JP3303527B2

JP3303527B2 - 溶接ワイヤ位置の検出方法及びその装置

Info

Publication number: JP3303527B2
Application number: JP13011094A
Authority: JP
Inventors: 昭慈今永; 光明羽田; 信雄柴田; 和彦水口; 裕治山口
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-06-13
Filing date: 1994-06-13
Publication date: 2002-07-22
Anticipated expiration: 2017-07-22
Also published as: JPH081336A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は非消耗性の電極を使用す
る溶接トーチにアークを発生させ、そのアーク中に溶接
ワイヤを送りながら自動溶接を行う方法に係り、特に、
アーク中で溶融されるワイヤ位置の良否の判別及び電極
の異常判定をするのに好適な検出方法及び装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ダングステンを主成分とする非
消耗性の電極を使用する溶接法として、ＴＩＧアーク溶
接やプラズマアーク溶接が知られている。これらのアー
ク溶接では、開先を設けた継手母材の溶接や単なる母材
表面の肉盛溶接に対して、溶接トーチの電極と溶接母材
との間に発生させたアーク中に溶接ワイヤ（溶加材ある
いはワイヤとも称する）を送り溶融しながら溶接を行っ
ている。しかし、アーク中に送られるこの溶接ワイヤの
位置は、必ずしも一定ではなく、ワイヤ送り速度の速さ
の他に、溶接母材の熱変形，アーク長の変化，ワイヤの
曲がりぐせなどの影響によって極めて変動しやすい。こ
のため、ワイヤの溶融状態が不安定になりやすく、溶接
ビードが乱れて溶接結果の悪化を招くという問題点があ
る。また、電極が露出しているＴＩＧ溶接では、溶接中
に溶接ワイヤが電極に接近し過ぎて接触するとその電極
が著しく損なわれてアークを乱し、反対に溶接ワイヤが
溶接母材側に突っ込みすぎると溶融プールをかき乱した
り、凝着して溶接のトラブル及び溶接欠陥の発生に至る
という問題がある。これらの問題は溶接の自動化及び溶
接品質の向上を図る上で大きな障害となっている。

【０００３】このような問題を解決するために、従来か
ら幾つかの方法が試みられている。例えば、特公昭53−
4817号公報のアーク自動溶接法に開示されているよう
に、溶加材の案内チップ（ワイヤガイド）を溶接母材に
押し圧接触させて、溶加材と溶接母材との間隙を一定に
保持している。

【０００４】一方、用途目的は異なるが、アーク長を一
定に保つ方法として、アーク電圧（溶接電圧）を検出し
てフィードバック制御する方法が従来から知られてい
る。また、アーク中に送給される溶接ワイヤに通電加熱
を行うホットワイヤＴＩＧ溶接では、アーク長の制御の
他に、ワイヤ通電によるアークの乱れを防止する手段が
提案されている。例えば、特公平5−75511号公報では、
ワイヤの通電にパルス電流を用い、そのワイヤに通電し
ない期間のワイヤ端子電圧を検知して、ワイヤと母材が
無接触の時には次のパルス電流を禁止するようにした装
置が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】アーク中に送られる溶
接ワイヤの溶融移行が安定で、溶接ビード形状の良好な
溶接結果を得ると共に電極の異常消耗を防止するために
は、ワイヤ位置の良否判別と適正な位置制御及び電極の
異常判定を行う必要がある。

【０００６】しかし、例えば、特公昭53−4817号公報に
開示されているアーク自動溶接法は、アーク長の変動に
関係なく溶接ワイヤの高さを一定に保持できるが、溶加
材（溶接ワイヤ）の案内チップ（ワイヤガイド）を溶接
母材に押し圧接触させているため、溶接トーチを左右に
揺動（ウィービング）させる溶接やビード形状に凹凸の
ある多層多パス溶接には、適用できないばかりでなく、
接触部の母材表面や案内チップを傷め易いという欠点が
ある。

【０００７】一方、アーク電圧を検出してフィードバッ
ク制御する方法は、アーク長の一定制御に有効である
が、アーク中に送られる溶接ワイヤの位置については、
全く無制御の状態であり、溶接ワイヤのトラブルの発生
をなくすことができない。さらに、例えば、特公平5−7
5511号公報に開示されているホットワイヤＴＩＧ溶接装
置は、ワイヤ通電によるアークの乱れを防止するのに有
効であるが、溶接ワイヤに通電加熱を行わない普通の溶
接には無効であり、また、ワイヤ位置の高さ制御ついて
は全く行われていないので、溶接ワイヤの溶融状態を管
理及び制御することができない。

