特開 2022-42308 溶接装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022042308

(43)【公開日】2022-03-14

(54)【発明の名称】溶接装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/073 20060101AFI20220307BHJP

   B23K 9/095 20060101ALI20220307BHJP

【ＦＩ】

B23K9/073 545

B23K9/095 515Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020147681

(22)【出願日】2020-09-02

(71)【出願人】

【識別番号】000000262

【氏名又は名称】株式会社ダイヘン

(72)【発明者】

【氏名】田中 和裕

(72)【発明者】

【氏名】河合 宏和

(72)【発明者】

【氏名】高見 親法

【テーマコード（参考）】

4E082

【Ｆターム（参考）】

4E082AA01

4E082AB01

4E082CA01

4E082DA01

4E082EB11

4E082EC03

4E082EC13

4E082EF02

4E082EF07

4E082EF16

4E082FA01

4E082FA04

(57)【要約】

【課題】くびれを検出した時点で溶接電流を減少させるには、抵抗及びトランジスタの両方が必要であり、小型化に課題がある。
【解決手段】消耗電極式アーク溶接を行うために溶接電流Ｉｗを出力する溶接電源部ＰＭと、短絡期間中溶接ワイヤ１先端に発生する溶融金属のくびれを検出するくびれ検出部ＮＤと、溶接電流Ｉｗの通電路に設けられたトランジスタＴＲと、くびれ検出部ＮＤの検出信号ＮｄによりトランジスタＴＲを駆動する駆動部ＤＲとを備え、くびれ検出部ＮＤがくびれを検出した場合は、駆動部ＤＲはトランジスタＴＲを能動領域にて駆動して溶接電流Ｉｗを低下させる。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

消耗電極式アーク溶接を行うために溶接電流を出力する溶接電源部と、
短絡期間中溶接ワイヤ先端に発生する溶融金属のくびれを検出するくびれ検出部と、
前記溶接電流の通電路に設けられたトランジスタと、
前記くびれ検出部の検出信号により前記トランジスタを駆動する駆動部と、
を備え、
前記くびれ検出部がくびれを検出した場合は、前記駆動部は前記トランジスタを能動領域にて駆動して前記溶接電流を低下させる、
ことを特徴とする溶接装置。

【請求項2】

前記駆動部が前記トランジスタを能動領域にて駆動する期間は、前記くびれ検出部がくびれを検出した時点から前記溶接電流が所定値まで低下する時点までの期間である、
ことを特徴とする請求項１に記載の溶接装置。

【請求項3】

前記駆動部は、前記トランジスタを、能動領域で駆動する期間以外の期間中は飽和領域にて駆動する、
ことを特徴とする請求項１及び２に記載の溶接装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、溶滴のくびれを検出すると溶接電流を減少させてアークを再発生させる溶接装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

特許文献１、２の発明では、溶接ワイヤと母材間でアークと短絡状態を繰り返す消耗電極式アーク溶接において、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し、くびれを検出した時点で溶接電流を減少させて小電流の状態でアークを再発生させ、スパッタ発生量を低減することが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許公報第５９５０７４７号公報

【特許文献2】特許公報第４９０７８９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１、２では、くびれを検出した時点で溶接電流を減少させる方法として、スイッチング素子と並列に抵抗を接続し、スイッチング素子をオフすることにより、溶接電流を減少させる方法が提供されている。しかし、スイッチング素子及びスイッチング素子に並列接続される抵抗が必要であり、機器の小型化やコスト低減が出来ない課題がある。

【0005】

本発明は、くびれを検出した時点で溶接電流を減少させる回路の小型化及びコスト低減を図ることができる溶接装置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】

【0006】

上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、
消耗電極式アーク溶接を行うために溶接電流を出力する溶接電源部と、
短絡期間中に溶接ワイヤ先端に発生する溶融金属のくびれを検出するくびれ検出部と、
前記溶接電流の通電路に設けられたトランジスタと、
前記くびれ検出部の検出信号により前記トランジスタを駆動する駆動部と、
を備え、
前記くびれ検出部がくびれを検出した場合は、前記駆動部は前記トランジスタを能動領域にて駆動して前記溶接電流を低下させる、
ことを特徴とする溶接装置である。

