説明

消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法

【課題】 消耗電極交流パルスアーク溶接において、極性切換時に短絡が発生しているときのアーク安定性を良好にする。
【解決手段】 本発明は、電極プラス極性期間Tep中はピーク電流Ip及びベース電流Ibを通電し、電極マイナス極性期間Ten中は電極マイナス電流Inを通電し、前記電極プラス極性期間Tepと前記電極マイナス極性期間Tenとを交互に切り換えて溶接する消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法において、極性切換に際して、消耗電極と母材とが短絡しているときは短絡が解除されてアークが再発生し予め定めた遅延期間Tdが経過した後に極性切換を行う消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、消耗電極交流パルスアーク溶接において極性切換時の安定性を向上させるための消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
消耗電極交流パルスアーク溶接(以下、交流パルスアーク溶接という)は、溶接ワイヤを定速で送給すると共に、電極プラス極性期間Tep中はピーク電流Ip及びベース電流Ibを通電し、電極マイナス極性期間Ten中は電極マイナス電流Inを通電し、電極プラス極性期間Tepと電極マイナス極性期間Tenとを交互に切り換えて溶接を行う。この交流パルスアーク溶接において、高品質な溶接を行うためには、極性切換時にアーク切れが発生することなく安定に行われることが重要である。このために、極性切換時に溶接ワイヤ・母材間に高電圧を印加することでアーク切れを防止している。以下、従来技術の交流パルスアーク溶接について説明する。
【0003】
図4は、交流パルスアーク溶接の波形図である。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)は極性切換信号Cpを示す。この極性切換信号CpがHighレベルからLowレベルに変化すると電極プラス極性期間Tepから電極マイナス極性期間Tenに切り換える動作に移行し、LowレベルからHighレベルに変化すると電極マイナス極性期間Tenから電極プラス極性期間Tepに切り換える動作に移行する。以下、同図を参照して説明する。
【0004】
(1)時刻t1〜t2の期間
時刻t1において、同図(C)に示すように、極性切換信号CpがLowレベルに変化すると、同図(A)に示すように、電極プラス極性期間Tepのベース電流Ibは予め定めた極性切換電流値Icに向けて減少する。時刻t2において、同図(A)に示すように、溶接電流Iwが極性切換電流値Icに等しくなると、高電圧が印加されると共に、同図(B)に示すように、極性が電極マイナス極性期間Tenに切り換わる。
【0005】
(2)時刻t2〜t3の期間
時刻t2〜t3の所定期間中は、電極マイナス極性ENで、同図(A)に示すように、予め定めた電極マイナス電流Inが通電し、同図(B)に示すように、電極マイナス電圧Vnが印加する。
【0006】
(3)時刻t3〜t4の期間
時刻t3において上記の所定期間が終了し、同図(C)に示すように、極性切換信号CpがHighレベルに変化すると、同図(A)に示すように、電極マイナス電流Inは極性切換電流値Icに向けて減少する。時刻t4において、同図(A)に示すように、溶接電流Iwが極性切換電流値Icに等しくなると、高電圧が印加されると共に、同図(B)に示すように、極性が電極プラス極性EPにに切り換わる。
【0007】
(4)時刻t4〜t5の期間
時刻t4〜t5の予め定めたピーク期間Tp中は、電極プラス極性EPで、同図(A)に示すように、予め定めたピーク電流IPが通電し、同図(B)に示すように、ピーク電圧Vpが印加する。
【0008】
(5)時刻t5〜t8の期間
時刻t5〜t8のフィードバック制御によって定まるベース期間Tb中は、電極プラス極性EPで、同図(A)に示すように、予め定めたベース電流Ibが通電し、同図(B)に示すように、ベース電圧Vbが印加する。
【0009】
(6)時刻t8〜t9の期間
上記(1)の動作に戻る。
【0010】
(7)時刻t6〜t7の期間
ベース期間Tb中の時刻t6〜t7の期間中、溶接ワイヤと母材とが短絡すると、同図(B)に示すように、溶接電圧Vwは低い短絡電圧値になり、同図(A)に示すように、短絡を早期に解除してアークを再発生させるために増加する短絡電流Isが通電する。その結果、時刻t7においてアークは再発生する。短絡は、ベース期間Tb中だけでなく、ピーク期間Tp及び電極マイナス極性期間Ten中にも発生し、同様に短絡電流Isを通電する。
