CN103785926A - 电弧焊接装置、恒压特性焊接电源以及电弧焊接方法 - Google Patents

电弧焊接装置、恒压特性焊接电源以及电弧焊接方法 Download PDF

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Abstract

一种电弧焊接装置、恒压特性焊接电源以及电弧焊接方法，在被焊接钢板的坡口内产生电弧，一边形成熔池一边进行向上焊接时，提高电弧长度始终被保持为固定的可能性。焊接装置具有：焊接机，在基料的坡口内从焊丝在大致铅直下方向上产生电弧而进行电弧焊接；上升电动机，使焊接机相对于基料相对地在大致铅直上方向上上升；和焊接电源，向焊丝供电，产生电弧，速度调整电路控制上升电动机，使得当焊接电源的电流值与设定电流值相比，若小则焊接机的上升速度变低，若大则焊接机的上升速度变高，电压调整电路控制焊接电源，使得当焊接时的焊接电源的电压值低于判定电压的次数或者时间与设定次数或者设定时间相比，若大则电压值变高，若小则电压值变低。

Description

电弧焊接装置、恒压特性焊接电源以及电弧焊接方法
技术领域
本发明涉及电弧焊接装置，恒压特性焊接电源以及电弧焊接方法。
背景技术
在立向向上(上进)焊接中，通过单焊道施工填充焊接坡口面而得到高效率的电弧焊接法，包括装置在内也被称为气电电弧焊接法，已经被较多地实用化(例如，参照专利文献1～3)。
本装置的基本的机制为：将具备焊炬、焊丝进给电动机、具有气体供给口和冷却管的滑动铜板、以及上升电动机等的专用装置(焊接机)安装于在钢板上沿着坡口长边方向铺设的轨道上，一边对坡口内进行焊接，一边配合熔池表面的上升而使焊接机自身上升。
关于这样的焊接法，考虑有几种使熔池表面的上升与专用装置的上升关联的方法。
作为第1方法，不存在关联机构。即，是完全手动型，始终一边观察熔池表面，一边人工调整上升电动机的速度。这种装置是最简单的，但需要始终进行观察，当对几米至几十米的焊接长度进行施工时，劳动负荷非常高，得到的焊接质量也不稳定。
因此，考虑自动上升机构，以使劳动负荷变小，焊接质量稳定。
即，第2方法是利用电弧光强度伴随熔池表面上升而变化的机构，将光传感器安装在装置上，并使其与上升速度关联而进行控制的方法。
然而，电弧并不始终稳定，因此光强度也受到影响，此外，由于同时产生的烟雾(fume)无规律地遮住光，因此该方法也不能说是稳定。
因此，作为第3方法，考虑到利用了电流值的对上升速度进行反馈的方法。该方法是当前最普及的方法。
在该方法中，使用恒压特性焊接电源作为焊接电源，该恒压特性焊接电源具有在决定焊丝进给速度后，输出足以使其熔化的电流的特性。焊丝通过与电流和电弧间电位差(电弧电压)的积成比例的电弧热，以及与焊丝自身的电阻率、通电间距离及电流的平方的积成比例的电阻发热的合计能量而熔化，结果，电流与通电间距离得以平衡。这里，当熔池表面上升时通电间距离变短，电阻发热减少，因此，焊接电源为了弥补熔化能量不足而要使电流输出上升。因此，如果立即读取该电流输出的上升变化，提升焊接机的上升速度，则通电间距离再次变长，电阻发热增加，熔化能量过剩，因此电流输出被降低，上升速度再次得到抑制。如果一直重复以上动作，则熔池表面的上升与焊接机的上升得到关联，无需进行监视。
即，以往仅电流与上升速度的反馈控制被实用化，针对作为对焊接质量影响巨大的较大因素的电弧长度，除了基于恒压电源的自身控制特性以外，并无任何其他控制。另外，该基于恒压电源的自身控制特性，可以说是无论适当与否都维持所设定的电弧长度的功能。
【专利文献1】日本特开昭59-130689号公报
【专利文献2】日本专利第3596723号公报
【专利文献3】日本特开2004-167600号公报
但是，作为焊接参数的电压，可以认为是与电弧长度基本等价，但是在长条的立向向上焊接中，对于电弧长度和电压，必须比向下焊接或者水平焊接更严格地考虑。其理由在于电弧力方向与熔入方向之间的差异。
图11是表示每个焊接姿势的焊接行进方向、电弧力方向以及熔入方向的示意图。(a)表示向下焊接，(b)表示立向向上焊接，白色箭头表示焊接行进方向，虚线的箭头表示电弧力方向，粗实线的箭头表示熔入方向。
如(a)所示，在向下焊接中，电弧力方向与坡口的熔入方向平行。因此，本质上容易得到较深的熔入，很难发生熔入不良。已知电弧长度影响电弧的集中性，并对熔入产生影响，但是与下面的立向向上焊接相比，该影响度较小。
另一方面，如(b)所示，在立向向上焊接中，电弧力方向与坡口宽度方向的熔入方向正交。即，电弧力不直接对熔入产生影响。在立向向上焊接的情况下，通过在电弧正下方的熔池内产生的对流，得到宽度方向的熔入。因此，对流的强度支配熔入，与热输入能量相比熔入较浅。而且熔池内对流具有敏感地受到电弧力的分布的影响的特性，微小的电弧长度的偏差会造成熔入不良。即，在立向向上焊接中，电弧长度的适当地管理对确保焊接质量是非常重要的。
另外，在(a)的向下焊接中，电弧长度较短时通常较深地熔入，与此相对，在(b)的立向焊接中，电弧长度较长时较深地熔入。这是由上述机制的不同引起的完全相反的特性。
然而，如上所述，以往没有对电弧长度和电压进行任何控制。由于通常理解为电弧长度与电压等价，因此大多将对于某个电流的电压值作为典型条件进行管理，但是，这里电压的绝对值的可靠性成为问题。
图12是表示电源输出电压、电弧电压以及电缆消耗电压之间的关系的图。
如图所示，焊接电源输出的电源输出电压Vpower不仅包含作为电弧间电位差的电弧电压Varc，还包含连接焊接电源与焊炬、以及焊接电源与基料的2次侧电缆或者在接线处消耗的电缆消耗电压∑Vcable(Vpower=Varc+∑Vcable)。
即，在2次侧电缆或者接线处，由于电压损失(∑Vcable)，电力的一部分成为热损。在2次侧电缆较短的情况下，该电压损失可以忽略不计，但是，本发明作为对象的造船、桥墩、坦克等是较长的焊接，由于将焊接电源放置在地面上，安装长达几十m的电缆而使焊接机上升，因此成为不能忽略的值。
例如，即使将37V定为作为良好的焊接条件的电源输出电压Vpower，电弧电压Varc也根据2次侧电缆的长度而发生变化。如(a)那样，在2次侧电缆较长而电压消耗较多的情况下，作为差分的电弧电压Varc变小，熔池内对流减弱，熔入减少。另一方面，如(b)那样，在2次侧电缆较短而电压消耗较少的情况下，作为差分的电弧电压Varc变大，熔池内对流增强，熔入增加。这样，不能说是对熔入进行管理。并且，即使在电弧电压较高而确保熔入的情况下，若变为过剩，则电弧内的氧化反应变得显著，并且由于不可避免地卷入的空气的侵入，焊接金属的成分变得不合适，从而导致焊接金属的机械性质发生劣化。
此外，即便根本没有考虑2次侧电缆的长度的影响，在向下焊接中，只要电弧触碰坡口面就基本能够防止熔入不良，虽然在焊接中作业者能够进行调整，但是在立向焊接的情况下，由于电弧不触碰坡口面，因此作业者难以判断是否得到了适当的熔入。即，即便最初起就为不适当的电流条件或者电压条件，也没有办法改变。结果，在最坏的情况下，也存在全线范围内发生熔入不良或焊接金属的性能不良的情况。
如上所述，以往，在立向焊接装置中，仅对上升速度的控制进行了实用化，换言之，仅是只管理了焊接部的形状面，针对作为另一个重要的焊接条件的电弧长度和电压的适当化则没有进行任何控制。因此，关于熔入和焊接金属的机械性质的质量稳定性，相当于没有进行管理，依赖作业者的经验的感觉，因此，以进一步的自动化、无监视化、质量稳定化为目的，期望从装置上进行改善。
另外，在专利文献1的技术中，读取伴随熔池表面上升的电弧长度及作为其定量值的电压的变化，并用于上升电动机的控制，但是，上述的电流变化与上升电动机之间的反馈控制没有任何变化，没有控制电弧长度的绝对值是否适当。
此外，专利文献2、3的技术也同样，没有提示任何用于控制电弧长度的绝对值是否适当的方法。
发明内容
本发明的目的在于，当在被焊接钢板的坡口内产生电弧，一边形成熔池一边进行向上焊接时，提高始终将电弧长度保持为固定的可能性。
