JP3200159B2

JP3200159B2 - 消耗電極式ガスシールドアーク溶接の溶接状態検出方法および溶接装置

Info

Publication number: JP3200159B2
Application number: JP13481392A
Authority: JP
Inventors: 常夫三田; 博史田上; 孝之鹿島
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 1992-05-27
Filing date: 1992-05-27
Publication date: 2001-08-20
Anticipated expiration: 2016-08-20
Also published as: JPH05329640A

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
ドアーク溶接の溶接状態検出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】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ＣＯ₂あるいはマグ
溶接では、安定なアークを維持するために、アークの状
態を検出しながら各種の制御を行っている。例えば、特
開昭６０−１６２５７７号公報（以下、第１の従来技術
という）には、溶接電圧を電圧計により測定することに
より短絡期間とアーク期間とを判別し、それぞれの期間
における溶接電流と溶接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。また、特開昭６２−２
８０７５公報（以下、第２の従来技術という）には、溶
接電流波形が基準電流波形に一致するように制御して安
定なアークとする技術が開示されている。さらに、特開
昭６１−２１６８５８号公報（以下、第３の従来技術と
いう）には、出力回路に２次巻線を備える直流リアクタ
を配置し、２次巻線のリアクタンスとその端子間電圧と
から電流の時間的変化を演算し、その結果をインバータ
回路にフィードバックすることにより電源の出力を制御
して安定なアークと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】しかし、上記第１の従
来技術場合、出力側回路の負荷の大きさは一様ではない
から、すなわち例えば延長ケーブルを使用すると検出さ
れる溶接電圧の値が変化するから、トーチに制御線を設
けなければならないし、電流が大きくなると、電圧も大
きくなるため（電圧はインピーダンスと電流の積であ
る。）、電流値によって変える必要がある。また、上記
第２の従来技術の場合、基準電流波形を記憶し比較する
ための記憶・演算装置を別に設ける必要がある。なお、
上記第３の従来技術の場合、２次巻線の端子間電圧を利
用してはいるものの短絡期間とアーク期間を判別するこ
とは考慮されていない。本発明の目的は、上記した課題
を解決し、特別な装置を設けることなく、かつ、より正
確に短絡期間とアーク期間を判別することができる消耗
電極式ガスシールドアーク溶接の溶接状態検出方法およ
び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】上記した課題を解決する
ため、請求項１の発明は、ワイヤを略定速度で送給し、
出力回路に接続された直流リアクタに発生する端子間電
圧の測定値を用いて、交互に繰返される短絡期間とアー
ク期間を判別するようにした消耗電極式ガスシールドア
ーク溶接の溶接状態検出方法において、前記測定値が負
の場合は短絡期間、前記測定値が正または０の場合はア
ーク期間とすることを特徴とする。また、請求項２の発
明は、ワイヤを略定速度で送給し、出力回路に接続され
た直流リアクタに発生する端子間電圧を測定しながら、
短絡期間とアーク期間を交互に繰返して溶接をする消耗
電極式ガスシールドアーク溶接の溶接装置において、比
較手段を設け、測定した端子間電圧の測定値と０とを比
較することにより、短絡期間とアーク期間を判別するこ
とを特徴とする。

【０００５】

【作用】インダクタンスがＬ₂である直流リアクタの端
子間に誘起される電圧ｅ₂は、溶接電流の時間的変化ｄ
ｉ／ｄｔを用いて、式１で表わすことができる。ｅ₂＝−Ｌ₂・ｄｉ／ｄｔ式１ところで、短絡とアークを交互に繰返す消耗電極式ガス
シールドアーク溶接では、短絡期間中は電流が増加し、
アーク期間中は電流が減少する。すなわち、短絡期間中
のｄｉ／ｄｔは正、アーク期間中のｄｉ／ｄｔは負とな
る。したがって、直流リアクタの端子間の電圧ｅ₂が０
よりも小さいときは短絡期間、ｅ₂が０以上のときはア
ーク期間と判断できる。

【０００６】図１は、本発明を適用して溶接電圧を自動
的に選定するように構成した溶接装置の一構成例図であ
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。なお、
直流リアクタ５は２次巻線５ａを備えており、２次巻線
５ａのインダクタンスはＬ₂である。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。
９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、後述するファジィ制御器２２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１３を介
してインバータ回路２の出力を制御する。

【０００７】１４は検出器で、２次巻線５ａの端子間に
誘起される電圧を検出する。１５は電圧検出器１４のサ
ンプリング条件設定器。１６は判定基準設定器。１７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、検出器１４で検出された電圧と判
定基準設定器１６で設定された値とを比較する。なお、
本実施例の場合、判定基準設定器１６で設定する値は０
である。そして、判定器１７は、ｅ₂＜０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
ｅ₂≧０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（Ｔ
ｓ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２により算出し、その
値をファジィ制御器２２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３
により算出し、その値をファジィ制御器２２へ出力す
る。

【０００８】

【数１】

【０００９】

【数２】

【００１０】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）のファジィ変数、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２２は、上記設
定器２３により設定されるファジィ変数と推論規則に基
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、上記加算回路１１へ出力する。なお、
２４は表示器で、得られた出力電圧設定値の増減値を表
示する。

【００１１】以下、ファジィ制御器２２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のファジィ変数を、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。

