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を、基準電圧波形を中心電圧値とする変動範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限してミグ溶接電圧制限値Ｖｆｔを算出し、この算出値によってアーク長制御を行う。第ｎ回目のパルス周期の開始時に、第ｎ−１回目〜第ｎ−ｋ回目（ｋは２以上の整数）までのパルス周期のミグ溶接電圧Ｖｗｍが上記変動範囲の下限値以下であったときは、ミグ溶接電圧制限値Ｖftを基準電圧波形の中心電圧値Ｖｃとして算出する。これにより、ミグ溶接電圧Ｖｗｍに重畳する異常電圧を除去することができるので、高精度のアーク長制御が可能となる。
【解決手段】ミグ溶接電圧Ｖｗｍを、基準電圧波形を中心電圧値とする変動範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に制限してミグ溶接電圧制限値Ｖｆｔを算出し、この算出値によってアーク長制御を行う。第ｎ回目のパルス周期の開始時に、第ｎ−１回目〜第ｎ−ｋ回目（ｋは２以上の整数）までのパルス周期のミグ溶接電圧Ｖｗｍが上記変動範囲の下限値以下であったときは、ミグ溶接電圧制限値Ｖftを基準電圧波形の中心電圧値Ｖｃとして算出する。これにより、ミグ溶接電圧Ｖｗｍに重畳する異常電圧を除去することができるので、高精度のアーク長制御が可能となる。
【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ことが多い。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。他方、プラズマアークは、溶接ワイヤを囲むように配置された非消耗電極であるプラズマ電極と母材との間に発生するので、そのアーク長はプラズマ電極と母材との距離によって設定される。したがって、プラズマアークのアーク長制御は必要でない。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、上述した従来技術のプラズマミグ溶接方法について説明する。
【０００４】
図５は、従来技術の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溶接ワイヤと母材との間に印加し、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、ピーク立上り期間Ｔup、ピーク期間Ｔｐ、ピーク立下り期間Ｔdw、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。ピーク立上り期間Ｔup及びピーク立下り期間Ｔdwは、ミグアークの硬直性、広がり等のアーク特性を調整するパラメータである。母材が鉄鋼材料であるときは、両値は小さな値に設定されるので、ミグ溶接電流Ｉwmは矩形波形となる。他方、母材がアルミニウム材料であるときは、両値は大きな値に設定されるので、ミグ溶接電流Ｉwmは台形波形となる。上記のパルスパラメータは、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、ピーク立上り期間Ｔup、ピーク立下り期間Ｔdw、パルス周期Ｔｆ、ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂがパルスパラメータとなり所定値に設定され、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（パルス幅）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するとアークが消弧して陰極点が消滅し、短絡が解除されてアークが再点弧すると陰極点が再形成される。このように陰極点の消滅・再形成があったとき、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。この陰極点の消滅又は再形成に伴う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６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８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電圧値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。上記の変動範囲ΔＶｃは、予め定めた定数である。その値は、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。その値は、０．３〜２Ｖ程度である。
【００１１】
図７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電圧値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８は、図６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（移動平均期間、所定期間）は、過去４〜１６周期程度に設定する。この移動平均期間は、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、陰極点の消滅又は再形成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。上述した基準電圧波形Ｖｃ及び変動範囲ΔＶｃを使用した異常電圧除去方法では、アーク長の変動に伴う電圧変動は除去することなくそのまま残し、陰極点の消滅又は再形成に起因する異常電圧については略除去することができる。このために、精密なアーク長制御を行うことができる。
【００１８】
ところで、プラズマミグ溶接では、鉄鋼又はステンレス鋼を溶接する場合にも、ミグアークをシールドするガス（センターガス）にアルゴンガスを使用する。アルゴンガスを使用した場合には、炭酸ガス又は炭酸ガスとアルゴンガスとの混合ガスを使用する場合に比べて、炭酸ガスの解離熱による熱損失がないためにミグアークが高温になる。さらに、プラズマアークによるミグアークの収縮作用により、溶融池の温度が局所的に高温になる。これらの理由から、プラズマミグ溶接による鉄鋼又はステンレス鋼の溶接では、溶融池から金属蒸気が発生しやすい状態となる。この金属蒸気は溶融池から短時間に急激に噴出されて、ミグアーク内に混入する。金属蒸気が混入すると、ミグアークの電気伝導度が高くなるので、同一の電流を通電するときの電圧は低くなる。このために、ミグアークに金属蒸気が混入すると、ミグ溶接電圧Ｖwmの波形は全体的に減少する方向にシフトした波形となる。金属蒸気の噴出は５０〜５００ms程度の間継続し、その後は停止する。ここで、仮に１パルス周期Ｔｆを１０msとすると、金属蒸気の噴出期間は、５〜５０周期に相当する。この金属蒸気の噴出が継続している間は、ミグ溶接電圧Ｖwmは減少した状態にある。しかし、このミグ溶接電圧Ｖwmの減少状態は、ミグアークのアーク長とは直接的には関係のない値となる。したがって、この金属蒸気の噴出による電圧変動は、新たな要因による異常電圧として除去する必要がある。
【００１９】
