プラズマアーク溶接のモニタリング方法及びプラズマアーク溶接装置
【課題】キーホール溶接に際してその良否を精度良く判定できる新規なプラズマアーク溶接のモニタリング方法及びプラズマアーク溶接装置の提供。
【解決手段】プラズマアークによるキーホール溶接をモニタリングする方法であって、一定電流を用いて溶接したときの出力電圧を計測するステップと、計測した出力電圧のうち溶融池Ｐの振動と相関ある溶接電圧を周波数解析してピーク周波数とその分布を求めるステップと、溶融池Ｐの振動と相関あるピーク周波数を特定するステップと、特定したピーク周波数と周波数レンジとを比較して溶接の良否を判定するステップとを含む。これによって、溶融池Ｐの振動と相関あるピーク周波数と周波数レンジとを比較するだけで良好なキーホール溶接が行われているか否かを精度良く判定することができる。
【解決手段】プラズマアークによるキーホール溶接をモニタリングする方法であって、一定電流を用いて溶接したときの出力電圧を計測するステップと、計測した出力電圧のうち溶融池Ｐの振動と相関ある溶接電圧を周波数解析してピーク周波数とその分布を求めるステップと、溶融池Ｐの振動と相関あるピーク周波数を特定するステップと、特定したピーク周波数と周波数レンジとを比較して溶接の良否を判定するステップとを含む。これによって、溶融池Ｐの振動と相関あるピーク周波数と周波数レンジとを比較するだけで良好なキーホール溶接が行われているか否かを精度良く判定することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー密度が高く、高速度、高品質な溶接が可能なプラズマアーク溶接のモニタリング方法及びプラズマアーク溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、プラズマアーク溶接は、ガスメタルア−ク（ＧＭＡ）溶接、ガスタングステンアーク（ＧＴＡ）溶接などと比べてエネルギー密度が高い。このため、プラズマアークを母材表面側から裏面側へ貫通させながら溶接する、いわゆるキーホール溶接が可能である。キーホール溶接が可能となれば、母材裏面側からの溶接作業が不要となるため、溶接作業効率が大幅に向上する。しかし、このキーホール溶接は、種々の要因、例えば溶接中の母材温度の上昇や大気温度、あるいはアースの取り方による磁気吹きなどにより施工の途中からキーホールの挙動が不安定となり易いため、常に溶接状況を確認しながら作業を進めなければならない。
【０００３】
従来の溶接状況の確認方法として、例えば以下の特許文献１では、被溶接物のキーホールから出たアークフレームの偏向角θをモニタリングすることで溶接状況を確認する方法が提案されている。また、以下の特許文献２では、溶接部を覆うように被溶接物の裏側にバックシールド治具をあてがっておき、そのバックシールド治具と母材との間に生じる電圧を検出すると共に、その電圧と基準電圧とを比較し、そのズレを検討することで溶接状況を確認する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−８９５７０号公報
【特許文献２】特開昭６２−９３０７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、前記特許文献１に開示されているような方法は、被溶接物の下面にその溶接線に沿ってバックシールド治具を設けると共にそのバックシールド治具に複数の受光素子を設けておかなければならないため、コストや手間が掛かる。また、このアークフレームは磁気吹きなどの様々な要因により変動するため、その偏向角度θをモニタリングしただけでは溶接状況を正確に判定することは困難である。一方、前記特許文献２に開示されているような方法では、バックシールド治具と母材との間に生じる電圧と基準電圧とを比較し、そのズレのみに基づいて判断するため、溶接中の異常の有無を正確に検出することは難しい。また、いずれの従来方法でも特に溶接品質を左右する母材裏面側の裏波ビードの良否を判定することは困難である。
【０００６】
そこで、本発明はこれらの課題を解決するために案出されたものであり、その目的は、キーホール溶接に際して垂れ落ちや不整がない安定した一定高さの裏波ビードが得られるか否かを精度良く判定できる新規なプラズマアーク溶接のモニタリング方法及びプラズマアーク溶接装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
これらの課題を解決すべく本発明者らは、多くの研究・実験を行った結果、溶接時に母材裏側に形成される溶融池の揺れの挙動（振動数）と溶接時に出力される溶接電圧の挙動（周波数）との関連性を発見し、本発明に至ったものである。
【０００８】
すなわち、前述したようなプラズマアークによるキーホール溶接を行った場合、図２に示すように母材１５の裏側であって、キーホール（プラズマアーク）の溶接方向後方には、溶接トーチ１０から発生するプラズマアーク１６の熱によって溶けた母材１５による溶融池Ｐがその長手方向に沿って形成される。そして、この溶融池Ｐが、溶接方向前後に揺れることで安定した一定高さの裏波ビードが形成されることが分かった。このとき溶融池Ｐの揺れ（挙動）が大きすぎると溶融金属が垂れ落ちてしまうことから溶融池Ｐの揺れ（挙動）には、安定した一定高さの裏波ビードを形成するための固有の振動数（例えば、３０乃至４０Ｈｚ）が存在することが分かった。また、この固有振動数は、母材１５の材質や溶融池Ｐの大きさ（質量）、粘度などによっても異なる。そして、これらの知見に基づき本発明者らがこの溶融池Ｐの揺れ（挙動）をさらに詳しく調べたところ、この溶融池Ｐの揺れ（挙動）は、キーホール溶接時に出力される溶接電圧を周波数解析したときのピーク周波数の分布と関係することが分かった。また、これらの関係は溶接電流として一定電流とパルス電流を用いた場合でも異なることが分かった。
【０００９】
そこで、前記の目的を達成するために第１の発明は、被溶接物の溶接部にプラズマアークによるキーホールを形成しながら当該溶接部を連続溶接する状況をモニタリングする方法であって、一定電流を用いて溶接したときの出力電圧を計測する出力電圧計測ステップと、当該出力電圧計測ステップで計測した出力電圧のうち、前記溶接時に母材の裏側に形成される溶融池の振動と相関する可能性のある溶接電圧を周波数解析してピーク周波数とその分布を求める溶接電圧周波数解析ステップと、当該溶接電圧周波数解析ステップの周波数解析結果に基づいて前記溶融池の振動と相関する可能性のあるいくつかのピーク周波数を特定するピーク周波数特定ステップと、当該ピーク周波数特定ステップで特定したピーク周波数と予め設定した周波数レンジとを比較して溶接の良否を判定する判定ステップとを含むことを特徴とするプラズマアーク溶接のモニタリング方法である。
【００１０】
このような方法であれば、溶接時に母材の裏側に形成される溶融池の振動と相関あるピーク周波数と予め設定した周波数レンジとを比較するだけでキーホール溶接の良否、すなわち一定電流を用いたキーホール溶接に際して垂れ落ちや不整がない安定した一定高さの裏波ビードが得られるか否かを精度良く判定することができる。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明において、前記判定ステップは、前記ピーク周波数特定ステップで特定した前記溶融池の振動と相関あるピーク周波数が、予め設定した周波数レンジ内に収まっているときは溶接が良好に行われていると判定し、予め設定した周波数レンジから外れているときは溶接不良と判定することを特徴とするプラズマアーク溶接のモニタリング方法である。
【００１２】
このように特定した溶融池の振動と相関あるピーク周波数と予め設定した周波数レンジとの具体的な関係を検討するだけで、一定電流を用いたキーホール溶接に際して垂れ落ちや不整がない安定した一定高さの裏波ビードが得られるか否かを精度良く判定することができる。
【００１３】
第３の発明は、第２の発明において、前記判定ステップは、前記周波数レンジ以外にも所定レベル以上のピークがあるときは溶接不良と判定することを特徴とするプラズマアーク溶接のモニタリング方法である。
【００１４】
このように周波数レンジ以外にも所定レベル以上のピークがあるか否かを考慮することで、不整がない安定した一定高さの裏波ビードが得られるか否かをより精度良く判定することができる。
【００１５】