为了达到该目的，本发明提供一种电弧焊接装置，其在被焊接钢板的坡口内产生电弧，一边形成熔池一边进行向上焊接，该电弧焊接装置具有：焊接单元，其在被焊接钢板的坡口内从焊丝起在大致铅直下方向上产生电弧而形成熔池，由此进行电弧焊接；上升单元，焊接单元相对于被焊接钢板相对地在大致铅直上方向上上升；焊接电源，其向焊丝提供电流从而产生电弧；速度控制单元，其监视从焊接电源输出的输出电流，在输出电流的值小于预先设定的设定电流值的情况下，控制上升单元使得焊接单元的上升速度变低，在输出电流的值大于设定电流值的情况下，控制上升单元使得焊接单元的上升速度变高；电压控制单元，其监视在焊接时从焊接电源输出的输出电压，掌握与输出电压的值低于作为判定基准而预先决定的判定电压的次数或者时间有关的信息，在与次数或者时间有关的信息超过预先设定的设定基准的情况下，控制焊接电源使得输出电压的值变高，在与次数或者时间有关的信息低于设定基准的情况下，控制焊接电源使得输出电压的值变低。
在此，与低于判定电压的次数或者时间有关的信息可以是低于判定电压的每单位时间的次数，设定基准可以是作为每单位时间的次数而预先设定的设定次数。而且，在判定电压是15V的情况下，设定次数可以是3次/sec以上60次/sec以下的任意的次数。
此外，与低于判定电压的次数或者时间有关的信息可以是根据预先决定的次数的、持续低于判定电压的时间而求出的时间，设定基准可以是预先设定的设定时间。而且，在判定电压是15V的情况下，设定时间可以是0.1msec以上1.0msec以下的任意的时间。
此外，速度控制单元对上升单元进行控制，以便将焊接单元的上升速度抑制为180mm/min以下的方式。
此外，本发明还提供一种电弧焊接装置，其在被焊接钢板的坡口内产生电弧，一边形成熔池一边进行向上焊接，该电弧焊接装置具有：衬底材料，其被设置在设于焊接钢板的坡口的背面的根部间隙；焊接单元，其包括配置于被焊接钢板的坡口的正面并向坡口内提供焊丝的焊炬、使焊炬向坡口宽度方向摇动的摇摆机构、以及在被焊接钢板的表面上相对地在大致铅直上方向上滑动的滑动铜板，在坡口内从焊丝起在大致铅直下方向上产生电弧而形成熔池，由此进行电弧焊接；上升单元，其使焊接单元相对于被焊接钢板相对地在大致铅直上方向上上升；焊接电源，其向焊丝提供电流，产生电弧；速度控制单元，其监视从焊接电源输出的输出电流，在输出电流的值小于预先设定的设定电流值的情况下，控制上升单元使得焊接单元的上升速度变低，在输出电流的值大于设定电流值的情况下，控制上升单元使得焊接单元的上升速度变高；以及电压控制单元，其监视在焊接时从焊接电源输出的输出电压，掌握与输出电压的值低于作为判定基准而预先决定的判定电压的次数或者时间有关的信息，在与次数或者时间有关的信息超过预先设定的设定基准的情况下，控制焊接电源使得输出电压的值变高，在与次数或者时间有关的信息低于设定基准的情况下，控制焊接电源使得输出电压的值变低。
此外，本发明提供一种电弧焊接装置，其在被焊接钢板的坡口内产生电弧，一边形成熔池一边进行向上焊接，该电弧焊接装置具有：焊接单元，其在被焊接钢板的坡口内分别从多个焊丝起在大致铅直下方向上产生电弧而形成1个熔池，由此进行电弧焊接；上升单元，其使焊接单元相对于被焊接钢板相对地在大致铅直上方向上上升；多个焊接电源，它们分别向多个焊丝提供电流而产生电弧；速度控制单元，其监视从多个焊接电源中的1个焊接电源输出的输出电流，在输出电流的值小于预先设定的设定电流值的情况下，控制上升单元使得焊接单元的上升速度变低，在输出电流的值大于设定电流值的情况下，控制上升单元使得焊接单元的上升速度变高；以及多个电压控制单元，它们监视在焊接时从多个焊接电源中的各焊接电源输出的输出电压，掌握与输出电压的值低于作为判定基准而预先决定的判定电压的次数或者时间有关的信息，在与次数或者时间有关的信息超过预先设定的设定基准的情况下，控制各焊接电源使得输出电压的值变高，在与次数或者时间有关的信息低于设定基准的情况下，控制各焊接电源使得输出电压的值变低。
此外，本发明还提供一种恒压特性焊接电源，其用于电弧焊接装置，该电弧焊接装置通过使焊接机相对于被焊接钢板相对地在大致铅直上方向上上升来进行向上焊接，该焊接机在被焊接钢板的坡口内从焊丝起在大致铅直下方向上产生电弧而形成熔池，由此进行焊接，该恒压特性焊接电源具有：电源单元，其向焊丝提供电流而产生电弧；速度控制单元，其监视从电源单元输出的输出电流，在输出电流的值小于预先设定的设定电流值的情况下，进行控制使得焊接机的上升速度变低，在输出电流的值大于设定电流值的情况下，进行控制使得焊接机的上升速度变高；以及电压控制单元，其监视在焊接时从电源单元输出的输出电压，掌握与输出电压的值低于作为判定基准而预先决定的判定电压的次数或者时间有关的信息，在与次数或者时间有关的信息超过预先设定的设定基准的情况下，进行控制使得输出电压的值变高，在与次数或者时间有关的信息低于设定基准的情况下，进行控制使得输出电压的值变低。
另一方面，本发明还提供一种电弧焊接方法，该电弧焊接方法通过使焊接机相对于被焊接钢板相对地在大致铅直上方向上上升来进行向上焊接，该焊接机在被焊接钢板的坡口内从焊丝起在大致铅直下方向上产生电弧而形成熔池，由此进行焊接，该电弧焊接方法包含以下步骤：对从向焊丝提供电流而产生电弧的焊接电源输出的输出电流进行监视，在输出电流的值小于预先设定的设定电流值的情况下，进行控制使得焊接机的上升速度变低，在输出电流的值大于设定电流值的情况下，进行控制使得焊接机的上升速度变高；监视在焊接时从焊接电源输出的输出电压，掌握与输出电压的值低于作为判定基准而预先决定的判定电压的次数或者时间有关的信息，在与次数或者时间有关的信息超过预先设定的设定基准的情况下，进行控制使得输出电压的值变高，在与次数或者时间有关的信息低于设定基准的情况下，进行控制使得输出电压的值变低。
根据本发明，当在被焊接钢板的坡口内产生电弧，一边形成熔池一边进行向上焊接时，能够提高始终将电弧长度保持为固定的可能性。
附图说明
图1是示出使用短路次数作为电弧长度控制参数的情况的图。
图2是示出使用短路时间作为电弧长度控制参数的情况的图。
图3是第1实施方式中的焊接装置的概略结构图。
图4是作为与第1实施方式的焊接装置对应的比较例的以往的焊接装置的概略结构图。
图5是第2实施方式中的焊接装置的概略结构图。
图6是作为与第2实施方式的焊接装置对应的比较例的以往的焊接装置的概略结构图。
图7是示出第1实施方式中的速度调整电路的动作例的流程图。
图8是示出第1实施方式中的电压调整电路的第1动作例的流程图。
图9是示出第1实施方式中的电压调整电路的第2动作例的流程图。
图10-1是示出能够应用本发明的焊接的例子的图。
图10-2是示出能够应用本发明的焊接的例子的图。
图11是示出每个焊接姿势的焊接行进方向、电弧力方向以及熔入方向的示意图。
图12是示出电源输出电压、电弧电压以及电缆消耗电压之间的关系的图。
符号说明：
1…焊接装置，10…焊接机器人，11、11a、11b…焊炬，12、12a、12b…焊丝进给电动机，13…衬底材料，14…滑动铜板，15…滑架，16…上升电动机，17…轨道，20…操作显示箱，30、30a、30b…焊接电源，40、40a、40b、40c…2次侧电缆，50、50a…速度调整电路，51、51a…电流采样电路，52、52a…判定电路，60、60a、60b…电压调整电路，61、61a、61b…电压采样电路，62、62a、62b…波形解析电路，63、63a、63b…判定电路。
具体实施方式
以下，参照附图，详细地对本发明的实施方式进行说明。
本实施方式的目标在于，在任何情况下控制成将最佳的电弧长度(电弧电压)保持为固定。为了达成该目标，发明者们首先进行与适当焊接条件有关的研究，察觉到在立向向上焊接中，在能够确保熔入并得到良好的焊接金属性能的电弧长度条件下，以适当间隔发生短路现象。短路是电弧瞬间地消失、焊丝的前端与熔池表面接触的现象。
在每一定时间的短路次数较多的情况下，电弧长度成为较短，因此发生了熔入不良。另一方面，在短路次数较少的情况下，电弧长度成为较长，因此产生焊接金属性能的劣化。
此外，发明者们还发现，如果是测定并控制发生短路的时间(短路时间)而并非短路次数，则能够更高精度地将电弧长度保持为适当值。
