JP6198327B2 - アーク溶接制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接ワイヤの正送と逆送とを繰り返し、溶接電源の出力を定電圧制御し、短絡期間とアーク期間とを繰り返して溶接するアーク溶接制御方法に関するものである。

一般的な消耗電極式アーク溶接では、消耗電極である溶接ワイヤを一定速度で送給し、溶接ワイヤと母材との間にアークを発生させて溶接が行なわれる。消耗電極式アーク溶接では、溶接ワイヤと母材とが短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返す溶接状態になることが多い。

溶接品質をさらに向上させるために、溶接ワイヤの正送と逆送とを周期的に繰り返して溶接する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。以下、この溶接方法について説明する。

図８は、送給速度の正送と逆送とを周期的に繰り返す溶接方法における波形図である。同図（Ａ）は送給速度Ｆｗの波形を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの波形を示し、同図（Ｃ）は溶接電圧Ｖｗの波形を示す。以下、同図を参照して説明する。

同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは、０よりも上側が正送期間となり、下側が逆送期間となる。正送とは溶接ワイヤを母材に近づける方向に送給することであり、逆送とは母材から離反する方向に送給することである。送給速度Ｆｗは、正弦波状に変化しており、正送側にシフトした波形となっている。このために、送給速度Ｆｗの平均値は正の値となり、溶接ワイヤは平均的には正送されている。

同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは、時刻ｔ１時点では０であり、時刻ｔ１〜ｔ２の期間は正送加速期間となり、時刻ｔ２で正送の最大値となり、時刻ｔ２〜ｔ３の期間は正送減速期間となり、時刻ｔ３で０となり、時刻ｔ３〜ｔ４の期間は逆送加速期間となり、時刻ｔ４で逆送の最大値となり、時刻ｔ４〜ｔ５の期間は逆送減速期間となる。そして、時刻ｔ５〜ｔ６の期間は再び正送加速期間となり、時刻ｔ６〜ｔ７の期間は再び正送減速期間となる。

溶接ワイヤと母材との短絡は、時刻ｔ２の正送最大値の前後で発生することが多い。同図では、正送最大値の後の正送減速期間中の時刻ｔ２１で発生した場合である。時刻ｔ２１において短絡が発生すると、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖの短絡電圧値に急減し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは次第に増加する。

同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは、時刻ｔ３からは逆送期間になるので、溶接ワイヤは逆送される。この逆送によって短絡が解除されて、時刻ｔ３１においてアークが再発生する。アークの再発生は、時刻ｔ４の逆送最大値の前後で発生することが多い。同図では、逆送ピーク値の前の逆送加速期間中の時刻ｔ３１で発生した場合である。したがって、時刻ｔ２１〜ｔ３１の期間が短絡期間となる。

時刻ｔ３１においてアークが再発生すると、同図（Ｃ）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。同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、短絡期間中の最大値の状態から変化を開始する。

時刻ｔ３１〜ｔ５の期間中は、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは逆送状態であるので、溶接ワイヤは引き上げられてアーク長は次第に長くなる。アーク長が長くなると、溶接電圧Ｖｗは大きくなり、定電圧制御されているので溶接電流Ｉｗは小さくなる。したがって、時刻ｔ３１〜ｔ５のアーク期間逆送期間Ｔar中は、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは次第に大きくなり、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは次第に小さくなる。

そして、次の短絡が、時刻ｔ６〜ｔ７の正送減速期間中の時刻ｔ６１に発生する。但し、時刻ｔ６１に発生した短絡は、時刻ｔ２１に発生した短絡よりも正送最大値からの時間（位相）が遅くなっている。時刻ｔ３１〜ｔ６１の期間がアーク期間となる。時刻ｔ５〜ｔ６１の期間中は、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは正送状態であるので、溶接ワイヤは正送されてアーク長は次第に短くなる。アーク長が短くなると、溶接電圧Ｖｗは小さくなり、定電圧制御されているので溶接電流Ｉｗは大きくなる。したがって、時刻ｔ５〜ｔ６１のアーク期間正送期間Ｔas中は、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは次第に小さくなり、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは次第に大きくなる。

上述したように、溶接ワイヤの正送と逆送とを繰り返す溶接方法では、定速送給の従来技術では不可能であった短絡とアークとの繰り返しの周期を所望値に設定することができるので、スパッタ発生量の削減、ビード外観の改善等の溶接品質の向上を図ることができる。

しかし、上述したように、時刻ｔ５〜ｔ６１のアーク期間正送期間Ｔas中は、アーク長が短くなるのに伴い溶接電流Ｉｗが次第に大きくなるために、溶接ワイヤ先端の溶滴に作用する持ち上げ力が次第に大きくなる。この結果、短絡の発生タイミングがばらつくことになる。短絡発生タイミングのばらつきが大きくなると、短絡とアークとの周期と正送と逆送との周期とが同期しなくなり、短絡とアークとの周期がばらつくことになる。この同期ズレ状態を元の同期状態に戻すための方法が、特許文献１に開示されている。

