JP6993210B2 - アーク制御装置、アーク溶接システム、制御プログラム及びアーク溶接方法 - Google Patents

Description

本発明はアーク制御装置、アーク溶接システム、制御プログラム及びアーク溶接方法に関する。

溶接方法の一つに、消耗電極式のガスシールドアーク溶接法がある。ガスシールドアーク溶接法は、母材の被溶接部に送給された溶接ワイヤと、母材との間にアークを発生させ、アークの熱によって母材を溶接する手法であり、特に高温になった母材の酸化を防ぐために、不活性ガスを溶接部周辺に噴射しながら溶接を行うものである。高速で溶接ワイヤの送給を行い、大電流を供給することによって、９～３０ｍｍの厚板の１パス溶接を実現することができる。具体的には、溶接ワイヤを約５～１００ｍ／分で送給し、３００Ａ以上の大電流を供給することによって、厚板の１パス溶接を実現することができる。溶接ワイヤの高速送給及び大電流供給を行うと、アークの熱によって母材に凹状の溶融部分が形成され、溶接ワイヤの先端部が溶融部分によって囲まれる空間に進入する。溶接ワイヤの先端部が母材表面より深部に進入することによって、溶融部分が母材の厚み方向裏面側にまで貫通し、１パス溶接が可能になる。以下、凹状の溶融部分によって囲まれる空間を埋もれ空間と呼び、埋もれ空間に進入した溶接ワイヤの先端部と、母材又は溶融部分との間に発生するアークを、適宜、埋もれアークと呼ぶ。

ところが、埋もれアーク溶接においては、アークの熱によって溶融した母材及び溶接ワイヤの溶融金属で形成される埋もれ空間の安定化が不可欠である。埋もれアーク溶接では、溶融部分である溶融金属が様々な外乱の影響を受け、その壁面が埋もれ空間の中央へ移動してくることがある。つまり、埋もれ空間の開口が偶発的に縮小して開口が閉塞しそうになることがあり、溶融金属は大きく揺動し、埋もれアークが不安定化する。場合によっては、埋もれ空間の開口が縮小した際に、溶融部分と溶接ワイヤが短絡し、著しく埋もれ空間が不安定化する場合もある。アークが不安定化すると、その溶融金属が凝固したビードの形状も大きく乱れることになり、溶接品質が悪化する。

かかる問題を解決する技術として特許文献１、２には、溶接ワイヤを上下振動させることにより、埋もれ空間の縮小ないし揺動を防止し、埋もれ空間を安定化する溶接方法が開示されている。当該溶接方法は、埋もれ空間の状態に拘わらず、溶接ワイヤの先端位置を周期的に振幅させることにより埋もれ空間を強制的に安定化させるものである。

特開２０１７－０４２７７９号公報 特開２０１７－０４２７７９号公報

しかしながら、従来技術１、２においては、埋もれ空間の状態をフィードバックした制御では無いため、外乱等の影響により埋もれ空間が不安定化した場合、その状態に対して最適な制御が行われるわけではない。従って、埋もれ空間が安定した状態に移行するまでの時間が長くなる。特に溶接電流が大きい場合、アーク力及び溶融金属量が増大し、外乱による埋もれ空間の揺動が激しくなり易く、埋もれ空間ないし埋もれアークを安定化させることが難しくなる。従来技術１、２に係る溶接方法では埋もれ空間の安定化が不十分である。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、埋もれ空間の状態を予測し、埋もれ空間の状態に応じてアーク発生点を制御することにより、埋もれアークを安定化させることができるアーク制御装置、アーク溶接システム、制御プログラム及びアーク溶接方法を提供することにある。

本発明に係るアーク制御装置は、母材の被溶接部に溶接ワイヤを送給すると共に、該溶接ワイヤに溶接電流を供給することによって、前記溶接ワイヤの先端部及び前記被溶接部間にアークを発生させ、該アークにより前記母材に形成される凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記先端部を進入させて前記母材を溶接する消耗電極式のアーク溶接を制御するアーク制御装置であって、前記溶接ワイヤ及び前記母材間のアーク電圧値を取得する電圧値取得部と、該電圧値取得部にて取得したアーク電圧値が閾値未満になった場合、前記空間に進入した前記先端部を、前記溶融部分の開口側へ移動させる制御を行う先端位置制御部とを備える。

本態様によれば、アーク制御装置は、溶接ワイヤ及び母材間のアーク電圧値を取得し、取得したアーク電圧値が閾値未満であるか否かを監視している。埋もれ空間の開口径と、アーク電圧値との間には正の相関があるため、アーク電圧値を監視することによって、埋もれ空間の開口径を推定することができる。埋もれ空間の開口が縮小し、溶融金属が溶接ワイヤに接近したとき、埋もれアークが不安定化する。そこで、アーク制御装置は、アーク電圧値が閾値未満になった場合、つまり埋もれ空間の開口が縮小した場合、埋もれ空間に侵入している溶接ワイヤの先端部を、埋もれ空間の開口側へ移動させる。溶接ワイヤの先端部、即ちアーク発生点が上昇すると、溶接ワイヤの先端部と、開口が閉塞しようとする溶融部分の側壁との間でアークが発生し、アークによって当該側壁を支えることができ、埋もれ空間の開口を押し広げることができる。従って、埋もれ空間の状態に応じてアーク発生点を制御し、埋もれ空間ないし埋もれアークを安定化させることができる。

