溶接装置および炭酸ガスアーク溶接方法
【課題】スパッタが低減し、溶接品質が向上した炭酸ガスアーク溶接方法および溶接装置を提供する。
【解決手段】溶接装置は、トーチと母材との間に電圧を与えるための電源回路と、電源回路の電圧を制御する電源制御装置とを備える。電源制御装置は、短絡期間Ｔｓの後に続くアーク期間の初期の第１アーク期間Ｔａ１にハイレベル電流が出力され、アーク期間の後期の第２アーク期間Ｔａ２に定電圧制御された溶接電圧に対応したアーク電流が出力されるように、電源回路を制御する。電源制御装置は、ハイレベル電流に一定周波数かつ一定振幅で増減する波形を重畳してハイレベル電流が発生されるように電源回路を制御する。波形の重畳により、溶滴がアーク反力によってせり上がることを防止して、溶滴の形成を安定させることができる。
【解決手段】溶接装置は、トーチと母材との間に電圧を与えるための電源回路と、電源回路の電圧を制御する電源制御装置とを備える。電源制御装置は、短絡期間Ｔｓの後に続くアーク期間の初期の第１アーク期間Ｔａ１にハイレベル電流が出力され、アーク期間の後期の第２アーク期間Ｔａ２に定電圧制御された溶接電圧に対応したアーク電流が出力されるように、電源回路を制御する。電源制御装置は、ハイレベル電流に一定周波数かつ一定振幅で増減する波形を重畳してハイレベル電流が発生されるように電源回路を制御する。波形の重畳により、溶滴がアーク反力によってせり上がることを防止して、溶滴の形成を安定させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、溶接装置および炭酸ガスアーク溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特公平４−４０７４号公報（特許文献１）には、消耗電極と母材との間で短絡とアーク発生とを繰り返す消耗電極式アーク溶接方法が開示されている。この消耗電極式アーク溶接方法は、溶滴の形成過程と溶滴の母材への移行過程とを繰り返す。
【０００３】
図９は、短絡とアーク発生とを繰り返す消耗電極式アーク溶接方法を説明するための図である。
【０００４】
図９を参照して、短絡とアーク発生とを繰り返す消耗電極式アーク溶接方法では、以下に説明する（ａ）〜（ｆ）の過程が順に繰り返し実行される。（ａ）溶滴が溶融池と接触した短絡初期状態、（ｂ）溶滴と溶融池との接触が確実になって溶滴が溶融池に移行している短絡中期状態、（ｃ）溶滴が溶融池側へ移行して溶接ワイヤと溶融池との間の溶滴にくびれが生じた短絡後期状態、（ｄ）短絡が破れてアークが発生、（ｅ）溶接ワイヤの先端が溶融して溶滴が成長するアーク発生状態、（ｆ）溶滴が成長し溶融池と短絡する直前のアーク発生状態。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平４−４０７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特公平４−４０７４号公報で示された従来の短絡移行溶接では、アークと短絡とが規則的に発生する。しかし、高い電流（＞２００Ａ）で炭酸ガスアーク溶接法によって溶接を行なう場合には、短絡を伴うグロビュール移行では、アーク反力によって溶滴がワイヤ上部にせり上がり、アーク時間が延びて周期的な短絡の発生が困難になり、アークと短絡とが不規則に発生する。
【０００７】
このように、短絡とアークとの周期が不規則に変動すると、短絡時の溶滴サイズが不定となり、ビード止端部の揃いが悪くなる。
【０００８】
また、高い電流は溶融池に対して不規則な位置に過大なアーク力を作用させるので溶融池を大きくかつ不規則に振動させ、特に溶融池を溶接方向と反対側に押し出すことでハンピングビードが発生し易くなる。
【０００９】
特に、生産性を向上させるために溶接スピードを高速（＞１ｍ／ｓ）にすることが求められており、高速溶接では上記の問題の影響による溶接品質の劣化が顕著に現れてくる。
【００１０】
この発明の目的は、安定した溶滴の成長を実現することができる溶接装置および炭酸ガスアーク溶接方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明は、要約すると、炭酸ガスをシールドガスに使用し、短絡状態とアーク状態とを交互に繰り返す炭酸ガスアーク溶接方法によって溶接を行なう溶接装置であって、トーチと母材との間に電圧を与えるための電源回路と、電源回路の電圧を制御する制御部とを備える。制御部は、短絡期間の後に続くアーク期間の初期の第１アーク期間にハイレベル電流が出力され、アーク期間の後期の第２アーク期間に定電圧制御された溶接電圧に対応したアーク電流が出力されるように、電源回路を制御する。制御部は、ハイレベル電流に一定周波数かつ一定振幅で増減する波形を重畳してハイレベル電流が発生されるように電源回路を制御する。
【００１２】
好ましくは、一定振幅で増減する波形は、三角波または正弦波である。
好ましくは、制御部は、短絡期間中に溶滴のくびれを検出した場合には短絡電流を減少させるくびれ検出制御を行なう。
【００１３】
この発明は、他の局面では、炭酸ガスをシールドガスに使用し、短絡状態とアーク状態とを交互に繰り返す炭酸ガスアーク溶接方法であって、短絡期間の後に続くアーク期間の初期の第１アーク期間にハイレベル電流を出力するステップと、アーク期間の後期の第２アーク期間に定電圧制御された溶接電圧に対応したアーク電流を出力するステップとを備える。ハイレベル電流を出力するステップは、ハイレベル電流に一定周波数かつ一定振幅で増減する波形を重畳してハイレベル電流を発生する。
【００１４】
好ましくは、波形は、三角波または正弦波である。
好ましくは、短絡状態を発生させるステップは、短絡期間中に溶滴のくびれを検出した場合には短絡電流を減少させるくびれ検出制御を行なう。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、溶滴がアーク反力によってせり上がることを防止して、溶滴の形成を安定させることができる。これにより、溶接の品質を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施の形態１に係る溶接装置のブロック図である。
【図２】実施の形態１に係る溶接装置で溶接を行なう際の溶接電圧および溶接電流を示した動作波形図である。
【図３】図２の点Ｐａにおける溶接部分の状態を示した図である。
【図４】図２の点Ｐｂにおける溶接部分の状態を示した図である。
【図５】図２の点Ｐｃにおける溶接部分の状態を示した図である。
【図６】図２の点Ｐｄにおける溶接部分の状態を示した図である。
【図７】実施の形態２に係る溶接装置１００Ａの構成を示したブロック図である。
【図８】実施の形態２に係る溶接装置で溶接を行なう際の溶接電圧および溶接電流と制御信号とを示した動作波形図である。
【図９】短絡とアーク発生とを繰り返す消耗電極式アーク溶接方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一の符号を付して、その説明は繰り返さない。
【００１８】
なお、本実施の形態で説明する溶接方法は、短絡状態とアーク状態を繰り返す溶接方法であり、パルスアーク溶接方法とは異なる。
【００１９】
［実施の形態１］
図１は、実施の形態１に係る溶接装置のブロック図である。
【００２０】
図１を参照して、溶接装置１００は、電源回路１０２と、電源制御装置１０４と、ワイヤ送給装置１０６と、溶接トーチ４とを含む。
【００２１】
電源制御装置１０４は、電源回路１０２を制御して溶接トーチ４に出力される溶接電流Ｉｗおよび溶接電圧Ｖｗが溶接に適した値となるように制御する。
【００２２】
ワイヤ送給装置１０６は、溶接トーチ４に溶接ワイヤ１を送給する。図示しないが、炭酸ガスを主成分とするシールドガスが、溶接トーチ４の先端部分から放出される。溶接トーチ４の先端から突出した溶接ワイヤ１と母材２との間でアーク３が発生し、溶接ワイヤ１が溶融して母材を溶接する。ワイヤ送給装置１０６は、送給速度設定回路ＦＲと、送給制御回路ＦＣと、送給モータＷＭと、送給ロール５とを含む。