【０００８】本発明の目的はアーク中に送られる溶接ワ
イヤの溶融移行が安定で、溶接ビード形状の良好な溶接
結果を得ると共に電極の異常消耗を防止するために、ワ
イヤ位置の良否判別とその制御指令及び電極の異常判定
を行うのに好適な検出方法及びその装置を提供すること
にある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、溶接継手の母
材と溶接トーチ先端の非消耗性の電極との間に通電して
任意出力波形のアークを発生させ、そのアーク中及び溶
融プール内に無通電の溶接ワイヤを送りながら溶接を行
うときの溶接ワイヤ位置の検出方法で、無通電の溶接ワ
イヤと溶接母材との間に生じるワイヤ電圧信号Ｖｗを検
出するワイヤ電圧検出手段と、溶接ワイヤの短絡移行を
検出するワイヤ短絡検出手段を設けると共に、溶接ワイ
ヤ位置を判別するワイヤ位置判別手段を設けて、アーク
発生後の溶接期間中に、ワイヤ電圧信号Ｖｗをワイヤ短
絡検出手段に取り込んでワイヤ短絡の基準電圧ｅ１と比
較させた後、前記溶接ワイヤの単位時間当たりの短絡移
行回数Ｎと短絡移行時間率Ａｔを求めさせ、さらに、こ
の短絡移行回数及び短絡移行時間率を前記ワイヤ位置判
別手段に取り込んで溶接ワイヤ位置の良否判別を行わ
せ、このワイヤ位置判別手段によって溶接ワイヤ位置の
高さが過大で不適正と判別したときはその高さを下降さ
せる制御信号を、反対に溶接ワイヤ位置の高さが過小で
不適正と判別したときにはその高さを上昇させる制御信
号をそれぞれ発信するようにしたことを特徴とする溶接
ワイヤ位置の検出方法である。

【００１０】また、もう一つの発明は、溶接継手の母材
と溶接トーチ先端の非消耗性の電極との間に通電して任
意出力波形のアークを発生させ、そのアーク中及び溶融
プール内に無通電の溶接ワイヤを送りながら溶接を行う
ときの溶接ワイヤ位置の検出装置で、前記無通電の溶接
ワイヤと溶接母材との間に生じるワイヤ電圧信号を検出
するワイヤ電圧検出手段と、アーク発生後の溶接期間中
に、このワイヤ電圧信号Ｖｗを取り込んでワイヤ短絡の
基準電圧ｅ１と比較して溶接ワイヤの短絡移行を検出し
た後、溶接ワイヤの単位時間当たりの短絡移行回数Ｎと
短絡移行時間率Ａｔを求めるワイヤ短絡検出手段を設
け、さらに、前記ワイヤ短絡検出手段で求めたこの短絡
移行回数及び短絡移行時間率を取り込んで溶接ワイヤ位
置の良否判別をさせると共に、溶接ワイヤ位置の高さが
過大と判別したときはその高さを下降させる制御信号
を、反対に溶接ワイヤ位置の高さが過小と判別したとき
にはその高さを上昇させる制御信号をそれぞれ発信する
ワイヤ位置判別手段を設けたことを特徴とする溶接ワイ
ヤ位置の検出装置である。

【００１１】さらに、他のもう一つの発明は、任意出力
波形のアークを発生させる非消耗性の電極とそのアーク
中に送られる無通電の溶接ワイヤとの間に生じる電極電
圧信号を検出する電極電圧検出手段と、溶接電流が流れ
る前記電極と溶接母材との間に生じる溶接電圧信号を検
出する溶接電圧検出手段を設け、さらに、電極及び溶接
ワイヤの異常を判別する異常判別手段を設けて、アーク
発生後の溶接期間中に、前記電極電圧信号Ｖｅ及び溶接
電圧信号Ｅａを前記異常判別手段に取り込んで、異常判
定の基準電圧値ｅ２に対して前記電極電圧信号ＶｅがＶ
ｅ≦ｅ２のときは溶融中の溶接ワイヤの溶滴が電極に接
触したと判別し、また、異常判定の基準電圧値ｅ２に対
して、溶接電圧信号ＥａがＥａ≦ｅ２のときには電極が
溶融プールに接触したと判別して、溶接の中止指令及び
電極異常の表示指令を行うようにしている。また、この
溶接ワイヤ位置の検出機能を溶接制御装置の内部に設け
て自動溶接システムとして動作するようにしている。

