消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法
【課題】溶滴のくびれを検出して溶接電流を急減させるくびれ検出制御方法において、くびれ検出からアーク再発生までの時間が長いときに溶接状態が不安定になることを抑制する。
【解決手段】溶滴のくびれを検出すると、溶接電流Ｉｗを低レベル電流値Ｉｌまで減少させる。くびれ検出時点からの経過時間がアークが再発生する前に基準時間に達したときは、溶接電流Ｉｗを高レベル電流値Ｉｈまで増加させる。アークが再発生すると、溶接電流Ｉｗを初期アーク電流値Ｉａｉに変化させる。そして、この初期アーク電流値Ｉａｉは、補償期間Ｔｈ中の溶接ワイヤへの入熱量と相関する値に応じて変化させる。これにより、アーク再発生後のアーク長を適正化することができるので、溶接状態を安定化することができる。
【解決手段】溶滴のくびれを検出すると、溶接電流Ｉｗを低レベル電流値Ｉｌまで減少させる。くびれ検出時点からの経過時間がアークが再発生する前に基準時間に達したときは、溶接電流Ｉｗを高レベル電流値Ｉｈまで増加させる。アークが再発生すると、溶接電流Ｉｗを初期アーク電流値Ｉａｉに変化させる。そして、この初期アーク電流値Ｉａｉは、補償期間Ｔｈ中の溶接ワイヤへの入熱量と相関する値に応じて変化させる。これにより、アーク再発生後のアーク長を適正化することができるので、溶接状態を安定化することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短絡期間中の溶滴のくびれを検出して溶接電流を減少させて溶接品質を向上させるための消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図６は、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを繰り返す消耗電極アーク溶接における電流・電圧波形及び溶滴移行を示す図である。同図（Ａ）は消耗電極（以下、溶接ワイヤ１という）を通電する溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接ワイヤ１と母材２との間に印加される溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）〜（Ｅ）は溶滴１ａの移行の様子を示す。以下、同図を参照して説明する。
【０００３】
時刻ｔ１〜ｔ３の短絡期間Ｔｓ中は溶接ワイヤ１先端の溶滴１ａが母材２と短絡した状態にある。溶接電流Ｉｗは、同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ１１の予め定めた初期期間中は小電流値の初期電流値に維持され、続く時刻ｔ１１〜ｔ１２の期間中は予め定めた傾斜で増加し、続く時刻ｔ１２からアークが再発生する時刻ｔ３までは予め定めたピーク値に制御される。初期期間は１ms程度に設定され、初期電流値は５０Ａ程度に設定され、傾斜は１００〜３００Ａ／ms程度に設定され、ピーク値は３００〜４００Ａ程度に設定される。これらの値は、溶接ワイヤの種類、シールドガスの種類、送給速度等に応じて適正値に設定される。溶接電圧Ｖｗは、同図（Ｂ）に示すように、短絡状態にあるために数Ｖ程度の低い値となる。
【０００４】
同図（Ｃ）に示すように、時刻ｔ１において溶滴１ａが母材２と接触して短絡状態に入る。短絡状態に入ると溶接電流は小電流値の初期電流に減少するので、より確実な短絡状態へと導かれる。その後溶接電流Ｉｗは増加するので、同図（Ｄ）に示すように、溶滴１ａを通電する溶接電流Ｉｗによる電磁的ピンチ力によって溶滴１ａ上部にくびれ１ｂが発生する。この電磁的ピンチ力は、溶接電流Ｉｗの値に比例して大きくなる。したがって、溶接電流Ｉｗを増加させることによって、電磁的ピンチ力を大きくして、くびれ１ｂの形成を促進している。そしてこのくびれ１ｂが急速に進行して、時刻ｔ３において同図（Ｅ）に示すように、溶滴１ａは溶接ワイヤ１から溶融池２ａへと移行しアーク３が再発生する。
【０００５】
溶滴１ａにくびれ１ｂが発生すると、数百μｓ程度の短い時間後に短絡が開放されてアーク３が再発生する。すなわち、このくびれ現象は短絡開放の前兆現象となる。くびれ１ｂが発生すると、溶接電流Ｉｗの通電路がくびれ部分で狭くなるために、くびれ部分の抵抗値が増大する。この抵抗値の増大は、くびれが進行してくびれ部分がより狭くなるほど大きくなる。したがって、短絡期間Ｔｓ中において溶接ワイヤ１と母材２との間の抵抗値の変化を検出することでくびれ現象の発生及び進行を検出することができる。この抵抗値の変化は、溶接電圧Ｖｗを溶接電流Ｉｗで除算することによって算出することができる。また、短絡期間Ｔｓ中の溶接電流Ｉｗの変化に比べて、くびれ形成後の抵抗値の変化の方が大きい。このために、抵抗値の変化に代えて溶接電圧Ｖｗの変化によってもくびれ現象の発生を検出することができる。具体的なくびれ検出方法としては、短絡期間Ｔｓ中の抵抗値又は溶接電圧値Ｖｗの変化率（微分値）を算出し、この微分値が予め定めたくびれ検出基準値Ｖtnに達したことによってくびれ検出を行う方法がある。また、他の方法として、同図（Ｂ）に示すように、短絡期間Ｔｓ中のくびれ発生前（上記の初期期間中）の安定した短絡電圧値Ｖｓからの電圧上昇値ΔＶを算出し、時刻ｔ２においてこの電圧上昇値ΔＶが予め定めたくびれ検出基準値Ｖtnに達したことによってくびれ検出を行う方法がある。以下の説明では、くびれ検出方法が上記の電圧上昇値ΔＶによる場合について説明するが、従来から種々提案されている他の方法であっても良い。時刻ｔ３のアーク再発生の検出は、溶接電圧Ｖｗが短絡／アーク判別値Ｖta以上になったことを判別して簡単に行うことができる。すなわち、Ｖｗ＜Ｖtaの期間が短絡期間Ｔｓとなり、Ｖｗ≧Ｖtaの期間がアーク期間Ｔａとなる。時刻ｔ２〜ｔ３のくびれ発生を検出してからアーク再発生までの時間を、以下くびれ検出時間Ｔｎと呼ぶことにする。
【０００６】
時刻ｔ３においてアークが再発生すると、溶接電流Ｉｗは、同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ３〜ｔ３１の予め定めた初期アーク期間Ｔai中は予め定めた初期アーク電流値Ｉaiに定電流制御される。そして、時刻ｔ３１移行は溶接電源が定電圧制御に切り替えられるので、溶接電流Ｉｗはアーク負荷によってその値が決まり、スロープ状に減少することになる。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗはアーク長に比例した値となる。アーク期間中の溶接電圧値Ｖｗは、２０〜３０Ｖ程度になる。したがって、上記の短絡／アーク判別値Ｖtaは１０〜１５Ｖ程度に設定される。
【０００７】
時刻ｔ３〜ｔ３１の初期アーク期間Ｔai中は、比較的大きな値の初期アーク電流Ｉaiを所定期間通電するので、アーク長は急速に長くなり、溶接ワイヤ１への大きな入熱によって溶融が促進される。時刻ｔ３１移行も、溶接ワイヤ１の先端部が溶融されて溶滴１ａが次第に形成される。
【０００８】
上述した短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを繰り返す消耗電極アーク溶接には、炭酸ガスアーク溶接、マグ溶接、ミグ溶接、短絡を伴うパルスアーク溶接等がある。炭酸ガスアーク溶接、マグ溶接及びミグ溶接の場合には、溶滴移行は、２００Ａ程度未満の電流領域では短絡移行形態となり、電流値が大きくなるとグロビュール移行形態又はスプレー移行形態となる。また、パルスアーク溶接の場合には、溶滴移行はスプレー移行形態となる。これらグロビュール移行形態及びスプレー移行形態においても、高速溶接等を行う場合にはアーク長を短く設定するので、短絡が発生する。したがって、この短絡を開放するために、上述したように、くびれ１ｂが形成されることになる。
【０００９】
上述した短絡を伴う溶接では、時刻ｔ３においてアーク３が再発生したときのアーク再発生時電流値Ｉａが大電流値であると、アーク３から溶融池２ａへのアーク力が急峻に大きくなり、大量のスパッタが発生する。すなわち、アーク再発生時電流値Ｉａの値に略比例してスパッタ発生量が増加する。このため、スパッタの発生を抑制するためには、このアーク再発生時電流値Ｉａを小さくする必要がある。このための方法として、上記のくびれの発生を検出して溶接電流Ｉｗを減少させてアーク再発生時電流値Ｉａを小さくするくびれ検出制御方法を付加した溶接電源が従来から種々提案されている。以下、この従来技術（例えば、特許文献１参照）について説明する。
【００１０】
図７は、従来技術のくびれ検出制御方法を搭載した溶接装置のブロック図である。溶接電源ＰＳは、一般的な消耗電極アーク溶接用の溶接電源であり、溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力すると共に、送給モータＷＭの回転を制御するための送給制御信号Ｆｃを送給モータＷＭに出力する。減流抵抗器Ｒは出力に直列に挿入され、それと並列にトランジスタＴＲが接続されている。溶接ワイヤ１は、送給モータＷＭに結合された送給ロール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との間にアーク３が発生する。
【００１１】
電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して電圧検出信号Ｖｄを出力する。電流検出回路ＩＤは、溶接電流Ｉｗを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。くびれ検出基準値設定回路ＶＴＮは、予め定めたくびれ検出基準値信号Ｖtnを出力する。くびれ検出回路ＮＤは、このくびれ検出基準値信号Ｖtn、上記の電圧検出信号Ｖｄ及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、上述したように短絡期間中の電圧上昇値ΔＶがくびれ検出基準値信号Ｖtnの値に達した時点でＨｉｇｈレベルとなり、アークが再発生して電圧検出信号Ｖｄの値が短絡／アーク判別値Ｖta以上になった時点でＬｏｗレベルになるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。したがって、このくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルの期間が上記のくびれ検出時間Ｔｎとなる。上述したように、短絡期間中の電圧検出信号Ｖｄの微分値がそれに対応したくびれ検出基準値信号Ｖtnの値に達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。さらに、電圧検出信号Ｖｄの値を電流検出信号Ｉｄの値で除算して溶滴の抵抗値を算出し、この抵抗値の微分値がそれに対応したくびれ検出基準値信号Ｖtnの値に達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。駆動回路ＤＲは、このくびれ検出信号ＮｄがＬｏｗレベルのとき（非くびれ検出時）は上記のトランジスタＴＲをオン状態にする駆動信号Ｄｒを出力する。したがって、上記のトランジスタＴＲは、上記のくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルのとき（くびれ検出時）はオフ状態になる。
【００１２】
図８は、上記の溶接装置の各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）はくびれ検出信号Ｎｄの時間変化を示し、同図（Ｄ）は駆動信号Ｄｒの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００１３】
同図において、時刻ｔ２〜ｔ３のくびれ検出時間Ｔｎ以外の期間は、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルであるので、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになる。この結果、トランジスタＴＲはオン状態になり減流抵抗器Ｒは短絡されるので、通常の消耗電極アーク溶接用の溶接装置と同一の動作となる。
【００１４】
時刻ｔ２において、同図（Ｂ）に示すように、短絡期間Ｔｓ中に溶接電圧Ｖｗが上昇して電圧上昇値ΔＶが予め定めたくびれ検出基準値信号Ｖtnの値と等しくなったことを検出して溶滴にくびれが発生したと判別すると、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになる。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＬｏｗレベルになるので、トランジスタＴＲはオフ状態になる。この結果、減流抵抗器Ｒが溶接電流Ｉｗの通電路に挿入される。この減流抵抗器Ｒの値は、短絡負荷（０．０１〜０．０３Ω程度）の１０倍以上大きな値（０．５〜３Ω程度）に設定される。このために、溶接電源内の直流リアクトル及びケーブルのリアクトルに蓄積されたエネルギーが急放電されて、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは急激に減少して小電流値の低レベル電流Ｉｌとなる。ここで、溶接電源ＰＳの出力電圧が５０Ｖであり、減流抵抗器Ｒが１Ωであるとすると、この低レベル電流Ｉｌは５０Ａとなる。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、時刻ｔ２において溶接電流Ｉｗが急減するために、一旦減少した後に急上昇する。そして、時刻ｔ３において、短絡が開放されてアークが再発生すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗが予め定めた短絡／アーク判別値Ｖta以上になる。これを検出して、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルになり、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになる。この結果、トランジスタＴＲはオン状態になり、通常の消耗電極アーク溶接の制御となる。時刻ｔ３において、アークが再発生してトランジスタＴＲがオン状態になると、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、予め定めた初期アーク電流値Ｉaiまで増加し、時刻ｔ３〜ｔ３１の予め定めた初期アーク期間Ｔaiの間はその値を維持し、時刻ｔ３１移行はスロープ状に減少して、アーク負荷と送給速度とによって定まる値に収束する。この動作によって、時刻ｔ３のアーク再発生時電流値Ｉａを小さくすることができるので、スパッタの発生を抑制することができる。くびれを検出したときに溶接電流Ｉｗを急速に減少させる手段として、上記では減流抵抗器Ｒを通電路に挿入する方法を説明した。これ以外の手段として、溶接装置の出力端子間にコンデンサをスイッチング素子を介して並列に接続し、くびれを検出するとスイッチング素子をオン状態にしコンデンサから放電電流を通電して溶接電流Ｉｗを急速に減少させる方法もある（例えば、特許文献２参照）。