【００１２】

【表１】

【００１３】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。

【００１４】（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。

【００１５】

【表２】

【００１６】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。（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＝２.０ｍ
ｓ、ａ₄＝２.４ｍｓ、ａ₅＝２.７ｍｓ、ａ₆＝３.２ｍ
ｓ、ａ₇＝３.５ｍｓ、図５において、ｂ₁＝−０.３ｍ
ｓ、ｂ₂＝０.５ｍｓ、ｂ₃＝３.０ｍｓ、ｂ₄＝３.８ｍ
ｓ、ｂ₅＝４.７ｍｓ、ｂ₆＝７.２ｍｓ、ｂ₇＝ｂ₈＝８.
０ｍｓ、ｂ₉＝１１.３ｍｓ、ｂ₁₀＝１３.０ｍｓ、ｂ₁₁
＝１５.５ｍｓ、ｂ₁₂＝１８.０ｍｓ、ｂ₁₃＝１９.７ｍ
ｓ図６において、ｃ₁＝ｃ₂＝−６.５Ｖ、ｃ₃＝ｃ₄＝ｃ₅
＝−４.３Ｖ、ｃ₆＝ｃ₇＝ｃ₈＝−２.２Ｖ、ｃ₉＝ｃ₁₀＝
ｃ₁₁＝０Ｖ、ｃ₁₂＝ｃ₁₃＝ｃ₁₄＝２.２Ｖ、ｃ₁₅＝ｃ₁₆
＝ｃ₁₇＝４.３Ｖ、ｃ₁₈＝ｃ₁₉＝６.５Ｖ（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＝７ｍ
ｓ、b´₃＝１０ｍｓ、b´₄＝１２ｍｓ、b´₅＝１３ｍ
ｓ、b´₆＝１７ｍｓ、b´₇＝１８ｍｓ、b´₈＝２０ｍ
ｓ、b´₉＝２３ｍｓ、b´₁₀＝２４ｍｓ、b´₁₁＝２５ｍ
ｓ、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＝４.３
Ｖ、ｃ´₁₅＝ｃ´₁₆＝６.５Ｖのようである。そして、
この構成例では、表示器２４を設けたから、同一の溶接
作業を引き続き行う場合、表示器２４の表示に合わせて
出力電圧の設定値を変更すれば、初めから適切な溶接が
できる。

【００１７】なお、上記したように、外部特性が定電圧
特性の場合、短絡期間中は電流が増加し、アーク期間中
は電流が減少する。しかし、図１２に示すように、アー
ク期間の後半ではアーク長が短くなることにより、電源
の自己制御作用に基づいたゆるやかな電流増加を生じる
場合がある。ここで、アーク期間の後半に生じる溶接電
流の時間的増加率は数十Ａ／ｍｓであり、一方、短絡期
間中の溶接電流の時間的増加率は数百Ａ／ｍｓであるか
ら、無視しても実用上問題はない。しかし、アーク期間
の後半に生じる電流の時間的変化、すなわちｄｉ／ｄｔ
を予め実測するか、あるいは上記したようにアーク期間
の後半に生じる溶接電流の時間的増加率は数十Ａ／ｍｓ
であり、一方、短絡期間中の溶接電流の時間的増加率は
数百Ａ／ｍｓであるから、アーク期間の後半に生じる溶
接電流の時間的増加率よりも大きい値例えば１００Ａ／
ｍｓとし、上記式１を用いて判定基準設定器１６で設定
する値αを定めることが出来る。そして、ｅ₂＜α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ｅ₂≧α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、それぞれ出力するように
すれば短絡期間とアーク期間の判定をさらに正確にする
ことができる。

【００１８】以上、２次巻線５ａを備えた直流リアクタ
５を用いる場合について説明したが、直流リアクタとし
ては２次巻線を持たないものであっても良い。しかし、
直流リアクタの端子間電圧を用いる場合、２次巻線を利
用する場合に比較してノイズによる影響を受けやすいこ
とに注意する必要がある。

【００１９】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
特別な装置を設けることなく、かつ、より正確に短絡期
間とアーク期間を判別することができるという効果があ
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のファジィ変数
の一例。

【図５】短絡移行領域を対象としたｓ_Taのファジィ変数
の一例。

【図６】短絡移行領域を対象とした△Ｖのファジィ変数
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のファ
ジイ変数の一例。

【図１０】グロビュール移行領域を対象としたｓ_Taのフ
ァジイ変数の一例。

【図１１】グロビュール移行領域を対象とした△Ｖのフ
ァジイ変数の一例。

【図１２】電流波形の一例を示す図。

【符号の説明】

２インバータ回路５直流リアク
タ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２２フ
ァジィ制御器２３設定器２４表示器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭61−266178（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−64763（ＪＰ，Ａ) 実開平３−80380（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 9/073 B23K 9/095 B23K 9/173

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、出力回路に
接続された直流リアクタに発生する端子間電圧の測定値
を用いて、交互に繰返される短絡期間とアーク期間を判
別するようにした消耗電極式ガスシールドアーク溶接の
溶接状態検出方法において、前記測定値が負の場合は短
絡期間、前記測定値が正または０の場合はアーク期間と
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
接の溶接状態検出方法。
【請求項２】ワイヤを略定速度で送給し、出力回路に
接続された直流リアクタに発生する端子間電圧を測定し
ながら、短絡期間とアーク期間を交互に繰返して溶接を
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、比較手段を設け、測定した端子間電圧の測定値と
０とを比較することにより、短絡期間とアーク期間を判
別することを特徴とする消耗電極式ガスシールドアーク
溶接の溶接装置。
【請求項３】出力回路に接続された直流リアクタが２
次巻線を備える直流リアクタであり、測定する端子間電
圧を直流リアクタの２次巻線の端子間電圧とすることを
特徴とする請求項２に記載の消耗電極式ガスシールドア
ーク溶接の溶接装置。