JP6425496B2 - アーク溶接の状態監視方法 - Google Patents

Description

本発明は、正送期間と逆送期間とを周期的に繰り返す送給速度設定値に基づいて送給速度を制御し、溶接ワイヤの正送と逆送とを周期的に繰り返して、短絡期間とアーク期間とを発生させるアーク溶接の状態監視方法に関するものである。

一般的な消耗電極式アーク溶接では、消耗電極である溶接ワイヤを一定速度で送給し、溶接ワイヤと母材との間にアークを発生させて溶接が行なわれる。消耗電極式アーク溶接では、溶接ワイヤと母材とが短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返す溶接状態になることが多い。

溶接品質をさらに向上させるために、溶接ワイヤの正送と逆送とを周期的に繰り返して溶接する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の発明では、所定の周波数と所定の振幅で溶接ワイヤの正送と逆送とを周期的に繰り返して、短絡状態とアーク状態とを発生させて溶接を行う。この溶接方法では、溶接ワイヤの定速送給の従来技術では不可能であった短絡とアークとの繰り返しの周期を所望値に設定することができるので、スパッタ発生量の削減、ビード外観の改善等の溶接品質の向上を図ることができる。

特許第５２０１２６６号公報

溶接ワイヤの正送と逆送とを周期的に繰り返す溶接において、正送と逆送とに周期的に変化する送給速度設定値の波形と実際の送給速度の波形とは、送給経路の送給抵抗の影響によってずれが生じる。この溶接方法では、送給速度は例えば−５０m/minから＋５０m/minの範囲を１０msの周期で正弦波状に変化するので、送給抵抗の影響によるずれは大きくなる。溶接トーチの引き回しが変化すると、送給経路の送給抵抗が変化する。さらには、溶接を繰り返して行なっていると、次第に送給経路が磨耗して送給抵抗が変化する。これらの送給抵抗の変化に伴って送給速度設定値の波形と実際の送給速度の波形とのずれが変化する。このずれが大きくなると、溶接状態が変動して、溶接品質が悪くなる。

そこで、本発明では、溶接ワイヤの正送と逆送とを周期的に繰り返す溶接において、送給抵抗の変化に伴う溶接状態の変動を監視して、溶接品質が悪くなることを防止することができるアーク溶接の状態監視方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、
正送期間と逆送期間とを周期的に繰り返す送給速度設定値に基づいて送給速度を制御し、溶接ワイヤの正送と逆送とを周期的に繰り返して、短絡期間とアーク期間とを発生させるアーク溶接の状態監視方法において、
前記送給速度を検出し、前記送給速度設定値とこの送給速度検出値とのズレ量が予め定めた基準値以上になったときは警報を発し、
前記ズレ量は、前記送給速度設定値の振幅と前記送給速度検出値の振幅との差分値、前記送給速度設定値の正送ピーク値と前記送給速度検出値の正送ピーク値との差分値、又は、前記送給速度設定値の逆送ピーク値と前記送給速度検出値の逆送ピーク値との差分値である、
ことを特徴とするアーク溶接の状態監視方法である。

本発明によれば、送給速度設定値と送給速度検出値とのズレ量が基準値以上となると警報が発せられる。送給経路の送給抵抗が増大すると、送給速度の変化が緩やかになり、溶接状態が不安定になるおそれがある。本発明では、このような状態となると、警報が発せられる。このために、本発明に係るアーク溶接の状態監視方法では、溶接ワイヤの正送と逆送とを周期的に繰り返す溶接において、送給抵抗の変化に伴う溶接状態の変動を監視して、溶接品質が悪くなることを防止することができる。

本発明の実施の形態１に係るアーク溶接の状態監視方法を実施するための溶接電源のブロック図である。 本発明の実施の形態１に係るアーク溶接の状態監視方法を説明するための図１の溶接電源における各信号のタイミングチャートである。

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状態監視方法を実施するための溶接電源のブロック図である。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。