【００１５】
上述したくびれ検出制御方法では、スパッタ発生量の抑制効果を大きくするためには、くびれの発生を正確に検出することが重要となる。くびれの発生及びその進行状態は、シールドガスの種類、溶接ワイヤの種類、溶接継手、溶接ワイヤの送給速度、溶接姿勢等の溶接条件によって変化する。このために、溶接条件に応じてくびれの発生を検出する感度を適正化する必要がある。このくびれ検出の感度は、上記のくびれ検出基準値Ｖtnを増減させることによって調整することができる。すなわち、くびれ検出基準値Ｖtnを増加させると感度は低くなり、逆に減少させると感度は高くなる。くびれ検出基準値Ｖtnが大きすぎると感度が低すぎることになり、上記のくびれ検出時間Ｔｎが短くなり、時にはくびれを検出できないときも生じ、アーク再発生までに溶接電流を充分に減少させることができないので、スパッタ発生量の抑制効果が小さくなる。逆に、くびれ検出基準値Ｖtnが小さすぎると感度は高すぎることになり、上記のくびれ検出時間Ｔｎが長くなりすぎてアークがなかなか再発生しないために溶接状態が不安定になる。したがって、上記のくびれ検出時間Ｔｎが、５０〜５００μｓ程度の範囲になるときが、くびれ検出基準値Ｖtnが適正値に設定されているときであると言える。
【００１６】
上述したように、くびれ検出基準値Ｖtnは溶接条件に応じて適正値に設定されている。しかし、送給速度の変動、溶融池の不規則な運動、溶滴形状のバラツキ等の変動要因によって、くびれ検出基準値Ｖtnを適正化していても、くびれ検出時間Ｔｎはバラツキを生じる。このバラツキの範囲が、上述したように、５０〜５００μｓ程度であるときは、スパッタの発生及び溶接状態の安定性にそれほど悪影響はない。また、くびれ検出時間Ｔｎが、ときたま５０μｓ未満になっても、少しスパッタが増える程度であり、大きな問題ではない。反面、くびれ検出時間Ｔｎが５００μｓを超え、特に１０００μｓ以上になると、溶接状態が不安定になり、アークが再発生しない状態に至ることも生じる。このために、くびれを検出した時点からの経過時間が基準時間に達してもアークが再発生していないときは、溶接電流Ｉｗを増加させて溶接ワイヤの突き出し部への入熱を大きくし、突き出し部を高温にして溶断によってアークの再発生を導く補償制御が慣用されている。以下、この補償制御（例えば、特許文献３参照）について説明する。
【００１７】
図９は、補償制御について説明するための上述した図８に対応する各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）はくびれ検出信号Ｎｄの時間変化を示し、同図（Ｄ）は駆動信号Ｄｒの時間変化を示す。同図において、時刻ｔ２１〜ｔ３の補償期間Ｔｈの動作以外は、図８と同一であるのでそれらの説明は省略する。以下、同図を参照して時刻ｔ２１〜ｔ３の補償期間Ｔｈの動作について説明する。
【００１８】
時刻ｔ２のくびれ検出時点からの経過時間ｔが、時刻ｔ２１において予め定めた基準時間Ｔｔに達したときに、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは短絡／アーク判別値Ｖta未満であるので、アークはまだ再発生していない。このような場合には、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒをＨｉｇｈレベルに変化させる。駆動信号ＤｒがＨｉｇｈレベルになると、図７のトランジスタＴＲがオン状態になるので、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、低レベル電流Ｉｌから急峻な傾斜で増加して所定値の高レベル電流Ｉｈとなる。この急峻な傾斜は、溶接装置が出力できる最速の傾斜であり、１０００Ａ／ms程度である。高レベル電流Ｉｈは５００Ａ程度である。溶接電流Ｉｗが大きくなると、電磁的ピンチ力も大きくなるので、くびれの進行が促進されて、時刻ｔ３においてアークが再発生する。溶接電圧Ｖｗは、同図（Ｂ）に示すように、時刻ｔ２の直後に一旦減少した後に、時刻ｔ２１まで緩やかに上昇する。そして、時刻ｔ２１において溶接電流Ｉｗが高レベル電流Ｉｈに増加すると、溶接電圧Ｖｗは急上昇し、時刻ｔ３において、アークが再発生すると、短絡／アーク判別値Ｖta以上のアーク電圧値となる。時刻ｔ３においてアークが再発生すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、上記の初期アーク電流値Ｉaiに制御され、時刻ｔ３〜ｔ３１の上記初期アーク期間Ｔaiの間はその値を維持し、時刻ｔ３１移行はスロープ状に減少して、アーク負荷と送給速度とによって定まる値に収束する。同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号Ｎｄは、時刻ｔ２のくびれ検出時点から時刻ｔ３のアーク再発生までＨｉｇｈレベルになる。同図（Ｄ）に示すように、駆動信号Ｄｒは、時刻ｔ２１からＨｉｇｈレベルとなる。上記の基準時間Ｔｔは、１０００μｓ程度に設定される。この基準時間Ｔｔは、溶接ワイヤの種類、シールドガスの種類、送給速度、溶接継手、溶接姿勢等に応じて適正値に設定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特開２００６−２８１２１９号公報
【特許文献２】特開２００５−２８８５４０号公報
【特許文献３】特開２００６−１１６５８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
上述したように、くびれ検出時点からの経過時間が基準時間Ｔｔに達してもアークが再発生していないときは、その時点からアークが再発生するまでの補償期間Ｔｈ中は大電流値の高レベル電流Ｉｈを通電することによって、溶接状態が不安定になることを抑制している。この補償期間Ｔｈ中は、溶接ワイヤの突き出し部がジュール熱によって加熱されて高温状態になり、突き出し部の中間位置で溶断してアークが再発生する。この場合には、アークが再発生した時点におけるアーク長は、図８で上述した補償期間Ｔｈがない通常状態でアークが再発生したときに比べて長くなる。さらに、アークが再発生した時点における突き出し部の温度も、補償期間Ｔｈのない通常状態でアークが再発生したときに比べて高温になる。
【００２１】
このように補償期間Ｔｈ後にアークが再発生したときは、アーク長が長い状態であり、突き出し部も高温になっている。この状態で、大電流値の初期アーク電流Ｉaiが通電すると、溶接ワイヤの溶融が促進されてアーク長がさらに長くなり、溶接状態が不安定になる。
【００２２】
そこで、本発明では、補償期間後にアークが再発生したときにアーク長が長くなり過ぎて溶接状態が不安定になることを抑制することができる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御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】
【００２３】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、溶接ワイヤと母材との間でアーク発生状態と短絡状態とを繰り返す消耗電極アーク溶接にあって、短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれを検出すると溶接電流Ｉｗを低レベル電流値まで減少させ、前記くびれ検出時点からの経過時間がアークが再発生する前に予め定めた基準時間に達したときは前記溶接電流Ｉｗを高レベル電流値まで増加させてアークを再発生させ、アークが再発生すると前記溶接電流Ｉｗを初期アーク電流値まで変化させて通電する消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、
前記溶接電流Ｉｗが前記高レベル電流値へと増加を開始した時点からアークが再発生するまでの補償期間中に溶接ワイヤの突き出し部に供給された入熱量と相関する値を算出し、前記初期アーク電流値を前記相関値に応じて変化させる、
ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。
【００２４】
請求項２の発明は、溶接ワイヤの突き出し部の抵抗値Ｒｗを予め設定し、前記相関値Ｑｄを、Ｑｄ＝∫Ｉｗ・Ｉｗ・Ｒｗ・ｄｔの前記補償期間中の積分によって算出する、
ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。
【００２５】
請求項３の発明は、前記相関値Ｑｄを、Ｑｄ＝∫Ｉｗ・ｄｔの前記補償期間中の積分によって算出する、
ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。
【００２６】
請求項４の発明は、前記相関値Ｑｄを、Ｑｄ＝∫ｄｔの前記補償期間中の積分によって算出する、
ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、相関値に応じて初期アーク電流値を適正化することによって、補償期間後にアークが再発生したときにアーク長が長くなり過ぎて溶接状態が不安定になることを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。
【図２】図１の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。
【図３】図１の初期アーク電流設定回路ＩＡＩＲに内蔵されている電流設定関数の第１の例を示す図である。
【図４】図１の初期アーク電流設定回路ＩＡＩＲに内蔵されている電流設定関数の第２の例を示す図である。
【図５】図１の初期アーク電流設定回路ＩＡＩＲに内蔵されている電流設定関数の第３の例を示す図である。
【図６】従来技術において、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを繰り返す消耗電極アーク溶接における電流・電圧波形及び溶滴移行を示す図である。
【図７】従来技術のくびれ検出制御方法を搭載した溶接装置のブロック図である。
【図８】図７の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。
【図９】従来技術における補償制御について説明するための上述した図８に対応する各信号のタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
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。
【００３０】
図１は、本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置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。
【００３１】
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、後述する誤差増幅信号Ｅａに従ってインバータ制御等の出力制御を行い、溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗ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次整流器、整流された直流を平滑する平滑コンデンサ、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、高周波交流を溶接に適した電圧値に降圧する高周波変圧器、降圧された高周波交流を直流に整流する２次整流器、整流された直流を平滑するリアクトル、誤差増幅信号Ｅａを入力としてパルス幅変調制御を行う変調回路、パルス幅変調制御信を入力としてインバータ回路のスイッチング素子を駆動するインバータ駆動回路から構成される。
【００３２】
減流抵抗器Ｒは、上記の電源主回路ＰＭと溶接トーチ４との間に挿入される。この減流抵抗器Ｒの値は、上述した従来技術と同様である。トランジスタＴＲは、減流抵抗器Ｒと並列に接続されて、後述する駆動信号Ｄｒに従ってオン又はオフ制御される。
【００３３】
溶接ワイヤ１は、送給モータ（図示は省略）に結合された送給ロール５の回転によって溶接トーチ４内を送給されて、母材２との間にアーク３が発生する。溶接ワイヤ１と母材２との間には溶接電圧Ｖｗが印加し、アーク３中を溶接電流Ｉｗが通電する。同図において、溶接ワイヤの送給を制御する回路については、図示は省略する。
【００３４】
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。電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。
【００３５】
