JP2005262313A - フラッシュ溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フラッシュの発生比率を溶接時間の経過とともに制御してフラッシングを安定させて、安定した溶接継手を得る。
【解決手段】インバータの変調率の初期設定をＮ０％とし、制御用信号が予め設定された基準値Ｒｅｆ１を上回れば変調率をＮ１％に切り替え、下回れば、さらに、制御用信号を予め設定された基準値Ｒｅｆ２と比較し、制御用信号が基準値Ｒｅｆ２を上回れば変調率をＮ２％に切り替え、下回れば元の変調率Ｎ０％に戻すインバータ変調率切り替え制御を行い、同時に移動クランプ手段の送り制御を基準値Ｒｅｆｍを用いて比例積分制御を行い、上記インバータ変調率切り替え制御と移動クランプ手段の送り制御の主要制御パラメータを予め定められた数式に則り溶接時間の経過とともに同時に変化させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、フラッシュ溶接装置とくにフラッシュ制御機能を有するフラッシュ溶接装置に関するものであり、溶接起動から被溶接部材同士を圧接する直前までのフラッシュ過程を対象として、安定したフラッシングが確保できる制御機能を有するフラッシュ溶接装置に関するものである。

例えばレールなどの溶接には、加熱範囲が狭く接合強度の高い溶接部を高能率で作製できるフラッシュ溶接が使用されている。
フラッシュ溶接装置では、一方の被溶接部材を固定クランプ手段で保持し、他方の被溶接部材を移動クランプ手段で保持し、移動クランプ手段を前進させて被溶接部材の先端同士を軽く接触させ、被溶接部材に大電流を流して接触部を集中的に加熱して溶融させる。この加熱溶融により接触部の一部が火花となって飛び散るが、この現象をフラッシングという。このフラッシングを繰り返すことにより被溶接部材の先端面を加熱し、適温に達した時点で被溶接部材同士を強い圧力を加えて圧接する。

フラッシュ溶接において、良好な溶接継手を得るには、被溶接部材の溶接面で連続的にフラッシングを発生させることが必要である。このため、溶接電源としてインバータ装置の導入が行われており、例えば、特許文献１においては、インバータ出力の周波数を変えることにより溶接面全体にわたり連続的にフラッシュを発生させようとしている。
特開２００２−１６００６３号公報

特許文献２においては、インバータ出力をパルス幅変調制御することにより溶接面全体にわたり連続的にフラッシュを発生させようとしている。すなわち、１次電流と２次電圧（固定クランプ手段と移動クランプ手段との間の電圧；以後、２次電圧と称する）を同時に検出して、時々刻々変化する１次電流と２次電圧の組合せに応じて、変調率を予め設定しておいた変調率マップになるよう制御することによりインバータ出力を制御して、溶接面全体にわたり連続的にフラッシュを発生させようとしている。
特願２００３−０５８５１０号

特許文献１においては、インバータにより周波数を制御しても溶接電圧のオン・オフを半サイクル単位で制御することは困難であり、フラッシングをきめ細かく制御することは困難であった。
特許文献２においては、半サイクル内の溶接電圧のオン・オフを制御できるようになり、フラッシングをきめ細かく制御することができるようになったが、設定すべき制御パラメータの数が多く、適切な変調率マップを作成するには多大の実験数が必要であった。
本発明はかかる短所を改善するもので、フラッシュ過程のフラッシングを安定にすることにより良質の溶接継手を得ることができるフラッシュ溶接装置を提供することを目的としている。

本発明のフラッシュ溶接装置は、被溶接部材に電力を供給する溶接トランス、被溶接部材を保持する固定クランプ手段と移動クランプ手段、移動クランプ手段を前進後退させる油圧シリンダおよび油圧シリンダを駆動する油圧源から成る従来のフラッシュ溶接装置に、溶接トランスの１次側にパルス幅変調方式インバータ装置およびその駆動回路が設置されているのが特徴である。

