(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-03-24
(45)【発行日】2022-04-01
(54)【発明の名称】交流パルスアーク溶接の出力制御方法
(51)【国際特許分類】
B23K 9/073 20060101AFI20220325BHJP
B23K 9/09 20060101ALI20220325BHJP
【ＦＩ】
B23K9/073 530
B23K9/09
【請求項の数】
1
(21)【出願番号】P 2017031921
(22)【出願日】2017-02-23
(65)【公開番号】P2018108604
(43)【公開日】2018-07-12
【審査請求日】2019-11-28
【審判番号】
【審判請求日】2021-06-11
(31)【優先権主張番号】P 2016257255
(32)【優先日】2016-12-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【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】高田 賢人
(72)【発明者】
【氏名】中俣 利昭
【合議体】
【審判長】見目 省二
【審判官】松原 陽介
【審判官】田々井 正吾
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１０－２３４４４１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－２４０８１１（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１１／１０８２２１（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
B23K 9/00-10/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
溶接ワイヤを送給し、電極マイナス極性ピーク期間中は電極マイナス極性ピーク電流を通電し、続けて電極プラス極性ピーク期間中は電極プラス極性ピーク電流を通電し、続けて電極プラス極性ベース期間中は電極プラス極性ベース電流を通電し、続けて電極マイナス極性ベース期間中は電極マイナス極性ベース電流を通電し、これらの溶接電流の通電を１周期として繰り返して溶接する交流パルスアーク溶接の出力制御方法において、溶接電圧を制御する電圧フィードバック制御と、電極マイナス極性電流比率を制御する比率フィードバック制御とを併用する溶接電源の出力制御を行い、
前記電圧フィードバック制御は、前記周期を変化させて前記溶接電圧を制御し、
前記溶接電流の検出信号から電極マイナス極性電流比率を算出し、
前記比率フィードバック制御は、算出された前記電極マイナス極性電流比率が予め定めた電極マイナス極性電流比率設定信号と等しくなるように前記溶接電流の波形パラメータの少なくとも１つを制御する、
ことを特徴とする交流パルスアーク溶接の出力制御方法。
【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、電極マイナス極性ピーク期間中は電極マイナス極性ピーク電流を通電し、続けて電極プラス極性ピーク期間中は電極プラス極性ピーク電流を通電し、続けて電極プラス極性ベース期間中は電極プラス極性ベース電流を通電し、続けて電極マイナス極性ベース期間中は電極マイナス極性ベース電流を通電し、これらの溶接電流の通電を１周期として繰り返して溶接する交流パルスアーク溶接の出力制御方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
交流パルスアーク溶接では、電極プラス極性期間中のピーク電流及びベース電流の通電と、電極マイナス極性期間中のピーク電流及びベース電流の通電とを１周期として繰り返すことによって溶接が行われる。この交流パルスアーク溶接では、溶接電流の波形パラメータを調整することによって、溶接電流の平均値に占める電極マイナス極性期間の電流の比率である電極マイナス極性電流比率を変化させて、母材への入熱を制御することができる。このために、低入熱溶接が可能となり、高品質な薄板溶接を行うことができる。また、電極マイナス極性電流比率を変化させることによって、溶け込み深さ、余盛り高さ等のビード形状をワークに合わせて適正化することができる(特許文献１参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１４－３４０４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
従来技術の交流パルスアーク溶接では、アーク長を適正値に維持するために、溶接電圧の平均値が電圧設定値と等しくなるように周期を変調する電圧フィードバック制御を行っている。この電圧フィードバック制御によって溶接電流の周期が刻々と変化する。特に、溶接ワイヤ先端・母材間距離(以下、トーチ高さという)を変化させた場合、又は、電圧設定値を変化させた場合には、周期は大きく変化する。周期が変化すると電極マイナス極性電流比率が変化する。この結果、電極マイナス極性電流比率が所望値から外れて変動することになり、ビード形状が変動して溶接品質が悪くなるという問題があった。
【0005】
そこで、本発明では、トーチ高さ、電圧設定値等が変化しても、アーク長を適正値に維持し、かつ、電極マイナス極性電流比率を所望値に維持することができる交流パルスアーク溶接の出力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】
