JPH078434B2 - 短絡移行溶接電源の制御方法および装置 - Google Patents

短絡移行溶接電源の制御方法および装置

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JPH078434B2
JPH078434B2 JP58074531A JP7453183A JPH078434B2 JP H078434 B2 JPH078434 B2 JP H078434B2 JP 58074531 A JP58074531 A JP 58074531A JP 7453183 A JP7453183 A JP 7453183A JP H078434 B2 JPH078434 B2 JP H078434B2
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隆明 小笠原
徳治 丸山
敬 斉藤
正晴 佐藤
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Kobe Steel Ltd
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00Arc welding or cutting
    • B23K9/10Other electric circuits therefor; Protective circuits; Remote controls

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Arc Welding Control (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 この発明は短絡移行溶接に用いる溶接電極の制御方法と
装置に関する。
〔従来技術の問題点〕
ガスシールド溶接において溶接ワイヤと母材間で短絡と
アーク発生とをくり返しながら溶接を行なう。
短絡移行溶接におけるスパツタの多くは、短絡が破れア
ーク再生する瞬間に発生し、またアーク再生時の電流が
高い程大粒のスパツタが発生することも明らかになつて
いる。ところが従来のリアクトルにより電流の上昇を遅
らせるだけの定電圧電源では第1図に示すようにアーク
再生時の電流が高いため非常にスパツタが多かつた。こ
の原因に着目してアーク再生時の電流を下げることが試
みられているがまた実用に至つていない。たとえばWeld
ing Research international Vol.4,No.2,1974には、大
電流通電期間と短絡期の中央期間に限定させ、大電流期
間中消耗電極ワイヤと母材間の電圧を検出し、アーク再
生の前兆としての溶滴のくびれが発生した時の電圧を設
定しておき、検出電圧がある設定電圧と等しくなつた時
大電流期間を終了させるようにプログラム制御してスパ
ツタを抑制する技術が開示されている。しかしながら、
前記文献にも記載されているように、実用にあたって
は、ワイヤ突出長の変動によつて、この部分の電圧降下
が変動するため、溶滴のくびれた時の電圧が一定になら
ず、大電流期間の終了を指示する時期に誤差を生じ、安
定してスパツタを防止することができない。
周知のようにこの種のスパツタの発生は溶接の品質を低
下させ、またスパツタを除去するために煩雑な作業が必
要であり溶接の作業能率を低下させる。
発明の目的 この発明は従来の短絡移行溶接における上述の問題を解
決するためになされたものであつて、溶接ワイヤのくび
れが生じる時期を適確に検出して、溶接ワイヤ電流を抑
制することにより、スパツタの発生を防止し、溶接の品
質を向上させ、かつ溶接作業の能率向上を可能にする溶
接電源の制御方法と装置を提供することを目的とするも
のである。
発明の概要 この発明に係る溶接電源の制御方法においては、短絡移
行溶接において、溶接ワイヤと母材間の電圧の時間に関
する微分値を検知し、その微分値が所定の値に達したと
き、溶接ワイヤ電流を低減させる。
またこの発明に係る溶接電源の制御装置においては溶接
ワイヤと母材間の電圧値を検出する検出手段と、電圧値
を微分する微分回路と、電圧の微分値が設定値に達した
ことを検出する比較回路と、電圧の微分値が設定値に達
したとき溶接ワイヤに流れる電流を低減させる制御手段
とを備えている。
発明の原理 第2図は短絡移行溶接装置の概略を示しており、101は
溶接電源、102は給電ケーブル、103は図示されないモー
タで送給される溶接ワイヤであり、この溶接ワイヤ102
は溶接トーチ104を通つて母材106へ向かつて突出してお
り、母材106と溶接ワイヤ103間にアーク105が発生して
いる。溶接トーチ104からの溶接ワイヤ103は、母材106
との間で短絡とアーク発生とを適宜時間間隔でくり返し
て、公知の短絡移行溶接を行なう。
第3図は上述の短絡移行溶接時における溶接ワイヤ電圧
波形、電流波形ならびに溶接ワイヤ103と母材106との間
の位置関係を示したものであり、各図において、a,d,c,
d,eはそれぞれの溶接状態を示す。即ちアーク発生中a
から徐々にアーク長が短かくなり、短絡bに至る。この
とき電流を上昇させて、ある一定値に保持する。溶滴が
最も強固に、母材106に結合した時点cを経過した後、
溶接ワイヤ3の先端がくびれ始めたd点後、溶接電流を
急激に低下させて、電流が充分に低下した時点eにてア
ーク再生に移行する。
第3図から明らかなようにc点からd点に至る間電流が
