特開 2024-30684 パルスアーク溶接制御方法

(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】P2024030684

(43)【公開日】2024-03-07

(54)【発明の名称】パルスアーク溶接制御方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/095 20060101AFI20240229BHJP

   B23K 9/09 20060101ALI20240229BHJP

【ＦＩ】

B23K9/095 501A

B23K9/09

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022133730

(22)【出願日】2022-08-25

(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】梶原 凱

(72)【発明者】

【氏名】中俣 利昭

【テーマコード（参考）】

4E082

【Ｆターム（参考）】

4E082AB03

4E082CA01

4E082DA01

4E082EC03

4E082EE01

4E082EE03

4E082EE04

4E082EE07

4E082FA04

(57)【要約】

【課題】パルスアーク溶接において、ピーク期間中に溶滴移行が発生しても、１パルス周期１溶滴移行状態を維持すること。
【解決手段】溶接ワイヤを送給し、ピーク電流Ｉｐ及びピーク電圧を出力するピーク期間とベース電流Ｉｂ及びベース電圧を出力するベース期間とを繰り返して溶接するパルスアーク溶接制御方法において、ピーク期間中の時刻ｔ３２に溶滴移行を判別したときは、ピーク電流Ｉｐの通電路に抵抗を挿入してピーク電流Ｉｐを急下降させる。溶滴移行の判別を、ピーク電圧Ｖｗの振動にもとづいて行う。
【選択図】 図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

溶接ワイヤを送給し、ピーク電流及びピーク電圧を出力するピーク期間とベース電流及びベース電圧を出力するベース期間とを繰り返して溶接するパルスアーク溶接制御方法において、
前記ピーク期間中に溶滴移行を判別したときは、前記ピーク電流を下降させる、
ことを特徴とするパルスアーク溶接制御方法。

【請求項2】

前記ピーク期間中に溶滴移行を判別したときは、前記ピーク電流の通電路に抵抗を挿入して前記ピーク電流を下降させる、
ことを特徴とする請求項１に記載のパルスアーク溶接制御方法。

【請求項3】

前記溶滴移行の判別を、前記ピーク電圧の下降にもとづいて行う、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のパルスアーク溶接制御方法。

【請求項4】

前記溶滴移行の判別を、前記ピーク電圧の振動にもとづいて行う、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のパルスアーク溶接制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、溶接ワイヤを送給して行うパルスアーク溶接制御方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

消耗電極パルスアーク溶接では、溶接ワイヤを送給し、ピーク電流及びピーク電圧を出力するピーク期間と、ベース電流及びベース電圧を出力するベース期間とを繰り返して溶接が行われる。ピーク電流は臨界電流値以上となる５００Ａ程度の大電流値に設定され、溶接ワイヤを溶融して溶滴の形成及び移行が行われる。ベース電流は臨界電流値未満となる５０Ａ程度に設定され、溶接ワイヤはほとんど溶融しない。溶接電流値が臨界電流値以上になると、溶滴の移行携帯がスプレー移行状態となる。パルスアーク溶接では、１回のピーク電流の通電によって１つの溶滴を移行させる１パルス周期１溶滴移行の状態を維持することが、スパッタの発生の少ない高品質の溶接ビードを得るために重要である。

【0003】

パルスアーク溶接において、ピーク電流、ピーク期間等のパルス波形パラメータを適正値に設定すると、ピーク期間中に溶接ワイヤの先端が溶融されて溶滴が形成され、ピーク期間の終了直後のベース期間中に溶滴が溶融池へと移行する状態となり、１パルス周期１溶滴移行の安定した溶接状態となる。パルス波形パラメータの適正値は、送給速度、溶接ワイヤの成分、直径、溶接速度、溶接姿勢等の種々の溶接条件に応じて変化する。そこで、特許文献１の発明では、溶滴移行を短絡の発生によって判別し、溶滴移行タイミングがピーク期間の終了直後のベース期間中に発生するようにすることによって、パルス波形パラメータを適正値に自動設定している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１４－２２６６７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

パルス波形パラメータが適正値に設定されていても、溶滴の形成状態のばらつきによって、ピーク期間中に溶滴移行が発生する場合がある。ピーク期間の途中に溶滴移行が発生すると、残りのピーク電流の通電によって再び溶滴が形成されることになる。この再形成された溶滴がベース期間中又は次のピーク期間中に移行することになり、１パルス周期１溶滴移行状態から外れて一時的にスパッタが発生する不安定な溶接状態となる。

【0006】

そこで、本発明では、ピーク期間中に溶滴移行が発生しても、１パルス周期１溶滴移行状態を維持して、安定した溶接状態を継続することができるパルスアーク溶接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】

