JP2013220437A - アーク溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウィービングしながら行う手動のアーク溶接において、ウィービング操作の周期を適正範囲に誘導する。
【解決手段】電極１とワーク２との間にアーク３を発生させるための溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧Ｖｗを出力するアーク溶接装置において、ウィービング周期設定値Ｔｒを出力するウィービング周期設定部ＴＲと、溶接電圧Ｖｗ又は溶接電流Ｉｗの振動周期Ｔｂｄを検出して出力する振動周期検出部ＴＢＤと、振動周期検出部ＴＢＤから出力された振動周期Ｔｂｄとウィービング周期設定値Ｔｒとの差の絶対値が所定値以上のときは警報Ｋｈを出力する警報発生部ＫＨとを備える。これにより、溶接作業者のウィービング操作の周期が適正範囲から外れると警報が出力されるので、この警報に誘導されてウィービング操作の周期を適性範囲に修正することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ウィービングしながら行う手動溶接において、ウィービング操作の周期の変動を抑制することができるアーク溶接装置に関するものである。

非消耗電極アーク溶接、消耗電極アーク溶接、プラズマアーク溶接等のアーク溶接をするときに、ビード幅を広げるために溶接方向と直交する方向（左右方向）にウィービングを行うことがよくある。このときに、継手形状、溶接部のギャップ長、溶接速度等が設定されると、それに対応した適正なウィービングの振幅及び周期が決まる。したがって、ロボット溶接等の自動溶接の場合には、ウィービングの振幅及び周期を適正値に設定すれば、溶接トーチは正確に設定通りにウィービングされることになる。

他方、溶接作業者が溶接トーチを手で把持して行う手動溶接の場合には、ウィービングの振幅及び周期を適正値に正確に維持することができるかは各自の技量に左右されることになる。熟練した溶接作業者の場合には、永年の経験と技量によってウィービング操作の振幅及び周期を小さな変動内に収めることができる。熟練した溶接作業者でない場合でも、ウィービング操作の振幅は、溶接中のビード幅を観察することによって変動を小さくすることができる。しかし、ウィービング操作の周期については、ビードの観察から容易には判断することが難しいために、大きな変動が生じやすい。

特許文献１の発明では、手動溶接において、アーク長が変化すると溶接電圧が変化するので、この溶接電圧の変化に応じて周波数が変化するサウンドが溶接装置から出力される。このために、溶接作業者は溶接中のアーク長の変化をサウンドの音で判別することができ、アーク長を一定に維持することが容易になる。

特開２００９−１８３１４号公報

そこで、本発明では、ウィービングしながら行う手動のアーク溶接において、ウィービング操作の周期が適正範囲内に収まるように誘導することができるアーク溶接装置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、電極とワークとの間にアークを発生させるための溶接電流及び溶接電圧を出力するアーク溶接装置において、
ウィービング周期設定値を出力するウィービング周期設定部と、前記溶接電圧又は前記溶接電流の振動周期を検出して出力する振動周期検出部と、前記振動周期検出部から出力された振動周期と前記ウィービング周期設定値との差の絶対値が所定値以上のときは警報を出力する警報発生部と、
を備えたことを特徴とするアーク溶接装置である。

請求項２の発明は、前記警報発生部は、前記差の符号に応じて異なる音による前記警報を出力する、
ことを特徴とする請求項１記載のアーク溶接装置である。

請求項３の発明は、前記振動周期検出部は、前記振動周期を移動平均して出力する、
ことを特徴とする請求項１又は２記載のアーク溶接装置である。

請求項４の発明は、１つのワークの溶接が終了するごとに、前記振動周期検出部から出力された前記振動周期の平均値及び標準偏差を算出して出力するウィービング評価部をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のアーク溶接装置である。

本発明によれば、溶接作業者によるウィービング操作の周期が適正範囲から外れているときは、警報が出力される。溶接作業者はこの警報を受けて、ウィービング操作の周期を修正することができる。このために、本発明では、熟練した溶接作業者でなくても、溶接トーチのウィービング操作の周期を適正範囲内に収めるように誘導することができる。

本発明の実施の形態１に係るアーク溶接装置のブロック図である。 図１のアーク溶接装置の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に係るアーク溶接装置のブロック図である。

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に係るアーク溶接装置のブロック図である。同図は、アーク溶接装置が非消耗電極アーク溶接装置の場合であるが、消耗電極アーク溶接装置及びプラズマアーク溶接装置の場合も同様である。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。

