(57)【要約】【課題】被溶接鋼板の開先内でアークを発生させて溶融池を形成しながら上進溶接を行う際に、アーク長が常時一定に保たれる可能性を高める。【解決手段】溶接装置１は、母材Ｂの開先Ｇ内で溶接ワイヤからアークを略鉛直下方向に発生させることによりアーク溶接を行う溶接機と、溶接機を母材Ｂに対して相対的に略鉛直上方向に上昇させる上昇モータ１６と、溶接ワイヤに給電してアークを発生させる溶接電源３０とを備え、速度調整回路５０は、溶接電源３０の電流値が設定電流値よりも、小さければ溶接機の上昇速度が低くなり大きければ溶接機の上昇速度が高くなるように上昇モータ１６を制御し、電圧調整回路６０は、溶接時の溶接電源３０の電圧値が判定電圧を下回った回数又は時間が設定回数又は設定時間よりも、大きければ電圧値が高くなり小さければ電圧値が低くなるように溶接電源３０を制御する。【選択図】図３
2014087832.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接鋼板の開先内でアークを発生させて溶融池を形成しながら上進溶接を行うアーク溶接装置であって、
前記被溶接鋼板の開先内で溶接ワイヤから前記アークを略鉛直下方向に発生させて前記溶融池を形成することによりアーク溶接を行う溶接手段と、
前記溶接手段を、前記被溶接鋼板に対して相対的に略鉛直上方向に上昇させる上昇手段と、
前記溶接ワイヤに電流を給電して前記アークを発生させる溶接電源と、
前記溶接電源から出力される出力電流をモニターし、当該出力電流の値が予め設定された設定電流値よりも小さい場合に、前記溶接手段の上昇速度が低くなるように前記上昇手段を制御し、当該出力電流の値が前記設定電流値よりも大きい場合に、前記溶接手段の上昇速度が高くなるように前記上昇手段を制御する速度制御手段と、
溶接時に前記溶接電源から出力される出力電圧をモニターし、当該出力電圧の値が予め判定基準として定められた判定電圧を下回った回数又は時間に関する情報を把握し、当該回数又は時間に関する情報が予め設定された設定基準を上回っている場合に、当該出力電圧の値が高くなるように当該溶接電源を制御し、当該回数又は時間に関する情報が前記設定基準を下回っている場合に、当該出力電圧の値が低くなるように当該溶接電源を制御する電圧制御手段と
を備えたことを特徴とするアーク溶接装置。
【請求項２】
前記判定電圧を下回った回数又は時間に関する情報は、当該判定電圧を下回った単位時間当たりの回数であり、
前記設定基準は、単位時間当たりの回数として予め設定された設定回数であることを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接装置。
【請求項３】
前記判定電圧が１５Ｖである場合に、前記設定回数は３回／ｓｅｃ以上６０回／ｓｅｃ以下の何れかの回数であることを特徴とする請求項２に記載のアーク溶接装置。
【請求項４】
前記判定電圧を下回った回数又は時間に関する情報は、予め定められた回数分の当該判定電圧を下回り続けている時間に基づいて求められた時間であり、
前記設定基準は、予め設定された設定時間であることを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接装置。
【請求項５】
前記判定電圧が１５Ｖである場合に、前記設定時間は０．１ｍｓｅｃ以上１．０ｍｓｅｃ以下の何れかの時間であることを特徴とする請求項４に記載のアーク溶接装置。
【請求項６】
前記速度制御手段は、前記溶接手段の上昇速度が１８０ｍｍ／ｍｉｎ以下に抑制されるように前記上昇手段を制御することを特徴とする請求項３又は請求項５に記載のアーク溶接装置。
【請求項７】
被溶接鋼板の開先内でアークを発生させて溶融池を形成しながら上進溶接を行うアーク溶接装置であって、
前記被溶接鋼板の開先の裏側に設けられたルートギャップに設置された裏当て材と、
前記被溶接鋼板の開先の表側に配置され、当該開先内に溶接ワイヤを供給する溶接トーチ、当該溶接トーチを当該開先幅方向へ揺動させるウィービング機構、及び、前記被溶接鋼板の表面を相対的に略鉛直上方向に摺動する摺動銅板を含み、当該開先内で当該溶接ワイヤから前記アークを略鉛直下方向に発生させて前記溶融池を形成することによりアーク溶接を行う溶接手段と、
前記溶接手段を、前記被溶接鋼板に対して相対的に略鉛直上方向に上昇させる上昇手段と、
前記溶接ワイヤに電流を給電して前記アークを発生させる溶接電源と、
前記溶接電源から出力される出力電流をモニターし、当該出力電流の値が予め設定された設定電流値よりも小さい場合に、前記溶接手段の上昇速度が低くなるように前記上昇手段を制御し、当該出力電流の値が前記設定電流値よりも大きい場合に、前記溶接手段の上昇速度が高くなるように前記上昇手段を制御する速度制御手段と、
溶接時に前記溶接電源から出力される出力電圧をモニターし、当該出力電圧の値が予め判定基準として定められた判定電圧を下回った回数又は時間に関する情報を把握し、当該回数又は時間に関する情報が予め設定された設定基準を上回っている場合に、当該出力電圧の値が高くなるように当該溶接電源を制御し、当該回数又は時間に関する情報が前記設定基準を下回っている場合に、当該出力電圧の値が低くなるように当該溶接電源を制御する電圧制御手段と
を備えたことを特徴とするアーク溶接装置。
【請求項８】
被溶接鋼板の開先内でアークを発生させて溶融池を形成しながら上進溶接を行うアーク溶接装置であって、
前記被溶接鋼板の開先内で複数の溶接ワイヤの各々からアークを略鉛直下方向に発生させて１つの前記溶融池を形成することによりアーク溶接を行う溶接手段と、
前記溶接手段を、当該被溶接鋼板に対して相対的に略鉛直上方向に上昇させる上昇手段と、
前記複数の溶接ワイヤの各々に電流を給電して前記アークを発生させる複数の溶接電源と、
前記複数の溶接電源のうちの１つの溶接電源から出力される出力電流をモニターし、当該出力電流の値が予め設定された設定電流値よりも小さい場合に、前記溶接手段の上昇速度が低くなるように前記上昇手段を制御し、当該出力電流の値が前記設定電流値よりも大きい場合に、前記溶接手段の上昇速度が高くなるように前記上昇手段を制御する速度制御手段と、
溶接時に前記複数の溶接電源の各溶接電源から出力される出力電圧をモニターし、当該出力電圧の値が予め判定基準として定められた判定電圧を下回った回数又は時間に関する情報を把握し、当該回数又は時間に関する情報が予め設定された設定基準を上回っている場合に、当該出力電圧の値が高くなるように当該各溶接電源を制御し、当該回数又は時間に関する情報が前記設定基準を下回っている場合に、当該出力電圧の値が低くなるように当該各溶接電源を制御する複数の電圧制御手段と
を備えたことを特徴とするアーク溶接装置。
【請求項９】
被溶接鋼板の開先内で溶接ワイヤからアークを略鉛直下方向に発生させて溶融池を形成することにより溶接を行う溶接機を、当該被溶接鋼板に対して相対的に略鉛直上方向に上昇させることにより、上進溶接を行うアーク溶接装置において用いられる定電圧特性溶接電源であって、
前記溶接ワイヤに電流を給電して前記アークを発生させる電源手段と、
前記電源手段から出力される出力電流をモニターし、当該出力電流の値が予め設定された設定電流値よりも小さい場合に、前記溶接機の上昇速度が低くなるように制御し、当該出力電流の値が前記設定電流値よりも大きい場合に、前記溶接機の上昇速度が高くなるように制御する速度制御手段と、
溶接時に前記電源手段から出力される出力電圧をモニターし、当該出力電圧の値が予め判定基準として定められた判定電圧を下回った回数又は時間に関する情報を把握し、当該回数又は時間に関する情報が予め設定された設定基準を上回っている場合に、当該出力電圧の値が高くなるように制御し、当該回数又は時間に関する情報が前記設定基準を下回っている場合に、当該出力電圧の値が低くなるように制御する電圧制御手段と
を備えたことを特徴とする定電圧特性溶接電源。
【請求項１０】
被溶接鋼板の開先内で溶接ワイヤからアークを略鉛直下方向に発生させて溶融池を形成することにより溶接を行う溶接機を、当該被溶接鋼板に対して相対的に略鉛直上方向に上昇させることにより、上進溶接を行うアーク溶接方法であって、
前記溶接ワイヤに電流を給電して前記アークを発生させる溶接電源から出力される出力電流をモニターし、当該出力電流の値が予め設定された設定電流値よりも小さい場合に、前記溶接機の上昇速度が低くなるように制御し、当該出力電流の値が前記設定電流値よりも大きい場合に、前記溶接機の上昇速度が高くなるように制御するステップと、
溶接時に前記溶接電源から出力される出力電圧をモニターし、当該出力電圧の値が予め判定基準として定められた判定電圧を下回った回数又は時間に関する情報を把握し、当該回数又は時間に関する情報が予め設定された設定基準を上回っている場合に、当該出力電圧の値が高くなるように制御し、当該回数又は時間に関する情報が前記設定基準を下回っている場合に、当該出力電圧の値が低くなるように制御するステップと
を含むことを特徴とするアーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アーク溶接装置、定電圧特性溶接電源及びアーク溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
立向上進溶接に特化し、溶接開先面を１パス施工で充填させることで高能率が得られるアーク溶接法は、装置込みでエレクトロガスアーク溶接法とも呼ばれ、既に多く実用化されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
本装置の基本的なメカニズムは、溶接トーチ、ワイヤ送給モータ、ガス供給口及び冷却管を有する摺動銅板、上昇モータ等を備えた専用装置（溶接機）を、鋼板上に開先長手方向に沿って這わせたレールに取付け、開先内を溶接しながら、溶融池面の上昇に合わせて溶接機自体を上昇させる、というものである。
【０００３】
このような溶接法に関し、溶融池面の上昇と専用装置の上昇とをリンクさせる手法は幾つか考案されている。
