消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法
【課題】短絡を伴うグロビュール移行溶接及び短絡を伴うスプレー移行溶接においても、溶滴のくびれの発生を高制度に検出すること。
【解決手段】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の発生を検出し、このくびれの発生を検出すると短絡負荷に通電する溶接電流を減少させてアークを再発生させるように出力制御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、短絡状態中の溶滴移行をＣＣＤカメラＣＭによって所定周期ごとに撮像し、撮像された溶滴移行画像を画像処理回路ＧＣによって処理してくびれの発生を検出する。撮像された溶滴移行画像に同一の判別領域を設定し、この判別領域における溶滴像が占める面積を算出し、この面積が基準値未満になったことを判別することによってくびれの発生を検出する。画像によってくびれを直接的に検出するので、高精度なくびれの検出が可能となる。
【解決手段】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の発生を検出し、このくびれの発生を検出すると短絡負荷に通電する溶接電流を減少させてアークを再発生させるように出力制御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、短絡状態中の溶滴移行をＣＣＤカメラＣＭによって所定周期ごとに撮像し、撮像された溶滴移行画像を画像処理回路ＧＣによって処理してくびれの発生を検出する。撮像された溶滴移行画像に同一の判別領域を設定し、この判別領域における溶滴像が占める面積を算出し、この面積が基準値未満になったことを判別することによってくびれの発生を検出する。画像によってくびれを直接的に検出するので、高精度なくびれの検出が可能となる。
【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ることによって溶接品質を向上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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図６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くびれ検出制御方法を示す波形図である。同図（Ａ）は溶滴のくびれ検出信号Ｎｄを示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗを示し、同図（Ｃ）は溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｄ）は溶滴部の抵抗値の変化率Δｒ＝ｄｒ／ｄｔを示し、同図（Ｅ１）〜（Ｅ３）は溶滴の移行状態を示す。同図はサイリスタ位相制御溶接電源を使用した場合であり、同図（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗには全波整流制御の場合商用周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の６倍の周波数を有する大きなリップルが重畳している。以下、同図を参照して説明する。
【０００３】
時刻ｔ１〜ｔ２のアーク期間Ｔａ中は、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数十Ｖのアーク電圧値となり、同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗはワイヤ送給速度に対応した平均電流値となる。
【０００４】
時刻ｔ２において、同図（Ｅ１）に示すように、アーク期間Ｔａ中に溶接ワイヤ１の先端に形成された溶滴１ａが母材２の溶融池２ａと接触すると短絡期間Ｔｓが開始する。短絡期間Ｔｓが開始すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖの短絡電圧値となり、同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗは時間経過に伴い増加する。この電流通電による電磁的ピンチ力が溶滴１ａに作用して、同図（Ｅ２）に示すように、溶滴１ａにくびれ部１ｂが発生する。このくびれ１ｂが進行して、同図（Ｅ３）に示すように、溶滴１ａは溶融池２ａへと移行し、時刻ｔ３にアーク３が再発生する。したがって、くびれ１ｂの発生はアーク再発生の前兆現象であり、くびれ１ｂ発生から３００〜１０００μｓ後にアークが再発生することが多い。
【０００５】
上述したように、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１ｂで狭くなるために、通電路の抵抗値ｒが大きくなる。この抵抗値ｒはくびれ１ｂの進行に伴い急速に大きくなる。同図（Ｄ）は、この抵抗値ｒの変化率Δｒ＝ｄｒ／ｄｔ＝ｄ（Ｖｗ／Ｉｗ）／ｄｔの波形を示す。くびれ１ｂの進行に伴って抵抗値変化率Δｒが急上昇する。この値Δｒが予め定めたくびれ検出基準値ｒｔを超えたことを時刻ｔ２１に判別すると、同図（Ａ）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（Ｃ）に示すように、溶接電流値Ｉｗを急減させる。この急減のための特別な回路については図７で後述する。そして、時刻ｔ３においてアークが発生した時点における溶接電流値Ｉｗは低い値であるために、スパッタの発生が大幅に減少する。これは、スパッタのほとんどはアーク再発生時に発生し、その発生量はアーク再発生時の電流値の大きさに比例するためである。したがって、消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法とは、短絡期間中の抵抗値変化率Δｒによってくびれ１ｂの進行を検出し、溶接電流Ｉｗを急減させてアーク再発生時の電流値を低い値にして、スパッタ発生を大幅に減少させるものである。上記のくびれ検出信号Ｎｄは、時刻ｔ２１のくびれ検出時点から時刻ｔ３のアーク再発生時点までのくびれ検出期間Ｔｎの間Ｈｉｇｈレベルになる。
【０００６】
図７は、上述したくびれ検出制御方法を採用した溶接装置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サイリスタ位相制御溶接電源である。トランジスタＴＲは出力に直列に挿入され、並列に抵抗器Ｒが接続されている。この抵抗器Ｒの抵抗値は短絡期間の負荷抵抗値数十mΩの１０倍以上の値に設定される。トランジスタＴＲは、上述した図６（Ａ）においてくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルの期間（くびれ検出期間Ｔｎ）のみオフ状態となり、電流通電経路に抵抗器Ｒが挿入される。くびれ検出期間Ｔｎ中は溶接電源の出力が停止された上で抵抗器Ｒが挿入されると、通電経路の抵抗値が１０倍以上に大きくなるために、電源内部の大きな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が急減する。この急減速度は、抵抗器Ｒを挿入していない通常の場合の１０倍以上の速さである。
【０００７】
