JP4851686B2 - 短時間アーク溶接及び短時間アーク溶接システムの方法 - Google Patents
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Description
本発明は、短時間アーク溶接方法に関し、具体的には、障害を検知するために、溶接行程の少なくとも1つの時間区分において、溶接パラメータ、具体的にはアーク電圧をサンプリングする段階をもったスタッド溶接に関する。
前述の短時間アーク溶接方法又は短時間アーク溶接システムは、一般に知られている。短時間アーク溶接は、多くの場合、スタッド溶接と呼ばれるが、溶接されるのはスタッドではない。
その結果、目的が完全に達成される。
好ましい実施形態においては、許容曲線は、滑らかにされた測定曲線に対して上方に突出する(ピーク)高周波障害を検知するために、この滑らかにされた測定曲線の上に配置される。
本発明の実施形態は、図面に示され、以下の説明においてより詳細に述べられる。
図1において、本発明による短時間アーク溶接システムは、全体を10で示される。
溶接システム10は制御及びエネルギユニット12を有する。複数の供給ユニット14を制御及びエネルギユニット12に連結することができ、該供給ユニット14は図1に表わされる。
各々の供給ユニット14に対して1つ又は2つの溶接ヘッド16が連結され、図1における図面には、単一の溶接ヘッド16が示される。
さらに、ユーザインターフェース18が制御及びエネルギユニット12上に設けられ、そのユーザインターフェース18を介して、ユーザは溶接システム10を操作することができる。さらに、システムデータ、アラームなどをユーザインターフェース18のディスプレイ上に表示することができる。
溶接システム10は、金属スタッド20のような金属要素を金属板22のような金属部品に溶接するように働くものである。典型的に用いられる分野は、自動車工業である。ここでは、溶接システム10又は複数のそのような溶接システム10は、ねじ、目穴、ナットなどを備えた又は備えない金属スタッドのような接合要素を、車両本体の部品に溶接するように働くものである。接合要素は、例えば、内部トリムを自動車両に取り付ける固定具として働くものとなる。
制御装置23は、一般に、溶接システム10を制御するように働くものである。これは、直接、ユーザインターフェースに連結されているため、種々の溶接パラメータ、溶接シーケンスを制御するための基本プログラムなどをロードすることができる。
電源装置24は、設計上、定電流源である。これは、調整された定電流Iをもたらし、該定電流は、供給ユニット14を介して溶接ヘッド16に供給される。溶接電流Iは次に、金属要素20及び金属部品22を通って流れる。
溶接ヘッド16は、溶接されるべき金属要素20を保持するホルダ28を有する。さらに、溶接ヘッド16は、電気リニアモータ30を含み、これを用いて、概略的に32で示されるように、ホルダを金属要素20と併せて上昇及び降下させることができる。
電気リニアモータ30の代わりに、溶接ヘッドはさらに、電磁石及び金属要素20を金属部品22に対して押し付ける対向ばねの組み合わせを含むことができる。
このような溶接システム10は、基本的には従来技術により公知であり、冒頭に述べられたパンフレット「Neue TUCKER−Technologie. Bolzenschweissen mit System!」(「新しいTUCKER技術。スタッド溶接システム!」)に詳細に述べられており、この開示は,引用によりここに組み込まれる。
溶接上昇高さに到達した後、溶接電流Iが回路に導入される。例えば、おおよそ20Aから1,500Aまでの高い溶接電流Iの結果として発生したアークの領域で、要素20及び部品22が溶融される。アークは、図1において、要素20と部品22との間の複数の矢印により概略的に示される。
溶接行程の中に流れているエネルギEが増加する。続いて降下行程が開始される。要素20は、部品22に当たるまで、所定の速度で降下される。この時点において、アークは短絡され、溶接電流Iは切られるが、降下行程は、金属部品22の溶融表面における要素20の十分な浸漬を保証するために、該金属部品20の基部面の僅かに下まで行われる。
