JP5429362B2 - 交流ｔｉｇ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、逆極性と正極性とを交互に繰り返してアーク溶接を行う交流ＴＩＧ溶接方法に関する。

近年、環境への配慮から、軽量かつリサイクル性に優れたアルミニウム材やマグネシウム材が建造物や車両等で多く利用され、その接合を形成する場合に交流ＴＩＧ溶接装置が多く利用されている。交流ＴＩＧ溶接装置は、逆極性と正極性とを交互に繰り返してアーク溶接を行うものである（例えば、特許文献１参照）。

特に、大型建造物を生産する作業現場では、大電流を用いて作業を行う必要がある。大電流交流溶接では、特に出力ケーブルを延長したような場合に、交流溶接の極性反転の時のスイッチングの際に発生するサージ電圧が大きくなる。このサージ電圧の大きさにより、２次インバータを構成する半導体素子が破損する場合があるといった問題があった。

そのため、従来から、半導体素子の保護のため、極性反転する前に低い電流（例えば１００Ａ以下）に制御し、この低い電流の状態で極性反転のスイッチングを行い、これにより発生するサージ電圧を低く抑える対策が実施されてきた。

しかし、作業者のミスやワーク精度やジグ精度が悪いような場合、溶接作業中にＴＩＧ電極と溶接対象物とが接触する場合（この場合を「電極短絡」もしくは「短絡」と呼ぶ）がある。そして、短絡中はアーク中に比べて溶接電流の低下度が緩やかになる。そのため、短絡が生じていると極性反転前に十分電流が低下しないまま極性反転が発生する場合がある。この交流溶接の極性反転の時のスイッチングの際に発生するサージ電圧の大きさによりＴＩＧ溶接装置を構成する２次インバータの構成要素である半導体素子が破損する場合があるといった問題があった。

次に、図８と図９を用いて、従来から慣用されている交流ＴＩＧ溶接装置の動作に関して説明する。なお、図８は従来の交流ＴＩＧ溶接装置の概略構成を示す図であり、図９は従来の交流ＴＩＧ溶接装置における溶接電流波形の時間変化を示す図である。

図８のように構成された交流ＴＩＧ溶接装置について、図９を用いてその動作を説明する。なお、以下の説明では、逆極性期間と正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う非消耗電極式の交流ＴＩＧ溶接装置を用いた例について説明する。

図８において、交流ＴＩＧ溶接装置１０１は、溶接出力部１０２と、溶接制御部１０３と、電流検出部１０４と、設定部１０７と、第１の計時部１０８と、を備えている。そして、交流ＴＩＧ溶接装置１０１は、電極１０９を備える溶接トーチ１１０と溶接対象物である母材１１２に電気的に接続されており、電極１０９と母材１１２との間に電力を供給することにより電極１０９と母材１１２との間にアーク１１１を発生させるものである。

また、溶接電流波形の時間変化を示す図９において、ＴＥＮは正極性期間、ＴＥＰは逆極性期間、ＴＰ１は正極性ピーク期間、ＴＢ１は正極性ベース期間、ＴＰ２は逆極性ピーク期間、ＴＢ２は逆極性ベース期間を示している。また、ＩＥＮＰは正極性ピーク電流、ＩＥＰＰは逆極性ピーク電流、ＩＥＮＢは正極性ベース電流、ＩＥＰＢは逆極性ベース電流、ＩＥＮ１は極性反転前溶接電流（短絡中の正極性期間の電流）、ＩＥＰ１は極性反転前溶接電流（短絡中の逆極性期間の電流）を示している。また、Ｅ１は短絡が発生した時点、Ｅ２はアークが再発生した時点を示している。

図８において、交流ＴＩＧ溶接装置１０１の溶接出力部１０２は、外部から給電される商用電源（例えば、３相２００Ｖ等）を入力としている。溶接出力部１０２は、溶接制御部１０３からの制御信号に基づいて溶接出力部１０２の内部に設けられた図示しない１次インバータ動作及び２次インバータ動作を行い、正極性と逆極性とを適正に切り替えて溶接に適した溶接電圧や溶接電流を出力する。

１次インバータは、通常、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）動作やフェーズシフト動作により駆動される図示しないＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や、図示しないＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や、図示しない１次整流ダイオードや、平滑用電解コンデンサや、電力変換用変圧器等で構成される。

また、２次インバータは、通常、図示しないＩＧＢＴを用いたハーフブリッジやフルブリッジで構成され、出力極性を切り替えるものである。

ここで、正極性とは、アークプラズマ中の電子の移動方向が、電極１０９から母材１１２へ向かう方向であり、電極１０９がマイナスであって母材がプラスの場合をいう。また、逆極性とは、アークプラズマ中の電子の移動方向が、母材１１２から電極１０９へ向かう方向であり、電極１０９がプラスであって母材１１２がマイナスの場合をいう。

ＣＰＵ等で構成される設定部１０７は、正極性ピーク期間ＴＰ１（例えば、９．５ｍｓｅｃ）、正極性ベース期間ＴＢ１（例えば、０．５ｍｓｅｃ）、逆極性ピーク期間ＴＰ２（例えば、３．８１ｍｓｅｃ）、逆極性ベース期間ＴＢ２（例えば、０．４７ｍｓｅｃ）、正極性ピーク電流ＩＥＮＰ（例えば、４００Ａ）、逆極性ピーク電流ＩＥＰＰ（例えば、−４００Ａ）、正極性ベース電流ＩＥＮＢ（例えば１００Ａ）、逆極性ベース電流ＩＥＰＢ（例えば、−１００Ａ）を設定し、溶接制御部１０３へ出力するものである。なお、設定は、各パラメータを作業者が入力するようにして設定するようにしても良いし、別途設定する設定電流（実効値あるいは平均値）や周波数に基づいてテーブルや数式等により自動的に設定されるようにしても良い。

ＣＰＵ等で構成される第１の計時部１０８は、正極性期間及び逆極性期間の開始からの時間を計時するものであり、ＣＴ等で構成される電流検出部１０４は、溶接電流を検出するものである。

