(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接ワイヤが電気的に接触挿通された電極チップに溶接電圧を印加し、前記溶接ワイヤから被溶接材上に溶滴を移行してアーク溶接を行う消耗電極式ガスシールドアーク溶接に於いて、
前記溶接ワイヤより前記被溶接材に印加される溶接電圧又は給電される溶接電流を検出する溶接電圧検出手段又は溶接電流検出手段と、
前記溶接電圧検出手段又は溶接電流検出手段により検出されるアーク期溶接電圧又はアーク期溶接電流の１つのアーク期における値を加算してその加算値をアーク期の時間で除した周期毎の平均値に基づいて前記電極チップの交換指標を演算する交換指標演算手段と、
前記交換指標演算手段により演算された交換指標の値を基準値と比較して前記電極チップの摩耗状態を判定する摩耗状態判定手段と、
を備えたことを特徴とする電極チップ摩耗状態の判定装置。
【請求項２】
溶接ワイヤが電気的に接触挿通された電極チップに溶接電圧を印加し、前記溶接ワイヤから被溶接材上に溶滴を移行してアーク溶接を行う消耗電極式ガスシールドアーク溶接に於ける電極チップ摩耗状態の判定方法であって、
前記溶接ワイヤより前記被溶接材に印加される溶接電圧又は給電される溶接電流を検出する工程と、
アーク期の溶接電圧又は溶接電流の１つのアーク期における値を加算してその加算値をアーク期の時間で除した周期毎の平均値を電極チップ交換直後のアーク期の溶接電圧又は溶接電流の１つのアーク期における値を加算してその加算値をアーク期の時間で除した周期毎の平均値でそれぞれ除した値に基づいて前記電極チップの交換指標を演算する工程と、
前記交換指標演算手段により演算された交換指標の値を所定の判定しきい値と比較して前記電極チップの摩耗状態を判定する工程と、
を有することを特徴とする電極チップ摩耗状態の判定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、消耗電極式ガスシールドアーク溶接に用いられる電極チップの摩耗状態を判定する判定装置及び判定方法に関する。
【従来の技術】
消耗電極式ガスシールドアーク溶接では、消耗電極（以下、溶接ワイヤと言う）に電気的に接触挿通された電極チップを介して溶接ワイヤヘの給電がなされるが、溶接使用時間の増大につれて電極チップの溶接ワイヤ挿通穴の摩耗が進むため、電極チップの溶接ワイヤヘの接触点である給電点が変動し、それによって溶接ワイヤヘの給電状態が変化して行くので、溶接時のアーク現象が不安定になって行く。
【０００２】
そのため、溶接品質を維持するためには、摩耗した電極チップを交換して給電点を安定に保つ必要があるが、従来は作業者が目視によりアークの不安定状態を経験的に判断して電極チップを交換するか、又はアーク溶接の累積使用時間を基準として定期的に電極チップを交換していた。
【０００３】
ところで、消耗電極式ガスシールドアーク溶接に於ける電極チップの摩耗状態を自動的に判定するものとして、特開平８−３１８３７２号公報（第１の従来技術という）では、溶接電流と溶接ワイヤ送給モータの負荷電流を検出し、両電流の変動をそれぞれの判定しきい値と比較することにより、電極チップの摩耗状態を判定する判定装置及び判定方法が提案されている。
【０００４】
また、特開２０００−２４７７９号公報（第２の従来技術という）では、溶接電流又は溶接電圧の変化を検出し、その変化が所定の条件になった時に、電極チップが使用限界にあることを判定する電極チップの寿命判定装置及び判定方法が提案されている。
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記第１の従来技術で電極チップの寿命判定要素とする一定時間内での溶接電流の最大変動幅は、実際上、短絡期の高電流と低電流による最大変動幅となることが多い。このため、第１の従来技術では電極チップの摩耗限界による溶接不安定状態の判定は可能であるものの、電極チップの最適な交換タイミングの判定は困難であり、まだ使用可能な電極チップでも交換が必要であると判定される可能性がある。
