消耗電極アーク溶接の短絡判別方法
【課題】消耗電極アーク溶接のアークスタートに際して、定常状態に至るまでの過渡期間中の溶接ワイヤと母材との短絡状態を誤検出することなく正確に行うことができるようにする。
【解決手段】溶接ワイヤと母材との短絡状態を溶接電圧値Ｖｗが短絡基準値Ｖｔ以下になったことを判別して行う消耗電極アーク溶接の短絡判別方法において、アークスタート時点から定常溶接状態に至るまでの過渡期間Ｔｉ中は、前記短絡基準値Ｖｔを定常溶接状態よりも大きな値に設定する。すなわち、過渡期間Ｔｉ中の短絡基準値Ｖｔに次第に小さくなる傾斜を持たせる。過渡期間Ｔｉは、アークスタート時点ｔ２からの所定期間、アークスタート時点ｔ２からの溶接電流Ｉｗの積分値が所定値に達するまでの期間又はアークスタート時点ｔ２からの短絡回数の積算値が所定回数に達するまでの期間として設定する。
【解決手段】溶接ワイヤと母材との短絡状態を溶接電圧値Ｖｗが短絡基準値Ｖｔ以下になったことを判別して行う消耗電極アーク溶接の短絡判別方法において、アークスタート時点から定常溶接状態に至るまでの過渡期間Ｔｉ中は、前記短絡基準値Ｖｔを定常溶接状態よりも大きな値に設定する。すなわち、過渡期間Ｔｉ中の短絡基準値Ｖｔに次第に小さくなる傾斜を持たせる。過渡期間Ｔｉは、アークスタート時点ｔ２からの所定期間、アークスタート時点ｔ２からの溶接電流Ｉｗの積分値が所定値に達するまでの期間又はアークスタート時点ｔ２からの短絡回数の積算値が所定回数に達するまでの期間として設定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接ワイヤと母材との短絡状態を正確に判別するための消耗電極アーク溶接の短絡判別方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
消耗電極アーク溶接では、溶接ワイヤと母材との間で短絡状態とアーク発生状態とを繰り返しながら溶接が行われる。炭酸ガスアーク溶接、マグ溶接、ミグ溶接等においては、２００Ａ程度以下の小・中電流域では３〜５ms程度の短絡期間と１０〜３０ms程度のアーク期間とが規則正しく繰り返される短絡移行溶接となる。他方、大電流域では、溶接ワイヤからの溶滴移行形態はグロビュール移行又はスプレー移行となり、１ms以下の短絡期間が不規則に発生することになる。パルスアーク溶接の場合も大電流域の場合と略同一である。このような消耗電極アーク溶接において、安定した溶接状態を得るためには、短絡期間中の溶接電流（以下、短絡電流という）を適正な波形で通電して円滑にアーク期間に移行させることが重要である。このためには、短絡期間を正確に判別して、短絡電流を所定波形通りに通電する必要があり、短絡判別方法の性能が溶接品質を決める重要な要素の１つとなっている。以下、従来技術の短絡判別方法について説明する。
【０００３】
図６は、消耗電極アーク溶接装置の一般的な構成を示す図である。溶接開始回路ＳＴは、溶接開始信号Ｓｔを出力する。この溶接開始回路ＳＴは、溶接工程を管理するためのプログラマブル・ロジック・コントローラ（ＰＬＣ）、ロボット溶接にあってはロボット制御装置等に内臓されている。溶接電源ＰＳは、この溶接開始信号Ｓｔが入力されると、電源主回路ＰＭからリアクトルＷＬを介して溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力すると共に、ワイヤ送給モータＷＭの回転を制御するための送給制御信号Ｆｃを出力する。
【０００４】
溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給モータ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内を送給され、給電チップを介して給電されて、母材２との間にアーク３が発生する。このアーク３によって母材２上に溶融池２ａが形成される。溶接電源ＰＳの出力端子と溶接トーチ４との間及び出力端子と母材との間は溶接用ケーブル６ａ、６ｂによって接続される。
【０００５】
ここで、溶接ワイヤ１が母材２に短絡しているときは下式が成立する。
Ｖｗ＝（Ｒｃ＋Ｒｓｘ＋Ｒｐ）・Ｉｗ （１）式
但し、Ｒｃは溶接用ケーブルの抵抗値、Ｒｓｘは短絡時のワイヤ突き出し部抵抗値、Ｒｐは溶融池を含む母材の抵抗値である。また、アーク３が発生しているときは下式が成立する。
Ｖｗ＝（Ｒｃ＋Ｒａｘ＋Ｒｐ）・Ｉｗ＋Ｖａ （２）式
但し、Ｒａｘはアーク発生時のワイヤ突き出し部抵抗値、Ｖａはアーク電圧値である。
【０００６】
ここでＲｓｘ＝Ｒａｘ＝Ｒｘと略見なすことができるので、短絡基準値Ｖｔを下式のように設定すれば短絡状態とアーク発生状態とを判別することができる。
Ｖｔ＝Ｋ１・Ｉｗ＋Ｋ２ （３）式
但し、Ｋ１は定数でありＫ１＝（Ｒｃ＋Ｒｘ＋Ｒｐ）である。また、Ｋ２も定数であり、Ｋ２＝Ｖａ／２である。定数Ｋ１が無視できるときはＶｔ＝Ｋ２に設定すれば良い。この短絡基準値Ｖｔを使用した短絡判別方法について以下説明する。
【０００７】
図７は、消耗電極アーク溶接の電流・電圧波形を示す図である。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗを示す。同図は短絡移行溶接における定常溶接状態の波形図である。以下、同図を参照して説明する。
【０００８】
時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間Ｔｓ中は、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは適正な傾きを有して増加し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは小さな値の短絡電圧値となる。短絡期間Ｔｓ中の電流波形が適正であることが溶接状態の安定性に大きく影響する。時刻ｔ２〜ｔ３のアーク期間Ｔａ中は、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗはアーク負荷に応じて次第に減少し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは短絡時よりも大きな値のアーク発生時電圧値となる。短絡期間Ｔｓ中は溶接電流Ｉｗを正確に制御するために溶接電源ＰＳを定電流制御し、アーク期間Ｔａ中はアーク長を制御するために溶接電源ＰＳを定電圧制御することが一般的である。
【０００９】
同図（Ｂ）に示すように、短絡基準値Ｖｔを予め設定し、溶接電圧Ｖｗがこの短絡基準値Ｖｔ以下であるときは短絡期間Ｔｓであると判別し、溶接電圧Ｖｗが短絡基準値Ｖｔを超えているときはアーク期間Ｔａであると判別する。このときに、（３）式で上述したように、（Ｒｃ＋Ｒｘ＋Ｒｐ）が小さいときはＶｔ＝Ｋ２の所定値に設定することができる。同図はこの場合である。（Ｒｃ＋Ｒｘ＋Ｒｐ）・Ｉｗの値を無視できないときは、Ｖｔ＝Ｋ１・Ｉｗ＋Ｋ２に設定し、溶接電流Ｉｗによって短絡基準値Ｖｔを補正するようにすれば良い（特許文献１、２参照）。
【００１０】
上記以外の短絡判別方法としては、図６に示すリアクトルＷＬに発生する電圧値によって行う方法がある。リアクトルに発生する電圧Ｖｌ＝Ｌ・ｄＩｗ／ｄｔであるので、同図（Ａ）に示すように、短絡期間Ｔｓになると電流が増加してＶｌは正の値となり、アーク期間Ｔａになると電流が減少して負の値となる。したがって、この電圧値Ｖｌの値によって短絡状態を判別することができる（特許文献３、４参照）。しかし、溶接電流Ｉｗは短絡が発生していないアーク期間Ｔａ中もたえず変化しており、この変化によってもＶｌは正の値になるために、短絡状態だけを判別することは困難である。
【００１１】
さらに、上記とは別の短絡判別方法としては、ＡＣカップリング回路によって溶接電圧波形の０Ｖレベルをシフトし、このシフトした電圧値によって判別する方法がある（特許文献５参照）。しかし、この方法が適用できるのは短絡移行溶接時だけであり、グロビュール移行溶接、スプレー移行溶接時には適用することができない。
【００１２】
【特許文献１】特開昭６１−１７６４７４号公報
【特許文献２】特開昭６１−２３８４６９号公報
