JP3075032B2 - アークセンサー - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ショートアーク領域で
行う消耗電極式自動アーク溶接（以下ショートアーク溶
接という）に有効な回転アークセンサーに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動アーク溶接において回転アー
ク溶接法が、溶接における溶け込み形状の均一化、ビー
ド形状の平坦化等に効果を発揮する等の特徴を有するば
かりでなく、溶接電流またはアーク電圧の変化から得ら
れる信号により、ノズルの中心軸線を常に被溶接物の開
先部の中央に位置させて溶接を行うアークセンサー制御
に適しているところから、厚板の自動溶接に広く適用さ
れ始めている。

【０００３】このアークセンサー技術を薄板に適したシ
ョートアーク溶接に適用しようとするとき、信号源であ
る溶接電流またはアーク電圧が短絡の影響で大きく乱れ
るため、アークセンサーとして正常に働かない。そこ
で、ショートアーク溶接におけるアークセンサー制御の
具体的な従来の技術として、特開平３−１８４７９号公
報によって開示された方法が試みられつつある。以下、
特開平３−１８４７９号公報に開示された従来のアーク
センサーについて図面を参照しながら説明する。

【０００４】図５は従来のアークセンサーの制御ブロッ
ク図、図６は従来のアークセンサーのショートアーク溶
接における積分領域を示す図で溶接の進行方向を矢印で
示している。

【０００５】図５において、１１はアークの回転位置を
検出するアークの回転位置検出器、１２はアークの１回
転ごとに検出されるアーク電圧波形Ｅａ、１３はあらか
じめ設定された基準電圧波形Ｅｏでそれぞれ差動アンプ
１４に入力される。１５は回転位置検出器１１および積
分領域設定回路１６からの信号の入力により積分領域を
決めるためのスイッチング論理回路、１７は回転アーク
の左側（Ｌ）領域を積分するときのスイッチで、スイッ
チング論理回路１５のＬ領域指令により動作し、差動ア
ンプ１４により増幅されたアーク電圧波形差信号（Ｅａ
−Ｅｏ）をプラスとして積分器２０に送る。１８は回転
アークの右側（Ｒ）領域を積分するときのスイッチで、
スイッチング論理回路１５のＲ領域指令により動作し、
差動アンプ１４により増幅されたアーク電圧波形差信号
（Ｅａ−Ｅｏ）を反転器１９によりマイナスにして積分
器２０に送る。積分器２０はスイッチング論理回路１５
の積分領域指令によって動作し、両スイッチ１７、１８
を通じて入力される信号をそれぞれ積分し、積分値差Ｓ
ｄとして記憶器２１に送り、ここで一時記憶される。

【０００６】一方、積分領域での短絡の有無を検出する
ための短絡検出回路２２が設けられており、検出された
アーク電圧波形１２の信号Ｅａと、短絡検出レベル設定
器２３によりあらかじめ設定された短絡レベル信号Ｅlo
w とを短絡検出回路２２に入力し、短絡検出回路２２に
おいて短絡の有無が判定されるようになっている。この
判定結果はスイッチング論理回路１５にデータ採否指令
として送られる。なお、短絡検出回路２２の上記動作は
スイッチング論理回路１５からの積分領域指令によって
行われる。

【０００７】積分器２０にて積分中において、短絡検出
回路２２によりオープンアーク状態と判定された場合、
積分が終わると同時にスイッチング論理回路１５により
記憶器２１に対してリセット信号が出力され、ほぼ同時
にサンプルホールド信号を出す。これにより、前回の一
時記憶されている積分値差Ｓｄをリセットするととも
に、今回の積分値差Ｓｄを一時記憶し、今回の積分値差
Ｓｄによってその積分値差Ｓｄが零になるようにＸ軸コ
ントローラ２４により溶接トーチをＸ軸方向（すなわち
溶接方向と直交する方向）に移動させる。

