JPH11123546A - アークスタート時の溶接安定性判定方法及び安定性判定装 置 - Google Patents
アークスタート時の溶接安定性判定方法及び安定性判定装 置Info
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- JPH11123546A JPH11123546A JP28973897A JP28973897A JPH11123546A JP H11123546 A JPH11123546 A JP H11123546A JP 28973897 A JP28973897 A JP 28973897A JP 28973897 A JP28973897 A JP 28973897A JP H11123546 A JPH11123546 A JP H11123546A
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Abstract
行う消耗電極式ガスシールドアーク溶接のアークスター
ト時におけるアーク放電状態の不安定性に起因する溶接
品質不良の流出を防止する。 【解決手段】 溶接電流と溶接電圧を手段7,8で検出
してアナログ信号を作る。各アナログ信号をA/Dコン
バータ9でデジタル信号にする。両デジタル信号をCP
U10で演算して、ワイヤスティック時間、アーク途切
れ時間、長期短絡時間、無負荷電圧時間、アークスター
ト電流立ち上がり速度の5項目のうち1又は2項目以上
を算出する。算出した値の何れか1つでも基準値との差
が許容範囲を超えると溶接が不安定または不良であると
判定して表示する。
Description
ールドアーク溶接の、アークスタート時におけるアーク
放電状態の不安定性に起因して発生する溶接品質不良の
流出防止のための、アークスタート時の溶接安定性判定
方法及び装置に関するものである。
は、溶接電源の出力制御方式が制御素子の進歩によりサ
イリスタ方式からインバータ方式に変化し、制御速度が
300Hzから15〜60KHzへと約50〜200倍
も高速化され溶接電流の波形制御ができるようになり、
アークスタート性能の向上、高速溶接での溶接状態の規
則性向上やスパッタの発生量低減が可能となり、溶接現
象の規則性が改善されつつある。しかしアークスタート
時は溶接ワイヤが全く加熱していない被溶接材に接触す
るという状態のために種々の異常現象が発生し易く、溶
接ロボット等による自動溶接ラインの大きな問題となっ
ていた。
の良否は、一般に作業者や技術者が溶接ビード外観の均
一性を目視する事により判定をしていた。しかし目視に
よる定性的な判定であるために、微小な異常の場合の判
定には個人差があり、インラインでの判定に統一的な基
準を求めることは困難であった。
置により、溶接電流・電圧を測定し判定する方法もある
が、解析に時間を要しインライン化は困難であった。さ
らにこれらのデータは必ずしも定量的なデータとは言え
ず、アークスタート時の溶接現象の安定性を正確に評価
する事は困難であった。
下、第1の従来技術と言う)には、溶接電圧を測定する
ことにより短絡期間とアーク期間とを判別し、それぞれ
の期間における溶接電流と溶接電圧波形の観測結果を所
定の関数で演算し、アーク状態の均一性の程度、アーク
切れの程度、アークの燃え上がり度により、溶接性の良
否を判定する技術が開示されている。
2の従来技術と言う)には、溶接電流、溶接電圧の監視
区間設定手段を用いて、それぞれの移動平均を演算し、
溶接状況や溶接結果を判定する技術が開示されている。
下、第3の従来技術と言う)には、アーク発生確認信号
がオンになると溶接電圧の監視を開始し、溶接電圧が所
定の判定電圧以下となった時間を累積し、該累積時間が
所定の判定値に達した場合、溶接品質に異常が生じたと
判断する技術が開示されている。
来技術の場合、計測区間の設定がされていないため、ア
ークスタート直後から定常部までのデータで判定を行う
と誤判定を招く恐れがあると言う欠点を有している。な
ぜならアーク放電開始直後のアークは不安定で、定常部
の溶接には直接関与するものではないためである。また
アーク切れの程度をアーク期間中の平均電流(I)・電
圧(V)による平均抵抗(R=V/I)を用い、またア
ークの燃え上がり度をアーク期間中の電力(P=I×
