消耗電極式パルスアーク溶接の溶接制御装置およびそのアーク長制御方法、並びにその溶接制御装置を備えた溶接システム
【課題】消耗電極式パルスアーク溶接において、外乱によるアーク長の変動を正確に抑制する技術を提供する。
【解決手段】溶接制御装置は、式（１）のパラメータとして、溶接電源の外部特性Ｋｓ、第２パルス期間における溶接電流設定値Ｉｓ２および溶接電圧設定値Ｖｓ２の各情報と、第２パルス期間において検出された溶接電流の瞬時値Ｉｏ２および溶接電圧の瞬時値Ｖｏ２の各情報とに基づいて、パルス周期において第１パルス期間を終了して第２パルス期間を開始した時点から、式（１）で表す電圧誤差積分値Ｓｖ２の演算を開始する積分器と、演算の結果、電圧誤差積分値Ｓｖ２の値が０と等しくなったか否か比較する比較器と、パルス周期毎に、電圧誤差積分値Ｓｖ２の値が０と等しくなった時点で、当該パルス周期を終了して次回のパルス周期を開始する波形生成器とを備える。Sv2=∫{Ks(Io2-Is2)+Vs2-Vo2}dt…式（１）
【解決手段】溶接制御装置は、式（１）のパラメータとして、溶接電源の外部特性Ｋｓ、第２パルス期間における溶接電流設定値Ｉｓ２および溶接電圧設定値Ｖｓ２の各情報と、第２パルス期間において検出された溶接電流の瞬時値Ｉｏ２および溶接電圧の瞬時値Ｖｏ２の各情報とに基づいて、パルス周期において第１パルス期間を終了して第２パルス期間を開始した時点から、式（１）で表す電圧誤差積分値Ｓｖ２の演算を開始する積分器と、演算の結果、電圧誤差積分値Ｓｖ２の値が０と等しくなったか否か比較する比較器と、パルス周期毎に、電圧誤差積分値Ｓｖ２の値が０と等しくなった時点で、当該パルス周期を終了して次回のパルス周期を開始する波形生成器とを備える。Sv2=∫{Ks(Io2-Is2)+Vs2-Vo2}dt…式（１）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭酸ガスまたは炭酸ガスを主成分とする混合ガスをシールドガスとして用いる消耗電極式パルスアーク溶接におけるアーク長制御技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
溶接品質を維持するためには、アーク長を適正に維持する必要があり、従来から溶接中のアーク長変化を抑制するアーク長制御技術が知られている（特許文献１，２参照）。定性的には、アーク長は、溶接ワイヤの送給速度（ワイヤ送給速度）とワイヤの溶融速度とのバランスによって決まる。より厳密には、例えば、ワイヤ送給経路において生じた送給抵抗によって、溶接中にワイヤ送給速度が変動すると、溶融速度とのバランスが崩れ、アーク長が変動することになる。また、例えば、溶接作業者の手ぶれ等によるチップ母材間距離の変動等によってもアーク長は変動する。したがって、これら外乱によるアーク長の変動を抑制するためには、アーク長に相当する溶接電圧の変化に応じて、溶融速度に対応した溶接電流を調整する必要がある。以下に特許文献１に記載のアーク長制御について、説明する。
【０００３】
一般的な消耗電極式パルスアーク溶接においては、Ａｒ−５〜３０％ＣＯ2混合ガスをシールドガスとして使用している（マグパルス溶接）。従来の技術は、図１５に示すように、パルス電流波形やパルス電圧波形（総称してパルス波形という）を用いて溶接電流および溶接電圧の波形を制御している。図１５において、上側に示す波形の縦軸は、溶接電流の検出値Iｏ、下側に示す波形の縦軸は、溶接電圧の瞬時値Ｖｏ、横軸は共に時間ｔをそれぞれ示している。
【０００４】
図１５に例示した溶接制御では、ピーク期間Ｔｐでは、溶滴を離脱させるために、平均溶接電流よりも高い溶接電流を通電する。これに伴い、ピーク期間Ｔｐの溶接電圧値は、Ｖｐとなる。そして、ピーク期間Ｔｐに続いて、ベース期間Ｔｂでは、溶滴を移行させないため、平均溶接電流よりも低い溶接電流を通電する。これに伴い、ベース期間Ｔｂの溶接電圧値は、Ｖｂとなる。そして、ピーク期間Ｔｐおよびベース期間Ｔｂを合わせた期間をパルス周期Ｔｐｂ（１周期）として繰返すことにより、パルス波形に同期した１パルス１溶滴移行が実施される。したがって、このようなパルス波形を用いない場合と比較して、スパッタの少ない溶接が可能となる。
【０００５】
図１５の上段において、第ｎ回目のパルスの開始時点ｔ（ｎ）と、第（ｎ＋１）回目のパルスの開始時点ｔ（ｎ＋１）との間の期間、すなわち、第ｎ回目のパルス周期Ｔｐｂ（ｎ）において、ハッチングで示す波形面積の時間平均値が、平均溶接電流値Ｉｗ（ｎ）である。同様に、図１５の下段において、ハッチングで示す波形面積の時間平均値が、平均溶接電圧値Ｖｗ（ｎ）である。
【０００６】
一般に、溶接電源の外部特性の傾きによって、アーク長制御系の安定性が大きく影響を受けるため、溶接条件（ワイヤ供給速度、溶接電圧の設定等）、ワイヤの種類、シールドガス組成等に応じて、外部特性の傾きを適正値に設定する必要がある。図１６に、ある溶接条件、ワイヤの種類、シールドガス組成において設定した外部特性の傾きＫｓの一例を示す。この溶接条件、ワイヤの種類、シールドガス組成において溶接時の溶接電流および溶接電圧の動作点が、この外部特性の傾きＫｓを表す図１６の直線上に位置するように出力制御することによって、アーク長制御を実現することができる。これは、図１５や図１６に示す平均溶接電流値Ｉｗ（ｎ）および平均溶接電圧値Ｖｗ（ｎ）を式（１０１）の関係となるように出力制御することと同義である。式（１０１）において、Ｉｓは予め設定された設定条件を示す溶接電流設定値、同様にＶｓは溶接電圧設定値を示す。
【０００７】
【数１】
【０００８】
例えば、図１６において設定条件の位置Ｐ１を基準位置として設定する。溶接中にアーク長が増加した場合、溶接電圧の検出値が増加し、図１６に示すように平均溶接電圧値Ｖｗ（ｎ）が溶接電圧設定値Ｖｓよりも高くなる。このとき、外部特性の傾きＫｓを表す直線上では、動作点を位置Ｐ１から位置Ｐ２まで移動させることになるので、図１６に示すように平均溶接電流値Ｉｗ（ｎ）が溶接電流設定値Ｉｓよりも低くなる。その結果、ワイヤ溶融速度が減少し、これにしたがってアーク長も短くなり、結局、動作点はＰ１の位置に収束する方向に移動する。
【０００９】
逆に、溶接中にアーク長が低下した場合、溶接電圧の検出値が減少し、図１６に示すように平均溶接電圧値Ｖｗ（ｎ）が溶接電圧設定値Ｖｓよりも低くなる。このとき、外部特性の傾きＫｓを表す直線上では、動作点を位置Ｐ１から位置Ｐ３まで移動させることになるので、図１６に示すように平均溶接電流値Ｉｗ（ｎ）が溶接電流設定値Ｉｓよりも高くなる。その結果、ワイヤ溶融速度が増加し、これにしたがってアーク長も長くなり、結局、動作点はＰ１の位置に収束する方向に移動する。
【００１０】
以上のことから、適正な傾きＫｓを有する外部特性を設定することは、溶接電圧の変化に応じて溶接電流の変化量を制御することとなり、結果としてアーク長の変化量を抑制できることになる。より詳細には、特許文献１に記載の溶接電源装置では、以下のようにアーク長制御を行っている。ここで、ある時点で検出された溶接電流の瞬時値をＩｏ、溶接電圧の瞬時値をＶｏとした場合に、パルス周期内において、検出値と、溶接電圧設定値Ｖｓおよび溶接電流設定値Ｉｓとの誤差に相当する電圧誤差積分値Ｓｖｂを式（１０２）で定義する。
【００１１】
【数２】
【００１２】
特許文献１に記載の溶接電源装置は、第ｎ回目のパルス周期Ｔｐｂ（ｎ）が開始した時点ｔ（ｎ）から、式（１０２）におけるＳｖｂの演算を開始する。そして、第ｎ回目の予め定めたピーク期間Ｔｐが終了して第ｎ回目のベース期間Ｔｂ中にＳｖｂ＝０となった時点で、第ｎ回目のパルス周期Ｔｐｂ（ｎ）を終了し、このときをｔ（ｎ＋１）の時点として、ここから第（ｎ＋１）回目のパルス周期を開始する。これを繰り返すことによって、前記した式（１０１）の外部特性の傾きＫｓ上に動作点を形成することができ、アーク長の調整単位を１パルス周期（１溶滴）とするアーク長制御が実現されることになる。
【００１３】
これに対して、特許文献２に記載の技術は、炭酸ガスを主成分とするシールドガスを用いた消耗電極式アーク溶接に係り、図１７に示すような複雑なパルス波形を生成することでアーク長制御を行うものである。特許文献２に記載のパルス波形発生手段は、定電流制御と定電圧制御とを併用するものである。図１７に示すパルス波形には、所定のピーク期間Ｔｐと所定のベース期間Ｔｂとが交互に設けられている。パルス波形発生手段は、ピーク期間Ｔｐの開始点を起点とする初期ピーク期間Ｔｃの間は、初期電圧Ｖｃに相当する一定電圧を出力する。その後のピーク期間（Ｔｐ−Ｔｃ）は、一定のピーク電圧Ｖｐを出力する。また、パルス波形発生手段は、ベース期間Ｔｂに、所定のベース電流値Ｉｂで構成されるパルス波形で定電流制御を行う。
【００１４】
また、特許文献２に記載の技術において、溶滴離脱検出手段が溶滴離脱を検知後、パルス波形発生手段は、所定の電流値Ｉｒを、出力補正時間Ｔｒだけ出力する。この出力補正時間Ｔｒを経過した直後のピーク期間においては、パルス波形発生手段は、初期ピーク期間の波形を発生させることなく、パルス波形の全領域で検出電圧がピーク電圧Ｖｐになるように定電圧制御を行う。初期ピーク期間Ｔｃおよび初期電圧Ｖｃは、パルス電流の過大上昇を防ぐために設けられており、ピーク期間初期の溶滴が離脱する際に溶滴にかかるアーク力を最小限に押さえるべく、適正値に設定されている。
【００１５】
更に、特許文献２に記載の技術は、ベース期間Ｔｂを固定パラメータとして設定している。そのため、外乱によって、ワイヤの送給速度と溶融速度とのバランスが崩れた場合、ピーク期間（Ｔｐ−Ｔｃ）におけるパルスピーク電流を増減することでアーク長を補償するか、あるいは、出力補正時間Ｔｒ直後のピーク期間Ｔｐにおけるパルスピーク電流を増減することでアーク長を補償する、といったアーク長制御を行うことが可能である。このため、溶接中にチップ母材間距離や溶接条件が殆ど変化しない状況に適している。
【００１６】
また、これまでに、本願発明者らは、炭酸ガス単体または炭酸ガスを主成分とする混合ガスを、シールドガスとして用いた１周期あたりパルスピーク電流レベルが異なる２種類のパルス波形を交互に出力させるパルスアーク溶接方法において、１周期あたり１溶滴を移行させると同時に、コンタクトチップと母材間の距離が変化した場合でも１周期あたり１溶滴移行を乱さない範囲で、溶滴を整形する役割を担った第２パルスについてのピーク電流、ベース電流、ピーク期間、ベース期間の１種以上を調整することにより、アーク長を一定に制御するパルスアーク溶接方法を提案している（特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００２−３６１４１７号公報（段落００３１、図１）
【特許文献２】特許第３１４７０４６号公報（段落００１５−００１７、図２および図８）
【特許文献３】特開２００７−２３７２７０号公報（段落００２６−００２８、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、特許文献３の技術は、外乱によるアーク長の変動を抑制する技術にさらなる改良の余地がある。そこで、例えば、特許文献１のアーク長制御を検討する。特許文献１のアーク長制御は、第ｎ回目のパルス周期Ｔｐｂ（ｎ）における平均溶接電圧値Ｖｗ（ｎ）が、第ｎ回目のパルス周期におけるアーク長に略比例していることを前提条件とした制御である。この前提条件は、Ａｒ−５〜３０％ＣＯ2ガスをシールドガスとして用い、図１５に示すような単純なパルス波形が繰り返されるようなパルスアーク溶接方法については成立する。ところが、この前提条件は、特許文献３の技術には適用できない。すなわち、この前提条件は、炭酸ガスまたは炭酸ガスを主成分とする混合ガスをシールドガスとして用い、１パルス周期においてピーク電流の異なる２種類のパルス波形を用いて１周期あたり１溶滴を移行させる消耗電極式パルスアーク溶接においては、成立しない。
【００１９】
また、特許文献３の技術では、例えば、開先内をウィービングしてチップ母材間距離が時々変化するような溶接を行うことも想定している。一方、特許文献２に記載のアーク長制御は、ベース期間Ｔｂを固定パラメータとして設定しているために所定期間のパルスピーク電流を増減することでアーク長を補償する制御なので、開先内をウィービングしてチップ母材間距離が時々変化するような溶接に適用した場合には、ピーク電流が急激に増減することとなる。そのため、このような溶接を行った場合には、溶滴離脱後にワイヤ側に残留した融液や形成途中の溶滴がアーク反力によってスパッタとした飛散することが頻発する。
【００２０】
さらに、特許文献２の技術は、図１７に示すようなパルス波形を生成するため、溶滴を形成する期間である、ピーク期間（Ｔｐ−Ｔｃ）あるいは出力補正時間Ｔｒ直後のピーク期間Ｔｐに、電流値が毎回大きく変動してしまう。したがって、溶滴サイズのバラツキを誘発し、溶滴移行の規則性が損なわれるという問題がある。
【００２１】
また、特許文献３の技術のように、パルスアーク溶接では、ベース期間Ｔｂにおける溶滴の懸垂整形過程が極めて重要であり、ベース期間Ｔｂが短くなり過ぎると、次のパルスで溶滴を離脱させることができないという問題がある。また、ベース期間Ｔｂが長くなり過ぎると、溶滴が溶融池に接触し、短絡によるスパッタが発生してしまうという問題があるため、これを改善することが望まれていた。
【００２２】
そこで、本発明では、前記した問題を解決し、炭酸ガスまたは炭酸ガスを主成分とする混合ガスをシールドガスとして用いる消耗電極式パルスアーク溶接において、外乱によるアーク長の変動を正確に抑制することができるアーク長制御技術を提供することを目的とする。
【００２３】
また、本発明は、開先内をウィービングしてチップ母材間距離が時々変化するような場合でも、溶滴移行の規則性を損なうことなく、スパッタの発生も抑制できるアーク長制御技術を提供することを他の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
前記目的を達成するために、本願発明者らは、炭酸ガスまたは炭酸ガスを主成分とする混合ガスをシールドガスとして用いて、１パルス周期で１溶滴の移行を行うためにパルス周期内で、溶滴を離脱させる役割の第１パルス波形と、溶滴離脱後のワイヤを溶融して溶滴を成長させて整形する役割の第２パルス波形という２種類の異なるパルス波形を生成する消耗電極式パルスアーク溶接において種々検討を行った。その結果、パルス周期内の全タイミングで検出される溶接電圧の瞬時値とアーク長とは相関性が相対的に低く、第２パルス波形の期間である第２パルス期間で検出される溶接電圧の瞬時値とアーク長とは、相関性が相対的に高いことを見出した。
【００２５】
そこで、本発明のうち請求項１に記載の溶接制御装置は、炭酸ガスまたは炭酸ガスを主成分とする混合ガスをシールドガスとして用いて、パルス周期の１周期の間に、パルスピーク電流および／またはパルス幅の異なる２種類のパルス波形として、ワイヤ先端からの溶滴を離脱させるための第１パルス波形および前記溶滴を整形するための第２パルス波形をこの順番に出力することで１溶滴の移行を行う消耗電極式パルスアーク溶接において、溶接電源の溶接電流を検出する電流検出器と、前記溶接電源の溶接電圧を検出する電圧検出器と、前記検出された溶接電流および溶接電圧の少なくとも一方に基づいて前記溶滴のくびれを検出するくびれ検出部と、予め設定された波形パラメータに基づいて前記２種類のパルス波形を交互に生成して前記溶接電源に出力すると共に前記溶滴のくびれが検出された場合に直ちに前記第１パルスの電流値を検出時の電流値よりも低い所定値に切り替える波形生成器とを備え、前記パルス周期は、前記第１パルス波形のピーク期間およびベース期間を含む第１パルス期間と、前記第２パルス波形のピーク期間およびベース期間を含む第２パルス期間とからなる溶接制御装置であって、下記の式（１）に示されるパラメータとして、予め設定された、溶接電源の外部特性の傾きＫｓ、前記第２パルス期間における溶接電流設定値Ｉｓ２、および前記第２パルス期間における溶接電圧設定値Ｖｓ２の各情報の入力を受け付けると共に、前記第２パルス期間において検出された溶接電流の瞬時値Ｉｏ２および前記第２パルス期間において検出された溶接電圧の瞬時値Ｖｏ２の各情報の入力を受け付け、前記パルス周期において前記第１パルス期間を終了して前記第２パルス期間を開始した時点から、下記の式（１）で表す電圧誤差積分値Ｓｖ２の演算を開始し、演算結果が０となった時点で演算を終了する積分器と、前記演算の結果、前記電圧誤差積分値Ｓｖ２の値が０と等しくなったか否か比較する比較器と、をさらに備え、前記波形生成器が、前記パルス周期毎に、前記電圧誤差積分値Ｓｖ２の値が０と等しくなった時点で、当該パルス周期を終了して次回のパルス周期を開始することを特徴とする。
【数３】
【００２６】
かかる構成によれば、溶接制御装置は、パルス周期毎に、溶滴を整形するための第２パルス波形に関する第２パルス期間において検出された溶接電流の瞬時値Ｉｏ２および溶接電圧の瞬時値Ｖｏ２を用いて、前記した式（１）で表す電圧誤差積分値Ｓｖ２の演算を開始し、電圧誤差積分値Ｓｖ２の値が０と等しくなった時点で、当該パルス周期を終了して次回のパルス周期を開始する。したがって、パルス周期のうち第２パルス期間のベース期間の長さが変化することになる。すなわち、溶接制御装置は、パルス周波数変化によるアーク長制御を実現できる。
【００２７】
ここで、パルス周期のうち、第１パルス期間は、溶滴を離脱させる役割の第１パルス波形の期間なので、この期間のアーク長は、溶滴が変形する際の挙動や離脱するときの挙動に支配される。したがって、第１パルス期間で検出される溶接電圧の瞬時値は、前記溶融と送給のバランスが崩れることによるアーク長の変化を正確に反映したものとは言い難く、溶滴の挙動の影響が大きいものとなっている。一方、第２パルス期間は、そのピーク期間で溶滴離脱後のワイヤを溶融して溶滴を成長させ、そのベース期間で溶滴を整形する役割の第２パルス波形の期間なので、この期間の溶滴は基本的に離脱することなく、極端に変形することもない。したがって、アーク長は、ワイヤ溶融速度と送給速度のバランスに支配される。したがって、第２パルス期間で検出される溶接電圧の瞬時値は、第１パルス期間に比べて前記溶融と送給のバランスが崩れることによるアーク長の変化を正確に反映したものとなっている。そのため、本発明の溶接制御装置は、実際のアーク長との相関性の高い第２パルス期間の溶接電流の瞬時値Ｉｏ２および溶接電圧の瞬時値Ｖｏ２を用いることにより、従来のようにパルス周期全体で検出される溶接電流値および溶接電圧値を使用するアーク長制御と比較したときに、外乱によるアーク長の変動をより正確に抑制することができる。
【００２８】
また、請求項２に記載の溶接制御装置は、請求項１に記載の溶接制御装置であって、前記波形生成器が、前記予め設定された波形パラメータのうち、前記第２パルス期間のピーク期間の値を設定値に対して増減させる増減値を、下記の式（２）に基づいて演算して前記第２パルス波形を生成するものであり、下記の式（２）に示されるパラメータとして、予め設定された前記第２パルス期間のベース期間の基準値Ｔｂ２ｒｅｆ、および前記第２パルス期間のピーク期間の変化ゲインＫｓｔｐの各情報の入力を受け付け、前記受け付けた各情報と、前回を示す第（ｎ−１）回目のパルス周期における前記第２パルス期間のベース期間の実測値Ｔｂ２（ｎ−１）とを用いて、下記の式（２）で表す今回を示す第ｎ回目のパルス周期における前記第２パルス期間のピーク期間の増減値ΔＴｐ２（ｎ）を演算することを特徴とする。