本発明のフラッシュ溶接装置を用いてパルス幅変調方式インバータ装置の変調率切り替え制御の研究を実施した。すなわち、変調率切り替え制御の初期設定をＮ０％としておき、常時１次電流を検出して、１次電流が基準値Ｒｅｆ１を上回れば直ちにＮ１％に切り替え、下回れば直ちに元のＮ０％に戻す制御を行った。その結果、
１）変調率切り替え制御後の変調率Ｎ１を最大すなわち１００％とし、変調率初期設定Ｎ０をＮ１より小さい値、例えば７０％とした場合、すなわち、
Ｎ０＝７０％
Ｎ１＝１００％
として、基準値Ｒｅｆ１を低く設定した場合、例えば２７Ａの場合はフラッシュ発生の比率が高いこと、基準値Ｒｅｆ１を高くした場合、例えば８２Ａの場合はフラッシュ発生が抑制されてフラッシュ発生の比率が低くフラッシュ発生による部材の焼失量が小さいことが明らかになった。さらに、
２）変調率切り替え制御後の変調率Ｎ１を最小すなわち０％とし、変調率初期設定Ｎ０をＮ１より大きい値、例えば１００％とした場合、すなわち、
Ｎ０＝１００％
Ｎ１＝０％
として、基準値Ｒｅｆ１を低くした場合、例えば８２Ａの場合はフラッシュ発生が抑制されてフラッシュ発生の比率が低くフラッシュ発生による部材の焼失量が小さいこと、基準値Ｒｅｆ１を高く設定した場合、例えば１３５Ａの場合はフラッシュ発生の比率が高いことが明らかになった。さらに、
３）インバータ駆動回路の制御用信号は、１次電流ばかりでなく２次電圧もしくは１次電流に２次電圧を乗じた値もしくは２次電圧を１次電流で除した値のいずれを用いても上記制御ができること
を見出した。

この結果より、パルス幅変調方式インバータ装置の変調率切り替え制御において、初期設定Ｎ０、基準値Ｒｅｆ１、制御後変調率Ｎ１を適切に選択することにより、フラッシュ発生の比率を自在に変えることができることが確認された。
この結果を基に、溶接起動時はフラッシュ発生の比率が低くなるよう設定し、時間の経過とともにフラッシュ発生の比率を高めるように制御すれば、フラッシュ発生による部材の焼失量を少なくし安定したフラッシングができるものと考えられた。

本発明は、制御用信号を基準値と比較して比較結果によりパルス幅変調方式インバータ装置の変調率を速やかに切り替える変調率切り替え制御を行い、かつ、変調率切り替え制御の主要制御パラメータを予め定められた数式に則り時間の経過とともに変化させるところに特徴がある。

インバータ装置の変調率切り替え制御の主要制御パラメータは、
１ インバータ変調率の初期設定値Ｎ０
２ インバータ制御の基準値Ｒｅｆ１
３ インバータ制御後の変調率設定値Ｎ１
４ インバータ制御の基準値Ｒｅｆ２
５ インバータ制御後の変調率設定値Ｎ２
であるが、

さらにその制御効果を高めるため、本発明では、前記パルス幅変調方式インバータ装置の変調率制御を予め定められた数式に則り時間の経過とともに制御すると同時に、移動クランプ手段の移動速度も予め定められた数式に則り時間の経過とともに制御するところに特徴がある。この場合の主要制御パラメータは、
６ 電気油圧サーボ弁の比例積分制御の基準値Ｒｅｆｍ
である。

本発明は、フラッシュ溶接装置において、インバータ装置のパルス幅変調制御の変調率と移動クランプ手段の送り速度を予め定められた数式に則り溶接時間の経過とともに同時に制御することで、フラッシングを安定にすることができ、溶接継手の品質を向上させることができる。