電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。電流検出回路ＩＤは、溶接電流Ｉｗを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。抵抗値変化率算出回路ΔＲは、これら電圧検出信号Ｖｄ及び電流検出信号Ｉｄを入力として、抵抗値変化率信号Δｒ＝ｄ（Ｖｄ／Ｉｄ）／ｄｔを算出する。くびれ検出回路ＮＤは、この抵抗値変化率信号Δｒと予め定めたくびれ検出基準値ｒｔとを比較して、Δｒ＞ｒｔのときにＨｉｇｈレベルとなるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。駆動回路ＤＲは、このくびれ検出信号Ｎｄを入力として、くびれ検出信号ＮｄがＬｏｗレベルのときに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。トランジスタＴＲがオン状態のときは抵抗器Ｒは短絡されるので溶接電源ＰＳだけの通常の動作となる。
【０００８】
上述したくびれ検出制御方法では、くびれの発生を正確に検出することが重要である。このくびれ検出の精度を決める重要な要因の１つが、上記のくびれ検出基準値ｒｔが適正値に設定されているかにある。くびれ検出基準値ｒｔの適正値は、溶接法、溶接ワイヤの種類、ワイヤ送給速度等の溶接条件に応じて変化する。このために、種々の溶接条件ごとに予め溶接試験を行いその適正値を求めておく必要がある。このくびれ検出基準値ｒｔの設定を自動的に行う方法が従来から提案されている。この従来技術では、図６（Ａ）で上述したくびれ検出期間Ｔｎが目標値になるようにくびれ検出基準値ｒｔを変化させて自動設定する。くびれ検出期間Ｔｎが短くなりすぎると溶接電流Ｉｗが低い値まで下がりきらない内にアークが再発生してスパッタ削減効果が小さくなる。逆に、くびれ検出期間Ｔｎが長くなりすぎるとくびれ検出の誤検出の可能性が高くなり、この状態で電流を急減させると却って溶接状態が不安定になる。したがって、くびれ検出期間Ｔｎが適正値（数百μｓ）になることは、くびれ検出の誤検出もなくアーク再発生時の電流値も低くなるので、スパッタが大幅に減少する。上述した従来技術については、特許文献１を参照のこと。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−７５８２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
溶接電流平均値が１８０Ａ程度以下の範囲では、溶滴移行形態は短絡移行形態になる。この短絡移行形態では、図６で上述したように、略一定のアーク期間Ｔａと略一定の短絡期間Ｔｓとが規則正しく繰り返される。このために、アーク期間Ｔａ中に形成される溶滴のサイズは略一定となり、この形成された溶滴が短絡期間Ｔｓ中に略完全に溶融池に移行することになる。したがって、くびれの進行状態は略一定となるために、くびれの進行状態を抵抗値の変化率によって正確に検出することができる。
【００１１】
溶接電流平均値が１８０〜２２０Ａ程度の範囲では、溶滴移行形態は上記の短絡移行形態とグロビュール移行形態とが混在した形態となる。このために、アーク期間Ｔａ中に形成される溶滴サイズが大小ばらつくことになる。また、この電流範囲は溶滴移行形態が混在するために溶接状態がやや不安定であるので、溶滴形状も球状から変形した形状になっている。このために、くびれの進行状態が一定ではなく変動することになるために、抵抗値の変化率が短絡ごとに変動することになる。したがって、抵抗値の変化率によってくびれの進行状態を正確に検出することが困難であった。溶接電流平均値が２２０Ａ程度以上になると、溶滴移行形態はグロビュール移行形態になり、溶滴は短絡することなく自由落下によって移行する。しかし、この電流範囲においても、溶接速度を速くする場合には、溶接ビードにアンダーカットが形成されることを防止するために、溶接電圧平均値を低く設定する。このようにすると、アーク長が短くなり、アンダーカットの形成を防止することができる。アーク長が短くなると、アーク期間Ｔａ中に大きく成長した溶滴が溶融池と短絡して移行するようになる。この移行形態は、上記の短絡移行形態とは異なり、短絡状態になる前にくびれが発生している場合もある。したがって、このような短絡を伴うグロビュール移行形態では、抵抗値の変化率が変動するために、くびれの進行状態を正確に検出することは困難であった。消耗電極パルスアーク溶接においても、上記と同様に、溶接速度を速くして溶接する場合には、溶滴は短絡を伴うスプレー移行形態によって移行する。この場合も、短絡が発生する前にくびれが発生しているために、抵抗値の変化率は変動することになる。したがって、この場合にも、くびれの進行状態を正確に検出することは困難であった。すなわち、典型的な短絡移行形態の場合を除き、短絡移行とグロビュール移行とが混在する移行形態の場合、短絡を伴うグロビュール移行形態の場合及び短絡を伴うスプレー移行形態の場合には、従来技術によってはくびれの発生を正確に検出することが困難であった。
【００１２】
そこで、本発明では、溶滴移行形態が典型的な短絡移行形態でないときでも、くびれの発生を正確に検出することができ、この検出に基づいて溶接電流をアーク再発生前に減少させることによってスパッタの発生を抑制す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ことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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の発生を検出し、このくびれの発生を検出すると短絡負荷に通電する溶接電流を減少させてアークを再発生させるように出力制御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、
前記短絡状態中の溶滴移行をＣＣＤカメラによって所定周期ごとに撮像し、撮像された溶滴移行画像を処理して前記くびれの発生を検出する、
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。
【００１４】
第２の発明は、前記溶滴移行画像の処理が、前記溶滴移行画像に同一の判別領域を設定し、各溶滴移行画像ごとに、この判別領域における溶滴像が占める面積を算出し、この面積が基準値未満になったことを判別することによってくびれの発生を検出する処理である、ことを特徴とする第１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。
【００１５】
第３の発明は、前記溶滴移行画像の処理が、前記溶滴移行画像に同一の判別領域を設定し、各溶滴移行画像ごとに、この判別領域における溶滴像が占める面積を算出し、この面積と短絡状態が開始されたときの前記面積との比率が基準比率未満になったことを判別することによってくびれの発生を検出する処理である、ことを特徴とする第１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】
【００１６】
本発明によれば、ＣＣＤカメラによって短絡状態における溶滴移行画像を撮像し、この撮像された溶滴移行画像を処理することによって、くびれの発生を正確に検出することができる。この方法は、溶滴移行形態が短絡移行形態ではないときでも画像処理によりくびれの発生を直接的に検出するので、高精度の検出が可能となる。すなわち、短絡移行形態とグロビュール移行形態とが混在する場合、短絡を伴うグロビュール移行形態の場合又は短絡を伴うスプレー移行形態の場合においても、高精度にくびれの発生を検出することができる。そして、この高精度なくびれの発生の検出に基づいて、溶接電流を減少させてアーク再発生時の電流値を低くすることができるので、短絡移行形態ではない移行形態のときでもスパッタの発生を低減することができる。したがって、本発明は、炭酸ガスアーク溶接、マグ溶接及びミグ溶接だけでなく、パルスアーク溶接及び交流パルスアーク溶接にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態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装置のブロック図である。