電源主回路ＰＭは、３相２００Ｖ等の商用電源（図示は省略）を入力として、後述する駆動信号Ｄｖに従ってインバータ制御等による出力制御を行い、出力電圧Ｅを出力する。この電源主回路ＰＭは、図示は省略するが、商用電源を整流する１次整流器、整流された直流を平滑する平滑コンデンサ、平滑された直流を高周波交流に変換する上記の駆動信号Ｄｖによって駆動されるインバータ回路、高周波交流を溶接に適した電圧値に降圧する高周波変圧器、降圧された高周波交流を直流に整流する２次整流器を備えている。

リアクトルＷＬは、上記の出力電圧Ｅを平滑する。このリアクトルＷＬのインダクタンス値は、例えば２００μＨである。

送給モータＷＭは、後述する送給制御信号Ｆｃを入力として、正送と逆送とを周期的に繰り返して溶接ワイヤ１を送給速度Ｆｗで送給する。送給モータＷＭはエンコーダ（図示は省略）を備えており、このエンコーダから送給速度検出信号Ｆｄが出力される。送給モータＷＭには、過渡応答性の速いモータが使用される。溶接ワイヤ１の送給速度Ｆｗの変化率及び送給方向の反転を速くするために、送給モータＷＭは溶接トーチ４の先端の近くに設置される場合がある。また、送給モータＷＭを２個使用して、プッシュプル方式の送給系とする場合もある。

溶接ワイヤ１は、上記の送給モータＷＭに結合された送給ロール５の回転によって溶接トーチ４内を送給されて、母材２との間にアーク３が発生する。溶接トーチ４内の給電チップ（図示は省略）と母材２との間には溶接電圧Ｖｗが印加し、溶接電流Ｉｗが通電する。

出力電圧設定回路ＥＲは、予め定めた出力電圧設定信号Ｅｒを出力する。出力電圧検出回路ＥＤは、上記の出力電圧Ｅを検出し平滑して、出力電圧検出信号Ｅｄを出力する。

電圧誤差増幅回路ＥＡは、上記の出力電圧設定信号Ｅｒ及び上記の出力電圧検出信号Ｅｄを入力として、出力電圧設定信号Ｅｒ（＋）と出力電圧検出信号Ｅｄ（−）との誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅａを出力する。この回路によって、溶接電源は定電圧制御される。

溶接開始回路ＳＴは、トーチスイッチのオン又はオフに対応してＨｉｇｈレベル又はＬｏｗレベルになる溶接開始信号Ｓｔを出力する。この溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベルになると溶接が開始され、Ｌｏｗレベルになると停止される。

駆動回路ＤＶは、上記の溶接開始信号Ｓｔ及び上記の電圧誤差増幅信号Ｅａを入力として、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベルのときは、電圧誤差増幅信号Ｅａに基づいてＰＷＭ変調制御を行い、上記のインバータ回路を駆動するための駆動信号Ｄｖを出力する。

平均送給速度設定回路ＦＡＲは、予め定めた平均送給速度設定信号Ｆarを出力する。振幅設定回路ＷＦＲは、予め定めた振幅設定信号Ｗfｒを出力する。周期設定回路ＴＦＲは、予め定めた周期設定信号Ｔfrを出力する。

送給速度設定回路ＦＲは、上記の平均送給速度設定信号Ｆar、上記の振幅設定信号Ｗfr及び上記の周期設定信号Ｔfrを入力として、振幅設定信号Ｗfrによって定まる振幅及び周期設定信号Ｔfrによって定まる周期で正弦波状に変化する波形を平均送給速度設定信号Ｆarの値だけ正送側にシフトした送給パターンとなる送給速度設定信号Ｆｒを出力する。この回路の詳細な動作については、図２で後述する。送給パターンは、三角波、台形波等であっても良い。

送給制御回路ＦＣは、上記の送給速度設定信号Ｆｒ及び上記の溶接開始信号Ｓｔを入力として、溶接開始信号ＳｔがＨｉｇｈレベル（開始）のときは送給速度設定信号Ｆｒの値に相当する送給速度Ｆｗで溶接ワイヤ１を送給するための送給制御信号Ｆｃを上記の送給モータＷＭに出力し、溶接開始信号ＳｔがＬｏｗレベル（停止）のときは送給停止指令となる送給制御信号Ｆｃを出力する。