特許文献１の発明では、溶接ワイヤの正送中で送給速度の減速中に、送給速度が所定の送給速度になるまでに短絡が発生しない場合には、周期的な変化を中止して送給速度を第１の送給速度に一定制御し、第１の送給速度による正送中に短絡が発生すると第１の送給速度から減速を開始して周期的な変化を再開して溶接を行うものである。これにより、同期ズレ状態を同期状態に戻そうとしている。

特許第４８０７４７４号公報 特開２００４−１８１５２６号公報 特開２０１２−８６２７５号公報

特許文献１の発明では、短絡が適正なタイミングで発生しないときは、送給速度を正送の一定速度に切り換え、短絡が発生すると送給速度を元の周期的な変化に戻している。しかし、この制御では、短絡とアークとの周期が送給速度の正送と逆送との周期と同期ズレ状態に陥った後に処置することになり、溶接状態が不安定になりやすいという問題がある。

そこで、本発明では、短絡とアークとの周期と送給速度の正送と逆送との周期とが同期ズレ状態になることを抑制し、安定した溶接を行うことができる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、
送給速度の正送期間と逆送期間とを周期的に繰り返し、溶接電源の出力を定電圧制御し、短絡期間とアーク期間とを繰り返して溶接するアーク溶接制御方法において、
前記アーク期間中の溶接電圧の変動に対する溶接電流の変動を前記正送期間中は前記逆送期間中よりも小さくする変動制御を行う、
ことを特徴とするアーク溶接制御方法である。

請求項２の発明は、前記変動制御は、前記定電圧制御のゲインを前記正送期間中は前記逆送期間中よりも小さく設定することによって行う、
ことを特徴とする請求項１記載のアーク溶接制御方法である。

請求項３の発明は、インダクタンス値を電子的に形成する電子リアクトル制御をさらに備え、前記変動制御は、前記電子リアクトル制御によって形成されるインダクタンス値を前記正送期間中は前記逆送期間中よりも大きな値に設定することによって行う、
ことを特徴とする請求項１記載のアーク溶接制御方法である。

請求項４の発明は、溶接電源の任意の外部特性を形成する外部特性制御をさらに備え、前記変動制御は、前記外部特性制御によって形成される前記外部特性の傾きの絶対値を前記正送期間中は前記逆送期間中よりも大きな値に設定することによって行う、
ことを特徴とする請求項１記載のアーク溶接制御方法である。

本発明によれば、アーク期間中の正送期間中にアーク長が次第に短くなり、溶接電圧が次第に小さくなっても、溶接電流の増加を抑制することができるので、溶滴が持ち上げられることを防止することができる。この結果、短絡が発生するタイミングのばらつきを抑制することができる。このために、本発明では、短絡とアークとの周期と送給速度の正送と逆送との周期とが同期ズレ状態になることを抑制し、安定した溶接を行うことができる。

本発明の実施の形態１に係る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。 本発明の実施の形態１に係るアーク溶接制御方法を説明するための図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。 本発明の実施の形態２に係る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。 本発明の実施の形態２に係るアーク溶接制御方法を説明するための図３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。 本発明の実施の形態３に係る溶接電源の外部特性を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る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。 本発明の実施の形態３に係るアーク溶接制御方法を説明するための図６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。 従来技術において、送給速度の正送と逆送とを周期的に繰り返す溶接方法における波形図である。

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。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る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。

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等による出力制御を行い、出力電圧Ｅを出力する。この電源主回路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、上記の誤差増幅信号Ｅａを入力としてパルス幅変調制御を行う変調回路、パルス幅変調制御信を入力としてインバータ回路のスイッチング素子を駆動するインバータ駆動回路を備えている。

リアクトルＷＬは、上記の出力電圧Ｅを平滑する。このリアクトルＷＬのインダクタンス値は、例えば２００μＨである。

送給モータＷＭは、後述する送給制御信号Ｆｃを入力として、正送と逆送とを周期的に繰り返して溶接ワイヤ１を送給速度Ｆｗで送給する。この送給モータＷＭには、過渡応答性の速いモータが使用される。溶接ワイヤ１の送給速度Ｆｗの変化率及び送給方向の反転を速くするために、送給モータＷＭは溶接トーチ４の先端の近くに設置される場合がある。また、送給モータＷＭを２個使用して、プッシュプル方式の送給系とする場合もある。

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。

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。短絡判別回路ＳＤは、この電圧検出信号ｖｄを入力として、この値が予め定めた短絡判別値未満のときは短絡期間であると判別してＨｉｇｈレベルとなり、以上のときはアーク期間であると判別してＬｏｗレベルとなる短絡判別信号Ｓｄを出力する。この短絡判別値は、１５Ｖ程度に設定される。

