JP3176168B2

JP3176168B2 - 消耗電極式ガスシールドアーク溶接の出力制御方法およびその溶接装置

Info

Publication number: JP3176168B2
Application number: JP07409493A
Authority: JP
Inventors: 常夫三田; 博司田上; 孝之鹿島
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 1993-03-31
Filing date: 1993-03-31
Publication date: 2001-06-11
Anticipated expiration: 2016-06-11
Also published as: JPH06277837A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、消耗電極式ガスシール
ドアーク溶接の出力制御方法およびその溶接装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】ＣＯ₂あるいはマグ溶接などの消耗電極
式ガスシールドアーク溶接では、作業状況やワーク形状
に応じて溶接電流値を選定する。ところで、良好な溶接
結果を得るためには、溶接電流値に応じた適切なアーク
電圧が得られるように溶接機の出力電圧を設定する必要
がある。しかし、適切なアーク電圧は溶接電流値だけで
なく、作業環境や形態によっても異なる。このため、選
定した溶接電流値に対し、適正なアーク電圧が得られる
ように溶接機の出力電圧を設定するにはかなりの熟練と
技能の向上とが必要であり、初心者が容易に修得できる
ものではない。◆そこで、初心者でも熟練者と同等の溶
接結果が得られるようにするため、特開昭５６−１５８
２８１号公報（以下、第１の従来技術という）には、予
め溶接電流と適正出力電圧の関係をデータベース化して
おき、溶接電流が選定されると溶接機の出力電圧が一元
的に設定される機能を設けた技術が開示されている。ま
た、特開昭６０−１２８３４０号公報（以下、第２の従
来技術という）ならびに特開昭６０−１６２５７７号公
報（以下、第３の従来技術という）には、溶接中の電流
と電圧波形の観測結果を所定の関数で演算し、演算した
値が最小となるように出力電圧を設定する技術が開示さ
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】たとえば大形構造物を
溶接する時には、溶接ケーブルを延長することが多い。
この場合、適切なアーク電圧とするためには、溶接機の
出力電圧を高くし、延長した溶接ケーブルで発生する電
圧降下の影響を補正する必要がある。◆しかし、上記第
１の従来技術の場合、適切なアーク電圧として自動設定
される出力電圧は、所定の基準条件ならびに標準作業環
境のもとでデータとして選定されたものであるため、標
準作業環境から外れる場合は適正値とはならない。な
お、アーク電圧を検出するための検出線を溶接部まで配
線すれば適正値を得ることができるが、配線が増加する
と操作性は低下する。さらに、データとして選定された
ものは特定の熟練溶接作業者によって選定されたもので
あり、必ずしも不偏的な適正値であるとは言えない。◆
また、上記第２ないし第３の従来技術の場合、延長ケー
ブル使用時の電圧降下を補正することは可能であるが、
所定の関数で演算される値を最小とするには、出力電圧
を操作して少なくとも３個の演算値を求める必要があ
り、適正なアーク電圧を得る迄に時間を要する。◆本発
明の目的は、上記した課題を解決し、作業環境や形態の
変化あるいは作業者の熟練の程度に拘らず、常に良好な
溶接結果を得ることのできる消耗電極式ガスシールドア
ーク溶接の出力制御方法、ならびにその方法を実行する
ための溶接装置を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記した課題は、ワイヤ
を略定速度で送給し、溶接中に測定される少くとも２種
類の溶接波形因子の値を前件部、また出力電圧の操作量
を後件部として予め定めた制御規則に従ってファジィ推
論を実行することにより出力電圧設定の増減操作量を決
定し、ファジィ推論の実行回数が予め定めた回数になっ
たとき溶接を終了することにより解決される。

【０００５】

【作用】短絡期間およびアーク期間を測定してそれぞれ
の標準偏差を求め、求めた標準偏差を所定のファジィ関
数と推論規則によりファジィ処理し、適正アーク電圧と
するための操作量を決定し、出力電圧を適切なものとし
た後は必要以上に出力電圧を変化させないから、アーク
が安定になる。