【0007】

請求項２の発明は、
前記駆動部が前記トランジスタを能動領域にて駆動する期間は、前記くびれ検出部がくびれを検出した時点から前記溶接電流が所定値まで低下する時点までの期間である、
ことを特徴とする請求項１に記載の溶接装置である。

【0008】

請求項３の発明は、
前記駆動部は、前記トランジスタを、能動領域で駆動する期間以外の期間中は飽和領域にて駆動する、
ことを特徴とする請求項１及び２に記載の溶接装置である。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、スイッチング素子に並列接続する抵抗を省略することができるので、くびれを検出した時点で溶接電流を減少させる回路の小型化及びコスト低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の実施の形態に係る溶接装置の接続図及び各機能のブロック図である。

【図2】本発明の実施の形態に係る溶接装置の短絡時の動作を示すタイミングチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

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。

【0012】

図１は、本発明の実施の形態に係る溶接装置の接続図及び各機能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。

【0013】

溶接電源回路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による出力制御を行い、出力電圧Ｅを出力する。この溶接電源回路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上記の誤差増幅信号Ｅａによって駆動されるインバータ回路、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次整流器を備えている。

【0014】

リアクトルＷＬは、溶接電流Ｉｗを平滑して安定したアーク３を持続させる。

【0015】

送給モータＷＭは、溶接電源回路ＰＭからの送給制御信号Ｆｃを入力として、溶接ワイヤ１を一定速度の送給速度Ｆｗで送給する。

【0016】

溶接ワイヤ１は、上記の送給モータ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内を送給されて、母材２との間にアーク３が発生する。溶接トーチ４内の給電チップ（図示は省略）と母材２との間には溶接電圧Ｖｗが印加し、溶接電流Ｉｗが通電する。溶接トーチ４の先端からはシールドガス（図示は省略）が噴出して、アーク３を大気から遮蔽する。

【0017】

出力電圧設定回路ＥＲは、予め定めた出力電圧設定信号Ｅｒを出力する。出力電圧検出回路ＥＤは、上記の出力電圧Ｅを検出し平滑して、出力電圧検出信号Ｅｄを出力する。

【0018】

電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の出力電圧設定信号Ｅｒ及び上記の出力電圧検出信号Ｅｄを入力として、出力電圧設定信号Ｅｒ（＋）と出力電圧検出信号Ｅｄ（－）との誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。

【0019】

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。溶接電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗを検出して、溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する。短絡判別回路ＳＤは、上記の溶接電圧検出信号Ｖｄを入力として、この値が予め定めた短絡判別値（１０Ｖ程度）未満のときは短絡期間にあると判別してＨｉｇｈレベルになり、短絡判別値以上のときはアーク期間にあると判別してＬｏｗレベルになる短絡判別信号Ｓｄを出力する。

【0020】

電流設定回路ＩＲは、短絡期間中の電流設定信号Ｉｒとして出力する。

【0021】

電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流設定信号Ｉｒ及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、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。

【0022】

電源特性切換回路ＳＷは、電流誤差増幅信号Ｅｉ、電圧誤差増幅信号Ｅｖ及び短絡判別信号Ｓｄを入力として、以下の処理を行い、誤差増幅信号Ｅａを出力する。
１）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル(短絡期間)に変化した時点から、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル(アーク期間)に変化する時点までの短絡期間中は、電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。
２）アーク期間中は、電圧誤差増幅信号Ｅｖを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。
この回路によって、短絡期間中の溶接電源の特性は、定電流特性となり、それ以外の期間中は定電圧特性となる。

【0023】

くびれ検出回路ＮＤは、上記の短絡判別信号Ｓｄ、上記の溶接電圧検出信号Ｖｄ及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）であるときの溶接電圧検出信号Ｖｄの電圧上昇値が基準値に達した時点でくびれの形成状態が基準状態になったと判別してＨｉｇｈレベルとなり、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）に変化した時点でＬｏｗレベルになるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。また、短絡期間中の溶接電圧検出信号Ｖｄの微分値がそれに対応した基準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、溶接電圧検出信号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基準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。

【0024】

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。電流比較回路ＣＭは、この低レベル電流設定信号Ｉlr及び電流検出信号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。

