JPS6228075A - 消耗電極式ア−ク溶接機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ＣＯ２ガスやアルゴンガス等で構成されるシ
ールドガスによって溶接部を遮断し、消耗電極ワイヤを
溶接部に連続的に送給して溶融溶接を行う消耗電極式ア
ーク溶接機に関するものである。

従来の技術 消耗電極アーク溶接用電源としては、通常定電圧特性の
ものが用いられ、最近では出力制御にトランジスタなど
の制御１１Ｍ子を用いることが行なわれている。この様
な出力制御方式の電源に於て、アーク溶接を行う場合、
負荷状態が短絡とアークとを繰り返し行う場合、短絡時
における負荷電流の立ち上がりなどの短絡特性は、溶接
作業性に大きな影響を与える。この場合、通常は溶接出
力回路中にインダクタンスを設け、短絡特性の調整を行
うことにより、作業性の改善を図っている。しかし、実
際の溶接時においては、採用する溶接電流、溶接速度、
溶接姿勢などにより最適なインダクタンス量は異なるが
、平均的使用状態に合わせてインダクタンス量を決定し
ている。これは、インダクタンス量の調整が容易でない
ことと、ｆｌｆｆｉが重く、高価になるために、実際的
にインダクタンス量が調整可能となっていないためであ
る。

これに対し、出力制御ｌＩＸ子としてサイリスタやトラ
ンジスタなどの半導体素子を用いる溶接電源においては
、溶接状態を検出して、即ちアーク発生状態であるか、
短絡状態であるかを検出し、短絡状態である時には、溶
接電流の立ち上がりを、出力制御素子の導通状態を変化
せしめて、制御することにより、溶接特性の改善を行う
ことが行なわれている。

このような従来の消耗電極式アーク溶接懇について第５
図〜第１１図を用いて説明する。第５図は従来の消耗電
極式アーク溶接機の回路ブロック図で、１は整流装置、
２はリモコン、３は一元化回路、４はワイヤ送給指令回
路、５は電圧指令回路、６は出力電圧検出回路、７はパ
ルス幅変調回路、８はドライバー回路、９は短絡検出回
路、１０は波形制御回路、１１は溶接電流検出回路、１
２は演舞回路、１３はワイヤ送給モータ、Ｌｌはフィル
タチョーク、Ｃ１はコンデンサ、Ｑ１〜Ｑ４はパワート
ランジスタ、ＭＴは主トランス、ＭＴｌは１次巻線、Ｍ
Ｔ２は２次巻線、Ｄｌ、Ｃ２はダイオード、Ｌ２はりア
クタ−である。

３相入力は整流装置１により全波整流され、フィルタチ
ョークＬ１を通してコンデンサＣ１によって平滑され、
−回置流化される。直流化された電力は、パワートラン
ジスタ０１〜Ｑ４により高い周波数の交流に変換される
。この様子を第６図を用いて説明する。ある時間ｔ１に
おいて、パワートランジスタＱ１．Ｑ２がオン状態にな
って主トランスＭＴの１次巻線ＭＴＩに１次電流ｉが流
れる。次の時間ｔ２において、パワートランジスタ０１
〜Ｑ４は全てオフし、１次巻線ＭＴ１には電流が流れな
い（この時間を「デッドタイム」と称す）。次の時間ｔ
３においては、パワートランジスタＱ３　、Ｃ４がオン
し、１次巻線ＭＴＩに電流−１が流れる。時間ｔ４では
再びデッドタイムとなる。パワートランジスタ０１〜Ｑ
４のスイッチングによって得られた高周波出力は、主ト
ランスＭＴにて降圧される。主トランスＭＴの出力は、
ダイオードＤ１．Ｄ２によって整流され、リアクター１
２を通して溶接出力となる。ＭＴ２は主トランスＭＴの
２次巻線である。このような制御方式は、一般的にイン
バータ制御と呼ばれるもので、パワートランジスタ０１
〜Ｑ４のスイッチングのｔ１〜ｔ４のサイクルを１周期
Ｔとし、これを繰り返して直流→交流→直流の変換を行
っている。

