JP4410995B2 - アーク溶接方法 - Google Patents
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Description
−理論モデルにおいて、溶接工程を少なくとも2つの独立の区分(そのうち少なくとも1つの区分は、アークまたはその一部分を示す)に分割するステップ、
−該少なくとも2つの溶接工程区分の各々とこれらに関連する一または複数の溶接パラメータをモデル要素で表すステップ、
−モデル要素とモデル電源を電気回路モデルに配置するステップ、および
−該少なくとも1つの溶接パラメータに関連する少なくとも1つの電気回路モデルパラメータを電気回路モデルから計算するステップ、
を備える。
−理論モデルにおいて、溶接工程を少なくとも2つの独立の区分(そのうち少なくとも1つの区分は、アークまたはその一部分を示す)に分割するステップ、
−該少なくとも2つの溶接工程区分の各々とこれらに関連する1または複数の溶接パラメータをモデル要素で表すステップ、
−モデル要素とモデル電源を電気回路モデルに配置するステップ、および
−該少なくとも1つの溶接パラメータに関連する少なくとも1つの電気回路モデルパラメータを電気回路モデルから計算するステップ、
を備える。
−理論モデルにおいて、溶接工程を少なくとも2つの独立の区分(そのうち少なくとも1つの区分は、アークまたはその一部分を示す)に分割するステップ、
−該少なくとも2つの溶接工程区分の各々とこれらに関連する一または複数の溶接パラメータをモデル要素で表すステップ、
−モデル要素とモデル電源を電気回路モデルに配置するステップ、および
−該少なくとも1つの溶接パラメータと該少なくとも1つの溶接特性に関連する少なくとも1つの電気回路モデルパラメータを電気回路モデルから計算するステップ、
を備える。
−溶接工程のアーク−ワイヤの相互作用領域区分が電気回路モデルにおいて上記モデル要素の1つによって独立的に表されるように溶接工程を分割するステップを備える。該方法および最適な物理モデルにより、重要な情報が得られる。なぜなら、上記少なくとも1つの溶接パラメータ値を決定する際に、陽極近くの領域に亘る電圧降下およびアークから陽極への熱流束等、溶接工程における重要な要素を考慮できるからである。溶接工程のアーク−ワイヤの相互作用領域では、粒子の密度や温度等の様々な数量の急勾配が表れ、該領域での電圧降下は非常に高い。従って、この領域は溶接工程の特性に大きく影響する。
−溶接工程のアーク−ワークピースの相互作用領域区分が電気回路モデルにおいて上記モデル要素の1つによって独立的に表されるように溶接工程を分割するステップを備える。該方法および最適な物理モデルにより、重要な情報が得られる。なぜなら、上記少なくとも1つの溶接パラメータ値を決定する際に、陰極近くの領域に亘る電圧降下およびアークから陰極への熱流束等、溶接工程における重要な要素を考慮できるからである。溶接工程のアーク−ワークピースの相互作用領域では、粒子の密度や温度等の様々な数量の急勾配が表れ、該領域での電圧降下は非常に高い。従って、この領域は溶接工程の特性に大きく影響する。
−溶接工程のアーク領域区分が電気回路モデルにおいて上記モデル要素の1つによって独立的に表されるように溶接工程を分割するステップ
を備える。該方法および、特に、
−溶接工程のアークカラム領域区分の物理モデルからの計算を通じて得られた情報によって、アーク領域区分を示す該モデル要素を決定するステップ、
を備える実施形態により、アーク平均温度、ワイヤ近くの温度、ワークピース近くの温度、アーク半径、およびアーク電流−電圧特性等の重要な情報を得ることができ、該少なくとも1つの溶接パラメータ値を決定する際に、アーク領域に表れるシールドガスの熱物理特性を考慮に入れることもできる。本発明の更なる好適な実施形態によると、上記方法の1または複数は、
−溶接工程のアーク−ワイヤ相互作用領域区分および/またはアーク−ワークピース相互作用領域の物理モデルからの計算を通じて得られた情報によって、アーク領域区分を表す該モデル要素を決定するステップ、
