JPH0669626B2 - ショートアーク溶接における開先自動倣い制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ショートアーク溶接において高速回転アーク
溶接法を用いてアークセンサにより開先を自動的に倣わ
せるようにした開先自動倣い制御方法に関するものであ
る。ここで、ショートアーク溶接とは、消耗電極式アー
ク溶接方法における溶滴移行形態の一つで短絡アーク溶
接のことである。また、開先とは、被溶接材に特に形成
される開先のほか、隅肉溶接のように被溶接材自体で形
成されるものを含むものである。

［従来の技術］ 従来、高速で回転するアーク自体をセンサとする高速回
転アークセンサによる開先倣い制御方法は、例えば特開
昭57-91877号公報に示されている。これは、アークの１
回転ごとに溶接電流またはアーク電圧の波形を検出し、
その波形についてアークの回転の溶接進行方向前方Ｃ_ｆ
点に対して左側と右側の波形を積分し、両積分値の差が
零になるように溶接トーチの開先幅方向の移動を制御す
ることにより溶接トーチの中心を開先の中心上に自動的
に位置決めするものである。そのため、このような開先
倣い制御方法による高速回転アーク溶接方法によれば、
自動溶接が可能になり、応答性が良好な開先自動倣い制
御、またアークの高速回転によりビード形状の改善が図
れるなど優れた効果を奏するものである。

しかしながら、上記の開先倣い制御方法はいわゆるオー
プンアーク溶接（溶滴移行形態がスプレー移行式、グロ
ビュール移行式などによる溶接）に対するものであって
ショートアーク溶接においては適用が困難であった。

［発明が解決しようとする課題］ ショートアーク溶接の場合、オープンアーク溶接に比べ
て開先形状のセンサとして用いる溶接電流またはアーク
電圧の波形が短絡により乱れるため、高速回転アークセ
ンサによる開先倣い制御が不安定となる。

すなわち、開先の幅方向（ｘ軸方向）の倣い制御の場
合、アークセンサの原理は、溶接電流またはアーク電圧
の波形についてアークの回転の左側と右側を積分しそれ
を比較するものであるが、ショートアーク溶接において
積分領域で短絡が生じた場合には、溶接電流またはアー
ク電圧の波形が乱れるため、その波形は開先形状のセン
サとして正常に働かない。

また、溶接トーチの高さ方向（ｙ軸方向）の倣い制御の
場合、アークセンサの原理は、例えば溶接電流値Ｉ_ａと
基準値Ｉ_ｏとを比較して、Ｉ_ａ＞Ｉ_ｏのときは、トーチ
位置が低いのでトーチを上昇させ、逆に、Ｉ_ａ＜Ｉ_ｏの
ときは、トーチ位置が高いのでトーチを下降させるよう
になっている。しかし、従来技術の場合、ショートアー
ク溶接では波形を平均値化する必要があるが、これをフ
ィルタ等で平均値化しようとすると、かなり大きな定数
を選定せざるを得ず、時間遅れが生じるため、倣いの応
答性に問題がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもの
で、ショートアーク溶接においても高速回転アークセン
サを用いて安定かつ良好で応答性のよい開先自動倣い制
御ができる制御方法を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するため、本発明に係るショートアー
ク溶接における開先自動倣い制御方法は、ｘ軸方向の倣
い制御については、アークの１回転ごとに溶接電流また
はアーク電圧の波形を検出し、アークの回転の溶接進行
方向に対して左側及び右側で積分し、両積分値を比較し
てその差が零になるように溶接トーチをｘ軸方向に移動
し、その積分領域でアークの短絡が生じた場合にはその
時の積分結果は採用せず、その直前の積分値をそのまま
保持することとしたものである。

また、上記ｘ軸方向の倣い制御に加えてさらにｙ軸方向
の倣い制御を行う場合には、アークの１回転ごとに検出
された溶接電流波形Ｉ_ａと基準電流値Ｉ_ｏとの差（Ｉ_ａ
‐Ｉ_ｏ）を積分し、その積分値の正負を判定し、それが
正のときは溶接トーチを上昇させ、負のときは溶接トー
クを下降させることとしたものである。さらに好ましく
は、トーチ移動の不感帯量をあらかじめ設定しておき、
上記積分値の絶対値がこの不感帯量より小さいときには
トーチを停止させたままにしておくこととするものであ
る。

