(57)【要約】【課題】溶滴と溶融池が短絡すること無く、溶滴が離脱する際のスパッタの発生を抑制しつつ、ビード外観が優れたガスシールドアーク溶接の制御方法を提供する。【解決手段】溶接ワイヤ先端の溶滴の離脱時期を検知することで溶接電流を制御するガスシールドアーク溶接の制御方法は、溶接電流を設定電流Ｉｃｃで保持する通常アーク期間を設ける工程と、通常アーク期間において溶滴の離脱時期を検知した後、溶接電流を所定の条件で制御する離脱制御期間を設ける工程を有する。離脱制御期間中に、（ａ）所定の出力電圧制御、（ｂ）所定の送給速度制御および（ｃ）所定のガス比率制御のうち、少なくともいずれか１つの短絡防止制御を行う。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールドガスとして、ＣＯ２の含有量が１００体積％である炭酸ガス、またはＣＯ２の含有量が３０体積％以上で残部がＡｒである混合ガスを用い、かつ、アークにより溶融された溶接ワイヤ先端の溶滴の離脱時期を検知することで溶接電流を制御するガスシールドアーク溶接の制御方法であって、
前記溶接電流をあらかじめ設定された設定電流Ｉｃｃで保持する通常アーク期間を設ける工程と、
前記通常アーク期間において、前記溶滴の離脱時期を検知した後、前記溶接電流を低下させる電流低下区間、前記電流低下区間後に前記溶接電流を一定の離脱保持電流Ｉｈ１で保持する電流保持区間、および前記電流保持区間後に前記溶接電流を上昇させる電流上昇区間を有する離脱制御期間を設ける工程を有し、
前記離脱制御期間中に、下記（ａ）〜（ｃ）の少なくともいずれか１つの短絡防止制御を行うことを特徴とするガスシールドアーク溶接の制御方法。
（ａ）溶接中のアーク電圧を、設定電圧に対し±１０％以内に維持する出力電圧制御
（ｂ）溶接中のワイヤ送給速度Ｆｓを、設定ワイヤ送給速度に対し４０〜９５％の範囲にまで減速させる送給速度制御
（ｃ）前記シールドガス中のＡｒ比率を、５０〜１００体積％の範囲にまで高めるガス比率制御
【請求項２】
前記（ａ）の制御を行う場合、前記アーク電圧を、設定電圧に対し±５％以内に維持し、
前記（ｂ）の制御を行う場合、前記ワイヤ送給速度Ｆｓを、前記設定ワイヤ送給速度に対し５０〜９５％の範囲にまで減速させ、
前記（ｃ）の制御を行う場合、前記シールドガス中のＡｒ比率を、８０〜１００体積％の範囲にまで高める、請求項１に記載のガスシールドアーク溶接の制御方法。
【請求項３】
前記電流低下区間における、前記溶接電流の単位時間当たりの変化量である前記溶接電流の傾きが−２００〜−５０Ａ／ｍｓであり、
前記電流保持区間における、前記溶接電流の離脱保持時間Ｔｈ１が２〜８ｍｓであり、
前記電流上昇区間における、前記溶接電流の傾きが５０〜３００Ａ／ｍｓであり、
かつ、前記電流保持区間における、前記離脱保持時間Ｔｈ１［ｍｓ］、ワイヤ直径ｄ［ｍｍ］および前記ワイヤ送給速度Ｆｓ［ｍ／ｍｉｎ］との関係が下記式（１）を満足する、請求項１または２に記載のガスシールドアーク溶接の制御方法。
０．４≦（１．２／ｄ）×（Ｆｓ／１５）×Ｔｈ１≦１０  ・・・（１）
【請求項４】
前記電流保持区間における、前記離脱保持電流Ｉｈ１［Ａ］および前記ワイヤ送給速度Ｆｓ［ｍ／ｍｉｎ］との関係が下記式（２）を満足する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスシールドアーク溶接の制御方法。
５０≦（１５／Ｆｓ）×Ｉｈ１≦２８０  ・・・（２）
【請求項５】
前記離脱制御期間および前記通常アーク期間の合計期間を溶滴の離脱周期とし、前記溶滴の離脱周期があらかじめ設定された監視時間Ｔａｒｃを経過した場合に、前記溶滴の離脱を強制的に促すための強制離脱制御期間を設ける工程を有し、
前記監視時間Ｔａｒｃが１０〜６０ｍｓであり、
前記監視時間Ｔａｒｃ［ｍｓ］、前記設定電流Ｉｃｃ［Ａ］および前記溶接ワイヤのワイヤ直径ｄ［ｍｍ］との関係が下記式（３）を満足する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスシールドアーク溶接の制御方法。
１０≦（ｄ／１．２）×（３５０／Ｉｃｃ）×Ｔａｒｃ≦８０  ・・・（３）
【請求項６】
前記強制離脱制御期間は、前記溶接電流を低下させる強制電流低下区間、前記強制電流低下区間後に前記溶接電流を一定の強制離脱保持電流Ｉｈ２で保持する強制電流保持区間、および前記強制電流保持区間後に前記溶接電流を上昇させる強制電流上昇区間を有し、
前記強制電流低下区間における、前記溶接電流の傾きが−１００Ａ／ｍｓ以下であり、
前記強制電流保持区間における、前記溶接電流の強制離脱保持時間Ｔｈ２が１〜５ｍｓであり、
前記強制電流上昇区間における、前記溶接電流の傾きが１０〜３００Ａ／ｍｓであり、
かつ、前記強制離脱制御期間後における前記溶接電流を、前記設定電流Ｉｃｃの１．２０〜２．５０倍の強制アーク保持電流Ｉｈ３および３〜１０ｍｓの強制アーク保持時間Ｔｈ３の条件で保持する強制離脱アーク期間を設ける工程を有する、請求項５に記載のガスシールドアーク溶接の制御方法。
【請求項７】
前記強制離脱制御期間において、前記溶滴の離脱時期を検知した場合、前記離脱制御期間における前記電流低下区間に移行する、請求項５に記載のガスシールドアーク溶接の制御方法。
【請求項８】
前記強制離脱アーク期間において、前記溶滴の離脱時期を検知した場合、前記離脱制御期間における前記電流低下区間に移行する、請求項６に記載のガスシールドアーク溶接の制御方法。
【請求項９】
前記強制離脱制御期間または前記強制離脱アーク期間における前記溶滴の離脱時期を、前記アーク電圧を用いて検知する請求項６に記載のガスシールドアーク溶接の制御方法。
【請求項１０】
前記通常アーク期間における前記溶滴の離脱時期を、アーク抵抗を用いて検知する請求項１〜９のいずれか１項に記載のガスシールドアーク溶接の制御方法。
【請求項１１】
シールドガスとして、ＣＯ２の含有量が１００体積％である炭酸ガス、またはＣＯ２の含有量が３０体積％以上で残部がＡｒである混合ガスを用い、かつ、アークにより溶融された溶接ワイヤ先端の溶滴の離脱時期を検知することで溶接電流を制御するガスシールドアーク溶接の制御装置であって、
前記溶接電流をあらかじめ設定された設定電流Ｉｃｃで保持する通常アーク期間を設ける工程と、
前記通常アーク期間において、前記溶滴の離脱時期を検知した後、前記溶接電流を低下させる電流低下区間、前記電流低下区間後に前記溶接電流を一定の離脱保持電流Ｉｈ１で保持する電流保持区間、および前記電流保持区間後に前記溶接電流を上昇させる電流上昇区間を有する離脱制御期間を設ける工程を有し、
前記離脱制御期間中に、下記（ａ）〜（ｃ）の少なくともいずれか１つの短絡防止制御を行うことを特徴とするガスシールドアーク溶接の制御装置。
（ａ）溶接中のアーク電圧を、設定電圧に対し±１０％以内に維持する出力電圧制御
（ｂ）溶接中のワイヤ送給速度Ｆｓを、設定ワイヤ送給速度に対し４０〜９５％の範囲にまで減速させる送給速度制御
（ｃ）前記シールドガス中のＡｒ比率を、５０〜１００体積％の範囲にまで高めるガス比率制御
