アークスタート時パルスアーク溶接制御方法
【課題】パルスアーク溶接において、短絡解除後等の異常電圧を溶接電圧から除去して正確なアーク長制御を行うと共に、アークスタート時のアーク長の過渡変動を抑制すること。
【解決手段】本発明は、溶接電圧を検出しこの溶接電圧検出値をパルス波形の基準電圧波形からの所定変動幅Ｖｃ±ΔＶｃ内で制限して溶接電圧制限値Ｖftを算出し、前記溶接電圧制限値Ｖftを平均化した溶接電圧制限平均値が予め定めた電圧設定値と略等しくなるように溶接電源の出力を制御するパルスアーク溶接制御方法であって、アークスタート時は前記基準電圧波形Ｖｃを予め定めた初期基準電圧波形に設定してアークスタートを開始するアークスタート時パルスアーク溶接制御方法において、前記変動幅ΔＶｃを、アークスタート時の過渡期間Ｔｔ中は定常状態よりも大きな値に設定するアークスタート時パルスアーク溶接制御方法である。
【解決手段】本発明は、溶接電圧を検出しこの溶接電圧検出値をパルス波形の基準電圧波形からの所定変動幅Ｖｃ±ΔＶｃ内で制限して溶接電圧制限値Ｖftを算出し、前記溶接電圧制限値Ｖftを平均化した溶接電圧制限平均値が予め定めた電圧設定値と略等しくなるように溶接電源の出力を制御するパルスアーク溶接制御方法であって、アークスタート時は前記基準電圧波形Ｖｃを予め定めた初期基準電圧波形に設定してアークスタートを開始するアークスタート時パルスアーク溶接制御方法において、前記変動幅ΔＶｃを、アークスタート時の過渡期間Ｔｔ中は定常状態よりも大きな値に設定するアークスタート時パルスアーク溶接制御方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アーク長と比例関係にない異常電圧を除去した溶接電圧によってアーク長を制御するパルスアーク溶接制御方法においてアークスタート性を良好にするためのアークスタート時パルスアーク溶接制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図８は、本発明が対象とする消耗電極パルスアーク溶接における溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗの波形図である。以下、同図を参照して説明する。
【０００３】
時刻ｔ１〜ｔ２のピーク立上り期間Ｔup中は、同図（Ａ）に示すように、ベース電流Ｉｂからピーク電流Ｉｐへと上昇する遷移電流が通電し、同図（Ｂ）に示すように、ベース電圧Ｖｂからピーク電圧Ｖｐへと上昇する遷移電圧が電極・母材間に印加する。時刻ｔ２〜ｔ３のピーク期間Ｔｐ中は、同図（Ａ）に示すように、溶滴移行させるための大電流値のピーク電流Ｉｐが通電し、同図（Ｂ）に示すように、ピーク電圧Ｖｐが電極・母材間に印加する。時刻ｔ３〜ｔ４のピーク立下り期間Ｔdw中は、同図（Ａ）に示すように、ピーク電流Ｉｐからベース電流Ｉｂへと下降する遷移電流が通電し、同図（Ｂ）に示すように、ピーク電圧Ｖｐからベース電圧Ｖｂへと下降する遷移電圧が電極・母材間に印加する。時刻ｔ４〜ｔ５のベース期間Ｔｂ中は、同図（Ａ）に示すように、溶滴を成長させないための小電流値のベース電流Ｉｂが通電し、同図（Ｂ）に示すように、ベース電圧Ｖｂが電極・母材間に印加する。上記の時刻ｔ１〜ｔ５の期間をパルス周期Ｔｆとして繰り返し溶接が行われる。上記のピーク立上り期間Ｔup及びピーク立下り期間Ｔdwは、溶接電源の内部及び外部に存在するリアクトル等による場合は０．３ms程度と短時間である。この場合、略矩形波の溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗとなる。他方、溶接条件によってはピーク立上り期間Ｔup及びピーク立下り期間Ｔdwを数ms程度に設定する場合もある。この場合、台形波の溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗとなる。
【０００４】
同図（Ａ）に示すパルス波形の溶接電流Ｉｗを平均化したのが溶接電流平均値Ｉavであり、同図（Ｂ）に示すように、パルス波形の溶接電圧Ｖｗを平均化したのが溶接電圧平均値Ｖavである。さらに、同図（Ｂ）に示すように、各周期のピーク電圧Ｖｐだけを取り出した平均値がピーク電圧平均値Ｖpaとなり、各周期のベース電圧Ｖｂだけを取り出した平均値がベース電圧平均値Ｖbaとなる。
【０００５】
パルスアーク溶接のアーク長制御は、以下のように行われる。すなわち、平均アーク長と上記の溶接電圧平均値Ｖavとは略比例関係にあるので、溶接中のアーク長を溶接電圧平均値Ｖavによって検出することができる。そして、この溶接電圧平均値Ｖavの検出値が目標値である電圧設定値Ｖｓと略等しくなるように、パルス周期Ｔｆ、ピーク期間Ｔｐ、ピーク電流Ｉｐ又はベース電流Ｉｂの少なくとも１つ以上を変化させて溶接電流平均値Ｉavを変化させることによって、ワイヤ溶融速度を変化させてアーク長を適正値に制御する。したがって、このアーク長制御では、上記の溶接電圧平均値Ｖavによってアーク長を正確に検出できることが、良好なアーク長制御の前提条件となる。
【０００６】
ところで、パルスアーク溶接においては、消耗電極である溶接ワイヤと母材とが短絡しその短絡が解除されてアークが再点弧したとき、母材表面の酸化皮膜の不均一に起因するアーク陰極点のふらつき現象が発生したとき等において、異常電圧が溶接電圧Ｖｗに重畳することがある。この異常電圧はアーク長とは比例しない電圧であるので、アーク長を検出するためには溶接電圧Ｖｗに重畳した異常電圧を除去する必要がある。この除去のための方法としては、パルス波形の基準電圧波形Ｖｃ及び変動幅ΔＶｃを予め設定し、溶接電圧ＶｗがＶｃ±ΔＶｃの範囲外になる部分は異常電圧であるとしてカットして制限する従来技術が提案されている。以下、この従来技術について説明する（特許文献１参照）。
【０００７】
図９は、上記の基準電圧波形Ｖｃの設定方法を示す図である。まず、溶接ワイヤの種類、送給速度等に応じて、基準ピーク電圧値Ｖpc、基準ベース電圧値Ｖbc及び変動幅ΔＶｃを、実験等によって予め設定する。そして、同図に示すように、ピーク立上り期間Ｔupの開始時点を０秒とする経過時間ｔによって、下式のように基準電圧波形Ｖｃが定義される。
０≦ｔ＜Ｔup
Ｖｃ＝（（Ｖpc−Ｖbc）／Ｔup）・ｔ＋Ｖbc （11）式
Ｔup≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ
Ｖｃ＝Ｖpc （12）式
Ｔup＋Ｔｐ≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw
Ｖｃ＝（（Ｖbc−Ｖpc）／Ｔdw）・（ｔ−Ｔup−Ｔｐ）＋Ｖpc （13）式
Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw＋Ｔｂ
Ｖｃ＝Ｖbc （14）式
【０００８】
例えば、同図に示すように、経過時間ｔａにおける溶接電圧検出値がＶd1であったとする。経過時間ｔａはＴup＋Ｔｐ≦ｔａ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdwのときであるので、上記（13）式に代入して、基準電圧波形の中心電圧値Ｖc1は以下となる。
Ｖｃ1＝（（Ｖbc−Ｖpc）／Ｔdw）・（ｔａ−Ｔup−Ｔｐ）＋Ｖpc
したがって、経過時間ｔａのときの溶接電圧検出値Ｖd1は、変動幅Ｖｃ１±ΔＶｃ内に制限される。すなわち、Ｖd1≧Ｖc1＋ΔＶｃのときにはＶd1＝Ｖｃ＋ΔＶｃに制限され、Ｖd1≦Ｖc1−ΔＶｃのときにはＶd1＝Ｖｃ−ΔＶｃに制限される。このようにして算出された溶接電圧制限値Ｖftは、異常電圧が略除去されたアーク長に略比例する電圧値となる。
【０００９】
図１０は、短絡解除直後のアーク再点弧に伴う異常電圧発生時の電圧波形図である。同図（Ａ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は基準電圧波形によって異常電圧を除去した後の溶接電圧制限値Ｖftの時間変化を示す。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは基準電圧波形を中心電圧値Ｖｃとする変動幅Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限される。この結果、時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間中の溶接電圧制限値Ｖft＝Ｖｃ−ΔＶｃとなり、時刻ｔ２〜ｔ３の異常電圧発生期間中の溶接電圧制限値Ｖft＝Ｖｃ＋ΔＶｃとなる。このように、異常電圧を略除去することができる。
