JP4500489B2 - 溶接方法及び溶接装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接ワイヤを電極にするアーク溶接で使用する給電ケーブルの長さ変更に関わり、特に、変更した給電ケーブルの往復長さに適した所望の平均溶接電流，適正な平均溶接電圧を出力させて良好に溶接するに好適な溶接方法及び溶接装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電プラントや化学プラントなど大型構造物は、厚板長尺の継手部材が多く用いられており、工場内で溶接が可能なものや現地で組立溶接が必要なものもある。これらの継手部材は大きさ，設置場所，作業場所が一様ではなく、溶接電源及び溶接装置の設置場所から近い場所で溶接する時もあれば、５０ｍ以上遠く離れた場所で溶接する時もあれば、高さ１０ｍ以上の高い場所で溶接する時もある。
【０００３】
これらの溶接作業を実施するためには、少なくとも溶接電源と、継手部材，溶接トーチとの間に給電ケーブルを各々接続して給電できる状態にすると共に、所望の溶接電流及びその溶接電流に適したアーク電圧を出力できるようにする必要がある。しかし、給電ケーブルの長さ変更をすると、ケーブル抵抗，リアクタが変化するために、初期設定の溶接条件のままでは、所望の溶接電流及びアーク電圧が出力できず、アーク溶接に悪影響を及ぼす結果になる。また、ワイヤ溶融式のパルス溶接電源を用いてパルスアーク溶接を実施する場合には、給電ケーブルの長さ変更によって、所望の溶接電流及びアーク電圧が出力できないばかりでなく、所望の高いパルス電流及びそのパルス電流に適したパルスアーク電圧が出力できない状態に至る。このため、給電ケーブルの長さ変更をして溶接する場合には、その都度、変更した給電ケーブル長さに合った溶接条件出しの実験が必要となり、溶接電流の大きさに適したアーク溶接電圧，適正なパルス溶接条件などを再度確立しなければならない。さらに、給電ケーブルが過剰に長過ぎる場合には、ケーブル抵抗の増大によって溶接電源の出力能力を超えてしまい、所望のアーク溶接ができない状態に至り、無茶をすると溶接電源を破損させることも有り得る。
【０００４】
給電ケーブルの長さ変更をなくす１つの方法として、例えば、溶接すべき継手部材の近くに溶接電源及び溶接装置を運搬移設することが考えられる。しかし、クレーン作業による装置移設を必要とするばかりでなく、装置の移設場所や溶接作業範囲に限界がある。また、給電ケーブルを最長にした状態にしておくと、溶接電源及び溶接装置の近くで溶接作業が必要な時に、最長の給電ケーブルが厄介物となって整理整頓の障害になるばかりでなく、その給電ケーブルの置き方，巻き方の状態変化によってリアクタが変化し、アーク溶接の結果に悪影響を及ぼす可能性がある。
【０００５】
さらに、溶接を自動化するためには、例えば、開先形状寸法や溶接線の位置を検出する視覚センサによる検出情報に基づいて、溶接条件パラメータの適応制御，溶接トーチ位置の修正制御を行う必要がある。
【０００６】
従来技術として、例えば、特許文献１には、負荷回路のインダクタンスＬ２の電気的特性値を演算する演算器を設け、その演算器の出力に基づいて制御回路の動作状態を切り換える制御手段を設けることが開示されている。しかし、この溶接用電源装置では、長さ変更した給電ケーブルを流れる電流で消費するケーブル電圧が考慮されていないために、ケーブル長さが数倍変化するような長い給電ケーブルの交換には、対応することが困難と考えられる。また、パルス電流の出力波形信号などは詳細に記載されているが、給電ケーブルの長さ変更に伴う溶接作業で必要な所望の平均溶接電流及びその平均溶接電流の大きさに適した平均アーク電圧，溶接電源に設定すべき平均溶接電圧については記載されていない。
【０００７】
また、特許文献２には、１００Ｖ以上の直流電圧を出力する電源ユニットと溶接制御ユニットとを分割し、その電源ユニットの出力端子と溶接制御ユニットの入力端子との間に任意長さの給電ケーブルを接続することが開示されている。本アーク溶接用電源では、給電ケーブルの小径化や長さ変更を容易にすることや、電源ユニットから離れた場所にある継手部材の近くに溶接制御ユニットを簡単に移動するのに有効と考えられる。しかし、溶接回路内に接続されている給電ケーブルを流れる電流で消費するケーブル電圧，リアクタで消費するリアクタ電圧は、電源ユニット側が負担しており、これらの消費電圧を加算した溶接電圧を電源ユニット側に設定及び出力させる必要がある。給電ケーブルの長さ変更をすると、ケーブル抵抗，リアクタが変化するために、初期設定の溶接条件のままでは、所望の溶接電流及びアーク電圧が出力できず、アーク溶接に悪影響を及ぼす結果になる。パルスアーク溶接をする場合も、同様であり、長さや径を変更給電ケーブルに適したパルス溶接条件の設定が不可欠である。
【０００８】
一方、特許文献３は、非消耗性のタングステンを電極にするアーク溶接を用いており、溶接ワイヤを電極にするパルスアーク溶接やアーク溶接ではなかった。また、給電ケーブルの長さ変更を想定していなかった。このため、特許文献３の多層盛溶接の制御方法及び多層盛溶接装置では、溶接ワイヤを電極にするパルスアーク溶接やアーク溶接で必要な視覚センサによる検出情報に基づく溶接条件パラメータの適応制御が困難であり、また、給電ケーブルの長さ変更に適したパルス溶接の条件設定に対応することが困難であった。
【０００９】
【特許文献１】
特開平８−１０３８６８号公報（要約，特許請求の範囲）
【特許文献２】
特開平９−２７１９４０号公報（要約，特許請求の範囲）
【特許文献３】
特開平１０−２１６９４０号公報（要約，特許請求の範囲）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、溶接ワイヤを電極にするアーク溶接で使用する給電ケーブルの長さ変更に適した所望の平均溶接電流，適正な平均溶接電圧，パルス電圧，パルス電流を出力させて良好に溶接するに好適な溶接方法及び溶接装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、溶接すべき継手部材の大きさ，設置場所，作業場所及び溶接箇所の相違によって前記継手部材と溶接装置との距離が変化する溶接作業を対象に、溶接ワイヤを電極にするアーク溶接で用いる定電圧制御方式のパルス溶接電源と、継手部材，溶接台車に搭載された溶接トーチとの間に各々接続する給電ケーブルの往復長さを変更して前記継手部材を溶接する溶接方法において、所望の平均溶接電流の大きさに適した平均アーク電圧と、変更した給電ケーブルの往復長さを流れる前記平均溶接電流で消費する第１のケーブル電圧の予測値と、溶接回路内のリアクタで消費する第１のリアクタ電圧とを予め加算した平均溶接電圧を前記定電圧制御方式のパルス溶接電源に設定して溶接する溶接方法を提案する。
【００１２】
また、本発明は、上記目的を達成するために、溶接すべき継手部材の大きさ，設置場所，作業場所及び溶接箇所の相違によって前記継手部材と溶接装置との距離が変化する溶接作業を対象に、溶接ワイヤを電極にするアーク溶接で用いる定電圧制御方式のパルス溶接電源と、継手部材，溶接台車に搭載された溶接トーチとの間に各々接続する給電ケーブルの往復長さを変更して前記継手部材を溶接する溶接方法において、所望のパルス電流の出力に必要なパルスアーク電圧と、変更した給電ケーブルの往復長さを流れるパルス電流で消費する第２のケーブル電圧と、溶接回路内のリアクタで消費する第２のリアクタ電圧とを予め加算したパルス電圧またはそのパルス電圧及びパルス時間を前記定電圧制御方式のパルス溶接電源に設定し、所望の平均溶接電流の大きさに適した平均アーク電圧と、変更した給電ケーブルの往復長さを流れる平均溶接電流で消費する第１のケーブル電圧の予測値と、溶接回路内のリアクタで消費する第１のリアクタ電圧とを予め加算した平均溶接電圧を設定して溶接する溶接方法を提案する。
【００１３】
特に、前記定電圧制御方式のパルス溶接電源は、給電ケーブルを最長にした溶接時に必要となる高い負荷電圧、所望のパルス電流が出力可能なパルス電圧及びパルス時間の調整と、所望の平均溶接電圧，平均溶接電流またはワイヤ送り速度に連動した平均溶接電流の調整とが可能なパルス溶接電源とし、溶接を実行する時には、所望のパルス電流の出力に必要なパルスアーク電圧と、変更した給電ケーブルの往復長さを流れるパルス電流で消費する第２のケーブル電圧と、溶接回路内のリアクタで消費する第２のリアクタ電圧とを予め加算したパルス電圧またはそのパルス電圧及びパルス時間を設定し、所望のパルス電流，パルスアーク電圧を出力させ、所望の平均溶接電流の大きさに適した平均アーク電圧と、変更した給電ケーブルの往復長さを流れる前記平均溶接電流で消費する第１のケーブル電圧の予測値と、溶接回路内のリアクタで消費する第１のリアクタ電圧とを予め加算した平均溶接電圧を設定し、前記平均アーク電圧をアーク溶接部分で出力させるとよい。
【００１４】
また、少なくとも給電ケーブルの往復長さ別に予め定めた複数のパルス電圧またはそのパルス電圧及びパルス時間と、平均溶接電圧を算出する電圧算出式とを条件テーブルに設け、溶接を実行する時には、給電ケーブル長さの選択で予め決定したパルス電圧またはそのパルス電圧及びパルス時間を前記定電圧制御方式のパルス溶接電源に設定し、所望のパルス電流，パルスアーク電圧を出力させ、増減制御する平均溶接電流の大きさに適した平均アーク電圧と、変更した給電ケーブルの往復長さを流れる前記平均溶接電流で消費する第１のケーブル電圧の予測値と、溶接回路内のリアクタで消費する第１のリアクタ電圧とを予め加算した平均溶接電圧を設定し、前記平均アーク電圧をアーク溶接部分で出力させるとよい。
【００１５】
また、変更した給電ケーブルの往復長さを流れる所望のパルス電流で消費する第２のケーブル電圧と、リアクタで消費する第２のリアクタ電圧とを補充可能なパルス電圧またはそのパルス電圧及びパルス時間を設定し、また、溶接中に増減制御する前記平均溶接電流で消費する第１のケーブル電圧と、リアクタで消費する第１のリアクタ電圧とを補充可能な平均溶接電圧を設定し、少なくとも高電流の１パルスで１溶滴が低電流のベース時間中に移行可能なパルス電流，パルスアーク電圧を出力させ、ワイヤ溶滴の移行時に短絡移行が生じない程度のアーク長を保持し得る平均アーク電圧を出力させて溶接するとよい。
【００１６】
パルス電流と異なる直流電流を出力する直流溶接電源を用いる場合には、給電ケーブルを最長にした溶接時に必要となる高い負荷電圧及び定格電流が出力可能であると共に、所望の平均溶接電圧，平均溶接電流またはワイヤ送り速度に連動した平均溶接電流の調整が可能な直流溶接電源とし、溶接を実行する時には、所望の平均溶接電流の大きさに適した平均アーク電圧と、変更した給電ケーブルの往復長さを流れる前記平均溶接電流で消費する第１のケーブル電圧の予測値と、溶接回路内のリアクタで消費する第１のリアクタ電圧とを予め加算した平均溶接電圧を設定し、前記平均アーク電圧をアーク溶接部分で出力させるとすることもできる。
【００１７】
前記ケーブル電圧の予測値は、少なくとも使用する給電ケーブルの単位長さ当りの抵抗または給電ケーブルの断面積に関係する単位長さ当りの抵抗と、その往復長さと、所望の電流との関係式で算出するとよい。
【００１８】
また、開先部のギャップ，開先面積，開先肩幅，左右上下方向の開先中心ずれをリアルタイムで検出する視覚センサ及び画像処理装置を設け、溶接を実行する時には、ギャップ幅または開先肩幅または開先面積と開先肩幅の大きさ対応した平均溶接電流、その平均溶接電流に適した平均溶接電圧とワイヤ送り速度，溶接速度，ウィービング幅などの溶接条件パラメータを各々算出して増減制御し、溶接線左右及び上下の位置ずれをなくす方向にトーチ位置を修正制御するとよい。
【００１９】
また、本発明は、上記目的を達成するために、溶接すべき継手部材の大きさ，設置場所，作業場所及び溶接箇所の相違によって前記継手部材と溶接装置との距離が変化する溶接作業を対象に、溶接ワイヤを電極にするアーク溶接で用いる定電圧制御方式のパルス溶接電源と、継手部材，溶接台車に搭載された溶接トーチとの間に各々接続する給電ケーブルの往復長さを変更して前記継手部材を溶接する溶接装置において、変更した給電ケーブルの往復長さに対応したパルス電圧またはそのパルス電圧及びパルス時間を前記定電圧制御方式のパルス溶接電源に設定するパルス電圧設定手段と、平均溶接電流の大きさに適した平均アーク電圧，変更した給電ケーブルの往復長さを流れる前記平均溶接電流で消費する第１のケーブル電圧，リアクタで消費する第１のリアクタ電圧を予め加算した平均溶接電圧を算出する平均溶接電圧算出手段とを備えた溶接装置を提案する。
【００２０】
