JP2015512342A - 表面張力移行短絡溶接のための改良されたプロセス - Google Patents

Abstract

ここに記載する発明は、一般的には、表面張力移行短絡溶接を含む溶接プロセスにおける溶接ビードの改良されたネッキング検出のための方法を関し、ネッキングの事象を検出するために用いられる少なくとも１つの閾値が、先行するサイクルの特性に基づき溶接波形における各溶接サイクルのために動的に更新される。

Description

ここに記載する発明は、表面張力移行短絡溶接を含む溶接プロセスのための溶接ビードの改良されたネッキング(necking)検出のための方法に概ね関する。

消耗電極アーク溶接において、広く認められている動作方法の１つは短絡モードであり、短絡モードでは、電源が、消耗電極又は溶接ワイヤ、及び溶接ビードがその上に堆積されることになるワークピースに亘って接続される。アークが創り出されると、電極の端は溶解して電極の上に垂れ下がり、ワークピースに向かって伸びる溶融金属の球形の塊を形成する。この溶融金属の塊が十分に大きくなると、それは電極とワークピースとの間の間隙を架橋して短絡を引き起こす。その時点で、電極とワークピースとの間の電圧は劇的に降下し、それにより、電源は短絡を通じる電流を増大させる。そのような大電流の流れ(high current flow)は維持され、実際には溶融塊を通じる時間の経過と共に増大させられる。この短絡電流は流れ続けるので、電流ピンチが溶接ワイヤの端に近接する溶融塊の一部を狭める(neck down)。溶融する溶接ワイヤを狭める力は、溶接ワイヤの端で溶融金属を通じて流れる電流の平方に比例する。この電気ピッチ効果は、以下のノースラップ方程式(Northrup equation)によって説明され、

ここで、Ｉは、電流であり、ｒは、溶接ワイヤの中心からの距離であり、Ｒは、ネック(neck)の直径である。短絡の間、比較的大電流の流れのための必要がある。この大電流の流れは、溶融塊のネック部分に急速に極めて小さい領域を形成させ、或いは電気ヒューズのように最終的に破裂するネックを溶融ボールをワイヤから分離させ、且つ溶融ボールが表面張力によって溶接プール内に引き込まれるのを可能にするために望ましい。このネックの破裂は、溶接プロセスからのスパッタ(spatter)の原因となる。スパッタは溶接作業の全体的な効率に有害であり、溶接作業の終了後、溶接ビードに隣接する相当な量の洗浄を必要とする。ネック又はヒューズ破裂が極めて高いとき、電流の流れはワイヤ又はロッドを通じてワークピースに至るので、スパッタが推進させられう距離及び量に加えて、ネック破裂によって放出される夥しい量のエネルギがある。

以上のように、電気ピンチによってネックの大きさを効率的に減少させるために高くあるべきであるが、ヒューズ破裂のエネルギを減少させ、相応して、スパッタ及びスパッタ粒子が推進させられる距離を減少させるために低くあるべきであるという、短絡の間の矛盾がある。

溶接ワイヤから垂れ下がり且つワークピース又は溶接プールに関わる金属ボールのネック又はヒューズでの破裂によってアークが再構築されるときには、スパッタを制限するために相当の努力が充てられる。初めに、溶接ワイヤの直径を減少させること、即ち、１／３２ワイヤを使用することが提案された。しかしながら、スパッタを減少させるこのアプローチは、小さい溶接ワイヤを使用することに通常関連する非効率の全てを招いた。例えば、大量の溶接ビードを置くことは困難であった。これらの問題を克服するためにワイヤ直径が増大させられると、スパッタは実質的に増大させられる。このジレンマに直面して、高周波電源を用いることが提案され、その場合には、短絡状態の間又は再アーク、即ち、ヒューズが飛ぶことの徴候の検出後に、高周波インバータが切られる。高周波電源がヒューズ破裂の直前に切られるときには、電流の急速減衰のために固体インバータの出力タンク回路内に抵抗器を配置するよう開かれるスイッチが利用される。このシステムは全ての電源に適用可能でなく、短絡が検出される時からネック又はヒューズの破裂後にアークが再構築される時までの電流曲線の形状を実際に形成する複雑な論理制御システムに基づかせられる。短絡（又はアークの形成）の時における電流の減少は減衰によって同調させられる。今にも飛びそうなネック又はヒューズの検出において、この同じ減衰着想が利用される。事前選択される波形は固体インバータの出力タンク回路の前述の減衰に大きく依存し、それは特に破裂の瞬間にネック自体を通じる電流の流れを減少させることにおいて重大な制約である。そのような事前選択される電流成形は、内部的に切り得る高周波固体インバータ電源に適用可能である。出力回路内の実質的な誘導性リアクタンスを伴うならば、スイッチと並行な抵抗器による減衰は困難であり、必ずしも常に保証されない。直流溶接システムは出力インダクタンスを有するので、スパッタを低下させるためのこの減衰着想は、重大な実用的な欠点を有し、ルックアップ表からの静閾値、又は構成条件、例えば、ケーブル長、及び使用者調節条件、例えば、接触先端からワークまでの距離に基づく溶接工の経験に追加的に限定される。

