JP5199910B2 - 消耗電極式パルスアーク溶接の溶接制御装置およびそのアーク長制御方法、並びにその溶接制御装置を備えた溶接システム - Google Patents
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Description
本実施形態のアーク長制御方法の概要について図1ないし図3を参照して説明する。図1は、本発明の溶接制御装置の制御により測定された溶接電圧および溶接電流のタイミングチャートである。図2は、本発明の溶接制御装置が生成するパルス波形の一例を示す図であり、図3は、本発明の溶接制御装置が生成するパルス波形による溶接ワイヤ先端部の時系列変化を模式的に示す説明図である。
前記した式(1)は、第2パルス期間における各情報のみを抽出して用いている点が従来技術で説明した式(102)と相違している。前記した式(1)において、第2パルス期間における各情報を用いることとした理由は、パルスアーク溶接法におけるアーク長と溶接電圧の相関性の検討によるものである。以下に、その詳細を説明する。
図8は、本発明の溶接制御装置を備える溶接システムの一例を模式的に示す構成図である。本発明の実施形態に係る溶接システム1は、図8に示すように、主として、ワイヤ送給装置2と、溶接電源3と、溶接制御装置4と、アーク溶接ロボット5と、ロボット制御装置6とを備えている。
(第1実施形態)
図9は、本発明の溶接制御装置の構成を示すブロック図である。図9では、溶接制御装置4と、この溶接制御装置4から出力される信号によりワイヤ7をトーチ9に送給する溶接電源3とを示している。
パラメータ設定器34は、ワイヤ送給速度Wfs、溶接電流設定値Is、溶接電圧設定値Vs等を演算部35に設定するものである。本実施形態では、パラメータ設定器34は、図示しない記憶手段に予め記憶された溶接パラメータの各値を設定パラメータ信号(設定溶接電流値信号、設定溶接電圧値信号等)として演算部35に入力する。
第2実施形態の溶接制御装置は、これまで説明してきたパルス周波数変化(第2パルス期間のベース期間Tb2の変化)によるアーク長制御をメイン処理で実行しつつ、補助的な処理として、第2パルス期間のピーク期間Tp2を変化させることにより、第2パルス期間のベース期間Tb2の変化量を抑制する処理を付加したものである。したがって、第1実施形態の溶接制御装置4と同じ構成には同じ符号を付し、説明を省略し、図9を参照して説明する。
第2実施形態の変形例は、波形生成器31による前記した式(2)の演算によって算出される増減値ΔTp2(n)に対して、予め上限値および下限値を設定したものである。すなわち、波形設定器32は、増減値ΔTp2(n)の増加幅の最大値および減少幅の最大値も波形生成器31に設定する。増減値ΔTp2(n)の増加幅の最大値および減少幅の最大値は、第2パルス期間のピーク期間の値が適正値となるように予め設定されたものである。ここで、第2パルス期間のピーク期間の適正値は、溶滴移行の規則性を乱さないときのピーク期間の値の範囲を実験等で予め求め、その範囲で設定すればよい。
第3実施形態の溶接制御装置は、アーク長制御のメイン処理による第2パルス期間のベース期間Tb2の変化量を抑制する補助的な処理を、第2パルス期間のピーク電流値Ip2を変化させることで実現する点が第2実施形態の溶接制御装置が異なる。したがって、第1実施形態の溶接制御装置4と同じ構成には同じ符号を付し、説明を省略し、図9を参照して説明する。
第3実施形態の変形例は、波形生成器31による前記した式(3)の演算によって算出される増減値ΔIp2(n)に対して、予め上限値および下限値を設定したものである。すなわち、波形設定器32は、増減値ΔIp2(n)の増加幅の最大値および減少幅の最大値も波形生成器31に設定する。増減値ΔIp2(n)の増加幅の最大値および減少幅の最大値は、第2パルス期間のピーク電流の値が適正値となるように予め設定されたものである。ここで、第2パルス期間のピーク電流の適正値は、溶滴移行の規則性を乱さないときのピーク電流の値の範囲を実験等で予め求め、その範囲で設定すればよい。
