JP4334814B2 - アークスタート性判定方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、消耗電極ガスシールドアーク溶接におけるアークスタート性の良否の判定方法に関し、特に、溶接電圧・電流波形によってアークスタート性を自動判定する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
図5は、従来技術における溶接状態を監視するアークモニタ装置を含む消耗電極ガスシールドアーク溶接装置の構成図である。以下、同図を参照して説明する。
【0003】
溶接電源装置PSは、溶接に適した溶接電圧Vw及び溶接電流Iwを出力すると共に、溶接ワイヤ1の送給を制御するための送給制御信号Fcをワイヤ送給モータWMへ出力する。溶接ワイヤ1は、ワイヤ送給モータWMに直結された送給ロール5の回転によって、溶接トーチ4を通って送給されると共に、給電チップ5aから給電されて、母材2との間にアーク3が発生する。
【0004】
電圧検出器VDは、溶接電圧Vwを検出して電圧検出信号Vdを出力する。電流検出器IDは、溶接電流Iwを検出して電流検出信号Idを出力する。アークモニタ装置AMは、上記の電圧検出信号Vd及び電流検出信号Idを入力として、下記の回路によって溶接状態を監視して、異常状態が発生したときは警報を発する。電圧平均値算出回路VDAは、上記の電圧検出信号Vdを入力として数百ms〜数s程度の時定数で平均化して溶接電圧平均値信号Vdaを出力する。電流平均値算出回路IDAは、上記の電流検出信号Idを入力として数百ms〜数s程度の時定数で平均化して溶接電流平均値信号Idaを出力する。溶接状態判定回路AJは、上記の溶接電圧平均値信号Vda及び溶接電流平均値信号Idaを入力として、図6で後述する判定方法によって溶接状態の良否の判定を行い、異常状態のときには警報を発する。
【0005】
図6は、上述した溶接状態の判定方法を示す電圧・電流波形図である。同図(A)は溶接電圧Vwの時間変化を示し、同図(B)は溶接電流Iwの時間変化を示し、同図(C)は溶接電圧平均値信号Vdaの時間変化を示し、同図(D)は溶接電流平均値信号Idaの時間変化を示す。同図は、消耗電極ガスシールドアーク溶接の代表的な溶接法である短絡移行溶接の場合を例示しており、それ以外のグロビュール移行溶接、パルスアーク溶接等の場合も同様である。以下、同図を参照して説明する。
【0006】
▲1▼ 時刻t1以前の期間(良好な溶接状態)
時刻t1以前の期間は良好な溶接状態のときであるので、同図(A)に示すように、溶接状態は溶接電圧Vwが低い短絡電圧値となる短絡期間と高いアーク電圧値となるアーク期間とを周期的に繰り返す。同様に、溶接電流Iwは、短絡期間中は上昇しアーク期間中は下降する動作を繰り返す。従来技術の溶接状態判定方法では、このような急激に変化する電圧・電流波形を数百ms〜数s程度の大きな時定数で平滑して溶接電圧平均値及び溶接電流平均値を算出し、これらが予め定めた適正範囲内にあるかどうかで溶接状態を判定するのが一般的である。したがって、同図(C)に示すように、良好な溶接状態のときの溶接電圧平均値信号Vdaは略直線となり、その値は電圧適正範囲Wv内に収まっている。同様に、同図(D)に示すように、溶接電流平均値信号Idaも略直線となり、その値は電流適正範囲Wi内に収まっている。
【0007】
▲2▼ 時刻t1以降の期間(異常な溶接状態)
時刻t1直前において、ワイヤ送給速度の変動、ワイヤ突出し長さの変動、溶融池や溶滴の不規則運動等の種々な外乱によって溶接状態が不安定となりアーク切れが発生すると、同図(A)に示すように、溶接電圧Vwは最大値の無負荷電圧となり、同図(B)に示すように、溶接電流Iwは通電しなくなる。その結果、同図(C)に示すように、溶接電圧平均値信号Vdaは時定数のために徐々に大きくなり時刻t2で電圧適正範囲Wv外となる。また、同図(D)に示すように、溶接電流平均値信号Idaは時定数のために徐々に小さくなり時刻t2で電流適正範囲Wi外となる。これを判別して、溶接状態の異常状態を判定する。上記ではアーク切れの場合について説明したが、これ以外にも短絡期間及びアーク期間が非常に長くなったり短くなったりする異常状態も判定する。上述したような異常状態が発生すると、溶け込みの変動、ビード外観の不良等の溶接欠陥が発生する可能性が高くなるために、異常状態を判定して警報を発することは品質管理上重要である。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
