消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法
【課題】短絡を伴う消耗電極アーク溶接におけるくびれ検出制御方法において、くびれ検出精度を向上させる。
【解決手段】本発明は、短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれ現象を消耗電極・母材間の電圧値又は抵抗値の変化がくびれ検出基準値Ｖｔｎに達したことによって検出し溶接電流を急減させる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、くびれ検出時間を短絡ごとに検出し、現時点から過去所定個数分のくびれ検出時間を記憶（ＭＴ）し、記憶された各くびれ検出時間Ｍｔが最小値以下である個数が最小値個数以上のときはくびれ検出基準値Ｖｔｎを増減値ΔＦだけ減少させ、記憶された各くびれ検出時間Ｍｔが最大値以上である個数が最大値個数以上のときはくびれ検出基準値Ｖｔｎを増減値ΔＦだけ増加させてくびれ検出基準値Ｖｔｎを適正化する。
【解決手段】本発明は、短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれ現象を消耗電極・母材間の電圧値又は抵抗値の変化がくびれ検出基準値Ｖｔｎに達したことによって検出し溶接電流を急減させる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、くびれ検出時間を短絡ごとに検出し、現時点から過去所定個数分のくびれ検出時間を記憶（ＭＴ）し、記憶された各くびれ検出時間Ｍｔが最小値以下である個数が最小値個数以上のときはくびれ検出基準値Ｖｔｎを増減値ΔＦだけ減少させ、記憶された各くびれ検出時間Ｍｔが最大値以上である個数が最大値個数以上のときはくびれ検出基準値Ｖｔｎを増減値ΔＦだけ増加させてくびれ検出基準値Ｖｔｎを適正化する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短絡期間中の溶滴のくびれ現象を検出して溶接電流を急減させて溶接品質を向上させるための消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図４は、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを繰り返す消耗電極アーク溶接における電流・電圧波形及び溶滴移行を示す図である。同図（Ａ）は消耗電極（以下、溶接ワイヤ１という）を通電する溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接ワイヤ１・母材２間に印加する溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）〜（Ｅ）は溶滴１ａの移行の様子を示す。以下、同図を参照して説明する。
【０００３】
時刻ｔ１〜ｔ３の短絡期間Ｔｓ中は溶接ワイヤ１先端の溶滴１ａが母材２と短絡した状態にあり、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは次第に増加し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは短絡状態にあるために数Ｖ程度の低い値となる。同図（Ｃ）に示すように、時刻ｔ１において溶滴１ａが母材２と接触して短絡状態に入る。その後、同図（Ｄ）に示すように、溶滴１ａを通電する溶接電流Ｉｗによる電磁的ピンチ力によって溶滴１ａ上部にくびれ１ｂが発生する。そしてこのくびれ１ｂが急速に進行して、時刻ｔ３において同図（Ｅ）に示すように、溶滴１ａは溶接ワイヤ１から溶融池２ａへと移行しアーク３が再発生する。
【０００４】
上記のくびれ現象が発生すると、数百μｓ程度の極短時間後に短絡が開放されてアーク３が再発生する。すなわち、このくびれ現象は短絡開放の前兆現象となる。くびれ１ｂが発生すると、溶接電流Ｉｗの通電路がくびれ部分で狭くなるために、くびれ部分の抵抗値が増大する。この抵抗値の増大は、くびれが進行してくびれ部分がより狭くなるほど大きくなる。したがって、短絡期間Ｔｓ中において溶接ワイヤ１・母材２間の抵抗値の変化を検出することでくびれ現象の発生及び進行を検出することができる。この抵抗値の変化は、溶接電圧Ｖｗ／溶接電流Ｉｗによって算出することができる。また、上述したように、くびれ発生時間は極短時間であるために、同図（Ａ）に示すように、この期間中の溶接電流Ｉｗの変化は小さい。このために、抵抗値の変化に代えて溶接電圧Ｖｗの変化によってもくびれ現象の発生を検出することができる。具体的なくびれ検出方法としては、短絡期間Ｔｓ中の抵抗値又は溶接電圧値Ｖｗの変化率（微分値）を算出し、この変化率が予め定めたくびれ検出基準値に達したことによってくびれ検出を行う方法がある。また、他の方法として、同図（Ｂ）に示すように、短絡期間Ｔｓ中のくびれ発生前の安定した短絡電圧値Ｖｓからの電圧上昇値ΔＶを算出し、時刻ｔ２においてこの電圧上昇値ΔＶが予め定めたくびれ検出基準値Ｖtnに達したことによってくびれ検出を行う方法がある。以下の説明では、くびれ検出方法が上記の電圧上昇値ΔＶによる場合について説明するが、従来から種々提案されている他の方法であっても良い。時刻ｔ３のアーク再発生の検出は、溶接電圧Ｖｗが短絡／アーク判別値Ｖta以上になったことを判別して簡単に行うことができる。ちなみに、Ｖｗ＜Ｖtaの期間が短絡期間Ｔｓとなり、Ｖｗ≧Ｖtaの期間がアーク期間Ｔａとなる。時刻ｔ２〜ｔ３のくびれ発生を検出してからアーク再発生までの時間を、以下くびれ検出時間Ｔｎと呼ぶことにする。時刻ｔ３においてアークが再発生すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは急上昇した後になだらかに減少し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数十Ｖ程度のアーク電圧値になる。時刻ｔ３〜ｔ４のアーク期間Ｔａ中は、溶接ワイヤ１先端が溶融されて溶滴１ａが形成される。以後、時刻ｔ１〜ｔ４の期間の動作を繰り返す。
【０００５】
上述した短絡を伴う溶接では、時刻ｔ３においてアーク３が再発生したときのアーク再発生時電流値Ｉａが大電流値であると、アーク３から溶融池２ａへのアーク力が急峻に大きくなり、大量のスパッタが発生する。すなわち、アーク再発生時電流値Ｉａの値に略比例してスパッタ発生量が増加する。したがって、スパッタの発生を抑制するためには、このアーク再発生時電流値Ｉａを小さくする必要がある。このための方法として、上記のくびれ現象の発生を検出して溶接電流Ｉｗを急減させてアーク再発生時電流値Ｉａを小さくするくびれ検出制御方法を付加した溶接電源が従来から種々提案されている。以下、この従来技術について説明する。
【０００６】
図５は、従来技術のくびれ検出制御方法を採用した溶接電源のブロック図である。溶接電源ＰＳは、一般的な消耗電極アーク溶接用の溶接電源である。トランジスタＴＲは出力に直列に挿入され、それと並列に抵抗器Ｒが接続されている。くびれ検出制御回路ＮＤは、溶接電圧Ｖｗを入力として短絡期間中に溶滴にくびれが発生したことを電圧の上昇によって検出するとＨｉｇｈレベルとなるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。このくびれ検出制御回路ＮＤの詳細は、図７で後述する。駆動回路ＤＲは、このくびれ検出信号ＮｄがＬｏｗレベルのとき（非くびれ検出時）は上記のトランジスタＴＲをオン状態にする駆動信号Ｄｒを出力する。したがって、上記のトランジスタＴＲは、上記のくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルのとき（くびれ検出時）はオフ状態になる。
【０００７】
