JP2705553B2 - アーク電圧の自動設定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、消耗電極式回転アーク
溶接におけるアーク電圧の自動設定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】消耗電極式アーク溶接法では、通常、溶
接電源に対するアーク電圧指令値は、オペレータが最初
に溶接条件設定を行えば、その後は溶接電流を変えない
限りそのままの設定で溶接を行っている。しかし、実際
の溶接では、 ・ワークの寸法やアークの発生位置、さらにはパワーケ
ーブルの状態による溶接アーク以外での電圧変動、 ・ワイヤ送給系の状態変化によるワイヤ送給速度の変
動、 ・トーチと被溶接材との距離の変動等により溶接アーク
長が変動し、溶接品質が安定に確保できないという問題
があった。したがって、これらの外乱に対して溶接アー
ク長を一定に保つことにより、溶接品質を安定に確保す
ることを目的に以下のような技術が提案されている。例
えば特開昭４９−１６６５１号公報では、短絡移行アー
ク溶接装置において、単位時間当たりの短絡回数、また
は短絡時間率を所定の値に保つことにより、溶接電源に
対するアーク電圧指令値を制御する方法が提案されてい
る。

【０００３】上記技術は短絡移行アーク溶接だけでな
く、オープンアーク溶接においても基本的には適用可能
である。短絡移行アーク溶接では、溶滴と溶融池との短
絡により溶融した溶接電極すなわち溶滴は溶接ワイヤか
ら溶融池に移行する。これに対して、オープンアーク溶
接での溶滴の移行は、基本的には溶融池との短絡により
行われず、ワイヤ先端から溶滴は離脱・落下して溶融池
に移行する。ただし、オープンアーク溶接でも通常の溶
接条件では溶接電極先端の溶滴と溶融池との短絡は発生
しているが、その短絡時間は短絡移行アーク溶接に比べ
て大幅に短く、短絡の現象自体も短絡移行アーク溶接と
は異なり、それ自体が不安定現象であり、上述の外乱の
影響を受けやすくなる。そのため、オープンアーク溶接
ではアーク電圧の自動設定機能の精度・性能に問題があ
った。

【０００４】図８は従来のアークを回転しない場合の溶
接部の模式図である。図において、１ａは溶接トーチの
コンタクトチップ、２は消耗電極（溶接ワイヤ）、３は
被溶接材、４はアーク、５は溶融池、６は溶接ビードで
ある。従来の場合、図８のようにアーク４を回転させず
に溶接を行っている。そのため、アーク直下の溶融池５
が深く掘り下げられる傾向にあり、アーク４と溶融池５
との距離が長くなる。したがって、オープンアーク溶接
において、アークを回転しない場合の短絡はそれ自体が
不安定現象であることに加えて、アーク４と溶融池５と
の距離が長いため、適正アーク長における短絡回数また
は短絡時間率は外乱の影響を受けやすいものとなる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な問題を解決するためのなされたもので、消耗電極式高
速回転アーク溶接とすることにより、適正アーク長にお
ける短絡回数または短絡時間率を外乱の影響を受けにく
くし、オープンアーク溶接・短絡移行アーク溶接に拘ら
ず、アーク電圧の自動設定機能の信頼性を高めることを
目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係るアーク電圧
の自動設定方法は、消耗電極式高速回転アーク溶接にお
いて、アークセンサによる溶接線自動倣いを行いなが
ら、アークの回転位置の溶接進行方向に対し後方点を中
心に所定の角度範囲において前記消耗電極と被溶接材と
の間の短絡の発生または短絡時間を検出し、単位時間当
たり、あるいはアークの単位回転数当たりの短絡回数ま
たは短絡時間率を求め、求められた短絡回数または短絡
時間率があらかじめ設定された基準値と一致するよう
に、溶接電源に対するアーク電圧指令値を制御すること
を特徴とするものである。

【０００７】

【作用】アーク電圧Ｅと短絡回数Ｎs または短絡時間率
Ｔs との関係は図１のようになる。（ａ）は横軸をアー
ク電圧Ｅ，縦軸を短絡回数Ｎs として表わしたものであ
り、（ｂ）は横軸をアーク電圧Ｅ，縦軸を短絡時間率Ｔ
s として表わしたものである。図１（ａ）に示す短絡回
数曲線Ｐは、短絡が発生しない限界のアーク電圧値Ｅ1
以下の０＜Ｅ≦Ｅ1 において極大値をもつ曲線であり、
適正短絡回数Ｎs0に対応する適正アーク電圧値Ｅ0 が存
在する。また、図１（ｂ）の短絡時間率曲線Ｑは０＜Ｅ
≦Ｅ1 において漸減曲線となり、同様に適正短絡時間率
Ｔs0に対応する適正アーク電圧値Ｅ0 が存在する。