【0006】
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、電極マイナス極性ピーク期間中は電極マイナス極性ピーク電流を通電し、続けて電極プラス極性ピーク期間中は電極プラス極性ピーク電流を通電し、続けて電極プラス極性ベース期間中は電極プラス極性ベース電流を通電し、続けて電極マイナス極性ベース期間中は電極マイナス極性ベース電流を通電し、これらの溶接電流の通電を１周期として繰り返して溶接する交流パルスアーク溶接の出力制御方法において、
溶接電圧を制御する電圧フィードバック制御と、電極マイナス極性電流比率を制御する比率フィードバック制御とを併用する溶接電源の出力制御を行い、
前記電圧フィードバック制御は、前記周期を変化させて前記溶接電圧を制御し、
前記溶接電流の検出信号から電極マイナス極性電流比率を算出し、
前記比率フィードバック制御は、算出された前記電極マイナス極性電流比率が予め定めた電極マイナス極性電流比率設定信号と等しくなるように前記溶接電流の波形パラメータの少なくとも１つを制御する、
ことを特徴とする交流パルスアーク溶接の出力制御方法。
溶接ワイヤを送給し、電極マイナス極性ピーク期間中は電極マイナス極性ピーク電流を通電し、続けて電極プラス極性ピーク期間中は電極プラス極性ピーク電流を通電し、続けて電極プラス極性ベース期間中は電極プラス極性ベース電流を通電し、続けて電極マイナス極性ベース期間中は電極マイナス極性ベース電流を通電し、これらの溶接電流の通電を１周期として繰り返して溶接する交流パルスアーク溶接の出力制御方法において、
溶接電圧を制御する電圧フィードバック制御と、電極マイナス極性電流比率を制御する比率フィードバック制御とを併用する溶接電源の出力制御を行い、
前記電圧フィードバック制御は、前記周期を変化させて前記溶接電圧を制御し、
前記溶接電流の検出信号から電極マイナス極性電流比率を算出し、
前記比率フィードバック制御は、算出された前記電極マイナス極性電流比率が予め定めた電極マイナス極性電流比率設定信号と等しくなるように前記溶接電流の波形パラメータの少なくとも１つを制御する、
ことを特徴とする交流パルスアーク溶接の出力制御方法。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、トーチ高さ、電圧設定値等が変化しても、アーク長を適正値に維持し、かつ、電極マイナス極性電流比率を所望値に維持することができるので、溶接品質を良好にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明の実施の形態１に係る交流パルスアーク溶接の出力制御方法を示す電流・電圧波形図である。
【図2】本発明の実施の形態１に係る交流パルスアーク溶接の出力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4】本発明の実施の形態２に係る交流パルスアーク溶接の出力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。
【発明を実施するための形態】
【0014】
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。
【0015】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る交流パルスアーク溶接の出力制御方法を示す電流・電圧波形図である。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の時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る交流パルスアーク溶接の出力制御方法を示す電流・電圧波形図である。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の時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【0016】
同図において、時刻ｔ１～ｔ２の期間が電極マイナス極性ベース期間Ｔbnとなり、時刻ｔ２～ｔ３の期間が電極マイナス極性ピーク期間Ｔpnとなり、時刻ｔ３～ｔ４の期間が電極プラス極性ピーク期間Ｔｐとなり、時刻ｔ４～ｔ５の期間が電極プラス極性ベース期間Ｔｂとなり、時刻ｔ５～ｔ６の期間が再び電極マイナス極性ベース期間Ｔbnとなる。
【0017】
時刻ｔ２～ｔ３の電極マイナス極性ピーク期間Ｔpnは、立ち上り期間と、ピーク期間と、立ち下り期間とから形成される。同図(Ａ)に示すように、電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnは、立ち上り期間中は、電極マイナス極性ベース電流Ｉbnからピーク値まで直線状に増加する。ピーク期間中は、ピーク値を維持する。立ち下り期間中は、ピーク値から電流変化率の絶対値が連続的に大きくなるように予め定めた極性切換電流値(５０Ａ程度)まで曲線状に減少する。時刻ｔ３において、電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnが極性切換電流値の状態で、電極マイナス極性ＥＮから電極プラス極性ＥＰへと極性が切り換えられる。同図(Ｂ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは電流波形と相似したパルス波形となる。極性切換時には、アーク切れを防止するために、数百Ｖの高電圧が溶接電圧Ｖｗに短時間だけ重畳される。
【0018】
