JP2022091176A - 消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、くびれ検出の精度を高める方法を提供する。【解決手段】短絡期間中にアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれを時刻ｔ２に検出してくびれ検出信号Ｎｄを出力し、くびれ検出信号Ｎｄが出力されると溶接電流Ｉｗを減少させてアークを再発生させる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、短絡期間の開始時点からくびれ検出信号Ｎｄが出力されるまでの経過時間の標準検出時間を設定し、短絡期間中の所定期間中の溶接電圧Ｖｗの標準波形を設定し、所定期間の溶接電圧Ｖｗの検出波形と標準波形との誤差が基準値以下であるときは、標準検出時間が経過した時点又はその時点から遅延検出時間が経過した時点でくびれ推定信号Ｎｓを出力し、くびれ検出信号Ｎｄ又はくびれ推定信号Ｎｓが出力されると溶接電流Ｉｗを減少させる。【選択図】図２

Description

本発明は、短絡期間中にアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれを検出して溶接電流を減少させる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法に関するものである。

溶接ワイヤと母材との間で短絡期間とアーク期間とを繰り返し、短絡期間中にアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれを検出し、くびれを検出すると溶接電流を減少させてアークを再発生させる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第５８５１７９８号公報

従来技術の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法においては、短絡期間中にくびれ検出制御によってアーク再発生時の溶接電流の値が小さくなるために、スパッタ発生量が非常に少なくなり、溶融池の振動が小さくなりビード外観が良好になる。しかし、溶滴に形成されたくびれの進行状態にはばらつきがあるために、一定程度の確率でくびれの検出に失敗する場合が生じる。

そこで、本発明では、くびれの検出精度を高めることができる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御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、
溶接ワイヤと母材との間で短絡期間とアーク期間とを繰り返し、前記短絡期間中にアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれを検出してくびれ検出信号を出力し、前記くびれ検出信号が出力されると溶接電流を減少させてアークを再発生させる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、
前記短絡期間の開始時点から前記くびれ検出信号が出力されるまでの経過時間の標準検出時間を設定し、前記短絡期間の開始時点から前記標準検出時間までの間の所定期間中の溶接電圧の標準波形を設定し、
前記所定期間の前記溶接電圧の検出波形と前記標準波形との誤差が基準値以下であるときは、前記標準検出時間が経過した時点又はその時点から遅延検出時間が経過した時点でくびれ推定信号を出力し、前記くびれ検出信号又は前記くびれ推定信号が出力されると前記溶接電流を減少させる、
ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。

請求項２の発明は、
前記標準検出時間を前記くびれ検出信号が出力されるまでの経過時間の平均値を算出して設定し、
前記標準波形を前記くびれ検出信号が出力されたときの前記所定期間中の前記溶接電圧の前記検出波形の平均値を算出して設定する、
ことを特徴とする請求項１に記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。

本発明によれば、消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、くびれの検出精度を高めることができる。

本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接電源のブロック図である。 本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を示す図１の溶接電源における各信号のタイミングチャートである。 短絡期間中にくびれ検出信号Ｎｄが出力されたときの溶接電圧Ｖｗ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。

図１は、本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接電源のブロック図である。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。

電源主回路ＰＭは、３相２００Ｖ等の商用電源（図示は省略）を入力として、後述する誤差増幅信号Ｅａに従ってインバータ制御等の出力制御を行い、溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力する。この電源主回路ＰＭは、図示は省略するが、商用電源を整流する１次整流器、整流された直流を平滑する平滑コンデンサ、平滑された直流を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高周波変圧器、降圧された高周波交流を直流に整流する２次整流器、整流された直流を平滑するリアクトル、誤差増幅信号Ｅａを入力としてパルス幅変調制御を行う変調回路、パルス幅変調制御信を入力としてインバータ回路のスイッチング素子を駆動するインバータ駆動回路を備えている。