図１はこの発明のフラッシュ溶接装置の構成図である。
本発明のフラッシュ溶接装置は、メカニカル装置とインバータ装置と制御手段とから成る。
メカニカル装置は、被溶接部材１ａを保持する固定クランプ手段２と被溶接部材１ｂを保持する移動クランプ手段３、移動クランプ移動を前進後退させる油圧シリンダ４、油圧シリンダ４を駆動させる電気油圧サーボ弁５から成る。インバータ装置は、整流器６、コンデンサ７、インバータ回路８から成る。制御手段は１次電流検出手段９、固定クランプ手段２と移動クランプ手段３の間に印加される２次電圧を検出する２次電圧検出手段１０、インバータ装置をパルス幅変調制御させるインバータ駆動回路１１、電気油圧サーボ弁５を比例積分制御する電気油圧サーボ弁駆動回路１２、インバータ駆動回路１１と電気油圧サーボ弁駆動回路１２を統括して制御する統括制御回路１３および装置全体の動作を制御するパソコン１４から成る。インバータ装置は３相交流電源１５と溶接トランス１６の間に接続される。

３相交流電源１５から出力される３相交流電圧を整流器６で６相全波整流してコンデンサ７により平滑して、直流電圧を得る。この直流電圧をインバータ回路８により単相方形波交流電圧に変換する。この方形波交流電圧を溶接トランス１６で降圧して低電圧大電流を被溶接部材１ａ、１ｂ間に供給する。

インバータ駆動回路１１は、インバータ回路８を三角波比較パルス幅変調制御するもので、１次電流検出手段９で検出した溶接トランスの１次電流、２次電圧検出手段１０で検出した２次電圧のいずれかもしくは両方から制御用信号を作成して基準値と比較し、比較結果によりキャリアパルスの変調率を制御することによりインバータ出力を変えることができる。

電気油圧サーボ弁駆動回路１２は、電気油圧サーボ弁５、油圧シリンダ４を経由して移動クランプ手段３の移動速度を比例積分制御するもので、１次電流検出手段９で検出した溶接トランスの１次電流、２次電圧検出手段１０で検出した２次電圧のいずれかもしくは両方から制御用信号を作成して基準値と比較し、その偏差により油圧シリンダの移動速度をフィードバック比例積分制御することにより移動クランプ手段３の移動速度を制御する。

本発明のフラッシュ溶接装置は、
１ インバータ変調率の初期設定値Ｎ０
２ インバータ制御の基準値Ｒｅｆｌ
３ インバータ制御後の変調率設定値Ｎ１
４ インバータ制御の基準値Ｒｅｆ２
５ インバータ制御後の変調率設定値Ｎ２
６ 電気油圧サーボ弁の比例積分制御の基準値Ｒｅｆｍ
の６個の主要制御パラメータを予め定められた数式に則り時間の経過とともに同時に制御できる機能を有していることに特徴がある。

ここで、主要制御パラメータを時間の経過とともに変化させるには、予め定められた数式として、１次式ばかりでなくｎ次式を用いることができる。例えば、
Ｒｅｆ１＝ａ_１＋ｋ_１ｔ^ｎ
Ｒｅｆ２＝ａ_２＋ｋ_２ｔ^ｎ
Ｒｅｆｍ＝ａ_３＋ｋ_３ｔ^ｎ
である。ここで、ｎは次数であり、１、２、３、・・・である。ｎの値は、主要制御パラメータごとに個別の値を用いることができる。
さらに、予め定められた数式としてｎ次式ばかりでなく１次式の折れ線でもかまわない。

本発明では、インバータ駆動回路および電気油圧サーボ弁駆動回路の制御用信号として、１次電流ばかりでなく２次電圧もしくは１次電流に２次電圧を乗じた値もしくは２次電圧を１次電流で除した値のいずれでも制御できる機能を有していることに特徴がある。

以下の実施例では、制御用信号としては１次電流を用い、主要制御パラメータを時間とともに変化させる場合は予め定められた数式として１次式すなわちｎ＝１の場合について説明する。
以下、単相交流２０ＫＶＡ（使用率５０％）の溶接トランス（巻数比４６）と耐電圧６００Ｖ、最大出力電流２００Ａのインバータ回路を使用して、被溶接部材として直径２０ｍｍの軟鋼丸棒を使用した場合の具体例を説明する。
ここで、下記の溶接条件は一定とした。
電圧波形 ；方形波交流
周波数 ；１００Ｈｚ
キャリア周波数 ；１６ｋＨｚ
溶接トランス１次電圧；２８０Ｖ
溶接時間 ；１５秒