利用该现象，在焊接装置中，对电压进行采样、解析、判定，向焊接电源发出输出电压指令，由此机制得出本发明。
那么，在实际的控制中，短路是极短的时间的现象，在技术上难以观测电弧消失后的电压接近零的定时(timing)，因此将电压低于某个阈值时设为发生短路来进行解析。在本实施方式中，虽然将该阈值定义为判定电压Vshort，但是根据2次侧电缆的长度、焊接条件、焊接材料、保护气体等来设为电弧长度控制最稳定的适当值即可。其中，通常设定在10～18V之间没有问题，在此，设为Vshort＝15V。
图1是示出使用短路次数作为电弧长度控制参数的情况的图。
该情况下，如图所示，将低于Vshort后再次超过Vshort为止计数为1次短路，将每一定时间Ts发生的短路次数除以Ts来求出Nshort[次/sec]。另外，为了找出控制最有效的值，可以自由决定将Ts具体设定为任何的值。Ts的值在01～1sec左右是有效的，在0.5sec左右没有问题。但是，如果Ts过小，则Nshort的偏差变大，控制容易变得不稳定。另一方面，如果Ts过大，则控制的响应速度变慢，当电弧长度发生急剧变动时，不能立即对应，仍然不稳定。
在图1中，如果Ts为0.5sec，则Nshort为8次/sec。将计算出的Nshort与设定次数Nset进行比较，发出与其相应的电压输出指令，通过作为例程(routine)连续地进行这些动作，始终将电弧长度保持为适当。
图2是示出使用短路时间作为电弧长度控制参数的情况的图。
该情况下，如图所示，将低于Vshort后再次超过Vshort为止的时间计测为TshorU、Tshort2、……，计算适当次数的平均值，提供平均短路时间AveTshort用于进行比较。具体而言，用Tshort1、Tshort2、……的合计值∑Tshort除以短路次数，由此求出AveTshort。另外，为了找出控制最有效的值，可以自由设定用于平均值的计算的短路次数。该短路次数的值为3～20次左右是有效的，但为5次左右也没有问题。但是，如果用于平均值的计算的短路次数过少，则AveTshort的偏差变大，控制容易变得不稳定。另一方面，如果用于平均值的计算的短路次数过多，则控制的响应速度变慢，在电弧长度发生急剧变动的情况下，不能立即对应，仍然不稳定。
在图2中，将所计算出的AveTshort与设定时间Tset进行比较，发出与其对应的电压输出指令，通过作为例程连续地进行这些动作，始终将电弧长度保持为适当。
接着，详细地说明这样的控制的实现方法。另外，在气电电弧焊接法中，代表性的有单电极型和双电极型，在此，将前者作为第1实施方式、后者作为第2实施方式进行说明。
首先，针对第1实施方式中的控制的实现方法进行记述。
图3是第1实施方式中的焊接装置1的概略结构图。
如图所示，第1实施方式中的焊接装置1具有：焊接机器人10，其用于通过电极产生电弧而进行焊接的气电电弧焊接；以及用于进行与焊接机器人10有关的操作和信息显示的操作显示箱20。此外，焊接装置1具有提供用于焊接的电力的焊接电源30，以及流过从焊接电源30输出的电流的2次侧电缆40。此外，焊接装置1具有：速度调整电路50，其根据流过2次侧电缆40的电流来调整焊接机器人10中的焊接机的上升速度；以及电压调整电路60，其根据从焊接电源30输出的电压来调整焊接电源30的输出电压。
焊接机器人10具有：焊炬11，其用于在由1对钢板构成的基料B的铅直或与其接近的方向上延伸的坡口G中形成熔池P；焊丝进给电动机12，其将作为电极发挥作用的焊丝向焊炬11进给；安装于坡口G的背面的衬底材料13；以及安装于坡口G的正面的滑动铜板14。此外，焊接机器人10具有：滑架15，其根据熔池P的表面的上升，与由焊炬11、焊丝进给电动机12、滑动铜板14构成的焊接机关联而上升；上升电动机16，其以所指示的速度使滑架15上升；以及轨道17，其引导滑架15上升。
焊炬11具有焊丝，通过从焊接电源30向该焊丝施加电压而使其产生电弧。此外，焊炬11通过未图示的摇摆(weaVing)电动机，可以在箭头W所示的方向上摇摆。
焊丝进给电动机12从缠绕了焊丝的未图示的焊丝盘将焊丝向焊炬11进给，以便送到坡口G。此时，焊丝进给电动机12对焊丝进行进给的速度F是通过对后述的设定电流值Iset进行换算而决定的。
衬底材料13是安装于坡口G的背面的根部间隙(root gap)部分的部件，其材质可以是金属，也可以是非金属。或者，也可以不设置衬底材料13而以与基料B接触的方式对接。
滑动铜板14是可以沿着坡口G的长边方向相对于坡口G相对地滑动的铜板。该滑动铜板14中设有气体供给口141，从气体供给口141提供的保护气体覆盖电弧，由此防止空气侵入到焊接气氛内。此外，该滑动铜板14中还设有冷却管142，从冷却管142流通的水经由滑动铜板14对熔池P进行冷却，可以设为焊接金属M。
滑架15被轨道17引导而在坡口G的长边方向上上升。由此，焊炬11、焊丝进给电动机12、滑动铜板14也在坡口G的长边方向(图中白色箭头U的方向)上上升。
上升电动机16以基于来自速度调整电路50的指令的速度使滑架15上升。
轨道17是在基料B上沿着坡口G的长边方向铺设的钢材。
操作显示箱20是在使焊接机器人10进行作业时，用于例如对焊接条件进行指令的装置。在此，焊接条件中首先包含设定电流值Iset和判定电压Vshon。此外，还包含作为一定时间内的短路次数的阈值的设定次数Nset或者作为平均短路时间的阈值的设定时间Tset。另外，虽然没有图示，但操作显示箱20具有由液晶等构成的显示画面和输入按钮。或者，操作显示箱20例如也可以是众所周知的以下等方式的触摸面板：通过检测形成了低压电场的面板的表面电荷变化来电气地检测触摸手指的位置的静电电容方式，或者是通过作为彼此远离的电极的触摸手指的位置从非通电状态变化为通电状态来电气地检测该位置的电阻膜方式。
焊接电源30是恒压特性焊接电源，在焊丝进给电动机12进给焊丝的速度F决定后，输出足以使焊丝熔化的电流。
2次侧电缆40是连接焊接电源30与焊炬11具有的焊丝或基料B的电缆。2次侧电缆40连接焊接电源30的正极侧与焊丝，并连接焊接电源30的负极侧与基料B。
速度调整电路50具有：电流采样电路51，其对流过2次侧电缆40的电流进行采样；以及判定电路52，其判定由电流采样电路51采样的电流，向上升电动机16发出上升速度指令。
电流采样电路51监视从焊接电源30输出并流过2次侧电缆40的电流Ipower。
判定电路52在电流Ipower低于设定电流值Iset时发出使滑架15的上升速度S即降低的指令，在电流Ipower与设定电流值Iset相同时发出维持滑架15的上升速度S即的指令，在电流Ipower高于设定电流值Iset时发出提高滑架15的上升速度Sup的指令。
电压调整电路60具有：电压采样电路61，其对从焊接电源30输出的电压进行采样；波形解析电路62，其对由电压采样电路61采样的电压的波形进行解析，并输出该解析结果；以及判定电路63，其根据波形解析电路62的解析结果向焊接电源30发出输出电压指令。
电压采样电路61监视在焊接时从焊接电源30输出的电压Vpower。
波形解析电路62对每单位时间内的电压Vpower低于预定判定电压Vshon的次数Nshon[次/sec]进行计数。或者，求出适当次数的电压Vpower持续低于预定判定电压Vshon的时间的平均时间AveTshon[sec]。
判定电路63在次数Nshon超过设定次数Nset时发出提高电压Vpower的指令，在次数Nshon与设定次数Nset相同时发出维持电压Vpower的指令，在次数Nshon低于设定次数Nset时发出降低电压Vpower的指令。或者，在适当次数的平均时间AveTshon超过设定时间Tset时发出提高电压Vpower的指令，在平均时间AveTshon与设定时间Tset相同时发出维持电压Vpower的指令，在平均时间AveTshon低于设定时间Tset时发出降低电压Vpower。
图4是作为与第1实施方式的焊接装置1对应的比较例的以往的焊接装置1的概略结构图。
该以往的焊接装置1只不过是在图3所示的第1实施方式的焊接装置1中，不设置电压调整电路60，并且在通过操作显示箱20进行指令的焊接条件中不包含判定电压Vsh㈩设定次数Nset、设定时间Tset，而包含设定电压值Vset的焊接装置，因此省略各结构要素的详细说明。
