(57)【要約】本発明は電極端部（７’）と被加工物（８）との間に短絡溶滴を存在させるミグ／マグ溶接のための制御方法および溶接装置に関する。  制御方法は、短絡時間の確立、アーク時間の確立、および電極（７）へのエネルギー供給の制御から成る。エネルギー供給は、短絡時間とアーク時間の和を周期時間とした時の全周期時間のうちの測定された短絡時間が変更可能な設定値を超えた場合はエネルギー供給を増加させ、該短絡率が該設定値を下回った場合はエネルギー供給を減少させるという方法で制御される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極端部と被加工物との間に短絡溶滴を存在させるミグ／マグ溶接の制御方法において、
短絡時間の確立と、
アーク時間の確立と、
前記短絡時間と前記アーク時間の和を周期時間とした時の全周期時間のうちの測定された短絡時間が変更可能な設定値を超えた場合は溶融効率を上げ、該短絡率が該設定値を下回った場合は溶融効率を下げるという方法で行う電極の溶融効率の制御とを含むミグ／マグ溶接の制御方法。
【請求項２】
全周期時間の一部としての前記短絡時間の該設定値を達成するために制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項３】
外乱状態の後５０から１０００ミリ秒以内に連続状態が得られるように制御が調節されることを特徴とする請求項１又は２に記載の制御方法。
【請求項４】
前記短絡時間の確立が短絡の確立から成り、測定電圧値を基にして、前記短絡に関して設定した限界値よりも前記電圧値が下がれば短絡が確立しているとみなすことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の制御方法。
【請求項５】
前記アーク時間の確立がアークの確立から成り、測定電圧値を基にして、前記アークに関して設定した値を前記電圧値が超えればアークが確立しているとみなすことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の制御方法。
【請求項６】
前記短絡時間の確立が短絡の確立から成り、光測定を基にして、短絡に関して設定した限界値よりも光強度が下がれば短絡が確立しているとみなし、前記アークに関して設定した値を測定光強度が超えればアークが確立しているとみなすことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の制御方法。
【請求項７】
前記アーク時間の確立がアークの確立から成り、光測定を基にして、前記アークに関して設定した値を測定光強度が超えればアークが発生しているとみなすことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の制御方法。
【請求項８】
前記短絡時間の確立が短絡の確立から成り、音波測定を基にして、測定された音波周波数があらかじめ設定した値の時に短絡が確立しているとみなすことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の制御方法。
【請求項９】
前記アーク時間の確立がアークの確立から成り、音波測定を基にして、測定された音波周波数があらかじめ設定した値の時にアークが発生しているとみなすことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の制御方法。
【請求項１０】
前記周期時間が前記短絡時間と短絡直後の前記アーク時間との和で算出されることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の制御方法。
【請求項１１】
前記溶融効率の制御が、前記全周期時間のうちの測定された短絡時間が前記設定値を超える場合は前記電極へのエネルギー供給が増加され、該短絡率が前記設定値を下回る場合は前記電極へのエネルギー供給が減少される方法で前記電極へのエネルギー供給を制御することを含むことを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の制御方法。
【請求項１２】
前記溶融効率の制御が、前記全周期時間のうちの測定された短絡時間が前記設定値を超える場合は前記電極の供給速度が増加され、該短絡率が前記設定値を下回る場合は前記電極の供給速度が減少される方法で前記電極の供給速度を制御することを含むことを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の制御方法。
