消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法
【課題】消耗電極アーク溶接において溶滴のくびれの検出精度を向上させること。
【解決手段】溶滴のくびれを消耗電極１と母材２との間の抵抗値の変化がくびれ検出基準値Ｖｔｎに達したことによって検出し、このくびれ現象を検出すると溶接電流Ｉｗを減少させて低電流値の状態でアークが再発生するように出力制御する消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、短絡ごとにくびれ現象検出時点からアーク再発生時点までのくびれ検出時間を検出し、このくびれ検出時間が下限時間以下であるときはカウンタ値から１を減算し、くびれ検出時間が上限時間以上であるときはカウンタ値に１を加算し、カウンタ値がマイナス基準値に達したときはくびれ検出基準値Ｖｔｎを減少させ、カウンタ値がプラス基準値に達したときはくびれ検出基準値Ｖｔｎを増加させる。これにより、くびれ検出基準値Ｖｔｎを適正化できるのでくびれの検出精度が向上する。
【解決手段】溶滴のくびれを消耗電極１と母材２との間の抵抗値の変化がくびれ検出基準値Ｖｔｎに達したことによって検出し、このくびれ現象を検出すると溶接電流Ｉｗを減少させて低電流値の状態でアークが再発生するように出力制御する消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、短絡ごとにくびれ現象検出時点からアーク再発生時点までのくびれ検出時間を検出し、このくびれ検出時間が下限時間以下であるときはカウンタ値から１を減算し、くびれ検出時間が上限時間以上であるときはカウンタ値に１を加算し、カウンタ値がマイナス基準値に達したときはくびれ検出基準値Ｖｔｎを減少させ、カウンタ値がプラス基準値に達したときはくびれ検出基準値Ｖｔｎを増加させる。これにより、くびれ検出基準値Ｖｔｎを適正化できるのでくびれの検出精度が向上する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短絡期間中の溶滴のくびれ現象を検出して溶接電流を減少させて溶接品質を向上させるための消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図５は、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを繰り返す消耗電極アーク溶接における電流・電圧波形及び溶滴移行を示す図である。同図（Ａ）は消耗電極（以下、溶接ワイヤ１という）を通電する溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接ワイヤ１と母材２との間に印加される溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）〜（Ｅ）は溶滴１ａの移行の様子を示す。以下、同図を参照して説明する。
【０００３】
時刻ｔ１〜ｔ３の短絡期間Ｔｓ中は溶接ワイヤ１先端の溶滴１ａが母材２と短絡した状態にあり、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは次第に増加し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは短絡状態にあるために数Ｖ程度の低い値となる。同図（Ｃ）に示すように、時刻ｔ１において溶滴１ａが母材２と接触して短絡状態に入る。その後、同図（Ｄ）に示すように、溶滴１ａを通電する溶接電流Ｉｗによる電磁的ピンチ力によって溶滴１ａ上部にくびれ１ｂが発生する。そしてこのくびれ１ｂが急速に進行して、時刻ｔ３において同図（Ｅ）に示すように、溶滴１ａは溶接ワイヤ１から溶融池２ａへと移行しアーク３が再発生する。
【０００４】
上記のくびれ現象が発生すると、数百μｓ程度の短い時間後に短絡が開放されてアーク３が再発生する。すなわち、このくびれ現象は短絡開放の前兆現象となる。くびれ１ｂが発生すると、溶接電流Ｉｗの通電路がくびれ部分で狭くなるために、くびれ部分の抵抗値が増大する。この抵抗値の増大は、くびれが進行してくびれ部分がより狭くなるほど大きくなる。したがって、短絡期間Ｔｓ中において溶接ワイヤ１と母材２との間の抵抗値の変化を検出することでくびれ現象の発生及び進行を検出することができる。この抵抗値の変化は、溶接電圧Ｖｗを溶接電流Ｉｗで除算することによって算出することができる。また、同図（Ａ）に示すように、短いくびれ発生期間中の溶接電流Ｉｗの変化は小さい。このために、抵抗値の変化に代えて溶接電圧Ｖｗの変化によってもくびれ現象の発生を検出することができる。具体的なくびれ検出方法としては、短絡期間Ｔｓ中の抵抗値又は溶接電圧値Ｖｗの変化率（微分値）を算出し、この微分値が予め定めたくびれ検出基準値Ｖtnに達したことによってくびれ検出を行う方法がある。また、他の方法として、同図（Ｂ）に示すように、短絡期間Ｔｓ中のくびれ発生前の安定した短絡電圧値Ｖｓからの電圧上昇値ΔＶを算出し、時刻ｔ２においてこの電圧上昇値ΔＶが予め定めたくびれ検出基準値Ｖtnに達したことによってくびれ検出を行う方法がある。以下の説明では、くびれ検出方法が上記の電圧上昇値ΔＶによる場合について説明するが、従来から種々提案されている他の方法であっても良い。時刻ｔ３のアーク再発生の検出は、溶接電圧Ｖｗが短絡／アーク判別基準値Ｖta以上になったことを判別して簡単に行うことができる。ちなみに、Ｖｗ＜Ｖtaの期間が短絡期間Ｔｓとなり、Ｖｗ≧Ｖtaの期間がアーク期間Ｔａとなる。時刻ｔ２〜ｔ３のくびれ発生を検出してからアーク再発生までの時間を、以下くびれ検出時間Ｔｎと呼ぶことにする。時刻ｔ３においてアークが再発生すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは急上昇した後になだらかに減少し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数十Ｖ程度のアーク電圧値になる。時刻ｔ３〜ｔ４のアーク期間Ｔａ中は、溶接ワイヤ１先端が溶融されて溶滴１ａが形成される。以後、時刻ｔ１〜ｔ４の期間の動作を繰り返す。
【０００５】
上述した短絡を伴う溶接では、時刻ｔ３においてアーク３が再発生したときのアーク再発生時電流値Ｉａが大電流値であると、アーク３から溶融池２ａへのアーク力が急峻に大きくなり、大量のスパッタが発生する。すなわち、アーク再発生時電流値Ｉａの値に略比例してスパッタ発生量が増加する。したがって、スパッタの発生を抑制するためには、このアーク再発生時電流値Ｉａを小さくする必要がある。このための方法として、上記のくびれ現象の発生を検出して溶接電流Ｉｗを減少させてアーク再発生時電流値Ｉａを小さくするくびれ検出制御方法を付加した溶接電源が従来から種々提案されている。以下、この従来技術について説明する。
【０００６】
図６は、従来技術のくびれ検出制御方法を搭載した溶接装置のブロック図である。溶接電源ＰＳは、一般的な消耗電極アーク溶接用の溶接電源である。トランジスタＴＲは出力に直列に挿入され、それと並列に抵抗器Ｒが接続されている。くびれ検出基準値設定回路ＶＴＮは、予め定めたくびれ検出基準値信号Ｖtnを出力する。くびれ検出回路ＮＤは、このくびれ検出基準値信号Ｖtn及び溶接電圧Ｖｗを入力として、上述したように短絡期間中の電圧上昇値ΔＶがくびれ検出基準値信号Ｖtnの値に達した時点でＨｉｇｈレベルとなり、アークが再発生するとＬｏｗレベルになるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。したがって、このくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルの期間が上記のくびれ検出時間Ｔｎとなる。上述したように、短絡期間中の溶接電圧Ｖｗの微分値がこれに対応して設定されたくびれ検出基準値信号Ｖtnの値に達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。さらに、溶接電圧Ｖｗに加えて溶接電流Ｉｗを入力として、溶接電圧Ｖｗを溶接電流Ｉｗで除算して溶滴の抵抗値を算出し、この抵抗値の微分値がこれに対応して設定されたくびれ検出基準値信号Ｖtnの値に達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。駆動回路ＤＲは、このくびれ検出信号ＮｄがＬｏｗレベルのとき（非くびれ検出時）は上記のトランジスタＴＲをオン状態にする駆動信号Ｄｒを出力する。したがって、上記のトランジスタＴＲは、上記のくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルのとき（くびれ検出時）はオフ状態になる。
【０００７】
図７は、上記の溶接装置の各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）はくびれ検出信号Ｎｄの時間変化を示し、同図（Ｄ）は駆動信号Ｄｒの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【０００８】
同図において、時刻ｔ２〜ｔ３のくびれ検出時間Ｔｎ以外の期間は、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルであるので、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになる。この結果、トランジスタＴＲはオン状態になるので、通常の消耗電極アーク溶接用の溶接装置と同一の動作となる。
【０００９】