本発明に係るアーク制御装置は、前記先端位置制御部は、前記溶接ワイヤを前記被溶接部へ案内する溶接トーチを、溶接トーチ移動装置に引き上げさせるためのトーチ位置調整信号を出力することにより、前記先端部を前記溶融部分の開口側へ移動させる。

本態様によれば、アーク電圧値が閾値未満になった場合、トーチ位置調整信号を出力し、溶接トーチを引き上げさせることにより、溶接ワイヤの先端部を上昇させ、埋もれ空間ないし埋もれアークを安定化させる。

本発明に係るアーク制御装置は、前記先端位置制御部は、前記溶接ワイヤを前記被溶接部へ送給する速度を減少させるための送給速度調整信号を出力することにより、前記先端部を前記溶融部分の開口側へ移動させる。

本態様によれば、アーク電圧値が閾値未満になった場合、送給速度調整信号をワイヤ送給装置へ出力し、溶接ワイヤの送給速度を減少させることにより、溶接ワイヤの先端部を上昇させ、埋もれ空間ないし埋もれアークを安定化させる。

本発明に係るアーク制御装置は、前記先端位置制御部は、前記溶接電流に係る設定電圧値を上昇させるための設定電圧調整信号を出力することにより、前記先端部を前記溶融部分の開口側へ移動させる。

本態様によれば、アーク電圧値が閾値未満になった場合、設定電圧調整信号を出力し、定電圧制御部の設定電圧値を上昇させることにより、溶接ワイヤの先端部を上昇させ、埋もれ空間ないし埋もれアークを安定化させる。

本発明に係るアーク制御装置は、前記先端位置制御部は、前記電圧値取得部にて取得した複数のアーク電圧値の移動平均に基づいて前記閾値を算出する。

本態様によれば、アーク電圧値の移動平均に基づいて閾値が設定される。例えば、アーク電圧値の移動平均値より所定値だけ小さい値を閾値とすれば良い。アーク電圧値が、上記のように設定された閾値未満である場合、埋もれ空間の開口が縮小した状態にあると推定される。なお、閾値の比較対象であるアーク電圧値は、その瞬間値又は直近短期間の移動平均値である。

本発明に係るアーク制御装置は、前記先端位置制御部は、５０ｍ秒以下の周期で前記先端部の位置を制御する。

本態様によれば、アーク制御装置は、５０ｍ秒以下の周期で前記溶接ワイヤの先端部の位置を制御する。埋もれ空間の開口が拡大又は縮小するのに要する時間は約５０ｍ秒であるため（図４参照）、当該５０ｍ秒以下の周期で溶接ワイヤの先端部の位置を制御することにより、埋もれ空間を効果的に安定化させることができる。

本発明に係るアーク制御装置は、前記先端位置制御部は、前記先端部を、前記溶融部分の開口側へ移動させた後、再び前記溶接ワイヤを前記空間に進入させる。

本態様によれば、アーク制御装置は、溶接ワイヤを引き上げた後、再び溶接ワイヤを埋もれ空間に挿入させることにより、埋もれ空間ないし埋もれアークを安定化させながら、埋もれアーク溶接を継続することができる。

本発明に係るアーク制御装置は、前記電圧値取得部にて取得したアーク電圧値が前記閾値以上になった場合、再び前記溶接ワイヤを前記空間に進入させる。

本態様によれば、アーク電圧値が閾値以上になった場合、つまり埋もれ空間の開口が拡大したことを確認し、再び溶接ワイヤを埋もれ空間に侵入させる。従って、埋もれ空間をより安定化させながら、埋もれアーク溶接を継続することができる。

本発明に係るアーク制御装置は、前記電圧値取得部にて取得したアーク電圧値が前記閾値より大きい第２の閾値以上になった場合、再び前記溶接ワイヤを前記空間に進入させる。

本態様によれば、アーク電圧値が第２の閾値以上になった場合、つまり埋もれ空間の開口が十分に拡大したことを確認し、再び溶接ワイヤを埋もれ空間に侵入させる。従って、埋もれ空間をより安定化させながら、埋もれアーク溶接を継続することができる。

本発明に係るアーク溶接システムは、母材の被溶接部に溶接ワイヤを送給するワイヤ送給装置と、該ワイヤ送給装置にて送給された前記溶接ワイヤを前記被溶接部へ案内する溶接トーチと、前記溶接ワイヤに溶接電流を供給する溶接電源と、前記母材の被溶接部に沿って前記溶接トーチを移動させる溶接トーチ移動装置と、上記のいずれか一つのアーク制御装置とを備え、前記アーク制御装置は前記母材に対する前記先端部の位置を制御する。

本発明に係る制御プログラムは、母材の被溶接部に溶接ワイヤを送給すると共に、該溶接ワイヤに溶接電流を供給することによって、前記溶接ワイヤの先端部及び前記被溶接部間にアークを発生させ、該アークにより前記母材に形成される凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記先端部を進入させて前記母材を溶接する消耗電極式のアーク溶接を、コンピュータに制御させるための制御プログラムであって、前記コンピュータに、前記溶接ワイヤ及び前記母材間のアーク電圧値を取得し、取得したアーク電圧値が閾値未満になった場合、前記空間に進入した前記先端部を、前記溶融部分の開口側へ移動させる処理を実行させるための制御プログラムである。

本発明に係るアーク溶接方法は、母材の被溶接部に溶接ワイヤを送給すると共に、該溶接ワイヤに溶接電流を供給することによって、前記溶接ワイヤの先端部及び前記被溶接部間にアークを発生させ、該アークにより前記母材に形成される凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記先端部を進入させて前記母材を溶接する消耗電極式のアーク溶接方法であって、前記溶接ワイヤ及び前記母材間のアーク電圧を検出し、検出されたアーク電圧値が閾値未満になった場合、前記空間に進入した前記先端部を、前記溶融部分の開口側へ移動させる制御を行う。

