JP3777017B2 - スタッド溶接品質管理方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スタッド溶接の溶込量を維持及び管理するスタッド溶接の品質管理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、スタッド溶接の仕上がり外観、溶込量等の品質を判定する方法として、作業員が溶接したスタッドを目視によって外観検査をし、ハンマーで打撃する曲げ試験等によって、溶接継手の品質を判定してきたが、外観検査だけでは溶接継手の品質を正確に判定することができないし、またハンマーで溶接したスタッドを打撃する曲げ試験は、過大な労力を要しまた破壊試験であるために、次のような品質判定方法が提案されている。
【０００４】
特開昭６１−２４２７６６の技術は、電磁オシログラフを使用して溶接電流及び溶接電圧、特に溶接終了時の押込み中の短絡電流を測定記録して、品質判定を行っている。
【０００６】
特開平１−１５４８７７の技術は、スタッドの移動量とガンコイルの電圧及び溶接電流の各波形とを検出して、押込み開始点、ガンコイルの電圧の出力停止点及び溶接電流短絡時のサージ電流のピーク点の３点の内のいずれか２つの時間的位置関係から溶接結果の合否を判定してきた。
【０００８】
特開平７−１４４２７５の技術は、アーク電圧とスタッドの移動状態とを検出しモニタリングして、押込み開始前０. ３秒以内のアーク電圧を測定して、短絡が生じて溶接電圧が０になったとき、融合不良欠陥を判定している。
【００１０】
また溶接品質を確保するためには、所要の入熱を得ることが重要であり、もし溶接条件が適正でなく所要の入熱を得ることができない場合、例えば、溶接電流が適正値よりも大きい場合、引き上げ距離が短い場合又は溶接姿勢が不良の場合は、ア−ク中にスタッドの溶融面が被溶接物の溶融プールに接触して短絡が発生する。
この短絡が頻繁に発生すると、ア−ク電圧が十分に継続しないために入熱不足となって、押し込み中に所要の押し込み量だけ押し込むことができなくなり溶接不良となる。
【００１２】
そこで、所要の入熱が得られているかどうかを確認するために、スタッド保持期間中の溶接電流と溶接電圧とを常時監視しなければならない。ここで、サイリスタ等で構成される略定電流電源の場合、溶接電流は略一定値に制御された電流を通電しているので、溶接電圧だけを監視しても入熱を監視したことになる。
【００１４】
溶接電圧を監視する方法として、検出された溶接電圧波形をモニタ−装置等によって常時監視する方法があるが、作業者が常時監視しなければならない。このモニタ−装置自体は大型であるので、建設現場等の溶接位置が頻繁に移動するときは、溶接位置に応じて移動しなければならないために作業性を低下させる。またモニタ−装置は高価であり、頻繁な移動すると故障の原因ともなる。
【００１６】
図１は溶接電圧を監視する別の従来方法を示すスタッド溶接装置のブロック図である。同図は、三相電源３０を入力としてサイリスタ等で構成される略定電流の溶接電源装置３１と、溶接ガン３２と、溶接電源装置３１の出力端子の「−」端子と溶接ガン３２との間に接続された２次ケーブル３３と、スタッドを溶接する鉄骨構造物等の被溶接物３４と、溶接電源装置３１の出力端子の「＋」端子と被溶接物３４とを接続する接続線４２、４３等で形成されるスタッド溶接装置のブロック図である。
【００１８】
同図において、溶接電源装置３１の出力端子に接続された溶接電圧検出器３５によって検出された検出電圧は、フィルタ回路３６を通って平均値化される。この平均値化された溶接電圧平均値Ｖｄは、増幅回路３７で増幅して表示器３８にその値が表示されると同時に、基準溶接電圧設定回路３９によって予め設定された適正な溶接電圧が得られたときの溶接電圧平均値Ｖｅとを比較器４０で比較してその差の絶対値が許容範囲の値△Ｖｅから外れる場合は、警報器４１を作動させて警報を発する。
【００２０】
図２は、図１のブロック図において、正常な溶接が行われた場合の出力端子電圧Ｖｄの波形を示す図である。
同図において、Ｔｐは、溶接ガンを引き上げてア−クを発生させ、ア−クを持続し安定させるために、所要の溶接電流に移行する前に、パイロット電流Ｉｐを通電するパイロット電流期間である。
Ｔａは主アーク電流期間であり、またＴｓは溶接ガンの押し込んでスタッドが被溶接物に短絡してから溶接電流が停止して溶接が終了するまでの期間である。このときの溶接電圧平均値Ｖｄ１は、図１の基準溶接電圧設定回路３９にＶｅ＝Ｖd1として予め設定しておき、次の溶接において得られた溶接電圧平均値Ｖｄが｜Ｖｅ−Ｖｄ｜≦Ｖｅであれば、正常な入熱が得られたと判定される。
【００２５】
図３（Ａ）はスタッド保持期間中に短絡が発生した場合のスタッド保持具と被溶接物の溶接箇所付近との負荷電圧Ｖｏの波形を示す負荷電圧波形図であり、同図（Ｂ）はスタッド保持期間中に短絡が発生した場合の溶接電源装置の出力端子電圧Ｖｄの波形を示す図である。
同図（Ｂ）において、溶接電圧平均値Ｖｄは、｜Ｖｅ−Ｖd2｜＞△Ｖｅとなるために、正常な入熱が得られていないと判定される。ここで、２次ケーブル、被溶接物の接触抵抗等による電圧降下分を無視しているが、正確にアーク電圧を検出するためには、溶接するスタッド又はスタッド保持具と被溶接物の溶接する箇所付近とに電圧検出用の検出線を接続しなければならない。しかし、ほとんどの場合、溶接電源装置の出力端子間に検出線を設けて出力端子電圧Ｖｄを検出している。
この場合、検出した出力端子電圧Ｖｄは、溶接電源装置の出力端子に接続された２次ケーブル、被溶接物等の抵抗による電圧降下Ｖｒがアーク電圧Ｖａに加算された電圧となる。
【００３０】
【発明が解決しようとする課題】
現場作業では、通常、溶接電源装置が重量物であるために移動が困難であるので、溶接電源装置を頻繁に移動させないで、ある位置に設置してその出力端子の「＋」端子を溶接電源装置付近の被溶接物に接続し、「−」端子を溶接可能な範囲まで２次ケーブルを溶接箇所まで延長する。したがって、２次ケーブル、被溶接物等の抵抗値が溶接場所によって変化するために、２次ケーブル、被溶接物等の抵抗による電圧降下Ｖｒも変化する。
【００３２】
溶接電源装置の出力端子間で出力電圧を検出する場合、２次ケーブル長が短いときは、検出電圧とアーク電圧との誤差は少ないが、溶接電流は、１６φ、１９φ等の太径のスタッド溶接のときは１０００〜２０００Ａ程度の大電流を通電するので、検出電圧とアーク電圧との誤差が大になる。
また、溶接電源装置の出力電流容量では、２次ケーブル長を溶接箇所まで最長往復２００［ｍ］延長して溶接することが可能であるが、往復２００［ｍ］延長して溶接すると、２次ケーブル、被溶接物等の電圧降下Ｖｒは数十Ｖになり、この電圧降下Ｖｒは、溶接電源装置から溶接箇所までの距離に関係する２次ケーブルの長さ、２次ケーブルの直径等の違いによって大きく変化する。
【００３４】
図４（Ａ）は、２次ケーブル及び被溶接物の抵抗値による電圧降下Ｖｒが大きい場合のスタッド保持具と被溶接物の溶接箇所付近との負荷電圧Ｖｏの波形を示す負荷電圧波形図であり、同図（Ｂ）は図１のスタッド溶接装置を使用して検出される溶接電源装置の出力端子電圧Ｖｄの波形を示す図である。
同図において、出力端子電圧の溶接電圧平均値Ｖd3は、負荷電圧Ｖｏに２次ケ−ブルの電圧降下Ｖr1と被溶接物の抵抗によって生じる電圧降下Ｖr2とが含まれるので、溶接電圧平均値Ｖd3＝（Ｖr1＋Ｖr2）＋Ｖd1となる。
したがって、正常なア−ク電圧が発生しても、出力端子電圧の溶接電圧平均値Ｖd3は、図２に示す溶接電圧平均値Ｖd1よりも電圧降下（Ｖｒ＝Ｖr1＋Ｖr2）だけ大きくなるために、図１の基準溶接電圧設定回路３９で設定された溶接電圧平均値Ｖｅに、出力端子電圧の溶接電圧平均値Ｖd3を設定しなければならない。
しかし、前述した現場作業のように、２次ケーブル及び被溶接物の抵抗値が常に変化する場合は、電圧降下が大きく変化するために、監視しても制御することができなくなる。
【００５１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の方法は、スタッド溶接の品質を管理するスタッド溶接品質管理方法において、溶接ガンに保持したスタッドを被溶接材から引き上げてアーク発生中に検出した溶接電圧平均値Ｖ1aから溶接ガンに保持したスタッドを被溶接材に押し込んで短絡電流通電中に検出した溶接電圧平均値Ｖ2aを引いた算出平均アーク電圧Ｖavをスタッド溶接の品質判定又はスタッド溶接の入熱制御をするスタッド溶接品質管理方法である。
【００５２】
請求項２の方法は、スタッド溶接の品質を管理するスタッド溶接品質管理方法において、スタッド溶接の品質判定が、溶接ガンに保持したスタッドを被溶接材から引き上げてアーク発生中に検出した溶接電圧平均値Ｖ1aから溶接ガンに保持したスタッドを被溶接材に押し込んで短絡電流通電中に検出した溶接電圧平均値Ｖ2aを引いた算出平均アーク電圧Ｖavを表示又は警報させるスタッド溶接品質管理方法である。
