JP5426076B2 - アーク溶接のビード形状シミュレーション装置 - Google Patents

Description

本発明は、アーク溶接のビード形状をシミュレーションによって推定するためのアーク溶接のビード形状シミュレーション装置に関するものである。

アーク溶接の品質は、溶接の結果得られたビード形状（ビード幅、余盛り高さ、溶け込み、欠陥の有無等）によって決まる。溶接電源の制御技術の向上とともに溶接安定性は向上したが、最適なビード形状が得られる溶接条件の選定は、依然として熟練作業者の経験に頼っているのが実情である。しかし熟練作業者においても、未経験の溶材を使った溶接又は新しい素材の溶接を行う場合、溶接条件の選定は試行錯誤に頼らざるを得ない。このために、試験溶接のためのスペースの確保や、試験溶接用の溶接ワーク、溶材、時間等が余計にかかり、製品コストアップの要因となる。さらに、初心者の場合、熟練作業者なみの経験を得るには、最適な溶接条件が得られるまで実溶接による試行錯誤が必要であるため更に時間を要する。

このような背景のもと、当初は過去の施工データに基づいて溶接条件を選定する技術が開発された。しかし、この方法では、過去に実績のない施工条件で溶接を行う場合、適正な溶接条件が導出されないという問題があり、適用範囲が限定されていた。この問題を解決するために、溶融池形状を熱伝導計算によって算出し、溶接ビード形状を推定するシミュレーション技術が開発されている（特許文献１参照）。このようなシミュレーションによる方法では、過去の施工データに依存しないので、実績のない施工条件であっても健全なビード形状を形成することができる溶接条件を導出することができる。以下、シミュレーションによって溶接ビードを推定する従来技術について説明する。

図５は、従来技術におけるアーク溶接のビード形状シミュレーション装置
のブロック図の一例である。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。

入出力デバイスＩＯＤは、溶接ビード形状シミュレーションに使用する種々の緒言データ及びシミュレーション結果の表示データからなる入出力信号ｉodを入出力する。管理ブロックＭＢは、この緒言データｓ１を緒言データベースＤＢに出力すると共に、後述するシミュレーション結果表示信号ｄｍを上記の入出力デバイスＩＯＤに出力する。緒言データベースＤＢは、熱源モデル用緒言データｓ11及び溶融地モデル用緒言データｓ12を出力する。熱源モデル用緒言データｓ11は、溶接ワイヤ種別、ワイヤ径、シールドガス種別、溶接法、ワイヤ突き出し長さ、電流設定値（ワイヤ送給速度）、電圧設定値、溶接速度等からなる。また、溶融地モデル用緒言データｓ12は、母材材質、継手形状、ワーク設置角度、溶接速度等からなる。

熱源モデルＨＳＭは、アーク熱源をモデル化したものであり、上記の熱源モデル用緒言データｓ11に基づいて母材への入熱量を数値演算し、入熱量算出信号ｑｃ［Ｗ］を出力する。溶融地モデルＭＰＭは、この入熱量算出信号ｑｃを入力として、上記の溶融地モデル用緒言データｓ12に基づいて溶融池形状を熱伝導計算し、それに基づいて溶接ビード形状を推定し、溶接ビード形状推定信号ｂａを出力する。保存・変換ブロックＤＭは、この溶接ビード形状推定信号ｂａを保存すると共に、溶接ビード形状をグラフィック表示するためのデータに変換してシミュレーション結果表示信号ｄｍを出力する。推定された溶接ビード形状は、上記の入出力デバイスＩＯＤにグラフィックス表示される。