時刻ｔ２において、同図（Ｂ）に示すように、短絡期間Ｔｓ中に溶接電圧Ｖｗが上昇して電圧上昇値ΔＶが予め定めたくびれ検出基準値Ｖtn以上になったことを検出して溶滴にくびれが発生したと判別すると、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになる。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＬｏｗレベルになるので、トランジスタＴＲはオフ状態になる。この結果、抵抗器Ｒが溶接電流Ｉｗの通電路に挿入される。この抵抗器Ｒの値は短絡負荷（数十mΩ）の１０倍以上大きな値に設定されるために、同図（Ａ）に示すように、溶接電源内の直流リアクトル及びケーブルのリアクトルに蓄積されたエネルギーが急放電されて溶接電流Ｉｗは急激に減少する。時刻ｔ３において、短絡が開放されてアークが再発生すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗが予め定めた短絡／アーク判別基準値Ｖta以上になる。これを検出して、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルになり、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになる。この結果、トランジスタＴＲはオン状態になり、通常の消耗電極アーク溶接の制御となる。この動作によって、アーク再発生時（時刻ｔ３）のアーク再発生時電流値Ｉａを小さくすることができ、スパッタの発生を抑制することができる。上記の溶接電流の減少速度が、１０００〜５００００Ａ／ms程度になるように、上記の抵抗器Ｒの値が設定される。抵抗器Ｒを挿入しない通常の溶接装置の場合には、この溶接電流の減少速度は１００Ａ／ms程度である。くびれを検出したときに溶接電流Ｉｗを急速に減少させる手段として、上記では抵抗器Ｒを通電路に挿入する方法を説明した。これ以外の手段として、溶接装置の出力端子間にコンデンサをスイッチング素子を解して並列に接続し、くびれを検出するとスイッチング素子をオン状態にしコンデンサから放電電流を通電して溶接電流Ｉｗを急速に減少させる方法もある（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
上述したくびれ検出制御方法では、スパッタ発生量の抑制効果を大きくするためには、くびれの発生を正確に検出することが重要となる。くびれの発生及びその進行状態は、シールドガスの種類、溶接ワイヤの種類、母材の形状、溶接ワイヤの送給速度、溶接姿勢等の溶接条件によって変化する。このために、溶接条件に応じてくびれの発生を検出する感度を適正化する必要がある。このくびれ検出の感度は、上記のくびれ検出基準値Ｖtnを増減させることによって調整することができる。すなわち、くびれ検出基準値Ｖtnを増加させると感度は低くなり、逆に減少させると感度は高くなる。くびれ検出基準値Ｖtnが大きすぎると感度が低すぎることになり、上記のくびれ検出時間Ｔｎが短くなりすぎてアーク再発生までに溶接電流を充分に減少させることができないので、スパッタ発生量の抑制効果が小さくなる。逆に、くびれ検出基準値Ｖtnが小さすぎると感度は高すぎることになり、上記のくびれ検出時間Ｔｎが長くなりすぎてアークがなかなか再発生しないために溶接状態が不安定になる。したがって、上記のくびれ検出時間Ｔｎが、５０〜１０００μｓ程度の範囲になるときが、くびれ検出基準値Ｖtnが適正値に設定されているときであると言える。
【００１１】
上述したようなくびれ検出制御方法を付加した溶接電源においては、シールドガスの選択信号、溶接ワイヤの選択信号及び送給速度の設定信号に応じて、くびれ検出基準値Ｖtnを切り換えて適正値になるようにしている。しかし、実際の溶接工程においては、上述した複数の溶接条件が複合化されてくびれ検出基準値Ｖtnの適正値が決まる。したがって、くびれ検出基準値Ｖtnを初期値から溶接工程に応じた適正値へと自動的に調整する機能が必要となる。以下、この自動調整機能に関する従来技術（例えば、特許文献２及び３参照）について説明する。
【００１２】
特許文献２の発明では、短絡ごとにくびれ検出時間Ｔｎを検出し、現時点から過去所定個数分のくびれ検出時間Ｔｎを記憶し、記憶された各くびれ検出時間Ｔｎが予め定めた下限時間以下である個数が予め定めた下限個数以上であるときはくびれ検出基準値Ｖtnを予め定めた減少値だけ減少させ、記憶された各くびれ検出時間Ｔｎが予め定めた上限時間以上である個数が予め定めた上限個数以上であるときはくびれ検出基準値Ｖtnを予め定めた増加値だけ増加させることによってくびれ検出基準値Ｖtnを適正化している。これによって、各くびれ検出時間Ｔｎが下限時間と上限時間との間の適正範囲に入ることになり、くびれ検出基準値Ｖtnを溶接条件に応じて適正化することができる。
【００１３】
特許文献３の発明では、短絡ごとにくびれ検出時間Ｔｎを検出し、このくびれ検出時間Ｔｎが予め定めた上限時間以上であるときはくびれを誤検出したと判別し、この場合にはくびれ検出基準値Ｖtnを増加させることによって適正化している。特許文献３の発明では、くびれ検出時間Ｔｎが上限時間以上であるとき（感度が高すぎるとき）は、くびれ検出基準値Ｖtnを増加させることによって感度を低くして適正化を図っている。但し、特許文献３の発明では、くびれ検出時間Ｔｎが短いとき（感度が低すぎるとき）には、くびれ検出基準値Ｖtnを適正化することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００５−２８８５４０号公報
【特許文献２】特開２００６−２８１２１９号公報
【特許文献３】特開2009-125760号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上述した特許文献２及び３の発明を適用することによって溶接条件に応じてくびれ検出基準値を自動的に適正化することができる。ところで、送給速度が比較的低速であるとき（溶接電流平均値が約２００Ａ未満であるとき）には、溶滴移行形態は短絡移行形態になり、短絡期間とアーク期間とが規則正しく繰り返されるので、くびれの発生状態も安定している。このような状況下においては、特許文献２及び３の発明によってくびれ検出基準値を速やかに適正値に収束させることができる。
【００１６】
しかし、送給速度が比較的高速（溶接電流平均値が約２００Ａ以上）になると、溶滴移行形態はグロビュール移行形態になり、短絡が不規則に発生するようになるので、くびれの発生状態も変動が大きくなる。このために、くびれ検出時間が下限時間以下である短絡が発生した次の短絡ではくびれ検出時間が上限時間以上となるような状態も生じる。このようにくびれ発生状態の変動が大きいときに、特許文献２及び３の発明を適用すると、くびれ検出基準値が大きく変動して適正値に収束しない状態になる場合が生じる。この結果、スパッタ発生量の抑制効果は小さくなり、くびれ検出制御によって溶接状態が不安定になる場合も生じる。くびれ発生状態の変動が大きい溶接条件としては、上記の場合以外にも、溶接速度が速いとき、溶接ワイヤの材質がステンレス鋼であるとき、ワイヤ突出し長さが比較的長いとき等の場合がある。
【００１７】
そこで、本発明では、くびれ発生状態の変動が大きい溶接条件においても、くびれ検出基準値を適正値に迅速に収束させることができる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、消耗電極と母材との間でアーク発生状態と短絡状態とを繰り返す消耗電極アーク溶接にあって、短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれ現象を消耗電極と母材との間の電圧値又は抵抗値の変化がくびれ検出基準値に達したことによって検出し、このくびれ現象を検出すると短絡負荷に通電する溶接電流を減少させて低電流値の状態でアークが再発生するように出力制御する消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、
短絡ごとに前記くびれ現象検出時点からアーク再発生時点までのくびれ検出時間を検出し、このくびれ検出時間が予め定めた下限時間以下であるときはカウンタ値から１を減算し、前記くびれ検出時間が前記下限時間よりも長い時間である予め定めた上限時間以上であるときは前記カウンタ値に１を加算し、
前記カウンタ値が予め定めた負の値であるマイナス基準値に達したときは前記くびれ検出基準値を予め定めた減少値だけ減少させると共に前記カウンタ値を０にリセットし、前記カウンタ値が予め定めた正の値であるプラス基準値に達したときは前記くびれ検出基準値を予め定めた増加値だけ増加させると共に前記カウンタ値を０にリセットし、溶接中は前記くびれ検出基準値の修正を継続する、
ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。
【００１９】
請求項２の発明は、前記減少値を前記カウンタ値が０にリセットされた時点から前記マイナス基準値に達するまでの時間に応じて変化させ、前記増加値を前記カウンタ値が０にリセットされた時点から前記プラス基準値に達するまでの時間に応じて変化させる、
ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。
【００２０】
請求項３の発明は、前回の短絡が開放されてアークが再発生した時点から所定期間内に短絡が発生したときは、この短絡の前記くびれ検出時間に基づいて前記カウンタ値の増減を行わない、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、くびれ検出時間の傾向をカウンタ値によって判別し、その傾向が所定状態以上になったときにくびれ検出基準値を修正するようにしている。すなわち、カウンタ値がマイナス基準値以下になったときはくびれ検出時間が傾向として適正範囲よりも短い状態にあると判別して、くびれ検出基準値を減少させて感度を高めるようにしている。カウンタ値がプラス基準値以上になったときはくびれ検出時間が傾向として適正範囲よりも長い状態にあると判別して、くびれ検出基準値を増加させて感度を低くするようにしている。このようにすることによって、くびれ発生状態の変動が大きい溶接条件においても、迅速かつ安定にくびれ検出基準値を適正化することができる。このために、スパッタ発生量の抑制効果を大きくすることができ、溶接状態も安定にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態２に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。