図６は、上記の溶接電源の各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの、同図（Ｃ）はくびれ検出信号Ｎｄの、同図（Ｄ）は駆動信号Ｄｒの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【０００８】
同図において、時刻ｔ２〜ｔ３のくびれ検出時間Ｔｎ以外の期間は、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルであるので、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになる。この結果、トランジスタＴＲはオン状態になるので、通常の消耗電極アーク溶接用の溶接電源と同一の動作となる。
【０００９】
時刻ｔ２において、同図（Ｂ）に示すように、短絡期間Ｔｓ中に溶接電圧Ｖｗが上昇して電圧上昇値ΔＶが予め定めたくびれ検出基準値Ｖtn以上になったことを検出して溶滴にくびれが発生したと判別すると、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになる。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＬｏｗレベルになるので、トランジスタＴＲはオフ状態になる。この結果、抵抗器Ｒが溶接電流Ｉｗの通電路に挿入される。この抵抗器Ｒの値は短絡負荷（数十mΩ）の１０倍以上大きな値に設定されるために、同図（Ａ）に示すように、溶接電源内の直流リアクトル及びケーブルのリアクトルに蓄積されたエネルギーが急放電されて溶接電流Ｉｗは急激に減少する。時刻ｔ３において、短絡が開放されてアークが再発生すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗが予め定めた短絡／アーク判別値Ｖta以上になる。これを検出して、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルになり、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになる。この結果、トランジスタＴＲはオン状態になり、通常の消耗電極アーク溶接の制御となる。この動作によって、アーク再発生時（時刻ｔ３）のアーク再発生時電流値Ｉａを小さくすることができ、スパッタの発生を抑制することができる。
【００１０】
図７は、図５で上述した溶接電源におけるくびれ検出制御回路ＮＤの詳細なブロック図である。以下、同図を参照して説明する。
【００１１】
同図では、溶接電圧Ｖｗを入力とし、くびれ検出基準値Ｖtnを適正化してくびれ現象を検出して、くびれ検出信号Ｎｄを出力する。溶接電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する。電圧上昇値検出回路ＤＶは、図４で上述したように、溶接電圧検出信号Ｖｄを入力として短絡期間中の短絡電圧Ｖｓからの電圧上昇値を検出して、電圧上昇値信号ΔＶを出力する。くびれ比較回路ＣＭＮは、この電圧上昇値信号ΔＶと後述するくびれ検出基準値信号Ｖtnとを比較して、ΔＶ≧Ｖtnになった時点で短時間だけＨｉｇｈレベルとなるセット信号Ｓｔを出力する。再アーク比較回路ＣＭＡは、上記の溶接電圧検出信号Ｖｄと予め定めた短絡／アーク判別値Ｖtaとを比較して、Ｖｄ≧Ｖtaになった時点で短時間だけＨｉｇｈレベルとなる再アーク比較信号Ｃmaを出力する。くびれ検出時間比較回路ＣＭＴは、後述するくびれ検出信号Ｎｄを入力としてくびれ検出時間Ｔｎを検出し、このくびれ検出時間Ｔｎが予め定めた最大値Ｔnm以上になった時点で短時間だけＨｉｇｈレベルとなるくびれ検出時間比較信号Ｃmtを出力する。論理和回路ＯＲは、上記の再アーク比較信号Ｃmaと上記のくびれ検出時間比較信号Ｃmtとの論理和を行い、リセット信号Ｒｔを出力する。フリップフロップ回路ＦＦは、上記のセット信号ＳｔがＨｉｇｈレベルに変化するとＨｉｇｈレベルにセットされ、上記のリセット信号ＲｔがＨｉｇｈレベルに変化するとＬｏｗレベルにリセットされるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。すなわち、くびれ検出信号Ｎｄは、くびれ検出時にＨｉｇｈレベルに変化し再アーク時にＬｏｗレベルに戻る。さらに、くびれ検出時間Ｔｎが最大値Ｔnm以上になると再アーク時前でもＬｏｗレベルに戻る。したがって、Ｔｎ≧Ｔnmとなると、上述した図５のトランジスタＴＲがオン状態になり、溶接電流Ｉｗは短絡電流まで増加する。これは、くびれ検出時間Ｔｎが最大値Ｔnm以上になるのはくびれを誤検出している可能性が高いためである。上記においては、くびれ検出方法として電圧上昇値信号ΔＶを使用する場合について説明したが、上述したように、短絡期間中の溶滴部の抵抗値又は溶接電圧値の変化率を使用しても同様である。また、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになったときの電流急減方法については、図５及び図６で上述した方法以外の従来から種々提案されている方法を使用することもできる。
【００１２】
くびれ検出時間算出回路ＴＮＡは、上記のくびれ検出信号Ｎｄを入力として、短絡ごとのくびれ検出時間Ｔｎを算出し、くびれ検出時間算出信号Ｔnaを出力する。このときに、くびれ検出時間算出信号Ｔnaが過去所定回数のくびれ検出時間Ｔｎの移動平均値であっても良い。くびれ検出時間設定回路ＴＮＲは、予め定めたくびれ検出時間設定信号Ｔnrを出力する。誤差増幅回路ＥＡは、上記のくびれ検出時間設定信号Ｔnrと上記のくびれ検出時間算出信号Ｔnaとの誤差を増幅して、誤差増幅信号ΔＥを出力する。くびれ検出基準値設定回路ＶＴＮは、この誤差増幅信号ΔＥを入力として、前回の短絡時のくびれ検出基準値信号Ｖtn(n-1)に誤差増幅信号ΔＥを加算して適正化し、くびれ検出基準値信号Ｖtn(n)＝Ｖtn(n-1)＋ΔＥを出力する。
【００１３】
図８は、上記の誤差増幅回路ＥＡにおける入出力信号の関係図である。横軸は入力信号ΔＴ［μｓ］＝Ｔnr−Ｔnaを示し、縦軸は出力信号ΔＥ［Ｖ］＝Ｇain・ΔＴを示す。増幅率Ｇainは負の数であり、例えばＧain＝−０．０１Ｖ／50μｓ程度である。具体的な数値例を挙げる。くびれ検出時間設定信号Ｔnr＝２５０μｓ及びくびれ検出時間の最大値Ｔnm＝５００μｓに設定すると、くびれ検出時間算出信号Ｔnaの範囲は０〜５００μｓとなる。したがって、入力信号ΔＴ＝−２５０〜＋２５０μｓの範囲となり、出力信号である誤差増幅信号ΔＥ＝＋０．０５〜−０．０５Ｖの範囲となる。また、くびれ検出基準値Ｖtn＝１〜５Ｖ程度の範囲で溶接条件に応じて適正値に設定される。短絡が発生するごとに前回の短絡時のくびれ検出基準値Ｖtn(n-1)に誤差増幅信号ΔＥが加算されて修正される。くびれ検出時間算出信号Ｔnaがくびれ検出時間設定信号Ｔnrよりも小さいときはΔＴ＞０となるのでΔＥ＜０となり、くびれ検出基準値信号Ｖtn(n)は小さくなる。この結果、くびれ検出感度が上がりくびれ検出時間算出信号Ｔnaはくびれ検出時間設定信号Ｔnrに近づく方向へと長くなる。逆に、くびれ検出時間算出信号Ｔnaがくびれ検出時間設定信号Ｔnrよりも大きいときはΔＴ＜０となるのでΔＥ＞０となり、くびれ検出基準値信号Ｖtn(n)は大きくなる。この結果、くびれ検出感度が下がりくびれ検出時間算出信号Ｔnaはくびれ検出時間設定信号Ｔnrに近づく方向へと短くなる。このようにして、くびれ検出基準値信号Ｖtnは適正値へと収束する。
【００１４】
【特許文献１】特開昭５９−２０６１５９号公報
【特許文献２】特開平１−２０５８７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