【数４】
【００２９】
かかる構成によれば、溶接制御装置は、予め設定された各パラメータの値と、第（ｎ−１）回目のパルス周期における第２パルス期間のベース期間の実測値とを用いて、前記した式（２）により第ｎ回目のパルス周期における第２パルス期間のピーク期間の増減値ΔＴｐ２（ｎ）を演算する。したがって、前回のパルス周期で第２パルス期間のベース期間を変化させたときの影響を、今回のパルス周期で、ピーク期間を増減させることで、ピーク電流を増減分のピーク期間だけ積分した積分値で補償することができる。すなわち、本発明の溶接制御装置は、パルス周波数変化によるアーク長制御をメイン処理で実行しつつ、補助的な処理として、第２パルス期間のピーク期間を変化させることにより、第２パルス期間のベース期間の変化量を抑制することができる。例えば、前回のパルス周期でベース期間が短くなった場合に、今回のパルス周期でピーク期間を増加させることで、第２パルス期間あるいはパルス周期全体としての周波数変化の影響を緩和できる。そのため、開先内をウィービングしてチップ母材間距離が時々変化するような場合でも、溶滴移行の規則性を損なうことなく、スパッタの発生も抑制できる。
【００３０】
また、請求項３に記載の溶接制御装置は、請求項２に記載の溶接制御装置であって、前記波形生成器が、前記第２パルス期間のピーク期間の値が適正値となるように予め設定された増減値ΔＴｐ２（ｎ）の増加幅の最大値および減少幅の最大値と、前記第２パルス期間のピーク期間の増減値ΔＴｐ２（ｎ）の演算結果とを比較し、前記演算結果の絶対値が前記増加幅の最大値または前記減少幅の最大値を超えた場合、前記第２パルス期間のピーク期間の値を設定値に対して増減させる増減値を、前記増加幅の最大値または前記減少幅の最大値として前記第２パルス波形を生成することを特徴とする。
【００３１】
かかる構成によれば、溶接制御装置は、アーク長制御の補助的な処理として、第２パルス期間のピーク期間を変化させる処理を行う際に、増減値ΔＴｐ２（ｎ）の増加幅の最大値および減少幅の最大値が予め設定されているので、第２パルス期間のピーク期間を過大に変化させることがない。したがって、第２パルス期間のピーク期間を過大に変化させることで溶滴移行の規則性を乱してしまうという悪影響を排除できる。
【００３２】
また、請求項４に記載の溶接制御装置は、請求項１に記載の溶接制御装置であって、前記波形生成器が、前記予め設定された波形パラメータのうち、前記第２パルス期間のピーク電流の値を設定値に対して増減させる増減値を、下記の式（３）に基づいて演算して前記第２パルス波形を生成するものであり、下記の式（３）に示されるパラメータとして、予め設定された前記第２パルス期間のベース期間の基準値Ｔｂ２ｒｅｆ、および前記第２パルス期間のピーク電流の変化ゲインＫｓｉｐの各情報の入力を受け付け、前記受け付けた各情報と、前回を示す第（ｎ−１）回目のパルス周期における前記第２パルス期間のベース期間の実測値Ｔｂ２（ｎ−１）とを用いて、下記の式（３）で表す今回を示す第ｎ回目のパルス周期における前記第２パルス期間のピーク電流の増減値ΔＩｐ２（ｎ）を演算することを特徴とする。
【数５】
【００３３】
かかる構成によれば、溶接制御装置は、予め設定された各パラメータの値と、第（ｎ−１）回目のパルス周期における第２パルス期間のベース期間の実測値とを用いて、前記した式（３）により第ｎ回目のパルス周期における第２パルス期間のピーク電流の増減値ΔＩｐ２（ｎ）を演算する。したがって、前回のパルス周期で第２パルス期間のベース期間を変化させたときの影響を、今回のパルス周期で、ピーク電流を増減させることで、増減分のピーク電流をピーク期間だけ積分した積分値で補償することができる。すなわち、本発明の溶接制御装置は、パルス周波数変化によるアーク長制御をメイン処理で実行しつつ、補助的な処理として、第２パルス期間のピーク電流を変化させることにより、第２パルス期間のベース期間の変化量を抑制することができる。例えば、前回のパルス周期でベース期間が短くなった場合に、今回のパルス周期でピーク電流を増加させることで、第２パルス期間あるいはパルス周期全体としての周波数変化の影響を緩和できる。そのため、開先内をウィービングしてチップ母材間距離が時々変化するような場合でも、溶滴移行の規則性を損なうことなく、スパッタの発生も抑制できる。
【００３４】
また、請求項５に記載の溶接制御装置は、請求項４に記載の溶接制御装置であって、前記波形生成器が、前記第２パルス期間のピーク電流の値が適正値となるように予め設定された増減値ΔＩｐ２（ｎ）の増加幅の最大値および減少幅の最大値と、前記第２パルス期間のピーク電流の増減値ΔＩｐ２（ｎ）の演算結果とを比較し、前記演算結果の絶対値が前記増加幅の最大値または前記減少幅の最大値を超えた場合、前記第２パルス期間のピーク電流の値を設定値に対して増減させる増減値を、前記増加幅の最大値または前記減少幅の最大値として前記第２パルス波形を生成することを特徴とする。
【００３５】
かかる構成によれば、溶接制御装置は、アーク長制御の補助的な処理として、第２パルス期間のピーク電流を変化させる処理を行う際に、増減値ΔＩｐ２（ｎ）の増加幅の最大値および減少幅の最大値が予め設定されているので、第２パルス期間のピーク電流を過大に変化させることがない。したがって、第２パルス期間のピーク電流を過大に変化させることで溶滴移行の規則性を乱してしまうという悪影響を排除できる。
【００３６】
また、前記目的を達成するために、本発明の請求項６に記載のアーク長制御方法は、炭酸ガスまたは炭酸ガスを主成分とする混合ガスをシールドガスとして用いて、パルス周期の１周期の間に、パルスピーク電流および／またはパルス幅の異なる２種類のパルス波形として、ワイヤ先端からの溶滴を離脱させるための第１パルス波形および前記溶滴を整形するための第２パルス波形をこの順番に出力することで１溶滴の移行を行う消耗電極式パルスアーク溶接において、予め設定された波形パラメータに基づいて前記２種類のパルス波形を交互に生成して溶接電源に出力すると共に前記溶滴のくびれが検出された場合に直ちに前記第１パルスの電流値を検出時の電流値よりも低い所定値に切り替える溶接制御装置によるアーク長制御方法であって、前記パルス周期が、前記第１パルス波形のピーク期間およびベース期間を含む第１パルス期間と、前記第２パルス波形のピーク期間およびベース期間を含む第２パルス期間とからなり、前記溶接制御装置が、溶接中に溶接電流を検出するステップと、溶接中に溶接電圧を検出するステップと、下記の式（１）に示されるパラメータとして、予め設定された、溶接電源の外部特性の傾きＫｓ、前記第２パルス期間における溶接電流設定値Ｉｓ２、および前記第２パルス期間における溶接電圧設定値Ｖｓ２の各情報の入力を受け付けるステップと、下記の式（１）に示されるパラメータとして、前記第２パルス期間において検出された溶接電流の瞬時値Ｉｏ２および溶接電圧の瞬時値Ｖｏ２の各情報の入力を受け付けるステップと、前記パルス周期において前記第１パルス期間を終了して前記第２パルス期間を開始した時点から、下記の式（１）で表す電圧誤差積分値Ｓｖ２の演算を開始し、演算結果が０となった時点で演算を終了するステップと、前記演算の結果、前記電圧誤差積分値Ｓｖ２の値が０と等しくなったか否か比較するステップと、前記２種類のパルス波形を交互に生成するに際して、前記パルス周期毎に、前記電圧誤差積分値Ｓｖ２の値が０と等しくなった時点で、当該パルス周期を終了して次回のパルス周期を開始するステップと、を含んで実行することを特徴とする。
【数６】
【００３７】
かかる手順によれば、溶接制御装置は、パルス周期毎に、実際のアーク長との相関性の高い波形である、溶滴を整形するための第２パルス波形に関する第２パルス期間において検出された溶接電流の瞬時値Ｉｏ２および溶接電圧の瞬時値Ｖｏ２を用いて、前記した式（１）で表す電圧誤差積分値Ｓｖ２の演算を開始し、電圧誤差積分値Ｓｖ２の値が０と等しくなった時点で、当該パルス周期を終了して次回のパルス周期を開始する。したがって、溶接制御装置は、外乱によるアーク長の変動をより正確に抑制しつつ、パルス周波数変化によるアーク長制御を実現できる。
【００３８】
また、前記目的を達成するために、本発明の請求項７に記載の溶接システムは、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の溶接制御装置と、ワイヤ収納容器からワイヤ送給路を通してワイヤをトーチに送り出すワイヤ送給装置と、前記ワイヤ送給装置２を駆動すると共に、前記溶接制御装置が前記第１パルス波形および第２パルス波形に基づいて出力する溶接指令信号に基づき、前記ワイヤ送給装置から前記トーチに送り出されたワイヤに溶接電流を供給する溶接電源と、前記トーチを保持し、前記トーチを移動させるアーク溶接ロボットと、溶接経路および溶接作業条件を示すコマンドを入力する制御盤を有し前記入力されたコマンドに基づいて前記アーク溶接ロボットを制御するロボット制御装置とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、溶接制御装置は、パルス周期のうち、溶滴の挙動の影響が大きい第１パルス期間の検出値を用いることなく、実際のアーク長との相関性の高い第２パルス期間の溶接電流の瞬時値Ｉｏ２および溶接電圧の瞬時値Ｖｏ２を用いるため、従来のようにパルス周期全体で検出される溶接電流値および溶接電圧値を使用するアーク長制御と比較したときに、外乱によるアーク長の変動をより正確に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の溶接制御装置の制御により測定された溶接電圧および溶接電流のタイミングチャートである。
【図２】本発明の溶接制御装置が生成するパルス波形の一例を示す図である。
【図３】本発明の溶接制御装置が生成するパルス波形による溶接ワイヤ先端部の時系列変化を模式的に示す説明図である。
【図４】炭酸ガスパルス溶接における溶接電圧とアーク長の測定の説明図であって、（ａ）は測定例のグラフ、（ｂ）はアーク長の定義をそれぞれ示している。
【図５】従来のマグパルス溶接における溶接電圧とアーク長の測定例のグラフである。
【図６】従来のマグパルス溶接における溶接電圧とアーク長との関係を示すグラフである。
【図７】従来の炭酸ガスパルス溶接における溶接電圧とアーク長との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の溶接制御装置を含む溶接システムの一例を模式的に示す構成図である。
【図９】本発明の溶接制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】図９に示すくびれ検出部の構成例を示すブロック図である。
【図１１】従来の炭酸ガスパルス溶接における溶接電圧を示すグラフである。
【図１２】本発明のアーク長制御方法を用いた炭酸ガスパルス溶接における溶接電圧を示すグラフである。
【図１３】本発明の炭酸ガスパルス溶接における溶接電圧とアーク長との関係を示すグラフである。
【図１４】本発明において、溶接中にチップ母材間距離を変化させた場合の周波数変化を示すグラフである。
【図１５】従来のマグパルス溶接で用いられるパルス波形の一例を示す図である。
【図１６】従来のマグパルス溶接においてアーク長制御を実現するための溶接電流および溶接電圧の動作点と、設定された外部特性の傾きとの関係を示すグラフである。
【図１７】従来の消耗電極式パルスアーク溶接機で用いられるパルス波形の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、図面を参照して本発明の溶接制御装置、アーク長制御方法および溶接制御装置を備える溶接システムを実施するための形態（以下「実施形態」という）について説明する。まず、本実施形態のアーク長制御方法の概要をパルスアーク溶接方法と共に説明し、次いで、アーク長制御方法の原理、溶接システム、アーク長制御方法を実現する溶接制御装置の第１〜第３実施形態、およびアーク長制御方法の具体的な効果について順次説明していくこととする。
【００４２】
［アーク長制御方法の概要］
本実施形態のアーク長制御方法の概要について図１ないし図３を参照して説明する。図１は、本発明の溶接制御装置の制御により測定された溶接電圧および溶接電流のタイミングチャートである。図２は、本発明の溶接制御装置が生成するパルス波形の一例を示す図であり、図３は、本発明の溶接制御装置が生成するパルス波形による溶接ワイヤ先端部の時系列変化を模式的に示す説明図である。
【００４３】
本実施形態のアーク長制御方法は、本実施形態の溶接制御装置が、炭酸ガスまたは炭酸ガスを主成分とする混合ガスをシールドガスとして用いて、予め設定された波形パラメータに基づいて図２に示すような異なる２種類のパルス波形を、パルス周期の１周期の間に交互に生成して溶接電源に出力することで１溶滴の移行を行う消耗電極式パルスアーク溶接を前提としている。
【００４４】
図２に示す第１パルス２０１は、ワイヤ先端からの溶滴を離脱させるための第１パルス波形である。第１パルス２０１のピーク期間Ｔｐ１およびベース期間Ｔｂ１を含む期間を第１パルス期間と呼ぶ。ここでは、第１パルス２０１には、ピーク電流値Ｉｐ１およびベース電流値Ｉｂ１が設定されている。また、ピーク電流値Ｉｐ１は、第２パルス２０２のピーク電流値Ｉｐ２よりも大きい。
【００４５】
図２に示す第２パルス２０２は、溶滴を整形するための第２パルス波形である。第２パルス２０２のピーク期間Ｔｐ２およびベース期間Ｔｂ２を含む期間を第２パルス期間と呼ぶ。ここでは、第２パルス２０２には、ピーク電流値Ｉｐ２およびベース電流値Ｉｂ２が設定されている。
【００４６】
パルス周期の１周期は、第１パルス期間と第２パルス期間とからなる。パルス周期の１周期は、第１パルス２０１と第２パルス２０２とをこの順番に出力する期間である。図２に、前回を示す第（ｎ−１）回目のパルス周期をＴｐｂ（ｎ−１）として示した。また、今回を示す第ｎ回目のパルス周期をＴｐｂ（ｎ）として示した。また、図２では、第１パルス２０１および第２パルス２０２の形状を矩形で示したが、より詳細には、ベース電流からピーク電流へ至る立上りスロープ期間（第１パルス立上りスロープ期間、第２パルス立上りスロープ期間）やピーク電流からベース電流へ至るパルス立下りスロープ期間が含まれている。
【００４７】
本実施形態の溶接制御装置は、溶接中に溶接電圧および溶接電流を検出しており、少なくとも一方に基づいて、図３に示すような溶滴のくびれ３０６を検出した場合に、直ちに第１パルス２０１の電流値を検出時の電流値よりも低い所定値に切り替える。なお、図３ではベース電流に切り替える例を示している。溶滴移行の詳細は以下の通りである。
【００４８】
図３において、符号３１１で示すワイヤ先端３０５は、前回のパルス周期Ｔｐｂ（ｎ−１）にて溶滴が離脱した後の第２パルスピーク期間（Ｔｐ２）に成長したものである。第２ベース期間（Ｔｂ２）に電流が急激に減少するため、溶滴に作用する上方への押上げ力が弱まり、溶滴は、ワイヤ先端３０５に懸垂整形される。
【００４９】
続いて、第１パルスピーク期間（Ｔｐ１）に入ると、ピーク電流による電磁ピンチ力により、符号３１２で示すように、溶滴は変形し、急速にくびれ３０６が生じる。溶滴の離脱前にくびれ３０６を検知することにより、第１パルスピーク期間中あるいは第１パルス立下りスロープ期間中であっても即座に第１ベース電流または検知時の電流より低い所定電流に切替え、離脱後のワイヤ側にアークが移動する瞬間においては、符号３１３で示すように電流が下がっている状態にする。これにより、ワイヤのくびれ３０６部分の飛散や離脱後の残留融液の飛散による小粒スパッタを大幅に低減できる。
【００５０】
続いて、符号３１４で示すように、第２パルスピーク期間では、溶滴離脱後のワイヤに残留した融液が、離脱したり飛散したりしないようなレベルに予め第２パルスピーク電流値（Ｉｐ２）を設定した上で溶滴を成長させる。そして、符号３１５で示すように、第２ベース期間（Ｔｂ２）で溶滴の整形を行いながら再び、符号３１１で示す状態に戻るため、１周期あたり１溶滴の移行を極めて規則正しく実現できる。
【００５１】
このような本実施形態の溶接制御装置で検出する溶接電圧の瞬時値Ｖｏの一例を図１の上段に示し、溶接電流の瞬時値Ｉｏの一例を図１の中段に示す。また、溶接制御装置は、下記の式（１）で表す電圧誤差積分値Ｓｖ２の演算を行う。図１の下段に、電圧誤差積分値Ｓｖ２の演算の演算結果の一例を示す。
【００５２】
【数７】
【００５３】
式（１）に示されるパラメータのうち、Ｋｓは、溶接電源の外部特性の傾きであり、予め設定されたワイヤ送給速度Ｗｆｓ、溶接電圧の設定、シールドガス組成やワイヤの種類に応じて決定されている。Ｉｓ２は、第２パルス期間における溶接電流設定値であり、予め設定された溶接電流設定値Ｉｓに応じて決定されている。Ｖｓ２は、第２パルス期間における溶接電圧設定値であり、予め設定された溶接電圧設定値Ｖｓに応じて決定されている。Ｉｏ２は、第２パルス期間において検出された溶接電流の瞬時値である。Ｖｏ２は、第２パルス期間において検出された溶接電圧の瞬時値である。
【００５４】
溶接制御装置が式（１）で表す電圧誤差積分値Ｓｖ２の演算を開始するタイミングは、パルス周期において第１パルス期間を終了して第２パルス期間を開始した時点である。例えば、図１において、ｎパルス目のパルス周期において第１パルス期間の期間では、電圧誤差積分値Ｓｖ２の値は０であるが、第２パルス期間を開始した時点から、Ｓｖ２の値は０から下降していくことが分かる。続いて、第２パルスピーク期間（Ｔｐ２）が終了すると、Ｓｖ２の値は上昇し始め、０となった時点で、ｎパルス目のパルス周期が終了し、（ｎ＋１）パルス目のパルス周期が開始していることが分かる。
【００５５】
［アーク長制御方法の原理］
前記した式（１）は、第２パルス期間における各情報のみを抽出して用いている点が従来技術で説明した式（１０２）と相違している。前記した式（１）において、第２パルス期間における各情報を用いることとした理由は、パルスアーク溶接法におけるアーク長と溶接電圧の相関性の検討によるものである。以下に、その詳細を説明する。
【００５６】
従来技術で前記した式（１０２）を用いるパルスアーク溶接法におけるアーク長と溶接電圧の相関性を調査するために、炭酸ガスをシールドガスとして用い、図２に示すパルス波形を用いた場合の溶接アークを高速度カメラにより毎秒６０００コマで撮影し、得られた動画から時々刻々のアーク長を測定した。そして、時々刻々のアーク長をプロットしたグラフをアーク長の測定結果として図４（ａ）に示す。なお、図４（ａ）には、同時に測定した溶接電圧の波形も示している。
【００５７】
