JP4334814B2 - アークスタート性判定方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、消耗電極ガスシールドアーク溶接におけるアークスタート性の良否の判定方法に関し、特に、溶接電圧・電流波形によってアークスタート性を自動判定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、従来技術における溶接状態を監視するアークモニタ装置を含む消耗電極ガスシールドアーク溶接装置の構成図である。以下、同図を参照して説明する。
【０００３】
溶接電源装置ＰＳは、溶接に適した溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力すると共に、溶接ワイヤ１の送給を制御するための送給制御信号Ｆｃをワイヤ送給モータＷＭへ出力する。溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給モータＷＭに直結された送給ロール５の回転によって、溶接トーチ４を通って送給されると共に、給電チップ５ａから給電されて、母材２との間にアーク３が発生する。
【０００４】
電圧検出器ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して電圧検出信号Ｖｄを出力する。電流検出器ＩＤは、溶接電流Ｉｗを検出して電流検出信号Ｉｄを出力する。アークモニタ装置ＡＭは、上記の電圧検出信号Ｖｄ及び電流検出信号Ｉｄを入力として、下記の回路によって溶接状態を監視して、異常状態が発生したときは警報を発する。電圧平均値算出回路ＶＤＡは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として数百ms〜数ｓ程度の時定数で平均化して溶接電圧平均値信号Ｖdaを出力する。電流平均値算出回路ＩＤＡは、上記の電流検出信号Ｉｄを入力として数百ms〜数ｓ程度の時定数で平均化して溶接電流平均値信号Ｉdaを出力する。溶接状態判定回路ＡＪは、上記の溶接電圧平均値信号Ｖda及び溶接電流平均値信号Ｉdaを入力として、図６で後述する判定方法によって溶接状態の良否の判定を行い、異常状態のときには警報を発する。
【０００５】
図６は、上述した溶接状態の判定方法を示す電圧・電流波形図である。同図（Ａ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電圧平均値信号Ｖdaの時間変化を示し、同図（Ｄ）は溶接電流平均値信号Ｉdaの時間変化を示す。同図は、消耗電極ガスシールドアーク溶接の代表的な溶接法である短絡移行溶接の場合を例示しており、それ以外のグロビュール移行溶接、パルスアーク溶接等の場合も同様である。以下、同図を参照して説明する。
【０００６】
▲１▼ 時刻ｔ１以前の期間（良好な溶接状態）
時刻ｔ１以前の期間は良好な溶接状態のときであるので、同図（Ａ）に示すように、溶接状態は溶接電圧Ｖｗが低い短絡電圧値となる短絡期間と高いアーク電圧値となるアーク期間とを周期的に繰り返す。同様に、溶接電流Ｉｗは、短絡期間中は上昇しアーク期間中は下降する動作を繰り返す。従来技術の溶接状態判定方法では、このような急激に変化する電圧・電流波形を数百ms〜数ｓ程度の大きな時定数で平滑して溶接電圧平均値及び溶接電流平均値を算出し、これらが予め定めた適正範囲内にあるかどうかで溶接状態を判定するのが一般的である。したがって、同図（Ｃ）に示すように、良好な溶接状態のときの溶接電圧平均値信号Ｖdaは略直線となり、その値は電圧適正範囲Ｗｖ内に収まっている。同様に、同図（Ｄ）に示すように、溶接電流平均値信号Ｉdaも略直線となり、その値は電流適正範囲Ｗｉ内に収まっている。
【０００７】
▲２▼ 時刻ｔ１以降の期間（異常な溶接状態）
時刻ｔ１直前において、ワイヤ送給速度の変動、ワイヤ突出し長さの変動、溶融池や溶滴の不規則運動等の種々な外乱によって溶接状態が不安定となりアーク切れが発生すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは最大値の無負荷電圧となり、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは通電しなくなる。その結果、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧平均値信号Ｖdaは時定数のために徐々に大きくなり時刻ｔ２で電圧適正範囲Ｗｖ外となる。また、同図（Ｄ）に示すように、溶接電流平均値信号Ｉdaは時定数のために徐々に小さくなり時刻ｔ２で電流適正範囲Ｗｉ外となる。これを判別して、溶接状態の異常状態を判定する。上記ではアーク切れの場合について説明したが、これ以外にも短絡期間及びアーク期間が非常に長くなったり短くなったりする異常状態も判定する。上述したような異常状態が発生すると、溶け込みの変動、ビード外観の不良等の溶接欠陥が発生する可能性が高くなるために、異常状態を判定して警報を発することは品質管理上重要である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