溶接電源ＰＳは、一般的な定電流特性を有する非消耗電極アーク溶接用の溶接電源であり、設定された溶接電流Ｉｗを出力する。溶接トーチ４の先端に装着されたタングステン等の電極１とワーク２との間に溶接電流Ｉｗが通電するアーク３が発生し、溶接電圧Ｖｗが印加する。アークを点弧させるために、高周波高電圧が溶接電圧Ｖｗに重畳されるが、この高周波高電圧発生回路については、図示は省略する。

トーチスイッチＳＴは、溶接トーチ４に設けられており、溶接作業者がオンするとＨｉｇｈレベルになる溶接開始信号Ｓｔを上記の溶接電源ＰＳに出力する。この溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベルになると、溶接電源ＰＳは起動される。溶接電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｗを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。

ウィービング周期設定回路ＴＲは、予め定めたウィービング周期設定信号Ｔｒを出力する。このウィービング周期設定信号Ｔｒは、手動によるウィービング操作の使用範囲である０．５〜５秒程度に設定される。ウィービング周期設定信号Ｔｒは、上述したように、継手形状、溶接部のギャップ長、溶接速度等に応じて、溶接作業者が手動で適正値に設定する。この回路は、半固定抵抗器及び表示器を備えた回路として実現しても良い。また、直接数字を入力するようにしても良い。

溶接電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。非消耗電極アーク溶接ではアークスタート時に高周波高電圧を電極１・ワーク２間に印加するので、この溶接電圧検出回路ＶＤには高周波高電圧をバイパスするためのコンデンサが内蔵されている。

振動周期検出回路ＴＢＤは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、図２で後述するように、電圧検出信号Ｖｄが振動波形となったことを判別すると共に、その振動周期を検出して振動周期検出信号Ｔbdとして出力する。この振動周期検出信号Ｔbdは振動周期ごとにその値が変化する時系列データである。以下の説明において、第ｎ回目の振動周期の検出値をＴbd(n)と表記することにする。例えば、Ｔbd(n)＝１．２秒となる。

振動周期移動平均値算出回路ＴＢＲは、この振動周期検出信号Ｔbdを入力として、移動平均値を算出して振動周期移動平均値信号Ｔbrとして出力する。移動平均値は、下式のようにして算出される。
Ｔbr(n)＝（Ｔbd(n)＋…＋Ｔbd(n-m+1)）／ｍ
ここで、Ｔbr(n)は第ｎ回目の振動周期移動平均値信号であり、Ｔbd(n)は第ｎ回目の振動周期検出信号であり、ｍは移動平均を行う個数であり、ｍ≧２である。移動平均値を算出する理由は、振動周期検出信号Ｔbdの１回ごとの変動を抑制して振動周期の状態を正確に把握するためである。したがって、移動平均の個数ｍは、上記のウィービング周期設定信号Ｔｒの値に応じて変化させた方が良い。ウィービング周期設定信号Ｔｒの値が小さいときはｍは大きくし、大きいときはｍは小さくする。例えば、ｍは２〜１０程度に設定される。

警報発生回路ＫＨは、この振動周期移動平均値信号Ｔbr及び上記のウィービング周期設定信号Ｔｒを入力として、以下の処理を行い警報信号Ｋｈを出力する。
１）振動周期移動平均値信号Ｔbrの値とウィービング周期設定信号Ｔｒの値との差ΔＴ＝Ｔbr−Ｔｒを算出する。
２）上記の差ΔＴの絶対値が予め定めた許容変動範囲ΔＴｒ未満であるときは、その値を０とする警報信号Ｋｈを出力する。
３）上記の差ΔＴの絶対値が上記の許容変動範囲ΔＴｒ以上であり、かつ、上記の差ΔＴの符号が正であるときは、その値を１とする警報信号Ｋｈを出力する。
４）上記の差ΔＴの絶対値が上記の許容変動範囲ΔＴｒ以上であり、かつ、上記の差ΔＴの符号が負であるときは、その値を２とする警報信号Ｋｈを出力する。
上記の許容変動範囲ΔＴｒは、ウィービング操作の周期がウィービング周期設定信号Ｔｒの値からどのぐらいはずれているときに警報を出力するかを決める値となる。例えば、この許容変動範囲ΔＴｒは、ウィービング周期設定信号Ｔｒの値の１０〜３０％程度に設定される。許容変動範囲ΔＴｒ＞０である。また、振動周期移動平均値信号Ｔbrの代わりに振動周期検出信号Ｔbdを使用しても良い。

