JP5064002B2 - 消耗電極アーク溶接電源の出力制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接条件に応じて溶接電源の外部特性の傾きを適正値に制御するための消耗電極アーク溶接電源の出力制御方法に関するものである。

図６は、消耗電極アーク溶接電源の外部特性を示す図である。同図の横軸は溶接電源の出力電流Ｉｗを示し、縦軸は出力端子電圧である溶接電圧Ｖｗを示す。外部特性Ｌ１、Ｌ２は、出力電流Ｉｗと溶接電圧Ｖｗとの関係を表すものであり、一般的に右下がりの略直線となる。したがって、外部特性は下式で表すことができる。
Ｖｗ＝Ｋｒ×（Ｉｗ−Ｉｒ）＋Ｖｒ …（１）式
但し、Ｋｒ［V/A］は傾き設定値、Ｉｒ［Ａ］は出力電流基準値、Ｖｒ［Ｖ］は溶接電圧基準値である。これらの値を設定することによって外部特性を設定する。

例えば、外部特性Ｌ１は傾き設定値Ｋｒ＝−０．０３Ｖ／Ａの略定電圧特性の場合であり、外部特性Ｌ２は傾き設定値Ｋｒ＝−０．１Ｖ／Ａの垂下特性の場合である。消耗電極アーク溶接においては、種々の外乱が発生してもアーク長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重要である。この外乱に対してアーク長を適正値に維持する制御をアーク長制御と呼ぶ。外部特性の傾きはアーク長制御系のゲイン（利得）を決めるので、アーク長制御系の安定性と密接な関係にある。

したがって、外部特性の傾きは、溶接条件に応じてアーク長制御系が安定になるように設定される。従来から、溶接法、溶接ワイヤの直径、材質及び出力電流（ワイヤ送給速度）に応じて、外部特性の傾きを変化させることによって、アーク長制御系のゲインを調整して安定化を図ってきた。例えば、ＣＯ2／ＭＡＧ溶接の場合にが、同図に示す外部特性Ｌ１のように、傾き設定値Ｋｒ＝−０．０３に設定する。他方、パルスアーク溶接の場合には、同図に示す外部特性Ｌ２のように、傾き設定値Ｋｒ＝−０．１に設定する。こうすることによって、アーク長制御系が安定化し、アーク状態が良好になる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２５４１７２号公報

溶接法をＣＯ2溶接、溶接ワイヤの直径を１．２mm、材質を軟鋼、出力電流を３００Ａに設定したときの外部特性の傾きをＫｒ＝−０．０３Ｖ／Ａに設定した場合を例として考える。この条件で薄板高速溶接を行うと、良好な溶接品質を得ることができる。しかし、この条件で厚板低速溶接を行うと、スパッタの多い不安定な溶接状態になる。図７は、そのときの溶接電圧Ｖｗ及び出力電流Ｉｗの波形図である。同図（Ａ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは略一定値に制御されている。他方、同図（Ｂ）に示すように、出力電流Ｉｗは周期的に大きく変動している。これは、外部特性の傾きＫｒが−０．０３と定電圧特性でありアーク長制御系のゲインが大きいので、溶接電圧Ｖｗが一定値に強く制御されるために、出力電流Ｉｗはそれを補償するために変動する。図８は、そのときのアーク発生部を示す図である。同図（Ａ）に示すように、溶接ワイヤ１と溶融池２ａとの間にアーク３が発生している。同図（Ａ）から同図（Ｃ）へと時間が経過するのに伴って溶接状態が変化していく。同図に示すように、溶融池２ａが大きく揺動している。このために、スパッタが多く発生し溶接状態も不安定になる。この原因は、出力電流Ｉｗが周期的に大きく変動するために、それに伴ってアーク力が変化し溶融池２ａが揺動されるためである。

上述したように、溶接法、溶接ワイヤの直径、材質及び出力電流（ワイヤ送給速度）が同じ条件であっても、アーク３によって溶融池２ａが揺動されるか否かによって溶接状態は大きく影響される。したがって、溶融池２ａのサイズが大きく、アーク３によって揺動されるときは外部特性の傾きを変化させる必要がある。

そこで、本発明は、溶融池のサイズが大きいときに、アーク力の変動による溶融池の揺動を抑制して安定した溶接状態を得ることができる消耗電極アーク溶接電源の出力制御方法を提供する。

上述した課題を解決するために、第１の発明は、消耗電極アーク溶接に用いる溶接電源の外部特性の傾きを溶接条件に応じて制御する消耗電極アーク溶接電源の出力制御方法において、
前記溶接条件が溶融池幅又はビード幅である、ことを特徴とする消耗電極アーク溶接電源の出力制御方法である。