第１の手法として、リンク機構が存在しないものがある。つまり、完全手動型であり、常時溶融池面を観察しながら、上昇モータの速度を人手で調整する。装置としては最もシンプルであるが、常時観察が必要であり、数ｍから数十ｍもの溶接長を施工するには、労働負荷が非常に高く、得られる溶接品質も不安定である。
【０００４】
そこで、労働負荷が小さくなり、溶接品質が安定するように、自動上昇機構が考案されている。
即ち、第２の手法は、溶融池面の上昇に伴ってアーク光強度が変化する機構を利用し、光センサを装置に取り付け、上昇速度とリンクさせ、制御する手法である。
しかしながら、アークは常時安定しているわけではないので光強度も影響を受け、また同時に発生するヒューム（煙）もまた光を不規則に遮るため、この手法も安定とは言えない。
【０００５】
そこで、第３の手法として、電流値を利用した上昇速度へのフィードバックを行う手法が考えられる。この手法は、現在最も多く普及している手法である。
この手法では、溶接電源として、定電圧特性溶接電源を用い、この定電圧特性溶接電源は、ワイヤ送給速度が決まると、それを溶融するに足る電流を出力させる特性を有する。溶接ワイヤは、電流及びアーク間電位差（アーク電圧）の積に比例するアーク熱と、溶接ワイヤ自身の電気抵抗率、通電間距離、及び電流の２乗の積に比例する抵抗発熱との合算エネルギーによって溶融し、結果的に電流と通電間距離とがバランスする。ここで、溶融池面が上昇すると通電間距離が短くなり、抵抗発熱が減少するので、溶接電源は溶融エネルギー不足を補うべく電流出力を上昇させようとする。そこで、この電流出力の上昇変化を即座に読み取り、溶接機の上昇速度を高めれば、通電間距離は再び長くなり抵抗発熱が増大して、溶融エネルギーが過剰となるため、電流出力は下げられ、上昇速度は再び抑制される。これを常時繰り返せば、溶融池面の上昇と溶接機の上昇とはリンクし、監視は不要となる。
即ち、従来は電流と上昇速度とのフィードバック制御のみが実用化されており、溶接品質に強い影響を与える大きな因子であるアーク長については、定電圧電源による自己制御特性以外には何ら制御はされていなかった。尚、この定電圧電源による自己制御特性とは、適切、不適切にかかわらず、設定されたアーク長を維持する機能と言うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５９−１３０６８９号公報
【特許文献２】特許第３５９６７２３号公報
【特許文献３】特開２００４−１６７６００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、溶接パラメータである電圧は、アーク長とほぼ等価だと考えてよいが、長尺の立向上進溶接においては、アーク長及び電圧について下向溶接又は水平溶接よりも厳格に考えなければならない。その理由は、アーク力方向と溶込み方向との違いにある。
【０００８】
図１１は、溶接姿勢ごとの溶接進行方向、アーク力方向及び溶込み方向を示した模式図である。（ａ）は下向溶接について、（ｂ）は立向上進溶接についてそれぞれ示し、白抜き矢印は溶接進行方向を、点線の矢印はアーク力方向を、太い実線の矢印は溶込み方向をそれぞれ示す。
【０００９】
（ａ）に示すように、下向溶接では、アーク力方向と開先の溶込み方向とが平行である。従って、本質的に深い溶込みが得られ易く、溶込み不良が発生し難い。アーク長がアークの集中性を左右し、溶込みに影響を及ぼすことは既知であるが、次の立向上進溶接に比べればその影響度は小さい。
【００１０】
一方、（ｂ）に示すように、立向上進溶接では、アーク力方向と開先幅方向の溶込み方向とが直交している。即ち、アーク力は直接的には溶込みに影響を及ぼさない。立向上進溶接の場合は、アーク直下の溶融池内で発生する対流によって幅方向の溶込みが得られる。従って、対流の強さが溶込みを支配し、入熱エネルギーの割には溶込みが浅い。しかも溶融池内対流はアーク力の分布の影響を敏感に受ける特性があり、微少なアーク長のバラツキが溶込み不良をもたらす。つまり、立向上進溶接ではアーク長の適切な管理が溶接品質確保のために非常に重要なのである。
【００１１】
尚、（ａ）の下向溶接ではアーク長が短い方が一般的に深く溶込むのに対し、（ｂ）の立向溶接ではアーク長が長い方が深く溶込む。これは上述のメカニズムの違いによる正反対の特性である。
【００１２】
しかしながら、上述したように、従来はアーク長及び電圧については何ら制御されてこなかった。一般的にはアーク長は電圧と等価と理解されていることから、ある電流に対する電圧値を模範条件として管理することが多いが、ここで問題になるのが、電圧の絶対値の信頼性である。
図１２は、電源出力電圧、アーク電圧及びケーブル消費電圧の関係を示した図である。
図示するように、溶接電源が出力する電源出力電圧Ｖｐｏｗｅｒは、アーク間電位差であるアーク電圧Ｖａｒｃだけでなく、溶接電源と溶接トーチ及び溶接電源と母材を結ぶ２次側ケーブル又は結線箇所で消費するケーブル消費電圧ΣＶｃａｂｌｅを含んでいる（Ｖｐｏｗｅｒ＝Ｖａｒｃ＋ΣＶｃａｂｌｅ）。
【００１３】
即ち、２次側ケーブル又は結線箇所では、電圧損失（ΣＶｃａｂｌｅ）により、電力の一部が熱損出となっている。この電圧損失は、２次側ケーブルが短い場合は無視できる程度であるが、本発明が対象とする造船、橋脚、タンク等は長尺の溶接であり、溶接電源を地面に置いたまま数十ｍに及ぶ長いケーブルを搭載して溶接機を上昇させるので、無視できない値となる。
例えば、３７Ｖを良好な溶接条件となる電源出力電圧Ｖｐｏｗｅｒとして定めても、２次側ケーブルの長さによってアーク電圧Ｖａｒｃは変動する。（ａ）のように２次側ケーブルが長くて電圧消費が多い場合、差分であるアーク電圧Ｖａｒｃは小さくなり、溶融池内対流が弱くなって溶込みは減少する。一方、（ｂ）のように２次側ケーブルが短くて電圧消費が少ない場合、差分であるアーク電圧Ｖａｒｃは大きくなり、溶融池内対流が強くなって溶込みは増加する。このように溶込みは管理されているとは言えないのである。更に、アーク電圧が高くて溶込みが確保される場合でも、過剰になると、アーク内での酸化反応が著しくなったり、不可避的に巻込まれる大気の侵入によって溶接金属の成分が不適切になったりし、溶接金属の機械的性質が劣化することに繋がる。
【００１４】
また、そもそも２次側ケーブルの長さの影響を考慮しなくとも、下向溶接ではアークが開先面に当たっていればほぼ溶込み不良は防げていると考えられ、溶接中に作業者が調整することが可能であるが、立向溶接の場合は、アークが開先面に当たることはないため、適正な溶込みが得られているかを作業者が判断することが難しい。つまり、最初から不適切な電流条件又は電圧条件になっていても、それを汲み取ることができないのである。結局、最悪の場合、全線に渡って溶込み不良や溶接金属の性能不良が起きる場合もある。
【００１５】
以上のように、従来は立向溶接装置において上昇速度の制御のみが実用化されており、言い換えれば、溶接部の形状面だけが管理されているだけであり、もう１つの重要な溶接条件であるアーク長及び電圧の適正化については何ら制御されていなかった。従って、溶込みや溶接金属の機械的性質の品質安定性については無管理に等しく、作業者の経験的な勘に頼っていたことから、更なる自動化、無監視化、品質安定化を目的として装置面からの改善が望まれていた。
【００１６】
尚、特許文献１の技術では、溶融池面上昇に伴うアーク長及びその定量値である電圧の変化を読み取り、それを上昇モータの制御に用いているが、これは上述の電流変化と上昇モータとの間のフィードバック制御と何ら変わらなく、アーク長の絶対値が適切かどうかを制御するものではない。
また、特許文献２、３の技術も同様に、アーク長の絶対値が適切かどうかを制御するための手法を何ら提示するものではない。
【００１７】
本発明の目的は、被溶接鋼板の開先内でアークを発生させて溶融池を形成しながら上進溶接を行う際に、アーク長が常時一定に保たれる可能性を高めることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
かかる目的のもと、本発明は、被溶接鋼板の開先内でアークを発生させて溶融池を形成しながら上進溶接を行うアーク溶接装置であって、被溶接鋼板の開先内で溶接ワイヤからアークを略鉛直下方向に発生させて溶融池を形成することによりアーク溶接を行う溶接手段と、溶接手段を、被溶接鋼板に対して相対的に略鉛直上方向に上昇させる上昇手段と、溶接ワイヤに電流を給電してアークを発生させる溶接電源と、溶接電源から出力される出力電流をモニターし、出力電流の値が予め設定された設定電流値よりも小さい場合に、溶接手段の上昇速度が低くなるように上昇手段を制御し、出力電流の値が設定電流値よりも大きい場合に、溶接手段の上昇速度が高くなるように上昇手段を制御する速度制御手段と、溶接時に溶接電源から出力される出力電圧をモニターし、出力電圧の値が予め判定基準として定められた判定電圧を下回った回数又は時間に関する情報を把握し、回数又は時間に関する情報が予め設定された設定基準を上回っている場合に、出力電圧の値が高くなるように溶接電源を制御し、回数又は時間に関する情報が設定基準を下回っている場合に、出力電圧の値が低くなるように溶接電源を制御する電圧制御手段とを備えたアーク溶接装置を提供する。
【００１９】
ここで、判定電圧を下回った回数又は時間に関する情報は、判定電圧を下回った単位時間当たりの回数であり、設定基準は、単位時間当たりの回数として予め設定された設定回数であってよい。そして、判定電圧が１５Ｖである場合に、設定回数は３回／ｓｅｃ以上６０回／ｓｅｃ以下の何れかの回数であってよい。
また、判定電圧を下回った回数又は時間に関する情報は、予め定められた回数分の判定電圧を下回り続けている時間に基づいて求められた時間であり、設定基準は、予め設定された設定時間であってよい。そして、判定電圧が１５Ｖである場合に、設定時間は０．１ｍｓｅｃ以上１．０ｍｓｅｃ以下の何れかの時間であってよい。
更に、速度制御手段は、溶接手段の上昇速度が１８０ｍｍ／ｍｉｎ以下に抑制されるように上昇手段を制御するものであってよい。
【００２０】