溶接ワイヤの材質、シールドガスの種類、溶接速度等の種々の溶接条件が変化してもくびれ検出時間Ｔｎの適正値はあまり変化しないが、くびれ検出基準値Ｖtnは大きく変化する。溶接条件以外にも溶接電圧Ｖｗをどの検出点から検出するかによってもくびれ検出基準値Ｖtnは大きく変化する。検出点としては、給電チップ・母材間が理想であるが、実際の検出線配線上の制約から溶接電源の出力端子間であったり、母材側がポジショナの端子であったり、種々のケースがある。
【００１６】
上述した図８において、溶接条件等が変化したときにくびれ検出時間算出信号Ｔnaとくびれ検出時間設定信号Ｔnrとの誤差ΔＴが±２５０μｓ未満の範囲内すなわち最大値又は最小値に張り付いていなければ、誤差増幅信号ΔＥを使用したくびれ検出基準値Ｖtnの適正化処理で問題はない。しかし、誤差ΔＴが最大値又は最小値に達しているときには、その値以上の誤差ΔＴが存在しないために、くびれ検出基準値Ｖtnが適正値から大きく外れている可能性が高い。誤差ΔＴが最小値（−２５０μｓ）であるときは、図９に示すように、くびれ検出時間Ｔｎが最大値Ｔnm（５００μｓ）になったときである。同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ２にくびれを検出して溶接電流Ｉｗを急減させる。時刻ｔ２１においてくびれ検出時間Ｔｎが最大値Ｔnmに達してもアークが再発生しないときは、溶接電流Ｉｗを増加させて短絡電流に戻す。そして、時刻ｔ３においてアークが再発生する。くびれ検出時間Ｔｎに最大値を設けている理由は、くびれ検出時間Ｔｎがあまり長いときはくびれを誤検出している可能性が高いためである。この場合、くびれ検出基準値Ｖtnが小さ過ぎることになる。また、誤差ΔＴが最大値（＋２５０μｓ）であるときは、図１０に示すように、くびれ検出時間Ｔｎが最小値（０μｓ）になったときである。同図（Ａ）に示すように、くびれを検出することなく時刻ｔ３においてアークが再発生する。この場合、くびれ検出基準値Ｖtnが大き過ぎることになる。
【００１７】
上述したように、くびれ検出時間Ｔｎが最大値又は最小値に達した場合、従来の誤差増幅信号ΔＥによるくびれ検出基準値Ｖtnの適正化処理では収束に時間がかかり、その過渡期間中はスパッタが多く発生する。また、場合によってはアーク状態が不安定になり、溶接品質が悪くなることもある。これに対応するために、図８で上述した増幅率Ｇainを高くすると、くびれ検出基準値適正化のための制御系が不安定になる。
【００１８】
そこで、本発明では、くびれ検出時間Ｔｎが最大値又は最小値に達したときでもくびれ検出基準値Ｖtnを迅速に適正値に収束させることができる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上述した課題を解決するために、第１の発明は、消耗電極と母材との間でアーク発生状態と短絡状態とを繰り返す消耗電極アーク溶接にあって、短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれ現象を消耗電極・母材間の電圧値又は抵抗値の変化がくびれ検出基準値に達したことによって検出し、このくびれ現象を検出すると短絡負荷に通電する溶接電流を急減させて低電流値の状態てアークが再発生するように出力制御し、前記くびれ現象検出時点からアーク再発生時点までのくびれ検出時間が設定値になるように前記くびれ検出基準値を適正化する消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、
前記くびれ検出時間を短絡ごとに検出し、現時点から過去所定個数分の前記くびれ検出時間を記憶し、前記記憶された各くびれ検出時間が最小値以下である個数が予め定めた最小値個数以上のときは前記くびれ検出基準値を予め定めた減少値だけ減少させ、前記記憶された各くびれ検出時間が最大値以上である個数が予め定めた最大値個数以上のときは前記くびれ検出基準値を予め定めた増加値だけ増加させる、ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。
【００２０】
また、第２の発明は、第１の発明記載の最小値が０μｓである、ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。
【００２１】
前記記憶された各くびれ検出時間が最小値以下である個数が最小値個数以上のとき又は前記記憶された各くびれ検出時間が最大値以上である個数が最大値個数以上のときは、前記記憶された全てのくびれ検出時間を一旦リセットする、ことを特徴とする第１又は第２の発明記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。
【発明の効果】
【００２２】
上記本発明によれば、記憶されたくびれ検出時間群の中でその値が最小値以下又は最大値以上となる個数が所定個数以上になったときは、くびれ検出基準値を予め定めた減少値又は増加値だけ修正することによって、くびれ検出基準値が適正値から大きくずれていても迅速に適正値に収束させることができる。さらに、くびれ検出基準値のずれが小さいときは修正値の増幅率を小さくしているので、くびれ検出基準値適正化制御系を安定に保つことができる。このために、溶接条件が変化してもくびれ検出基準値を常に適正値に維持することができ、スパッタの発生の少ない良好な溶接品質を得ることができる。
【００２３】
上記第３の発明によれば、上記の効果に加えて、記憶されたくびれ検出時間群の中でその値が最小値以下又は最大値以上となる個数が所定個数以上になったときは、くびれ検出基準値を予め定めた減少値又は増加値だけ修正した後は、上記の記憶されたくびれ検出時間群を全て一旦リセットする。これによって、上記の減少値又は増加値による修正が短絡ごとに連続して行われることがなくなる。このために、くびれ検出基準値の修正が過度になることがなく、制御系はさらに安定化する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２５】
［実施の形態１］
本発明の実施の形態１は、くびれ検出時間Ｔｎを短絡ごとに検出し、現時点から過去所定記憶個数ｍ個のくびれ検出時間Ｔｎを記憶し、記憶された各くびれ検出時間Ｔｎが最小値以下である個数が最小値回数以上のときはくびれ検出基準値Ｖtnを予め定めた減少値ΔＤだけ減少させ、記憶された各くびれ検出時間Ｔｎが最大値以上である個数が最大値回数以上のときはくびれ検出基準値Ｖtnを予め定めた増加値ΔＵだけ増加させる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。以下、この実施の形態１の詳細について説明する。
【００２６】
本発明の実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接電源のブロック図は、上述した図５においてくびれ検出制御回路ＮＤを図１に示すブロック図にしたものである。図１において上述した図７と同一のブロックには同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、同図を参照して図７とは異なる点線で示すブロックについて説明する。
【００２７】
くびれ検出時間群記憶回路ＭＴは、くびれ検出信号Ｎｄを入力として、短絡ごとのくびれ検出時間を検出し現時点から過去所定記憶個数ｍ個のくじれ検出時間群を記憶し、くびれ検出時間群記憶信号Ｍｔを出力する。すなわち、第ｎ回目の短絡が発生した時点で、第ｎ−１回目の短絡時くびれ検出時間Ｔｎ(n-1)、第ｎ−２回目の短絡時くびれ検出時間Ｔｎ(n-2)、…、第ｎ−m回目の短絡時くびれ検出時間Ｔｎ(n-m)のｍ個を記憶する。
【００２８】
