JP5996323B2 - 溶接機及び溶接機の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、シールドガスを用いるアーク溶接機及びその溶接機の制御方法に関する。

溶接機において、アーク周りにシールドガスの噴射を行い、溶接外観に影響を与える外乱要素を含む外気からアークを遮蔽してアークの点弧状態の安定化を図るガスシールドアーク溶接機が知られている。この種の溶接機としては例えば特許文献１に開示のものがあり、同文献の溶接機では、アーク音（溶接音）をマイクにて採取し、採取した音の２０ｋＨｚ付近の周波数の音圧レベルから風による外乱を検出する手段が備えられている。

特開平１０−９９４１号公報

ところで、外乱によりアーク状態が悪化すると溶接外観が悪化する虞があるため、特許文献１の溶接機では、風による外乱を検出すると、その風が弱くなるまで溶接を一時的に中断するとある。しかしながら、溶接を一時中断させて再開させると、ビードに継ぎ目が生じるため、このことも溶接外観を悪化させる一つの要因である。つまり、溶接の一時中断、再開を極力回避することが望まれている。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、外乱が生じても極力アーク停止とせずアーク状態の安定化を図り、溶接外観を向上することができる溶接機及び溶接機の制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、アーク溶接のための出力電力を生成する電源生成手段と、アーク周りにシールドガスを噴射してアークを外乱から保護するガス供給手段と、アーク溶接に係る各種制御を行う制御手段とを備える溶接機に対し、マイクを用いてアーク音を取得しそのアーク音の音圧レベルから外乱によるアーク状態の変化を検出するアーク状態検出手段を備え、外乱によるアーク状態の悪化が検出されると前記制御手段によりアーク停止制御が実施される溶接機であって、前記アーク状態検出手段は、第１閾値を上回る前記音圧レベルの合計値、及び前記第１閾値よりも高い値に定められた第２閾値を上回る前記音圧レベルの合計値に基づいてアークの状態の変化を検出し、前記制御手段は、前記第１閾値を上回る前記音圧レベルの合計値が第１所定値以上であり、且つ前記第２閾値を上回る前記音圧レベルの合計値が第２所定値未満である場合に、前記アーク状態の悪化の改善を図るアーク安定化制御を実施し、前記第２閾値を上回る前記音圧レベルの合計値が前記第２所定値以上である場合に、前記アーク停止制御を実施する。

この発明では、外乱によるアーク状態の悪化に伴うアーク停止制御を行う前段階で、アーク状態の悪化の改善を図るアーク安定化制御が実施される。つまり、アーク停止の前にアーク状態の安定維持が図られることでアーク溶接が継続できるため、溶接外観の連続性が保たれ、溶接外観の向上に貢献する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の溶接機において、前記制御手段は、前記アーク安定化制御として、シールドガス流量を増加するガス流量制御、及びアーク長を短くするアーク長制御の少なくとも一方の制御を実施する。

この発明では、アーク安定化制御として、シールドガス流量を増加するガス流量制御、及びアーク長を短くするアーク長制御の少なくとも一方の制御が実施される。つまり、アーク周りのシールドガス量を増加させること、アーク長を短くすることの両者はアークへの外乱の影響を小さくできるため、これがアーク状態の確実な安定維持、溶接の継続性に繋がる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の溶接機において、前記電源生成手段は、スイッチング回路を備えるものであり、前記アーク状態検出手段は、前記アーク音の内、前記スイッチング回路のスイッチング周波数を含む所定帯域の音圧レベルからアーク状態の変化を検出する。

この発明では、アーク音の内、電源生成手段に備えられるスイッチング回路のスイッチング周波数を含む所定帯域の音圧レベルからアーク状態の変化が検出される。外乱によるアーク状態の悪化に伴ってスイッチング回路の駆動負荷が増大し、アーク音の同帯域の音圧レベルがそれに比して増大することから、同帯域のアーク音の音圧レベルを検出することで、アーク状態の検出を容易で適切に行うことが可能である。

請求項４に記載の発明は、アーク溶接のための出力電力を生成する電源生成手段と、アーク周りにシールドガスを噴射してアークを外乱から保護するガス供給手段と、マイクを用いてアーク音を取得しそのアーク音の音圧レベルから外乱によるアーク状態の変化を検出するアーク状態検出手段とを備える溶接機に対し、外乱によるアーク状態の悪化が検出されるとアーク停止制御を実施する溶接機の制御方法であって、第１閾値を上回る前記音圧レベルの合計値、及び前記第１閾値よりも高い値に定められた第２閾値を上回る前記音圧レベルの合計値に基づいてアークの状態の変化を検出し、前記第１閾値を上回る前記音圧レベルの合計値が第１所定値以上であり、且つ前記第２閾値を上回る前記音圧レベルの合計値が第２所定値未満である場合に、前記アーク状態の悪化の改善を図るアーク安定化制御を実施し、前記第２閾値を上回る前記音圧レベルの合計値が前記第２所定値以上である場合に、前記アーク停止制御を実施する。