【００１０】
図１１は、図９で上述した基準電圧波形Ｖｃを自動設定する方法を説明するための溶接電圧制限値Ｖftの時間変化を示す図である。同図において、現時点は時刻ｔｎであり、第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)の開始時点である。また、第ｎ−１回目のパルス周期Ｔｆ(n-1)におけるピーク期間のみの溶接電圧制限値の平均値がピーク電圧制限値Ｖpf(n-1)であり、ベース期間のみの溶接電圧制限値の平均値がベース電圧制限値Ｖbf(n-1)である。同様に、第ｎ−ｍ回目のパルス周期Ｔｆ(n-m)におけるピーク期間のみの溶接電圧制限値の平均値がピーク電圧制限値Ｖpf(n-m)であり、ベース期間のみの溶接電圧制限値の平均値がベース電圧制限値Ｖbf(n-m)である。
【００１１】
時刻ｔｎにおいて、上記の第(ｎ-1)〜第(n-m)回目のピーク電圧制限値Ｖpfを入力として、下式のようにピーク電圧移動平均値Ｖpr(n)を算出する。
Ｖpr(n)＝（Ｖpf(n-1)＋…＋Ｖpf(n-m)）／ｍ （21）式
同様に、時刻ｔｎにおいて、上記の第(ｎ-1)〜第(n-m)回目のベース電圧制限値Ｖbfを入力として、下式のようにベース電圧移動平均値Ｖbr(n)を算出する。
Ｖbr(n)＝（Ｖbf(n-1)＋…＋Ｖbf(n-m)）／ｍ （22）式
【００１２】
そして、上述した（11）〜（14）式において、基準ピーク電圧値Ｖpcに上記のピーク電圧移動平均値Ｖprを代入し、かつ、基準ベース電圧値Ｖbcに上記のベース電圧移動平均値Ｖbrを代入すると、下式のように第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)期間中の基準電圧波形が自動設定される。
０≦ｔ＜Ｔup
Ｖｃ(n)＝（（Ｖpr(n）−Ｖbr(n)）／Ｔup）・ｔ＋Ｖbr(n) （31）式
Ｔup≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ
Ｖｃ(n)＝Ｖpr(n) （32）式
Ｔup＋Ｔｐ≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw
Ｖｃ(n)＝（（Ｖbr(n)−Ｖpr(n)）／Ｔdw）・（ｔ−Ｔup−Ｔｐ）＋Ｖpr(n) （33）式
Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw＋Ｔｂ
Ｖｃ(n)＝Ｖbr(n) （34）式
【００１３】
上述したように、パルス周期の開始時点ごとに、上記のピーク電圧移動平均値Ｖpr及びベース電圧移動平均値Ｖbrを算出し、上記（31）式〜（34）式によって基準電圧波形が自動設定される。上記において、ピーク電圧移動平均値Ｖprを算出するときに、ピーク電圧制限値Ｖpfを重み付け移動平均して算出してもよい。同様に、ベース電圧移動平均値Ｖbrを算出するときに、ベース電圧制限値Ｖbfを重み付け移動平均して算出してもよい。また、移動平均する期間の長さは、過去数周期〜数十周期程度に設定する。
【００１４】
【特許文献１】特開２００４−３１１４０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
基準電圧波形を設定する方法としては、図９で上述した予め設定する第１の方法と、図１１で上述した溶接電圧制限値の移動平均値から自動設定する第２の方法とがある。第１の方法は、種々な溶接条件ごとに基準電圧波形を予め設定するための予備試験に多くの時間が必要になる。このために、その必要のない第２の方法が使用されることが多い。したがって、以下の説明では、この第２の方法の場合について説明する。
【００１６】
図１２は、パルスアーク溶接におけるアークスタート時の溶接電圧制限値Ｖftの時間変化を示す図である。同図は、説明を分かりやすくするために、ピーク立上り期間及びピーク立下り期間が短い場合であり、パルス波形が略矩形波と見なせる場合である。また、同図に示す斜線の四角形は、ピーク期間及びベース期間の基準電圧波形の変動幅Ｖｃ±ΔＶｃの範囲を模式的に示したものである。この四角形の真中の横線が基準電圧波形の中心電圧値Ｖｃを示し、上部の横線がＶｃ＋ΔＶｃを示し、下部の横線がＶｃ−ΔＶｃを示す。すなわち、ピーク電圧及びベース電圧は、この四角形の範囲内で制限されて、溶接電圧制限値Ｖftが算出される。以下、同図を参照して説明する。
【００１７】
(1)時刻ｔ１〜ｔ３のアーク発生以前の期間
時刻ｔ１において、溶接を開始すると、高い無負荷電圧が溶接電源から出力されると共に、溶接ワイヤの送給が開始される。時刻ｔ２において、溶接ワイヤが母材に到達し短絡状態になると、溶接電圧は低い値の短絡電圧値になる。時刻ｔ３において、アークスタート時の初期短絡Ｔｓ状態が解除されると、アークが発生して以後パルス波形の溶接電圧が印加する。時刻ｔ１〜ｔ３のアーク発生以前の期間中は、溶接電圧はすべて０Ｖとして溶接電圧制限値Ｖftが出力される。
【００１８】
(2)時刻ｔ３〜ｔ６の過渡期間Ｔｔ
時刻ｔ３においてアークが発生してパルス波形の溶接電圧及び溶接電流が出力される。上述したように、アーク長が所望値になるように溶接電源の出力制御が行われ、過渡期間Ｔｔの後に定常のアーク長に収束する。この過渡期間Ｔｔ中のアーク長は、上記の初期短絡期間の長さ、ワイヤ突出し部の温度不均衡、ワイヤ送給速度の初期変動等の種々の要因によってアーク長は大きく変動する。このアーク長の初期変動に伴い初期変動する溶接電圧に上述した異常電圧がさらに重畳することになる。アーク長を迅速に定常状態に収束させるためには、この過渡期間Ｔｔ中においてはアーク長の初期変動に伴う溶接電圧の初期変動を正確に検出すると共に、アーク長の変動とは無関係の異常電圧は除去して溶接電圧制限値Ｖftを算出する必要がある。
【００１９】
時刻ｔ３においてアークが発生した時点では、溶接電圧制限値の移動平均値によって基準電圧波形を自動設定することはできないために、基準電圧波形の初期値を設定しておく必要がある。時刻ｔ３〜ｔ４の第１回目のパルス周期において、過渡期間Ｔｔ中はアーク長の変動が大きいので溶接電圧の変動も大きくなるために、本来除去すべきではないｐ１に示すピーク電圧及びｂ１に示すベース電圧が基準電圧波形の変動幅外ということで除去されてしまう。時刻ｔ４〜ｔ５の第２回目のパルス周期においても、ｐ２に示す本来除去されるべきではないピーク電圧が除去されてしまう。他方、ａ１に示す異常電圧は略除去することができている。このように、アークスタート時の過渡期間Ｔｔ中において、アーク長の初期変動に伴う溶接電圧の初期変動の一部が基準電圧波形の変動幅外として除去されてしまう。このために、過渡期間Ｔｔ中のアーク長の初期変動を正確に検出することができなくなり、過渡期間Ｔｔが長くなりアーク長変動幅も大きくなりアークスタート部の溶接品質が悪くなるという課題があった。
【００２０】
そこで、本発明では、異常電圧を除去しつつアークスタート時のアーク長の初期変動に伴う溶接電圧の初期変動は除去することなく検出することができるアークスタート時パルスアーク溶接制御方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上述した課題を解決するために、第１の発明は、ピーク電流及びベース電流を１周期とするパルス波形の溶接電流をアークに通電すると共に、消耗電極と母材との間のパルス波形の溶接電圧を検出しこの溶接電圧検出値をパルス波形の基準電圧波形からの所定変動幅内で制限して溶接電圧制限値を算出し、前記基準電圧波形は前記溶接電圧制限値を移動平均した電圧波形から生成し、前記溶接電圧制限値を１周期又は数周期ごとに平均化した溶接電圧制限平均値が予め定めた電圧設定値と略等しくなるように溶接電源の出力を制御するパルスアーク溶接制御方法であって、
アークスタート時は前記基準電圧波形を予め定めた初期基準電圧波形に設定してアークスタートを開始するアークスタート時パルスアーク溶接制御方法において、
前記変動幅を、アークスタート時の過渡状態の期間中は定常状態よりも大きな値に設定することを特徴とするアークスタート時パルスアーク溶接制御方法である。
【００２２】
また、第２の発明は、第１の発明記載の初期基準電圧波形を、前回溶接中の定常状態で記憶された前記基準電圧波形に設定して今回のアークスタートを開始することを特徴とするアークスタート時パルスアーク溶接制御方法である。
【発明の効果】
【００２３】