また、本発明は、被溶接鋼板の開先内でアークを発生させて溶融池を形成しながら上進溶接を行うアーク溶接装置であって、被溶接鋼板の開先の裏側に設けられたルートギャップに設置された裏当て材と、被溶接鋼板の開先の表側に配置され、開先内に溶接ワイヤを供給する溶接トーチ、溶接トーチを開先幅方向へ揺動させるウィービング機構、及び、被溶接鋼板の表面を相対的に略鉛直上方向に摺動する摺動銅板を含み、開先内で溶接ワイヤからアークを略鉛直下方向に発生させて溶融池を形成することによりアーク溶接を行う溶接手段と、溶接手段を、被溶接鋼板に対して相対的に略鉛直上方向に上昇させる上昇手段と、溶接ワイヤに電流を給電してアークを発生させる溶接電源と、溶接電源から出力される出力電流をモニターし、出力電流の値が予め設定された設定電流値よりも小さい場合に、溶接手段の上昇速度が低くなるように上昇手段を制御し、出力電流の値が設定電流値よりも大きい場合に、溶接手段の上昇速度が高くなるように上昇手段を制御する速度制御手段と、溶接時に溶接電源から出力される出力電圧をモニターし、出力電圧の値が予め判定基準として定められた判定電圧を下回った回数又は時間に関する情報を把握し、回数又は時間に関する情報が予め設定された設定基準を上回っている場合に、出力電圧の値が高くなるように溶接電源を制御し、回数又は時間に関する情報が設定基準を下回っている場合に、出力電圧の値が低くなるように溶接電源を制御する電圧制御手段とを備えたアーク溶接装置も提供する。
【００２１】
更に、本発明は、被溶接鋼板の開先内でアークを発生させて溶融池を形成しながら上進溶接を行うアーク溶接装置であって、被溶接鋼板の開先内で複数の溶接ワイヤの各々からアークを略鉛直下方向に発生させて１つの溶融池を形成することによりアーク溶接を行う溶接手段と、溶接手段を、被溶接鋼板に対して相対的に略鉛直上方向に上昇させる上昇手段と、複数の溶接ワイヤの各々に電流を給電してアークを発生させる複数の溶接電源と、複数の溶接電源のうちの１つの溶接電源から出力される出力電流をモニターし、出力電流の値が予め設定された設定電流値よりも小さい場合に、溶接手段の上昇速度が低くなるように上昇手段を制御し、出力電流の値が設定電流値よりも大きい場合に、溶接手段の上昇速度が高くなるように上昇手段を制御する速度制御手段と、溶接時に複数の溶接電源の各溶接電源から出力される出力電圧をモニターし、出力電圧の値が予め判定基準として定められた判定電圧を下回った回数又は時間に関する情報を把握し、回数又は時間に関する情報が予め設定された設定基準を上回っている場合に、出力電圧の値が高くなるように各溶接電源を制御し、回数又は時間に関する情報が設定基準を下回っている場合に、出力電圧の値が低くなるように各溶接電源を制御する複数の電圧制御手段とを備えたアーク溶接装置も提供する。
【００２２】
更にまた、本発明は、被溶接鋼板の開先内で溶接ワイヤからアークを略鉛直下方向に発生させて溶融池を形成することにより溶接を行う溶接機を、被溶接鋼板に対して相対的に略鉛直上方向に上昇させることにより、上進溶接を行うアーク溶接装置において用いられる定電圧特性溶接電源であって、溶接ワイヤに電流を給電してアークを発生させる電源手段と、電源手段から出力される出力電流をモニターし、出力電流の値が予め設定された設定電流値よりも小さい場合に、溶接機の上昇速度が低くなるように制御し、出力電流の値が設定電流値よりも大きい場合に、溶接機の上昇速度が高くなるように制御する速度制御手段と、溶接時に電源手段から出力される出力電圧をモニターし、出力電圧の値が予め判定基準として定められた判定電圧を下回った回数又は時間に関する情報を把握し、回数又は時間に関する情報が予め設定された設定基準を上回っている場合に、出力電圧の値が高くなるように制御し、回数又は時間に関する情報が設定基準を下回っている場合に、出力電圧の値が低くなるように制御する電圧制御手段とを備えた定電圧特性溶接電源も提供する。
【００２３】
一方、本発明は、被溶接鋼板の開先内で溶接ワイヤからアークを略鉛直下方向に発生させて溶融池を形成することにより溶接を行う溶接機を、被溶接鋼板に対して相対的に略鉛直上方向に上昇させることにより、上進溶接を行うアーク溶接方法であって、溶接ワイヤに電流を給電してアークを発生させる溶接電源から出力される出力電流をモニターし、出力電流の値が予め設定された設定電流値よりも小さい場合に、溶接機の上昇速度が低くなるように制御し、出力電流の値が設定電流値よりも大きい場合に、溶接機の上昇速度が高くなるように制御するステップと、溶接時に溶接電源から出力される出力電圧をモニターし、出力電圧の値が予め判定基準として定められた判定電圧を下回った回数又は時間に関する情報を把握し、回数又は時間に関する情報が予め設定された設定基準を上回っている場合に、出力電圧の値が高くなるように制御し、回数又は時間に関する情報が設定基準を下回っている場合に、出力電圧の値が低くなるように制御するステップとを含むアーク溶接方法も提供する。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、被溶接鋼板の開先内でアークを発生させて溶融池を形成しながら上進溶接を行う際に、アーク長が常時一定に保たれる可能性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】短絡回数をアーク長制御パラメータとして用いる場合について示した図である。
【図２】短絡時間をアーク長制御パラメータとして用いる場合について示した図である。
【図３】第１の実施の形態における溶接装置の概略構成図である。
【図４】第１の実施の形態の溶接装置に対応する比較例としての従来の溶接装置の概略構成図である。
【図５】第２の実施の形態における溶接装置の概略構成図である。
【図６】第２の実施の形態の溶接装置に対応する比較例としての従来の溶接装置の概略構成図である。
【図７】第１の実施の形態における速度調整回路の動作例を示したフローチャートである。
【図８】第１の実施の形態における電圧調整回路の第１の動作例を示したフローチャートである。
【図９】第１の実施の形態における電圧調整回路の第２の動作例を示したフローチャートである。
【図１０−１】本発明を適用可能な溶接の例を示した図である。
【図１０−２】本発明を適用可能な溶接の例を示した図である。
【図１１】溶接姿勢ごとの溶接進行方向、アーク力方向及び溶込み方向を示した模式図である。
【図１２】電源出力電圧、アーク電圧及びケーブル消費電圧の関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本実施の形態の目標は、如何なる場合でも最適なアーク長（アーク電圧）が常時一定に保たれるように制御することにある。この目標を達成するために、発明者らはまず適正溶接条件に関する研究を進め、立向上進溶接において、溶込みの確保と良好な溶接金属性能が得られるアーク長条件では、適当間隔で短絡現象が起こることに気付いた。短絡とは、アークが瞬間的に消失して、溶接ワイヤの先端が溶融池面と接触する現象である。
一定時間あたりの短絡回数が多い場合は、アーク長が短いことになるので、溶込み不良が生じた。一方、短絡回数が少ない場合は、アーク長が長いことになるので、溶接金属性能の劣化が生じた。
また、発明者らは、短絡回数ではなく、短絡が起きている時間（短絡時間）を測定して制御すれば、より高精度にアーク長を適正値に保てることも見出した。
この現象を利用し、溶接装置において、電圧をサンプリング、解析、判定し、溶接電源に出力電圧指令を発生する仕組みを発明するに至った。
【００２７】
さて、実際の制御であるが、短絡は極めて短い時間の現象であり、アーク消失した電圧ゼロ近傍のタイミングを観測することが技術的に難しいため、電圧がある閾値を下回った時に短絡が発生したとして解析する。本実施の形態では、この閾値を判定電圧Ｖｓｈｏｒｔと定義するが、２次側ケーブルの長さ、溶接条件、溶接材料、シールドガス等に応じて、最もアーク長制御が安定する適正値とすればよい。但し、一般的には１０〜１８Ｖの間に設定すれば問題なく、ここではＶｓｈｏｒｔ＝１５Ｖとしている。
【００２８】
図１は、短絡回数をアーク長制御パラメータとして用いる場合について示した図である。
この場合は、図示するように、Ｖｓｈｏｒｔを下回ってから再び超えるまでを短絡を１回としてカウントし、一定時間Ｔｓあたりに発生した短絡回数をＴｓで除算することによってＮｓｈｏｒｔ［回／ｓｅｃ］を求める。尚、Ｔｓを具体的に如何なる値に設定するかは、制御が最も有効となる値を見出すべく自由である。Ｔｓの値としては、０．１〜１ｓｅｃ程度が有効であるが、０．５ｓｅｃ程度で問題ない。但し、過度にＴｓが小さければ、Ｎｓｈｏｒｔのばらつきが大きくなり、制御が不安定となり易い。一方、過度にＴｓが大きければ、制御の応答速度が遅くなり、急激なアーク長変動が起きた場合に、即座に対応できずやはり不安定となる。
図１において、Ｔｓが０．５ｓｅｃならば、Ｎｓｈｏｒｔは８回／ｓｅｃとなる。算出されたＮｓｈｏｒｔを設定回数Ｎｓｅｔと比較してそれに応じた電圧出力指令を発し、これをルーチンとして連続的に行うことでアーク長は常に適正に保たれる。
【００２９】
図２は、短絡時間をアーク長制御パラメータとして用いる場合について示した図である。
この場合は、図示するように、Ｖｓｈｏｒｔを下回ってから再び超えるまでの時間をＴｓｈｏｒｔ１、Ｔｓｈｏｒｔ２、…として計測し、適当回数分の平均値を算出し、平均短絡時間ＡｖｅＴｓｈｏｒｔとして比較に供する。具体的には、Ｔｓｈｏｒｔ１、Ｔｓｈｏｒｔ２、…の合計値ΣＴｓｈｏｒｔを短絡回数で除算することによってＡｖｅＴｓｈｏｒｔを求める。尚、平均値の算出に用いる短絡回数は制御が最も有効となる値を見出すべく自由である。この短絡回数の値としては、３〜２０回程度が有効であるが、５回程度で問題ない。但し、平均値の算出に用いる短絡回数が過度に少なければ、ＡｖｅＴｓｈｏｒｔのばらつきが大きくなり、制御が不安定となり易い。一方、平均値の算出に用いる短絡回数が過度に多ければ、制御の応答速度が遅くなり、急激なアーク長変動が起きた場合に、即座に対応できずやはり不安定となる。