【０００８】高速回転アーク溶接では、通常１０Ｈｚ以
上の回転数でアークを高速回転させており、アーク電圧
が低い領域では、図１から明らかなように短絡が頻繁に
発生し、また短絡時間が長くなって短絡時間率も高い値
を示す。したがって、アーク電圧が低い状態では、スパ
ッタの発生が多く、また溶接ビードも凸型になりやす
く、逆にアーク電圧が高い状態（短絡が少ない場合）で
は、アーク長が長く、アンダーカットが発生しやすいた
め、溶接ビード形状やスパッタの発生量を最適に保つた
めには、溶接電源により与えられる消耗電極と被溶接材
間のアーク電圧を常に適正値に保つ必要がある。この適
正アーク電圧値Ｅ0 を与える指標が上記の適正短絡時間
率Ｔs0または適正短絡時間率Ｔs0である。本発明は、常
にこの適正短絡回数Ｎs0または適正短絡時間率Ｔs0とな
るように、溶接電源により与えられる消耗電極と被溶接
材間のアーク電圧を自動的に制御しようとするものであ
る。

【０００９】そこで本発明では、アークを高速回転し、
かつアークセンサにより溶接線自動倣いを行いながら、
アーク回転位置の溶接進行方向に対し後方点Ｃr を中心
に所定の角度（５°≦φ≦１８０°）の領域８で短絡の
発生または短絡時間を検出する。短絡の検出位置をアー
ク回転位置の後方点Ｃr とした理由は、回転アークで
は、図２に示すように溶融池５の先端が溶接進行方向に
向かってなだらかに傾斜しており、したがって該後方点
Ｃr の位置でアーク長が最も短くなり、溶融池５に最も
接近するからである。このようにアークを回転させ、ア
ークセンサによる溶接線倣い制御を行った場合には、ア
ーク回転位置の後方点Ｃr 側では溶接ワイヤ２と溶融池
５との距離が、従来の図８に示すアークを回転させない
場合の溶接ワイヤ２と溶融池５との距離に比べて短くな
るため、適正アーク長における短絡回数または短絡時間
率は外乱の影響を受けにくくなる。なお、図２（ａ）に
おいて、１は高速回転する溶接トーチ、２は消耗電極
（溶接ワイヤ）、３は被溶接材、４はアーク、５は溶融
池、６は溶接ビードであり、（ｂ）はアークの回転位置
（Ｃf ，Ｒ，Ｃr ，Ｌ）の定義を示す図である。

【００１０】短絡の発生はアーク電圧値が一定の閾値以
下になったときをもって判定する。また、アークセンサ
による溶接線自動倣いは、アーク回転位置の溶接進行方
向に対し前方点Ｃf を中心に左右同一の所定の角度（５
°≦θ≦１８０°）の領域９で溶接電流またはアーク電
圧を検出し、その検出領域９の積分値が設定値と一致す
るように制御している。

【００１１】次に、上記のごとく検出した短絡の発生ま
たは短絡時間から、アークの１回転ごとに短絡回数また
は短絡時間率を算出する。そして、所定のサンプリング
時間つまりアークの単位回転数について求めた短絡回数
または短絡時間率が、上記の適正短絡回数Ｎs0または適
正短絡時間率Ｔs0となるように溶接電源へのアーク電圧
指令値を制御する。これによって消耗電極と被溶接材間
には常に上記の適正アーク電圧値Ｅ0 が自動設定される
ことになる。サンプリング時間は通常１００〜２００ms
であるが、それより長い時間であっても差し支えない。

【００１２】

【実施例】図３は本発明の制御系に使用する短絡検出回
路の一実施例を示すブロック図で、図４は溶接電源の制
御回路の一実施例を示すブロック図である。図３に示す
ように、高速回転する溶接トーチ１の消耗電極２をプラ
ス極性に、被溶接材３をマイナス極性に接続してアーク
４を発生させ、そのアーク電圧をアーク電圧検出器１０
により検出する。アーク電圧検出器１０により検出され
たアーク電圧の出力信号ＥT は比較器１２に入力すると
ともに、該比較器１２には短絡検出レベル設定器１１か
ら短絡検出レベル信号Ｅ0 が設定値として与えられてい
る。比較器１２はアーク電圧の検出信号ＥT と短絡検出
レベル信号Ｅ0 を比較し、ＥT ≦Ｅ0 となった時、信号
を出力する。

