JPH07214315A

JPH07214315A - 消耗電極式ガスシールドアーク溶接の出力制御方法およびその装置

Info

Publication number: JPH07214315A
Application number: JP1500594A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tagami; 博司田上; Tsuneo Mita; 常夫三田; Takayuki Kashima; 孝之鹿島; Tsuneo Shinada; 常夫品田
Original assignee: Hitachi Seiko Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 1994-02-09
Filing date: 1994-02-09
Publication date: 1995-08-15
Anticipated expiration: 2016-10-09
Also published as: JP3215567B2

Abstract

(57)【要約】【目的】シールドガスにＡｒを主成分とするＡｒ＋ＣＯ
₂混合ガスを用いたアーク溶接において適正なアーク電
圧を自動設定し、作業性を向上させることができる消耗
式ガスシールドアーク溶接の出力制御方法を提供するこ
と。【構成】シールドガスとしてＡｒを主成分とするＡｒと
ＣＯ₂との混合ガスを用い、ワイヤを略定速度で送給し
て溶接をする消耗電極式ガスシールドアーク溶接の出力
制御方法において、溶接中に測定される短絡期間の標準
偏差およびアーク期間の平均値を前件部、また出力電圧
の操作量を後件部とし、予め定めた制御規則に従ってフ
ァジィ推論を実行して出力電圧設定の増減操作量を決定
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、消耗電極式ガスシール
ドアーク溶接の出力制御方法およびその装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】シールドガスとしてＣＯ₂あるいはＡｒ
を主成分とするＡｒとＣＯ₂との混合ガス（いわゆるマ
グガス。）を用いる消耗電極式ガスシールドアーク溶接
では、作業状況やワーク形状に応じて溶接電流値を選定
する。ところで、良好な溶接結果を得るためには、溶接
電流値に応じた適切なアーク電圧が得られるように溶接
機の出力電圧を設定する必要がある。しかし、適切なア
ーク電圧は溶接電流値だけでなく、作業環境や形態によ
っても異なる。このため、選定した溶接電流値に対し、
適正なアーク電圧が得られるように溶接機の出力電圧を
設定するにはかなりの熟練と技能の向上とが必要であ
り、初心者が容易に修得できるものではない。そこで、
初心者でも熟練者と同等の溶接結果が得られるようにす
るため、特開昭５６−１５８２８１号公報（以下、第１
の従来技術という）には、予め溶接電流と適正出力電圧
の関係をデータベース化しておき、溶接電流が選定され
ると溶接機の出力電圧が一元的に設定される機能を設け
た技術が開示されている。また、特開昭６０−１２８３
４０号公報（以下、第２の従来技術という）ならびに特
開昭６０−１６２５７７号公報（以下、第３の従来技術
という）には、溶接中の電流と電圧波形の観測結果を所
定の関数で演算し、演算した値が最小となるように出力
電圧を設定する技術が開示されている。◆ところで、た
とえば大形構造物を溶接する時には、溶接ケーブルを延
長することが多い。この場合、適切なアーク電圧とする
ためには、溶接機の出力電圧を高くし、延長した溶接ケ
ーブルで発生する電圧降下の影響を補正する必要があ
る。しかし、上記第１の従来技術の場合、適切なアーク
電圧として自動設定される出力電圧は、所定の基準条件
ならびに標準作業環境のもとでデータとして選定された
ものであるため、標準作業環境から外れる場合は適正値
とはならない。なお、アーク電圧を検出するための検出
線を溶接部まで配線すれば適正値を得ることができる
が、配線が増加すると操作性は低下する。さらに、デー
タとして選定されたものは特定の熟練溶接作業者によっ
て選定されたものであり、必ずしも不偏的な適正値であ
るとは言えない。また、上記第２ないし第３の従来技術
の場合、延長ケーブル使用時の電圧降下を補正すること
は可能であるが、所定の関数で演算される値を最小とす
るには、出力電圧を操作して少なくとも３個の演算値を
求める必要があり、適正なアーク電圧を得る迄に時間を
要する。◆上記した課題を解決するため、本願出願人
は、比較的電流の小さい小電流域および中間電流域を対
象として、特願平４−１２８５７０号（以下、第４の従
来技術という）において、溶接中に測定される短絡期間
およびアーク期間の標準偏差sＴs，sＴaの値を前件部、
また出力電圧の操作量を後件部とし、予め定めた制御規
則に従ってファジィ推論を実行することにより、出力電
圧設定の増減操作量を決定するようにした消耗電極式ガ
スシールドアーク溶接の出力制御方法を提案した。また
大電流域を対象として、特願平５−１７９６７３号（以
下、第５の従来技術という）において、溶接中に測定さ
れるアーク期間の標準偏差sＴa及びその平均値mＴaの値
を前件部としたファジィ推論を実行することにより、出
力電圧設定の増減操作量を決定するようにした消耗電極
式ガスシールドアーク溶接の出力制御方法を提案した。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記した第４および第
５の従来技術は、シールドガスとしてＣＯ₂を用いた場
合には有効であるが、シールドガス組成を変化させる
と、ワイヤ先端に形成される溶融金属（以下、溶滴とい
う。）の母材への移行形態が多少変化するため、上記第
４および第５の従来技術をそのまま適用することはでき
ない。◆図１２は、ＣＯ₂をシールドガスとして用いた
溶接におけるアーク期間の標準偏差sＴaのアーク電圧に
対する変化を示した一例であり、アーク電圧に対するs
Ｔaの変化量は比較的大きい。しかし、Ａｒ＋２０％Ｃ
Ｏ₂をシールドガスとして用いた溶接では、図１３に示
すように、sＴaの変化量が上記図１２の場合に比べて少
ないため、前件部にアーク期間の標準偏差sＴaを用いる
ファジィ推論では良好な結果が得られない。◆本発明の
目的は、上記した課題を解決し、Ａｒを主成分とするＡ
ｒ＋ＣＯ₂混合ガスをシールドガスとする溶接（以下マ
グ溶接という。）において適正なアーク電圧を自動設定
し、作業性を向上させることができる消耗式ガスシール
ドアーク溶接の制御方法を提供することにある。