【図２】図１の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。
【図３】図１の画像処理回路ＧＣにおける溶滴移行画像からくびれの発生を検出するための画像処理を説明するための図である。
【図４】溶滴移行画像の各コマにおける判別領域内の溶滴像の面積の推移を示す図である。
【図５】溶滴移行画像の各コマにおける判別領域内の溶滴像の面積と短絡開始時点での面積との比率の推移を示す図である。
【図６】従来技術において、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くびれ検出制御方法を示す波形図である。
【図７】従来技術のくびれ検出制御方法を採用した溶接装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１９】
本発明の実施の形態は、短絡状態中の溶滴移行をＣＣＤカメラによって所定周期ごとに撮像し、撮像された溶滴移行画像を処理してくびれの発生を検出し、このくびれの検出によって溶接電流を減少させた状態でアークを再発生させるものである。以下、この実施の形態について説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施の形態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装置のブロック図である。同図において、上述した図７と同一のブロックには同一符号を付している。以下、同図を参照して、各ブロックについて説明する。
【００２１】
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り、インバータ制御方式、サイリスタ位相制御方式、チョッパ制御方式等のものを使用することができる。トランジスタＴＲは出力に直列に挿入され、並列に抵抗器Ｒが接続されている。この抵抗器Ｒの抵抗値は短絡期間の負荷抵抗値数十mΩの１０倍以上の値に設定される。トランジスタＴＲは、後述するくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルの期間（くびれ検出期間Ｔｎ）のみオフ状態となり、電流通電経路に抵抗器Ｒが挿入される。くびれ検出期間Ｔｎ中は溶接電源の出力が停止された上で抵抗器Ｒが挿入されると、通電経路の抵抗値が１０倍以上に大きくなるために、電源内部の大きな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が急減する。
【００２２】
電圧検出回路ＶＤは、溶接トーチ４とワーク２との間の溶接電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。短絡判別回路ＳＤは、この電圧検出信号を入力として、その値によって短絡状態とアーク発生状態とを判別して、短絡状態のときにＨｉｇｈレベルになる短絡判別信号Ｓｄを出力する。駆動回路ＤＲは、後述するくびれ検出信号Ｎｄを入力として、くびれ検出信号ＮｄがＬｏｗレベルのときに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。トランジスタＴＲがオン状態のときは抵抗器Ｒは短絡されるので溶接電源ＰＳだけの通常の動作となる。
【００２３】
溶接トーチ４から溶接ワイヤ１が送給され、溶接トーチ４とワーク２との間に上記の溶接電源ＰＳからの出力が供給される。溶接ワイヤ１とワーク２との間にアーク３が発生して、溶接が行われる。ＣＣＤカメラＣＭは、所定周期ごとにアーク発生部を撮像し、その画像を画像処理回路ＧＣに出力する。このＣＣＤカメラＣＭのレンズにはフィルタが装着されている。このフィルタは、アーク光をカットして、短絡状態の溶滴移行画像を撮像することができるようにするためのものである。例えば、このフィルタとして、赤外干渉フィルタを使用することができる。また、フィルタを装着しないでも、短絡状態では当然にアークは消弧しているので、溶滴移行画像を撮像することができる。撮像する所定周期としては、１万コマ／秒のＣＣＤカメラが市販されているので、１００μｓ程度に設定する。上述したように、くびれ発生からアーク再発生までの時間は、３００〜１０００μｓ程度であるので、１００μｓごとの溶滴移行画像によってくびれの進行状態を検出することができる。
【００２４】
上記の画像処理回路ＧＣは、上記のＣＣＤカメラＣＭからの溶滴移行画像及び上記の短絡判別信号Ｓｄを入力として、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡状態）の期間中は図３〜図５で後述する画像処理によってくびれの発生を検出してＨｉｇｈレベルとなり、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク発生状態）になるとＬｏｗレベルになるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。
【００２５】
図２は、上記の溶接装置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を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗを示し、同図（Ｃ）は短絡判別信号Ｓｄを示し、同図（Ｄ）はくびれ検出信号Ｎｄを示し、同図（Ｅ）は駆動信号Ｄｒを示す。以下、同図を参照して説明する。
【００２６】
同図において、時刻ｔ１〜ｔ３の短絡期間Ｔｓ中は、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは低い値になっているので、同図（Ｃ）に示すように、短絡判別信号ＳｄはＨｉｇｈレベルになる。また、同図において、時刻ｔ２〜ｔ３のくびれ検出期間Ｔｎ以外の期間は、同図（Ｄ）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（Ｅ）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。
【００２７】
時刻ｔ２において、短絡期間Ｔｓ中の画像処理によって溶滴にくびれが発生したことを検出すると、同図（Ｄ）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（Ｅ）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（Ｃ）に示すように、短絡判別信号ＳｄはＬｏｗレベルになるので、同図（Ｄ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルになり、同図（Ｅ）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）の電流値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。
【００２８】
図３は、上記の画像処理回路ＧＣにおける溶滴移行画像からくびれの発生を検出するための画像処理を説明するための図である。上述したように、短絡状態における溶滴移行画像が、ＣＣＤカメラＣＭから１００μｓごとに入力される。同図（Ａ）〜（Ｄ）に示す四角で囲まれた部分が１コマの溶滴移行画像である。同図（Ａ）は短絡状態が開始した時点での溶滴移行画像を示し、同図（Ｂ）はくびれが発生する直前の溶滴移行画像を示し、同図（Ｃ）はくびれが発生した状態の溶滴移行画像を示し、同図（Ｄ）はくびれが非常に細くなりアークが再発生する直前の溶滴移行画像を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００２９】
