JP3833137B2 - 溶接電源装置の出力制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接電源装置において適正インダクタンス値及び適正外部特性傾きを所望値に設定することができる溶接電源装置の出力制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、消耗電極ガスシールドアーク溶接装置の構成図である。溶接電源装置ＰＳは、外部特性が定電圧特性になるように出力制御されて、溶接に適した溶接電圧ｖ及び溶接電流ｉを出力する。溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給モータＷＭに直結された送給ロール５の回転によって溶接トーチ４を通って送給されると共に、給電チップ４ａを介して給電されて母材２との間でアーク３が発生する。
【０００３】
図２は、上述した溶接電源装置ＰＳの等価回路図である。前述したように、溶接電源装置は定電圧特性を有するので、定電圧源Ｅ［Ｖ］として表わすことができる。また、溶接電源装置の内部抵抗値はＲｉ［Ω］となり、内部インダクタンス値はＬｉ［Ｈ］となる。この内部抵抗値Ｒｉは、溶接電源装置内部の配線ケーブル等の抵抗値であり、その値は通常０．０２〜０．０５［Ω］程度と小さな値である。他方、上記の内部インダクタンス値Ｌｉは、溶接負荷の変化に応じて変化する溶接電流の変化量を適正化して安定した溶接状態にするためのリアクトルのインダクタンス値である。この内部インダクタンス値Ｌｉは、溶接ワイヤの材質、送給速度、溶接法等の溶接条件に応じて１００〜５００［μＨ］程度の範囲内で適正値に設定される。例えば、鉄鋼の炭酸ガスアーク溶接では、送給速度が遅い小電流のときの短絡移行域ではＬｉ＝１２０［μＨ］程度が適正値となり、送給速度が速い中・大電流のときのグロビュール移行域ではＬｉ＝２４０［μＨ］程度が適正値となる。また、アルミニウムのＭＩＧ溶接においては、送給速度が遅い小電流のときの短絡移行域ではＬｉ＝２００［μＨ］程度が適正値となり、送給速度が速い中・大電流のときのグロビュール又はスプレー移行域ではＬｉ＝３００［μＨ］程度が適正値となる。
【０００４】
図３は、上述した短絡移行域の電圧・電流波形図であり、同図（Ａ）は溶接電圧ｖの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流ｉの時間変化を示す。時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間Ｔｓ中は、同図（Ａ）に示すように、溶接電圧ｖは数［Ｖ］程度の短絡電圧ｖｓとなり、同図（Ｂ）に示すように、短絡電流ｉｓは前述した内部インダクタンス値で定まる傾斜で上昇する。続いて、時刻ｔ２〜ｔ３のアーク期間Ｔａ中は、同図（Ａ）に示すように、アーク電圧ｖａはアーク長に応じた電圧値となり、同図（Ｂ）に示すように、アーク電流ｉａは前述した内部インダクタンス値で定まる傾斜で下降又は変化する。アーク長の変動によって溶接負荷が変動したときの上述した短絡電流ｉｓ及びアーク電流ｉａの変化の傾斜が適正であれば安定した溶接状態となる。したがって、安定した溶接状態を得るためには、上述した内部インダクタンス値を適正値に設定する必要がある。
【０００５】
図４は、前述したグロビュール移行域の電圧・電流波形図であり、同図（Ａ）は溶接電圧ｖの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流ｉの時間変化を示す。時刻ｔ１において、溶滴が移行するとアーク長が急に長くなり溶接負荷が変動するので、同図（Ａ）に示す溶接電圧ｖ及び同図（Ｂ）に示す溶接電流ｉが変化する。これらの電圧・電流変化が適正であれば溶接状態は安定になるので、電圧・電流変化を決める前述した内部インダクタンス値を適正値に設定する必要がある。
【０００６】
上述したように、消耗電極ガスシールドアーク溶接用の溶接電源装置では、溶接負荷の変動に対する溶接電圧及び溶接電流の変化を適正化して安定した溶接状態を得るために、内部インダクタンス値を適正値に設定する必要がある。しかしながら、数百［Ａ］が通電する数百［μＨ］のインダクタンス値を有するリアクトルは、その体積が非常に大きくなり、かつ、その重量も非常に重くなり、コストも高くなる。さらには、前述したように、リアクトルのインダクタンス値は、種々な溶接条件に応じて１００〜５００［μＨ］の広い範囲で適正値に設定する必要があるが、鉄芯にケーブルを巻いて形成されるリアクトルにおいてインダクタンス値を任意の値に変更することはできない。したがって、一般的には、標準的な溶接条件を想定してインダクタンス値を設定しており、このために種々の溶接条件において最も安定した溶接状態になるインダクタンス値ではないという問題があった。
【０００７】
上述した問題を解決するために、電子回路によってリアクトルと等価な働きをさせるいわゆる電子リアクトル制御が従来から提案されている。以下、この制御方法について説明する。
【０００８】
図２で前述した等価回路において、下式が成立する。
Ｅ＝Ｒｉ・ｉ＋Ｌｉ・ｄｉ／ｄｔ＋ｖ……（１）式
こ但し、Ｅ［Ｖ］は出力電圧、Ｒｉ［Ω］は内部抵抗値、Ｌｉ［Ｈ］は内部インダクタンス値、ｉ［Ａ］は溶接電流及びｖ［Ｖ］は溶接電圧である。
前述したように、内部抵抗値Ｒｉは通常小さな値であり省略できるので、上記（１）式は下式のように整理することができる。
Ｅ−Ｌｉ・ｄｉ／ｄｔ＝ｖ……（２）式
上式に対応する等価回路が図５（Ａ）となる。
【０００９】
ここで、制御出力電圧Ｅｃ＝Ｅ−Ｌｉ・ｄｉ／ｄｔと定義すると、Ｅｃ＝ｖとなり、等価回路は図５（Ｂ）となる。したがって、図５（Ａ）の内部インダクタンス値Ｌｉと等価な働きをさせるためには、上記の制御出力電圧ＥｃがＥ−Ｌｉ・ｄｉ／ｄｔになるように制御すればよいことになる。すなわち、電子リアクトル制御の基本式は下式となる。
Ｅcr＝Ｅｒ−Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔ……（３）式
但し、Ｅcr［Ｖ］は制御出力電圧設定値、Ｅｒ［Ｖ］は出力電圧設定値、Ｌｒ［Ｈ］は内部インダクタンス値Ｌｉ［Ｈ］と同一値のインダクタンス設定値、ｄｉ／ｄｔは溶接電流ｉの微分値である。
電子リアクトル制御では、出力電圧設定値Ｅｒ及びインダクタンス設定値Ｌｒを予め設定し、溶接中の溶接電流の微分値を算出して上記（３）式によって制御出力電圧設定値Ecrを演算し、溶接電源装置の出力電圧が上記の制御出力電圧設定値Ｅcrと略等しくなるように制御する。以上のように出力電圧を制御することによって、図５（Ｂ）に示すように、実際のリアクトルを回路に挿入することなく図５（Ａ）に示すリアクトルの内部インダクタンス値Ｌｉと等価な働きをさせることができる。そして、種々な溶接条件に応じて、上記（３）式のインダクタンス設定値Ｌｒを所望値に設定するだけで、最適なインダクタンス値を有する電子的なリアクトルを作り出すことができる。
【００１０】
ところで、図５（Ｂ）に示す制御出力電圧Ｅｃは、インバータ制御溶接電源装置等によって形成されるのが一般的である。したがって、インバータトランスの２次側のパルス状の出力を平滑するための数十［μＨ］程度の小さなインダクタンス値を有するリアクトルを溶接電源装置内部に設けるのが一般的である。さらに、溶接電源装置の出力端子と溶接トーチ又は母材を接続する溶接ケーブルによる外部インダクタンス値も回路に挿入されることになる。これらの内外部インダクタンス値をＬio［Ｈ］として表わすと、等価回路は図５（Ｃ）となる。同図において、溶接条件に対応した適正インダクタンス値をＬｍ［Ｈ］として表わすと、上記（３）式は下式となる。