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＯ２を所定量以上含有するシールドガスを用いた消耗電極式ガスシールドアーク溶接において、溶滴の離脱直後に発生するスパッタの発生を抑制することができるガスシールドアーク溶接の制御方法及び制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、溶滴（または「溶融部」ともいう）の移行形態の１つであるグロビュール移行は、溶接ワイヤ直径（線径）よりもサイズが大きな溶滴が溶融池に移行する現象である。ＣＯ２の含有量が１００体積％である炭酸ガス、またはＣＯ２の含有量が３０体積％以上で残部がＡｒである混合ガス雰囲気中において、中〜大電流条件（例えば、１．２φの線径を用いた場合は２５０Ａ以上）でガスシールドアーク溶接を行った場合、アークの緊縮によって、溶滴直下にアーク反力が集中し、溶滴を押し上げる反発力が大きくなる。
【０００３】
そして、アーク反力によって押し上げられた溶滴は容易には離脱できず、その溶滴はワイヤ直径よりも大きく成長した後、自重により離脱する。離脱した溶滴は不規則で不安定な挙動を示しつつ、溶融池に移行すると共に、大粒のスパッタが発生する場合があり、また、離脱した溶滴自体がスパッタとなる場合もある。さらに、溶滴の離脱後、アークが溶接ワイヤ（単に「ワイヤ」あるいは「消耗式電極」ともいう）に移動した際、ワイヤ先端に残留した融液を吹き飛ばし、小粒のスパッタを発生させてしまう場合もある。
【０００４】
このような事情を考慮し、上記スパッタの発生を抑制する方法として、以下のような様々な提案がなされている。
【０００５】
例えば、特許文献１では、炭酸ガスシールドアーク溶接方法において、ピーク期間とベース期間とを設け、ピーク期間中のピーク電流を振動させ、溶滴を所望サイズに形成し、この形成した溶滴をベース期間において短絡させることによって、直流の炭酸ガスアーク溶接方法よりもスパッタの発生を抑制することができる技術が提案されている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１では、溶滴を振動させるピーク期間において、溶滴の振動中に微小なスパッタが発生するおそれがある。また、所望サイズに成長させた溶滴はベース期間において、短絡させることによって移行させるため、短絡解除時にスパッタが発生する可能性がある。
【０００７】
また、特許文献２では、パルス波形制御をベースに短絡や溶滴の過大を押し上げ、溶滴の変形を抑制しつつ溶滴移行を形成した後、パルスピーク電流によって溶滴上部にくびれを形成し、低電流時のパルスベース期間に溶滴を離脱させる手法が開示されている。そして、この手法を用いて、溶滴形成および溶滴離脱の各タイミングにおいて、最適なパルス電流を出力することにより、一定サイズの溶滴を規則正しく移行させる方法が提案されている。
【０００８】
しかしながら、特許文献２の方法においては、溶滴移行の規則性を保つために、能動的に溶滴を形成させるものであり、溶滴を離脱させるための電流パルスとしてベース変調波形制御方式が用いられているため、パルスのピーク期間中におけるアーク長の制御が困難であり、十分なスパッタ低減効果が得られるものではない。また、特許文献２では、一定のスパッタの低減効果があると述べられているものの、溶接条件や溶接姿勢等に関する制約が設けられるという課題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１１−８８２０９号公報
【特許文献２】特開２００９−２３３７２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述の通り、炭酸ガスシールドアーク溶接方法において、溶滴の形成および離脱状態を安定化し、溶滴離脱時の飛散スパッタを抑制するための技術が種々提案されているが、アーク長を略一定に維持しながら、溶滴離脱直後におけるスパッタを抑制することについては考慮されていなかった。より具体的には、中〜大電流条件の炭酸ガスシールドアーク溶接方法において、溶滴と溶融池が短絡すること無く、溶滴離脱時の大粒スパッタ発生を抑制して溶接を行うことについては考慮されていなかった。
【００１１】
本発明は、このような事情に着目してなされたものであり、ＣＯ２を所定量以上含有するシールドガスを使用する消耗電極式ガスシールドアーク溶接を行うにあたり、溶滴と溶融池が短絡すること無く、溶滴が離脱する際のスパッタの発生を抑制しつつ、ビード外観を優れたものとすることができるガスシールドアーク溶接の制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決する本発明のガスシールドアーク溶接の制御方法は、シールドガスとして、ＣＯ２の含有量が１００体積％である炭酸ガス、またはＣＯ２の含有量が３０体積％以上で残部がＡｒである混合ガスを用い、かつ、アークにより溶融された溶接ワイヤ先端の溶滴の離脱時期を検知することで溶接電流を制御するガスシールドアーク溶接の制御方法であって、
前記溶接電流をあらかじめ設定された設定電流Ｉｃｃで保持する通常アーク期間を設ける工程と、
前記通常アーク期間において、前記溶滴の離脱時期を検知した後、前記溶接電流を低下させる電流低下区間、前記電流低下区間後に前記溶接電流を一定の離脱保持電流Ｉｈ１で保持する電流保持区間、および前記電流保持区間後に前記溶接電流を上昇させる電流上昇区間を有する離脱制御期間を設ける工程を有し、
前記離脱制御期間中に、下記（ａ）〜（ｃ）の少なくともいずれか１つの短絡防止制御を行うことを特徴とする。
（ａ）溶接中のアーク電圧を、設定電圧に対し±１０％以内に維持する出力電圧制御
（ｂ）溶接中のワイヤ送給速度Ｆｓを、設定ワイヤ送給速度に対し４０〜９５％の範囲にまで減速させる送給速度制御
（ｃ）前記シールドガス中のＡｒ比率を、５０〜１００体積％の範囲にまで高めるガス比率制御
【００１３】
本発明の好ましい実施形態において、上記ガスシールドアーク溶接の制御方法は、前記（ａ）の制御を行う場合、前記アーク電圧を、設定電圧に対し±５％以内に維持し、前記（ｂ）の制御を行う場合、前記ワイヤ送給速度Ｆｓを、前記設定ワイヤ送給速度に対し５０〜９５％の範囲にまで減速させ、前記（ｃ）の制御を行う場合、前記シールドガス中のＡｒ比率を、８０〜１００体積％の範囲にまで高める。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態において、上記ガスシールドアーク溶接の制御方法は、前記電流低下区間における、前記溶接電流の単位時間当たりの変化量である前記溶接電流の傾きが−２００〜−５０Ａ／ｍｓであり、前記電流保持区間における、前記溶接電流の離脱保持時間Ｔｈ１が２〜８ｍｓであり、前記電流上昇区間における、前記溶接電流の傾きが５０〜３００Ａ／ｍｓであり、かつ、前記電流保持区間における、前記離脱保持時間Ｔｈ１［ｍｓ］、ワイヤ直径ｄ［ｍｍ］および前記ワイヤ送給速度Ｆｓ［ｍ／ｍｉｎ］との関係が下記式（１）を満足する。
０．４≦（１．２／ｄ）×（Ｆｓ／１５）×Ｔｈ１≦１０  ・・・（１）
【００１５】
本発明の好ましい実施形態において、上記ガスシールドアーク溶接の制御方法は、前記電流保持区間における、前記離脱保持電流Ｉｈ１［Ａ］および前記ワイヤ送給速度Ｆｓ［ｍ／ｍｉｎ］との関係が下記式（２）を満足する。
５０≦（１５／Ｆｓ）×Ｉｈ１≦２８０  ・・・（２）
【００１６】
本発明の好ましい実施形態において、上記ガスシールドアーク溶接の制御方法は、前記離脱制御期間および前記通常アーク期間の合計期間を溶滴の離脱周期とし、前記溶滴の離脱周期があらかじめ設定された監視時間Ｔａｒｃを経過した場合に、前記溶滴の離脱を強制的に促すための強制離脱制御期間を設ける工程を有し、前記監視時間Ｔａｒｃが１０〜６０ｍｓであり、前記監視時間Ｔａｒｃ［ｍｓ］、前記設定電流Ｉｃｃ［Ａ］および前記溶接ワイヤのワイヤ直径ｄ［ｍｍ］との関係が下記式（３）を満足する。