【図３】図２の減少値設定修正回路ＤＤＳに内蔵されている減少値修正関数の一例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態３に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。
【図５】従来技術において、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを繰り返す消耗電極アーク溶接における電流・電圧波形及び溶滴移行を示す図である。
【図６】従来技術のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。
【図７】図６の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２４】
［実施の形態１］
本発明の実施の形態１に係るくびれ検出制御方法では、短絡ごとにくびれ検出時間Ｔｎを検出し、このくびれ検出時間Ｔｎが下限時間Ｌｔ以下であるときはカウンタ値Ｃｎから１を減算し、上限時間Ｈｔ以上であるときはカウンタ値Ｃｎに１を加算し、カウンタ値がマイナス基準値Ｌｃに達したときはくびれ検出基準値Ｖtnを減少値Δｄだけ減少させると共にカウンタ値Ｃｎを０にリセットし、カウンタ値Ｃｎがプラス基準値Ｈｃに達したときはくびれ検出基準値Ｖtnを増加値Δｕだけ増加させると共にカウンタ値Ｃｎを０にリセットし、溶接中は上述したくびれ検出基準値Ｖtnの修正を継続して行う。以下、この実施の形態１について説明する。
【００２５】
図１は、本発明の実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。同図は図６と対応しており、同一のブロックには同一符号を付して、それらの説明は省略する。同図は、図６に破線で示すカウンタ回路ＣＮ、カウンタ値判別回路ＣＤ、減少値設定回路ＤＤ及び増加値設定回路ＤＵを追加し、図６のくびれ検出基準値設定回路ＶＴＮを破線で示すくびれ検出基準値設定修正回路ＶＴＮＳに置換したものである。以下、これらのブロックについて同図を参照して説明する。
【００２６】
カウンタ回路ＣＮは、くびれ検出信号Ｎｄ及びリセット信号Ｒｓを入力として、このくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになっている時間（くびれ検出時間Ｔｎ）を計測し、このくびれ検出時間Ｔｎが予め定めた下限時間Ｌｔ以下であるときはカウンタ値から１を減算し、くびれ検出時間Ｔｎが予め定めた上限時間Ｈｔ以上であるときはカウンタ値に１を加算して、カウンタ値信号Ｃｎを出力する。また、このカウンタ回路ＣＮは、リセット信号Ｒｓが入力されるとカウンタ値を０にリセットする。カウンタ値信号Ｃｎの値がカウンタ値となる。カウンタ値は、溶接開始時に初期値０になっている。当然ながら、上限時間Ｈｔは下限時間よりも長い時間に設定される。上記の下限時間Ｌｔは、０〜２００μｓ程度の範囲で設定される。また、上限時間Ｈｔは、５００〜８００μｓ程度の範囲に設定される。これらの設定値は、溶接条件に応じて適正値になるように実験によって決定する。
【００２７】
減少値設定回路ＤＤは、予め定めた減少値信号Δｄを出力する。増加値設定回路ＤＵは、予め定めた増加値信号Δｕを出力する。カウンタ値判別回路ＣＤは、この減少値信号Δｄ、増加値信号Δｕ及び上記のカウンタ値信号Ｃｎを入力として、カウンタ値信号Ｃｎの値が予め定めたマイナス基準値Ｌｃ以下になった時点で減少値信号Δｄを修正信号Δudとして出力すると共にリセット信号Ｒｓを出力し、カウンタ値信号Ｃｎの値が予め定めたプラス基準値以上になった時点で増加値信号Δｕを修正信号Δudとして出力すると共にリセット信号Ｒｓを出力する。上記のマイナス基準値Ｌｃは負の値に設定され、例えば−５〜−２０程度の範囲で設定される。また、上記のプラス基準値Ｈｃは正の値に設定され、例えば＋５〜＋２０程度の範囲に設定される。これらの設定値は、くびれ発生状態の変動の大きさに応じて、実験によって適正値に決定される。マイナス基準値Ｌｃとプラス基準値Ｈｃの絶対値は必ずしも同一値である必要はない。上記の減少値信号Δｄの値は負の値に設定され、その絶対値は例えばくびれ検出基準値の初期値Ｖtn0の１０〜３０％程度の範囲に設定される。上記の増加値信号Δｕの値は正の値に設定され、例えばくびれ検出基準値の初期値Ｖtn0の１０〜３０％程度の範囲に設定される。これらの設定値はフィードバック系のゲインに相当するので、くびれ検出基準値Ｖtnの修正状態の過渡応答性及び定常安定性を考慮して、実験によって設定される。
【００２８】
くびれ検出基準値設定修正回路ＶＴＮＳは、上記の修正信号Δudを入力として、修正信号Δudの値に基づいて修正を行いくびれ検出基準値信号Ｖtnを出力する。Ｖtn＝Ｖtn0＋ΣΔudである。ここで、Ｖtn0は初期値である。また、Δudの加算は修正信号Δudが入力されるごとに行う。
【００２９】
上記のブロックの動作を整理すると、くびれ検出基準値Ｖtnの修正方法は以下のようになる。
（１）短絡ごとにくびれ検出時間Ｔｎを検出する。
（２）Ｔｎ≦ＬｔのときはＣｎ−１を行い、Ｌｔ＜Ｔｎ＜ＨｔのときはＣｎ＋０を行い、Ｔｎ≧ＨｔのときはＣｎ＋１を行う。ここで、Ｌｔは下限時間であり、Ｈｔは上限時間であり、Ｃｎはカウンタ値である。カウンタ値Ｃｎは溶接開始時に０にリセットされる。
（３）Ｃｎ≦Ｌｃになった時点で修正信号Δud＝Δｄを出力すると共にＣｎを０にリセットする。Ｃｎ≧Ｈｃになった時点で修正信号Δud＝Δｕを出力すると共にＣｎを０にリセットする。ここで、Ｌｃはマイナス基準値であり、Ｈｃはプラス基準値であり、Δｄは減少値であり、Δｕは増加値である。
（４）くびれ検出基準値Ｖtn＝Ｖtn0＋ΣΔudを行い、くびれ検出基準値Ｖtnを修正する。ここで、Ｖtn0は初期値である。
（５）上記（１）〜（４）の修正動作を溶接中継続する。
【００３０】
上述したようにくびれ発生状態の変動が大きい溶接条件においては、短絡ごとのくびれ検出時間Ｔｎは大きく変動する。第ｎ回目の短絡におけるくびれ検出時間Ｔｎが下限時間Ｌｔ以下であり、第ｎ＋１回目の短絡におけるくびれ検出時間Ｔｎが上限時間Ｈｔ以上になり、第ｎ＋２回目の短絡におけるくびれ検出時間Ｔｎが下限時間Ｌｔと上限時間Ｈｔとの間の適正範囲になるような場合が生じる。このようにくびれ検出時間Ｔｎの変動が大きい場合に、上述した従来技術を適用すると、くびれ検出時間Ｔｎの変動に対して過剰に反応してくびれ検出基準値Ｖtnが大きく変動することになる。このような状態になると溶接状態は不安定になっていた。
【００３１】
これに対して、上述した実施の形態１によれば、短絡ごとのくびれ検出時間Ｔｎに対して直接にくびれ検出基準値Ｖtnを修正することはない。くびれ検出時間Ｔｎの傾向をカウンタ値Ｃｎによって判別し、その傾向が所定状態以上になったときにくびれ検出基準値Ｖtnを修正するようにしている。すなわち、カウンタ値Ｃｎがマイナス基準値Ｌｃ以下になったときはくびれ検出時間Ｔｎが傾向として適正範囲よりも短い状態にあると判別して、くびれ検出基準値Ｖtnを減少させて感度を高めるようにしている。カウンタ値Ｃｎがプラス基準値Ｈｃ以上になったときはくびれ検出時間Ｔｎが傾向として適正範囲よりも長い状態にあると判別して、くびれ検出基準値Ｖtnを増加させて感度を低くするようにしている。このようにすることによって、くびれ発生状態の変動が大きい溶接条件においても、迅速かつ安定にくびれ検出基準値Ｖtnを適正化することができる。このために、スパッタ発生量の抑制効果を大きくすることができ、溶接状態も安定にすることができる。
【００３２】
［実施の形態２］
本発明の実施の形態２に係るくびれ検出制御方法では、上記の減少値Δｄを上記のカウンタ値Ｃｎが０にリセットされた時点から上記のマイナス基準値Ｌｃに達するまでのマイナス基準値到達時間Ｔｄに応じて変化させ、上記の増加値Δｕを上記のカウンタ値Ｃｎが０にリセットされた時点から上記のプラス基準値Ｈｃに達するまでのプラス基準値到達時間Ｔｕに応じて変化させる。以下、この実施の形態２について説明する。
【００３３】
図２は、実施の形態２に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。同図は、上述した図６及び図１と対応しており、同一のブロックには同一符号を付して、それらの説明は省略する。同図は、図１に破線で示す基準値到達時間計測回路ＴＵＤを追加し、図１の減少値設定回路ＤＤを破線で示す減少値設定修正回路ＤＤＳに置換し、増加値設定回路ＤＵを破線で示す増加値設定修正回路ＤＵＳに置換したものである。以下、これらのブロックについて同図を参照して説明する。
【００３４】
基準値到達時間計測回路ＴＵＤは、カウンタ値信号Ｃｎを入力として、カウンタ値信号Ｃｎの値が０にリセットされた時点からマイナス基準値Ｌｃに達するまでの時間を計測してマイナス基準値到達時間信号Ｔｄとして出力し、カウンタ値信号Ｃｎの値が０にリセットされた時点からプラス基準値Ｈｃに達するまでの時間を計測してプラス基準値到達時間信号Ｔｕとして出力する。
【００３５】
減少値設定修正回路ＤＤＳは、上記のマイナス基準値到達時間信号Ｔｄを入力として、予め定めた減少値修正関数に従って算出した減少値信号Δｄを出力する。増加値設定修正回路ＤＵＳは、上記のプラス基準値到達時間信号Ｔｕを入力として、予め定めた増加値修正関数に従って算出した増加値信号Δｕを出力する。上記の減少値修正関数の一例を図３に示す。
【００３６】
