JP7376377B2 - ガスシールドアーク溶接の出力制御方法、溶接システム、溶接電源及び溶接制御装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ウィービングなどのチップ－母材間距離が変化する条件での溶接時における、ガスシールドアーク溶接の出力制御方法、溶接システム、溶接電源、及び溶接制御装置に関する。
開先内のガスシールドアーク溶接は、一般的にウィービングしながら行われる。開先内でウィービングを行うと、チップ－母材間距離が随時変化するため、アーク長が不安定になり、スパッタの発生量が増加する。このように、開先内のガスシールドアーク溶接では、スパッタ増加を主とした溶接作業性に対する課題があった。なお、チップ－母材間距離は、突き出し長さとも言われることがある。
この課題に対し、特許文献１には、狭開先であっても、溶接ワイヤの種類にかかわらず、溶込み不良、開先えぐり、スパッタの発生を抑制して溶接品質を保つことができるＭＡＧ溶接装置が開示されている。特許文献１に記載の技術によると、開先角度が１０～４０°という狭開先であっても、溶接トーチから開先に向けてＣＯ２混合比率が２０～４０％であるシールドガスを供給し、溶接ワイヤと鋼管との間に溶接電流を供給する溶接電源の外部特性の傾きを－１７～－１０Ｖ／１００Ａにすることによって、溶接ワイヤの種類にかかわらず、溶込み不良、開先えぐり、スパッタの発生を抑制して、溶接品質を保ちつつ開先を溶接することが可能であるとしている。
しかしながら、特許文献１では、シールドガス組成がＣＯ２混合比率２０～４０％に限られており、汎用的な１００％ＣＯ２ガスを適用できない。また、溶接電源の外部特性の傾きを－１７～－１０Ｖ／１００Ａの範囲内に限定している。外部特性の傾きは、大きくなる、すなわち、値として小さくなるほど、給電チップ－母材間距離の変動時における、溶接電流の変動が小さくなり、アーク倣いや溶接電流制御において好ましいが、アーク長の変動、すなわち、アーク電圧の変動は大きく、アーク長の自己制御作用が働かない。
一方、外部特性の傾きは小さくなる、すなわち、値として０に近づくほど、定電圧特性の傾向となってアーク長の自己制御作用が働き、アーク安定化につながる。しかしながら、溶接電流の変動が大きくなり、フィードバック電流指令値の精度が劣るため、アーク倣いや溶接電流制御において悪影響を及ぼし、結果として溶接作業性が悪くなる。
すなわち、外部特性だけでは、アーク長制御を維持しつつ、溶接電流の変動を抑制することを同時に満たすことは困難である。
一方、外部特性の傾きは小さくなる、すなわち、値として０に近づくほど、定電圧特性の傾向となってアーク長の自己制御作用が働き、アーク安定化につながる。しかしながら、溶接電流の変動が大きくなり、フィードバック電流指令値の精度が劣るため、アーク倣いや溶接電流制御において悪影響を及ぼし、結果として溶接作業性が悪くなる。
すなわち、外部特性だけでは、アーク長制御を維持しつつ、溶接電流の変動を抑制することを同時に満たすことは困難である。
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、チップ－母材間距離が変化するガスシールドアーク溶接において、シールドガスを問わず、アーク長制御を維持しつつ、溶接電流の変動を抑制することで、良好な溶接作業性を得るとともに、ウィービングで溶接を行う場合においては、より精度の良いアーク倣いを実現することを可能とすることである。
したがって、本発明の上記目的は、ガスシールドアーク溶接の出力制御方法に係る下記（１）の構成により達成される。
（１） 溶接制御装置と溶接電源とを有する溶接システムを用い、溶接中にチップ－母材間距離が変化するガスシールドアーク溶接を行うための出力制御方法であって、
前記溶接制御装置及び前記溶接電源のうち少なくとも一方は、前記溶接中の溶接トーチ位置を判定するトーチ位置判定手段を有し、
前記溶接電源は、フィードバック制御のための補正電流を算出する補正電流算出手段を有し、
前記補正電流算出手段は、
瞬時出力電圧設定値Ｖａと出力電圧検出値Ｖｄとの差である瞬時電圧誤差値Ｄｖ１に第１利得Ｇ１を乗じた第１制御式と、
出力電圧設定値Ｖｓとあらかじめ設定された期間の平均出力電圧検出値Ｖａｖｅとの差である平均電圧誤差値Ｄｖ２に第２利得Ｇ２を乗じた第２制御式のうち少なくとも一方を含み、
前記トーチ位置判定手段によって判定されたトーチ位置検出値に基づいて、前記第１利得Ｇ１及び前記第２利得Ｇ２のうち少なくとも一方を決定し、
前記第１制御式及び前記第２制御式のうち少なくとも一方に基づいて、前記補正電流を算出すること特徴とするガスシールドアーク溶接の出力制御方法。
この構成によれば、チップ－母材間距離が変化するガスシールドアーク溶接において、シールドガスを問わず、アーク長制御を維持しつつ、溶接電流の変動を抑制することで、良好な溶接作業性を得るとともに、ウィービングで溶接を行う場合においては、より精度の良いアーク倣いを実現することができる。
前記溶接制御装置及び前記溶接電源のうち少なくとも一方は、前記溶接中の溶接トーチ位置を判定するトーチ位置判定手段を有し、
前記溶接電源は、フィードバック制御のための補正電流を算出する補正電流算出手段を有し、
前記補正電流算出手段は、
瞬時出力電圧設定値Ｖａと出力電圧検出値Ｖｄとの差である瞬時電圧誤差値Ｄｖ１に第１利得Ｇ１を乗じた第１制御式と、
出力電圧設定値Ｖｓとあらかじめ設定された期間の平均出力電圧検出値Ｖａｖｅとの差である平均電圧誤差値Ｄｖ２に第２利得Ｇ２を乗じた第２制御式のうち少なくとも一方を含み、
前記トーチ位置判定手段によって判定されたトーチ位置検出値に基づいて、前記第１利得Ｇ１及び前記第２利得Ｇ２のうち少なくとも一方を決定し、
前記第１制御式及び前記第２制御式のうち少なくとも一方に基づいて、前記補正電流を算出すること特徴とするガスシールドアーク溶接の出力制御方法。
この構成によれば、チップ－母材間距離が変化するガスシールドアーク溶接において、シールドガスを問わず、アーク長制御を維持しつつ、溶接電流の変動を抑制することで、良好な溶接作業性を得るとともに、ウィービングで溶接を行う場合においては、より精度の良いアーク倣いを実現することができる。
また、ガスシールドアーク溶接の出力制御方法に係る本発明の好ましい実施形態は、以下の（２）～（１０）に関する。
（２） 前記トーチ位置判定手段により、前記チップ－母材間距離が短くなると判定される前記トーチ位置検出値が検出された場合、前記第１利得Ｇ１及び前記第２利得Ｇ２のうち少なくとも一方を上げるように制御する、（１）に記載のガスシールドアーク溶接の出力制御方法。
この構成によれば、アーク長を略一定に維持して、ビード形状が良好な溶接を行うことができる。
この構成によれば、アーク長を略一定に維持して、ビード形状が良好な溶接を行うことができる。
（３） 前記チップ－母材間距離が変化するガスシールドアーク溶接はウィービング溶接であって、
溶接トーチがウィービングする範囲内において、あらかじめ３区間以上に分割したトーチ位置区間を設定しておき、
