プラズマキーホール溶接装置およびプラズマキーホール溶接方法
【課題】 作業効率を向上可能なプラズマキーホール溶接装置およびプラズマキーホール溶接方法を提供すること。
【解決手段】 プラズマアークＰＡを発生させ、キーホールを形成および貫通させることにより溶接を開始するプラズマキーホール溶接装置Ａ１であって、定常溶接状態において定常電流値でアーク電流Ｉｗを流す出力制御回路２１と、上記定常溶接状態において、プラズマ電極１１２を、被溶接物Ｗの面内方向に沿って定常速度Ｖｐで被溶接物Ｗに対して相対移動させる動作制御回路３１と、溶接を開始する際にキーホールを貫通させるのに要したキーホール形成時間を計測する時間計測回路２３と、上記キーホール形成時間に基づいて、定常速度Ｖｐおよび上記定常電流値の少なくともいずれかを算出する演算回路ＯＣと、を備える。このような構成により、最適な定常速度Ｖｐもしくは上記定常電流値を算出でき、溶接の作業効率を向上できる。
【解決手段】 プラズマアークＰＡを発生させ、キーホールを形成および貫通させることにより溶接を開始するプラズマキーホール溶接装置Ａ１であって、定常溶接状態において定常電流値でアーク電流Ｉｗを流す出力制御回路２１と、上記定常溶接状態において、プラズマ電極１１２を、被溶接物Ｗの面内方向に沿って定常速度Ｖｐで被溶接物Ｗに対して相対移動させる動作制御回路３１と、溶接を開始する際にキーホールを貫通させるのに要したキーホール形成時間を計測する時間計測回路２３と、上記キーホール形成時間に基づいて、定常速度Ｖｐおよび上記定常電流値の少なくともいずれかを算出する演算回路ＯＣと、を備える。このような構成により、最適な定常速度Ｖｐもしくは上記定常電流値を算出でき、溶接の作業効率を向上できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマキーホール溶接装置およびプラズマキーホール溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマキーホール溶接は、被溶接物がＩ形開先の突き合わせ継手を溶接するときに、プラズマ電極を一般的に陰極として放電したときのプラズマアークを、水冷されたプラズマノズルとプラズマガスのガス流とによって拘束する。そして、集中性の良い高温プラズマ流を発生させ、この高温のプラズマ流が溶接線上に、溶接池の先端で被溶接物を貫通する円孔を形成しながら移動していく溶接である。この溶接はアーク熱が裏面に至るまで直接に与えられ、裏面の溶接も適切に行うことができる。
【０００３】
図１０は、従来のプラズマキーホール溶接装置の構成の一例を示す図である（例えば、特許文献１参照。）。同図に示されたプラズマキーホール溶接装置９Ａにおいては、プラズマ電極９１と同心円上にプラズマアークＰＡを拘束するノズル９２が設けられている。プラズマ電極９１と被溶接物Ｗとの間に溶接電源９３から電力が供給されて、ノズル９２内にプラズマガス供給源９４からプラズマガスＰＧが供給されて、プラズマアークＰＡが発生する。高温のプラズマ流が溶接線上に溶融池の先端で被溶接物Ｗを貫通してキーホールＫＨを形成しながら移動し、裏面の溶融も行う。
【０００４】
電圧変動検出回路９５は、キーホールＫＨが貫通したときのプラズマアーク電圧の変動（例えば、１〜２Ｖ）を検出して、波形成型器９６によって溶接制御シーケンサ９７に適した信号に成形する。溶接制御シーケンサ９７は、この成形された信号を入力して、トーチ走行装置９８へ溶接トーチ９９の走行を開始する信号を入力して、トーチ走行装置９８は溶接トーチ９９の走行を開始する。
【０００５】
プラズマキーホール溶接装置９Ａを用いたプラズマキーホール溶接は、適当な溶接条件のもと行われる必要がある。溶接条件が適当でない場合、たとえば溶接トーチ９９の走行する速度である溶接速度が速すぎる場合には、図１１に示すように、溶込不良が発生し、完全溶け込み溶接が出来なくなる。一方、たとえば当該溶接速度が遅すぎる場合には、図１２に示すように、溶け落ちが発生してしまう。図１３に示すような良好なビード外観を得ることのできる最適な溶接を行うには、適当な溶接条件を設定する必要がある。だが、適当な溶接条件は、プラズマキーホール溶接を行う場合ごとに多少異なる。そのため従来は、適当な溶接条件を設定するための多数の予備実験を、プラズマキーホール溶接を行う度に実施する必要があった。このような予備実験の実施は、プラズマキーホール溶接の作業効率の向上の妨げとなっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特公平０２−１８９５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、作業効率を向上可能なプラズマキーホール溶接装置およびプラズマキーホール溶接方法を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によって提供されるプラズマキーホール溶接装置は、プラズマ電極と被溶接物との間にプラズマアークを発生させ、キーホールを形成および貫通させることにより溶接を開始するプラズマキーホール溶接装置であって、定常溶接状態において定常電流値で上記プラズマ電極と上記被溶接物との間にアーク電流を流す電流制御手段と、上記定常溶接状態において、上記プラズマ電極を、上記被溶接物の面内方向に沿って定常速度で上記被溶接物に対して相対移動させる動作制御手段と、溶接を開始する際に上記キーホールを貫通させるのに要したキーホール形成時間を計測する時間計測手段と、上記キーホール形成時間に基づいて、上記定常速度および上記定常電流値の少なくともいずれかを算出する演算手段と、を備えることを特徴としている。
【０００９】
このような構成によれば、上記時間計測手段により計測される上記キーホール形成時間は、たとえば上記プラズマキーホール溶接装置の周囲の温度、および上記被溶接物の温度、等のプラズマキーホール溶接を行う場合ごとに異なる個別条件を、反映したものである。そのため、上記演算手段により算出される上記定常速度もしくは上記定常電流値は、当該個別条件を反映した上記キーホール形成時間に基づく。すなわち、上記定常速度もしくは上記定常電流値は、当該プラズマキーホール溶接を行う際に適した値であるといえる。その結果、プラズマキーホール溶接を行う前に、そのプラズマキーホール溶接に最適な溶接条件を決定するため多くの予備実験を行う必要がなくなる。これにより、プラズマキーホール溶接の作業効率が向上する。
【００１０】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記演算手段は、上記定常速度および上記定常電流値のうち上記定常速度のみを算出する。
【００１１】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記プラズマ電極を保持する溶接トーチと、上記溶接トーチを上記被溶接物に対して相対移動させるマニピュレータと、上記マニピュレータを制御し、且つ、上記動作制御手段と上記演算手段とを含むロボット制御装置と、を更に備える。
【００１２】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記電流制御手段と上記演算手段とを含む溶接電源を更に備える。
【００１３】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記プラズマ電極と上記被溶接物との間のアーク電圧を検出するアーク電圧検出手段を更に備え、上記時間計測手段は、検出された上記アーク電圧の変動を検出する電圧変動検出手段を含む。
【００１４】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記電圧変動検出手段は、上記アーク電圧の時間微分値を計算する微分回路と、上記時間微分値と第１の基準値とを比較し、キーホール形成開始信号を出力する比較回路と、上記キーホール形成開始信号が入力され、且つ、上記キーホール形成開始信号が入力された時の上記アーク電圧をキーホール形成開始基準電圧と設定するキーホール形成開始基準電圧設定回路と、上記アーク電圧と上記キーホール形成開始基準電圧との差が第２の基準値を超えた場合に上記キーホールが貫通したと判断するキーホール貫通判断手段と、を含む。
【００１５】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記時間計測手段は、上記アーク電圧の絶対値を演算し、演算結果を上記電圧変動検出手段に出力する絶対値演算回路を更に含む。
【００１６】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記時間計測手段は、上記アーク電圧の高周波成分を除去し、演算結果を上記電圧変動検出手段に出力するローパスフィルタを更に含む。
【００１７】
本発明によって提供されるプラズマキーホール溶接方法は、プラズマ電極と被溶接物との間にプラズマアークを発生させ、キーホールを形成および貫通させるキーホール開始工程と、上記プラズマ電極と上記被溶接物との間に定常電流値のアーク電流を流し、且つ、上記プラズマ電極を、上記被溶接物の面内方向に沿って定常速度で上記被溶接物に対して相対移動させる定常溶接工程と、を備えるプラズマキーホール溶接方法であって、溶接を開始する際に上記キーホールを貫通させるのに要したキーホール形成時間を計測する工程と、上記キーホール形成時間に基づいて、上記定常速度および上記定常電流値の少なくともいずれかを算出する演算工程と、を更に備えることを特徴とする。
【００１８】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記演算工程においては、上記定常速度および上記定常電流値のうち上記定常速度のみを算出する。
【００１９】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記プラズマ電極と上記被溶接物との間のアーク電圧を検出するアーク電圧検出工程を更に備え、上記キーホール形成時間を計測する工程は、検出された上記アーク電圧の変動を検出する電圧変動検出工程を含む。
【００２０】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記電圧変動検出工程は、上記アーク電圧の時間微分値を計算する微分工程と、上記時間微分値と第１の基準値とを比較し、キーホール形成開始信号を出力する比較工程と、上記キーホール形成開始信号を入力し、且つ、上記キーホール形成開始信号を入力した時の上記アーク電圧をキーホール形成開始基準電圧と設定するキーホール形成開始基準電圧設定工程と、上記アーク電圧と上記キーホール形成開始基準電圧との差が第２の基準値を超えた場合に上記キーホールが貫通したと判断するキーホール貫通判断工程と、を含む。
【００２１】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記キーホール形成時間を計測する工程は、上記アーク電圧の絶対値を演算し、演算結果を出力する工程を更に含み、上記電圧変動検出工程は、上記演算結果に基づき実行する。