ピーク期間が電極マイナス極性ピーク期間Ｔpnに占める時間比率が２０％未満になるように設定される。このようにすることによって、溶滴に作用するアーク圧力及び溶融池から噴出する金属蒸気による反発力を緩和することができる。この結果、電極マイナス極性ピーク期間Ｔpnにおける溶滴の成長を安定化することができ、常に所望サイズの溶滴を形成することができる。ピーク期間の時間比率が２０％超となると、反発力が強くなり、溶滴の成長が不安定化する。ピーク期間の時間比率は１０％未満であることがさらに望ましい。このようにすると、さらに反発力が弱くなり、溶滴の成長がさらに安定化する。
【0019】
さらに、立ち下り期間は立ち上り期間よりも２倍以上長い期間に設定されることが望ましい。このようにすると、溶滴への入熱の降下速度が緩やかになり、溶滴の成長がより安定化する。さらに、立ち下り期間は立ち上り期間よりも３倍以上長い期間に設定されることがより望ましい。このようにすると、溶滴への入熱の降下速度がより一層緩やかになり、溶滴の成長が一段と安定化する。
【0020】
時刻ｔ３～ｔ４の電極プラス極性ピーク期間Ｔｐは、立ち上り期間と、ピーク期間と、立ち下り期間とから形成される。同図(Ａ)に示すように、電極プラス極性ピーク電流Ｉｐは、立ち上り期間中は、上記の極性切換電流値から予め定めたピーク値まで電流変化率の絶対値が連続的に小さくなるように増加する。ピーク期間中は、ピーク値を維持する。立ち下り期間中は、ピーク値から電極プラス極性ベース電流Ｉｂまで電流変化率の絶対値が連続的に小さくなるように減少する。同図(Ｂ)に示すように、溶接電圧Ｖｗは電流波形と相似したパルス波形となる。
【0021】
ピーク期間が電極プラス極性ピーク期間Ｔｐに占める時間比率が２０％未満になるように設定される。このようにすることによって、溶滴に作用するアーク圧力を緩和することができる。この結果、母材が薄板であるときの溶け落ちを防止することができるので、高品質な薄板溶接が可能となる。特に、母材の材質がステンレス鋼であるときは、この作用効果が顕著となる。したがって、ステンレス鋼溶接を行うときは、この波形にすることが望ましい。
【0022】
ピーク期間の時間比率が２０％超となると、アーク圧力が強くなり、溶け落ちが発生するおそれが高くなる。ピーク期間の時間比率は１０％未満であることがさらに望ましい。このようにすると、さらにアーク圧力が弱くなり、溶け落ちの発生確立が低くなる。
【0023】
立ち上り期間中の電極プラス極性ピーク電流Ｉｐは、電流値が大きいほど変化率の絶対値が小さくなるように変化する。このために、アーク圧力の変化がより緩和される。さらに、立ち下り期間中の電極プラス極性ピーク電流Ｉｐは、電流値が大きいときは変化率の絶対値が大きくなる。このために、アークの指向性が強くなり、磁気吹き等によるアーク不安定を抑制することができる。かつ、電流値が小さくなると変化率の絶対値は小さくなる。このために、アンダーシュートによるアーク切れを抑制することができる。
【0024】
時刻ｔ４～ｔ５の電極プラス極性ベース期間Ｔｂ中は、予め定めた電極プラス極性ベース電流Ｉｂが通電する。同図(Ｂ)に示すように、溶接電圧Ｖｗはアーク電圧値となる。
【0025】
時刻ｔ５において、電極プラス極性ＥＰから電極マイナス極性ＥＮへと切り換えられる。この切換時にもアーク切れを防止するために短時間だけ高電圧が印加される。時刻ｔ５～ｔ６の電極マイナス極性ベース期間Ｔbn中は、予め定めた電極マイナス極性ベース電流Ｉbnが通電する。同図(Ｂ)に示すように、溶接電圧Ｖｗはアーク電圧値となる。
【0026】
時刻ｔ２～ｔ６を１周期として繰り返して溶接が行われる。溶接電圧Ｖｗの絶対値の平均値(平滑値)はアーク長に比例する。したがって、溶接電圧Ｖｗの絶対値の平均値を検出し、この検出値が予め定めた電圧設定値と等しくなるように周期を変調する電圧フィードバック制御を行うことによって、アーク長を適正値に維持することができる。周期を変調する代わりに、周期を一定値として電極プラス極性ピーク期間Ｔｐの時間長さ(パルス幅)を変調するようにしても良い。電圧フィードバック制御は、例えば以下のようにして行う。
１）溶接電圧Ｖｗの絶対値を検出する。
２）検出値をローパスフィルタに通すことによって溶接電圧平滑地Ｖavを算出する。ローパスフィルタのカットオフ周波数は１～５Ｈｚ程度である。
３）溶接電圧平滑地Ｖavと予め定めた電圧設定値Ｖｒとの電圧誤差増幅値Ｅｖ＝Ｇ・(Ｖav－Ｖｒ)を算出する。ここで、Ｇは予め定めた増幅率である。
４）第ｎ回目の周期の開始時点（時刻ｔ２の電極マイナス極性ピーク期間Ｔpnの開始時点）において、周期Ｔｆ(n)＝Ｔｆ(n-1)＋Ｅｖによって第ｎ回目の周期の時間長さを算出する。ここで、Ｔｆ(n)は第ｎ回目の周期の時間長さであり、Ｔｆ(n-1)は第ｎ－１回目の周期の時間長さである。
１）溶接電圧Ｖｗの絶対値を検出する。
２）検出値をローパスフィルタに通すことによって溶接電圧平滑地Ｖavを算出する。ローパスフィルタのカットオフ周波数は１～５Ｈｚ程度である。
３）溶接電圧平滑地Ｖavと予め定めた電圧設定値Ｖｒとの電圧誤差増幅値Ｅｖ＝Ｇ・(Ｖav－Ｖｒ)を算出する。ここで、Ｇは予め定めた増幅率である。
４）第ｎ回目の周期の開始時点（時刻ｔ２の電極マイナス極性ピーク期間Ｔpnの開始時点）において、周期Ｔｆ(n)＝Ｔｆ(n-1)＋Ｅｖによって第ｎ回目の周期の時間長さを算出する。ここで、Ｔｆ(n)は第ｎ回目の周期の時間長さであり、Ｔｆ(n-1)は第ｎ－１回目の周期の時間長さである。
【0027】
