JP6593923B2 - アーク溶接制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接を開始する際に、溶接ワイヤの送給開始時点から溶接電流の通電開始時点までの初期期間中は、送給速度を正送期間と逆送期間とに交互に切り換える正逆送給制御を行う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、溶接ワイヤの送給速度を正送期間と逆送期間とに交互に切り換える正逆送給制御を行い、短絡期間とアーク期間とを発生させて溶接するアーク溶接制御方法が使用されている。ここで、正送とは、溶接ワイヤを母材に近づく方向に送給することであり、逆送とは正送とは逆方向（溶接ワイヤが母材から遠ざかる方向）に送給することである。

正逆送給制御アーク溶接においては、送給速度の正送期間と逆送期間とを１００Ｈｚ程度の周波数で高速に切り替える。送給速度の方向を高速に切り換えるためには、送給モータに過渡特性の良いものを使用する必要がある。一般的に、過渡特性の良いモータは、最大トルクが比較的小さくなる。

ところで、消耗電極式アーク溶接においては、溶接終了時に溶接ワイヤの先端部にスラグと呼ばれる絶縁物が付着した状態になる場合がある。スラグは溶接ワイヤに含まれている成分が化学反応して生成される。スラグの付着状態は、溶接ワイヤの種類、平均溶接電流値、溶接姿勢等の溶接条件によって異なる。溶接ワイヤの先端部にスラグが付着した状態で、次のアークスタートを行うと、溶接ワイヤが母材と接触しても、スラグが絶縁物であるので、アークが発生しない状態となり、アークスタート不良となる。正逆送給制御によるアーク溶接の場合も同様である。

正逆送給制御アーク溶接において、スラグによるアークスタート不良を改善する方法が特許文献１に開示されている。特許文献１の発明では、溶接開始時に溶接ワイヤの送給を開始してから溶接電流が通電するまでの初期期間中も、正逆送給制御を行っている。これにより、溶接ワイヤ先端にスラグが付着しているために溶接ワイヤ先端が母材と接触しても溶接電流が通電しないときには、溶接ワイヤ先端と母材との衝突が反復されることになる。特許文献１の発明では、この衝突の反復によって溶接ワイヤ先端のスラグを除去して、アークを発生させている。

特許第５２３０６００号公報

上述した従来技術においては、初期期間中に正逆送給制御を行うときに、初期期間中の送給速度の平均値(以下、平均初期送給速度という)が１〜３ｍ／分程度になるように設定される。これは、溶接ワイヤが母材と導通して短絡状態になってからアークが発生するまでの時間を短くしてアークスタート性を良好にするためである。

初期期間中の正逆送給制御において、溶接ワイヤ先端部のスラグ除去を確実にするためには、溶接ワイヤ先端が母材と接触(衝突)したときの速度を高速にする必要がある。このために、正送期間中の送給速度の最大値（以下、正送ピーク値という）及び逆送期間中の送給速度の最大値(以下、逆送ピーク値という)の絶対値は３０ｍ／分程度に設定される。例えば、送給速度の波形が、周波数＝１００Ｈｚ、正送ピーク値の絶対値＝逆送ピーク値の絶対値＝３０ｍ／分の台形波のときに、平均初期送給速度を２ｍ／minに設定するためには、正送期間と逆送期間との時間比率を５０．３３％と微妙に調整することになる。正送期間と逆送期間とが周波数１００Ｈｚで高速に切り換えられるために、正送期間と逆送期間との切換時の時間は送給モータの過渡特性によって大きく影響される。この結果、研鑽上は時間比率が上記の数値であれば平均初期送給速度は２ｍ／分になるが、実際には実測して時間比率を微妙に調整することが必要となる。

溶接トーチの送給経路の送給抵抗値は、溶接姿勢が変化すると溶接トーチのケーブルの曲り状態が変化するので大きく変化する。また、溶接累積時間が長くなるのに伴い、送給経路に溶接ワイヤの削りカスが堆積して、送給抵抗値が次第に大きくなる。このように、送給経路の送給抵抗値が変動すると、正送期間と逆送期間との切換時間も影響を受けて変動することになる。この結果、送給速度の波形が変化して、平均初期送給速度が変動することになる。

このような場合に、特に問題であるのは、平均初期送給速度が適正範囲よりも低速になることである。平均初期送給速度が適正範囲よりも低速になるほど、溶接ワイヤが母材と最初に接触するまでの時間が長くなり、アークスタートに時間がかかることになるので、生産効率が低下する。さらに、平均初期送給速度が０又は負の値、すなわち、逆送期間に逆送する距離が正送期間に正送する距離と等しくなるか又は長くなると、溶接ワイヤは平均的に停止する状態又は次第に逆送する状態となる。このような状態になると、溶接ワイヤは母材と接触することが不可能となり、アークスタート不良となる。

そこで、本発明では、送給経路の送給抵抗値が変動しても、確実にアークスタートさせ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、
溶接を開始する際に、溶接ワイヤの送給開始時点から溶接電流の通電開始時点までの初期期間中は、送給速度を正送期間と逆送期間とに交互に切り換える正逆送給制御を行うアーク溶接制御方法において、
前記初期期間中の前記送給速度の平均値が基準値未満であることを判別したときは、前記送給速度の前記平均値が増加するように前記送給速度の設定信号の波形パラメータを変化させ、
前記判別を、
（１）前記初期期間の経過時間が予め定めた基準時間以上になったこと、
（２）前記送給開始時点からの経過時間が前記溶接ワイヤが母材と最初に接触するまでに予め定めた基準時間に達したこと、
又は、（３）前記送給開始時点から前記溶接ワイヤが母材と最初に接触するまでの期間中の送給モータのトルクが予め定めた基準トルク以上になったこと、
のいずれか一つによって行う、
ことを特徴とするアーク溶接制御方法である。

本発明によれば、送給経路の送給抵抗値が変動しても、確実にアークスタートさせることができる。

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電源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、初期期間の経過時間が基準時間未満であるときの図１の溶接電源における溶接開始時の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１に係るアーク溶接制御方法を示す、初期期間の経過時間が基準時間以上であるときの図１の溶接電源における溶接開始時の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電源のブロック図である。 本発明の実施の形態２に係るアーク溶接制御方法を示す、初期接触期間の経過時間が基準時間以上であるときの図１の溶接電源における溶接開始時の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３に係るアーク溶接制御方法を実施するための溶接電源のブロック図である。 本発明の実施の形態３に係るアーク溶接制御方法を示す、初期接触期間中の送給モータ電流が第２基準電流値以上であるときの図６の溶接電源における溶接開始時の各信号のタイミングチャートである。

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電源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、後述する駆動信号Ｄｖ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駆動信号Ｄｖ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２００μＨ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、正送期間と逆送期間とを交互に切り換えて溶接ワイヤ１を送給速度Ｆｗで送給する。送給モータＷＭには、過渡特性の良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が印加し、溶接電流Ｉｗが通電する。

出力電圧設定回路ＥＲは、予め定めた出力電圧設定信号Ｅｒを出力する。出力電圧検出回路ＥＤは、上記の出力電圧Ｅを検出し平滑して、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Ｅｒ及び上記の出力電圧検出信号Ｅｄを入力として、出力電圧設定信号Ｅｒ（＋）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。この回路によって、溶接電源は定電圧制御される。

ホットスタート電流設定回路ＩＨＲは、予め定めたホットスタート電流設定信号Ｉhrを出力する。電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｗを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。

電流誤差増幅回路ＥＩは、上記のホットスタート電流設定信号Ｉhr及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、ホットスタート電流設定信号Ｉhr（＋）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。この回路によって、ホットスタート電流が通電する期間（ホットスタート期間）中は溶接電源は定電流制御される。

電流通電判別回路ＣＤは、上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、この値がしきい値（１０Ａ程度）以上のときは溶接電流Ｉｗが通電していると判別してＨｉｇｈレベルとなる電流通電判別信号Ｃｄ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及び上記の電流通電判別信号Ｃｄを入力として、電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベル（通電）に変化した時点から予め定めたホットスタート期間中は電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力し、それ以外の期間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。

電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。短絡判別回路ＳＤは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、この値が短絡判別値（１０Ｖ程度）未満のときは短絡期間であると判別してＨｉｇｈレベルとなり、以上のときはアーク期間であると判別してＬｏｗレベルとなる短絡判別信号Ｓｄを出力する。

