アーク溶接装置およびアーク溶接システム
【課題】溶接状態に応じて速やかに短絡を開放することで、溶接が不安定になることを防止しスパッタの発生を抑制することができるアーク溶接装置およびアーク溶接システムを提供する。
【解決手段】今回の短絡発生期間の長さを検出し、検出した短絡発生期間の長さが大きくなるにつれ次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を増加させ、検出した短絡発生期間の長さが小さくなるにつれ次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を減少させる。
【解決手段】今回の短絡発生期間の長さを検出し、検出した短絡発生期間の長さが大きくなるにつれ次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を増加させ、検出した短絡発生期間の長さが小さくなるにつれ次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を減少させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アーク溶接装置および該アーク溶接装置を備えたアーク溶接システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
消耗電極を用いたガスシールドアーク溶接において、スパッタを抑制し安定した溶接を行うための溶接方法が従来から多く提案されている。
アーク溶接装置の制御方法において、応答速度を向上させて安定した溶接状態を早く回復することを目的として、一回のアーク発生期間の長さを検出し、検出したアーク発生期間の長さに比例して、次のアーク発生期間における溶接電源の出力電圧を低減し、一回のアーク発生期間の長さに逆比例して次のアーク発生期間における溶接電流を増加させるものがあった（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４０２８０７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら従来の溶接制御方法では、図４に示す溶接電流と溶接電圧の波形のように、溶接中の短絡を開放する溶接電流（図４の破線部）は、その増加率が毎回一定であるため、溶接状態に適切な短絡電流波形ではない場合がある。そのため正常に短絡開放できずに異常短絡が発生し、溶接が不安定となる問題があった。
また入熱の不足や、溶接が不安定になる場合への対応を考慮して、短絡電流の増加率を予め大きな値に設定することによってスパッタが多く発生してしまう場合があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、溶接状態に応じて速やかに短絡を開放することで、溶接が不安定になることを防止しスパッタの発生を抑制することができるアーク溶接装置およびアーク溶接システム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】
【０００５】
上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたのである。
請求項１に記載の発明は、消耗電極と被溶接部材との間で短絡状態とアーク状態とを繰り返し発生させながら溶接を行うアーク溶接装置であって、今回の短絡発生期間の長さを検出し、検出した短絡発生期間の長さが大きくなるにつれ次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を増加させ、前記検出した短絡発生期間の長さが小さくなるにつれ前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を減少させることを特徴とする。
また請求項２に記載の発明は、前記検出した短絡発生期間の長さから前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を決定するためのパラメータを予め記憶していることを特徴とする。
【０００６】
請求項３に記載の発明は、消耗電極と被溶接部材との間で短絡状態とアーク状態とを繰り返し発生させながら溶接を行うアーク溶接装置であって、今回の短絡発生期間の長さを検出し、検出した短絡発生期間の長さが所定の閾値より大きい場合、次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を増加させ、前記検出した短絡発生期間の長さが所定の閾値より小さい場合、前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を減少させることを特徴とする。
また請求項４に記載の発明は、前記所定の閾値を予め記憶していることを特徴とする。
【０００７】
請求項５に記載の発明は、消耗電極と被溶接部材との間で短絡状態とアーク状態とを繰り返し発生させながら溶接を行うアーク溶接装置であって、今回のアーク発生期間の長さを検出し、検出したアーク発生期間の長さが大きくなるにつれ次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を減少させ、前記検出したアーク発生期間の長さが小さくなるにつれ前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を増加させることを特徴とする。
また請求項６に記載の発明は、前記検出したアーク発生期間の長さから前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を決定するためのパラメータを予め記憶していることを特徴とする。
【０００８】
請求項７に記載の発明は、消耗電極と被溶接部材との間で短絡状態とアーク状態とを繰り返し発生させながら溶接を行うアーク溶接装置であって、今回のアーク発生期間の長さを検出し、検出したアーク発生期間の長さが所定の閾値より大きい場合、次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を減少させ、前記検出したアーク発生期間の長さが所定の閾値より小さい場合、前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を増加させることを特徴とする。
また請求項８に記載の発明は、前記所定の閾値を予め記憶していることを特徴とする。
【０００９】
請求項９に記載の発明は、消耗電極と被溶接部材との間で短絡状態とアーク状態とを繰り返し発生させながら溶接を行うアーク溶接装置であって、今回の短絡発生期間とアーク発生期間における溶接電圧の平均値を求め、前記溶接電圧平均値が大きくなるにつれ次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を減少させ、前記溶接電圧平均値が小さくなるにつれ前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を増加させることを特徴とする。
また請求項１０に記載の発明は、前記溶接電圧平均値から前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を決定するためのパラメータを予め記憶していることを特徴とする。
【００１０】
請求項１１に記載の発明は、消耗電極と被溶接部材との間で短絡状態とアーク状態とを繰り返し発生させながら溶接を行うアーク溶接装置であって、今回の短絡発生期間とアーク発生期間における溶接電圧の平均値を求め、前記溶接電圧平均値が所定の閾値より大きい場合、次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を減少させ、前記溶接電圧平均値が所定の閾値より小さい場合、前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を増加させることを特徴とする。
また請求項１２に記載の発明は、前記所定の閾値を予め記憶していることを特徴とする。
【００１１】
請求項１３に記載の発明は、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載されたアーク溶接装置と、前記消耗電極の先端部を前記被溶接部材に対して相対的に移動させるロボットを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、溶接状態に応じて次回の短絡発生期間における溶接電流の増加率を変化させることにより、速やかに短絡を開放して溶接が不安定になることを防止できるとともに、スパッタの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るアーク溶接装置の構成を示す図
【図２】本発明のアーク溶接装置に係る溶接電流と溶接電圧の波形を示した図
【図３】本発明に係るアーク溶接システムの構成を示す図