【００５３】
請求項３の方法は、後述する図６及び図７に示すように、算出平均アーク電圧Ｖav１が、短絡が発生するときの引き上げ中の検出期間Ｔ１の溶接電圧平均値Ｖ1bから短絡が発生しないときの検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値Ｖ2aを引いた値であって、短絡が発生したときの算出平均ア−ク電圧Ｖav１が、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧Ｖavよりも減少したときに品質低下と判定するスタッド溶接品質管理方法である。
【００５４】
請求項４の方法は、後述する図６及び図８に示すように、算出平均アーク電圧Ｖav２が、短絡が発生しないときの引き上げ中の溶接電圧平均値Ｖ1aから短絡電圧検出開始時点ｔ21から遅れて短絡したときの検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値Ｖ2cを引いた値であって、短絡電圧検出開始時点ｔ21から遅れて短絡したときの算出平均ア−ク電圧Ｖav２が、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧Ｖavよりも減少したときに品質低下と判定するスタッド溶接品質管理方法である。
【００５５】
請求項５の方法は、後述する図６乃至図８に示すように、算出平均アーク電圧Ｖav１が、短絡が発生するときの引き上げ中の検出期間Ｔ１の溶接電圧平均値Ｖ1bから短絡が発生しないときの検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値Ｖ2aを引いた値であって、短絡が発生したときの算出平均ア−ク電圧Ｖav１が、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧Ｖavよりも減少したとき及び算出平均アーク電圧Ｖav２が、短絡が発生しないときの引き上げ中の溶接電圧平均値Ｖ1aから短絡電圧検出開始時点ｔ21から遅れて短絡したときの検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値Ｖ2cを引いた値であって、短絡電圧検出開始時点ｔ21から遅れて短絡したときの算出平均ア−ク電圧Ｖav２が、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧Ｖavよりも減少したときに品質低下と判定するスタッド溶接品質管理方法である。
【００５６】
請求項６の方法は、後述する図６及び図７に示すように、算出平均アーク電圧Ｖav１が、短絡が発生するときの引き上げ中の検出期間Ｔ１の溶接電圧平均値Ｖ1bから短絡が発生しないときの検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値Ｖ2aを引いた値であって、短絡が発生したときの算出平均ア−ク電圧Ｖav１が、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧Ｖavよりも減少したときに入熱を増加させるスタッド溶接品質管理方法である。
【００５７】
請求項７の方法は、後述する図６及び図８に示すように、算出平均アーク電圧Ｖav２が、短絡が発生しないときの引き上げ中の溶接電圧平均値Ｖ1aから短絡電圧検出開始時点ｔ21から遅れて短絡したときの検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値Ｖ2cを引いた値であって、短絡電圧検出開始時点ｔ21から遅れて短絡したときの算出平均ア−ク電圧Ｖav２が、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧Ｖavよりも減少したときに入熱を減少させるスタッド溶接品質管理方法である。
【００５８】
請求項８の方法は、後述する図６及び図７に示すように、算出平均アーク電圧Ｖav１が、短絡が発生するときの引き上げ中の検出期間Ｔ１の溶接電圧平均値Ｖ1bから短絡が発生しないときの検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値Ｖ2aを引いた値であって、短絡が発生したときの算出平均ア−ク電圧Ｖav１が、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧Ｖavよりも減少したときに入熱を増加させると共に、算出平均アーク電圧Ｖav２が、短絡が発生しないときの引き上げ中の溶接電圧平均値Ｖ1aから短絡電圧検出開始時点ｔ21から遅れて短絡したときの検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値Ｖ2cを引いた値であって、短絡電圧検出開始時点ｔ21から遅れて短絡したときの算出平均ア−ク電圧Ｖav２が、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧Ｖavよりも減少したときに入熱を減少させるスタッド溶接品質管理方法である。
【００５９】
【発明の実施の形態】
本発明の方法は、スタッド溶接の品質を管理するスタッド溶接品質管理方法において、スタッド溶接用の溶接電源装置の出力端子から検出した出力電圧によって、２次ケーブルによる電圧降下が変動したときであっても、スタッド近傍の負荷電圧を算出するする方法であって、溶接ガンに保持したスタッドを被溶接材から引き上げてアーク発生中に検出した溶接電圧平均値Ｖ1aから溶接ガンに保持したスタッドを被溶接材に押し込んで短絡電流通電中に検出した溶接電圧平均値Ｖ2aを引いた算出平均アーク電圧Ｖavをスタッド溶接の品質判定又はスタッド溶接の入熱制御をするスタッド溶接品質管理方法である。
【００６０】
【実施例】
以下、図面を参照して動作を説明する。図５は、本発明の方法を実施するスタッド溶接装置の構成を示す図である。
図５のスタッド溶接装置は、溶接電源装置１とスタッド溶接ガン２と溶接制御装置３とから形成される。
この溶接電源装置１は、溶接ガン２にパイロット電流と主電流とから成る溶接電流を出力し、後述する溶接制御装置３から出力されるアナログ信号に応じて、出力電流Ｉｏを制御する電流指令出力回路５と、その電流指令に基づいて溶接電流を制御するサイリスタ等の半導体スイッチング素子からなる溶接電流出力調整回路１５と、２次ケーブル１７を通って溶接ガン２に装着されたスタッド１８に出力される溶接電流Ｉｏを検出して溶接電流検出信号Ｉｃを出力する溶接電流検出回路ＩＣと、出力端子電圧Ｖｄを検出して溶接電圧検出信号Ｖｃを出力する溶接電圧検出回路ＶＣとから形成される。
【００６２】
溶接制御装置３は、溶接電流検出信号Ｉｃをディジタル溶接電流検出信号Ｉddに変換して演算処理回路ＣＰＵに出力するＡ／Ｄ変換器７と、溶接電圧検出信号Ｖｃをディジタル溶接電圧検出信号Ｖddに変換して演算処理回路ＣＰＵに出力するＡ／Ｄ変換器８と、ディジタル溶接電流検出信号Ｉddとディジタル溶接電圧検出信号Ｖddとを入力してディジタル出力信号Ｉodを出力する演算処理回路ＣＰＵと、演算処理回路ＣＰＵのディジタル出力信号Ｉodをアナログ出力信号Ｉoaに変換して電流指令出力回路５に出力するＤ／Ａ変換器６と、溶接結果のデータを記憶する記憶装置１１と、溶接結果を表示するディジタルパネル等の表示回路１２とからなる。このＤ／Ａ変換器６、Ａ／Ｄ変換器７及びＡ／Ｄ変換器８は演算処理回路ＣＰＵに内蔵してもよい。
【００６４】
以下、図５の実施例のスタッド溶接装置の動作について説明する。溶接ガンに保持されたスタッド先端を被溶接物１４に当接した位置まで押し当て、溶接ガン２に配設されている起動スイッチ１３を押すと、当接位置にあったスタッド１８は予め設定された位置まで引き上げられ、続いて予め設定されたパイロット電流を通電する。
スタッドが引き上げられてアークが発生すると、予め設定した時間後にパイロット電流を主電流に切り換える。パイロット電流又は主電流の通電開始から所要の溶接電流値に達した後に、予め設定された時間が経過すると、スタッド１８を被溶接物１４に向かって押し込む。その途中で、スタッド１８が被溶接物１４に対して短絡し、短絡時間だけ短絡電流Ｉｓが流れる。この一連の溶接動作の間、演算処理回路ＣＰＵによって、後述するサンプリング時間Ｔ１及びＴ２の間、溶接電流及び溶接電圧を検出する。
【００６６】
上記の溶接電源装置１として、サイリスタ等の半導体スイッチング素子を使用した略定電流制御方式の溶接電源装置を使用すると、主アーク電流Ｉａから短絡電流Ｉｓまでの間、略一定に制御された電流を通電する。