溶接開始回路ＳＴは、溶接電源を起動するときにＨｉｇｈレベルとなる溶接開始信号Ｓｔを出力する。この溶接開始回路ＳＴは、溶接トーチ４の起動スイッチ、溶接工程を制御するＰＬＣ、ロボット制御装置等が相当する。

駆動回路ＤＶは、上記の誤差増幅信号Ｅａ及び上記の溶接開始信号Ｓｔを入力として、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベル（溶接開始）のときは誤差増幅信号Ｅａに基づいてＰＷＭ変調制御を行い、上記の電源主回路ＰＭ内のインバータ回路を駆動するための駆動信号Ｄｖを出力する。

初期期間タイマ回路ＳＴＩは、上記の溶接開始信号Ｓｔ及び上記の電流通電判別信号Ｃｄを入力として、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベル(溶接開始)に変化した時点でＨｉｇｈレベルとなり、電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベル(通電)に変化した時点でＬｏｗレベルとなる初期期間タイマ信号Ｓtiを出力する。

定常正送ピーク値設定回路ＦＳＣＲは、予め定めた定常正送ピーク値設定信号Ｆscrを出力する。定常逆送ピーク値設定回路ＦＲＣＲは、予め定めた定常逆送ピーク値設定信号Ｆrcrを出力する。

定常溶接期間送給速度設定回路ＦＣＲは、上記の短絡判別信号Ｓｄ、上記の定常正送ピーク値設定信号Ｆscr及び上記の定常逆送ピーク値設定信号Ｆrcrを入力として、短絡判別信号Ｓｄに基づいて正送期間と逆送期間とが切り換えられ、定常正送ピーク値設定信号Ｆscrによって定まる定常正送ピーク値Ｆsc及び定常逆送ピーク値設定信号Ｆrcrによって定まる定常逆送ピーク値Ｆrcから形成される台形波の定常溶接期間送給速度設定信号Ｆcrを出力する。定常溶接期間送給速度設定信号Ｆcrについては、図２で詳述する。

初期正送ピーク値設定回路ＦＳＩＲは、予め定めた初期正送ピーク値設定信号Ｆsirを出力する。初期逆送ピーク値設定回路ＦＲＩＲは、予め定めた初期逆送ピーク値設定信号Ｆrirを出力する。

初期周波数設定回路ＳＩＲは、初期期間中の正送期間と逆送期間とを切り換える周波数を設定するための予め定めた初期周波数設定信号Ｓirを出力する。

初期時間比率設定回路ＤＩＲは、上記の初期期間タイマ信号Ｓtiを入力として、初期期間タイマ信号ＳtiがＨｉｇｈレベルに変化してからの経過時間(初期期間の経過時間)を計時し、経過時間が予め定めた基準時間未満のときは予め定めた初期値を初期時間比率設定信号Ｄirとして出力し、経過時間が上記の基準時間以上になったときは上記の初期値に予め定めた所定値を加算した値を初期時間比率設定信号Ｄirとして出力する。初期時間比率設定信号Ｄirは、初期期間中の正送期間と逆送期間との時間比率を設定する。時間比率＝（正送期間の時間長さ）／(正送期間＋逆送期間の時間長さ)である。すなわち、初期周波数設定信号Ｓirの逆数１／Ｓirによって定まる１周期に占める正送期間の時間比率となる。したがって、正送期間の時間長さ＝Ｄir／Ｓirであり、逆送期間の時間長さ＝(１−Ｄir）／Ｓirである。

例えば、基準時間は１．３２秒、初期値は０．５０３３、所定値は０．００２に設定される。この初期値は、以下の場合の数値例である。すなわち、初期期間中の送給速度の波形が、初期正送ピーク値＝初期逆送ピーク値の絶対値＝３０ｍ／分の台形波であるときに、平均初期送給速度を２ｍ／分に設定するための初期時間比率である。また、上記の所定値の数値例は、平均初期送給速度を約１ｍ／分だけ増加させる値である。

また、上記の基準時間は、以下のようにして設定される。
１）溶接開始時点における溶接ワイヤ先端・母材間距離の最大値を想定する。
２）次に、平均初期送給速度の適正範囲の最小値を想定する。
３）次に、上記の溶接ワイヤ先端・母材間距離の最大値を上記の平均初期送給速度の最小値で除算して、所要時間を計算する。
４）次に、スラグ除去のために溶接ワイヤ先端と母材との衝突を繰り返す時間の最大値を想定する。
５）次に、所要時間と衝突繰り返し時間の最大値とを加算する。
６）そして、この加算時間に余裕分を乗じて、基準時間が算出される。

上記の基準時間の数値例は、溶接ワイヤ先端・母材間距離の最大値＝１５ｍｍ、平均初期送給速度の最小値＝１ｍ／分、衝突繰り返し時間の最大値＝０．２秒(初期周波数＝１００Ｈｚ、繰り返し回数＝２０回)、余裕分＝２０％としたときの値である。これらのことから、送給開始時点(初期期間の開始時点)からの経過時間が基準時間に達しても、いまだ溶接電流が通電しないときは、送給経路の送給抵抗値が変動して大きくなり、平均初期送給速度が適正範囲の下限値未満になった場合であると推定することができる。したがって、経過時間が基準時間以上になったときは、初期時間比率を所定値だけ大きくして、平均初期送給速度が増加するようにしている。

初期期間送給速度設定回路ＦＩＲは、上記の初期正送ピーク値設定信号Ｆsir、上記の初期逆送ピーク値設定信号Ｆrir、上記の初期周波数設定信号Ｓir及び上記の初期時間比率設定信号Ｄirを入力として、初期周波数設定信号Ｓir及び初期時間比率設定信号Ｄirに基づいて正送期間及び逆送期間が定まり、初期正送ピーク値設定信号Ｆsirによって初期正送ピーク値Ｆsiが定まり、初期逆送ピーク値設定信号Ｆrirによって初期逆送ピーク値Ｆriが定まる台形波の初期期間送給速度設定信号Ｆirを出力する。初期期間送給速度設定信号Ｆirについては、図２及び図３で詳述する。

送給速度設定回路ＦＲは、上記の定常溶接期間送給速度設定信号Ｆcr、上記の初期期間送給速度設定信号Ｆir及び上記の初期期間タイマ信号Ｓtiを入力として、初期期間タイマ信号ＳtiがＨｉｇｈレベルである初期期間中は初期期間送給速度設定信号Ｆirを送給速度設定信号Ｆｒとして出力し、初期期間タイマ信号ＳtiがＬｏｗレベルである定常溶接期間中は定常溶接期間送給速度設定信号Ｆcrを送給速度設定信号Ｆｒとして出力する。

送給制御回路ＦＣは、上記の溶接開始信号Ｓｔ及び上記の送給速度設定信号Ｆｒを入力として、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベル(溶接開始)のときは送給速度設定信号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。

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、初期期間の経過時間が基準時間未満であるときの図１の溶接電源における溶接開始時の各信号のタイミングチャートである。すなわち、同図は、送給経路の送給抵抗値が変動する前の比較的小さい場合である。このために、初期期間中の送給速度Ｆｗの波形は、初期期間送給速度設定信号Ｆirの波形とほぼ同一となり、平均初期送給速度Ｆｉは正の値の所望値となっている。同図（Ａ）は溶接開始信号Ｓｔの時間変化を示し、同図（Ｂ）は送給速度Ｆｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｄ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｅ）は電流通電判別信号Ｃｄの時間変化を示し、同図（Ｆ）は短絡判別信号Ｓｄの時間変化を示し、同図（Ｇ）は初期期間タイマ信号Ｓtiの時間変化を示し、同図(Ｈ)は溶接ワイヤ先端と母材表面との距離である溶接ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗの時間変化を示す。以下、同図を参照して溶接開始時における各信号の動作について説明する。

同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは、０よりも上側が正送期間となり、下側が逆送期間となる。送給速度Ｆｗは、初期期間Ｔｉ中は初期期間送給速度設定信号Ｆirによって制御され、所定の周波数で正送期間と逆送期間とが切り換えられる。他方、送給速度Ｆｗは、定常溶接期間Ｔｃ中は定常溶接期間送給速度設定信号Ｆcrによって制御され、短絡期間とアーク期間とに同期して正送期間と逆送期間とが切り換えられる。送給速度Ｆｗは、台形波状に変化している。送給速度Ｆｗの平均値は正の値となり、溶接ワイヤ１は平均的には正送されている。