溶接制御部１０３は、設定部１０７の出力と、第１の計時部１０８が計時する経過時間と、電流検出部１０４が検出する溶接電流値に基づいて、出力指令信号を溶接出力部１０２へ出力する。溶接制御部１０３は、正極性ピーク期間中は正極性ピーク電流を、正極性ベース期間中は正極性ピーク電流よりも低い正極性ベース電流を、逆極性ピーク期間中は逆極性ピーク電流を、逆極性ベース期間中は逆極性ピーク電流よりも低い（絶対値が小さい）逆極性ベース電流を出力する出力指令信号を溶接出力部１０２へ出力する。

溶接出力部１０２は、溶接制御部１０３からの出力指令信号に基づき、２次インバータの動作により正極性期間中は正極性期間として動作し、電極１０９から母材１１２へ電子が移動する方向に出力極性を切り替える。逆極性期間中は、逆極性期間として動作し、母材１１２から電極１０９へ電子が移動する方向に出力極性を切り替える。

また、溶接出力部１０２は、１次インバータの動作により、正極性ピーク期間中は正極性ピーク電流（例えば、４００Ａ）を出力し、正極性ベース期間中は正極性ベース電流（例えば、１００Ａ）を出力する。そして、溶接出力部１０２は、逆極性ピーク期間中は逆極性ピーク電流（例えば、−４００Ａ）を出力し、逆極性ベース期間中は逆極性ベース電流（例えば、−１００Ａ）を出力する。

溶接出力部１０２が出力する溶接電流や溶接電圧は、交流ＴＩＧ溶接装置１０１に接続されている溶接トーチ１１０に給電され、タングステン等で構成されるＴＩＧ電極である電極１０９の先端とアルミニウム材等の溶接対象物である母材１１２との間でアーク１１１が発生し、交流ＴＩＧ溶接を行う。

次に、図９を用いて、従来の交流ＴＩＧ溶接中の動作及び溶接電流波形について説明する。

図９に示すように、短絡が発生した時点Ｅ１に至るまでは、正極性期間ＴＥＮにおいて、正極性ピーク期間ＴＰ１が完了して正極性ベース期間ＴＢ１に移行した際に、溶接電流は、正極性ピーク電流ＩＥＮＰ（例えば４００Ａ）から正極性ベース電流ＩＥＮＢ（例えば１００Ａ）まで低下する。正極性ベース期間ＴＢ１が終了すると、溶接電流は、逆極性期間ＴＥＰに移行する。

また、逆極性期間ＴＥＰにおいて、逆極性ピーク期間ＴＰ２が完了して逆極性ベース期間ＴＢ２に移行した際に、溶接電流は、逆極性ピーク電流ＩＥＰＰ（例えば、−４００Ａ）から逆極性ベース電流ＩＥＰＢ（例えば、−１００Ａ）まで低下する。逆極性ベース期間ＴＢ２が終了すると、溶接電流は、正極性期間ＴＥＮに移行する。

このように、極性反転の前に、目標指令値である正極性ベース電流ＩＥＮＢや逆極性ベース電流ＩＥＰＢまで溶接電流が低下することで、極性反転の際の２次インバータのスイッチングにより発生するサージ電圧は低く抑えられる（例えば、３００Ｖ程度）。これにより、溶接出力部１０２の２次インバータを構成する半導体素子が破損することがない。

次に、図９を用いて、従来の交流ＴＩＧ溶接中に電極１０９と母材１１２の短絡が発生した場合の溶接電流波形の動作について説明する。

図９に示すように、短絡が発生した時点Ｅ１以降の短絡中での正極性期間ＴＥＮにおいて、正極性ピーク期間が完了して正極性ベース期間に移行した際に、溶接電流が正極性ベース電流ＩＥＮＢとなるように指令がされていたとする。しかしながら、溶接電流は、正極性ピーク電流ＩＥＮＰ（例えば、４００Ａ）から正極性ベース電流ＩＥＮＢ（例えば、１００Ａ）まで低下できない。そして、溶接電流は、正極性ベース電流ＩＥＮＢよりも大きい極性反転前溶接電流ＩＥＮ１（例えば、３００Ａ）までしか低下せず、極性反転前溶接電流ＩＥＮ１（例えば、３００Ａ）の状態で逆極性期間に移行する。なお、この理由については後述する。

また、電極１０９と母材１１２の短絡が継続している場合、逆極性期間ＴＥＰにおいて、逆極性ピーク期間が完了して逆極性ベース期間に移行した際に、溶接電流は、逆極性ベース電流ＩＥＰＢとなるように指令がされていたとする。しかしながら、溶接電流は、逆極性ピーク電流ＩＥＰＰ（例えば、−４００Ａ）から逆極性ベース電流ＩＥＰＢ（例えば、−１００Ａ）まで低下できない。そして、溶接電流は、逆極性ベース電流ＩＥＰＢよりも大きい、極性反転前溶接電流ＩＥＰ１（例えば、−３００Ａ）までしか低下せず、極性反転前溶接電流ＩＥＰ１（例えば、−３００Ａ）の状態で正極性期間に移行する。なお、この理由について以下に示す。

例えば、逆極性ピーク電流ＩＥＰＰ（例えば、−４００Ａ）から逆極性ベース電流ＩＥＰＢ（例えば、−１００Ａ）まで溶接電流を急峻に上げる必要がある場合、溶接出力部１０２の１次インバータは停止し、溶接出力部１０２は電圧出力０Ｖを出力する。そのため、アーク中はアーク抵抗により溶接電流は急峻に増大する。しかし、電極１０９と母材１１２とが短絡している短絡中では、アーク抵抗が０となることで、溶接電流は急峻には増大しなくなる。そのため、極性反転前の溶接電流が、目標指令値の正極性ベース電流ＩＥＮＢや逆極性ベース電流ＩＥＰＢまで増大することができない。

そして、このように電極１０９と母材１１２が短絡している短絡中では、目標指令値である正極性ベース電流ＩＥＮＢや逆極性ベース電流ＩＥＰＢよりも高い絶対値の電流である極性反転前溶接電流ＩＥＮ１や極性反転前溶接電流ＩＥＰ１の状態で極性反転が発生する。そのため、２次インバータのスイッチングにより発生するサージ電圧が高くなり（例えば、６００Ｖ程度）、２次インバータを構成する半導体素子が破損する恐れがある。