図２において、算出されたＡｖｅＴｓｈｏｒｔを設定時間Ｔｓｅｔと比較してそれに応じた電圧出力指令を発し、これをルーチンとして連続的に行うことでアーク長は常に適正に保たれる。
【００３０】
次に、このような制御の実現方法について、詳細に説明する。尚、エレクトロガスアーク溶接法には、代表的なものとして、１電極型と２電極型とがあるので、ここでは、前者を第１の実施の形態とし、後者を第２の実施の形態として説明する。
【００３１】
まず、第１の実施の形態における制御の実現方法について述べる。
図３は、第１の実施の形態における溶接装置１の概略構成図である。
図示するように、第１の実施の形態における溶接装置１は、電極からアークを発生させて溶接するエレクトロガスアーク溶接用の溶接ロボット１０と、溶接ロボット１０に関する操作及び情報表示を行うための操作表示ボックス２０とを備えている。また、溶接装置１は、溶接のための電力を供給する溶接電源３０と、溶接電源３０から出力される電流を流す２次側ケーブル４０とを備えている。更に、溶接装置１は、２次側ケーブル４０を流れる電流に基づいて溶接ロボット１０における溶接機の上昇速度を調整する速度調整回路５０と、溶接電源３０から出力される電圧に基づいて溶接電源３０による出力電圧を調整する電圧調整回路６０とを備えている。
【００３２】
溶接ロボット１０は、１対の鋼板からなる母材Ｂの鉛直又はそれに近い方向に延びる開先Ｇに溶融池Ｐを形成するための溶接トーチ１１と、電極として機能する溶接ワイヤを溶接トーチ１１に送給するワイヤ送給モータ１２と、開先Ｇの裏側に装着された裏当て材１３と、開先Ｇの表側に装着された摺動銅板１４とを備えている。また、溶接ロボット１０は、溶融池Ｐの表面の上昇により溶接トーチ１１とワイヤ送給モータ１２と摺動銅板１４とからなる溶接機にリンクして上昇するキャリッジ１５と、指示された速度でキャリッジ１５を上昇させる上昇モータ１６と、キャリッジ１５の上昇をガイドするレール１７とを備えている。
【００３３】
溶接トーチ１１は、溶接ワイヤを有し、この溶接ワイヤは溶接電源３０から電圧が印加されることでアークを発生させる。また、溶接トーチ１１は、図示しないウィービングモータにより、矢印Ｗで示す方向にウィービング可能になっている。
ワイヤ送給モータ１２は、溶接ワイヤが巻かれた図示しないワイヤリールから溶接ワイヤを開先Ｇへ送るために溶接トーチ１１に送給する。その際、ワイヤ送給モータ１２が溶接ワイヤを送給する速度Ｆは、後述する設定電流値Ｉｓｅｔを換算することによって決められる。
裏当て材１３は、開先Ｇの裏のルートギャップ部分に装着される部材であり、その材質は金属であっても非金属であってもよい。或いは、裏当て材１３は設けずに、母材Ｂが接触するように突き合わせてもよい。
摺動銅板１４は、開先Ｇの長手方向に沿って開先Ｇに対して相対的に摺動可能な銅板である。この摺動銅板１４にはガス供給口１４１が設けられており、ガス供給口１４１から供給されたシールドガスがアークを覆うことによって溶接雰囲気内に空気が侵入することを防止する。また、この摺動銅板１４には冷却管１４２も設けられており、冷却管１４２から流通された水が摺動銅板１４を介して溶融池Ｐを冷却し溶接金属Ｍとすることを可能にしている。
キャリッジ１５は、レール１７にガイドされて開先Ｇの長手方向に上昇する。これにより、溶接トーチ１１、ワイヤ送給モータ１２、摺動銅板１４も開先Ｇの長手方向（図中白抜き矢印Ｕの方向）に上昇する。
上昇モータ１６は、速度調整回路５０からの指令に基づく速度でキャリッジ１５を上昇させる。
レール１７は、母材Ｂ上に開先Ｇの長手方向に沿って這わせられた鋼材である。
【００３４】
操作表示ボックス２０は、溶接ロボット１０に作業させる際に、例えば溶接条件を指令するために用いられる装置である。ここで、溶接条件には、まず、設定電流値Ｉｓｅｔ及び判定電圧Ｖｓｈｏｒｔが含まれる。また、一定時間内の短絡回数の閾値である設定回数Ｎｓｅｔ又は平均短絡時間の閾値である設定時間Ｔｓｅｔも含まれる。尚、操作表示ボックス２０は、図示しないが、液晶等により構成された表示画面と、入力ボタンとを備えている。或いは、操作表示ボックス２０は、例えば、低圧の電界を形成したパネルの表面電荷の変化を検知することで指が触れた位置を電気的に検出する静電容量方式や、互いに離間する電極の指が触れた位置が非通電状態から通電状態に変化することによりその位置を電気的に検出する抵抗膜方式等の周知のタッチパネルであってもよい。
【００３５】
溶接電源３０は、定電圧特性溶接電源であり、ワイヤ送給モータ１２が溶接ワイヤを送給する速度Ｆが決まると、溶接ワイヤを溶融するに足る電流を出力する。
【００３６】
２次側ケーブル４０は、溶接電源３０と、溶接トーチ１１が有する溶接ワイヤ又は母材Ｂとをつなぐケーブルである。２次側ケーブル４０は、溶接電源３０のプラス側と溶接ワイヤとを接続し、溶接電源３０のマイナス側と母材Ｂとを接続する。
【００３７】
速度調整回路５０は、２次側ケーブル４０を流れる電流をサンプリングする電流サンプリング回路５１と、電流サンプリング回路５１によりサンプリングされた電流を判定して上昇モータ１６に上昇速度指令を発する判定回路５２とを備えている。
電流サンプリング回路５１は、溶接電源３０から出力され２次側ケーブル４０を流れている電流Ｉｐｏｗｅｒをモニターする。
判定回路５２は、電流Ｉｐｏｗｅｒが設定電流値Ｉｓｅｔ未満であればキャリッジ１５の上昇速度Ｓｕｐを低下させる指令を発し、電流Ｉｐｏｗｅｒが設定電流値Ｉｓｅｔと同じであればキャリッジ１５の上昇速度Ｓｕｐを維持する指令を発し、電流Ｉｐｏｗｅｒが設定電流値Ｉｓｅｔより高ければキャリッジ１５の上昇速度Ｓｕｐを高める指令を発する。
【００３８】
電圧調整回路６０は、溶接電源３０から出力される電圧をサンプリングする電圧サンプリング回路６１と、電圧サンプリング回路６１によりサンプリングされた電圧の波形を解析してその解析結果を出力する波形解析回路６２と、波形解析回路６２による解析結果に応じて溶接電源３０に出力電圧指令を発する判定回路６３とを備えている。
電圧サンプリング回路６１は、溶接時に溶接電源３０から出力される電圧Ｖｐｏｗｅｒをモニターする。
波形解析回路６２は、電圧Ｖｐｏｗｅｒが所定の判定電圧Ｖｓｈｏｒｔを下回った単位時間当たりの回数Ｎｓｈｏｒｔ［回／ｓｅｃ］をカウントする。或いは、電圧Ｖｐｏｗｅｒが所定の判定電圧Ｖｓｈｏｒｔを下回り続けている時間の適当回数分の平均時間ＡｖｅＴｓｈｏｒｔ［ｓｅｃ］を求める。
判定回路６３は、回数Ｎｓｈｏｒｔが設定回数Ｎｓｅｔを超えていれば電圧Ｖｐｏｗｅｒを高める指令を発し、回数Ｎｓｈｏｒｔが設定回数Ｎｓｅｔと同じであれば電圧Ｖｐｏｗｅｒを維持する指令を発し、回数Ｎｓｈｏｒｔが設定回数Ｎｓｅｔ未満であれば電圧Ｖｐｏｗｅｒを下げる指令を発する。或いは、適当回数分の平均時間ＡｖｅＴｓｈｏｒｔが設定時間Ｔｓｅｔを超えていれば電圧Ｖｐｏｗｅｒを高める指令を発し、平均時間ＡｖｅＴｓｈｏｒｔが設定時間Ｔｓｅｔと同じであれば電圧Ｖｐｏｗｅｒを維持する指令を発し、平均時間ＡｖｅＴｓｈｏｒｔが設定時間Ｔｓｅｔを下回れば電圧Ｖｐｏｗｅｒを下げる指令を発する。
【００３９】
図４は、第１の実施の形態の溶接装置１に対応する比較例としての従来の溶接装置１の概略構成図である。
この従来の溶接装置１は、図３に示した第１の実施の形態の溶接装置１において、電圧調整回路６０を設けず、操作表示ボックス２０で指令する溶接条件に、判定電圧Ｖｓｈｏｒｔ、設定回数Ｎｓｅｔ、設定時間Ｔｓｅｔを含めず、設定電圧値Ｖｓｅｔを含めたものに過ぎないので、各構成要素の詳しい説明は省略する。
【００４０】
尚、第１の実施の形態では、電圧調整回路６０を溶接電源３０とは独立した所謂制御ボックスとして構成したが、この限りではない。溶接電源３０に電圧調整回路６０を内蔵させて専用電源とすると、可搬性、接続性に優れ、より使い易くなる。
【００４１】
また、図３には示さなかったが、電圧調整回路６０を制御ボックスとするか、電圧調整回路６０を溶接電源３０に内蔵するかに関わらず、通常の溶接電源３０に必須となっている出力電圧を設定電圧値Ｖｓｅｔに調整する電圧調整機能（ダイヤルつまみ又はデジタル式設定による）は、アークスタート時のみ有効とする。なぜならば、一般的に電圧調整機能はアーク長を作業者が意識的に調整させるための機能であるが、本実施の形態ではアーク長が自動で最適に調整されるため、作業者の判断と官能による調整作業は不要となる一方、アークスタート時の瞬間に限っては、その計算機構上、本実施の形態における制御が機能しないからである。即ち、本実施の形態における電圧調整機能はアークスタート電圧を決めるために存在する。但し、電圧調整機能は溶接品質に殆ど影響を与えないので、その重要性は従来の溶接装置１に比べて著しく低下している。
【００４２】
次に、第２の実施の形態における制御の実現方法について述べる。
図５は、第２の実施の形態における溶接装置１の概略構成図である。
図示するように、第２の実施の形態における溶接装置１は、電極からアークを発生させて溶接するエレクトロガスアーク溶接用の溶接ロボット１０と、溶接ロボット１０に関する操作及び情報表示を行うための操作表示ボックス２０とを備えている。また、溶接装置１は、溶接のための電力を供給する溶接電源３０ａ，３０ｂと、溶接電源３０ａから出力される電流を流す２次側ケーブル４０ａと、溶接電源３０ｂから出力される電流を流す２次側ケーブル４０ｂと、溶接電源３０ａ，３０ｂから出力される電流を流す２次側ケーブル４０ｃとを備えている。更に、溶接装置１は、２次側ケーブル４０ａを流れる電流に基づいて溶接ロボット１０における溶接機の上昇速度を調整する速度調整回路５０ａと、溶接電源３０ａから出力される電圧に基づいて溶接電源３０ａによる出力電圧を調整する電圧調整回路６０ａと、溶接電源３０ｂから出力される電圧に基づいて溶接電源３０ｂによる出力電圧を調整する電圧調整回路６０ｂとを備えている。
【００４３】
