JP2003526517A - アーク溶接プロセスの制御方法およびその方法を要する溶接機 - Google Patents

アーク溶接プロセスの制御方法およびその方法を要する溶接機

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶接電圧と溶接電流を有する電気アーク溶接プロセスにおいて使用するためのリアルタイム制御信号発生方法を提供する。 【解決手段】 第１時刻に溶接電圧と溶接電流を測定し、該溶接電圧あるいは溶接電流のいずれかを瞬間的に約１０％未満変化させ、次に該変化後第２時刻に溶接電圧と溶接電流を測定し、第１時刻と第２時刻の間の溶接電圧の差と溶接電流の差をそれぞれ決定し、該溶接電圧の差を溶接電流の差で割ることにより所望の制御信号を示す導関数値を生じて、該値によって制御信号を発生させることからなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気アーク溶接技術に関し、さらに詳しくは独自の制御パラメータを
用いるアーク溶接制御方法および該パラメータを用いて展開するコントローラを
有する溶接機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気アーク溶接は、スプレー転移・パルス転移・直流ＧＭＡＷ溶接あるいは交
流溶接を使うか否かに関し、溶接品質に影響する多くのプロセス制御変数を有す
る複雑な電気現象である。定電圧溶接プロセスにおいて、溶接は電流Ｉａによっ
て通常制御される。電圧が一定に保たれると、ＣＴＷＤの変化によって他のプロ
セス変動と同様、電流も変化するので、電圧・電流特性曲線を使う制御装置は固
有の限界を有する。工作物と接触端の距離ＣＴＷＤが減ると電流が増え、その逆
も成り立つので、ＣＴＷＤは電流に対し重要な影響をする。パラメータをリアル
タイムで決められるのは困難なので、ＣＴＷＤに基づいて直流ＧＭＡＷ溶接プロ
セスを調整することには上述の困難を伴う。アーク電流に影響されない制御信号
を与える溶接パラメータはこれまで測定されていない。さらに重要なことには、
リアルタイムでアーク長さを直接調整するために制御信号を生ずるパラメータは
いまだない。電極の底と工作物の間の距離を固定値に保つことは、優れたかつ再
現性のある溶接品質を生じることが知られている。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
本発明はアーク溶接プロセスの制御において、溶接電流に依存しないでアーク
抵抗を表す独自の制御信号を生じるパラメータを測定することによって、従来技
術の問題点を克服する。したがって、本発明を用いて生じた制御信号は、溶接電
流に基づく制御に関わる導関変数によって影響されない。本発明によれば、溶接
電流に対する溶接電圧の導関数は、アーク長さのような溶接状態を保つため、制
御信号として使われるパラメータを与えるために測定される。この導関数は、電
流によって電圧を分割するだけで得られる負荷抵抗とは明らかに固化となる独自
の制御パラメータである。このパラメータは溶接プロセスを制御する信号を生じ
るために用いられるのではない。
【０００４】 本発明は、アーク長さを選ばれた距離に保つため、リアルタイム制御信号を生
じることのできる溶接プロセスの特性を示すパラメータに関している。アーク長
さに結びつけられた電極突出（ＥＳＯ）の長さは、工作物と溶接端の距離ＣＴＷ
Ｄに等しい。
【０００５】 アーク電圧Ｖarc は、（アーク長さＬarc ×定数Ｂ）＋定数Ａに等しい成分を
もつ。第１定数Ａは陰極および陽極における仕事関数、および陰極電圧降下であ
る。陰極および陽極の電圧降下は、鉄素材に対し約４．１５Ｖと知られている。
本発明の好ましい実施態様は溶接鋼に対するプロセスであるが、アルミニウムの
ような他の金属も本発明を使って溶接し得る。こうして、陰極および陽極での電
圧降下は合わせて８．３Ｖに等しい。仕事関数は陰極現象で、通常約３．７Ｖで
ある。したがって、第１定数Ａは８．３＋３．７＝１２．０の範囲にある。定数
Ｂ（×アーク長さＬarc ）はシールドガスに関係する。アルゴン８５％、二酸化
炭素１５％の組成をもつガスに対して、定数Ｂは１８．７である。したがって、
Ｖarc は第１定数（１２．０）＋第２定数（１８．７）×アーク長さＬarc （ｃ
ｍ）によって変化する。Ｖarc の他の成分は、溶接電流Ｉａ×アーク抵抗Ｒarc
である。すなわち、Ｖarc ＝ＢＬarc ＋ＩａＲarc である。したがって、Ｖarc
がわかればアーク長さを決めるために適切なアルゴリズムが用いられる。そして
、アーク長さは維持される。Ｉａは検知可能なので、唯一の未知数はＲarc であ
る。本発明はアーク抵抗Ｒarc を表す信号を促進する。こうして、アーク長さは
本発明を用いて、アーク抵抗を表す信号を展開するために維持され得る。
【０００６】 本発明を用いて、独自のパラメータｄＶ／ｄＩがアーク長さを維持するために
用いられるアーク抵抗を表す制御信号として使われる。この導関数は、アーク自
身の抵抗に関係する。実際にそれはＣＴＷＤにわたる全抵抗（ＲESO ＋Ｒarc ）
に関係する。ＲESO の寄与度は低いので、ｄＶ／ｄＩ信号はアーク抵抗Ｒarc を