［作用］ 高速回転アーク溶接法におけるショートアーク溶接にお
いては短絡がアークの回転の１周期に同期して起こりや
すい傾向がある。例えば、下向溶接では第５図に示すよ
うに溶融池形状の関係から、アーク４の回転位置が溶接
進行方向ａに対して前方の位置Ｃ_ｆ点よりも後方の位置
Ｃ_ｆ点の方が溶接トーチ１のワイヤ２の先端と溶融池３
間の距離が短くなるので、アーク回転の後方位置Ｃ_ｒ点
で短絡が生じやすくなる。このときの溶接電流波形Ｉ_ａ
及びアーク電圧波形Ｅ_ａを模式的に示すと第６図のよう
になる。図中、Ｉ_ｏ,E_ｏはそれぞれ基準電流波形及び基
準電圧波形、Ｔは短絡期間である。

したがって、アークが短絡していない状態、つまりオー
プンアークの状態の領域（例えば、Ｃ_ｆ点を中心として
左右45°とか90°の範囲）ではこのＩ_ａまたはＥ_ａの波
形を開先倣いのセンサとして用いることができる。

しかし、短絡は、毎回確実にＣ_ｒ点で発生するわけでな
はなく、Ｃ_ｆ点付近で発生する場合もある。この場合に
はそのときのＩ_ａまたはＥ_ａの波形はセンサとして正常
な値ではない。

そこで、積分領域において短絡が生じた場合には、その
時の積分結果は採用せず、例えば前回の積分値をそのま
ま保持することとし、これを用いることによってｘ軸方
向の倣い制御を安定して良好に行うことができる。

次に、ｙ軸方向の倣い制御については、例えば、ショー
トアーク溶接時の溶接電流波形Ｉ_ａをフィルタ等で平滑
化しようとすると、１秒程度以上の時間遅れが生じ、倣
いの応答性が悪くなる。しかし、アークの回転を伴うシ
ョートアーク溶接では、短絡はアークの１回転ごとに同
期して生じるようになるので、１回転ごとにＩ_ａとＩ_ｏ
の差（Ｉ_ａ‐Ｉ_ｏ）を積分することにより平均値化でき
るので、時間遅れをきわめて小さくすることができ、そ
の積分値の正負を判定することにより応答性の良いｙ軸
方向の倣い制御が可能となる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を図により説明する。第１図は
本発明の開先倣い制御方法においてｘ軸方向の倣い制御
を行う場合のブロック図であり、アーク電圧を制御する
場合で示してある。第２図はショートアーク溶接におけ
る積分領域を示す図である。

第１図において、11はアークの回転位置検出器で、溶接
トーチの回転角度90°ごとのアーク回転位置Ｃ_ｆ,R,
C_ｒ,Lの４点（第２図参照）を検出するようになってい
る。なお、図示は省略するが、溶接トーチは前記公報等
に示されるように、トーチの偏心位置に送給される溶接
ワイヤ、トーチの回転用モータ、ｘ軸移動機構及びｙ軸
移動機構を備えている。また、アークの回転速度は10H_z
以上、アーク回転直径は１mm〜６mmで行っている。

12はアークの１回転ごとに検出されるアーク電圧波形Ｅ
_ａ,13はあらかじめ設定された基準電圧波形Ｅ_ｏで、そ
れぞれ差動アンプ14に入力される。

15は回転位置検出器11及び積分領域設定回路16からの信
号の入力により積分領域を決めるためのスイッチング論
理回路、17は第２図においてＬ領域31を積分するときの
スイッチで、スイッチング論理回路15のＬ領域指令によ
り動作し、差動アンプ14により増幅されたアーク電圧波
形差信号（Ｅ_ａ‐Ｅ_ｏ）をプラスとして積分器20に送
る。18は第２図においてＲ領域32を積分するときのスイ
ッチで、スイッチング論理回路15のＲ領域指令により動
作し、差動アンプ14により増幅されたアーク電圧波形差
信号（Ｅ_ａ‐Ｅ_ｏ）を反転器19によりマイナスにして積
分器20に送る。積分器20はスイッチング論理回路15の積
分領域指令によって動作し、両スイッチ17,18を通じて
入力される信号をそれぞれ積分し、積分値差（Ｓ_Ｌ‐Ｓ
_Ｒ）として記憶器21に送り、ここで一時記憶される。

