溶接電流Ｉｗが低レベル電流値まで減少すると、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルに戻るので、トランジスタＴＲはオン状態となり減流抵抗器Ｒは短絡される。同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、電流制御設定信号Ｉcrが低レベル電流設定信号Ｉlrのままであるので、アーク再発生から予め定めた遅延期間Ｔｃが経過するまでは低レベル電流値を維持する。したがって、トランジスタＴＲは、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルに変化した時点から溶接電流Ｉｗが低レベル電流値に減少するまでの期間のみオフ状態となる。同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、溶接電流Ｉｗが小さくなるので一旦減少した後に急上昇する。上述した各パラメータは、例えば以下の値に設定される。初期電流＝４０Ａ、初期期間＝０．５ms、短絡時傾斜＝１８０A/ms、短絡時ピーク値＝４００Ａ低レベル電流値＝５０Ａ、遅延期間Ｔｃ＝０．５ms。

［時刻ｔ４～ｔ７のアーク期間の動作］
時刻ｔ４において、溶接ワイヤの逆送及び溶接電流Ｉｗの通電によるピンチ力によってくびれが進行してアークが発生すると、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数十Ｖのアーク電圧値に急増するので、同図（Ｄ）に示すように、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）に変化する。これに応動して、時刻ｔ４～ｔ５の予め定めた逆送減速期間Ｔrdに移行し、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは上記の逆送振幅Ｗrpから０まで減速する。例えば、逆送減速期間Ｔrd＝１msに設定される。

時刻ｔ５において逆送減速期間Ｔrdが終了すると、時刻ｔ５～ｔ６の予め定めた正送加速期間Ｔsuに移行する。この正送加速期間Ｔsu中は、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは０から上記の正送振幅Ｗspまで加速する。この期間中はアーク期間が継続している。例えば、正送加速期間Ｔsu＝１msに設定される。

時刻ｔ６において正送加速期間Ｔsuが終了すると、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは正送ピーク期間Ｔspに入り、上記の正送振幅Ｗspになる。この期間中もアーク期間が継続している。正送ピーク期間Ｔspは、時刻ｔ７に短絡が発生するまで継続する。したがって、時刻ｔ４～ｔ７の期間がアーク期間となる。そして、短絡が発生すると、時刻ｔ１の動作に戻る。正送ピーク期間Ｔspは所定値ではないが、５ms程度となる。また、例えば、正送振幅Ｗsp＝５０m/minに設定される。

時刻ｔ４においてアークが発生すると、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数十Ｖのアーク電圧値に急増する。他方、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、時刻ｔ４から遅延期間Ｔｃの間は低レベル電流値を継続する。これは、アークが発生した直後に電流値を上昇させると、溶接ワイヤの逆送と溶接電流による溶接ワイヤの溶融とが加算されて、アーク長が急速に長くなり、溶接状態が不安定になる場合があるためである。

正送加速期間Ｔsu中の時刻ｔ５１において、遅延期間Ｔｃが終了すると、同図(Ｅ)に示すように、第１アーク期間信号Ｓta1がＨｉｇｈレベルに変化し、時刻ｔ５１～ｔ６１の予め定めた第１アーク期間Ｔa1に移行する。この第１アーク期間Ｔa1中は引き続き定電流制御され、同図(Ｂ)に示すように、図１の第１アーク電流設定信号Ｉa1rによって定まる所定の第１アーク電流Ｉa1が通電する。同図(Ｃ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは電流値及びアーク負荷によってさだまる値となり、大きな値となる。例えば、第１アーク期間Ｔa1＝０．５msに設定され、第１アーク電流Ｉa1＝４００Ａに設定される。

時刻ｔ６２において、アーク発生時点ｔ４から予め定めた電流降下時間Ｔｄが経過すると、同図(Ｆ)に示すように、第３アーク期間信号Ｓta3がＨｉｇｈレベルに変化する。時刻ｔ６１～ｔ６２の期間が第２アーク期間Ｔa2となる。この第２アーク期間Ｔa2中は、図１の溶接電圧設定信号Ｖｒの値と図１の溶接電圧検出信号Ｖｄの値が等しくなるように溶接電圧Ｖｗが定電圧制御される。溶接電圧設定信号Ｖｒは、図１の溶接電流設定信号Ｉｒを入力として予め定めた電圧算出関数によって溶接電圧基準値設定信号Ｖsrが算出され、この値に図１の溶接電圧微調整信号Ｄvrが加算されて算出される。すなわち、Ｖｒ＝Ｖsr＋Ｄvrである。同図(Ｂ)に示すように、第２アーク電流Ｉa2はアーク負荷によって変化するが、第１アーク電流Ｉa1よりも小さい値であり、かつ、第３アーク電流Ｉa3よりも大きな値となる。すなわち、Ｉa1＞Ｉa2＞Ｉa3となるように出力制御される。同図(Ｃ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは定電圧制御によって所定値に制御され、第１アーク期間Ｔa1の電圧値と第３アーク期間Ｔa3の電圧値との中間値となる。第２アーク期間Ｔa2は所定値ではないが、６ms程度となる。

