JP2021013929A - アーク溶接の品質管理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アーク溶接において、磁気吹き発生状態を自動的に記憶して、品質管理を効率化すること。【解決手段】溶接ワイヤ１を送給して溶接するアーク溶接の品質管理方法において、溶接電圧Ｖｗの上昇に基づいて溶接線上の磁気吹き発生位置を判別し、磁気吹き発生位置をワーク特定情報と対応付けて品質情報として記憶する。品質情報にビード良否情報を付加する。ワーク特定情報に対応した品質情報を表示する。溶接中に前記品質情報を参照して、現溶接位置が磁気吹き発生位置であることを報知する。本発明によれば、アーク溶接の磁気吹きの発生状態を自動的に記憶することができるので、品質管理を効率化することができる。【選択図】 図１

Description

本発明は、溶接ワイヤを送給して溶接するアーク溶接の品質管理方法に関するものである。

溶接ワイヤを送給して溶接するアーク溶接においては、アーク及びワーク（母材）を通電する溶接電流によってアーク周辺部に磁界が形成されて、この磁界からアークは力を受けて偏向する場合がある。このような状態を、一般的に磁気吹き又はアークブローと呼んでいる。磁気吹きが発生するかは、ワークに通電する溶接電流によって形成される磁界の形態によって決まる。溶接している部分がワークの端部から離れているときには、磁界は対称形状に形成されることが多いために、アークは磁界から偏った力を受けることがないので、磁気吹きは発生しにくい。他方、溶接している部分がワークの端部に近いときは、磁界は非対称形状に形成されるために、アークは磁界から偏った力を受けることになり、磁気吹きが発生しやすくなる。したがって、ワークの端部の近くとなることが多い溶接開始部分及び溶接終了部分では、磁気吹きが発生しやすい。但し、ワークの形状、ワークを固定する冶具の形状によっては、溶接途中においても磁気吹きは発生する場合がある。

一般的に、アーク溶接の中でもパルスアーク溶接は、磁気吹きが発生しやすい。これは、アーク長が比較的長くなるために、磁界から力を受けて偏向しやすいためである。さらに、パルスアーク溶接では、５０Ａ程度の小電流値のベース電流を通電する期間において、アークの硬直性が小さいために、磁界からの弱い力でも偏向しやすくなり、磁気吹きが発生しやすい。このために、以下の説明は、アーク溶接がパルスアーク溶接である場合を例として行う。

特許文献１では、溶接電圧の上昇に基づいて磁気吹きを判別し、磁気吹きを判別したときは溶接電流を増加させることによって、アークの硬直性を大きくして、アークの偏向を防止するものである。

特開２００４−２６８０８１号公報

従来技術の磁気吹き対策を行っても、磁気吹きによる溶接品質の悪化を完全に防止することは難しい。したがって、磁気吹きの発生状態、溶接品質の悪化等の情報を記録することは、アーク溶接の品質管理上重要である。

そこで、本発明では、磁気吹きの発生状態を自動的に記憶して、品質管理を効率化することができるアーク溶接の品質管理方法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、
溶接ワイヤを送給して溶接するアーク溶接の品質管理方法において、
溶接電圧の上昇に基づいて溶接線上の磁気吹き発生位置を判別し、
前記磁気吹き発生位置をワーク特定情報と対応付けて品質情報として記憶する、
ことを特徴とするアーク溶接の品質管理方法である。

請求項２の発明は、前記品質情報にビード良否情報を付加する、
ことを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接の品質管理方法である。

請求項３の発明は、前記ワーク特定情報に対応した前記品質情報を表示する、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のアーク溶接の品質管理方法である。

請求項４の発明は、溶接中に前記品質情報を参照して、現溶接位置が前記磁気吹き発生位置であることを報知する、
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の品質管理方法である。

