JP2014034049A - 交流パルスアーク溶接制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】消耗電極交流パルスアーク溶接において、電極マイナス極性電流比率を大きな値に設定しても、安定した溶接状態を維持すること。
【解決手段】電極マイナス極性ベース期間中はベース電流を通電し、電極マイナス極性ピーク期間Ｔｐｎ中は振動する電極マイナス極性ピーク電流Ｉｐｎを通電し、電極プラス極性ピーク期間中はピーク電流を通電し、電極プラス極性ベース期間中はベース電流を通電する。電極マイナス極性ピーク電流の振動波形は、振幅が時間経過に対して次第に減少する波形に設定される。このために、溶滴が成長して大きくなるのに伴い溶滴を上下に振動させる力が弱くなるので、溶滴が下向きに振動したときの移動量も小さくなり、短絡の発生を抑制することができるので、溶接状態を安定に維持することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電極マイナス極性電流比率が大きな値に設定されても、安定した溶接状態を得ることができる交流パルスアーク溶接制御方法に関するものである。

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、電極マイナス極性期間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。通常、電極マイナス極性電流比率は０〜３０％程度の範囲で使用される。ここで、電極マイナス極性電流比率が０％とは、直流パルスアーク溶接のことである。

ワークによっては、溶け込み部を小さくし、余盛り部を大きくした希釈率の小さなビード形状を形成する必要がある場合がある。例えば、鉄鋼材の薄板溶接において、溶接継手部に大きなギャップがあるワークを高速溶接するような場合である。このような場合には、ギャップを溶融金属で埋め、かつ溶け込みを小さくするために、希釈率の小さなビード形状が必要になる。このようなビード形状を形成するためには、電極マイナス極性電流比率を上記の通常範囲よりも大きな値である３０％以上に設定する必要がある。ときには５０％を超える値に設定する必要がある場合も生じる。このような場合には、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周期として溶接を行う交流パルスアーク溶接方法が使用されている。以下、この従来技術（特許文献１参照）について説明する。以下の説明において、電極マイナス極性期間の溶接電流及び溶接電圧は負の値となるが、値の大小を記載したときはその絶対値の大小のことを意味している。

図６は、従来技術における交流パルスアーク溶接制御方法を示す溶接電流Ｉｗの波形図である。同図において、０Ａから上側が電極プラス極性ＥＰを示し、下側が電極マイナス極性ＥＮを示す。同図は、電極マイナス極性電流比率が通常範囲（０〜３０％程度）よりも大きく設定された場合である。極性切換時のアーク切れを防止するために、極性切換時に短時間の間高電圧を溶接ワイヤと母材との間に印加している。以下、同図を参照して説明する。

時刻ｔ１〜ｔ２の電極マイナス極性ベース期間Ｔbn中は、臨界値未満の電極マイナス極性ベース電流Ｉbnを通電する。時刻ｔ２〜ｔ３の電極マイナス極性ピーク期間Ｔpn中は、電極マイナス極性ベース電流Ｉbnよりも大きな値の電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnを通電する。時刻ｔ３において極性を反転する。時刻ｔ３〜ｔ４の電極プラス極性ピーク期間Ｔｐ中は、臨界値以上の電極プラス極性ピーク電流Ｉｐを通電する。時刻ｔ４〜ｔ５の電極プラス極性ベース期間Ｔｂ中は、臨界値未満の電極プラス極性ベース電流Ｉｂを通電する。時刻ｔ５〜ｔ６は再び上記の電極マイナス極性ベース期間Ｔbnとなり、時刻ｔ６〜ｔ７は再び上記の電極マイナス極性ピーク期間Ｔpnとなり、時刻ｔ７〜ｔ８は再び上記の電極プラス極性ピーク期間Ｔｐとなる。時刻ｔ１〜ｔ５の期間が１パルス周期Ｔｆとなる。また、時刻ｔ１〜ｔ３の期間が、電極マイナス極性期間Ｔenとなる。上記の電極プラス極性ベース期間Ｔｂを削除する場合もある。この場合には、電極マイナス極性ベース期間Ｔbn→電極マイナス極性ピーク期間Ｔpn→電極プラス極性ピーク期間Ｔｐ→電極マイナス極性ベース期間Ｔbnと繰り返される。

