JP6274173B2 - アーク溶接システムおよびアーク溶接方法 - Google Patents

Description

開示の実施形態は、アーク溶接システムおよびアーク溶接方法に関する。

従来、溶接トーチにおける溶接ワイヤなどの消耗電極と、ワークなどの溶接対象との間に電流を印加して溶接対象の溶接を行うアーク溶接システムが知られている。

また、かかるアーク溶接システムとして、アークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれ現象の検出を行うものがある。たとえば、溶接トーチの進行方向についての前進角が大きくなると、くびれ現象の検出時点からアーク再発生までの時間を長くする技術が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００９−１４８８１９号公報

しかしながら、上記した従来技術には、アーク発生状態におけるスパッタを防止することができないという問題がある。これは、かかる従来技術が、アーク発生までのスパッタ防止を目的としているからである。

ところが、実際には、溶接トーチの前進角や後退角が大きくなると、アーク発生状態であってもアーク力によって溶けた金属が飛び散りやすく、スパッタが発生しやすくなる。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、溶接トーチの進行方向における向きによらずアーク発生状態におけるスパッタを抑制することができるアーク溶接システムおよびアーク溶接方法を提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係るアーク溶接システムは、ロボットと、ずれ角算出部と、電力制御部とを備える。ロボットには、ワークに対してアーク溶接を行う溶接トーチが設けられる。ずれ角算出部は、前記溶接トーチの進行方向における前進角または後退角であるずれ角を算出する。電力制御部は、前記ずれ角算出部によって算出された前記ずれ角が大きくなるほど、アーク発生状態においてピーク電流からベース電流まで低下する期間の電流積算値が小さくなるように、前記ワークおよび前記溶接トーチ間の溶接電流を制御する。

実施形態の一態様によれば、上記に鑑みてなされたものであって、溶接トーチの進行方向における向きによらずアーク発生状態におけるスパッタを抑制することが可能なアーク溶接システムおよびアーク溶接方法を提供することができる。

図１は、アーク溶接方法の概要を示す図である。 図２は、アーク溶接システムの全体構成を示す図である。 図３は、アーク溶接装置のブロック図である。 図４は、アーク溶接装置における制御部および記憶部のブロック図である。 図５は、ロボットコントローラのブロック図である。 図６は、変換情報の説明図である。 図７は、短絡溶接における電流制御を示す説明図である。 図８は、パルス溶接における電流制御を示す説明図である。 図９は、短絡溶接における電圧制御を示す説明図である。 図１０は、アーク溶接システムが実行する処理手順を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本願の開示するアーク溶接システムおよびアーク溶接方法の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

また、以下に示す実施形態では、「平行」、「垂直」、「水平」あるいは「対称」といった表現を用いる場合があるが、厳密にこれらの状態を満たすことを要しない。すなわち、上記した各表現は、製造精度、設置精度、処理精度、検出精度などのずれを許容するものとする。また、図１には、説明をわかりやすくするために、ワークＷの表面における法線向き１２０を正方向とするＺ軸を含む３次元の直交座標系を図示している。

まず、実施形態に係るアーク溶接方法の概要について図１を用いて説明する。図１は、アーク溶接方法の概要を示す図である。図１に示すように、ワークＷ側へ送給される溶接ワイヤ２００は、溶接トーチ１３から突出しており、溶接ワイヤ２００とワークＷとの間に印加された電流で溶融して消耗するいわゆる消耗電極として用いられる。

図１に示すように、実施形態に係るアーク溶接方法では、溶接トーチ１３を、ワークＷにおける溶接線１００に沿って、同図に示す進行方向１１０へワークＷに対して相対的に移動させることで、ワークＷを溶接する。なお、以下の説明では、かかる溶接線１００が直線である場合について説明するが、溶接線１００は、曲線や、直線と曲線との組み合わせであってもよい。

ここで、溶接トーチ１３を用いてワークＷの溶接を行う際には、溶接トーチ１３のトーチ向き１３０を、ワークＷの法線向き１２０と平行にすることが好ましい。しかしながら、ワークＷの周辺に配置される治具などの障害物と溶接トーチ１３との干渉を避けるなどの理由から、トーチ向き１３０を法線向き１２０からずらさざるをえない場合がある。

ここで、溶接トーチ１３の進行方向１１０における前進角または後退角であるずれ角αが増大していくと、溶接トーチ１３直下のワークＷ側に形成される溶融プールが少なくなる。このため、溶けた金属が、ワークＷの表面に沿った向きにアーク力によって飛び散りやすくなり、スパッタが発生しやすくなる。

