JP6158652B2 - アーク溶接用電源装置及びアーク溶接の溶接状態判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、短絡・アーク状態が交互に生じる消耗電極式アーク溶接用の電源装置、及び該電源装置の制御に用いられるアーク溶接の溶接状態判定方法に関する。

消耗電極式アーク溶接では、ワイヤ電極と溶接対象との間で短絡・アーク状態を交互に繰り返して溶接が行われるが、このアーク溶接の電源装置では、短絡・アーク状態を判定しており、各状態の判定を含めてその時々に適切な出力電流の設定が行われている。そのため、短絡・アーク状態の判定をより適切に行うことが溶接品質を向上させることにおいて重要な要素の一つである。

例えば特許文献１の開示技術は、出力回路に接続された直流リアクトルの端子間電圧（出力電流）を検出し、その端子間電圧が正の場合は短絡状態、端子間電圧が負の場合はアーク状態として各状態が判定されている。つまり、端子間電圧をｅ、直流リアクトルをＬ、単位時間当たりの電流変化量をｄｉ／ｄｔとすると、次式、

ｅ＝−Ｌ×ｄｉ／ｄｔ

で表すことができる。出力電流が短絡状態で増加しアーク状態で減少するように変化する図５のような波形であれば、電流変化量ｄｉ／ｄｔは短絡状態で正の値、アーク状態で負の値となる。

しかしながら、上記の開示技術は、短絡期間中の電流変化量ｄｉ／ｄｔは正、アーク期間中の電流変化量ｄｉ／ｄｔは負で、各状態で符号が変化しない電流波形のものが前提となっている。つまり、出力電流制御（出力電流波形）が比較的単純なものには適用できるが、図６に示すように近年の出力電流制御（出力電流波形）は、図中矢印ｘ１のように短絡期間中に出力電流を急減させたり、図中矢印ｘ２のようにアーク期間中に出力電流を急増させたりするため、各期間中に電流変化量ｄｉ／ｄｔの符号が変化してしまい、短絡・アーク状態の誤判定が生じてしまう。

上記の開示技術に対し、例えば特許文献２の開示技術は、短絡・アーク状態の判定が出力電圧（溶接電圧）と基準値との比較に基づいて行われており、短絡・アーク状態の切り替わり直後の急変時において誤判定が生じないように、その時々の基準値の算出が行われている。

特開平５−３２９６４０号公報 特開２００９−１９５９５２号公報

ところで、電源装置とワイヤ電極（トーチ）とが離間しているような場合、その間に設置されるパワーケーブルが延長され、これにより両者間の電路上の抵抗値等が増大する。すると図７に示すように、パワーケーブルを延長させていない態様の出力電圧に対して、パワーケーブルを延長させた態様の出力電圧に遅れ時間Ｔｄが生じてその挙動が鈍くなる。因みに、遅れ時間Ｔｄは、数百μｓ以上となり得る時間である。その結果、溶接状態の誤判定は抑えられるものの、遅れ時間Ｔｄによる短絡・アーク状態の各判定に遅れが生じてしまう。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、短絡・アーク状態をより適切に判定でき、溶接品質の向上に貢献できるアーク溶接用電源装置、及び該電源装置の制御に用いられるアーク溶接の溶接状態判定方法を提供することにある。

上記課題を解決するアーク溶接用電源装置は、スイッチング動作に基づいてアーク溶接のための出力電力の調整を行うスイッチング回路と前記スイッチング動作を制御する制御回路とを備え、該制御回路は、前記アーク溶接における短絡・アーク状態を判定する溶接状態判定部と、前記溶接状態の判定を含めて前記スイッチング回路の動作を制御するスイッチング制御部とを備えたアーク溶接用電源装置であって、前記制御回路は、電源装置の出力電流の電流変化量を検出する電流変化量監視部を更に備え、前記溶接状態判定部は、前記電流変化量監視部を通じて取得した前記スイッチング回路のオン期間中における前記出力電流の電流変化量に基づいて、電流変化量が判定値より大の時は短絡状態、電流変化量が判定値より小の時はアーク状態であると判定する。

この構成によれば、溶接状態判定は、スイッチング回路のオン期間中において出力電流の電流変化量が判定値より大の時は短絡状態、電流変化量が判定値より小の時はアーク状態であると判定する。つまり、スイッチング回路のオン期間中に出力電流が増加するが、短絡状態では負荷が小さくその電流増加量が大となり、アーク状態では負荷が大きくその電流増加量が小となるというように、出力電流の電流増加量の違いが比較的大きく現れる。これに着目し、出力電流の電流変化量（電流増加量）に基づいて短絡・アーク状態を判定することで、電源装置と溶接を行う電極との間に設置されるパワーケーブル長さの影響を受けずに溶接状態の判定が適切に行われる。そのため、溶接状態の判定を含めたスイッチング回路の制御の実施にて、その時々においてスイッチング回路のスイッチング動作が適切な動作となり、その時々の電源装置の出力電力が適切となって、溶接品質の向上が期待できる。

