プラズマミグ溶接方法
【課題】１つの溶接トーチからミグアークとプラズマアークとを同時に発生させるプラズマミグ溶接方法において、ミグアークのアーク長制御をより精密に行なうこと。
【解決手段】ミグ溶接電圧Ｖｗｍの検出値を入力として基準電圧波形Ｖｃを中心電圧値とする変動範囲±ΔＶｃ内に制限してミグ溶接電圧制限値Ｖｆｔを算出し、このミグ溶接電圧制限値Ｖｆｔに基づいてパルス周期Ｔｆ又はピーク期間Ｔｐを変化させてミグアークのアーク長制御を行う。上記変動範囲ΔＶｃを上記プラズマ溶接電流の値Ｉｗｐｒに応じて変化させる。これにより、プラズマ溶接電流の値が大きくなるのに伴いプラズマアークがミグアークを拘束する力が強くなるために、変動範囲ΔＶｃを大きくして、以上電圧の重畳は抑制し、かつ、アーク長の変動に伴う電圧変動を正確に検出することができるようにする。
【解決手段】ミグ溶接電圧Ｖｗｍの検出値を入力として基準電圧波形Ｖｃを中心電圧値とする変動範囲±ΔＶｃ内に制限してミグ溶接電圧制限値Ｖｆｔを算出し、このミグ溶接電圧制限値Ｖｆｔに基づいてパルス周期Ｔｆ又はピーク期間Ｔｐを変化させてミグアークのアーク長制御を行う。上記変動範囲ΔＶｃを上記プラズマ溶接電流の値Ｉｗｐｒに応じて変化させる。これにより、プラズマ溶接電流の値が大きくなるのに伴いプラズマアークがミグアークを拘束する力が強くなるために、変動範囲ΔＶｃを大きくして、以上電圧の重畳は抑制し、かつ、アーク長の変動に伴う電圧変動を正確に検出することができるようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１つの溶接トーチを用いてミグアークとプラズマアークとを同時に発生させて溶接を行うプラズマミグ溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、プラズマ溶接方法とミグ溶接方法とを組み合わせたプラズマミグ溶接方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このプラズマミグ溶接方法においては、溶接トーチを通して送給される溶接ワイヤと母材との間にミグ溶接電流を通電することによってミグアークを発生させる。これと同時に、溶接ワイヤを囲むようにアルゴンなどのガスを供給し、このガスを介して溶接トーチと母材との間にプラズマ溶接電流を通電することによってプラズマアークを発生させる。溶接ワイヤは、ミグアークを発生させる電極として機能すると共に、その先端が溶融することにより溶滴となって母材の接合を補助する。したがって、プラズマミグ溶接方法は、厚板の高効率溶接、薄板の高速溶接等に使用されることが多い。
【０００３】
上記のミグ溶接電流は、スパッタの発生を抑制し、かつ、溶滴を安定して供給するために、一般的に直流のパルス波形が使用される。したがって、ミグ溶接方法は、一般的なミグパルス溶接方法である。ミグパルス溶接方法を含む消耗電極式アーク溶接方法では、溶接中のアーク長を適正値に維持することが重要であるために、アーク長制御が行われる。上記のプラズマ溶接電流には、直流又は直流パルス波形が使用される。これ以降の説明において、単にアーク長と記載したときはミグアークのアーク長を意味している。以下、上述したプラズマミグ溶接方法について説明する。
【０００４】
図７は、プラズマミグ溶接方法を示す波形図である。同図（Ａ）はミグ溶接電流Ｉwmを示し、同図（Ｂ）はミグ溶接電圧Ｖwmを示し、同図（Ｃ）はプラズマ溶接電流Ｉwpを示す。以下、同図を参照して説明する。
【０００５】
同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２のピーク立上り期間Ｔup中は、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、続いて時刻ｔ２〜ｔ３のピーク期間Ｔｐ中は、上記のピーク電流Ｉｐが通電し、続いて時刻ｔ３〜ｔ４のピーク立下り期間Ｔdw中は、上記のピーク電流Ｉｐから上記のベース電流Ｉｂへと下降する遷移電流が通電し、続いて時刻ｔ４〜ｔ５のベース期間Ｔｂ中は、上記のベース電流Ｉｂが通電する。また、上記のミグ溶接電流Ｉwmの通電に対応して、同図（Ｂ）に示すように、上記のピーク立上り期間Ｔup中は、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印加し、続いて上記のピーク期間Ｔｐ中は、上記のピーク電圧Ｖｐが印加し、続いて上記のピーク立下り期間Ｔdw中は、上記のピーク電圧Ｖｐから上記のベース電圧Ｖｂへと下降する遷移電圧が印加し、続いて上記のベース期間Ｔｂ中は、上記のベース電圧Ｖｂが印加する。時刻ｔ１〜ｔ５の期間を１パルス周期Ｔｆとして繰り返して溶接が行われる。
【０００６】
ミグ溶接では、良好な溶接品質を得るためにアーク長を適正値に維持するアーク長制御が行われる。通常、このアーク長制御は、ミグ溶接電圧Ｖwmがアーク長と略比例関係にあることを利用して、ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値が予め定めた電圧設定値と等しくなるようにパルス周期が制御される。このアーク長制御の方式は、周波数変調方式と呼ばれる。この場合、ピーク期間Ｔｐ、ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂは所定値に設定され、パルスパラメータとなる。ピーク電流Ｉｐは臨界値以上に設定され、ピーク期間Ｔｐと組み合わせてユニットパルス条件と呼ばれる。このユニットパルス条件は、１パルス周期１溶滴移行になるように設定される。ベース電流Ｉｂは、臨界値未満の数十Ａ程度の小電流値に設定される。ユニットパルス条件及びベース電流Ｉｂは、溶接ワイヤの材質、直径、送給速度等に応じて適正値に設定される。アーク長制御の方式には、上記の周波数変調方式以外にパルス幅変調方式がある。このパルス幅変調方式では、パルス周期Ｔｆ、ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂが所定値に設定され、ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値が予め定めた電圧設定値と等しくなるようにピーク期間Ｔｐが制御される。
【０００７】
他方、同図（Ｃ）に示すように、プラズマ溶接電流Ｉwpは、定電流制御されており、予め定めた一定値の直流波形となる。したがって、プラズマアークは、一定値のプラズマ溶接電流Ｉwpの通電によって発生している。
【０００８】
ところで、ミグパルス溶接においては、アークの陰極点は母材表面の酸化皮膜が存在する位置に形成される性質を有している。アークによって酸化皮膜は除去（クリーニング）されていくので、陰極点は酸化皮膜が残っている個所を求めて周辺部へと移動して形成されるようになる。この結果、アークは常に移動している不安定な状態になるために、短絡が発生しやすくなる。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、異常電圧がミグ溶接電圧Ｖwmに重畳することになる。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、アーク長を正確に検出するためにはミグ溶接電圧Ｖwm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及び変動範囲ΔＶｃを設定し、ミグ溶接電圧Ｖwm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２及び３参照）。
【０００９】
図８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、図１０で後述するように、基準ピーク電圧値Ｖpc、基準ベース電圧値Ｖbc及び変動範囲ΔＶｃを設定する。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
【００１０】
例えば、同図に示すように、経過時間ｔ＝ｔａにおけるミグ溶接電圧検出値が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値Ｖc1は下式となる。
Ｖc1＝（（Ｖbc−Ｖpc）／Ｔdw）・（ｔａ−Ｔup−Ｔｐ）＋Ｖpc
したがって、経過時間ｔａのときのミグ溶接電圧検出値Ｖd1は、変動範囲Ｖｃ１±ΔＶｃ内に制限される。すなわち、Ｖd1≧Ｖc1＋ΔＶｃのときにはミグ溶接電圧制限値Ｖft1＝Ｖc1＋ΔＶｃに制限され、Ｖd1≦Ｖc1−ΔＶｃのときにはＶft1＝Ｖc1−ΔＶｃに制限される。このようにして算出されたミグ溶接電圧制限値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。
【００１１】
図９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）はミグ溶接電圧Ｖwm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ミグ溶接電圧制限値Ｖftの時間変化を示す。同図（Ｂ）に示すように、ミグ溶接電圧Ｖwmは基準電圧波形を中心値Ｖｃとする変動範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限される。この結果、時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間中のミグ溶接電圧制限値Ｖft＝Ｖｃ−ΔＶｃとなり、時刻ｔ２〜ｔ３の異常電圧発生期間中のミグ溶接電圧制限値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。
【００１２】
図１０は、図８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ミグ溶接電圧制限値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ミグ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、ベース期間のみのミグ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ミグ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、ベース期間のみのミグ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。
【００１３】
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
【００１４】