【図４】従来技術に係る溶接電流と溶接電圧の波形を示した図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の具体的実施例について、図に基づいて説明する。
図１は本発明を実施するアーク溶接装置の構成を示す図である。アーク溶接電源１には交流の商用電源２から電力が供給される。商用電源はアーク溶接電源１内の一次整流回路３の入力側に接続される。
一次整流回路３は入力された交流を整流してスイッチング部５へと出力する。スイッチング部５は、溶接制御部４から与えられる溶接電流指令値、溶接電圧指令値と実際の溶接電流値、溶接電圧値とが一致するよう、一次整流回路３の出力に対してＰＷＭ制御を行う。なお溶接電流値は電流検出器９で検出され、溶接電圧値は電圧検出器１０で検出される。
溶接制御部４は電流検出器９、電圧検出器１０からのフィードバックを受けて溶接電流値、溶接電圧値を制御する。さらに溶接ワイヤ１４の送給を行う送給装置１５を制御して溶接ワイヤを所定速度でワークＷへ向けて送給させる。
【００１５】
スイッチング部５の出力は主変圧器６の一次側に接続され、主変圧器６の二次側は二次整流回路７の入力側に接続されている。この二次整流回路７の一方の出力側には直流リアクトル８を経由して出力端子１１が接続され、二次整流回路７の他方の出力側には出力端子１２が接続されている。
２つの出力端子の一方は溶接トーチ１３を介して溶接ワイヤ１４に接続され、他方はワークＷに接続されている。
【００１６】
１６は、アーク溶接電源１に指令を与えたり、アーク溶接電源１から出力される溶接状態をモニタしたりする外部コントローラである。溶接を行う際には、外部コントローラ１６がアーク溶接電源１に溶接電圧、溶接電流の指令を与える。外部コントローラ１６がアーク溶接電源１に与える溶接電圧、溶接電流の指令は溶接作業中の電圧値、電流値の絶対値の平均のような大まかなもので、アーク溶接電源１は外部コントローラ１６からの指令に従って溶接ワイヤ〜ワーク間に溶接電流、溶接電圧を与え、これをμｓ〜ｍｓ単位で適切に制御することにより溶接ワイヤ１４の先端部を溶融させて溶接を行う。
【００１７】
短絡が発生すると、アーク溶接電源１は溶接電流指令による定電流制御を行い、短絡を解除（開放）し、アークが発生すると、アーク溶接電源１は溶接電流指令による定電圧制御を行い溶接ワイヤを溶融させ、安定して短絡状態とアーク状態とが繰り返されるように制御する。
溶接中の溶接電流波形パターンの形状などを決定する各種パラメータは予めアーク溶接電源１内の記憶部１７に記憶されている。記憶部１７は具体的には不揮発性メモリなどによって構成される。前述のスイッチング部５内での処理により、溶接電圧、溶接電流の波形を波形パターンに沿って様々に変化させることができる。
なお図１ではアークを保護するためのシールドガスを溶接ワイヤ先端部へ供給する部分については省略している。
【００１８】
本発明では短絡期間の長さやアーク期間の長さ、または溶接電圧の平均値を計測し、その値によって次の短絡期間での溶接電流の増加率を変化させる。
本発明では電圧検出器１０の検出値を利用して溶接制御部４にて短絡発生期間かアーク発生期間かを判断している。具体的には電圧値が所定値以下の間を短絡発生期間（短絡期間）と判断し、所定値を超えている間をアーク発生期間（アーク期間）と判断する。この所定値についてもパラメータとして記憶部１７に記憶することができる。短絡期間とアーク期間が切り替わる度に溶接制御部４内のタイマ（図示せず）によって計時をスタート／ストップすることで毎回の短絡期間の長さ、アーク期間の長さを取得することができる。
また電圧検出器１０の検出値を所定のサンプリング時間ごとに取得して累積し、累積した値を１回分の短絡期間の長さとアーク期間の長さとの和で除することにより、短絡期間およびアーク期間の１周期における実際の平均電圧値を取得することができる。
図２は本発明のアーク溶接装置による溶接電流と溶接電圧の時間変化の様子を説明するための模式図である。
図２において、Ｔｓ１、Ｔｓ２、Ｔｓ３が短絡期間を表し、Ｔａ１、Ｔａ２、Ｔａ３がアーク期間を表している。前述のように、溶接作業中には短絡状態とアーク状態とをμｓ〜ｍｓ単位の短い周期で繰り返す。図２は溶接作業中の溶接電流、溶接電圧の一部を抜き出したものである。ΔＩs１、ΔＩs２、ΔＩs３は、それぞれＴｓ１、Ｔｓ２、Ｔｓ３における溶接電流の単位時間あたりの増加率を表している。本発明においては短絡期間における溶接電流を直線的に増加させるよう指令するものとする。
【実施例１】
【００１９】
本発明の第１実施例について説明する。
第１実施例では、溶接制御部４が短絡期間の長さを測定し、短絡期間が長くなると次回の短絡期間における短絡電流の増加率を大きくするようスイッチング部５へ指令を出力する。逆に短絡期間が短くなると、次回の短絡期間における短絡電流の増加率を小さくするようスイッチング部５へ指令を出力する。つまり短絡期間が長くなるとワークへの入熱量が小さくなり、異常短絡になりやすいので、これを抑制して溶接を安定させようとするものである。
図２を例にとると、短絡期間Ｔｓ２における短絡電流の増加率ΔＩｓ２は、短絡期間Ｔｓ１の長さに連動して変化し、短絡期間Ｔｓ３における短絡電流の増加率ΔＩｓ３は、短絡期間Ｔｓ２の長さに連動して変化する。
【００２０】
短絡電流の増加率の決定方法の具体例を説明する。
短絡電流の増加率の最低値を予め定めておき、その最低値に実際の短絡期間の長さに応じた値を加えたものを次回の短絡期間における短絡電流の増加率とする。
短絡電流の増加率をΔＩs［Ａ／ｍｓ]、短絡電流の増加率の最低値をΔＩs_min[Ａ／ｍｓ]、実際の短絡期間の長さをｔs［ｍｓ］とした場合、次回の短絡期間における短絡電流の増加率ΔＩsを（式１）のようにして決定する。
【００２１】
ΔＩs ＝ ΔＩs_min＋（Ｂs1・ｔs） ・・・（式１）
【００２２】
ここでＢs1［Ａ／ｍｓ２］は短絡期間の長さに関する重み付け係数で、正の定数である。ΔＩs_min、Ｂs1については予め実験を行うなどして適切な値を決定しておく。またΔＩs_min、Ｂs1をパラメータとして記憶部１７に記憶しておき、溶接条件の変更に伴い必要に応じて変更できるようにしてもよい。なお、（式１）によって求めたΔＩsが大きすぎて不適切な場合には短絡電流の増加率を予め設定した規定値にするといった構成にしておいてもよい。
【００２３】
また短絡電流の増加率の別の決定方法として、短絡電流の増加率の基準値、短絡期間の基準値を予め定めておき、短絡期間の基準値と実際の短絡期間の長さとの差によって、短絡電流の増加率の基準値を増減させた値を次回の短絡期間における短絡電流の増加率としてもよい。
短絡電流の増加率の基準値をΔＩs_ref[Ａ／ｍｓ]、短絡期間の基準値をＴs［ｍｓ］、
実際の短絡期間の長さをｔs［ｍｓ］とした場合、次回の短絡期間における短絡電流の増加率ΔＩsを（式２）のようにして決定する。
【００２４】
ΔＩs ＝ ΔＩs_ref＋Ｂs2・（ｔs−Ｔs） ・・・（式２）
【００２５】
ここでＢs2［Ａ／ｍｓ２］は（式１）のＢs1と同様、短絡期間の長さに関する重み付け係数で、正の定数である。ΔＩs_ref、Ｂs2については予め実験を行うなどして適切な値を決定しておく。またΔＩs_ref、Ｂs2をパラメータとして記憶部１７に記憶しておき、溶接条件の変更に伴い必要に応じて変更できるようにしてもよい。
【００２６】
（式２）によれば、実際の短絡時間ｔｓが基準値Ｔｓより長い場合にはΔＩsはΔＩs_refより大きい値となり、基準値Ｔｓより短い場合にはΔＩsはΔＩs_refより小さい値となる。すなわちＴsは、短絡電流の増加率を基準値より大きくするか、小さくするかの閾値のような働きをする。なお、（式２）によって求めたΔＩsが大きすぎたり小さすぎたりして不適切な場合には短絡電流の増加率を予め設定した規定値にするといった構成にしておいてもよい。
【００２７】
短絡電流の増加率のさらに別の決定方法として、（式１）（式２）のように短絡電流の増加率を無段階で求めるのではなく、短絡期間の長さについて複数の閾値Ｔs_th1、Ｔs_th2、Ｔs_th3、Ｔs_th4、・・・（ただし０＜ Ｔs_th1 ＜ Ｔs_th2 ＜ Ｔs_th3 ＜ Ｔs_th4 ＜ ・・・）を設定し、実際の短絡期間の長さｔs［ｍｓ］に応じて次回の短絡期間における短絡電流の増加率ΔＩsを（式３）のようにして決定してもよい。
【００２８】
０ ＜ ｔs ＜ Ｔs_th1 の場合 ΔＩs ＝ Ａs1
Ｔs_th1 ≦ ｔs ＜ Ｔs_th2 の場合 ΔＩs ＝ Ａs2
Ｔs_th2 ≦ ｔs ＜ Ｔs_th3 の場合 ΔＩs ＝ Ａs3 ・・・（式３）
Ｔs_th3 ≦ ｔs ＜ Ｔs_th4 の場合 ΔＩs ＝ Ａs4
（ここで、０＜ Ａs1 ＜ Ａs2 ＜ Ａs3 ＜ Ａs4 ）
【００２９】
Ｔs_th1〜Ｔs_th4、Ａs1〜Ａs4については予め実験を行うなどして適切な値を決定しておく。またＴs_th1〜Ｔs_th4、Ａs1〜Ａs4をパラメータとして記憶部１７に記憶しておき、溶接条件の変更に伴い必要に応じて変更できるようにしてもよい。なお（式３）ではΔＩsを４段階で変化させているが、段階の数は一例に過ぎないことは言うまでもない。