溶接ロボット１０は、１対の鋼板からなる母材Ｂの鉛直又はそれに近い方向に延びる開先Ｇに溶融池Ｐを形成するための溶接トーチ１１ａ，１１ｂと、電極として機能する溶接ワイヤを溶接トーチ１１ａ，１１ｂにそれぞれ送給するワイヤ送給モータ１２ａ，１２ｂと、開先Ｇの裏側に装着された裏当て材１３と、開先Ｇの表側に装着された摺動銅板１４とを備えている。また、溶接ロボット１０は、溶融池Ｐの表面の上昇により溶接トーチ１１ａ，１１ｂとワイヤ送給モータ１２ａ，１２ｂと摺動銅板１４とからなる溶接機にリンクして上昇するキャリッジ１５と、指示された速度でキャリッジ１５を上昇させる上昇モータ１６と、キャリッジ１５の上昇をガイドするレール１７とを備えている。
【００４４】
溶接トーチ１１ａ，１１ｂはそれぞれ溶接ワイヤを有し、これらの溶接ワイヤはそれぞれ溶接電源３０ａ，３０ｂから電圧が印加されることでアークを発生させる。また、溶接トーチ１１ａ，１１ｂは、図示しないウィービングモータにより、矢印Ｗで示す方向にウィービング可能になっている。
ワイヤ送給モータ１２ａ，１２ｂは、溶接ワイヤが巻かれた図示しないワイヤリールから溶接ワイヤを開先Ｇへ送るためにそれぞれ溶接トーチ１１ａ，１１ｂに送給する。その際、ワイヤ送給モータ１２ａが溶接ワイヤを送給する速度Ｆ１は、後述する設定電流値Ｉｓｅｔ１を換算することによって決められ、ワイヤ送給モータ１２ｂが溶接ワイヤを送給する速度Ｆ２は、後述する設定電流値Ｉｓｅｔ２を換算することによって決められる。
裏当て材１３、摺動銅板１４、キャリッジ１５、上昇モータ１６、レール１７については、第１の実施の形態で説明したものと同じなので、説明を省略する。
【００４５】
操作表示ボックス２０は、溶接ロボット１０に作業させる際に、例えば溶接条件を指令するために用いられる装置である。ここで、溶接条件には、まず、設定電流値Ｉｓｅｔ１及び判定電圧Ｖｓｈｏｒｔ１と、設定電流値Ｉｓｅｔ２及び判定電圧Ｖｓｈｏｒｔ２とが含まれる。また、一定時間内の短絡回数の閾値である設定回数Ｎｓｅｔ１又は平均短絡時間の閾値である設定時間Ｔｓｅｔ１も含まれる。更に、一定時間内の短絡回数の閾値である設定回数Ｎｓｅｔ２又は平均短絡時間の閾値である設定時間Ｔｓｅｔ２も含まれる。尚、操作表示ボックス２０は、図示しないが、液晶等により構成された表示画面と、入力ボタンとを備えている。或いは、操作表示ボックス２０は、例えば、低圧の電界を形成したパネルの表面電荷の変化を検知することで指が触れた位置を電気的に検出する静電容量方式や、互いに離間する電極の指が触れた位置が非通電状態から通電状態に変化することによりその位置を電気的に検出する抵抗膜方式等の周知のタッチパネルであってもよい。
【００４６】
溶接電源３０ａは、定電圧特性溶接電源であり、ワイヤ送給モータ１２ａが溶接ワイヤを送給する速度Ｆ１が決まると、溶接ワイヤを溶融するに足る電流を出力する。また、溶接電源３０ｂは、ワイヤ送給モータ１２ｂが溶接ワイヤを送給する速度Ｆ２が決まると、溶接ワイヤを溶融するに足る電流を出力する。
【００４７】
２次側ケーブル４０ａは、溶接電源３０ａと、溶接トーチ１１ａが有する溶接ワイヤとをつなぐケーブルであり、２次側ケーブル４０ｂは、溶接電源３０ｂと、溶接トーチ１１ｂが有する溶接ワイヤとをつなぐケーブルであり、２次側ケーブル４０ｃは、溶接電源３０ａ，３０ｂと、母材Ｂとをつなぐケーブルである。２次側ケーブル４０ａ，４０ｂは、溶接電源３０ａ，３０ｂのプラス側と溶接ワイヤとを接続し、２次側ケーブル４０ｃは、溶接電源３０ａ，３０ｂのマイナス側と母材Ｂとを接続する。
【００４８】
速度調整回路５０ａは、２次側ケーブル４０ａを流れる電流をサンプリングする電流サンプリング回路５１ａと、電流サンプリング回路５１ａによりサンプリングされた電流を判定して上昇モータ１６に上昇速度指令を発する判定回路５２ａとを備えている。
電流サンプリング回路５１ａは、溶接電源３０ａから出力され２次側ケーブル４０ａを流れている電流Ｉｐｏｗｅｒ１をモニターする。
判定回路５２ａは、電流Ｉｐｏｗｅｒ１が設定電流値Ｉｓｅｔ１未満であればキャリッジ１５の上昇速度Ｓｕｐを低下させる指令を発し、電流Ｉｐｏｗｅｒ１が設定電流値Ｉｓｅｔ１と同じであればキャリッジ１５の上昇速度Ｓｕｐを維持する指令を発し、電流Ｉｐｏｗｅｒ１が設定電流値Ｉｓｅｔ１より高ければキャリッジ１５の上昇速度Ｓｕｐを高める指令を発する。
【００４９】
電圧調整回路６０ａは、溶接電源３０ａから出力される電圧をサンプリングする電圧サンプリング回路６１ａと、電圧サンプリング回路６１ａによりサンプリングされた電圧の波形を解析してその解析結果を出力する波形解析回路６２ａと、波形解析回路６２ａによる解析結果に応じて溶接電源３０ａに出力電圧指令を発する判定回路６３ａとを備えている。
電圧サンプリング回路６１ａは、溶接時に溶接電源３０ａから出力される電圧Ｖｐｏｗｅｒ１をモニターする。
波形解析回路６２ａは、電圧Ｖｐｏｗｅｒ１が所定の判定電圧Ｖｓｈｏｒｔ１を下回った単位時間当たりの回数Ｎｓｈｏｒｔ１［回／ｓｅｃ］をカウントする。或いは、電圧Ｖｐｏｗｅｒ１が所定の判定電圧Ｖｓｈｏｒｔ１を下回り続けている時間の適当回数分の平均時間ＡｖｅＴｓｈｏｒｔ１［ｓｅｃ］を求める。
判定回路６３ａは、回数Ｎｓｈｏｒｔ１が設定回数Ｎｓｅｔ１を超えていれば電圧Ｖｐｏｗｅｒ１を高める指令を発し、回数Ｎｓｈｏｒｔ１が設定回数Ｎｓｅｔ１と同じであれば電圧Ｖｐｏｗｅｒ１を維持する指令を発し、回数Ｎｓｈｏｒｔ１が設定回数Ｎｓｅｔ１未満であれば電圧Ｖｐｏｗｅｒ１を下げる指令を発する。或いは、適当回数分の平均時間ＡｖｅＴｓｈｏｒｔ１が設定時間Ｔｓｅｔ１を超えていれば電圧Ｖｐｏｗｅｒ１を高める指令を発し、平均時間ＡｖｅＴｓｈｏｒｔ１が設定時間Ｔｓｅｔ１と同じであれば電圧Ｖｐｏｗｅｒ１を維持する指令を発し、平均時間ＡｖｅＴｓｈｏｒｔ１が設定時間Ｔｓｅｔ１を下回れば電圧Ｖｐｏｗｅｒ１を下げる指令を発する。
【００５０】
電圧調整回路６０ｂは、溶接電源３０ｂから出力される電圧をサンプリングする電圧サンプリング回路６１ｂと、電圧サンプリング回路６１ｂによりサンプリングされた電圧の波形を解析してその解析結果を出力する波形解析回路６２ｂと、波形解析回路６２ｂによる解析結果に応じて溶接電源３０ｂに出力電圧指令を発する判定回路６３ｂとを備えている。
電圧サンプリング回路６１ｂは、溶接時に溶接電源３０ｂから出力される電圧Ｖｐｏｗｅｒ２をモニターする。
波形解析回路６２ｂは、電圧Ｖｐｏｗｅｒ２が所定の判定電圧Ｖｓｈｏｒｔ２を下回った単位時間当たりの回数Ｎｓｈｏｒｔ２［回／ｓｅｃ］をカウントする。或いは、電圧Ｖｐｏｗｅｒ２が所定の判定電圧Ｖｓｈｏｒｔ２を下回り続けている時間の適当回数分の平均時間ＡｖｅＴｓｈｏｒｔ２［ｓｅｃ］を求める。
判定回路６３ｂは、回数Ｎｓｈｏｒｔ２が設定回数Ｎｓｅｔ２を超えていれば、電圧Ｖｐｏｗｅｒ２を高める指令を発し、回数Ｎｓｈｏｒｔ２が設定回数Ｎｓｅｔ２と同じであれば電圧Ｖｐｏｗｅｒ２を維持する指令を発し、回数Ｎｓｈｏｒｔ２が設定回数Ｎｓｅｔ２未満であれば電圧Ｖｐｏｗｅｒ２を下げる指令を発する。或いは、適当回数分の平均時間ＡｖｅＴｓｈｏｒｔ２が設定時間Ｔｓｅｔ２を超えていれば電圧Ｖｐｏｗｅｒ２を高める指令を発し、平均時間ＡｖｅＴｓｈｏｒｔ２が設定時間Ｔｓｅｔ２と同じであれば電圧Ｖｐｏｗｅｒ２を維持する指令を発し、平均時間ＡｖｅＴｓｈｏｒｔ２が設定時間Ｔｓｅｔ２を下回れば電圧Ｖｐｏｗｅｒ２を下げる指令を発する。
【００５１】
図６は、第２の実施の形態の溶接装置１に対応する比較例としての従来の溶接装置１の概略構成図である。
この従来の溶接装置１は、図５に示した第２の実施の形態の溶接装置１において、電圧調整回路６０ａ，６０ｂを設けず、操作表示ボックス２０で指令する溶接条件に、判定電圧Ｖｓｈｏｒｔ１，Ｖｓｈｏｒｔ２、設定回数Ｎｓｅｔ１，Ｎｓｅｔ２、設定時間Ｔｓｅｔ１，Ｔｓｅｔ２を含めず、設定電圧値Ｖｓｅｔ１，Ｖｓｅｔ２を含めたものに過ぎないので、各構成要素の詳しい説明は省略する。
【００５２】
尚、第２の実施の形態では、電圧調整回路６０ａを溶接電源３０ａとは独立した所謂制御ボックスとして構成し、電圧調整回路６０ｂを溶接電源３０ｂとは独立した所謂制御ボックスとして構成したが、この限りではない。溶接電源３０ａに電圧調整回路６０ａを内蔵させ、溶接電源３０ｂに電圧調整回路６０ｂを内蔵させてそれぞれを専用電源とすると、可搬性、接続性に優れ、より使い易くなる。
【００５３】
また、図５には示さなかったが、電圧調整回路６０ａ，６０ｂを制御ボックスとするか、電圧調整回路６０ａ，６０ｂを溶接電源３０ａ，３０ｂに内蔵するかに関わらず、通常の溶接電源３０ａ，３０ｂに必須となっている出力電圧をそれぞれ設定電圧値Ｖｓｅｔ１，Ｖｓｅｔ２に調整する電圧調整機能（ダイヤルつまみ又はデジタル式設定による）は、アークスタート時のみ有効とする。なぜならば、一般的に電圧調整機能はアーク長を作業者が意識的に調整させるための機能であるが、本実施の形態ではアーク長が自動で最適に調整されるため、作業者の判断と官能による調整作業は不要となる一方、アークスタート時の瞬間に限っては、その計算機構上、本実施の形態における制御が機能しないからである。即ち、本実施の形態における電圧調整機能はアークスタート電圧を決めるために存在する。但し、電圧調整機能は溶接品質に殆ど影響を与えないので、その重要性は従来の溶接装置１に比べて著しく低下している。
【００５４】
図７は、図３の速度調整回路５０の動作例を示したフローチャートである。
図示するように、速度調整回路５０では、まず、電流サンプリング回路５１が、２次側ケーブル４０を流れる電流Ｉｐｏｗｅｒをサンプリングする（ステップ５０１）。
次に、判定回路５２が、電流Ｉｐｏｗｅｒを設定電流値Ｉｓｅｔと比較する（ステップ５０２）。その結果、電流Ｉｐｏｗｅｒが設定電流値Ｉｓｅｔ未満であれば、キャリッジ１５の上昇速度Ｓｕｐを低下させる指令を上昇モータ１６に発する（ステップ５０３）。一方、電流Ｉｐｏｗｅｒが設定電流値Ｉｓｅｔより高ければ、キャリッジ１５の上昇速度Ｓｕｐを高める指令を上昇モータ１６に発する（ステップ５０４）。また、電流Ｉｐｏｗｅｒが設定電流値Ｉｓｅｔと同じであれば、キャリッジ１５の上昇速度Ｓｕｐを維持する指令を上昇モータ１６に発する（ステップ５０５）。
【００５５】