１０≦（ｄ／１．２）×（３５０／Ｉｃｃ）×Ｔａｒｃ≦８０  ・・・（３）
【００１７】
本発明の好ましい実施形態において、上記ガスシールドアーク溶接の制御方法は、前記強制離脱制御期間は、前記溶接電流を低下させる強制電流低下区間、前記強制電流低下区間後に前記溶接電流を一定の強制離脱保持電流Ｉｈ２で保持する強制電流保持区間、および前記強制電流保持区間後に前記溶接電流を上昇させる強制電流上昇区間を有し、前記強制電流低下区間における、前記溶接電流の傾きが−１００Ａ／ｍｓ以下であり、前記強制電流保持区間における、前記溶接電流の強制離脱保持時間Ｔｈ２が１〜５ｍｓであり、前記強制電流上昇区間における、前記溶接電流の傾きが１０〜３００Ａ／ｍｓであり、かつ、前記強制離脱制御期間後における前記溶接電流を、前記設定電流Ｉｃｃの１．２０〜２．５０倍の強制アーク保持電流Ｉｈ３および３〜１０ｍｓの強制アーク保持時間Ｔｈ３の条件で保持する強制離脱アーク期間を設ける工程を有する。
【００１８】
本発明の好ましい実施形態において、上記ガスシールドアーク溶接の制御方法は、前記強制離脱制御期間において、前記溶滴の離脱時期を検知した場合、前記離脱制御期間における前記電流低下区間に移行する。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態において、上記ガスシールドアーク溶接の制御方法は、前記強制離脱アーク期間において、前記溶滴の離脱時期を検知した場合、前記離脱制御期間における前記電流低下区間に移行する。
【００２０】
本発明の好ましい実施形態において、上記ガスシールドアーク溶接の制御方法は、前記強制離脱制御期間または前記強制離脱アーク期間における前記溶滴の離脱時期を、前記アーク電圧を用いて検知する。
【００２１】
本発明の好ましい実施形態において、上記ガスシールドアーク溶接の制御方法は、前記通常アーク期間における前記溶滴の離脱時期を、アーク抵抗を用いて検知する。
【００２２】
また、上記課題を解決する本発明のガスシールドアーク溶接の制御装置は、シールドガスとして、ＣＯ２の含有量が１００体積％である炭酸ガス、またはＣＯ２の含有量が３０体積％以上で残部がＡｒである混合ガスを用い、かつ、アークにより溶融された溶接ワイヤ先端の溶滴の離脱時期を検知することで溶接電流を制御するガスシールドアーク溶接の制御装置であって、
前記溶接電流をあらかじめ設定された設定電流Ｉｃｃで保持する通常アーク期間を設ける工程と、
前記通常アーク期間において、前記溶滴の離脱時期を検知した後、前記溶接電流を低下させる電流低下区間、前記電流低下区間後に前記溶接電流を一定の離脱保持電流Ｉｈ１で保持する電流保持区間、および前記電流保持区間後に前記溶接電流を上昇させる電流上昇区間を有する離脱制御期間を設ける工程を有し、
前記離脱制御期間中に、下記（ａ）〜（ｃ）の少なくともいずれか１つの短絡防止制御を行うことを特徴とする。
（ａ）溶接中アーク電圧を、設定電圧に対し±１０％以内に維持する出力電圧制御
（ｂ）溶接中のワイヤ送給速度Ｆｓを、設定ワイヤ送給速度に対し４０〜９５％の範囲にまで減速させる送給速度制御
（ｃ）前記シールドガス中のＡｒ比率を、５０〜１００体積％の範囲にまで高めるガス比率制御
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係るガスシールドアーク溶接の制御方法によれば、ＣＯ２を所定量以上含有するシールドガスを使用する消耗電極式ガスシールドアーク溶接を行うにあたり、溶滴と溶融池が短絡すること無く、溶滴が離脱する際のスパッタの発生を抑制しつつ、ビード外観を優れたものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係るガスシールドアーク溶接の制御方法について説明したフローチャートである。
【図２】図２は、本発明の第１の実施形態に係るガスシールドアーク溶接の制御方法における、時間軸（ｔ）に対する溶接電流の波形図および離脱検知信号の波形図、並びに波形図中の所定時点における溶滴の状態を示す模式図である。
【図３】図３は、本発明の第２の実施形態に係るガスシールドアーク溶接の制御方法における、時間軸（ｔ）に対する溶接電流の波形図および離脱検知信号の波形図、並びに波形図中の所定時点における溶滴の状態を示す模式図である。
【図４】図４は、本発明の第３の実施形態に係るガスシールドアーク溶接の制御方法における、時間軸（ｔ）に対する溶接電流の波形図および離脱検知信号の波形図、並びに波形図中の所定時点における溶滴の状態を示す模式図である。
【図５】図５は、本実施形態に係るガスシールドアーク溶接の溶接システムの概略構成の一例を示す図である。
【図６】図６は、溶滴の離脱検知をアーク電圧を用いて行う場合の溶接電流制御装置を示すブロック図である。
【図７】図７は、溶滴の離脱検知をアーク抵抗を用いて行う場合の溶接電流制御装置を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明に係るガスシールドアーク溶接の制御方法を実施するための形態（実施形態）について説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。また、本明細書において「〜」とは、その下限の値以上、その上限の値以下であることを意味する。
【００２６】
まず、本発明の実施形態に係るガスシールドアーク溶接の制御方法の全体の流れについて、フローチャートを用いて説明する。
図１に示すように、溶接開始後、溶接電流をあらかじめ設定された設定電流Ｉｃｃで保持する通常アーク期間に移行する（ステップＳ１）。
【００２７】
通常アーク期間中は、常に溶滴の離脱時期を検知できたか否かの判定を行い（ステップＳ２）、溶滴の離脱時期を検知できた場合（ステップＳ２でＹｅｓ）、後述する離脱制御期間へ移行する（ステップＳ８）。離脱制御期間の終了後は、再び通常アーク期間へと戻る（ステップＳ１）。
一方、溶滴の離脱時期を検知できない場合（ステップＳ２でＮｏ）、溶滴の離脱周期（詳細は後述を参照）が監視時間を経過したことを確認の上（ステップＳ３）、強制離脱制御期間へと移行する（ステップＳ４）。
【００２８】
強制離脱制御期間中においても、常に溶滴の離脱時期を検知できたか否かの判定を行い（ステップＳ５）、溶滴の離脱時期を検知できた場合（ステップＳ５でＹｅｓ）、離脱制御期間へ移行する（ステップＳ８）。離脱制御期間の終了後は、再び通常アーク期間へと戻る（ステップＳ１）。
一方、溶滴の離脱時期を検知できない場合（ステップＳ５でＮｏ）、強制離脱制御期間の終了後に、強制離脱アーク期間に移行する（ステップＳ６）。
【００２９】
強制離脱アーク期間中においても、常に溶滴の離脱時期を検知できたか否かの判定を行い（ステップＳ７）、溶滴の離脱時期を検知できた場合（ステップＳ７でＹｅｓ）、離脱制御期間へ移行する（ステップＳ８）。離脱制御期間の終了後は、再び通常アーク期間へと戻る（ステップＳ１）。
一方、溶滴の離脱時期を検知できない場合（ステップＳ７でＮｏ）、強制離脱アーク期間が所定時間を経過したことを確認の上（ステップＳ９）、再び通常アーク期間へと戻る（ステップＳ１）。
【００３０】
上記フローで説明したように、本実施形態のガスシールドアーク溶接の制御方法においては、通常アーク期間、強制離脱制御期間および強制離脱アーク期間のいずれかにおいて溶滴の離脱検知がなされた場合に、直ちに離脱制御期間へと移行することとなる。そして、この離脱制御期間中に、後述するような所定の短絡防止制御を行う。
