JP3163037B2 - 高周波電気抵抗溶接装置の自動入熱量制御システム及び制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は高周波電気抵抗溶接
装置の自動入熱量制御システム及びその制御方法に関す
るもので、より詳しくは電棒管を製作する時に用いられ
る電気抵抗溶接装置を制御して溶接品質を向上させる制
御装置及び方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、金属の溶接部位を電気抵抗熱で
溶融させて溶接する電気抵抗溶接としては、溶接部位を
互いに重ねて溶接する点溶接機（spot welding)、プロ
ジェクション溶接機（projection welding）、シーム溶
接機（seam welding）、溶接部位を対向させて溶接する
バット溶接機（butt welding）、フラッシュバット溶接
機（flash butt welding）、バットシーム溶接機（butt
seam welding）、パクッション溶接機（percussion we
lding）、金属を直接溶融させて溶接する半田付け機等
がある。

【０００３】このような分類は便宜上、溶接方式による
ものであるが、溶接機に供給される電力の供給方式によ
って分類すると、一般交流単相式、低リアクタンス式、
畜熱式等があり、溶接部位に加わる圧力を供給する方式
によって分類すると、入力加圧式、電動力加圧式、空気
加圧式、油圧加圧式、電磁力加圧式等がある。そして、
制御方式によって分類すると、非同期制御式、準同期制
御式、同期制御式、コンピュータ制御式等があり、この
うち、コンピュータ制御式としては、入力電圧制御、溶
接変圧器入力電流制御、溶接電流制御、ナゲット電圧制
御、溶接電力制御、加圧力及び電力制御、溶接条件選択
制御、ナゲット制御方式等に区別することができる。

【０００４】このような種々の電気抵抗溶接機は全て被
溶接物間の接触部位で発生する電気抵抗を用いて大電流
を供給することにより発生する抵抗熱で被溶接物を溶接
するもので、溶接原理を説明すると次の通りである。電
気抵抗により発生する抵抗熱（Ｑ）は ０.２４Ｉ²Ｒｔ
（cal）であり、抵抗熱は抵抗（Ｒ）と電流（Ｉ）の自
乗に比例して発生する。従って、被溶接物に供給される
電流量を大きくすべきであり、そうするためには低い電
圧に降下させて供給することにより、低電力量（ＶＡ）
で大電流を供給することができる。

【０００５】一方、２つの被溶接物を互いに重ね、相応
する位置に電極チップを接触させ電流を供給すると、被
溶接物の接触部位の抵抗が最も高く、その次に被溶接物
と電極チップとの接触部位が高く、被溶接物のバルク部
位が最も低い抵抗を有する。従って、電極チップで電流
を供給すると、被溶接物間の接触部位で最も多くの熱が
発生し、その次に電極チップと被溶接物との接触部位、
被溶接物のバルク部位の順に熱が多く発生することにな
る。

【０００６】一方、被溶接物に熱を発生させて相互溶融
接合するためには、被溶接物に適当な力を加える必要が
あり、被溶接物の金属的特性によって、供給される電流
の大きさ、持続時間等を適切に調節することにより、溶
接品質を良好に維持することができる。このような一般
の特性を持っている電気抵抗溶接法のうち、本発明に関
連した高周波電気抵抗溶接機は溶接部位に高周波電流を
供給することで誘導電流による誘導加熱を行って被溶接
物を溶融するもので、供給される電流の周波数は３００
〜１０００kHzの高周波であり、被溶接物に接触子を接
触させ電流を供給すると、接触子を中心として最短距離
を形成する閉回路が形成され、その部分で誘導加熱現象
が発生して被溶接物を溶融させることになる。

【０００７】このような高周波電気抵抗溶接は、溶接速
度が非常に速く、溶接欠陥の発生頻度数が低いため、電
棒管を製造する場合に多く用いられている。特に、高周
波電気抵抗溶接は経済性に優れ、溶接品質が優秀であっ
て、石油及びガス送油管、油井管、機械構造用鋼管等の
高品質を要求する部分に多く適用されている。従って、
このように重要な用途に使用される電棒管はその溶接部
位の欠陥が厳格に管理されるべきものである。