また上記のアーク溶接用電源装置において、前記溶接状態判定部で用いる判定値は、短絡状態を判定するための判定値とアーク状態を判定するための判定値とが異なる値とされ、互いに間隔を以て設定されていることが好ましい。

この構成によれば、それより大で短絡状態を判定する判定値と、それより小でアーク状態と判定する判定値とが互いに間隔を以て異なる値に設定されるため、ノイズ要素を排除したより高精度な判定が行われる。

また上記課題を解決するアーク溶接の溶接状態判定方法は、スイッチング回路のスイッチング動作を制御することでアーク溶接のための出力電力の調整を行うものにおいて、短絡・アーク状態を判定するアーク溶接の溶接状態判定方法であって、前記スイッチング回路のオン期間中における出力電流の電流変化量に基づいて、電流変化量が判定値より大の時は短絡状態、電流変化量が判定値より小の時はアーク状態であると判定する。

この構成によれば、上記のアーク溶接用電源装置と同様に、出力電流の電流変化量（電流増加量）に基づいて短絡・アーク状態の判定が適切に行われ、溶接品質の向上が期待できる。

本発明のアーク溶接用電源装置及びアーク溶接の溶接状態判定方法によれば、短絡・アーク状態をより適切に判定でき、溶接品質の向上に貢献することができる。

一実施形態における消耗電極式アーク溶接機（アーク溶接用電源装置）の構成図である。 一実施形態における溶接状態の判定態様を説明するための波形図である。 一実施形態におけるインバータ動作と出力電流変化量との関係を説明するための波形図である。 一実施形態における溶接状態の判定値の設定についての説明図である。 従来制御による出力電流・出力電圧の波形図。 従来制御による出力電流・出力電圧の波形図。 従来の溶接状態の判定態様を説明するための波形図。

以下、アーク溶接用電源装置及びアーク溶接の溶接状態判定方法の一実施形態について説明する。
図１に示すように、消耗電極式アーク溶接機１０では、電源装置１１のプラス側出力端子にトーチＴＨにて支持されるワイヤ電極１２が接続され、該電源装置１１のマイナス側出力端子に溶接対象Ｍが接続され、該電源装置１１にて生成された直流出力電力がワイヤ電極１２に印加されることでアーク溶接が行われる。このとき、ワイヤ電極１２は溶接時に消耗するため、ワイヤ供給装置１３にて消耗に応じて送給がなされる。

電源装置１１は、商用電源から供給される三相の交流入力電力をアーク溶接に適した直流出力電力に変換するものである。交流入力電力は、ダイオードブリッジ及び平滑コンデンサよりなる整流平滑回路２１にて直流電力に変換され、変換された直流電力はインバータ回路２２で高周波交流電力に変換される。インバータ回路２２は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子ＴＲを用いたブリッジ回路にて構成され、制御回路３１によるＰＷＭ制御が実施される。

インバータ回路２２にて生成された高周波交流電力は、溶接トランス２３にて所定電圧値に調整された二次側交流電力に変換される。溶接トランス２３の二次側交流電力は、ダイオードを用いた整流回路２４と直流リアクトル２５とで、アーク溶接に適した直流出力電力に変換される。

制御回路３１は、ＰＷＭ制御部３１ａ、溶接状態判定部３１ｂ、電流変化量監視部３１ｃを備えている。ＰＷＭ制御部３１ａは、インバータ回路２２のスイッチング素子ＴＲに対してパルス制御信号Ｓｐを出力してＰＷＭ制御を実施し、直流出力電力をその時々で適正値とする制御を行っている。制御回路３１は、電流センサ３２及び電圧センサ３３からの検出信号の入力に基づいて出力電流Ｉｏ及び出力電圧Ｖｏを取得し、ＰＷＭ制御部３１ａでの制御に用いられる。

溶接状態判定部３１ｂは、アーク溶接において交互に繰り返される短絡・アーク状態の内、ワイヤ電極１２が溶接対象Ｍに接触する短絡状態か、ワイヤ電極１２と溶接対象Ｍとの間にアークが生じているアーク状態かのいずれの溶接状態かを判定する。その際、電流変化量監視部３１ｃにて行われる出力電流Ｉｏの電流変化量ΔＩｏ（図２参照）の大きさを加味して溶接状態の判定が行われている。