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
【００１５】
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良い。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良い。また、移動平均する期間の長さ（所定期間）は、過去数周期〜数十周期程度に設定する。この所定期間は、溶接ワイヤの材質、直径、送給速度、溶接速度、溶接継手等の溶接条件に応じて実験によって適正値に設定される。アークスタートからｍ回のパルス周期Ｔｆが経過するまでは、上記のピーク電圧移動平均値Ｖpr及び上記のベース電圧移動平均値Ｖbrを（２１）式及び（２２）式に基づいて算出することができない。そこで、この期間中は、ピーク電圧初期値及びベース電圧初期値を予め設定しておき、ピーク電圧移動平均値Ｖpr及びベース電圧移動平均値Ｖbrとして使用するようにする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００８−２２９６４１号公報
【特許文献２】特許第４２６３８８６号公報
【特許文献３】特開２００７−３０７５６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上述したように、ミグ溶接電圧Ｖwmには、送給速度の変動、トーチ高さの変動、溶融池状態の変動等に起因するアーク長の変動に伴う電圧変動と、陰極点の移動に等に起因する異常電圧とが重畳している。このアーク長の変動に伴う電圧変動は、アーク長制御を行うために正確に検出する必要がある。他方、アーク長の変動とは関係しない異常電圧については、できる限り除去することが、精密なアーク長制御を行うためには望ましい。上述した基準波形Ｖｃ及び変動範囲ΔＶｃを使用した異常電圧除去方法において、変動範囲ΔＶｃを小さくすると、異常電圧の除去率は向上するが、反面、アーク長の変動に伴う電圧変動も同時に除去する可能性が高くなる。逆に、変動範囲ΔＶｃを大きくすると、異常電圧の除去率が低下するが、アーク長の変動に伴う電圧変動は除去されずに検出することができるようになる。母材の参加被膜の状態、溶接継手、溶接ワイヤの材質、直径、溶接速度等の溶接条件に応じて、異常電圧の除去率とアーク長の変動に伴う電圧変動の検出率のバランスを考慮して、実験によって変動範囲ΔＶｃの設定を行っている。プラズマミグ溶接においては、プラズマアークの影響によって異常電圧の発生状態が変化する。したがって、精密なアーク長制御を行うためには、プラズマアークの状態に応じて変動範囲ΔＶｃを適正化する必要がある。
【００１８】
そこで、本発明では、プラズマアークの状態に応じて異常電圧除去のための変動範囲ΔＶｃを適正化することによってミグアークのアーク長制御の安定性を向上させることができるプラズマミグ溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、溶接トーチを通して送給される溶接ワイヤと母材との間にミグ溶接電圧を印加してミグ溶接電流を通電することによってミグアークを発生させ、
ピーク立上り期間中はベース電流からピーク電流へと上昇する遷移電流を通電し、続くピーク期間中は前記ピーク電流を通電し、続くピーク立下り期間中は前記ピーク電流から前記ベース電流へと下降する遷移電流を通電し、続くベース期間中は前記ベース電流を通電し、これらの通電を１パルス周期として繰り返して前記ミグ溶接電流を通電し、
前記ミグ溶接電圧を検出し、このミグ溶接電圧検出値を入力として基準電圧波形を中心電圧値とする予め定めた変動範囲内に制限してミグ溶接電圧制限値を算出し、このミグ溶接電圧制限値に基づいて前記パルス周期又は前記ピーク期間を変化させて前記ミグアークのアーク長制御を行い、
前記ピーク期間中の前記ミグ溶接電圧制限値を過去所定期間にわたり移動平均してピーク電圧移動平均値を算出すると共に、前記ベース期間中の前記ミグ溶接電圧制限値を前記過去所定期間にわたり移動平均してベース電圧移動平均値を算出し、前記基準電圧波形を前記ピーク立上り期間中は前記ベース電圧移動平均値から前記ピーク電圧移動平均値へと上昇する遷移電圧に設定し、続く前記ピーク期間中は前記ピーク電圧移動平均値に設定し、続く前記ピーク立下り期間中は前記ピーク電圧移動平均値から前記ベース電圧移動平均値へと下降する遷移電圧に設定し、続く前記ベース期間中は前記ベース電圧移動平均値に設定し、
前記溶接ワイヤを囲むように供給されるガスを介して前記溶接トーチと前記母材との間にプラズマ溶接電流を通電することによってプラズマアークを発生させるプラズマミグ溶接方法において、
前記変動範囲を前記プラズマ溶接電流の値に応じて変化させる、
ことを特徴とするプラズマミグ溶接方法である。
【００２０】
請求項２の発明は、前記変動範囲を、前記ミグ溶接電流の値が基準電流値以上であるときは第１変動範囲に設定し、ミグ溶接電流の値が前記基準電流値未満であるときは第２変動範囲に設定し、前記第１変動範囲及び前記第２変動範囲を前記プラズマ溶接電流の値に応じて変化させ、前記プラズマ溶接電流の値が同一値であるときは前記第１変動範囲を前記第２変動範囲よりも大きな値に設定する、
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマミグ溶接方法である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、プラズマ溶接電流の値に応じて変動範囲を変化させることによって、異常電圧がミグ溶接電圧に重畳することを抑制することができ、かつ、アーク長の変動に伴う電圧変動を正確に検出することができる。このために、精密なアーク長制御を行なうことができ、良好な溶接品質を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態１に係るプラズマ溶接方法を実施するための溶接装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係るプラズマ溶接電流Ｉwpと変動範囲ΔＶｃとの関係を示す図である。
【図３】図１を構成するミグ溶接電源ＰＳＭのブロック図である。
【図４】図１を構成するプラズマ溶接電源ＰＳＰのブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係るプラズマ溶接電流Ｉwpと第１変動範囲ΔＶc1及び第２変動範囲ΔＶc2との関係を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係るミグ溶接電源ＰＳＭのブロック図である。
【図７】従来技術のプラズマミグ溶接方法を示す波形図である。
【図８】従来技術において、異常電圧を除去するために使用する基準電圧波形Ｖｃの設定方法を示す図である。
【図９】従来技術において、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。
【図１０】従来技術において、図８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ミグ溶接電圧制限値Ｖftの時間変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係るプラズマミグ溶接方法を実施するための溶接装置の構成図である。以下、同図を参照して、各構成物について説明する。
【００２５】
本溶接装置は、破線で囲まれた溶接トーチＷＴ、ミグ溶接電源ＰＳＭ及びプラズマ溶接電源ＰＳＰを備えている。溶接トーチＷＴは、シールドガスノズル５２内に、プラズマノズル５１、プラズマ電極１ｂ及び給電チップ４が同心軸上に配置された構造となっている。シールドガスノズル５２とプラズマノズル５１との隙間からは、たとえばアルゴンガス、アルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガス等のシールドガス６３が供給される。プラズマノズル５１とプラズマ電極１ｂとの間には、たとえばアルゴンガス、アルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガス等のプラズマガス６２が供給される。プラズマ電極１ｂと給電チップ４との間には、たとえばアルゴンガス、アルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガス等のセンターガス６１が供給される。
【００２６】
給電チップ４に設けられた貫通孔からは、溶接ワイヤ１ａが送給される。給電チップ４は、溶接ワイヤ１ａに対して導通している。溶接ワイヤ１ａは、送給モータＷＭを駆動源とする送給ロール７の回転によって送給される。プラズマ電極１ｂは、たとえば銅又は銅合金からなり、図外の経路を通る冷却水によって間接的に水冷されている。プラズマノズル５１は、たとえば銅又は銅合金からなり、冷却水を通す流路が形成されていることにより、直接冷却されている。溶接トーチＷＴは、通常ロボット（図示は省略）によって保持された状態で、母材２に対して移動させられる。溶接ワイヤ１ａの先端と母材２との間には、ミグアーク３ａが発生する。プラズマ電極１ｂと母材２との間には、プラズマガス６２によって熱的に拘束されたプラズマアーク３ｂが発生する。したがって、ミグアーク３ａは、プラズマアーク３ｂに包まれた状態になっている。したがって、プラズマアーク３ｂは、ミグアーク３ａの形状が広がるのを拘束する作用がある。
【００２７】
ミグ溶接電源ＰＳＭは、給電チップ４を介して溶接ワイヤ１ａと母材２との間に、ミグ溶接電圧Ｖwmを印加することにより、ミグ溶接電流Ｉwmを通電するための電源である。ミグ溶接電源ＰＳＭからは、送給モータＷＭに対して送給制御信号Ｆｃが送られ、溶接ワイヤ１ａの送給速度が制御される。ミグ溶接電源ＰＳＭからミグ溶接電圧Ｖwmが印加されるときは、溶接ワイヤ１ａが＋側とされる。ミグ溶接電源ＰＳＭは、定電圧特性の電源であり、ミグ溶接電圧Ｖwmが予め定めた電圧設定信号Ｖｒ（図示は省略）の値と等しくなるように制御される。また、ミグ溶接電流Ｉwmは、溶接ワイヤ１ａの送給速度によってその値が定まる。
【００２８】
プラズマ溶接電源ＰＳＰは、プラズマ電極１ｂと母材２との間にプラズマ溶接電圧Ｖwpを印加することによりプラズマ溶接電流Ｉwpを通電するための電源である。プラズマ溶接電源ＰＳＰからプラズマ溶接電圧Ｖwpが印加されるときは、プラズマ電極１ｂが＋側とされる。プラズマ溶接電源ＰＳＰは、定電流特性の電源であり、プラズマ溶接電流Ｉwpが所定値になるように制御される。
【００２９】