表す。この信号は、リアルタイムで単に溶接電圧を溶接電流で割った負荷抵抗に
は等しくない。本発明は、電圧の導関数を検知することに関するものである。こ
のパラメータは、アーク長さを維持するとともに、アーク電圧を決定するために
使われる。
【０００７】 本発明によれば、リアルタイム制御信号を発生する方法が提供される。この方
法は、溶接電流に対する溶接電圧の導関数を決定することからなる。この制御信
号は、抵抗あるいはインピーダンスとして参照される。こうして、この新規な制
御信号は、アーク抵抗の大きさによって変化し、アーク電圧に対する直接の相関
として使われる。擬似抵抗（「増加抵抗」）は、制御信号であり、独自のパラメ
ータを構成する。この制御信号は実際の溶接電流と掛け合わされ、アーク電圧を
表す信号値を得るために、アーク長さが加えられる値を生じる。公知の制御関数
が存在し、それは第１成分（ａ）が第１定数（約８〜２０で、鉄に対しては１２
）の総和、第２定数（約１０〜３５で、アルゴン９０％・ＣＯ2 １０％のガスに
対しては１８．５）×アーク長さＬarc が、アーク電圧−溶接電流×アーク抵抗
（ｃ）である第２成分（ｂ）と比較される。本発明は、この制御関数をアーク抵
抗を表す制御信号を生ずることによって実施させる。これらの制御システムは、
電圧の導関数として新規な制御信号を生じることによって達成される。
【０００８】 本発明の他の面によれば、導関数は溶接電流の小さな変動によって得られる。
その変動パターンが溶接電流に適用されて、「増加抵抗」Ｒz を決定する。変動
の前に、電圧と電流が検知される。次に電流が増し、ある遅延時間だけ待つ。こ
の遅延により、誘導リアクタンスによる歪みを除く。電圧と電流が再び測定され
、記録される。その電圧を差し引き電流を差し引くことにより、電流に対する電
圧の導関数が得られる。この導関数を使って、高分解回路が使われる。電流差が
小さく、導関数値が０．００５〜０．００７５Ωの範囲にあるからである。電圧
差も小さく、０．１５〜２．０Ｖの範囲にある。したがって、高分解が検知のた
めに用いられる。しかも、増加抵抗値が導関数測定であるので、絶対的な精度は
決定的でない。こうして、高分解が要求されるが、データ値の精度は決定的でな
い。電流変動の大きな値がアーク長さに影響するので、この変動はその影響を避
けるように制限される。実際には、電流変動は約１０％未満で、溶接プロセスに
用いられる電流の約５％未満である。導関数は電流を増すだけで得られるが、本
発明の好ましい実施態様では、第２の電圧・電流測定に先立って電流が増加され
る。その後で、電流は溶接電流値以下に減らされて、第３測定に供される。次に
、溶接電流値まで再び上げられて第４測定に供される。したがって、４つの電圧
・電流値があり、１つの電流変動パターンに対して３つの異なる値が集められる
。第２差値は、第１あるいは第３電流差よりも大きな変動に基づいている。これ
ら３つの差の組を得て、導関数を算出し、平均値を出すことによって、実際の導
関数値すなわち制御信号が得られる。
【０００９】 増加抵抗Ｒz を好ましく得るため、溶接機の電源制御システムを用いる。結果
としての電圧・電流データが測定され、上記方法でｄＶ／ｄＩを得る。あるいは
、電源自身が電圧波形を揺動させる。これらのデータはｄＶ／ｄＩを得るために
測定される。他の実施例では、ＰＷＭにおいてパルス幅に対する入力のような電
流または電圧に関する信号を揺動するために電源が使われる。次に電圧と電流が
測定される。また別の実施例では、高電力関数発生器のような外郭回路を用いる
。さらに別の実施例では、高電力トランジスタのような外部回路を有する電源の
出力を揺動させる。これらの実施例では電流あるいは電圧の突起の増減を伴って
いるが、正弦波や他の任意の波形を用いて変動することも可能である。各測定の
前に時間遅延があるので、誘導リアクタンスが測定結果に誤差を誘起することは
ない。電圧差は電流が安定した後に検知される。その安定化時間は５０〜１００
μｓの範囲にあることがわかった。これらは最短の遅延であり、それよりも長い
遅延は適切でない。
【００１０】 変動パターンを集めた多くのデータにおいて、電流は正に次に負に変動する。
これにより、アーク長さの変動を小さなものにできる。正と負の遷移が等しいこ
とにより、電源の出力をバランスさせ、溶融レートを電流変動によって影響させ
ないようにできる。第２電流遷移は第１遷移の２倍である。これにより、集めら
れたデータ値を２倍にして、より良好な分解ができる。３つの連続的な導関数を
用いて、より一貫した制御信号が得られる。実際には、電圧・電流測定はそれぞ
れ約１０ｍｓである。このようなタイミングにより、大ていの波形を制御波形か
ら変化させない。ｄＶ／ｄＩデータが電極突出とアーク長さを評価するために引
き出される。
【００１１】 上述したように、多くの制御メカニズムによって、電源出力を揺動させ、ｄＶ
／ｄＩを得るのに必要なデータを測定することができる。大ていの高速溶接電源
は、バック・コンバータすなわち直流・直流コンバータにようなスイッチング電
源に基づいている。特別な回路によってノイズを除かない限り、スイッチング・
ノイズにより、溶接電流・電圧の正確な測定が困難になる。ｄＶ／ｄＩ測定を達