另外，在第1实施方式中，将电压调整电路60构成为独立于焊接电源30的所谓控制箱，但不限于此。如果在焊接电源30中内置电压调整电路60而作为专用电源，则移植性、连接性优异，更易于使用。
此外，在图3中没有示出，不管是将电压调整电路60作为控制箱还是将电压调整电路60内置于焊接电源30，将通常的焊接电源30中所必要的输出电压调整为设定电压值Vset的电压调整功能(基于旋钮或者数字式设定)都仅当起弧时有效。其原因在于，通常电压调整功能是用于作业者有意识地调整电弧长度的功能，但是，在本实施方式中，由于电弧长被自动地调整为最佳，因此不需要基于作业者的判断和感官功能的调整作业，另一方面，仅在起弧时的瞬间，在该计算机构上，本实施方式中的控制不发挥作用。即，本实施方式中的电压调整功能是为了决定起弧电压而存在的。但是，电压调整功能基本不影响焊接质量，因此其重要性与以往的焊接装置1相比显著降低。
接着，对第2实施方式中的控制的实现方法进行记述。
图5是第2实施方式中的焊接装置1的概略结构图。
如图所示，第2实施方式中的焊接装置1具有：焊接机器人10，其用于通过电极产生电弧而进行焊接的气电电弧焊接；以及用于进行与焊接机器人10有关的操作和信息显示的操作显示箱20。此外，焊接装置1具有：提供用于焊接的电力的焊接电源30a、30b；流过从焊接电源30a输出的电流的2次侧电缆40a；流过从焊接电源30b输出的电流的2次侧电缆40b；以及流过从焊接电源30a、30b输出的电流的2次侧电缆40c。此外，焊接装置1具有：速度调整电路50a，其根据流过2次侧电缆40a的电流来调整焊接机器人10中的焊接机的上升速度；电压调整电路60a，其根据从焊接电源30a输出的电压来调整焊接电源30a的输出电压；以及电压调整电路60b，其根据从焊接电源30b输出的电压来调整焊接电源30b的输出电压。
焊接机器人10具有：焊炬11a、11b，它们用于在由1对钢板构成的基料B的铅直或者与其接近的方向上延伸的坡口G中形成熔池P；焊丝进给电动机12a、12b，它们将作为电极发挥作用的焊丝分别向焊炬11a、11b进行进给；安装于坡口G的背面的衬底材料13；以及安装于坡口G的正面的滑动铜板14。此外，焊接机器人10具有：滑架15，其根据熔池P的表面的上升，与由焊炬11a、11b、焊丝进给电动机12a、12b以及滑动铜板14构成的焊接机关联而上升；上升电动机16，其以所指示的速度使滑架15上升；以及轨道17，其引导滑架15上升。
焊炬11a、11b分别具有焊丝，通过从焊接电源30a、30b分别向这些焊丝施加电压而使它们产生电弧。此外，焊炬11a、11b通过未图示的摇摆电动机，可以在箭头W所示的方向上摇摆。
焊丝进给电动机12a、12b从缠绕了焊丝的未图示的焊丝盘将焊丝分别向焊炬11a、11b进给，以便送到坡口G。此时，焊丝进给电动机12a对焊丝进行进给的速度F1是通过对后述的设定电流值Iset1进行换算而决定的，焊丝进给电动机12b对焊丝进行进给的速度F2是通过对后述的设定电流值Iset2进行换算而决定的。
衬底材料13、滑动铜板14、滑架15、上升电动机16、轨道17与第1实施方式中说明的相同，因此省略说明。
操作显示箱20是在使焊接机器人10进行作业时，用于例如对焊接条件进行指令的装置。在此，焊接条件中首先包含设定电流值Iset1和判定电压Vshort1、设定电流值Iset2和判定电压Vshort2。此外，还包含作为一定时间内的短路次数的阈值的设定次数Nsd1或者作为平均短路时间的阈值的设定时间Tset1。此外，还包含作为一定时间内的短路次数的阈值的设定次数Nset2或者作为平均短路时间的阈值的设定时间Tset2。另外，虽然没有图示，但操作显示箱20具有由液晶等构成的显示画面和输入按钮。或者，操作显示箱20例如也可以是众所周知的以下等方式的触摸面板：通过检测形成了低压电场的面板的表面电荷变化来电气地检测触摸手指的位置的静电电容方式，或者是通过作为彼此远离的电极的触摸手指的位置从非通电状态变化为通电状态来电气地检测该位置的电阻膜方式。
焊接电源30a是恒压特性焊接电源，在焊丝进给电动机12a进给焊丝的速度F1决定后，输出足以使焊丝熔化的电流。此外，焊接电源30b在焊丝进给电动机12b进给焊丝的速度F2决定后，输出足以使焊丝熔化的电流。
2次侧电缆40a是连接焊接电源30a与焊炬11a具有的焊丝的电缆，2次侧电缆40b是连接焊接电源30b与焊炬11b具有的焊丝的电缆，2次侧电缆40c是连接焊接电源30a、30b与基料B的电缆。2次侧电缆40a、40b连接焊接电源30a、30b的正极侧与焊丝，2次侧电缆40c连接焊接电源30a、30b的负极侧与基料B。
速度调整电路50a具有：电流采样电路51a，其对流过2次侧电缆40a的电流进行采样；以及判定电路52a，其判定由电流采样电路51a采样的电流，向上升电动机16发出上升速度指令。
电流采样电路51a监视从焊接电源30a输出并流过2次侧电缆40a的电流Ipower1。
判定电路52a在电流Ipower1低于设定电流值Iset1时发出使滑架15的上升速度Sup降低的指令，在电流Ipower1与设定电流值Iset1相同时发出维持滑架15的上升速度Sup的指令，在电流Ipower1高于设定电流值Iset1时发出提高滑架15的上升速度Sup的指令。
电压调整电路60a具有：电压采样电路61a，其对从焊接电源30a输出的电压进行采样；波形解析电路62a，其对由电压采样电路61a采样的电压的波形进行解析，输出该解析结果；以及判定电路63a，其根据波形解析电路62a的解析结果，向焊接电源30a发出输出电压指令。
电压采样电路61a监视在焊接时从焊接电源30a输出的电压Vpower1。
波形解析电路62a对每单位时间内的电压Vpower1低于预定判定电压Vshort1的次数Nshort1[次/sec]进行计数。或者，求出适当次数的电压Vpower1持续低于预定判定电压Vshort1的时间的平均时间AveTshort1[sec]。
判定电路63a在次数Nshort1超过设定次数Nset1时发出提高电压Vpower1的指令，在次数Nshort1与设定次数Nset1相同时发出维持电压Vpower1的指令，在次数Nshort1低于设定次数Nset1时发出降低电压Vpower1的指令。或者，在适当次数的平均时间AveTshon1超过设定时间Tset1时发出提高电压Vpower1的指令，在平均时间AveTshom与设定时间Tset1相同的发出维持电压Vpower1的指令，在平均时间AveTshon1低于设定时间Tset1时发出降低电压Vpower1的指令。
电压调整电路60b具有：电压采样电路61b，其对从焊接电源30b输出的电压进行采样；波形解析电路62b，其对由电压采样电路61b采样的电压的波形进行解析，输出该解析结果；以及判定电路63b，其根据波形解析电路62b的解析结果，向焊接电源30b发出输出电压指令。
电压采样电路61b监视在焊接时从焊接电源30b输出的电压Vpo们r2。
波形解析电路62b对每单位时间电压Vpower2低于预定判定电压Vshort2的次数Nshort2[次/sec]进行计数。或者，求出适当次数的电压Vpower2持续低于预定判定电压Vshort2的时间的平均时间AveTshort2[sec]。
判定电路63b在次数Nshort2超过设定次数Nset2时发出提高电压Vpower2的指令，在次数Nshort2与设定次数Nset2相同时发出维持电压Vpower2的指令，在次数Nshort2低于设定次数Nset2时发出降低电压Vpower2的指令。或者，在适当次数的平均时间AveTshort2超过设定时间Tset2时发出提高电压Vpower2的指令，在平均时间AveTshort2与设定时间Tset2相同时发出维持电压Vpower2的指令，在平均时间AveTshort2低于设定时间Tset2时发出降低电压Vpower2的指令。
图6是作为与第2实施方式的焊接装置1对应的比较例的以往的焊接装置1的概略结构图。