プラズマ溶接電流設定回路ＩＷＰＲは、予め定めたプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprをミグ溶接電源ＰＳＭ及びプラズマ溶接電源ＰＳＰに出力する。このプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprは、上記のプラズマ溶接電流Ｉwpを設定するための信号である。プラズマ溶接電流設定回路ＩＷＰＲは、ロボット溶接にあってはロボット制御装置内に設けられている。
【００３０】
ミグ溶接電流Ｉwm、ミグ溶接電圧Ｖwm及びプラズマ溶接電流Ｉwpの波形図は、上述した図７と同一である。但し、プラズマ溶接電流Ｉwpにパルス波形を使用する場合もある。
本実施の形態では、異常電圧を除去するための変動範囲ΔＶｃがプラズマ溶接電流Ｉwpの値によって変化する。この点が従来技術とは異なっている。以下、この点について説明する。
【００３１】
図２は、プラズマ溶接電流Ｉwpと変動範囲ΔＶｃとの関係を示す図である。同図の横軸は、プラズマ溶接電流Ｉwp（Ａ）を示し、実用上使用されることが多い５０〜１５０Ａの範囲を示している。縦軸は、変動範囲ΔＶｃ（Ｖ）を示している。溶接ワイヤには、直径１．２mmのアルミニウム合金ワイヤを使用した場合である。また、ピーク電流Ｉｐ＝２８０Ａ、ベース電流Ｉｂ＝３０Ａ、ピーク立上り期間Ｔup＝０．４ms、ピーク期間Ｔｐ＝０．８ms、ピーク立下り期間Ｔdw＝０．８msの場合である。
【００３２】
同図に示すように、プラズマ溶接電流Ｉwp＝５０Ａのとき変動範囲ΔＶｃ＝１．０Ｖとなり、Ｉwp＝１００ＡのときΔＶｃ＝１．５Ｖとなり、Ｉwp＝１５０ＡのときΔＶｃ＝２．０Ｖとなる。すなわち、プラズマ溶接電流Ｉwpが大きくなるのに伴い、変動範囲ΔＶｃも大きくなっている。この理由については、後述する。図示はしていないが、プラズマ溶接電流Ｉwp＝０Ａのとき、すなわち、プラズマアークは発生しておらずミグアークのみが発生している通常のミグパルス溶接と同様のときは、変動範囲ΔＶｃ＝０．５Ｖと最小値となる。同図に示す変動範囲算出関数は、母材の参加被膜の状態、溶接継手、溶接ワイヤの材質、直径、溶接速度等の溶接条件に応じて実験によって適正値に設定されることが望ましい。
【００３３】
プラズマ溶接電流Ｉwpの値に比例して変動範囲を大きくする理由は、以下のとおりである。上述したように、プラズマミグ溶接では、ミグアークはプラズマアークに包まれた状態になっており、ミグアークはプラズマアークから拘束された状態になっている。このために、溶接ワイヤ直下の母材表面の酸化被膜がミグアークのクリーニング作用によって除去されても、その周辺部の酸化被膜を求めてミグアークの陰極点が移動する範囲が制限されることになる。この結果、プラズマアークからの拘束力によってミグアークの陰極点の移動範囲が制限されるために、異常電圧の大きさ及び発生頻度が低減されることになる。また、プラズマアークの拘束力は、プラズマ溶接電流Ｉwpの値に比例する。すなわち、プラズマ溶接電流Ｉwpの値が大きくなるのに伴いプラズマアークがミグアークを拘束する力が強くなり、この結果、ミグアークの陰極点の移動範囲がさらに制限されるようになり、異常電圧の大きさ及び発生頻度がさらに低減する。これに加えて、プラズマ溶接電流Ｉwpの値が大きくなるときは、ミグ溶接電流Ｉwmの平均値も大きな値に設定される場合が多い。このために、上述したアーク長の変動に伴う電圧変動も大きくなる。したがって、プラズマ溶接電流Ｉwpの値を大きくするのに伴い変動範囲ΔＶｃを大きくすることによって、異常電圧の影響は小さい状態の下でアーク長の変動に伴う電圧変動は正確に検出することができるようになる。
【００３４】
図３は、実施の形態１において、上述した図１を構成するミグ溶接電源ＰＳＭ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。
【００３５】
電源主回路ＰＭは、３相２００Ｖ等の賞用電源（図示は省略）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等の出力制御を行い、ミグ溶接電圧Ｖwm及びミグ溶接電流Ｉwm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次整流回路と、整流された直流を平滑するコンデンサと、平滑された直流を高周波交流に変換するインバータ回路と、高周波交流をアーク溶接に適した電圧値に降圧するインバータトランスと、降圧された高周波交流を整流する２次整流回路と、整流された直流を平滑するリアクトルと、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってＰＷＭ変調制御を行ないその結果に基づいてインバータ回路を駆動する駆動回路と、から構成される。溶接ワイヤ１ａは、送給モータＷＭに結合された送給ロール７によって給電チップ４内を通って送給され、母材２との間にミグアーク３ａが発生する。溶接トーチの構造は図１のとおりであり、ここでは簡略化して図示している。
【００３６】
図１で上述したように、ミグ溶接電源ＰＳＭの外部に設けられたプラズマ溶接電流設定回路ＩＷＰＲは、予め定めたプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprを出力する。電圧検出回路ＶＤは、上記のミグ溶接電圧Ｖwmを検出して、ミグ溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する。変動範囲設定回路ΔＶＣは、上記のプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprを入力として、図２で上述したように、予め定めた変動範囲算出関数に基づいて変動範囲設定信号ΔＶｃを出力する。ミグ溶接電圧制限値算出回路ＦＴは、上記のミグ溶接電圧検出信号Ｖｄを後述する基準電圧波形信号Ｖｃ及び上記の変動範囲設定信号ΔＶｃによって定まる変動範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限して、ミグ溶接電圧制限値信号Ｖftを出力する。電圧移動平均値算出回路ＶＲＡは、このミグ溶接電圧制限値信号Ｖftを入力として、図１０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を算出する。これらの算出方法は、上述した（２１）式及び（２２）式に基づいて行われる。基準電圧波形設定回路ＶＣは、これら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を入力として、図８で上述したような基準電圧波形信号Ｖｃを出力する。この基準電圧波形信号Ｖｃの設定は、上述した（３１）式〜（３４）式によって行われる。
【００３７】
電圧積分回路ＳＶは、各パルス周期の開始時点から上記のミグ溶接電圧制限値信号Ｖftを積分(1/t)∫Ｖft・ｄｔして、電圧積分値信号Ｓｖを出力する。ここで、ｔは各パルス周期の開始時点からの経過時間（秒）である。したがって、この電圧積分値信号Ｓｖの値は、ミグ溶接電圧制限値信号Ｖftの平均値を刻々と算出していることになる。電圧設定回路ＶＲは、予め定めた電圧設定信号Ｖｒを出力する。比較回路ＣＭは、上記の電圧積分値信号Ｓｖと上記の電圧設定信号Ｖｒとを比較して、同じ値になった時点でパルス周期を終了するために短時間Ｈｉｇｈレベルとなるパルス周期信号Ｔｆを出力する。Ｓｖ＝Ｖｒとなることは、各パルス周期におけるミグ溶接電圧制限値信号Ｖftの平均値が電圧設定信号Ｖｒの値と等しくなったことを意味している。このようにして、上述したアーク長制御が行われる。したがって、パルス周期信号Ｔｆが短時間Ｈｉｇｈレベルに変化する間隔が各パルス周期の長さとなる。
【００３８】
経過時間測定回路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（各パルス周期の開始時点）からの経過時間を測定して、経過時間信号Ｓｔを出力する。ピーク電流設定回路ＩＰＲは、予め定めたピーク電流設定信号Ｉprを出力する。ベース電流設定回路ＩＢＲは、予め定めたベース電流設定信号Ｉbrを出力する。電流制御設定回路ＩＲＣ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Ｉbrの値から上記のピーク電流設定信号Ｉprの値へと上昇する電流制御設定信号Ｉrc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Ｉprの値を電流制御設定信号Ｉrc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Ｉprの値から上記のベース電流設定信号Ｉbrの値へと下降する電流制御設定信号Ｉrc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Ｉbrの値を電流制御設定信号Ｉrcとして出力する。電流検出回路ＩＤは、上記のミグ溶接電流Ｉwm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Ｉrcとこの電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。送給制御回路ＦＣは、予め定めた送給速度設定値で溶接ワイヤ１ａ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。これらのブロックによって、上記の電流制御設定信号Ｉrcに相当する図７で上述したようなミグ溶接電流Ｉwmが通電する。
【００３９】
図４は、実施の形態１において、上述した図１を構成するプラズマ溶接電源ＰＳＰ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。
【００４０】
電源主回路ＰＭは、３相２００Ｖ等の賞用電源（図示は省略）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等の出力制御を行いプラズマ溶接電流Ｉwpを出力する。このプラズマ溶接電流Ｉwpは、プラズマ電極１ｂ、プラズマアーク３ｂ、母材２を通って通電する。溶接トーチの構造は上述した図１のとおりであるが、ここでは簡略化して図示している。
【００４１】