本態様によれば、アーク電圧値が閾値未満になった場合、溶接トーチを引き上げさせることにより、溶接ワイヤの先端部を上昇させ、埋もれ空間ないし埋もれアークを安定化させることができる。

本発明によれば、埋もれ空間の状態を予測し、埋もれ空間の状態に応じてアーク発生点を制御することにより、埋もれアークを安定化させることができる。

本実施形態１に係るアーク溶接システムの一構成例を示す模式図である。 アーク制御装置を有する溶接電源の一構成例を示す模式図である。 アーク制御部のハードウェア構成を示すブロック図である。 アーク電圧値と、埋もれ空間の開口径との関係を示すグラフである。 アーク制御方法を示す模式図である。 埋もれ空間を安定化させるアーク制御の処理手順を示すフローチャートである。 本実施形態２に係るアーク溶接システムの一構成例を示す模式図である。 本実施形態３に係るアーク溶接システムの一構成例を示す模式図である。

以下、本発明をその実施形態を示す図面に基づいて詳述する。
（実施形態１）
図１は、本実施形態１に係るアーク溶接システムの一構成例を示す模式図である。本実施形態１に係るアーク溶接システムは、３００Ａ以上の大電流埋もれアーク溶接が可能な消耗電極式のガスシールドアーク溶接機であり、溶接トーチ１１及びワイヤ送給部１２が取り付けられた溶接ロボット１と、溶接電源２と、溶接システム制御装置３とを備える。図１中、太線は給電ケーブル、細線は制御通信線である。溶接システム制御装置３は、動作制御信号を溶接ロボット１へ出力すると共に、所定のタイミングで溶接制御信号を溶接電源２へ出力することによって、溶接ロボット１及び溶接電源２の動作を制御する。特に本実施形態１に係るアーク溶接方法は、埋もれアーク溶接において、埋もれ空間６ａの状態を予測し、埋もれ空間６ａの状態に応じてアーク発生点を制御することにより、埋もれアーク７の安定化を向上させるものである（図５参照）。

溶接ロボット１は、床面の適宜箇所に固定される基部１３を備える。基部１３には、複数のアーム１４が軸部を介して回動可能に連結している。先端側に連結されたアーム１４の先端部位には、溶接トーチ１１が保持されている。アーム１４の連結部分にはサーボモータが設けられており、サーボモータの回転駆動力によって軸部を中心に各アーム１４が回動する。サーボモータの回転は溶接システム制御装置３によって制御されている。溶接システム制御装置３は、各アーム１４を回動させることによって、母材４に対して溶接トーチ１１を上下前後左右に移動させることができる。各アーム１４の連結部分には、アーム１４の回動位置を示す信号を溶接システム制御装置３へ出力するエンコーダが設けられており、溶接システム制御装置３は、エンコーダから出力された信号に基づいて、溶接トーチ１１の位置を認識する。また、溶接システム制御装置３は溶接電源２と通信を行い、溶接ワイヤ５の送給及び溶接電流Ｉの供給を制御する。
なお、溶接ロボット１は溶接トーチ移動装置の一例である。溶接トーチ移動装置は、溶接トーチを上下に移動させる機構を有する自動台車等でも良い。

溶接トーチ１１は、銅合金等の導電性材料からなり、母材４の被溶接部へ溶接ワイヤ５を案内すると共に、アーク７（図５参照）の発生に必要な溶接電流Ｉを供給する円筒形状のコンタクトチップを有する。コンタクトチップは、その内部を挿通する溶接ワイヤ５に接触し、溶接電流Ｉを溶接ワイヤ５に供給する。また、溶接トーチ１１は、コンタクトチップを囲繞する中空円筒形状をなし、被溶接部へシールドガスを噴射するノズルを有する。シールドガスは、アーク７によって溶融した母材４及び溶接ワイヤ５の酸化を防止するためのものである。シールドガスは、例えば炭酸ガス、炭酸ガス及びアルゴンガスの混合ガス、アルゴン等の不活性ガス等である。

溶接ワイヤ５は、例えばソリッドワイヤであり、その直径は０．９ｍｍ以上１．６ｍｍ以下であり、消耗電極として機能する。溶接ワイヤ５は、例えば、螺旋状に巻かれた状態でペールパックに収容されたパックワイヤ、あるいはワイヤリールに巻回されたリールワイヤである。溶接ワイヤ５の材質は、ＹＧＷ１１、ＹＧＷ１２、ＹＧＷ１５、ＹＧＷ１７、ＹＧＷ１８、ＹＧＷ１９等のソリッドワイヤを用いることができる。ただし、フラックスコアードワイヤやメタルコアードワイヤ、その他の新規のワイヤを溶接ワイヤ５として適用しても良い。

ワイヤ送給部１２は、溶接ワイヤ５をトーチへ送給する送給ローラと、当該送給ローラを回転させるモータとを有する。ワイヤ送給部１２は、送給ローラを回転させることによって、ペールパック又はワイヤリールから溶接ワイヤ５を引き出し、引き出された溶接ワイヤ５をトーチへ定速で供給する。溶接ワイヤ５の送給速度は、例えば、約５～１００ｍ／分である。なお、かかる溶接ワイヤ５の送給方式は一例であり、特に限定されるものでは無い。