従来技術が想定している異常電圧は、上述したように、陰極点の消滅又は再形成に起因する異常電圧である。この陰極点の消滅又は再形成に起因する異常電圧は、１パルス周期内で発生して消滅するのがほとんどの場合である。ときたま２パルス周期にわたって発生する場合もあるが、希なケースである。このことを前提として、基準電圧波形Ｖｃを自動設定するため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の移動平均期間が、比較的短い期間に設定されている。すなわち、移動平均期間の長さは、アーク長制御の過渡応答性を決めることになるので、移動平均期間を短い期間に設定することは過渡応答性を迅速にすることになる。このような従来技術の異常電圧除去方法において、上述したような金属蒸気の噴出に起因する異常電圧を除去する場合には、以下のような問題が生じる。金属蒸気に起因する異常電圧（ミグ溶接電圧の減少した状態）は、上述したように、５〜５０周期にわたって発生する。このように陰極点の消滅又は再形成に起因する異常電圧に比べて長い期間金属蒸気に起因する異常電圧が発生していることになる。このために、ピーク電圧移動平均値Ｖpr及びベース電圧移動平均値Ｖbrは徐々に減少するので、基準電圧波形Ｖｃも減少方向にシフトすることになる。基準電圧波形Ｖｃが減少方向にシフトすると、金属蒸気の噴出に起因する異常電圧が変動範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に入ることになり、異常電圧がそのまま除去されない状態となる。このような状態になると、異常電圧が重畳したミグ溶接電圧制限値Ｖftによってアーク長制御が行われることになるので、アーク長制御が不安定になる。上述したことをまとめると、金属蒸気の噴出に起因する異常電圧の発生は、その発生期間が長いために、従来技術の異常電圧除去方法では充分に除去されないので、アーク長制御が不安定になる。これを解決するために、移動平均期間を長くすると、アーク長制御系の過渡応答性が悪くなる。
【００２０】
そこで、本発明では、アーク長制御系の過渡応答性を迅速な状態に維持したままで、金属蒸気の噴出に起因する異常電圧を除去す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】
【００２１】
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、
第ｎ回目の前記パルス周期を開始するときに、第ｎ−１回目〜第ｎ−ｋ回目（ｋは２以上の整数）までの前記パルス周期における全ての前記ミグ溶接電圧検出値が前記基準電圧波形を中心電圧値とする前記変動範囲の下限値以下であったときは、第ｎ回目の前記パルス周期における前記ミグ溶接電圧制限値を前記基準電圧波形の中心電圧値として算出する、
ことを特徴とするプラズマミグ溶接方法である。
【００２２】
請求項２の発明は、前記整数ｋを、ミグ溶接電流の平均値が大きくなるのに伴い大きくなるように変化させる、
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】
【００２３】
本発明によれば、金属蒸気の噴出に起因する異常電圧をミグ溶接電圧から除去することができるので、安定したアーク長制御を行うことができる。さらに、本発明では、基準電圧波形を自動設定するためにミグ溶接電圧制限値を移動平均する期間（移動平均期間）を長くする必要がないので、アーク長制御系の過渡応答性を迅速に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態１に係るプラズマミグ溶接方法を示す波形図である。
【図２】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。
【図３】図２の溶接装置を構成するミグ溶接電源ＰＳＭのブロック図である。
【図４】図２の溶接装置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】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６】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７】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８】従来技術において、図６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】
【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］
実施の形態１に係る発明は、第ｎ回目の前記パルス周期を開始するときに、第ｎ−１回目〜第ｎ−ｋ回目（ｋは２以上の整数）までの前記パルス周期における全ての前記ミグ溶接電圧検出値が前記基準電圧波形を中心電圧値とする前記変動範囲の下限値以下であったときは、第ｎ回目のパルス周期におけるミグ溶接電圧制限値を基準電圧波形の中心電圧値として算出するものである。すなわち、本実施の形態では、パルス周期中の全てのミグ溶接電圧Ｖwmが変動範囲の下限値Ｖｃ−ΔＶｃ以上である状態が複数回のパルス周期にわたって連続したときは、上述した金属蒸気の噴出に起因する異常電圧が発生したと判別し、ミグ溶接電圧制限値Ｖftを基準電圧波形の中心電圧値Ｖｃとして出力することでこの異常電圧を除去している。以下、この実施の形態について説明する。
【００２７】
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を示し、同図（Ｄ）はミグ溶接電圧制限値Ｖftを示す。同図において、ミグ溶接電流Ｉwm及びミグ溶接電圧Ｖwmの波形は、上述した図５と同様に台形波であるが、図面を分かりやすくするために矩形波として示している。以下、同図を参照して説明する。
【００２８】
同図は、第ｎ−３回目のパルス周期Ｔｆ(n-3)から第ｎ＋３回目のパルス周期Ｔｆ(n+3)までの７周期分の波形を示している。同図では、第ｎ−２回目のパルス周期Ｔｆ(n-2)において金属蒸気の噴出に起因する異常電圧（電圧の減少状態）が発生し、第ｎ＋１回目のパルス周期Ｔｆ(n+1)において異常電圧の発生が停止した場合である。したがって、第ｎ−２回目のパルス周期Ｔｆ(n-2)から第ｎ＋１回目のパルス周期Ｔｆ(n+1)の４周期中のミグ溶接電圧Ｖwmの波形は、減少する方向にシフトしている。
【００２９】
（１）第ｎ−３回目のパルス周期Ｔｆ(n-3)中の動作
第ｎ−３回目のパルス周期Ｔｆ(n-3)の開始時点において、上述した（２１）式からピーク電圧移動平均値Ｖpr(n-3)を算出し、（２２）式からベース電圧移動平均値Ｖbr(n-3)を算出する。そして、上述した（３１）式〜（３４）式に基づいて基準電圧波形Ｖｃ(n-3)を自動設定する。この基準電圧波形は、各パルス周期の開始時点において順次行われる。本パルス周期中は、ミグアークは安定した定常状態にあるので、陰極点の消滅又は再形成に起因する異常電圧及び金属蒸気の噴出に起因する異常電圧は共に発生していない。また、同図（Ｂ）に示すミグ溶接電圧Ｖwm(n-3)の波形は、ほぼ基準電圧波形Ｖｃ(n-3)と等しい状態にある。このために、同図（Ｄ）に示すように、ミグ溶接電圧制限値Ｖft(n-3)の波形は、同図（Ｂ）に示すミグ溶接電圧Ｖwm(n-3)の波形と同一となり、基準電圧波形Ｖｃ(n-3)とほぼ等しい波形となる。同図（Ａ）に示すように、ミグ溶接電流Ｉwmを形成するピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂは、定電流制御されているので、７周期共に同一の波形となる。同図（Ｃ）に示すように、プラズマ溶接電流Ｉwpは、一定値の直流波形であり、その値は定電流制御されているので、７周期共に同一の値となる。
【００３０】
（２）第ｎ−２回目のパルス周期Ｔｆ(n-2)中の動作
第ｎ−２回目のパルス周期Ｔｆ(n-2)において、金属蒸気の噴出が生じたために、同図（Ｂ）に示すように、ミグ溶接電圧Ｖwm(n-2)は全体的に減少する方向にシフトした波形となる。そして、この周期中の全てのミグ溶接電圧Ｖwm(n-2)は、基準電圧波形を中心電圧値とする予め定めた変動範囲の下限値Ｖｃ(n-2)−ΔＶｃよりもかなり小さな値となっている。このために、同図（Ｄ）に示すように、ミグ溶接電圧制限値Ｖft(n-2)は、基準電圧波形を中心電圧値とする変動範囲の下限値Ｖｃ(n-2)−ΔＶｃの値となる。