そこで、実施形態に係るアーク溶接方法では、かかるずれ角αに応じて溶接電流を制御することで、スパッタの発生を抑制することとした。具体的には、まず、上記したずれ角αを算出し（ステップＳ１）、算出したずれ角αに基づいて溶接に用いる溶接パラメータを変更する（ステップＳ２）。そして、変更した溶接パラメータに基づく溶接電流波形を出力する（ステップＳ３）。

このようにすることで、ずれ角αの大小に関わらず、スパッタの発生を抑制することができる。したがって、実施形態に係るアーク溶接方法によれば、溶接トーチ１３の進行方向１１０における向き（ずれ角α）によらずアーク発生状態におけるスパッタを抑制することができる。

なお、実施形態に係るアーク溶接方法は、ワークＷおよび溶接ワイヤ２００の間でアーク発生状態と短絡状態を繰り返す短絡溶接、パルス状の電流を印加することで溶滴をワークＷ側へ移行させるパルス溶接など、様々なアーク溶接に広く適用することができる。なお、本実施形態に係るアーク溶接方法のさらに具体的な内容は、以下に示すアーク溶接システムの説明においてあわせて説明することとする。

次に、本実施形態に係るアーク溶接システムの全体構成について図２を用いて説明する。図２は、アーク溶接システム１の全体構成を示す図である。図２に示すように、アーク溶接システム１は、多関節ロボット１０と、ロボットコントローラ２０と、アーク溶接装置３０とを備える。

なお、同図には、溶接対象となるワークＷと、多関節ロボット１０へ溶接ワイヤ２００を供給するワイヤ貯蔵部２０１と、アーク溶接に用いるシールドガスを供給するガスボンベ２０２とをあわせて示している。また、同図では、アーク溶接システム１の説明に用いる構成要素のみを示しており、一般的な構成要素についての記載を省略している。

まず、多関節ロボット１０の構成について説明する。多関節ロボット１０は、ロボットアーム１１と、関節部１２と、溶接トーチ１３と、送給部１４とを備える。多関節ロボット１０は、関節部１２を介してロボットアーム１１がそれぞれ接続され、複数のロボットアーム１１および関節部１２を有する多関節のロボットである。また、先端側のロボットアーム１１には、溶接トーチ１３が取り付けられ、基端側のロボットアーム１１は、基台などを介して設置面に固定される。

関節部１２には、サーボモータなどのアクチュエータやアクチュエータの回転を減速する減速機が取り付けられており、ロボットコントローラ２０からの指令に基づいてアクチュエータを駆動させることでロボットアーム１１の位置や姿勢を変化させる動作を行う。

すなわち、多関節ロボット１０は、ロボットコントローラ２０からの指令に基づいて溶接トーチ１３の位置や姿勢を変化させる。これにより、多関節ロボット１０は、溶接トーチ１３のずれ角α（図１参照）を適宜変更しつつ、ワークＷの溶接線１００（図１参照）に沿って移動させることで溶接を実行する。

溶接トーチ１３は、送給部１４を介して送給される溶接ワイヤ２００を通過させる貫通孔を有しており、先端の開口から溶接ワイヤ２００を突出させる。また、溶接トーチ１３は、アーク溶接装置３０から供給される電力を溶接ワイヤ２００に当接するコンタクトチップ（図示せず）を介して溶接ワイヤ２００へ提供する。

送給部１４は、アーク溶接装置３０からの指令に基づいて溶接ワイヤ２００を溶接トーチ１３側へ送り出す動作や溶接トーチ１３側から引き込む動作を行う。ここで、送給部１４は、かかる指令に基づいて送給速度を任意の速度へ変更することができる。なお、以下では、溶接ワイヤ２００を溶接トーチ１３側へ送り出す動作を「正送」、溶接トーチ１３側から引き込む動作を「逆送」という場合がある。

次に、図３および図４を用いてアーク溶接装置３０の構成について説明する。図３は、アーク溶接装置３０のブロック図である。

図３に示すように、アーク溶接装置３０は、一次整流回路３０ａと、スイッチング回路３０ｂと、変圧器３０ｃと、二次整流回路３０ｄと、リアクトル３０ｅとを備える。また、アーク溶接装置３０は、制御部３１と、記憶部３２と、電圧検出部３３と、電流検出部３４と、切替部３５とを備える。また、アーク溶接装置３０は、溶接トーチ１３およびワークＷへ溶接用の電力を供給する。

なお、アーク溶接装置３０は、たとえば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、入出力ポートなどを有するコンピュータや各種の回路を含む。

コンピュータのＣＰＵは、たとえば、ＲＯＭに記憶されたプログラムを読み出して実行することによって、制御部３１の検出部３１ａ、指示部３１ｂ、送給調整部３１ｃ、電力制御部３１ｄおよび取得部３１ｅとして機能する（図４参照）。