特開２００１−２０５４３７号公報

従来技術の溶接ビード形状シミュレーションにおいて、図５で上述した熱源モデルＨＳＭにおける入熱量ｑｃを、一定値の直流電流Ｉｃ・電圧Ｖｃがアーク負荷に供給されると仮定して算出するのが一般的である。すなわち、入熱量ｑｃ＝ｉｏ×ｖｏ＝Ｉｃ×Ｖｃとなる。ここで、ｉｏは瞬時溶接電流であり、ｖｏは瞬時溶接電圧である。ここで、溶接速度をｗｖとすると、母材への単位溶接長当たりの入熱量はｑｃ／ｗｖとなる。この結果、瞬時溶接電流ｉｏ及び瞬時溶接電圧ｖｏを一定値として扱う限り、単位溶接長当たりの入熱量は常に一定値となるために、上述した溶融地モデルＭＰＭによる溶接ビード形状の推定精度が低くなる。この理由は、以下のとおりである。すなわち、溶接ビード形状の計算には溶融値表面でのアーク圧力（瞬時溶接電流ｉｏの関数）を考慮する必要があり、瞬時溶接電流ｉｏを考慮することによって、溶融値表面の様々な力のバランスを精密に計算できるようになる。これに対して、瞬時溶接電流ｉｏ及び瞬時溶接電圧ｖｏを一定値として扱うと、常に溶融地表面にかかるアーク圧力は一定値となり、溶接ビード推定の精度は低くなる。

上述したように、溶接ビード形状の推定精度を向上させるためには、熱源モデルＨＳＭにおいて、瞬時溶接電流ｉｏ及び瞬時溶接電圧ｖｏを精密に演算して、入熱量ｑｃ＝ｉｏ×ｖｏを出力する必要がある。このためには、溶接電源の電圧・電流制御を考慮して熱源モデルＨＳＭを構築する必要がある。溶接電源では、溶接状態を安定化するために、種々の出力制御（アーク長制御、溶接電流・電圧波形制御等）が行われている。したがって、熱源モデルＨＳＭに溶接電源の電圧・電流制御を組み込むに際しては、溶接電源がどのメーカのどの機種であるかを特定した上で熱源モデルＨＳＭを構築する必要があった。この結果、溶接ビード形状シミュレーション装置を使用したときに、シミュレーション装置の熱源モデルＨＳＭが対象とした溶接電源の機種と実際に施工に使用する溶接電源の機種が異なる場合には、両者の電圧・電流制御方法が異なるために、溶接ビード形状の推定精度が低下するという問題があった。これを解決するためには、全ての溶接電源の機種ごとに熱源モデルＨＳＭ、をカスタマイズすればよいが、熱源モデルＨＳＭ内部は複雑な演算式によって構成されているために、溶接電源に関係する項目を分別してカスタマイズする手間は膨大であり現実的ではない。

そこで、本発明では、溶接電源の機種が変更されても入熱量を精密に算出することができる熱源モデルを容易に構築することができ、溶接ビード形状を高精度に推定することができるアーク溶接のビード形状シミュレーション装置を提供する。

上述した課題を解決するために、第１の発明は、アークから溶融池への入熱量を算出する熱源モデルと、この入熱量に基づいて溶融池形状を熱伝導計算によって算出して溶接ビード形状を推定する溶融地モデルと、を備えたアーク溶接のビード形状シミュレーション装置において、
瞬時溶接電圧をフィードバック信号として入力して瞬時溶接電流を出力する溶接電源をモデル化した溶接電源模擬ブロックを設け、
前記熱源モデルは前記瞬時溶接電流を入力として瞬時溶接電圧を出力するアーク負荷をモデル化したアーク負荷模擬部を含み、この瞬時溶接電圧は前記溶接電源模擬ブロックにフィードバック信号として入力されると共に前記瞬時溶接電流及び前記瞬時溶接電圧に基づいて前記入熱量を算出する、ことを特徴とするアーク溶接のビード形状シミュレーション装置である。

第２の発明は、複数の溶接電源の種類に対応した複数の前記溶接電源模擬ブロックを設け、溶接電源の種類が選択されると対応する１つの前記溶接電源模擬ブロックが選択される、ことを特徴とする第１の発明記載のアーク溶接のビード形状シミュレーション装置である。

上記第１の発明によれば、溶接電源の出力制御をモデル化した溶接電源模擬ブロックを熱源モデルとは独立して設け、かつ、溶接電源模擬ブロックと熱源モデルとの間は瞬時溶接電流及び瞬時溶接電圧が入出力するようにインターフェースを明確にしている。このために、施工に使用する溶接電源の種類が決まった場合、上記のインターフェース仕様を充足するように溶接電源のみをモデル化すれば良いので、溶接電源模擬ブロックを用意に構築することができる。この結果、溶接電源模擬ブロック及び熱源モデルの連携によって瞬時溶接電流及び瞬時溶接電圧を正確に算出することができ、溶接ビード形状の推定精度の高いシミュレーション装置が実現できる。