次に、電極マイナス極性電流比率Ｒｎが予め定めた電極マイナス極性電流比率設定値Ｒnrと等しくなるように制御する比率フィードバック制御について説明する。比率フィードバック制御は、例えば以下のように行う。
【0028】
［例１］ 電極プラス極性ベース期間Ｔｂ及び電極マイナス極性ベース期間Ｔbnを変調して比率フィードバック制御を行う場合
Ｔａ＝Ｔｂ＋Ｔbn及びａ＝Ｔbn／ＴａとしてＴａ及びａを定義すると、以下が成立する。
Ｔｂ＝(１－ａ)・Ｔａ及びＴbn＝ａ・Ｔａとなる。
１）第ｎ回目の周期の開始時点(時刻ｔ２の電極マイナス極性ピーク期間Ｔpnの開始時点)において、上述した電圧フィードバック制御によって第ｎ回目の周期ｔｆ(n)の時間長さが算出される。
２）Ｔａ＝Ｔｆ(n)－Ｔpn－Ｔｐを算出する。Ｔpn及びＴｐは所定値である。
３）時刻ｔ２～ｔ３の電極マイナス極性ピーク期間Ｔpn中は、Ｓｎ＝∫｜Ｉｗ｜・ｄｔの積分を行う。
４）時刻ｔ３～ｔ４の電極プラス極性ピーク期間Ｔｐ中は、Ｓｐ＝∫Ｉｗ・ｄｔの積分を行う。
５）時刻ｔ４の電極プラス極性ベース期間Ｔｂの開始時点において、以下の演算を行う。Ｉｂ及びＩbnは所定値(絶対値)である。
Ｒｎ＝（Ｓｎ＋Ｉbn・ａ・Ｔａ）／（Ｓｎ＋Ｓｐ＋Ｉｂ・（１－ａ）・Ｔａ＋Ｉbn・ａ・Ｔａ）
上式において、ＲｎをＲnrに置換して、ａによって整理すると、下式となる。Ｒnrは設定値である。
ａ＝（Ｒnr・Ｓｎ＋Ｒnrnr・Ｓｐ＋Ｒnr・Ｉｂ・Ｔａ－Ｓｎ）／（Ｔａ・（Ｉbn＋Ｒnr・Ｉｂ＋Ｒnr・Ｉbn）） …(１)式
６）Ｔｂ＝(１－ａ)・Ｔａ及びＴbn＝ａ・Ｔａを算出する。
Ｔａ＝Ｔｂ＋Ｔbn及びａ＝Ｔbn／ＴａとしてＴａ及びａを定義すると、以下が成立する。
Ｔｂ＝(１－ａ)・Ｔａ及びＴbn＝ａ・Ｔａとなる。
１）第ｎ回目の周期の開始時点(時刻ｔ２の電極マイナス極性ピーク期間Ｔpnの開始時点)において、上述した電圧フィードバック制御によって第ｎ回目の周期ｔｆ(n)の時間長さが算出される。
２）Ｔａ＝Ｔｆ(n)－Ｔpn－Ｔｐを算出する。Ｔpn及びＴｐは所定値である。
３）時刻ｔ２～ｔ３の電極マイナス極性ピーク期間Ｔpn中は、Ｓｎ＝∫｜Ｉｗ｜・ｄｔの積分を行う。
４）時刻ｔ３～ｔ４の電極プラス極性ピーク期間Ｔｐ中は、Ｓｐ＝∫Ｉｗ・ｄｔの積分を行う。
５）時刻ｔ４の電極プラス極性ベース期間Ｔｂの開始時点において、以下の演算を行う。Ｉｂ及びＩbnは所定値(絶対値)である。
Ｒｎ＝（Ｓｎ＋Ｉbn・ａ・Ｔａ）／（Ｓｎ＋Ｓｐ＋Ｉｂ・（１－ａ）・Ｔａ＋Ｉbn・ａ・Ｔａ）
上式において、ＲｎをＲnrに置換して、ａによって整理すると、下式となる。Ｒnrは設定値である。
ａ＝（Ｒnr・Ｓｎ＋Ｒnrnr・Ｓｐ＋Ｒnr・Ｉｂ・Ｔａ－Ｓｎ）／（Ｔａ・（Ｉbn＋Ｒnr・Ｉｂ＋Ｒnr・Ｉbn）） …(１)式
６）Ｔｂ＝(１－ａ)・Ｔａ及びＴbn＝ａ・Ｔａを算出する。
【0029】
このように、電圧フィードバック制御によって周期を決定し、比率フィードバック制御によって電極プラス極性ベース期間Ｔｂ及び電極マイナス極性ベース期間Ｔbnを決定する。この結果、トーチ高さが変化した場合、電圧設定値Ｖｒが変化した場合等でも、アーク長を適正値に維持し、かつ。電極マイナス極性電流比率Ｒｎを所望値に制御することができる。
【0030】
［例２］電極マイナス極性ベース電流Ｉbnを変調して比率フィードバック制御を行う場合
１）第ｎ回目の周期の開始時点(時刻ｔ２の電極マイナス極性ピーク期間Ｔpnの開始時点)において、上述した電圧フィードバック制御によって第ｎ回目の周期ｔｆ(n)の時間長さが算出される。
２）Ｔbn＝Ｔｆ－Ｔpn－Ｔｐ－Ｔｂを算出する。Ｔpn、Ｔｐ及びＴｂは所定値である。
３）時刻ｔ２～ｔ３の電極マイナス極性ピーク期間Ｔpn中は、Ｓｎ＝∫｜Ｉｗ｜・ｄｔの積分を行う。
４）時刻ｔ３～ｔ４の電極プラス極性ピーク期間Ｔｐ中は、Ｓｐ＝∫Ｉｗ・ｄｔの積分を行う。
５）時刻ｔ４の電極プラス極性ベース期間Ｔｂの開始時点において、以下の演算を行う。Ｉｂは所定値である。
Ｒｎ＝（Ｓｎ＋Ｉbn・Ｔbn）／（Ｓｎ＋Ｓｐ＋Ｉｂ・Ｔｂ＋Ｉbn・Ｔbn）
上式において、ＲｎをＲnrに置換して、Ｉbnによって整理すると、下式となる。Ｒnrは設定値である。
Ｉbn＝（Ｒnr・Ｓｎ＋rnr・Ｓｐ＋Ｒnr・Ｉｂ・Ｔｂ－Ｓｎ）／(Ｔbn－Ｒnr・Ｔbn) …(２)式
１）第ｎ回目の周期の開始時点(時刻ｔ２の電極マイナス極性ピーク期間Ｔpnの開始時点)において、上述した電圧フィードバック制御によって第ｎ回目の周期ｔｆ(n)の時間長さが算出される。
２）Ｔbn＝Ｔｆ－Ｔpn－Ｔｐ－Ｔｂを算出する。Ｔpn、Ｔｐ及びＴｂは所定値である。
３）時刻ｔ２～ｔ３の電極マイナス極性ピーク期間Ｔpn中は、Ｓｎ＝∫｜Ｉｗ｜・ｄｔの積分を行う。
４）時刻ｔ３～ｔ４の電極プラス極性ピーク期間Ｔｐ中は、Ｓｐ＝∫Ｉｗ・ｄｔの積分を行う。
５）時刻ｔ４の電極プラス極性ベース期間Ｔｂの開始時点において、以下の演算を行う。Ｉｂは所定値である。
Ｒｎ＝（Ｓｎ＋Ｉbn・Ｔbn）／（Ｓｎ＋Ｓｐ＋Ｉｂ・Ｔｂ＋Ｉbn・Ｔbn）
上式において、ＲｎをＲnrに置換して、Ｉbnによって整理すると、下式となる。Ｒnrは設定値である。
Ｉbn＝（Ｒnr・Ｓｎ＋rnr・Ｓｐ＋Ｒnr・Ｉｂ・Ｔｂ－Ｓｎ）／(Ｔbn－Ｒnr・Ｔbn) …(２)式
【0031】
このように、電圧フィードバック制御によって周期を決定し、比率フィードバック制御によって電極マイナス極性ベース電流Ｉbnを決定する。この結果、トーチ高さが変化した場合、電圧設定値Ｖｒが変化した場合等でも、アーク長を適正値に維持し、かつ。電極マイナス極性電流比率Ｒｎを所望値に制御することができる。
【0032】