また、検出部３１ａ、指示部３１ｂ、送給調整部３１ｃ、電力制御部３１ｄおよび取得部３１ｅの少なくともいずれか一つまたは全部をＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアで構成することもできる。

記憶部３２は、たとえば、ＲＡＭやＨＤＤに対応する。ＲＡＭやＨＤＤは、送給速度情報３２ａを記憶することができる（図４参照）。なお、アーク溶接装置３０は、有線や無線のネットワークで接続された他のコンピュータや可搬型記録媒体を介して上記したプログラムや各種情報を取得することとしてもよい。

なお、図３には、アーク溶接装置３０との接続関係をわかりやすくするために、アーク溶接装置３０へ交流電力を供給する商用電源４０と、ロボットコントローラ２０と、溶接トーチ１３と、送給部１４と、溶接ワイヤ２００と、ワークＷとをあわせて示している。

一次整流回路３０ａは、商用電源４０と接続され、商用電源４０から供給される交流電力を整流する。そして、一次整流回路３０ａは、整流した電力をスイッチング回路３０ｂへ供給する。

スイッチング回路３０ｂは、一次整流回路３０ａから供給される電力に対してＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を行い、任意の電流波形や任意の電圧波形を生成する。そして、スイッチング回路３０ｂは、生成した電流波形や電圧波形を変圧器３０ｃへ出力する。

変圧器３０ｃは、スイッチング回路３０ｂから供給された電力を変圧し、変圧後の電力を二次整流回路３０ｄへ出力する。二次整流回路３０ｄは、変圧器３０ｃから出力される供給電力を整流する。なお、二次整流回路３０ｄの２つの出力端のうち一方は、切替部３５を介してワークＷに接続される。

リアクトル３０ｅは、二次整流回路３０ｄの２つの出力端のうち他方に接続され、二次整流回路３０ｄによって整流された供給電力を平滑化する。なお、リアクトル３０ｅの下流側は、切替部３５に接続されており、かかる切替部３５を介して溶接トーチ１３が接続される。

制御部３１は、ロボットコントローラ２０と通信しつつ、アーク溶接装置３０の全体制御を行う。なお、制御部３１の具体的な内容については、図４を用いて後述する。記憶部３２は、たとえば、不揮発性メモリであり、制御部３１が用いる情報を記憶する。なお、記憶部３２が記憶する具体的な内容については、図４を用いて後述する。

電圧検出部３３は、二次整流回路３０ｄの２つの出力端にそれぞれ接続され、溶接トーチ１３とワークＷとの間の電圧（以下、「溶接電圧」という）を検出する。なお、電圧検出部３３は、検出結果を制御部３１へ出力する。

電流検出部３４は、リアクトル３０ｅと切替部３５との間に接続され、溶接トーチ１３とワークＷとの間の電流（以下、「溶接電流」という）を検出する。なお、電流検出部３４は、検出結果を制御部３１へ出力する。

切替部３５は、二次整流回路３０ｄの２つの出力端の下流側にそれぞれ接続され、制御部３１からの指示に基づいて溶接トーチ１３とワークＷとの極性を切り替える。すなわち、切替部３５は、溶接ワイヤ２００が負極でワークＷが正極である正極性と、溶接ワイヤ２００が正極でワークＷが負極である逆極性とを交互に切り替えることができる。

これにより、アーク溶接装置３０は、交流短絡溶接や、交流パルスアーク溶接を行うことができる。なお、直流短絡溶接や、直流パルスアーク溶接を行う場合には、切替部３５を省略したアーク溶接装置３０を用いることとすればよい。また、切替部３５を省略するかわりに、切替部３５の切替動作を停止させることによっても、直流短絡溶接や、直流パルスアーク溶接を行うことができる。

次に、アーク溶接装置３０における制御部３１および記憶部３２の詳細について図４を用いて説明する。図４は、アーク溶接装置３０における制御部３１および記憶部３２のブロック図である。

図４に示すように、制御部３１は、検出部３１ａと、指示部３１ｂと、送給調整部３１ｃと、電力制御部３１ｄと、取得部３１ｅとを備える。また、記憶部３２は、送給速度情報３２ａを記憶する。

なお、図４には、制御部３１との接続関係をわかりやすくするために、ロボットコントローラ２０と、送給部１４と、電圧検出部３３と、電流検出部３４と、スイッチング回路３０ｂとをあわせて示している。

検出部３１ａは、溶接ワイヤ２００とワークＷとの間が短絡状態であるかアーク発生状態であるかを検出する。具体的には、検出部３１ａは、電圧検出部３３が検出した電圧値が所定値以下の間は短絡状態を検出し、所定値より大きい間はアーク発生状態を検出する。そして、検出部３１ａは、検出結果を指示部３１ｂへ出力する。