第３アーク期間信号Ｓta3がＨｉｇｈレベルに変化する時刻ｔ６２から短絡が発生する時刻ｔ７までの期間が、第３アーク期間Ｔa3となる。この第３アーク期間Ｔa3中は、定電流制御される。同図(Ｂ)に示すように、図１の第３アーク電流設定信号Ｉa3rによって定まる所定の第３アーク電流Ｉa3が通電する。同図(Ｃ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは電流値及びアーク負荷によって定まる値となる。例えば、第３アーク電流Ｉa3＝６０Ａに設定される。第３アーク期間Ｔa3は所定値ではないが０．５ms程度となる。

以下、上述した実施の形態１の作用効果について説明する。
１）溶接電流設定信号Ｉｒを設定する。
２）溶接電流設定信号Ｉｒの値を入力として予め定めた電圧算出関数によって、溶接電圧基準値設定信号Ｖsrの値を算出する。
３）溶接電流設定信号Ｉｒの値を入力として予め定めた正送振幅算出関数によって、正送振幅基準値設定信号Ｗssrの値を算出する。
４）溶接電流設定信号Ｉｒの値を入力として予め定めた逆送振幅算出関数によって、逆送振幅基準値設定信号Ｗrsrの値を算出する。
５）溶接電圧微調整信号Ｄvrの値を正の値に設定することによって、溶接電圧設定信号Ｖｒの値が溶接電圧基準値設定信号Ｖsrの値よりも増加するように修正されると、正送振幅設定信号Ｗsrの値を正送振幅基準値設定信号Ｗssrの値よりも小さくなるように修正し、逆送振幅設定信号Ｗrsの値を逆送振幅基準値信号Ｗrsrの値よりも大きくなるように修正する。
このように、溶接電圧設定信号Ｖｒの値が基準値よりも増加するように修正されると、溶接状態は短絡・アークの繰り返し周期に占める短絡期間の時間比率(短絡時間率)が小さくなるように変化する。この結果、正送振幅及び逆送振幅が一定値であると、送給速度の平均値は増加することになり、ビード形状等の溶接品質が変動することになる。これに対処するために、本実施の形態のように、正送振幅を小さくし、逆送振幅を大きくすると、送給速度の平均値の変化を抑制することができるので、溶接品質の変動を抑制することができる。
６）溶接電圧微調整信号Ｄvrの値を負の値に設定することによって、溶接電圧設定信号Ｖｒの値が溶接電圧基準値設定信号Ｖsrの値よりも減少するように修正されると、正送振幅設定信号Ｗsrの値を正送振幅基準値設定信号Ｗssrの値よりも大きくなるように修正し、逆送振幅設定信号Ｗrsの値を逆送振幅基準値信号Ｗrsrの値よりも小さくなるように修正する。
このように、溶接電圧設定信号Ｖｒの値が基準値よりも減少するように修正されると、溶接状態は短絡時間率が大きくなるように変化する。この結果、正送振幅及び逆送振幅が一定値であると、送給速度の平均値は減少することになり、ビード形状等の溶接品質が変動することになる。これに対処するために、本実施の形態のように、正送振幅を大きくし、逆送振幅を小さくすると、送給速度の平均値の変化を抑制することができるので、溶接品質の変動を抑制することができる。

さらに好ましくは、実施の形態１によれば、溶接電圧設定信号Ｖｒの値が基準値よりも増加するように修正されたときの正送振幅の電圧増加修正量と逆送振幅の電圧増加修正量とは等しい値であり、溶接電圧設定信号Ｖｒの値が基準値よりも減少するように修正されたときの正送振幅の電圧減少修正量と逆送振幅の電圧減少修正量とは等しい値である。このようにすると、溶接電圧設定信号Ｖｒの値が変化して短絡時間率が変化しても、送給速度の平均値の変動をより抑制することができるので、溶接品質を良好に維持することができる。