上記第１の発明によれば、アークスタート後の過渡期間中における基準電圧波形の変動幅ΔＶｃを定常状態よりも大きくすることによって、過渡期間中のアーク長の初期変動に伴う溶接電圧の初期変動を正確に検出することができる。このために、アークスタート時の過渡期間を短くしてアーク長の変動幅を小さくすることができるので、アークスタート部の溶接品質が向上する。
【００２４】
上記第２の発明によれば、アークスタート時の初期基準電圧波形を前回溶接時の定常状態で記憶された基準電圧波形に設定することによって、溶接条件が予め想定した標準溶接条件とは異なっているときでも、上記の効果を奏することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
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。
【００２６】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係るパルスアーク溶接におけるアークスタート時の溶接電圧制限値Ｖftの時間変化を示す図である。同図は、上述した図１２と対応しており、説明を分かりやすくするためにピーク立上り期間及びピーク立下り期間が短い場合であり、パルス波形が略矩形波と見なせる場合である。また、同図に示す斜線の四角形は、ピーク期間及びベース期間の基準電圧波形の変動幅Ｖｃ±ΔＶｃの範囲を模式的に示したものである。この四角形の真中の横線が基準電圧波形の中心電圧値Ｖｃを示し、上部の横線がＶｃ＋ΔＶｃを示し、下部の横線がＶｃ−ΔＶｃを示す。すなわち、ピーク電圧及びベース電圧は、この四角形の範囲内で制限されて、溶接電圧制限値Ｖftが算出される。本発明では、アークスタート後にアーク長が定常状態に収束するまでの過渡期間Ｔｔ中は、変動幅ΔＶｃを定常状態よりも大きく設定するものである。したがって、変動幅ΔＶｃの値を表わす四角形の高さは、過渡期間Ｔｔ中がそれ以降に比べて大きくなっている。同図の時刻ｔ１〜ｔ３までの期間の動作は、上述した図１２のときと同一であるので説明は省略する。以下、同図を参照して時刻ｔ３以降について説明する。
【００２７】
時刻ｔ３〜ｔ４の第１回目のパルス周期において、基準電圧波形の初期値は図１２と同一であるが、変動幅ΔＶｃは大きくなっている。このために、ｐ３に示すように、わずかにピーク電圧が除去されるが、ベース電圧は除去されない。時刻ｔ４〜ｔ５の第２回目のパルス周期においては、ピーク電圧及びベース電圧共に除去されない。その上で、ａ２に示す異常電圧は除去させる。このように、実施の形態１では、過渡期間Ｔｔ中のアーク長の初期変動に伴う溶接電圧の初期変動の一部を略除去することなく溶接電圧制限値Ｖftとして算出すると共に、異常電圧はしっかりと除去することができる。この結果、過渡期間Ｔｔを短くすることができると共に、過渡期間Ｔｔ中のアーク長の変動幅を小さく抑制することができ、アークスタート部の溶接品質が改善される。同図は、ピーク立上り期間及びピーク立下り期間が短い場合であるが、両期間が数ms程度と長い場合でも同様である。
【００２８】
上記において、基準電圧波形の変動幅ΔＶｃを大きくする期間は、過渡期間Ｔｔ中である。この過渡期間Ｔｔは所定期間を予め設定してもよい。また、溶接電圧及び／又は溶接電流の平均値の変化、パルス周期の変化等によって過渡期間Ｔｔ終了時点を判別してもよい。
【００２９】
図２及び図３は、基準電圧波形の変動幅ΔＶｃとアークスタート後の経過時間との関係を示す図である。アークスタート後とは、上述した図１の時刻ｔ３の時点である。すなわち、アークが発生してからの経過時間である。同図では、過渡期間Ｔｔ＝０．４秒の所定値として設定した場合である。点線は直径１．２mmの鉄鋼ワイヤを使用したパルスＭＡＧ溶接の場合であり、実線は直径１．２mmのアルミニウムワイヤを使用したパルスＭＩＧ溶接の場合である。
【００３０】
図２は、変動幅ΔＶｃを過渡期間Ｔｔで階段状に変化させる場合である。他方、図３は、変動幅ΔＶｃを過渡期間Ｔｔの間傾斜状に変化させる場合である。これ以外にも、２段階に変化させる場合等種々のパターンが考えられる。
【００３１】
図４は、実施の形態１に係るアークスタート時パルス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。
【００３２】
電源主回路ＰＭは、商用交流電源（３相２００Ｖ等）を入力として、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従って、インバータ制御、チョッパ制御等の出力制御を行い、溶接に適した溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力する。溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給装置の送給ロール５の回転によって溶接トーチ４内を通って送給されて、母材２との間でアーク３が発生する。
【００３３】
電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗを検出して、溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する。溶接電圧制限移動平均値算出回路ＶＲＡは、後述する溶接電圧制限値信号Ｖft及び後述する経過時間信号Ｓｔを入力として、図１１で上述したように、ピーク電圧移動平均値信号Ｖpr及びベース電圧移動平均値信号Ｖbrを出力する。基準電圧波形生成回路ＶＣは、上述したように、アークスタート時は予め定めた初期基準電圧波形を生成し、アークスタート後は上記のピーク電圧移動平均値信号Ｖpr及びベース電圧移動平均値信号Ｖbrによって自動設定された基準電圧波形を生成し、後述する経過時間信号Ｓｔに対応する中心電圧値信号Ｖｃを出力する。過渡期間タイマ回路ＴＴは、溶接電圧検出信号Ｖｄによってアーク発生を判別しそれから所定期間Ｈｉｇｈレベルとなる過渡期間信号Ｔｔを出力する。変動幅設定回路ΔＶＣは、上記の過渡期間信号ＴｔがＨｉｇｈレベルのときは予め定めた大きな値の、Ｌｏｗレベルのときは予め定めた小さな値の、変動幅信号ΔＶｃを出力する。制限フィルタ回路ＦＴは、上記の溶接電圧検出信号Ｖｄを入力として、上記の中心電圧値からの変動幅Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限して、溶接電圧制限値信号Ｖftを出力する。平均値算出回路ＶＦＡは、上記の溶接電圧制限値信号Ｖftを入力として平均値を算出し、溶接電圧制限平均値信号Ｖfaを出力する。
【００３４】
電圧設定回路ＶＳは、予め定めた電圧設定信号Ｖｓを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の溶接電圧制限平均値信号Ｖfaと電圧設定信号Ｖｓとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。電圧・周波数変換回路Ｖ／Ｆは、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖの値に比例した周波数に変換し、その周波数（パルス周期）ごとに短時間Ｈｉｇｈレベルとなるパルス周期信号Ｔｆを出力する。経過時間計数回路ＳＴは、上記のパルス周期信号ＴｆがＨｉｇｈレベルに変化した時点（ピーク立上り期間の開始時点）からの経過時間を計数して、経過時間信号Ｓｔを出力する。
【００３５】
ピーク電流設定回路ＩＰＳは、予め定めたピーク電流設定信号Ｉpsを出力する。ベース電流設定回路ＩＢＳは、予め定めたベース電流設定信号Ｉbsを出力する。電流制御設定回路ＩＳＣは、上記の経過時間信号Ｓｔを入力として、ピーク立上り期間Ｔup中は上記のベース電流設定信号Ｉbsから上記のピーク電流設定信号Ｉpsへと上昇する電流制御設定信号Ｉscを出力し、その後のピーク期間Ｔｐ中は上記のピーク電流設定信号Ｉpsを電流制御設定信号Ｉscとして出力し、その後のピーク立下り期間Ｔdw中は上記のピーク電流設定信号Ｉpsから上記のベース電流設定信号Ｉbsへと下降する電流制御設定信号Ｉscを出力し、その後のベース期間Ｔｂ中は上記のベース電流設定信号Ｉbsを電流制御設定信号Ｉscとして出力する。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、上記の電流制御設定信号Ｉsc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。上記ブロックにより、上記の電流制御設定信号Ｉscに相当する図８で上述した溶接電流Ｉｗが通電する。
【００３６】