尚、図５の速度調整回路５０ａの動作例もこれと同様である。但し、その場合、図７のフローチャート及び上記説明における速度調整回路５０、電流サンプリング回路５１、判定回路５２、２次側ケーブル４０、電流Ｉｐｏｗｅｒ、設定電流値Ｉｓｅｔは、それぞれ、速度調整回路５０ａ、電流サンプリング回路５１ａ、判定回路５２ａ、２次側ケーブル４０ａ、電流Ｉｐｏｗｅｒ１、設定電流値Ｉｓｅｔ１と読み替える必要がある。
【００５６】
図８は、図３の電圧調整回路６０の第１の動作例を示したフローチャートである。この第１の動作例では、図１に示したように、短絡回数をアーク長制御パラメータとして用いるものとする。
図示するように、電圧調整回路６０では、まず、電圧サンプリング回路６１が、溶接電源３０から出力される電圧Ｖｐｏｗｅｒをサンプリングする（ステップ６０１）。
次に、波形解析回路６２が、電圧Ｖｐｏｗｅｒの波形を解析することにより、電圧Ｖｐｏｗｅｒが判定電圧Ｖｓｈｏｒｔを下回った単位時間当たりの回数Ｎｓｈｏｒｔ［回／ｓｅｃ］を求める（ステップ６０２）。
次いで、判定回路６３が、回数Ｎｓｈｏｒｔを設定回数Ｎｓｅｔと比較する（ステップ６０３）。その結果、回数Ｎｓｈｏｒｔが設定回数Ｎｓｅｔを超えていれば、電圧Ｖｐｏｗｅｒを高める指令を溶接電源３０に発する（ステップ６０４）。一方、回数Ｎｓｈｏｒｔが設定回数Ｎｓｅｔ未満であれば、電圧Ｖｐｏｗｅｒを下げる指令を溶接電源３０に発する（ステップ６０５）。また、回数Ｎｓｈｏｒｔが設定回数Ｎｓｅｔと同じであれば、電圧Ｖｐｏｗｅｒを維持する指令を溶接電源３０に発する（ステップ６０６）。
【００５７】
尚、図５の電圧調整回路６０ａの動作例も、短絡回数をアーク長制御パラメータとして用いるときはこれと同様である。但し、その場合、図８のフローチャート及び上記説明における電圧調整回路６０、電圧サンプリング回路６１、波形解析回路６２、判定回路６３、溶接電源３０、電圧Ｖｐｏｗｅｒ、判定電圧Ｖｓｈｏｒｔ、回数Ｎｓｈｏｒｔ、設定回数Ｎｓｅｔは、それぞれ、電圧調整回路６０ａ、電圧サンプリング回路６１ａ、波形解析回路６２ａ、判定回路６３ａ、溶接電源３０ａ、電圧Ｖｐｏｗｅｒ１、判定電圧Ｖｓｈｏｒｔ１、回数Ｎｓｈｏｒｔ１、設定回数Ｎｓｅｔ１と読み替える必要がある。
【００５８】
また、図５の電圧調整回路６０ｂの動作例も、短絡回数をアーク長制御パラメータとして用いるときはこれと同様である。但し、その場合、図８のフローチャート及び上記説明における電圧調整回路６０、電圧サンプリング回路６１、波形解析回路６２、判定回路６３、溶接電源３０、電圧Ｖｐｏｗｅｒ、判定電圧Ｖｓｈｏｒｔ、回数Ｎｓｈｏｒｔ、設定回数Ｎｓｅｔは、それぞれ、電圧調整回路６０ｂ、電圧サンプリング回路６１ｂ、波形解析回路６２ｂ、判定回路６３ｂ、溶接電源３０ｂ、電圧Ｖｐｏｗｅｒ２、判定電圧Ｖｓｈｏｒｔ２、回数Ｎｓｈｏｒｔ２、設定回数Ｎｓｅｔ２と読み替える必要がある。
【００５９】
図９は、図３の電圧調整回路６０の第２の動作例を示したフローチャートである。この第２の動作例では、図２に示したように、短絡時間をアーク長制御パラメータとして用いるものとする。
図示するように、電圧調整回路６０では、まず、電圧サンプリング回路６１が、溶接電源３０から出力される電圧Ｖｐｏｗｅｒをサンプリングする（ステップ６５１）。
次に、波形解析回路６２が、電圧Ｖｐｏｗｅｒの波形を解析することにより、電圧Ｖｐｏｗｅｒが判定電圧Ｖｓｈｏｒｔを下回り続けている時間の適当回数分の平均時間ＡｖｅＴｓｈｏｒｔ［ｓｅｃ］を求める（ステップ６５２）。
次いで、判定回路６３が、平均時間ＡｖｅＴｓｈｏｒｔを設定時間Ｔｓｅｔと比較する（ステップ６５３）。その結果、平均時間ＡｖｅＴｓｈｏｒｔが設定時間Ｔｓｅｔを超えていれば、電圧Ｖｐｏｗｅｒを高める指令を溶接電源３０に発する（ステップ６５４）。一方、平均時間ＡｖｅＴｓｈｏｒｔが設定時間Ｔｓｅｔ未満であれば、電圧Ｖｐｏｗｅｒを下げる指令を溶接電源３０に発する（ステップ６５５）。また、平均時間ＡｖｅＴｓｈｏｒｔが設定時間Ｔｓｅｔと同じであれば、電圧Ｖｐｏｗｅｒを維持する指令を溶接電源３０に発する（ステップ６５６）。
【００６０】
尚、図５の電圧調整回路６０ａの動作例も、短絡時間をアーク長制御パラメータとして用いるときはこれと同様である。但し、その場合、図９のフローチャート及び上記説明における電圧調整回路６０、電圧サンプリング回路６１、波形解析回路６２、判定回路６３、溶接電源３０、電圧Ｖｐｏｗｅｒ、判定電圧Ｖｓｈｏｒｔ、平均時間ＡｖｅＴｓｈｏｒｔ、設定時間Ｔｓｅｔは、それぞれ、電圧調整回路６０ａ、電圧サンプリング回路６１ａ、波形解析回路６２ａ、判定回路６３ａ、溶接電源３０ａ、電圧Ｖｐｏｗｅｒ１、判定電圧Ｖｓｈｏｒｔ１、平均時間ＡｖｅＴｓｈｏｒｔ１、設定時間Ｔｓｅｔ１と読み替える必要がある。
【００６１】
また、図５の電圧調整回路６０ｂの動作例も、短絡時間をアーク長制御パラメータとして用いるときはこれと同様である。但し、その場合、図９のフローチャート及び上記説明における電圧調整回路６０、電圧サンプリング回路６１、波形解析回路６２、判定回路６３、溶接電源３０、電圧Ｖｐｏｗｅｒ、判定電圧Ｖｓｈｏｒｔ、平均時間ＡｖｅＴｓｈｏｒｔ、設定時間Ｔｓｅｔは、それぞれ、電圧調整回路６０ｂ、電圧サンプリング回路６１ｂ、波形解析回路６２ｂ、判定回路６３ｂ、溶接電源３０ｂ、電圧Ｖｐｏｗｅｒ２、判定電圧Ｖｓｈｏｒｔ２、平均時間ＡｖｅＴｓｈｏｒｔ２、設定時間Ｔｓｅｔ２と読み替える必要がある。
【００６２】
尚、本実施の形態は、本発明を平板の立向姿勢の突合せ継手溶接に適用した例であったが、本発明はあらゆる立向上進溶接に適用可能である。
図１０−１及び図１０−２は、本発明を適用可能な溶接の例を示したものである。
即ち、本発明は、図１０−１（ａ）に示す平板の立向姿勢の突合せ継手溶接の他に、同図（ｂ）に示す角溶接、同図（ｃ）に示すＴ字継手のすみ肉溶接、同図（ｄ）に示すＴ字継手の開先溶接、図１０−２（ｅ）に示す丸パイプとフランジの開先溶接、同図（ｆ）に示す丸パイプ同士の円周突合せ溶接等にも適用可能である。図１０−１（ａ）〜（ｄ）では、各図中の白抜き矢印の方向に溶接を進めることにより立向上進溶接となる。一方、図１０−２（ｅ），（ｆ）では、溶接トーチを時計の約３時の位置に固定して各図中の白抜き矢印の方向に母材を回転させながら溶接を進めることにより、相対的な立向溶接と捉えることができる。但し、この相対的な立向溶接では、電流値による上昇モータによる上昇速度の制御は、電流値による母材の回転速度の制御に置き換えられる。
【００６３】
一方、発明者らは、本実施の形態の仕組みを最も汎用的な下向溶接及び水平溶接でも試したが、上手く機能せず、本実施の形態における仕組みは、立向上進溶接で特に有効であることが分かった。それは以下の理由によるものと考えられる。即ち、立向上進溶接では、開先Ｇ、裏当て材１３、摺動銅板１４により四方から挟まれて溶融池Ｐの逃げ道が無く、かつ、上昇速度が小さいため、溶融池Ｐの表面と溶接ワイヤとの間の距離が安定的に保てることから、制御が収束に向かい、効果的になり易い。これに対し、下向溶接及び水平溶接では、図１１（ａ）から分かる通り、アーク進行方向に物理的に遮るものがないため、重力によって溶融池が不規則にアーク前方に流れ込み易く、都度、溶接ワイヤと直下の溶融池面との間の距離が変動するため、制御がその影響を受けて発散してしまい、むしろ大きなアーク長変動を招くことになってしまうからである。つまり、本実施の形態における仕組みは、溶融池面が安定位置を保てることが前提条件となっている。そのため、本実施の形態では、電圧の制御だけでなく、電流のサンプリングによる上昇速度の制御も同時に行うことが望ましい。
【００６４】
また、本実施の形態を適用する溶接法としては、最も一般的なガスシールドアーク溶接法が挙げられる。このガスシールドアーク溶接法では、溶接ワイヤをソリッドワイヤ又はフラックス入りワイヤとし、炭酸ガス又はアルゴンと炭酸ガスとの混合ガスをアーク及び溶融池Ｐの表面に吹き付けて大気から遮断することで健全性を保つ。一方、ノンガスシールドアーク溶接法に本実施の形態を適用してもよい。ノンガスシールドアーク溶接法はセルフシールドアーク溶接法とも呼ばれ、溶接ワイヤを専用のフラックス入りワイヤとすることで、シールドガスを不要とする。ヒューム発生量が多く、溶接金属の靭性もガスシールドアーク溶接に比べると低いという短所はあるものの、ガスの送給系及びその吹き出し口のメンテナンス、ガスボンベ又はタンク設備等が不要となり、簡便であるという長所もある。ノンガスシールドアーク溶接法は、風の強い箇所ではガスシールドアーク溶接法よりも好適である。
【００６５】
以上述べてきたことから、本実施の形態の効果は、次のようにまとめることができる。
即ち、従来の立向溶接装置では、設置された環境に応じた設備変更、作業者の技量や無意識的な溶接条件の設定ミス等が起きた場合には、溶接品質に対する悪影響が避けられず、都度作業者による試行錯誤の調整が余儀なくされていた。そのため、作業者は長時間の溶接において付きっきりであった。しかしながら、本実施の形態における立向溶接装置では、溶接品質に大きな影響を及ぼすアーク長を自動的に最適化収束させることができる。従って、作業者は、アーク発生及び装置稼働の後は、自動調整機能のおかげで無監視とすることができ、品質向上とコストダウンを両立し、その価値は多大である。
【００６６】
ここで、本実施の形態で用いたパラメータ等の数値限定及びその理由について説明する。
まず、設定回数Ｎｓｅｔについて説明する。
設定回数Ｎｓｅｔが小さいということは短絡が少なくなるように制御する、即ち、アーク長が長くなるように狙うことを示唆する。アーク長が長ければ、溶込みは深くなる。しかしながら、アーク長が過大であれば、溶接金属合金元素の過度な酸化消費、大気のアークへの巻込みといった現象が起こり、溶接金属の性能が低下する。Ｖｓｈｏｒｔ＝１５Ｖとすれば、設定回数Ｎｓｅｔが３回未満ではこれらの現象が起きる。
一方、設定回数Ｎｓｅｔが大きいということは短絡が多くなるように制御する、即ち、アーク長が短くなるように狙うことを示唆する。アーク長が短ければ、溶接金属の機械的性質は改善される。しかしながら、アーク長が過小であれば、溶融池Ｐ内の対流が弱まり、溶込み不良が発生する。Ｖｓｈｏｒｔ＝１５Ｖとすれば、設定回数Ｎｓｅｔが６０回を超えるとこの現象が起きる。