【０００８】現在、高周波電気抵抗溶接法により製造さ
れる鋼管の溶接部欠陥の発生頻度数を最小にするため、
自動に入熱量を調節する自動入熱量制御装置が開発され
て使用されており、この自動入熱量制御装置は、溶接品
質に影響を及ぼす溶接速度、帯鋼の厚さ等、主要溶接変
数を感知して、適正溶接条件が維持されるように溶接入
熱量を自動的に調節するものである。

【０００９】高周波電気抵抗溶接法の自動入熱量制御装
置においては、用いられるフィードバック（feedback）
信号の種類として、発振周波数の変化を用いる方法、ビ
ードの形状を用いる方法、溶接温度又はその分布を用い
る方法等があり、特に、発振周波数を用いる方法（日本
国特許平３−３４４３２号、昭５２−１１１８５１号)
は発振周波数の変化をフィードバック信号として用いて
溶接入熱量を自動的に調節している。即ち、溶接入熱量
が増加するに従って発振周波数の変動幅が段々増加して
最大に至り、溶接入熱量をさらに増加させると発振周波
数の変動幅が再び減少する原理を用いるものである。従
って、溶接入熱量を発振周波数の変化が最大である第２
種区域に維持させて適性溶接条件を自動的に維持する方
法である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
法は、溶接作業を開始する時、溶接入熱量を最小から最
大まで変化していきながら、溶接される材料の厚さ及び
溶接速度に対して適性溶接範囲を一つ一つ設定すべきで
あるため、熟練された技術が必要であるという欠点と共
に、面倒な過程により生産性が低下するという問題点が
あった。

【００１１】そこで、本発明の目的はこのような従来技
術の問題点を解決するため、高周波電気抵抗溶接装置に
供給される溶接入熱量を制御するため、溶接部位で発生
するスパークの頻度数及び大きさを測定し、これをフィ
ードバック信号として用いて制御することにより、より
便利で精密な溶接入熱量を制御し得る高周波電気抵抗溶
接装置の自動入熱量制御システム及び制御方法を提供す
ることである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の高周波電気抵抗溶接装置の自動入熱量制御
システムは、溶接部位で発生するスパークにより形成さ
れた電磁波を感知する受信手段と、受信手段を介して受
信されたスパーク信号のうち、必要な信号のみを選択し
振幅成分と周波数成分とを分離し所定の信号形態に加工
して出力するスパーク信号処理部と、被溶接物に装着さ
れて溶融熱を発生させる熱発生器と、熱発生器に供給さ
れる高周波電流を発振して出力する発振部と、発振部か
ら熱発生器に供給される高周波電流の電流量及び周波数
を制御する溶接機コントローラと、溶接機コントローラ
の出力を制御する溶接機パワーコントローラと、スパー
ク信号処理部を介してスパーク信号を帰還して、溶接機
パワーコントローラにより、最適溶接条件になるように
溶接機のパワーを制御する主制御部とから構成されるこ
とを特徴としている。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明による高周波電気抵抗溶接
装置の自動入熱量制御システム及び制御方法に対する構
成及び作用を本発明の一実施例に従って詳細に説明す
る。添付図面の図１は高周波電気抵抗溶接装置を用いて
電棒管を製造する時の電流の流れ状態を模式的に示す状
態図であり、図２は本発明による高周波電気抵抗溶接装
置の自動入熱量制御システムの構成を示すブロック図で
あり、図３は溶接入熱量の変化によるスパークの振幅及
び発生頻度数の変化を領域別に示すグラフであり、図４
は本発明による高周波電気抵抗溶接装置の自動入熱量制
御方法を示すフローチャートである。