【００２３】
電源回路１０２は、電源主回路ＰＭと、リアクトルＷＬ１およびＷＬ２と、トランジスタＴＲ１と、電圧検出回路ＶＤと、電流検出回路ＩＤとを含む。
【００２４】
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による出力制御を行い、アーク溶接に適した溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗを出力する。図示は省略するが、電源主回路ＰＭは、例えば、商用電源を整流する１次整流器と、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高周波変圧器と、降圧された高周波交流を整流する２次整流器と、誤差増幅信号Ｅａを入力としてパルス幅変調制御を行いこの結果に基づいて上記のインバータ回路を駆動する駆動回路とを含んで構成される。
【００２５】
リアクトルＷＬ１とリアクトルＷＬ２は、電源主回路ＰＭの出力を平滑する。リアクトルＷＬ２には、並列にトランジスタＴＲ１が接続されている。トランジスタＴＲ１は、後に図２で説明する第２アーク期間にＬｏｗとなるナンド（ＮＡＮＤ）論理信号Ｎａに応じて、第２アーク期間Ｔａ２のみＯＦＦとなる。
【００２６】
送給速度設定回路ＦＲは、予め定められた定常送給速度設定値に相当する送給速度設定信号Ｆｒを出力する。送給制御回路ＦＣは、送給速度設定信号Ｆｒの値に相当する送給速度で溶接ワイヤ１を送給するための送給制御信号Ｆｃを送給モータＷＭに出力する。溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給装置１０６の送給ロール５の回転によって溶接トーチ４内を通って送給され、母材２との間にアーク３が発生する。
【００２７】
電流検出回路ＩＤは、溶接電流Ｉｗを検出して、溶接電流検出信号Ｉｄを出力する。電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して、溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する。
【００２８】
電源制御装置１０４は、アーク検出回路ＡＤと、タイマー回路ＴＭと、ナンド（ＮＡＮＤ）回路ＮＡと、反転回路ＮＯＴと、振幅中心電流設定回路ＩＨと、周波数設定回路ＦＨと、振幅設定回路ＷＨと、溶接電流設定回路ＩＲと、電流誤差増幅回路ＥＩと、溶接電圧設定回路ＶＲと、電圧誤差増幅回路ＥＶと、外部特性切換回路ＳＷとを含んで構成される。
【００２９】
アーク検出回路ＡＤは、溶接電圧検出信号Ｖｄを入力として、溶接電圧検出信号Ｖｄの値が閾値以上になったことによってアークの発生を判別するとハイ（Ｈｉｇｈ）レベルになるアーク検出信号Ａｄを出力する。タイマー回路ＴＭは、アーク検出信号Ａｄを入力として、アーク検出信号Ａｄがロウ（Ｌｏｗ）レベルである期間及びアーク検出信号Ａｄがハイレベルになってから予め定めた期間ハイレベルになるタイマー信号Ｔｍを出力する。ナンド回路ＮＡは、タイマー信号Ｔｍが反転回路ＮＯＴによって反転された信号と、アーク検出信号Ａｄとを入力に受けて、ナンド論理信号Ｎａを出力する。
【００３０】
振幅中心電流設定回路ＩＨＣＲは、予め定めたハイレベル電流である振幅中心電流設定信号Ｉｈｃｒを出力する。周波数設定回路ＦＨは、予め定めた周波数設定信号Ｆｈを出力する。振幅設定回路ＷＨは、予め定めた振幅設定信号Ｗｈを出力する。溶接電流設定回路ＩＲは、振幅中心電流設定信号Ｉｈｃｒ、周波数設定信号Ｆｈ及び振幅設定信号Ｗｈを入力として、溶接電流設定信号Ｉｒを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、溶接電流設定信号Ｉｒと溶接電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。
【００３１】
溶接電圧設定回路ＶＲは、予め定めた溶接電圧設定信号Ｖｒを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、溶接電圧設定信号Ｖｒと溶接電圧検出信号Ｖｄとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。
【００３２】
外部特性切換回路ＳＷは、タイマー信号Ｔｍ、電流誤差増幅信号Ｅｉ及び電圧誤差増幅信号Ｅｖを入力として受ける。
【００３３】
外部特性切換回路ＳＷは、タイマー信号Ｔｍがハイレベルのときは入力端子ａ側に切り換わり電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。このときには電流誤差が電源主回路ＰＭにフィードバックされるので、定電流制御が行なわれる。
【００３４】
外部特性切換回路ＳＷは、タイマー信号Ｔｍがロウレベルのときは入力端子ｂ側に切り換わり電圧誤差増幅信号Ｅｖを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。これらのブロックによって、溶接電流Ｉｗが制御される。このときには電圧誤差が電源主回路ＰＭにフィードバックされるので、定電圧制御が行なわれる。
【００３５】
図２は、実施の形態１に係る溶接装置で溶接を行なう際の溶接電圧および溶接電流を示した動作波形図である。
【００３６】
図１、図２を参照して、溶接は、短絡期間Ｔｓとアーク期間とが繰り返されることにより進行する。アーク期間は、初期の第１アーク期間Ｔａ１と、後期の第２アーク期間Ｔａ２とに分かれる。
【００３７】
時刻ｔ０〜ｔ１の短絡期間Ｔｓでは、溶接ワイヤ１と母材２とが接触して短絡電流が流れ溶接ワイヤ１の先端にジュール熱が発生し溶接ワイヤ１の先端部が高温となる。
【００３８】
時刻ｔ１で溶接ワイヤ１の先端部の溶滴が移行してアークが発生すると、電源制御装置１０４は、溶接電圧が急上昇したことに応じてアークが発生したことを判別する。これに応じて、電源制御装置１０４は、制御を定電流制御に切り替え、第１アーク期間Ｔａ１に移行する。溶接電流は、ハイレベル電流ＩＨまで上昇する。その後、一定期間溶接電流としてハイレベル電流ＩＨが流される。このハイレベル電流ＩＨは、アーク力による溶滴のせり上がりが発生しない程度の電流値に抑制される。このとき生産効率を上げるため溶接速度Ｖｍを少しでも増加させることが望ましい。この第１アーク期間Ｔａ１に流れる溶接電流をハイレベル電流と呼ぶ。
【００３９】
溶接ワイヤの溶融速度Ｖｍは、Ｖｍ＝αＩ＋βＩ2Ｒであらわされる。ここで、α，βは係数を示し、Ｉは溶接電流を示し、Ｒは溶接ワイヤがトーチ先端のコンタクトチップから突出している部分（突き出し長さ）の抵抗値を示す。溶接電流Ｉを増加させると溶接ワイヤの溶融速度Ｖｍも大きくなることが分かる。
【００４０】
しかし、溶接電流Ｉを増加すると溶滴に対して働く上向きのアーク力も増加する。アーク力は溶接電流Ｉの２乗に比例する。その一方で、溶滴には重力も働いているので、重力とアーク力がちょうど釣り合う電流値を境に、電流値が大きければ上向きの力が働き、電流値が小さければ下向きの力が働く。溶接電流Ｉに交流電流を重畳させると、溶滴には上向きの力と下向きの力が交互に働くことになる。本願発明者によれば、このように電流を増減させることにより上下向きの力を交互に溶滴に働かせた方が、全体的に電流を増加させて上向きの力を連続して溶滴に働かせるよりも溶滴が安定しており、スパッタを低減させることができることが分かった。そこで、本実施の形態では、第１アーク期間に電流を増減させて、溶滴の安定的かつ段階的な成長を図っている。
【００４１】
時刻ｔ１〜ｔ２の第１アーク期間には、以下に説明する三角波を振幅中心電流Ｉｈｃに重畳させる。
【００４２】