を備え、該少なくとも1つの溶接パラメータ値を決定する際に、陽極/陰極近くの領域に亘る電圧降下およびアークから陽極/陰極への熱流束等、溶接工程における重要な要素を考慮に入れることができるので、重要な情報を得ることができる。溶接工程のアーク−ワイヤ相互作用領域とアーク−ワークピースの相互作用領域では、粒子の密度や温度等の様々な数量の急勾配が表れ、該領域での電圧降下は非常に高い。従って、この領域は溶接工程の特性に大きく影響する。
−アーク空間における拡張から独立した少なくとも1つの等式によってアークを説明する上記物理モデルによってアーク領域区分を表すモデル要素を決定するステップ、
を備える。該方法および、特に、
−時間にのみ依存する少なくとも1つの等式によってアークを説明する物理モデルによってアーク領域区分を表すモデル要素を決定するステップ、
を備える実施形態によって、モデル要素と少なくとも1つの溶接パラメータ値を、即時に且つ比例的に短い計算時間で決定できる。これにより、該方法を、例えば稼動中のアーク溶接装置を制御するために使用するのに最適化できる。
−溶接工程のアークカラム領域区分が電気回路モデルにおいて上記モデル要素の1つによって独立的に表されるように溶接工程を分割するステップ、
を備える。該方法と最適な物理モデルとによって、アーク平均温度、ワイヤ近くの温度、ワークピース近くの温度、アーク半径およびアーク電流−電圧特性等の重要な情報が得られ、該少なくとも1つの溶接パラメータを決定する際に、アークカラム領域に表れるシールドガスの熱物理特性を考慮に入れることもできる。
−溶接工程のワイヤ区分が電気回路モデルにおいて該モデル要素の1つによって独立的に表されるように溶接工程を分割するステップ、
を備える。該方法と最適な物理モデルとによって、金属移行形態、浸漬頻度(dipping frequency)等の重要な情報が得られ、上記少なくとも1つの溶接パラメータ値を決定する際に、ワイヤの材質を考慮に入れることもできる。
−溶接工程のワークピース区分が電気回路モデルにおいて該モデル要素の1つによって独立的に表されるように溶接工程を分割するステップ、
を備える。該方法と最適な物理モデルとによって、溶接継手のプロファイル、浸透プロファイル等の品質特徴に関する重要な情報が得られ、該少なくとも1つの溶接パラメータの値を決定する際に、ワークピースの材質を考慮に入れることもできる。
アークモデル
上記に説明したように、溶接工程を異なる区分に分割し、アーク領域区分を下位区分、つまりアーク−ワイヤ相互作用領域区分、アークカラム領域区分、およびアーク−ワークピース相互作用領域区分に分割することができる。本章に記載のアークカラムは、ワイヤとワークピースの間の空間の大半を占める。この領域では、温度や圧力等の熱力学的変量の勾配はそれ程高くなく、システムは局所熱平衡状態にある。
−アークは、局所熱平衡状態にある。
−アークは、均一な温度と平均的な直径を有する円筒形導体とする。
−ワイヤとアークカラムの間のアーク拡張移行地帯が考慮される。
−アークの平均的な温度と直径は、アークのエネルギーバランスとステーンベックの最小原理から得られる。この原理は、アークのパワーロスの最小化に基づく。
−熱物理特性が、独立したモジュールで計算され、アークモデルに連結される。
−アーク−ワイヤ相互作用とアーク−ワークピース相互作用が考慮に入れられる。
−アークモデルは非常に高速に実行されうるので、本発明を実施するためのソフトウェアの一部として、且つ、例えば、アーク−ワイヤ相互作用のためのモデルと一緒に使用でき、液滴の形成および移動を予測できる。
電極棒の近くでは温度と粒子密度が急勾配になる。これは、熱および化学平衡からの逸脱につながる。ワイヤ領域近くとワークピース領域近くの電圧降下は非常に高く、電極材料およびアーク−カラムプラズマ特性に依存することはよく知られている。従って、アーク溶接工程の予測には、電極棒近くの現象の物理特性を考慮に入れることが重要だ。この節では、アークとワークピースの間の相互作用のためのモデルを示す。モデルは以下に基づく。
−ワークピース近くの領域は2つの地帯:イオン化地帯と空間電荷地帯に分割される。
−粒子間の衝突は、空間電荷地帯で無視できる程度である。