一方、積分領域での短絡の有無を検出するための短絡検
出回路22が設けられており、検出されたアーク電圧波形
12の信号Ｅ_ａと、短絡検出レベル設定器23によりあらか
じめ設定された短絡レベル信号Ｅ_lowとを短絡検出回路2
2に入力し、短絡検出回路22において短絡の有無が判定
されるようになっている。すなわち、Ｅ_ａ＞Ｅ_lowのと
きは短絡が生じていない、つまりオープンアーク状態で
あると判定し、Ｅ_ａ≦Ｅ_lowのときは短絡状態であると
判定するものである。この判手結果はスイッチング論理
回路15にデータ採否指令として送られる。なお、短絡検
出回路22の上記動作はスイッチング論理回路15からの積
分領域指令によって行われる。

積分器20にて積分中において、短絡検出回路22によりオ
ープンアーク状態と判定された場合、積分が終わると同
時にスイッチング論理回路15より記憶器21に対してリセ
ット信号を出し、ほぼ同時にサンプルホールド信号を出
す。これにより、前回の一時記憶されている積分値差
（Ｓ_Ｌ‐Ｓ_Ｒ）をリセットするとともに、今回の積分値
差（Ｓ_Ｌ‐Ｓ_Ｒ）を一時記憶し、今回の積分値差でもっ
てその差が零になるようにｘ軸コントローラ24により溶
接トーチをｘ軸方向に移動させる。

一方、積分器20にて積分中において、短絡検出回路22に
より短絡状態と判定された場合には、その波形をセンサ
として用いることは不適当であるので、記憶器21をリセ
ットすることなく、例えば前回の積分値差（Ｓ_Ｌ‐
Ｓ_Ｒ）をそのまま保持し、その差が零になるようにｘ軸
コントローラ24により溶接トーチをｘ軸方向に移動させ
る。

以上の動作により、Ｓ_Ｌ＞Ｓ_ＲのときはトーチをＬ側に
修正し、Ｓ_Ｌ＜Ｓ_ＲのときはトーチをＲ側に修正するこ
とになる。なお、ｘ軸コントローラ24はモータであって
もよい。

第２図においては、ショートアーク溶接において短絡が
生じにくいアーク回転位置Ｃ_ｆを中心として左右に例え
ば45°ずつの積分領域31,32を設定した場合を示してい
る。なお、積分領域31,32はＣ^ｆ点を中心に５°〜90°
の範囲で同一の位相角φをとるように定められる。

このようにアークの１回転ごとにその電圧波形Ｅ_ａを検
出し、Ｌ領域31とＲ領域32の積分値を比較すれば、第１
図の制御回路により通常のオープンアーク溶接の場合と
同様にｘ軸方向の開先倣いが可能となる。ただし、この
積分領域で短絡が発生した場合にはそのデータは採用で
きないので、短絡の有無を判定したうえで短絡があった
場合には、例えば前回の積分値を採用することにより開
先倣いを行う。なお、時間の短い短絡、いわゆる瞬間短
絡の場合は、アークセンサにそれ程影響を及ぼさないの
で、アーク電圧波形12は、100〜1000Hz程度のローパス
フィルタを通している。

第３図は上記の積分領域、リセット信号、及びサンプル
ホールド信号のアーク回転位置に対するタイミングチャ
ートである。

次に、第４図はｙ軸方向の倣い制御を行う場合のブロッ
ク図で、溶接電流を制御する場合で示してある。図にお
いて、41はアークの回転位置検出器、42は検出された溶
接電流波形Ｉ_ａ,43はあらかじめ設定された基準電流波
形Ｉ_ｏ,44は差動アンプ、45はアークの１回転ごとに溶
接電流波形差信号（Ｉ_ａ‐Ｉ_ｏ）を積分する積分器、46
はスイッチング論理回路で、回転位置検出器41からの回
転位置信号を受け、その１回転信号ごとに積分器45を動
作させる。47は記憶器で、スイッチング論理回路46から
のリセット信号及びサンプルホールド信号によりアーク
の１回転ごとの積分値を一時記憶する。48は積分値Ｓ_Ｉ
の正負の判定回路、49は必要に応じて設けられる不感帯
設定回路で、不感帯量ΔＩをあらかじめ設定しておくも
のである。50はｙ軸コントローラであり、ｙ軸モータで
あってもよいものである。