インバータ制御方式の溶接電源において、溶接出力を制
御する方式は、いろいろ考えられるが、パルス幅変調も
その一つの方法で、スイッチングの周波数を一定とし、
１周期中のパワートランジスタ０１〜Ｑ４のオンタイム
比率を変えること、すなわち（ｔｔ＋ｔｘ）／Ｔを変化
させることにより、出力の調整を行う。出力側の各部の
電圧波形を第７図に示す。Ａは主トランスＭＴの出力、
ＢはダイオードＤ１．Ｄ２の出力、ＣはリアクターＬ２
にて平滑され、ややギザギザを含んでいるが、リップル
の少ない溶接出力である。

次にパワートランジスタ０１〜Ｑ４の導通状態を制御す
る制御回路について説明する。溶接出力を指示するリモ
コン２の出力指示値は一元化回路３に入力される。一元
化回路３は出力電流に一元化した出力電圧を決定するも
のであり、この一元化回路３の出力は、ワイヤ送給指令
回路４と電圧指令回路５に接続されている。電圧指令回
路５の出力は、フィードバック信号である出力電圧検出
回路６の出力と演痺回路１２により加減等され、パルス
幅変調回路７の入力信号となる。この入力信号は最終的
な溶接出力を定める出力電圧設定信号であつ−て、パル
ス幅変調回路７は、この出力電圧設定信号を、その信号
の大きさに応じたパルス幅に変調する回路である。この
パルス幅変調回路７の出力はドライバー回路８の入力信
号となる。ドライバー回路８は、パワートランジスタ０
１〜Ｑ４を駆動するためのベース電流を供給する回路で
あると同時に、パワートランジスタ０１〜Ｑ４をオフす
る時に逆バイアス（ベースに負電圧印加）をかけるため
の回路である。ドライバー回路８は、パルス幅変調回路
７の出力信号を増幅して、パワートランジスタ０１〜Ｑ
４を駆動できる出力に変換するとともに、パルス幅変調
回路７の出力パルスのパルス幅に応じてパワートランジ
スタ０１〜Ｑ４を導通させる。ドライバー回路８の出力
により、パワートランジスタＱ１〜Ｑ４はオン・オフを
繰り返して発振し、主トランスＭＴの入力となって、前
述のように主トランスＭＴの２取巻１１ＭＴ２より溶接
出力が得られる。

次にこのトランジスタインバータ電源において、従来用
いられてきた短絡時の溶接電流の立ち上り制御について
説明する。短絡検出回路９は、溶接状態がアーク発生状
態であるか、短絡状態であるかを検出し、波形制御回路
１０は、短絡検出回路９の信号を受けて短絡時の場合の
溶接電流の立ち上り制御を行う。波形制御回路１０の出
力はパルス幅変調回路７に入力される。溶接電流の立ち
上りは、波形制御回路１０の特性で定まる様にυノ御さ
れる。

この様子について第８図に示す波形制御回路１０の具体
例とともに説明する。第８図において、１４は関数発生
器であり、短絡電流立ち上り特性を定める基準波形が得
られる。１５は直流電圧出力回路、１６は短絡検出回路
９の信号によって切り替わるスイッチ、１７は比較回路
であり、この比較回路１７は、オペアンプＩＣＩと抵抗
Ｒ１，Ｒ２、Ｒ３とで構成されている。溶接出力状態が
短絡状態である時は、スイッチ１６の働きによって、オ
ペアンプＩＣ１のマイナス入力端には関数発生器１４の
出力が入力され、アーク発生状態である時は、同様に直
流電圧出力回路１５の出力がオペアンプＩＣ１のマイナ
ス入力端に入力される。一方、オペアンプｔＣ１のプラ
ス入力端には、溶接電流増幅回路１８によって層幅され
た溶接電流検出部１１からの溶接電流波形が入力される
。オペアンプＩＣ１の出力は、プラス入力端に抵抗Ｒ３
を通してフィードバックされているため、オペアンプＩ
Ｃ１は比較回路として動作する。即ちプラス側入力とマ
イナス側入力とのレベルが比較され、大きいレベルの方
が出力される。波形制御回路１０の動作内容について、
さらにくわしく説明する。第９図（ａ）は基準波形であ
り、オペアンプＩＣＩのマイナス入力端に入力される電
圧波形である。短絡期間の電圧波形はｒＩＡ数発生器１
４の出力であり、アーク期間の直流電圧は直流電圧出力
回路１５の出力である。第９図（ｂ）は溶接電流波形で
ある。第９図（ａ）の基準波形と第９図（ｂ）の溶接電
流波形とを重ね合わせると、第９図（Ｃ）の様になる。