短絡／アーク判別回路ＳＤは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、その値が予め定めた短絡／アーク判別値Ｖta未満であるときは短絡状態にあると判別してＨｉｇｈレベルとなり、以上のときはアーク発生状態にあると判別してＬｏｗレベルになる短絡／アーク判別信号Ｓｄを出力する。くびれ検出回路ＮＤは、従来技術と同様に、上記の電圧検出信号Ｖｄ及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、上述したように短絡期間中の電圧上昇値ΔＶが予め定めたくびれ検出基準値Ｖtnの値に達した時点でＨｉｇｈレベルとなり、アークが再発生して電圧検出信号Ｖｄの値が短絡／アーク判別値Ｖta以上になった時点でＬｏｗレベルになるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。上述したように、短絡期間中の電圧検出信号Ｖｄの微分値がそれに対応したくびれ検出基準値Ｖtnに達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。さらに、電圧検出信号Ｖｄの値を電流検出信号Ｉｄの値で除算して溶滴の抵抗値を算出し、この抵抗値の微分値がそれに対応するくびれ検出基準値Ｖtnに達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。
【００３６】
低レベル電流設定回路ＩＬＲは、予め定めた低レベル電流設定信号Ｉlrを出力する。この低レベル電流設定信号Ｉlrの値は５０Ａ程度に設定される。電流比較回路ＣＭは、この低レベル電流設定信号Ｉlr及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、Ｉｄ＜ＩlrのときはＨｉｇｈレベルになり、Ｉｄ≧ＩlrのときはＬｏｗレベルになる電流比較信号Ｃｍを出力する。駆動回路ＤＲは、この電流比較信号Ｃｍ及び上記のくびれ検出信号Ｎｄを入力として、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルに変化するとＬｏｗレベルに変化し、その後に電流比較信号ＣｍがＨｉｇｈレベルに変化するとＨｉｇｈレベルに変化する駆動信号Ｄｒを上記のトランジスタＴＲのベース端子に出力する。したがって、この駆動信号Ｄｒはくびれが検出されるとＬｏｗレベルになり、トランジスタＴＲがオフ状態になり通電路に減流抵抗器Ｒが挿入されるので、短絡負かを通電する溶接電流Ｉｗは急減する。そして、急減した溶接電流Ｉｗの値が低レベル電流設定信号Ｉlrの値まで減少すると、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになり、トランジスタＴＲがオン状態になるので、減流抵抗器Ｒは短絡されて通常の状態に戻る。
【００３７】
基準時間設定回路ＴＴＲは、予め定めた基準時間設定信号Ｔtrを出力する。この基準時間設定信号Ｔtrの値は、６００〜１０００μｓ程度に設定される。補償期間判別回路ＴＨＤは、この基準時間設定信号Ｔtr及び上記のくびれ検出信号Ｎｄを入力として、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになっている時間が基準時間設定信号Ｔtrの値に達した時点でＨｉｇｈレベルにセットされ、くびれ検出信号ＮｄがＬｏｗレベルに変化した時点でＬｏｗレベルにリセットされる補償期間判別信号Ｔhdを出力する。したがって、この補償期間判別信号Ｔhdは、補償期間中はＨｉｇｈレベルになる信号である。
【００３８】
高レベル電流設定回路ＩＨＲは、予め定めた高レベル電流設定信号Ｉhrを出力する。この高レベル電流設定信号Ｉhrの値は、４００〜６００Ａ程度である。立上り傾斜設定回路ＳＲは、予め定めた立上り傾斜設定信号Ｓｒを出力する。この立上り傾斜設定信号Ｓｒの値は、３００〜６００Ａ／ms程度である。
【００３９】
入熱相関値算出回路ＱＤは、上記の電流検出信号Ｉｄ及び上記の補償期間判別信号Ｔhdを入力として、補償期間判別信号ＴhdがＨｉｇｈレベルの期間中は下式で定義される積分を行い、入熱相関値信号Ｑｄを出力する。
１）式 Ｑｄ＝∫Ｉｄ・Ｉｄ・Ｒｗ・ｄｔ
ここで、Ｒｗは、溶接ワイヤの突き出し部の抵抗値であり、給電チップと母材との距離及び溶接ワイヤの種類が決まると定まる定数である。例えば、給電チップと母材との距離が２０mmであり、溶接ワイヤが直径１．２mmの鉄鋼ワイヤである場合には、突き出し部の抵抗値Ｒｗ＝０．０１Ωとなる。この積分によって、補償期間中に突き出し部に供給される入熱量を算出している。この式によれば、下式の場合に比べて入熱量を正確に算出することができる。
２）式 Ｑｄ＝∫Ｉｄ・ｄｔ
上記１）式では乗算を行う必要があるが、乗算は演算負担が大きいので、ここでは簡略化している。このＱｄは、補償期間中の突き出し部への入熱量と相関（比例）する値となる。
３）式 Ｑｄ＝∫ｄｔ
補償期間中の溶接電流が一定値であると仮定すると、上記１）式におけるＩｄ・Ｉｄ・Ｒｗは定数となる。したがって、このＱｄは、補償期間中の突き出し部への入熱量に相関（比例）する値となる。このＱｄは、補償期間の時間長さを計測していることになる。Ｑｄ＝Ｔｈである。この式を使用すれば、演算負担が最も小さくなる。
【００４０】
初期アーク期間設定回路ＴＡＩＲは、予め定めた初期アーク期間設定信号Ｔairを出力する。この初期アーク期間設定信号Ｔairの値は、１〜３ms程度であり、溶接ワイヤの種類、シールドガスの種類、送給速度等に応じて適正値に設定される。初期アーク電流設定回路ＩＡＩＲは、上記の入熱相関値信号Ｑｄを入力として、予め定めた電流設定関数によって初期アーク電流設定信号Ｉairを算出する。この初期アーク電流設定信号Ｉairの値は、１００〜４００Ａ程度に自動設定される。この電流設定関数は、入熱相関値信号Ｑｄの値が大きくなるほど初期アーク電流設定信号Ｉairの値は小さくなる関数である。この関数については、図３〜図５で後述する。初期アーク期間判別回路ＴＡＩＤは、上記の短絡／アーク判別信号Ｓｄ及び上記の初期アーク期間設定信号Ｔairを入力として、短絡／アーク判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）からＬｏｗレベル（アーク）に変化した時点から初期アーク期間設定信号Ｔairによって定まる期間だけＨｉｇｈレベルになる初期アーク期間判別信号Ｔaidを出力する。
【００４１】
電流設定回路ＩＲは、上記の短絡／アーク判別信号Ｓｄ、上記の低レベル電流設定信号Ｉlr、上記のくびれ検出信号Ｎｄ、上記の補償期間判別信号Ｔhd、上記の高レベル電流設定信号Ｉhr、上記の立上り傾斜設定信号Ｓｒ、上記の初期アーク期間判別信号Ｔaid及び上記の初期アーク電流設定信号Ｉairを入力として、以下の処理を行い、電流設定信号Ｉｒを出力する。この回路の動作については、図２でも詳述する。
１）短絡／アーク判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）に変化した時点から予め定めた初期期間中は、予め定めた初期電流設定値を電流設定信号Ｉｒとして出力する。
２）その後は、電流設定信号Ｉｒの値を、上記の初期電流設定値から予め定めた傾斜設定値で定まる傾斜で予め定めたピーク設定値まで上昇させ、その値を維持する。
３）くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベル（くびれ検出）に変化すると、電流設定信号Ｉｒの値を低レベル電流設定信号Ｉlrの値に切り換える。
４）補償期間判別信号ＴhdがＨｉｇｈレベル（くびれ検出時間が基準時間に達した時点）に変化すると、電流設定信号Ｉｒの値を、低レベル電流設定信号Ｉlrの値から立上り傾斜設定信号Ｓｒによって定まる傾斜で高レベル電流設定信号Ｉhrの値まで上昇させ、その値を維持する。
５）初期アーク期間判別信号ＴaidがＨｉｇｈレベルになると、電流設定信号Ｉｒの値を初期アーク電流設定信号Ｉairの値に切り換える。
【００４２】
電圧設定回路ＶＲは、初期アーク期間を除くアーク期間中の溶接電圧を設定するための予め定めた電圧設定信号Ｖｒを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流設定信号Ｉｒ（＋）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。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の電圧設定信号Ｖｒ（＋）と電圧検出信号Ｖｄ（−）との誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。制御切換回路ＳＷは、上記の電流誤差増幅信号Ｅｉ、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖ、上記の短絡／アーク判別信号Ｓｄ及び上記の初期アーク期間判別信号Ｔaidを入力として、短絡／アーク判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）又は初期アーク期間判別信号ＴaidがＨｉｇｈレベルのときは、電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力し、それ以外の期間中は電圧誤差増幅信号Ｅｖを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。この回路により、短絡期間及び初期アーク期間中は定電流制御となり、初期アーク期間を除くアーク期間中は定電圧制御となる。
【００４３】
図２は、図１で上述した溶接装置における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）はくびれ検出信号Ｎｄの時間変化を示し、同図（Ｄ）は駆動信号Ｄｒの時間変化を示し、同図（Ｅ）は短絡／アーク判別信号Ｓｄの時間変化を示し、同図（Ｆ）は補償期間判別信号Ｔhdの時間変化を示し、同図（Ｇ）は電流設定信号Ｉｒの時間変化を示し、同図（Ｈ）は初期アーク期間判別信号Ｔaidの時間変化を示す。同図は、くびれ検出時点からの経過時間がアークが再発生する前に基準時間Ｔｔに達した場合（補償期間が存在する場合）であり、上述した図９に対応している。くびれ検出時点からの経過時間が基準時間Ｔｔに達する前にアークが再発生する正常な状態の場合のタイミングチャートは、基本的には上述した図８と同様の動作となるので、その場合の動作説明は省略する。以下、同図を参照して説明する。
【００４４】
（１）時刻ｔ１の短絡発生から時刻ｔ２のくびれ検出時点までの動作
この期間中の動作は、上述した図８と同様である。時刻ｔ１において溶接ワイヤが母材と接触すると短絡状態になり、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖ程度の短絡電圧値に急減する。この溶接電圧Ｖｗが短絡／アーク判別値Ｖta未満になったことを判別して、同図（Ｅ）に示すように、短絡／アーク判別信号ＳｄはＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化する。これに応動して、同図（Ｇ）に示すように、電流設定信号Ｉｒは時刻ｔ１において初期アーク電流設定信号Ｉairの値から小さな値である予め定めた初期電流設定値に変化する。電流設定信号Ｉｒは、同図（Ｇ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ１１の予め定めた初期期間中は予め定めた初期電流設定値となり、時刻ｔ１１〜ｔ１２の期間中は予め定めた傾斜設定値で定まる傾斜で上昇し、時刻ｔ１２〜ｔ２の期間中は予め定めたピーク設定値となる。短絡期間中は上述したように定電流制御されているので溶接電流Ｉｗは電流設定信号Ｉｒに相当する値に制御される。このために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、時刻ｔ１においてアーク期間の溶接電流から急減し、時刻ｔ１〜ｔ１１の初期期間中は初期電流値となり、時刻ｔ１１〜ｔ１２の期間中は所定傾斜で上昇し、時刻ｔ１２〜ｔ２の期間中はピーク値となる。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、溶接電流Ｉｗがピーク値となる時刻ｔ１２あたりから急上昇する。これは、溶滴にくびれが発生したためである。同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号Ｎｄは、後述する時刻ｔ２〜ｔ３の期間以外はＬｏｗレベルとなる。同図（Ｄ）に示すように、駆動信号Ｄｒは、後述する時刻ｔ２〜ｔ２１の期間はＬｏｗレベルとなり、それ以外の期間はＨｉｇｈレベルとなる。したがって、同図において時刻ｔ２以前の期間中は、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルとなり、図１のトランジスタＴＲがオン状態となるので、減流抵抗器Ｒは短絡されて通常の消耗電極アーク溶接装置と同一の状態となる。同図（Ｆ）に示すように、補償期間判別信号Ｔhdは、後述する時刻ｔ２２〜ｔ３の期間Ｈｉｇｈレベルとなり、それ以外の期間はＬｏｗレベルとなる。同図（Ｈ）に示すように、初期アーク期間判別信号ｔaidは、後述する時刻ｔ３〜ｔ３１の期間Ｈｉｇｈレベルとなり、それ以外の期間はＬｏｗレベルとなる。
【００４５】
（２）時刻ｔ２のくびれ検出時点から時刻ｔ２２の基準時間Ｔｔに達するまでの動作