サウンド出力回路ＳＤは、この警報信号Ｋｈを入力として、Ｋｈ＝１又は２のときは、それぞれ異なる種類のサウンドＳｄを出力する。例えば、Ｋｈ＝１のときは「ピー」という連続音を鳴らし、Ｋｈ＝２のときは「ピッピッ」という間欠音を鳴らす。音の周波数を切り換えても良い。「周期が長すぎます」及び「周期が短すぎます」という合成音声を使用しても良い。Ｋｈ＝０のときは、警報音は鳴らさない。もちろん、Ｋｈ＝０のときも、他の状態と識別することができる音を鳴らしても良い。音による警報の他に、溶接トーチをバイブレーションさせるようにして警報を発するようにしても良い。併せて、異常表示灯を点灯させても良い。

上記の溶接電流検出回路ＩＤ、上記のウィービング周期設定回路ＴＲ、上記の溶接電圧検出回路ＶＤ、上記の振動周期検出回路ＴＢＤ、上記の振動周期移動平均値算出回路ＴＢＲ、上記の警報発生回路ＫＨ及び上記のサウンド出力回路ＳＤを、上記の溶接電源ＰＳに内蔵しても良い。また、これらの回路を別の独立した警報発生器に内蔵しても良い。

図２は、図１で上述したアーク溶接装置の各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗを示し、同図（Ｃ）は振動周期移動平均値信号Ｔbrを示し、同図（Ｄ）は警報信号Ｋｈを示す。同図は、溶接作業者が溶接トーチ４のウィービング操作を行いながら溶接を行っているときの波形図である。ウィービング周期設定信号Ｔｒは、溶接を開始する前に、溶接作業者によって適正値に設定されている。以下、同図を参照して説明する。

同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、溶接電源ＰＳが定電流制御されているので、ウィービング操作に影響されることなく一定値となっている。他方、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、ウィービング操作に同期して以下のような振動波形となる。ここでは、Ｔ字すみ肉継手に対してウィービング操作をしながら溶接する場合を想定している。溶接トーチ４がウィービング中心位置にあるときに電極１とワーク２との距離が最も長くなり、ウィービングの右端及び左端にあるときに最も短くなる。溶接トーチ４をウィービング中心位置から右端へと移動させる時刻ｔ１〜ｔ11の期間中は、電極１とワーク２との距離（アーク長）が次第に短くなるので、溶接電圧Ｖｗは直線的に下降する。溶接トーチ４を右端からウィービング中心位置へと移動させる時刻ｔ11〜ｔ12の期間中は、電極１とワーク２との距離（アーク長）が次第に長くなるので、溶接電圧Ｖｗは直線的に上昇する。そして、溶接トーチ４をウィービング中心位置から左端へと移動させる時刻ｔ12〜ｔ13の期間中は、溶接電圧Ｖｗは直線的に下降し、左端からウィービング中心位置へと移動させる時刻ｔ13〜ｔ２の期間中は溶接電圧Ｖｗは直線的に上昇する。この時刻ｔ１〜ｔ２の期間でウィービング操作の１周期が終了する。この後、同図では、時刻ｔ２〜ｔ８の６周期分の振動波形を描写している。手動でウィービング操作が行われているので、各周期はすべて異なる時間長さとなっている。

溶接電圧Ｖｗが振動しているかの判別及びその振動周期の検出は、以下のようにして行う。第１の判別方法は、予め定めたしきい値を設けておき、溶接電圧Ｖｗがこのしきい値を上から下へと変化し、その後にこの変化が２回繰り返されたときを１周期として振動していると判別する方法である。第２の判別方法は、溶接電圧Ｖｗを所定周期（０．１〜１０ms程度）ごとにサンプリングしてデジタル値として検出し、このデジタル値の時系列データから振動しているかを判別する方法である。第２の判別方法では、時刻ｔ１の極大値と時刻ｔ２の極大値との間を１周期として振動を判別する。

同図（Ｃ）に示すように、横軸と平行に引かれた破線は、ウィービング周期設定信号Ｔｒの値から許容変動範囲ΔＴｒを減算した下限値（Ｔｒ−ΔＴｒ）を示す。また、一点鎖線は、ウィービング周期設定信号Ｔｒの値に許容変動範囲ΔＴｒを加算した上限値（Ｔｒ＋ΔＴｒ）を示す。したがって、振動周期移動平均値信号Ｔbrの値が、この下限値と上限値との間にあるときは、ウィービング操作の周期が適正範囲にあることを示しており、ないときは適正範囲から外れていることを示している。