図２は１次電流を制御用信号として用いた時の本発明のインバータ制御のフローチャートである。制御手順は次の通りである。
図２において、ステップＳ１において１次電流が検出されてそのまま制御用信号となり１次電流ｉ１が入力され、ステップＳ２において基準値Ｒｅｆ１と比較される。もし、１次電流ｉ１が基準値Ｒｅｆ１を上回っていればステップＳ３に進み変調率は初期設定値のＮ０からＮ１に切り替えられ、再びステップＳ１の１次電流入力に戻る。再び入力された１次電流ｉ１が基準値Ｒｅｆ１を下回っているときは、ステップ４に進みもう１つの基準値Ｒｅｆ２と比較され、１次電流ｉ１が基準値Ｒｅｆ２を上回っていればステップ５に進み変調率はＮ１に切り替えられ、１次電流ｉ１が基準値Ｒｅｆ２を下回っていればステップ５に進み変調率は初期設定値Ｎ０に戻される。そして、再びステップＳ１の１次電流入力に戻り、上記制御サイクルを繰り返す。
実際には、１次電流検出から変調率切り替えまでには制御遅れがあるので瞬時に制御できるものではなく、実測によれば１次電流検出から変調率切り替えさらに１次電流検出までの制御１サイクルに要する時間は約１２０マイクロ秒であった。すなわち、１２０マイクロ秒毎に１次電流検出・変調率切り替えが繰り返されており、１秒間に約８００回強の変調率切り替え制御が行われていることから、非常に高速の制御であるといえる。
図２において、制御後の変調率Ｎ１を最小すなわち０％に設定すると基準値Ｒｅｆ１は最大電流値を制限する役割をもっており、１次電流の上限は基準値Ｒｅｆ１となる。したがって、基準値Ｒｅｆ１を小さくするほど、最大１次電流は小さくなり、フラッシュが発生しにくくなる。制御後の変調率Ｎ２を最大すなわち１００％に設定すると基準値Ｒｅｆ２は接触部への大電流投入のタイミングを制御する役割をもっており、基準値Ｒｅｆ２が小さいほど接触部を流れる電流が小さい時点で大電流を投入することになるのでフラッシュが発生しやすい。逆に基準値Ｒｅｆ２を大きくすると、時間が経過して接触部を流れる電流がある程度大きくなった時点で大電流を投入することになるのでジュール加熱時間が長くなり、その結果フラッシュが発生する機会が減少しフラッシュが発生しにくくなる。