溶接施工において、最も溶接不良が発生しやすいのは溶接途中ではなくアークスタート時である。これは、アークが発生していない状態からアークを点呼させさらに安定したアーク発生状態へと導くという過渡状態においては、種々な要因によって不安定状態が生じやすいためである。以下、上述した従来技術の溶接状態判定方法を、アークスタート時の良否の判定に使用した場合の問題点について説明する。
【０００９】
図７は、従来技術におけるアークスタート時の電圧波形図である。同図（Ａ）の溶接電圧Ｖｗ及び同図（Ｂ）の溶接電圧平均値信号Ｖdaは良好なアークスタート時の波形を示し、同図（Ｃ）の溶接電圧Ｖｗ及び同図（Ｄ）の溶接電圧平均値信号Ｖdaは不良なアークスタート時の波形を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００１０】
▲１▼ 良好なアークスタート時
同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１において溶接ワイヤが母材に接触すると、溶接電圧Ｖｗは最大値の無負荷電圧から短絡電圧とアーク電圧を繰り返す定常状態へと円滑に移行する。同図（Ａ）は良好なアークスタートの場合であるので、この移行は即時にかつ円滑に行われる。このときの溶接電圧平均値信号Ｖdaは、同図（Ｂ）に示すように、時定数によって徐々に小さくなり定常値に収束する。
【００１１】
▲２▼ 不良なアークスタート時
同図（Ｃ）に示すように、時刻ｔ１において溶接ワイヤが母材に接触すると、無負荷状態から、Ｘ１、Ｘ２に示す長期短絡状態及びＹ１、Ｙ２に示す長期アーク切れ状態を経て、定常状態へと移行する不良なアークスタートとなる。このために、溶接電圧Ｖｗは、低い短絡電圧が長く続いたりアーク切れによる高い無負荷電圧が続いたりして大きく変動する。上記の長期短絡とは、短絡時間が基準値よりも長い短絡のことであり、長期アーク切れとは、アーク切れ時間が基準値よりも長いアーク切れのことであり、その基準値は十数ms〜数十ms程度である。このときの溶接電圧平均値信号Ｖdaは、同図（Ｄ）に示すように、無負荷電圧から個定数によって徐々に小さくなり、その経過中に上述した長期短絡及び長期アーク切れに起因して上下に変動する。しかし、大きな時定数によって平滑されているために、その変動幅は小さく電圧適正範囲Ｗｖ外にはならない。この結果、アークスタートが不良である場合でも、不良と判定することができない場合が多い。すなわち、従来技術の溶接状態判定方法では、アークスタート性の良否を正確に判定することはできなかった。
【００１２】
そこで、本発明では、長期短絡、長期アーク切れ等の発生に起因するアークスタートの不良を正確に判定することができる方法を提供する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、消耗電極ガスシールドアーク溶接におけるアークスタート性の良否の判定方法において、
アークスタート開始時点から予め定めた判定期間Ｔｊ中の、短絡時間が予め定めた基準値よりも長い短絡である長期短絡の回数Ｎｓ及びアーク切れ時間が予め定めた基準値よりも長いアーク切れである長期アーク切れの回数Ｎｎ及び上記判定期間Ｔｊよりも短い移動平均期間Ｔraによる上記判定期間Ｔｊ中の溶接電圧移動平均値Ｖraのバラツキ値Ｂｄを算出し、上記長期短絡の回数Ｎｓ及び上記長期アーク切れの回数Ｎｎ及び上記溶接電圧移動平均値のバラツキ値Ｂｄによってアークスタート性の良否を自動判定することを特徴とするアークスタート性判定方法である。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１に記載する溶接電圧移動平均値のバラツキ値Ｂｄが、上記判定期間Ｔｊ中の上記溶接電圧移動平均値Ｖraが予め定めた適正範囲Ｗvr外となる時間Ｔvrの合算値Ｓtvであるアークスタート性判定方法である。
【００１５】
請求項３の発明は、上記長期短絡の回数Ｎｓが予め定めた基準回数Ｎst以上でありかつ上記長期アーク切れの回数Ｎｎが予め定めた基準回数Ｎnt以上でありかつ上記溶接電圧移動平均値が上記適正範囲外となる時間の合算値Ｓtvが予め定めた第１の基準時間Ｔt1以上で予め定めた第２の基準時間Ｔt2未満であるときはアークスタート性をやや不良と判定し、上記溶接電圧移動平均値が上記適正範囲外となる時間の合算値Ｓtvが上記第２の基準時間Ｔt2以上であるときはアークスタート性を不良と判定し、それ以外のときはアークスタート性を良好と判定する請求項２記載のアークスタート性判定方法である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における、上述した図７（Ｃ）に対応する不良なアークスタート時の電圧波形図である。同図（Ａ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、上述した図７（Ｃ）と同一波形である。また、同図（Ｂ）は溶接電圧の移動平均値Ｖraの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００１７】