V)を用いて表しているが、アーク期間中の平均電流は
アーク時間によって変化しやすく、この平均電流を用い
て、アーク切れの程度及びアークの燃え上がり度の判定
を行うと誤判定を招く恐れがあるという欠点を有してい
る。
放電開始直後の溶接現象の不安定な期間では誤判定を招
きやすく、アークスタート時の溶接現象の安定性の程度
を正確に評価できないと言う欠点を有している。
電圧が所定の判定電圧以下となった時間の累積により、
溶接品質異常の判定を行っているが、ワイヤスティック
現象には至らない長期短絡や、アーク切れの繰り返しに
よるアークの不安定現象の判定が困難で、アークスター
ト時の溶接品質異常の誤判定を招く恐れがあると言う欠
点を有している。
接現象の安定性の判定は定性的なものであり、解析に時
間を要し、アーク溶接ロボット等による自動溶接ライン
及び半自動溶接ラインにおけるアークスタート時の溶接
現象の不安定状態に起因して発生する溶接品質不良の流
出防止を図る上で、なお大きな問題となっていた。
定性を監視する方法はなく、溶接現象の安定化対策とし
て定期的にワイヤ送給経路を清掃したり、ワイヤコンジ
ットケーブルを交換したり、コンタクトチップを交換し
たり、あるいは溶接欠陥が生じてからこれらの対策を実
施していた。
されたもので、アークスタート時の溶接現象の状況を正
確に捉え、アークスタート時の溶接状態の安定性の良否
を迅速に判定する方法及び装置を提供することを目的と
する。
に、請求項1の発明は、短絡とアークを交互に繰り返し
ながら溶接をする消耗電極式ガスシールドアーク溶接の
アークスタート部溶接状態判定方法であって、溶接電極
(以下溶接ワイヤと称す)と被溶接材間の溶接電圧を検
出する電圧検出手段と、溶接ワイヤと被溶接材を流れる
溶接電流を検出する電流検出手段を用いて出力されるア
ナログ出力信号を所定のサンプリング周波数でデジタル
信号に変換して、 (a)ワイヤスティック時間 (b)アーク途切れ時間 (c)長期短絡時間 (d)無負荷電圧時間 (e)アークスタート電流立ち上がり速度 の5項目の内、任意の1又は2項目以上を演算し、それ
ぞれに対応する基準値と比較して、何れか1つでも基準
値との差が予め設定した許容範囲を越えた時に溶接が不
安定または不良であると判定することを特徴とするアー
クスタート時の溶接安定性判定方法である。
を交互に繰り返しながら溶接をする消耗電極式ガスシー
ルドアーク溶接のアークスタート時の溶接現象安定性の
程度を判定する装置であって、溶接ワイヤと被溶接材間
の溶接電圧を検出する電圧検出手段と、溶接ワイヤと被
溶接材を流れる溶接電流を検出する電流検出手段と、両
手段からのアナログ出力信号をデジタル信号に変換する
A/Dコンバータと、A/Dコンバータからのデジタル
信号を基に、 (a)ワイヤスティック時間 (b)アーク途切れ時間 (c)長期短絡時間 (d)無負荷電圧時間 (e)アークスタート電流立上り速度 の5項目の内、任意の1又は2項目以上を演算する演算
手段と、演算手段からの演算結果を予め設定された基準
値と比較し、基準値との差が許容範囲内か否かを出力す
る比較器と、比較器の出力を表示する表示器とからなる
ことを特徴とするアークスタート時の溶接安定性判定装
置である。
て形成されないことに起因して発生する溶接現象の安定
性の程度を、ワイヤスティック時間、アーク途切れ時
間、長期短絡時間、無負荷電圧時間、アークスタート電
流立ち上がり速度の5項目の内、任意の1又は2項目以
上を演算し、定量値として表示し、それぞれに対応する
基準値と比較して何れか1つでも基準値との差が予め設
定した許容範囲を超えたときに溶接が不安定または不良
であると判定する。こうすることで被溶接材への接地不
良や、溶接ワイヤへの給電不良及び送給抵抗増加等によ
るアークスタート時における溶接品質異常を正確かつ確
実に検知する。
を図面の実施例に基づいて説明する。図1は本発明の実
施例のブロック図である。図中の1は溶接電源で所定の
電流・電圧を溶接ワイヤ2、被溶接材5間に印加させ、
溶接ワイヤ2は被溶接材5を溶接するために送給ローラ
3によって所定の速度で送給される。4はコンタクトチ
ップ、6は溶接電流を測定するための分流器、7は溶接
ワイヤと被溶接材を流れる溶接電流を検出する電流検出