送給速度設定回路ＦＲは、図２（Ａ）で詳述するように、正送と逆送とが周期的に繰り返される予め定めたパターンの送給速度設定信号Ｆｒを出力する。この送給速度設定信号Ｆｒが０以上のときは正送期間となり、０未満のときは逆送期間となる。

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、この設定値に相当する送給速度Ｆｗで溶接ワイヤ１を送給するための送給制御信号Ｆｃを上記の送給モータＷＭに出力する。

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。

ゲイン設定回路ＧＲは、上記の短絡判別信号Ｓｄ及び上記の送給速度設定信号Ｆｒを入力として、以下の処理を行ない、ゲイン設定信号Ｇｒを出力する。
１）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）であるときは、予め定めた高ゲイン設定値となるゲイン設定信号Ｇｒを出力する。
２）短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）であり、かつ、送給速度設定信号Ｆｒが０未満（逆送期間）であるときは、上記の高ゲイン設定値をゲイン設定信号Ｇｒとして出力する。
３）短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）であり、かつ、送給速度設定信号Ｆｒが０以上（正送期間）であるときは、予め定めた低ゲイン設定値をゲイン設定信号Ｇｒとして出力する。当然、低ゲイン設定値は、高ゲイン設定値よりも小さな値である。

誤差増幅回路ＥＡは、上記のゲイン設定信号Ｇｒ、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（−）との誤差をゲイン設定信号Ｇｒによって定まるゲイン（増幅率、利得）で増幅して、誤差増幅信号Ｅａを出力する。この回路によって、溶接電源は定電圧制御される。したがって、ゲイン設定信号Ｇｒは、定電圧制御系のゲインを設定する信号である。

図２は、本発明の実施の形態１に係るアーク溶接制御方法を説明するための図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）は送給速度Ｆｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｄ）はゲイン設定信号Ｇｒの時間変化を示す。同図は上述した図８と対応しており、時刻ｔ５〜ｔ６１のアーク期間正送期間Ｔas中の動作が異なる。以下、同図を参照して説明する。

同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは、０よりも上側が正送期間となり、下側が逆送期間となる。送給速度Ｆｗは、正弦波状に変化しており、正送側にシフトした波形となっている。このために、送給速度Ｆｗの平均値は正の値となり、溶接ワイヤは平均的には正送されている。

同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは、時刻ｔ１時点では０であり、時刻ｔ１〜ｔ２の期間は正送加速期間となり、時刻ｔ２で正送の最大値となり、時刻ｔ２〜ｔ３の期間は正送減速期間となり、時刻ｔ３で０となり、時刻ｔ３〜ｔ４の期間は逆送加速期間となり、時刻ｔ４で逆送の最大値となり、時刻ｔ４〜ｔ５の期間は逆送減速期間となる。そして、時刻ｔ５〜ｔ６の期間は再び正送加速期間となり、時刻ｔ６〜ｔ７の期間は再び正送減速期間となる。この正送と逆送との繰り返し周期は、所定値に設定されている。例えば、時刻ｔ１〜ｔ２の正送加速期間は２．７msであり、時刻ｔ２〜ｔ３の正送減速期間は２．７msであり、時刻ｔ３〜ｔ４の逆送加速期間は２．３msであり、時刻ｔ４〜ｔ５の逆送減速期間は２．３msであり、正送の最大値は５０m/minであり、逆送の最大値は−５０m/minである。この場合は、正送と逆送との繰り返し周期は１０msとなり、送給速度Ｆｗの平均値は約４m/min（平均溶接電流は約１５０Ａ）となる。

溶接ワイヤと母材との短絡は、時刻ｔ２の正送最大値の前後で発生することが多い。同図では、正送最大値の後の正送減速期間中の時刻ｔ２１で発生した場合である。時刻ｔ２１において短絡が発生すると、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖの短絡電圧値に急減し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは次第に増加する。

同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは、時刻ｔ３からは逆送期間になるので、溶接ワイヤは逆送される。この逆送によって短絡が解除されて、時刻ｔ３１においてアークが再発生する。アークの再発生は、時刻４の逆送最大値の前後で発生することが多い。同図では、逆送ピーク値の前の逆送加速期間中の時刻ｔ３１で発生した場合である。したがって、時刻ｔ２１〜ｔ３１の期間が短絡期間となる。この短絡期間中は、同図（Ｄ）に示すように、ゲイン設定信号Ｇｒは予め定めた高ゲイン設定値となっている。このために、定電圧制御系のゲインは高ゲイン設定値となっている。この点は、従来技術と同一である。