【０００５】
一方、上記第２の従来技術は溶接電圧又は溶接電流の変化が所定条件となったことで電極チップの寿命を判定するが、溶接電圧又は溶接電流の変化の大半は短絡期に発生するから、判定が短絡期の溶接電圧又は溶接電流に大きく左右されるのを避けられない。そのため上記第１の従来技術と同じく、電極チップの摩耗限界による溶接不安定状態の判定は可能であるものの、電極チップの最適な交換タイミングの判定は困難であり、まだ使用可能な電極チップでも交換が必要であると判定される可能性がある。
【０００６】
すなわち、上記第１及び第２の従来技術は、電極チップの摩耗の如何に拘わらず、とにかく溶接が不安定となったことで電極チップの寿命が到来したと誤判定する可能性を常に内包していると云わざるを得ないのである。
【０００７】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたもので、電極チップの摩耗状態を精度良く定量的に判定することにより、電極チップの最適な交換タイミングを的確に判定することのできる電極チップ摩耗状態の判定装置及び判定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】
本発明は、上記の目的を達成するため、次の技術的手段を用いるものである。
【０００８】
すなわち、請求項１に記載の電極チップ摩耗状態の判定装置は、溶接ワイヤが電気的に接触挿通された電極チップに溶接電圧を印加し、前記溶接ワイヤから被溶接材上に溶滴を移行してアーク溶接を行う消耗電極式ガスシールドアーク溶接に於いて、前記溶接ワイヤより前記被溶接材に印加される溶接電圧又は給電される溶接電流を検出する溶接電圧検出手段又は溶接電流検出手段と、前記溶接電圧検出手段又は溶接電流検出手段により検出されるアーク期溶接電圧又はアーク期溶接電流の１つのアーク期における値を加算してその加算値をアーク期の時間で除した周期毎の平均値に基づいて前記電極チップの交換指標を演算する交換指標演算手段と、前記交換指標演算手段により演算された交換指標の値を基準値と比較して前記電極チップの摩耗状態を判定する摩耗状態判定手段とを備えたことを特徴とする。なお、前記「アーク期溶接電圧」及び「アーク期溶接電流」は、溶接電圧・溶接電流から短絡期の溶接電圧と溶接電流を除いたものである（以下同じ）。
【０００９】
上記の判定装置によれば、前記溶接電圧又は溶接電流検出手段により検出されるアーク期溶接電圧又はアーク期溶接電流の１つのアーク期における値を加算してその加算値をアーク期の時間で除した周期毎の平均値に基づいて、前記交換指標演算手段により電極チップの交換指標が演算され、前記摩耗状態判定手段により前記交換指標の値が基準値と比較されるため、これにより電極チップの摩耗状態が的確に判定される。
【００１０】
ここで、判定に用いられるアーク期溶接電圧又はアーク期溶接電流の１つのアーク期における値を加算してその加算値をアーク期の時間で除した周期毎の平均値は、アーク溶接の累積使用時間の増大につれて電極チップの摩耗状態が進むと変化することが判明しており（図４及び図５参照）、そのため電極チップの摩耗状態が定量的に判定される。さらに、アーク期の溶接電圧又は溶接電流は、短絡期の溶接電圧又は溶接電流と比較して極めて安定しており、電極チップ摩耗以外に於ける外乱要因の取り込みが少ないので、電極チップの摩耗状態が精度良く判定される。以上のように、電極チップの摩耗状態の定量的で精度の良い判定ができるため、電極チップの最適な交換タイミングの判定が可能となる。
【００１１】