回路、8は溶接ワイヤと被溶接材間の溶接電圧を検出す
る電圧検出回路、9は両検出回路7,8からの各アナロ
グ出力信号を所定のサンプリング周波数でデジタル信号
に変換するA/Dコンバータ、17は演算及び出力装置
で両検出回路7,8とA/Dコンバータ9を含む。
てデジタル変換し、無負荷電圧時間、ワイヤスティック
時間、アーク途切れ時間、長期短絡時間、アークスター
ト電流立ち上がり速度を算出するための種々の演算をす
ると共に演算結果を予め設定された各基準値と比較し、
基準値との差が許容範囲内であるか否かの比較を行うC
PU10、それらの演算データを表示及び印刷するCR
T11(ディスプレイ)及びプリンター15、プログラ
ム及び演算に必要な種々のデータを格納するメモリ(R
OM12,RAM13)及び測定に必要な定数及びその
他のデータを入力するキーボード14、さらにビード欠
け、アーク切れ等の異常信号を表示する表示器16から
構成される。
安定性の判定方法について説明する。はじめにアークス
タート時のアーク放電状態解析実行の概略処理フローを
図2に示す。
アーク・短絡判別電圧をキーボード14により入力しC
PU10内に設定し、溶接を開始させる。ここでサンプ
リング速度の設定は溶接電源1の制御波形の判定も可能
となるように本実施例では溶接電源1の制御速度以上の
27KHzに設定したが、設定変更できるようになって
いる。
電圧、溶接電流の入力を開始し測定回数が、設定回数に
達するまで各サンプリング点の溶接電圧、電流のデータ
をRAM13内に格納する。所定数のサンプリングが完
了すると、ROM12内に格納されているプログラムを
実施することにより、各種の演算を行う。ここで各種の
演算は、演算データの誤判定を防ぐため演算区間の設定
を、キーボード14より入力できるようになっている。
応する基準値と比較して、何れか1つでも予め設定した
許容範囲を超えたときにアークスタート時のアーク放電
状態が不安定であるとして、ワイヤスティック、アーク
途切れ、長期短絡等の異常信号の出力が行われ、アーク
放電が安定して形成された場合はOK信号が出力され
る。
間の演算について説明する。図3はこの無負荷電圧時間
演算処理を行うサブルーチンの詳細である。溶接ワイヤ
と被溶接材間の溶接電圧を検出する電圧検出手段を用
い、溶接起動信号がオンになると溶接ワイヤと被溶接材
間に電位差が生じ、溶接ワイヤが被溶接材に短絡後、適
正にアーク放電が形成された場合、両者間の雰囲気ガス
の絶縁破壊に応じた適正な電位差が発生する。
間を無負荷電圧時間と呼ぶ。無負荷電圧時間の演算は前
記溶接起動信号がオンとなると共に溶接ワイヤと被溶接
材との溶接電圧のサンプリングを開始し、サンプリング
した溶接電圧Vが無負荷電圧時間測定開始判別電圧Vm
1 に到達した時から、無負荷電圧時間の測定を開始し、
溶接電圧が無負荷電圧時間測定終了判別電圧Vm2 に下
がった時までを無負荷電圧時間として演算する。判別電
圧Vm1 ,Vm2 の設定は任意に変更できるようになっ
ている。
い場合、つまり溶接ワイヤと被溶接材との間隔がゼロま
たは非常に短く溶接起動信号がオンになると同時に溶接
ワイヤが短絡する現象をタッチスタートと呼び、溶接電
圧Vが最初に5Vに到達した点から監視し、4msec
後までの最大電圧が30V以下の場合をタッチスタート
として表示する。
電源によりコンデンサを充電し溶接ワイヤと被溶接材と
が接触するとコンデンサに蓄積された電荷が放電され、
溶接ワイヤと被溶接材との接触部のジュール加熱、アー
ク加熱を促進し良好なアーク放電を実現しようとしてい
る。
が接触しているタッチスタートの場合、コンデンサに蓄
積された電荷の放電がないため、アークスタート性能が
低下する。この無負荷電圧時間の積算時間を基準値と比
較し、基準値との差が予め設定した許容範囲を超えたと
き無負荷電圧時間異常として異常信号を出力する。
始時のワイスティック時間の演算について説明する。図
4はこのワイヤスティック時間演算処理を行うサブルー
チンの詳細である。ワイヤスティック現象は自動アーク
溶接装置において、アークスタート時に頻繁に起こる現
象であり、高電圧を給電した溶接ワイヤと被溶接材が短
絡した際に瞬時に絶縁破壊が発生せずアーク放電に移行
しない現象のことである。