時刻ｔ３１においてアークが再発生すると、同図（Ｃ）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。同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、短絡期間中の最大値の状態から変化を開始する。

時刻ｔ３１〜ｔ５の期間中は、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは逆送状態であるので、溶接ワイヤは引き上げられてアーク長は次第に長くなる。アーク長が長くなると、溶接電圧Ｖｗは大きくなり、定電圧制御されているので溶接電流Ｉｗは小さくなる。したがって、時刻ｔ３１〜ｔ５のアーク期間逆送期間Ｔar中は、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは次第に大きくなり、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは次第に小さくなる。このアーク期間逆送期間Ｔar中は、同図（Ｄ）に示すように、ゲイン設定信号Ｇｒは上記の高ゲイン設定値のままである。このために、定電圧制御系のゲインも高ゲイン設定値のままである。この点も従来技術と同一である。

そして、次の短絡が、時刻ｔ６〜ｔ７の正送減速期間中の時刻ｔ６１に発生する。但し、図８とは異なり、時刻ｔ６１に発生した短絡と時刻ｔ２１に発生した短絡とは正送最大値からの時間（位相）が略一致している。時刻ｔ３１〜ｔ６１の期間がアーク期間となる。時刻ｔ５〜ｔ６１の期間中は、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは正送状態であるので、溶接ワイヤは正送されてアーク長は次第に短くなる。このアーク期間正送期間Ｔas中は、同図（Ｄ）に示すように、ゲイン設定信号Ｇｒは予め定めた低ゲイン設定値に切り換わる。このために、定電圧制御系のゲインは低ゲイン設定値となる。アーク長が短くなると、溶接電圧Ｖｗは小さくなり、定電圧制御されているので溶接電流Ｉｗは大きくなる。しかし、溶接電流Ｉｗの増加率は図８のときよりも小さくなる。これは、上述したように、定電圧制御系のゲインが低ゲイン設定値となっているためである。したがって、時刻ｔ５〜ｔ６１のアーク期間正送期間Ｔas中は、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは次第に小さくなり、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗはほとんど増加しない。

上述した実施の形態１によれば、アーク期間中の溶接電圧の変動に対する溶接電流の変動を、正送期間（アーク期間正送期間Ｔas）中は逆送期間（アーク期間逆送期間Ｔar）中よりも小さくする変動制御を行なっている。実施の形態１では、この変動制御を、溶接電源の定電圧制御のゲインを正送期間中は逆送期間中よりも小さく設定することによって行なっている。これにより、実施の形態１では、アーク期間中の正送期間中にアーク長が次第に短くなり、溶接電圧が次第に小さくなっても、溶接電流の増加を抑制することができるので、溶滴が持ち上げられることを防止することができる。この結果、短絡が発生するタイミングのばらつきを抑制することができる。このために、本実施の形態では、短絡とアークとの周期と送給速度の正送と逆送との周期とが同期ズレ状態になることを抑制し、安定した溶接を行うことができる。

実施の形態１において、アーク期間逆送期間Ｔar中の定電圧制御系のゲインを低ゲイン設定値にすると、定電圧制御系のゲインが低いためにアーク長制御の過渡応答性が悪くなる。この結果、アーク長が長くなるときにオーバーシュートをしてしまい、溶接状態が不安定になる。したがって、定電圧制御系のゲインは、アーク期間逆送期間Ｔar中は高くなり、アーク期間正送期間Ｔas中は低くなる必要がある。

［実施の形態２］
実施の形態２の発明は、インダクタンス値を電子的に形成する電子リアクトル制御をさらに備え、変動制御は、電子リアクトル制御によって形成されるインダクタンス値を正送期間中は逆送期間中よりも大きな値に設定することによって行う。

まず、従来技術（特許文献２参照）である電子リアクトル制御について説明する。溶接電源の出力電圧をＥ（Ｖ）とし、リアクトルＷＬのインダクタンス値をＬ（Ｈ）とし、溶接電流Ｉｗの通電路の抵抗値をｒ（Ω）とし、溶接電圧をＶｗ（Ｖ）とすると、溶接電源の出力に関して下式が成立する。
Ｅ＝Ｌ・dＩｗ/dt＋ｒ・Ｉｗ＋Ｖｗ
上式において、抵抗値ｒは通常小さな値であるので省略し、電流変化率（電流微分値）ｄＩｗ／ｄｔで整理すると下式となる。
dＩｗ/dt＝（Ｅ−Ｖｗ）／Ｌ …（１）式

出力電圧設定信号をＥｒ（Ｖ）とし、適正インダクタンス値をＬｍ（μＨ）とし、溶接電流Ｉｗを平滑するための数十μＨの固定インダクタンス値をＬｉ（μＨ）とし、電子リアクトル制御によって形成されるインダクタンス値をＬｒ（μＨ）とする。したがって、Ｌｍ＝Ｌｉ＋Ｌｒとなる。これらを上記の（１）式に代入して整理すると下式となる。
Ｅｒ−Ｌｒ・dＩｗ/dt＝Ｌｉ・dＩｗ/dt＋Ｖｗ …（２）式