第４の発明は、被溶接物の溶接部にプラズマアークによるキーホールを形成しながら当該溶接部を連続溶接する状況をモニタリングする方法であって、パルス電流を用いて溶接したときの出力電圧を計測する出力電圧計測ステップと、当該出力電圧計測ステップで計測した出力電圧のうち、前記溶接時に母材の裏側に形成される溶融池の振動と相関する可能性のある溶接電圧を周波数解析してピーク周波数とその分布を求める溶接電圧周波数解析ステップと、当該溶接電圧周波数解析ステップの周波数解析結果に基づいて前記溶融池の振動と相関する可能性のあるいくつかのピーク周波数を特定するピーク周波数特定ステップと、当該ピーク周波数特定ステップで特定したピーク周波数とパルス電流のパルス周波数とを比較して溶接の良否を判定する判定ステップとを含むことを特徴とするプラズマアーク溶接のモニタリング方法である。
【００１６】
このような方法であれば、溶融池の振動と相関あるピーク周波数とパルス電流のパルス周波数とを比較するだけでパルス電流を用いたキーホール溶接の良否、すなわちパルス電流を用いたキーホール溶接に際して垂れ落ちや不整がない安定した一定高さの裏波ビードが得られるか否かを精度良く判定することができる。
【００１７】
第５の発明は、第１乃至第４の発明において、前記判定ステップは、前記の基準により溶接が良好に行われていると判定したときは、さらに溶接電圧の単位時間あたりの変化量および基準電圧からの乖離量に基づいて溶接の良否を判定することを特徴とするプラズマアーク溶接のモニタリング方法である。
【００１８】
このように前記の基準により溶接が良好に行われていると判断したときは、さらに溶接電圧の単位時間あたりの変化量および基準電圧からの乖離量に基づいて溶接の良否を判定すれば、キーホール溶接に際して垂れ落ちや不整がない安定した一定高さの裏波ビードが得られるか否かをより精度良く判定することができる。
【００１９】
第６の発明は、プラズマアークを発生する溶接トーチを用いて被溶接物の溶接部にキーホールを形成しながら当該溶接部を連続溶接するプラズマアーク溶接装置であって、一定電流を用いて溶接したときの出力電圧を計測する出力電圧計測手段と、当該出力電圧計測手段で計測した出力電圧のうち、前記溶接時に母材の裏側に形成される溶融池の振動と相関する可能性のある溶接電圧を周波数解析してピーク周波数とその分布を求める溶接電圧周波数解析手段と、当該溶接電圧周波数解析手段の周波数解析結果に基づいて前記溶融池の振動と相関する可能性のあるいくつかのピーク周波数を特定するピーク周波数特定手段と、当該ピーク周波数特定手段で特定したピーク周波数と予め設定した周波数レンジとを比較して溶接の良否を判定する判定手段とを備えたことを特徴とするプラズマアーク溶接装置である。
【００２０】
このような構成であれば、第１の発明と同様に溶融池の振動と相関あるピーク周波数と予め設定した周波数レンジとを比較するだけで一定電流を用いたキーホール溶接の良否、すなわち一定電流を用いたキーホール溶接に際して垂れ落ちや不整がない安定した一定高さの裏波ビードが得られるか否かを精度良く判定することができる。
【００２１】
第７の発明は、プラズマアークを発生する溶接トーチを用いて被溶接物の溶接部にキーホールを形成しながら当該溶接部を連続溶接するプラズマアーク溶接装置であって、パルス電流を用いて溶接したときの出力電圧を計測する出力電圧計測手段と、当該出力電圧計測手段で計測した出力電圧のうち、前記溶接時に母材の裏側に形成される溶融池の振動と相関する可能性のある溶接電圧を周波数解析してピーク周波数とその分布を求める溶接電圧周波数解析手段と、当該溶接電圧周波数解析手段の周波数解析結果に基づいて前記溶融池の振動と相関する可能性のあるいくつかのピーク周波数を特定するピーク周波数特定手段と、当該ピーク周波数特定手段で特定したピーク周波数とパルス電流のパルス周波数とを比較して溶接の良否を判定する判定手段とを備えたことを特徴とするプラズマアーク溶接装置である。
【００２２】
このような構成であれば、第４の発明と同様に溶融池の振動と相関あるピーク周波数とパルス電流のパルス周波数とを比較するだけでパルス電流を用いたキーホール溶接の良否、すなわちパルス電流を用いたキーホール溶接に際して垂れ落ちや不整がない安定した一定高さの裏波ビードが得られるか否かを精度良く判定することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、溶接時に母材の裏側に形成される溶融池の振動と相関あるピーク周波数と予め設定した周波数レンジとを比較するだけでキーホール溶接に際して垂れ落ちや不整がない安定した一定高さの裏波ビードが得られるか否かを精度良く判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係るプラズマアーク溶接装置１００の実施の一形態を示すブロック図である。
【図２】溶接時に母材１５の裏側に形成される溶融池Ｐの挙動を示す概念図である。
【図３】被溶接物１４に対して溶接トーチ１０を所定の角度θを傾斜させて溶接している状態を示す概念図である。
【図４】本発明方法で使用するパルス電流の波形図である。
【図５】被溶接物１４に関する溶接条件の一例を示す部分拡大図である。
【図６】本発明に係るプラズマアーク溶接のモニタリング方法の処理の流れを示すフローチャート図である。
【図７】一定電流を用いた場合の溶接の良否判定処理の流れを示すフローチャート図である。
【図８】溶接電圧の変化の傾きと基準電圧に対する溶接電圧の乖離量の一例を示すグラフ図である。
【図９】一定電流を用いた場合の溶接電圧を周波数解析した際の周波数分布を示すグラフ図である。
【図１０】本発明によるキーホール溶接後の溶接部の状態を示す溶接方向断面図である。
【図１１】一定電流を用いた場合の溶接の良否判定処理の他の例を示すフローチャート図である。
【図１２】パルス電流を用いた場合の溶接の良否判定処理の流れを示すフローチャート図である。
【図１３】パルス電流を用いた場合の溶接電圧を周波数解析した際の周波数分布を示すグラフ図である。
【図１４】パルス電流を用いた場合の溶接の良否判定処理の他の例を示すフローチャート図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
次に、本発明に係るプラズマアーク溶接のモニタリング方法および溶接装置の実施の一形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係るプラズマアーク溶接装置１００の構成を示したブロック図である。図示するようにこのプラズマアーク溶接装置１００は、溶接トーチ１０と、この溶接トーチ１０を駆動する駆動部２０と、溶接電源を供給する電源部３０と、溶接トーチ１０に溶接ガスを供給するガス供給部４０と、これら各部１０乃至４０を制御する溶接制御部５０とから主に構成されている。
【００２６】
溶接トーチ１０は、図２に示すように、タングステン電極１１を溶接トーチチップ１２で覆うと共にその溶接トーチチップ１２をシールドキャップ１３で覆った構造をしている。そして、図示しない高周波発生器を使ってこのタングステン電極１１と溶接トーチチップ１２との間にパイロットアークを発生させると共に、その溶接トーチチップル１２内にアルゴン（Ａｒ）などの動作ガス（プラズマガスＰＧ）を流すと、このプラズマガスＰＧがアーク熱によってイオン化してアーク電流の良導体となってタングステン電極１１と母材１５間で超高温（10000〜20000℃）のプラズマアーク１６が発生するようになっている。そして、このプラズマアーク１６を母材１５の表面側から裏面側に貫通させることでキーホール溶接が可能となっている。また、この溶接トーチチップ１２とシールドキャップ１３間にはアルゴン（Ａｒ）と水素（Ｈ２）、アルゴン（Ａｒ）と酸素（Ｏ２）、アルゴン（Ａｒ）と炭酸ガス（ＣＯ２）などからなるシールドガスＳＧが供給されており、このシールドガスＳＧによって溶接部を大気から保護して溶接品質を維持するようになっている。
【００２７】
駆動部２０は、この溶接トーチ１０を被溶接物１４に対して例えば図３に示すように所定の間隔および角度θとなるように維持・固定すると共に、溶接制御部５０からの制御信号によってその溶接トーチ１０を被溶接物１４の溶接線に沿って所定の速度で移動（走行）させるようになっている。なお、この駆動部２０は、被溶接物１４側を固定し、この被溶接物１４に対して溶接トーチ１０側を移動させる他、溶接トーチ１０側を固定し、被溶接物１４側を移動させたり、両方をそれぞれ同時に移動（走行）させることも可能となっている。
【００２８】