図３は、マイナス基準値到達時間Ｔｄを入力として減少値Δｄを算出する減少値修正関数の一例を示す図である。同図の横軸はマイナス基準値到達時間Ｔｄ（ms）を示し、縦軸は減少値Δｄ（Ｖ）を示す。同図に示すように、減少値Δｄは、０ms≦Ｔｄ＜１０msの範囲は一定値の−０．１Ｖであり、１０ms≦Ｔｄ＜５０msの範囲は右肩上がりの直線状に変化し、５０ms≦Ｔｄの範囲は一定値の−０．０１Ｖとなる。すなわち、マイナス基準値到達時間Ｔｄが長くなると減少値Δｄの絶対値は概ね小さくなるように変化する。このようにする理由は、以下のとおりである。マイナス基準値到達時間Ｔｄが短い場合には、くびれ検出時間Ｔｎが下限時間Ｌｔ以下である短絡が頻発して発生している状態である。このような状態は、くびれ検出基準値Ｖtnが適正値よりも相当に大きいときであるので、減少値Δｄの絶対値を大きくしてくびれ検出基準値Ｖtnを大幅に小さくするようにしている。くびれ検出基準値Ｖtnの修正制御系において、ゲインを大きくしていることになる。これにより、過渡応答性を高速化している。逆に、マイナス基準値到達時間Ｔｄが長い場合には、くびれ検出時間Ｔｎが下限時間Ｌｔ以下である短絡がときたま発生している状態である。このような状態は、くびれ検出基準値Ｖtnが適正値よりも少し大きいときであるので、減少値Δｄの絶対値を小さくしてくびれ検出基準値Ｖtnを小幅に小さくするようにしている。くびれ検出基準値Ｖtnの修正制御系において、ゲインを小さくしていることになる。これにより、定常安定性を良好にしている。同図の変化カーブは一例であり、曲線状、直線状、階段状に変化するようにしても良い。
【００３７】
増加値修正関数についても、上述した図３と同一である。但し、横軸はプラス基準値到達時間Ｔｕ（ms）に置換され、縦軸は増加値Δｕ（Ｖ）に置換される。横軸については同一であるが、縦軸の増加値Δｕは正の値となる。したがって、増加値Δｕは、減少値Δｄとその絶対値は同一であるが、符号が異なることになる。作用効果についても、図３と同様である。もちろん、減少値Δｄと増加値Δｕとで絶対値の変化カーブを異なるように設定しても良い。減少値修正関数及び増加値修正関数は、くびれ発生状態の変動の大きさに応じて適正な関数に設定される。この設定は、実験によって行なう。
【００３８】
上述した実施の形態２によれば、減少値をカウンタ値が０にリセットされた時点からマイナス基準値に達するまでの時間に応じて変化させ、増加値をカウンタ値が０にリセットされた時点からプラス基準値に達するまでの時間に応じて変化させる。これにより、実施の形態１の効果に加えて、くびれ検出基準値の修正制御系におけるゲインを可変にすることができるので、過渡応答性及び定常安定性を向上させることができる。
【００３９】
［実施の形態３］
本発明の実施の形態３に係るくびれ検出制御方法では、上述した実施の形態１及び２に追加して、前回の短絡が開放されてアークが再発生した時点から所定期間Ｔｉ内に短絡が発生したときは、この短絡のくびれ検出時間Ｔｎに基づいてカウンタ値Ｃｎの増減を行わないようにしたものである。以下、この実施の形態３について説明する。
【００４０】
図４は、本発明の実施の形態３に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。同図は図６及び図１と対応しており、同一のブロックには同一符号を付して、それらの説明は省略する。同図は、図１に破線で示す短絡／アーク判別回路ＳＡ及びダブル短絡判別回路ＳＳを追加し、図１のカウンタ回路ＣＮを破線で示す第２カウンタ回路ＣＮ２に置換したものである。以下、これらのブロックについて同図を参照して説明する。
【００４１】
短絡／アーク判別回路ＳＡは、溶接電圧Ｖｗを入力として、この値が予め定めた短絡／アーク判別基準値Ｖta未満のときは短絡期間であると判別してＨｉｇｈレベルとなり、以上のときはアーク期間であると判別してＬｏｗレベルになる短絡／アーク判別信号Ｓａを出力する。この短絡／アーク判別基準値Ｖtaは１０Ｖ程度に設定される。ダブル短絡判別回路ＳＳは、この短絡／アーク判別信号Ｓａを入力として、この信号がＨｉｇｈレベル（短絡）に変化した時点において、この信号が前回Ｌｏｗレベル（アーク）に変化した時点から今回Ｈｉｇｈレベル（短絡）に変化した時点までの時間（アーク期間の長さ）を計測し、この計測した時間が所定期間Ｔｉ未満であるときはＨｉｇｈレベルに変化し、以上であるときはＬｏｗレベルに変化するダブル短絡判別信号Ｓｓを出力する。すなわち、前回の短絡が開放されてアークが再発生した時点から所定期間Ｔｉ内に今回の短絡が発生したときは、短いアーク期間を挟んで２回の短絡（ダブル短絡）が発生したと判別して、ダブル短絡判別信号ＳｓをＨｉｇｈレベルにセットする。所定期間Ｔｉは、例えば１００〜５００μｓ程度に設定される。この値は、溶接法、溶接ワイヤの種類、送給速度等に応じて適正値になるように、実験によって設定される。
【００４２】
第２カウンタ回路ＣＮ２は、くびれ検出信号Ｎｄ、リセット信号Ｒｓ及び上記のダブル短絡判別信号Ｓｓを入力として、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになっている時間（くびれ検出時間Ｔｎ）を計測し、ダブル短絡判別信号ＳｓがＬｏｗレベルであり、くびれ検出時間Ｔｎが予め定めた下限時間Ｌｔ以下であるときはカウンタ値から１を減算し、くびれ検出時間Ｔｎが予め定めた上限時間Ｈｔ以上であるときはカウンタ値に１を加算して、カウンタ値信号Ｃｎを出力する。この第２カウンタ回路ＣＮ２は、リセット信号Ｒｓが入力されるとカウンタ値を０にリセットする。カウンタ値信号Ｃｎの値は、以下のように変化することになる。
１） Ｓｓ＝ＬｏｗレベルかつＴｎ≦ＬｔのときはＣｎは１だけ減算される。
２） Ｓｓ＝ＬｏｗレベルかつＴｎ≧ＨｔのときはＣｎは１だけ加算される。
３） Ｓｓ＝ＬｏｗレベルかつＬｔ＜Ｔｎ＜ＨｔのときはＣｎは増減されない。
４） Ｓｓ＝ＨｉｇｈレベルのときはＴｎの値によらずＣｎは増減されない。
【００４３】
同図は、実施の形態１の図１を基礎として実施の形態３の発明を追加したものであるが、実施の形態２の図２を基礎として実施の形態３の発明を追加する場合も同様である。上述したように、実施の形態３では、実施の形態１及び２とは異なり、ダブル短絡が発生したときは、くびれ検出時間によらずカウンタ値を増減させないようにしている。ダブル短絡とは、上述したように、前回の短絡が開放されてアークが再発生してから短い所定期間Ｔｉ内に次の短絡が発生する状態である。すなわち、短い時間の瞬時アークが発生して直ぐに再び短絡が発生する状態である。このようなダブル短絡は、溶融池の不規則な運動、溶接ワイヤの送給速度の変動、アークが再発生したときのアークの状態等の種々な要因に起因して時々発生することになる。ダブル短絡は、短い瞬時アークの後に発生するので、通常の短絡発生時とは異なり、溶接ワイヤの先端が溶融して溶滴を形成する時間がない。このために、ダブル短絡が発生したときには、溶接ワイヤの先端がほとんど溶融していない状態で溶融池と短絡することになる。このような短絡では、溶滴にくびれが形成されて溶滴が移行する通常の状態ではなく、溶接ワイヤの突出し部に溶接電流が通電してジュール熱によって発熱して溶断し、アークが再発生する状態となる。したがって、このようなダブル短絡時のくびれ検出時間Ｔｎに基づいてカウンタ値を増減させると、くびれ検出基準値の修正制御系を不安定化することになる。これを防止するために、ダブル短絡時は、くびれ検出時間にかかわらずカウンタ値を増減させないようにしている。
【００４４】
上述した実施の形態３によれば、前回の短絡が開放されてアークが再発生した時点から所定期間内に短絡（ダブル短絡）が発生したときは、この短絡のくびれ検出時間に基づいてカウンタ値の増減を行わないようにしている。これにより、ダブル短絡発生に伴ってくびれ検出基準値の修正制御系が不安定になることを抑制することができる。したがって、くびれ検出基準値を迅速かつ安定して適正値に収束させることができる。
【符号の説明】
【００４５】
１ 溶接ワイヤ
１ａ 溶滴
１ｂ くびれ
２ 母材
２ａ 溶融池
３ アーク
ＣＤ カウンタ値判別回路
ＣＮ カウンタ回路
Ｃｎ カウンタ値（信号）
ＣＮ２ 第２カウンタ回路
ＤＤ 減少値設定回路
ＤＤＳ 減少値設定修正回路
ＤＲ 駆動回路
Ｄｒ 駆動信号
ＤＵ 増加値設定回路
ＤＵＳ 増加値設定修正回路
Ｈｃ プラス基準値
Ｈｔ 上限時間
Ｉａ アーク再発生時電流値
Ｉｗ 溶接電流
Ｌｃ マイナス基準値
Ｌｔ 下限時間
ＮＤ くびれ検出回路
Ｎｄ くびれ検出信号
ＰＳ 溶接電源
Ｒ 抵抗器
Ｒｓ リセット信号
ＳＡ 短絡／アーク判別回路
Ｓａ 短絡／アーク判別信号
ＳＳ ダブル短絡判別回路
Ｓｓ ダブル短絡判別信号
Ｔａ アーク期間
Ｔｄ マイナス基準値到達時間（信号）
Ｔｉ 所定期間
Ｔｎ くびれ検出時間
ＴＲ トランジスタ
Ｔｓ 短絡期間
Ｔｕ プラス基準値到達時間（信号）
ＴＵＤ 基準値到達時間計測回路
Ｖｓ 短絡電圧値
Ｖta 短絡／アーク判別基準値
ＶＴＮ 検出基準値設定回路
Ｖtn くびれ検出基準値（信号）
Ｖtn0 くびれ検出基準値の初期値
ＶＴＮＳ 検出基準値設定修正回路
Ｖｗ 溶接電圧
Δｄ 減少値（信号）
Δｕ 増加値（信号）
Δud 修正信号
ΔＶ 電圧上昇値
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短絡期間中の溶滴のくびれ現象を検出して溶接電流を減少させて溶接品質を向上させるための消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図５は、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを繰り返す消耗電極アーク溶接における電流・電圧波形及び溶滴移行を示す図である。同図（Ａ）は消耗電極（以下、溶接ワイヤ１という）を通電する溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接ワイヤ１と母材２との間に印加される溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）〜（Ｅ）は溶滴１ａの移行の様子を示す。以下、同図を参照して説明する。
【０００３】
時刻ｔ１〜ｔ３の短絡期間Ｔｓ中は溶接ワイヤ１先端の溶滴１ａが母材２と短絡した状態にあり、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは次第に増加し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは短絡状態にあるために数Ｖ程度の低い値となる。同図（Ｃ）に示すように、時刻ｔ１において溶滴１ａが母材２と接触して短絡状態に入る。その後、同図（Ｄ）に示すように、溶滴１ａを通電する溶接電流Ｉｗによる電磁的ピンチ力によって溶滴１ａ上部にくびれ１ｂが発生する。そしてこのくびれ１ｂが急速に進行して、時刻ｔ３において同図（Ｅ）に示すように、溶滴１ａは溶接ワイヤ１から溶融池２ａへと移行しアーク３が再発生する。