【００３１】
（３）第ｎ−１回目のパルス周期Ｔｆ(n-1)中の動作
第ｎ−1回目のパルス周期Ｔｆ(n-1)中も金属蒸気の噴出が継続しているので、同図（Ｂ）に示すように、ミグ溶接電圧Ｖwm(n-1)は全体的に減少する方向にシフトした波形のままである。本周期開始時点での基準電圧波形Ｖｃ(n-1)は、前の周期のミグ溶接電圧制限値Ｖft(n-2)が減少したために、少し減少した波形となる。そして、この周期中の全てのミグ溶接電圧Ｖwm(n-1)は、基準電圧波形を中心電圧値とする変動範囲の下限値Ｖｃ(n-1)−ΔＶｃよりもかなり小さな値となっている。このために、同図（Ｄ）に示すように、ミグ溶接電圧制限値Ｖft(n-1)は、基準電圧波形を中心電圧値とする変動範囲の下限値Ｖｃ(n-1)−ΔＶｃの値となる。
【００３２】
（４）第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)中の動作
第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)中も金属蒸気の噴出が継続しているので、同図（Ｂ）に示すように、ミグ溶接電圧Ｖwm(n)は全体的に減少する方向にシフトした波形のままである。本周期開始時点での基準電圧波形Ｖｃ(n)は、前の周期のミグ溶接電圧制限値Ｖft(n-2)及びＶft(n-1)が減少したために、少し減少した波形となる。本周期の開始時点において、それ以前の２周期Ｔｆ(n-2)、Ｔｆ(n-1)中の全てのミグ溶接電圧Ｖwm(n-2)、Ｖwm(n-1)が変動範囲の下限値以下であったので、本周期中のミグ溶接電圧Ｖwm(n)の値に関係なしに、ミグ溶接電圧制限値Ｖft(n)は基準電圧波形の中心電圧値Ｖｃ(n)となる。したがって、同図（Ｄ）に示すように、ミグ溶接電圧制限値Ｖft(n)は、前の周期よりもかなり増加した波形となり、第ｎ−３回目のパルス周期Ｔｆ(n-3)におけるミグ溶接電圧制限値Ｖft(n-3)よりも少しだけ減少した波形となる。このようにして、金属蒸気の噴出に起因する異常電圧を除去することができる。
【００３３】
（５）第ｎ＋１回目のパルス周期Ｔｆ(n+1)中の動作
第ｎ＋１回目のパルス周期Ｔｆ(n+1)中も金属蒸気の噴出が継続しているので、同図（Ｂ）に示すように、ミグ溶接電圧Ｖwm(n+1)は全体的に減少する方向にシフトした波形のままである。本周期開始時点での基準電圧波形Ｖｃ(n+1)は、前の周期のミグ溶接電圧制限値Ｖft(n)が増加したために、少し増加した波形となる。本周期の開始時点において、それ以前の２周期Ｔｆ(n-1)、Ｔｆ(n)中の全てのミグ溶接電圧Ｖwm(n-1)、Ｖwm(n)が変動範囲の下限値以下であったので、本周期中のミグ溶接電圧Ｖwm(n+1)の値に関係なしに、ミグ溶接電圧制限値Ｖft(n+1)は基準電圧波形の中心電圧値Ｖｃ(n+1)となる。したがって、同図（Ｄ）に示すように、ミグ溶接電圧制限値Ｖft(n+1)は、前の周期よりも少しだけ増加した波形となる。このようにして、金属蒸気の噴出に起因する異常電圧を除去することができる。
【００３４】
（６）第ｎ＋２回目のパルス周期Ｔｆ(n+2)中の動作
第ｎ＋２回目のパルス周期Ｔｆ(n+2)において金属蒸気の噴出が停止するので、同図（Ｂ）に示すように、ミグ溶接電圧Ｖwm(n+2)は増加して第ｎ−３回目のパルス周期Ｔｆ(n-3)と同様の定常状態の波形に戻る。本周期開始時点での基準電圧波形Ｖｃ(n+2)は、前の周期のミグ溶接電圧制限値Ｖft(n+1)が増加したために、少し増加した波形となる。本周期の開始時点において、それ以前の２周期Ｔｆ(n)、Ｔｆ(n+1)中の全てのミグ溶接電圧Ｖwm(n)、Ｖwm(n+1)が変動範囲の下限値以下であったので、本周期中のミグ溶接電圧Ｖwm(n+2)の値に関係なしに、ミグ溶接電圧制限値Ｖft(n+2)は基準電圧波形の中心電圧値Ｖｃ(n+2)となる。したがって、同図（Ｄ）に示すように、ミグ溶接電圧制限値Ｖft(n+2)は、前の周期よりも少しだけ増加した波形となる。
【００３５】
（７）第ｎ＋３回目のパルス周期Ｔｆ(n+3)中の動作
第ｎ＋３回目のパルス周期Ｔｆ(n+3)においても金属蒸気の噴出は停止しているので、同図（Ｂ）に示すように、ミグ溶接電圧Ｖwm(n+3)は第ｎ−３回目のパルス周期Ｔｆ(n-3)と同様の定常状態の波形となる。本周期開始時点での基準電圧波形Ｖｃ(n+3)は、前の周期のミグ溶接電圧制限値Ｖft(n+2)が増加したために、少し増加した波形となる。本周期の開始時点において、それ以前の２周期Ｔｆ(n+1)、Ｔｆ(n+2)中の全てのミグ溶接電圧Ｖwm(n+1)、Ｖwm(n+2)が変動範囲の下限値以下ではないので、本周期中のミグ溶接電圧Ｖwm(n+3)は基準電圧波形を中心電圧値とする変動範囲Ｖｃ(n+3)±ΔＶｃ内に制限される。したがって、同図（Ｄ）に示すように、ミグ溶接電圧制限値Ｖft(n+3)は、第ｎ−３回目のパルス周期Ｔｆ(n-3)におけるミグ溶接電圧制限値Ｖft(n-3)とほぼ等しい波形となる。
【００３６】
上述した本実施の形態に係る異常電圧の除去方法を整理すると、以下のようになる。
１）各パルス周期の開始時点において従来技術と同様にミグ溶接電圧制限値Ｖftを移動平均することによって基準電圧波形を自動設定する。
２）第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)の開始時点において、第ｎ−１回目〜第ｎ−ｋ回目の各パルス周期における全てのミグ溶接電圧Ｖwmが、基準電圧波形を中心電圧値とする予め定めた変動範囲の下限値Ｖｃ−ΔＶｃ以下であるときは、金属蒸気の噴出に起因する異常電圧が発生していると判別する。ここで、ｋは２以上の整数である。
３）金属蒸気の噴出に起因する異常電圧の発生を判別したときは、第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)におけるミグ溶接電圧制限値Ｖft(n)を基準電圧波形の中心電圧値Ｖｃ(n)として算出する。
【００３７】
したがって、同図は、ｋ＝２の場合を例示したことになる。ここで、ｋの設定方法について説明する。上述したように、金属蒸気の噴出に起因する異常電圧は５〜５０周期程度の間発生する。他方、陰極点の消滅又は再形成に起因する異常電圧は、ほぼ１周期内で発生する。これらのことから、ｋは、２〜５程度に設定される。ｋは実験によって適正値に設定される。ミグ溶接電流Ｉwmの平均値（送給速度）が大きくなるのに伴い、金属蒸気の噴出に起因する異常電圧の発生期間は長くなる傾向がある。このために、ｋを、ミグ溶接電流Ｉwmの平均値が大きくなるのに伴い大きくなるように変化させても良い。また、ｎは、正の整数であるが、ｎ≧ｋ＋１である。したがって、アークスタートから第ｋ回目のパルス周期までは、上記の異常電圧の判別は禁止する。アークスタート直後に金属蒸気の噴出が発生する確率は低いので、問題にはならない。
【００３８】
上述した実施の形態１によれば、金属蒸気の噴出に起因する異常電圧をミグ溶接電圧から除去することができるので、安定したアーク長制御を行うことができる。さらに、本実施の形態に係る異常電圧の除去方法では、基準電圧波形を自動設定するためにミグ溶接電圧制限値を移動平均する期間（移動平均期間）を長くする必要がないので、アーク長制御系の過渡応答性を迅速に保つことができる。
【００３９】
図２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。
【００４０】
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との隙間からはアルゴンガスから成るシールドガス６３が供給される。プラズマノズル５１とプラズマ電極１ｂとの間にはアルゴンガスから成るプラズマガス６２が供給される。プラズマ電極１ｂと給電チップ４との間にはアルゴンガスから成るセンターガス６１が供給される。