溶接電源部３０は、溶接トーチ１０と母材１５との間にプラズマアーク１６を発生させるために必要な電流を所定の電圧で供給するものであり、その電流値および電圧値は溶接制御部５０によって細かく制御されるようになっている。そして、この溶接電源部３０は、供給する電流としては、一定電流の他に、例えば図４に示すような矩形波のパルス電流を所定のパルス周波数で供給できるようになっている。図４はこの溶接電源部３０から供給されるパルス電流の波形の一例を示したものであり、Ｉｐはピーク電流、Ｉｂはベース電流、ｗｐはパルス幅、ｆ１はパルス周波数である。ガス供給部４０は、溶接トーチ１０に対して前述したプラズマガスやシールドガスなどの溶接ガスを供給するものであり、同じく溶接制御部５０によってそのガス流量やタイミングなどが適宜制御されるようになっている。
【００２９】
溶接制御部５０は、中央制御部５１と、記憶部（データベース）５２と、出力電圧計測部５３と、溶接電圧周波数解析部５６と、入力部５４と、出力部５５とから構成されている。そして、中央制御部５１は、コンピュータシステムなどの情報処理装置（ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インタフェースなど）から構成されており、入力部５４から入力される操作指令や所定の制御用プログラムに基づいて前記各部１０乃至４０などを制御するようになっている。
【００３０】
記憶部（データベース）５２は、ＨＤＤや半導体メモリなどのデータの書き込み・読み出し自在の記憶装置などから構成されており、各種制御用プログラムなどの他に、少なくとも各種溶接条件とその溶接条件毎に異なるキーホール裏面側の溶融池の固有振動数に関するデータが書き込み・読み出し自在に記録されている。
【００３１】
すなわち、この記憶部（データベース）５２には、少なくとも様々な溶接条件とその条件下で一意に決まる溶融池Ｐの固有振動数に関する情報がデータベースとして記録されている。ここで、様々な溶接条件としては、例えば被溶接物１４に関する条件と溶接施工条件とが挙げられる。そして、被溶接物１４に関する条件としては、材料（母材の種類）の他に、例えば図５に示すように板厚ｔ、開先角度θ、ルート長さｒなどがある。一方、溶接施工条件としては、溶接電流、溶接速度、パイロットガス流量、パイロットガス組成、シールドガス組成、図２に示すスタンドオフ（母材−溶接トーチチップ間隔）、溶接トーチチップ穴径、図３に示したように溶接部（被溶接物１４）に対する溶接トーチ１０の角度θなどがある。
【００３２】
出力電圧計測部５３は、溶接電源部３０からの出力電圧を常時あるいは任意の時間計測して溶接電圧周波数解析部５６および中央制御部５１に入力するようになっている。溶接電圧周波数解析部５６は、この出力電圧計測部５３で計測された出力電圧のうち、溶融池Ｐの振動と相関ある溶接電圧を周波数解析してピーク周波数とその分布を求め、その結果を中央制御部５１に出力するようになっている。入力部５４は、例えばキーボードやマウスなどの各種入力装置から構成されており、各種の溶接条件や操作指令などを入力するようになっている。出力部はＣＲＴやＬＣＤなどのモニターやスピーカーなどの各種出力装置から構成されており、入力部５４からの溶接条件の入力操作の確認のための表示や各種の溶接状況などの情報を表示するようになっている。なお、この出力部５５はモニターの表面にタッチパネルなどの入力機能を付加することで入力部５４と兼用しても良い。
【００３３】
次に、このような構成をしたプラズマアーク溶接装置１００によるプラズマ溶接のモニタリング方法の一例を主に図６乃至図１０を参照しながら説明する。本発明装置１００の溶接制御部５０（中央制御部５１）は、入力部５４から被溶接物１４に関する条件と溶接開始指令が入力されたならば、その被溶接物１４に関する条件に最適な溶接施工条件を記憶部（データベース）５２から選択してきてその溶接施工条件に従って各部１０乃至４０を制御して溶接を開始する。ここでの溶接は一定電流を用いて行うものとする。
【００３４】
そして、この溶接制御部５０（中央制御部５１）は、キーホール溶接が始まったならば、図６に示すように先ず入力部５４から入力されたその溶接条件を取得する（ステップＳ１００）と共に、記憶部５２にアクセスしてその溶接条件下で一意に定まる溶融池Ｐの固有振動数を取得する（ステップＳ２００）。次に、この溶接制御部５０（中央制御部５１）は、溶融池Ｐの固有振動数を取得したならば、その出力電圧を計測すると共に、計測された出力電圧のうち、溶融池Ｐの振動と相関ある溶接電圧を周波数解析してピーク周波数とその分布を求める（ステップＳ３００、Ｓ４００）。その後、この溶接制御部５０（中央制御部５１）は、その溶接電圧とピーク周波数とその分布を求めたならば、次のステップＳ５００に移行して溶接の良否を判定する。
【００３５】
図７は、このステップＳ５００における溶接の良否判定処理の流れを示したものである。この溶接良否判定処理は、まず最初のステップＳ５０１において出力された溶接電圧の単位時間あたりの変化量が所定値以下であるか否かを判定する。この溶接電圧の変化量は、例えば図８に示すような溶接電圧の変化を示すグラフの傾きによって判断することができる。すなわち、短時間での急激な溶接電圧の変化は、キーホールが大き過ぎたり、あるいはキーホールが形成されないなどの重大な溶接不良（欠陥）を招く可能性が高いからである。そして、この最初のステップＳ５０１において溶接電圧の単位時間あたりの変化量が所定値以下でない（ＮＯ）と判断したならステップＳ５１３側に移行するが、変化量が所定値以下である（ＹＥＳ）と判断したならば、次のステップＳ５０３に移行する。
【００３６】
ステップＳ５０３では、その溶接電圧が基準電圧からどの程度ずれているか、その乖離量を検出し、この乖離量が基準電圧から所定範囲内にあるか否かを判断する。すなわち、図８に示すように、溶接電圧が基準電圧から大きく乖離している場合もキーホールが大き過ぎたり、あるいはキーホールが形成されないなどの重大な溶接不良（欠陥）を招く可能性が高いからである。そして、その乖離量が基準電圧から所定範囲内にない（ＮＯ）と判断したときは、ステップＳ５１３に移行するが、その乖離量が基準電圧から所定範囲内にある（ＹＥＳ）と判断したときは、次のステップＳ５０５に移行する。
【００３７】
ステップＳ５０５では、先のステップＳ４００での周波数解析結果に基づいて溶融池Ｐの振動と相関あるピーク周波数を特定して次のステップＳ５０７に移行する。ステップＳ５０７では、特定されたピーク周波数が所定の周波数レンジに収まっているか否かを判断する。すなわち、このピーク周波数は、実際の溶融池Ｐの振動数に相当することから、その振動数が、先に読み出された溶融池Ｐの固有振動数とほぼ一致しているか否かを判断するものである。
【００３８】
そして、例えば図９（Ａ）に示すように、特定されたピーク周波数が所定の周波数レンジに収まっている（ＹＥＳ）と判断した場合には、実際の溶融池Ｐの振動数が固有振動数とほぼ一致していると判断して次のステップＳ５０９に移行する。これに対し、例えば図９（Ｂ）に示すように、特定されたピーク周波数が所定の周波数レンジに収まっていない（ＮＯ）と判断した場合には、実際の溶融池Ｐの振動数が固有振動数と大きくずれていると判断してステップＳ５１３側に移行する。実際の溶融池Ｐの振動数が固有振動数とほぼ一致している場合には良好な溶接が行われ、反対に両者が大きくずれている場合には良好な溶接が行われていないと考えられるからである。
【００３９】
ステップＳ５０９では、特定されたピーク周波数が所定の周波数レンジには収まってはいるものの、このピーク周波数以外に外乱による所定レベル以上の別のピークがないか判断する。ピーク周波数以外に所定レベル以上の大きなピークがあると、そのピークの影響を受けて正確な判断が難しくなるからである。そして、例えば図９（Ｃ）に示すように、所定の周波数レンジ以外にも大きなピークがある（ＮＯ）と判断したときには、ステップＳ５１３に移行し、所定の周波数レンジ以外に大きなピークがない（ＹＥＳ）と判断したときには、ステップＳ５１１に移行する。
【００４０】
ステップＳ５１１では、ステップＳ５０１乃至Ｓ５０９の４つの条件を全て満たしているため、図１０に示すように裏ビードが整った良好な溶接が行われていると判定して処理を終了する。これに対し、ステップＳ５１３では、ステップＳ５０１乃至Ｓ５０９の４つの条件のうちいずれかを満たしていないため、溶接不良と判定して処理を終了する。このようにして溶接良否判定処理が終了したならば、図３のステップＳ６００に移行してそのデータを記憶部５２に保存（データ保存）してステップＳ７００に移行する。ステップＳ７００では、溶接が終了したか否かを判断し、溶接が終了するまで上記の処理を所定時間または所定溶接距離ごとに繰り返す。
【００４１】