【０００４】

【発明が解決しようとする手段】上記した課題は、マグ
溶接においてワイヤを略定速度で送給し、短絡とアーク
を繰り返しながら溶接をする消耗式ガスシールドアーク
溶接の出力制御方法において、溶接中に測定される短絡
期間の標準偏差sＴsおよびアーク期間の平均値mＴaを前
件部、また出力電圧の操作量を後件部とし、予め定めた
制御規則に従ってファジィ推論を実行して出力電圧設定
の増減操作量を決定することにより解決される。

【０００５】

【作用】外部特性が定電圧特性である溶接装置におい
て、Ａｒを主成分とするＡｒ＋ＣＯ₂の混合ガスをシー
ルドガスとして用い、ワイヤ送給速度すなわち溶接電流
を一定の値に維持した状態で溶接電源の出力電圧すなわ
ちアーク電圧を変化させると、図２および図３に示すよ
うに、アーク電圧に対する短絡期間の標準偏差sＴsおよ
びアーク期間の平均値mＴaは大きく変化する。そこで、
短絡期間およびアーク期間を測定し、その結果から算出
した短絡期間の標準偏差sＴsおよびアーク期間の平均値
mＴaの値を所定のメンバシップ関数とファジィ推論規則
に基づいて処理し、適正なアーク電圧を得るための操作
量を演算して出力電圧を増減させれば、常に適切な出力
電圧が維持できる。