【請求項１３】
さらにアーク消滅、すなわち溶接電流が存在しない状態が検知され、かつアーク消滅に関わる前記周期時間が無視される、すなわち周期時間が溶融電力の算出に寄与しないことを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の制御方法。
【請求項１４】
被加工物（８）近傍の位置に供給されるよう調節された電極端部（７’）を有する電極（７）を保持する溶接トーチ（３）、およびエネルギーを前記電極（７）に供給するよう調節された溶接機（１）を含むミグ／マグ溶接のための溶接装置において、
前記溶接装置が短絡時間を確立するよう調節された第一の手段（９、１０）と、
アーク時間を確立するよう調節された第二の手段（９、１１）と、
前記短絡時間と前記アーク時間の和を周期時間とした時の全周期時間のうちの測定された短絡時間が変更可能な設定値を超える場合は溶融効率が増加され、該短絡率が該設定値を下回る場合は前記溶融効率を減少させるという方法で、前記短絡率を一定に維持するために前記電極（７）の前記溶融効率を制御するよう調節された調整器（９）とを含むミグ／マグ溶接のための溶接装置。
【請求項１５】
さらに該溶接装置の動特性を制御するためのプロセス調整器（９’）を含むことを特徴とする請求項１４に記載の溶接装置。
【請求項１６】
前記短絡率を一定に維持するために前記プロセス調整器（９’）が前記調整器（９）からの入力信号を受取ることを特徴とする請求項１５に記載の溶接装置。
【請求項１７】
前記短絡率を一定に維持するための前記調整器（９）が、前記溶接機（１）の電力モジュールのサイリスタの点火角度を制御することを特徴とする請求項１４に記載の溶接装置。
【請求項１８】
前記短絡率を一定に維持するための前記調整器（９）が、前記短絡率が前記設定値を下回る時はより多くの電極（７）が供給され、その逆も同様であるように電極供給装置（２）を制御することを特徴とする請求項１４から１７のいずれかに記載の溶接装置。
【請求項１９】
前記短絡率を一定に維持するための前記調整器（９）が、前記全周期時間のうちの測定された短絡時間が前記設定値を超える場合は前記電極への前記エネルギー供給が増加され、該短絡率が前記設定値を下回る場合は前記電極への前記エネルギー供給が減少される方法で前記電極への前記エネルギー供給を調節するよう前記溶接機を制御することを特徴とする請求項１４から１７のいずれかに記載の溶接装置。
【請求項２０】
最後に使用した制御パラメータを保存し、かつそれを次の溶接の開始時に適用する手段を含むことを特徴とする請求項１４から１９のいずれかに記載の溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミグ／マグ溶接に適合した溶接装置におけるショートアーク溶接プロセスの制御方法全般に関する。さらに詳細には、本発明は、請求項１の前提部分に記載の方法および請求項１４の前提部分に記載の溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ミグ／マグ溶接と呼ばれることの多い溶融した電極を連続して供給するガスメタルアーク溶接では、被加工物は主にアークによって加熱される。電極は、電極の突出部、すなわち電極への電流移動が発生する電極接触先端部とアークとの間の電極自由端部を溶接電流が流れる時は部分的に電力によって加熱され、またアークそのものによっても部分的に加熱される。溶接プロセスの基本的制御の目的は、電極供給速度に対応する電極溶融速度を得ることである。制御の別の目的としては、例えば被工作物へ移動する熱量を変化させることなどが挙げられる。
【０００３】
ミグ／マグ溶接は３種類ある状態の中の１つで行われる。ショートアーク溶接では、短絡する大きな溶滴によって電極から被加工物への物質移動が行われ、その主な様子を図２に示す。このプロセスは交互に発生するアークと溶滴の短絡移行とから成るため、電極と被加工物との間の平均電圧は低下し、従って母材への適度な熱移動が維持される。供給電力を増加させると混合アーク状態となり、短絡溶滴と非短絡溶滴が混在した状態で物質移動が起こる。その結果、大量の溶接スパッタと溶接煙を発生させる不安定なアークとなる。通常この状態での溶接は行われない。供給電力が十分に高い場合はスプレー状態となり、微細に分散した小さな溶滴により、短絡を伴わない物質移動が起こる。スパッタ量はショートアーク溶接よりも明らかに少ない。この場合母材への熱供給はより大きくなり、この方法は主に厚めの被加工物に適している。