成する好ましい方法は、電源のスイッチングに同期して揺動を制御し必要なデー
タを測定するように特別に設計された高速内蔵制御アルゴリズムを使うことであ
る。ｄＶ／ｄＩ測定が要求される時メイン電源が制御信号を内蔵アルゴリズムに
送る。するとアルゴリズムによって、電流が定められたシーケンスで流れ、電源
の半導体でスイッチングする間、正確なタイミングでデータが測定される。デー
タが得られると、制御信号がメイン電源に戻される。デジタル信号プロセッサ、
プログラマブル・ケント・アレイあるいはマイクロプロセッサによって、内蔵ア
ルゴリズム（制御システム）が実行される。もちろん、電流変動を得てデータを
集めることは他の手段によっても実施可能である。
【００１２】 ｄＶ／ｄＩをリアルタイム関数として得るため、電流あるいは電圧が揺動され
、異なる時に測定される。より良い分解とノイズ除去は１ステップ以上の揺動を
導入することによって得られる。ｄＶ／ｄＩ値は揺動後のいくつかのｄＶ／ｄＩ
測定値の平均である制御信号を与えるために発生される。この手続はスプレー転
移・パルス転移・短絡回路転移・直流および交流金属溶接のようなアークを用い
る溶接プロセスに対して用いられる。各プロセスは増加抵抗ＲZ を生ずるために
変動するアーク電流を有する。
【００１３】 本発明の主要な目的は、電気アーク溶接プロセスに用いられる電圧の導関数で
ある制御信号を生じるための方法およびシステムを提供することにある。この制
御信号は予め定められたアーク長さを維持するため、溶接プロセスのフィードバ
ック・ループ制御のため、他のパラメータを得るために用いられる。 本発明の他の目的は、アーク長さや他のパラメータを維持するための制御関数
を正確に得るために用いられる上記方法およびシステムを提供することにある。 さらに他の目的は、電気アーク溶接プロセスにおいてさまざまなパラメータを
正確に測定する上記方法およびシステムを提供することにある。これらのパラメ
ータは従来技術の制御では容易に得られなかった。これらおよび他の目的、およ
び効果は添付図面とともに以下の説明から明らかになるであろう。
【００１４】
【実施例】
以下、図面を参照するが、これらは本発明の実施例を説明するためにのみ用い
、本発明をこれらと同一のものに限定するためではない。図１は電気アーク溶接
プロセスを示し、接触端１２は開口部１４を有し、そこから鋼電極Ｅが鉄製工作
物ＷＰに向かって進む。実施例では溶接金属は鋼だが、アルミニウムのような他
の金属も本発明を使って溶接された。電極の端と工作物の間に電気アークＣがあ
る。実際には、電気エネルギーが接触端によって電極Ｅを通ってアークＣを生じ
るように導かれ、電極の端を溶かし、スプレー、短絡あるいは球状転移のいずれ
かによって金属を移す。端１２と工作物ＷＰの間の距離はＣＴＷＤで、これは電
極突出ＥＳＯとアーク長さＬarc の和である。溶接電圧Ｖa は、電極に係る電圧
ＶESO とアークにかかる電圧Ｖarc に分割される。これらのパラメータは電気ア
ーク溶接において標準的で、本発明を説明するのに用いる。電極Ｅは溶接電流Ｉ a を用いてＩ2 Ｒによって加熱される。加熱は長さＥＳＯに沿って均一である。
電極の加熱はアークＣによるＩＶとは大いに異なる。アーク加熱は電極Ｅの端か
ら溶ける金属の全加熱の通常７５〜８０％である。溶融は電極の端で生じ、この
端はバリア２０を有する。このバリアにより、電極ＥがアークＣによる熱から守
られる。周知のように、温度が上がると抵抗は増すが、電極Ｅの残りの抵抗はい
くらか一定に保たれる。温度が上がると、熱伝導率と比熱も上がる。こうして、
バリア２０は電極をアークから切離し、電極Ｅが進むとき金属を溶かす熱が増す
ひじょうに薄い層である。溶接電圧Ｖa は定数Ａによって影響され、Ａは陰極す
なわち工作物ＷＰの仕事関数に関係し、通常の陽極あるいは陰極の電圧はともに
約４．１５Ｖである。実際には、鋼を溶接するとき定数Ａは約１２である。定数
Ａは、シールドガスのタイプに関する定数Ｂ×アーク長さＬarc に加えられる。
この関係（Ａ＋ＢＬarc ）は、アーク電圧を長さ溶接電流×アーク抵抗Ｒarc に
加えられる。電極電圧ＶESO は溶接電流Ｉa と突出抵抗ＲESO の積である。ＲES O は小さいので一般にＶarc がＶa になる。これらの関係により、アーク長さは
Ｖa 、Ｉa およびＲarc をモニターすることで維持される。本発明はＲarc の値
を生じるのに使われる。関係式Ｖa ＝Ａ＋ＢＬarc ＋Ｉa Ｒa rc は本発明にしが
って、独自の制御信号を用いて実施する際に使われる。この制御信号は導関数ｄ
Ｖ／ｄＩで、増加抵抗ＲZ として参照される。増加抵抗ＲZ はＲarc ＋ＲESO で
あるが、溶接電圧を溶接電流で割って得られる負荷抵抗ではない。Ｖarc は直接
には測定できない。しかし、Ｖa は測定可能でＶarc ＋Ｉa ×ＲESO に等しい。
したがって、Ｖa ＝Ａ＋ＢＬarc ＋Ｉa （Ｒarc ＋ＲESO ）となる。
【００１５】 信号ｄＶ／ｄＩを与えるため、いくつかのソフトウエア回路が使われる。その
ソフト回路を図２に示し、この回路により図３のような電流揺動を生じる。溶接