なお、交流ＴＩＧ溶接装置１０１の出力側に延長ケーブルが接続されてケーブルが延長されて使用されるような場合（例えば、長さ４０ｍ）、ケーブルのもつインダクタンスが大きくなる。そのため発生するサージ電圧はさらに高くなり、半導体素子が破損する危険はより高くなる。

以上のように、従来技術では、交流ＴＩＧ溶接の大電流が流れる作業中に電極１０９と母材１１２の短絡が発生すると、溶接電流の絶対値が急峻に低下することができないため、極性反転前の溶接電流の絶対値を目標指令値の正極性ベース電流ＩＥＮＢや逆極性ベース電流ＩＥＰＢまで低下できない。そして、そのため、目標指令値である正極性ベース電流ＩＥＮＢや逆極性ベース電流ＩＥＰＢよりも高い絶対値の電流である極性反転前溶接電流ＩＥＮ１や極性反転前溶接電流ＩＥＰ１の状態で極性反転が発生する。

従って、２次インバータのスイッチングにより発生するサージ電圧が高くなり（例えば、６００Ｖ程度）、２次インバータを構成する半導体素子が破損するといった問題があった。

上述のように、従来の交流ＴＩＧ溶接装置は、大電流（例えば、３００Ａ以上、５００Ａ以下の電流）が流れる作業中に電極と母材の短絡が発生すると、極性反転前に溶接電流が十分に低下できない状態で極性反転が行われる。このため、２次インバータのスイッチングにより発生するサージ電圧が高くなり、２次インバータを構成する半導体素子が破損する恐れがあるといった課題があった。

特開平２−２３５５７４号公報

本発明は、大電流が流れる溶接中に電極と母材との短絡が発生した場合でも、インバータを構成する半導体素子が破損することを抑制する高品質の交流ＴＩＧ溶接方法を提供する。

上記課題を解決するために、本発明の交流ＴＩＧ溶接方法は、正極性期間と逆極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う交流ＴＩＧ溶接方法であって、溶接中にＴＩＧ電極と溶接対象物との接触を検出し、上記ＴＩＧ電極と上記溶接対象物とが接触している場合には、一方の極性期間から他方の極性期間への転流を禁止するものである。

以上のように、本発明によれば、溶接中にＴＩＧ電極と溶接対象物との接触が発生した場合でも、短絡中は極性反転を禁止することにより、極性反転時のスイッチングが原因となって発生するサージ電圧が発生しない。これにより、半導体素子が破損することを防ぐことができる高い品質の交流ＴＩＧ溶接を実現できる。

図１は、本発明の実施の形態１における交流ＴＩＧ溶接方法で用いる交流ＴＩＧ溶接装置の概略構成を示す図である。 図２は、本発明の実施の形態１における交流ＴＩＧ溶接方法において溶接電流波形の時間変化を示す図である。 図３は、本発明の実施の形態２における交流ＴＩＧ溶接方法で用いる交流ＴＩＧ溶接装置の概略構成を示す図である。 図４は、本発明の実施の形態２における交流ＴＩＧ溶接方法において溶接電流波形の時間変化を示す図である。 図５は、本発明の実施の形態２における交流ＴＩＧ溶接方法において溶接電流波形の時間変化を示す図である。 図６は、本発明の実施の形態３における交流ＴＩＧ溶接方法で用いる交流ＴＩＧ溶接装置の概略構成を示す図である。 図７は、本発明の実施の形態３における交流ＴＩＧ溶接方法において溶接電流波形の時間変化を示す図である。 図８は、従来の交流ＴＩＧ溶接装置の概略構成を示す図である。 図９は、従来の交流ＴＩＧ溶接装置における溶接電流波形の時間変化を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、同じ構成要素については同じ符号を付しているので説明を省略する場合がある。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１における交流ＴＩＧ溶接方法で用いる交流ＴＩＧ溶接装置の概略構成を示す図であり、図２は、本実施の形態１における交流ＴＩＧ溶接方法において溶接電流波形の時間変化を示す図である。図１のように構成された交流ＴＩＧ溶接装置について、図２の溶接電流波形の時間変化を用いてその動作を説明する。

以下、逆極性期間と正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う非消耗電極式の交流ＴＩＧ溶接装置を例として説明する。

図１に示すように、交流ＴＩＧ溶接装置１は、溶接出力部２と、溶接制御部３と、電流検出部４と、電圧検出部５と、ＡＳ判定部６と、設定部７と、第１の計時部８と、を備えて構成されている。ここで、溶接出力部２は、溶接出力を行う。溶接制御部３は、溶接出力部２を制御する。電流検出部４は、溶接電流を検出する。電圧検出部５は、溶接電圧を検出する。ＡＳ判定部６は、電圧検出部５の検出結果に基づいて、電極９と母材１２とが短絡している短絡状態であるのか、または、電極９と母材１２との間でアークが発生しているアーク状態であるのかを検出する。設定部７は、溶接条件等を設定する。第１の計時部８は、時間を計時する。

そして、交流ＴＩＧ溶接装置１は、電極９を備える溶接トーチ１０と溶接対象物である母材１２に電気的に接続されており、電極９と母材１２との間に電力を供給することにより、電極９と母材１２との間にアーク１１を発生させるものである。

また、電流波形を示す図２において、ＴＥＮは正極性期間、ＴＥＰは逆極性期間、ＴＰ１は正極性ピーク期間、ＴＢ１は正極性ベース期間、ＴＰ２は逆極性ピーク期間、ＴＢ２は逆極性ベース期間、ＴＥＮ１は正極性期間中で短絡が発生するまでの期間を示している。

また、ＩＥＮＰは正極性ピーク電流、ＩＥＰＰは逆極性ピーク電流、ＩＥＮＢは正極性ベース電流、ＩＥＰＢは逆極性ベース電流、ＩＥＰ２は溶接電流（短絡中の逆極性期間終了時の電流）、ＩＥＰＢＡＢＳは逆極性ベース電流の絶対値、ＩＥＰＰＡＢＳは逆極性ピーク電流の絶対値を示している。