時刻ｔ２において、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗが急上昇して初期期間中の電圧値からの電圧上昇値ΔＶが予め定めたくびれ検出基準値Ｖtnと等しくなったことによってくびれを検出すると、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＨｉｇｈレベルに変化する。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＬｏｗレベルになるので、図１のトランジスタＴＲはオフ状態となり減流抵抗器Ｒが通電路に挿入される。同時に、同図（Ｇ）に示すように、電流設定信号Ｉｒは低レベル電流設定信号Ｉlrの値に小さくなる。このために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗはピーク値から低レベル電流値Ｉｌへと急減する。そして、時刻ｔ２１において溶接電流Ｉｗが低レベル電流値Ｉｌまで減少すると、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルに戻るので、図１のトランジスタＴＲはオン状態となり減流抵抗器Ｒは短絡される。同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、電流設定信号Ｉｒが低レベル電流設定信号Ｉlrのままであるので、低レベル電流値Ｉｌを維持する。したがって、トランジスタＴＲは、時刻ｔ２にくびれが検出されてから時刻ｔ２１に溶接電流Ｉｗが低レベル電流値Ｉｌに減少するまでの期間のみオフ状態となる。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、時刻ｔ２から一旦減少した後に緩やかに上昇する。しかし、同図は時刻ｔ２のくびれ検出時点からの経過時間が基準時間Ｔｔに達する時刻ｔ２２の前にアークが再発生しない場合であるので、溶接電圧Ｖｗは時刻ｔ２２までに急上昇して短絡／アーク判別値Ｖta以上となることはない。
【００４６】
（３）時刻ｔ２２の基準時間Ｔｔに達した時点から時刻ｔ３のアーク再発生までの動作
時刻ｔ２２において、時刻ｔ２にくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになった時点からの経過時間が基準時間設定信号Ｔtrによって定まる基準時間Ｔｔに達すると、同図（Ｆ）に示すように、補償期間判別信号ＴhdはＨｉｇｈレベルに変化する。これに応動して、同図（Ｇ）に示すように、電流設定信号Ｉｒは、低レベル電流設定信号Ｉlrの値から立上り傾斜設定信号Ｓｒによって定まる傾斜で高レベル電流設定信号Ｉhrの値まで上昇して、その値を維持する。このために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、低レベル電流値Ｉｌから所定の立上り傾斜Ｓで高レベル電流値Ｉｈまで上昇し、その値を維持する。同図では、高レベル電流値Ｉｈは一定値であるが、時間経過に伴って上記の立上り傾斜Ｓよりも小さな傾斜で増加するようにしても良い。溶接電流Ｉｗが増加したことによって、溶接ワイヤの突き出し部のジュール加熱が促進されて突き出し部で溶断し、時刻ｔ３においてアークが再発生する。また、同図（Ｆ）に示す補償期間判別信号ＴhdがＨｉｇｈレベルである本期間中は、上述したように、図１の入熱相関値信号Ｑｄを算出する。
【００４７】
（４）時刻ｔ３〜ｔ３１の初期アーク期間Ｔai中の動作
時刻ｔ３においてアークが再発生すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、溶接電流Ｉｗが高レベル電流値Ｉｈになったあたりから急上昇して、時刻ｔ３において短絡／アーク判別値Ｖta以上となる。これに応動して、同図（Ｅ）に示すように、短絡／アーク判別信号ＳｄがＬｏｗレベルに変化する。これに応動して、同図（Ｈ）に示すように、初期アーク期間判別信号ＴaidがＨｉｇｈレベルに変化し、初期アーク期間設定信号Ｔairによって定まる時刻ｔ３１までＨｉｇｈレベルを維持する。この期間中は、引き続き、溶接装置は定電流制御のままである。同図（Ｇ）に示すように、電流設定信号Ｉｒは、時刻ｔ３において初期アーク電流設定信号Ｉairの値に変化する。この結果、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは高レベル電流値Ｉｈから初期アーク電流値Ｉaiへと変化する。この初期アーク電流設定信号Ｉairの値は、上述したように、前項で算出された入熱相関値信号Ｑｄを入力とする予め定めた電流設定関数によって自動設定される。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、数十Ｖのアーク電圧値となり、アーク長と対応した値となる。また、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号Ｎｄは、溶接電圧Ｖｗが短絡／アーク判別値Ｖtn以上となるので、Ｌｏｗレベルに変化する。同様に、同図（Ｆ）に示すように、補償期間判別信号ＴhdもＬｏｗレベルに変化する。同図（Ｇ）に示すように、電流設定信号Ｉｒは、時刻ｔ３１以降も制御には使用されないがその値を維持する。
【００４８】
（５）時刻ｔ３１〜ｔ４の初期アーク期間Ｔai以降のアーク期間の動作
時刻ｔ３１において、同図（Ｈ）に示すように、初期アーク期間判別信号ＴaidがＬｏｗレベルに変化すると、溶接装置は定電流制御から定電圧制御へと切り換えられる。このために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、スロープ状に減少して、アーク負荷と送給速度とによって決まる値に収束する。
【００４９】
図３は、図１で上述した初期アーク電流設定回路ＩＡＩＲに内蔵されている電流設定関数の第１の例を示す図である。同図は、入熱相関値信号Ｑｄを、上述した１）式で算出する場合である。同図の横軸は入熱相関値信号Ｑｄ（Ｊ）を示しており、０〜５０の範囲となっている。縦軸は初期アーク電流設定信号Ｉair（Ａ）を示しており、０〜４００の範囲となっている。同図は、溶接ワイヤが直径１．２mmの鉄鋼ワイヤの場合であり、シールドガスが１００％炭酸ガスの場合であり、送給速度が８．５m/min（溶接電流平均値２５０Ａ）の場合であり、突き出し部抵抗値Ｒｗが０．０１Ωの場合である。以下、同図を参照して説明する。
【００５０】
電流設定関数は、Ｑｄ＝０のときはＩair＝３００となり、Ｑｄの値が大きくなるのに伴いＩairの値は右肩下がりの直線状に減少し、Ｑｄ＝２５のときＩair＝２００となり、Ｑｄがさらに大きくなってもＩairはその値を維持する。Ｑｄ＝０のときとは、くびれ検出時点からの経過時間が基準時間に達する前にアークが再発生した場合（補償期間がない場合）であり、上述した図８の場合である。
【００５１】
図４は、図１で上述した初期アーク電流設定回路ＩＡＩＲに内蔵されている電流設定関数の第２の例を示す図である。同図は、入熱相関値信号Ｑｄを、上述した２）式で算出する場合である。同図の横軸は入熱相関値信号Ｑｄ（Ａ・ｓ）を示しており、０〜１０の範囲となっている。縦軸は初期アーク電流設定信号Ｉair（Ａ）を示しており、０〜４００の範囲となっている。同図は、溶接ワイヤが直径１．２mmの鉄鋼ワイヤの場合であり、シールドガスが１００％炭酸ガスの場合であり、送給速度が８．５m/min（溶接電流平均値２５０Ａ）の場合である。以下、同図を参照して説明する。
【００５２】
電流設定関数は、Ｑｄ＝０のときはＩair＝３００となり、Ｑｄの値が大きくなるのに伴いＩairの値は右肩下がりの直線状に減少し、Ｑｄ＝５のときＩair＝２００となり、Ｑｄがさらに大きくなってもＩairはその値を維持する。Ｑｄ＝０のときとは、くびれ検出時点からの経過時間が基準時間に達する前にアークが再発生した場合（補償期間がない場合）であり、上述した図８の場合である。
【００５３】
図５は、図１で上述した初期アーク電流設定回路ＩＡＩＲに内蔵されている電流設定関数の第３の例を示す図である。同図は、入熱相関値信号Ｑｄを、上述した３）式で算出する場合である。同図の横軸は入熱相関値信号Ｑｄ（ms）を示しており、０〜２０の範囲となっている。縦軸は初期アーク電流設定信号Ｉair（Ａ）を示しており、０〜４００の範囲となっている。同図は、溶接ワイヤが直径１．２mmの鉄鋼ワイヤの場合であり、シールドガスが１００％炭酸ガスの場合であり、送給速度が８．５m/min（溶接電流平均値２５０Ａ）の場合である。以下、同図を参照して説明する。
【００５４】
電流設定関数は、Ｑｄ＝０のときはＩair＝３００となり、Ｑｄの値が大きくなるのに伴いＩairの値は右肩下がりの直線状に減少し、Ｑｄ＝１０のときＩair＝２００となり、Ｑｄがさらに大きくなってもＩairはその値を維持する。Ｑｄ＝０のときとは、くびれ検出時点からの経過時間が基準時間に達する前にアークが再発生した場合（補償期間がない場合）であり、上述した図８の場合である。
【００５５】
図３〜図５で上述したように電流設定関数は、基本的には入熱相関値信号Ｑｄの値が大きくなると、初期アーク電流設定信号Ｉairの値は小さくなる関数である。そして、入熱相関値信号Ｑｄの値が所定値以上になると、初期アーク電流設定信号Ｉairの値は一定値となるようにしている。これは、初期アーク電流設定信号Ｉairの値に下限値を設けていることになる。下限値を設けているのは、初期アーク電流設定信号Ｉairの値があまり小さくなると、溶接状態が不安定になるからである。これらの図において、右肩下がりの直線の代わりに、曲線状又は階段状に変化するようにしても良い。電流設定関数は、溶接ワイヤの種類、シールドガスの種類、送給速度等に応じて、実験によって適正パターンに設定される。
【００５６】
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。補償期間Ｔｈ中は、大電流が通電して突き出し部がジュール加熱されて高温になり、溶断してアークが再発生する。このために、補償期間Ｔｈ後にアークが再発生したときには、アーク再発生時点におけるアーク長及び突き出し部の温度は補償期間Ｔｈ中に突き出し部に供給された入熱によって変化することになる。本実施の形態では、補償期間Ｔｈ中の突き出し部への入熱と相関する値（入熱相関値信号Ｑｄ）を算出し、この相関値に応じて初期アーク期間Ｔai中の初期アーク電流値Ｉaiを変化させている。すなわち、相関値が大きくなるのに伴い、初期アーク電流値Ｉaiは小さくなるようにしている。これにより、初期アーク期間Ｔaiが終了した時点におけるアーク長及び突き出し部の温度を適正化することができる。この結果、溶接状態を安定化することができる。したがって、本実施の形態によれば、相関値に応じて初期アーク電流値を適正化することによって、補償期間後にアークが再発生したときにアーク長が長くなり過ぎて溶接状態が不安定になることを抑制することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１ 溶接ワイヤ
１ａ 溶滴
１ｂ くびれ
２ 母材
２ａ 溶融池
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
ＣＭ 電流比較回路
Ｃｍ 電流比較信号
ＤＲ 駆動回路
Ｄｒ 駆動信号
Ｅａ 誤差増幅信号
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
Ｆｃ 送給制御信号
Ｉａ アーク再発生時電流値
Ｉai 初期アーク電流
ＩＡＩＲ 初期アーク電流設定回路
Ｉair 初期アーク電流設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｈ 高レベル電流
ＩＨＲ 高レベル電流設定回路
Ｉhr 高レベル電流設定信号
Ｉｌ 低レベル電流
ＩＬＲ 低レベル電流設定回路
Ｉlr 低レベル電流設定信号
ＩＲ 電流設定回路
Ｉｒ 電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＮＤ くびれ検出回路
Ｎｄ くびれ検出信号
ＰＭ 電源主回路
ＰＳ 溶接電源
ＱＤ 入熱相関値算出回路
Ｑｄ 入熱相関値信号／相関値
Ｒ 減流抵抗器
Ｒｗ 突き出し部の抵抗値
Ｓ 立上り傾斜
ＳＤ 短絡／アーク判別回路
Ｓｄ 短絡／アーク判別信号
ＳＲ 立上り傾斜設定回路
Ｓｒ 立上り傾斜設定信号
ＳＷ 制御切換回路
ｔ 経過時間
Ｔａ アーク期間
Ｔai 初期アーク期間
ＴＡＩＤ 初期アーク期間判別回路
Ｔaid 初期アーク期間判別信号
ＴＡＩＲ 初期アーク期間設定回路
Ｔair 初期アーク期間設定信号
Ｔｈ 補償期間
ＴＨＤ 補償期間判別回路
Ｔhd 補償期間判別信号
Ｔｎ くびれ検出時間
ＴＲ トランジスタ
Ｔｓ 短絡期間
Ｔｔ 基準時間
ＴＴＲ 基準時間設定回路
Ｔtr 基準時間設定信号
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
Ｖｓ 短絡電圧値
Ｖta 短絡／アーク判別値
ＶＴＮ くびれ検出基準値設定回路
Ｖtn くびれ検出基準値（信号）
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＭ 送給モータ
ΔＶ 電圧上昇値
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短絡期間中の溶滴のくびれを検出して溶接電流を減少させて溶接品質を向上させるための消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図６は、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを繰り返す消耗電極アーク溶接における電流・電圧波形及び溶滴移行を示す図である。同図（Ａ）は消耗電極（以下、溶接ワイヤ１という）を通電する溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接ワイヤ１と母材２との間に印加される溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）〜（Ｅ）は溶滴１ａの移行の様子を示す。以下、同図を参照して説明する。
【０００３】