同図（Ａ）に示すように、不良なアークスタート時においては、上述したように、長期短絡及び長期アーク切れが発生する。そして、長期短絡及び長期アーク切れの発生回数、合算時間、これらの組合せ等によって、アークスタート性の良否が決定される。したがって、アークスタート性を決めるこれらの要素を算出して定量化することによってアークスタート性の自動判定を行うことが可能となる。本発明においては、下記の３つを判定項目としている。
【００１８】
▲１▼ 長期短絡の回数Ｎｓ
同図（Ａ）に示すように、溶接電圧Ｖｗと予め定めた短絡判別値Ｖt1とを比較して、Ｖｗ≦Ｖt1のときを短絡期間Ｔｓとして判別する。そして、この短絡期間Ｔｓが予め定めた長期短絡判別値Ｔstよりも長いときを長期短絡として判別する。時刻ｔ１のアークスタート開始時点から予め定めた判定期間Ｔｊ中に上記の長期短絡が発生した回数Ｎｓを計数する。上記の判定期間Ｔｊは、アークスタートが定常状態に収束する時間である数ｓ程度に設定する。
【００１９】
▲２▼ 長期アーク切れの回数Ｎｎ
同図（Ａ）に示すように、溶接電圧Ｖｗと予め定めたアーク切れ判別値Ｖt2とを比較して、Ｖｗ≧Ｖt2のときをアーク切れ期間Ｔｎとして判別する。そして、このアーク切れ期間Ｔｎが予め定めた長期アーク切れ判別値Ｔntよりも長いときを長期アーク切れとして判別し、上記の判定期間Ｔｊ中に長期アーク切れが発生した回数Ｎｎを計数する。
【００２０】
▲３▼ 溶接電圧移動平均値Ｖraのバラツキ値Ｂｄ
同図（Ｂ）に示す溶接電圧移動平均値Ｖraは、同図（Ａ）に示す溶接電圧Ｖｗの移動平均値を算出したものである。平滑時の時定数に相当する移動平均期間は、上記の判定期間Ｔｊ（数ｓ）よりも短く、さらには上述した従来技術での平均化のための時定数（数百ms〜数ｓ）よりも短く、１０ms〜２００ms程度に設定する。これは、短絡期間及びアーク期間の不規則性を定量化するためである。すなわち、移動平均期間が長すぎると平滑されて不規則性を判別することができなくなり、逆に移動平均期間が短すぎると不規則でない場合も変動幅が大きいためにやはり不規則性を判別することができなくなる。
【００２１】
したがって、溶接電圧移動平均値Ｖraのバラツキ値Ｂｄによって、短絡期間とアーク期間との不規則性を判別することができる。このバラツキ値Ｂｄとして、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧移動平均値の最大変動幅Ｗppを使用することができる。さらには、溶接電圧移動平均値Ｖraが、予め定めた移動平均値適正範囲Ｗvr外となる範囲外時間Ｔvrを判定期間Ｔｊ中合算した範囲外時間合算値Ｓtvを使用することもできる。
【００２２】
上述した▲１▼長期短絡の回数Ｎｓ、▲２▼長期アーク切れの回数Ｎｎ及び▲３▼溶接電圧移動平均値のバラツキ値Ｂｄによってアークスタート性の判定を行うことができる。判定基準は、種々な溶接条件に応じて変化するが、例えば、判定期間Ｔｊ＝３ｓにおいてＮｓ≧３かつＮｎ≧２かつＷpp≧４Ｖのときはアークスタートは不良であると判定することができる。
【００２３】
図２は、本発明の実施の形態におけるアークモニタ装置ＡＭのブロック図である。本装置を含む溶接装置の構成は、上述した図５と同一である。以下、同図を参照して各回路ブロックについて説明する。
【００２４】
判定期間タイマ回路ＴＪは、電流検出信号Ｉｄを入力として、溶接ワイヤが母材に接触して電流が通電を開始するアークスタート開始時点から予め定めた一定時間だけＨｉｇｈレベルとなる判定期間信号Ｔｊを出力する。第１の比較回路ＣＰ１は、電圧検出信号Ｖｄと予め定めた短絡判別値Ｖt1とを比較して、Ｖｄ≦Ｖt1のときにＨｉｇｈレベルとなる短絡期間信号Ｔｓを出力する。第２の比較回路ＣＰ２は、上記の短絡期間信号Ｔｓと予め定めた長期短絡判別値Ｔstとを比較して、Ｔｓ≧ＴstのときにＨｉｇｈレベルとなる長期短絡期間信号ＬＴｓを出力する。長期短絡回数計数回路ＮＳは、上記の判定期間信号ＴｊがＨｉｇｈレベルの間の上記の長期短絡期間信号ＬＴｓがＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルへと変化する回数を計数して長期短絡回数信号Ｎｓを出力する。第３の比較回路ＣＰ３は、電圧検出信号Ｖｄと予め定めたアーク切れ判別値Ｖt2とを比較して、Ｖｄ≧Ｖt2のときにＨｉｇｈレベルとなるアーク切れ期間信号Ｔｎを出力する。第４の比較回路ＣＰ４は、上記のアーク切れ期間信号Ｔｎと予め定めた長期アーク切れ判別値Ｔntとを比較して、Ｔｎ≧ＴntのときにＨｉｇｈレベルとなる長期アーク切れ期間信号ＬＴｎを出力する。長期アーク切れ回数計数回路ＮＮは、上記の判定期間信号ＴｊがＨｉｇｈレベルの間の上記の長期アーク切れ期間信号ＬＴｎがＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルへと変化する回数を計数して長期アーク切れ回数信号Ｎｎを出力する。
【００２５】
溶接電圧移動平均値算出回路ＶＲＡは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、予め定めた移動平均期間Ｔraによって移動平均値を算出して、溶接電圧移動平均値信号Ｖraを出力する。バラツキ値算出回路ＢＤは、上記の溶接電圧移動平均値信号Ｖraを入力として、図１で上述したように、最大変動幅Ｗpp、範囲外時間合算値Ｓtv等のバラツキ値信号Ｂｄを出力する。アークスタート性判定回路ＡＳＪは、上記の長期短絡回数信号Ｎｓ、長期アーク切れ回数信号Ｎｎ及びバラツキ値信号Ｂｄを入力として、後述する図４で例示する予め定めた判定基準に従ってアークスタート性の判定を行う。