アーク長は、図４（ｂ）に示すように、被溶接材Ｗに対してトーチ９から供給されるワイヤのワイヤ先端３０５の溶滴下端から被溶接材Ｗの表面までの距離である。この炭酸ガス単体または炭酸ガスを主成分とする混合ガスをシールドガスとして用いた場合、熱的ピンチ効果によりアークが緊縮するため、図４（ｂ）に示すように、溶滴下端部からアークは発生する。したがって、Ａｒ−５〜３０％ＣＯ2混合ガスをシールドガスとして用いた場合（マグパルス溶接）と比較して、溶滴がワイヤ径以上に粗大化する。そのため、各パルス周期において、溶滴の離脱に伴い、少なくとも溶滴直径分のアーク長変化が発生する。しかしながら、この現象は、ワイヤ送給速度と溶融速度とのバランスが崩れる現象ではない。つまり、溶滴の離脱に伴って生じるアーク長変化は、ワイヤ送給速度と溶融速度とのバランスが崩れた結果を反映するものではない。
【００５８】
また、炭酸ガスパルスアーク溶接により形成された溶滴の大きさを、パルス周期毎に比較してみると、毎回殆ど同等であった。ただし、各パルス周期において溶滴の詳細な形状は当然異なっているので、各溶滴のくびれ方や溶滴の離脱までの変形の仕方等によって、各パルス周期のそれぞれの第１パルス期間において測定されたアーク長は、図４（ａ）に示すように、それぞれ異なっている。しかしながら、図４（ａ）に示す第１パルス期間の溶接電圧には、それに相当する変化は見られない。これは粗大化した溶滴が離脱するような複雑な過程において、アーク長と溶接電圧は必ずしも比例せず、ワイヤ側のアーク発生領域《陽極領域》やアーク柱の広がりも同時に変化することと関連している。
【００５９】
以上の検討から、第１パルス期間におけるアーク長と溶接電圧とは相関性が低いと結論付けられる。
【００６０】
ここで、比較のため、シールドガスが異なるマグパルス溶接について言及しておく。マグパルス溶接では、アークは、溶滴の上から発生する上、溶滴が小さいので、溶滴の離脱によるアーク長変化は小さい。また、マグパルス溶接において、同様に撮影した時々刻々のアーク長をプロットしたグラフ（アーク長の測定結果）と、そのときの溶接電圧の波形とを図５に示す。図５に示すように、単純なパルス波形を用いたマグパルス溶接では、アーク長と溶接電圧とが密接に相関している様子がよく分かる。
【００６１】
図６は、図５に示したマグパルス溶接で測定されたアーク長と溶接電圧の時々刻々の関係をＸＹ面にプロットし直したものを示す。図６のグラフの横軸はアーク長、縦軸は溶接電圧をそれぞれ示している。プロットした点（菱形のドット）から、マグパルス溶接では、アーク長の増加に伴って、溶接電圧が増加する傾向が明白に認められる。
【００６２】
同様に、図７は、図４（ａ）に示した炭酸ガスパルスアーク溶接法におけるアーク長と溶接電圧の時々刻々の関係をＸＹ面にプロットし直したものを示す。プロットした点（菱形のドット）から、アーク長の増加に伴って、溶接電圧が増加する傾向が認められるものの、そのバラツキは極めて大きい。したがって、これらの考察から、第１パルス期間におけるアーク長は、溶滴の変形や離脱挙動に支配されているため、これらが含まれる電圧情報をアーク長制御に利用することは、溶融ワイヤの送給速度と溶融速度とのバランスを調整する上で精度の低下を招くことになる。一方、第２パルス期間の溶接電圧はアーク長と相関性が高いことを見出したため、前記した式（１）において、第２パルス期間における各情報を用いることとした。
【００６３】
［溶接システムの構成］
図８は、本発明の溶接制御装置を備える溶接システムの一例を模式的に示す構成図である。本発明の実施形態に係る溶接システム１は、図８に示すように、主として、ワイヤ送給装置２と、溶接電源３と、溶接制御装置４と、アーク溶接ロボット５と、ロボット制御装置６とを備えている。
【００６４】
ワイヤ送給装置２は、溶接制御装置４を介して溶接電源３と接続されている。溶接電源３は、ワイヤ７を送り出すローラ等からなるワイヤ送給装置２を駆動する。溶接制御装置４が溶接指令信号を溶接電源３に出力すると、溶接電源３によりワイヤ送給装置２が駆動されて、ワイヤ収納容器８からワイヤ送給路８ａを通してワイヤ７がトーチ９に送給される。本発明の実施形態に係る溶接制御装置４の詳細は後記する。
【００６５】
アーク溶接ロボット５は、例えば、６軸構成の多関節型の溶接ロボットであり、手首部分には、トーチ９が取り付けられている。アーク溶接ロボット５は、ロボット制御装置６からの指令に基づいて内部の図示しないモータの動作により、各関節を動かすことにより、トーチ９を移動させることができる。トーチ９は、ワイヤを被溶接材Ｗに向けて送り出すものである。この送り出されたワイヤと被溶接材Ｗとの間にアーク１０が形成されることで溶接が行われる。
【００６６】
ロボット制御装置６は、アーク溶接ロボット５に接続されており、溶接経路および溶接作業条件を示すコマンドを入力する制御盤６ａを有し、入力されたコマンドに基づいてアーク溶接ロボット５を制御するものである。なお、本実施形態では、制御盤６ａにより、溶接制御装置３に対するコマンドも入力できるように構成した。このロボット制御装置６にコマンドを入力する際に、制御盤６ａの代わりに、ロボット制御装置６にケーブル等で接続された図示しない教示ペンダントからコマンドを入力するようにしてもよい。また、ロボット制御装置６に予め所定の教示プログラムで指示される溶接経路や溶接作業条件を記憶させておき、これに基づいて、アーク溶接ロボット５等を制御することもできる。
【００６７】
なお、溶接制御装置４と、ロボット制御装置６とは、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、入出力インタフェース等を備えている。
【００６８】
［溶接制御装置］
（第１実施形態）
図９は、本発明の溶接制御装置の構成を示すブロック図である。図９では、溶接制御装置４と、この溶接制御装置４から出力される信号によりワイヤ７をトーチ９に送給する溶接電源３とを示している。
【００６９】
出力制御素子２１は、３相２００Ｖ等の商用電源に接続されており、この出力制御素子２１に与えられた電流は、図示を省略したトランス、整流部（ダイオード）および直流リアクトルを経由して、溶接電流を検出する電流検出器２２を介して、コンタクトチップ２３に与えられる。なお、コンタクトチップ２３は、破線で示すように、トーチ９内に収納されている。
【００７０】
電流検出器２２は、溶接電流の瞬時値Ｉｏを検出し、電流検出信号を出力制御器２５に出力するものである。電流検出器２２は、第２パルス期間における溶接電流の瞬時値Ｉｏ２も検出し、この検出信号を積分器３６に出力する。
【００７１】
図示しないトランスを介した出力制御素子２１の低位電源側には、被溶接材Ｗが接続されており、コンタクトチップ２３内を挿通して給電されるワイヤ７と、被溶接材Ｗとの間にアーク１０が生起される。
【００７２】
電圧検出器２４は、コンタクトチップ２３と被溶接材Ｗとの間の溶接電圧の瞬時値Ｖｏを検出し、電圧検出信号を出力制御器２５に出力するものである。電圧検出器２４は、第２パルス期間における溶接電圧の瞬時値Ｖｏ２も検出し、この検出信号を積分器３６に出力する。
【００７３】
出力制御器２５は、電流検出器２２から入力される溶接電流の検出信号（Ｉｏ）と、電圧検出器２４から入力される溶接電圧の検出信号（Ｖｏ）と、波形生成器３１から入力される第１パルス２０１および第２パルス２０２の波形形状を示す信号とに基づいて、ワイヤ７に給電する溶接電流おび溶接電圧の指令値を決定し、溶接指令信号を出力して出力制御素子２１を制御することによって溶接出力を制御する。
【００７４】
波形生成器３１は、パルス波形が異なる２種類のパルス信号として溶滴を離脱させるための第１パルス２０１と、溶滴を整形するための第２パルス２０２とを交互に生成して出力制御素子２１を介して溶接電源３に出力するものである。このために、波形生成器３１には、波形設定器３２で設定された各種波形パラメータが入力される。
【００７５】
また、波形生成器３１は、溶滴のくびれが検出された場合に直ちに第１パルス２０１の電流値を検出時の電流値よりも低い所定値に切り替える。本実施形態では、波形生成器３１には、くびれ検出器３３から、溶滴離脱直前を示す第１パルス期間終了信号（Ｔｐ１ｆ）が入力される。波形生成器３１は、第１パルス期間終了信号（Ｔｐ１ｆ）が入力された場合に、波形設定器３２で設定された設定値に基づいて、第１パルスベース期間では、第１パルスベース電流になるように、出力制御器２５の出力を補正するための信号（出力補正信号）を出力制御器２５に出力する。また、第１パルス期間終了信号（Ｔｐ１ｆ）が入力されて第１パルスベース期間が終了した場合に、波形生成器３１は、波形設定器３２で設定されたパルス形状となるように、第２パルスの波形信号を出力し、続いて、再び、第１パルス、第２パルスによる交互出力を繰り返す。
【００７６】
また、波形生成器３１には、Ｓｖ２比較器３７から、前記した式（１）の演算結果が０と等しくなったことを示す第２ベース期間終了信号（Ｔｂ２ｆ）が入力される。波形生成器３１は、パルス周期毎に、第２ベース期間終了信号（Ｔｂ２ｆ）が入力された場合に、当該パルス周期を終了して次回のパルス周期を開始する。
【００７７】
波形設定器３２は、第１パルス２０１および第２パルス２０２における波形パラメータ（ピーク電流、パルスピーク期間、ベース電流、パルスベース期間、立上りスロープ期間、立下がりスロープ期間等）を波形生成器３１に設定するものである。本実施形態では、波形設定器３２は、図示しない記憶手段に予め記憶された波形パラメータの各値を波形パラメータ設定信号として波形生成器３１に入力する。
【００７８】
くびれ検出器３３は、電流検出器２２で検出された溶接電流および電圧検出器２４で検出された溶接電圧の少なくとも一方に基づいて、溶滴離脱直前の状態として溶滴のくびれ３０６を検出するものである。くびれ検出器３３は、溶接電圧あるいはアークインピーダンス等について１階または２階の時間微分信号を用いることで、溶滴のくびれを検出することが可能である。本実施形態では、くびれ検出器３３は、電圧検出器２４で検出された溶接電圧の瞬時値Ｖｏの時間２階微分値に基づいて溶滴のくびれを検出することとした。
【００７９】
本実施形態では、くびれ検出器３３は、図１０に示すように、溶接電圧微分器４１と、２階微分器４２と、２階微分値設定器４３と、比較器４４とを備え、波形生成器３１から溶滴離脱検出許可信号が入力されているときに、それぞれの処理を行うこととした。
【００８０】
溶接電圧微分器４１は、電圧検出器２４により検出された溶接電圧の瞬時値Ｖｏを時間微分する。この時間微分電圧値ｄＶ／ｄｔは、２階微分器４２により、さらに時間微分され、その算出結果である時間２階微分値ｄ２Ｖ／ｄｔ２は、比較器４４に入力される。２階微分値設定器４３は、ワイヤ先端から溶滴が離脱する直前のくびれに相当する溶接電圧の時間２階微分値に相当するしきい値を、時間２階微分値として設定するものである。
【００８１】
比較器４４は、２階微分器４２から入力する溶接中の溶接電圧の瞬時値Ｖｏの時間２階微分値（２階微分検出値）と、２階微分値設定器４３で設定された時間２階微分値（２階微分設定値）とを比較するものである。比較器４４は、２階微分検出値が２階微分設定値以上になったときに、溶滴がワイヤ先端から離脱直前であるものと判定し、第１パルス期間終了信号（Ｔｐ１ｆ）を波形生成器３１に出力する。これは、ワイヤ先端に存在する溶滴の根元がくびれ、そのくびれが進行する結果、溶接電圧および抵抗が上昇することを捉えるものである。このように時間２階微分値等を用いて、溶接電圧および抵抗の上昇を検出する場合、溶接中の溶接条件の変化に影響されず、正確に溶滴のくびれを検出できる。
【００８２】
図９に戻って、溶接制御装置４の説明を続ける。
パラメータ設定器３４は、ワイヤ送給速度Ｗｆｓ、溶接電流設定値Ｉｓ、溶接電圧設定値Ｖｓ等を演算部３５に設定するものである。本実施形態では、パラメータ設定器３４は、図示しない記憶手段に予め記憶された溶接パラメータの各値を設定パラメータ信号（設定溶接電流値信号、設定溶接電圧値信号等）として演算部３５に入力する。
【００８３】
演算部３５は、予め定められた各設定値に基づいて、各種パラメータを算出し、算出した各種パラメータを積分器３６に入力するものである。具体的には、演算部３５は、入力される各設定値に応じて溶接電源３の外部特性の傾きＫｓを一義的に決定する。外部特性の傾きＫｓは、溶接電流設定値Ｉｓ（または溶接電圧設定値Ｖｓ）、ワイヤ送給速度Ｗｆｓ、ワイヤの種類、シールドガス組成等に応じて適正に設定される。演算部３５は、例えば、変換用のテーブルや関数を用いて外部特性の傾きＫｓを決定する。
【００８４】
また、演算部３５は、入力される設定溶接電流値信号の値Ｉｓに応じて、第２パルス期間における溶接電流設定値Ｉｓ２を一義的に決定する。演算部３５は、例えば、変換用のテーブルや関数を用いて第２パルス期間における溶接電流設定値Ｉｓ２を決定する。
【００８５】
さらに、演算部３５は、入力される設定溶接電圧値信号の値Ｖｓおよび設定溶接電流値信号の値Ｉｓに応じて、第２パルス期間における溶接電圧設定値Ｖｓ２を一義的に決定する。本実施形態では、演算部３５は、式（４）の演算を行って第２パルス期間における溶接電圧設定値Ｖｓ２を決定する。
【００８６】
【数８】
【００８７】
式（４）において、Ｖｓ＿ｉｎｉは、溶接電流設定値Ｉｓに応じて決まる一元中央電圧、Ｖｓ２＿ｉｎｉは、第２パルス期間における溶接電流設定値Ｉｓ２に応じて決まる第２パルス期間における一元中央電圧、Ｖｓ２＿ｃｈｇは、設定溶接電圧値信号の値（Ｖｓ）を１［Ｖ］変化させた場合の第２パルス期間における溶接電圧設定値Ｖｓ２の変化量である。
【００８８】
積分器３６は、演算部３５からそれぞれ入力される外部特性の傾きＫｓ、第２パルス期間における溶接電流設定値Ｉｓ２および溶接電圧設定値Ｖｓ２と、電流検出器２２から入力される溶接電流の検出信号（Ｉｏ）と、電圧検出器２４から入力される溶接電圧の検出信号（Ｖｏ）とを用いて、前記した式（１）を演算し、電圧誤差積分値の演算結果を示す積分値信号（Ｓｖ２）をＳｖ２比較器３７に出力する。積分器３６が、前記した式（１）の演算を開始するタイミングは、パルス周期の第２パルス期間の開始時点である。積分器３６は、式（１）で表す電圧誤差積分値Ｓｖ２の演算結果が０となった時点で演算を終了する。
【００８９】
Ｓｖ２比較器３７は、入力される積分値信号（Ｓｖ２）が０と等しくなったか否かを比較するものであり、Ｓｖ２＝０となった時点で、第２ベース期間終了信号（Ｔｂ２ｆ）を波形生成器３１に出力する。波形生成器３１は、第２ベース期間終了信号（Ｔｂ２ｆ）が入力された場合に、当該パルス周期を終了して次回のパルス周期を開始する。これをパルス周期毎に繰り返すことによって、外部特性の傾きＫｓ上に動作点を形成することができ、アーク長の調整単位を１周期（１溶滴）とするアーク長制御を実現できる。
【００９０】
第１実施形態によれば、実際のアーク長との相関性の高い第２パルス期間の溶接電流の瞬時値Ｉｏ２および溶接電圧の瞬時値Ｖｏ２を用いるため、従来のようにパルス周期全体で検出される溶接電流値および溶接電圧値を使用するアーク長制御と比較したときに、外乱によるアーク長の変動をより正確に抑制することができる。
【００９１】
（第２実施形態）
第２実施形態の溶接制御装置は、これまで説明してきたパルス周波数変化（第２パルス期間のベース期間Ｔｂ２の変化）によるアーク長制御をメイン処理で実行しつつ、補助的な処理として、第２パルス期間のピーク期間Ｔｐ２を変化させることにより、第２パルス期間のベース期間Ｔｂ２の変化量を抑制する処理を付加したものである。したがって、第１実施形態の溶接制御装置４と同じ構成には同じ符号を付し、説明を省略し、図９を参照して説明する。
【００９２】
波形生成器３１は、予め設定された波形パラメータのうち、第２パルス期間のピーク期間の値をその設定値Ｔｐ２に対して増減させる増減値ΔＴｐ２（ｎ）を、下記の式（２）に基づいて演算して第２パルス波形を生成する。
【００９３】
【数９】
【００９４】
この式（２）に示されるパラメータのうち、Ｔｂ２（ｎ−１）は、前回を示す第（ｎ−１）回目のパルス周期における第２パルス期間のベース期間の実測値を示す。また、Ｔｂ２ｒｅｆは、第２パルス期間のベース期間の基準値、Ｋｓｔｐは、第２パルス期間のピーク期間の変化ゲインをそれぞれ示す。
【００９５】
波形設定器３２は、波形パラメータに加えて、第２パルス期間のベース期間の基準値Ｔｂ２ｒｅｆおよび第２パルス期間のピーク期間の変化ゲインＫｓｔｐを波形生成器３１に設定する。これらのパラメータは、ワイヤ送給速度、チップ母材間距離、ワイヤ種、ガス組成等によって決まるものである。
【００９６】
波形生成器３１は、式（２）を演算し、第ｎ回目のパルス周期における第２パルス期間のピーク期間を、その設定値Ｔｐ２と比較してΔＴｐ２（ｎ）だけ増減させて補正し、この補正後の波形パラメータを出力制御器２５に出力する。
【００９７】
第２実施形態によれば、前回のパルス周期で第２パルス期間のベース期間Ｔｂ２を変化させたときの影響を、今回のパルス周期で、ピーク期間Ｔｐ２を増減させることで、ピーク電流値Ｉｐ２を増減分のピーク期間ΔＴｐ２（ｎ）だけ積分した積分値で補償することができる。例えば、前回のパルス周期でベース期間Ｔｂ２が短くなった場合に、今回のパルス周期でピーク期間Ｔｐ２を増加させることで、第２パルス期間あるいはパルス周期全体としての周波数変化の影響を緩和できる。そのため、開先内をウィービングしてチップ母材間距離が時々変化するような場合でも、溶滴移行の規則性を損なうことなく、スパッタの発生も抑制できる。
【００９８】
（第２実施形態の変形例）
第２実施形態の変形例は、波形生成器３１による前記した式（２）の演算によって算出される増減値ΔＴｐ２（ｎ）に対して、予め上限値および下限値を設定したものである。すなわち、波形設定器３２は、増減値ΔＴｐ２（ｎ）の増加幅の最大値および減少幅の最大値も波形生成器３１に設定する。増減値ΔＴｐ２（ｎ）の増加幅の最大値および減少幅の最大値は、第２パルス期間のピーク期間の値が適正値となるように予め設定されたものである。ここで、第２パルス期間のピーク期間の適正値は、溶滴移行の規則性を乱さないときのピーク期間の値の範囲を実験等で予め求め、その範囲で設定すればよい。
【００９９】
波形生成器３１は、増減値ΔＴｐ２（ｎ）の増加幅の最大値および減少幅の最大値と、増減値ΔＴｐ２（ｎ）の演算結果とを比較し、演算結果の絶対値が増加幅の最大値または減少幅の最大値を超えた場合、第２パルス期間のピーク期間の値をその設定値Ｔｐ２に対して増減させる増減値ΔＴｐ２（ｎ）を、増加幅の最大値または減少幅の最大値として第２パルス波形を生成する。
【０１００】
このように増減値ΔＴｐ２（ｎ）に対して予め上限値および下限値を設定することで、第２パルス期間のピーク期間Ｔｐ２を過大に変化させることがない。したがって、第２パルス期間のピーク期間Ｔｐ２を過大に変化させることで溶滴移行の規則性を乱してしまうという悪影響を排除できる。
【０１０１】
（第３実施形態）
第３実施形態の溶接制御装置は、アーク長制御のメイン処理による第２パルス期間のベース期間Ｔｂ２の変化量を抑制する補助的な処理を、第２パルス期間のピーク電流値Ｉｐ２を変化させることで実現する点が第２実施形態の溶接制御装置が異なる。したがって、第１実施形態の溶接制御装置４と同じ構成には同じ符号を付し、説明を省略し、図９を参照して説明する。
【０１０２】
波形生成器３１は、予め設定された波形パラメータのうち、第２パルス期間のピーク電流の値をその設定値Ｉｐ２に対して増減させる増減値ΔＩｐ２（ｎ）を、下記の式（３）に基づいて演算して第２パルス波形を生成する。