また、請求項２に記載の電極チップ摩耗状態の判定方法は、溶接ワイヤが電気的に接触挿通された電極チップに溶接電圧を印加し、前記溶接ワイヤから被溶接材上に溶滴を移行してアーク溶接を行う消耗電極式ガスシールドアーク溶接に於ける電極チップ摩耗状態の判定方法であって、前記溶接ワイヤより前記被溶接材に印加される溶接電圧又は給電される溶接電流を検出する工程と、アーク期の溶接電圧又は溶接電流の１つのアーク期における値を加算してその加算値をアーク期の時間で除した周期毎の平均値を電極チップ交換直後のアーク期の溶接電圧又は溶接電流の１つのアーク期における値を加算してその加算値をアーク期の時間で除した周期毎の平均値でそれぞれ除した値に基づいて前記電極チップの交換指標を演算する工程と、前記交換指標演算手段により演算された交換指標の値を所定の判定しきい値と比較して前記電極チップの摩耗状態を判定する工程とを有することを特徴とする。
【００１２】
上記の判定方法によれば、現在のアーク期溶接電圧又は溶接電流の１つのアーク期における値を加算してその加算値をアーク期の時間で除した周期毎の平均値を電極チップ交換直後のアーク期溶接電圧又は溶接電流の１つのアーク期における値を加算してその加算値をアーク期の時間で除した周期毎の平均値でそれぞれ除した値に基づいて電極チップの交換指標を演算し、この演算された交換指標の値を電極チップの交換が必要と判断される予め設定された判定しきい値と比較して判定されるので、電極チップの最適な交換タイミングが、より的確に判定される。
【００１３】
図１は、本発明の判定装置部を含む消耗電極式ガスシールドアーク溶接装置（以下、単にアーク溶接装置と言う）の全体構成を示すブロック図である。図１に於いて、１は溶接電源、２は溶接ワイヤ３をコイル状に巻回して収納する収納リール、４は溶接ワイヤ３を被溶接材６の方向に送給する送給ローラ、５は溶接ワイヤ３の先端部を保持すると共に溶接電源１から溶接ワイヤ３への給電を行う導電体の電極チップである。
【００１４】
この電極チップ５は、図２に示すように、内部に溶接ワイヤ３を挿通する挿通穴５ａを有し、通常は溶接ワイヤ３の外周面が挿通穴５ａの両端部付近の内周面の接触部Ｐ１，Ｐ２に電気的に接触し、これら２つの接触部Ｐ１，Ｐ２が溶接ワイヤ３に対する給電点となっている。
【００１５】
図１に於いて、１１は溶接ワイヤ３と被溶接材６との間に印加される溶接電圧を検出する溶接電圧検出手段、１２は溶接ワイヤ３から被溶接材６に給電される溶接電流を検出する溶接電流検出手段であり、両検出手段１１と１２により検出されるアーク期溶接電圧とアーク期溶接電流に基づいて、交換指標演算手段１３が後述の交換指標（以下、チップ交換指標と呼ぶ）を演算する。この演算されたチップ交換指標は電極チップの摩耗状態判定手段１４により摩耗状態が判定され、摩耗状態が基準値を超える場合は、チップ交換表示手段１５により交換の表示が行われる。
【００１６】
アーク期溶接電圧とアーク期溶接電流は、連続的に検出される溶接電圧波形及び溶接電流波形から、短絡期電圧波形と短絡期電流波形をフィルタアウトすべく、所定の電圧閾値を設定することにより容易に検出できる。図３は、溶接電圧検出手段１１と溶接電流検出手段１２によって検出される電圧電流波形の例を、アーク溶接時における溶滴の移行現象と対応させて模式的に図示したものである。同図で溶接ワイヤ３と被溶接材６との間に溶接電圧が印加され溶接電流が供給されると、短絡とアークの１周期で、図３の（Ａ）から（Ｈ）まで移行し、溶接ワイヤ３の先端及び被溶接材６がアーク放電の熱により溶融されて、夫々に溶滴３ａ及び溶融池６ａが形成され、溶滴３ａが溶融池６ａに入り溶接金属（ビード）が形成される。このときの溶接電圧及び溶接電流は図３の上段及び下段に示すように変動する。
【００１７】