【０００６】

【実施例】図１は、本発明を実施するための溶接装置の
構成例図である。◆同図において、１は商用交流を直流
に変換するための入力側整流器、２はパワー半導体素子
で構成されたインバータ回路で、上記直流を高周波交流
に変換する。３は溶接トランスでその入力側はインバー
タ回路２に接続されている。４は溶接トランス３の出力
側に接続された出力側整流器で、上記インバータ回路２
で作り出す高周波交流を再び直流に変換する。５は直流
リアクタで、出力側整流器４で整流された直流出力を平
滑する。６はワイヤで、ワイヤ送給装置７により溶接部
に供給される。８は母材。１０９は溶接電流設定器で、
ワイヤ６の送給速度を設定するためのものである。な
お、インバータ回路２は外部特性が定電圧特性となるよ
うに制御される。◆１０は出力電圧設定器で、出力電圧
Ｖ₀を設定するためのものである。１１は加減算回路
で、出力電圧設定器１０で設定される出力電圧Ｖ₀と後
述する判定器１２３から出力される出力電圧の操作量△
Ｖとを合成し、その結果を新たな出力電圧Ｖ₀として記
憶すると共にパルス幅制御回路１２に出力する。パルス
幅制御回路１２は加減算回路１１からの信号に基づき駆
動回路１１３を介してインバータ回路２の出力を制御す
る。

【０００７】１４は電圧検出器。１５は電圧検出器１４
のサンプリング条件設定器。１６は判定電圧設定器。１
７は短絡かアークかを判定する判定器で、サンプリング
条件設定器１５で設定されるサンプリング間隔およびサ
ンプリング時間に従って、電圧検出器１４で計測される
溶接電圧υと判定電圧設定器１６で設定された判定電圧
Ｖjの大小を比較する。そして、判定器１７は、υ≦Ｖj
のときには短絡期間であることの判定信号をＴs測定器
１８へ、またυ＞Ｖjのときには、アーク期間であるこ
との判定信号をＴa測定器１９へ、それぞれ出力する。
◆上記Ｔs測定器１８およびＴａ測定器１９は、短絡と
アークが交互に繰返される各短絡周期毎に、それぞれの
時間の計測値（ＴｓおよびＴａの値）を、短絡期間の標
準偏差ｓ_Tsの演算器２０ならびにアーク期間の標準偏差
ｓ_Taの演算器２１へ入力する。なお、演算器２０は、上
記Ｔｓ測定器１８の出力を用いて、Ｔｓの総和ΣＴｓお
よびＴｓの平方和ΣＴｓ²の演算、ならびにＴｓの個数
Ｎのカウントを行い、標準偏差ｓ_Tsの値を下記の式１に
より算出し、その値をファジィ制御器１２２へ出力す
る。演算器２１も上記演算器２０と同様にして標準偏差
ｓ_Taの値を下記の式２により算出し、その値をファジィ
制御器１２２へ出力する。◆

【０００８】

【数１】

【０００９】設定器２３は、ファジィ推論の前件部を構
成する因子である標準偏差ｓ_Ts、ｓ_Taおよび後件部を構
成する因子△Ｖ（出力電圧操作量）のメンバシップ関
数、ならびにこれらの因子についての推論規則を入力す
るためのものである。そして、ファジイ制御器１２２
は、上記設定器２３により設定されるメンバシップ関数
と推論規則に基づき、入力された標準偏差ｓ_Tsおよび標
準偏差ｓ_Taの推論規則への適合度を求め、その適合度に
見合った推論結果を各規則ごとに算出する。そして、各
推論規則ごとに得られた推論結果を総合し、全体として
の推論結果△Ｖを重心法で求め、判定器１２３へ出力す
る。１２４は設定器で、加減算回路１１へ出力する操作
量の最小値を設定するためのものである。１２５はスイ
ッチ。１２６はカウンタで、駆動回路１１３および溶接
電流設定器１０９に接続されている。１２７は回数設定
器で、ファジィ推論の最大実行回数を設定するためのも
のである。１２８は表示装置である。