さらに好ましくは、実施の形態１によれば、溶接電圧設定信号Ｖｒの値が基準値よりも１Ｖ増加したときの電圧増加修正量は、溶接電圧設定信号Ｖｒの値が基準値よりも１Ｖ減少したときの電圧減少修正量よりも小さな値である。溶接電圧設定信号Ｖｒの値を１Ｖ増加させたときと減少させたときとでは、短絡時間率の変化は増加させたときの方が小さい。このことを考慮して、上記のようにすると、溶接電圧設定信号Ｖｒの値が増加又は減少して短絡時間率が変化しても、送給速度の平均値の変動をより抑制することができるので、溶接品質を良好に維持することができる。

［実施の形態２］
図３は、本発明の実施の形態２に係る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、上述した図１と同一のブロックには同一の符号を付して、それらの説明は繰り返さない。同図は、図１に送給速度平均値設定回路ＦＡＲ、送給速度平均値算出回路ＦＡＤ及び送給速度誤差増幅回路ＥＦ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。

送給速度平均値設定回路ＦＡＲは、上記の溶接電流設定信号Ｉｒを入力として、予め定めた送給速度算出関数によって送給速度平均値設定信号Ｆarを出力する。送給速度設定関数は、溶接電流設定信号Ｉｒの値に対応して送給速度平均値設定信号Ｆarの値を算出する関数であり、予め実験によって定義される。

送給速度平均値算出回路ＦＡＤは、上記の送給モータＷＭのエンコーダ、電機子電圧等からの送給速度検出信号Ｆｄを入力として、その平均値を算出して、送給速度平均値算出信号Ｆadを出力する。

送給速度誤差増幅回路ＥＦは、上記の送給速度平均値設定信号Ｆar及び上記の送給速度平均値算出回路Ｆadを入力として、両値の誤差増幅値Ｅｆ＝Ｇ・(Ｆar－Ｆad)を出力する。ここで、Ｇは予め定めた正の値の増幅率である。

送給振幅制御設定回路ＷＣＲは、上記の送給速度誤差増幅信号Ｅｆ、上記の正送振幅設定信号Ｗsr及び上記の逆送振幅設定信号Ｗrrを入力として、正送振幅制御設定信号Ｗscr＝Ｗsr＋∫Ｅｆ・ｄｔを算出して出力し、逆送振幅制御設定信号Ｗrcr＝Ｗrr－∫Ｅｆ・ｄｔを算出して出力する。

同図において、送給速度設定回路ＦＲは、入力信号である正送振幅設定信号Ｗsrを上記の正送振幅制御設定信号Ｗscrに置換し、入力信号である逆送振幅設定信号Ｗrrを上記の逆送振幅制御設定信号Ｗrcrに置換したものである。その処理内容は、図１と同様であるので、説明は繰り返さない。

以下、上述した実施の形態２の作用効果について説明する。実施の形態２においては、上記の回路を追加することによって、溶接電圧設定信号Ｖｒの値が変化して、短絡時間率が変化しても、送給速度平均値算出信号Ｆadが目標値である送給速度平均値設定信号Ｆarと等しくなるように、正送振幅制御設定信号Ｗscr及び逆送振幅制御設定信号Ｗrcrがフィードバック制御によって変化する。このフィードバック制御において、初期値となる正送振幅設定信号Ｗsr及び逆送振幅設定信号Ｗrrは、溶接電圧設定信号Ｖｒの値が変化して短絡時間率が変化しても、送給速度平均値が略一定値になるように実施の形態１の作用によって変化する。このために、フィードバック制御の収束値と初期値とが近い値となるので、定常状態に収束するまでの過渡期間が短くなるという効果がある。この結果、溶接品質の変動をより抑制することができる。

実施の形態２において、送給モータＷＭに、定速制御されるプッシュ送給モータと正逆送給制御されるプル送給モータの２個を使用してプッシュ・プル送給系とする場合がある。そして、両送給モータの間に溶接ワイヤを一時的に収用するワイヤバッファを設ける場合がある。このような形態において、ワイヤバッファに収容されるワイヤ量が基準量になるようにプル送給モータの正送振幅及び逆送振幅をフィードバック制御することによって、送給速度の平均値を一定にすることができる。このような形態においても、上述した実施の形態２の作用効果を奏することができる。