減流抵抗器Ｒは、上記の電源主回路ＰＭと溶接トーチ４との間に挿入される。この減流抵抗器Ｒの値は、短絡負荷（０．０１～０．０３Ω程度）の５０倍以上大きな値（０．５～３Ω程度）に設定される。このために、くびれ検出制御によって減流抵抗器Ｒが通電路に挿入されると、溶接電源内の直流リアクトル及び外部ケーブルのリアクトルに蓄積されたエネルギーが急放電される。トランジスタＴＲは、減流抵抗器Ｒと並列に接続されて、後述する駆動信号Ｄｒに従ってオン又はオフ制御される。

溶接ワイヤ１は、送給機ＦＤによって溶接トーチ４内を送給されて、母材２との間にアーク３が発生する。溶接トーチ４内の給電チップ（図示は省略）と母材２との間には溶接電圧Ｖｗが印加し、溶接電流Ｉｗが通電する。

溶接電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｗを検出して、溶接電流検出信号Ｉｄを出力する。

溶接電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗを検出して、溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する。

短絡判別回路ＳＤは、上記の溶接電圧検出信号Ｖｄを入力として、この値が予め定めた短絡／アーク判別値Ｖta（１０Ｖ程度）未満であるときは短絡期間にあると判別してＨｉｇｈレベルとなり、以上のときはアーク期間にあると判別してＬｏｗレベルになる短絡判別信号Ｓｄを出力する。

くびれ検出基準値設定回路ＶＴＮは、予め定めたくびれ検出基準値信号Ｖtnを出力する。溶接法、送給速度、溶接ワイヤ１の材質、直径等の溶接条件に応じて、このくびれ検出基準値信号Ｖtnの値は適正値に設定される。

くびれ検出回路ＮＤは、上記のくびれ検出基準値信号Ｖtn、上記の短絡判別信号Ｓｄ、上記の溶接電圧検出信号Ｖｄ及び上記の溶接電流検出信号Ｉｄを入力として、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）であるときの溶接電圧検出信号Ｖｄの電圧上昇値がくびれ検出基準値信号Ｖtnの値に達した時点でくびれが形成されたと判別してＨｉｇｈレベルとなり、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）に変化した時点でＬｏｗレベルになるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。また、短絡期間中の溶接電圧検出信号Ｖｄの微分値がそれに対応したくびれ検出基準値信号Ｖtnの値に達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。さらに、溶接電圧検出信号Ｖｄの値を溶接電流検出信号Ｉｄの値で除算して溶滴の抵抗値を算出し、この抵抗値の微分値がそれに対応するくびれ検出基準値信号Ｖtnの値に達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。

標準検出時間設定回路ＴＳＲは、上記の短絡判別信号Ｓｄ、上記の溶接電圧検出信号Ｖｄ及び上記のくびれ検出信号Ｎｄを入力として、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡期間）に変化した時点からくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルに変化するまでの経過時間を検出し、経過時間の平均値を算出して標準検出時間設定信号Ｔsrを出力する。この設定は、後述するくびれ推定信号ＮｓはＨｉｇｈレベルとなることを禁止して、予備試験によって行う。

標準波形設定回路ＷＳＲは、上記の短絡判別信号Ｓｄ、上記の溶接電圧検出信号Ｖｄ、上記のくびれ検出信号Ｎｄ、上記の標準検出時間設定信号Ｔsr及び後述する期間信号Ｓｔを入力として、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルとなったときの予め定めた所定期間中の溶接電圧検出信号Ｖｄを予め定めたサンプリング周期（１０～１００μｓ程度）ごとに検出して記憶し、記憶された時系列データ（くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルとなった後のデータは除く）を対応する時点ごとに平均化して標準波形設定信号Ｗsrを出力する。この設定は、後述するくびれ推定信号ＮｓはＨｉｇｈレベルとなることを禁止して、予備試験によって行う。
上記の所定期間は、１）初期期間（期間信号Ｓｔ＝１）の開始時点から短絡期間の開始（短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル）から標準検出時間設定信号Ｔsrによって定まる標準検出時間Ｔｓが経過するまでの期間、２）電流上昇期間（期間信号Ｓｔ＝２）の開始時点から短絡期間の開始から標準検出時間Ｔｓが経過するまでの期間、３）短絡期間のピーク電流期間（期間信号Ｓｔ＝３）の開始時点から短絡期間の開始から標準検出時間Ｔｓが経過するまでの期間等である。