前記トーチ位置判定手段は、前記溶接トーチが前記ウィービング時において、各前記トーチ位置区間に入った場合にトーチ位置が変動したと判定し、前記トーチ位置検出値を出力する、（１）又は（２）に記載のガスシールドアーク溶接の出力制御方法。
この構成によれば、あらかじめ３区間以上に分割したトーチ位置区間ごとにトーチ位置検出値を出力することができる。
溶接トーチがウィービングする範囲内において、あらかじめ３区間以上に分割したトーチ位置区間を設定しておき、
前記トーチ位置判定手段は、前記溶接トーチが前記ウィービング時において、各前記トーチ位置区間に入った場合にトーチ位置が変動したと判定し、前記トーチ位置検出値を出力する、（１）又は（２）に記載のガスシールドアーク溶接の出力制御方法。
この構成によれば、あらかじめ３区間以上に分割したトーチ位置区間ごとにトーチ位置検出値を出力することができる。
（４） 前記トーチ位置区間において、
前記チップ－母材間距離が最も長くなる位置を含む中央区間と、前記ウィービングの端部を含むウィービング端区間の少なくとも２区間が独立して設定される、（３）に記載のガスシールドアーク溶接の出力制御方法。
この構成によれば、チップ－母材間距離が最も長くなる位置を含む中央区間と、ウィービングの端部を含むウィービング端区間ごとに、トーチ位置検出値を出力することができる。
前記チップ－母材間距離が最も長くなる位置を含む中央区間と、前記ウィービングの端部を含むウィービング端区間の少なくとも２区間が独立して設定される、（３）に記載のガスシールドアーク溶接の出力制御方法。
この構成によれば、チップ－母材間距離が最も長くなる位置を含む中央区間と、ウィービングの端部を含むウィービング端区間ごとに、トーチ位置検出値を出力することができる。
（５） 前記溶接トーチが前記ウィービング端区間に位置するときの前記第１利得Ｇ１及び前記第２利得Ｇ２のうち少なくとも一方は、前記溶接トーチが前記中央区間に位置するときの前記第１利得Ｇ１及び前記第２利得Ｇ２のうち少なくとも一方よりもそれぞれ高くなるように制御する、（４）に記載のガスシールドアーク溶接の出力制御方法。
この構成によれば、ウィービング端区間において、第１利得Ｇ１及び第２利得Ｇ２のうち少なくとも一方を高めて、アーク長を略一定に維持できる。
この構成によれば、ウィービング端区間において、第１利得Ｇ１及び第２利得Ｇ２のうち少なくとも一方を高めて、アーク長を略一定に維持できる。
（６） 前記第１利得Ｇ１及び前記第２利得Ｇ２のうち少なくとも一方を前記トーチ位置区間ごとに制御する場合において、
各前記トーチ位置区間の境界又は境界近傍で、前記第１利得Ｇ１及び前記第２利得Ｇ２のうち少なくとも一方の増減を開始し、
前記第１利得Ｇ１及び前記第２利得Ｇ２のうち少なくとも一方の増減速度は、０．０５～０．１０／μｓとする、（３）～（５）のいずれかに記載のガスシールドアーク溶接の出力制御方法。
この構成によれば、トーチ位置区間の境界における第１利得Ｇ１及び第２利得Ｇ２の増減を滑らかに増減することができる。
各前記トーチ位置区間の境界又は境界近傍で、前記第１利得Ｇ１及び前記第２利得Ｇ２のうち少なくとも一方の増減を開始し、
前記第１利得Ｇ１及び前記第２利得Ｇ２のうち少なくとも一方の増減速度は、０．０５～０．１０／μｓとする、（３）～（５）のいずれかに記載のガスシールドアーク溶接の出力制御方法。
この構成によれば、トーチ位置区間の境界における第１利得Ｇ１及び第２利得Ｇ２の増減を滑らかに増減することができる。
（７） 前記ウィービング端区間は、前記溶接トーチがウィービングするウィービング幅の１／２の距離に対し、２０～８０％の幅を有する、（４）又は（５）に記載のガスシールドアーク溶接の出力制御方法。
この構成によれば、ウィービング端区間における溶接部の外観を向上させることができる。
この構成によれば、ウィービング端区間における溶接部の外観を向上させることができる。
（８） 溶接電流が非定常応答区間と定常応答区間とを有するガスシールドアーク溶接の出力制御方法において、
前記定常応答区間において、（１）～（７）のいずれかに記載の出力制御方法により前記補正電流を算出する、ガスシールドアーク溶接の出力制御方法。
この構成によれば、定常応答区間での溶接を、アーク長制御を維持しつつ、溶接電流の変動を抑制することで、良好な溶接作業性を得るとともに、より精度の良いアーク倣いを実現することができる。
前記定常応答区間において、（１）～（７）のいずれかに記載の出力制御方法により前記補正電流を算出する、ガスシールドアーク溶接の出力制御方法。
この構成によれば、定常応答区間での溶接を、アーク長制御を維持しつつ、溶接電流の変動を抑制することで、良好な溶接作業性を得るとともに、より精度の良いアーク倣いを実現することができる。
（９） 前記非定常応答区間は、溶接電流の波形制御区間である、（８）に記載のガスシールドアーク溶接の出力制御方法。
この構成によれば、より良好な溶接作業性が得られる。
この構成によれば、より良好な溶接作業性が得られる。
（１０） 前記非定常応答区間は、溶接電流の過渡応答区間である、（８）に記載のガスシールドアーク溶接の出力制御方法。
この構成によれば、より良好な溶接作業性が得られる。
この構成によれば、より良好な溶接作業性が得られる。
また、本発明の上記目的は、溶接システムに係る下記（１１）の構成により達成される。
（１１） 溶接制御装置と溶接電源とを有し、溶接中にチップ－母材間距離が変化するガスシールドアーク溶接を行うための溶接システムであって、
前記溶接制御装置及び前記溶接電源のうち少なくとも一方は、前記溶接中の溶接トーチ位置を判定するトーチ位置判定手段を有し、
前記溶接電源は、フィードバック制御のための補正電流を算出する補正電流算出手段を有し、
前記補正電流算出手段は、
瞬時出力電圧設定値Ｖａと出力電圧検出値Ｖｄとの差である瞬時電圧誤差値Ｄｖ１に第１利得Ｇ１を乗じた第１制御式と、
出力電圧設定値Ｖｓとあらかじめ設定された期間の平均出力電圧検出値Ｖａｖｅとの差である平均電圧誤差値Ｄｖ２に第２利得Ｇ２を乗じた第２制御式のうち少なくとも一方を含み、
前記トーチ位置判定手段によって判定されたトーチ位置検出値に基づいて、前記第１利得Ｇ１及び前記第２利得Ｇ２のうち少なくとも一方を決定し、
前記第１制御式及び前記第２制御式のうち少なくとも一方に基づいて、前記補正電流を算出すること特徴とする溶接システム。
この構成によれば、チップ－母材間距離が変化するガスシールドアーク溶接において、シールドガスを問わず、アーク長制御を維持しつつ、溶接電流の変動を抑制することで、良好な溶接作業性を得るとともに、ウィービングで溶接を行う場合においては、より精度の良いアーク倣いを実現することができる。
前記溶接制御装置及び前記溶接電源のうち少なくとも一方は、前記溶接中の溶接トーチ位置を判定するトーチ位置判定手段を有し、
前記溶接電源は、フィードバック制御のための補正電流を算出する補正電流算出手段を有し、