【０００６】

【実施例】図１は、本発明を実施するための溶接装置の
構成例図である。◆同図において、１は商用交流を直流
に変換するための入力側整流器、２はパワー半導体素子
で、構成されたインバータ回路で、上記直流を高周波交
流に変換する。３は溶接トランスで、その入力側はイン
バータ回路２に接続されている。４は溶接トランス３の
出力側に接続された出力側整流器で、上記インバータ回
路２で作り出す高周波交流を再び直流に変換する。５は
直流リアクタで、出力側整流器４で整流された直流出力
を平滑する。６はワイヤで、ワイヤ送給装置７により溶
接部に供給される。８は母材。９は溶接電流設定器で、
ワイヤ６の送給速度を設定するためのものである。な
お、インバータ回路２は外部特性が定電圧特性となるよ
うに制御される。◆１０は出力電圧設定器で、出力電圧
Ｖ₀を設定するためのものである。１１は加減算回路
で、出力電圧設定器１０で設定される出力電圧Ｖ₀と、
後述するファジィ制御器２２から出力される出力電圧の
操作量△Ｖとを合成し、その結果を新たな出力電圧Ｖ₀
として記憶すると共にパルス幅制御回路１２に出力す
る。パルス幅制御回路１２は加減算回路１１からの信号
に基づき駆動回路１３を介してインバータ回路２の出力
を制御する。◆１４は電圧検出器。１５は電圧検出器１
４のサンプリング条件設定器。１６は判定電圧設定器。
１７は短絡かアークかを判定する判定器で、サンプリン
グ条件設定器１５で設定されるサンプリング間隔および
サンプリング時間に従って、電圧検出器１４で計測され
る溶接電圧υと判定電圧設定器１６で設定された判定電
圧Ｖjの大小を比較する。そして、判定器１７は、υ≦
Ｖjのときには短絡期間であることの判定信号をＴs測定
器１８へ、またυ＞Ｖjのときにはアーク期間であるこ
との判定信号をＴa測定器１９へ、それぞれ出力する。
◆上記Ｔｓ測定器１８およびＴａ測定器１９は、短絡と
アークが交互に繰返される各短絡周期毎に、それぞれの
時間の計測値（ＴｓおよびＴａの値）を短絡期間の標準
偏差sＴsの演算器２０とアーク期間の平均値mＴaの演算
器２１に入力する。なお、演算器２０は上記Ｔｓ測定器
１８の出力を用いてＴｓの総和ΣＴｓおよび平方和ΣＴ
ｓ²の演算ならびにＴｓの個数Ｎのカウントを行い、標
準偏差sＴsの値を下記の式１により算出し、その値をフ
ァジィ制御器２２へ出力する。また、演算器２１は上記
Ｔａ測定器１９の出力を用いてＴａの総和ΣＴａの演算
ならびにＴａの個数Ｎのカウントを行い、平均値mＴaの
値を下記の式２より算出し、その値をファジィ制御器２
２へ出力する。◆

【０００７】

【数１】

【０００８】設定器２３は、ファジィ推論の前件部を構
成する因子である標準偏差sＴs、平均値mＴaおよび後件
部を構成する因子△Ｖ（出力電圧操作量）のメンバシッ
プ関数ならびにこれらの因子についてのファジィ推論規
則を入力するためのものである。そして、ファジイ制御
器２２は、上記設定器２３により設定されるメンバシッ
プ関数と推論規則に基づき、入力された標準偏差sＴsお
よび平均値mＴaの推論規則への適合度を求め、その適合
度に見合った推論結果を各規則ごとに算出する。そし
て、各推論規則ごとに得られた推論結果を重心法で統合
し、全体としての推論結果△Ｖを求め、上記加減算回路
１１へ出力する。

【０００９】以下、ファジィ制御器２２における推論方
法をさらに詳しく説明する。◆ (１)溶滴の母材への移行形態が短絡移行の場合。◆ 溶滴の移行形態が短絡移行の場合、ワイヤの送給速度は
比較的遅く、溶接電流は小さい。そして、このときの標
準偏差sＴsおよび平均値mＴaは、アーク電圧に応じてそ
れぞれ図２および図３に示すように変化する。◆そこ
で、標準偏差sＴsおよび平均値mＴaおよび出力電圧の操
作量△Ｖのメンバシップ関数を、それぞれ図４〜図６の
ように定めるとともに、表１に示す合計１５個の推論規
則を設定する。◆