−電子と重粒子は、2つの異なる温度を有する2つの流体と考えられる。
−イオンと電子の密度は、イオン化地帯では等しい。
−イオンと電子の密度は、空間電荷地帯では等しくない。
−電子放出機構は、熱場放射である。
−2つの地帯を説明する方程式は、該地帯に亘って積分される。
−該モデルは、アークカラムモデルおよび/またはアーク−ワイヤ相互作用領域モデルと連結でき、アークのより完全な説明を可能とする。
−該モデルは、溶接の品質に影響する重要な要素であるワークピースへ向かう熱流束を正確に予測できる。
−該モデルは、ワークピースからの金属蒸気の比率を予測する。
−該モデルは非常に高速に実施される。これにより、例えば、アーク溶接作業を制御するためにモデルを使用する場合には、溶接作業を減速する必要がない。
−該モデルは、ワークピース材料の特性、例えば仕事関数および熱導性等を明瞭に考慮する。
この節では、アークとワイヤ(陽極領域)の間の相互作用のためのモデルを示す。該モデルは以下に基づく。
−ワイヤ近くの領域は2つの地帯:イオン化地帯と空間電荷地帯に分割される。
−粒子間の衝突は、空間電荷地帯で無視できる程度である。
−電子と重粒子は、2つの異なる温度を有する2つの流体と考えられる。
−陽極領域を通じて、電子の温度は一定に維持される。
−イオン化地帯における電圧降下は無視できる程度である。
−ワイヤからの電子放出はないとする。
−該モデルは、アークカラムモデルおよび/またはアーク−ワークピース相互作用領域モデルと連結でき、アークのより完全な説明を可能とする。
−該モデルは、溶接工程を説明するのに重要な要素であるワイヤへ向かう熱流束を正確に予測できる。
−該モデルは、非常に高速で実施される。これにより、例えば、アーク溶接作業を制御するためにモデルを使用した場合には、溶接作業を減速する必要がない。
−該モデルは、ワイヤ材料の特性、例えば仕事関数等を明瞭に考慮する。
アークからの放射力は、ワイヤチップ表面に到達するアークにより全体的に放射された力の分数である。
アーク溶接工程では、アークからワイヤへ熱が移行するために、ワイヤチップに液滴が急激に発生する。ここを離れアークを伝ってワークピースへ移行した液滴は、溶接の体積変形や機械特性の変化の原因となる。以下では、液滴からワークピースへの、質量、熱およびモーメントの移行を予想するためのモデルを提案する。
ワイヤ表面からワイヤチップへの蒸発と、
突出ワイヤの総体積に亘る積分値のための熱移行過程が以下のように定義されるとき、
複数の可変的工程の区分として、自動化されたアーク溶接は、いわゆる間接溶接パラメータ(IWPs)により定義されうる。該パラメータは、直接溶接パラメータ(DWPs)の得られる組み合わせを有する一組の材料パラメータ(MPs)に作用する。IWPは、あるMPについて適切に選択されなければならない。DWPsは、最適な溶接ビード幅、浸透および外観等の指定により明瞭に決定される。
−工程安定性監視、つまり、例えば、アーク電圧または電流強度等の測定および予測された平均IWPsに基づくタイムドメイン統計分析による高速トラッキング。これは、妨害入力(ガン−トゥ−ワークピース距離における異常、不十分なシールドガス被覆等)を検出できる。有利には、視覚センサと音探知が使用できる。
−MPsとIWPsに基づく高速高度物理モデルからの工程パラメータ設定による溶接継手の機械特性とジオメトリ(DWPs)の品質保証。該モデルは、溶接池の現象(アーク効力、液滴、ガスおよび不純物の拡散等)および微細構造基準(微細位相、残余圧力、転位等)からの詳細なアーク−ワークピース相互作用を含んでよい。
例:
Claims (35)
- 少なくとも1つの溶接パラメータ値を変更することによって調節可能な、溶接作業で使用されるアーク溶接装置を制御する方法であって、
−溶接作業に関連する溶接工程の理論モデルを使用(31)して、前記少なくとも1つの溶接パラメータ値を決定するステップ(30)と、
−該少なくとも1つの溶接パラメータ値を溶接装置の調整のために使用することによって、溶接装置の操作と該操作に関連する溶接工程を制御するステップ(32)
を備え、前記決定ステップが、