特に、溶接トーチを左右上下方向に移動及び溶接線方向に移動可能な駆動機構、ワイヤ送り機構を搭載した溶接台車を制御する台車制御手段と、定電圧制御方式のパルス溶接電源を制御する電源制御手段と、パルス溶接電源及び溶接装置から溶接対象の継手部材までの距離に応じて延長する複数の給電ケーブルと、同様に延長する制御ケーブルやガスホース類などを収納した予備の配線ケーブルと、給電ケーブルの往復長さに対応したパルス電圧またはそのパルス電圧及びパルス時間を設定するパルス電圧設定手段と、平均溶接電流の大きさに適した平均アーク電圧，変更した給電ケーブルの往復長さで消費する第１のケーブル電圧，リアクタで消費する第１のリアクタ電圧を予め加算した平均溶接電圧を算出する平均溶接電圧算出手段とを備えるとよい。
【００２１】
また、溶接トーチを左右上下方向に移動及び溶接線方向に移動可能な駆動機構、ワイヤ送り機構を搭載した溶接台車を制御する台車制御手段と、定電圧制御方式のパルス溶接電源を制御する電源制御手段と、パルス溶接電源及び溶接装置から溶接対象の継手部材までの距離に応じて延長する複数の給電ケーブルと、同様に延長する制御ケーブルやガスホース類などを収納した予備の配線ケーブルと、給電ケーブルの往復長さに対応したパルス電圧またはそのパルス電圧及びパルス時間を設定するパルス電圧設定手段と、平均溶接電流の大きさに適した平均アーク電圧，変更した給電ケーブルの往復長さで消費する第１のケーブル電圧，リアクタで消費する第１のリアクタ電圧を予め加算した平均溶接電圧を算出する平均溶接電圧算出手段と、平均溶接電流、その平均溶接電流に適した平均溶接電圧とワイヤ送り速度，溶接速度，ウィービング幅などの溶接条件パラメータの増減制御，溶接トーチ位置の修正制御に使用する開先部のギャップ，開先面積，開先肩幅，左右上下方向の開先中心ずれを検出する視覚センサ及び画像処理装置とを備えるとすることもできる。
【００２２】
すなわち、本発明の溶接方法では、所望の平均溶接電流の大きさに適した平均アーク電圧と、変更した給電ケーブルの往復長さを流れる前記平均溶接電流で消費する第１のケーブル電圧の予測値と、溶接回路内のリアクタで消費する第１のリアクタ電圧とを予め加算した平均溶接電圧を定電圧制御方式のパルス溶接電源に設定して溶接すると、溶接すべき継手部材の大きさ，設置場所，作業場所及び溶接箇所の相違によって給電ケーブルの長さ変更が必要な場合でも、給電ケーブルの長さ変更で変化するケーブル電圧，リアクタで消費するリアクタ電圧を補充でき、平均溶接電流の大きさに適した所望の平均アーク電圧をアーク溶接部分で確実に出力でき、過剰なアーク電圧や電流の低下または上昇によって発生するアーク切れ，スパッタの多発，溶滴移行の乱れ，アーク溶接の乱れ，溶接ビードの悪化を防止することができる。
【００２３】
また、所望のパルス電流の出力に必要なパルスアーク電圧と、変更した給電ケーブルの往復長さを流れるパルス電流で消費する第２のケーブル電圧と、溶接回路内のリアクタで消費する第２のリアクタ電圧とを予め加算したパルス電圧またはそのパルス電圧及びパルス時間を定電圧制御方式のパルス溶接電源に設定して溶接すると、給電ケーブルの長さ変更で変化するケーブル電圧，リアクタで消費するリアクタ電圧を補充でき、所望のパルス電流，パルスアーク電圧をアーク溶接部分で出力させることができる。
【００２４】
前記定電圧制御方式のパルス溶接電源は、給電ケーブルを最長にした溶接時に必要となる高い負荷電圧，所望のパルス電流が出力可能なパルス電圧及びパルス時間の調整と、所望の平均溶接電圧，平均溶接電流またはワイヤ送り速度に連動した平均溶接電流の調整とが可能なパルス溶接電源にすると、給電ケーブルの長さを短くまたは長くした場合でも、変更した給電ケーブルの往復長さに対応した所望のパルス電圧，パルス時間，平均溶接電圧，平均溶接電流をそれぞれ正確に設定することができる。また、同時に高電流の１パルスで１溶滴が低電流のベース時間中に移行でき、小電流（平均）領域から大電流領域まで、スパッタの発生がなく、融合不良やアンダーカットなど欠陥のない良好な溶接結果を得ることができる。また、溶接中にアーク長の変化を抑制する方向に自己制御作用（電流増減によるアーク長回復作用）が働くため、溶接トーチ高さやワイヤ送り速度の微小変動によって変化したアーク長を定常状態に回復することができる。
【００２５】
また、給電ケーブルの往復長さ別に予め定めた複数のパルス電圧またはそのパルス電圧及びパルス時間と、平均溶接電圧を算出する電圧算出式とを条件テーブルに設けると、操作画面から給電ケーブル長さを選択するだけで、所定のパルス電圧，パルス時間，平均溶接電圧を定電圧制御方式のパルス溶接電源へ自動設定でき、給電ケーブルの長さ変更で必要な適正条件出しの溶接実験や面倒な計算が省略でき、使い勝手を高めることができる。
【００２６】
一方、パルス溶接電源と異なる直流溶接電源を用いる場合には、給電ケーブルを最長にした溶接時に必要となる高い負荷電圧及び定格電流が出力可能であると共に、所望の平均溶接電圧，平均溶接電流またはワイヤ送り速度に連動した平均溶接電流の調整が可能な直流溶接電源にするとよい。パルス溶接電源と比べると、スパッタの発生が多いが、直流溶接電源に使用する変圧器の定格容量を抑制することができ、制御回路も簡素で低コストである。また、所望の平均溶接電流の大きさに適した平均アーク電圧と、変更した給電ケーブルの往復長さを流れる前記平均溶接電流で消費する第１のケーブル電圧の予測値と、溶接回路内のリアクタで消費する第１のリアクタ電圧とを予め加算した平均溶接電圧を前記直流溶接電源に設定して溶接すると、パルス溶接の時とほぼ同様に、給電ケーブルの長さ変更をした場合でも、給電ケーブルの往復長さを流れる平均溶接電流で変化するケーブル電圧，リアクタで消費するリアクタ電圧が補充可能になり、平均溶接電流の大きさに対応した所望の平均アーク電圧をアーク溶接部分で確実に出力でき、アーク溶接の乱れや溶接ビードの悪化を防止することができる。
【００２７】
ケーブル電圧の予測値は、少なくとも使用する給電ケーブルの単位長さ当りの抵抗または給電ケーブルの断面積に関係する単位長さ当りの抵抗と、その往復長さと、所望の電流との関係式で算出すると、変更した給電ケーブルの往復長さで消費するケーブル電圧を正確に求めることができる。
【００２８】
さらに、開先部のギャップ，開先面積，開先肩幅，左右上下方向の開先中心ずれをリアルタイムで検出する視覚センサ及び画像処理装置を設けると、溶接制御で必要な検出情報をリアルタイムで得ることができる。また、その検出情報に基づいて、ギャップ幅または開先肩幅または開先面積と開先肩幅の大きさ対応した平均溶接電流，その平均溶接電流に適した平均溶接電圧とワイヤ送り速度，溶接速度，ウィービング幅などの溶接条件パラメータを各々算出して増減制御し、溶接線左右及び上下の位置ずれをなくす方向にトーチ位置を修正制御すると、ギャップや開先面積が変化，溶接線の曲がりやずれがある開先継手であっても、溶接条件パラメータの増減制御，トーチ位置の修正制御によって対応でき、良好な溶け込み形状の溶接結果を得ることができ、溶接を自動化することができる。
【００２９】
また、本発明の溶接装置では、変更した給電ケーブルの往復長さに対応したパルス電圧またはそのパルス電圧及びパルス時間を前記定電圧制御方式のパルス溶接電源に設定するパルス電圧設定手段と、所望の平均溶接電流の大きさに対応した平均アーク電圧と変更した給電ケーブルの往復長さを流れる前記平均溶接電流で消費する第１のケーブル電圧の予測値と溶接回路内のリアクタで消費する第１のリアクタ電圧とを予め加算した平均溶接電圧を算出する平均溶接電圧算出手段とを備えているので、溶接すべき継手部材の大きさ，設置場所，作業場所及び溶接箇所の相違によって給電ケーブルの長さ変更をした場合でも、溶接時に変化するケーブル電圧，リアクタで消費するリアクタ電圧を補充可能になり、所望のパルス電流，パルスアーク電圧，平均アーク電圧をアーク溶接部分で確実に出力することができ、小電流（平均）領域から大電流領域まで、スパッタの発生がなく、融合不良やアンダーカットなど欠陥のない良好な溶接結果を得ることができる。
【００３０】
また、溶接装置及びパルス溶接電源から溶接対象の継手部材までの距離に応じて延長する複数の給電ケーブル，配線ケーブルを備えているので、広い工場内のあちらこちらに配置された幾つかの継手部材を順次に溶接する場合、または工場外の現地で複数の継手部材を順次に組立溶接する場合でも、溶接装置及びパルス溶接電源を所定の場所に設置したままの状態で、給電ケーブル，配線ケーブルを継手部材及び溶接台車まで簡単に延長または短縮することができ、クレーン作業による装置移設を省略し、溶接台車の取り付けや装置立上げの時間を短縮することができる。
【００３１】
さらに、溶接条件パラメータの増減制御，溶接トーチ位置の修正制御に使用する開先部のギャップ，開先面積，開先肩幅，左右上下方向の開先中心ずれを検出する視覚センサ１２及び画像処理装置とを備えることにより、ギャップや開先面積が変化，溶接線の曲がりやずれがある開先継手であっても、溶接パス毎にリアルタイムで検出する適正な検出情報に基づいて、溶接条件パラメータの増減制御及びトーチ位置の修正制御を実行することができ、溶接の自動化による合理化，工数低減を図ることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の溶接方法及び溶接装置について好ましい実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明による溶接方法を採用した自動溶接装置の一実施形態の構成を示す斜視図である。溶接すべき一対の継手部材を突合わせた溶接ワーク１ａ，１ｂは、一組の溶接制御装置１１及びパルス溶接電源１０の近くに配置されており、その溶接ワーク１ｂの長手方向に設置されたガイドレール９ａ上を溶接台車３が走行する。また、前記溶接ワーク１ａ，１ｂと開先形状が同様または異なる別の継手部材の溶接ワーク１ｃ，１ｄは、前記溶接制御装置１１及びパルス溶接電源１０から遠く離れた別の場所に配置されている。溶接台車３には、溶接ワイヤ１８を電極にするアーク溶接で用いる溶接トーチ４と、その溶接トーチ４を左右・上下方向に移動可能な駆動機構と、ワイヤ送り機構と、開先継手部のギャップ，開先面積，開先肩幅，深さ，左右上下方向の開先中心ずれを検出する視覚センサ１２及び画像処理装置とを搭載している。
【００３３】
給電ケーブル５ａ，６ａは、アーク溶接部分に給電するため、パルス溶接電源１０と、継手部材の溶接ワーク２ａ，溶接台車３に搭載された溶接トーチ４とにそれぞれ接続しており、最小長さ（例えば１５ｍ×２本＝３０ｍ）の給電ケーブルを使用している。また、溶接台車３と溶接制御装置１１の間を結ぶ配線ケーブル７ａは、溶接台車３を駆動する制御ケーブル，溶接トーチ４にシールドガスや冷却水を供給するガスホースや水ホース，視覚センサ１２を駆動する制御ケーブルなどを収納したケーブルである。操作ペンダント８は、溶接台車３や溶接トーチ４の移動操作、溶接条件パラメータの設定や修正の操作に用い、溶接前に溶接トーチ４を開始点へ移動させてトーチ（ワイヤ）位置決めし、溶接開始，溶接中に不具合が生じた時にトーチ位置や溶接条件の割込み修正，溶接停止などができるようにしている。溶接制御装置１１は、自動溶接を実行する時に溶接台車３の駆動を制御し、パルス溶接電源１０の出力を制御し、視覚センサ１２と一対の画像処理装置に指令して検出データを情報処理し、溶接トーチ４位置や溶接条件パラメータを制御し、溶接の開始から終了に至る一連の動作及び構成機器を統括管理するものである。また、この溶接制御装置１１には、アーク溶接部分で所望のパルス電流，パルスアーク電圧，平均溶接電流，平均アーク電圧を出力させるために、給電ケーブルの往復長さの違いによって消費するケーブル電圧の変化，溶接回路内のリアクタで消費するリアクタ電圧の変化を補充可能なパルス電圧，パルス時間，平均溶接電圧を設定する機能を具備している。
【００３４】
一方、溶接制御装置１１及びパルス溶接電源１０から遠く離れた別の場所に配置された溶接ワーク１ｃ，１ｄを溶接する場合には、パルス溶接電源１０と溶接ワーク１ｃ及び溶接台車３（溶接トーチ４）の間を点線で示したように複数の給電ケーブル５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂをそれぞれジョイント１３で結んで延長接続（例えば往復長さ：１５ｍ×８本＝１２０ｍ）している。同時に、溶接台車３と溶接制御装置１１の間を結ぶ配線ケーブル７ａ，７ｂも配線コネクタ１４を介して延長接続している。なお、溶接台車３が２台ある場合は、次に溶接すべき継手部材の溶接ワーク１ｄ上に設置されたガイドレール９ｂに２台目の溶接台車３を予め取り付けでき、溶接前の段取り作業を高めることができる。溶接台車３が１台の場合には、溶接ワーク１ａ，１ｂの溶接作業が終了した後に、ガイドレール９ａから取り外して、別の溶接ワーク１ｃ，１ｄ及びガイドレール９ｂまで搬送して取り付け、給電ケーブル５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ、配線ケーブル７ａ，７ｂをそれぞれ延長して接続すればよい。図中の給電ケーブル５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂは、単線ケーブルを接続して用いているが、極性の異なるケーブル２本を一体形成してリアクタを減少させた同軸ケーブルを用いてもよい。