前記補正電流算出手段は、
瞬時出力電圧設定値Ｖａと出力電圧検出値Ｖｄとの差である瞬時電圧誤差値Ｄｖ１に第１利得Ｇ１を乗じた第１制御式と、
出力電圧設定値Ｖｓとあらかじめ設定された期間の平均出力電圧検出値Ｖａｖｅとの差である平均電圧誤差値Ｄｖ２に第２利得Ｇ２を乗じた第２制御式のうち少なくとも一方を含み、
前記トーチ位置判定手段によって判定されたトーチ位置検出値に基づいて、前記第１利得Ｇ１及び前記第２利得Ｇ２のうち少なくとも一方を決定し、
前記第１制御式及び前記第２制御式のうち少なくとも一方に基づいて、前記補正電流を算出すること特徴とする溶接システム。
この構成によれば、チップ－母材間距離が変化するガスシールドアーク溶接において、シールドガスを問わず、アーク長制御を維持しつつ、溶接電流の変動を抑制することで、良好な溶接作業性を得るとともに、ウィービングで溶接を行う場合においては、より精度の良いアーク倣いを実現することができる。
また、本発明の上記目的は、溶接電源に係る下記（１２）の構成により達成される。
（１２） 溶接中にチップ－母材間距離が変化するガスシールドアーク溶接を行うための溶接電源であって、
前記溶接中の溶接トーチ位置を判定するトーチ位置判定手段と、
フィードバック制御のための補正電流を算出する補正電流算出手段と、を有し、
前記補正電流算出手段は、
瞬時出力電圧設定値Ｖａと出力電圧検出値Ｖｄとの差である瞬時電圧誤差値Ｄｖ１に第１利得Ｇ１を乗じた第１制御式と、
出力電圧設定値Ｖｓとあらかじめ設定された期間の平均出力電圧検出値Ｖａｖｅとの差である平均電圧誤差値Ｄｖ２に第２利得Ｇ２を乗じた第２制御式のうち少なくとも一方を含み、
前記トーチ位置判定手段によって判定されたトーチ位置検出値に基づいて、前記第１利得Ｇ１及び前記第２利得Ｇ２のうち少なくとも一方を決定し、
前記第１制御式及び前記第２制御式のうち少なくとも一方に基づいて、前記補正電流を算出すること特徴とする溶接電源。
この構成によれば、チップ－母材間距離が変化するガスシールドアーク溶接において、シールドガスを問わず、アーク長制御を維持しつつ、溶接電流の変動を抑制することで、良好な溶接作業性を得るとともに、ウィービングで溶接を行う場合においては、より精度の良いアーク倣いを実現することができる。
前記溶接中の溶接トーチ位置を判定するトーチ位置判定手段と、
フィードバック制御のための補正電流を算出する補正電流算出手段と、を有し、
前記補正電流算出手段は、
瞬時出力電圧設定値Ｖａと出力電圧検出値Ｖｄとの差である瞬時電圧誤差値Ｄｖ１に第１利得Ｇ１を乗じた第１制御式と、
出力電圧設定値Ｖｓとあらかじめ設定された期間の平均出力電圧検出値Ｖａｖｅとの差である平均電圧誤差値Ｄｖ２に第２利得Ｇ２を乗じた第２制御式のうち少なくとも一方を含み、
前記トーチ位置判定手段によって判定されたトーチ位置検出値に基づいて、前記第１利得Ｇ１及び前記第２利得Ｇ２のうち少なくとも一方を決定し、
前記第１制御式及び前記第２制御式のうち少なくとも一方に基づいて、前記補正電流を算出すること特徴とする溶接電源。
この構成によれば、チップ－母材間距離が変化するガスシールドアーク溶接において、シールドガスを問わず、アーク長制御を維持しつつ、溶接電流の変動を抑制することで、良好な溶接作業性を得るとともに、ウィービングで溶接を行う場合においては、より精度の良いアーク倣いを実現することができる。
また、本発明の上記目的は、溶接制御装置に係る下記（１３）の構成により達成される。
（１３） 溶接電源とともに用いられ、溶接中にチップ－母材間距離が変化するガスシールドアーク溶接を行うための溶接制御装置であって、
前記溶接中の溶接トーチ位置を判定するトーチ位置判定手段を有しており、
前記溶接電源は、フィードバック制御のための補正電流を算出する補正電流算出手段を有し、
前記補正電流算出手段は、
瞬時出力電圧設定値Ｖａと出力電圧検出値Ｖｄとの差である瞬時電圧誤差値Ｄｖ１に第１利得Ｇ１を乗じた第１制御式と、
出力電圧設定値Ｖｓとあらかじめ設定された期間の平均出力電圧検出値Ｖａｖｅとの差である平均電圧誤差値Ｄｖ２に第２利得Ｇ２を乗じた第２制御式のうち少なくとも一方を含み、
前記溶接電源は、前記トーチ位置判定手段によって判定されたトーチ位置検出値に基づいて、前記第１利得Ｇ１及び前記第２利得Ｇ２のうち少なくとも一方を決定し、
前記第１制御式及び前記第２制御式のうち少なくとも一方に基づいて、前記補正電流を算出すること特徴とする溶接制御装置。
この構成によれば、チップ－母材間距離が変化するガスシールドアーク溶接において、シールドガスを問わず、アーク長制御を維持しつつ、溶接電流の変動を抑制することで、良好な溶接作業性を得るとともに、ウィービングで溶接を行う場合においては、より精度の良いアーク倣いを実現することができる。
前記溶接中の溶接トーチ位置を判定するトーチ位置判定手段を有しており、
前記溶接電源は、フィードバック制御のための補正電流を算出する補正電流算出手段を有し、
前記補正電流算出手段は、
瞬時出力電圧設定値Ｖａと出力電圧検出値Ｖｄとの差である瞬時電圧誤差値Ｄｖ１に第１利得Ｇ１を乗じた第１制御式と、
出力電圧設定値Ｖｓとあらかじめ設定された期間の平均出力電圧検出値Ｖａｖｅとの差である平均電圧誤差値Ｄｖ２に第２利得Ｇ２を乗じた第２制御式のうち少なくとも一方を含み、
前記溶接電源は、前記トーチ位置判定手段によって判定されたトーチ位置検出値に基づいて、前記第１利得Ｇ１及び前記第２利得Ｇ２のうち少なくとも一方を決定し、
前記第１制御式及び前記第２制御式のうち少なくとも一方に基づいて、前記補正電流を算出すること特徴とする溶接制御装置。
この構成によれば、チップ－母材間距離が変化するガスシールドアーク溶接において、シールドガスを問わず、アーク長制御を維持しつつ、溶接電流の変動を抑制することで、良好な溶接作業性を得るとともに、ウィービングで溶接を行う場合においては、より精度の良いアーク倣いを実現することができる。
本発明によれば、チップ－母材間距離が変化するガスシールドアーク溶接において、シールドガスを問わず、アーク長制御を維持しつつ、溶接電流の変動を抑制することで、良好な溶接作業性を得るとともに、ウィービングで溶接を行う場合においては、より精度の良いアーク倣いを実現することができる。
以下、本発明に係る一実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態は溶接ロボットを用いた場合の一例であり、本発明の倣い制御は本実施形態の構成に限定されるものではない。例えば、台車を用いた自動溶接装置に本発明の倣い制御を搭載しても良い。
＜アーク溶接システムの概要＞
図１は、本実施形態に係るアーク溶接システムの構成例を示す概略図である。アーク溶接システム５０は、溶接ロボット１００と、送給装置３００と、溶接電源４００と、シールドガス供給装置５００と、溶接制御装置６００と、を備えている。
図１は、本実施形態に係るアーク溶接システムの構成例を示す概略図である。アーク溶接システム５０は、溶接ロボット１００と、送給装置３００と、溶接電源４００と、シールドガス供給装置５００と、溶接制御装置６００と、を備えている。