【特許文献３】特開平５−３２９６４０号公報
【特許文献４】特開２００１−９６３６４号公報
【特許文献５】特開平１０−２９６４４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
図８は、上述した短絡基準値Ｖｔを使用した短絡判別方法を示すアークスタート時の波形図である。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗを示し、同図（Ｃ）は短絡判別信号Ｓｄを示す。短絡判別信号Ｓｄは、Ｖｗ≦Ｖｔのときに短絡期間と判別してＨｉｇｈレベルになり、Ｖｗ＞Ｖｔのときにアーク期間と判別してアーク期間と判別してＬｏｗレベルになる。以下、同図を参照して説明する。
【００１４】
時刻ｔ１において溶接開始信号Ｓｔが入力されると溶接電源ＰＳの出力が開始されるので、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗが溶接ワイヤと母材との間に印加される。この時点では、溶接ワイヤは母材と非接触状態にあるので、溶接電圧Ｖｗは最大値の無負荷電圧値になる。時刻ｔ１において溶接ワイヤの送給が開始される。
【００１５】
時刻ｔ２において溶接ワイヤが母材と接触すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗが通電を開始する。時刻ｔ２〜ｔ３の短絡期間中は、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは低下して短絡電圧値になる。しかし、短絡基準値Ｖｔよりも大きいために短絡期間を判別することができず、同図（Ｃ）に示すように、短絡判別信号ＳｄはＬｏｗレベル（アーク期間）のままとなる。このために、溶接電源ＰＳは短絡期間としての溶接電流Ｉｗの制御ができないので、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは適正な増加波形に比べて急激な増加波形となる。この結果、スパッタの発生が増加し、溶接状態も不安定になる。時刻ｔ３〜ｔ４のアーク期間中は、同図（Ｂ）に示すように、Ｖｗ＞Ｖｔとなるのでアーク期間と判別し、同図（Ｃ）に示すように、短絡判別信号ＳｄはＬｏｗレベル（アーク期間）となる。このために、溶接電源ＰＳは、定電圧制御によるアーク長制御を行う。この結果、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは次第に減少する。時刻ｔ４〜ｔ６の期間の動作も同様であり、短絡判別は誤検出する。
【００１６】
時刻ｔ６〜ｔ７の短絡期間中は、同図（Ｂ）に示すように、Ｖｗ≦Ｖｔとなるので短絡期間が正しく判別されて、同図（Ｃ）に示すように、短絡判別信号ＳｄはＨｉｇｈレベル（短絡期間）となる。このために、同図（Ａ）に示すように、溶接電源ＰＳは定電流制御されて溶接電流Ｉｗの増加波形が適正化される。この結果、スパッタ発生の少ない安定した溶接状態になる。時刻ｔ７〜ｔ８のアーク期間中は、同図（Ｂ）に示すように、Ｖｗ＞Ｖｔとなるのでアーク期間と判別されて、溶接電源ＰＳは定電圧制御によるアーク長制御を行う。このために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは次第に減少する。これ以降の期間の動作も同様である。
【００１７】
上記において、時刻ｔ２〜ｔ３及び時刻ｔ４〜ｔ５の短絡期間中の短絡電圧値が大きくなる理由は以下のとおりである。すなわち、時刻ｔ１においてアークスタートした後に溶接状態が定常状態になるまでの過渡期間中は、溶融池の形成が不十分であるためにワイヤ突き出し長さが長くなりその抵抗値Ｒｓｘが定常状態よりも大きな値となり、かつ、溶融池を含む母材も低温であるためにその抵抗値Ｒｐも定常状態よりも大きくなる。このために、（１）式で上述したように、短絡電圧値はＶｗ＝（Ｒｃ＋Ｒｓｘ＋Ｒｐ）・Ｉｗとなるので、過渡期間中は短絡電圧値が定常状態よりも大きくなり上述した誤検出の原因となっている。短絡電圧値は溶接電流Ｉｗの変化幅によっても変化するが、過渡期間中のワイヤ突き出し部抵抗値Ｒｓｘ及び母材抵抗値Ｒｐの変化の方が大きい場合がある。この場合には、溶接ワイヤの材質が鉄鋼又はステンレス鋼であり、溶接ワイヤが細径であり、ワイヤ突き出し長さが長い場合である。このような溶接条件が重なると、過渡期間中の短絡電圧値が大きくなるために誤検出が発生することになる。
【００１８】
そこで、本発明は、アークスタート後の過渡期間中も短絡状態を正確に判別することができる消耗電極アーク溶接の短絡判別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、第１の発明は、
溶接ワイヤと母材との短絡状態を溶接電圧値が短絡基準値以下になったことを判別して行う消耗電極アーク溶接の短絡判別方法において、
アークスタート時点から定常溶接状態に至るまでの過渡期間中は、前記短絡基準値を定常溶接状態よりも大きな値に設定する、
ことを特徴とする消耗電極アーク溶接の短絡判別方法である。
【００２０】
第２の発明は、前記過渡期間中の前記短絡基準値は、過渡状態の進行に伴ってその値を次第に小さくする傾斜をゆうする、
ことを特徴とする第１の発明記載の消耗電極アーク溶接の短絡判別方法である。
【００２１】
第３の発明は、前記過渡期間を、アークスタート後の所定期間とする、
ことを特徴とする第１又は第２の発明記載の消耗電極アーク溶接の短絡判別方法である。
【００２２】
第４の発明は、前記過渡期間を、アークスタート後の溶接電流の積分値が所定値に達するまでの期間とする、
ことを特徴とする第１又は第２の発明記載の消耗電極アーク溶接の短絡判別方法である。
【００２３】
第５の発明は、前記過渡期間を、アークスタート後の短絡回数の積算値が所定回数に達するまでの期間とする、
ことを特徴とする第１又は第２の発明記載の消耗電極アーク溶接の短絡判別方法である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、アークスタート時点から定常溶接状態に至るまでの過渡期間中は、短絡基準値を定常溶接状態よりも大きな値に設定することによって、ワイヤ突き出し部抵抗値及び溶融池を含む母材の温度が定常状態になるまでの過渡状態にあっても短絡状態を正確に判別することができる。このために、短絡状態に応じた溶接電流制御を行うことができ、スパッタ発生の少ない高品質な溶接を行うことができる。
【００２５】
上記第４の発明によれば、上記の効果に加えて、アークスタート後の過渡期間を溶接電流の積分値が所定値に達するまでの期間としている。溶融池形成状態の進行に伴うワイヤ突き出し部抵抗値の変化及び溶融池を含む母材の温度上昇が電流積分値に略比例するために、電流積分値が所定値に達する時点で過渡期間が略収束することになる。したがって、過渡期間を正確に設定することができるので、短絡基準値を過渡期間により適合させることができ、短絡状態の判別精度がより向上する。
【００２６】
上記第５の発明によれば、上記の効果に加えて、アークスタート後の過渡期間を短絡回数の積算値が所定回数に達するまでの期間としている。溶融池形成状態の進行に伴うワイヤ突き出し部抵抗値の変化及び溶融池を含む母材の温度上昇が短絡回数積算値に略比例するために、短絡回数積算値が所定回数に達する時点で過渡期間が略収束することになる。したがって、過渡期間を正確に設定することができるので、短絡基準値を過渡期間により適合させることができ、短絡状態の判別精度がより向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
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。
【００２８】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接の短絡判別方法を示すアークスタート時の波形図である。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗを示し、同図（Ｃ）は短絡判別信号Ｓｄを示す。同図は上述した図８と対応しており、以下、図８とは異なる動作について同図を参照して説明する。
