JP2007105736A

JP2007105736A - アーク溶接電源およびその制御方法

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Publication number: JP2007105736A
Application number: JP2005295859A
Authority: JP
Inventors: Takahide Hirayama; 卓秀平山; Seigo Nishikawa; 清吾西川
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2005-10-11
Filing date: 2005-10-11
Publication date: 2007-04-26

Abstract

【課題】外部環境に溶接異常の原因がある場合に、溶接中に確実に溶接異常を検出することができるアーク溶接電源およびその制御方法を提供する。
【解決手段】
アーク溶接電源１内の溶接出力制御部４に対して溶接電流指令値の出力を開始した後、溶接電流値を検出し、溶接電流値が溶接電流指令値に到達するまでの時間を計測し、到達時間が予め設定された時間を超えた場合に、警告を発する。
あるいは、溶接出力制御部４に対して溶接電流指令値の出力を開始した後、予め設定された時間経過後の溶接電流値を検出し、溶接電流指令値と溶接電流値との差分を算出し、差分が予め設定された値を超えた場合に、警告を発する。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電源を整流して直流とし、その出力をスイッチング部により高周波交流として変圧器により適宜変圧した後に整流回路にて直流とするアーク溶接電源およびその制御方法に関する。

図７にアーク溶接装置の構成を示す。図において１はアーク溶接電源であり、その一次整流回路３の入力側に商用電源２を接続し、この一次整流回路３の整流出力側にはスイッチング部５の入力側が接続されている。そしてスイッチング部５の出力側は主変圧器６の一次側に接続され、主変圧器６の二次側は二次整流回路７の入力側に接続され、この二次整流回路７の一方の出力側には直流リアクトル８および電流検出器９を経由して出力端子１０が接続され、他方には出力端子１１が接続されている。また、溶接電流検出器９によって溶接電流値を検出し、演算部１２へフィードバックしている。
演算部１２は、図示しない外部の上位コントローラと接続されており、溶接電流のフィードバック値が上位コントローラからの指令値に一致するように溶接出力制御部４へ指令を出力する。演算部１２からの指令を受けた溶接出力制御部４は、スイッチング部５に対しＰＷＭ制御を行う。

図７のような構成において、ガスシールドアーク溶接を行う際に発生した溶接異常を検出する機能を備えたアーク溶接装置が開示されている。
例えば、溶接電流、溶接電圧を検出する手段を有し、図８に示すように溶接電流値や溶接電圧値が測定データ入力部３０を通して入力され、平均値演算部３３のフィルタで平滑化され、フィルタ後の溶接電流値や溶接電圧値と、溶接電流平均指令値・溶接電圧平均指令値とを比較部３３で比較して、その差が設定範囲を超えた場合に溶接異常と判定し、異常信号を出力するものがあった（特許文献１参照）。
また、溶接中のアーク発生時間を計測していき、予め設定した所定時間よりもアーク発生時間が短い場合に未溶接区間があったとして溶接異常と判定するものもあった（特許文献２参照）。