上式において、出力電圧Ｅ＝Ｅｒ−Ｌｒ・ｄＩｗ／ｄｔになるように制御することによってインダクタンス値Ｌｒを電子的に形成することができる。すなわち、溶接電流Ｉｗを検出し、出力電圧制御設定信号Ｅcr＝Ｅｒ−Ｌｒ・ｄＩｗ／ｄｔを算出し、出力電圧Ｅがこの出力電圧制御設定信号Ｅcrの値と等しくなるように制御すれば良い。

ここで、Ｌｒ＝Ｌｍ−Ｌｉであるので、種々の溶接条件に応じて適正インダクタンス値Ｌｍが決まると、電子リアクトル制御によって形成するインダクタンス値Ｌｒが決まる。したがって、適正インダクタンス値Ｌｍを任意の値に電子リアクトル制御によって設定することができる。

図３は、本発明の実施の形態２に係る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。同図は上述した図１と対応しており、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１に電流検出回路ＩＤ、インダクタンス値設定回路ＬＲ及び電子リアクトル制御回路ＥＣＲを追加し、図１のゲイン設定回路ＧＲを第２ゲイン設定回路ＧＲ２に置換し、図１の誤差増幅回路ＥＡを第２誤差増幅回路ＥＡ２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。

同図では、リアクトルＷＬのインダクタンス値Ｌｉを５０μＨ程度の小さな値にする。これは、溶接電流Ｉｗのリップルを所望値未満にできる程度の値である。適正インダクタンス値Ｌｍとの差分は、電子リアクトル制御によって形成されるインダクタンス値Ｌｒによって補填する。

電流検出回路ＩＤは、溶接電流Ｉｗを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。

インダクタンス値設定回路ＬＲは、短絡判別信号Ｓｄ及び送給速度設定信号Ｆｒを入力として、以下の処理を行ない、インダクタンス値設定信号Ｌｒを出力する。
１）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）であるときは、予め定めた短絡期間インダクタンス値となるインダクタンス値設定信号Ｌｒを出力する。
２）短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）であり、かつ、送給速度設定信号Ｆｒが０未満（逆送期間）であるときは、予め定めたアーク期間低インダクタンス値をインダクタンス値設定信号Ｌｒとして出力する。
３）短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）であり、かつ、送給速度設定信号Ｆｒが０以上（正送期間）であるときは、予め定めたアーク期間高インダクタンス値をインダクタンス値設定信号Ｌｒとして出力する。当然、アーク期間高インダクタンス値は、アーク期間低インダクタンス値よりも大きな値である。

電子リアクトル制御回路ＥＣＲは、上記の電流検出信号Ｉｄ、上記のインダクタンス値設定信号Ｌｒ及び出力電圧設定信号Ｅｒを入力として、出力電圧制御設定信号Ｅcr＝Ｅｒ−Ｌｒ・ｄＩｄ／ｄｔを算出して出力する。

第２ゲイン設定回路ＧＲ２は、予め定めた高ゲイン設定値のゲイン設定信号Ｇｒを出力する。第２誤差増幅回路ＥＡ２は、上記のゲイン設定信号Ｇｒ、出力電圧制御設定信号Ｅcr及び出力電圧検出信号Ｅｄを入力として、出力電圧制御設定信号Ｅcr（＋）と出力電圧検出信号Ｅｄ（−）との誤差をゲイン設定信号Ｇｒによって定まるゲインで増幅して、誤差増幅信号Ｅａを出力する。この回路によって、溶接電源は定電圧制御される。

図４は、本発明の実施の形態２に係るアーク溶接制御方法を説明するための図３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）は送給速度Ｆｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｄ）はインダクタンス値設定信号Ｌｒの時間変化を示す。同図は上述した図２と対応しており、時刻ｔ５〜ｔ６１のアーク期間正送期間Ｔas中の動作が異なる。以下、同図を参照して説明する。

同図（Ａ）に示す送給速度Ｆｗの波形は、図２と同一である。図２と同様に、時刻ｔ２１において短絡が発生すると、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖの短絡電圧値に急減し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは次第に増加する。そして、図２と同様に、時刻ｔ３１においてアークが再発生するので、時刻ｔ２１〜ｔ３１の期間が短絡期間となる。この短絡期間中は、同図（Ｄ）に示すように、インダクタンス値設定信号Ｌｒは予め定めた短絡期間インダクタンス値となっている。このために、電子リアクトル制御によって短絡期間インダクタンス値を有するリアクトルが形成される。この結果、短絡期間中の溶接電流Ｉｗの増加率が適正化される。