【００２９】
短絡基準値Ｖｔは、同図（Ｂ）に示すように、時刻ｔ２のアークスタート後から予め定めた過渡期間Ｔｉ中はその値が次第に小さくなる傾きを有して変化し、時刻ｔ８の過渡期間Ｔｉの終了時点で定常値に収束する。この過渡期間Ｔｉは、溶融池形成状態の進行に伴うワイヤ突き出し部抵抗値の変化及び溶融池を含む母材の温度が定常状態になり溶接状態が定常状態に収束するまでの期間である。この過渡期間Ｔｉは、図３〜５で後述するように、アークスタート後の所定期間、溶接電流積分値が所定値に達するまでの期間、短絡回数積算値が所定回数に達するまでの期間等として設定することができる。
【００３０】
短絡期間中の電圧は、上述したように（１）式で表すことができる。
Ｖｗ＝（Ｒｃ＋Ｒｓｘ＋Ｒｐ）・Ｉｗ
ここで、上記の過渡期間Ｔｉ中は、ワイヤ突き出し部抵抗値Ｒｓｘ及び溶融池を含む母材抵抗値Ｒｐが変化する。この変化に対応させて、短絡基準値Ｖｔの傾きを決定する。
【００３１】
同図（Ｂ）において、過渡期間Ｔｉ中の短絡期間（時刻ｔ２〜ｔ３、ｔ４〜ｔ５及びｔ６〜ｔ７）の電圧値Ｖｗは短絡基準値Ｖｔ以下になるために、同図（Ｃ）に示すように、短絡判別信号Ｓｄは誤検出することなく正しく短絡が判別されるのでＨｉｇｈレベルになる。時刻ｔ８以降においても短絡期間（時刻ｔ８〜ｔ９及びｔ１０〜ｔ１１）の電圧値Ｖｗは短絡基準値Ｖｔ以下になるために、同図（Ｃ）に示すように、短絡判別信号ＳｄはＨｉｇｈレベルになる。アーク期間中の電圧値Ｖｗは短絡基準値Ｖｔを超える値になるために、同図（Ｃ）に示すように、短絡判別信号ＳｄはＬｏｗレベルになる。以上のように、短絡期間及びアーク期間を正確に判別することができるために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗの変化を適正化することができるので、過渡期間Ｔｉ中からスパッタ発生の少ない安定した溶接状態を得ることができる。
【００３２】
図２は、本発明の実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接の短絡判別方法を実施するための溶接電源のブロック図である。溶接装置は上述した図６と同一であり、その構成物の１つである溶接電源ＰＳの詳細ブロックが同図である。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。
【００３３】
電源主回路ＰＭは、３相２００Ｖ等の商用電源を入力として、後述する駆動信号Ｄｖに従ってインバータ制御によって出力制御され、リアクトルＷＬを介して溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力する。この電源主回路ＰＭは、商用電源を整流する１次整流器、整流された電圧を平滑する平滑コンデンサ、平滑された直流電圧を高周波交流に変換するインバータ回路、高周波交流をアーク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整流する２次整流器から成る。
【００３４】
溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給モータ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内を送給され、母材２との間にアーク３が発生する。
【００３５】
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。電流通電判別回路ＣＤは、上記の電流検出信号Ｉｄが正の値になったことを判別（溶接電流Ｉｗが通電を開始したことを判別）してＨｉｇｈレベルになる電流通電判別信号Ｃｄを出力する。短絡基準値設定回路ＶＴは、この電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルになったことを入力として、図３で後述するように予め定めた関数Ｖｔ＝ｆ（ｔ）に従って算出される短絡基準値信号Ｖｔを出力する。ここで、ｔは電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルになった時点（アークスタート時点）からの経過時間である。短絡判別回路ＳＤは、上記の電圧検出信号Ｖｄと上記の短絡基準値信号Ｖｔとを比較して、Ｖｄ≦Ｖｔのときに短絡期間と判別してＨｉｇｈレベルになり、Ｖｄ＞Ｖｔのときにアーク期間と判別してＬｏｗレベルになる短絡判別信号Ｓｄを出力する。
【００３６】
送給制御回路ＦＣは、外部からの溶接開始信号Ｓｔを入力として、ワイヤ送給モータＷＭの回転を制御するための送給制御信号Ｆｃを出力する。溶接開始信号Ｓｔが入力されると溶接ワイヤ１の送給が開始される。
【００３７】
短絡電流設定回路ＩＳＲは、予め定めた短絡電流波形となるように短絡電流設定信号Ｉsrを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、この短絡電流設定信号Ｉsr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。電圧設定回路ＶＲは、予め定めた電圧設定信号Ｖｒを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、この電圧設定信号Ｖｒと上記の電圧検出信号Ｖｄとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。
【００３８】
外部特性切換回路ＳＰは、上記の短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベルのときは上記の電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力し、Ｌｏｗレベルのときは上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。したがって、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）のときは溶接電源の外部特性は定電流特性となり、Ｌｏｗレベル（アーク期間）のときは定電圧特性となる。駆動回路ＤＶは、上記の溶接開始信号Ｓｔが入力されると、上記の誤差増幅信号Ｅａに従ってパルス幅変調制御を行い、上述した電源主回路ＰＭに含まれるインバータ回路を駆動するための駆動信号Ｄｖを出力する。
【００３９】
図３は、上述した短絡基準値設定回路ＶＴに内蔵されている関数Ｖｔ＝ｆ（ｔ）の一例を示す図である。同図の横軸は上記の電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルになった時点（アークスタート時点）からの経過時間ｔを示し、縦軸は短絡基準値Ｖｔを示す。同図に示すように、ｔ＝０のときＶｔ＝Ｖatとなり、ｔ＝ＴｂのときＶｔ＝Ｖbtとなる。したがって、この関数は下式で表すことができる。
０≧ｔ＜Ｔｂ Ｖｔ＝（Ｖbt−Ｖat）／Ｔｂ＋Ｖat
Ｔｂ≧ｔ Ｖｔ＝Ｖbt
ここで、過渡期間Ｔｉ＝Ｔｂである。
【００４０】
上記関数におけるＶat、Ｖbt又はＴｂの内の少なくとも１つ以上は、溶接ワイヤの材質、直径、溶接法等によって適正値に変化させることが望ましい。これらの条件によって溶融池形成状態の進行に伴うワイヤ突き出し部抵抗値の変化及び溶融池を含む母材の温度上昇速度が異なるためである。数値例を挙げると、直径１．２mmの鉄鋼ワイヤ及びステンレス鋼ワイヤでは（Ｖbt−Ｖat）＝２〜５Ｖ程度であり、直径１．６mmのアルミニウム合金ワイヤでは０．２〜２Ｖ程度である。Ｔｂ＝１００〜３００ms程度である。
【００４１】
上述した実施の形態１によれば、アークスタート時点から定常溶接状態に至るまでの過渡期間中は、短絡基準値を定常溶接状態よりも大きな値に設定することによって、溶融池形成状態の進行に伴うワイヤ突き出し部抵抗値の変化及び溶融池を含む母材の温度が定常状態になるまでの過渡状態にあっても短絡状態を正確に判別することができる。このために、短絡状態に応じた溶接電流制御を行うことができ、スパッタ発生の少ない高品質な溶接を行うことができる。