该以往的焊接装置1只不过是在图5所示的第2实施方式的焊接装置1中，不设置电压调整电路60a、60b，并且在通过操作显示箱20进行指令的焊接条件中不包含判定电压Vshort1、Vshort2、设定次数Nset1、Nset2、设定时间Tset1、Tset2，而包含设定电压值Vset1、Vset2的焊接装置，因此省略各结构要素的详细说明。
另外，在第2实施方式中，将电压调整电路60a构成为独立于焊接电源30a的所谓控制箱，将电压调整电路60b构成为独立于焊接电源30b的所谓控制箱，但不限于此。如果在焊接电源30a中内置电压调整电路60a、焊接电源30b中内置电压调整电路60b而分别作为专用电源，则移植性、连接性优异，更易于使用。
此外，在图5中没有示出，不管是将电压调整电路60a、60b作为控制箱，还是将电压调整电路60a、60b内置于焊接电源30a、30b，将通常的焊接电源30a、30b中所必要的输出电压分别调整为设定电压值Vset1、Vset2的电压调整功能(基于旋钮或者数字式设定)都仅当起弧时有效。其原因在于，通常电压调整功能是用于作业者有意识地调整电弧长度的功能，但是，在本实施方式中，由于电弧长被自动地调整为最佳，因此不需要基于作业者的判断和感官功能的调整作业，另一方面，仅在起弧时的瞬间，在该计算机构上，本实施方式中的控制不发挥作用。即，本实施方式中的电压调整功能是为了决定起弧电压而存在的。但是，电压调整功能基本不影响焊接质量，因此其重要性与以往的焊接装置1相比显著降低。
图7是示出图3的速度调整电路50的动作例的流程图。
如图所示，在速度调整电路50中，首先，电流采样电路51对流过2次侧电缆40的电流Ipower进行采样(步骤501)。
接着，判定电路52将电流Ipower与设定电流值Iset进行比较(步骤502)。其结果是，当电流Ipower低于设定电流值Iset，向上升电动机16发出使滑架15的上升速度Sup降低的指令(步骤503)。另一方面，当电流Ipower高于设定电流值Iset时，向上升电动机16发出提高滑架15的上升速度Sup的指令(步骤504)。此外，当电流Ipower与设定电流值Iset相同时，向上升电动机16发出维持滑架15的上升速度Sup的指令(步骤505)。
另外，图5的速度调整电路50a的动作例与与此相同。但是，该情况下，需要将图7的流程图和上述说明中的速度调整电路50、电流采样电路51、判定电路52、2次侧电缆40、电流Ipower、设定电流值Iset分别换为速度调整电路50a、电流采样电路51a、判定电路52a、2次侧电缆40a、电流Ipower1、设定电流值Iset1。
图8是示出图3的电压调整电路60的第1动作例的流程图。在该第1动作例中，如图1所示，使用短路次数作为电弧长度控制参数。
如图所示，在电压调整电路60中，首先，电压采样电路61对从焊接电源30输出的电压Vpower进行采样(步骤601)。
接着，波形解析电路62通过对电压Vpower的波形进行解析，求出每单位时间电压Vpower低于判定电压Vshort的次数Nshort[次/sec](步骤602)。
接着，判定电路63将次数Nshort与设定次数Nset进行比较(步骤603)。其结果是，当次数Nshort超过设定次数Nset时，向焊接电源30发出提高电压Vpower的指令(步骤604)。另一方面，当次数Nshort低于设定次数Nset时，向焊接电源30发出降低电压Vpower的指令(步骤605)。此外，当次数Nshort与设定次数Nset相同时，向焊接电源30发出维持电压Vpower的指令(步骤606)。
另外，当使用短路次数作为电弧长度控制参数时，图5的电压调整电路60a的动作例也与此相同。但是，该情况下，需要将图8的流程图和上述说明中的电压调整电路60、电压采样电路61、波形解析电路62、判定电路63、焊接电源30、电压Vpower、判定电压Vshort、次数Nshort、设定次数Nset分别换为电压调整电路60a、电压采样电路61a、波形解析电路62a、判定电路63a、焊接电源30a、电压Vpower1、判定电压Vshort1、次数Nshort1、设定次数Nset1。
此外，当使用短路次数作为电弧长度控制参数时，图5的电压调整电路60b的动作例也与此相同。但是，该情况下，需要将图8的流程图和上述说明中的电压调整电路60、电压采样电路61、波形解析电路62、判定电路63、焊接电源30、电压Vpower、判定电压Vshort、次数Nshort、设定次数Nset分别换为电压调整电路60b、电压采样电路61b、波形解析电路62b、判定电路63b、焊接电源30b、电压Vpower2、判定电压Vshort2、次数Nshort2、设定次数Nset2。
图9是示出图3的电压调整电路60的第2动作例的流程图。在该第2动作例中，如图2所示，使用短路时间作为电弧长度控制参数。
如图所示，在电压调整电路60中，首先，电压采样电路61对从焊接电源30输出的电压Vpower进行采样(步骤651)。
接着，波形解析电路62对电压Vpower的波形进行解析，由此求出适当次数的电压Vpower持续低于判定电压Vshort的时间的平均时间AveTshort[sec](步骤652)。
接着，判定电路63将平均时间AveTshort与设定时间Tset进行比较(步骤653)。其结果是，当平均时间AveTshort超过设定时间Tset时，向焊接电源30发出提供电压Vpower的指令(步骤654)。另一方面，当平均时间AveTshort低于设定时间Tset时，向焊接电源30发出降低电压Vpower的指令(步骤655)。此外，当平均时间AveTshon与设定时间Tset相同时，向焊接电源30发出维持电压Vpower的指令(步骤656)。
另外，当使用短路时间作为电弧长度控制参数时，图5的电压调整电路60a的动作例也与此相同。但是，该情况下，需要将图9的流程图和上述说明中的电压调整电路60、电压采样电路61、波形解析电路62、判定电路63、焊接电源30、电压Vpower、判定电压Vshort、平均时间AveTshort、设定时间Tset分别换为电压调整电路60a、电压采样电路61a、波形解析电路62a、判定电路63a、焊接电源30a、电压Vpower1、判定电压Vshort1、平均时间AveTshort1、设定时间Tset1。
此外，当使用短路时间作为电弧长度控制参数时，图5的电压调整电路60b的动作例也与此相同。但是，该情况下，需要将图9的流程图和上述说明中的电压调整电路60、电压采样电路61、波形解析电路62、判定电路63、焊接电源30、电压Vpower、判定电压Vshort、平均时间AveTshort、设定时间Tset分别换为电压调整电路60b、电压采样电路61b、波形解析电路62b、判定电路63b、焊接电源30b、电压Vpower2、判定电压Vshort2、平均时间AveTshort2、设定时间Tset2。
另外，本实施方式是将本发明应用于平板的立向姿势的对接接头焊接的例子，但本发明能够应用于所有的立向向上焊接。
图10-1和图10-2示出了可以应用本发明的焊接的例子。
即，本发明除了能够应用于图10-1的(a)所示的平板的立向姿势的对接接头焊接以外，还能够应用于该图(b)所示的角焊、该图(c)所示的T字接头的角焊、该图(d)所示的T字接头的坡口焊接、图10-2的(e)所示的圆管和凸缘的坡口焊接、该图(f)所示的圆管之间的圆周对焊等。在图10-1的(a)～(d)中，通过在各图中的白色箭头的方向进行焊接而成为立向向上焊接。另一方面，图10-2的(e)、(f)中，将焊炬固定在时钟的大约3点钟的位置，一边使基料向各图中的白色箭头方向旋转一边进行焊接，由此能够视为相对的立向焊接。但是，在该相对的立向焊接中，基于电流值的上升电动机进行的上升速度的控制被置换为基于电流值的基料的旋转速度的控制。