【0025】

トランジスタＴＲは、コレクタ端子ｃをリアクトルＷＬに接続し、エミッタ端子ｅを溶接トーチ４に接続しており、後述する駆動回路ＤＲにより、くびれを検出して溶接電流Ｉｗを減少させる場合は、能動領域で動作し、それ以外の期間は飽和領域で動作する。なお、トランジスタＴＲとしては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体素子が使用される。

【0026】

オン電圧検出器ＶＣＥは、トランジスタＴＲのエミッタ端子ｅ（－）からコレクタ端子ｃ（＋）間の電圧を測定し、オン電圧信号Ｖceを出力する。

【0027】

オン抵抗測定器ＲＣＥは、オン電圧検出器ＶＣＥの測定したオン電圧信号Ｖceを電流検出回路ＩＤの測定した電流検出信号Ｉｄで除算して、トランジスタＴＲのエミッタ端子ｅからコレクタ端子ｃ間のオン抵抗Ｒceを算出する。

【0028】

駆動回路ＤＲは、オン抵抗測定器ＲＣＥの算出したオン抵抗Ｒce、電流比較回路ＣＭの電流比較信号Ｃｍ及びくびれ検出回路ＮＤのくびれ検出信号Ｎｄを入力として、下記のとおりトランジスタＴＲのゲート端子ｇを駆動するゲート信号Ｄｒを出力する。
１）くびれ検出信号ＮｄがＬｏｗの場合、トランジスタＴＲのオン抵抗Ｒceが、ほぼ零になるようにトランジスタＴＲのゲート端子ｇを駆動するゲート信号Ｄｒを出力し、トランジスタＴＲを飽和領域で駆動する。
２）くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈで、かつ電流比較信号ＣｍがＬｏｗの場合、トランジスタＴＲのオン抵抗Ｒceが所定値になるようにトランジスタＴＲのゲート端子ｇを駆動するゲート信号Ｄｒを出力し、トランジスタＴＲを能動領域で駆動する。オン抵抗Ｒceの所定値は、０．５Ωから３Ωの範囲が適正であり、本実施の形態においては、オン抵抗Ｒce＝０．８Ωである。
３）くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈで、かつ電流比較信号ＣｍがＨｉｇｈの場合、トランジスタＴＲのオン抵抗Ｒceが、ほぼ零になるようにトランジスタＴＲのゲート端子ｇを駆動するゲート信号Ｄｒを出力し、トランジスタＴＲを飽和領域で駆動する。
従って、この駆動信号Ｄｒはくびれが検出されるとトランジスタＴＲのオン抵抗Ｒceが所定値になるように能動領域で駆動し、トランジスタＴＲのオン抵抗Ｒceが通電路に挿入されることになるので、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はトランジスタＴＲのオン抵抗Ｒceが、ほぼ零になるように能動領域で駆動し、トランジスタＴＲがオン状態になるので、通常の状態に戻る。

【0029】

図２は、本発明の実施の形態に係る溶接装置の短絡時の動作を示す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）は短絡判別信号Ｓｄを示し、同図(Ｄ)はくびれ信号Ｎｄを示し、同図(Ｅ)は電流比較信号Ｃｍを示し、同図(Ｆ)はトランジスタＴＲのＶceを示し、同図（Ｇ）はトランジスタＴＲのオン抵抗Ｒceを示し、同図（Ｈ）は駆動信号Ｄｒを示す。以下、同図を参照して各信号の動作について説明する。

【0030】

ｔ０：時刻ｔ０では、アーク期間中であり、同図(Ｃ)に示すように、短絡判別信号ＳｄはＬｏｗである。このアーク期間中は、溶接ワイヤ１先端を溶かして溶融金属球を生成し、母材２に接触するのを待っている期間である。

【0031】

ｔ１～ｔ２：時刻ｔ１において、溶接ワイヤ１先端に生成された溶融金属球が母材２に接触した瞬間であり、同図(Ｃ)に示すように、短絡判別信号ＳｄはＬｏｗからＨｉｇｈに切り替わる。ｔ１からｔ２の初期時間の間は、母材２に接触した溶融金属球がスムーズに母材２に移行するのを助けるため、低い電流の初期電流に抑えている。本実施の形態においては、初期時間＝０．５ｍＳ、初期電流＝４０Ａである。