【０００８】一方、積分器２０にて積分中において、短
絡検出回路２２により短絡状態と判定された場合には、
そのときのアーク電圧波形をセンサー信号源として用い
ることは不適当であるので、記憶器２１をリセットする
ことなく、例えば前回の積分値差Ｓｄをそのまま保持
し、その積分値差Ｓｄが零となるようにＸ軸コントロー
ラ２４により溶接トーチをＸ軸方向に移動させる。この
ように、積分中に短絡が発生するとそのデータは採用で
きないので、積分領域を短絡が発生しにくい位置に限定
することが望ましい。

【０００９】図４は薄板下向き重ね継手に回転アーク溶
接を適用したときの溶接状態を示しており、同じ溶接に
おける正面図を示した図２（ｂ）におけるＡ−Ａ’線の
断面矢視図で、アーク５が溶接進行方向の最前部Ｃｆと
最後部Ｃｒの位置にあるときを示している。６は電極、
７は溶着金属、８は溶融金属、９は下板である。

【００１０】図４よりアーク回転中の溶接アーク長は最
後部Ｃｒで最も短くなり、回転アークの１回転ごとにこ
の点で短絡が発生する確率が高いことが明らかである。
したがってショートアーク溶接においては、図６に示す
ように積分領域３１、３２を短絡が発生しにくいアーク
回転位置Ｃｆを中心として左右に例えば４５度ずつとす
ることが望ましく、一般的には５度〜９０度の範囲で左
右同一の位相角をとるように定めている。

【００１１】このように上記従来の方法は、高速回転ア
ーク溶接を採用して、ショートアーク溶接の短絡をアー
ク回転の溶接方向後部側で周期的に発生させ、アーク電
圧波形差信号の積分領域をアーク回転の最前部±５度〜
９０度と狭くすることにより、短絡が積分領域内で発生
する確率を低くするとともに、積分領域内で短絡が発生
した場合にはそのデータを不採用とすることにより、短
絡の影響の少ないアークセンサー制御をショートアーク
溶接に適用している。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来の方法では、ショートアーク溶接において広く実用さ
れているアークの安定性向上のために溶接電流回路に挿
入されるインダクタンスにより、短絡終了後もその溶接
電流は短絡の影響を受けるため積分領域を広くとれない
上、積分領域を狭くしてもなお短絡の影響をうけてデー
タを不採用とする頻度が高く、有効な検出データが極端
に少なくなるという問題点があった。

【００１３】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、アークの安定性向上のために溶接電流回路にインダ
クタンスを挿入して行う短絡が頻発するショートアーク
溶接においても、有効な検出データを十分に得るアーク
センサーを提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明のアークセンサーは、溶接電流を検出する溶
接電流検出手段と、前記溶接電流検出手段からの信号を
入力し、短絡電流の強さを判定する短絡判定手段と、前
記溶接電流検出手段からの信号と前記短絡判定手段から
の信号を入力する溶接電流補正手段と、アークセンサー
本体回路を備えたアークセンサーであって、前記溶接電
流補正手段に設けた短絡電流の強さと短絡後続電流の関
係を記憶した補正テーブルによって、アーク溶接中に短
絡が発生した場合の短絡電流から短絡に影響されて短絡
期間に後続するアーク期間の溶接電流に重畳する短絡後
続電流を推定して、実際に検出される溶接電流を補正し
て信号出力するものである。

【００１５】

【作用】上記の構成によれば、アークの安定性向上のた
めに溶接電流回路にインダクタンスを挿入して行う短絡
が頻発するショートアーク溶接においても、積分中に短
絡が発生しない限り短絡の影響が排除されるので、有効
な検出データを十分に得ることができる優れたアークセ
ンサーを実現できる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照
しながら説明する。

【００１７】図１において、１は変流器などの溶接電流
検出手段で溶接電流信号Ｉｗを出力する。２は短絡判定
手段で図５に示した従来例の短絡の有無を検出する短絡
検出回路２２の機能に、短絡電流の強さを判断して補正
指示信号ｇを出力する機能を付加している。３は溶接電
流補正手段であり、補正指示信号ｇが入力されたときに
は溶接電流信号Ｉｗに後述する補正を行って補正した溶
接電流信号Ｉｗ’を出力する。補正指示信号ｇがないと
きは溶接電流信号ＩｗをそのままＩｗ’として出力す
る。４は例えば図５に示した従来のアークセンサー本体
回路で、Ｉｗ’に所定の積分処理を行ってアークセンサ
ー出力Ａｓを得て出力する。