Ｅcr＝Ｅｒ−（Ｌｍ−Ｌioo）・ｄｉ／ｄｔ……（４）式
すなわち、インダクタンス設定値Ｌｒ＝Ｌｍ−Ｌioに設定すればよいことになる。
【００１１】
図６は、上述した電子リアクトル制御の溶接電源装置のブロック図である。以下、同図を参照して各回路ブロックについて説明する。
出力制御回路ＩＮＶは、３相２００Ｖ等の商用電源を入力として、後述する電圧誤差増幅信号Ａmpに従って、インバータ制御、チョッパ制御等の出力制御を行い、出力電圧Ｅを出力する。直流リアクトルＤＣＬは、前述した内外部インダクタンス値Ｌioに相当するリアクトルであり、出力を平滑する。出力電圧検出回路ＥＤは、上記の出力電圧Ｅを検出して、出力電圧検出信号Ｅｄを出力する。溶接電流検出回路ＩＤは、溶接電流ｉを検出して、溶接電流検出信号ｉｄを出力する。
【００１２】
電子リアクトル制御回路ＥＲＣは、上記の溶接電流検出信号ｉｄを入力として、
Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔの演算を行う。ここで、インダクタンス設定値Ｌｒは、前述したように、適正インダクタンス値ＬｍによってＬｒ＝Ｌｍ−Ｌioに設定される。出力電圧設定回路ＥＲは、所望値の出力電圧設定信号Ｅｒを出力する。減算回路ＳＵＢは、Ｅｒ−Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔの減算を行い、制御出力電圧設定信号Ｅcrを出力する。したがって、上記の電子リアクトル制御回路ＥＲＣ及び減算回路ＳＵＢによって上記（３）式の演算を行っている。電圧誤差増幅回路ＡＭＰは、上記の制御出力電圧設定信号Ｅcrと出力電圧検出信号Ｅｄとの誤差を増幅して電圧誤差増幅信号Ａmpを出力する。以上の動作によって、前述した図５（Ｃ）の等価回路に対応する溶接電源装置が形成される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の電子リアクトル制御では、前述した（３）式Ｅcr＝Ｅｒ−Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔに基づいて出力電圧を制御する。そして、溶接条件に応じて定まる適性インダクタンス値Ｌｍ及び内外部インダクタンス値Ｌioによって、インダクタンス設定値Ｌｒ＝Ｌｍ−Ｌioに設定する。しかし、溶接電源装置の形式によって内部リアクトルの内部インダクタンス値は異なるために、適正インダクタンス値Ｌｍが同一値であっても、溶接電源装置の形式ごとにインダクタンス設定値Ｌｒを微調整する必要があり、微調整に手間がかかる。さらに、溶接ケーブルによる外部インダクタンス値は、溶接ケーブルの長さ及び引き回しによって大きく変化するために、常に適正インダクタンス値Ｌｍに維持するにはインダクタンス設定値Ｌｒを外部インダクタンス値に応じて微調整する必要がある。これを怠ると、適正インダクタンス値から外れることになり、その結果、溶接状態が不安定になる場合も生じる。
【００１４】
そこで、本発明では、内外部インダクタンス値Ｌioが変化しても適正インダクタンス値Ｌｍを常に維持する電子リアクトルを形成することができる溶接電源装置の出力制御方法を提供する。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、図７に示すように、
溶接電源装置の出力電圧設定値Ｅｒと溶接電圧の検出値ｖｄとの差に予め定めた係数を乗じた値に応じて溶接電流ｉの変化量を算出して溶接電流ｉを制御することを特徴とする溶接電源装置の出力制御方法である。
【００１６】
第２の発明は、図８に示すように、
溶接電源装置の出力電圧Ｅを設定する出力電圧設定値Ｅｒ［Ｖ］及び溶接電源装置の適正インダクタンス値Ｌｍを設定するインダクタンス設定値Ｌｒ［Ｈ］を予め設定し、
溶接中の溶接電圧ｖ及び溶接電流ｉを検出し、上記溶接電圧検出値ｖｄ［Ｖ］を入力として電流設定変化量ΔＩｒ＝（Ｅｒ−ｖｄ）／Ｌｒを演算し、この電流設定変化量ΔＩｒを積分して溶接電流制御設定値Ｉrcを算出し、上記溶接電流検出値ｉｄが上記溶接電流制御設定値Ｉrcと略等しくなるように出力を制御することを特徴とする溶接電源装置の出力制御方法である。
【００１７】
第３の発明は、図９〜１１に示すように、
溶接電源装置の出力電圧Ｅを設定する出力電圧設定値Ｅｒ［Ｖ］及び溶接電源装置の適正インダクタンス値Ｌｍを設定するインダクタンス設定値Ｌｒ［Ｈ］及び溶接電源装置の外部特性の傾きＳを設定する外部特性傾き設定値Ｓｒ［Ｖ／Ａ］を予め設定し、
溶接中の溶接電圧ｖ及び溶接電流ｉを検出し、上記溶接電圧検出値ｖｄ［Ｖ］及び上記溶接電流検出値ｉｄ［Ａ］を入力として電流設定変化量ΔＩｒ＝（Ｅｒ−ｖｄ−Ｓｒ・ｉｄ）／Ｌｒを演算し、この電流設定変化量ΔＩｒを積分して溶接電流制御設定値Ｉrcを算出し、上記溶接電流検出値ｉｄが上記溶接電流制御設定値Ｉrcと略等しくなるように出力を制御することを特徴とする溶接電源装置の出力制御方法である。
【００１８】
第４の発明は、図１２〜１３に示すように、
溶接ワイヤと母材との間で短絡期間とアーク期間とを繰り返す消耗電極ガスシールドアーク溶接に使用される溶接電源装置の出力制御方法において、
溶接電流制御設定値Ｉrcが、短絡発生後の予め定めた短絡初期時間Ｔsi中のみ予め定めた小電流値の短絡初期電流設定値Ｉsiに置換されることを特徴とする第２又は第３の発明記載の溶接電源装置の出力制御方法である。
【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。
［実施の形態１］
図７（Ａ）は、前述した図５（Ａ）に対応しており、適正インダクタンス値Ｌｍを有する定電圧特性の溶接電源装置の等価回路図である。同図において、前述した（２）式と同様に下式が成立する。
Ｅ＝Ｌｍ・ｄｉ／ｄｔ＋ｖ
但し、Ｅ［Ｖ］は出力電圧、Ｌｍ［Ｈ］は適正インダクタンス値、ｉ［Ａ］は溶接電流、ｖ［Ｖ］は溶接電圧である。
上式を整理すると、下式となる。
ｄｉ／ｄｔ＝（Ｅ−ｖ）／Ｌｍ
両辺を積分すると、下式となる。
ｉ＝∫（（Ｅ−ｖ）／Ｌｍ）・ｄｔ
ここで、溶接電流ｉを溶接電流制御設定値Ｉrcに、出力電圧Ｅを出力電圧設定値Ｅｒに、適正インダクタンス値Ｌｍをインダクタンス設定値Ｌｒにそれぞれ置換すると、下式となる。
Ｉrc＝∫（（Ｅｒ−ｖ）／Ｌｒ）・ｄｔ……（５）式
上式に対応する等価回路を図７（Ｂ）に示す。同図において、溶接電圧ｖを検出し定電流源ＣＣの溶接電流ｉに相当する溶接電流制御設定値Ｉrcが、上記（５）の演算値となるように制御する。これによって、溶接負荷の変動に対する溶接電流ｉの変化は、図７（Ａ）と同一になる。したがって、上記（５）式が本発明の制御の基本式となる。
【００２０】
図７（Ｃ）は、図５（Ｃ）で前述したように、内外部インダクタンス値がＬioの場合の等価回路を示す。同図において、上記（５）式のＬｒ＝Ｌｍのままで、溶接負荷の変動に対する溶接電流ｉの変化は同一となる。すばわち、内外部インダクタンス値Ｌioが変化しても、本発明の制御方法には影響を与えない。したがって、溶接電源装置の形式によって内部インダクタンス値が変化しても、かつ、溶接ケーブルの長さ及び引き回しによって外部インダクタンス値が変化しても、上記（５）式のインダクタンス設定値Ｌｒは常に適正インダクタンス値Ｌｍの設定のままでよい。
