JP7265308B2 - 溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、溶接装置に関する。

非消耗電極アーク溶接において、溶接のスタート時に溶接トーチに装着された電極と母材間に高周波電圧を印加し、アークを発生させる方法が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２０１４－１５５９４５号公報

電極と母材間に高周波電圧を印加しスタートする方式では、特許文献１に記載されているとおり、高周波電圧を印加した際に発生する強い電磁波ノイズにより溶接電源が誤動作を起こすおそれがある。特に、スタート時においては、高周波電圧により溶接電流測定器に電磁波ノイズが混入し、溶接電流が流れていないにも関わらず通電検出部が、溶接電流が流れていると誤判別する問題がある。

本発明は、上記の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、高周波電圧印加時に、通電検出部の誤判別を防止するものである。

上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、
非消耗電極アーク溶接に用いられる電極を有する溶接トーチと、
前記溶接トーチと母材間に溶接電流及び出力電圧を出力する溶接電源と、
前記電極と前記母材間に高周波電圧を印加する高周波印加部と、
前記溶接電流を測定する溶接電流測定部と、
前記出力電圧を測定する出力電圧測定部と、
前記溶接電流測定部の測定した溶接電流測定値が予め定められた電流判別値よりも大きい場合は溶接電流が流れている判別する電流判別部と、
前記出力電圧測定部の測定した出力電圧測定値が予め定められた電圧判別値よりも小さい場合は溶接電流が流れていると判別する電圧判別部と、
前記電流判別部の信号と前記電圧判別部の信号とを入力として、溶接電流が通電中であると判別する通電検出部と、
を備えており、
前記高周波印加部が前記電極と前記母材間に前記高周波電圧を印加される期間は、前記通電検出部は、前記電圧判別部の信号のみにより溶接電流が通電中であると判別すること、
を特徴とする溶接装置である。

請求項２の発明は、
前記高周波印加部が前記電極と前記母材間に前記高周波電圧を印加されない期間は、前記通電検出部は、前記電流判別部の信号と前記電圧判別部の信号の論理和により溶接電流が通電中であると判別すること、
を特徴とする請求項１に記載の溶接装置である。

本発明によれば、スタート時における高周波電圧による誤動作を防止できる。

本発明の実施の形態に係る溶接装置の接続図および各機能のブロック図である。 本発明の実施の形態を行っていない従来技術の場合のスタート時のタイミングチャートである。 本発明の実施の形態を行った場合の溶接時のタイミングチャートである。 本発明の実施の形態を行った場合の溶接中に出力電圧が上昇した時の動作を説明する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〕
図１は、本発明の実施の形態に係る非消耗電極アーク溶接の溶接装置の接続図および各機能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。溶接電源ＰＭは、非消耗電極式アーク溶接電源である。溶接トーチ３は、溶接電源ＰＭの出力端子マイナス側に接続され、溶接トーチ３の電極２に溶接電源ＰＭの出力電圧Ｖを印加する。母材ケーブル５は、溶接電源ＰＭの出力端子プラス側と母材４を接続している。トーチスイッチ１は溶接トーチ３に搭載されており、トーチスイッチケーブル１０で溶接電源ＰＭの通電検出部１１、電圧判別部９、高周波印加部１２および溶接電源ＰＭの図示しない制御部に接続されている。

溶接電流測定部６は、溶接電流Ｉｗを検出し、溶接電流１００Ａあたり１Ｖ（１Ｖ／１００Ａ）の溶接電流測定値Ｉｄを電流判別部８に出力する。

出力電圧測定部７は、溶接電源ＰＭの出力電圧Ｖを検出し、出力電圧２０Ｖあたり１Ｖ（１Ｖ／２０Ｖ）の出力電圧測定値Ｖｄを電圧判別部９に出力する。

電流判別部８は、溶接電流測定値Ｉｄにより、下記のとおり溶接電流が流れていると判別するＷＣＲ信号を生成し、通電検出部１１に出力する。
・溶接電流測定値Ｉｄが２０ｍＳ間６Ａ未満の場合：ＷＣＲ信号はＬ
・溶接電流測定値Ｉｄが３ｍＳ間６Ａ以上の場合：ＷＣＲ信号はＨ
なお、ＷＣＲ信号はＷｅｌｄｉｎｇ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｒｅｌａｙの略であり、溶接電流が流れていると判別した場合はＨ、溶接電流が流れていないと判別した場合はＬとなる信号である。なお、ＷＣＲ信号がＨからＬに切り替わるのに２０ｍＳ間の期間を設けているのは、２０ｍＳ以下の短い時間のアーク切れでは、ＷＣＲがＨからＬに切り替わらないようにするためである。