【００３１】
続いて、本実施形態のガスシールドアーク溶接の制御方法の詳細について、第１の実施形態、第２の実施形態および第３の実施形態に分けて説明する。なお、第１の実施形態は、通常アーク期間において溶滴の離脱検知がなされた場合（ステップＳ２でＹｅｓ）の例である。また、第２の実施形態は、強制離脱アーク期間において溶滴の離脱検知がなされた場合（ステップＳ７でＹｅｓ）の例である。さらに、第３の実施形態は、強制離脱制御期間において溶滴の離脱検知がなされた場合（ステップＳ５でＹｅｓ）の例である。
【００３２】
＜第１の実施形態＞
まず、第１の実施形態に係るガスシールドアーク溶接の制御方法について説明する。上記の通り、第１の実施形態は、通常アーク期間において溶滴の離脱検知がなされた場合（ステップＳ２でＹｅｓ）の例である。
図２は、本発明の第１の実施形態に係るガスシールドアーク溶接の制御方法における、時間軸（ｔ）に対する溶接電流の波形図および離脱検知信号の波形図、並びに波形図中の所定時点における溶滴の状態を示す模式図である。以下、同図を参照しつつ詳細に説明する。
【００３３】
第１の実施形態に係るガスシールドアーク溶接の制御方法では、溶滴の離脱周期が、通常アーク期間と離脱制御期間の２つの期間から構成されている。また、この溶滴の離脱周期を繰り返しながら溶接が行われる。
【００３４】
［通常アーク期間］
通常アーク期間では、溶接ワイヤ先端に溶滴を形成し移行をさせるために、あらかじめ設定された設定電流Ｉｃｃが通電される。本制御方法は、中電流〜大電流の範囲で適している。最も制御に効果がある範囲として、設定電流Iｃｃの値は２５０〜５００Ａである。より好ましい上限は３８０Ａであり、より好ましい下限は２８０Ａである。
【００３５】
また、通常アーク期間において、溶接ワイヤ先端に形成された溶滴の離脱時期を検知する。このとき、溶滴の離脱時期を調べるために、溶滴の離脱またはその離脱直前を検知（以下、まとめて「溶滴の離脱検知」と呼ぶ）した場合に出力する信号である離脱検知信号が用いられる。
その一例を具体的に説明すると、溶滴が離脱する場合、ワイヤ先端に存在する溶滴の根元がくびれ、そのくびれが進行する結果、アーク電圧およびアーク抵抗（＝アーク電圧／溶接電流）が上昇する。また、溶滴が離脱するとアーク長が長くなるため、アーク電圧およびアーク抵抗が上昇する。そして、これらの時間微分値や時間２階微分値も当然上昇することとなる。溶滴がくびれ始めて離脱するまでの間はアーク電圧およびアーク抵抗、更にこれらの時間微分値や時間２階微分値は常に上昇している。よって、これらのうち少なくともいずれか１つを検知し、所定の演算を行い、その結果を所定のしきい値と比較して離脱検知信号として出力することにより、溶滴の離脱時期を判断することができる。
より詳細には、例えば特開２００８−２４６５２４号に記載の溶滴離脱検知方法を参照することができる。
【００３６】
［離脱制御期間］
上記通常アーク期間中に、溶滴の離脱検知がなされた場合、直ちに、検知時の溶接電流（すなわち、設定電流Ｉｃｃ）よりも低い溶接電流への切り替えを行い、離脱制御期間へと移行する。離脱制御期間は、溶接電流を所定の条件下で低下させる電流低下区間、電流低下区間後に溶接電流を一定の離脱保持電流Ｉｈ１および所定の離脱保持時間Ｔｈ１で保持する電流保持区間、および電流保持区間後に溶接電流を所定の条件下で上昇させる電流上昇区間の３つの区間から構成される。
【００３７】
（電流低下区間）
電流低下区間は、通常アーク期間におけるアーク反力によって、飛散するスパッタを低減させるために設けられる。より詳細には、溶滴の離脱検知後に直ちに電流低下区間を設けることで、アーク反力を低下させ、後述する電流保持期間で安定的に溶滴が離脱できるように溶滴の振動を抑制する。
【００３８】
電流低下区間における、溶接電流の単位時間当たりの変化量である溶接電流の傾きは−２００〜−５０Ａ／ｍｓであることが好ましい。上記溶接電流の傾きが−５０Ａ／ｍｓを超える場合には、溶滴離脱直後の電流低下区間において溶滴が離脱し、アーク反力によって、スパッタが発生しやすくなるため好ましくない。上記溶接電流の傾きは、好ましくは−１２０Ａ／ｍｓ以下、より好ましくは−１００Ａ／ｍｓ以下である。
一方、上記溶接電流の傾きが−２００Ａ／ｍｓを下回る場合には、ワイヤが溶融池と短絡するおそれがあるため好ましくない。上記溶接電流の傾きは、好ましくは−１８０Ａ／ｍｓ以上、より好ましくは−１５０Ａ／ｍｓ以上である。
なお、電流低下区間においては、図２における溶滴の状態の模式図に示すように、溶滴のくびれが促進された懸垂状態となっている（図中の（Ａ）を参照）。
【００３９】
（電流保持区間）
電流保持区間は、離脱した溶滴がスパッタ化するのを抑制するべく、溶滴が溶融池に完全に落ちるための時間を確保するために設けられる。電流保持区間における溶接電流の離脱保持時間Ｔｈ１は、２〜８ｍｓであることが好ましい。離脱保持時間Ｔｈ１が８ｍｓを超える場合には、ワイヤと溶融池が短絡することによってスパッタが発生するおそれがあるため好ましくない。離脱保持時間Ｔｈ１は、好ましくは５ｍｓ以下である。
一方、離脱保持時間Ｔｈ１が２ｍｓを下回る場合には、溶融池に溶滴が移行しないまま、後述する電流上昇区間に進み、強まったアーク反力によって、溶滴が爆発し、スパッタが発生しやすくなるため好ましくない。離脱保持時間Ｔｈ１は、好ましくは３ｍｓ以上である。
【００４０】
また、電流保持区間における、離脱保持時間Ｔｈ１［ｍｓ］、ワイヤ直径ｄ［ｍｍ］およびワイヤ送給速度Ｆｓ［ｍ／ｍｉｎ］との関係が下記式（１）を満足することが好ましい。
０．４≦（１．２／ｄ）×（Ｆｓ／１５）×Ｔｈ１≦１０  ・・・（１）
離脱保持時間Ｔｈ１、ワイヤ直径ｄおよびワイヤ送給速度Ｆｓとの関係が、上記数値の範囲内であれば、安定した溶滴の離脱制御が可能となる結果、スパッタ発生の低減につながる。
ただし、（１．２／ｄ）×（Ｆｓ／１５）×Ｔｈ１が１０を超える場合には、ワイヤと溶融池とが短絡しやすくなるため、スパッタが増加するおそれがあるため好ましくない。上記関係式は、好ましくは４．４以下、より好ましくは２．６以下である。
一方、（１．２／ｄ）×（Ｆｓ／１５）×Ｔｈ１が０．４を下回る場合には、電流保持区間で溶滴が離脱せず、後述する電流上昇区間において溶滴が離脱し、アーク反力によって大粒のスパッタが発生しやすくなるため好ましくない。上記関係式は、好ましくは１．８以上、より好ましくは２．２以上である。
【００４１】
更に、電流保持区間における、離脱保持電流Ｉｈ１［Ａ］およびワイヤ送給速度Ｆｓ［ｍ／ｍｉｎ］との関係が下記式（２）を満足することが好ましい。
５０≦（１５／Ｆｓ）×Ｉｈ１≦２８０  ・・・（２）
離脱保持電流Ｉｈ１［Ａ］およびワイヤ送給速度Ｆｓ［ｍ／ｍｉｎ］との関係が、上記数値の範囲内であれば、安定した溶滴の離脱制御が可能となる結果、スパッタ発生の低減につながる。
ただし、（１５／Ｆｓ）×Ｉｈ１が２８０を超える場合には、電流保持区間で溶滴が成長し、溶融池と短絡することによって、大粒のスパッタが発生しやすくなるため好ましくない。上記関係式は、好ましくは２５０以下、より好ましくは２００以下である。
一方、（１５／Ｆｓ）×Ｉｈ１が５０を下回る場合には、電流保持区間でアーク切れが発生し、ワイヤと溶融池とが短絡するおそれがあるため好ましくない。上記関係式は、好ましくは１２０以上、より好ましくは１４０以上である。