押し込み動作で正常に短絡した瞬間は、急峻な電流が流れる。この急峻な電流による増加分が、アーク発生中の溶接電流の平均値に及ぼす影響は、無視することができる範囲である。
また、略定電流方式の溶接電源装置は、２次ケーブル１７及び被溶接物１４の抵抗値に関係なく略一定の溶接電流を出力することができるので、溶接電流経路のどの位置に溶接電流検出回路ＩＣを接続しても同様の電流値を得ることができる。
【００６８】
しかし、溶接電源装置１の出力端子に接続された溶接電圧検出回路ＶＣによって検出した出力電圧は、アーク時と短絡時との溶接状態及び２次ケーブル１７と被溶接物１４との間の抵抗値によって大きく変化するために、その平均値として算出された電圧は一定値でない。
そこで、溶接ガン２を引き上げてアーク発生中の一定期間Ｔ１（以下、引き上げ中の検出期間という）に検出した溶接電圧の平均値Ｖ1a（以下、引き上げ中の溶接電圧平均値という）と押し込み中の短絡期間Ｔ２（以下、押し込み中の検出期間という）の間の溶接電圧の平均値Ｖ2a（以下、押し込み中の溶接電圧平均値という）とを算出する。
【００７０】
この押し込み中の溶接電圧平均値Ｖ2aは、２次ケ−ブルの電圧降下Ｖr1と被溶接物の抵抗によって生じる電圧降下Ｖr2との和Ｖｒである。アーク発生中に検出された引き上げ中の溶接電圧平均値Ｖ1aから短絡時の押し込み中の溶接電圧平均値Ｖ2a（＝Ｖｒ）を引いた値を算出平均アーク電圧Ｖavとする。この算出平均アーク電圧Ｖavを使用することによって、データ量を少なくして、大量の溶接結果のデータを管理することができる。
【００８０】
図６（Ａ）は溶接電流Ｉｏの波形を示す溶接電流波形図であり、同図（Ｂ）は溶接電源装置の出力端子で検出した出力端子電圧Ｖｄの波形を示す図である。
次の順序で溶接を開始する。溶接電流Ｉｏを通電してスタッド１８を引き上げると、被溶接物１４に接触したスタッド先端の電極子からアークを発生し、時刻ｔ０においてパイロット電流Ｉｐが流れる。次に、この時刻ｔ０から予め設定した時刻ｔ１になると、パイロット電流Ｉｐを主アーク電流Ｉａに切り換える。
続いて、主アーク電流Ｉｏが安定するまでに十分な時間が経過した時刻ｔ11から予め設定した引き上げ中の検出期間Ｔ１の間、出力端子電圧Ｖｄを検出する。スタッド１８の引き上げ後のアークが安定した時刻ｔ11から押し込み期間に入る時刻ｔ12までの間、この引き上げ中の検出電圧Ｖ１を演算処理装置４によって累積する。
【００８２】
この引き上げ中の検出期間Ｔ１の溶接電圧平均値Ｖ1aを、次式によって算出する。
【式１】
【００８４】
次に、時刻ｔ12を経過し、スタッド１８を被溶接物１４の溶融プールに押し込んで短絡させる。短絡後、十分な時刻Ｔ21になってから検出を開始し、時刻ｔ21から時刻ｔ22までの押し込み中の検出期間Ｔ２の間、演算処理回路ＣＰＵによって、この押し込み中の検出電圧Ｖ２を累積する。
【００８６】
この押し込み中の検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値Ｖ2aを、次式によって算出する。
【式２】
【００８８】
この押し込み中の溶接電圧平均値Ｖ2aは、２次ケーブル１７及び被溶接物１４の抵抗値による電圧降下Ｖｒである。ここで算出したＶ1aと押し込み中の溶接電圧平均値Ｖ2aとの差を算出平均アーク電圧Ｖavとして演算処理装置４から記憶装置に記憶し、また表示回路１２に出力して表示させてもよい。
【００９０】
図７は、図５において、引き上げ中の検出期間Ｔ１の間に、引き上げ不良、アーク現象による片溶け等によって、時刻ｔ1Sにおいてスタッド１８が溶融プールに短絡した場合の出力端子電圧Ｖｄの波形を示す図である。
この場合、短絡が発生するときの引き上げ中の検出期間Ｔ１の溶接電圧平均値Ｖ1bは、図６に示す短絡が発生しないときの引き上げ中の検出期間Ｔ１の溶接電圧平均値Ｖ1aよりも減少する。
【００９２】
その結果、図７に示す算出平均アーク電圧Ｖav１はＶ1b−Ｖ2aとなり、図６の場合と比較すると、Ｖav１＜Ｖavとなり、図７の算出平均アーク電圧Ｖav１は減少する。なお、各符号は次のとおりである。
Ｖ2a 押し込み中の溶接電圧平均値（正常動作時の検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値）
Ｖ1b 短絡が発生するときの引き上げ中の検出期間Ｔ１の溶接電圧平均値
Ｖav 短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧（Ｖ1a−Ｖ2a）
Ｖav１ 短絡が発生したときの算出平均ア−ク電圧（Ｖ1b−Ｖ2a）
【００９４】
この方法は、算出平均アーク電圧Ｖav１が、短絡が発生するときの引き上げ中の検出期間Ｔ１の溶接電圧平均値Ｖ1bから短絡が発生しないときの検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値Ｖ2aを引いた値であって、短絡が発生したときの算出平均ア−ク電圧Ｖav１が短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧Ｖavよりも減少したときに品質低下と判定する方法である。
【０１００】
図８は、図７の場合と逆にア−ク中の短絡がなくても、図６において押し込み不良、溶けすぎ等のためにアーク長が広がり過ぎて、短絡時点ｔ2cが予め定めた時刻ｔ21よりも遅れた場合の出力端子電圧Ｖｄの波形を示す図である。
同図に示す出力電圧波形は、押し込み中の検出期間Ｔ２になっても短絡しないでアークが継続発生している。したがって図８に示す押し込み中の検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値Ｖ2cは、図６に示す押し込み中の検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値Ｖ2aよりも増加する。
【０１０２】
その結果、図８に示す算出平均アーク電圧Ｖav２は、Ｖ1a−Ｖ2cとなり、図６の場合と比較すると、Ｖav２＜Ｖavとなるので、図８の算出アーク電圧Ｖav２は減少する。なお、各符号は次のとおりである。
Ｖ1a 引き上げ中の溶接電圧平均値
Ｖav 短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧（Ｖ1a−Ｖ2a）
Ｖav２ 短絡電圧検出開始時点ｔ21から遅れて短絡したときの算出平均ア−ク電圧( Ｖ1a−Ｖ2a)
Ｖ2c 短絡電圧検出開始時点ｔ21から遅れて短絡したときの検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値
【０１０４】
この方法は、算出平均アーク電圧Ｖav２が、短絡が発生しないときの引き上げ中の溶接電圧平均値Ｖ1aから短絡電圧検出開始時点ｔ21から遅れて短絡したときの検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値Ｖ2cを引いた値であって、短絡電圧検出開始時点ｔ21から遅れて短絡したときの算出平均ア−ク電圧Ｖav２が、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧Ｖavよりも減少したときに品質低下と判定する方法である。
【０１０６】
短絡が発生しないときの算出平均アーク電圧Ｖavは略一定であるので、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧Ｖavの値（以下、平均電圧標準値Ｖstという）は、溶接スタッドの直径、被溶接物１４等の条件に応じて評価され、平均電圧標準値として決めることができる。
したがって、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧（平均電圧標準値）Ｖstを演算処理回路ＣＰＵに予め入力しておけば、各スタッドの溶接毎に得られた算出平均アーク電圧Ｖavと平均電圧標準値Ｖstとを比較することができる。
【１００１】
【発明の効果】
本発明の効果は次のとおりである。
本発明においては、溶接電源の出力端子間の電圧を検出する溶接電圧検出回路ＶＣを設け、溶接電源装置の出力端子から検出した出力電圧よって、２次ケーブルを延長したときでもアーク電圧を容易に正確に測定することができる。
【１００２】
本発明においては、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧（平均電圧標準値）Ｖstを演算処理回路ＣＰＵに予め入力しておくと、各スタッドの溶接毎に得られる算出平均アーク電圧Ｖavと平均電圧標準値Ｖstとを比較することができる。この比較によって、溶接品質に影響する合格範囲をはずれた場合、警報器等で作業者に知らせて、作業者が不良個所を再度、溶接し直して部材の強度を確保することができるので、アークスタッド溶接の施工管理を適切にかつ容易に行うことができる。