電圧判別部９は、起動信号ＴＳおよび出力電圧測定値Ｖｄにより、溶接電流が流れていると判別するＯＶＲ信号を生成し、通電検出部１１に出力する。
１）起動信号ＴＳが起動（Ｈ）の時は、出力電圧測定値Ｖｄが２０ｍＳ間４５Ｖ以上の場合：ＯＶＲ信号はＬ
２）起動信号ＴＳが起動（Ｈ）の時は、出力電圧測定値Ｖｄが３ｍＳ間４０Ｖ以下の場合：ＯＶＲ信号はＨ
３）起動信号ＴＳが停止（Ｌ）の場合：ＯＶＲ信号はＬ
なお、ＯＶＲ信号はＯｕｔｐｕｔ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｒｅｌａｙの略であり、起動中に溶接電流が流れていると判別した場合はＨ、それ以外はＬとなる信号である。なお、ＯＶＲ信号がＨからＬに切り替わるのに２０ｍＳ間の期間を設けているのは、２０ｍＳ以下の短い時間のアーク切れでは、ＯＶＲがＨからＬに切り替わらないようにするためである。

通電検出部１１は、電流判別部８のＷＣＲ信号および電圧判別部９のＯＶＲ信号より、下記のとおり通電検出信号Ａｒｃを生成し、高周波印加部１２に出力する。
１）通電検出信号ＡｒｃがＬの場合は、電圧判別部９のＯＶＲ信号のみにより、通電検出信号Ａｒｃを決定する。すなわち、通電検出信号ＡｒｃがＬの場合、電圧判別部９のＯＶＲ信号がＨに切り替わった時点で通電検出信号ＡｒｃもＨに切り替わる。
２）通電検出信号ＡｒｃがＨの場合は、電流判別部８のＷＣＲ信号と電圧判別部９のＯＶＲ信号の論理和（ＯＲ）により、通電検出信号Ａｒｃを決定する。すなわち、通電検出信号ＡｒｃがＨの場合、電流判別部８のＷＣＲ信号と電圧判別部９のＯＶＲ信号の両方がＬにならないと、通電検出信号ＡｒｃはＬに切り替わらない。

高周波印加部１２は、起動信号ＴＳが起動（Ｈ）で、通電検出部１１の通電検出信号ＡｒｃがＬの場合、高周波電圧ＨＦを電極２と母材４間に印加し、電極２から母材４間にアークを発生させる。

従来技術の場合について、溶接装置の動作説明を行う。図２は、高周波電圧ＨＦの発生や停止に関わらず、通電検出部１１が電流判別部８のＷＣＲ信号と電圧判別部９のＯＶＲ信号の論理和にて、通電検出信号Ａｒｃの判別を行った場合に発生する誤判別について説明するためのタイムチャートである。同図（ａ）は起動信号ＴＳの起動／停止を示し、同図（ｂ）は溶接電流測定信号Ｉｄの時間変化を示し、同図（ｃ）は出力電圧測定信号Ｖｄの時間変化を示し、同図（ｄ）は電流判別部８の出力であるＷＣＲ信号の時間変化を示し、同図（ｅ）は電圧判別部９の出力であるＯＶＲ信号の時間変化を示し、同図（ｆ）は通電検出部１１の出力である通電検出信号Ａｒｃの時間変化を示し、同図（ｇ）は高周波電圧ＨＦの印加／停止を示す。

時刻ｔ０：時刻ｔ０の時点で、同図（ａ）に示すように、起動信号ＴＳが起動（Ｈ）に切り替わり、溶接電源ＰＭの出力電圧Ｖには無負荷電圧７０Ｖ程度が出力され、同図（ｃ）に示すように、出力電圧測定信号Ｖｄも無負荷電圧に相当する値となる。また同時に、高周波電圧印加部１２は電極２と母材４間に、同図（ｇ）に示すように、高周波電圧ＨＦを印加する。すると先述したとおり、高周波電圧ＨＦによる電磁ノイズが溶接電流測定部６に混入し、同図（ｂ）に示すように、溶接電流測定値Ｉｄに重畳され、溶接電流Ｉｗが流れていないにも関わらずスパイク状のノイズが溶接電流測定値Ｉｄに混入する。