このように本発明のモニタリング方法によれば、プラズマアークによるキーホール溶接に際して垂れ落ちや不整がない安定した一定高さの裏波ビードが得られるか否かの判定をリアルタイムで精度良く行うことが可能となるため、溶接継続や中断の判断を的確に行うことができると共に、仮に溶接欠陥が発生した場合でもその後の補修作業などを大幅に低減することが可能となる。
【００４２】
なお、本実施の形態における溶接良否判定処理（ステップＳ５００）では、図７に示したように、先ず溶接電圧の変化量や乖離量を判断してから、ピーク周波数の特定を行い、その特定位置などに基づいて溶接良否判定を行うようにしたが、その判断順序はこれに限定されるものでない。例えば、図１１に示すように先にピーク周波数の検出位置などに基づいて溶接良否判定（ステップＳ５０５、Ｓ５０７、Ｓ５０９）を行ってから、溶接電圧の変化量や乖離量を判断（ステップＳ５０１、Ｓ５０３）する順序であっても良い。
【００４３】
次に、図１２は、溶接電流としてパルス電流を用いた場合のステップＳ５００における溶接良否判定処理の流れを示したものである。本実施の形態では、図１２に示すようにステップＳ５０５でのピーク周波数特定処理が終了した後のステップＳ５１５において、特定したピーク周波数が、予め設定したパルス電流のパルス周波数のみか否かを判断する。
【００４４】
この結果、図１３（Ａ）に示すように、そのピーク周波数が設定したパルス周波数のみであると判定したならば、ステップＳ５１１に移行するが、図１３（Ｂ）に示すように、そのピーク周波数以外に外乱による所定レベル以上の他のピークがあると判定したならば、ステップＳ５１３に移行する。上記の実施の形態と同様にステップＳ５１１では、溶接が良好に行われていると判定して処理を終了し、ステップＳ５１３では、溶接不良と判定して処理を終了する。
【００４５】
このように溶接電流としてパルス電流を用いた場合には、その溶接電圧のピーク周波数とパルス電流のパルス周波数との関係を判断することで、より精度良くキーホール溶接の良否を判定することが可能となる。なお、本実施の形態でも各判断処理の順序はこれに限定されるものでなく、図１４に示すように、溶接電圧の変化量や乖離量を判断（ステップＳ５０１、Ｓ５０３）するに先だってステップＳ５１５の判断を行うようにしても良い。また、溶接電流としてパルス電流を用いた場合には、図６におけるステップＳ２００の固有振動数取得ステップは省略することができる。
【００４６】
また、前記課題を解決するための手段の欄に記載した本発明を構成する各手段（ステップ）のうち、一定電流およびパルス電流を用いて溶接したときの出力電圧を検出する出力電圧検出手段（ステップ）は、例えば図１の出力電圧計測部５３や図６の出力電圧計測ステップＳ３００などに対応する。また、検出した出力電圧のうち、溶接時に母材の裏側に形成される溶融池Ｐの振動と相関ある溶接電圧を周波数解析してピーク周波数とその分布を求める溶接電圧周波数解析手段（ステップ）は、例えば図１の溶接電圧周波数解析部５６や図６の溶接電圧周波数解析ステップＳ４００に対応する。また、周波数解析結果に基づいて前記溶融池の振動と相関あるピーク周波数を特定するピーク周波数特定手段（ステップ）は、例えば図１の中央制御部５１や図７のステップＳ５０５などに対応する。また、特定したピーク周波数と予め設定した周波数レンジとを比較して溶接の良否を判定する判定手段（ステップ）は、例えば図１の中央制御部５１や図６のステップＳ５００および図７、図１１の溶接良否判定処理などに対応する。また、溶接電圧のピーク周波数とパルス電流のパルス周波数とを比較して溶接の良否を判定する判定手段は、例えば図１の中央制御部５１や図６のステップＳ５００および図１２，図１４の溶接良否判定処理などに対応する。
【符号の説明】
【００４７】
１００…プラズマアーク溶接装置
１１…タングステン電極
１２…溶接トーチチップ
１０…溶接トーチ
１３…シールドキャップ
１４…被溶接物
１５…母材
１６…プラズマアーク
２０…駆動部
３０…溶接電源部
４０…溶接ガス供給部
５０…溶接制御部
５１…中央制御部
５２…記憶部（データベース）
５３…出力電圧計測部
５４…入力部
５５…出力部
５６…溶接電圧周波数解析部
Ｐ…溶融池
ＰＧ…プラズマガス
ＳＧ…シールドガス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー密度が高く、高速度、高品質な溶接が可能なプラズマアーク溶接のモニタリング方法及びプラズマアーク溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、プラズマアーク溶接は、ガスメタルア−ク（ＧＭＡ）溶接、ガスタングステンアーク（ＧＴＡ）溶接などと比べてエネルギー密度が高い。このため、プラズマアークを母材表面側から裏面側へ貫通させながら溶接する、いわゆるキーホール溶接が可能である。キーホール溶接が可能となれば、母材裏面側からの溶接作業が不要となるため、溶接作業効率が大幅に向上する。しかし、このキーホール溶接は、種々の要因、例えば溶接中の母材温度の上昇や大気温度、あるいはアースの取り方による磁気吹きなどにより施工の途中からキーホールの挙動が不安定となり易いため、常に溶接状況を確認しながら作業を進めなければならない。
【０００３】
従来の溶接状況の確認方法として、例えば以下の特許文献１では、被溶接物のキーホールから出たアークフレームの偏向角θをモニタリングすることで溶接状況を確認する方法が提案されている。また、以下の特許文献２では、溶接部を覆うように被溶接物の裏側にバックシールド治具をあてがっておき、そのバックシールド治具と母材との間に生じる電圧を検出すると共に、その電圧と基準電圧とを比較し、そのズレを検討することで溶接状況を確認する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６２−８９５７０号公報
【特許文献２】特開昭６２−９３０７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、前記特許文献１に開示されているような方法は、被溶接物の下面にその溶接線に沿ってバックシールド治具を設けると共にそのバックシールド治具に複数の受光素子を設けておかなければならないため、コストや手間が掛かる。また、このアークフレームは磁気吹きなどの様々な要因により変動するため、その偏向角度θをモニタリングしただけでは溶接状況を正確に判定することは困難である。一方、前記特許文献２に開示されているような方法では、バックシールド治具と母材との間に生じる電圧と基準電圧とを比較し、そのズレのみに基づいて判断するため、溶接中の異常の有無を正確に検出することは難しい。また、いずれの従来方法でも特に溶接品質を左右する母材裏面側の裏波ビードの良否を判定することは困難である。
【０００６】
そこで、本発明はこれらの課題を解決するために案出されたものであり、その目的は、キーホール溶接に際して垂れ落ちや不整がない安定した一定高さの裏波ビードが得られるか否かを精度良く判定できる新規なプラズマアーク溶接のモニタリング方法及びプラズマアーク溶接装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
これらの課題を解決すべく本発明者らは、多くの研究・実験を行った結果、溶接時に母材裏側に形成される溶融池の揺れの挙動（振動数）と溶接時に出力される溶接電圧の挙動（周波数）との関連性を発見し、本発明に至ったものである。
【０００８】
すなわち、前述したようなプラズマアークによるキーホール溶接を行った場合、図２に示すように母材１５の裏側であって、キーホール（プラズマアーク）の溶接方向後方には、溶接トーチ１０から発生するプラズマアーク１６の熱によって溶けた母材１５による溶融池Ｐがその長手方向に沿って形成される。そして、この溶融池Ｐが、溶接方向前後に揺れることで安定した一定高さの裏波ビードが形成されることが分かった。このとき溶融池Ｐの揺れ（挙動）が大きすぎると溶融金属が垂れ落ちてしまうことから溶融池Ｐの揺れ（挙動）には、安定した一定高さの裏波ビードを形成するための固有の振動数（例えば、３０乃至４０Ｈｚ）が存在することが分かった。また、この固有振動数は、母材１５の材質や溶融池Ｐの大きさ（質量）、粘度などによっても異なる。そして、これらの知見に基づき本発明者らがこの溶融池Ｐの揺れ（挙動）をさらに詳しく調べたところ、この溶融池Ｐの揺れ（挙動）は、キーホール溶接時に出力される溶接電圧を周波数解析したときのピーク周波数の分布と関係することが分かった。また、これらの関係は溶接電流として一定電流とパルス電流を用いた場合でも異なることが分かった。
【０００９】