【００３５】
パルス溶接電源１０は、給電ケーブルを最長（例えば往復長さが１５０ｍ）にした溶接時に必要となる高い負荷電圧（例えば６４〜７４Ｖ程度）、所望のパルス電流（例えば５００〜６００Ａ程度）が出力可能なパルス電圧及びパルス時間の調整と、所望の平均溶接電圧，平均溶接電流（１００〜４００Ａ）またはワイヤ送り速度に連動した平均溶接電流の調整とが可能な定電圧制御方式のパルス溶接電源である。ガスボンベ１５から供給するシールドガスは、配線ケーブル７ａ内に収納しているガスホースを経て溶接トーチ４先端に流出してアーク溶接部分を大気から保護する。ガスボンベ１５は、鋼材溶接の場合、Ａｒガスを主成分とする１０〜３０％程度のＣＯ2 ガス入りの混合ガスボンベである。Ａｒ＋ＣＯ2 混合ガスの代わりに、例えば数％のＯ2 を加えたＡｒ＋ＣＯ2＋Ｏ2の混合ガスやＡｒ＋Ｏ2 の混合ガスを使用することも可能である。冷却水循環ポンプ１６から供給する冷却水は、配線ケーブル７ａ内に収納している水ホースを経て溶接トーチ内を循環冷却する。
【００３６】
図２は、本発明の溶接装置に採用した定電圧制御方式のパルス溶接電源に関する電源回路の一実施形態を示す構成図である。インバータ回路４１は、一次側端子から供給される商用交流電源を整流器４０で変換した直流を高周波交流に再変換し、その高周波交流の電圧レベルを可変決定する変圧器４２を制御する。整流器４３は、変圧器４２の出力を再度直流に変換し、スイッチング素子４４，リアクタ４５を経由して、直流パルス溶接で必要な所望の電圧及び電流を二次側端子に出力する。この定電圧制御方式のパルス溶接電源１０は、給電ケーブルを最長（例えば１５０ｍ）にした溶接時に必要となる高い負荷電圧（例えば６４〜７４Ｖ程度）を有し、所望のパルス電流（例えば５００〜６００Ａ程度）が出力可能なパルス電圧Ｖｐ，パルス時間Ｔｐなどの設定、所望の平均溶接電圧Ｅ，ワイヤ送り速度Ｗｆに連動した平均溶接電流（例えば１００〜４００Ａ）の設定を可能にしている。パルス電圧波形設定器４８は、所望のパルス電圧Ｖｐ，ベース電圧Ｖｂ，平均溶接電圧Ｅを設定するものであり、演算器４７に接続され、制御器４６を経由して、インバータ回路４２やスイッチング素子４４に伝達し、パルス溶接電源１０の二次側端子に出力される。また、パルス時間設定器４９は、パルス時間Ｔｐ，ベース時間Ｔｂ，パルス波形の周波数ｆを設定するものであり、演算器４７に接続されている。電流検出器５０ｂは、検出素子５０ａと一対で、出力中のパルス電流や平均溶接電流を検出し、パルス時間設定器４９に接続されており、必要に応じてベース時間Ｔｂの増減による電流調整を可能にしている。溶接電圧設定器５２は、パルス溶接電源１０から出力すべき平均溶接電圧Ｅを設定するものであり、パルス電圧波形設定器４８とパルス時間設定器４９とに接続されている。溶接電流設定器５３は、所望の平均溶接電流Ｉａ，ワイヤ送り速度Ｗｆを設定するものであり、パルス電圧波形設定器４８とパルス時間設定器４９，ワイヤ送りモータＭを駆動するワイヤ送り設定器５４にそれぞれ接続されている。
【００３７】
また、電源制御部６２は、定電圧制御方式のパルス溶接電源１０を外部から遠隔制御するものであり、給電ケーブル５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂの往復長さ（最短で３０ｍ，最長で１５０ｍ）に対応したパルス電圧Ｖｐ，パルス時間Ｔｐなどを設定するパルス電圧波形設定器５７と、アーク溶接部分で出力すべき平均アーク電圧Ｖａに必要な平均溶接電圧Ｅを設定する溶接電圧設定器５５と、所望の平均溶接電流Ｉａを設定する溶接電流設定器５６とに連結され、溶接制御装置１１の内部に装備し、パルス溶接電源側１０の配線に各々接続されている。省略しているが、溶接制御装置１１の内部には、溶接台車３を駆動する各軸駆動装置，視覚センサ１２に接続しているセンサ制御器及び画像処理装置，溶接条件パラメータの適応制御や溶接トーチ位置の修正制御を演算する演算制御部，溶接データファイル，給電ケーブルの長さ別に定めたパルス条件選択テーブル，構成機器を統括制御及び管理する溶接運転プログラムなどを備えている。
【００３８】
平均溶接電圧Ｅは、所望の平均溶接電流Ｉａの大きさに適した平均アーク電圧Ｖａと、変更した給電ケーブルの往復長さＸＬ(最短で３０ｍ，最長で１５０ｍ)を流れる平均溶接電流Ｉａで消費するケーブル電圧の予測値Ｖｋ１と、リアクタで消費するリアクタ電圧ＶＬ１とを予め加算した値を設定するようにしている。アーク電圧検出器６３は、アーク２０溶接部分における平均アーク電圧Ｖａを検出するものであり、溶接電圧設定器５５に接続され、この検出電圧と指示電圧との偏差をなくすように平均溶接電圧Ｅの指令値を補正可能にしている。また、定電圧制御方式のパルス溶接電源１０に設定するパルス電圧Ｖｐは、所望のパルス電流Ｉｐの出力に必要なパルスアーク電圧Ｖｐａと、給電ケーブルの往復長さを流れるパルス電流Ｉｐで消費する第２のケーブル電圧Ｖｋ２と、リアクタで消費する第２のリアクタ電圧ＶＬ２とを予め加算したパルス電圧Ｖｐまたはそのパルス電圧Ｖｐ及びパルス時間Ｔｐである。
【００３９】
このように構成して溶接すると、溶接すべき継手部材の大きさ，設置場所，作業場所及び溶接箇所の相違によって給電ケーブルの長さ変更をした場合でも、溶接時に変化するケーブル電圧，リアクタで消費するリアクタ電圧が補充可能になり、所望のパルス電流，パルスアーク電圧，平均アーク電圧をアーク溶接部分で確実に出力することができる。また、高電流の１パルスで１溶滴が低電流のベース時間中に移行でき、小電流（平均）領域から大電流領域の溶接まで、スパッタの発生がなく、融合不良やアンダーカットなど欠陥のない良好な溶接結果を得ることができる。また、定電圧制御方式のパルス溶接電源では、溶接中にアーク長の変化を抑制する方向に自己制御作用（電流増減によるアーク長回復作用）が働くため、溶接トーチ高さやワイヤ送り速度の微小変動によって変化したアーク長を定常状態に回復することが可能である。
【００４０】
図３は、図２に示した電源主要回路より給電される溶接回路の等価回路を示す一実施形態であり、Ｒ３０〜Ｒ１５０は５種類に区分けした給電ケーブル長さ(最短で３０ｍ，最長で１５０ｍ)に該当する各ケーブル抵抗、Ｌ３０〜Ｌ１５０はケーブルのリアクタ、Ｌは電源内のリアクタ、Ｓはスイッチング素子、Ｅ，Ｖｐ，Ｖｂは、パルス溶接電源より出力する平均電圧，パルス電圧、ベース電圧であり、Ｉａ，Ｉｐ，Ｉｂは回路を流れる平均電流，パルス電流，ベース電流である。また、Ｖｅは電源出力部の検出電圧、Ｖａは溶接トーチと継手部材間の検出電圧であり、アーク２０溶接部分で生じるアーク電圧とワイヤ突出し部で消費するワイヤ電圧とを含んだ電圧である。上記の等価回路でケーブル抵抗Ｒ３０（給電ケーブルの往復長さ：３０ｍ）を実線のように接続した時の回路方程式は、概略下記の（１）（２）式で示される。Ｔｐはパルス時間、Ｔｂはベース時間である。また、高いパルス電流Ｉｐを供給するのに必要な合計のパルス電圧Ｖｐは、（３）式で示される。Ｖｐａは、ワイヤ突出しを含むアーク２０溶接部分で生じるパルスアーク電圧である。
【００４１】
交換する給電ケーブルの往復長さＸＬが長く（最長で１５０ｍ）なると、点線のようにケーブル抵抗（Ｒ１５０）の増加，リアクタ（Ｌ＋Ｌ１５０）の増加によって、パルス電流Ｉｐ，平均電流Ｉａ，平均アーク電圧Ｖａが減少するために、アーク溶接状態を悪化させることになる。したがって、アーク溶接状態を良好に保持するためには、所望のパルス電流Ｉｐ，平均電流Ｉａ，平均アーク電圧Ｖａを確保する必要があり、給電ケーブルの長さ変更（最短で３０ｍ，最長で１５０ｍ）で消費するケーブル電圧Ｖｋの予測値と、リアクタで消費するリアクタ電圧ＶＬの予測値とを予め加算したパルス電圧Ｖｐ，平均溶接電圧Ｅをパルス溶接電源より出力させる必要がある。
【００４２】
図４は、本発明の溶接方法において、溶滴の安定移行及びスパッタの発生防止を図るためのパルスアーク溶接の電圧・電流波形及びワイヤ先端の溶滴移行の概要を示す説明図である。横軸の時間ｔ（ｍｓ）に対する縦軸には、ワイヤ送り速度Ｗｆ，電源出力の電圧波形，アーク溶接部分のアーク電圧の波形，パルス電流とベース電流の波形、ワイヤ溶滴の形成と移行の概要を示している。パルス溶接電源１０より高いパルス電圧Ｖｐ・電流Ｉｐと低いベース電圧Ｖｂ・電流Ｉｂを交互に出力させる。または直流の低いベース電圧Ｖｂ・電流Ｉｂに高電流のパルス電圧Ｖｐ・電流Ｉｐのパルス波形を重畳して出力させてもよい。
【００４３】
このパルス電圧Ｖｐ・電流Ｉｐの時間Ｔｐ中に、溶融させたワイヤ１８先端に溶滴１９を形成させ、パルス時間Ｔｐ終了後のベース時間Ｔｂ前半に、ワイヤ溶滴１９を母材１ａ，１ｂ側の溶融プール２１へ離脱移行させる１パルスで１溶滴移行が可能な適正パルス溶接波形を出力させている。例えば、鋼材用の１.２mm 径のソリッドワイヤを使用する場合、パルス電流Ｉｐを高めの６００Ａ程度、そのパルス時間Ｔｐを１.５〜２.０ｍｓの範囲に設定してパルス溶接すると、高電流の１パルスで１溶滴を低電流のベース時間前半に移行させることができ、同時に、高いパルス電流によるアーク力によって溶け込み深さを増加することもできる。平均溶接電流Ｉａは、ベース時間Ｔｂの増減制御によって増減でき、また、ワイヤ送り速度Ｗｆも同期させて増減するようにしている。
【００４４】
ここでは、所望のパルス電流Ｉｐ、平均溶接電流Ｉａを確保するために、特に、給電ケーブルの往復長さを流れるパルス電流Ｉｐで消費する第２のケーブル電圧Ｖｋ２と、リアクタで消費する第２のリアクタ電圧ＶＬ２との予測値を予め加算したパルス電圧Ｖｐをパルス溶接電源１０より出力させている。リアクタ電圧ＶＬ２は、主にパルス電流波形の立上り立下りを緩やかにする方向に働く。また、アーク溶接部分で必要な平均アーク電圧Ｖａを確保するために、平均溶接電流Ｉａで消費する第１のケーブル電圧Ｖｋ１の予測値と、リアクタで消費する第１のリアクタ電圧ＶＬ１の予測値とを加算した平均溶接電圧Ｅを出力させている。平均アーク電圧Ｖａは、ワイヤ溶滴１９の移行時に短絡移行が生じない程度のアーク長が保持可能な適正アーク電圧である。
【００４５】
このように、給電ケーブルの長さ変更をした場合でも、適正なパルス電流Ｉｐとパルス時間Ｔｐ、平均溶接電流Ｉａの大きさに適した平均アーク電圧Ｖａを出力させて溶接すると、高電流の１パルスで１溶滴が低電流のベース時間中に移行でき、小電流（平均）領域から大電流領域の溶接まで、スパッタの発生がなく、融合不良やアンダーカットなど欠陥のない良好な溶接結果を得ることができる。
【００４６】
図５は、給電ケーブルの断面Ｂと単位長さ当りのケーブル抵抗Ｒ１（Ω／ｍ）の関係を示す特性図であり、断面Ｂが小さくなるに従ってケーブル抵抗Ｒ１が大きくなる様子を示している。単位長さ当りのケーブル抵抗Ｒ１は、下記の（４）式で示される。Ｃ１，Ｃ２はケーブル定数である。
【００４７】
ケーブル抵抗：Ｒ１＝Ｃ１／ＢC2（Ω／ｍ） …（４）
図６は、断面が６０mm2 の給電ケーブル長さ（ＸＬ＝１０〜１５０ｍ）を変化させた時にアーク溶接部分で出力すべきパルスアーク電圧Ｖｐａと、給電ケーブルＸＬを流れる所望のパルス電流（例えばＩｐ＝６００Ａ）で消費するケーブル電圧Ｖｋ２と、リアクタで消費するリアクタ電圧ＶＬ２と、パルス溶接電源から給電が必要な合計のパルス電圧Ｖｐとの関係を示す特性図である。パルス電流６００Ａ（●印の線）の通電で消費すると予想されるケーブル電圧Ｖｋ２（△印の線）は、ケーブル長さＸＬとパルス電流Ｉｐの大きさに比例増加（Ｖｋ２＝Ｒ１・ＸＬ・Ｉｐ）する。例えば、ケーブル長さＸＬ＝３０ｍの場合で約Ｖｋ２＝５.６Ｖ，ＸＬ＝１５０ｍの場合で５倍の約Ｖｋ２＝２８Ｖにもなる。また、溶接回路内のリアクタで消費すると予想される平均的なリアクタ電圧ＶＬ２｛□印の線｝もある。この平均的なリアクタ電圧｛ＶＬ２＝（Ｌ＋ＬＲ）・ｄＩｐ／ｄｔ｝の値は、ケーブル電圧Ｖｋ２の値に比べると小さいが、ケーブル長さによってＬＲのリアクタ成分（インダクタンス成分）が変化し、無視することができない。単線ケーブルの代わりに同軸ケーブルを用いた場合、ＬＲのリアクタ成分を小さくすることが可能である。
【００４８】