従って、設定回数Ｎｓｅｔは３〜６０回／ｓｅｃが望ましい。尚、更に範囲を狭めて設定回数Ｎｓｅｔを５〜２０回／ｓｅｃにすると、溶接金属の性能と深溶込み性のバランスがより良くなる。
尚、設定回数Ｎｓｅｔ１、Ｎｓｅｔ２についても同様である。
【００６７】
次に、設定時間Ｔｓｅｔについて説明する。
設定時間Ｔｓｅｔが小さいということは短絡が短時間で解消する（微少な短絡しか発生しない）、即ち、アーク長が長くなるように狙うことを示唆する。アーク長が長ければ、溶込みは深くなる。しかしながら、アーク長が過大であれば、溶接金属合金元素の過度な酸化消費、大気のアークへの巻込みといった現象が起こり、溶接金属の性能が低下する。Ｖｓｈｏｒｔ＝１５Ｖとすれば、設定時間Ｔｓｅｔが０．１ｍｓｅｃ未満ではこれらの現象が起きる。
一方、設定時間Ｔｓｅｔが大きいということは短絡が長時間持続する（短絡の規模が大きい）、即ち、アーク長が短くなるように狙うことを示唆する。アーク長が短ければ、溶接金属の機械的性質は改善される。しかしながら、アーク長が過小であれば、溶融池Ｐ内の対流が弱まり、溶込み不良が発生する。Ｖｓｈｏｒｔ＝１５Ｖとすれば、設定時間Ｔｓｅｔが１．０ｍｓｅｃを超えるとこの現象が起きる。
従って、設定時間Ｔｓｅｔは０．１〜１．０ｍｓｅｃが望ましい。尚、更に範囲を狭めて設定時間Ｔｓｅｔを０．２〜０．５ｍｓｅｃにすると、溶接金属の性能と深溶込み性のバランスがより良くなる。
尚、設定時間Ｔｓｅｔ１、Ｔｓｅｔ２についても同様である。
【００６８】
次いで、上昇モータ１６による上昇速度Ｓｕｐについて説明する。
本実施の形態では、アーク長の安定化を目的として、電圧サンプリング、解析、判定、溶接電源３０（３０ａ，３０ｂ）への出力電圧指令というルーチンと、電流サンプリング、判定、上昇モータ１６への上昇速度指令というルーチンとを同時に繰り返すので、溶融池Ｐの表面が平滑で安定なほど効果的である。溶接機及び溶融池Ｐの表面の上昇方向とアーク長の方向とは同一なので、上昇速度Ｓｕｐが大きくなるほどルーチン期間でのアーク長短縮度合いが大きくなる。従って、本実施の形態における制御の結果として補正される幅が大きくなって粗くなり、アーク長が収束し難くなる。
以上のメカニズムから、上昇速度Ｓｕｐは小さいほどアーク長安定化制御が良好に作用する。具体的には、本実施の形態における制御は、上昇速度Ｓｕｐが１８０ｍｍ／ｍｉｎ以下のときに有効に作用する。また、上昇速度Ｓｕｐを１２０ｍｍ／ｍｉｎ以下とするとアーク長はより適正に保たれるので、望ましくは、上昇速度Ｓｕｐは１２０ｍｍ／ｍｉｎ以下とするとよい。尚、この上昇速度Ｓｕｐは、立向溶接としては必要十分な実用領域である。
【実施例】
【００６９】
次に、本発明の実施例について、本発明の範囲から外れる比較例と対比して説明する。尚、この実施例及び比較例は、上述した数値限定の根拠を与えるものでもある。
【００７０】
［実施例１（１電極型）］
鋼板として板厚１２ｍｍの炭素鋼鋼板ＪＩＳ  Ｇ３１０６  ＳＭ４９０Ｂを用い、５０°Ｖ型、ルートギャップ５ｍｍの開先加工を施して立向上進溶接を行った。ガスシールドアーク溶接法を適用し、溶接ワイヤはフラックス入りワイヤＪＩＳ  Ｚ３３１９  ＹＦＥＧ−２２Ｃ規格材の１．６ｍｍφ径とし、シールドガスはＣＯ２とした。溶接装置としては、図３又は図４の構成を用いた。溶接条件や判定条件を変えて溶接長５００ｍｍの溶接を実施し、溶接後に、溶込み性の評価のための超音波探傷試験、及び、溶接金属の性能評価の１つである断面中央部のシャルピー衝撃試験を行った。超音波探傷試験では、溶込み不良が全く無かったものを◎とし、溶込み不良が１〜３箇所にあったものを○とし、溶込み不良が４箇所以上にあったものを×とした。シャルピー衝撃試験では、試験温度−２０℃において、４７Ｊ以上を◎とし、２７Ｊ以上４７Ｊ未満を○とし、２７Ｊ未満を×とした。
下記表に試験結果を示す。尚、表では、ベースとなる条件に対して変更した条件を斜体の太字で示し、超音波探傷試験及びシャルピー衝撃試験の結果のうち問題となるものを太枠囲みの太字で示している。
【００７１】
【表１】
2014087832.tif 000003
【００７２】
Ｎｏ．Ａ１は、図３の構成を用い、アーク長を短絡回数に基づいて制御した場合である。Ｎｏ．Ａ２は、図３の構成を用い、アーク長を平均短絡時間に基づいて制御した場合である。Ｎｏ．Ａ３は、アーク長を制御する電圧調整回路が設けられていない図４の構成を用いた場合である。これらＮｏ．Ａ１〜Ａ３では、２次側ケーブルが２５ｍでアーク長が最適となるように設定しており、何れも溶接後の超音波探傷試験及びシャルピー衝撃試験で問題ない値となっている。
【００７３】
Ｎｏ．Ａ４〜Ａ６は、この設定を基準として、２次側ケーブルを５０ｍに延長した場合である。図３の構成を用いているＮｏ．Ａ４，Ａ５では、２次側ケーブルが２５ｍのときの溶接条件のままであっても自動的にアーク長制御が働くので、アーク長は最適なままであり、超音波探傷試験及びシャルピー衝撃試験で問題ない値となっている。一方、Ｎｏ．Ａ６のように図４の構成を用いた場合は、２次側ケーブルが長くなり、２次側ケーブルにおける消費電圧が高くなったので、相対的にアーク電圧が低くなった。そのため、溶融池内対流が弱まり、溶込みが浅くなって超音波探傷試験で欠陥が多く発生した。
【００７４】
Ｎｏ．Ａ７〜Ａ９は、逆に２次側ケーブルを１０ｍに短縮した場合である。図３の構成を用いているＮｏ．Ａ７，Ａ８では、２次側ケーブルが２５ｍのときの溶接条件のままであっても自動的にアーク長制御が働くので、アーク長は最適なままであり、超音波探傷試験及びシャルピー衝撃試験で問題ない値となっている。一方、Ｎｏ．Ａ９のように図４の構成を用いた場合は、２次側ケーブルが短くなり、２次側ケーブルにおける消費電圧が低くなったので、相対的にアーク電圧が高くなった。そのため、アーク長が過大となり、溶接金属合金元素の過度な酸化消費、大気のアークへの巻込みといった現象が起こり、溶接金属のシャルピー衝撃性能が低下した。
【００７５】
Ｎｏ．Ａ１０〜Ａ１２は、Ｎｏ．Ａ１〜Ａ３の条件に対して、電圧設定を間違えて低く設定してしまった場合である。Ｎｏ．Ａ１０，Ａ１１のように図３の構成を用いた場合、電圧設定はアークスタート条件としてしか作動しないため、アークスタートの瞬間こそややアーク不安定であるが、すぐにアーク長制御が働き、最適アーク長で溶接が進行する。従って、溶込みや溶接金属の健全性は保たれる。一方、Ｎｏ．Ａ１２のように図４の構成を用いた場合は、間違えて設定された低電圧条件のまま溶接が進行するので、溶融池内対流が弱まり、溶込みが浅くなって超音波探傷試験で欠陥が多く発生した。
【００７６】
Ｎｏ．Ａ１３〜Ａ１５は、Ｎｏ．Ａ１〜Ａ３の条件に対して、電圧設定を間違えて高く設定してしまった場合である。Ｎｏ．Ａ１３，Ａ１４のように図３の構成を用いた場合、電圧設定はアークスタート条件としてしか作動しないため、アークスタートの瞬間こそややアーク不安定であるが、すぐにアーク長制御が働き、最適アーク長で溶接が進行する。従って、溶込みや溶接金属の健全性は保たれる。一方、Ｎｏ．Ａ１５のように図４の構成を用いた場合は、間違えて設定された高電圧条件のまま溶接が進行するので、アーク長が過大となり、溶接金属合金元素の過度な酸化消費、大気のアークへの巻込みといった現象が起こり、溶接金属のシャルピー衝撃性能が低下した。
【００７７】
Ｎｏ．Ａ１６〜Ａ１９は、Ｎｏ．Ａ１の条件に対して、短絡回数の閾値である設定回数Ｎｓｅｔを変化させた場合である。設定回数Ｎｓｅｔが最も望ましい範囲にあるＮｏ．Ａ１６，Ａ１８は、溶込み性能、溶接金属性能共に良好である。しかしながら、設定回数Ｎｓｅｔを低く設定したＮｏ．Ａ１７では、アーク長が若干長めとなり、シャルピー衝撃試験が合格だがやや低めとなった。一方、設定回数Ｎｓｅｔを高く設定したＮｏ．Ａ１９では、アーク長が若干短めとなり、超音波探傷試験で合格となるも少数欠陥が生じた。
【００７８】
Ｎｏ．Ａ２０は、図３の構成を用いた溶接法において許容される上限の上昇速度を採用した場合である。アーク長制御は有効に働き、超音波探傷試験及びシャルピー衝撃試験は比較的良好な値を示した。しかしながら、図３の構成を用いた溶接法において許容範囲を超える上昇速度を採用したＮｏ．Ａ２１では、アーク長制御が溶融池面上昇速度に追いつかず、アーク長が不安定となったため、溶込みも不安定となり、超音波探傷試験で不合格となった。
【００７９】
［実施例２（１電極型）］
実施例１と同様に、鋼板として板厚１２ｍｍの炭素鋼鋼板ＪＩＳ  Ｇ３１０６  ＳＭ４９０Ｂを用い、５０゜Ｖ型、ルートギャップ５ｍｍの開先加工を施して立向上進溶接を行った。ノンガスシールドアーク溶接法を適用し、溶接ワイヤはＪＩＳ  Ｚ３３１３  Ｔ４９ＹＴ４−０ＮＡ規格材の２．４ｍｍφ径とした。溶接装置としては、図３又は図４の構成を用いた。溶接条件や判定条件を変えて溶接長５００ｍｍの溶接を実施し、溶接後に、溶込み性の評価のための超音波探傷試験、及び、溶接金属の性能評価の１つである断面中央部のシャルピー衝撃試験を行った。超音波探傷試験では、溶込み不良が全く無かったものを◎とし、溶込み不良が１〜３箇所にあったものを○とし、溶込み不良が４箇所以上にあったものを×とした。シャルピー衝撃試験では、試験温度＋２０℃において、４７Ｊ以上を◎とし、２７Ｊ以上４７Ｊ未満を○とし、２７Ｊ未満を×とした。
下記表に試験結果を示す。尚、表では、ベースとなる条件に対して変更した条件を斜体の太字で示し、超音波探傷試験及びシャルピー衝撃試験の結果のうち問題となるものを太枠囲みの太字で示している。
【００８０】
【表２】
2014087832.tif 000004
【００８１】
Ｎｏ．Ｂ１は、図３の構成を用い、アーク長を短絡回数に基づいて制御した場合である。Ｎｏ．Ｂ２は、図３の構成を用い、アーク長を平均短絡時間に基づいて制御した場合である。Ｎｏ．Ｂ３は、アーク長を制御する電圧調整回路が設けられていない図４の構成を用いた場合である。これらＮｏ．Ｂ１〜Ｂ３では、２次側ケーブルが２５ｍでアーク長が最適となるように設定しており、何れも溶接後の超音波探傷試験及びシャルピー衝撃試験で問題ない値となっている。
