JP4271293B2 - アーク溶接の最適制御方法及び装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、アーク溶接の最適制御方法及び最適制御装置に関し、特に溶接状態の安定性を維持しながら自動的にアーク溶接を行なう消耗電極式ガスシールドアーク溶接の最適制御方法及び最適制御装置に係る。
【０００２】
【従来の技術】
近時のアーク溶接装置においては、溶接電源の出力制御がサイリスタ方式からインバータ方式に移行したことに伴い、制御速度が３００Hzから１５乃至６０kHz へと５０乃至２００倍に高速化され、しかも溶接電流及び溶接電圧の波形制御も可能となっている。これにより、アークスタート性能の向上、高速溶接時の溶接安定性向上、スパッタの発生量低減等が可能となり、アーク溶接時の溶接安定性も改善されつつある。しかし、依然としてまだアーク溶接開始時の溶接作動領域たるスタート部が不安定であり、その後の定常部においても、加工歪みあるいは熱歪み等によって溶接状態が変化するため、安定した溶接品質を維持することが困難であり、溶接ロボット等による自動溶接ライン及び半自動溶接ラインにおける溶接状態の不安定性に起因して発生する溶接品質不良の流出防止を図る上で障害となっていた。また、要求される溶接品質は、製品によってそれぞれ異な り、適正な溶接電圧値及び溶接電流値も異なる。この適正溶接電圧値及び溶接電流値は、一般に熟練作業者や技術者が溶接ビード外観の均一性や溶け込み深さを判定することにより決められた値であるが、実際の溶接施工状態においては前記のように溶接状態が変化するため適正値も変化し、製品によって、一定の溶接電圧値及び溶接電流値による溶接施工では適正値からずれることがある。
【０００３】
しかも、従前のアーク溶接装置における溶接状態安定性の良否判定は、一般に作業者が溶接ビード外観均一性の目視による定性的な判定に委ねられていた。このため、従来より種々の対策が講じられ、種々の溶接安定性判定方法及び溶接電源の出力あるいはワイヤ送給量を制御する方法が提案されている。しかし実際の溶接施工状態は前記のように変化するため最適化することは困難であった。
【０００４】
例えば、▲１▼特公平２−６２０１７号公報には、１周期毎の短絡時間、アーク時間、短絡平均電流、アーク平均電流、アーク平均抵抗およびアーク電力を算出 し、これらに基づき、例えばこれらの標準偏差を求め、アーク状態の均一性の程度、アーク切れの程度、アーク燃え上がり度を表し、溶接性の良否を判定する方法が提案されている。
【０００５】
また、▲２▼特公平５−５７０７０号公報には、溶接電圧を測定することにより１周期毎の短絡時間とアーク時間を検出し、所定時間内での短絡時間の平均値あるいは標準偏差及びアーク時間の平均値あるいは標準偏差を求め、これらに基づき溶接指数を演算し、この溶接指数によって溶接性の良否を判定する溶接性判定方法が提案されている。更に、▲３▼特公平６−５３３１０号公報には、母材とワイヤが短絡する期間中に与えられる入熱の変化度を、最大短絡電流、短絡時の電流の平均値、短絡時の実効電流及び短絡時の電力の少なくとも１つの標準偏差を用いて表し、該標準偏差の値により溶接性を判定する方法が提案されている。
【０００６】
あるいは、▲４▼特公平７−２２７５号公報には、溶接電流、電圧を測定し、このデータを基に溶接電流の移動平均を求める移動平均法を利用したアーク溶接モニタ装置が提案されている。更に、この移動平均の演算期間および移動ピッチを適当に選択すること、そして開始直前及び終了間際のアークを除くように監視区間を設定することも提案されている。また、▲５▼特公平６−５３３０９号公報には、自動的に最適な溶接条件を設定してＣＯ2 あるいはＭＡＧ溶接の最適制御を行なうことを目的としたアーク溶接の最適制御方法が提案されている。具体的に は、短絡時間Ｔｓ、アーク時間Ｔａ、短絡期間の電流の平均値Ｉｓ'ave、アーク期間の電流の平均値Ｉａ'ave、アーク期間の抵抗の平均値Ｒａ'ave及びアーク期間の電力Ｐａから、溶接性を定量的に把握する指数（以下、溶接性指数と称す）Ｗ＝（σTs・σTa・σIs'ave・σIa'ave／Ｋ）・（Ｒａ'ave／Ｒｉ）2 ・（Ｐａ／Ｐｉ）を算出し、該溶接性指数が最小となるように溶接電源の出力あるいはワイヤ送給量を制御することとしている。ここで、σTsはＴｓの標準偏差、σTaはＴａの標準偏差、σIs'aveはＩｓ'aveの標準偏差、σIa'aveはＩａ'aveの標準偏差、Ｋは基準溶接条件でのσTs・σTa・σIs'ave・σIa'aveの積、Ｒｉは最適条件におけるＲａ'aveの回帰式、Ｐｉは最適条件におけるＰａの回帰式を示している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に開示された溶接状態の判定技術においては、何れも誤判定を招く恐れがあり、それらの判定を基に溶接電源の出力を制御すると逆に溶接状態の安定性を欠く恐れがある。例えば、前掲の▲１▼特公平２- ６２０１７号公報に記載の方法ではアーク期間中の平均電流を用いているが、この平均電流はアーク時間によって変化し易いから正確な判定は期待しがたい。また、▲２▼特公平５- ５７０７０号公報に記載の方法も、短絡時間の平均値及びアーク時間の平均値に夫々定数を乗じ、これらを加えたものを溶接安定性指数としているが、短絡とアークの時間平均値だけでは電流・電圧の影響が欠落してしまう。▲３▼特公平６−５３３１０号公報に記載の方法は、アーク期間中の指標を用いることなく、短絡期間中のみの指標に基づく標準偏差を用いているが、溶接品質により大きな影響を与えるアーク期間中の諸条件が無視されている。更に、▲４▼特公平７−２２７５号公報に記載の装置においては、移動平均法としているものの、基本的には平均値を利用しているから、電流・電圧の実際の挙動を反映した溶接条件の良否判定は難しい。
【０００８】
以上のように、従来のアーク溶接における溶接安定性の判定方法では不十分であり、解析に時間を要するものもあり、アーク溶接における溶接安定性の維持が困難である。更に、自動的に最適な溶接条件を設定するものとして、前掲の▲５▼特公平６−５３３０９号公報に開示されたアーク溶接の最適制御方法があるが、これも平均値を利用しているから、▲１▼特公平２- ６２０１７号公報につき前述したのと同様の理由により最適制御のレベルが低水準とならざるを得ない。しかも、▲１▼特公平２−６２０１７号公報等と同様、利用する指標が多く処理が複雑なた め、判定に時間を要し、また、制御ソフトが増大し、これに必要なメモリ容量が増大することとなる。
【０００９】
そこで、本発明は、アーク溶接における溶接安定性をリアルタイムで迅速且つ適切に判定し、その判定結果に応じて溶接電源を最適に制御し安定した状態でアーク溶接を行ない得るアーク溶接の最適制御方法及び装置を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明のアーク溶接の最適制御方法は、請求項１に記載のように、溶接電源によって母材と溶接電極との間に溶接電圧を印加して溶接電流を供給し、前記母材と前記溶接電極との間で短絡とアークを繰り返して溶接を行なうアーク溶接において、（Ａ）前記溶接電源から前記母材及び前記溶接電極に入力する溶接電流であって前記アーク溶接の１周期毎におけるアーク期溶接電流及び短絡期溶接電流を所定の周波数でサンプリングして検出し、前記アーク期溶接電流の積分値及び前記短絡期溶接電流の積分値を演算すると共に、該各々の積分値の標準偏差を演算し、前記アーク期溶接電流の積分値の標準偏差に前記短絡期溶接電流積分値の標準偏差を乗じた第１の積Ｘを算出する工程、及び／又は、（Ｂ）前記溶接電源によって前記母材及び前記溶接電極に印加する溶接電圧であって前記アーク溶接の１周期毎におけるアーク期溶接電圧及び短絡期溶接電圧を所定の周波数でサンプリングして検出し、前記アーク期溶接電圧の積分値及び前記短絡期溶接電圧の積分値を演算すると共に、該各々の積分値の標準偏差を演算し、前記アーク期溶接電圧の積分値の標準偏差に前記短絡期溶接電圧の積分値の標準偏差を乗じた第２の積Ｙを算出する工程を有し、（Ｃ）前記第１の積Ｘ、第２の積Ｙ又はこれらを掛合わせた値ＸＹを溶接安定性指標Ｗ１とし、該溶接安定性指標Ｗ１を最小とするように前記溶接電源の出力溶接電圧及び／又は溶接電流若しくはワイヤ送給量を制御することとしたものである。
【００１１】
このように、本発明はアーク溶接の短絡期とアーク期に着目し、その期間の電流波形と電圧波形の積分値の各標準偏差を演算し、これらを掛け合わせた積（Ｘ，Ｙ又はＸＹ）を溶接電源の出力溶接電圧及び溶接電流制御若しくはワイヤ送給量制御に使用しているが、これは短絡期とアーク期の相互関係が溶接品質に大きな影響を持っていることが経験上確認されたからである。
【００１２】
すなわち、アーク溶接は短絡期とアーク期の交互繰返しによりなされるものであるから、アーク溶接の品質を決定する要因は短絡期とアーク期とで一対として把握されるべきであり、いずれか一方の電流・電圧データにのみ依存した制御では良好な溶接制御は困難であると考えられる。本発明はこのような仮説に立脚して前述の如く短絡期とアーク期の電流波形と電圧波形の積分値の各標準偏差を演算してこれら標準偏差を掛け合わせた積の値が、実験により得られた理想的な溶接状態での溶接安定性指標Ｗ１（基準指標値Ｋw1）からどの程度隔たっているかで溶接の良否を判断し、当該隔たりをゼロにすべく、溶接電源の出力溶接電圧及び溶接電流をフィードバック制御したところ、実際の溶接品質との整合性が非常に高いことが確認され、前記仮説が正しかったことが証明されたのである。な お、出力溶接電圧の増・減フィードバック制御に代えて、ワイヤ送給量の減・増フィードバック制御でも同様の結果が得られた。
【００１３】
本発明はまた、請求項２に記載のように、前記アーク溶接の１周期毎におけるアーク期と短絡期の時間比率を演算すると共に、該アーク期と短絡期の時間比率の標準偏差を演算し、該時間比率の標準偏差を前記溶接安定性指標Ｗ１に掛合わせた値を新たな溶接安定性指標Ｗ２とし、該溶接安定性指標Ｗ２を最適溶接時に得られる同指標の値（基準指標値）と比較判定し、前記溶接安定性指標Ｗ２を前記基準指標値に近づけるべく前記溶接電源の出力溶接電圧及び／又は溶接電流若しくはワイヤ送給量を制御することとしてもよい。
【００１４】
また、請求項３に記載のように、アーク溶接の開始点と終了点の間を複数の検出区間に分割し、各検出区間毎に最適溶接時に得られる指標Ｗ１又はＷ２の基準指標値を設定することとしてもよい。
【００１５】
また、本発明のアーク溶接の最適制御装置は、請求項４に記載のように、溶接電源によって母材と溶接電極との間に溶接電圧を印加して溶接電流を供給し、前記母材と前記溶接電極との間で短絡とアークを繰り返して溶接を行なうアーク溶接装置において、（Ａ）前記溶接電源から前記母材及び前記溶接電極に入力する溶接電流であって前記アーク溶接の１周期毎におけるアーク期溶接電流及び短絡期溶接電流を所定の周波数でサンプリングして検出し、前記アーク期溶接電流の積分値及び前記短絡期溶接電流の積分値を演算すると共に、該各々の積分値の標準偏差を演算し、前記アーク期溶接電流の積分値の標準偏差に前記短絡期溶接電流積分値の標準偏差を乗じた第１の積Ｘを算出する手段、及び／又は、（Ｂ）前記溶接電源によって前記母材及び前記溶接電極に印加する溶接電圧であって前記アーク溶接の１周期毎におけるアーク期溶接電圧及び短絡期溶接電圧を所定の周波数でサンプリングして検出し、前記アーク期溶接電圧の積分値及び前記短絡期溶接電圧の積分値を演算すると共に、該各々の積分値の標準偏差を演算し、前記アーク期溶接電圧の積分値の標準偏差に前記短絡期溶接電圧の積分値の標準偏差を乗じた第２の積Ｙを算出する手段を有し、（Ｃ）前記第１の積Ｘ、第２の積Ｙ又はこれらを掛合わせた値ＸＹを溶接安定性指標Ｗ１とし、該溶接安定性指標Ｗ１を最適溶接時に得られる同指標の基準指標値と比較判定し、前記溶接安定性指標Ｗ１を前記基準指標値に近づけるべく前記溶接電源の出力溶接電圧及び／又は溶接電流若しくはワイヤ送給量を制御する溶接電源制御手段とを備えることとしたものである。
【００１６】
更に、本発明のアーク溶接の最適制御装置は、請求項５に記載のように、前記アーク溶接の１周期毎におけるアーク期と短絡期の時間比率の標準偏差を演算する演算手段と、該時間比率の標準偏差を前記溶接安定性指標Ｗ１に掛合わせた値を新たな溶接安定性指標Ｗ２とし、該溶接安定性指標Ｗ２を最適溶接時に得られる同指標の基準指標値と比較判定し、前記溶接安定性指標Ｗ２を前記基準指標値に近づけるべく前記溶接電源の出力溶接電圧及び／又は溶接電流若しくはワイヤ送給量を制御する判定制御手段を具備しても良い。
【００１７】
また、本発明のアーク溶接の最適制御装置は、請求項６に記載のように、アーク溶接の開始点と終了点の間を複数の検出区間に分割し、各検出区間毎に最適溶接時に得られる指標Ｗ１又はＷ２の基準指標値を設定するようにしてもよい。
【００１８】
尚、アーク溶接の開始から終了に至る溶接作動領域をスタート部、定常部及び終端処理部に大きく分割し、更に大部分を占める定常部を任意に分割し、該分割した複数の検出区間毎に、前記溶接安定性指標Ｗ１又はＷ２並びにアーク期と短絡期の出力溶接電圧値及び出力溶接電流値を演算し、それぞれの所定の目標値と比較判定し、比較判定結果に応じて前記溶接電源の出力を制御するように構成すれば、アーク溶接の開始から終了に至るまで、各検出区間毎により細かく適切な溶接電源制御を行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の望ましい実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接装置（以下、単にアーク溶接装置という）を示すもので、溶接電源装置１によって母材５と溶接電極たる溶接ワイヤ２との間に溶接電圧が印加され溶接電流が供給されると、母材５と溶接ワイヤ２との間で短絡とアークが繰り返され、両者が溶接される。溶接ワイヤ２はコイル状に巻回され、その先端部がコンタクトチップ４によって保持されており、送給ローラ３によって所定の速度で母材５方向に送給されるように構成されている。