くびれ推定回路ＮＳは、上記の標準検出時間設定信号Ｔsr、上記の標準波形設定信号Ｗsr、上記の溶接電圧検出信号Ｖｄ、上記の短絡判別信号Ｓｄ及び後述する期間信号Ｓｔを入力として、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベルである短絡期間中の上記の所定期間における溶接電圧検出信号Ｖｄと標準波形設定信号Ｗsrによって設定された標準波形Ｗｓとの誤差が基準値以下であるときは、短絡期間の開始から標準検出時間設定信号Ｔsrによって設定された標準検出時間Ｔｓが経過した時点又はその時点から予め定めた遅延検出時間後にＨｉｇｈレベルとなり、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）に変化するとＬｏｗレベルに戻るくびれ推定信号Ｎｓを出力する。
溶接電圧検出信号Ｖｄと標準波形Ｗｓとの誤差は、所定期間開始時点から上記のサンプリング周期ごとに溶接電圧検出信号Ｖｄの値とその時点に対応する標準波形Ｗｓの値との誤差を積算して算出する。

くびれ信号生成回路ＮＡは、上記のくびれ検出信号Ｎｄ及び上記のくびれ推定信号Ｎｓを入力として、両信号の論理和を行い、くびれ信号Ｎａを出力する。これにより、くびれ検出信号Ｎｄ又はくびれ推定信号ＮｓがＨｉｇｈレベルに変化すると、くびれ信号ＮａがＨｉｇｈレベルとなり、くびれ検出制御を実施する。

低レベル電流設定回路ＩＬＲは、予め定めた低レベル電流設定信号Ｉlrを出力する。

電流比較回路ＣＭは、上記の低レベル電流設定信号Ｉlr及び上記の溶接電流検出信号Ｉｄを入力として、Ｉｄ＜ＩlrのときはＨｉｇｈレベルになり、Ｉｄ≧ＩlrのときはＬｏｗレベルになる電流比較信号Ｃｍを出力する。

駆動回路ＤＲは、上記の電流比較信号Ｃｍ及び上記のくびれ信号Ｎａを入力として、くびれ信号ＮａがＨｉｇｈレベルに変化するとＬｏｗレベルに変化し、その後に電流比較信号ＣｍがＨｉｇｈレベルに変化するとＨｉｇｈレベルに変化する駆動信号Ｄｒを上記のトランジスタＴＲのベース端子に出力する。したがって、この駆動信号Ｄｒはくびれ信号ＮａがＨｉｇｈレベルになるとＬｏｗレベルになり、トランジスタＴＲがオフ状態になり通電路に減流抵抗器Ｒが挿入されるので、短絡負荷を通電する溶接電流Ｉｗは急減する。そして、急減した溶接電流Ｉｗの値が低レベル電流設定信号Ｉlrの値まで減少すると、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになり、トランジスタＴＲがオン状態になるので、減流抵抗器Ｒは短絡されて通常の状態に戻る。この結果、溶接電流Ｉｗは、低レベル電流設定信号Ｉlrの値を維持する。