図２は、図１で上述した本発明の実施の形態１に係る交流パルスアーク溶接の出力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。同図は、上述した電圧フィードバック制御によって周期が制御され、上述した比率フィードバック制御によって電極プラス極性ベース期間Ｔｂ及び電極マイナス極性ベース期間Ｔbnが制御される場合である。同図において、上述した極性切換時の高電圧印加回路については省略している。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。
【0033】
インバータ回路ＩＮＶは、３相２００Ｖ等の交流商用電源（図示は省略）を入力として、整流及び平滑した直流電圧を、後述する電流誤差増幅信号Ｅｉによるパルス幅変調制御によりインバータ制御を行い、高周波交流を出力する。インバータトランスＩＮＴは、高周波交流電圧をアーク溶接に適した電圧値に降圧する。２次整流器Ｄ２ａ～Ｄ２ｄは、降圧された高周波交流を直流に整流する。
【0034】
電極プラス極性トランジスタＰＴＲは後述する電極プラス極性駆動信号Ｐｄによってオン状態になり、このときは溶接電源の出力は電極プラス極性ＥＰになる。電極マイナス極性トランジスタＮＴＲは後述する電極マイナス極性駆動信号Ｎｄによってオン状態になり、このときは溶接電源の出力は電極マイナス極性ＥＮになる。
【0035】
リアクトルＷＬは、リップルのある出力を平滑する。
【0036】
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内を送給されて、母材２との間にアーク３が発生する。溶接ワイヤ１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。
【0037】
電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｗの絶対値を検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。
【0038】
電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗの絶対値を検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。
【0039】
電圧平滑回路ＶＡＶは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、この信号をローパスフィルタに通すことによって溶接電圧平滑信号Ｖavを出力する。
【0040】
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。
【0041】
電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の溶接電圧平滑信号Ｖavと上記の電圧設定信号Ｖｒとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖ＝Ｇ・(Ｖav－Ｖｒ)を出力する。ここで、Ｇは予め定めた増幅率である。
【0042】
電圧フィードバック制御回路ＶＦは、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖ及び後述するタイマ信号Ｔｍを入力として、タイマ信号Ｔｍ＝１に変化した時点（電極マイナス極性ピーク期間Ｔpnの開始時点）において、周期信号Ｔｆ＝Ｔｆ(n-1)＋Ｅｖを算出して出力する。ここで、Ｔｆは第ｎ回目の周期の時間長さであり、Ｔｆ(n-1)は第ｎ－１回目の周期の時間長さである。
【0043】
電極マイナス極性ピーク期間設定回路ＴＰＮＲは、予め定めた電極マイナス極性ピーク期間設定信号Ｔpnrを出力する。
【0044】
電極プラス極性ピーク期間設定回路ＴＰＲは、予め定めた電極プラス極性ピーク期間設定信号Ｔprを出力する。
【0045】
電極マイナス極性ピーク電流設定回路ＩＰＮＲは、図１で上述した波形を形成するための電極マイナス極性ピーク電流設定信号Ｉpnrを出力する。
【0046】
電極プラス極性ピーク電流設定回路ＩＰＲは、図１で上述した波形を形成するための電極プラス極性ピーク電流設定信号Ｉprを出力する。
【0047】
電極プラス極性ベース電流設定回路ＩＢＲは、予め定めた電極プラス極性ベース電流設定信号Ｉbrを出力する。
【0048】
電極マイナス極性ベース電流設定回路ＩＢＮＲは、予め定めた電極マイナス極性ベース電流設定信号Ｉbnrを出力する。
【0049】
電極マイナス極性ピーク電流積分回路ＳＮは、上記の電流検出回路Ｉｄ及び後述するタイマ信号Ｔｍを入力として、タイマ信号Ｔｍ＝１の期間（電極マイナス極性ピーク期間Ｔpn）中は、Ｓｎ＝∫Ｉｄ｜・ｄｔの積分を行い、電極マイナス極性ピーク電流積分信号Ｓｎを出力する。
【0050】
電極プラス極性ピーク電流積分回路ＳＰは、上記の電流検出回路Ｉｄ及び後述するタイマ信号Ｔｍを入力として、タイマ信号Ｔｍ＝２の期間（電極プラス極性ピーク期間Ｔｐ）中は、Ｓｐ＝∫Ｉｄ｜・ｄｔの積分を行い、電極プラス極性ピーク電流積分信号Ｓｐを出力する。
【0051】
電極マイナス極性電流比率設定回路ＲＮＲは、予め定めた電極マイナス極性電流比率設定信号Ｒnrを出力する。
【0052】
比率フィードバック制御回路ＲＦは、上記の周期信号Ｔｆ、上記の電極マイナス極性ピーク期間設定信号Ｔpnr、上記の電極プラス極性ピーク期間設定信号Ｔpr、上記の電極プラス極性ベース電流設定信号Ｉbr、上記の電極マイナス極性ベース電流設定信号Ｉbnr、上記の電極マイナス極性ピーク電流積分信号Ｓｎ、上記の電極プラス極性ピーク電流積分信号Ｓｐ及び上記の電極マイナス極性電流比率設定信号Ｒnrを入力として、上述した(１)式に基づいて電極マイナス極性ベース期間設定信号Ｔbnr及び電極プラス極性ベース期間設定信号Ｔbrを算出する。