【００２２】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記キーホール形成時間を計測する工程は、上記アーク電圧の高周波成分を除去する工程を更に含み、上記電圧変動検出工程は、高周波成分が除去された上記アーク電圧に基づき実行する。
【００２３】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるプラズマキーホール溶接装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示した溶接トーチの要部拡大図である。
【図３】演算回路におけるプロセスについて説明する図である。
【図４】本発明の第１実施形態にかかる各信号等の時間変化を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態にかかるプラズマキーホール溶接装置の構成を示す図である。
【図６】本発明の第３実施形態にかかるプラズマキーホール溶接装置の構成を示す図である。
【図７】演算回路におけるプロセスについて説明する図である。
【図８】本発明の第３実施形態にかかる各信号等の時間変化を示す図である。
【図９】本発明の第４実施形態にかかるプラズマキーホール溶接装置の構成を示す図である。
【図１０】従来のプラズマキーホール溶接装置の構成の一例を示す図である。
【図１１】プラズマキーホール溶接において生じうる不具合例を示す図である。
【図１２】プラズマキーホール溶接において生じうる不具合例を示す図である。
【図１３】プラズマキーホール溶接を行う際に望まれる溶接状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。
【００２６】
図１は、本発明の第１実施形態にかかるプラズマキーホール溶接装置の構成を示す図である。同図に示されたプラズマキーホール溶接装置Ａ１は、溶接トーチ１１、マニピュレータ１２、溶接電源２、およびロボット制御装置３を備える。図２は、図１に示した溶接トーチ１１の要部拡大図である。プラズマキーホール溶接装置Ａ１は、たとえばアルミニウム板が突き合わされた被溶接物Ｗに対して、プラズマキーホール溶接を行うのに用いられる。なお本明細書においては、特に断りのない限り、電流値とは電流の絶対値の時間平均値を意味する。
【００２７】
溶接トーチ１１は、ノズル１１１とプラズマ電極１１２とを備える。ノズル１１１は、たとえば銅などの金属からなる筒状部材であり、適宜水冷構造を有する。プラズマ電極１１２は、非消耗電極とされており、たとえばタングステンからなる金属棒である。プラズマ電極１１２は、被溶接物Ｗとの間にアーク電圧Ｖｗを印加するための電極である。ノズル１１１からは、プラズマガスＰＧがプラズマ電極１１２を囲むように噴出される。プラズマガスＰＧは、たとえばＡｒとされる。プラズマ電極１１２と被溶接物Ｗとの間にアーク電圧Ｖｗが印加されることにより、プラズマガスＰＧを媒体としてプラズマアークＰＡが発生する。プラズマアークＰＡが発生している際には、プラズマ電極１１２と被溶接物Ｗとの間には交流のアーク電流Ｉｗが流れている。マニピュレータ１２は、溶接トーチ１１を保持している。マニピュレータ１２は、たとえば多関節ロボットとされる。
【００２８】
溶接電源２は、プラズマ電極１１２と被溶接物Ｗとの間に、アーク電圧Ｖｗを印加し、アーク電流Ｉｗを流すための装置である。溶接電源２は、出力制御回路２１、アーク電圧検出回路２２、および時間計測回路２３を備える。
【００２９】
出力制御回路２１は、複数のトランジスタ素子からなるインバータ制御回路を有する。出力制御回路２１は、外部から入力される商用電源（たとえば３相２００Ｖ）をインバータ制御回路によって変換し、プラズマキーホール溶接に適するアーク電流Ｉｗおよびアーク電圧Ｖｗを出力する。出力制御回路２１の出力は、一端が溶接トーチ１１に接続され、他端が被溶接物Ｗに接続されている。このようにして出力制御回路２１は、プラズマ電極１１２と被溶接物Ｗとの間にアーク電圧Ｖｗを印加し、アーク電流Ｉｗを流す。
【００３０】
出力制御回路２１には、後述の動作制御回路３１から、電流設定信号Ｉｓと出力開始信号Ｏｎとが入力される。
【００３１】
アーク電圧検出回路２２は、プラズマ電極１１２と被溶接物Ｗとの間のアーク電圧Ｖｗを検出する。アーク電圧検出回路２２は、アーク電圧Ｖｗに対応する電圧検出信号Ｖｄを出力する。
【００３２】
時間計測回路２３は、溶接を開始する際にキーホールＫＨを貫通させるのに要したキーホール形成時間ΔＴを計測するためのものである。時間計測回路２３は、絶対値演算回路２３１、ローパスフィルタ２３２、電圧変動検出回路２３３、およびキーホール形成時間算出回路２３４を備える。
【００３３】
絶対値演算回路２３１には、電圧検出信号Ｖｄが入力される。絶対値演算回路２３１は、入力された電圧検出信号Ｖｄの絶対値を演算する。そして絶対値演算回路２３１は、当該演算の結果を電圧絶対値信号Ｖａとして出力する。ローパスフィルタ２３２には、電圧絶対値信号Ｖａが入力される。ローパスフィルタ２３２は、入力された電圧絶対値信号Ｖａの高周波成分を除去する演算を行う。そしてローパスフィルタ２３２は、当該演算の結果を成形電圧信号Ｖｆとして出力する。
【００３４】
電圧変動検出回路２３３は、成形電圧信号Ｖｆの変動を検出するための回路である。電圧変動検出回路２３３は、成形電圧信号Ｖｆの変動を検出し、キーホールＫＨが貫通した時刻を検出するために設けられている。電圧変動検出回路２３３は、微分回路ＢＶ、比較回路ＣＭ１、キーホール形成開始基準電圧設定回路ＶＳ、および比較回路ＣＭ２を備える。
【００３５】
微分回路ＢＶには、成形電圧信号Ｖｆが入力される。微分回路ＢＶは、入力された成形電圧信号Ｖｆの時間微分値を計算し、電圧微分信号Ｂｖを出力する。比較回路ＣＭ１には、電圧微分信号Ｂｖが入力される。比較回路ＣＭ１は、この電圧微分信号Ｂｖが予め定められた基準値Ｂｔｈ１以下となった場合に、キーホールＫＨの形成が開始されたと判断する。この時、比較回路ＣＭ１は、短時間だけＨｉｇｈレベルになるキーホール形成開始信号Ｃｍ１を出力する。
【００３６】
キーホール形成開始基準電圧設定回路ＶＳには、キーホール形成開始信号Ｃｍ１と、成形電圧信号Ｖｆとが入力される。キーホール形成開始基準電圧設定回路ＶＳは、キーホール形成開始信号Ｃｍ１が入力された時の成形電圧信号Ｖｆをキーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓと設定する。そして、キーホール形成開始基準電圧設定回路ＶＳは、キーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓを出力する。
【００３７】
比較回路ＣＭ２には、キーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓと、成形電圧信号Ｖｆとが入力される。比較回路ＣＭ２は、キーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓと、成形電圧信号Ｖｆとの差が、プラズマガスの種類等によって予め定められた基準値Ｂｔｈ２以上になった場合、キーホールＫＨが貫通したと判断する。この時、比較回路ＣＭ２は、短時間だけＨｉｇｈレベルになるキーホール貫通信号Ｃｍ２を出力する。なお、比較回路ＣＭ２は、本発明のキーホール貫通判断手段の一例に相当する。
【００３８】
キーホール形成時間算出回路２３４には、キーホール貫通信号Ｃｍ２と、出力開始信号Ｏｎとが入力される。キーホール形成時間算出回路２３４は、出力開始信号Ｏｎが入力された時刻と、キーホール貫通信号Ｃｍ２が入力された時刻とにより、キーホール形成時間ΔＴを計算する。キーホール形成時間算出回路２３４は、キーホール形成時間ΔＴに対応するキーホール形成時間信号ＫＴを出力する。
【００３９】
ロボット制御装置３は、マニピュレータ１２の動作を制御するためのものである。ロボット制御装置３は、動作制御回路３１と演算回路ＯＣとを備える。
【００４０】
動作制御回路３１は、図示しないマイクロコンピュータおよびメモリを有している。このメモリには、マニピュレータ１２の動作が設定された作業プログラムが記憶されている。動作制御回路３１には、キーホール貫通信号Ｃｍ２と、後述の速度信号ｖｐとが入力される。
【００４１】
動作制御回路３１は、キーホール貫通信号Ｃｍ２や速度信号ｖｐ等に応じて、マニピュレータ１２に対して動作制御信号Ｍｃを出力する。この動作制御信号Ｍｃにより、マニピュレータ１２を作動させ、溶接トーチ１１を被溶接物Ｗの所定の溶接開始位置に移動させたり、被溶接物Ｗの面内方向に沿って移動させたりする。定常溶接時においては、溶接トーチ１１は、被溶接物Ｗの面内方向に沿って溶接速度Ｖｐで移動する。動作制御回路３１は、たとえばハードディスクなどの情報格納装置（図示略）を備える。この情報格納装置には、実行しようとしているプラズマキーホール溶接における諸情報、すなわち、アーク電流Ｉｗの電流値、プラズマガスＰＧの種類および流量、被溶接物Ｗの種類および厚さ、等の情報が記憶される。動作制御回路３１は、キーホール貫通信号Ｃｍ２を受けると、トーチ移動開始信号Ｓｔをマニピュレータ１２に出力する。また、動作制御回路３１は、電流設定信号Ｉｓと出力開始信号Ｏｎとを出力する。
【００４２】
演算回路ＯＣは、キーホール形成時間ΔＴに基づいて、実行しようとしているプラズマキーホール溶接に最適な溶接条件を算出するための回路である。図３は、演算回路ＯＣにおけるプロセスについて説明する図である。本実施形態においては、演算回路ＯＣは、キーホール形成時間ΔＴに基づいて溶接速度Ｖｐを算出する。演算回路ＯＣは、最適な溶接条件を算出するために、図３に示す溶接条件データベースＤＢ１を用いる。溶接条件データベースＤＢ１は、上述の情報格納装置に記憶され、事前の実験等により予め作成されたものである。
【００４３】
溶接条件データベースＤＢ１には、キーホール形成時間ΔＴ、アーク電流Ｉｗの電流値、プラズマガスＰＧの種類および流量、被溶接物Ｗの種類および厚さ、に応じた最適な溶接速度Ｖｐが、リスト化されている。
【００４４】
ロボット制御装置３には、ティーチペンダントＴＰが接続されている。ティーチペンダントＴＰは、ユーザからの各種動作の設定が入力され、当該各種動作の設定をロボット制御装置３に伝達する。
【００４５】
次に、図４をさらに用いて本実施形態における動作の一例について説明する。
【００４６】
同図（ａ）は電圧検出信号Ｖｄの時間変化を示し、（ｂ）は電圧絶対値信号Ｖａの時間変化を示し、（ｃ）は成形電圧信号Ｖｆの時間変化を示し、（ｄ）キーホール形成開始信号Ｃｍ１の時間変化を示し、（ｅ）はキーホール貫通信号Ｃｍ２の時間変化を示し、（ｆ）は溶接トーチ１１の被溶接物Ｗの面内方向に沿う移動速度Ｖｐの時間変化を示す。
【００４７】
同図（ａ）に示す電圧検出信号Ｖｄは、ピーク値とベース値とを有する交流パルス波形電圧信号を示す。
【００４８】
＜時刻ｔ１〜ｔ２＞