時刻ｔ１：溶接電流測定値Ｉｄに混入したスパイク状の電圧により、電流判別部８は溶接電流測定値Ｉｄが３ｍＳ間６Ａ以上と判別した時点である時刻ｔ１で、同図（ｄ）に示すように、電流判別部８のＷＣＲ信号は、ＬからＨに切り替わる。時刻ｔ０から時刻ｔ１の間は、同図（ｃ）に示すように、出力電圧測定信号Ｖｄは無負荷電圧７０Ｖ程度に対応する値であるので、時刻ｔ１の時点においても、同図（ｅ）に示すように、電圧判別部９のＯＶＲ信号はＨのままであるが、通電検出部１１の通電検出信号Ａｒｃは電流判別部８のＷＣＲ信号と電圧判別部９のＯＶＲ信号の論理和（ＯＲ）となるため、時刻ｔ１の時点で、同図（ｆ）に示すように、通電検出信号ＡｒｃはＬからＨに切り替わり、溶接電流が通電していないにも関わらず溶接電流が流れていると誤判別した状態になる。時刻ｔ１の時点で、同図（ｆ）に示すように、通電検出信号ＡｒｃがＨとなったため、高周波印加部１２は、同図（ｇ）に示すように、高周波電圧ＨＦの印加を停止する。そのため、溶接電流測定部６に混入していた電磁波ノイズの影響はなくなり、同図（ｂ）に示すように、溶接電流測定値Ｉｄは０Ａを保ったままとなる。

時刻ｔ２：電磁波ノイズの影響はなくなった時刻ｔ１の時点から電流判別部８は溶接電流測定値Ｉｄが２０ｍＳ間６Ａ以下と判別した時刻ｔ２の時点で、同図（ｄ）に示すように、電流判別部８のＷＣＲ信号はＨからＬに切り替わり、同図（ｆ）の示すように、通電検出部１１の通電検出信号ＡｒｃもＨからＬに切り替わる。すると、高周波電圧印加部１２は、再度電極２と母材４間に高周波電圧ＨＦを印加するｔ０の状態に戻り、以降時刻ｔ０から時刻ｔ２の動作を繰り返すことになる。

図３は、本発明の実施の形態を行った場合の動作について説明するためのタイムチャートであり、本発明の実施の形態を行った場合の溶接装置の動作についての説明を行う。同図（ａ）は起動信号ＴＳの起動／停止を示し、同図（ｂ）は溶接電流測定信号Ｉｄの時間変化を示し、同図（ｃ）は出力電圧測定信号Ｖｄの時間変化を示し、同図（ｄ）は電流判別部８の出力であるＷＣＲ信号の時間変化を示し、同図（ｅ）は電圧判別部９の出力であるＯＶＲ信号の時間変化を示し、同図（ｆ）は通電検出部１１の出力である通電検出信号Ａｒｃの時間変化を示し、同図（ｇ）は高周波電圧ＨＦの印加／停止を示す。以下、同図を参照して動作について説明する。

時刻ｔ０から時刻ｔ１：時刻ｔ０から時刻ｔ１の期間は、前述した図２と同様である。ただし、時刻ｔ１の時点において、通電検出部１１は、電流判別部８のＷＣＲ信号に関係なく、電圧判別部９のＯＶＲ信号のみにて判別されるため、同図（ｆ）に示すように、通電検出信号ＡｒｃはＬからＨに切り替わることはない。

時刻ｔ２：時刻ｔ２においてアークが発生すると、出力電圧Ｖは無負荷７０Ｖからアーク電圧の２０Ｖ程度まで低下するため、同図（ｃ）に示すように、出力電圧測定信号Ｖｄも２０Ｖに相当する値まで低下する。

時刻ｔ３：時刻ｔ３において出力電圧測定値Ｖｄが３ｍＳ間４０Ｖ以下となったため、同図（ｅ）に示すように、電圧判別部９のＯＶＲ信号はＬからＨに切り替わり、同図（ｆ）に示すように、通電検出部１１も通電検出信号ＡｒｃをＬからＨに切り替える。高周波印加部１２は通電検出信号ＡｒｃがＨになったため、同図（ｇ）に示すように、高周波電圧ＨＦの印加を停止し、同図（ｂ）に示すように、溶接電流測定信号Ｉｄに重畳していたスパイク状のノイズはなくなる。