【００１２】

【作用】このように、ワイヤ短絡検出手段によって求め
られる溶接ワイヤの単位時間当たりの短絡移行回数と短
絡移行時間率から、溶接ワイヤ位置を判別するワイヤ位
置判別手段を設けることにより溶接ワイヤ高さの適正・
不適正の判別を行うことができる。この判別判定に当た
っては、短絡移行時間率ＡｔがＡｔ＜ａ(％)のとき、あ
るいは短絡移行時間率ＡｔがＡｔ＜ａ(％)で、かつ短絡
移行回数ＮがＮ＜ｍ（回数／秒）のときは溶接ワイヤ位
置高さが過大で不適正と判別させ、反対に短絡移行時間
率ＡｔがＡｔ＞ｂのとき、あるいは短絡移行時間率Ａｔ
がＡｔ＞ｂで、かつ短絡移行回数ＮがＮ＜ｍのときには
溶接ワイヤ位置高さが過小で不適正と判別させ、また、
ａ≦Ａｔ≦ｂ及びＮ≧ｍであるときは溶接ワイヤ位置高
さが適正であると判別させるようにしている。さらに、
この判別結果から不適性と判別したときには、ワイヤ位
置高さを修正する方向に制御信号を発信するようにして
いるので、ワイヤ位置高さの適正制御を行うことが可能
となる。

【００１３】また、電極電圧信号と溶接電圧信号から電
極及び溶接ワイヤの異常を判別する異常判別手段を設け
ることにより、溶融中の溶接ワイヤが電極に接触したと
きや電極が溶融プールに接触したときのことを明確に判
別することができる。そして、このような場合には溶接
の中止指令及び電極異常の表示指令を行うようにしてい
るので、電極や溶接ワイヤの不具合を知ると同時に、溶
接結果の悪化や溶接欠陥の発生を未然に防止することが
可能となる。

【００１４】さらに、溶接ワイヤ位置の検出機能を設け
た溶接制御装置及び自動溶接システムを用いることによ
り、一般の溶接構造物，溶接配管，化学プラント及び原
子力発電プラントの溶接組立など各種溶接継手に対する
１パス溶接あるいは多層多パス溶接をそれぞれ良好に実
施でき、溶接の自動化及び溶接品質の向上を図ることが
可能となる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の内容について実施例を用いて
具体的に説明する。図１は本発明の一実施例を示すもの
であり、１はタングステンを主成分とする非消耗性の電
極２を使用した溶接トーチで、上下方向の駆動が可能な
トーチ駆動軸４にトーチホルダ３を介して設けられてい
る。６は電極２と被溶接材の母材５との間に発生させる
アークで、このアーク６は溶接電源７によって直流アー
クやパルスアークなど任意大きさの電流波形が出力され
るようになっている。８は溶接ワイヤ送給装置（省略）
からワイヤガイド９を通ってアーク２中に送られる溶接
ワイヤで、溶接トーチ１と同様に、上下方向の駆動が可
能なトーチ上下駆動軸４にワイヤホルダ１０を介して設
けられている。溶接ワイヤには通電加熱を行っていな
い。溶接継手の母材５には、任意形状の開先が設けられ
ており、アーク２によって加熱溶融され、かつ、溶接ワ
イヤ８の溶融金属により開先を埋め立てながら溶接され
る。開先が浅い薄板の場合は１パス溶接を行い、また、
その開先が深い厚板の場合には多層多パス溶接を行うよ
うになっている。１１は溶接線に沿って設置されている
レール１２の上を任意の設定速度で走行することができ
る走行台車で、溶接トーチ及び溶接ワイヤの上下方向の
同時駆動が可能なトーチ駆動軸４が搭載されている。走
行台車１１に替わりこの役目をする溶接ロボットを用い
ても良い。溶接トーチ及び溶接ワイヤを左右に揺動させ
てウィービング溶接を行う場合に必要となるトーチ左右
駆動軸については、図示していないが、トーチ駆動軸４
と同様に走行台車１１に搭載されることになる。１３は
無通電の溶接ワイヤ８と溶接継手の母材５との間に生じ
るワイヤ電圧信号Ｖｗを検出するワイヤ電圧検出手段で
ある。１４は溶接ワイヤ８の短絡移行を検出するワイヤ
短絡検出手段で、ワイヤ電圧検出手段１３からのワイヤ
電圧信号Ｖｗを取り込み、ワイヤ短絡の基準電圧ｅ１と
比較した後、ワイヤ溶融の単位時間当たりの短絡移行回
数と短絡移行時間率を検出及び演算するようになってい
る。１５は溶接ワイヤ位置を判別する溶接ワイヤ位置判
別手段で、ワイヤ短絡検出手段１４で求められた短絡移
行回数と短絡移行時間率から溶接ワイヤ位置の良否判別
させるようにしている。そして、この溶接ワイヤ位置判
別手段１５によって溶接ワイヤの位置高さが過小あるい
は過大と判別されたときには、そのワイヤ位置高さを修
正する方向の制御信号を溶接コントローラ１６に発信す
るようになっている。そして、溶接ワイヤ位置判別手段
１５から溶接コントローラ１６に発信された制御信号に
よってトーチ駆動軸４が駆動制御されるようになってい
る。また、この溶接コントローラ１６には、トーチ駆動
軸４の駆動制御の他に、走行台車１１の走行制御，溶接
電源７の出力制御、さらに、トーチ左右駆動軸及び溶接
ワイヤ送給装置（省略）の制御など、溶接に必要な一連
の制御が可能な各制御回路あるいは制御手段（省略）が
格納されている。１７はワイヤ短絡検出手段１４や溶接
ワイヤ位置判別手段１５や溶接コントローラ１６を収納
している収納装置である。