【００１０】以下、ファジィ制御器１２２における推論
方法をさらに詳しく説明する。◆ （１）ワイヤ先端に形成される溶滴の母材への移行形態
が短絡移行の場合。◆ 溶滴の移行形態が短絡移行の場合、ワイヤ送給速度は比
較的遅く、溶接電流は比較的小さい。そして、この時の
標準偏差ｓ_Tsおよび標準偏差ｓ_Taは、アーク電圧に応じ
てそれぞれ図２および図３に示すように変化する。◆そ
こで、標準偏差ｓ_Tsおよび標準偏差ｓ_Taおよび出力電圧
の操作量△Ｖのメンバシップ関数を、それぞれ図４〜図
６のように定めるとともに、表１に示す合計１５個の推
論規則を設定する。◆

【００１１】

【表１】

【００１２】なお、表１における推論規則のうち、
Ｒ₁，Ｒ₂，Ｒ₃を代表例にとり、以下に説明する。な
お、括弧内の記号は表１に示すものである。◆ Ｒ₁；もしｓ_Tsが小さく（Ｓ）、かつｓ_Taがやや小さ
い（ＳＭ）ときには出力電圧を変化させない（△Ｖ＝Ｚ
０）◆ Ｒ₂；もしｓ_Tsが小さく（Ｓ）、かつｓ_Taが極めて大
きい（ＢＢ）ときには出力電圧を大幅に低下させる（△
Ｖ＝ＮＢ）◆ Ｒ₃；もしｓ_Tsが大きく（Ｂ）、かつｓ_Taがやや大き
い（ＭＢ）ときには出力電圧を大幅に上昇させる（△Ｖ
＝ＰＢ）◆ すなわち出力電圧設定器１０で設定された出力電圧Ｖ₀
が適正電圧に対して低過ぎた場合、上記図２および図３
に示したように、ｓ_Tsの値が大きくまたｓ_Taの値がやや
大きくなるため、上記の推論規則Ｒ₃が適用されて出力
電圧を大幅に上昇させるという推論結果（△Ｖ＝ＰＢ）
を得る。◆また、出力電圧設定器１０で設定された出力
電圧Ｖ₀が適正であった場合、ｓ_T _sの値が小さくまたｓ
_Taの値がやや小さくなるため、上記の推論規則Ｒ₁が適
用され、出力電圧を変化させないという推論結果（△Ｖ
＝Ｚ０）を得る。◆さらに、出力電圧設定器１０で設定
された出力電圧Ｖ₀が適正電圧に対して高過ぎた場合、
ｓ_Tsの値が小さくまたｓ_Taの値が極めて大きくなるた
め、上記推論規則Ｒ₂が適用され、出力電圧を大幅に低
下させるという推論結果（△Ｖ＝ＮＢ）を得る。◆な
お、その他のケースの場合も上記Ｒ₁，Ｒ₂，Ｒ₃の場合
と同様に、出力電圧の設定値が適正電圧より低い場合に
は、適正電圧からのズレ量に応じた出力電圧の増加量
が、また出力電圧の設定値が適正電圧より高い場合に
は、その程度に応じた出力電圧の減少量がファジィ推論
結果△Ｖとして与えられる。すなわち、当初の出力電圧
の設定がどのような値であっても、その設定値のもとで
所定の時間テスト溶接を行い、その時のｓ_Tsおよびｓ_Ta
の値を用いて上述のファジィ推論を行えば、出力電圧を
常に適正な値に設定できる。

【００１３】（２）ワイヤ先端に形成される溶滴の母材
への移行形態がグロビュール移行の場合。◆ 溶滴の移行形態がグロビュール移行の場合、ワイヤ送給
速度は比較的速く、溶接電流は中程度ないし比較的大き
い。そして、この時の標準偏差ｓ_Tsおよび標準偏差ｓ_Ta
は、アーク電圧に応じてそれぞれ図７および図８に示す
ように変化する。◆そこで、標準偏差ｓ_Tsおよび標準偏
差ｓ_Taおよび出力電圧の操作量△Ｖのファジィ変数を、
それぞれ図９〜図１１のように定めるとともに、表２に
示す推論規則を設定すると、上記（１）の短絡移行の場
合と同様に、当初の出力電圧の設定がどのような値であ
っても、その設定値のもとで所定の時間テスト溶接を行
い、その時のｓ_Tsおよびｓ_Taの値を用いて上述のファジ
ィ推論を行えば、出力電圧を常に適正な値に設定でき
る。◆