三角波は、振幅中心電流Ｉｈｃ（２００〜４００Ａ）を中心として、２．５ｋＨｚ〜５ｋＨｚの周波数、＋−５０〜１００Ａの振幅とし、第１アーク期間Ｔａ１は、１ｍｓ〜１．５ｍｓとする。例えば、振幅中心電流ＩｈｃがＩｈｃ＝４００Ａ、振幅がＩＨＡ＝＋−１００Ａ、周波数がｆ＝４ｋＨｚで、第１アーク期間がＴａ１＝１．０ｍｓで、重畳する三角波は４周期というように設定しても良い。なお、重畳させる波形は三角波に限定されるものではなく、正弦波などの他の波形でも構わない。
【００４３】
以下、第１アーク期間Ｔａ１における溶接部分の状態について詳細に説明する。
（１）三角波の０〜１／２周期
図３は、図２の点Ｐａにおける溶接部分の状態を示した図である。点Ｐａは、三角波の重畳が開始された点である。
【００４４】
図３を参照して、溶接ワイヤ１の先端と母材２との間にはアーク３が発生している。アーク３による熱により溶接ワイヤ１の先端が加熱され先端部が溶融し、溶滴６が形成される。溶接ワイヤ１は送給装置によって母材２方向に送給される。
【００４５】
重畳した電流によってワイヤ溶融速度が増加し溶滴が大きくなり、溶滴にかかる力は１／４周期で最大となり、溶滴がアーク反力によってせり上がりが加速されようとする。しかし、１／２周期に向かって電流が減少するに伴いアーク反力も低下するので、せり上がりを防止することができる。
【００４６】
図４は、図２の点Ｐｂにおける溶接部分の状態を示した図である。点Ｐｂは、三角波の１／２周期が経過した点である。図４に示すように、溶接ワイヤ１の先端部の溶滴６は少し成長し、少しせり上がった状態となっている。
【００４７】
（２）三角波の１／２〜３／４周期
この期間は、電源制御装置１０４によって溶接電流が振幅中心電流Ｉｈｃよりも減少され、溶滴に対するアーク反力が更に下げられる。
【００４８】
（３）三角波の３／４〜１周期
三角波の３／４〜１周期では、三角波の下側ピーク値から振幅中心電流Ｉｈｃまで再び溶接電流を増加させる。
【００４９】
図５は、図２の点Ｐｃにおける溶接部分の状態を示した図である。点Ｐｃは、三角波の１周期が経過した点である。図５に示すように、アーク反力が低下したことにより、溶滴６に働く重力とアーク反力とがちょうどよいバランスとなる。これによって、溶滴６のせり上りが解消されて、溶滴６が垂れ下がった状態になる。
【００５０】
そして、（１）〜（３）で説明した三角波を４回繰り返して振幅中心電流Ｉｈｃに重畳する。これにより、アーク反力によるせり上がりを防止させつつ徐々に溶滴が増加されて、所望なサイズの溶滴を形成させることになる。
【００５１】
なお、第１アーク期間Ｔａ１のインダクタンス値ＷＬ１は、三角波の重畳を容易に行なうために、次の第２アーク期間Ｔａ２（インダクタンス値はＷＬ１＋ＷＬ２）よりも小さくしている。
【００５２】
以下、第２アーク期間Ｔａ２における溶接部分の状態について詳細に説明する。
再び図２を参照して、時刻ｔ２において、第１アーク期間Ｔａ１が終了して第２アーク期間Ｔａ２に移行する。第２アーク期間Ｔａ２では、電源制御装置１０４は、電源回路１０２のインダクタンス値を大きくして、アーク長制御のために制御を定電流制御から定電圧制御に切り替える。この切替は、図１では、ＳＷを端子ａから端子ｂに切り替えることに相当する。インダクタンスが大きいので、溶接電流波形はアーク負荷に応じて緩やかに減少する。また、溶接電圧も緩やかに減少する。
【００５３】
図６は、図２の点Ｐｄにおける溶接部分の状態を示した図である。
第１アーク期間Ｔａ１で形成された溶滴は、図６に示すように、せり上がることなく、第２アーク期間Ｔａ２において少し大きくなりながら、溶融池の方へ近づいていく。せり上がりによるアーク長の変化が防止されかつ定電圧制御によってアーク長が調整され、アーク力の変化が緩やかになるので、溶融池を振動させることが少ない。さらに溶接電流が緩やかに減少するので、母材への入熱が十分行われ、ビードの止端部のなじみが良くなる。
【００５４】
時刻ｔ３において、溶滴が溶融池に接触して短絡が発生すると、溶滴が急降下する。この溶接電圧の急降下によって短絡を判別すると、溶接電流を所望の立ち上がり速度で増加させる。溶接電流の上昇によって溶滴の上部に電磁ピンチ力が働いてくびれが発生して、溶滴６が溶融池７へ移行する。
【００５５】
以上説明したように、実施の形態１に示した溶接方法は、低スパッタ制御を行なう炭酸ガスアーク溶接法であるが、パルスアーク溶接方法とは異なる。
【００５６】
すなわち、実施の形態１に示した溶接方法は、短絡状態とアーク状態を繰り返す溶接方法である。このような溶接方法では、溶接速度を上げるため溶接電流を増加させるとグロビュール移行領域で溶接が行なわれ、短絡状態とアーク状態との繰り返しが不規則になる。
【００５７】
そこで、実施の形態１に示した溶接方法では、一定期間の第１アーク期間Ｔａ１にハイレベル電流を出力し、この第１アーク期間Ｔａ１に定電流制御を行って、交流電流、例えば、三角波、又はサイン波のように周期的に変化する一定周波数で一定振幅の低周波電流を重畳する。これによって、溶滴がアーク反力によってせり上がることを防止して、溶滴の形成を安定させることができる。
【００５８】
第１アーク期間Ｔａ１が経過すると、第２アーク期間Ｔａ２にアーク長制御を行なうために、溶接電源の制御を定電流制御から定電圧制御に切り替える。溶接電源のリアクトルのインダクタンス値を第１アーク期間Ｔａ１よりも大きくして、溶接電流を緩やかに減少させる。これによって、アーク力の変化が緩やかになるので、溶融池を振動させることが少なくなる。さらに溶接電流が緩やかに減少するので、母材への入熱が十分行われ、ビードの止端部のなじみが良くなる。
【００５９】
上述した実施の形態１において、第２アーク期間Ｔａ２に溶接電源のリアクトルのインダクタンス値を第１アーク期間Ｔａ１よりも大きくするために、実際のリアクトルＷＬ２を挿入している。この代わりに、リアクトルを電子的に制御してインダクタンス値を大きくしてもよい。
【００６０】
上述した実施の形態１において、短絡期間Ｔｓでは、定電圧制御のままで電流を所望の値まで立ち上げたり、又は、定電流制御に切り替えて電流を所望の値まで立ち上げても良い。
【００６１】
［実施の形態２］
実施の形態２では、実施の形態１で説明した溶接方法に加え、アークが発生する前に溶滴のくびれを検出することによって、アークが発生する前に電流を下げてスパッタを低減させる。
【００６２】
図７は、実施の形態２に係る溶接装置１００Ａの構成を示したブロック図である。以下の説明では、実施の形態１と異なる部分のみについて説明し、実施の形態１と同様な部分については同一の符号を付して説明は繰り返さない。
【００６３】
図７を参照して、溶接装置１００Ａは、電源回路１０２Ａと、電源制御装置１０４Ａと、ワイヤ送給装置１０６と、溶接トーチ４とを含む。
【００６４】
溶接装置１００Ａは、図１に示した溶接装置１００の構成に加えて、トランジスタＴＲ２と減流抵抗器Ｒとを含む。トランジスタＴＲ２は電源主回路ＰＭの出力にリアクトルＷＬ１およびＷＬ２と直列に挿入される。トランジスタＴＲ２に並列に減流抵抗器Ｒが接続されている。溶接装置１００Ａの他の部分の構成は、溶接装置１００と同様であるので説明は繰り返さない。
【００６５】
電源回路１０２Ａは、図１に示した電源回路１０２の構成に加えて、くびれ検出回路ＮＤと、くびれ検出基準値設定回路ＶＴＮと、駆動回路ＤＲとを含む。電源回路１０２Ａの他の部分の構成は、電源回路１０２と同様であるので説明は繰り返さない。
【００６６】
図８は、実施の形態２に係る溶接装置で溶接を行なう際の溶接電圧および溶接電流と制御信号とを示した動作波形図である。
【００６７】
図８の波形が、図２の実施の形態１と異なる箇所は、時刻ｔ０ａにおいて、溶滴のくびれが検出されると溶接電流を減少させて、その後時刻ｔ１において、アークが発生するようにした点である。
【００６８】
時刻ｔ１におけるアークが発生したときの電流値の大きさにスパッタの量は比例するので、アークが発生するときに電流値を下げておくとスパッタの発生を低減させることができる。