上記第２の発明によれば、複数の溶接電源の種類に対応した複数の溶接電源模擬ブロックを予め用意しておき、施工に使用する溶接電源が決まったときは、その溶接電源に対応する溶接電源模擬ブロックを選択することによって、常に高精度の溶接ビード形状の推定が可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係るアーク溶接のビード形状シミュレーション装置を示すブロック図である。同図において、上述した図５と同一のブロックには同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、異なるブロックについて同図を参照して説明する。

第２熱源モデルＨＳＭ２は、アーク負荷模擬部及び入熱演算部を内臓している。溶接電源模擬ブロックＰＳＳは、独立して設けられている。したがって、この第２熱源モデルＨＳＭ２は、上記の熱源モデル用緒言データｓ11によってシミュレーション条件を設定し、後述する溶接電源模擬ブロックＰＳＳからの瞬時溶接電流信号ｉｏを入力としてアーク負荷模擬部によって瞬時溶接電圧信号ｖｏを算出して溶接電源模擬ブロックＰＳＳに出力し、これら瞬時溶接電流信号ｉｏ及び瞬時溶接電圧信号ｖｏを入力として入熱演算部によって入熱量産出信号ｑｃを出力する。

溶接電源模擬ブロックＰＳＳは、電流設定制御ブロックＣＣ及び電源主回路模擬ブロックＯＰＣからなる。電流設定制御ブロックＣＣは、溶接電源のフィードバック制御系をモデル化したものであり、上記の瞬時溶接電圧信号ｖｏをフィードバック信号として電流設定制御信号ｉcrを出力する。最近の溶接電源の制御回路はソフトウェアによって構成されているので、電流設定制御ブロックＣＣはそのソフトウェアそれ自体を使うことになり、簡単に構築することができる。

電源主回路模擬ブロックＯＰＣは、溶接電源の主回路をモデル化したものであり、伝達関数等によって比較的シンプルなモデルとして構築することができる。上記の電流設定制御ブロックＣＣ及び電源主回路模擬ブロックＯＰＣについては、パルスアーク溶接電源の場合を例として、図２〜３において詳述する。

図２は、消耗電極式パルスアーク溶接において、図１で上述した溶接電源模擬ブロックＰＳＳにおける各信号の波形図である。同図（Ａ）は電流設定制御信号ｉcrを示し、同図（Ｂ）は瞬時溶接電流ｉｏを示し、同図（Ｃ）は瞬時溶接電圧ｖｏを示す。以下、同図を参照して説明する。

時刻ｔ１〜ｔ２に示す予め定めたピーク期間Ｔｐ中は、同図（Ａ）に示すように、電流設定制御信号ｉcrの値は予め定めたピーク電流設定値ｉprとなり、同図（Ｂ）に示すように、瞬時溶接電流ｉｏは溶接電源内外における通電路のリアクトル（インダクタンス値Ｌ）及び抵抗値ｒによって傾斜をもって立ち上がり、その後はピーク電流値ｉｐとなる。また、同図（Ｃ）に示すように、瞬時溶接電圧ｖｏも傾斜をもって立ち上がり、その後はピーク電圧値ｖｐとなる。

時刻ｔ２〜ｔ３に示すフィードバック制御によって定まるベース期間Ｔｂ中は、同図（Ａ）に示すように、電流設定制御信号ｉcrの値は予め定めたベース電流設定値ｉbrとなり、同図（Ｂ）に示すように、瞬時溶接電流ｉｏは通電路のインダクタンス値Ｌ及び抵抗値ｒによって傾斜をもって立ち下り、その後はベース電流値ｉｂとなる。また、同図（Ｃ）に示すように、瞬時溶接電圧ｖｏも傾斜をもって立ち下り、その後はベース電圧値ｖｂとなる。

同図（Ｃ）に示すように、上記のベース期間Ｔｂの長さは、瞬時溶接電圧ｖｏの平均値（アーク長に比例）が所定の溶接電圧設定値Ｖｒに等しくなるようにフィードバック制御される。

図３は、パルスアーク溶接電源のブロック図である。大きく分けると一点鎖線で囲まれた電流設定制御ブロックＣＣ及び電源主回路模擬ブロックＯＰＣとからなる。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。