溶接施工において、最も溶接不良が発生しやすいのは溶接途中ではなくアークスタート時である。これは、アークが発生していない状態からアークを点呼させさらに安定したアーク発生状態へと導くという過渡状態においては、種々な要因によって不安定状態が生じやすいためである。以下、上述した従来技術の溶接状態判定方法を、アークスタート時の良否の判定に使用した場合の問題点について説明する。
【0009】
図7は、従来技術におけるアークスタート時の電圧波形図である。同図(A)の溶接電圧Vw及び同図(B)の溶接電圧平均値信号Vdaは良好なアークスタート時の波形を示し、同図(C)の溶接電圧Vw及び同図(D)の溶接電圧平均値信号Vdaは不良なアークスタート時の波形を示す。以下、同図を参照して説明する。
【0010】
▲1▼ 良好なアークスタート時
同図(A)に示すように、時刻t1において溶接ワイヤが母材に接触すると、溶接電圧Vwは最大値の無負荷電圧から短絡電圧とアーク電圧を繰り返す定常状態へと円滑に移行する。同図(A)は良好なアークスタートの場合であるので、この移行は即時にかつ円滑に行われる。このときの溶接電圧平均値信号Vdaは、同図(B)に示すように、時定数によって徐々に小さくなり定常値に収束する。
【0011】
▲2▼ 不良なアークスタート時
同図(C)に示すように、時刻t1において溶接ワイヤが母材に接触すると、無負荷状態から、X1、X2に示す長期短絡状態及びY1、Y2に示す長期アーク切れ状態を経て、定常状態へと移行する不良なアークスタートとなる。このために、溶接電圧Vwは、低い短絡電圧が長く続いたりアーク切れによる高い無負荷電圧が続いたりして大きく変動する。上記の長期短絡とは、短絡時間が基準値よりも長い短絡のことであり、長期アーク切れとは、アーク切れ時間が基準値よりも長いアーク切れのことであり、その基準値は十数ms〜数十ms程度である。このときの溶接電圧平均値信号Vdaは、同図(D)に示すように、無負荷電圧から個定数によって徐々に小さくなり、その経過中に上述した長期短絡及び長期アーク切れに起因して上下に変動する。しかし、大きな時定数によって平滑されているために、その変動幅は小さく電圧適正範囲Wv外にはならない。この結果、アークスタートが不良である場合でも、不良と判定することができない場合が多い。すなわち、従来技術の溶接状態判定方法では、アークスタート性の良否を正確に判定することはできなかった。
【0012】
そこで、本発明では、長期短絡、長期アーク切れ等の発生に起因するアークスタートの不良を正確に判定することができる方法を提供する。
【0013】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、消耗電極ガスシールドアーク溶接におけるアークスタート性の良否の判定方法において、
アークスタート開始時点から予め定めた判定期間Tj中の、短絡時間が予め定めた基準値よりも長い短絡である長期短絡の回数Ns及びアーク切れ時間が予め定めた基準値よりも長いアーク切れである長期アーク切れの回数Nn及び上記判定期間Tjよりも短い移動平均期間Traによる上記判定期間Tj中の溶接電圧移動平均値Vraのバラツキ値Bdを算出し、上記長期短絡の回数Ns及び上記長期アーク切れの回数Nn及び上記溶接電圧移動平均値のバラツキ値Bdによってアークスタート性の良否を自動判定することを特徴とするアークスタート性判定方法である。
【0014】