指示部３１ｂは、検出部３１ａの検出結果に基づき、溶接ワイヤ２００の送給状態を調整するように送給調整部３１ｃへ指示する。たとえば、溶接ワイヤ２００の正送および逆送を繰り返す溶接を行う場合、指示部３１ｂは、検出部３１ａがアーク発生状態を検出すると溶接ワイヤ２００を正送するように送給調整部３１ｃへ指示する。一方、指示部３１ｂは、検出部３１ａが短絡状態を検出すると溶接ワイヤ２００を逆送するように送給調整部３１ｃへ指示する。

そして、指示部３１ｂは、検出部３１ａの検出結果に基づき、溶接ワイヤ２００とワークＷとの間の溶接電流や溶接電圧を制御するように電力制御部３１ｄへ指示する。

送給調整部３１ｃは、記憶部３２の送給速度情報３２ａおよび指示部３１ｂの指示に基づき、送給部１４の送給向きおよび送給速度を調整する。ここで、送給速度情報３２ａは、たとえば、正送の送給速度、逆送の送給速度の経時変化をあらかじめ定めた情報である。なお、正送の送給速度を一定速度としたり、逆送の送給速度を一定速度としたりすることとしてもよい。

また、送給調整部３１ｃは、指示部３１ｂから溶接ワイヤ２００を正送するように指示された場合には、送給速度情報３２ａにおける正送の送給速度に関する情報に基づく送給速度指示を送給部１４へ出力する。一方、送給調整部３１ｃは、指示部３１ｂから溶接ワイヤ２００を逆送するように指示された場合には、送給速度情報３２ａにおける逆送の送給速度に関する情報に基づく送給速度指示を送給部１４へ出力する。

電力制御部３１ｄは、取得部３１ｅがロボットコントローラ２０から受け取った溶接パラメータおよび指示部３１ｂの指示に基づき、溶接ワイヤ２００とワークＷとの間の溶接電流や溶接電圧を制御する。具体的には、電力制御部３１ｄは、かかる溶接パラメータによって規定される電流波形や電圧波形を出力するようにスイッチング回路３０ｂへ指示する。

次に、ロボットコントローラ２０の構成について図５を用いて説明する。図５は、ロボットコントローラ２０のブロック図である。図５に示すように、ロボットコントローラ２０は、制御部２１と、記憶部２２とを備える。なお、制御部２１および記憶部２２は、上記したアーク溶接装置３０の制御部３１および記憶部３２と同様にコンピュータや記憶デバイスを用いて構成することができる。

制御部２１は、動作制御部２１ａと、ずれ角算出部２１ｂと、パラメータ算出部２１ｃとを備え、記憶部２２は、教示情報２２ａと、変換情報２２ｂとを記憶する。なお、図５には、ロボットコントローラ２０との接続関係をわかりやすくするために、多関節ロボット１０と、アーク溶接装置３０とをあわせて示している。

制御部２１は、ロボットコントローラ２０の全体制御および多関節ロボット１０の動作制御を行う。なお、本実施形態では、溶接パラメータの算出をロボットコントローラ２０が行う場合について説明するが、溶接パラメータの算出をアーク溶接装置３０が行うこととしてもよい。

つまり、図５に示したパラメータ算出部２１ｃに相当する機能をアーク溶接装置３０の制御部３１に設けるとともに、変換情報２２ｂを、アーク溶接装置３０の記憶部３２に記憶させることとしてもよい。この場合、ロボットコントローラ２０は、算出したずれ角α（図１参照）をアーク溶接装置３０へ送信することになる。

動作制御部２１ａは、記憶部２２の教示情報２２ａに基づいて多関節ロボット１０の動作を制御する。具体的には、動作制御部２１ａは、多関節ロボット１０に取り付けられた溶接トーチ１３（図１参照）をワークＷの溶接線１００（図１参照）に沿って移動させる動作を多関節ロボット１０に指示することでアーク溶接を行わせる。

ここで、教示情報２２ａは、多関節ロボット１０へ動作を教示する段階で作成され、多関節ロボット１０の動作経路を規定するプログラムである「ジョブ」を含んだ情報である。動作制御部２１ａは、教示情報２２ａに基づいて多関節ロボット１０を動作させることで、任意のずれ角α（図１参照）で溶接トーチ１３を移動させることによって、アーク溶接を実行させる。

ずれ角算出部２１ｂは、動作制御部２１ａが多関節ロボット１０へ指示した溶接トーチ１３の姿勢と、ワークＷの姿勢とに基づき、溶接トーチ１３の進行方向１１０における前進角または後退角であるずれ角α（図１参照）を算出する。また、ずれ角算出部２１ｂは、算出したずれ角αをパラメータ算出部２１ｃへ通知する。