この発明では、請求項１と同様の作用効果が得られる制御方法である。

本発明によれば、外乱が生じても極力アーク停止とせずアーク状態の安定化を図り、溶接外観を向上することができる溶接機及び溶接機の制御方法を提供することができる。

一実施形態におけるアーク溶接機の概略構成図。 ２段階の制御態様の切り替えを説明するための説明図。 ２段階の制御態様を説明するためのフロー図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、本実施形態の溶接機１０は、ガスシールドアーク溶接機である。溶接電源装置１１は、三相交流の商用電源等からアーク溶接に適した直流の出力電力を生成する。電源装置１１内には、その出力電力の生成を含むアーク溶接の統合的な制御を行う制御回路１２を備えている。電源装置１１の一方の出力端子は、電力線及び通信線を含む接続ケーブル１３を介して送給装置１４に接続され、該送給装置１４は同じく電力線及び通信線を含む接続ケーブル１３を介して溶接トーチ１５に接続される。電源装置１１の他方の出力端子は、接地用ケーブル１６を介して溶接対象（母材）１７に接続される。

送給装置１４は、溶接トーチ１５に対してワイヤ電極１８の送給を行う（送給装置１４と溶接トーチ１５との間のワイヤ電極については図示略）。即ち、溶接トーチ１５ではワイヤ電極１８が支持され、溶接時に電源装置１１からの出力電力の供給に基づいてワイヤ電極１８の先端から溶接対象１７に対してアークを生じさせるが、そのアークによりワイヤ電極１８が消耗する。送給装置１４は、電源装置１１の制御回路１２の制御に基づき、ワイヤ電極１８の消耗状況等に応じた送給速度でワイヤ電極１８の送給動作を行う。ワイヤ電極１８の送給速度は、制御回路１２にてその都度適切値に設定される。

溶接トーチ１５においては、ワイヤ電極１８からのアークの発生とともに、そのアークの周囲（電極１８の周囲）にシールドガスＧの噴射が行われる。即ち、ガス貯蔵装置１９と送給装置１４との間、及び送給装置１４と溶接トーチ１５との間は、ガス貯蔵装置１９にて貯蔵されるシールドガスＧのトーチ１５への送給が可能にそれぞれ送給ホース２０にて接続される。ガス貯蔵装置１９には、ガスＧの流量を調整するガスレギュレータ２１が備えられ、該レギュレータ２１は、制御回路１２の制御に基づき、溶接トーチ１５にて噴射させるガスＧの流量調整を行う。ガスＧの流量は、制御回路１２にてその都度適正値に設定される。

また、溶接トーチ１５には、操作スイッチ２２が備えられている。操作スイッチ２２は、アーク溶接の開始や停止（オン・オフ）、出力電流・電圧といったパラメータ調整、連続アークやパルスアークといったアーク態様変更等、溶接に係る各種の操作指令が可能であり、各種指令信号は接続ケーブル１３を介して制御回路１２に送信される。

また、溶接トーチ１５には、ワイヤ電極１８のアーク音を含む電極１８の先端付近の音を採取するマイク２３が接続されている。マイク２３にて採取した音は、音信号として溶接トーチ１５内に備えられる処理回路２４に入力される。処理回路２４は、入力部にバンドパスフィルタ（図示略）を備え、該フィルタを通過させて、本実施形態で有用なａ帯域（１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ帯域）の音のみを取得するようにしている。

ここで、電源装置１１には、出力電力をその時々で適正に制御するスイッチング回路として例えばインバータ１１ａが備えられており、インバータ１１ａはＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）によるスイッチングが行われる。このインバータ１１ａのスイッチング周波数は、１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの内のいずれかの周波数に設定されるのが一般的である。従って、アーク音には、インバータ１１ａの１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚのスイッチング周波数の音（ａ帯域の音）が含まれる。

そして、シールドガスＧの噴射状態が風等の外乱にて乱れてアーク点弧状態が悪化し始めると、電源装置１１（制御回路１２）としてはアーク安定化のために出力を増大させるべく、インバータ１１ａのＰＷＭ制御のディーティが高く設定される。すると、インバータ１１ａの駆動負荷が増大し、アーク音のａ帯域の音圧レベルは増大する。逆に、インバータ１１ａの駆動負荷が減少すると、アーク音のａ帯域の音圧レベルは低下する。つまり、アーク音のａ帯域の音圧レベルを検出することで、シールドガスＧの噴射状態が乱れてアーク状態が悪化したかの判定が可能である。