【００２６】
図３は、上述した範囲外時間合算値Ｓtvを算出する場合のバラツキ値算出回路ＢＤのブロック図である。第５の比較回路ＣＰ５は、溶接電圧移動平均値信号Ｖraと予め定めた移動平均値適正範囲Ｗvrとを比較して、範囲外のときはＨｉｇｈレベルとなる範囲外時間信号Ｔvrを出力する。合算回路ＳＵＭは、判定期間信号ＴｊがＨｉｇｈレベルの間の上記の範囲外時間信号Ｔvrの合算を行い、範囲外時間合算値信号Ｓtvをバラツキ値信号Ｂｄとして出力する。
【００２７】
図４は、上述したアークスタート性判定回路ＡＳＪによるアークスタート性の判定処理を示すフローチャートである。同図は、判定処理の一例である。以下、同図を参照して説明する。
【００２８】
ステップＳＴ１において、長期短絡回数Ｎｓが予め定めた基準回数Ｎst以上であり、かつ、範囲外時間合算値Ｓtvが予め定めた第１の基準時間Ｔt1以上で予め定めた第２の基準時間Ｔt2未満であり、かつ、長期アーク切れ回数Ｎｎが予め定めた基準回数Ｎnt以上である、かを判定して、ＹＥＳならばステップＳＴ２へ進みアークスタート性を「やや不良」と判定し、ＮＯならばステップＳＴ３へ進む。
【００２９】
ステップＳＴ３において、範囲外時間合算値Ｓtvが上記の第２の基準時間Ｔt2以上であるかを判定して、ＹＥＳならばステップＳＴ４に進みアークスタート性を「不良」と判定し、ＮＯならば「良好」と判定する。
【００３０】
【発明の効果】
本発明のアークスタート性判定方法によれば、
長期短絡の回数、長期アーク切れの回数及び溶接電圧移動平均値のバラツキ値によってアークスタート性の良否を正確に自動判定することができるので、アークスタート部の品質を厳密に管理することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るアークスタート性判定方法を示す電圧波形図である。
【図２】本発明に係るアークモニタ装置ＡＭのブロック図である。
【図３】本発明に係るバラツキ値算出回路ＢＤのブロック図である。
【図４】本発明に係るアークスタート性の判定処理を示すフローチャートである。
【図５】従来技術におけるアークモニタ装置を含む溶接装置の構成図である。
【図６】従来技術における溶接状態判定方法を示す電圧・電流波形図である。
【図７】従来技術の課題を説明するためのアークスタート時の電圧波形図である。
【符号の説明】
１ 溶接ワイヤ
２ 母材
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
５ａ 給電チップ
ＡＪ 溶接状態判定回路
ＡＭ アークモニタ装置
ＡＳＪ アークスタート性判定回路
ＢＤ バラツキ値算出回路
Ｂｄ 溶接電圧移動平均値Ｖraのバラツキ値（信号）
ＣＰ１ 第１の比較回路
ＣＰ２ 第２の比較回路
ＣＰ３ 第３の比較回路
ＣＰ４ 第４の比較回路
ＣＰ５ 第５の比較回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＩＤ 電流検出器
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＤＡ 電流平均値算出回路
Ｉda 溶接電流平均値信号
Ｉｗ 溶接電流
ＬＴｎ 長期アーク切れ期間信号
ＬＴｓ 長期短絡期間信号
ＮＮ 長期アーク切れ回数計数回路
Ｎｎ 長期アーク切れ回数（信号）
Ｎnt、Ｎst 基準回数
ＮＳ 長期短絡回数計数回路
Ｎｓ 長期短絡回数（信号）
ＰＳ 溶接電源装置
ＳＴ１〜５ ステップ
ＳＵＭ 合算回路
Ｓtv 範囲外時間合算値（信号）
ＴＪ 判定期間タイマ回路
Ｔｊ 判定期間（信号）
Ｔｎ アーク切れ期間（信号）
Ｔnt 長期アーク切れ判別値
Ｔra 移動平均期間
Ｔｓ 短絡期間（信号）
Ｔst 長期短絡判別値
Ｔst 長期短絡判別値
Ｔt1 第１の基準時間
Ｔt2 第２の基準時間
Ｔvr 範囲外時間（信号）
ＶＤ 電圧検出器
Ｖｄ 電圧検出信号
ＶＤＡ 電圧平均値算出回路
Ｖda 溶接電圧平均値信号
ＶＲＡ 溶接電圧移動平均値算出回路
Ｖra 溶接電圧移動平均値（信号）
Ｖt1 短絡判別値
Ｖt2 アーク切れ判別値
Ｖｗ 溶接電圧
Ｗｉ 電流適正範囲
ＷＭ ワイヤ送給モータ
Ｗpp 溶接電圧移動平均値の最大変動幅
Ｗｖ 電圧適正範囲
Ｗvr 移動平均値適正範囲
【発明の属する技術分野】
本発明は、消耗電極ガスシールドアーク溶接におけるアークスタート性の良否の判定方法に関し、特に、溶接電圧・電流波形によってアークスタート性を自動判定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、従来技術における溶接状態を監視するアークモニタ装置を含む消耗電極ガスシールドアーク溶接装置の構成図である。以下、同図を参照して説明する。
【０００３】