同図（Ｂ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ３の２周期分の振動周期はウィービング周期設定信号Ｔｒの値に近い値となっている。このために、同図（Ｃ）に示すように、振動周期移動平均値信号Ｔbrの値は、破線で示す下限値と一点鎖線で示す上限値との間にある。この状態は、図１の警報発生回路ＫＨにおいて２）項に相当するので、同図（Ｄ）に示すように、警報信号Ｋｈ＝０となる。

続く時刻ｔ３〜ｔ５の２周期分の振動周期は、溶接作業者によるウィービング操作の周期が長くなったために、同図（Ｂ）に示すように、ウィービング周期設定信号Ｔｒの値よりも長くなっている。このために、同図（Ｃ）に示すように、振動周期移動平均値信号Ｔbrの値は、時刻ｔ３から上昇し、時刻ｔ５において一点鎖線で示す上限値を超えることになる。この状態は、図１の警報発生回路ＫＨにおいて３）項に相当する。したがって、同図（Ｄ）に示すように、時刻ｔ５において警報信号Ｋｈは０から１に変化する。これに応動して、「周期が長すぎます」という音声による警報が出力される。上記の振動周期移動平均値信号Ｔbrの値は、振動周期ごとに更新されるので、上限値又は下限値から外れているかの判定も振動周期ごとに行われる。すなわち、時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ５、ｔ６、ｔ７及びｔ８の時点において判定される。

溶接作業者はこの警報音声を聴いて、ウィービング操作の周期が適正範囲よりも長くなっていることを認識する。そこで、溶接作業者はウィービング操作の周期が短くなるように修正する。この結果、時刻ｔ５〜ｔ８の３周期分の振動周期は、同図（Ｂ）に示すように、ウィービング周期設定信号Ｔｒの値に近い値となる。このために、同図（Ｃ）に示すように、振動周期移動平均値信号Ｔbrの値は、時刻ｔ５から下降し、時刻ｔ７において一点鎖線で示す上限値未満となり、時刻ｔ７以降は上限値と下限値との間に位置することになる。この状態は、図１の警報発生回路ＫＨにおいて２）項に相当する。したがって、同図（Ｄ）に示すように、時刻ｔ７において警報信号Ｋｈは１から０へと戻ることになる。これに応動して、警報音声は停止する。すなわち、警報音声は、警報信号Ｋｈ＝１の状態にある時刻ｔ５〜ｔ７の期間中出力されている。

同図では、溶接作業者によるウィービング操作の周期が適正範囲よりも長くなった場合を説明したが、短くなった場合は以下のようになる。ウィービング操作の周期が適正範囲よりも短くなると、振動周期移動平均値信号Ｔbrの値は次第に小さくなり、下限値未満となる。この状態になると、図１の警報発生回路ＫＨにおいて４）項の状態となり、Ｋｈ＝２となる。このために、「周期が短すぎます」という音声による警報が出力される。溶接作業者はこの警報音声を聴いて、ウィービング操作の周期が短いことを認識する。そこで、溶接作業者はウィービング操作の周期が長くなるように修正する。この結果、ウィービング操作の周期は適正範囲に戻り、振動周期移動平均値信号Ｔbrも大きくなって、上限値と下限値との間の適正範囲内に位置するようになる。

同図（Ｂ）に示す溶接電圧Ｖｗの振動波形は、継手形状、ウィービング操作の方法等によって異なる振動波形となる。例えば、継手形状が重ね継手である場合には、ウィービング周期Ｔごとに変化する矩形波状の振動波形となる。また、ウィービング操作によってウィービングの振幅が左右で異なる場合には、半周期ごとに不平衡な振動波形となる。

上記は、溶接法が非消耗電極アーク溶接の場合であるが、消耗電極アーク溶接の場合には、以下のようになる。消耗電極アークでは、ウィービング操作によって給電チップとワーク２との距離が変化して、溶接電流Ｉｗが振動波形となる。したがって、振動周期は、溶接電流Ｉｗの振動波形から検出すれば良い。このようにするためには、図１の振動周期検出回路ＴＢＤを、以下のようにすれば良い。
振動周期検出回路ＴＢＤは、電流検出信号Ｉｄを入力として、電流検出信号Ｉｄが振動波形となったことを判別すると共に、その振動周期を検出して振動周期検出信号Ｔbdとして出力する。