−理論モデルにおいて、溶接工程を少なくともワイヤ区分(5)、アーク領域区分(6)及びワークピース区分(7)を含む複数の独立の区分に分割するステップ(33)、
−該複数の溶接工程区分の各々とこれらに関連する一または複数の溶接パラメータをモデル要素で表すステップ(34)、
−モデル要素とモデル電源を電気回路モデルに配置するステップ(35)、および
−前記少なくとも1つの溶接パラメータに関連する少なくとも1つの電気回路モデルパラメータ値を電気回路モデルから計算するステップ(36)、
を備え、
前記ワークピース区分(7)を表すモデル要素としてニューラルネットワークが使用されることを特徴とする、アーク溶接装置の制御方法。 - アーク溶接工程をシミュレートする方法であって、
−溶接工程を表す理論モデルへデータを入力するステップ(40)と、
−溶接工程をシミュレート(43)する目的で、前記理論モデルと前記入力データを使用(42)して、溶接工程の少なくとも1つの溶接パラメータ値を決定するステップ(41)
を備え、該決定ステップが、
−理論モデルにおいて、溶接工程を少なくともワイヤ区分(5)、アーク領域区分(6)及びワークピース区分(7)を含む複数の独立の区分に分割するステップ(44)、
−該複数の溶接工程区分の各々とこれらに関連する一または複数の溶接パラメータをモデル要素で表すステップ(45)、
−モデル要素とモデル電源を電気回路モデルに配置するステップ(46)、および
−前記少なくとも1つの溶接パラメータに関連する少なくとも1つの電気回路モデルパラメータ値を電気回路モデルから計算するステップ(47)、
を備え、
前記ワークピース区分(7)を表すモデル要素としてニューラルネットワークが使用されることを特徴とする、アーク溶接工程をシミュレートする方法。 - アーク溶接作業から得られる溶接の品質を予測する方法であって、
−該溶接作業と関連する溶接工程を表す理論モデルへデータを入力するステップ(50)と、
−前記理論モデルと前記入力データを使用して、溶接工程の少なくとも1つの溶接パラメータに関連する少なくとも1つの溶接特性を決定するステップ(51)
を備え、該決定ステップが、
−理論モデルにおいて、溶接工程を少なくともワイヤ区分(5)、アーク領域区分(6)及びワークピース区分(7)を含む複数の独立の区分に分割するステップ(53)、
−該複数の溶接工程区分の各々とこれらに関連する一または複数の溶接パラメータをモデル要素で表すステップ(54)、
−モデル要素とモデル電源を電気回路モデルに配置するステップ(55)、および
−前記少なくとも1つの溶接パラメータと前記少なくとも1つの溶接特性に関連する少なくとも1つの電気回路モデルパラメータ値を電気回路モデルから計算するステップ(56)、
を備え、
前記ワークピース区分(7)を表すモデル要素としてニューラルネットワークが使用されることを特徴とする、溶接の品質を測定する方法。 - −溶接工程のアーク−ワイヤ相互作用領域区分(8)が電気回路モデル(12)において上記モデル要素(13)の1つによって独立的に表されるように溶接工程を分割するステップ、
を備えることを特徴とする、請求項1ないし3のいずれか1項に記載の方法。 - −溶接工程のアーク−ワークピース相互作用領域区分(10)が電気回路モデル(12)において上記モデル要素(13)の1つによって独立的に表されるように溶接工程を分割するステップ、
を備えることを特徴とする、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の方法。 - −溶接工程のアーク−ワイヤ相互作用領域区分(8)が電気回路モデル(12)において上記モデル要素(13)の1つによって独立的に表されるように溶接工程を分割するステップ、および/または、
−溶接工程のアーク−ワークピース相互作用領域区分(10)が電気回路モデル(12)において上記モデル要素(13)の1つによって独立的に表されるように溶接工程を分割するステップ、
を備えることを特徴とする、請求項1ないし3のいずれか1項に記載の方法。 - −溶接工程のアークカラム領域区分(9)の物理モデルからの計算を通じて得られた情報によって、アーク領域区分(6)を表すモデル要素を決定するステップ、