従って、必要とされるものは、短絡事象の終了を検出するためのより正確な検出方法をもたらすために、閾値を実時間で経験される実際の溶接条件に適合させる動的な方法であることが容易に分かるであろう。改良された検出は、具体的には、より大量のスパッタに加えて、重い短絡を引き起こし得る検出ミスを解消することによって、スパッタを減少させるという極めて望ましい効果、及びより安定的な溶接プロセスを有する。

本発明によれば、溶接作業中の短絡状態の終わりを検出するための閾値を動的に調節するプロセスが提供され、プロセスは、短絡移行溶接プロセスのために波形と関連する少なくとも１つの溶接パラメータを監視するステップと、少なくとも１つの溶接パラメータを少なくとも１つの溶接パラメータのための閾値と比較するステップと、比較するステップに基づき閾値の値を調節するステップと、調節される値を波形の次のサイクルのための新しい閾値として用いるステップとを含む。プロセスは、閾値が高すぎるか或いは低すぎるかのいずれかを比較するステップが決定するときに、ある溶接問題を矯正する少なくとも１つの作用を生成するステップを更に含む。監視される少なくとも１つの溶接パラメータは、電流、電圧、時間、抵抗、電力、電力密度、及びそれらの導関数で構成される群から選択される。プロセスを実施するに際して、調節するステップは、比例コントローラ、比例−積分コントローラ、比例−導関数コントローラ、比例−積分−導関数コントローラで構成される群から選択されるコントローラ、好ましくは、比例−積分−導関数コントローラを用いる。プロセスを更に実施するに際して、ある溶接問題を矯正する少なくとも１つの作用を生成するステップは、プラズマブーストによってアークを再点火することを含み得る。シーケンスを開始するために、初期的な閾値が事前に定められ、新しい閾値が用いるステップに基づき動的に更新される。

本技術の１つの実施例では、ネッキング事象の直ぐ前に電流を減少させることが重要である点において、監視されるパラメータは、電圧又は電圧の導関数である。本技術の他の実施例では、ネッキング断面積が減少するに応じて抵抗値が増大する点において、監視されるパラメータは、抵抗又は抵抗の導関数である。本技術の更に他の実施例では、ネッキング領域の半径がゼロに近づくに応じて電力密度が無限に向かって増大する点において、監視されるパラメータは、電力密度又は電力密度の導関数である。

本発明によれば、溶接作業中の短絡状態の終わりを検出するための閾値を動的に調節するプロセスが提供され、プロセスは、短絡移行溶接プロセスのために波形と関連する少なくとも１つの溶接パラメータを監視するステップと、少なくとも１つの溶接パラメータを少なくとも１つの溶接パラメータのための閾値と比較するステップと、比較するステップに基づき閾値の値を調節するステップとを含み、調節するステップは、
アーク再構築までの時間_{（ｄｅｔｅｃｔｅｄ）}＞アーク再構築までの時間_{（ｄｅｆｉｎｅｄ）}であるならば、閾検出値＝閾検出値＋Δであり、
アーク再構築までの時間_{（ｄｅｔｅｃｔｅｄ）}＜アーク再構築までの時間_{（ｄｅｆｉｎｅｄ）}であるならば、閾検出値＝閾検出値−Δであり、
アーク再構築までの時間_{（ｄｅｔｅｃｔｅｄ）}＝アーク再構築までの時間_{（ｄｅｆｉｎｅｄ）}であるならば、閾検出値＝閾検出値＋０である、
という論理に従って調節され、
ここで、
アーク再構築までの時間_{（ｄｅｔｅｃｔｅｄ）}＝電極ネッキング又はヒューズ分離の完了（図４のＴ_３）と溶接アークの再構築（図４のＴ_４）との間に検出され又は測定される値であり、
アーク再構築までの時間_{（ｄｅｆｉｎｅｄ）}＝図４のＴ_３とＴ_４との間の標的の時間差、例えば、５０マイクロ秒又は何らかの他の標的の時間差であり、
閾検出値＝検出閾パラメータ、例えば、ｄｖ／ｄｔ、オーム、電圧、又は電極ネッキングの完了の検出を計算するために用いられる他の適切なパラメータの現在値（図４のＴ_３）であり、
Δ＝閾検出値パラメータ、例えば、ｄｖ／ｄｔ、オーム、電圧、又はＰＩＤコントローラの利用を通じて以下に議論する方法における値及び標的又は所定の値、Ｔ_{（ｄｅｆｉｎｅｄ）}（例えば、５０マイクロ秒）と比較されるときのアーク再構築までの時間測定の実際値、Ｔ_{（ｄｅｔｅｃｔｅｄ）}の差の大きさの変更によって計算されるような他の適切なパラメータのための調整値である。