【0053】
タイマ回路ＴＭは、上記の電極マイナス極性ピーク期間設定信号Ｔpnr、上記の電極プラス極性ピーク期間設定信号Ｔpr、上記の電極プラス極性ベース期間設定信号Ｔbr及び上記の電極マイナス極性ベース期間設定信号Ｔbnrを入力として、電極マイナス極性ピーク期間設定信号Ｔpnrによって定まる期間中はその値が１となり、続いて電極プラス極性ピーク期間設定信号Ｔprによって定まる期間中はその値が２となり、続いて電極プラス極性ベース期間設定信号Ｔbrによって定まる期間中はその値が３となり、続いて電極マイナス極性ベース期間設定信号Ｔbnrによって定まる期間中はその値が４となり、これらの処理を繰り返してタイマ信号Ｔｍを出力する。
【0054】
切換回路ＳＷは、上記のタイマ信号Ｔｍ、上記の電極マイナス極性ピーク電流設定信号Ｉpnr、上記の電極プラス極性ピーク電流設定信号Ｉpr、上記の電極プラス極性ベース電流設定信号Ｉbr及び上記の電極マイナス極性ベース電流設定信号Ｉbnrを入力として、タイマ信号Ｔｍ＝１のとき電極マイナス極性ピーク電流設定信号Ｉpnrを電流設定信号Ｉｒとして出力し、タイマ信号Ｔｍ＝２のとき電極プラス極性ピーク電流設定信号Ｉprを電流設定信号Ｉｒとして出力し、タイマ信号Ｔｍ＝３のとき電極プラス極性ベース電流設定信号Ｉbrを電流設定信号Ｉｒとして出力し、タイマ信号Ｔｍ＝４のとき電極マイナス極性ベース電流設定信号Ｉbnrを電流設定信号Ｉｒとして出力する。
【0055】
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。
【0056】
駆動回路ＤＶは、上記のタイマ信号Ｔｍを入力として、タイマ信号Ｔｍ＝１又は４のとき電極マイナス極性駆動信号Ｎｄを出力し、タイマ信号Ｔｍ＝２又は３のとき電極プラス極性駆動信号Ｐｄを出力する。これによって、電極マイナス極性ベース期間及び電極マイナス極性ピーク期間は電極マイナス極性となり、電極プラス極性ピーク期間及び電極プラス極性ベース期間は電極プラス極性となる。
【0057】
送給速度設定回路ＦＲは、予め定めた送給速度設定信号Ｆｒを出力する。送給制御回路ＦＣは、この送給速度設定信号Ｆｒを入力として、その値に対応した送給速度Ｆｗで溶接ワイヤ１を送給するための送給制御信号Ｆｃを上記のワイヤ送給モータＷＭに出力する。
【0058】
図３は、図１で上述した本発明の実施の形態１に係る交流パルスアーク溶接の出力制御方法を実施するための溶接電源の図２とは異なるブロック図である。同図は、上述した電圧フィードバック制御によって周期が制御される点は図２と同一である。同図においては、上述した比率フィードバック制御によって電極マイナス極性ベース電流設定信号Ｉbnrが制御される点が図２とは異なっている。同図において、図２と同一のブロックには同一符号を付して、それらの説明は繰り返さない。同図は、図２の電極マイナス極性ベース電流設定回路ＩＢＮＲを削除し、図２に電極プラス極性ベース期間設定回路ＴＢＲを追加し、図２に電極マイナス極性ベース期間設定回路ＴＢＮＲを追加し、図２の比率フィードバック制御回路ＲＦを第２比率フィードバック制御回路ＲＦ２に置換したものである。以下、同図を参照してこれらのブロックについて説明する。
【0059】
電極プラス極性ベース期間設定回路ＴＢＲは、予め定めた電極プラス極性ベース期間設定信号Ｔbrを出力する。
【0060】
電極マイナス極性ベース期間設定回路ＴＢＮＲは、上記のタイマ信号Ｔｍ、上記の周期信号Ｔｆ、上記の電極マイナス極性ピーク期間設定信号Ｔpnr、上記の電極プラス極性ピーク期間設定信号Ｔpr及び上記の電極プラス極性ベース期間設定信号Ｔbrを入力として、タイマ信号Ｔｍ＝１に変化した時点において、電極マイナス極性ベース期間設定信号Ｔbnr＝Ｔｆ－Ｔpnr－Ｔpr－Ｔbrを算出する。
【0061】
第２比率フィードバック制御回路ＲＦ２は、上記の電極マイナス極性ピーク期間設定信号Ｔpnr、上記の電極プラス極性ピーク期間設定信号Ｔpr、上記の電極プラス極性ベース期間設定信号Ｔbr、上記の電極マイナス極性ベース期間設定信号Ｔbnr、上記の電極プラス極性ベース電流設定信号Ｉbr、上記の電極マイナス極性ピーク電流積分信号Ｓｎ、上記の電極プラス極性ピーク電流積分信号Ｓｐ及び上記の電極マイナス極性電流比率設定信号Ｒnrを入力として、上述した(２)式に基づいて電極マイナス極性ベース電流設定信号Ｉbnrを算出する。
【0062】
上述した実施の形態１によれば、溶接電圧を制御する電圧フィードバック制御と、電極マイナス極性電流比率を制御する比率フィードバック制御とを併用する溶接電源の出力制御を行う。電圧フィードバック制御によって溶接電圧を制御してアーク長を適正値に維持する。比率フィードバック制御によって電極マイナス極性電流比率を所望値に制御する。このために、トーチ高さが変化した場合又は電圧設定値Ｖｒが変化した場合でも、アーク長を適正値に維持し、かつ。電極マイナス極性電流比率を所望値に制御することができる。
【0063】
実施の形態１において、電圧フィードバック制御は周期を変化させて前記溶接電圧を制御する。ようにしても良い
【0064】
実施の形態１において、比率フィードバック制御は溶接電流の波形パラメータの少なくとも１つを変化させて前記電極マイナス極性電流比率を制御する。この波形パラメータは電極プラス極性ベース期間及び電極マイナス極性ベース期間であっても良い。また、波形パラメータは電極マイナス極性ベース電流であっても良い。