なお、電流保持区間においては、図２における溶滴の状態の模式図に示すように、電流低下区間において懸垂状態となっていた溶滴の離脱が行われ（図中の（Ｂ）を参照）、その直後においては、アーク柱は小さい状態である（図中の（Ｃ）を参照）。
【００４２】
（電流上昇区間）
電流上昇区間は、ワイヤと溶融池の短絡防止を図るため、緩やかな上昇傾斜を行うために設けられる。電流上昇区間における、溶接電流の単位時間当たりの変化量である溶接電流の傾きは５０〜３００Ａ／ｍｓであることが好ましい。上記溶接電流の傾きが３００Ａ／ｍｓを超える場合には、ワイヤ先端の溶滴がアーク反力によって爆発する可能性があるため好ましくない。上記溶接電流の傾きは、好ましくは２００Ａ／ｍｓ以下、より好ましくは１５０Ａ／ｍｓ以下である。
一方、上記溶接電流の傾きが５０Ａ／ｍｓを下回る場合には、ワイヤが溶融池と短絡するおそれがあるため好ましくない。上記溶接電流の傾きは、好ましくは１００Ａ／ｍｓ以上、より好ましくは１２０Ａ／ｍｓ以上である。
なお、電流上昇区間においては、図２における溶滴の状態の模式図に示すように、溶接電流を上昇させることによりアーク柱は大きくなり、溶滴は成長していく（図中の（Ｄ）を参照）。
【００４３】
［短絡防止制御］
本実施形態においては、上記で説明したように、離脱制御期間として電流低下区間、電流保持区間および電流上昇区間を設け、溶滴の離脱検知後における溶接電流を制御することによって、溶滴が離脱する際のスパッタの発生を抑制しつつ、以下で説明するように、離脱制御期間中に所定の短絡防止制御を導入することによって、溶滴と溶融池の短絡も抑制する。
【００４４】
離脱制御期間においては、溶滴が離脱する際のスパッタの発生を抑制するために溶接電流を低下させることに伴い、アーク長が短くなり、溶滴と溶融池が短絡しやすい状態となる。溶滴と溶融池が短絡する場合、急激な電流上昇が起こると、アーク反力によりスパッタが発生しやすくなる。
このため、溶滴が離脱する際のスパッタの発生を抑制するために溶接電流を低下させた場合において、溶滴と溶融池の短絡を抑制することは、溶接時のスパッタの発生を効果的に抑制する上で重要な観点である。
【００４５】
そこで本実施形態では、離脱制御期間中の短絡防止制御として、下記（ａ）〜（ｃ）の少なくともいずれか１つを行う。
（ａ）溶接中のアーク電圧を、設定電圧に対し±１０％以内に維持する出力電圧制御
（ｂ）溶接中のワイヤ送給速度Ｆｓを、設定ワイヤ送給速度に対し４０〜９５％の範囲にまで減速させる送給速度制御
（ｃ）前記シールドガス中のＡｒ比率を、５０〜１００体積％の範囲にまで高めるガス比率制御
【００４６】
上記（ａ）〜（ｃ）のいずれの短絡防止制御においても、アーク長を長くする（広げる）ための手段としては共通である。離脱制御期間中に、アーク長を長くするように制御することで、溶滴と溶融池との短絡を効果的に抑制することができる。
このように、溶接電流を所定条件で制御した離脱制御期間内に、短絡防止制御を導入することによって、溶滴の離脱時のスパッタ発生を抑制しつつも、溶滴と溶融池との短絡を抑制することで短絡時のスパッタ発生をも未然に防ぐことが可能となる。結果、溶融離脱時のスパッタ発生と、短絡時のスパッタ発生を両面から抑制することができ、溶接後のビード外観を優れたものとすることができる。
なお、上記（ａ）〜（ｃ）の短絡防止制御は、それぞれ単独で用いられるのでもよく、または２種以上を組み合わせて用いられるのでもよい。
【００４７】
上記（ａ）の出力電圧制御に関し、アーク電圧が設定電圧の＋１０％を超える場合には、アーク長変動により、アークの指向性が弱くなる。そのため、アーク偏向が激しくなり、不安定な状態に陥る。結果にはビード形状が悪くなる。一方、アーク電圧が設定電圧の−１０％を下回る場合には、ワイヤ先端の溶滴が溶融池と短絡するおそれがある。上記数値は、好ましくは±５％以下、より好ましくは±３％以下である。
【００４８】
上記（ｂ）の送給速度制御に関し、設定ワイヤ送給速度に対するワイヤ送給速度Ｆｓの減速割合が９５％を超える場合には、ワイヤ先端の溶滴が溶融池と短絡するおそれがあるため好ましくない。上記数値は、好ましくは８５％以下、より好ましくは７５％以下である。一方、設定ワイヤ送給速度に対するワイヤ送給速度Ｆｓの減速割合が４０％を下回る場合には、ワイヤが溶けず、アーク長が不安定となり、ビード外観に影響するため好ましくない。上記数値は、好ましくは５０％以上である。
【００４９】
上記（ｃ）のガス比率制御に関し、高められるシールドガス中のＡｒ比率が５０体積％を下回る場合、短絡移行によりスパッタが発生するため好ましくない。シールドガス中のＡｒ比率は、好ましくは８０体積％以上、より好ましくは９５体積％以上である。
【００５０】
＜第２の実施形態＞
続いて、第２の実施形態に係るガスシールドアーク溶接の制御方法について説明する。上述の通り、第２の実施形態は、強制離脱アーク期間において溶滴の離脱検知がなされた場合（ステップＳ７でＹｅｓ）の例である。
図３は、本発明の第２の実施形態に係るガスシールドアーク溶接の制御方法における、時間軸（ｔ）に対する溶接電流の波形図および離脱検知信号の波形図、並びに波形図中の所定時点における溶滴の状態を示す模式図である。以下、同図を参照しつつ詳細に説明する。
【００５１】
第２の実施形態に係るガスシールドアーク溶接の制御方法では、溶滴の離脱周期として通常アーク期間と離脱制御期間の２つの期間から構成されている点で、第１の実施形態と共通する。ただし、溶滴の離脱周期があらかじめ設定された監視時間Ｔａｒｃを経過した場合、溶滴の離脱を強制的に促すための強制離脱制御期間、およびその後の強制離脱アーク期間を設けている点で異なる。
【００５２】
［監視時間Ｔａｒｃ］
監視時間Ｔａｒｃは、成長した溶滴がなかなか離脱せず、溶滴の肥大化により溶滴と溶融池との短絡を防止するために設けられる。通常では、設定電流Ｉｃｃで通電される通常アーク期間において溶滴のくびれが成長して、その後、自発的に離脱が行われるが、溶滴がある程度の大きさに成長した段階でも離脱が行われない場合、肥大化した溶滴が溶融池と短絡を起こすおそれがある。これを防止するために、溶滴の離脱周期があらかじめ設定された監視時間Ｔａｒｃを超える場合、溶滴の離脱を強制的に促すための所定の溶接電流制御を行う。
【００５３】
監視時間Ｔａｒｃは、１０〜６０ｍｓであることが好ましい。監視時間Ｔａｒｃが１０〜６０ｍｓ以内の場合、溶滴の肥大化を抑止することができるため、溶滴が溶融池との短絡による大粒スパッタ発生の抑制に効果がある。
【００５４】
また、監視時間Ｔａｒｃ［ｍｓ］、設定電流Ｉｃｃ［Ａ］および溶接ワイヤのワイヤ直径ｄ［ｍｍ］との関係が下記式（３）を満足することが好ましい。
１０≦（ｄ／１．２）×（３５０／Ｉｃｃ）×Ｔａｒｃ≦８０  ・・・（３）
監視時間Ｔａｒｃ［ｍｓ］、設定電流Ｉｃｃ［Ａ］およびワイヤ直径ｄ［ｍｍ］との関係が、上記数値の範囲内であれば、肥大化した溶滴が溶融池との短絡を抑制することとなるため好ましい。ただし、（ｄ／１．２）×（３５０／Ｉｃｃ）×Ｔａｒｃが８０を超える場合には、離脱しない溶滴が更に肥大化になるため好ましくない。上記関係式は、好ましくは３０以下、より好ましくは２５以下である。
一方、（ｄ／１．２）×（３５０／Ｉｃｃ）×Ｔａｒｃが１０を下回る場合には、溶滴が理想な大きさまで成長せずに、離脱してしまうため好ましくない。上記関係式は、好ましくは１０以上、より好ましくは１５以上である。
【００５５】
［強制離脱制御期間］
