JP2024069804A - パルスアーク溶接の溶接品質判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パルスアーク溶接において、溶接品質を高精度かつ短時間に自動的に判定すること。【解決手段】溶接ワイヤを送給（Ｆｗ）し、ピーク期間Ｔｐ中のピーク電流Ｉｐ及びベース期間Ｔｂ中のベース電流Ｉｂの通電を１パルス周期として繰り返し、溶接電圧Ｖｗの平均値が溶接電圧設定値と等しくなるようにパルス周期をフィードバック制御して溶接するパルスアーク溶接の溶接品質判定方法において、時刻ｔ１～ｔ２のパルス周期の変動に送還する指標に基づいて溶接品質の判定を行う。上記の指標は、パルス周期が予め定めた変動範囲外の値となった回数である。【選択図】 図２

Description

本発明は、パルスアーク溶接の溶接品質判定方法に関するものである。

溶接ワイヤを送給して行う消耗電極式パルスアーク溶接は、鉄鋼等の溶接に広く使用されている。このパルスアーク溶接では、溶接ワイヤを送給し、ピーク期間中はピーク電流を通電し、ベース期間中はベース電流を通電し、これらの溶接電流の通電を１パルス周期として繰り返して溶接が行われる。また、溶接電圧の平均値が溶接電圧設定値と等しくなるように溶接電流のパルス周期をフィードバック制御することによってアーク長を適正値に維持している。パルスアーク溶接では、１パルス周期１溶滴移行状態となるので、溶滴移行状態が安定しているために、スパッタの発生が少なく、美しいビード外観を得ることができる（例えば、特許文献１参照）。

パルスアーク溶接を含む消耗電極式アーク溶接においては、溶接中のアーク長を適正値に維持することが、良好な溶接品質を得るために重要である。溶接電圧の平均値はアーク長と比例関係にある。そこで、パルスアーク溶接では、溶接ワイヤを定速送給し、溶接電圧の平均値が予め定めた溶接電圧設定値と等しくなるようにパルス周期をフィードバック制御することによってアーク長が適正値になるように制御している。

特開２０１４－２２６６７７号公報

パルスアーク溶接による溶接施工においては、溶接終了後に溶接作業者がビード外観を目視にて観察して溶接品質の良否の判定を行うことが多い。しかし、この方法では、溶接作業者の技能によって判定結果にばらつきが生じる。さらには、目視による判定には時間がかかり、作業効率が低下する。

そこで、本発明では、溶接品質を高精度かつ短時間に自動的に判定することができるパルスアーク溶接の溶接品質判定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、ピーク期間中のピーク電流及びベース期間中のベース電流の通電を１パルス周期として繰り返し、
溶接電圧の平均値が溶接電圧設定値と等しくなるように前記パルス周期をフィードバック制御して溶接するパルスアーク溶接の溶接品質判定方法において、
前記パルス周期の変動に送還する指標に基づいて溶接品質の判定を行う、
ことを特徴とするパルスアーク溶接の溶接品質判定方法である。

請求項２の発明は、
前記指標は、前記パルス周期が予め定めた変動範囲外の値となった回数である、
ことを特徴とする請求項１に記載のパルスアーク溶接の溶接品質判定方法である。

請求項３の発明は、
前記指標は、前記パルス周期の標準偏差である、
ことを特徴とする請求項１に記載のパルスアーク溶接の溶接品質判定方法である。

請求項４の発明は、
前記指標に基づいてアラームを報知する、
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のパルスアーク溶接の溶接品質判定方法である。

本発明のパルスアーク溶接の溶接品質判定方法によれば、溶接品質を高精度かつ短時間に自動的に判定することができる。

本発明の実施の形態に係るパルスアーク溶接の溶接品質判定方法を実施するための溶接装置のブロック図である。 本発明の実施の形態に係るパルスアーク溶接の溶接品質判定方法を示す図１の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。

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パルスアーク溶接の溶接品質判定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。

電力制御回路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。この電力制御回路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、上記の電力制御回路ＭＣの＋側出力と溶接トーチ４との間に挿入されており、電力制御回路ＭＣの出力を平滑する。

送給モータＷＭは、後述する送給制御信号Ｆｃによって回転駆動される。溶接ワイヤ１は、上記の送給モータＷＭに結合された送給ロール５の回転によって溶接トーチ４内を通って送給速度Ｆｗで送給されて、母材２との間にアーク３が発生する。送給モータＷＭ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）と母材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。

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。溶接電圧平均化回路ＶＡＶは、この溶接電圧検出信号Ｖｄを平均化（ローパスフィルタを通す）して、溶接電圧平均値信号Ｖavを出力する。溶接電圧設定回路ＶＲは、予め定めた溶接電圧設定信号Ｖｒを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の溶接電圧設定信号Ｖｒ（＋）と上記の溶接電圧平均値信号Ｖav（－）との誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。