<具体的な効果1>
各実施形態のアーク長制御方法の具体的な効果を、従来技術である前記した式(102)を用いるパルスアーク溶接法と比較しながら図11および図12を参照して説明する。図11は、従来技術において溶接電流および溶接電圧の検出値のタイミングチャートを示すグラフであり、図12は、第1実施形態のアーク長制御方法による溶接電流および溶接電圧の検出値のタイミングチャートを示すグラフである。なお、それぞれ約60パルス周期分の波形を示している。
図13は、第1実施形態のアーク長制御で測定されたアーク長と溶接電圧の時々刻々の関係をXY面にプロットし直したものを示す。図13のグラフの横軸はアーク長、縦軸は溶接電圧をそれぞれ示している。図13のグラフと、前記した式(102)を用いる従来技術である図7のグラフとを比較すると、プロットした点(菱形のドット)から、図13のグラフの方が、アーク長の増加に伴って、溶接電圧が増加する傾向が明白に認められる。つまり、従来技術と比較してバラツキが小さく、第2パルス期間におけるアーク長と溶接電圧は相関性が高いことがわかる。したがって、第1実施形態のアーク長制御によれば、第1パルス期間における溶滴の挙動に起因するアーク長変化の影響を受けることなく、ワイヤの送給速度と溶融速度とのバランスの崩れを精度良く抽出できる。
図14は、各実施形態のアーク長制御方法を用いて、溶接中にチップ母材間距離を変化させた場合に測定した周波数変化を示す図である。図14のグラフの横軸は時間[s]、縦軸は周波数[Hz]を示している。
実施例2は、第2実施形態のアーク長制御方法の変形例を用いた場合の測定結果であり、三角形で示した。
実施例3は、第3実施形態のアーク長制御方法の変形例を用いた場合の測定結果であり、正方形で示した。
(溶接条件1)
ワイヤ送給速度:14[m/min]
溶接速度 :30[cm/min]
シールドガス :100%CO2
Ks :−3.0V/100A(=−0.030[V/A])
Kstp :−0.5(−2.5[ms]≦ΔTp2(n)≦2.5[ms])
Ksip :−15[A/ms](−50[A]≦ΔIp2(n)≦50[A])
本発明の溶接制御装置およびアーク長制御方法は、パルス周期あるいは第2パルス期間において、溶接中の溶接電流平均値および溶接電圧平均値をさらに検出し、これら平均値と、溶接電流設定値Isおよび溶接電圧設定値Vsとの偏差を算出し、この偏差が予め定められた基準値以上の場合には、外部特性の傾きを、設定された外部特性の傾きKsよりも大きくした上で前記した式(1)を演算するようにしてもよい。
また、本発明の溶接制御装置を溶接電源3に組み込んで本発明の溶接システムを構成してもよい。
また、本発明において、パルスアーク溶接に用いるシールドガスは、100%CO2に限定されず、炭酸ガスが主成分(50%以上)である混合ガスでもよい。また、この混合ガスにAr等の不活性ガスを含んでもよい。
2 ワイヤ送給装置
3 溶接電源
4 溶接制御装置
5 アーク溶接ロボット
6 ロボット制御装置
6a 制御盤
7 ワイヤ
8 ワイヤ収納容器
9 トーチ
10 アーク
21 出力制御素子
22 電流検出器
23 コンタクトチップ
24 電圧検出器
25 出力制御器
31 波形生成器
32 波形設定器
33 くびれ検出器
34 パラメータ設定器
35 演算部
36 積分器
37 Sv2比較器
41 溶接電圧微分器
42 2階微分器
43 2階微分値設定器
44 比較器
W 被溶接材
Claims (7)