【0007】

上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、
溶接ワイヤを送給し、ピーク電流及びピーク電圧を出力するピーク期間とベース電流及びベース電圧を出力するベース期間とを繰り返して溶接するパルスアーク溶接制御方法において、
前記ピーク期間中に溶滴移行を判別したときは、前記ピーク電流を下降させる、
ことを特徴とするパルスアーク溶接制御方法である。

【0008】

請求項２の発明は、
前記ピーク期間中に溶滴移行を判別したときは、前記ピーク電流の通電路に抵抗を挿入して前記ピーク電流を下降させる、
ことを特徴とする請求項１に記載のパルスアーク溶接制御方法である。

【0009】

請求項３の発明は、
前記溶滴移行の判別を、前記ピーク電圧の下降にもとづいて行う、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のパルスアーク溶接制御方法である。

【0010】

請求項４の発明は、
前記溶滴移行の判別を、前記ピーク電圧の振動にもとづいて行う、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のパルスアーク溶接制御方法である。

【発明の効果】

【0011】

本発明に係るパルスアーク溶接制御方法によれば、ピーク期間中に溶滴移行が発生しても、１パルス周期１溶滴移行状態を維持して、安定した溶接状態を継続することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施の形態に係るパルスアーク溶接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。

【図2】本発明の実施の形態に係るパルスアーク溶接制御方法を示す図１の溶接電源におけ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】

【0013】

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。

【0014】

図１は、本発明の実施の形態に係るパルスアーク溶接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。

【0015】

電源主回路ＭＣは、３相２００Ｖ等の商用電源（図示は省略）を入力として、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉに従ってインバータ制御等の出力制御を行い、溶接に適した出力電圧を出力する。

【0016】

リアクトルＷＬは、電源主回路ＭＣの出力を平滑する。

【0017】

溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給モータ(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内を通って送給され、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。

【0018】

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。電圧平均化回路ＶＡＶは、上記の電圧検出信号Ｖｄを平均化して、電圧平均信号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。

【0019】

電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の電圧設定信号Ｖｒと上記の電圧平均信号Ｖavとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。

【0020】

Ｖ／ＦコンバータＶＦは、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖに応じた周期を有するパルス周期信号Ｔｆを出力する。このパルス周期信号Ｔｆは、ピーク期間とベース期間との１周期を決定する信号である。

【0021】

ピーク期間設定回路ＴＰＲは、予め定めたピーク期間設定信号Ｔprを出力する。

【0022】

ベース電流設定回路ＩＢＲは、予め定めたベース電流設定信号Ｉbrを出力する。ピーク電流設定回路ＩＰＲは、予め定めたピーク電流設定信号Ｉprを出力する。ピーク電流設定信号Ｉprは、溶接ワイヤの直径、材質、送給速度等に応じて、４００～６００Ａ程度に設定される。

【0023】

降下電流設定回路ＩＬＲは、予め定めた降下電流設定信号Ｉlrを出力する。ここで、Ｉbr≧Ｉlr＜Ｉprに設定される。

【0024】

ピーク期間回路ＳＴＰは、上記のパルス周期信号Ｔｆ及び上記のピーク期間設定信号Ｔprを入力として、パルス周期信号Ｔｆが短時間Ｈｉｇｈレベルに変化した時点からピーク期間設定信号Ｔprによって定まるピーク期間Ｔｐ中はＨｉｇｈレベルとなり、その後に再びパルス周期信号Ｔｆが短時間Ｈｉｇｈレベルに変化するまでのベース期間Ｔｂ中はＬｏｗレベルとなるピーク期間信号Ｓtpを出力する。

【0025】

溶滴移行判別回路ＤＤは、上記のピーク期間信号Ｓtp及び上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、ピーク期間信号ＳtpがＨｉｇｈレベルであるピーク期間Ｔｐ中に、以下の１）又は２）のいずれかの方法で溶滴の移行を判別したときは、短時間Ｈｉｇｈレベルとなる溶滴移行判別信号Ｄｄを出力する。
１）電圧検出信号Ｖｄの下降率が基準値以上となったことによって溶滴移行を判別する。
２）電圧検出信号Ｖｄが基準値以上に下降しその後に基準値以上に上昇する振動が発生したことによって溶滴移行を判別する。

【0026】

電流設定回路ＩＲは、上記のベース電流設定信号Ｉbr、上記のピーク電流設定信号Ｉpr、上記の降下電流設定信号Ｉlr、上記のピーク期間信号Ｓtp及び上記の溶滴移行判別信号Ｄｄ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。
１）ピーク期間信号ＳtpがＨｉｇｈレベルのときはピーク電流設定信号Ｉprの値となる電流設定信号Ｉｒを出力する。
２）ピーク期間信号ＳtpがＨｉｇｈレベルであるときに、溶滴移行判別信号Ｄｄが短時間Ｈｉｇｈレベルとなると、降下電流設定信号Ｉlrの値となる電流設定信号Ｉｒを出力する。
３）ピーク期間信号ＳtpがＬｏｗレベルのときはベース電流設定信号Ｉbrの値となる電流設定信号Ｉｒを出力する。