溶接電源装置ＰＳは、溶接に適した溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力すると共に、溶接ワイヤ１の送給を制御するための送給制御信号Ｆｃをワイヤ送給モータＷＭへ出力する。溶接ワイヤ１は、ワイヤ送給モータＷＭに直結された送給ロール５の回転によって、溶接トーチ４を通って送給されると共に、給電チップ５ａから給電されて、母材２との間にアーク３が発生する。
【０００４】
電圧検出器ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して電圧検出信号Ｖｄを出力する。電流検出器ＩＤは、溶接電流Ｉｗを検出して電流検出信号Ｉｄを出力する。アークモニタ装置ＡＭは、上記の電圧検出信号Ｖｄ及び電流検出信号Ｉｄを入力として、下記の回路によって溶接状態を監視して、異常状態が発生したときは警報を発する。電圧平均値算出回路ＶＤＡは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として数百ms〜数ｓ程度の時定数で平均化して溶接電圧平均値信号Ｖdaを出力する。電流平均値算出回路ＩＤＡは、上記の電流検出信号Ｉｄを入力として数百ms〜数ｓ程度の時定数で平均化して溶接電流平均値信号Ｉdaを出力する。溶接状態判定回路ＡＪは、上記の溶接電圧平均値信号Ｖda及び溶接電流平均値信号Ｉdaを入力として、図６で後述する判定方法によって溶接状態の良否の判定を行い、異常状態のときには警報を発する。
【０００５】
図６は、上述した溶接状態の判定方法を示す電圧・電流波形図である。同図（Ａ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電圧平均値信号Ｖdaの時間変化を示し、同図（Ｄ）は溶接電流平均値信号Ｉdaの時間変化を示す。同図は、消耗電極ガスシールドアーク溶接の代表的な溶接法である短絡移行溶接の場合を例示しており、それ以外のグロビュール移行溶接、パルスアーク溶接等の場合も同様である。以下、同図を参照して説明する。
【０００６】
▲１▼ 時刻ｔ１以前の期間（良好な溶接状態）
時刻ｔ１以前の期間は良好な溶接状態のときであるので、同図（Ａ）に示すように、溶接状態は溶接電圧Ｖｗが低い短絡電圧値となる短絡期間と高いアーク電圧値となるアーク期間とを周期的に繰り返す。同様に、溶接電流Ｉｗは、短絡期間中は上昇しアーク期間中は下降する動作を繰り返す。従来技術の溶接状態判定方法では、このような急激に変化する電圧・電流波形を数百ms〜数ｓ程度の大きな時定数で平滑して溶接電圧平均値及び溶接電流平均値を算出し、これらが予め定めた適正範囲内にあるかどうかで溶接状態を判定するのが一般的である。したがって、同図（Ｃ）に示すように、良好な溶接状態のときの溶接電圧平均値信号Ｖdaは略直線となり、その値は電圧適正範囲Ｗｖ内に収まっている。同様に、同図（Ｄ）に示すように、溶接電流平均値信号Ｉdaも略直線となり、その値は電流適正範囲Ｗｉ内に収まっている。
【０００７】
▲２▼ 時刻ｔ１以降の期間（異常な溶接状態）
時刻ｔ１直前において、ワイヤ送給速度の変動、ワイヤ突出し長さの変動、溶融池や溶滴の不規則運動等の種々な外乱によって溶接状態が不安定となりアーク切れが発生すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは最大値の無負荷電圧となり、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは通電しなくなる。その結果、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧平均値信号Ｖdaは時定数のために徐々に大きくなり時刻ｔ２で電圧適正範囲Ｗｖ外となる。また、同図（Ｄ）に示すように、溶接電流平均値信号Ｉdaは時定数のために徐々に小さくなり時刻ｔ２で電流適正範囲Ｗｉ外となる。これを判別して、溶接状態の異常状態を判定する。上記ではアーク切れの場合について説明したが、これ以外にも短絡期間及びアーク期間が非常に長くなったり短くなったりする異常状態も判定する。上述したような異常状態が発生すると、溶け込みの変動、ビード外観の不良等の溶接欠陥が発生する可能性が高くなるために、異常状態を判定して警報を発することは品質管理上重要である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
溶接施工において、最も溶接不良が発生しやすいのは溶接途中ではなくアークスタート時である。これは、アークが発生していない状態からアークを点呼させさらに安定したアーク発生状態へと導くという過渡状態においては、種々な要因によって不安定状態が生じやすいためである。以下、上述した従来技術の溶接状態判定方法を、アークスタート時の良否の判定に使用した場合の問題点について説明する。
【０００９】
図７は、従来技術におけるアークスタート時の電圧波形図である。同図（Ａ）の溶接電圧Ｖｗ及び同図（Ｂ）の溶接電圧平均値信号Ｖdaは良好なアークスタート時の波形を示し、同図（Ｃ）の溶接電圧Ｖｗ及び同図（Ｄ）の溶接電圧平均値信号Ｖdaは不良なアークスタート時の波形を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００１０】