【００１４】

【表２】

【００１５】以下（Ａ），（Ｂ）に、良好な結果が得ら
れたファジィ変数の例を、図４〜６ならびに図９〜１１
に基づいて示す。なお、この例はワイヤの材質が軟鋼
で、直径が１．２ｍｍのソリッドワイヤを用いてＣＯ₂
溶接をした場合である。◆ （Ａ）溶滴の母材への移行形態が短絡移行の場合。◆ なお、ワイヤ送給速度は３ｍ／ｍｉｎである。◆図４に
おいて、◆ａ₁＝１.２ｍｓ、ａ₂＝１.５ｍｓ、ａ₃＝２.
０ｍｓ、ａ₄＝２.４ｍｓ、◆ａ₅＝２.７ｍｓ、ａ₆＝３.
２ｍｓ、ａ₇＝３.５ｍｓ、◆図５において、◆ｂ₁＝−
０.３ｍｓ、ｂ₂＝０.５ｍｓ、ｂ₃＝３.０ｍｓ、ｂ₄＝
３.８ｍｓ、◆ｂ₅＝４.７ｍｓ、ｂ₆＝７.２ｍｓ、ｂ₇＝
ｂ₈＝８.０ｍｓ、ｂ₉＝１１.３ｍｓ、ｂ₁₀＝１３.０ｍ
ｓ、ｂ₁₁＝１５.５ｍｓ、ｂ₁₂＝１８.０ｍｓ、◆ｂ₁₃＝
１９.７ｍｓ◆図６において、◆ｃ₁＝ｃ₂＝−６.５Ｖ、
ｃ₃＝ｃ₄＝ｃ₅＝−４.３Ｖ、ｃ₆＝ｃ₇＝ｃ₈＝−２.２
Ｖ、ｃ₉＝ｃ₁₀＝ｃ₁₁＝０Ｖ、ｃ₁₂＝ｃ₁₃＝ｃ₁₄＝２.２
Ｖ、◆ｃ₁₅＝ｃ₁₆＝ｃ₁₇＝４.３Ｖ、ｃ₁₈＝ｃ₁₉＝６.５
Ｖ（Ｂ）溶滴の母材への移行形態がグロビュール移行の場
合。◆ なお、ワイヤ送給速度は７.５ｍ／ｍｉｎである。◆図
９において◆ａ´₁＝１.３ｍｓ、a´₂＝１.４ｍｓ、a´
₃＝ａ´₄＝a´₅＝１.６ｍｓ、◆ａ´₆＝１.８ｍｓ、ａ
´₇＝１.９ｍｓ◆図１０において◆b´₁＝６ｍｓ、b´₂
＝７ｍｓ、b´₃＝１０ｍｓ、b´₄＝１２ｍｓ、◆b´₅＝
１３ｍｓ、b´₆＝１７ｍｓ、b´₇＝１８ｍｓ、b´₈＝２
０ｍｓ、◆b´₉＝２３ｍｓ、b´₁₀＝２４ｍｓ、b´₁₁＝
２５ｍｓ、b´₁₂＝２８ｍｓ、b´₁₃＝２９ｍｓ◆図１１
において◆ｃ´₁＝ｃ´₂＝−４.３Ｖ、ｃ´₃＝ｃ´₄＝
ｃ´₅＝−２.２Ｖ、◆ｃ´₆＝ｃ´₇＝ｃ´₈＝０Ｖ、ｃ
´₉＝ｃ´₁₀＝ｃ´₁₁＝２.２Ｖ、◆ｃ´₁₂＝ｃ´₁₃＝ｃ
´₁₄＝４.３Ｖ、ｃ´₁₅＝ｃ´₁₆＝６.５Ｖ◆である。