特開平８−１５５６４４号公報特開平６−２６９９４１号公報

しかしながら、特許文献１の装置では、フィルタ処理された溶接電流値、溶接電圧値と、溶接電流平均指令値、溶接電圧平均指令値とを比較していたため、外部環境に次に述べるような問題があった場合には溶接異常を判定することができず、また、原因を特定することができなかった。
外部環境に関する問題の例として、アーク溶接電源の出力端子に長いパワーケーブルを接続し、さらにそれを幾重に巻いた状態で溶接を行う状況がある。このような状況は、溶接施工技術に詳しくない作業者が溶接システムを構築することに起因し、必要以上に長いパワーケーブルを束ねて整理整頓しようとする場合に生じる。
図９は、アーク溶接電源の出力端子に長いパワーケーブルを接続し、さらに幾重にも巻かれた場合の等価回路を示したものである。アーク溶接電源１の外部には、アークによるアーク抵抗２３と、パワーケーブルによる外部抵抗２１、外部インダクタンス２２が存在する。パワーケーブルが幾重にも巻かれるとインダクタンス成分が大きくなり、直流リアクトルと同等の特性を有するようになる。直流リアクトルは、電流の流れを妨げるように動作する特性を有する。
このような場合に、パルス溶接においてパルス状の電流指令を出力した場合、インダクタンス成分が大きいために図１０に示すように溶接電流の立ち上がりが遅くなり、溶接電流の立下りも緩やかな下がり方となる。
パルス溶接において、図１０のような立ち上がり、立下りが緩慢なパルス出力波形では、溶接ワイヤの溶滴移行に悪影響を与え溶滴の離脱を困難としスパッタが発生する要因となる。また、短絡溶接においては短絡開放電流が緩慢となって長期短絡が起こりやすくなり不安定な溶接状態に陥る原因となる。
ところが従来の溶接異常の判定方法では、フィルタ処理された溶接電流値、溶接電圧値を元に溶接異常を判定するため、図１０のような場合であっても溶接電流値、溶接電圧値の平均値は正常時とほぼ同等となり溶接異常と判定できず、スパッタの発生原因を把握できないという問題があった。
また、特許文献２の発明では、溶接後に未溶接区間があることは検出できるものの、溶接中の溶接異常に関しては検出できないという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、外部環境に溶接異常の原因がある場合に、溶接中に確実に溶接異常を検出することができるアーク溶接電源およびその制御方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、ＰＷＭ制御を行う溶接出力制御部と、上位コントローラからの命令に従い前記溶接出力制御部に対し指令を出力する演算部と、溶接電流を検出し前記演算部へフィードバックする溶接電流検出器とを備えたアーク溶接電源において、前記演算部は、前記溶接出力制御部に対し溶接電流指令値を出力する指令部と、前記溶接電流指令値を記憶する第１の記憶部と、前記溶接電流検出器と前記第１の記憶部に接続された電流値比較部と、前記溶接電流指令値の出力開始からの経過時間を計る計時部と、予め設定された時間を記憶する第２の記憶部と、前記電流値比較部と前記計時部と前記第２の記憶部とに接続された時間比較部と、前記時間比較部に接続された警告出力部とを備え、前記指令部は、前記溶接出力制御部に対する前記溶接電流指令値の出力開始時に前記第１の記憶部に前記溶接電流指令値を記憶させると共に前記計時部のタイマをスタートさせ、前記電流値比較部は、前記溶接電流検出器によって検出された溶接電流値を監視し、前記溶接電流指令値と一致すると前記時間比較部に信号を出力し、前記時間比較部は、前記電流値比較部からの信号によって前記タイマの値と前記第２の記憶部に記憶された値とを比較し、前記タイマの値の方が大きい場合には溶接異常と判断して前記警告出力部に信号を出力し、前記警告出力部は、前記時間比較部からの信号によって警告を発することを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、ＰＷＭ制御を行う溶接出力制御部と、上位コントローラからの命令に従い前記溶接出力制御部に対し指令を出力する演算部と、溶接電流を検出し前記演算部へフィードバックする溶接電流検出器とを備えたアーク溶接電源において、前記演算部は、前記溶接出力制御部に対し溶接電流指令値を出力する指令部と、前記溶接電流指令値を記憶する第１の記憶部と、予め設定された時間を記憶する第２の記憶部と、前記第２の記憶部に接続され、前記溶接電流指令値の出力開始からの経過時間を計る計時部と、予め設定された電流差を記憶する第３の記憶部と、前記溶接電流検出器と前記第１の記憶部と前記計時部と前記第３の記憶部とに接続された電流値比較部と、前記電流値比較部に接続された警告出力部とを備え、前記指令部は、前記溶接出力制御部に対する前記溶接電流指令値の出力開始時に前記第１の記憶部に前記溶接電流指令値を記憶させると共に前記計時部のタイマをスタートさせ、前記計時部は、前記タイマの値と前記第２の記憶部に記憶された値とが一致すると前記電流値比較部に信号を出力し、前記電流値比較部は、前記計時部からの信号によって前記第１の記憶部に記憶された値と前記溶接電流検出器によって検出された溶接電流値との差分を算出し、前記差分と前記第３の記憶部に記憶された値とを比較し、前記差分の方が大きい場合には溶接異常と判断して前記警告出力部に信号を出力し、前記警告出力部は、前記電流値比較部からの信号によって警告を発することを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、ＰＷＭ制御を行う溶接出力制御部と、上位コントローラからの命令に従い前記溶接出力制御部に対し指令を出力する演算部と、溶接電流を検出し前記演算部へフィードバックする溶接電流検出器とを備えたアーク溶接電源の制御方法において、前記溶接出力制御部に対し溶接電流指令値の出力を開始した後、前記溶接電流検出器にて溶接電流値を検出し、前記溶接電流値が前記溶接電流指令値に到達するまでの時間を計測し、前記到達時間が予め設定された時間を超えた場合に、警告を発することを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、ＰＷＭ制御を行う溶接出力制御部と、上位コントローラからの命令に従い前記溶接出力制御部に対し指令を出力する演算部と、溶接電流を検出し前記演算部へフィードバックする溶接電流検出器とを備えたアーク溶接電源の制御方法において、前記溶接出力制御部に対し溶接電流指令値の出力を開始した後、予め設定された時間経過後の前記溶接電流値を溶接電流検出器にて検出し、前記溶接電流指令値と前記溶接電流値との差分を算出し、前記差分が予め設定された値を超えた場合に、警告を発することを特徴とする。