【０１０３】
【数１０】
【０１０４】
この式（３）に示されるパラメータのうち、Ｔｂ２（ｎ−１）は、前回を示す第（ｎ−１）回目のパルス周期における第２パルス期間のベース期間の実測値を示す。また、Ｔｂ２ｒｅｆは、第２パルス期間のベース期間の基準値、Ｋｓｉｐは、第２パルス期間のピーク電流の変化ゲインをそれぞれ示す。
【０１０５】
波形設定器３２は、波形パラメータに加えて、第２パルス期間のベース期間の基準値Ｔｂ２ｒｅｆおよび第２パルス期間のピーク電流の変化ゲインＫｓｉｐを波形生成器３１に設定する。これらのパラメータは、ワイヤ送給速度、チップ母材間距離、ワイヤ種、ガス組成等によって決まるものである。
【０１０６】
波形生成器３１は、前記した式（３）を演算し、第ｎ回目のパルス周期における第２パルス期間のピーク電流を、その設定値Ｉｐ２と比較してΔＩｐ２（ｎ）だけ増減させて補正し、この補正後の波形パラメータを出力制御器２５に出力する。
【０１０７】
第３実施形態によれば、前回のパルス周期で第２パルス期間のベース期間Ｔｂ２を変化させたときの影響を、今回のパルス周期で、ピーク電流値Ｉｐ２を増減させることで、増減分のピーク電流値ΔＩｐ２（ｎ）をピーク期間Ｔｐ２だけ積分した積分値で補償することができる。例えば、前回のパルス周期でベース期間Ｔｂ２が短くなった場合に、今回のパルス周期でピーク電流値Ｉｐ２を増加させることで、第２パルス期間あるいはパルス周期全体としての周波数変化の影響を緩和できる。そのため、開先内をウィービングしてチップ母材間距離が時々変化するような場合でも、溶滴移行の規則性を損なうことなく、スパッタの発生も抑制できる。
【０１０８】
（第３実施形態の変形例）
第３実施形態の変形例は、波形生成器３１による前記した式（３）の演算によって算出される増減値ΔＩｐ２（ｎ）に対して、予め上限値および下限値を設定したものである。すなわち、波形設定器３２は、増減値ΔＩｐ２（ｎ）の増加幅の最大値および減少幅の最大値も波形生成器３１に設定する。増減値ΔＩｐ２（ｎ）の増加幅の最大値および減少幅の最大値は、第２パルス期間のピーク電流の値が適正値となるように予め設定されたものである。ここで、第２パルス期間のピーク電流の適正値は、溶滴移行の規則性を乱さないときのピーク電流の値の範囲を実験等で予め求め、その範囲で設定すればよい。
【０１０９】
波形生成器３１は、増減値ΔＩｐ２（ｎ）の増加幅の最大値および減少幅の最大値と、増減値ΔＩｐ２（ｎ）の演算結果とを比較し、演算結果の絶対値が増加幅の最大値または減少幅の最大値を超えた場合、第２パルス期間のピーク電流の値を設定値Ｉｐ２に対して増減させる増減値ΔＩｐ２（ｎ）を、増加幅の最大値または減少幅の最大値として第２パルス波形を生成する。
【０１１０】
このように増減値ΔＩｐ２（ｎ）に対して予め上限値および下限値を設定することで、第２パルス期間のピーク電流値Ｉｐ２を過大に変化させることがない。したがって、第２パルス期間のピーク電流値Ｉｐ２を過大に変化させることで溶滴移行の規則性を乱してしまうという悪影響を排除できる。
【０１１１】
［アーク長制御方法の具体的な効果］
＜具体的な効果１＞
各実施形態のアーク長制御方法の具体的な効果を、従来技術である前記した式（１０２）を用いるパルスアーク溶接法と比較しながら図１１および図１２を参照して説明する。図１１は、従来技術において溶接電流および溶接電圧の検出値のタイミングチャートを示すグラフであり、図１２は、第１実施形態のアーク長制御方法による溶接電流および溶接電圧の検出値のタイミングチャートを示すグラフである。なお、それぞれ約６０パルス周期分の波形を示している。
【０１１２】
アーク長制御方法の原理で説明したように、炭酸ガスパルスアーク溶接法において、アーク長とパルス周期内の全範囲の溶接電圧との相関性は低いと結論付けられる。
【０１１３】
したがって、前記した式（１０２）で示す電圧誤差積分値Ｓｖｂを用いた従来のアーク長制御では、十分な精度が得られない。これを用いてアーク長制御を実施した場合、たとえワイヤの送給速度と溶融速度とがほぼ等しく維持されていても、アーク長の発振を誘発することがある。図１１のグラフから、このような現象が生じることが示唆される。
【０１１４】
図１１と図１２とを比較すると、溶接電流の波形は同様であるが、溶接電圧の波形に大きな相違点がある。図１１に破線の楕円で示す時間領域には、溶接電圧の値が急激に減少する周期が含まれている。このような現象は、図１１のグラフの他の時間領域や、図１２のグラフにも含まれている。これらは、第１パルス期間の溶滴離脱過程において、溶滴と溶融池とが短絡したことを示している。図１１に破線の楕円で示す時間領域以降、溶接電圧は、一定の範囲に収束することなく発散している。すなわち、アーク長が発振し、溶接が不安定になる。このため、異なる２種類の波形を用いることによるせっかくのスパッタ低減効果が損なわれてしまう。
【０１１５】
これに対して、前記した式（１）で示す電圧誤差積分値Ｓｖ２を用いた第１実施形態のアーク長制御では、図１２に示すように、短絡が生じたとしても、溶接電圧は、発散することなく一定の範囲に収束している。これは、前記した式（１）は、前記した式（１０２）と異なって、溶滴挙動の影響が大きい第１パルス期間の溶接電流や溶接電圧の瞬時値を用いることなく、実際のアーク長との相関性の高い第２パルス期間の溶接電流の瞬時値Ｉｏ２および溶接電圧の瞬時値Ｖｏ２を用いているためである。したがって、第１実施形態のアーク長制御は、従来のようにパルス周期内の全範囲を使用するアーク長制御と比較して、より高精度なアーク長制御が実現できる。
【０１１６】
＜具体的な効果２＞
図１３は、第１実施形態のアーク長制御で測定されたアーク長と溶接電圧の時々刻々の関係をＸＹ面にプロットし直したものを示す。図１３のグラフの横軸はアーク長、縦軸は溶接電圧をそれぞれ示している。図１３のグラフと、前記した式（１０２）を用いる従来技術である図７のグラフとを比較すると、プロットした点（菱形のドット）から、図１３のグラフの方が、アーク長の増加に伴って、溶接電圧が増加する傾向が明白に認められる。つまり、従来技術と比較してバラツキが小さく、第２パルス期間におけるアーク長と溶接電圧は相関性が高いことがわかる。したがって、第１実施形態のアーク長制御によれば、第１パルス期間における溶滴の挙動に起因するアーク長変化の影響を受けることなく、ワイヤの送給速度と溶融速度とのバランスの崩れを精度良く抽出できる。
【０１１７】
＜具体的な効果３＞
図１４は、各実施形態のアーク長制御方法を用いて、溶接中にチップ母材間距離を変化させた場合に測定した周波数変化を示す図である。図１４のグラフの横軸は時間［ｓ］、縦軸は周波数［Ｈｚ］を示している。
【０１１８】
実施例１は、第１実施形態のアーク長制御方法を用いた場合の測定結果であり、菱形で示した。
実施例２は、第２実施形態のアーク長制御方法の変形例を用いた場合の測定結果であり、三角形で示した。
実施例３は、第３実施形態のアーク長制御方法の変形例を用いた場合の測定結果であり、正方形で示した。
【０１１９】
このときの溶接条件は、下記の溶接条件１である。
（溶接条件１）
ワイヤ送給速度：１４［ｍ／ｍｉｎ］
溶接速度 ：３０［ｃｍ／ｍｉｎ］
シールドガス ：１００％ＣＯ2
Ｋｓ ：−３．０Ｖ／１００Ａ（＝−０．０３０［Ｖ／Ａ］）
【０１２０】
また、実施例２において、前記した式（２）に示す第２パルス期間のピーク期間の変化ゲインＫｓｔｐと、その上限値および下限値は以下の通りである。
Ｋｓｔｐ ：−０．５（−２．５［ｍｓ］≦ΔＴｐ２（ｎ）≦２．５［ｍｓ］)
【０１２１】
また、実施例３において、前記した式（３）に示す第２パルス期間のピーク電流の変化ゲインＫｓｉｐと、その上限値および下限値は以下の通りである。
Ｋｓｉｐ ：−１５［Ａ／ｍｓ］（−５０［Ａ］≦ΔＩｐ２（ｎ）≦５０［Ａ］）
【０１２２】
図１４には、ある初期状態の時間を１［ｓ］として、３９［ｓ］までの溶接中に、チップ母材間距離（コンタクトチップ２３と被溶接材Ｗとの距離）を、２５ｍｍ→３０ｍｍ→２５ｍｍ→２０ｍｍ→２５ｍｍの順番に変化させたときのグラフを示した。
【０１２３】
実施例１〜３の測定結果は、図１４に示すように、例えば、チップ母材間距離を２５ｍｍ→３０ｍｍに変化させると、アーク長制御により、第２パルス期間のベース期間Ｔｂ２が長くなり、その結果、周波数が低下する。一方、チップ母材間距離を２５ｍｍ→２０ｍｍに変化させると、アーク長制御により、第２パルス期間のベース期間Ｔｂ２が短くなり、その結果、周波数が高くなる。
【０１２４】
また、実施例１〜３の測定結果のうち、チップ母材間距離を変化させたときに、実施例１に比べて実施例２や実施例３の方が周波数変化が小さく、特に良好な結果が得られた。これは、実施例２や実施例３では、第２パルス期間のベース期間Ｔｂ２として最低限必要な期間を確保した上で、溶滴移行の規則性を損なうことのない範囲で、第２パルス期間のピーク期間Ｔｐ２やピーク電流値Ｉｐ２を変化させためである。したがって、実施例２や実施例３は、スパッタの発生も大幅に抑制できる。
【０１２５】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明の溶接制御装置およびアーク長制御方法は前記した各実施形態に限定されるものではない。例えば、各実施形態では、外部特性の傾きＫｓとして１つの固定値を利用したが、外部特性の傾きＫｓに関して、以下の変形例を挙げることができる。
【０１２６】
（Ｋｓの変形例）
本発明の溶接制御装置およびアーク長制御方法は、パルス周期あるいは第２パルス期間において、溶接中の溶接電流平均値および溶接電圧平均値をさらに検出し、これら平均値と、溶接電流設定値Ｉｓおよび溶接電圧設定値Ｖｓとの偏差を算出し、この偏差が予め定められた基準値以上の場合には、外部特性の傾きを、設定された外部特性の傾きＫｓよりも大きくした上で前記した式（１）を演算するようにしてもよい。
【０１２７】
また、本発明の実施形態に係る溶接システム１は、アーク溶接ロボット５を含むものとしたが、溶接システムは、例えば、本発明の実施形態に係る溶接制御装置４および溶接電源３を用いて、人手を介した半自動トーチにより実現することもできる。
また、本発明の溶接制御装置を溶接電源３に組み込んで本発明の溶接システムを構成してもよい。
また、本発明において、パルスアーク溶接に用いるシールドガスは、１００％ＣＯ2に限定されず、炭酸ガスが主成分（５０％以上）である混合ガスでもよい。また、この混合ガスにＡｒ等の不活性ガスを含んでもよい。
【０１２８】
また、本発明の各実施形態では、第１パルス２０１および第２パルス２０２は、そのピーク電流が異なるものとして説明したが、そのパルス幅が異なるものとしてもよい。また、ピーク電流とパルス幅とが両方とも異なっていてもよい。つまり、これら２種類のパルスは、溶滴を離脱させる役割と、溶滴を整形する役割に応じてパルス波形が異なっていればよい。
【０１２９】
なお、本発明の溶接制御装置は、一般的なコンピュータを、前記した演算部３５、積分器３６、Ｓｖ２比較器３７、波形生成器３１およびくびれ検出器３３として機能させる溶接制御プログラムにより動作させることで実現することもできる。この制御プログラムは、通信回線を介して提供することも可能であるし、ＣＤ−ＲＯＭやフラッシュメモリ等の記録媒体に書き込んで配布することも可能である。
【符号の説明】
【０１３０】
１ 溶接システム
２ ワイヤ送給装置
３ 溶接電源
４ 溶接制御装置
５ アーク溶接ロボット
６ ロボット制御装置
６ａ 制御盤
７ ワイヤ
８ ワイヤ収納容器
９ トーチ
１０ アーク
２１ 出力制御素子
２２ 電流検出器
２３ コンタクトチップ
２４ 電圧検出器
２５ 出力制御器
３１ 波形生成器
３２ 波形設定器
３３ くびれ検出器
３４ パラメータ設定器
３５ 演算部
３６ 積分器
３７ Ｓｖ２比較器
４１ 溶接電圧微分器
４２ ２階微分器
４３ ２階微分値設定器
４４ 比較器
Ｗ 被溶接材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭酸ガスまたは炭酸ガスを主成分とする混合ガスをシールドガスとして用いる消耗電極式パルスアーク溶接におけるアーク長制御技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
溶接品質を維持するためには、アーク長を適正に維持する必要があり、従来から溶接中のアーク長変化を抑制するアーク長制御技術が知られている（特許文献１，２参照）。定性的には、アーク長は、溶接ワイヤの送給速度（ワイヤ送給速度）とワイヤの溶融速度とのバランスによって決まる。より厳密には、例えば、ワイヤ送給経路において生じた送給抵抗によって、溶接中にワイヤ送給速度が変動すると、溶融速度とのバランスが崩れ、アーク長が変動することになる。また、例えば、溶接作業者の手ぶれ等によるチップ母材間距離の変動等によってもアーク長は変動する。したがって、これら外乱によるアーク長の変動を抑制するためには、アーク長に相当する溶接電圧の変化に応じて、溶融速度に対応した溶接電流を調整する必要がある。以下に特許文献１に記載のアーク長制御について、説明する。
【０００３】
一般的な消耗電極式パルスアーク溶接においては、Ａｒ−５〜３０％ＣＯ2混合ガスをシールドガスとして使用している（マグパルス溶接）。従来の技術は、図１５に示すように、パルス電流波形やパルス電圧波形（総称してパルス波形という）を用いて溶接電流および溶接電圧の波形を制御している。図１５において、上側に示す波形の縦軸は、溶接電流の検出値Iｏ、下側に示す波形の縦軸は、溶接電圧の瞬時値Ｖｏ、横軸は共に時間ｔをそれぞれ示している。
【０００４】
図１５に例示した溶接制御では、ピーク期間Ｔｐでは、溶滴を離脱させるために、平均溶接電流よりも高い溶接電流を通電する。これに伴い、ピーク期間Ｔｐの溶接電圧値は、Ｖｐとなる。そして、ピーク期間Ｔｐに続いて、ベース期間Ｔｂでは、溶滴を移行させないため、平均溶接電流よりも低い溶接電流を通電する。これに伴い、ベース期間Ｔｂの溶接電圧値は、Ｖｂとなる。そして、ピーク期間Ｔｐおよびベース期間Ｔｂを合わせた期間をパルス周期Ｔｐｂ（１周期）として繰返すことにより、パルス波形に同期した１パルス１溶滴移行が実施される。したがって、このようなパルス波形を用いない場合と比較して、スパッタの少ない溶接が可能となる。
【０００５】
図１５の上段において、第ｎ回目のパルスの開始時点ｔ（ｎ）と、第（ｎ＋１）回目のパルスの開始時点ｔ（ｎ＋１）との間の期間、すなわち、第ｎ回目のパルス周期Ｔｐｂ（ｎ）において、ハッチングで示す波形面積の時間平均値が、平均溶接電流値Ｉｗ（ｎ）である。同様に、図１５の下段において、ハッチングで示す波形面積の時間平均値が、平均溶接電圧値Ｖｗ（ｎ）である。
【０００６】
一般に、溶接電源の外部特性の傾きによって、アーク長制御系の安定性が大きく影響を受けるため、溶接条件（ワイヤ供給速度、溶接電圧の設定等）、ワイヤの種類、シールドガス組成等に応じて、外部特性の傾きを適正値に設定する必要がある。図１６に、ある溶接条件、ワイヤの種類、シールドガス組成において設定した外部特性の傾きＫｓの一例を示す。この溶接条件、ワイヤの種類、シールドガス組成において溶接時の溶接電流および溶接電圧の動作点が、この外部特性の傾きＫｓを表す図１６の直線上に位置するように出力制御することによって、アーク長制御を実現することができる。これは、図１５や図１６に示す平均溶接電流値Ｉｗ（ｎ）および平均溶接電圧値Ｖｗ（ｎ）を式（１０１）の関係となるように出力制御することと同義である。式（１０１）において、Ｉｓは予め設定された設定条件を示す溶接電流設定値、同様にＶｓは溶接電圧設定値を示す。
【０００７】
【数１】
【０００８】
例えば、図１６において設定条件の位置Ｐ１を基準位置として設定する。溶接中にアーク長が増加した場合、溶接電圧の検出値が増加し、図１６に示すように平均溶接電圧値Ｖｗ（ｎ）が溶接電圧設定値Ｖｓよりも高くなる。このとき、外部特性の傾きＫｓを表す直線上では、動作点を位置Ｐ１から位置Ｐ２まで移動させることになるので、図１６に示すように平均溶接電流値Ｉｗ（ｎ）が溶接電流設定値Ｉｓよりも低くなる。その結果、ワイヤ溶融速度が減少し、これにしたがってアーク長も短くなり、結局、動作点はＰ１の位置に収束する方向に移動する。
【０００９】
逆に、溶接中にアーク長が低下した場合、溶接電圧の検出値が減少し、図１６に示すように平均溶接電圧値Ｖｗ（ｎ）が溶接電圧設定値Ｖｓよりも低くなる。このとき、外部特性の傾きＫｓを表す直線上では、動作点を位置Ｐ１から位置Ｐ３まで移動させることになるので、図１６に示すように平均溶接電流値Ｉｗ（ｎ）が溶接電流設定値Ｉｓよりも高くなる。その結果、ワイヤ溶融速度が増加し、これにしたがってアーク長も長くなり、結局、動作点はＰ１の位置に収束する方向に移動する。
【００１０】
以上のことから、適正な傾きＫｓを有する外部特性を設定することは、溶接電圧の変化に応じて溶接電流の変化量を制御することとなり、結果としてアーク長の変化量を抑制できることになる。より詳細には、特許文献１に記載の溶接電源装置では、以下のようにアーク長制御を行っている。ここで、ある時点で検出された溶接電流の瞬時値をＩｏ、溶接電圧の瞬時値をＶｏとした場合に、パルス周期内において、検出値と、溶接電圧設定値Ｖｓおよび溶接電流設定値Ｉｓとの誤差に相当する電圧誤差積分値Ｓｖｂを式（１０２）で定義する。
【００１１】
【数２】
【００１２】
特許文献１に記載の溶接電源装置は、第ｎ回目のパルス周期Ｔｐｂ（ｎ）が開始した時点ｔ（ｎ）から、式（１０２）におけるＳｖｂの演算を開始する。そして、第ｎ回目の予め定めたピーク期間Ｔｐが終了して第ｎ回目のベース期間Ｔｂ中にＳｖｂ＝０となった時点で、第ｎ回目のパルス周期Ｔｐｂ（ｎ）を終了し、このときをｔ（ｎ＋１）の時点として、ここから第（ｎ＋１）回目のパルス周期を開始する。これを繰り返すことによって、前記した式（１０１）の外部特性の傾きＫｓ上に動作点を形成することができ、アーク長の調整単位を１パルス周期（１溶滴）とするアーク長制御が実現されることになる。
【００１３】
これに対して、特許文献２に記載の技術は、炭酸ガスを主成分とするシールドガスを用いた消耗電極式アーク溶接に係り、図１７に示すような複雑なパルス波形を生成することでアーク長制御を行うものである。特許文献２に記載のパルス波形発生手段は、定電流制御と定電圧制御とを併用するものである。図１７に示すパルス波形には、所定のピーク期間Ｔｐと所定のベース期間Ｔｂとが交互に設けられている。パルス波形発生手段は、ピーク期間Ｔｐの開始点を起点とする初期ピーク期間Ｔｃの間は、初期電圧Ｖｃに相当する一定電圧を出力する。その後のピーク期間（Ｔｐ−Ｔｃ）は、一定のピーク電圧Ｖｐを出力する。また、パルス波形発生手段は、ベース期間Ｔｂに、所定のベース電流値Ｉｂで構成されるパルス波形で定電流制御を行う。
【００１４】
また、特許文献２に記載の技術において、溶滴離脱検出手段が溶滴離脱を検知後、パルス波形発生手段は、所定の電流値Ｉｒを、出力補正時間Ｔｒだけ出力する。この出力補正時間Ｔｒを経過した直後のピーク期間においては、パルス波形発生手段は、初期ピーク期間の波形を発生させることなく、パルス波形の全領域で検出電圧がピーク電圧Ｖｐになるように定電圧制御を行う。初期ピーク期間Ｔｃおよび初期電圧Ｖｃは、パルス電流の過大上昇を防ぐために設けられており、ピーク期間初期の溶滴が離脱する際に溶滴にかかるアーク力を最小限に押さえるべく、適正値に設定されている。
