JP3663259B2 - アーク長制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は非消耗電極溶接のアーク長制御装置に係わり、溶接中のアーク長を制御するアーク長制御装置、さらに該アーク長制御装置を搭載した非消耗電極アーク自動溶接装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非消耗電極溶接では、通常アーク長と呼ばれている非消耗電極先端と母材間の距離を一定に保ちながら溶接することが望ましい。従来の非消耗電極アーク自動溶接装置においては、溶接トーチをスライドベース上に取り付けて置き、アーク長が変化するとアーク電圧も変化することを利用し、該スライドベースを駆動してアーク電圧を一定にする制御が行われてきた。
【０００３】
この従来のアーク長制御装置の多くは、アーク電圧とあらかじめ設定した適正アーク長となる基準アーク電圧との差を検出し、その大小関係で一定の駆動速度を持つスライドベースを上昇、下降または停止させるオン・オフ制御を行っていた。あるいは、アーク電圧とあらかじめ設定した適正アーク長となる基準アーク電圧との差を取り、その正負により移動方向を変え、また電圧差の絶対値に比例してスライドベースの駆動速度を大きくする比例制御を行っていた。いずれも、アーク電圧を常時フィードバック的に差電圧を無くすように制御するものであった。
【０００４】
即ち、測定したアーク電圧とあらかじめ設定した適正アーク長となる基準アーク電圧との差を、現在のアーク長と適正アーク長の距離差として把握し、１回の制御でその距離差が０になるように溶接トーチを移動するという概念は、従来のアーク長制御装置にはなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
非消耗電極を開先内で平行移動的に左右動（以下、ウィービングという）あるいは捻転させて電極先端を左右動（以下、揺動という）させる場合、Ｖ開先やＩ開先内では、非消耗電極が開先中心近くにある場合と開先壁面近くにある場合とでは、非消耗電極先端と母材間の距離、即ちアーク長が異なり、アーク電圧が変化する。このような場合、従来のアーク長制御装置をそのまま用いると、ウィービングあるいは揺動に対応して常時スライドベースを駆動して溶接トーチを上下させ、アーク電圧が一定になるように動作しなければならない。このような動作が行われると、特にＩ開先の開先壁面に電極が近づいた場合、アーク長が極端に短くなるため、スライドベースが急激に上昇して、母材の溶融状態を不安定なものにし、溶接結果の悪化原因となる。このような現象を防止するには、開先中央部でのアーク長が一定になるよう制御しつつ、開先中央部から外れた場合にも開先中央部の溶接トーチ高さを保つことが必要になる。
【０００６】
このような動作を行うためには、非消耗電極先端が開先中心近くにある場合と開先壁面近くにある場合とそれぞれ区別してアーク電圧を検出して制御する。
【０００７】
従来のアーク長制御装置を用い、開先中心部でのアーク電圧だけを検出してアーク長制御を行う場合、従来のスライドベースの駆動速度のままでは、例えば１〜３Ｈｚなどのウイ−ビングあるいは揺動の場合には、次のアーク電圧検出が行われるまでの間にスライドベースが一方向に動き過ぎる結果，頻繁に上下動を繰り返すハンチング状態を引き起こすので、結局スライドベースの駆動速度を非常に遅くしなければならなかった。しかし、スライドベースの駆動速度が遅い場合には、しばしば母材表面の凹凸に対応したアーク長制御が困難になり、非消耗電極が母材に接触・損傷し、母材の溶融状態を不安定なものにし、溶接結果の悪化の原因となる。
【０００８】