【１００３】
本発明においては、各スタッドの溶接毎に得られるデータは、各スタッドの溶接毎に記憶させ、演算処理回路ＣＰＵ又はこのデータを外部記憶装置、例えばメモリカード又はパソコンに入力して、パソコンで処理してヒストグラム等を作成して評価することができるので各スタッド溶接作業の溶接品質を容易に確認することができる。
【１００４】
本発明においては、現場でのスタッド溶接においては、運搬、引き回し等の作業性を良くするため、規定のケーブル径よりも小径のケーブルを使用する場合が多いために、大電流を頻繁に通電すると、接触部、劣化部等の発熱が大きく加速度的に劣化して焼損する。
本発明においては、短絡時の電圧降下Ｖｒが予め定められた許容値を越えると異常信号を出力するので、健全な規定のケーブル又はコネクタであるかどうかを確認することができ、早期の交換等の対策が可能になる。また使用可能なケーブル長を越えたときでも確認することができる。
【１００５】
本発明においては、２次ケーブルを延長したときであっても、溶接電源装置の出力端子から検出した溶接電圧によって、ア−ク発生位置における実際のアーク電圧を算出することができるので、各スタッドの溶接毎に算出した算出平均ア−ク電圧Ｖavを平均電圧標準値Ｖstと比較して溶接部の品質管理を容易にすることができる。
【１００６】
本発明においては、２次経路の電圧降下を測定する目的で短絡電流Ｉｓを流す必要がなく、溶接工程の中で測定できるので、溶接すべきスタッド又はスタッド保持具と被溶接物の溶接すべき箇所付近とに短絡回路を設ける必要がない。
【１００７】
本発明においては、波形モニタを特に必要としないために、現場作業において、大きな機材設備の設置、移動等がないので作業性が損なわれない。
【１００８】
本発明においては、算出平均アーク電圧Ｖavを使用することによって、データ量を少なくして、大量の溶接結果のデータを管理することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は溶接電圧を監視する別の従来方法を示すスタッド溶接装置のブロック図である。
【図２】図２は、図１のブロック図において、正常な溶接が行われた場合の出力端子電圧Ｖｄの波形を示す図である。
【図３】図３（Ａ）はスタッド保持期間中に短絡が発生した場合のスタッド保持具と被溶接物の溶接箇所付近との負荷電圧Ｖｏの波形を示す負荷電圧波形図であり、同図（Ｂ）はスタッド保持期間中に短絡が発生した場合の溶接電源装置の出力端子電圧Ｖｄの波形を示す図である。
【図４】図４（Ａ）は、２次ケーブル及び被溶接物の抵抗値による電圧降下Ｖｒが大きい場合のスタッド保持具と被溶接物の溶接箇所付近との負荷電圧Ｖｏの波形を示す負荷電圧波形図であり、同図（Ｂ）は、図１のスタッド溶接装置を使用して検出される溶接電源装置の出力端子電圧Ｖｄの波形を示す図である。
【図５】図５は、本発明の実施例を示すスタッド溶接装置の構成を示す図である。
【図６】図６（Ａ）は、溶接電流Ｉｏの波形を示す溶接電流波形図であり、同図（Ｂ）は、溶接電源装置の出力端子電圧Ｖｄの波形を示す図である。
【図７】図７は、図５において、引き上げ中の検出期間Ｔ１の間に、引き上げ不良、アーク現象による片溶け等によって、時刻ｔ1Sにおいてスタッド１８が溶融プールに短絡した場合の出力端子電圧Ｖｄの波形を示す図である。
【図８】図８は、図７の場合と逆にア−ク中の短絡がなくても、図６において押し込み不良、溶けすぎ等のためにアーク長が広がり過ぎて、短絡時点ｔ2cが予め定めた時刻ｔ21よりも遅れた場合の出力端子電圧Ｖｄの波形を示す図である。
【符号の説明】
１…溶接電源装置
２…溶接ガン
３…制御装置
５…電流指令出力回路
６…Ｄ／Ａ変換器
７、８…Ａ／Ｄ変換器
１１…記憶装置
１２…表示回路
１３…操作スイッチ
１４…被溶接物
１５…溶接電流調整回路
１６…制御ケーブル
１７…２次ケーブル
１８…スタッド
３０…三相電源
３１…溶接電源装置
３２…溶接ガン
３３…２次ケ−ブル
３４…被溶接物
３５…溶接電圧検出器
３６…フィルタ回路
３７…増幅回路
３８…表示器
３９…基準溶接電圧設定回路
４０…比較器
４１…警報器
４２、４３…溶接電源装置３１の出力端子の「＋」端子と被溶接物３４を接続するための接続線
ＣＰＵ 演算処理回路
Ｉａ 主ア−ク電流
ＩＣ 溶接電流検出回路
Ｉｃ 溶接電流検出信号
Ｉｐ パイロット電流
Ｔ１ 引き上げ中の検出期間
Ｔ２ 押し込み中の検出期間
Ｔａ 主ア−ク電流期間
Ｔｐ パイロット電流期間
Ｔｓ 短絡電流期間
ｔ０ パイロット電流通電開始時点
ｔ１ 主ア−ク電流通電開始時点
ｔ２ スタッド押し込み時点
ｔ３ 溶接電流停止時点
ｔ1s ア−ク中の短絡時点
ｔ2c 短絡電圧検出開始時点ｔ21から遅れて短絡した時点
ｔ11 ア−ク中の溶接電圧検出開始時点
ｔ12 ア−ク中の溶接電圧検出終了時点
ｔ21 短絡中の溶接電圧検出開始時点
ｔ22 短絡中の溶接電圧検出終了時点
Ｖ１ 引き上げ中の検出平均電圧
Ｖ２ 押し込み中の検出平均電圧
Ｖ1a 短絡が発生しないときの引き上げ中の検出期間Ｔ１の溶接電圧平均値
Ｖ1b 短絡が発生するときの引き上げ中の検出期間Ｔ１の溶接電圧平均値
Ｖav 短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧（Ｖ1a−Ｖ2a）
Ｖav１ 短絡が発生したときの算出平均ア−ク電圧（Ｖ1b−Ｖ2a）
Ｖav２ 短絡電圧検出開始時点ｔ21から遅れて短絡したときの算出平均ア−ク電圧( Ｖ1a−Ｖ2a)
Ｖst 平均電圧標準値（正常動作の算術平均ア−ク電圧Ｖav）
Ｖ1a 短絡が発生しないときの引き上げ中の溶接電圧平均値（正常動作時の検出期間Ｔ１の溶接電圧平均値）
Ｖ2a 押し込み中の溶接電圧平均値（正常動作時の検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値）
Ｖ1b 短絡が発生するときの引き上げ中の検出期間Ｔ１の溶接電圧平均値
Ｖ2c 短絡電圧検出開始時点ｔ21から遅れて短絡したときの検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値
Ｖａ アーク電圧
ＶＣ 溶接電圧検出回路
Ｖｃ 溶接電圧検出信号
Ｖｄ、Ｖd1、Ｖd2、Ｖd3…出力端子電圧／溶接電圧平均値
Ｖｅ 基準溶接電圧設定回路３９に設定された溶接電圧平均値
△Ｖｅ （Ｖｅからの）許容範囲の値
Ｖｏ 負荷電圧
Ｖｒ 電圧降下（Ｖr1＋Ｖr2）
Ｖr1 ２次ケーブルの電圧降下
Ｖr2 被溶接物の電圧降下
【発明の属する技術分野】
本発明は、スタッド溶接の溶込量を維持及び管理するスタッド溶接の品質管理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、スタッド溶接の仕上がり外観、溶込量等の品質を判定する方法として、作業員が溶接したスタッドを目視によって外観検査をし、ハンマーで打撃する曲げ試験等によって、溶接継手の品質を判定してきたが、外観検査だけでは溶接継手の品質を正確に判定することができないし、またハンマーで溶接したスタッドを打撃する曲げ試験は、過大な労力を要しまた破壊試験であるために、次のような品質判定方法が提案されている。
【０００４】
特開昭６１−２４２７６６の技術は、電磁オシログラフを使用して溶接電流及び溶接電圧、特に溶接終了時の押込み中の短絡電流を測定記録して、品質判定を行っている。
【０００６】
特開平１−１５４８７７の技術は、スタッドの移動量とガンコイルの電圧及び溶接電流の各波形とを検出して、押込み開始点、ガンコイルの電圧の出力停止点及び溶接電流短絡時のサージ電流のピーク点の３点の内のいずれか２つの時間的位置関係から溶接結果の合否を判定してきた。
【０００８】
特開平７−１４４２７５の技術は、アーク電圧とスタッドの移動状態とを検出しモニタリングして、押込み開始前０. ３秒以内のアーク電圧を測定して、短絡が生じて溶接電圧が０になったとき、融合不良欠陥を判定している。
【００１０】
また溶接品質を確保するためには、所要の入熱を得ることが重要であり、もし溶接条件が適正でなく所要の入熱を得ることができない場合、例えば、溶接電流が適正値よりも大きい場合、引き上げ距離が短い場合又は溶接姿勢が不良の場合は、ア−ク中にスタッドの溶融面が被溶接物の溶融プールに接触して短絡が発生する。
この短絡が頻繁に発生すると、ア−ク電圧が十分に継続しないために入熱不足となって、押し込み中に所要の押し込み量だけ押し込むことができなくなり溶接不良となる。
【００１２】
そこで、所要の入熱が得られているかどうかを確認するために、スタッド保持期間中の溶接電流と溶接電圧とを常時監視しなければならない。ここで、サイリスタ等で構成される略定電流電源の場合、溶接電流は略一定値に制御された電流を通電しているので、溶接電圧だけを監視しても入熱を監視したことになる。