パルス溶接電源より給電すべき合計のパルス電圧Ｖｐ（○印の線）は、下記の（５）式で示される。断面が８０mm2 で少し太い給電ケーブルまたは４０mm2 で細い給電ケーブルを使用する場合でも、（４）（５）式よりパルス電圧Ｖｐを算出することできる。また、ベース電流Ｉｂの出力に必要なベース電圧Ｖｂも同様な方法で算出可能である。なお、ベース電流Ｉｂは、パルス電流Ｉｐと比べて約１／８〜１／１０程度の低い値であり、ケーブル電圧，リアクタ電圧の変化によるベース電圧Ｖｂ及びベース電流Ｉｂの変化量（ΔＩｂ，ΔＶｂ）は小さい。
【００４９】
パルス電圧：Ｖｐ＝Ｖｐａ＋Ｖｋ２＋ＶＬ２ …（５）
このように、所望のパルスアーク電圧Ｖｐａと、給電ケーブルの往復長さＸＬを流れるパルス電流Ｉｐで生じるケーブル電圧Ｖｋ２と、リアクタ電圧ＶＬとを加算したパルス電圧Ｖｐを出力させて溶接すると、給電ケーブルの長さ変更をした場合でも、所望のパルス電流Ｉｐ及びパルスアーク電圧Ｖｐａをアーク溶接部分で出力でき、小電流（平均）領域から大電流領域の溶接まで、スパッタの発生がなく、融合不良やアンダーカットなど欠陥のない良好な溶接結果を得ることができる。
【００５０】
図７は、給電ケーブルの往復長さ（ＸＬ）を３０ｍ使用時と１５０ｍ使用時との溶接で必要な所望の平均溶接電流Ｉａ（パルス電流Ｉｐも同列記載）を変化させた時の適正な平均アーク電圧Ｖａと、ケーブル電圧Ｖｋ１と、リアクタ電圧Ｖｋ１と、溶接電源より出力すべき平均溶接電圧Ｅとの関係を示す一実施形態の特性図である。平均溶接電流Ｉａの大きさに適した平均アーク電圧Ｖａをアーク溶接部分で正確に出力するためには、ケーブルを流れるＩａで消費するケーブル電圧(Ｖｋ１＝Ｒ１・ＸＬ・Ｉａ)と、リアクタで消費するリアクタ電圧｛ＶＬ１＝（Ｌ＋ＬＲ）・ｄＩａ／ｄｔ｝とを加算した平均溶接電圧Ｅを溶接電源より出力する必要がある。溶接電源より出力すべき平均溶接電圧Ｅは、（１）式を変形した下記の（６）式で求められる。また、アーク溶接部分で確保すべき平均アーク電圧Ｖａは、アーク成分とワイヤ突出し成分との合計電圧であり、平均溶接電流Ｉａにほぼ比例増加し、（７）式で求められる。Ｃ３，Ｃ５はアーク電圧定数であり、ＷｘとＣ４はワイヤ突出し長さと、使用するワイヤ径や材質などで決まるワイヤ定数である。
【００５１】
平均溶接電圧：Ｅ＝Ｖａ＋Ｖｋ１＋ＶＬ１ …（６）
平均アーク電圧：Ｖａ＝（Ｃ３＋Ｃ４・Ｗｘ）・Ｉａ＋Ｃ５ …（７）
このように、平均溶接電流Ｉａの大きさに適した平均アーク電圧Ｖａと、給電ケーブルの往復長さを流れる平均溶接電流Ｉａで変化するケーブル電圧Ｖｋ１と、リアクタ電圧ＶＬ１とを加算した平均溶接電圧Ｖａを設定して溶接すると、給電ケーブルの長さ変更をした場合でも、溶接時に変化するケーブル電圧，リアクタで消費するリアクタ電圧が補充可能になり、平均溶接電流の大きさに適した所望の平均アーク電圧をアーク溶接部分で確実に出力でき、過剰なアーク電圧や電流の低下または上昇によって発生するアーク切れ，スパッタの多発，溶滴移行の乱れ，アーク溶接の乱れ，溶接ビードの悪化を防止することができる。
【００５２】
一方、パルス溶接電源と異なる直流溶接電源を用いる場合には、給電ケーブルを最長にした溶接時に必要となる高い負荷電圧及び定格電流が出力可能であると共に、所望の平均溶接電圧，平均溶接電流またはワイヤ送り速度に連動した平均溶接電流の調整が可能な直流溶接電源にすればよい。パルス溶接電源と比べると、スパッタの発生が多いが、直流溶接電源に使用する変圧器の定格容量を抑制することができ、制御回路も簡素で低コストである。また、上記の（６）式で算出する平均溶接電圧Ｖａ値を設定して溶接すると、パルス溶接時とほぼ同様に、給電ケーブルの長さ変更をした場合でも、溶接時に変化するケーブル電圧，リアクタ電圧が補充可能になり、平均溶接電流の大きさに対応した所望の平均アーク電圧をアーク溶接部分で確実に出力でき、アーク溶接の乱れや溶接ビードの悪化を防止することができる。
【００５３】
表１は、定電圧制御方式のパルス溶接電源によるパルス溶接で使用する給電ケーブル長さ別に定めた条件テーブルを示す一実施形態である。本条件テーブルには、５種類のケーブル長さＸＬに別に定めたパルス電圧Ｖｐ，パルス時間Ｔｐ，ベース電圧Ｖｂ，パルス電流Ｉｐ，平均溶接電圧Ｅ，平均アーク電圧Ｖａを示している。パルス電圧Ｖｐとパルス時間Ｔｐは、パルス電流Ｉｐを約６００Ａ出力させるのに必要なケーブル長さ別に定めた値であり、そのパルス電圧Ｖｐ値は、上記の（５）式と図６より算出できる。ベース電圧Ｖｂについては、７０Ａ程度のベース電流Ｉｂを出力させて保持する値である。平均溶接電流Ｉａの大きさに適した平均溶接電圧Ｅは、上記の（６）式と図７より算出でき、また、平均アーク電圧Ｖａは、（７）式と図７より算出することができる。
【００５４】
【表１】
【００５５】
このように、給電ケーブルの往復長さＸＬ別に定めた複数のパルス電圧Ｖｐまたはそのパルス電圧Ｖｐ及びパルス時間Ｔｐと、平均溶接電圧Ｖａを算出する電圧算出式とを条件テーブルに設けると、操作画面から給電ケーブル長さを選択するだけで、所定のパルス電圧，パルス時間，平均溶接電圧Ｖａを定電圧制御方式のパルス溶接電源へ自動設定でき、給電ケーブルの長さ変更で必要な適正条件出しの溶接実験や面倒な計算が省略でき、使い勝手を高めることができる。
【００５６】
図８は、本発明の溶接方法において、視覚センサによる検出情報に基づいて初層溶接の条件パラメータを制御する一実施形態を示す説明図である。開先部のギャップ幅Ｇｓの検出画像と、ギャップ幅の大きさ（Ｇｓ＝０，Ｇｓ＝５mm）に応じて出力させるパルス電流波形と、溶着量Ｓ１を増減させて形成した溶接ビード断面と、平均溶接電流Ｉａ，平均溶接電圧Ｅ，溶接速度Ｖｐなどの溶接条件パラメータを増減制御する様子とを示している。給電ケーブルの往復長さＸＬは３０ｍ（断面６０mm2 ）であり、そのケーブル長さに合った溶接条件を出力させている。
【００５７】
深溶け込みが必要なギャップのない部分及びその近傍では、高めの平均溶接電流Ｉａとその平均溶接電流Ｉａに適した平均溶接電圧Ｅａを出力させる。平均溶接電流Ｉａが高いと、ワイヤ送り速度Ｗｆ（溶融速度）が速くなるために、溶接すべき溶着量Ｓ１（ワイヤ溶着面積）が減少するように溶接速度Ｖｓを速くしている。開先部のギャップ幅Ｇｓが大きくなるに従って、平均溶接電流Ｉａを階段状に減少させてアーク力を弱めると共に、それに適した平均アーク電圧Ｖａ及びワイヤ送り速度Ｗｆをアーク溶接部分で出力させている。同時に、溶接すべき溶着量Ｓ１を増加させるために溶接速度Ｖｓを減少させると共に、開先両壁を溶融させるためにウィービング幅Ｕｗを増加させる制御を実行している。省略しているが、開先中心ずれΔＹｓ，ΔＺｓの検出情報を用いて、溶接線左右及び上下の位置ずれをなくす方向に溶接トーチ位置Ｙ，Ｚを修正制御している。ギャップ幅の広い部分には、開先部の裏側に予め裏当て材(例えばセラミック性の裏当て材)を設置すると、溶け落ちを防止できる。
【００５８】
図９は、充填層溶接の条件パラメータを制御する一実施形態を示す説明図である。初層後の充填層溶接では、開先肩幅Ｗｓまたはビード幅Ｂｓ，開先面積Ａｓの検出情報を用い、平均溶接電流Ｉａ、その平均溶接電流Ｉａに適した平均溶接電圧Ｅａとワイヤ送り速度Ｗｓ，溶接速度Ｖｓ，ウィービング幅Ｕｗなどの溶接条件パラメータを各々算出して増減制御している。平均溶接電流Ｉａ及び平均溶接電圧Ｅａは、初層の溶接時より低めであり、開先両壁を溶融させるために、開先肩幅Ｗｓが大きさに応じてＩａ及びＥａを階段状に増加させ、ウィービング幅Ｕｗも増加させている。同時に、開先面積Ａｓの大きさに対応した溶接すべき溶着量Ｓ１を増加させるために、溶接速度Ｖｓを減少させる制御を実行している。また、初層溶接の時と同様に、溶接トーチ位置Ｙ，Ｚを修正制御している。
【００５９】
仕上層の溶接では、視覚センサによる開先形状検出が困難となるため、その検出動作を停止して、前層溶接で検出した記録データを再度用い、溶接すべき残存の溶着面積を算出し、その平均溶接電流Ｉａに適した平均溶接電圧Ｅａとワイヤ送り速度Ｗｆ，溶接速度Ｖｓ，ウィービング幅Ｕｗなどの溶接条件パラメータを各々算出して増減制御するとよい。ここでは、Ｖ開先の溶接例を示したが、Ｕ開先，レ開先，Ｘ開先，すみ肉の溶接に対しても、本溶接制御が適用可能である。
【００６０】
このように制御して溶接すると、ギャップや開先面積が変化、溶接線の曲がりや位置ずれがある開先継手であっても、溶接パス毎に実行する溶接条件パラメータの増減制御，トーチ位置の修正制御によって対応でき、良好な溶け込み形状の溶接結果を得ることができ、溶接を自動化することができる。
【００６１】
【発明の効果】
本発明の溶接方法及び溶接装置によれば、溶接すべき継手部材の大きさ，設置場所，作業場所及び溶接箇所の相違によって給電ケーブルの長さ変更をした場合でも、溶接時に変化するケーブル電圧，リアクタで消費するリアクタ電圧を補充可能になり、所望のパルス電流，パルスアーク電圧，平均アーク電圧をアーク溶接部分で確実に出力することができ、小電流（平均）領域から大電流領域まで、スパッタの発生がなく、融合不良やアンダーカットなど欠陥のない良好な溶接結果を得ることができる。また、溶接装置及び溶接電源を所定の場所に設置したままの状態で、給電ケーブル，配線ケーブルを継手部材及び溶接台車まで簡単に延長または短縮することができ、クレーン作業による装置移設を省略し、溶接台車の取り付けや装置立上げの時間を短縮でき、さらに自動の溶接化による合理化，工数低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による溶接方法を採用した自動溶接装置の一実施形態の構成を示す斜視図である。
【図２】定電圧制御方式と異なる定電流制御方式のパルス溶接電源に関する電源回路の一実施形態を示すブロックである。
【図３】図２で示した電源主要回路より給電される溶接回路の等価回路を示す一実施形態である。
【図４】溶滴の安定移行及びスパッタの発生防止を図るためのパルスアーク溶接の電圧・電流波形及びワイヤ先端の溶滴移行の概要を示す説明図である。
【図５】給電ケーブルの断面Ｂと単位長さ当りのケーブル抵抗Ｒ１（Ω／ｍ）の関係を示す特性図である。
【図６】断面が６０mm2 の給電ケーブル長さ（ＸＬ＝１０〜１５０ｍ）を変化させた時にパルス溶接電源から給電が必要な合計のパルス電圧Ｖｐの関係を示す特性図である。
【図７】給電ケーブルの往復長さ（ＸＬ）を３０ｍ使用時と１５０ｍ使用時との溶接で必要な所望の平均溶接電流Ｉａと平均溶接電圧Ｅとの関係を示す一実施形態の特性図である。
【図８】視覚センサによる検出情報に基づいて初層溶接の条件パラメータを制御する一実施形態を示す説明図である。
【図９】充填層溶接の条件パラメータを制御する一実施形態を示す説明図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ…溶接ワーク、２…開先部の溶接線、４…溶接トーチ、５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ…給電ケーブル、７ａ，７ｂ…配線ケーブル、１０…パルス溶接電源、１１…溶接制御装置、１２…視覚センサ、１８…ワイヤ、１９…ワイヤ溶滴、２０…アーク、２１…溶融池、４１…インバータ回路、４５…リアクタ、４６…制御器、４７…演算器、４８，５７…パルス電圧波形設定器、４９…パルス時間設定器、５０ａ…電流検出素子、５０ｂ…電流検出器、５１…電圧検出器、５２，５５…溶接電圧設定器、５３，５６…溶接電流設定器、５４…ワイヤ送り設定器、６０，６２…電源制御部、６３…アーク電圧検出器。
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接ワイヤを電極にするアーク溶接で使用する給電ケーブルの長さ変更に関わり、特に、変更した給電ケーブルの往復長さに適した所望の平均溶接電流，適正な平均溶接電圧を出力させて良好に溶接するに好適な溶接方法及び溶接装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電プラントや化学プラントなど大型構造物は、厚板長尺の継手部材が多く用いられており、工場内で溶接が可能なものや現地で組立溶接が必要なものもある。これらの継手部材は大きさ，設置場所，作業場所が一様ではなく、溶接電源及び溶接装置の設置場所から近い場所で溶接する時もあれば、５０ｍ以上遠く離れた場所で溶接する時もあれば、高さ１０ｍ以上の高い場所で溶接する時もある。
【０００３】