時刻ｔ１において、外部からの溶接開始信号（図示略）が動作制御回路３１に入力されると、動作制御回路３１は、出力開始信号Ｏｎを、出力制御回路２１とキーホール形成時間算出回路２３４とに出力する。すると、出力制御回路２１はプラズマ電極１１２と被溶接物Ｗとの間にアーク電圧Ｖｗを印加し、プラズマアークＰＡが点孤される。そしてアーク電流Ｉｗの通電が開始される。絶対値演算回路２３１は、アーク電圧Ｖｗに対応する電圧検出信号Ｖｄの絶対値を演算し、同図（ｂ）に示す電圧絶対値信号Ｖａを出力する。ローパスフィルタ２３２は、電圧絶対値信号Ｖａの高周波成分を除去し、同図（ｃ）に示す成形電圧信号Ｖｆを出力する。時刻ｔ１以降、プラズマアークＰＡは、被溶接物Ｗの表面に溶融池を形成する。溶融池が形成され始めた時はプラズマアークＰＡは不安定である。そのためアーク電圧Ｖｗは変動しやすい。
【００４９】
＜時刻ｔ２〜ｔ３＞
同図（ｃ）に示すように、成形電圧信号Ｖｆが上昇して時刻ｔ２になると、プラズマアークＰＡは安定する。そのため時刻ｔ２以降、成形電圧信号Ｖｆの上昇率が小さくなる。比較回路ＣＭ１は、成形電圧信号Ｖｆを時間微分した電圧微分信号Ｂｖが、予め定めた基準値Ｂｔｈ１以下となった場合、プラズマアークＰＡが被溶接物ＷにキーホールＫＨを掘り始め、キーホールＫＨの形成が開始されたと判断する。この時、比較回路ＣＭ１は、同図（ｄ）に示すように、短時間だけＨｉｇｈレベルになるキーホール形成開始信号Ｃｍ１を出力する。キーホール形成開始基準電圧設定回路ＶＳは、キーホール形成開始信号Ｃｍ１を受けると、このキーホール形成開始信号Ｃｍ１を入力した時の成形電圧信号Ｖｆをキーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓ（同図（ｃ）参照）として設定する。時刻ｔ２以降、キーホールＫＨの形成が継続される。
【００５０】
＜時刻ｔ３〜ｔ４＞
時刻ｔ３において、同図（ｃ）に示すように、成形電圧信号Ｖｆとキーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓとの差が予め定めた基準値Ｂｔｈ２より大きくなる。この時、比較回路ＣＭ２は、キーホールＫＨが貫通したと判断する。すると同図（ｅ）に示すように、比較回路ＣＭ２は、キーホール貫通信号Ｃｍ２を、キーホール形成時間算出回路２３４と動作制御回路３１とに出力する。
【００５１】
キーホール形成時間算出回路２３４は、キーホール貫通信号Ｃｍ２を受けると、キーホール貫通信号Ｃｍ２が入力された時刻ｔ３と、出力開始信号Ｏｎが入力された時刻ｔ１との時間差を計算する。当該時間差は、キーホール形成時間ΔＴである。そしてキーホール形成時間算出回路２３４は、キーホール形成時間ΔＴに対応するキーホール形成時間信号ＫＴを演算回路ＯＣに出力する。
【００５２】
演算回路ＯＣは、キーホール形成時間信号ＫＴを受けると、以下の処理を行い、実行しようとしているプラズマキーホール溶接に最適な溶接速度Ｖｐを算出する。
【００５３】
上述のように、演算回路ＯＣは、図３に示す溶接条件データベースＤＢ１を用いて、キーホール形成時間ΔＴと、実行しようとしているプラズマキーホール溶接における諸情報（アーク電流Ｉｗの電流値、プラズマガスＰＧの種類および流量、被溶接物Ｗの種類および厚さ）とに基づき、最適な溶接速度Ｖｐを算出する。
【００５４】
具体例として同図に示す、アーク電流Ｉｗの電流値が２００Ａ、プラズマガスＰＧがＡｒ、プラズマガスＰＧの流量が２．０Ｌ／ｍｉｎ、被溶接物Ｗがアルミニウム、被溶接物Ｗの厚さが６ｍｍである場合について述べる。この場合にキーホール形成時間ΔＴがたとえば１３ｓｅｃであれば、演算回路ＯＣは、溶接条件デーベースＤＢ１により、最適な溶接速度Ｖｐは、２５ｃｍ／ｍｉｎであると算出する。同様に、キーホール形成時間ΔＴがたとえば２０ｓｅｃであれば、演算回路ＯＣは、最適な溶接速度Ｖｐは、２０ｃｍ／ｍｉｎであると算出する。
【００５５】
このように演算回路ＯＣは、キーホール形成時間ΔＴに基づき、最適な溶接速度Ｖｐを算出できる。そして演算回路ＯＣは、算出された溶接速度Ｖｐに対応する速度信号ｖｐを、動作制御回路３１に出力する。
【００５６】
＜時刻ｔ４以降＞
動作制御回路３１は、比較回路ＣＭ２からのキーホール貫通信号Ｃｍ２を受けると、マニピュレータ１２にトーチ移動開始信号Ｓｔを出力する。これにより、時刻ｔ４において、溶接トーチ１１の被溶接物Ｗの面内方向に沿う移動が開始される。すなわち、本発明でいう定常溶接状態が開始される。図４（ｆ）に示すように、溶接トーチ１１は、演算回路ＯＣが算出した溶接速度Ｖｐで被溶接物Ｗに対して移動する。
【００５７】
次に、本実施形態の作用について説明する。
【００５８】
本実施形態によれば、時間計測回路２３により計測されるキーホール形成時間ΔＴは、たとえばプラズマキーホール溶接装置Ａ１の周囲の温度、および被溶接物Ｗの温度、等のプラズマキーホール溶接を行う場合ごとに異なる個別条件を、反映したものである。そのため、演算回路ＯＣにより算出される溶接速度Ｖｐは、当該個別条件を反映したキーホール形成時間ΔＴに基づく。すなわち、溶接速度Ｖｐは、当該プラズマキーホール溶接を行う際に適した値であるといえる。その結果、プラズマキーホール溶接を行う前に、そのプラズマキーホール溶接に最適な溶接条件を決定するため多くの予備実験を行う必要がなくなる。これにより、プラズマキーホール溶接の作業効率が向上する。
【００５９】
時間計測回路２３は、絶対値演算回路２３１とローパスフィルタ２３２とを備える。そのため本実施形態によれば、アーク電圧Ｖｗが、交流電圧、交流パルス電圧、直流電圧、直流パルス電圧のいずれの場合であっても、適切にキーホールＫＨが貫通した時刻ｔ３を計測できる。そのため、アーク電圧Ｖｗが、交流電圧、交流パルス電圧、直流電圧、直流パルス電圧のいずれの場合であっても、適切にキーホール形成時間ΔＴを計測することができ、上述のように、プラズマキーホール溶接を行う作業効率が向上する。
【００６０】
電圧変動検出回路２３３は、微分回路ＢＶを備える。そのため本実施形態によれば、キーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓを一定値に定める必要がなく、個々の溶接状態に適したキーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓを設定できる。これにより、より適切にキーホール形成時間ΔＴを計測することができる。
【００６１】
図５を用いて、本発明の第２実施形態について説明する。なお、これらの図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。図５は、第２実施形態にかかるプラズマキーホール溶接装置の構成を示す図である。同図に示されたプラズマキーホール溶接装置Ａ２は、演算回路ＯＣがロボット制御装置３の構成ではなく、溶接電源２の構成である点において、第１実施形態にかかるプラズマキーホール溶接装置Ａ１と相違する。
【００６２】
本実施形態においても、第１実施形態と同様の利点を有する。また本実施形態によれば、同一の溶接電源２を、様々な種類のロボット制御装置３に用いることができるといったメリットもある。
【００６３】
図６〜図８を用いて、本発明の第３実施形態について説明する。なお、これらの図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。図６は、第３実施形態にかかるプラズマキーホール溶接装置の構成を示す図である。同図に示されたプラズマキーホール溶接装置Ａ３は、演算回路ＯＣが最適な溶接速度Ｖｐを算出するのではなく、定常溶接状態におけるアーク電流Ｉｗの電流値（定常電流値ｉｗ２）を算出する点において、第１実施形態にかかるプラズマキーホール溶接装置Ａ１と相違する。
【００６４】
図７は、演算回路ＯＣにおけるプロセスについて説明する図である。
【００６５】
本実施形態では、演算回路ＯＣは、定常電流値ｉｗ２を算出するために、図７に示す溶接条件データベースＤＢ２を用いる。溶接条件データベースＤＢ２も、図３に示した溶接条件データベースＤＢ１と同様、事前の実験等により予め作成されたものである。
【００６６】
溶接条件データベースＤＢ２には、キーホール形成時間ΔＴ、キーホールＫＨを貫通するまでに流すアーク電流Ｉｗの電流値（初期電流値ｉｗ１）、プラズマガスＰＧの種類および流量、被溶接物Ｗの種類および厚さ、溶接速度Ｖｐ、に応じた最適な定常電流値ｉｗ２が、リスト化されている。
【００６７】
次に、図８をさらに用いて本実施形態における動作の一例について説明する。図８（ａ）〜（ｆ）は、図４（ａ）〜（ｆ）と同様である。図８（ｇ）はアーク電流Ｉｗの電流値の時間変化について示す。図８に示す時刻ｔ１〜ｔ３の間の動作は、図４に示す時刻ｔ１〜ｔ３の間の動作と同様であるから説明を省略し、時刻ｔ３以降について説明する。なお、図８（ｇ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ３までは、アーク電流Ｉｗが初期電流値ｉｗ１流れている。
【００６８】
＜時刻ｔ３〜ｔ４＞
時刻ｔ３において、同図（ｃ）に示すように、成形電圧信号Ｖｆとキーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓとの差が予め定めた基準値Ｂｔｈ２以上となる。この時、比較回路ＣＭ２は、キーホールＫＨが貫通したと判断する。すると同図（ｆ）に示すように、比較回路ＣＭ２は、キーホール貫通信号Ｃｍ２を、キーホール形成時間算出回路２３４と動作制御回路３１とに出力する。
【００６９】
キーホール形成時間算出回路２３４は、キーホール貫通信号Ｃｍ２を受けると、キーホール貫通信号Ｃｍ２が入力された時刻ｔ３と、出力開始信号Ｏｎが入力された時刻ｔ１との時間差を計算する。当該時間差は、キーホール形成時間ΔＴである。そしてキーホール形成時間算出回路２３４は、キーホール形成時間ΔＴに対応するキーホール形成時間信号ＫＴを演算回路ＯＣに出力する。
【００７０】
キーホール形成時間信号ＫＴが演算回路ＯＣに出力される当該工程までも、上述の実施形態と同様である。
【００７１】
演算回路ＯＣは、キーホール形成時間信号ＫＴを受けると、以下の処理を行い、実行しようとしているプラズマキーホール溶接に最適な定常電流値ｉｗ２を算出する。
【００７２】
図７に示すように、演算回路ＯＣは、溶接条件データベースＤＢ２を用いて、キーホール形成時間ΔＴと、実行しようとしているプラズマキーホール溶接における諸情報（初期電流値ｉｗ１、プラズマガスＰＧの種類および流量、被溶接物Ｗの種類および厚さ、溶接速度Ｖｐ）とに基づき、最適な定常電流値ｉｗ２を算出する。
【００７３】
具体例として図７に示す、初期電流値ｉｗ１の値が２００Ａ、プラズマガスＰＧがＡｒ、プラズマガスＰＧの流量が２．０Ｌ／ｍｉｎ、被溶接物Ｗがアルミニウム、被溶接物Ｗの厚さが６ｍｍ、溶接速度Ｖｐが２５ｃｍ／ｍｉｎである場合について述べる。この場合にキーホール形成時間ΔＴがたとえば１３ｓｅｃであれば、演算回路ＯＣは、溶接条件デーベースＤＢ２により、最適な定常電流値ｉｗ２は、２００Ａであると算出する。同様に、キーホール形成時間ΔＴがたとえば１７ｓｅｃであれば、演算回路ＯＣは、最適な定常電流値ｉｗ２は、２２０Ａであると算出する。