上記の電極プラス極性ピーク期間Ｔｐ、上記の電極プラス極性ピーク電流Ｉｐ、上記の電極マイナス極性ピーク期間Ｔpn、上記の電極マイナス極性ピーク電流Ｉpn、上記の電極マイナス極性ベース電流Ｉbn及び上記の電極プラス極性ベース電流Ｉｂは、予め適正値に設定されている。また、溶接電圧の絶対値の平均値が予め定めた電圧設定値に等しくなるように上記のパルス周期Ｔｆの長さがフィードバック制御（アーク長制御）される。このパルス周期Ｔｆを変化させるために上記の電極プラス極性ベース期間Ｔｂ又は上記の電極マイナス極性ベース期間Ｔbnが上記のフィードバック制御によって変化する。上記の電極プラス極性ベース期間Ｔｂがフィードバック制御によって変化するときは、上記の電極マイナス極性ベース期間Ｔbnは予め適正値に設定される。逆に、上記の電極マイナス極性ベース期間Ｔbnがフィードバック制御によって変化するときは、上記の電極プラス極性ベース期間Ｔｂは予め適正値に設定される。同図においては、電極マイナス極性電流比率Ｒenは以下のようになる。
Ｒen＝（（Ｔpn・｜Ｉpn｜＋Ｔbn・｜Ｉbn｜）／（Ｔｐ・Ｉｐ＋Ｔpn・｜Ｉpn｜＋Ｔbn・｜Ｉbn｜＋Ｔｂ・Ｉｂ））×100

溶接ワイヤの材質が鉄であり、シールドガスの種類が８０％Ａｒ＋２０％ＣＯ2の混合ガスである場合の各パラメータの設定値は、例えば以下のようになる。Ｔｐ＝１．７ms、Ｉｐ＝４５０Ａ、Ｔpn＝２．０〜１０．０ms、Ｉpn＝２００〜５００Ａ、Ｉｂ＝６０Ａ、Ｉbn＝６０Ａとなる。そして、Ｔbnをフィードバック制御している場合には、Ｔｂ＝０〜４．０msとなる。Ｔｂ＝０のときは、電極プラス極性ベース期間がない場合である。フィードバック制御されるＴbnの範囲は、１０〜１ms程度である。

同図においては、上記の電極プラス極性ピーク電流Ｉｐ及び上記の電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnの立上り及び立下りが急峻であり矩形波となる場合を示している。しかし、これらピーク電流の立上り及び又は立下りに所定の傾斜を持たせるようにして、台形波となるようにしても良い。アルミニウム材に対する交流パルスアーク溶接では、これらピーク電流を台形波にすることで、アーク力を弱くしてスパッタの発生を削減することができる。また、電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnを、以下に説明するように、矩形波状に振動させても良い。