この発明のこれらの及び他の目的、機能、及び実施態様は、図面、詳細な記載、及び付属の請求項を見るときに明らかであろう。

本発明は特定の部品及び部品の配置における物理的な形態を取り得る。その好適な実施態様を本明細書に詳細に記載し、本明細書の一部を形成する添付の図面に例示する。

先行する溶接事象に基づく波形のための閾検出値に影響を与えるよう実時間において動作するフィードバック回路を利用するパルス溶接プロセスを遂行するための電気アーク溶接機を示すブロック図及び配線図の組み合わせである。 従来技術のパルス溶接プロセスの電圧曲線及び電流曲線を示すグラフである。 図１に示す電気アーク溶接機における様々な場所の信号を示すグラフである。 溶接ビード形成、ネッキング、及び溶接パッドルへの最終的な堆積に関連付けて、時間に対する電流を描写する、図３に類似する波形を示すグラフである。 動的に調節され且つ波形の次のサイクルにおいて利用されるような各閾値に適用可能な決定を示すフロー図である。

次に、この特許出願の出願時に出願に既知の最良態様を例示する目的のために、本発明を実施するための最良態様を記載する。実施例及び図面は例示的であるに過ぎず、請求項の範囲及び精神によって測られる本発明を限定することを意図しない。図示されているものが本発明の例示的な実施態様を例示する目的のためであるに過ぎず、本発明を限定する目的ではない、図面を今や参照すると、図１は、図２に示すようなパルス溶接プロセスを遂行するための電気アーク溶接機Ａを例示している。他の溶接機構造を用い得るが、例示的な構造は、オハイオ州クリーブランド市のThe Lincoln Electric Companyが先駆けたような波形技術によって制御される溶接機である。この種類の溶接機では、波形発生器がパルス溶接プロセスにおいて用いられる波形のためのプロファイルを生成する。電源は複数の電流パルスを用いることによって１８ｋＨＺを超えるような高周波数で波形発生器から決定される形状に従ってパルスを創り出す。この種類の技術は如何なる所望の溶接プロセスのためにも精密なパルス形状を生成する。波形技術を利用する溶接機の使用に関して本発明を記載するが、本発明はより広く、ＳＣＲ(Silicon Controlled Rectifier)制御される溶接機及びチョッパに基づく溶接機のような、他の溶接機においても本発明を用い得る。

図１に示される電気アーク溶接機Ａは、図１中の様々な場所に示される複数の動作信号を備える図２中の曲線によって並びに図３中の対応する番号によって例示されるような標準的なパルス溶接プロセスを遂行するために用いられる。電気アーク溶接機Ａは、電極ＥとワークピースＷとの間でパルス溶接プロセスを創成するための出力リード線１２，１４を備える高速切換えインバータの形態の電源１０を有する。電源１０は、３つの位相入力として例示される適切な電源１６によって駆動させられる。パルス溶接プロセスを構成する分離バックグラウンド電流及びパルスのプロファイルが、波形入力１８上の信号によって決定される。電流分流器２２が、溶接プロセスのアーク電流を、ライン２４によって、フィードバック制御ループのために用いられるアナログ出力２８を有する電流センサ２６に連絡する。同様に、リード線３０，３２が、アーク電圧を、検出出力３６及びレベル又は振幅出力３８を有する電圧センサ３４に連絡する。検出出力は、電圧パルスのレベルが電極ＥとワークピースＷとの間の短絡中に急に下がる時を示す。レベル出力３８は、電極及びワークピースに亘るアーク電圧を示す信号を有する。電圧検出出力３６は、信号３を出力する短絡応答出力４２を有する短絡応答回路４０に向けられる。短絡があるとき、標準技術に従ってライン４２中に短絡応答がある。溶接プロセスを遂行するために、波形発生器５０には特定の波形が詰まっている。この波形は信号２として示されている。溶接プロセスを構成する個々のパルスを開始する目的のために、タイマ５２がタイミング信号をライン５４によって波形発生器５０に向ける。波形発生器５０は、波形発生器の設定プロファイル及び電極とワークピースとの間の既存プロファイルに従った電流及び電圧を制御するために、ライン２８，３８からのフィードバック信号も有する。電源１０によって出力されるべき波形は、ライン５６中の信号２である。この信号は、信号４のための出力６２を有する加算接合器又は加算器６０の入力に接続される。溶接機Ａ内のこの信号は、電源１０の入力１８に向けられる実際の信号である。