所定周期ごとに入力されてくる溶滴移行画像の１コマに対して以下のような画像処理を行う。
（１）溶滴移行画像に対して所定の判別領域を設定する。同図（Ａ）〜（Ｄ）において、破線で囲んだ四角形の領域が判別領域を示している。この判別領域は、各コマで同一の位置及び大きさになるように設定される。判別領域は、溶接ワイヤの先端部であって、非溶融部の直下に設定される。
（２）判別領域内で溶滴像が占める面積を算出する。同図（Ａ）〜（Ｄ）の場合、破線で囲まれた判別領域内で溶滴像（黒色の部分）が占める面積を算出する。
（３）この面積が基準値未満になったことを判別して、くびれの発生を検出する。この基準値は、ＣＣＤカメラＣＭの位置、レンズの倍率等の撮像条件に応じて適正値に設定される。さらに、この基準値は、溶接ワイヤの種類、ワイヤ送給速度、溶接法、溶接速度等の溶接条件に応じて適正値に設定される。
【００３０】
同図（Ａ）は短絡状態が開始した時点であるので、溶接ワイヤ１先端に形成されている溶滴１ａが溶融池２ａに接触した瞬間である。判別領域内の溶滴像の面積は、最大値となる。同図（Ｂ）はくびれが発生する直前の画像であり、溶融池２ａの表面張力によって溶滴１ａは下側に引っ張られて三角錐形状となる。このために、判別領域内の溶滴像の面積は、同図（Ａ）よりも小さくなる。同図（Ｃ）は、くびれ１ｂが発生した状態の画像であり、溶滴１ａを流れる溶接電流による電磁的ピンチ力が作用してくびれ１ｂが発生する。このために、判別領域内の溶滴像の面積は同図（Ｂ）よりもさらに小さくなる。同図（Ｄ）は、くびれ１ｂが非常に細くなりアークが再発生する直前の画像であり、判別領域内の溶滴像の面積は同図（Ｃ）よりもさらに小さくなる。同図（Ｃ）の場合が、面積が基準値未満になり、くびれの発生を検出したときである。
【００３１】
図４は、溶滴移行画像の各コマにおける上述した判別領域内の溶滴像の面積の推移を示す図である。横軸は短絡状態が開始された時点からの経過時間（ms）を示し、縦軸は判別領域内の溶滴像の面積を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００３２】
同図において、経過時間が０（左端）のときが上述した図２の時刻ｔ１に相当し、右端のときが上述した図２における時刻ｔ３に相当する。したがって、時刻ｔ１が短絡開始時点となり、時刻ｔ３がアークの再発生時点となる。同図に示すように、面積は時間経過と共に次第に小さくなる。同図において、破線は基準値Ｓｔを示す。時刻ｔ２において、面積がＳ２となり、Ｓ２＜Ｓｔとなるので、この時点をくびれの検出時点とする。すなわち、くびれ部分が基準レベルまで細くなったことを判別して、くびれの発生を検出している。同図において、時刻ｔ１の溶滴移行画像が図３（Ａ）となり、時刻ｔ１とｔ２との間の溶滴移行画像が図３（Ｂ）となり、時刻ｔ２の溶滴移行画像が図３（Ｃ）となり、時刻ｔ３直前の溶滴移行画像が図３（Ｄ）となる。
【００３３】
また、くびれの発生の検出を以下のようにしても良い。所定周期ごとに入力されてくる溶滴移行画像の１コマに対して以下のような画像処理を行う。下記の（１）及び（２）の処理は、上述した処理方法と同一である。
（１）溶滴移行画像に対して所定の判別領域を設定する。
（２）判別領域内で溶滴像が占める面積を算出する。
（３）この面積と短絡開始時点での面積との比率が基準比率未満になったことを判別して、くびれの発生を検出する。
【００３４】
図５は、溶滴移行画像の各コマにおける判別領域内の溶滴像の面積と短絡開始時点での面積との比率の推移を示す図である。横軸は短絡状態が開始された時点からの経過時間（ms）を示し、縦軸は面積比率を示す。この面積比率は、短絡開始時点での判別領域内の溶滴増の面積をＳ１とし、それ以降の各コマにおける面積をＳｎとすると、Ｓｎ／Ｓ１で定義される。以下、同図を参照して説明する。
【００３５】
同図において、経過時間が０（左端）のときが上述した図２の時刻ｔ１に相当し、右端のときが上述した図２における時刻ｔ３に相当する。したがって、時刻ｔ１が短絡開始時点となり、時刻ｔ３がアークの再発生時点となる。同図に示すように、面積比率は、時刻ｔ１で１．０となり、時間経過と共に次第に小さくなり、時刻ｔ３において０．０５程度となる。同図において、破線は基準比率Ｈｔを示す。時刻ｔ２において、面積比率がＨ２となり、Ｈ２＜Ｈｔとなるので、この時点をくびれの検出時点とする。すなわち、くびれ部分が短絡開始時点よりも基準レベルまで細くなったことを判別して、くびれの発生を検出している。
【００３６】
上述した実施の形態では、短絡状態が開始された後に溶滴にくびれが発生する場合を説明した。しかし、短絡移行とグロビュール移行とが混在する移行形態の場合、短絡を伴うグロビュール移行形態の場合及び短絡を伴うスプレー移行形態の場合には、くびれが少し形成された状態で短絡状態が開始される場合がある。このような場合でも、本実施の形態のくびれ検出方法は、くびれが進行して基準レベルに達したことを高精度に検出することができる。
【００３７】
上述した実施の形態によれば、ＣＣＤカメラによって短絡状態における溶滴移行画像を撮像し、この撮像された溶滴移行画像を処理することによって、くびれの発生を正確に検出することができる。この方法は、溶滴移行形態が短絡移行形態ではないときでも画像処理によりくびれの発生を直接的に検出するので、高精度の検出が可能となる。すなわち、短絡移行形態とグロビュール移行形態とが混在する場合、短絡を伴うグロビュール移行形態の場合又は短絡を伴うスプレー移行形態の場合においても、高精度にくびれの発生を検出することができる。そして、この高精度なくびれの発生の検出に基づいて、溶接電流を減少させてアーク再発生時の電流値を低くすることができるので、短絡移行形態ではない移行形態のときでもスパッタの発生を低減することができる。したがって、本実施の形態は、炭酸ガスアーク溶接、マグ溶接及びミグ溶接だけでなく、パルスアーク溶接及び交流パルスアーク溶接にも適用することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１ 溶接ワイヤ
１ａ 溶滴
１ｂ くびれ
２ ワーク、母材
２ａ 溶融池
３ アーク
４ 溶接トーチ
ＣＭ ＣＣＤカメラ
ＤＲ 駆動回路
Ｄｒ 駆動信号
ＧＣ 画像処理回路
Ｈ２ 面積比率
Ｈｔ 基準比率
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｗ 溶接電流
ＮＤ くびれ検出回路
Ｎｄ くびれ検出信号
ＰＳ 溶接電源
Ｒ 抵抗器
ｒ 抵抗値
ｒｔ くびれ検出基準値
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
Ｓ１、Ｓ２、Ｓｎ 面積
Ｓｔ 基準値
Ｔａ アーク期間
Ｔｎ くびれ検出期間
ＴＲ トランジスタ
Ｔｓ 短絡期間
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖｗ 溶接電圧
ΔＲ 抵抗値変化率算出回路