積分器45により、アークの１回転ごとに溶接電流波形差
信号（Ｉ_ａ‐Ｉ_ｏ）を積分することは（Ｉ_ａ‐Ｉ_ｏ）の
平均値を求めることに等しい。このため、記憶器47によ
り出力される積分値Ｓ_Ｉの符号を判定回路48により判定
すれば、トータルとしてのΣＩ_ａとΣＩ_ｏの比較が可能
になる。その結果、アークを高速回転すると時間遅れの
きわめて小さい良好なｙ軸方向の倣い制御が可能にな
る。したがって、Ｓ_Ｉ＞０のときはΣＩ_ａ＞ΣＩ_ｏであ
るから、溶接トーチ位置が低いためトーチを上昇側へ修
正する。逆に、Ｓ_Ｉ＜０のときはΣＩ_ａ＜ΣＩ_ｏである
から、溶接トーチ位置が高いためトーチを下降側へ修正
する。また、Ｓ_Ｉの絶対値があらかじめ設定された不感
帯量ΔＩより小さいときはΣＩ_ａとΣＩ_ｏの差は小さい
ものとしてトーチは動かさない、つまり停止させてお
く。

なお、本発明において、ｘ軸方向の倣い制御を行なう場
合はｙ軸制御がほとんど問題とならないような開先の溶
接、例えば１パスで溶接するような場合に適用できる。
これに対してｘ軸及びｙ軸方向の倣い制御の場合は、多
層溶接の場合に適用できる。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、ショートアーク溶接にお
いても高速回転アーク溶接法を用いることにより短絡を
アークの回転の後法Ｃ_ｒ側で半強制的にかつ周期的に起
こすことにより、通常のオープンアーク溶接の場合と同
様にｘ軸方向の開先自動倣いができ、また積分領域で短
絡が生じた場合にはその積分値を不採用とし前回以前の
積分値を採用することで安定した開先自動倣いを行うこ
とができる。

さらに、ｘ軸方向の開先自動倣いのほかｙ軸方向の開先
自動倣いをも行う場合には、アークの１回転ごとに積分
することにより平均値化できるため、応答性の良い制御
が可能になるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のｘ軸方向の開先倣い制御に用いるブロ
ック図、第２図はショートアーク溶接における積分領域
を示す図、第３図は積分領域、リセット信号、及びサン
プルホールド信号のアーク回転位置に対するタイミング
チャート、第４図は本発明のｙ軸方向の開先倣い制御に
用いるブロック図、第５図はショートアーク溶接におい
て短絡が発生しやすい位置及び発生しにくい位置を示す
説明図、第６図はショートアーク溶接における溶接電流
及びアーク電圧の波形図である。 １…溶接トーチ ２…ワイヤ ３…溶融池 ４…アーク 11…回転位置検出器 12…アーク電圧波形Ｅ_ａ 13…基準電圧波形Ｅ_ｏ 14…差動アンプ 15…スイッチング論理回路 16…積分領域設定回路 17…スイッチ 18…スイッチ 19…反転器 20…積分器 21…記憶器 22…短絡検出回路 23…短絡検出レベル設定器 24…ｘ軸コントローラ 31…Ｌ領域 32…Ｒ領域 41…回転位置検出器 42…溶接電流波形Ｉ_ａ 43…基準電流波形Ｉ_ｏ 44…差動アンプ 45…積分器 46…スイッチング論理回路 47…記憶器 48…判定回路 49…不感帯設定回路 50…ｙ軸コントローラ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ショートアーク溶接において高速回転アー
   ク溶接法を用いてアークセンサ制御により開先の幅方向
   （ｘ軸方向）の倣い制御を行う場合、高速で回転するア
   ークの１回転ごとに溶接電流またはアーク電圧の波形と
   アークの回転位置を検出し、アークの回転の溶接進行方
   向前方Ｃ_ｆ点に対してＣ_ｆ点を中心に同一の位相角φ
   （５°〜90°）で定まる左側及び右側の領域で積分し、
   両積分値を比較してその差が零になるように溶接トーチ
   をｘ軸方向に移動し、前記積分領域でアークの短絡が一
   定期間以上生じた場合にはその時の積分結果は採用せ
   ず、その直前の積分値をそのまま保持することを特徴と
   するショートアーク溶接における開先自動倣い制御方
   法。
2. 【請求項２】前記ｘ軸方向の倣い制御に加えてさらに溶
   接トーチの高さ方向（ｙ軸方向）の倣い制御を行う場
   合、アークの１回転ごとに溶接電流波形Ｉ_ａと基準電流
   値Ｉ_ｏとの差（Ｉ_ａ−Ｉ_ｏ）を積分し、その積分値の正
   負を判定し、その判定結果に基づき溶接トーチをｙ軸方
   向に移動させることを特徴とする請求項（１）記載のシ
   ョートアーク溶接における開先自動倣い制御方法。