これらの溶接作業を実施するためには、少なくとも溶接電源と、継手部材，溶接トーチとの間に給電ケーブルを各々接続して給電できる状態にすると共に、所望の溶接電流及びその溶接電流に適したアーク電圧を出力できるようにする必要がある。しかし、給電ケーブルの長さ変更をすると、ケーブル抵抗，リアクタが変化するために、初期設定の溶接条件のままでは、所望の溶接電流及びアーク電圧が出力できず、アーク溶接に悪影響を及ぼす結果になる。また、ワイヤ溶融式のパルス溶接電源を用いてパルスアーク溶接を実施する場合には、給電ケーブルの長さ変更によって、所望の溶接電流及びアーク電圧が出力できないばかりでなく、所望の高いパルス電流及びそのパルス電流に適したパルスアーク電圧が出力できない状態に至る。このため、給電ケーブルの長さ変更をして溶接する場合には、その都度、変更した給電ケーブル長さに合った溶接条件出しの実験が必要となり、溶接電流の大きさに適したアーク溶接電圧，適正なパルス溶接条件などを再度確立しなければならない。さらに、給電ケーブルが過剰に長過ぎる場合には、ケーブル抵抗の増大によって溶接電源の出力能力を超えてしまい、所望のアーク溶接ができない状態に至り、無茶をすると溶接電源を破損させることも有り得る。
【０００４】
給電ケーブルの長さ変更をなくす１つの方法として、例えば、溶接すべき継手部材の近くに溶接電源及び溶接装置を運搬移設することが考えられる。しかし、クレーン作業による装置移設を必要とするばかりでなく、装置の移設場所や溶接作業範囲に限界がある。また、給電ケーブルを最長にした状態にしておくと、溶接電源及び溶接装置の近くで溶接作業が必要な時に、最長の給電ケーブルが厄介物となって整理整頓の障害になるばかりでなく、その給電ケーブルの置き方，巻き方の状態変化によってリアクタが変化し、アーク溶接の結果に悪影響を及ぼす可能性がある。
【０００５】
さらに、溶接を自動化するためには、例えば、開先形状寸法や溶接線の位置を検出する視覚センサによる検出情報に基づいて、溶接条件パラメータの適応制御，溶接トーチ位置の修正制御を行う必要がある。
【０００６】
従来技術として、例えば、特許文献１には、負荷回路のインダクタンスＬ２の電気的特性値を演算する演算器を設け、その演算器の出力に基づいて制御回路の動作状態を切り換える制御手段を設けることが開示されている。しかし、この溶接用電源装置では、長さ変更した給電ケーブルを流れる電流で消費するケーブル電圧が考慮されていないために、ケーブル長さが数倍変化するような長い給電ケーブルの交換には、対応することが困難と考えられる。また、パルス電流の出力波形信号などは詳細に記載されているが、給電ケーブルの長さ変更に伴う溶接作業で必要な所望の平均溶接電流及びその平均溶接電流の大きさに適した平均アーク電圧，溶接電源に設定すべき平均溶接電圧については記載されていない。
【０００７】
また、特許文献２には、１００Ｖ以上の直流電圧を出力する電源ユニットと溶接制御ユニットとを分割し、その電源ユニットの出力端子と溶接制御ユニットの入力端子との間に任意長さの給電ケーブルを接続することが開示されている。本アーク溶接用電源では、給電ケーブルの小径化や長さ変更を容易にすることや、電源ユニットから離れた場所にある継手部材の近くに溶接制御ユニットを簡単に移動するのに有効と考えられる。しかし、溶接回路内に接続されている給電ケーブルを流れる電流で消費するケーブル電圧，リアクタで消費するリアクタ電圧は、電源ユニット側が負担しており、これらの消費電圧を加算した溶接電圧を電源ユニット側に設定及び出力させる必要がある。給電ケーブルの長さ変更をすると、ケーブル抵抗，リアクタが変化するために、初期設定の溶接条件のままでは、所望の溶接電流及びアーク電圧が出力できず、アーク溶接に悪影響を及ぼす結果になる。パルスアーク溶接をする場合も、同様であり、長さや径を変更給電ケーブルに適したパルス溶接条件の設定が不可欠である。
【０００８】
一方、特許文献３は、非消耗性のタングステンを電極にするアーク溶接を用いており、溶接ワイヤを電極にするパルスアーク溶接やアーク溶接ではなかった。また、給電ケーブルの長さ変更を想定していなかった。このため、特許文献３の多層盛溶接の制御方法及び多層盛溶接装置では、溶接ワイヤを電極にするパルスアーク溶接やアーク溶接で必要な視覚センサによる検出情報に基づく溶接条件パラメータの適応制御が困難であり、また、給電ケーブルの長さ変更に適したパルス溶接の条件設定に対応することが困難であった。
【０００９】
【特許文献１】
特開平８−１０３８６８号公報（要約，特許請求の範囲）
【特許文献２】
特開平９−２７１９４０号公報（要約，特許請求の範囲）
【特許文献３】
特開平１０−２１６９４０号公報（要約，特許請求の範囲）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、溶接ワイヤを電極にするアーク溶接で使用する給電ケーブルの長さ変更に適した所望の平均溶接電流，適正な平均溶接電圧，パルス電圧，パルス電流を出力させて良好に溶接するに好適な溶接方法及び溶接装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、溶接すべき継手部材の大きさ，設置場所，作業場所及び溶接箇所の相違によって前記継手部材と溶接装置との距離が変化する溶接作業を対象に、溶接ワイヤを電極にするアーク溶接で用いる定電圧制御方式のパルス溶接電源と、継手部材，溶接台車に搭載された溶接トーチとの間に各々接続する給電ケーブルの往復長さを変更して前記継手部材を溶接する溶接方法において、所望の平均溶接電流の大きさに適した平均アーク電圧と、変更した給電ケーブルの往復長さを流れる前記平均溶接電流で消費する第１のケーブル電圧の予測値と、溶接回路内のリアクタで消費する第１のリアクタ電圧とを予め加算した平均溶接電圧を前記定電圧制御方式のパルス溶接電源に設定して溶接する溶接方法を提案する。
【００１２】
また、本発明は、上記目的を達成するために、溶接すべき継手部材の大きさ，設置場所，作業場所及び溶接箇所の相違によって前記継手部材と溶接装置との距離が変化する溶接作業を対象に、溶接ワイヤを電極にするアーク溶接で用いる定電圧制御方式のパルス溶接電源と、継手部材，溶接台車に搭載された溶接トーチとの間に各々接続する給電ケーブルの往復長さを変更して前記継手部材を溶接する溶接方法において、所望のパルス電流の出力に必要なパルスアーク電圧と、変更した給電ケーブルの往復長さを流れるパルス電流で消費する第２のケーブル電圧と、溶接回路内のリアクタで消費する第２のリアクタ電圧とを予め加算したパルス電圧またはそのパルス電圧及びパルス時間を前記定電圧制御方式のパルス溶接電源に設定し、所望の平均溶接電流の大きさに適した平均アーク電圧と、変更した給電ケーブルの往復長さを流れる平均溶接電流で消費する第１のケーブル電圧の予測値と、溶接回路内のリアクタで消費する第１のリアクタ電圧とを予め加算した平均溶接電圧を設定して溶接する溶接方法を提案する。
【００１３】
特に、前記定電圧制御方式のパルス溶接電源は、給電ケーブルを最長にした溶接時に必要となる高い負荷電圧、所望のパルス電流が出力可能なパルス電圧及びパルス時間の調整と、所望の平均溶接電圧，平均溶接電流またはワイヤ送り速度に連動した平均溶接電流の調整とが可能なパルス溶接電源とし、溶接を実行する時には、所望のパルス電流の出力に必要なパルスアーク電圧と、変更した給電ケーブルの往復長さを流れるパルス電流で消費する第２のケーブル電圧と、溶接回路内のリアクタで消費する第２のリアクタ電圧とを予め加算したパルス電圧またはそのパルス電圧及びパルス時間を設定し、所望のパルス電流，パルスアーク電圧を出力させ、所望の平均溶接電流の大きさに適した平均アーク電圧と、変更した給電ケーブルの往復長さを流れる前記平均溶接電流で消費する第１のケーブル電圧の予測値と、溶接回路内のリアクタで消費する第１のリアクタ電圧とを予め加算した平均溶接電圧を設定し、前記平均アーク電圧をアーク溶接部分で出力させるとよい。
【００１４】
また、少なくとも給電ケーブルの往復長さ別に予め定めた複数のパルス電圧またはそのパルス電圧及びパルス時間と、平均溶接電圧を算出する電圧算出式とを条件テーブルに設け、溶接を実行する時には、給電ケーブル長さの選択で予め決定したパルス電圧またはそのパルス電圧及びパルス時間を前記定電圧制御方式のパルス溶接電源に設定し、所望のパルス電流，パルスアーク電圧を出力させ、増減制御する平均溶接電流の大きさに適した平均アーク電圧と、変更した給電ケーブルの往復長さを流れる前記平均溶接電流で消費する第１のケーブル電圧の予測値と、溶接回路内のリアクタで消費する第１のリアクタ電圧とを予め加算した平均溶接電圧を設定し、前記平均アーク電圧をアーク溶接部分で出力させるとよい。
【００１５】
また、変更した給電ケーブルの往復長さを流れる所望のパルス電流で消費する第２のケーブル電圧と、リアクタで消費する第２のリアクタ電圧とを補充可能なパルス電圧またはそのパルス電圧及びパルス時間を設定し、また、溶接中に増減制御する前記平均溶接電流で消費する第１のケーブル電圧と、リアクタで消費する第１のリアクタ電圧とを補充可能な平均溶接電圧を設定し、少なくとも高電流の１パルスで１溶滴が低電流のベース時間中に移行可能なパルス電流，パルスアーク電圧を出力させ、ワイヤ溶滴の移行時に短絡移行が生じない程度のアーク長を保持し得る平均アーク電圧を出力させて溶接するとよい。
【００１６】
パルス電流と異なる直流電流を出力する直流溶接電源を用いる場合には、給電ケーブルを最長にした溶接時に必要となる高い負荷電圧及び定格電流が出力可能であると共に、所望の平均溶接電圧，平均溶接電流またはワイヤ送り速度に連動した平均溶接電流の調整が可能な直流溶接電源とし、溶接を実行する時には、所望の平均溶接電流の大きさに適した平均アーク電圧と、変更した給電ケーブルの往復長さを流れる前記平均溶接電流で消費する第１のケーブル電圧の予測値と、溶接回路内のリアクタで消費する第１のリアクタ電圧とを予め加算した平均溶接電圧を設定し、前記平均アーク電圧をアーク溶接部分で出力させるとすることもできる。
【００１７】
前記ケーブル電圧の予測値は、少なくとも使用する給電ケーブルの単位長さ当りの抵抗または給電ケーブルの断面積に関係する単位長さ当りの抵抗と、その往復長さと、所望の電流との関係式で算出するとよい。
【００１８】
また、開先部のギャップ，開先面積，開先肩幅，左右上下方向の開先中心ずれをリアルタイムで検出する視覚センサ及び画像処理装置を設け、溶接を実行する時には、ギャップ幅または開先肩幅または開先面積と開先肩幅の大きさ対応した平均溶接電流、その平均溶接電流に適した平均溶接電圧とワイヤ送り速度，溶接速度，ウィービング幅などの溶接条件パラメータを各々算出して増減制御し、溶接線左右及び上下の位置ずれをなくす方向にトーチ位置を修正制御するとよい。
【００１９】
また、本発明は、上記目的を達成するために、溶接すべき継手部材の大きさ，設置場所，作業場所及び溶接箇所の相違によって前記継手部材と溶接装置との距離が変化する溶接作業を対象に、溶接ワイヤを電極にするアーク溶接で用いる定電圧制御方式のパルス溶接電源と、継手部材，溶接台車に搭載された溶接トーチとの間に各々接続する給電ケーブルの往復長さを変更して前記継手部材を溶接する溶接装置において、変更した給電ケーブルの往復長さに対応したパルス電圧またはそのパルス電圧及びパルス時間を前記定電圧制御方式のパルス溶接電源に設定するパルス電圧設定手段と、平均溶接電流の大きさに適した平均アーク電圧，変更した給電ケーブルの往復長さを流れる前記平均溶接電流で消費する第１のケーブル電圧，リアクタで消費する第１のリアクタ電圧を予め加算した平均溶接電圧を算出する平均溶接電圧算出手段とを備えた溶接装置を提案する。
【００２０】
特に、溶接トーチを左右上下方向に移動及び溶接線方向に移動可能な駆動機構、ワイヤ送り機構を搭載した溶接台車を制御する台車制御手段と、定電圧制御方式のパルス溶接電源を制御する電源制御手段と、パルス溶接電源及び溶接装置から溶接対象の継手部材までの距離に応じて延長する複数の給電ケーブルと、同様に延長する制御ケーブルやガスホース類などを収納した予備の配線ケーブルと、給電ケーブルの往復長さに対応したパルス電圧またはそのパルス電圧及びパルス時間を設定するパルス電圧設定手段と、平均溶接電流の大きさに適した平均アーク電圧，変更した給電ケーブルの往復長さで消費する第１のケーブル電圧，リアクタで消費する第１のリアクタ電圧を予め加算した平均溶接電圧を算出する平均溶接電圧算出手段とを備えるとよい。
【００２１】