溶接開始時の時刻ｔ１においては、溶接ワイヤ１の先端と母材２の表面とは離れているので、同図(Ｈ)に示すように、溶接ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗは正の値となる。時刻ｔ１時点におけるＬｗの値は２〜１５mm程度である。同図(Ａ)に示す溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベルとなる時刻ｔ１から同図(Ｅ)に示す電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルとなる時刻ｔ７までの期間が初期期間Ｔｉとなり、それ以降の期間が定常溶接期間Ｔｃとなる。同図では、上述したように、初期期間Ｔｉの時間長さが基準時間Ｔit未満である場合である。

［時刻ｔ１〜ｔ７の初期期間Ｔｉの動作］
時刻ｔ１において、同図(Ａ)に示すように、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベル（溶接開始）に変化すると、同図(Ｇ)に示すように、初期期間タイマ信号ＳtiがＨｉｇｈレベルに変化して初期期間Ｔｉが開始する。同時に、溶接電源が起動されるので、同図（Ｄ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは最大出力電圧値の無負荷電圧値になる。溶接ワイヤ１の先端と母材２の表面とは離れているので、同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗは通電しない。同時に、同図(Ｂ)に示すように、溶接ワイヤ１の送給が開始される。

同図(Ｂ)に示すように、初期期間Ｔｉ中の送給速度Ｆｗに対しては、所定の初期周波数Ｓｉ［Ｈｚ］で正送期間と逆送期間とを交互に繰り返す正逆送給制御が行われる。初期周波数Ｓｉは、初期周波数設定信号Ｓirによって設定される。初期期間中の正送期間及び逆送期間は、初期周波数設定信号Ｓir及び初期時間比率設定信号Ｄirによって設定される。時刻ｔ１〜ｔ２の正送期間中の送給速度Ｆｗは、０から所定の変化率で加速し、所定の初期正送ピーク値Ｆsiに到達するとその値を維持し、所定の期間が経過すると所定の変化率で０まで減速する。初期正送ピーク値Ｆsiは、初期正送ピーク値設定信号Ｆsirによって設定される。時刻ｔ２〜ｔ３の逆送期間中の送給速度Ｆｗは、０から所定の変化率で加速し、所定の負の値である初期逆送ピーク値Ｆriに到達するとその値を維持し、所定の期間が経過すると所定の変化率で０まで減速する。初期逆送ピーク値Ｆriは、初期逆送ピーク値設定信号Ｆrirによって設定される。時刻ｔ１〜ｔ３の期間が１周期となり、初期周波数Ｓｉの逆数１／Ｓｉとなる。

同図(Ｈ)に示すように、溶接ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗは、時刻ｔ１〜ｔ２の正送期間中は次第に短くなり、時刻ｔ２〜ｔ３の逆送期間中は次第に長くなる。但し、時刻ｔ３時のＬｗの値は、時刻ｔ１時点のＬｗの値よりも短くなっている。これは、１周期あたりの送給速度Ｆｗの平均値が正の値になるように波形パラメータが調整されているからである。この初期期間Ｔｉ中の送給速度Ｆｗの平均値が平均初期送給速度Ｆｉである。時刻ｔ３〜ｔ４の周期においても、上記と同様の動作を繰り返す。

同図(Ｂ)に示すように、時刻ｔ４〜ｔ５の正送期間中の時刻４１において、溶接ワイヤ１の先端が母材２の表面と接触（衝突）すると、同図(Ｈ)に示すように、溶接ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗ＝０となる。しかし、溶接ワイヤ１の先端にスラグが付着しているために、非導通接触状態となる。このために、同図(Ｃ)に示すように、溶接電流Ｉｗは通電せず、同図(Ｄ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは無負荷電圧値のままである。時刻ｔ４１〜ｔ５の正送期間中の溶接ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗは０のままである。続く時刻ｔ５〜ｔ６の逆送期間中は、溶接ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗは０から次第に長くなる。

同図(Ｂ)に示すように、時刻ｔ６からの正送期間中の時刻ｔ７において、溶接ワイヤ１の先端が母材２の表面と再び接触（衝突）すると、同図(Ｈ)に示すように、溶接ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗ＝０となる。溶接ワイヤ１の先端に付着したスラグは時刻ｔ４１〜ｔ５の１回目の接触(衝突)によって削り取られて除去されたために、今回の接触では導通接触状態(短絡状態)となる。このために、同図(Ｃ)に示すように、溶接電流Ｉｗが通電を開始し、同図(Ｄ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは、無負荷電圧値から低下して数Ｖの短絡電圧値となる。これに応動して、時刻ｔ７において、同図(Ｅ)に示すように、電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベル(通電)となるので、同図(Ｇ)に示すように、初期期間タイマ信号ＳtiがＬｏｗレベルに変化して初期期間Ｔｉが終了する。時刻ｔ７において、同図(Ｆ)に示すように、短絡判別信号ＳｄはＨｉｇｈレベル(短絡）となる。

同図においては、時刻ｔ１に送給を開始してから時刻ｔ４１に１回目の接触(衝突)が発生するまでの期間を３回目の周期の途中として描画しているが、実際には数十周期が含まれることになる。また、同図においては、２回目の接触(衝突)によってスラグが削り取られて導通状態となった場合であるが、スラグ付着状態がひどいときには十数回の接触を繰り返す場合もある。溶接ワイヤ１の先端にスラグがほとんど付着していないときには、１回目の接触で導通状態となる場合もある。すなわち、本実施の形では、スラグ付着状態がひどいとき又は少ないときに関わらず、必ず導通状態に導くことができる。

［時刻ｔ７以降の定常溶接期間Ｔｃの動作］
時刻ｔ７において短絡状態となると、同図（Ｃ）に示すように、予め定めたホットスタート電流値（２００〜５００Ａ程度）の溶接電流Ｉｗが通電する。ホットスタート電流は、時刻ｔ７〜ｔ９１の予め定めたホットスタート期間中通電する。

時刻ｔ７に電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルに変化してから予め定めた遅延期間が経過した時刻ｔ８において、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは正送から逆送に切り換えられて、所定の定常逆送ピーク値Ｆrcまで急加速し、その値を維持する。上記の遅延期間は１〜１０ms程度に設定される。遅延期間を０にして、遅延しないようにしても良い。この遅延は、溶接ワイヤ１が母材２に接触したときに、初期アークを円滑に発生させるために設けている。

時刻ｔ９において上記のホットスタート電流の通電によって、アーク３が発生すると、同図（Ｄ）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し、これに応動して、同図（Ｆ）に示すように、短絡判別信号ＳｄはＬｏｗレベル（アーク）に変化する。逆送ピーク期間中に短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク）に変化すると、同図（Ｂ）に示すように、送給速度Ｆｗは正送期間への移行を開始する。送給速度Ｆｗは、時刻ｔ９から所定の変化率で減速されて、時刻ｔ１０において０となる。逆送減速期間中の時刻ｔ９１において、同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗはホットスタート電流値からアーク負荷に応じて変化するアーク電流値に減少する。上述したように、時刻ｔ７〜ｔ９１のホットスタート期間は所定値であるので、ホットスタート期間が終了する時点において、送給速度Ｆｗがどの期間になっているかは不確定である。時刻ｔ９〜ｔ１１の期間がアーク期間となる。

時刻ｔ１０から正送期間に入り、所定の変化率で０から加速され、所定の定常正送ピーク値Ｆscに達するとその値を維持する。正送ピーク期間中の時刻ｔ１１において、短絡が発生すると、同図(Ｄ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖの短絡電圧値に急減し、同図(Ｆ)に示すように、短絡判別信号ＳｄはＨｉｇｈレベル(短絡)に変化する。これに応動して、同図(Ｂ)に示すように、送給速度Ｆｗは逆送期間への移行を開始する。送給速度Ｆｗは、時刻ｔ１１〜ｔ１２の期間中に所定の変化率で減速して０となる。同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗは時刻ｔ１１〜１３の短絡期間中に次第に増加する。