【００１５】
更に、特許文献２に記載の技術は、ベース期間Ｔｂを固定パラメータとして設定している。そのため、外乱によって、ワイヤの送給速度と溶融速度とのバランスが崩れた場合、ピーク期間（Ｔｐ−Ｔｃ）におけるパルスピーク電流を増減することでアーク長を補償するか、あるいは、出力補正時間Ｔｒ直後のピーク期間Ｔｐにおけるパルスピーク電流を増減することでアーク長を補償する、といったアーク長制御を行うことが可能である。このため、溶接中にチップ母材間距離や溶接条件が殆ど変化しない状況に適している。
【００１６】
また、これまでに、本願発明者らは、炭酸ガス単体または炭酸ガスを主成分とする混合ガスを、シールドガスとして用いた１周期あたりパルスピーク電流レベルが異なる２種類のパルス波形を交互に出力させるパルスアーク溶接方法において、１周期あたり１溶滴を移行させると同時に、コンタクトチップと母材間の距離が変化した場合でも１周期あたり１溶滴移行を乱さない範囲で、溶滴を整形する役割を担った第２パルスについてのピーク電流、ベース電流、ピーク期間、ベース期間の１種以上を調整することにより、アーク長を一定に制御するパルスアーク溶接方法を提案している（特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００２−３６１４１７号公報（段落００３１、図１）
【特許文献２】特許第３１４７０４６号公報（段落００１５−００１７、図２および図８）
【特許文献３】特開２００７−２３７２７０号公報（段落００２６−００２８、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、特許文献３の技術は、外乱によるアーク長の変動を抑制する技術にさらなる改良の余地がある。そこで、例えば、特許文献１のアーク長制御を検討する。特許文献１のアーク長制御は、第ｎ回目のパルス周期Ｔｐｂ（ｎ）における平均溶接電圧値Ｖｗ（ｎ）が、第ｎ回目のパルス周期におけるアーク長に略比例していることを前提条件とした制御である。この前提条件は、Ａｒ−５〜３０％ＣＯ2ガスをシールドガスとして用い、図１５に示すような単純なパルス波形が繰り返されるようなパルスアーク溶接方法については成立する。ところが、この前提条件は、特許文献３の技術には適用できない。すなわち、この前提条件は、炭酸ガスまたは炭酸ガスを主成分とする混合ガスをシールドガスとして用い、１パルス周期においてピーク電流の異なる２種類のパルス波形を用いて１周期あたり１溶滴を移行させる消耗電極式パルスアーク溶接においては、成立しない。
【００１９】
また、特許文献３の技術では、例えば、開先内をウィービングしてチップ母材間距離が時々変化するような溶接を行うことも想定している。一方、特許文献２に記載のアーク長制御は、ベース期間Ｔｂを固定パラメータとして設定しているために所定期間のパルスピーク電流を増減することでアーク長を補償する制御なので、開先内をウィービングしてチップ母材間距離が時々変化するような溶接に適用した場合には、ピーク電流が急激に増減することとなる。そのため、このような溶接を行った場合には、溶滴離脱後にワイヤ側に残留した融液や形成途中の溶滴がアーク反力によってスパッタとした飛散することが頻発する。
【００２０】
さらに、特許文献２の技術は、図１７に示すようなパルス波形を生成するため、溶滴を形成する期間である、ピーク期間（Ｔｐ−Ｔｃ）あるいは出力補正時間Ｔｒ直後のピーク期間Ｔｐに、電流値が毎回大きく変動してしまう。したがって、溶滴サイズのバラツキを誘発し、溶滴移行の規則性が損なわれるという問題がある。
【００２１】
また、特許文献３の技術のように、パルスアーク溶接では、ベース期間Ｔｂにおける溶滴の懸垂整形過程が極めて重要であり、ベース期間Ｔｂが短くなり過ぎると、次のパルスで溶滴を離脱させることができないという問題がある。また、ベース期間Ｔｂが長くなり過ぎると、溶滴が溶融池に接触し、短絡によるスパッタが発生してしまうという問題があるため、これを改善することが望まれていた。
【００２２】
そこで、本発明では、前記した問題を解決し、炭酸ガスまたは炭酸ガスを主成分とする混合ガスをシールドガスとして用いる消耗電極式パルスアーク溶接において、外乱によるアーク長の変動を正確に抑制することができるアーク長制御技術を提供することを目的とする。
【００２３】
また、本発明は、開先内をウィービングしてチップ母材間距離が時々変化するような場合でも、溶滴移行の規則性を損なうことなく、スパッタの発生も抑制できるアーク長制御技術を提供することを他の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
前記目的を達成するために、本願発明者らは、炭酸ガスまたは炭酸ガスを主成分とする混合ガスをシールドガスとして用いて、１パルス周期で１溶滴の移行を行うためにパルス周期内で、溶滴を離脱させる役割の第１パルス波形と、溶滴離脱後のワイヤを溶融して溶滴を成長させて整形する役割の第２パルス波形という２種類の異なるパルス波形を生成する消耗電極式パルスアーク溶接において種々検討を行った。その結果、パルス周期内の全タイミングで検出される溶接電圧の瞬時値とアーク長とは相関性が相対的に低く、第２パルス波形の期間である第２パルス期間で検出される溶接電圧の瞬時値とアーク長とは、相関性が相対的に高いことを見出した。
【００２５】
そこで、本発明のうち請求項１に記載の溶接制御装置は、炭酸ガスまたは炭酸ガスを主成分とする混合ガスをシールドガスとして用いて、パルス周期の１周期の間に、パルスピーク電流および／またはパルス幅の異なる２種類のパルス波形として、ワイヤ先端からの溶滴を離脱させるための第１パルス波形および前記溶滴を整形するための第２パルス波形をこの順番に出力することで１溶滴の移行を行う消耗電極式パルスアーク溶接において、溶接電源の溶接電流を検出する電流検出器と、前記溶接電源の溶接電圧を検出する電圧検出器と、前記検出された溶接電流および溶接電圧の少なくとも一方に基づいて前記溶滴のくびれを検出するくびれ検出部と、予め設定された波形パラメータに基づいて前記２種類のパルス波形を交互に生成して前記溶接電源に出力すると共に前記溶滴のくびれが検出された場合に直ちに前記第１パルスの電流値を検出時の電流値よりも低い所定値に切り替える波形生成器とを備え、前記パルス周期は、前記第１パルス波形のピーク期間およびベース期間を含む第１パルス期間と、前記第２パルス波形のピーク期間およびベース期間を含む第２パルス期間とからなる溶接制御装置であって、下記の式（１）に示されるパラメータとして、予め設定された、溶接電源の外部特性の傾きＫｓ、前記第２パルス期間における溶接電流設定値Ｉｓ２、および前記第２パルス期間における溶接電圧設定値Ｖｓ２の各情報の入力を受け付けると共に、前記第２パルス期間において検出された溶接電流の瞬時値Ｉｏ２および前記第２パルス期間において検出された溶接電圧の瞬時値Ｖｏ２の各情報の入力を受け付け、前記パルス周期において前記第１パルス期間を終了して前記第２パルス期間を開始した時点から、下記の式（１）で表す電圧誤差積分値Ｓｖ２の演算を開始し、演算結果が０となった時点で演算を終了する積分器と、前記演算の結果、前記電圧誤差積分値Ｓｖ２の値が０と等しくなったか否か比較する比較器と、をさらに備え、前記波形生成器が、前記パルス周期毎に、前記電圧誤差積分値Ｓｖ２の値が０と等しくなった時点で、当該パルス周期を終了して次回のパルス周期を開始することを特徴とする。
【数３】
【００２６】
かかる構成によれば、溶接制御装置は、パルス周期毎に、溶滴を整形するための第２パルス波形に関する第２パルス期間において検出された溶接電流の瞬時値Ｉｏ２および溶接電圧の瞬時値Ｖｏ２を用いて、前記した式（１）で表す電圧誤差積分値Ｓｖ２の演算を開始し、電圧誤差積分値Ｓｖ２の値が０と等しくなった時点で、当該パルス周期を終了して次回のパルス周期を開始する。したがって、パルス周期のうち第２パルス期間のベース期間の長さが変化することになる。すなわち、溶接制御装置は、パルス周波数変化によるアーク長制御を実現できる。
【００２７】
ここで、パルス周期のうち、第１パルス期間は、溶滴を離脱させる役割の第１パルス波形の期間なので、この期間のアーク長は、溶滴が変形する際の挙動や離脱するときの挙動に支配される。したがって、第１パルス期間で検出される溶接電圧の瞬時値は、前記溶融と送給のバランスが崩れることによるアーク長の変化を正確に反映したものとは言い難く、溶滴の挙動の影響が大きいものとなっている。一方、第２パルス期間は、そのピーク期間で溶滴離脱後のワイヤを溶融して溶滴を成長させ、そのベース期間で溶滴を整形する役割の第２パルス波形の期間なので、この期間の溶滴は基本的に離脱することなく、極端に変形することもない。したがって、アーク長は、ワイヤ溶融速度と送給速度のバランスに支配される。したがって、第２パルス期間で検出される溶接電圧の瞬時値は、第１パルス期間に比べて前記溶融と送給のバランスが崩れることによるアーク長の変化を正確に反映したものとなっている。そのため、本発明の溶接制御装置は、実際のアーク長との相関性の高い第２パルス期間の溶接電流の瞬時値Ｉｏ２および溶接電圧の瞬時値Ｖｏ２を用いることにより、従来のようにパルス周期全体で検出される溶接電流値および溶接電圧値を使用するアーク長制御と比較したときに、外乱によるアーク長の変動をより正確に抑制することができる。
【００２８】
また、請求項２に記載の溶接制御装置は、請求項１に記載の溶接制御装置であって、前記波形生成器が、前記予め設定された波形パラメータのうち、前記第２パルス期間のピーク期間の値を設定値に対して増減させる増減値を、下記の式（２）に基づいて演算して前記第２パルス波形を生成するものであり、下記の式（２）に示されるパラメータとして、予め設定された前記第２パルス期間のベース期間の基準値Ｔｂ２ｒｅｆ、および前記第２パルス期間のピーク期間の変化ゲインＫｓｔｐの各情報の入力を受け付け、前記受け付けた各情報と、前回を示す第（ｎ−１）回目のパルス周期における前記第２パルス期間のベース期間の実測値Ｔｂ２（ｎ−１）とを用いて、下記の式（２）で表す今回を示す第ｎ回目のパルス周期における前記第２パルス期間のピーク期間の増減値ΔＴｐ２（ｎ）を演算することを特徴とする。
【数４】
【００２９】
かかる構成によれば、溶接制御装置は、予め設定された各パラメータの値と、第（ｎ−１）回目のパルス周期における第２パルス期間のベース期間の実測値とを用いて、前記した式（２）により第ｎ回目のパルス周期における第２パルス期間のピーク期間の増減値ΔＴｐ２（ｎ）を演算する。したがって、前回のパルス周期で第２パルス期間のベース期間を変化させたときの影響を、今回のパルス周期で、ピーク期間を増減させることで、ピーク電流を増減分のピーク期間だけ積分した積分値で補償することができる。すなわち、本発明の溶接制御装置は、パルス周波数変化によるアーク長制御をメイン処理で実行しつつ、補助的な処理として、第２パルス期間のピーク期間を変化させることにより、第２パルス期間のベース期間の変化量を抑制することができる。例えば、前回のパルス周期でベース期間が短くなった場合に、今回のパルス周期でピーク期間を増加させることで、第２パルス期間あるいはパルス周期全体としての周波数変化の影響を緩和できる。そのため、開先内をウィービングしてチップ母材間距離が時々変化するような場合でも、溶滴移行の規則性を損なうことなく、スパッタの発生も抑制できる。
【００３０】
また、請求項３に記載の溶接制御装置は、請求項２に記載の溶接制御装置であって、前記波形生成器が、前記第２パルス期間のピーク期間の値が適正値となるように予め設定された増減値ΔＴｐ２（ｎ）の増加幅の最大値および減少幅の最大値と、前記第２パルス期間のピーク期間の増減値ΔＴｐ２（ｎ）の演算結果とを比較し、前記演算結果の絶対値が前記増加幅の最大値または前記減少幅の最大値を超えた場合、前記第２パルス期間のピーク期間の値を設定値に対して増減させる増減値を、前記増加幅の最大値または前記減少幅の最大値として前記第２パルス波形を生成することを特徴とする。
【００３１】
かかる構成によれば、溶接制御装置は、アーク長制御の補助的な処理として、第２パルス期間のピーク期間を変化させる処理を行う際に、増減値ΔＴｐ２（ｎ）の増加幅の最大値および減少幅の最大値が予め設定されているので、第２パルス期間のピーク期間を過大に変化させることがない。したがって、第２パルス期間のピーク期間を過大に変化させることで溶滴移行の規則性を乱してしまうという悪影響を排除できる。
【００３２】
また、請求項４に記載の溶接制御装置は、請求項１に記載の溶接制御装置であって、前記波形生成器が、前記予め設定された波形パラメータのうち、前記第２パルス期間のピーク電流の値を設定値に対して増減させる増減値を、下記の式（３）に基づいて演算して前記第２パルス波形を生成するものであり、下記の式（３）に示されるパラメータとして、予め設定された前記第２パルス期間のベース期間の基準値Ｔｂ２ｒｅｆ、および前記第２パルス期間のピーク電流の変化ゲインＫｓｉｐの各情報の入力を受け付け、前記受け付けた各情報と、前回を示す第（ｎ−１）回目のパルス周期における前記第２パルス期間のベース期間の実測値Ｔｂ２（ｎ−１）とを用いて、下記の式（３）で表す今回を示す第ｎ回目のパルス周期における前記第２パルス期間のピーク電流の増減値ΔＩｐ２（ｎ）を演算することを特徴とする。
【数５】
【００３３】
かかる構成によれば、溶接制御装置は、予め設定された各パラメータの値と、第（ｎ−１）回目のパルス周期における第２パルス期間のベース期間の実測値とを用いて、前記した式（３）により第ｎ回目のパルス周期における第２パルス期間のピーク電流の増減値ΔＩｐ２（ｎ）を演算する。したがって、前回のパルス周期で第２パルス期間のベース期間を変化させたときの影響を、今回のパルス周期で、ピーク電流を増減させることで、増減分のピーク電流をピーク期間だけ積分した積分値で補償することができる。すなわち、本発明の溶接制御装置は、パルス周波数変化によるアーク長制御をメイン処理で実行しつつ、補助的な処理として、第２パルス期間のピーク電流を変化させることにより、第２パルス期間のベース期間の変化量を抑制することができる。例えば、前回のパルス周期でベース期間が短くなった場合に、今回のパルス周期でピーク電流を増加させることで、第２パルス期間あるいはパルス周期全体としての周波数変化の影響を緩和できる。そのため、開先内をウィービングしてチップ母材間距離が時々変化するような場合でも、溶滴移行の規則性を損なうことなく、スパッタの発生も抑制できる。
【００３４】
また、請求項５に記載の溶接制御装置は、請求項４に記載の溶接制御装置であって、前記波形生成器が、前記第２パルス期間のピーク電流の値が適正値となるように予め設定された増減値ΔＩｐ２（ｎ）の増加幅の最大値および減少幅の最大値と、前記第２パルス期間のピーク電流の増減値ΔＩｐ２（ｎ）の演算結果とを比較し、前記演算結果の絶対値が前記増加幅の最大値または前記減少幅の最大値を超えた場合、前記第２パルス期間のピーク電流の値を設定値に対して増減させる増減値を、前記増加幅の最大値または前記減少幅の最大値として前記第２パルス波形を生成することを特徴とする。
【００３５】
かかる構成によれば、溶接制御装置は、アーク長制御の補助的な処理として、第２パルス期間のピーク電流を変化させる処理を行う際に、増減値ΔＩｐ２（ｎ）の増加幅の最大値および減少幅の最大値が予め設定されているので、第２パルス期間のピーク電流を過大に変化させることがない。したがって、第２パルス期間のピーク電流を過大に変化させることで溶滴移行の規則性を乱してしまうという悪影響を排除できる。
【００３６】
また、前記目的を達成するために、本発明の請求項６に記載のアーク長制御方法は、炭酸ガスまたは炭酸ガスを主成分とする混合ガスをシールドガスとして用いて、パルス周期の１周期の間に、パルスピーク電流および／またはパルス幅の異なる２種類のパルス波形として、ワイヤ先端からの溶滴を離脱させるための第１パルス波形および前記溶滴を整形するための第２パルス波形をこの順番に出力することで１溶滴の移行を行う消耗電極式パルスアーク溶接において、予め設定された波形パラメータに基づいて前記２種類のパルス波形を交互に生成して溶接電源に出力すると共に前記溶滴のくびれが検出された場合に直ちに前記第１パルスの電流値を検出時の電流値よりも低い所定値に切り替える溶接制御装置によるアーク長制御方法であって、前記パルス周期が、前記第１パルス波形のピーク期間およびベース期間を含む第１パルス期間と、前記第２パルス波形のピーク期間およびベース期間を含む第２パルス期間とからなり、前記溶接制御装置が、溶接中に溶接電流を検出するステップと、溶接中に溶接電圧を検出するステップと、下記の式（１）に示されるパラメータとして、予め設定された、溶接電源の外部特性の傾きＫｓ、前記第２パルス期間における溶接電流設定値Ｉｓ２、および前記第２パルス期間における溶接電圧設定値Ｖｓ２の各情報の入力を受け付けるステップと、下記の式（１）に示されるパラメータとして、前記第２パルス期間において検出された溶接電流の瞬時値Ｉｏ２および溶接電圧の瞬時値Ｖｏ２の各情報の入力を受け付けるステップと、前記パルス周期において前記第１パルス期間を終了して前記第２パルス期間を開始した時点から、下記の式（１）で表す電圧誤差積分値Ｓｖ２の演算を開始し、演算結果が０となった時点で演算を終了するステップと、前記演算の結果、前記電圧誤差積分値Ｓｖ２の値が０と等しくなったか否か比較するステップと、前記２種類のパルス波形を交互に生成するに際して、前記パルス周期毎に、前記電圧誤差積分値Ｓｖ２の値が０と等しくなった時点で、当該パルス周期を終了して次回のパルス周期を開始するステップと、を含んで実行することを特徴とする。
【数６】
【００３７】
かかる手順によれば、溶接制御装置は、パルス周期毎に、実際のアーク長との相関性の高い波形である、溶滴を整形するための第２パルス波形に関する第２パルス期間において検出された溶接電流の瞬時値Ｉｏ２および溶接電圧の瞬時値Ｖｏ２を用いて、前記した式（１）で表す電圧誤差積分値Ｓｖ２の演算を開始し、電圧誤差積分値Ｓｖ２の値が０と等しくなった時点で、当該パルス周期を終了して次回のパルス周期を開始する。したがって、溶接制御装置は、外乱によるアーク長の変動をより正確に抑制しつつ、パルス周波数変化によるアーク長制御を実現できる。
【００３８】