【００１４】まず、本発明による高周波電気抵抗溶接装
置の自動入熱量制御システムの構成を説明する前に、高
周波電気抵抗溶接法を用いて金属を溶接する時に発生す
るスパークの特性を調べる。高周波電気抵抗溶接法を用
いて被溶接物を溶接する時に高速カメラを用いて観察し
た結果によると、溶接点付近で両帯鋼エッジ間でスパー
クが発生することが観察された。即ち、帯鋼に印加され
た高周波電流が帯鋼のエッジを溶融させ、溶融された金
属が１０００〜３０００(Ampere)程度の高電流により流
動しながら（Pinch Instability)接触してスパークを発
生させるものである。

【００１５】このようなスパークの発生頻度数は、溶接
入熱量が増加するに従って段々増加して最高値に至った
後、溶接入熱量がさらに増加すると減少することが観察
された。又、スパークの大きさにおいては、溶接入熱量
が増加するに従って増加する現象が観察され、溶接入熱
量が増加して多数のスパークが同時に発生すると減少す
る現象も観察された。

【００１６】このような過程を模式的に示すと、図１に
示すように、溶接入熱量（Ｉ_t)が増加するに従って溶融
される金属量が増加して、溶接部位２１から遠く離れた
部分で溶融された金属が架橋（Bridge）２２を形成する
ことになる。この際に形成された架橋を介して溶接電流
の一部分（Ｉ₂）が流れ、架橋が急速に加熱されながら
スパークを発生させる。従って、溶融金属の架橋が溶接
点から遠く離れて生成されるほど電流流れの経路差が大
きいため、溶接点を介して流れる電流量（Ｉ₁）より架
橋を介して流れた電流流れ分率（Ｉ₂／Ｉ_t）が大きくな
り、これによりスパークの大きさも増加することにな
る。

【００１７】従って、スパークの発生頻度数及び大きさ
を観察すると溶接入熱量を間接的に測定することができ
るのである。すなわち、溶接入熱量を制御するために
は、溶接部位で発生するスパークの発生頻度数及び大き
さを測定して制御すると、より効率的な方法となる。本
発明は上記のような溶接入熱量の変化によるスパークの
特性を用いて溶接入熱量を制御する装置に関するもの
で、高周波電気抵抗溶接装置の自動入熱量制御システム
の構成は、図２に示すように、溶接部位で発生するスパ
ークにより形成された電磁波を感知するコイルアンテナ
７０と、コイルアンテナ７０を介して受信されたスパー
ク信号のうち、必要な信号のみを選択し振幅成分と周波
数成分とを分離し所定の信号形態に加工して出力するス
パーク信号処理部３と、被溶接物２に装着されて溶融熱
を発生させる誘導コイル６１と、誘導コイル６１に供給
される高周波電流を発振して出力する発振部６と、発振
部６に供給される電流量及び周波数を制御する溶接機コ
ントローラ５と、溶接機コントローラ５の出力を制御す
る溶接機パワーコントローラ４と、スパーク信号処理部
３と溶接機パワーコントローラ４とに連結され、スパー
ク信号を帰還（フィードバック）して最適溶接条件にな
るように溶接機のパワーを制御する主制御部１とからな
る。

【００１８】ここで、スパーク信号処理部３は、誘導コ
イル６１により発生する熱により溶融されて溶接部位で
発生するスパークの信号を感知するコイルアンテナ７０
からの信号を受け入れて有効な信号をフィルタリング
（抽出）及び増幅して出力するスパークデテクタ（検出
器）３１と、スパークデテクタ３１から出力された信号
を振幅信号と周波数信号とに分離して出力する信号分離
部３２と、信号分離部３２により分離された周波数信号
を入力して所定のデータ形態に加工して出力するスパー
ク周波数信号処理部３３と、信号分離部３２により分離
された振幅信号を入力して所定のデータ形態に加工して
出力するスパーク振幅信号処理部３４と、スパーク周波
数／振幅信号処理部３３，３４から出力されたアナログ
信号をデジタル信号に変換して出力するアナログ／デジ
タルコンバータ（ＡＤＣ）３５と、主制御部１の制御に
よりスパークデテクタ３１の作動を制御し、ＡＤＣ３５
の出力をシリアルデータに変換して出力するμ（マイク
ロ）−プロセッサ３６とから構成される。