【０００４】
上記のくびれ現象が発生すると、数百μｓ程度の短い時間後に短絡が開放されてアーク３が再発生する。すなわち、このくびれ現象は短絡開放の前兆現象となる。くびれ１ｂが発生すると、溶接電流Ｉｗの通電路がくびれ部分で狭くなるために、くびれ部分の抵抗値が増大する。この抵抗値の増大は、くびれが進行してくびれ部分がより狭くなるほど大きくなる。したがって、短絡期間Ｔｓ中において溶接ワイヤ１と母材２との間の抵抗値の変化を検出することでくびれ現象の発生及び進行を検出することができる。この抵抗値の変化は、溶接電圧Ｖｗを溶接電流Ｉｗで除算することによって算出することができる。また、同図（Ａ）に示すように、短いくびれ発生期間中の溶接電流Ｉｗの変化は小さい。このために、抵抗値の変化に代えて溶接電圧Ｖｗの変化によってもくびれ現象の発生を検出することができる。具体的なくびれ検出方法としては、短絡期間Ｔｓ中の抵抗値又は溶接電圧値Ｖｗの変化率（微分値）を算出し、この微分値が予め定めたくびれ検出基準値Ｖtnに達したことによってくびれ検出を行う方法がある。また、他の方法として、同図（Ｂ）に示すように、短絡期間Ｔｓ中のくびれ発生前の安定した短絡電圧値Ｖｓからの電圧上昇値ΔＶを算出し、時刻ｔ２においてこの電圧上昇値ΔＶが予め定めたくびれ検出基準値Ｖtnに達したことによってくびれ検出を行う方法がある。以下の説明では、くびれ検出方法が上記の電圧上昇値ΔＶによる場合について説明するが、従来から種々提案されている他の方法であっても良い。時刻ｔ３のアーク再発生の検出は、溶接電圧Ｖｗが短絡／アーク判別基準値Ｖta以上になったことを判別して簡単に行うことができる。ちなみに、Ｖｗ＜Ｖtaの期間が短絡期間Ｔｓとなり、Ｖｗ≧Ｖtaの期間がアーク期間Ｔａとなる。時刻ｔ２〜ｔ３のくびれ発生を検出してからアーク再発生までの時間を、以下くびれ検出時間Ｔｎと呼ぶことにする。時刻ｔ３においてアークが再発生すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは急上昇した後になだらかに減少し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数十Ｖ程度のアーク電圧値になる。時刻ｔ３〜ｔ４のアーク期間Ｔａ中は、溶接ワイヤ１先端が溶融されて溶滴１ａが形成される。以後、時刻ｔ１〜ｔ４の期間の動作を繰り返す。
【０００５】
上述した短絡を伴う溶接では、時刻ｔ３においてアーク３が再発生したときのアーク再発生時電流値Ｉａが大電流値であると、アーク３から溶融池２ａへのアーク力が急峻に大きくなり、大量のスパッタが発生する。すなわち、アーク再発生時電流値Ｉａの値に略比例してスパッタ発生量が増加する。したがって、スパッタの発生を抑制するためには、このアーク再発生時電流値Ｉａを小さくする必要がある。このための方法として、上記のくびれ現象の発生を検出して溶接電流Ｉｗを減少させてアーク再発生時電流値Ｉａを小さくするくびれ検出制御方法を付加した溶接電源が従来から種々提案されている。以下、この従来技術について説明する。
【０００６】
図６は、従来技術のくびれ検出制御方法を搭載した溶接装置のブロック図である。溶接電源ＰＳは、一般的な消耗電極アーク溶接用の溶接電源である。トランジスタＴＲは出力に直列に挿入され、それと並列に抵抗器Ｒが接続されている。くびれ検出基準値設定回路ＶＴＮは、予め定めたくびれ検出基準値信号Ｖtnを出力する。くびれ検出回路ＮＤは、このくびれ検出基準値信号Ｖtn及び溶接電圧Ｖｗを入力として、上述したように短絡期間中の電圧上昇値ΔＶがくびれ検出基準値信号Ｖtnの値に達した時点でＨｉｇｈレベルとなり、アークが再発生するとＬｏｗレベルになるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。したがって、このくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルの期間が上記のくびれ検出時間Ｔｎとなる。上述したように、短絡期間中の溶接電圧Ｖｗの微分値がこれに対応して設定されたくびれ検出基準値信号Ｖtnの値に達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。さらに、溶接電圧Ｖｗに加えて溶接電流Ｉｗを入力として、溶接電圧Ｖｗを溶接電流Ｉｗで除算して溶滴の抵抗値を算出し、この抵抗値の微分値がこれに対応して設定されたくびれ検出基準値信号Ｖtnの値に達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。駆動回路ＤＲは、このくびれ検出信号ＮｄがＬｏｗレベルのとき（非くびれ検出時）は上記のトランジスタＴＲをオン状態にする駆動信号Ｄｒを出力する。したがって、上記のトランジスタＴＲは、上記のくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルのとき（くびれ検出時）はオフ状態になる。
【０００７】
図７は、上記の溶接装置の各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）はくびれ検出信号Ｎｄの時間変化を示し、同図（Ｄ）は駆動信号Ｄｒの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【０００８】
同図において、時刻ｔ２〜ｔ３のくびれ検出時間Ｔｎ以外の期間は、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルであるので、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになる。この結果、トランジスタＴＲはオン状態になるので、通常の消耗電極アーク溶接用の溶接装置と同一の動作となる。
【０００９】
時刻ｔ２において、同図（Ｂ）に示すように、短絡期間Ｔｓ中に溶接電圧Ｖｗが上昇して電圧上昇値ΔＶが予め定めたくびれ検出基準値Ｖtn以上になったことを検出して溶滴にくびれが発生したと判別すると、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになる。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＬｏｗレベルになるので、トランジスタＴＲはオフ状態になる。この結果、抵抗器Ｒが溶接電流Ｉｗの通電路に挿入される。この抵抗器Ｒの値は短絡負荷（数十mΩ）の１０倍以上大きな値に設定されるために、同図（Ａ）に示すように、溶接電源内の直流リアクトル及びケーブルのリアクトルに蓄積されたエネルギーが急放電されて溶接電流Ｉｗは急激に減少する。時刻ｔ３において、短絡が開放されてアークが再発生すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗが予め定めた短絡／アーク判別基準値Ｖta以上になる。これを検出して、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルになり、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになる。この結果、トランジスタＴＲはオン状態になり、通常の消耗電極アーク溶接の制御となる。この動作によって、アーク再発生時（時刻ｔ３）のアーク再発生時電流値Ｉａを小さくすることができ、スパッタの発生を抑制することができる。上記の溶接電流の減少速度が、１０００〜５００００Ａ／ms程度になるように、上記の抵抗器Ｒの値が設定される。抵抗器Ｒを挿入しない通常の溶接装置の場合には、この溶接電流の減少速度は１００Ａ／ms程度である。くびれを検出したときに溶接電流Ｉｗを急速に減少させる手段として、上記では抵抗器Ｒを通電路に挿入する方法を説明した。これ以外の手段として、溶接装置の出力端子間にコンデンサをスイッチング素子を解して並列に接続し、くびれを検出するとスイッチング素子をオン状態にしコンデンサから放電電流を通電して溶接電流Ｉｗを急速に減少させる方法もある（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
上述したくびれ検出制御方法では、スパッタ発生量の抑制効果を大きくするためには、くびれの発生を正確に検出することが重要となる。くびれの発生及びその進行状態は、シールドガスの種類、溶接ワイヤの種類、母材の形状、溶接ワイヤの送給速度、溶接姿勢等の溶接条件によって変化する。このために、溶接条件に応じてくびれの発生を検出する感度を適正化する必要がある。このくびれ検出の感度は、上記のくびれ検出基準値Ｖtnを増減させることによって調整することができる。すなわち、くびれ検出基準値Ｖtnを増加させると感度は低くなり、逆に減少させると感度は高くなる。くびれ検出基準値Ｖtnが大きすぎると感度が低すぎることになり、上記のくびれ検出時間Ｔｎが短くなりすぎてアーク再発生までに溶接電流を充分に減少させることができないので、スパッタ発生量の抑制効果が小さくなる。逆に、くびれ検出基準値Ｖtnが小さすぎると感度は高すぎることになり、上記のくびれ検出時間Ｔｎが長くなりすぎてアークがなかなか再発生しないために溶接状態が不安定になる。したがって、上記のくびれ検出時間Ｔｎが、５０〜１０００μｓ程度の範囲になるときが、くびれ検出基準値Ｖtnが適正値に設定されているときであると言える。
【００１１】
上述したようなくびれ検出制御方法を付加した溶接電源においては、シールドガスの選択信号、溶接ワイヤの選択信号及び送給速度の設定信号に応じて、くびれ検出基準値Ｖtnを切り換えて適正値になるようにしている。しかし、実際の溶接工程においては、上述した複数の溶接条件が複合化されてくびれ検出基準値Ｖtnの適正値が決まる。したがって、くびれ検出基準値Ｖtnを初期値から溶接工程に応じた適正値へと自動的に調整する機能が必要となる。以下、この自動調整機能に関する従来技術（例えば、特許文献２及び３参照）について説明する。