溶接機Ａによって遂行される溶接プロセスは図２に例示されており、そこでは、電流曲線１００がバックグラウンド電流部分１０４によって分離される一連の離間した電流パルス１０２を有する。電圧曲線１２０がライン３０，３２の間の電圧であり、アーク電流の曲線１００と相関する電圧を構成する。ピーク電圧は、ピーク電流１０２を適用する結果である。電圧曲線１２０の低平均電圧は、約６．０ボルト以下での短絡信号を備える高い瞬間的なアーク電圧平均に起因する。短絡があるとき、アーク電圧１２０は、地点１２２によって示されるように急に下がる。この電圧急降下は、電極とワークピースとの間の溶融金属の短絡を示す。それが起こるとき、除去(clearing)手続きがライン５６中の波形の形状をオーバーライド(override)する。地点１２２での短絡の検出後、大電流が図２に示されるランプ１０６(ramp)に沿って電極とワークピースとの間に適用される。実際には、このランプ１０６は険しく、次に、部分１０８によって示されるように漸進的になる。短絡が標準技術に従って増大させられる電流によって取り除かれる(cleared)とき、電圧の曲線１２０は直ぐにプラズマ又はアーク状態に戻る。これはライン１１０に沿う電流のテイルアウト(tail out)又は回復を引き起こす。結果的に、短絡があるとき、アーク電流は、増大させられる電圧によって示されるように、短絡が取り除かれるまでランプ１０６及びランプ１０８に沿って増大させられる。この短絡の除去は、短絡応答回路４０の出力を停止させる。

溶接機Ａの動作は、図３に示されるような信号２，３，４，７，９によって開示されている。信号７は、ライン３６中で感知される電圧である。普通の環境の下で、電圧１２０は、波形発生器５０によって決定される形状及びタイマ５２によって決定される間隔を有する、複数の離間したパルス１３０を含む。地点１２２で短絡があるとき、電圧はライン１３２に沿って急に下がる。これはライン４２中に出力を生成するパルス１４０を引き起こし、その出力は、信号２に加えられる電流曲線１００のためにランプ１０６及び１０８と概ね一致する信号１４２の形態にある。波形発生器５０の出力は、図３に示される波形信号１５０を構成する信号２である。ライン６２中の加算接合器６０の出力は、信号２及び３の合計であり、それはライン６２中に信号４として示されている。ランプ１４２は、電極ＥとワークピースＷとの間の出力がインバータ型の電源１０を制御するライン１８及び６２中の信号であるよう、波形１５０に加えられる。

本発明は、金属移行が低熱入力溶接モードであるSurface Tension Transfer（Ｒ）又はＳＴＴ（Ｒ）のような溶接モードに関する。ＳＴＴ溶接モードは、反応性である。電源はアークを監視し、アーク動力学における変化に瞬間的に応答する。感知リード線がワークピースに付着して、電源にフィードバック情報を提供する。比類なく、ＳＴＴ電源はワイヤ送り速度と無関係に電極に電流を提供する。この機能は適用要件に合致するよう電流を増大させ或いは減少させる能力を許容する。

ＳＴＴをサポートする電源は、定電流でも定電圧でもない。それはＳＴＴ波形の本質的な成分のための制御をもたらす。これらの中にあるのは、ピーク電流、バックグラウンド電流、及びテイルアウト電流のための制御である。

図４に例示されるように、時間Ｔ_０−Ｔ_１の間に、ＳＴＴは一様な溶融ボールを生成し、「ボール」が短絡してパッドルになるまでそれを維持する。電極の溶融先端は、５０〜１００アンペアの間のバックグラウンド電流レベル（Ｔ_０−Ｔ_１）で溶融プールと初期的な物理的接触を行う。時間Ｔ_１で（バックグラウンド電流で）、電圧感知クリップが電圧の減少を読み取り、機械はアンペア数を降下させる。バックグラウンド電流は、約０．７５ミリ秒に亘って１０アンペアまで更に減少させられる。この時間間隔をボール時間（Ｔ_１−Ｔ_２）と呼ぶ。電流の減少は時期尚早な溶滴離脱の発生を防止する。