【００１９】溶接機パワーコントローラ４は溶接機コン
トローラ５の出力を制御するためのもので、溶接機コン
トローラ５の状態信号を入力してデジタル信号に変換し
て出力するＡＤＣ４３と、溶接機コントローラ５を制御
するための信号を出力するもので、デジタル信号をアナ
ログ信号に変換して出力するＤＡＣ４２と、主制御部１
の制御によりＡＤＣ４３及びＤＡＣ４２を介して溶接機
コントローラ５を制御するための信号を処理するμ−プ
ロセッサ４１とからなる。

【００２０】一方、溶接機コントローラ５は単相の交流
電源を入力して所定の周波数と電流量とを有するパワー
を生成して出力するもので、通常、サイリスタ、発振チ
ューブ等から構成される。誘導コイル６１は被溶接物２
に装着されて熱を発生させるもので、高周波電気抵抗溶
接法に使用される熱発生器としては、通常、小直径の鋼
管を製造する時は誘導コイルを使用し、大直径の鋼管を
製造する時は被溶接物のエッジ部分に付着される接触子
（contact tip)を使用する。

【００２１】本発明による、電気抵抗溶接機を用いて電
棒管を製造する時に最適の溶接ができるように制御する
方法は、図４に示すように、誘導コイルに供給される電
流量の大きさによって変化するスパークの振幅及び発生
頻度数を測定して、図３に示すような多数の領域（実施
例では８領域）に設定する工程（Ｓ３１）と、工程（Ｓ
３１）で設定された多数の領域のうち、溶接条件による
最適溶接領域を選択する工程（Ｓ３２）と、溶接領域領
域選択工程（Ｓ３２）で選択された領域内で溶接を開始
し溶接途中に発生するスパーク発生量を測定する工程
（Ｓ３３）と、スパーク発生量測定工程（Ｓ３３）で測
定されたスパーク発生量と選択された領域内のスパーク
量とを比較する工程（Ｓ３４）と、誘導コイルに供給さ
れる電流量を調節する工程（Ｓ３５，Ｓ３６）とからな
る。Ｓ３２以降の工程は溶接終了まで繰り返される。

【００２２】このように構成された本発明による高周波
電気抵抗溶接装置の自動入熱量制御システム及びその制
御方法は次のようである。まず、本システムを動作させ
る前に溶接入熱量の変化によるスパーク発生量を測定し
領域別に分離して領域を設定し、その領域に対する加重
値を設定する。即ち、第１領域は加重値“０”、第２領
域は加重値“１”、第３領域は加重値“２”、第４領域
は加重値“３”、第５領域は加重値“４”、第６領域は
加重値“５”、第７領域は加重値“６”、第８領域は加
重値“７”に設定する。この領域設定はより細密に設定
することもできる。そして、スパーク発生量と溶接品質
の相関関係を実験して最適溶接品質を有する領域を設定
する。

【００２３】このような過程は事前に多くの実験を経て
測定したもので、供給される電流量（溶接入熱量）とス
パークに関するデータ、そして溶接状態を互いに比較し
て設定するものである。このように溶接条件による領域
を主制御部１を介して選択した後、溶接を開始すると同
時にスパーク発生量を測定する。