【００２１】
上述したように、本発明の実施の形態１は、溶接電源装置の出力電圧設定値Ｅｒと溶接電圧の検出値ｖｄとの差（Ｅｒ−ｖｄ）に予め定めた係数１／Ｌｒを乗じた値に応じて溶接電流ｉの変化量Δｉを算出して溶接電流ｉを制御する溶接電源装置の出力制御方法である。
【００２２】
［実施の形態２］
本発明の実施の形態２は、溶接電源装置の出力電圧を設定する出力電圧設定値Ｅｒ［Ｖ］及び溶接電源装置の適正インダクタンス値Ｌｍを設定するインダクタンス設定値Ｌｒ［Ｈ］を予め設定し、溶接中の溶接電圧ｖ及び溶接電流ｉを検出し、上記（５）式に基づいて、上記溶接電圧検出値ｖｄ［Ｖ］を入力として電流設定変化量ΔＩｒ＝（Ｅｒ−ｖｄ）／Ｌｒを演算し、この電流設定変化量ΔＩｒを積分して溶接電流制御設定値Ｉrcを算出し、上記溶接電流検出値ｉｄがこの溶接電流制御設定値Ｉrcと略等しくなるように出力を制御する。
【００２３】
図８は、実施の形態２の溶接電源装置のブロック図である。以下、同図を参照して各回路ブロックについて説明する。
出力制御回路ＩＮＶは、３相２００Ｖ等の商用電源を入力として、後述する電流誤差増幅信号Ａpiに従って、インバータ制御、チョッパ制御等の出力制御を行い、溶接電流ｉを出力する。直流リアクトルＤＣＬは、内外部インダクタンス値Ｌioに相当するリアクトルであり、出力を平滑する。溶接電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧ｖを検出して溶接電圧検出信号ｖｄを出力する。溶接電流検出回路ＩＤは、溶接電流ｉを検出して溶接電流検出信号ｉｄを出力する。
【００２４】
出力電圧設定回路ＥＲは、所望値の出力電圧設定信号Ｅｒを出力する。インダクタンス設定回路ＬＲは、適正インダクタンス値Ｌｍに相当するインダクタンス設定信号Ｌｒを出力する。電流設定変化量演算回路ＤＩＲは、上記の溶接電圧検出信号ｖｄ、出力電圧設定信号Ｅｒ及びインダクタンス設定信号Ｌｒを入力として、（Ｅｒ−ｖｄ）／Ｌｒの演算を行い、電流設定変化量信号ΔＩｒを出力する。積分回路ＩＩＲは、上記の電流設定変化量信号ΔＩｒを積分して、溶接電流制御設定信号Ｉrcを出力する。電流誤差増幅回路ＡＰＩは、上記の溶接電流制御設定信号Ｉrcと溶接電流検出信号ｉｄとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ａpiを出力する。以上の動作によって、溶接電源装置は図７（Ｂ）及び（Ｃ）で前述した定電流源ＣＣを形成することになる。
【００２５】
［実施の形態３］
本発明の実施の形態３は、前述した実施の形態２において、溶接電源装置の外部特性の傾きＳ［Ｖ／Ａ］を所望値に設定することができる出力制御方法である。すなわち、本発明の実施の形態３は、出力電圧設定値Ｅｒ［Ｖ］及びインダクタンス設定値Ｌｒ［Ｈ］及適正外部特性傾き設定値Ｓｒ［Ｖ／Ａ］を予め設定し、溶接中の溶接電圧ｖ及び溶接電流ｉを検出し、この溶接電圧検出値ｖｄ［Ｖ］及び溶接電流検出値ｉｄ［Ａ］を入力として電流設定変化量ΔＩｒ＝（Ｅｒ−ｖｄ−Ｓｒ・ｉｄ）／Ｌｒを演算し、この電流設定変化量ΔＩｒを積分して溶接電流制御設定値Ｉrcを算出し、上記溶接電流検出値ｉｄがこの溶接電流制御設定値Ｉrcと略等しくなるように出力を制御する。
【００２６】
図９（Ａ）は、前述した図２に対応しており、適正インダクタンス値Ｌｍ及び適正抵抗値Ｒｍを有する定電圧特性の溶接電源装置の等価回路図である。同図において、前述した（１）式と同様に下式が成立する。
Ｅ＝Ｒｍ・ｉ＋Ｌｍ・ｄｉ／ｄｔ＋ｖ……（６）式
但し、Ｅ［Ｖ］は出力電圧、Ｒｍ［Ω］は適正抵抗値、Ｌｍ［Ｈ］は適正インダクタンス値、ｉ［Ａ］は溶接電流、ｖ［Ｖ］は溶接電圧である。
上式において、電流変化ｄｉ／ｄｔ＝０のときの溶接電圧ｖと溶接電流ｉとの関係が外部特性となる。ｄｉ／ｄｔ＝０を上式に代入すると、下式となる。
ｖ＝Ｅ−Ｒｍ・ｉ
上式をグラフで表わすと図１０となる。同図において、横軸は溶接電流ｉを示し、縦軸は溶接電圧ｖを示す。Ｒｍ≧０であるので、グラフは右下がりの直線となり、直線の傾きＳｍ［Ｖ／Ａ］＝Ｒｍ［Ω］となる。したがって、上記（６）式において、Ｒｍ＝Ｓｍを代入すると、下式となる。
Ｅ＝Ｓｍ・ｉ＋Ｌｍ・ｄｉ／ｄｔ＋ｖ
上式を整理すると、下式となる。
ｄｉ／ｄｔ＝（Ｅ−ｖ−Ｓｍ・ｉ）／Ｌｍ
両辺を積分すると、下式となる。
ｉ＝∫（（Ｅ−ｖ−Ｓｍ・ｉ）／Ｌｍ）・ｄｔ
ここで、溶接電流ｉを溶接電流制御設定値Ｉrcに、出力電圧Ｅを出力電圧設定値Ｅｒに、適正外部特性傾きＳｍを外部特性傾き設定値Ｓｒに、適正インダクタンス値Ｌｍをインダクタンス設定値Ｌｒにそれぞれ置換すると、下式となる。
Ｉrc＝∫（（Ｅｒ−ｖ−Ｓｒ・ｉ）／Ｌｒ）・ｄｔ……（７）式
上式に対応する等価回路を図９（Ｂ）に示す。同図において、溶接電圧ｖ及び溶接電流ｉを検出し、定電流源ＣＣの溶接電流ｉに相当する溶接電流制御設定値Ｉrcが、上記（７）式の演算値となるように制御する。これによって、溶接負荷の変動に対する溶接電流ｉの変化は、図９（Ａ）と同一になる。したがって、上記（７）式が実施の形態３の制御の基本式となる。
【００２７】
図９（Ｃ）は、図７（Ｃ）で前述したように、内外部インダクタンス値がＬioであり、内部抵抗及び溶接ケーブルによる外部抵抗を合わせた内外部抵抗値がＲioである場合の等価回路を示す。同図において、上記（７）式のＬｒ＝Ｌｍ及びＳｒ＝Ｓｍのままで、溶接負荷の変動に対する溶接電流ｉの変化は同一となる。すばわち、内外部インダクタンス値Ｌio及び内外部抵抗値Ｒioが変化しても、実施の形態３の制御方法には影響を与えない。したがって、溶接電源装置の形式によって内部インダクタンス値及び内部抵抗値が変化しても、かつ、溶接ケーブルの長さ及び引き回しによって外部インダクタンス値及び外部抵抗値が変化しても、上記（７）式のインダクタンス設定値Ｌｒ及び外部特性傾き設定値Ｓｒは常に適正インダクタンス値Ｌｍ及び適正外部特性傾きＳｍの設定のままでよい。
【００２８】
上述した実施の形態３において、適正インダクタンス値Ｌｍに加えて適正外部特性傾き設定値Ｓｍを設定する理由は、以下のとおりである。すなわち、適正外部特性傾きＳｍは、鉄鋼の炭酸ガスアーク溶接又はＭＡＧ溶接では、０．０２〜０．０５［Ｖ／Ａ］程度であり、アルミニウムのＭＩＧ溶接では０．０８〜０．１５［Ｖ／Ａ］程度である。したがって、溶接ワイヤの材質、溶接法等によって、安定した溶接状態を得るためには、外部特性傾きを適正値に設定する必要がある。
【００２９】
図１１は、上述した実施の形態３の溶接電源装置のブロック図である。同図において、前述した図８と同一の回路ブロックには同一符号を付し、それらの説明は省略する。以下、図８とは異なる点線で示す回路ブロックについて、同図を参照して説明する。
【００３０】
外部特性傾き設定回路ＳＲは、所望値の外部特性傾き設定信号Ｓｒを出力する。第２の電流設定変化量演算回路ＤＩＲ２は、溶接電圧検出信号ｖｄ、溶接電流検出信号ｉｄ、出力電圧設定信号Ｅｒ、インダクタンス設定信号Ｌｒ及び上記の外部特性傾き設定信号Ｓｒを入力として、（Ｅｒ−ｖｄ−Ｓｒ・ｉｄ）／Ｌｒの演算を行い、電流設定変化量信号ΔＩｒを出力する。
【００３１】
［実施の形態４］