【００１６】次に、溶接ワイヤの溶融特性及びこの特性
からワイヤ位置の判別方法について説明する。図２に示
すように、電極２と被溶接材の母材５の間に発生させた
アーク６中に無通電の溶接ワイヤ８を送ると、この溶接
ワイヤ８と母材５の間に電圧Ｖｗが生じ、そのワイヤ・
母材間電圧Ｖｗは、溶接ワイヤ８の溶融及び溶滴移行の
状態によって変化する。例えば、図３は、アーク長Ｌあ
るいはワイヤ・母材間距離を変化させたときに観察され
る代表的なワイヤ・母材間電圧Ｖｗの波形例であり、
（１）はワイヤが母材及び溶融プールと接触のままの短
絡状態、（２）は短絡から時々溶滴が移行する状態、
（３）は細かい溶滴が短時間で短絡移行を繰り返す状
態、（４）は大きく成長した溶滴が時々移行する状態を
それぞれ示している。ワイヤ短絡の基準電圧ｅ１に対し
て、ワイヤ・母材間電圧ＶｗがＶｗ≦ｅ１となる領域の
各時間ｔｓがワイヤ短絡を生じているところである。従
って、ワイヤ溶滴の移行時に電位差が生じるワイヤ・母
材間電圧Ｖｗの波形からワイヤ溶滴の短絡移行回数Ｎや
短絡移行時間率Ａｔを求めることができる。すなわち、
検出時間をＴ(sec），短絡の回数をｎ（回）とすると、
単位時間当り短絡移行回数Ｎ(回／sec）はＮ＝ｎ／Ｔと
なり、また、その時の短絡移行時間率Ａｔ（％）はＡｔ
＝（Σｔｓ／Ｔ）×１００で示される。

【００１７】図４は、直流アークとパルスアークを用い
てそれぞれ溶接した時のアーク長Ｌ（電極・母材間距
離）とワイヤ溶滴の短絡移行回数Ｎの関係を示したもの
である。本実験によれば、ワイヤ溶滴の短絡移行回数Ｎ
は、アーク長Ｌが短い（ヤイヤ・母材間距離も短い）と
きには母材及び溶融プールとの接触時間が長くなるため
回数が少なく、細かい溶滴が短時間で移行した位置で最
大となり、そして、その後はアーク長が長く（ヤイヤ・
母材間距離も長い）なるに従って溶滴が成長しながら移
行するため再び減少する様子を示している。この傾向は
直流アーク及びパルスアークの両方で認められる。図３
及び図４に示したように、アーク長Ｌ及びワイヤ・母材
間距離が短すぎる（１）の状態では、溶融プールが不安
定になりやすく、溶接ビードの形成も極めて悪化しやす
い。特に、溶接トーチ及びワイヤを左右に揺動させるウ
ィービング溶接では、ワイヤが母材に凝着したり、ある
いは電極に接触して溶接の中断に至るなどトラブルが多
発しやすい。また、アーク長Ｌあるいはワイヤ・母材間
距離が長すぎる（４）の状態では、大きく成長した不安
定なワイヤ溶滴の移行によってアーク及び溶接ビードが
乱れて溶接欠陥が発生しやすい。これに対して、（２）
及び（３）の状態では、ワイヤ溶滴の移行及びアークが
安定で、溶接ビードの良好な溶接結果が得られることが
分かった。従って（２）及び（３）の安定領域を維持す
るためには、短絡移行回数の判定基準値ｍを設けて、溶
接中の短絡移行回数Ｎが常にＮ≧ｍとなるようにワイヤ
位置高さを制御すれば良いことが分かる。短絡移行回数
の判定基準値は約ｍ＝３〜５（回数／sec ）にすれば良
く、また、ワイヤ位置高さの制御は溶接トーチ１及び溶
接ワイヤ８が搭載されているトーチ駆動軸を制御するこ
とによって達成することができる。