次に、同図において、溶滴の形成及び移行について説明する。時刻ｔ４の電極プラス極性ピーク期間Ｔｐの終了近傍において、溶滴が移行する。時刻ｔ４〜ｔ５の電極プラス極性ベース期間Ｔｂ中は、臨界値未満の小電流が通電し、かつ、極性が電極プラス極性ＥＰであるので、溶接ワイヤ先端の溶融は少ししか生じず、溶滴はほとんど形成されない。時刻ｔ５〜ｔ６の電極マイナス極性ベース期間Ｔbn中は、溶接ワイヤ先端が溶融されて、小さな溶滴が形成される。これは、電極マイナス極性電流比率が大きくなるように設定されているために、電極マイナス極性ベース期間Ｔbnが長くなる。このために、電極マイナス極性ベース電流Ｉbnが臨界値未満の小電流値であっても、電極マイナス極性ＥＮでは溶接ワイヤ先端の溶融が促進されるので小さな溶滴が形成されることになる。時刻ｔ６〜ｔ７の電極マイナス極性ピーク期間Ｔpn中は、大電流値の電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnが通電するために、溶滴は次第に成長して大きくなる。この期間の後半部において溶滴にはくびれが次第に形成されるが、通常は溶滴のサイズが大きいために移行に至ることはない。時刻ｔ７〜ｔ８の電極プラス極性ピーク期間Ｔｐ中は、臨界値以上の大電流が通電するために、溶滴がさらに大きくなると共に、溶滴のくびれ部に強い電磁的ピンチ力が作用し、くびれが急速に進行して溶滴が移行する。この移行する溶滴サイズは直流パルスアーク溶接及び通常の電極マイナス極性電流比率での交流パルスアーク溶接の場合に比べて大きくなる。しかし、この大きなサイズの溶滴は、大電流値の電極プラス極性ピーク電流Ｉｐによる強いアーク力によって溶融池に向けて押されるために、あまりスパッタを発生させずに移行することになる。上述したように、電極マイナス極性電流比率が大きな値に設定されているときは、電極マイナス極性ピーク期間Ｔpn中に溶滴が急速に成長することになり、ピーク期間中に移行させるべき溶滴のサイズが大きくなる。このために、ピーク期間を２つ設け、かつ、一方を電極マイナス極性ピーク期間Ｔpnとし、他方を電極プラス極性ピーク期間Ｔｐとすることによって、大きなサイズの溶滴を移行させるようにしている。さらに、この２つのピーク期間の極性を変えることによって、電極マイナス極性電流比率を大きな値に設定しやすくしている。同図において、上記の電極プラス極性ベース期間Ｔｂがフィードバック制御によって変化する場合に電極マイナス極性電流比率を変化させるときは、上記の電極マイナス極性ピーク期間Ｔpn、電極マイナス極性ピーク電流Ｉpn、電極マイナス極性ベース期間Ｔbn又は電極マイナス極性ベース電流Ｉbnの少なくとも１つ以上を変化させることによって行う。上記の電極マイナス極性ベース期間Ｔbnがフィードバック制御によって変化する場合に電極マイナス極性電流比率を変化させるときは、上記の電極マイナス極性ピーク期間Ｔpn、電極マイナス極性ピーク電流Ｉpn又は電極マイナス極性ベース電流Ｉbnの少なくとも１つ以上を変化させることによって行う。ここで、電極マイナス極性電流比率を通常範囲よりも大きく設定するためには、上記の電極マイナス極性ピーク期間Ｔpn又は上記の電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnの少なくとも１つ以上を調整することによって行うことが望ましい。

図７は、電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnが振動しているときの上述した図６において、時刻ｔ２〜ｔ３の電極マイナス極性ピーク期間Ｔpnのみを取り出して表示した溶接電流波形図である。これ以外の期間の溶接電流波形は、上述した図６と同一である。同図において、時刻ｔ２以前の期間は電極マイナス極性ベース期間Ｔbnとなり、時刻ｔ３以降の期間は極性が反転して電極プラス極性ピーク期間Ｔｐとなる。以下、同図を参照して説明する。

時刻ｔ２において、電極マイナス極性ベース期間Ｔbnから電極マイナス極性ピーク期間Ｔpnに切り換わり、電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnが通電を開始する。この電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnは、同図に示すように、所定の振幅Ｗ及び所定の振動周期Ｔｓで矩形波状に振動する波形となる。同図においては、時刻ｔ２〜ｔ３の電極マイナス極性ピーク期間Ｔpn中に、電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnは５周期にわたり振動している例である。