【００１２】
特許文献２の発明では、短絡ごとにくびれ検出時間Ｔｎを検出し、現時点から過去所定個数分のくびれ検出時間Ｔｎを記憶し、記憶された各くびれ検出時間Ｔｎが予め定めた下限時間以下である個数が予め定めた下限個数以上であるときはくびれ検出基準値Ｖtnを予め定めた減少値だけ減少させ、記憶された各くびれ検出時間Ｔｎが予め定めた上限時間以上である個数が予め定めた上限個数以上であるときはくびれ検出基準値Ｖtnを予め定めた増加値だけ増加させることによってくびれ検出基準値Ｖtnを適正化している。これによって、各くびれ検出時間Ｔｎが下限時間と上限時間との間の適正範囲に入ることになり、くびれ検出基準値Ｖtnを溶接条件に応じて適正化することができる。
【００１３】
特許文献３の発明では、短絡ごとにくびれ検出時間Ｔｎを検出し、このくびれ検出時間Ｔｎが予め定めた上限時間以上であるときはくびれを誤検出したと判別し、この場合にはくびれ検出基準値Ｖtnを増加させることによって適正化している。特許文献３の発明では、くびれ検出時間Ｔｎが上限時間以上であるとき（感度が高すぎるとき）は、くびれ検出基準値Ｖtnを増加させることによって感度を低くして適正化を図っている。但し、特許文献３の発明では、くびれ検出時間Ｔｎが短いとき（感度が低すぎるとき）には、くびれ検出基準値Ｖtnを適正化することができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００５−２８８５４０号公報
【特許文献２】特開２００６−２８１２１９号公報
【特許文献３】特開2009-125760号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上述した特許文献２及び３の発明を適用することによって溶接条件に応じてくびれ検出基準値を自動的に適正化することができる。ところで、送給速度が比較的低速であるとき（溶接電流平均値が約２００Ａ未満であるとき）には、溶滴移行形態は短絡移行形態になり、短絡期間とアーク期間とが規則正しく繰り返されるので、くびれの発生状態も安定している。このような状況下においては、特許文献２及び３の発明によってくびれ検出基準値を速やかに適正値に収束させることができる。
【００１６】
しかし、送給速度が比較的高速（溶接電流平均値が約２００Ａ以上）になると、溶滴移行形態はグロビュール移行形態になり、短絡が不規則に発生するようになるので、くびれの発生状態も変動が大きくなる。このために、くびれ検出時間が下限時間以下である短絡が発生した次の短絡ではくびれ検出時間が上限時間以上となるような状態も生じる。このようにくびれ発生状態の変動が大きいときに、特許文献２及び３の発明を適用すると、くびれ検出基準値が大きく変動して適正値に収束しない状態になる場合が生じる。この結果、スパッタ発生量の抑制効果は小さくなり、くびれ検出制御によって溶接状態が不安定になる場合も生じる。くびれ発生状態の変動が大きい溶接条件としては、上記の場合以外にも、溶接速度が速いとき、溶接ワイヤの材質がステンレス鋼であるとき、ワイヤ突出し長さが比較的長いとき等の場合がある。
【００１７】
そこで、本発明では、くびれ発生状態の変動が大きい溶接条件においても、くびれ検出基準値を適正値に迅速に収束させることができる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、消耗電極と母材との間でアーク発生状態と短絡状態とを繰り返す消耗電極アーク溶接にあって、短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれ現象を消耗電極と母材との間の電圧値又は抵抗値の変化がくびれ検出基準値に達したことによって検出し、このくびれ現象を検出すると短絡負荷に通電する溶接電流を減少させて低電流値の状態でアークが再発生するように出力制御する消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、
短絡ごとに前記くびれ現象検出時点からアーク再発生時点までのくびれ検出時間を検出し、このくびれ検出時間が予め定めた下限時間以下であるときはカウンタ値から１を減算し、前記くびれ検出時間が前記下限時間よりも長い時間である予め定めた上限時間以上であるときは前記カウンタ値に１を加算し、
前記カウンタ値が予め定めた負の値であるマイナス基準値に達したときは前記くびれ検出基準値を予め定めた減少値だけ減少させると共に前記カウンタ値を０にリセットし、前記カウンタ値が予め定めた正の値であるプラス基準値に達したときは前記くびれ検出基準値を予め定めた増加値だけ増加させると共に前記カウンタ値を０にリセットし、溶接中は前記くびれ検出基準値の修正を継続する、
ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。
【００１９】
請求項２の発明は、前記減少値を前記カウンタ値が０にリセットされた時点から前記マイナス基準値に達するまでの時間に応じて変化させ、前記増加値を前記カウンタ値が０にリセットされた時点から前記プラス基準値に達するまでの時間に応じて変化させる、
ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。
【００２０】
請求項３の発明は、前回の短絡が開放されてアークが再発生した時点から所定期間内に短絡が発生したときは、この短絡の前記くびれ検出時間に基づいて前記カウンタ値の増減を行わない、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、くびれ検出時間の傾向をカウンタ値によって判別し、その傾向が所定状態以上になったときにくびれ検出基準値を修正するようにしている。すなわち、カウンタ値がマイナス基準値以下になったときはくびれ検出時間が傾向として適正範囲よりも短い状態にあると判別して、くびれ検出基準値を減少させて感度を高めるようにしている。カウンタ値がプラス基準値以上になったときはくびれ検出時間が傾向として適正範囲よりも長い状態にあると判別して、くびれ検出基準値を増加させて感度を低くするようにしている。このようにすることによって、くびれ発生状態の変動が大きい溶接条件においても、迅速かつ安定にくびれ検出基準値を適正化することができる。このために、スパッタ発生量の抑制効果を大きくすることができ、溶接状態も安定にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態２に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。
【図３】図２の減少値設定修正回路ＤＤＳに内蔵されている減少値修正関数の一例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態３に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。
【図５】従来技術において、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを繰り返す消耗電極アーク溶接における電流・電圧波形及び溶滴移行を示す図である。
【図６】従来技術のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。
【図７】図６の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２４】
［実施の形態１］
本発明の実施の形態１に係るくびれ検出制御方法では、短絡ごとにくびれ検出時間Ｔｎを検出し、このくびれ検出時間Ｔｎが下限時間Ｌｔ以下であるときはカウンタ値Ｃｎから１を減算し、上限時間Ｈｔ以上であるときはカウンタ値Ｃｎに１を加算し、カウンタ値がマイナス基準値Ｌｃに達したときはくびれ検出基準値Ｖtnを減少値Δｄだけ減少させると共にカウンタ値Ｃｎを０にリセットし、カウンタ値Ｃｎがプラス基準値Ｈｃに達したときはくびれ検出基準値Ｖtnを増加値Δｕだけ増加させると共にカウンタ値Ｃｎを０にリセットし、溶接中は上述したくびれ検出基準値Ｖtnの修正を継続して行う。以下、この実施の形態１について説明する。
【００２５】
図１は、本発明の実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。同図は図６と対応しており、同一のブロックには同一符号を付して、それらの説明は省略する。同図は、図６に破線で示すカウンタ回路ＣＮ、カウンタ値判別回路ＣＤ、減少値設定回路ＤＤ及び増加値設定回路ＤＵを追加し、図６のくびれ検出基準値設定回路ＶＴＮを破線で示すくびれ検出基準値設定修正回路ＶＴＮＳに置換したものである。以下、これらのブロックについて同図を参照して説明する。
【００２６】
カウンタ回路ＣＮは、くびれ検出信号Ｎｄ及びリセット信号Ｒｓを入力として、このくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになっている時間（くびれ検出時間Ｔｎ）を計測し、このくびれ検出時間Ｔｎが予め定めた下限時間Ｌｔ以下であるときはカウンタ値から１を減算し、くびれ検出時間Ｔｎが予め定めた上限時間Ｈｔ以上であるときはカウンタ値に１を加算して、カウンタ値信号Ｃｎを出力する。また、このカウンタ回路ＣＮは、リセット信号Ｒｓが入力されるとカウンタ値を０にリセットする。カウンタ値信号Ｃｎの値がカウンタ値となる。カウンタ値は、溶接開始時に初期値０になっている。当然ながら、上限時間Ｈｔは下限時間よりも長い時間に設定される。上記の下限時間Ｌｔは、０〜２００μｓ程度の範囲で設定される。また、上限時間Ｈｔは、５００〜８００μｓ程度の範囲に設定される。これらの設定値は、溶接条件に応じて適正値になるように実験によって決定する。
【００２７】