また、溶接トーチを左右上下方向に移動及び溶接線方向に移動可能な駆動機構、ワイヤ送り機構を搭載した溶接台車を制御する台車制御手段と、定電圧制御方式のパルス溶接電源を制御する電源制御手段と、パルス溶接電源及び溶接装置から溶接対象の継手部材までの距離に応じて延長する複数の給電ケーブルと、同様に延長する制御ケーブルやガスホース類などを収納した予備の配線ケーブルと、給電ケーブルの往復長さに対応したパルス電圧またはそのパルス電圧及びパルス時間を設定するパルス電圧設定手段と、平均溶接電流の大きさに適した平均アーク電圧，変更した給電ケーブルの往復長さで消費する第１のケーブル電圧，リアクタで消費する第１のリアクタ電圧を予め加算した平均溶接電圧を算出する平均溶接電圧算出手段と、平均溶接電流、その平均溶接電流に適した平均溶接電圧とワイヤ送り速度，溶接速度，ウィービング幅などの溶接条件パラメータの増減制御，溶接トーチ位置の修正制御に使用する開先部のギャップ，開先面積，開先肩幅，左右上下方向の開先中心ずれを検出する視覚センサ及び画像処理装置とを備えるとすることもできる。
【００２２】
すなわち、本発明の溶接方法では、所望の平均溶接電流の大きさに適した平均アーク電圧と、変更した給電ケーブルの往復長さを流れる前記平均溶接電流で消費する第１のケーブル電圧の予測値と、溶接回路内のリアクタで消費する第１のリアクタ電圧とを予め加算した平均溶接電圧を定電圧制御方式のパルス溶接電源に設定して溶接すると、溶接すべき継手部材の大きさ，設置場所，作業場所及び溶接箇所の相違によって給電ケーブルの長さ変更が必要な場合でも、給電ケーブルの長さ変更で変化するケーブル電圧，リアクタで消費するリアクタ電圧を補充でき、平均溶接電流の大きさに適した所望の平均アーク電圧をアーク溶接部分で確実に出力でき、過剰なアーク電圧や電流の低下または上昇によって発生するアーク切れ，スパッタの多発，溶滴移行の乱れ，アーク溶接の乱れ，溶接ビードの悪化を防止することができる。
【００２３】
また、所望のパルス電流の出力に必要なパルスアーク電圧と、変更した給電ケーブルの往復長さを流れるパルス電流で消費する第２のケーブル電圧と、溶接回路内のリアクタで消費する第２のリアクタ電圧とを予め加算したパルス電圧またはそのパルス電圧及びパルス時間を定電圧制御方式のパルス溶接電源に設定して溶接すると、給電ケーブルの長さ変更で変化するケーブル電圧，リアクタで消費するリアクタ電圧を補充でき、所望のパルス電流，パルスアーク電圧をアーク溶接部分で出力させることができる。
【００２４】
前記定電圧制御方式のパルス溶接電源は、給電ケーブルを最長にした溶接時に必要となる高い負荷電圧，所望のパルス電流が出力可能なパルス電圧及びパルス時間の調整と、所望の平均溶接電圧，平均溶接電流またはワイヤ送り速度に連動した平均溶接電流の調整とが可能なパルス溶接電源にすると、給電ケーブルの長さを短くまたは長くした場合でも、変更した給電ケーブルの往復長さに対応した所望のパルス電圧，パルス時間，平均溶接電圧，平均溶接電流をそれぞれ正確に設定することができる。また、同時に高電流の１パルスで１溶滴が低電流のベース時間中に移行でき、小電流（平均）領域から大電流領域まで、スパッタの発生がなく、融合不良やアンダーカットなど欠陥のない良好な溶接結果を得ることができる。また、溶接中にアーク長の変化を抑制する方向に自己制御作用（電流増減によるアーク長回復作用）が働くため、溶接トーチ高さやワイヤ送り速度の微小変動によって変化したアーク長を定常状態に回復することができる。
【００２５】
また、給電ケーブルの往復長さ別に予め定めた複数のパルス電圧またはそのパルス電圧及びパルス時間と、平均溶接電圧を算出する電圧算出式とを条件テーブルに設けると、操作画面から給電ケーブル長さを選択するだけで、所定のパルス電圧，パルス時間，平均溶接電圧を定電圧制御方式のパルス溶接電源へ自動設定でき、給電ケーブルの長さ変更で必要な適正条件出しの溶接実験や面倒な計算が省略でき、使い勝手を高めることができる。
【００２６】
一方、パルス溶接電源と異なる直流溶接電源を用いる場合には、給電ケーブルを最長にした溶接時に必要となる高い負荷電圧及び定格電流が出力可能であると共に、所望の平均溶接電圧，平均溶接電流またはワイヤ送り速度に連動した平均溶接電流の調整が可能な直流溶接電源にするとよい。パルス溶接電源と比べると、スパッタの発生が多いが、直流溶接電源に使用する変圧器の定格容量を抑制することができ、制御回路も簡素で低コストである。また、所望の平均溶接電流の大きさに適した平均アーク電圧と、変更した給電ケーブルの往復長さを流れる前記平均溶接電流で消費する第１のケーブル電圧の予測値と、溶接回路内のリアクタで消費する第１のリアクタ電圧とを予め加算した平均溶接電圧を前記直流溶接電源に設定して溶接すると、パルス溶接の時とほぼ同様に、給電ケーブルの長さ変更をした場合でも、給電ケーブルの往復長さを流れる平均溶接電流で変化するケーブル電圧，リアクタで消費するリアクタ電圧が補充可能になり、平均溶接電流の大きさに対応した所望の平均アーク電圧をアーク溶接部分で確実に出力でき、アーク溶接の乱れや溶接ビードの悪化を防止することができる。
【００２７】
ケーブル電圧の予測値は、少なくとも使用する給電ケーブルの単位長さ当りの抵抗または給電ケーブルの断面積に関係する単位長さ当りの抵抗と、その往復長さと、所望の電流との関係式で算出すると、変更した給電ケーブルの往復長さで消費するケーブル電圧を正確に求めることができる。
【００２８】
さらに、開先部のギャップ，開先面積，開先肩幅，左右上下方向の開先中心ずれをリアルタイムで検出する視覚センサ及び画像処理装置を設けると、溶接制御で必要な検出情報をリアルタイムで得ることができる。また、その検出情報に基づいて、ギャップ幅または開先肩幅または開先面積と開先肩幅の大きさ対応した平均溶接電流，その平均溶接電流に適した平均溶接電圧とワイヤ送り速度，溶接速度，ウィービング幅などの溶接条件パラメータを各々算出して増減制御し、溶接線左右及び上下の位置ずれをなくす方向にトーチ位置を修正制御すると、ギャップや開先面積が変化，溶接線の曲がりやずれがある開先継手であっても、溶接条件パラメータの増減制御，トーチ位置の修正制御によって対応でき、良好な溶け込み形状の溶接結果を得ることができ、溶接を自動化することができる。
【００２９】
また、本発明の溶接装置では、変更した給電ケーブルの往復長さに対応したパルス電圧またはそのパルス電圧及びパルス時間を前記定電圧制御方式のパルス溶接電源に設定するパルス電圧設定手段と、所望の平均溶接電流の大きさに対応した平均アーク電圧と変更した給電ケーブルの往復長さを流れる前記平均溶接電流で消費する第１のケーブル電圧の予測値と溶接回路内のリアクタで消費する第１のリアクタ電圧とを予め加算した平均溶接電圧を算出する平均溶接電圧算出手段とを備えているので、溶接すべき継手部材の大きさ，設置場所，作業場所及び溶接箇所の相違によって給電ケーブルの長さ変更をした場合でも、溶接時に変化するケーブル電圧，リアクタで消費するリアクタ電圧を補充可能になり、所望のパルス電流，パルスアーク電圧，平均アーク電圧をアーク溶接部分で確実に出力することができ、小電流（平均）領域から大電流領域まで、スパッタの発生がなく、融合不良やアンダーカットなど欠陥のない良好な溶接結果を得ることができる。
【００３０】
また、溶接装置及びパルス溶接電源から溶接対象の継手部材までの距離に応じて延長する複数の給電ケーブル，配線ケーブルを備えているので、広い工場内のあちらこちらに配置された幾つかの継手部材を順次に溶接する場合、または工場外の現地で複数の継手部材を順次に組立溶接する場合でも、溶接装置及びパルス溶接電源を所定の場所に設置したままの状態で、給電ケーブル，配線ケーブルを継手部材及び溶接台車まで簡単に延長または短縮することができ、クレーン作業による装置移設を省略し、溶接台車の取り付けや装置立上げの時間を短縮することができる。
【００３１】
さらに、溶接条件パラメータの増減制御，溶接トーチ位置の修正制御に使用する開先部のギャップ，開先面積，開先肩幅，左右上下方向の開先中心ずれを検出する視覚センサ１２及び画像処理装置とを備えることにより、ギャップや開先面積が変化，溶接線の曲がりやずれがある開先継手であっても、溶接パス毎にリアルタイムで検出する適正な検出情報に基づいて、溶接条件パラメータの増減制御及びトーチ位置の修正制御を実行することができ、溶接の自動化による合理化，工数低減を図ることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の溶接方法及び溶接装置について好ましい実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明による溶接方法を採用した自動溶接装置の一実施形態の構成を示す斜視図である。溶接すべき一対の継手部材を突合わせた溶接ワーク１ａ，１ｂは、一組の溶接制御装置１１及びパルス溶接電源１０の近くに配置されており、その溶接ワーク１ｂの長手方向に設置されたガイドレール９ａ上を溶接台車３が走行する。また、前記溶接ワーク１ａ，１ｂと開先形状が同様または異なる別の継手部材の溶接ワーク１ｃ，１ｄは、前記溶接制御装置１１及びパルス溶接電源１０から遠く離れた別の場所に配置されている。溶接台車３には、溶接ワイヤ１８を電極にするアーク溶接で用いる溶接トーチ４と、その溶接トーチ４を左右・上下方向に移動可能な駆動機構と、ワイヤ送り機構と、開先継手部のギャップ，開先面積，開先肩幅，深さ，左右上下方向の開先中心ずれを検出する視覚センサ１２及び画像処理装置とを搭載している。
【００３３】
給電ケーブル５ａ，６ａは、アーク溶接部分に給電するため、パルス溶接電源１０と、継手部材の溶接ワーク２ａ，溶接台車３に搭載された溶接トーチ４とにそれぞれ接続しており、最小長さ（例えば１５ｍ×２本＝３０ｍ）の給電ケーブルを使用している。また、溶接台車３と溶接制御装置１１の間を結ぶ配線ケーブル７ａは、溶接台車３を駆動する制御ケーブル，溶接トーチ４にシールドガスや冷却水を供給するガスホースや水ホース，視覚センサ１２を駆動する制御ケーブルなどを収納したケーブルである。操作ペンダント８は、溶接台車３や溶接トーチ４の移動操作、溶接条件パラメータの設定や修正の操作に用い、溶接前に溶接トーチ４を開始点へ移動させてトーチ（ワイヤ）位置決めし、溶接開始，溶接中に不具合が生じた時にトーチ位置や溶接条件の割込み修正，溶接停止などができるようにしている。溶接制御装置１１は、自動溶接を実行する時に溶接台車３の駆動を制御し、パルス溶接電源１０の出力を制御し、視覚センサ１２と一対の画像処理装置に指令して検出データを情報処理し、溶接トーチ４位置や溶接条件パラメータを制御し、溶接の開始から終了に至る一連の動作及び構成機器を統括管理するものである。また、この溶接制御装置１１には、アーク溶接部分で所望のパルス電流，パルスアーク電圧，平均溶接電流，平均アーク電圧を出力させるために、給電ケーブルの往復長さの違いによって消費するケーブル電圧の変化，溶接回路内のリアクタで消費するリアクタ電圧の変化を補充可能なパルス電圧，パルス時間，平均溶接電圧を設定する機能を具備している。
【００３４】
一方、溶接制御装置１１及びパルス溶接電源１０から遠く離れた別の場所に配置された溶接ワーク１ｃ，１ｄを溶接する場合には、パルス溶接電源１０と溶接ワーク１ｃ及び溶接台車３（溶接トーチ４）の間を点線で示したように複数の給電ケーブル５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂをそれぞれジョイント１３で結んで延長接続（例えば往復長さ：１５ｍ×８本＝１２０ｍ）している。同時に、溶接台車３と溶接制御装置１１の間を結ぶ配線ケーブル７ａ，７ｂも配線コネクタ１４を介して延長接続している。なお、溶接台車３が２台ある場合は、次に溶接すべき継手部材の溶接ワーク１ｄ上に設置されたガイドレール９ｂに２台目の溶接台車３を予め取り付けでき、溶接前の段取り作業を高めることができる。溶接台車３が１台の場合には、溶接ワーク１ａ，１ｂの溶接作業が終了した後に、ガイドレール９ａから取り外して、別の溶接ワーク１ｃ，１ｄ及びガイドレール９ｂまで搬送して取り付け、給電ケーブル５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ、配線ケーブル７ａ，７ｂをそれぞれ延長して接続すればよい。図中の給電ケーブル５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂは、単線ケーブルを接続して用いているが、極性の異なるケーブル２本を一体形成してリアクタを減少させた同軸ケーブルを用いてもよい。
【００３５】
パルス溶接電源１０は、給電ケーブルを最長（例えば往復長さが１５０ｍ）にした溶接時に必要となる高い負荷電圧（例えば６４〜７４Ｖ程度）、所望のパルス電流（例えば５００〜６００Ａ程度）が出力可能なパルス電圧及びパルス時間の調整と、所望の平均溶接電圧，平均溶接電流（１００〜４００Ａ）またはワイヤ送り速度に連動した平均溶接電流の調整とが可能な定電圧制御方式のパルス溶接電源である。ガスボンベ１５から供給するシールドガスは、配線ケーブル７ａ内に収納しているガスホースを経て溶接トーチ４先端に流出してアーク溶接部分を大気から保護する。ガスボンベ１５は、鋼材溶接の場合、Ａｒガスを主成分とする１０〜３０％程度のＣＯ2 ガス入りの混合ガスボンベである。Ａｒ＋ＣＯ2 混合ガスの代わりに、例えば数％のＯ2 を加えたＡｒ＋ＣＯ2＋Ｏ2の混合ガスやＡｒ＋Ｏ2 の混合ガスを使用することも可能である。冷却水循環ポンプ１６から供給する冷却水は、配線ケーブル７ａ内に収納している水ホースを経て溶接トーチ内を循環冷却する。