本発明の実施の形態４は、溶接ワイヤと母材との間で短絡期間とアーク期間とを繰り返す消耗電極ガスシールドアーク溶接に使用される溶接電源装置の出力制御方法において、実施の形態２〜３に記載する溶接電流制御設定値Ｉrcが、短絡発生後の予め定めた短絡初期時間Ｔsi中のみ予め定めた小電流値の短絡初期電流設定値Ｉsiに置換される溶接電源装置の出力制御方法である。短絡初期時間Ｔsi中の溶接電流値を小電流値にする理由は、以下のとおりである。すなわち、短絡発生直後に溶接電流値が増加すると、短絡状態が短時間で解除されて溶滴移行を伴わない微小短絡が発生しやすくなり、その結果スパッタが多く発生してビード外観も悪くなる。短絡直後の溶接電流値を小さくすると、微小短絡の発生を低減することができ、その結果スパッタも少なくなりビード外観もよくなる。以下、図面を参照して説明する。
【００３２】
図１２は、短絡を伴う消耗電極ガスシールドアーク溶接の電圧・電流波形図であり、同図（Ａ）は溶接電圧ｖの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流ｉの時間変化を示す。時刻ｔ１において短絡が発生すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電圧ｖは数［Ｖ］程度の低い値となる。したがって、前述した実施の形態２の（５）式又は実施の形態３の（７）式において、Ｅｒ−ｖ＞０となるので溶接電流制御設定値Ｉrcは、同図（Ｂ）に示すように増加する。前述したように、短絡直後に溶接電流ｉが増加すると、微小短絡が多く発生するために、ビード外観が悪くなる。これを抑制するために、同図（Ｂ）に示すように、短絡発生後の予め定めた短絡初期時間Ｔsi中は、予め定めた小電流値の短絡初期電流Ｉsiを通電する。
【００３３】
図１３は、上述した実施の形態４の溶接電源装置のブロック図である。同図は、図１１で前述した実施の形態３の溶接電源装置に短絡初期電流制御を付加したものである。同図において、前述した図１１と同一の回路ブロックには同一符号を付し、それらの説明は省略する。以下、図１１とは異なる点線で示す回路ブロックについて、同図を参照して説明する。
【００３４】
短絡判別回路ＳＤは、溶接電圧ｖを入力として短絡状態を判別してＨｉｇｈレベルとなる短絡判別信号Ｓｄを出力する。短絡初期時間タイマ回路ＴＳＩは、上記の短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）に変化した時点から予め定めた時間だけＨｉｇｈレベルとなる短絡初期時間信号Ｔsiを出力する。短絡初期電流設定回路ＩＳＩは、予め定めた短絡初期電流設定信号Ｉsiを出力する。電流設定切換回路ＩＳＷは、上記の短絡初期時間信号ＴsiがＨｉｇｈレベルのときには上記の短絡初期電流設定信号Ｉsiを電流設定切換信号Ｉswとして出力し、Ｌｏｗレベルのときには溶接電流制御設定信号Ｉrcを電流設定切換信号Ｉswとして出力する。溶接電流ｉは、この電流設定切換信号Ｉswに従って制御される。
【００３５】
上記では実施の形態３に短絡初期電流制御を付加した場合について説明したが、図８で前述した実施の形態２の溶接電源装置に付加する場合も同様である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の溶接電源装置の出力制御方法によれば、内外部インダクタンス値Ｌioに影響されることなく適正インダクタンス値Ｌｍを電子的に形成することができるので、溶接負荷の変動に対して溶接電圧及び溶接電流の変化が適正になり、安定した溶接状態を得ることができる。
さらに、本発明の実施の形態３では、上記の効果に加えて溶接電源装置の外部特性傾きを種々の溶接条件に応じて適正値に設定することができるので、さらに溶接状態が安定化する。
さらに、本発明の実施の形態４では、短絡発生直後の溶接電流の増加を抑制することができるので、微小短絡の発生が少なくなり溶接品質が良好になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の消耗電極ガスシールドアーク溶接装置の構成図
【図２】図１の等価回路図
【図３】従来技術における短絡移行溶接の電圧・電流波形図
【図４】従来技術におけるグロビュール移行溶接の電圧・電流波形図
【図５】従来技術の電子リアクトル制御を説明するための等価回路図
【図６】従来技術の電子リアクトル制御溶接電源装置のブロック図
【図７】本発明の実施の形態１を説明するための等価回路図
【図８】本発明の実施の形態２の溶接電源装置のブロック図
【図９】本発明の実施の形態３を説明するための等価回路図
【図１０】本発明の実施の形態３によって形成される外部特性図
【図１１】本発明の実施の形態３の溶接電源装置のブロック図
【図１２】本発明の実施の形態４を説明するための電圧・電流波形図
【図１３】本発明の実施の形態４の溶接電源装置のブロック図
【符号の説明】
１ 溶接ワイヤ
２ 母材
３ アーク
４ 溶接トーチ
４ａ 給電チップ
ＡＭＰ 電圧誤差増幅回路
Ａmp 電圧誤差増幅信号
ＡＰＩ 電流誤差増幅回路
Ａpi 電流誤差増幅信号
ＣＣ 定電流源
ＤＣＬ 直流リアクトル
ＤＩＲ 電流設定変化量演算回路
ＤＩＲ２ 第２の電流設定変化量演算回路
Ｅ 定電圧源、出力電圧
Ｅｃ 制御出力電圧
Ｅcr 制御出力電圧設定信号
ＥＤ 出力電圧検出回路
Ｅｄ 出力電圧検出信号
ＥＲ 出力電圧設定回路
Ｅｒ 出力電圧設定信号
ＥＲＣ 電子リアクトル制御回路
ｉ 溶接電流
ｉａ アーク電流
ＩＤ 溶接電流検出回路
ｉｄ 溶接電流検出信号
ＩＩＲ 積分回路
ＩＮＶ 出力制御回路
Ｉrc 溶接電流制御設定信号
ｉｓ 短絡電流
ＩＳＩ 短絡初期電流設定回路
Ｉsi 短絡初期電流（設定信号）
ＩＳＷ 電流設定切換回路
Ｉsw 電流設定切換信号
Ｌｉ 内部インダクタンス値
Ｌio 内外部インダクタンス値
Ｌｍ 適正インダクタンス値
ＬＲ インダクタンス設定回路
Ｌｒ インダクタンス設定信号
ＰＳ 溶接電源装置
Ｒｉ 内部抵抗値
Ｒio 内外部抵抗値
Ｒｍ 適正抵抗値
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
ＳＲ 外部特性傾き設定回路
Ｓｒ 外部特性傾き設定信号
ＳＵＢ 減算回路
Ｔａ アーク期間
Ｔｓ 短絡期間
ＴＳＩ 短絡初期時間タイマ回路
Ｔsi 短絡初期時間（信号）
ｖ 溶接電圧
ｖａ アーク電圧
ＶＤ 溶接電圧検出回路
ｖｄ 溶接電圧検出信号
ｖｓ 短絡電圧
ＷＭ ワイヤ送給モータ
ΔＩｒ 電流設定変化量（信号）
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接電源装置において適正インダクタンス値及び適正外部特性傾きを所望値に設定することができる溶接電源装置の出力制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、消耗電極ガスシールドアーク溶接装置の構成図である。溶接電源装置ＰＳは、外部特性が定電圧特性になるように出力制御されて、溶接に適した溶接電圧ｖ及び溶接電流ｉを出力する。溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給モータＷＭに直結された送給ロール５の回転によって溶接トーチ４を通って送給されると共に、給電チップ４ａを介して給電されて母材２との間でアーク３が発生する。
【０００３】