また、Ｅ１は短絡発生した時点、Ｅ２はアーク再生した時点、Ｅ６は逆極性期間が完了した時点を示している。

図１において、交流ＴＩＧ溶接装置１の溶接出力部２は、外部から給電される商用電源（３相２００Ｖ等）を入力とし、溶接制御部３からの出力に基づいて溶接出力部２内の図示しない１次インバータ動作及び２次インバータ動作を行う。これにより、溶接出力部２は、正極性と逆極性とを適正に切り替えて溶接に適した溶接電圧や溶接電流を出力する。

１次インバータは、通常、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）動作やフェーズシフト動作により駆動される図示しないＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や、図示しないＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や、図示しない１次整流ダイオードや、平滑用電解コンデンサや、電力変換用変圧器等で構成される。

また、２次インバータは、通常、図示しないＩＧＢＴを用いてハーフブリッジやフルブリッジで構成され、出力極性を切り替えるものである。

ここで、正極性とは、アークプラズマ中の電子の移動方向が、電極９から母材１２へ向かう方向であり、電極９がマイナスであって母材がプラスの場合をいう。また、逆極性とは、アークプラズマ中の電子の移動方向が、母材１２から電極９へ向かう方向であり、電極９がプラスであって母材１２がマイナスの場合をいう。

ＣＰＵ等で構成される設定部７は、正極性ピーク期間ＴＰ１（例えば、９．５ｍｓｅｃ）、正極性ベース期間ＴＢ１（例えば、０．５ｍｓｅｃ）、逆極性ピーク期間ＴＰ２（例えば、３．８１ｍｓｅｃ）、逆極性ベース期間ＴＢ２（例えば、０．４７ｍｓｅｃ）、正極性ピーク電流ＩＥＮＰ（例えば、４００Ａ）、逆極性ピーク電流ＩＥＰＰ（例えば、−４００Ａ）、正極性ベース電流ＩＥＮＢ（例えば、１００Ａ）、逆極性ベース電流ＩＥＰＢ（例えば、−１００Ａ）を設定し、溶接制御部３へ出力する。なお、設定は、各パラメータを作業者が入力するようにして設定するようにしても良いし、別途設定する設定電流（実効値あるいは平均値）や周波数に基づいてテーブルや数式等により自動的に設定されるようにしても良い。

ＣＰＵ等で構成される第１の計時部８は、正極性期間の開始からの時間及び逆極性期間の開始からの時間を計時する。ＣＴ等で構成される電流検出部４は、溶接電流を検出する。

溶接制御部３は、設定部７の出力と、第１の計時部８が計時する経過時間と、電流検出部４が検出する溶接電流値に基づいて、正極性ピーク期間中は正極性ピーク電流を、正極性ベース期間中は正極性ピーク電流よりも低い正極性ベース電流を、逆極性ピーク期間中は逆極性ピーク電流を、逆極性ベース期間中は逆極性ピーク電流よりも低い（絶対値が小さい）逆極性ベース電流を出力する出力指令信号を溶接出力部２へ出力する。

溶接出力部２は、溶接制御部３からの出力指令信号に基づき、２次インバータの動作により正極性期間中は正極性期間として動作し、電極９から母材１２へ電子が移動する方向に出力極性を切り替える。逆極性期間中は、逆極性期間として動作し、母材１２から電極９へ電子が移動する方向に出力極性を切り替える。

また、溶接出力部２は、１次インバータの動作により、正極性ピーク期間中は正極性ピーク電流（例えば、４００Ａ）を出力し、正極性ベース期間中は正極性ベース電流（例えば、１００Ａ）を出力し、逆極性ピーク期間中は逆極性ピーク電流（例えば、−４００Ａ）を出力し、逆極性ベース期間中は逆極性ベース電流（例えば、−１００Ａ）を出力する。

溶接出力部２が出力する溶接電流や溶接電圧は、交流ＴＩＧ溶接装置１に接続されている溶接トーチ１０に給電され、タングステン等で構成されるＴＩＧ電極である電極９の先端とアルミニウム材等の溶接対象物である母材１２との間でアーク１１が発生し、交流ＴＩＧ溶接を行う。

ＣＴ等で構成され交流ＴＩＧ溶接装置１の出力端子間電圧を測定する電圧検出部５は、溶接電圧を検出する。

ＣＰＵ等で構成されるＡＳ判定部６は、電圧検出部５からの電圧検出信号を入力して電圧検出信号の絶対値を算出する。そして、電圧検出信号の絶対値が、アーク中と判定している間に予め設定される検出レベル（例えば、１０Ｖ）に達した（低下した）場合を考える。この場合には、電極９と溶接対象物である母材１２とが接触している（電極短絡もしくは短絡と呼ぶ）と判定し、ＡＳ信号を短絡判定（ローレベル）とする。また、短絡中と判定している間に予め設定される検出レベル（例えば、１５Ｖ）に達した（増加した）場合を考える。この場合には、電極９と溶接対象物である母材１２との接触（短絡）が開放してアークが発生した（アーク再生もしくはアーク中と呼ぶ）と判定し、ＡＳ信号をアーク判定（ハイレベル）とする。

溶接出力部２を制御する溶接制御部３は、短絡中か、または、アーク中かを示す、ＡＳ判定部６が出力するＡＳ信号を入力する。ＡＳ信号が短絡判定（ローレベル）の場合は、溶接制御部３は、一方の極性期間から他方の極性期間への転流を行うタイミングになったとしても、一方の極性期間から他方の極性期間への転流を禁止するように溶接出力部２を制御する。そして、ＡＳ信号として短絡判定（ローレベル）が継続している場合には、転流禁止を維持する。

また、ＡＳ信号がアーク判定（ハイレベル）の場合で、一方の極性期間から他方の極性期間への転流を行うタイミングとなった場合には、溶接制御部３は、一方の極性期間から他方の極性期間への転流を可能とするように溶接出力部２を制御する。また、詳細は後述するが、短絡判定して転流禁止を維持した状態において、アーク判定となった場合にも、溶接制御部３は、一方の極性期間から他方の極性期間への転流を可能とするように溶接出力部２を制御する。