一定であるにもかかわらず、電圧はd点近傍で上昇す
る。これはd点近傍では、溶接ワイヤのくびれが生じ、
ワイヤ先端の溶融部の断面積が減少し抵抗が増加したこ
とに主因がある。そこで短絡時の電圧を検出しその電圧
の時間的変化量すなわち電圧Vの微分値dv/dtがある所
定値に達した時に電流を下げればスパツタを抑制でき
る。
実施例 以下にこの発明の実施例を図面とともに説明する。
第4図において溶接トーチ104と母材106間の電圧Vを検
出する電圧検出器110の出力信号は微分回路113に印加さ
れ、この検出された電圧Vは微分回路113で時間tにつ
いて微分され、該微分回路113は を出力する。
この は比較回路114に印加され、設定器115によつて設定され
た設定値と比較して電圧微分値が設定値より大となつた
とき、この比較器114は制御信号を溶接電源101に印加し
て、スイツチ120を低電流側の設定器121に切り換えて、
溶接電流101の出力電流、したがつて溶接ワイヤ103の電
流を低減させる。
設定器115の設定値は溶接ワイヤにくびれが生じる時の
溶接ワイヤと母材間の電圧値の微分値に対応して定めら
れる。
なお122は溶接時の電流設定器であり、また溶接電源101
は誤差増幅器101aに電流設定器121,122のいずれかから
印加される設定値と電流検出器112から検出される溶接
ワイヤ電流との偏差に応じて電力制御回路101bの出力電
流を電流設定器121,122のいずれかで設定された値にな
るように制御する。
上述の装置のよる溶接において、第3図のa,b,c,e部の
溶接電圧、溶接電流の制御方法は従来のものと同じであ
る。
上述の設定器115から出力される設定値は以下のように
定められる。第5図のg1,h1,i1,l1は短絡時間が略2msec
の電流波形でjは短絡時間が3msecのものである。g1〜j
1は短絡電流が一定に制御されており、l1は短絡電流が
時間と共に増加している。第6図は、第5図の電流波形
g1,h1,i1,j1,k1に相当する電圧波形でワイヤ突出長が16
mm,20mm,12mm,16mm,17mmと異なつている。
第7図は第6図の電圧を時間tで微分した波形である。
短絡電流を下げても、アークが再生する溶滴のくびれ
は、電圧波形でG21,H21,I21,J21点である。G21〜J21
はワイヤ突出長と短絡時間により左右されることがわか
る。したがつて上述の設定器115によつて設定する設定
値、即ち、溶接ワイヤのくびれを検知するレベルをワイ
ヤ突出長や短絡時間に応じてG21〜J21に変えればよいが
ワイヤ突出長は溶接者の手ぶれにより時々刻々変化し、
短絡時間も溶融池の振動やワイヤ送給速度変動などによ
り主として1〜4msecの間で変動する。したがつて従来
のように単に溶接ワイヤの電圧を検出するだけでは正確
なくびれ検出はできない。
それ故この発明においては上述のように により溶接ワイヤのくびれを検出する。その方法として
は (1) が一定値K1(たとえばG31〜J31の平均値)に達した時を
くびれが生じたものを判断し電流を下げれば、ワイヤ突
出長や短絡時間に大きく左右されずにスパツタを減少さ
せることができる。すなわち理想的なK1値はワイヤ突出
長、短絡時間によつてG31〜J31と変化するがその平均値
を用いてもよい。
(2) 更により確実にスパツタを減少させるために
は、ワイヤ突出長、短絡時間に応じた理想的なK1値すな
わちG31〜J31のうちくびれに起因する電圧微分量と溶接
ワイヤの温度上昇に伴なう抵抗変化による電圧微分値と
を分離する必要がある。
第6図に見られるようにくびれ発生点G21〜J21から遠い
部分においても電圧はわずかに上昇している。この電圧
上昇は溶接ワイヤのくびれに関係のないものであるがワ
イヤ突出長、短絡時間によつて変わつている。この電圧
変化量は、第7図の電圧微分値で表わすとそれぞれ、1m
sec付近における値G32〜J32である。この電圧微分値
は、後述するようにワイヤ突出長の抵抗が短絡電流によ
り上昇することから生じる。従つてくびれに起因した電
圧微分値をK2とすると K2≒G31−G32≒……≒J31−J32≒一定である。
ワイヤ突出長部の抵抗変化は、短絡電流によりこの部分
の温度が上昇し、鋼は温度が上昇すると抵抗が増加する
ために起こるもので、概ね下式にて表現される。
△R:抵抗変化 β:温度による抵抗変化率 R:短絡直流の抵抗 IP:短絡電流 J:4.2(定数) ρ:密度 C:比熱 d:ワイヤ径 いま短電流IPは一定になるように制御しており、かつワ
イヤ径が決まつているので とおくと △R=kR△tと表わされ、 △V=△R・IP=kR△t・IP=kV△t (3) (∵V=R・IP)とみなせる、すなわち、抵抗変化によ
る電圧微分値dv/dt=△v/△t=kvである。
このkvは第6においてG32〜J32に相当している。従つて
設定器115の設定値として、溶接ワイヤ電圧V、ある定
数kを乗算した値kVを用いてdV/dt≧K2+kVの時くびれ
が生じたものと判断し、電流を下げれば突出長や短絡時
間に左右されずにスパツタを減少させることが更に確実
になる。
(3) 式(1)のIPは平均溶接電流を変えると最適値
は変化してくる。平均電流はワイヤ送給速度に略比例す
るものであるからワイヤ送給速度により変化すると言つ
ても良い。IP=一定とした時に(2)式が成立したわけ
であるからIPが他の値になつた時は、設定器115の設定
値をIPに応じて変化してもよい。