超過回数判別回路ＯＣは、上記のくびれ検出時間群記憶信号Ｍｔを入力として、図２のフローチャートに示す処理を行い、増減値信号ΔＦ及び回数超過信号Ｓｏを出力する。以下、図２によって処理内容を説明する。ステップＳＴ１において、上記のくびれ検出時間群記憶信号Ｍｔから記憶個数ｍ個のくびれ検出時間群 （Ｔｎ(n-1)，Ｔｎ(n-2)，…，Ｔｎ(n-m)）を読み込む。ステップＳＴ２において、ｍ個のくびれ検出時間群の中でその値が予め定めた最小値Ｔni以下である個数を計数し、その計数値が予め定めた最小値個数Ｎｉ以上であればステップＳＴ３に進み、未満であればステップＳＴ４へ進む。ステップＳＴ３において、回数超過信号Ｓｏ＝Ｈｉｇｈレベルにセットし、増減値信号ΔＦに予め定めた減少値ΔＤを代入して出力し、処理を数量する。ステップＳＴ４において、ｍ個のくびれ検出時間群の中でその値が予め定めた最大値Ｔnm以上である個数を計数し、その計数値が予め定めた最大値個数Ｎｍ以上であればステップＳＴ５に進み、未満であればステップＳＴ６へ進む。ステップＳＴ５において、回数超過信号Ｓｏ＝Ｈｉｇｈレベルにセットし、増減値信号ΔＦに予め定めた増加値ΔＵを代入して出力し、処理を終了する。ステップＳＴ６において、回数超過信号ＳｏをＬｏｗレベルにセットして出力する。上記の処理を短絡ごとに繰り返す。
【００２９】
また、上記の各値については以下のとおりである。記憶回数ｍは十数回〜数十回程度、最小値Ｔniは０〜数十μｓ程度、最小値個数Ｎｉはｍに対して数％〜数十％程度、減少値ΔＤは０．１〜０．５Ｖ程度である。さらに、最大値Ｔnmは４００〜５００μｓ程度、最大値個数Ｎｍはｍに対して数％〜数十％程度、増加値ΔＵは０．１〜０．５Ｖ程度である。具体的な数値例を示すと、ｍ＝１６、Ｔni＝０μｓ、Ｎｉ＝２回、ΔＤ＝０．５Ｖ、Ｔnm＝５００μｓ、Ｎｍ＝２回及びΔＵ＝０．５Ｖである。これらの設定範囲及び数値例はあくまで一例であり、溶接条件等によって変化する。
【００３０】
切換回路ＳＷは、上記の回数超過信号ＳｏがＬｏｗレベルのときは誤差増幅信号ΔＥを修正値信号ΔＧとして出力し、Ｈｉｇｈレベルのときは上記の増減値信号ΔＦを修正値信号ΔＧとして出力する。くびれ検出基準値設定回路ＶＴＮは、この修正値信号ΔＧを入力として、前回の短絡時のくびれ検出基準値信号Ｖtn(n-1)に修正値信号ΔＧを加算して適正化し、くびれ検出基準値信号Ｖtn(n)＝Ｖtn(n-1)＋ΔＧを出力する。これ以降の動作は上述した図７と同一である。
【００３１】
上述した実施の形態１では、記憶されたｍ個のくびれ検出時間群の中で最小値以下又は最大値以上の個数が所定回数未満のときは図８で上述した誤差増幅信号ΔＥによってくびれ検出基準値Ｖtnを適正化する。このことで、誤差ΔＴが小さいときは増幅率を高くする必要がなく制御系が安定する。他方、記憶されたｍ個のくびれ検出時間群の中で最小値以下又は最大値以上の個数が所定回数以上のときは増減値信号ΔＧによってくびれ検出基準値Ｖtnを適正化する。上述したように、増減値信号ΔＧは、誤差増幅信号ΔＥよりも値が相当に大きいので、くびれ検出基準値Ｖtnが適正値から大きくずれていても速く収束させることができる。
【００３２】
［実施の形態２］
本発明の実施の形態２に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接電源のブロック図は、上述した図５においてくびれ検出制御回路ＮＤを図３に示すブロック図にしたものである。図３において上述した図１と同一のブロックには同一符号を付してしそれらの説明は省略する。以下、同図を参照して図１とは異なる点線で示すブロックについて説明する。
【００３３】
第２くびれ検出時間群記憶回路ＭＴ２は、くびれ検出信号Ｎｄを入力として、短絡ごとのくびれ検出時間を検出し現時点から過去所定記憶個数ｍ個のくびれ検出時間群を記憶し、くびれ検出時間群記憶信号Ｍｔを出力する。さらに、第２くびれ検出時間群記憶回路ＭＴ２は、回数超過信号ＳｏがＨｉｇｈレベルになると記憶されているくびれ検出時間群を全てリセットする。すなわち、第ｎ回目の短絡が発生した時点で、第ｎ−１回目の短絡時くびれ検出時間Ｔｎ(n-1)、第ｎ−２回目の短絡時くびれ検出時間Ｔｎ(n-2)、…、第ｎ−m回目の短絡時くびれ検出時間Ｔｎ(n-m)のｍ個を記憶する。リセットされると、次回の短絡からｍ個のくびれ検出時間を記憶し直す。これによって、増減値信号ΔＦが連続して出力されて、くびれ検出基準値Ｖtnが過度に修正されることを防ぐことができ、さらに制御系の安定性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態１に係るくびれ制御回路ＮＤのブロック図である。
【図２】図１の超過回数判別回路ＯＣの処理内容を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態２に係るくびれ制御回路ＮＤのブロック図である。
【図４】従来技術における消耗電極アーク溶接の電流・電圧波形図である。
【図５】従来技術のくびれ検出制御方法を採用した溶接電源のブロック図である。
【図６】図５の溶接電源の各信号のタイミングチャートである。
【図７】図５のくびれ検出制御回路ＮＤのブロック図である。
【図８】図７の誤差増幅回路ＥＡの入出力信号の関係図である。
【図９】くびれ検出時間が最大値のときの電流・電圧波形図である。
【図１０】くびれ検出時間が最小値のときの電流・電圧波形図である。
【符号の説明】
【００３５】
１ 溶接ワイヤ
１ａ 溶滴
２ 母材
２ａ 溶融池
３ アーク
ＣＭＡ 再アーク比較回路
Ｃma 再アーク比較信号
ＣＭＮ くびれ比較回路
ＣＭＴ くびれ検出時間比較回路
Ｃmt くびれ検出時間比較信号
ＤＲ 駆動回路
Ｄｒ 駆動信号
ＤＶ 電圧上昇値検出回路
ＥＡ 誤差増幅回路
ＦＦ フリップフロップ回路
Ｇain 増幅率
Ｉａ アーク再発生時電流値
Ｉｗ 溶接電流
ｍ 記憶個数
ＭＴ くびれ検出時間群記憶回路
Ｍｔ くびれ検出時間群記憶信号
ＭＴ２ 第２くびれ検出時間群記憶回路
ＮＤ くびれ検出制御回路
Ｎｄ くびれ検出信号
Ｎｉ 最小値個数
Ｎｍ 最大値個数
ＯＣ 超過回数判別回路
ＯＲ 論理和回路
ＰＳ 溶接電源
Ｒ 抵抗器
Ｒｔ リセット信号
Ｓｏ 回数超過信号
Ｓｔ セット信号
ＳＷ 切換回路
Ｔａ アーク期間
Ｔｎ くびれ検出時間
ＴＮＡ くびれ検出時間算出回路
Ｔna くびれ検出時間算出信号
Ｔni （くびれ検出時間の）最小値
Ｔnm （くびれ検出時間の）最大値
ＴＮＲ くびれ検出時間設定回路
Ｔnr くびれ検出時間設定信号
ＴＲ トランジスタ
Ｔｓ 短絡期間
ＶＤ 溶接電圧検出回路
Ｖｄ 溶接電圧検出信号
Ｖｓ 短絡電圧値
Ｖta 短絡／アーク判別値
Ｖtn くびれ検出基準値（信号）
Ｖｗ 溶接電圧
ΔＤ 減少値
ΔＥ 誤差増幅信号
ΔＦ 増減値信号
ΔＧ 修正値信号
ΔＴ 誤差
ΔＵ 増加値
ΔＶ 電圧上昇値（信号）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短絡期間中の溶滴のくびれ現象を検出して溶接電流を急減させて溶接品質を向上させるための消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図４は、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを繰り返す消耗電極アーク溶接における電流・電圧波形及び溶滴移行を示す図である。同図（Ａ）は消耗電極（以下、溶接ワイヤ１という）を通電する溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接ワイヤ１・母材２間に印加する溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）〜（Ｅ）は溶滴１ａの移行の様子を示す。以下、同図を参照して説明する。
【０００３】