【００２０】
また、溶接電源装置１から母材５及び溶接ワイヤ２に供給される溶接電流を検出するため、溶接電流検出手段ＤＴｉが設けられており、アーク溶接における１周期毎に母材５と溶接ワイヤ２に供給されるアーク期溶接電流及び短絡期溶接電流が検出される。本実施形態では、溶接電圧検出手段ＤＴｖも設けられており、アーク溶接における１周期毎に母材５と溶接ワイヤ２に印加されるアーク期溶接電圧及び短絡期溶接電圧が検出される。
【００２１】
更に、判定手段ＭＴが設けられ、溶接電流検出手段ＤＴｉの検出溶接電流に基づきアーク期溶接電流の積分値及び短絡期溶接電流の積分値が演算されると共 に、各々の積分値の標準偏差が演算される。同様に、溶接電圧検出手段ＤＴｖの検出溶接電圧に基づきアーク期溶接電圧の積分値及び短絡期溶接電圧の積分値が演算されると共に、各々の積分値の標準偏差が演算される。更に、判定手段ＭＴにおいては、必要に応じアーク溶接の１周期毎におけるアーク期と短絡期の時間比率が演算されると共に、この時間比率の標準偏差が演算される。
【００２２】
そして、判定手段ＭＴでは、アーク期溶接電流の積分値の標準偏差、短絡期溶接電流積分値の標準偏差、アーク期溶接電圧積分値の標準偏差、短絡期溶接電圧積分値の標準偏差及びアーク期と短絡期の時間比率の標準偏差が、必要に応じ適宜組み合わされてアーク溶接における溶接安定性指標が演算される。そして、この溶接安定性指標が所定の基準指標値（＝実験により最適溶接状態で得られた溶接安定性指標）と比較されて母材５と溶接ワイヤ２の溶接安定性が判定される。このように、上記標準偏差を組み合わせて種々の溶接安定性指標を設定することができるが、電圧よりも電流の方が溶接品質に対する影響度が大きいので、少なくともアーク期溶接電流の積分値の標準偏差及び短絡期溶接電流の積分値の標準偏差を用い、両標準偏差の第１の積Ｘを溶接安定性指標として設定するのが望ましい。尚、図１に破線で示すように警報手段ＷＧを設けることとすれば、判定手段ＭＴの判定結果に基づき、アーク溶接不安定時には適宜警報を発することができる。また本実施形態では、上記の溶接安定性指標を、所定の基準指標値に対して所定の限度内で、且つアーク期と短絡期の所定の溶接電圧値及び溶接電流値を維持するように、溶接電源制御手段ＰＣによって溶接電源装置１の出力溶接電圧及び溶接電流が制御される（必要に応じて電圧又は電流の何れか一方のみの制御も可能）。而して、判定手段に基づき、常に最適な状態で溶接作動を行なうことができる。
【００２３】
また、本実施形態においては、図１に破線で示すように検出区間分割手段ＤＳによって、溶接電流検出手段ＤＴｉ及び溶接電圧検出手段ＤＴｖによる検出開始から終了までを複数の検出区間に分割することができるように構成されている。而して、判定手段ＭＴにおいては、検出区間毎に溶接安定性指標を演算し、各溶接安定性指標を所定の基準指標値と比較判定することによって、母材５と溶接ワイヤ２の溶接安定性を検出区間毎に判定することができるので、検出区間毎の判定結果に応じて適切に溶接電源装置１の出力溶接電圧及び溶接電流を制御することができる。
【００２４】
更に、本実施形態の判定手段ＭＴにおいては、アーク溶接の開始から終了に至る溶接作動領域（これは溶接区間と表すこともできるが、上記の検出区間との混同を避けるために作動領域とする）が予め分割されている。即ち、アーク溶接開始直後のアークの状態は不安定であり定常部とは異なる特性を示すので、この溶接作動領域はスタート部として定常部とは区別される。一方、アーク溶接終了間際は、次のアークスタートを安定にするため溶接ワイヤが特有の時定数で繰出し速度を減衰させ、その間の惰走分を溶融させるために溶接安定性が不安定となり定常部とは異なる特性を示すので、この溶接作動領域は終端処理部として定常部と区別される。結局、本実施形態では、スタート部、定常部及び終端処理部の３つの溶接作動領域に溶接時間の設定により分割されており、各溶接作動領域毎に溶接安定性指標が演算され、且つ各溶接作動領域毎に基準指標値が設定される。而して各溶接作動領域の溶接安定性指標が各溶接作動領域の基準指標値と比較判定されて母材５と溶接ワイヤ２の溶接安定性が判定される。
【００２５】
本実施形態において、図１に一点鎖線で囲繞した部分は、具体的には図２に示すように構成されている。即ち、バスを介して相互に接続されたプロセシングユニットＣＰＵ、メモリＲＯＭ，ＲＡＭ、入カインターフェースＩＴ、出力インターフェースＯＴ、並びにキーボード、ディスプレイ、プリンタ等の周辺機器（代表してＯＡで表す）が収容、装着されたコントローラ１０が設けられており、このコントローラ１０に溶接電流検出回路ＩＤ、溶接電圧検出回路ＶＤ、溶接電流調整回路ＩＭ及び溶接電圧調整回路ＶＭが接続されている。溶接電流検出回路ＩＤ及び溶接電圧検出回路ＶＤの出力信号はＡ／ＤコンバータＡＤを介して夫々インターフェースＩＴからプロセシングユニットＣＰＵに入力されるように構成されている。
【００２６】
また、出力インターフェースＯＴからは駆動回路ＡＣを介して溶接電流調整回路ＩＭ及び溶接電圧調整回路ＶＭに夫々制御信号が出力されるように構成されている。更に出力インターフェースＯＴからは駆動回路ＡＣを介して警報手段ＷＧに駆動信号が出力されるように構成されている。この警報手段ＷＧとしては、ディスプレイ、スピーカ等種々の装置があるがどのような装置を用いても良い。而して、溶接電流検出回路ＩＤ及び溶接電圧検出回路ＶＤが図１の溶接電流検出手段ＤＴｉ及び溶接電圧検出手段ＤＴｖに包含され、溶接電流調整回路ＩＭ及び溶接電圧調整回路ＶＭが図１の溶接電源制御手段ＰＣに包含され、その他の手段はコントローラ１０内で構成されている。コントローラ１０においては、メモリＲＯＭは図５乃至図９に示したフローチャートを含む種々の処理に供するプログラムを記憶し、プロセシングユニットＣＰＵは起動されている間当該プログラムを実行し、メモリＲＡＭは当該プログラムの実行に必要な変数デー夕を一時的に記憶する。
【００２７】
図３は上記コントローラ１０の処理機能の一例を示したブロック図で、ここでは説明を容易にするため前述の溶接電圧検出手段ＤＴｖ及びその関連機能等については省略している。先ず、ブロックＢ１及びＢ２では短絡とアークの繰り返しによるアーク溶接の１周期毎におけるアーク期溶接電流ＩＡ(n) 及び短絡期溶接電流ＩＳ(n) が検出され、ブロックＢ３及びＢ４ではアーク期溶接電流の積分値∫ＩＡ(n)dt 及び短絡期溶接電流の積分値∫ＩＳ(n)dt が演算される。ブロックＢ５及びＢ６ではアーク期溶接電流の積分値及び短絡期溶接電流の積分値の各々の標準偏差σ( ∫ＩＡ(n)dt)，σ( ∫ＩＳ(n)dt)が演算され、ブロックＢ７に て、少なくとも各々の溶接電流の積分値の標準偏差σ( ∫ＩＡ(n)dt)，σ( ∫ＩＳ(n)dt)に基づき溶接安定性指標Ｗ１が演算され、この溶接安定性指標Ｗ１に基づき、母材５と溶接ワイヤ２の溶接安定性が判定される。また、ブロックＢ１０及びＢ１１では1 周期毎におけるアーク期溶接電流の平均値ＩＡ(n)ave及び短絡期溶接電流の平均値ＩＳ(n)aveが演算され、ブロックＢ１２ではアーク期及び短絡期の出力溶接電流平均値が所定の目標値と比較判定される。尚、溶接安定性指標Ｗ１の演算に溶接電圧も用いる場合には、ブロックＢ１乃至Ｂ６に対応する溶接電圧に係るブロックが並設される。
【００２８】
そして、ブロックＢ８にて、上記溶接安定性指標Ｗ１が実質的に最小で、且つアーク期と短絡期の溶接電圧平均値及び溶接電流平均値が所定の目標値に対して所定の限度内に維持されるように、溶接電源装置１の出力溶接電圧及び溶接電流が制御される。また、上記溶接安定性指標Ｗ１に基づき溶接状態が不安定又は不良と判定されたときには、ブロックＢ１３にて警報が行われる。更に、図３で破線で示すブロックＢ９にて、検出開始から終了までを、（手動操作により）複数の検出区間に分割することとしてもよい。尚、前述のように、溶接作動領域 は、スタート部、定常部及び終端処理部に分割され、各領域の溶接安定性指標及び目標値（電流、電圧及びワイヤ送給量）が異なるが、これについては後述す る。
【００２９】
図４は、アーク溶接時における溶滴の移行現象と、これに対応する溶接電圧及び溶接電流の波形を示している。溶接ワイヤ２と母材５との間に溶接電圧が印加され溶接電流が供給されると、短絡とアークの１周期で、図４の（Ａ）から （Ｈ）に移行する。即ち、溶接ワイヤ２の先端及び母材５が溶接されて、夫々に溶滴２ａ及び溶融池５ａが形成され、溶滴２ａが溶融地５ａに入り溶接金属（ビード）が形成される。このときの溶接電圧及び溶接電流は図４の上段及び下段に示すように変動する。同図に明らかなように、アークから短絡への移行、及び短絡からアークへの移行時には溶接電圧が急激に変化する。従って、図４にＶａで表すアーク／短絡判定電圧を基準にアーク期と短絡期を峻別することができる。
【００３０】
図４において、ＴＳ(n) はｎ周期目の短絡時間、ＴＡ(n) はｎ周期目のアーク時間、ＴＳ(n+1) は(n+1) 周期目の短絡時間、∫ＩＳ(n)dt はｎ周期目の短絡期溶接電流積分値、∫ＩＡ(n)dt はｎ周期目のアーク期溶接電流積分値、∫ＶＳ (n)dt はｎ周期目の短絡期溶接電圧積分値、∫ＶＡ(n)dt はｎ周期目のアーク期溶接電圧積分値を表す。尚、参考までに、アーク期平均電流ＩＡ(n)av 、短絡期平均電流ＩＳ(n)av 、アーク期平均電圧ＶＡ(n)av 及び短絡期平均電圧ＶＳ(n)av を破線で示した。
【００３１】
上記のように構成された本実施形態においては、コントローラ１０により溶接電流制御等の一連の処理が行なわれ、溶接電源装置１が起動されると図５乃至図９等のフローチャートに対応したプログラムの実行が開始する。図５は溶接作動全体の処理を示すもので、先ずステップ１０１において初期設定が行なわれ、サンプリング速度、トリガーレベル、アーク／短絡判定電圧等が例えばキーボード（図示せず）によって入力される。本実施形態のサンプリング速度は、溶接電源装置１の出力信号波形の判定も可能なように、溶接電源装置１の制御速度以上の（例えば、本実施形態では２７kHz ）に設定されているが、異なる値としてもよい。そして、溶接電圧がトリガーレベルに達すると溶接電圧及び溶接電流の入力が開始される。
【００３２】
初期設定後、ステップ１０２にてアーク溶接が開始され、ステップ１０３に進み、スタート部のアーク溶接が行なわれる。そして、ステップ１０４においてスタート部のアーク溶接における溶接安定性が判定される。尚、ここで処理されるスタート部の溶接安定性判定については後述する。ステップ１０４における溶接安定性の判定結果に基づき、ステップ１０５にてスタート部のアーク溶接が安定と判定されると、ステップ１０６に進みスタート部の終了条件が判定される。終了条件の判定は初期設定のスタート部時間を経過したか否かで判定される。ここで、未だスタート部の終了条件が充足されていないと判定されればステップ１０４に戻り、スタート部が終了と判定されるとステップ１０８に進む。一方、ステップ１０５にてスタート部のアーク溶接が不安定と判定されると、ステップ１０７に進み警報信号が出力される。
【００３３】
スタート部が終了すると、ステップ１０８において定常部となり、ステップ１０９ａにて定常部のアーク溶接における溶接安定性が判定される。このステップ１０９ａで処理される定常部の溶接安定性判定については図６を参照して後述する。またステップ１０９ａと並列のステップ１０９ｂにて、アーク期と短絡期の出力溶接平均電圧と平均電流が目標値の範囲内か否か判定される。そしてステップ１０９ａと１０９ｂの両方の判定結果に基づき、ステップ１１０にて溶接安定性指標と電圧電流の適否が総合判定され、適当と判定されるとステップ１１１に進み定常部の終了条件が判定される。ステップ１１０の総合判定は、出力溶接平均電圧又は電流のいずれか一方が不適であっても、溶接安定性指標が基準指標値のレベルであれば溶接安定としてステップ１１１に移行する。このステップ１１１で定常部が終了と判定されるとステップ１１４に進み終端処理部のアーク溶接が行われる。これに対し、定常部のアーク溶接に関し、未だ終了条件が充足されていないと判定されたときには、ステップ１０９ａに戻る。また、ステップ１１０において溶接安定性指標及び電圧電流が不適当と判定されると、ステップ１１２に進み出力溶接電圧及び／又は出力溶接電流の制御によって、溶接安定性指標及び出力溶接平均電圧と平均電流を正常値に回復可能か否かが判定される。
【００３４】
ステップ１１２において不安定状態が回復調整可能と判定された場合にはステップ１１３に進み、後述する溶接安定性指標を、所定の基準指標値に対して所定の限度内に維持するように、溶接電圧及び／又は溶接電流が制御されて、ステップ１０９ａ，１０９ｂに戻る。ステップ１１０にて定常部のアーク溶接が不安定と判定され、且つステップ１１２にて調整不可能と判定されると、ステップ１０７に進み警報信号が出力される。
【００３５】
一方、ステップ１１１にて定常部のアーク溶接に関し終了条件が充足されたと判定されると、ステップ１１４に進み終端処理部となり、ステップ１１５にて終端処理部でのアーク溶接における溶接安定性が判定される。ステップ１１５における溶接安定性の判定結果に基づき、ステップ１１６にて終端処理部のアーク溶接が安定と判定されると、ステップ１１７に進み終端処理部の終了条件が判定される。ここで、未だ終端処理部の終了条件が充足されていないと判定されればステップ１１５に戻り、ステップ１１７にてアーク溶接が終了と判定されるとこの処理全体が終了する。一方、ステップ１１６にて終端処理部のアーク溶接が不安定と判定されると、ステップ１０７に進み警報信号が出力される。