本発明の目的は、上記のような従来技術の問題点を解決するために、任意の周波数で開先内をウィービングあるいは揺動している場合でも、スライドベースの駆動速度を速くしたままで制御できるようにし、母材の凹凸などに対応して十分速くアーク長を制御するアーク長制御装置及び非消耗電極アーク自動溶接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】
上記目的は、非消耗電極アーク溶接装置のアーク長制御装置において、非消耗電極を任意の周波数で開先内をウィービングあるいは揺動しているとき、任意の電極位置でのみアーク電圧を検出して、あらかじめ設定した適正アーク長となる基準アーク電圧との差電圧を算出し、該差電圧の正負で移動方向を決め、また該差電圧を変数として、溶接トーチの移動量を求め、該距離だけ溶接トーチを母材に対して上下方向に移動することによって、アーク長が一定になるよう制御することにより達成される。
【００１０】
本発明の装置は、非消耗電極を任意の周波数で開先内をウィービングあるいは揺動しているとき、該非消耗電極が開先内の任意の点にある時のアーク電圧を検出して、あらかじめ設定した適正アーク長となる基準アーク電圧との差を算出し、該差電圧の正負で移動方向を決め、また差電圧を変数として求められる距離だけスライドベースを駆動させる。このため、低い周波数で揺動やウィービングや揺動中にも、従来のアーク長制御装置と同じ移動速度で溶接トーチを移動でき、母材の凹凸などに対応して十分速くアーク長を制御できるので、非消耗電極が母材に接触し溶接中断するような問題は発生しない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図面に従って説明する。
【００１２】
図１は、Ｉ開先２内で、非消耗電極１をウィービングさせながら溶接した場合の概念図である。（１）は従来のアーク長制御装置をそのまま用いた場合であり、常時アーク電圧が一定になるように非消耗電極１を動作するため、開先壁面に電極が近づいた場合のアーク長Lwが極端に短くなり、非消耗電極１が急激に上昇して、母材の溶融状態を不安定なものにし、溶接結果の悪化原因となる。このような現象を防止するために、開先中央部でのアーク長Lcが一定になるよう制御しつつ、開先中央部から外れた場合にも開先中央部の溶接トーチ高さを保つようにしたのが（２）である。（２）の制御を行うことにより、開先壁面に非消耗電極１が近づいた場合に非消耗電極１が急激な上昇をせず、母材の溶融状態を安定させることができる。
【００１３】
図２は、ウィービングしながら溶接している時に、従来のアーク長制御装置を用い、開先中心部でのアーク電圧だけを検出してアーク長制御を行う場合と、本発明のアーク長制御装置を用いた場合のアーク長制御の概念図である。溶接トーチ移動速度はどちらの場合も５ｍｍ／秒であり、アーク電圧サンプリング周波数は２Ｈｚ（ウィービング周波数は１Ｈｚ）、溶接速度は１ｍｍ／秒の例である。開先底面の高さは溶接進行方向に１００ｍｍで、高さが１０ｍｍ減少する場合を例としている。Ｗは溶接トーチのウィービング軌跡であり、ウィービング振幅の中心となるＣとの交点Ｐでアーク電圧を検出する。開先底面高さに対応した理想的な溶接トーチ高さの軌跡がＲ、従来のアーク長制御を行ったときの溶接トーチ高さの軌跡がＳ、本発明のアーク長制御を行ったときの溶接トーチ高さの軌跡がＨである。
【００１４】
従来のアーク長制御装置では、図示するようにアーク電圧検出の間隔が長すぎて、スライドベースが頻繁に上下動を繰り返すハンチング状態を引き起こす。一方、本発明のアーク長制御装置を用いれば、アーク電圧検出時の適正アーク長に不足した距離のみ十分に速い移動速度で溶接トーチを下降させるため、ハンチング状態を起こさずに開先底面高さに沿ったアーク長制御ができる。
【００１５】
なお、検出アーク電圧は、交点Ｐ前後の複数検出して平均化したものを検出アーク電圧として使用しても良い。