【００１８】しかし、短絡移行回数の判定だけでは、Ｎ
＜ｍのときにワイヤ位置高さが過小なのか過大なのかを
区分けすることが困難であるが、ワイヤ溶滴の短絡移行
時間率の特性を利用することによってその区分け判定を
行うことが可能となる。図５はアーク長とワイヤ溶滴の
短絡移行時間率の関係であり、図中にはパルスアークの
電流値を大，中，小の３種類変化させた結果を示してい
る。ワイヤ溶滴の短絡移行時間率Ａｔは、短絡領域の１
００％からアーク長Ｌ及びワイヤ・母材間距離が長くな
るに従って急激に低下した後、０％まで落ちていく特性
を示している。短絡移行時間率の上限基準値ｂに対し
て、短絡移行時間率ＡｔがＡｔ＞ｂのときはワイヤ位置
高さが過小で不安定領域となり、また、短絡移行時間率
の下限基準値ａに対して、Ａｔ＜ａのときはワイヤ位置
高さが過大で不安定領域となる。ワイヤ溶滴及び溶接の
安定な領域は、これらの不安定領域を除いたところであ
り、ａ≦Ａｔ≦ｂを満たす領域となることが分かる。

【００１９】短絡移行時間率の下限基準値は約ａ＝５〜
２０（％）、また、上限基準値は約ｂ＝８０〜９９
（％）にそれぞれ設定すれば良いことが分かった。図１
に示したワイヤ短絡検出手段１４によってワイヤ溶滴の
短絡移行回数Ｎ及び短絡移行時間率Ａｔを求めさせ、こ
の情報を溶接ワイヤ位置判定手段１５に取り込んでワイ
ヤ位置の良否判定を行うようにしている。例えば、短絡
移行時間率ＡｔがＡｔ＜ａのとき、あるいは短絡移行回
数ＮがＮ＜ｍで、かつ、Ａｔ＜ａのときはワイヤ位置高
さが過大と判別させて下降の制御信号を溶接コントロー
ラ１６に発信させる。また、短絡移行時間率Ａｔがａ≦
Ａｔ≦ｂのとき、あるいは短絡移行回数ＮがＮ≧ｍのと
きにはワイヤ位置高さが適正であると判定させてそのワ
イヤ位置高さをそのまま維持するようにしている。反対
に、Ａｔ＞ｂのとき、あるいはＮ＜ｍで、かつ、Ａｔ＞
ｂのときにはワイヤ位置高さが過小と判定させて上昇の
制御信号を溶接コントローラ１６に発信させるようにし
ている。

【００２０】ワイヤ位置判定手段１５から下降の制御信
号を溶接コントローラ１６に受けたときには、溶接トー
チ１及び溶接ワイヤ８が搭載されているトーチ駆動軸４
を下降方向の制御を行わせ、反対に上昇の制御信号を受
けたときにはトーチ駆動軸４を上昇方向の制御を行わせ
るようにしている。ワイヤ位置高さが適正で上下動の制
御信号が出されていないときには、溶接トーチ及び溶接
ワイヤの高さをそのまま維持するように制御している。
なお、アーク長を一定に制御する動作をトーチ駆動軸４
に持たせている場合には、ワイヤ位置判別手段１５から
のワイヤ位置の良否判別によってトーチ駆動軸４を上昇
方向あるいは下降方向に制御するときに、その制御期間
だけアーク長一定の制御動作を停止してワイヤ位置判別
手段の制御指令に従わせるようにすれば良い。また、ワ
イヤ位置判別手段１５によってワイヤ位置高さが適正と
判別されたときには、そのワイヤ位置高さを維持するよ
うにアーク長一定の制御動作を再開してトーチ駆動軸の
持続制御を行えば良い。

【００２１】このように溶接トーチ及び溶接ワイヤが搭
載されているトーチ駆動軸を制御することによってワイ
ヤ位置高さの適正制御が行え、ワイヤ溶滴の乱れや溶接
ビードの不具合が生じることもなく、常に安定なワイヤ
溶滴の移行と良好な溶接結果を得ることができる。