【００７４】
このように演算回路ＯＣは、キーホール形成時間ΔＴに基づき、最適な定常電流値ｉｗ２を算出できる。そして演算回路ＯＣは、算出された定常電流値ｉｗ２に対応する電流信号ｉｓを、動作制御回路３１に出力する。
【００７５】
＜時刻ｔ４以降＞
動作制御回路３１は、比較回路ＣＭ２からのキーホール貫通信号Ｃｍ２を受けると、マニピュレータ１２にトーチ移動開始信号Ｓｔを出力する。これにより、時刻ｔ４において、溶接トーチ１１の被溶接物Ｗの面内方向に沿う移動が開始される。すなわち、本発明でいう定常溶接状態が開始される。また、動作制御回路３１は、出力制御回路２１に、演算回路ＯＣにより算出された定常電流値ｉｗ２でアーク電流Ｉｗが流れるよう、電流設定信号Ｉｓを出力する。その後、図８（ｇ）に示すように、アーク電流Ｉｗは、定常電流値ｉｗ２で流れることとなる。
【００７６】
本実施形態によれば、上述の実施形態と同様に、時間計測回路２３により計測されるキーホール形成時間ΔＴは、たとえばプラズマキーホール溶接装置Ａ３の周囲の温度、および被溶接物Ｗの温度、等のプラズマキーホール溶接を行う場合ごとに異なる個別条件を、反映したものである。そのため演算回路ＯＣにより算出される定常電流値ｉｗ２は、当該個別条件を反映したキーホール形成時間ΔＴに基づく。すなわち、定常電流値ｉｗ２は、当該プラズマキーホール溶接を行う際に適した値であるといえる。その結果、プラズマキーホール溶接を行う前に、そのプラズマキーホール溶接に最適な溶接条件を決定するため多くの予備実験を行う必要がなくなる。これにより、プラズマキーホール溶接を行う作業効率が向上する。
【００７７】
時間計測回路２３は、絶対値演算回路２３１とローパスフィルタ２３２とを備える。そのため本実施形態によれば、アーク電圧Ｖｗが、交流電圧、交流パルス電圧、直流電圧、直流パルス電圧のいずれの場合であっても、適切にキーホールＫＨが貫通した時刻ｔ３を計測できる。そのため、アーク電圧Ｖｗが、交流電圧、交流パルス電圧、直流電圧、直流パルス電圧のいずれの場合であっても、適切にキーホール形成時間ΔＴを計測することができ、上述のように、プラズマキーホール溶接を行う作業効率が向上する。
【００７８】
電圧変動検出回路２３３は、微分回路ＢＶを備える。そのため本実施形態によれば、キーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓを一定値に定める必要がなく、個々の溶接状態に適したキーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓを設定できる。これにより、より適切にキーホール形成時間ΔＴを計測することができる。
【００７９】
図９を用いて、本発明の第４実施形態について説明する。なお、同図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。図９は、第４実施形態にかかるプラズマキーホール溶接装置の構成を示す図である。同図に示されたプラズマキーホール溶接装置Ａ４は、演算回路ＯＣがロボット制御装置３の構成ではなく、溶接電源２の構成である点において、第３実施形態にかかるプラズマキーホール溶接装置Ａ３と相違する。
【００８０】
本実施形態においても、第３実施形態と同様の利点を有する。また本実施形態によれば、同一の溶接電源２を、様々な種類のロボット制御装置３に用いることができるといったメリットもある。
【００８１】
本発明の範囲は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。たとえば上述の説明では、演算回路ＯＣが溶接速度Ｖｐおよび定常電流値ｉｗ２のいずれかを算出する例を示したが、演算回路ＯＣが、溶接速度Ｖｐおよび定常電流値ｉｗ２のいずれをも算出する構成を採用してもよい。アーク電圧Ｖｗがたとえば直流電圧である場合には、時間計測回路２３は、絶対値演算回路２３１およびローパスフィルタ２３２を備えている必要はない。
【００８２】
また、キーホール形成時間算出回路２３４が溶接電源２の構成ではなく、ロボット制御装置３の構成であってもよい。
【００８３】
また、演算回路ＯＣにより算出された溶接速度Ｖｐもしくは定常電流値ｉｗ２が、不適当な値であれば、ティーチペンダントＴＰにエラーメッセージを表示させる構成を採用してもよい。
【００８４】
プラズマキーホール形成時間ΔＴを時刻ｔ１〜ｔ３の期間とすることが、プラズマキーホール形成時間ΔＴを正確に計測するのに適するが、仮にプラズマキーホール形成時間ΔＴを時刻ｔ２〜ｔ３とした場合であっても、本発明の範囲には含まれる。
【符号の説明】
【００８５】
Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４ プラズマキーホール溶接装置
１１ 溶接トーチ
１１１ ノズル
１１２ プラズマ電極
１２ マニピュレータ
２ 溶接電源
２１ 出力制御回路（電流制御手段）
２２ アーク電圧検出回路（アーク電圧検出手段）
２３ 時間計測回路（時間計測手段）
２３１ 絶対値演算回路
２３２ ローパスフィルタ
２３３ 電圧変動検出回路（電圧変動検出手段）
２３４ キーホール形成時間算出回路
３ ロボット制御装置
３１ 動作制御回路（動作制御手段）
ＢＶ 微分回路
Ｂｖ 電圧微分信号
Ｂｔｈ１ （第１の）基準値
Ｂｔｈ２ （第２の）基準値
ＣＭ１ 比較回路
Ｃｍ１ キーホール形成開始信号
ＣＭ２ 比較回路（キーホール貫通判断手段）
Ｃｍ２ キーホール貫通信号
ＤＢ１，ＤＢ２ 溶接条件データベース
Ｉｗ アーク電流
Ｉｓ 電流設定信号
ｉｗ１ 初期電流値
ｉｗ２ 定常電流値
ｉｓ 電流信号
ＫＨ キーホール
ＫＴ キーホール形成時間信号
Ｍｃ 動作制御信号
Ｏｎ 出力開始信号
ＯＣ 演算回路（演算手段）
ＰＡ プラズマアーク
ＰＧ プラズマガス
Ｓｔ 溶接開始信号
ＴＰ ティーチペンダント
Ｖｐ 溶接速度（定常速度）
ＶＳ キーホール形成開始基準電圧設定回路
Ｖｓ キーホール形成開始基準電圧信号
Ｖｗ アーク電圧
Ｖａ 電圧絶対値信号
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖｆ 成形電圧信号
ｖｐ 速度信号
Ｗ 被溶接物
ΔＴ キーホール形成時間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマキーホール溶接装置およびプラズマキーホール溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマキーホール溶接は、被溶接物がＩ形開先の突き合わせ継手を溶接するときに、プラズマ電極を一般的に陰極として放電したときのプラズマアークを、水冷されたプラズマノズルとプラズマガスのガス流とによって拘束する。そして、集中性の良い高温プラズマ流を発生させ、この高温のプラズマ流が溶接線上に、溶接池の先端で被溶接物を貫通する円孔を形成しながら移動していく溶接である。この溶接はアーク熱が裏面に至るまで直接に与えられ、裏面の溶接も適切に行うことができる。
【０００３】
図１０は、従来のプラズマキーホール溶接装置の構成の一例を示す図である（例えば、特許文献１参照。）。同図に示されたプラズマキーホール溶接装置９Ａにおいては、プラズマ電極９１と同心円上にプラズマアークＰＡを拘束するノズル９２が設けられている。プラズマ電極９１と被溶接物Ｗとの間に溶接電源９３から電力が供給されて、ノズル９２内にプラズマガス供給源９４からプラズマガスＰＧが供給されて、プラズマアークＰＡが発生する。高温のプラズマ流が溶接線上に溶融池の先端で被溶接物Ｗを貫通してキーホールＫＨを形成しながら移動し、裏面の溶融も行う。
【０００４】
電圧変動検出回路９５は、キーホールＫＨが貫通したときのプラズマアーク電圧の変動（例えば、１〜２Ｖ）を検出して、波形成型器９６によって溶接制御シーケンサ９７に適した信号に成形する。溶接制御シーケンサ９７は、この成形された信号を入力して、トーチ走行装置９８へ溶接トーチ９９の走行を開始する信号を入力して、トーチ走行装置９８は溶接トーチ９９の走行を開始する。
【０００５】
プラズマキーホール溶接装置９Ａを用いたプラズマキーホール溶接は、適当な溶接条件のもと行われる必要がある。溶接条件が適当でない場合、たとえば溶接トーチ９９の走行する速度である溶接速度が速すぎる場合には、図１１に示すように、溶込不良が発生し、完全溶け込み溶接が出来なくなる。一方、たとえば当該溶接速度が遅すぎる場合には、図１２に示すように、溶け落ちが発生してしまう。図１３に示すような良好なビード外観を得ることのできる最適な溶接を行うには、適当な溶接条件を設定する必要がある。だが、適当な溶接条件は、プラズマキーホール溶接を行う場合ごとに多少異なる。そのため従来は、適当な溶接条件を設定するための多数の予備実験を、プラズマキーホール溶接を行う度に実施する必要があった。このような予備実験の実施は、プラズマキーホール溶接の作業効率の向上の妨げとなっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特公平０２−１８９５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、作業効率を向上可能なプラズマキーホール溶接装置およびプラズマキーホール溶接方法を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によって提供されるプラズマキーホール溶接装置は、プラズマ電極と被溶接物との間にプラズマアークを発生させ、キーホールを形成および貫通させることにより溶接を開始するプラズマキーホール溶接装置であって、定常溶接状態において定常電流値で上記プラズマ電極と上記被溶接物との間にアーク電流を流す電流制御手段と、上記定常溶接状態において、上記プラズマ電極を、上記被溶接物の面内方向に沿って定常速度で上記被溶接物に対して相対移動させる動作制御手段と、溶接を開始する際に上記キーホールを貫通させるのに要したキーホール形成時間を計測する時間計測手段と、上記キーホール形成時間に基づいて、上記定常速度および上記定常電流値の少なくともいずれかを算出する演算手段と、を備えることを特徴としている。
【０００９】
このような構成によれば、上記時間計測手段により計測される上記キーホール形成時間は、たとえば上記プラズマキーホール溶接装置の周囲の温度、および上記被溶接物の温度、等のプラズマキーホール溶接を行う場合ごとに異なる個別条件を、反映したものである。そのため、上記演算手段により算出される上記定常速度もしくは上記定常電流値は、当該個別条件を反映した上記キーホール形成時間に基づく。すなわち、上記定常速度もしくは上記定常電流値は、当該プラズマキーホール溶接を行う際に適した値であるといえる。その結果、プラズマキーホール溶接を行う前に、そのプラズマキーホール溶接に最適な溶接条件を決定するため多くの予備実験を行う必要がなくなる。これにより、プラズマキーホール溶接の作業効率が向上する。