【００１６】
図３は、ウィービングしながら溶接している時に、従来のアーク長制御装置を用い、開先中心部でのアーク電圧だけを検出してアーク長制御を行う場合と、本発明のアーク長制御装置を用いた場合のアーク長制御の概念図である。溶接トーチ移動速度は従来のアーク長制御装置の場合、図２のようなハンチングを防止するため０．５ｍｍ／秒とし、本発明のアーク長制御装置の場合は図２の場合と同じ５ｍｍ／秒であり、アーク電圧サンプリング周波数は２Ｈｚ（ウィービング周波数は１Ｈｚ）、溶接速度は１ｍｍ／秒の例である。開先底面の高さは溶接進行方向に１００ｍｍで、高さが１００ｍｍ減少する開先底面高さ変化の急激な場合を例としている。Ｗは溶接トーチのウィービング軌跡であり、ウィービング振幅の中心となるＣとの交点Ｐでアーク電圧を検出する。開先底面高さに対応した理想的な溶接トーチ高さの軌跡がＲ、従来のアーク長制御を行ったときの溶接トーチ高さの軌跡がＪ、本発明のアーク長制御を行ったときの溶接トーチ高さの軌跡がＨである。
【００１７】
従来のアーク長制御装置では、図示するように溶接トーチ移動速度が遅すぎて、開先底面高さの変化にアーク長制御が追従しきれない。一方、本発明のアーク長制御装置を用いれば、アーク電圧検出時の適正アーク長に不足した距離のみ十分に速い移動速度で溶接トーチを下降させるため、急激な変化に追従して 開先底面高さに沿ったアーク長制御ができる。
【００１８】
なお、検出アーク電圧は、交点Ｐ前後の複数検出して平均化したものを検出アーク電圧として使用しても良い。
【００１９】
図４は、非消耗電極溶接の一つであるＴＩＧ（タングステンイナートガス）アーク溶接における溶接電流、タングステン電極先端と母材間の電圧（アーク電圧）とタングステン電極先端と母材間距離（アーク長）の関係を示す実験結果である。
【００２０】
母材の状態、シールドガス成分、電極組成や電極径、電極先端形状などのいろいろな要因で変化するが、一般的には第４図の傾向がある。即ち、実用域では、
（アーク長変化量）＝（制御定数）×（アーク電圧変化量）と表される。
【００２１】
したがって、測定したアーク電圧と適正なアーク長となるアーク電圧の差が、“Ｎ”Ｖであれば、測定時のアーク長が適正アーク長に対して、“α・Ｎ”ｍｍ（αは制御定数）の差があると解釈し、溶接トーチを“α・Ｎ”ｍｍだけ移動する制御を行うことで適正アーク長にするようにしたのが本発明のアーク長制御装置である。
【００２２】
溶接トーチの移動手段は、移動距離を制御できるものであれば良く、パルス列指令でのパルスモータドライブ、あるいはエンコーダなどのフィードバック用検出器を備えたサーボモータドライブであっても良い。
【００２３】
図５は、本発明のアーク長制御装置の制御方法のフローチャートである。まず、測定時のアーク長Ｄａを適正アーク長Ｄｇにするために必要な溶接トーチ支持部移動量ｄＤを算出する溶接トーチ支持部移動量算出式ｄＤ＝α・｜ｄＥ｜（｜ｄＥ｜はｄＥの絶対値、αは定数）を設定、記憶させる。次に溶接中の非消耗電極先端と母材間のアーク電圧Ｅａを抽出し、該アーク電圧Ｅａと適正アーク長を保持したときのアーク電圧（基準アーク電圧）Ｅｇの差電圧ｄＥを算出する。算出した該差電圧ｄＥを前記溶接トーチ支持部移動量算出式ｄＤ＝α・｜ｄＥ｜に代入し、溶接トーチ支持部移動量ｄＤを算出する。次に差電圧ｄＥの正負を判断し、 ｄＥ＞βならば、溶接トーチ支持部移動軸を前記算出した溶接トーチ支持部移動量ｄＤだけ下降し、 ｄＥ＜−βならば、溶接トーチ支持部移動軸を前記算出した溶接トーチ支持部移動量ｄＤだけ上昇し、 ｄＥ＞βでもなく、ｄＥ＜−βでもなければ（−β≦ｄＥ≦βならば）、溶接トーチ支持部移動軸を駆動しない。その後、溶接終了か否かの判断をして、溶接継続中ならば再度制御を行う。
【００２４】
なお、βは制御の安定化を図るための不感帯である。