【００３６】
以上のように、本実施形態ではアーク溶接の開始から終了に至る溶接作動領域が予めスタート部、定常部及び終端処理部の３つに分割されるが、終端処理部は定常部とは異なる特性を示すものの、基準指標値を若干変更する程度で定常部の溶接安定性判定と同様に判定することができる。しかし乍ら、アーク溶接開始直後のアークの状態は不安定であるので、定常部の溶接安定性指標をスタート部にそのまま適用することはできない。従って、スタート部の溶接安定性判定は種々の判定手段を適宜組み合わせることによって行なう必要があるが、これについては後述する。
【００３７】
尚、スタート部と終端処理部において不安定と判定されると、定常部のように調整を行なうことなく、直ちに警報信号を出力すると共に処理を終了させることとしたのは、スタート部と終端処理部は定常部と異なり、通常自動的に回復させることが困難であるからである。従って、溶接電圧及び溶接電流の制御等によって回復が容易である場合には、溶接作動を終了させることなく継続することとしてもよい。
【００３８】
図６は上記ステップ１０９ａにおける溶接安定性判定の処理内容を示すもの で、先ずステップ２０１において、定常部の溶接安定性判定に供するサンプリング回数ｊ，ｓがクリアされる。続いて、ステップ２０２にて溶接電圧ｖ（ｊ）及び溶接電流ｉ（ｊ）が入力され、ステップ２０３において溶接電圧ｖ（ｊ）が所定のトリガーレベルＶｔと比較され、この値未満であればステップ２０４にてサンプリング回数ｊがインクリメントされてステップ２０２に戻る。このように、溶接電圧ｖ（ｊ）が所定のトリガーレベルＶｔに達するまで待機状態とされる。ステップ２０３において溶接電圧ｖ（ｊ）がトリガーレベルＶｔ以上となったと判定されると、ステップ２０５に進みトリガー後の溶接電圧Ｖ（ｓ）及び溶接電流Ｉ（ｓ）として入力され、ステップ２０６にて夫々メモリＲＡＭに格納され る。次に、ステップ２０７においてサンプリング回数ｓが所定回数Ｎｓと比較され、これに達していないときには、ステップ２０８にてサンプリング回数ｓがインクリメントされた後、ステップ２０５に戻る。このようにして、所定回数Ｎｓのサンプリングによって、トリガー後の溶接電圧Ｖ（ｓ）及び溶接電流Ｉ（ｓ）が抽出され、メモリＲＡＭに格納される。
【００３９】
次に、上記のように蓄積されたデータに基づき、ステップ２０９乃至２１２において、アーク期溶接電流の積分値（∫ＩＡ(n)dt ）の標準偏差（σ１）、アーク期溶接電圧の積分値（∫ＶＡ(n)dt ）の標準偏差（σ２）、短絡期溶接電流の積分値（∫ＩＳ(n)dt ）の標準偏差（σ３）及び短絡期溶接電圧の積分値（∫ＶＳ(n)dt ）の標準偏差（σ４）が演算される。尚、これらの演算の詳細については図７乃至図９を参照して後述する。更に、ステップ２１３において上記の標準偏差σ１乃至σ４の積が定数Ｋ１で除算され、溶接安定性指標Ｗ１が演算され る。そして、ステップ２１４にて溶接安定性指標Ｗ１が所定の基準指標値Ｋw1と比較され、この基準指標値Ｋw1以下であればアーク溶接が安定した状態で行なわれていると判定され、ステップ２１５に進み安定を表すフラグがセットされ、基準指標値Ｋw1を越えている場合にはアーク溶接が不安定あるいは不良と判定さ れ、ステップ２１６に進み不安定／不良を表すフラグがセットされる。而して、これらのフラグに基づき、前述のステップ１１０において溶接安定性指標Ｗ１が基準内か否かが判定される。なお、出力溶接電圧及び出力溶接電流は、後述の図１０，図１１で説明するように、溶接安定性指標が常に所定の最小値（基準指標値Ｋw1）に近づくように設定制御するのがベストであるが、制御回路の負荷を軽減するために、Ｗ１がＫw1≦Ｗ１≦Ｋw1＋αの範囲内にあれば（αは例えばＫw1の数％に設定する）、実質的にＷ１が最小値（溶接安定）と見なして出力溶接電圧及び出力溶接電流の増減制御をパスするのが現実的である。
【００４０】
図７は、ステップ２０９にて演算されるアーク期溶接電流の積分値（∫ＩＡ (n)dt ）の標準偏差（σ１）の演算処理の詳細を示すもので、ステップ３０１にて溶接電圧Ｖ（ｓ）及び溶接電流Ｉ（ｓ）のサンプリングが開始され、この演算に供するカウンタがクリア（０）された後カウントを開始する。続いて、ステップ３０２にてカウント開始後の経過時間tai が所定の時間Ｔ１となったか否かが判定され、所定の時間Ｔ１に達するまで待機される。サンプリング開始後所定の時間Ｔ１以上となるとステップ３０３乃至３０７の処理が行なわれ、所定の時間Ｔ２に達するまでこの処理が繰り返される（ステップ３０８）。即ち、定常部の溶接安定性判定開始時間Ｔ１から判定終了時間Ｔ２までの間に溶接ワイヤ２と母材５との間に供給される溶接電流Ｉ（ｓ）がサンプリングされる。
【００４１】
ステップ３０３においてはサンプリング溶接電圧Ｖ（ｓ）がアーク／短絡判定電圧Ｖａ以上となったか否かが判定され、アーク／短絡判定電圧Ｖａ以上であればステップ３０４に進みサンプリングｋ周期目のアーク期溶接電流ＩＡ(k) の測定が開始され、溶接電圧Ｖ（ｓ）がアーク／短絡判定電圧Ｖａを下回るまで測定される。ここで「ｋ」はサンプリングの周期の順番を表すもので、所定のサンプリング周期で自動的に測定が続行される。即ち、ステップ３０３で溶接電圧Ｖ （ｓ）がアーク／短絡判定電圧Ｖａ以上となった時から所定サンプリング周期でアーク期溶接電流ＩＡ(k) の測定が開始され（ステップ３０４）、ステップ３０５にて溶接電圧Ｖ（ｓ）がアーク／短絡判定電圧Ｖａを下回ると、次のステップ３０６にてサンプリングｋ周期目のアーク期溶接電流ＩＡ(k) の測定が終了す る。
【００４２】
そして、ステップ３０７にてｋがインクリメントされた後、ステップ３０８にてサンプリング開始後の経過時間tai が所定の時間Ｔ２以上となったか否かが判定される。経過時間tai が所定の時間Ｔ２未満と判定されるとステップ３０３に戻り、次の周期のアーク期溶接電流ＩＡ（ｋ+1）の測定が行なわれる。一方、ステップ３０３において溶接電圧Ｖ（ｓ）がアーク／短絡判定電圧Ｖａ未満と判定されたときにはアーク期ではなく短絡期であるのでそのままステップ３０８に進む。このようにして、上記ステップ３０３乃至３０７の処理が所定の時間Ｔ２を経過するまで繰り返される。
【００４３】
而して、ステップ３０８にてサンプリング開始後の経過時間tai が所定の時間Ｔ２以上となったと判定されるとステップ３０９に進み、所定の時間Ｔ1,Ｔ２間のアーク期溶接電流ＩＡ(k) が積分され、アーク・短絡ｎ周期目のアーク期溶接電流積分値（∫ＩＡ(n)dt ）が演算される。そして、ステップ３１０においてアーク期溶接電流積分値（∫ＩＡ(n)dt ）の標準偏差（σ１）が演算される。
【００４４】
上記アーク期溶接電流積分値（∫ＩＡ(n)dt ）は、図４に斜線で示したアーク・短絡１周期毎のアーク期溶接電流波形と時間軸で囲まれた部分の面積に相当し、その標準偏差σ（∫ＩＡ(n)dt ）はアーク期溶接電流とアーク時間のバラツキを同時に表す指標となる。従って、アーク期溶接電流積分値（∫ＩＡ(n)dt ）の標準偏差（σ１) が大きくなるということは、短絡現象が略継続する瞬間アークや短絡に至らない長期アーク現象の発生等により溶滴移行が不安定となっていることを意味し、この標準偏差（σ１）が小さいほど溶滴移行がスムーズで安定していることを示す。
【００４５】
これに対して従来技術の特公平６−５３３０９号は、短絡期とアーク期の平均電流の標準偏差を使用して溶接性指数を算出し、時間のバラツキは考慮されていないので、その分溶滴移行の不安定性に関して現実とは食違った判定が頻繁になされる可能性が大である。
【００４６】
図８は、ステップ２１１にて演算される短絡期溶接電流の積分値（∫ＩＳ
(n)dt ）の標準偏差（σ３）の演算処理の詳細を示すもので、ステップ４０１にて溶接電圧Ｖ（ｓ）及び溶接電流Ｉ（ｓ）のサンプリングが開始され、この演算に供するカウンタがクリア（０）された後カウントを開始する。続いて、ステップ４０２にてカウント開始後の経過時間tsi が所定の時間Ｔ１となったか否かが判定され、所定の時間Ｔ１に達するまで待機される。サンプリング開始後所定の時間Ｔ１以上となるとステップ４０３乃至４０７の処理が行なわれ、所定の時間Ｔ２に達するまでこの処理が繰り返される（ステップ４０８）。
【００４７】
ステップ４０３においてはサンプリング溶接電圧Ｖ（ｓ）がアーク／短絡判定電圧Ｖａを下回ったか否かが判定され、アーク／短絡判定電圧Ｖａを下回っていればステップ４０４に進みサンプリングｋ周期目の短絡期溶接電流ＩＳ(k) の測定が開始され、ステップ４０５にて溶接電圧Ｖ（ｓ）がアーク／短絡判定電圧Ｖａ以上となると、ステップ４０６にて短絡期溶接電流ＩＳ(k) の測定が終了す る。そして、ステップ４０７にて周期ｋがインクリメントされた後、ステップ４０８にてサンプリング開始後の経過時間tsi が所定の時間Ｔ２以上となったか否かが判定される。経過時間tsi が所定の時間Ｔ２未満と判定されるとステップ４０３に戻り、次の周期の短絡期溶接電流ＩＳ（ｋ+1）の測定が行なわれる。一 方、ステップ４０３において溶接電圧Ｖ（ｓ）がアーク／短絡判定電圧Ｖａ以上と判定されたときには短絡期ではなくアーク期であるのでそのままステップ４０８に進む。このようにして、上記ステップ４０３乃至４０７の処理が所定の時間Ｔ２を経過するまで繰り返される。
【００４８】
ステップ４０８にてサンプリング開始後の経過時間tsi が所定の時間Ｔ２以上と判定されるとステップ４０９に進み、所定の時間Ｔ１，Ｔ２間の短絡期溶接電流ＩＳ(k) が積分され、アーク・短絡ｎ周期目の短絡期溶接電流積分値（∫ＩＳ(n)dt ）が演算される。そして、ステップ４１０において短絡期溶接電流積分値（∫ＩＳ(n)dt ）の標準偏差（σ３）が演算される。
【００４９】
上記短絡期溶接電流積分値（∫ＩＳ(n)dt ）は、図４に斜線で示したアーク・短絡１周期毎の短絡期溶接電流波形と時間軸で囲まれた部分の面積に相当し、その標準偏差σ（∫ＩＳ(n)dt ）は短絡期溶接電流と短絡時間のバラツキを同時に表す指標となる。従って、短絡期溶接電流積分値（∫ＩＳ(n)dt ）の標準偏差 （σ３）が大きくなるということは、溶滴移行が殆ど行なわれない瞬間短絡や短絡現象が解放されない長期短絡の発生等により短絡現象が不安定となっていることを意味し、この標準偏差（σ３）が小さいほど短絡現象が安定し溶滴移行がスムーズに周期的に行なわれていることを示す。
【００５０】
尚、図示は省略するが、アーク期溶接電流の積分値の標準偏差に短絡期溶接電流の積分値の標準偏差を乗じた第１の積Ｘと、アーク期溶接電圧の積分値に短絡期溶接電圧の積分値の標準偏差を乗じた第２の積Ｙとを掛合わせた値ＸＹを溶接安定性指標とする場合は、図７及び図８の処理と同様に、アーク期溶接電圧の積分値（∫ＶＡ(n)dt ）の標準偏差（σ２）及び短絡期溶接電圧の積分値（∫ＶＳ(n)dt ）の標準偏差（σ４）も夫々演算される。
【００５１】
なお、前記掛合わせた値ＸＹを溶接安定性指標とせずに、第１の積Ｘ又は第２の積Ｙの一方を溶接安定性指標とした場合でも、溶滴移行の安定性を比較的正確に把握した適切な制御を行なうことができる。従って、このような制御方法では制御に要するメモリ容量を小さくすることができ、安価な制御装置とすることが可能である。
【００５２】
上記の標準偏差σ１乃至σ４に加え、アーク／短絡時間比率（ＴＡ(n) ／ＴＳ(n) ）の標準偏差（σ５）を演算し、これらを適宜組み合わせることによって、種々の溶接安定性指標を設定することができる。図９はアーク／短絡時間比率 （ＴＡ(n) ／ＴＳ(n) ）の標準偏差（σ５）の演算処理を示すもので、ステップ５０１にて溶接電圧Ｖ（ｓ）及び溶接電流Ｉ（ｓ）のサンプリングが開始され、この演算に供するカウンタがクリア（０）された後カウントを開始する。続い て、ステップ５０２にてカウントを開始した後の経過時間tas が所定の時間Ｔ１となったか否かが判定され、所定の時間Ｔ１に達するまで待機される。サンプリング開始後所定の時間Ｔ１以上となるとステップ５０３乃至５０９の処理が行なわれ、所定の時間Ｔ２に達するまでこの処理が繰り返される（ステップ５１ ０）。
【００５３】
上記アーク／短絡時間比率（ＴＡ(n) ／ＴＳ(n) ）の標準偏差（σ５）が大きくなるということは、瞬間アーク、長期アーク、瞬間短絡、長期短絡等の発生により溶滴移行が不安定となっていることを意味し、この標準偏差（σ５）が小さいほど溶滴移行が安定していることを示す。
【００５４】
ステップ５０３においては、溶接電圧Ｖ（ｓ）がアーク／短絡判定電圧Ｖａ以上となったか否かが判定され、アーク／短絡判定電圧Ｖａ以上であればステップ５０４に進みアーク期のカウンタのカウント時間taｋがクリア（０）された後、アーク期の時間（アーク時間）の測定が開始する。この後、溶接電圧Ｖ（ｓ）がアーク／短絡判定電圧Ｖａを下回るまで測定され、ステップ５０５にてアーク／短絡判定電圧Ｖａを下回ったと判定されるとステップ５０６に進み、そのときのカウント時間taｋがアーク時間ＴＡ(k) とされる。一方、ステップ５０３で溶接電圧Ｖ（ｓ）がアーク／短絡判定電圧Ｖａを下回ったと判定されると、ステップ５０７に進み短絡期のカウンタのカウント時間tsｋがクリア（０）された後、短絡期の時間（短絡時間）の測定が開始する。この後、溶接電圧Ｖ（ｓ）がアーク／短絡判定電圧Ｖａ以上となるまで測定され、ステップ５０８にてアーク／短絡判定電圧Ｖａ以上と判定されるとステップ５０９に進み、そのときのカウント時間tsｋが短絡時間ＴＳ(k) とされる。
【００５５】