溶接電源４００は、プラスのパワーケーブル４１０を介して、消耗式電極である溶接ワイヤ２１１に接続され、マイナスのパワーケーブル４３０を介して、被溶接物であるワークＷ０と接続されている。この接続は、逆極性で溶接を行う場合であり、正極性で溶接を行う場合、溶接電源４００は、プラスのパワーケーブルを介してワークＷ０に接続され、マイナスのパワーケーブルを介して溶接ワイヤ２１１に接続される。
また、溶接電源４００と溶接ワイヤ２１１の送給装置３００のそれぞれが信号線によって接続され、溶接ワイヤの送り速度を制御することができる。
溶接ロボット１００は、エンドエフェクタとして、溶接トーチ２００を備えている。溶接トーチ２００は、溶接ワイヤ２１１に通電させる通電機構、すなわちコンタクトチップを有している。溶接ワイヤ２１１は、コンタクトチップからの通電により、先端からアークを発生し、その熱で溶接の対象であるワークＷ０を溶接する。
さらに、溶接トーチ２００は、シールドガスを噴出する機構となるシールドガスノズル２１０を備える。シールドガスは、炭酸ガス、アルゴンガス、又は例えばアルゴン＋ＣＯ２といった混合ガスのどちらでも良い。なお、炭酸ガスがより好ましく、混合ガスの場合はＡｒに１０～３０％の炭酸ガスを混合した系がより好ましい。シールドガスは、シールドガス供給装置５００から供給される。
本実施形態で使用する溶接ワイヤ２１１は、フラックスを含まないソリッドワイヤとフラックスを含むフラックス入りワイヤのどちらでも良い。溶接ワイヤ２１１の材質も問わず、例えば材質は、軟鋼でも良いし、ステンレス、アルミニウム、チタンでも良く、ワイヤ表面にＣｕ等のめっきがあっても良い。さらに、溶接ワイヤ２１１の径も特に問わない。本実施形態の場合、好ましくは、径の上限を１．６ｍｍ、下限を０．８ｍｍとする。
また、ワークＷ０はすみ肉溶接又は開先溶接のための継手形状であり、これらの溶接であれば、継手形状は特に問わない。すみ肉溶接としては下向きすみ肉や水平すみ肉溶接等が挙げられ、すみ肉の角度は特に問わず、不直角でも良い。開先溶接の開先形状は特に問わないが、Ｖ型、レ型、Ｕ型等が挙げられる。
なお、図２に示すように、本実施形態においては、ワークＷ０は開先を有する。図に示すワークＷ０は、溶接進行方向から見たものであり、ワークＷ０に対し、溶接ロボット１００に装着している溶接トーチ２００を、図中の矢印で示す左右方向にウィービングしながら溶接する。すなわち、本実施形態では、チップ－母材間距離が変動する溶接の一例として、下向き溶接におけるウィービング溶接を例に説明する。
なお、図２に示すように、本実施形態においては、ワークＷ０は開先を有する。図に示すワークＷ０は、溶接進行方向から見たものであり、ワークＷ０に対し、溶接ロボット１００に装着している溶接トーチ２００を、図中の矢印で示す左右方向にウィービングしながら溶接する。すなわち、本実施形態では、チップ－母材間距離が変動する溶接の一例として、下向き溶接におけるウィービング溶接を例に説明する。
溶接制御装置６００は、溶接ロボット１００の動作を制御する。溶接制御装置６００は、あらかじめ溶接ロボット１００の動作パターン、溶接開始位置、溶接終了位置、溶接条件、ウィービング動作等を定めた教示データを保持し、溶接ロボット１００に対してこれらを指示して溶接ロボット１００の動作を制御する。また、溶接制御装置６００は、教示データに従い、溶接作業中の溶接電流、溶接電圧、送給速度等の溶接条件を溶接電源４００に与える。
溶接電源４００は、溶接制御装置６００からの指令により、溶接ワイヤ２１１及びワークＷ０に電力を供給することで、溶接ワイヤ２１１とワークＷ０との間にアークを発生させる。また、溶接電源４００は、溶接制御装置６００からの指令により、送給装置３００に、溶接ワイヤ２１１を送給する速度を制御するための信号を出力する。
＜溶接制御装置の機能構成＞
溶接制御装置６００は、あらかじめ作成された教示データを記憶して格納する図示しない教示データ格納部と、教示データを解析する図示しない教示データ解析部と、溶接ロボット１００の各軸を制御するロボット駆動部、すなわちサーボドライバへ指令を行うためのサーボ指令情報を生成する図示しない軌跡計画部と、サーボ指令情報に基づいてトーチ位置を検出するトーチ位置検出部６１０（図３参照。以下、「トーチ位置判定手段」とも言う。）を備える。
トーチ位置検出部６１０としては、特に限定されず、溶接電流変化を測定して、開先幅を倣うアークセンサや、レーザセンサ、視覚センサなどを用いてトーチ位置を判定できる。また、データ格納部にデータとして記憶することもできる。
溶接制御装置６００は、あらかじめ作成された教示データを記憶して格納する図示しない教示データ格納部と、教示データを解析する図示しない教示データ解析部と、溶接ロボット１００の各軸を制御するロボット駆動部、すなわちサーボドライバへ指令を行うためのサーボ指令情報を生成する図示しない軌跡計画部と、サーボ指令情報に基づいてトーチ位置を検出するトーチ位置検出部６１０（図３参照。以下、「トーチ位置判定手段」とも言う。）を備える。
トーチ位置検出部６１０としては、特に限定されず、溶接電流変化を測定して、開先幅を倣うアークセンサや、レーザセンサ、視覚センサなどを用いてトーチ位置を判定できる。また、データ格納部にデータとして記憶することもできる。
トーチ位置検出部６１０によって得られたトーチ位置情報は、溶接電源４００へデジタル信号として入力される。なお、トーチ位置検出部６１０は、溶接電源４００内にあっても良く、その場合は、溶接制御装置６００からサーボ指令情報を溶接電源４００内のトーチ位置検出部に入力させると良い。溶接電源４００へ入力されたトーチ位置情報は、溶接電源４００の記憶部ＤＢに出力される。
教示データ格納部は、溶接ロボット１００の動作パターン等を定めた教示データを格納する。教示データは、作業者により、図示しない教示器によってあらかじめ作成される。なお、作成方法は教示ペンダント以外でも良い。例えば、パソコン上で教示データを作成し、無線又は有線通信等により教示データ格納部に格納しても良い。
教示データ解析部は、例えば溶接開始の操作が行われたことを契機として、教示データ格納部から教示データを呼び込み、教示データを解析する。この教示データの解析により、教示軌跡情報及び溶接条件指令情報が生成される。教示軌跡情報は、溶接速度、ウィービング条件等を含む溶接作業における、溶接ロボット１００の軌跡を定めた情報である。また、溶接条件指令情報は、溶接作業における溶接電流、溶接電圧、送給速度に関する指令を行うための情報であり、アークＯＮ／ＯＦＦの指令を含め、各溶接条件の制御指令などが含まれる。そして、教示データ解析部は、生成した教示軌跡情報を軌跡計画部に出力する。また、教示データ解析部は、生成した溶接条件指令情報を溶接電源４００に出力しても良い。