次に、図２を用いて、交流ＴＩＧ溶接中に短絡が発生した場合に、一方の極性期間から他方の極性期間への転流を禁止する動作及び溶接電流波形について説明する。

図２において、短絡が発生した時点Ｅ１に至るまでは、正極性期間ＴＥＮにおいて、正極性ピーク期間ＴＰ１が完了して正極性ベース期間ＴＢ１に移行した際に、溶接電流は、正極性ピーク電流ＩＥＮＰ（例えば、４００Ａ）から正極性ベース電流ＩＥＮＢ（例えば、１００Ａ）まで低下し、正極性ベース期間ＴＢ１が終了すると逆極性期間ＴＥＰに移行する。

また、逆極性期間ＴＥＰにおいて、逆極性ピーク期間ＴＰ２が完了して逆極性ベース期間ＴＢ２に移行した際に、溶接電流の絶対値は、逆極性ピーク電流ＩＥＰＰ（例えば、−４００Ａ）から逆極性ベース電流ＩＥＰＢ（例えば、−１００Ａ）まで低下し、逆極性ベース期間ＴＢ２が終了すると正極性期間ＴＥＮに移行する。

図２に示す短絡が発生した時点Ｅ１以降の短絡中においては、正極性期間ＴＥＮにおいて、正極性ピーク期間ＴＰ１が完了して正極性ベース期間ＴＢ１に移行して溶接電流を正極性ベース電流ＩＥＮＢとなるように指令がされていたとする。この場合でも、正極性ピーク電流ＩＥＮＰ（例えば、４００Ａ）から正極性ベース電流ＩＥＮＢ（例えば、１００Ａ）まで電流は低下できず、正極性ベース電流ＩＥＮＢよりも大きい、極性反転前溶接電流ＩＥＮ２（例えば、３００Ａ）までしか低下せずに正極性期間ＴＥＮが完了する。なお、電極９と母材１２との短絡中に電流が低下し難い理由は、交流ＴＩＧ溶接の大電流が流れる作業中に電極１０９と母材１１２の短絡が発生すると、溶接電流が急峻に低下することができないためである。この理由は、図９を用いて背景技術で説明したものと同様である。

そして、正極性期間ＴＥＮの終了時点でも、時点Ｅ１から引き続き電極９と母材１２とが短絡している状態であるので、ＡＳ判定部６は短絡判定しており、溶接制御部３は他方の極性期間への転流を禁止する。図２の場合では、正極性から逆極性の転流が禁止される。

このように、極性の転流が禁止されているため、高い電流状態で極性反転が行われることがなく、極性反転のための２次インバータのスイッチングにより発生するサージ電圧は発生しない。故に、２次インバータを構成する半導体素子が破損する恐れはない。

そして、図２に示すように、極性反転がないまま溶接指令は逆極性期間に移行する（実際の電流は極性反転無し）。このとき、逆極性ピーク電流（極性反転無し）には、逆極性ピーク電流の絶対値ＩＥＰＰＡＢＳ（例えば、４００Ａ）が適用される。また、逆極性ベース電流（極性反転無し）には、逆極性ベース電流の絶対値ＩＥＰＢＡＢＳ（例えば、１００Ａ）が適用される。

逆極性ピーク期間（極性反転無し）が完了して逆極性ベース期間（極性反転無し）に移行した際の溶接電流は、逆極性ベース電流ＩＥＰＢＡＢＳとなるように指令がされていたとする。この場合でも、溶接電流は、逆極性ピーク電流の絶対値ＩＥＰＰＡＢＳ（例えば、４００Ａ）から逆極性ベース電流の絶対値ＩＥＰＢＡＢＳ（例えば、１００Ａ）まで低下できない。そして、溶接電流は、逆極性ベース電流の絶対値ＩＥＰＢＡＢＳよりも大きい値である極性反転前溶接電流ＩＥＰ２（例えば、３００Ａ）までしか低下せず、この状態で正極性期間ＴＥＮに移行する。

このとき、時点Ｅ１から引き続き電極９と母材１２とが短絡している状態であるので、ＡＳ判定部６は短絡判定しており、溶接制御部３は他方の極性期間への転流を禁止する。

そして、このように極性の転流が禁止されているため、電流が高い状態で極性反転が行われることがなく、極性反転のための２次インバータのスイッチングにより発生するサージ電圧は発生しない。故に、２次インバータを構成する半導体素子が破損する恐れはない。

次に、図２を用いて、交流ＴＩＧ溶接中に短絡が発生して転流禁止を継続しており、その後、短絡が開放してアークが発生（アーク再生）した場合に、一方の極性期間から他方の極性期間への転流を可能とする動作及び溶接電流波形について説明する。

図２に示すアーク再生した時点Ｅ２において、電極９と母材１２との短絡が開放してアークが発生した状態となったので、ＡＳ判定部６はアーク判定となり、転流を可能とする。

溶接制御部３は、正極性期間と逆極性期間とを予め決められた所定のタイミングで繰り返す基準タイミングの電流波形となるように電流を制御する。

ここでは、アーク再生した時点Ｅ２の次回の正極性から逆極性への転流の基準タイミングを待ち、正極性期間ＴＥＮが完了した時点Ｅ５において、正極性から逆極性に転流するように溶接制御部３が溶接出力部２を制御することで転流を行う。

なお、時点Ｅ５は既にアーク中であり、逆極性への転流前の電流は、図２に示すように十分低下するため、２次インバータのスイッチングによるサージ電圧の問題は発生しない。

なお仮に、図２に示す時点Ｅ４でアークが再生した場合には、逆極性期間ＴＥＰが完了した時点Ｅ６では転流させずに、次回の正極性から逆極性への転流の基準タイミングを待ち、正極性期間ＴＥＮが完了した時点Ｅ５において転流させるように制御する。