図２は、溶接電源２の一構成例を示す模式図である。溶接電源２は、定電圧特性の電源であり、給電ケーブルを介して、トーチのコンタクトチップ及び母材４に接続された電源回路２１を備える。電源回路２１は、ＰＷＭ制御された直流を出力する回路であり、溶接ワイヤ５及び母材４間に溶接電圧Ｖを印加することにより、溶接電流Ｉを供給する。また溶接電源２は、溶接電流Ｉの供給を制御すると共に、埋もれアーク７の状態を制御するアーク制御部２２（アーク制御装置）と、電圧検出部２３及び電流検出部２４と、溶接ワイヤ５の送給速度を制御する送給速度制御部２５とを備える。

電圧検出部２３は、電源回路２１にて溶接ワイヤ５及び母材４間に印加される溶接電圧Ｖを検出し、検出して得られた電圧値をアーク制御部２２へ出力する。以下、当該電圧値を、アーク電圧値Ｖｄと呼ぶ。アーク電圧値Ｖｄは、溶接ワイヤ５及び母材４間の電圧値である。

電流検出部２４は、溶接電源２から溶接トーチ１１を介して溶接ワイヤ５へ供給され、アーク７を流れる溶接電流Ｉを検出し、検出した溶接電流値Ｉｄをアーク制御部２２へ出力する。

アーク制御部２２は、出力電圧設定部２２ａ、定電圧制御部２２ｂ、差分増幅部２２ｃ及び先端位置制御部２２ｄを備える。

出力電圧設定部２２ａは、定電圧特性を有する溶接電源２の出力電圧Ｅを示した設定電圧値Ｅｒを定電圧制御部２２ｂへ出力する。

定電圧制御部２２ｂは、溶接電源２のインダクタンスを電子的に変動させることによって、リアクトルＬを電子的に生成し、所定の定電圧特性を実現し、溶接電流Ｉの供給を制御する。定電圧制御部２２ｂは、設定電圧値Ｅｒに基づいて、所定の定電圧特性が得られるような溶接電流Ｉを示す溶接電流制御設定値Ｉｒｃを算出し、算出された溶接電流制御設定値Ｉｒｃを差分増幅部２２ｃへ出力する。具体的には、定電圧制御部２２ｂは、入力されたアーク電圧値Ｖｄ、溶接電流値Ｉｄ及び設定電圧値Ｅｒと、溶接電源２に設定された外部特性傾き設定値Ｒｒ及びインダクタンス設定値Ｌｒとに基づいて、電流設定値の単位時間当たりの変化量（Ｅｒ－Ｖｄ－Ｒｒ・Ｉｄ）／Ｌｒを算出する。そして定電圧制御部２２ｂは、当該変化量を積分し、積分して得た溶接電流制御設定値Ｉｒｃを差分増幅部２２ｃへ出力する。このように電源回路２１は、溶接電源２のインダクタンス設定値Ｌｒ、外部特性傾き設定値Ｒｒを電子的に生成することができ、定電圧特性を有する電源として振る舞う。例えば、溶接電源２は、１００Ａの溶接電流Ｉの増加に対する溶接電圧Ｖの低下が２Ｖ以上２０Ｖ以下となる外部特性を有する。溶接電源２の外部特性をこのように設定することにより、埋もれアーク７状態を維持することが容易となる。

電源回路２１は、商用交流を交直変換するＡＣ－ＤＣコンバータ、交直変換された直流をスイッチングにより所要の交流に変換するインバータ回路、変換された交流を整流する整流回路等を備える。電源回路２１は、差分増幅部２２ｃから出力された差分値ΔＩに従って、差分値ΔＩが小さくなるようにインバータをＰＷＭ制御し、直流電圧を溶接ワイヤ５へ出力する。その結果、母材４及び溶接ワイヤ５間に、所要の溶接電圧Ｖが印加され、溶接電流Ｉが通電する。

なお、溶接電源２には、制御通信線を介して溶接システム制御装置３から出力指示信号が入力されるように構成されており、アーク制御部２２は、出力指示信号をトリガにして、電源回路２１に溶接電流Ｉの供給を開始させる。出力指示信号は、例えば、図示しない溶接ロボット１から溶接電源２へ出力される。

送給速度制御部２５は、溶接電源２に設定される溶接電流Ｉの平均電流値に基づいてワイヤ送給部１２による溶接ワイヤ５の送給を制御する。本実施形態１に係るアーク溶接方法を実施する場合、約５ｍ～１００ｍ／分で溶接ワイヤ５が送給されるように制御すると良い。
本実施形態１に係るアーク溶接方法を実施する場合、溶接電流Ｉの平均電流値は、３００Ａ以上、好ましくは３００Ａ以上１０００Ａ以下、より好ましくは５００Ａ以上８００Ａ以下である。

先端位置制御部２２ｄは、閾値算出部２２ｅと、開口縮小判定部２２ｆと、トーチ位置調整部２２ｇとを備える。閾値算出部２２ｅは、埋もれ空間６ａの開口が縮小し、埋もれ空間６ａが不安定な状態であるか否かを判定するための閾値を算出する機能部である。具体的には、閾値算出部２２ｅは、アーク電圧値Ｖｄの移動平均に基づいて、閾値を算出する。例えば、閾値算出部２２ｅは、移動平均値から所定値を減算することによって閾値を算出する。
開口縮小判定部２２ｆは、アーク電圧値Ｖｄと、閾値とを比較することにより、埋もれ空間６ａが縮小した状態にあるか否かを判定する機能部である。
トーチ位置調整部２２ｇは、上記判定結果に応じて、溶接トーチ１１の上下位置を調整する機能部である。具体的には、トーチ位置調整部２２ｇは、アーク電圧値Ｖｄが閾値未満になった場合、溶接トーチ１１を上方へ移動させることにより、溶接ワイヤ５の先端部５ａを引き上げ、埋もれ空間６ａの開口を拡大させる。溶接トーチ１１を上方へ移動させた結果、上記開口縮小判定部２２ｆによって、埋もれ空間６ａが拡大したと判定された場合、トーチ位置調整部２２ｇは、溶接トーチ１１を下方へ移動させることにより、溶接ワイヤ５の先端部５ａを再び、埋もれ空間６ａに進入させる。