【００３６】
図２は、本発明の溶接装置に採用した定電圧制御方式のパルス溶接電源に関する電源回路の一実施形態を示す構成図である。インバータ回路４１は、一次側端子から供給される商用交流電源を整流器４０で変換した直流を高周波交流に再変換し、その高周波交流の電圧レベルを可変決定する変圧器４２を制御する。整流器４３は、変圧器４２の出力を再度直流に変換し、スイッチング素子４４，リアクタ４５を経由して、直流パルス溶接で必要な所望の電圧及び電流を二次側端子に出力する。この定電圧制御方式のパルス溶接電源１０は、給電ケーブルを最長（例えば１５０ｍ）にした溶接時に必要となる高い負荷電圧（例えば６４〜７４Ｖ程度）を有し、所望のパルス電流（例えば５００〜６００Ａ程度）が出力可能なパルス電圧Ｖｐ，パルス時間Ｔｐなどの設定、所望の平均溶接電圧Ｅ，ワイヤ送り速度Ｗｆに連動した平均溶接電流（例えば１００〜４００Ａ）の設定を可能にしている。パルス電圧波形設定器４８は、所望のパルス電圧Ｖｐ，ベース電圧Ｖｂ，平均溶接電圧Ｅを設定するものであり、演算器４７に接続され、制御器４６を経由して、インバータ回路４２やスイッチング素子４４に伝達し、パルス溶接電源１０の二次側端子に出力される。また、パルス時間設定器４９は、パルス時間Ｔｐ，ベース時間Ｔｂ，パルス波形の周波数ｆを設定するものであり、演算器４７に接続されている。電流検出器５０ｂは、検出素子５０ａと一対で、出力中のパルス電流や平均溶接電流を検出し、パルス時間設定器４９に接続されており、必要に応じてベース時間Ｔｂの増減による電流調整を可能にしている。溶接電圧設定器５２は、パルス溶接電源１０から出力すべき平均溶接電圧Ｅを設定するものであり、パルス電圧波形設定器４８とパルス時間設定器４９とに接続されている。溶接電流設定器５３は、所望の平均溶接電流Ｉａ，ワイヤ送り速度Ｗｆを設定するものであり、パルス電圧波形設定器４８とパルス時間設定器４９，ワイヤ送りモータＭを駆動するワイヤ送り設定器５４にそれぞれ接続されている。
【００３７】
また、電源制御部６２は、定電圧制御方式のパルス溶接電源１０を外部から遠隔制御するものであり、給電ケーブル５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂの往復長さ（最短で３０ｍ，最長で１５０ｍ）に対応したパルス電圧Ｖｐ，パルス時間Ｔｐなどを設定するパルス電圧波形設定器５７と、アーク溶接部分で出力すべき平均アーク電圧Ｖａに必要な平均溶接電圧Ｅを設定する溶接電圧設定器５５と、所望の平均溶接電流Ｉａを設定する溶接電流設定器５６とに連結され、溶接制御装置１１の内部に装備し、パルス溶接電源側１０の配線に各々接続されている。省略しているが、溶接制御装置１１の内部には、溶接台車３を駆動する各軸駆動装置，視覚センサ１２に接続しているセンサ制御器及び画像処理装置，溶接条件パラメータの適応制御や溶接トーチ位置の修正制御を演算する演算制御部，溶接データファイル，給電ケーブルの長さ別に定めたパルス条件選択テーブル，構成機器を統括制御及び管理する溶接運転プログラムなどを備えている。
【００３８】
平均溶接電圧Ｅは、所望の平均溶接電流Ｉａの大きさに適した平均アーク電圧Ｖａと、変更した給電ケーブルの往復長さＸＬ(最短で３０ｍ，最長で１５０ｍ)を流れる平均溶接電流Ｉａで消費するケーブル電圧の予測値Ｖｋ１と、リアクタで消費するリアクタ電圧ＶＬ１とを予め加算した値を設定するようにしている。アーク電圧検出器６３は、アーク２０溶接部分における平均アーク電圧Ｖａを検出するものであり、溶接電圧設定器５５に接続され、この検出電圧と指示電圧との偏差をなくすように平均溶接電圧Ｅの指令値を補正可能にしている。また、定電圧制御方式のパルス溶接電源１０に設定するパルス電圧Ｖｐは、所望のパルス電流Ｉｐの出力に必要なパルスアーク電圧Ｖｐａと、給電ケーブルの往復長さを流れるパルス電流Ｉｐで消費する第２のケーブル電圧Ｖｋ２と、リアクタで消費する第２のリアクタ電圧ＶＬ２とを予め加算したパルス電圧Ｖｐまたはそのパルス電圧Ｖｐ及びパルス時間Ｔｐである。
【００３９】
このように構成して溶接すると、溶接すべき継手部材の大きさ，設置場所，作業場所及び溶接箇所の相違によって給電ケーブルの長さ変更をした場合でも、溶接時に変化するケーブル電圧，リアクタで消費するリアクタ電圧が補充可能になり、所望のパルス電流，パルスアーク電圧，平均アーク電圧をアーク溶接部分で確実に出力することができる。また、高電流の１パルスで１溶滴が低電流のベース時間中に移行でき、小電流（平均）領域から大電流領域の溶接まで、スパッタの発生がなく、融合不良やアンダーカットなど欠陥のない良好な溶接結果を得ることができる。また、定電圧制御方式のパルス溶接電源では、溶接中にアーク長の変化を抑制する方向に自己制御作用（電流増減によるアーク長回復作用）が働くため、溶接トーチ高さやワイヤ送り速度の微小変動によって変化したアーク長を定常状態に回復することが可能である。
【００４０】
図３は、図２に示した電源主要回路より給電される溶接回路の等価回路を示す一実施形態であり、Ｒ３０〜Ｒ１５０は５種類に区分けした給電ケーブル長さ(最短で３０ｍ，最長で１５０ｍ)に該当する各ケーブル抵抗、Ｌ３０〜Ｌ１５０はケーブルのリアクタ、Ｌは電源内のリアクタ、Ｓはスイッチング素子、Ｅ，Ｖｐ，Ｖｂは、パルス溶接電源より出力する平均電圧，パルス電圧、ベース電圧であり、Ｉａ，Ｉｐ，Ｉｂは回路を流れる平均電流，パルス電流，ベース電流である。また、Ｖｅは電源出力部の検出電圧、Ｖａは溶接トーチと継手部材間の検出電圧であり、アーク２０溶接部分で生じるアーク電圧とワイヤ突出し部で消費するワイヤ電圧とを含んだ電圧である。上記の等価回路でケーブル抵抗Ｒ３０（給電ケーブルの往復長さ：３０ｍ）を実線のように接続した時の回路方程式は、概略下記の（１）（２）式で示される。Ｔｐはパルス時間、Ｔｂはベース時間である。また、高いパルス電流Ｉｐを供給するのに必要な合計のパルス電圧Ｖｐは、（３）式で示される。Ｖｐａは、ワイヤ突出しを含むアーク２０溶接部分で生じるパルスアーク電圧である。
【００４１】
【００４２】
図４は、本発明の溶接方法において、溶滴の安定移行及びスパッタの発生防止を図るためのパルスアーク溶接の電圧・電流波形及びワイヤ先端の溶滴移行の概要を示す説明図である。横軸の時間ｔ（ｍｓ）に対する縦軸には、ワイヤ送り速度Ｗｆ，電源出力の電圧波形，アーク溶接部分のアーク電圧の波形，パルス電流とベース電流の波形、ワイヤ溶滴の形成と移行の概要を示している。パルス溶接電源１０より高いパルス電圧Ｖｐ・電流Ｉｐと低いベース電圧Ｖｂ・電流Ｉｂを交互に出力させる。または直流の低いベース電圧Ｖｂ・電流Ｉｂに高電流のパルス電圧Ｖｐ・電流Ｉｐのパルス波形を重畳して出力させてもよい。
【００４３】
このパルス電圧Ｖｐ・電流Ｉｐの時間Ｔｐ中に、溶融させたワイヤ１８先端に溶滴１９を形成させ、パルス時間Ｔｐ終了後のベース時間Ｔｂ前半に、ワイヤ溶滴１９を母材１ａ，１ｂ側の溶融プール２１へ離脱移行させる１パルスで１溶滴移行が可能な適正パルス溶接波形を出力させている。例えば、鋼材用の１.２mm 径のソリッドワイヤを使用する場合、パルス電流Ｉｐを高めの６００Ａ程度、そのパルス時間Ｔｐを１.５〜２.０ｍｓの範囲に設定してパルス溶接すると、高電流の１パルスで１溶滴を低電流のベース時間前半に移行させることができ、同時に、高いパルス電流によるアーク力によって溶け込み深さを増加することもできる。平均溶接電流Ｉａは、ベース時間Ｔｂの増減制御によって増減でき、また、ワイヤ送り速度Ｗｆも同期させて増減するようにしている。
【００４４】
ここでは、所望のパルス電流Ｉｐ、平均溶接電流Ｉａを確保するために、特に、給電ケーブルの往復長さを流れるパルス電流Ｉｐで消費する第２のケーブル電圧Ｖｋ２と、リアクタで消費する第２のリアクタ電圧ＶＬ２との予測値を予め加算したパルス電圧Ｖｐをパルス溶接電源１０より出力させている。リアクタ電圧ＶＬ２は、主にパルス電流波形の立上り立下りを緩やかにする方向に働く。また、アーク溶接部分で必要な平均アーク電圧Ｖａを確保するために、平均溶接電流Ｉａで消費する第１のケーブル電圧Ｖｋ１の予測値と、リアクタで消費する第１のリアクタ電圧ＶＬ１の予測値とを加算した平均溶接電圧Ｅを出力させている。平均アーク電圧Ｖａは、ワイヤ溶滴１９の移行時に短絡移行が生じない程度のアーク長が保持可能な適正アーク電圧である。
【００４５】
このように、給電ケーブルの長さ変更をした場合でも、適正なパルス電流Ｉｐとパルス時間Ｔｐ、平均溶接電流Ｉａの大きさに適した平均アーク電圧Ｖａを出力させて溶接すると、高電流の１パルスで１溶滴が低電流のベース時間中に移行でき、小電流（平均）領域から大電流領域の溶接まで、スパッタの発生がなく、融合不良やアンダーカットなど欠陥のない良好な溶接結果を得ることができる。
【００４６】
図５は、給電ケーブルの断面Ｂと単位長さ当りのケーブル抵抗Ｒ１（Ω／ｍ）の関係を示す特性図であり、断面Ｂが小さくなるに従ってケーブル抵抗Ｒ１が大きくなる様子を示している。単位長さ当りのケーブル抵抗Ｒ１は、下記の（４）式で示される。Ｃ１，Ｃ２はケーブル定数である。
【００４７】
ケーブル抵抗：Ｒ１＝Ｃ１／ＢC2（Ω／ｍ） …（４）
図６は、断面が６０mm2 の給電ケーブル長さ（ＸＬ＝１０〜１５０ｍ）を変化させた時にアーク溶接部分で出力すべきパルスアーク電圧Ｖｐａと、給電ケーブルＸＬを流れる所望のパルス電流（例えばＩｐ＝６００Ａ）で消費するケーブル電圧Ｖｋ２と、リアクタで消費するリアクタ電圧ＶＬ２と、パルス溶接電源から給電が必要な合計のパルス電圧Ｖｐとの関係を示す特性図である。パルス電流６００Ａ（●印の線）の通電で消費すると予想されるケーブル電圧Ｖｋ２（△印の線）は、ケーブル長さＸＬとパルス電流Ｉｐの大きさに比例増加（Ｖｋ２＝Ｒ１・ＸＬ・Ｉｐ）する。例えば、ケーブル長さＸＬ＝３０ｍの場合で約Ｖｋ２＝５.６Ｖ，ＸＬ＝１５０ｍの場合で５倍の約Ｖｋ２＝２８Ｖにもなる。また、溶接回路内のリアクタで消費すると予想される平均的なリアクタ電圧ＶＬ２｛□印の線｝もある。この平均的なリアクタ電圧｛ＶＬ２＝（Ｌ＋ＬＲ）・ｄＩｐ／ｄｔ｝の値は、ケーブル電圧Ｖｋ２の値に比べると小さいが、ケーブル長さによってＬＲのリアクタ成分（インダクタンス成分）が変化し、無視することができない。単線ケーブルの代わりに同軸ケーブルを用いた場合、ＬＲのリアクタ成分を小さくすることが可能である。
【００４８】
パルス溶接電源より給電すべき合計のパルス電圧Ｖｐ（○印の線）は、下記の（５）式で示される。断面が８０mm2 で少し太い給電ケーブルまたは４０mm2 で細い給電ケーブルを使用する場合でも、（４）（５）式よりパルス電圧Ｖｐを算出することできる。また、ベース電流Ｉｂの出力に必要なベース電圧Ｖｂも同様な方法で算出可能である。なお、ベース電流Ｉｂは、パルス電流Ｉｐと比べて約１／８〜１／１０程度の低い値であり、ケーブル電圧，リアクタ電圧の変化によるベース電圧Ｖｂ及びベース電流Ｉｂの変化量（ΔＩｂ，ΔＶｂ）は小さい。
【００４９】
パルス電圧：Ｖｐ＝Ｖｐａ＋Ｖｋ２＋ＶＬ２ …（５）
このように、所望のパルスアーク電圧Ｖｐａと、給電ケーブルの往復長さＸＬを流れるパルス電流Ｉｐで生じるケーブル電圧Ｖｋ２と、リアクタ電圧ＶＬとを加算したパルス電圧Ｖｐを出力させて溶接すると、給電ケーブルの長さ変更をした場合でも、所望のパルス電流Ｉｐ及びパルスアーク電圧Ｖｐａをアーク溶接部分で出力でき、小電流（平均）領域から大電流領域の溶接まで、スパッタの発生がなく、融合不良やアンダーカットなど欠陥のない良好な溶接結果を得ることができる。
【００５０】
図７は、給電ケーブルの往復長さ（ＸＬ）を３０ｍ使用時と１５０ｍ使用時との溶接で必要な所望の平均溶接電流Ｉａ（パルス電流Ｉｐも同列記載）を変化させた時の適正な平均アーク電圧Ｖａと、ケーブル電圧Ｖｋ１と、リアクタ電圧Ｖｋ１と、溶接電源より出力すべき平均溶接電圧Ｅとの関係を示す一実施形態の特性図である。平均溶接電流Ｉａの大きさに適した平均アーク電圧Ｖａをアーク溶接部分で正確に出力するためには、ケーブルを流れるＩａで消費するケーブル電圧(Ｖｋ１＝Ｒ１・ＸＬ・Ｉａ)と、リアクタで消費するリアクタ電圧｛ＶＬ１＝（Ｌ＋ＬＲ）・ｄＩａ／ｄｔ｝とを加算した平均溶接電圧Ｅを溶接電源より出力する必要がある。溶接電源より出力すべき平均溶接電圧Ｅは、（１）式を変形した下記の（６）式で求められる。また、アーク溶接部分で確保すべき平均アーク電圧Ｖａは、アーク成分とワイヤ突出し成分との合計電圧であり、平均溶接電流Ｉａにほぼ比例増加し、（７）式で求められる。Ｃ３，Ｃ５はアーク電圧定数であり、ＷｘとＣ４はワイヤ突出し長さと、使用するワイヤ径や材質などで決まるワイヤ定数である。