【0065】
［実施の形態２］
実施の形態２の発明は、溶接電流の検出信号から電極マイナス極性電流比率を算出し、比率フィードバック制御は、算出された電極マイナス極性電流比率が予め定めた電極マイナス極性電流比率設定信号と等しくなるように電極マイナス極性ベース電流を制御するものである。
実施の形態２の発明は、溶接電流の検出信号から電極マイナス極性電流比率を算出し、比率フィードバック制御は、算出された電極マイナス極性電流比率が予め定めた電極マイナス極性電流比率設定信号と等しくなるように電極マイナス極性ベース電流を制御するものである。
【0066】
本発明の実施の形態２に係る交流パルスアーク溶接の出力制御方法を示す電流・電圧波形図は、上述した図１と同一であるので、説明は繰り返さない。但し、比率フィードバック制御の方法が異なっている。実施の形態１では、毎周期ごとに(１)式又は(２)式に基づいて電極マイナス極性電流比率Ｒｎが電極マイナス極性電流比率設定信号Ｒnrと等しくなるように波形パラメータを決定している。これに対して、実施の形態２では、以下のようにして比率フィードバック制御を行う。
１）溶接中に、単位時間又は所定周期(以下、所定期間という)ごとに、実際の溶接電流Ｉｗの検出信号Ｉｄから電極マイナス極性電流比率を算出する。
２）所定期間ごとに、予め定めた電極マイナス極性電流比率設定信号Ｒnr(＋)と電極マイナス極性電流比率算出信号Ｒnd(－)との比率誤差増幅値Ｅｈを算出する。
３）所定期間ごとに、電極マイナス極性ベース電流設定信号Ｉbnrの値を比率誤差増幅値Ｅｈだけ修正する(比率誤差増幅値Ｅｈを積分して修正する)。
１）溶接中に、単位時間又は所定周期(以下、所定期間という)ごとに、実際の溶接電流Ｉｗの検出信号Ｉｄから電極マイナス極性電流比率を算出する。
２）所定期間ごとに、予め定めた電極マイナス極性電流比率設定信号Ｒnr(＋)と電極マイナス極性電流比率算出信号Ｒnd(－)との比率誤差増幅値Ｅｈを算出する。
３）所定期間ごとに、電極マイナス極性ベース電流設定信号Ｉbnrの値を比率誤差増幅値Ｅｈだけ修正する(比率誤差増幅値Ｅｈを積分して修正する)。
【0067】
実施の形態１においては、電圧フィードバック制御及び比率フィードバック制御の制御周期はパルス周期ごとであり、１０ms程度である。これに対して、実施の形態２においては、電圧フィードバック制御の制御周期はパルス周期ごとであるが、比率フィードバック制御の制御周期は１００～１０００ms程度に設定する。実施の形態２においてこのように１０倍以上長く設定するのは、電圧フィードバック制御と比率フィードバック制御との併用によるフィードバック制御系の不安定を回避するためである。
【0068】
図４は、本発明の実施の形態２に係る交流パルスアーク溶接の出力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。同図は、上述した図３と対応しており、図３と同一のブロックには同一符号を付して、それらの説明は繰り返さない。同図は、図３に電極マイナス極性電流比率算出回路ＲＮＤを追加し、図３の第２比率フィードバック制御回路ＲＦ２を第３比率フィードバック制御回路ＲＦ３に置換したものである。以下、同図を参照してこれらのブロックについて説明する。
【0069】
電極マイナス極性電流比率算出回路ＲＮＤは、上記の電流検出信号Ｉｄ及び上記のタイマ信号Ｔｍを入力として、所定期間ごとに電流検出信号Ｉｄの積分地Ｓav並びにタイマ信号Ｔｍが１及び４(ＥＮ期間)のときの電流検出信号Ｉｄの積分地Ｓenを算出し、Ｓen／Ｓavの除算によって電極マイナス極性電流比率算出信号Ｒndを算出する。
【0070】
第３比率フィードバック制御回路ＲＦ３は、上記の電極マイナス極性電流比率設定信号Ｒnr及び上記の電極マイナス極性電流比率算出信号Ｒndを入力として、これらの比率誤差増幅値Ｅｈを算出して積分し、電極マイナス極性ベース電流設定信号Ｉbnrを出力する。
【0071】
上述した実施の形態２によれば、溶接電流の検出信号から電極マイナス極性電流比率を算出し、比率フィードバック制御は、算出された電極マイナス極性電流比率が予め定めた電極マイナス極性電流比率設定信号と等しくなるように電極マイナス極性ベース電流を制御する。これにより、実施の形態２は、実施の形態１と同様の降下を奏する。さらに、実施の形態２では、実際の溶接電流の検出信号から電極マイナス極性電流比率を算出しているので、正確に電極マイナス極性電流比率を制御することができる。さらに、実施の形態２では、電圧フィードバック制御の制御周期と比率フィードバック制御の制御周期とを異なる値に設定することができるので、両フィードバック制御を併用しても制御系を安定化させることができる。
【符号の説明】
【0072】
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
ＤＶ 駆動回路
Ｅｈ 比率誤差増幅値
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
Ｅｖ 電圧誤差増幅信号
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
Ｆｗ 送給速度
Ｉｂ 電極プラス極性ベース電流
Ｉbn 電極マイナス極性ベース電流
ＩＢＮＲ 電極マイナス極性ベース電流設定回路
Ｉbnr 電極マイナス極性ベース電流設定信号
ＩＢＲ 電極プラス極性ベース電流設定回路
Ｉbr 電極プラス極性ベース電流設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＮＴ インバータトランス