【００４２】
［実施の形態２］
図４は、上述した短絡基準値設定回路ＶＴに内蔵されている関数の図３とは別の一例を示す図である。同図の横軸はアークスタート時点からの溶接電流Ｉｗの積分値（以下、電流積分値Ｓｉという）を示し、縦軸は短絡基準値Ｖｔを示す。同図に示すように、Ｓｉ＝０のときＶｔ＝Ｖatとなり、Ｓｉ＝ＳbiのときＶｔ＝Ｖbtとなる。したがって、この関数は下式で表すことができる。
０≧Ｓｉ＜Ｓbi Ｖｔ＝（Ｖbt−Ｖat）／Ｓbi＋Ｖat
Ｓbi≧Ｓｉ Ｖｔ＝Ｖbt
ここで、過渡期間Ｔｉは電流積分値Ｓｉ＝Ｓbiとなる時点である。
【００４３】
上記関数におけるＶat、Ｖbt又はＳbiの内の少なくとも１つ以上は、溶接ワイヤの材質、直径、溶接法等によって適正値に変化させることが望ましい。これらの条件によって溶融池形成状態の進行に伴うワイヤ突き出し部抵抗値の変化及び溶融池を含む母材の温度上昇速度が異なるためである。
【００４４】
本実施の形態を実施するための溶接電源ＰＳのブロック図は、上述した図２のブロック図における電流通電判別回路ＣＤを以下のように変更したものである。すなわち、電流通電判別回路ＣＤの代わりに電流積分回路ＳＩを設けたものである。この電流積分回路ＳＩは、電流検出信号Ｉｄを積分して電流積分値信号Ｓｉを出力する。これ以外のブロックは同一である。
【００４５】
上述した実施の形態２によれば、アークスタート後の過渡期間Ｔｉを溶接電流の積分値Ｓｉが所定値Ｓbiに達するまでの期間としている。溶融池形成状態の進行に伴うワイヤ突き出し部抵抗値の変化及び溶融池を含む母材の温度上昇が電流積分値Ｓｉに略比例するために、電流積分値Ｓｉが所定値Ｓbiに達する時点で過渡期間Ｔｉが略収束することになる。したがって、過渡期間Ｔｉを正確に設定することができるので、短絡基準値を過渡期間Ｔｉにより適合させることができ、短絡状態の判別精度がより向上する。
【００４６】
［実施の形態３］
図５は、上述した短絡基準値設定回路ＶＴに内蔵されている関数の図３及び４とは別の一例を示す図である。同図の横軸はアークスタート時点からの短絡回数の積算値Ｎを示し、縦軸は短絡基準値Ｖｔを示す。同図に示すように、Ｎ＝０のときＶｔ＝Ｖatとなり、Ｎ＝ＮｂのときＶｔ＝Ｖbtとなる。したがって、この関数は下式で表すことができる。
０≧Ｎ＜Ｎｂ Ｖｔ＝（Ｖbt−Ｖat）／Ｎｂ＋Ｖat
Ｎｂ≧Ｎ Ｖｔ＝Ｖbt
ここで、過渡期間Ｔｉは短絡回数積算値Ｎ＝Ｎｂとなる時点である。
【００４７】
上記関数におけるＶat、Ｖbt又はＮｂの内の少なくとも１つ以上は、溶接ワイヤの材質、直径、溶接法等によって適正値に変化させることが望ましい。これらの条件によって溶融池形成状態の進行に伴うワイヤ突き出し部抵抗値の変化及び溶融池を含む母材の温度上昇速度が異なるためである。
【００４８】
本実施の形態を実施するための溶接電源ＰＳのブロック図は、上述した図２のブロック図における電流通電判別回路ＣＤを以下のように変更したものである。すなわち、電流通電判別回路ＣＤの代わりに短絡回数積算回路ＮＳを設けたものである。この短絡回数積算回路ＮＳは、短絡判別信号Ｓｄを積算して短絡回数積算値信号Ｎｓを出力する。これ以外のブロックは同一である。
【００４９】
上述した実施の形態３によれば、アークスタート後の過渡期間Ｔｉを短絡回数の積算値Ｎが所定回数Ｎｂに達するまでの期間としている。溶融池形成状態の進行に伴うワイヤ突き出し部抵抗値の変化及び溶融池を含む母材の温度上昇が短絡回数積算値Ｎに略比例するために、短絡回数積算値Ｎが所定回数Ｎｂに達する時点で過渡期間Ｔｉが略収束することになる。したがって、過渡期間Ｔｉを正確に設定することができるので、短絡基準値を過渡期間Ｔｉにより適合させることができ、短絡状態の判別精度がより向上する。
【００５０】
上記の実施の形態１〜３は短絡移行溶接の場合を例示したが、短絡を伴うグロビュール移行溶接、短絡を伴うスプレー移行溶接、短絡を伴うパルスアーク溶接、短絡を伴う交流消耗電極アーク溶接等にも適用することができる。また、上述した図３〜５においては、短絡基準値Ｖｔが過渡期間中に次第に小さくなる傾斜を有する場合を例示したが、ステップ状に降下するようにしても良い。また、曲線状に小さくなるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接の短絡判別方法を示す波形図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る溶接電源ＰＳのブロック図である。
【図３】図２の短絡基準値設定回路ＶＴに内蔵されている関数を示す図である。
【図４】図２の短絡基準値設定回路ＶＴに内蔵されている図３とは別の関数を示す図である。
【図５】図２の短絡基準値設定回路ＶＴに内蔵されている図３及び４とは別の関数を示す図である。
【図６】従来技術の消耗電極アーク溶接装置の構成図である。
【図７】従来技術の短絡判別方法を示す波形図である。
【図８】課題を説明するためのアークスタート後の過渡期間中における短絡判別状態を示す波形図である。
【符号の説明】
【００５２】
１ 溶接ワイヤ
２ 母材
２ａ 溶融池
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
６ａ、６ｂ 溶接用ケーブル
ＣＤ 電流通電判別回路
Ｃｄ 電流通電判別信号
ＤＶ 駆動回路
Ｄｖ 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 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＳＲ 短絡電流設定回路
Ｉsr 短絡電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
Ｋ１、Ｋ２ 定数
Ｎ 短絡回数積算値
Ｎｂ 短絡回数積算値の所定回数
ＮＳ 短絡回数積算回路
Ｎｓ 短絡回数積算値信号
ＰＭ 電源主回路
ＰＳ 溶接電源
Ｒａｘ アーク発生時のワイヤ突き出し部抵抗値
Ｒｃ 溶接用ケーブルの抵抗値
Ｒｐ 溶融池を含む母材抵抗値
Ｒｓｘ 短絡時のワイヤ突き出し部抵抗値
Ｓbi 電流積分値の所定値
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
ＳＩ 電流積分回路
Ｓｉ 電流積分値（信号）
ＳＰ 外部特性切換回路
ＳＴ 溶接開始回路
Ｓｔ 溶接開始信号
ｔ アークスタート後の経過時間
Ｔａ アーク期間
Ｔｉ 過渡期間
Ｔｓ 短絡期間
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖｌ リアクトルに発生する電圧
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
ＶＴ 短絡基準値設定回路
Ｖｔ 短絡基準値（信号）
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＬ リアクトル
ＷＭ ワイヤ送給モータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接ワイヤと母材との短絡状態を正確に判別するための消耗電極アーク溶接の短絡判別方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
消耗電極アーク溶接では、溶接ワイヤと母材との間で短絡状態とアーク発生状態とを繰り返しながら溶接が行われる。炭酸ガスアーク溶接、マグ溶接、ミグ溶接等においては、２００Ａ程度以下の小・中電流域では３〜５ms程度の短絡期間と１０〜３０ms程度のアーク期間とが規則正しく繰り返される短絡移行溶接となる。他方、大電流域では、溶接ワイヤからの溶滴移行形態はグロビュール移行又はスプレー移行となり、１ms以下の短絡期間が不規則に発生することになる。パルスアーク溶接の場合も大電流域の場合と略同一である。このような消耗電極アーク溶接において、安定した溶接状態を得るためには、短絡期間中の溶接電流（以下、短絡電流という）を適正な波形で通電して円滑にアーク期間に移行させることが重要である。このためには、短絡期間を正確に判別して、短絡電流を所定波形通りに通電する必要があり、短絡判別方法の性能が溶接品質を決める重要な要素の１つとなっている。以下、従来技術の短絡判別方法について説明する。