軌跡計画部は、教示データ解析部から入力された教示軌跡情報をもとに、溶接ロボット１００の目標位置を計算し、溶接ロボット１００の各軸を制御するためのサーボ指令情報を生成する。そして、軌跡計画部は、生成したサーボ指令情報を溶接ロボット１００の駆動部へ出力する。サーボ指令情報により、溶接ロボット１００が教示データに基づく動作を行う。また、サーボ指令情報には、溶接トーチ２００をウィービングさせる位置を指令するためのウィービング位置指令情報が含まれている。
なお、溶接制御装置６００には、ウィービングの左右ズレを検出する手段、及び検出した左右ズレに基づいてウィービング中心の補正量を算出し、軌跡計画部へ入力する補正量算出手段を有する機能を設けることが好ましい。これにより、軌跡計画部は、補正量を元にウィービング位置指令情報を再設定し、サーボ指令情報を溶接ロボットの駆動部へ出力することができる。なお、ウィービングの左右ズレを検出する手段は特に問わないが、例えば、アークセンサから左右ズレを検出する手段が挙げられる。
＜溶接電源の機能構成＞
図３に示すように、溶接電源４００は、アークを発生させて溶接を行うための電力を供給する電力供給部ＰＭと、送給速度指令、溶接電流指令又は溶接電圧指令などの信号を受け取り、電力供給部ＰＭの制御量を演算する加算回路ＡＤＤと、溶接中の溶接電圧を検出し、溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する電圧検出部ＶＤと、溶接中の溶接電流を検出し、溶接電流検出信号Ｉｄを出力する電流検出部ＩＤと、電力供給部ＰＭの制御量の補正量を算出する補正量算出回路４４０を備える。
図３に示すように、溶接電源４００は、アークを発生させて溶接を行うための電力を供給する電力供給部ＰＭと、送給速度指令、溶接電流指令又は溶接電圧指令などの信号を受け取り、電力供給部ＰＭの制御量を演算する加算回路ＡＤＤと、溶接中の溶接電圧を検出し、溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する電圧検出部ＶＤと、溶接中の溶接電流を検出し、溶接電流検出信号Ｉｄを出力する電流検出部ＩＤと、電力供給部ＰＭの制御量の補正量を算出する補正量算出回路４４０を備える。
溶接電源４００の電力供給部ＰＭは、３相２００Ｖ等の商用電源を入力として、入力された交流電圧を不図示の電源制御部から出力される誤差増幅信号にしたがって、インバータ制御、インバータトランス、整流器等で出力制御を行い、溶接電圧及び溶接電流を出力する。また、出力電圧を平滑するためにリアクトルＷＬを構成しても良い。
電流検出部ＩＤは、溶接中の溶接電流を検出して溶接電流検出信号Ｉｄを出力する。溶接電流検出信号Ｉｄは、図示しないＡ／Ｄ変換部でデジタル変換され、電流誤差増幅回路ＥＩや図示しないその他制御回路、例えば、パルス生成等の電流制御回路等の補正回路などへ入力される。なお、電流誤差増幅回路ＥＩは、後述する制御出力電流設定信号Ｉｓｅｔと溶接電流検出信号Ｉｄの誤差増幅信号となる電流誤差増幅信号Ｅｉを電力供給部ＰＭへ入力する。電力供給部ＰＭは、この電流誤差増幅信号Ｅｉにしたがって、インバータ制御、インバータトランス、整流器等で出力制御を行い、溶接電圧及び溶接電流を出力する。
電圧検出部ＶＤは、溶接中の溶接電圧を検出して溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する。溶接電圧検出信号Ｖｄは、Ａ／Ｄ変換部でデジタル変換され、後述する電圧平均算出回路４５０、補正量算出回路４４０及び図示しないその他の制御回路、例えば短絡判定回路等の補正回路などへ入力される。
加算回路ＡＤＤは、補正量算出回路４４０から出力される補正電流Ｉｅｒｒを入力する。加算回路ＡＤＤは、補正電流Ｉｅｒｒと溶接電流設定回路ＩＳから出力される溶接電流設定信号Ｉｓを加算して、電流誤差増幅回路ＥＩへ制御出力電流設定信号Ｉｓｅｔを出力する。補正電流Ｉｅｒｒは、補正量算出回路４４０から出力されるものだけでなく、図示しないその他の補正回路から出力されたものも、加算回路ＡＤＤに入力されても良い。なお、その他の補正回路とは、例えば、短絡期間やアーク期間を制御するための補正回路、外部特性を制御するための補正回路等が挙げられる。
＜補正量算出回路の機能構成＞
補正量算出回路４４０は、補正電流算出部４６０、瞬時電圧算出部ＤＶ１、平均電圧算出部ＤＶ２を含む。
補正量算出回路４４０は、補正電流算出部４６０、瞬時電圧算出部ＤＶ１、平均電圧算出部ＤＶ２を含む。
瞬時電圧算出部ＤＶ１は、溶接電圧検出信号Ｖｄ及び後述する瞬時出力電圧設定信号Ｖａが入力され、その差異Ｖａ－Ｖｄとなる瞬時電圧誤差信号Ｄｖ１を、補正電流算出部４６０に出力する。
平均電圧算出部ＤＶ２は、出力電圧設定回路ＶＳから出力される出力電圧設定信号Ｖｓ及び電圧平均算出回路４５０から出力される平均出力電圧検出信号Ｖａｖｅが入力され、その差異Ｖｓ－Ｖａｖｅとなる平均電圧誤差信号Ｄｖ２を、補正電流算出部４６０に出力する。なお、平均出力電圧検出信号Ｖａｖｅは、溶接電圧検出信号Ｖｄを電圧平均算出回路４５０において、あらかじめ決められた期間の平均として算出する。
補正電流算出部４６０では、瞬時電圧誤差信号Ｄｖ１、平均電圧誤差信号Ｄｖ２が入力され、例えば以下の計算式（１）によって、補正電流Ｉｅｒｒが出力される。
Ｉｅｒｒ＝Ｇ１×（Ｄｖ１＋Ｃ）＋Ｇ２×Ｄｖ２・・・（１）
ここで、Ｇ１、Ｇ２は補正係数（以下、「アーク特性ゲイン」とも言う。）、Ｃはあらかじめ定めた補正値（定数）である。補正係数Ｇ１，Ｇ２及び補正値Ｃは、記憶部ＤＢ（ＤａｔａＢａｓｅ）から出力され、トーチ位置検出部６１０から記憶部ＤＢに入力されたトーチ位置情報に従って、最適な補正係数Ｇ１，Ｇ２及び補正値Ｃを決定する。例えば、記憶部ＤＢにトーチ位置－補正係数Ｇ１，Ｇ２及び補正値Ｃのデータベースがあり、それに従って、補正係数Ｇ１，Ｇ２及び補正値Ｃを出力する。
Ｉｅｒｒ＝Ｇ１×（Ｄｖ１＋Ｃ）＋Ｇ２×Ｄｖ２・・・（１）
ここで、Ｇ１、Ｇ２は補正係数（以下、「アーク特性ゲイン」とも言う。）、Ｃはあらかじめ定めた補正値（定数）である。補正係数Ｇ１，Ｇ２及び補正値Ｃは、記憶部ＤＢ（ＤａｔａＢａｓｅ）から出力され、トーチ位置検出部６１０から記憶部ＤＢに入力されたトーチ位置情報に従って、最適な補正係数Ｇ１，Ｇ２及び補正値Ｃを決定する。例えば、記憶部ＤＢにトーチ位置－補正係数Ｇ１，Ｇ２及び補正値Ｃのデータベースがあり、それに従って、補正係数Ｇ１，Ｇ２及び補正値Ｃを出力する。
補正電流算出部４６０に入力される瞬時電圧誤差信号Ｄｖ１及び平均電圧誤差信号Ｄｖ２は、いずれか一方の入力であっても良いが、精度向上のためには両者を用いることが好ましい。
なお、記憶部ＤＢは、溶接電源の外部特性係数（「溶接電源の出力特性」とも言う。）も有しており、トーチ位置にしたがって、外部特性係数を変化させても良い。なお、本実施形態においては、補正係数Ｇ１，Ｇ２内に外部特性係数が含まれていても良い。また、記憶部ＤＢには、ワイヤ送給速度設定回路ＷＦＲからワイヤ送給速度設定信号Ｗｆｒが入力されて記憶される。