溶滴の離脱周期が監視時間Ｔａｒｃを経過した場合、直ちに検知時の溶接電流（すなわち、設定電流Ｉｃｃ）よりも低い溶接電流への切り替えを行い、強制離脱制御期間へと移行する。強制離脱制御期間は、溶接電流を所定の条件下で低下させる強制電流低下区間、強制電流低下区間後に溶接電流を一定の強制離脱保持電流Ｉｈ２および所定の強制離脱保持時間Ｔｈ２で保持する強制電流保持区間、および強制電流保持区間後に溶接電流を所定の条件下で上昇させる強制電流上昇区間の３つの区間から構成される。
【００５６】
（強制電流低下区間）
強制電流低下区間は、成長する溶滴の揺動を防止するために設けられる。より詳細には、溶滴の離脱周期が監視時間Ｔａｒｃを経過した場合に、直ちに強制電流低下区間を設けることで、溶滴がアーク反力を受けにくく、安定的に懸垂状態に遷移する。
【００５７】
強制電流低下区間における、溶接電流の単位時間当たりの変化量である溶接電流の傾きは−１００Ａ／ｍｓ以下であることが好ましい。上記溶接電流の傾きが−１００Ａ／ｍｓを超える場合には、アーク反発力が大きく、強制電流低下区間中に溶滴が更に肥大化し、溶滴と溶融池とが短絡するおそれがあるため好ましくない。上記溶接電流の傾きは、−５００Ａを下回る場合、溶滴が不安定となる上、ワイヤが溶けず、溶融池と短絡するおそれがあるため、好ましくない。上記溶接電流の傾きは、好ましくは−１５０Ａ／ｍｓ以下、より好ましくは−２００Ａ／ｍｓ以下である。
なお、強制電流低下区間においては、溶滴のくびれが促進された懸垂状態となっている。
【００５８】
（強制電流保持区間）
強制電流保持区間は、溶滴のくびれ形成を促進させるために設けられる。より詳細には、強制電流低下区間後に強制電流保持区間を設けることで、溶滴のくびれが形成されやすくなり、後述の強制電流上昇区間や強制離脱アーク期間における溶滴の離脱促進に寄与する。
【００５９】
強制電流保持区間における、溶接電流の強制離脱保持時間Ｔｈ２は、１〜５ｍｓであることが好ましい。強制離脱保持時間Ｔｈ２が５ｍｓを超える場合には、溶滴が溶融池に近づきすぎて、溶滴と溶融池とが短絡するおそれがあるため好ましくない。強制離脱保持時間Ｔｈ２は、好ましくは８ｍｓ以下、より好ましくは６ｍｓ以下である。
一方、強制離脱保持時間Ｔｈ２が１ｍｓを下回る場合には、溶滴が強制電流保持区間で離脱できず、後述する強制電流上昇区間で強まったアーク反力によって、溶滴が爆発し、スパッタ化する可能性がある。強制離脱保持時間Ｔｈ２は、好ましくは３ｍｓ以上、より好ましくは４ｍｓ以上である。
なお、強制電流保持区間においても、強制電流低下区間と同様、溶滴のくびれが促進された懸垂状態となっている。
【００６０】
（強制電流上昇区間）
強制電流上昇区間は、溶滴の安定的な成長を促進させるために設けられる。より詳細には、強制電流保持区間後に強制電流上昇区間を設けることで、溶滴がアーク反発力を受けにくく、安定的に成長が可能となり、懸垂する溶滴の揺動が効果的に抑制され得る。
【００６１】
強制電流上昇区間における、溶接電流の単位時間当たりの変化量である溶接電流の傾きは１０〜３００Ａ／ｍｓであることが好ましい。上記溶接電流の傾きが３００Ａ／ｍｓを超える場合には、溶滴が反発力によって持ち上げられ、大粒のスパッタが発生しやすくなるため好ましくない。上記溶接電流の傾きは、好ましくは２５０Ａ／ｍｓ以下、より好ましくは２００Ａ／ｍｓ以下である。
一方、上記溶接電流の傾きが１０Ａ／ｍｓを下回る場合には、溶滴がより肥大化し、溶滴と溶融池との短絡を発生させるおそれがあるため好ましくない。上記溶接電流の傾きは、好ましくは１００Ａ／ｍｓ以上、より好ましくは１５０Ａ／ｍｓ以上である。
なお、強制電流上昇区間においては、溶接電流を上昇させることによりアーク柱は大きくなり、溶滴はさらに成長していく。
【００６２】
［強制離脱アーク期間］
強制離脱アーク期間では、監視時間Ｔａｒｃ内に離脱しきれなかった溶滴を強制的に離脱させるために、設定電流Ｉｃｃよりも大きな溶接電流である強制アーク保持電流Ｉｈ３が通電される。つまり、通常アーク期間で通電された設定電流Ｉｃｃよりも大きな一定電流で通電することで、溶滴に強大な電磁ピンチ力を与え、強制的に溶滴を離脱させる仕組みである。
【００６３】
強制アーク保持電流Ｉｈ３は、設定電流Ｉｃｃの１．２０〜２．５０倍であることが好ましい。強制アーク保持電流Ｉｈ３が設定電流Ｉｃｃの２．５０倍を超える場合には、懸垂する溶滴が揺動しやすくなり、大粒のスパッタが発生しやすくなるため好ましくない。上記値は、好ましくは２．３０倍以下、より好ましくは２．００倍以下である。
一方、強制アーク保持電流Ｉｈ３が設定電流Ｉｃｃの１．２０倍を下回る場合には、溶滴に強大な電磁ピンチ力がかかりにくく、溶滴が離脱しにくくなるおそれがあるため好ましくない。上記値は、好ましくは１．６０倍以上、より好ましくは１．８０倍以上である。
【００６４】
なお、強制離脱アーク期間において、溶滴の離脱を検知した場合、直ちに、検知時の溶接電流よりも低い溶接電流への切り替えを行い、上記の離脱制御期間へと移行し、第１の実施形態で説明したものと同様、溶滴の離脱周期を繰り返していく。また、強制離脱制御期間および強制離脱アーク期間において懸垂状態となっていた溶滴は、電磁ピンチ力の影響によって強制的に離脱が行われる（図３中の（Ａ）、（Ｂ）を参照）。
【００６５】
［離脱検知手段］
上述の通り、溶滴の離脱時期を調べるための方法として、アーク電圧またはアーク抵抗を用いた離脱検知信号が好適に用いられるが、強制離脱アーク期間においては、アーク電圧（アーク電圧の時間微分値および時間２階微分値も含む）を用いて検知することが好ましい。上記期間においては、定電流制御区間であり、溶接電流値の変動が小さいため、アーク電圧の変動のみで精度よく溶滴の離脱時期を検知することができる。また、溶接電流の変動を考慮して所定の演算を行う必要がないため、演算時間を短縮化でき、迅速な離脱検知を行うことが可能となる。
【００６６】
一方、通常アーク期間においては、アーク抵抗（アーク抵抗の時間微分値および時間２階微分値も含む）、すなわちアーク電圧／溶接電流を用いて検知することが好ましい。上記期間において、溶適の離脱時期を精度よく検知するためには、溶接電流の変動の影響も加味する必要がある。よって、アーク電圧と溶接電流の両方の影響を加味したアーク抵抗を用いて検知することが好ましい。
【００６７】
＜第３の実施形態＞
さらに続いて、第３の実施形態に係るガスシールドアーク溶接の制御方法について説明する。上述の通り、第３の実施形態は、強制離脱制御期間において溶滴の離脱検知がなされた場合（ステップＳ５でＹｅｓ）の例である。
図４は、本発明の第３の実施形態に係るガスシールドアーク溶接の制御方法における、時間軸（ｔ）に対する溶接電流の波形図および離脱検知信号の波形図、並びに波形図中の所定時点における溶滴の状態を示す模式図である。以下、同図を参照しつつ、第２の実施形態と異なる点を中心に詳細に説明する。
【００６８】
第３の実施形態に係るガスシールドアーク溶接の制御方法では、溶滴の離脱周期があらかじめ設定された監視時間Ｔａｒｃを経過した場合、溶滴の離脱を強制的に促すための強制離脱制御期間を設ける点で、第２の実施形態と共通する。
ただし、本実施形態では、強制離脱制御期間の任意のタイミング（図４の例では、強制電流保持区間内）で、溶滴の離脱検知がなされた場合、強制離脱制御期間における電流制御プロセスを中断し、直ちに、検知時の溶接電流よりも低い溶接電流への切り替えを行い、上記の離脱制御期間へと移行し、第１の実施形態で説明したものと同様、溶滴の離脱周期を繰り返していく。
【００６９】