以上のように、溶接中にＴＩＧ電極である電極９と溶接対象物である母材１２とが短絡していることを検出して短絡判定している場合に、一方の極性期間から他方の極性期間へ転流することを禁止する。これにより、高い電流の状態で極性反転することを防ぎ、極性反転の際の２次インバータのスイッチングにより発生する高いサージ電圧が発生することを抑制することができる。その結果、２次インバータを構成する半導体素子が破損することを防ぐことができる。

また、２次インバータの破損保護の目的のため、交流ＴＩＧ溶接装置に過電圧保護回路が設置されている場合、従来の交流ＴＩＧ溶接装置１０１では、電極１０９と母材１１２との短絡時にも転流を行うので高いサージ電圧が発生し易い。そのために、過電圧保護回路が動作して交流ＴＩＧ溶接装置１０１が停止し易くなり、溶接作業効率が低下する。しかし、本実施の形態１の交流ＴＩＧ溶接装置１では、電極９と母材１２との短絡時には転流を禁止するので高いサージ電圧が発生することを抑制できる。そのために、過電圧保護回路が動作して交流ＴＩＧ溶接装置１が停止してしまうことを抑制でき、溶接作業効率が低下することを防ぐことができる。

すなわち、本発明の交流ＴＩＧ溶接方法は、正極性期間と逆極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う交流ＴＩＧ溶接方法であって、溶接中にＴＩＧ電極と溶接対象物との接触を検出し、ＴＩＧ電極と溶接対象物とが接触している場合（短絡している場合）には、一方の極性期間から他方の極性期間への転流を禁止するものである。

この方法により、短絡中は極性反転を禁止することにより、極性反転時のスイッチングが原因となって発生するサージ電圧が発生しない。これにより、半導体素子が破損することを防ぐことができる高い品質の交流ＴＩＧ溶接を実現できる。

また、溶接中にＴＩＧ電極と溶接対象物との接触を検出した後、ＴＩＧ電極と溶接対象物との接触が開放してアークが発生するまでは、ＴＩＧ電極と溶接対象物とが接触した時点の電流を維持する方法としてもよい。

この方法により、高い電流状態で極性反転が行われることがなく、極性反転のための２次インバータのスイッチングにより発生するサージ電圧は発生しない。これにより、２次インバータを構成する半導体素子が破損する恐れはない。

また、溶接中にＴＩＧ電極と溶接対象物との接触を検出すると、ＴＩＧ電極と溶接対象物との接触を検出した時点の電流値よりも低い電流値に電流を低減する方法としてもよい。

この方法により、高い電流状態で極性反転が行われることがなく、極性反転のための２次インバータのスイッチングにより発生するサージ電圧は発生しない。これにより、２次インバータを構成する半導体素子が破損する恐れはない。

また、溶接中にＴＩＧ電極と溶接対象物との接触を検出した後に、ＴＩＧ電極と溶接対象物との接触の開放を検出すると、一方の極性期間から他方の極性期間への転流を可能とする方法としてもよい。

この方法により、高い電流の状態で極性反転することを防ぎ、極性反転の際の２次インバータのスイッチングにより発生する高いサージ電圧が発生することを抑制することができる。その結果、２次インバータを構成する半導体素子が破損することを防ぐことができる。

また、溶接中にＴＩＧ電極と溶接対象物との接触を検出した後に、ＴＩＧ電極と溶接対象物との接触の開放を検出すると、予め決められている正極性期間と逆極性期間の基準タイミングの電流波形となるように電流を制御する方法としてもよい。

この方法により、高い電流の状態で極性反転することを防ぎ、極性反転の際の２次インバータのスイッチングにより発生する高いサージ電圧が発生することを抑制することができる。その結果、２次インバータを構成する半導体素子が破損することを防ぐことができる。

なお、本実施の形態１では、正極性期間に短絡が発生した場合を例にして説明したが、逆極性期間に短絡が発生した場合にも同様の制御を行うことで同様の効果を奏することができる。

（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２における交流ＴＩＧ溶接装置の概略構成を示す図であり、図４は本発明の実施の形態２における溶接電流波形の時間変化を示す図であり、図５は本発明の実施の形態２における溶接電流波形の時間変化を示す図である。

本実施の形態２では、逆極性期間と正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う非消耗電極式の交流ＴＩＧ溶接装置を例にして説明する。図３に示すような構成を有する交流ＴＩＧ溶接装置について、図４と図５の溶接電流波形を用いてその動作を説明する。

図３において、交流ＴＩＧ溶接装置２１は、電極９と母材１２とが短絡している時の電流を設定するための短絡中低減電流設定部１３を備えている。この短絡中低減電流設定部１３を備えている点が、実施の形態１の図１に示す交流ＴＩＧ溶接装置１と異なる点である。

また、図４と図５において、ＩＳは、電極９と母材１２が短絡している時の電流である短絡中低減電流を示している。

図３において、ＣＰＵ等で構成される短絡中低減電流設定部１３は、ＡＳ判定部６の出力であるＡＳ信号と電流検出部４の出力である電流信号を入力し、電極９と母材１２との短絡を検出した時点の電流値よりも低い電流値である短絡中低減電流ＩＳを設定する。

溶接制御部３は、ＡＳ判定部６の出力であるＡＳ信号と、短絡中低減電流設定部１３の出力を入力し、電極９と母材１２との短絡中は、短絡中低減電流ＩＳとなるように溶接電流を制御する。

なお、本実施の形態２の交流ＴＩＧ溶接装置２１では、短絡を検出した時点の電流検出部４による出力電流に基づいて短絡中低減電流ＩＳを算出設定する。なお、溶接制御部３が保持する溶接電流指令から短絡中低減電流ＩＳを算出設定するようにしても良い。

また、予め設定される電流値（例えば、１００Ａ）と短絡を検出した時点の溶接電流値との低い方を設定するようにしても良く、予め設定される１より小さい係数（例えば、０．５）と短絡を検出した時点の溶接電流値とを乗算した値を設定するようにしても良い。

次に、図４を用いて、交流ＴＩＧ溶接中の時点Ｅ１において電極９と母材１２との短絡が発生した場合に、一方の極性期間から他方の極性期間への転流を禁止する動作及び溶接電流波形について説明する。