【００８２】
Ｎｏ．Ｂ４〜Ｂ６は、この設定を基準として、２次側ケーブルを５０ｍに延長した場合である。図３の構成を用いているＮｏ．Ｂ４，Ｂ５では、２次側ケーブルが２５ｍのときの溶接条件のままであっても自動的にアーク長制御が働くので、アーク長は最適なままであり、超音波探傷試験及びシャルピー衝撃試験で問題ない値となっている。一方、Ｎｏ．Ｂ６のように図４の構成を用いた場合は、２次側ケーブルが長くなり、２次側ケーブルにおける消費電圧が高くなったので、相対的にアーク電圧が低くなった。そのため、溶融池内対流が弱まり、溶込みが浅くなって超音波探傷試験で欠陥が多く発生した。
【００８３】
Ｎｏ．Ｂ７〜Ｂ１０は、Ｎｏ．Ｂ２の条件に対して、平均短絡時間の閾値である設定時間Ｔｓｅｔを変化させた場合である。設定時間Ｔｓｅｔが最も望ましい範囲にあるＮｏ．Ｂ７，Ｂ９は、溶込み性能、溶接金属性能共に良好である。しかし、設定時間Ｔｓｅｔを低く設定したＮｏ．Ｂ８では、アーク長が若干長めとなり、シャルピー衝撃試験が合格だがやや低めとなった。一方、設定時間Ｔｓｅｔを高く設定したＮｏ．Ｂ１０では、アーク長が若干短めとなり、超音波探傷試験で合格となるも少数欠陥が生じた。
【００８４】
Ｎｏ．Ｂ１１の条件は、Ｎｏ．Ｂ１の条件と似ているが、電流の極性を電極マイナス、所謂正極性とした場合である。極性が変わればワイヤ溶融速度が変わるので上昇速度も異なっているが、本実施の形態におけるアーク長制御は有効に働き、問題なく動作した。そして得られた溶込み性能や溶接金属の性能も問題なかった。
【００８５】
［実施例３（２電極型）］
鋼板として板厚８０ｍｍの炭素鋼鋼板ＪＩＳ  Ｇ３１０６  ＳＭ４９０Ｃを用い、２０゜Ｖ型、ルートギャップ８ｍｍの開先加工を施して立向上進溶接を行った。ガスシールドアーク溶接法を適用し、溶接ワイヤとしてはフラックス入りワイヤＪＩＳ  Ｚ３３１９  ＹＦＥＧ−２２Ｃ規格材の１．６ｍｍφ径を２本用い、シールドガスはＣＯ２とした。溶接装置としては、２電極アークにて１つの溶融池を形成して同時上昇する図５又は図６の構成を用いた。溶接条件や判定条件を変えて溶接長５００ｍｍの溶接を実施し、溶接後に、溶込み性の評価のための超音波探傷試験、及び、溶接金属の性能評価の１つである断面中央部のシャルピー衝撃試験を行った。超音波探傷試験では、溶込み不良が全く無かったものを◎とし、溶込み不良が１〜３箇所にあったものを○とし、溶込み不良が４箇所以上にあったものを×とした。シャルピー衝撃試験では、試験温度−２０℃において、４７Ｊ以上を◎とし、２７Ｊ以上４７J未満を○とし、２７Ｊ未満を×とした。
下記表に試験結果を示す。尚、表では、ベースとなる条件に対して変更した条件を斜体の太字で示し、超音波探傷試験及びシャルピー衝撃試験の結果のうち問題となるものを太枠囲みの太字で示している。
【００８６】
【表３】
2014087832.tif 000005
【００８７】
Ｎｏ．Ｃ１は、図５の構成を用い、２本のアーク長をそれぞれ独立して短絡回数に基づいて制御した場合である。Ｎｏ．Ｃ２は、図５の構成を用い、２本のアーク長をそれぞれ独立して平均短絡時間に基づいて制御した場合である。Ｎｏ．Ｃ３は、２本のアーク長の何れを制御する電圧調整回路も設けられていない図６の構成を用いた場合である。尚、溶接機の上昇速度は手前側電極と繋がる電力供給系からサンプリングされた電流値によって制御されている。これらＮｏ．Ｃ１〜Ｃ３では、２次側ケーブルが２５ｍでアーク長が最適となるように設定しており、何れも溶接後の超音波探傷試験及びシャルピー衝撃試験で問題ない値となっている。
【００８８】
Ｎｏ．Ｃ４〜Ｃ６は、この設定を基準として、２次側ケーブルを５０ｍに延長した場合である。図５の構成を用いているＮｏ．Ｃ４，Ｃ５では、２次側ケーブルが２５ｍのときの溶接条件のままであっても自動的にアーク長制御が働くので、アーク長は最適なままであり、超音波探傷試験及びシャルピー衝撃試験で問題ない値となっている。一方、Ｎｏ．Ｃ６のように図６の構成を用いた場合は、２次側ケーブルが長くなり、２次側ケーブルにおける消費電圧が高くなったので、相対的にアーク電圧が低くなった。そのため、溶融池内対流が弱まり、溶込みが浅くなって超音波探傷試験で欠陥が多く発生した。
【００８９】
Ｎｏ．Ｃ７〜Ｃ９は、逆に２次側ケーブルを１０ｍに短縮した場合である。図５の構成を用いているＮｏ．Ｃ７，Ｃ８では、２次側ケーブルが２５ｍのときの溶接条件のままであっても自動的にアーク長制御が働くので、アーク長は最適なままであり、超音波探傷試験及びシャルピー衝撃試験で問題ない値となっている。一方、Ｎｏ．Ｃ９のように図６の構成を用いた場合は、２次側ケーブルが短くなり、２次側ケーブルにおける消費電圧が低くなったので、相対的にアーク電圧が高くなった。そのため、アーク長が過大となり、溶接金属合金元素の過度な酸化消費、大気のアークへの巻込みといった現象が起こり、溶接金属のシャルピー衝撃性能が低下した。
【００９０】
［実施例４（２電極型）］
実施例３と同様に、鋼板として板厚８０ｍｍの炭素鋼鋼板ＪＩＳ  Ｇ３１０６  ＳＭ４９０Ｃを用い、２０゜Ｖ型、ルートギャップ８ｍｍの開先加工を施して立向上進溶接を行った。ガスシールドアーク溶接法を適用し、溶接ワイヤとしてはフラックス入りワイヤＪＩＳ  Ｚ３３１９  ＹＦＥＧ−２２Ｃ規格材の１．６ｍｍφ径を２本用い、シールドガスはＣＯ２とした。溶接装置としては、２電極アークにて１つの溶融池を形成して同時上昇する図５又は図６の構成を用いた。溶接条件や判定条件を変えて溶接長５００ｍｍの溶接を実施し、溶接後に、溶込み性の評価のための超音波探傷試験、及び、溶接金属の性能評価の１つである断面中央部のシャルピー衝撃試験を行った。超音波探傷試験では、溶込み不良が全く無かったものを◎とし、溶込み不良が１〜３箇所にあったものを○とし、溶込み不良が４箇所以上にあったものを×とした。シャルピー衝撃試験では、試験温度−２０℃において、４７Ｊ以上を◎とし、２７Ｊ以上４７J未満を○とし、２７Ｊ未満を×とした。
下記表に試験結果を示す。尚、表では、ベースとなる条件に対して変更した条件を斜体の太字で示し、超音波探傷試験及びシャルピー衝撃試験の結果のうち問題となるものを太枠囲みの太字で示している。
【００９１】
【表４】
2014087832.tif 000006
【００９２】
Ｎｏ．Ｄ１は、図５の構成を用い、２本のアーク長をそれぞれ独立して平均短絡時間に基づいて制御した場合である。Ｎｏ．Ｄ２は、２本のアーク長の何れを制御する電圧調整回路も設けられていない図６の構成を用いた場合である。尚、溶融機構の上昇速度は手前側電極と繋がる電力供給系からサンプリングされた電流値によって制御されている。これらＮｏ．Ｄ１，Ｄ２は、Ｎｏ．Ｃ２，Ｃ３とは電極極性の組合せが異なっているが、２次側ケーブルが２５ｍでアーク長が最適となるように設定しており、何れも溶接後の超音波探傷試験及びシャルピー衝撃試験で問題ない値となっている。
【００９３】
Ｎｏ．Ｄ３，Ｄ４は、Ｎｏ．Ｄ１，Ｄ２の条件に対して、電圧設定を間違えて低く設定してしまった場合である。Ｎｏ．Ｄ３のように図５の構成を用いた場合、電圧設定はアークスタート条件としてしか作動しないため、アークスタートの瞬間こそややアーク不安定であるが、すぐにアーク長制御が働き、最適アーク長で溶接が進行する。従って、溶込みや溶接金属の健全性は保たれる。一方、Ｎｏ．Ｄ４のように図６の構成を用いた場合は、間違えて設定された低電圧条件のまま溶接が進行するので、溶融池内対流が弱まり、溶込みが浅くなって超音波探傷試験で欠陥が多く発生した。
【００９４】
Ｎｏ．Ｄ５，Ｄ６は、Ｎｏ．Ｄ１，Ｄ２の条件に対して、電圧設定を間違えて高く設定してしまった場合である。Ｎｏ．Ｄ５のように図５の構成を用いた場合、電圧設定はアークスタート条件としてしか作動しないため、アークスタートの瞬間こそややアーク不安定であるが、すぐにアーク長制御が働き、最適アーク長で溶接が進行する。従って、溶込みや溶接金属の健全性は保たれる。一方、Ｎｏ．Ｄ６のように図６の構成を用いた場合は、間違えて設定された高電圧条件のまま溶接が進行するので、アーク長が過大となり、溶接金属合金元素の過度な酸化消費、大気のアークへの巻込みといった現象が起こり、溶接金属のシャルピー衝撃性能が低下した。
【符号の説明】
【００９５】
１…溶接装置、１０…溶接ロボット、１１，１１ａ，１１ｂ…溶接トーチ、１２，１２ａ，１２ｂ…ワイヤ送給モータ、１３…裏当て材、１４…摺動銅板、１５…キャリッジ、１６…上昇モータ、１７…レール、２０…操作表示ボックス、３０，３０ａ，３０ｂ…溶接電源、４０，４０ａ，４０ｂ，４０ｃ…２次側ケーブル、５０，５０ａ…速度調整回路、５１，５１ａ…電流サンプリング回路、５２，５２ａ…判定回路、６０，６０ａ，６０ｂ…電圧調整回路、６１，６１ａ，６１ｂ…電圧サンプリング回路、６２，６２ａ，６２ｂ…波形解析回路、６３，６３ａ，６３ｂ…判定回路
【図１】
2014087832.tif 000007
【図２】
2014087832.tif 000008
【図３】
2014087832.tif 000009
【図４】
2014087832.tif 000010
【図５】
2014087832.tif 000011
【図６】
2014087832.tif 000012
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０−１】
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【図１０−２】
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【図１１】
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【図１２】
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