を備えることを特徴とする、請求項1ないし3のいずれかに記載の方法。 - −溶接工程のアーク−ワイヤ相互作用領域区分(8)の物理モデルからの計算を通じて得られた情報によって、アーク領域区分(6)を表すモデル要素を決定するステップ、
を備えることを特徴とする、請求項1ないし3のいずれか1項に記載の方法。 - −溶接工程のアーク−ワイヤ相互作用領域区分(8)を、ワイヤにもっとも近い第一の地帯(64)と、アークカラム領域区分(9)にもっとも近い第二の地帯(65)に分割し、異なる物理下位区分を通じて当該地帯の特性を説明するステップ、
を備えることを特徴とする、請求項8に記載の方法。 - −溶接工程のアーク−ワークピース相互作用領域区分(10)の物理モデルからの計算を通じて得られた情報によって、アーク領域区分(6)を表すモデル要素を決定するステップ、
を備えることを特徴とする、請求項1ないし3のいずれか1項に記載の方法。 - −溶接工程のアーク−ワークピース相互作用領域区分(10)を、ワークピースにもっとも近い第一の地帯(66)と、アークカラム領域区分(9)にもっとも近い第二の地帯(67)に分割し、異なる物理下位区分を通じて当該地帯の特性を説明するステップ、
を備えることを特徴とする、請求項10に記載の方法。 - −アーク空間における拡張から独立した少なくとも1つの等式によってアークを説明する物理モデルによってアーク領域区分(6)を表すモデル要素を決定するステップ、
を備えることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の方法。 - −時間にのみ依存する少なくとも1つの等式によってアークを説明する物理モデルによってアーク領域区分(6)を表すモデル要素を決定するステップ、
を備えることを特徴とする、請求項12に記載の方法。 - −溶接工程のアークカラム領域区分(9)が電気回路モデル(12)において上記モデル要素(13)の1つによって独立的に表されるように溶接工程を分割するステップ、
を備えることを特徴とする、請求項1ないし3のいずれか1項に記載の方法。 - 少なくとも1つの溶接パラメータ値を変更することによって調節可能な、溶接作業で使用されるアーク溶接装置(21)と、アーク溶接装置の作業を制御するための構造(22)とを備える装置であって、該制御構造は、溶接工程の理論モデル(24)を使用して少なくとも1つの溶接パラメータ値を決定できる手段(23)と、溶接装置を調整するために該少なくとも1つの溶接パラメータ値を用いて溶接装置の作業とこれに関連する溶接工程を制御できる部材(25)を含み、
該手段(23)は、溶接工程のワイヤ区分(5)、アーク領域区分(6)及びワークピース区分(7)を少なくとも含む複数の異なる区分に対応する複数の独立のモデル区分(26,27)を有する理論モデル(24)を使用することができ、各モデル区分はモデル要素(13)によって表わされ、モデル要素はモデル電源(14)とともに電気回路モデル(12)に含まれ、前記手段(23)は、電気回路モデルから、少なくとも1つの溶接パラメータに関係する少なくとも1つの電気回路モデルパラメータ値を前記部材(25)による制御のために計算でき、前記ワークピース区分(7)に対応するモデル要素としてニューラルネットワークが使用されることを特徴とする装置。 - 前記手段(23)が、電気回路モデル(12)においてモデル要素(13)の1つによって独立的に表される溶接工程のアーク−ワイヤ相互作用領域区分(8)を有する理論モデル(24)を使用できることを特徴とする、請求項15に記載の装置。
- 前記手段(23)が、電気回路モデル(12)においてモデル要素(13)の1つによって独立的に表される溶接工程のアーク−ワークピース相互作用領域区分(10)を有する理論モデル(24)を使用できることを特徴とする、請求項15に記載の装置。
- 前記手段(23)が、電気回路モデル(12)においてモデル要素(13)の1つによって独立的に表される溶接工程のアーク−ワイヤ相互作用領域区分(8)、および/または、電気回路モデル(12)においてモデル要素(13)の1つによって独立的に表される溶接工程のアーク−ワークピース相互作用領域区分(10)を有する理論モデル(24)を使用できることを特徴とする、請求項15に記載の装置。