図２は、上述した溶接電源装置ＰＳの等価回路図である。前述したように、溶接電源装置は定電圧特性を有するので、定電圧源Ｅ［Ｖ］として表わすことができる。また、溶接電源装置の内部抵抗値はＲｉ［Ω］となり、内部インダクタンス値はＬｉ［Ｈ］となる。この内部抵抗値Ｒｉは、溶接電源装置内部の配線ケーブル等の抵抗値であり、その値は通常０．０２〜０．０５［Ω］程度と小さな値である。他方、上記の内部インダクタンス値Ｌｉは、溶接負荷の変化に応じて変化する溶接電流の変化量を適正化して安定した溶接状態にするためのリアクトルのインダクタンス値である。この内部インダクタンス値Ｌｉは、溶接ワイヤの材質、送給速度、溶接法等の溶接条件に応じて１００〜５００［μＨ］程度の範囲内で適正値に設定される。例えば、鉄鋼の炭酸ガスアーク溶接では、送給速度が遅い小電流のときの短絡移行域ではＬｉ＝１２０［μＨ］程度が適正値となり、送給速度が速い中・大電流のときのグロビュール移行域ではＬｉ＝２４０［μＨ］程度が適正値となる。また、アルミニウムのＭＩＧ溶接においては、送給速度が遅い小電流のときの短絡移行域ではＬｉ＝２００［μＨ］程度が適正値となり、送給速度が速い中・大電流のときのグロビュール又はスプレー移行域ではＬｉ＝３００［μＨ］程度が適正値となる。
【０００４】
図３は、上述した短絡移行域の電圧・電流波形図であり、同図（Ａ）は溶接電圧ｖの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流ｉの時間変化を示す。時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間Ｔｓ中は、同図（Ａ）に示すように、溶接電圧ｖは数［Ｖ］程度の短絡電圧ｖｓとなり、同図（Ｂ）に示すように、短絡電流ｉｓは前述した内部インダクタンス値で定まる傾斜で上昇する。続いて、時刻ｔ２〜ｔ３のアーク期間Ｔａ中は、同図（Ａ）に示すように、アーク電圧ｖａはアーク長に応じた電圧値となり、同図（Ｂ）に示すように、アーク電流ｉａは前述した内部インダクタンス値で定まる傾斜で下降又は変化する。アーク長の変動によって溶接負荷が変動したときの上述した短絡電流ｉｓ及びアーク電流ｉａの変化の傾斜が適正であれば安定した溶接状態となる。したがって、安定した溶接状態を得るためには、上述した内部インダクタンス値を適正値に設定する必要がある。
【０００５】
図４は、前述したグロビュール移行域の電圧・電流波形図であり、同図（Ａ）は溶接電圧ｖの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流ｉの時間変化を示す。時刻ｔ１において、溶滴が移行するとアーク長が急に長くなり溶接負荷が変動するので、同図（Ａ）に示す溶接電圧ｖ及び同図（Ｂ）に示す溶接電流ｉが変化する。これらの電圧・電流変化が適正であれば溶接状態は安定になるので、電圧・電流変化を決める前述した内部インダクタンス値を適正値に設定する必要がある。
【０００６】
上述したように、消耗電極ガスシールドアーク溶接用の溶接電源装置では、溶接負荷の変動に対する溶接電圧及び溶接電流の変化を適正化して安定した溶接状態を得るために、内部インダクタンス値を適正値に設定する必要がある。しかしながら、数百［Ａ］が通電する数百［μＨ］のインダクタンス値を有するリアクトルは、その体積が非常に大きくなり、かつ、その重量も非常に重くなり、コストも高くなる。さらには、前述したように、リアクトルのインダクタンス値は、種々な溶接条件に応じて１００〜５００［μＨ］の広い範囲で適正値に設定する必要があるが、鉄芯にケーブルを巻いて形成されるリアクトルにおいてインダクタンス値を任意の値に変更することはできない。したがって、一般的には、標準的な溶接条件を想定してインダクタンス値を設定しており、このために種々の溶接条件において最も安定した溶接状態になるインダクタンス値ではないという問題があった。
【０００７】
上述した問題を解決するために、電子回路によってリアクトルと等価な働きをさせるいわゆる電子リアクトル制御が従来から提案されている。以下、この制御方法について説明する。
【０００８】
図２で前述した等価回路において、下式が成立する。
Ｅ＝Ｒｉ・ｉ＋Ｌｉ・ｄｉ／ｄｔ＋ｖ……（１）式
こ但し、Ｅ［Ｖ］は出力電圧、Ｒｉ［Ω］は内部抵抗値、Ｌｉ［Ｈ］は内部インダクタンス値、ｉ［Ａ］は溶接電流及びｖ［Ｖ］は溶接電圧である。
前述したように、内部抵抗値Ｒｉは通常小さな値であり省略できるので、上記（１）式は下式のように整理することができる。
Ｅ−Ｌｉ・ｄｉ／ｄｔ＝ｖ……（２）式
上式に対応する等価回路が図５（Ａ）となる。
【０００９】
ここで、制御出力電圧Ｅｃ＝Ｅ−Ｌｉ・ｄｉ／ｄｔと定義すると、Ｅｃ＝ｖとなり、等価回路は図５（Ｂ）となる。したがって、図５（Ａ）の内部インダクタンス値Ｌｉと等価な働きをさせるためには、上記の制御出力電圧ＥｃがＥ−Ｌｉ・ｄｉ／ｄｔになるように制御すればよいことになる。すなわち、電子リアクトル制御の基本式は下式となる。
Ｅcr＝Ｅｒ−Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔ……（３）式
但し、Ｅcr［Ｖ］は制御出力電圧設定値、Ｅｒ［Ｖ］は出力電圧設定値、Ｌｒ［Ｈ］は内部インダクタンス値Ｌｉ［Ｈ］と同一値のインダクタンス設定値、ｄｉ／ｄｔは溶接電流ｉの微分値である。
電子リアクトル制御では、出力電圧設定値Ｅｒ及びインダクタンス設定値Ｌｒを予め設定し、溶接中の溶接電流の微分値を算出して上記（３）式によって制御出力電圧設定値Ecrを演算し、溶接電源装置の出力電圧が上記の制御出力電圧設定値Ｅcrと略等しくなるように制御する。以上のように出力電圧を制御することによって、図５（Ｂ）に示すように、実際のリアクトルを回路に挿入することなく図５（Ａ）に示すリアクトルの内部インダクタンス値Ｌｉと等価な働きをさせることができる。そして、種々な溶接条件に応じて、上記（３）式のインダクタンス設定値Ｌｒを所望値に設定するだけで、最適なインダクタンス値を有する電子的なリアクトルを作り出すことができる。
【００１０】
ところで、図５（Ｂ）に示す制御出力電圧Ｅｃは、インバータ制御溶接電源装置等によって形成されるのが一般的である。したがって、インバータトランスの２次側のパルス状の出力を平滑するための数十［μＨ］程度の小さなインダクタンス値を有するリアクトルを溶接電源装置内部に設けるのが一般的である。さらに、溶接電源装置の出力端子と溶接トーチ又は母材を接続する溶接ケーブルによる外部インダクタンス値も回路に挿入されることになる。これらの内外部インダクタンス値をＬio［Ｈ］として表わすと、等価回路は図５（Ｃ）となる。同図において、溶接条件に対応した適正インダクタンス値をＬｍ［Ｈ］として表わすと、上記（３）式は下式となる。
Ｅcr＝Ｅｒ−（Ｌｍ−Ｌioo）・ｄｉ／ｄｔ……（４）式
すなわち、インダクタンス設定値Ｌｒ＝Ｌｍ−Ｌioに設定すればよいことになる。
【００１１】
図６は、上述した電子リアクトル制御の溶接電源装置のブロック図である。以下、同図を参照して各回路ブロックについて説明する。
出力制御回路ＩＮＶは、３相２００Ｖ等の商用電源を入力として、後述する電圧誤差増幅信号Ａmpに従って、インバータ制御、チョッパ制御等の出力制御を行い、出力電圧Ｅを出力する。直流リアクトルＤＣＬは、前述した内外部インダクタンス値Ｌioに相当するリアクトルであり、出力を平滑する。出力電圧検出回路ＥＤは、上記の出力電圧Ｅを検出して、出力電圧検出信号Ｅｄを出力する。溶接電流検出回路ＩＤは、溶接電流ｉを検出して、溶接電流検出信号ｉｄを出力する。