【００３０】
このように、短絡期間が長くなるにつれ、次回の短絡期間にて短絡電流の増加率を大きくして速やかに短絡を開放することで、短絡開放時の異常短絡を抑制し溶接が不安定になることを防止し、スパッタの発生を抑制することができる。
【実施例２】
【００３１】
続いて、本発明の別の実施例について説明する。
第１実施例では、短絡期間の長さを測定し、短絡期間の長さに応じて次回の短絡期間における短絡電流の増加率を変化させていたが、第２実施例では、溶接制御部４がアーク期間の長さを測定し、アーク期間が長くなると次回の短絡期間における短絡電流の増加率を小さくするようスイッチング部５へ指令を出力する。逆にアーク期間が短くなると、次回の短絡期間における短絡電流の増加率を大きくするようスイッチング部５へ指令を出力する。つまりアーク期間が短くなるとワークへの入熱量が小さくなり、異常短絡になりやすいので、これを抑制して溶接を安定させようとするものである。
図２を例にとると、短絡期間Ｔｓ２における短絡電流の増加率ΔＩｓ２は、アーク期間Ｔａ１の長さに連動して変化し、短絡期間Ｔｓ３における短絡電流の増加率ΔＩｓ３は、アーク期間Ｔａ２の長さに連動して変化する。
【００３２】
短絡電流の増加率の決定方法の具体例を説明する。
短絡電流の増加率の最大値を予め定めておき、その最大値から実際のアーク期間の長さに応じた値を減じたものを次回の短絡期間における短絡電流の増加率とする。
短絡電流の増加率をΔＩs[Ａ／ｍｓ]、短絡電流の増加率の最大値をΔＩs_max[Ａ／ｍｓ]、実際のアーク期間の長さをｔa［ｍｓ］とした場合、次回の短絡期間における短絡電流の増加率ΔＩsを（式４）のようにして決定する。
【００３３】
ΔＩs ＝ ΔＩs_max−（Ｂa1・ｔa） ・・・（式４）
【００３４】
ここでＢa1［Ａ／ｍｓ２］はアーク期間の長さに関する重み付け係数で、正の定数である。ΔＩs_max、Ｂa1については予め実験を行うなどして適切な値を決定しておく。またΔＩs_max、Ｂa1をパラメータとして記憶部１７に記憶しておき、溶接条件の変更に伴い必要に応じて変更できるようにしてもよい。なお、（式４）によって求めたΔＩsが小さすぎて不適切な場合には短絡電流の増加率を予め設定した規定値にするといった構成にしておいてもよい。
【００３５】
また短絡電流の増加率の別の決定方法として、短絡電流の増加率の基準値、アーク期間の基準値を予め定めておき、アーク期間の基準値と実際のアーク期間の長さとの差によって、短絡電流の増加率の基準値を増減させた値を次回の短絡期間における短絡電流の増加率としてもよい。
短絡電流の増加率の基準値をΔＩs_ref[Ａ／ｍｓ]、アーク期間の基準値をＴa［ｍｓ］、
実際のアーク期間の長さをｔa［ｍｓ］とした場合、次回の短絡期間における短絡電流の増加率ΔＩsを（式５）のようにして決定する。
【００３６】
ΔＩs ＝ ΔＩs_ref−Ｂa2・（ｔa−Ｔa） ・・・（式５）
【００３７】
ここでＢa2［Ａ／ｍｓ２］は（式４）のＢa1と同様、アーク期間の長さに関する重み付け係数で、正の定数である。ΔＩs_ref、Ｂa2については予め実験を行うなどして適切な値を決定しておく。またΔＩs_ref、Ｂa2をパラメータとして記憶部１７に記憶しておき、溶接条件の変更に伴い必要に応じて変更できるようにしてもよい。
【００３８】
（式５）によれば、実際のアーク時間ｔaが基準値Ｔaより長い場合にはΔＩsはΔＩs_refより小さい値となり、基準値Ｔaより短い場合にはΔＩsはΔＩs_refより大きい値となる。すなわちＴaは、短絡電流の増加率を基準値より大きくするか、小さくするかの閾値のような働きをする。なお、（式５）によって求めたΔＩsが小さすぎたり大きすぎたりして不適切な場合には短絡電流の増加率を予め設定した規定値にするといった構成にしておいてもよい。
【００３９】
短絡電流の増加率のさらに別の決定方法として、（式４）（式５）のように短絡電流の増加率を無段階で求めるのではなく、アーク期間の長さについて複数の閾値Ｔa_th1、Ｔa_th2、Ｔa_th3、Ｔa_th4、・・・（ただし０ ＜ Ｔa_th1 ＜ Ｔa_th2 ＜ Ｔa_th3 ＜ Ｔa_th4 ＜ ・・・）を設定し、実際のアーク期間の長さｔa［ｍｓ］に応じて次回の短絡期間における短絡電流の増加率ΔＩsを（式６）のようにして決定してもよい。
【００４０】
０ ＜ ｔa ＜ Ｔa_th1 の場合 ΔＩs ＝ Ａa1
Ｔa_th1 ≦ ｔa ＜ Ｔa_th2 の場合 ΔＩs ＝ Ａa2
Ｔa_th2 ≦ ｔa ＜ Ｔa_th3 の場合 ΔＩs ＝ Ａa3 ・・・（式６）
Ｔa_th3 ≦ ｔa ＜ Ｔa_th4 の場合 ΔＩs ＝ Ａa4
（ここで、Ａa1 ＞ Ａa2 ＞ Ａa3 ＞ Ａa4 ＞ ０）
【００４１】
Ｔa_th1〜Ｔa_th4、Ａa1〜Ａa4については予め実験を行うなどして適切な値を決定しておく。またＴa_th1〜Ｔa_th4、Ａa1〜Ａa4をパラメータとして記憶部１７に記憶しておき、溶接条件の変更に伴い必要に応じて変更できるようにしてもよい。なお（式６）ではΔＩsを４段階で変化させているが、段階の数は一例に過ぎないことは言うまでもない。
【００４２】
このように、アーク期間が短くなるにつれ、次回の短絡期間にて短絡電流の増加率を大きくして速やかに短絡を開放することで、短絡開放時の異常短絡を抑制し溶接が不安定になることを防止し、スパッタの発生を抑制することができる。
【実施例３】
【００４３】
さらに別の実施例について説明する。
第１、第２実施例では、短絡期間の長さやアーク期間の長さを測定し、それぞれの長さ応じて次回の短絡期間における短絡電流の増加率を変化させていたが、第３実施例では、溶接制御部４が短絡期間およびアーク期間での平均溶接電圧値を測定し、平均電圧値が大きくなると次回の短絡期間における短絡電流の増加率を小さくするようスイッチング部５へ指令を出力する。逆に短絡期間およびアーク期間での平均溶接電圧値が小さくなると、次回の短絡期間における短絡電流の増加率を大きくするようスイッチング部５へ指令を出力する。つまり平均電圧値が小さくなるとワークへの入熱量が小さくなり異常短絡になりやすいので、これを抑制して溶接を安定させようとするものである。
図２を例にとると、短絡期間Ｔｓ２における短絡電流の増加率ΔＩｓ２は、短絡期間Ｔｓ１およびアーク期間Ｔａ１での平均溶接電圧値Ｖ１に連動して変化し、短絡期間Ｔｓ３における短絡電流の増加率ΔＩｓ３は、短絡期間Ｔｓ２およびアーク期間Ｔａ２での平均溶接電圧値Ｖ２に連動して変化する。
図２では、一点鎖線にて示された水平な線分にて平均溶接電圧値Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を表している。
【００４４】
短絡電流の増加率の決定方法の具体例を説明する。
短絡電流の増加率の最大値を予め定めておき、その最大値から実際の短絡期間およびアーク期間での平均溶接電圧値に応じた値を減じたものを次回の短絡期間における短絡電流の増加率とする。
短絡電流の増加率をΔＩs[Ａ／ｍｓ]、短絡電流の増加率の最大値をΔＩs_max[Ａ／ｍｓ]、実際の短絡期間およびアーク期間での平均溶接電圧値をｖa［Ｖ］とした場合、次回の短絡期間における短絡電流の増加率ΔＩsを（式７）のようにして決定する。
【００４５】
ΔＩs ＝ ΔＩs_max−（Ｂv1・ｖa） ・・・（式７）
【００４６】
ここでＢv1［Ａ／（ｍｓ・Ｖ）］は短絡期間の長さに関する重み付け係数で、正の定数である。ΔＩs_max、Ｂv1については予め実験を行うなどして適切な値を決定しておく。またΔＩs_max、Ｂv1をパラメータとして記憶部１７に記憶しておき、溶接条件の変更に伴い必要に応じて変更できるようにしてもよい。なお、（式７）によって求めたΔＩsが小さすぎて不適切な場合には短絡電流の増加率を予め設定した規定値にするといった構成にしておいてもよい。
【００４７】
また短絡電流の増加率の別の決定方法として、短絡電流の増加率の基準値、短絡期間およびアーク期間での平均溶接電圧値の基準値を予め定めておき、平均溶接電圧値の基準値と実際の平均溶接電圧値との差によって、短絡電流の増加率の基準値を増減させた値を次回の短絡期間における短絡電流の増加率としてもよい。
短絡電流の増加率の基準値をΔＩs_ref[Ａ／ｍｓ]、平均溶接電圧値の基準値をＶa［ｍｓ］、実際の短絡期間およびアーク期間での平均溶接電圧値をｖa［Ｖ］とした場合、次回の短絡期間における短絡電流の増加率ΔＩsを（式８）のようにして決定する。
【００４８】
ΔＩs ＝ ΔＩs_ref−Ｂv2・（ｖa−Ｖa） ・・・（式８）
【００４９】
ここでＢv2［Ａ／（ｍｓ・Ｖ）］は（式７）のＢv1と同様、平均溶接電圧値に関する重み付け係数で、正の定数である。ΔＩs_ref、Ｂv2については予め実験を行うなどして適切な値を決定しておく。またΔＩs_ref、Ｂv2をパラメータとして記憶部１７に記憶しておき、溶接条件の変更に伴い必要に応じて変更できるようにしてもよい。
【００５０】