溶接行程を監視するために、溶接システム10は測定装置34を有し、該測定装置は、溶接行程中に要素20と部品22との間に生じる電気アーク電圧を測定する。
測定装置34は、信号ライン36を介して測定値を制御装置23の分析装置26に伝送する。
分析装置26は、溶接行程中のアーク電圧Uの過程を評価する。分析の結果は、制御装置23のメモリに格納され、及び/又は、ユーザインターフェース18を介して表示される。
分析装置26は、さらに、信号ライン38を介して電源装置24に連結される。少なくとも前電流局面において、信号ラインを介して、電源装置24を指示して、リアルタイムでアーク電圧による障害が検知された場合には、溶接行程を中止することができる。
しかしながら、通常は、測定装置34の測定値は、述べられたように制御装置23(又は分析装置26)に格納され、溶接行程の完了後に分析される。
溶接行程中のアーク電圧Uの過程は52で示され、ここではアーク電圧が最初はゼロであり、これはすなわち金属要素20が金属部品22と直接接触するようになるときである。
金属要素20を金属部品22に対して上昇させることにより、アーク電圧Uは、或るレベルに到達するまで上昇する。このレベルは、溶接区分Tsのほぼ全体にわたって維持され、その後再び落ちる。金属要素20が再び金属部品22と接触するようになる時点で、アーク電圧Uは再びゼロになる。
溶接行程中、アーク電圧Uは、例えば256μsだけ続くことができるサンプリング期間Tpで個別にサンプリングされる。
合計溶接行程は、例えば、ほぼ6から200msの期間だけ続くことができる。
溶接行程中にサンプリングされたアーク電圧Uの測定曲線52を、例えば、予め設定された固定しきい値(図示せず)と比較することができる。さらに、ある期間にわたるアーク電圧Uの平均値を形成することが可能であり、この値は溶接区分Tsに制限することが可能である。続いて、測定曲線52を平均値と比較することにより分析が可能になる。
低域濾波は、例えば、例えばFIRフィルタのような公知のアルゴリズムを用いて、制御装置23のデジタル信号プロセッサ上のデジタル信号処理により行うことができる。
低域フィルタの限られた周波数は、例えば100ms続く溶接時間Tsについて、125Hzである。これは、測定曲線54が125Hzより大きい周波数をもった周波数成分を含まないことをおおよそ意味する(8msの期間に対応して)。
続いて、上方許容曲線56及び下方許容曲線58が、滑らかにされた測定曲線54に対して計算される。上方許容曲線56は、期間全体にわたって、滑らかにされた測定曲線54から一定の距離60を維持する。同様に、下方許容曲線58は、期間全体にわたって、滑らかにされた測定曲線54から一定の距離62を維持する。
滑らかにされていない測定曲線52は、上方許容曲線56の外側に、上方の外れ値(ピーク)64を有することが示される。同様に、滑らかにされていない測定曲線52は、下方の外れ値(降下)66を有し、ここではアーク電圧Uは下方許容曲線58の下にある。
その一方で、滑らかにされていない測定曲線52は、さらに、複数の他の行き過ぎ量68を有し、該滑らかにされていない測定曲線52は、滑らかにされた曲線54に対して離れるが、それぞれは許容曲線56、58の内側に残る。
分析装置26は、その結果として、ピーク64及び降下66を、アーク電圧Uの高周波障害として検知する。これらの障害は、制御装置23に格納され、及び/又は、ユーザインターフェース18を介して表示される。高周波障害により行われた溶接行程は、不完全で、再作動又は新しい溶接を必要とするということを示すために、任意に、アラームをトリガすることができる。
その一方で、さらに、エラーカウンタを歩進させ、該エラーカウンタの或るしきい値を超えたものにだけアラームを発することにより、このような高周波障害の発生を示すことが可能である。
本実施形態においては、上方許容曲線56の他に、中間許容曲線70が計算される。中間許容曲線70は、滑らかにされた測定曲線54全体に対して一定の距離72を有し、この距離は、距離60より少なく、例えばその半分である。
溶接行程後、滑らかにされていない測定曲線52が、一方では上方及び下方許容曲線56、58と比較される。これら2つの許容曲線56、58の一方が、ピーク64及び降下66の場合のように超えると、大きな高周波障害が存在すると判断される。そのような大きな高周波障害が生じた場合には、本実施形態においては、ユーザインターフェース18を介して、如何なる場合にもアラーム信号が発生され、溶接行程が不完全であり、再作動が必要とされることが示される。