図４に示す短絡が発生した時点Ｅ１において、ＡＳ判定部６は電極９と母材１２との短絡を検出して短絡判定する。溶接制御部３はＡＳ判定部６の出力に基づいて一方の極性期間である短絡を検出した時点の極性期間から他方の極性期間への転流を禁止する。図４の例では、正極性から逆極性への転流が禁止される。

電極９と母材１２との短絡中は、短絡を検出した時点の電流値（図４の場合には正極性ピーク電流ＩＥＮＰである４００Ａ）よりも低い電流値であり、短絡中低減電流設定部１３により設定された短絡中低減電流ＩＳ（例えば、１００Ａ）に低減するように、溶接電流は溶接制御部３により制御される。

次に、図４を用いて、短絡が発生して転流を禁止している状態でアークが再生した場合に、転流を許可する動作及び溶接電流波形について説明する。

図４に示すアークが再生した時点Ｅ２において、ＡＳ判定部６はアーク判定となり、転流が許可され、短絡を検出した極性期間（ここでは正極性期間ＴＥＮ）とは反対の極性期間（逆極性期間ＴＥＰ）の開始からの電流波形から電流制御を開始するように、溶接電流が溶接制御部３により制御される。

なお、アーク再生した時点Ｅ２以降の電流の制御に関し、図５に示すように、アーク再生した時点Ｅ２において、短絡を検出した極性期間（ここでは正極性期間ＴＥＮ）の開始からの電流波形から電流制御を開始するように溶接制御部３により溶接電流が制御されるようにしてもよい。

以上のように、本実施の形態によれば、溶接中に短絡判定した場合に、他方の極性期間への転流を禁止することで、実施の形態１と同様に、極性反転の際の２次インバータのスイッチングにより発生する高いサージ電圧の発生を抑制する。これにより、２次インバータを構成する半導体素子が破損することを防ぐことができる。

また、短絡継続中は、短絡検出時の電流よりも低い短絡中低減電流ＩＳに電流を低減することで、不要な電極の消耗や損傷を防ぐことができる。

また、アーク再生直後に通常の交流溶接に移行するため、正常溶接状態への復帰が早く、溶接欠陥が発生しにくい。

すなわち、本発明の交流ＴＩＧ溶接方法は、正極性期間と逆極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う交流ＴＩＧ溶接方法であって、溶接中にＴＩＧ電極と溶接対象物との接触を検出し、ＴＩＧ電極と溶接対象物とが接触している場合（短絡している場合）には、一方の極性期間から他方の極性期間への転流を禁止する方法としている。そして、溶接中にＴＩＧ電極と溶接対象物との接触を検出した後に、ＴＩＧ電極と溶接対象物との接触の開放を検出すると、一方の極性期間から他方の極性期間への転流を可能とする方法としている。そして、溶接中にＴＩＧ電極と溶接対象物との接触を検出した後に、ＴＩＧ電極と溶接対象物との接触の開放を検出すると、ＴＩＧ電極と溶接対象物との接触を検出した極性期間の開始からの電流波形と同じ電流波形となるように電流を制御する方法としてもよい。

この方法により、極性反転の際の２次インバータのスイッチングにより発生する高いサージ電圧の発生を抑制する。これにより、２次インバータを構成する半導体素子が破損することを防ぐことができる。

また、溶接中にＴＩＧ電極と溶接対象物との接触を検出した後に、ＴＩＧ電極と溶接対象物との接触の開放を検出すると、ＴＩＧ電極と溶接対象物との接触を検出した極性期間とは反対の極性期間の開始からの電流波形と同じ電流波形となるように電流を制御する方法としてもよい。

この方法により、極性反転の際の２次インバータのスイッチングにより発生する高いサージ電圧の発生を抑制する。これにより、２次インバータを構成する半導体素子が破損することを防ぐことができる。

なお、本実施の形態２では、正極性期間に短絡が発生した場合を例にして説明したが、逆極性期間に短絡が発生した場合にも同様の制御を行うことで同様の効果を奏することができる。

（実施の形態３）
図６は本発明の実施の形態３における交流ＴＩＧ溶接装置の概略構成を示す図であり、図７は本発明の実施の形態３における溶接電流波形の時間変化を示す図である。

本実施の形態３では、逆極性期間と正極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う非消耗電極式の交流ＴＩＧ溶接装置を例にして説明する。図６に示すような構成を有する交流ＴＩＧ溶接装置３１について、図７の溶接電流波形を用いてその動作を説明する。

図６において、交流ＴＩＧ溶接装置３１は、短絡発生時溶接出力停止時間設定部１４と、短絡が発生してからの時間を計時する第２の計時部１５を備えている。この短絡発生時溶接出力停止時間設定部１４と第２の計時部１５を備えている点が、実施の形態１の図１に示す交流ＴＩＧ溶接装置１と異なる点である。

また、図７において、ＴＲＥＳは、短絡発生時に溶接出力を停止する時間を示している。Ｅ３は、短絡発生からＴＲＥＳ経過した時点を示している。

図６において、ＣＰＵ等で構成される短絡発生時溶接出力停止時間設定部１４は、短絡が発生してからの経過時間の閾値であり、溶接中に電極９と母材１２との接触が所定の期間継続した場合には、溶接出力を停止する所定期間である短絡発生時溶接出力停止時間ＴＲＥＳを設定する。ＣＰＵ等で構成される第２の計時部１５は、短絡が発生してからの時間を計時する。

溶接制御部３は、ＡＳ判定部６、短絡発生時溶接出力停止時間設定部１４および第２の計時部１５の出力を入力する。溶接中に電極９と母材１２との接触（短絡）が所定の期間である短絡発生時溶接出力停止時間ＴＲＥＳ（例えば、１ｓｅｃ）の間継続した場合には、溶接制御部３は、溶接出力部２を制御して溶接出力を停止する。

次に、図７を用いて、交流ＴＩＧ溶接中に時点Ｅ１で電極９と母材１２との短絡が発生した場合に、一方の極性期間から他方の極性期間への転流を禁止する動作及び溶接電流波形について説明する。