時刻ｔ３から時刻ｔ４：時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間は、通常のアーク溶接期間である。

時刻ｔ４から時刻ｔ５：時刻ｔ４から時刻ｔ５では、電極２と母材４間の距離が広がり出力電圧Ｖが５０Ｖ程度まで上昇した期間である。同図（ｃ）に示すように、出力電圧検出信号Ｖｄが５０Ｖに相当する値となり、アーク電圧判定部９の閾値４５Ｖを超えているが、期間が２０ｍＳ以下であるため、同図（ｅ）に示すように、電圧判別部９のＯＶＲ信号がＨからＬに切り替わることはない。

時刻ｔ５から時刻ｔ６： 図３中の時刻ｔ５の時点で出力電圧Ｖは５０Ｖから２０Ｖに戻り、同図（ａ）に示すように、起動信号ＴＳが停止（Ｌ）に切り替る時刻ｔ６の時点までである。起動停止がかかった時刻ｔ６において、同図（ｅ）に示すように、電圧判別部９のＯＶＲ信号はＨからＬに切り替わる。また、溶接電流Ｉｗもただちに０Ａとなるが、同図（ｄ）に示すとおり、電流判別部８のＷＣＲ信号は時刻ｔ６から２０ｍＳ後までＨを保ったままとなるので、同図（ｆ）に示すとおり、通電検出部１１の通電検出信号ＡｒｃもＨを保ったままとなる。

時刻ｔ６から時刻ｔ７： 起動信号ＴＳが停止（Ｌ）に切り替わって溶接電流Ｉｗが０Ａになった時刻ｔ６の時点から、溶接電流測定値Ｉｄが２０ｍＳ間６Ａ以下であった時刻ｔ７の時点で、同図（ｄ）の示すように、電流判別部８のＷＣＲ信号はＨからＬに切り替わるため、同図（ｆ）の示すように、通電検出部１１の通電検出信号ＡｒｃもＨからＬに切り替わる。

図４は、図３において時刻ｔ４から時刻ｔ５の期間が２０ｍＳ以上となり、電圧判別部９のＯＶＲ信号がＨからＬに切り替わってしまった場合を説明するタイムチャートである。同図（ｃ）に示すとおり、アーク長が伸びて出力電圧検出信号Ｖｄが５０Ｖに相当する値まで上昇した時点である時刻ｔ４から２０ｍＳ後の時刻ｔ４５時点で、同図（ｅ）に示すように、電圧判別部９のＯＶＲ信号はＨからＬに切り替わる。しかし、アーク長が伸びても溶接電源ＰＭは、定電流出力の溶接電源であるため、出力電流は設定２０Ａを保つため、同図（ｂ）に示すように、溶接電流測定信号Ｉｄは一定であり、時刻ｔ４から時刻ｔ５の期間も、同図（ｄ）に示すとおり、電流判別部８のＷＣＲ信号がＬに落ちることはない。通電検出部１１は、通電検出信号ＡｒｃがＨの状態なので、電流判別部８のＷＣＲ信号と電圧判別部９のＯＶＲ信号の論理和にて決定されるため、同図（ｆ）に示すように、Ｌに落ちることはない。このとおり、通電検出信号ＡｒｃはＨの場合は、電流判別部８のＷＣＲ信号と電圧判別部９のＯＶＲ信号の論理和にて通電検出信号Ａｒｃを決定することにより、出力電圧測定信号が無負荷電圧に近い値まで上昇しても、出力電流測定値が６Ａ以上流れているような状態であればアーク発生とみなすことにより、電極２と母材４間の距離が広がりアーク切れを起こしそうな極限の状態でも通電検出部１１は通電検出信号Ａｒｃを正しくＨに保つことができる。

溶接電流測定部６に使用する溶接電流Ｉｗを検出するためのホール電流検出器は、定格電流４００Ａのものが使用される。先述したとおり溶接電流測定部６は、溶接電流１００Ａあたり１Ｖに変換するため、溶接電流１Ａあたり１０ｍＶである。ホール電流検出器は、溶接電流が流れていないときでも、残存出力（オフセット電圧）が±３０ｍＶ出力される。また、残存出力（オフセット電圧）は１ｍＶ／℃程度の温度ドリフトをもっている。そのため、電流判別部８は、安全を見込んで溶接電流が流れているかいないかの判別レベルを６Ａに設定している。なお、ホール電流検出器以外のシャント抵抗を用いる方式においても、シャント抵抗の電流／電圧変換レベルは５０ｍＶ／４００Ａであり、０．５ｍＶ程度の微小な信号を判別しなければならないため、ホール電流検出器よりも溶接電流が流れているかいないかの判別は困難である。