【０００４】
第３の状態はパルス溶接と呼ばれるもので、適切な電流パルスによる溶滴の適度な切断を先進制御によって制御する方法である。パルス毎に溶滴を切断し、溶滴は短絡しない程度に十分小さくなる。この方法では低溶接スパッタという形でのスプレー状態の利点が得られ、大量の熱移動による欠点もない。以下では、ショートアーク法によるミグ/マグ溶接に適合した溶接装置について考察する。この場合、溶接ワイヤ端部（電極端部）と被加工物との間で短絡とアークが交互に発生する。溶接電流源の動特性と調節とによって短絡時間が決まる。通常の溶接時は、各短絡時間は０．５から４０ミリ秒の間であるべきである。動特性は、溶接トランス、インダクタ、および電子回路の内部抵抗並びにインダクタのインダクタンスを必要な大きさにすることで作りだすことができる。最新の装置ではインダクタが電子的な種類のもの、すなわちハードウェアとソフトウェアから成るプロセス調整器であることが多い。これは、連続して行われる溶接に関連してスタート時に動特性を変更できるようにするためである。溶接機の動特性によって、溶接中にいかに速く溶接電流を制御し調節できるかが決まる。このようにプロセス調整器が特性を与え、その特性は短絡中の電流増加率をプロセス調整器で規定することで各々の短絡プロセスに影響を与える。
【０００５】
溶接機の静特性は該内部抵抗もしくはプロセス調整器のそれに相当する性質によって主に決定される。溶接機の電源の静特性は溶接機によって行われる溶接方法に適合したものでなければならない。ショートアーク溶接に適合したミグ／マグ溶接機はわずかに低下して行く性質を持つ定電圧源、通常は１００Ａに対して３Ｖ、としてみなされるべきである。これは逆に定電流であるティグ溶接機と対照的である。
【０００６】
より簡易な溶接機では、電極供給速度設定つまみおよび溶接装置内の溶接トランスからの電圧出力を複数ある中から選択する設定つまみがある。これは、溶接電圧を生成するためのサイリスタにおける点火角度を制御するハンドルに置き換えることもできる。最新のインバータ装置では、溶接電圧を極めて正確に制御することができる。スイッチモード電源形式の最新インバータ技術およびマイクロプロセッサ制御トランジスタにより、サイリスタによる他の電源形式もしくは各種溶接方法や溶接条件に適合させる必要のあるステップ制御型トランスに比べて、静特性および動特性のより速く正確な制御が可能となる。
【０００７】
各電極速度に対する適切な基準電圧値が、電極材質、電極寸法、シールドガスの種類などの因子に依存するという問題点はよく知られている。今日の溶接機で通常行われている方法は、経験から得られた上記の影響因子の値の様々な組み合わせについての様々な電極供給速度に対する適切な溶接パラメータを溶接機の制御コンピュータに入力するやり方で、いわゆるシナジーライン（synergy line）である。影響因子のあらゆる組み合わせに対してそのような曲線を作成することは、試験溶接および文書作成という膨大な作業を意味する。しかも、材料品質は納入ごとに変わる可能性があり、そうなると過去に試験済みの曲線がもはや使用できないということになる。さらに、シールドガスは現在ガスの組成を明示せずに納入業者が付けた商品名で販売されており、このことも、あらゆる溶接条件に対応できるようあらかじめ決まった量の曲線を用意しておくことを難しくしている。ガス組成や溶接電極組成がメーカーからの予告なく変更されていることもあるため、明らかに同一の溶接条件で再度溶接を行っても成功するとは限らない。このことが新しいバッチの溶接を行う際に不確実性という問題をもたらすことは明らかである。
【０００８】
別の問題としては、現在の技術ではタック溶接部や角部を通過する際など、溶接トーチの接触端部と被加工物との間の距離が変化する場合に均一な溶接結果が得られないという課題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、本発明の目的は、前述の既存技術の問題点を完全にないしは部分的に改善するショートアーク溶接の方法および装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本目的は、溶接方法に関する独立請求項である請求項１の構成要素部分に記載の方法手順、および装置に関する独立請求項である請求項１４の構成要素部分の特徴によって達成される。