本発明のフラッシュ溶接装置においては、前記６個の主要制御パラメータを時間の経過とともに制御できる機能をもっているが、必ずしも６個のパラメータすべてを時間の経過とともに同時に制御しなくても相当のレベルの制御ができる。予備実験の結果によれば、インバータ制御後の変調率設定値Ｎ１は０％に、インバータ制御後の変調率設定値Ｎ２は１００％と時間変化に対して固定して設定しても相当のレベルの制御ができた。
この実施例１では、下記の通り、インバータ変調率の初期設定値Ｎ０、インバータ制御の基準値Ｒｅｆ１、インバータ制御後の変調率設定値Ｎ１、インバータ制御後の変調率設定値Ｎ２を時間変化に対して固定し、インバータ制御の基準値Ｒｅｆ２と電気油圧サーボ弁の比例積分制御の基準値Ｒｅｆｍを時間とともに減少させる制御を行った実施例を説明する。
６個の主要制御パラメータの設定は下記の通りである。
１ インバータ変調率の初期設定値Ｎ０
７０％固定
２ インバータ制御の基準値Ｒｅｆ１
１５０Ａ固定
３ インバータ制御後の変調率設定値Ｎ１
０％固定
４ インバータ制御の基準値Ｒｅｆ２
溶接起動時；１０９Ａ １５秒後；５５Ａ
Ｒｅｆ２＝１１０−３．６７ｔ
５ インバータ制御後の変調率設定値Ｎ２
１００％固定
６ 電気油圧サーボ弁の比例積分制御の基準値Ｒｅｆｍ
溶接起動時；８２Ａ １５秒後；５５Ａ
Ｒｅｆｍ＝８２−１．８ｔ
まず、インバータ制御においては、検出された１次電流はそのまま制御用信号となり、基準値Ｒｅｆ１（１５０Ａ）と比較される。もし、１次電流が基準値Ｒｅｆ１（１５０Ａ）を上回っていれば変調率は初期設定値のＮ０（７０％）からＮ１（０％）に切り替えられ、再び１次電流入力に戻る。再び入力された１次電流が基準値Ｒｅｆ１（１５０Ａ）を下回っているときは、もう１つの基準値Ｒｅｆ２と比較され、１次電流が基準値Ｒｅｆ２を上回っていれば変調率はＮ２（１００％）に切り替えられ、１次電流が基準値Ｒｅｆ２を下回っていれば、変調率は初期設定値Ｎ０（７０％）に復帰させる。ここで、インバータ制御の基準値Ｒｅｆ２は溶接起動時；１０９Ａ、１５秒後；５５Ａとなるよう１次式で変化させている。
一方、移動クランプ手段を移動させる油圧シリンダの送り制御においては、電気油圧サーボ弁駆動回路で比例積分制御が行われる。１次電流検出手段で検出された溶接トランスの１次電流を入力して予め設定された基準値Ｒｅｆｍと比較してその偏差を比例積分制御する。この比例積分制御により、移動クランプ手段は１次電流が基準値Ｒｅｆｍを下回れば、例えば無負荷状態であれば前進し、１次電流が基準値Ｒｅｆｍを上回れば、例えば過大電流であれば後退する。その偏差が最小になるよう移動クランプ手段の送り速度が制御される。さらに、本実施例では、電気油圧サーボ弁の比例積分制御の基準値Ｒｅｆｍは、溶接起動時；８２Ａ、１５秒後；５５Ａとなるよう１次式で変化させている。
上記条件でフラッシュ溶接を実施した結果、フラッシュの発生比率は溶接起動時は１７％、加圧・圧接直前では８４％と所望のフラッシュ発生比率が得られており、接合した溶接継手は全て１８０度の曲げ試験に耐え、良好な溶接継手を得ることができた。

実施例１では、インバータ変調率の初期設定値Ｎ０、インバータ制御の基準値Ｒｅｆ１、インバータ制御後の変調率設定値Ｎ１、インバータ制御後の変調率設定値Ｎ２を時間変化に対して固定したが、実施例２においては、インバータ制御後の変調率設定値Ｎ１、インバータ制御後の変調率設定値Ｎ２を時間変化に対して固定してインバータ変調率の初期設定値Ｎ０、インバータ制御の基準値Ｒｅｆ１、インバータ制御の基準値Ｒｅｆ２と電気油圧サーボ弁の比例積分制御の基準値Ｒｅｆｍを時間とともに変化させる制御を行った実施例を説明する。
６個の主要制御パラメータの設定は下記の通りである。
１ インバータ変調率の初期設定値Ｎ０
溶接起動時；５０％ １５秒後；７０％
Ｎ０＝５０＋１．３３ｔ
２ インバータ制御の基準値Ｒｅｆ１
溶接起動時；８２Ａ １５秒後；１３５Ａ
Ｒｅｆ１＝８２＋３．５３ｔ
３ インバータ制御後の変調率設定値Ｎ１
０％固定
４ インバータ制御の基準値Ｒｅｆ２
溶接起動時；５５Ａ １５秒後；２７Ａ
Ｒｅｆ２＝５５−１．８７ｔ
５ インバータ制御後の変調率設定値Ｎ２
１００％固定
６ 電気油圧サーボ弁の比例積分制御の基準値Ｒｅｆｍ
溶接起動時；５５Ａ １５秒後；４１Ａ
Ｒｅｆｍ＝５５−０．９３ｔ
まず、インバータ制御においては、検出された１次電流はそのまま制御用信号となり、基準値Ｒｅｆ１と比較される。もし、１次電流が基準値Ｒｅｆ１を上回っていれば変調率は初期設定値のＮ０からＮ１（０％）に切り替えられ、再び１次電流入力に戻る。再び入力された１次電流が基準値Ｒｅｆ１を下回っているときは、もう１つの基準値Ｒｅｆ２と比較され、１次電流が基準値Ｒｅｆ２を上回っていれば変調率はＮ２（１００％）に切り替えられ、１次電流が基準値Ｒｅｆ２を下回っていれば、変調率は初期設定値Ｎ０に復帰させる。ここで、インバータ変調率の初期設定値Ｎ０は溶接起動時；５０％、１５秒後；７０％に、インバータ制御の基準値Ｒｅｆ１は溶接起動時；８２Ａ、１５秒後；１３５Ａに、インバータ制御の基準値Ｒｅｆ２は溶接起動時；５５Ａ、１５秒後；２７Ａに、インバータ制御の基準値Ｒｅｆ２は溶接起動時；５５Ａ、１５秒後；２７Ａになるよう１次式で変化させている。
一方、移動クランプ手段を移動させる電気油圧サーボ弁の比例積分制御の基準値Ｒｅｆｍは、溶接起動時；５５Ａ、１５秒後；４１Ａとなるよう１次式で変化させている。
上記条件でフラッシュ溶接を実施した結果、フラッシュの発生比率は溶接起動時は２５％、加圧・圧接直前では９１％と所望のフラッシュ発生比率が得られており、接合した溶接継手は全て１８０度の曲げ試験に耐え、良好な溶接継手を得ることができた。