【0011】
同図において、時刻t2〜t4の期間が電極マイナス極性期間Tenになり、時刻t4〜t9の期間が電極プラス極性期間Tepになる。上述したように、極性切換時に溶接電流Iwを極性切換電流値Icまで減少させるのは、極性切換時の電流変化に伴い発生するサージ電圧を抑制して極性切換用スイッチング素子を保護するためであり、慣用されている。上述した従来技術としては、例えば、特許文献1、2参照。
【0012】
【特許文献1】特開昭58−38664号公報
【特許文献2】特開2005−349406号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
上述した従来技術の交流パルスアーク溶接においては、極性切換時に高電圧を印加することによってアーク切れを防止して安定した極性切換を実現している。しかし、後述するように、極性切換時に短絡が発生している場合には長期短絡が発生しアーク切れが生じるおそれが高くなる。以下、この従来技術の問題点について説明する。
【0014】
図5は、極性切換時に短絡が発生しているときの上述した図4に対応する波形図である。同図において、時刻t1〜t6までは図4と同一であるので説明は省略する。以下、同図を参照して時刻t6以降について説明する。
【0015】
時刻t6において短絡が発生すると、同図(B)に示すように、溶接電圧Vwは低い短絡電圧値になり、同図(A)に示すように、溶接電流Iwは短絡電流Isになり増加する。時刻t7において、同図(C)に示すように、極性切換信号CpがLowレベルに変化すると電極マイナス極性ENへの切換動作に移行するので、同図(A)に示すように、溶接電流Iw(短絡電流Is)は極性切換電流値Icに向けて減少する。しかし、同図(B)に示すように、短絡状態のままであるために、同図(A)に示すように、溶接電流Iwの減少速度はアーク発生状態よりもかなり緩やかになる。時刻t7〜t8の期間中、短絡状態謡であるにもかかわらず溶接電流Iwを減少させるために、より短絡状態が解除されにくい状態になる。
【0016】
時刻t8において、同図(A)に示すように、溶接電流Iwが極性切換電流値Icに等しくなると電極マイナス極性ENに切り換わる。しかし、同図(B)に示すように、極性が切り換わっても短絡状態は維持される。このために、同図(A)に示すように、時刻t8以降も電極マイナス極性ENでの大電流値の短絡電流Isが誘電し、時刻t9においてワイヤ突出し部が溶断しアーク切れが発生する。
【0017】
このように、極性切換時に短絡が発生している場合、極性切換のために溶接電流Iwを減少させることによって短絡状態がより強固になり、短絡状態が長く続きアーク状態が不安定になったり、溶断によってアーク切れが発生したりする。このような現象が発生する背景は、パルスアーク溶接が短絡移行溶接ではないことである。このために、パルスアーク溶接においては、アーク安定化のために早期に短絡を解除してアークを再発生させる必要がある。CO2溶接及びMAG溶接等の短絡移行溶接では、短絡が1秒間に百回前後周期的に発生するので、この短絡期間中に極性切換を行うことができる。しかし、パルスアーク溶接では、短絡は不規則に発生するためにアーク発生状態で極性切換を行うように設計されている。
【0018】
そこで、本発明では、極性切換時に短絡が発生していても安定した極性切換を行うことができる消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法を提供する。
【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、電極プラス極性期間中はピーク電流及びベース電流を通電し、電極マイナス極性期間中は電極マイナス電流を通電し、前記電極プラス極性期間と前記電極マイナス極性期間とを交互に切り換えて溶接する消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法において、
極性切換に際して、消耗電極と母材とが短絡しているときは短絡が解除されてアークが再発生した後に極性切換を行う、ことを特徴とする消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法である。
【0020】
第2の発明は、前記アーク再発生時点から予め定めた遅延期間が経過した時点で極性切換を行う、ことを特徴とする第1の発明記載の消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法である。