時刻ｔ３１においてアークが再発生すると、同図（Ｃ）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。同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、短絡期間中の最大値の状態から変化を開始する。

時刻ｔ３１〜ｔ５の期間中は、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは逆送状態であるので、溶接ワイヤは引き上げられてアーク長は次第に長くなる。アーク長が長くなると、溶接電圧Ｖｗは大きくなり、定電圧制御されているので溶接電流Ｉｗは小さくなる。したがって、時刻ｔ３１〜ｔ５のアーク期間逆送期間Ｔar中は、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは次第に大きくなり、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは次第に小さくなる。このアーク期間逆送期間Ｔar中は、同図（Ｄ）に示すように、インダクタンス値設定信号Ｌｒは予め定めたアーク期間低インダクタンス値となる。このアーク期間逆送期間Ｔar中の溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗの波形は、電子リアクトル制御によって形成されるインダクタンス値が比較的小さな値であるので変化を抑制しないために、図２と同一になる。

そして、次の短絡が、時刻ｔ６〜ｔ７の正送減速期間中の時刻ｔ６１に発生する。時刻ｔ３１〜ｔ６１の期間がアーク期間となる。時刻ｔ５〜ｔ６１の期間中は、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは正送状態であるので、溶接ワイヤは正送されてアーク長は次第に短くなる。このアーク期間正送期間Ｔas中は、同図（Ｄ）に示すように、インダクタンス値設定信号Ｌｒは予め定めたアーク期間高インダクタンス値に切り換わる。このアーク期間高インダクタンス値は、上記のアーク期間低インダクタンス値よりも大きな値である。このために、電子リアクトル制御によって形成されるインダクタンス値は大きくなる。アーク長が短くなると、溶接電圧Ｖｗは小さくなり、定電圧制御されているので溶接電流Ｉｗは大きくなる。しかし、溶接電流Ｉｗの増加率は図２のときと同様に小さくなる。これは、上述したように、電子リアクトル制御によって形成されるインダクタンス値が大きな値（アーク期間高インダクタンス値）に切り換わっているためである。したがって、時刻ｔ５〜ｔ６１のアーク期間正送期間Ｔas中は、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは次第に小さくなり、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗはほとんど増加しない。

上述した実施の形態２によれば、インダクタンス値を電子的に形成する電子リアクトル制御をさらに備え、変動制御は、電子リアクトル制御によって形成されるインダクタンス値を、正送期間（アーク期間正送期間Ｔas）中は逆送期間（アーク期間逆送期間Ｔar）中よりも大きな値に設定することによって行う。これにより、実施の形態２では、アーク期間中の正送期間中にアーク長が次第に短くなり、溶接電圧が次第に小さくなっても、溶接電流の増加を抑制することができるので、実施の形態１と同様の効果を奏する。

実施の形態２において、アーク期間逆送期間Ｔar中の電子リアクトル制御によって形成されるインダクタンス値をアーク期間高インダクタンス値にすると、溶接電流Ｉｗの変化が抑制されるために、アーク長制御の過渡応答性が悪くなる。この結果、アーク長が長くなるときにオーバーシュートをしてしまい、溶接状態が不安定になる。したがって、電子リアクトル制御によって形成されるインダクタンス値は、アーク期間逆送期間Ｔar中は小さくなり、アーク期間正送期間Ｔas中は大きくなる必要がある。

［実施の形態３］
実施の形態３の発明は、溶接電源の任意の外部特性を形成する外部特性制御をさらに備え、変動制御は、外部特性制御によって形成される外部特性の傾きの絶対値を正送期間中は逆送期間中よりも大きな値に設定することによって行う。

まず、溶接電源の外部特性制御について説明する。
図５は、溶接電源の外部特性を示す図である。同図の横軸は溶接電流Ｉｗを示し、縦軸は出力電圧Ｅを示す。外部特性Ｌ１及びＬ２は、溶接電流Ｉｗと出力電圧Ｅとの関係を表すものであり、一般的に右下がりの直線となる。したがって、外部特性は下式で表すことができる。
Ｅ＝Ｋｒ×（Ｉｗ−Ｉｒ）＋Ｅｒ …（３）式
但し、Ｋｒ［V/A］は傾き設定値、Ｉｒ［Ａ］は溶接電流設定値、Ｅｒ［Ｖ］は出力電圧設定値である。Ｋｒ、Ｉｓ及びＥｓを設定することによって外部特性を設定することができる。例えば、外部特性Ｌ１は傾き設定値Ｋｒ＝−０．０３Ｖ／Ａの場合であり、外部特性Ｌ２は傾き設定値Ｋｒ＝−０．１Ｖ／Ａの場合である。本書においては、傾きの大小は絶対値の大小のことを意味している。