また、瞬時出力電圧設定信号Ｖａは、記憶部ＤＢにあらかじめ入力されている。瞬時出力電圧設定信号Ｖａは、電子リアクトル等で負荷を変える波形制御等が該当する過渡応答時において起こる、瞬間的な電圧変化時に対する設定信号であり、本実施形態においては、過渡応答時間に対し、リニアに瞬時出力電圧設定信号Ｖａを変化させるように制御している。なお、過渡応答時間に対し、瞬時出力電圧設定信号Ｖａを変化させる係数、すなわち傾き、及び関数は、記憶部ＤＢにあらかじめ入力されている。なお、定常応答期間ではＶａは一定の値となる。
＜ガスシールドアーク溶接の出力制御方法＞
続いて、図４を参照して、ガスシールドアーク溶接の出力制御方法について具体的に説明する。上記したように、記憶部ＤＢには、トーチ位置ごとのアーク特性ゲインＧ１，Ｇ２があらかじめ記憶されている。なお、トーチ位置としてのチップ－母材間距離とアーク特性ゲインＧ１，Ｇ２の関係式を、記憶部ＤＢに持たせておいても良い。
続いて、図４を参照して、ガスシールドアーク溶接の出力制御方法について具体的に説明する。上記したように、記憶部ＤＢには、トーチ位置ごとのアーク特性ゲインＧ１，Ｇ２があらかじめ記憶されている。なお、トーチ位置としてのチップ－母材間距離とアーク特性ゲインＧ１，Ｇ２の関係式を、記憶部ＤＢに持たせておいても良い。
図４に示す実施形態では、ウィービングの可動範囲であるウィービング幅Ｗを３分割した３区間、すなわち区間１－１、区間２及び区間１－２が設定される。また、トーチ位置ごとに記憶部ＤＢに記憶されているアーク特性ゲインＧ１，Ｇ２に従って、各区間におけるアーク特性ゲインＧ１，Ｇ２の少なくとも一方を変動させる。
なお、以下の説明では、両アーク特性ゲインＧ１，Ｇ２を纏めてアーク特性ゲインＧと総称する。アーク特性ゲインの制御は、トーチ位置ごと、すなわちチップ－母材間距離に対し、最適なアーク特性ゲインを随時変更するのが好ましいが、制御を簡易的に行う観点から、図４に示す実施形態のようにあらかじめ定めた可動範囲ごとにアーク特性ゲインを制御してもよい。また、本実施形態では、チップ－母材間距離が大きくなる区間２は、チップ－母材間距離が小さくなる区間１－１又は区間１－２よりもアーク特性ゲインを低くするように制御する。このように、トーチ位置のチップ－母材間距離が大きくなるほど、アーク特性ゲインは下げるように制御する傾向にある。よって、図４に示す実施形態では、区間２は、区間１－１又は区間１－２よりもアーク特性ゲインを小さくするため、便宜上、小さいアーク特性ゲインとして「ＧＳ」で示し、区間１－１又は区間１－２は、区間２よりもアーク特性ゲインを大きくするため、便宜上、大きいアーク特性ゲインとして「ＧＬ」で示す。
なお、以下の説明では、両アーク特性ゲインＧ１，Ｇ２を纏めてアーク特性ゲインＧと総称する。アーク特性ゲインの制御は、トーチ位置ごと、すなわちチップ－母材間距離に対し、最適なアーク特性ゲインを随時変更するのが好ましいが、制御を簡易的に行う観点から、図４に示す実施形態のようにあらかじめ定めた可動範囲ごとにアーク特性ゲインを制御してもよい。また、本実施形態では、チップ－母材間距離が大きくなる区間２は、チップ－母材間距離が小さくなる区間１－１又は区間１－２よりもアーク特性ゲインを低くするように制御する。このように、トーチ位置のチップ－母材間距離が大きくなるほど、アーク特性ゲインは下げるように制御する傾向にある。よって、図４に示す実施形態では、区間２は、区間１－１又は区間１－２よりもアーク特性ゲインを小さくするため、便宜上、小さいアーク特性ゲインとして「ＧＳ」で示し、区間１－１又は区間１－２は、区間２よりもアーク特性ゲインを大きくするため、便宜上、大きいアーク特性ゲインとして「ＧＬ」で示す。
図４に示すように、溶接トーチ２００がウィービング幅Ｗの左端から右方向に移動し、ウィービング幅Ｗの右端でＵターンしてウィービング幅Ｗの左端に戻るような、ウィービング溶接を行う場合には、溶接トーチ２００は、正弦波形で示されるように左右移動する。なお、この溶接トーチ２００の動きは、図３で示すトーチ位置検出部６１０において、図４の下図における矩形波で示されるように、３区間に分けてそれぞれ認識される。
そして、区間１－１及び区間１－２では、大きいアーク特性ゲインＧＬが補正電流算出部４６０に入力され、補正電流Ｉｅｒｒが算出され、制御出力電流設定信号Ｉｓｅｔが補正される。これにより、ウィービング幅Ｗの左右端（以後、「ウィービング端」とも言う。）である区間１－１及び区間１－２では、さらにアーク長制御が安定し、溶接作業性の向上に寄与する。そして、区間２では、小さいアーク特性ゲインＧＳが補正電流算出部４６０に入力され、補正電流Ｉｅｒｒが算出され、制御出力電流設定信号Ｉｓｅｔが補正される。これにより、スパッタの発生数が抑制される。
このように、チップ－母材間距離が短い、ウィービング幅Ｗの左右端である区間１－１及び区間１－２の溶接では、アーク特性ゲインＧを高める、すなわち大きいアーク特性ゲインＧＬを採用することで、アーク長を略一定に維持して止端部の馴染みが良好な溶接を行う。また、チップ－母材間距離が長い、中央区間である区間２の溶接では、アーク特性ゲインＧを低くする、すなわち小さいアーク特性ゲインＧＳを採用することで、電流変動を抑制してスパッタの発生数が抑制された溶接を行う。
このように、開先内のチップ－母材間距離が変化するガスシールドアーク溶接において、トーチ位置検出部６１０が検出するトーチ位置情報に基づいて、アーク特性ゲインＧを変更しながら溶接することで、アーク長制御を維持しつつ、溶接電流の変動を抑制して、より精度の良いアーク溶接が可能となる。
なお、ウィービング幅Ｗが３区間に分割された場合、各区間の境界でアーク特性ゲインＧが、ＧＬからＧＳへ、又は、ＧＳからＧＬへ変更される。具体的な変更方法としては、（ａ）溶接トーチ２００が各区間の境界に達したときに、アーク特性ゲインＧ１，Ｇ２を階段状に変更する場合、（ｂ）境界の手前から変更を開始して境界で変更を終了する場合、（ｃ）境界の手前から変更を開始し、境界を通過した後に変更が終了するように境界を跨いで変更する場合、などの方法がある。いずれの方法を採用するかは、開先形状などの条件により適宜選択可能であるが、アーク特性ゲインＧ１，Ｇ２の増減速度は、例えば、０．０５～０．１０／μｓでリニアに変更することが好ましい。このようにすることで、トーチ位置区間の境界における第１利得Ｇ１及び第２利得Ｇ２の増減を滑らかに増減することができる。
なお、分割する区間数は、３分割又はそれ以上に分割することが、本実施形態の制御の観点から好ましい。また、少なくともチップ－母材間距離が最も長くなる区間（区間２）と、ウィービング幅Ｗの左右端（区間１－１及び区間１－２）に位置する区間を含むことが更に好ましい。このようにすることで、あらかじめ３区間以上に分割したトーチ位置区間ごとにトーチ位置検出値を出力することができる。また、チップ－母材間距離が最も長くなる位置を含む中央区間と、ウィービングの端部を含むウィービング端区間ごとに、トーチ位置検出値を出力することができる。