（式８）によれば、実際の平均溶接電圧値ｖaが基準値Ｖaより大きい場合にはΔＩsはΔＩs_refより小さい値となり、基準値Ｖaより小さい場合にはΔＩsはΔＩs_refより大きい値となる。すなわちＶaは、短絡電流の増加率を基準値より大きくするか、小さくするかの閾値のような働きをする。なお、（式８）によって求めたΔＩsが小さすぎたり大きすぎたりして不適切な場合には短絡電流の増加率を予め設定した規定値にするといった構成にしておいてもよい。
【００５１】
短絡電流の増加率のさらに別の決定方法として、（式７）（式８）のように短絡電流の増加率を無段階で求めるのではなく、平均溶接電圧値について複数の閾値Ｖth1、Ｖth2、Ｖth3、Ｖth4、・・・（ただし０ ＜ Ｖth1 ＜ Ｖth2 ＜ Ｖth3 ＜ Ｖth4 ＜ ・・・）を設定し、実際の平均溶接電圧値ｖa［Ｖ］に応じて次回の短絡期間における短絡電流の増加率ａを（式９）のようにして決定してもよい。
【００５２】
０ ＜ ｖa ＜ Ｖth1 の場合 ΔＩs ＝ Ａv1
Ｖth1 ≦ ｖa ＜ Ｖth2 の場合 ΔＩs ＝ Ａv2
Ｖth2 ≦ ｖa ＜ Ｖth3 の場合 ΔＩs ＝ Ａv3 ・・・（式９）
Ｖth3 ≦ ｖa ＜ Ｖth4 の場合 ΔＩs ＝ Ａv4
（ここで、 Ａv1 ＞ Ａv2 ＞ Ａv3 ＞ Ａv4 ＞０）
【００５３】
Ｖth1〜Ｖth4、Ａv1〜Ａv4については予め実験を行うなどして適切な値を決定しておく。またＶth1〜Ｖth4、Ａv1〜Ａv4をパラメータとして記憶部１７に記憶しておき、溶接条件の変更に伴い必要に応じて変更できるようにしてもよい。なお（式９）ではΔＩsを４段階で変化させているが、段階の数は一例に過ぎないことは言うまでもない。
【００５４】
このように、平均電圧値が小さくなるにつれ、次回の短絡期間にて短絡電流の増加率を大きくして速やかに短絡を開放することで、短絡開放時の異常短絡を抑制し溶接が不安定になることを防止し、スパッタの発生を抑制することができる。
【実施例４】
【００５５】
図３は、実施例１〜３にて説明したアーク溶接装置１を、先端に溶接トーチ１３を取り付けたロボット２０と組み合わせて構成したアーク溶接システムを示す模式図である。
送給装置１５はロボット２０に搭載され、溶接ワイヤ供給部１９に内蔵された溶接ワイヤ１４をロボット先端部の溶接トーチ１３へと送給する。
また図１における外部コントローラ１６は、図３においてはロボットコントローラとして機能する。すなわちロボット２０を制御して先端部の溶接トーチ１３の位置と姿勢を様々に変化させ、溶接トーチ１３の先端がワークＷに対して所望の溶接線を描くよう移動させて溶接を行うことができる。さらにアーク溶接電源１に溶接に関する指令を与えたり溶接状況をモニタリングしたりする。
なお図１では省略していたが、図３ではシールドガスがガスボンベ１８から溶接トーチ１３へと供給される。
図３に示すようなアーク溶接システムによれば、短絡期間の長さ、アーク期間の長さ、または短絡期間およびアーク期間における溶接電圧値の平均値に応じて、次回の短絡期間における短絡電流の増加率を変動させることで、溶接が不安定になることを防止し、スパッタの発生を抑制することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１ アーク溶接電源
２ 商用電源
３ 一次整流回路
４ 溶接制御部
５ スイッチング部
６ 主変圧器
７ 二次整流回路
８ 直流リアクトル
９ 電流検出器
１０ 電圧検出器
１１ 出力端子
１２ 出力端子
１３ 溶接トーチ
１４ 溶接ワイヤ（コンジットケーブル）
１５ 送給装置
１６ 外部コントローラ（ロボットコントローラ）
１７ 記憶部
１８ ガスボンベ
１９ 溶接ワイヤ供給部
２０ ロボット
Ｗ ワーク
ΔＩｓ１、ΔＩｓ２、ΔＩｓ３ 短絡電流の増加率
Ｔｓ１、Ｔｓ２、Ｔｓ３ 短絡期間
Ｔａ１、Ｔａ２、Ｔａ３ アーク期間
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３ 平均溶接電圧値
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アーク溶接装置および該アーク溶接装置を備えたアーク溶接システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
消耗電極を用いたガスシールドアーク溶接において、スパッタを抑制し安定した溶接を行うための溶接方法が従来から多く提案されている。
アーク溶接装置の制御方法において、応答速度を向上させて安定した溶接状態を早く回復することを目的として、一回のアーク発生期間の長さを検出し、検出したアーク発生期間の長さに比例して、次のアーク発生期間における溶接電源の出力電圧を低減し、一回のアーク発生期間の長さに逆比例して次のアーク発生期間における溶接電流を増加させるものがあった（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４０２８０７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら従来の溶接制御方法では、図４に示す溶接電流と溶接電圧の波形のように、溶接中の短絡を開放する溶接電流（図４の破線部）は、その増加率が毎回一定であるため、溶接状態に適切な短絡電流波形ではない場合がある。そのため正常に短絡開放できずに異常短絡が発生し、溶接が不安定となる問題があった。
また入熱の不足や、溶接が不安定になる場合への対応を考慮して、短絡電流の増加率を予め大きな値に設定することによってスパッタが多く発生してしまう場合があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、溶接状態に応じて速やかに短絡を開放することで、溶接が不安定になることを防止しスパッタの発生を抑制することができるアーク溶接装置およびアーク溶接システム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】
【０００５】
上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたのである。
請求項１に記載の発明は、消耗電極と被溶接部材との間で短絡状態とアーク状態とを繰り返し発生させながら溶接を行うアーク溶接装置であって、今回の短絡発生期間の長さを検出し、検出した短絡発生期間の長さが大きくなるにつれ次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を増加させ、前記検出した短絡発生期間の長さが小さくなるにつれ前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を減少させることを特徴とする。
また請求項２に記載の発明は、前記検出した短絡発生期間の長さから前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を決定するためのパラメータを予め記憶していることを特徴とする。
【０００６】
請求項３に記載の発明は、消耗電極と被溶接部材との間で短絡状態とアーク状態とを繰り返し発生させながら溶接を行うアーク溶接装置であって、今回の短絡発生期間の長さを検出し、検出した短絡発生期間の長さが所定の閾値より大きい場合、次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を増加させ、前記検出した短絡発生期間の長さが所定の閾値より小さい場合、前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を減少させることを特徴とする。
また請求項４に記載の発明は、前記所定の閾値を予め記憶していることを特徴とする。
【０００７】
請求項５に記載の発明は、消耗電極と被溶接部材との間で短絡状態とアーク状態とを繰り返し発生させながら溶接を行うアーク溶接装置であって、今回のアーク発生期間の長さを検出し、検出したアーク発生期間の長さが大きくなるにつれ次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を減少させ、前記検出したアーク発生期間の長さが小さくなるにつれ前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を増加させることを特徴とする。
また請求項６に記載の発明は、前記検出したアーク発生期間の長さから前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を決定するためのパラメータを予め記憶していることを特徴とする。
【０００８】
請求項７に記載の発明は、消耗電極と被溶接部材との間で短絡状態とアーク状態とを繰り返し発生させながら溶接を行うアーク溶接装置であって、今回のアーク発生期間の長さを検出し、検出したアーク発生期間の長さが所定の閾値より大きい場合、次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を減少させ、前記検出したアーク発生期間の長さが所定の閾値より小さい場合、前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を増加させることを特徴とする。