場合、溶接ワイヤと被溶接材間が短絡しているため、短
絡電流が流れ、アーク電圧はアーク放電が形成された際
に比べ十分に低く、無負荷電圧時間終了直後のアーク電
圧の判定によりアーク放電が形成されるまでの積算時間
をワイヤスティック時間として演算し、本実施例では無
負荷電圧時間終了直後、ワイヤスティック測定開始判別
時間T1 msec後のアーク電圧がワイヤスティック開
始判別電圧Vw1 以下の場合にワイヤスティック発生と
し、この時点からアーク電圧がワイヤスティック終了判
別電圧Vw2 以上になるまでの積算時間として演算す
る。
意に変更できるになっている。そしてワイヤスティック
時間の積算時間を基準値と比較して、基準値との差が予
め設定した許容範囲を超えたときワイヤスティック時間
異常として異常信号を出力する。
始直後のアーク途切れ時間の演算について説明する。図
5はこのアーク途切れ時間演算処理を行うサブルーチン
の詳細である。アーク途切れ時間の演算は無負荷電圧時
間終了後から設定時間までの溶接ワイヤと被溶接材との
溶接電圧をサンプリングし、アーク途切れ判別電圧Vb
以上に到達した時間から、Vb以下に下がった時間まで
の積算時間として演算する。この判別電圧Vbは50V
程度が適しているが設定変更できるようになっている。
また、判別時間の設定も自由に変更できるようになって
いる。
頻繁に起こり易い現象であり、アークスタート時に短絡
期間が長く続く長期短絡が発生すると、短絡を解放しよ
うとする溶接電源の波形制御により過大な短絡電流が流
れ、アーク再生時に大粒なスパッタが発生し、アークが
瞬間的に途切れる現象である。またアーク期間が長く続
いても溶接電流の減少により、アークが瞬間的に途切れ
ることもある。
合、溶接電圧は瞬時に溶接電源の無負荷電圧に上昇し、
溶接電流はアーク切れにより持続せず瞬時にゼロとなり
溶接現象が不安定となる。このアーク途切れ時間の設定
時間内における積算時間を基準値と比較して、基準値と
の差が予め設定した許容範囲を超えたときアーク途切れ
時間異常として異常信号を出力する。
始後の長期短絡時間の演算について説明する。図6はこ
の長期短絡時間演算処理を行うサブルーチンの詳細であ
る。長期短絡時間の演算は、無負荷電圧時間終了後から
設定時間までの溶接ワイヤと被溶接材間との溶接電圧を
サンプリングし、サンプリング電圧Vが短絡時間判別電
圧Vs以下の短絡時間が長期短絡時間判別時間T2 ms
ec以上に達した場合、長期短絡時間の測定を開始し、
Vs以上に上がった時までの積算時間として演算する。
期目の短絡時間をあらわす。アーク・短絡期間の判別は
溶接電圧が所定の判別電圧Vs以下であるか否かで判別
する。短絡時の溶接電圧はアーク放電が形成された際の
溶接電圧に比べ十分低く、判別電圧Vsは20V程度が
適しているが、設定変更できるようになっている。
源の波形制御により異なるため設定変更できるようにな
っているが、本実施例では1回の短絡現象が7msec
以上の場合を長期短絡現象と言い、その積算時間を長期
短絡時間として演算する。
十分な大きさの溶滴が成長していなく、溶接ワイヤの溶
融していない部分が溶融プールと接触し易い。このよう
な溶融していない溶接ワイヤが短絡すると、通常の溶接
ワイヤの溶滴が短絡したときと同じ短絡電流値を通電し
ても短絡状態を終了させて溶接現象を再発生させること
ができない。
と溶接ワイヤ先端がジュール熱で加熱され吹き飛ばされ
て短絡状態から溶接現象に移行することが多く、その瞬
間にアーク長が非常に長くなるので溶接現象の規則性を
維持する事ができなくなりアーク途切れが発生し易くな
り、溶接現象が不安定となる。
おける積算時間を基準値と比較して、基準値との差が予
め設定した許容範囲を超えたとき長期短絡時間異常とし
て異常信号を出力する。
開始後のアークスタート電流立ち上がり速度の演算につ
いて説明する。図7はこのアークスタート電流立ち上が
り速度演算処理を行うサブルーチンの詳細である。アー
クスタート電流立ち上がり速度の演算は、無負荷電圧時
間終了後から設定時間T3までの溶接ワイヤと被溶接材
間を流れる溶接電流の測定を実施し、T3secで溶接
電流がどれだけ上昇したかで電流立ち上がり速度として
演算する。この設定時間T3は0.1msec程度が適
しているが、自由に設定変更できるようになっている。