パラメータ算出部２１ｃは、ずれ角算出部２１ｂから受け取ったずれ角αと、記憶部２２の変換情報２２ｂとに基づき、溶接に用いる溶接パラメータを算出する。そして、アーク溶接装置３０は、算出した溶接パラメータをアーク溶接装置３０へ送信する。

次に、変換情報２２ｂについて図６を用いて説明する。図６は、変換情報２２ｂの説明図である。ここで、図６に示した横軸は、ずれ角αであり、前進角側を正、後退角側を負としている。また、縦軸は溶接電流の波形生成に用いられる各パラメータのパラメータ値である。なお、パラメータの具体例については、図７および図８を用いて後述する。

また、図６に示したパラメータ値は、電流の積算値を大きくする側を正とする。このように、図６に示した波形１５１は、ずれ角αとパラメータ値との関係をあらわしている。図６に示すように、変換情報２２ｂは、前進角側においてずれ角αが大きくなるほど、パラメータ値が小さくなる旨の情報を含む。また、後退角側においてずれ角αが小さくなるほど、パラメータ値が小さくなる旨の情報を含む。

このように、ずれ角αの絶対値が大きくなるほど、パラメータ値を小さくするのは、アーク発生状態における溶接電流を抑えるためである。すなわち、ずれ角αの絶対値が大きくなると、スパッタが発生しやすくなるので、溶接電流を抑えてアーク力を弱め、溶融した金属の飛び散りを防止するのである。

ここで、同図に示すように、ずれ角αが「−Ｔｈ」よりも大きく「＋Ｔｈ」よりも小さい区間は不感帯であり、かかる不感帯では、ずれ角αが変化してもパラメータ値を変化させないこととした。すなわち、ずれ角αの変化は無視される。

このように、不感帯を設けることで、過度なパラメータ値の変化を抑えることができる。なお、Ｔｈの値は０以上の任意の値とすることができる。Ｔｈの値を０とすれば、不感帯を設けないことと同義となる。また、不感帯におけるパラメータ値は該当パラメータの規定値に対応する。

また、図６では、波形１５１が縦軸について対称である場合を示したが、これに限らず、前進角側と、後退角側とで波形１５１の傾きを異ならせることとしてもよい。また、図６では、前進角側と、後退角側とで不感帯の幅を揃えた場合を示したが、これに限らず、前進角側と、後退角側とで不感帯の幅を異ならせることとしてもよい。このようにすることで、さらにきめ細かいスパッタ防止制御を行うことができる。

次に、短絡溶接における溶接電流の制御について図７を用いて説明する。図７は、短絡溶接における電流制御を示す説明図である。ここで、同図に示す波形１０１は、ずれ角α（図１参照）が０の場合、すなわち、規定状態における溶接電流の波形である。

まず、短絡溶接の流れについて時間ｔ１〜ｔ６を用いて説明する。時間ｔ１から時間ｔ２までの期間は短絡期間であり、時間ｔ２から時間ｔ３にかけて溶接電流を上昇させることで溶接ワイヤ２００の溶滴に「くびれ」を形成する。そして、溶接電圧に基づいてかかる「くびれ」を検出すると、時間ｔ３で溶接電流を急激に低下させるとともに、低下させた状態を時間ｔ４まで継続させる。これにより、時間ｔ３から時間ｔ４の間で溶滴が溶接ワイヤ２００から切り離される。

そして、時間ｔ４で溶接電流をピーク電流ＰＩまで急激に上昇させることでアーク発生状態へ移行させる。つづいて、ピーク電流ＰＩを時間ｔ４から時間ｔ５までの期間ＰＴにわたって継続させた後、時間ｔ５から時間ｔ６までの期間ＤＴをかけて、ピーク電流ＰＩをベース電流ＢＩまで低下させる。

ここで、図４に示したアーク溶接装置３０の電力制御部３１ｄは、図５に示したロボットコントローラ２０のパラメータ算出部２１ｃがずれ角αに応じて算出した溶接パラメータに基づき、波形１０１を変化させる。

具体的には、電力制御部３１ｄは、ずれ角αが大きくなるほど、上記したアーク発生状態において溶接電流がピーク電流ＰＩからベース電流ＢＩまで低下する期間（同図に示す期間ＰＴおよび期間ＤＴ）の電流積算値が小さくなるように溶接電流を制御する。このようにすることで、アーク発生状態におけるアーク力を弱めることができるので、スパッタの発生を抑制することができる。

たとえば、電力制御部３１ｄは、図７に破線で示した波形１０１ａのように、ずれ角αが大きくなるほど（図６参照）、ピーク電流ＰＩからベース電流ＢＩまで低下する期間ＤＴが短くなるように、溶接電流を制御する。