機３０は電極Ｅと工作物ＷＰの間に溶接電圧Ｖa を生じる。実際には図１の端１
２と工作物ＷＰの間に電圧がかかる。電圧Ｖa と溶接電流Ｉa を生じさせるため
、電極Ｅと工作物ＷＰにつなげられる出力リード４２・４４を有する電源４０が
供給される。その入力は３相入力線５２につながれた整流器５０である。電源は
パルス幅変調器６０の出力線６２の信号によって決まる溶接電流の波形をもつ高
周波スイッチング・インバータである。変調器は出力７２ａと入力７２ｂ・７２
ｃをもつ誤差アンプ７２の指示のもと、波形の回路７０によって制御される信号
を有する入力線６４をもっている。入力７２ｂは命令電流信号ＩC である。入力
７２ｃは電極Ｅを通って工作物ＷＰに流れる溶接電流Ｉa である。リアルタイム
溶接電圧を測定するため、リード４２・４４と並列につながれた入力リード８２
・８４をもつセンサ８０がある。同様に、リード９４・９６によって分流器９２
から溶接電流Ｉa を検知する。溶接機３０はスプレー溶接・短絡溶接・直流溶接
あるいは交流溶接用に使われる。本発明はＩa に対するＶa の導関数である新規
な制御信号を用いる。Ｉa とＶa を図３に示す。この導関数を得るためのシステ
ムを図２に示す。電流変動パターン１００により電圧変動パターン１００ａが生
じる。パターン１００は時刻Ｔ１における電圧レベル１００ａに相当する制御レ
ベル１１０から電圧レベル１１２ａに相当する新レベル１１２に増加する溶接電
流Ｉa を要する。この新レベル１１２は制御レベルよりも１０％未満高く、より
好ましくは５％未満高い。ｄＶ／ｄＩの値は時刻Ｔ１の前に点１でライン１１０
ｂで示すようにＶa とＩa を決定し、時刻Ｔ２の前に点２でライン１１２ｂで示
すようにＶa とＩa を決定することにより得られる。これら２組の電圧と電流の
差を取り、その差を割ることによりｄＶ／ｄＩが得られる。点２でのレベル１１
２の測定は時刻Ｔ１とライン１１２ｂの間で１００μｓの時間遅延後に行われる
。これにより、点１と点２の間のＶa とＩa を読み取る前に、誘導リアクタンス
による電圧の影響をなくすことができる。時刻Ｔ２でＩa はレベル１１４まで下
がる。このレベル１１４は一般にレベル１１０よりも１０％未満低く、好ましく
は５％未満低い。これに伴い、Ｖa もレベル１１４ａに下がる。時刻Ｔ３の直前
で、点３でライン１１４ｂに示すように、Ｖa とＩa の３回目の測定がなされる
。その後、Ｉa はレベル１１０に等しいレベル１１６まで戻る。少し遅れて、す
なわち約１００μｓの後、点４で４回目の測定がなされる。点１と点２、点２と
点３、および点３と点４の間の値の差を測ることにより、同一制御信号の３つの
異なった値が読み取れる。これらの３つの値は記録され、加えられ、割られて、
最終的な導関数ｄＶ／ｄＩが得られる。この信号は本発明によって得られる独自
の信号である。任意時間後、他の変動パターン１００が次のｄＶ／ｄＩを読み取
るためになされる。パターン１００は周期的にくり返され、リアルタイムで導関
数を生じて溶接プロセスを制御する。
【００１６】 再び図２にもどると、ライン１２２に電圧信号が生じると電流変動パターン１
００を生じる。信号発生器１２０によってパルス幅変調器６０にかぶさってパタ
ーン１００が生じる。この信号はライン１２４を通って、パルス幅変調器６０へ
の第２入力となる。各時点で信号発生器１２０が始動され、パターン１００が実
施される。周期的にオッシレータ１３０によってカウンタ１３２を駆動し、それ
によってワンショット回路１３４を動かして、信号発生器１２０を動かす。オッ
シレータをカウンタはプログラムされているので、パターン１００は数秒毎に周
期的にくり返される。こうして、ライン１２２に信号が生じて（１０ｍｓ）、Ｉ a の変動パターン１００をくり返させる。点１、２、３、４でライン１５０に信
号が生じて、ブロック１５２でＶa を読み、ブロック１５４でＩa を読む。これ
ら２つの値を使って、ブロック１６０でｄＶ／ｄＩが得られる。各導関数測定値
はブロック１６２に貯えられて、ブロック１６４で平均化されて制御信号ＲZ を
与える。パターン１００で、３つの読み取りがなされる。これらの値は貯えられ
、平均化されて、図２のＲZ である導関数信号ｄＶ／ｄＩを生じる。この信号は
一般に、唯一のｄＶ／ｄＩ計算による信号と同一である。
【００１７】 増加抵抗ＲZ を平均化するためのソフト・プログラムは図４に示されている。
このプログラムで、ブロック２００に示すように点１でマイクロプロセッサ等に
よってＶa とＩa が読み取られる。そのデータがブロック２０２に貯えられる。
その後、ブロック２０４のように点２でＶa とＩa が読み取られ、ブロック２０
６に貯えられる。同様に、ブロック２０８のようにＶa とＩa が読み取られ、ブ
ロック２１０に貯えられる。さいごにブロック２１２のように点４でＶa とＩa
が読み取られ、ブロック２１４のように貯えられる。そしてブロック２２０に示
すように、第１導関数ｄＶ／ｄＩに相当するデジタル数が計算される。この値が
アナログであれば、独自の制御信号である。その後、導関数計算が２回くり返さ
れる。これら３つの導関数計算の値（デジタルあるいはアナログ）はすべて本質
的に同一であるが、ブロック２２０に示すように加え合わされる。次に、ブロッ