電源主回路模擬ブロックＯＰＣは、定電流源ＣＳと、上述した通電路のインダクタンス値Ｌ［Ｈ］及び抵抗値ｒ［Ω］と、からなる。定電流源ＣＳは、インバータ制御、サイリスタ位相制御等によって形成され、後述する電流設定制御信号ｉcrによって設定された値の電流を通電する。インダクタンス値Ｌは、内部の直流リアクトル及び外部のケーブル引き回しによるリアクトルの合計値であり、数十〜数百μＨ程度の値である。また、抵抗値ｒは溶接電源内外の配線による抵抗であり、数十ｍΩ程度の値である。

第２熱源モデルＨＳＭ内には、上述したように、アーク負荷模擬部が構成されており、電源主回路模擬ブロックＯＰＣの出力と接続されている。アーク負荷模擬部は、実際の溶接装置において、溶接ワイヤ１が送給モータに結合された送給ロール５によって溶接トーチ４内を送給され母材２との間でアーク３が発生するのをモデル化したものである。したがって、アーク負荷模擬部へは瞬時溶接電流ｉｏが入力されて、瞬時溶接電圧ｖｏが出力される。

電流設定制御ブロックＣＣは、以下に示すように溶接電源のフィードバック制御系をモデル化したものであり、上記の瞬時溶接電圧ｖｏを入力として上記の電流設定制御信号ｉcrを出力する。溶接電圧設定回路ＶＲは、予め定めた溶接電圧設定信号Ｖｒを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の瞬時溶接電圧ｖｏと溶接電圧設定信号Ｖｒとの誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号ΔＶを出力する。電圧・周波数変換回路ＶＦは、この電圧誤差増幅信号ΔＶの値に応じた周波数を有する信号に変換して、パルス周期信号Ｖｆを出力する。このパルス周期信号Ｖｆは、上述した図２において、１周期（Ｔｐ＋Ｔｂ）ごとに短時間だけＨｉｇｈレベルになる信号であり、ピーク期間Ｔｐの開始タイミングとなる。

電流設定制御回路ＩＣＲは、図２（Ａ）に示すように、上記のパルス周期信号ＶｆがＨｉｇｈレベルになるとピーク期間設定値Ｔprの間はピーク電流設定値ｉprとなり、その後のベース期間中はベース電流設定値ｉbrとなる電流設定制御信号ｉcrを出力する。この信号ｉcrに従って定電流源ＣＳが制御される。

このようにして、溶接電源模擬ブロックＰＳＳを構成する電源主回路模擬ブロックＯＰＣ及び電流設定制御ブロックＣＣが構築される。溶接電源の制御回路はソフトウェアによって形成されていることが多いので、電流設定制御ブロックＣＣはそのソフトウェアそれ自体として構築することができる。

上述した実施の形態１によれば、溶接電源の出力制御をモデル化した溶接電源模擬ブロックを熱源モデルとは独立して設け、かつ、溶接電源模擬ブロックと熱源モデルとの間は瞬時溶接電流及び瞬時溶接電圧が入出力するようにインターフェースを明確にしている。このために、施工に使用する溶接電源の種類が決まった場合、上記のインターフェース仕様を充足するように溶接電源のみをモデル化すれば良いので、溶接電源模擬ブロックを用意に構築することができる。この結果、溶接電源模擬ブロック及び熱源モデルの連携によって瞬時溶接電流及び瞬時溶接電圧を正確に算出することができ、溶接ビード形状の推定精度の高いシミュレーション装置が実現できる。

［実施の形態２］
図４は、本発明の実施の形態２に係るアーク溶接のビード形状シミュレーション装置のブロック図である。同図において上述した図１と同一のブロックには同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、異なるブロックについて同図を参照して説明する。

第２溶接電源模擬ブロックＰＳＳ２には、新たに溶接電源模擬ブロックデータベースＤＢ２を内蔵する。この溶接電源模擬ブロックデータベースＤＢ２は、複数の機種の溶接電源に対応した電源主回路模擬ブロックＯＰＣ及び電流設定制御ブロックＣＣのデータを蓄積している。入出力デバイスＩＯＤによって溶接電源の機種を選択すると、管理ブロックＭＢから溶接電源選択信号ｓ２が上記の溶接電源模擬ブロックデータベースＤＢ２に入力される。溶接電源模擬ブロックデータベースＤＢ２は、この溶接電源選択信号ｓ２によって選択された溶接電源のモデルデータｐs1、ｐs2を電源主回路模擬ブロックＯＰＣ及び電流設定制御ブロックＣＣに出力して設定する。これによって、シミュレーションしたい溶接電源のモデルデータを簡単に設定することができる。