対照的に、図3において74で示されるように、許容曲線56、58の内側には残っているが、中間許容曲線70を超えるような高周波障害が生じた場合には、分析装置26は、このことを強さの少ない高周波障害として解釈する。分析装置26は、結果的には警告信号だけを発し、アラーム信号は発さない。警告信号を用いて、例えば、エラーカウンタを歩進させることができる。
強さの少ない高周波障害に基づくこのような警告の発生が増加する場合には、溶接システム10を点検しなければならないか又は溶接行程に悪影響を及ぼす他の境界条件が恒久的に変化されたことを示しているという傾向を推論することができる。
これに対応して、金属要素20又は金属部品22のいずれかによる(相対的な位置に依存する)低粘度溶融物の滴下により、上の降下66のような降下を導き出すことができる。このような短時間の滴下は、電気抵抗の低下をもたらし、結果的には、アーク電圧Uが減少することになる。
このようにして導き出された障害の周波数は、ほぼ250Hzより大きい領域にあることが示された。このような障害は、通常の監視方法、特に、アーク電圧が、例えば上昇高さHを変更することにより調整されていない場合には、求めることができない。
さらに、上に挙げられた障害は、特に、アルミニウムスタッドその他のアルミニウム要素が、アルミニウム上に溶接されるときに生じることがあると判断することができる。
Eの値は、ある期間にわたり、アーク電圧Uを積分することにより求められる。
その結果として、Eの値は、溶接行程の終わりまで、可変の勾配ではあるが連続的に増加する。対応する曲線は図4における80で表わされる。
その結果として、溶接行程の最後において、エネルギEの最終値に到達し、この値は、図4において86で示される。
図4において、さらに、上方しきい値82及び下方しきい値84が、エネルギEの最終値について示される。上方及び下方しきい値82、84は、前もって入力される。これらの値は、経験に基づいて計算される。エネルギEの最終値86が、下方しきい値84より低い場合には、溶接接合部の中へのエネルギ入力Eは、要素20を恒久的な支持体として用いるようにするには低すぎることになる。対照的に、最終値86が上方しきい値82を超えている場合には、エネルギ入力Eが高すぎたと仮定される。その結果として、溶接接合部近くのゾーンにおいて、さらに、要素20又は部品22が影響を受けた及び/又は望ましくない変形が生じたという危険がある。
対照的に、最終値86が上方及び下方しきい値82、84の間にある場合には、分析装置26は、良好なエネルギ入力が溶接行程に行われたと評価する。
アーク電圧Uを積分してエネルギ入力Eを求めることは、さらに、デジタル信号プロセッサを用いることにより、デジタル手段で行うことができることが理解される。
Claims (13)
- 障害(64、66)を検知するために、要素(20)を部品(22)に溶接する溶接行程の少なくとも1つの時間区分(Ts)をサンプリング期間(Tp)とし、該サンプリング期間(Tp)においてアーク電圧(U)をサンプリングする段階をもった、短時間アーク溶接方法であって、
サンプリング行程中に前記要素(20)と前記部品(22)との間に生じるアーク電圧を測定することにより測定曲線(52)を求め、求められた前記測定曲線(52)を記憶し、溶接行程の終了後に分析することからなり、
前記分析は、求められた前記測定曲線(52)を滑らかにすることにより滑らかにされた測定曲線(54)を生成し、続いて、前記滑らかにされた測定曲線(54)からの距離(60、62、72)が前もって調整可能な少なくとも1つの許容曲線(56、58、56、58、70)を生成することを含み、
次いで、滑らかにされる前の前記測定曲線(52)を、前記許容曲線(56、58、56、58、70)と比較することにより、障害(64、66)の発生を検知する