另一方面，发明者们也在最通用的向下焊接和水平焊接中尝试本实施方式的机制，但没有很好地发挥作用，由此得知本实施方式中的机制在立向向上焊接中是特别有效的。考虑以下的理由。即，在立向向上焊接中，通过坡口G、衬底材料13、滑动铜板14从四周夹住，由此熔池P没有退路，并且上升速度小，因此能够稳定地保持熔池P的表面与焊丝之间的距离，因此控制收敛，易于得到效果。与此相对，如图11的(a)可知，在向下焊接和水平焊接中，在电弧行进方向上没有物理上的遮挡物，因此熔池由于重力而容易无规律地流入电弧前方，由于焊丝与正下方的熔池表面之间的距离每次都发生变动，因此控制受到该影响而发散，反而导致大的电弧长度变动。即，本实施方式中的机制是以熔池表面被保持为稳定位置作为前提条件的。因此，在本实施方式中，优选的是在进行电压控制的同时，还进行基于电流的采样的上升速度的控制。
此外，作为应用本实施方式的焊接法，可以举出最通常的气体保护电弧焊接法。在该气体保护电弧焊接法中，用实心焊丝或者药芯焊丝作为焊丝，将二氧化碳或者氩气与二氧化碳的混合气体吹向电弧和熔池P的表面来遮断空气，由此保证稳定性。另一方面，也可以在非气体保护电弧焊接法中应用本实施方式。非气体保护电弧焊接法也被称作自保护电弧焊接法，使用专用的药芯焊丝作为焊丝，从而不需要保护气体。虽然具有烟雾产生量多、焊接金属的韧性也比气体保护电弧焊接低这样的缺点，但是也具有如下优点：不需要气体进给系统及其吹出口的维护、储气瓶或者储罐(tank)设备等，较简单。在强风的场所，相比于气体保护电弧焊接法更优选非气体保护电弧焊接法。
根据以上所述，能够将本实施方式的效果总结如下。
即，在以往的立向焊接装置中，在发生与所设置的环境对应的设备变更、作业者的技能或无意识的焊接条件的设定失误等的情况下，无法避免对于焊接质量的不良影响，每次作业者都不得已而进行试行错误的调整。因此，作业者在长时间的焊接中不能离开。然而，在本实施方式的立向焊接装置中，能够自动地使对焊接质量影响巨大的电弧长度最佳化收敛。因此，作业者在电弧发生和装置运行后，能够凭借自动调整功能而非监视，同时实现质量提高和成本降低，其价值巨大。
在此，对本实施方式中使用的参数等数值限定及其理由进行说明。
首先，对设定次数Nset进行说明。
设定次数Nset较小意味着以短路变少的方式进行控制，即，暗示目标为使电弧长度变长。当电弧长度较长时，熔入变深。然而，如果电弧长度过大，则会发生焊接金属合金元素的过度的氧化消耗、空气卷入电弧这样的现象，焊接金属的性能降低。如果设为Vshort＝15V，则设定次数Nset低于3次时发生这些现象。
另一方面，设定次数Nset较大意味着以短路变多的方式进行控制，即，暗示目标为使电弧长度变短。当电弧长度较短时，焊接金属的机械性质得到改善。然而，如果电弧长度过小，则熔池P内的对流减弱，发生熔入不良。如果设为Vshort＝15V，则当设定次数Nset超过60次时发生该现象。
因此，优选设定次数Nset为3～60次/sec。另外，如果进一步缩小范围，将设定次数Nset设为5～20次/sec，则焊接金属的性能与深熔入性之间的平衡更好。
另外，设定次数Nset1、Nset2也是同样的。
接着，对设定时间Tset进行说明。
设定时间Tset较小意味着短路在短时间内消除(只发生微量的短路)，即，暗示目标是使电弧长度变长。当电弧长度较长时，熔入变深。然而，如果电弧长度过大，则会发生焊接金属合金元素的过度的氧化消耗、空气卷入电弧这样的现象，焊接金属的性能降低。如果设为Vshort＝15V，则设定时间Tset低于0.1msec时发生这些现象。
另一方面，设定时间Tset较大意味着短路长时间持续(短路的规模大)，即，暗示目标是使电弧长度变短。当电弧长度较短时，焊接金属的机械性质得到改善。然而，如果电弧长度过小，则熔池P内的对流减弱，发生熔入不良。如果设为Vshort＝15V，则设定时间Tset超过1.0msec时发生该现象。
因此，优选设定时间Tset为0.1～1.0msec。另外，如果进一步缩小范围，将设定时间Tset设为0.2～0.5msec，则焊接金属的性能与深熔入性之间的平衡更好。
另外，设定时间Tset1、Tset2也是同样的。
接着，对上升电动机16的上升速度Sup进行说明。
在本实施方式中，以电弧长度的稳定化为目的，同时重复执行电压采样、解析、判定、向焊接电源30(30a、30b)的输出电压指令这样的例程，以及电流采样、判定、向上升电动机16的上升速度指令这样的例程，因此得到熔化池P的表面平滑且稳定这样的效果。由于焊接机和熔池P的表面的上升方向与电弧长度的方向相同，因此上升速度Sup越大，在例程期间内的电弧长度缩短程度越大。因此，作为本实施方式中的控制的结果，所校正的宽度变大、变粗糙，电弧长度难以收敛。
根据以上的机制，上升速度Sup越小，电弧长度稳定化控制越能够良好地进行作用。具体而言，本实施方式中的控制在上升速度Sup为180mm/min以下时有效地进行作用。此外，当将上升速度Sup设为120mm/min以下时，能够更适当地保持电弧长度，因此优选的是将上升速度Sup设为120mm/min以下。另外，该上升速度Sup是作为立向焊接充分必要的实用区域。
【实施例】
接着，针对本发明的实施例，与脱离本发明的范围的比较例进行对比来说明。另外，该实施例和比较例提供上述的数值限定的依据。
[实施例1(单电极型)]
使用板厚12mm的碳素钢钢板JIS G3106SM490B作为钢板，实施50°V型、根部间隙5mm的坡口加工而进行了立向向上焊接。应用气体保护电弧焊接法，焊丝设为药芯焊丝JIS Z3319YFEG-22C规格材料的1.6mmφ径，保护气体设为CO2。使用图3或者图4的结构作为焊接装置。改变焊接条件和判定条件，实施焊接长度500mm的焊接，在焊接后，进行了用于熔入性的评价的超声波探伤试验以及作为焊接金属的性能评价之一的截面中央部的简支梁冲击试验。在超声波探伤试验中，将完全没有熔入不良的情况设为◎，存在1～3处熔入不良的情况设为○，存在4处以上的熔入不良的情况设为×。在简支梁(Charpy)冲击试验中，在试验温度-20℃下，将47J以上设为◎，27J以上且低于47J设为○，低于27J设为×。
下述表中示出试验结果。另外，在表中将对作为基础的条件进行变更后的条件以斜体的粗体示出，以粗框围住的粗体字来示出超声波探伤试验和简支梁冲击试验的结果中有问题的部分。
【表1】
Figure BDA0000404901130000231
No.A1是使用图3的结构，根据短路次数来控制电弧长度的情况。No.A2是使用图3的结构根据平均短路时间来控制电弧长度的情况。No.A3是使用未设置控制电弧长度的电压调整电路的图4的结构的情况。在这些No.A1～A3中，2次侧电缆被设定为25m以使电弧长度成为最佳，均为在焊接后的超声波探伤试验和简支梁冲击试验中没有问题的值。
No.A4～A6是以该设定为基准，将2次侧电缆延长至50m的情况。在使用图3的结构的No.A4、A5中，在维持2次侧电缆为25m时的焊接条件的情况下，电弧长度控制也能够自动地工作，因此电弧长度维持最佳，成为在超声波探伤试验和简支梁冲击试验中没有问题的值。另一方面，在No.A6那样使用图4的结构的情况下，2次侧电缆变长，2次侧电缆中的消耗电压变高，因此电弧电压相对地变低。因此，熔池内对流减弱，熔入变浅，在超声波探伤试验中发生了较多的缺陷。
相反，No.A7～A9是将次侧电缆缩短至10m的情况。在使用图3的结构的No.A7、A8中，在维持2次侧电缆为25m时的焊接条件的情况下，电弧长度控制也能够自动地工作，因此电弧长度维持最佳，成为在超声波探伤试验和简支梁冲击试验中没有问题的值。另一方面，在No.A9那样使用图4的结构的情况下，2次侧电缆变短，2次侧电缆中的消耗电压变低，因此电弧电压相对地变高。因此，电弧长度过大，发生焊接金属合金元素的过度氧化消耗、空气向电弧卷绕这样的现象，焊接金属的简支梁冲击性能降低。
No.A10～A12是相对于No.A1～A3的条件，错误地将电压设定成了较低的情况。在No.A10、A11那样使用图3的结构的情况下，电压设定仅作为起弧条件而工作，在起弧的瞬间电弧稍有不稳定，但马上电弧长度控制工作，以最佳电弧长度进行焊接。因此，保持了熔入和焊接金属的稳定性。另一方面，No.A12那样使用图4的结构的情况下，维持错误地设定的低电压条件进行焊接，因此熔池内对流减弱，熔入变浅，在超声波探伤试验中较多地发生缺陷。