時刻ｔ１２から逆送期間に入り、所定の変化率で０から加速され、所定の定常逆送ピーク値Ｆrcに達するとその値を維持する。時刻ｔ１３において、逆送によってアークが発生すると、同図(Ｄ)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し、同図(Ｆ)に示すように、短絡判別信号ＳｄはＬｏｗレベル(アーク)に変化する。これに応動して、同図(Ｂ)に示すように、送給速度Ｆｗは正送期間への移行を開始する。送給速度Ｆｗは、時刻ｔ１３〜ｔ１４の期間中に所定の変化率で減速して０となる。同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗはアーク期間中に次第に減少する。

これ以降は、時刻ｔ１０〜ｔ１４の動作を繰り返す。時刻ｔ７からの溶接ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗの変化は以下のようになる。初めて導通状態(短絡状態)になる時刻ｔ７からアークが発生する時刻ｔ９までは、Ｌｗ＝０となる。時刻ｔ９〜ｔ１０の逆送減速期間中は、Ｌｗの値は０から次第に長くなる。時刻ｔ１０〜ｔ１１までの正送期間中は、Ｌｗの値は次第に短くなり０となる。時刻ｔ１１〜ｔ１３の期間中は、Ｌｗの値は０のままである。時刻ｔ１３〜ｔ１４の逆送減速期間中は、Ｌｗの値は次第に長くなる。

図３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、初期期間の経過時間が基準時間以上であるときの図１の溶接電源における溶接開始時の各信号のタイミングチャートである。すなわち、同図は、送給経路の送給抵抗値が変動によって大きくなった場合である。このために、初期期間中の送給速度Ｆｗの波形は、初期期間送給速度設定信号Ｆirの波形から変化が緩やかになるように変形しており、平均初期送給速度Ｆｉは負の値となっている。同図（Ａ）は溶接開始信号Ｓｔの時間変化を示し、同図（Ｂ）は送給速度Ｆｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｄ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｅ）は電流通電判別信号Ｃｄの時間変化を示し、同図（Ｆ）は短絡判別信号Ｓｄの時間変化を示し、同図（Ｇ）は初期期間タイマ信号Ｓtiの時間変化を示し、同図(Ｈ)は溶接ワイヤ先端と母材表面との距離である溶接ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗの時間変化を示す。同図において、図２と同一事項の説明は繰り返さない。以下、同図を参照して溶接開始時における各信号の動作について説明する。

初期期間Ｔｉ中の送給速度Ｆｗは、初期期間送給速度設定信号Ｆirによって制御され、所定の周波数で正送期間と逆送期間とが切り換えられる。上述したように、同図は、送給抵抗値が変動によって大きくなった場合であるので、送給速度Ｆｗの波形は、初期期間送給速度設定信号Ｆirの波形から変化が緩やかになった波形となっている。したがって、図２と同図では、初期期間送給速度設定信号Ｆirは同一波形であるが、送給速度ＦＷの波形は異なっている。同図(Ｂ)に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２の周期において、正送期間及び逆送期間の加速時と減速時の変化が図２(Ｂ)のときよりも緩やかになっている。かつ、正送期間中の加速時及び減速時の変化が、逆送期間中の加速時及び減速時の変化よりもさらに緩やかになっている。この結果、平均初期送給速度Ｆｉが負の値となり、溶接ワイヤは平均的には逆送されていることになる。このようになるのは、初期正送ピーク値Ｆsi及び初期逆送ピーク値Ｆriが３０ｍ／分であり、平均初期送給速度Ｆｉが２ｍ／分と、両値に大きな差があるために、波形が少し変形しただけでも平均初期送給速度Ｆｉに大きく影響するためである。

溶接開始時の時刻ｔ１においては、溶接ワイヤ１の先端と母材２の表面とは離れているので、同図(Ｈ)に示すように、溶接ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗは正の値となる。同図(Ａ)に示す溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベルとなる時刻ｔ１から同図(Ｅ)に示す電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルとなる時刻ｔ７までの期間が初期期間Ｔｉとなり、それ以降の期間が定常溶接期間Ｔｃとなる。同図では、時刻ｔ１からの初期期間Ｔｉの経過時間が、溶接電流Ｉｗが通電を開始する時刻ｔ７よりも前の時刻ｔ３において基準時間Ｔitに達した場合である。

［時刻ｔ１〜ｔ７の初期期間Ｔｉの動作］
時刻ｔ１において、同図(Ａ)に示すように、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベル（溶接開始）に変化すると、同図(Ｇ)に示すように、初期期間タイマ信号ＳtiがＨｉｇｈレベルに変化して初期期間Ｔｉが開始する。同時に、溶接電源が起動されるので、同図（Ｄ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは最大出力電圧値の無負荷電圧値になる。溶接ワイヤ１の先端と母材２の表面とは離れているので、同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗは通電しない。同時に、同図(Ｂ)に示すように、溶接ワイヤ１の送給が開始される。

時刻ｔ１〜ｔ２の周期において、正送期間中の送給速度Ｆｗは、０から加速し、所定の初期正送ピーク値Ｆsiに到達するとその値を維持し、所定の期間が経過すると０まで減速する。初期正送ピーク値Ｆsiは、初期正送ピーク値設定信号Ｆsirによって設定される。時刻ｔ１〜ｔ２の周期において、逆送期間中の送給速度Ｆｗは、０から加速し、所定の負の値である初期逆送ピーク値Ｆriに到達するとその値を維持し、所定の期間が経過すると０まで減速する。初期逆送ピーク値Ｆriは、初期逆送ピーク値設定信号Ｆrirによって設定される。

同図(Ｈ)に示すように、溶接ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗは、時刻ｔ１〜ｔ２の周期中の正送期間中は次第に短くなり、逆送期間中は次第に長くなる。但し、時刻ｔ２時点でのＬｗの値は、時刻ｔ１時点でのＬｗの値よりも長くなっている。これは、１周期あたりの送給速度Ｆｗの平均値(平均初期送給速度Ｆｉ)が負の値になっているためである。時刻ｔ２〜ｔ３の周期についても、時刻ｔ１〜ｔ２の周期と同様である。

時刻ｔ３において、初期期間Ｔｉの経過時間が基準時間Ｔitに達したために、初期時間比率設定信号Ｄirの値が所定値だけ大きくなる。この結果、１周期に占める正送期間の比率が大きくなり、平均初期送給速度Ｆｉが所定値だけ増加して正の値に変化する。したがって、時刻ｔ３〜ｔ４の周期において、正送期間が長くなり、逆送期間が短くなる。同図(Ｈ)に示すように、溶接ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗは、正送期間中は次第に短くなり、逆送期間中は次第に長くなる。但し、時刻ｔ３時点でのＬｗの値は時刻ｔ４時点でのＬｗの値よりも短くなる。すなわち、溶接ワイヤは平均的には正送されることになり、溶接ワイヤ１の先端は次第に母材に近づくことになる。

同図(Ｂ)に示すように、時刻ｔ４〜ｔ５の正送期間中の時刻４１において、溶接ワイヤ１の先端が母材２の表面と接触（衝突）すると、同図(Ｈ)に示すように、溶接ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗ＝０となる。しかし、溶接ワイヤ１の先端にスラグが付着しているために、非導通接触状態となる。このために、同図(Ｃ)に示すように、溶接電流Ｉｗは通電せず、同図(Ｄ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは無負荷電圧値のままである。時刻ｔ４１〜ｔ５の正送期間中の溶接ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗは０のままである。続く時刻ｔ５〜ｔ６の逆送期間中は、溶接ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗは０から次第に長くなる。

同図(Ｂ)に示すように、時刻ｔ６からの正送期間中の時刻ｔ７において、溶接ワイヤ１の先端が母材２の表面と再び接触（衝突）すると、同図(Ｈ)に示すように、溶接ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗ＝０となる。溶接ワイヤ１の先端に付着したスラグは時刻ｔ４１〜ｔ５の１回目の接触(衝突)によって削り取られて除去されたために、今回の接触では導通接触状態(短絡状態)となる。このために、同図(Ｃ)に示すように、溶接電流Ｉｗが通電を開始し、同図(Ｄ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは、無負荷電圧値から低下して数Ｖの短絡電圧値となる。これに応動して、時刻ｔ７において、同図(Ｅ)に示すように、電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベル(通電)となるので、同図(Ｇ)に示すように、初期期間タイマ信号ＳtiがＬｏｗレベルに変化して初期期間Ｔｉが終了する。時刻ｔ７において、同図(Ｆ)に示すように、短絡判別信号ＳｄはＨｉｇｈレベル(短絡）となる。