【００４１】
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。非消耗電極であるプラズマ電極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。このために、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。
【００４２】
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の平均値は、溶接ワイヤ１ａの送給速度によってその値がほぼ定まる。本実施の形態では、このミグ溶接電源ＰＳＭに、図１で上述した金属蒸気の噴出に起因する異常電圧を除去する回路を内臓している。この点に関しては、図３で後述する。
【００４３】
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。
【００４４】
図３は、図２で上述した溶接装置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。
【００４５】
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、を含んでいる。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２のとおりであるが、ここでは簡略化して図示している。
【００４６】
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、予め定めた変動範囲設定信号ΔＶｃを出力する。金属蒸気異常電圧判別回路ＭＤは、上記のミグ溶接電圧検出信号Ｖｄ、後述する基準電圧波形信号Ｖｃ、上記の変動範囲設定信号ΔＶｃ及び後述する経過時間信号Ｓｔを入力として、第ｎ回目のパルス周期の開始時点において、第ｎ−１回目〜第ｎ−ｋ回目の各パルス周期における全てのミグ溶接電圧検出信号Ｖｄの値が、経過時間信号Ｓｔに対応する基準電圧波形信号Ｖｃ及び変動範囲設定信号ΔＶｃによって定まる変動範囲の下限値Ｖｃ−ΔＶｃ以下である条件が成立するときはＨｉｇｈレベルとなり、不成立のときはＬｏｗレベルになる金属蒸気異常電圧判別信号Ｍｄを出力する。ここで、ｋは２以上の整数である。したがって、上述した図１においては、この金属蒸気異常電圧判別信号Ｍｄは、第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)の開始時点でＨｉｇｈレベルになり、第ｎ＋３回目のパルス周期Ｔｆ(n+3)の開始時点でＬｏｗレベルになる。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、後述する基準電圧波形信号Ｖｃ、上記の変動範囲設定信号ΔＶｃ、後述する経過時間信号Ｓｔ及び上記の金属蒸気異常電圧判別信号Ｍｄを入力として、
ａ）金属蒸気異常電圧判別信号ＭｄがＬｏｗレベル（正常電圧時）のときは、図６で上述したように、経過時間信号Ｓｔに対応するミグ溶接電圧検出信号Ｖｄを基準電圧波形信号Ｖｃ及び変動範囲設定信号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を出力し、
ｂ）金属蒸気異常電圧判別信号がＨｉｇｈレベル（異常電圧時）のときは、経過時間信号Ｓｔに対応する基準電圧波形信号Ｖｃの値をそのままミグ溶接電圧制限値信号Ｖftとして出力する。
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８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６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）式に基づいて行われる。
【００４７】
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。
【００４８】
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、予め定めたピーク立上り期間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、その後の予め定めたピーク期間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、その後の予め定めたピーク立下り期間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、その後は経過時間信号Ｓｔが０にリセットされるまでのベース期間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。ミグ溶接電流検出回路ＩＤＭは、上記のミグ溶接電流Ｉwmを検出して、ミグ溶接電流検出信号Ｉdm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とこのミグ溶接電流検出信号Ｉdm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５で上述したようなミグ溶接電流Ｉwmが通電する。
【００４９】
図４は、図２で上述した溶接装置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。
【００５０】
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及びプラズマ溶接電圧Ｖwp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。
【００５１】
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。プラズマ溶接電流検出回路ＩＤＰは、上記のプラズマ溶接電流Ｉwpを検出して、プラズマ溶接電流検出信号Ｉdp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と上記のプラズマ溶接電流検出信号Ｉdp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５（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。
【００５２】
上述した実施の形態においては、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】
【００５３】
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
ＩＤＭ ミグ溶接電流検出回路
Ｉdm ミグ溶接電流検出信号
ＩＤＰ プラズマ溶接電流検出回路
Ｉdp プラズマ溶接電流検出信号
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
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
ｋ 整数
ＭＤ 金属蒸気異常電圧判別回路
Ｍｄ 金属蒸気異常電圧判別信号
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、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
ΔＶｃ 変動範囲