【００１３】ここで、図５に、アーク電圧の検出信号Ｅ
T の波形と比較器１２の出力信号の発生の関係を示
す。（ａ）は横軸に時間軸ｔをとって表わしたアーク電
圧ＥTの波形図であり、アークの回転位置によって山形
状の電圧波形となり、短絡が発生すると、図示のごとく
電圧が急低下する。したがって、一定の閾値Ｅ0 を短絡
検出レベルとして設定しておけば、検出されたアーク電
圧値ＥT が閾値Ｅ0 より低くなったときに、短絡が発生
したであろうと予想することができる。アーク電圧値Ｅ
T が閾値Ｅ0 より低くなるケースは必ずしも短絡の発生
のみに限らず、アーク状態やアーク回転位置、電源電圧
の低下、ノイズなどが原因となってアーク電圧が閾値Ｅ
0 より低下する場合もあるので、実際の短絡の発生のみ
を検出する必要がある。これについては後述するが、こ
こでは比較器１２が、アーク電圧値ＥT が閾値Ｅ0 より
低くなった場合のすべてについて、（ｂ）に示すごとく
パルス信号を発生することにしてある。

【００１４】再び図３を参照して、比較器１２からの信
号がＡＮＤ回路１６に一方の入力として加えられる。
また、アーク回転位置検出器１３により検出されたアー
ク回転位置信号（図２のアーク回転位置Ｃf ，Ｒ，Ｃr
，Ｌの各位置の信号）と、短絡検出領域設定器１４に
より短絡検出領域として決められた角度φ（５°≦φ≦
１８０°）すなわち、図２のアーク回転位置後方点Ｃr
を中心とする角度φの信号がタイミングパルス発生器１
５に送られ、タイミングパルス発生器１５は、図６に示
すようにＣr 点を中心にタイミングパルス信号を発生
し、該タイミングパルス信号を上記ＡＮＤ回路１６に
他方の入力として加える。なお、図３にはアークセンサ
による溶接線自動倣いの制御回路は示してないが、該溶
接線自動倣い制御においては、アークの１回転ごとにア
ーク回転位置前方点Ｃf を中心に所定の角度θ（５°≦
θ≦１８０°）で溶接電流またはアーク電圧を検出・積
分し、その積分値が設定値と一致するように制御してい
る。

【００１５】ＡＮＤ回路１６は、図７に示すように信号
と信号が一致したときにのみ論理積が１となり、短
絡信号を発生する。したがって、信号と信号が一
致しないときはＡＮＤ回路１６は何の信号も発生しない
ので、たとえアーク電圧ＥTが短絡検出レベルＥ0 より
低くなって比較器１２が検出信号を発生したとして
も、その信号は無視され、他の原因によるものと判定
する。よって、短絡信号を取り出すことによって、短
絡検出位置であるＣr 点を中心とする一定の領域（角度
φ）における短絡の発生のみを選別することができる。
そして、該信号を短絡回数演算器１７及び短絡時間率
演算器１８に送る。短絡回数演算器１７，短絡時間率演
算器１８に対してはサンプリング周期設定器１９により
セットまたはリセットをかける。

【００１６】短絡回数演算器１７は、所定のサンプリン
グ周期（例えば１００〜２００msであるが、それ以上の
時間でもよい）における短絡信号の数をカウントし、
その短絡回数Ｎs の信号を次の図４に示す制御回路に送
る。また、短絡時間率演算器１８は、そのサンプリング
周期における短絡信号のパルス時間の合計を算出し、
短絡時間率Ｔs を計算し、その値の信号を同様に図４の
制御回路に送る。各々の短絡信号のパルス時間は対応
する信号のパルス時間と同じである。短絡時間率Ｔs
は、サンプリング周期をＴ0 ，各短絡信号のパルス時
間をＴs1，Ｔs2，…とすると、下記の（１）式にて求め
ることができる。 Ｔs ＝（Ｔs1＋Ｔs2＋…）／Ｔ0 …（１） 短絡時間率Ｔs は、例えばサンプリング周期１００msご
とに１回、（１）式による演算をして、４００〜５００
msの移動平均をとるようにしてもよい。サンプリング周
期設定器１９はタイミングパルス信号を発生し、該信号
によって図４の制御回路の加算器を動作させる。