▲１▼ 良好なアークスタート時
同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１において溶接ワイヤが母材に接触すると、溶接電圧Ｖｗは最大値の無負荷電圧から短絡電圧とアーク電圧を繰り返す定常状態へと円滑に移行する。同図（Ａ）は良好なアークスタートの場合であるので、この移行は即時にかつ円滑に行われる。このときの溶接電圧平均値信号Ｖdaは、同図（Ｂ）に示すように、時定数によって徐々に小さくなり定常値に収束する。
【００１１】
▲２▼ 不良なアークスタート時
同図（Ｃ）に示すように、時刻ｔ１において溶接ワイヤが母材に接触すると、無負荷状態から、Ｘ１、Ｘ２に示す長期短絡状態及びＹ１、Ｙ２に示す長期アーク切れ状態を経て、定常状態へと移行する不良なアークスタートとなる。このために、溶接電圧Ｖｗは、低い短絡電圧が長く続いたりアーク切れによる高い無負荷電圧が続いたりして大きく変動する。上記の長期短絡とは、短絡時間が基準値よりも長い短絡のことであり、長期アーク切れとは、アーク切れ時間が基準値よりも長いアーク切れのことであり、その基準値は十数ms〜数十ms程度である。このときの溶接電圧平均値信号Ｖdaは、同図（Ｄ）に示すように、無負荷電圧から個定数によって徐々に小さくなり、その経過中に上述した長期短絡及び長期アーク切れに起因して上下に変動する。しかし、大きな時定数によって平滑されているために、その変動幅は小さく電圧適正範囲Ｗｖ外にはならない。この結果、アークスタートが不良である場合でも、不良と判定することができない場合が多い。すなわち、従来技術の溶接状態判定方法では、アークスタート性の良否を正確に判定することはできなかった。
【００１２】
そこで、本発明では、長期短絡、長期アーク切れ等の発生に起因するアークスタートの不良を正確に判定することができる方法を提供する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、消耗電極ガスシールドアーク溶接におけるアークスタート性の良否の判定方法において、
アークスタート開始時点から予め定めた判定期間Ｔｊ中の、短絡時間が予め定めた基準値よりも長い短絡である長期短絡の回数Ｎｓ及びアーク切れ時間が予め定めた基準値よりも長いアーク切れである長期アーク切れの回数Ｎｎ及び上記判定期間Ｔｊよりも短い移動平均期間Ｔraによる上記判定期間Ｔｊ中の溶接電圧移動平均値Ｖraのバラツキ値Ｂｄを算出し、上記長期短絡の回数Ｎｓ及び上記長期アーク切れの回数Ｎｎ及び上記溶接電圧移動平均値のバラツキ値Ｂｄによってアークスタート性の良否を自動判定することを特徴とするアークスタート性判定方法である。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１に記載する溶接電圧移動平均値のバラツキ値Ｂｄが、上記判定期間Ｔｊ中の上記溶接電圧移動平均値Ｖraが予め定めた適正範囲Ｗvr外となる時間Ｔvrの合算値Ｓtvであるアークスタート性判定方法である。
【００１５】
請求項３の発明は、上記長期短絡の回数Ｎｓが予め定めた基準回数Ｎst以上でありかつ上記長期アーク切れの回数Ｎｎが予め定めた基準回数Ｎnt以上でありかつ上記溶接電圧移動平均値が上記適正範囲外となる時間の合算値Ｓtvが予め定めた第１の基準時間Ｔt1以上で予め定めた第２の基準時間Ｔt2未満であるときはアークスタート性をやや不良と判定し、上記溶接電圧移動平均値が上記適正範囲外となる時間の合算値Ｓtvが上記第２の基準時間Ｔt2以上であるときはアークスタート性を不良と判定し、それ以外のときはアークスタート性を良好と判定する請求項２記載のアークスタート性判定方法である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における、上述した図７（Ｃ）に対応する不良なアークスタート時の電圧波形図である。同図（Ａ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、上述した図７（Ｃ）と同一波形である。また、同図（Ｂ）は溶接電圧の移動平均値Ｖraの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００１７】
同図（Ａ）に示すように、不良なアークスタート時においては、上述したように、長期短絡及び長期アーク切れが発生する。そして、長期短絡及び長期アーク切れの発生回数、合算時間、これらの組合せ等によって、アークスタート性の良否が決定される。したがって、アークスタート性を決めるこれらの要素を算出して定量化することによってアークスタート性の自動判定を行うことが可能となる。本発明においては、下記の３つを判定項目としている。
【００１８】
▲１▼ 長期短絡の回数Ｎｓ
同図（Ａ）に示すように、溶接電圧Ｖｗと予め定めた短絡判別値Ｖt1とを比較して、Ｖｗ≦Ｖt1のときを短絡期間Ｔｓとして判別する。そして、この短絡期間Ｔｓが予め定めた長期短絡判別値Ｔstよりも長いときを長期短絡として判別する。時刻ｔ１のアークスタート開始時点から予め定めた判定期間Ｔｊ中に上記の長期短絡が発生した回数Ｎｓを計数する。上記の判定期間Ｔｊは、アークスタートが定常状態に収束する時間である数ｓ程度に設定する。