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
ＣＭ 電流比較回路
Ｃｍ 電流比較信号
ＤＲ 駆動回路
Ｄｒ 駆動信号
ＤＶＲ 溶接電圧微調整回路
Ｄvr 溶接電圧微調整信号
Ｅ 出力電圧
Ｅａ 誤差増幅信号
ＥＦ 送給速度誤差増幅回路
Ｅｆ 送給速度誤差増幅信号
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
ＦＡＤ 送給速度平均値算出回路
Ｆad 送給速度平均値算出信号
ＦＡＲ 送給速度平均値設定回路
Ｆar 送給速度平均値設定回路
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
Ｆｄ 送給速度検出信号
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
Ｆｗ 送給速度
Ｇ 増幅率
Ｉa1 第１アーク電流
ＩＡ１Ｒ 第１アーク電流設定回路
Ｉa1r 第１アーク電流設定信号
Ｉa2 第２アーク電流
Ｉa3 第３アーク電流
ＩＡ３Ｒ 第３アーク電流設定回路
Ｉa3r 第３アーク電流設定信号
ＩＣＲ 電流制御設定回路
Ｉcr 電流制御設定信号
ＩＤ 溶接電流検出回路
Ｉｄ 溶接電流検出信号
ＩＬＲ 低レベル電流設定回路
Ｉlr 低レベル電流設定信号
ＩＲ 溶接電流設定回路
Ｉｒ 溶接電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＮＤ くびれ検出回路
Ｎｄ くびれ検出信号
ＰＭ 電源主回路
Ｒ 減流抵抗器
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
ＳＴＡ１ 第１アーク期間回路
Ｓta1 第１アーク期間信号
ＳＴＡ３ 第３アーク期間回路
Ｓta3 第３アーク期間信号
ＳＷ 電源特性切換回路
ＴＡ１Ｒ 第１アーク期間設定回路
Ｔa1r 第１アーク期間設定信号
Ｔｃ 遅延期間
Ｔｄ 電流降下時間
ＴＲ トランジスタ
Ｔrd 逆送減速期間
ＴＲＤＲ 逆送減速期間設定回路
Ｔrdr 逆送減速期間設定信号
Ｔrp 逆送ピーク期間
Ｔru 逆送加速期間
ＴＲＵＲ 逆送加速期間設定回路
Ｔrur 逆送加速期間設定信号
Ｔsd 正送減速期間
ＴＳＤＲ 正送減速期間設定回路
Ｔsdr 正送減速期間設定信号
Ｔsp 正送ピーク期間
Ｔsu 正送加速期間
ＴＳＵＲ 正送加速期間設定回路
Ｔsur 正送加速期間設定信号
ＶＤ 溶接電圧検出回路
Ｖｄ 溶接電圧検出信号
ＶＲ 溶接電圧設定回路
Ｖｒ 溶接電圧設定信号
ＶＳＲ 溶接電圧基準値設定回路
Ｖsｒ 溶接電圧基準値設定信号
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＣＲ 送給振幅制御設定回路
ＷＬ リアクトル
ＷＭ 送給モータ
Ｗrcr 逆送振幅制御設定信号
Ｗrp 逆送振幅
ＷＲＲ 逆送振幅設定回路
Ｗrr 逆送振幅設定信号
ＷＲＳＲ 逆送振幅基準値設定回路
Ｗrsr 逆送振幅基準値設定信号
Ｗscr 正送振幅制御設定信号
Ｗsp 正送振幅
ＷＳＲ 正送振幅設定回路
Ｗsr 正送振幅設定信号
ＷＳＳＲ 正送振幅基準値設定回路
Ｗssr 正送振幅基準値設定信号

Claims (3)

1. 溶接ワイヤの送給をアーク期間中は正送し、短絡期間中は逆送し、溶接電圧設定信号に基づいて溶接電圧を制御するアーク溶接制御方法において、
   溶接電流設定信号を設定し、前記溶接電流設定信号を入力として前記溶接電圧設定信号の基準値を設定し、前記溶接電流設定信号を入力として前記送給の正送振幅及び逆送振幅を設定し、
   前記溶接電圧設定信号の値が前記基準値よりも増加するように修正されたときは、前記正送振幅を小さくなるように修正し、前記逆送振幅を大きくなるように修正し、
   前記溶接電圧設定信号の値が前記基準値よりも減少するように修正されたときは、前記正送振幅を大きくなるように修正し、前記逆送振幅を小さくなるように修正する、
   ことを特徴とするアーク溶接制御方法。
2. 前記溶接電圧設定信号の値が前記基準値よりも増加するように修正されたときの前記正送振幅の電圧増加修正量と前記逆送振幅の電圧増加修正量とは等しい値であり、
   前記溶接電圧設定信号の値が前記基準値よりも減少するように修正されたときの前記正送振幅の電圧減少修正量と前記逆送振幅の電圧減少修正量とは等しい値である、
   ことを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接制御方法。
3. 前記溶接電圧設定信号の値が前記基準値よりも１Ｖ増加したときの前記電圧増加修正量は、前記溶接電圧設定信号の値が前記基準値よりも１Ｖ減少したときの前記電圧減少修正量よりも小さな値である、
   ことを特徴とする請求項２に記載のアーク溶接制御方法。

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