【００１０】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記演算手段は、上記定常速度および上記定常電流値のうち上記定常速度のみを算出する。
【００１１】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記プラズマ電極を保持する溶接トーチと、上記溶接トーチを上記被溶接物に対して相対移動させるマニピュレータと、上記マニピュレータを制御し、且つ、上記動作制御手段と上記演算手段とを含むロボット制御装置と、を更に備える。
【００１２】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記電流制御手段と上記演算手段とを含む溶接電源を更に備える。
【００１３】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記プラズマ電極と上記被溶接物との間のアーク電圧を検出するアーク電圧検出手段を更に備え、上記時間計測手段は、検出された上記アーク電圧の変動を検出する電圧変動検出手段を含む。
【００１４】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記電圧変動検出手段は、上記アーク電圧の時間微分値を計算する微分回路と、上記時間微分値と第１の基準値とを比較し、キーホール形成開始信号を出力する比較回路と、上記キーホール形成開始信号が入力され、且つ、上記キーホール形成開始信号が入力された時の上記アーク電圧をキーホール形成開始基準電圧と設定するキーホール形成開始基準電圧設定回路と、上記アーク電圧と上記キーホール形成開始基準電圧との差が第２の基準値を超えた場合に上記キーホールが貫通したと判断するキーホール貫通判断手段と、を含む。
【００１５】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記時間計測手段は、上記アーク電圧の絶対値を演算し、演算結果を上記電圧変動検出手段に出力する絶対値演算回路を更に含む。
【００１６】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記時間計測手段は、上記アーク電圧の高周波成分を除去し、演算結果を上記電圧変動検出手段に出力するローパスフィルタを更に含む。
【００１７】
本発明によって提供されるプラズマキーホール溶接方法は、プラズマ電極と被溶接物との間にプラズマアークを発生させ、キーホールを形成および貫通させるキーホール開始工程と、上記プラズマ電極と上記被溶接物との間に定常電流値のアーク電流を流し、且つ、上記プラズマ電極を、上記被溶接物の面内方向に沿って定常速度で上記被溶接物に対して相対移動させる定常溶接工程と、を備えるプラズマキーホール溶接方法であって、溶接を開始する際に上記キーホールを貫通させるのに要したキーホール形成時間を計測する工程と、上記キーホール形成時間に基づいて、上記定常速度および上記定常電流値の少なくともいずれかを算出する演算工程と、を更に備えることを特徴とする。
【００１８】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記演算工程においては、上記定常速度および上記定常電流値のうち上記定常速度のみを算出する。
【００１９】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記プラズマ電極と上記被溶接物との間のアーク電圧を検出するアーク電圧検出工程を更に備え、上記キーホール形成時間を計測する工程は、検出された上記アーク電圧の変動を検出する電圧変動検出工程を含む。
【００２０】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記電圧変動検出工程は、上記アーク電圧の時間微分値を計算する微分工程と、上記時間微分値と第１の基準値とを比較し、キーホール形成開始信号を出力する比較工程と、上記キーホール形成開始信号を入力し、且つ、上記キーホール形成開始信号を入力した時の上記アーク電圧をキーホール形成開始基準電圧と設定するキーホール形成開始基準電圧設定工程と、上記アーク電圧と上記キーホール形成開始基準電圧との差が第２の基準値を超えた場合に上記キーホールが貫通したと判断するキーホール貫通判断工程と、を含む。
【００２１】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記キーホール形成時間を計測する工程は、上記アーク電圧の絶対値を演算し、演算結果を出力する工程を更に含み、上記電圧変動検出工程は、上記演算結果に基づき実行する。
【００２２】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記キーホール形成時間を計測する工程は、上記アーク電圧の高周波成分を除去する工程を更に含み、上記電圧変動検出工程は、高周波成分が除去された上記アーク電圧に基づき実行する。
【００２３】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるプラズマキーホール溶接装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示した溶接トーチの要部拡大図である。
【図３】演算回路におけるプロセスについて説明する図である。
【図４】本発明の第１実施形態にかかる各信号等の時間変化を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態にかかるプラズマキーホール溶接装置の構成を示す図である。
【図６】本発明の第３実施形態にかかるプラズマキーホール溶接装置の構成を示す図である。
【図７】演算回路におけるプロセスについて説明する図である。
【図８】本発明の第３実施形態にかかる各信号等の時間変化を示す図である。
【図９】本発明の第４実施形態にかかるプラズマキーホール溶接装置の構成を示す図である。
【図１０】従来のプラズマキーホール溶接装置の構成の一例を示す図である。
【図１１】プラズマキーホール溶接において生じうる不具合例を示す図である。
【図１２】プラズマキーホール溶接において生じうる不具合例を示す図である。
【図１３】プラズマキーホール溶接を行う際に望まれる溶接状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。
【００２６】
図１は、本発明の第１実施形態にかかるプラズマキーホール溶接装置の構成を示す図である。同図に示されたプラズマキーホール溶接装置Ａ１は、溶接トーチ１１、マニピュレータ１２、溶接電源２、およびロボット制御装置３を備える。図２は、図１に示した溶接トーチ１１の要部拡大図である。プラズマキーホール溶接装置Ａ１は、たとえばアルミニウム板が突き合わされた被溶接物Ｗに対して、プラズマキーホール溶接を行うのに用いられる。なお本明細書においては、特に断りのない限り、電流値とは電流の絶対値の時間平均値を意味する。
【００２７】
溶接トーチ１１は、ノズル１１１とプラズマ電極１１２とを備える。ノズル１１１は、たとえば銅などの金属からなる筒状部材であり、適宜水冷構造を有する。プラズマ電極１１２は、非消耗電極とされており、たとえばタングステンからなる金属棒である。プラズマ電極１１２は、被溶接物Ｗとの間にアーク電圧Ｖｗを印加するための電極である。ノズル１１１からは、プラズマガスＰＧがプラズマ電極１１２を囲むように噴出される。プラズマガスＰＧは、たとえばＡｒとされる。プラズマ電極１１２と被溶接物Ｗとの間にアーク電圧Ｖｗが印加されることにより、プラズマガスＰＧを媒体としてプラズマアークＰＡが発生する。プラズマアークＰＡが発生している際には、プラズマ電極１１２と被溶接物Ｗとの間には交流のアーク電流Ｉｗが流れている。マニピュレータ１２は、溶接トーチ１１を保持している。マニピュレータ１２は、たとえば多関節ロボットとされる。
【００２８】
溶接電源２は、プラズマ電極１１２と被溶接物Ｗとの間に、アーク電圧Ｖｗを印加し、アーク電流Ｉｗを流すための装置である。溶接電源２は、出力制御回路２１、アーク電圧検出回路２２、および時間計測回路２３を備える。
【００２９】
出力制御回路２１は、複数のトランジスタ素子からなるインバータ制御回路を有する。出力制御回路２１は、外部から入力される商用電源（たとえば３相２００Ｖ）をインバータ制御回路によって変換し、プラズマキーホール溶接に適するアーク電流Ｉｗおよびアーク電圧Ｖｗを出力する。出力制御回路２１の出力は、一端が溶接トーチ１１に接続され、他端が被溶接物Ｗに接続されている。このようにして出力制御回路２１は、プラズマ電極１１２と被溶接物Ｗとの間にアーク電圧Ｖｗを印加し、アーク電流Ｉｗを流す。
【００３０】
出力制御回路２１には、後述の動作制御回路３１から、電流設定信号Ｉｓと出力開始信号Ｏｎとが入力される。
【００３１】
アーク電圧検出回路２２は、プラズマ電極１１２と被溶接物Ｗとの間のアーク電圧Ｖｗを検出する。アーク電圧検出回路２２は、アーク電圧Ｖｗに対応する電圧検出信号Ｖｄを出力する。
【００３２】
時間計測回路２３は、溶接を開始する際にキーホールＫＨを貫通させるのに要したキーホール形成時間ΔＴを計測するためのものである。時間計測回路２３は、絶対値演算回路２３１、ローパスフィルタ２３２、電圧変動検出回路２３３、およびキーホール形成時間算出回路２３４を備える。
【００３３】
絶対値演算回路２３１には、電圧検出信号Ｖｄが入力される。絶対値演算回路２３１は、入力された電圧検出信号Ｖｄの絶対値を演算する。そして絶対値演算回路２３１は、当該演算の結果を電圧絶対値信号Ｖａとして出力する。ローパスフィルタ２３２には、電圧絶対値信号Ｖａが入力される。ローパスフィルタ２３２は、入力された電圧絶対値信号Ｖａの高周波成分を除去する演算を行う。そしてローパスフィルタ２３２は、当該演算の結果を成形電圧信号Ｖｆとして出力する。
【００３４】
電圧変動検出回路２３３は、成形電圧信号Ｖｆの変動を検出するための回路である。電圧変動検出回路２３３は、成形電圧信号Ｖｆの変動を検出し、キーホールＫＨが貫通した時刻を検出するために設けられている。電圧変動検出回路２３３は、微分回路ＢＶ、比較回路ＣＭ１、キーホール形成開始基準電圧設定回路ＶＳ、および比較回路ＣＭ２を備える。
【００３５】
微分回路ＢＶには、成形電圧信号Ｖｆが入力される。微分回路ＢＶは、入力された成形電圧信号Ｖｆの時間微分値を計算し、電圧微分信号Ｂｖを出力する。比較回路ＣＭ１には、電圧微分信号Ｂｖが入力される。比較回路ＣＭ１は、この電圧微分信号Ｂｖが予め定められた基準値Ｂｔｈ１以下となった場合に、キーホールＫＨの形成が開始されたと判断する。この時、比較回路ＣＭ１は、短時間だけＨｉｇｈレベルになるキーホール形成開始信号Ｃｍ１を出力する。
【００３６】