上述した実施の形態２によれば、複数の溶接電源の種類に対応した複数の溶接電源模擬ブロックを予め用意しておき、施工に使用する溶接電源が決まったときは、その溶接電源に対応する溶接電源模擬ブロックを選択することによって、常に高精度の溶接ビード形状の推定が可能となる。

本発明の実施の形態１に係るアーク溶接のビード形状シミュレーション装置のブロック図である。 図１における溶接電源模擬ブロックＰＳＳの例を示すためのパルスアーク溶接の電流・電圧波形図である。 図１における溶接電源模擬ブロックＰＳＳをパルスアーク溶接電源について例示したブロック図である。 本発明の実施の形態２に係るアーク溶接のビード形状シミュレーション装置のブロック図である。 従来技術におけるアーク溶接のビード形状シミュレーション装置のブロック図である。

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
ｂａ 溶接ビード形状推定信号
ＣＣ 電流設定制御ブロック
ＣＳ 定電流源
ＤＢ 緒言データベース
ＤＢ２ 溶接電源模擬ブロックデータベース
ＤＭ 保存・変換ブロック
ｄｍ シミュレーション結果表示信号
ＥＶ 電圧誤差増幅回路
ＨＳＭ 熱源モデル
ＨＳＭ２ 第２熱源モデル
ｉｂ ベース電流値
ｉbr ベース電流設定値
Ｉｃ・ 直流電流
ＩＣＲ 電流設定制御回路
ｉcr 電流設定制御信号
ｉｏ 瞬時溶接電流（信号）
ＩＯＤ 入出力デバイス
ｉod 入出力信号
ｉｐ ピーク電流値
ｉpr ピーク電流設定値
Ｌ インダクタンス値
ＭＢ 管理ブロック
ＭＰＭ 溶融地モデル
ＯＰＣ 電源主回路模擬ブロック
ｐs1、ｐs2 モデルデータ
ＰＳＳ 溶接電源模擬ブロック
ＰＳＳ２ 第２溶接電源模擬ブロック
ｑｃ 入熱量（算出信号）
ｒ 抵抗値
ｓ１ 緒言データ
ｓ11 熱源モデル用緒言データ
ｓ12 溶融地モデル用緒言データ
ｓ２ 溶接電源選択信号
Ｔｂ ベース期間
Ｔｐ ピーク期間
Ｔpr ピーク期間設定値
ｖｂ ベース電圧値
Ｖｃ 直流電圧
ＶＦ 電圧・周波数変換回路
Ｖｆ パルス周期信号
ｖｏ 瞬時溶接電圧（信号）
ｖｐ ピーク電圧値
ＶＲ 溶接電圧設定回路
Ｖｒ 溶接電圧設定信号
ΔＶ 電圧誤差増幅信号

Claims (2)

1. アークから溶融池への入熱量を算出する熱源モデルと、この入熱量に基づいて溶融池形状を熱伝導計算によって算出して溶接ビード形状を推定する溶融地モデルと、を備えたアーク溶接のビード形状シミュレーション装置において、
   瞬時溶接電圧をフィードバック信号として入力して瞬時溶接電流を出力する溶接電源をモデル化した溶接電源模擬ブロックを設け、
   前記熱源モデルは前記瞬時溶接電流を入力として瞬時溶接電圧を出力するアーク負荷をモデル化したアーク負荷模擬部を含み、この瞬時溶接電圧は前記溶接電源模擬ブロックにフィードバック信号として入力されると共に前記瞬時溶接電流及び前記瞬時溶接電圧に基づいて前記入熱量を算出する、ことを特徴とするアーク溶接のビード形状シミュレーション装置。
2. 複数の溶接電源の種類に対応した複数の前記溶接電源模擬ブロックを設け、溶接電源の種類が選択されると対応する１つの前記溶接電源模擬ブロックが選択される、ことを特徴とする請求項１記載のアーク溶接のビード形状シミュレーション装置。

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