これを踏まえ、処理回路２４は、ａ帯域の音をフーリエ変換等の処理を行って音圧分布を作成し、ａ帯域内で細分化した周波数帯のうちの少なくとも１箇所の音圧レベルと閾値との比較を行う。本実施形態では図２に示すように、その閾値に第１閾値ｔｈ１と第１閾値ｔｈ１よりも高い第２閾値ｔｈ２との２つが用いられ、処理回路２４ではアークの状態について両閾値ｔｈ１，ｔｈ２を用いた２段階の判定が行われる。

このような構成の溶接機１０の動作（作用）を図３に示すフローを参照しつつ説明すると、アーク溶接とともにマイク２３を用いたアーク音の取得が行われ（ステップＳ１，Ｓ２）、アーク音のａ帯域内の音圧レベルが第１閾値ｔｈ１未満の場合（ステップＳ３→Ｓ４）、処理回路２４はアークが安定状態であると判定し、その旨の判定信号を制御回路１２に出力する。制御回路１２は、その判定信号に基づいて、インバータ１１ａに対して通常のスイッチング制御を行い、またアーク周囲にて噴射するシールドガスＧを通常の流量とする制御を行う。

アーク音のａ帯域内の音圧レベルが第１段階として第１閾値ｔｈ１を上回ると（ステップＳ３→Ｓ５→Ｓ６）、処理回路２４はアーク状態が若干悪化、より詳しくはその後のアーク安定化制御が可能な許容範囲内で若干悪化したと判定し、その旨の判定信号を制御回路１２に出力する。制御回路１２は、その判定信号に基づいて、外乱による影響が小さくなる制御態様に切り替えてアーク安定化を図る制御を行う。この場合のアーク安定化を図るための制御としては、ガスレギュレータ２１に対する制御としてシールドガスＧの流量を増加してシールド効果を高める制御や、送給装置１４及びインバータ１１ａに対する制御としてアーク長を短くする制御がある。制御回路１２は、そのいずれか一方の制御、若しくはその両方の制御を行う。これにより、外乱にて状態が悪化しかけたアークの安定化が図られる。

また、外乱が大きく第１段階でアークの安定化を図る制御を行ってもアークの状態が一層悪化すると、アーク音のａ帯域内の音圧レベルが第２段階として第２閾値ｔｈ２を上回ると（ステップＳ５→Ｓ７）。処理回路２４は、その旨の判定信号を制御回路１２に出力する。制御回路１２は、その判定信号に基づいて、インバータ１１ａの動作停止（アーク出力停止）とともに、シールドガスＧの噴射を停止する。

つまり、本実施形態では、アーク状態が若干悪化し始めた第１段階でアークの安定化が図られ、それでもアーク状態がより悪化して初めてアークの停止がなされるため、外乱が生じてもアーク溶接状態が極力維持され、ビードの連続性を保つ等の溶接外観の向上に貢献する。

次に、本実施形態の特徴的な効果を記載する。
（１）制御回路１２は、外乱によるアーク状態の悪化に伴うアーク停止制御を行う前段階（第１段階）で、アーク状態の悪化の改善を図るアーク安定化制御を実施する。つまり、アーク停止の前にアーク状態の安定維持が図られることでアーク溶接が継続できるため、溶接外観（ビード）の連続性が保たれ、溶接外観の向上に貢献することができる。

（２）アーク安定化制御としては、シールドガスＧの流量を増加するガス流量制御、及びアーク長を短くするアーク長制御の少なくとも一方の制御が実施される。つまり、アーク周りのシールドガス量を増加させること、アーク長を短くすることの両者はアークへの外乱の影響を小さくできるため、これがアーク状態の確実な安定維持、溶接の継続性に繋がる。

（３）アーク音の内、電源装置１１のインバータ１１ａのスイッチング周波数（１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ）を含むａ帯域の音圧レベルからアーク状態の変化が検出される。外乱によるアーク状態の悪化に伴ってインバータ１１ａの駆動負荷が増大し、アーク音の同帯域の音圧レベルがそれに比して増大することから、同帯域のアーク音の音圧レベルを検出することで、アーク状態の検出を容易で適切に行うことができる。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・処理回路２４を溶接トーチ１５内に備え、マイク２３で採取した音の分析、アーク状態の判定を行う処理回路２４をトーチ１５側に配置したが、制御回路１２に処理回路２４を配置し、制御回路１２側で音の分析、アーク状態の判定を行うようにしてもよい。

・マイク２３を溶接トーチ１５に接続したが、送給装置１４に接続する態様としてもよい。また、マイク２３から制御回路１２への信号送信を接続ケーブル１３を介した有線送信としたが、マイク２３側に送信機、制御回路１２側に受信機を備え、両者間の信号送信を無線送信としてもよい。