同図においては、時刻ｔ１に送給を開始してから時刻ｔ３に初期期間Ｔｉの経過時間が基準時間Ｔitに達するまでの期間、及び時刻ｔ３から時刻ｔ４１に１回目の接触(衝突)が発生するまでの期間は、実際にはそれぞれ数十周期となる。また、同図においては、２回目の接触(衝突)によってスラグが削り取られて導通状態となった場合であるが、スラグ付着状態がひどいときには十数回の接触を繰り返す場合もある。溶接ワイヤ１の先端にスラグがほとんど付着していないときには、１回目の接触で導通状態となる場合もある。本実施の形態では、溶接ワイヤ１の先端がスラグ付着状態であっても、必ず導通状態に導くことができる。

時刻ｔ７以降の定常溶接期間Ｔｃの動作については、図２と同様であるので、説明は繰り返さない。

上述した実施の形態１においては、初期期間Ｔｉの経過時間が基準時間Ｔitに達すると、初期期間送給速度設定信号Ｆirの波形パラメータを変化させて、平均初期送給速度Ｆｉが増加するようにしている。実施の形態１では、波形パラメータが正送期間と逆送期間との時間比率(初期時間比率設定信号Ｄir)である場合であるが、初期正送ピーク値設定信号Ｆsir又は初期逆送ピーク値Ｆrirであっても良く、これらのパラメータの組み合わせであっても良い。

波形パラメータとして初期正送ピーク値設定信号Ｆsirを使用するときは、図１の初期正送ピーク値設定回路ＦＳＩＲを以下の回路に置換すれば良い。
初期正送ピーク値設定回路ＦＳＩＲは、上記の初期期間タイマ信号Ｓtiを入力として、初期期間タイマ信号ＳtiがＨｉｇｈレベルに変化してからの経過時間(初期期間の経過時間)を計時し、経過時間が上記の基準時間未満のときは予め定めた初期値を初期正送ピーク値設定信号Ｆsirとして出力し、経過時間が上記の基準時間以上になったときは上記の初期値に予め定めた所定値を加算した値を初期正送ピーク値設定信号Ｆsirとして出力する。例えば、基準時間は１．３２秒、初期値は３０ｍ／分、所定値は２ｍ／分に設定される。

波形パラメータとして初期逆送ピーク値設定信号Ｆrirを使用するときは、図１の初期逆送ピーク値設定回路ＦＲＩＲを以下の回路に置換すれば良い。
初期逆送ピーク値設定回路ＦＲＩＲは、上記の初期期間タイマ信号Ｓtiを入力として、初期期間タイマ信号ＳtiがＨｉｇｈレベルに変化してからの経過時間(初期期間の経過時間)を計時し、経過時間が上記の基準時間未満のときは予め定めた初期値を初期逆送ピーク値設定信号Ｆrirとして出力し、経過時間が上記の基準時間以上になったときは上記の初期値に予め定めた負の値の所定値を加算した値を初期逆送ピーク値設定信号Ｆrirとして出力する。例えば、基準時間は１．３２秒、初期値は−３０ｍ／分、所定値は−２ｍ／分に設定される。

上述した実施の形態１においては、送給速度Ｆｗが台形波である場合であるが、正弦波、三角波等の波形であっても良い。

以下、実施の形態１の作用効果について説明する。実施の形態１では、変動によって送給抵抗値が大きくなり、平均初期送給速度Ｆｉが基準値(適正範囲の下限値)未満になったことを、初期期間Ｔｉの経過時間が基準時間Ｔit以上になったことによって判別している。比較的送給抵抗値が小さい場合は、初期期間Ｔｉの経過時間が基準時間Ｔit未満で溶接電流Ｉｗの通電が開始する(図２)。この場合には、初期期間中の送給速度Ｆｗの設定信号Ｆirの波形は、初期値のままであり、平均初期送給速度Ｆｉは適正範囲となる。そして、この場合には、スラグを除去して良好なアークスタートとなる。

変動によって送給抵抗値が大きくなると、初期期間Ｔｉの経過時間が基準時間Ｔitに達しても溶接電流Ｉｗは通電を開始しない(図３)。このような状態は、送給抵抗値が大きくなった影響を受けて送給速度Ｆｗの変化が緩やかになったためであり、平均初期送給速度Ｆｉは基準値未満になっている。平均初期送給速度Ｆｉが０又は負の値になっていることもある。このまま放置しておけば、溶接ワイヤ１はいつまで経っても母材２と接触せず、アークスタート不良となる。実施の形態１では、このような場合には、送給速度Ｆｗの設定信号Ｆirの波形パラメータを変化させて、平均初期送給速度Ｆｉが適正範囲になるようにしている。これにより、送給抵抗値が変動しても、溶接ワイヤ１を確実に母材２と接触させることができ、アークスタート不良を防止することができる。

平均初期送給速度Ｆｉを、送給モータＷＭの回転数を検出し、この回転数から算出することが考えられる。しかし、回転数から算出される送給速度の平均値は平均初期送給速度Ｆｉとは異なっている。送給速度Ｆｗは溶接トーチ先端部における溶接ワイヤの実際の速度であり、送給抵抗の影響を受けて変化する。溶接トーチ先端部における溶接ワイヤの速度を直接測定することは困難である。

上述した実施の形態１によれば、初期期間中の送給速度の平均値が基準値未満であることを判別したときは、送給速度の平均値が増加するように、送給速度の設定信号の波形パラメータを変化させる。ここで、送給速度の平均値を増加させるとは、元の平均値が負の値であるときは正の値にすることであり、０以上であるときはその値を大きくすることである。判別は、初期期間の経過時間が予め定めた基準時間以上になったことによって行われる。これにより、実施の形態１では、送給経路の送給抵抗値が変動しても、確実にアークスタートさせることができる。

［実施の形態２］
実施の形態２の発明は、平均初期送給速度が基準値未満になったことの判別を、送給開始時点から溶接ワイヤが母材と接触するまでの経過時間が予め定めた基準時間以上になったことによって行うものである。

図４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電源のブロック図である。同図は上述した図１と対応しており、同一ブロックには同一符号を付してそれらの説明は繰り返さない。同図は、図１にモータ電流検出回路ＩＭＤ及び初期接触期間タイマ回路ＳＴＳを追加し、図１の初期時間比率設定回路ＤＩＲを第２初期時間比率設定回路ＤＩＲ２に置換したものである。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。

モータ電流検出回路ＩＭＤは、送給モータＷＭのモータ電流を検出して清流・平滑し、モータ電流検出信号Ｉmdを出力する。このモータ電流検出信号Ｉmdは、正送期間と逆送期間との１周期当たりの平均電流値を検出していることになる。したがって、モータ電流検出信号Ｉmdは、正送期間と逆送期間との１周期当たりの平均トルクを検出していることになる。

初期接触期間タイマ回路ＳＴＳは、上記の初期期間タイマ信号Ｓti及び上記のモータ電流検出信号Ｉmdを入力として、初期期間タイマ信号ＳtiがＨｉｇｈレベル(初期期間)になるとＨｉｇｈレベルに変化し、モータ電流検出信号Ｉmdの値が予め定めた基準電流値以上になるとＬｏｗレベルに変化する初期接触期間タイマ信号Ｓtsを出力する。したがって、初期接触期間タイマ信号Ｓtsは、送給開始時点でＨｉｇｈレベルとなり、溶接ワイヤ１の先端が母材２と接触してトルクが大きくなり、モータ電流検出信号Ｉmdの値が基準電流値以上になるとＬｏｗレベルに変化する信号である。

第２初期時間比率設定回路ＤＩＲ２は、上記の初期接触期間タイマ信号Ｓtsを入力として、初期接触期間タイマ信号ＳtsがＨｉｇｈレベルに変化してからの経過時間を計時し、経過時間が予め定めた基準時間未満のときは予め定めた初期値を初期時間比率設定信号Ｄirとして出力し、経過時間が上記の基準時間以上になったときは上記の初期値に予め定めた所定値を加算した値を初期時間比率設定信号Ｄirとして出力する。