また請求項８に記載の発明は、前記所定の閾値を予め記憶していることを特徴とする。
【０００９】
請求項９に記載の発明は、消耗電極と被溶接部材との間で短絡状態とアーク状態とを繰り返し発生させながら溶接を行うアーク溶接装置であって、今回の短絡発生期間とアーク発生期間における溶接電圧の平均値を求め、前記溶接電圧平均値が大きくなるにつれ次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を減少させ、前記溶接電圧平均値が小さくなるにつれ前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を増加させることを特徴とする。
また請求項１０に記載の発明は、前記溶接電圧平均値から前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を決定するためのパラメータを予め記憶していることを特徴とする。
【００１０】
請求項１１に記載の発明は、消耗電極と被溶接部材との間で短絡状態とアーク状態とを繰り返し発生させながら溶接を行うアーク溶接装置であって、今回の短絡発生期間とアーク発生期間における溶接電圧の平均値を求め、前記溶接電圧平均値が所定の閾値より大きい場合、次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を減少させ、前記溶接電圧平均値が所定の閾値より小さい場合、前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を増加させることを特徴とする。
また請求項１２に記載の発明は、前記所定の閾値を予め記憶していることを特徴とする。
【００１１】
請求項１３に記載の発明は、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載されたアーク溶接装置と、前記消耗電極の先端部を前記被溶接部材に対して相対的に移動させるロボットを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、溶接状態に応じて次回の短絡発生期間における溶接電流の増加率を変化させることにより、速やかに短絡を開放して溶接が不安定になることを防止できるとともに、スパッタの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るアーク溶接装置の構成を示す図
【図２】本発明のアーク溶接装置に係る溶接電流と溶接電圧の波形を示した図
【図３】本発明に係るアーク溶接システムの構成を示す図
【図４】従来技術に係る溶接電流と溶接電圧の波形を示した図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の具体的実施例について、図に基づいて説明する。
図１は本発明を実施するアーク溶接装置の構成を示す図である。アーク溶接電源１には交流の商用電源２から電力が供給される。商用電源はアーク溶接電源１内の一次整流回路３の入力側に接続される。
一次整流回路３は入力された交流を整流してスイッチング部５へと出力する。スイッチング部５は、溶接制御部４から与えられる溶接電流指令値、溶接電圧指令値と実際の溶接電流値、溶接電圧値とが一致するよう、一次整流回路３の出力に対してＰＷＭ制御を行う。なお溶接電流値は電流検出器９で検出され、溶接電圧値は電圧検出器１０で検出される。
溶接制御部４は電流検出器９、電圧検出器１０からのフィードバックを受けて溶接電流値、溶接電圧値を制御する。さらに溶接ワイヤ１４の送給を行う送給装置１５を制御して溶接ワイヤを所定速度でワークＷへ向けて送給させる。
【００１５】
スイッチング部５の出力は主変圧器６の一次側に接続され、主変圧器６の二次側は二次整流回路７の入力側に接続されている。この二次整流回路７の一方の出力側には直流リアクトル８を経由して出力端子１１が接続され、二次整流回路７の他方の出力側には出力端子１２が接続されている。
２つの出力端子の一方は溶接トーチ１３を介して溶接ワイヤ１４に接続され、他方はワークＷに接続されている。
【００１６】
１６は、アーク溶接電源１に指令を与えたり、アーク溶接電源１から出力される溶接状態をモニタしたりする外部コントローラである。溶接を行う際には、外部コントローラ１６がアーク溶接電源１に溶接電圧、溶接電流の指令を与える。外部コントローラ１６がアーク溶接電源１に与える溶接電圧、溶接電流の指令は溶接作業中の電圧値、電流値の絶対値の平均のような大まかなもので、アーク溶接電源１は外部コントローラ１６からの指令に従って溶接ワイヤ〜ワーク間に溶接電流、溶接電圧を与え、これをμｓ〜ｍｓ単位で適切に制御することにより溶接ワイヤ１４の先端部を溶融させて溶接を行う。
【００１７】
短絡が発生すると、アーク溶接電源１は溶接電流指令による定電流制御を行い、短絡を解除（開放）し、アークが発生すると、アーク溶接電源１は溶接電流指令による定電圧制御を行い溶接ワイヤを溶融させ、安定して短絡状態とアーク状態とが繰り返されるように制御する。
溶接中の溶接電流波形パターンの形状などを決定する各種パラメータは予めアーク溶接電源１内の記憶部１７に記憶されている。記憶部１７は具体的には不揮発性メモリなどによって構成される。前述のスイッチング部５内での処理により、溶接電圧、溶接電流の波形を波形パターンに沿って様々に変化させることができる。
なお図１ではアークを保護するためのシールドガスを溶接ワイヤ先端部へ供給する部分については省略している。
【００１８】
本発明では短絡期間の長さやアーク期間の長さ、または溶接電圧の平均値を計測し、その値によって次の短絡期間での溶接電流の増加率を変化させる。
本発明では電圧検出器１０の検出値を利用して溶接制御部４にて短絡発生期間かアーク発生期間かを判断している。具体的には電圧値が所定値以下の間を短絡発生期間（短絡期間）と判断し、所定値を超えている間をアーク発生期間（アーク期間）と判断する。この所定値についてもパラメータとして記憶部１７に記憶することができる。短絡期間とアーク期間が切り替わる度に溶接制御部４内のタイマ（図示せず）によって計時をスタート／ストップすることで毎回の短絡期間の長さ、アーク期間の長さを取得することができる。
また電圧検出器１０の検出値を所定のサンプリング時間ごとに取得して累積し、累積した値を１回分の短絡期間の長さとアーク期間の長さとの和で除することにより、短絡期間およびアーク期間の１周期における実際の平均電圧値を取得することができる。
図２は本発明のアーク溶接装置による溶接電流と溶接電圧の時間変化の様子を説明するための模式図である。
図２において、Ｔｓ１、Ｔｓ２、Ｔｓ３が短絡期間を表し、Ｔａ１、Ｔａ２、Ｔａ３がアーク期間を表している。前述のように、溶接作業中には短絡状態とアーク状態とをμｓ〜ｍｓ単位の短い周期で繰り返す。図２は溶接作業中の溶接電流、溶接電圧の一部を抜き出したものである。ΔＩs１、ΔＩs２、ΔＩs３は、それぞれＴｓ１、Ｔｓ２、Ｔｓ３における溶接電流の単位時間あたりの増加率を表している。本発明においては短絡期間における溶接電流を直線的に増加させるよう指令するものとする。
【実施例１】
【００１９】
本発明の第１実施例について説明する。
第１実施例では、溶接制御部４が短絡期間の長さを測定し、短絡期間が長くなると次回の短絡期間における短絡電流の増加率を大きくするようスイッチング部５へ指令を出力する。逆に短絡期間が短くなると、次回の短絡期間における短絡電流の増加率を小さくするようスイッチング部５へ指令を出力する。つまり短絡期間が長くなるとワークへの入熱量が小さくなり、異常短絡になりやすいので、これを抑制して溶接を安定させようとするものである。
図２を例にとると、短絡期間Ｔｓ２における短絡電流の増加率ΔＩｓ２は、短絡期間Ｔｓ１の長さに連動して変化し、短絡期間Ｔｓ３における短絡電流の増加率ΔＩｓ３は、短絡期間Ｔｓ２の長さに連動して変化する。
【００２０】
短絡電流の増加率の決定方法の具体例を説明する。
短絡電流の増加率の最低値を予め定めておき、その最低値に実際の短絡期間の長さに応じた値を加えたものを次回の短絡期間における短絡電流の増加率とする。
短絡電流の増加率をΔＩs［Ａ／ｍｓ]、短絡電流の増加率の最低値をΔＩs_min[Ａ／ｍｓ]、実際の短絡期間の長さをｔs［ｍｓ］とした場合、次回の短絡期間における短絡電流の増加率ΔＩsを（式１）のようにして決定する。
【００２１】
ΔＩs ＝ ΔＩs_min＋（Ｂs1・ｔs） ・・・（式１）
【００２２】
ここでＢs1［Ａ／ｍｓ２］は短絡期間の長さに関する重み付け係数で、正の定数である。ΔＩs_min、Ｂs1については予め実験を行うなどして適切な値を決定しておく。またΔＩs_min、Ｂs1をパラメータとして記憶部１７に記憶しておき、溶接条件の変更に伴い必要に応じて変更できるようにしてもよい。なお、（式１）によって求めたΔＩsが大きすぎて不適切な場合には短絡電流の増加率を予め設定した規定値にするといった構成にしておいてもよい。