【0021】
第3の発明は、前記遅延期間中は前記アーク再発生時点の溶接電流を維持する、ことを特徴とする第2の発明記載の消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法である。
【発明の効果】
【0022】
上記第1の発明によれば、極性切換に際して短絡が発生しているときはアークが再発生した後に極性切換動作を行う。このために、極性切換が安定化し、長期短絡及びアーク切れを防止することができる。特に、母材への入熱低減又は高速溶接を目的として溶接電圧を低めに設定した場合短絡が多数発生するので、より効果が大きい。
【0023】
上記第2の発明によれば、アーク再発生時点から遅延期間が経過した時点で極性切換動作を行う。このために、上記第1の発明の効果に加えて、アークが再発生した直後に再短絡して不安定になることを防止することができる。
【0024】
上記第3の発明によれば、遅延期間中はアーク再発生時点での大電流値の溶接電流を維持することで、アーク長を長くすることができる。このために、上記第2の効果である再短絡をさらに確実にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0025】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【0026】
図2は、本発明の実施の形態に係る消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法を実施するための溶接電源のブロック図である。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。
【0027】
インバータ回路INVは、3相200V等の商用電源ACを入力として整流・平滑し、後述するパルス幅変調信号Pwmに従ってインバータ制御を行い、高周波交流を出力する。高周波トランスINTは、この高周波交流をアーク溶接に適した電圧値に降圧する。2次側整流器D2a〜D2dは、降圧された高周波交流を整流する。リアクトルWLは、整流された直流出力を平滑する。トランジスタTR1〜TR4は、2次側インバータ回路を形成して、電極プラス極性EP又は電極マイナス極性ENの溶接電圧Vw及び溶接電流Iwを出力する。トランジスタTR1及びTR2がオンしているときは電極プラス極性EPになり、トランジスタTR3及びTR4がオンしているときは電極マイナス極性ENになる。溶接ワイヤ1は、ワイヤ送給装置の送給ロール5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。
【0028】
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。平均電圧算出回路VAVは、この電圧検出信号Vdを平均化して、平均電圧信号Vav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、上記の電圧設定信号Vrと平均電圧信号Vavとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号ΔVを出力する。V/Fコンバータ回路VFは、この電圧誤差増幅信号ΔVに比例した周波数を有するパルス周期信号Tfを出力する。これにより、溶接電圧Vwの平均値が電圧設定信号Vrの値と等しくなるようにパルス周期(ベース期間)がフィードバック制御される。
【0029】
電流検出回路IDは、溶接電流Iwを検出してその絶対値を算出し、電流検出信号Idを出力する。短絡判別回路SDは、上記の電圧検出信号Vdの値によって短絡状態を判別して、短絡判別信号Sdを出力する。電流比較回路CMは、上記の電流検出信号Idの値が予め定めた極性切換電流値Ic以下になったときにHighレベルとなる、電流比較信号Cmを出力する。主制御回路CCは、上記のパルス周期信号Tf、短絡判別信号Sd及び電流比較信号Cmを入力として、図1で詳述する処理を行い、起動停止信号St、電流設定信号Ir及び駆動制御信号Dcを出力する。
【0030】
電流誤差増幅回路EIは、上記の電流設定信号Irと電流検出信号Idとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Eiを出力する。パルス幅変調回路PWMは、上記の起動停止信号Stが出力されていないとき(Lowレベル)、上記の電流誤差増幅信号Eiに基づいてパルス幅変調を行い、パルス幅変調信号Pwmを出力する。駆動回路DVは、上記の駆動制御信号Dcに基づいてトランジスタTR1〜TR4を駆動する。