時刻ｔ１〜ｔ３の短絡期間Ｔｓ中は溶接ワイヤ１先端の溶滴１ａが母材２と短絡した状態にあり、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは次第に増加し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは短絡状態にあるために数Ｖ程度の低い値となる。同図（Ｃ）に示すように、時刻ｔ１において溶滴１ａが母材２と接触して短絡状態に入る。その後、同図（Ｄ）に示すように、溶滴１ａを通電する溶接電流Ｉｗによる電磁的ピンチ力によって溶滴１ａ上部にくびれ１ｂが発生する。そしてこのくびれ１ｂが急速に進行して、時刻ｔ３において同図（Ｅ）に示すように、溶滴１ａは溶接ワイヤ１から溶融池２ａへと移行しアーク３が再発生する。
【０００４】
上記のくびれ現象が発生すると、数百μｓ程度の極短時間後に短絡が開放されてアーク３が再発生する。すなわち、このくびれ現象は短絡開放の前兆現象となる。くびれ１ｂが発生すると、溶接電流Ｉｗの通電路がくびれ部分で狭くなるために、くびれ部分の抵抗値が増大する。この抵抗値の増大は、くびれが進行してくびれ部分がより狭くなるほど大きくなる。したがって、短絡期間Ｔｓ中において溶接ワイヤ１・母材２間の抵抗値の変化を検出することでくびれ現象の発生及び進行を検出することができる。この抵抗値の変化は、溶接電圧Ｖｗ／溶接電流Ｉｗによって算出することができる。また、上述したように、くびれ発生時間は極短時間であるために、同図（Ａ）に示すように、この期間中の溶接電流Ｉｗの変化は小さい。このために、抵抗値の変化に代えて溶接電圧Ｖｗの変化によってもくびれ現象の発生を検出することができる。具体的なくびれ検出方法としては、短絡期間Ｔｓ中の抵抗値又は溶接電圧値Ｖｗの変化率（微分値）を算出し、この変化率が予め定めたくびれ検出基準値に達したことによってくびれ検出を行う方法がある。また、他の方法として、同図（Ｂ）に示すように、短絡期間Ｔｓ中のくびれ発生前の安定した短絡電圧値Ｖｓからの電圧上昇値ΔＶを算出し、時刻ｔ２においてこの電圧上昇値ΔＶが予め定めたくびれ検出基準値Ｖtnに達したことによってくびれ検出を行う方法がある。以下の説明では、くびれ検出方法が上記の電圧上昇値ΔＶによる場合について説明するが、従来から種々提案されている他の方法であっても良い。時刻ｔ３のアーク再発生の検出は、溶接電圧Ｖｗが短絡／アーク判別値Ｖta以上になったことを判別して簡単に行うことができる。ちなみに、Ｖｗ＜Ｖtaの期間が短絡期間Ｔｓとなり、Ｖｗ≧Ｖtaの期間がアーク期間Ｔａとなる。時刻ｔ２〜ｔ３のくびれ発生を検出してからアーク再発生までの時間を、以下くびれ検出時間Ｔｎと呼ぶことにする。時刻ｔ３においてアークが再発生すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは急上昇した後になだらかに減少し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数十Ｖ程度のアーク電圧値になる。時刻ｔ３〜ｔ４のアーク期間Ｔａ中は、溶接ワイヤ１先端が溶融されて溶滴１ａが形成される。以後、時刻ｔ１〜ｔ４の期間の動作を繰り返す。
【０００５】
上述した短絡を伴う溶接では、時刻ｔ３においてアーク３が再発生したときのアーク再発生時電流値Ｉａが大電流値であると、アーク３から溶融池２ａへのアーク力が急峻に大きくなり、大量のスパッタが発生する。すなわち、アーク再発生時電流値Ｉａの値に略比例してスパッタ発生量が増加する。したがって、スパッタの発生を抑制するためには、このアーク再発生時電流値Ｉａを小さくする必要がある。このための方法として、上記のくびれ現象の発生を検出して溶接電流Ｉｗを急減させてアーク再発生時電流値Ｉａを小さくするくびれ検出制御方法を付加した溶接電源が従来から種々提案されている。以下、この従来技術について説明する。
【０００６】
図５は、従来技術のくびれ検出制御方法を採用した溶接電源のブロック図である。溶接電源ＰＳは、一般的な消耗電極アーク溶接用の溶接電源である。トランジスタＴＲは出力に直列に挿入され、それと並列に抵抗器Ｒが接続されている。くびれ検出制御回路ＮＤは、溶接電圧Ｖｗを入力として短絡期間中に溶滴にくびれが発生したことを電圧の上昇によって検出するとＨｉｇｈレベルとなるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。このくびれ検出制御回路ＮＤの詳細は、図７で後述する。駆動回路ＤＲは、このくびれ検出信号ＮｄがＬｏｗレベルのとき（非くびれ検出時）は上記のトランジスタＴＲをオン状態にする駆動信号Ｄｒを出力する。したがって、上記のトランジスタＴＲは、上記のくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルのとき（くびれ検出時）はオフ状態になる。
【０００７】
図６は、上記の溶接電源の各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの、同図（Ｃ）はくびれ検出信号Ｎｄの、同図（Ｄ）は駆動信号Ｄｒの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【０００８】
同図において、時刻ｔ２〜ｔ３のくびれ検出時間Ｔｎ以外の期間は、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルであるので、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになる。この結果、トランジスタＴＲはオン状態になるので、通常の消耗電極アーク溶接用の溶接電源と同一の動作となる。
【０００９】
時刻ｔ２において、同図（Ｂ）に示すように、短絡期間Ｔｓ中に溶接電圧Ｖｗが上昇して電圧上昇値ΔＶが予め定めたくびれ検出基準値Ｖtn以上になったことを検出して溶滴にくびれが発生したと判別すると、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになる。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＬｏｗレベルになるので、トランジスタＴＲはオフ状態になる。この結果、抵抗器Ｒが溶接電流Ｉｗの通電路に挿入される。この抵抗器Ｒの値は短絡負荷（数十mΩ）の１０倍以上大きな値に設定されるために、同図（Ａ）に示すように、溶接電源内の直流リアクトル及びケーブルのリアクトルに蓄積されたエネルギーが急放電されて溶接電流Ｉｗは急激に減少する。時刻ｔ３において、短絡が開放されてアークが再発生すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗが予め定めた短絡／アーク判別値Ｖta以上になる。これを検出して、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルになり、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになる。この結果、トランジスタＴＲはオン状態になり、通常の消耗電極アーク溶接の制御となる。この動作によって、アーク再発生時（時刻ｔ３）のアーク再発生時電流値Ｉａを小さくすることができ、スパッタの発生を抑制することができる。
【００１０】
図７は、図５で上述した溶接電源におけるくびれ検出制御回路ＮＤの詳細なブロック図である。以下、同図を参照して説明する。
【００１１】