- 炭酸ガスまたは炭酸ガスを主成分とする混合ガスをシールドガスとして用いて、パルス周期の1周期の間に、パルスピーク電流および/またはパルス幅の異なる2種類の電流のパルス波形として、ワイヤ先端からの溶滴を離脱させるための第1パルス波形および前記溶滴を整形するための第2パルス波形をこの順番に出力することで1溶滴の移行を行う消耗電極式パルスアーク溶接において、溶接電源の溶接電流を検出する電流検出器と、前記溶接電源の溶接電圧を検出する電圧検出器と、前記検出された溶接電流および溶接電圧の少なくとも一方に基づいて前記溶滴のくびれを検出するくびれ検出部と、予め設定された波形パラメータに基づいて前記パルス波形が異なる2種類のパルス信号として第1パルスと第2パルスとを交互に生成して前記溶接電源に出力すると共に前記溶滴のくびれが検出された場合に直ちに前記第1パルスの電流値を検出時の電流値よりも低い所定値に切り替える波形生成器とを備え、前記パルス周期は、前記第1パルス波形のピーク期間およびベース期間を含む第1パルス期間と、前記第2パルス波形のピーク期間およびベース期間を含む第2パルス期間とからなる溶接制御装置であって、
下記の式(1)に示されるパラメータとして、予め設定された、溶接電源の外部特性の傾きKs、前記第2パルス期間における溶接電流設定値Is2、および前記第2パルス期間における溶接電圧設定値Vs2の各情報の入力を受け付けると共に、前記第2パルス期間において検出された溶接電流の瞬時値Io2および前記第2パルス期間において検出された溶接電圧の瞬時値Vo2の各情報の入力を受け付け、前記パルス周期において前記第1パルス期間を終了して前記第2パルス期間を開始した時点から、下記の式(1)で表す電圧誤差積分値Sv2の演算を開始し、演算結果が0となった時点で演算を終了する積分器と、
前記演算の結果、前記電圧誤差積分値Sv2の値が0と等しくなったか否か比較する比較器と、をさらに備え、
前記波形生成器は、前記パルス周期毎に、前記電圧誤差積分値Sv2の値が0と等しくなった時点で、当該パルス周期を終了して次回のパルス周期を開始することを特徴とする溶接制御装置。
- 前記波形生成器は、
前記予め設定された波形パラメータのうち、前記第2パルス期間のピーク期間の値を設定値に対して増減させる増減値を、下記の式(2)に基づいて演算して前記第2パルス波形を生成するものであり、
下記の式(2)に示されるパラメータとして、予め設定された前記第2パルス期間のベース期間の基準値Tb2ref、および前記第2パルス期間のピーク期間の変化ゲインKstpの各情報の入力を受け付け、前記受け付けた各情報と、前回を示す第(n−1)回目のパルス周期における前記第2パルス期間のベース期間の実測値Tb2(n−1)とを用いて、下記の式(2)で表す今回を示す第n回目のパルス周期における前記第2パルス期間のピーク期間の増減値ΔTp2(n)を演算することを特徴とする請求項1に記載の溶接制御装置。
- 前記波形生成器は、
前記第2パルス期間のピーク期間の値が適正値となるように予め設定された増減値ΔTp2(n)の増加幅の最大値および減少幅の最大値と、前記第2パルス期間のピーク期間の増減値ΔTp2(n)の演算結果とを比較し、前記演算結果の絶対値が前記増加幅の最大値または前記減少幅の最大値を超えた場合、前記第2パルス期間のピーク期間の値を設定値に対して増減させる増減値を、前記増加幅の最大値または前記減少幅の最大値として前記第2パルス波形を生成することを特徴とする請求項2に記載の溶接制御装置。 - 前記波形生成器は、
前記予め設定された波形パラメータのうち、前記第2パルス期間のピーク電流の値を設定値に対して増減させる増減値を、下記の式(3)に基づいて演算して前記第2パルス波形を生成するものであり、
下記の式(3)に示されるパラメータとして、予め設定された前記第2パルス期間のベース期間の基準値Tb2ref、および前記第2パルス期間のピーク電流の変化ゲインKsipの各情報の入力を受け付け、前記受け付けた各情報と、前回を示す第(n−1)回目のパルス周期における前記第2パルス期間のベース期間の実測値Tb2(n−1)とを用いて、下記の式(3)で表す今回を示す第n回目のパルス周期における前記第2パルス期間のピーク電流の増減値ΔIp2(n)を演算することを特徴とする請求項1に記載の溶接制御装置。