また、前記目的を達成するために、本発明の請求項７に記載の溶接システムは、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の溶接制御装置と、ワイヤ収納容器からワイヤ送給路を通してワイヤをトーチに送り出すワイヤ送給装置と、前記ワイヤ送給装置２を駆動すると共に、前記溶接制御装置が前記第１パルス波形および第２パルス波形に基づいて出力する溶接指令信号に基づき、前記ワイヤ送給装置から前記トーチに送り出されたワイヤに溶接電流を供給する溶接電源と、前記トーチを保持し、前記トーチを移動させるアーク溶接ロボットと、溶接経路および溶接作業条件を示すコマンドを入力する制御盤を有し前記入力されたコマンドに基づいて前記アーク溶接ロボットを制御するロボット制御装置とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、溶接制御装置は、パルス周期のうち、溶滴の挙動の影響が大きい第１パルス期間の検出値を用いることなく、実際のアーク長との相関性の高い第２パルス期間の溶接電流の瞬時値Ｉｏ２および溶接電圧の瞬時値Ｖｏ２を用いるため、従来のようにパルス周期全体で検出される溶接電流値および溶接電圧値を使用するアーク長制御と比較したときに、外乱によるアーク長の変動をより正確に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の溶接制御装置の制御により測定された溶接電圧および溶接電流のタイミングチャートである。
【図２】本発明の溶接制御装置が生成するパルス波形の一例を示す図である。
【図３】本発明の溶接制御装置が生成するパルス波形による溶接ワイヤ先端部の時系列変化を模式的に示す説明図である。
【図４】炭酸ガスパルス溶接における溶接電圧とアーク長の測定の説明図であって、（ａ）は測定例のグラフ、（ｂ）はアーク長の定義をそれぞれ示している。
【図５】従来のマグパルス溶接における溶接電圧とアーク長の測定例のグラフである。
【図６】従来のマグパルス溶接における溶接電圧とアーク長との関係を示すグラフである。
【図７】従来の炭酸ガスパルス溶接における溶接電圧とアーク長との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の溶接制御装置を含む溶接システムの一例を模式的に示す構成図である。
【図９】本発明の溶接制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】図９に示すくびれ検出部の構成例を示すブロック図である。
【図１１】従来の炭酸ガスパルス溶接における溶接電圧を示すグラフである。
【図１２】本発明のアーク長制御方法を用いた炭酸ガスパルス溶接における溶接電圧を示すグラフである。
【図１３】本発明の炭酸ガスパルス溶接における溶接電圧とアーク長との関係を示すグラフである。
【図１４】本発明において、溶接中にチップ母材間距離を変化させた場合の周波数変化を示すグラフである。
【図１５】従来のマグパルス溶接で用いられるパルス波形の一例を示す図である。
【図１６】従来のマグパルス溶接においてアーク長制御を実現するための溶接電流および溶接電圧の動作点と、設定された外部特性の傾きとの関係を示すグラフである。
【図１７】従来の消耗電極式パルスアーク溶接機で用いられるパルス波形の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、図面を参照して本発明の溶接制御装置、アーク長制御方法および溶接制御装置を備える溶接システムを実施するための形態（以下「実施形態」という）について説明する。まず、本実施形態のアーク長制御方法の概要をパルスアーク溶接方法と共に説明し、次いで、アーク長制御方法の原理、溶接システム、アーク長制御方法を実現する溶接制御装置の第１〜第３実施形態、およびアーク長制御方法の具体的な効果について順次説明していくこととする。
【００４２】
［アーク長制御方法の概要］
本実施形態のアーク長制御方法の概要について図１ないし図３を参照して説明する。図１は、本発明の溶接制御装置の制御により測定された溶接電圧および溶接電流のタイミングチャートである。図２は、本発明の溶接制御装置が生成するパルス波形の一例を示す図であり、図３は、本発明の溶接制御装置が生成するパルス波形による溶接ワイヤ先端部の時系列変化を模式的に示す説明図である。
【００４３】
本実施形態のアーク長制御方法は、本実施形態の溶接制御装置が、炭酸ガスまたは炭酸ガスを主成分とする混合ガスをシールドガスとして用いて、予め設定された波形パラメータに基づいて図２に示すような異なる２種類のパルス波形を、パルス周期の１周期の間に交互に生成して溶接電源に出力することで１溶滴の移行を行う消耗電極式パルスアーク溶接を前提としている。
【００４４】
図２に示す第１パルス２０１は、ワイヤ先端からの溶滴を離脱させるための第１パルス波形である。第１パルス２０１のピーク期間Ｔｐ１およびベース期間Ｔｂ１を含む期間を第１パルス期間と呼ぶ。ここでは、第１パルス２０１には、ピーク電流値Ｉｐ１およびベース電流値Ｉｂ１が設定されている。また、ピーク電流値Ｉｐ１は、第２パルス２０２のピーク電流値Ｉｐ２よりも大きい。
【００４５】
図２に示す第２パルス２０２は、溶滴を整形するための第２パルス波形である。第２パルス２０２のピーク期間Ｔｐ２およびベース期間Ｔｂ２を含む期間を第２パルス期間と呼ぶ。ここでは、第２パルス２０２には、ピーク電流値Ｉｐ２およびベース電流値Ｉｂ２が設定されている。
【００４６】
パルス周期の１周期は、第１パルス期間と第２パルス期間とからなる。パルス周期の１周期は、第１パルス２０１と第２パルス２０２とをこの順番に出力する期間である。図２に、前回を示す第（ｎ−１）回目のパルス周期をＴｐｂ（ｎ−１）として示した。また、今回を示す第ｎ回目のパルス周期をＴｐｂ（ｎ）として示した。また、図２では、第１パルス２０１および第２パルス２０２の形状を矩形で示したが、より詳細には、ベース電流からピーク電流へ至る立上りスロープ期間（第１パルス立上りスロープ期間、第２パルス立上りスロープ期間）やピーク電流からベース電流へ至るパルス立下りスロープ期間が含まれている。
【００４７】
本実施形態の溶接制御装置は、溶接中に溶接電圧および溶接電流を検出しており、少なくとも一方に基づいて、図３に示すような溶滴のくびれ３０６を検出した場合に、直ちに第１パルス２０１の電流値を検出時の電流値よりも低い所定値に切り替える。なお、図３ではベース電流に切り替える例を示している。溶滴移行の詳細は以下の通りである。
【００４８】
図３において、符号３１１で示すワイヤ先端３０５は、前回のパルス周期Ｔｐｂ（ｎ−１）にて溶滴が離脱した後の第２パルスピーク期間（Ｔｐ２）に成長したものである。第２ベース期間（Ｔｂ２）に電流が急激に減少するため、溶滴に作用する上方への押上げ力が弱まり、溶滴は、ワイヤ先端３０５に懸垂整形される。
【００４９】
続いて、第１パルスピーク期間（Ｔｐ１）に入ると、ピーク電流による電磁ピンチ力により、符号３１２で示すように、溶滴は変形し、急速にくびれ３０６が生じる。溶滴の離脱前にくびれ３０６を検知することにより、第１パルスピーク期間中あるいは第１パルス立下りスロープ期間中であっても即座に第１ベース電流または検知時の電流より低い所定電流に切替え、離脱後のワイヤ側にアークが移動する瞬間においては、符号３１３で示すように電流が下がっている状態にする。これにより、ワイヤのくびれ３０６部分の飛散や離脱後の残留融液の飛散による小粒スパッタを大幅に低減できる。
【００５０】
続いて、符号３１４で示すように、第２パルスピーク期間では、溶滴離脱後のワイヤに残留した融液が、離脱したり飛散したりしないようなレベルに予め第２パルスピーク電流値（Ｉｐ２）を設定した上で溶滴を成長させる。そして、符号３１５で示すように、第２ベース期間（Ｔｂ２）で溶滴の整形を行いながら再び、符号３１１で示す状態に戻るため、１周期あたり１溶滴の移行を極めて規則正しく実現できる。
【００５１】
このような本実施形態の溶接制御装置で検出する溶接電圧の瞬時値Ｖｏの一例を図１の上段に示し、溶接電流の瞬時値Ｉｏの一例を図１の中段に示す。また、溶接制御装置は、下記の式（１）で表す電圧誤差積分値Ｓｖ２の演算を行う。図１の下段に、電圧誤差積分値Ｓｖ２の演算の演算結果の一例を示す。
【００５２】
【数７】
【００５３】
式（１）に示されるパラメータのうち、Ｋｓは、溶接電源の外部特性の傾きであり、予め設定されたワイヤ送給速度Ｗｆｓ、溶接電圧の設定、シールドガス組成やワイヤの種類に応じて決定されている。Ｉｓ２は、第２パルス期間における溶接電流設定値であり、予め設定された溶接電流設定値Ｉｓに応じて決定されている。Ｖｓ２は、第２パルス期間における溶接電圧設定値であり、予め設定された溶接電圧設定値Ｖｓに応じて決定されている。Ｉｏ２は、第２パルス期間において検出された溶接電流の瞬時値である。Ｖｏ２は、第２パルス期間において検出された溶接電圧の瞬時値である。
【００５４】
溶接制御装置が式（１）で表す電圧誤差積分値Ｓｖ２の演算を開始するタイミングは、パルス周期において第１パルス期間を終了して第２パルス期間を開始した時点である。例えば、図１において、ｎパルス目のパルス周期において第１パルス期間の期間では、電圧誤差積分値Ｓｖ２の値は０であるが、第２パルス期間を開始した時点から、Ｓｖ２の値は０から下降していくことが分かる。続いて、第２パルスピーク期間（Ｔｐ２）が終了すると、Ｓｖ２の値は上昇し始め、０となった時点で、ｎパルス目のパルス周期が終了し、（ｎ＋１）パルス目のパルス周期が開始していることが分かる。
【００５５】
［アーク長制御方法の原理］
前記した式（１）は、第２パルス期間における各情報のみを抽出して用いている点が従来技術で説明した式（１０２）と相違している。前記した式（１）において、第２パルス期間における各情報を用いることとした理由は、パルスアーク溶接法におけるアーク長と溶接電圧の相関性の検討によるものである。以下に、その詳細を説明する。
【００５６】
従来技術で前記した式（１０２）を用いるパルスアーク溶接法におけるアーク長と溶接電圧の相関性を調査するために、炭酸ガスをシールドガスとして用い、図２に示すパルス波形を用いた場合の溶接アークを高速度カメラにより毎秒６０００コマで撮影し、得られた動画から時々刻々のアーク長を測定した。そして、時々刻々のアーク長をプロットしたグラフをアーク長の測定結果として図４（ａ）に示す。なお、図４（ａ）には、同時に測定した溶接電圧の波形も示している。
【００５７】
アーク長は、図４（ｂ）に示すように、被溶接材Ｗに対してトーチ９から供給されるワイヤのワイヤ先端３０５の溶滴下端から被溶接材Ｗの表面までの距離である。この炭酸ガス単体または炭酸ガスを主成分とする混合ガスをシールドガスとして用いた場合、熱的ピンチ効果によりアークが緊縮するため、図４（ｂ）に示すように、溶滴下端部からアークは発生する。したがって、Ａｒ−５〜３０％ＣＯ2混合ガスをシールドガスとして用いた場合（マグパルス溶接）と比較して、溶滴がワイヤ径以上に粗大化する。そのため、各パルス周期において、溶滴の離脱に伴い、少なくとも溶滴直径分のアーク長変化が発生する。しかしながら、この現象は、ワイヤ送給速度と溶融速度とのバランスが崩れる現象ではない。つまり、溶滴の離脱に伴って生じるアーク長変化は、ワイヤ送給速度と溶融速度とのバランスが崩れた結果を反映するものではない。
【００５８】
また、炭酸ガスパルスアーク溶接により形成された溶滴の大きさを、パルス周期毎に比較してみると、毎回殆ど同等であった。ただし、各パルス周期において溶滴の詳細な形状は当然異なっているので、各溶滴のくびれ方や溶滴の離脱までの変形の仕方等によって、各パルス周期のそれぞれの第１パルス期間において測定されたアーク長は、図４（ａ）に示すように、それぞれ異なっている。しかしながら、図４（ａ）に示す第１パルス期間の溶接電圧には、それに相当する変化は見られない。これは粗大化した溶滴が離脱するような複雑な過程において、アーク長と溶接電圧は必ずしも比例せず、ワイヤ側のアーク発生領域《陽極領域》やアーク柱の広がりも同時に変化することと関連している。
【００５９】
以上の検討から、第１パルス期間におけるアーク長と溶接電圧とは相関性が低いと結論付けられる。
【００６０】
ここで、比較のため、シールドガスが異なるマグパルス溶接について言及しておく。マグパルス溶接では、アークは、溶滴の上から発生する上、溶滴が小さいので、溶滴の離脱によるアーク長変化は小さい。また、マグパルス溶接において、同様に撮影した時々刻々のアーク長をプロットしたグラフ（アーク長の測定結果）と、そのときの溶接電圧の波形とを図５に示す。図５に示すように、単純なパルス波形を用いたマグパルス溶接では、アーク長と溶接電圧とが密接に相関している様子がよく分かる。
【００６１】
図６は、図５に示したマグパルス溶接で測定されたアーク長と溶接電圧の時々刻々の関係をＸＹ面にプロットし直したものを示す。図６のグラフの横軸はアーク長、縦軸は溶接電圧をそれぞれ示している。プロットした点（菱形のドット）から、マグパルス溶接では、アーク長の増加に伴って、溶接電圧が増加する傾向が明白に認められる。
【００６２】
同様に、図７は、図４（ａ）に示した炭酸ガスパルスアーク溶接法におけるアーク長と溶接電圧の時々刻々の関係をＸＹ面にプロットし直したものを示す。プロットした点（菱形のドット）から、アーク長の増加に伴って、溶接電圧が増加する傾向が認められるものの、そのバラツキは極めて大きい。したがって、これらの考察から、第１パルス期間におけるアーク長は、溶滴の変形や離脱挙動に支配されているため、これらが含まれる電圧情報をアーク長制御に利用することは、溶融ワイヤの送給速度と溶融速度とのバランスを調整する上で精度の低下を招くことになる。一方、第２パルス期間の溶接電圧はアーク長と相関性が高いことを見出したため、前記した式（１）において、第２パルス期間における各情報を用いることとした。
【００６３】
［溶接システムの構成］
図８は、本発明の溶接制御装置を備える溶接システムの一例を模式的に示す構成図である。本発明の実施形態に係る溶接システム１は、図８に示すように、主として、ワイヤ送給装置２と、溶接電源３と、溶接制御装置４と、アーク溶接ロボット５と、ロボット制御装置６とを備えている。
【００６４】
ワイヤ送給装置２は、溶接制御装置４を介して溶接電源３と接続されている。溶接電源３は、ワイヤ７を送り出すローラ等からなるワイヤ送給装置２を駆動する。溶接制御装置４が溶接指令信号を溶接電源３に出力すると、溶接電源３によりワイヤ送給装置２が駆動されて、ワイヤ収納容器８からワイヤ送給路８ａを通してワイヤ７がトーチ９に送給される。本発明の実施形態に係る溶接制御装置４の詳細は後記する。
【００６５】
アーク溶接ロボット５は、例えば、６軸構成の多関節型の溶接ロボットであり、手首部分には、トーチ９が取り付けられている。アーク溶接ロボット５は、ロボット制御装置６からの指令に基づいて内部の図示しないモータの動作により、各関節を動かすことにより、トーチ９を移動させることができる。トーチ９は、ワイヤを被溶接材Ｗに向けて送り出すものである。この送り出されたワイヤと被溶接材Ｗとの間にアーク１０が形成されることで溶接が行われる。
【００６６】
ロボット制御装置６は、アーク溶接ロボット５に接続されており、溶接経路および溶接作業条件を示すコマンドを入力する制御盤６ａを有し、入力されたコマンドに基づいてアーク溶接ロボット５を制御するものである。なお、本実施形態では、制御盤６ａにより、溶接制御装置３に対するコマンドも入力できるように構成した。このロボット制御装置６にコマンドを入力する際に、制御盤６ａの代わりに、ロボット制御装置６にケーブル等で接続された図示しない教示ペンダントからコマンドを入力するようにしてもよい。また、ロボット制御装置６に予め所定の教示プログラムで指示される溶接経路や溶接作業条件を記憶させておき、これに基づいて、アーク溶接ロボット５等を制御することもできる。
【００６７】
なお、溶接制御装置４と、ロボット制御装置６とは、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、入出力インタフェース等を備えている。
【００６８】
［溶接制御装置］
（第１実施形態）
図９は、本発明の溶接制御装置の構成を示すブロック図である。図９では、溶接制御装置４と、この溶接制御装置４から出力される信号によりワイヤ７をトーチ９に送給する溶接電源３とを示している。
【００６９】
出力制御素子２１は、３相２００Ｖ等の商用電源に接続されており、この出力制御素子２１に与えられた電流は、図示を省略したトランス、整流部（ダイオード）および直流リアクトルを経由して、溶接電流を検出する電流検出器２２を介して、コンタクトチップ２３に与えられる。なお、コンタクトチップ２３は、破線で示すように、トーチ９内に収納されている。
【００７０】
電流検出器２２は、溶接電流の瞬時値Ｉｏを検出し、電流検出信号を出力制御器２５に出力するものである。電流検出器２２は、第２パルス期間における溶接電流の瞬時値Ｉｏ２も検出し、この検出信号を積分器３６に出力する。
【００７１】
図示しないトランスを介した出力制御素子２１の低位電源側には、被溶接材Ｗが接続されており、コンタクトチップ２３内を挿通して給電されるワイヤ７と、被溶接材Ｗとの間にアーク１０が生起される。
【００７２】
電圧検出器２４は、コンタクトチップ２３と被溶接材Ｗとの間の溶接電圧の瞬時値Ｖｏを検出し、電圧検出信号を出力制御器２５に出力するものである。電圧検出器２４は、第２パルス期間における溶接電圧の瞬時値Ｖｏ２も検出し、この検出信号を積分器３６に出力する。
【００７３】
出力制御器２５は、電流検出器２２から入力される溶接電流の検出信号（Ｉｏ）と、電圧検出器２４から入力される溶接電圧の検出信号（Ｖｏ）と、波形生成器３１から入力される第１パルス２０１および第２パルス２０２の波形形状を示す信号とに基づいて、ワイヤ７に給電する溶接電流おび溶接電圧の指令値を決定し、溶接指令信号を出力して出力制御素子２１を制御することによって溶接出力を制御する。
【００７４】
波形生成器３１は、パルス波形が異なる２種類のパルス信号として溶滴を離脱させるための第１パルス２０１と、溶滴を整形するための第２パルス２０２とを交互に生成して出力制御素子２１を介して溶接電源３に出力するものである。このために、波形生成器３１には、波形設定器３２で設定された各種波形パラメータが入力される。
【００７５】
また、波形生成器３１は、溶滴のくびれが検出された場合に直ちに第１パルス２０１の電流値を検出時の電流値よりも低い所定値に切り替える。本実施形態では、波形生成器３１には、くびれ検出器３３から、溶滴離脱直前を示す第１パルス期間終了信号（Ｔｐ１ｆ）が入力される。波形生成器３１は、第１パルス期間終了信号（Ｔｐ１ｆ）が入力された場合に、波形設定器３２で設定された設定値に基づいて、第１パルスベース期間では、第１パルスベース電流になるように、出力制御器２５の出力を補正するための信号（出力補正信号）を出力制御器２５に出力する。また、第１パルス期間終了信号（Ｔｐ１ｆ）が入力されて第１パルスベース期間が終了した場合に、波形生成器３１は、波形設定器３２で設定されたパルス形状となるように、第２パルスの波形信号を出力し、続いて、再び、第１パルス、第２パルスによる交互出力を繰り返す。
【００７６】
また、波形生成器３１には、Ｓｖ２比較器３７から、前記した式（１）の演算結果が０と等しくなったことを示す第２ベース期間終了信号（Ｔｂ２ｆ）が入力される。波形生成器３１は、パルス周期毎に、第２ベース期間終了信号（Ｔｂ２ｆ）が入力された場合に、当該パルス周期を終了して次回のパルス周期を開始する。
【００７７】
波形設定器３２は、第１パルス２０１および第２パルス２０２における波形パラメータ（ピーク電流、パルスピーク期間、ベース電流、パルスベース期間、立上りスロープ期間、立下がりスロープ期間等）を波形生成器３１に設定するものである。本実施形態では、波形設定器３２は、図示しない記憶手段に予め記憶された波形パラメータの各値を波形パラメータ設定信号として波形生成器３１に入力する。