電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnを振動させることによって、以下のような作用効果を奏する。
（１）電極マイナス極性電流比率を通常範囲よりも大きく設定するとアークの硬直性は弱くなる傾向がある。これに対して、電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnを振動させると、アークの硬直性が強くなり、作業性が向上する。
（２）電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnが振動していないときには、電極マイナス極性ピーク期間Ｔpn中の溶滴のくびれの形成が十分でない場合が時々生じる。このような状態になると、次の電極プラス極性ピーク期間Ｔｐ中に溶滴が移行できない場合が生じる。これに対して、電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnが振動しているときには、溶滴に作用する持ち上げ力も強弱に変化するので、溶滴は上下に振動することになる。このために、溶滴のくびれの形成が促進されることになり、次の電極プラス極性ピーク期間Ｔｐに確実に溶滴を移行させることができ、１パルス周期１溶滴移行状態をより高い確率で維持することができるようになる。

特開２０１０−２３４４４１号公報

上述したように、従来技術の交流パルスアーク溶接では、溶接ワイヤ先端の溶滴は、電極マイナス極性ベース期間Ｔbn中に少しづつ大きくなり、電極マイナス極性ピーク期間Ｔpnに入ると急速に成長して大きくなる。このときに、電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnを振動させると、溶滴は上下に振動しながら成長して大きくなると共に、溶滴のくびれが次第に形成される。そして、電極プラス極性ピーク期間Ｔｐに入ると、溶滴は成長を続けると共に、溶滴のくびれが急速に進行して、期間終了近傍において溶滴は溶融池へと円滑に移行する。溶滴の成長及び移行がこのサイクルで行われているときには、１パルス周期１溶滴移行状態となるので、スパッタ発生の少ない安定した溶接状態となる。

しかし、電極マイナス極性ピーク期間Ｔpn中に、溶接ワイヤ先端の溶滴と母材とが時々短絡状態になる場合が生じる。これは、電極マイナス極性ピーク期間Ｔpn中は、溶滴が上下に振動しており、溶滴が下向きに振動した状態のときに溶滴の先端と溶融池との距離が短くなり、接触する場合が生じるからである。電極プラス極性ピーク期間Ｔｐになると、溶融池は強いアーク力によって窪んだ状態になり、溶滴と溶融池との距離は長くなるので、短絡はほとんど発生しなくなる。電極マイナス極性ピーク期間Ｔpn中に短絡が発生すると、短絡状態にある大きなサイズの溶滴に大電流が通電するので、溶滴は溶融池へと短絡移行するが、そのときに多くのスパッタを飛散させることになる。この結果、溶滴移行状態も不安定になり、１パルス周期１溶滴移行の状態も崩れることになる。したがって、電極マイナス極性ピーク期間Ｔpn中に短絡が発生しないようにすることが重要である。

そこで、本発明では、電極マイナス極性電流比率を通常範囲（０〜３０％）よりも大きな値に設定して溶接したときに、電極マイナス極性ピーク期間Ｔpn中に短絡が発生することを抑制することができる交流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。

上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、溶接ワイヤを予め定めた送給速度で送給すると共に、電極マイナス極性ベース期間中は臨界値未満の電極マイナス極性ベース電流を通電し、続けて電極マイナス極性ピーク期間中は平均値が前記電極マイナス極性ベース電流よりも大きな値の振動する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臨界値以上の電極プラス極性ピーク電流を通電し、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を行う交流パルスアーク溶接制御方法において、
前記電極マイナス極性ピーク電流の振動波形は、振幅が時間経過に対して次第に減少する波形である、
ことを特徴とする交流パルスアーク溶接制御方法である。

請求項２の発明は、前記振幅は、時間の経過に対して単調に減少する、
ことを特徴とする請求項１記載の交流パルスアーク溶接制御方法である。

請求項３の発明は、前記振幅は、時間の経過に対して単調に減少した後に所定値となる、
ことを特徴とする請求項１記載の交流パルスアーク溶接制御方法である。

請求項４の発明は、前記電極プラス極性ピーク期間に続けて、臨界値未満の電極プラス極性ベース電流を通電する電極プラス極性ベース期間を設けて１周期としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の交流パルスアーク溶接制御方法である。