ズレ量算出回路ＺＤは、上記の送給速度設定信号Ｆｒ及び上記の送給速度検出信号Ｆｄを入力として、平均送給速度ズレ量、振幅ズレ量、正送ピーク値ズレ量及び逆送ピーク値ズレ量を以下のようにして算出し、これらの中から一つを選択して、ズレ量信号Ｚｄとして出力する。
１）平均送給速度ズレ量の算出
送給速度設定信号Ｆｒの平均値及び送給速度検出信号Ｆｄの平均値を算出し、これら平均値の差分値を平均送給速度ズレ量として算出する。
２）振幅ズレ量の算出
送給速度設定信号Ｆｒの振幅及び送給速度検出信号Ｆｄの振幅を算出し、これら振幅の差分値を振幅ズレ量として算出する。
３）正送ピーク値ズレ量の算出
送給速度設定信号Ｆｒの正送ピーク値及び送給速度検出信号Ｆｄの正送ピーク値を算出し、これら正送ピーク値の差分値を正送ピーク値ズレ量として算出する。
４）逆送ピーク値ズレ量の算出
送給速度設定信号Ｆｒの逆送ピーク値及び送給速度検出信号Ｆｄの逆送ピーク値を算出し、これら逆送ピーク値の差分値を逆送ピーク値ズレ量として算出する。

警報回路ＡＲは、上記のズレ量信号Ｚｄを入力として、ズレ量信号Ｚｄの値が予め定めた基準値以上であるときは警報信号Ａｒが出力されて警報を発する。警報は、音、光、フィールドネットワークへの信号出力等で行う。ズレ量信号Ｚｄの値が基準値以上になった場合とは、送給速度設定信号Ｆｒと送給速度検出信号Ｆｄとのズレ量が送給抵抗の増大によって基準レベル以上となった場合である。このような状態になると、溶接状態が不安定になり、溶接品質が悪化するおそれがある。

図２は、本発明の実施の形態１に係るアーク溶接の状態監視方法を説明するための図１の溶接電源における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は送給速度設定信号Ｆｒ（実線）及び送給速度検出信号Ｆｄ（破線）の時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｄ）は警報信号Ａｒの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。

同図（Ａ）に示すように、送給速度設定信号Ｆｒ及び送給速度検出信号Ｆｄは、０よりも上側が正送期間となり、下側が逆送期間となる。正送とは溶接ワイヤを母材に近づける方向に送給することであり、逆送とは母材から離反する方向に送給することである。

同図（Ａ）の実線で示すように、送給速度設定信号Ｆｒは、振幅設定信号Ｗfr及び周期設定信号Ｔfrで正弦波状に変化する波形を、平均送給速度設定信号Ｆarの値だけ正送側にシフトした波形である。したがって、送給速度設定信号Ｆｒは、平均的には正の値（正送）である平均送給速度設定信号Ｆarの値となる。

同図（Ａ）の実線で示すように、送給速度設定信号Ｆｒは、時刻ｔ１時点では０であり、時刻ｔ１〜ｔ２の期間は正送加速期間となり、時刻ｔ２で正送ピーク値となり、時刻ｔ２〜ｔ３の期間は正送減速期間となり、時刻ｔ３で０となり、時刻ｔ３〜ｔ４の期間は逆送加速期間となり、時刻ｔ４で逆送ピーク値となり、時刻ｔ４〜ｔ５の期間は逆送減速期間となる。そして、時刻ｔ５〜ｔ６の期間は再び正送加速期間となり、時刻ｔ６〜ｔ７の期間は再び正送減速期間となる。正送ピーク値と逆送ピーク値との差分値が振幅設定信号Ｗfrの値となり、時刻ｔ１〜ｔ５の期間が周期設定信号Ｔfrの値となる。例えば、Ｗfr＝１００m/minであり、Ｔfr＝１０msであり、Ｆar＝３〜２０m/minである