【００１９】
▲２▼ 長期アーク切れの回数Ｎｎ
同図（Ａ）に示すように、溶接電圧Ｖｗと予め定めたアーク切れ判別値Ｖt2とを比較して、Ｖｗ≧Ｖt2のときをアーク切れ期間Ｔｎとして判別する。そして、このアーク切れ期間Ｔｎが予め定めた長期アーク切れ判別値Ｔntよりも長いときを長期アーク切れとして判別し、上記の判定期間Ｔｊ中に長期アーク切れが発生した回数Ｎｎを計数する。
【００２０】
▲３▼ 溶接電圧移動平均値Ｖraのバラツキ値Ｂｄ
同図（Ｂ）に示す溶接電圧移動平均値Ｖraは、同図（Ａ）に示す溶接電圧Ｖｗの移動平均値を算出したものである。平滑時の時定数に相当する移動平均期間は、上記の判定期間Ｔｊ（数ｓ）よりも短く、さらには上述した従来技術での平均化のための時定数（数百ms〜数ｓ）よりも短く、１０ms〜２００ms程度に設定する。これは、短絡期間及びアーク期間の不規則性を定量化するためである。すなわち、移動平均期間が長すぎると平滑されて不規則性を判別することができなくなり、逆に移動平均期間が短すぎると不規則でない場合も変動幅が大きいためにやはり不規則性を判別することができなくなる。
【００２１】
したがって、溶接電圧移動平均値Ｖraのバラツキ値Ｂｄによって、短絡期間とアーク期間との不規則性を判別することができる。このバラツキ値Ｂｄとして、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧移動平均値の最大変動幅Ｗppを使用することができる。さらには、溶接電圧移動平均値Ｖraが、予め定めた移動平均値適正範囲Ｗvr外となる範囲外時間Ｔvrを判定期間Ｔｊ中合算した範囲外時間合算値Ｓtvを使用することもできる。
【００２２】
上述した▲１▼長期短絡の回数Ｎｓ、▲２▼長期アーク切れの回数Ｎｎ及び▲３▼溶接電圧移動平均値のバラツキ値Ｂｄによってアークスタート性の判定を行うことができる。判定基準は、種々な溶接条件に応じて変化するが、例えば、判定期間Ｔｊ＝３ｓにおいてＮｓ≧３かつＮｎ≧２かつＷpp≧４Ｖのときはアークスタートは不良であると判定することができる。
【００２３】
図２は、本発明の実施の形態におけるアークモニタ装置ＡＭのブロック図である。本装置を含む溶接装置の構成は、上述した図５と同一である。以下、同図を参照して各回路ブロックについて説明する。
【００２４】
判定期間タイマ回路ＴＪは、電流検出信号Ｉｄを入力として、溶接ワイヤが母材に接触して電流が通電を開始するアークスタート開始時点から予め定めた一定時間だけＨｉｇｈレベルとなる判定期間信号Ｔｊを出力する。第１の比較回路ＣＰ１は、電圧検出信号Ｖｄと予め定めた短絡判別値Ｖt1とを比較して、Ｖｄ≦Ｖt1のときにＨｉｇｈレベルとなる短絡期間信号Ｔｓを出力する。第２の比較回路ＣＰ２は、上記の短絡期間信号Ｔｓと予め定めた長期短絡判別値Ｔstとを比較して、Ｔｓ≧ＴstのときにＨｉｇｈレベルとなる長期短絡期間信号ＬＴｓを出力する。長期短絡回数計数回路ＮＳは、上記の判定期間信号ＴｊがＨｉｇｈレベルの間の上記の長期短絡期間信号ＬＴｓがＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルへと変化する回数を計数して長期短絡回数信号Ｎｓを出力する。第３の比較回路ＣＰ３は、電圧検出信号Ｖｄと予め定めたアーク切れ判別値Ｖt2とを比較して、Ｖｄ≧Ｖt2のときにＨｉｇｈレベルとなるアーク切れ期間信号Ｔｎを出力する。第４の比較回路ＣＰ４は、上記のアーク切れ期間信号Ｔｎと予め定めた長期アーク切れ判別値Ｔntとを比較して、Ｔｎ≧ＴntのときにＨｉｇｈレベルとなる長期アーク切れ期間信号ＬＴｎを出力する。長期アーク切れ回数計数回路ＮＮは、上記の判定期間信号ＴｊがＨｉｇｈレベルの間の上記の長期アーク切れ期間信号ＬＴｎがＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルへと変化する回数を計数して長期アーク切れ回数信号Ｎｎを出力する。
【００２５】
溶接電圧移動平均値算出回路ＶＲＡは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、予め定めた移動平均期間Ｔraによって移動平均値を算出して、溶接電圧移動平均値信号Ｖraを出力する。バラツキ値算出回路ＢＤは、上記の溶接電圧移動平均値信号Ｖraを入力として、図１で上述したように、最大変動幅Ｗpp、範囲外時間合算値Ｓtv等のバラツキ値信号Ｂｄを出力する。アークスタート性判定回路ＡＳＪは、上記の長期短絡回数信号Ｎｓ、長期アーク切れ回数信号Ｎｎ及びバラツキ値信号Ｂｄを入力として、後述する図４で例示する予め定めた判定基準に従ってアークスタート性の判定を行う。
【００２６】
図３は、上述した範囲外時間合算値Ｓtvを算出する場合のバラツキ値算出回路ＢＤのブロック図である。第５の比較回路ＣＰ５は、溶接電圧移動平均値信号Ｖraと予め定めた移動平均値適正範囲Ｗvrとを比較して、範囲外のときはＨｉｇｈレベルとなる範囲外時間信号Ｔvrを出力する。合算回路ＳＵＭは、判定期間信号ＴｊがＨｉｇｈレベルの間の上記の範囲外時間信号Ｔvrの合算を行い、範囲外時間合算値信号Ｓtvをバラツキ値信号Ｂｄとして出力する。