ピンチモード（Ｔ_２−Ｔ_３）の間、ワイヤは依然として給送され、従って、溶解が電極とワークピースとの間で起こっている。溶滴を移行させるために、電流は、電流（電磁力）の上昇に関連するピンチ力が電極の溶融柱(molten column)を狭め始める地点まで急速に増加する。このとき、図１に例示されるように、電源は時間の経過に亘る電圧の変化を監視し始める。何故ならば、それは溶滴のネッキングに関連するからである。溶融金属は依然として溶融溶接部プールと接触している。感知リード線を介して、電源は観察される電圧を参照し、新しい電圧値を従前の電圧値と継続的に比較する。Ｔ_３で、ワイヤは「狭まり」始める。電圧はこの例示における測定されるパラメータであるが、本発明をそのように限定する必要はない。実際には、如何なる測定されるパラメータも適用可能であり、非限定的な例示的なリストは、抵抗、アンペア数、電力を、それらの元々の形態又は導関数形態において含む。

時間Ｔ_２−Ｔ_３の間、ワイヤが完全に離脱する前の瞬間を示すｄｖ／ｄｔ計算が起こる。それは時間に対する短絡電極電圧の変化の速度の一次導関数計算である。この計算が、ヒューズ分離が今にも起こりそうであることを示す特定のｄｖ／ｄｔ値に到達したことを示すとき、電流は、数マイクロ秒内に再び５０アンペアに減少させられる。これはスパッタを創成する極度の分離及び破裂を防止するためである。この事象は短絡させられる電極が分離する前に起こる。

溶融金属が電極の端から今にも分離し始める時点、時間Ｔ_３で、電源は電流を約４５〜５０アンペアのバックグラウンド電流レベルよりも低いアンペアに減少させる。波形におけること時点で、溶滴は溶接部プールに移行する。閾値が正しく定められるならば、溶滴のこの制御された離脱は本質的にスパッタを有さない。

電源は時間Ｔ_４−Ｔ_５の間にピーク電流レベルを上げ、新しい溶滴が時間Ｔ_５−Ｔ_６で形成し始める。プラズマブーストが適用され、それはアーク長を再構築するエネルギを提供し、新しい溶滴を提供し、溶融パッドルを溶滴から離間させる。時間の長さは、炭素鋼電極のために公称１ミリ秒であり、ステンレス鋼及びニッケル合金フィラーの両方のために公称２ミリ秒である。陽極噴流力は溶融溶接部プールを凹ませ、溶融溶接部プールが電極に再付着するのを防止する。電極が敏速に「溶解して戻される」(“melted back”)のは、高アーク電流のこの期間である。Ｔ_６−Ｔ_７の期間中、アーク電流はプラズマブーストからバックグラウンド電流レベルに減少させられる。テイルアウト期間において、電流がその初期的なバックグラウンドレベルに戻るとき、電流は追加的なエネルギを備える溶滴を提供する。追加的なエネルギはパッドルの流動性を増大させ、その結果は溶接部の褄先部での湿潤性の向上である。

上述のように用いられるとき、ピーク電流はアーク長を再構築する責任を有し、それは良好な溶解を保証するようワークピースを予加熱するのに十分なエネルギを提供する。それが高く設定され過ぎるならば、溶滴は過大になる。バックグラウンド電流は基材内への溶接浸透をもたらす責任を有する本質的な成分であり、それは溶接部への全体的な熱入力に大いに責任を有する。この成分の取扱いは溶接部浸透のレベルを制御し、それは溶滴の大きさに影響を及ぼす。テイルアウト電流は、溶滴流動性の向上をもたらすよう、溶滴にエネルギを加える責任を有する。テイルアウト電流を増大させることは、より速い走行速度を許容し、溶接褄先部湿潤作用を向上させる。タイルアウトの使用はパッドル流動性を増大させる点で大いに価値があることが証明され、これはより高いアーク走行速度になる。

しかしながら、図４に提示されるような時間Ｔ_３の検出は、一定でも自明でもない。この発明の１つの特徴は、ネッキング現象に関連する時間Ｔ_３の適切な検出、及び溶接プロセスにおける次のサイクルのためにｄｖ／ｄｔ閾値を調節するためにその情報を動的に使用することに焦点を置く。ｄｖ／ｄｔ検出がビードネッキングを適切に特定して、電流を分離の直ぐ前の極めて低いレベルまで減少させるとき、スパッタは回避される。比較的短い量の時間（例えば、２０〜３０マイクロ秒）を待った後、ネッキング分離が起こることが予期され、その時に溶接アークが再構築される。この溶接アークの創成に続き、電流は増大させられて、新しい溶滴を形成し、そのサイクルを反復する。