図１で上述したように、プラズマ溶接電源ＰＳＰの外部に設けられたプラズマ溶接電流設定回路ＩＷＰＲは、予め定めたプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprを出力する。電流検出回路ＩＤは、上記のプラズマ溶接電流Ｉwp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、上記のプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprと上記の電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。この電流誤差増幅信号Ｅｉに従って溶接電源の出力制御が行われることによって、図７（Ｃ）で上述した直流のプラズマ溶接電流Ｉwpが通電する。上述したプラズマ溶接電源ＰＳＰは、プラズマ溶接電流Ｉwpがプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprの値と等しくなるように出力制御されるので、定電流特性の電源となる。上記のプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprをパルス波形状に変化させると、プラズマ溶接電流Ｉwpはパルス波形となる。この場合は、パルス波形のプラズマ溶接電流Ｉwpの各値に応じて、上記の変動範囲ΔＶｃが変化することになる。
【００４２】
上述した実施の形態１によれば、プラズマ溶接電流Ｉwpの値に応じて変動範囲ΔＶｃを変化させることによって、異常電圧がミグ溶接電圧に重畳することを抑制することができ、かつ、アーク長の変動に伴う電圧変動を正確に検出することができる。このために、精密なアーク長制御を行なうことができ、良好な溶接品質を得ることができる。
【００４３】
［実施の形態２］
本発明の実施の形態２に係るプラズマミグ溶接方法では、ミグ溶接電流Ｉwmの値が基準電流値Ｉth以上であるときの変動範囲を第１変動範囲ΔＶc1に設定し、基準電流値Ｉth未満であるときの変動範囲を第２変動範囲ΔＶc2に設定する。このようにミグ溶接電流Ｉwmの値に応じて変動範囲の値を変化させる点が、上述した実施の形態１とは異なっている。以下、この実施の形態２について説明する。
【００４４】
実施の形態２を実施するための溶接装置の構成図は、上述した図１と同一である。但し、図２に対応するプラズマ溶接電流Ｉwpに対する変動範囲の変化を示す図が異なっている。さらに、図３で上述したミグ溶接電源ＰＳＭの一部のブロックが異なっている。図４で上述したプラズマ溶接電源ＰＳＰのブロック図については、同一である。以下、実施の形態１と異なる点について説明する。
【００４５】
図５は、プラズマ溶接電流Ｉwpと第１変動範囲ΔＶc1及び第２変動範囲ΔＶc2との関係を示す図である。同図の横軸は、プラズマ溶接電流Ｉwp（Ａ）を示し、実用上使用されることが多い５０〜１５０Ａの範囲を示している。縦軸は、変動範囲ΔＶｃ（Ｖ）を示しており、実践が第１変動範囲ΔＶc1の変化を示し、破線が第２変動範囲ΔＶc2の変化を示している。ミグ溶接電流Ｉwmの値が基準電流値Ｉth以上であるときは第１変動範囲ΔＶc1が使用され、未満であるときは第２変動範囲ΔＶc2が使用される。溶接条件は上述した図２と同一である。すなわち、溶接ワイヤには、直径１．２mmのアルミニウム合金ワイヤを使用した場合である。また、ピーク電流Ｉｐ＝２８０Ａ、ベース電流Ｉｂ＝３０Ａ、ピーク立上り期間Ｔup＝０．４ms、ピーク期間Ｔｐ＝０．８ms、ピーク立下り期間Ｔdw＝０．８msの場合である。基準電流値Ｉthは、ピーク電流Ｉｐとベース電流Ｉｂとの中間値である１５５Ａに設定されている。
【００４６】
同図に示すように、プラズマ溶接電流Ｉwp＝５０Ａのとき第１変動範囲ΔＶc1＝１．５Ｖ及び第２変動範囲ΔＶc2＝１．０Ｖとなり、Ｉwp＝１００ＡのときΔＶc1＝２．０Ｖ及びΔＶc2＝１．５Ｖとなり、Ｉwp＝１５０ＡのときΔＶc1＝２．５Ｖ及びΔＶc2＝２．０Ｖとなる。すなわち、プラズマ溶接電流Ｉwpが大きくなるのに伴い、第１変動範囲ΔＶc1及び第２変動範囲ΔＶc2が共に大きくなっており、かつ、プラズマ溶接電流Ｉwpの値が同一であるときは第１変動範囲ΔＶc1の方が第２変動範囲ΔＶc2よりも大きくなっている。この理由については、後述する。同図に示す第１変動範囲算出関数及び第２変動範囲算出関数は、母材の参加被膜の状態、溶接継手、溶接ワイヤの材質、直径、溶接速度等の溶接条件に応じて実験によって適正値に設定されることが望ましい。
【００４７】
上述したように、プラズマ溶接電流Ｉwpの値が大きくなるのに伴い、プラズマアークがミグアークを拘束する力が大きくなるために、変動範囲を大きくすることによって、アーク長の変動に伴う電圧変動をより正確に検出することができる。ミグ溶接電流Ｉwmの値が大きくなるのに伴い、ミグアーク自身の硬直性が高くなる。これは、ミグ溶接電流Ｉwmの値に比例してミグアークを収縮させる力が強くなるためである。換言すれば、ミグ溶接電流Ｉwmの値が大きくなるとミグアークが自身を拘束する力が増大することになる。このために、ミグ溶接電流Ｉwmの値が基準電流値Ｉth以上であるときは変動範囲の値を大きくして、異常電圧の重畳を抑制し、かつ、アーク長の変動に伴う電圧変動のみをより一層正確に検出することができるようにしている。したがって、ミグ溶接電流Ｉwmの値が基準電流値Ｉth以上のときは未満のときよりも変動範囲の値を大きくして第１変動範囲ΔＶc1に設定している。上記の基準電流値Ｉthは、例えば、ピーク電流Ｉｐとベース電流Ｉｂの中間値Ｉth＝（Ｉｐ＋Ｉｂ）／２に設定される。この基準電流値Ｉthは、実験によって適正値に設定される。
【００４８】
図６は、本実施の形態２に係るミグ溶接電源ＰＳＭのブロック図である。同図において、上述した図３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。同図においては、図３の変動範囲設定回路ΔＶＣを破線で示す電流値連動変動範囲設定回路ΔＶＣＩに置換している。以下、このブロックについて、同図を参照して説明する。
【００４９】
電流値連動変動範囲設定回路ΔＶＣＩは、プラズマ溶接電流設定信号Ｉwpr及び電流制御設定信号Ｉrcを入力として、図５で上述したように、電流制御設定信号Ｉrcが基準電流値Ｉth以上であるときは予め定めた第１変動範囲算出関数に基づいて変動範囲設定信号ΔＶｃを出力し、電流制御設定信号Ｉrcが基準電流値Ｉth未満であるときは予め定めた第２変動範囲算出関数に基づいて変動範囲設定信号ΔＶｃを出力する。
【００５０】
上述した実施の形態２によれば、実施の形態１の効果に加えて、ミグ溶接電流の値が基準電流値以上であるときは第１変動範囲に設定し、未満であるときは第２変動範囲に設定することによって、異常電圧の影響を受けずにアーク長の変動に伴う電圧変動をより一層正確に検出することができる。このために、より一層精密なアーク長制御を行なうことができる。
【００５１】
実施の形態１〜２においては、アーク長制御を周波数変調方式で行う場合を例示したが、上述したように、パルス幅変調方式を使用しても良い。この場合には、ピーク期間Ｔｐがフィードバック制御されることになる。
【符号の説明】
【００５２】
１ａ 溶接ワイヤ
１ｂ プラズマ電極
２ 母材
３ａ ミグアーク
３ｂ プラズマアーク
４ 給電チップ
５１ プラズマノズル
５２ シールドガスノズル
６１ センターガス
６２ プラズマガス
６３ シールドガス
７ 送給ロール
ＣＭ 比較回路
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＦＴ ミグ溶接電圧制限値算出回路
Ｉｂ ベース電流
ＩＢＲ ベース電流設定回路
Ｉbr 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
ＩＰＲ ピーク電流設定回路
Ｉpr ピーク電流設定信号
ＩＲＣ 電流制御設定回路
Ｉrc 電流制御設定信号
Ｉth 基準電流値
Ｉwm ミグ溶接電流
Ｉwp プラズマ溶接電流
ＩＷＰＲ プラズマ溶接電流設定回路
Ｉwpr プラズマ溶接電流設定信号
ＰＭ 電源主回路
ＰＳＭ ミグ溶接電源
ＰＳＰ プラズマ溶接電源
ＳＴ 経過時間測定回路
Ｓｔ 経過時間信号
ＳＶ 電圧積分回路
Ｓｖ 電圧積分値信号
ｔ 経過時間
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
Ｔup ピーク立上り期間
Ｖｂ ベース電圧
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 基準電圧波形設定回路
Ｖｃ 基準電圧波形（信号）
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ ミグ溶接電圧検出信号
Ｖft ミグ溶接電圧制限値（信号）
Ｖｐ ピーク電圧
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）
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
ＶＲＡ 電圧移動平均値算出回路
Ｖwm ミグ溶接電圧
Ｖwp プラズマ溶接電圧
ＷＭ 送給モータ
ＷＴ 溶接トーチ
ΔＶＣ 変動範囲設定回路
ΔＶｃ 変動範囲（設定信号）
ΔＶc1 第１変動範囲
ΔＶc2 第２変動範囲
ΔＶＣＩ 電流値連動変動範囲設定回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１つの溶接トーチを用いてミグアークとプラズマアークとを同時に発生させて溶接を行うプラズマミグ溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、プラズマ溶接方法とミグ溶接方法とを組み合わせたプラズマミグ溶接方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このプラズマミグ溶接方法においては、溶接トーチを通して送給される溶接ワイヤと母材との間にミグ溶接電流を通電することによってミグアークを発生させる。これと同時に、溶接ワイヤを囲むようにアルゴンなどのガスを供給し、このガスを介して溶接トーチと母材との間にプラズマ溶接電流を通電することによってプラズマアークを発生させる。溶接ワイヤは、ミグアークを発生させる電極として機能すると共に、その先端が溶融することにより溶滴となって母材の接合を補助する。したがって、プラズマミグ溶接方法は、厚板の高効率溶接、薄板の高速溶接等に使用されることが多い。
【０００３】
上記のミグ溶接電流は、スパッタの発生を抑制し、かつ、溶滴を安定して供給するために、一般的に直流のパルス波形が使用される。したがって、ミグ溶接方法は、一般的なミグパルス溶接方法である。ミグパルス溶接方法を含む消耗電極式アーク溶接方法では、溶接中のアーク長を適正値に維持することが重要であるために、アーク長制御が行われる。上記のプラズマ溶接電流には、直流又は直流パルス波形が使用される。これ以降の説明において、単にアーク長と記載したときはミグアークのアーク長を意味している。以下、上述したプラズマミグ溶接方法について説明する。
【０００４】
