JP6081090B2 - 溶接機 - Google Patents

Description

本発明は、消耗電極式のアーク溶接機に関するものである。

消耗電極式のアーク溶接機は、例えば特許文献１に示されているように、溶接対象物（母材）と電極先端との間で生じるアークにてその電極先端が消耗するため、電極をワイヤ電極としてその消耗に応じて送給しながらアークによる溶接を行うようになっている。その際、電極先端にアークが生じる期間と、電極先端が溶接対象物に接触する短絡期間とが交互に繰り返される。

また、アークスタート時では、初期アークを発生させ、その後に定常アークに移行させることが行われる。即ち、アークスタート時において、先ずワイヤ電極を溶接対象物に接触させる前進動作とともに出力電圧をモニタし、出力電圧が所定低電圧に変化することで電極が溶接対象物に接触したと判定される。接触されたと判定されると、ワイヤ電極を後退動作に切り替えて電極先端が溶接対象物から一旦離間され、電極に初期アーク用の出力電流の通電がなされる。そして、電極先端にて初期アークが生じると、再びワイヤ電極を前進動作に切り替えて定常の出力電流の印加がなされ、これにより初期アークから定常アークに切り替わるというものである。

特開２００６−２２４１９０号公報

ところで、ワイヤ電極の先端に前回の溶接終了時等で生じた酸化物（抵抗物）が付着していたり、電源装置と電極との間に敷設するケーブル長が長く電圧降下が大きい場合等では、アークスタート時の接触判定が適切に行えない虞がある。この場合、次のワイヤ電極の後退動作が遅れるため、電極先端が溶接対象物に接触しているのにも拘わらず、溶接対象物に向かって前進動作が継続されてしまうことになる。すると、ワイヤ電極の途中部分が屈曲して溶接対象物に接触し、その途中部分から先にアークが生じて溶断し、電極の途中部分から先端部分が溶接対象物上に脱落することも起こりかねない。このことは、溶接外観を悪化させ、場合によっては溶接対象物が廃棄となる虞もある。

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、アークスタートを適切に行うことができる溶接機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、アークによる消耗に応じて溶接トーチへのワイヤ電極の送給を行う送給装置と、その送給動作を含む溶接制御を行う制御装置とを備える溶接機であって、前記制御装置は、前記ワイヤ電極にて発生するアーク音が採取可能なマイクを用い、採取した音から前記ワイヤ電極でのアークの発生有無の判定を行うアーク発生判定手段を備え、前記アーク発生判定は、前記マイクを用いて採取した所定帯域のアーク音にフーリエ変換処理を行って音圧分布を作成し、１０〜５００Ｈｚの範囲内で細分化した周波数のうちの閾値を上回る音圧レベルの合計値が所定値以上である場合にアークが発生したと判定し、溶接開始指令を契機として初期アークを発生させるアークスタート制御において、前記ワイヤ電極の前進動作及び前記ワイヤ電極へのアーク発生のための電流印加を行うとともに、前記指令から前記ワイヤ電極が溶接対象物に接触して初期アークが生じ得るのに相当する所定時間を計時し、その所定時間内に前記アーク発生判定手段により前記ワイヤ電極にてアークが生じていないと判定すると、前記所定時間の計時後に前記ワイヤ電極の送給を後退動作に切り替え、前記後退動作中に前記アーク発生判定手段がアークが発生したと判定した場合には、前記ワイヤ電極の送給方向を前進へと切り替えるようにした。

この発明では、溶接開始指令に基づいて、ワイヤ電極の前進動作及び電極へのアーク発生のための電流印加が行われるとともに、指令から電極が溶接対象物に接触して初期アークが生じ得るのに相当する所定時間が計時される。所定時間内に電極にてアークが生じた場合には、そのまま定常アークに移行する。所定時間内に電極にてアークが生じていない判定がなされると、所定時間の計時後に電極の送給が後退動作に切り替えられる。つまり、ワイヤ電極の前進動作時の所定時間内にアークが生じない（アーク音が検出できない）場合、それ以上の前進供給にて電極が溶接対象物に接触して大きく屈曲し得るために後退動作に切り替える必要があるが、その電極の後退動作の切り替えが時間管理で行われるため、電極の後退動作が安定して行われる。そのため、屈曲した電極の途中からアークが生じるといった事象等を防止でき、適切なアークスタートが可能となる。