【０００３】
図６は、消耗電極アーク溶接装置の一般的な構成を示す図である。溶接開始回路ＳＴは、溶接開始信号Ｓｔを出力する。この溶接開始回路ＳＴは、溶接工程を管理するためのプログラマブル・ロジック・コントローラ（ＰＬＣ）、ロボット溶接にあってはロボット制御装置等に内臓されている。溶接電源ＰＳは、この溶接開始信号Ｓｔが入力されると、電源主回路ＰＭからリアクトルＷＬを介して溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力すると共に、ワイヤ送給モータＷＭの回転を制御するための送給制御信号Ｆｃを出力する。
【０００４】
溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給モータ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内を送給され、給電チップを介して給電されて、母材２との間にアーク３が発生する。このアーク３によって母材２上に溶融池２ａが形成される。溶接電源ＰＳの出力端子と溶接トーチ４との間及び出力端子と母材との間は溶接用ケーブル６ａ、６ｂによって接続される。
【０００５】
ここで、溶接ワイヤ１が母材２に短絡しているときは下式が成立する。
Ｖｗ＝（Ｒｃ＋Ｒｓｘ＋Ｒｐ）・Ｉｗ （１）式
但し、Ｒｃは溶接用ケーブルの抵抗値、Ｒｓｘは短絡時のワイヤ突き出し部抵抗値、Ｒｐは溶融池を含む母材の抵抗値である。また、アーク３が発生しているときは下式が成立する。
Ｖｗ＝（Ｒｃ＋Ｒａｘ＋Ｒｐ）・Ｉｗ＋Ｖａ （２）式
但し、Ｒａｘはアーク発生時のワイヤ突き出し部抵抗値、Ｖａはアーク電圧値である。
【０００６】
ここでＲｓｘ＝Ｒａｘ＝Ｒｘと略見なすことができるので、短絡基準値Ｖｔを下式のように設定すれば短絡状態とアーク発生状態とを判別することができる。
Ｖｔ＝Ｋ１・Ｉｗ＋Ｋ２ （３）式
但し、Ｋ１は定数でありＫ１＝（Ｒｃ＋Ｒｘ＋Ｒｐ）である。また、Ｋ２も定数であり、Ｋ２＝Ｖａ／２である。定数Ｋ１が無視できるときはＶｔ＝Ｋ２に設定すれば良い。この短絡基準値Ｖｔを使用した短絡判別方法について以下説明する。
【０００７】
図７は、消耗電極アーク溶接の電流・電圧波形を示す図である。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗを示す。同図は短絡移行溶接における定常溶接状態の波形図である。以下、同図を参照して説明する。
【０００８】
時刻ｔ１〜ｔ２の短絡期間Ｔｓ中は、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは適正な傾きを有して増加し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは小さな値の短絡電圧値となる。短絡期間Ｔｓ中の電流波形が適正であることが溶接状態の安定性に大きく影響する。時刻ｔ２〜ｔ３のアーク期間Ｔａ中は、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗはアーク負荷に応じて次第に減少し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは短絡時よりも大きな値のアーク発生時電圧値となる。短絡期間Ｔｓ中は溶接電流Ｉｗを正確に制御するために溶接電源ＰＳを定電流制御し、アーク期間Ｔａ中はアーク長を制御するために溶接電源ＰＳを定電圧制御することが一般的である。
【０００９】
同図（Ｂ）に示すように、短絡基準値Ｖｔを予め設定し、溶接電圧Ｖｗがこの短絡基準値Ｖｔ以下であるときは短絡期間Ｔｓであると判別し、溶接電圧Ｖｗが短絡基準値Ｖｔを超えているときはアーク期間Ｔａであると判別する。このときに、（３）式で上述したように、（Ｒｃ＋Ｒｘ＋Ｒｐ）が小さいときはＶｔ＝Ｋ２の所定値に設定することができる。同図はこの場合である。（Ｒｃ＋Ｒｘ＋Ｒｐ）・Ｉｗの値を無視できないときは、Ｖｔ＝Ｋ１・Ｉｗ＋Ｋ２に設定し、溶接電流Ｉｗによって短絡基準値Ｖｔを補正するようにすれば良い（特許文献１、２参照）。
【００１０】
上記以外の短絡判別方法としては、図６に示すリアクトルＷＬに発生する電圧値によって行う方法がある。リアクトルに発生する電圧Ｖｌ＝Ｌ・ｄＩｗ／ｄｔであるので、同図（Ａ）に示すように、短絡期間Ｔｓになると電流が増加してＶｌは正の値となり、アーク期間Ｔａになると電流が減少して負の値となる。したがって、この電圧値Ｖｌの値によって短絡状態を判別することができる（特許文献３、４参照）。しかし、溶接電流Ｉｗは短絡が発生していないアーク期間Ｔａ中もたえず変化しており、この変化によってもＶｌは正の値になるために、短絡状態だけを判別することは困難である。
【００１１】
さらに、上記とは別の短絡判別方法としては、ＡＣカップリング回路によって溶接電圧波形の０Ｖレベルをシフトし、このシフトした電圧値によって判別する方法がある（特許文献５参照）。しかし、この方法が適用できるのは短絡移行溶接時だけであり、グロビュール移行溶接、スプレー移行溶接時には適用することができない。
【００１２】
【特許文献１】特開昭６１−１７６４７４号公報
【特許文献２】特開昭６１−２３８４６９号公報
【特許文献３】特開平５−３２９６４０号公報
【特許文献４】特開２００１−９６３６４号公報
【特許文献５】特開平１０−２９６４４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
図８は、上述した短絡基準値Ｖｔを使用した短絡判別方法を示すアークスタート時の波形図である。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗを示し、同図（Ｃ）は短絡判別信号Ｓｄを示す。短絡判別信号Ｓｄは、Ｖｗ≦Ｖｔのときに短絡期間と判別してＨｉｇｈレベルになり、Ｖｗ＞Ｖｔのときにアーク期間と判別してアーク期間と判別してＬｏｗレベルになる。以下、同図を参照して説明する。
【００１４】
時刻ｔ１において溶接開始信号Ｓｔが入力されると溶接電源ＰＳの出力が開始されるので、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗが溶接ワイヤと母材との間に印加される。この時点では、溶接ワイヤは母材と非接触状態にあるので、溶接電圧Ｖｗは最大値の無負荷電圧値になる。時刻ｔ１において溶接ワイヤの送給が開始される。
【００１５】
時刻ｔ２において溶接ワイヤが母材と接触すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗが通電を開始する。時刻ｔ２〜ｔ３の短絡期間中は、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは低下して短絡電圧値になる。しかし、短絡基準値Ｖｔよりも大きいために短絡期間を判別することができず、同図（Ｃ）に示すように、短絡判別信号ＳｄはＬｏｗレベル（アーク期間）のままとなる。このために、溶接電源ＰＳは短絡期間としての溶接電流Ｉｗの制御ができないので、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは適正な増加波形に比べて急激な増加波形となる。この結果、スパッタの発生が増加し、溶接状態も不安定になる。時刻ｔ３〜ｔ４のアーク期間中は、同図（Ｂ）に示すように、Ｖｗ＞Ｖｔとなるのでアーク期間と判別し、同図（Ｃ）に示すように、短絡判別信号ＳｄはＬｏｗレベル（アーク期間）となる。このために、溶接電源ＰＳは、定電圧制御によるアーク長制御を行う。この結果、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは次第に減少する。時刻ｔ４〜ｔ６の期間の動作も同様であり、短絡判別は誤検出する。
【００１６】