【００２４】このスパーク発生量の測定過程は次のよう
である。被溶接物２に装着された誘導コイル６１に高周
波電流が加わると、図１に示すように、電流が流れて被
溶接物のエッジ部分が溶融され、前進しながら溶融部位
が溶接点２１で接合される。ところで、供給される高周
波電流により溶融された被溶接物２の溶融部分が電気的
現象によりスパークを形成することになる。このスパー
ク現象は溶融物の流動性と被溶接物２のエッジ部分で流
れる電流により発生する電磁力に起因して生成されたも
ので、このスパーク発生量、つまりその振幅及び発生頻
度数は供給される溶接入熱量によって図３に示すパター
ンに変化する。

【００２５】従って、スパーク信号処理部３を介してス
パークの振幅及び発生頻度数を測定し、これをフィード
バックさせて現在の溶接入熱量を適切に減少又は増大さ
せて最適状態で溶接ができるようにする。換言すれば、
最適状態が第３領域でなされるとすると、この時のスパ
ーク信号、つまり振幅及び発生頻度数を基準として溶接
入熱量を変化させて溶接条件を最適状態に維持させるも
のである。

【００２６】これまで本発明による好ましい実施例を挙
げて図示し説明したが、本発明は上記実施例に限定され
ず、本発明の精神を外れない範囲内で本発明の属する技
術分野で通常の知識を有する者によって種々の変更及び
修正が可能である。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による高周
波電気抵抗溶接装置の自動入熱量制御システム及び制御
方法は、電棒管を製造する時、溶接途中に発生するスパ
ーク信号を用いて溶接入熱量を適当に変化させて溶接状
態が最適状態を維持するように自動的に制御することに
より、溶接品質を向上させ、生産性を増大させる効果を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 高周波電気抵抗溶接装置を用いて電棒管を製
造する時の電流の流れ状態を模式的に示す状態図であ
る。