【００２３】
また短絡電流の増加率の別の決定方法として、短絡電流の増加率の基準値、短絡期間の基準値を予め定めておき、短絡期間の基準値と実際の短絡期間の長さとの差によって、短絡電流の増加率の基準値を増減させた値を次回の短絡期間における短絡電流の増加率としてもよい。
短絡電流の増加率の基準値をΔＩs_ref[Ａ／ｍｓ]、短絡期間の基準値をＴs［ｍｓ］、
実際の短絡期間の長さをｔs［ｍｓ］とした場合、次回の短絡期間における短絡電流の増加率ΔＩsを（式２）のようにして決定する。
【００２４】
ΔＩs ＝ ΔＩs_ref＋Ｂs2・（ｔs−Ｔs） ・・・（式２）
【００２５】
ここでＢs2［Ａ／ｍｓ２］は（式１）のＢs1と同様、短絡期間の長さに関する重み付け係数で、正の定数である。ΔＩs_ref、Ｂs2については予め実験を行うなどして適切な値を決定しておく。またΔＩs_ref、Ｂs2をパラメータとして記憶部１７に記憶しておき、溶接条件の変更に伴い必要に応じて変更できるようにしてもよい。
【００２６】
（式２）によれば、実際の短絡時間ｔｓが基準値Ｔｓより長い場合にはΔＩsはΔＩs_refより大きい値となり、基準値Ｔｓより短い場合にはΔＩsはΔＩs_refより小さい値となる。すなわちＴsは、短絡電流の増加率を基準値より大きくするか、小さくするかの閾値のような働きをする。なお、（式２）によって求めたΔＩsが大きすぎたり小さすぎたりして不適切な場合には短絡電流の増加率を予め設定した規定値にするといった構成にしておいてもよい。
【００２７】
短絡電流の増加率のさらに別の決定方法として、（式１）（式２）のように短絡電流の増加率を無段階で求めるのではなく、短絡期間の長さについて複数の閾値Ｔs_th1、Ｔs_th2、Ｔs_th3、Ｔs_th4、・・・（ただし０＜ Ｔs_th1 ＜ Ｔs_th2 ＜ Ｔs_th3 ＜ Ｔs_th4 ＜ ・・・）を設定し、実際の短絡期間の長さｔs［ｍｓ］に応じて次回の短絡期間における短絡電流の増加率ΔＩsを（式３）のようにして決定してもよい。
【００２８】
０ ＜ ｔs ＜ Ｔs_th1 の場合 ΔＩs ＝ Ａs1
Ｔs_th1 ≦ ｔs ＜ Ｔs_th2 の場合 ΔＩs ＝ Ａs2
Ｔs_th2 ≦ ｔs ＜ Ｔs_th3 の場合 ΔＩs ＝ Ａs3 ・・・（式３）
Ｔs_th3 ≦ ｔs ＜ Ｔs_th4 の場合 ΔＩs ＝ Ａs4
（ここで、０＜ Ａs1 ＜ Ａs2 ＜ Ａs3 ＜ Ａs4 ）
【００２９】
Ｔs_th1〜Ｔs_th4、Ａs1〜Ａs4については予め実験を行うなどして適切な値を決定しておく。またＴs_th1〜Ｔs_th4、Ａs1〜Ａs4をパラメータとして記憶部１７に記憶しておき、溶接条件の変更に伴い必要に応じて変更できるようにしてもよい。なお（式３）ではΔＩsを４段階で変化させているが、段階の数は一例に過ぎないことは言うまでもない。
【００３０】
このように、短絡期間が長くなるにつれ、次回の短絡期間にて短絡電流の増加率を大きくして速やかに短絡を開放することで、短絡開放時の異常短絡を抑制し溶接が不安定になることを防止し、スパッタの発生を抑制することができる。
【実施例２】
【００３１】
続いて、本発明の別の実施例について説明する。
第１実施例では、短絡期間の長さを測定し、短絡期間の長さに応じて次回の短絡期間における短絡電流の増加率を変化させていたが、第２実施例では、溶接制御部４がアーク期間の長さを測定し、アーク期間が長くなると次回の短絡期間における短絡電流の増加率を小さくするようスイッチング部５へ指令を出力する。逆にアーク期間が短くなると、次回の短絡期間における短絡電流の増加率を大きくするようスイッチング部５へ指令を出力する。つまりアーク期間が短くなるとワークへの入熱量が小さくなり、異常短絡になりやすいので、これを抑制して溶接を安定させようとするものである。
図２を例にとると、短絡期間Ｔｓ２における短絡電流の増加率ΔＩｓ２は、アーク期間Ｔａ１の長さに連動して変化し、短絡期間Ｔｓ３における短絡電流の増加率ΔＩｓ３は、アーク期間Ｔａ２の長さに連動して変化する。
【００３２】
短絡電流の増加率の決定方法の具体例を説明する。
短絡電流の増加率の最大値を予め定めておき、その最大値から実際のアーク期間の長さに応じた値を減じたものを次回の短絡期間における短絡電流の増加率とする。
短絡電流の増加率をΔＩs[Ａ／ｍｓ]、短絡電流の増加率の最大値をΔＩs_max[Ａ／ｍｓ]、実際のアーク期間の長さをｔa［ｍｓ］とした場合、次回の短絡期間における短絡電流の増加率ΔＩsを（式４）のようにして決定する。
【００３３】
ΔＩs ＝ ΔＩs_max−（Ｂa1・ｔa） ・・・（式４）
【００３４】
ここでＢa1［Ａ／ｍｓ２］はアーク期間の長さに関する重み付け係数で、正の定数である。ΔＩs_max、Ｂa1については予め実験を行うなどして適切な値を決定しておく。またΔＩs_max、Ｂa1をパラメータとして記憶部１７に記憶しておき、溶接条件の変更に伴い必要に応じて変更できるようにしてもよい。なお、（式４）によって求めたΔＩsが小さすぎて不適切な場合には短絡電流の増加率を予め設定した規定値にするといった構成にしておいてもよい。
【００３５】
また短絡電流の増加率の別の決定方法として、短絡電流の増加率の基準値、アーク期間の基準値を予め定めておき、アーク期間の基準値と実際のアーク期間の長さとの差によって、短絡電流の増加率の基準値を増減させた値を次回の短絡期間における短絡電流の増加率としてもよい。
短絡電流の増加率の基準値をΔＩs_ref[Ａ／ｍｓ]、アーク期間の基準値をＴa［ｍｓ］、
実際のアーク期間の長さをｔa［ｍｓ］とした場合、次回の短絡期間における短絡電流の増加率ΔＩsを（式５）のようにして決定する。
【００３６】
ΔＩs ＝ ΔＩs_ref−Ｂa2・（ｔa−Ｔa） ・・・（式５）
【００３７】
ここでＢa2［Ａ／ｍｓ２］は（式４）のＢa1と同様、アーク期間の長さに関する重み付け係数で、正の定数である。ΔＩs_ref、Ｂa2については予め実験を行うなどして適切な値を決定しておく。またΔＩs_ref、Ｂa2をパラメータとして記憶部１７に記憶しておき、溶接条件の変更に伴い必要に応じて変更できるようにしてもよい。
【００３８】
（式５）によれば、実際のアーク時間ｔaが基準値Ｔaより長い場合にはΔＩsはΔＩs_refより小さい値となり、基準値Ｔaより短い場合にはΔＩsはΔＩs_refより大きい値となる。すなわちＴaは、短絡電流の増加率を基準値より大きくするか、小さくするかの閾値のような働きをする。なお、（式５）によって求めたΔＩsが小さすぎたり大きすぎたりして不適切な場合には短絡電流の増加率を予め設定した規定値にするといった構成にしておいてもよい。
【００３９】
短絡電流の増加率のさらに別の決定方法として、（式４）（式５）のように短絡電流の増加率を無段階で求めるのではなく、アーク期間の長さについて複数の閾値Ｔa_th1、Ｔa_th2、Ｔa_th3、Ｔa_th4、・・・（ただし０ ＜ Ｔa_th1 ＜ Ｔa_th2 ＜ Ｔa_th3 ＜ Ｔa_th4 ＜ ・・・）を設定し、実際のアーク期間の長さｔa［ｍｓ］に応じて次回の短絡期間における短絡電流の増加率ΔＩsを（式６）のようにして決定してもよい。
【００４０】
０ ＜ ｔa ＜ Ｔa_th1 の場合 ΔＩs ＝ Ａa1
Ｔa_th1 ≦ ｔa ＜ Ｔa_th2 の場合 ΔＩs ＝ Ａa2
Ｔa_th2 ≦ ｔa ＜ Ｔa_th3 の場合 ΔＩs ＝ Ａa3 ・・・（式６）
Ｔa_th3 ≦ ｔa ＜ Ｔa_th4 の場合 ΔＩs ＝ Ａa4
（ここで、Ａa1 ＞ Ａa2 ＞ Ａa3 ＞ Ａa4 ＞ ０）
【００４１】
Ｔa_th1〜Ｔa_th4、Ａa1〜Ａa4については予め実験を行うなどして適切な値を決定しておく。またＴa_th1〜Ｔa_th4、Ａa1〜Ａa4をパラメータとして記憶部１７に記憶しておき、溶接条件の変更に伴い必要に応じて変更できるようにしてもよい。なお（式６）ではΔＩsを４段階で変化させているが、段階の数は一例に過ぎないことは言うまでもない。
【００４２】
このように、アーク期間が短くなるにつれ、次回の短絡期間にて短絡電流の増加率を大きくして速やかに短絡を開放することで、短絡開放時の異常短絡を抑制し溶接が不安定になることを防止し、スパッタの発生を抑制することができる。
【実施例３】
【００４３】
さらに別の実施例について説明する。
第１、第２実施例では、短絡期間の長さやアーク期間の長さを測定し、それぞれの長さ応じて次回の短絡期間における短絡電流の増加率を変化させていたが、第３実施例では、溶接制御部４が短絡期間およびアーク期間での平均溶接電圧値を測定し、平均電圧値が大きくなると次回の短絡期間における短絡電流の増加率を小さくするようスイッチング部５へ指令を出力する。逆に短絡期間およびアーク期間での平均溶接電圧値が小さくなると、次回の短絡期間における短絡電流の増加率を大きくするようスイッチング部５へ指令を出力する。つまり平均電圧値が小さくなるとワークへの入熱量が小さくなり異常短絡になりやすいので、これを抑制して溶接を安定させようとするものである。