- 前記手段(23)が、アーク領域区分(6)を表すモデル要素(13)を決定する際に使用されることとなる溶接工程のアークカラム領域区分(9)の物理モデルからの計算を通じて得られた情報を有する理論モデル(24)を使用できることを特徴とする、請求項15に記載の装置。
- 前記手段(23)が、アーク領域区分(6)を表すモデル要素(13)を決定する際に使用されることとなる溶接工程のアーク−ワイヤ相互作用領域区分(8)の物理モデルからの計算を通じて得られた情報を有する理論モデル(24)を使用できることを特徴とする、請求項15に記載の装置。
- 前記手段(23)が、異なる物理下位区分を通じてそれらの地帯の特性を説明するために、ワイヤにもっとも近い第一の地帯(64)と、アークカラム領域区分(9)にもっとも近い第二の地帯(65)に分割された溶接工程のアーク−ワイヤ相互作用領域区分(8)を有する理論モデル(24)を使用できることを特徴とする、請求項20に記載の装置。
- 前記手段(23)が、アーク領域区分(6)を表すモデル要素(13)を決定する際に使用されることとなる溶接工程のアーク−ワークピース相互作用領域区分(10)の物理モデルからの計算を通じて得られた情報を有する理論モデル(24)を使用できることを特徴とする、請求項15に記載の装置。
- 前記手段(23)が、異なる物理下位区分を通じてそれらの地帯の特性を説明するために、ワークピースにもっとも近い第一の地帯(66)と、アークカラム領域区分(9)にもっとも近い第二の地帯(67)に分割された溶接工程のアーク−ワークピース相互作用領域区分(10)を有する理論モデル(24)を使用できることを特徴とする、請求項22に記載の装置。
- 前記手段(23)が、アーク空間の拡張から独立した少なくとも1つの等式によってアーク領域区分(6)を説明する物理モデルによって決定されたモデル要素を使用できることを特徴とする、請求項15に記載の装置。
- 前記手段(23)が、時間にのみ依存する少なくとも1つの等式によってアーク領域区分(6)を説明する物理モデルによって決定されたモデル要素を使用できることを特徴とする、請求項24に記載の装置。
- 前記手段(23)が、電気回路モデル(12)においてモデル要素(13)の1つによって独立的に表される溶接工程のアークカラム領域区分(9)を有する理論モデル(24)を使用できることを特徴とする、請求項15に記載の装置。
- ある一組の溶接パラメータに関するアーク溶接作業での金属液滴の形成を予測するために、請求項2ないし14のいずれか1項に記載の方法を使用する方法。
- ある一組の溶接パラメータに関するアーク溶接作業での金属移行形態を予測するために、請求項2ないし14のいずれか1項に記載の方法を使用する方法。
- 溶接作業において特定の金属移行形態を得るために必要な少なくとも1つの溶接パラメータ値を計算するために、請求項1ないし14のいずれか1項に記載の方法を使用する方法。
- 自動アーク溶接装置を溶接前に調整するために使用されることとなる少なくとも1つの初期設定値を計算するために、請求項1ないし14のいずれか1項に記載の方法を使用する方法。
- 請求項1ないし14のいずれか1項に記載の方法を実施するためのコンピュータプログラム。
- 請求項1ないし14のいずれか1項に記載の方法のステップをプロセッサに実行させることができるコード手段および/またはソフトウェアコード部分を備える、コンピュータプログラム。
- 請求項15ないし26のいずれか1項に記載の装置を操作するためのコンピュータプログラム。
- 少なくともその一部がインターネット等のネットワークを通じて提供される、請求項31ないし33のいずれか1項に記載のコンピュータプログラム。
- 請求項31ないし34のいずれか1項に記載のコンピュータプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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