ク２２２に示すように２２０の合計値が３で割られ、ライン２２４に平均値のｄ
Ｖ／ｄＩ（＝ＲZ ）を生じる。これは３つの測定値の平均に等しい制御信号であ
る。変動パターン１００は本発明の実施例に使われるので、平均化プロセスは３
つのＲZ の決定を要する。もちろん、いかなる数の制御信号（ＲZ ）でも加えら
れ、平均化され得る。
【００１８】 ＲZ は消耗電極とアークを用いるすべての溶接法において得られる。電極の端
を溶かすため、工作物上に溶融金属を堆積させる。変動パターン１００の間の小
さな電流変化は電極溶融の変化をもたらさない。ＲZ のリアルタイム適用を図５
〜９に示す。たとえば、図５のようなスプレー溶接において、電流の変動パター
ン２３０が周期的に生じる。これに伴い、電圧の変動パターン２３０ａが生じる
。次に導関数が得られて、増加抵抗ＲZ を生じる。同様に、図６に示すように、
パルス溶接において、背景電流とピーク電流が存在する。これに伴い、電圧も同
様に変動する。背景電流２４０の間、電極から工作物への転移は生じないが、こ
れに対応する電圧パターン２４０ａが生じる。これにより、導関数が生じる。ピ
ーク電流２４２に伴って、ピーク電圧２４２ａが生じる。ピーク電流に対して増
加抵抗ＲZ が得られる。これによりアーク長さが保たれる。図７に短絡溶接を示
す。アーク（プラズマ）部の間、Ｉa の変動パターン２５０が得られる。これに
伴い、Ｖa の変動パターン２５０ａが生じる。短絡部２５２の間はアークがない
ので、測定はない。リンカーン電気社（米国オハイオ州クリーブランド）によっ
て開発されたＳＴＴ溶接サイクルも背景電流とプラズマ・ブーストの間、本発明
を使うことができる。これらの間、電流は一定に保たれる。しかし、ＳＴＴの短
絡部の間は、電流は変動しない。
【００１９】 本発明は電流が一定に保たれ、かつ変動できるアークを用いるすべてのタイプ
の溶接サイクルに適用できる。これを図８に示す。電流の変動パターン２６０に
伴い、電圧の変動パターン２６０ａが生じている。定電流は図５のスプレー溶接
の場合に似ている。交流溶接において、電流は一般に一定に保たれるが、図９の
ように逆極性になる。正極性の間、電流変動パターン２７０によって電圧変動パ
ターン２７０ａが生じる。負極性の間、電流変動パターン２７２によって電圧変
動パターン２７２ａが生じる。図５〜９のいくつかの共通の溶接プロセスに対す
る電流と電圧が、独自の増加抵抗ＲZ の普遍的な適用を示す。もちろん、他の電
気アーク溶接プロセスも、電極抵抗に対し極めて高いアーク抵抗をもつ本発明を
使用できる。
【００２０】 本発明を実施する際、導関数が制御信号として得られる。いくつかのシステム
が導関数値を得るために使われ得る。図２は１つのシステムを示しているが、図
１０・１１は他のシステムを示している。図１０で、電源４０は出力リード４２
・４４間につながれた関数発生器４００を有する。関数発生器は電流変動を生じ
、いくつかの特定測定点を作るために要する特定変動を生じるために調時される
。オッシレータ４０２がカウンタ４０４を動かす。ライン４０６上のカウンタ出
力が、それぞれセンサ８０・９０からの電圧・電流値が読み取られ、ブロック４
１０に貯えられる段階を示す。次にこれらはブロック２２２で平均化され、ライ
ン２２４に制御信号ＲZ を生じる。同様に、図１１でカウンタ４２０はオッシレ
ータ４２０ａによって動かされ、スイッチ４５０のゲート４２４を制御する一連
の信号をライン４２２に生じる。これによりアークからの電流Ｉa の一部を周期
的に分流する。この変動パターンは２つのレベルのみ有する。それを図１１Ａに
示す。スイッチ４５０が導通すると、電流は低いレベル４６０まで減る。ブロッ
ク４１０によって、点１と点２でＶa とＩa が読み取られる。これがｄＶ／ｄＩ
である。これらのいくつかが続いて生じ、ブロック４７０で平均化され、ライン
４７２に制御信号ＲZ を生じる。他の配列もｄＶ／ｄＩを決定するのに用いられ
得る。ＲZ はアーク抵抗に関するものである。
【００２１】 さまざまなシステムをソフトウエアが制御信号ＲZ を得るのに用いられ得る。
ＲZ は他のさまざまなパラメータとともに操作されて、溶接プロセスに対する制
御あるいは命令信号を生じる。リアルタイムでのＲZ の発生は溶接技術において
独自であり、ｄＶ／ｄＩを得るのに非常に有利である。制御信号の使用は消耗的
でない。他の使用も本技術内にある。本発明は経験的な修正によって単純化され
たシステムのような数学的に発生する構造をもつ制御システムにおいて用いられ
る。
【００２２】 図１２は本発明により一定アーク長さを保つ現在使われている制御システムを
示す。アーク長さＬarc の調整はＲZ （＝ｄＶ／ｄＩ）のいくつかの値を得るこ
とにより可能になる。Ｖa ＝ＶESO ＋Ｖarc で、これは（ａ）第１定数Ａ（８〜
２０）、（ｂ）第２定数Ｂ（１０〜３５）×Ｌarc 、および（ｃ）Ｉa ×Ｒarc
の和に等しい。アーク長さを一定に保つことにより、アーク抵抗は変わらず、Ｒ ESO ＋Ｒarc は一定に保たれる。溶接電圧Ｖa ＝ＶESO ＋Ｖarc 。アーク電圧Ｖ arc ＝Ａ＋ＢＬarc ＋Ｉa Ｒarc 。したがって、Ｖa ＝Ａ＋ＢＬarc ＋Ｉa Ｒar c ＋ＶESO ＝Ａ＋ＢＬarc ＋Ｉa （Ｒarc ＋ＲESO ）。ｄＶ／ｄＩは（Ｒarc ＋