上述した実施の形態１によれば、ウィービング周期設定値を出力するウィービング周期設定部と、溶接電圧又は溶接電流の振動周期を検出して出力する振動周期検出部と、振動周期検出部から出力された振動周期とウィービング周期設定値との差の絶対値が所定値以上のときは警報を出力する警報発生部とを備えている。これにより、溶接作業者によるウィービング操作の周期が適正範囲から外れているときは、警報が出力される。溶接作業者はこの警報を受けて、ウィービング操作の周期を修正することができる。このために、本実施の形態では、熟練した溶接作業者でなくても、溶接トーチのウィービング操作の周期を適正範囲内に収めるように誘導することができる。

［実施の形態２］
実施の形態２に係る発明は、１つのワークの溶接が終了するごとに、このワークの溶接中に記憶された振動周期検出信号Ｔbdの時系列データから平均値及び標準偏差を算出して出力するウィービング評価回路ＷＨを新たに備えるものである。以下、実施の形態２に係る発明について、図面を参照して説明する。

図３は、本発明の実施の形態２に係るアーク溶接装置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、それらの説明は省略する。同図は、ウィービング評価回路ＷＨを図１に追加したものである。以下、同図を参照してこのブロックについて説明する。

ウィービング評価回路ＷＨは、振動周期検出信号Ｔbdを入力として、１つのワークの溶接開始から溶接終了までの振動周期検出信号Ｔbdの時系列データを記憶し、１つのワークの溶接が終了するごとに、これらの時系列データから平均値及び標準偏差を算出して、ウィービング評価信号Ｗｈとして出力する。したがって、このウィービング評価信号Ｗｈには、平均値及び標準偏差の２つの値が含まれている。このウィービング評価回路ＷＨは、上述した警報発生器又は溶接電源ＰＳに内蔵する。このウィービング評価信号Ｗｈは、液晶パネル等にその値を表示する。また、ウィービング評価信号Ｗｈをネットワークを介して溶接工程を管理しているコンピュータに送信するようにしても良い。ウィービング評価信号Ｗｈは、１つのワークを溶接したときのウィービング操作の周期の平均値及びその標準偏差を示している。平均値がウィービング周期設定信号Ｔｒの値と近いほど、かつ、標準偏差が小さい程、ウィービング操作の周期が正確であったことを示している。すなわち、溶接作業者のウィービング操作の力量を評価することができる。

上述した実施の形態２によれば、１つのワークの溶接が終了するごとに、振動周期検出部から出力された振動周期の平均値及び標準偏差を算出して出力するウィービング評価部を備えている。これにより、実施の形態１の効果に加えて、溶接が終了したワークにタイして、ウィービング操作の周期の質を評価することができる。このために、ワークの品質を評価することができると共に、溶接作業者の技量を評価することができる。

１ 電極
２ ワーク
３ アーク
４ 溶接トーチ
ＩＤ 溶接電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｗ 溶接電流
ＫＨ 警報発生回路
Ｋｈ 警報信号
ｍ 移動平均の個数
ＰＳ 溶接電源
ＳＤ サウンド出力回路
Ｓｄ サウンド
ＳＴ トーチスイッチ
Ｓｔ 溶接開始信号
ＴＢＤ 振動周期検出回路
Ｔbd 振動周期検出信号
ＴＢＲ 振動周期移動平均値算出回路
Ｔbr 振動周期移動平均値信号
ＴＲ ウィービング周期設定回路
Ｔｒ ウィービング周期設定信号
ＶＤ 溶接電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＨ ウィービング評価回路
Ｗｈ ウィービング評価信号
ΔＴ 差（Ｔbr−Ｔｒ又はＴbd−Ｔｒ）
ΔＴｒ 許容変動範囲

Claims (4)

1. 電極とワークとの間にアークを発生させるための溶接電流及び溶接電圧を出力するアーク溶接装置において、
   ウィービング周期設定値を出力するウィービング周期設定部と、前記溶接電圧又は前記溶接電流の振動周期を検出して出力する振動周期検出部と、前記振動周期検出部から出力された振動周期と前記ウィービング周期設定値との差の絶対値が所定値以上のときは警報を出力する警報発生部と、
   を備えたことを特徴とするアーク溶接装置。
2. 前記警報発生部は、前記差の符号に応じて異なる音による前記警報を出力する、
   ことを特徴とする請求項１記載のアーク溶接装置。
3. 前記振動周期検出部は、前記振動周期を移動平均して出力する、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載のアーク溶接装置。
4. １つのワークの溶接が終了するごとに、前記振動周期検出部から出力された前記振動周期の平均値及び標準偏差を算出して出力するウィービング評価部をさらに備える、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のアーク溶接装置。

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