【0031】
図1は、本発明の実施の形態に係る消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法を示し、上述した溶接電源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を示し、同図(B)は溶接電圧Vwを示し、同図(C)はパルス周期信号Tfを示し、同図(D)は起動停止信号Stを示し、同図(E)は駆動制御信号Dcを示す。同図は極性切換時に短絡が発生している場合である。以下、同図を参照して説明する。
【0032】
(1)時刻t1〜t2の期間
時刻t1において、同図(C)に示すように、パルス周期信号Tfが短時間Highレベルに変化すると、同図(D)に示すように、起動停止信号StがHighレベルになり溶接電源は出力を停止し、同図(A)に示すように、溶接電流Iwは減少する。時刻t2において溶接電流Iwが極性切換電流値Icまで減少し、図2に示す電流比較信号CmがHighレベルに変化すると、同図(D)に示すように、起動停止信号StはLowレベルに戻るので溶接電源は出力を開始する。これに応動して、図2に示す電流設定信号Irは電極マイナス電流Inに相当する値となり、同図(E)に示すように、駆動制御信号DcはLowレベルに変化するので、トランジスタTR3及びTR4はオンになり電極マイナス極性ENに切り換わる。
【0033】
(2)時刻t2〜t3の期間
時刻t2〜t3の所定期間中は、同図(E)に示すように、駆動制御信号DcはLowレベルのままであるので、同図(A)に示すように、電極マイナス電流Inが通電し、同図(B)に示すように、電極マイナス電圧が印加する。
【0034】
(3)時刻t3〜t4の期間
時刻t4において所定期間が経過すると、同図(D)に示すように、起動停止信号StがHighレベルになり溶接電源は出力を停止し、同図(A)に示すように、溶接電流Iwは減少する。時刻t4において溶接電流Iwが極性切換電流値Icまで減少し図2に示す電流比較信号CmがHighレベルに変化すると、同図(D)に示すように、起動停止信号StはLowレベルに戻るので溶接電源は出力を開始する。これに応動して、図2に示す電流設定信号Irはピーク電流Ipに相当する値となり、同図(E)に示すように、駆動制御信号DcはHighレベルに変化するので、トランジスタTR1及びTR2はオンになり電極プラス極性EPに切り換わる。
【0035】
(4)時刻t4〜t5の期間
時刻t4〜t5の予め定めたピーク期間Tp中は、同図(E)に示すように、駆動制御信号DcはHighレベルのままであるので、同図(A)に示すように、電極プラス極性EPでピーク電流Ipが通電し、同図(B)に示すように、ピーク電圧が印加する。
【0036】
(5)時刻t5〜t6の期間
時刻t5〜t6のベース期間Tb中は、同図(A)に示すように、ベース電流Ibが通電し、同図(B)に示すように、ベース電圧が印加する。
【0037】
(6)時刻t6〜t7の期間
時刻t6において短絡が発生すると、同図(B)に示すように、溶接電圧Vwは低い短絡電圧値になり、同図(A)に示すように、溶接電流Iwは短絡電流Isとなり増加する。
【0038】
(7)時刻t7〜t8の期間
時刻t7において、同図(C)に示すように、パルス周期信号Tfが短時間Highレベルに変化するが短絡発生中であるので極性切換動作には移行しないので、同図(D)に示すように、起動停止信号Stは変化しない。このために、同図(A)に示すように、短絡電流Isの通電が継続される。
【0039】
(8)時刻t8〜t9の期間
時刻t8において短絡電流Isの通電によってアークが再発生すると、その時点から時刻t9までの予め定めた遅延期間Td中は、アーク再発生時の電流を維持する。このときに電流値はベース電流値Ibに戻しても良い。遅延期間Tdを設ける理由は、アーク再発生直後の再短絡を防止するためである。遅延期間Tdは、0〜数msの範囲で適正値に設定する。遅延期間Tdはなしでも良い。
【0040】
(9)時刻t9〜t10の期間
時刻t9において遅延期間Tdが経過すると、同図(D)に示すように、起動停止信号StがHighレベルになり溶接電源は出力を停止し、同図(A)に示すように、溶接電流Iwは減少する。時刻t10において溶接電流Iwが極性切換電流値Icまで減少し図2に示す電流比較信号CmがHighレベルに変化すると、同図(D)に示すように、起動停止信号StはLowレベルに戻るので溶接電源は出力を開始する。これに応動して、図2に示す電流設定信号Irは電極マイナス電流Inに相当する値となり、同図(E)に示すように、駆動制御信号DcはLowレベルに変化するので、トランジスタTR3及びTR4はオンになり電極マイナス極性ENに切り換わる。