電圧フィードバック制御回路ＶＦは、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖを入力として、電圧誤差増幅信号Ｅｖに基づいて電圧／周波数変換を行い、パルス周期ごとに短時間Ｈｉｇｈレベルとなるパルス周期信号Ｔｆ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。

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。

溶接電流設定回路ＩＲは、上記のパルス周期信号Ｔｆ、上記のピーク期間設定信号Ｔpr、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、溶接電流設定信号Ｉｒを出力する。
１）パルス周期信号Ｔｆが短時間Ｈｉｇｈレベルに変化した時点から、ピーク期間設定信号Ｔprによって定まるピーク期間Ｔｐ中は、ピーク電流設定信号Ｉprを溶接電流設定信号Ｉｒとして出力する。
２）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ベース期間Ｔｂ中は、ベース電流設定信号Ｉbrを溶接電流設定信号Ｉｒとして出力する。

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。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記の溶接電流設定信号Ｉｒ（＋）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。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力制御回路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。

送給制御回路ＦＣは、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）のときは溶接ワイヤ１を予め定めた送給速度で送給するための送給制御信号Ｆｃを上記の送給モータＷＭに出力し、起動信号ＯｎがＬｏｗレベルのときは送給を停止するための送給制御信号Ｆｃを上記の送給モータＷＭに出力する。

ロボット制御装置ＲＣは、予め教示された作業プログラムに従ってロボット（図示は省略）を移動させると共に、溶接開始又は溶接停止を指令する起動信号Ｏｎを出力する。

パルス周期変動指標算出回路ＦＤは、上記の起動信号Ｏｎ及び上記のパルス周期信号Ｔｆを入力として、起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベル（溶接中）であるときに以下の１）又は２）の処理を行い、パルス周期変動指標信号Ｆｄを出力する。但し、溶接開始直後及び溶接終了直前の１～２秒程度は溶接状態が過渡状態にあるので、これらの期間中はパルス周期変動指標信号Ｆｄの値の出力を停止しても良い。
１）溶接中又は単位時間当たりのパルス周期信号Ｔｆの時間長さが予め定めた変動範囲外となった回数をパルス周期変動指標信号Ｆｄとして出力する。「安定した溶接状態のときは上記の変動範囲はパルス周期信号Ｔｆの平均値から±５％程度となる。変動範囲は溶接条件に応じて任意の値に設定することができる。例えば、変動範囲はパルス周期信号Ｔｆの平均値から±１０％の範囲とする。
２）溶接中又は単位時間当たりのパルス周期信号Ｔｆの時間長さの標準偏差を算出してパルス周期変動指標信号Ｆｄとして出力する。

報知回路ＡＣは、上記のパルス周期変動指標信号Ｆｄを入力として、この値が予め定めた基準値以上であるときは溶接品質に問題があると判定して、表示、音、光等でアラームを報知する。基準値は、予め実験によって、溶接品質の良否を観察して設定する。
報知は、溶接中の所定周期ごとに行っても良いし、溶接終了後に行っても良い。

図２は、本発明の実施の形態に係るパルスアーク溶接の溶接品質判定方法を示す図１の溶接装置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）は溶接ワイヤの送給速度Ｆｗ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。

時刻ｔ１～ｔ２のパルス周期Ｔｆにおいて、同図（Ｃ）に示すように、送給速度Ｆｗは一定値となり、溶接ワイヤは定速送給されている。予め定めたピーク期間Ｔｐ中は、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、予め定めたベース電流Ｉｂから予め定めたピーク電流Ｉｐへと傾斜を有して上昇し、ピーク電流Ｉｐに達するとその値を維持する。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、ベース電圧Ｖｂからピーク電圧Ｖｐへと傾斜を有して上昇し、ピーク電圧Ｖｐに達するとその値を維持する。続けて、フィードバック制御によって定まるベース期間Ｔｂ中は、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、ピーク電流Ｉｐからベース電流Ｉｂへと傾斜を有して下降し、ベース電流Ｉｂに達するとその値を維持する。同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは、ピーク電圧Ｖｐからベース電圧Ｖｂへと傾斜を有して下降し、ベース電圧Ｖｂに達するとその値を維持する。ピーク電流Ｉｐは、溶滴移行がスプレー移行状態となるように、臨界電流値以上の大電流値に設定される。ベース電流Ｉｂは溶接ワイヤがほとんど溶融しないように、臨界電流値未満の小電流値に設定される。ピーク電流Ｉｐ及びピーク期間Ｔｐは１パルス周期中に一つの溶滴が移行する１パルス周期１溶滴移行状態となるように設定される。例えば、Ｉｐ＝５００Ａ、Ｉｂ＝５０Ａ、Ｔｐ＝１．７msに設定される。上記の溶接電流Ｉｗが上昇又は下降するときの傾斜期間は、溶接電流Ｉｗの通電路のインダクタンス値及び抵抗値によって定まる値となり、例えば０．５msとなる。この傾斜期間を所望値に制御する場合もあり、その場合には１ms程度となる。