アーク期間中は、基準波形の方が溶接電流波形よりも高
めの電圧になるように直流電圧出力回路１５の出力は調
整されている。このため、オペアンプＩＣ１のおいて、
マイナス側の電圧がプラス側の電圧より勝って、オペア
ンプＩＣＩの出力はローレベルとなる。比較回路１７の
出力は、パルス幅変調回路７の入力端７ａに入力され、
パルス幅変調回路７の出力をオン・オフする制６１１信
号として働く。入力端７ａの入力がローレベルの場合、
パルス幅変調回路７の出力は、入力端７ｂへのリモコン
信号によって定まる。即ち、アーク期間中は、パルス幅
変調回路７はリモコン出力で定められるように出力が設
定され、波形制御回路１０の出力には影響されない。

次に短絡時の場合について説明する。第１０図（Ｂ）は
第９図の（ｄ）部の拡大図である。第１０図において、
■はパワートランジスタ０１〜Ｑ４の発振周期である。

短絡時の場合、溶接電流は、リアクター１２などの特性
によって定まるカーブで第１０図（Ｂ）の実線（イ）の
ように増大する。パワートランジスタＱ１〜Ｑ４の発振
周期に同期した例えばａ点で、溶接電流と実線（ロ）で
示す基準波形との比較が成される。ａ点においては、溶
接電流は基準波形よりも大きい。即ちオペアンプＩＣ１
の出力はハイレベルとなり、パルス幅調整回路７の出力
をオフする。このため、パワートランジスタ０１〜Ｑ４
は発振が止まり、出力が抑制されて、ａ点→ｂ点のよう
に電流の増大は生じない。ｂ点においては、溶接電流は
基準波形よりも小さく、オペアンプＩＣ１の出力はロー
レベルとなり、パルス幅変調回路７は、リモコン２によ
って定められた出力となる。このため短絡電流は溶接電
流と同じように増大する。このようにして溶接短絡電流
は、発振周期ごとに基準波形と比較され、増大する。即
ち、溶接短絡電流の立ち上がり特性は、基準波形によっ
て定まる。以上が従来用いられてきた短絡時の溶接Ｎ流
の立ち上り制御の具体例である。この波形制御によれば
、インバータの発振周波数が高いため、短絡電流の立ち
上り特性をきめ細かく制御できる。特に短絡時のピーク
電流値を抑制することにより、溶接リアクトルのインダ
クタンス示を増大させないで、スパッタを抑制できる利
点がある。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、従来のこの種の波形制御を加えても、ア
ーク発生状態から短絡状態に移行した直後に発生するス
パッタについては全く効果がないことが判明した。即ち
、アーク発生時に形成されたワイヤ先端の溶融塊が、自
身の振動や溶融池の振動により被溶接物に微接触した場
合でも、従来方法によれば短絡電流が流れて、この結果
、ヒユーズ作用等により、ワイヤ溶融塊が被溶接物に移
行せず、スパッタとして飛散してしまうからである。こ
れについて第１１図を用いて説明する。第１１図は溶接
電流波形とワイヤ溶融塊移行状態との関係の説明図で、
（ａ）は溶接ワイヤが被溶接物に短絡する寸前の状態、
（ｂ）はワイヤ先端の溶融塊自身の振動等によって生じ
る瞬時短絡した直後の状態を示しており、この時点で大
きな短絡電流を流すと、スパッタが先述のように多発し
て問題となる。（Ｃ）は溶接ワイヤが短絡状態から開放
される直前の状態を示しており、（ｄ）は溶接ワイヤが
短絡状態から開放されてアーク発生した直後を示す。

実Ｍ（ハ）は溶接電流波形であって、第１０図（Ｂ）に
実１（ロ）で示す基準波形と等価である。

問題点を解決するための手段 上記簡題点を解決するため、本発明の消耗電極式アーク
溶接機は、少なくとも１個の制御ｌｌ素子からなる溶接
出力供給手段と、出力状態がアーク状態であるか短絡状
態であるかを検知する状態検知手段と、この状態検知手
段により検知された出力状態がアーク状態より短絡状態
に変化した後の短ＭＭ流の立ち上がりが予じめ設定され
たトレースカーブに沿って増大するように前記溶接出力
供給手段の制御素子の導通を制御する溶接出力制御手段
とを備え、短絡検出俊一定時間だけ短Ｉ！８電流の立ち
上がりを抑制して前記一定時間後に短Ｍ電流が立ち上が
るように前記トレースカーブの特性を定め、かつ前記一
定時間の値を平均溶接電流値に応じて変化させたもので
ある。