【００６９】
図７、図８を参照して、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と、図１で説明した溶接電圧検出信号Ｖｄ及び溶接電流検出信号Ｉｄを入力として、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（時刻ｔ０ａ）でハイレベルとなり、アークが再発生して溶接電圧検出信号Ｖｄの値がアーク判別値Ｖｔａ以上になった時点（時刻ｔ１）でロウ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がハイレベルの期間がくびれ検出期間Ｔｎとなる。
【００７０】
なお、短絡期間中の溶接電圧検出信号Ｖｄの微分値がこれに対応するように設定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をハイレベルに変化させるようにしても良い。さらに、溶接電圧検出信号Ｖｄの値を溶接電流検出信号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これに対応するように設定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をハイレベルに変化させるようにしても良い。くびれ検出信号Ｎｄは、電源主回路ＰＭに入力される。電源主回路ＰＭは、くびれ検出期間Ｔｎにおいては出力を停止する。
【００７１】
駆動回路ＤＲは、このくびれ検出信号Ｎｄがロウレベルのとき（非くびれ検出時）はトランジスタＴＲ２をオン状態にする駆動信号Ｄｒを出力する。くびれ検出期間Ｔｎにおいては駆動信号Ｄｒはロウレベルであるので、トランジスタＴＲ２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（電源主回路ＰＭから溶接トーチ４に至る経路）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、図８の時刻ｔ０ａ〜ｔ１に示すように、溶接電流Ｉｗは急激に減少して小電流値となる。
【００７２】
時刻ｔ１において、短絡が開放されてアークが再発生すると、溶接電圧Ｖｗが予め定めたアーク判別値Ｖｔａ以上になる。これを検出して、くびれ検出信号Ｎｄはロウレベルになり、駆動信号Ｄｒはハイレベルになる。この結果、トランジスタＴＲ２はオン状態になり、以降は図２を用いて実施の形態１で説明したアーク溶接の制御となる。以降の第１アーク期間Ｔａ１と第２アーク期間Ｔａ２については、図２で説明しているので説明は繰り返さない。
【００７３】
実施の形態２に係る溶接装置は、アーク再発生時（時刻ｔ１）のアーク再発生時電流値を小さくすることができるので、実施の形態１で説明した溶接装置が奏する効果に加えて、アーク発生開始時のスパッタをさらに低減させることができる。
【００７４】
なお、実施の形態２では、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、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スイッチング素子を介してコンデンサを並列に接続し、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を用いても良い。
【００７５】
最後に、再び本実施の形態１および２について、図１および図７等を参照して総括する。溶接装置１００および１００Ａは、炭酸ガスをシールドガスに使用し、短絡状態とアーク状態とを交互に繰り返す炭酸ガスアーク溶接方法によって溶接を行なう溶接装置である。溶接装置１００および１００Ａは、溶接トーチ４と母材２との間に電圧を与えるための電源回路１０２または１０２Ａと、電源回路１０２の電圧を制御する電源制御装置１０４または１０４Ａとを備える。電源制御装置１０４または１０４Ａは、図２、図８に示すように、短絡期間Ｔｓの後に続くアーク期間の初期の第１アーク期間Ｔａ１にハイレベル電流が出力され、アーク期間の後期の第２アーク期間Ｔａ２に定電圧制御された溶接電圧に対応したアーク電流が出力されるように、電源回路１０２を制御する。電源制御装置１０４は、ハイレベル電流ＩＨに一定周波数かつ一定振幅で増減する波形を重畳してハイレベル電流が発生されるように電源回路１０２を制御する。
【００７６】
このようにハイレベル電流に一定振幅で増減する波形を重畳したので、ハイレベル電流を一律に振幅中心電流Ｉｈｃより高くするよりもアーク反力が弱まり溶滴の挙動が安定する。またハイレベル電流を振幅中心電流Ｉｈｃに一定にするよりも溶滴の成長速度を速めることができる。
【００７７】
好ましくは、一定振幅で増減する波形は、三角波または正弦波である。一定振幅で増減する波形であればこれらに限定されるものではなく、他の波形であっても良いが、三角波や正弦波は波形を発生させやすいので好ましい。
【００７８】
好ましくは、図８に示すように、電源制御装置１０４Ａは、短絡期間中に溶滴のくびれを検出した場合には短絡電流を急減させるくびれ検出制御を行なう。溶滴のくびれ検出と組み合わせることによって、溶滴の挙動が一層安定化し、スパッタの発生をさらに抑制することができる。
【００７９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００８０】
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、６ 溶滴、７ 溶融池、１００，１００Ａ 溶接装置、１０２，１０２Ａ 電源回路、１０４，１０４Ａ 電源制御装置、１０６ 送給装置、ＡＤ アーク検出回路、ＤＲ 駆動回路、ＥＩ 電流誤差増幅回路、ＥＶ 電圧誤差増幅回路、ＦＣ 送給制御回路、ＦＨ 周波数設定回路、ＦＲ 送給速度設定回路、ＩＤ 電流検出回路、ＩＨＣＲ 振幅中心電流設定回路、ＩＲ 溶接電流設定回路、ＮＡ ナンド回路、ＮＤ くびれ検出回路、ＮＯＴ 反転回路、ＰＭ 電源主回路、Ｒ 減流抵抗器、ＳＷ 外部特性切換回路、ＴＭ タイマー回路、ＴＲ１，ＴＲ２ トランジスタ、ＶＤ 電圧検出回路、ＶＲ 溶接電圧設定回路、ＶＴＮ くびれ検出基準値設定回路、ＷＨ 振幅設定回路、ＷＬ１，ＷＬ２ リアクトル、ＷＭ 送給モータ。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、溶接装置および炭酸ガスアーク溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特公平４−４０７４号公報（特許文献１）には、消耗電極と母材との間で短絡とアーク発生とを繰り返す消耗電極式アーク溶接方法が開示されている。この消耗電極式アーク溶接方法は、溶滴の形成過程と溶滴の母材への移行過程とを繰り返す。
【０００３】
図９は、短絡とアーク発生とを繰り返す消耗電極式アーク溶接方法を説明するための図である。
【０００４】
図９を参照して、短絡とアーク発生とを繰り返す消耗電極式アーク溶接方法では、以下に説明する（ａ）〜（ｆ）の過程が順に繰り返し実行される。（ａ）溶滴が溶融池と接触した短絡初期状態、（ｂ）溶滴と溶融池との接触が確実になって溶滴が溶融池に移行している短絡中期状態、（ｃ）溶滴が溶融池側へ移行して溶接ワイヤと溶融池との間の溶滴にくびれが生じた短絡後期状態、（ｄ）短絡が破れてアークが発生、（ｅ）溶接ワイヤの先端が溶融して溶滴が成長するアーク発生状態、（ｆ）溶滴が成長し溶融池と短絡する直前のアーク発生状態。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平４−４０７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特公平４−４０７４号公報で示された従来の短絡移行溶接では、アークと短絡とが規則的に発生する。しかし、高い電流（＞２００Ａ）で炭酸ガスアーク溶接法によって溶接を行なう場合には、短絡を伴うグロビュール移行では、アーク反力によって溶滴がワイヤ上部にせり上がり、アーク時間が延びて周期的な短絡の発生が困難になり、アークと短絡とが不規則に発生する。