No.A13～A15是相对于No.A1～A3的条件，错误地将电压设定成了较高的情况。No.A13、A14那样使用图3的结构的情况下，电压设定仅作为起弧条件而工作，起弧的瞬间电弧稍有不稳定，但马上电弧长度控制工作，以最佳电弧长度进行焊接。因此，保持了熔入和焊接金属的稳定性。另一方面，在No.A15那样使用图4的结构的情况下，维持错误地设定的高电压条件进行焊接，因此电弧长度过大，发生焊接金属合金元素的过度氧化消耗、空气向电弧卷绕这样的现象，焊接金属的简支梁冲击性能降低。
No.A16～A19是相对于No.A1的条件，使作为短路次数的阈值的设定次数Nset发生了变化的情况。设定次数Nset处于最优选的范围内的No.A16、A18的熔入性能、焊接金属性能均良好。然而，在将设定次数Nset设定得较低的No.A17中，电弧长度稍稍变长，简支梁冲击试验虽然合格，但稍低。另一方面，在将设定次数Nset设定得较高的No.A19中，电弧长度稍稍变短，超声波探伤试验中也合格，发生少量缺陷。
No.A20是在使用图3的结构的焊接法中采用了所容许的上限的上升速度的情况。电弧长度控制有效地工作，超声波探伤试验和简支梁冲击试验示出了比较良好的值。然而，在使用图3的结构的焊接法中采用了超过容许范围的上升速度的No.A21中，电弧长度控制无法赶上熔池表面上升速度，电弧长度变得不稳定，因此熔入也变得不稳定，在超声波探伤试验中不合格。
[实施例2(单电极型)]
与实施例1同样地，使用板厚12mm的碳素钢钢板JIS G3106SM490B作为钢板，实施50°V型、根部间隙5mm的坡口加工而进行了立向向上焊接。应用非气体保护电弧焊接法，焊丝设为JIS Z3313T49YT4-0NA规格材料的2.4mmφ径。使用图3或者图4的结构作为焊接装置。改变焊接条件和判定条件，实施焊接长度500mm的焊接，在焊接后，进行了用于熔入性的评价的超声波探伤试验以及作为焊接金属的性能评价之一的截面中央部的简支梁冲击试验。在超声波探伤试验中，将完全没有熔入不良的情况设为◎，存在1～3处熔入不良的情况设为○，存在4处以上的熔入不良的情况设为×。在简支梁冲击试验中，在试验温度+20℃下，将47J以上设为◎，27J以上且低于47J设为○，低于27J设为×。
下述表中示出试验结果。另外，在表中将对作为基础的条件进行变更后的条件以斜体的粗体示出，以粗框围住的粗体字来示出超声波探伤试验和简支梁冲击试验的结果中有问题的部分。
【表2】
No.B1是使用图3的结构，根据短路次数来控制电弧长度的情况。No.B2是使用图3的结构，根据平均短路时间来控制电弧长度的情况。No.B3是使用未设置电弧长度的电压调整电路的图4的结构的情况。在这些No.B1～B3中，2次侧电缆被设定为25m以使电弧长度成为最佳，均为在焊接后的超声波探伤试验和简支梁冲击试验中没有问题的值。
No.B4～B6是以该设定为基准，将2次侧电缆延长至50m的情况。在使用图3的结构的No.B4、B5中，在维持2次侧电缆为25m时的焊接条件的情况下，电弧长度控制也能够自动地工作，因此电弧长度维持最佳，成为在超声波探伤试验和简支梁冲击试验中没有问题的值。另一方面，在No.B6那样使用图4的结构的情况下，2次侧电缆变长，2次侧电缆中的消耗电压变高，因此电弧电压相对地变低。因此，熔池内对流减弱，熔入变浅，在超声波探伤试验中发生了较多的缺陷。
No.B7～B10是相对于No.B2的条件，使作为平均短路时间的阈值的设定时间Tset发生了变化的情况。设定时间Tset处于最优选的范围内的No.B7、B9的熔入性能、焊接金属性能均良好。但是，在将设定时间Tset设定得较低的No.B8中，电弧长度稍稍变长，简支梁冲击试验虽然合格，但稍低。另一方面，在将设定时间T瞅设定得较高的No.B10中，电弧长度稍稍变短，超声波探伤试验中也合格，发生少量缺陷。
No.B11的条件与No.B1的条件相似，是将电流的极性设为负电极，所谓正极性的情况。极性改变时焊丝熔化速度改变，因此上升速度也不同，但本实施方式中的电弧长度控制有效地工作，没有问题地进行了动作。而且得到的熔入性能和焊接金属的性能也没有问题。
[实施例3(2电极型)]
使用板厚80mm的碳素钢钢板JIS G3106SM490C作为，实施20°V型、根部间隙8mm的坡口加工而进行了立向向上焊接。应用气体保护电弧焊接法，使用JIS Z3319YFEG-22C规格材料的1.6mmφ径的两根药芯焊丝作为焊丝，保护气体设为CO2。作为焊接装置，使用了通过双电极电弧形成1个熔池并同时上升的图5或图6的结构。改变焊接条件和判定条件，实施焊接长500mm的焊接，在焊接后，进行了用于熔入性的评价的超声波探伤试验以及作为焊接金属的性能评价之一的截面中央部的简支梁冲击试验。在超声波探伤试验中，将完全没有熔入不良的情况设为◎，存在1～3处熔入不良的情况设为○，存在4处以上的熔入不良的情况设为×。在简支梁冲击试验中，在试验温度-20℃下，将47J以上设为◎，27J以上且低于47J设为○，低于27J设为×。
下述表中示出试验结果。另外，在表中将对作为基础的条件进行变更后的条件以斜体的粗体示出，以粗框围住的粗体字来示出超声波探伤试验和简支梁冲击试验的结果中有问题的部分。
【表3】
No.C1是使用图5的结构，根据短路次数分别独立地控制两根电弧长度的情况。No.C2是使用图5的结构，根据平均短路时间分别独立地控制两根电弧长度的情况。No.C3是使用未设置对两根电弧长度任意一个进行控制的电压调整电路的图6的结构的情况。另外，焊接机的上升速度是根据从与跟前侧电极连接的电力供给系统采样的电流值来控制的。在这些No.C1～C3中，2次侧电缆被设定为25m以使电弧长度成为最佳，均为在焊接后的超声波探伤试验和简支梁冲击试验中没有问题的值。
No.C4～C6是以该设定为基准，将2次侧电缆延长至50m的情况。在使用图5的结构的No.C4、C5中，在维持2次侧电缆为25m时的焊接条件的情况下，电弧长度控制也能够自动地工作，因此电弧长度维持最佳，成为在超声波探伤试验和简支梁冲击试验中没有问题的值。另一方面，在No.C6那样使用图4的结构的情况下，2次侧电缆变长，2次侧电缆中的消耗电压变高，因此电弧电压相对地变低。因此，熔池内对流减弱，熔入变浅，在超声波探伤试验中发生了较多的缺陷。
相反，No.C7～C9是将次侧电缆缩短至10m的情况。在使用图5的结构的No.C7、C8中，在维持2次侧电缆为25m时的焊接条件的情况下，电弧长度控制也能够自动地工作，因此电弧长度维持最佳，成为在超声波探伤试验和简支梁冲击试验中没有问题的值。另一方面，在No.C9那样使用图6的结构的情况下，2次侧电缆变短，2次侧电缆中的消耗电压变低，因此电弧电压相对地变高。因此，电弧长度过大，发生焊接金属合金元素的过度氧化消耗、空气向电弧卷绕这样的现象，焊接金属的简支梁冲击性能降低。
[实施例4(双电极型)]
与实施例3同样地，使用板厚80mm的碳素钢钢板JIS G3106SM490C作为钢板，实施20°V型、根部间隙8mm的坡口加工而进行了立向向上焊接。应用气体保护电弧焊接法，使用JIS Z3319YFEG-22C规格材料的1.6mmφ径的两根药芯焊丝作为焊丝，保护气体设为CO2。作为焊接装置，使用了通过双电极电弧形成1个熔池并同时上升的图5或图6的结构。改变焊接条件和判定条件，实施焊接长500mm的焊接，在焊接后，进行了用于熔入性的评价的超声波探伤试验以及作为焊接金属的性能评价之一的截面中央部的简支梁冲击试验。在超声波探伤试验中，将完全没有熔入不良的情况设为◎，存在1～3处熔入不良的情况设为○，存在4处以上的熔入不良的情况设为×。在简支梁冲击试验中，在试验温度-20℃下，将47J以上设为◎，27J以上且低于47J设为○，低于27J设为×。
下述表中示出试验结果。另外，在表中将对作为基础的条件进行变更后的条件以斜体的粗体示出，以粗框围住的粗体字来示出超声波探伤试验和简支梁冲击试验的结果中有问题的部分。
【表4】
Figure BDA0000404901130000321