本発明によれば、アーク溶接の磁気吹きの発生状態を自動的に記憶して、品質管理を効率化することができる。

本発明の実施の形態１に係るアーク溶接の品質管理方法を実施するための溶接装置のブロック図である。 磁気吹き発生の判別方法を説明するための波形図である。

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に係るアーク溶接の品質管理方法を実施するための溶接装置のブロック図である。溶接装置は、主に破線で囲まれた溶接電源ＰＳ、ロボット制御装置ＲＣ、ロボット（図示は省略）等から構成されている。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、以下の各ブロックから構成されている。但し、溶接ワイヤ１を送給制御するための回路については、省略している。

電源主回路ＭＣは、３相２００Ｖ等の交流商用電源（図示は省略）を入力として、後述する駆動信号Ｄｖに従ってインバータ制御等の出力制御を行い、溶接に適した溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力する。この電源主回路ＭＣは、図示は省略するが、交流商用電源を整流する１次整流回路、整流された直流を平滑するコンデンサ、平滑された直流を駆動信号Ｄｖに従って高周波交流に変換するインバータ回路、高周波交流を溶接に適した電圧値に降圧するインバータトランス、降圧された高周波交流を整流する２次整流回路を備えている。

リアクトルＷＬは、上記の電源主回路ＭＣの＋側出力と溶接トーチ４との間に挿入されており、電源主回路ＭＣの出力を平滑する。

溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給機（図示は省略）の送給ロール５の回転によって溶接トーチ４内を通って送給されて、ワーク２との間にアーク３が発生する。ワイヤ送給機及び溶接トーチ４は、ロボットに搭載されている。溶接トーチ４内の給電チップ（図示は省略）とワーク２との間に溶接電圧Ｖｗが印加され、溶接電流Ｉｗが通電する。

電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。電圧平均化回路ＶＡＶは、この電圧検出信号Ｖｄを平均化（ローパスフィルタを通す）して、電圧平均信号Ｖavを出力する。電圧設定回路ＶＲは、所望値の電圧設定信号Ｖｒを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の電圧設定信号Ｖｒ（＋）と上記の電圧平均信号Ｖav（−）との誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。

Ｖ／ＦコンバータＶＦは、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖに応じた周波数で短時間Ｈｉｇｈレベルになるトリガ信号であるパルス周期信号Ｔｆを出力する。このパルス周期信号Ｔｆが短時間Ｈｉｇｈレベルになる周期が１パルス周期となる。

立上り期間設定回路ＴＵＲは、予め定めた立上り期間設定信号Ｔurを出力する。ピーク期間設定回路ＴＰＲは、予め定めたピーク期間設定信号Ｔprを出力する。立下り期間設定回路ＴＫＲは、予め定めた立下り期間設定信号Ｔkrを出力する。

ピーク電流設定回路ＩＰＲは、予め定めたピーク電流設定信号Ｉprを出力する。ベース電流設定回路ＩＢＲは、予め定めたベース電流設定信号Ｉbrを出力する。

電流設定回路ＩＲは、上記のパルス周期信号Ｔｆ、上記の立上り期間設定信号Ｔur、上記のピーク期間設定信号Ｔpr、上記の立下り期間設定信号Ｔkr、上記のピーク電流設定信号Ｉpr及び上記のベース電流設定信号Ｉbrを入力として、パルス周期信号Ｔｆが短時間Ｈｉｇｈレベルに変化するごとに、以下の処理を行ない、電流設定信号Ｉｒを出力する。
１）立上り期間設定信号Ｔurによって定まる期間中は、ベース電流設定信号Ｉbrの値からピーク電流設定信号Ｉprの値へと上昇する電流設定信号Ｉｒを出力する。
２）続けて、ピーク期間設定信号Ｔprによって定まる期間中は、ピーク電流設定信号Ｉprを電流設定信号Ｉｒとして出力する。
３）続けて、立下り期間設定信号Ｔkrによって定まる期間中は、ピーク電流設定信号Ｉprの値からベース電流設定信号Ｉbrの値へと下降する電流設定信号Ｉｒを出力する。
４）続けて、パルス周期信号Ｔｆが再び短時間Ｈｉｇｈレベルになるまでの期間中は、ベース電流設定信号Ｉbrを電流設定信号Ｉｒとして出力する。