図７は、プラズマミグ溶接方法を示す波形図である。同図（Ａ）はミグ溶接電流Ｉwmを示し、同図（Ｂ）はミグ溶接電圧Ｖwmを示し、同図（Ｃ）はプラズマ溶接電流Ｉwpを示す。以下、同図を参照して説明する。
【０００５】
同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２のピーク立上り期間Ｔup中は、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、続いて時刻ｔ２〜ｔ３のピーク期間Ｔｐ中は、上記のピーク電流Ｉｐが通電し、続いて時刻ｔ３〜ｔ４のピーク立下り期間Ｔdw中は、上記のピーク電流Ｉｐから上記のベース電流Ｉｂへと下降する遷移電流が通電し、続いて時刻ｔ４〜ｔ５のベース期間Ｔｂ中は、上記のベース電流Ｉｂが通電する。また、上記のミグ溶接電流Ｉwmの通電に対応して、同図（Ｂ）に示すように、上記のピーク立上り期間Ｔup中は、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印加し、続いて上記のピーク期間Ｔｐ中は、上記のピーク電圧Ｖｐが印加し、続いて上記のピーク立下り期間Ｔdw中は、上記のピーク電圧Ｖｐから上記のベース電圧Ｖｂへと下降する遷移電圧が印加し、続いて上記のベース期間Ｔｂ中は、上記のベース電圧Ｖｂが印加する。時刻ｔ１〜ｔ５の期間を１パルス周期Ｔｆとして繰り返して溶接が行われる。
【０００６】
ミグ溶接では、良好な溶接品質を得るためにアーク長を適正値に維持するアーク長制御が行われる。通常、このアーク長制御は、ミグ溶接電圧Ｖwmがアーク長と略比例関係にあることを利用して、ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値が予め定めた電圧設定値と等しくなるようにパルス周期が制御される。このアーク長制御の方式は、周波数変調方式と呼ばれる。この場合、ピーク期間Ｔｐ、ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂは所定値に設定され、パルスパラメータとなる。ピーク電流Ｉｐは臨界値以上に設定され、ピーク期間Ｔｐと組み合わせてユニットパルス条件と呼ばれる。このユニットパルス条件は、１パルス周期１溶滴移行になるように設定される。ベース電流Ｉｂは、臨界値未満の数十Ａ程度の小電流値に設定される。ユニットパルス条件及びベース電流Ｉｂは、溶接ワイヤの材質、直径、送給速度等に応じて適正値に設定される。アーク長制御の方式には、上記の周波数変調方式以外にパルス幅変調方式がある。このパルス幅変調方式では、パルス周期Ｔｆ、ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂが所定値に設定され、ミグ溶接電圧Ｖwmの平均値が予め定めた電圧設定値と等しくなるようにピーク期間Ｔｐが制御される。
【０００７】
他方、同図（Ｃ）に示すように、プラズマ溶接電流Ｉwpは、定電流制御されており、予め定めた一定値の直流波形となる。したがって、プラズマアークは、一定値のプラズマ溶接電流Ｉwpの通電によって発生している。
【０００８】
ところで、ミグパルス溶接においては、アークの陰極点は母材表面の酸化皮膜が存在する位置に形成される性質を有している。アークによって酸化皮膜は除去（クリーニング）されていくので、陰極点は酸化皮膜が残っている個所を求めて周辺部へと移動して形成されるようになる。この結果、アークは常に移動している不安定な状態になるために、短絡が発生しやすくなる。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、異常電圧がミグ溶接電圧Ｖwmに重畳することになる。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、アーク長を正確に検出するためにはミグ溶接電圧Ｖwm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及び変動範囲ΔＶｃを設定し、ミグ溶接電圧Ｖwm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２及び３参照）。
【０００９】
図８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、図１０で後述するように、基準ピーク電圧値Ｖpc、基準ベース電圧値Ｖbc及び変動範囲ΔＶｃを設定する。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
【００１０】
例えば、同図に示すように、経過時間ｔ＝ｔａにおけるミグ溶接電圧検出値が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値Ｖc1は下式となる。
Ｖc1＝（（Ｖbc−Ｖpc）／Ｔdw）・（ｔａ−Ｔup−Ｔｐ）＋Ｖpc
したがって、経過時間ｔａのときのミグ溶接電圧検出値Ｖd1は、変動範囲Ｖｃ１±ΔＶｃ内に制限される。すなわち、Ｖd1≧Ｖc1＋ΔＶｃのときにはミグ溶接電圧制限値Ｖft1＝Ｖc1＋ΔＶｃに制限され、Ｖd1≦Ｖc1−ΔＶｃのときにはＶft1＝Ｖc1−ΔＶｃに制限される。このようにして算出されたミグ溶接電圧制限値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。
【００１１】
図９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）はミグ溶接電圧Ｖwm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ミグ溶接電圧制限値Ｖftの時間変化を示す。同図（Ｂ）に示すように、ミグ溶接電圧Ｖwmは基準電圧波形を中心値Ｖｃとする変動範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限される。この結果、時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間中のミグ溶接電圧制限値Ｖft＝Ｖｃ−ΔＶｃとなり、時刻ｔ２〜ｔ３の異常電圧発生期間中のミグ溶接電圧制限値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。
【００１２】
図１０は、図８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ミグ溶接電圧制限値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ミグ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、ベース期間のみのミグ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ミグ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、ベース期間のみのミグ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。
【００１３】
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
【００１４】
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
【００１５】
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良い。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良い。また、移動平均する期間の長さ（所定期間）は、過去数周期〜数十周期程度に設定する。この所定期間は、溶接ワイヤの材質、直径、送給速度、溶接速度、溶接継手等の溶接条件に応じて実験によって適正値に設定される。アークスタートからｍ回のパルス周期Ｔｆが経過するまでは、上記のピーク電圧移動平均値Ｖpr及び上記のベース電圧移動平均値Ｖbrを（２１）式及び（２２）式に基づいて算出することができない。そこで、この期間中は、ピーク電圧初期値及びベース電圧初期値を予め設定しておき、ピーク電圧移動平均値Ｖpr及びベース電圧移動平均値Ｖbrとして使用するようにする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００８−２２９６４１号公報
【特許文献２】特許第４２６３８８６号公報
【特許文献３】特開２００７−３０７５６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上述したように、ミグ溶接電圧Ｖwmには、送給速度の変動、トーチ高さの変動、溶融池状態の変動等に起因するアーク長の変動に伴う電圧変動と、陰極点の移動に等に起因する異常電圧とが重畳している。このアーク長の変動に伴う電圧変動は、アーク長制御を行うために正確に検出する必要がある。他方、アーク長の変動とは関係しない異常電圧については、できる限り除去することが、精密なアーク長制御を行うためには望ましい。上述した基準波形Ｖｃ及び変動範囲ΔＶｃを使用した異常電圧除去方法において、変動範囲ΔＶｃを小さくすると、異常電圧の除去率は向上するが、反面、アーク長の変動に伴う電圧変動も同時に除去する可能性が高くなる。逆に、変動範囲ΔＶｃを大きくすると、異常電圧の除去率が低下するが、アーク長の変動に伴う電圧変動は除去されずに検出することができるようになる。母材の参加被膜の状態、溶接継手、溶接ワイヤの材質、直径、溶接速度等の溶接条件に応じて、異常電圧の除去率とアーク長の変動に伴う電圧変動の検出率のバランスを考慮して、実験によって変動範囲ΔＶｃの設定を行っている。プラズマミグ溶接においては、プラズマアークの影響によって異常電圧の発生状態が変化する。したがって、精密なアーク長制御を行うためには、プラズマアークの状態に応じて変動範囲ΔＶｃを適正化する必要がある。
【００１８】
そこで、本発明では、プラズマアークの状態に応じて異常電圧除去のための変動範囲ΔＶｃを適正化することによってミグアークのアーク長制御の安定性を向上させることができるプラズマミグ溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、溶接トーチを通して送給される溶接ワイヤと母材との間にミグ溶接電圧を印加してミグ溶接電流を通電することによってミグアークを発生させ、
ピーク立上り期間中はベース電流からピーク電流へと上昇する遷移電流を通電し、続くピーク期間中は前記ピーク電流を通電し、続くピーク立下り期間中は前記ピーク電流から前記ベース電流へと下降する遷移電流を通電し、続くベース期間中は前記ベース電流を通電し、これらの通電を１パルス周期として繰り返して前記ミグ溶接電流を通電し、