【００２５】
図６は、本発明のアーク長制御装置を搭載した非消耗電極アーク自動溶接装置のブロック図を示したものである。図示の非消耗電極アーク自動溶接装置は、溶接トーチ３先端の非消耗電極１と母材４との間にアーク５を発生する手段である溶接電源６と、溶接ワイヤ７を順次送給する手段である溶接ワイヤ送給装置８と、溶接ワイヤ送給ガイド９と溶接トーチ３を支持する手段である溶接トーチ支持部１０と、溶接トーチ支持部１０を上下に移動しアーク長を調整する手段である溶接トーチ支持部移動ステージ１１と、溶接トーチ支持部移動ステージ１１を制御する溶接トーチ支持部移動ステージ制御装置１２と、溶接トーチ支持部移動ステージ１１を搭載し、溶接進行方向に対して左右にウィービングする手段であるウィービングステージ１３と、ウィービングステージ１３を駆動制御するウィービングステージ制御装置１４と、ウィービングステージ１３の位置情報を抽出するウィービングステージ位置検出装置１５と，溶接トーチ３と溶接トーチ支持部移動ステージ１１とウィービングステージ１３と溶接ワイヤ送給ガイド９を搭載し溶接線方向に自走する手段である台車１６と、該溶接電源６よりアーク電圧Ｅａを検出する手段であるアーク電圧検出装置１７と、該アーク電圧Ｅａと適正アーク長となる基準アーク電圧Ｅｇの差電圧ｄＥを算出する手段である差電圧算出装置１８と、算出した該差電圧ｄＥからアーク長が適正となる溶接トーチ支持部移動量ｄＤを算出する溶接トーチ支持部移動量算出装置１９と、上記各装置を統括制御する手段である統括制御装置２０と、を含んで構成されている。溶接電源６と台車１６と溶接ワイヤ送給装置８と溶接トーチ支持部移動ステージ制御装置１２と、ウィービングステージ制御装置１４と，ウィービングステージ位置検出装置１５は統括制御装置２０により同期して制御される。
【００２６】
本実施例においては、溶接進行方向に対して左右に非消耗電極１を移動するウィービング溶接方法を採用しているが、非消耗電極１の先端の揺動を行う溶接方法であっても良い。また、統括制御装置２０としてコンピュータが用いられているが、専用の演算制御装置などを用いてもよい。さらに、溶接トーチ３と溶接トーチ支持部移動ステージ１１とウィービングステージ１３と溶接ワイヤ送給ガイド９を搭載し、溶接線方向に自走する手段としては、台車１６に限らず、ロボット、マニピュレータなどでもよい。
【００２７】
上記構成の装置の動作を次に説明する。まず、溶接する母材４上に台車１６を設置する。次に統括制御装置２０が起動される。起動された統括制御装置２０は溶接電源６を起動し、溶接トーチ３先端の非消耗電極１と母材４間にアーク５を発生させる。統括制御装置２０はアーク５発生より所定の時間が経過したことを検知し、溶接ワイヤ送給装置８を起動し、起動された溶接ワイヤ送給装置８は溶接ワイヤ７の送給を開始する。統括制御装置２０は溶接ワイヤ７の送給の開始より所定の時間が経過したことを検知し、台車１６の走行を開始する。
【００２８】
非消耗電極１と母材４間に発生したアーク５の電圧（アーク電圧）は、母材４表面の凹凸により非消耗電極１と母材４間の距離（アーク長）が変化すると、電気抵抗が変化するためアーク長に比例して変化する。
【００２９】
統括制御装置２０はウィービングステージ位置検出装置１５よりウィービングステージ１３の位置情報を受信して、溶接トーチ３がウィービング振幅の所定の位置にあることを検知したとき、アーク電圧検出装置１７に該アーク電圧Ｅａを検出を指令する。検出指令を受けたアーク電圧検出装置１７は該アーク電圧Ｅａを検出し、差電圧算出装置１８により基準アーク電圧Ｅｇとの差電圧ｄＥを算出する。算出した該差電圧ｄＥから適正アーク長となるのに必要な溶接トーチ支持部移動量ｄＤを溶接トーチ支持部移動量算出装置１９により算出する。算出した差電圧ｄＥと溶接トーチ支持部移動量ｄＤは統括制御装置２０に送られる。統括制御装置２０は差電圧ｄＥが正の場合は、アーク長が大きいと判断して、母材４に近づける方向に、負の場合は、アーク長が小さいと判断して、母材４に遠ざける方向に、該溶接トーチ支持部移動量ｄＤ、駆動する指令を溶接トーチ支持部移動ステージ制御装置１２に送る。駆動指令を受けた溶接トーチ支持部移動ステージ制御装置１２は溶接トーチ支持部移動ステージ１１を駆動させる。