上記の過渡期間タイマ回路ＴＴ及び変動幅設定回路ΔＶＣによって、アークスタート後の過渡期間中の基準電圧波形の変動幅を定常状態よりも大きくすることができる。
【００３７】
［実施の形態２］
本発明の実施の形態２は、実施の形態１記載の初期基準電圧波形を、前回溶接中の定常状態での基準電圧波形に設定して今回のアークスタートを開始するものである。以下、図面を参照して説明する。
【００３８】
図５は、本発明の実施の形態２に係るパルスアーク溶接におけるアークスタート時の溶接電圧制限値Ｖftの時間変化を示す図である。同図（Ａ）は上述した図１と同一の波形図であり、同図（Ｂ）は同図（Ａ）とは溶接条件が異なるときの実施の形態１による波形図であり、同図（Ｃ）は同図（Ｂ）と同一溶接条件において実施の形態２による波形図である。また、同図に示す斜線の四角形は、図１と同様に、ピーク期間及びベース期間の溶接電圧制限値の変動幅Ｖｃ±ΔＶｃの範囲を模式的に示したものである。この四角形の真中の横線が基準電圧波形の中心電圧値Ｖｃを示し、上部の横線がＶｃ＋ΔＶｃを示し、下部の横線がＶｃ−ΔＶｃを示す。すなわち、ピーク電圧及びベース電圧は、この四角形の範囲内で制限されて溶接電圧制限値Ｖftが算出される。本発明では、アークスタート後にアーク長が定常状態に収束するまでの過渡期間Ｔｔ中は、変動幅ΔＶｃを定常状態よりも大きく設定するものである。以下、同図を参照して説明する。
【００３９】
同図（Ａ）は、上述した図１と同一波形図である。同図（Ａ）は、標準的な溶接条件を想定して、その標準溶接条件下で溶接を行い、定常状態にあるときの溶接電圧制限値の移動平均値から自動設定された基準電圧波形を初期基準電圧波形として予め設定している。このために、標準溶接条件で溶接を行う場合には、アーク発生直後の第１回目のパルス周期のときから定常状態とのアーク長の偏差をｐ３に示すわずかな除去部分を除き略正確に検出することができる。
【００４０】
次に、同図（Ｂ）は、標準溶接条件とは異なる溶接条件で溶接を行ったときの実施の形態１による波形図である。同図（Ｂ）は、定常のアーク長を同図（Ａ）のときよりも高く設定した場合である。この場合でも初期基準電圧波形は予め設定されているので、同図（Ａ）と同一である。しかし、定常のアーク長が高く設定されているので、過渡期間中の溶接電圧値も全体的に高い方にスライドしている。このために、初期基準電圧波形が相対的に低くなり、ｐ４、ｂ２及びｐ５に示す溶接電圧が除去されてしまい、過渡期間中のアーク長の初期変動を正確に検出することができない場合があった。
【００４１】
この問題を解決するために実施の形態２では、同図（Ｃ）に示すように、初期基準電圧波形を前回の溶接時における定常状態での基準電圧波形に設定するものである。これによって、溶接条件に応じて初期基準電圧波形が適正化されることになる。この結果、同図（Ａ）のときと略同じように、わずかにｐ６に示す溶接電圧が除去されるだけであり、過渡期間中のアーク長の初期変動を正確に検出することができる。このために、過渡期間を短くすることができると共に、過渡期間中のアーク長の変動幅を小さくすることができる。
【００４２】
図６は、実施の形態２に係るアークスタート時パルス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。同図において、上述した図４と同一のブロックには同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図４とは異なる点線で示すブロックについて同図を参照して説明する。
【００４３】
第２基準電圧波形生成回路ＶＣ２は、上述したように、アークスタート直後は前回溶接時の定常状態中に記憶した初期基準電圧波形を生成し、アークスタート後はピーク電圧移動平均値信号Ｖpr及びベース電圧移動平均値信号Ｖbrによって自動設定された基準電圧波形を生成し、経過時間信号Ｓｔに対応する中心電圧値信号Ｖｃを出力する。さらに、第２基準電圧波形生成回路ＶＣ２は、定常溶接状態の基準電圧波形を記憶する。
【００４４】
［効果］
図７は、本発明の効果の一例を示す平均過渡期間の比較図である。同図は、直径１．２mmのアルミニウムワイヤを使用したパルスＭＩＧ溶接において、アークスタートしてからアーク長が定常値に略収束するまでの過渡期間を５０回平均したものである。平均溶接電流値は１００Ａの場合である。同図から明らかなように、平均過渡期間は、従来技術では０．５２秒であったが、本発明では０．２３秒に半減した。このように、本発明では、アークスタート時の過渡期間を大幅に短くすることができるので、アークスタート部の溶接品質が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態１に係る溶接電圧制限値Ｖftの波形図である。
【図２】基準電圧波形の変動幅ΔＶｃとアークスタート後の経過時間との関係図の一例である。
【図３】基準電圧波形の変動幅ΔＶｃとアークスタート後の経過時間との関係図の別の一例である。
【図４】実施の形態１に係る溶接電源のブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る溶接電圧制限値Ｖftの波形図である。
【図６】実施の形態２に係る溶接電源のブロック図である。
【図７】本発明の効果の一例を示す平均過渡期間の比較図である。
【図８】一般的なパルスアーク溶接の電流・電圧波形図である。
【図９】従来技術における基準電圧波形Ｖｃの生成方法を示す図である。
【図１０】短絡解除直後に異常電圧が発生したときの溶接電圧Ｖｗ及び溶接電圧制限値Ｖftの波形図である。
【図１１】従来技術において基準電圧波形Ｖｃを溶接電圧の移動平均値から自動設定する方法を示す図である。
【図１２】従来技術の課題を示すための溶接電圧制限値Ｖftの波形図である。
【符号の説明】
【００４６】
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
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＶ 電圧誤差増幅回路
Ｅｖ 電圧誤差増幅信号
ＦＴ 制限フィルタ回路
Ｉav 溶接電流平均値
Ｉｂ ベース電流
ＩＢＳ ベース電流設定回路
Ｉbs ベース電流設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｐ ピーク電流
ＩＰＳ ピーク電流設定回路
Ｉps ピーク電流設定信号
ＩＳＣ 電流制御設定回路
Ｉsc 電流制御設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＰＭ 電源主回路
ＳＴ 経過時間計数回路
Ｓｔ 経過時間信号
ｔａ 経過時間
Ｔｂ ベース期間
Ｔdw ピーク立下り期間
Ｔｆ パルス周期（信号）
Ｔｐ ピーク期間
ＴＴ 過渡期間タイマ回路
Ｔｔ 過渡期間（信号）
Ｔup ピーク立上り期間
Ｖ／Ｆ 電圧・周波数変換回路
Ｖav 溶接電圧平均値
Ｖｂ ベース電圧
Ｖba ベース電圧平均値
Ｖbc 基準ベース電圧値
Ｖbf ベース電圧制限値
Ｖbr ベース電圧移動平均値（信号）
ＶＣ 基準電圧波形生成回路
Ｖｃ 基準電圧波形（の中心電圧値信号）
ＶＣ２ 第２基準電圧波形生成回路
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 溶接電圧検出信号
ＶＦＡ 平均値算出回路
Ｖfa 溶接電圧制限平均値信号
Ｖft 溶接電圧制限値（信号）
Ｖｐ ピーク電圧
Ｖpa ピーク電圧平均値
Ｖpc 基準ピーク電圧値
Ｖpf ピーク電圧制限値
Ｖpr ピーク電圧移動平均値（信号）
ＶＲＡ 溶接電圧制限移動平均値算出回路
ＶＳ 電圧設定回路
Ｖｓ 電圧設定信号
Ｖｗ 溶接電圧
ΔＶＣ 変動幅設定回路
ΔＶｃ 変動幅（信号）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アーク長と比例関係にない異常電圧を除去した溶接電圧によってアーク長を制御するパルスアーク溶接制御方法においてアークスタート性を良好にするためのアークスタート時パルスアーク溶接制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図８は、本発明が対象とする消耗電極パルスアーク溶接における溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗの波形図である。以下、同図を参照して説明する。
【０００３】