本発明によると、溶接電流出力指令値とフィルタ処理されていない溶接電流値とを比較して、出力波形の立ち上がり、立下り特性を確認するので、確実に外部環境に起因する溶接異常を検出でき、溶接環境の見直しを促し最適な溶接環境を構築することができる。

以下、図７に示すアーク溶接装置に本発明を適用した具体的実施例を図に基づいて説明する。

図１は本発明のアーク溶接電源内の演算部１２の構成を示すブロック図である。図２は、溶接異常の判定対象となる波形の一例を示す図である。図３は本発明のアーク溶接電源制御装置において溶接異常を判定する処理手順を示すフローチャートである。図１〜図３を用いて本発明の第１の実施例を説明する。
演算部１２内の指令部１３は、図示しない上位コントローラからの指令を受けて、溶接出力制御部４に対し図２に示すようなパルス状の溶接電流Ｉｓを出力するよう指令する。これを受けて溶接出力制御部４は、時刻ｔ０において溶接電流の出力を開始する（図３のステップ１）。なお、図１においては上位コントローラと演算部１２との接続については省略している。
また、指令部１３は同時に電流指令値記憶部１４に溶接電流指令値Ｉｓを記憶させ、計時部１５のタイマをスタートさせる。

その後溶接電流値は上昇するが、その値が指令値Ｉｓに到達するまでの間、電流値比較部１６では溶接電流検出器９にて検出した溶接電流値と電流指令値記憶部１４に記憶されたＩｓの値とを比較し、溶接電流値がＩｓに到達したかを調べている（図３のステップ２、ステップ３）。一方、計時部１５ではタイマにてｔ０からの経過時間を計っている。

時刻ｔ１にて溶接電流値がＩｓに到達すると電流値比較部１６は時間比較部１７へ信号を出力する。この信号を受けた時間比較部１７は計時部１５からｔ０からの経過時間ｔａを取得する。ｔａは、溶接電流が指令値Ｉｓに到達するのに要した時間を意味する（図３のステップ４）。
さらに時間比較部１７は、到達時間ｔａと予め設定された時間ｔｓとの比較を行う（図３のステップ５）。ｔｓは０より大きい実数であって、予め時間記憶部１８に記憶されている。

ここで、ｔａ＞ｔｓであった場合、時間比較部１７は警告出力部１９へ信号を出力し、この信号を受けた警告出力部１９は、溶接異常の警告を出力する（図３のステップ６）。
ｔａ＜＝ｔｓの場合は許容範囲として、正常な溶接と判定する。

パワーケーブルが幾重に巻かれてインダクタンス成分が増大するにつれて到達時間ｔａも大きくなるので、到達時間ｔａを計測し、所定の値ｔｓと比較することで指令通りに溶接電流値が出力されているか否かを把握することができる。
なお、本発明は、溶接電流指令が図２に示すような矩形波形だけでなく、台形状のパルス電流指令、指数関数状のパルス電流指令、短絡発生時の短絡開放電流指令など、溶接中の溶接電流指令であれば適用可能であり、溶接中に容易に溶接異常を検出することができる。
このように、溶接電流指令値に対する溶接電流値の到達時間を計測し、所定値と比較することにより、パワーケーブルのインダクタンス成分が非常に大きいなど、外部環境に問題がある場合であっても確実に溶接異常を判定し外部環境の問題を認識できるので、溶接異常の発生を防止するとともに最適な溶接環境を構築することができる。
また、時間記憶部１８に記憶されているｔｓは図示しない設定手段によって適宜変更可能であり、溶接異常と判断する条件を調整することができる。