時刻ｔ６〜ｔ７の短絡期間中は、同図（Ｂ）に示すように、Ｖｗ≦Ｖｔとなるので短絡期間が正しく判別されて、同図（Ｃ）に示すように、短絡判別信号ＳｄはＨｉｇｈレベル（短絡期間）となる。このために、同図（Ａ）に示すように、溶接電源ＰＳは定電流制御されて溶接電流Ｉｗの増加波形が適正化される。この結果、スパッタ発生の少ない安定した溶接状態になる。時刻ｔ７〜ｔ８のアーク期間中は、同図（Ｂ）に示すように、Ｖｗ＞Ｖｔとなるのでアーク期間と判別されて、溶接電源ＰＳは定電圧制御によるアーク長制御を行う。このために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは次第に減少する。これ以降の期間の動作も同様である。
【００１７】
上記において、時刻ｔ２〜ｔ３及び時刻ｔ４〜ｔ５の短絡期間中の短絡電圧値が大きくなる理由は以下のとおりである。すなわち、時刻ｔ１においてアークスタートした後に溶接状態が定常状態になるまでの過渡期間中は、溶融池の形成が不十分であるためにワイヤ突き出し長さが長くなりその抵抗値Ｒｓｘが定常状態よりも大きな値となり、かつ、溶融池を含む母材も低温であるためにその抵抗値Ｒｐも定常状態よりも大きくなる。このために、（１）式で上述したように、短絡電圧値はＶｗ＝（Ｒｃ＋Ｒｓｘ＋Ｒｐ）・Ｉｗとなるので、過渡期間中は短絡電圧値が定常状態よりも大きくなり上述した誤検出の原因となっている。短絡電圧値は溶接電流Ｉｗの変化幅によっても変化するが、過渡期間中のワイヤ突き出し部抵抗値Ｒｓｘ及び母材抵抗値Ｒｐの変化の方が大きい場合がある。この場合には、溶接ワイヤの材質が鉄鋼又はステンレス鋼であり、溶接ワイヤが細径であり、ワイヤ突き出し長さが長い場合である。このような溶接条件が重なると、過渡期間中の短絡電圧値が大きくなるために誤検出が発生することになる。
【００１８】
そこで、本発明は、アークスタート後の過渡期間中も短絡状態を正確に判別することができる消耗電極アーク溶接の短絡判別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、第１の発明は、
溶接ワイヤと母材との短絡状態を溶接電圧値が短絡基準値以下になったことを判別して行う消耗電極アーク溶接の短絡判別方法において、
アークスタート時点から定常溶接状態に至るまでの過渡期間中は、前記短絡基準値を定常溶接状態よりも大きな値に設定する、
ことを特徴とする消耗電極アーク溶接の短絡判別方法である。
【００２０】
第２の発明は、前記過渡期間中の前記短絡基準値は、過渡状態の進行に伴ってその値を次第に小さくする傾斜をゆうする、
ことを特徴とする第１の発明記載の消耗電極アーク溶接の短絡判別方法である。
【００２１】
第３の発明は、前記過渡期間を、アークスタート後の所定期間とする、
ことを特徴とする第１又は第２の発明記載の消耗電極アーク溶接の短絡判別方法である。
【００２２】
第４の発明は、前記過渡期間を、アークスタート後の溶接電流の積分値が所定値に達するまでの期間とする、
ことを特徴とする第１又は第２の発明記載の消耗電極アーク溶接の短絡判別方法である。
【００２３】
第５の発明は、前記過渡期間を、アークスタート後の短絡回数の積算値が所定回数に達するまでの期間とする、
ことを特徴とする第１又は第２の発明記載の消耗電極アーク溶接の短絡判別方法である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、アークスタート時点から定常溶接状態に至るまでの過渡期間中は、短絡基準値を定常溶接状態よりも大きな値に設定することによって、ワイヤ突き出し部抵抗値及び溶融池を含む母材の温度が定常状態になるまでの過渡状態にあっても短絡状態を正確に判別することができる。このために、短絡状態に応じた溶接電流制御を行うことができ、スパッタ発生の少ない高品質な溶接を行うことができる。
【００２５】
上記第４の発明によれば、上記の効果に加えて、アークスタート後の過渡期間を溶接電流の積分値が所定値に達するまでの期間としている。溶融池形成状態の進行に伴うワイヤ突き出し部抵抗値の変化及び溶融池を含む母材の温度上昇が電流積分値に略比例するために、電流積分値が所定値に達する時点で過渡期間が略収束することになる。したがって、過渡期間を正確に設定することができるので、短絡基準値を過渡期間により適合させることができ、短絡状態の判別精度がより向上する。
【００２６】
上記第５の発明によれば、上記の効果に加えて、アークスタート後の過渡期間を短絡回数の積算値が所定回数に達するまでの期間としている。溶融池形成状態の進行に伴うワイヤ突き出し部抵抗値の変化及び溶融池を含む母材の温度上昇が短絡回数積算値に略比例するために、短絡回数積算値が所定回数に達する時点で過渡期間が略収束することになる。したがって、過渡期間を正確に設定することができるので、短絡基準値を過渡期間により適合させることができ、短絡状態の判別精度がより向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
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。
【００２８】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接の短絡判別方法を示すアークスタート時の波形図である。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗを示し、同図（Ｃ）は短絡判別信号Ｓｄを示す。同図は上述した図８と対応しており、以下、図８とは異なる動作について同図を参照して説明する。
【００２９】
短絡基準値Ｖｔは、同図（Ｂ）に示すように、時刻ｔ２のアークスタート後から予め定めた過渡期間Ｔｉ中はその値が次第に小さくなる傾きを有して変化し、時刻ｔ８の過渡期間Ｔｉの終了時点で定常値に収束する。この過渡期間Ｔｉは、溶融池形成状態の進行に伴うワイヤ突き出し部抵抗値の変化及び溶融池を含む母材の温度が定常状態になり溶接状態が定常状態に収束するまでの期間である。この過渡期間Ｔｉは、図３〜５で後述するように、アークスタート後の所定期間、溶接電流積分値が所定値に達するまでの期間、短絡回数積算値が所定回数に達するまでの期間等として設定することができる。
【００３０】
短絡期間中の電圧は、上述したように（１）式で表すことができる。
Ｖｗ＝（Ｒｃ＋Ｒｓｘ＋Ｒｐ）・Ｉｗ
ここで、上記の過渡期間Ｔｉ中は、ワイヤ突き出し部抵抗値Ｒｓｘ及び溶融池を含む母材抵抗値Ｒｐが変化する。この変化に対応させて、短絡基準値Ｖｔの傾きを決定する。
【００３１】
同図（Ｂ）において、過渡期間Ｔｉ中の短絡期間（時刻ｔ２〜ｔ３、ｔ４〜ｔ５及びｔ６〜ｔ７）の電圧値Ｖｗは短絡基準値Ｖｔ以下になるために、同図（Ｃ）に示すように、短絡判別信号Ｓｄは誤検出することなく正しく短絡が判別されるのでＨｉｇｈレベルになる。時刻ｔ８以降においても短絡期間（時刻ｔ８〜ｔ９及びｔ１０〜ｔ１１）の電圧値Ｖｗは短絡基準値Ｖｔ以下になるために、同図（Ｃ）に示すように、短絡判別信号ＳｄはＨｉｇｈレベルになる。アーク期間中の電圧値Ｖｗは短絡基準値Ｖｔを超える値になるために、同図（Ｃ）に示すように、短絡判別信号ＳｄはＬｏｗレベルになる。以上のように、短絡期間及びアーク期間を正確に判別することができるために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗの変化を適正化することができるので、過渡期間Ｔｉ中からスパッタ発生の少ない安定した溶接状態を得ることができる。
【００３２】
図２は、本発明の実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接の短絡判別方法を実施するための溶接電源のブロック図である。溶接装置は上述した図６と同一であり、その構成物の１つである溶接電源ＰＳの詳細ブロックが同図である。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。
【００３３】