時刻ｔ１〜ｔ２のピーク立上り期間Ｔup中は、同図（Ａ）に示すように、ベース電流Ｉｂからピーク電流Ｉｐへと上昇する遷移電流が通電し、同図（Ｂ）に示すように、ベース電圧Ｖｂからピーク電圧Ｖｐへと上昇する遷移電圧が電極・母材間に印加する。時刻ｔ２〜ｔ３のピーク期間Ｔｐ中は、同図（Ａ）に示すように、溶滴移行させるための大電流値のピーク電流Ｉｐが通電し、同図（Ｂ）に示すように、ピーク電圧Ｖｐが電極・母材間に印加する。時刻ｔ３〜ｔ４のピーク立下り期間Ｔdw中は、同図（Ａ）に示すように、ピーク電流Ｉｐからベース電流Ｉｂへと下降する遷移電流が通電し、同図（Ｂ）に示すように、ピーク電圧Ｖｐからベース電圧Ｖｂへと下降する遷移電圧が電極・母材間に印加する。時刻ｔ４〜ｔ５のベース期間Ｔｂ中は、同図（Ａ）に示すように、溶滴を成長させないための小電流値のベース電流Ｉｂが通電し、同図（Ｂ）に示すように、ベース電圧Ｖｂが電極・母材間に印加する。上記の時刻ｔ１〜ｔ５の期間をパルス周期Ｔｆとして繰り返し溶接が行われる。上記のピーク立上り期間Ｔup及びピーク立下り期間Ｔdwは、溶接電源の内部及び外部に存在するリアクトル等による場合は０．３ms程度と短時間である。この場合、略矩形波の溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗとなる。他方、溶接条件によってはピーク立上り期間Ｔup及びピーク立下り期間Ｔdwを数ms程度に設定する場合もある。この場合、台形波の溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗとなる。
【０００４】
同図（Ａ）に示すパルス波形の溶接電流Ｉｗを平均化したのが溶接電流平均値Ｉavであり、同図（Ｂ）に示すように、パルス波形の溶接電圧Ｖｗを平均化したのが溶接電圧平均値Ｖavである。さらに、同図（Ｂ）に示すように、各周期のピーク電圧Ｖｐだけを取り出した平均値がピーク電圧平均値Ｖpaとなり、各周期のベース電圧Ｖｂだけを取り出した平均値がベース電圧平均値Ｖbaとなる。
【０００５】
パルスアーク溶接のアーク長制御は、以下のように行われる。すなわち、平均アーク長と上記の溶接電圧平均値Ｖavとは略比例関係にあるので、溶接中のアーク長を溶接電圧平均値Ｖavによって検出することができる。そして、この溶接電圧平均値Ｖavの検出値が目標値である電圧設定値Ｖｓと略等しくなるように、パルス周期Ｔｆ、ピーク期間Ｔｐ、ピーク電流Ｉｐ又はベース電流Ｉｂの少なくとも１つ以上を変化させて溶接電流平均値Ｉavを変化させることによって、ワイヤ溶融速度を変化させてアーク長を適正値に制御する。したがって、このアーク長制御では、上記の溶接電圧平均値Ｖavによってアーク長を正確に検出できることが、良好なアーク長制御の前提条件となる。
【０００６】
ところで、パルスアーク溶接においては、消耗電極である溶接ワイヤと母材とが短絡しその短絡が解除されてアークが再点弧したとき、母材表面の酸化皮膜の不均一に起因するアーク陰極点のふらつき現象が発生したとき等において、異常電圧が溶接電圧Ｖｗに重畳することがある。この異常電圧はアーク長とは比例しない電圧であるので、アーク長を検出するためには溶接電圧Ｖｗに重畳した異常電圧を除去する必要がある。この除去のための方法としては、パルス波形の基準電圧波形Ｖｃ及び変動幅ΔＶｃを予め設定し、溶接電圧ＶｗがＶｃ±ΔＶｃの範囲外になる部分は異常電圧であるとしてカットして制限する従来技術が提案されている。以下、この従来技術について説明する（特許文献１参照）。
【０００７】
図９は、上記の基準電圧波形Ｖｃの設定方法を示す図である。まず、溶接ワイヤの種類、送給速度等に応じて、基準ピーク電圧値Ｖpc、基準ベース電圧値Ｖbc及び変動幅ΔＶｃを、実験等によって予め設定する。そして、同図に示すように、ピーク立上り期間Ｔupの開始時点を０秒とする経過時間ｔによって、下式のように基準電圧波形Ｖｃが定義される。
０≦ｔ＜Ｔup
Ｖｃ＝（（Ｖpc−Ｖbc）／Ｔup）・ｔ＋Ｖbc （11）式
Ｔup≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ
Ｖｃ＝Ｖpc （12）式
Ｔup＋Ｔｐ≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw
Ｖｃ＝（（Ｖbc−Ｖpc）／Ｔdw）・（ｔ−Ｔup−Ｔｐ）＋Ｖpc （13）式
Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw＋Ｔｂ
Ｖｃ＝Ｖbc （14）式
【０００８】
例えば、同図に示すように、経過時間ｔａにおける溶接電圧検出値がＶd1であったとする。経過時間ｔａはＴup＋Ｔｐ≦ｔａ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdwのときであるので、上記（13）式に代入して、基準電圧波形の中心電圧値Ｖc1は以下となる。
Ｖｃ1＝（（Ｖbc−Ｖpc）／Ｔdw）・（ｔａ−Ｔup−Ｔｐ）＋Ｖpc
したがって、経過時間ｔａのときの溶接電圧検出値Ｖd1は、変動幅Ｖｃ１±ΔＶｃ内に制限される。すなわち、Ｖd1≧Ｖc1＋ΔＶｃのときにはＶd1＝Ｖｃ＋ΔＶｃに制限され、Ｖd1≦Ｖc1−ΔＶｃのときにはＶd1＝Ｖｃ−ΔＶｃに制限される。このようにして算出された溶接電圧制限値Ｖftは、異常電圧が略除去されたアーク長に略比例する電圧値となる。
【０００９】
図１０は、短絡解除直後のアーク再点弧に伴う異常電圧発生時の電圧波形図である。同図（Ａ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は基準電圧波形によって異常電圧を除去した後の溶接電圧制限値Ｖftの時間変化を示す。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは基準電圧波形を中心電圧値Ｖｃとする変動幅Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限される。この結果、時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間中の溶接電圧制限値Ｖft＝Ｖｃ−ΔＶｃとなり、時刻ｔ２〜ｔ３の異常電圧発生期間中の溶接電圧制限値Ｖft＝Ｖｃ＋ΔＶｃとなる。このように、異常電圧を略除去することができる。
【００１０】
図１１は、図９で上述した基準電圧波形Ｖｃを自動設定する方法を説明するための溶接電圧制限値Ｖftの時間変化を示す図である。同図において、現時点は時刻ｔｎであり、第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)の開始時点である。また、第ｎ−１回目のパルス周期Ｔｆ(n-1)におけるピーク期間のみの溶接電圧制限値の平均値がピーク電圧制限値Ｖpf(n-1)であり、ベース期間のみの溶接電圧制限値の平均値がベース電圧制限値Ｖbf(n-1)である。同様に、第ｎ−ｍ回目のパルス周期Ｔｆ(n-m)におけるピーク期間のみの溶接電圧制限値の平均値がピーク電圧制限値Ｖpf(n-m)であり、ベース期間のみの溶接電圧制限値の平均値がベース電圧制限値Ｖbf(n-m)である。
【００１１】
時刻ｔｎにおいて、上記の第(ｎ-1)〜第(n-m)回目のピーク電圧制限値Ｖpfを入力として、下式のようにピーク電圧移動平均値Ｖpr(n)を算出する。
Ｖpr(n)＝（Ｖpf(n-1)＋…＋Ｖpf(n-m)）／ｍ （21）式
同様に、時刻ｔｎにおいて、上記の第(ｎ-1)〜第(n-m)回目のベース電圧制限値Ｖbfを入力として、下式のようにベース電圧移動平均値Ｖbr(n)を算出する。
Ｖbr(n)＝（Ｖbf(n-1)＋…＋Ｖbf(n-m)）／ｍ （22）式
【００１２】
そして、上述した（11）〜（14）式において、基準ピーク電圧値Ｖpcに上記のピーク電圧移動平均値Ｖprを代入し、かつ、基準ベース電圧値Ｖbcに上記のベース電圧移動平均値Ｖbrを代入すると、下式のように第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)期間中の基準電圧波形が自動設定される。
０≦ｔ＜Ｔup
Ｖｃ(n)＝（（Ｖpr(n）−Ｖbr(n)）／Ｔup）・ｔ＋Ｖbr(n) （31）式
Ｔup≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ
Ｖｃ(n)＝Ｖpr(n) （32）式
Ｔup＋Ｔｐ≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw
Ｖｃ(n)＝（（Ｖbr(n)−Ｖpr(n)）／Ｔdw）・（ｔ−Ｔup−Ｔｐ）＋Ｖpr(n) （33）式
Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw≦ｔ＜Ｔup＋Ｔｐ＋Ｔdw＋Ｔｂ
Ｖｃ(n)＝Ｖbr(n) （34）式
【００１３】
上述したように、パルス周期の開始時点ごとに、上記のピーク電圧移動平均値Ｖpr及びベース電圧移動平均値Ｖbrを算出し、上記（31）式〜（34）式によって基準電圧波形が自動設定される。上記において、ピーク電圧移動平均値Ｖprを算出するときに、ピーク電圧制限値Ｖpfを重み付け移動平均して算出してもよい。同様に、ベース電圧移動平均値Ｖbrを算出するときに、ベース電圧制限値Ｖbfを重み付け移動平均して算出してもよい。また、移動平均する期間の長さは、過去数周期〜数十周期程度に設定する。
【００１４】
【特許文献１】特開２００４−３１１４０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
基準電圧波形を設定する方法としては、図９で上述した予め設定する第１の方法と、図１１で上述した溶接電圧制限値の移動平均値から自動設定する第２の方法とがある。第１の方法は、種々な溶接条件ごとに基準電圧波形を予め設定するための予備試験に多くの時間が必要になる。このために、その必要のない第２の方法が使用されることが多い。したがって、以下の説明では、この第２の方法の場合について説明する。
【００１６】
図１２は、パルスアーク溶接におけるアークスタート時の溶接電圧制限値Ｖftの時間変化を示す図である。同図は、説明を分かりやすくするために、ピーク立上り期間及びピーク立下り期間が短い場合であり、パルス波形が略矩形波と見なせる場合である。また、同図に示す斜線の四角形は、ピーク期間及びベース期間の基準電圧波形の変動幅Ｖｃ±ΔＶｃの範囲を模式的に示したものである。この四角形の真中の横線が基準電圧波形の中心電圧値Ｖｃを示し、上部の横線がＶｃ＋ΔＶｃを示し、下部の横線がＶｃ−ΔＶｃを示す。すなわち、ピーク電圧及びベース電圧は、この四角形の範囲内で制限されて、溶接電圧制限値Ｖftが算出される。以下、同図を参照して説明する。
【００１７】
(1)時刻ｔ１〜ｔ３のアーク発生以前の期間
時刻ｔ１において、溶接を開始すると、高い無負荷電圧が溶接電源から出力されると共に、溶接ワイヤの送給が開始される。時刻ｔ２において、溶接ワイヤが母材に到達し短絡状態になると、溶接電圧は低い値の短絡電圧値になる。時刻ｔ３において、アークスタート時の初期短絡Ｔｓ状態が解除されると、アークが発生して以後パルス波形の溶接電圧が印加する。時刻ｔ１〜ｔ３のアーク発生以前の期間中は、溶接電圧はすべて０Ｖとして溶接電圧制限値Ｖftが出力される。
【００１８】
(2)時刻ｔ３〜ｔ６の過渡期間Ｔｔ
時刻ｔ３においてアークが発生してパルス波形の溶接電圧及び溶接電流が出力される。上述したように、アーク長が所望値になるように溶接電源の出力制御が行われ、過渡期間Ｔｔの後に定常のアーク長に収束する。この過渡期間Ｔｔ中のアーク長は、上記の初期短絡期間の長さ、ワイヤ突出し部の温度不均衡、ワイヤ送給速度の初期変動等の種々の要因によってアーク長は大きく変動する。このアーク長の初期変動に伴い初期変動する溶接電圧に上述した異常電圧がさらに重畳することになる。アーク長を迅速に定常状態に収束させるためには、この過渡期間Ｔｔ中においてはアーク長の初期変動に伴う溶接電圧の初期変動を正確に検出すると共に、アーク長の変動とは無関係の異常電圧は除去して溶接電圧制限値Ｖftを算出する必要がある。
【００１９】
時刻ｔ３においてアークが発生した時点では、溶接電圧制限値の移動平均値によって基準電圧波形を自動設定することはできないために、基準電圧波形の初期値を設定しておく必要がある。時刻ｔ３〜ｔ４の第１回目のパルス周期において、過渡期間Ｔｔ中はアーク長の変動が大きいので溶接電圧の変動も大きくなるために、本来除去すべきではないｐ１に示すピーク電圧及びｂ１に示すベース電圧が基準電圧波形の変動幅外ということで除去されてしまう。時刻ｔ４〜ｔ５の第２回目のパルス周期においても、ｐ２に示す本来除去されるべきではないピーク電圧が除去されてしまう。他方、ａ１に示す異常電圧は略除去することができている。このように、アークスタート時の過渡期間Ｔｔ中において、アーク長の初期変動に伴う溶接電圧の初期変動の一部が基準電圧波形の変動幅外として除去されてしまう。このために、過渡期間Ｔｔ中のアーク長の初期変動を正確に検出することができなくなり、過渡期間Ｔｔが長くなりアーク長変動幅も大きくなりアークスタート部の溶接品質が悪くなるという課題があった。
【００２０】
そこで、本発明では、異常電圧を除去しつつアークスタート時のアーク長の初期変動に伴う溶接電圧の初期変動は除去することなく検出することができるアークスタート時パルスアーク溶接制御方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上述した課題を解決するために、第１の発明は、ピーク電流及びベース電流を１周期とするパルス波形の溶接電流をアークに通電すると共に、消耗電極と母材との間のパルス波形の溶接電圧を検出しこの溶接電圧検出値をパルス波形の基準電圧波形からの所定変動幅内で制限して溶接電圧制限値を算出し、前記基準電圧波形は前記溶接電圧制限値を移動平均した電圧波形から生成し、前記溶接電圧制限値を１周期又は数周期ごとに平均化した溶接電圧制限平均値が予め定めた電圧設定値と略等しくなるように溶接電源の出力を制御するパルスアーク溶接制御方法であって、
アークスタート時は前記基準電圧波形を予め定めた初期基準電圧波形に設定してアークスタートを開始するアークスタート時パルスアーク溶接制御方法において、
前記変動幅を、アークスタート時の過渡状態の期間中は定常状態よりも大きな値に設定することを特徴とするアークスタート時パルスアーク溶接制御方法である。
【００２２】
また、第２の発明は、第１の発明記載の初期基準電圧波形を、前回溶接中の定常状態で記憶された前記基準電圧波形に設定して今回のアークスタートを開始することを特徴とするアークスタート時パルスアーク溶接制御方法である。
【発明の効果】
【００２３】
上記第１の発明によれば、アークスタート後の過渡期間中における基準電圧波形の変動幅ΔＶｃを定常状態よりも大きくすることによって、過渡期間中のアーク長の初期変動に伴う溶接電圧の初期変動を正確に検出することができる。このために、アークスタート時の過渡期間を短くしてアーク長の変動幅を小さくすることができるので、アークスタート部の溶接品質が向上する。
【００２４】
上記第２の発明によれば、アークスタート時の初期基準電圧波形を前回溶接時の定常状態で記憶された基準電圧波形に設定することによって、溶接条件が予め想定した標準溶接条件とは異なっているときでも、上記の効果を奏することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
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。
【００２６】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係るパルスアーク溶接におけるアークスタート時の溶接電圧制限値Ｖftの時間変化を示す図である。同図は、上述した図１２と対応しており、説明を分かりやすくするためにピーク立上り期間及びピーク立下り期間が短い場合であり、パルス波形が略矩形波と見なせる場合である。また、同図に示す斜線の四角形は、ピーク期間及びベース期間の基準電圧波形の変動幅Ｖｃ±ΔＶｃの範囲を模式的に示したものである。この四角形の真中の横線が基準電圧波形の中心電圧値Ｖｃを示し、上部の横線がＶｃ＋ΔＶｃを示し、下部の横線がＶｃ−ΔＶｃを示す。すなわち、ピーク電圧及びベース電圧は、この四角形の範囲内で制限されて、溶接電圧制限値Ｖftが算出される。本発明では、アークスタート後にアーク長が定常状態に収束するまでの過渡期間Ｔｔ中は、変動幅ΔＶｃを定常状態よりも大きく設定するものである。したがって、変動幅ΔＶｃの値を表わす四角形の高さは、過渡期間Ｔｔ中がそれ以降に比べて大きくなっている。同図の時刻ｔ１〜ｔ３までの期間の動作は、上述した図１２のときと同一であるので説明は省略する。以下、同図を参照して時刻ｔ３以降について説明する。
【００２７】