作用 上記構成によれば、ワイヤの被溶接物への接触短絡を確
実なものとできる結果、微接触時のヒユーズ作用による
スパッタ発生を低減できると共に、確実接触後は充分な
ピンチ力を与える溶接電流を与えることができるので、
溶滴離脱が容易になり、またこの溶接電流値は、溶滴が
移行するに充分なレベルに抑制されているので、爆発力
によるスパッタも少なく、したがってスパッタを極力減
少させることができる。さらに、短絡開始直後の短絡電
流立ち上り抑制時限を、平均溶接電流値によって変化さ
せることにより、溶接電流値にかがわらず、常にスパッ
タの少ない溶接アークが得られる。

実施例 以下、本発明の一実施例を第１図〜第４図に基づいて説
明する。

第１図は本発明の一実施例における消耗電極式アーク溶
接機の溶接電流波形とワイヤ溶融塊移行状態との関係の
説明図で、（ｅ）は溶接ワイヤが被溶接物に短絡する寸
前の状態を示しており、（ｆ）において瞬時短絡が発生
しているが、一定時限Ｔｓだけ短絡電流の立ち上りを抑
制しているので、（（１）の状態では短絡が確実なもの
となる。この後、短絡電流の立ち上りを大きくしても、
前述の様な・ヒユーズ作用等によるスパッタは発生しな
い。実線（ニ）は溶接電流波形である。

この様に短絡開始直後の一定時限、短絡電流の立ち上り
を抑制することにより、ヒユーズ作用等によるスパッタ
を抑制できることが判明した。

さらに、我々の詳細な検討結果によると、短絡抑制時限
Ｔｓについて、その最適値は、平均溶接電流値によって
異ることが判明した。第２図は平均溶接電流値と短絡抑
制時限の最適値との関係の説明図で、この最適値は、溶
接スパッタ発生量を測定して求められたものである。第
２図に示すように、平均溶接電流値の増大とともに、最
適短絡抑制時限は増大する。

次に第１図に示したような短絡時間中の基準波形を得る
関数発生器について、その具体構成例を第３図に示す。

第３図において、２１は関数発生器、２２は記憶装置、
２３はマイクロコンピュータ、２４はインターフェース
、２５は＾／Ｄコンバータ、２６はＤ／＾コンバータ、
２７は短絡検出回路、２８は溶接電流リモコン、２９は
基準波形である。この関数発生器２１以外の構成は、従
来の消耗電極式アーク溶接機と同様である。

マイクロコンピュータ２３に対する情報を伝達するため
のインターフェース２４には、短絡状態かアーク発生状
態かによってレベルの異る短絡検出回路２７の信号が入
力される。また、平均溶接電流値を定める溶接電流リモ
コン２８のアナログ電圧値が、＾／Ｄコンバータ２５に
よりてデジタル信号化されて、インターフェース２４に
入力される。マイクロコンピュータ２３は、短絡検出回
路２７の信号によって短絡状態であると判断した時、イ
ンターフェース２４およびＤ／＾コンバータ２６を通し
て基準波形２９を出力する。この基準波形は、記憶装置
２２のテーブル値によって定まる。記憶装置２２には、
第４図に示すように短絡抑制時限ｔｓの異なる基準波形
が格納されていて、テーブル番号がつけられている。

マイクロコンピュータ２３が、記憶装置２２のテーブル
に格納されたデータのうち、どのデータを索引するかは
、溶接電流リモコン２８からの指示によって決定される
。即ち、溶接電流リモコン２８のアナログ値は、＾１０
コンバータ２５によってデジタル信号化されて、マイク
ロコンピュータ２３に読み取られ、マイクロコンピュー
タ２３は、このデジタル量によって、記憶装置２２のテ
ーブル番号を指定して索引出来るように構成されている
。溶接電流リモコン２８の出力が小さい時、即ち、溶接
電流値が低い時は、短絡抑制時限■Ｓの短い基準波形が
得られるデータを呼び出し、逆に溶接電流リモコン２８
の出力が大なる時、即ち溶接電流値が大なる時は、短絡
抑制時限ＴＳの長い基準波形の得られるデータを呼び出
すように、ソフト上構成されている。