なお、期間ＤＴを変化させずに、時間ｔ５から時間ｔ６までの波形が、波形１０１よりも下側（時間軸寄り）になるように、溶接電流を制御することとしてもよい。ここで、波形１０１ａの形状は、直線状であっても、下側（時間軸寄り）に凸な形状であってもよい。すなわち、波形１０１ａの形状は、ずれ角αについての任意の関数で定めることができる。

また、ずれ角αが大きくなるほど、ピーク電流ＰＩが小さくなるように溶接電流を制御することとしてもよい。また、ずれ角αが大きくなるほど、ピーク電流ＰＩの継続時間である期間ＰＴが短くなるように溶接電流を制御することとしてもよい。さらに、ずれ角αが大きくなるほど、ベース電流ＢＩが小さくなるように溶接電流を制御することとしてもよい。

いずれの場合であっても、アーク発生状態（図７の時間ｔ４以降）における電流積算値が小さくなるので、ずれ角αが大きくなるほどアーク発生状態におけるアーク力を弱めることが可能となり、スパッタの発生を効果的に抑制することができる。

次に、パルス溶接における溶接電流の制御について図８を用いて説明する。図８は、パルス溶接における電流制御を示す説明図である。ここで、同図に示す波形１０２は、ずれ角α（図１参照）が０の場合、すなわち、規定状態における溶接電流の波形である。

まず、パルス溶接の流れについて時間ｔ１１〜時間ｔ１３を用いて説明する。まず、時間ｔ１１でピーク電流ＰＩを印加することで、溶接ワイヤ２００の先端が溶融し、溶接ワイヤ２００の先端部に溶滴が形成される。

そして、ピーク電流ＰＩを時間ｔ１１から時間ｔ１２までの期間ＰＴにわたって継続させた後、時間ｔ１２から時間ｔ１３までの期間ＤＴをかけて、ピーク電流ＰＩをベース電流ＢＩまで低下させる。これにより、溶接ワイヤ２００の先端部に形成された溶滴が切り離される。

ここで、図４に示したアーク溶接装置３０の電力制御部３１ｄは、図５に示したロボットコントローラ２０のパラメータ算出部２１ｃがずれ角αに応じて算出したパラメータに基づき、波形１０２を変化させる。

具体的には、電力制御部３１ｄは、ずれ角αが大きくなるほど、アーク発生状態において溶接電流がピーク電流ＰＩからベース電流ＢＩまで低下する期間（同図に示す期間ＰＴおよび期間ＤＴ）の電流積算値が小さくなるように溶接電流を制御する（図６および図８参照）。このようにすることで、アーク発生状態におけるアーク力を弱めることができるので、スパッタの発生を抑制することができる。

たとえば、電力制御部３１ｄは、図８に破線で示した波形１０２ａのように、ずれ角αが大きくなるほど（図６参照）、溶接電流がピーク電流ＰＩからベース電流ＢＩまで低下する期間ＤＴが短くなるように、溶接電流を制御する。

なお、期間ＤＴを変化させずに、時間ｔ１２から時間ｔ１３までの波形が、波形１０２よりも下側（時間軸寄り）になるように、溶接電流を制御することとしてもよい。ここで、波形１０２ａの形状は、直線状であっても、下側（時間軸寄り）に凸な形状であってもよい。すなわち、波形１０２ａの形状は、ずれ角αについての任意の関数で定めることができる。

また、ずれ角αが大きくなるほど、ピーク電流ＰＩが小さくなるように溶接電流を制御することとしてもよい。また、ずれ角αが大きくなるほど、ピーク電流ＰＩの継続時間である期間ＰＴが短くなるように溶接電流を制御することとしてもよい。さらに、ずれ角αが大きくなるほど、ベース電流ＢＩが小さくなるように溶接電流を制御することとしてもよい。

いずれの場合であっても、アーク発生状態（図８の時間ｔ１１以降）における電流積算値が小さくなるので、ずれ角αが大きくなるほどアーク発生状態におけるアーク力を弱めることが可能となり、スパッタの発生を効果的に抑制することができる。

ところで、これまでは、電力制御部３１ｄが、ずれ角αに基づいて溶接電流を制御する場合について説明してきたが、電力制御部３１ｄが、ずれ角αに基づいて溶接電圧を制御することとしてもよい。そこで、以下では、電力制御部３１ｄが、溶接電圧を制御する場合について図９を用いて説明する。図９は、短絡溶接における電圧制御を示す説明図である。

なお、図９は、図７に対応する説明図であり、図７に示した時間ｔ４、時間ｔ５および期間ＰＴを図９にも示している。また、図９では、図７に示したアーク発生状態（図７の時間ｔ４以降）の電圧制御を説明するために、時間ｔ４以前の電圧における電圧波形については省略している。ここで、図９に示す波形１１１は、ずれ角α（図１参照）が０の場合、すなわち、基底状態における溶接電圧の波形である。