時刻ｔ３〜ｔ４の第１回目のパルス周期において、基準電圧波形の初期値は図１２と同一であるが、変動幅ΔＶｃは大きくなっている。このために、ｐ３に示すように、わずかにピーク電圧が除去されるが、ベース電圧は除去されない。時刻ｔ４〜ｔ５の第２回目のパルス周期においては、ピーク電圧及びベース電圧共に除去されない。その上で、ａ２に示す異常電圧は除去させる。このように、実施の形態１では、過渡期間Ｔｔ中のアーク長の初期変動に伴う溶接電圧の初期変動の一部を略除去することなく溶接電圧制限値Ｖftとして算出すると共に、異常電圧はしっかりと除去することができる。この結果、過渡期間Ｔｔを短くすることができると共に、過渡期間Ｔｔ中のアーク長の変動幅を小さく抑制することができ、アークスタート部の溶接品質が改善される。同図は、ピーク立上り期間及びピーク立下り期間が短い場合であるが、両期間が数ms程度と長い場合でも同様である。
【００２８】
上記において、基準電圧波形の変動幅ΔＶｃを大きくする期間は、過渡期間Ｔｔ中である。この過渡期間Ｔｔは所定期間を予め設定してもよい。また、溶接電圧及び／又は溶接電流の平均値の変化、パルス周期の変化等によって過渡期間Ｔｔ終了時点を判別してもよい。
【００２９】
図２及び図３は、基準電圧波形の変動幅ΔＶｃとアークスタート後の経過時間との関係を示す図である。アークスタート後とは、上述した図１の時刻ｔ３の時点である。すなわち、アークが発生してからの経過時間である。同図では、過渡期間Ｔｔ＝０．４秒の所定値として設定した場合である。点線は直径１．２mmの鉄鋼ワイヤを使用したパルスＭＡＧ溶接の場合であり、実線は直径１．２mmのアルミニウムワイヤを使用したパルスＭＩＧ溶接の場合である。
【００３０】
図２は、変動幅ΔＶｃを過渡期間Ｔｔで階段状に変化させる場合である。他方、図３は、変動幅ΔＶｃを過渡期間Ｔｔの間傾斜状に変化させる場合である。これ以外にも、２段階に変化させる場合等種々のパターンが考えられる。
【００３１】
図４は、実施の形態１に係るアークスタート時パルス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。
【００３２】
電源主回路ＰＭは、商用交流電源（３相２００Ｖ等）を入力として、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従って、インバータ制御、チョッパ制御等の出力制御を行い、溶接に適した溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力する。溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給装置の送給ロール５の回転によって溶接トーチ４内を通って送給されて、母材２との間でアーク３が発生する。
【００３３】
電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗを検出して、溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する。溶接電圧制限移動平均値算出回路ＶＲＡは、後述する溶接電圧制限値信号Ｖft及び後述する経過時間信号Ｓｔを入力として、図１１で上述したように、ピーク電圧移動平均値信号Ｖpr及びベース電圧移動平均値信号Ｖbrを出力する。基準電圧波形生成回路ＶＣは、上述したように、アークスタート時は予め定めた初期基準電圧波形を生成し、アークスタート後は上記のピーク電圧移動平均値信号Ｖpr及びベース電圧移動平均値信号Ｖbrによって自動設定された基準電圧波形を生成し、後述する経過時間信号Ｓｔに対応する中心電圧値信号Ｖｃを出力する。過渡期間タイマ回路ＴＴは、溶接電圧検出信号Ｖｄによってアーク発生を判別しそれから所定期間Ｈｉｇｈレベルとなる過渡期間信号Ｔｔを出力する。変動幅設定回路ΔＶＣは、上記の過渡期間信号ＴｔがＨｉｇｈレベルのときは予め定めた大きな値の、Ｌｏｗレベルのときは予め定めた小さな値の、変動幅信号ΔＶｃを出力する。制限フィルタ回路ＦＴは、上記の溶接電圧検出信号Ｖｄを入力として、上記の中心電圧値からの変動幅Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限して、溶接電圧制限値信号Ｖftを出力する。平均値算出回路ＶＦＡは、上記の溶接電圧制限値信号Ｖftを入力として平均値を算出し、溶接電圧制限平均値信号Ｖfaを出力する。
【００３４】
電圧設定回路ＶＳは、予め定めた電圧設定信号Ｖｓを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の溶接電圧制限平均値信号Ｖfaと電圧設定信号Ｖｓとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。電圧・周波数変換回路Ｖ／Ｆは、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖの値に比例した周波数に変換し、その周波数（パルス周期）ごとに短時間Ｈｉｇｈレベルとなるパルス周期信号Ｔｆを出力する。経過時間計数回路ＳＴは、上記のパルス周期信号ＴｆがＨｉｇｈレベルに変化した時点（ピーク立上り期間の開始時点）からの経過時間を計数して、経過時間信号Ｓｔを出力する。
【００３５】
ピーク電流設定回路ＩＰＳは、予め定めたピーク電流設定信号Ｉpsを出力する。ベース電流設定回路ＩＢＳは、予め定めたベース電流設定信号Ｉbsを出力する。電流制御設定回路ＩＳＣは、上記の経過時間信号Ｓｔを入力として、ピーク立上り期間Ｔup中は上記のベース電流設定信号Ｉbsから上記のピーク電流設定信号Ｉpsへと上昇する電流制御設定信号Ｉscを出力し、その後のピーク期間Ｔｐ中は上記のピーク電流設定信号Ｉpsを電流制御設定信号Ｉscとして出力し、その後のピーク立下り期間Ｔdw中は上記のピーク電流設定信号Ｉpsから上記のベース電流設定信号Ｉbsへと下降する電流制御設定信号Ｉscを出力し、その後のベース期間Ｔｂ中は上記のベース電流設定信号Ｉbsを電流制御設定信号Ｉscとして出力する。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、上記の電流制御設定信号Ｉsc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。上記ブロックにより、上記の電流制御設定信号Ｉscに相当する図８で上述した溶接電流Ｉｗが通電する。
【００３６】
上記の過渡期間タイマ回路ＴＴ及び変動幅設定回路ΔＶＣによって、アークスタート後の過渡期間中の基準電圧波形の変動幅を定常状態よりも大きくすることができる。
【００３７】
［実施の形態２］
本発明の実施の形態２は、実施の形態１記載の初期基準電圧波形を、前回溶接中の定常状態での基準電圧波形に設定して今回のアークスタートを開始するものである。以下、図面を参照して説明する。
【００３８】
図５は、本発明の実施の形態２に係るパルスアーク溶接におけるアークスタート時の溶接電圧制限値Ｖftの時間変化を示す図である。同図（Ａ）は上述した図１と同一の波形図であり、同図（Ｂ）は同図（Ａ）とは溶接条件が異なるときの実施の形態１による波形図であり、同図（Ｃ）は同図（Ｂ）と同一溶接条件において実施の形態２による波形図である。また、同図に示す斜線の四角形は、図１と同様に、ピーク期間及びベース期間の溶接電圧制限値の変動幅Ｖｃ±ΔＶｃの範囲を模式的に示したものである。この四角形の真中の横線が基準電圧波形の中心電圧値Ｖｃを示し、上部の横線がＶｃ＋ΔＶｃを示し、下部の横線がＶｃ−ΔＶｃを示す。すなわち、ピーク電圧及びベース電圧は、この四角形の範囲内で制限されて溶接電圧制限値Ｖftが算出される。本発明では、アークスタート後にアーク長が定常状態に収束するまでの過渡期間Ｔｔ中は、変動幅ΔＶｃを定常状態よりも大きく設定するものである。以下、同図を参照して説明する。
【００３９】
同図（Ａ）は、上述した図１と同一波形図である。同図（Ａ）は、標準的な溶接条件を想定して、その標準溶接条件下で溶接を行い、定常状態にあるときの溶接電圧制限値の移動平均値から自動設定された基準電圧波形を初期基準電圧波形として予め設定している。このために、標準溶接条件で溶接を行う場合には、アーク発生直後の第１回目のパルス周期のときから定常状態とのアーク長の偏差をｐ３に示すわずかな除去部分を除き略正確に検出することができる。
【００４０】
次に、同図（Ｂ）は、標準溶接条件とは異なる溶接条件で溶接を行ったときの実施の形態１による波形図である。同図（Ｂ）は、定常のアーク長を同図（Ａ）のときよりも高く設定した場合である。この場合でも初期基準電圧波形は予め設定されているので、同図（Ａ）と同一である。しかし、定常のアーク長が高く設定されているので、過渡期間中の溶接電圧値も全体的に高い方にスライドしている。このために、初期基準電圧波形が相対的に低くなり、ｐ４、ｂ２及びｐ５に示す溶接電圧が除去されてしまい、過渡期間中のアーク長の初期変動を正確に検出することができない場合があった。