Δｒ 抵抗値変化率（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ることによって溶接品質を向上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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図６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くびれ検出制御方法を示す波形図である。同図（Ａ）は溶滴のくびれ検出信号Ｎｄを示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗを示し、同図（Ｃ）は溶接電流Ｉｗを示し、同図（Ｄ）は溶滴部の抵抗値の変化率Δｒ＝ｄｒ／ｄｔを示し、同図（Ｅ１）〜（Ｅ３）は溶滴の移行状態を示す。同図はサイリスタ位相制御溶接電源を使用した場合であり、同図（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗには全波整流制御の場合商用周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の６倍の周波数を有する大きなリップルが重畳している。以下、同図を参照して説明する。
【０００３】
時刻ｔ１〜ｔ２のアーク期間Ｔａ中は、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数十Ｖのアーク電圧値となり、同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗはワイヤ送給速度に対応した平均電流値となる。
【０００４】
時刻ｔ２において、同図（Ｅ１）に示すように、アーク期間Ｔａ中に溶接ワイヤ１の先端に形成された溶滴１ａが母材２の溶融池２ａと接触すると短絡期間Ｔｓが開始する。短絡期間Ｔｓが開始すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖの短絡電圧値となり、同図（Ｃ）に示すように、溶接電流Ｉｗは時間経過に伴い増加する。この電流通電による電磁的ピンチ力が溶滴１ａに作用して、同図（Ｅ２）に示すように、溶滴１ａにくびれ部１ｂが発生する。このくびれ１ｂが進行して、同図（Ｅ３）に示すように、溶滴１ａは溶融池２ａへと移行し、時刻ｔ３にアーク３が再発生する。したがって、くびれ１ｂの発生はアーク再発生の前兆現象であり、くびれ１ｂ発生から３００〜１０００μｓ後にアークが再発生することが多い。
【０００５】
上述したように、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１ｂで狭くなるために、通電路の抵抗値ｒが大きくなる。この抵抗値ｒはくびれ１ｂの進行に伴い急速に大きくなる。同図（Ｄ）は、この抵抗値ｒの変化率Δｒ＝ｄｒ／ｄｔ＝ｄ（Ｖｗ／Ｉｗ）／ｄｔの波形を示す。くびれ１ｂの進行に伴って抵抗値変化率Δｒが急上昇する。この値Δｒが予め定めたくびれ検出基準値ｒｔを超えたことを時刻ｔ２１に判別すると、同図（Ａ）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（Ｃ）に示すように、溶接電流値Ｉｗを急減させる。この急減のための特別な回路については図７で後述する。そして、時刻ｔ３においてアークが発生した時点における溶接電流値Ｉｗは低い値であるために、スパッタの発生が大幅に減少する。これは、スパッタのほとんどはアーク再発生時に発生し、その発生量はアーク再発生時の電流値の大きさに比例するためである。したがって、消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法とは、短絡期間中の抵抗値変化率Δｒによってくびれ１ｂの進行を検出し、溶接電流Ｉｗを急減させてアーク再発生時の電流値を低い値にして、スパッタ発生を大幅に減少させるものである。上記のくびれ検出信号Ｎｄは、時刻ｔ２１のくびれ検出時点から時刻ｔ３のアーク再発生時点までのくびれ検出期間Ｔｎの間Ｈｉｇｈレベルになる。
【０００６】
図７は、上述したくびれ検出制御方法を採用した溶接装置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サイリスタ位相制御溶接電源である。トランジスタＴＲは出力に直列に挿入され、並列に抵抗器Ｒが接続されている。この抵抗器Ｒの抵抗値は短絡期間の負荷抵抗値数十mΩの１０倍以上の値に設定される。トランジスタＴＲは、上述した図６（Ａ）においてくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルの期間（くびれ検出期間Ｔｎ）のみオフ状態となり、電流通電経路に抵抗器Ｒが挿入される。くびれ検出期間Ｔｎ中は溶接電源の出力が停止された上で抵抗器Ｒが挿入されると、通電経路の抵抗値が１０倍以上に大きくなるために、電源内部の大きな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が急減する。この急減速度は、抵抗器Ｒを挿入していない通常の場合の１０倍以上の速さである。
【０００７】
電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。電流検出回路ＩＤは、溶接電流Ｉｗを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。抵抗値変化率算出回路ΔＲは、これら電圧検出信号Ｖｄ及び電流検出信号Ｉｄを入力として、抵抗値変化率信号Δｒ＝ｄ（Ｖｄ／Ｉｄ）／ｄｔを算出する。くびれ検出回路ＮＤは、この抵抗値変化率信号Δｒと予め定めたくびれ検出基準値ｒｔとを比較して、Δｒ＞ｒｔのときにＨｉｇｈレベルとなるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。駆動回路ＤＲは、このくびれ検出信号Ｎｄを入力として、くびれ検出信号ＮｄがＬｏｗレベルのときに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。トランジスタＴＲがオン状態のときは抵抗器Ｒは短絡されるので溶接電源ＰＳだけの通常の動作となる。
【０００８】
上述したくびれ検出制御方法では、くびれの発生を正確に検出することが重要である。このくびれ検出の精度を決める重要な要因の１つが、上記のくびれ検出基準値ｒｔが適正値に設定されているかにある。くびれ検出基準値ｒｔの適正値は、溶接法、溶接ワイヤの種類、ワイヤ送給速度等の溶接条件に応じて変化する。このために、種々の溶接条件ごとに予め溶接試験を行いその適正値を求めておく必要がある。このくびれ検出基準値ｒｔの設定を自動的に行う方法が従来から提案されている。この従来技術では、図６（Ａ）で上述したくびれ検出期間Ｔｎが目標値になるようにくびれ検出基準値ｒｔを変化させて自動設定する。くびれ検出期間Ｔｎが短くなりすぎると溶接電流Ｉｗが低い値まで下がりきらない内にアークが再発生してスパッタ削減効果が小さくなる。逆に、くびれ検出期間Ｔｎが長くなりすぎるとくびれ検出の誤検出の可能性が高くなり、この状態で電流を急減させると却って溶接状態が不安定になる。したがって、くびれ検出期間Ｔｎが適正値（数百μｓ）になることは、くびれ検出の誤検出もなくアーク再発生時の電流値も低くなるので、スパッタが大幅に減少する。上述した従来技術については、特許文献１を参照のこと。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−７５８２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
溶接電流平均値が１８０Ａ程度以下の範囲では、溶滴移行形態は短絡移行形態になる。この短絡移行形態では、図６で上述したように、略一定のアーク期間Ｔａと略一定の短絡期間Ｔｓとが規則正しく繰り返される。このために、アーク期間Ｔａ中に形成される溶滴のサイズは略一定となり、この形成された溶滴が短絡期間Ｔｓ中に略完全に溶融池に移行することになる。したがって、くびれの進行状態は略一定となるために、くびれの進行状態を抵抗値の変化率によって正確に検出することができる。
【００１１】