図３で明らかなように、アーク期から短絡期への移行、及び短絡期からアーク期への移行時には溶接電圧が急激に変化する。従って、図示しない短絡波形除去手段によって、図３にＶｗｌで表すアーク期／短絡期判定電圧を基準電圧として閾値設定手段で設定し、アーク期と短絡期を峻別して基準電圧よりも低い部分に対応する短絡期の波形であるＴｓ（ｎ）とＴｓ（ｎ＋１）を除去することができる。なお、図３において、Ｔｓ(n) はｎ周期目の短絡時間、ＴA(n) はｎ周期目のアーク時間、Ｔｓ(n+1) は(n+1) 周期目の短絡時間を表す。ＶA（ｎ）ａｖ．はｎ周期目のアーク期溶接電圧平均値、ＩA（ｎ）ａｖ．はｎ周期目のアーク期溶接電流平均値を表す。
【００１８】
上述のアーク溶接装置に於ける判定装置部の基本回路を、図４のブ口ック図に基づいて説明する。同図に於いて、２０はプロセッシングユニット（ＣＰＵ）、２１はメモリ（ＲＯＭ）、２２はメモリ（ＲＡＭ）、２３は入力インターフェース、２４は出力インターフェース、２５はキーボード・ディスプレイ・プリンター等の周辺機器、２６は以上の要素を収納したコントローラ、３０はＡ／Ｄコンバータ、３１は溶接電圧検出回路、３２は溶接電流検出回路、３３はチップ交換表示器である。
【００１９】
ここで、メモリ（ＲＯＭ）２１には電極チップの摩耗状態を判定するための後述のフローチャートを含む種々の処理に供するプログラム（判定プログラム）が記憶されており、プロセッシングユニット（ＣＰＵ）２０が起動されている間は、当該判定プログラムを実行するようになっている。また、メモリ（ＲＡＭ）２２は判定プログラムの実行に必要な変数データを一時的に記憶するようになっている。
【００２０】
前記の両検出回路３１，３２より、設定された周期毎に出力されるアーク期溶接電圧と溶接電流の平均値の出力信号は、Ａ／Ｄコンバータ３０を介して入力インターフェース２３からプロセッシングユニット（ＣＰＵ）２０に入力されてチップ交換指標が演算され、その値が基準値から外れる場合は、出力インターフェース２４を介して交換表示器３３から交換表示ランプを点滅する等により交換催促の表示が行われる。
【００２１】
次に、図５及び図６は、アーク溶接の累積使用時間とチップ交換指標の関係を実験により求めたものである。
図５のチップ交換指標は、アーク期溶接電圧の平均値（Ｖａ）を、電極チップ交換直後のアーク期溶接電圧の平均値（Ｖａ１）で除した値をベースとするものであり、下記の数式１で表される。
チップ交換指標ＷV＝｛（Ｖａ／Ｖａ１）−１｝×Ｋ  …数式１
但し、  Ｖａ；アーク期溶接電圧の平均値
Ｖａ１；チップ交換直後のアーク期溶接電圧の平均値
Ｋ；定数
【００２２】
図６のチップ交換指標は、アーク期溶接電流の平均値（Ｉａ）を、電極チップ交換直後のアーク期溶接電流の平均値（Ｉａ１）で除した値をべースとするものであり、下記の数式２で表される。
チップ交換指標ＷI＝｛（Ｉａ／Ｉａ１）−１｝×Ｋ  …数式２
但し、    Ｉａ；アーク期溶接電流の平均値
Ｉａ１；チップ交換直後のアーク期溶接電流の平均値
Ｋ；定数
【００２３】
図５から分かるように、アーク溶接の累積使用時間の増大（言い換えれば電極チップの摩耗増大）につれて、アーク期溶接電圧の平均値が高くなり、チップ交換指標の値が大きくなるが、判定しきい値Ａを超えると電極チップの交換が必要と判定される。また、図６から分かるように、アーク溶接の累積使用時間の増大につれて、アーク期溶接電流の平均値が低くなり、チップ交換指標の値が小さくなるが、判定しきい値Ｂを割ると電極チップの交換が必要と判定される。
【００２４】
次に、図７に示す電極チップの摩耗状態の判定に関する概略処理フローチャートと、図８に示すチップ交換指標の演算に関する詳細処理フ口ーチャートを用いて説明する。
【００２５】