上記ステップ５０３乃至５０９においてアーク時間ＴＡ(k) 及び短絡時間ＴＳ(k) の測定は、所定の時間Ｔ２を経過するまで繰り返される。即ち、ステップ５１０にてサンプリング開始後の経過時間tas が所定の時間Ｔ２以上か否かが判定され、所定の時間Ｔ２未満と判定されると、ステップ５１１にて周期ｋがインクリメントされてステップ５０３に戻り、次の周期のアーク時間ＴＡ（ｋ+1）及び短絡時間ＴＳ（ｋ+1）が演算される。サンプリング開始後の経過時間tan が所定の時間Ｔ２以上となるとステップ５１０からステップ５１２に進み、アーク・短絡ｎ周期目のアーク時間ＴＡ(n) と短絡時間ＴＳ(n) の時間比率（ＴＡ(n) ／ＴＳ(n) ）が演算される。そして、ステップ５１３においてアーク／短絡時間比率（ＴＡ(n) ／ＴＳ(n) ）の標準偏差（σ５）が演算される。而して、このアーク／短絡時間比率標準偏差（σ５）と前述の標準偏差σ１乃至σ４を適宜組み合わせることにより、以下のように溶接安定性指標Ｗ２ａ乃至Ｗ２ｂを設定することができる。
【００５６】
例えば、アーク期溶接電流の積分値（∫ＩＡ(n)dt ）の標準偏差（σ１）と、短絡期溶接電流の積分値（∫ＩＳ(n)dt ）の標準偏差（σ３）及び時間比率（ＴＡ(n) ／ＴＳ(n) ）の標準偏差（σ５）の積が定数Ｋ２で除算されて溶接安定性指標Ｗ２ａが演算される（Ｗ２ａ＝σ１・σ３・σ５／Ｋ２）。また、アーク期溶接電圧の積分値（∫ＶＡ(n)dt ）の標準偏差（σ２）と、短絡期溶接電圧の積分値（∫ＶＳ(n)dt ）の標準偏差（σ４）及び時間比率（ＴＡ(n) ／ＴＳ(n) ）の標準偏差（σ５）の積が定数Ｋ３で除算されて溶接安定性指標Ｗ２ｂが演算される（Ｗ２ｂ＝σ２・σ４・σ５／Ｋ３）。
【００５７】
最も簡単な組合せとして、アーク期溶接電流の積分値（∫ＩＡ(n)dt ）の標準偏差（σ１）及び短絡期溶接電流の積分値（∫ＩＳ(n)dt ）の標準偏差（σ３）の積が定数Ｋ４で除算された溶接安定性指標Ｗ１ａ（＝σ１・σ３／Ｋ４）を用いることとしてもよい。尚、定数Ｋ１乃至Ｋ４は溶接安定性指標Ｗ１、Ｗ１ａ、Ｗ２ａ、Ｗ２ｂを実用的な値に設定するために用いられている。
【００５８】
以上のように、溶接安定性指標Ｗ１，Ｗ１ａ，Ｗ２ａ及びＷ２ｂは前述の積分値又は時間比率の標準偏差の積で表されているので、この値が大きい場合にはアーク溶接における均一性が悪いことになり、アーク溶接時の溶接安定性の良否を定量的に判定することができる。これらの溶接安定性指標Ｗ１，Ｗ１ａ，Ｗ２ａ及びＷ２ｂは、要求される溶接品質に応じて適宜選択される。例えば、溶接安定性指標Ｗ１は演算速度は遅くなるが、厳しい溶接品質が要求される場合に好適であり、溶接安定性指標Ｗ１a は演算速度が要求される場合に好適であり、溶接安定性指標Ｗ２a は溶滴移行の不安定性を精度良く検出することができ、溶接安定性指標Ｗ２ｂはアーク切れ等によるアーク現象の不安定性を精度良く検出することができる。勿論、前掲の全ての標準偏差σ１乃至σ５を用いて、σ１・σ２・σ３・σ４・σ５／Ｋ５としてもよいが、それだけ演算処理が多くなり、演算速度が遅くなるので、このような制御は最も厳しい溶接品質が要求される場合などに事実上限定される。
【００５９】
図１０及び図１１は溶接施工条件を変化させたときの溶接安定性指標に基づき適正溶接電圧及び溶接電流を判定する実験結果を示すもので、Ｗの値は下に凸の最小値を持った曲線となり、その最小値を示す溶接電圧・電流値が、最良の溶接品質が得られる適正溶接電圧・電流値と一致することが確認された。
【００６０】
黒角点と白角点は溶接施工条件が異なる場合を表し、破線（黒角点）と実線 （白角点）は夫々を代表する曲線であるが、黒角点の場合はバラツキが大で破線で代表させることは困難である。これらの図１０、図１１から明らかなように、溶接安定性指標曲線は溶接施工条件毎の固有の曲線となるが、溶接電圧及び溶接電流の余裕度が広く、換言すると下に凸の屈曲度が緩やかであり、アーク溶接における溶接安定性が良好な、実線のような特性を示した溶接施工条件が選択される。また、このようにして設定された溶接施工条件に対し、溶接後の判定が異なった場合には、溶接安定性指標が、設定された最小値に近づくように溶接電圧及び溶接電流を自動的に調整することができ、更に、調整後の溶接安定性指標を演算することにより、調整が正しく行なわれたか否かの判定も可能となる。
【００６１】
溶接電圧及び溶接電流は、以上のように溶接安定性指標が所定の最小値（基準指標値）に近づくように設定するのであるが、アーク溶接の開始点と終了点の間の複数の検出区間毎に、最適な溶接電圧及び溶接電流を設定するのが望ましい。また、溶接電圧及び溶接電流に加えて、ワイヤ送給量も制御対象とすることができる。すなわち、溶接電圧・溶接電流を増加させる代わりにワイヤ送給量を減少させたり、この反対に電圧・電流を減少させる代わりにワイヤ送給量を増加させても溶接安定性指標に関して同様の結果が得られるから、溶接安定性指標Ｗ１又はＷ２が最小となるときの溶接電源の出力溶接電圧、溶接電流及びワイヤ送給量の所定の組合わせを予め目標値と定めてこれらを制御するようにしてもよい。
【００６２】
スタート部における溶接安定性の判定は、上記の定常部とは異なり、以下の指標が必要となる。先ず、溶接ワイヤと母材が短絡するまでの時間が「無負荷電圧時間」と呼ばれるが、この時間が短すぎると充分なアークが形成されない。このため、本実施形態では、無負荷電圧時間の積算値を基準値と比較し、その差が予め設定した許容範囲を越えたときに異常と判定することとしている。次に、高電圧を印加した溶接ワイヤと母材が短絡した際、瞬時に絶縁破壊が発生せずアーク放電に移行しない現象が「ワイヤスティック」と呼ばれる。このワイヤスティックが生じたときには溶接ワイヤと母材とが短絡しているので短絡電流が流れる。このため、アーク電圧はアーク放電時に比べると低くなることに鑑み、本実施形態では、無負荷電圧時間終了直後のアーク電圧の判定により、アーク放電が生ずるまでの積算時間をワイヤスティック時間とし、これを基準値と比較し、その差が予め設定した許容範囲を越えたときに異常と判定することとしている。
【００６３】
更に、アークスタート時に短絡時間が長く続き、長期短絡と定義される状態となると、これを解放するための溶接電源装置１による波形制御によって過大な短絡電流が流れ、アーク再生時に大粒のスパッタが発生しアークが瞬間的に途切れることになる。また、アーク期が長期にわたる場合にもアークが瞬間的に途切れることがある。本実施形態では、このようなアーク途切れ時間の設定時間内における積算時間を基準値と比較し、その差が予め設定した許容範囲を越えたときにアーク途切れ時間異常と判定することとしている。
【００６４】
而して、本実施形態においては、スタート部における溶接安定性指標として、上記ワイヤスティック時間、アーク途切れ時間、長期短絡時間及び無負荷電圧時間、並びにこれらにアークスタート電流立上り速度を加え、５つの指標を用意 し、何れかの指標と基準値との差が予め設定した許容範囲を越えたときに不安定又は不良と判定することとしている。尚、アークスタート電流立上り速度は、無負荷電圧時間終了後から所定時間Ｔ３（例えば、０．１ msec ）までの間に溶接ワイヤ２及び母材５に流れる溶接電流の増加速度である。
【００６５】
このように、スタート部においては定常部とは異なる指標が用いられるが、前述のように本実施形態では予め溶接作動領域を設定しておき、各溶接作動領域に応じて順次、溶接安定性の判定が行なわれるので最適な状態でアーク溶接が行なわれる。
【００６６】
【発明の効果】
本発明は上述のように構成されているので以下の効果を奏する。即ち、本発明のアーク溶接の最適制御方法及び最適制御装置においては、請求項１及び４に記載のように、アーク溶接の短絡期とアーク期の電流波形及び電圧波形の積分値の各標準偏差を演算し、これらを掛け合わせた積（Ｘ，Ｙ又はＸＹ）を溶接安定性指標とし、これを最小とするように溶接電源の出力溶接電圧及び溶接電流の制御若しくはワイヤ送給量を制御するように構成したので、アーク溶接時の溶接安定性をリアルタイムで迅速且つ適切に判定し、安定した状態で自動的にアーク溶接を行うことができる。しかも、アーク期溶接電流の積分値の標準偏差に短絡期溶接電流の積分値の標準偏差を乗じた第１の積Ｘ又はアーク期溶接電圧の積分値に短絡期溶接電圧の積分値の標準偏差を乗じた第２の積Ｙの一方という、少ない指標に基づいて演算した溶接安定性指標でも適切な制御を行なうことができるの で、制御に要するメモリ容量を小さくすることができ、安価な装置とすることができる。
【００６７】
そして、アーク溶接における溶接安定性指標は、更にアーク期と短絡期の時間比率の標準偏差も加え、請求項２及び５に記載のように設定することができ、例えば、時間比率の標準偏差を前記第１の積Ｘに乗じて演算した溶接安定性指標により、定量的に溶滴移行状態の不安定性を精度良く検出することができ、また時間比率の標準偏差を前記第２の積Ｙに乗じて演算した溶接安定性指標により、定量的にアーク切れ等によるアーク現象の不安定性を精度良く検出することができるため、加工歪みあるいは熱歪み等によって溶接状態が変化してもそれらに応じ適正溶接電圧値及び溶接電流値に設定し、常に安定した溶接品質の確保が可能となる
【００６８】
更に、請求項３及び６に記載のようにアーク溶接の開始点と終了点の間を複数の検出区間に分割し、検出区間毎に溶接安定性指標を演算し、それぞれの所定の基準指標値と比較判定し、比較判定結果に応じて検出区間毎に溶接電源の出力溶接電圧及び／又は溶接電流若しくはワイヤ送給量を制御するように構成したの で、常に安定した溶接品質の確保が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアーク溶接の最適制御装置の一実施形態の全体構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態におけるコントローラ内の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明のアーク溶接の最適制御装置の一実施形態の機能ブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態におけるアーク溶接作動状態を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施形態におけるアーク溶接作動の全体処理を示すフローチャートである。
【図６】本発明の一実施形態における定常部における溶接安定性判定の処理を示すフローチャートである。
【図７】本発明の一実施形態におけるアーク期溶接電流の積分値の標準偏差の演算処理を示すフローチャートである。
【図８】本発明の一実施形態における短絡期溶接電流の積分値の標準偏差の演算処理を示すフローチャートである。
【図９】本発明の一実施形態におけるアーク／短絡時間比率の標準偏差の演算処理を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の一実施形態において溶接施工条件を変化させたときの溶接安定性指標に基づき適正溶接電圧を判定する実験結果の一例を示すグラフである。
【図１１】本発明の一実施形態において溶接施工条件を変化させたときの溶接安定性指標に基づき適正溶接電流を判定する実験結果の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 溶接電源装置
２ 溶接ワイヤ
５ 母材
１０ コントローラ
ＡＣ 駆動回路，
ＡＤ Ａ／Ｄコンバータ
ＣＰＵ プロセシングユニット，
ＩＴ 入カインターフェース，
ＯＴ 出力インターフェース
【産業上の利用分野】
本発明は、アーク溶接の最適制御方法及び最適制御装置に関し、特に溶接状態の安定性を維持しながら自動的にアーク溶接を行なう消耗電極式ガスシールドアーク溶接の最適制御方法及び最適制御装置に係る。
【０００２】
【従来の技術】
近時のアーク溶接装置においては、溶接電源の出力制御がサイリスタ方式からインバータ方式に移行したことに伴い、制御速度が３００Hzから１５乃至６０kHz へと５０乃至２００倍に高速化され、しかも溶接電流及び溶接電圧の波形制御も可能となっている。これにより、アークスタート性能の向上、高速溶接時の溶接安定性向上、スパッタの発生量低減等が可能となり、アーク溶接時の溶接安定性も改善されつつある。しかし、依然としてまだアーク溶接開始時の溶接作動領域たるスタート部が不安定であり、その後の定常部においても、加工歪みあるいは熱歪み等によって溶接状態が変化するため、安定した溶接品質を維持することが困難であり、溶接ロボット等による自動溶接ライン及び半自動溶接ラインにおける溶接状態の不安定性に起因して発生する溶接品質不良の流出防止を図る上で障害となっていた。また、要求される溶接品質は、製品によってそれぞれ異な り、適正な溶接電圧値及び溶接電流値も異なる。この適正溶接電圧値及び溶接電流値は、一般に熟練作業者や技術者が溶接ビード外観の均一性や溶け込み深さを判定することにより決められた値であるが、実際の溶接施工状態においては前記のように溶接状態が変化するため適正値も変化し、製品によって、一定の溶接電圧値及び溶接電流値による溶接施工では適正値からずれることがある。
【０００３】
しかも、従前のアーク溶接装置における溶接状態安定性の良否判定は、一般に作業者が溶接ビード外観均一性の目視による定性的な判定に委ねられていた。このため、従来より種々の対策が講じられ、種々の溶接安定性判定方法及び溶接電源の出力あるいはワイヤ送給量を制御する方法が提案されている。しかし実際の溶接施工状態は前記のように変化するため最適化することは困難であった。
【０００４】
例えば、▲１▼特公平２−６２０１７号公報には、１周期毎の短絡時間、アーク時間、短絡平均電流、アーク平均電流、アーク平均抵抗およびアーク電力を算出 し、これらに基づき、例えばこれらの標準偏差を求め、アーク状態の均一性の程度、アーク切れの程度、アーク燃え上がり度を表し、溶接性の良否を判定する方法が提案されている。