電源主回路ＰＭは、３相２００Ｖ等の商用電源を入力として、後述する駆動信号Ｄｖに従ってインバータ制御によって出力制御され、リアクトルＷＬを介して溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力する。この電源主回路ＰＭは、商用電源を整流する１次整流器、整流された電圧を平滑する平滑コンデンサ、平滑された直流電圧を高周波交流に変換するインバータ回路、高周波交流をアーク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整流する２次整流器から成る。
【００３４】
溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給モータ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内を送給され、母材２との間にアーク３が発生する。
【００３５】
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。電流通電判別回路ＣＤは、上記の電流検出信号Ｉｄが正の値になったことを判別（溶接電流Ｉｗが通電を開始したことを判別）してＨｉｇｈレベルになる電流通電判別信号Ｃｄを出力する。短絡基準値設定回路ＶＴは、この電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルになったことを入力として、図３で後述するように予め定めた関数Ｖｔ＝ｆ（ｔ）に従って算出される短絡基準値信号Ｖｔを出力する。ここで、ｔは電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルになった時点（アークスタート時点）からの経過時間である。短絡判別回路ＳＤは、上記の電圧検出信号Ｖｄと上記の短絡基準値信号Ｖｔとを比較して、Ｖｄ≦Ｖｔのときに短絡期間と判別してＨｉｇｈレベルになり、Ｖｄ＞Ｖｔのときにアーク期間と判別してＬｏｗレベルになる短絡判別信号Ｓｄを出力する。
【００３６】
送給制御回路ＦＣは、外部からの溶接開始信号Ｓｔを入力として、ワイヤ送給モータＷＭの回転を制御するための送給制御信号Ｆｃを出力する。溶接開始信号Ｓｔが入力されると溶接ワイヤ１の送給が開始される。
【００３７】
短絡電流設定回路ＩＳＲは、予め定めた短絡電流波形となるように短絡電流設定信号Ｉsrを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、この短絡電流設定信号Ｉsr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。電圧設定回路ＶＲは、予め定めた電圧設定信号Ｖｒを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、この電圧設定信号Ｖｒと上記の電圧検出信号Ｖｄとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。
【００３８】
外部特性切換回路ＳＰは、上記の短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベルのときは上記の電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力し、Ｌｏｗレベルのときは上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。したがって、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）のときは溶接電源の外部特性は定電流特性となり、Ｌｏｗレベル（アーク期間）のときは定電圧特性となる。駆動回路ＤＶは、上記の溶接開始信号Ｓｔが入力されると、上記の誤差増幅信号Ｅａに従ってパルス幅変調制御を行い、上述した電源主回路ＰＭに含まれるインバータ回路を駆動するための駆動信号Ｄｖを出力する。
【００３９】
図３は、上述した短絡基準値設定回路ＶＴに内蔵されている関数Ｖｔ＝ｆ（ｔ）の一例を示す図である。同図の横軸は上記の電流通電判別信号ＣｄがＨｉｇｈレベルになった時点（アークスタート時点）からの経過時間ｔを示し、縦軸は短絡基準値Ｖｔを示す。同図に示すように、ｔ＝０のときＶｔ＝Ｖatとなり、ｔ＝ＴｂのときＶｔ＝Ｖbtとなる。したがって、この関数は下式で表すことができる。
０≧ｔ＜Ｔｂ Ｖｔ＝（Ｖbt−Ｖat）／Ｔｂ＋Ｖat
Ｔｂ≧ｔ Ｖｔ＝Ｖbt
ここで、過渡期間Ｔｉ＝Ｔｂである。
【００４０】
上記関数におけるＶat、Ｖbt又はＴｂの内の少なくとも１つ以上は、溶接ワイヤの材質、直径、溶接法等によって適正値に変化させることが望ましい。これらの条件によって溶融池形成状態の進行に伴うワイヤ突き出し部抵抗値の変化及び溶融池を含む母材の温度上昇速度が異なるためである。数値例を挙げると、直径１．２mmの鉄鋼ワイヤ及びステンレス鋼ワイヤでは（Ｖbt−Ｖat）＝２〜５Ｖ程度であり、直径１．６mmのアルミニウム合金ワイヤでは０．２〜２Ｖ程度である。Ｔｂ＝１００〜３００ms程度である。
【００４１】
上述した実施の形態１によれば、アークスタート時点から定常溶接状態に至るまでの過渡期間中は、短絡基準値を定常溶接状態よりも大きな値に設定することによって、溶融池形成状態の進行に伴うワイヤ突き出し部抵抗値の変化及び溶融池を含む母材の温度が定常状態になるまでの過渡状態にあっても短絡状態を正確に判別することができる。このために、短絡状態に応じた溶接電流制御を行うことができ、スパッタ発生の少ない高品質な溶接を行うことができる。
【００４２】
［実施の形態２］
図４は、上述した短絡基準値設定回路ＶＴに内蔵されている関数の図３とは別の一例を示す図である。同図の横軸はアークスタート時点からの溶接電流Ｉｗの積分値（以下、電流積分値Ｓｉという）を示し、縦軸は短絡基準値Ｖｔを示す。同図に示すように、Ｓｉ＝０のときＶｔ＝Ｖatとなり、Ｓｉ＝ＳbiのときＶｔ＝Ｖbtとなる。したがって、この関数は下式で表すことができる。
０≧Ｓｉ＜Ｓbi Ｖｔ＝（Ｖbt−Ｖat）／Ｓbi＋Ｖat
Ｓbi≧Ｓｉ Ｖｔ＝Ｖbt
ここで、過渡期間Ｔｉは電流積分値Ｓｉ＝Ｓbiとなる時点である。
【００４３】
上記関数におけるＶat、Ｖbt又はＳbiの内の少なくとも１つ以上は、溶接ワイヤの材質、直径、溶接法等によって適正値に変化させることが望ましい。これらの条件によって溶融池形成状態の進行に伴うワイヤ突き出し部抵抗値の変化及び溶融池を含む母材の温度上昇速度が異なるためである。
【００４４】
本実施の形態を実施するための溶接電源ＰＳのブロック図は、上述した図２のブロック図における電流通電判別回路ＣＤを以下のように変更したものである。すなわち、電流通電判別回路ＣＤの代わりに電流積分回路ＳＩを設けたものである。この電流積分回路ＳＩは、電流検出信号Ｉｄを積分して電流積分値信号Ｓｉを出力する。これ以外のブロックは同一である。
【００４５】
上述した実施の形態２によれば、アークスタート後の過渡期間Ｔｉを溶接電流の積分値Ｓｉが所定値Ｓbiに達するまでの期間としている。溶融池形成状態の進行に伴うワイヤ突き出し部抵抗値の変化及び溶融池を含む母材の温度上昇が電流積分値Ｓｉに略比例するために、電流積分値Ｓｉが所定値Ｓbiに達する時点で過渡期間Ｔｉが略収束することになる。したがって、過渡期間Ｔｉを正確に設定することができるので、短絡基準値を過渡期間Ｔｉにより適合させることができ、短絡状態の判別精度がより向上する。
【００４６】
［実施の形態３］
図５は、上述した短絡基準値設定回路ＶＴに内蔵されている関数の図３及び４とは別の一例を示す図である。同図の横軸はアークスタート時点からの短絡回数の積算値Ｎを示し、縦軸は短絡基準値Ｖｔを示す。同図に示すように、Ｎ＝０のときＶｔ＝Ｖatとなり、Ｎ＝ＮｂのときＶｔ＝Ｖbtとなる。したがって、この関数は下式で表すことができる。
０≧Ｎ＜Ｎｂ Ｖｔ＝（Ｖbt−Ｖat）／Ｎｂ＋Ｖat
Ｎｂ≧Ｎ Ｖｔ＝Ｖbt
ここで、過渡期間Ｔｉは短絡回数積算値Ｎ＝Ｎｂとなる時点である。
【００４７】
上記関数におけるＶat、Ｖbt又はＮｂの内の少なくとも１つ以上は、溶接ワイヤの材質、直径、溶接法等によって適正値に変化させることが望ましい。これらの条件によって溶融池形成状態の進行に伴うワイヤ突き出し部抵抗値の変化及び溶融池を含む母材の温度上昇速度が異なるためである。