＜ガスシールドアーク溶接の制御システム＞
さらに、本実施形態に係るガスシールドアーク溶接の制御システムについて説明する。図５は、本実施形態に係るガスシールドアーク溶接の溶接システムの概略構成の一例を示す図である。
【００７０】
図５に示すように、本実施の形態に係る溶接システムは、溶接ロボット１００と、ロボットコントローラ２００と、溶接電源３００と、送給装置４００と、ガスコントローラ（ブレンダー）５００とを備えている。溶接電源３００は、プラスのパワーケーブル（１）を介して電極側に接続され、マイナスのパワーケーブル（２）を介して、ワークＷと接続されている。また、図中のパワーケーブル（３）は、溶接電源３００と溶接ワイヤの送給装置４００とを接続し、溶接ワイヤの送給速度を制御する。
【００７１】
溶接ロボット１００は、電極からアークを出し、その熱で溶接の対象であるワークＷを溶接する。ここで、溶接ロボット１００は、電極を保持する溶接トーチとして、溶接トーチ１１０を有している。
溶接トーチ１１０の先端では、電極である溶接ワイヤを、コンタクトチップと呼ばれる円筒形の導体の先端から一定の突出し長さを保持する。本実施形態で適用する溶接方法は、コンタクトチップと溶接ワイヤとが接触し、アーク電圧を印加して通電することで、ワークＷと溶接ワイヤ先端との間にアークが発生し、溶接ワイヤを溶融させて行う消耗電極式となる。
【００７２】
さらに、溶接トーチ１１０は、シールドガスノズル（シールドガスを噴出する機構）を備えており、また、ガスホース（４）を介してＣＯ２ガスやＡｒガスなどのシールドガスのガス供給量やガス比率をコントロールするガスコントローラ５００と接続されている。また、ガスコントローラ５００は、ＣＯ２ガスまたはＡｒガスを含有するガスボンベと接続されている。
【００７３】
ロボットコントローラ２００は、溶接ロボット１００を操作するための指令、溶接電源３００に対して電源（電流値、電圧値など）を制御するための指令、ガスコントローラ５００に対してガス供給量やガス比率を制御するための指令などを行う。また、後述するように、ロボットコントローラ２００には、所定の手段により溶滴の離脱を検知し、溶接ワイヤに給電する溶接電流を制御するための溶接電流制御装置をも備えている。
【００７４】
溶接電源３００は、ロボットコントローラ２００からの指令により、電極及びワークＷに電力を供給することで、電極とワークＷとの間にアークを発生させる。また、溶接電源３００は、ロボットコントローラ２００からの指令により、送給装置４００に電力を供給する。なお、溶接作業時の電流は、直流または交流であっても良く、その波形は特に問わないが、矩形波や三角波などのパルスであっても良い。
【００７５】
送給装置４００は、溶接作業の進行に合わせて溶接トーチ１１０に溶接ワイヤを送る。送給装置４００により送られる溶接ワイヤは、特に限定されず、ワークＷの性質や溶接形態等によって選択され、例えば、ソリッドワイヤやフラックス入りワイヤが使用される。また、溶接ワイヤの材質も問わず、例えば、軟鋼でも良いし、ステンレスやアルミニウム、チタンといった材質でも良い。さらに、溶接ワイヤの径も特に問わない。
【００７６】
＜溶接電流制御装置＞
図６は、アーク電圧の時間２階微分値を用いて、溶滴の離脱又は離脱直前を検出して、所定の制御を行う場合の溶接電流制御装置を示すブロック図である。３相交流電源（図示せず）に、出力制御素子１が接続されており、この出力制御素子１に与えられた電流は、トランス２、ダイオードからなる整流部３、直流リアクトル８及び溶接電流を検出する電流検出器９を介して、コンタクトチップ４に与えられる。被溶接材７はトランス２の低位電源側に接続されており、コンタクトチップ４内を挿通して給電される溶接ワイヤ５と、被溶接材７との間に溶接アーク６が生起される。
【００７７】
コンタクトチップ４と被溶接材７との間のアーク電圧は、電圧検出器１０により検出されて出力制御器１５に入力される。出力制御器１５には、更に、電流検出器９から溶接電流の検出値が入力されており、出力制御器１５は、アーク電圧及び溶接電流を基に、ワイヤ５に給電する溶接電流を制御している。
【００７８】
電圧検出器１０により検出されたアーク電圧は、溶滴離脱検出部１８の溶接電圧微分器１１に入力され、溶接電圧微分器１１において、時間１階微分が演算される。次に、この溶接電圧の１階微分値は、２階微分器１２に入力され、この２階微分器１２において、アーク電圧の時間２階微分が演算される。その後、この時間２階微分値は比較器１４に入力される。２階微分値設定器１３に、２階微分設定値（閾値）が入力されて設定されており、比較器１４は、２階微分器１２からの２階微分値と２階微分値設定器１３からの設定値(閾値)とを比較し、２階微分値が設定値を超えた瞬間に、溶滴離脱検出信号を出力する。この２階微分値が設定値を超えた瞬間が、溶滴がワイヤ端から離脱したか、又は離脱の直前であると判定される。
【００７９】
この溶滴離脱検出信号は、波形生成器２０に入力され、波形生成器２０において、溶滴離脱後の溶接電流波形が制御され、出力補正信号が出力制御器１５に入力される。この波形生成器２０は、溶滴離脱検出信号が入力されると、波形生成器２０に設定された期間は、検出時の溶接電流値（すなわち、設定電流値Ｉｃｃ）よりも低い所定の溶接電流値になるように、出力制御器１５に制御信号（出力補正信号）を出力する。この結果、上述したような離脱制御期間における電流低下区間の電流制御が行われる。その後は、電流保持区間および電流上昇区間に続くように、波形生成器２０から所定の制御信号が出力される。
波形設定器１９は、波形生成器２０において、出力補正信号を出力する期間や溶接電流の制御条件を入力するものであり、波形設定器１９により、出力補正信号を出力する期間や及び溶接電流の制御条件が波形生成器２０に設定される。
【００８０】
なお、溶滴離脱検出信号は、溶滴の離脱またはその直前を検出した場合に出力する信号である。溶滴が離脱する際には、ワイヤ先端に存在する溶滴の根元がくびれ、そのくびれが進行する結果、アーク電圧及びアーク抵抗が上昇する。また、溶滴が離脱するとアーク長が長くなるため、アーク電圧及びアーク抵抗が上昇する。これをアーク電圧及びアーク抵抗またはそれらの微分値で検出した場合、溶接中、溶接条件が変化すると、その溶接条件の変化に影響して、溶滴離脱検出部が、誤検出を頻発し、スパッタを増大させる。
しかし、２階微分値による検出の場合、溶接中に溶接条件が変化しても、その変化に影響されず、正確に溶滴の離脱を検出できる。また、溶滴離脱直前のくびれによるアーク電圧またはアーク抵抗の変化に相当する２階微分値を２階微分値設定器１３で設定すれば、溶滴離脱直前を検出し、溶接波形を制御できるため、ワイヤ先端に残留した融液を吹き飛ばして小粒スパッタを発生させてしまうという問題を完全に解消できる。
【００８１】
図７は、アーク抵抗の時間２階微分値を用いて、溶滴の離脱又は離脱直前を検出して、所定の制御を行う場合の溶接制御装置を示すブロック図である。本図における溶滴離脱検出部１８は、溶接電圧微分器１１の代わりに、アーク抵抗微分器１７を設けたものである。電圧検出器１０及び電流検出器９の出力は、アーク抵抗算出器１６に入力され、アーク抵抗算出器１６において、電圧を電流で除することにより、アーク抵抗が算出される。このアーク抵抗の算出値は、アーク抵抗微分器１７に入力され、アーク抵抗微分器１７で１次微分された後、２階微分器１２において、２階微分される。このアーク抵抗の２階微分値は、比較器１４において、２階微分設定器１３から入力された２階微分設定値（閾値)と比較され、アーク抵抗の２階微分値が、設定値を超えた瞬間に溶滴離脱検出信号が出力される。