【0027】

減流抵抗器Ｒは、上記のリアクトルＷＬ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、短絡負荷（０．０１～０．０３Ω程度）の５０倍以上大きな値（０．５～３Ω程度）に設定される。この減流抵抗器Ｒが通電路に挿入されると、リアクトルＷＬ及び外部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る。

【0028】

トランジスタＴＲは、上記の減流抵抗器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。

【0029】

電流比較回路ＣＭは、上記の降下電流設定信号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。

【0030】

駆動回路ＤＲは、上記の電流比較信号Ｃｍ及び上記の溶滴移行判別信号Ｄｄを入力として、溶滴移行判別信号Ｄｄが短時間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、溶滴移行が判別されると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、溶接電流Ｉｗは急減する。そして、急減した溶接電流Ｉｗの値が降下電流設定信号Ｉlrの値まで下降すると、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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

図２は、本発明の実施の形態に係るパルスアーク溶接制御方法を示す図１の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)は溶滴移行判別信号Ｄｄ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、同図を参照して各信号の動作について説明する。

【0034】

同図は、２周期の波形を示しており、第１周期はピーク期間の終了直後のベース期間中に溶滴が移行し、溶滴移行に伴い微小短絡が発生した場合である。したがって、第１周期は１パルス周期１溶滴移行の安定した溶接状態となる。第２周期は、ピーク期間中に溶滴が移行した場合である。この場合には、本実施の形態による１パルス周期１溶滴移行状態を維持するための制御が行われる。図示は省略するが、溶接ワイヤは一定の速度で送給されている。

【0035】

(１)第１周期の動作説明
同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは時刻ｔ１～ｔ２のピーク期間中は、ベース電流Ｉｂから傾斜を有して上昇してピーク電流Ｉｐが通電する。時刻ｔ２～ｔ３のベース期間中は、ピーク電流Ｉｐから傾斜を有して下降してベース電流Ｉｂが通電する。上記の上昇時及び下降時の傾斜は、溶接電流Ｉｗの通電路のインダクタンス値及び抵抗値によって定まり、０．５～１ms程度である。この傾斜を所定値に制御する場合もある。上記のベース電流Ｉｂは図１のベース電流設定信号Ｉbrによって設定され、上記のピーク電流Ｉｐは図１のピーク電流設定信号Ｉprによって設定され、上記のピーク期間は図１のピーク期間設定信号Ｔprによって設定される。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、アーク長に比例した電圧値となり、電流波形と相似した波形となる。溶接電圧Ｖｗの平均値が図１の電圧設定信号Ｖｒの値と等しくなるように時刻ｔ１～ｔ３のパルス周期がフィードバック制御されて、アーク長が制御される。例えば、ピーク電流Ｉｐは５００Ａに設定され、ピーク期間は１．７msに設定され、ベース電流Ｉｂは５０Ａに設定される。パルス周期は、フィードバック制御されるので所定値ではないが、５ms程度となる。

【0036】

第１周期では、ベース期間中の時刻ｔ２１～ｔ２２の期間に微小短絡が発生している。微小短絡は、０．５ms以下の短絡となり、０．１ms程度の短絡が多く発生する。微小短絡は、ピーク電流Ｉｐの通電によって形成された溶滴がベース期間中にスプレー状態で移行する過程で、溶滴の先端が溶融池に微小時間の間接触することで発生する。したがって、微小短絡では溶滴は短絡移行せずにあくまでもスプレー移行する。このために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは微小短絡期間中もベース電流Ｉｂに制御される。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖの短絡電圧値となる。また、同図（Ｃ）に示すように、溶滴移行判別信号ＤｄはＬｏｗレベルのままである。同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルのままであるので、図１のトランジスタＴＲはオン状態となり、図１の減流抵抗器Ｒは短絡された状態となっている。