アーク制御部２２の各構成部は、ハードウェアで構成しても良いし、ソフトウェアの機能部として構成しても良い。また、言うまでもなく、一部をハードウェアで構成し、その他の部分をソフトとウェア的に構成しても良い。以下、アーク制御部２２はコンピュータであって、演算処理によって各構成部をソフトウェア的に実現するものとして説明する。

図３は、アーク制御部２２のハードウェア構成を示すブロック図である。アーク制御部２２は、ＣＰＵ２２１を備え、ＣＰＵ２２１には、演算処理によって生ずる各種データを記憶するＲＡＭ２２２、制御プログラム２６ａを記憶する不揮発性の記憶部２２３、第１入力部２２４、第２入力部２２５、出力部２２６及び通信部２２７が接続されている。アーク制御部２２はコンピュータを構成している。制御プログラム２６ａは、ＣＰＵ２２１に実行させることによって、埋もれアーク７を実現するための溶接電流Ｉを供給すると共に、埋もれ空間６ａの状態に応じて溶接ワイヤ５を引き上げる制御を実行することにより埋もれ空間６ａを安定化させるためのコンピュータプログラムである。
なお、本実施形態１に係る制御プログラム２６ａは、記録媒体２６にコンピュータ読み取り可能に記録された態様でも良い。記憶部２２３は、図示しない読出装置によって記録媒体２６から読み出された制御プログラム２６ａを記憶する。記録媒体２６はＣＤ（Compact Disc）－ＲＯＭ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）－ＲＯＭ、ＢＤ（Blu-ray(登録商標) Disc）等の光ディスク、フレキシブルディスク、ハードディスク等の磁気ディスク、磁気光ディスク、半導体メモリ等である。また、図示しない通信網に接続されている図示しない外部コンピュータから本実施形態１に係る制御プログラム２６ａをダウンロードし、記憶部２２３に記憶させても良い。

電流検出部２４及び電圧検出部２３は、それぞれ第１入力部２２４及び第２入力部２２５に接続されている。ＣＰＵ２２１は、第１入力部２２４及び第２入力部２２５にて溶接電流値Ｉｄ及びアーク電圧値Ｖｄを取得する。

出力部２２６は、電源回路２１に接続されている。ＣＰＵ２２１は、差分値ΔＩを電源回路２１へ出力し、差分値ΔＩが小さくなるように電源回路２１による溶接電流Ｉの供給を制御する。

通信部２２７には溶接システム制御装置３が接続されており、溶接の開始指示又は停止指示、出力電圧Ｅ、溶接電流Ｉの設定値等を示す溶接制御信号を受信し、ＣＰＵ２２１は受信した信号に従って、埋もれアーク溶接を実現するための溶接電流Ｉの供給を制御する。一方、ＣＰＵ２２１は、埋もれ空間６ａの状態に応じて、埋もれ空間６ａを安定化させるためのトーチ位置調整信号を、溶接システム制御装置３へ出力する。トーチ位置調整信号は、溶接トーチ１１の上下位置の調整を指示するための信号である。

図４は、アーク電圧値Ｖｄと、埋もれ空間６ａの開口径との関係を示すグラフである。横軸は時間、左縦軸はアーク電圧値Ｖｄ、右縦軸は埋もれ空間６ａの開口径を示したものである。埋もれ空間６ａの開口径は、埋もれアーク溶接中の被溶接部を高速度カメラで撮像して得られた画像から開口の長径及び短径を測定し、測定して得た長径及び短径の平均値を算出することによって得られる。
母材４の板厚が１９ｍｍ、ワイヤ径が１．４ｍｍ、ワイヤ送給速度が２２ｍ／分、溶接電流Ｉの設定電流値が６００Ａ、設定電圧値Ｅｒが４８Ｖの溶接条件でビードオンプレート溶接を行った場合、図４中白丸プロットで示すように、溶接中、埋もれ空間６ａの開口径が頻繁に変化していることが分かる。一方、図４中黒丸プロットで示すように、アーク電圧値Ｖｄは、埋もれ空間６ａの開口径の増減に合わせて同様に増減しており、良い対応関係を示していることが分かる。つまり、アーク電圧値Ｖｄと、埋もれ空間６ａの開口は正の相関を有していることが分かる。

また、図４は、数十ｍ秒の比較的短い期間で開口径が変動しており、埋もれ空間６ａが不安定化し易い状況にあることを示している。埋もれアーク７が不安定化しやすいのは、埋もれ空間６ａの開口が縮小し、溶融金属が溶接ワイヤ５に接近したときであるが、アーク電圧値Ｖｄを検出及び監視することによって、埋もれ空間６ａの開口が縮小した状態を検知することができる。
本実施形態１に係る溶接電源２は、埋もれ空間６ａの開口が縮小したことを検知した場合、溶接トーチ１１を引き上げる制御を行うことにより、溶接ワイヤ５の先端部５ａ、即ちアーク発生点を引き上げる。アーク発生点を引き上げることにより、閉塞しそうな埋もれ空間６ａの側壁を効果的に支えることが可能となり、埋もれ空間６ａを安定化させることができる（図５参照）。