ことを特徴とする方法。 - 前記滑らかにされた測定曲線(54)に対して上方に突出する(ピーク)障害(64)を検知するために、前記許容曲線(56、56、70)が、前記滑らかにされた測定曲線(54)の上側に配置されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記滑らかにされた測定曲線(54)に対して下方に突出する(降下)障害(66)を検知するために、前記許容曲線(58)が前記滑らかにされた測定曲線(54)の下側に配置されることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の方法。
- 前記許容曲線(56、58、56、58、70)と前記滑らかにされた測定曲線(54)との間の前記距離(60、62、72)が、前記サンプリング区分(Ts)にわたり一定であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の方法。
- 前記測定曲線(52)の平滑化の後、前記滑らかにされた測定曲線(54)に対して、同じ方向に2つの異なる距離(60、72)を有する少なくとも2つの許容曲線(56、70)が生成され、続いて、強さの少ない障害(74)及び強い障害(64)を検知するために、前記滑らかにされていない測定曲線(52)が前記2つの許容曲線(56、70)と比較されることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の方法。
- 前記溶接パラメータ(U)が個別にサンプリングされることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の方法。
- 前記サンプリング期間(Tp)が、100μsと1000μsとの間にあることを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 前記サンプリング期間(Tp)が、200μsと500μsとの間にあることを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 前記測定曲線(52)が、個別の測定点からなる前記測定曲線(52)の特定周波数より高い周波数をもった成分を通さない低域濾波により滑らかにされることを特徴とする請求項6に記載の方法。
- アークを生成するために用いられる電流(I)が、前記サンプリング区分(Ts)において一定の値に調整され、溶接接合部に適用されるエネルギ(E)についての値(86)を得るために、ある期間にわたり前記アーク電圧(U)が積分されることを特徴とする請求項1から請求項9までのいずれか1項に記載の方法。
- 前記溶接接合部の品質を見積もるために、前記アーク電圧(U)を積分することにより求められたエネルギ値(86)が、上方及び下方しきい値(82、84)と比較されることを特徴とする請求項10に記載の方法。
- 要素(20)を部品(22)に対して上昇させ、次に前記要素を再び降下させる溶接ヘッド装置(16)と、
前記部品(22)と上昇された前記要素(20)との間にアークを形成するための電力を与える電源装置(24)と、
溶接行程の少なくとも1つの時間区分(Ts)において、前記要素(20)と前記部品(22)との間に生じるアーク電圧(U)をサンプリングする測定装置(34)と、
障害を検知するために、前記アーク電圧(U)のサンプリングされた測定値が供給される分析装置(26)と、
を備える、要素(20)を部品(22)に短時間アーク溶接するためのシステムであって、
前記分析装置(26)が、サンプリング行程中に前記測定装置(34)によってサンプリングされたアーク電圧(U)の測定曲線(52)を求めて記憶し、前記アーク電圧(U)のサンプリングされた測定値により求められた測定曲線(52)を滑らかにすることにより滑らかにされた測定曲線(54)を生成し、続いて、前記滑らかにされた測定曲線(54)からの距離(60、62、72)が前もって調整可能な少なくとも1つの許容曲線(56、58、56、58、70)を生成し、さらに続いて、障害(64、66)の発生を検知するために、記憶された、滑らかにされていない前記測定曲線(52)を前記許容曲線(56、58、56、58、70)と比較するように構成されている
ことを特徴とするシステム。 - 前記電源装置(24)が定電流源(24)であることを特徴とする請求項12に記載のシステム。
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