本発明によれば、アークスタートを適切に行うことができる溶接機、及びその溶接機の制御装置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。 アーク音を含む音圧分布を説明するための説明図。 アークスタート時の電極先端の動作を説明するための説明図。 アークスタート制御処理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、消耗電極式の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を介して溶接対象物（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物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、ガスの送給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へのガスの送給量（トーチ１５からの噴射量）の調整を行う。レギュレータ２１からのガス送給量は、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「１０〜５００Ｈｚ」の帯域の音のみを取得し、外乱音の排除を行っている。アーク溶接機１０にて扱うアーク音のピーク周波数は、図２に示すように、出力設定値等に応じて若干シフトするものの「１００Ｈｚ」前後であるため、「１０〜５００Ｈｚ」の帯域の音は、そのアーク音に由来する周波数帯域の音を多く含んでいる。また、フィルタによる外乱音の排除に加え、電極１８の先端付近の音が中心に採取できるように、マイク２３に指向性を持たせることが望ましい。

そして、処理回路２４は、その所定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、「１０〜５００Ｈｚ」の範囲内で細分化した周波数のうちの少なくとも１箇所で音圧レベルが閾値ａを上回ると、アーク（アーク音）が発生したと判定する。制御回路１２は、処理回路２４からの判定信号を受けて電極１８の先端にてアークが発生したことを認識する。

このような構成の溶接機１０の動作（作用）について、図４の処理フローを用いつつ説明すると、アーク溶接を開始すべく操作スイッチ２２の操作がなされ、溶接トーチ１５から溶接開始指令が電源装置１１に入力されると、制御回路１２は、ステップＳ１として、先ず初期アークを生じさせるアークスタート制御を実施する。

ステップＳ２において、制御回路１２は、アークスタート制御に際し、定常時よりも遅い初期前進速度ｖｓでのワイヤ電極１８の前進、電極１８に初期アーク発生のための電流印加、マイク２３によるアーク音のモニタ、指令発生からの時間ｔの計時等を行う。

ステップＳ３において、制御回路１２は、アーク音（図２参照）の発生有無の判定を行い、またステップＳ４として、アーク音の発生有無の判定を溶接開始指令から時間ｔが経過するまで行う。因みに、時間ｔは、前進供給の電極１８が溶接対象物１７に接触するまでの時間ｔ１と、電極１８が溶接対象物１７に接触してから初期アークが生じ得るまでの時間ｔ２とを合計した時間である。

ここで、図３（ａ）に示す溶接開始指令が発生した初期状態において、電極１８の先端と溶接対象物１７とが距離ｄだけ離間した状態で電極１８が初期前進速度ｖｓで前進すると、時間ｔ１経過後には図３（ｂ）にて示す電極１８の先端が溶接対象物１７に接触した状態となる。つまり、時間ｔ１は、距離ｄを速度ｖｓで除した値、即ちｔ１＝ｄ／ｖｓである。電極１８の先端から溶接対象物１７までの距離ｄが「５ｍｍ」、初期前進速度ｖｓが「１ｍ／ｍｉｎ」である場合、電極１８の先端が溶接対象物１７に接触する時間ｔ１は「０．３ｓ」である。初期前進速度ｖｓが「２ｍ／ｍｉｎ」であると、時間ｔ１は「０．１５ｓ」である。また、電極１８の先端が溶接対象物１７に接触してから初期アークが生じるまで、時間ｔ２を考慮するのが望ましい。