減少値設定回路ＤＤは、予め定めた減少値信号Δｄを出力する。増加値設定回路ＤＵは、予め定めた増加値信号Δｕを出力する。カウンタ値判別回路ＣＤは、この減少値信号Δｄ、増加値信号Δｕ及び上記のカウンタ値信号Ｃｎを入力として、カウンタ値信号Ｃｎの値が予め定めたマイナス基準値Ｌｃ以下になった時点で減少値信号Δｄを修正信号Δudとして出力すると共にリセット信号Ｒｓを出力し、カウンタ値信号Ｃｎの値が予め定めたプラス基準値以上になった時点で増加値信号Δｕを修正信号Δudとして出力すると共にリセット信号Ｒｓを出力する。上記のマイナス基準値Ｌｃは負の値に設定され、例えば−５〜−２０程度の範囲で設定される。また、上記のプラス基準値Ｈｃは正の値に設定され、例えば＋５〜＋２０程度の範囲に設定される。これらの設定値は、くびれ発生状態の変動の大きさに応じて、実験によって適正値に決定される。マイナス基準値Ｌｃとプラス基準値Ｈｃの絶対値は必ずしも同一値である必要はない。上記の減少値信号Δｄの値は負の値に設定され、その絶対値は例えばくびれ検出基準値の初期値Ｖtn0の１０〜３０％程度の範囲に設定される。上記の増加値信号Δｕの値は正の値に設定され、例えばくびれ検出基準値の初期値Ｖtn0の１０〜３０％程度の範囲に設定される。これらの設定値はフィードバック系のゲインに相当するので、くびれ検出基準値Ｖtnの修正状態の過渡応答性及び定常安定性を考慮して、実験によって設定される。
【００２８】
くびれ検出基準値設定修正回路ＶＴＮＳは、上記の修正信号Δudを入力として、修正信号Δudの値に基づいて修正を行いくびれ検出基準値信号Ｖtnを出力する。Ｖtn＝Ｖtn0＋ΣΔudである。ここで、Ｖtn0は初期値である。また、Δudの加算は修正信号Δudが入力されるごとに行う。
【００２９】
上記のブロックの動作を整理すると、くびれ検出基準値Ｖtnの修正方法は以下のようになる。
（１）短絡ごとにくびれ検出時間Ｔｎを検出する。
（２）Ｔｎ≦ＬｔのときはＣｎ−１を行い、Ｌｔ＜Ｔｎ＜ＨｔのときはＣｎ＋０を行い、Ｔｎ≧ＨｔのときはＣｎ＋１を行う。ここで、Ｌｔは下限時間であり、Ｈｔは上限時間であり、Ｃｎはカウンタ値である。カウンタ値Ｃｎは溶接開始時に０にリセットされる。
（３）Ｃｎ≦Ｌｃになった時点で修正信号Δud＝Δｄを出力すると共にＣｎを０にリセットする。Ｃｎ≧Ｈｃになった時点で修正信号Δud＝Δｕを出力すると共にＣｎを０にリセットする。ここで、Ｌｃはマイナス基準値であり、Ｈｃはプラス基準値であり、Δｄは減少値であり、Δｕは増加値である。
（４）くびれ検出基準値Ｖtn＝Ｖtn0＋ΣΔudを行い、くびれ検出基準値Ｖtnを修正する。ここで、Ｖtn0は初期値である。
（５）上記（１）〜（４）の修正動作を溶接中継続する。
【００３０】
上述したようにくびれ発生状態の変動が大きい溶接条件においては、短絡ごとのくびれ検出時間Ｔｎは大きく変動する。第ｎ回目の短絡におけるくびれ検出時間Ｔｎが下限時間Ｌｔ以下であり、第ｎ＋１回目の短絡におけるくびれ検出時間Ｔｎが上限時間Ｈｔ以上になり、第ｎ＋２回目の短絡におけるくびれ検出時間Ｔｎが下限時間Ｌｔと上限時間Ｈｔとの間の適正範囲になるような場合が生じる。このようにくびれ検出時間Ｔｎの変動が大きい場合に、上述した従来技術を適用すると、くびれ検出時間Ｔｎの変動に対して過剰に反応してくびれ検出基準値Ｖtnが大きく変動することになる。このような状態になると溶接状態は不安定になっていた。
【００３１】
これに対して、上述した実施の形態１によれば、短絡ごとのくびれ検出時間Ｔｎに対して直接にくびれ検出基準値Ｖtnを修正することはない。くびれ検出時間Ｔｎの傾向をカウンタ値Ｃｎによって判別し、その傾向が所定状態以上になったときにくびれ検出基準値Ｖtnを修正するようにしている。すなわち、カウンタ値Ｃｎがマイナス基準値Ｌｃ以下になったときはくびれ検出時間Ｔｎが傾向として適正範囲よりも短い状態にあると判別して、くびれ検出基準値Ｖtnを減少させて感度を高めるようにしている。カウンタ値Ｃｎがプラス基準値Ｈｃ以上になったときはくびれ検出時間Ｔｎが傾向として適正範囲よりも長い状態にあると判別して、くびれ検出基準値Ｖtnを増加させて感度を低くするようにしている。このようにすることによって、くびれ発生状態の変動が大きい溶接条件においても、迅速かつ安定にくびれ検出基準値Ｖtnを適正化することができる。このために、スパッタ発生量の抑制効果を大きくすることができ、溶接状態も安定にすることができる。
【００３２】
［実施の形態２］
本発明の実施の形態２に係るくびれ検出制御方法では、上記の減少値Δｄを上記のカウンタ値Ｃｎが０にリセットされた時点から上記のマイナス基準値Ｌｃに達するまでのマイナス基準値到達時間Ｔｄに応じて変化させ、上記の増加値Δｕを上記のカウンタ値Ｃｎが０にリセットされた時点から上記のプラス基準値Ｈｃに達するまでのプラス基準値到達時間Ｔｕに応じて変化させる。以下、この実施の形態２について説明する。
【００３３】
図２は、実施の形態２に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。同図は、上述した図６及び図１と対応しており、同一のブロックには同一符号を付して、それらの説明は省略する。同図は、図１に破線で示す基準値到達時間計測回路ＴＵＤを追加し、図１の減少値設定回路ＤＤを破線で示す減少値設定修正回路ＤＤＳに置換し、増加値設定回路ＤＵを破線で示す増加値設定修正回路ＤＵＳに置換したものである。以下、これらのブロックについて同図を参照して説明する。
【００３４】
基準値到達時間計測回路ＴＵＤは、カウンタ値信号Ｃｎを入力として、カウンタ値信号Ｃｎの値が０にリセットされた時点からマイナス基準値Ｌｃに達するまでの時間を計測してマイナス基準値到達時間信号Ｔｄとして出力し、カウンタ値信号Ｃｎの値が０にリセットされた時点からプラス基準値Ｈｃに達するまでの時間を計測してプラス基準値到達時間信号Ｔｕとして出力する。
【００３５】
減少値設定修正回路ＤＤＳは、上記のマイナス基準値到達時間信号Ｔｄを入力として、予め定めた減少値修正関数に従って算出した減少値信号Δｄを出力する。増加値設定修正回路ＤＵＳは、上記のプラス基準値到達時間信号Ｔｕを入力として、予め定めた増加値修正関数に従って算出した増加値信号Δｕを出力する。上記の減少値修正関数の一例を図３に示す。
【００３６】
図３は、マイナス基準値到達時間Ｔｄを入力として減少値Δｄを算出する減少値修正関数の一例を示す図である。同図の横軸はマイナス基準値到達時間Ｔｄ（ms）を示し、縦軸は減少値Δｄ（Ｖ）を示す。同図に示すように、減少値Δｄは、０ms≦Ｔｄ＜１０msの範囲は一定値の−０．１Ｖであり、１０ms≦Ｔｄ＜５０msの範囲は右肩上がりの直線状に変化し、５０ms≦Ｔｄの範囲は一定値の−０．０１Ｖとなる。すなわち、マイナス基準値到達時間Ｔｄが長くなると減少値Δｄの絶対値は概ね小さくなるように変化する。このようにする理由は、以下のとおりである。マイナス基準値到達時間Ｔｄが短い場合には、くびれ検出時間Ｔｎが下限時間Ｌｔ以下である短絡が頻発して発生している状態である。このような状態は、くびれ検出基準値Ｖtnが適正値よりも相当に大きいときであるので、減少値Δｄの絶対値を大きくしてくびれ検出基準値Ｖtnを大幅に小さくするようにしている。くびれ検出基準値Ｖtnの修正制御系において、ゲインを大きくしていることになる。これにより、過渡応答性を高速化している。逆に、マイナス基準値到達時間Ｔｄが長い場合には、くびれ検出時間Ｔｎが下限時間Ｌｔ以下である短絡がときたま発生している状態である。このような状態は、くびれ検出基準値Ｖtnが適正値よりも少し大きいときであるので、減少値Δｄの絶対値を小さくしてくびれ検出基準値Ｖtnを小幅に小さくするようにしている。くびれ検出基準値Ｖtnの修正制御系において、ゲインを小さくしていることになる。これにより、定常安定性を良好にしている。同図の変化カーブは一例であり、曲線状、直線状、階段状に変化するようにしても良い。
【００３７】
増加値修正関数についても、上述した図３と同一である。但し、横軸はプラス基準値到達時間Ｔｕ（ms）に置換され、縦軸は増加値Δｕ（Ｖ）に置換される。横軸については同一であるが、縦軸の増加値Δｕは正の値となる。したがって、増加値Δｕは、減少値Δｄとその絶対値は同一であるが、符号が異なることになる。作用効果についても、図３と同様である。もちろん、減少値Δｄと増加値Δｕとで絶対値の変化カーブを異なるように設定しても良い。減少値修正関数及び増加値修正関数は、くびれ発生状態の変動の大きさに応じて適正な関数に設定される。この設定は、実験によって行なう。
【００３８】
上述した実施の形態２によれば、減少値をカウンタ値が０にリセットされた時点からマイナス基準値に達するまでの時間に応じて変化させ、増加値をカウンタ値が０にリセットされた時点からプラス基準値に達するまでの時間に応じて変化させる。これにより、実施の形態１の効果に加えて、くびれ検出基準値の修正制御系におけるゲインを可変にすることができるので、過渡応答性及び定常安定性を向上させることができる。
【００３９】
［実施の形態３］
本発明の実施の形態３に係るくびれ検出制御方法では、上述した実施の形態１及び２に追加して、前回の短絡が開放されてアークが再発生した時点から所定期間Ｔｉ内に短絡が発生したときは、この短絡のくびれ検出時間Ｔｎに基づいてカウンタ値Ｃｎの増減を行わないようにしたものである。以下、この実施の形態３について説明する。
【００４０】
図４は、本発明の実施の形態３に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。同図は図６及び図１と対応しており、同一のブロックには同一符号を付して、それらの説明は省略する。同図は、図１に破線で示す短絡／アーク判別回路ＳＡ及びダブル短絡判別回路ＳＳを追加し、図１のカウンタ回路ＣＮを破線で示す第２カウンタ回路ＣＮ２に置換したものである。以下、これらのブロックについて同図を参照して説明する。
【００４１】