【００２２】図６は溶接ワイヤ及び電極の異常の診断を
行う本発明の一実施例を示すもので、２３はアーク２中
に送られる無通電の溶接ワイヤ８とアーク２が発生して
いる電極２との間に生じる電圧Ｖｅの電極電圧信号２２
を検出する電極電圧検出手段で、また、２６はアーク２
が発生している電極２と母材５との間に生じる電圧Ｅａ
の溶接電圧信号２５を検出する溶接電圧検出手段であ
る。また、２４は溶接ワイヤ及び電極の異常を判定する
異常判別手段で、電極電圧検出手段２３及び溶接電圧検
出手段２６から送信される電極電圧信号Ｖｅ及び溶接電
圧信号Ｅａを異常判定の基準電圧ｅ２と比較して異常の
有無を判定するようにしている。そして、異常判別手段
２４によって異常と判定したときには溶接の中止指令及
び電極異常の表示指令を溶接コントローラ１６に発信す
るようにしている。

【００２３】図７及び図８は、溶接中の溶接電圧Ｅａと
電極電圧Ｖｅの信号波形の一例を示したもので、図中の
ｔｓはワイヤ溶滴の短絡移行時間であり、また、ｔａは
電極の接触時間を表している。図３に示したワイヤ電圧
Ｖｗの信号波形と比較すると分かるように、ワイヤ溶滴
が短絡移行（短絡移行時間ｔｓ）するときには、ワイヤ
電圧Ｖｗのレベルが０Ｖ近くまで低下するのに対し、電
極電圧Ｖｅの方は短絡移行時間ｔｓの間だけ、ほぼ溶接
電圧のレベルまで上昇する特性を持っている。図７にお
いて、電極電圧Ｖｅのレベルが０Ｖ近くまで低下してい
るｔａのところは、溶接ワイヤの乱れた溶滴が電極に接
触したときで、アーク２はそのまま発生しているので溶
接電圧がわずかに変化する様子を示している。一方、電
極２及び溶接ワイヤ８が母材５の溶融プールに接触（接
触時間ｔａ）したときには、図８に示したように溶接電
圧信号Ｅａと電極電圧信号Ｖｅのレベルが０Ｖ近くまで
低下する。このような接触現象が発生すると、電極を傷
めて異常消耗させるばかりでなく、そのまま溶接を続け
ると、正常なアークの継続が困難となり溶接欠陥の発生
に至ってしまう。

【００２４】これを防止するため、ここでは接触判定の
基準電圧ｅ２を設けて、溶接電Ｅａ及び電極電圧Ｖｅの
レベルを異常判定回路によって監視させている。そし
て、溶接期間中に溶接電圧信号ＥａがＥａ≦ｅ２のとき
は電極が溶融プールに接触したと判別させ、また、電極
電圧信号ＶｅがＶｅ≦ｅ２のときには溶接ワイヤの溶滴
が電極に接触したと判別させて、溶接の中止指令及び電
極異常の表示指令を溶接コントローラ１６に発信するよ
うにしている。接触判定の基準電圧ｅ２は、接触抵抗や
ケーブル抵抗のことを考慮して０より大きく約３Ｖ以下
に設定するのが望ましい。このように構成することによ
って電極接触による消耗を最小限に止め、溶接ワイヤ及
び電極のトラブルによる溶接欠陥の発生や溶接品質の悪
化を未然に防止することができる。

【００２５】本発明の溶接ワイヤ位置の制御機能を自動
溶接システムに装備することにより、各種溶接継手の１
パス溶接及び多層多パス溶接に対して溶接ワイヤ位置の
適正制御及び電極の異常判別が行え、溶接の自動化及び
溶接品質の向上を図ることができる。例えば、溶接配管
の多い化学プラント及び原子力発電プラントの自動溶接
への適用を図ることができる。

【００２６】

【発明の効果】本発明の溶接ワイヤ位置の検出方法及び
その装置を用いることにより、溶接ビード形状の良否に
係わる溶接ワイヤ位置の良否が容易に判別できるので、
そのワイヤ高さの適正制御が可能となり、溶接ビードの
良好な溶接結果を得ることができる。また、溶接中に電
極及び溶接ワイヤに異常が発生した時にはその異常を瞬
時に検知して溶接を中止するようにしているので、電極
の異常消耗を最小限に防ぐと共に、溶接欠陥の発生や溶
接結果の悪化を防止することができる。さらに、本発明
の溶接ワイヤ位置の検出機能を設けた溶接制御装置及び
自動溶接システムを用いることにより、溶接構造物や溶
接配管や化学プラント及び原子力発電プラントの溶接組
立など各種溶接継手の１パス溶接あるいは多層多パス溶
接に対しても、溶接ワイヤ位置の適正検出及び電極の異
常診断が行え、初心者でも容易に溶接を実施することが
できるばかりでなく、使い勝手が良く、溶接の自動化及
び溶接品質の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の溶接ワイヤ位置の制御に関する内容を
示す一実施例のブロック図。