【００２７】
図４は、上述したアークスタート性判定回路ＡＳＪによるアークスタート性の判定処理を示すフローチャートである。同図は、判定処理の一例である。以下、同図を参照して説明する。
【００２８】
ステップＳＴ１において、長期短絡回数Ｎｓが予め定めた基準回数Ｎst以上であり、かつ、範囲外時間合算値Ｓtvが予め定めた第１の基準時間Ｔt1以上で予め定めた第２の基準時間Ｔt2未満であり、かつ、長期アーク切れ回数Ｎｎが予め定めた基準回数Ｎnt以上である、かを判定して、ＹＥＳならばステップＳＴ２へ進みアークスタート性を「やや不良」と判定し、ＮＯならばステップＳＴ３へ進む。
【００２９】
ステップＳＴ３において、範囲外時間合算値Ｓtvが上記の第２の基準時間Ｔt2以上であるかを判定して、ＹＥＳならばステップＳＴ４に進みアークスタート性を「不良」と判定し、ＮＯならば「良好」と判定する。
【００３０】
【発明の効果】
本発明のアークスタート性判定方法によれば、
長期短絡の回数、長期アーク切れの回数及び溶接電圧移動平均値のバラツキ値によってアークスタート性の良否を正確に自動判定することができるので、アークスタート部の品質を厳密に管理することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るアークスタート性判定方法を示す電圧波形図である。
【図２】本発明に係るアークモニタ装置ＡＭのブロック図である。
【図３】本発明に係るバラツキ値算出回路ＢＤのブロック図である。
【図４】本発明に係るアークスタート性の判定処理を示すフローチャートである。
【図５】従来技術におけるアークモニタ装置を含む溶接装置の構成図である。
【図６】従来技術における溶接状態判定方法を示す電圧・電流波形図である。
【図７】従来技術の課題を説明するためのアークスタート時の電圧波形図である。
【符号の説明】
１ 溶接ワイヤ
２ 母材
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
５ａ 給電チップ
ＡＪ 溶接状態判定回路
ＡＭ アークモニタ装置
ＡＳＪ アークスタート性判定回路
ＢＤ バラツキ値算出回路
Ｂｄ 溶接電圧移動平均値Ｖraのバラツキ値（信号）
ＣＰ１ 第１の比較回路
ＣＰ２ 第２の比較回路
ＣＰ３ 第３の比較回路
ＣＰ４ 第４の比較回路
ＣＰ５ 第５の比較回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＩＤ 電流検出器
Ｉｄ 電流検出信号
ＩＤＡ 電流平均値算出回路
Ｉda 溶接電流平均値信号
Ｉｗ 溶接電流
ＬＴｎ 長期アーク切れ期間信号
ＬＴｓ 長期短絡期間信号
ＮＮ 長期アーク切れ回数計数回路
Ｎｎ 長期アーク切れ回数（信号）
Ｎnt、Ｎst 基準回数
ＮＳ 長期短絡回数計数回路
Ｎｓ 長期短絡回数（信号）
ＰＳ 溶接電源装置
ＳＴ１〜５ ステップ
ＳＵＭ 合算回路
Ｓtv 範囲外時間合算値（信号）
ＴＪ 判定期間タイマ回路
Ｔｊ 判定期間（信号）
Ｔｎ アーク切れ期間（信号）
Ｔnt 長期アーク切れ判別値
Ｔra 移動平均期間
Ｔｓ 短絡期間（信号）
Ｔst 長期短絡判別値
Ｔst 長期短絡判別値
Ｔt1 第１の基準時間
Ｔt2 第２の基準時間
Ｔvr 範囲外時間（信号）
ＶＤ 電圧検出器
Ｖｄ 電圧検出信号
ＶＤＡ 電圧平均値算出回路
Ｖda 溶接電圧平均値信号
ＶＲＡ 溶接電圧移動平均値算出回路
Ｖra 溶接電圧移動平均値（信号）
Ｖt1 短絡判別値
Ｖt2 アーク切れ判別値
Ｖｗ 溶接電圧
Ｗｉ 電流適正範囲
ＷＭ ワイヤ送給モータ
Ｗpp 溶接電圧移動平均値の最大変動幅
Ｗｖ 電圧適正範囲
Ｗvr 移動平均値適正範囲
Claims (3)
- 消耗電極ガスシールドアーク溶接におけるアークスタート性の良否の判定方法において、
アークスタート開始時点から予め定めた判定期間中の、短絡時間が予め定めた基準値よりも長い短絡である長期短絡の回数及びアーク切れ時間が予め定めた基準値よりも長いアーク切れである長期アーク切れの回数及び前記判定期間よりも短い移動平均期間による前記判定期間中の溶接電圧移動平均値のバラツキ値を算出し、前記長期短絡の回数及び前記長期アーク切れの回数及び前記溶接電圧移動平均値のバラツキ値によってアークスタート性の良否を自動判定することを特徴とするアークスタート性判定方法。 - 請求項１に記載する溶接電圧移動平均値のバラツキ値が、判定期間中の溶接電圧移動平均値が予め定めた適正範囲外となる時間の合算値であるアークスタート性判定方法。
- 長期短絡の回数が予め定めた基準回数以上でありかつ長期アーク切れの回数が予め定めた基準回数以上でありかつ溶接電圧移動平均値が適正範囲外となる時間の合算値が予め定めた第１の基準時間以上で予め定めた第２の基準時間未満であるときはアークスタート性をやや不良と判定し、前記溶接電圧移動平均値が適正範囲外となる時間の合算値が前記第２の基準時間以上であるときはアークスタート性を不良と判定し、それ以外のときはアークスタート性を良好と判定する請求項２記載のアークスタート性判定方法。
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