キーホール形成開始基準電圧設定回路ＶＳには、キーホール形成開始信号Ｃｍ１と、成形電圧信号Ｖｆとが入力される。キーホール形成開始基準電圧設定回路ＶＳは、キーホール形成開始信号Ｃｍ１が入力された時の成形電圧信号Ｖｆをキーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓと設定する。そして、キーホール形成開始基準電圧設定回路ＶＳは、キーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓを出力する。
【００３７】
比較回路ＣＭ２には、キーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓと、成形電圧信号Ｖｆとが入力される。比較回路ＣＭ２は、キーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓと、成形電圧信号Ｖｆとの差が、プラズマガスの種類等によって予め定められた基準値Ｂｔｈ２以上になった場合、キーホールＫＨが貫通したと判断する。この時、比較回路ＣＭ２は、短時間だけＨｉｇｈレベルになるキーホール貫通信号Ｃｍ２を出力する。なお、比較回路ＣＭ２は、本発明のキーホール貫通判断手段の一例に相当する。
【００３８】
キーホール形成時間算出回路２３４には、キーホール貫通信号Ｃｍ２と、出力開始信号Ｏｎとが入力される。キーホール形成時間算出回路２３４は、出力開始信号Ｏｎが入力された時刻と、キーホール貫通信号Ｃｍ２が入力された時刻とにより、キーホール形成時間ΔＴを計算する。キーホール形成時間算出回路２３４は、キーホール形成時間ΔＴに対応するキーホール形成時間信号ＫＴを出力する。
【００３９】
ロボット制御装置３は、マニピュレータ１２の動作を制御するためのものである。ロボット制御装置３は、動作制御回路３１と演算回路ＯＣとを備える。
【００４０】
動作制御回路３１は、図示しないマイクロコンピュータおよびメモリを有している。このメモリには、マニピュレータ１２の動作が設定された作業プログラムが記憶されている。動作制御回路３１には、キーホール貫通信号Ｃｍ２と、後述の速度信号ｖｐとが入力される。
【００４１】
動作制御回路３１は、キーホール貫通信号Ｃｍ２や速度信号ｖｐ等に応じて、マニピュレータ１２に対して動作制御信号Ｍｃを出力する。この動作制御信号Ｍｃにより、マニピュレータ１２を作動させ、溶接トーチ１１を被溶接物Ｗの所定の溶接開始位置に移動させたり、被溶接物Ｗの面内方向に沿って移動させたりする。定常溶接時においては、溶接トーチ１１は、被溶接物Ｗの面内方向に沿って溶接速度Ｖｐで移動する。動作制御回路３１は、たとえばハードディスクなどの情報格納装置（図示略）を備える。この情報格納装置には、実行しようとしているプラズマキーホール溶接における諸情報、すなわち、アーク電流Ｉｗの電流値、プラズマガスＰＧの種類および流量、被溶接物Ｗの種類および厚さ、等の情報が記憶される。動作制御回路３１は、キーホール貫通信号Ｃｍ２を受けると、トーチ移動開始信号Ｓｔをマニピュレータ１２に出力する。また、動作制御回路３１は、電流設定信号Ｉｓと出力開始信号Ｏｎとを出力する。
【００４２】
演算回路ＯＣは、キーホール形成時間ΔＴに基づいて、実行しようとしているプラズマキーホール溶接に最適な溶接条件を算出するための回路である。図３は、演算回路ＯＣにおけるプロセスについて説明する図である。本実施形態においては、演算回路ＯＣは、キーホール形成時間ΔＴに基づいて溶接速度Ｖｐを算出する。演算回路ＯＣは、最適な溶接条件を算出するために、図３に示す溶接条件データベースＤＢ１を用いる。溶接条件データベースＤＢ１は、上述の情報格納装置に記憶され、事前の実験等により予め作成されたものである。
【００４３】
溶接条件データベースＤＢ１には、キーホール形成時間ΔＴ、アーク電流Ｉｗの電流値、プラズマガスＰＧの種類および流量、被溶接物Ｗの種類および厚さ、に応じた最適な溶接速度Ｖｐが、リスト化されている。
【００４４】
ロボット制御装置３には、ティーチペンダントＴＰが接続されている。ティーチペンダントＴＰは、ユーザからの各種動作の設定が入力され、当該各種動作の設定をロボット制御装置３に伝達する。
【００４５】
次に、図４をさらに用いて本実施形態における動作の一例について説明する。
【００４６】
同図（ａ）は電圧検出信号Ｖｄの時間変化を示し、（ｂ）は電圧絶対値信号Ｖａの時間変化を示し、（ｃ）は成形電圧信号Ｖｆの時間変化を示し、（ｄ）キーホール形成開始信号Ｃｍ１の時間変化を示し、（ｅ）はキーホール貫通信号Ｃｍ２の時間変化を示し、（ｆ）は溶接トーチ１１の被溶接物Ｗの面内方向に沿う移動速度Ｖｐの時間変化を示す。
【００４７】
同図（ａ）に示す電圧検出信号Ｖｄは、ピーク値とベース値とを有する交流パルス波形電圧信号を示す。
【００４８】
＜時刻ｔ１〜ｔ２＞
時刻ｔ１において、外部からの溶接開始信号（図示略）が動作制御回路３１に入力されると、動作制御回路３１は、出力開始信号Ｏｎを、出力制御回路２１とキーホール形成時間算出回路２３４とに出力する。すると、出力制御回路２１はプラズマ電極１１２と被溶接物Ｗとの間にアーク電圧Ｖｗを印加し、プラズマアークＰＡが点孤される。そしてアーク電流Ｉｗの通電が開始される。絶対値演算回路２３１は、アーク電圧Ｖｗに対応する電圧検出信号Ｖｄの絶対値を演算し、同図（ｂ）に示す電圧絶対値信号Ｖａを出力する。ローパスフィルタ２３２は、電圧絶対値信号Ｖａの高周波成分を除去し、同図（ｃ）に示す成形電圧信号Ｖｆを出力する。時刻ｔ１以降、プラズマアークＰＡは、被溶接物Ｗの表面に溶融池を形成する。溶融池が形成され始めた時はプラズマアークＰＡは不安定である。そのためアーク電圧Ｖｗは変動しやすい。
【００４９】
＜時刻ｔ２〜ｔ３＞
同図（ｃ）に示すように、成形電圧信号Ｖｆが上昇して時刻ｔ２になると、プラズマアークＰＡは安定する。そのため時刻ｔ２以降、成形電圧信号Ｖｆの上昇率が小さくなる。比較回路ＣＭ１は、成形電圧信号Ｖｆを時間微分した電圧微分信号Ｂｖが、予め定めた基準値Ｂｔｈ１以下となった場合、プラズマアークＰＡが被溶接物ＷにキーホールＫＨを掘り始め、キーホールＫＨの形成が開始されたと判断する。この時、比較回路ＣＭ１は、同図（ｄ）に示すように、短時間だけＨｉｇｈレベルになるキーホール形成開始信号Ｃｍ１を出力する。キーホール形成開始基準電圧設定回路ＶＳは、キーホール形成開始信号Ｃｍ１を受けると、このキーホール形成開始信号Ｃｍ１を入力した時の成形電圧信号Ｖｆをキーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓ（同図（ｃ）参照）として設定する。時刻ｔ２以降、キーホールＫＨの形成が継続される。
【００５０】
＜時刻ｔ３〜ｔ４＞
時刻ｔ３において、同図（ｃ）に示すように、成形電圧信号Ｖｆとキーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓとの差が予め定めた基準値Ｂｔｈ２より大きくなる。この時、比較回路ＣＭ２は、キーホールＫＨが貫通したと判断する。すると同図（ｅ）に示すように、比較回路ＣＭ２は、キーホール貫通信号Ｃｍ２を、キーホール形成時間算出回路２３４と動作制御回路３１とに出力する。
【００５１】
キーホール形成時間算出回路２３４は、キーホール貫通信号Ｃｍ２を受けると、キーホール貫通信号Ｃｍ２が入力された時刻ｔ３と、出力開始信号Ｏｎが入力された時刻ｔ１との時間差を計算する。当該時間差は、キーホール形成時間ΔＴである。そしてキーホール形成時間算出回路２３４は、キーホール形成時間ΔＴに対応するキーホール形成時間信号ＫＴを演算回路ＯＣに出力する。
【００５２】
演算回路ＯＣは、キーホール形成時間信号ＫＴを受けると、以下の処理を行い、実行しようとしているプラズマキーホール溶接に最適な溶接速度Ｖｐを算出する。
【００５３】
上述のように、演算回路ＯＣは、図３に示す溶接条件データベースＤＢ１を用いて、キーホール形成時間ΔＴと、実行しようとしているプラズマキーホール溶接における諸情報（アーク電流Ｉｗの電流値、プラズマガスＰＧの種類および流量、被溶接物Ｗの種類および厚さ）とに基づき、最適な溶接速度Ｖｐを算出する。
【００５４】
具体例として同図に示す、アーク電流Ｉｗの電流値が２００Ａ、プラズマガスＰＧがＡｒ、プラズマガスＰＧの流量が２．０Ｌ／ｍｉｎ、被溶接物Ｗがアルミニウム、被溶接物Ｗの厚さが６ｍｍである場合について述べる。この場合にキーホール形成時間ΔＴがたとえば１３ｓｅｃであれば、演算回路ＯＣは、溶接条件デーベースＤＢ１により、最適な溶接速度Ｖｐは、２５ｃｍ／ｍｉｎであると算出する。同様に、キーホール形成時間ΔＴがたとえば２０ｓｅｃであれば、演算回路ＯＣは、最適な溶接速度Ｖｐは、２０ｃｍ／ｍｉｎであると算出する。
【００５５】
このように演算回路ＯＣは、キーホール形成時間ΔＴに基づき、最適な溶接速度Ｖｐを算出できる。そして演算回路ＯＣは、算出された溶接速度Ｖｐに対応する速度信号ｖｐを、動作制御回路３１に出力する。
【００５６】
＜時刻ｔ４以降＞
動作制御回路３１は、比較回路ＣＭ２からのキーホール貫通信号Ｃｍ２を受けると、マニピュレータ１２にトーチ移動開始信号Ｓｔを出力する。これにより、時刻ｔ４において、溶接トーチ１１の被溶接物Ｗの面内方向に沿う移動が開始される。すなわち、本発明でいう定常溶接状態が開始される。図４（ｆ）に示すように、溶接トーチ１１は、演算回路ＯＣが算出した溶接速度Ｖｐで被溶接物Ｗに対して移動する。
【００５７】
次に、本実施形態の作用について説明する。
【００５８】
本実施形態によれば、時間計測回路２３により計測されるキーホール形成時間ΔＴは、たとえばプラズマキーホール溶接装置Ａ１の周囲の温度、および被溶接物Ｗの温度、等のプラズマキーホール溶接を行う場合ごとに異なる個別条件を、反映したものである。そのため、演算回路ＯＣにより算出される溶接速度Ｖｐは、当該個別条件を反映したキーホール形成時間ΔＴに基づく。すなわち、溶接速度Ｖｐは、当該プラズマキーホール溶接を行う際に適した値であるといえる。その結果、プラズマキーホール溶接を行う前に、そのプラズマキーホール溶接に最適な溶接条件を決定するため多くの予備実験を行う必要がなくなる。これにより、プラズマキーホール溶接の作業効率が向上する。
【００５９】
時間計測回路２３は、絶対値演算回路２３１とローパスフィルタ２３２とを備える。そのため本実施形態によれば、アーク電圧Ｖｗが、交流電圧、交流パルス電圧、直流電圧、直流パルス電圧のいずれの場合であっても、適切にキーホールＫＨが貫通した時刻ｔ３を計測できる。そのため、アーク電圧Ｖｗが、交流電圧、交流パルス電圧、直流電圧、直流パルス電圧のいずれの場合であっても、適切にキーホール形成時間ΔＴを計測することができ、上述のように、プラズマキーホール溶接を行う作業効率が向上する。
【００６０】
電圧変動検出回路２３３は、微分回路ＢＶを備える。そのため本実施形態によれば、キーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓを一定値に定める必要がなく、個々の溶接状態に適したキーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓを設定できる。これにより、より適切にキーホール形成時間ΔＴを計測することができる。
【００６１】