図５はアーク制御方法を示す模式図である。所要の溶接条件、例えば図４で説明した溶接条件で溶接電流Ｉを供給すると、溶接ワイヤ５の先端部５ａ及び被溶接部間に発生したアーク７の熱によって溶融した母材４及び溶接ワイヤ５の溶融金属からなる凹状の溶融部分６が母材４に形成され、左上図に示すように溶接ワイヤ５の先端部５ａが埋もれ空間６ａに進入した状態になる。このとき、溶接ワイヤ５の先端部５ａ及び溶融部分６の底部６１間にアーク７が発生した状態となり、深い溶け込みが得られる。

ところが、溶融部分６は溶融した金属であり、様々な外乱の影響によって、左下図のように埋もれ空間６ａの開口が縮小することがある。このような状態になると、溶融部分６が大きく揺動し、埋もれ空間６ａは非常に不安定な状態となる。

そこで、アーク制御部２２は、溶接トーチ１１と共に溶接ワイヤ５を引き上げ、右下図に示すように、当該溶接ワイヤ５の先端部５ａを、埋もれ空間６ａの開口部付近まで上昇させる。溶接トーチ１１の引き上げ速度は例えば１０００ｃｍ／分である。アーク発生点が上方へ移動すると、先端部５ａ及び溶融部分６の側壁部６２間にアーク７が発生する状態となる。この状態においては、溶融部分６の側壁部６２にアーク７が飛び、右上図に示すように、溶融部分６の溶融金属は溶接ワイヤ５から離隔する方向へ押し返され、溶融部分６は凹状の状態で安定化する。

埋もれ空間６ａの開口が開き、埋もれアーク７が安定化すると、アーク制御部２２は、溶接トーチ１１と共に溶接ワイヤ５を下方へ移動させ、左上図に示すように、再び溶接ワイヤ５の先端部５ａを埋もれ空間６ａに進入させる。

以上の制御により、埋もれアーク溶接における深い溶け込みを得ることができ、しかも、埋もれ空間６ａの波打ち等を抑えて埋もれ空間６ａを安定化させることができる。

次に上記アーク制御を実現する具体的な処理手順を説明する。
図６は埋もれ空間６ａを安定化させるアーク制御の処理手順を示すフローチャートである。埋もれアーク溶接が行われている際、アーク制御部２２は以下の処理を実行する。アーク制御部２２は、アーク電圧値Ｖｄの検出タイミングであるか否かを判定する（ステップＳ１１）。アーク制御部２２は、例えば５０ｍ秒以下の所定周期で、アーク電圧値Ｖｄを取得する。ここでは５ｍ秒周期でアーク電圧値Ｖｄを取得するものとする。

電圧検出タイミングで無いと判定した場合（ステップＳ１１：ＮＯ）、アーク制御部２２は処理をステップＳ１１へ戻す。電圧検出タイミングであると判定した場合（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、アーク制御部２２は、電圧検出部２３から出力されるアーク電圧値Ｖｄを取得し（ステップＳ１２）、取得したアーク電圧値Ｖｄを記憶する（ステップＳ１３）。次いで、アーク制御部２２は、記憶した複数のアーク電圧値Ｖｄに基づいて、アーク電圧値Ｖｄの移動平均を算出する（ステップＳ１４）。例えばアーク制御部２２は約１秒の移動平均値を算出すれば良い。

次いで、アーク制御部２２はアーク電圧値Ｖｄの移動平均値から所定値、例えば３Ｖを減算し、減算して得た値を第１閾値として更新する（ステップＳ１５）。そして、アーク制御部２２は、ステップＳ１２で検出されたアーク電圧値Ｖｄが第１閾値未満であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。なお、第１閾値と比較するアーク電圧値Ｖｄは、瞬間値でも良いし、直近の移動平均値であっても良い。アーク電圧値Ｖｄが第１閾値以上であると判定した場合（ステップＳ１６：ＮＯ）、アーク制御部２２は処理をステップＳ１１へ戻す。

アーク電圧値Ｖｄが第１閾値未満であると判定した場合（ステップＳ１６：ＹＥＳ）、アーク制御部２２は、溶接トーチ１１を、溶接ロボット１に引き上げさせるためのトーチ位置調整信号を溶接システム制御装置３へ出力する（ステップＳ１７）。溶接トーチ１１を引き上げる速度は、例えば１０００ｃｍ／分である。当該トーチ位置調整信号を受信した溶接システム制御装置３は、溶接トーチ１１を上方へ移動させる。

次いで、アーク制御部２２は、電圧検出部２３から出力されるアーク電圧値Ｖｄを取得し（ステップＳ１８）、取得したアーク電圧値Ｖｄが第２閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１９）。第２閾値は、第１閾値よりも大きな値であり、閾値にヒステリシスを与えるためのものである。アーク電圧値Ｖｄが第２閾値未満であると判定した場合（ステップＳ１９：ＮＯ）、アーク制御部２２は処理をステップＳ１７へ戻す。アーク電圧値Ｖｄが第２閾値以上であると判定した場合（ステップＳ１９：ＹＥＳ）、アーク制御部２２は、溶接トーチ１１を元の上下位置に移動させるためのトーチ位置調整信号を溶接システム制御装置３へ出力することにより、再び溶接ワイヤ５の先端部５ａを埋もれ空間６ａに進入させ（ステップＳ２０）、処理をステップＳ１１へ戻す。当該トーチ位置調整信号を受信した溶接システム制御装置３は、溶接トーチ１１を下方へ移動させる。