電流制御設定回路ＩＣＲは、上記の短絡判別信号Ｓｄ、上記の低レベル電流設定信号Ｉlr及び上記のくびれ信号Ｎａを入力として、以下の処理を行い、電流制御設定信号Ｉcr及び期間信号Ｓｔを出力する。
１）短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）に変化した時点から予め定めた初期期間中は、電流制御設定信号Ｉcrの値を予め定めた初期電流設定値とし、期間信号Ｓｔ＝１を出力する。
２）その後の電流上昇期間中は、電流制御設定信号Ｉcrの値を、上記の初期電流設定値から予め定めた短絡時傾斜で予め定めたピーク設定値まで上昇させ、期間信号Ｓｔ＝２を出力する。
３）その後のピーク電流期間中は、電流制御設定信号Ｉcrの値を上記のピーク設定値にいじし、期間信号Ｓｔ＝３を出力する。
４）くびれ信号ＮａがＨｉｇｈレベル（くびれ検出）に変化すると、電流制御設定信号Ｉcrの値を低レベル電流設定信号Ｉlrの値に切り換えて維持し、期間信号Ｓｔ＝４を出力する。
５）短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）に変化して予め定めた遅延期間Ｔｄが経過した時点から、電流制御設定信号Ｉcrを、予め定めたアーク時傾斜で予め定めた高レベル電流設定値まで上昇させ、その値を維持する。

電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の電流制御設定信号Ｉcr（＋）と上記の溶接電流検出信号Ｉｄ（－）との誤差を増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。

電圧設定回路ＶＲは、アーク期間中の溶接電圧を設定するための予め定めた電圧設定信号Ｖｒを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、この電圧設定信号Ｖｒ及び上記の溶接電圧検出信号Ｖｄを入力として、電圧設定信号Ｖｒ（＋）と溶接電圧検出信号Ｖｄ（－）との誤差を増幅して電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。

制御切換回路ＳＷは、上記の電流誤差増幅信号Ｅｉ、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖ及び上記の短絡判別信号Ｓｄを入力として、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡）に変化した時点から、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク期間）に変化して上記の遅延期間及び上記の高電流期間が経過した時点までの期間中は電流誤差増幅信号Ｅｉを誤差増幅信号Ｅａとして出力し、それ以外の期間中は電圧誤差増幅信号Ｅｖを誤差増幅信号Ｅａとして出力する。この回路により、短絡期間＋遅延期間Ｔｄ＋高電流期間中は定電流制御となり、それ以外のアーク期間中は定電圧制御となる。

送給速度設定回路ＦＲは、予め定めた送給速度設定信号Ｆｒを出力する。送給制御回路ＦＣは、この送給速度設定信号Ｆｒを入力として、この設定値に相当する送給速度で溶接ワイヤ１を送給するための送給制御信号Ｆｃを上記の送給機ＦＤに出力する。

図２は、本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を示す図１の溶接電源における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）はくびれ検出信号Ｎｄの時間変化を示し、同図（Ｄ）は駆動信号Ｄｒの時間変化を示し、同図（Ｅ）はくびれ推定信号Ｎｓの時間変化を示し、同図（Ｆ）はくびれ信号Ｎａの時間変化を示す。以下、同図を参照して各信号の動作について説明する。

同図において、時刻ｔ１～ｔ３の短絡期間中はくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルとなった場合であり、時刻ｔ５～ｔ７の短絡期間中はくびれ推定信号ＮｓがＨｉｇｈレベルとなった場合である。

（１）時刻ｔ１の短絡発生から時刻ｔ２のくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルとなるまでの動作
時刻ｔ１において溶接ワイヤ１が母材２と接触すると短絡期間になり、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖ程度の短絡電圧値に急減する。この溶接電圧Ｖｗが短絡／アーク判別値Ｖta未満になったことを判別して、図１の短絡判別信号ＳｄはＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化する。同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、時刻ｔ１においてアーク期間の溶接電流値から減少し、時刻ｔ１～ｔ１１の予め定めた初期期間中は予め定めた初期電流値となり、時刻ｔ１１～ｔ１２の電流上昇期間中は予め定めた短絡時傾斜で上昇し、時刻ｔ１２～ｔ２のピーク電流期間中は予め定めたピーク電流値となる。同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号Ｎｄは、後述する時刻ｔ２～ｔ３の期間はＨｉｇｈレベルとなり、それ以外の期間はＬｏｗレベルとなる。同図（Ｄ）に示すように、駆動信号Ｄｒは、後述する時刻ｔ２～ｔ２１の期間はＬｏｗレベルとなり、それ以外の期間はＨｉｇｈレベルとなる。したがって、同図において時刻ｔ２以前の期間中は、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルとなり、図２のトランジスタＴＲがオン状態となるので、減流抵抗器Ｒは短絡されて通常の消耗電極アーク溶接電源と同一の状態となる。例えば、上記の初期期間は１ms程度であり、初期電流値は５０Ａ程度であり、短絡時傾斜は４００Ａ／ms程度であり、ピーク値は４５０Ａ程度である。