ＲESO ）に関して直接変ってる。したがって、Ｖa はｄＶ／ｄＩに関して変わる
。したがって、Ｖa ＝Ａ＋ＢＬarc ＋Ｉa ｄＶ／ｄＩ。この関係は図１２のシス
テム５００によってアーク長さを保つのに使われる制御方程式である。溶接電流
Ｉa はフィルター５０２でフィルターをかけられ、ブロック５０４でｄＶ／ｄＩ
と掛け合わされる。これにより、Ｉa ｄＶ／ｄＩを確定する信号レベルが生じる
。この信号レベルはジャンクション５０８で、フィルター５０６でフィルターを
かけられたフィードバック溶接電圧Ｖa から引かれる。レベル（Ｖa −Ｉa ｄＶ
／ｄＩ）はジャンクション５１０で実際のアーク長さＬarc と比較される。この
実際のアーク長さＬarc はブロック５２０で第２定数Ｂ（８〜２０）を掛けられ
、ブロック５２２で第１定数Ａ（１０〜３５）を加えられる。ライン５３０のレ
ベルにより、パルス幅変調器５４０が制御され、Ｌarc を保つ。システム５００
はＲZ （＝ｄＶ／ｄＩ）を使う制御システムである。
【００２３】 図１２のシステム５００はアーク長さを一定に保つ。これは本発明の主要な用
途である。しかしワイヤ供給速さＷＦＳが増すと、Ｉa は増してアーク長さを保
たなければならない。より高いＩa より、工作物の溶融溜内にアークをより深く
浸透させる。こうして、Ｌarc は一定長さよりも長くなり、電極はより長く突き
出されることになる。このような偏位を補償するため、オペレータは図１３のゲ
インＫ1 を得る。システム５００’はシステム５００と似ているが、換算ブロッ
クがオペレータ調整ゲインＫ1 を有する点が異なっている。ゲインＫ1 は０．０
〜２．０の範囲で変わり得る。通常、オペレータはＫ1 を約０．２〜０．３に設
定する。定電圧溶接に対し、Ｋ1 は０．０である。Ｌarc を十分に調整すると、
Ｋ1 は１．０〜２．０と高くなる。実際には、Ｋ1 は約０．３である。
【００２４】 システム５００・５００’に代わるソフトウエア制御システム６００を図１４
に示す。図１２のブロック５０２・５０４および図１３のブロック５０２・５０
４によって与えられる制御関数Ｋ1 Ｉa ｄＶ／ｄＩが、Ｉa の使用を避けるため
に簡単化され得る。経験的に、Ｉa ｄＶ／ｄＩはＫ3 ｄＶ／ｄＩ＋Ｋ4 に等しい
ことがわかっている。定数Ｋ3 とＫ4 は経験的に得られる。システム６００はシ
ステム５００における要素と同様の符号を付けられたアーク長さ要素を保つ。要
素５０２と５０４はブロック６０２に置き換えられてＫ3 とｄＶ／ｄＩを掛け合
わせ、ブロック６０４でＫ4 を加える。アーク長さは保たれる。実際には、ＷＦ
Ｓはライン６１０でアーク長さに設定される。ライン６１０のＷＦＳの値が検索
表６２０に送られ、Ｋ3 とＫ4 を得る。システム６００はｄＶ／ｄＩを使ってア
ーク長さを制御する。他の変化および制御システムも、特に一定アーク長さを保
つため、数学的あるいは経験的に制御信号ｄＶ／ｄＩを使うように開発され得る
ことが理解され得るであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 標準的なアーク溶接を示す側面図。
【図２】 本発明の一実施例を説明するためのブロック回路図。
【図３】 図２の回路によって生じる電流変動と電圧変動のグラフ。
【図４】 図２・３の実施例で得られる電流・電圧データ処理に使うフロー図。
【図５】 本発明の他の実施例からなる電流・電圧変動のグラフ。
【図６】 本発明の他の実施例からなる電流・電圧変動のグラフ。
【図７】 本発明の他の実施例からなる電流・電圧変動のグラフ。
【図８】 本発明の他の実施例からなる電流・電圧変動のグラフ。
【図９】 本発明の他の実施例からなる電流・電圧変動のグラフ。
【図１０】 本発明によるｄＶ／ｄＩを得るための一方法を示すブロック回路図。
【図１１】 他の方法からなるｄＶ／ｄＩ（＝ＲZ ）を得るためのブロック回路図。
【図１１ａ】 図１１で得られる電流変動のパターンの一部を示すグラフ。
【図１２】 オペレータの介在なしにＲZ を使ってアーク長さを保つためのブロック回路図
。
【図１３】 オペレータの介在を伴ってＲZ を使ってアーク長さを保つためのブロック回路
図。
【図１４】 経験的修正によって図１２のシステムを簡単化したブロック回路図。
【符号の説明】
１０： 電気アーク溶接プロセス １２： 接触端 Ｅ： 電極 ＷＰ： 工作物 Ａ： アーク Ｖa ： 溶接電圧 Ｉa ： 溶接電流 Ｌarc ：アーク長さ ３０： 溶接機 ４０： 電源 ６０： パルス幅変調器 ｄＶ／ｄＩ： 導関数 ＲZ ： 増加抵抗 ８０，９０： センサ １００： 電流変動パターン １００ａ：電圧変動パターン ２３０： 電流変動パターン ２３０ａ：電圧変動パターン ２５０： 電流変動パターン ２５０ａ：電圧変動パターン ２６０： 電流変動パターン ２６０ａ：電圧変動パターン ２７０： 電流変動パターン ２７０ａ：電圧変動パターン ２７２： 電流変動パターン ２７２ａ：電圧変動パターン ５００，５００’，６００： システム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ， ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，Ｓ Ｄ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ， ＺＡ，ＺＷ