図２を例にとると、短絡期間Ｔｓ２における短絡電流の増加率ΔＩｓ２は、短絡期間Ｔｓ１およびアーク期間Ｔａ１での平均溶接電圧値Ｖ１に連動して変化し、短絡期間Ｔｓ３における短絡電流の増加率ΔＩｓ３は、短絡期間Ｔｓ２およびアーク期間Ｔａ２での平均溶接電圧値Ｖ２に連動して変化する。
図２では、一点鎖線にて示された水平な線分にて平均溶接電圧値Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を表している。
【００４４】
短絡電流の増加率の決定方法の具体例を説明する。
短絡電流の増加率の最大値を予め定めておき、その最大値から実際の短絡期間およびアーク期間での平均溶接電圧値に応じた値を減じたものを次回の短絡期間における短絡電流の増加率とする。
短絡電流の増加率をΔＩs[Ａ／ｍｓ]、短絡電流の増加率の最大値をΔＩs_max[Ａ／ｍｓ]、実際の短絡期間およびアーク期間での平均溶接電圧値をｖa［Ｖ］とした場合、次回の短絡期間における短絡電流の増加率ΔＩsを（式７）のようにして決定する。
【００４５】
ΔＩs ＝ ΔＩs_max−（Ｂv1・ｖa） ・・・（式７）
【００４６】
ここでＢv1［Ａ／（ｍｓ・Ｖ）］は短絡期間の長さに関する重み付け係数で、正の定数である。ΔＩs_max、Ｂv1については予め実験を行うなどして適切な値を決定しておく。またΔＩs_max、Ｂv1をパラメータとして記憶部１７に記憶しておき、溶接条件の変更に伴い必要に応じて変更できるようにしてもよい。なお、（式７）によって求めたΔＩsが小さすぎて不適切な場合には短絡電流の増加率を予め設定した規定値にするといった構成にしておいてもよい。
【００４７】
また短絡電流の増加率の別の決定方法として、短絡電流の増加率の基準値、短絡期間およびアーク期間での平均溶接電圧値の基準値を予め定めておき、平均溶接電圧値の基準値と実際の平均溶接電圧値との差によって、短絡電流の増加率の基準値を増減させた値を次回の短絡期間における短絡電流の増加率としてもよい。
短絡電流の増加率の基準値をΔＩs_ref[Ａ／ｍｓ]、平均溶接電圧値の基準値をＶa［ｍｓ］、実際の短絡期間およびアーク期間での平均溶接電圧値をｖa［Ｖ］とした場合、次回の短絡期間における短絡電流の増加率ΔＩsを（式８）のようにして決定する。
【００４８】
ΔＩs ＝ ΔＩs_ref−Ｂv2・（ｖa−Ｖa） ・・・（式８）
【００４９】
ここでＢv2［Ａ／（ｍｓ・Ｖ）］は（式７）のＢv1と同様、平均溶接電圧値に関する重み付け係数で、正の定数である。ΔＩs_ref、Ｂv2については予め実験を行うなどして適切な値を決定しておく。またΔＩs_ref、Ｂv2をパラメータとして記憶部１７に記憶しておき、溶接条件の変更に伴い必要に応じて変更できるようにしてもよい。
【００５０】
（式８）によれば、実際の平均溶接電圧値ｖaが基準値Ｖaより大きい場合にはΔＩsはΔＩs_refより小さい値となり、基準値Ｖaより小さい場合にはΔＩsはΔＩs_refより大きい値となる。すなわちＶaは、短絡電流の増加率を基準値より大きくするか、小さくするかの閾値のような働きをする。なお、（式８）によって求めたΔＩsが小さすぎたり大きすぎたりして不適切な場合には短絡電流の増加率を予め設定した規定値にするといった構成にしておいてもよい。
【００５１】
短絡電流の増加率のさらに別の決定方法として、（式７）（式８）のように短絡電流の増加率を無段階で求めるのではなく、平均溶接電圧値について複数の閾値Ｖth1、Ｖth2、Ｖth3、Ｖth4、・・・（ただし０ ＜ Ｖth1 ＜ Ｖth2 ＜ Ｖth3 ＜ Ｖth4 ＜ ・・・）を設定し、実際の平均溶接電圧値ｖa［Ｖ］に応じて次回の短絡期間における短絡電流の増加率ａを（式９）のようにして決定してもよい。
【００５２】
０ ＜ ｖa ＜ Ｖth1 の場合 ΔＩs ＝ Ａv1
Ｖth1 ≦ ｖa ＜ Ｖth2 の場合 ΔＩs ＝ Ａv2
Ｖth2 ≦ ｖa ＜ Ｖth3 の場合 ΔＩs ＝ Ａv3 ・・・（式９）
Ｖth3 ≦ ｖa ＜ Ｖth4 の場合 ΔＩs ＝ Ａv4
（ここで、 Ａv1 ＞ Ａv2 ＞ Ａv3 ＞ Ａv4 ＞０）
【００５３】
Ｖth1〜Ｖth4、Ａv1〜Ａv4については予め実験を行うなどして適切な値を決定しておく。またＶth1〜Ｖth4、Ａv1〜Ａv4をパラメータとして記憶部１７に記憶しておき、溶接条件の変更に伴い必要に応じて変更できるようにしてもよい。なお（式９）ではΔＩsを４段階で変化させているが、段階の数は一例に過ぎないことは言うまでもない。
【００５４】
このように、平均電圧値が小さくなるにつれ、次回の短絡期間にて短絡電流の増加率を大きくして速やかに短絡を開放することで、短絡開放時の異常短絡を抑制し溶接が不安定になることを防止し、スパッタの発生を抑制することができる。
【実施例４】
【００５５】
図３は、実施例１〜３にて説明したアーク溶接装置１を、先端に溶接トーチ１３を取り付けたロボット２０と組み合わせて構成したアーク溶接システムを示す模式図である。
送給装置１５はロボット２０に搭載され、溶接ワイヤ供給部１９に内蔵された溶接ワイヤ１４をロボット先端部の溶接トーチ１３へと送給する。
また図１における外部コントローラ１６は、図３においてはロボットコントローラとして機能する。すなわちロボット２０を制御して先端部の溶接トーチ１３の位置と姿勢を様々に変化させ、溶接トーチ１３の先端がワークＷに対して所望の溶接線を描くよう移動させて溶接を行うことができる。さらにアーク溶接電源１に溶接に関する指令を与えたり溶接状況をモニタリングしたりする。
なお図１では省略していたが、図３ではシールドガスがガスボンベ１８から溶接トーチ１３へと供給される。
図３に示すようなアーク溶接システムによれば、短絡期間の長さ、アーク期間の長さ、または短絡期間およびアーク期間における溶接電圧値の平均値に応じて、次回の短絡期間における短絡電流の増加率を変動させることで、溶接が不安定になることを防止し、スパッタの発生を抑制することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１ アーク溶接電源
２ 商用電源
３ 一次整流回路
４ 溶接制御部
５ スイッチング部
６ 主変圧器
７ 二次整流回路
８ 直流リアクトル
９ 電流検出器
１０ 電圧検出器
１１ 出力端子
１２ 出力端子
１３ 溶接トーチ
１４ 溶接ワイヤ（コンジットケーブル）
１５ 送給装置
１６ 外部コントローラ（ロボットコントローラ）
１７ 記憶部
１８ ガスボンベ
１９ 溶接ワイヤ供給部
２０ ロボット
Ｗ ワーク
ΔＩｓ１、ΔＩｓ２、ΔＩｓ３ 短絡電流の増加率
Ｔｓ１、Ｔｓ２、Ｔｓ３ 短絡期間
Ｔａ１、Ｔａ２、Ｔａ３ アーク期間
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３ 平均溶接電圧値
【特許請求の範囲】
【請求項１】
消耗電極と被溶接部材との間で短絡状態とアーク状態とを繰り返し発生させながら溶接を行うアーク溶接装置であって、
今回の短絡発生期間の長さを検出し、
検出した短絡発生期間の長さが大きくなるにつれ次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を増加させ、
前記検出した短絡発生期間の長さが小さくなるにつれ前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を減少させることを特徴とするアーク溶接装置。
【請求項２】
前記検出した短絡発生期間の長さから前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を決定するためのパラメータを予め記憶していることを特徴とする請求項１記載のアーク溶接装置。
【請求項３】
消耗電極と被溶接部材との間で短絡状態とアーク状態とを繰り返し発生させながら溶接を行うアーク溶接装置であって、
今回の短絡発生期間の長さを検出し、
検出した短絡発生期間の長さが所定の閾値より大きい場合、次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を増加させ、
前記検出した短絡発生期間の長さが所定の閾値より小さい場合、前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を減少させることを特徴とするアーク溶接装置。
【請求項４】
前記所定の閾値を予め記憶していることを特徴とする請求項３記載のアーク溶接装置。
【請求項５】
消耗電極と被溶接部材との間で短絡状態とアーク状態とを繰り返し発生させながら溶接を行うアーク溶接装置であって、
今回のアーク発生期間の長さを検出し、
検出したアーク発生期間の長さが大きくなるにつれ次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を減少させ、