溶接電流平均値が１８０〜２２０Ａ程度の範囲では、溶滴移行形態は上記の短絡移行形態とグロビュール移行形態とが混在した形態となる。このために、アーク期間Ｔａ中に形成される溶滴サイズが大小ばらつくことになる。また、この電流範囲は溶滴移行形態が混在するために溶接状態がやや不安定であるので、溶滴形状も球状から変形した形状になっている。このために、くびれの進行状態が一定ではなく変動することになるために、抵抗値の変化率が短絡ごとに変動することになる。したがって、抵抗値の変化率によってくびれの進行状態を正確に検出することが困難であった。溶接電流平均値が２２０Ａ程度以上になると、溶滴移行形態はグロビュール移行形態になり、溶滴は短絡することなく自由落下によって移行する。しかし、この電流範囲においても、溶接速度を速くする場合には、溶接ビードにアンダーカットが形成されることを防止するために、溶接電圧平均値を低く設定する。このようにすると、アーク長が短くなり、アンダーカットの形成を防止することができる。アーク長が短くなると、アーク期間Ｔａ中に大きく成長した溶滴が溶融池と短絡して移行するようになる。この移行形態は、上記の短絡移行形態とは異なり、短絡状態になる前にくびれが発生している場合もある。したがって、このような短絡を伴うグロビュール移行形態では、抵抗値の変化率が変動するために、くびれの進行状態を正確に検出することは困難であった。消耗電極パルスアーク溶接においても、上記と同様に、溶接速度を速くして溶接する場合には、溶滴は短絡を伴うスプレー移行形態によって移行する。この場合も、短絡が発生する前にくびれが発生しているために、抵抗値の変化率は変動することになる。したがって、この場合にも、くびれの進行状態を正確に検出することは困難であった。すなわち、典型的な短絡移行形態の場合を除き、短絡移行とグロビュール移行とが混在する移行形態の場合、短絡を伴うグロビュール移行形態の場合及び短絡を伴うスプレー移行形態の場合には、従来技術によってはくびれの発生を正確に検出することが困難であった。
【００１２】
そこで、本発明では、溶滴移行形態が典型的な短絡移行形態でないときでも、くびれの発生を正確に検出することができ、この検出に基づいて溶接電流をアーク再発生前に減少させることによってスパッタの発生を抑制す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ことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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の発生を検出し、このくびれの発生を検出すると短絡負荷に通電する溶接電流を減少させてアークを再発生させるように出力制御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、
前記短絡状態中の溶滴移行をＣＣＤカメラによって所定周期ごとに撮像し、撮像された溶滴移行画像を処理して前記くびれの発生を検出する、
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。
【００１４】
第２の発明は、前記溶滴移行画像の処理が、前記溶滴移行画像に同一の判別領域を設定し、各溶滴移行画像ごとに、この判別領域における溶滴像が占める面積を算出し、この面積が基準値未満になったことを判別することによってくびれの発生を検出する処理である、ことを特徴とする第１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。
【００１５】
第３の発明は、前記溶滴移行画像の処理が、前記溶滴移行画像に同一の判別領域を設定し、各溶滴移行画像ごとに、この判別領域における溶滴像が占める面積を算出し、この面積と短絡状態が開始されたときの前記面積との比率が基準比率未満になったことを判別することによってくびれの発生を検出する処理である、ことを特徴とする第１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】
【００１６】
本発明によれば、ＣＣＤカメラによって短絡状態における溶滴移行画像を撮像し、この撮像された溶滴移行画像を処理することによって、くびれの発生を正確に検出することができる。この方法は、溶滴移行形態が短絡移行形態ではないときでも画像処理によりくびれの発生を直接的に検出するので、高精度の検出が可能となる。すなわち、短絡移行形態とグロビュール移行形態とが混在する場合、短絡を伴うグロビュール移行形態の場合又は短絡を伴うスプレー移行形態の場合においても、高精度にくびれの発生を検出することができる。そして、この高精度なくびれの発生の検出に基づいて、溶接電流を減少させてアーク再発生時の電流値を低くすることができるので、短絡移行形態ではない移行形態のときでもスパッタの発生を低減することができる。したがって、本発明は、炭酸ガスアーク溶接、マグ溶接及びミグ溶接だけでなく、パルスアーク溶接及び交流パルスアーク溶接にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態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装置のブロック図である。
【図２】図１の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。
【図３】図１の画像処理回路ＧＣにおける溶滴移行画像からくびれの発生を検出するための画像処理を説明するための図である。
【図４】溶滴移行画像の各コマにおける判別領域内の溶滴像の面積の推移を示す図である。
【図５】溶滴移行画像の各コマにおける判別領域内の溶滴像の面積と短絡開始時点での面積との比率の推移を示す図である。
【図６】従来技術において、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くびれ検出制御方法を示す波形図である。
【図７】従来技術のくびれ検出制御方法を採用した溶接装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１９】
本発明の実施の形態は、短絡状態中の溶滴移行をＣＣＤカメラによって所定周期ごとに撮像し、撮像された溶滴移行画像を処理してくびれの発生を検出し、このくびれの検出によって溶接電流を減少させた状態でアークを再発生させるものである。以下、この実施の形態について説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施の形態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装置のブロック図である。同図において、上述した図７と同一のブロックには同一符号を付している。以下、同図を参照して、各ブロックについて説明する。
【００２１】
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り、インバータ制御方式、サイリスタ位相制御方式、チョッパ制御方式等のものを使用することができる。トランジスタＴＲは出力に直列に挿入され、並列に抵抗器Ｒが接続されている。この抵抗器Ｒの抵抗値は短絡期間の負荷抵抗値数十mΩの１０倍以上の値に設定される。トランジスタＴＲは、後述するくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルの期間（くびれ検出期間Ｔｎ）のみオフ状態となり、電流通電経路に抵抗器Ｒが挿入される。くびれ検出期間Ｔｎ中は溶接電源の出力が停止された上で抵抗器Ｒが挿入されると、通電経路の抵抗値が１０倍以上に大きくなるために、電源内部の大きな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が急減する。
【００２２】