- 前記波形生成器は、
前記第2パルス期間のピーク電流の値が適正値となるように予め設定された増減値ΔIp2(n)の増加幅の最大値および減少幅の最大値と、前記第2パルス期間のピーク電流の増減値ΔIp2(n)の演算結果とを比較し、前記演算結果の絶対値が前記増加幅の最大値または前記減少幅の最大値を超えた場合、前記第2パルス期間のピーク電流の値を設定値に対して増減させる増減値を、前記増加幅の最大値または前記減少幅の最大値として前記第2パルス波形を生成することを特徴とする請求項4に記載の溶接制御装置。 - 炭酸ガスまたは炭酸ガスを主成分とする混合ガスをシールドガスとして用いて、パルス周期の1周期の間に、パルスピーク電流および/またはパルス幅の異なる2種類の電流のパルス波形として、ワイヤ先端からの溶滴を離脱させるための第1パルス波形および前記溶滴を整形するための第2パルス波形をこの順番に出力することで1溶滴の移行を行う消耗電極式パルスアーク溶接において、予め設定された波形パラメータに基づいて前記パルス波形が異なる2種類のパルス信号として第1パルスと第2パルスとを交互に生成して前記溶接電源に出力すると共に前記溶滴のくびれが検出された場合に直ちに前記第1パルスの電流値を検出時の電流値よりも低い所定値に切り替える溶接制御装置によるアーク長制御方法であって、
前記パルス周期は、前記第1パルス波形のピーク期間およびベース期間を含む第1パルス期間と、前記第2パルス波形のピーク期間およびベース期間を含む第2パルス期間とからなり、
前記溶接制御装置は、
溶接中に溶接電流を検出するステップと、
溶接中に溶接電圧を検出するステップと、
下記の式(1)に示されるパラメータとして、予め設定された、溶接電源の外部特性の傾きKs、前記第2パルス期間における溶接電流設定値Is2、および前記第2パルス期間における溶接電圧設定値Vs2の各情報の入力を受け付けるステップと、
下記の式(1)に示されるパラメータとして、前記第2パルス期間において検出された溶接電流の瞬時値Io2および溶接電圧の瞬時値Vo2の各情報の入力を受け付けるステップと、
前記パルス周期において前記第1パルス期間を終了して前記第2パルス期間を開始した時点から、下記の式(1)で表す電圧誤差積分値Sv2の演算を開始し、演算結果が0となった時点で演算を終了するステップと、
前記演算の結果、前記電圧誤差積分値Sv2の値が0と等しくなったか否か比較するステップと、
前記2種類のパルス波形を交互に生成するに際して、前記パルス周期毎に、前記電圧誤差積分値Sv2の値が0と等しくなった時点で、当該パルス周期を終了して次回のパルス周期を開始するステップと、
を含んで実行することを特徴とするアーク長制御方法。
- 請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の溶接制御装置と、
ワイヤ収納容器からワイヤ送給路を通してワイヤをトーチに送り出すワイヤ送給装置と、
前記ワイヤ送給装置を駆動すると共に、前記溶接制御装置が前記第1パルス波形および第2パルス波形に基づいて出力する溶接指令信号に基づき、前記ワイヤ送給装置から前記トーチに送り出されたワイヤに溶接電流を供給する溶接電源と、
前記トーチを保持し、前記トーチを移動させるアーク溶接ロボットと、
溶接経路および溶接作業条件を示すコマンドを入力する制御盤を有し前記入力されたコマンドに基づいて前記アーク溶接ロボットを制御するロボット制御装置と、
を備えることを特徴とする溶接システム。
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