同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、溶接電流Ｉｗがピーク電流値となる時刻ｔ１２あたりから上昇する。これは、溶滴にくびれが次第に形成されるためである。時刻ｔ１２からの期間がくびれを検出する期間となる。このくびれを検出する期間においては、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗはピーク値でほぼ一定値である。

（２）時刻ｔ２のくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルに変化した時点から時刻ｔ３のアーク再発生時点までの動作
時刻ｔ２において、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗが上昇して初期期間中の電圧値からの電圧上昇値ΔＶが予め定めたくびれ検出基準値Ｖtnと等しくなったことによってくびれを検出すると、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＨｉｇｈレベルに変化する。この結果、同図（Ｆ）に示すように、くびれ信号ＮａがＨｉｇｈレベルに変化する。この場合、同図（Ｅ）に示すように、くびれ推定信号ＮｓはＬｏｗレベルのままである。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＬｏｗレベルになるので、図１のトランジスタＴＲはオフ状態となり減流抵抗器Ｒが通電路に挿入される。このために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗはピーク電流値から急減する。そして、時刻ｔ２１において、溶接電流Ｉｗが低レベル電流設定信号Ｉlrで設定される低レベル電流値Ｉｌまで減少すると、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルに戻るので、図１のトランジスタＴＲはオン状態となり減流抵抗器Ｒは短絡される。この結果、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、時刻ｔ２１からアークが再発生する時刻ｔ３まで低レベル電流値Ｉｌを維持する。したがって、トランジスタＴＲは、時刻ｔ２にくびれ信号ＮａがＨｉｇｈレベルに変化してから時刻ｔ２１に溶接電流Ｉｗが低レベル電流値Ｉｌに減少するまでの期間のみオフ状態となる。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、溶接電流Ｉｗが小さくなるので時刻ｔ２から一旦減少した後に急上昇する。

（３）時刻ｔ３のアーク再発生から遅延期間Ｔｄが経過して時刻ｔ４の高電流期間が終了するまでの動作
時刻ｔ３においてアーク３が再発生すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗの値は短絡／アーク判別値Ｖta以上となる。時刻ｔ３～ｔ３１の期間が予め定めた遅延期間Ｔｄとなり、時刻ｔ３１～ｔ４の期間が予め定めた高電流期間となる。時刻ｔ３にアークが再発生してから遅延期間Ｔｄ及び高電流期間が経過する時刻ｔ４まで溶接電源は定電流制御されているので、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、時刻ｔ３～ｔ３１の遅延期間Ｔｄ中は低レベル電流値Ｉｌとなり、時刻ｔ３１からはアーク時傾斜で上昇し、高レベル電流値に達するとその値を時刻ｔ４まで維持する。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、時刻ｔ３～ｔ３１の遅延期間Ｔｄ中はアーク電圧値となり、時刻ｔ３１～ｔ４の高電流期間中はそれよりも大の高レベル電圧値となる。時刻ｔ３にアークが再発生するので、同図（Ｃ）に示すくびれ検出信号Ｎｄ及び同図（Ｆ）に示すくびれ信号ＮａはＬｏｗレベルに戻る。例えば、上記の遅延期間Ｔｄは1ms程度であり、上記のアーク時傾斜は３００Ａ／ms程度であり、上記の高レベル電流値は３５０Ａ程度であり、上記の高電流期間は２ms程度である。