ここで図３に示すように、インバータ回路２２のスイッチング動作でオンしている場合に出力電流は増加するが、溶接状態の内で短絡状態では負荷が小さくアーク状態では負荷が大きいため、出力電流の電流増加量の違いが比較的大きく現れる。具体的に、時刻ｔ１１−ｔ１２間のインバータ回路２２のオン期間では短絡状態で負荷小のため、出力電流の電流増加量は大きいが、時刻ｔ１３−ｔ１４間のインバータ回路２２のオン期間ではアーク状態で負荷大のため、出力電流の電流増加量は小さい。

これを踏まえ、溶接状態判定部３１ｂは、電流変化量監視部３１ｃを通じてインバータ回路２２のオン期間中の出力電流Ｉｏの電流変化量（電流増加量）ΔＩｏを取得し、短絡・アーク状態をそれぞれ判定する判定値ΔＩｓ，ΔＩａと比較して溶接状態の判定を行っている。因みに図４は、インバータ回路２２のオン期間中の出力電流Ｉｏの電流変化量ΔＩｏの平均値をプロットしたもので、短絡状態の集合とアーク状態との集合とが比較的明確に分かれている。そして、図４に基づいて、それより大で短絡状態と判定する判定値ΔＩｓ、それより小でアーク状態と判定する判定値ΔＩａが設定され、また判定値ΔＩｓと判定値ΔＩａとの間には間隔が設けられている。

そして、ＰＷＭ制御部３１ａは、取得した出力電流Ｉｏや出力電圧Ｖｏに加え、溶接状態判定部３１ｂによる短絡・アーク状態の判定に基づいて、インバータ回路２２（スイッチング素子ＴＲ）に出力するパルス制御信号Ｓｐのデューティを適切に設定する。つまり、制御回路３１は、上記のようにしてインバータ回路２２のＰＷＭ制御を行い、その時々の出力電力を適切に調整している。

次に、本実施形態のアーク溶接の動作（作用）を説明する。
アーク溶接に際し、制御回路３１（ＰＷＭ制御部３１ａ）のＰＷＭ制御に基づくインバータ回路２２のスイッチング動作が実施される。その際、溶接状態判定部３１ｂでは、インバータ回路２２のオン期間中に短絡・アーク状態の判定が行われている。

図２に示す時刻ｔ１−ｔ２間、時刻ｔ３−ｔ４間、時刻ｔ５−ｔ６間はそれぞれインバータ回路２２のオン期間である。時刻ｔ１−ｔ２間のインバータ回路２２のオン期間では、電流変化量監視部３１ｃにて取得した出力電流Ｉｏの電流変化量（電流増加量）ΔＩｏが判定値ΔＩａより小さいため、溶接状態判定部３１ｂにてアーク状態と判定される。このアーク状態の判定は、直後の時刻ｔ２−ｔ３間のインバータ回路２２のオフ期間維持される。

次いで時刻ｔ３−ｔ４間のインバータ回路２２のオン期間では、時刻ｔ３ａまでは先のオン期間と同じく出力電流Ｉｏの電流変化量ΔＩｏが判定値ΔＩａより小さいため、アーク状態が継続していると判定される。時刻ｔ３ａ以降では出力電流Ｉｏの電流変化量ΔＩｏが判定値ΔＩｓより大となるため、短絡状態に切り替わったと判定される。この短絡状態の判定は、直後の時刻ｔ４−ｔ５間のインバータ回路２２のオフ期間維持される。

次いで時刻ｔ５−ｔ６間のインバータ回路２２のオン期間では、時刻ｔ５ａまでは先のオン期間と同じく出力電流Ｉｏの電流変化量ΔＩｏが判定値ΔＩｓより大きいため、短絡状態が継続していると判定される。時刻ｔ５ａ以降では出力電流Ｉｏの電流変化量ΔＩｏが判定値ΔＩａより小となるため、アーク状態に切り替わったと判定される。このアーク状態の判定は、直後の時刻ｔ６以降のインバータ回路２２のオフ期間維持される。

このようにしてアーク溶接時の短絡・アーク状態が判定され、インバータ回路２２の制御に反映される。つまり、電源装置１１とワイヤ電極１２との間に設置されるパワーケーブル長さの影響を受けずに適切な溶接状態の判定がなされるため、その時々においてインバータ回路２２のスイッチング動作が適切な動作となり、その時々の電源装置１１の出力電力が適切となって、溶接品質の向上が期待できる。

尚、本実施形態の溶接状態の判定方法では、インバータ回路２２のオフ期間は判定不能で不感帯となる。そのため、溶接状態の判定に遅れが生じることが懸念されるが、インバータ回路２２のスイッチング周波数は１００ｋＨｚ程度であり、これによる遅れ時間は最大でも１０μｓ程度である。しかも機会としては、オフ期間のみのことである。