本発明によれば、電極マイナス極性ピーク電流を振幅が時間経過に対して次第に減少する振動波形に設定する。従来技術のように、振幅を一定値として電極マイナス極性ピーク電流を振動させると、溶滴の成長に伴ってくびれの形成を促進することができる。しかし、電極マイナス極性ピーク期間の後半の期間において、大きく成長した溶滴が電流の振動に伴って下向きに振動したときに短絡が発生しやすくなるという問題が生じる。これに対して、本発明では、振動の振幅が次第に減少するために、溶滴が成長して大きくなるのに伴い溶滴を上下に振動させる力が弱くなるので、溶滴が下向きに振動したときの移動量も小さくなり、短絡の発生を抑制することができる。この結果、スパッタ発生量の少ない安定した１パルス周期１溶滴移行状態を確実に維持することができる。

本発明の実施の形態に係る交流パルスアーク溶接制御方法において、電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnの振動波形を示す第１の溶接電流波形図である。 本発明の実施の形態に係る交流パルスアーク溶接制御方法において、電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnの振動波形を示す第２の溶接電流波形図である。 本発明の実施の形態に係る交流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３の振幅設定回路ＷＲに内蔵されている振幅設定関数の第１の例を示す図である。 図３の振幅設定回路ＷＲに内蔵されている振幅設定関数の第２の例を示す図である。 従来技術の交流パルスアーク溶接における電流波形図である。 電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnが振動しているときの図６において、時刻ｔ２〜ｔ３の電極マイナス極性ピーク期間Ｔpnのみを取り出して表示した溶接電流波形図である。

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。

本発明の実施の形態に係る交流パルスアーク溶接制御方法の溶接電流波形は、上述した図６と同一である。すなわち、電極マイナス極性ベース期間Ｔbn→電極マイナス極性ピーク期間Ｔpn→電極プラス極性ピーク期間Ｔｐ→電極プラス極性ベース期間Ｔｂを１パルス周期Ｔｆとする場合と、電極マイナス極性ベース期間Ｔbn→電極マイナス極性ピーク期間Ｔpn→電極プラス極性ピーク期間Ｔｐを１パルス周期Ｔｆとする場合とがある。但し、本実施の形態では、図７で上述したように、電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnが振動した上で、その振動波形の振幅Ｗが時間経過に対して減少するように変化するものである。以下、この振動波形について説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る交流パルスアーク溶接制御方法において、電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnの振動波形を示す第１の溶接電流波形図である。これ以外の期間の溶接電流波形は、上述した図６と同一である。同図において、時刻ｔ２以前の期間は電極マイナス極性ベース期間Ｔbnとなり、時刻ｔ３以降の期間は極性が反転して電極プラス極性ピーク期間Ｔｐとなる。同図は、上述した図７と対応している。以下、同図を参照して説明する。

時刻ｔ２において、電極マイナス極性ベース期間Ｔbnから電極マイナス極性ピーク期間Ｔpnに切り換わり、電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnが通電を開始する。この電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnは、同図に示すように、中心電流値（正の値）がＩpc［Ａ］、振幅がＷ［Ａ］、振動周期がＴｓ［ms］となる矩形波状に振動する波形となる。時刻ｔ２〜ｔ２２の期間が上記の振動周期Ｔｓとなり、その逆数が振動周波数ｆｓ＝１／Ｔｓ［Ｈｚ］となる。したがって、時刻ｔ２〜ｔ２１の期間中はＩpc＋（Ｗ／２）が通電し、時刻ｔ２１〜ｔ２２の期間はＩpc−（Ｗ／２）が通電する。ここで、デューティを（最大値（Ｉpc＋（Ｗ／２））の通電期間／振動周期Ｔｓ）×100［％］とすると、同図では５０％になっている。同図においては、時刻ｔ２〜ｔ３の電極マイナス極性ピーク期間Ｔpn中に、電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnは５周期にわたり振動している例である。そして、振幅Ｗは、図７の従来技術では一定値であったが、同図では時間経過に対して単調に減少している。