請求項2の発明は、請求項1に記載する溶接電圧移動平均値のバラツキ値Bdが、上記判定期間Tj中の上記溶接電圧移動平均値Vraが予め定めた適正範囲Wvr外となる時間Tvrの合算値Stvであるアークスタート性判定方法である。
【0015】
請求項3の発明は、上記長期短絡の回数Nsが予め定めた基準回数Nst以上でありかつ上記長期アーク切れの回数Nnが予め定めた基準回数Nnt以上でありかつ上記溶接電圧移動平均値が上記適正範囲外となる時間の合算値Stvが予め定めた第1の基準時間Tt1以上で予め定めた第2の基準時間Tt2未満であるときはアークスタート性をやや不良と判定し、上記溶接電圧移動平均値が上記適正範囲外となる時間の合算値Stvが上記第2の基準時間Tt2以上であるときはアークスタート性を不良と判定し、それ以外のときはアークスタート性を良好と判定する請求項2記載のアークスタート性判定方法である。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図1は、本発明の実施の形態における、上述した図7(C)に対応する不良なアークスタート時の電圧波形図である。同図(A)は溶接電圧Vwの時間変化を示し、上述した図7(C)と同一波形である。また、同図(B)は溶接電圧の移動平均値Vraの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。
【0017】
同図(A)に示すように、不良なアークスタート時においては、上述したように、長期短絡及び長期アーク切れが発生する。そして、長期短絡及び長期アーク切れの発生回数、合算時間、これらの組合せ等によって、アークスタート性の良否が決定される。したがって、アークスタート性を決めるこれらの要素を算出して定量化することによってアークスタート性の自動判定を行うことが可能となる。本発明においては、下記の3つを判定項目としている。
【0018】
▲1▼ 長期短絡の回数Ns
同図(A)に示すように、溶接電圧Vwと予め定めた短絡判別値Vt1とを比較して、Vw≦Vt1のときを短絡期間Tsとして判別する。そして、この短絡期間Tsが予め定めた長期短絡判別値Tstよりも長いときを長期短絡として判別する。時刻t1のアークスタート開始時点から予め定めた判定期間Tj中に上記の長期短絡が発生した回数Nsを計数する。上記の判定期間Tjは、アークスタートが定常状態に収束する時間である数s程度に設定する。
【0019】
▲2▼ 長期アーク切れの回数Nn
同図(A)に示すように、溶接電圧Vwと予め定めたアーク切れ判別値Vt2とを比較して、Vw≧Vt2のときをアーク切れ期間Tnとして判別する。そして、このアーク切れ期間Tnが予め定めた長期アーク切れ判別値Tntよりも長いときを長期アーク切れとして判別し、上記の判定期間Tj中に長期アーク切れが発生した回数Nnを計数する。
【0020】
▲3▼ 溶接電圧移動平均値Vraのバラツキ値Bd
同図(B)に示す溶接電圧移動平均値Vraは、同図(A)に示す溶接電圧Vwの移動平均値を算出したものである。平滑時の時定数に相当する移動平均期間は、上記の判定期間Tj(数s)よりも短く、さらには上述した従来技術での平均化のための時定数(数百ms〜数s)よりも短く、10ms〜200ms程度に設定する。これは、短絡期間及びアーク期間の不規則性を定量化するためである。すなわち、移動平均期間が長すぎると平滑されて不規則性を判別することができなくなり、逆に移動平均期間が短すぎると不規則でない場合も変動幅が大きいためにやはり不規則性を判別することができなくなる。
【0021】
したがって、溶接電圧移動平均値Vraのバラツキ値Bdによって、短絡期間とアーク期間との不規則性を判別することができる。このバラツキ値Bdとして、同図(B)に示すように、溶接電圧移動平均値の最大変動幅Wppを使用することができる。さらには、溶接電圧移動平均値Vraが、予め定めた移動平均値適正範囲Wvr外となる範囲外時間Tvrを判定期間Tj中合算した範囲外時間合算値Stvを使用することもできる。
【0022】