【０００７】
このように、短絡とアークとの周期が不規則に変動すると、短絡時の溶滴サイズが不定となり、ビード止端部の揃いが悪くなる。
【０００８】
また、高い電流は溶融池に対して不規則な位置に過大なアーク力を作用させるので溶融池を大きくかつ不規則に振動させ、特に溶融池を溶接方向と反対側に押し出すことでハンピングビードが発生し易くなる。
【０００９】
特に、生産性を向上させるために溶接スピードを高速（＞１ｍ／ｓ）にすることが求められており、高速溶接では上記の問題の影響による溶接品質の劣化が顕著に現れてくる。
【００１０】
この発明の目的は、安定した溶滴の成長を実現することができる溶接装置および炭酸ガスアーク溶接方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明は、要約すると、炭酸ガスをシールドガスに使用し、短絡状態とアーク状態とを交互に繰り返す炭酸ガスアーク溶接方法によって溶接を行なう溶接装置であって、トーチと母材との間に電圧を与えるための電源回路と、電源回路の電圧を制御する制御部とを備える。制御部は、短絡期間の後に続くアーク期間の初期の第１アーク期間にハイレベル電流が出力され、アーク期間の後期の第２アーク期間に定電圧制御された溶接電圧に対応したアーク電流が出力されるように、電源回路を制御する。制御部は、ハイレベル電流に一定周波数かつ一定振幅で増減する波形を重畳してハイレベル電流が発生されるように電源回路を制御する。
【００１２】
好ましくは、一定振幅で増減する波形は、三角波または正弦波である。
好ましくは、制御部は、短絡期間中に溶滴のくびれを検出した場合には短絡電流を減少させるくびれ検出制御を行なう。
【００１３】
この発明は、他の局面では、炭酸ガスをシールドガスに使用し、短絡状態とアーク状態とを交互に繰り返す炭酸ガスアーク溶接方法であって、短絡期間の後に続くアーク期間の初期の第１アーク期間にハイレベル電流を出力するステップと、アーク期間の後期の第２アーク期間に定電圧制御された溶接電圧に対応したアーク電流を出力するステップとを備える。ハイレベル電流を出力するステップは、ハイレベル電流に一定周波数かつ一定振幅で増減する波形を重畳してハイレベル電流を発生する。
【００１４】
好ましくは、波形は、三角波または正弦波である。
好ましくは、短絡状態を発生させるステップは、短絡期間中に溶滴のくびれを検出した場合には短絡電流を減少させるくびれ検出制御を行なう。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、溶滴がアーク反力によってせり上がることを防止して、溶滴の形成を安定させることができる。これにより、溶接の品質を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施の形態１に係る溶接装置のブロック図である。
【図２】実施の形態１に係る溶接装置で溶接を行なう際の溶接電圧および溶接電流を示した動作波形図である。
【図３】図２の点Ｐａにおける溶接部分の状態を示した図である。
【図４】図２の点Ｐｂにおける溶接部分の状態を示した図である。
【図５】図２の点Ｐｃにおける溶接部分の状態を示した図である。
【図６】図２の点Ｐｄにおける溶接部分の状態を示した図である。
【図７】実施の形態２に係る溶接装置１００Ａの構成を示したブロック図である。
【図８】実施の形態２に係る溶接装置で溶接を行なう際の溶接電圧および溶接電流と制御信号とを示した動作波形図である。
【図９】短絡とアーク発生とを繰り返す消耗電極式アーク溶接方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一の符号を付して、その説明は繰り返さない。
【００１８】
なお、本実施の形態で説明する溶接方法は、短絡状態とアーク状態を繰り返す溶接方法であり、パルスアーク溶接方法とは異なる。
【００１９】
［実施の形態１］
図１は、実施の形態１に係る溶接装置のブロック図である。
【００２０】
図１を参照して、溶接装置１００は、電源回路１０２と、電源制御装置１０４と、ワイヤ送給装置１０６と、溶接トーチ４とを含む。
【００２１】
電源制御装置１０４は、電源回路１０２を制御して溶接トーチ４に出力される溶接電流Ｉｗおよび溶接電圧Ｖｗが溶接に適した値となるように制御する。
【００２２】
ワイヤ送給装置１０６は、溶接トーチ４に溶接ワイヤ１を送給する。図示しないが、炭酸ガスを主成分とするシールドガスが、溶接トーチ４の先端部分から放出される。溶接トーチ４の先端から突出した溶接ワイヤ１と母材２との間でアーク３が発生し、溶接ワイヤ１が溶融して母材を溶接する。ワイヤ送給装置１０６は、送給速度設定回路ＦＲと、送給制御回路ＦＣと、送給モータＷＭと、送給ロール５とを含む。
【００２３】
電源回路１０２は、電源主回路ＰＭと、リアクトルＷＬ１およびＷＬ２と、トランジスタＴＲ１と、電圧検出回路ＶＤと、電流検出回路ＩＤとを含む。
【００２４】
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による出力制御を行い、アーク溶接に適した溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗを出力する。図示は省略するが、電源主回路ＰＭは、例えば、商用電源を整流する１次整流器と、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高周波変圧器と、降圧された高周波交流を整流する２次整流器と、誤差増幅信号Ｅａを入力としてパルス幅変調制御を行いこの結果に基づいて上記のインバータ回路を駆動する駆動回路とを含んで構成される。
【００２５】
リアクトルＷＬ１とリアクトルＷＬ２は、電源主回路ＰＭの出力を平滑する。リアクトルＷＬ２には、並列にトランジスタＴＲ１が接続されている。トランジスタＴＲ１は、後に図２で説明する第２アーク期間にＬｏｗとなるナンド（ＮＡＮＤ）論理信号Ｎａに応じて、第２アーク期間Ｔａ２のみＯＦＦとなる。
【００２６】
送給速度設定回路ＦＲは、予め定められた定常送給速度設定値に相当する送給速度設定信号Ｆｒを出力する。送給制御回路ＦＣは、送給速度設定信号Ｆｒの値に相当する送給速度で溶接ワイヤ１を送給するための送給制御信号Ｆｃを送給モータＷＭに出力する。溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給装置１０６の送給ロール５の回転によって溶接トーチ４内を通って送給され、母材２との間にアーク３が発生する。
【００２７】
電流検出回路ＩＤは、溶接電流Ｉｗを検出して、溶接電流検出信号Ｉｄを出力する。電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して、溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する。
【００２８】
電源制御装置１０４は、アーク検出回路ＡＤと、タイマー回路ＴＭと、ナンド（ＮＡＮＤ）回路ＮＡと、反転回路ＮＯＴと、振幅中心電流設定回路ＩＨと、周波数設定回路ＦＨと、振幅設定回路ＷＨと、溶接電流設定回路ＩＲと、電流誤差増幅回路ＥＩと、溶接電圧設定回路ＶＲと、電圧誤差増幅回路ＥＶと、外部特性切換回路ＳＷとを含んで構成される。
【００２９】
アーク検出回路ＡＤは、溶接電圧検出信号Ｖｄを入力として、溶接電圧検出信号Ｖｄの値が閾値以上になったことによってアークの発生を判別するとハイ（Ｈｉｇｈ）レベルになるアーク検出信号Ａｄを出力する。タイマー回路ＴＭは、アーク検出信号Ａｄを入力として、アーク検出信号Ａｄがロウ（Ｌｏｗ）レベルである期間及びアーク検出信号Ａｄがハイレベルになってから予め定めた期間ハイレベルになるタイマー信号Ｔｍを出力する。ナンド回路ＮＡは、タイマー信号Ｔｍが反転回路ＮＯＴによって反転された信号と、アーク検出信号Ａｄとを入力に受けて、ナンド論理信号Ｎａを出力する。