【図２】本発明のアーク中に送られる溶接ワイヤの位置
を示す説明図。

【図３】本発明のワイヤ溶融特性で観察される代表的な
ワイヤ・母材間電圧Ｖｗの波形図。

【図４】本発明の一実施例のアーク長とワイヤ溶融の短
絡移行回数の関係を示す説明図。

【図５】本発明の一実施例のアーク長と短絡移行時間率
の関係を示す説明図。

【図６】本発明の溶接ワイヤ及び電極の診断に関する内
容を示す一実施例のブロック図。

【図７】本発明の溶接ワイヤ及び電極の異常診断で判別
している代表的な溶接電圧及びワイヤ・電極間電圧の波
形図。

【図８】本発明の溶接ワイヤ及び電極の異常診断で判別
している代表的な溶接電圧及びワイヤ・電極間電圧の他
の波形図。

【符号の説明】

１…溶接トーチ、２…電極、３…トーチホルダ、４…ト
ーチ駆動軸、５…母材、６…アーク、７…溶接電源、８
…溶接ワイヤ、９…ワイヤガイド、１０…ワイヤホル
ダ、１１…走行台車、１２…走行レール、１３…ワイヤ
電圧検出手段、１４…ワイヤ短絡検出手段、１５…溶接
ワイヤ位置判別手段、１６…溶接コントローラ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者水口和彦茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者山口裕治茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (56)参考文献特開昭55−81084（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−252679（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−26272（ＪＰ，Ａ) 特開昭52−7844（ＪＰ，Ａ) 特開昭50−1051（ＪＰ，Ａ) 特公昭52−11289（ＪＰ，Ｂ２) 特公昭50−18866（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 9/127