しかしながら、ｄｖ／ｄｔ閾値が所与の条件のために正しくないならば、２つの可能な結果が可能である。即ち、閾値は高く設定され過ぎるか、或いは閾値は低く設定され過ぎる。閾検出値が低過ぎるとき、ｄｖ／ｄｔ検出はネッキングプロセス中に早過ぎる。これは電流の時期尚早な降下を招き、ネッキング分離は最大待機期間内に起こらない。所定の最大待機期間（例えば、１００〜２００マイクロ秒）後に、短絡除去機能が反復され（電流は上げられて、ネッキング分離を完了し、アークを再点火し且つ次のサイクルを開始する）。その結果は、コントローラとのインターフェースを通じてより高い閾値を用いるよう波形の次のサイクルが動的に調節されることである。閾値の動的な調節を通じて、アーク不安定性並びに熱の損失は低減される。何故ならば、ワイヤは給送され続けるが、プロセスは予期されるよりも長く短絡状態に「閉じ込められる」からである。図１を更に参照すると、この段落中に記載されるこのシナリオでは、初期的な閾値が基準信号６６に割り当てられる。

この初期的な割当てはソフトウェアを介して行われるか、或いは最後の検出値を利用するか、或いは操作者の経験によって設定されるか、或いは用いられるべき溶接の種類、利用される不活性ガス、溶接ワイヤ給送速度等に基づくソフトウェアへの操作者入力に基づき定められる。測定される閾値（具体的には、ライン３８に沿って検出されるような電圧又はその導関数）が、コンパレータ６８によって比較されるときに、現在の閾検出値よりも大きいならば、コントローラ６４は、後続の比較における並びに波形発生器５０における使用のための次の閾値のために、その値を増大させる。増大させられる閾値は、動的に新しい閾比較値になる。

閾検出値が高過ぎるとき、ｄｖ／ｄｔ検出は決して起こらず、電流は決して減少させられない。従って、ネッキングで、電流の量は高過ぎ、スパッタがもたらされる。閾値の動的な調節を通じて、次のサイクルはコントローラとのインターフェースを通じてより低い閾値を用いる。図１を更に参照すると、このシナリオにおいて、測定される閾値（具体的には、ライン３８に沿って検出されるような電圧又はその導関数）は、コンパレータ６８によって比較されるときに、閾の従前の検出値（具体的には、基準ライン６６によって提示される従前の電圧又は導関数値）からの閾検出値よりも少ないならば、コントローラ６４は、後続の比較における並びに波形発生器５０における使用のために次の閾値のための値を減少させる。減少させられる閾値は、動的に新しい閾比較値になる。

順次的に、以下のことが図５の決定樹フロー図において例示されるように起こる。操作者知識、溶接ワイヤ特性及び溶接種類に基づくソフトウェア事前選択、又は当該技術分野において既知の何らかの他の方法に基づき、初期的な時間、基準ブロック８０のＴ_{（ｄｅｆｉｎｅｄ）}が、アーク再構築のために定められる。この初期的なアーク再構築時間は、基準ブロック８２のアーク再構築時間のために、検出される値Ｔ_{（ｄｅｔｅｃｔｅｄ）}と比較され、そこでは、閾検出閾値の動的な調節は、以下の論理、即ち、
アーク再構築までの時間_{（ｄｅｔｅｃｔｅｄ）}＞アーク再構築までの時間_{（ｄｅｆｉｎｅｄ）}（基準ブロック８４）であるならば、
ＰＩＤコントローラ（基準ブロック８８）を介した数学的処理後、閾検出値＝閾検出値＋Δ（基準ブロック９４）であり、
アーク再構築までの時間_{（ｄｅｔｅｃｔｅｄ）}＜アーク再構築までの時間_{（ｄｅｆｉｎｅｄ）}（基準ブロック８６）であるならば、
ＰＩＤコントローラ（基準ブロック９２）を介した数学的処理後、閾検出値＝閾検出値−Δ（基準ブロック９８）であり、
アーク再構築までの時間_{（ｄｅｔｅｃｔｅｄ）}＝アーク再構築までの時間_{（ｄｅｆｉｎｅｄ）}（基準ブロック９０）であるならば、
閾検出値＝閾検出値＋０であり、
という論理に従って調節され、
ここで、
アーク再構築までの時間_{（ｄｅｔｅｃｔｅｄ）}＝電極ネッキング又はヒューズ分離の完了（図４のＴ_３）と溶接アークの再構築（図３のＴ_４）との間の検出又は測定値であり、
アーク再構築までの時間_{（ｄｅｆｉｎｅｄ）}（基準ブロック８０）＝図４のＴ_３とＴ_４との間の標的時間差、例えば、５０マイクロ秒又は何らかの他の標的の時間差であり、
閾値＝検出閾パラメータ、例えば、ｄｖ／ｄｔ、オーム、電圧、又は電極ネッキングの完了の検出を計算するために用いられる他の適切なパラメータの現在値（図４のＴ_３）であり、
Δ＝検出閾値パラメータ、例えば、ｄｖ／ｄｔ、オーム、電圧、又はＰＩＤコントローラの利用を通じて以下に議論する方法における値及び標的又は所定の値（例えば、５０マイクロ秒）と比較されるときのアーク再構築までの時間測定の値の差の大きさの変更によって計算されるような他の適切なパラメータの調整値であり、
ΔＴ＝アーク再構築までの時間_{（ｄｅｔｅｃｔｅｄ）}とアーク再構築までの時間_{（ｄｅｆｉｎｅｄ又はtargeted）}（基準ブロック８２）との間の時間差である。