【００３０】
振幅中心電流設定回路ＩＨＣＲは、予め定めたハイレベル電流である振幅中心電流設定信号Ｉｈｃｒを出力する。周波数設定回路ＦＨは、予め定めた周波数設定信号Ｆｈを出力する。振幅設定回路ＷＨは、予め定めた振幅設定信号Ｗｈを出力する。溶接電流設定回路ＩＲは、振幅中心電流設定信号Ｉｈｃｒ、周波数設定信号Ｆｈ及び振幅設定信号Ｗｈを入力として、溶接電流設定信号Ｉｒを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、溶接電流設定信号Ｉｒと溶接電流検出信号Ｉｄとの誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。
【００３１】
溶接電圧設定回路ＶＲは、予め定めた溶接電圧設定信号Ｖｒを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、溶接電圧設定信号Ｖｒと溶接電圧検出信号Ｖｄとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。
【００３２】
外部特性切換回路ＳＷは、タイマー信号Ｔｍ、電流誤差増幅信号Ｅｉ及び電圧誤差増幅信号Ｅｖを入力として受ける。
【００３３】
外部特性切換回路ＳＷは、タイマー信号Ｔｍがハイレベルのときは入力端子ａ側に切り換わり電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。このときには電流誤差が電源主回路ＰＭにフィードバックされるので、定電流制御が行なわれる。
【００３４】
外部特性切換回路ＳＷは、タイマー信号Ｔｍがロウレベルのときは入力端子ｂ側に切り換わり電圧誤差増幅信号Ｅｖを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。これらのブロックによって、溶接電流Ｉｗが制御される。このときには電圧誤差が電源主回路ＰＭにフィードバックされるので、定電圧制御が行なわれる。
【００３５】
図２は、実施の形態１に係る溶接装置で溶接を行なう際の溶接電圧および溶接電流を示した動作波形図である。
【００３６】
図１、図２を参照して、溶接は、短絡期間Ｔｓとアーク期間とが繰り返されることにより進行する。アーク期間は、初期の第１アーク期間Ｔａ１と、後期の第２アーク期間Ｔａ２とに分かれる。
【００３７】
時刻ｔ０〜ｔ１の短絡期間Ｔｓでは、溶接ワイヤ１と母材２とが接触して短絡電流が流れ溶接ワイヤ１の先端にジュール熱が発生し溶接ワイヤ１の先端部が高温となる。
【００３８】
時刻ｔ１で溶接ワイヤ１の先端部の溶滴が移行してアークが発生すると、電源制御装置１０４は、溶接電圧が急上昇したことに応じてアークが発生したことを判別する。これに応じて、電源制御装置１０４は、制御を定電流制御に切り替え、第１アーク期間Ｔａ１に移行する。溶接電流は、ハイレベル電流ＩＨまで上昇する。その後、一定期間溶接電流としてハイレベル電流ＩＨが流される。このハイレベル電流ＩＨは、アーク力による溶滴のせり上がりが発生しない程度の電流値に抑制される。このとき生産効率を上げるため溶接速度Ｖｍを少しでも増加させることが望ましい。この第１アーク期間Ｔａ１に流れる溶接電流をハイレベル電流と呼ぶ。
【００３９】
溶接ワイヤの溶融速度Ｖｍは、Ｖｍ＝αＩ＋βＩ2Ｒであらわされる。ここで、α，βは係数を示し、Ｉは溶接電流を示し、Ｒは溶接ワイヤがトーチ先端のコンタクトチップから突出している部分（突き出し長さ）の抵抗値を示す。溶接電流Ｉを増加させると溶接ワイヤの溶融速度Ｖｍも大きくなることが分かる。
【００４０】
しかし、溶接電流Ｉを増加すると溶滴に対して働く上向きのアーク力も増加する。アーク力は溶接電流Ｉの２乗に比例する。その一方で、溶滴には重力も働いているので、重力とアーク力がちょうど釣り合う電流値を境に、電流値が大きければ上向きの力が働き、電流値が小さければ下向きの力が働く。溶接電流Ｉに交流電流を重畳させると、溶滴には上向きの力と下向きの力が交互に働くことになる。本願発明者によれば、このように電流を増減させることにより上下向きの力を交互に溶滴に働かせた方が、全体的に電流を増加させて上向きの力を連続して溶滴に働かせるよりも溶滴が安定しており、スパッタを低減させることができることが分かった。そこで、本実施の形態では、第１アーク期間に電流を増減させて、溶滴の安定的かつ段階的な成長を図っている。
【００４１】
時刻ｔ１〜ｔ２の第１アーク期間には、以下に説明する三角波を振幅中心電流Ｉｈｃに重畳させる。
【００４２】
三角波は、振幅中心電流Ｉｈｃ（２００〜４００Ａ）を中心として、２．５ｋＨｚ〜５ｋＨｚの周波数、＋−５０〜１００Ａの振幅とし、第１アーク期間Ｔａ１は、１ｍｓ〜１．５ｍｓとする。例えば、振幅中心電流ＩｈｃがＩｈｃ＝４００Ａ、振幅がＩＨＡ＝＋−１００Ａ、周波数がｆ＝４ｋＨｚで、第１アーク期間がＴａ１＝１．０ｍｓで、重畳する三角波は４周期というように設定しても良い。なお、重畳させる波形は三角波に限定されるものではなく、正弦波などの他の波形でも構わない。
【００４３】
以下、第１アーク期間Ｔａ１における溶接部分の状態について詳細に説明する。
（１）三角波の０〜１／２周期
図３は、図２の点Ｐａにおける溶接部分の状態を示した図である。点Ｐａは、三角波の重畳が開始された点である。
【００４４】
図３を参照して、溶接ワイヤ１の先端と母材２との間にはアーク３が発生している。アーク３による熱により溶接ワイヤ１の先端が加熱され先端部が溶融し、溶滴６が形成される。溶接ワイヤ１は送給装置によって母材２方向に送給される。
【００４５】
重畳した電流によってワイヤ溶融速度が増加し溶滴が大きくなり、溶滴にかかる力は１／４周期で最大となり、溶滴がアーク反力によってせり上がりが加速されようとする。しかし、１／２周期に向かって電流が減少するに伴いアーク反力も低下するので、せり上がりを防止することができる。
【００４６】
図４は、図２の点Ｐｂにおける溶接部分の状態を示した図である。点Ｐｂは、三角波の１／２周期が経過した点である。図４に示すように、溶接ワイヤ１の先端部の溶滴６は少し成長し、少しせり上がった状態となっている。
【００４７】
（２）三角波の１／２〜３／４周期
この期間は、電源制御装置１０４によって溶接電流が振幅中心電流Ｉｈｃよりも減少され、溶滴に対するアーク反力が更に下げられる。
【００４８】
（３）三角波の３／４〜１周期
三角波の３／４〜１周期では、三角波の下側ピーク値から振幅中心電流Ｉｈｃまで再び溶接電流を増加させる。
【００４９】
図５は、図２の点Ｐｃにおける溶接部分の状態を示した図である。点Ｐｃは、三角波の１周期が経過した点である。図５に示すように、アーク反力が低下したことにより、溶滴６に働く重力とアーク反力とがちょうどよいバランスとなる。これによって、溶滴６のせり上りが解消されて、溶滴６が垂れ下がった状態になる。
【００５０】
そして、（１）〜（３）で説明した三角波を４回繰り返して振幅中心電流Ｉｈｃに重畳する。これにより、アーク反力によるせり上がりを防止させつつ徐々に溶滴が増加されて、所望なサイズの溶滴を形成させることになる。
【００５１】
なお、第１アーク期間Ｔａ１のインダクタンス値ＷＬ１は、三角波の重畳を容易に行なうために、次の第２アーク期間Ｔａ２（インダクタンス値はＷＬ１＋ＷＬ２）よりも小さくしている。
【００５２】
以下、第２アーク期間Ｔａ２における溶接部分の状態について詳細に説明する。
再び図２を参照して、時刻ｔ２において、第１アーク期間Ｔａ１が終了して第２アーク期間Ｔａ２に移行する。第２アーク期間Ｔａ２では、電源制御装置１０４は、電源回路１０２のインダクタンス値を大きくして、アーク長制御のために制御を定電流制御から定電圧制御に切り替える。この切替は、図１では、ＳＷを端子ａから端子ｂに切り替えることに相当する。インダクタンスが大きいので、溶接電流波形はアーク負荷に応じて緩やかに減少する。また、溶接電圧も緩やかに減少する。