【００１２】
電子リアクトル制御回路ＥＲＣは、上記の溶接電流検出信号ｉｄを入力として、
Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔの演算を行う。ここで、インダクタンス設定値Ｌｒは、前述したように、適正インダクタンス値ＬｍによってＬｒ＝Ｌｍ−Ｌioに設定される。出力電圧設定回路ＥＲは、所望値の出力電圧設定信号Ｅｒを出力する。減算回路ＳＵＢは、Ｅｒ−Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔの減算を行い、制御出力電圧設定信号Ｅcrを出力する。したがって、上記の電子リアクトル制御回路ＥＲＣ及び減算回路ＳＵＢによって上記（３）式の演算を行っている。電圧誤差増幅回路ＡＭＰは、上記の制御出力電圧設定信号Ｅcrと出力電圧検出信号Ｅｄとの誤差を増幅して電圧誤差増幅信号Ａmpを出力する。以上の動作によって、前述した図５（Ｃ）の等価回路に対応する溶接電源装置が形成される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術の電子リアクトル制御では、前述した（３）式Ｅcr＝Ｅｒ−Ｌｒ・ｄｉ／ｄｔに基づいて出力電圧を制御する。そして、溶接条件に応じて定まる適性インダクタンス値Ｌｍ及び内外部インダクタンス値Ｌioによって、インダクタンス設定値Ｌｒ＝Ｌｍ−Ｌioに設定する。しかし、溶接電源装置の形式によって内部リアクトルの内部インダクタンス値は異なるために、適正インダクタンス値Ｌｍが同一値であっても、溶接電源装置の形式ごとにインダクタンス設定値Ｌｒを微調整する必要があり、微調整に手間がかかる。さらに、溶接ケーブルによる外部インダクタンス値は、溶接ケーブルの長さ及び引き回しによって大きく変化するために、常に適正インダクタンス値Ｌｍに維持するにはインダクタンス設定値Ｌｒを外部インダクタンス値に応じて微調整する必要がある。これを怠ると、適正インダクタンス値から外れることになり、その結果、溶接状態が不安定になる場合も生じる。
【００１４】
そこで、本発明では、内外部インダクタンス値Ｌioが変化しても適正インダクタンス値Ｌｍを常に維持する電子リアクトルを形成することができる溶接電源装置の出力制御方法を提供する。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、図７に示すように、
溶接電源装置の出力電圧設定値Ｅｒと溶接電圧の検出値ｖｄとの差に予め定めた係数を乗じた値に応じて溶接電流ｉの変化量を算出して溶接電流ｉを制御することを特徴とする溶接電源装置の出力制御方法である。
【００１６】
第２の発明は、図８に示すように、
溶接電源装置の出力電圧Ｅを設定する出力電圧設定値Ｅｒ［Ｖ］及び溶接電源装置の適正インダクタンス値Ｌｍを設定するインダクタンス設定値Ｌｒ［Ｈ］を予め設定し、
溶接中の溶接電圧ｖ及び溶接電流ｉを検出し、上記溶接電圧検出値ｖｄ［Ｖ］を入力として電流設定変化量ΔＩｒ＝（Ｅｒ−ｖｄ）／Ｌｒを演算し、この電流設定変化量ΔＩｒを積分して溶接電流制御設定値Ｉrcを算出し、上記溶接電流検出値ｉｄが上記溶接電流制御設定値Ｉrcと略等しくなるように出力を制御することを特徴とする溶接電源装置の出力制御方法である。
【００１７】
第３の発明は、図９〜１１に示すように、
溶接電源装置の出力電圧Ｅを設定する出力電圧設定値Ｅｒ［Ｖ］及び溶接電源装置の適正インダクタンス値Ｌｍを設定するインダクタンス設定値Ｌｒ［Ｈ］及び溶接電源装置の外部特性の傾きＳを設定する外部特性傾き設定値Ｓｒ［Ｖ／Ａ］を予め設定し、
溶接中の溶接電圧ｖ及び溶接電流ｉを検出し、上記溶接電圧検出値ｖｄ［Ｖ］及び上記溶接電流検出値ｉｄ［Ａ］を入力として電流設定変化量ΔＩｒ＝（Ｅｒ−ｖｄ−Ｓｒ・ｉｄ）／Ｌｒを演算し、この電流設定変化量ΔＩｒを積分して溶接電流制御設定値Ｉrcを算出し、上記溶接電流検出値ｉｄが上記溶接電流制御設定値Ｉrcと略等しくなるように出力を制御することを特徴とする溶接電源装置の出力制御方法である。
【００１８】
第４の発明は、図１２〜１３に示すように、
溶接ワイヤと母材との間で短絡期間とアーク期間とを繰り返す消耗電極ガスシールドアーク溶接に使用される溶接電源装置の出力制御方法において、
溶接電流制御設定値Ｉrcが、短絡発生後の予め定めた短絡初期時間Ｔsi中のみ予め定めた小電流値の短絡初期電流設定値Ｉsiに置換されることを特徴とする第２又は第３の発明記載の溶接電源装置の出力制御方法である。
【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。
［実施の形態１］
図７（Ａ）は、前述した図５（Ａ）に対応しており、適正インダクタンス値Ｌｍを有する定電圧特性の溶接電源装置の等価回路図である。同図において、前述した（２）式と同様に下式が成立する。
Ｅ＝Ｌｍ・ｄｉ／ｄｔ＋ｖ
但し、Ｅ［Ｖ］は出力電圧、Ｌｍ［Ｈ］は適正インダクタンス値、ｉ［Ａ］は溶接電流、ｖ［Ｖ］は溶接電圧である。
上式を整理すると、下式となる。
ｄｉ／ｄｔ＝（Ｅ−ｖ）／Ｌｍ
両辺を積分すると、下式となる。
ｉ＝∫（（Ｅ−ｖ）／Ｌｍ）・ｄｔ
ここで、溶接電流ｉを溶接電流制御設定値Ｉrcに、出力電圧Ｅを出力電圧設定値Ｅｒに、適正インダクタンス値Ｌｍをインダクタンス設定値Ｌｒにそれぞれ置換すると、下式となる。
Ｉrc＝∫（（Ｅｒ−ｖ）／Ｌｒ）・ｄｔ……（５）式
上式に対応する等価回路を図７（Ｂ）に示す。同図において、溶接電圧ｖを検出し定電流源ＣＣの溶接電流ｉに相当する溶接電流制御設定値Ｉrcが、上記（５）の演算値となるように制御する。これによって、溶接負荷の変動に対する溶接電流ｉの変化は、図７（Ａ）と同一になる。したがって、上記（５）式が本発明の制御の基本式となる。
【００２０】
図７（Ｃ）は、図５（Ｃ）で前述したように、内外部インダクタンス値がＬioの場合の等価回路を示す。同図において、上記（５）式のＬｒ＝Ｌｍのままで、溶接負荷の変動に対する溶接電流ｉの変化は同一となる。すばわち、内外部インダクタンス値Ｌioが変化しても、本発明の制御方法には影響を与えない。したがって、溶接電源装置の形式によって内部インダクタンス値が変化しても、かつ、溶接ケーブルの長さ及び引き回しによって外部インダクタンス値が変化しても、上記（５）式のインダクタンス設定値Ｌｒは常に適正インダクタンス値Ｌｍの設定のままでよい。
【００２１】
上述したように、本発明の実施の形態１は、溶接電源装置の出力電圧設定値Ｅｒと溶接電圧の検出値ｖｄとの差（Ｅｒ−ｖｄ）に予め定めた係数１／Ｌｒを乗じた値に応じて溶接電流ｉの変化量Δｉを算出して溶接電流ｉを制御する溶接電源装置の出力制御方法である。
【００２２】
［実施の形態２］
本発明の実施の形態２は、溶接電源装置の出力電圧を設定する出力電圧設定値Ｅｒ［Ｖ］及び溶接電源装置の適正インダクタンス値Ｌｍを設定するインダクタンス設定値Ｌｒ［Ｈ］を予め設定し、溶接中の溶接電圧ｖ及び溶接電流ｉを検出し、上記（５）式に基づいて、上記溶接電圧検出値ｖｄ［Ｖ］を入力として電流設定変化量ΔＩｒ＝（Ｅｒ−ｖｄ）／Ｌｒを演算し、この電流設定変化量ΔＩｒを積分して溶接電流制御設定値Ｉrcを算出し、上記溶接電流検出値ｉｄがこの溶接電流制御設定値Ｉrcと略等しくなるように出力を制御する。
【００２３】