【００５１】
平均溶接電圧：Ｅ＝Ｖａ＋Ｖｋ１＋ＶＬ１ …（６）
平均アーク電圧：Ｖａ＝（Ｃ３＋Ｃ４・Ｗｘ）・Ｉａ＋Ｃ５ …（７）
このように、平均溶接電流Ｉａの大きさに適した平均アーク電圧Ｖａと、給電ケーブルの往復長さを流れる平均溶接電流Ｉａで変化するケーブル電圧Ｖｋ１と、リアクタ電圧ＶＬ１とを加算した平均溶接電圧Ｖａを設定して溶接すると、給電ケーブルの長さ変更をした場合でも、溶接時に変化するケーブル電圧，リアクタで消費するリアクタ電圧が補充可能になり、平均溶接電流の大きさに適した所望の平均アーク電圧をアーク溶接部分で確実に出力でき、過剰なアーク電圧や電流の低下または上昇によって発生するアーク切れ，スパッタの多発，溶滴移行の乱れ，アーク溶接の乱れ，溶接ビードの悪化を防止することができる。
【００５２】
一方、パルス溶接電源と異なる直流溶接電源を用いる場合には、給電ケーブルを最長にした溶接時に必要となる高い負荷電圧及び定格電流が出力可能であると共に、所望の平均溶接電圧，平均溶接電流またはワイヤ送り速度に連動した平均溶接電流の調整が可能な直流溶接電源にすればよい。パルス溶接電源と比べると、スパッタの発生が多いが、直流溶接電源に使用する変圧器の定格容量を抑制することができ、制御回路も簡素で低コストである。また、上記の（６）式で算出する平均溶接電圧Ｖａ値を設定して溶接すると、パルス溶接時とほぼ同様に、給電ケーブルの長さ変更をした場合でも、溶接時に変化するケーブル電圧，リアクタ電圧が補充可能になり、平均溶接電流の大きさに対応した所望の平均アーク電圧をアーク溶接部分で確実に出力でき、アーク溶接の乱れや溶接ビードの悪化を防止することができる。
【００５３】
表１は、定電圧制御方式のパルス溶接電源によるパルス溶接で使用する給電ケーブル長さ別に定めた条件テーブルを示す一実施形態である。本条件テーブルには、５種類のケーブル長さＸＬに別に定めたパルス電圧Ｖｐ，パルス時間Ｔｐ，ベース電圧Ｖｂ，パルス電流Ｉｐ，平均溶接電圧Ｅ，平均アーク電圧Ｖａを示している。パルス電圧Ｖｐとパルス時間Ｔｐは、パルス電流Ｉｐを約６００Ａ出力させるのに必要なケーブル長さ別に定めた値であり、そのパルス電圧Ｖｐ値は、上記の（５）式と図６より算出できる。ベース電圧Ｖｂについては、７０Ａ程度のベース電流Ｉｂを出力させて保持する値である。平均溶接電流Ｉａの大きさに適した平均溶接電圧Ｅは、上記の（６）式と図７より算出でき、また、平均アーク電圧Ｖａは、（７）式と図７より算出することができる。
【００５４】
【表１】
このように、給電ケーブルの往復長さＸＬ別に定めた複数のパルス電圧Ｖｐまたはそのパルス電圧Ｖｐ及びパルス時間Ｔｐと、平均溶接電圧Ｖａを算出する電圧算出式とを条件テーブルに設けると、操作画面から給電ケーブル長さを選択するだけで、所定のパルス電圧，パルス時間，平均溶接電圧Ｖａを定電圧制御方式のパルス溶接電源へ自動設定でき、給電ケーブルの長さ変更で必要な適正条件出しの溶接実験や面倒な計算が省略でき、使い勝手を高めることができる。
【００５６】
図８は、本発明の溶接方法において、視覚センサによる検出情報に基づいて初層溶接の条件パラメータを制御する一実施形態を示す説明図である。開先部のギャップ幅Ｇｓの検出画像と、ギャップ幅の大きさ（Ｇｓ＝０，Ｇｓ＝５mm）に応じて出力させるパルス電流波形と、溶着量Ｓ１を増減させて形成した溶接ビード断面と、平均溶接電流Ｉａ，平均溶接電圧Ｅ，溶接速度Ｖｐなどの溶接条件パラメータを増減制御する様子とを示している。給電ケーブルの往復長さＸＬは３０ｍ（断面６０mm2 ）であり、そのケーブル長さに合った溶接条件を出力させている。
【００５７】
深溶け込みが必要なギャップのない部分及びその近傍では、高めの平均溶接電流Ｉａとその平均溶接電流Ｉａに適した平均溶接電圧Ｅａを出力させる。平均溶接電流Ｉａが高いと、ワイヤ送り速度Ｗｆ（溶融速度）が速くなるために、溶接すべき溶着量Ｓ１（ワイヤ溶着面積）が減少するように溶接速度Ｖｓを速くしている。開先部のギャップ幅Ｇｓが大きくなるに従って、平均溶接電流Ｉａを階段状に減少させてアーク力を弱めると共に、それに適した平均アーク電圧Ｖａ及びワイヤ送り速度Ｗｆをアーク溶接部分で出力させている。同時に、溶接すべき溶着量Ｓ１を増加させるために溶接速度Ｖｓを減少させると共に、開先両壁を溶融させるためにウィービング幅Ｕｗを増加させる制御を実行している。省略しているが、開先中心ずれΔＹｓ，ΔＺｓの検出情報を用いて、溶接線左右及び上下の位置ずれをなくす方向に溶接トーチ位置Ｙ，Ｚを修正制御している。ギャップ幅の広い部分には、開先部の裏側に予め裏当て材(例えばセラミック性の裏当て材)を設置すると、溶け落ちを防止できる。
【００５８】
図９は、充填層溶接の条件パラメータを制御する一実施形態を示す説明図である。初層後の充填層溶接では、開先肩幅Ｗｓまたはビード幅Ｂｓ，開先面積Ａｓの検出情報を用い、平均溶接電流Ｉａ、その平均溶接電流Ｉａに適した平均溶接電圧Ｅａとワイヤ送り速度Ｗｓ，溶接速度Ｖｓ，ウィービング幅Ｕｗなどの溶接条件パラメータを各々算出して増減制御している。平均溶接電流Ｉａ及び平均溶接電圧Ｅａは、初層の溶接時より低めであり、開先両壁を溶融させるために、開先肩幅Ｗｓが大きさに応じてＩａ及びＥａを階段状に増加させ、ウィービング幅Ｕｗも増加させている。同時に、開先面積Ａｓの大きさに対応した溶接すべき溶着量Ｓ１を増加させるために、溶接速度Ｖｓを減少させる制御を実行している。また、初層溶接の時と同様に、溶接トーチ位置Ｙ，Ｚを修正制御している。
【００５９】
仕上層の溶接では、視覚センサによる開先形状検出が困難となるため、その検出動作を停止して、前層溶接で検出した記録データを再度用い、溶接すべき残存の溶着面積を算出し、その平均溶接電流Ｉａに適した平均溶接電圧Ｅａとワイヤ送り速度Ｗｆ，溶接速度Ｖｓ，ウィービング幅Ｕｗなどの溶接条件パラメータを各々算出して増減制御するとよい。ここでは、Ｖ開先の溶接例を示したが、Ｕ開先，レ開先，Ｘ開先，すみ肉の溶接に対しても、本溶接制御が適用可能である。
【００６０】
このように制御して溶接すると、ギャップや開先面積が変化、溶接線の曲がりや位置ずれがある開先継手であっても、溶接パス毎に実行する溶接条件パラメータの増減制御，トーチ位置の修正制御によって対応でき、良好な溶け込み形状の溶接結果を得ることができ、溶接を自動化することができる。
【００６１】
【発明の効果】
本発明の溶接方法及び溶接装置によれば、溶接すべき継手部材の大きさ，設置場所，作業場所及び溶接箇所の相違によって給電ケーブルの長さ変更をした場合でも、溶接時に変化するケーブル電圧，リアクタで消費するリアクタ電圧を補充可能になり、所望のパルス電流，パルスアーク電圧，平均アーク電圧をアーク溶接部分で確実に出力することができ、小電流（平均）領域から大電流領域まで、スパッタの発生がなく、融合不良やアンダーカットなど欠陥のない良好な溶接結果を得ることができる。また、溶接装置及び溶接電源を所定の場所に設置したままの状態で、給電ケーブル，配線ケーブルを継手部材及び溶接台車まで簡単に延長または短縮することができ、クレーン作業による装置移設を省略し、溶接台車の取り付けや装置立上げの時間を短縮でき、さらに自動の溶接化による合理化，工数低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による溶接方法を採用した自動溶接装置の一実施形態の構成を示す斜視図である。
【図２】定電圧制御方式と異なる定電流制御方式のパルス溶接電源に関する電源回路の一実施形態を示すブロックである。
【図３】図２で示した電源主要回路より給電される溶接回路の等価回路を示す一実施形態である。
【図４】溶滴の安定移行及びスパッタの発生防止を図るためのパルスアーク溶接の電圧・電流波形及びワイヤ先端の溶滴移行の概要を示す説明図である。
【図５】給電ケーブルの断面Ｂと単位長さ当りのケーブル抵抗Ｒ１（Ω／ｍ）の関係を示す特性図である。
【図６】断面が６０mm2 の給電ケーブル長さ（ＸＬ＝１０〜１５０ｍ）を変化させた時にパルス溶接電源から給電が必要な合計のパルス電圧Ｖｐの関係を示す特性図である。
【図７】給電ケーブルの往復長さ（ＸＬ）を３０ｍ使用時と１５０ｍ使用時との溶接で必要な所望の平均溶接電流Ｉａと平均溶接電圧Ｅとの関係を示す一実施形態の特性図である。
【図８】視覚センサによる検出情報に基づいて初層溶接の条件パラメータを制御する一実施形態を示す説明図である。
【図９】充填層溶接の条件パラメータを制御する一実施形態を示す説明図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ…溶接ワーク、２…開先部の溶接線、４…溶接トーチ、５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ…給電ケーブル、７ａ，７ｂ…配線ケーブル、１０…パルス溶接電源、１１…溶接制御装置、１２…視覚センサ、１８…ワイヤ、１９…ワイヤ溶滴、２０…アーク、２１…溶融池、４１…インバータ回路、４５…リアクタ、４６…制御器、４７…演算器、４８，５７…パルス電圧波形設定器、４９…パルス時間設定器、５０ａ…電流検出素子、５０ｂ…電流検出器、５１…電圧検出器、５２，５５…溶接電圧設定器、５３，５６…溶接電流設定器、５４…ワイヤ送り設定器、６０，６２…電源制御部、６３…アーク電圧検出器。
Claims (4)
- 溶接すべき継手部材の大きさ，設置場所，作業場所及び溶接箇所の相違によって前記継手部材と溶接装置との距離が変化する溶接作業を対象に、溶接ワイヤを電極にするアーク溶接で用いる定電圧制御方式のパルス溶接電源と、溶接台車に搭載された溶接トーチ，溶接すべき継手部材と前記パルス溶接電源との間に各々接続及び延長する給電ケーブルと、該給電ケーブルの長さ別に定めた複数のパルス電圧Ｖｐ又は該パルス電圧Ｖｐ及びパルス時間Ｔｐ，所望の平均溶接電流Ｉａ及び平均アーク電圧Ｖａに適応した平均溶接電圧Ｅを算出する電圧算出式を記載した条件テーブルとを設け、前記給電ケーブルの長さを変更して前記継手部材を溶接する溶接方法において、
前記パルス電圧Ｖｐは、所望のパルス電流Ｉｐの出力に必要なパルスアーク電圧Ｖｐａと、変更した給電ケーブルの長さＸＬを流れる前記パルス電流Ｉｐで消費する第２のケーブル電圧Ｖｋ２と、溶接回路内のリアクタで消費する第２のリアクタ電圧ＶＬ２とを加算した値とし、また、前記平均溶接電圧Ｅは、所望の平均溶接電流Ｉａの大きさに適応した平均アーク電圧Ｖａと、前記給電ケーブルの長さＸＬを流れる前記平均溶接電流Ｉａで消費する第１のケーブル電圧Ｖｋ１と、溶接回路内のリアクタで消費する第１のリアクタ電圧ＶＬ１とを加算する下記の算出式（６）より算出した値とし、
パルスアーク溶接の実行時には、前記条件テーブルより、給電ケーブル長さに応じて決定したパルス電圧Ｖｐ又は該パルス電圧Ｖｐ及びパルス時間Ｔｐ、平均溶接電圧Ｅを前記パルス溶接電源に設定し、アーク溶接部分に所望のパルス電流Ｉｐ，平均溶接電流Ｉａ及び平均アーク電圧Ｖａを出力させて溶接することを特徴とする溶接方法。
平均溶接電圧：Ｅ＝Ｖａ＋Ｖｋ１＋ＶＬ１ …（６） - 請求項１に記載の溶接方法であって、
前記給電ケーブルの長さＸＬは３０≦ＸＬ≦１５０ｍの範囲、前記パルス電圧Ｖｐは５０≦Ｖｐ≦７２Ｖの範囲であることを特徴とする溶接方法。 - 請求項１または２に記載の溶接方法であって、
前記ケーブル電圧Ｖｋ１，Ｖｋ２は、少なくとも使用する給電ケーブルの単位長さあたりの抵抗と、前記給電ケーブルの長さＸＬと、所望のパルス電流Ｉｐ，平均溶接電流Ｉａの各値より算出されることを特徴とする溶接方法。 - 請求項１ないし３のいずれかに記載の溶接方法であって、
初層溶接では、視覚センサで検出される開先底部のギャップ幅Ｇｓの増加に応じて、前記平均溶接電流Ｉａを階段状に減少させ、同時に、溶接速度Ｖｓを減少させると共にウィービング幅Ｕｗを増加させ、
初層後の充填層の溶接では、開先上部の開先肩幅Ｗｓの増加に応じて、前記平均電流Ｉａを減少させると共に前記ウィービング幅Ｕｗを増加させ、同時に、開先面積Ａｓの増加に応じて、前記溶接速度Ｖｓを減少させ、
仕上層の溶接では、前記視覚センサの検出動作を停止し、前層溶接で検出した記録データを再度用い、残存の溶着面積を算出し、この算出された溶着面積の大きさに応じて、ワイヤ送り速度Ｗｆ，前記溶接速度Ｖｓ，ウィービング幅Ｕｗを算出することを特徴とする溶接方法。
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