・アーク音の１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲内で細分化した周波数のうちの少なくとも１箇所の音圧レベルと閾値ｔｈ１，ｔｈ２との比較にて、アーク安定化制御、アーク停止制御の切り替え判定を行ったが、これに限らない。例えば、より重要な周波数帯の音を少なくとも含んで判定したり、各閾値ｔｈ１，ｔｈ２においてそれぞれ上回る音圧レベルの合計値（面積）で判定したりする等、判定態様を適宜変更してもよい。

・アーク安定化制御としては、シールドガスＧの流量を増加するガス流量制御、アーク長を短くするアーク長制御のいずれか一方のみでもよい。また、その両方の制御を実施してもよい。また、これら以外のアーク安定化制御を用いてもよい。

・制御態様がアーク安定化制御に切り替わった場合、その旨を表示、音、外部信号出力等を以て外部に報知するようにしてもよく、この場合、制御態様がアーク安定化制御に切り替わったことを関係者、関係装置等が認識することができる。

・図３のフローは一例であり、適宜変更してもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想を以下に追記する。
（イ） 請求項３に記載の溶接機において、
前記アーク状態検出手段は、前記アーク音の内、１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの帯域の音圧レベルからアーク状態の変化を検出することを特徴とする溶接機。

（ロ） 請求項１〜３及び上記（イ）のいずれか１項に記載の溶接機において、
前記制御手段は、前記アーク安定化制御の実施の際、その旨を外部に報知することを特徴とする溶接機。

Ｇ シールドガス
１０ 溶接機
１１ 溶接電源装置（電源生成手段）
１１ａ インバータ（電源生成手段、スイッチング回路）
１２ 制御回路（制御手段）
１９ ガス貯蔵装置（ガス供給手段）
２１ ガスレギュレータ（ガス供給手段）
２３ マイク
２４ 処理回路（アーク状態検出手段）

Claims (4)

1. アーク溶接のための出力電力を生成する電源生成手段と、アーク周りにシールドガスを噴射してアークを外乱から保護するガス供給手段と、アーク溶接に係る各種制御を行う制御手段とを備える溶接機に対し、マイクを用いてアーク音を取得しそのアーク音の音圧レベルから外乱によるアーク状態の変化を検出するアーク状態検出手段を備え、外乱によるアーク状態の悪化が検出されると前記制御手段によりアーク停止制御が実施される溶接機であって、
   前記アーク状態検出手段は、第１閾値を上回る前記音圧レベルの合計値、及び前記第１閾値よりも高い値に定められた第２閾値を上回る前記音圧レベルの合計値に基づいてアークの状態の変化を検出し、
   前記制御手段は、前記第１閾値を上回る前記音圧レベルの合計値が第１所定値以上であり、且つ前記第２閾値を上回る前記音圧レベルの合計値が第２所定値未満である場合に、前記アーク状態の悪化の改善を図るアーク安定化制御を実施し、前記第２閾値を上回る前記音圧レベルの合計値が前記第２所定値以上である場合に、前記アーク停止制御を実施することを特徴とする溶接機。
2. 請求項１に記載の溶接機において、
   前記制御手段は、前記アーク安定化制御として、シールドガス流量を増加するガス流量制御、及びアーク長を短くするアーク長制御の少なくとも一方の制御を実施することを特徴とする溶接機。
3. 請求項１又は２に記載の溶接機において、
   前記電源生成手段は、スイッチング回路を備えるものであり、
   前記アーク状態検出手段は、前記アーク音の内、前記スイッチング回路のスイッチング周波数を含む所定帯域の音圧レベルからアーク状態の変化を検出することを特徴とする溶接機。
4. アーク溶接のための出力電力を生成する電源生成手段と、アーク周りにシールドガスを噴射してアークを外乱から保護するガス供給手段と、マイクを用いてアーク音を取得しそのアーク音の音圧レベルから外乱によるアーク状態の変化を検出するアーク状態検出手段とを備える溶接機に対し、外乱によるアーク状態の悪化が検出されるとアーク停止制御を実施する溶接機の制御方法であって、
   第１閾値を上回る前記音圧レベルの合計値、及び前記第１閾値よりも高い値に定められた第２閾値を上回る前記音圧レベルの合計値に基づいてアークの状態の変化を検出し、
   前記第１閾値を上回る前記音圧レベルの合計値が第１所定値以上であり、且つ前記第２閾値を上回る前記音圧レベルの合計値が第２所定値未満である場合に、前記アーク状態の悪化の改善を図るアーク安定化制御を実施し、前記第２閾値を上回る前記音圧レベルの合計値が前記第２所定値以上である場合に、前記アーク停止制御を実施することを特徴とする溶接機の制御方法。