図４は本発明のアーク溶接電源内の演算部１２の別形態の構成を示すブロック図である。図５は、溶接異常の判定対象となる波形の一例を示す図である。図６は本発明のアーク溶接電源制御装置において溶接異常を判定する処理手順を示すフローチャートである。図４〜図６を用いて本発明の第２の実施例を説明する。
演算部１２内の指令部１３は、図示しない上位コントローラからの指令を受けて、溶接出力制御部４に対し図５に示すようなパルス状の溶接電流Ｉｓを出力するよう指令する。これを受けて溶接出力制御部４は、時刻ｔ０において溶接電流の出力を開始する（図６のステップ１）。なお、図４においては図１と同様、上位コントローラと演算部１２との接続については省略している。
また、指令部１３は同時に電流指令値記憶部１４に溶接電流指令値Ｉｓを記憶させ、計時部１５のタイマをスタートさせる。

その後溶接電流値は上昇するが、計時部１５では、時刻ｔ０からの経過時間と予め時間記憶部１８に設定されたｔｓとを比較し、指令値出力からの経過時間がｔｓに到達したかを調べている（図６のステップ２）。ｔｓは０より大きい実数であって、予め時間記憶部１８に記憶されている。

時刻ｔｓに到達すると計時部１５は電流値比較部１６へ信号を出力する。この信号を受けた電流値比較部１６は溶接電流検出器９からその時点での溶接電流値Ｉａを取得する（図６のステップ３）。
さらに電流値比較部１６は、電流指令値Ｉｓと溶接電流値Ｉａとの差分を算出し（図６のステップ４）、予め設定された電流差Ｉｄとの比較を行う（図６のステップ５）。Ｉｄは０より大きい実数であって、予め電流差記憶部２０に記憶されている。

ここで、（ＩｓとＩａとの差）＞Ｉｄであった場合、電流値比較部１６は警告出力部１９へ信号を出力し、この信号を受けた警告出力部１９は、溶接異常の警告を出力する（図６のステップ６）。
（ＩｓとＩａとの差）＜＝Ｉｄの場合は許容範囲として、正常な溶接と判定する。

パワーケーブルが幾重にも巻かれてインダクタンス成分が増大するにつれて指令に対する立ち上がりが鈍くなり時刻ｔ０からｔｓ時間経過後の溶接電流値Ｉａは小さくなるので、ｔｓ時間経過後における溶接電流指令値Ｉｓと溶接電流値Ｉａの差分Ｉｓ−Ｉａを算出し、所定の値Ｉｄと比較することで指令通りに溶接電流値が出力されているか否かを把握することができる。
なお、本発明は、溶接電流指令が図５に示すような矩形波形だけでなく、台形状のパルス電流指令、指数関数状のパルス電流指令、短絡発生時の短絡開放電流指令など、溶接中の溶接電流指令であれば適用可能であり、溶接中に容易に溶接異常を検出することができる。
このように、溶接電流指令値に対する所定時間後の溶接電流値を計測し、その差分を所定値と比較することにより、パワーケーブルのインダクタンス成分が非常に大きいなど、外部環境に問題がある場合であっても確実に溶接異常を判定し外部環境の問題を認識できるので、溶接異常の発生を防止するとともに最適な溶接環境を構築することができる。
また、時間記憶部１８に記憶されているｔｓおよび電流差記憶部２０に記憶されているＩｄは図示しない設定手段によって適宜変更可能であり、溶接異常と判断する条件を調整することができる。

以上述べたように、本発明では溶接電流指令値とフィルタ処理されていない溶接電流値とを比較して出力波形の立ち上がり特性を確認するので、確実に外部環境による溶接異常を検出でき、溶接環境の見直しを促し最適な溶接環境を構築することができる。

本発明は、アーク溶接電源に広く適用できる。

本発明の第１の実施例の構成を示すブロック図本発明の第１の実施例において溶接異常の判定対象となる波形の一例を示す図本発明の第１の実施例の処理手順を示すフローチャート本発明の第２の実施例の構成を示すブロック図本発明の第２の実施例において溶接異常の判定対象となる波形の一例を示す図本発明の第２の実施例の処理手順を示すフローチャートアーク溶接装置の構成図従来のアーク溶接モニタ装置の機能ブロック図パワーケーブルが幾重に巻かれた場合の等価回路図９の場合の溶接電流波形

符号の説明

１アーク溶接電源
２商用電源
３一次整流回路
４溶接出力制御手段
５スイッチング部
６変圧器
７二次整流回路
８直流リアクトル
９溶接電流検出器
１０出力端子
１１出力端子
１２演算部
１３指令部
１４電流指令値記憶部
１５計時部
１６電流値比較部
１７時間比較部
１８時間記憶部
１９警告出力部
２０電流差記憶部
２１外部抵抗
２２外部インダクタンス
２３アーク抵抗
３０測定データ入力部
３１データ抽出部
３２平均値演算部
３３比較部
３４判定部
３５出力部
３６監視値記憶部