本発明のフラッシュ溶接装置の構成図である。 インバータ駆動回路の制御手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ａ、１ｂ；被溶接部材、２；固定クランプ手段、３；移動クランプ手段、４；油圧シリンダ、５；電気油圧サーボ弁、６；整流器、７；コンデンサ、８；インバータ回路、９；１次電流検出手段、１０；２次電圧検出手段、１１；インバータ駆動回路、１２；電気油圧サーボ弁駆動回路、１３；統括制御回路、１４；パソコン、１５；３相交流電源、１６；溶接トランス。

Claims (3)

1. 被溶接部材を保持する固定クランプ手段と移動クランプ手段、移動クランプ手段を前進後退させる油圧シリンダ、油圧シリンダを駆動させる電気油圧サーボ弁から成るメカニカル装置と、整流器、コンデンサ、インバータ回路から成るインバータ装置と、被溶接部材に電力を供給する溶接トランスと、１次電流検出手段、２次電圧検出手段、インバータ装置をパルス幅変調制御させるインバータ駆動回路、電気油圧サーボ弁を比例積分制御する電気油圧サーボ弁駆動回路、およびインバータ駆動回路と電気油圧サーボ弁駆動回路を統括して制御する制御手段から成るフラッシュ溶接装置であって、
   前記インバータ駆動回路は、インバータ装置の変調率の初期設定をＮ０％とし、制御用信号が予め設定された基準値Ｒｅｆ１を上回れば変調率をＮ１％に切り替え、下回れば、さらに、該制御用信号を予め設定された基準値Ｒｅｆ２と比較し、該制御用信号が基準値Ｒｅｆ２を上回れば変調率をＮ２％に切り替え、下回れば元の変調率Ｎ０％に戻す機能を有し、かつ、該Ｎ０、Ｎ１、Ｎ２、Ｒｅｆ１、Ｒｅｆ２の値を予め定められた数式に則り時間の経過とともに変える機能を有することを特徴とするフラッシュ溶接装置
2. 前記電気油圧サーボ弁駆動回路は、比例積分制御の基準値Ｒｅｆｍを予め定められた数式に則り時間の経過とともに変える機能を有し、かつ、該基準値Ｒｅｆｍをインバータ駆動回路の該Ｎ０、Ｎ１、Ｎ２、Ｒｅｆ１、Ｒｅｆ２の値と同時に時間の経過とともに変える機能を有することを特徴とする請求項１のフラッシュ溶接装置
3. 検出信号として１次電流、２次電圧のいずれかもしくはその両方を検出し、インバータ駆動回路および電気油圧サーボ弁駆動回路の制御用信号として、１次電流もしくは２次電圧もしくは１次電流に２次電圧を乗じた値もしくは２次電圧を１次電流で除した値のいずれかを用いることを特徴とする請求項１のフラッシュ溶接装置

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