電圧検出回路ＶＤは、溶接トーチ４とワーク２との間の溶接電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。短絡判別回路ＳＤは、この電圧検出信号を入力として、その値によって短絡状態とアーク発生状態とを判別して、短絡状態のときにＨｉｇｈレベルになる短絡判別信号Ｓｄを出力する。駆動回路ＤＲは、後述するくびれ検出信号Ｎｄを入力として、くびれ検出信号ＮｄがＬｏｗレベルのときに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。トランジスタＴＲがオン状態のときは抵抗器Ｒは短絡されるので溶接電源ＰＳだけの通常の動作となる。
【００２３】
溶接トーチ４から溶接ワイヤ１が送給され、溶接トーチ４とワーク２との間に上記の溶接電源ＰＳからの出力が供給される。溶接ワイヤ１とワーク２との間にアーク３が発生して、溶接が行われる。ＣＣＤカメラＣＭは、所定周期ごとにアーク発生部を撮像し、その画像を画像処理回路ＧＣに出力する。このＣＣＤカメラＣＭのレンズにはフィルタが装着されている。このフィルタは、アーク光をカットして、短絡状態の溶滴移行画像を撮像することができるようにするためのものである。例えば、このフィルタとして、赤外干渉フィルタを使用することができる。また、フィルタを装着しないでも、短絡状態では当然にアークは消弧しているので、溶滴移行画像を撮像することができる。撮像する所定周期としては、１万コマ／秒のＣＣＤカメラが市販されているので、１００μｓ程度に設定する。上述したように、くびれ発生からアーク再発生までの時間は、３００〜１０００μｓ程度であるので、１００μｓごとの溶滴移行画像によってくびれの進行状態を検出することができる。
【００２４】
上記の画像処理回路ＧＣは、上記のＣＣＤカメラＣＭからの溶滴移行画像及び上記の短絡判別信号Ｓｄを入力として、短絡判別信号ＳｄがＨｉｇｈレベル（短絡状態）の期間中は図３〜図５で後述する画像処理によってくびれの発生を検出してＨｉｇｈレベルとなり、短絡判別信号ＳｄがＬｏｗレベル（アーク発生状態）になるとＬｏｗレベルになるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。
【００２５】
図２は、上記の溶接装置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を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗを示し、同図（Ｃ）は短絡判別信号Ｓｄを示し、同図（Ｄ）はくびれ検出信号Ｎｄを示し、同図（Ｅ）は駆動信号Ｄｒを示す。以下、同図を参照して説明する。
【００２６】
同図において、時刻ｔ１〜ｔ３の短絡期間Ｔｓ中は、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは低い値になっているので、同図（Ｃ）に示すように、短絡判別信号ＳｄはＨｉｇｈレベルになる。また、同図において、時刻ｔ２〜ｔ３のくびれ検出期間Ｔｎ以外の期間は、同図（Ｄ）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（Ｅ）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。
【００２７】
時刻ｔ２において、短絡期間Ｔｓ中の画像処理によって溶滴にくびれが発生したことを検出すると、同図（Ｄ）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（Ｅ）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（Ｃ）に示すように、短絡判別信号ＳｄはＬｏｗレベルになるので、同図（Ｄ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルになり、同図（Ｅ）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）の電流値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。
【００２８】
図３は、上記の画像処理回路ＧＣにおける溶滴移行画像からくびれの発生を検出するための画像処理を説明するための図である。上述したように、短絡状態における溶滴移行画像が、ＣＣＤカメラＣＭから１００μｓごとに入力される。同図（Ａ）〜（Ｄ）に示す四角で囲まれた部分が１コマの溶滴移行画像である。同図（Ａ）は短絡状態が開始した時点での溶滴移行画像を示し、同図（Ｂ）はくびれが発生する直前の溶滴移行画像を示し、同図（Ｃ）はくびれが発生した状態の溶滴移行画像を示し、同図（Ｄ）はくびれが非常に細くなりアークが再発生する直前の溶滴移行画像を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００２９】
所定周期ごとに入力されてくる溶滴移行画像の１コマに対して以下のような画像処理を行う。
（１）溶滴移行画像に対して所定の判別領域を設定する。同図（Ａ）〜（Ｄ）において、破線で囲んだ四角形の領域が判別領域を示している。この判別領域は、各コマで同一の位置及び大きさになるように設定される。判別領域は、溶接ワイヤの先端部であって、非溶融部の直下に設定される。
（２）判別領域内で溶滴像が占める面積を算出する。同図（Ａ）〜（Ｄ）の場合、破線で囲まれた判別領域内で溶滴像（黒色の部分）が占める面積を算出する。
（３）この面積が基準値未満になったことを判別して、くびれの発生を検出する。この基準値は、ＣＣＤカメラＣＭの位置、レンズの倍率等の撮像条件に応じて適正値に設定される。さらに、この基準値は、溶接ワイヤの種類、ワイヤ送給速度、溶接法、溶接速度等の溶接条件に応じて適正値に設定される。
【００３０】
同図（Ａ）は短絡状態が開始した時点であるので、溶接ワイヤ１先端に形成されている溶滴１ａが溶融池２ａに接触した瞬間である。判別領域内の溶滴像の面積は、最大値となる。同図（Ｂ）はくびれが発生する直前の画像であり、溶融池２ａの表面張力によって溶滴１ａは下側に引っ張られて三角錐形状となる。このために、判別領域内の溶滴像の面積は、同図（Ａ）よりも小さくなる。同図（Ｃ）は、くびれ１ｂが発生した状態の画像であり、溶滴１ａを流れる溶接電流による電磁的ピンチ力が作用してくびれ１ｂが発生する。このために、判別領域内の溶滴像の面積は同図（Ｂ）よりもさらに小さくなる。同図（Ｄ）は、くびれ１ｂが非常に細くなりアークが再発生する直前の画像であり、判別領域内の溶滴像の面積は同図（Ｃ）よりもさらに小さくなる。同図（Ｃ）の場合が、面積が基準値未満になり、くびれの発生を検出したときである。
【００３１】
図４は、溶滴移行画像の各コマにおける上述した判別領域内の溶滴像の面積の推移を示す図である。横軸は短絡状態が開始された時点からの経過時間（ms）を示し、縦軸は判別領域内の溶滴像の面積を示す。以下、同図を参照して説明する。
【００３２】
同図において、経過時間が０（左端）のときが上述した図２の時刻ｔ１に相当し、右端のときが上述した図２における時刻ｔ３に相当する。したがって、時刻ｔ１が短絡開始時点となり、時刻ｔ３がアークの再発生時点となる。同図に示すように、面積は時間経過と共に次第に小さくなる。同図において、破線は基準値Ｓｔを示す。時刻ｔ２において、面積がＳ２となり、Ｓ２＜Ｓｔとなるので、この時点をくびれの検出時点とする。すなわち、くびれ部分が基準レベルまで細くなったことを判別して、くびれの発生を検出している。同図において、時刻ｔ１の溶滴移行画像が図３（Ａ）となり、時刻ｔ１とｔ２との間の溶滴移行画像が図３（Ｂ）となり、時刻ｔ２の溶滴移行画像が図３（Ｃ）となり、時刻ｔ３直前の溶滴移行画像が図３（Ｄ）となる。