上記の振幅Ｗ及び上記の振動周波数ｆｓは、溶接ワイヤの材質、直径、送給速度、電極マイナス極性ピーク期間Ｔpnの長さ等に応じて適正値に設定される。振幅Ｗの設定範囲は、１００〜３００Ａ程度であり、振動周波数ｆｓの設定範囲は０．５〜２．０ｋＨｚ程度である。同図は、電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnが矩形波状に振動する場合であるが、正弦波、三角波又はノコギリ波状に振動するようにしても良い。

電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnの振動波形の振幅Ｗを減少させることによって、アークの硬直性を強くするという従来からの効果に加えて、以下のような作用効果が新たに生じる。

従来技術のように、振幅Ｗを一定値として電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnを振動させると、溶滴の成長に伴ってくびれの形成を促進することができる。しかし、電極マイナス極性ピーク期間Ｔpnの後半の期間において、大きく成長した溶滴が電流の振動に伴って下向きに振動したときに短絡が発生しやすくなるという問題が生じる。そこで、電極マイナス極性ピーク期間Ｔpnの開始時点からの経過時間に対して電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnの振動波形の振幅Ｗを次第に減少させると、溶滴が成長して大きくなるのに伴い溶滴を上下に振動させる力が弱くなるので、溶滴が下向きに振動したときの移動量も小さくなり、短絡の発生を抑制することができる。この結果、スパッタ発生量の少ない安定した１パルス周期１溶滴移行状態を確実に維持することができる。

図２は、本発明の実施の形態に係る交流パルスアーク溶接制御方法において、電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnの振動波形を示す第２の溶接電流波形図である。これ以外の期間の溶接電流波形は、上述した図６と同一である。同図において、時刻ｔ２以前の期間は電極マイナス極性ベース期間Ｔbnとなり、時刻ｔ３以降の期間は極性が反転して電極プラス極性ピーク期間Ｔｐとなる。同図は、上述した図１と対応している。以下、同図を参照して説明する。

時刻ｔ２において、電極マイナス極性ベース期間Ｔbnから電極マイナス極性ピーク期間Ｔpnに切り換わり、電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnが通電を開始する。この電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnは、同図に示すように、中心電流値（正の値）がＩpc［Ａ］、振幅がＷ［Ａ］、振動周期がＴｓ［ms］となる矩形波状に振動する波形となる。時刻ｔ２〜ｔ２２の期間が上記の振動周期Ｔｓとなり、その逆数が振動周波数ｆｓ＝１／Ｔｓ［Ｈｚ］となる。したがって、時刻ｔ２〜ｔ２１の期間中はＩpc＋（Ｗ／２）が通電し、時刻ｔ２１〜ｔ２２の期間はＩpc−（Ｗ／２）が通電する。同図においては、時刻ｔ２〜ｔ３の電極マイナス極性ピーク期間Ｔpn中に、電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnは５周期にわたり振動している例である。そして、振幅Ｗは、図７の従来技術では一定値であり、図１の本実施の形態では単調に減少する波形であったが、同図では時間経過に対して単調に減少した後に予め定めた振幅下限値Ｗｂに収束する。ここでは、３周期までは単調に減少し、４周期及び５周期は振幅下限値Ｗｂとなっている例である。

電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnの振動波形の振幅Ｗを減少させた後に一定値（振幅下限値Ｗｂ）にすることによって、アークの硬直性を強くするという従来からの効果と、電極マイナス極性ピーク期間Ｔpn中の短絡の発生を抑制するという図１の効果とに加えて、以下のような作用効果が新たに生じる。

電極マイナス極性ピーク期間Ｔpnの開始時点からの経過時間に対して電極マイナス極性ピーク電流Ｉpnの振動波形の振幅Ｗを次第に減少させると、溶滴が成長して大きくなるのに伴い溶滴を上下に振動させる力が弱くなるので、溶滴が下向きに振動したときの移動量も小さくなり、短絡の発生を抑制することができる。このときに減少させる振幅Ｗに振幅下限値Ｗｂを設けることによって、溶滴の上下振動の移動量を短絡の発生は抑制しつつ、くびれの進行は促進するようにすることができる。この結果、短絡の発生を抑制した上で、くびれが円滑に進行するのでより一層安定した１パルス周期１溶滴移行状態を維持することができる。