(4) またワイヤ電流iが時間と共に増加する場合に
は、電流増加分による電圧増加分を除去するため電流i
の時間微分di/dtを求め、ある比例定数kを乗したkdi/d
tを演算し、定数k1を加えて設定器115の設定値として dV/dt≧K1+kdi/dtとなつたとき電流を低減してもよ
い。たとえば、第5図のl1のような電流波形の場合は電
流増加のため第6図のl2のような電圧波形を示す。第7
図のl3はくびれに関係ない電流増加による電圧微分値を
示しており kdi/dt=l3とし、K1としてG31〜J31の平均値(≒G31
を設定しておき dV/dt≧K1+kdi/dt=G31+l3のときくびれが生じたもの
とみなし電流を下げることでスパツタを減少させ得る。
上述の(1)設定値を得るためには、第4図における設
定器115を単なるポテンシオメータとすればよい。この
場合には電圧検出器110,電流検出器112の信号を設定器1
15に印加することは不要である。
また(2)の設定値を得るためには設定器115は、第8
図に示すように、電圧検出器110の信号を定数kとして
増幅器130により増幅し、これを加算器131に印加して、
設定器132から印加される定数k2との和をとつてk2+kV
を出力すればよい。
さらに(4)の設定値を得るためには、設定器115は第
9図に示すように、電流検出器112の信号を微分回路140
で時間微分し、その を増幅器141で増幅して とし、これを加算器142に印加して、設定器143から印加
される定数k1との和をとり を出力すればよい。
なお、第4図の回路において溶接電源101が、チヨツパ
式或いはインバータ式であつて、その出力電圧はリツプ
ルを含む場合には電圧検出器110,電流検出器112にそれ
ぞれローパスフイルタを設ければよい。
実験結果 溶接電流を150A,溶接電圧を20V,溶接ワイヤ送給速度を2
0cm/min,シールドガスCO2 20/min,の条件で1.2mmφの
溶接ワイヤを用い、12mm厚の母材に半自動溶接でビード
オンプレート溶接を10分間行ないシールドノズルに付着
したスパツタ量を比較した。
なお溶接電源として (I) 市販サイリスタ型溶接電源(くびれ検出による
溶接電流の制御なし) (II) 本発明による第1の装置、第3図のdのタイミ
ングにおいて溶接ワイヤと母材間の電圧Vについて となつたとき溶接ワイヤ電流を50Aに低下する。
(III) 本発明による第2の装置:第3図のdのタイ
ミングにおいて となつたとき溶接ワイヤ電流を50Aに低下する。
この実験により下表のような結果を得た。
発明の効果 以上詳述したようにこの発明は短絡移行溶接において、
短絡からアーク再発生の間に溶接ワイヤと母材間の電圧
Vの時間的変化 を検出し、この が設定値に達したとき溶接ワイヤの電流を低減するよう
にしたから溶接ワイヤのくびれの発生を確実に検知し、
これに対応して電流を低減することにより、スパツタの
発生を低減させることができ、結果的に高品質の溶接が
行なえるとともに、溶接作業能率を向上することができ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は短絡移行溶接の一例を示す波形図、第2図は溶
接装置の概略を示す電気回路図、第3図は短絡移行溶接
の電圧、電流波形を溶接ワイヤの状態と併せて示す図、
第4図はこの発明の一実施例を示すブロツク図、第5図
ないし第7図は溶接ワイヤの電流、電圧および電圧微分
値の変化を示すグラフ、第8図と第9図は第4図の実施
例の設定器の変形例を示すブロツク図である。 101……溶接電源、103……溶接ワイヤ、106……母材、1
10……電圧検出器、112……電流検出器、113……微分回
路、114……比較器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 正晴 神奈川県鎌倉市手広731−1 (56)参考文献 特開 昭58−29575(JP,A) 特開 昭57−199565(JP,A) 特開 昭55−8397(JP,A)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】短絡を伴う溶接に用いる電源の制御方法に
    おいて、短絡時の溶接ワイヤと母材間の電圧Vの時間的
    変化dv/dtが溶接ワイヤと母材間の電圧または電流の関
    数である所定値に達したとき、電源の出力電流を低減す
    ることを特徴とする短絡移行溶接電源の制御方法。
  2. 【請求項2】出力電流可変の溶接電源と、溶接ワイヤと
    母材間の電圧を検出する電圧検出手段と検出された電圧
    値の時間的変化量を演算する手段と、溶接ワイヤと母材
    間の電圧を表す値と定数との和を出力する回路かまたは
    溶接電流の微分値を表す値と定数との和を出力する回路
    を有する設定手段と、電圧の時間的変化が設定手段で設
    定された所定値を越えたことを検出する比較手段とを備
    え比較手段の信号によって溶接電源の出力電流を低減す
    ることを特徴とする短絡移行溶接電源の制御装置。
JP58074531A 1983-04-26 1983-04-26 短絡移行溶接電源の制御方法および装置 Expired - Lifetime JPH078434B2 (ja)

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