【００１０】

【表１】

【００１１】次に、表１における推論規則のうち、Ｒ
１，Ｒ２，Ｒ３を代表例にとり、以下に説明する。な
お、括弧内の記号は表１に示すものである。◆ Ｒ１；もしsＴsが小さく（Ｓ）、かつmＴaがやや小さい
（ＳＭ）ときには出力電圧を変化させない（△Ｖ＝Ｚ
０）◆ Ｒ２；もしsＴsが小さく（Ｓ）、かつmＴaが極めて大き
い（ＢＢ）ときには出力電圧を大幅に低下させる（△Ｖ
＝ＮＢ）◆ Ｒ３；もしsＴsが大きく（Ｂ）、かつmＴaがやや大きい
（ＭＢ）ときには出力電圧を大幅に上昇させる（△Ｖ＝
ＰＢ）◆ すなわち出力電圧設定器１０で設定された出力電圧Ｖ₀
が適正電圧に対して低過ぎた場合、上記図２および図３
に示したように、sＴsの値が大きくまたmＴaの値がやや
大きくなるため、上記の推論規則Ｒ３が適用されて出力
電圧を大幅に上昇させるという推論結果（△Ｖ＝ＰＢ）
を得る。◆また、出力電圧設定器１０で設定された出力
電圧Ｖ₀が適正であった場合、sＴsの値が小さくまたmＴ
aの値がやや小さくなるため、上記の推論規則Ｒ１が適
用され、出力電圧を変化させないという推論結果（△Ｖ
＝Ｚ０）を得る。◆さらに、出力電圧設定器１０で設定
された出力電圧Ｖ₀が適正電圧に対して高過ぎた場合、s
Ｔsの値が小さくまたmＴaの値が極めて大きくなるた
め、上記推論規則Ｒ２が適用され、出力電圧を大幅に低
下させるという推論結果（△Ｖ＝ＮＢ）を得る。◆な
お、その他のケースの場合も上記Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の場
合と同様に、出力電圧の設定値が適正電圧より低い場合
には、適正電圧からのズレ量に応じた出力電圧の増加量
が、また出力電圧の設定値が適正電圧より高い場合に
は、その程度に応じた出力電圧の減少量がファジィ推論
結果△Ｖとして与えられる。すなわち、当初の出力電圧
の設定がどのような値であっても、その設定値のもとで
所定の時間テスト溶接を行い、その時のsＴsおよびmＴa
の値を用いて上述のファジィ推論を行えば、出力電圧を
常に適正な値に設定できる。

【００１２】（２）溶滴の母材への移行形態がグロビュ
ール移行の場合。◆ 溶滴の移行形態がグロビュール移行の場合、ワイヤ送給
速度は比較的速く、溶接電流は中程度ないし比較的大き
い。そして、この時の標準偏差sＴsおよび標準偏差mＴa
は、アーク電圧に応じてそれぞれ図７および図８に示す
ように変化する。◆そこで、標準偏差sＴsおよび標準偏
差mＴaおよび出力電圧の操作量△Ｖのメンバシップ関数
をそれぞれ図９〜図１１のように定めるとともに、表２
に示す推論規則を設定する。すると、上記（１）の短絡
移行の場合と同様に、当初の出力電圧の設定がどのよう
な値であっても、その設定値のもとで所定の時間テスト
溶接を行い、その時のsＴsおよびmＴaの値を用いて上述
のファジィ推論を行えば、出力電圧を常に適正な値に設
定できる。◆