同図（Ａ）の破線で示すように、送給速度検出信号Ｆｄは実際の送給速度Ｆｗの検出値であり、送給速度設定信号Ｆｒよりも遅れて立ち上がり、遅れて立ち下る正弦波となる。送給速度検出信号Ｆｄは、時刻ｔ１１時点では０であり、時刻ｔ１１〜ｔ２１の期間は正送加速期間となり、時刻ｔ２１で正送ピーク値となり、時刻ｔ２１〜ｔ３１の期間は正送減速期間となり、時刻ｔ３１で０となり、時刻ｔ３１〜ｔ４１の期間は逆送加速期間となり、時刻ｔ４１で逆送ピーク値となり、時刻ｔ４１〜ｔ５１の期間は逆送減速期間となる。そして、時刻ｔ５１〜ｔ６１の期間は再び正送加速期間となり、時刻ｔ６１〜ｔ７１の期間は再び正送減速期間となる。送給速度検出信号Ｆｄは、送給速度設定信号Ｆｒに比べて変化率が緩やかになり、ピーク値が小さくなるのは、送給経路の送給抵抗のためである。送給速度検出信号Ｆｄの振幅はＷｆであり、周期はＴｆである。Ｗｆ≦Ｗfrとなり、Ｔｆ≧Ｔfrとなる。すなわち、振幅は小さくなり、周期は長くなる。

ここで、図１のズレ量算出回路ＺＤによって以下のズレ量信号Ｚｄが出力される。
１）平均送給速度ズレ量＝（送給速度設定信号Ｆｒの平均値）−（送給速度検出信号Ｆｄの平均値）
２）振幅ズレ量＝Ｗfr−Ｗｆ
３）正送ピーク値ズレ量＝（送給速度設定信号Ｆｒの正送ピーク値）−（送給速度検出信号Ｆｄの正送ピーク値）
４）逆送ピーク値ズレ量＝｜送給速度設定信号Ｆｒの逆送ピーク値｜−｜送給速度検出信号Ｆｄの逆送ピーク値｜

ズレ量信号Ｚｄは、上記の１）〜４）の中から一つが選択される。このズレ量信号Ｚｄが基準値以上であるときは、送給抵抗が大きくなり、送給速度Ｆｗの変化率が緩やかになったために溶接状態が不安定状態になるおそれがある場合である。この結果、同図（Ｄ）に示すように、警報信号ＡｒがＨｉｇｈレベルになり、警報が発せられる。溶接作業者は、警報が出たことを確認すると、送給抵抗が小さくなるように、溶接トーチのケーブルの引き回しの改善、溶接トーチのメンテナンス等を行う。このことによって、溶接品質が悪くなることを防止することができる。

溶接ワイヤと母材との短絡は、時刻ｔ２１の送給速度検出信号Ｆｄの正送ピーク値の前後で発生することが多い。同図では、正送ピーク値の後の正送減速期間中の時刻ｔ２２で発生した場合である。時刻ｔ２２において短絡が発生すると、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖの短絡電圧値に急減し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは短絡期間中次第に増加する。

同図（Ａ）に示すように、送給速度検出信号Ｆｄは、時刻ｔ３１からは逆送期間になるので、溶接ワイヤは逆送される。この逆送及び溶接電流Ｉｗの通電によるピンチ力によって短絡が解除されて、時刻ｔ３２においてアークが再発生する。アークの再発生は、時刻ｔ４１の送給速度検出信号Ｆｄの逆送ピーク値の前後で発生することが多い。同図では、逆送ピーク値の前の逆送加速期間中の時刻ｔ３２で発生した場合である。したがって、時刻ｔ２２〜ｔ３２の期間が短絡期間となる。

時刻ｔ３２においてアークが再発生すると、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数十Ｖのアーク電圧値に急増する。同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、短絡期間中の最大値の状態から変化を開始する。