磁気吹き発生判別回路ＡＤは、上記の電流設定信号Ｉｒ、上記のベース電流設定信号Ｉbr、上記の電圧検出信号Ｖｄ及び上記のパルス周期信号Ｔｆを入力として、電流設定信号Ｉｒの値がベース電流設定信号Ｉbrの値と等しい期間（ベース期間Ｔｂ）のときの電圧検出信号Ｖｄの値が予め定めた基準電圧値Ｖｔ以上になるとＨｉｇｈレベルにセットされ、その後にパルス周期信号ＴｆがＨｉｇｈレベルになるとＬｏｗレベルにリセットされる磁気吹き発生判別信号Ａｄを出力する。

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。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流設定信号Ｉｒ（＋）と上記の電流検出信号Ｉｄ（−）との誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。駆動回路ＤＶは、この電流誤差増幅信号Ｅｉ及び後述するロボット制御装置ＲＣからの起動信号Ｏｎを入力として、起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベル（溶接開始）のときは電流誤差増幅信号Ｅｉに基いてＰＷＭ変調制御を行ない上記の電源主回路ＭＣ内のインバータ回路を駆動するための駆動信号Ｄｖを出力し、起動信号ＯｎがＬｏｗレベル（溶接停止）のときは駆動信号Ｄｖを出力しない。

ティーチペンダントＴＰは、ワーク特定情報、品質情報等の種々の情報をロボット制御装置ＲＣとの間で通信する。ワーク特定情報は、溶接対象のワークを特定する情報であり、例えば、W001、W002等である。品質情報は、ワークの溶接品質に関する情報であり、溶接線上の磁気吹き発生位置情報及びビード良否情報を含んでいる。

ロボット制御装置ＲＣは、上記のティーチペンダントＴＰとの間でワーク特定情報、品質情報等を通信すると共に、上記の磁気吹き発生判別信号Ａｄを入力として、以下の動作を行い、起動信号Ｏｎを出力する。
１）ワーク特定情報から作業プログラムを選択する。以下、ロボットに搭載された溶接トーチ４は、この作業プログラムに従って移動する。
２）溶接開始位置に溶接トーチ４を移動させた時点で起動信号ＯｎをＨｉｇｈレベルにして出力する。その後は、作業プログラムに従って溶接線に沿って溶接が行われる。
３）溶接中に、磁気吹き発生判別信号ＡｄがＨｉｇｈレベルとなったときは、その磁気吹き発生位置をワーク特定情報と対応付けて品質情報として記憶する。
４）溶接トーチ４を溶接終了位置Ｐｅまで移動させた時点で、起動信号ＯｎをＬｏｗレベルにして溶接を終了する。

図２は、磁気吹き発生の判別方法を説明するための波形図である。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は磁気吹き発生判別信号Ａｄの時間変化を示す。以下、同図を参照して動作について説明する。

時刻ｔ１〜ｔ２のパルス周期Ｔｆにおいて、立上り期間Ｔｕ中は、同図（Ａ）に示すように、ベース電流Ｉｂからピーク電流Ｉｐへと上昇する上昇遷移電流Ｉｕが通電し、同図（Ｂ）に示すように、ベース電圧Ｖｂからピーク電圧Ｖｐへと上昇する上昇遷移電圧が溶接ワイヤとワークとの間に印加する。続くピーク期間Ｔｐ中は、同図（Ａ）に示すように、溶接ワイヤから溶滴を移行させるために臨界値以上の大電流値のピーク電流Ｉｐが通電し、同図（Ｂ）に示すように、アーク長に比例したピーク電圧Ｖｐが印加する。続く立下り期間Ｔｋ中は、同図（Ａ）に示すように、ピーク電流Ｉｐからベース電流Ｉｂへと下降する下降遷移電流Ｉｋが通電し、同図（Ｂ）に示すように、ピーク電圧Ｖｐからベース電圧Ｖｂへと下降する下降遷移電圧が印加する。続くベース期間Ｔｂ中は、同図（Ａ）に示すように、溶滴を形成しないようにするために臨界値未満の小電流値のベース電流Ｉｂが通電し、同図（Ｂ）に示すように、アーク長に比例したベース電圧Ｖｂが印加する。アーク長は、ピーク期間Ｔｐ中は長くなり、ベース期間Ｔｂ中は短くなる。