【００７８】
くびれ検出器３３は、電流検出器２２で検出された溶接電流および電圧検出器２４で検出された溶接電圧の少なくとも一方に基づいて、溶滴離脱直前の状態として溶滴のくびれ３０６を検出するものである。くびれ検出器３３は、溶接電圧あるいはアークインピーダンス等について１階または２階の時間微分信号を用いることで、溶滴のくびれを検出することが可能である。本実施形態では、くびれ検出器３３は、電圧検出器２４で検出された溶接電圧の瞬時値Ｖｏの時間２階微分値に基づいて溶滴のくびれを検出することとした。
【００７９】
本実施形態では、くびれ検出器３３は、図１０に示すように、溶接電圧微分器４１と、２階微分器４２と、２階微分値設定器４３と、比較器４４とを備え、波形生成器３１から溶滴離脱検出許可信号が入力されているときに、それぞれの処理を行うこととした。
【００８０】
溶接電圧微分器４１は、電圧検出器２４により検出された溶接電圧の瞬時値Ｖｏを時間微分する。この時間微分電圧値ｄＶ／ｄｔは、２階微分器４２により、さらに時間微分され、その算出結果である時間２階微分値ｄ２Ｖ／ｄｔ２は、比較器４４に入力される。２階微分値設定器４３は、ワイヤ先端から溶滴が離脱する直前のくびれに相当する溶接電圧の時間２階微分値に相当するしきい値を、時間２階微分値として設定するものである。
【００８１】
比較器４４は、２階微分器４２から入力する溶接中の溶接電圧の瞬時値Ｖｏの時間２階微分値（２階微分検出値）と、２階微分値設定器４３で設定された時間２階微分値（２階微分設定値）とを比較するものである。比較器４４は、２階微分検出値が２階微分設定値以上になったときに、溶滴がワイヤ先端から離脱直前であるものと判定し、第１パルス期間終了信号（Ｔｐ１ｆ）を波形生成器３１に出力する。これは、ワイヤ先端に存在する溶滴の根元がくびれ、そのくびれが進行する結果、溶接電圧および抵抗が上昇することを捉えるものである。このように時間２階微分値等を用いて、溶接電圧および抵抗の上昇を検出する場合、溶接中の溶接条件の変化に影響されず、正確に溶滴のくびれを検出できる。
【００８２】
図９に戻って、溶接制御装置４の説明を続ける。
パラメータ設定器３４は、ワイヤ送給速度Ｗｆｓ、溶接電流設定値Ｉｓ、溶接電圧設定値Ｖｓ等を演算部３５に設定するものである。本実施形態では、パラメータ設定器３４は、図示しない記憶手段に予め記憶された溶接パラメータの各値を設定パラメータ信号（設定溶接電流値信号、設定溶接電圧値信号等）として演算部３５に入力する。
【００８３】
演算部３５は、予め定められた各設定値に基づいて、各種パラメータを算出し、算出した各種パラメータを積分器３６に入力するものである。具体的には、演算部３５は、入力される各設定値に応じて溶接電源３の外部特性の傾きＫｓを一義的に決定する。外部特性の傾きＫｓは、溶接電流設定値Ｉｓ（または溶接電圧設定値Ｖｓ）、ワイヤ送給速度Ｗｆｓ、ワイヤの種類、シールドガス組成等に応じて適正に設定される。演算部３５は、例えば、変換用のテーブルや関数を用いて外部特性の傾きＫｓを決定する。
【００８４】
また、演算部３５は、入力される設定溶接電流値信号の値Ｉｓに応じて、第２パルス期間における溶接電流設定値Ｉｓ２を一義的に決定する。演算部３５は、例えば、変換用のテーブルや関数を用いて第２パルス期間における溶接電流設定値Ｉｓ２を決定する。
【００８５】
さらに、演算部３５は、入力される設定溶接電圧値信号の値Ｖｓおよび設定溶接電流値信号の値Ｉｓに応じて、第２パルス期間における溶接電圧設定値Ｖｓ２を一義的に決定する。本実施形態では、演算部３５は、式（４）の演算を行って第２パルス期間における溶接電圧設定値Ｖｓ２を決定する。
【００８６】
【数８】
【００８７】
式（４）において、Ｖｓ＿ｉｎｉは、溶接電流設定値Ｉｓに応じて決まる一元中央電圧、Ｖｓ２＿ｉｎｉは、第２パルス期間における溶接電流設定値Ｉｓ２に応じて決まる第２パルス期間における一元中央電圧、Ｖｓ２＿ｃｈｇは、設定溶接電圧値信号の値（Ｖｓ）を１［Ｖ］変化させた場合の第２パルス期間における溶接電圧設定値Ｖｓ２の変化量である。
【００８８】
積分器３６は、演算部３５からそれぞれ入力される外部特性の傾きＫｓ、第２パルス期間における溶接電流設定値Ｉｓ２および溶接電圧設定値Ｖｓ２と、電流検出器２２から入力される溶接電流の検出信号（Ｉｏ）と、電圧検出器２４から入力される溶接電圧の検出信号（Ｖｏ）とを用いて、前記した式（１）を演算し、電圧誤差積分値の演算結果を示す積分値信号（Ｓｖ２）をＳｖ２比較器３７に出力する。積分器３６が、前記した式（１）の演算を開始するタイミングは、パルス周期の第２パルス期間の開始時点である。積分器３６は、式（１）で表す電圧誤差積分値Ｓｖ２の演算結果が０となった時点で演算を終了する。
【００８９】
Ｓｖ２比較器３７は、入力される積分値信号（Ｓｖ２）が０と等しくなったか否かを比較するものであり、Ｓｖ２＝０となった時点で、第２ベース期間終了信号（Ｔｂ２ｆ）を波形生成器３１に出力する。波形生成器３１は、第２ベース期間終了信号（Ｔｂ２ｆ）が入力された場合に、当該パルス周期を終了して次回のパルス周期を開始する。これをパルス周期毎に繰り返すことによって、外部特性の傾きＫｓ上に動作点を形成することができ、アーク長の調整単位を１周期（１溶滴）とするアーク長制御を実現できる。
【００９０】
第１実施形態によれば、実際のアーク長との相関性の高い第２パルス期間の溶接電流の瞬時値Ｉｏ２および溶接電圧の瞬時値Ｖｏ２を用いるため、従来のようにパルス周期全体で検出される溶接電流値および溶接電圧値を使用するアーク長制御と比較したときに、外乱によるアーク長の変動をより正確に抑制することができる。
【００９１】
（第２実施形態）
第２実施形態の溶接制御装置は、これまで説明してきたパルス周波数変化（第２パルス期間のベース期間Ｔｂ２の変化）によるアーク長制御をメイン処理で実行しつつ、補助的な処理として、第２パルス期間のピーク期間Ｔｐ２を変化させることにより、第２パルス期間のベース期間Ｔｂ２の変化量を抑制する処理を付加したものである。したがって、第１実施形態の溶接制御装置４と同じ構成には同じ符号を付し、説明を省略し、図９を参照して説明する。
【００９２】
波形生成器３１は、予め設定された波形パラメータのうち、第２パルス期間のピーク期間の値をその設定値Ｔｐ２に対して増減させる増減値ΔＴｐ２（ｎ）を、下記の式（２）に基づいて演算して第２パルス波形を生成する。
【００９３】
【数９】
【００９４】
この式（２）に示されるパラメータのうち、Ｔｂ２（ｎ−１）は、前回を示す第（ｎ−１）回目のパルス周期における第２パルス期間のベース期間の実測値を示す。また、Ｔｂ２ｒｅｆは、第２パルス期間のベース期間の基準値、Ｋｓｔｐは、第２パルス期間のピーク期間の変化ゲインをそれぞれ示す。
【００９５】
波形設定器３２は、波形パラメータに加えて、第２パルス期間のベース期間の基準値Ｔｂ２ｒｅｆおよび第２パルス期間のピーク期間の変化ゲインＫｓｔｐを波形生成器３１に設定する。これらのパラメータは、ワイヤ送給速度、チップ母材間距離、ワイヤ種、ガス組成等によって決まるものである。
【００９６】
波形生成器３１は、式（２）を演算し、第ｎ回目のパルス周期における第２パルス期間のピーク期間を、その設定値Ｔｐ２と比較してΔＴｐ２（ｎ）だけ増減させて補正し、この補正後の波形パラメータを出力制御器２５に出力する。
【００９７】
第２実施形態によれば、前回のパルス周期で第２パルス期間のベース期間Ｔｂ２を変化させたときの影響を、今回のパルス周期で、ピーク期間Ｔｐ２を増減させることで、ピーク電流値Ｉｐ２を増減分のピーク期間ΔＴｐ２（ｎ）だけ積分した積分値で補償することができる。例えば、前回のパルス周期でベース期間Ｔｂ２が短くなった場合に、今回のパルス周期でピーク期間Ｔｐ２を増加させることで、第２パルス期間あるいはパルス周期全体としての周波数変化の影響を緩和できる。そのため、開先内をウィービングしてチップ母材間距離が時々変化するような場合でも、溶滴移行の規則性を損なうことなく、スパッタの発生も抑制できる。
【００９８】
（第２実施形態の変形例）
第２実施形態の変形例は、波形生成器３１による前記した式（２）の演算によって算出される増減値ΔＴｐ２（ｎ）に対して、予め上限値および下限値を設定したものである。すなわち、波形設定器３２は、増減値ΔＴｐ２（ｎ）の増加幅の最大値および減少幅の最大値も波形生成器３１に設定する。増減値ΔＴｐ２（ｎ）の増加幅の最大値および減少幅の最大値は、第２パルス期間のピーク期間の値が適正値となるように予め設定されたものである。ここで、第２パルス期間のピーク期間の適正値は、溶滴移行の規則性を乱さないときのピーク期間の値の範囲を実験等で予め求め、その範囲で設定すればよい。
【００９９】
波形生成器３１は、増減値ΔＴｐ２（ｎ）の増加幅の最大値および減少幅の最大値と、増減値ΔＴｐ２（ｎ）の演算結果とを比較し、演算結果の絶対値が増加幅の最大値または減少幅の最大値を超えた場合、第２パルス期間のピーク期間の値をその設定値Ｔｐ２に対して増減させる増減値ΔＴｐ２（ｎ）を、増加幅の最大値または減少幅の最大値として第２パルス波形を生成する。
【０１００】
このように増減値ΔＴｐ２（ｎ）に対して予め上限値および下限値を設定することで、第２パルス期間のピーク期間Ｔｐ２を過大に変化させることがない。したがって、第２パルス期間のピーク期間Ｔｐ２を過大に変化させることで溶滴移行の規則性を乱してしまうという悪影響を排除できる。
【０１０１】
（第３実施形態）
第３実施形態の溶接制御装置は、アーク長制御のメイン処理による第２パルス期間のベース期間Ｔｂ２の変化量を抑制する補助的な処理を、第２パルス期間のピーク電流値Ｉｐ２を変化させることで実現する点が第２実施形態の溶接制御装置が異なる。したがって、第１実施形態の溶接制御装置４と同じ構成には同じ符号を付し、説明を省略し、図９を参照して説明する。
【０１０２】
波形生成器３１は、予め設定された波形パラメータのうち、第２パルス期間のピーク電流の値をその設定値Ｉｐ２に対して増減させる増減値ΔＩｐ２（ｎ）を、下記の式（３）に基づいて演算して第２パルス波形を生成する。
【０１０３】
【数１０】
【０１０４】
この式（３）に示されるパラメータのうち、Ｔｂ２（ｎ−１）は、前回を示す第（ｎ−１）回目のパルス周期における第２パルス期間のベース期間の実測値を示す。また、Ｔｂ２ｒｅｆは、第２パルス期間のベース期間の基準値、Ｋｓｉｐは、第２パルス期間のピーク電流の変化ゲインをそれぞれ示す。
【０１０５】
波形設定器３２は、波形パラメータに加えて、第２パルス期間のベース期間の基準値Ｔｂ２ｒｅｆおよび第２パルス期間のピーク電流の変化ゲインＫｓｉｐを波形生成器３１に設定する。これらのパラメータは、ワイヤ送給速度、チップ母材間距離、ワイヤ種、ガス組成等によって決まるものである。
【０１０６】
波形生成器３１は、前記した式（３）を演算し、第ｎ回目のパルス周期における第２パルス期間のピーク電流を、その設定値Ｉｐ２と比較してΔＩｐ２（ｎ）だけ増減させて補正し、この補正後の波形パラメータを出力制御器２５に出力する。
【０１０７】
第３実施形態によれば、前回のパルス周期で第２パルス期間のベース期間Ｔｂ２を変化させたときの影響を、今回のパルス周期で、ピーク電流値Ｉｐ２を増減させることで、増減分のピーク電流値ΔＩｐ２（ｎ）をピーク期間Ｔｐ２だけ積分した積分値で補償することができる。例えば、前回のパルス周期でベース期間Ｔｂ２が短くなった場合に、今回のパルス周期でピーク電流値Ｉｐ２を増加させることで、第２パルス期間あるいはパルス周期全体としての周波数変化の影響を緩和できる。そのため、開先内をウィービングしてチップ母材間距離が時々変化するような場合でも、溶滴移行の規則性を損なうことなく、スパッタの発生も抑制できる。
【０１０８】
（第３実施形態の変形例）
第３実施形態の変形例は、波形生成器３１による前記した式（３）の演算によって算出される増減値ΔＩｐ２（ｎ）に対して、予め上限値および下限値を設定したものである。すなわち、波形設定器３２は、増減値ΔＩｐ２（ｎ）の増加幅の最大値および減少幅の最大値も波形生成器３１に設定する。増減値ΔＩｐ２（ｎ）の増加幅の最大値および減少幅の最大値は、第２パルス期間のピーク電流の値が適正値となるように予め設定されたものである。ここで、第２パルス期間のピーク電流の適正値は、溶滴移行の規則性を乱さないときのピーク電流の値の範囲を実験等で予め求め、その範囲で設定すればよい。
【０１０９】
波形生成器３１は、増減値ΔＩｐ２（ｎ）の増加幅の最大値および減少幅の最大値と、増減値ΔＩｐ２（ｎ）の演算結果とを比較し、演算結果の絶対値が増加幅の最大値または減少幅の最大値を超えた場合、第２パルス期間のピーク電流の値を設定値Ｉｐ２に対して増減させる増減値ΔＩｐ２（ｎ）を、増加幅の最大値または減少幅の最大値として第２パルス波形を生成する。
【０１１０】
このように増減値ΔＩｐ２（ｎ）に対して予め上限値および下限値を設定することで、第２パルス期間のピーク電流値Ｉｐ２を過大に変化させることがない。したがって、第２パルス期間のピーク電流値Ｉｐ２を過大に変化させることで溶滴移行の規則性を乱してしまうという悪影響を排除できる。
【０１１１】
［アーク長制御方法の具体的な効果］
＜具体的な効果１＞
各実施形態のアーク長制御方法の具体的な効果を、従来技術である前記した式（１０２）を用いるパルスアーク溶接法と比較しながら図１１および図１２を参照して説明する。図１１は、従来技術において溶接電流および溶接電圧の検出値のタイミングチャートを示すグラフであり、図１２は、第１実施形態のアーク長制御方法による溶接電流および溶接電圧の検出値のタイミングチャートを示すグラフである。なお、それぞれ約６０パルス周期分の波形を示している。
【０１１２】
アーク長制御方法の原理で説明したように、炭酸ガスパルスアーク溶接法において、アーク長とパルス周期内の全範囲の溶接電圧との相関性は低いと結論付けられる。
【０１１３】
したがって、前記した式（１０２）で示す電圧誤差積分値Ｓｖｂを用いた従来のアーク長制御では、十分な精度が得られない。これを用いてアーク長制御を実施した場合、たとえワイヤの送給速度と溶融速度とがほぼ等しく維持されていても、アーク長の発振を誘発することがある。図１１のグラフから、このような現象が生じることが示唆される。
【０１１４】
図１１と図１２とを比較すると、溶接電流の波形は同様であるが、溶接電圧の波形に大きな相違点がある。図１１に破線の楕円で示す時間領域には、溶接電圧の値が急激に減少する周期が含まれている。このような現象は、図１１のグラフの他の時間領域や、図１２のグラフにも含まれている。これらは、第１パルス期間の溶滴離脱過程において、溶滴と溶融池とが短絡したことを示している。図１１に破線の楕円で示す時間領域以降、溶接電圧は、一定の範囲に収束することなく発散している。すなわち、アーク長が発振し、溶接が不安定になる。このため、異なる２種類の波形を用いることによるせっかくのスパッタ低減効果が損なわれてしまう。
【０１１５】
これに対して、前記した式（１）で示す電圧誤差積分値Ｓｖ２を用いた第１実施形態のアーク長制御では、図１２に示すように、短絡が生じたとしても、溶接電圧は、発散することなく一定の範囲に収束している。これは、前記した式（１）は、前記した式（１０２）と異なって、溶滴挙動の影響が大きい第１パルス期間の溶接電流や溶接電圧の瞬時値を用いることなく、実際のアーク長との相関性の高い第２パルス期間の溶接電流の瞬時値Ｉｏ２および溶接電圧の瞬時値Ｖｏ２を用いているためである。したがって、第１実施形態のアーク長制御は、従来のようにパルス周期内の全範囲を使用するアーク長制御と比較して、より高精度なアーク長制御が実現できる。
【０１１６】
＜具体的な効果２＞
図１３は、第１実施形態のアーク長制御で測定されたアーク長と溶接電圧の時々刻々の関係をＸＹ面にプロットし直したものを示す。図１３のグラフの横軸はアーク長、縦軸は溶接電圧をそれぞれ示している。図１３のグラフと、前記した式（１０２）を用いる従来技術である図７のグラフとを比較すると、プロットした点（菱形のドット）から、図１３のグラフの方が、アーク長の増加に伴って、溶接電圧が増加する傾向が明白に認められる。つまり、従来技術と比較してバラツキが小さく、第２パルス期間におけるアーク長と溶接電圧は相関性が高いことがわかる。したがって、第１実施形態のアーク長制御によれば、第１パルス期間における溶滴の挙動に起因するアーク長変化の影響を受けることなく、ワイヤの送給速度と溶融速度とのバランスの崩れを精度良く抽出できる。
【０１１７】
＜具体的な効果３＞
図１４は、各実施形態のアーク長制御方法を用いて、溶接中にチップ母材間距離を変化させた場合に測定した周波数変化を示す図である。図１４のグラフの横軸は時間［ｓ］、縦軸は周波数［Ｈｚ］を示している。
【０１１８】
実施例１は、第１実施形態のアーク長制御方法を用いた場合の測定結果であり、菱形で示した。
実施例２は、第２実施形態のアーク長制御方法の変形例を用いた場合の測定結果であり、三角形で示した。
実施例３は、第３実施形態のアーク長制御方法の変形例を用いた場合の測定結果であり、正方形で示した。
【０１１９】
このときの溶接条件は、下記の溶接条件１である。
（溶接条件１）
ワイヤ送給速度：１４［ｍ／ｍｉｎ］
溶接速度 ：３０［ｃｍ／ｍｉｎ］
シールドガス ：１００％ＣＯ2
Ｋｓ ：−３．０Ｖ／１００Ａ（＝−０．０３０［Ｖ／Ａ］）
【０１２０】
また、実施例２において、前記した式（２）に示す第２パルス期間のピーク期間の変化ゲインＫｓｔｐと、その上限値および下限値は以下の通りである。
Ｋｓｔｐ ：−０．５（−２．５［ｍｓ］≦ΔＴｐ２（ｎ）≦２．５［ｍｓ］)
【０１２１】
また、実施例３において、前記した式（３）に示す第２パルス期間のピーク電流の変化ゲインＫｓｉｐと、その上限値および下限値は以下の通りである。
Ｋｓｉｐ ：−１５［Ａ／ｍｓ］（−５０［Ａ］≦ΔＩｐ２（ｎ）≦５０［Ａ］）
【０１２２】
図１４には、ある初期状態の時間を１［ｓ］として、３９［ｓ］までの溶接中に、チップ母材間距離（コンタクトチップ２３と被溶接材Ｗとの距離）を、２５ｍｍ→３０ｍｍ→２５ｍｍ→２０ｍｍ→２５ｍｍの順番に変化させたときのグラフを示した。
【０１２３】
実施例１〜３の測定結果は、図１４に示すように、例えば、チップ母材間距離を２５ｍｍ→３０ｍｍに変化させると、アーク長制御により、第２パルス期間のベース期間Ｔｂ２が長くなり、その結果、周波数が低下する。一方、チップ母材間距離を２５ｍｍ→２０ｍｍに変化させると、アーク長制御により、第２パルス期間のベース期間Ｔｂ２が短くなり、その結果、周波数が高くなる。
【０１２４】
また、実施例１〜３の測定結果のうち、チップ母材間距離を変化させたときに、実施例１に比べて実施例２や実施例３の方が周波数変化が小さく、特に良好な結果が得られた。これは、実施例２や実施例３では、第２パルス期間のベース期間Ｔｂ２として最低限必要な期間を確保した上で、溶滴移行の規則性を損なうことのない範囲で、第２パルス期間のピーク期間Ｔｐ２やピーク電流値Ｉｐ２を変化させためである。したがって、実施例２や実施例３は、スパッタの発生も大幅に抑制できる。