【００１８】以上のようなアークセンサーについてその
動作を図２から図３を用いて説明する。

【００１９】図２は薄板の下向き重ね継手の溶接を行っ
たときの溶接状態を溶接の進行方向から見た正面図で、
（ａ）は非回転アーク溶接を適用した図、（ｂ）は回転
アーク溶接で溶接ノズル（図示せず）の位置が正常な場
合の図、（ｃ）は回転アーク溶接で溶接ノズル位置が下
板９側に外れた場合の図であり、（ｂ）および（ｃ）の
アーク５は、溶接ノズルの中心を通りかつ溶接進行方向
に対して直交する線上の２つの位置にあるときを示して
いる。１０は上板で、図面のその他の符号は図４と同じ
である。

【００２０】図３の（ａ）〜（ｃ）は図２の（ａ）〜
（ｃ）の溶接状態における溶接電流の変化を示す図で、
それぞれ短絡していないとき（オープンアーク状態のと
き）の溶接電流を破線で、アーク回転位置が溶接進行方
向の最後部にあるとき（時間ｔr）に短絡が発生したと
きの短絡電流と、 それに続く短絡後続電流を実線で示
している。

【００２１】図３（ａ）から明らかなように非回転アー
ク溶接でオープンアーク状態のときの溶接電流はほぼ一
定であり設定電流値と等しい。また、溶接電源の内部イ
ンピーダンスを含む溶接回路のインダクタンスが零であ
れば、短絡終了後には（ａ）に２点鎖線で示したように
短絡後続電流は現れない。

【００２２】図３（ｂ）および（ｃ）には回転するアー
クの位置が溶接進行方向の最前部にあるときの時間をｔ
f、ｔfより９０度前と９０度後の位置にあるときの時間
をｔLとｔRとして示した。本実施例ではアークセンサと
して溶接電流を積分する左右の時間領域はそれぞれｔL
〜ｔf、ｔf〜ｔRとした。図３（ｂ）から明らかなよう
にアークがオープンアーク状態のときには、溶接電流は
破線で示されているように変化するので、ｔL〜ｔf間お
よびｔf〜ｔR間の電流の積分値差Ｓｄは零でアークセン
サー信号Ａｓも零となり、溶接トーチの位置修正の必要
がないことを示すが、短絡が発生したときには、溶接電
流検出手段で実際に検出される電流は短絡後続電流の影
響を受けｔL〜ｔf間とｔf〜ｔR間の電流の積分値差Ｓｄ
が生じ、溶接トーチ位置が正常であるにもかかわらず右
に移動させるアークセンサー信号Ａｓが出力される。ま
た、図２（ｃ）のように溶接トーチが右方（下板の方）
に外れたときには左方に修正を必要とするのに、図３
（ｃ）から明らかなようにアークセンサー信号Ａｓは右
方への移動を指示することになる。

【００２３】図３（ｂ）および（ｃ）の１点鎖線は、図
３（ａ）における短絡後続電流（実線）を重ねて図示し
たものである。図から明らかなように、非回転アーク溶
接時と回転アーク溶接時の短絡後続電流の差はそれぞれ
のオープンアーク溶接電流の差にほぼ等しい。すなわち
回転アーク溶接において短絡が発生したとき、その短絡
後続電流は、そのままではアークセンサー信号源として
使用できないが、同一条件の非回転アーク溶接において
短絡が発生したときの短絡後続電流で補正することによ
り、短絡の影響を排除してアークセンサー信号源として
使用することが可能となる。すなわち、積分領域で図３
（ａ）における非回転アーク溶接時の短絡後続電流値と
溶接電流値の差を補正電流値として、回転アーク溶接時
の短絡電流からその補正値を減ずることにより補正する
ことができる。しかしながら、短絡後続電流は短絡電流
の強さに影響されるから、前記補正電流値は短絡電流の
強さに応じて補正することが必要である。