ＩＮＶ インバータ回路
Ｉｐ 電極プラス極性ピーク電流
Ｉpn 電極マイナス極性ピーク電流
ＩＰＮＲ 電極マイナス極性ピーク電流設定回路
Ｉpnr 電極マイナス極性ピーク電流設定信号
ＩＰＲ 電極プラス極性ピーク電流設定回路
Ｉpr 電極プラス極性ピーク電流設定信号
Ｉｒ 電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
Ｎｄ 電極マイナス極性駆動信号
ＮＴＲ 電極マイナス極性トランジスタ
Ｐｄ 電極プラス極性駆動信号
ＰＴＲ 電極プラス極性トランジスタ
ＲＦ 比率フィードバック制御回路
ＲＦ２ 第２比率フィードバック制御回路
ＲＦ３ 第３比率フィードバック制御回路
Ｒｎ 電極マイナス極性電流比率
ＲＮＤ 電極マイナス極性電流比率算出回路
Ｒnd 電極マイナス極性電流比率算出信号
ＲＮＲ 電極マイナス極性電流比率設定回路
Ｒnr 電極マイナス極性電流比率設定信号
Ｓav 所定期間中の電流検出信号(絶対値)の積分地
Ｓen 所定期間中のＥＮ期間のみの電流検出信号(絶対値)の積分地
ＳＮ 電極マイナス極性ピーク電流積分回路
Ｓｎ 電極マイナス極性ピーク電流積分信号
ＳＰ 電極プラス極性ピーク電流積分回路
Ｓｐ 電極プラス極性ピーク電流積分信号
ＳＷ 切換回路
Ｔｂ 電極プラス極性ベース期間
Ｔbn 電極マイナス極性ベース期間
ＴＢＮＲ 電極マイナス極性ベース期間設定回路
Ｔbnr 電極マイナス極性ベース期間設定信号
ＴＢＲ 電極プラス極性ベース期間設定回路
Ｔbr 電極プラス極性ベース期間設定信号
Ｔｆ 周期信号
ＴＭ タイマ回路
Ｔｍ タイマ信号
Ｔｐ 電極プラス極性ピーク期間
Ｔpn 電極マイナス極性ピーク期間
ＴＰＮＲ 電極マイナス極性ピーク期間設定回路
Ｔpnr 電極マイナス極性ピーク期間設定信号
ＴＰＲ 電極プラス極性ピーク期間設定回路
Ｔpr 電極プラス極性ピーク期間設定信号
ＶＡＶ 電圧平滑回路
Ｖav 溶接電圧平滑信号
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
ＶＦ 電圧フィードバック制御回路
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
ＷＭ ワイヤ送給モータ
２ 母材
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
ＤＶ 駆動回路
Ｅｈ 比率誤差増幅値
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
Ｅｖ 電圧誤差増幅信号
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
Ｆｗ 送給速度
Ｉｂ 電極プラス極性ベース電流
Ｉbn 電極マイナス極性ベース電流
ＩＢＮＲ 電極マイナス極性ベース電流設定回路
Ｉbnr 電極マイナス極性ベース電流設定信号
ＩＢＲ 電極プラス極性ベース電流設定回路
Ｉbr 電極プラス極性ベース電流設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＮＴ インバータトランス
ＩＮＶ インバータ回路
Ｉｐ 電極プラス極性ピーク電流
Ｉpn 電極マイナス極性ピーク電流
ＩＰＮＲ 電極マイナス極性ピーク電流設定回路
Ｉpnr 電極マイナス極性ピーク電流設定信号
ＩＰＲ 電極プラス極性ピーク電流設定回路
Ｉpr 電極プラス極性ピーク電流設定信号
Ｉｒ 電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
Ｎｄ 電極マイナス極性駆動信号
ＮＴＲ 電極マイナス極性トランジスタ
Ｐｄ 電極プラス極性駆動信号
ＰＴＲ 電極プラス極性トランジスタ
ＲＦ 比率フィードバック制御回路
ＲＦ２ 第２比率フィードバック制御回路
ＲＦ３ 第３比率フィードバック制御回路
Ｒｎ 電極マイナス極性電流比率
ＲＮＤ 電極マイナス極性電流比率算出回路
Ｒnd 電極マイナス極性電流比率算出信号
ＲＮＲ 電極マイナス極性電流比率設定回路
Ｒnr 電極マイナス極性電流比率設定信号
Ｓav 所定期間中の電流検出信号(絶対値)の積分地
Ｓen 所定期間中のＥＮ期間のみの電流検出信号(絶対値)の積分地
ＳＮ 電極マイナス極性ピーク電流積分回路
Ｓｎ 電極マイナス極性ピーク電流積分信号
ＳＰ 電極プラス極性ピーク電流積分回路
Ｓｐ 電極プラス極性ピーク電流積分信号
ＳＷ 切換回路
Ｔｂ 電極プラス極性ベース期間
Ｔbn 電極マイナス極性ベース期間
ＴＢＮＲ 電極マイナス極性ベース期間設定回路
Ｔbnr 電極マイナス極性ベース期間設定信号
ＴＢＲ 電極プラス極性ベース期間設定回路
Ｔbr 電極プラス極性ベース期間設定信号
Ｔｆ 周期信号
ＴＭ タイマ回路
Ｔｍ タイマ信号
Ｔｐ 電極プラス極性ピーク期間
Ｔpn 電極マイナス極性ピーク期間
ＴＰＮＲ 電極マイナス極性ピーク期間設定回路
Ｔpnr 電極マイナス極性ピーク期間設定信号
ＴＰＲ 電極プラス極性ピーク期間設定回路
Ｔpr 電極プラス極性ピーク期間設定信号
ＶＡＶ 電圧平滑回路
Ｖav 溶接電圧平滑信号
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
ＶＦ 電圧フィードバック制御回路
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
ＷＭ ワイヤ送給モータ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】