【0041】
上記(1)〜(9)の動作を繰り返して溶接が進行する。上述した実施の形態によれば、極性切換に際して短絡が発生しているときはアークが再発生した後に極性切換動作を行う。このために、極性切換が安定化し、長期短絡及びアーク切れを防止することができる。
【0042】
[効果]
図3は、本発明の効果の一例を示す長期短絡発生回数の比較図である。同図は、直径1.2mmのアルミニウム合金ワイヤを使用し、100A−15.5Vで交流パルスMIG溶接を行い、10ms以上の長期短絡が30秒間に何回発生したかをカウントしたものである。また、同図では、効果を明確にするために、溶接電圧値を適正範囲内で低い値に設定して短絡が発生しやすい条件にしている。
【0043】
同図に示すように、従来技術では短絡が長期短絡に至った回数が83回もあったが、これに対して本発明では0回に減少した。両者とも略同じ回数の短絡が発生しているので、本発明では長期短絡に至らずにアークが再発生していることになる。長期短絡が発生しないことはアーク切れも発生しないことであり、アーク安定性が良好になる。
【図面の簡単な説明】
【0044】
【図1】本発明の実施の形態に係る消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法を示すタイミングチャートである。
【図2】本発明の実施の形態に係る溶接電源のブロック図である。
【図3】本発明の効果の一理を示す長期短絡発生回数の比較図である。
【図4】従来技術の交流パルスアーク溶接の電流・電圧波形図である。
【図5】課題を示す図4に対応する電流・電圧波形図である。
【符号の説明】
【0045】
1 溶接ワイヤ
2 母材
3 アーク
4 溶接トーチ
5 送給ロール
AC 商用電源
CC 主制御回路
CM 電流比較回路
Cm 電流比較信号
Cp 極性切換信号
D2a-D2d 2次側整流器
Dc 駆動制御信号
DV 駆動回路
Dv 駆動信号
EI 電流誤差増幅回路
Ei 電流誤差増幅信号
EN 電極マイナス極性
EP 電極プラス極性
EV 電圧誤差増幅回路
Ib ベース電流
Ic 極性切換電流値
ID 電流検出回路
Id 電流検出信号
In 電極マイナス電流
INT 高周波トランス
INV インバータ回路
Ip ピーク電流
Ir 電流設定信号
Is 短絡電流
Iw 溶接電流
PWM パルス幅変調回路
Pwm パルス幅変調信号
SD 短絡判別回路
Sd 短絡判別信号
St 起動停止信号
Tb ベース期間
Td 遅延期間
Ten 電極マイナス極性期間
Tep 電極プラス極性期間
Tf パルス周期信号
Tp ピーク期間
TR1〜TR4 トランジスタ
VAV 平均電圧算出回路
Vav 平均電圧信号
Vb ベース電圧
VD 電圧検出回路
Vd 電圧検出信号
VF V/Fコンバータ回路
Vn 電極マイナス電圧
Vp ピーク電圧
VR 電圧設定回路
Vr 電圧設定信号
Vw 溶接電圧
WL リアクトル
ΔV 電圧誤差増幅信号


【特許請求の範囲】
【請求項1】
電極プラス極性期間中はピーク電流及びベース電流を通電し、電極マイナス極性期間中は電極マイナス電流を通電し、前記電極プラス極性期間と前記電極マイナス極性期間とを交互に切り換えて溶接する消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法において、
極性切換に際して、消耗電極と母材とが短絡しているときは短絡が解除されてアークが再発生した後に極性切換を行う、ことを特徴とする消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法。
【請求項2】
前記アーク再発生時点から予め定めた遅延期間が経過した時点で極性切換を行う、ことを特徴とする請求項1記載の消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法。
【請求項3】
前記遅延期間中は前記アーク再発生時点の溶接電流を維持する、ことを特徴とする請求項2記載の消耗電極交流パルスアーク溶接の極性切換制御方法。


【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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