【０００５】
また、▲２▼特公平５−５７０７０号公報には、溶接電圧を測定することにより１周期毎の短絡時間とアーク時間を検出し、所定時間内での短絡時間の平均値あるいは標準偏差及びアーク時間の平均値あるいは標準偏差を求め、これらに基づき溶接指数を演算し、この溶接指数によって溶接性の良否を判定する溶接性判定方法が提案されている。更に、▲３▼特公平６−５３３１０号公報には、母材とワイヤが短絡する期間中に与えられる入熱の変化度を、最大短絡電流、短絡時の電流の平均値、短絡時の実効電流及び短絡時の電力の少なくとも１つの標準偏差を用いて表し、該標準偏差の値により溶接性を判定する方法が提案されている。
【０００６】
あるいは、▲４▼特公平７−２２７５号公報には、溶接電流、電圧を測定し、このデータを基に溶接電流の移動平均を求める移動平均法を利用したアーク溶接モニタ装置が提案されている。更に、この移動平均の演算期間および移動ピッチを適当に選択すること、そして開始直前及び終了間際のアークを除くように監視区間を設定することも提案されている。また、▲５▼特公平６−５３３０９号公報には、自動的に最適な溶接条件を設定してＣＯ2 あるいはＭＡＧ溶接の最適制御を行なうことを目的としたアーク溶接の最適制御方法が提案されている。具体的に は、短絡時間Ｔｓ、アーク時間Ｔａ、短絡期間の電流の平均値Ｉｓ'ave、アーク期間の電流の平均値Ｉａ'ave、アーク期間の抵抗の平均値Ｒａ'ave及びアーク期間の電力Ｐａから、溶接性を定量的に把握する指数（以下、溶接性指数と称す）Ｗ＝（σTs・σTa・σIs'ave・σIa'ave／Ｋ）・（Ｒａ'ave／Ｒｉ）2 ・（Ｐａ／Ｐｉ）を算出し、該溶接性指数が最小となるように溶接電源の出力あるいはワイヤ送給量を制御することとしている。ここで、σTsはＴｓの標準偏差、σTaはＴａの標準偏差、σIs'aveはＩｓ'aveの標準偏差、σIa'aveはＩａ'aveの標準偏差、Ｋは基準溶接条件でのσTs・σTa・σIs'ave・σIa'aveの積、Ｒｉは最適条件におけるＲａ'aveの回帰式、Ｐｉは最適条件におけるＰａの回帰式を示している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に開示された溶接状態の判定技術においては、何れも誤判定を招く恐れがあり、それらの判定を基に溶接電源の出力を制御すると逆に溶接状態の安定性を欠く恐れがある。例えば、前掲の▲１▼特公平２- ６２０１７号公報に記載の方法ではアーク期間中の平均電流を用いているが、この平均電流はアーク時間によって変化し易いから正確な判定は期待しがたい。また、▲２▼特公平５- ５７０７０号公報に記載の方法も、短絡時間の平均値及びアーク時間の平均値に夫々定数を乗じ、これらを加えたものを溶接安定性指数としているが、短絡とアークの時間平均値だけでは電流・電圧の影響が欠落してしまう。▲３▼特公平６−５３３１０号公報に記載の方法は、アーク期間中の指標を用いることなく、短絡期間中のみの指標に基づく標準偏差を用いているが、溶接品質により大きな影響を与えるアーク期間中の諸条件が無視されている。更に、▲４▼特公平７−２２７５号公報に記載の装置においては、移動平均法としているものの、基本的には平均値を利用しているから、電流・電圧の実際の挙動を反映した溶接条件の良否判定は難しい。
【０００８】
以上のように、従来のアーク溶接における溶接安定性の判定方法では不十分であり、解析に時間を要するものもあり、アーク溶接における溶接安定性の維持が困難である。更に、自動的に最適な溶接条件を設定するものとして、前掲の▲５▼特公平６−５３３０９号公報に開示されたアーク溶接の最適制御方法があるが、これも平均値を利用しているから、▲１▼特公平２- ６２０１７号公報につき前述したのと同様の理由により最適制御のレベルが低水準とならざるを得ない。しかも、▲１▼特公平２−６２０１７号公報等と同様、利用する指標が多く処理が複雑なた め、判定に時間を要し、また、制御ソフトが増大し、これに必要なメモリ容量が増大することとなる。
【０００９】
そこで、本発明は、アーク溶接における溶接安定性をリアルタイムで迅速且つ適切に判定し、その判定結果に応じて溶接電源を最適に制御し安定した状態でアーク溶接を行ない得るアーク溶接の最適制御方法及び装置を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明のアーク溶接の最適制御方法は、請求項１に記載のように、溶接電源によって母材と溶接電極との間に溶接電圧を印加して溶接電流を供給し、前記母材と前記溶接電極との間で短絡とアークを繰り返して溶接を行なうアーク溶接において、（Ａ）前記溶接電源から前記母材及び前記溶接電極に入力する溶接電流であって前記アーク溶接の１周期毎におけるアーク期溶接電流及び短絡期溶接電流を所定の周波数でサンプリングして検出し、前記アーク期溶接電流の積分値及び前記短絡期溶接電流の積分値を演算すると共に、該各々の積分値の標準偏差を演算し、前記アーク期溶接電流の積分値の標準偏差に前記短絡期溶接電流積分値の標準偏差を乗じた第１の積Ｘを算出する工程、及び／又は、（Ｂ）前記溶接電源によって前記母材及び前記溶接電極に印加する溶接電圧であって前記アーク溶接の１周期毎におけるアーク期溶接電圧及び短絡期溶接電圧を所定の周波数でサンプリングして検出し、前記アーク期溶接電圧の積分値及び前記短絡期溶接電圧の積分値を演算すると共に、該各々の積分値の標準偏差を演算し、前記アーク期溶接電圧の積分値の標準偏差に前記短絡期溶接電圧の積分値の標準偏差を乗じた第２の積Ｙを算出する工程を有し、（Ｃ）前記第１の積Ｘ、第２の積Ｙ又はこれらを掛合わせた値ＸＹを溶接安定性指標Ｗ１とし、該溶接安定性指標Ｗ１を最小とするように前記溶接電源の出力溶接電圧及び／又は溶接電流若しくはワイヤ送給量を制御することとしたものである。
【００１１】
このように、本発明はアーク溶接の短絡期とアーク期に着目し、その期間の電流波形と電圧波形の積分値の各標準偏差を演算し、これらを掛け合わせた積（Ｘ，Ｙ又はＸＹ）を溶接電源の出力溶接電圧及び溶接電流制御若しくはワイヤ送給量制御に使用しているが、これは短絡期とアーク期の相互関係が溶接品質に大きな影響を持っていることが経験上確認されたからである。
【００１２】
すなわち、アーク溶接は短絡期とアーク期の交互繰返しによりなされるものであるから、アーク溶接の品質を決定する要因は短絡期とアーク期とで一対として把握されるべきであり、いずれか一方の電流・電圧データにのみ依存した制御では良好な溶接制御は困難であると考えられる。本発明はこのような仮説に立脚して前述の如く短絡期とアーク期の電流波形と電圧波形の積分値の各標準偏差を演算してこれら標準偏差を掛け合わせた積の値が、実験により得られた理想的な溶接状態での溶接安定性指標Ｗ１（基準指標値Ｋw1）からどの程度隔たっているかで溶接の良否を判断し、当該隔たりをゼロにすべく、溶接電源の出力溶接電圧及び溶接電流をフィードバック制御したところ、実際の溶接品質との整合性が非常に高いことが確認され、前記仮説が正しかったことが証明されたのである。な お、出力溶接電圧の増・減フィードバック制御に代えて、ワイヤ送給量の減・増フィードバック制御でも同様の結果が得られた。
【００１３】
本発明はまた、請求項２に記載のように、前記アーク溶接の１周期毎におけるアーク期と短絡期の時間比率を演算すると共に、該アーク期と短絡期の時間比率の標準偏差を演算し、該時間比率の標準偏差を前記溶接安定性指標Ｗ１に掛合わせた値を新たな溶接安定性指標Ｗ２とし、該溶接安定性指標Ｗ２を最適溶接時に得られる同指標の値（基準指標値）と比較判定し、前記溶接安定性指標Ｗ２を前記基準指標値に近づけるべく前記溶接電源の出力溶接電圧及び／又は溶接電流若しくはワイヤ送給量を制御することとしてもよい。
【００１４】
また、請求項３に記載のように、アーク溶接の開始点と終了点の間を複数の検出区間に分割し、各検出区間毎に最適溶接時に得られる指標Ｗ１又はＷ２の基準指標値を設定することとしてもよい。
【００１５】
また、本発明のアーク溶接の最適制御装置は、請求項４に記載のように、溶接電源によって母材と溶接電極との間に溶接電圧を印加して溶接電流を供給し、前記母材と前記溶接電極との間で短絡とアークを繰り返して溶接を行なうアーク溶接装置において、（Ａ）前記溶接電源から前記母材及び前記溶接電極に入力する溶接電流であって前記アーク溶接の１周期毎におけるアーク期溶接電流及び短絡期溶接電流を所定の周波数でサンプリングして検出し、前記アーク期溶接電流の積分値及び前記短絡期溶接電流の積分値を演算すると共に、該各々の積分値の標準偏差を演算し、前記アーク期溶接電流の積分値の標準偏差に前記短絡期溶接電流積分値の標準偏差を乗じた第１の積Ｘを算出する手段、及び／又は、（Ｂ）前記溶接電源によって前記母材及び前記溶接電極に印加する溶接電圧であって前記アーク溶接の１周期毎におけるアーク期溶接電圧及び短絡期溶接電圧を所定の周波数でサンプリングして検出し、前記アーク期溶接電圧の積分値及び前記短絡期溶接電圧の積分値を演算すると共に、該各々の積分値の標準偏差を演算し、前記アーク期溶接電圧の積分値の標準偏差に前記短絡期溶接電圧の積分値の標準偏差を乗じた第２の積Ｙを算出する手段を有し、（Ｃ）前記第１の積Ｘ、第２の積Ｙ又はこれらを掛合わせた値ＸＹを溶接安定性指標Ｗ１とし、該溶接安定性指標Ｗ１を最適溶接時に得られる同指標の基準指標値と比較判定し、前記溶接安定性指標Ｗ１を前記基準指標値に近づけるべく前記溶接電源の出力溶接電圧及び／又は溶接電流若しくはワイヤ送給量を制御する溶接電源制御手段とを備えることとしたものである。
【００１６】
更に、本発明のアーク溶接の最適制御装置は、請求項５に記載のように、前記アーク溶接の１周期毎におけるアーク期と短絡期の時間比率の標準偏差を演算する演算手段と、該時間比率の標準偏差を前記溶接安定性指標Ｗ１に掛合わせた値を新たな溶接安定性指標Ｗ２とし、該溶接安定性指標Ｗ２を最適溶接時に得られる同指標の基準指標値と比較判定し、前記溶接安定性指標Ｗ２を前記基準指標値に近づけるべく前記溶接電源の出力溶接電圧及び／又は溶接電流若しくはワイヤ送給量を制御する判定制御手段を具備しても良い。
【００１７】
また、本発明のアーク溶接の最適制御装置は、請求項６に記載のように、アーク溶接の開始点と終了点の間を複数の検出区間に分割し、各検出区間毎に最適溶接時に得られる指標Ｗ１又はＷ２の基準指標値を設定するようにしてもよい。
【００１８】
尚、アーク溶接の開始から終了に至る溶接作動領域をスタート部、定常部及び終端処理部に大きく分割し、更に大部分を占める定常部を任意に分割し、該分割した複数の検出区間毎に、前記溶接安定性指標Ｗ１又はＷ２並びにアーク期と短絡期の出力溶接電圧値及び出力溶接電流値を演算し、それぞれの所定の目標値と比較判定し、比較判定結果に応じて前記溶接電源の出力を制御するように構成すれば、アーク溶接の開始から終了に至るまで、各検出区間毎により細かく適切な溶接電源制御を行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の望ましい実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態に係る消耗電極式ガスシールドアーク溶接装置（以下、単にアーク溶接装置という）を示すもので、溶接電源装置１によって母材５と溶接電極たる溶接ワイヤ２との間に溶接電圧が印加され溶接電流が供給されると、母材５と溶接ワイヤ２との間で短絡とアークが繰り返され、両者が溶接される。溶接ワイヤ２はコイル状に巻回され、その先端部がコンタクトチップ４によって保持されており、送給ローラ３によって所定の速度で母材５方向に送給されるように構成されている。
【００２０】
また、溶接電源装置１から母材５及び溶接ワイヤ２に供給される溶接電流を検出するため、溶接電流検出手段ＤＴｉが設けられており、アーク溶接における１周期毎に母材５と溶接ワイヤ２に供給されるアーク期溶接電流及び短絡期溶接電流が検出される。本実施形態では、溶接電圧検出手段ＤＴｖも設けられており、アーク溶接における１周期毎に母材５と溶接ワイヤ２に印加されるアーク期溶接電圧及び短絡期溶接電圧が検出される。
【００２１】
更に、判定手段ＭＴが設けられ、溶接電流検出手段ＤＴｉの検出溶接電流に基づきアーク期溶接電流の積分値及び短絡期溶接電流の積分値が演算されると共 に、各々の積分値の標準偏差が演算される。同様に、溶接電圧検出手段ＤＴｖの検出溶接電圧に基づきアーク期溶接電圧の積分値及び短絡期溶接電圧の積分値が演算されると共に、各々の積分値の標準偏差が演算される。更に、判定手段ＭＴにおいては、必要に応じアーク溶接の１周期毎におけるアーク期と短絡期の時間比率が演算されると共に、この時間比率の標準偏差が演算される。
【００２２】
そして、判定手段ＭＴでは、アーク期溶接電流の積分値の標準偏差、短絡期溶接電流積分値の標準偏差、アーク期溶接電圧積分値の標準偏差、短絡期溶接電圧積分値の標準偏差及びアーク期と短絡期の時間比率の標準偏差が、必要に応じ適宜組み合わされてアーク溶接における溶接安定性指標が演算される。そして、この溶接安定性指標が所定の基準指標値（＝実験により最適溶接状態で得られた溶接安定性指標）と比較されて母材５と溶接ワイヤ２の溶接安定性が判定される。このように、上記標準偏差を組み合わせて種々の溶接安定性指標を設定することができるが、電圧よりも電流の方が溶接品質に対する影響度が大きいので、少なくともアーク期溶接電流の積分値の標準偏差及び短絡期溶接電流の積分値の標準偏差を用い、両標準偏差の第１の積Ｘを溶接安定性指標として設定するのが望ましい。尚、図１に破線で示すように警報手段ＷＧを設けることとすれば、判定手段ＭＴの判定結果に基づき、アーク溶接不安定時には適宜警報を発することができる。また本実施形態では、上記の溶接安定性指標を、所定の基準指標値に対して所定の限度内で、且つアーク期と短絡期の所定の溶接電圧値及び溶接電流値を維持するように、溶接電源制御手段ＰＣによって溶接電源装置１の出力溶接電圧及び溶接電流が制御される（必要に応じて電圧又は電流の何れか一方のみの制御も可能）。而して、判定手段に基づき、常に最適な状態で溶接作動を行なうことができる。