第２初期時間比率設定回路ＤＩＲ２において、基準時間は、以下のようにして設定される。但し、初期接触期間Ｔｓは溶接ワイヤが最初に母材と接触するまでの期間であるので、図１とは異なり、スラグ除去のために溶接ワイヤ先端と母材との衝突を繰り返す時間を考慮する必要はない。
１）溶接開始時点における溶接ワイヤ先端・母材間距離の最大値を想定する。
２）次に、平均初期送給速度の適正範囲の最小値を想定する。
３）次に、上記の溶接ワイヤ先端・母材間距離の最大値を上記の平均初期送給速度の最小値で除算して、所要時間を計算する。
４ａ）そして、この所要時間に余裕分を乗じて、基準時間が算出される。

基準時間は、例えば１．０８秒に設定される。この数値例は、溶接ワイヤ先端・母材間距離の最大値＝１５ｍｍ、平均初期送給速度の最小値＝１ｍ／分、余裕分＝２０％としたときの値である。これらのことから、送給開始時点(初期接触期間の開始時点)からの経過時間が基準時間に達しても、いまだ溶接電流が通電しないときは、送給経路の送給抵抗値が変動して大きくなり、平均初期送給速度Ｆｉが適正範囲の下限値未満になった場合であると推定することができる。したがって、経過時間が基準時間以上になったときは、初期時間比率を所定値だけ大きくして、平均初期送給速度が増加するようにしている。

本発明の実施の形態２に係るアーク溶接制御方法において、初期接触期間の経過時間が基準時間未満であるときの図４の溶接電源における溶接開始時の各信号のタイミングチャートは、図２と同一であるので、説明は繰り返さない。

図５は、本発明の実施の形態２に係るアーク溶接制御方法を示す、初期接触期間の経過時間が基準時間以上であるときの図４の溶接電源における溶接開始時の各信号のタイミングチャートである。すなわち、同図は、送給経路の送給抵抗値が変動によって大きくなった場合である。このために、初期期間中の送給速度Ｆｗの波形は、初期期間送給速度設定信号Ｆirの波形から変化が緩やかになるように変形しており、平均初期送給速度Ｆｉは負の値となっている。同図（Ａ）は溶接開始信号Ｓｔの時間変化を示し、同図（Ｂ）は送給速度Ｆｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｄ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｅ）は電流通電判別信号Ｃｄの時間変化を示し、同図（Ｆ）は短絡判別信号Ｓｄの時間変化を示し、同図（Ｇ）は初期期間タイマ信号Ｓtiの時間変化を示し、同図(Ｈ)は溶接ワイヤ先端と母材表面との距離である溶接ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗの時間変化を示し、同図(Ｉ)は初期接触期間タイマ信号Ｓtsの時間変化を示す。同図は上述した図３と対応しており、同一事項の説明は繰り返さない。以下、同図を参照して溶接開始時における各信号の動作について説明する。

［時刻ｔ１〜ｔ７の初期期間Ｔｉの動作］
時刻ｔ１〜ｔ３の期間中の動作は図３と同一であるので、説明は繰り返さない。

時刻ｔ３において、初期接触期間Ｔｓの経過時間が基準時間Ｔitに達したために、初期時間比率設定信号Ｄirの値が所定値だけ大きくなる。この結果、１周期に占める正送期間の比率が大きくなり、平均初期送給速度Ｆｉが正の値に変化する。したがって、時刻ｔ３〜ｔ４の周期において、正送期間が長くなり、逆送期間が短くなる。同図(Ｈ)に示すように、溶接ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗは、正送期間中は次第に短くなり、逆送期間中は次第に長くなる。但し、時刻ｔ３時点でのＬｗ値は時刻ｔ４時点でのＬｗ値よりも短くなる。すなわち、溶接ワイヤは平均的には正送されることになり、溶接ワイヤ先端は次第に母材に近づくことになる。

同図(Ｂ)に示すように、時刻ｔ４〜ｔ５の正送期間中の時刻４１において、溶接ワイヤ１の先端が母材２の表面と接触（衝突）すると、同図(Ｈ)に示すように、溶接ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗ＝０となる。溶接ワイヤ先端が母材と接触すると、正送が阻止される状態となるので、送給モータＷＭのトルクが大きくなる。このために、モータ電流検出信号Ｉmdの値が増加して、基準電流値以上となる。これに応動して、同図(Ｉ)に示すように、初期接触期間タイマ信号ＳtsはＬｏｗレベルに変化する。溶接ワイヤ１の先端が母材２と接触しても、溶接ワイヤ１の先端にスラグが付着しているために、非導通接触状態となる。このために、同図(Ｃ)に示すように、溶接電流Ｉｗは通電せず、同図(Ｄ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは無負荷電圧値のままである。時刻ｔ４１〜ｔ５の正送期間中の溶接ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗは０のままである。続く時刻ｔ５〜ｔ６の逆送期間中は、溶接ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗは０から次第に長くなる。

同図(Ｂ)に示すように、時刻ｔ６からの正送期間中の時刻ｔ７において、溶接ワイヤ１の先端が母材２の表面と再び接触（衝突）すると、同図(Ｈ)に示すように、溶接ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗ＝０となる。溶接ワイヤ１の先端に付着したスラグは時刻ｔ４１〜ｔ５の１回目の接触(衝突)によって削り取られて除去されたために、今回の接触では導通接触状態(短絡状態)となる。このために、同図(Ｃ)に示すように、溶接電流Ｉｗが通電を開始し、同図(Ｄ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは、無負荷電圧値から低下して数Ｖの短絡電圧値となる。これに応動して、時刻ｔ７において、同図(Ｅ)に示すように、電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベル(通電)となるので、同図(Ｇ)に示すように、初期期間タイマ信号ＳtiがＬｏｗレベルに変化して初期期間Ｔｉが終了する。時刻ｔ７において、同図(Ｆ)に示すように、短絡判別信号ＳｄはＨｉｇｈレベル(短絡）となる。

同図においては、時刻ｔ１に送給を開始してから時刻ｔ３に初期接触期間Ｔｓの経過時間が基準時間Ｔitに達するまでの期間、及び時刻ｔ３から時刻ｔ４１に１回目の接触(衝突)が発生するまでの期間は、実際にはそれぞれ数十周期となる。また、同図においては、２回目の接触(衝突)によってスラグが削り取られて導通状態となった場合であるが、スラグ付着状態がひどいときには十数回の接触を繰り返す場合もある。溶接ワイヤ１の先端にスラグがほとんど付着していないときには、１回目の接触で導通状態となる場合もある。本実施の形態では、溶接ワイヤ１の先端部がスラグ付着状態であっても、必ず導通状態に導くことができる。

時刻ｔ７以降の定常溶接期間Ｔｃの動作については、図２と同様であるので、説明は繰り返さない。

以下、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では、変動によって送給抵抗値が大きくなり、平均初期送給速度Ｆｉが基準値(適正範囲の下限値)未満になったことを、初期接触期間Ｔｓの経過時間が基準時間Ｔit以上になったことによって判別している。比較的送給抵抗値が小さい場合は、初期接触期間Ｔｓの経過時間が基準時間Ｔit未満で溶接電流Ｉｗの通電が開始する(図２)。この場合には、初期期間中の送給速度Ｆｗの設定信号Ｆirの波形は、初期値のままであり、平均初期送給速度Ｆｉは適正範囲となる。そして、この場合には、スラグを除去して良好なアークスタートとなる。

変動によって送給抵抗値が大きくなると、初期接触期間Ｔｓの経過時間が基準時間Ｔitに達しても溶接電流Ｉｗは通電を開始しない(図５)。このような状態は、送給抵抗値が大きくなった影響を受けて送給速度Ｆｗの変化が緩やかになったためであり、平均初期送給速度Ｆｉは基準値未満になっている。平均初期送給速度Ｆｉが０又は負の値になっていることもある。このまま放置しておけば、溶接ワイヤ１はいつまで経っても母材２と接触せず、アークスタート不良となる。実施の形態２では、このような場合には、送給速度Ｆｗの設定信号Ｆirの波形パラメータを変化させて、平均初期送給速度Ｆｉを増加させて適正範囲になるようにしている。これにより、送給抵抗値が変動しても、溶接ワイヤ１を確実に母材２と接触させることができ、アークスタート不良を防止することができる。さらに、本実施の形態では、実施の形態１のときのように衝突繰り返し時間を考慮する必要がなく、溶接ワイヤ１が最初に母材２と接触するまでの経過時間で判別することができる。このために、本実施の形態では、実施の形態１よりも迅速にかつ確実に、平均初期送給速度Ｆｉが基準値未満になったことを判別することができる。