【０１２５】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明の溶接制御装置およびアーク長制御方法は前記した各実施形態に限定されるものではない。例えば、各実施形態では、外部特性の傾きＫｓとして１つの固定値を利用したが、外部特性の傾きＫｓに関して、以下の変形例を挙げることができる。
【０１２６】
（Ｋｓの変形例）
本発明の溶接制御装置およびアーク長制御方法は、パルス周期あるいは第２パルス期間において、溶接中の溶接電流平均値および溶接電圧平均値をさらに検出し、これら平均値と、溶接電流設定値Ｉｓおよび溶接電圧設定値Ｖｓとの偏差を算出し、この偏差が予め定められた基準値以上の場合には、外部特性の傾きを、設定された外部特性の傾きＫｓよりも大きくした上で前記した式（１）を演算するようにしてもよい。
【０１２７】
また、本発明の実施形態に係る溶接システム１は、アーク溶接ロボット５を含むものとしたが、溶接システムは、例えば、本発明の実施形態に係る溶接制御装置４および溶接電源３を用いて、人手を介した半自動トーチにより実現することもできる。
また、本発明の溶接制御装置を溶接電源３に組み込んで本発明の溶接システムを構成してもよい。
また、本発明において、パルスアーク溶接に用いるシールドガスは、１００％ＣＯ2に限定されず、炭酸ガスが主成分（５０％以上）である混合ガスでもよい。また、この混合ガスにＡｒ等の不活性ガスを含んでもよい。
【０１２８】
また、本発明の各実施形態では、第１パルス２０１および第２パルス２０２は、そのピーク電流が異なるものとして説明したが、そのパルス幅が異なるものとしてもよい。また、ピーク電流とパルス幅とが両方とも異なっていてもよい。つまり、これら２種類のパルスは、溶滴を離脱させる役割と、溶滴を整形する役割に応じてパルス波形が異なっていればよい。
【０１２９】
なお、本発明の溶接制御装置は、一般的なコンピュータを、前記した演算部３５、積分器３６、Ｓｖ２比較器３７、波形生成器３１およびくびれ検出器３３として機能させる溶接制御プログラムにより動作させることで実現することもできる。この制御プログラムは、通信回線を介して提供することも可能であるし、ＣＤ−ＲＯＭやフラッシュメモリ等の記録媒体に書き込んで配布することも可能である。
【符号の説明】
【０１３０】
１ 溶接システム
２ ワイヤ送給装置
３ 溶接電源
４ 溶接制御装置
５ アーク溶接ロボット
６ ロボット制御装置
６ａ 制御盤
７ ワイヤ
８ ワイヤ収納容器
９ トーチ
１０ アーク
２１ 出力制御素子
２２ 電流検出器
２３ コンタクトチップ
２４ 電圧検出器
２５ 出力制御器
３１ 波形生成器
３２ 波形設定器
３３ くびれ検出器
３４ パラメータ設定器
３５ 演算部
３６ 積分器
３７ Ｓｖ２比較器
４１ 溶接電圧微分器
４２ ２階微分器
４３ ２階微分値設定器
４４ 比較器
Ｗ 被溶接材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭酸ガスまたは炭酸ガスを主成分とする混合ガスをシールドガスとして用いて、パルス周期の１周期の間に、パルスピーク電流および／またはパルス幅の異なる２種類のパルス波形として、ワイヤ先端からの溶滴を離脱させるための第１パルス波形および前記溶滴を整形するための第２パルス波形をこの順番に出力することで１溶滴の移行を行う消耗電極式パルスアーク溶接において、溶接電源の溶接電流を検出する電流検出器と、前記溶接電源の溶接電圧を検出する電圧検出器と、前記検出された溶接電流および溶接電圧の少なくとも一方に基づいて前記溶滴のくびれを検出するくびれ検出部と、予め設定された波形パラメータに基づいて前記２種類のパルス波形を交互に生成して前記溶接電源に出力すると共に前記溶滴のくびれが検出された場合に直ちに前記第１パルスの電流値を検出時の電流値よりも低い所定値に切り替える波形生成器とを備え、前記パルス周期は、前記第１パルス波形のピーク期間およびベース期間を含む第１パルス期間と、前記第２パルス波形のピーク期間およびベース期間を含む第２パルス期間とからなる溶接制御装置であって、
下記の式（１）に示されるパラメータとして、予め設定された、溶接電源の外部特性の傾きＫｓ、前記第２パルス期間における溶接電流設定値Ｉｓ２、および前記第２パルス期間における溶接電圧設定値Ｖｓ２の各情報の入力を受け付けると共に、前記第２パルス期間において検出された溶接電流の瞬時値Ｉｏ２および前記第２パルス期間において検出された溶接電圧の瞬時値Ｖｏ２の各情報の入力を受け付け、前記パルス周期において前記第１パルス期間を終了して前記第２パルス期間を開始した時点から、下記の式（１）で表す電圧誤差積分値Ｓｖ２の演算を開始し、演算結果が０となった時点で演算を終了する積分器と、
前記演算の結果、前記電圧誤差積分値Ｓｖ２の値が０と等しくなったか否か比較する比較器と、をさらに備え、
前記波形生成器は、前記パルス周期毎に、前記電圧誤差積分値Ｓｖ２の値が０と等しくなった時点で、当該パルス周期を終了して次回のパルス周期を開始することを特徴とする溶接制御装置。
【数１】
【請求項２】
前記波形生成器は、
前記予め設定された波形パラメータのうち、前記第２パルス期間のピーク期間の値を設定値に対して増減させる増減値を、下記の式（２）に基づいて演算して前記第２パルス波形を生成するものであり、
下記の式（２）に示されるパラメータとして、予め設定された前記第２パルス期間のベース期間の基準値Ｔｂ２ｒｅｆ、および前記第２パルス期間のピーク期間の変化ゲインＫｓｔｐの各情報の入力を受け付け、前記受け付けた各情報と、前回を示す第（ｎ−１）回目のパルス周期における前記第２パルス期間のベース期間の実測値Ｔｂ２（ｎ−１）とを用いて、下記の式（２）で表す今回を示す第ｎ回目のパルス周期における前記第２パルス期間のピーク期間の増減値ΔＴｐ２（ｎ）を演算することを特徴とする請求項１に記載の溶接制御装置。
【数２】
【請求項３】
前記波形生成器は、
前記第２パルス期間のピーク期間の値が適正値となるように予め設定された増減値ΔＴｐ２（ｎ）の増加幅の最大値および減少幅の最大値と、前記第２パルス期間のピーク期間の増減値ΔＴｐ２（ｎ）の演算結果とを比較し、前記演算結果の絶対値が前記増加幅の最大値または前記減少幅の最大値を超えた場合、前記第２パルス期間のピーク期間の値を設定値に対して増減させる増減値を、前記増加幅の最大値または前記減少幅の最大値として前記第２パルス波形を生成することを特徴とする請求項２に記載の溶接制御装置。
【請求項４】
前記波形生成器は、
前記予め設定された波形パラメータのうち、前記第２パルス期間のピーク電流の値を設定値に対して増減させる増減値を、下記の式（３）に基づいて演算して前記第２パルス波形を生成するものであり、
下記の式（３）に示されるパラメータとして、予め設定された前記第２パルス期間のベース期間の基準値Ｔｂ２ｒｅｆ、および前記第２パルス期間のピーク電流の変化ゲインＫｓｉｐの各情報の入力を受け付け、前記受け付けた各情報と、前回を示す第（ｎ−１）回目のパルス周期における前記第２パルス期間のベース期間の実測値Ｔｂ２（ｎ−１）とを用いて、下記の式（３）で表す今回を示す第ｎ回目のパルス周期における前記第２パルス期間のピーク電流の増減値ΔＩｐ２（ｎ）を演算することを特徴とする請求項１に記載の溶接制御装置。
【数３】
【請求項５】
前記波形生成器は、
前記第２パルス期間のピーク電流の値が適正値となるように予め設定された増減値ΔＩｐ２（ｎ）の増加幅の最大値および減少幅の最大値と、前記第２パルス期間のピーク電流の増減値ΔＩｐ２（ｎ）の演算結果とを比較し、前記演算結果の絶対値が前記増加幅の最大値または前記減少幅の最大値を超えた場合、前記第２パルス期間のピーク電流の値を設定値に対して増減させる増減値を、前記増加幅の最大値または前記減少幅の最大値として前記第２パルス波形を生成することを特徴とする請求項４に記載の溶接制御装置。
【請求項６】
炭酸ガスまたは炭酸ガスを主成分とする混合ガスをシールドガスとして用いて、パルス周期の１周期の間に、パルスピーク電流および／またはパルス幅の異なる２種類のパルス波形として、ワイヤ先端からの溶滴を離脱させるための第１パルス波形および前記溶滴を整形するための第２パルス波形をこの順番に出力することで１溶滴の移行を行う消耗電極式パルスアーク溶接において、予め設定された波形パラメータに基づいて前記２種類のパルス波形を交互に生成して溶接電源に出力すると共に前記溶滴のくびれが検出された場合に直ちに前記第１パルスの電流値を検出時の電流値よりも低い所定値に切り替える溶接制御装置によるアーク長制御方法であって、
前記パルス周期は、前記第１パルス波形のピーク期間およびベース期間を含む第１パルス期間と、前記第２パルス波形のピーク期間およびベース期間を含む第２パルス期間とからなり、
前記溶接制御装置は、
溶接中に溶接電流を検出するステップと、
溶接中に溶接電圧を検出するステップと、
下記の式（１）に示されるパラメータとして、予め設定された、溶接電源の外部特性の傾きＫｓ、前記第２パルス期間における溶接電流設定値Ｉｓ２、および前記第２パルス期間における溶接電圧設定値Ｖｓ２の各情報の入力を受け付けるステップと、
下記の式（１）に示されるパラメータとして、前記第２パルス期間において検出された溶接電流の瞬時値Ｉｏ２および溶接電圧の瞬時値Ｖｏ２の各情報の入力を受け付けるステップと、
前記パルス周期において前記第１パルス期間を終了して前記第２パルス期間を開始した時点から、下記の式（１）で表す電圧誤差積分値Ｓｖ２の演算を開始し、演算結果が０となった時点で演算を終了するステップと、
前記演算の結果、前記電圧誤差積分値Ｓｖ２の値が０と等しくなったか否か比較するステップと、
前記２種類のパルス波形を交互に生成するに際して、前記パルス周期毎に、前記電圧誤差積分値Ｓｖ２の値が０と等しくなった時点で、当該パルス周期を終了して次回のパルス周期を開始するステップと、
を含んで実行することを特徴とするアーク長制御方法。
【数４】
【請求項７】
請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の溶接制御装置と、
ワイヤ収納容器からワイヤ送給路を通してワイヤをトーチに送り出すワイヤ送給装置と、
前記ワイヤ送給装置を駆動すると共に、前記溶接制御装置が前記第１パルス波形および第２パルス波形に基づいて出力する溶接指令信号に基づき、前記ワイヤ送給装置から前記トーチに送り出されたワイヤに溶接電流を供給する溶接電源と、
前記トーチを保持し、前記トーチを移動させるアーク溶接ロボットと、
溶接経路および溶接作業条件を示すコマンドを入力する制御盤を有し前記入力されたコマンドに基づいて前記アーク溶接ロボットを制御するロボット制御装置と、
を備えることを特徴とする溶接システム。
【請求項１】
炭酸ガスまたは炭酸ガスを主成分とする混合ガスをシールドガスとして用いて、パルス周期の１周期の間に、パルスピーク電流および／またはパルス幅の異なる２種類のパルス波形として、ワイヤ先端からの溶滴を離脱させるための第１パルス波形および前記溶滴を整形するための第２パルス波形をこの順番に出力することで１溶滴の移行を行う消耗電極式パルスアーク溶接において、溶接電源の溶接電流を検出する電流検出器と、前記溶接電源の溶接電圧を検出する電圧検出器と、前記検出された溶接電流および溶接電圧の少なくとも一方に基づいて前記溶滴のくびれを検出するくびれ検出部と、予め設定された波形パラメータに基づいて前記２種類のパルス波形を交互に生成して前記溶接電源に出力すると共に前記溶滴のくびれが検出された場合に直ちに前記第１パルスの電流値を検出時の電流値よりも低い所定値に切り替える波形生成器とを備え、前記パルス周期は、前記第１パルス波形のピーク期間およびベース期間を含む第１パルス期間と、前記第２パルス波形のピーク期間およびベース期間を含む第２パルス期間とからなる溶接制御装置であって、
下記の式（１）に示されるパラメータとして、予め設定された、溶接電源の外部特性の傾きＫｓ、前記第２パルス期間における溶接電流設定値Ｉｓ２、および前記第２パルス期間における溶接電圧設定値Ｖｓ２の各情報の入力を受け付けると共に、前記第２パルス期間において検出された溶接電流の瞬時値Ｉｏ２および前記第２パルス期間において検出された溶接電圧の瞬時値Ｖｏ２の各情報の入力を受け付け、前記パルス周期において前記第１パルス期間を終了して前記第２パルス期間を開始した時点から、下記の式（１）で表す電圧誤差積分値Ｓｖ２の演算を開始し、演算結果が０となった時点で演算を終了する積分器と、
前記演算の結果、前記電圧誤差積分値Ｓｖ２の値が０と等しくなったか否か比較する比較器と、をさらに備え、
前記波形生成器は、前記パルス周期毎に、前記電圧誤差積分値Ｓｖ２の値が０と等しくなった時点で、当該パルス周期を終了して次回のパルス周期を開始することを特徴とする溶接制御装置。
【数１】
【請求項２】
前記波形生成器は、
前記予め設定された波形パラメータのうち、前記第２パルス期間のピーク期間の値を設定値に対して増減させる増減値を、下記の式（２）に基づいて演算して前記第２パルス波形を生成するものであり、
下記の式（２）に示されるパラメータとして、予め設定された前記第２パルス期間のベース期間の基準値Ｔｂ２ｒｅｆ、および前記第２パルス期間のピーク期間の変化ゲインＫｓｔｐの各情報の入力を受け付け、前記受け付けた各情報と、前回を示す第（ｎ−１）回目のパルス周期における前記第２パルス期間のベース期間の実測値Ｔｂ２（ｎ−１）とを用いて、下記の式（２）で表す今回を示す第ｎ回目のパルス周期における前記第２パルス期間のピーク期間の増減値ΔＴｐ２（ｎ）を演算することを特徴とする請求項１に記載の溶接制御装置。
【数２】
【請求項３】
前記波形生成器は、
前記第２パルス期間のピーク期間の値が適正値となるように予め設定された増減値ΔＴｐ２（ｎ）の増加幅の最大値および減少幅の最大値と、前記第２パルス期間のピーク期間の増減値ΔＴｐ２（ｎ）の演算結果とを比較し、前記演算結果の絶対値が前記増加幅の最大値または前記減少幅の最大値を超えた場合、前記第２パルス期間のピーク期間の値を設定値に対して増減させる増減値を、前記増加幅の最大値または前記減少幅の最大値として前記第２パルス波形を生成することを特徴とする請求項２に記載の溶接制御装置。
【請求項４】
前記波形生成器は、
前記予め設定された波形パラメータのうち、前記第２パルス期間のピーク電流の値を設定値に対して増減させる増減値を、下記の式（３）に基づいて演算して前記第２パルス波形を生成するものであり、
下記の式（３）に示されるパラメータとして、予め設定された前記第２パルス期間のベース期間の基準値Ｔｂ２ｒｅｆ、および前記第２パルス期間のピーク電流の変化ゲインＫｓｉｐの各情報の入力を受け付け、前記受け付けた各情報と、前回を示す第（ｎ−１）回目のパルス周期における前記第２パルス期間のベース期間の実測値Ｔｂ２（ｎ−１）とを用いて、下記の式（３）で表す今回を示す第ｎ回目のパルス周期における前記第２パルス期間のピーク電流の増減値ΔＩｐ２（ｎ）を演算することを特徴とする請求項１に記載の溶接制御装置。
【数３】
【請求項５】
前記波形生成器は、
前記第２パルス期間のピーク電流の値が適正値となるように予め設定された増減値ΔＩｐ２（ｎ）の増加幅の最大値および減少幅の最大値と、前記第２パルス期間のピーク電流の増減値ΔＩｐ２（ｎ）の演算結果とを比較し、前記演算結果の絶対値が前記増加幅の最大値または前記減少幅の最大値を超えた場合、前記第２パルス期間のピーク電流の値を設定値に対して増減させる増減値を、前記増加幅の最大値または前記減少幅の最大値として前記第２パルス波形を生成することを特徴とする請求項４に記載の溶接制御装置。
【請求項６】
炭酸ガスまたは炭酸ガスを主成分とする混合ガスをシールドガスとして用いて、パルス周期の１周期の間に、パルスピーク電流および／またはパルス幅の異なる２種類のパルス波形として、ワイヤ先端からの溶滴を離脱させるための第１パルス波形および前記溶滴を整形するための第２パルス波形をこの順番に出力することで１溶滴の移行を行う消耗電極式パルスアーク溶接において、予め設定された波形パラメータに基づいて前記２種類のパルス波形を交互に生成して溶接電源に出力すると共に前記溶滴のくびれが検出された場合に直ちに前記第１パルスの電流値を検出時の電流値よりも低い所定値に切り替える溶接制御装置によるアーク長制御方法であって、
前記パルス周期は、前記第１パルス波形のピーク期間およびベース期間を含む第１パルス期間と、前記第２パルス波形のピーク期間およびベース期間を含む第２パルス期間とからなり、
前記溶接制御装置は、
溶接中に溶接電流を検出するステップと、
溶接中に溶接電圧を検出するステップと、
下記の式（１）に示されるパラメータとして、予め設定された、溶接電源の外部特性の傾きＫｓ、前記第２パルス期間における溶接電流設定値Ｉｓ２、および前記第２パルス期間における溶接電圧設定値Ｖｓ２の各情報の入力を受け付けるステップと、
下記の式（１）に示されるパラメータとして、前記第２パルス期間において検出された溶接電流の瞬時値Ｉｏ２および溶接電圧の瞬時値Ｖｏ２の各情報の入力を受け付けるステップと、
前記パルス周期において前記第１パルス期間を終了して前記第２パルス期間を開始した時点から、下記の式（１）で表す電圧誤差積分値Ｓｖ２の演算を開始し、演算結果が０となった時点で演算を終了するステップと、
前記演算の結果、前記電圧誤差積分値Ｓｖ２の値が０と等しくなったか否か比較するステップと、
前記２種類のパルス波形を交互に生成するに際して、前記パルス周期毎に、前記電圧誤差積分値Ｓｖ２の値が０と等しくなった時点で、当該パルス周期を終了して次回のパルス周期を開始するステップと、
を含んで実行することを特徴とするアーク長制御方法。
【数４】
【請求項７】
請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の溶接制御装置と、
ワイヤ収納容器からワイヤ送給路を通してワイヤをトーチに送り出すワイヤ送給装置と、
前記ワイヤ送給装置を駆動すると共に、前記溶接制御装置が前記第１パルス波形および第２パルス波形に基づいて出力する溶接指令信号に基づき、前記ワイヤ送給装置から前記トーチに送り出されたワイヤに溶接電流を供給する溶接電源と、
前記トーチを保持し、前記トーチを移動させるアーク溶接ロボットと、
溶接経路および溶接作業条件を示すコマンドを入力する制御盤を有し前記入力されたコマンドに基づいて前記アーク溶接ロボットを制御するロボット制御装置と、
を備えることを特徴とする溶接システム。
【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１５】
【図１６】
【図１７】
【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１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１０−１８４２５６（Ｐ２０１０−１８４２５６Ａ）
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２９２７１（Ｐ２００９−２９２７１）
【出願日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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