【0032】

ｔ２～ｔ３：時刻ｔ２からｔ３の期間は、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、予め定めた短絡時傾斜で上昇し、予め定めた短絡時ピーク値に達するとその値を維持する。同図（ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、溶接電流Ｉｗが短絡時ピーク値となるあたりから上昇する。これは、溶接電流Ｉｗによるピンチ力の作用により、溶接ワイヤ１の先端の溶滴にくびれが次第に形成されるためである。本実施の形態においては、短絡時傾斜＝１８０Ａ／ｍＳ、短絡時ピーク値＝４００Ａである。

【0033】

ｔ３：時刻ｔ３において、その後に溶接電圧Ｖｗの電圧上昇値が基準値に達すると、くびれの形成状態が基準状態になったと判別して、同図（Ｄ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＨｉｇｈレベルに変化する。

【0034】

ｔ３～ｔ４：時刻ｔ３にて、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになったことに応動して、同図（Ｈ）に示すように、駆動信号ＤｒはトランジスタＴＲをオン抵抗Ｒce＝０．８Ωとなるように能動領域で駆動する信号となるので、同図（Ｇ）に示すように、トランジスタＴＲのオン抵抗Ｒce＝０．８Ωとなり、図１のトランジスタＴＲの所にオン抵抗Ｒce＝０．８Ωの抵抗が通電路に挿入された形となる。このために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは短絡時ピーク値から低レベル電流値Ｉlrへと急減する。本実施の形態においては、低レベル電流値Ｉlr＝５０Ａである。

【0035】

ｔ４：時刻ｔ４において、溶接電流Ｉｗが低レベル電流値Ｉlrのまで減少すると、同図（Ｅ）に示すとおり、電流比較信号ＣｍはＬｏｗからＨｉｇｈに切り替わる。すると、同図（Ｅ）に示すとおり、駆動信号ＤｒはトランジスタＴＲをオン抵抗Ｒce≒０Ωとなるように飽和領域で駆動する信号に戻るので、トランジスタＴＲはオン状態となるため、先程まで図１のトランジスタＴＲにより通電路に挿入された抵抗０．８Ωが除去された形となる。

【0036】

ｔ４～ｔ５：一旦くびれが発生した溶接ワイヤ１の先端では、溶接電流Ｉｗを低レベル電流値Ｉlrまで減少させても、溶融金属の表面張力により加速度的に狭窄が進むため、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、時刻ｔ４にて一旦減少した後、短絡からアークに切り替わる時刻ｔ５までの間、急上昇する。

【0037】

ｔ５：時刻ｔ５において、アークが発生すると、同図(Ｂ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは数十Ｖのアーク電圧値に急増するので、同図(Ｃ)に示すように、短絡判別信号ＳｄはＨｉｇｈからＬｏｗに切り替わる。短絡判別信号ＳｄがＬｏｗのアーク期間中は、図１の電圧誤差増幅信号Ｅｖによって溶接電源のフィードバック制御が行われるので、定電圧特性となる。従って、同図(Ａ)に示すように、アーク期間中の溶接電流Ｉｗの値はアーク負荷によって変化し、再度溶接ワイヤ１先端を溶かして溶融金属球を生成し、母材２に接触するのを待っている時刻ｔ０の状態に戻る。

【0038】

以上のように、本実施の形態においては、トランジスタＴＲを飽和領域と能動領域に切り替えて駆動することにより、スイッチング素子に並列接続する抵抗を省略することができる。

【符号の説明】

【0039】

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
ＣＭ 電流比較回路
Ｃｍ 電流比較信号
ＤＲ 駆動回路
Ｄｒ 駆動信号
Ｅ 出力電圧
Ｅａ 誤差増幅信号
ＥＤ 出力電圧検出回路
Ｅｄ 出力電圧検出信号
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＲ 出力電圧設定回路
Ｅｒ 出力電圧設定信号
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
Ｆｗ 送給速度
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
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 溶接電源回路
ＲＣＥ オン抵抗測定器
Ｒce オン抵抗
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
ＳＷ 電源特性切換回路
ＴＲ トランジスタ
ＶＣＥ オン電圧検出器
Ｖce オン電圧
ＶＤ 溶接電圧検出回路
Ｖｄ 溶接電圧検出信号
ＷＬ リアクトル
ＷＭ 送給モータ

【図1】

【図2】