図３は、図１及び図２で上述した本発明の実施の形態に係る交流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。同図は、上記の電極マイナス極性ベース期間Ｔbnがフィードバック制御によって変化し、電極プラス極性ベース期間Ｔｂが所定値の場合である。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。

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。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。リアクトルＷＬは、リップルのある出力を平滑する。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。

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、この電圧検出信号Ｖｄの絶対値を平均化して、電圧平均値信号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、この電圧設定信号Ｖｒと上記の電圧平均値信号Ｖavとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。電圧・周波数変換回路ＶＦは、この電圧誤差増幅信号Ｅｖに比例した周波数の信号に変換して、この周波数ごとに短時間だけＨｉｇｈレベルになるパルス周期信号Ｔｆを出力する。このパルス周期信号Ｔｆは、パルス周期ごとに短時間Ｈｉｇｈレベルとなるトリガ信号である。

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。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。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。タイマ回路ＴＭは、上記のパルス周期信号Ｔｆ、上記の電極プラス極性ピーク期間設定信号Ｔpr、上記の電極マイナス極性ピーク期間設定信号Ｔpnr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、パルス周期信号Ｔｆが短時間Ｈｉｇｈレベルに変化するごとに、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、それ以後の電極マイナス極性ベース期間中はその値が４となる、タイマ信号Ｔｍを出力する。

中心電流設定回路ＩＰＣＲは、電極マイナス極性ピーク電流の振動波形の中心電流値を設定するための中心電流設定信号Ｉpcrを出力する。振動周期設定回路ＴＳＲは、予め定めた振動周期設定信号Ｔsrを出力する。

振幅設定回路ＷＲは、上記のタイマ信号Ｔｍを入力として、タイマ信号Ｔｍが１（電極マイナス極性ピーク期間）に変化した時点からの経過時間ｔを計測し、この経過時間ｔを入力とする予め定めた振幅設定関数によって算出された振幅設定信号Ｗｒを出力する。この振幅設定関数の例を、図４及び図５にしめす。両図ともに、横軸は経過時間ｔ（ms）を示し、縦軸は振幅設定信号Ｗｒ（Ａ）を示す。図４の場合は、経過時間ｔに対して右肩下がりの直線となっている。同図では、ｔ＝０のときＷｒ＝２００Ａであり、ｔ＝１０msのときＷｒ＝２０Ａとなっている。他方、図５の場合は、経過時間ｔに対して途中までは右肩下がりの直線となり、所定時間後は一定値の振幅下限値Ｗｂとなっている。同図では、ｔ＝０のときＷｒ＝２００Ａであり、ｔ＝５msのときＷｒ＝５０Ａ（振幅下限値Ｗｂ）であり、ｔ＝１０msのときＷｒ＝５０Ａとなっている。したがって、図４は振幅が時間経過に対して単調に減少する場合であり、上述した図１に対応している。他方、図５は振幅が時間経過に対して単調に減少した後に一定値となる場合であり、上述した図２に対応している。振幅設定関数は、溶接ワイヤの材質、直径、送給速度、電極マイナス極性ピーク期間の長さ等に応じて適正値に設定される。

電極マイナス極性ピーク電流設定回路ＩＰＮＲは、上記の中心電流設定信号Ｉpcr、上記の振動周期設定信号Ｔsr及び上記の振幅設定信号Ｗｒを入力として、中心電流設定信号Ｉpcrの値を中心値として振幅設定信号Ｗｒによって定まる振幅及び振動周期設定信号Ｔsrによって定まる周期で矩形波状に振動する電極マイナス極性ピーク電流設定信号Ｉpnrを出力する。この電極マイナス極性ピーク電流設定信号Ｉpnrは、振幅設定信号Ｗｒの値が時間経過に対して減少するので、図１又は図２のように、経過時間に対して振幅が減少する振動波形となる。振動波形は、矩形波だけでなく、正弦波、三角波又はノコギリ波であっても良い。