【００１３】

【表１】

【００１４】以下（Ａ），（Ｂ）に、良好な結果が得ら
れたメンバシップ関数の例を、図４〜６ならびに図９〜
１１に基づいて示す。なおこの例は、シールドガスとし
てＡｒ＋２０％ＣＯ₂混合ガスを用い、ワイヤの材質が
軟鋼で、直径が１．２ｍｍのソリッドワイヤを用いてマ
グ溶接をした場合である。◆ （Ａ）溶滴の母材への移行形態が短絡移行の場合。◆ なお、ワイヤ送給速度は３ｍ／ｍｉｎである。◆図４に
おいて、◆ ａ₁＝１.２ｍｓ、ａ₂＝１.５ｍｓ、ａ₃＝２.０ｍｓ、ａ
₄＝２.４ｍｓ、◆ａ₅＝２.７ｍｓ、ａ₆＝３.２ｍｓ、ａ
₇＝３.５ｍｓ、◆ 図５において、◆ｂ₁＝０.０ｍｓ、ｂ₂＝０.５ｍｓ、ｂ
₃＝３.０ｍｓ、ｂ₄＝３.８ｍｓ、◆ｂ₅＝４.７ｍｓ、ｂ
₆＝７.２ｍｓ、ｂ₇＝ｂ₈＝８.０ｍｓ、ｂ₉＝１１.３ｍ
ｓ、ｂ₁₀＝１３.０ｍｓ、ｂ₁₁＝１５.５ｍｓ、ｂ₁₂＝１
８.０ｍｓ、◆ｂ₁₃＝１９.７ｍｓ◆ 図６において、◆ ｃ₁＝ｃ₂＝−６.５Ｖ、ｃ₃＝ｃ₄＝ｃ₅＝−４.３Ｖ、◆
ｃ₆＝ｃ₇＝ｃ₈＝−２.２Ｖ、◆ｃ₉＝ｃ₁₀＝ｃ₁₁＝０
Ｖ、ｃ₁₂＝ｃ₁₃＝ｃ₁₄＝２.２Ｖ、◆ｃ₁₅＝ｃ₁₆＝ｃ₁₇
＝４.３Ｖ、ｃ₁₈＝ｃ₁₉＝６.５Ｖ◆ （Ｂ）溶滴の母材への移行形態がグロビュール移行の場
合。◆ なお、ワイヤ送給速度は７.５ｍ／ｍｉｎである。◆図
９において◆ ａ´₁＝ａ´₂＝１.４ｍｓ、ａ´₃＝ａ´₄＝ａ´₅＝１.
６ｍｓ、◆ａ´₆＝ａ´₇＝１.９ｍｓ◆ 図１０において◆ b´₁＝６ｍｓ、b´₂＝７ｍｓ、b´₃＝１０ｍｓ、b´₄＝
１２ｍｓ、◆b´₅＝１３ｍｓ、b´₆＝１７ｍｓ、b´₇＝
１８ｍｓ、b´₈＝２０ｍｓ、◆b´₉＝２３ｍｓ、b´₁₀
＝２４ｍｓ、b´₁₁＝２５ｍｓ、b´₁₂＝２８ｍｓ、b´
₁₃＝２９ｍｓ◆ 図１１において◆ ｃ´₁＝ｃ´₂＝−６.５Ｖ、ｃ´₃＝ｃ´₄＝ｃ´₅＝−
４.３Ｖ、◆ｃ´₆＝ｃ´₇＝ｃ´₈＝−２.２Ｖ、ｃ´₉＝
ｃ´₁₀＝ｃ´₁₁＝０Ｖ、◆ｃ´₁₂＝ｃ´₁₃＝ｃ´₁₄＝
２.２Ｖ、ｃ´₁₅＝ｃ´₁₆＝ｃ´₁₇＝４.３Ｖ◆ ｃ´₁₈＝ｃ´₁₉＝６.５Ｖである。