このように構成された実施形態１に係るアーク溶接システムによれば、埋もれ空間６ａの状態を予測し、埋もれ空間６ａの状態に応じてアーク発生点を制御することにより、埋もれ空間６ａないし埋もれアーク７の状態を効果的に安定化させることができる。具体的には、溶接トーチ１１を引き上げることにより、溶接ワイヤ５の先端部５ａを上昇させ、埋もれ空間６ａを安定化させることができる。

また、アーク電圧値Ｖｄの移動平均に基づいて閾値を設定する構成であるため、溶接条件に拘わらず、埋もれ空間６ａを安定化させることができる。

更に、５０ｍ秒以下の周期で埋もれ空間６ａの状態を監視することにより、より効果的に埋もれ空間６ａを安定化させることができる。

更にまた、溶接ワイヤ５を引き上げた後、埋もれ空間６ａの開口が拡大したことを確認してから、再び溶接ワイヤ５の先端部５ａを埋もれ空間６ａに進入させる構成であるため、より効果的に埋もれ空間６ａを安定化させることができ、効率的に深い溶け込みを得ることができる。

更に、埋もれ空間６ａの開口の縮小を判定する閾値にヒステリシスを設けることにより、埋もれ空間６ａをより安定的に制御することができる。

（実施形態２）
実施形態２に係るアーク溶接システムは、埋もれ空間６ａの開口が縮小したときの溶接ワイヤ５の引き上げ方法が実施形態１と異なるため以下では主に上記相違点を説明する。その他の構成及び作用効果は実施形態と同様であるため、対応する箇所には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。

図７は本実施形態２に係るアーク溶接システムの一構成例を示す模式図である。実施形態２に係るアーク制御部２２は、トーチ位置調整部２２ｇに代えて、送給速度調整部２２ｈを備える。送給速度調整部２２ｈは、溶接ワイヤ５の送給速度を増減させるための送給速度調整信号を、送給速度制御部２５へ出力する機能部である。

アーク制御部２２は、アーク電圧値Ｖｄが第１閾値未満になった場合、溶接ワイヤ５の送給速度を減速させることを指示するための送給速度調整信号を送給速度制御部２５へ出力する。送給速度の減速を示す送給速度調整信号を受信した送給速度制御部２５は、溶接ワイヤ５の送給速度を、通常時よりも減速させる。その結果、溶接ワイヤ５が引き上げられ、埋もれ空間６ａが安定化する。送給速度の減少量は、特に限定されるものでは無いが、例えば現時点の送給速度を１０％～２０％減少させると良い。
その後、アーク電圧値Ｖｄが第２閾値以上になった場合、溶接ワイヤ５の送給速度を加速させることを指示するための送給速度調整信号を送給速度制御部２５へ出力する。送給速度の加速を示す送給速度調整信号を受信した送給速度制御部２５は、溶接ワイヤ５の送給速度を、再び通常時の送給速度に戻す。その結果、溶接ワイヤ５の先端部５ａが再び埋もれ空間６ａに進入する。

このように構成された実施形態２に係るアーク溶接システムによれば、埋もれ空間６ａの状態を予測し、埋もれ空間６ａの状態に応じて溶接ワイヤ５の送給速度を増減させることにより、埋もれ空間６ａないし埋もれアーク７の状態を効果的に安定化させることができる。

（実施形態３）
実施形態３に係るアーク溶接システムは、埋もれ空間６ａの開口が縮小したときの溶接ワイヤ５の引き上げ方法が実施形態１と異なるため以下では主に上記相違点を説明する。その他の構成及び作用効果は実施形態と同様であるため、対応する箇所には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。

図８は本実施形態３に係るアーク溶接システムの一構成例を示す模式図である。実施形態３に係るアーク制御部２２は、トーチ位置調整部２２ｇに代えて、設定電圧調整部２２ｉを備える。設定電圧調整部２２ｉは、設定電圧値Ｅｒを昇降させるための設定電圧調整信号を、出力電圧設定部２２ａへ出力する機能部である。

アーク制御部２２は、アーク電圧値Ｖｄが第１閾値未満になった場合、設定電圧値Ｅｒを上昇させることを指示するための設定電圧調整信号を出力電圧設定部２２ａへ出力する。設定電圧値Ｅｒの上昇を示す設定電圧調整信号を受信した出力電圧設定部２２ａは、設定電圧値Ｅｒを上昇させる。その結果、溶接ワイヤ５が引き上げられ、埋もれ空間６ａが安定化する。設定電圧値Ｅｒの上昇値は、特に限定されるものでは無いが、例えば現時点の設定電圧値Ｅｒを１０％～２０％上昇させると良い。
その後、アーク電圧値Ｖｄが第２閾値以上になった場合、設定電圧値Ｅｒを減少させることを指示するための設定電圧調整信号を出力電圧設定部２２ａへ出力する。設定電圧値Ｅｒの減少を示す設定電圧調整信号を受信した出力電圧設定部２２ａは、設定電圧値Ｅｒを再び元の値に戻す。その結果、溶接ワイヤ５の先端部５ａが再び埋もれ空間６ａに進入する。