同図では、溶接電圧Ｖｗを入力とし、くびれ検出基準値Ｖtnを適正化してくびれ現象を検出して、くびれ検出信号Ｎｄを出力する。溶接電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して溶接電圧検出信号Ｖｄを出力する。電圧上昇値検出回路ＤＶは、図４で上述したように、溶接電圧検出信号Ｖｄを入力として短絡期間中の短絡電圧Ｖｓからの電圧上昇値を検出して、電圧上昇値信号ΔＶを出力する。くびれ比較回路ＣＭＮは、この電圧上昇値信号ΔＶと後述するくびれ検出基準値信号Ｖtnとを比較して、ΔＶ≧Ｖtnになった時点で短時間だけＨｉｇｈレベルとなるセット信号Ｓｔを出力する。再アーク比較回路ＣＭＡは、上記の溶接電圧検出信号Ｖｄと予め定めた短絡／アーク判別値Ｖtaとを比較して、Ｖｄ≧Ｖtaになった時点で短時間だけＨｉｇｈレベルとなる再アーク比較信号Ｃmaを出力する。くびれ検出時間比較回路ＣＭＴは、後述するくびれ検出信号Ｎｄを入力としてくびれ検出時間Ｔｎを検出し、このくびれ検出時間Ｔｎが予め定めた最大値Ｔnm以上になった時点で短時間だけＨｉｇｈレベルとなるくびれ検出時間比較信号Ｃmtを出力する。論理和回路ＯＲは、上記の再アーク比較信号Ｃmaと上記のくびれ検出時間比較信号Ｃmtとの論理和を行い、リセット信号Ｒｔを出力する。フリップフロップ回路ＦＦは、上記のセット信号ＳｔがＨｉｇｈレベルに変化するとＨｉｇｈレベルにセットされ、上記のリセット信号ＲｔがＨｉｇｈレベルに変化するとＬｏｗレベルにリセットされるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。すなわち、くびれ検出信号Ｎｄは、くびれ検出時にＨｉｇｈレベルに変化し再アーク時にＬｏｗレベルに戻る。さらに、くびれ検出時間Ｔｎが最大値Ｔnm以上になると再アーク時前でもＬｏｗレベルに戻る。したがって、Ｔｎ≧Ｔnmとなると、上述した図５のトランジスタＴＲがオン状態になり、溶接電流Ｉｗは短絡電流まで増加する。これは、くびれ検出時間Ｔｎが最大値Ｔnm以上になるのはくびれを誤検出している可能性が高いためである。上記においては、くびれ検出方法として電圧上昇値信号ΔＶを使用する場合について説明したが、上述したように、短絡期間中の溶滴部の抵抗値又は溶接電圧値の変化率を使用しても同様である。また、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになったときの電流急減方法については、図５及び図６で上述した方法以外の従来から種々提案されている方法を使用することもできる。
【００１２】
くびれ検出時間算出回路ＴＮＡは、上記のくびれ検出信号Ｎｄを入力として、短絡ごとのくびれ検出時間Ｔｎを算出し、くびれ検出時間算出信号Ｔnaを出力する。このときに、くびれ検出時間算出信号Ｔnaが過去所定回数のくびれ検出時間Ｔｎの移動平均値であっても良い。くびれ検出時間設定回路ＴＮＲは、予め定めたくびれ検出時間設定信号Ｔnrを出力する。誤差増幅回路ＥＡは、上記のくびれ検出時間設定信号Ｔnrと上記のくびれ検出時間算出信号Ｔnaとの誤差を増幅して、誤差増幅信号ΔＥを出力する。くびれ検出基準値設定回路ＶＴＮは、この誤差増幅信号ΔＥを入力として、前回の短絡時のくびれ検出基準値信号Ｖtn(n-1)に誤差増幅信号ΔＥを加算して適正化し、くびれ検出基準値信号Ｖtn(n)＝Ｖtn(n-1)＋ΔＥを出力する。
【００１３】
図８は、上記の誤差増幅回路ＥＡにおける入出力信号の関係図である。横軸は入力信号ΔＴ［μｓ］＝Ｔnr−Ｔnaを示し、縦軸は出力信号ΔＥ［Ｖ］＝Ｇain・ΔＴを示す。増幅率Ｇainは負の数であり、例えばＧain＝−０．０１Ｖ／50μｓ程度である。具体的な数値例を挙げる。くびれ検出時間設定信号Ｔnr＝２５０μｓ及びくびれ検出時間の最大値Ｔnm＝５００μｓに設定すると、くびれ検出時間算出信号Ｔnaの範囲は０〜５００μｓとなる。したがって、入力信号ΔＴ＝−２５０〜＋２５０μｓの範囲となり、出力信号である誤差増幅信号ΔＥ＝＋０．０５〜−０．０５Ｖの範囲となる。また、くびれ検出基準値Ｖtn＝１〜５Ｖ程度の範囲で溶接条件に応じて適正値に設定される。短絡が発生するごとに前回の短絡時のくびれ検出基準値Ｖtn(n-1)に誤差増幅信号ΔＥが加算されて修正される。くびれ検出時間算出信号Ｔnaがくびれ検出時間設定信号Ｔnrよりも小さいときはΔＴ＞０となるのでΔＥ＜０となり、くびれ検出基準値信号Ｖtn(n)は小さくなる。この結果、くびれ検出感度が上がりくびれ検出時間算出信号Ｔnaはくびれ検出時間設定信号Ｔnrに近づく方向へと長くなる。逆に、くびれ検出時間算出信号Ｔnaがくびれ検出時間設定信号Ｔnrよりも大きいときはΔＴ＜０となるのでΔＥ＞０となり、くびれ検出基準値信号Ｖtn(n)は大きくなる。この結果、くびれ検出感度が下がりくびれ検出時間算出信号Ｔnaはくびれ検出時間設定信号Ｔnrに近づく方向へと短くなる。このようにして、くびれ検出基準値信号Ｖtnは適正値へと収束する。
【００１４】
【特許文献１】特開昭５９−２０６１５９号公報
【特許文献２】特開平１−２０５８７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
溶接ワイヤの材質、シールドガスの種類、溶接速度等の種々の溶接条件が変化してもくびれ検出時間Ｔｎの適正値はあまり変化しないが、くびれ検出基準値Ｖtnは大きく変化する。溶接条件以外にも溶接電圧Ｖｗをどの検出点から検出するかによってもくびれ検出基準値Ｖtnは大きく変化する。検出点としては、給電チップ・母材間が理想であるが、実際の検出線配線上の制約から溶接電源の出力端子間であったり、母材側がポジショナの端子であったり、種々のケースがある。
【００１６】
上述した図８において、溶接条件等が変化したときにくびれ検出時間算出信号Ｔnaとくびれ検出時間設定信号Ｔnrとの誤差ΔＴが±２５０μｓ未満の範囲内すなわち最大値又は最小値に張り付いていなければ、誤差増幅信号ΔＥを使用したくびれ検出基準値Ｖtnの適正化処理で問題はない。しかし、誤差ΔＴが最大値又は最小値に達しているときには、その値以上の誤差ΔＴが存在しないために、くびれ検出基準値Ｖtnが適正値から大きく外れている可能性が高い。誤差ΔＴが最小値（−２５０μｓ）であるときは、図９に示すように、くびれ検出時間Ｔｎが最大値Ｔnm（５００μｓ）になったときである。同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ２にくびれを検出して溶接電流Ｉｗを急減させる。時刻ｔ２１においてくびれ検出時間Ｔｎが最大値Ｔnmに達してもアークが再発生しないときは、溶接電流Ｉｗを増加させて短絡電流に戻す。そして、時刻ｔ３においてアークが再発生する。くびれ検出時間Ｔｎに最大値を設けている理由は、くびれ検出時間Ｔｎがあまり長いときはくびれを誤検出している可能性が高いためである。この場合、くびれ検出基準値Ｖtnが小さ過ぎることになる。また、誤差ΔＴが最大値（＋２５０μｓ）であるときは、図１０に示すように、くびれ検出時間Ｔｎが最小値（０μｓ）になったときである。同図（Ａ）に示すように、くびれを検出することなく時刻ｔ３においてアークが再発生する。この場合、くびれ検出基準値Ｖtnが大き過ぎることになる。
【００１７】
上述したように、くびれ検出時間Ｔｎが最大値又は最小値に達した場合、従来の誤差増幅信号ΔＥによるくびれ検出基準値Ｖtnの適正化処理では収束に時間がかかり、その過渡期間中はスパッタが多く発生する。また、場合によってはアーク状態が不安定になり、溶接品質が悪くなることもある。これに対応するために、図８で上述した増幅率Ｇainを高くすると、くびれ検出基準値適正化のための制御系が不安定になる。
【００１８】
そこで、本発明では、くびれ検出時間Ｔｎが最大値又は最小値に達したときでもくびれ検出基準値Ｖtnを迅速に適正値に収束させることができる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上述した課題を解決するために、第１の発明は、消耗電極と母材との間でアーク発生状態と短絡状態とを繰り返す消耗電極アーク溶接にあって、短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれ現象を消耗電極・母材間の電圧値又は抵抗値の変化がくびれ検出基準値に達したことによって検出し、このくびれ現象を検出すると短絡負荷に通電する溶接電流を急減させて低電流値の状態てアークが再発生するように出力制御し、前記くびれ現象検出時点からアーク再発生時点までのくびれ検出時間が設定値になるように前記くびれ検出基準値を適正化する消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、