上記の立上り期間Ｔｕ、ピーク期間Ｔｐ、立下り期間Ｔｋ、ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂは所定値に設定される。ベース期間Ｔｂ（パルス周期Ｔｆ）は溶接電圧Ｖｗの平均値が予め定めた電圧設定値と等しくなるようにフィードバック制御によって定まる。

ベース期間Ｔｂ中の時刻ｔ１１において、磁気吹きが発生してアークが偏向したためにアーク長が長くなり、同図（Ｂ）に示すように、ベース電圧Ｖｂが通常値から上昇して大きくなる。そして、時刻ｔ１２において、ベース電圧Ｖｂの値が、破線で示す予め定めた基準電圧値Ｖｔ以上になる。ベース電圧値Ｖｂが上記の基準電圧値Ｖｔ以上になったことを判別すると、同図（Ｃ）に示すように、磁気吹き発生判別信号ＡｄがＨｉｇｈレベルに変化する。この磁気吹き発生判別信号Ａｄは、次のパルス周期Ｔｆが開始される時刻ｔ２までＨｉｇｈレベルの状態を維持する。同図においては、磁気吹き発生判別信号ＡｄがＨｉｇｈレベルに変化してもベース電流Ｉｂは増加させずに通常値を維持しているが、アークの偏向を抑制するためにベース電流Ｉｂを増加させても良い。

以下、上述した図１及び図２を参照して、実施の形態１の発明における溶接の実施手順について説明する。
１）溶接作業者は、ティーチペンダントＴＰによって溶接対象のワーク２のワーク特定情報を選択する。これに応動して、ティーチペンダントＴＰは、ワーク特定情報に関連付けられてロボット制御装置ＲＣに記憶されている品質情報を表示する。
２）ロボット制御装置ＲＣは、ワーク特定情報に関連付けて記憶されている作業プログラムを実施する。
３）ロボットに搭載された溶接トーチ４が移動して溶接開始位置に到達すると、ロボット制御装置ＲＣは起動信号ＯｎをＨｉｇｈレベルにして溶接電源ＰＳに出力する。
４）溶接電源ＰＳが出力を開始してアーク３が発生し、溶接線に沿って溶接が開始される。
５）溶接中に、磁気吹き発生判別信号ＡｄがＨｉｇｈレベルになると、ロボット制御装置ＲＣは溶接線上の磁気吹き発生位置を、ワーク特定情報と対応させて品質情報として記憶する。
６）溶接トーチ４が溶接終了位置に到達すると、ロボット制御装置ＲＣは、起動信号ＯｎをＬｏｗレベルにして溶接電源ＰＳに出力する。これに応動して、溶接電源ＰＳは出力を停止し、溶接が終了する。
７）溶接作業者は、溶接ビードを観察して、ビード良否情報を上記の品質情報に付加する。
８）ワーク２が交換されると、ティーチペンダントＴＰに、ワーク特定情報に対応した品質情報が表示される。この品質情報には、溶接線上の磁気吹き発生位置及びこれまでのビード良否情報が表示される。
９）次回以降の溶接中において、前回までの品質情報を参照して、現溶接位置が磁気吹き発生位置であるときは、その旨をティーチペンダントＴＰ等から報知する。