Claims

ＰＷＭ制御を行う溶接出力制御部と、上位コントローラからの命令に従い前記溶接出力制御部に対し指令を出力する演算部と、溶接電流を検出し前記演算部へフィードバックする溶接電流検出器とを備えたアーク溶接電源において、
前記演算部は、前記溶接出力制御部に対し溶接電流指令値を出力する指令部と、
前記溶接電流指令値を記憶する第１の記憶部と、
前記溶接電流検出器と前記第１の記憶部に接続された電流値比較部と、
前記溶接電流指令値の出力開始からの経過時間を計る計時部と、
予め設定された時間を記憶する第２の記憶部と、
前記電流値比較部と前記計時部と前記第２の記憶部とに接続された時間比較部と、
前記時間比較部に接続された警告出力部とを備え、
前記指令部は、前記溶接出力制御部に対する前記溶接電流指令値の出力開始時に前記第１の記憶部に前記溶接電流指令値を記憶させると共に前記計時部のタイマをスタートさせ、
前記電流値比較部は、前記溶接電流検出器によって検出された溶接電流値を監視し、前記溶接電流指令値と一致すると前記時間比較部に信号を出力し、
前記時間比較部は、前記電流値比較部からの信号によって前記タイマの値と前記第２の記憶部に記憶された値とを比較し、前記タイマの値の方が大きい場合には溶接異常と判断して前記警告出力部に信号を出力し、
前記警告出力部は、前記時間比較部からの信号によって警告を発することを特徴とするアーク溶接電源。
ＰＷＭ制御を行う溶接出力制御部と、上位コントローラからの命令に従い前記溶接出力制御部に対し指令を出力する演算部と、溶接電流を検出し前記演算部へフィードバックする溶接電流検出器とを備えたアーク溶接電源において、
前記演算部は、前記溶接出力制御部に対し溶接電流指令値を出力する指令部と、
前記溶接電流指令値を記憶する第１の記憶部と、
予め設定された時間を記憶する第２の記憶部と、
前記第２の記憶部に接続され、前記溶接電流指令値の出力開始からの経過時間を計る計時部と、
予め設定された電流差を記憶する第３の記憶部と、
前記溶接電流検出器と前記第１の記憶部と前記計時部と前記第３の記憶部とに接続された電流値比較部と、
前記電流値比較部に接続された警告出力部とを備え、
前記指令部は、前記溶接出力制御部に対する前記溶接電流指令値の出力開始時に前記第１の記憶部に前記溶接電流指令値を記憶させると共に前記計時部のタイマをスタートさせ、
前記計時部は、前記タイマの値と前記第２の記憶部に記憶された値とが一致すると前記電流値比較部に信号を出力し、
前記電流値比較部は、前記計時部からの信号によって前記第１の記憶部に記憶された値と前記溶接電流検出器によって検出された溶接電流値との差分を算出し、前記差分と前記第３の記憶部に記憶された値とを比較し、前記差分の方が大きい場合には溶接異常と判断して前記警告出力部に信号を出力し、
前記警告出力部は、前記電流値比較部からの信号によって警告を発することを特徴とするアーク溶接電源。
ＰＷＭ制御を行う溶接出力制御部と、上位コントローラからの命令に従い前記溶接出力制御部に対し指令を出力する演算部と、溶接電流を検出し前記演算部へフィードバックする溶接電流検出器とを備えたアーク溶接電源の制御方法において、
前記溶接出力制御部に対し溶接電流指令値の出力を開始した後、
前記溶接電流検出器にて溶接電流値を検出し、
前記溶接電流値が前記溶接電流指令値に到達するまでの時間を計測し、
前記到達時間が予め設定された時間を超えた場合に、警告を発することを特徴とするアーク溶接電源の制御方法。
ＰＷＭ制御を行う溶接出力制御部と、上位コントローラからの命令に従い前記溶接出力制御部に対し指令を出力する演算部と、溶接電流を検出し前記演算部へフィードバックする溶接電流検出器とを備えたアーク溶接電源の制御方法において、
前記溶接出力制御部に対し溶接電流指令値の出力を開始した後、
予め設定された時間経過後の前記溶接電流値を溶接電流検出器にて検出し、
前記溶接電流指令値と前記溶接電流値との差分を算出し、
前記差分が予め設定された値を超えた場合に、警告を発することを特徴とするアーク溶接電源の制御方法。