なると同時に、溶接電源よりコンデンサに充電を開始
し、上記無負荷電圧時間に蓄積された電荷が、溶接ワイ
ヤが被溶接材に接触した瞬間に放電され、溶接ワイヤ先
端を急激にジュール熱により発熱させて溶融しアーク発
生に至る。
あると溶接ワイヤの送給力により被溶接材に押し付けら
れるのでワイヤスティック現象が発生し、さらにアーク
発生が遅れると、溶接ワイヤが中途部で破断してアーク
スタートに失敗する。
るために、溶接ワイヤ先端が被溶接材に短絡した瞬間に
急激に大電流を供給し、溶接ワイヤ先端部を急速加熱し
アーク発生に移行しなければならない。
判定指標としてアークスタート時の電流立ち上がり速度
を演算する。この電流立ち上がり速度を基準値と比較し
て、基準値との差が予め設定した許容範囲を超えた時に
アークスタート電流立ち上がり速度異常として異常信号
を出力する。
定終了時間である。以上のように溶接品質異常の監視を
溶接初期にだけ行うこととしたのは、ワイヤスティック
現象や、アーク途切れ、長期短絡現象等の異常は溶接開
始直後に発生することが多く、溶接初期においてこのよ
うな異常が発生した場合、その後の定常溶接部が正常で
あると否とにかかわらず溶接異常として扱い、ワイヤス
ティック、アーク途切れ、長期短絡等の異常信号を出力
する。しかも本実施例によれば溶接初期において適切に
アーク放電が安定して形成された場合は、これらの異常
信号が出力されることはない。
において、アークスタート時における溶接現象の不安定
状態を異常信号によって作業者や技術者が容易に検知可
能となり、異常対応等の適切な処理を施すことにより不
良品の流出を確実に防止することができる。
判定方法及び安定性判別装置は上述のように構成されて
いるので、スタート時の溶接現象が不安定または不良で
あると的確に判定することができる。また溶接異常発生
時の自動回復処理の電源制御信号を出力するための指標
としてこれらのデータが有効に活用できるという効果も
有する。また、溶接中にアークスタート時の溶接安定性
をリアルタイムにかつ正確で定量的に監視することがで
き、溶接品質不良品の流出を確実に防止することができ
る。
実施例の全体構成を示すブロック図である。
ある。
チンである。
である。
る。
行うサブルーチンである。
Claims (2)
- 【請求項1】 短絡とアークを交互に繰り返しながら溶
接をする消耗電極式ガスシールドアーク溶接のアークス
タート部溶接状態判定方法であって、溶接電極(以下溶
接ワイヤと称す)と被溶接材間の溶接電圧を検出する電
圧検出手段と、溶接ワイヤと被溶接材を流れる溶接電流
を検出する電流検出手段を用いて出力されるアナログ出
力信号を所定のサンプリング周波数でデジタル信号に変
換して、 (a)ワイヤスティック時間 (b)アーク途切れ時間 (c)長期短絡時間 (d)無負荷電圧時間 (e)アークスタート電流立ち上がり速度 の5項目の内、任意の1又は2項目以上を演算し、それ
ぞれに対応する基準値と比較して、何れか1つでも基準
値との差が予め設定した許容範囲を越えた時に溶接が不
安定または不良であると判定することを特徴とするアー
クスタート時の溶接安定性判定方法。 - 【請求項2】 短絡とアークを交互に繰り返しながら溶
接をする消耗電極式ガスシールドアーク溶接のアークス
タート時の溶接現象安定性の程度を判定する装置であっ
て、溶接ワイヤと被溶接材間の溶接電圧を検出する電圧
検出手段と、溶接ワイヤと被溶接材を流れる溶接電流を
検出する電流検出手段と、両手段からのアナログ出力信
号をデジタル信号に変換するA/Dコンバータと、A/
Dコンバータからのデジタル信号を基に、 (a)ワイヤスティック時間 (b)アーク途切れ時間 (c)長期短絡時間 (d)無負荷電圧時間 (e)アークスタート電流立上り速度 の5項目の内、任意の1又は2項目以上を演算する演算
手段と、演算手段からの演算結果を予め設定された基準
値と比較し、基準値との差が許容範囲内か否かを出力す
る比較器と、比較器の出力を表示する表示器とからなる
ことを特徴とするアークスタート時の溶接安定性判定装
置。
Priority Applications (2)
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