図６は、本発明の実施の形態３に係る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。同図は上述した図１と対応しており、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１に電流検出回路ＩＤ、溶接電流設定回路ＩＲ、傾き設定回路ＫＲ及び外部特性制御回路ＥＣＲ２を追加し、図１のゲイン設定回路ＧＲを第２ゲイン設定回路ＧＲ２に置換し、図１の誤差増幅回路ＥＡを第２誤差増幅回路ＥＡ２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。

電流検出回路ＩＤは、溶接電流Ｉｗを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。この回路は、図３の電流検出回路ＩＤと同一の回路である。

溶接電流設定回路ＩＲは、予め定めた溶接電流設定信号Ｉｒを出力する。

傾き設定回路ＫＲは、短絡判別信号Ｓｄ及び送給速度設定信号Ｆｒを入力として、以下の処理を行ない、傾き設定信号Ｋｒを出力する。
１）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）であるときは、予め定めた第１傾きとなる傾き設定信号Ｋｒを出力する。
２）短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）であり、かつ、送給速度設定信号Ｆｒが０未満（逆送期間）であるときは、上記の第１傾きを傾き設定信号Ｋｒとして出力する。
３）短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）であり、かつ、送給速度設定信号Ｆｒが０以上（正送期間）であるときは、予め定めた第２傾きを傾き設定信号Ｋｒとして出力する。第１傾き及び第２傾きは共に負の値である。第２傾きの絶対値は、第１傾きの絶対値よりも大きな値である。

外部特性制御回路ＥＣＲ２は、出力電圧設定信号Ｅｒ、上記の溶接電流設定信号Ｉｒ、上記の傾き設定信号Ｋｒ及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、上述した（３）式に従って、Ｅcr＝Ｋｒ×（Ｉｄ−Ｉｒ）＋Ｅｒを演算して、出力電圧制御設定信号Ｅcrを出力する。この回路では、図５で上述したように、所望の外部特性を形成するために電流検出信号Ｉｄ（溶接電流Ｉｗ）に対応した出力電圧制御設定信号Ｅcrを算出して出力する。

第２ゲイン設定回路ＧＲ２は、予め定めた高ゲイン設定値のゲイン設定信号Ｇｒを出力する。この回路は、図３の第２ゲイン設定回路ＧＲ２と同一の回路である。

第２誤差増幅回路ＥＡ２は、上記のゲイン設定信号Ｇｒ、上記の出力電圧制御設定信号Ｅcr及び出力電圧検出信号Ｅｄを入力として、出力電圧制御設定信号Ｅcr（＋）と出力電圧検出信号Ｅｄ（−）との誤差をゲイン設定信号Ｇｒによって定まるゲインで増幅して、誤差増幅信号Ｅａを出力する。この回路は、図３の第２誤差増幅回路ＥＡ２と同一の回路である。

図７は、本発明の実施の形態３に係るアーク溶接制御方法を説明するための図６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）は送給速度Ｆｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｄ）は傾き設定信号Ｋｒの時間変化を示す。同図は上述した図２と対応しており、時刻ｔ５〜ｔ６１のアーク期間正送期間Ｔas中の動作が異なる。以下、同図を参照して説明する。

同図（Ａ）に示す送給速度Ｆｗの波形は、図２と同一である。図２と同様に、時刻ｔ２１において短絡が発生すると、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖの短絡電圧値に急減し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは次第に増加する。そして、図２と同様に、時刻ｔ３１においてアークが再発生するので、時刻ｔ２１〜ｔ３１の期間が短絡期間となる。この短絡期間中は、同図（Ｄ）に示すように、傾き設定信号Ｋｒは予め定めた第１傾きとなっている。このために、外部特性制御によって第１傾きの外部特性が形成される。

時刻ｔ３１においてアークが再発生すると、同図（Ｃ）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。同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、短絡期間中の最大値の状態から変化を開始する。

時刻ｔ３１〜ｔ５の期間中は、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは逆送状態であるので、溶接ワイヤは引き上げられてアーク長は次第に長くなる。アーク長が長くなると、溶接電圧Ｖｗは大きくなり、定電圧制御されているので溶接電流Ｉｗは小さくなる。したがって、時刻ｔ３１〜ｔ５のアーク期間逆送期間Ｔar中は、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは次第に大きくなり、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは次第に小さくなる。このアーク期間逆送期間Ｔar中は、同図（Ｄ）に示すように、傾き設定信号Ｋｒは上記の第１傾きのままである。このアーク期間逆送期間Ｔar中の溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗの波形は、外部特性制御によって形成される外部特性の傾きが比較的小さな値であるので変化を抑制しないために、図２と同一になる。