（４）時刻ｔ４の高電流終了時点から時刻ｔ５の次の短絡発生までのアーク期間の動作
時刻ｔ４において高電流期間が終了すると、溶接電源は定電流制御から定電圧制御へと切り換えられる。このために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは高レベル電流値から次第に減少する。同様に、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは高レベル電圧値から次第に減少する。

時刻ｔ５の短絡発生から時刻ｔ６のくびれ推定信号ＮｓがＨｉｇｈレベルとなるまでの動作は、上述した時刻ｔ１～ｔ２と同様であるので説明は省略する。

（５）時刻ｔ６のくびれ推定信号ＮｓがＨｉｇｈレベルに変化した時点から時刻ｔ７のアーク再発生時点までの動作
時刻ｔ５において、短絡期間からの経過時間が図１の標準検出時間設定信号Ｔsrによって設定された標準検出時間Ｔｓに到達し、予め定めた所定期間における図１の溶接電圧検出信号Ｖｄと図１の標準波形設定信号Ｗsrによって設定された標準波形Ｗｓとの誤差が基準値以下であるので、同図（Ｅ）に示すように、くびれ推定信号ＮｓがＨｉｇｈレベルに変化する。この結果、同図（Ｆ）に示すように、くびれ信号ＮａがＨｉｇｈレベルに変化する。この場合、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルのままである。これ以降の動作は、上述した時刻ｔ２～ｔ３と同様であるので説明は省略する。時刻ｔ５からの短絡期間の場合、標準検出時間Ｔｓが経過した時刻ｔ６においても、溶接電圧Ｖｗの電圧上昇値ΔＶがくびれ検出基準値Ｖtnに達していない状態である。一方、所定期間における溶接電圧検出信号Ｖｄと標準波形Ｗｓとの誤差が基準値以下であるので、くびれは進行していると推定できる。したがって、この時点においてくびれ推定信号ＮｓをＨｉｇｈレベルにしてくびれ検出制御を動作させることによって、溶接電流Ｉｗの値が小さい状態でアークを再発生させることができる。このようにすることで、くびれ検出の精度を高めることができる。上記においては、くびれ推定信号Ｎｓが時刻ｔ５の標準検出時間Ｔｓの経過時点でＨｉｇｈレベルとなる場合について説明したが、その時点から予め定めた遅延検出時間が経過した時点でＨｉｇｈレベルとなるようにしても良い。この遅延検出時間を調整することによってくびれ検出の精度をさらに高めることができる。例えば、上記の標準検出時間Ｔｓは３．５ms程度であり、遅延検出時間は０．５ms程度である。

上記の所定期間は、例えば、以下のように設定される。
１）初期期間の開始時点から短絡期間の開始から標準検出時間Ｔｓが経過するまでの期間
２）電流上昇期間の開始時点から短絡期間の開始から標準検出時間Ｔｓが経過するまでの期間
３）短絡期間のピーク電流期間の開始時点から短絡期間の開始から標準検出時間Ｔｓが経過するまでの期間

溶接電圧検出信号Ｖｄと標準波形Ｗｓとの誤差は、所定期間開始時点から予め定めたサンプリング周期（１０～１００μｓ程度）ごとに溶接電圧検出信号Ｖｄの値とその時点に対応する標準波形Ｗｓの値との誤差を積算して算出する。

図３は、短絡期間中にくびれ検出信号Ｎｄが出力されたときの溶接電圧Ｖｗの波形図である。以下、同図を参照して、標準波形の設定方法及び溶接電圧Ｖｗの検出波形との誤差を算出する方法について説明する。