【００２３】
また、本実施形態においては、図１に破線で示すように検出区間分割手段ＤＳによって、溶接電流検出手段ＤＴｉ及び溶接電圧検出手段ＤＴｖによる検出開始から終了までを複数の検出区間に分割することができるように構成されている。而して、判定手段ＭＴにおいては、検出区間毎に溶接安定性指標を演算し、各溶接安定性指標を所定の基準指標値と比較判定することによって、母材５と溶接ワイヤ２の溶接安定性を検出区間毎に判定することができるので、検出区間毎の判定結果に応じて適切に溶接電源装置１の出力溶接電圧及び溶接電流を制御することができる。
【００２４】
更に、本実施形態の判定手段ＭＴにおいては、アーク溶接の開始から終了に至る溶接作動領域（これは溶接区間と表すこともできるが、上記の検出区間との混同を避けるために作動領域とする）が予め分割されている。即ち、アーク溶接開始直後のアークの状態は不安定であり定常部とは異なる特性を示すので、この溶接作動領域はスタート部として定常部とは区別される。一方、アーク溶接終了間際は、次のアークスタートを安定にするため溶接ワイヤが特有の時定数で繰出し速度を減衰させ、その間の惰走分を溶融させるために溶接安定性が不安定となり定常部とは異なる特性を示すので、この溶接作動領域は終端処理部として定常部と区別される。結局、本実施形態では、スタート部、定常部及び終端処理部の３つの溶接作動領域に溶接時間の設定により分割されており、各溶接作動領域毎に溶接安定性指標が演算され、且つ各溶接作動領域毎に基準指標値が設定される。而して各溶接作動領域の溶接安定性指標が各溶接作動領域の基準指標値と比較判定されて母材５と溶接ワイヤ２の溶接安定性が判定される。
【００２５】
本実施形態において、図１に一点鎖線で囲繞した部分は、具体的には図２に示すように構成されている。即ち、バスを介して相互に接続されたプロセシングユニットＣＰＵ、メモリＲＯＭ，ＲＡＭ、入カインターフェースＩＴ、出力インターフェースＯＴ、並びにキーボード、ディスプレイ、プリンタ等の周辺機器（代表してＯＡで表す）が収容、装着されたコントローラ１０が設けられており、このコントローラ１０に溶接電流検出回路ＩＤ、溶接電圧検出回路ＶＤ、溶接電流調整回路ＩＭ及び溶接電圧調整回路ＶＭが接続されている。溶接電流検出回路ＩＤ及び溶接電圧検出回路ＶＤの出力信号はＡ／ＤコンバータＡＤを介して夫々インターフェースＩＴからプロセシングユニットＣＰＵに入力されるように構成されている。
【００２６】
また、出力インターフェースＯＴからは駆動回路ＡＣを介して溶接電流調整回路ＩＭ及び溶接電圧調整回路ＶＭに夫々制御信号が出力されるように構成されている。更に出力インターフェースＯＴからは駆動回路ＡＣを介して警報手段ＷＧに駆動信号が出力されるように構成されている。この警報手段ＷＧとしては、ディスプレイ、スピーカ等種々の装置があるがどのような装置を用いても良い。而して、溶接電流検出回路ＩＤ及び溶接電圧検出回路ＶＤが図１の溶接電流検出手段ＤＴｉ及び溶接電圧検出手段ＤＴｖに包含され、溶接電流調整回路ＩＭ及び溶接電圧調整回路ＶＭが図１の溶接電源制御手段ＰＣに包含され、その他の手段はコントローラ１０内で構成されている。コントローラ１０においては、メモリＲＯＭは図５乃至図９に示したフローチャートを含む種々の処理に供するプログラムを記憶し、プロセシングユニットＣＰＵは起動されている間当該プログラムを実行し、メモリＲＡＭは当該プログラムの実行に必要な変数デー夕を一時的に記憶する。
【００２７】
図３は上記コントローラ１０の処理機能の一例を示したブロック図で、ここでは説明を容易にするため前述の溶接電圧検出手段ＤＴｖ及びその関連機能等については省略している。先ず、ブロックＢ１及びＢ２では短絡とアークの繰り返しによるアーク溶接の１周期毎におけるアーク期溶接電流ＩＡ(n) 及び短絡期溶接電流ＩＳ(n) が検出され、ブロックＢ３及びＢ４ではアーク期溶接電流の積分値∫ＩＡ(n)dt 及び短絡期溶接電流の積分値∫ＩＳ(n)dt が演算される。ブロックＢ５及びＢ６ではアーク期溶接電流の積分値及び短絡期溶接電流の積分値の各々の標準偏差σ( ∫ＩＡ(n)dt)，σ( ∫ＩＳ(n)dt)が演算され、ブロックＢ７に て、少なくとも各々の溶接電流の積分値の標準偏差σ( ∫ＩＡ(n)dt)，σ( ∫ＩＳ(n)dt)に基づき溶接安定性指標Ｗ１が演算され、この溶接安定性指標Ｗ１に基づき、母材５と溶接ワイヤ２の溶接安定性が判定される。また、ブロックＢ１０及びＢ１１では1 周期毎におけるアーク期溶接電流の平均値ＩＡ(n)ave及び短絡期溶接電流の平均値ＩＳ(n)aveが演算され、ブロックＢ１２ではアーク期及び短絡期の出力溶接電流平均値が所定の目標値と比較判定される。尚、溶接安定性指標Ｗ１の演算に溶接電圧も用いる場合には、ブロックＢ１乃至Ｂ６に対応する溶接電圧に係るブロックが並設される。
【００２８】
そして、ブロックＢ８にて、上記溶接安定性指標Ｗ１が実質的に最小で、且つアーク期と短絡期の溶接電圧平均値及び溶接電流平均値が所定の目標値に対して所定の限度内に維持されるように、溶接電源装置１の出力溶接電圧及び溶接電流が制御される。また、上記溶接安定性指標Ｗ１に基づき溶接状態が不安定又は不良と判定されたときには、ブロックＢ１３にて警報が行われる。更に、図３で破線で示すブロックＢ９にて、検出開始から終了までを、（手動操作により）複数の検出区間に分割することとしてもよい。尚、前述のように、溶接作動領域 は、スタート部、定常部及び終端処理部に分割され、各領域の溶接安定性指標及び目標値（電流、電圧及びワイヤ送給量）が異なるが、これについては後述す る。
【００２９】
図４は、アーク溶接時における溶滴の移行現象と、これに対応する溶接電圧及び溶接電流の波形を示している。溶接ワイヤ２と母材５との間に溶接電圧が印加され溶接電流が供給されると、短絡とアークの１周期で、図４の（Ａ）から （Ｈ）に移行する。即ち、溶接ワイヤ２の先端及び母材５が溶接されて、夫々に溶滴２ａ及び溶融池５ａが形成され、溶滴２ａが溶融地５ａに入り溶接金属（ビード）が形成される。このときの溶接電圧及び溶接電流は図４の上段及び下段に示すように変動する。同図に明らかなように、アークから短絡への移行、及び短絡からアークへの移行時には溶接電圧が急激に変化する。従って、図４にＶａで表すアーク／短絡判定電圧を基準にアーク期と短絡期を峻別することができる。
【００３０】
図４において、ＴＳ(n) はｎ周期目の短絡時間、ＴＡ(n) はｎ周期目のアーク時間、ＴＳ(n+1) は(n+1) 周期目の短絡時間、∫ＩＳ(n)dt はｎ周期目の短絡期溶接電流積分値、∫ＩＡ(n)dt はｎ周期目のアーク期溶接電流積分値、∫ＶＳ (n)dt はｎ周期目の短絡期溶接電圧積分値、∫ＶＡ(n)dt はｎ周期目のアーク期溶接電圧積分値を表す。尚、参考までに、アーク期平均電流ＩＡ(n)av 、短絡期平均電流ＩＳ(n)av 、アーク期平均電圧ＶＡ(n)av 及び短絡期平均電圧ＶＳ(n)av を破線で示した。
【００３１】
上記のように構成された本実施形態においては、コントローラ１０により溶接電流制御等の一連の処理が行なわれ、溶接電源装置１が起動されると図５乃至図９等のフローチャートに対応したプログラムの実行が開始する。図５は溶接作動全体の処理を示すもので、先ずステップ１０１において初期設定が行なわれ、サンプリング速度、トリガーレベル、アーク／短絡判定電圧等が例えばキーボード（図示せず）によって入力される。本実施形態のサンプリング速度は、溶接電源装置１の出力信号波形の判定も可能なように、溶接電源装置１の制御速度以上の（例えば、本実施形態では２７kHz ）に設定されているが、異なる値としてもよい。そして、溶接電圧がトリガーレベルに達すると溶接電圧及び溶接電流の入力が開始される。
【００３２】
初期設定後、ステップ１０２にてアーク溶接が開始され、ステップ１０３に進み、スタート部のアーク溶接が行なわれる。そして、ステップ１０４においてスタート部のアーク溶接における溶接安定性が判定される。尚、ここで処理されるスタート部の溶接安定性判定については後述する。ステップ１０４における溶接安定性の判定結果に基づき、ステップ１０５にてスタート部のアーク溶接が安定と判定されると、ステップ１０６に進みスタート部の終了条件が判定される。終了条件の判定は初期設定のスタート部時間を経過したか否かで判定される。ここで、未だスタート部の終了条件が充足されていないと判定されればステップ１０４に戻り、スタート部が終了と判定されるとステップ１０８に進む。一方、ステップ１０５にてスタート部のアーク溶接が不安定と判定されると、ステップ１０７に進み警報信号が出力される。
【００３３】
スタート部が終了すると、ステップ１０８において定常部となり、ステップ１０９ａにて定常部のアーク溶接における溶接安定性が判定される。このステップ１０９ａで処理される定常部の溶接安定性判定については図６を参照して後述する。またステップ１０９ａと並列のステップ１０９ｂにて、アーク期と短絡期の出力溶接平均電圧と平均電流が目標値の範囲内か否か判定される。そしてステップ１０９ａと１０９ｂの両方の判定結果に基づき、ステップ１１０にて溶接安定性指標と電圧電流の適否が総合判定され、適当と判定されるとステップ１１１に進み定常部の終了条件が判定される。ステップ１１０の総合判定は、出力溶接平均電圧又は電流のいずれか一方が不適であっても、溶接安定性指標が基準指標値のレベルであれば溶接安定としてステップ１１１に移行する。このステップ１１１で定常部が終了と判定されるとステップ１１４に進み終端処理部のアーク溶接が行われる。これに対し、定常部のアーク溶接に関し、未だ終了条件が充足されていないと判定されたときには、ステップ１０９ａに戻る。また、ステップ１１０において溶接安定性指標及び電圧電流が不適当と判定されると、ステップ１１２に進み出力溶接電圧及び／又は出力溶接電流の制御によって、溶接安定性指標及び出力溶接平均電圧と平均電流を正常値に回復可能か否かが判定される。
【００３４】
ステップ１１２において不安定状態が回復調整可能と判定された場合にはステップ１１３に進み、後述する溶接安定性指標を、所定の基準指標値に対して所定の限度内に維持するように、溶接電圧及び／又は溶接電流が制御されて、ステップ１０９ａ，１０９ｂに戻る。ステップ１１０にて定常部のアーク溶接が不安定と判定され、且つステップ１１２にて調整不可能と判定されると、ステップ１０７に進み警報信号が出力される。
【００３５】
一方、ステップ１１１にて定常部のアーク溶接に関し終了条件が充足されたと判定されると、ステップ１１４に進み終端処理部となり、ステップ１１５にて終端処理部でのアーク溶接における溶接安定性が判定される。ステップ１１５における溶接安定性の判定結果に基づき、ステップ１１６にて終端処理部のアーク溶接が安定と判定されると、ステップ１１７に進み終端処理部の終了条件が判定される。ここで、未だ終端処理部の終了条件が充足されていないと判定されればステップ１１５に戻り、ステップ１１７にてアーク溶接が終了と判定されるとこの処理全体が終了する。一方、ステップ１１６にて終端処理部のアーク溶接が不安定と判定されると、ステップ１０７に進み警報信号が出力される。
【００３６】
以上のように、本実施形態ではアーク溶接の開始から終了に至る溶接作動領域が予めスタート部、定常部及び終端処理部の３つに分割されるが、終端処理部は定常部とは異なる特性を示すものの、基準指標値を若干変更する程度で定常部の溶接安定性判定と同様に判定することができる。しかし乍ら、アーク溶接開始直後のアークの状態は不安定であるので、定常部の溶接安定性指標をスタート部にそのまま適用することはできない。従って、スタート部の溶接安定性判定は種々の判定手段を適宜組み合わせることによって行なう必要があるが、これについては後述する。
【００３７】
尚、スタート部と終端処理部において不安定と判定されると、定常部のように調整を行なうことなく、直ちに警報信号を出力すると共に処理を終了させることとしたのは、スタート部と終端処理部は定常部と異なり、通常自動的に回復させることが困難であるからである。従って、溶接電圧及び溶接電流の制御等によって回復が容易である場合には、溶接作動を終了させることなく継続することとしてもよい。
【００３８】
図６は上記ステップ１０９ａにおける溶接安定性判定の処理内容を示すもの で、先ずステップ２０１において、定常部の溶接安定性判定に供するサンプリング回数ｊ，ｓがクリアされる。続いて、ステップ２０２にて溶接電圧ｖ（ｊ）及び溶接電流ｉ（ｊ）が入力され、ステップ２０３において溶接電圧ｖ（ｊ）が所定のトリガーレベルＶｔと比較され、この値未満であればステップ２０４にてサンプリング回数ｊがインクリメントされてステップ２０２に戻る。このように、溶接電圧ｖ（ｊ）が所定のトリガーレベルＶｔに達するまで待機状態とされる。ステップ２０３において溶接電圧ｖ（ｊ）がトリガーレベルＶｔ以上となったと判定されると、ステップ２０５に進みトリガー後の溶接電圧Ｖ（ｓ）及び溶接電流Ｉ（ｓ）として入力され、ステップ２０６にて夫々メモリＲＡＭに格納され る。次に、ステップ２０７においてサンプリング回数ｓが所定回数Ｎｓと比較され、これに達していないときには、ステップ２０８にてサンプリング回数ｓがインクリメントされた後、ステップ２０５に戻る。このようにして、所定回数Ｎｓのサンプリングによって、トリガー後の溶接電圧Ｖ（ｓ）及び溶接電流Ｉ（ｓ）が抽出され、メモリＲＡＭに格納される。
【００３９】