そこで、前記の目的を達成するために第１の発明は、被溶接物の溶接部にプラズマアークによるキーホールを形成しながら当該溶接部を連続溶接する状況をモニタリングする方法であって、一定電流を用いて溶接したときの出力電圧を計測する出力電圧計測ステップと、当該出力電圧計測ステップで計測した出力電圧のうち、前記溶接時に母材の裏側に形成される溶融池の振動と相関する可能性のある溶接電圧を周波数解析してピーク周波数とその分布を求める溶接電圧周波数解析ステップと、当該溶接電圧周波数解析ステップの周波数解析結果に基づいて前記溶融池の振動と相関する可能性のあるいくつかのピーク周波数を特定するピーク周波数特定ステップと、当該ピーク周波数特定ステップで特定したピーク周波数と予め設定した周波数レンジとを比較して溶接の良否を判定する判定ステップとを含むことを特徴とするプラズマアーク溶接のモニタリング方法である。
【００１０】
このような方法であれば、溶接時に母材の裏側に形成される溶融池の振動と相関あるピーク周波数と予め設定した周波数レンジとを比較するだけでキーホール溶接の良否、すなわち一定電流を用いたキーホール溶接に際して垂れ落ちや不整がない安定した一定高さの裏波ビードが得られるか否かを精度良く判定することができる。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明において、前記判定ステップは、前記ピーク周波数特定ステップで特定した前記溶融池の振動と相関あるピーク周波数が、予め設定した周波数レンジ内に収まっているときは溶接が良好に行われていると判定し、予め設定した周波数レンジから外れているときは溶接不良と判定することを特徴とするプラズマアーク溶接のモニタリング方法である。
【００１２】
このように特定した溶融池の振動と相関あるピーク周波数と予め設定した周波数レンジとの具体的な関係を検討するだけで、一定電流を用いたキーホール溶接に際して垂れ落ちや不整がない安定した一定高さの裏波ビードが得られるか否かを精度良く判定することができる。
【００１３】
第３の発明は、第２の発明において、前記判定ステップは、前記周波数レンジ以外にも所定レベル以上のピークがあるときは溶接不良と判定することを特徴とするプラズマアーク溶接のモニタリング方法である。
【００１４】
このように周波数レンジ以外にも所定レベル以上のピークがあるか否かを考慮することで、不整がない安定した一定高さの裏波ビードが得られるか否かをより精度良く判定することができる。
【００１５】
第４の発明は、被溶接物の溶接部にプラズマアークによるキーホールを形成しながら当該溶接部を連続溶接する状況をモニタリングする方法であって、パルス電流を用いて溶接したときの出力電圧を計測する出力電圧計測ステップと、当該出力電圧計測ステップで計測した出力電圧のうち、前記溶接時に母材の裏側に形成される溶融池の振動と相関する可能性のある溶接電圧を周波数解析してピーク周波数とその分布を求める溶接電圧周波数解析ステップと、当該溶接電圧周波数解析ステップの周波数解析結果に基づいて前記溶融池の振動と相関する可能性のあるいくつかのピーク周波数を特定するピーク周波数特定ステップと、当該ピーク周波数特定ステップで特定したピーク周波数とパルス電流のパルス周波数とを比較して溶接の良否を判定する判定ステップとを含むことを特徴とするプラズマアーク溶接のモニタリング方法である。
【００１６】
このような方法であれば、溶融池の振動と相関あるピーク周波数とパルス電流のパルス周波数とを比較するだけでパルス電流を用いたキーホール溶接の良否、すなわちパルス電流を用いたキーホール溶接に際して垂れ落ちや不整がない安定した一定高さの裏波ビードが得られるか否かを精度良く判定することができる。
【００１７】
第５の発明は、第１乃至第４の発明において、前記判定ステップは、前記の基準により溶接が良好に行われていると判定したときは、さらに溶接電圧の単位時間あたりの変化量および基準電圧からの乖離量に基づいて溶接の良否を判定することを特徴とするプラズマアーク溶接のモニタリング方法である。
【００１８】
このように前記の基準により溶接が良好に行われていると判断したときは、さらに溶接電圧の単位時間あたりの変化量および基準電圧からの乖離量に基づいて溶接の良否を判定すれば、キーホール溶接に際して垂れ落ちや不整がない安定した一定高さの裏波ビードが得られるか否かをより精度良く判定することができる。
【００１９】
第６の発明は、プラズマアークを発生する溶接トーチを用いて被溶接物の溶接部にキーホールを形成しながら当該溶接部を連続溶接するプラズマアーク溶接装置であって、一定電流を用いて溶接したときの出力電圧を計測する出力電圧計測手段と、当該出力電圧計測手段で計測した出力電圧のうち、前記溶接時に母材の裏側に形成される溶融池の振動と相関する可能性のある溶接電圧を周波数解析してピーク周波数とその分布を求める溶接電圧周波数解析手段と、当該溶接電圧周波数解析手段の周波数解析結果に基づいて前記溶融池の振動と相関する可能性のあるいくつかのピーク周波数を特定するピーク周波数特定手段と、当該ピーク周波数特定手段で特定したピーク周波数と予め設定した周波数レンジとを比較して溶接の良否を判定する判定手段とを備えたことを特徴とするプラズマアーク溶接装置である。
【００２０】
このような構成であれば、第１の発明と同様に溶融池の振動と相関あるピーク周波数と予め設定した周波数レンジとを比較するだけで一定電流を用いたキーホール溶接の良否、すなわち一定電流を用いたキーホール溶接に際して垂れ落ちや不整がない安定した一定高さの裏波ビードが得られるか否かを精度良く判定することができる。
【００２１】
第７の発明は、プラズマアークを発生する溶接トーチを用いて被溶接物の溶接部にキーホールを形成しながら当該溶接部を連続溶接するプラズマアーク溶接装置であって、パルス電流を用いて溶接したときの出力電圧を計測する出力電圧計測手段と、当該出力電圧計測手段で計測した出力電圧のうち、前記溶接時に母材の裏側に形成される溶融池の振動と相関する可能性のある溶接電圧を周波数解析してピーク周波数とその分布を求める溶接電圧周波数解析手段と、当該溶接電圧周波数解析手段の周波数解析結果に基づいて前記溶融池の振動と相関する可能性のあるいくつかのピーク周波数を特定するピーク周波数特定手段と、当該ピーク周波数特定手段で特定したピーク周波数とパルス電流のパルス周波数とを比較して溶接の良否を判定する判定手段とを備えたことを特徴とするプラズマアーク溶接装置である。
【００２２】
このような構成であれば、第４の発明と同様に溶融池の振動と相関あるピーク周波数とパルス電流のパルス周波数とを比較するだけでパルス電流を用いたキーホール溶接の良否、すなわちパルス電流を用いたキーホール溶接に際して垂れ落ちや不整がない安定した一定高さの裏波ビードが得られるか否かを精度良く判定することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、溶接時に母材の裏側に形成される溶融池の振動と相関あるピーク周波数と予め設定した周波数レンジとを比較するだけでキーホール溶接に際して垂れ落ちや不整がない安定した一定高さの裏波ビードが得られるか否かを精度良く判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係るプラズマアーク溶接装置１００の実施の一形態を示すブロック図である。
【図２】溶接時に母材１５の裏側に形成される溶融池Ｐの挙動を示す概念図である。
【図３】被溶接物１４に対して溶接トーチ１０を所定の角度θを傾斜させて溶接している状態を示す概念図である。
【図４】本発明方法で使用するパルス電流の波形図である。
【図５】被溶接物１４に関する溶接条件の一例を示す部分拡大図である。
【図６】本発明に係るプラズマアーク溶接のモニタリング方法の処理の流れを示すフローチャート図である。
【図７】一定電流を用いた場合の溶接の良否判定処理の流れを示すフローチャート図である。
【図８】溶接電圧の変化の傾きと基準電圧に対する溶接電圧の乖離量の一例を示すグラフ図である。
【図９】一定電流を用いた場合の溶接電圧を周波数解析した際の周波数分布を示すグラフ図である。
【図１０】本発明によるキーホール溶接後の溶接部の状態を示す溶接方向断面図である。
【図１１】一定電流を用いた場合の溶接の良否判定処理の他の例を示すフローチャート図である。
【図１２】パルス電流を用いた場合の溶接の良否判定処理の流れを示すフローチャート図である。
【図１３】パルス電流を用いた場合の溶接電圧を周波数解析した際の周波数分布を示すグラフ図である。