同図において、時刻ｔ１に短絡が発生し、時刻ｔ５においてアークが再発生している。時刻ｔ１～ｔ２の期間が初期期間となり、時刻ｔ２～ｔ３の期間が電流上昇期間となり、時刻ｔ３～ｔ４の期間がピーク電流期間となる。時刻ｔ４において、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルとなる。時刻ｔ１に短絡が発生すると、同図に示すように、溶接電圧Ｖｗは数十Ｖのアーク電圧値から急峻に下降して数Ｖの短絡電圧値となる。時刻ｔ１～ｔ２の初期期間中は、溶接電流Ｉｗは５０Ａ程度の小電流値となる。これに応じて、同図に示すように、溶接電圧Ｖｗは最も小さな値の短絡電圧値となる。時刻ｔ２～ｔ３の電流上昇期間中は、溶接電流Ｉｗは５０Ａから４５０Ａへと上昇する。これに応じて、同図に示すように、溶接電圧Ｖｗも上昇する。時刻ｔ３～ｔ４のピーク電流期間中は、溶接電流Ｉｗは４５０Ａのピーク電流値となる。同図に示すように、溶接電圧Ｖｗは、溶滴のくびれが進行するのに伴い次第に上昇する。時刻ｔ４において、初期期間からの電圧上昇値がくびれ検出基準値に達したために、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルとなる。このために、溶接電流Ｉｗは急峻に下降して５０Ａ程度となる。これに応じて、同図に示すように、溶接電圧Ｖｗは急峻に下降して小さな値となる。時刻ｔ５においてアークが再発生すると、同図に示すように、溶接電圧Ｖｗは急峻に上昇してアーク電圧値となる。

以下、標準検出時間Ｔｓの設定方法を説明する。短絡期間の開始時点ｔ１からくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルに変化した時点ｔ４までの経過時間を検出する。溶接開始からの検出された経過時間の平均値を算出して標準検出時間Ｔｓを設定する。

次に、標準波形Ｗｓの設定方法を説明する。例えば、標準検出時間Ｔｓ＝３．５ms、サンプリング周期＝０．１ms、初期期間＝１ms、電流上昇期間＝１ms、所定期間をピーク電流期間の開始時点ｔ３から標準検出時間Ｔｓが経過するまでの期間とする。
同図において、第ｎ回目のくびれ検出信号Ｎｄが出力された短絡期間であり、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルとなるまでの経過時間（時刻ｔ１～ｔ４の期間）が３．７msであるとする。時刻ｔ３～ｔ４の１．７msの期間中の溶接電圧検出信号Ｖｄのサンプリング値は以下のようになる。
Ｖｄ(ｎ，０)…Ｖｄ(ｎ，17)
ここで、標準検出時間Ｔｓ＝３．５msであるので、初期期間及び電流上昇期間を除いたＶｄ(ｎ，０)～Ｖｄ(ｎ，１５)が記憶される。そして、標準波形Ｗｓは、以下のようにして設定される。
Ｖｄ(０)の標準値＝Ｖｄ(１，０)～Ｖｄ(ｎ，０)の平均値
…
Ｖｄ(１５)の標準値＝Ｖｄ(１，１５)～Ｖｄ(ｎ，１５)の平均値
この結果、標準波形Ｗｓは、Ｖｄ(０)の標準値～Ｖｄ(１５)の標準値の１６点の時系列データから形成されることになる。

次に、標準波形Ｗｓと溶接電圧検出信号Ｖｄとの誤差の算出方法を説明する。ｍ回目の短絡期間において、所定期間中の溶接電圧検出信号Ｖｄのサンプリング値は以下のようになる。
Ｖｄ(ｍ，０)…Ｖｄ(ｎ，１５)
そして、サンプリングごとの誤差は以下のようになる。
Ｖｄ(０)の誤差＝｜Ｖｄ(ｍ，０)－Ｖｄ(０)の標準値｜
…
Ｖｄ(１５)の誤差＝｜Ｖｄ(ｍ，１５)－Ｖｄ(１５)の標準値｜
この結果、誤差＝Ｖｄ(０)の誤差＋…＋Ｖｄ(１５) の誤差として算出される。