次に、上記のように蓄積されたデータに基づき、ステップ２０９乃至２１２において、アーク期溶接電流の積分値（∫ＩＡ(n)dt ）の標準偏差（σ１）、アーク期溶接電圧の積分値（∫ＶＡ(n)dt ）の標準偏差（σ２）、短絡期溶接電流の積分値（∫ＩＳ(n)dt ）の標準偏差（σ３）及び短絡期溶接電圧の積分値（∫ＶＳ(n)dt ）の標準偏差（σ４）が演算される。尚、これらの演算の詳細については図７乃至図９を参照して後述する。更に、ステップ２１３において上記の標準偏差σ１乃至σ４の積が定数Ｋ１で除算され、溶接安定性指標Ｗ１が演算され る。そして、ステップ２１４にて溶接安定性指標Ｗ１が所定の基準指標値Ｋw1と比較され、この基準指標値Ｋw1以下であればアーク溶接が安定した状態で行なわれていると判定され、ステップ２１５に進み安定を表すフラグがセットされ、基準指標値Ｋw1を越えている場合にはアーク溶接が不安定あるいは不良と判定さ れ、ステップ２１６に進み不安定／不良を表すフラグがセットされる。而して、これらのフラグに基づき、前述のステップ１１０において溶接安定性指標Ｗ１が基準内か否かが判定される。なお、出力溶接電圧及び出力溶接電流は、後述の図１０，図１１で説明するように、溶接安定性指標が常に所定の最小値（基準指標値Ｋw1）に近づくように設定制御するのがベストであるが、制御回路の負荷を軽減するために、Ｗ１がＫw1≦Ｗ１≦Ｋw1＋αの範囲内にあれば（αは例えばＫw1の数％に設定する）、実質的にＷ１が最小値（溶接安定）と見なして出力溶接電圧及び出力溶接電流の増減制御をパスするのが現実的である。
【００４０】
図７は、ステップ２０９にて演算されるアーク期溶接電流の積分値（∫ＩＡ (n)dt ）の標準偏差（σ１）の演算処理の詳細を示すもので、ステップ３０１にて溶接電圧Ｖ（ｓ）及び溶接電流Ｉ（ｓ）のサンプリングが開始され、この演算に供するカウンタがクリア（０）された後カウントを開始する。続いて、ステップ３０２にてカウント開始後の経過時間tai が所定の時間Ｔ１となったか否かが判定され、所定の時間Ｔ１に達するまで待機される。サンプリング開始後所定の時間Ｔ１以上となるとステップ３０３乃至３０７の処理が行なわれ、所定の時間Ｔ２に達するまでこの処理が繰り返される（ステップ３０８）。即ち、定常部の溶接安定性判定開始時間Ｔ１から判定終了時間Ｔ２までの間に溶接ワイヤ２と母材５との間に供給される溶接電流Ｉ（ｓ）がサンプリングされる。
【００４１】
ステップ３０３においてはサンプリング溶接電圧Ｖ（ｓ）がアーク／短絡判定電圧Ｖａ以上となったか否かが判定され、アーク／短絡判定電圧Ｖａ以上であればステップ３０４に進みサンプリングｋ周期目のアーク期溶接電流ＩＡ(k) の測定が開始され、溶接電圧Ｖ（ｓ）がアーク／短絡判定電圧Ｖａを下回るまで測定される。ここで「ｋ」はサンプリングの周期の順番を表すもので、所定のサンプリング周期で自動的に測定が続行される。即ち、ステップ３０３で溶接電圧Ｖ （ｓ）がアーク／短絡判定電圧Ｖａ以上となった時から所定サンプリング周期でアーク期溶接電流ＩＡ(k) の測定が開始され（ステップ３０４）、ステップ３０５にて溶接電圧Ｖ（ｓ）がアーク／短絡判定電圧Ｖａを下回ると、次のステップ３０６にてサンプリングｋ周期目のアーク期溶接電流ＩＡ(k) の測定が終了す る。
【００４２】
そして、ステップ３０７にてｋがインクリメントされた後、ステップ３０８にてサンプリング開始後の経過時間tai が所定の時間Ｔ２以上となったか否かが判定される。経過時間tai が所定の時間Ｔ２未満と判定されるとステップ３０３に戻り、次の周期のアーク期溶接電流ＩＡ（ｋ+1）の測定が行なわれる。一方、ステップ３０３において溶接電圧Ｖ（ｓ）がアーク／短絡判定電圧Ｖａ未満と判定されたときにはアーク期ではなく短絡期であるのでそのままステップ３０８に進む。このようにして、上記ステップ３０３乃至３０７の処理が所定の時間Ｔ２を経過するまで繰り返される。
【００４３】
而して、ステップ３０８にてサンプリング開始後の経過時間tai が所定の時間Ｔ２以上となったと判定されるとステップ３０９に進み、所定の時間Ｔ1,Ｔ２間のアーク期溶接電流ＩＡ(k) が積分され、アーク・短絡ｎ周期目のアーク期溶接電流積分値（∫ＩＡ(n)dt ）が演算される。そして、ステップ３１０においてアーク期溶接電流積分値（∫ＩＡ(n)dt ）の標準偏差（σ１）が演算される。
【００４４】
上記アーク期溶接電流積分値（∫ＩＡ(n)dt ）は、図４に斜線で示したアーク・短絡１周期毎のアーク期溶接電流波形と時間軸で囲まれた部分の面積に相当し、その標準偏差σ（∫ＩＡ(n)dt ）はアーク期溶接電流とアーク時間のバラツキを同時に表す指標となる。従って、アーク期溶接電流積分値（∫ＩＡ(n)dt ）の標準偏差（σ１) が大きくなるということは、短絡現象が略継続する瞬間アークや短絡に至らない長期アーク現象の発生等により溶滴移行が不安定となっていることを意味し、この標準偏差（σ１）が小さいほど溶滴移行がスムーズで安定していることを示す。
【００４５】
これに対して従来技術の特公平６−５３３０９号は、短絡期とアーク期の平均電流の標準偏差を使用して溶接性指数を算出し、時間のバラツキは考慮されていないので、その分溶滴移行の不安定性に関して現実とは食違った判定が頻繁になされる可能性が大である。
【００４６】
図８は、ステップ２１１にて演算される短絡期溶接電流の積分値（∫ＩＳ
(n)dt ）の標準偏差（σ３）の演算処理の詳細を示すもので、ステップ４０１にて溶接電圧Ｖ（ｓ）及び溶接電流Ｉ（ｓ）のサンプリングが開始され、この演算に供するカウンタがクリア（０）された後カウントを開始する。続いて、ステップ４０２にてカウント開始後の経過時間tsi が所定の時間Ｔ１となったか否かが判定され、所定の時間Ｔ１に達するまで待機される。サンプリング開始後所定の時間Ｔ１以上となるとステップ４０３乃至４０７の処理が行なわれ、所定の時間Ｔ２に達するまでこの処理が繰り返される（ステップ４０８）。
【００４７】
ステップ４０３においてはサンプリング溶接電圧Ｖ（ｓ）がアーク／短絡判定電圧Ｖａを下回ったか否かが判定され、アーク／短絡判定電圧Ｖａを下回っていればステップ４０４に進みサンプリングｋ周期目の短絡期溶接電流ＩＳ(k) の測定が開始され、ステップ４０５にて溶接電圧Ｖ（ｓ）がアーク／短絡判定電圧Ｖａ以上となると、ステップ４０６にて短絡期溶接電流ＩＳ(k) の測定が終了す る。そして、ステップ４０７にて周期ｋがインクリメントされた後、ステップ４０８にてサンプリング開始後の経過時間tsi が所定の時間Ｔ２以上となったか否かが判定される。経過時間tsi が所定の時間Ｔ２未満と判定されるとステップ４０３に戻り、次の周期の短絡期溶接電流ＩＳ（ｋ+1）の測定が行なわれる。一 方、ステップ４０３において溶接電圧Ｖ（ｓ）がアーク／短絡判定電圧Ｖａ以上と判定されたときには短絡期ではなくアーク期であるのでそのままステップ４０８に進む。このようにして、上記ステップ４０３乃至４０７の処理が所定の時間Ｔ２を経過するまで繰り返される。
【００４８】
ステップ４０８にてサンプリング開始後の経過時間tsi が所定の時間Ｔ２以上と判定されるとステップ４０９に進み、所定の時間Ｔ１，Ｔ２間の短絡期溶接電流ＩＳ(k) が積分され、アーク・短絡ｎ周期目の短絡期溶接電流積分値（∫ＩＳ(n)dt ）が演算される。そして、ステップ４１０において短絡期溶接電流積分値（∫ＩＳ(n)dt ）の標準偏差（σ３）が演算される。
【００４９】
上記短絡期溶接電流積分値（∫ＩＳ(n)dt ）は、図４に斜線で示したアーク・短絡１周期毎の短絡期溶接電流波形と時間軸で囲まれた部分の面積に相当し、その標準偏差σ（∫ＩＳ(n)dt ）は短絡期溶接電流と短絡時間のバラツキを同時に表す指標となる。従って、短絡期溶接電流積分値（∫ＩＳ(n)dt ）の標準偏差 （σ３）が大きくなるということは、溶滴移行が殆ど行なわれない瞬間短絡や短絡現象が解放されない長期短絡の発生等により短絡現象が不安定となっていることを意味し、この標準偏差（σ３）が小さいほど短絡現象が安定し溶滴移行がスムーズに周期的に行なわれていることを示す。
【００５０】
尚、図示は省略するが、アーク期溶接電流の積分値の標準偏差に短絡期溶接電流の積分値の標準偏差を乗じた第１の積Ｘと、アーク期溶接電圧の積分値に短絡期溶接電圧の積分値の標準偏差を乗じた第２の積Ｙとを掛合わせた値ＸＹを溶接安定性指標とする場合は、図７及び図８の処理と同様に、アーク期溶接電圧の積分値（∫ＶＡ(n)dt ）の標準偏差（σ２）及び短絡期溶接電圧の積分値（∫ＶＳ(n)dt ）の標準偏差（σ４）も夫々演算される。
【００５１】
なお、前記掛合わせた値ＸＹを溶接安定性指標とせずに、第１の積Ｘ又は第２の積Ｙの一方を溶接安定性指標とした場合でも、溶滴移行の安定性を比較的正確に把握した適切な制御を行なうことができる。従って、このような制御方法では制御に要するメモリ容量を小さくすることができ、安価な制御装置とすることが可能である。
【００５２】
上記の標準偏差σ１乃至σ４に加え、アーク／短絡時間比率（ＴＡ(n) ／ＴＳ(n) ）の標準偏差（σ５）を演算し、これらを適宜組み合わせることによって、種々の溶接安定性指標を設定することができる。図９はアーク／短絡時間比率 （ＴＡ(n) ／ＴＳ(n) ）の標準偏差（σ５）の演算処理を示すもので、ステップ５０１にて溶接電圧Ｖ（ｓ）及び溶接電流Ｉ（ｓ）のサンプリングが開始され、この演算に供するカウンタがクリア（０）された後カウントを開始する。続い て、ステップ５０２にてカウントを開始した後の経過時間tas が所定の時間Ｔ１となったか否かが判定され、所定の時間Ｔ１に達するまで待機される。サンプリング開始後所定の時間Ｔ１以上となるとステップ５０３乃至５０９の処理が行なわれ、所定の時間Ｔ２に達するまでこの処理が繰り返される（ステップ５１ ０）。
【００５３】
上記アーク／短絡時間比率（ＴＡ(n) ／ＴＳ(n) ）の標準偏差（σ５）が大きくなるということは、瞬間アーク、長期アーク、瞬間短絡、長期短絡等の発生により溶滴移行が不安定となっていることを意味し、この標準偏差（σ５）が小さいほど溶滴移行が安定していることを示す。
【００５４】
ステップ５０３においては、溶接電圧Ｖ（ｓ）がアーク／短絡判定電圧Ｖａ以上となったか否かが判定され、アーク／短絡判定電圧Ｖａ以上であればステップ５０４に進みアーク期のカウンタのカウント時間taｋがクリア（０）された後、アーク期の時間（アーク時間）の測定が開始する。この後、溶接電圧Ｖ（ｓ）がアーク／短絡判定電圧Ｖａを下回るまで測定され、ステップ５０５にてアーク／短絡判定電圧Ｖａを下回ったと判定されるとステップ５０６に進み、そのときのカウント時間taｋがアーク時間ＴＡ(k) とされる。一方、ステップ５０３で溶接電圧Ｖ（ｓ）がアーク／短絡判定電圧Ｖａを下回ったと判定されると、ステップ５０７に進み短絡期のカウンタのカウント時間tsｋがクリア（０）された後、短絡期の時間（短絡時間）の測定が開始する。この後、溶接電圧Ｖ（ｓ）がアーク／短絡判定電圧Ｖａ以上となるまで測定され、ステップ５０８にてアーク／短絡判定電圧Ｖａ以上と判定されるとステップ５０９に進み、そのときのカウント時間tsｋが短絡時間ＴＳ(k) とされる。
【００５５】
上記ステップ５０３乃至５０９においてアーク時間ＴＡ(k) 及び短絡時間ＴＳ(k) の測定は、所定の時間Ｔ２を経過するまで繰り返される。即ち、ステップ５１０にてサンプリング開始後の経過時間tas が所定の時間Ｔ２以上か否かが判定され、所定の時間Ｔ２未満と判定されると、ステップ５１１にて周期ｋがインクリメントされてステップ５０３に戻り、次の周期のアーク時間ＴＡ（ｋ+1）及び短絡時間ＴＳ（ｋ+1）が演算される。サンプリング開始後の経過時間tan が所定の時間Ｔ２以上となるとステップ５１０からステップ５１２に進み、アーク・短絡ｎ周期目のアーク時間ＴＡ(n) と短絡時間ＴＳ(n) の時間比率（ＴＡ(n) ／ＴＳ(n) ）が演算される。そして、ステップ５１３においてアーク／短絡時間比率（ＴＡ(n) ／ＴＳ(n) ）の標準偏差（σ５）が演算される。而して、このアーク／短絡時間比率標準偏差（σ５）と前述の標準偏差σ１乃至σ４を適宜組み合わせることにより、以下のように溶接安定性指標Ｗ２ａ乃至Ｗ２ｂを設定することができる。
【００５６】
例えば、アーク期溶接電流の積分値（∫ＩＡ(n)dt ）の標準偏差（σ１）と、短絡期溶接電流の積分値（∫ＩＳ(n)dt ）の標準偏差（σ３）及び時間比率（ＴＡ(n) ／ＴＳ(n) ）の標準偏差（σ５）の積が定数Ｋ２で除算されて溶接安定性指標Ｗ２ａが演算される（Ｗ２ａ＝σ１・σ３・σ５／Ｋ２）。また、アーク期溶接電圧の積分値（∫ＶＡ(n)dt ）の標準偏差（σ２）と、短絡期溶接電圧の積分値（∫ＶＳ(n)dt ）の標準偏差（σ４）及び時間比率（ＴＡ(n) ／ＴＳ(n) ）の標準偏差（σ５）の積が定数Ｋ３で除算されて溶接安定性指標Ｗ２ｂが演算される（Ｗ２ｂ＝σ２・σ４・σ５／Ｋ３）。
【００５７】
最も簡単な組合せとして、アーク期溶接電流の積分値（∫ＩＡ(n)dt ）の標準偏差（σ１）及び短絡期溶接電流の積分値（∫ＩＳ(n)dt ）の標準偏差（σ３）の積が定数Ｋ４で除算された溶接安定性指標Ｗ１ａ（＝σ１・σ３／Ｋ４）を用いることとしてもよい。尚、定数Ｋ１乃至Ｋ４は溶接安定性指標Ｗ１、Ｗ１ａ、Ｗ２ａ、Ｗ２ｂを実用的な値に設定するために用いられている。
【００５８】