【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ことが多い。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。他方、プラズマアークは、溶接ワイヤを囲むように配置された非消耗電極であるプラズマ電極と母材との間に発生するので、そのアーク長はプラズマ電極と母材との距離によって設定される。したがって、プラズマアークのアーク長制御は必要でない。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、上述した従来技術のプラズマミグ溶接方法について説明する。
【０００４】
図５は、従来技術の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溶接ワイヤと母材との間に印加し、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、ピーク立上り期間Ｔup、ピーク期間Ｔｐ、ピーク立下り期間Ｔdw、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。ピーク立上り期間Ｔup及びピーク立下り期間Ｔdwは、ミグアークの硬直性、広がり等のアーク特性を調整するパラメータである。母材が鉄鋼材料であるときは、両値は小さな値に設定されるので、ミグ溶接電流Ｉwmは矩形波形となる。他方、母材がアルミニウム材料であるときは、両値は大きな値に設定されるので、ミグ溶接電流Ｉwmは台形波形となる。上記のパルスパラメータは、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、ピーク立上り期間Ｔup、ピーク立下り期間Ｔdw、パルス周期Ｔｆ、ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂがパルスパラメータとなり所定値に設定され、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（パルス幅）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するとアークが消弧して陰極点が消滅し、短絡が解除されてアークが再点弧すると陰極点が再形成される。このように陰極点の消滅・再形成があったとき、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。この陰極点の消滅又は再形成に伴う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６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８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電圧値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。上記の変動範囲ΔＶｃは、予め定めた定数である。その値は、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。その値は、０．３〜２Ｖ程度である。
【００１１】
図７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電圧値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８は、図６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（移動平均期間、所定期間）は、過去４〜１６周期程度に設定する。この移動平均期間は、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、陰極点の消滅又は再形成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。上述した基準電圧波形Ｖｃ及び変動範囲ΔＶｃを使用した異常電圧除去方法では、アーク長の変動に伴う電圧変動は除去することなくそのまま残し、陰極点の消滅又は再形成に起因する異常電圧については略除去することができる。このために、精密なアーク長制御を行うことができる。
【００１８】
ところで、プラズマミグ溶接では、鉄鋼又はステンレス鋼を溶接する場合にも、ミグアークをシールドするガス（センターガス）にアルゴンガスを使用する。アルゴンガスを使用した場合には、炭酸ガス又は炭酸ガスとアルゴンガスとの混合ガスを使用する場合に比べて、炭酸ガスの解離熱による熱損失がないためにミグアークが高温になる。さらに、プラズマアークによるミグアークの収縮作用により、溶融池の温度が局所的に高温になる。これらの理由から、プラズマミグ溶接による鉄鋼又はステンレス鋼の溶接では、溶融池から金属蒸気が発生しやすい状態となる。この金属蒸気は溶融池から短時間に急激に噴出されて、ミグアーク内に混入する。金属蒸気が混入すると、ミグアークの電気伝導度が高くなるので、同一の電流を通電するときの電圧は低くなる。このために、ミグアークに金属蒸気が混入すると、ミグ溶接電圧Ｖwmの波形は全体的に減少する方向にシフトした波形となる。金属蒸気の噴出は５０〜５００ms程度の間継続し、その後は停止する。ここで、仮に１パルス周期Ｔｆを１０msとすると、金属蒸気の噴出期間は、５〜５０周期に相当する。この金属蒸気の噴出が継続している間は、ミグ溶接電圧Ｖwmは減少した状態にある。しかし、このミグ溶接電圧Ｖwmの減少状態は、ミグアークのアーク長とは直接的には関係のない値となる。したがって、この金属蒸気の噴出による電圧変動は、新たな要因による異常電圧として除去する必要がある。
【００１９】
従来技術が想定している異常電圧は、上述したように、陰極点の消滅又は再形成に起因する異常電圧である。この陰極点の消滅又は再形成に起因する異常電圧は、１パルス周期内で発生して消滅するのがほとんどの場合である。ときたま２パルス周期にわたって発生する場合もあるが、希なケースである。このことを前提として、基準電圧波形Ｖｃを自動設定するため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の移動平均期間が、比較的短い期間に設定されている。すなわち、移動平均期間の長さは、アーク長制御の過渡応答性を決めることになるので、移動平均期間を短い期間に設定することは過渡応答性を迅速にすることになる。このような従来技術の異常電圧除去方法において、上述したような金属蒸気の噴出に起因する異常電圧を除去する場合には、以下のような問題が生じる。金属蒸気に起因する異常電圧（ミグ溶接電圧の減少した状態）は、上述したように、５〜５０周期にわたって発生する。このように陰極点の消滅又は再形成に起因する異常電圧に比べて長い期間金属蒸気に起因する異常電圧が発生していることになる。このために、ピーク電圧移動平均値Ｖpr及びベース電圧移動平均値Ｖbrは徐々に減少するので、基準電圧波形Ｖｃも減少方向にシフトすることになる。基準電圧波形Ｖｃが減少方向にシフトすると、金属蒸気の噴出に起因する異常電圧が変動範囲Ｖｃ±ΔＶｃ内に入ることになり、異常電圧がそのまま除去されない状態となる。このような状態になると、異常電圧が重畳したミグ溶接電圧制限値Ｖftによってアーク長制御が行われることになるので、アーク長制御が不安定になる。上述したことをまとめると、金属蒸気の噴出に起因する異常電圧の発生は、その発生期間が長いために、従来技術の異常電圧除去方法では充分に除去されないので、アーク長制御が不安定になる。これを解決するために、移動平均期間を長くすると、アーク長制御系の過渡応答性が悪くなる。
【００２０】
そこで、本発明では、アーク長制御系の過渡応答性を迅速な状態に維持したままで、金属蒸気の噴出に起因する異常電圧を除去す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】
【００２１】
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、