上述した実施の形態２によれば、初期期間中の送給速度の平均値が基準値未満であることを判別したときは、送給速度の平均値が増加するように、送給速度の設定信号の波形パラメータを変化させる。判別は、初期接触期間の経過時間が予め定めた基準時間以上になったことによって行われる。これにより、実施の形態２では、送給経路の送給抵抗値が変動しても、実施の形態１よりも迅速にかつ確実にアークスタートさせることができる。

［実施の形態３］
実施の形態３の発明は、平均初期送給速度が基準値未満になったことの判別を、送給開始時点から溶接ワイヤが母材と最初に接触するまでの期間中の送給モータのトルクが予め定めた基準トルク以上になったことによって行うものである。

図６は、本発明の実施の形態３に係るアーク溶接制御方法を実施するための溶接電源のブロック図である。同図は上述した図４と対応しており、同一ブロックには同一符号を付してそれらの説明は繰り返さない。同図は、図４にトルク比較回路ＣＭを追加し、図４の第２初期時間比率設定回路ＤＩＲ２を第３初期時間比率設定回路ＤＩＲ３に置換したものである。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。

トルク比較回路ＣＭは、上記のモータ電流検出信号Ｉmd及び上記の初期接触期間タイマ信号Ｓtsを入力として、初期接触期間タイマ信号ＳtsがＨｉｇｈレベルであるときに、モータ電流検出信号Ｉmdの値が予め定めた第２基準電流値以上になるとＨｉｇｈレベルとなるトルク比較信号Ｃｍを出力する。モータ電流検出信号Ｉmdは、上述したように、送給モータＷＭの平均トルクと比例関係にあり、第２基準電流値は平均初期送給速度Ｆｉが基準値未満となるときの送給抵抗値に対応した基準トルクとなる。したがって、このトルク比較信号Ｃｍは、初期接触期間Ｔｓ中の送給モータＷＭのトルクが基準トルク以上になるとＨｉｇｈレベルになる信号である。

上記の第２基準電流値は、図４の第２初期時間比率設定回路ＤＩＲ２における基準電流値よりも小さな値に設定される。すなわち、第２基準電流値は、送給抵抗値が大きくなり平均初期送給速度Ｆｉが基準値未満となるときの送給モータＷＭのトルクに基づいて設定される。このトルクは、溶接ワイヤが母材と接触したときのトルクよりも小さいので、第２基準電流値＜基準電流値となる。

第３初期時間比率設定回路ＤＩＲ３は、上記の初期接触期間タイマ信号Ｓts及び上記のトルク比較信号Ｃｍを入力として、初期接触期間タイマ信号ＳtsがＨｉｇｈレベルであるときに、トルク比較信号ＣｍがＬｏｗレベルであるときは予め定めた初期値を初期時間比率設定信号Ｄirとして出力し、トルク比較信号ＣｍがＨｉｇｈレベルになると上記の初期値に予め定めた所定値を加算した値を初期時間比率設定信号Ｄirとして出力する。

本発明の実施の形態３に係るアーク溶接制御方法において、初期接触期間中の送給モータのトルクが第２基準電流値未満であるときの図６の溶接電源における溶接開始時の各信号のタイミングチャートは、図２と同一であるので、説明は繰り返さない。

図７は、本発明の実施の形態３に係るアーク溶接制御方法を示す、初期接触期間中の送給モータ電流が第２基準電流値以上であるときの図６の溶接電源における溶接開始時の各信号のタイミングチャートである。すなわち、同図は、送給経路の送給抵抗値が変動によって大きくなった場合である。このために、初期期間中の送給速度Ｆｗの波形は、初期期間送給速度設定信号Ｆirの波形から変化が緩やかになるように変形しており、平均初期送給速度Ｆｉは負の値となっている。同図（Ａ）は溶接開始信号Ｓｔの時間変化を示し、同図（Ｂ）は送給速度Ｆｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｄ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｅ）は電流通電判別信号Ｃｄの時間変化を示し、同図（Ｆ）は短絡判別信号Ｓｄの時間変化を示し、同図（Ｇ）は初期期間タイマ信号Ｓtiの時間変化を示し、同図(Ｈ)は溶接ワイヤ先端と母材表面との距離である溶接ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗの時間変化を示し、同図(Ｉ)はトルク比較信号Ｃｍの時間変化を示す。同図は上述した図５と対応しており、同一事項の説明は繰り返さない。以下、同図を参照して溶接開始時における各信号の動作について説明する。

［時刻ｔ１〜ｔ７の初期期間Ｔｉの動作］
時刻ｔ１において、同図(Ａ)に示すように、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベル（溶接開始）に変化すると、同図(Ｇ)に示すように、初期期間タイマ信号ＳtiがＨｉｇｈレベルに変化して初期期間Ｔｉが開始する。同時に、図示していないが、初期接触期間タイマ信号ＳtsがＨｉｇｈレベルに変化して、初期接触期間Ｔｓが開始する。

時刻ｔ１〜ｔ２の周期中において、正送期間中の送給速度Ｆｗは、０から加速し、所定の初期正送ピーク値Ｆsiに到達するとその値を維持し、所定の期間が経過すると０まで減速する。初期正送ピーク値Ｆsiは、初期正送ピーク値設定信号Ｆsirによって設定される。時刻ｔ１〜ｔ２の周期中において、逆送期間中の送給速度Ｆｗは、０から加速し、所定の負の値である初期逆送ピーク値Ｆriに到達するとその値を維持し、所定の期間が経過すると０まで減速する。初期逆送ピーク値Ｆriは、初期逆送ピーク値設定信号Ｆrirによって設定される。

同図(Ｈ)に示すように、溶接ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗは、時刻ｔ１〜ｔ２の１周期中の正送期間中は次第に短くなり、逆送期間中は次第に長くなる。但し、時刻ｔ２時点でのＬｗの値は、時刻ｔ１時点でのＬｗの値よりも長くなっている。これは、１周期あたりの送給速度Ｆｗの平均値(平均初期送給速度Ｆｉ)が負の値になっているためである。

時刻ｔ１〜ｔ２の周期中は、図示していないモータ電流検出信号Ｉmdの値は平滑されているので、次第に増加する。このために、モータ電流検出信号Ｉmdの値が第２基準電流値未満となり、同図(Ｉ)に示すように、トルク比較信号ＣｍはＬｏｗレベルのままとなる。

時刻ｔ２において、送給抵抗値が大きいためにモータ電流検出信号Ｉmdの値が第２基準電流値以上となるので、同図(Ｉ)に示すように、トルク比較信号ＣｍがＨｉｇｈレベルに変化する。これに応動して、初期時間比率設定信号Ｄirの値が所定値だけ大きくなる。この結果、１周期に占める正送期間の比率が大きくなり、平均初期送給速度Ｆｉが増加して正の値に変化する。したがって、時刻ｔ２〜ｔ３の周期において、正送期間が長くなり、逆送期間が短くなる。同図(Ｈ)に示すように、溶接ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗは、正送期間中は次第に短くなり、逆送期間中は次第に長くなる。但し、時刻ｔ２時点でのＬｗの値は時刻ｔ３時点でのＬｗの値よりも短くなる。すなわち、溶接ワイヤ１は平均的には正送されることになり、溶接ワイヤ１の先端は次第に母材２に近づくことになる。時刻ｔ３〜ｔ４の期間の動作も時刻ｔ２〜ｔ３の期間と同様である。

同図(Ｂ)に示すように、時刻ｔ４〜ｔ５の正送期間中の時刻４１において、溶接ワイヤ１の先端が母材２の表面と接触（衝突）すると、同図(Ｈ)に示すように、溶接ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗ＝０となる。溶接ワイヤ先端が母材と接触すると、正送が阻止される状態となるので、送給モータＷＭのトルクが大きくなる。このために、モータ電流検出信号Ｉmdの値が増加して、基準電流値以上となる。これに応動して、図示していないが、初期接触期間タイマ信号ＳtsはＬｏｗレベルに変化する。これにより、初期接触期間Ｔｓが終了する。溶接ワイヤ１の先端が母材２と接触しても、溶接ワイヤ１の先端にスラグが付着しているために、非導通接触状態となる。このために、同図(Ｃ)に示すように、溶接電流Ｉｗは通電せず、同図(Ｄ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは無負荷電圧値のままである。時刻ｔ４１〜ｔ５の正送期間中の溶接ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗは０のままである。続く時刻ｔ５〜ｔ６の逆送期間中は、溶接ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗは０から次第に長くなる。