No.D1是使用图5的结构，根据平均短路时间分别独立地控制两根电弧长度的情况。No.D2是使用未设置对两根电弧长度中的任意一个进行控制的电压调整电路的图6的结构的情况。另外，熔化机构的上升速度是根据从与跟前侧电极连接的电力供给系统采样的电流值来控制的。这些No.D1、D2与No.C2、C3电极极性的组合不同，但2次侧电缆被设定为25m以使电弧长度成为最佳，均为在焊接后的超声波探伤试验和简支梁冲击试验中没有问题的值。
No.D3、D4是相对于No.D1、D2的条件，错误地将电压设定成了较低的情况。在No.D3那样使用图5的结构的情况下，电压设定仅作为起弧条件而工作，在起弧的瞬间电弧稍有不稳定，但马上电弧长度控制工作，以最佳电弧长度进行焊接。因此，保持了熔入和焊接金属的稳定性。另一方面，在No.D4那样使用图6的结构的情况下，维持错误地设定的低电压条件进行焊接，因此熔池内对流减弱，熔入变浅，在超声波探伤试验中较多地发生缺陷。
No.D5、D6是相对于No.D1、D2的条件，错误地将电压设定成了较高的情况。在No.D5那样使用图5的结构的情况下，电压设定仅作为起弧条件而工作，起弧的瞬间电弧稍有不稳定，但马上电弧长度控制工作，以最佳电弧长度进行焊接。因此，保持了熔入和焊接金属的稳定性。另一方面，在No.D6那样使用图6的结构的情况下，维持错误地设定的高电压条件进行焊接，因此电弧长度过大，发生焊接金属合金元素的过度氧化消耗、空气向电弧卷绕这样的现象，焊接金属的简支梁冲击性能降低。

Claims (10)

1.一种电弧焊接装置，其在被焊接钢板的坡口内产生电弧，一边形成熔池一边进行向上焊接，该电弧焊接装置具有：
焊接单元，其在所述被焊接钢板的坡口内从焊丝起在大致铅直向下方向上产生所述电弧而形成所述熔池，从而进行电弧焊接；
上升单元，其使所述焊接单元相对于所述被焊接钢板相对地在大致铅直向上方向上上升；
焊接电源，其向所述焊丝提供电流从而产生所述电弧；
速度控制单元，其监视从所述焊接电源输出的输出电流，在该输出电流的值小于预先设定的设定电流值的情况下，控制所述上升单元使得所述焊接单元的上升速度变低，在该输出电流的值大于所述设定电流值的情况下，控制所述上升单元使得所述焊接单元的上升速度变高；以及
电压控制单元，其监视在焊接时从所述焊接电源输出的输出电压，掌握与该输出电压的值低于作为判定基准而预先决定的判定电压的次数或者时间有关的信息，在与该次数或者时间有关的信息超过预先设定的设定基准的情况下，控制该焊接电源使得该输出电压的值变高，在与该次数或者时间有关的信息低于所述设定基准的情况下，控制该焊接电源使得该输出电压的值变低。
2.根据权利要求1所述的电弧焊接装置，其特征在于，
与低于所述判定电压的次数或者时间有关的信息是每单位时间低于该判定电压的次数，
所述设定基准是作为每单位时间的次数而预先设定的设定次数。
3.根据权利要求2所述的电弧焊接装置，其特征在于，
在所述判定电压是15V的情况下，所述设定次数是3次/sec以上且60次/sec以下的任意的次数。
4.根据权利要求1所述的电弧焊接装置，其特征在于，
与低于所述判定电压的次数或者时间有关的信息是根据预先决定的次数的持续低于该判定电压的时间而求出的时间，
所述设定基准是预先设定的设定时间。
5.根据权利要求4所述的电弧焊接装置，其特征在于，
在所述判定电压是15V的情况下，所述设定时间是0.1msec以上且1.0msec以下的任意的时间。
6.根据权利要求3或5所述的电弧焊接装置，其特征在于，
所述速度控制单元对所述上升单元进行控制，使得所述焊接单元的上升速度被抑制在180mm/min以下。
7.一种电弧焊接装置，其在被焊接钢板的坡口内产生电弧，一边形成熔池一边进行向上焊接，该电弧焊接装置具有：
衬底材料，其被设置在设于所述被焊接钢板的坡口的背面侧的根部间隙；
焊接单元，其包括配置于所述被焊接钢板的坡口的正面侧并向该坡口内提供焊丝的焊炬、使该焊炬向该坡口宽度方向摇动的摇摆机构、以及在所述被焊接钢板的表面上相对地在大致铅直向上方向上滑动的滑动铜板，在该坡口内从该焊丝起在大致铅直向下方向上产生所述电弧而形成所述熔池，从而进行电弧焊接；
上升单元，其使所述焊接单元相对于所述被焊接钢板相对地在大致铅直向上方向上上升；
焊接电源，其向所述焊丝提供电流，产生所述电弧；
速度控制单元，其监视从所述焊接电源输出的输出电流，在该输出电流的值小于预先设定的设定电流值的情况下，控制所述上升单元使得所述焊接单元的上升速度变低，在该输出电流的值大于所述设定电流值的情况下，控制所述上升单元使得所述焊接单元的上升速度变高；以及
电压控制单元，其监视在焊接时从所述焊接电源输出的输出电压，掌握与该输出电压的值低于作为判定基准而预先决定的判定电压的次数或者时间有关的信息，在与该次数或者时间有关的信息超过预先设定的设定基准的情况下，控制该焊接电源使得该输出电压的值变高，在与该次数或者时间有关的信息低于所述设定基准的情况下，控制该焊接电源使得该输出电压的值变低。
8.一种电弧焊接装置，其在被焊接钢板的坡口内产生电弧，一边形成熔池一边进行向上焊接，该电弧焊接装置具有：
焊接单元，其在所述被焊接钢板的坡口内分别从多个焊丝起在大致铅直向下方向上产生电弧而形成1个所述熔池，从而进行电弧焊接；
上升单元，其使所述焊接单元相对于该被焊接钢板相对地在大致铅直向上方向上上升；
多个焊接电源，其分别向所述多个焊丝提供电流，产生所述电弧；
速度控制单元，其监视从所述多个焊接电源中的1个焊接电源输出的输出电流，在该输出电流的值小于预先设定的设定电流值的情况下，控制所述上升单元使得所述焊接单元的上升速度变低，在该输出电流的值大于所述设定电流值的情况下，控制所述上升单元使得所述焊接单元的上升速度变高；以及
多个电压控制单元，其监视在焊接时从所述多个焊接电源的各焊接电源输出的输出电压，掌握与该输出电压的值低于作为判定基准而预先决定的判定电压的次数或者时间有关的信息，在与该次数或者时间有关的信息超过预先设定的设定基准的情况下，控制该各焊接电源使得该输出电压的值变高，在与该次数或者时间有关的信息低于所述设定基准的情况下，控制该各焊接电源使得该输出电压的值变低。
9.一种恒压特性焊接电源，其用于电弧焊接装置，该电弧焊接装置通过使焊接机相对于被焊接钢板相对地在大致铅直向上方向上上升来进行向上焊接，该焊接机在该被焊接钢板的坡口内从焊丝起在大致铅直向下方向上产生电弧而形成熔池，从而进行焊接，该恒压特性焊接电源具有：
电源单元，其向所述焊丝提供电流，产生所述电弧；
速度控制单元，其监视从所述电源单元输出的输出电流，在该输出电流的值小于预先设定的设定电流值的情况下，进行控制使得所述焊接机的上升速度变低，在该输出电流的值大于所述设定电流值的情况下，进行控制使得所述焊接机的上升速度变高；以及
电压控制单元，其监视在焊接时从所述电源单元输出的输出电压，掌握与该输出电压的值低于作为判定基准而预先决定的判定电压的次数或者时间有关的信息，在与该次数或者时间有关的信息超过预先设定的设定基准的情况下，进行控制使得该输出电压的值变高，在与该次数或者时间有关的信息低于所述设定基准的情况下，进行控制使得该输出电压的值变低。
10.一种电弧焊接方法，该电弧焊接方法通过使焊接机相对于被焊接钢板相对地在大致铅直向上方向上上升来进行向上焊接，该焊接机在该被焊接钢板的坡口内从焊丝起在大致铅直向下方向上产生电弧而形成熔池，从而进行焊接，该电弧焊接方法包含以下步骤：
对从向所述焊丝提供电流而产生所述电弧的焊接电源输出的输出电流进行监视，在该输出电流的值小于预先设定的设定电流值的情况下，进行控制使得所述焊接机的上升速度变低，在该输出电流的值大于所述设定电流值的情况下，进行控制使得所述焊接机的上升速度变高；以及
监视在焊接时从所述焊接电源输出的输出电压，掌握与该输出电压的值低于作为判定基准而预先决定的判定电压的次数或者时间有关的信息，在与该次数或者时间有关信息超过预先设定的设定基准的情况下，进行控制使得该输出电压的值变高，在与该次数或者时间有关的信息低于所述设定基准的情况下，进行控制使得该输出电压的值变低。
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