【図２】 本発明による高周波電気抵抗溶接装置の自動
入熱量制御システムの構成を示すブロック図である。

【図３】 溶接入熱量の変化によるスパークの振幅及び
発生頻度数の変化を領域別に示すグラフである。

【図４】 本発明による高周波電気抵抗溶接装置の自動
入熱量制御方法を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１ 主制御部 ２ 被溶接物 ３ スパーク信号処理部 ４ 溶接機パワーコントローラ ５ 溶接機コントローラ ６ 発振器 １１ シリアルポート１ １２ シリアルポート２ ２１ 溶接点 ２２ 架橋（Bridge） ３１ スパークデテクタ ３２ 信号分離機 ３３ スパーク周波数信号処理部 ３４ スパーク振幅信号処理部 ３５ ＡＤＣ ３６，４１ μ−プロセッサ ４２ ＤＡＣ ４３ ＡＤＣ ６１ 誘導コイル ７０ コイルアンテナ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジュン，ユー−スプ 大韓民国 キュンサン−プクド ポハン −シ 791−110 プク−ク ドウホー− ドン 906 プサン−パイプ エイピー ティー エイ−102 (72)発明者 キム，ヨン−スク 大韓民国 ソウル−シ 158−070 ヤン チュン−ク シンジュン−ドン 332 モクドン−シンシガジ エイピーティー 1430−202 (56)参考文献 特開 平２−255283（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−216873（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−135490（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−111851（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−81778（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭59−10871（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭58−17711（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭52−24510（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 13/08 B23K 13/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電棒管を製造する時に使用する高周波電
   気抵抗溶接装置の入熱量を自動に制御するシステムにお
   いて、 溶接部位で発生するスパークにより形成された電磁波を
   感知する受信手段（７０）と、 前記受信手段（７０）を介して受信されたスパーク信号
   に含まれる振幅成分と周波数成分とを分離してこれらを
   表わす帰還信号を出力するスパーク信号処理部（３）
   と、 被溶接物（２）に装着されて溶融熱を発生させる熱発生
   器（６１）と、 前記熱発生器（６１）に供給される高周波電流を発振し
   て出力する発振部（６）と、 前記発振部（６）から前記熱発生器（６１）に供給され
   る前記高周波電流の電流量及び周波数を制御する溶接機
   コントローラ（５）と、 前記溶接機コントローラ（５）の出力を制御する溶接機
   パワーコントローラ（４）と、 前記スパーク信号処理部（３）と溶接機パワーコントロ
   ーラ（４）とに連結され、前記帰還信号に応じて最適溶
   接条件になるように溶接機のパワーを制御する主制御部
   （１）と、からなることを特徴とする高周波電気抵抗溶
   接装置の自動入熱量制御システム。
2. 【請求項２】 前記スパーク信号処理部（３）は、前記
   熱発生器（６１）により発生する熱により溶融されて溶
   接部位で発生するスパークの信号を感知する受信手段
   （７０）から信号を入力して有効な信号をフィルタリン
   グ及び増幅して出力するスパークデテクタ（３１）と、
   前記スパークデテクタ（３１）から出力された信号を振
   幅信号と周波数信号とに分離して出力する信号分離部
   （３２）と、前記信号分離部（３２）により分離された
   周波数信号を入力して所定のデータ形態に加工して出力
   するスパーク周波数処理部（３３）と、前記信号分離部
   （３２）により分離された振幅信号を入力して所定のデ
   ータ形態に加工して出力するスパーク振幅信号処理部
   （３４）と、前記スパーク周波数／振幅信号処理部（３
   ３,３４）から出力されたアナログ信号をデジタル信号
   に変換して出力するアナログ／デジタルコンバータ（Ａ
   ＤＣ）（３５）と、前記主制御部（１）の制御により前
   記スパークデテクタ（３１）の作動を制御し、前記ＡＤ
   Ｃ（３５）の出力をシリアルデータに変換して前記帰還
   信号として出力するマイクロプロセッサ（３６）とから
   構成されることを特徴とする請求項１記載の高周波電気
   抵抗溶接装置の自動入熱量制御システム。
3. 【請求項３】 前記溶接機パワーコントローラ（４）は
   前記溶接機コントローラ（５）の出力を制御するための
   もので、溶接機コントローラ（５）の状態信号を入力し
   てデジタル信号に変換して出力するＡＤＣ（４３）と、
   前記溶接機コントローラ（５）を制御するための信号を
   出力するもので、デジタル信号をアナログ信号に変換し
   て出力するＤＡＣ（４２）と、前記主制御部（１）の制
   御により前記ＡＤＣ（４３）及びＤＡＣ（４２）を介し
   て前記溶接機コントローラ（５）を制御するための信号
   を処理するマイクロプロセッサ（４１）とから構成され
   ることを特徴とする請求項１記載の高周波電気抵抗溶接
   装置の自動入熱量制御システム。
4. 【請求項４】 高周波電気抵抗溶接機を用いて電棒管を
   製造する時、最適溶接がなされるように制御する方法に
   おいて、 熱発生器に供給される電流量の大きさによって変化する
   スパークの振幅及び発生頻度数を測定して多数の領域に
   設定する工程（Ｓ３１）と、 前記工程（Ｓ３１）で設定された多数の領域のうち、溶
   接条件による最適溶接領域を選択する溶接領域選択工程
   （Ｓ３２）と、 前記溶接領域選択工程（Ｓ３２）で選択された領域内で
   溶接を開始し溶接途中に発生するスパーク発生量を測定
   するスパーク発生量測定工程（Ｓ３３）と、 前記スパーク発生量測定工程（Ｓ３３）で測定されたス
   パーク発生量と選択された領域内のスパーク量とを比較
   する比較工程（Ｓ３４）と、 前記熱発生器に供給される電流量を前記比較工程（Ｓ３
   ４）の比較結果に応じて調節する調節工程（Ｓ３５,Ｓ
   ３６）とからなり、前記溶接領域選択工程、スパーク発
   生量測定工程、比較工程及び調節工程からなるシーケン
   スを繰り返すことを特徴とする高周波電気抵抗溶接装置
   の自動入熱量制御方法。