第ｎ回目の前記パルス周期を開始するときに、第ｎ−１回目〜第ｎ−ｋ回目（ｋは２以上の整数）までの前記パルス周期における全ての前記ミグ溶接電圧検出値が前記基準電圧波形を中心電圧値とする前記変動範囲の下限値以下であったときは、第ｎ回目の前記パルス周期における前記ミグ溶接電圧制限値を前記基準電圧波形の中心電圧値として算出する、
ことを特徴とするプラズマミグ溶接方法である。
【００２２】
請求項２の発明は、前記整数ｋを、ミグ溶接電流の平均値が大きくなるのに伴い大きくなるように変化させる、
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】
【００２３】
本発明によれば、金属蒸気の噴出に起因する異常電圧をミグ溶接電圧から除去することができるので、安定したアーク長制御を行うことができる。さらに、本発明では、基準電圧波形を自動設定するためにミグ溶接電圧制限値を移動平均する期間（移動平均期間）を長くする必要がないので、アーク長制御系の過渡応答性を迅速に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態１に係るプラズマミグ溶接方法を示す波形図である。
【図２】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。
【図３】図２の溶接装置を構成するミグ溶接電源ＰＳＭのブロック図である。
【図４】図２の溶接装置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】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６】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７】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８】従来技術において、図６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】
【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］
実施の形態１に係る発明は、第ｎ回目の前記パルス周期を開始するときに、第ｎ−１回目〜第ｎ−ｋ回目（ｋは２以上の整数）までの前記パルス周期における全ての前記ミグ溶接電圧検出値が前記基準電圧波形を中心電圧値とする前記変動範囲の下限値以下であったときは、第ｎ回目のパルス周期におけるミグ溶接電圧制限値を基準電圧波形の中心電圧値として算出するものである。すなわち、本実施の形態では、パルス周期中の全てのミグ溶接電圧Ｖwmが変動範囲の下限値Ｖｃ−ΔＶｃ以上である状態が複数回のパルス周期にわたって連続したときは、上述した金属蒸気の噴出に起因する異常電圧が発生したと判別し、ミグ溶接電圧制限値Ｖftを基準電圧波形の中心電圧値Ｖｃとして出力することでこの異常電圧を除去している。以下、この実施の形態について説明する。
【００２７】
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を示し、同図（Ｄ）はミグ溶接電圧制限値Ｖftを示す。同図において、ミグ溶接電流Ｉwm及びミグ溶接電圧Ｖwmの波形は、上述した図５と同様に台形波であるが、図面を分かりやすくするために矩形波として示している。以下、同図を参照して説明する。
【００２８】
同図は、第ｎ−３回目のパルス周期Ｔｆ(n-3)から第ｎ＋３回目のパルス周期Ｔｆ(n+3)までの７周期分の波形を示している。同図では、第ｎ−２回目のパルス周期Ｔｆ(n-2)において金属蒸気の噴出に起因する異常電圧（電圧の減少状態）が発生し、第ｎ＋１回目のパルス周期Ｔｆ(n+1)において異常電圧の発生が停止した場合である。したがって、第ｎ−２回目のパルス周期Ｔｆ(n-2)から第ｎ＋１回目のパルス周期Ｔｆ(n+1)の４周期中のミグ溶接電圧Ｖwmの波形は、減少する方向にシフトしている。
【００２９】
（１）第ｎ−３回目のパルス周期Ｔｆ(n-3)中の動作
第ｎ−３回目のパルス周期Ｔｆ(n-3)の開始時点において、上述した（２１）式からピーク電圧移動平均値Ｖpr(n-3)を算出し、（２２）式からベース電圧移動平均値Ｖbr(n-3)を算出する。そして、上述した（３１）式〜（３４）式に基づいて基準電圧波形Ｖｃ(n-3)を自動設定する。この基準電圧波形は、各パルス周期の開始時点において順次行われる。本パルス周期中は、ミグアークは安定した定常状態にあるので、陰極点の消滅又は再形成に起因する異常電圧及び金属蒸気の噴出に起因する異常電圧は共に発生していない。また、同図（Ｂ）に示すミグ溶接電圧Ｖwm(n-3)の波形は、ほぼ基準電圧波形Ｖｃ(n-3)と等しい状態にある。このために、同図（Ｄ）に示すように、ミグ溶接電圧制限値Ｖft(n-3)の波形は、同図（Ｂ）に示すミグ溶接電圧Ｖwm(n-3)の波形と同一となり、基準電圧波形Ｖｃ(n-3)とほぼ等しい波形となる。同図（Ａ）に示すように、ミグ溶接電流Ｉwmを形成するピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂは、定電流制御されているので、７周期共に同一の波形となる。同図（Ｃ）に示すように、プラズマ溶接電流Ｉwpは、一定値の直流波形であり、その値は定電流制御されているので、７周期共に同一の値となる。
【００３０】
（２）第ｎ−２回目のパルス周期Ｔｆ(n-2)中の動作
第ｎ−２回目のパルス周期Ｔｆ(n-2)において、金属蒸気の噴出が生じたために、同図（Ｂ）に示すように、ミグ溶接電圧Ｖwm(n-2)は全体的に減少する方向にシフトした波形となる。そして、この周期中の全てのミグ溶接電圧Ｖwm(n-2)は、基準電圧波形を中心電圧値とする予め定めた変動範囲の下限値Ｖｃ(n-2)−ΔＶｃよりもかなり小さな値となっている。このために、同図（Ｄ）に示すように、ミグ溶接電圧制限値Ｖft(n-2)は、基準電圧波形を中心電圧値とする変動範囲の下限値Ｖｃ(n-2)−ΔＶｃの値となる。
【００３１】
（３）第ｎ−１回目のパルス周期Ｔｆ(n-1)中の動作
第ｎ−1回目のパルス周期Ｔｆ(n-1)中も金属蒸気の噴出が継続しているので、同図（Ｂ）に示すように、ミグ溶接電圧Ｖwm(n-1)は全体的に減少する方向にシフトした波形のままである。本周期開始時点での基準電圧波形Ｖｃ(n-1)は、前の周期のミグ溶接電圧制限値Ｖft(n-2)が減少したために、少し減少した波形となる。そして、この周期中の全てのミグ溶接電圧Ｖwm(n-1)は、基準電圧波形を中心電圧値とする変動範囲の下限値Ｖｃ(n-1)−ΔＶｃよりもかなり小さな値となっている。このために、同図（Ｄ）に示すように、ミグ溶接電圧制限値Ｖft(n-1)は、基準電圧波形を中心電圧値とする変動範囲の下限値Ｖｃ(n-1)−ΔＶｃの値となる。
【００３２】
（４）第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)中の動作
第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)中も金属蒸気の噴出が継続しているので、同図（Ｂ）に示すように、ミグ溶接電圧Ｖwm(n)は全体的に減少する方向にシフトした波形のままである。本周期開始時点での基準電圧波形Ｖｃ(n)は、前の周期のミグ溶接電圧制限値Ｖft(n-2)及びＶft(n-1)が減少したために、少し減少した波形となる。本周期の開始時点において、それ以前の２周期Ｔｆ(n-2)、Ｔｆ(n-1)中の全てのミグ溶接電圧Ｖwm(n-2)、Ｖwm(n-1)が変動範囲の下限値以下であったので、本周期中のミグ溶接電圧Ｖwm(n)の値に関係なしに、ミグ溶接電圧制限値Ｖft(n)は基準電圧波形の中心電圧値Ｖｃ(n)となる。したがって、同図（Ｄ）に示すように、ミグ溶接電圧制限値Ｖft(n)は、前の周期よりもかなり増加した波形となり、第ｎ−３回目のパルス周期Ｔｆ(n-3)におけるミグ溶接電圧制限値Ｖft(n-3)よりも少しだけ減少した波形となる。このようにして、金属蒸気の噴出に起因する異常電圧を除去することができる。