これに対し、従来問題にしていた溶接状態の判定に用いる出力電圧のパワーケーブルの延長に伴う遅れ時間は１００μｓ以上となり得る。また従来ではインバータのオンオフ期間に関係なく遅れが生じることからも、本実施形態で懸念する溶接状態の判定の遅れに対するインバータ回路２２の制御への影響、即ち溶接品質の影響は極めて小さいものとなっている。また溶接品質の影響の大きい高出力時は、インバータ回路２２のオン期間が長くオフ期間が短いため、溶接状態の判定が不感となる機会も減少する。このことを踏まえても、本実施形態のアーク溶接では溶接品質の向上を図ることが期待できる。

次に、本実施形態の特徴的な効果を記載する。
（１）本実施形態の溶接状態の判定は、インバータ回路２２のオン期間中において出力電流Ｉｏの電流変化量ΔＩｏが判定値ΔＩｓより大の時は短絡状態、電流変化量ΔＩｏが判定値ΔＩａより小の時はアーク状態であると判定するようにしている。つまり、インバータ回路２２のオン期間中に出力電流Ｉｏが増加するが、短絡状態では負荷が小さくその電流増加量が大となり、アーク状態では負荷が大きくその電流増加量が小となるというように、出力電流Ｉｏの電流増加量の違いが比較的大きく現れる。これに着目し、出力電流Ｉｏの電流変化量（電流増加量）ΔＩｏに基づいて短絡・アーク状態を判定することで、電源装置１１とワイヤ電極１２との間に設置されるパワーケーブル長さの影響を受けずに溶接状態の判定を適切に行うことができる。そのため、溶接状態の判定を含めたインバータ回路２２の制御の実施にて、その時々においてインバータ回路２２のスイッチング動作が適切な動作となり、その時々の電源装置１１の出力電力が適切となって、溶接品質の向上に貢献することができる。

（２）溶接状態を判定する判定値ΔＩｓ，ΔＩａが互いに間隔を以て異なる値に設定されるため、ノイズ要素を排除したより高精度な判定を行うことができる。
尚、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。

・溶接状態を判定する判定値ΔＩｓ，ΔＩａを互いに間隔を以て異なる値に設定したが、一つの判定値を用いるものであってもよい。
・インバータ回路２２以外のスイッチング回路を用いた構成であってもよい。

・ＰＷＭ制御以外のスイッチング制御を用いた構成であってもよい。
・その他、電源装置１１の構成を適宜変更してもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想を以下に追記する。

（イ）請求項３に記載のアーク溶接の溶接状態判定方法において、
溶接状態の判定で用いる判定値は、短絡状態を判定するための判定値とアーク状態を判定するための判定値とが異なる値とされ、互いに間隔を以て設定されていることを特徴とするアーク溶接の溶接状態判定方法
（ロ）請求項１又は２に記載のアーク溶接用電源装置を備えたことを特徴とするアーク溶接機。

１１ 電源装置（アーク溶接用電源装置）
２２ インバータ回路（スイッチング回路）
３１ 制御回路
３１ａ ＰＷＭ制御部（スイッチング制御部）
３１ｂ 溶接状態判定部
３１ｃ 電流変化量監視部
Ｉｏ 出力電流
ΔＩｏ 電流変化量
ΔＩａ，ΔＩｓ 判定値

Claims (3)

1. スイッチング動作に基づいてアーク溶接のための出力電力の調整を行うスイッチング回路と前記スイッチング動作を制御する制御回路とを備え、該制御回路は、前記アーク溶接における短絡・アーク状態を判定する溶接状態判定部と、前記溶接状態の判定を含めて前記スイッチング回路の動作を制御するスイッチング制御部とを備えたアーク溶接用電源装置であって、
   前記制御回路は、電源装置の出力電流の電流変化量を検出する電流変化量監視部を更に備え、
   前記溶接状態判定部は、前記電流変化量監視部を通じて取得した前記スイッチング回路のオン期間中における前記出力電流の電流変化量に基づいて、電流変化量が判定値より大の時は短絡状態、電流変化量が判定値より小の時はアーク状態であると判定することを特徴とするアーク溶接用電源装置。
2. 請求項１に記載のアーク溶接用電源装置において、
   前記溶接状態判定部で用いる判定値は、短絡状態を判定するための判定値とアーク状態を判定するための判定値とが異なる値とされ、互いに間隔を以て設定されていることを特徴とするアーク溶接用電源装置。
3. スイッチング回路のスイッチング動作を制御することでアーク溶接のための出力電力の調整を行うものにおいて、短絡・アーク状態を判定するアーク溶接の溶接状態判定方法であって、
   前記スイッチング回路のオン期間中における出力電流の電流変化量に基づいて、電流変化量が判定値より大の時は短絡状態、電流変化量が判定値より小の時はアーク状態であると判定することを特徴とするアーク溶接の溶接状態判定方法。