【００１５】表３は、短絡期間とアーク期間の標準偏差
sＴs、sＴaを前件部としてファジィ推論を行った場合す
なわち上記した第５の従来技術により溶接した場合と、
本発明により溶接した場合とを比較したものである。同
表から明らかなように、適正アーク電圧±０．５Ｖの範
囲に自動設定できたものは、第５の従来技術が５０％で
あるのに対し本発明では８５％に改善されている。ま
た、適正アーク電圧±０．７Ｖあるいは±１．０Ｖの範
囲においても本発明の方が第５の従来技術よりも良好な
結果を得ることができた。◆

【００１６】

【表１】

【００１７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
シールドガスをＡｒを主成分とするＡｒ＋ＣＯ₂の混合
ガスとしたマグ溶接において、当初の出力電圧の設定が
どのような値であっても、出力電圧を適正な値に自動的
に変更することができる。従って、延長ケーブルの付
加、電源電圧、ワイヤ突き出し長さの変化などが生じて
も、従来熟練が必要とされている出力電圧の微調整を行
う必要はなく、非熟練者でも熟練者と同様、常に良好な
溶接結果を得ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施するための溶接装置の構成例図。

【図２】マグ溶接の短絡移行領域における短絡期間の標
準偏差sＴsとアーク電圧の関係を示す図。

【図３】マグ溶接の短絡移行領域におけるアーク期間の
標準偏差mＴaとアーク電圧の関係を示す図。

【図４】短絡移行領域を対象としたsＴsのメンバシップ
関数の一例。

【図５】短絡移行領域を対象としたmＴaのメンバシップ
関数の一例。

【図６】短絡移行領域を対象とした△Ｖのメンバシップ
関数の一例。

【図７】グロビュール移行領域でのsＴsとアーク電圧の
関係を示す図。

【図８】グロビュール移行領域でのmＴaとアーク電圧の
関係を示す図。

【図９】グロビュール移行領域を対象としたsＴsのメン
バシップ関数の一例。

【図１０】グロビュール移行領域を対象としたmＴaのメ
ンバシップ関数の一例。

【図１１】グロビュール移行領域を対象とした△Ｖのメ
ンバシップ関数の一例。

【図１２】ＣＯ₂溶接における短絡移行領域でのアーク
期間の標準偏差sＴaとアーク電圧の関係を示す図。

【図１３】マグ溶接における短絡移行領域でのアーク期
間の標準偏差sＴaとアーク電圧の関係を示す図。

【符号の説明】

２インバータ回路６ワイヤ１０出力電圧設定器１１加減算回
路１２パルス幅制御回路１４電圧検出
器１６判定電圧設定器１７判定器１８Ｔs測定器１９Ｔa測定
器２０，２１演算器２３設定器１５サンプリング条件設定器２２ファジィ制御器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者品田常夫神奈川県海老名市上今泉2100番地日立精工株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シールドガスとしてＡｒを主成分とするＡ
ｒとＣＯ₂との混合ガスを用い、ワイヤを略定速度で送
給して溶接をする消耗電極式ガスシールドアーク溶接の
出力制御方法において、溶接中に測定される短絡期間の
標準偏差およびアーク期間の平均値を前件部、また出力
電圧の操作量を後件部とし、予め定めた制御規則に従っ
てファジィ推論を実行して出力電圧設定の増減操作量を
決定することを特徴とする消耗電極式ガスシールドアー
ク溶接の出力制御方法。
【請求項２】シールドガスとしてＡｒを主成分とするＡ
ｒとＣＯ₂との混合ガスを用い、ワイヤを略定速度で送
給して溶接をする消耗電極式ガスシールドアーク溶接の
溶接装置において、溶接中に測定される短絡期間の標準
偏差とアーク期間の平均値の算出手段と、その算出手段
の算出結果を入力として予め定めた制御規則に従って所
定のアーク状態を得るための出力電圧の操作量を推論す
るファジィ制御器と、上記ファジィ制御器の出力に応じ
て溶接電源の出力電圧設定値の増減を行なう手段とを備
えたことを特徴とする消耗電極式ガスシールドアーク溶
接の溶接装置。