【図１４】パルス電流を用いた場合の溶接の良否判定処理の他の例を示すフローチャート図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
次に、本発明に係るプラズマアーク溶接のモニタリング方法および溶接装置の実施の一形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係るプラズマアーク溶接装置１００の構成を示したブロック図である。図示するようにこのプラズマアーク溶接装置１００は、溶接トーチ１０と、この溶接トーチ１０を駆動する駆動部２０と、溶接電源を供給する電源部３０と、溶接トーチ１０に溶接ガスを供給するガス供給部４０と、これら各部１０乃至４０を制御する溶接制御部５０とから主に構成されている。
【００２６】
溶接トーチ１０は、図２に示すように、タングステン電極１１を溶接トーチチップ１２で覆うと共にその溶接トーチチップ１２をシールドキャップ１３で覆った構造をしている。そして、図示しない高周波発生器を使ってこのタングステン電極１１と溶接トーチチップ１２との間にパイロットアークを発生させると共に、その溶接トーチチップル１２内にアルゴン（Ａｒ）などの動作ガス（プラズマガスＰＧ）を流すと、このプラズマガスＰＧがアーク熱によってイオン化してアーク電流の良導体となってタングステン電極１１と母材１５間で超高温（10000〜20000℃）のプラズマアーク１６が発生するようになっている。そして、このプラズマアーク１６を母材１５の表面側から裏面側に貫通させることでキーホール溶接が可能となっている。また、この溶接トーチチップ１２とシールドキャップ１３間にはアルゴン（Ａｒ）と水素（Ｈ２）、アルゴン（Ａｒ）と酸素（Ｏ２）、アルゴン（Ａｒ）と炭酸ガス（ＣＯ２）などからなるシールドガスＳＧが供給されており、このシールドガスＳＧによって溶接部を大気から保護して溶接品質を維持するようになっている。
【００２７】
駆動部２０は、この溶接トーチ１０を被溶接物１４に対して例えば図３に示すように所定の間隔および角度θとなるように維持・固定すると共に、溶接制御部５０からの制御信号によってその溶接トーチ１０を被溶接物１４の溶接線に沿って所定の速度で移動（走行）させるようになっている。なお、この駆動部２０は、被溶接物１４側を固定し、この被溶接物１４に対して溶接トーチ１０側を移動させる他、溶接トーチ１０側を固定し、被溶接物１４側を移動させたり、両方をそれぞれ同時に移動（走行）させることも可能となっている。
【００２８】
溶接電源部３０は、溶接トーチ１０と母材１５との間にプラズマアーク１６を発生させるために必要な電流を所定の電圧で供給するものであり、その電流値および電圧値は溶接制御部５０によって細かく制御されるようになっている。そして、この溶接電源部３０は、供給する電流としては、一定電流の他に、例えば図４に示すような矩形波のパルス電流を所定のパルス周波数で供給できるようになっている。図４はこの溶接電源部３０から供給されるパルス電流の波形の一例を示したものであり、Ｉｐはピーク電流、Ｉｂはベース電流、ｗｐはパルス幅、ｆ１はパルス周波数である。ガス供給部４０は、溶接トーチ１０に対して前述したプラズマガスやシールドガスなどの溶接ガスを供給するものであり、同じく溶接制御部５０によってそのガス流量やタイミングなどが適宜制御されるようになっている。
【００２９】
溶接制御部５０は、中央制御部５１と、記憶部（データベース）５２と、出力電圧計測部５３と、溶接電圧周波数解析部５６と、入力部５４と、出力部５５とから構成されている。そして、中央制御部５１は、コンピュータシステムなどの情報処理装置（ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インタフェースなど）から構成されており、入力部５４から入力される操作指令や所定の制御用プログラムに基づいて前記各部１０乃至４０などを制御するようになっている。
【００３０】
記憶部（データベース）５２は、ＨＤＤや半導体メモリなどのデータの書き込み・読み出し自在の記憶装置などから構成されており、各種制御用プログラムなどの他に、少なくとも各種溶接条件とその溶接条件毎に異なるキーホール裏面側の溶融池の固有振動数に関するデータが書き込み・読み出し自在に記録されている。
【００３１】
すなわち、この記憶部（データベース）５２には、少なくとも様々な溶接条件とその条件下で一意に決まる溶融池Ｐの固有振動数に関する情報がデータベースとして記録されている。ここで、様々な溶接条件としては、例えば被溶接物１４に関する条件と溶接施工条件とが挙げられる。そして、被溶接物１４に関する条件としては、材料（母材の種類）の他に、例えば図５に示すように板厚ｔ、開先角度θ、ルート長さｒなどがある。一方、溶接施工条件としては、溶接電流、溶接速度、パイロットガス流量、パイロットガス組成、シールドガス組成、図２に示すスタンドオフ（母材−溶接トーチチップ間隔）、溶接トーチチップ穴径、図３に示したように溶接部（被溶接物１４）に対する溶接トーチ１０の角度θなどがある。
【００３２】
出力電圧計測部５３は、溶接電源部３０からの出力電圧を常時あるいは任意の時間計測して溶接電圧周波数解析部５６および中央制御部５１に入力するようになっている。溶接電圧周波数解析部５６は、この出力電圧計測部５３で計測された出力電圧のうち、溶融池Ｐの振動と相関ある溶接電圧を周波数解析してピーク周波数とその分布を求め、その結果を中央制御部５１に出力するようになっている。入力部５４は、例えばキーボードやマウスなどの各種入力装置から構成されており、各種の溶接条件や操作指令などを入力するようになっている。出力部はＣＲＴやＬＣＤなどのモニターやスピーカーなどの各種出力装置から構成されており、入力部５４からの溶接条件の入力操作の確認のための表示や各種の溶接状況などの情報を表示するようになっている。なお、この出力部５５はモニターの表面にタッチパネルなどの入力機能を付加することで入力部５４と兼用しても良い。
【００３３】
次に、このような構成をしたプラズマアーク溶接装置１００によるプラズマ溶接のモニタリング方法の一例を主に図６乃至図１０を参照しながら説明する。本発明装置１００の溶接制御部５０（中央制御部５１）は、入力部５４から被溶接物１４に関する条件と溶接開始指令が入力されたならば、その被溶接物１４に関する条件に最適な溶接施工条件を記憶部（データベース）５２から選択してきてその溶接施工条件に従って各部１０乃至４０を制御して溶接を開始する。ここでの溶接は一定電流を用いて行うものとする。
【００３４】
そして、この溶接制御部５０（中央制御部５１）は、キーホール溶接が始まったならば、図６に示すように先ず入力部５４から入力されたその溶接条件を取得する（ステップＳ１００）と共に、記憶部５２にアクセスしてその溶接条件下で一意に定まる溶融池Ｐの固有振動数を取得する（ステップＳ２００）。次に、この溶接制御部５０（中央制御部５１）は、溶融池Ｐの固有振動数を取得したならば、その出力電圧を計測すると共に、計測された出力電圧のうち、溶融池Ｐの振動と相関ある溶接電圧を周波数解析してピーク周波数とその分布を求める（ステップＳ３００、Ｓ４００）。その後、この溶接制御部５０（中央制御部５１）は、その溶接電圧とピーク周波数とその分布を求めたならば、次のステップＳ５００に移行して溶接の良否を判定する。
【００３５】
図７は、このステップＳ５００における溶接の良否判定処理の流れを示したものである。この溶接良否判定処理は、まず最初のステップＳ５０１において出力された溶接電圧の単位時間あたりの変化量が所定値以下であるか否かを判定する。この溶接電圧の変化量は、例えば図８に示すような溶接電圧の変化を示すグラフの傾きによって判断することができる。すなわち、短時間での急激な溶接電圧の変化は、キーホールが大き過ぎたり、あるいはキーホールが形成されないなどの重大な溶接不良（欠陥）を招く可能性が高いからである。そして、この最初のステップＳ５０１において溶接電圧の単位時間あたりの変化量が所定値以下でない（ＮＯ）と判断したならステップＳ５１３側に移行するが、変化量が所定値以下である（ＹＥＳ）と判断したならば、次のステップＳ５０３に移行する。
【００３６】
ステップＳ５０３では、その溶接電圧が基準電圧からどの程度ずれているか、その乖離量を検出し、この乖離量が基準電圧から所定範囲内にあるか否かを判断する。すなわち、図８に示すように、溶接電圧が基準電圧から大きく乖離している場合もキーホールが大き過ぎたり、あるいはキーホールが形成されないなどの重大な溶接不良（欠陥）を招く可能性が高いからである。そして、その乖離量が基準電圧から所定範囲内にない（ＮＯ）と判断したときは、ステップＳ５１３に移行するが、その乖離量が基準電圧から所定範囲内にある（ＹＥＳ）と判断したときは、次のステップＳ５０５に移行する。