【００４１】
この問題を解決するために実施の形態２では、同図（Ｃ）に示すように、初期基準電圧波形を前回の溶接時における定常状態での基準電圧波形に設定するものである。これによって、溶接条件に応じて初期基準電圧波形が適正化されることになる。この結果、同図（Ａ）のときと略同じように、わずかにｐ６に示す溶接電圧が除去されるだけであり、過渡期間中のアーク長の初期変動を正確に検出することができる。このために、過渡期間を短くすることができると共に、過渡期間中のアーク長の変動幅を小さくすることができる。
【００４２】
図６は、実施の形態２に係るアークスタート時パルス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。同図において、上述した図４と同一のブロックには同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、図４とは異なる点線で示すブロックについて同図を参照して説明する。
【００４３】
第２基準電圧波形生成回路ＶＣ２は、上述したように、アークスタート直後は前回溶接時の定常状態中に記憶した初期基準電圧波形を生成し、アークスタート後はピーク電圧移動平均値信号Ｖpr及びベース電圧移動平均値信号Ｖbrによって自動設定された基準電圧波形を生成し、経過時間信号Ｓｔに対応する中心電圧値信号Ｖｃを出力する。さらに、第２基準電圧波形生成回路ＶＣ２は、定常溶接状態の基準電圧波形を記憶する。
【００４４】
［効果］
図７は、本発明の効果の一例を示す平均過渡期間の比較図である。同図は、直径１．２mmのアルミニウムワイヤを使用したパルスＭＩＧ溶接において、アークスタートしてからアーク長が定常値に略収束するまでの過渡期間を５０回平均したものである。平均溶接電流値は１００Ａの場合である。同図から明らかなように、平均過渡期間は、従来技術では０．５２秒であったが、本発明では０．２３秒に半減した。このように、本発明では、アークスタート時の過渡期間を大幅に短くすることができるので、アークスタート部の溶接品質が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態１に係る溶接電圧制限値Ｖftの波形図である。
【図２】基準電圧波形の変動幅ΔＶｃとアークスタート後の経過時間との関係図の一例である。
【図３】基準電圧波形の変動幅ΔＶｃとアークスタート後の経過時間との関係図の別の一例である。
【図４】実施の形態１に係る溶接電源のブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る溶接電圧制限値Ｖftの波形図である。
【図６】実施の形態２に係る溶接電源のブロック図である。
【図７】本発明の効果の一例を示す平均過渡期間の比較図である。
【図８】一般的なパルスアーク溶接の電流・電圧波形図である。
【図９】従来技術における基準電圧波形Ｖｃの生成方法を示す図である。
【図１０】短絡解除直後に異常電圧が発生したときの溶接電圧Ｖｗ及び溶接電圧制限値Ｖftの波形図である。
【図１１】従来技術において基準電圧波形Ｖｃを溶接電圧の移動平均値から自動設定する方法を示す図である。
【図１２】従来技術の課題を示すための溶接電圧制限値Ｖftの波形図である。
【符号の説明】
【００４６】
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
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＶ 電圧誤差増幅回路
Ｅｖ 電圧誤差増幅信号
ＦＴ 制限フィルタ回路
Ｉav 溶接電流平均値
Ｉｂ ベース電流
ＩＢＳ ベース電流設定回路
Ｉbs ベース電流設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｐ ピーク電流
ＩＰＳ ピーク電流設定回路
Ｉps ピーク電流設定信号
ＩＳＣ 電流制御設定回路
Ｉsc 電流制御設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＰＭ 電源主回路
ＳＴ 経過時間計数回路
Ｓｔ 経過時間信号
ｔａ 経過時間
Ｔｂ ベース期間
Ｔdw ピーク立下り期間
Ｔｆ パルス周期（信号）
Ｔｐ ピーク期間
ＴＴ 過渡期間タイマ回路
Ｔｔ 過渡期間（信号）
Ｔup ピーク立上り期間
Ｖ／Ｆ 電圧・周波数変換回路
Ｖav 溶接電圧平均値
Ｖｂ ベース電圧
Ｖba ベース電圧平均値
Ｖbc 基準ベース電圧値
Ｖbf ベース電圧制限値
Ｖbr ベース電圧移動平均値（信号）
ＶＣ 基準電圧波形生成回路
Ｖｃ 基準電圧波形（の中心電圧値信号）
ＶＣ２ 第２基準電圧波形生成回路
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 溶接電圧検出信号
ＶＦＡ 平均値算出回路
Ｖfa 溶接電圧制限平均値信号
Ｖft 溶接電圧制限値（信号）
Ｖｐ ピーク電圧
Ｖpa ピーク電圧平均値
Ｖpc 基準ピーク電圧値
Ｖpf ピーク電圧制限値
Ｖpr ピーク電圧移動平均値（信号）
ＶＲＡ 溶接電圧制限移動平均値算出回路
ＶＳ 電圧設定回路
Ｖｓ 電圧設定信号
Ｖｗ 溶接電圧
ΔＶＣ 変動幅設定回路
ΔＶｃ 変動幅（信号）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピーク電流及びベース電流を１周期とするパルス波形の溶接電流をアークに通電すると共に、消耗電極と母材との間のパルス波形の溶接電圧を検出しこの溶接電圧検出値をパルス波形の基準電圧波形からの所定変動幅内で制限して溶接電圧制限値を算出し、前記基準電圧波形は前記溶接電圧制限値を移動平均した電圧波形から生成し、前記溶接電圧制限値を１周期又は数周期ごとに平均化した溶接電圧制限平均値が予め定めた電圧設定値と略等しくなるように溶接電源の出力を制御するパルスアーク溶接制御方法であって、
アークスタート時は前記基準電圧波形を予め定めた初期基準電圧波形に設定してアークスタートを開始するアークスタート時パルスアーク溶接制御方法において、
前記変動幅を、アークスタート時の過渡状態の期間中は定常状態よりも大きな値に設定することを特徴とするアークスタート時パルスアーク溶接制御方法。
【請求項２】
請求項１記載の初期基準電圧波形を、前回溶接中の定常状態で記憶された前記基準電圧波形に設定して今回のアークスタートを開始することを特徴とするアークスタート時パルスアーク溶接制御方法。
【請求項１】
ピーク電流及びベース電流を１周期とするパルス波形の溶接電流をアークに通電すると共に、消耗電極と母材との間のパルス波形の溶接電圧を検出しこの溶接電圧検出値をパルス波形の基準電圧波形からの所定変動幅内で制限して溶接電圧制限値を算出し、前記基準電圧波形は前記溶接電圧制限値を移動平均した電圧波形から生成し、前記溶接電圧制限値を１周期又は数周期ごとに平均化した溶接電圧制限平均値が予め定めた電圧設定値と略等しくなるように溶接電源の出力を制御するパルスアーク溶接制御方法であって、
アークスタート時は前記基準電圧波形を予め定めた初期基準電圧波形に設定してアークスタートを開始するアークスタート時パルスアーク溶接制御方法において、
前記変動幅を、アークスタート時の過渡状態の期間中は定常状態よりも大きな値に設定することを特徴とするアークスタート時パルスアーク溶接制御方法。
【請求項２】
請求項１記載の初期基準電圧波形を、前回溶接中の定常状態で記憶された前記基準電圧波形に設定して今回のアークスタートを開始することを特徴とするアークスタート時パルスアーク溶接制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００６−６８７８４（Ｐ２００６−６８７８４Ａ）
【公開日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２５６６５７（Ｐ２００４−２５６６５７）
【出願日】平成１６年９月３日（２００４．９．３）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月１６日（２００６．３．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月３日（２００４．９．３）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
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