図７に示す短絡が発生した時点Ｅ１において、電圧検出部５の出力に基づいてＡＳ判定部６は、電極９と母材１２とが短絡したことを検出して短絡判定する。そうすると溶接制御部３は、ＡＳ判定部６の出力に基づいて他方の極性期間への転流を禁止する。図７の例では、正極性から逆極性への転流が禁止される。

電極９と母材１２との短絡を検出した後、電極９と母材１２との短絡が開放してアークが発生するまでは、溶接制御部３は、短絡が発生した時点Ｅ１での電流値（ここでは、正極性ピーク電流ＩＥＮＰの値）を維持するように溶接電流を制御する。

なお、溶接制御部３は、ＡＳ判定部６、短絡発生時溶接出力停止時間設定部１４および第２の計時部１５との出力を入力し、短絡が発生した時点Ｅ１から、短絡発生時溶接出力停止時間ＴＲＥＳ（例えば、１ｓｅｃ）の間短絡が継続した場合には、溶接出力を停止する。

このように、長時間の短絡が発生した場合に、異常として判定し、溶接出力を停止する。これにより、異常な短絡電流が継続して流れ続けることが無く、安全に溶接作業をすることができる。

以上のように、本実施の形態３によれば、溶接中に短絡判定した場合に、他方の極性期間への転流を禁止する。これにより、極性反転の際の２次インバータのスイッチングにより発生する高いサージ電圧の発生を防ぎ、２次インバータを構成する半導体素子が破損することを防ぐことができる。

すなわち、本発明の交流ＴＩＧ溶接方法は、正極性期間と逆極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う交流ＴＩＧ溶接方法であって、溶接中にＴＩＧ電極と溶接対象物との接触を検出し、ＴＩＧ電極と溶接対象物とが接触している場合（短絡している場合）には、一方の極性期間から他方の極性期間への転流を禁止する方法としている。そして、溶接中にＴＩＧ電極と溶接対象物との接触が所定の期間継続した場合には、溶接出力を停止する方法としてもよい。

この方法により、異常な短絡電流が継続して流れ続けることが無く、安全に溶接作業をすることができる。

なお、短絡発生時溶接出力停止時間ＴＲＥＳは、予め設定される固定値でもよく、出力溶接電流に基づいた値としてもよい。なお、本実施の形態３では、正極性期間に短絡が発生した場合を例にして説明したが、逆極性期間に短絡が発生した場合にも同様の制御を行うことで同様の効果を奏することができる。

以上のように、本願発明は、大電流による溶接中に電極と溶接対象物との接触が発生した場合でも、短絡中は出力極性反転を禁止する。これにより、極性反転のスイッチングで発生するサージ電圧が発生することがないとともに半導体素子が破損することを防ぐことができる。したがって、例えば交流ＴＩＧ溶接施工を行う自動車業界や建設業界といった、特にアルミニウム材やマグネシウム材を用いた生産を行う業界における交流ＴＩＧ溶接方法として産業上有用である。

１，２１，３１ 交流ＴＩＧ溶接装置
２ 溶接出力部
３ 溶接制御部
４ 電流検出部
５ 電圧検出部
６ ＡＳ判定部
７ 設定部
８ 第１の計時部
９ 電極
１０ 溶接トーチ
１１ アーク
１２ 母材
１３ 短絡中低減電流設定部
１４ 短絡発生時溶接出力停止時間設定部
１５ 第２の計時部

Claims (8)

1. 正極性期間と逆極性期間とを交互に繰り返して溶接を行う交流ＴＩＧ溶接方法であって、溶接中にＴＩＧ電極と溶接対象物との接触を検出し、
   前記ＴＩＧ電極と前記溶接対象物とが接触している場合には、一方の極性期間から他方の極性期間への転流を禁止する交流ＴＩＧ溶接方法。
2. 溶接中に前記ＴＩＧ電極と前記溶接対象物との接触を検出した後、前記ＴＩＧ電極と前記溶接対象物との接触が開放してアークが発生するまでは、前記ＴＩＧ電極と前記溶接対象物とが接触した時点の電流を維持する請求項１記載の交流ＴＩＧ溶接方法。
3. 溶接中に前記ＴＩＧ電極と前記溶接対象物との接触を検出すると、前記ＴＩＧ電極と前記溶接対象物との接触を検出した時点の電流値よりも低い電流値に電流を低減する請求項１記載の交流ＴＩＧ溶接方法。
4. 溶接中に前記ＴＩＧ電極と前記溶接対象物との接触を検出した後に、前記ＴＩＧ電極と前記溶接対象物との接触の開放を検出すると、一方の極性期間から他方の極性期間への転流を可能とする請求項１から３のいずれか１項に記載の交流ＴＩＧ溶接方法。
5. 溶接中に前記ＴＩＧ電極と前記溶接対象物との接触を検出した後に、前記ＴＩＧ電極と前記溶接対象物との接触の開放を検出すると、前記ＴＩＧ電極と前記溶接対象物との接触を検出した極性期間における通常の波形と同じ電流波形となるように電流を制御する請求項４記載の交流ＴＩＧ溶接方法。
6. 溶接中に前記ＴＩＧ電極と前記溶接対象物との接触を検出した後に、前記ＴＩＧ電極と前記溶接対象物との接触の開放を検出すると、前記ＴＩＧ電極と前記溶接対象物との接触を検出した極性期間とは反対の極性期間の開始からの電流波形と同じ電流波形となるように電流を制御する請求項４記載の交流ＴＩＧ溶接方法。
7. 溶接中に前記ＴＩＧ電極と前記溶接対象物との接触を検出した後に、前記ＴＩＧ電極と前記溶接対象物との接触の開放を検出すると、予め決められている正極性期間と逆極性期間の基準タイミングの電流波形となるように電流を制御する請求項４記載の交流ＴＩＧ溶接方法。
8. 溶接中に前記ＴＩＧ電極と前記溶接対象物との接触が所定の期間継続した場合には、溶接出力を停止する請求項１から７のいずれか１項に記載の交流ＴＩＧ溶接方法。

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