【００３７】
ステップＳ５０５では、先のステップＳ４００での周波数解析結果に基づいて溶融池Ｐの振動と相関あるピーク周波数を特定して次のステップＳ５０７に移行する。ステップＳ５０７では、特定されたピーク周波数が所定の周波数レンジに収まっているか否かを判断する。すなわち、このピーク周波数は、実際の溶融池Ｐの振動数に相当することから、その振動数が、先に読み出された溶融池Ｐの固有振動数とほぼ一致しているか否かを判断するものである。
【００３８】
そして、例えば図９（Ａ）に示すように、特定されたピーク周波数が所定の周波数レンジに収まっている（ＹＥＳ）と判断した場合には、実際の溶融池Ｐの振動数が固有振動数とほぼ一致していると判断して次のステップＳ５０９に移行する。これに対し、例えば図９（Ｂ）に示すように、特定されたピーク周波数が所定の周波数レンジに収まっていない（ＮＯ）と判断した場合には、実際の溶融池Ｐの振動数が固有振動数と大きくずれていると判断してステップＳ５１３側に移行する。実際の溶融池Ｐの振動数が固有振動数とほぼ一致している場合には良好な溶接が行われ、反対に両者が大きくずれている場合には良好な溶接が行われていないと考えられるからである。
【００３９】
ステップＳ５０９では、特定されたピーク周波数が所定の周波数レンジには収まってはいるものの、このピーク周波数以外に外乱による所定レベル以上の別のピークがないか判断する。ピーク周波数以外に所定レベル以上の大きなピークがあると、そのピークの影響を受けて正確な判断が難しくなるからである。そして、例えば図９（Ｃ）に示すように、所定の周波数レンジ以外にも大きなピークがある（ＮＯ）と判断したときには、ステップＳ５１３に移行し、所定の周波数レンジ以外に大きなピークがない（ＹＥＳ）と判断したときには、ステップＳ５１１に移行する。
【００４０】
ステップＳ５１１では、ステップＳ５０１乃至Ｓ５０９の４つの条件を全て満たしているため、図１０に示すように裏ビードが整った良好な溶接が行われていると判定して処理を終了する。これに対し、ステップＳ５１３では、ステップＳ５０１乃至Ｓ５０９の４つの条件のうちいずれかを満たしていないため、溶接不良と判定して処理を終了する。このようにして溶接良否判定処理が終了したならば、図３のステップＳ６００に移行してそのデータを記憶部５２に保存（データ保存）してステップＳ７００に移行する。ステップＳ７００では、溶接が終了したか否かを判断し、溶接が終了するまで上記の処理を所定時間または所定溶接距離ごとに繰り返す。
【００４１】
このように本発明のモニタリング方法によれば、プラズマアークによるキーホール溶接に際して垂れ落ちや不整がない安定した一定高さの裏波ビードが得られるか否かの判定をリアルタイムで精度良く行うことが可能となるため、溶接継続や中断の判断を的確に行うことができると共に、仮に溶接欠陥が発生した場合でもその後の補修作業などを大幅に低減することが可能となる。
【００４２】
なお、本実施の形態における溶接良否判定処理（ステップＳ５００）では、図７に示したように、先ず溶接電圧の変化量や乖離量を判断してから、ピーク周波数の特定を行い、その特定位置などに基づいて溶接良否判定を行うようにしたが、その判断順序はこれに限定されるものでない。例えば、図１１に示すように先にピーク周波数の検出位置などに基づいて溶接良否判定（ステップＳ５０５、Ｓ５０７、Ｓ５０９）を行ってから、溶接電圧の変化量や乖離量を判断（ステップＳ５０１、Ｓ５０３）する順序であっても良い。
【００４３】
次に、図１２は、溶接電流としてパルス電流を用いた場合のステップＳ５００における溶接良否判定処理の流れを示したものである。本実施の形態では、図１２に示すようにステップＳ５０５でのピーク周波数特定処理が終了した後のステップＳ５１５において、特定したピーク周波数が、予め設定したパルス電流のパルス周波数のみか否かを判断する。
【００４４】
この結果、図１３（Ａ）に示すように、そのピーク周波数が設定したパルス周波数のみであると判定したならば、ステップＳ５１１に移行するが、図１３（Ｂ）に示すように、そのピーク周波数以外に外乱による所定レベル以上の他のピークがあると判定したならば、ステップＳ５１３に移行する。上記の実施の形態と同様にステップＳ５１１では、溶接が良好に行われていると判定して処理を終了し、ステップＳ５１３では、溶接不良と判定して処理を終了する。
【００４５】
このように溶接電流としてパルス電流を用いた場合には、その溶接電圧のピーク周波数とパルス電流のパルス周波数との関係を判断することで、より精度良くキーホール溶接の良否を判定することが可能となる。なお、本実施の形態でも各判断処理の順序はこれに限定されるものでなく、図１４に示すように、溶接電圧の変化量や乖離量を判断（ステップＳ５０１、Ｓ５０３）するに先だってステップＳ５１５の判断を行うようにしても良い。また、溶接電流としてパルス電流を用いた場合には、図６におけるステップＳ２００の固有振動数取得ステップは省略することができる。
【００４６】
また、前記課題を解決するための手段の欄に記載した本発明を構成する各手段（ステップ）のうち、一定電流およびパルス電流を用いて溶接したときの出力電圧を検出する出力電圧検出手段（ステップ）は、例えば図１の出力電圧計測部５３や図６の出力電圧計測ステップＳ３００などに対応する。また、検出した出力電圧のうち、溶接時に母材の裏側に形成される溶融池Ｐの振動と相関ある溶接電圧を周波数解析してピーク周波数とその分布を求める溶接電圧周波数解析手段（ステップ）は、例えば図１の溶接電圧周波数解析部５６や図６の溶接電圧周波数解析ステップＳ４００に対応する。また、周波数解析結果に基づいて前記溶融池の振動と相関あるピーク周波数を特定するピーク周波数特定手段（ステップ）は、例えば図１の中央制御部５１や図７のステップＳ５０５などに対応する。また、特定したピーク周波数と予め設定した周波数レンジとを比較して溶接の良否を判定する判定手段（ステップ）は、例えば図１の中央制御部５１や図６のステップＳ５００および図７、図１１の溶接良否判定処理などに対応する。また、溶接電圧のピーク周波数とパルス電流のパルス周波数とを比較して溶接の良否を判定する判定手段は、例えば図１の中央制御部５１や図６のステップＳ５００および図１２，図１４の溶接良否判定処理などに対応する。
【符号の説明】
【００４７】
１００…プラズマアーク溶接装置
１１…タングステン電極
１２…溶接トーチチップ
１０…溶接トーチ
１３…シールドキャップ
１４…被溶接物
１５…母材
１６…プラズマアーク
２０…駆動部
３０…溶接電源部
４０…溶接ガス供給部
５０…溶接制御部
５１…中央制御部
５２…記憶部（データベース）
５３…出力電圧計測部
５４…入力部
５５…出力部
５６…溶接電圧周波数解析部
Ｐ…溶融池
ＰＧ…プラズマガス
ＳＧ…シールドガス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接物の溶接部にプラズマアークによるキーホールを形成しながら当該溶接部を連続溶接する状況をモニタリングする方法であって、
一定電流を用いて溶接したときの出力電圧を計測する出力電圧計測ステップと、
当該出力電圧計測ステップで計測した出力電圧のうち、前記溶接時に母材の裏側に形成される溶融池の振動と相関する可能性のある溶接電圧を周波数解析してピーク周波数とその分布を求める溶接電圧周波数解析ステップと、
当該溶接電圧周波数解析ステップの周波数解析結果に基づいて前記溶融池の振動と相関する可能性のあるいくつかのピーク周波数を特定するピーク周波数特定ステップと、
当該ピーク周波数特定ステップで特定したピーク周波数と予め設定した周波数レンジとを比較して溶接の良否を判定する判定ステップとを含むことを特徴とするプラズマアーク溶接のモニタリング方法
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマアーク溶接のモニタリング方法において、
前記判定ステップは、
前記ピーク周波数特定ステップで特定したピーク周波数が、予め設定した周波数レンジ内に収まっているときは溶接が良好に行われていると判定し、予め設定した周波数レンジから外れているときは溶接不良と判定することを特徴とするプラズマアーク溶接のモニタリング方法。
【請求項３】
請求項２に記載のプラズマアーク溶接のモニタリング方法において、
前記判定ステップは、
前記周波数レンジ以外にも所定レベル以上のピークがあるときは溶接不良と判定することを特徴とするプラズマアーク溶接のモニタリング方法。