【００４８】
本実施の形態を実施するための溶接電源ＰＳのブロック図は、上述した図２のブロック図における電流通電判別回路ＣＤを以下のように変更したものである。すなわち、電流通電判別回路ＣＤの代わりに短絡回数積算回路ＮＳを設けたものである。この短絡回数積算回路ＮＳは、短絡判別信号Ｓｄを積算して短絡回数積算値信号Ｎｓを出力する。これ以外のブロックは同一である。
【００４９】
上述した実施の形態３によれば、アークスタート後の過渡期間Ｔｉを短絡回数の積算値Ｎが所定回数Ｎｂに達するまでの期間としている。溶融池形成状態の進行に伴うワイヤ突き出し部抵抗値の変化及び溶融池を含む母材の温度上昇が短絡回数積算値Ｎに略比例するために、短絡回数積算値Ｎが所定回数Ｎｂに達する時点で過渡期間Ｔｉが略収束することになる。したがって、過渡期間Ｔｉを正確に設定することができるので、短絡基準値を過渡期間Ｔｉにより適合させることができ、短絡状態の判別精度がより向上する。
【００５０】
上記の実施の形態１〜３は短絡移行溶接の場合を例示したが、短絡を伴うグロビュール移行溶接、短絡を伴うスプレー移行溶接、短絡を伴うパルスアーク溶接、短絡を伴う交流消耗電極アーク溶接等にも適用することができる。また、上述した図３〜５においては、短絡基準値Ｖｔが過渡期間中に次第に小さくなる傾斜を有する場合を例示したが、ステップ状に降下するようにしても良い。また、曲線状に小さくなるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接の短絡判別方法を示す波形図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る溶接電源ＰＳのブロック図である。
【図３】図２の短絡基準値設定回路ＶＴに内蔵されている関数を示す図である。
【図４】図２の短絡基準値設定回路ＶＴに内蔵されている図３とは別の関数を示す図である。
【図５】図２の短絡基準値設定回路ＶＴに内蔵されている図３及び４とは別の関数を示す図である。
【図６】従来技術の消耗電極アーク溶接装置の構成図である。
【図７】従来技術の短絡判別方法を示す波形図である。
【図８】課題を説明するためのアークスタート後の過渡期間中における短絡判別状態を示す波形図である。
【符号の説明】
【００５２】
１ 溶接ワイヤ
２ 母材
２ａ 溶融池
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
６ａ、６ｂ 溶接用ケーブル
ＣＤ 電流通電判別回路
Ｃｄ 電流通電判別信号
ＤＶ 駆動回路
Ｄｖ 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 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＳＲ 短絡電流設定回路
Ｉsr 短絡電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
Ｋ１、Ｋ２ 定数
Ｎ 短絡回数積算値
Ｎｂ 短絡回数積算値の所定回数
ＮＳ 短絡回数積算回路
Ｎｓ 短絡回数積算値信号
ＰＭ 電源主回路
ＰＳ 溶接電源
Ｒａｘ アーク発生時のワイヤ突き出し部抵抗値
Ｒｃ 溶接用ケーブルの抵抗値
Ｒｐ 溶融池を含む母材抵抗値
Ｒｓｘ 短絡時のワイヤ突き出し部抵抗値
Ｓbi 電流積分値の所定値
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
ＳＩ 電流積分回路
Ｓｉ 電流積分値（信号）
ＳＰ 外部特性切換回路
ＳＴ 溶接開始回路
Ｓｔ 溶接開始信号
ｔ アークスタート後の経過時間
Ｔａ アーク期間
Ｔｉ 過渡期間
Ｔｓ 短絡期間
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖｌ リアクトルに発生する電圧
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
ＶＴ 短絡基準値設定回路
Ｖｔ 短絡基準値（信号）
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＬ リアクトル
ＷＭ ワイヤ送給モータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接ワイヤと母材との短絡状態を溶接電圧値が短絡基準値以下になったことを判別して行う消耗電極アーク溶接の短絡判別方法において、
アークスタート時点から定常溶接状態に至るまでの過渡期間中は、前記短絡基準値を定常溶接状態よりも大きな値に設定する、
ことを特徴とする消耗電極アーク溶接の短絡判別方法。
【請求項２】
前記過渡期間中の前記短絡基準値は、過渡状態の進行に伴ってその値を次第に小さくする傾斜をゆうする、
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短絡判別方法。
【請求項３】
前記過渡期間を、アークスタート後の所定期間とする、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の消耗電極アーク溶接の短絡判別方法。
【請求項４】
前記過渡期間を、アークスタート後の溶接電流の積分値が所定値に達するまでの期間とする、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の消耗電極アーク溶接の短絡判別方法。
【請求項５】
前記過渡期間を、アークスタート後の短絡回数の積算値が所定回数に達するまでの期間とする、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の消耗電極アーク溶接の短絡判別方法。
【請求項１】
溶接ワイヤと母材との短絡状態を溶接電圧値が短絡基準値以下になったことを判別して行う消耗電極アーク溶接の短絡判別方法において、
アークスタート時点から定常溶接状態に至るまでの過渡期間中は、前記短絡基準値を定常溶接状態よりも大きな値に設定する、
ことを特徴とする消耗電極アーク溶接の短絡判別方法。
【請求項２】
前記過渡期間中の前記短絡基準値は、過渡状態の進行に伴ってその値を次第に小さくする傾斜をゆうする、
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短絡判別方法。
【請求項３】
前記過渡期間を、アークスタート後の所定期間とする、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の消耗電極アーク溶接の短絡判別方法。
【請求項４】
前記過渡期間を、アークスタート後の溶接電流の積分値が所定値に達するまでの期間とする、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の消耗電極アーク溶接の短絡判別方法。
【請求項５】
前記過渡期間を、アークスタート後の短絡回数の積算値が所定回数に達するまでの期間とする、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の消耗電極アーク溶接の短絡判別方法。
【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２００９−１６６０６９（Ｐ２００９−１６６０６９Ａ）
【公開日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５４４９（Ｐ２００８−５４４９）
【出願日】平成２０年１月１５日（２００８．１．１５）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月３０日（２００９．７．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月１５日（２００８．１．１５）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
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