従って、制御回路１２は、前進送給にてワイヤ電極１８が溶接対象物１７に接触して初期アークが生じるまでの時間ｔ内にアーク（アーク音）が発生したかの確認を行っている。時間ｔ内に電極１８にてアークが生じたと判定した場合、ステップＳ５に進み、制御回路１２は、初期アークから定常アークに移行すべく、電極１８への印加電流を定常アーク時の電流値に切り替えるとともに、電極１８の送給速度を定常アーク時の速度値に切り替える。そして、この定常アークにより、溶接対象物１７の溶接が行われる。

一方、ステップＳ４において、時間ｔ内にアークが生じていないと判定した場合、ステップＳ６に進み、制御回路１２は、送給装置１４を制御してワイヤ電極１８を初期位置まで後退させる。

即ち、時間ｔが経過すると、アークの発生しなかった電極１８は、更なる前進送給にてその途中部分が屈曲して途中の屈曲部分からアークが発生し、途中部分からの溶断を招き、電極１８の先端部分が脱落するといった事象等の不具合が生じ得るため、電極１８と溶接対象物１７との間にアークが発生したと推定する時間ｔを以て、図３（ｃ）のように電極１８が前進から後退に切り替えられる。

ステップＳ７において、制御回路１２は、図３（ｃ）に示すように、後退中の電極１８と溶接対象物１７との間にアークが発生したかの確認を行う。アーク発生が確認できれば、制御回路１２は、ステップＳ５に進み、電極１８への印加電流を定常アーク電流に切り替えるとともに、電極１８の送給速度を定常アーク速度に切り替える（この場合、電極１８の送給方向の前進への切り替えも含む）。

一方、ステップＳ７において、所定量（時間でも可）の後退の中で電極１８からアークが発生しなかった場合、制御回路１２は、ステップＳ８に進み、エラーとする。因みに、エラー後の記載を省略したが、制御回路１２にて再度のアークスタートを自動で試みる、若しくは作業者にその旨を報知し、再度のアークスタートを促すようなことが行われる。

因みに、制御回路１２において、アークの発生有無の判定に電気特性（出力電圧、出力電流等）による判定を行うようにし、該判定とアーク音による判定との少なくとも一方を用いてアークの発生有無の判定を行うようにすれば、より適切なアークスタートを行うことが可能となる。

また、上記一連のアークスタートにてワイヤ電極１８にアークが生じなかった場合、制御回路１２においてその旨を表示、音、外部信号出力等を以て外部に対して報知を行うようにすれば、アークが生じなかった旨をより確実に認識することが可能となる。

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、溶接開始指令に基づいて、ワイヤ電極１８の前進動作及び電極１８へのアーク発生のための電流印加を行うとともに、指令から電極１８が溶接対象物１７に接触して初期アークが生じ得るのに相当する所定時間ｔの計時を行う。所定時間ｔ内に電極１８にてアークが生じていないと判定すると、制御回路１２は、所定時間ｔの計時後に電極１８の送給を後退動作に切り替える。つまり、ワイヤ電極１８の前進動作時の所定時間ｔ内にアークが生じない（アーク音が検出できない）場合、それ以上の前進供給にて電極１８が溶接対象物１７に接触して大きく屈曲し得るために後退動作に切り替える必要があるが、その電極１８の後退動作の切り替えが時間管理で行われるため、電極１８の後退動作を安定して行うことができる。そのため、屈曲した電極１８の途中からアークが生じるといった事象等を防止でき、適切なアークスタートを行うことができる。

（２）アーク音による判定と電気特性（出力電圧、出力電流等）による判定との少なくとも一方を用いて、電極１８でのアークの発生有無の判定を行うようにすれば、より適切なアークスタートを行うことができる。

（３）一連のアークスタートにてワイヤ電極１８にアークが生じなかった場合、その旨を表示、音、外部信号出力等を以て外部に報知を行うようにすれば、アークが生じなかった旨をより確実に関係者、関係装置等が認識することができる。