電極プラス極性ピーク電流設定回路ＩＰＲは、予め定めた電極プラス極性ピーク電流設定信号Ｉprを出力する。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。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。切換回路ＳＷは、上記のタイマ信号Ｔｍ、上記の電極プラス極性ピーク電流設定信号Ｉpr、上記の電極マイナス極性ピーク電流設定信号Ｉpnr、上記の電極マイナス極性ベース電流設定信号Ｉbnr及び上記の電極プラス極性ベース電流設定信号Ｉbr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。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。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。

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。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。

同図において、電極プラス極性ベース期間Ｔｂを削除するときには、上記の電極プラス極性ベース期間設定信号Ｔbr＝０に設定すれば良い。

上述した実施の形態によれば、電極マイナス極性ピーク電流を振幅が時間経過に対して次第に減少する振動波形に設定する。従来技術のように、振幅を一定値として電極マイナス極性ピーク電流を振動させると、溶滴の成長に伴ってくびれの形成を促進することができる。しかし、電極マイナス極性ピーク期間の後半の期間において、大きく成長した溶滴が電流の振動に伴って下向きに振動したときに短絡が発生しやすくなるという問題が生じる。これに対して、本実施の形態では、振動の振幅が次第に減少するために、溶滴が成長して大きくなるのに伴い溶滴を上下に振動させる力が弱くなるので、溶滴が下向きに振動したときの移動量も小さくなり、短絡の発生を抑制することができる。この結果、スパッタ発生量の少ない安定した１パルス周期１溶滴移行状態を確実に維持することができる。

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
Ｄ２ａ〜Ｄ２ｄ ２次整流器
ＤＶ 駆動回路
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
ｆｓ 振動周波数
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
Ｉpc 中心電流値
ＩＰＣＲ 中心電流設定回路
Ｉpcr 中心電流設定信号
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
Ｒen 電極マイナス極性電流比率
ＳＷ 切換回路
ｔ 経過時間
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
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
Ｔen 電極マイナス極性期間
Ｔｆ パルス周期（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
Ｔｓ 振動周期
ＴＳＲ 振動周期設定回路
Ｔsr 振動周期設定信号
ＶＡＶ 電圧平均化回路
Ｖav 電圧平均値信号
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
ＶＦ 電圧・周波数変換回路
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
Ｖｗ 溶接電圧
Ｗ 振幅
Ｗｂ 振幅下限値
ＷＬ リアクトル
ＷＭ ワイヤ送給モータ
ＷＲ 振幅設定回路
Ｗｒ 振幅設定信号

Claims (4)

1. 溶接ワイヤを予め定めた送給速度で送給すると共に、電極マイナス極性ベース期間中は臨界値未満の電極マイナス極性ベース電流を通電し、続けて電極マイナス極性ピーク期間中は平均値が前記電極マイナス極性ベース電流よりも大きな値の振動する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臨界値以上の電極プラス極性ピーク電流を通電し、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を行う交流パルスアーク溶接制御方法において、
   前記電極マイナス極性ピーク電流の振動波形は、振幅が時間経過に対して次第に減少する波形である、
   ことを特徴とする交流パルスアーク溶接制御方法。
2. 前記振幅は、時間の経過に対して単調に減少する、
   ことを特徴とする請求項１記載の交流パルスアーク溶接制御方法。
3. 前記振幅は、時間の経過に対して単調に減少した後に所定値となる、
   ことを特徴とする請求項１記載の交流パルスアーク溶接制御方法。
4. 前記電極プラス極性ピーク期間に続けて、臨界値未満の電極プラス極性ベース電流を通電する電極プラス極性ベース期間を設けて１周期としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の交流パルスアーク溶接制御方法。

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