時刻ｔ３２〜ｔ５１の期間中は、同図（Ａ）に示すように、送給速度検出信号Ｆｄは逆送状態であるので、溶接ワイヤは引き上げられてアーク長は次第に長くなる。アーク長が長くなると、溶接電圧Ｖｗは大きくなり、溶接電源は定電圧制御されているので溶接電流Ｉｗは小さくなる。したがって、時刻ｔ３２〜ｔ５１のアーク期間中の逆送期間中は、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは次第に大きくなり、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは次第に小さくなる。

そして、次の短絡が、時刻ｔ６１〜ｔ７１の送給速度Ｆｗの正送減速期間中の時刻ｔ６２に発生する。時刻ｔ３２〜ｔ６２の期間がアーク期間となる。時刻ｔ５１〜ｔ６２の期間中は、同図（Ａ）に示すように、送給速度検出信号Ｆｄは正送状態であるので、溶接ワイヤは正送されてアーク長は次第に短くなる。アーク長が短くなると、溶接電圧Ｖｗは小さくなり、溶接電源は定電圧制御されているので溶接電流Ｉｗは大きくなる。したがって、時刻ｔ５１〜ｔ６２のアーク期間中の正送期間中は、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは次第に小さくなり、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗは次第に大きくなる。

上述した実施の形態１によれば、送給速度を検出し、送給速度設定値とこの送給速度検出値とのズレ量が基準値以上になったときは警報を発する。ズレ量は、送給速度設定値の平均値と送給速度検出値の平均値との差分値、送給速度設定値の振幅と送給速度検出値の振幅との差分値、送給速度設定値の正送ピーク値と送給速度検出値の正送ピーク値との差分値又は送給速度設定値の逆送ピーク値と送給速度検出値の逆送ピーク値との差分値である。このズレ量が基準値以上となると、送給経路の送給抵抗が増大して送給速度の変化が緩やかになったために、溶接状態が不安定になるおそれがある。本実施の形態では、このような状態となると、警報が発せられる。このために、本実施の形態に係るアーク溶接の状態監視方法では、溶接ワイヤの正送と逆送とを周期的に繰り返す溶接において、送給抵抗の変化に伴う溶接状態の変動を監視して、溶接品質が悪くなることを防止することができる。

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
ＡＲ 警報回路
Ａｒ 警報信号
ＤＶ 駆動回路
Ｄｖ 駆動信号
Ｅ 出力電圧
ＥＡ 電圧誤差増幅回路
Ｅａ 電圧誤差増幅信号
ＥＤ 出力電圧検出回路
Ｅｄ 出力電圧検出信号
ＥＲ 出力電圧設定回路
Ｅｒ 出力電圧設定信号
ＦＡＲ 平均送給速度設定回路
Ｆar 平均送給速度設定信号
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
Ｆｄ 送給速度検出信号
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
Ｆｗ 送給速度
Ｉｗ 溶接電流
ＰＭ 電源主回路
ＳＴ 溶接開始回路
Ｓｔ 溶接開始信号
Ｔｆ 送給速度の周期
ＴＦＲ 周期設定回路
Ｔfr 周期設定信号
Ｖｗ 溶接電圧
Ｗｆ 送給速度の振幅
ＷＦＲ 振幅設定回路
Ｗfr 振幅設定信号
ＷＬ リアクトル
ＷＭ 送給モータ
ＺＤ ズレ量算出回路
Ｚｄ ズレ量信号

Claims (1)

1. 正送期間と逆送期間とを周期的に繰り返す送給速度設定値に基づいて送給速度を制御し、溶接ワイヤの正送と逆送とを周期的に繰り返して、短絡期間とアーク期間とを発生させるアーク溶接の状態監視方法において、
   前記送給速度を検出し、前記送給速度設定値とこの送給速度検出値とのズレ量が予め定めた基準値以上になったときは警報を発し、
   前記ズレ量は、前記送給速度設定値の振幅と前記送給速度検出値の振幅との差分値、前記送給速度設定値の正送ピーク値と前記送給速度検出値の正送ピーク値との差分値、又は、前記送給速度設定値の逆送ピーク値と前記送給速度検出値の逆送ピーク値との差分値である、
   ことを特徴とするアーク溶接の状態監視方法。

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