このように構成された実施形態３に係るアーク溶接システムによれば、埋もれ空間６ａの状態を予測し、埋もれ空間６ａの状態に応じて設定電圧値Ｅｒを増減させることにより、埋もれ空間６ａないし埋もれアーク７の状態を効果的に安定化させることができる。

なお、溶接ワイヤ５の先端部５ａの位置を調整する方法として、３つの実施形態１～３を説明したが、実施形態１～３のいずれかを任意に組み合わせて、先端部５ａの位置を調整しても良い。

また、閾値にヒステリシスを持たせる構成を説明したが、一つの閾値を用いて、埋もれ空間６ａの縮小及び拡大を判定するように構成しても良い。

更に、埋もれ空間６ａの開口が拡大したことを確認して溶接ワイヤ５の先端部５ａを元の位置に戻す例を説明したが、溶接ワイヤ５を引き上げた後、所定時間が経過したか否かを判定し、所定時間が経過した場合、溶接ワイヤ５の先端部５ａを元の位置に戻すように構成しても良い。

更にまた、溶接ワイヤ５の先端部５ａの位置を５０ｍ秒以下の周期で制御する例を説明したが、２０ｍ秒以下の周期で制御するように構成しても良い。埋もれ空間６ａの開口の拡大縮小は約２０Ｈｚ～５０Ｈｚの頻度で起こるためである。

更にまた、本実施形態１～３では、アーク制御部２２、特に先端位置制御部２２ｄを溶接電源２に設ける例を説明したが、先端位置制御部２２ｄを、溶接ロボット１又は溶接システム制御装置３等、他の部位に設けても良い。また、アーク制御装置として別体で備えても良い。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 溶接ロボット
２ 溶接電源
３ 溶接システム制御装置
４ 母材
５ 溶接ワイヤ
５ａ 先端部
６ 溶融部分
６ａ 埋もれ空間
６１ 底部
６２ 側壁部
７ アーク
１１ 溶接トーチ
１２ ワイヤ送給部
１３ 基部
１４ アーム
２１ 電源回路
２２ アーク制御部
２２ａ 出力電圧設定部
２２ｂ 定電圧制御部
２２ｃ 差分増幅部
２２ｄ 先端位置制御部
２２ｅ 閾値算出部
２２ｆ 開口縮小判定部
２２ｇ トーチ位置調整部
２２ｈ 送給速度調整部
２２ｉ 設定電圧調整部
２３ 電圧検出部
２４ 電流検出部
２５ 送給速度制御部
２６ 記録媒体
２６ａ 制御プログラム
２２１ ＣＰＵ
２２２ ＲＡＭ
２２３ 記憶部
２２４ 第１入力部
２２５ 第２入力部
２２６ 出力部
２２７ 通信部
Ｉ 溶接電流
Ｉｄ 溶接電流値
Ｖ 溶接電圧
Ｖｄ アーク電圧値
Ｅ 設定電圧
Ｅｒ 設定電圧値
ΔＩ 差分値
Ｉｒｃ 溶接電流制御設定値

Claims (5)

1. 母材の被溶接部に溶接ワイヤを送給すると共に、該溶接ワイヤに溶接電流を供給することによって、前記溶接ワイヤの先端部及び前記被溶接部間にアークを発生させ、該アークにより前記母材に形成される凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記先端部を進入させて前記母材を溶接する消耗電極式のアーク溶接を制御するアーク制御装置であって、
   前記溶接ワイヤ及び前記母材間のアーク電圧値を取得する電圧値取得部と、
   該電圧値取得部にて取得したアーク電圧値が閾値未満になった場合、前記空間に進入した前記先端部を、前記溶融部分の開口側へ移動させる制御を行う先端位置制御部と
   を備え、
   前記先端位置制御部は、
   前記溶接ワイヤを前記被溶接部へ案内する溶接トーチを、溶接トーチ移動装置に引き上げさせるためのトーチ位置調整信号を出力することにより、前記先端部を前記溶融部分の開口側へ移動させるアーク制御装置。
2. 母材の被溶接部に溶接ワイヤを送給すると共に、該溶接ワイヤに溶接電流を供給することによって、前記溶接ワイヤの先端部及び前記被溶接部間にアークを発生させ、該アークにより前記母材に形成される凹状の溶融部分によって囲まれる空間に前記先端部を進入させて前記母材を溶接する消耗電極式のアーク溶接を制御するアーク制御装置であって、
   前記溶接ワイヤ及び前記母材間のアーク電圧値を取得する電圧値取得部と、
   該電圧値取得部にて取得したアーク電圧値が閾値未満になった場合、前記空間に進入した前記先端部を、前記溶融部分の開口側へ移動させる制御を行う先端位置制御部と
   を備え、
   前記先端位置制御部は、
   前記溶接ワイヤを前記被溶接部へ送給する速度を減少させるための送給速度調整信号を出力することにより、前記先端部を前記溶融部分の開口側へ移動させるアーク制御装置。
3. 前記先端位置制御部は、
   前記溶接電流に係る設定電圧値を上昇させるための設定電圧調整信号を出力することにより、前記先端部を前記溶融部分の開口側へ移動させる
   請求項１又は請求項２に記載のアーク制御装置。
4. 前記先端位置制御部は、
   前記電圧値取得部にて取得した複数のアーク電圧値の移動平均に基づいて前記閾値を算出する
   請求項１～請求項３までのいずれか一項に記載のアーク制御装置。
5. 前記先端位置制御部は、
   ５０ｍ秒以下の周期で前記先端部の位置を制御する
   請求項１～請求項４までのいずれか一項に記載のアーク制御装置。

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