Claims (39)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１時刻に溶接電圧と溶接電流を測定し、該溶接電圧あるい
    は溶接電流を約１０％未満瞬間に変化させ、該変化後第２時刻に溶接電圧と溶接
    電流を測定し、第１時刻と第２時刻の間の溶接電圧の量と溶接電流の差をそれぞ
    れ決定し、該第１時刻を第２時刻の間の溶接電圧の差を溶接電流の差で割ること
    により制御信号を表す導関数値を作り、該導関数値によって制御信号を発生させ
    ることを特徴とする、溶接電圧と溶接電流を有する電気アーク溶接プロセスにお
    いて使用するためのリアルタイム制御信号発生方法。
  2. 【請求項２】 継続する時刻に複数の導関数値を作り、該値を平均化するこ
    とによって制御信号を発生させることを含む請求項１の方法。
  3. 【請求項３】 前記変化が溶接電流を変化させることによるものである請求
    項２の方法。
  4. 【請求項４】 前記変化が溶接電流を変化させることによるものである請求
    項１の方法。
  5. 【請求項５】 前記の複数が、少なくとも３である請求項３の方法。
  6. 【請求項６】 前記の複数が、少なくとも３である請求項２の方法。
  7. 【請求項７】 前記の複数が、３で割り切れる請求項３の方法。
  8. 【請求項８】 前記の複数が、３で割り切れる請求項２の方法。
  9. 【請求項９】 第１時刻に溶接電圧と溶接電流を記録するデジタルデバイス
    、第２時刻に第１時刻と第２時刻の間に溶接電流を変化させる制御デバイス、第
    １及び第２時刻で溶接電圧と溶接電流の差を測定するデジタル・デバイスおよび
    溶接電圧の差を溶接電流の差で割った値を測定し制御信号を生じさせるための導
    関数回路からなることを接触端と工作物の間に溶接電圧を発生させ、接触端から
    伸びる電極とアークを通る溶接電流を発生させるための電源、溶接電圧を検知す
    るセンサ、溶接電流を検知するセンサ、および溶接電圧および／または溶接電流
    を制御するコントローラを有する電気アーク溶接機において使用するためのリア
    ルタイム制御信号発生用システム。
  10. 【請求項１０】 第１時刻にプロセス溶接電圧とプロセス溶接電流を測定し
    、プロセス溶接電流よりも高く溶接電流を増加させ、第１時間遅延後、第２時刻
    に再び溶接電圧と溶接電流を測定し、次にプロセス溶接電流よりも低く溶接電流
    を減少させ、第２時間遅延後、第３時刻に溶接電圧と溶接電流を測定し、次にプ
    ロセス溶接電流近くまで、溶接電流を増加させ、第３時間遅延後、第４時刻に溶
    接電圧と溶接電流を測定し、第２時刻と第３時刻の間で溶接電圧と溶接電流の差
    を決定し、該電圧の差を電流の差で割って制御信号を発生させることを特徴とす
    る溶接電圧と溶接電流を有する電気アーク溶接プロセスにおいて使用するための
    リアルタイム制御信号発生方法。
  11. 【請求項１１】 各時間遅延が約５０μｓよりも大きい請求項１０の方法。
  12. 【請求項１２】 第１及び第２時刻の間の溶接電圧と溶接電流の差を決定し
    、第３及び第４時刻の間の溶接電圧と溶接電流の差を決定し、これらの電圧の差
    を電流の差で割り、それらの商を加えてその値を３で割って制御信号を発生させ
    ることを含む請求項１０の方法。
  13. 【請求項１３】 各時間遅延が約５０μｓよりも大きい請求項１２の方法。
  14. 【請求項１４】 制御信号にプロセス溶接電流を掛けて電極突出電圧を表す
    信号を得、該信号を閉ループフィードバックとして使って溶接プロセスの電極突
    出を制御することを含む請求項１３の方法。
  15. 【請求項１５】 制御信号にプロセス溶接電流を掛けて電極突出電圧を表す
    信号を得、該信号を閉ループフィードバックとして使って溶接プロセスの電極突
    出を制御することを含む請求項１２の方法。
  16. 【請求項１６】 制御信号にプロセス溶接電流を掛けて電極突出電圧を表す
    信号を得、該信号を閉ループフィードバックとして使って溶接プロセスの電極突
    出を制御することを含む請求項１１の方法。
  17. 【請求項１７】 制御信号にプロセス溶接電流を掛けて電極突出電圧を表す
    信号を得、該信号を閉ループフィードバックとして使って溶接プロセスの電極突
    出を制御することを含む請求項１０の方法。
  18. 【請求項１８】 制御信号にプロセス溶接電流を掛けて電極突出電圧を表す
    第１値を与え、該第１値をプロセス溶接電圧から引いてアーク電圧を表す第２値
    を与え、該第２値から第１既知定数を引いて第３値を与え、該第３値を第２既知
    定数で割ってアーク長さを表す信号を得、該信号を閉ループフィードバックとし