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、アーク発生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、アーク発生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（アーク）の発生有無の判定について、「１０〜５００Ｈｚ」の範囲内で細分化した周波数のうちの少なくとも１箇所で音圧レベルが閾値ａを上回ると、アーク（アーク音）が発生したと判定したが、これに限らない。例えば重要な周波数帯の音を少なくとも含んで判定したり、閾値ａを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。

・図４のアークスタート処理は一例であり、適宜変更してもよい。例えば、ワイヤ電極１８の前進・後退の一往復の処理としたが、複数往復を行ってそれでもアーク（アーク音）が生じなければ、エラーとする態様としてもよい。また例えば、電極１８の後退時にアーク発生及びその確認を行うようにしたが、後退時のこれらの動作を省略し、単にエラーとしてもよい。

・アーク音採取によるアークの発生有無を判定したが、電気的なアークの発生有無の判定を併用する態様、また電気的なアークの発生有無の判定に置換する態様であってもよい。

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） アークによる消耗に応じて溶接トーチへのワイヤ電極の送給を行う送給装置と、その送給動作を含む溶接制御を行う制御装置とを備える溶接機であって、
前記制御装置は、前記ワイヤ電極でのアークの発生有無の判定を行うアーク発生判定手段を備え、
溶接開始指令を契機として初期アークを発生させるアークスタート制御において、前記ワイヤ電極の前進動作及び前記電極へのアーク発生のための電流印加を行うとともに、前記指令から前記電極が溶接対象物に接触して初期アークが生じ得るのに相当する所定時間を計時し、その所定時間内に前記アーク発生判定手段により前記電極にてアークが生じていないと判定すると、前記所定時間の計時後に前記電極の送給を後退動作に切り替えるようにしたことを特徴とする溶接機。

この構成では、ワイヤ電極の前進動作時の所定時間内にアークが生じない場合、それ以上の前進供給にて電極が溶接対象物に接触して大きく屈曲し得るために後退動作に切り替える必要があるが、その電極の後退動作の切り替えが時間管理で行われるため、電極の後退動作が安定して行われる。そのため、屈曲した電極の途中からアークが生じるといった事象等を防止でき、適切なアークスタートが可能となる。

ｔ 所定時間
１０ 溶接機
１２ 制御回路（アーク発生判定手段及び制御装置）
１４ 送給装置
１５ 溶接トーチ
１７ 溶接対象物
１８ ワイヤ電極
２３ マイク
２４ 処理回路（アーク発生判定手段及び制御装置）

Claims (1)

1. アークによる消耗に応じて溶接トーチへのワイヤ電極の送給を行う送給装置と、その送給動作を含む溶接制御を行う制御装置とを備える溶接機であって、
   前記制御装置は、前記ワイヤ電極にて発生するアーク音が採取可能なマイクを用い、採取した音から前記ワイヤ電極でのアークの発生有無の判定を行うアーク発生判定手段を備え、
   前記アーク発生判定は、前記マイクを用いて採取した所定帯域のアーク音にフーリエ変換処理を行って音圧分布を作成し、１０〜５００Ｈｚの範囲内で細分化した周波数のうちの閾値を上回る音圧レベルの合計値が所定値以上である場合にアークが発生したと判定し、
   溶接開始指令を契機として初期アークを発生させるアークスタート制御において、前記ワイヤ電極の前進動作及び前記ワイヤ電極へのアーク発生のための電流印加を行うとともに、前記指令から前記ワイヤ電極が溶接対象物に接触して初期アークが生じ得るのに相当する所定時間を計時し、その所定時間内に前記アーク発生判定手段により前記ワイヤ電極にてアークが生じていないと判定すると、前記所定時間の計時後に前記ワイヤ電極の送給を後退動作に切り替え、
   前記後退動作中に前記アーク発生判定手段がアークが発生したと判定した場合には、前記ワイヤ電極の送給方向を前進へと切り替えるようにしたことを特徴とする溶接機。