上述した▲1▼長期短絡の回数Ns、▲2▼長期アーク切れの回数Nn及び▲3▼溶接電圧移動平均値のバラツキ値Bdによってアークスタート性の判定を行うことができる。判定基準は、種々な溶接条件に応じて変化するが、例えば、判定期間Tj=3sにおいてNs≧3かつNn≧2かつWpp≧4Vのときはアークスタートは不良であると判定することができる。
【0023】
図2は、本発明の実施の形態におけるアークモニタ装置AMのブロック図である。本装置を含む溶接装置の構成は、上述した図5と同一である。以下、同図を参照して各回路ブロックについて説明する。
【0024】
判定期間タイマ回路TJは、電流検出信号Idを入力として、溶接ワイヤが母材に接触して電流が通電を開始するアークスタート開始時点から予め定めた一定時間だけHighレベルとなる判定期間信号Tjを出力する。第1の比較回路CP1は、電圧検出信号Vdと予め定めた短絡判別値Vt1とを比較して、Vd≦Vt1のときにHighレベルとなる短絡期間信号Tsを出力する。第2の比較回路CP2は、上記の短絡期間信号Tsと予め定めた長期短絡判別値Tstとを比較して、Ts≧TstのときにHighレベルとなる長期短絡期間信号LTsを出力する。長期短絡回数計数回路NSは、上記の判定期間信号TjがHighレベルの間の上記の長期短絡期間信号LTsがLowレベルからHighレベルへと変化する回数を計数して長期短絡回数信号Nsを出力する。第3の比較回路CP3は、電圧検出信号Vdと予め定めたアーク切れ判別値Vt2とを比較して、Vd≧Vt2のときにHighレベルとなるアーク切れ期間信号Tnを出力する。第4の比較回路CP4は、上記のアーク切れ期間信号Tnと予め定めた長期アーク切れ判別値Tntとを比較して、Tn≧TntのときにHighレベルとなる長期アーク切れ期間信号LTnを出力する。長期アーク切れ回数計数回路NNは、上記の判定期間信号TjがHighレベルの間の上記の長期アーク切れ期間信号LTnがLowレベルからHighレベルへと変化する回数を計数して長期アーク切れ回数信号Nnを出力する。
【0025】
溶接電圧移動平均値算出回路VRAは、上記の電圧検出信号Vdを入力として、予め定めた移動平均期間Traによって移動平均値を算出して、溶接電圧移動平均値信号Vraを出力する。バラツキ値算出回路BDは、上記の溶接電圧移動平均値信号Vraを入力として、図1で上述したように、最大変動幅Wpp、範囲外時間合算値Stv等のバラツキ値信号Bdを出力する。アークスタート性判定回路ASJは、上記の長期短絡回数信号Ns、長期アーク切れ回数信号Nn及びバラツキ値信号Bdを入力として、後述する図4で例示する予め定めた判定基準に従ってアークスタート性の判定を行う。
【0026】
図3は、上述した範囲外時間合算値Stvを算出する場合のバラツキ値算出回路BDのブロック図である。第5の比較回路CP5は、溶接電圧移動平均値信号Vraと予め定めた移動平均値適正範囲Wvrとを比較して、範囲外のときはHighレベルとなる範囲外時間信号Tvrを出力する。合算回路SUMは、判定期間信号TjがHighレベルの間の上記の範囲外時間信号Tvrの合算を行い、範囲外時間合算値信号Stvをバラツキ値信号Bdとして出力する。
【0027】
図4は、上述したアークスタート性判定回路ASJによるアークスタート性の判定処理を示すフローチャートである。同図は、判定処理の一例である。以下、同図を参照して説明する。
【0028】
ステップST1において、長期短絡回数Nsが予め定めた基準回数Nst以上であり、かつ、範囲外時間合算値Stvが予め定めた第1の基準時間Tt1以上で予め定めた第2の基準時間Tt2未満であり、かつ、長期アーク切れ回数Nnが予め定めた基準回数Nnt以上である、かを判定して、YESならばステップST2へ進みアークスタート性を「やや不良」と判定し、NOならばステップST3へ進む。
【0029】
ステップST3において、範囲外時間合算値Stvが上記の第2の基準時間Tt2以上であるかを判定して、YESならばステップST4に進みアークスタート性を「不良」と判定し、NOならば「良好」と判定する。
【0030】
【発明の効果】
本発明のアークスタート性判定方法によれば、