【００１１】
従属項には有利な実施形態が記載されている。
【００１２】
短絡時間とアーク時間の和を周期時間とした時のその周期時間に占める短絡時間の割合をある設定値に一定に維持するための調整器を導入することによって、接触先端部と被加工物との間の距離など、異なる外的影響因子に対する溶接の許容度に対して格段の驚く程良い効果が見られた。しかもこの種の装置は、広範囲にわたる様々なサイズや材質の電極を用いて運転することができる。同様に、異なるシールドガス組成に対する適切な許容度も達成される。試験済みシナジーラインの必要性が大幅に減少し、そのため、異なる納入業者や異なる製造バッチからの材料を用いて溶接を行った場合の適切な反復精度の信頼性が増加する。
【００１３】
この方法の驚くべき良い効果は、少なくとも部分的にスプレー状態で使用可能であるという点である。スプレー状態の低温領域では、少ない割合ではあるが短絡移行する溶滴がまだ存在する。短絡率を２から５％調整することで、時にRapidArcの概念の下で言及されることもあるスプレー状態のこの領域においても安定制御が得られる。しかし、純粋にショートアーク溶接を行っている間の短絡率は１７から２５％が適当であり、初期値としては２１％が最適であることが示されている。低温溶接が必要な場合は短絡率を上げ、逆もまた同様である。短絡率の設定値を調節する機能を持つ入力装置は、電流源、電極供給装置、もしくは調節ボックス上にあるのがよい
【００１４】
制御の効果を達成し制御の安定性を得るために、制御パラメータは外乱状態後５０から１０００ミリ秒以内に連続状態が得られるよう調整される。すなわち、この調整器は個々の短絡率を制御するのではなく、複数の短絡率の平均値の制御を行うのである。
【００１５】
本発明の別の形態によると短絡時間の確立は短絡の確立を含み、それは測定電圧値を基にして、短絡に関して設定した限界値よりも電圧値が下がれば短絡が発生しているとみなされる。同様に、アーク時間の確立はアークの確立を含むことができ、これは測定電圧値を基にして、アークに関して設定した値をその電圧値が超えればアークが発生しているとみなされる。
【００１６】
本発明のさらに別の形態によると短絡時間の確立は短絡の確立を含み、それは光測定を基にして、短絡に関して設定した限界値より光強度が下がれば短絡が発生しているとみなされ、アークに関して設定した値を光強度が超えればアークが発生しているとみなされる。同様に、アーク時間の確立にはアークの確立を含むことができ、これは光測定を基にして、アークに関して設定した値をその光強度が超えればアークが発生しているとみなされる。
【００１７】
本発明のさらに別の形態によると短絡時間の確立は短絡の確立を含み、それは音波測定を基にして、測定された音波周波数があらかじめ設定した値であれば短絡が発生しているとみなされる。同様に、アーク時間の確立にはアークの確立を含むことができ、これは音波測定を基にして、測定された音波周波数があらかじめ設定した値であればアークが発生しているとみなされる。例えば、測定音波周波数が設定された範囲内であればアークが発生しているとみなすことができ、そうでなければ短絡が発生しているとみなすことができる。この逆も同様である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明において可能な実施形態の例を以下に述べる。これ以外の実施形態も当然請求項の範囲内において可能である。
【００１９】
図１に開示するのは、電極７の端部７’と被工作物６との間に短絡溶滴を存在させるミグ／マグ溶接装置である。開示された溶接装置は、溶接エネルギーもしくは溶融電力を電極７へ供給するよう調節された電流源を有する溶接機１を含む。電流源がインバータ電源を含むことが好ましい。電極供給装置２は溶接機１の上に設置される。電極供給装置２は電極７を溶接トーチ３に供給するよう調節される。溶接トーチ３は電極供給装置２、溶接機１、およびガス容器４に溶接ケーブルによって接続される。溶接トーチ３はガスカップ５および接触チューブ６を含み、電極７はこれらを通して被工作物８近傍の位置へ供給される。溶接ガスはガスカップ５および接触チューブ６で囲まれた空間へガス容器４から供給される。
【００２０】