時刻ｔ１〜ｔ３の短絡期間Ｔｓ中は溶接ワイヤ１先端の溶滴１ａが母材２と短絡した状態にある。溶接電流Ｉｗは、同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ１１の予め定めた初期期間中は小電流値の初期電流値に維持され、続く時刻ｔ１１〜ｔ１２の期間中は予め定めた傾斜で増加し、続く時刻ｔ１２からアークが再発生する時刻ｔ３までは予め定めたピーク値に制御される。初期期間は１ms程度に設定され、初期電流値は５０Ａ程度に設定され、傾斜は１００〜３００Ａ／ms程度に設定され、ピーク値は３００〜４００Ａ程度に設定される。これらの値は、溶接ワイヤの種類、シールドガスの種類、送給速度等に応じて適正値に設定される。溶接電圧Ｖｗは、同図（Ｂ）に示すように、短絡状態にあるために数Ｖ程度の低い値となる。
【０００４】
同図（Ｃ）に示すように、時刻ｔ１において溶滴１ａが母材２と接触して短絡状態に入る。短絡状態に入ると溶接電流は小電流値の初期電流に減少するので、より確実な短絡状態へと導かれる。その後溶接電流Ｉｗは増加するので、同図（Ｄ）に示すように、溶滴１ａを通電する溶接電流Ｉｗによる電磁的ピンチ力によって溶滴１ａ上部にくびれ１ｂが発生する。この電磁的ピンチ力は、溶接電流Ｉｗの値に比例して大きくなる。したがって、溶接電流Ｉｗを増加させることによって、電磁的ピンチ力を大きくして、くびれ１ｂの形成を促進している。そしてこのくびれ１ｂが急速に進行して、時刻ｔ３において同図（Ｅ）に示すように、溶滴１ａは溶接ワイヤ１から溶融池２ａへと移行しアーク３が再発生する。
【０００５】
溶滴１ａにくびれ１ｂが発生すると、数百μｓ程度の短い時間後に短絡が開放されてアーク３が再発生する。すなわち、このくびれ現象は短絡開放の前兆現象となる。くびれ１ｂが発生すると、溶接電流Ｉｗの通電路がくびれ部分で狭くなるために、くびれ部分の抵抗値が増大する。この抵抗値の増大は、くびれが進行してくびれ部分がより狭くなるほど大きくなる。したがって、短絡期間Ｔｓ中において溶接ワイヤ１と母材２との間の抵抗値の変化を検出することでくびれ現象の発生及び進行を検出することができる。この抵抗値の変化は、溶接電圧Ｖｗを溶接電流Ｉｗで除算することによって算出することができる。また、短絡期間Ｔｓ中の溶接電流Ｉｗの変化に比べて、くびれ形成後の抵抗値の変化の方が大きい。このために、抵抗値の変化に代えて溶接電圧Ｖｗの変化によってもくびれ現象の発生を検出することができる。具体的なくびれ検出方法としては、短絡期間Ｔｓ中の抵抗値又は溶接電圧値Ｖｗの変化率（微分値）を算出し、この微分値が予め定めたくびれ検出基準値Ｖtnに達したことによってくびれ検出を行う方法がある。また、他の方法として、同図（Ｂ）に示すように、短絡期間Ｔｓ中のくびれ発生前（上記の初期期間中）の安定した短絡電圧値Ｖｓからの電圧上昇値ΔＶを算出し、時刻ｔ２においてこの電圧上昇値ΔＶが予め定めたくびれ検出基準値Ｖtnに達したことによってくびれ検出を行う方法がある。以下の説明では、くびれ検出方法が上記の電圧上昇値ΔＶによる場合について説明するが、従来から種々提案されている他の方法であっても良い。時刻ｔ３のアーク再発生の検出は、溶接電圧Ｖｗが短絡／アーク判別値Ｖta以上になったことを判別して簡単に行うことができる。すなわち、Ｖｗ＜Ｖtaの期間が短絡期間Ｔｓとなり、Ｖｗ≧Ｖtaの期間がアーク期間Ｔａとなる。時刻ｔ２〜ｔ３のくびれ発生を検出してからアーク再発生までの時間を、以下くびれ検出時間Ｔｎと呼ぶことにする。
【０００６】
時刻ｔ３においてアークが再発生すると、溶接電流Ｉｗは、同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ３〜ｔ３１の予め定めた初期アーク期間Ｔai中は予め定めた初期アーク電流値Ｉaiに定電流制御される。そして、時刻ｔ３１移行は溶接電源が定電圧制御に切り替えられるので、溶接電流Ｉｗはアーク負荷によってその値が決まり、スロープ状に減少することになる。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗはアーク長に比例した値となる。アーク期間中の溶接電圧値Ｖｗは、２０〜３０Ｖ程度になる。したがって、上記の短絡／アーク判別値Ｖtaは１０〜１５Ｖ程度に設定される。
【０００７】
時刻ｔ３〜ｔ３１の初期アーク期間Ｔai中は、比較的大きな値の初期アーク電流Ｉaiを所定期間通電するので、アーク長は急速に長くなり、溶接ワイヤ１への大きな入熱によって溶融が促進される。時刻ｔ３１移行も、溶接ワイヤ１の先端部が溶融されて溶滴１ａが次第に形成される。
【０００８】
上述した短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを繰り返す消耗電極アーク溶接には、炭酸ガスアーク溶接、マグ溶接、ミグ溶接、短絡を伴うパルスアーク溶接等がある。炭酸ガスアーク溶接、マグ溶接及びミグ溶接の場合には、溶滴移行は、２００Ａ程度未満の電流領域では短絡移行形態となり、電流値が大きくなるとグロビュール移行形態又はスプレー移行形態となる。また、パルスアーク溶接の場合には、溶滴移行はスプレー移行形態となる。これらグロビュール移行形態及びスプレー移行形態においても、高速溶接等を行う場合にはアーク長を短く設定するので、短絡が発生する。したがって、この短絡を開放するために、上述したように、くびれ１ｂが形成されることになる。
【０００９】
上述した短絡を伴う溶接では、時刻ｔ３においてアーク３が再発生したときのアーク再発生時電流値Ｉａが大電流値であると、アーク３から溶融池２ａへのアーク力が急峻に大きくなり、大量のスパッタが発生する。すなわち、アーク再発生時電流値Ｉａの値に略比例してスパッタ発生量が増加する。このため、スパッタの発生を抑制するためには、このアーク再発生時電流値Ｉａを小さくする必要がある。このための方法として、上記のくびれの発生を検出して溶接電流Ｉｗを減少させてアーク再発生時電流値Ｉａを小さくするくびれ検出制御方法を付加した溶接電源が従来から種々提案されている。以下、この従来技術（例えば、特許文献１参照）について説明する。
【００１０】
図７は、従来技術のくびれ検出制御方法を搭載した溶接装置のブロック図である。溶接電源ＰＳは、一般的な消耗電極アーク溶接用の溶接電源であり、溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力すると共に、送給モータＷＭの回転を制御するための送給制御信号Ｆｃを送給モータＷＭに出力する。減流抵抗器Ｒは出力に直列に挿入され、それと並列にトランジスタＴＲが接続されている。溶接ワイヤ１は、送給モータＷＭに結合された送給ロール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との間にアーク３が発生する。
【００１１】
電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して電圧検出信号Ｖｄを出力する。電流検出回路ＩＤは、溶接電流Ｉｗを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。くびれ検出基準値設定回路ＶＴＮは、予め定めたくびれ検出基準値信号Ｖtnを出力する。くびれ検出回路ＮＤは、このくびれ検出基準値信号Ｖtn、上記の電圧検出信号Ｖｄ及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、上述したように短絡期間中の電圧上昇値ΔＶがくびれ検出基準値信号Ｖtnの値に達した時点でＨｉｇｈレベルとなり、アークが再発生して電圧検出信号Ｖｄの値が短絡／アーク判別値Ｖta以上になった時点でＬｏｗレベルになるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。したがって、このくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルの期間が上記のくびれ検出時間Ｔｎとなる。上述したように、短絡期間中の電圧検出信号Ｖｄの微分値がそれに対応したくびれ検出基準値信号Ｖtnの値に達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。さらに、電圧検出信号Ｖｄの値を電流検出信号Ｉｄの値で除算して溶滴の抵抗値を算出し、この抵抗値の微分値がそれに対応したくびれ検出基準値信号Ｖtnの値に達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。駆動回路ＤＲは、このくびれ検出信号ＮｄがＬｏｗレベルのとき（非くびれ検出時）は上記のトランジスタＴＲをオン状態にする駆動信号Ｄｒを出力する。したがって、上記のトランジスタＴＲは、上記のくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルのとき（くびれ検出時）はオフ状態になる。
【００１２】
図８は、上記の溶接装置の各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）はくびれ検出信号Ｎｄの時間変化を示し、同図（Ｄ）は駆動信号Ｄｒの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００１３】
同図において、時刻ｔ２〜ｔ３のくびれ検出時間Ｔｎ以外の期間は、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルであるので、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになる。この結果、トランジスタＴＲはオン状態になり減流抵抗器Ｒは短絡されるので、通常の消耗電極アーク溶接用の溶接装置と同一の動作となる。
【００１４】
時刻ｔ２において、同図（Ｂ）に示すように、短絡期間Ｔｓ中に溶接電圧Ｖｗが上昇して電圧上昇値ΔＶが予め定めたくびれ検出基準値信号Ｖtnの値と等しくなったことを検出して溶滴にくびれが発生したと判別すると、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになる。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＬｏｗレベルになるので、トランジスタＴＲはオフ状態になる。この結果、減流抵抗器Ｒが溶接電流Ｉｗの通電路に挿入される。この減流抵抗器Ｒの値は、短絡負荷（０．０１〜０．０３Ω程度）の１０倍以上大きな値（０．５〜３Ω程度）に設定される。このために、溶接電源内の直流リアクトル及びケーブルのリアクトルに蓄積されたエネルギーが急放電されて、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは急激に減少して小電流値の低レベル電流Ｉｌとなる。ここで、溶接電源ＰＳの出力電圧が５０Ｖであり、減流抵抗器Ｒが１Ωであるとすると、この低レベル電流Ｉｌは５０Ａとなる。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、時刻ｔ２において溶接電流Ｉｗが急減するために、一旦減少した後に急上昇する。そして、時刻ｔ３において、短絡が開放されてアークが再発生すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗが予め定めた短絡／アーク判別値Ｖta以上になる。これを検出して、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルになり、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになる。この結果、トランジスタＴＲはオン状態になり、通常の消耗電極アーク溶接の制御となる。時刻ｔ３において、アークが再発生してトランジスタＴＲがオン状態になると、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、予め定めた初期アーク電流値Ｉaiまで増加し、時刻ｔ３〜ｔ３１の予め定めた初期アーク期間Ｔaiの間はその値を維持し、時刻ｔ３１移行はスロープ状に減少して、アーク負荷と送給速度とによって定まる値に収束する。この動作によって、時刻ｔ３のアーク再発生時電流値Ｉａを小さくすることができるので、スパッタの発生を抑制することができる。くびれを検出したときに溶接電流Ｉｗを急速に減少させる手段として、上記では減流抵抗器Ｒを通電路に挿入する方法を説明した。これ以外の手段として、溶接装置の出力端子間にコンデンサをスイッチング素子を介して並列に接続し、くびれを検出するとスイッチング素子をオン状態にしコンデンサから放電電流を通電して溶接電流Ｉｗを急速に減少させる方法もある（例えば、特許文献２参照）。
【００１５】
上述したくびれ検出制御方法では、スパッタ発生量の抑制効果を大きくするためには、くびれの発生を正確に検出することが重要となる。くびれの発生及びその進行状態は、シールドガスの種類、溶接ワイヤの種類、溶接継手、溶接ワイヤの送給速度、溶接姿勢等の溶接条件によって変化する。このために、溶接条件に応じてくびれの発生を検出する感度を適正化する必要がある。このくびれ検出の感度は、上記のくびれ検出基準値Ｖtnを増減させることによって調整することができる。すなわち、くびれ検出基準値Ｖtnを増加させると感度は低くなり、逆に減少させると感度は高くなる。くびれ検出基準値Ｖtnが大きすぎると感度が低すぎることになり、上記のくびれ検出時間Ｔｎが短くなり、時にはくびれを検出できないときも生じ、アーク再発生までに溶接電流を充分に減少させることができないので、スパッタ発生量の抑制効果が小さくなる。逆に、くびれ検出基準値Ｖtnが小さすぎると感度は高すぎることになり、上記のくびれ検出時間Ｔｎが長くなりすぎてアークがなかなか再発生しないために溶接状態が不安定になる。したがって、上記のくびれ検出時間Ｔｎが、５０〜５００μｓ程度の範囲になるときが、くびれ検出基準値Ｖtnが適正値に設定されているときであると言える。
【００１６】