ウィービング幅Ｗを３区間に分割する場合、ウィービング幅Ｗの左右端である区間１－１及び区間１－２は、ウィービング幅Ｗの１／２の距離（Ｗ／２）に対し、２０～８０％の幅に設定するのがよく、好ましくは４０～７０％、更に好ましくは５０～６０％とする。このようにすることで、ウィービング端区間における溶接部の外観を向上させることができる。
アーク特性ゲインＧの制御は、溶接電流における、ある一定区間にのみ適用しても良い。ここで一定区間とは、定常応答区間のことであり、それ以外を非定常応答区間とする。例えば、何かのトリガーにより溶接電流の特定区間で波形制御を行う場合は、波形制御を行っている区間が非定常応答区間となり、波形制御を行っていない区間が定常応答区間となる。なお、通常、波形制御を行う場合は定電流制御を行い、波形制御を行っていない場合は定電圧制御を行うため、何かのトリガーにより特定区間で定電流制御を行う場合は、定電流制御を行っている区間が非定常応答区間となり、定電圧制御を行っている区間が定常応答区間であると言っても良い。また、特開２０１６－１５９３１６号公報に記載のように、過渡応答区間の一例である短絡期間と、アーク期間（非短絡期間）とが混在する場合は、短絡期間が非定常応答区間となり、アーク期間が定常応答区間に相当する。さらに、アーク特性ゲインＧの制御とともに、溶接条件を変化させても良い。溶接条件としては、溶接電流、溶接電圧、溶接速度、波形制御、周波数等が挙げられる。
一例として、離脱検知信号のトリガーによって、溶接電流の特定区間で波形制御を行う場合の具体例を図５～図７に基づいて説明する。図５に示すように、離脱検知信号を検知した場合において、この検知をトリガーにして溶接電流は非定常応答区間、すなわち波形制御区間に移行する。あらかじめ定めた期間後、波形制御は終了となり、定常応答区間に戻る。ウィービング時のトーチ位置変動において、この制御は、図６で示すように、トーチ位置のチップ－母材間距離が大きくなる位置、すなわち区間２においては、離脱検知を行い、止端位置を含む位置、すなわち区間１－１、区間１－２に関しては、離脱検知を考慮しないように制御することが好ましい。
具体的には、図７に示すように、溶接開始後（ステップＳ１）、定常応答区間（ステップＳ２）にある場合は、トーチ位置判定によって、区間２であるか、区間１－１又は区間１－２であるかを判定する（ステップＳ３）。区間１－１又は区間１－２と判定した場合には、アーク特性ゲインＧを大きいアーク特性ゲインＧＬとし（ステップＳ４）、区間２と判定した場合には、アーク特性ゲインＧを小さいアーク特性ゲインＧＳとする（ステップＳ５）ように制御する。また、区間２と判定するとともに、小さいアーク特性ゲインＧＳに制御した後、離脱検知信号を検知した場合（ステップＳ６）は、非定常応答区間、すなわち波形制御区間に移行する（ステップＳ７）。さらに、アーク特性ゲインＧをＯＦＦにする（ステップＳ８）。なお、ここで言う「アーク特性ゲインＯＦＦ」とは、補正電流Ｉｅｒｒを入力しないということである。あらかじめ定めた波形制御区間を終えると、定常応答区間に戻り、トーチ位置に基づいたアーク特性ゲインＧの制御を行う。
以上のように、溶接電流が非定常応答区間と定常応答区間とを有する場合にあっては、定常応答区間において、上述の本実施形態で説明した出力制御方法により補正電流を算出することが好ましい。このようにすることで、定常応答区間での溶接を、アーク長制御を維持しつつ、溶接電流の変動を抑制することで、良好な溶接作業性を得るとともに、より精度の良いアーク倣いを実現することができる。
また、上記非定常応答区間は、溶接電流の波形制御区間であることが好ましい。このようにすることで、より良好な溶接作業性が得られる。
さらに、非定常応答区間は、溶接電流の過渡応答区間であることが好ましい。このようにすることで、より良好な溶接作業性が得られる。
また、上記非定常応答区間は、溶接電流の波形制御区間であることが好ましい。このようにすることで、より良好な溶接作業性が得られる。
さらに、非定常応答区間は、溶接電流の過渡応答区間であることが好ましい。このようにすることで、より良好な溶接作業性が得られる。
＜比較のための試験結果＞
アーク特性ゲインＧの差異によるビード外観及びスパッタ発生量への影響を調査するため、アーク特性ゲインを固定し、図８に示す溶接条件で下向きすみ肉溶接によりＴ継手を溶接した。すなわち、ウィービング幅Ｗの全長に亘ってアーク特性ゲインを固定して、ウィービング溶接を実施した。図９は、アーク特性ゲインを固定したウィービング溶接において、アーク特性ゲインの違いによる電圧波形及び電流波形の変化及び溶接部の状態を示している。
アーク特性ゲインＧの差異によるビード外観及びスパッタ発生量への影響を調査するため、アーク特性ゲインを固定し、図８に示す溶接条件で下向きすみ肉溶接によりＴ継手を溶接した。すなわち、ウィービング幅Ｗの全長に亘ってアーク特性ゲインを固定して、ウィービング溶接を実施した。図９は、アーク特性ゲインを固定したウィービング溶接において、アーク特性ゲインの違いによる電圧波形及び電流波形の変化及び溶接部の状態を示している。
図９に示すように、大きいアーク特性ゲインＧＬで固定した場合、電流波形に変動が見られ、アーク長制御が安定することで、止端部の馴染みは良好になるものの、多くのスパッタが発生した。また、小さいアーク特性ゲインＧＳで固定した場合、電流波形が安定し、止端部の馴染みに問題があるものの、スパッタの発生数が減少した。
なお、上記の説明では、チップ－母材間距離が変化するガスシールドアーク溶接の一例として、ウィービングによりＴ継手を溶接する場合を例に説明したが、チップ－母材間距離が変化する溶接であればこれに限定されず、本発明を適用することができる。
また本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。
５０ アーク溶接システム
１００ 溶接ロボット
２００ 溶接トーチ
４００ 溶接電源
４４０ 補正量算出回路（補正電流算出手段）
４６０ 補正電流算出部（補正電流算出手段）
６００ 溶接制御装置
６１０ トーチ位置検出部（トーチ位置判定手段）
Ｄｖ１ 瞬時電圧誤差信号（瞬時電圧誤差値）
Ｄｖ２ 平均電圧誤差信号（平均電圧誤差値）
Ｇ１ アーク特性ゲイン(第１利得)
Ｇ２ アーク特性ゲイン(第２利得)
Ｉｅｒｒ 補正電流
Ｖａ 瞬時出力電圧設定信号（瞬時出力電圧設定値）
Ｖａｖｅ 平均出力電圧検出信号（平均出力電圧検出値）
Ｖｄ 溶接電圧検出信号（出力電圧検出値）
Ｖｓ 出力電圧設定信号（出力電圧設定値）
Ｗ ウィービング幅
区間１－１，区間１－２ ウィービング端区間
区間２ 中央区間
１００ 溶接ロボット
２００ 溶接トーチ
４００ 溶接電源
４４０ 補正量算出回路（補正電流算出手段）
４６０ 補正電流算出部（補正電流算出手段）
６００ 溶接制御装置
６１０ トーチ位置検出部（トーチ位置判定手段）
Ｄｖ１ 瞬時電圧誤差信号（瞬時電圧誤差値）
Ｄｖ２ 平均電圧誤差信号（平均電圧誤差値）
Ｇ１ アーク特性ゲイン(第１利得)
Ｇ２ アーク特性ゲイン(第２利得)
Ｉｅｒｒ 補正電流