同図(Ｂ)に示すように、時刻ｔ６からの正送期間中の時刻ｔ７において、溶接ワイヤ１の先端が母材２の表面と再び接触（衝突）すると、同図(Ｈ)に示すように、溶接ワイヤ先端・母材間距離Ｌｗ＝０となる。溶接ワイヤ１の先端に付着したスラグは時刻ｔ４１〜ｔ５の１回目の接触(衝突)によって削り取られて除去されたために、今回の接触では導通接触状態(短絡状態)となる。このために、同図(Ｃ)に示すように、溶接電流Ｉｗが通電を開始し、同図(Ｄ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは、無負荷電圧値から低下して数Ｖの短絡電圧値となる。これに応動して、時刻ｔ７において、同図(Ｅ)に示すように、電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベル(通電)となるので、同図(Ｇ)に示すように、初期期間タイマ信号ＳtiがＬｏｗレベルに変化して初期期間Ｔｉが終了する。時刻ｔ７において、同図(Ｆ)に示すように、短絡判別信号ＳｄはＨｉｇｈレベル(短絡）となる。

同図においては、時刻ｔ１に送給を開始してから時刻ｔ２にトルク比較信号ＣｍがＨｉｇｈレベルになるまでの期間が数周期となる場合もある。時刻ｔ２から時刻ｔ４１に１回目の接触(衝突)が発生するまでの期間は、実際には数十周期となる。また、同図においては、２回目の接触(衝突)によってスラグが削り取られて導通状態となった場合であるが、スラグ付着状態がひどいときには十数回の接触を繰り返す場合もある。溶接ワイヤ１の先端にスラグがほとんど付着していないときには、１回目の接触で導通状態となる場合もある。本実施の形態では、溶接ワイヤ１の先端部がスラグ付着状態であっても、必ず導通状態に導くことができる。

時刻ｔ７以降の定常溶接期間Ｔｃの動作については、図２と同様であるので、説明は繰り返さない。

以下、実施の形態３の作用効果について説明する。実施の形態３では、変動によって送給抵抗値が大きくなり、平均初期送給速度Ｆｉが基準値(適正範囲の下限値)未満になったことを、モータ電流検出信号Ｉmdの値が第２基準電流値以上になったことによって判別している。比較的送給抵抗値が小さい場合は、モータ電流検出信号Ｉmdの値が第２基準電流値未満の状態で溶接ワイヤが母材と接触する。（図２)。この場合には、初期期間中の送給速度Ｆｗの設定信号Ｆirの波形は、初期値のままであり、平均初期送給速度Ｆｉは適正範囲となる。そして、この場合には、スラグを除去して良好なアークスタートとなる。

変動によって送給抵抗値が大きくなると、初期接触期間Ｔｓが終了するまでにモータ電流検出信号Ｉmdの値が第２基準電流値以上となる(図７)。このような状態は、送給抵抗値が大きくなった影響を受けて送給速度Ｆｗの変化が緩やかになったためであり、平均初期送給速度Ｆｉは基準値未満になっている。平均初期送給速度Ｆｉが０又は負の値になっていることもある。このまま放置しておけば、溶接ワイヤ１はいつまで経っても母材２と接触せず、アークスタート不良となる。実施の形態３では、このような場合には、送給速度Ｆｗの設定信号Ｆirの波形パラメータを変化させて、平均初期送給速度Ｆｉが増加して適正範囲になるようにしている。これにより、送給抵抗値が変動しても、溶接ワイヤ１を確実に母材２と接触させることができ、アークスタート不良を防止することができる。さらに、本実施の形態では、実施の形態１及び２のときよりも平均初期送給速度Ｆｉが基準値未満であることを早期に判別することができるので、アークスタートにかかる時間を短縮することができる。

上述した実施の形態３によれば、初期期間中の送給速度の平均値が基準値未満であることを判別したときは、送給速度の平均値が増加するように、送給速度の設定信号の波形パラメータを変化させる。判別は、送給開始時点から溶接ワイヤが母材と最初に接触するまでの期間中の送給モータのトルク(モータ電流検出信号Ｉmd)が予め定めた基準トルク(第２基準電流値)以上になったことによって行われる。これにより、実施の形態３では、送給経路の送給抵抗値が変動しても、実施の形態１及び２よりも早期にかつ確実にアークスタートさせることができる。

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
ＣＤ 電流通電判別回路
Ｃｄ 電流通電判別信号
ＣＭ トルク比較回路
Ｃｍ トルク比較信号
ＤＩＲ 初期時間比率設定回路
Ｄir 初期時間比率設定信号
ＤＩＲ２ 第２初期時間比率設定回路
ＤＩＲ３ 第３初期時間比率設定回路
ＤＶ 駆動回路
Ｄｖ 駆動信号
Ｅ 出力電圧
Ｅａ 誤差増幅信号
ＥＤ 出力電圧検出回路
Ｅｄ 出力電圧検出信号
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＲ 出力電圧設定回路
Ｅｒ 出力電圧設定信号
ＥＶ 電圧誤差増幅回路
Ｅｖ 電圧誤差増幅信号
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＦＣＲ 定常溶接期間送給速度設定回路
Ｆcr 定常溶接期間送給速度設定信号
Ｆｉ 平均初期送給速度
ＦＩＲ 初期期間送給速度設定回路
Ｆir 初期期間送給速度設定信号
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
Ｆrc 定常逆送ピーク値
ＦＲＣＲ 定常逆送ピーク値設定回路
Ｆrcr 定常逆送ピーク値設定信号
Ｆri 初期逆送ピーク値
ＦＲＩＲ 初期逆送ピーク値設定回路
Ｆrir 初期逆送ピーク値設定信号
Ｆsc 定常正送ピーク値
ＦＳＣＲ 定常正送ピーク値設定回路
Ｆscr 定常正送ピーク値設定信号
Ｆsi 初期正送ピーク値
ＦＳＩＲ 初期正送ピーク値設定回路
Ｆsir 初期正送ピーク値設定信号
ＦＷ 送給速度
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＨＲ ホットスタート電流設定回路
Ｉhr ホットスタート電流設定信号
ＩＭＤ モータ電流検出回路
Ｉmd モータ電流検出信号
Ｉｗ 溶接電流
Ｌｗ 溶接ワイヤ先端・母材間距離
ＰＭ 電源主回路
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
Ｓｉ 初期周波数
ＳＩＲ 初期周波数設定回路
Ｓir 初期周波数設定信号
ＳＴ 溶接開始回路
Ｓｔ 溶接開始信号
ＳＴＩ 初期期間タイマ回路
Ｓti 初期期間タイマ信号
ＳＴＳ 初期接触期間タイマ回路
Ｓts 初期接触期間タイマ信号
ＳＷ 電源特性切換回路
Ｔｃ 定常溶接期間
Ｔｉ 初期期間
Ｔit 基準時間
Ｔｓ 初期接触期間
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＬ リアクトル
ＷＭ 送給モータ

Claims (1)

1. 溶接を開始する際に、溶接ワイヤの送給開始時点から溶接電流の通電開始時点までの初期期間中は、送給速度を正送期間と逆送期間とに交互に切り換える正逆送給制御を行うアーク溶接制御方法において、
   前記初期期間中の前記送給速度の平均値が基準値未満であることを判別したときは、前記送給速度の前記平均値が増加するように前記送給速度の設定信号の波形パラメータを変化させ、
   前記判別を、
   （１）前記初期期間の経過時間が予め定めた基準時間以上になったこと、
   （２）前記送給開始時点からの経過時間が前記溶接ワイヤが母材と最初に接触するまでに予め定めた基準時間に達したこと、
   又は、（３）前記送給開始時点から前記溶接ワイヤが母材と最初に接触するまでの期間中の送給モータのトルクが予め定めた基準トルク以上になったこと、
   のいずれか一つによって行う、
   ことを特徴とするアーク溶接制御方法。

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