【００１６】溶接作業をするときの外部環境は一定でな
いことが多いが、上記した制御により常に適切な溶接条
件を得ることができる。しかし、実用上、一旦適正条件
が選定された後は、溶接結果に悪影響を及ぼさない程度
の小さい外乱を無視しても、差し支えないことが多い。
また、溶接条件は変化の少ない方が作業がしやすい。さ
らに、極めて希ではあるが、特異な現象が連続して発生
した場合、推論規則に合致せず、適正な溶接条件を得る
のに時間がかかることがある。◆以下、図１および図１
２を参照しながらさらに具体的に説明する。なお、図１
２は動作のフローチャートである。なお、電源がオンさ
れたときおよび前回の溶接終了時にカウンタ１２６はリ
セットされ、初期値は１になっている。◆作業に先立
ち、溶接電流設定器１０９により溶接電流Ｉを、出力電
圧設定器１０により出力電圧Ｖ₀を設定する。また、設
定器１２４により操作量△Ｖの最小値△Ｖ_minを設定す
る（Ｓ１００）。さらに、スイッチ１２５を閉にしたと
きは、回数設定器１２７によりファジィ推論の最大実行
回数Ｎを設定しておく。◆溶接を開始すると（Ｓ１１
０）、溶接波形データがサンプリングされ（Ｓ１２
０）、短絡時間Ｔsとアーク時間Ｔａが計測されて標準
偏差ｓ_Tsおよび標準偏差ｓ_Taが求められる（Ｓ１３０，
Ｓ１４０）。ファジイ制御器１２２はこれらの値を用い
てファジィ推論を実行し、操作量△Ｖを演算する（Ｓ１
５０）。判定器１２３は、ファジイ制御器１２２から出
力された操作量△Ｖと、最小値△Ｖ_minとを比較し（Ｓ
１６０）、△Ｖの絶対値≧△Ｖ_minの場合には操作量△
Ｖを加減算回路１１へ出力するとともに、カウンタにカ
ウント信号を出力する。また、△Ｖの絶対値＜△Ｖ_min
の場合には溶接終了までその状態を保つ（Ｓ２１０）。
加減算回路１１は出力電圧Ｖ₀と操作量△Ｖとを合成
し、パルス幅制御回路１２に出力する。パルス幅制御回
路１２は加減算回路１１からの信号に基づき駆動回路１
１３を介してインバータ回路２の出力を制御する（Ｓ１
７０）。そして、スイッチ１２５の状態を確認し（Ｓ１
８０）、閉のときにはｎ＝ｎ＋１とする（Ｓ１９０）。
なお、スイッチ１２５が開のときにはＳ１２０に戻る。
そして、ｎとＮとを比較し（Ｓ２００）、ｎ≧Ｎのとき
は駆動回路１１３および溶接電流設定器１０９に溶接停
止信号を出力するとともに表示器１２８に動作指令を送
る。また、ｎ＜ＮのときにはＳ１２０に戻る。

【００１７】例えば、ワイヤの材質が軟鋼で、直径が
１．２ｍｍのソリッドワイヤを用いたＣＯ₂溶接におい
て、溶接電流を８０〜３００Ａとする場合、△Ｖ_min＝
０．５Ｖに設定すると、特異な１〜２の例を除き、ファ
ジィ推論を多くとも３〜４回実行すれば出力電圧は適正
な値に収束することを確認した。また、上記特異な１〜
２の例の場合もファジィ推論の実行を５回行なった時点
でいったん溶接を中断し（すなわち、Ｎ＝５）、改めて
溶接を再開すると、ファジィ推論を２〜３回程度実行し
た後出力電圧が適正な値に収束することを確認した。◆
なお、上記実施例では、△Ｖの絶対値＜△Ｖ_minの場
合、操作量△Ｖ＝０としてファジィ推論を継続させた
が、溶接条件が適正になったものとしてファジィ推論を
停止させるようにしてもよいし、サンプリング条件設定
器１５の動作を停止させてもよい。また、スイッチ１２
５、カウンタ１２６および回数設定器１２７は設けなく
てもよい。◆さらに、上記の実施例では、標準偏差ｓ_Ts
および標準偏差ｓ_Taを前件部としてファジィ推論を行う
方法について説明したが、前件部として用いる因子はｓ
_Tsとｓ_Taにのみ限定されるものではなく、アーク電圧の
差別化が可能であれば、どのような因子を用いても良
い。すなわち、例えば、Ｔs測定器１８およびＴa測定器
１９で測定される短絡期間Ｔｓおよびアーク期間Ｔａの
標準偏差の代わりにこれらの平均値を用いても良い。ま
た、溶接電流検出器を設けることにより溶接電流値を検
出し、短絡期間Ｔｓにおける溶接電流の平均値である短
絡平均電流の標準偏差ｓ_Isおよびアーク期間Ｔａにおけ
る溶接電流の平均値であるアーク平均電流の標準偏差ｓ
_Iaを用いても同様の結果を得ることができる。さらに、
前件部を構成する因子は２個に限られるものではなく、
例えば、上記のｓ_Ts、ｓ_Ta、ｓ_Isおよびｓ_Iaの４個など
とすれば、推論の精度をさらに向上できることは言うま
でもない。