図９に示すように、波形１１１は、時間ｔ４で溶接電圧がピーク電圧まで急激に上昇し、ピーク電圧が時間ｔ４から時間ｔ５までの期間ＰＴにわたって継続する。そして、溶接電圧は、時間ｔ５以降において所定の下限値（図示せず）まで低下する。

ここで、図４に示したアーク溶接装置３０の電力制御部３１ｄは、図５に示したロボットコントローラ２０のパラメータ算出部２１ｃがずれ角αに応じて算出した溶接パラメータに基づき、波形１１１を変化させる。

具体的には、電力制御部３１ｄは、ずれ角αが大きくなるほど、上記したアーク発生状態において溶接電圧がピーク電圧から所定の下限値へ低下する期間の電圧積算値が小さくなるように溶接電圧を制御する。このようにすることで、アーク発生状態におけるアーク力を弱めることができるので、スパッタの発生を抑制することができる。

たとえば、電力制御部３１ｄは、図９に破線で示した波形１１１ａのように、ずれ角αが大きくなるほど（図６参照）、ピーク電圧から下限値へ低下する波形１１１ａの傾きが大きくなるように、溶接電圧を制御する。すなわち、電力制御部３１ｄは、ずれ角αが大きくなるほど、アーク発生状態における電圧減少の傾きが大きくなるように、溶接電圧を制御する。

なお、図９では、波形１１１ａが、最初は、指数関数的に減少し、その後は、一次関数的に減少する場合を示したが、波形１１１ａは、一貫して指数関数的に減少してもよく、一貫して一次関数的に減少してもよい。すなわち、ピーク電圧から下限値へ低下する際の電圧積算値が、ずれ角αが大きくなるほど小さくなりさえすれば、波形１１１ａの形状は問わない。

次に、アーク溶接システム１が実行する処理手順について図１０を用いて説明する。図１０は、アーク溶接システム１が実行する処理手順を示すフローチャートである。

図１０に示すように、ロボットコントローラ２０のずれ角算出部２１ｂは、溶接トーチ１３とワークＷとの相対姿勢を算出する（ステップＳ１０１）。つづいて、パラメータ算出部２１ｃは、溶接トーチ１３のずれ角αが閾値（Ｔｈ）以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。

そして、溶接トーチ１３のずれ角αが閾値以上である場合には（ステップＳ１０２，Ｙｅｓ）、パラメータ算出部２１ｃは、ずれ角αに基づいて溶接パラメータを算出する（ステップＳ１０３）。一方、ずれ角αが閾値未満である場合には（ステップＳ１０２，Ｎｏ）、パラメータ算出部２１ｃは、溶接パラメータとして規定値を使用する（ステップＳ１０４）。

つづいて、ロボットコントローラ２０は、ステップＳ１０４で算出した溶接パラメータをアーク溶接装置３０へ送信する（ステップＳ１０５）。アーク溶接装置３０の取得部３１ｅは、ロボットコントローラ２０から送信された溶接パラメータを取得する（ステップＳ１０６）。そして、アーク溶接装置３０は、電力制御部３１ｄの指示に基づいて溶接電流波形を出力し（ステップＳ１０７）、処理を終了する。

なお、図１０では、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０５の処理をロボットコントローラ２０が、ステップＳ１０６以降の処理をアーク溶接装置３０が、それぞれ行う場合を示したが、ステップＳ１０２以降の処理をアーク溶接装置３０が行うこととしてもよい。

上述してきたように、本実施形態に係るアーク溶接システム１は、多関節ロボット１０と、ずれ角算出部２１ｂと、電力制御部３１ｄとを備える。多関節ロボット１０には、ワークＷに対してアーク溶接を行う溶接トーチ１３が設けられる。ずれ角算出部２１ｂは、溶接トーチ１３の進行方向１１０における前進角または後退角であるずれ角αを算出する。

電力制御部３１ｄは、ずれ角算出部２１ｂによって算出されたずれ角αが大きくなるほど、アーク発生状態においてピーク電流ＰＩからベース電流ＢＩまで低下する期間（期間ＰＴおよび期間ＤＴ）の電流積算値が小さくなるように、ワークＷおよび溶接トーチ１３間の溶接電流を制御する。

したがって、本実施形態に係るアーク溶接システム１によれば、ずれ角αに応じてアーク発生状態における溶接電流を適切に制御するので、溶接トーチ１３の進行方向１１０における向きによらずアーク発生状態におけるスパッタを抑制することができる。