前記ミグ溶接電圧を検出し、このミグ溶接電圧検出値を入力として基準電圧波形を中心電圧値とする予め定めた変動範囲内に制限してミグ溶接電圧制限値を算出し、このミグ溶接電圧制限値に基づいて前記パルス周期又は前記ピーク期間を変化させて前記ミグアークのアーク長制御を行い、
前記ピーク期間中の前記ミグ溶接電圧制限値を過去所定期間にわたり移動平均してピーク電圧移動平均値を算出すると共に、前記ベース期間中の前記ミグ溶接電圧制限値を前記過去所定期間にわたり移動平均してベース電圧移動平均値を算出し、前記基準電圧波形を前記ピーク立上り期間中は前記ベース電圧移動平均値から前記ピーク電圧移動平均値へと上昇する遷移電圧に設定し、続く前記ピーク期間中は前記ピーク電圧移動平均値に設定し、続く前記ピーク立下り期間中は前記ピーク電圧移動平均値から前記ベース電圧移動平均値へと下降する遷移電圧に設定し、続く前記ベース期間中は前記ベース電圧移動平均値に設定し、
前記溶接ワイヤを囲むように供給されるガスを介して前記溶接トーチと前記母材との間にプラズマ溶接電流を通電することによってプラズマアークを発生させるプラズマミグ溶接方法において、
前記変動範囲を前記プラズマ溶接電流の値に応じて変化させる、
ことを特徴とするプラズマミグ溶接方法である。
【００２０】
請求項２の発明は、前記変動範囲を、前記ミグ溶接電流の値が基準電流値以上であるときは第１変動範囲に設定し、ミグ溶接電流の値が前記基準電流値未満であるときは第２変動範囲に設定し、前記第１変動範囲及び前記第２変動範囲を前記プラズマ溶接電流の値に応じて変化させ、前記プラズマ溶接電流の値が同一値であるときは前記第１変動範囲を前記第２変動範囲よりも大きな値に設定する、
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマミグ溶接方法である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、プラズマ溶接電流の値に応じて変動範囲を変化させることによって、異常電圧がミグ溶接電圧に重畳することを抑制することができ、かつ、アーク長の変動に伴う電圧変動を正確に検出することができる。このために、精密なアーク長制御を行なうことができ、良好な溶接品質を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態１に係るプラズマ溶接方法を実施するための溶接装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係るプラズマ溶接電流Ｉwpと変動範囲ΔＶｃとの関係を示す図である。
【図３】図１を構成するミグ溶接電源ＰＳＭのブロック図である。
【図４】図１を構成するプラズマ溶接電源ＰＳＰのブロック図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係るプラズマ溶接電流Ｉwpと第１変動範囲ΔＶc1及び第２変動範囲ΔＶc2との関係を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係るミグ溶接電源ＰＳＭのブロック図である。
【図７】従来技術のプラズマミグ溶接方法を示す波形図である。
【図８】従来技術において、異常電圧を除去するために使用する基準電圧波形Ｖｃの設定方法を示す図である。
【図９】従来技術において、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。
【図１０】従来技術において、図８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ミグ溶接電圧制限値Ｖftの時間変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係るプラズマミグ溶接方法を実施するための溶接装置の構成図である。以下、同図を参照して、各構成物について説明する。
【００２５】
本溶接装置は、破線で囲まれた溶接トーチＷＴ、ミグ溶接電源ＰＳＭ及びプラズマ溶接電源ＰＳＰを備えている。溶接トーチＷＴは、シールドガスノズル５２内に、プラズマノズル５１、プラズマ電極１ｂ及び給電チップ４が同心軸上に配置された構造となっている。シールドガスノズル５２とプラズマノズル５１との隙間からは、たとえばアルゴンガス、アルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガス等のシールドガス６３が供給される。プラズマノズル５１とプラズマ電極１ｂとの間には、たとえばアルゴンガス、アルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガス等のプラズマガス６２が供給される。プラズマ電極１ｂと給電チップ４との間には、たとえばアルゴンガス、アルゴンガスと炭酸ガスとの混合ガス等のセンターガス６１が供給される。
【００２６】
給電チップ４に設けられた貫通孔からは、溶接ワイヤ１ａが送給される。給電チップ４は、溶接ワイヤ１ａに対して導通している。溶接ワイヤ１ａは、送給モータＷＭを駆動源とする送給ロール７の回転によって送給される。プラズマ電極１ｂは、たとえば銅又は銅合金からなり、図外の経路を通る冷却水によって間接的に水冷されている。プラズマノズル５１は、たとえば銅又は銅合金からなり、冷却水を通す流路が形成されていることにより、直接冷却されている。溶接トーチＷＴは、通常ロボット（図示は省略）によって保持された状態で、母材２に対して移動させられる。溶接ワイヤ１ａの先端と母材２との間には、ミグアーク３ａが発生する。プラズマ電極１ｂと母材２との間には、プラズマガス６２によって熱的に拘束されたプラズマアーク３ｂが発生する。したがって、ミグアーク３ａは、プラズマアーク３ｂに包まれた状態になっている。したがって、プラズマアーク３ｂは、ミグアーク３ａの形状が広がるのを拘束する作用がある。
【００２７】
ミグ溶接電源ＰＳＭは、給電チップ４を介して溶接ワイヤ１ａと母材２との間に、ミグ溶接電圧Ｖwmを印加することにより、ミグ溶接電流Ｉwmを通電するための電源である。ミグ溶接電源ＰＳＭからは、送給モータＷＭに対して送給制御信号Ｆｃが送られ、溶接ワイヤ１ａの送給速度が制御される。ミグ溶接電源ＰＳＭからミグ溶接電圧Ｖwmが印加されるときは、溶接ワイヤ１ａが＋側とされる。ミグ溶接電源ＰＳＭは、定電圧特性の電源であり、ミグ溶接電圧Ｖwmが予め定めた電圧設定信号Ｖｒ（図示は省略）の値と等しくなるように制御される。また、ミグ溶接電流Ｉwmは、溶接ワイヤ１ａの送給速度によってその値が定まる。
【００２８】
プラズマ溶接電源ＰＳＰは、プラズマ電極１ｂと母材２との間にプラズマ溶接電圧Ｖwpを印加することによりプラズマ溶接電流Ｉwpを通電するための電源である。プラズマ溶接電源ＰＳＰからプラズマ溶接電圧Ｖwpが印加されるときは、プラズマ電極１ｂが＋側とされる。プラズマ溶接電源ＰＳＰは、定電流特性の電源であり、プラズマ溶接電流Ｉwpが所定値になるように制御される。
【００２９】
プラズマ溶接電流設定回路ＩＷＰＲは、予め定めたプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprをミグ溶接電源ＰＳＭ及びプラズマ溶接電源ＰＳＰに出力する。このプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprは、上記のプラズマ溶接電流Ｉwpを設定するための信号である。プラズマ溶接電流設定回路ＩＷＰＲは、ロボット溶接にあってはロボット制御装置内に設けられている。
【００３０】
ミグ溶接電流Ｉwm、ミグ溶接電圧Ｖwm及びプラズマ溶接電流Ｉwpの波形図は、上述した図７と同一である。但し、プラズマ溶接電流Ｉwpにパルス波形を使用する場合もある。
本実施の形態では、異常電圧を除去するための変動範囲ΔＶｃがプラズマ溶接電流Ｉwpの値によって変化する。この点が従来技術とは異なっている。以下、この点について説明する。
【００３１】
図２は、プラズマ溶接電流Ｉwpと変動範囲ΔＶｃとの関係を示す図である。同図の横軸は、プラズマ溶接電流Ｉwp（Ａ）を示し、実用上使用されることが多い５０〜１５０Ａの範囲を示している。縦軸は、変動範囲ΔＶｃ（Ｖ）を示している。溶接ワイヤには、直径１．２mmのアルミニウム合金ワイヤを使用した場合である。また、ピーク電流Ｉｐ＝２８０Ａ、ベース電流Ｉｂ＝３０Ａ、ピーク立上り期間Ｔup＝０．４ms、ピーク期間Ｔｐ＝０．８ms、ピーク立下り期間Ｔdw＝０．８msの場合である。
【００３２】
同図に示すように、プラズマ溶接電流Ｉwp＝５０Ａのとき変動範囲ΔＶｃ＝１．０Ｖとなり、Ｉwp＝１００ＡのときΔＶｃ＝１．５Ｖとなり、Ｉwp＝１５０ＡのときΔＶｃ＝２．０Ｖとなる。すなわち、プラズマ溶接電流Ｉwpが大きくなるのに伴い、変動範囲ΔＶｃも大きくなっている。この理由については、後述する。図示はしていないが、プラズマ溶接電流Ｉwp＝０Ａのとき、すなわち、プラズマアークは発生しておらずミグアークのみが発生している通常のミグパルス溶接と同様のときは、変動範囲ΔＶｃ＝０．５Ｖと最小値となる。同図に示す変動範囲算出関数は、母材の参加被膜の状態、溶接継手、溶接ワイヤの材質、直径、溶接速度等の溶接条件に応じて実験によって適正値に設定されることが望ましい。
【００３３】
プラズマ溶接電流Ｉwpの値に比例して変動範囲を大きくする理由は、以下のとおりである。上述したように、プラズマミグ溶接では、ミグアークはプラズマアークに包まれた状態になっており、ミグアークはプラズマアークから拘束された状態になっている。このために、溶接ワイヤ直下の母材表面の酸化被膜がミグアークのクリーニング作用によって除去されても、その周辺部の酸化被膜を求めてミグアークの陰極点が移動する範囲が制限されることになる。この結果、プラズマアークからの拘束力によってミグアークの陰極点の移動範囲が制限されるために、異常電圧の大きさ及び発生頻度が低減されることになる。また、プラズマアークの拘束力は、プラズマ溶接電流Ｉwpの値に比例する。すなわち、プラズマ溶接電流Ｉwpの値が大きくなるのに伴いプラズマアークがミグアークを拘束する力が強くなり、この結果、ミグアークの陰極点の移動範囲がさらに制限されるようになり、異常電圧の大きさ及び発生頻度がさらに低減する。これに加えて、プラズマ溶接電流Ｉwpの値が大きくなるときは、ミグ溶接電流Ｉwmの平均値も大きな値に設定される場合が多い。このために、上述したアーク長の変動に伴う電圧変動も大きくなる。したがって、プラズマ溶接電流Ｉwpの値を大きくするのに伴い変動範囲ΔＶｃを大きくすることによって、異常電圧の影響は小さい状態の下でアーク長の変動に伴う電圧変動は正確に検出することができるようになる。
【００３４】