上記第１の発明によれば、溶融池幅又はビード幅に応じて外部特性の傾きを変化させることによって、溶接状態を安定化することができる。

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に係る出力制御方法を実施するための消耗電極アーク溶接電源のブロック図である。以下、同図を参照して説明する。

電源主回路ＰＭ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Ｅｖに従ってインバータ制御、サイリスタ位相制御等の出力制御を行い、出力電圧Ｅを出力する。リアクトルＷＬは、出力電圧Ｅを平滑する。溶接ワイヤ１は溶接トーチ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の給電チップ（図示せず）と母材２との間には溶接電圧Ｖｗが印可し、出力電流Ｉｗが通電する。

電流検出回路ＩＤは、上記の出力電流Ｉｗを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。溶接電圧基準値設定回路ＶＲは、予め定めた溶接電圧基準値信号Ｖｒを出力する。出力電流基準値設定回路ＩＲは、予め定めた出力電流基準値信号Ｉｒを出力する。溶融池幅設定回路ＰＲは、溶融池幅を設定するための溶融池幅設定信号Ｐｒを出力する。溶融池幅は、目視又はセンサによって計測して設定する。また、溶接ビードの幅を代わりに使用しても良い。傾き設定回路ＫＲは、上記の溶融池幅設定信号Ｐｒを入力として、図２で後述するように、外部特性の傾き設定信号Ｋｒを出力する。

外部特性形成回路ＥＣＲは、上記の溶接電圧基準値信号Ｖｒ、出力電流基準値信号Ｉｒ、傾き設定信号Ｋｒ及び電流検出信号Ｉｄを入力として、（１）式に従って、Ｅcr＝Ｋｒ×（Ｉｄ−Ｉｒ）＋Ｖｒを演算して、出力電圧設定信号Ｅcrを出力する。このように、図６で上述したように、所望の外部特性を形成するために電流検出信号Ｉｄ（出力電流Ｉｗ）に対応した出力電圧設定信号Ｅcrを算出する。

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。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の出力電圧設定信号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Ｅｖを出力する。上記のようなブロック構成によって、溶融池幅又はビード幅に応じた所望の傾きを有する外部特性を形成することができる。

図２は、上記の傾き設定回路ＫＲにおける溶融池幅設定値Ｐｒと傾き設定値Ｋｒとの関係を示す図である。同図に示すように、溶融池幅設定値Ｐｒが広く（大きく）なると、傾き設定値Ｋｒは傾きが急な垂下特性になる。逆に、溶融池幅設定値Ｐｒが狭く（小さく）なると、傾き設定値Ｋｒは平坦な定電圧特性に近づく。溶融池幅設定値Ｐｒ＝Ｐr1のときの傾き設定値Ｋｒ＝Ｋr1となる。

図３は、上述した実施の形態１によって厚板低速溶接を行ったときの溶接電圧Ｖｗ及び出力電流Ｉｗの波形図である。同図は、上述した図７と対応しており、直径１．２mmの軟鋼ワイヤを使用して出力電流３００ＡでＣＯ2溶接によって厚板低速溶接を行った場合である。この場合、溶融池幅が広くなるために、外部特性の傾きは急になり垂下特性になる。この結果、同図（Ａ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは少し変動するが、同図（Ｂ）に示すように、出力電流Ｉｗは図７に比べて急激な変動はほとんどない。このために、出力電流Ｉｗの返送に伴うアーク力の変動が小さくなるので、溶融池が大きく揺動されて溶接状態が不安定になることはない。

同条件で薄板高速溶接を行った場合は、溶融池幅が狭くなるために、外部特性の傾きは平坦に近づき定電圧特性に変化する。高速溶接時はアーク長制御系のゲインを大きくしないと溶接が安定しないので、定電圧特性にすることによってこれを実現している。

上述した実施の形態１によれば、溶融池幅に応じて外部特性の傾きを変化させることによって、溶接状態を安定化することができる。

［実施の形態２］
上述した実施の形態１では、図１に示すように、傾き設定回路ＫＲは、溶融池幅設定信号Ｐｒを入力として予め定めた関係に従って傾き設定信号Ｋｒを出力する。これに対して、実施の形態２では、溶融池幅の代わりに単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量設定値Ｆｒを使用する。これは、単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量設定値Ｆｒが大きいときは溶融池幅の広くなるからである。単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量設定値Ｆｒは下式で算出することができる。
Ｆｒ［mm^３/mm］＝π・ｄ^２・Ｗｆ［mm/min］／Ｗｒ［mm/min］
ここで、Ｗｆはワイヤ送給速度、ｄは溶接ワイヤの半径［mm］、Ｗｒは溶接速度である。