【実施例】
【００８２】
以下、実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。本発明は、これらの実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に適合し得る範囲で変更を加えて実施することが可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【００８３】
＜溶接条件＞
母材に対して、トーチ傾斜角度は４５°とし、溶接ワイヤ（消耗式電極）は、ＪＩＳ  Ｚ３３１２：２００９  ＹＧＷ１１に適合する組成で共通とした。
【００８４】
更に、溶接の初期条件、溶接ワイヤ、短絡防止制御および離脱制御期間の各条件について表１〜表４にまとめた。
（溶接の初期条件）
・シールドガスの種類（「％」は体積％を示す）
・設定電流Ｉｃｃ（Ａ）
・設定電圧（Ｖ）
（溶接ワイヤ）
・設定送給速度Ｆｓ（ｍ／ｍｉｎ）
・突出し長さ（ｍｍ）
・ワイヤ直径ｄ（ｍｍ）
【００８５】
（短絡防止制御）
・出力電圧制御
制御条件（設定電圧に対してアーク電圧を何％以内に維持するか）
当該制御の適用有無（制御ＯＮ／ＯＦＦ）
・送給速度制御
制御条件（設定ワイヤ送給速度に対し、送給速度ワイヤ送給速度を何％にまで減速させるか）
当該制御の適用有無（制御ＯＮ／ＯＦＦ）
・ガス比率制御
制御条件（シールドガス中のＡｒ比率を何体積％にまで高めるか）
当該制御の適用有無（制御ＯＮ／ＯＦＦ）
【００８６】
（離脱制御期間）
・電流低下区間
溶接電流の傾き（Ａ／ｍｓ）
・電流保持区間
離脱保持時間Ｔｈ１（ｍｓ）
離脱保持電流Ｉｈ１（Ａ）
式（１）で示される値：（１．２／ｄ）×（Ｆｓ／１５）×Ｔｈ１）
式（２）で示される値：（１５／Ｆｓ）×Ｉｈ１
・電流上昇区間
溶接電流の傾き（Ａ／ｍｓ）
【００８７】
【表１】
2019171419.tif 000003
【００８８】
【表２】
2019171419.tif 000004
【００８９】
【表３】
2019171419.tif 000005
【００９０】
【表４】
2019171419.tif 000006
【００９１】
また、溶滴の強制離脱制御、強制離脱制御期間、強制離脱アーク期間、離脱検知手段の各条件について表５〜表８にまとめた。
（溶滴の強制離脱制御）
・監視時間Ｔａｒｃ（ｍｓ）
・式（３）で示される値：（ｄ／１．２）×（３５０／Ｉｃｃ）×Ｔａｒｃ
・当該制御の適用有無（強制離脱制御期間のＯＮ／ＯＦＦ）
【００９２】
（強制離脱制御期間）
・強制電流低下区間
溶接電流の傾き（Ａ／ｍｓ）
・強制電流保持区間
強制離脱保持時間Ｔｈ２（ｍｓ）
強制離脱保持電流Ｉｈ２（Ａ）
・強制電流上昇区間
溶接電流の傾き（Ａ／ｍｓ）
（強制離脱アーク期間）
・強制アーク保持時間Ｔｈ３（ｍｓ）
・強制アーク保持電流Ｉｈ３（Ａ）
・強制アーク保持電流Ｉｈ３と設定電流Ｉｃｃとの比（Ｉｈ３／Ｉｃｃ）
（離脱検知手段）
・通常アーク期間における離脱検知手段
・強制離脱アーク期間における離脱検知手段
【００９３】
＜評価方法＞
（ビード外観）
ビード際の波の最大値と最小値との差を測定することにより、ビード外観の評価を行った。最大値と最小値の差（絶対値）が２ｍｍ以上のものを評価「×」(不良)、１ｍｍ以上２ｍｍ未満のものを評価「○」(良)、１ｍｍ未満のものを評価「◎」(優良)と判定した。
【００９４】
（スパッタ発生量）
溶接後のビード外観を写真撮影し、そのビード外観写真をコンピュータに取り込んで画像解析ソフトにより二値化処理を行い、ビード表面に発生したスパッタと、スパッタが発生していない領域とを区別した。そして、アークスタートから５０ｍｍの位置を起点とし、溶接長１００ｍｍ×幅７５ｍｍの領域内におけるスパッタの個数を測定した。
本発明に係る短絡防止制御を行っていない試験Ｎｏ．８２（比較例）におけるスパッタの個数に対するスパッタの個数が４０％未満のものを評価「◎」（優良）、４０％以上５０％未満のものを評価「○」（良）、５０％以上７０％未満のものを評価「△」（可）、７０％以上のものを評価「×」（不良）と判定した。
【００９５】
ビード外観およびスパッタ発生量の評価結果を表５〜表８に示す。
【００９６】
【表５】
2019171419.tif 000007
【００９７】
【表６】
2019171419.tif 000008
【００９８】
【表７】
2019171419.tif 000009
【００９９】
【表８】
2019171419.tif 000010
【０１００】
表１〜表３および表５〜表７における試験Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７８は、本発明の要件を満足する実施例であり、ビード外観およびスパッタ発生量の少なくとも一方において優れた結果が得られた。
また、上述した好ましい実施形態の要件を満足する実施例は、ビード外観およびスパッタ発生量の少なくとも一方において更に優れた結果が得られた。
【０１０１】
一方、表４および表８における試験Ｎｏ．７９〜Ｎｏ．８４は、本発明の要件を満足しない比較例であり、以下の不具合を有している。
【０１０２】
試験Ｎｏ．７９は、出力電圧制御に関し、アーク電圧が設定電圧の＋１０％を超えていたため、ビード外観およびスパッタ発生量のいずれにおいても評価が×であった。
試験Ｎｏ．８０は、出力電圧制御に関し、アーク電圧が設定電圧の−１０％を下回っていたため、ビード外観およびスパッタ発生量のいずれにおいても評価が×であった。
試験Ｎｏ．８１は、ガス比率制御に関し、高められるシールドガス中のＡｒ比率が５０体積％を下回っていたため、ビード外観およびスパッタ発生量のいずれにおいても評価が×であった。
試験Ｎｏ．８２は、出力電圧制御、送給速度制御およびガス比率制御のうち、いずれの短絡防止制御も行わなかったため、ビード外観およびスパッタ発生量のいずれにおいても評価が×であった。
試験Ｎｏ．８３は、送給速度制御に関し、設定ワイヤ送給速度に対するワイヤ送給速度Ｆｓの減速割合が４０％を下回っていたため、ビード外観およびスパッタ発生量のいずれにおいても評価が×であった。
試験Ｎｏ．８４は、送給速度制御に関し、設定ワイヤ送給速度に対するワイヤ送給速度Ｆｓの減速割合が９５％を超えていたため、ビード外観およびスパッタ発生量のいずれにおいても評価が×であった。
【符号の説明】
【０１０３】
１      出力制御素子
２      トランス
３      整流部
４      コンタクトチップ
５      ワイヤ
６      溶接アーク
７      被溶接材
８      直流リアクトル
９      溶接電流検出器
１０    溶接電圧検出器
１１    溶接電圧微分器
１２    ２階微分器
１３    ２階微分値設定器
１４    比較器
１５    出力制御器
１６    アーク抵抗算出器
１７    アーク抵抗微分器
１８    溶滴離脱検出部
１９    波形設定器
２０    波形生成器
１００  溶接ロボット
１１０  溶接トーチ
２００  ロボットコントローラ
３００  溶接電源
４００  送給装置
５００  ガスコントローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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