図３は、実施の形態１において、上述した図１を構成するミグ溶接電源ＰＳＭ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。
【００３５】
電源主回路ＰＭは、３相２００Ｖ等の賞用電源（図示は省略）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等の出力制御を行い、ミグ溶接電圧Ｖwm及びミグ溶接電流Ｉwm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次整流回路と、整流された直流を平滑するコンデンサと、平滑された直流を高周波交流に変換するインバータ回路と、高周波交流をアーク溶接に適した電圧値に降圧するインバータトランスと、降圧された高周波交流を整流する２次整流回路と、整流された直流を平滑するリアクトルと、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってＰＷＭ変調制御を行ないその結果に基づいてインバータ回路を駆動する駆動回路と、から構成される。溶接ワイヤ１ａは、送給モータＷＭに結合された送給ロール７によって給電チップ４内を通って送給され、母材２との間にミグアーク３ａが発生する。溶接トーチの構造は図１のとおりであり、ここでは簡略化して図示している。
【００３６】
図１で上述したように、ミグ溶接電源ＰＳＭの外部に設けられたプラズマ溶接電流設定回路ＩＷＰＲは、予め定めたプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprを出力する。電圧検出回路ＶＤは、上記のミグ溶接電圧Ｖwmを検出して、ミグ溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する。変動範囲設定回路ΔＶＣは、上記のプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprを入力として、図２で上述したように、予め定めた変動範囲算出関数に基づいて変動範囲設定信号ΔＶｃを出力する。ミグ溶接電圧制限値算出回路ＦＴは、上記のミグ溶接電圧検出信号Ｖｄを後述する基準電圧波形信号Ｖｃ及び上記の変動範囲設定信号ΔＶｃによって定まる変動範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限して、ミグ溶接電圧制限値信号Ｖftを出力する。電圧移動平均値算出回路ＶＲＡは、このミグ溶接電圧制限値信号Ｖftを入力として、図１０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を算出する。これらの算出方法は、上述した（２１）式及び（２２）式に基づいて行われる。基準電圧波形設定回路ＶＣは、これら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を入力として、図８で上述したような基準電圧波形信号Ｖｃを出力する。この基準電圧波形信号Ｖｃの設定は、上述した（３１）式〜（３４）式によって行われる。
【００３７】
電圧積分回路ＳＶは、各パルス周期の開始時点から上記のミグ溶接電圧制限値信号Ｖftを積分(1/t)∫Ｖft・ｄｔして、電圧積分値信号Ｓｖを出力する。ここで、ｔは各パルス周期の開始時点からの経過時間（秒）である。したがって、この電圧積分値信号Ｓｖの値は、ミグ溶接電圧制限値信号Ｖftの平均値を刻々と算出していることになる。電圧設定回路ＶＲは、予め定めた電圧設定信号Ｖｒを出力する。比較回路ＣＭは、上記の電圧積分値信号Ｓｖと上記の電圧設定信号Ｖｒとを比較して、同じ値になった時点でパルス周期を終了するために短時間Ｈｉｇｈレベルとなるパルス周期信号Ｔｆを出力する。Ｓｖ＝Ｖｒとなることは、各パルス周期におけるミグ溶接電圧制限値信号Ｖftの平均値が電圧設定信号Ｖｒの値と等しくなったことを意味している。このようにして、上述したアーク長制御が行われる。したがって、パルス周期信号Ｔｆが短時間Ｈｉｇｈレベルに変化する間隔が各パルス周期の長さとなる。
【００３８】
経過時間測定回路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（各パルス周期の開始時点）からの経過時間を測定して、経過時間信号Ｓｔを出力する。ピーク電流設定回路ＩＰＲは、予め定めたピーク電流設定信号Ｉprを出力する。ベース電流設定回路ＩＢＲは、予め定めたベース電流設定信号Ｉbrを出力する。電流制御設定回路ＩＲＣ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Ｉbrの値から上記のピーク電流設定信号Ｉprの値へと上昇する電流制御設定信号Ｉrc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Ｉprの値を電流制御設定信号Ｉrc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Ｉprの値から上記のベース電流設定信号Ｉbrの値へと下降する電流制御設定信号Ｉrc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Ｉbrの値を電流制御設定信号Ｉrcとして出力する。電流検出回路ＩＤは、上記のミグ溶接電流Ｉwm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Ｉrcとこの電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。送給制御回路ＦＣは、予め定めた送給速度設定値で溶接ワイヤ１ａ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。これらのブロックによって、上記の電流制御設定信号Ｉrcに相当する図７で上述したようなミグ溶接電流Ｉwmが通電する。
【００３９】
図４は、実施の形態１において、上述した図１を構成するプラズマ溶接電源ＰＳＰ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。
【００４０】
電源主回路ＰＭは、３相２００Ｖ等の賞用電源（図示は省略）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等の出力制御を行いプラズマ溶接電流Ｉwpを出力する。このプラズマ溶接電流Ｉwpは、プラズマ電極１ｂ、プラズマアーク３ｂ、母材２を通って通電する。溶接トーチの構造は上述した図１のとおりであるが、ここでは簡略化して図示している。
【００４１】
図１で上述したように、プラズマ溶接電源ＰＳＰの外部に設けられたプラズマ溶接電流設定回路ＩＷＰＲは、予め定めたプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprを出力する。電流検出回路ＩＤは、上記のプラズマ溶接電流Ｉwp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、上記のプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprと上記の電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。この電流誤差増幅信号Ｅｉに従って溶接電源の出力制御が行われることによって、図７（Ｃ）で上述した直流のプラズマ溶接電流Ｉwpが通電する。上述したプラズマ溶接電源ＰＳＰは、プラズマ溶接電流Ｉwpがプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprの値と等しくなるように出力制御されるので、定電流特性の電源となる。上記のプラズマ溶接電流設定信号Ｉwprをパルス波形状に変化させると、プラズマ溶接電流Ｉwpはパルス波形となる。この場合は、パルス波形のプラズマ溶接電流Ｉwpの各値に応じて、上記の変動範囲ΔＶｃが変化することになる。
【００４２】
上述した実施の形態１によれば、プラズマ溶接電流Ｉwpの値に応じて変動範囲ΔＶｃを変化させることによって、異常電圧がミグ溶接電圧に重畳することを抑制することができ、かつ、アーク長の変動に伴う電圧変動を正確に検出することができる。このために、精密なアーク長制御を行なうことができ、良好な溶接品質を得ることができる。
【００４３】
［実施の形態２］
本発明の実施の形態２に係るプラズマミグ溶接方法では、ミグ溶接電流Ｉwmの値が基準電流値Ｉth以上であるときの変動範囲を第１変動範囲ΔＶc1に設定し、基準電流値Ｉth未満であるときの変動範囲を第２変動範囲ΔＶc2に設定する。このようにミグ溶接電流Ｉwmの値に応じて変動範囲の値を変化させる点が、上述した実施の形態１とは異なっている。以下、この実施の形態２について説明する。
【００４４】
実施の形態２を実施するための溶接装置の構成図は、上述した図１と同一である。但し、図２に対応するプラズマ溶接電流Ｉwpに対する変動範囲の変化を示す図が異なっている。さらに、図３で上述したミグ溶接電源ＰＳＭの一部のブロックが異なっている。図４で上述したプラズマ溶接電源ＰＳＰのブロック図については、同一である。以下、実施の形態１と異なる点について説明する。
【００４５】
図５は、プラズマ溶接電流Ｉwpと第１変動範囲ΔＶc1及び第２変動範囲ΔＶc2との関係を示す図である。同図の横軸は、プラズマ溶接電流Ｉwp（Ａ）を示し、実用上使用されることが多い５０〜１５０Ａの範囲を示している。縦軸は、変動範囲ΔＶｃ（Ｖ）を示しており、実践が第１変動範囲ΔＶc1の変化を示し、破線が第２変動範囲ΔＶc2の変化を示している。ミグ溶接電流Ｉwmの値が基準電流値Ｉth以上であるときは第１変動範囲ΔＶc1が使用され、未満であるときは第２変動範囲ΔＶc2が使用される。溶接条件は上述した図２と同一である。すなわち、溶接ワイヤには、直径１．２mmのアルミニウム合金ワイヤを使用した場合である。また、ピーク電流Ｉｐ＝２８０Ａ、ベース電流Ｉｂ＝３０Ａ、ピーク立上り期間Ｔup＝０．４ms、ピーク期間Ｔｐ＝０．８ms、ピーク立下り期間Ｔdw＝０．８msの場合である。基準電流値Ｉthは、ピーク電流Ｉｐとベース電流Ｉｂとの中間値である１５５Ａに設定されている。
【００４６】
同図に示すように、プラズマ溶接電流Ｉwp＝５０Ａのとき第１変動範囲ΔＶc1＝１．５Ｖ及び第２変動範囲ΔＶc2＝１．０Ｖとなり、Ｉwp＝１００ＡのときΔＶc1＝２．０Ｖ及びΔＶc2＝１．５Ｖとなり、Ｉwp＝１５０ＡのときΔＶc1＝２．５Ｖ及びΔＶc2＝２．０Ｖとなる。すなわち、プラズマ溶接電流Ｉwpが大きくなるのに伴い、第１変動範囲ΔＶc1及び第２変動範囲ΔＶc2が共に大きくなっており、かつ、プラズマ溶接電流Ｉwpの値が同一であるときは第１変動範囲ΔＶc1の方が第２変動範囲ΔＶc2よりも大きくなっている。この理由については、後述する。同図に示す第１変動範囲算出関数及び第２変動範囲算出関数は、母材の参加被膜の状態、溶接継手、溶接ワイヤの材質、直径、溶接速度等の溶接条件に応じて実験によって適正値に設定されることが望ましい。