【００３０】
なお、本実施例では検出したアーク電圧Ｅａが基準アーク電圧Ｅｇより大きい場合、差電圧ｄＥが正となり、小さい場合、負となるように差電圧算出式を設定したが、それぞれ、逆となるように差電圧算出式を設定しても良い。
【００３１】
統括制御装置２０は前述の処理を溶接終了まで、繰り返し行い、母材４表面の凹凸に関わらず、溶接中のアーク長を制御し、自動溶接を実現する。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、非消耗電極をＩ開先あるいはＶ開先内でウィービングまたは揺動して行う非消耗電極アーク溶接中の所定の位置でのみアーク電圧を検出して、あらかじめ設定した適正アーク長となる基準アーク電圧との差電圧を算出し、該差電圧を変数として、溶接トーチの移動量を求め、該距離だけ溶接トーチを母材に対して上下方向に移動することで、特に１〜３Ｈｚの低周波数で開先内をウィービングあるいは揺動している場合でも、母材の凹凸などに対応して一回の制御でアーク長を適正値にすることができる。このため、従来の方法ではＩ開先あるいはＶ開先内で発生する開先壁面付近での急激なアーク長調整による母材の不安定な溶融状態を解消し、非消耗電極が母材に接触して溶接を中断するような問題が発生せず、健全な溶接結果を実現することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｉ開先内で非消耗電極をウィービングさせながら溶接した場合の概念図である。
【図２】従来のアーク長制御装置と本発明のアーク長制御装置のアーク長制御の概念図である。
【図３】従来のアーク長制御装置と本発明のアーク長制御装置のアーク長制御の概念図である。
【図４】ＴＩＧアーク溶接における溶接電流とアーク電圧とアーク長との関係を示す実験結果である。
【図５】本発明の一実施例のアーク長制御装置の制御方法のフローチャートである。
【図６】本発明の一実施例のアーク長制御装置を搭載した非消耗電極アーク自動溶接装置のブロック図である。
【符号の説明】
１…非消耗電極、２…Ｉ開先、３…溶接トーチ、４…母材、５…アーク、７…溶接ワイヤ、１６…台車、１７…アーク電圧検出装置、１８…差電圧算出装置、１９…溶接トーチ支持部移動量算出装置、２０…統括制御装置。

Claims (2)

1. 非消耗電極を用いて行うアーク溶接装置のアーク長制御装置において、該非消耗電極を保持する溶接トーチを母材（被溶接材）に対して上下に移動する溶接トーチ移動手段と、前記非消耗電極の先端と前記母材の間の電圧（アーク電圧）を測定するアーク電圧測定手段と、該アーク電圧測定手段により測定されたアーク電圧とあらかじめ設定された適正アーク長となる基準アーク電圧の差を算出する差電圧算出手段と、該差電圧算出手段により算出された差電圧を変数として前記溶接トーチ移動手段の移動量を算出する移動量算出手段と、前記溶接トーチ移動手段を駆動制御する駆動制御手段とを備え、該駆動制御手段は前記溶接トーチ移動手段を前記移動量算出手段より算出された移動量に基づいて上下に駆動し、アーク長制御を行うように構成したアーク長制御装置。
2. 請求項１記載のアーク長制御装置を搭載したことを特徴とする非消耗電極アーク自動溶接装置。

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