前記くびれ検出時間を短絡ごとに検出し、現時点から過去所定個数分の前記くびれ検出時間を記憶し、前記記憶された各くびれ検出時間が最小値以下である個数が予め定めた最小値個数以上のときは前記くびれ検出基準値を予め定めた減少値だけ減少させ、前記記憶された各くびれ検出時間が最大値以上である個数が予め定めた最大値個数以上のときは前記くびれ検出基準値を予め定めた増加値だけ増加させる、ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。
【００２０】
また、第２の発明は、第１の発明記載の最小値が０μｓである、ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。
【００２１】
前記記憶された各くびれ検出時間が最小値以下である個数が最小値個数以上のとき又は前記記憶された各くびれ検出時間が最大値以上である個数が最大値個数以上のときは、前記記憶された全てのくびれ検出時間を一旦リセットする、ことを特徴とする第１又は第２の発明記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。
【発明の効果】
【００２２】
上記本発明によれば、記憶されたくびれ検出時間群の中でその値が最小値以下又は最大値以上となる個数が所定個数以上になったときは、くびれ検出基準値を予め定めた減少値又は増加値だけ修正することによって、くびれ検出基準値が適正値から大きくずれていても迅速に適正値に収束させることができる。さらに、くびれ検出基準値のずれが小さいときは修正値の増幅率を小さくしているので、くびれ検出基準値適正化制御系を安定に保つことができる。このために、溶接条件が変化してもくびれ検出基準値を常に適正値に維持することができ、スパッタの発生の少ない良好な溶接品質を得ることができる。
【００２３】
上記第３の発明によれば、上記の効果に加えて、記憶されたくびれ検出時間群の中でその値が最小値以下又は最大値以上となる個数が所定個数以上になったときは、くびれ検出基準値を予め定めた減少値又は増加値だけ修正した後は、上記の記憶されたくびれ検出時間群を全て一旦リセットする。これによって、上記の減少値又は増加値による修正が短絡ごとに連続して行われることがなくなる。このために、くびれ検出基準値の修正が過度になることがなく、制御系はさらに安定化する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２５】
［実施の形態１］
本発明の実施の形態１は、くびれ検出時間Ｔｎを短絡ごとに検出し、現時点から過去所定記憶個数ｍ個のくびれ検出時間Ｔｎを記憶し、記憶された各くびれ検出時間Ｔｎが最小値以下である個数が最小値回数以上のときはくびれ検出基準値Ｖtnを予め定めた減少値ΔＤだけ減少させ、記憶された各くびれ検出時間Ｔｎが最大値以上である個数が最大値回数以上のときはくびれ検出基準値Ｖtnを予め定めた増加値ΔＵだけ増加させる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。以下、この実施の形態１の詳細について説明する。
【００２６】
本発明の実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接電源のブロック図は、上述した図５においてくびれ検出制御回路ＮＤを図１に示すブロック図にしたものである。図１において上述した図７と同一のブロックには同一符号を付してそれらの説明は省略する。以下、同図を参照して図７とは異なる点線で示すブロックについて説明する。
【００２７】
くびれ検出時間群記憶回路ＭＴは、くびれ検出信号Ｎｄを入力として、短絡ごとのくびれ検出時間を検出し現時点から過去所定記憶個数ｍ個のくじれ検出時間群を記憶し、くびれ検出時間群記憶信号Ｍｔを出力する。すなわち、第ｎ回目の短絡が発生した時点で、第ｎ−１回目の短絡時くびれ検出時間Ｔｎ(n-1)、第ｎ−２回目の短絡時くびれ検出時間Ｔｎ(n-2)、…、第ｎ−m回目の短絡時くびれ検出時間Ｔｎ(n-m)のｍ個を記憶する。
【００２８】
超過回数判別回路ＯＣは、上記のくびれ検出時間群記憶信号Ｍｔを入力として、図２のフローチャートに示す処理を行い、増減値信号ΔＦ及び回数超過信号Ｓｏを出力する。以下、図２によって処理内容を説明する。ステップＳＴ１において、上記のくびれ検出時間群記憶信号Ｍｔから記憶個数ｍ個のくびれ検出時間群 （Ｔｎ(n-1)，Ｔｎ(n-2)，…，Ｔｎ(n-m)）を読み込む。ステップＳＴ２において、ｍ個のくびれ検出時間群の中でその値が予め定めた最小値Ｔni以下である個数を計数し、その計数値が予め定めた最小値個数Ｎｉ以上であればステップＳＴ３に進み、未満であればステップＳＴ４へ進む。ステップＳＴ３において、回数超過信号Ｓｏ＝Ｈｉｇｈレベルにセットし、増減値信号ΔＦに予め定めた減少値ΔＤを代入して出力し、処理を数量する。ステップＳＴ４において、ｍ個のくびれ検出時間群の中でその値が予め定めた最大値Ｔnm以上である個数を計数し、その計数値が予め定めた最大値個数Ｎｍ以上であればステップＳＴ５に進み、未満であればステップＳＴ６へ進む。ステップＳＴ５において、回数超過信号Ｓｏ＝Ｈｉｇｈレベルにセットし、増減値信号ΔＦに予め定めた増加値ΔＵを代入して出力し、処理を終了する。ステップＳＴ６において、回数超過信号ＳｏをＬｏｗレベルにセットして出力する。上記の処理を短絡ごとに繰り返す。
【００２９】
また、上記の各値については以下のとおりである。記憶回数ｍは十数回〜数十回程度、最小値Ｔniは０〜数十μｓ程度、最小値個数Ｎｉはｍに対して数％〜数十％程度、減少値ΔＤは０．１〜０．５Ｖ程度である。さらに、最大値Ｔnmは４００〜５００μｓ程度、最大値個数Ｎｍはｍに対して数％〜数十％程度、増加値ΔＵは０．１〜０．５Ｖ程度である。具体的な数値例を示すと、ｍ＝１６、Ｔni＝０μｓ、Ｎｉ＝２回、ΔＤ＝０．５Ｖ、Ｔnm＝５００μｓ、Ｎｍ＝２回及びΔＵ＝０．５Ｖである。これらの設定範囲及び数値例はあくまで一例であり、溶接条件等によって変化する。
【００３０】
切換回路ＳＷは、上記の回数超過信号ＳｏがＬｏｗレベルのときは誤差増幅信号ΔＥを修正値信号ΔＧとして出力し、Ｈｉｇｈレベルのときは上記の増減値信号ΔＦを修正値信号ΔＧとして出力する。くびれ検出基準値設定回路ＶＴＮは、この修正値信号ΔＧを入力として、前回の短絡時のくびれ検出基準値信号Ｖtn(n-1)に修正値信号ΔＧを加算して適正化し、くびれ検出基準値信号Ｖtn(n)＝Ｖtn(n-1)＋ΔＧを出力する。これ以降の動作は上述した図７と同一である。
【００３１】
上述した実施の形態１では、記憶されたｍ個のくびれ検出時間群の中で最小値以下又は最大値以上の個数が所定回数未満のときは図８で上述した誤差増幅信号ΔＥによってくびれ検出基準値Ｖtnを適正化する。このことで、誤差ΔＴが小さいときは増幅率を高くする必要がなく制御系が安定する。他方、記憶されたｍ個のくびれ検出時間群の中で最小値以下又は最大値以上の個数が所定回数以上のときは増減値信号ΔＧによってくびれ検出基準値Ｖtnを適正化する。上述したように、増減値信号ΔＧは、誤差増幅信号ΔＥよりも値が相当に大きいので、くびれ検出基準値Ｖtnが適正値から大きくずれていても速く収束させることができる。
【００３２】
［実施の形態２］