上述したように、くびれ検出基準値Ｖtnは溶接条件に応じて適正値に設定されている。しかし、送給速度の変動、溶融池の不規則な運動、溶滴形状のバラツキ等の変動要因によって、くびれ検出基準値Ｖtnを適正化していても、くびれ検出時間Ｔｎはバラツキを生じる。このバラツキの範囲が、上述したように、５０〜５００μｓ程度であるときは、スパッタの発生及び溶接状態の安定性にそれほど悪影響はない。また、くびれ検出時間Ｔｎが、ときたま５０μｓ未満になっても、少しスパッタが増える程度であり、大きな問題ではない。反面、くびれ検出時間Ｔｎが５００μｓを超え、特に１０００μｓ以上になると、溶接状態が不安定になり、アークが再発生しない状態に至ることも生じる。このために、くびれを検出した時点からの経過時間が基準時間に達してもアークが再発生していないときは、溶接電流Ｉｗを増加させて溶接ワイヤの突き出し部への入熱を大きくし、突き出し部を高温にして溶断によってアークの再発生を導く補償制御が慣用されている。以下、この補償制御（例えば、特許文献３参照）について説明する。
【００１７】
図９は、補償制御について説明するための上述した図８に対応する各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）はくびれ検出信号Ｎｄの時間変化を示し、同図（Ｄ）は駆動信号Ｄｒの時間変化を示す。同図において、時刻ｔ２１〜ｔ３の補償期間Ｔｈの動作以外は、図８と同一であるのでそれらの説明は省略する。以下、同図を参照して時刻ｔ２１〜ｔ３の補償期間Ｔｈの動作について説明する。
【００１８】
時刻ｔ２のくびれ検出時点からの経過時間ｔが、時刻ｔ２１において予め定めた基準時間Ｔｔに達したときに、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは短絡／アーク判別値Ｖta未満であるので、アークはまだ再発生していない。このような場合には、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒをＨｉｇｈレベルに変化させる。駆動信号ＤｒがＨｉｇｈレベルになると、図７のトランジスタＴＲがオン状態になるので、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、低レベル電流Ｉｌから急峻な傾斜で増加して所定値の高レベル電流Ｉｈとなる。この急峻な傾斜は、溶接装置が出力できる最速の傾斜であり、１０００Ａ／ms程度である。高レベル電流Ｉｈは５００Ａ程度である。溶接電流Ｉｗが大きくなると、電磁的ピンチ力も大きくなるので、くびれの進行が促進されて、時刻ｔ３においてアークが再発生する。溶接電圧Ｖｗは、同図（Ｂ）に示すように、時刻ｔ２の直後に一旦減少した後に、時刻ｔ２１まで緩やかに上昇する。そして、時刻ｔ２１において溶接電流Ｉｗが高レベル電流Ｉｈに増加すると、溶接電圧Ｖｗは急上昇し、時刻ｔ３において、アークが再発生すると、短絡／アーク判別値Ｖta以上のアーク電圧値となる。時刻ｔ３においてアークが再発生すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、上記の初期アーク電流値Ｉaiに制御され、時刻ｔ３〜ｔ３１の上記初期アーク期間Ｔaiの間はその値を維持し、時刻ｔ３１移行はスロープ状に減少して、アーク負荷と送給速度とによって定まる値に収束する。同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号Ｎｄは、時刻ｔ２のくびれ検出時点から時刻ｔ３のアーク再発生までＨｉｇｈレベルになる。同図（Ｄ）に示すように、駆動信号Ｄｒは、時刻ｔ２１からＨｉｇｈレベルとなる。上記の基準時間Ｔｔは、１０００μｓ程度に設定される。この基準時間Ｔｔは、溶接ワイヤの種類、シールドガスの種類、送給速度、溶接継手、溶接姿勢等に応じて適正値に設定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特開２００６−２８１２１９号公報
【特許文献２】特開２００５−２８８５４０号公報
【特許文献３】特開２００６−１１６５８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
上述したように、くびれ検出時点からの経過時間が基準時間Ｔｔに達してもアークが再発生していないときは、その時点からアークが再発生するまでの補償期間Ｔｈ中は大電流値の高レベル電流Ｉｈを通電することによって、溶接状態が不安定になることを抑制している。この補償期間Ｔｈ中は、溶接ワイヤの突き出し部がジュール熱によって加熱されて高温状態になり、突き出し部の中間位置で溶断してアークが再発生する。この場合には、アークが再発生した時点におけるアーク長は、図８で上述した補償期間Ｔｈがない通常状態でアークが再発生したときに比べて長くなる。さらに、アークが再発生した時点における突き出し部の温度も、補償期間Ｔｈのない通常状態でアークが再発生したときに比べて高温になる。
【００２１】
このように補償期間Ｔｈ後にアークが再発生したときは、アーク長が長い状態であり、突き出し部も高温になっている。この状態で、大電流値の初期アーク電流Ｉaiが通電すると、溶接ワイヤの溶融が促進されてアーク長がさらに長くなり、溶接状態が不安定になる。
【００２２】
そこで、本発明では、補償期間後にアークが再発生したときにアーク長が長くなり過ぎて溶接状態が不安定になることを抑制することができる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御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】
【００２３】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、溶接ワイヤと母材との間でアーク発生状態と短絡状態とを繰り返す消耗電極アーク溶接にあって、短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれを検出すると溶接電流Ｉｗを低レベル電流値まで減少させ、前記くびれ検出時点からの経過時間がアークが再発生する前に予め定めた基準時間に達したときは前記溶接電流Ｉｗを高レベル電流値まで増加させてアークを再発生させ、アークが再発生すると前記溶接電流Ｉｗを初期アーク電流値まで変化させて通電する消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、
前記溶接電流Ｉｗが前記高レベル電流値へと増加を開始した時点からアークが再発生するまでの補償期間中に溶接ワイヤの突き出し部に供給された入熱量と相関する値を算出し、前記初期アーク電流値を前記相関値に応じて変化させる、
ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。
【００２４】
請求項２の発明は、溶接ワイヤの突き出し部の抵抗値Ｒｗを予め設定し、前記相関値Ｑｄを、Ｑｄ＝∫Ｉｗ・Ｉｗ・Ｒｗ・ｄｔの前記補償期間中の積分によって算出する、
ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。
【００２５】
請求項３の発明は、前記相関値Ｑｄを、Ｑｄ＝∫Ｉｗ・ｄｔの前記補償期間中の積分によって算出する、
ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。
【００２６】
請求項４の発明は、前記相関値Ｑｄを、Ｑｄ＝∫ｄｔの前記補償期間中の積分によって算出する、
ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、相関値に応じて初期アーク電流値を適正化することによって、補償期間後にアークが再発生したときにアーク長が長くなり過ぎて溶接状態が不安定になることを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。
【図２】図１の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。
【図３】図１の初期アーク電流設定回路ＩＡＩＲに内蔵されている電流設定関数の第１の例を示す図である。
【図４】図１の初期アーク電流設定回路ＩＡＩＲに内蔵されている電流設定関数の第２の例を示す図である。
【図５】図１の初期アーク電流設定回路ＩＡＩＲに内蔵されている電流設定関数の第３の例を示す図である。
【図６】従来技術において、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを繰り返す消耗電極アーク溶接における電流・電圧波形及び溶滴移行を示す図である。
【図７】従来技術のくびれ検出制御方法を搭載した溶接装置のブロック図である。
【図８】図７の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。
【図９】従来技術における補償制御について説明するための上述した図８に対応する各信号のタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
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。
【００３０】
図１は、本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置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。
【００３１】
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、後述する誤差増幅信号Ｅａに従ってインバータ制御等の出力制御を行い、溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗ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次整流器、整流された直流を平滑する平滑コンデンサ、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、高周波交流を溶接に適した電圧値に降圧する高周波変圧器、降圧された高周波交流を直流に整流する２次整流器、整流された直流を平滑するリアクトル、誤差増幅信号Ｅａを入力としてパルス幅変調制御を行う変調回路、パルス幅変調制御信を入力としてインバータ回路のスイッチング素子を駆動するインバータ駆動回路から構成される。
【００３２】
減流抵抗器Ｒは、上記の電源主回路ＰＭと溶接トーチ４との間に挿入される。この減流抵抗器Ｒの値は、上述した従来技術と同様である。トランジスタＴＲは、減流抵抗器Ｒと並列に接続されて、後述する駆動信号Ｄｒに従ってオン又はオフ制御される。
【００３３】
溶接ワイヤ１は、送給モータ（図示は省略）に結合された送給ロール５の回転によって溶接トーチ４内を送給されて、母材２との間にアーク３が発生する。溶接ワイヤ１と母材２との間には溶接電圧Ｖｗが印加し、アーク３中を溶接電流Ｉｗが通電する。同図において、溶接ワイヤの送給を制御する回路については、図示は省略する。
【００３４】
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。電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。
【００３５】
短絡／アーク判別回路ＳＤは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、その値が予め定めた短絡／アーク判別値Ｖta未満であるときは短絡状態にあると判別してＨｉｇｈレベルとなり、以上のときはアーク発生状態にあると判別してＬｏｗレベルになる短絡／アーク判別信号Ｓｄを出力する。くびれ検出回路ＮＤは、従来技術と同様に、上記の電圧検出信号Ｖｄ及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、上述したように短絡期間中の電圧上昇値ΔＶが予め定めたくびれ検出基準値Ｖtnの値に達した時点でＨｉｇｈレベルとなり、アークが再発生して電圧検出信号Ｖｄの値が短絡／アーク判別値Ｖta以上になった時点でＬｏｗレベルになるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。上述したように、短絡期間中の電圧検出信号Ｖｄの微分値がそれに対応したくびれ検出基準値Ｖtnに達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。さらに、電圧検出信号Ｖｄの値を電流検出信号Ｉｄの値で除算して溶滴の抵抗値を算出し、この抵抗値の微分値がそれに対応するくびれ検出基準値Ｖtnに達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。
【００３６】
低レベル電流設定回路ＩＬＲは、予め定めた低レベル電流設定信号Ｉlrを出力する。この低レベル電流設定信号Ｉlrの値は５０Ａ程度に設定される。電流比較回路ＣＭは、この低レベル電流設定信号Ｉlr及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、Ｉｄ＜ＩlrのときはＨｉｇｈレベルになり、Ｉｄ≧ＩlrのときはＬｏｗレベルになる電流比較信号Ｃｍを出力する。駆動回路ＤＲは、この電流比較信号Ｃｍ及び上記のくびれ検出信号Ｎｄを入力として、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルに変化するとＬｏｗレベルに変化し、その後に電流比較信号ＣｍがＨｉｇｈレベルに変化するとＨｉｇｈレベルに変化する駆動信号Ｄｒを上記のトランジスタＴＲのベース端子に出力する。したがって、この駆動信号Ｄｒはくびれが検出されるとＬｏｗレベルになり、トランジスタＴＲがオフ状態になり通電路に減流抵抗器Ｒが挿入されるので、短絡負かを通電する溶接電流Ｉｗは急減する。そして、急減した溶接電流Ｉｗの値が低レベル電流設定信号Ｉlrの値まで減少すると、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになり、トランジスタＴＲがオン状態になるので、減流抵抗器Ｒは短絡されて通常の状態に戻る。
【００３７】