【0037】

(２)第２周期の動作説明
第１周期とは異なる点について説明する。時刻ｔ３からのピーク期間の途中の時刻ｔ３１において溶滴移行の前兆状態となり、時刻ｔ３２において、溶滴が移行したことを判別すると、同図（Ｃ）に示すように、溶滴移行判別信号が短時間Ｈｉｇｈレベルとなる。溶滴移行の判別は、図１の溶滴移行判別回路ＤＤにおいて、以下の１）又は２）の方法によって行われる。
１）ピーク電圧の下降率が基準値以上となったことによって溶滴移行を判別する。溶滴が移行する場合には、形成された溶滴が長く伸びた形状となり、アーク長が短くなる。この結果、ピーク電圧が下降する状態となる。したがって、このピーク電圧の下降率が基準値以上であることによって溶滴の移行を判別することができる。
２）ピーク電圧が基準値以上に下降しその後に基準値以上に上昇する振動が発生したことによって溶滴移行を判別する。溶滴の移行時において、ピーク電圧が上述したように下降し、その後に溶滴が溶接ワイヤから離脱するとアーク長が瞬時的に長くなる。この結果、ピーク電圧は急上昇するので、ピーク電圧は振動することになる。ピーク電圧は、溶滴移行が発生していない状態でも、溶融池の振動、溶滴の形成状態等に影響されて少し変動している。したがって、この変動と溶滴移行とを正確に識別するためには、２）の方法がより好ましい。

【0038】

時刻ｔ３２において、同図（Ｃ）に示すように、溶滴移行判別信号Ｄｄが短時間Ｈｉｇｈレベルになると、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒがＬｏｗレベルに変化する。これに応動して、図１のトランジスタＴＲはオフ状態となり、図１の減流抵抗器Ｒが通電路に挿入される。この結果、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、ピーク電流Ｉｐから急下降する。時刻ｔ３３において、溶接電流Ｉｗが降下電流値Ｉｌまで下降すると、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルに戻る。これに応動して、図１のトランジスタＴＲがオン状態となり、減流抵抗器Ｒは再び短絡される。下降電流値Ｉｌは、時刻ｔ４のベース期間の開始時点まで継続する。下降電流値Ｉｌは、図１の下降電流設定信号Ｉlrによって設定される。下降電流値Ｉｌは、臨界電流値未満の溶接ワイヤが溶融しない値に設定されるので、ピーク電流Ｉｐ未満でベース電流Ｉｂ以上の値に設定される。ベース電流Ｉｂと等しい値に設定しても良い。例えば、５０～１００Ａ程度に設定される。時刻ｔ４～ｔ５のベース期間中はベース電流Ｉｂが通電する。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、時刻ｔ３１の前兆状態において下降ないし振動し、時刻ｔ３３から下降し、時刻ｔ４からはベース電圧値となる。

【0039】

パルス波形パラメータが適正値に設定されていても、溶滴の形成状態のばらつきによって、ピーク期間中に溶滴移行が発生する場合がある。従来技術においては、ピーク期間の途中に溶滴移行が発生すると、残りのピーク電流の通電によって再び溶滴が形成されることになる。この再形成された溶滴がベース期間中又は次のピーク期間中に移行することになり、１パルス周期１溶滴移行状態から外れて一時的にスパッタが発生する不安定な溶接状態となる。これに対して、本実施の形態では、ピーク期間中に溶滴移行を判別したときは、ピーク電流を下降電流値まで下降させる。下降電流値Ｉｌは、溶接ワイヤが溶融しない値に設定されるので、溶滴が再形成されることはない。このために、ピーク期間中に溶滴が移行しても、１パルス周期１溶滴移行状態を維持することができるので、安定した溶接状態を継続することができる。

【0040】

さらに、本実施の形態では、ピーク期間中に溶滴移行を判別したときは、ピーク電流の通電路に抵抗を挿入してピーク電流を下降電流値まで下降させる。このようにすると、ピーク電流の下降速度が速くなるので、下降速度が遅い場合に比べて溶接ワイヤの溶融をより確実に抑制することができる。この結果、溶滴の再形成をより完全に阻止することができる。

【符号の説明】

【0041】

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
ＤＤ 溶滴移行判別回路
Ｄｄ 溶滴移行判別信号
ＤＲ 駆動回路
Ｄｒ 駆動信号
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
Ｉｂ ベース電流
ＩＢＲ ベース電流設定回路
Ｉbr ベース電流設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＬＲ 下降電流設定回路
Ｉlr 下降電流設定信号
Ｉｐ ピーク電流
ＩＰＲ ピーク電流設定回路
Ｉpr ピーク電流設定信号
ＩＲ 電流設定回路
Ｉｒ 電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＭＣ 電源主回路
Ｒ 減流抵抗器
Ｔｆ パルス周期信号
ＳＴＰ ピーク期間回路
Ｓtp ピーク期間信号
ＴＰＲ ピーク期間設定回路
Ｔpr ピーク期間設定信号
ＴＲ トランジスタ
ＶＡＶ 電圧平均化回路
Ｖav 電圧平均信号
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
ＶＦ Ｖ／Ｆコンバータ
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

【図1】

【図2】