図４は、実施の形態２に係る傾き設定回路ＫＲにおける単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量設定値Ｆｒと傾き設定値Ｋｒとの関係を示す図である。同図に示すように、単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量設定値Ｆｒが大きくなると、傾き設定値Ｋｒは傾きが急な垂下特性になる。逆に、単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量設定値Ｆｒが小さくなると、傾き設定値Ｋｒは平坦な定電圧特性に近づく。単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量設定値Ｆｒ＝Ｆr1のときの傾き設定値Ｋｒ＝Ｋr1となる。

上述した実施の形態２によれば、単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量に応じて外部特性の傾きを変化させることによって、溶接状態を安定化することができる。

［実施の形態３］
上述した実施の形態１では、図１に示すように、傾き設定回路ＫＲは、溶融池幅設定信号Ｐｒを入力として予め定めた関係に従って傾き設定信号Ｋｒを出力する。これに対して、実施の形態３では、溶融池幅の代わりに溶接速度設定値Ｗｒを使用する。これは、溶接速度設定値Ｗｒが遅くなると溶融池幅も広くなるからである。

図５は、実施の形態３に係る傾き設定回路ＫＲにおける溶接速度設定値Ｗｒと傾き設定値Ｋｒとの関係を示す図である。同図に示すように、溶接速度設定値Ｗｒが遅くなると、傾き設定値Ｋｒは傾きが急な垂下特性になる。逆に、溶接速度設定値Ｗｒが速くなると、傾き設定値Ｋｒは平坦な定電圧特性に近づく。溶接速度設定値Ｗｒ＝Ｗr1のときの傾き設定値Ｋｒ＝Ｋr1となる。

上述した実施の形態３によれば、溶接速度に応じて外部特性の傾きを変化させることによって、溶接状態を安定化することができる。

ところで、上述した溶融池幅、ビード幅、単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量又は溶接速度の少なくとも１つ以上を組み合わせて外部特性の傾きを変化させても良い。

本発明の実施の形態１に係る出力制御方法を実施するための消耗電極アーク溶接電源のブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る溶融池幅設定値Ｐｒと傾き設定値Ｋｒとの関係図である。 本発明の実施の形態１によって厚板低速溶接を行ったときの溶接電圧Ｖｗ及び出力電流Ｉｗの波形図である。 本発明の実施の形態２に係る単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量設定値Ｆｒと傾き設定値Ｋｒとの関係図である。 本発明の実施の形態３に係る溶接速度設定値Ｗｒと傾き設定値Ｋｒとの関係図である。 従来技術における溶接電源の外部特性を示す図である。 従来技術によって厚板低速溶接を行ったときの溶接電圧Ｖｗ及び出力電流Ｉｗの波形図である。 図７の溶接時の溶融池の状態を示す図である。

符号の説明

１ 溶接ワイヤ
２ 母材
２ａ 溶融池
３ アーク
４ 溶接トーチ
ｄ 溶接ワイヤの半径
Ｅ 出力電圧
ＥＣＲ 外部特性形成回路
Ｅcr 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
ＥＶ 電圧誤差増幅回路
Ｅｖ 電圧誤差増幅信号
Ｆｒ 単位溶接長さ当たりのワイヤ溶着量設定値
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＲ 出力電流基準値設定回路
Ｉｒ 出力電流基準値（信号）
Ｉｗ 出力電流
ＫＲ 傾き設定回路
Ｋｒ 傾き設定（値／信号）
Ｌ１、Ｌ２ 外部特性
ＰＭ 電源主回路
ＰＲ 溶融池幅設定回路
Ｐｒ 溶融池幅設定（値／信号）
ＶＲ 溶接電圧基準値設定回路
Ｖｒ 溶接電圧基準値（信号）
Ｖｗ 溶接電圧
Ｗｆ ワイヤ送給速度
ＷＬ リアクトル
Ｗｒ 溶接速度設定値

Claims (1)

1. 消耗電極アーク溶接に用いる溶接電源の外部特性の傾きを溶接条件に応じて制御する消耗電極アーク溶接電源の出力制御方法において、
   前記溶接条件が溶融池幅又はビード幅である、ことを特徴とする消耗電極アーク溶接電源の出力制御方法。

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