以上のように、溶接安定性指標Ｗ１，Ｗ１ａ，Ｗ２ａ及びＷ２ｂは前述の積分値又は時間比率の標準偏差の積で表されているので、この値が大きい場合にはアーク溶接における均一性が悪いことになり、アーク溶接時の溶接安定性の良否を定量的に判定することができる。これらの溶接安定性指標Ｗ１，Ｗ１ａ，Ｗ２ａ及びＷ２ｂは、要求される溶接品質に応じて適宜選択される。例えば、溶接安定性指標Ｗ１は演算速度は遅くなるが、厳しい溶接品質が要求される場合に好適であり、溶接安定性指標Ｗ１a は演算速度が要求される場合に好適であり、溶接安定性指標Ｗ２a は溶滴移行の不安定性を精度良く検出することができ、溶接安定性指標Ｗ２ｂはアーク切れ等によるアーク現象の不安定性を精度良く検出することができる。勿論、前掲の全ての標準偏差σ１乃至σ５を用いて、σ１・σ２・σ３・σ４・σ５／Ｋ５としてもよいが、それだけ演算処理が多くなり、演算速度が遅くなるので、このような制御は最も厳しい溶接品質が要求される場合などに事実上限定される。
【００５９】
図１０及び図１１は溶接施工条件を変化させたときの溶接安定性指標に基づき適正溶接電圧及び溶接電流を判定する実験結果を示すもので、Ｗの値は下に凸の最小値を持った曲線となり、その最小値を示す溶接電圧・電流値が、最良の溶接品質が得られる適正溶接電圧・電流値と一致することが確認された。
【００６０】
黒角点と白角点は溶接施工条件が異なる場合を表し、破線（黒角点）と実線 （白角点）は夫々を代表する曲線であるが、黒角点の場合はバラツキが大で破線で代表させることは困難である。これらの図１０、図１１から明らかなように、溶接安定性指標曲線は溶接施工条件毎の固有の曲線となるが、溶接電圧及び溶接電流の余裕度が広く、換言すると下に凸の屈曲度が緩やかであり、アーク溶接における溶接安定性が良好な、実線のような特性を示した溶接施工条件が選択される。また、このようにして設定された溶接施工条件に対し、溶接後の判定が異なった場合には、溶接安定性指標が、設定された最小値に近づくように溶接電圧及び溶接電流を自動的に調整することができ、更に、調整後の溶接安定性指標を演算することにより、調整が正しく行なわれたか否かの判定も可能となる。
【００６１】
溶接電圧及び溶接電流は、以上のように溶接安定性指標が所定の最小値（基準指標値）に近づくように設定するのであるが、アーク溶接の開始点と終了点の間の複数の検出区間毎に、最適な溶接電圧及び溶接電流を設定するのが望ましい。また、溶接電圧及び溶接電流に加えて、ワイヤ送給量も制御対象とすることができる。すなわち、溶接電圧・溶接電流を増加させる代わりにワイヤ送給量を減少させたり、この反対に電圧・電流を減少させる代わりにワイヤ送給量を増加させても溶接安定性指標に関して同様の結果が得られるから、溶接安定性指標Ｗ１又はＷ２が最小となるときの溶接電源の出力溶接電圧、溶接電流及びワイヤ送給量の所定の組合わせを予め目標値と定めてこれらを制御するようにしてもよい。
【００６２】
スタート部における溶接安定性の判定は、上記の定常部とは異なり、以下の指標が必要となる。先ず、溶接ワイヤと母材が短絡するまでの時間が「無負荷電圧時間」と呼ばれるが、この時間が短すぎると充分なアークが形成されない。このため、本実施形態では、無負荷電圧時間の積算値を基準値と比較し、その差が予め設定した許容範囲を越えたときに異常と判定することとしている。次に、高電圧を印加した溶接ワイヤと母材が短絡した際、瞬時に絶縁破壊が発生せずアーク放電に移行しない現象が「ワイヤスティック」と呼ばれる。このワイヤスティックが生じたときには溶接ワイヤと母材とが短絡しているので短絡電流が流れる。このため、アーク電圧はアーク放電時に比べると低くなることに鑑み、本実施形態では、無負荷電圧時間終了直後のアーク電圧の判定により、アーク放電が生ずるまでの積算時間をワイヤスティック時間とし、これを基準値と比較し、その差が予め設定した許容範囲を越えたときに異常と判定することとしている。
【００６３】
更に、アークスタート時に短絡時間が長く続き、長期短絡と定義される状態となると、これを解放するための溶接電源装置１による波形制御によって過大な短絡電流が流れ、アーク再生時に大粒のスパッタが発生しアークが瞬間的に途切れることになる。また、アーク期が長期にわたる場合にもアークが瞬間的に途切れることがある。本実施形態では、このようなアーク途切れ時間の設定時間内における積算時間を基準値と比較し、その差が予め設定した許容範囲を越えたときにアーク途切れ時間異常と判定することとしている。
【００６４】
而して、本実施形態においては、スタート部における溶接安定性指標として、上記ワイヤスティック時間、アーク途切れ時間、長期短絡時間及び無負荷電圧時間、並びにこれらにアークスタート電流立上り速度を加え、５つの指標を用意 し、何れかの指標と基準値との差が予め設定した許容範囲を越えたときに不安定又は不良と判定することとしている。尚、アークスタート電流立上り速度は、無負荷電圧時間終了後から所定時間Ｔ３（例えば、０．１ msec ）までの間に溶接ワイヤ２及び母材５に流れる溶接電流の増加速度である。
【００６５】
このように、スタート部においては定常部とは異なる指標が用いられるが、前述のように本実施形態では予め溶接作動領域を設定しておき、各溶接作動領域に応じて順次、溶接安定性の判定が行なわれるので最適な状態でアーク溶接が行なわれる。
【００６６】
【発明の効果】
本発明は上述のように構成されているので以下の効果を奏する。即ち、本発明のアーク溶接の最適制御方法及び最適制御装置においては、請求項１及び４に記載のように、アーク溶接の短絡期とアーク期の電流波形及び電圧波形の積分値の各標準偏差を演算し、これらを掛け合わせた積（Ｘ，Ｙ又はＸＹ）を溶接安定性指標とし、これを最小とするように溶接電源の出力溶接電圧及び溶接電流の制御若しくはワイヤ送給量を制御するように構成したので、アーク溶接時の溶接安定性をリアルタイムで迅速且つ適切に判定し、安定した状態で自動的にアーク溶接を行うことができる。しかも、アーク期溶接電流の積分値の標準偏差に短絡期溶接電流の積分値の標準偏差を乗じた第１の積Ｘ又はアーク期溶接電圧の積分値に短絡期溶接電圧の積分値の標準偏差を乗じた第２の積Ｙの一方という、少ない指標に基づいて演算した溶接安定性指標でも適切な制御を行なうことができるの で、制御に要するメモリ容量を小さくすることができ、安価な装置とすることができる。
【００６７】
そして、アーク溶接における溶接安定性指標は、更にアーク期と短絡期の時間比率の標準偏差も加え、請求項２及び５に記載のように設定することができ、例えば、時間比率の標準偏差を前記第１の積Ｘに乗じて演算した溶接安定性指標により、定量的に溶滴移行状態の不安定性を精度良く検出することができ、また時間比率の標準偏差を前記第２の積Ｙに乗じて演算した溶接安定性指標により、定量的にアーク切れ等によるアーク現象の不安定性を精度良く検出することができるため、加工歪みあるいは熱歪み等によって溶接状態が変化してもそれらに応じ適正溶接電圧値及び溶接電流値に設定し、常に安定した溶接品質の確保が可能となる
【００６８】
更に、請求項３及び６に記載のようにアーク溶接の開始点と終了点の間を複数の検出区間に分割し、検出区間毎に溶接安定性指標を演算し、それぞれの所定の基準指標値と比較判定し、比較判定結果に応じて検出区間毎に溶接電源の出力溶接電圧及び／又は溶接電流若しくはワイヤ送給量を制御するように構成したの で、常に安定した溶接品質の確保が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアーク溶接の最適制御装置の一実施形態の全体構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態におけるコントローラ内の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明のアーク溶接の最適制御装置の一実施形態の機能ブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態におけるアーク溶接作動状態を示すグラフである。
【図５】本発明の一実施形態におけるアーク溶接作動の全体処理を示すフローチャートである。
【図６】本発明の一実施形態における定常部における溶接安定性判定の処理を示すフローチャートである。
【図７】本発明の一実施形態におけるアーク期溶接電流の積分値の標準偏差の演算処理を示すフローチャートである。
【図８】本発明の一実施形態における短絡期溶接電流の積分値の標準偏差の演算処理を示すフローチャートである。
【図９】本発明の一実施形態におけるアーク／短絡時間比率の標準偏差の演算処理を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の一実施形態において溶接施工条件を変化させたときの溶接安定性指標に基づき適正溶接電圧を判定する実験結果の一例を示すグラフである。
【図１１】本発明の一実施形態において溶接施工条件を変化させたときの溶接安定性指標に基づき適正溶接電流を判定する実験結果の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 溶接電源装置
２ 溶接ワイヤ
５ 母材
１０ コントローラ
ＡＣ 駆動回路，
ＡＤ Ａ／Ｄコンバータ
ＣＰＵ プロセシングユニット，
ＩＴ 入カインターフェース，
ＯＴ 出力インターフェース
Claims (8)
- 溶接電源によって母材と溶接電極との間に溶接電圧を印加して溶接電流を供給し、前記母材と前記溶接電極との間で短絡とアークを繰り返して溶接を行なうアーク溶接において、
（Ａ）前記溶接電源から前記母材及び前記溶接電極に入力する溶接電流であって前記アーク溶接の１周期毎におけるアーク期溶接電流及び短絡期溶接電流を所定の周波数でサンプリングして検出し、前記アーク期溶接電流の積分値及び前記短絡期溶接電流の積分値を演算すると共に、該各々の積分値の標準偏差を演算し、前記アーク期溶接電流の積分値の標準偏差に前記短絡期溶接電流積分値の標準偏差を乗じた第１の積Ｘを算出する工程、及び／又は、
（Ｂ）前記溶接電源によって前記母材及び前記溶接電極に印加する溶接電圧であって前記アーク溶接の１周期毎におけるアーク期溶接電圧及び短絡期溶接電圧を所定の周波数でサンプリングして検出し、前記アーク期溶接電圧の積分値及び前記短絡期溶接電圧の積分値を演算すると共に、該各々の積分値の標準偏差を演算し、前記アーク期溶接電圧の積分値の標準偏差に前記短絡期溶接電圧の積分値の標準偏差を乗じた第２の積Ｙを算出する工程を有し、
（Ｃ）前記第１の積Ｘ、第２の積Ｙ又はこれらを掛合わせた値ＸＹを溶接安定性指標Ｗ１とし、該溶接安定性指標Ｗ１を最小とするように前記溶接電源の出力溶接電圧及び／又は溶接電流若しくはワイヤ送給量を制御することを特徴とするアーク溶接の最適制御方法。 - 前記アーク溶接の１周期毎におけるアーク期と短絡期の時間比率を演算すると共に、該アーク期と短絡期の時間比率の標準偏差を演算し、該時間比率の標準偏差を前記溶接安定性指標Ｗ１に掛合わせた値を新たな溶接安定性指標Ｗ２とし、該溶接安定性指標Ｗ２を最小とするように前記溶接電源の出力溶接電圧及び／又は溶接電流若しくはワイヤ送給量を制御することを特徴とする請求項１記載のアーク溶接の最適制御方法。
- アーク溶接の開始点と終了点の間を複数の検出区間に分割 し、各検出区間毎に最適溶接時に得られる前記指標Ｗ１又はＷ２の基準指標値を設定することを特徴とする請求項１又は２記載のアーク溶接の最適制御方法。
- 溶接電源によって母材と溶接電極との間に溶接電圧を印加して溶接電流を供給し、前記母材と前記溶接電極との間で短絡とアークを繰り返して溶接を行なうアーク溶接装置において、
（Ａ）前記溶接電源から前記母材及び前記溶接電極に入力する溶接電流であって前記アーク溶接の１周期毎におけるアーク期溶接電流及び短絡期溶接電流を所定の周波数でサンプリングして検出し、前記アーク期溶接電流の積分値及び前記短絡期溶接電流の積分値を演算すると共に、該各々の積分値の標準偏差を演算し、前記アーク期溶接電流の積分値の標準偏差に前記短絡期溶接電流積分値の標準偏差を乗じた第１の積Ｘを算出する手段、及び／又は、
（Ｂ）前記溶接電源によって前記母材及び前記溶接電極に印加する溶接電圧であって前記アーク溶接の１周期毎におけるアーク期溶接電圧及び短絡期溶接電圧を所定の周波数でサンプリングして検出し、前記アーク期溶接電圧の積分値及び前記短絡期溶接電圧の積分値を演算すると共に、該各々の積分値の標準偏差を演算し、前記アーク期溶接電圧の積分値の標準偏差に前記短絡期溶接電圧の積分値の標準偏差を乗じた第２の積Ｙを算出する手段を有し、
（Ｃ）前記第１の積Ｘ、第２の積Ｙ又はこれらを掛合わせた値ＸＹを溶接安定性指標Ｗ１とし、該溶接安定性指標Ｗ１を最小とするように前記溶接電源の出力溶接電圧及び／又は溶接電流若しくはワイヤ送給量を制御する制御手段を有することを特徴とするアーク溶接の最適制御装置。 - 前記アーク溶接の１周期毎におけるアーク期と短絡期の時間比率の標準偏差を演算する演算手段と、
該時間比率の標準偏差を前記溶接安定性指標Ｗ１に掛合わせた値を新たな溶接安定性指標Ｗ２とし、該溶接安定性指標Ｗ２を最小とするように前記溶接電源の出力溶接電圧及び／又は溶接電流若しくはワイヤ送給量を制御する制御手段を有することを特徴とする請求項４記載のアーク溶接の最適制御装置。 - アーク溶接の開始点と終了点の間を複数の検出区間に分割 し、各検出区間毎に最適溶接時に得られる前記指標Ｗ１又はＷ２の基準指標値を設定することを特徴とする請求項４又は５記載のアーク溶接の最適制御装置。
- 前記溶接安定性指標Ｗ１又はＷ２が最小となるときの前記溶接電源の出力溶接電圧、溶接電流及びワイヤ送給量の所定の組合わせを予め目標値と定めてこれらを制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか記載のアーク溶接の最適制御方法。
- 前記溶接安定性指標Ｗ１又はＷ２が最小となるときの前記溶接電源の出力溶接電圧、溶接電流及びワイヤ送給量の所定の組合わせを予め目標値と定めてこれらを制御することを特徴とする請求項４から６のいずれか記載のアーク溶接の最適制御装置。
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