【００１４】
溶接電圧を監視する方法として、検出された溶接電圧波形をモニタ−装置等によって常時監視する方法があるが、作業者が常時監視しなければならない。このモニタ−装置自体は大型であるので、建設現場等の溶接位置が頻繁に移動するときは、溶接位置に応じて移動しなければならないために作業性を低下させる。またモニタ−装置は高価であり、頻繁な移動すると故障の原因ともなる。
【００１６】
図１は溶接電圧を監視する別の従来方法を示すスタッド溶接装置のブロック図である。同図は、三相電源３０を入力としてサイリスタ等で構成される略定電流の溶接電源装置３１と、溶接ガン３２と、溶接電源装置３１の出力端子の「−」端子と溶接ガン３２との間に接続された２次ケーブル３３と、スタッドを溶接する鉄骨構造物等の被溶接物３４と、溶接電源装置３１の出力端子の「＋」端子と被溶接物３４とを接続する接続線４２、４３等で形成されるスタッド溶接装置のブロック図である。
【００１８】
同図において、溶接電源装置３１の出力端子に接続された溶接電圧検出器３５によって検出された検出電圧は、フィルタ回路３６を通って平均値化される。この平均値化された溶接電圧平均値Ｖｄは、増幅回路３７で増幅して表示器３８にその値が表示されると同時に、基準溶接電圧設定回路３９によって予め設定された適正な溶接電圧が得られたときの溶接電圧平均値Ｖｅとを比較器４０で比較してその差の絶対値が許容範囲の値△Ｖｅから外れる場合は、警報器４１を作動させて警報を発する。
【００２０】
図２は、図１のブロック図において、正常な溶接が行われた場合の出力端子電圧Ｖｄの波形を示す図である。
同図において、Ｔｐは、溶接ガンを引き上げてア−クを発生させ、ア−クを持続し安定させるために、所要の溶接電流に移行する前に、パイロット電流Ｉｐを通電するパイロット電流期間である。
Ｔａは主アーク電流期間であり、またＴｓは溶接ガンの押し込んでスタッドが被溶接物に短絡してから溶接電流が停止して溶接が終了するまでの期間である。このときの溶接電圧平均値Ｖｄ１は、図１の基準溶接電圧設定回路３９にＶｅ＝Ｖd1として予め設定しておき、次の溶接において得られた溶接電圧平均値Ｖｄが｜Ｖｅ−Ｖｄ｜≦Ｖｅであれば、正常な入熱が得られたと判定される。
【００２５】
図３（Ａ）はスタッド保持期間中に短絡が発生した場合のスタッド保持具と被溶接物の溶接箇所付近との負荷電圧Ｖｏの波形を示す負荷電圧波形図であり、同図（Ｂ）はスタッド保持期間中に短絡が発生した場合の溶接電源装置の出力端子電圧Ｖｄの波形を示す図である。
同図（Ｂ）において、溶接電圧平均値Ｖｄは、｜Ｖｅ−Ｖd2｜＞△Ｖｅとなるために、正常な入熱が得られていないと判定される。ここで、２次ケーブル、被溶接物の接触抵抗等による電圧降下分を無視しているが、正確にアーク電圧を検出するためには、溶接するスタッド又はスタッド保持具と被溶接物の溶接する箇所付近とに電圧検出用の検出線を接続しなければならない。しかし、ほとんどの場合、溶接電源装置の出力端子間に検出線を設けて出力端子電圧Ｖｄを検出している。
この場合、検出した出力端子電圧Ｖｄは、溶接電源装置の出力端子に接続された２次ケーブル、被溶接物等の抵抗による電圧降下Ｖｒがアーク電圧Ｖａに加算された電圧となる。
【００３０】
【発明が解決しようとする課題】
現場作業では、通常、溶接電源装置が重量物であるために移動が困難であるので、溶接電源装置を頻繁に移動させないで、ある位置に設置してその出力端子の「＋」端子を溶接電源装置付近の被溶接物に接続し、「−」端子を溶接可能な範囲まで２次ケーブルを溶接箇所まで延長する。したがって、２次ケーブル、被溶接物等の抵抗値が溶接場所によって変化するために、２次ケーブル、被溶接物等の抵抗による電圧降下Ｖｒも変化する。
【００３２】
溶接電源装置の出力端子間で出力電圧を検出する場合、２次ケーブル長が短いときは、検出電圧とアーク電圧との誤差は少ないが、溶接電流は、１６φ、１９φ等の太径のスタッド溶接のときは１０００〜２０００Ａ程度の大電流を通電するので、検出電圧とアーク電圧との誤差が大になる。
また、溶接電源装置の出力電流容量では、２次ケーブル長を溶接箇所まで最長往復２００［ｍ］延長して溶接することが可能であるが、往復２００［ｍ］延長して溶接すると、２次ケーブル、被溶接物等の電圧降下Ｖｒは数十Ｖになり、この電圧降下Ｖｒは、溶接電源装置から溶接箇所までの距離に関係する２次ケーブルの長さ、２次ケーブルの直径等の違いによって大きく変化する。
【００３４】
図４（Ａ）は、２次ケーブル及び被溶接物の抵抗値による電圧降下Ｖｒが大きい場合のスタッド保持具と被溶接物の溶接箇所付近との負荷電圧Ｖｏの波形を示す負荷電圧波形図であり、同図（Ｂ）は図１のスタッド溶接装置を使用して検出される溶接電源装置の出力端子電圧Ｖｄの波形を示す図である。
同図において、出力端子電圧の溶接電圧平均値Ｖd3は、負荷電圧Ｖｏに２次ケ−ブルの電圧降下Ｖr1と被溶接物の抵抗によって生じる電圧降下Ｖr2とが含まれるので、溶接電圧平均値Ｖd3＝（Ｖr1＋Ｖr2）＋Ｖd1となる。
したがって、正常なア−ク電圧が発生しても、出力端子電圧の溶接電圧平均値Ｖd3は、図２に示す溶接電圧平均値Ｖd1よりも電圧降下（Ｖｒ＝Ｖr1＋Ｖr2）だけ大きくなるために、図１の基準溶接電圧設定回路３９で設定された溶接電圧平均値Ｖｅに、出力端子電圧の溶接電圧平均値Ｖd3を設定しなければならない。
しかし、前述した現場作業のように、２次ケーブル及び被溶接物の抵抗値が常に変化する場合は、電圧降下が大きく変化するために、監視しても制御することができなくなる。
【００５１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の方法は、スタッド溶接の品質を管理するスタッド溶接品質管理方法において、溶接ガンに保持したスタッドを被溶接材から引き上げてアーク発生中に検出した溶接電圧平均値Ｖ1aから溶接ガンに保持したスタッドを被溶接材に押し込んで短絡電流通電中に検出した溶接電圧平均値Ｖ2aを引いた算出平均アーク電圧Ｖavをスタッド溶接の品質判定又はスタッド溶接の入熱制御をするスタッド溶接品質管理方法である。
【００５２】
請求項２の方法は、スタッド溶接の品質を管理するスタッド溶接品質管理方法において、スタッド溶接の品質判定が、溶接ガンに保持したスタッドを被溶接材から引き上げてアーク発生中に検出した溶接電圧平均値Ｖ1aから溶接ガンに保持したスタッドを被溶接材に押し込んで短絡電流通電中に検出した溶接電圧平均値Ｖ2aを引いた算出平均アーク電圧Ｖavを表示又は警報させるスタッド溶接品質管理方法である。
【００５３】
請求項３の方法は、後述する図６及び図７に示すように、算出平均アーク電圧Ｖav１が、短絡が発生するときの引き上げ中の検出期間Ｔ１の溶接電圧平均値Ｖ1bから短絡が発生しないときの検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値Ｖ2aを引いた値であって、短絡が発生したときの算出平均ア−ク電圧Ｖav１が、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧Ｖavよりも減少したときに品質低下と判定するスタッド溶接品質管理方法である。
【００５４】
請求項４の方法は、後述する図６及び図８に示すように、算出平均アーク電圧Ｖav２が、短絡が発生しないときの引き上げ中の溶接電圧平均値Ｖ1aから短絡電圧検出開始時点ｔ21から遅れて短絡したときの検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値Ｖ2cを引いた値であって、短絡電圧検出開始時点ｔ21から遅れて短絡したときの算出平均ア−ク電圧Ｖav２が、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧Ｖavよりも減少したときに品質低下と判定するスタッド溶接品質管理方法である。
【００５５】
請求項５の方法は、後述する図６乃至図８に示すように、算出平均アーク電圧Ｖav１が、短絡が発生するときの引き上げ中の検出期間Ｔ１の溶接電圧平均値Ｖ1bから短絡が発生しないときの検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値Ｖ2aを引いた値であって、短絡が発生したときの算出平均ア−ク電圧Ｖav１が、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧Ｖavよりも減少したとき及び算出平均アーク電圧Ｖav２が、短絡が発生しないときの引き上げ中の溶接電圧平均値Ｖ1aから短絡電圧検出開始時点ｔ21から遅れて短絡したときの検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値Ｖ2cを引いた値であって、短絡電圧検出開始時点ｔ21から遅れて短絡したときの算出平均ア−ク電圧Ｖav２が、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧Ｖavよりも減少したときに品質低下と判定するスタッド溶接品質管理方法である。