【００３３】
（５）第ｎ＋１回目のパルス周期Ｔｆ(n+1)中の動作
第ｎ＋１回目のパルス周期Ｔｆ(n+1)中も金属蒸気の噴出が継続しているので、同図（Ｂ）に示すように、ミグ溶接電圧Ｖwm(n+1)は全体的に減少する方向にシフトした波形のままである。本周期開始時点での基準電圧波形Ｖｃ(n+1)は、前の周期のミグ溶接電圧制限値Ｖft(n)が増加したために、少し増加した波形となる。本周期の開始時点において、それ以前の２周期Ｔｆ(n-1)、Ｔｆ(n)中の全てのミグ溶接電圧Ｖwm(n-1)、Ｖwm(n)が変動範囲の下限値以下であったので、本周期中のミグ溶接電圧Ｖwm(n+1)の値に関係なしに、ミグ溶接電圧制限値Ｖft(n+1)は基準電圧波形の中心電圧値Ｖｃ(n+1)となる。したがって、同図（Ｄ）に示すように、ミグ溶接電圧制限値Ｖft(n+1)は、前の周期よりも少しだけ増加した波形となる。このようにして、金属蒸気の噴出に起因する異常電圧を除去することができる。
【００３４】
（６）第ｎ＋２回目のパルス周期Ｔｆ(n+2)中の動作
第ｎ＋２回目のパルス周期Ｔｆ(n+2)において金属蒸気の噴出が停止するので、同図（Ｂ）に示すように、ミグ溶接電圧Ｖwm(n+2)は増加して第ｎ−３回目のパルス周期Ｔｆ(n-3)と同様の定常状態の波形に戻る。本周期開始時点での基準電圧波形Ｖｃ(n+2)は、前の周期のミグ溶接電圧制限値Ｖft(n+1)が増加したために、少し増加した波形となる。本周期の開始時点において、それ以前の２周期Ｔｆ(n)、Ｔｆ(n+1)中の全てのミグ溶接電圧Ｖwm(n)、Ｖwm(n+1)が変動範囲の下限値以下であったので、本周期中のミグ溶接電圧Ｖwm(n+2)の値に関係なしに、ミグ溶接電圧制限値Ｖft(n+2)は基準電圧波形の中心電圧値Ｖｃ(n+2)となる。したがって、同図（Ｄ）に示すように、ミグ溶接電圧制限値Ｖft(n+2)は、前の周期よりも少しだけ増加した波形となる。
【００３５】
（７）第ｎ＋３回目のパルス周期Ｔｆ(n+3)中の動作
第ｎ＋３回目のパルス周期Ｔｆ(n+3)においても金属蒸気の噴出は停止しているので、同図（Ｂ）に示すように、ミグ溶接電圧Ｖwm(n+3)は第ｎ−３回目のパルス周期Ｔｆ(n-3)と同様の定常状態の波形となる。本周期開始時点での基準電圧波形Ｖｃ(n+3)は、前の周期のミグ溶接電圧制限値Ｖft(n+2)が増加したために、少し増加した波形となる。本周期の開始時点において、それ以前の２周期Ｔｆ(n+1)、Ｔｆ(n+2)中の全てのミグ溶接電圧Ｖwm(n+1)、Ｖwm(n+2)が変動範囲の下限値以下ではないので、本周期中のミグ溶接電圧Ｖwm(n+3)は基準電圧波形を中心電圧値とする変動範囲Ｖｃ(n+3)±ΔＶｃ内に制限される。したがって、同図（Ｄ）に示すように、ミグ溶接電圧制限値Ｖft(n+3)は、第ｎ−３回目のパルス周期Ｔｆ(n-3)におけるミグ溶接電圧制限値Ｖft(n-3)とほぼ等しい波形となる。
【００３６】
上述した本実施の形態に係る異常電圧の除去方法を整理すると、以下のようになる。
１）各パルス周期の開始時点において従来技術と同様にミグ溶接電圧制限値Ｖftを移動平均することによって基準電圧波形を自動設定する。
２）第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)の開始時点において、第ｎ−１回目〜第ｎ−ｋ回目の各パルス周期における全てのミグ溶接電圧Ｖwmが、基準電圧波形を中心電圧値とする予め定めた変動範囲の下限値Ｖｃ−ΔＶｃ以下であるときは、金属蒸気の噴出に起因する異常電圧が発生していると判別する。ここで、ｋは２以上の整数である。
３）金属蒸気の噴出に起因する異常電圧の発生を判別したときは、第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)におけるミグ溶接電圧制限値Ｖft(n)を基準電圧波形の中心電圧値Ｖｃ(n)として算出する。
【００３７】
したがって、同図は、ｋ＝２の場合を例示したことになる。ここで、ｋの設定方法について説明する。上述したように、金属蒸気の噴出に起因する異常電圧は５〜５０周期程度の間発生する。他方、陰極点の消滅又は再形成に起因する異常電圧は、ほぼ１周期内で発生する。これらのことから、ｋは、２〜５程度に設定される。ｋは実験によって適正値に設定される。ミグ溶接電流Ｉwmの平均値（送給速度）が大きくなるのに伴い、金属蒸気の噴出に起因する異常電圧の発生期間は長くなる傾向がある。このために、ｋを、ミグ溶接電流Ｉwmの平均値が大きくなるのに伴い大きくなるように変化させても良い。また、ｎは、正の整数であるが、ｎ≧ｋ＋１である。したがって、アークスタートから第ｋ回目のパルス周期までは、上記の異常電圧の判別は禁止する。アークスタート直後に金属蒸気の噴出が発生する確率は低いので、問題にはならない。
【００３８】
上述した実施の形態１によれば、金属蒸気の噴出に起因する異常電圧をミグ溶接電圧から除去することができるので、安定したアーク長制御を行うことができる。さらに、本実施の形態に係る異常電圧の除去方法では、基準電圧波形を自動設定するためにミグ溶接電圧制限値を移動平均する期間（移動平均期間）を長くする必要がないので、アーク長制御系の過渡応答性を迅速に保つことができる。
【００３９】
図２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。
【００４０】
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との隙間からはアルゴンガスから成るシールドガス６３が供給される。プラズマノズル５１とプラズマ電極１ｂとの間にはアルゴンガスから成るプラズマガス６２が供給される。プラズマ電極１ｂと給電チップ４との間にはアルゴンガスから成るセンターガス６１が供給される。
【００４１】
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。非消耗電極であるプラズマ電極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。このために、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。
【００４２】
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の平均値は、溶接ワイヤ１ａの送給速度によってその値がほぼ定まる。本実施の形態では、このミグ溶接電源ＰＳＭに、図１で上述した金属蒸気の噴出に起因する異常電圧を除去する回路を内臓している。この点に関しては、図３で後述する。
【００４３】
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。
【００４４】
図３は、図２で上述した溶接装置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。
【００４５】
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、を含んでいる。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２のとおりであるが、ここでは簡略化して図示している。
【００４６】