【００３３】
また、くびれの発生の検出を以下のようにしても良い。所定周期ごとに入力されてくる溶滴移行画像の１コマに対して以下のような画像処理を行う。下記の（１）及び（２）の処理は、上述した処理方法と同一である。
（１）溶滴移行画像に対して所定の判別領域を設定する。
（２）判別領域内で溶滴像が占める面積を算出する。
（３）この面積と短絡開始時点での面積との比率が基準比率未満になったことを判別して、くびれの発生を検出する。
【００３４】
図５は、溶滴移行画像の各コマにおける判別領域内の溶滴像の面積と短絡開始時点での面積との比率の推移を示す図である。横軸は短絡状態が開始された時点からの経過時間（ms）を示し、縦軸は面積比率を示す。この面積比率は、短絡開始時点での判別領域内の溶滴増の面積をＳ１とし、それ以降の各コマにおける面積をＳｎとすると、Ｓｎ／Ｓ１で定義される。以下、同図を参照して説明する。
【００３５】
同図において、経過時間が０（左端）のときが上述した図２の時刻ｔ１に相当し、右端のときが上述した図２における時刻ｔ３に相当する。したがって、時刻ｔ１が短絡開始時点となり、時刻ｔ３がアークの再発生時点となる。同図に示すように、面積比率は、時刻ｔ１で１．０となり、時間経過と共に次第に小さくなり、時刻ｔ３において０．０５程度となる。同図において、破線は基準比率Ｈｔを示す。時刻ｔ２において、面積比率がＨ２となり、Ｈ２＜Ｈｔとなるので、この時点をくびれの検出時点とする。すなわち、くびれ部分が短絡開始時点よりも基準レベルまで細くなったことを判別して、くびれの発生を検出している。
【００３６】
上述した実施の形態では、短絡状態が開始された後に溶滴にくびれが発生する場合を説明した。しかし、短絡移行とグロビュール移行とが混在する移行形態の場合、短絡を伴うグロビュール移行形態の場合及び短絡を伴うスプレー移行形態の場合には、くびれが少し形成された状態で短絡状態が開始される場合がある。このような場合でも、本実施の形態のくびれ検出方法は、くびれが進行して基準レベルに達したことを高精度に検出することができる。
【００３７】
上述した実施の形態によれば、ＣＣＤカメラによって短絡状態における溶滴移行画像を撮像し、この撮像された溶滴移行画像を処理することによって、くびれの発生を正確に検出することができる。この方法は、溶滴移行形態が短絡移行形態ではないときでも画像処理によりくびれの発生を直接的に検出するので、高精度の検出が可能となる。すなわち、短絡移行形態とグロビュール移行形態とが混在する場合、短絡を伴うグロビュール移行形態の場合又は短絡を伴うスプレー移行形態の場合においても、高精度にくびれの発生を検出することができる。そして、この高精度なくびれの発生の検出に基づいて、溶接電流を減少させてアーク再発生時の電流値を低くすることができるので、短絡移行形態ではない移行形態のときでもスパッタの発生を低減することができる。したがって、本実施の形態は、炭酸ガスアーク溶接、マグ溶接及びミグ溶接だけでなく、パルスアーク溶接及び交流パルスアーク溶接にも適用することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１ 溶接ワイヤ
１ａ 溶滴
１ｂ くびれ
２ ワーク、母材
２ａ 溶融池
３ アーク
４ 溶接トーチ
ＣＭ ＣＣＤカメラ
ＤＲ 駆動回路
Ｄｒ 駆動信号
ＧＣ 画像処理回路
Ｈ２ 面積比率
Ｈｔ 基準比率
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｗ 溶接電流
ＮＤ くびれ検出回路
Ｎｄ くびれ検出信号
ＰＳ 溶接電源
Ｒ 抵抗器
ｒ 抵抗値
ｒｔ くびれ検出基準値
ＳＤ 短絡判別回路
Ｓｄ 短絡判別信号
Ｓ１、Ｓ２、Ｓｎ 面積
Ｓｔ 基準値
Ｔａ アーク期間
Ｔｎ くびれ検出期間
ＴＲ トランジスタ
Ｔｓ 短絡期間
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖｗ 溶接電圧
ΔＲ 抵抗値変化率算出回路
Δｒ 抵抗値変化率（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の発生を検出し、このくびれの発生を検出すると短絡負荷に通電する溶接電流を減少させてアークを再発生させるように出力制御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、
前記短絡状態中の溶滴移行をＣＣＤカメラによって所定周期ごとに撮像し、撮像された溶滴移行画像を処理して前記くびれの発生を検出する、
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】
前記溶滴移行画像の処理が、前記溶滴移行画像に同一の判別領域を設定し、各溶滴移行画像ごとに、この判別領域における溶滴像が占める面積を算出し、この面積が基準値未満になったことを判別することによってくびれの発生を検出する処理である、
ことを特徴とする請求項１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３】
前記溶滴移行画像の処理が、前記溶滴移行画像に同一の判別領域を設定し、各溶滴移行画像ごとに、この判別領域における溶滴像が占める面積を算出し、この面積と短絡状態が開始されたときの前記面積との比率が基準比率未満になったことを判別することによってくびれの発生を検出する処理である、
ことを特徴とする請求項１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の発生を検出し、このくびれの発生を検出すると短絡負荷に通電する溶接電流を減少させてアークを再発生させるように出力制御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、
前記短絡状態中の溶滴移行をＣＣＤカメラによって所定周期ごとに撮像し、撮像された溶滴移行画像を処理して前記くびれの発生を検出する、
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】
前記溶滴移行画像の処理が、前記溶滴移行画像に同一の判別領域を設定し、各溶滴移行画像ごとに、この判別領域における溶滴像が占める面積を算出し、この面積が基準値未満になったことを判別することによってくびれの発生を検出する処理である、
ことを特徴とする請求項１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３】
前記溶滴移行画像の処理が、前記溶滴移行画像に同一の判別領域を設定し、各溶滴移行画像ごとに、この判別領域における溶滴像が占める面積を算出し、この面積と短絡状態が開始されたときの前記面積との比率が基準比率未満になったことを判別することによってくびれの発生を検出する処理である、
ことを特徴とする請求項１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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−２５３５３０（Ｐ２０１０−２５３５３０Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１０８８９１（Ｐ２００９−１０８８９１）
【出願日】平成２１年４月２８日（２００９．４．２８）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月２８日（２００９．４．２８）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
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