非消耗電極アーク溶接機では、溶接電流Ｉｗが４Ａ以下の溶接もできることが求められる。電流判別部８のＷＣＲ信号の判定値は６Ａであるので、溶接電流Ｉｗが６Ａ以下の溶接ではＷＣＲ信号はＬとなってしまい、溶接電流が流れていないと判定されてしまう。溶接電流Ｉｗが４Ａ以下の溶接においては、非常にアーク力は弱く、通常出力電圧Ｖは１０Ｖ程度であり、アークが持続できる極限まで電極と母材の距離を広げても、出力電圧Ｖは４５Ｖ以下である。４５Ｖ以上の領域ではアークは持続できず消弧してしまい、出力電圧Ｖは急激に上昇し無負荷電圧７０Ｖ程度となってしまう。そのため、電圧判定部９のＯＶＲ信号がＨからＬに切り替わる判定値を４５Ｖに設定しておけば、溶接電流Ｉｗが４Ａにおいてもアークが持続している間は電圧判定部９により、正しく溶接電流が流れていると判別することができる。

以上のとおり、通電検出信号ＡｒｃがＬの場合は、電流判別部８のＷＣＲ信号は無視して、電圧判別部９のＯＶＲ信号のみにより通電検出部１１は通電検出信号Ａｒｃを決定することにより、スタート時のアークを発生させるために高周波電圧ＨＦを印加した状態でも電流判別部８のＷＣＲ信号の誤判別の影響を受けずに、正確な通電検出信号Ａｒｃが得られ、正常なアークスタートが可能となる。また、通電検出部１１は通電検出信号ＡｒｃがＨになった場合は、電流判別部８のＷＣＲ信号と電圧判別部９のＯＶＲ信号の論理和にて通電検出信号Ａｒｃを決定することにより、電流判別部８が溶接電流が流れていないと判別するような低い溶接電流においても、確実に正確な通電検出信号Ａｒｃが得られる。

１ トーチスイッチ
２ 電極
３ 溶接トーチ
４ 母材
５ 母材ケーブル
６ 溶接電流測定部
７ 出力電圧測定部
８ 電流判別部
９ 電圧判別部
１０ トーチスイッチケーブル
１１ 通電検出部
１２ 高周波印加部
ＰＭ 溶接電源
ＷＣＲ ＷＣＲ信号（溶接電流が流れているか流れていないかの判別信号）
ＯＶＲ ＯＶＲ信号（アーク電圧か無負荷電圧かの判別信号）
Ａｒｃ 通電検出信号
Ｖ 出力電圧
ＨＦ 高周波電圧
ＴＳ 起動信号
Ｉｗ 溶接電流
Ｉｄ 溶接電流測定値
Ｖｄ 出力電圧測定値

Claims (2)

1. 非消耗電極アーク溶接に用いられる電極を有する溶接トーチと、
   前記溶接トーチと母材間に溶接電流及び出力電圧を出力する溶接電源と、
   前記電極と前記母材間に高周波電圧を印加する高周波印加部と、
   前記溶接電流を測定する溶接電流測定部と、
   前記出力電圧を測定する出力電圧測定部と、
   前記溶接電流測定部の測定した溶接電流測定値が予め定められた電流判別値よりも大きい場合は溶接電流が流れていると判別する電流判別部と、
   前記出力電圧測定部の測定した出力電圧測定値が予め定められた電圧判別値よりも小さい場合は溶接電流が流れていると判別する電圧判別部と、
   前記電流判別部の信号と前記電圧判別部の信号とを入力として、溶接電流が通電中であると判別する通電検出部と、
   を備えており、
   前記高周波印加部が前記電極と前記母材間に前記高周波電圧を印加される期間は、前記通電検出部は、前記電圧判別部の信号のみにより溶接電流が通電中であると判別すること、
   を特徴とする溶接装置。
2. 前記高周波印加部が前記電極と前記母材間に前記高周波電圧を印加されない期間は、前記通電検出部は、前記電流判別部の信号と前記電圧判別部の信号の論理和により溶接電流が通電中であると判別すること、
   を特徴とする請求項１に記載の溶接装置。

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