Ｖａ 瞬時出力電圧設定信号（瞬時出力電圧設定値）
Ｖａｖｅ 平均出力電圧検出信号（平均出力電圧検出値）
Ｖｄ 溶接電圧検出信号（出力電圧検出値）
Ｖｓ 出力電圧設定信号（出力電圧設定値）
Ｗ ウィービング幅
区間１－１，区間１－２ ウィービング端区間
区間２ 中央区間
Claims (13)
- 溶接制御装置と溶接電源とを有する溶接システムを用い、溶接中にチップ－母材間距離が変化するガスシールドアーク溶接を行うための出力制御方法であって、
前記溶接制御装置及び前記溶接電源のうち少なくとも一方は、前記溶接中の溶接トーチ位置を判定するトーチ位置判定手段を有し、
前記溶接電源は、フィードバック制御のための補正電流を算出する補正電流算出手段を有し、
前記補正電流算出手段は、
瞬時出力電圧設定値Ｖａと出力電圧検出値Ｖｄとの差である瞬時電圧誤差値Ｄｖ１に第１利得Ｇ１を乗じた第１制御式と、
出力電圧設定値Ｖｓとあらかじめ設定された期間の平均出力電圧検出値Ｖａｖｅとの差である平均電圧誤差値Ｄｖ２に第２利得Ｇ２を乗じた第２制御式のうち少なくとも一方を含み、
前記トーチ位置判定手段によって判定されたトーチ位置検出値に基づいて、前記第１利得Ｇ１及び前記第２利得Ｇ２のうち少なくとも一方を決定し、
前記第１制御式及び前記第２制御式のうち少なくとも一方に基づいて、前記補正電流を算出すること特徴とするガスシールドアーク溶接の出力制御方法。 - 前記トーチ位置判定手段により、前記チップ－母材間距離が短くなると判定される前記トーチ位置検出値が検出された場合、前記第１利得Ｇ１及び前記第２利得Ｇ２のうち少なくとも一方を上げるように制御する、請求項１に記載のガスシールドアーク溶接の出力制御方法。
- 前記チップ－母材間距離が変化するガスシールドアーク溶接はウィービング溶接であって、
溶接トーチがウィービングする範囲内において、あらかじめ３区間以上に分割したトーチ位置区間を設定しておき、
前記トーチ位置判定手段は、前記溶接トーチが前記ウィービング時において、各前記トーチ位置区間に入った場合にトーチ位置が変動したと判定し、前記トーチ位置検出値を出力する、請求項１又は２に記載のガスシールドアーク溶接の出力制御方法。 - 前記トーチ位置区間において、
前記チップ－母材間距離が最も長くなる位置を含む中央区間と、前記ウィービングの端部を含むウィービング端区間の少なくとも２区間が独立して設定される、請求項３に記載のガスシールドアーク溶接の出力制御方法。 - 前記溶接トーチが前記ウィービング端区間に位置するときの前記第１利得Ｇ１及び前記第２利得Ｇ２のうち少なくとも一方は、前記溶接トーチが前記中央区間に位置するときの前記第１利得Ｇ１及び前記第２利得Ｇ２のうち少なくとも一方よりもそれぞれ高くなるように制御する、請求項４に記載のガスシールドアーク溶接の出力制御方法。
- 前記第１利得Ｇ１及び前記第２利得Ｇ２のうち少なくとも一方を前記トーチ位置区間ごとに制御する場合において、
各前記トーチ位置区間の境界又は境界近傍で、前記第１利得Ｇ１及び前記第２利得Ｇ２のうち少なくとも一方の増減を開始し、
前記第１利得Ｇ１及び前記第２利得Ｇ２のうち少なくとも一方の増減速度は、０．０５～０．１０／μｓとする、請求項３～５のいずれか１項に記載のガスシールドアーク溶接の出力制御方法。 - 前記ウィービング端区間は、前記溶接トーチがウィービングするウィービング幅の１／２の距離に対し、２０～８０％の幅を有する、請求項４又は５に記載のガスシールドアーク溶接の出力制御方法。
- 溶接電流が非定常応答区間と定常応答区間とを有するガスシールドアーク溶接の出力制御方法において、
前記定常応答区間において、請求項１～７のいずれか１項に記載の出力制御方法により前記補正電流を算出する、ガスシールドアーク溶接の出力制御方法。 - 前記非定常応答区間は、溶接電流の波形制御区間である、請求項８に記載のガスシールドアーク溶接の出力制御方法。
- 前記非定常応答区間は、溶接電流の過渡応答区間である、請求項８に記載のガスシールドアーク溶接の出力制御方法。
- 溶接制御装置と溶接電源とを有し、溶接中にチップ－母材間距離が変化するガスシールドアーク溶接を行うための溶接システムであって、
前記溶接制御装置及び前記溶接電源のうち少なくとも一方は、前記溶接中の溶接トーチ位置を判定するトーチ位置判定手段を有し、
前記溶接電源は、フィードバック制御のための補正電流を算出する補正電流算出手段を有し、
前記補正電流算出手段は、
瞬時出力電圧設定値Ｖａと出力電圧検出値Ｖｄとの差である瞬時電圧誤差値Ｄｖ１に第１利得Ｇ１を乗じた第１制御式と、
出力電圧設定値Ｖｓとあらかじめ設定された期間の平均出力電圧検出値Ｖａｖｅとの差である平均電圧誤差値Ｄｖ２に第２利得Ｇ２を乗じた第２制御式のうち少なくとも一方を含み、
前記トーチ位置判定手段によって判定されたトーチ位置検出値に基づいて、前記第１利得Ｇ１及び前記第２利得Ｇ２のうち少なくとも一方を決定し、
前記第１制御式及び前記第２制御式のうち少なくとも一方に基づいて、前記補正電流を算出すること特徴とする溶接システム。 - 溶接中にチップ－母材間距離が変化するガスシールドアーク溶接を行うための溶接電源であって、
前記溶接中の溶接トーチ位置を判定するトーチ位置判定手段と、
フィードバック制御のための補正電流を算出する補正電流算出手段と、を有し、
前記補正電流算出手段は、
瞬時出力電圧設定値Ｖａと出力電圧検出値Ｖｄとの差である瞬時電圧誤差値Ｄｖ１に第１利得Ｇ１を乗じた第１制御式と、
出力電圧設定値Ｖｓとあらかじめ設定された期間の平均出力電圧検出値Ｖａｖｅとの差である平均電圧誤差値Ｄｖ２に第２利得Ｇ２を乗じた第２制御式のうち少なくとも一方を含み、
前記トーチ位置判定手段によって判定されたトーチ位置検出値に基づいて、前記第１利得Ｇ１及び前記第２利得Ｇ２のうち少なくとも一方を決定し、
前記第１制御式及び前記第２制御式のうち少なくとも一方に基づいて、前記補正電流を算出すること特徴とする溶接電源。 - 溶接電源とともに用いられ、溶接中にチップ－母材間距離が変化するガスシールドアーク溶接を行うための溶接制御装置であって、
前記溶接中の溶接トーチ位置を判定するトーチ位置判定手段を有しており、
前記溶接電源は、フィードバック制御のための補正電流を算出する補正電流算出手段を有し、
前記補正電流算出手段は、
瞬時出力電圧設定値Ｖａと出力電圧検出値Ｖｄとの差である瞬時電圧誤差値Ｄｖ１に第１利得Ｇ１を乗じた第１制御式と、
出力電圧設定値Ｖｓとあらかじめ設定された期間の平均出力電圧検出値Ｖａｖｅとの差である平均電圧誤差値Ｄｖ２に第２利得Ｇ２を乗じた第２制御式のうち少なくとも一方を含み、
前記溶接電源は、前記トーチ位置判定手段によって判定されたトーチ位置検出値に基づいて、前記第１利得Ｇ１及び前記第２利得Ｇ２のうち少なくとも一方を決定し、
前記第１制御式及び前記第２制御式のうち少なくとも一方に基づいて、前記補正電流を算出すること特徴とする溶接制御装置。
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