図８は、実施の形態２の溶接電源装置のブロック図である。以下、同図を参照して各回路ブロックについて説明する。
出力制御回路ＩＮＶは、３相２００Ｖ等の商用電源を入力として、後述する電流誤差増幅信号Ａpiに従って、インバータ制御、チョッパ制御等の出力制御を行い、溶接電流ｉを出力する。直流リアクトルＤＣＬは、内外部インダクタンス値Ｌioに相当するリアクトルであり、出力を平滑する。溶接電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧ｖを検出して溶接電圧検出信号ｖｄを出力する。溶接電流検出回路ＩＤは、溶接電流ｉを検出して溶接電流検出信号ｉｄを出力する。
【００２４】
出力電圧設定回路ＥＲは、所望値の出力電圧設定信号Ｅｒを出力する。インダクタンス設定回路ＬＲは、適正インダクタンス値Ｌｍに相当するインダクタンス設定信号Ｌｒを出力する。電流設定変化量演算回路ＤＩＲは、上記の溶接電圧検出信号ｖｄ、出力電圧設定信号Ｅｒ及びインダクタンス設定信号Ｌｒを入力として、（Ｅｒ−ｖｄ）／Ｌｒの演算を行い、電流設定変化量信号ΔＩｒを出力する。積分回路ＩＩＲは、上記の電流設定変化量信号ΔＩｒを積分して、溶接電流制御設定信号Ｉrcを出力する。電流誤差増幅回路ＡＰＩは、上記の溶接電流制御設定信号Ｉrcと溶接電流検出信号ｉｄとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ａpiを出力する。以上の動作によって、溶接電源装置は図７（Ｂ）及び（Ｃ）で前述した定電流源ＣＣを形成することになる。
【００２５】
［実施の形態３］
本発明の実施の形態３は、前述した実施の形態２において、溶接電源装置の外部特性の傾きＳ［Ｖ／Ａ］を所望値に設定することができる出力制御方法である。すなわち、本発明の実施の形態３は、出力電圧設定値Ｅｒ［Ｖ］及びインダクタンス設定値Ｌｒ［Ｈ］及適正外部特性傾き設定値Ｓｒ［Ｖ／Ａ］を予め設定し、溶接中の溶接電圧ｖ及び溶接電流ｉを検出し、この溶接電圧検出値ｖｄ［Ｖ］及び溶接電流検出値ｉｄ［Ａ］を入力として電流設定変化量ΔＩｒ＝（Ｅｒ−ｖｄ−Ｓｒ・ｉｄ）／Ｌｒを演算し、この電流設定変化量ΔＩｒを積分して溶接電流制御設定値Ｉrcを算出し、上記溶接電流検出値ｉｄがこの溶接電流制御設定値Ｉrcと略等しくなるように出力を制御する。
【００２６】
図９（Ａ）は、前述した図２に対応しており、適正インダクタンス値Ｌｍ及び適正抵抗値Ｒｍを有する定電圧特性の溶接電源装置の等価回路図である。同図において、前述した（１）式と同様に下式が成立する。
Ｅ＝Ｒｍ・ｉ＋Ｌｍ・ｄｉ／ｄｔ＋ｖ……（６）式
但し、Ｅ［Ｖ］は出力電圧、Ｒｍ［Ω］は適正抵抗値、Ｌｍ［Ｈ］は適正インダクタンス値、ｉ［Ａ］は溶接電流、ｖ［Ｖ］は溶接電圧である。
上式において、電流変化ｄｉ／ｄｔ＝０のときの溶接電圧ｖと溶接電流ｉとの関係が外部特性となる。ｄｉ／ｄｔ＝０を上式に代入すると、下式となる。
ｖ＝Ｅ−Ｒｍ・ｉ
上式をグラフで表わすと図１０となる。同図において、横軸は溶接電流ｉを示し、縦軸は溶接電圧ｖを示す。Ｒｍ≧０であるので、グラフは右下がりの直線となり、直線の傾きＳｍ［Ｖ／Ａ］＝Ｒｍ［Ω］となる。したがって、上記（６）式において、Ｒｍ＝Ｓｍを代入すると、下式となる。
Ｅ＝Ｓｍ・ｉ＋Ｌｍ・ｄｉ／ｄｔ＋ｖ
上式を整理すると、下式となる。
ｄｉ／ｄｔ＝（Ｅ−ｖ−Ｓｍ・ｉ）／Ｌｍ
両辺を積分すると、下式となる。
ｉ＝∫（（Ｅ−ｖ−Ｓｍ・ｉ）／Ｌｍ）・ｄｔ
ここで、溶接電流ｉを溶接電流制御設定値Ｉrcに、出力電圧Ｅを出力電圧設定値Ｅｒに、適正外部特性傾きＳｍを外部特性傾き設定値Ｓｒに、適正インダクタンス値Ｌｍをインダクタンス設定値Ｌｒにそれぞれ置換すると、下式となる。
Ｉrc＝∫（（Ｅｒ−ｖ−Ｓｒ・ｉ）／Ｌｒ）・ｄｔ……（７）式
上式に対応する等価回路を図９（Ｂ）に示す。同図において、溶接電圧ｖ及び溶接電流ｉを検出し、定電流源ＣＣの溶接電流ｉに相当する溶接電流制御設定値Ｉrcが、上記（７）式の演算値となるように制御する。これによって、溶接負荷の変動に対する溶接電流ｉの変化は、図９（Ａ）と同一になる。したがって、上記（７）式が実施の形態３の制御の基本式となる。
【００２７】
図９（Ｃ）は、図７（Ｃ）で前述したように、内外部インダクタンス値がＬioであり、内部抵抗及び溶接ケーブルによる外部抵抗を合わせた内外部抵抗値がＲioである場合の等価回路を示す。同図において、上記（７）式のＬｒ＝Ｌｍ及びＳｒ＝Ｓｍのままで、溶接負荷の変動に対する溶接電流ｉの変化は同一となる。すばわち、内外部インダクタンス値Ｌio及び内外部抵抗値Ｒioが変化しても、実施の形態３の制御方法には影響を与えない。したがって、溶接電源装置の形式によって内部インダクタンス値及び内部抵抗値が変化しても、かつ、溶接ケーブルの長さ及び引き回しによって外部インダクタンス値及び外部抵抗値が変化しても、上記（７）式のインダクタンス設定値Ｌｒ及び外部特性傾き設定値Ｓｒは常に適正インダクタンス値Ｌｍ及び適正外部特性傾きＳｍの設定のままでよい。
【００２８】
上述した実施の形態３において、適正インダクタンス値Ｌｍに加えて適正外部特性傾き設定値Ｓｍを設定する理由は、以下のとおりである。すなわち、適正外部特性傾きＳｍは、鉄鋼の炭酸ガスアーク溶接又はＭＡＧ溶接では、０．０２〜０．０５［Ｖ／Ａ］程度であり、アルミニウムのＭＩＧ溶接では０．０８〜０．１５［Ｖ／Ａ］程度である。したがって、溶接ワイヤの材質、溶接法等によって、安定した溶接状態を得るためには、外部特性傾きを適正値に設定する必要がある。
【００２９】
図１１は、上述した実施の形態３の溶接電源装置のブロック図である。同図において、前述した図８と同一の回路ブロックには同一符号を付し、それらの説明は省略する。以下、図８とは異なる点線で示す回路ブロックについて、同図を参照して説明する。
【００３０】
外部特性傾き設定回路ＳＲは、所望値の外部特性傾き設定信号Ｓｒを出力する。第２の電流設定変化量演算回路ＤＩＲ２は、溶接電圧検出信号ｖｄ、溶接電流検出信号ｉｄ、出力電圧設定信号Ｅｒ、インダクタンス設定信号Ｌｒ及び上記の外部特性傾き設定信号Ｓｒを入力として、（Ｅｒ−ｖｄ−Ｓｒ・ｉｄ）／Ｌｒの演算を行い、電流設定変化量信号ΔＩｒを出力する。
【００３１】
［実施の形態４］
本発明の実施の形態４は、溶接ワイヤと母材との間で短絡期間とアーク期間とを繰り返す消耗電極ガスシールドアーク溶接に使用される溶接電源装置の出力制御方法において、実施の形態２〜３に記載する溶接電流制御設定値Ｉrcが、短絡発生後の予め定めた短絡初期時間Ｔsi中のみ予め定めた小電流値の短絡初期電流設定値Ｉsiに置換される溶接電源装置の出力制御方法である。短絡初期時間Ｔsi中の溶接電流値を小電流値にする理由は、以下のとおりである。すなわち、短絡発生直後に溶接電流値が増加すると、短絡状態が短時間で解除されて溶滴移行を伴わない微小短絡が発生しやすくなり、その結果スパッタが多く発生してビード外観も悪くなる。短絡直後の溶接電流値を小さくすると、微小短絡の発生を低減することができ、その結果スパッタも少なくなりビード外観もよくなる。以下、図面を参照して説明する。
【００３２】