図５を用いて、本発明の第２実施形態について説明する。なお、これらの図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。図５は、第２実施形態にかかるプラズマキーホール溶接装置の構成を示す図である。同図に示されたプラズマキーホール溶接装置Ａ２は、演算回路ＯＣがロボット制御装置３の構成ではなく、溶接電源２の構成である点において、第１実施形態にかかるプラズマキーホール溶接装置Ａ１と相違する。
【００６２】
本実施形態においても、第１実施形態と同様の利点を有する。また本実施形態によれば、同一の溶接電源２を、様々な種類のロボット制御装置３に用いることができるといったメリットもある。
【００６３】
図６〜図８を用いて、本発明の第３実施形態について説明する。なお、これらの図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。図６は、第３実施形態にかかるプラズマキーホール溶接装置の構成を示す図である。同図に示されたプラズマキーホール溶接装置Ａ３は、演算回路ＯＣが最適な溶接速度Ｖｐを算出するのではなく、定常溶接状態におけるアーク電流Ｉｗの電流値（定常電流値ｉｗ２）を算出する点において、第１実施形態にかかるプラズマキーホール溶接装置Ａ１と相違する。
【００６４】
図７は、演算回路ＯＣにおけるプロセスについて説明する図である。
【００６５】
本実施形態では、演算回路ＯＣは、定常電流値ｉｗ２を算出するために、図７に示す溶接条件データベースＤＢ２を用いる。溶接条件データベースＤＢ２も、図３に示した溶接条件データベースＤＢ１と同様、事前の実験等により予め作成されたものである。
【００６６】
溶接条件データベースＤＢ２には、キーホール形成時間ΔＴ、キーホールＫＨを貫通するまでに流すアーク電流Ｉｗの電流値（初期電流値ｉｗ１）、プラズマガスＰＧの種類および流量、被溶接物Ｗの種類および厚さ、溶接速度Ｖｐ、に応じた最適な定常電流値ｉｗ２が、リスト化されている。
【００６７】
次に、図８をさらに用いて本実施形態における動作の一例について説明する。図８（ａ）〜（ｆ）は、図４（ａ）〜（ｆ）と同様である。図８（ｇ）はアーク電流Ｉｗの電流値の時間変化について示す。図８に示す時刻ｔ１〜ｔ３の間の動作は、図４に示す時刻ｔ１〜ｔ３の間の動作と同様であるから説明を省略し、時刻ｔ３以降について説明する。なお、図８（ｇ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ３までは、アーク電流Ｉｗが初期電流値ｉｗ１流れている。
【００６８】
＜時刻ｔ３〜ｔ４＞
時刻ｔ３において、同図（ｃ）に示すように、成形電圧信号Ｖｆとキーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓとの差が予め定めた基準値Ｂｔｈ２以上となる。この時、比較回路ＣＭ２は、キーホールＫＨが貫通したと判断する。すると同図（ｆ）に示すように、比較回路ＣＭ２は、キーホール貫通信号Ｃｍ２を、キーホール形成時間算出回路２３４と動作制御回路３１とに出力する。
【００６９】
キーホール形成時間算出回路２３４は、キーホール貫通信号Ｃｍ２を受けると、キーホール貫通信号Ｃｍ２が入力された時刻ｔ３と、出力開始信号Ｏｎが入力された時刻ｔ１との時間差を計算する。当該時間差は、キーホール形成時間ΔＴである。そしてキーホール形成時間算出回路２３４は、キーホール形成時間ΔＴに対応するキーホール形成時間信号ＫＴを演算回路ＯＣに出力する。
【００７０】
キーホール形成時間信号ＫＴが演算回路ＯＣに出力される当該工程までも、上述の実施形態と同様である。
【００７１】
演算回路ＯＣは、キーホール形成時間信号ＫＴを受けると、以下の処理を行い、実行しようとしているプラズマキーホール溶接に最適な定常電流値ｉｗ２を算出する。
【００７２】
図７に示すように、演算回路ＯＣは、溶接条件データベースＤＢ２を用いて、キーホール形成時間ΔＴと、実行しようとしているプラズマキーホール溶接における諸情報（初期電流値ｉｗ１、プラズマガスＰＧの種類および流量、被溶接物Ｗの種類および厚さ、溶接速度Ｖｐ）とに基づき、最適な定常電流値ｉｗ２を算出する。
【００７３】
具体例として図７に示す、初期電流値ｉｗ１の値が２００Ａ、プラズマガスＰＧがＡｒ、プラズマガスＰＧの流量が２．０Ｌ／ｍｉｎ、被溶接物Ｗがアルミニウム、被溶接物Ｗの厚さが６ｍｍ、溶接速度Ｖｐが２５ｃｍ／ｍｉｎである場合について述べる。この場合にキーホール形成時間ΔＴがたとえば１３ｓｅｃであれば、演算回路ＯＣは、溶接条件デーベースＤＢ２により、最適な定常電流値ｉｗ２は、２００Ａであると算出する。同様に、キーホール形成時間ΔＴがたとえば１７ｓｅｃであれば、演算回路ＯＣは、最適な定常電流値ｉｗ２は、２２０Ａであると算出する。
【００７４】
このように演算回路ＯＣは、キーホール形成時間ΔＴに基づき、最適な定常電流値ｉｗ２を算出できる。そして演算回路ＯＣは、算出された定常電流値ｉｗ２に対応する電流信号ｉｓを、動作制御回路３１に出力する。
【００７５】
＜時刻ｔ４以降＞
動作制御回路３１は、比較回路ＣＭ２からのキーホール貫通信号Ｃｍ２を受けると、マニピュレータ１２にトーチ移動開始信号Ｓｔを出力する。これにより、時刻ｔ４において、溶接トーチ１１の被溶接物Ｗの面内方向に沿う移動が開始される。すなわち、本発明でいう定常溶接状態が開始される。また、動作制御回路３１は、出力制御回路２１に、演算回路ＯＣにより算出された定常電流値ｉｗ２でアーク電流Ｉｗが流れるよう、電流設定信号Ｉｓを出力する。その後、図８（ｇ）に示すように、アーク電流Ｉｗは、定常電流値ｉｗ２で流れることとなる。
【００７６】
本実施形態によれば、上述の実施形態と同様に、時間計測回路２３により計測されるキーホール形成時間ΔＴは、たとえばプラズマキーホール溶接装置Ａ３の周囲の温度、および被溶接物Ｗの温度、等のプラズマキーホール溶接を行う場合ごとに異なる個別条件を、反映したものである。そのため演算回路ＯＣにより算出される定常電流値ｉｗ２は、当該個別条件を反映したキーホール形成時間ΔＴに基づく。すなわち、定常電流値ｉｗ２は、当該プラズマキーホール溶接を行う際に適した値であるといえる。その結果、プラズマキーホール溶接を行う前に、そのプラズマキーホール溶接に最適な溶接条件を決定するため多くの予備実験を行う必要がなくなる。これにより、プラズマキーホール溶接を行う作業効率が向上する。
【００７７】
時間計測回路２３は、絶対値演算回路２３１とローパスフィルタ２３２とを備える。そのため本実施形態によれば、アーク電圧Ｖｗが、交流電圧、交流パルス電圧、直流電圧、直流パルス電圧のいずれの場合であっても、適切にキーホールＫＨが貫通した時刻ｔ３を計測できる。そのため、アーク電圧Ｖｗが、交流電圧、交流パルス電圧、直流電圧、直流パルス電圧のいずれの場合であっても、適切にキーホール形成時間ΔＴを計測することができ、上述のように、プラズマキーホール溶接を行う作業効率が向上する。
【００７８】
電圧変動検出回路２３３は、微分回路ＢＶを備える。そのため本実施形態によれば、キーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓを一定値に定める必要がなく、個々の溶接状態に適したキーホール形成開始基準電圧信号Ｖｓを設定できる。これにより、より適切にキーホール形成時間ΔＴを計測することができる。
【００７９】
図９を用いて、本発明の第４実施形態について説明する。なお、同図において、上記実施形態と同一または類似の要素には、上記実施形態と同一の符号を付している。図９は、第４実施形態にかかるプラズマキーホール溶接装置の構成を示す図である。同図に示されたプラズマキーホール溶接装置Ａ４は、演算回路ＯＣがロボット制御装置３の構成ではなく、溶接電源２の構成である点において、第３実施形態にかかるプラズマキーホール溶接装置Ａ３と相違する。
【００８０】
本実施形態においても、第３実施形態と同様の利点を有する。また本実施形態によれば、同一の溶接電源２を、様々な種類のロボット制御装置３に用いることができるといったメリットもある。
【００８１】
本発明の範囲は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。たとえば上述の説明では、演算回路ＯＣが溶接速度Ｖｐおよび定常電流値ｉｗ２のいずれかを算出する例を示したが、演算回路ＯＣが、溶接速度Ｖｐおよび定常電流値ｉｗ２のいずれをも算出する構成を採用してもよい。アーク電圧Ｖｗがたとえば直流電圧である場合には、時間計測回路２３は、絶対値演算回路２３１およびローパスフィルタ２３２を備えている必要はない。
【００８２】
また、キーホール形成時間算出回路２３４が溶接電源２の構成ではなく、ロボット制御装置３の構成であってもよい。
【００８３】
また、演算回路ＯＣにより算出された溶接速度Ｖｐもしくは定常電流値ｉｗ２が、不適当な値であれば、ティーチペンダントＴＰにエラーメッセージを表示させる構成を採用してもよい。
【００８４】
プラズマキーホール形成時間ΔＴを時刻ｔ１〜ｔ３の期間とすることが、プラズマキーホール形成時間ΔＴを正確に計測するのに適するが、仮にプラズマキーホール形成時間ΔＴを時刻ｔ２〜ｔ３とした場合であっても、本発明の範囲には含まれる。
【符号の説明】
【００８５】
Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４ プラズマキーホール溶接装置
１１ 溶接トーチ
１１１ ノズル
１１２ プラズマ電極
１２ マニピュレータ
２ 溶接電源
２１ 出力制御回路（電流制御手段）
２２ アーク電圧検出回路（アーク電圧検出手段）
２３ 時間計測回路（時間計測手段）
２３１ 絶対値演算回路
２３２ ローパスフィルタ
２３３ 電圧変動検出回路（電圧変動検出手段）
２３４ キーホール形成時間算出回路
３ ロボット制御装置
３１ 動作制御回路（動作制御手段）
ＢＶ 微分回路
Ｂｖ 電圧微分信号
Ｂｔｈ１ （第１の）基準値
Ｂｔｈ２ （第２の）基準値
ＣＭ１ 比較回路
Ｃｍ１ キーホール形成開始信号
ＣＭ２ 比較回路（キーホール貫通判断手段）
Ｃｍ２ キーホール貫通信号
ＤＢ１，ＤＢ２ 溶接条件データベース
Ｉｗ アーク電流
Ｉｓ 電流設定信号
ｉｗ１ 初期電流値
ｉｗ２ 定常電流値
ｉｓ 電流信号
ＫＨ キーホール
ＫＴ キーホール形成時間信号
Ｍｃ 動作制御信号
Ｏｎ 出力開始信号
ＯＣ 演算回路（演算手段）
ＰＡ プラズマアーク
ＰＧ プラズマガス
Ｓｔ 溶接開始信号
ＴＰ ティーチペンダント
Ｖｐ 溶接速度（定常速度）
ＶＳ キーホール形成開始基準電圧設定回路
Ｖｓ キーホール形成開始基準電圧信号
Ｖｗ アーク電圧
Ｖａ 電圧絶対値信号
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖｆ 成形電圧信号
ｖｐ 速度信号
Ｗ 被溶接物
ΔＴ キーホール形成時間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ電極と被溶接物との間にプラズマアークを発生させ、キーホールを形成および貫通させることにより溶接を開始するプラズマキーホール溶接装置であって、