【００１７】次に、図４に示す溶接電源の制御回路にお
いて、差動増幅器２１に短絡回数の計数値信号Ｎs と短
絡回数基準値設定器２０による基準値信号Ｎs0を入力
し、その偏差信号ΔＮs を取り出す。また、差動増幅器
２３に短絡時間率の演算値信号Ｔs と短絡時間率基準値
設定器２２による基準値信号Ｔs0を入力し、その偏差信
号ΔＴs を取り出す。これらの偏差信号ΔＮs またはΔ
Ｔs は、切替器２４を介してゲイン調整器２５で電圧ゲ
インを調整したのち、その偏差電圧信号ΔｅＥを加算器
２７に入力する。加算器２７にはまた溶接電源へのアー
ク電圧指令値設定器２６によるアーク電圧指令値信号ｅ
Ｅ0 が与えられており、加算器２７において両値ｅＥ0
とΔｅＥを加えたアーク電圧信号ｅＥ（ｅＥ＝ｅＥ0 ＋
ΔｅＥ）を溶接電源２８に与える。よって、溶接電源２
８がこのアーク電圧信号ｅＥを消耗電極２と被溶接材３
の間に印加することになる。

【００１８】上記のように検出された短絡回数Ｎs が基
準値Ｎs0より多ければ、差動増幅器２１が偏差電圧信号
ΔｅＥを減少する方向に、逆に基準値Ｎs0より少なけれ
ば偏差電圧信号ΔｅＥを増加する方向に働くので、常に
基準値Ｎs0すなわち図１の適正短絡回数と一致するよう
に、加算器２７によって溶接電源２８へのアーク電圧指
令値を制御することができる。短絡時間率の場合も全く
同様である。よって、消耗電極２と被溶接材３の間に常
に適正アーク電圧値を自動設定することができる。

【００１９】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、消耗電極
式高速回転アーク溶接において、アークセンサによる溶
接線自動倣い制御を行いながら、アークの回転位置の後
方点Ｃr を中心に所定の角度領域で短絡の発生または短
絡時間を検出し、その値が適正短絡回数または適正短絡
時間率となるように常にアーク電圧を適正値に自動設定
する構成としているので、オープンアーク溶接・短絡移
行アーク溶接に拘らず、適正アーク長における短絡回数
または短絡時間率が外乱の影響を受けにくく、信頼性の
高いアーク電圧自動設定が可能になる。よって、溶接品
質が向上するとともに溶接の無人化も可能になる。

【００２０】また、アークの回転位置の後方点Ｃr を中
心に所定の角度領域で短絡の発生または短絡時間を検出
することにしているので、同じアークセンサの信号を溶
接線自動倣い制御と溶接電源のアーク電圧制御に用いる
ことができ、制御性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明におけるアーク電圧と短絡回数または短
絡時間率との関係を示す図である。

【図２】アークの回転位置と短絡の発生の関係、及びア
ーク回転位置の定義を示す図である。

【図３】本発明における短絡検出回路の一実施例を示す
ブロック図である。

【図４】本発明における溶接電源の制御回路の一実施例
を示すブロック図である。

【図５】アーク電圧の検出信号と比較器の出力信号の
関係を示す波形図である。

【図６】アーク回転位置とタイミングパルス発生器の出
力信号の関係を示す波形図である。

【図７】上記信号，とＡＮＤ回路の出力信号の関
係を示す波形図である。

【図８】従来のアークを回転させない場合の溶接部の模
式図である。

【符号の説明】

１ 溶接トーチ ２ 消耗電極 ３ 被溶接材 ４ アーク １０ アーク電圧検出器 １１ 短絡検出レベル設定器 １２ 比較器 １３ アーク回転位置検出器 １４ 短絡検出領域設定器 １５ タイミングパルス発生器 １６ ＡＮＤ回路 １７ 短絡回数演算器 １８ 短絡時間率演算器 １９ サンプリング周期設定器 ２０ 短絡回数基準値設定器 ２１ 差動増幅器 ２２ 短絡時間率基準値設定器 ２３ 差動増幅器 ２４ 切替器 ２５ ゲイン調整器 ２６ 溶接電源へのアーク電圧指令値設定器 ２７ 加算器 ２８ 溶接電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−170537（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−234663（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−7844（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−91964（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 消耗電極式高速回転アーク溶接におい
   て、 アークセンサによる溶接線自動倣いを行いながら、アー
   クの回転位置の溶接進行方向に対し後方点を中心に所定
   の角度範囲において前記消耗電極と被溶接材との間の短
   絡の発生または短絡時間を検出し、 単位時間当たり、あるいはアークの単位回転数当たりの
   短絡回数または短絡時間率を求め、 求められた短絡回数または短絡時間率があらかじめ設定
   された基準値と一致するように、溶接電源に対するアー
   ク電圧指令値を制御することを特徴とするアーク電圧の
   自動設定方法。