図１２は、短絡を伴う消耗電極ガスシールドアーク溶接の電圧・電流波形図であり、同図（Ａ）は溶接電圧ｖの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流ｉの時間変化を示す。時刻ｔ１において短絡が発生すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電圧ｖは数［Ｖ］程度の低い値となる。したがって、前述した実施の形態２の（５）式又は実施の形態３の（７）式において、Ｅｒ−ｖ＞０となるので溶接電流制御設定値Ｉrcは、同図（Ｂ）に示すように増加する。前述したように、短絡直後に溶接電流ｉが増加すると、微小短絡が多く発生するために、ビード外観が悪くなる。これを抑制するために、同図（Ｂ）に示すように、短絡発生後の予め定めた短絡初期時間Ｔsi中は、予め定めた小電流値の短絡初期電流Ｉsiを通電する。
【００３３】
図１３は、上述した実施の形態４の溶接電源装置のブロック図である。同図は、図１１で前述した実施の形態３の溶接電源装置に短絡初期電流制御を付加したものである。同図において、前述した図１１と同一の回路ブロックには同一符号を付し、それらの説明は省略する。以下、図１１とは異なる点線で示す回路ブロックについて、同図を参照して説明する。
【００３４】
短絡判別回路ＳＤは、溶接電圧ｖを入力として短絡状態を判別してＨｉｇｈレベルとなる短絡判別信号Ｓｄを出力する。短絡初期時間タイマ回路ＴＳＩは、上記の短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）に変化した時点から予め定めた時間だけＨｉｇｈレベルとなる短絡初期時間信号Ｔsiを出力する。短絡初期電流設定回路ＩＳＩは、予め定めた短絡初期電流設定信号Ｉsiを出力する。電流設定切換回路ＩＳＷは、上記の短絡初期時間信号ＴsiがＨｉｇｈレベルのときには上記の短絡初期電流設定信号Ｉsiを電流設定切換信号Ｉswとして出力し、Ｌｏｗレベルのときには溶接電流制御設定信号Ｉrcを電流設定切換信号Ｉswとして出力する。溶接電流ｉは、この電流設定切換信号Ｉswに従って制御される。
【００３５】
上記では実施の形態３に短絡初期電流制御を付加した場合について説明したが、図８で前述した実施の形態２の溶接電源装置に付加する場合も同様である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の溶接電源装置の出力制御方法によれば、内外部インダクタンス値Ｌioに影響されることなく適正インダクタンス値Ｌｍを電子的に形成することができるので、溶接負荷の変動に対して溶接電圧及び溶接電流の変化が適正になり、安定した溶接状態を得ることができる。
さらに、本発明の実施の形態３では、上記の効果に加えて溶接電源装置の外部特性傾きを種々の溶接条件に応じて適正値に設定することができるので、さらに溶接状態が安定化する。
さらに、本発明の実施の形態４では、短絡発生直後の溶接電流の増加を抑制することができるので、微小短絡の発生が少なくなり溶接品質が良好になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の消耗電極ガスシールドアーク溶接装置の構成図
【図２】図１の等価回路図
【図３】従来技術における短絡移行溶接の電圧・電流波形図
【図４】従来技術におけるグロビュール移行溶接の電圧・電流波形図
【図５】従来技術の電子リアクトル制御を説明するための等価回路図
【図６】従来技術の電子リアクトル制御溶接電源装置のブロック図
【図７】本発明の実施の形態１を説明するための等価回路図
【図８】本発明の実施の形態２の溶接電源装置のブロック図
【図９】本発明の実施の形態３を説明するための等価回路図
【図１０】本発明の実施の形態３によって形成される外部特性図
【図１１】本発明の実施の形態３の溶接電源装置のブロック図
【図１２】本発明の実施の形態４を説明するための電圧・電流波形図
【図１３】本発明の実施の形態４の溶接電源装置のブロック図
【符号の説明】
１ 溶接ワイヤ
２ 母材
３ アーク
４ 溶接トーチ
４ａ 給電チップ
ＡＭＰ 電圧誤差増幅回路
Ａmp 電圧誤差増幅信号
ＡＰＩ 電流誤差増幅回路
Ａpi 電流誤差増幅信号
ＣＣ 定電流源
ＤＣＬ 直流リアクトル
ＤＩＲ 電流設定変化量演算回路
ＤＩＲ２ 第２の電流設定変化量演算回路
Ｅ 定電圧源、出力電圧
Ｅｃ 制御出力電圧
Ｅcr 制御出力電圧設定信号
ＥＤ 出力電圧検出回路
Ｅｄ 出力電圧検出信号
ＥＲ 出力電圧設定回路
Ｅｒ 出力電圧設定信号
ＥＲＣ 電子リアクトル制御回路
ｉ 溶接電流
ｉａ アーク電流
ＩＤ 溶接電流検出回路
ｉｄ 溶接電流検出信号
ＩＩＲ 積分回路
ＩＮＶ 出力制御回路
Ｉrc 溶接電流制御設定信号
ｉｓ 短絡電流
ＩＳＩ 短絡初期電流設定回路
Ｉsi 短絡初期電流（設定信号）
ＩＳＷ 電流設定切換回路
Ｉsw 電流設定切換信号
Ｌｉ 内部インダクタンス値
Ｌio 内外部インダクタンス値
Ｌｍ 適正インダクタンス値
ＬＲ インダクタンス設定回路
Ｌｒ インダクタンス設定信号
ＰＳ 溶接電源装置
Ｒｉ 内部抵抗値
Ｒio 内外部抵抗値
Ｒｍ 適正抵抗値
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
ＳＲ 外部特性傾き設定回路
Ｓｒ 外部特性傾き設定信号
ＳＵＢ 減算回路
Ｔａ アーク期間
Ｔｓ 短絡期間
ＴＳＩ 短絡初期時間タイマ回路
Ｔsi 短絡初期時間（信号）
ｖ 溶接電圧
ｖａ アーク電圧
ＶＤ 溶接電圧検出回路
ｖｄ 溶接電圧検出信号
ｖｓ 短絡電圧
ＷＭ ワイヤ送給モータ
ΔＩｒ 電流設定変化量（信号）
Claims (4)
- 溶接電源装置の出力電圧設定値と溶接電圧の検出値との差に予め定めた係数を乗じた値に応じて溶接電流の変化量を算出して溶接電流を制御することを特徴とする溶接電源装置の出力制御方法。
- 溶接電源装置の出力電圧を設定する出力電圧設定値Ｅｒ［Ｖ］及び溶接電源装置の適正インダクタンス値を設定するインダクタンス設定値Ｌｒ［Ｈ］を予め設定し、
溶接中の溶接電圧及び溶接電流を検出し、前記溶接電圧検出値ｖｄ［Ｖ］を入力として電流設定変化量ΔＩｒ＝（Ｅｒ−ｖｄ）／Ｌｒを演算し、この電流設定変化量ΔＩｒを積分して溶接電流制御設定値を算出し、前記溶接電流検出値が前記溶接電流制御設定値と略等しくなるように出力を制御することを特徴とする溶接電源装置の出力制御方法。 - 溶接電源装置の出力電圧を設定する出力電圧設定値Ｅｒ［Ｖ］及び溶接電源装置の適正インダクタンス値を設定するインダクタンス設定値Ｌｒ［Ｈ］及び溶接電源装置の外部特性の傾きを設定する外部特性傾き設定値Ｓｒ［Ｖ／Ａ］を予め設定し、
溶接中の溶接電圧及び溶接電流を検出し、前記溶接電圧検出値ｖｄ［Ｖ］及び前記溶接電流検出値ｉｄ［Ａ］を入力として電流設定変化量ΔＩｒ＝（Ｅｒ−ｖｄ−Ｓｒ・ｉｄ）／Ｌｒを演算し、この電流設定変化量ΔＩｒを積分して溶接電流制御設定値を算出し、前記溶接電流検出値が前記溶接電流制御設定値と略等しくなるように出力を制御することを特徴とする溶接電源装置の出力制御方法。 - 溶接ワイヤと母材との間で短絡期間とアーク期間とを繰り返す消耗電極ガスシールドアーク溶接に使用される溶接電源装置の出力制御方法において、
溶接電流制御設定値が、短絡発生後の予め定めた短絡初期時間中のみ予め定めた小電流値の短絡初期電流設定値に置換されることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の溶接電源装置の出力制御方法。
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