【００１８】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
当初の出力電圧の設定がどのような値であっても、出力
電圧を適正な値に自動的に変更することができる。そし
て、出力電圧が適切になった後は必要以上に出力電圧を
変化させないから、アークが安定になり、作業が容易に
なるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施するための溶接装置の構成例図。

【図２】短絡移行領域における標準偏差ｓ_Tsとアーク電
圧の関係を示す図。

【図３】短絡移行領域における標準偏差ｓ_Taとアーク電
圧の関係を示す図。

【図４】短絡移行領域を対象としたｓ_Tsのメンバシップ
関数の一例。

【図５】短絡移行領域を対象としたｓ_Taのメンバシップ
関数の一例。

【図６】短絡移行領域を対象とした△Ｖのメンバシップ
関数の一例。

【図７】グロビュール移行領域におけるｓ_Tsとアーク電
圧の関係を示す図。

【図８】グロビュール移行領域におけるｓ_Taとアーク電
圧の関係を示す図。

【図９】グロビュール移行領域を対象としたｓ_Tsのメン
バシップ関数の一例。

【図１０】グロビュール移行領域を対象としたｓ_Taのメ
ンバシップ関数の一例。

【図１１】グロビュール移行領域を対象とした△Ｖのメ
ンバシップ関数の一例。

【図１２】動作のフローチャート。

【符号の説明】

２インバータ回路６ワイヤ１０出力電圧設定器１１加減算回
路１２パルス幅制御回路１４電圧検出
器１５サンプリング条件設定器１６判定電圧
設定器１７判定器１８Ｔs測定
器１９Ｔa測定器２０，２１演算器１２２ファジィ制御器１２３判定器２３，１２４設定器１２６カウ
ンタ１２７回数設定器

フロントページの続き (56)参考文献特開平５−42367（ＪＰ，Ａ) 特開平３−164805（ＪＰ，Ａ) 特開平４−322882（ＪＰ，Ａ) 特開平４−322881（ＪＰ，Ａ) 特開平５−318114（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−252677（ＪＰ，Ａ) 特開平１−279303（ＪＰ，Ａ) 特開平１−162572（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 9/073 B23K 9/095 B23K 9/12 G05B 13/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ワイヤを略定速度で送給し、溶接中に測
定される少くとも２種類の溶接波形因子の値を前件部、
また出力電圧の操作量を後件部として予め定めた制御規
則に従ってファジィ推論を実行することにより出力電圧
設定の増減操作量を決定し、ファジィ推論の実行回数が
予め定めた回数になったとき溶接を終了することを特徴
とする消耗電極式ガスシールドアーク溶接の出力制御方
法。
【請求項２】ワイヤを略定速度で送給し、短絡とアー
クを交互に繰返しながら溶接をする消耗電極式ガスシー
ルドアーク溶接の溶接装置において、少くとも２種類の
溶接波形因子の算出手段と、その算出手段の算出結果を
入力として予め定めた制御規則に従い所定のアーク状態
を得るための出力電圧の操作量を推論するファジィ制御
器と、上記ファジィ制御器の出力に応じて溶接電源の出
力電圧設定値の増減を行う手段と、ファジィ推論の最大
実行回数を設定する回数設定器と、ファジィ推論の実行
回数を計測するカウンタとを備え、ファジィ推論の実行
回数が回数設定器に設定された回数になったとき、溶接
を停止するように構成したことを特徴とする消耗電極式
ガスシールドアーク溶接の溶接装置。