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、予め定めた変動範囲設定信号ΔＶｃを出力する。金属蒸気異常電圧判別回路ＭＤは、上記のミグ溶接電圧検出信号Ｖｄ、後述する基準電圧波形信号Ｖｃ、上記の変動範囲設定信号ΔＶｃ及び後述する経過時間信号Ｓｔを入力として、第ｎ回目のパルス周期の開始時点において、第ｎ−１回目〜第ｎ−ｋ回目の各パルス周期における全てのミグ溶接電圧検出信号Ｖｄの値が、経過時間信号Ｓｔに対応する基準電圧波形信号Ｖｃ及び変動範囲設定信号ΔＶｃによって定まる変動範囲の下限値Ｖｃ−ΔＶｃ以下である条件が成立するときはＨｉｇｈレベルとなり、不成立のときはＬｏｗレベルになる金属蒸気異常電圧判別信号Ｍｄを出力する。ここで、ｋは２以上の整数である。したがって、上述した図１においては、この金属蒸気異常電圧判別信号Ｍｄは、第ｎ回目のパルス周期Ｔｆ(n)の開始時点でＨｉｇｈレベルになり、第ｎ＋３回目のパルス周期Ｔｆ(n+3)の開始時点でＬｏｗレベルになる。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、後述する基準電圧波形信号Ｖｃ、上記の変動範囲設定信号ΔＶｃ、後述する経過時間信号Ｓｔ及び上記の金属蒸気異常電圧判別信号Ｍｄを入力として、
ａ）金属蒸気異常電圧判別信号ＭｄがＬｏｗレベル（正常電圧時）のときは、図６で上述したように、経過時間信号Ｓｔに対応するミグ溶接電圧検出信号Ｖｄを基準電圧波形信号Ｖｃ及び変動範囲設定信号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を出力し、
ｂ）金属蒸気異常電圧判別信号がＨｉｇｈレベル（異常電圧時）のときは、経過時間信号Ｓｔに対応する基準電圧波形信号Ｖｃの値をそのままミグ溶接電圧制限値信号Ｖftとして出力する。
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８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６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）式に基づいて行われる。
【００４７】
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。
【００４８】
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、予め定めたピーク立上り期間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、その後の予め定めたピーク期間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、その後の予め定めたピーク立下り期間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、その後は経過時間信号Ｓｔが０にリセットされるまでのベース期間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。ミグ溶接電流検出回路ＩＤＭは、上記のミグ溶接電流Ｉwmを検出して、ミグ溶接電流検出信号Ｉdm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とこのミグ溶接電流検出信号Ｉdm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５で上述したようなミグ溶接電流Ｉwmが通電する。
【００４９】
図４は、図２で上述した溶接装置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。
【００５０】
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及びプラズマ溶接電圧Ｖwp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。
【００５１】
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。プラズマ溶接電流検出回路ＩＤＰは、上記のプラズマ溶接電流Ｉwpを検出して、プラズマ溶接電流検出信号Ｉdp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と上記のプラズマ溶接電流検出信号Ｉdp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５（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。
【００５２】
上述した実施の形態においては、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】
【００５３】
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
ＩＤＭ ミグ溶接電流検出回路
Ｉdm ミグ溶接電流検出信号
ＩＤＰ プラズマ溶接電流検出回路
Ｉdp プラズマ溶接電流検出信号
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
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
ｋ 整数
ＭＤ 金属蒸気異常電圧判別回路
Ｍｄ 金属蒸気異常電圧判別信号
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、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
ΔＶｃ 変動範囲
【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、
第ｎ回目の前記パルス周期を開始するときに、第ｎ−１回目〜第ｎ−ｋ回目（ｋは２以上の整数）までの前記パルス周期における全ての前記ミグ溶接電圧検出値が前記基準電圧波形を中心電圧値とする前記変動範囲の下限値以下であったときは、第ｎ回目の前記パルス周期における前記ミグ溶接電圧制限値を前記基準電圧波形の中心電圧値として算出する、
ことを特徴とするプラズマミグ溶接方法。
【請求項２】
前記整数ｋを、ミグ溶接電流の平均値が大きくなるのに伴い大きくなるように変化させる、
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、
第ｎ回目の前記パルス周期を開始するときに、第ｎ−１回目〜第ｎ−ｋ回目（ｋは２以上の整数）までの前記パルス周期における全ての前記ミグ溶接電圧検出値が前記基準電圧波形を中心電圧値とする前記変動範囲の下限値以下であったときは、第ｎ回目の前記パルス周期における前記ミグ溶接電圧制限値を前記基準電圧波形の中心電圧値として算出する、
ことを特徴とするプラズマミグ溶接方法。
【請求項２】
前記整数ｋを、ミグ溶接電流の平均値が大きくなるのに伴い大きくなるように変化させる、
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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−２０３２３（Ｐ２０１２−２０３２３Ａ）
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６１１７０（Ｐ２０１０−１６１１７０）
【出願日】平成２２年７月１６日（２０１０．７．１６）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１６日（２０１０．７．１６）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
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