【００５３】
図６は、図２の点Ｐｄにおける溶接部分の状態を示した図である。
第１アーク期間Ｔａ１で形成された溶滴は、図６に示すように、せり上がることなく、第２アーク期間Ｔａ２において少し大きくなりながら、溶融池の方へ近づいていく。せり上がりによるアーク長の変化が防止されかつ定電圧制御によってアーク長が調整され、アーク力の変化が緩やかになるので、溶融池を振動させることが少ない。さらに溶接電流が緩やかに減少するので、母材への入熱が十分行われ、ビードの止端部のなじみが良くなる。
【００５４】
時刻ｔ３において、溶滴が溶融池に接触して短絡が発生すると、溶滴が急降下する。この溶接電圧の急降下によって短絡を判別すると、溶接電流を所望の立ち上がり速度で増加させる。溶接電流の上昇によって溶滴の上部に電磁ピンチ力が働いてくびれが発生して、溶滴６が溶融池７へ移行する。
【００５５】
以上説明したように、実施の形態１に示した溶接方法は、低スパッタ制御を行なう炭酸ガスアーク溶接法であるが、パルスアーク溶接方法とは異なる。
【００５６】
すなわち、実施の形態１に示した溶接方法は、短絡状態とアーク状態を繰り返す溶接方法である。このような溶接方法では、溶接速度を上げるため溶接電流を増加させるとグロビュール移行領域で溶接が行なわれ、短絡状態とアーク状態との繰り返しが不規則になる。
【００５７】
そこで、実施の形態１に示した溶接方法では、一定期間の第１アーク期間Ｔａ１にハイレベル電流を出力し、この第１アーク期間Ｔａ１に定電流制御を行って、交流電流、例えば、三角波、又はサイン波のように周期的に変化する一定周波数で一定振幅の低周波電流を重畳する。これによって、溶滴がアーク反力によってせり上がることを防止して、溶滴の形成を安定させることができる。
【００５８】
第１アーク期間Ｔａ１が経過すると、第２アーク期間Ｔａ２にアーク長制御を行なうために、溶接電源の制御を定電流制御から定電圧制御に切り替える。溶接電源のリアクトルのインダクタンス値を第１アーク期間Ｔａ１よりも大きくして、溶接電流を緩やかに減少させる。これによって、アーク力の変化が緩やかになるので、溶融池を振動させることが少なくなる。さらに溶接電流が緩やかに減少するので、母材への入熱が十分行われ、ビードの止端部のなじみが良くなる。
【００５９】
上述した実施の形態１において、第２アーク期間Ｔａ２に溶接電源のリアクトルのインダクタンス値を第１アーク期間Ｔａ１よりも大きくするために、実際のリアクトルＷＬ２を挿入している。この代わりに、リアクトルを電子的に制御してインダクタンス値を大きくしてもよい。
【００６０】
上述した実施の形態１において、短絡期間Ｔｓでは、定電圧制御のままで電流を所望の値まで立ち上げたり、又は、定電流制御に切り替えて電流を所望の値まで立ち上げても良い。
【００６１】
［実施の形態２］
実施の形態２では、実施の形態１で説明した溶接方法に加え、アークが発生する前に溶滴のくびれを検出することによって、アークが発生する前に電流を下げてスパッタを低減させる。
【００６２】
図７は、実施の形態２に係る溶接装置１００Ａの構成を示したブロック図である。以下の説明では、実施の形態１と異なる部分のみについて説明し、実施の形態１と同様な部分については同一の符号を付して説明は繰り返さない。
【００６３】
図７を参照して、溶接装置１００Ａは、電源回路１０２Ａと、電源制御装置１０４Ａと、ワイヤ送給装置１０６と、溶接トーチ４とを含む。
【００６４】
溶接装置１００Ａは、図１に示した溶接装置１００の構成に加えて、トランジスタＴＲ２と減流抵抗器Ｒとを含む。トランジスタＴＲ２は電源主回路ＰＭの出力にリアクトルＷＬ１およびＷＬ２と直列に挿入される。トランジスタＴＲ２に並列に減流抵抗器Ｒが接続されている。溶接装置１００Ａの他の部分の構成は、溶接装置１００と同様であるので説明は繰り返さない。
【００６５】
電源回路１０２Ａは、図１に示した電源回路１０２の構成に加えて、くびれ検出回路ＮＤと、くびれ検出基準値設定回路ＶＴＮと、駆動回路ＤＲとを含む。電源回路１０２Ａの他の部分の構成は、電源回路１０２と同様であるので説明は繰り返さない。
【００６６】
図８は、実施の形態２に係る溶接装置で溶接を行なう際の溶接電圧および溶接電流と制御信号とを示した動作波形図である。
【００６７】
図８の波形が、図２の実施の形態１と異なる箇所は、時刻ｔ０ａにおいて、溶滴のくびれが検出されると溶接電流を減少させて、その後時刻ｔ１において、アークが発生するようにした点である。
【００６８】
時刻ｔ１におけるアークが発生したときの電流値の大きさにスパッタの量は比例するので、アークが発生するときに電流値を下げておくとスパッタの発生を低減させることができる。
【００６９】
図７、図８を参照して、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と、図１で説明した溶接電圧検出信号Ｖｄ及び溶接電流検出信号Ｉｄを入力として、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（時刻ｔ０ａ）でハイレベルとなり、アークが再発生して溶接電圧検出信号Ｖｄの値がアーク判別値Ｖｔａ以上になった時点（時刻ｔ１）でロウ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がハイレベルの期間がくびれ検出期間Ｔｎとなる。
【００７０】
なお、短絡期間中の溶接電圧検出信号Ｖｄの微分値がこれに対応するように設定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をハイレベルに変化させるようにしても良い。さらに、溶接電圧検出信号Ｖｄの値を溶接電流検出信号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これに対応するように設定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をハイレベルに変化させるようにしても良い。くびれ検出信号Ｎｄは、電源主回路ＰＭに入力される。電源主回路ＰＭは、くびれ検出期間Ｔｎにおいては出力を停止する。
【００７１】
駆動回路ＤＲは、このくびれ検出信号Ｎｄがロウレベルのとき（非くびれ検出時）はトランジスタＴＲ２をオン状態にする駆動信号Ｄｒを出力する。くびれ検出期間Ｔｎにおいては駆動信号Ｄｒはロウレベルであるので、トランジスタＴＲ２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（電源主回路ＰＭから溶接トーチ４に至る経路）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、図８の時刻ｔ０ａ〜ｔ１に示すように、溶接電流Ｉｗは急激に減少して小電流値となる。
【００７２】
時刻ｔ１において、短絡が開放されてアークが再発生すると、溶接電圧Ｖｗが予め定めたアーク判別値Ｖｔａ以上になる。これを検出して、くびれ検出信号Ｎｄはロウレベルになり、駆動信号Ｄｒはハイレベルになる。この結果、トランジスタＴＲ２はオン状態になり、以降は図２を用いて実施の形態１で説明したアーク溶接の制御となる。以降の第１アーク期間Ｔａ１と第２アーク期間Ｔａ２については、図２で説明しているので説明は繰り返さない。
【００７３】
実施の形態２に係る溶接装置は、アーク再発生時（時刻ｔ１）のアーク再発生時電流値を小さくすることができるので、実施の形態１で説明した溶接装置が奏する効果に加えて、アーク発生開始時のスパッタをさらに低減させることができる。
【００７４】
なお、実施の形態２では、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、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スイッチング素子を介してコンデンサを並列に接続し、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を用いても良い。