均等な言い回しをすれば、ネッキングの完了とアークの再点火との間に生じる時間の量が７５マイクロ秒であり、標的値が５０マイクロ秒であるならば、（電圧の導関数（例えば、ｄｖ／ｄｔ）、又は電圧（ボルト）、又は電力（ワット）、又は抵抗（オーム）、又は他の適切なパラメータであり得る）閾検出値は、Δの値だけ増大させられる。閾検出パラメータの現在の値を波形の後続のサイクルにおける使用のためのより高い値まで上げるＰＩＤコントローラ計算の作業によって、この増分的な値は現在の閾値を増大させる。例えば、このシナリオでは、初期的な閾値が「ｘ」ボルト（又は均等に「ｘ」ワット、又は均等に「ｘ」オーム、又は均等に「ｘ」ｄｖ／ｄｔ単位）として定められるならば、アーク再点火のための時間は長過ぎ、閾値は、優先的にはアーク再点火時間値の差の程度に基づくＰＩＤコントローラによって決定されるような「ｙ」の値による比例、積分、及び導関数計算（例えば、「ｘ」＋「ｙ」ボルト）を通じて、増分的に増大させられる必要がある。均等に、これを他の単位、例えば、「ｘ」＋「ｙ」オーム又は「ｘ」＋「ｙ」ワットで表現し得る。

スパッタが最小限化されるのを保証するために、溶接アークの再構築のための所定の時間に対する実際に検出される時間の比較の結果に基づき、新しい閾値が波形の次のサイクルにおいて動的に利用される。この反復的な決定シーケンスに適用可能であるが、上記に定められるように、Δは、予め定められる或いは標的のアーク再構築時間が検出される時間からどれぐらい遠く離れているかの各瞬間的な計算のための動的な調整値である。同時に、波形の各サイクルのために従前に定められたような、閾システム不均衡に付随する問題を解決するために、補足的な情報が送信される。このプロセスは、溶接波形の各サイクルのために、溶接作業の継続時間に亘って繰り返される。

好適な実施態様において、コントローラ６４は、ＰＩＤコントローラ(Proportional Integral Derivative Controller)である。比例(proportional)は、２つの変数の間に線形関係があることを意味する。比例制御は、優れた第１のステップであり、定常状態エラーを減少させるが、決して解消せず、典型的には、オーバーシュートエラーを招く。比例コントローラの応答を向上させるために、積分制御がしばしば付加される。積分(integral)は、エラーの継続合計(running sum)である。従って、比例コントローラは、現在のエラーを矯正することを試み、積分コントローラは、過去のエラーを矯正し且つ補償することを試みる。導関数コントローラは、将来に向けてエラーを予測的に矯正することを試みる。それが意味することは、そのエラーが現在のエラーに２つの先行するセンササンプル値の間のエラーにおける変化を加えたものであることが予期されることである。２つの連続的な値の間のエラーにおける変化は、導関数(derivative)である。ＰＩＤコントローラが好ましいが、ＳＴＴシステムは、比例コントローラ、比例−積分コントローラ、又は比例−導関数コントローラだけの使用から利益を享受する。

その時点で出願人に既知の最良態様（ベストモード）を例示する目的のために、本発明を実施するための最良態様を記載した。実施例は例示的であるに過ぎず、請求項の範囲及び精神によって測られるような本発明を限定することを意図しない。好適且つ代替的な実施態様を参照して本発明を記載した。本明細書修を判読し且つ理解した後、修正及び変更が他者の心に浮かぶのは明らかである。そのような修正及び変更が付属の請求項又はその均等物の範囲内にある限り、全てのそのような修正及び変更を含むことが意図されている。