基準時間設定回路ＴＴＲは、予め定めた基準時間設定信号Ｔtrを出力する。この基準時間設定信号Ｔtrの値は、６００〜１０００μｓ程度に設定される。補償期間判別回路ＴＨＤは、この基準時間設定信号Ｔtr及び上記のくびれ検出信号Ｎｄを入力として、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになっている時間が基準時間設定信号Ｔtrの値に達した時点でＨｉｇｈレベルにセットされ、くびれ検出信号ＮｄがＬｏｗレベルに変化した時点でＬｏｗレベルにリセットされる補償期間判別信号Ｔhdを出力する。したがって、この補償期間判別信号Ｔhdは、補償期間中はＨｉｇｈレベルになる信号である。
【００３８】
高レベル電流設定回路ＩＨＲは、予め定めた高レベル電流設定信号Ｉhrを出力する。この高レベル電流設定信号Ｉhrの値は、４００〜６００Ａ程度である。立上り傾斜設定回路ＳＲは、予め定めた立上り傾斜設定信号Ｓｒを出力する。この立上り傾斜設定信号Ｓｒの値は、３００〜６００Ａ／ms程度である。
【００３９】
入熱相関値算出回路ＱＤは、上記の電流検出信号Ｉｄ及び上記の補償期間判別信号Ｔhdを入力として、補償期間判別信号ＴhdがＨｉｇｈレベルの期間中は下式で定義される積分を行い、入熱相関値信号Ｑｄを出力する。
１）式 Ｑｄ＝∫Ｉｄ・Ｉｄ・Ｒｗ・ｄｔ
ここで、Ｒｗは、溶接ワイヤの突き出し部の抵抗値であり、給電チップと母材との距離及び溶接ワイヤの種類が決まると定まる定数である。例えば、給電チップと母材との距離が２０mmであり、溶接ワイヤが直径１．２mmの鉄鋼ワイヤである場合には、突き出し部の抵抗値Ｒｗ＝０．０１Ωとなる。この積分によって、補償期間中に突き出し部に供給される入熱量を算出している。この式によれば、下式の場合に比べて入熱量を正確に算出することができる。
２）式 Ｑｄ＝∫Ｉｄ・ｄｔ
上記１）式では乗算を行う必要があるが、乗算は演算負担が大きいので、ここでは簡略化している。このＱｄは、補償期間中の突き出し部への入熱量と相関（比例）する値となる。
３）式 Ｑｄ＝∫ｄｔ
補償期間中の溶接電流が一定値であると仮定すると、上記１）式におけるＩｄ・Ｉｄ・Ｒｗは定数となる。したがって、このＱｄは、補償期間中の突き出し部への入熱量に相関（比例）する値となる。このＱｄは、補償期間の時間長さを計測していることになる。Ｑｄ＝Ｔｈである。この式を使用すれば、演算負担が最も小さくなる。
【００４０】
初期アーク期間設定回路ＴＡＩＲは、予め定めた初期アーク期間設定信号Ｔairを出力する。この初期アーク期間設定信号Ｔairの値は、１〜３ms程度であり、溶接ワイヤの種類、シールドガスの種類、送給速度等に応じて適正値に設定される。初期アーク電流設定回路ＩＡＩＲは、上記の入熱相関値信号Ｑｄを入力として、予め定めた電流設定関数によって初期アーク電流設定信号Ｉairを算出する。この初期アーク電流設定信号Ｉairの値は、１００〜４００Ａ程度に自動設定される。この電流設定関数は、入熱相関値信号Ｑｄの値が大きくなるほど初期アーク電流設定信号Ｉairの値は小さくなる関数である。この関数については、図３〜図５で後述する。初期アーク期間判別回路ＴＡＩＤは、上記の短絡／アーク判別信号Ｓｄ及び上記の初期アーク期間設定信号Ｔairを入力として、短絡／アーク判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）からＬｏｗレベル（アーク）に変化した時点から初期アーク期間設定信号Ｔairによって定まる期間だけＨｉｇｈレベルになる初期アーク期間判別信号Ｔaidを出力する。
【００４１】
電流設定回路ＩＲは、上記の短絡／アーク判別信号Ｓｄ、上記の低レベル電流設定信号Ｉlr、上記のくびれ検出信号Ｎｄ、上記の補償期間判別信号Ｔhd、上記の高レベル電流設定信号Ｉhr、上記の立上り傾斜設定信号Ｓｒ、上記の初期アーク期間判別信号Ｔaid及び上記の初期アーク電流設定信号Ｉairを入力として、以下の処理を行い、電流設定信号Ｉｒを出力する。この回路の動作については、図２でも詳述する。
１）短絡／アーク判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）に変化した時点から予め定めた初期期間中は、予め定めた初期電流設定値を電流設定信号Ｉｒとして出力する。
２）その後は、電流設定信号Ｉｒの値を、上記の初期電流設定値から予め定めた傾斜設定値で定まる傾斜で予め定めたピーク設定値まで上昇させ、その値を維持する。
３）くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベル（くびれ検出）に変化すると、電流設定信号Ｉｒの値を低レベル電流設定信号Ｉlrの値に切り換える。
４）補償期間判別信号ＴhdがＨｉｇｈレベル（くびれ検出時間が基準時間に達した時点）に変化すると、電流設定信号Ｉｒの値を、低レベル電流設定信号Ｉlrの値から立上り傾斜設定信号Ｓｒによって定まる傾斜で高レベル電流設定信号Ｉhrの値まで上昇させ、その値を維持する。
５）初期アーク期間判別信号ＴaidがＨｉｇｈレベルになると、電流設定信号Ｉｒの値を初期アーク電流設定信号Ｉairの値に切り換える。
【００４２】
電圧設定回路ＶＲは、初期アーク期間を除くアーク期間中の溶接電圧を設定するための予め定めた電圧設定信号Ｖｒを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流設定信号Ｉｒ（＋）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。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の電圧設定信号Ｖｒ（＋）と電圧検出信号Ｖｄ（−）との誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。制御切換回路ＳＷは、上記の電流誤差増幅信号Ｅｉ、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖ、上記の短絡／アーク判別信号Ｓｄ及び上記の初期アーク期間判別信号Ｔaidを入力として、短絡／アーク判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）又は初期アーク期間判別信号ＴaidがＨｉｇｈレベルのときは、電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力し、それ以外の期間中は電圧誤差増幅信号Ｅｖを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。この回路により、短絡期間及び初期アーク期間中は定電流制御となり、初期アーク期間を除くアーク期間中は定電圧制御となる。
【００４３】
図２は、図１で上述した溶接装置における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）はくびれ検出信号Ｎｄの時間変化を示し、同図（Ｄ）は駆動信号Ｄｒの時間変化を示し、同図（Ｅ）は短絡／アーク判別信号Ｓｄの時間変化を示し、同図（Ｆ）は補償期間判別信号Ｔhdの時間変化を示し、同図（Ｇ）は電流設定信号Ｉｒの時間変化を示し、同図（Ｈ）は初期アーク期間判別信号Ｔaidの時間変化を示す。同図は、くびれ検出時点からの経過時間がアークが再発生する前に基準時間Ｔｔに達した場合（補償期間が存在する場合）であり、上述した図９に対応している。くびれ検出時点からの経過時間が基準時間Ｔｔに達する前にアークが再発生する正常な状態の場合のタイミングチャートは、基本的には上述した図８と同様の動作となるので、その場合の動作説明は省略する。以下、同図を参照して説明する。
【００４４】
（１）時刻ｔ１の短絡発生から時刻ｔ２のくびれ検出時点までの動作
この期間中の動作は、上述した図８と同様である。時刻ｔ１において溶接ワイヤが母材と接触すると短絡状態になり、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖ程度の短絡電圧値に急減する。この溶接電圧Ｖｗが短絡／アーク判別値Ｖta未満になったことを判別して、同図（Ｅ）に示すように、短絡／アーク判別信号ＳｄはＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化する。これに応動して、同図（Ｇ）に示すように、電流設定信号Ｉｒは時刻ｔ１において初期アーク電流設定信号Ｉairの値から小さな値である予め定めた初期電流設定値に変化する。電流設定信号Ｉｒは、同図（Ｇ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ１１の予め定めた初期期間中は予め定めた初期電流設定値となり、時刻ｔ１１〜ｔ１２の期間中は予め定めた傾斜設定値で定まる傾斜で上昇し、時刻ｔ１２〜ｔ２の期間中は予め定めたピーク設定値となる。短絡期間中は上述したように定電流制御されているので溶接電流Ｉｗは電流設定信号Ｉｒに相当する値に制御される。このために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、時刻ｔ１においてアーク期間の溶接電流から急減し、時刻ｔ１〜ｔ１１の初期期間中は初期電流値となり、時刻ｔ１１〜ｔ１２の期間中は所定傾斜で上昇し、時刻ｔ１２〜ｔ２の期間中はピーク値となる。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、溶接電流Ｉｗがピーク値となる時刻ｔ１２あたりから急上昇する。これは、溶滴にくびれが発生したためである。同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号Ｎｄは、後述する時刻ｔ２〜ｔ３の期間以外はＬｏｗレベルとなる。同図（Ｄ）に示すように、駆動信号Ｄｒは、後述する時刻ｔ２〜ｔ２１の期間はＬｏｗレベルとなり、それ以外の期間はＨｉｇｈレベルとなる。したがって、同図において時刻ｔ２以前の期間中は、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルとなり、図１のトランジスタＴＲがオン状態となるので、減流抵抗器Ｒは短絡されて通常の消耗電極アーク溶接装置と同一の状態となる。同図（Ｆ）に示すように、補償期間判別信号Ｔhdは、後述する時刻ｔ２２〜ｔ３の期間Ｈｉｇｈレベルとなり、それ以外の期間はＬｏｗレベルとなる。同図（Ｈ）に示すように、初期アーク期間判別信号ｔaidは、後述する時刻ｔ３〜ｔ３１の期間Ｈｉｇｈレベルとなり、それ以外の期間はＬｏｗレベルとなる。
【００４５】
（２）時刻ｔ２のくびれ検出時点から時刻ｔ２２の基準時間Ｔｔに達するまでの動作
時刻ｔ２において、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗが急上昇して初期期間中の電圧値からの電圧上昇値ΔＶが予め定めたくびれ検出基準値Ｖtnと等しくなったことによってくびれを検出すると、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＨｉｇｈレベルに変化する。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＬｏｗレベルになるので、図１のトランジスタＴＲはオフ状態となり減流抵抗器Ｒが通電路に挿入される。同時に、同図（Ｇ）に示すように、電流設定信号Ｉｒは低レベル電流設定信号Ｉlrの値に小さくなる。このために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗはピーク値から低レベル電流値Ｉｌへと急減する。そして、時刻ｔ２１において溶接電流Ｉｗが低レベル電流値Ｉｌまで減少すると、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルに戻るので、図１のトランジスタＴＲはオン状態となり減流抵抗器Ｒは短絡される。同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、電流設定信号Ｉｒが低レベル電流設定信号Ｉlrのままであるので、低レベル電流値Ｉｌを維持する。したがって、トランジスタＴＲは、時刻ｔ２にくびれが検出されてから時刻ｔ２１に溶接電流Ｉｗが低レベル電流値Ｉｌに減少するまでの期間のみオフ状態となる。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、時刻ｔ２から一旦減少した後に緩やかに上昇する。しかし、同図は時刻ｔ２のくびれ検出時点からの経過時間が基準時間Ｔｔに達する時刻ｔ２２の前にアークが再発生しない場合であるので、溶接電圧Ｖｗは時刻ｔ２２までに急上昇して短絡／アーク判別値Ｖta以上となることはない。
【００４６】
（３）時刻ｔ２２の基準時間Ｔｔに達した時点から時刻ｔ３のアーク再発生までの動作
時刻ｔ２２において、時刻ｔ２にくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになった時点からの経過時間が基準時間設定信号Ｔtrによって定まる基準時間Ｔｔに達すると、同図（Ｆ）に示すように、補償期間判別信号ＴhdはＨｉｇｈレベルに変化する。これに応動して、同図（Ｇ）に示すように、電流設定信号Ｉｒは、低レベル電流設定信号Ｉlrの値から立上り傾斜設定信号Ｓｒによって定まる傾斜で高レベル電流設定信号Ｉhrの値まで上昇して、その値を維持する。このために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、低レベル電流値Ｉｌから所定の立上り傾斜Ｓで高レベル電流値Ｉｈまで上昇し、その値を維持する。同図では、高レベル電流値Ｉｈは一定値であるが、時間経過に伴って上記の立上り傾斜Ｓよりも小さな傾斜で増加するようにしても良い。溶接電流Ｉｗが増加したことによって、溶接ワイヤの突き出し部のジュール加熱が促進されて突き出し部で溶断し、時刻ｔ３においてアークが再発生する。また、同図（Ｆ）に示す補償期間判別信号ＴhdがＨｉｇｈレベルである本期間中は、上述したように、図１の入熱相関値信号Ｑｄを算出する。
【００４７】