本発明の実施の形態２に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接電源のブロック図は、上述した図５においてくびれ検出制御回路ＮＤを図３に示すブロック図にしたものである。図３において上述した図１と同一のブロックには同一符号を付してしそれらの説明は省略する。以下、同図を参照して図１とは異なる点線で示すブロックについて説明する。
【００３３】
第２くびれ検出時間群記憶回路ＭＴ２は、くびれ検出信号Ｎｄを入力として、短絡ごとのくびれ検出時間を検出し現時点から過去所定記憶個数ｍ個のくびれ検出時間群を記憶し、くびれ検出時間群記憶信号Ｍｔを出力する。さらに、第２くびれ検出時間群記憶回路ＭＴ２は、回数超過信号ＳｏがＨｉｇｈレベルになると記憶されているくびれ検出時間群を全てリセットする。すなわち、第ｎ回目の短絡が発生した時点で、第ｎ−１回目の短絡時くびれ検出時間Ｔｎ(n-1)、第ｎ−２回目の短絡時くびれ検出時間Ｔｎ(n-2)、…、第ｎ−m回目の短絡時くびれ検出時間Ｔｎ(n-m)のｍ個を記憶する。リセットされると、次回の短絡からｍ個のくびれ検出時間を記憶し直す。これによって、増減値信号ΔＦが連続して出力されて、くびれ検出基準値Ｖtnが過度に修正されることを防ぐことができ、さらに制御系の安定性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施の形態１に係るくびれ制御回路ＮＤのブロック図である。
【図２】図１の超過回数判別回路ＯＣの処理内容を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態２に係るくびれ制御回路ＮＤのブロック図である。
【図４】従来技術における消耗電極アーク溶接の電流・電圧波形図である。
【図５】従来技術のくびれ検出制御方法を採用した溶接電源のブロック図である。
【図６】図５の溶接電源の各信号のタイミングチャートである。
【図７】図５のくびれ検出制御回路ＮＤのブロック図である。
【図８】図７の誤差増幅回路ＥＡの入出力信号の関係図である。
【図９】くびれ検出時間が最大値のときの電流・電圧波形図である。
【図１０】くびれ検出時間が最小値のときの電流・電圧波形図である。
【符号の説明】
【００３５】
１ 溶接ワイヤ
１ａ 溶滴
２ 母材
２ａ 溶融池
３ アーク
ＣＭＡ 再アーク比較回路
Ｃma 再アーク比較信号
ＣＭＮ くびれ比較回路
ＣＭＴ くびれ検出時間比較回路
Ｃmt くびれ検出時間比較信号
ＤＲ 駆動回路
Ｄｒ 駆動信号
ＤＶ 電圧上昇値検出回路
ＥＡ 誤差増幅回路
ＦＦ フリップフロップ回路
Ｇain 増幅率
Ｉａ アーク再発生時電流値
Ｉｗ 溶接電流
ｍ 記憶個数
ＭＴ くびれ検出時間群記憶回路
Ｍｔ くびれ検出時間群記憶信号
ＭＴ２ 第２くびれ検出時間群記憶回路
ＮＤ くびれ検出制御回路
Ｎｄ くびれ検出信号
Ｎｉ 最小値個数
Ｎｍ 最大値個数
ＯＣ 超過回数判別回路
ＯＲ 論理和回路
ＰＳ 溶接電源
Ｒ 抵抗器
Ｒｔ リセット信号
Ｓｏ 回数超過信号
Ｓｔ セット信号
ＳＷ 切換回路
Ｔａ アーク期間
Ｔｎ くびれ検出時間
ＴＮＡ くびれ検出時間算出回路
Ｔna くびれ検出時間算出信号
Ｔni （くびれ検出時間の）最小値
Ｔnm （くびれ検出時間の）最大値
ＴＮＲ くびれ検出時間設定回路
Ｔnr くびれ検出時間設定信号
ＴＲ トランジスタ
Ｔｓ 短絡期間
ＶＤ 溶接電圧検出回路
Ｖｄ 溶接電圧検出信号
Ｖｓ 短絡電圧値
Ｖta 短絡／アーク判別値
Ｖtn くびれ検出基準値（信号）
Ｖｗ 溶接電圧
ΔＤ 減少値
ΔＥ 誤差増幅信号
ΔＦ 増減値信号
ΔＧ 修正値信号
ΔＴ 誤差
ΔＵ 増加値
ΔＶ 電圧上昇値（信号）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
消耗電極と母材との間でアーク発生状態と短絡状態とを繰り返す消耗電極アーク溶接にあって、短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれ現象を消耗電極・母材間の電圧値又は抵抗値の変化がくびれ検出基準値に達したことによって検出し、このくびれ現象を検出すると短絡負荷に通電する溶接電流を急減させて低電流値の状態てアークが再発生するように出力制御し、前記くびれ現象検出時点からアーク再発生時点までのくびれ検出時間が設定値になるように前記くびれ検出基準値を適正化する消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、
前記くびれ検出時間を短絡ごとに検出し、現時点から過去所定個数分の前記くびれ検出時間を記憶し、前記記憶された各くびれ検出時間が最小値以下である個数が予め定めた最小値個数以上のときは前記くびれ検出基準値を予め定めた減少値だけ減少させ、前記記憶された各くびれ検出時間が最大値以上である個数が予め定めた最大値個数以上のときは前記くびれ検出基準値を予め定めた増加値だけ増加させる、ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
【請求項２】
請求項１記載の最小値が０μｓである、ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
【請求項３】
前記記憶された各くびれ検出時間が最小値以下である個数が最小値個数以上のとき又は前記記憶された各くびれ検出時間が最大値以上である個数が最大値個数以上のときは、前記記憶された全てのくびれ検出時間を一旦リセットする、ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
【請求項１】
消耗電極と母材との間でアーク発生状態と短絡状態とを繰り返す消耗電極アーク溶接にあって、短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれ現象を消耗電極・母材間の電圧値又は抵抗値の変化がくびれ検出基準値に達したことによって検出し、このくびれ現象を検出すると短絡負荷に通電する溶接電流を急減させて低電流値の状態てアークが再発生するように出力制御し、前記くびれ現象検出時点からアーク再発生時点までのくびれ検出時間が設定値になるように前記くびれ検出基準値を適正化する消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、
前記くびれ検出時間を短絡ごとに検出し、現時点から過去所定個数分の前記くびれ検出時間を記憶し、前記記憶された各くびれ検出時間が最小値以下である個数が予め定めた最小値個数以上のときは前記くびれ検出基準値を予め定めた減少値だけ減少させ、前記記憶された各くびれ検出時間が最大値以上である個数が予め定めた最大値個数以上のときは前記くびれ検出基準値を予め定めた増加値だけ増加させる、ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
【請求項２】
請求項１記載の最小値が０μｓである、ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
【請求項３】
前記記憶された各くびれ検出時間が最小値以下である個数が最小値個数以上のとき又は前記記憶された各くびれ検出時間が最大値以上である個数が最大値個数以上のときは、前記記憶された全てのくびれ検出時間を一旦リセットする、ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−２８１２１９（Ｐ２００６−２８１２１９Ａ）
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１００４９４（Ｐ２００５−１００４９４）
【出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
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