次に、実施の形態１の発明の作用効果について説明する。
実施の形態１の発明によれば、溶接電圧の上昇に基づいて溶接線上の磁気吹き発生位置を判別し、磁気吹き発生位置をワーク特定情報と対応付けて品質情報として記憶する。これにより、実施の形態１の発明では、アーク溶接の磁気吹きの発生状態を自動的に記憶することができるので、品質管理を効率化することができる。

さらに、実施の形態１の発明によれば、品質情報にビード良否情報を付加する。これにより、実施の形態１の発明では、磁気吹き発生位置とビード要否情報とを関連付けて管理することができるので、品質管理をさらに効率化することができる。

さらに、実施の形態１の発明によれば、ワーク特定情報に対応した品質情報を表示する。これにより、実施の形態１の発明では、溶接を開始する前に、これまでの磁気吹き発生状態及びビード良否情報を確認することができる。このために、実施の形態１の発明では、溶接品質が良好になるように事前に対策することができる。

さらに、実施の形態１の発明によれば、溶接中に品質情報を参照して、現溶接位置が磁気吹き発生位置であることを報知する。これにより、実施の形態１の発明では、磁気吹きが発生しているときのアーク状態を容易に観察することができる。このために、実施の形態１の発明では、磁気吹き対策を効率よく行うことができる。

上述した実施の形態では、アーク溶接がパルスアーク溶接である場合について説明したが、消耗電極式アーク溶接全般に適用することができる。

1 溶接ワイヤ
2 ワーク
3 アーク
4 溶接トーチ
5 送給ロール
ＡＤ 磁器吹き発生判別回路
Ａｄ 磁気吹き発生判別信号
ＤＶ 駆動回路
Ｄｖ 駆動信号
ＥＩ 電流誤差増幅回路
Ｅｉ 電流誤差増幅信号
ＥＶ 電圧誤差増幅回路
Ｅｖ 電圧誤差増幅信号
Ｉｂ ベース電流
ＩＢＲ ベース電流設定回路
Ｉbr ベース電流設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｋ 下降遷移電流
Ｉｐ ピーク電流
ＩＰＲ ピーク電流設定回路
Ｉpr ピーク電流設定信号
ＩＲ 電流設定回路
Ｉｒ 電流設定信号
Ｉｕ 上昇遷移電流
Ｉｗ 溶接電流
ＭＣ 電源主回路
Ｏｎ 起動信号
ＰＳ 溶接電源
ＲＣ ロボット制御装置
Ｔｆ パルス周期（信号）
Ｔｋ 立下り期間
ＴＫＲ 立下り期間設定回路
Ｔkr 立下り期間設定信号
ＴＰ ティーチペンダント
Ｔｐ ピーク期間
ＴＰＲ ピーク期間設定回路
Ｔpr ピーク期間設定信号
Ｔｕ 立上り期間
ＴＵＲ 立上り期間設定回路
Ｔur 立上り期間設定信号
ＶＡＶ 電圧平均化回路
Ｖav 電圧平均信号
Ｖｂ ベース電圧
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖｐ ピーク電圧
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
Ｖｔ 基準電圧値
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＬ リアクトル

Claims (4)

1. 溶接ワイヤを送給して溶接するアーク溶接の品質管理方法において、
   溶接電圧の上昇に基づいて溶接線上の磁気吹き発生位置を判別し、
   前記磁気吹き発生位置をワーク特定情報と対応付けて品質情報として記憶する、
   ことを特徴とするアーク溶接の品質管理方法。
2. 前記品質情報にビード良否情報を付加する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接の品質管理方法。
3. 前記ワーク特定情報に対応した前記品質情報を表示する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のアーク溶接の品質管理方法。
4. 溶接中に前記品質情報を参照して、現溶接位置が前記磁気吹き発生位置であることを報知する、
   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の品質管理方法。

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