【００４７】
上述したように、プラズマ溶接電流Ｉwpの値が大きくなるのに伴い、プラズマアークがミグアークを拘束する力が大きくなるために、変動範囲を大きくすることによって、アーク長の変動に伴う電圧変動をより正確に検出することができる。ミグ溶接電流Ｉwmの値が大きくなるのに伴い、ミグアーク自身の硬直性が高くなる。これは、ミグ溶接電流Ｉwmの値に比例してミグアークを収縮させる力が強くなるためである。換言すれば、ミグ溶接電流Ｉwmの値が大きくなるとミグアークが自身を拘束する力が増大することになる。このために、ミグ溶接電流Ｉwmの値が基準電流値Ｉth以上であるときは変動範囲の値を大きくして、異常電圧の重畳を抑制し、かつ、アーク長の変動に伴う電圧変動のみをより一層正確に検出することができるようにしている。したがって、ミグ溶接電流Ｉwmの値が基準電流値Ｉth以上のときは未満のときよりも変動範囲の値を大きくして第１変動範囲ΔＶc1に設定している。上記の基準電流値Ｉthは、例えば、ピーク電流Ｉｐとベース電流Ｉｂの中間値Ｉth＝（Ｉｐ＋Ｉｂ）／２に設定される。この基準電流値Ｉthは、実験によって適正値に設定される。
【００４８】
図６は、本実施の形態２に係るミグ溶接電源ＰＳＭのブロック図である。同図において、上述した図３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。同図においては、図３の変動範囲設定回路ΔＶＣを破線で示す電流値連動変動範囲設定回路ΔＶＣＩに置換している。以下、このブロックについて、同図を参照して説明する。
【００４９】
電流値連動変動範囲設定回路ΔＶＣＩは、プラズマ溶接電流設定信号Ｉwpr及び電流制御設定信号Ｉrcを入力として、図５で上述したように、電流制御設定信号Ｉrcが基準電流値Ｉth以上であるときは予め定めた第１変動範囲算出関数に基づいて変動範囲設定信号ΔＶｃを出力し、電流制御設定信号Ｉrcが基準電流値Ｉth未満であるときは予め定めた第２変動範囲算出関数に基づいて変動範囲設定信号ΔＶｃを出力する。
【００５０】
上述した実施の形態２によれば、実施の形態１の効果に加えて、ミグ溶接電流の値が基準電流値以上であるときは第１変動範囲に設定し、未満であるときは第２変動範囲に設定することによって、異常電圧の影響を受けずにアーク長の変動に伴う電圧変動をより一層正確に検出することができる。このために、より一層精密なアーク長制御を行なうことができる。
【００５１】
実施の形態１〜２においては、アーク長制御を周波数変調方式で行う場合を例示したが、上述したように、パルス幅変調方式を使用しても良い。この場合には、ピーク期間Ｔｐがフィードバック制御されることになる。
【符号の説明】
【００５２】
１ａ 溶接ワイヤ
１ｂ プラズマ電極
２ 母材
３ａ ミグアーク
３ｂ プラズマアーク
４ 給電チップ
５１ プラズマノズル
５２ シールドガスノズル
６１ センターガス
６２ プラズマガス
６３ シールドガス
７ 送給ロール
ＣＭ 比較回路
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＦＴ ミグ溶接電圧制限値算出回路
Ｉｂ ベース電流
ＩＢＲ ベース電流設定回路
Ｉbr 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
ＩＰＲ ピーク電流設定回路
Ｉpr ピーク電流設定信号
ＩＲＣ 電流制御設定回路
Ｉrc 電流制御設定信号
Ｉth 基準電流値
Ｉwm ミグ溶接電流
Ｉwp プラズマ溶接電流
ＩＷＰＲ プラズマ溶接電流設定回路
Ｉwpr プラズマ溶接電流設定信号
ＰＭ 電源主回路
ＰＳＭ ミグ溶接電源
ＰＳＰ プラズマ溶接電源
ＳＴ 経過時間測定回路
Ｓｔ 経過時間信号
ＳＶ 電圧積分回路
Ｓｖ 電圧積分値信号
ｔ 経過時間
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
Ｔup ピーク立上り期間
Ｖｂ ベース電圧
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 基準電圧波形設定回路
Ｖｃ 基準電圧波形（信号）
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ ミグ溶接電圧検出信号
Ｖft ミグ溶接電圧制限値（信号）
Ｖｐ ピーク電圧
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）
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
ＶＲＡ 電圧移動平均値算出回路
Ｖwm ミグ溶接電圧
Ｖwp プラズマ溶接電圧
ＷＭ 送給モータ
ＷＴ 溶接トーチ
ΔＶＣ 変動範囲設定回路
ΔＶｃ 変動範囲（設定信号）
ΔＶc1 第１変動範囲
ΔＶc2 第２変動範囲
ΔＶＣＩ 電流値連動変動範囲設定回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接トーチを通して送給される溶接ワイヤと母材との間にミグ溶接電圧を印加してミグ溶接電流を通電することによってミグアークを発生させ、
ピーク立上り期間中はベース電流からピーク電流へと上昇する遷移電流を通電し、続くピーク期間中は前記ピーク電流を通電し、続くピーク立下り期間中は前記ピーク電流から前記ベース電流へと下降する遷移電流を通電し、続くベース期間中は前記ベース電流を通電し、これらの通電を１パルス周期として繰り返して前記ミグ溶接電流を通電し、
前記ミグ溶接電圧を検出し、このミグ溶接電圧検出値を入力として基準電圧波形を中心電圧値とする予め定めた変動範囲内に制限してミグ溶接電圧制限値を算出し、このミグ溶接電圧制限値に基づいて前記パルス周期又は前記ピーク期間を変化させて前記ミグアークのアーク長制御を行い、
前記ピーク期間中の前記ミグ溶接電圧制限値を過去所定期間にわたり移動平均してピーク電圧移動平均値を算出すると共に、前記ベース期間中の前記ミグ溶接電圧制限値を前記過去所定期間にわたり移動平均してベース電圧移動平均値を算出し、前記基準電圧波形を前記ピーク立上り期間中は前記ベース電圧移動平均値から前記ピーク電圧移動平均値へと上昇する遷移電圧に設定し、続く前記ピーク期間中は前記ピーク電圧移動平均値に設定し、続く前記ピーク立下り期間中は前記ピーク電圧移動平均値から前記ベース電圧移動平均値へと下降する遷移電圧に設定し、続く前記ベース期間中は前記ベース電圧移動平均値に設定し、
前記溶接ワイヤを囲むように供給されるガスを介して前記溶接トーチと前記母材との間にプラズマ溶接電流を通電することによってプラズマアークを発生させるプラズマミグ溶接方法において、
前記変動範囲を前記プラズマ溶接電流の値に応じて変化させる、
ことを特徴とするプラズマミグ溶接方法。
【請求項２】
前記変動範囲を、前記ミグ溶接電流の値が基準電流値以上であるときは第１変動範囲に設定し、ミグ溶接電流の値が前記基準電流値未満であるときは第２変動範囲に設定し、前記第１変動範囲及び前記第２変動範囲を前記プラズマ溶接電流の値に応じて変化させ、前記プラズマ溶接電流の値が同一値であるときは前記第１変動範囲を前記第２変動範囲よりも大きな値に設定する、
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマミグ溶接方法。
【請求項１】
溶接トーチを通して送給される溶接ワイヤと母材との間にミグ溶接電圧を印加してミグ溶接電流を通電することによってミグアークを発生させ、
ピーク立上り期間中はベース電流からピーク電流へと上昇する遷移電流を通電し、続くピーク期間中は前記ピーク電流を通電し、続くピーク立下り期間中は前記ピーク電流から前記ベース電流へと下降する遷移電流を通電し、続くベース期間中は前記ベース電流を通電し、これらの通電を１パルス周期として繰り返して前記ミグ溶接電流を通電し、
前記ミグ溶接電圧を検出し、このミグ溶接電圧検出値を入力として基準電圧波形を中心電圧値とする予め定めた変動範囲内に制限してミグ溶接電圧制限値を算出し、このミグ溶接電圧制限値に基づいて前記パルス周期又は前記ピーク期間を変化させて前記ミグアークのアーク長制御を行い、
前記ピーク期間中の前記ミグ溶接電圧制限値を過去所定期間にわたり移動平均してピーク電圧移動平均値を算出すると共に、前記ベース期間中の前記ミグ溶接電圧制限値を前記過去所定期間にわたり移動平均してベース電圧移動平均値を算出し、前記基準電圧波形を前記ピーク立上り期間中は前記ベース電圧移動平均値から前記ピーク電圧移動平均値へと上昇する遷移電圧に設定し、続く前記ピーク期間中は前記ピーク電圧移動平均値に設定し、続く前記ピーク立下り期間中は前記ピーク電圧移動平均値から前記ベース電圧移動平均値へと下降する遷移電圧に設定し、続く前記ベース期間中は前記ベース電圧移動平均値に設定し、
前記溶接ワイヤを囲むように供給されるガスを介して前記溶接トーチと前記母材との間にプラズマ溶接電流を通電することによってプラズマアークを発生させるプラズマミグ溶接方法において、
前記変動範囲を前記プラズマ溶接電流の値に応じて変化させる、
ことを特徴とするプラズマミグ溶接方法。
【請求項２】
前記変動範囲を、前記ミグ溶接電流の値が基準電流値以上であるときは第１変動範囲に設定し、ミグ溶接電流の値が前記基準電流値未満であるときは第２変動範囲に設定し、前記第１変動範囲及び前記第２変動範囲を前記プラズマ溶接電流の値に応じて変化させ、前記プラズマ溶接電流の値が同一値であるときは前記第１変動範囲を前記第２変動範囲よりも大きな値に設定する、
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマミグ溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−１２５８９５（Ｐ２０１１−１２５８９５Ａ）
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８６０１８（Ｐ２００９−２８６０１８）
【出願日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月３０日（２０１１．６．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
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