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】溶接継手の母材と溶接トーチ先端の非消耗
性の電極との間に通電して任意出力波形のアークを発生
させ、アーク中及び溶融プール内に無通電の溶接ワイヤ
を送りながら溶接を行うときの溶接ワイヤ位置の検出方
法において、無通電の前記溶接ワイヤと溶接母材との間に生じるワイ
ヤ電圧信号を検出するワイヤ電圧検出手段と、前記溶接
ワイヤの短絡移行を検出するワイヤ短絡検出手段を設
け、前記溶接ワイヤの高さ位置を判別するワイヤ位置判
別手段を設けて、アーク発生後の溶接期間中に、前記ワ
イヤ電圧信号を前記ワイヤ短絡検出手段に取り込んでワ
イヤ短絡の基準電圧と比較させた後、前記溶接ワイヤの
単位時間当たりの短絡移行回数と短絡移行時間率を求
め、前記短絡移行回数及び前記短絡移行時間率を前記ワ
イヤ位置判別手段に取り込んで前記溶接ワイヤの高さ位
置の良否判別をさせ、前記ワイヤ位置判別手段によって
前記溶接ワイヤの位置の高さが過大と判別したときは、
前記溶接ワイヤの位置高さを下降させる方向の制御信号
を、反対に前記溶接ワイヤの位置の高さが過小と判別し
たときには、前記溶接ワイヤの位置高さを上昇させる方
向の制御信号を溶接コントローラにそれぞれ発信するよ
うにしたことを特徴とする溶接ワイヤ位置の検出方法。
【請求項２】請求項１において、短絡移行時間率ＡｔがＡｔ＜ａ(％)のとき、あるいは短
絡移行時間率ＡｔがＡｔ＜ａ(％)で、かつ短絡移行回数
ＮがＮ＜ｍ（回数／秒）のときは溶接ワイヤ位置高さが
過大で不適正と判別させ、反対に短絡移行時間率Ａｔが
Ａｔ＞ｂのとき、あるいは短絡移行時間率ＡｔがＡｔ＞
ｂで、かつ短絡移行回数(Ｎ)がＮ＜ｍのときには溶接ワ
イヤ位置高さが過小で不適正と判別させ、また、ａ≦Ａ
ｔ≦ｂ及びＮ≧ｍであるときは溶接ワイヤ位置高さが適
正であると判別させるようにした溶接ワイヤ位置の検出
方法。
【請求項３】請求項１または２において、短絡移行回数の判定基準値ｍをｍ＝３〜５（回数／秒）
とし、短絡移行時間率の下限基準値ａをａ＝５〜２０
(％)とし、また、短絡移行時間率の上限基準値ｂをｂ＝
８０〜９９(％)と、それぞれ定めた溶接ワイヤ位置の検
出方法。
【請求項４】溶接継手の母材と溶接トーチ先端の非消耗
性の電極との間に通電して任意出力波形のアークを発生
させ、アーク中及び溶融プール内に無通電の溶接ワイヤ
を送りながら溶接を行うときの溶接ワイヤ位置の検出装
置において、無通電の前記溶接ワイヤと溶接母材との間に生じるワイ
ヤ電圧信号を検出するワイヤ電圧検出手段と、アーク発
生後の溶接期間中に、ワイヤ電圧信号を取り込んでワイ
ヤ短絡の基準電圧と比較して溶接ワイヤの短絡移行を検
出した後、溶接ワイヤの単位時間当たりの短絡移行回数
と短絡移行時間率を求めるワイヤ短絡検出手段を設け、
前記ワイヤ短絡検出手段で求めたこの短絡移行回数及び
短絡移行時間率を取り込んで溶接ワイヤの高さ位置の良
否判別をさせると共に、溶接ワイヤ位置の高さが過大と
判別したときは、前記溶接ワイヤの位置高さを下降させ
る方向の制御信号を、反対に前記溶接ワイヤの位置の高
さが過小と判別したときには、前記溶接ワイヤの位置高
さを上昇させる方向の制御信号を溶接コントローラにそ
れぞれ発信するようにしたことを特徴とする溶接ワイヤ
位置の検出方法。
【請求項５】溶接継手の母材と溶接トーチ先端の非消耗
性の電極との間に通電して任意出力波形のアークを発生
させ、アーク中及び溶融プール内に無通電の溶接ワイヤ
を送りながら溶接を行うときの溶接ワイヤ位置の検出方
法において、前記無通電の溶接ワイヤと非消耗性の電極との間に生じ
る電極電圧信号Ｖｅを検出する電極電圧検出手段と、溶
接電流が流れる前記電極と溶接母材との間に生じる溶接
電圧信号Ｅａを検出する溶接電圧検出手段を設け、さら
に、電極及び溶接ワイヤの異常を判別する異常判別手段
を設けて、アーク発生後の溶接期間中に、この異常判別
手段に電極電圧信号Ｖｅ及び溶接電圧信号Ｅａを取り込
んで、異常判定の基準電圧値ｅ２に対して電極電圧信号
ＶｅがＶｅ≦ｅ２のときは溶接ワイヤの溶滴が電極に接
触したと判別し、また、異常判定の基準電圧値ｅ２に対
して溶接電圧信号ＥａがＥａ≦ｅ２のときには電極が溶
融プールに接触したと判別して、溶接の中止指令及び電
極異常の表示指令を行うようにしたことを特徴とする溶
接ワイヤ位置の検出方法。
【請求項６】溶接継手の母材と溶接トーチ先端の非消耗
性の電極との間に通電して任意出力波形のアークを発生
させ、そのアーク中及び溶融プール内に無通電の溶接ワ
イヤを送りながら溶接を行うときの溶接ワイヤ位置の検
出装置において、前記無通電の溶接ワイヤと非消耗性の電極との間に生じ
る電極電圧信号Ｖｅを検出する電極電圧検出手段と、溶
接電流が流れる前記電極と溶接母材との間に生じる溶接
電圧信号Ｅａを検出する溶接電圧検出手段を設け、さら
に、アーク発生後の溶接期間中に、電極電圧信号Ｖｅ及
び溶接電圧信号Ｅａを取り込んで、異常判定の基準電圧
値ｅ２に対して電極電圧信号ＶｅがＶｅ≦ｅ２のときは
溶接ワイヤの溶滴が電極に接触したと判別させ、また、
異常判定の基準電圧値ｅ２に対して溶接電圧信号Ｅａが
Ｅａ≦ｅ２のときには電極が溶融プールに接触したと判
別させる異常判別手段を設けると共に、溶接の中止指令
及び電極異常の表示指令を行うようにしたことを特徴と
する溶接ワイヤ位置の検出装置。
【請求項７】請求項４または６の溶接ワイヤ位置の検出
装置を備えた自動溶接システム。
【請求項８】請求項１，２，３または５の溶接ワイヤ位
置の検出方法を用いる自動溶接システム。