【００７５】
最後に、再び本実施の形態１および２について、図１および図７等を参照して総括する。溶接装置１００および１００Ａは、炭酸ガスをシールドガスに使用し、短絡状態とアーク状態とを交互に繰り返す炭酸ガスアーク溶接方法によって溶接を行なう溶接装置である。溶接装置１００および１００Ａは、溶接トーチ４と母材２との間に電圧を与えるための電源回路１０２または１０２Ａと、電源回路１０２の電圧を制御する電源制御装置１０４または１０４Ａとを備える。電源制御装置１０４または１０４Ａは、図２、図８に示すように、短絡期間Ｔｓの後に続くアーク期間の初期の第１アーク期間Ｔａ１にハイレベル電流が出力され、アーク期間の後期の第２アーク期間Ｔａ２に定電圧制御された溶接電圧に対応したアーク電流が出力されるように、電源回路１０２を制御する。電源制御装置１０４は、ハイレベル電流ＩＨに一定周波数かつ一定振幅で増減する波形を重畳してハイレベル電流が発生されるように電源回路１０２を制御する。
【００７６】
このようにハイレベル電流に一定振幅で増減する波形を重畳したので、ハイレベル電流を一律に振幅中心電流Ｉｈｃより高くするよりもアーク反力が弱まり溶滴の挙動が安定する。またハイレベル電流を振幅中心電流Ｉｈｃに一定にするよりも溶滴の成長速度を速めることができる。
【００７７】
好ましくは、一定振幅で増減する波形は、三角波または正弦波である。一定振幅で増減する波形であればこれらに限定されるものではなく、他の波形であっても良いが、三角波や正弦波は波形を発生させやすいので好ましい。
【００７８】
好ましくは、図８に示すように、電源制御装置１０４Ａは、短絡期間中に溶滴のくびれを検出した場合には短絡電流を急減させるくびれ検出制御を行なう。溶滴のくびれ検出と組み合わせることによって、溶滴の挙動が一層安定化し、スパッタの発生をさらに抑制することができる。
【００７９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００８０】
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、６ 溶滴、７ 溶融池、１００，１００Ａ 溶接装置、１０２，１０２Ａ 電源回路、１０４，１０４Ａ 電源制御装置、１０６ 送給装置、ＡＤ アーク検出回路、ＤＲ 駆動回路、ＥＩ 電流誤差増幅回路、ＥＶ 電圧誤差増幅回路、ＦＣ 送給制御回路、ＦＨ 周波数設定回路、ＦＲ 送給速度設定回路、ＩＤ 電流検出回路、ＩＨＣＲ 振幅中心電流設定回路、ＩＲ 溶接電流設定回路、ＮＡ ナンド回路、ＮＤ くびれ検出回路、ＮＯＴ 反転回路、ＰＭ 電源主回路、Ｒ 減流抵抗器、ＳＷ 外部特性切換回路、ＴＭ タイマー回路、ＴＲ１，ＴＲ２ トランジスタ、ＶＤ 電圧検出回路、ＶＲ 溶接電圧設定回路、ＶＴＮ くびれ検出基準値設定回路、ＷＨ 振幅設定回路、ＷＬ１，ＷＬ２ リアクトル、ＷＭ 送給モータ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭酸ガスをシールドガスに使用し、短絡状態とアーク状態とを交互に繰り返す炭酸ガスアーク溶接方法によって溶接を行なう溶接装置であって、
トーチと母材との間に電圧を与えるための電源回路と、
前記電源回路の電圧を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、短絡期間の後に続くアーク期間の初期の第１アーク期間にハイレベル電流が出力され、アーク期間の後期の第２アーク期間に定電圧制御された溶接電圧に対応したアーク電流が出力されるように、前記電源回路を制御し、
前記制御部は、ハイレベル電流に一定周波数かつ一定振幅で増減する波形を重畳してハイレベル電流が発生されるように前記電源回路を制御する、溶接装置。
【請求項２】
一定振幅で増減する前記波形は、三角波または正弦波である、請求項１に記載の溶接装置。
【請求項３】
前記制御部は、短絡期間中に溶滴のくびれを検出した場合には短絡電流を減少させるくびれ検出制御を行なう、請求項１または２に記載の溶接装置。
【請求項４】
炭酸ガスをシールドガスに使用し、短絡状態とアーク状態とを交互に繰り返す炭酸ガスアーク溶接方法であって、
短絡期間の後に続くアーク期間の初期の第１アーク期間にハイレベル電流を出力するステップと、
前記アーク期間の後期の第２アーク期間に定電圧制御された溶接電圧に対応したアーク電流を出力するステップとを備え、
前記ハイレベル電流を出力するステップは、ハイレベル電流に一定周波数かつ一定振幅で増減する波形を重畳してハイレベル電流を発生する、炭酸ガスアーク溶接方法。
【請求項５】
前記波形は、三角波または正弦波である、請求項４に記載の炭酸ガスアーク溶接方法。
【請求項６】
前記短絡状態を発生させるステップは、短絡期間中に溶滴のくびれを検出した場合には短絡電流を減少させるくびれ検出制御を行なう、請求項４または５に記載の炭酸ガスアーク溶接方法。
【請求項１】
炭酸ガスをシールドガスに使用し、短絡状態とアーク状態とを交互に繰り返す炭酸ガスアーク溶接方法によって溶接を行なう溶接装置であって、
トーチと母材との間に電圧を与えるための電源回路と、
前記電源回路の電圧を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、短絡期間の後に続くアーク期間の初期の第１アーク期間にハイレベル電流が出力され、アーク期間の後期の第２アーク期間に定電圧制御された溶接電圧に対応したアーク電流が出力されるように、前記電源回路を制御し、
前記制御部は、ハイレベル電流に一定周波数かつ一定振幅で増減する波形を重畳してハイレベル電流が発生されるように前記電源回路を制御する、溶接装置。
【請求項２】
一定振幅で増減する前記波形は、三角波または正弦波である、請求項１に記載の溶接装置。
【請求項３】
前記制御部は、短絡期間中に溶滴のくびれを検出した場合には短絡電流を減少させるくびれ検出制御を行なう、請求項１または２に記載の溶接装置。
【請求項４】
炭酸ガスをシールドガスに使用し、短絡状態とアーク状態とを交互に繰り返す炭酸ガスアーク溶接方法であって、
短絡期間の後に続くアーク期間の初期の第１アーク期間にハイレベル電流を出力するステップと、
前記アーク期間の後期の第２アーク期間に定電圧制御された溶接電圧に対応したアーク電流を出力するステップとを備え、
前記ハイレベル電流を出力するステップは、ハイレベル電流に一定周波数かつ一定振幅で増減する波形を重畳してハイレベル電流を発生する、炭酸ガスアーク溶接方法。
【請求項５】
前記波形は、三角波または正弦波である、請求項４に記載の炭酸ガスアーク溶接方法。
【請求項６】
前記短絡状態を発生させるステップは、短絡期間中に溶滴のくびれを検出した場合には短絡電流を減少させるくびれ検出制御を行なう、請求項４または５に記載の炭酸ガスアーク溶接方法。
【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２０１２−１６１８１４（Ｐ２０１２−１６１８１４Ａ）
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３９５７（Ｐ２０１１−２３９５７）
【出願日】平成２３年２月７日（２０１１．２．７）
【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８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月７日（２０１１．２．７）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
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