前記検出したアーク発生期間の長さが小さくなるにつれ前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を増加させることを特徴とするアーク溶接装置。
【請求項６】
前記検出したアーク発生期間の長さから前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を決定するためのパラメータを予め記憶していることを特徴とする請求項５記載のアーク溶接装置。
【請求項７】
消耗電極と被溶接部材との間で短絡状態とアーク状態とを繰り返し発生させながら溶接を行うアーク溶接装置であって、
今回のアーク発生期間の長さを検出し、
検出したアーク発生期間の長さが所定の閾値より大きい場合、次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を減少させ、
前記検出したアーク発生期間の長さが所定の閾値より小さい場合、前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を増加させることを特徴とするアーク溶接装置。
【請求項８】
前記所定の閾値を予め記憶していることを特徴とする請求項７記載のアーク溶接装置。
【請求項９】
消耗電極と被溶接部材との間で短絡状態とアーク状態とを繰り返し発生させながら溶接を行うアーク溶接装置であって、
今回の短絡発生期間およびアーク発生期間における溶接電圧の平均値を求め、
前記溶接電圧平均値が大きくなるにつれ次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を減少させ、
前記溶接電圧平均値が小さくなるにつれ前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を増加させることを特徴とするアーク溶接装置。
【請求項１０】
前記溶接電圧平均値から前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を決定するためのパラメータを予め記憶していることを特徴とする請求項９記載のアーク溶接装置。
【請求項１１】
消耗電極と被溶接部材との間で短絡状態とアーク状態とを繰り返し発生させながら溶接を行うアーク溶接装置であって、
今回の短絡発生期間およびアーク発生期間における溶接電圧の平均値を求め、
前記溶接電圧平均値が所定の閾値より大きい場合、次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を減少させ、
前記溶接電圧平均値が所定の閾値より小さい場合、前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を増加させることを特徴とするアーク溶接装置。
【請求項１２】
前記所定の閾値を予め記憶していることを特徴とする請求項１１記載のアーク溶接装置。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載されたアーク溶接装置と、
前記消耗電極の先端部を前記被溶接部材に対して相対的に移動させるロボットを備えたことを特徴とするアーク溶接システム。
【請求項１】
消耗電極と被溶接部材との間で短絡状態とアーク状態とを繰り返し発生させながら溶接を行うアーク溶接装置であって、
今回の短絡発生期間の長さを検出し、
検出した短絡発生期間の長さが大きくなるにつれ次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を増加させ、
前記検出した短絡発生期間の長さが小さくなるにつれ前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を減少させることを特徴とするアーク溶接装置。
【請求項２】
前記検出した短絡発生期間の長さから前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を決定するためのパラメータを予め記憶していることを特徴とする請求項１記載のアーク溶接装置。
【請求項３】
消耗電極と被溶接部材との間で短絡状態とアーク状態とを繰り返し発生させながら溶接を行うアーク溶接装置であって、
今回の短絡発生期間の長さを検出し、
検出した短絡発生期間の長さが所定の閾値より大きい場合、次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を増加させ、
前記検出した短絡発生期間の長さが所定の閾値より小さい場合、前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を減少させることを特徴とするアーク溶接装置。
【請求項４】
前記所定の閾値を予め記憶していることを特徴とする請求項３記載のアーク溶接装置。
【請求項５】
消耗電極と被溶接部材との間で短絡状態とアーク状態とを繰り返し発生させながら溶接を行うアーク溶接装置であって、
今回のアーク発生期間の長さを検出し、
検出したアーク発生期間の長さが大きくなるにつれ次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を減少させ、
前記検出したアーク発生期間の長さが小さくなるにつれ前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を増加させることを特徴とするアーク溶接装置。
【請求項６】
前記検出したアーク発生期間の長さから前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を決定するためのパラメータを予め記憶していることを特徴とする請求項５記載のアーク溶接装置。
【請求項７】
消耗電極と被溶接部材との間で短絡状態とアーク状態とを繰り返し発生させながら溶接を行うアーク溶接装置であって、
今回のアーク発生期間の長さを検出し、
検出したアーク発生期間の長さが所定の閾値より大きい場合、次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を減少させ、
前記検出したアーク発生期間の長さが所定の閾値より小さい場合、前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を増加させることを特徴とするアーク溶接装置。
【請求項８】
前記所定の閾値を予め記憶していることを特徴とする請求項７記載のアーク溶接装置。
【請求項９】
消耗電極と被溶接部材との間で短絡状態とアーク状態とを繰り返し発生させながら溶接を行うアーク溶接装置であって、
今回の短絡発生期間およびアーク発生期間における溶接電圧の平均値を求め、
前記溶接電圧平均値が大きくなるにつれ次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を減少させ、
前記溶接電圧平均値が小さくなるにつれ前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を増加させることを特徴とするアーク溶接装置。
【請求項１０】
前記溶接電圧平均値から前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を決定するためのパラメータを予め記憶していることを特徴とする請求項９記載のアーク溶接装置。
【請求項１１】
消耗電極と被溶接部材との間で短絡状態とアーク状態とを繰り返し発生させながら溶接を行うアーク溶接装置であって、
今回の短絡発生期間およびアーク発生期間における溶接電圧の平均値を求め、
前記溶接電圧平均値が所定の閾値より大きい場合、次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を減少させ、
前記溶接電圧平均値が所定の閾値より小さい場合、前記次回の短絡発生期間における短絡電流の増加率を増加させることを特徴とするアーク溶接装置。
【請求項１２】
前記所定の閾値を予め記憶していることを特徴とする請求項１１記載のアーク溶接装置。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載されたアーク溶接装置と、
前記消耗電極の先端部を前記被溶接部材に対して相対的に移動させるロボットを備えたことを特徴とするアーク溶接システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−７６１３１（Ｐ２０１２−７６１３１Ａ）
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２４８４３（Ｐ２０１０−２２４８４３）
【出願日】平成２２年１０月４日（２０１０．１０．４）
【出願人】（０００００６６２２）株式会社安川電機 (2,482)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月４日（２０１０．１０．４）
【出願人】（０００００６６２２）株式会社安川電機 (2,482)
【Ｆターム（参考）】
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