さらに溶接装置は、調整器９およびプロセス調整器９’を含んでなる制御装置を含む。開示された実施形態では、調整器９はプロセス調整器９’内に含まれている。調整器９はプロセス調整器９’と一体化された部分という形を取ることができる。しかし、プロセス調整器９’および調整器９は、制御装置における２つの独立した制御ユニットの形を取ることもでき、調整器９の出力信号がプロセス調整器９’の入力信号となるようお互いに直列に接続されることが好ましい。制御装置は、電極７と被加工物８と間の短絡を検知するよう調節された、概略的に図示した第一のセンサー１０、並びに電極７と被加工物８と間のアークを検知するよう調節された、概略的に図示した第二のセンサー１１も含む。調整器９および第一のセンサー１０は合わせて短絡時間、すなわち短絡の持続時間を確立する手段を成す。調整器９および第二のセンサー１１は合わせてアーク時間、すなわちアークの持続時間を確立する手段を成す。
【００２１】
９および１０による第一の手段は、短絡時間、すなわち電極端部７’および被加工物８の間の短絡の持続時間を確立するよう調節される。９および１１による第二の手段は、アーク時間、すなわち電極端部７’および被加工物８の間のアークの持続時間を確立するよう調節される。調整器９はプロセス調整器９’と共に作動し、短絡時間とアーク時間の和を周期時間とした時の全周期時間のうちの測定された短絡時間が変更可能な設定値を超えた場合は電極７へのエネルギー供給が増加され、該短絡率が該設定値を下回った場合はエネルギー供給が減少されるような方法で電極７へのエネルギー供給を制御するよう調節される。従って、調整器９とプロセス調整器９’により短絡率が望ましい設定値において一定に維持される。
【００２２】
本発明は、短絡率を望ましい設定値において一定に維持するために主に用いられる。これは、微視的観点において溶接プロセスを制御する、すなわち電流源に静特性と動特性を与えることを目的として、本目的のために調整器９の出力信号をさらに内部にあるプロセス調整器９’へ送ることで達成される。
【００２３】
しかしながら本発明は別の選択肢として、特にプロセス調整器を持たないサイリスタ制御電流源などの、より簡易な装置において実行することもできる。この場合本発明の調整器は、溶接機１のサイリスタのための点火アングルを直接制御する。
【００２４】
本発明は、例えばエネルギー供給もしくは溶融電力が請求項１に示すように変更されるように、この場合は溶接ワイヤ供給部品モータが制御されるステップ制御溶接機などにも用いることができる。
【００２５】
この制御装置は、アナログもしくはデジタルタイプのハードウェアだけでなくソフトウェアにおいても実行することができる。
【００２６】
以下に示す式は一つの実施形態における制御アルゴリズムである。
Ｅｎ＋１＝Ｅｎ−ｋ（Ｒｒｅｇ−Ｒｎ）
【００２７】
ここで、
E = 短絡時間調整器からの出力信号＝本来の溶接プロセス調整器への入力信号
【００２８】
ｋ＝一体化した短絡時間調整器の増幅係数
ｋは外乱状態から連続状態までの時間が５０から１０００ミリ秒、好ましくは２５０から３５０ミリ秒となるように選択される。
さらに、制御アルゴリズムには比例部分も存在し得る。
Ｒ＝短絡時間／（短絡時間＋アーク時間）
Ｒｒｅｇ＝Ｒの設定値
Ｒｎ＝Ｒの最新測定値
【００２９】
１．Ｅｎの更新はＲｎの各新規測定後に行う。
２．周期時間が１５０ミリ秒を超える場合、Ｒｎは例えば１％のように低い値に設定する。
３．アークが消滅するとＥｎの更新は行われないことになる。
４．アーク消滅が１５０ミリ秒より長い場合は、上記２が有効となる。
【００３０】
最新の制御値を次の溶接のスタートに用いることは有利である。従って、このための溶接装置遮断後の制御値の記憶保存も必要である。最後の溶接から電極供給速度が変更された場合は、確実に溶接を開始するために値の補間が行われる。従ってこのことはすなわち、電流のドロップアウトに備えて電極供給速度値も記憶保存されるべきであることを意味している。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】ミグ／マグ溶接装置を模式的に示した図である。
【図２】ショートアーク溶接において、溶滴が溶接電極と被工作物の間を移行する際の電流と電圧の変化を示した図である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
2009507646.tif 000005
2009507646.tif 000006
2009507646.tif 000007