短絡／アーク判別回路ＳＡは、溶接電圧Ｖｗを入力として、この値が予め定めた短絡／アーク判別基準値Ｖta未満のときは短絡期間であると判別してＨｉｇｈレベルとなり、以上のときはアーク期間であると判別してＬｏｗレベルになる短絡／アーク判別信号Ｓａを出力する。この短絡／アーク判別基準値Ｖtaは１０Ｖ程度に設定される。ダブル短絡判別回路ＳＳは、この短絡／アーク判別信号Ｓａを入力として、この信号がＨｉｇｈレベル（短絡）に変化した時点において、この信号が前回Ｌｏｗレベル（アーク）に変化した時点から今回Ｈｉｇｈレベル（短絡）に変化した時点までの時間（アーク期間の長さ）を計測し、この計測した時間が所定期間Ｔｉ未満であるときはＨｉｇｈレベルに変化し、以上であるときはＬｏｗレベルに変化するダブル短絡判別信号Ｓｓを出力する。すなわち、前回の短絡が開放されてアークが再発生した時点から所定期間Ｔｉ内に今回の短絡が発生したときは、短いアーク期間を挟んで２回の短絡（ダブル短絡）が発生したと判別して、ダブル短絡判別信号ＳｓをＨｉｇｈレベルにセットする。所定期間Ｔｉは、例えば１００〜５００μｓ程度に設定される。この値は、溶接法、溶接ワイヤの種類、送給速度等に応じて適正値になるように、実験によって設定される。
【００４２】
第２カウンタ回路ＣＮ２は、くびれ検出信号Ｎｄ、リセット信号Ｒｓ及び上記のダブル短絡判別信号Ｓｓを入力として、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになっている時間（くびれ検出時間Ｔｎ）を計測し、ダブル短絡判別信号ＳｓがＬｏｗレベルであり、くびれ検出時間Ｔｎが予め定めた下限時間Ｌｔ以下であるときはカウンタ値から１を減算し、くびれ検出時間Ｔｎが予め定めた上限時間Ｈｔ以上であるときはカウンタ値に１を加算して、カウンタ値信号Ｃｎを出力する。この第２カウンタ回路ＣＮ２は、リセット信号Ｒｓが入力されるとカウンタ値を０にリセットする。カウンタ値信号Ｃｎの値は、以下のように変化することになる。
１） Ｓｓ＝ＬｏｗレベルかつＴｎ≦ＬｔのときはＣｎは１だけ減算される。
２） Ｓｓ＝ＬｏｗレベルかつＴｎ≧ＨｔのときはＣｎは１だけ加算される。
３） Ｓｓ＝ＬｏｗレベルかつＬｔ＜Ｔｎ＜ＨｔのときはＣｎは増減されない。
４） Ｓｓ＝ＨｉｇｈレベルのときはＴｎの値によらずＣｎは増減されない。
【００４３】
同図は、実施の形態１の図１を基礎として実施の形態３の発明を追加したものであるが、実施の形態２の図２を基礎として実施の形態３の発明を追加する場合も同様である。上述したように、実施の形態３では、実施の形態１及び２とは異なり、ダブル短絡が発生したときは、くびれ検出時間によらずカウンタ値を増減させないようにしている。ダブル短絡とは、上述したように、前回の短絡が開放されてアークが再発生してから短い所定期間Ｔｉ内に次の短絡が発生する状態である。すなわち、短い時間の瞬時アークが発生して直ぐに再び短絡が発生する状態である。このようなダブル短絡は、溶融池の不規則な運動、溶接ワイヤの送給速度の変動、アークが再発生したときのアークの状態等の種々な要因に起因して時々発生することになる。ダブル短絡は、短い瞬時アークの後に発生するので、通常の短絡発生時とは異なり、溶接ワイヤの先端が溶融して溶滴を形成する時間がない。このために、ダブル短絡が発生したときには、溶接ワイヤの先端がほとんど溶融していない状態で溶融池と短絡することになる。このような短絡では、溶滴にくびれが形成されて溶滴が移行する通常の状態ではなく、溶接ワイヤの突出し部に溶接電流が通電してジュール熱によって発熱して溶断し、アークが再発生する状態となる。したがって、このようなダブル短絡時のくびれ検出時間Ｔｎに基づいてカウンタ値を増減させると、くびれ検出基準値の修正制御系を不安定化することになる。これを防止するために、ダブル短絡時は、くびれ検出時間にかかわらずカウンタ値を増減させないようにしている。
【００４４】
上述した実施の形態３によれば、前回の短絡が開放されてアークが再発生した時点から所定期間内に短絡（ダブル短絡）が発生したときは、この短絡のくびれ検出時間に基づいてカウンタ値の増減を行わないようにしている。これにより、ダブル短絡発生に伴ってくびれ検出基準値の修正制御系が不安定になることを抑制することができる。したがって、くびれ検出基準値を迅速かつ安定して適正値に収束させることができる。
【符号の説明】
【００４５】
１ 溶接ワイヤ
１ａ 溶滴
１ｂ くびれ
２ 母材
２ａ 溶融池
３ アーク
ＣＤ カウンタ値判別回路
ＣＮ カウンタ回路
Ｃｎ カウンタ値（信号）
ＣＮ２ 第２カウンタ回路
ＤＤ 減少値設定回路
ＤＤＳ 減少値設定修正回路
ＤＲ 駆動回路
Ｄｒ 駆動信号
ＤＵ 増加値設定回路
ＤＵＳ 増加値設定修正回路
Ｈｃ プラス基準値
Ｈｔ 上限時間
Ｉａ アーク再発生時電流値
Ｉｗ 溶接電流
Ｌｃ マイナス基準値
Ｌｔ 下限時間
ＮＤ くびれ検出回路
Ｎｄ くびれ検出信号
ＰＳ 溶接電源
Ｒ 抵抗器
Ｒｓ リセット信号
ＳＡ 短絡／アーク判別回路
Ｓａ 短絡／アーク判別信号
ＳＳ ダブル短絡判別回路
Ｓｓ ダブル短絡判別信号
Ｔａ アーク期間
Ｔｄ マイナス基準値到達時間（信号）
Ｔｉ 所定期間
Ｔｎ くびれ検出時間
ＴＲ トランジスタ
Ｔｓ 短絡期間
Ｔｕ プラス基準値到達時間（信号）
ＴＵＤ 基準値到達時間計測回路
Ｖｓ 短絡電圧値
Ｖta 短絡／アーク判別基準値
ＶＴＮ 検出基準値設定回路
Ｖtn くびれ検出基準値（信号）
Ｖtn0 くびれ検出基準値の初期値
ＶＴＮＳ 検出基準値設定修正回路
Ｖｗ 溶接電圧
Δｄ 減少値（信号）
Δｕ 増加値（信号）
Δud 修正信号
ΔＶ 電圧上昇値
【特許請求の範囲】
【請求項１】
消耗電極と母材との間でアーク発生状態と短絡状態とを繰り返す消耗電極アーク溶接にあって、短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれ現象を消耗電極と母材との間の電圧値又は抵抗値の変化がくびれ検出基準値に達したことによって検出し、このくびれ現象を検出すると短絡負荷に通電する溶接電流を減少させて低電流値の状態でアークが再発生するように出力制御する消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、
短絡ごとに前記くびれ現象検出時点からアーク再発生時点までのくびれ検出時間を検出し、このくびれ検出時間が予め定めた下限時間以下であるときはカウンタ値から１を減算し、前記くびれ検出時間が前記下限時間よりも長い時間である予め定めた上限時間以上であるときは前記カウンタ値に１を加算し、
前記カウンタ値が予め定めた負の値であるマイナス基準値に達したときは前記くびれ検出基準値を予め定めた減少値だけ減少させると共に前記カウンタ値を０にリセットし、前記カウンタ値が予め定めた正の値であるプラス基準値に達したときは前記くびれ検出基準値を予め定めた増加値だけ増加させると共に前記カウンタ値を０にリセットし、溶接中は前記くびれ検出基準値の修正を継続する、
ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
【請求項２】
前記減少値を前記カウンタ値が０にリセットされた時点から前記マイナス基準値に達するまでの時間に応じて変化させ、前記増加値を前記カウンタ値が０にリセットされた時点から前記プラス基準値に達するまでの時間に応じて変化させる、
ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
【請求項３】
前回の短絡が開放されてアークが再発生した時点から所定期間内に短絡が発生したときは、この短絡の前記くびれ検出時間に基づいて前記カウンタ値の増減を行わない、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
【請求項１】
消耗電極と母材との間でアーク発生状態と短絡状態とを繰り返す消耗電極アーク溶接にあって、短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれ現象を消耗電極と母材との間の電圧値又は抵抗値の変化がくびれ検出基準値に達したことによって検出し、このくびれ現象を検出すると短絡負荷に通電する溶接電流を減少させて低電流値の状態でアークが再発生するように出力制御する消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、
短絡ごとに前記くびれ現象検出時点からアーク再発生時点までのくびれ検出時間を検出し、このくびれ検出時間が予め定めた下限時間以下であるときはカウンタ値から１を減算し、前記くびれ検出時間が前記下限時間よりも長い時間である予め定めた上限時間以上であるときは前記カウンタ値に１を加算し、
前記カウンタ値が予め定めた負の値であるマイナス基準値に達したときは前記くびれ検出基準値を予め定めた減少値だけ減少させると共に前記カウンタ値を０にリセットし、前記カウンタ値が予め定めた正の値であるプラス基準値に達したときは前記くびれ検出基準値を予め定めた増加値だけ増加させると共に前記カウンタ値を０にリセットし、溶接中は前記くびれ検出基準値の修正を継続する、
ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
【請求項２】
前記減少値を前記カウンタ値が０にリセットされた時点から前記マイナス基準値に達するまでの時間に応じて変化させ、前記増加値を前記カウンタ値が０にリセットされた時点から前記プラス基準値に達するまでの時間に応じて変化させる、
ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
【請求項３】
前回の短絡が開放されてアークが再発生した時点から所定期間内に短絡が発生したときは、この短絡の前記くびれ検出時間に基づいて前記カウンタ値の増減を行わない、
ことを特徴とする請求項１又は２記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２４０１０１（Ｐ２０１２−２４０１０１Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１４５３２（Ｐ２０１１−１１４５３２）
【出願日】平成２３年５月２３日（２０１１．５．２３）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２３日（２０１１．５．２３）
【出願人】（００００００２６２）株式会社ダイヘン (990)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]