    て使って溶接プロセスのアーク長さを制御することを含む請求項１３の方法。
  19. 【請求項１９】 第１既知定数の値が約８〜２０である請求項１８の方法。
  20. 【請求項２０】 第２既知定数の値が１０〜３５の範囲である請求項１８の
    方法。
  21. 【請求項２１】 制御信号にプロセス溶接電流を掛けて電極突出電圧を表す
    第１値を与え、該第１値をプロセス溶接電圧から引いてアーク電圧を表す第２値
    を与え、該第２値から第１既知定数を引いて第３値を与え、該第３値を第２既知
    定数で割ってアーク長さを表す信号を得、該信号を閉ループフィードバックとし
    て使って溶接プロセスのアーク長さを制御することを含む請求項１２の方法。
  22. 【請求項２２】 第１既知定数の値が約８〜２０である請求項２１の方法。
  23. 【請求項２３】 第２既知定数の値が１０〜３５の範囲である請求項２１の
    方法。
  24. 【請求項２４】 制御信号にプロセス溶接電流を掛けて電極突出電圧を表す
    第１値を与え、該第１値をプロセス溶接電圧から引いてアーク電圧を表す第２値
    を与え、該第２値から第１既知定数を引いて第３値を与え、該第３値を第２既知
    定数で割ってアーク長さを表す信号を得、該信号を閉ループフィードバックとし
    て使って溶接プロセスのアーク長さを制御することを含む請求項１１の方法。
  25. 【請求項２５】 第１既知定数の値が約８〜２０である請求項２４の方法。
  26. 【請求項２６】 第２既知定数の値が１０〜３５の範囲である請求項２４の
    方法。
  27. 【請求項２７】 制御信号にプロセス溶接電流を掛けて電極突出電圧を表す
    第１値を与え、該第１値をプロセス溶接電圧から引いてアーク電圧を表す第２値
    を与え、該第２値から第１既知定数を引いて第３値を与え、該第３値を第２既知
    定数で割ってアーク長さを表す信号を得、該信号を閉ループフィードバックとし
    て使って溶接プロセスのアーク長さを制御することを含む請求項１０の方法。
  28. 【請求項２８】 第１既知定数の値が約８〜２０である請求項２７の方法。
  29. 【請求項２９】 第２既知定数の値が１０〜３５の範囲である請求項２７の
    方法。
  30. 【請求項３０】 溶接電流に対する溶接電圧の導関数を検知して制御信号を
    発生することを特徴とする電気アーク溶接において使用するためのリアルタイム
    制御信号発生方法。
  31. 【請求項３１】 制御信号にプロセス溶接電流を掛けて空極突出電圧を表す
    信号を得、該信号を閉ループフィールドバックをして使って溶接プロセスの電極
    突出を電極突出を制御することを含む請求項３０の方法。
  32. 【請求項３２】 制御信号にプロセス溶接電流を掛けて電極突出電圧を表す
    第１値を与え、該第１値をプロセス溶接電圧から引いてアーク電圧を表す第２値
    を与え、該第２値から第１既知定数を引いて第３値を与え、該第３値を第２既知
    定数で割ってアーク長さを表す信号を得、該信号を閉ループフィードバックとし
    て使って溶接プロセスのアーク長さを制御することを含む請求項３０の方法。
  33. 【請求項３３】 第１既知定数の値が約８〜２０である請求項３２の方法。
  34. 【請求項３４】 第２既知定数の値が１０〜３５の範囲である請求項３２の
    方法。
  35. 【請求項３５】 制御信号にアーク抵抗に関する定数を掛けてある信号レベ
    ルを得、該信号レベルをリアルタイム溶接電圧から引き、該差の信号を、第２定
    数を掛けられて第１定数に加えられたアーク長さを表すアーク長さ信号と比較し
    て、フィードバック信号を作り、アーク長さをほとんど一定に保つことを含む請
    求項３０の方法。
  36. 【請求項３６】 制御信号にプロセス溶接電流を掛けて電極突出電圧を表す
    信号を得、該信号を閉ループフィードバックとして使って溶接プロセスの電極突
    出を制御することを含む請求項３５の方法。
  37. 【請求項３７】 第２既知定数の値が１０〜３５の範囲である請求項３５の
    方法。
  38. 【請求項３８】 第１時刻に溶接電流を所定電流よりもその１０％未満より
    高くなるように増加させ、該レベルをある時間遅延の間保持した後、第２時刻に
    該溶接電流を少なくとも該所定電流の近くまで減少させる回路、第１・第２時刻
    に溶接電圧と溶接電流を測定するためのセンサ、該２つの電圧を引いてある値を
    与えるための回路、および該値を２つの電流の差で割って溶接プロセスにおいて
    ある選ばれたパラメータを制御するのに使うための信号を作る回路を有する。予
    め選ばれた所定電流波形を保つためのコントローラを有し、溶接電流と溶接電圧
    を生じるための電源からなる、アーク溶接プロセス遂行用アーク溶接機。
  39. 【請求項３９】 前記選ばれたパラメータがアーク長さである請求項３８の
    溶接機。
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