【００５６】
請求項６の方法は、後述する図６及び図７に示すように、算出平均アーク電圧Ｖav１が、短絡が発生するときの引き上げ中の検出期間Ｔ１の溶接電圧平均値Ｖ1bから短絡が発生しないときの検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値Ｖ2aを引いた値であって、短絡が発生したときの算出平均ア−ク電圧Ｖav１が、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧Ｖavよりも減少したときに入熱を増加させるスタッド溶接品質管理方法である。
【００５７】
請求項７の方法は、後述する図６及び図８に示すように、算出平均アーク電圧Ｖav２が、短絡が発生しないときの引き上げ中の溶接電圧平均値Ｖ1aから短絡電圧検出開始時点ｔ21から遅れて短絡したときの検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値Ｖ2cを引いた値であって、短絡電圧検出開始時点ｔ21から遅れて短絡したときの算出平均ア−ク電圧Ｖav２が、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧Ｖavよりも減少したときに入熱を減少させるスタッド溶接品質管理方法である。
【００５８】
請求項８の方法は、後述する図６及び図７に示すように、算出平均アーク電圧Ｖav１が、短絡が発生するときの引き上げ中の検出期間Ｔ１の溶接電圧平均値Ｖ1bから短絡が発生しないときの検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値Ｖ2aを引いた値であって、短絡が発生したときの算出平均ア−ク電圧Ｖav１が、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧Ｖavよりも減少したときに入熱を増加させると共に、算出平均アーク電圧Ｖav２が、短絡が発生しないときの引き上げ中の溶接電圧平均値Ｖ1aから短絡電圧検出開始時点ｔ21から遅れて短絡したときの検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値Ｖ2cを引いた値であって、短絡電圧検出開始時点ｔ21から遅れて短絡したときの算出平均ア−ク電圧Ｖav２が、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧Ｖavよりも減少したときに入熱を減少させるスタッド溶接品質管理方法である。
【００５９】
【発明の実施の形態】
本発明の方法は、スタッド溶接の品質を管理するスタッド溶接品質管理方法において、スタッド溶接用の溶接電源装置の出力端子から検出した出力電圧によって、２次ケーブルによる電圧降下が変動したときであっても、スタッド近傍の負荷電圧を算出するする方法であって、溶接ガンに保持したスタッドを被溶接材から引き上げてアーク発生中に検出した溶接電圧平均値Ｖ1aから溶接ガンに保持したスタッドを被溶接材に押し込んで短絡電流通電中に検出した溶接電圧平均値Ｖ2aを引いた算出平均アーク電圧Ｖavをスタッド溶接の品質判定又はスタッド溶接の入熱制御をするスタッド溶接品質管理方法である。
【００６０】
【実施例】
以下、図面を参照して動作を説明する。図５は、本発明の方法を実施するスタッド溶接装置の構成を示す図である。
図５のスタッド溶接装置は、溶接電源装置１とスタッド溶接ガン２と溶接制御装置３とから形成される。
この溶接電源装置１は、溶接ガン２にパイロット電流と主電流とから成る溶接電流を出力し、後述する溶接制御装置３から出力されるアナログ信号に応じて、出力電流Ｉｏを制御する電流指令出力回路５と、その電流指令に基づいて溶接電流を制御するサイリスタ等の半導体スイッチング素子からなる溶接電流出力調整回路１５と、２次ケーブル１７を通って溶接ガン２に装着されたスタッド１８に出力される溶接電流Ｉｏを検出して溶接電流検出信号Ｉｃを出力する溶接電流検出回路ＩＣと、出力端子電圧Ｖｄを検出して溶接電圧検出信号Ｖｃを出力する溶接電圧検出回路ＶＣとから形成される。
【００６２】
溶接制御装置３は、溶接電流検出信号Ｉｃをディジタル溶接電流検出信号Ｉddに変換して演算処理回路ＣＰＵに出力するＡ／Ｄ変換器７と、溶接電圧検出信号Ｖｃをディジタル溶接電圧検出信号Ｖddに変換して演算処理回路ＣＰＵに出力するＡ／Ｄ変換器８と、ディジタル溶接電流検出信号Ｉddとディジタル溶接電圧検出信号Ｖddとを入力してディジタル出力信号Ｉodを出力する演算処理回路ＣＰＵと、演算処理回路ＣＰＵのディジタル出力信号Ｉodをアナログ出力信号Ｉoaに変換して電流指令出力回路５に出力するＤ／Ａ変換器６と、溶接結果のデータを記憶する記憶装置１１と、溶接結果を表示するディジタルパネル等の表示回路１２とからなる。このＤ／Ａ変換器６、Ａ／Ｄ変換器７及びＡ／Ｄ変換器８は演算処理回路ＣＰＵに内蔵してもよい。
【００６４】
以下、図５の実施例のスタッド溶接装置の動作について説明する。溶接ガンに保持されたスタッド先端を被溶接物１４に当接した位置まで押し当て、溶接ガン２に配設されている起動スイッチ１３を押すと、当接位置にあったスタッド１８は予め設定された位置まで引き上げられ、続いて予め設定されたパイロット電流を通電する。
スタッドが引き上げられてアークが発生すると、予め設定した時間後にパイロット電流を主電流に切り換える。パイロット電流又は主電流の通電開始から所要の溶接電流値に達した後に、予め設定された時間が経過すると、スタッド１８を被溶接物１４に向かって押し込む。その途中で、スタッド１８が被溶接物１４に対して短絡し、短絡時間だけ短絡電流Ｉｓが流れる。この一連の溶接動作の間、演算処理回路ＣＰＵによって、後述するサンプリング時間Ｔ１及びＴ２の間、溶接電流及び溶接電圧を検出する。
【００６６】
上記の溶接電源装置１として、サイリスタ等の半導体スイッチング素子を使用した略定電流制御方式の溶接電源装置を使用すると、主アーク電流Ｉａから短絡電流Ｉｓまでの間、略一定に制御された電流を通電する。
押し込み動作で正常に短絡した瞬間は、急峻な電流が流れる。この急峻な電流による増加分が、アーク発生中の溶接電流の平均値に及ぼす影響は、無視することができる範囲である。
また、略定電流方式の溶接電源装置は、２次ケーブル１７及び被溶接物１４の抵抗値に関係なく略一定の溶接電流を出力することができるので、溶接電流経路のどの位置に溶接電流検出回路ＩＣを接続しても同様の電流値を得ることができる。
【００６８】
しかし、溶接電源装置１の出力端子に接続された溶接電圧検出回路ＶＣによって検出した出力電圧は、アーク時と短絡時との溶接状態及び２次ケーブル１７と被溶接物１４との間の抵抗値によって大きく変化するために、その平均値として算出された電圧は一定値でない。
そこで、溶接ガン２を引き上げてアーク発生中の一定期間Ｔ１（以下、引き上げ中の検出期間という）に検出した溶接電圧の平均値Ｖ1a（以下、引き上げ中の溶接電圧平均値という）と押し込み中の短絡期間Ｔ２（以下、押し込み中の検出期間という）の間の溶接電圧の平均値Ｖ2a（以下、押し込み中の溶接電圧平均値という）とを算出する。
【００７０】
この押し込み中の溶接電圧平均値Ｖ2aは、２次ケ−ブルの電圧降下Ｖr1と被溶接物の抵抗によって生じる電圧降下Ｖr2との和Ｖｒである。アーク発生中に検出された引き上げ中の溶接電圧平均値Ｖ1aから短絡時の押し込み中の溶接電圧平均値Ｖ2a（＝Ｖｒ）を引いた値を算出平均アーク電圧Ｖavとする。この算出平均アーク電圧Ｖavを使用することによって、データ量を少なくして、大量の溶接結果のデータを管理することができる。
【００８０】
図６（Ａ）は溶接電流Ｉｏの波形を示す溶接電流波形図であり、同図（Ｂ）は溶接電源装置の出力端子で検出した出力端子電圧Ｖｄの波形を示す図である。
次の順序で溶接を開始する。溶接電流Ｉｏを通電してスタッド１８を引き上げると、被溶接物１４に接触したスタッド先端の電極子からアークを発生し、時刻ｔ０においてパイロット電流Ｉｐが流れる。次に、この時刻ｔ０から予め設定した時刻ｔ１になると、パイロット電流Ｉｐを主アーク電流Ｉａに切り換える。
続いて、主アーク電流Ｉｏが安定するまでに十分な時間が経過した時刻ｔ11から予め設定した引き上げ中の検出期間Ｔ１の間、出力端子電圧Ｖｄを検出する。スタッド１８の引き上げ後のアークが安定した時刻ｔ11から押し込み期間に入る時刻ｔ12までの間、この引き上げ中の検出電圧Ｖ１を演算処理装置４によって累積する。
【００８２】