長期短絡の回数、長期アーク切れの回数及び溶接電圧移動平均値のバラツキ値によってアークスタート性の良否を正確に自動判定することができるので、アークスタート部の品質を厳密に管理することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るアークスタート性判定方法を示す電圧波形図である。
【図2】本発明に係るアークモニタ装置AMのブロック図である。
【図3】本発明に係るバラツキ値算出回路BDのブロック図である。
【図4】本発明に係るアークスタート性の判定処理を示すフローチャートである。
【図5】従来技術におけるアークモニタ装置を含む溶接装置の構成図である。
【図6】従来技術における溶接状態判定方法を示す電圧・電流波形図である。
【図7】従来技術の課題を説明するためのアークスタート時の電圧波形図である。
【符号の説明】
1 溶接ワイヤ
2 母材
3 アーク
4 溶接トーチ
5 送給ロール
5a 給電チップ
AJ 溶接状態判定回路
AM アークモニタ装置
ASJ アークスタート性判定回路
BD バラツキ値算出回路
Bd 溶接電圧移動平均値Vraのバラツキ値(信号)
CP1 第1の比較回路
CP2 第2の比較回路
CP3 第3の比較回路
CP4 第4の比較回路
CP5 第5の比較回路
Fc 送給制御信号
ID 電流検出器
Id 電流検出信号
IDA 電流平均値算出回路
Ida 溶接電流平均値信号
Iw 溶接電流
LTn 長期アーク切れ期間信号
LTs 長期短絡期間信号
NN 長期アーク切れ回数計数回路
Nn 長期アーク切れ回数(信号)
Nnt、Nst 基準回数
NS 長期短絡回数計数回路
Ns 長期短絡回数(信号)
PS 溶接電源装置
ST1〜5 ステップ
SUM 合算回路
Stv 範囲外時間合算値(信号)
TJ 判定期間タイマ回路
Tj 判定期間(信号)
Tn アーク切れ期間(信号)
Tnt 長期アーク切れ判別値
Tra 移動平均期間
Ts 短絡期間(信号)
Tst 長期短絡判別値
Tst 長期短絡判別値
Tt1 第1の基準時間
Tt2 第2の基準時間
Tvr 範囲外時間(信号)
VD 電圧検出器
Vd 電圧検出信号
VDA 電圧平均値算出回路
Vda 溶接電圧平均値信号
VRA 溶接電圧移動平均値算出回路
Vra 溶接電圧移動平均値(信号)
Vt1 短絡判別値
Vt2 アーク切れ判別値
Vw 溶接電圧
Wi 電流適正範囲
WM ワイヤ送給モータ
Wpp 溶接電圧移動平均値の最大変動幅
Wv 電圧適正範囲
Wvr 移動平均値適正範囲
Claims (3)
- 消耗電極ガスシールドアーク溶接におけるアークスタート性の良否の判定方法において、
アークスタート開始時点から予め定めた判定期間中の、短絡時間が予め定めた基準値よりも長い短絡である長期短絡の回数及びアーク切れ時間が予め定めた基準値よりも長いアーク切れである長期アーク切れの回数及び前記判定期間よりも短い移動平均期間による前記判定期間中の溶接電圧移動平均値のバラツキ値を算出し、前記長期短絡の回数及び前記長期アーク切れの回数及び前記溶接電圧移動平均値のバラツキ値によってアークスタート性の良否を自動判定することを特徴とするアークスタート性判定方法。 - 請求項1に記載する溶接電圧移動平均値のバラツキ値が、判定期間中の溶接電圧移動平均値が予め定めた適正範囲外となる時間の合算値であるアークスタート性判定方法。
- 長期短絡の回数が予め定めた基準回数以上でありかつ長期アーク切れの回数が予め定めた基準回数以上でありかつ溶接電圧移動平均値が適正範囲外となる時間の合算値が予め定めた第1の基準時間以上で予め定めた第2の基準時間未満であるときはアークスタート性をやや不良と判定し、前記溶接電圧移動平均値が適正範囲外となる時間の合算値が前記第2の基準時間以上であるときはアークスタート性を不良と判定し、それ以外のときはアークスタート性を良好と判定する請求項2記載のアークスタート性判定方法。
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