上述した実施の形態によれば、短絡期間の開始時点からくびれ検出信号が出力されるまでの経過時間の標準検出時間を設定し、短絡期間の開始時点から標準検出時間までの間の所定期間中の溶接電圧の標準波形を設定し、所定期間の溶接電圧の検出波形と標準波形との誤差が基準値以下であるときは、標準検出時間が経過した時点又はその時点から遅延検出時間が経過した時点でくびれ推定信号を出力し、くびれ検出信号又はくびれ推定信号が出力されると溶接電流を減少させる。標準検出時間が経過した時点においても、溶接電圧の電圧上昇値がくびれ検出基準値に達していない状態において、所定期間における溶接電圧検出信号と標準波形との誤差が基準値以下であるときはくびれは進行していると推定できる。したがって、この時点においてくびれ推定信号をＨｉｇｈレベルにしてくびれ検出制御を動作させることによって、溶接電流の値が小さい状態でアークを再発生させることができる。このようにすることで、くびれ検出の精度を高めることができる。また、遅延検出時間を設け、溶接条件に応じて調整することによって、くびれ検出の精度をさらに高めることができる。

さらに、本実施の形態によれば、標準検出時間をくびれ検出信号が出力されるまでの経過時間の平均値を算出して設定し、標準波形をくびれ検出信号が出力されたときの所定期間中の溶接電圧の検出波形の平均値を算出して設定する。このようにすると、標準検出時間及び標準波形を自動的に適正値に設定することができる。このために、本実施の形態では、設定の手間を省くことができ、種々の溶接条件に応じた適正値に設定されるので、くびれ検出の精度をさらに高めることができる。

1 溶接ワイヤ
2 母材
3 アーク
4 溶接トーチ
ＣＭ 電流比較回路
Ｃｍ 電流比較信号
ＤＲ 駆動回路
Ｄｒ 駆動信号
Ｅａ 誤差増幅信号
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
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＦＤ 送給機
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
ＩＣＲ 電流制御設定回路
Ｉcr 電流制御設定信号
ＩＤ 溶接電流検出回路
Ｉｄ 溶接電流検出信号
Ｉｌ 低レベル電流値
ＩＬＲ 低レベル電流設定回路
Ｉlr 低レベル電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＮＡ くびれ信号生成回路
Ｎａ くびれ信号
ＮＤ くびれ検出回路
Ｎｄ くびれ検出信号
ＮＳ くびれ推定回路
Ｎｓ くびれ推定信号
ＰＭ 電源主回路
Ｒ 減流抵抗器
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
Ｓｔ 期間信号
ＳＷ 制御切換回路
Ｔｄ 遅延期間
ＴＲ トランジスタ
Ｔｓ 標準検出時間
ＴＳＲ 標準検出時間設定回路
Ｔsr 標準検出時間設定信号
ＶＤ 溶接電圧検出回路
Ｖｄ 溶接電圧検出信号
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
Ｖta 短絡／アーク判別値
ＶＴＮ くびれ検出基準値設定回路
Ｖtn くびれ検出基準値（信号）
Ｖｗ 溶接電圧
Ｗｓ 標準波形
ＷＳＲ 標準波形設定回路
Ｗsr 標準波形設定信号
ΔＶ 電圧上昇値

Claims (2)

1. 溶接ワイヤと母材との間で短絡期間とアーク期間とを繰り返し、前記短絡期間中にアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれを検出してくびれ検出信号を出力し、前記くびれ検出信号が出力されると溶接電流を減少させてアークを再発生させる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、
   前記短絡期間の開始時点から前記くびれ検出信号が出力されるまでの経過時間の標準検出時間を設定し、前記短絡期間の開始時点から前記標準検出時間までの間の所定期間中の溶接電圧の標準波形を設定し、
   前記所定期間の前記溶接電圧の検出波形と前記標準波形との誤差が基準値以下であるときは、前記標準検出時間が経過した時点又はその時点から遅延検出時間が経過した時点でくびれ推定信号を出力し、前記くびれ検出信号又は前記くびれ推定信号が出力されると前記溶接電流を減少させる、
   ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
2. 前記標準検出時間を前記くびれ検出信号が出力されるまでの経過時間の平均値を算出して設定し、
   前記標準波形を前記くびれ検出信号が出力されたときの前記所定期間中の前記溶接電圧の前記検出波形の平均値を算出して設定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。

Images