時刻ｔ２～ｔ３のパルス周期Ｔｆにおいて、溶接電流Ｉｗ、溶接電圧Ｖｗ及び送給速度Ｆｗの波形は、前周期と同一である。但し、パルス周期Ｔｆの時間長さが異なっている。これは、図１の溶接電圧平均値信号Ｖavの値が予め定めた図１の溶接電圧設定信号Ｖｒの値と等しくなるようにパルス周期Ｔｆがフィードバック制御（変調制御）されるからである。この制御によってアーク長が適正長さになるように制御している。したがって、パルス周期Ｔｆの時間長さは刻々と変動する。溶接状態が安定しているときはパルス周期Ｔｆの変動は小さくなる。一方、溶接状態が不安定のときはパルス周期Ｔｆの変動は大きくなる。したがって、パルス周期Ｔｆの変動に送還する指標を算出し、この指標に基づいて、溶接品質を判定することができる。指標は、図１のパルス周期変動指標算出回路Ｆｄによって、以下の１）又は２）として算出される。但し、溶接開始直後及び溶接終了直前の１～２秒程度は溶接状態が過渡状態にあるのでこれらの期間中はパルス周期変動指標信号Ｆｄの値の出力を停止しても良い。
１）溶接中又は単位時間当たりのパルス周期Ｔｆの時間長さが予め定めた変動範囲外となった回数をパルス周期変動指標信号Ｆｄとして出力する。安定した溶接状態のときはパルス周期Ｔｆの変動は平均値から±５％程度となる。したがって、例えば、上記の変動範囲を平均値から±１０％の範囲に設定する。例えば、単位時間は１秒に設定する。変動範囲は溶接条件に応じて任意の値に設定することができる。
２）溶接中又は単位時間当たりのパルス周期Ｔｆの時間長さの標準偏差を算出してパルス周期変動指標信号Ｆｄとして出力する。

さらに、図１の警報回路ＡＣによって、溶接品質の良否を報知する。すなわち、パルス周期変動指標信号Ｆｄの値が、予め定めた基準値以上であるときは溶接品質に問題があると判定して、表示、音、光等でアラームを報知する。基準値は、予め実験によって、溶接品質の良否を観察して設定する。報知は、溶接中の所定周期ごとに行っても良いし、溶接終了後に行っても良い。

上述した本実施の形態によれば、パルス周期の変動に送還する指標に基づいて溶接品質の判定を行うので、溶接品質を高精度かつ短時間に自動的に判定することができる。

１ 溶接ワイヤ
２ 母材
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
ＡＣ 警報回路
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
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＦＤ パルス周期変動指標算出回路
Ｆｄ パルス周期変動指標信号
Ｆｗ 送給速度
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 溶接電流検出回路
Ｉｄ 溶接電流検出信号
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 溶接電流設定回路
Ｉｒ 溶接電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＭＣ 電力制御回路
Ｏｎ 起動信号
ＰＳ 溶接電源
ＲＣ ロボット制御装置
Ｔｂ ベース期間
Ｔｆ パルス周期（信号）
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
ＶＡＶ 溶接電圧平均化回路
Ｖav 溶接電圧平均値信号
Ｖｂ ベース電圧
ＶＤ 溶接電圧検出回路
Ｖｄ 溶接電圧検出信号
ＶＦ 電圧フィードバック制御回路
Ｖｐ ピーク電圧
ＶＲ 溶接電圧設定回路
Ｖｒ 溶接電圧設定信号
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＬ リアクトル
ＷＭ 送給モータ

Claims (4)

1. 溶接ワイヤを送給し、ピーク期間中のピーク電流及びベース期間中のベース電流の通電を１パルス周期として繰り返し、
   溶接電圧の平均値が溶接電圧設定値と等しくなるように前記パルス周期をフィードバック制御して溶接するパルスアーク溶接の溶接品質判定方法において、
   前記パルス周期の変動に送還する指標に基づいて溶接品質の判定を行う、
   ことを特徴とするパルスアーク溶接の溶接品質判定方法。
2. 前記指標は、前記パルス周期が予め定めた変動範囲外の値となった回数である、
   ことを特徴とする請求項１に記載のパルスアーク溶接の溶接品質判定方法。
3. 前記指標は、前記パルス周期の標準偏差である、
   ことを特徴とする請求項１に記載のパルスアーク溶接の溶接品質判定方法。
4. 前記指標に基づいてアラームを報知する、
   ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のパルスアーク溶接の溶接品質判定方法。

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