２ 信号として示される
３ 信号を出力する
４ 信号
１０ 電源
１２ 出力リード線
１４ 出力リード線
１６ 電源
１８ 波形入力
２２ 分流器（シャント）
２４ ライン（線）
２６ 電流センサ
２８ アナログ出力
３０ 方法
３２ リード線
３４ 電圧センサ
３６ 検出出力
３８ 振幅出力
４０ 回路
４２ 応答出力
５０ 発生器
５２ タイマ
５４ タイミング信号
５６ ライン（線）
６０ 加算器
６２ 信号のための出力
６４ コントローラ
６６ 基準信号
６８ コンパレータ（比較器）
８０ 基準ブロック
８２ 基準ブロック
８４ 基準ブロック
８６ 基準ブロック
８８ 基準ブロック
９０ 基準ブロック
９２ 基準ブロック
９４ 基準ブロック
９８ 基準ブロック
１００ 電流曲線
１０２ パルス
１０４ 電流部分
１０６ ランプ
１０８ 部分
１１０ ラインに沿う電流
１２０ 電圧の曲線
１２２ 地点
１３０ 離間するパルス
１３２ ラインに沿う電圧の急な下がり
１４０ パルスを引き起こす
１４２ 信号を形成する
１５０ 波形信号
Ａ 電気アーク溶接機
Ｅ 電極
Ｗ ワークピース

Claims (12)

1. 溶接作業中の短絡状態の終わりを検出するための閾値を動的に調節するプロセスであって、
   短絡移行溶接プロセスのために波形と関連する少なくとも１つの溶接パラメータを監視するステップと、
   前記少なくとも１つの溶接パラメータを前記少なくとも１つの溶接パラメータのための閾値と比較するステップと、
   前記比較するステップに基づき前記閾値の値を調節するステップと、
   前記調節される値を前記波形の次のサイクルのための新しい閾値として用いるステップとを含む、
   プロセス。
2. 当該プロセスは、前記比較するステップが、前記閾値が高すぎるか或いは低すぎるかのいずれかを決定するときに、ある溶接問題を矯正する少なくとも１つの作用を生成するステップを更に含む、請求項１に記載のプロセス。
3. 前記ある溶接問題を矯正する少なくとも１つの作用を生成するステップは、プラズマブーストによってアークを再点火することを含む、請求項２に記載のプロセス。
4. 前記少なくとも１つの溶接パラメータは、電流、電圧、時間、抵抗、電力、電力密度、及びそれらの導関数で構成される群から選択される、請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載のプロセス。
5. 前記少なくとも１つの溶接パラメータは、電圧及び電圧の導関数で構成される群から選択される、請求項４に記載のプロセス。
6. 前記少なくとも１つの溶接パラメータは、抵抗及び抵抗の導関数で構成される群から選択される、請求項４に記載のプロセス。
7. 前記少なくとも１つの溶接パラメータは、電力及び電力の導関数で構成される群から選択される、請求項４に記載のプロセス。
8. 前記調節するステップは、比例コントローラ、比例−積分コントローラ、比例−導関数コントローラ、比例−積分−導関数コントローラで構成される群から選択されるコントローラを用いる、請求項１乃至７のうちのいずれか１項に記載のプロセス。
9. 前記調節するステップは、比例−積分コントローラを用いる、請求項８に記載のプロセス。
10. 初期的な閾値が事前に定められ、新しい閾値が前記用いるステップに基づき動的に更新される、請求項１乃至９のうちのいずれか１項に記載のプロセス。
11. 前記調節するステップは、以下の論理、即ち、
    アーク再構築までの時間_{（ｄｅｔｅｃｔｅｄ）}＞アーク再構築までの時間_{（ｄｅｆｉｎｅｄ）}であるならば、閾検出値＝閾検出値＋Δであり、
    アーク再構築までの時間_{（ｄｅｔｅｃｔｅｄ）}＜アーク再構築までの時間_{（ｄｅｆｉｎｅｄ）}であるならば、閾検出値＝閾検出値−Δであり、
    アーク再構築までの時間_{（ｄｅｔｅｃｔｅｄ）}＝アーク再構築までの時間_{（ｄｅｆｉｎｅｄ）}であるならば、閾検出値＝閾検出値＋０である、
    という論理に従って調節され、
    ここで、
    アーク再構築までの時間_{（ｄｅｆｉｎｅｄ）}は、アーク再構築の前記検出のための時間のための所定の又は標的の値であり、
    アーク再構築までの時間_{（ｄｅｔｅｃｔｅｄ）}は、アークの再構築のための時間の実際の検出値であり、
    閾検出値＝前記閾検出のための設定地点であり、
    Δは、前記閾検出値のための調節値であり、
    前記調節される閾検出値を前記波形の次のサイクルのための新しい閾検出値として使用する、
    請求項１乃至１０のうちのいずれか１項に記載のプロセス。
12. 請求項１乃至１１のうちのいずれか１項に記載のプロセスを実行するよう構成される溶接電源。

Images