この引き上げ中の検出期間Ｔ１の溶接電圧平均値Ｖ1aを、次式によって算出する。
【式１】
次に、時刻ｔ12を経過し、スタッド１８を被溶接物１４の溶融プールに押し込んで短絡させる。短絡後、十分な時刻Ｔ21になってから検出を開始し、時刻ｔ21から時刻ｔ22までの押し込み中の検出期間Ｔ２の間、演算処理回路ＣＰＵによって、この押し込み中の検出電圧Ｖ２を累積する。
【００８６】
この押し込み中の検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値Ｖ2aを、次式によって算出する。
【式２】
この押し込み中の溶接電圧平均値Ｖ2aは、２次ケーブル１７及び被溶接物１４の抵抗値による電圧降下Ｖｒである。ここで算出したＶ1aと押し込み中の溶接電圧平均値Ｖ2aとの差を算出平均アーク電圧Ｖavとして演算処理装置４から記憶装置に記憶し、また表示回路１２に出力して表示させてもよい。
【００９０】
図７は、図５において、引き上げ中の検出期間Ｔ１の間に、引き上げ不良、アーク現象による片溶け等によって、時刻ｔ1Sにおいてスタッド１８が溶融プールに短絡した場合の出力端子電圧Ｖｄの波形を示す図である。
この場合、短絡が発生するときの引き上げ中の検出期間Ｔ１の溶接電圧平均値Ｖ1bは、図６に示す短絡が発生しないときの引き上げ中の検出期間Ｔ１の溶接電圧平均値Ｖ1aよりも減少する。
【００９２】
その結果、図７に示す算出平均アーク電圧Ｖav１はＶ1b−Ｖ2aとなり、図６の場合と比較すると、Ｖav１＜Ｖavとなり、図７の算出平均アーク電圧Ｖav１は減少する。なお、各符号は次のとおりである。
Ｖ2a 押し込み中の溶接電圧平均値（正常動作時の検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値）
Ｖ1b 短絡が発生するときの引き上げ中の検出期間Ｔ１の溶接電圧平均値
Ｖav 短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧（Ｖ1a−Ｖ2a）
Ｖav１ 短絡が発生したときの算出平均ア−ク電圧（Ｖ1b−Ｖ2a）
【００９４】
この方法は、算出平均アーク電圧Ｖav１が、短絡が発生するときの引き上げ中の検出期間Ｔ１の溶接電圧平均値Ｖ1bから短絡が発生しないときの検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値Ｖ2aを引いた値であって、短絡が発生したときの算出平均ア−ク電圧Ｖav１が短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧Ｖavよりも減少したときに品質低下と判定する方法である。
【０１００】
図８は、図７の場合と逆にア−ク中の短絡がなくても、図６において押し込み不良、溶けすぎ等のためにアーク長が広がり過ぎて、短絡時点ｔ2cが予め定めた時刻ｔ21よりも遅れた場合の出力端子電圧Ｖｄの波形を示す図である。
同図に示す出力電圧波形は、押し込み中の検出期間Ｔ２になっても短絡しないでアークが継続発生している。したがって図８に示す押し込み中の検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値Ｖ2cは、図６に示す押し込み中の検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値Ｖ2aよりも増加する。
【０１０２】
その結果、図８に示す算出平均アーク電圧Ｖav２は、Ｖ1a−Ｖ2cとなり、図６の場合と比較すると、Ｖav２＜Ｖavとなるので、図８の算出アーク電圧Ｖav２は減少する。なお、各符号は次のとおりである。
Ｖ1a 引き上げ中の溶接電圧平均値
Ｖav 短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧（Ｖ1a−Ｖ2a）
Ｖav２ 短絡電圧検出開始時点ｔ21から遅れて短絡したときの算出平均ア−ク電圧( Ｖ1a−Ｖ2a)
Ｖ2c 短絡電圧検出開始時点ｔ21から遅れて短絡したときの検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値
【０１０４】
この方法は、算出平均アーク電圧Ｖav２が、短絡が発生しないときの引き上げ中の溶接電圧平均値Ｖ1aから短絡電圧検出開始時点ｔ21から遅れて短絡したときの検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値Ｖ2cを引いた値であって、短絡電圧検出開始時点ｔ21から遅れて短絡したときの算出平均ア−ク電圧Ｖav２が、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧Ｖavよりも減少したときに品質低下と判定する方法である。
【０１０６】
短絡が発生しないときの算出平均アーク電圧Ｖavは略一定であるので、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧Ｖavの値（以下、平均電圧標準値Ｖstという）は、溶接スタッドの直径、被溶接物１４等の条件に応じて評価され、平均電圧標準値として決めることができる。
したがって、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧（平均電圧標準値）Ｖstを演算処理回路ＣＰＵに予め入力しておけば、各スタッドの溶接毎に得られた算出平均アーク電圧Ｖavと平均電圧標準値Ｖstとを比較することができる。
【１００１】
【発明の効果】
本発明の効果は次のとおりである。
本発明においては、溶接電源の出力端子間の電圧を検出する溶接電圧検出回路ＶＣを設け、溶接電源装置の出力端子から検出した出力電圧よって、２次ケーブルを延長したときでもアーク電圧を容易に正確に測定することができる。
【１００２】
本発明においては、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧（平均電圧標準値）Ｖstを演算処理回路ＣＰＵに予め入力しておくと、各スタッドの溶接毎に得られる算出平均アーク電圧Ｖavと平均電圧標準値Ｖstとを比較することができる。この比較によって、溶接品質に影響する合格範囲をはずれた場合、警報器等で作業者に知らせて、作業者が不良個所を再度、溶接し直して部材の強度を確保することができるので、アークスタッド溶接の施工管理を適切にかつ容易に行うことができる。
【１００３】
本発明においては、各スタッドの溶接毎に得られるデータは、各スタッドの溶接毎に記憶させ、演算処理回路ＣＰＵ又はこのデータを外部記憶装置、例えばメモリカード又はパソコンに入力して、パソコンで処理してヒストグラム等を作成して評価することができるので各スタッド溶接作業の溶接品質を容易に確認することができる。
【１００４】
本発明においては、現場でのスタッド溶接においては、運搬、引き回し等の作業性を良くするため、規定のケーブル径よりも小径のケーブルを使用する場合が多いために、大電流を頻繁に通電すると、接触部、劣化部等の発熱が大きく加速度的に劣化して焼損する。
本発明においては、短絡時の電圧降下Ｖｒが予め定められた許容値を越えると異常信号を出力するので、健全な規定のケーブル又はコネクタであるかどうかを確認することができ、早期の交換等の対策が可能になる。また使用可能なケーブル長を越えたときでも確認することができる。
【１００５】
本発明においては、２次ケーブルを延長したときであっても、溶接電源装置の出力端子から検出した溶接電圧によって、ア−ク発生位置における実際のアーク電圧を算出することができるので、各スタッドの溶接毎に算出した算出平均ア−ク電圧Ｖavを平均電圧標準値Ｖstと比較して溶接部の品質管理を容易にすることができる。
【１００６】
本発明においては、２次経路の電圧降下を測定する目的で短絡電流Ｉｓを流す必要がなく、溶接工程の中で測定できるので、溶接すべきスタッド又はスタッド保持具と被溶接物の溶接すべき箇所付近とに短絡回路を設ける必要がない。
【１００７】
本発明においては、波形モニタを特に必要としないために、現場作業において、大きな機材設備の設置、移動等がないので作業性が損なわれない。
【１００８】
本発明においては、算出平均アーク電圧Ｖavを使用することによって、データ量を少なくして、大量の溶接結果のデータを管理することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は溶接電圧を監視する別の従来方法を示すスタッド溶接装置のブロック図である。
【図２】図２は、図１のブロック図において、正常な溶接が行われた場合の出力端子電圧Ｖｄの波形を示す図である。
【図３】図３（Ａ）はスタッド保持期間中に短絡が発生した場合のスタッド保持具と被溶接物の溶接箇所付近との負荷電圧Ｖｏの波形を示す負荷電圧波形図であり、同図（Ｂ）はスタッド保持期間中に短絡が発生した場合の溶接電源装置の出力端子電圧Ｖｄの波形を示す図である。