なお、上述した実施形態では、溶接トーチ１３をワークＷに対して移動させる場合について説明したが、ポジショナなどのワークＷを保持する装置によってワークＷを溶接トーチ１３に対して移動させることとしてもよい。また、溶接トーチ１３の移動と、ワークＷの移動とを連動させることとしてもよい。

また、上述した実施形態では、溶接トーチ１３の進行方向１１０における前進角または後退角であるずれ角αに応じて溶接電流波形を変更する場合について説明した。しかしながら、これに限らず、ワークＷの水平面に対するずれ角αに応じて溶接電流波形を変更することとしてもよい。

一般的に、ワークＷの水平面に対するずれ角αは、進行方向１１０の前側が上り傾斜となる場合には「上進角」、下り傾斜となる場合には「下進角」と呼ばれる。このように、ワークＷが水平面に対して傾くほど、ワークＷ側に形成される溶融プールが溶接トーチ１３の先端位置からずれやすいので、スパッタが発生しやすくなる。

したがって、ワークＷに上進角や下進角がある場合にも本実施形態に係るアーク溶接システム１を適用することで、スパッタの発生を抑制することができる。また、前進角があり、かつ、上進角がある場合のように、前進角または後退角と、上進角または下進角との組合せにもアーク溶接システム１を適用することができる。この場合、たとえば、図６に示した波形１５１の傾きを、上記した組合せに応じて適宜変更することとすればよい。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ アーク溶接システム
１０ 多関節ロボット
１１ ロボットアーム
１２ 関節部
１３ 溶接トーチ
１４ 送給部
２０ ロボットコントローラ
２１ 制御部
２１ａ 動作制御部
２１ｂ ずれ角算出部
２１ｃ パラメータ算出部
２２ 記憶部
２２ａ 教示情報
２２ｂ 変換情報
３０ アーク溶接装置
３０ａ 一次整流回路
３０ｂ スイッチング回路
３０ｃ 変圧器
３０ｄ 二次整流回路
３０ｅ リアクトル
３１ 制御部
３１ａ 検出部
３１ｂ 指示部
３１ｃ 送給調整部
３１ｄ 電力制御部
３１ｅ 取得部
３２ 記憶部
３２ａ 送給速度情報
３３ 電圧検出部
３４ 電流検出部
３５ 切替部
４０ 商用電源
２００ 溶接ワイヤ
２０１ ワイヤ貯蔵部
２０２ ガスボンベ
Ｗ ワーク

Claims (8)

1. ワークに対してアーク溶接を行う溶接トーチが設けられるロボットと、
   前記溶接トーチの進行方向における前進角または後退角であるずれ角を算出するずれ角算出部と、
   前記ずれ角算出部によって算出された前記ずれ角が大きくなるほど、アーク発生状態においてピーク電流からベース電流まで低下する期間の電流積算値が小さくなるように、前記ワークおよび前記溶接トーチ間の溶接電流を制御する電力制御部と
   を備えることを特徴とするアーク溶接システム。
2. 前記電力制御部は、
   前記ずれ角が大きくなるほど、前記ピーク電流から前記ベース電流まで前記溶接電流が低下する時間が短くなるように前記溶接電流を制御すること
   を特徴とする請求項１に記載のアーク溶接システム。
3. 前記電力制御部は、
   前記ずれ角が大きくなるほど、前記ピーク電流が小さくなるように前記溶接電流を制御すること
   を特徴とする請求項１または２に記載のアーク溶接システム。
4. 前記電力制御部は、
   前記ずれ角が大きくなるほど、前記ピーク電流の継続時間が短くなるように前記溶接電流を制御すること
   を特徴とする請求項１、２または３に記載のアーク溶接システム。
5. 前記電力制御部は、
   前記ずれ角が大きくなるほど、前記ベース電流が小さくなるように前記溶接電流を制御すること
   を特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のアーク溶接システム。
6. 前記電力制御部は、
   前記ずれ角が大きくなるほど、前記アーク発生状態における電圧減少の傾きが大きくなるように前記ワークおよび前記溶接トーチ間の溶接電圧を制御すること
   を特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のアーク溶接システム。
7. 前記電力制御部は、
   ずれ角の絶対値が所定の閾値未満の場合に、前記ずれ角の変化を無視する不感帯を有すること
   を特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のアーク溶接システム。
8. ワークに対してアーク溶接を行う溶接トーチが設けられるロボット
   を用い、
   前記溶接トーチの進行方向における前進角または後退角であるずれ角を算出する算出工程と、
   前記算出工程によって算出された前記ずれ角が大きくなるほど、アーク発生状態においてピーク電流からベース電流まで低下する期間の電流積算値が小さくなるように、前記ワークおよび前記溶接トーチ間の溶接電流を制御する電流制御工程と
   を含むことを特徴とするアーク溶接方法。

Images