【００２４】本実施例では、短絡が発生すると短絡判定
手段２が短絡電流の強さを短絡電流のピーク値と短絡継
続時間の積で判定し、短絡電流補正手段３にこの短絡の
強さをともなった補正指示信号ｇを出力する。短絡電流
補正手段３は、あらかじめいろいろな溶接条件で非回転
アーク溶接のテスト溶接を行い、このときの短絡電流の
強さと短絡後続電流を学習して記憶した補正テーブルを
もち、前記補正指示信号ｇが入力されたときはこの補正
テーブルを用いて溶接電流検出手段１から入力される溶
接電流信号Ｉｗを補正して、アークセンサー信号として
使用できる溶接電流信号Ｉｗ’を出力する。

【００２５】短絡後続電流の継続時間は、図３に示した
ようにしばしば回転アークの１回転に及ぶことがある
が、図４を用いて説明したように短絡はほとんど常にア
ーク回転の最後部付近で発生するから積分領域をアーク
回転の最前部±９０度程度にしてもデータを不採用にす
る頻度はきわめて低くなる。

【００２６】なお、短絡電流の強さの判定は短絡電流の
ピーク値と立ち上がり波形とを用いても、また条件によ
ってはピーク値のみで行ってもよく、また補正の基準と
なる短絡後続電流もテスト溶接を行う方法に換えて、溶
接電源のインピーダンス特性を利用して算出するなどの
他の方法を使用してもよく、いずれも実施例の具体的な
方法に限定するものではないことは言うまでもない。

【００２７】また、本実施例においては、アークセンサ
ー信号として溶接電流を利用したが、アークセンサー信
号としてアーク電圧を利用しても同様の構成、動作が実
現できる。

【００２８】

【発明の効果】以上のように本発明は、溶接電流検出手
段と、短絡判定手段と、溶接電流補正手段と、アークセ
ンサー本体回路を備えて、アーク溶接中に短絡が発生し
た場合の短絡電流から短絡に影響されて短絡期間に後続
するアーク期間の溶接電流に重畳する短絡後続電流を推
定して、実際に検出される溶接電流を補正して信号とす
ることにより、アークの安定性向上のために溶接電流回
路にインダクタンスを挿入して行う短絡が頻発するショ
ートアーク溶接においても、有効な検出データを十分に
得ることができるから、広範囲の溶接条件に適用できる
優れたアークセンサーを実現できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例におけるアークセンサーのブ
ロック図

【図２】薄板下向き重ね継手の溶接状態を示した正面図
で （ａ）非回転アーク溶接を適用した図 （ｂ）回転アーク溶接で溶接ノズル位置が正常な場合の
図 （ｃ）回転アーク溶接で溶接ノズル位置が下板側に外れ
た場合の図

【図３】（ａ）溶接電流変化を示す図 （ｂ）溶接電流変化を示す図 （ｃ）溶接電流変化を示す図

【図４】図２（ｂ）のＡ−Ａ’線断面矢視図

【図５】従来のアークセンサーの制御ブロック図

【図６】従来のアークセンサーのショートアーク溶接に
おける積分領域を示す図

【符号の説明】

１ 溶接電流検出手段 ２ 短絡判定手段 ３ 溶接電流補正手段 ４ アークセンサー本体回路

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−3675（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−222681（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−245635（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−177963（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−95155（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−18479（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−3676（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−147975（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 9/095 B23K 9/073

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】溶接電流を検出する溶接電流検出手段と、
   前記溶接電流検出手段からの信号を入力し、短絡電流の
   強さを判定する短絡判定手段と、前記溶接電流検出手段
   からの信号と前記短絡判定手段からの信号を入力する溶
   接電流補正手段と、アークセンサー本体回路を備えたア
   ークセンサーであって、前記溶接電流補正手段に設けた
   短絡電流の強さと短絡後続電流の関係を記憶した補正テ
   ーブルによって、アーク溶接中に短絡が発生した場合の
   短絡電流から短絡に影響されて短絡期間に後続するアー
   ク期間の溶接電流に重畳する短絡後続電流を推定して、
   実際に検出される溶接電流を補正して信号出力するアー
   クセンサー。