このように第３図の例では、溶接電流に応じて短！ｆｓ
電流立ち上り抑制時限ＴＳの異る基準波形が得られる。

このように、本実施例によれば、ワイヤの被溶接物への
接触短絡を確実なものとできる結果、微接触時のヒユー
ズ作用によるスパッタ発生を低減できると共に、確実接
触後は充分なピンチ力を与える溶接電流を与えることが
でき、溶滴離脱が容易になり、またこの溶接電流値は、
溶滴が移行するに充分なレベルに抑制されているので、
爆発力によるスパッタも少なく、したがってスパッタを
極力減少させることができる。さらに、短絡開始直後の
短Ｍ電流立ち上り抑制時限を、平均溶接電流値に比例し
て変化させたので、溶接電流値にかかわらず、常にスパ
ッタの少い溶接アークが得られる。

発明の効果 以上述べたごとく本発明によれば、ワイＶの被溶接物へ
の接触短絡を確実なものとできる結果、微接触時のヒユ
ーズ作用によるスパッタ発生を低減できると共に、確実
接触後は充分なピンチ力を与える溶接電流を与えること
ができるので、溶滴離脱が容易になり、またこの溶接電
流値は溶滴が移行するに充分なレベルに抑制されている
ので、爆発力によるスパッタも少なく、したがってスパ
ッタを極力減少させることができる。さらに、短絡開始
直後の短絡電流立ち上り抑制時限を、平均溶接電流値に
よって変化させることにより、溶接電流値にかかわらず
、常にスパッタの少ない溶接アークが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における消耗電極式アーク溶
接機の溶接電流波形とワイヤ溶接塊移行状態との関係の
説明図、第２図は同消耗電極式アーク溶接機の平均溶接
電流値と類１電流立上り抑制時間の最適値との関係の説
明図、第３図は同消耗電極式アーク溶接機の関数発生器
の回路プロツり図、第４図は第３図の関数発生器におけ
る記憶装置に記憶されたテーブルデータの説明図、第５
図は従来の消耗電極式アーク溶接機の回路ブロック図、
第６図は同消耗電極式アーク溶接機における直流→交流
変換の説明図、第７図は同消耗電極式アーク溶接機にお
ける主トランスの出力側の各部信号波形図、第８図は同
消耗電極式アーク溶接機における波形制御回路の回路ブ
リック図、第９図は第８図に示す波形制御回路の各部信
号波形図、第１０図は第８図に示す波形制御回路におけ
る比較回路の動作説明図、第１１図は同消耗電極式アー
ク溶接機における溶接電流波形とワイヤ溶融塊移行状態
との関係の説明図である。 ２１・・・関数発生器、２２・・・記憶装置、２３・・
・マイクロコンピュータ、２４・・・インターフェース
、２７・・・短絡検出回路、０１〜Ｑ４・・・パワート
ランジスタ代理人　　　森　　本　　義　　弘 ａ、〜０４−−−パワートランジ゛７り第す図 （Ａ） （Ｂ） （Ｃ） 第９図 第π図 （Ａ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくとも１個の制御素子からなる溶接出力供給手
   段と、出力状態がアーク状態であるか短絡状態であるか
   を検知する状態検知手段と、この状態検知手段により検
   知された出力状態がアーク状態より短絡状態に変化した
   後の短絡電流の立ち上がりが予じめ設定されたトレース
   カーブに沿って増大するように前記溶接出力供給手段の
   制御素子の導通を制御する溶接出力制御手段とを備え、
   短絡検出後一定時間だけ短絡電流の立ち上がりを抑制し
   て前記一定時間後に短絡電流が立ち上がるように前記ト
   レースカーブの特性を定め、かつ前記一定時間の値を平
   均溶接電流値に応じて変化させた消耗電極式アーク溶接
   機。 ２、一定時間の値を平均溶接電流値の増大とともに大き
   い値に設定した特許請求の範囲第１項記載の消耗電極式
   アーク溶接機。