（４）時刻ｔ３〜ｔ３１の初期アーク期間Ｔai中の動作
時刻ｔ３においてアークが再発生すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、溶接電流Ｉｗが高レベル電流値Ｉｈになったあたりから急上昇して、時刻ｔ３において短絡／アーク判別値Ｖta以上となる。これに応動して、同図（Ｅ）に示すように、短絡／アーク判別信号ＳｄがＬｏｗレベルに変化する。これに応動して、同図（Ｈ）に示すように、初期アーク期間判別信号ＴaidがＨｉｇｈレベルに変化し、初期アーク期間設定信号Ｔairによって定まる時刻ｔ３１までＨｉｇｈレベルを維持する。この期間中は、引き続き、溶接装置は定電流制御のままである。同図（Ｇ）に示すように、電流設定信号Ｉｒは、時刻ｔ３において初期アーク電流設定信号Ｉairの値に変化する。この結果、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは高レベル電流値Ｉｈから初期アーク電流値Ｉaiへと変化する。この初期アーク電流設定信号Ｉairの値は、上述したように、前項で算出された入熱相関値信号Ｑｄを入力とする予め定めた電流設定関数によって自動設定される。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、数十Ｖのアーク電圧値となり、アーク長と対応した値となる。また、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号Ｎｄは、溶接電圧Ｖｗが短絡／アーク判別値Ｖtn以上となるので、Ｌｏｗレベルに変化する。同様に、同図（Ｆ）に示すように、補償期間判別信号ＴhdもＬｏｗレベルに変化する。同図（Ｇ）に示すように、電流設定信号Ｉｒは、時刻ｔ３１以降も制御には使用されないがその値を維持する。
【００４８】
（５）時刻ｔ３１〜ｔ４の初期アーク期間Ｔai以降のアーク期間の動作
時刻ｔ３１において、同図（Ｈ）に示すように、初期アーク期間判別信号ＴaidがＬｏｗレベルに変化すると、溶接装置は定電流制御から定電圧制御へと切り換えられる。このために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、スロープ状に減少して、アーク負荷と送給速度とによって決まる値に収束する。
【００４９】
図３は、図１で上述した初期アーク電流設定回路ＩＡＩＲに内蔵されている電流設定関数の第１の例を示す図である。同図は、入熱相関値信号Ｑｄを、上述した１）式で算出する場合である。同図の横軸は入熱相関値信号Ｑｄ（Ｊ）を示しており、０〜５０の範囲となっている。縦軸は初期アーク電流設定信号Ｉair（Ａ）を示しており、０〜４００の範囲となっている。同図は、溶接ワイヤが直径１．２mmの鉄鋼ワイヤの場合であり、シールドガスが１００％炭酸ガスの場合であり、送給速度が８．５m/min（溶接電流平均値２５０Ａ）の場合であり、突き出し部抵抗値Ｒｗが０．０１Ωの場合である。以下、同図を参照して説明する。
【００５０】
電流設定関数は、Ｑｄ＝０のときはＩair＝３００となり、Ｑｄの値が大きくなるのに伴いＩairの値は右肩下がりの直線状に減少し、Ｑｄ＝２５のときＩair＝２００となり、Ｑｄがさらに大きくなってもＩairはその値を維持する。Ｑｄ＝０のときとは、くびれ検出時点からの経過時間が基準時間に達する前にアークが再発生した場合（補償期間がない場合）であり、上述した図８の場合である。
【００５１】
図４は、図１で上述した初期アーク電流設定回路ＩＡＩＲに内蔵されている電流設定関数の第２の例を示す図である。同図は、入熱相関値信号Ｑｄを、上述した２）式で算出する場合である。同図の横軸は入熱相関値信号Ｑｄ（Ａ・ｓ）を示しており、０〜１０の範囲となっている。縦軸は初期アーク電流設定信号Ｉair（Ａ）を示しており、０〜４００の範囲となっている。同図は、溶接ワイヤが直径１．２mmの鉄鋼ワイヤの場合であり、シールドガスが１００％炭酸ガスの場合であり、送給速度が８．５m/min（溶接電流平均値２５０Ａ）の場合である。以下、同図を参照して説明する。
【００５２】
電流設定関数は、Ｑｄ＝０のときはＩair＝３００となり、Ｑｄの値が大きくなるのに伴いＩairの値は右肩下がりの直線状に減少し、Ｑｄ＝５のときＩair＝２００となり、Ｑｄがさらに大きくなってもＩairはその値を維持する。Ｑｄ＝０のときとは、くびれ検出時点からの経過時間が基準時間に達する前にアークが再発生した場合（補償期間がない場合）であり、上述した図８の場合である。
【００５３】
図５は、図１で上述した初期アーク電流設定回路ＩＡＩＲに内蔵されている電流設定関数の第３の例を示す図である。同図は、入熱相関値信号Ｑｄを、上述した３）式で算出する場合である。同図の横軸は入熱相関値信号Ｑｄ（ms）を示しており、０〜２０の範囲となっている。縦軸は初期アーク電流設定信号Ｉair（Ａ）を示しており、０〜４００の範囲となっている。同図は、溶接ワイヤが直径１．２mmの鉄鋼ワイヤの場合であり、シールドガスが１００％炭酸ガスの場合であり、送給速度が８．５m/min（溶接電流平均値２５０Ａ）の場合である。以下、同図を参照して説明する。
【００５４】
電流設定関数は、Ｑｄ＝０のときはＩair＝３００となり、Ｑｄの値が大きくなるのに伴いＩairの値は右肩下がりの直線状に減少し、Ｑｄ＝１０のときＩair＝２００となり、Ｑｄがさらに大きくなってもＩairはその値を維持する。Ｑｄ＝０のときとは、くびれ検出時点からの経過時間が基準時間に達する前にアークが再発生した場合（補償期間がない場合）であり、上述した図８の場合である。
【００５５】
図３〜図５で上述したように電流設定関数は、基本的には入熱相関値信号Ｑｄの値が大きくなると、初期アーク電流設定信号Ｉairの値は小さくなる関数である。そして、入熱相関値信号Ｑｄの値が所定値以上になると、初期アーク電流設定信号Ｉairの値は一定値となるようにしている。これは、初期アーク電流設定信号Ｉairの値に下限値を設けていることになる。下限値を設けているのは、初期アーク電流設定信号Ｉairの値があまり小さくなると、溶接状態が不安定になるからである。これらの図において、右肩下がりの直線の代わりに、曲線状又は階段状に変化するようにしても良い。電流設定関数は、溶接ワイヤの種類、シールドガスの種類、送給速度等に応じて、実験によって適正パターンに設定される。
【００５６】
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。補償期間Ｔｈ中は、大電流が通電して突き出し部がジュール加熱されて高温になり、溶断してアークが再発生する。このために、補償期間Ｔｈ後にアークが再発生したときには、アーク再発生時点におけるアーク長及び突き出し部の温度は補償期間Ｔｈ中に突き出し部に供給された入熱によって変化することになる。本実施の形態では、補償期間Ｔｈ中の突き出し部への入熱と相関する値（入熱相関値信号Ｑｄ）を算出し、この相関値に応じて初期アーク期間Ｔai中の初期アーク電流値Ｉaiを変化させている。すなわち、相関値が大きくなるのに伴い、初期アーク電流値Ｉaiは小さくなるようにしている。これにより、初期アーク期間Ｔaiが終了した時点におけるアーク長及び突き出し部の温度を適正化することができる。この結果、溶接状態を安定化することができる。したがって、本実施の形態によれば、相関値に応じて初期アーク電流値を適正化することによって、補償期間後にアークが再発生したときにアーク長が長くなり過ぎて溶接状態が不安定になることを抑制することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１ 溶接ワイヤ
１ａ 溶滴
１ｂ くびれ
２ 母材
２ａ 溶融池
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
ＣＭ 電流比較回路
Ｃｍ 電流比較信号
ＤＲ 駆動回路
Ｄｒ 駆動信号
Ｅａ 誤差増幅信号
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
Ｆｃ 送給制御信号
Ｉａ アーク再発生時電流値
Ｉai 初期アーク電流
ＩＡＩＲ 初期アーク電流設定回路
Ｉair 初期アーク電流設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｈ 高レベル電流
ＩＨＲ 高レベル電流設定回路
Ｉhr 高レベル電流設定信号
Ｉｌ 低レベル電流
ＩＬＲ 低レベル電流設定回路
Ｉlr 低レベル電流設定信号
ＩＲ 電流設定回路
Ｉｒ 電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＮＤ くびれ検出回路
Ｎｄ くびれ検出信号
ＰＭ 電源主回路
ＰＳ 溶接電源
ＱＤ 入熱相関値算出回路
Ｑｄ 入熱相関値信号／相関値
Ｒ 減流抵抗器
Ｒｗ 突き出し部の抵抗値
Ｓ 立上り傾斜
ＳＤ 短絡／アーク判別回路
Ｓｄ 短絡／アーク判別信号
ＳＲ 立上り傾斜設定回路
Ｓｒ 立上り傾斜設定信号
ＳＷ 制御切換回路
ｔ 経過時間
Ｔａ アーク期間
Ｔai 初期アーク期間
ＴＡＩＤ 初期アーク期間判別回路
Ｔaid 初期アーク期間判別信号
ＴＡＩＲ 初期アーク期間設定回路
Ｔair 初期アーク期間設定信号
Ｔｈ 補償期間
ＴＨＤ 補償期間判別回路
Ｔhd 補償期間判別信号
Ｔｎ くびれ検出時間
ＴＲ トランジスタ
Ｔｓ 短絡期間
Ｔｔ 基準時間
ＴＴＲ 基準時間設定回路
Ｔtr 基準時間設定信号
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
Ｖｓ 短絡電圧値
Ｖta 短絡／アーク判別値
ＶＴＮ くびれ検出基準値設定回路
Ｖtn くびれ検出基準値（信号）
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＭ 送給モータ
ΔＶ 電圧上昇値
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接ワイヤと母材との間でアーク発生状態と短絡状態とを繰り返す消耗電極アーク溶接にあって、短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれを検出すると溶接電流Ｉｗを低レベル電流値まで減少させ、前記くびれ検出時点からの経過時間がアークが再発生する前に予め定めた基準時間に達したときは前記溶接電流Ｉｗを高レベル電流値まで増加させてアークを再発生させ、アークが再発生すると前記溶接電流Ｉｗを初期アーク電流値まで変化させて通電する消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、
前記溶接電流Ｉｗが前記高レベル電流値へと増加を開始した時点からアークが再発生するまでの補償期間中に溶接ワイヤの突き出し部に供給された入熱量と相関する値を算出し、前記初期アーク電流値を前記相関値に応じて変化させる、
ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
【請求項２】
溶接ワイヤの突き出し部の抵抗値Ｒｗを予め設定し、前記相関値Ｑｄを、Ｑｄ＝∫Ｉｗ・Ｉｗ・Ｒｗ・ｄｔの前記補償期間中の積分によって算出する、
ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
【請求項３】
前記相関値Ｑｄを、Ｑｄ＝∫Ｉｗ・ｄｔの前記補償期間中の積分によって算出する、
ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
【請求項４】
前記相関値Ｑｄを、Ｑｄ＝∫ｄｔの前記補償期間中の積分によって算出する、
ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
【請求項１】
溶接ワイヤと母材との間でアーク発生状態と短絡状態とを繰り返す消耗電極アーク溶接にあって、短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれを検出すると溶接電流Ｉｗを低レベル電流値まで減少させ、前記くびれ検出時点からの経過時間がアークが再発生する前に予め定めた基準時間に達したときは前記溶接電流Ｉｗを高レベル電流値まで増加させてアークを再発生させ、アークが再発生すると前記溶接電流Ｉｗを初期アーク電流値まで変化させて通電する消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、
前記溶接電流Ｉｗが前記高レベル電流値へと増加を開始した時点からアークが再発生するまでの補償期間中に溶接ワイヤの突き出し部に供給された入熱量と相関する値を算出し、前記初期アーク電流値を前記相関値に応じて変化させる、
ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
【請求項２】
溶接ワイヤの突き出し部の抵抗値Ｒｗを予め設定し、前記相関値Ｑｄを、Ｑｄ＝∫Ｉｗ・Ｉｗ・Ｒｗ・ｄｔの前記補償期間中の積分によって算出する、
ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
【請求項３】
前記相関値Ｑｄを、Ｑｄ＝∫Ｉｗ・ｄｔの前記補償期間中の積分によって算出する、
ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
【請求項４】
前記相関値Ｑｄを、Ｑｄ＝∫ｄｔの前記補償期間中の積分によって算出する、
ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−９４８４０（Ｐ２０１３−９４８４０Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４１８２０（Ｐ２０１１−２４１８２０）
【出願日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
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