【図４】図４（Ａ）は、２次ケーブル及び被溶接物の抵抗値による電圧降下Ｖｒが大きい場合のスタッド保持具と被溶接物の溶接箇所付近との負荷電圧Ｖｏの波形を示す負荷電圧波形図であり、同図（Ｂ）は、図１のスタッド溶接装置を使用して検出される溶接電源装置の出力端子電圧Ｖｄの波形を示す図である。
【図５】図５は、本発明の実施例を示すスタッド溶接装置の構成を示す図である。
【図６】図６（Ａ）は、溶接電流Ｉｏの波形を示す溶接電流波形図であり、同図（Ｂ）は、溶接電源装置の出力端子電圧Ｖｄの波形を示す図である。
【図７】図７は、図５において、引き上げ中の検出期間Ｔ１の間に、引き上げ不良、アーク現象による片溶け等によって、時刻ｔ1Sにおいてスタッド１８が溶融プールに短絡した場合の出力端子電圧Ｖｄの波形を示す図である。
【図８】図８は、図７の場合と逆にア−ク中の短絡がなくても、図６において押し込み不良、溶けすぎ等のためにアーク長が広がり過ぎて、短絡時点ｔ2cが予め定めた時刻ｔ21よりも遅れた場合の出力端子電圧Ｖｄの波形を示す図である。
【符号の説明】
１…溶接電源装置
２…溶接ガン
３…制御装置
５…電流指令出力回路
６…Ｄ／Ａ変換器
７、８…Ａ／Ｄ変換器
１１…記憶装置
１２…表示回路
１３…操作スイッチ
１４…被溶接物
１５…溶接電流調整回路
１６…制御ケーブル
１７…２次ケーブル
１８…スタッド
３０…三相電源
３１…溶接電源装置
３２…溶接ガン
３３…２次ケ−ブル
３４…被溶接物
３５…溶接電圧検出器
３６…フィルタ回路
３７…増幅回路
３８…表示器
３９…基準溶接電圧設定回路
４０…比較器
４１…警報器
４２、４３…溶接電源装置３１の出力端子の「＋」端子と被溶接物３４を接続するための接続線
ＣＰＵ 演算処理回路
Ｉａ 主ア−ク電流
ＩＣ 溶接電流検出回路
Ｉｃ 溶接電流検出信号
Ｉｐ パイロット電流
Ｔ１ 引き上げ中の検出期間
Ｔ２ 押し込み中の検出期間
Ｔａ 主ア−ク電流期間
Ｔｐ パイロット電流期間
Ｔｓ 短絡電流期間
ｔ０ パイロット電流通電開始時点
ｔ１ 主ア−ク電流通電開始時点
ｔ２ スタッド押し込み時点
ｔ３ 溶接電流停止時点
ｔ1s ア−ク中の短絡時点
ｔ2c 短絡電圧検出開始時点ｔ21から遅れて短絡した時点
ｔ11 ア−ク中の溶接電圧検出開始時点
ｔ12 ア−ク中の溶接電圧検出終了時点
ｔ21 短絡中の溶接電圧検出開始時点
ｔ22 短絡中の溶接電圧検出終了時点
Ｖ１ 引き上げ中の検出平均電圧
Ｖ２ 押し込み中の検出平均電圧
Ｖ1a 短絡が発生しないときの引き上げ中の検出期間Ｔ１の溶接電圧平均値
Ｖ1b 短絡が発生するときの引き上げ中の検出期間Ｔ１の溶接電圧平均値
Ｖav 短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧（Ｖ1a−Ｖ2a）
Ｖav１ 短絡が発生したときの算出平均ア−ク電圧（Ｖ1b−Ｖ2a）
Ｖav２ 短絡電圧検出開始時点ｔ21から遅れて短絡したときの算出平均ア−ク電圧( Ｖ1a−Ｖ2a)
Ｖst 平均電圧標準値（正常動作の算術平均ア−ク電圧Ｖav）
Ｖ1a 短絡が発生しないときの引き上げ中の溶接電圧平均値（正常動作時の検出期間Ｔ１の溶接電圧平均値）
Ｖ2a 押し込み中の溶接電圧平均値（正常動作時の検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値）
Ｖ1b 短絡が発生するときの引き上げ中の検出期間Ｔ１の溶接電圧平均値
Ｖ2c 短絡電圧検出開始時点ｔ21から遅れて短絡したときの検出期間Ｔ２の溶接電圧平均値
Ｖａ アーク電圧
ＶＣ 溶接電圧検出回路
Ｖｃ 溶接電圧検出信号
Ｖｄ、Ｖd1、Ｖd2、Ｖd3…出力端子電圧／溶接電圧平均値
Ｖｅ 基準溶接電圧設定回路３９に設定された溶接電圧平均値
△Ｖｅ （Ｖｅからの）許容範囲の値
Ｖｏ 負荷電圧
Ｖｒ 電圧降下（Ｖr1＋Ｖr2）
Ｖr1 ２次ケーブルの電圧降下
Ｖr2 被溶接物の電圧降下
Claims (8)
- スタッド溶接の品質を管理するスタッド溶接品質管理方法において、溶接ガンに保持したスタッドを被溶接材から引き上げてアーク発生中に検出した溶接電圧平均値から溶接ガンに保持したスタッドを被溶接材に押し込んで短絡電流通電中に検出した溶接電圧平均値を引いた算出平均アーク電圧をスタッド溶接の品質判定又はスタッド溶接の入熱制御に使用するスタッド溶接品質管理方法。
- スタッド溶接の品質を管理するスタッド溶接品質管理方法において、スタッド溶接の品質判定が、溶接ガンに保持したスタッドを被溶接材から引き上げてアーク発生中に検出した溶接電圧平均値から溶接ガンに保持したスタッドを被溶接材に押し込んで短絡電流通電中に検出した溶接電圧平均値を引いた算出平均アーク電圧を表示又は警報させる請求項１に記載のスタッド溶接品質管理方法。
- スタッド溶接の品質を管理するスタッド溶接品質管理方法において、算出平均アーク電圧が、短絡が発生するときの引き上げ中の検出期間の溶接電圧平均値から短絡が発生しないときの検出期間の溶接電圧平均値を引いた値であって、短絡が発生したときの算出平均ア−ク電圧が、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧よりも減少したときに品質低下と判定する請求項１に記載のスタッド溶接品質管理方法。
- スタッド溶接の品質を管理するスタッド溶接品質管理方法において、算出平均アーク電圧が、短絡が発生しないときの引き上げ中の溶接電圧平均値から短絡電圧検出開始時点から遅れて短絡したときの検出期間の溶接電圧平均値を引いた値であって、短絡電圧検出開始時点から遅れて短絡したときの算出平均ア−ク電圧が、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧よりも減少したときに品質低下と判定する請求項１に記載のスタッド溶接品質管理方法。
- スタッド溶接の品質を管理するスタッド溶接品質管理方法において、算出平均アーク電圧が、短絡が発生するときの引き上げ中の検出期間の溶接電圧平均値から短絡が発生しないときの検出期間の溶接電圧平均値を引いた値であって、短絡が発生したときの算出平均ア−ク電圧が、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧よりも減少したとき及び算出平均アーク電圧が、短絡が発生しないときの引き上げ中の溶接電圧平均値から短絡電圧検出開始時点から遅れて短絡したときの検出期間の溶接電圧平均値を引いた値であって、短絡電圧検出開始時点から遅れて短絡したときの算出平均ア−ク電圧が、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧よりも減少したときに品質低下と判定する請求項１に記載のスタッド溶接品質管理方法。
- スタッド溶接の品質を管理するスタッド溶接品質管理方法において、算出平均アーク電圧が、短絡が発生するときの引き上げ中の検出期間の溶接電圧平均値から短絡が発生しないときの検出期間の溶接電圧平均値を引いた値であって、短絡が発生したときの算出平均ア−ク電圧が、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧よりも減少したときに入熱を増加させる請求項１に記載のスタッド溶接品質管理方法。
- スタッド溶接の品質を管理するスタッド溶接品質管理方法において、算出平均アーク電圧が、短絡が発生しないときの引き上げ中の溶接電圧平均値から短絡電圧検出開始時点から遅れて短絡したときの検出期間の溶接電圧平均値を引いた値であって、短絡電圧検出開始時点から遅れて短絡したときの算出平均ア−ク電圧が、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧よりも減少したときに入熱を減少させる請求項１に記載のスタッド溶接品質管理方法。
- 算出平均アーク電圧が、短絡が発生するときの引き上げ中の検出期間の溶接電圧平均値から短絡が発生しないときの検出期間の溶接電圧平均値を引いた値であって、短絡が発生したときの算出平均ア−ク電圧が、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧よりも減少したときに入熱を増加させると共に、算出平均アーク電圧が、短絡が発生しないときの引き上げ中の溶接電圧平均値から短絡電圧検出開始時点から遅れて短絡したときの検出期間の溶接電圧平均値を引いた値であって、短絡電圧検出開始時点から遅れて短絡したときの算出平均ア−ク電圧が、短絡が発生しないときの算出平均ア−ク電圧よりも減少したときに入熱を減少させる請求項１に記載のスタッド溶接品質管理方法。
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