定常溶接状態において定常電流値で上記プラズマ電極と上記被溶接物との間にアーク電流を流す電流制御手段と、
上記定常溶接状態において、上記プラズマ電極を、上記被溶接物の面内方向に沿って定常速度で上記被溶接物に対して相対移動させる動作制御手段と、
溶接を開始する際に上記キーホールを貫通させるのに要したキーホール形成時間を計測する時間計測手段と、
上記キーホール形成時間に基づいて、上記定常速度および上記定常電流値の少なくともいずれかを算出する演算手段と、を備えることを特徴とする、プラズマキーホール溶接装置。
【請求項２】
上記演算手段は、上記定常速度および上記定常電流値のうち上記定常速度のみを算出する、請求項１に記載のプラズマキーホール溶接装置。
【請求項３】
上記プラズマ電極を保持する溶接トーチと、
上記トーチを上記被溶接物に対して相対移動させるマニピュレータと、
上記マニピュレータを制御し、且つ、上記動作制御手段と上記演算手段とを含むロボット制御装置と、を更に備える、請求項１または２に記載のプラズマキーホール溶接装置。
【請求項４】
上記電流制御手段と上記演算手段とを含む溶接電源を更に備える、請求項１または２に記載のプラズマキーホール溶接装置。
【請求項５】
上記プラズマ電極と上記被溶接物との間のアーク電圧を検出するアーク電圧検出手段を更に備え、
上記時間計測手段は、検出された上記アーク電圧の変動を検出する電圧変動検出手段を含む、請求項１ないし４のいずれかに記載のプラズマキーホール溶接装置。
【請求項６】
上記電圧変動検出手段は、
上記アーク電圧の時間微分値を計算する微分回路と、
上記時間微分値と第１の基準値とを比較し、キーホール形成開始信号を出力する比較回路と、
上記キーホール形成開始信号が入力され、且つ、上記キーホール形成開始信号が入力された時の上記アーク電圧をキーホール形成開始基準電圧と設定するキーホール形成開始基準電圧設定回路と、
上記アーク電圧と上記キーホール形成開始基準電圧との差が第２の基準値を超えた場合に上記キーホールが貫通したと判断するキーホール貫通判断手段と、を含む、請求項５に記載のプラズマキーホール溶接装置。
【請求項７】
上記時間計測手段は、上記アーク電圧の絶対値を演算し、演算結果を上記電圧変動検出手段に出力する絶対値演算回路を更に含む、請求項５または６のいずれかに記載のプラズマキーホール溶接装置。
【請求項８】
上記時間計測手段は、上記アーク電圧の高周波成分を除去し、演算結果を上記電圧変動検出手段に出力するローパスフィルタを更に含む、請求項５ないし７のいずれかに記載のプラズマキーホール溶接装置。
【請求項９】
プラズマ電極と被溶接物との間にプラズマアークを発生させ、キーホールを形成および貫通させるキーホール開始工程と、
上記プラズマ電極と上記被溶接物との間に定常電流値のアーク電流を流し、且つ、上記プラズマ電極を、上記被溶接物の面内方向に沿って定常速度で上記被溶接物に対して相対移動させる定常溶接工程と、を備えるプラズマキーホール溶接方法であって、
溶接を開始する際に上記キーホールを貫通させるのに要したキーホール形成時間を計測する工程と、
上記キーホール形成時間に基づいて、上記定常速度および上記定常電流値の少なくともいずれかを算出する演算工程と、を更に備えることを特徴とする、プラズマキーホール溶接方法。
【請求項１０】
上記演算工程においては、上記定常速度および上記定常電流値のうち上記定常速度のみを算出する、請求項９に記載のプラズマキーホール溶接方法。
【請求項１１】
上記プラズマ電極と上記被溶接物との間のアーク電圧を検出するアーク電圧検出工程を更に備え、
上記キーホール形成時間を計測する工程は、検出された上記アーク電圧の変動を検出する電圧変動検出工程を含む、請求項１０に記載のプラズマキーホール溶接方法。
【請求項１２】
上記電圧変動検出工程は、
上記アーク電圧の時間微分値を計算する微分工程と、
上記時間微分値と第１の基準値とを比較し、キーホール形成開始信号を出力する比較工程と、
上記キーホール形成開始信号を入力し、且つ、上記キーホール形成開始信号を入力した時の上記アーク電圧をキーホール形成開始基準電圧と設定するキーホール形成開始基準電圧設定工程と、
上記アーク電圧と上記キーホール形成開始基準電圧との差が第２の基準値を超えた場合に上記キーホールが貫通したと判断するキーホール貫通判断工程と、を含む、請求項１１に記載のプラズマキーホール溶接方法。
【請求項１３】
上記キーホール形成時間を計測する工程は、上記アーク電圧の絶対値を演算し、演算結果を出力する工程を更に含み、
上記電圧変動検出工程は、上記演算結果に基づき実行する、請求項１１または１２に記載のプラズマキーホール溶接方法。
【請求項１４】
上記キーホール形成時間を計測する工程は、上記アーク電圧の高周波成分を除去する工程を更に含み、
上記電圧変動検出工程は、高周波成分が除去された上記アーク電圧に基づき実行する、請求項１１ないし１３のいずれかに記載のプラズマキーホール溶接方法。
【請求項１】
プラズマ電極と被溶接物との間にプラズマアークを発生させ、キーホールを形成および貫通させることにより溶接を開始するプラズマキーホール溶接装置であって、
定常溶接状態において定常電流値で上記プラズマ電極と上記被溶接物との間にアーク電流を流す電流制御手段と、
上記定常溶接状態において、上記プラズマ電極を、上記被溶接物の面内方向に沿って定常速度で上記被溶接物に対して相対移動させる動作制御手段と、
溶接を開始する際に上記キーホールを貫通させるのに要したキーホール形成時間を計測する時間計測手段と、
上記キーホール形成時間に基づいて、上記定常速度および上記定常電流値の少なくともいずれかを算出する演算手段と、を備えることを特徴とする、プラズマキーホール溶接装置。
【請求項２】
上記演算手段は、上記定常速度および上記定常電流値のうち上記定常速度のみを算出する、請求項１に記載のプラズマキーホール溶接装置。
【請求項３】
上記プラズマ電極を保持する溶接トーチと、
上記トーチを上記被溶接物に対して相対移動させるマニピュレータと、
上記マニピュレータを制御し、且つ、上記動作制御手段と上記演算手段とを含むロボット制御装置と、を更に備える、請求項１または２に記載のプラズマキーホール溶接装置。
【請求項４】
上記電流制御手段と上記演算手段とを含む溶接電源を更に備える、請求項１または２に記載のプラズマキーホール溶接装置。
【請求項５】
上記プラズマ電極と上記被溶接物との間のアーク電圧を検出するアーク電圧検出手段を更に備え、
上記時間計測手段は、検出された上記アーク電圧の変動を検出する電圧変動検出手段を含む、請求項１ないし４のいずれかに記載のプラズマキーホール溶接装置。
【請求項６】
上記電圧変動検出手段は、
上記アーク電圧の時間微分値を計算する微分回路と、
上記時間微分値と第１の基準値とを比較し、キーホール形成開始信号を出力する比較回路と、
上記キーホール形成開始信号が入力され、且つ、上記キーホール形成開始信号が入力された時の上記アーク電圧をキーホール形成開始基準電圧と設定するキーホール形成開始基準電圧設定回路と、
上記アーク電圧と上記キーホール形成開始基準電圧との差が第２の基準値を超えた場合に上記キーホールが貫通したと判断するキーホール貫通判断手段と、を含む、請求項５に記載のプラズマキーホール溶接装置。
【請求項７】
上記時間計測手段は、上記アーク電圧の絶対値を演算し、演算結果を上記電圧変動検出手段に出力する絶対値演算回路を更に含む、請求項５または６のいずれかに記載のプラズマキーホール溶接装置。
【請求項８】
上記時間計測手段は、上記アーク電圧の高周波成分を除去し、演算結果を上記電圧変動検出手段に出力するローパスフィルタを更に含む、請求項５ないし７のいずれかに記載のプラズマキーホール溶接装置。
【請求項９】
プラズマ電極と被溶接物との間にプラズマアークを発生させ、キーホールを形成および貫通させるキーホール開始工程と、
上記プラズマ電極と上記被溶接物との間に定常電流値のアーク電流を流し、且つ、上記プラズマ電極を、上記被溶接物の面内方向に沿って定常速度で上記被溶接物に対して相対移動させる定常溶接工程と、を備えるプラズマキーホール溶接方法であって、
溶接を開始する際に上記キーホールを貫通させるのに要したキーホール形成時間を計測する工程と、
上記キーホール形成時間に基づいて、上記定常速度および上記定常電流値の少なくともいずれかを算出する演算工程と、を更に備えることを特徴とする、プラズマキーホール溶接方法。
【請求項１０】
上記演算工程においては、上記定常速度および上記定常電流値のうち上記定常速度のみを算出する、請求項９に記載のプラズマキーホール溶接方法。
【請求項１１】
上記プラズマ電極と上記被溶接物との間のアーク電圧を検出するアーク電圧検出工程を更に備え、
上記キーホール形成時間を計測する工程は、検出された上記アーク電圧の変動を検出する電圧変動検出工程を含む、請求項１０に記載のプラズマキーホール溶接方法。
【請求項１２】
上記電圧変動検出工程は、
上記アーク電圧の時間微分値を計算する微分工程と、
上記時間微分値と第１の基準値とを比較し、キーホール形成開始信号を出力する比較工程と、
上記キーホール形成開始信号を入力し、且つ、上記キーホール形成開始信号を入力した時の上記アーク電圧をキーホール形成開始基準電圧と設定するキーホール形成開始基準電圧設定工程と、
上記アーク電圧と上記キーホール形成開始基準電圧との差が第２の基準値を超えた場合に上記キーホールが貫通したと判断するキーホール貫通判断工程と、を含む、請求項１１に記載のプラズマキーホール溶接方法。
【請求項１３】
上記キーホール形成時間を計測する工程は、上記アーク電圧の絶対値を演算し、演算結果を出力する工程を更に含み、
上記電圧変動検出工程は、上記演算結果に基づき実行する、請求項１１または１２に記載のプラズマキーホール溶接方法。
【請求項１４】
上記キーホール形成時間を計測する工程は、上記アーク電圧の高周波成分を除去する工程を更に含み、
上記電圧変動検出工程は、高周波成分が除去された上記アーク電圧に基づき実行する、請求項１１ないし１３のいずれかに記載のプラズマキーホール溶接方法。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−６７８４５（Ｐ２０１１−６７８４５Ａ）
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２１８６４（Ｐ２００９−２２１８６４）
【出願日】平成２１年９月２８日（２００９．９．２８）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月７日（２０１１．４．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月２８日（２００９．９．２８）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
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