そして、次の短絡が、時刻ｔ６〜ｔ７の正送減速期間中の時刻ｔ６１に発生する。時刻ｔ３１〜ｔ６１の期間がアーク期間となる。時刻ｔ５〜ｔ６１の期間中は、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは正送状態であるので、溶接ワイヤは正送されてアーク長は次第に短くなる。このアーク期間正送期間Ｔas中は、同図（Ｄ）に示すように、傾き設定信号Ｋｒは上記の第１傾きよりも大きな値に予め定めた第２傾きに切り換わる。このために、外部特性制御によって形成される外部特性の傾きは大きくなる。アーク長が短くなると、溶接電圧Ｖｗは小さくなり、定電圧制御されているので溶接電流Ｉｗは大きくなる。しかし、溶接電流Ｉｗの増加率は図２のときと同様に小さくなる。これは、外部特性制御によって形成される外部特性の傾きが大きな値（第２傾き）に切り換わっているために、アーク長が短くなり溶接電圧Ｖｗが変化してもその変化に対する溶接電流Ｉｗの変化が小さくなるからである。したがって、時刻ｔ５〜ｔ６１のアーク期間正送期間Ｔas中は、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは次第に小さくなり、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗはほとんど増加しない。

上述した実施の形態３によれば、溶接電源の任意の外部特性を形成する外部特性制御をさらに備え、変動制御は、外部特性制御によって形成される外部特性の傾きの絶対値を正送期間（アーク期間正送期間Ｔas）中は逆送期間（アーク期間逆送期間Ｔar）中よりも大きな値に設定することによって行う。これにより、実施の形態３では、アーク期間中の正送期間中にアーク長が次第に短くなり、溶接電圧が次第に小さくなっても、溶接電流の増加を抑制することができるので、実施の形態１と同様の効果を奏する。

実施の形態３において、アーク期間逆送期間Ｔar中の外部特性制御によって形成される外部特性の傾きを第２傾きにすると、溶接電流Ｉｗの変化が抑制されるために、アーク長制御の過渡応答性が悪くなる。この結果、アーク長が長くなるときにオーバーシュートをしてしまい、溶接状態が不安定になる。したがって、外部特性制御によって形成される外部特性の傾きは、アーク期間逆送期間Ｔar中は小さくなり、アーク期間正送期間Ｔas中は大きくなる必要がある。

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
Ｅ 出力電圧
ＥＡ 誤差増幅回路
Ｅａ 誤差増幅信号
ＥＡ２ 第２誤差増幅回路
ＥＣＲ 電子リアクトル制御回路
Ｅcr 出力電圧制御設定信号
ＥＣＲ２ 外部特性制御回路
ＥＤ 出力電圧検出回路
Ｅｄ 出力電圧検出信号
ＥＲ 出力電圧設定回路
Ｅｒ 出力電圧設定信号
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
ＧＲ ゲイン設定回路
Ｇｒ ゲイン設定信号
ＧＲ２ 第２ゲイン設定回路
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＲ 溶接電流設定回路
Ｉｒ 溶接電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＫＲ 傾き設定回路
Ｋｒ 傾き設定信号
Ｌｉ 固定インダクタンス値
Ｌｍ 適正インダクタンス値
ＬＲ インダクタンス値設定回路
Ｌｒ インダクタンス値（設定信号）
ＰＭ 電源主回路
ｒ 抵抗値
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
Ｔar アーク期間逆送期間
Ｔas アーク期間正送期間
ＶＤ 電圧検出回路
ｖｄ 電圧検出信号
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＬ リアクトル
ＷＭ 送給モータ

Claims (4)

1. 送給速度の正送期間と逆送期間とを周期的に繰り返し、溶接電源の出力を定電圧制御し、短絡期間とアーク期間とを繰り返して溶接するアーク溶接制御方法において、
   前記アーク期間中の溶接電圧の変動に対する溶接電流の変動を前記正送期間中は前記逆送期間中よりも小さくする変動制御を行う、
   ことを特徴とするアーク溶接制御方法。
2. 前記変動制御は、前記定電圧制御のゲインを前記正送期間中は前記逆送期間中よりも小さく設定することによって行う、
   ことを特徴とする請求項１記載のアーク溶接制御方法。
3. インダクタンス値を電子的に形成する電子リアクトル制御をさらに備え、前記変動制御は、前記電子リアクトル制御によって形成されるインダクタンス値を前記正送期間中は前記逆送期間中よりも大きな値に設定することによって行う、
   ことを特徴とする請求項１記載のアーク溶接制御方法。
4. 溶接電源の任意の外部特性を形成する外部特性制御をさらに備え、前記変動制御は、前記外部特性制御によって形成される前記外部特性の傾きの絶対値を前記正送期間中は前記逆送期間中よりも大きな値に設定することによって行う、
   ことを特徴とする請求項１記載のアーク溶接制御方法。

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