【請求項４】
被溶接物の溶接部にプラズマアークによるキーホールを形成しながら当該溶接部を連続溶接する状況をモニタリングする方法であって、
パルス電流を用いて溶接したときの出力電圧を計測する出力電圧計測ステップと、
当該出力電圧計測ステップで計測した出力電圧のうち、前記溶接部の母材の裏側に形成される溶融池の振動と相関する可能性のある溶接電圧を周波数解析してピーク周波数とその分布を求める溶接電圧周波数解析ステップと、
当該溶接電圧周波数解析ステップの周波数解析結果に基づいて前記溶融池の振動と相関する可能性のあるいくつかのピーク周波数を特定するピーク周波数特定ステップと、
当該ピーク周波数特定ステップで特定したピーク周波数と前記パルス電流のパルス周波数とを比較して溶接の良否を判定する判定ステップとを含むことを特徴とするプラズマアーク溶接のモニタリング方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載のプラズマアーク溶接のモニタリング方法において、
前記判定ステップは、
前記の基準により溶接が良好に行われていると判定したときは、さらに溶接電圧の単位時間あたりの変化量および基準電圧からの乖離量に基づいて溶接の良否を判定することを特徴とするプラズマアーク溶接のモニタリング方法。
【請求項６】
プラズマアークを発生する溶接トーチを用いて被溶接物の溶接部にキーホールを形成しながら当該溶接部を連続溶接するプラズマアーク溶接装置であって、
一定電流を用いて溶接したときの出力電圧を計測する出力電圧計測手段と、
当該出力電圧計測手段で計測した出力電圧のうち、前記溶接時に母材の裏側に形成される溶融池の振動と相関する可能性のある溶接電圧を周波数解析してピーク周波数とその分布を求める溶接電圧周波数解析手段と、
当該溶接電圧周波数解析手段の周波数解析結果に基づいて前記溶融池の振動と相関する可能性のあるいくつかのピーク周波数を特定するピーク周波数特定手段と、
当該ピーク周波数特定手段で特定したピーク周波数と予め設定した周波数レンジとを比較して溶接の良否を判定する判定手段とを備えたことを特徴とするプラズマアーク溶接装置。
【請求項７】
プラズマアークを発生する溶接トーチを用いて被溶接物の溶接部にキーホールを形成しながら当該溶接部を連続溶接するプラズマアーク溶接装置であって、
パルス電流を用いて溶接したときの出力電圧を計測する出力電圧計測手段と、
当該出力電圧計測手段で計測した出力電圧のうち、前記溶接時に母材の裏側に形成される溶融池の振動と相関する可能性のある溶接電圧を周波数解析してピーク周波数とその分布を求める溶接電圧周波数解析手段と、
当該溶接電圧周波数解析手段の周波数解析結果に基づいて前記溶融池の振動と相関する可能性のあるいくつかのピーク周波数を特定するピーク周波数特定手段と、
当該ピーク周波数特定手段で特定した溶接電圧のピーク周波数とパルス電流のパルス周波数とを比較して溶接の良否を判定する判定手段とを備えたことを特徴とするプラズマアーク溶接装置。
【請求項１】
被溶接物の溶接部にプラズマアークによるキーホールを形成しながら当該溶接部を連続溶接する状況をモニタリングする方法であって、
一定電流を用いて溶接したときの出力電圧を計測する出力電圧計測ステップと、
当該出力電圧計測ステップで計測した出力電圧のうち、前記溶接時に母材の裏側に形成される溶融池の振動と相関する可能性のある溶接電圧を周波数解析してピーク周波数とその分布を求める溶接電圧周波数解析ステップと、
当該溶接電圧周波数解析ステップの周波数解析結果に基づいて前記溶融池の振動と相関する可能性のあるいくつかのピーク周波数を特定するピーク周波数特定ステップと、
当該ピーク周波数特定ステップで特定したピーク周波数と予め設定した周波数レンジとを比較して溶接の良否を判定する判定ステップとを含むことを特徴とするプラズマアーク溶接のモニタリング方法
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマアーク溶接のモニタリング方法において、
前記判定ステップは、
前記ピーク周波数特定ステップで特定したピーク周波数が、予め設定した周波数レンジ内に収まっているときは溶接が良好に行われていると判定し、予め設定した周波数レンジから外れているときは溶接不良と判定することを特徴とするプラズマアーク溶接のモニタリング方法。
【請求項３】
請求項２に記載のプラズマアーク溶接のモニタリング方法において、
前記判定ステップは、
前記周波数レンジ以外にも所定レベル以上のピークがあるときは溶接不良と判定することを特徴とするプラズマアーク溶接のモニタリング方法。
【請求項４】
被溶接物の溶接部にプラズマアークによるキーホールを形成しながら当該溶接部を連続溶接する状況をモニタリングする方法であって、
パルス電流を用いて溶接したときの出力電圧を計測する出力電圧計測ステップと、
当該出力電圧計測ステップで計測した出力電圧のうち、前記溶接部の母材の裏側に形成される溶融池の振動と相関する可能性のある溶接電圧を周波数解析してピーク周波数とその分布を求める溶接電圧周波数解析ステップと、
当該溶接電圧周波数解析ステップの周波数解析結果に基づいて前記溶融池の振動と相関する可能性のあるいくつかのピーク周波数を特定するピーク周波数特定ステップと、
当該ピーク周波数特定ステップで特定したピーク周波数と前記パルス電流のパルス周波数とを比較して溶接の良否を判定する判定ステップとを含むことを特徴とするプラズマアーク溶接のモニタリング方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載のプラズマアーク溶接のモニタリング方法において、
前記判定ステップは、
前記の基準により溶接が良好に行われていると判定したときは、さらに溶接電圧の単位時間あたりの変化量および基準電圧からの乖離量に基づいて溶接の良否を判定することを特徴とするプラズマアーク溶接のモニタリング方法。
【請求項６】
プラズマアークを発生する溶接トーチを用いて被溶接物の溶接部にキーホールを形成しながら当該溶接部を連続溶接するプラズマアーク溶接装置であって、
一定電流を用いて溶接したときの出力電圧を計測する出力電圧計測手段と、
当該出力電圧計測手段で計測した出力電圧のうち、前記溶接時に母材の裏側に形成される溶融池の振動と相関する可能性のある溶接電圧を周波数解析してピーク周波数とその分布を求める溶接電圧周波数解析手段と、
当該溶接電圧周波数解析手段の周波数解析結果に基づいて前記溶融池の振動と相関する可能性のあるいくつかのピーク周波数を特定するピーク周波数特定手段と、
当該ピーク周波数特定手段で特定したピーク周波数と予め設定した周波数レンジとを比較して溶接の良否を判定する判定手段とを備えたことを特徴とするプラズマアーク溶接装置。
【請求項７】
プラズマアークを発生する溶接トーチを用いて被溶接物の溶接部にキーホールを形成しながら当該溶接部を連続溶接するプラズマアーク溶接装置であって、
パルス電流を用いて溶接したときの出力電圧を計測する出力電圧計測手段と、
当該出力電圧計測手段で計測した出力電圧のうち、前記溶接時に母材の裏側に形成される溶融池の振動と相関する可能性のある溶接電圧を周波数解析してピーク周波数とその分布を求める溶接電圧周波数解析手段と、
当該溶接電圧周波数解析手段の周波数解析結果に基づいて前記溶融池の振動と相関する可能性のあるいくつかのピーク周波数を特定するピーク周波数特定手段と、
当該ピーク周波数特定手段で特定した溶接電圧のピーク周波数とパルス電流のパルス周波数とを比較して溶接の良否を判定する判定手段とを備えたことを特徴とするプラズマアーク溶接装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−１０７０８７（Ｐ２０１３−１０７０８７Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５１７３９（Ｐ２０１１−２５１７３９）
【出願日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【出願人】（０００００５５２２）日立建機株式会社 (2,611)
【出願人】（０００２３１２３５）大陽日酸株式会社 (642)
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【出願人】（０００００５５２２）日立建機株式会社 (2,611)
【出願人】（０００２３１２３５）大陽日酸株式会社 (642)
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