概略については図７に示すように、アーク溶接の開始によりサンプリングが開始され（ステップ１０１、１０２）、アーク溶接の終了によりサンプリングが終了し（ステップ１０３、１０４）、前述のチップ交換指標が演算され（ステップ１０５）、アーク期溶接電圧の平均値に基づくチップ交換指標又はアーク期溶接電流の平均値に基づくチップ交換指標が、それぞれの判定しきい値（Ａ，Ｂ）と比較して電極チップの摩耗状態の良否が判定され（ステップ１０６）、判定しきい値（Ａ，Ｂ）から外れる場合は電極チップの交換信号が出力される（ステップ１０７）。
【００２６】
詳細については図８に示すように、先ず溶接電圧と溶接電流のサンプリングが開始され（ステップ２０１）、次いで無負荷電圧時間（すなわち、溶接ワイヤ３と被溶接材６が短絡するまでの時間）が終了したか否かが判定され（ステップ２０２）、終了していれば定常溶接期間の溶接電圧と溶接電流の測定が開始される（ステップ２０３）。
【００２７】
次に、溶接電圧Ｖがアーク期溶接電圧と溶接電流の判定が可能なレベルの判定電圧Ｖｗlと同等以上になっているか否かが判定され（ステップ２０４）、同等以上であれば定常溶接期間のアーク期溶接電圧と溶接電流の測定が開始され（ステップ２０５）、次いで溶接電庄Ｖが判定電圧Ｖｗl以下になったか否かが判定され（ステップ２Ｏ６）、以下になっていれば定常溶接期間のアーク期溶接電圧と溶接電流の測定を終了する（ステップ２０７）。
【００２８】
次に、タイムアップしているか（すなわち、サンプリング時間が終了しているか）否かが判定され（ステップ２０８）、タイムアップしていれば前述のチップ交換指標が演算される（ステップ２０９）。なお、ステップ２０４で溶接電圧Ｖが判定電圧Ｖｗl以下の場合は、ステップ２０５、２０６、２０７をパスしてステップ２０８に移行する。
【００２９】
ここで、図８のチップ交換指標の演算処理に関する詳細フローチャートでは、チップ交換指標として、アーク期溶接電圧の平均値とアーク期溶接電流の平均値に基づいた２種のチップ交換指標を演算したが、実際には何れか一方のチップ交換指標を演算し、該当する判定しきい値と比較して電極チップの摩耗状態の良否を判定すれば充分である。
【００３０】
そのため、図１及び図４において、溶接電圧検出手段１１と溶接電圧検出回路３１を省略するか、或いは、溶接電流検出手段１２と溶接電流検出回路３２を省略する構成も可能である。
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の電極チップ摩耗状態の判定装置及び判定方法によれば、アーク溶接での摩耗による電極チップの最適な交換タイミングが的確に判定されるので、摩耗使用限界以前での電極チップ交換による溶接作業時間のロスや、摩耗使用限界以降での電極チップ交換によるアーク溶接品質不良の発生が防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の判定装置部を含むアーク溶接装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】  図１の電極チップの一例を示す断面図である。
【図３】  溶接電圧検出手段と溶接電流検出手段によって検出される電圧電流波形をアーク溶接作動状態と対応させて示す模式図である。
【図４】  図１の判定装置部の基本回路を示すブロック図である。
【図５】  実験で得られたアーク期溶接電圧の平均値に基づく累積使用時間とチップ交換指標の関係図である。
【図６】  実験で得られたアーク期溶接電流の平均値に基づく累積使用時間とチップ交換指標の関係図である。
【図７】  電極チップ摩耗状態の判定に関する概略処理のフローチャートである。
【図８】  チップ交換指標の演算に関する詳細処理のフローチャートである。
【符号の説明】
１     溶接電源
２     収納リール
３     溶接ワイヤ
４     送給ローラ
５ａ   挿通穴
５     電極チップ
６     被溶接材
１１   溶接電圧検出手段
１２   溶接電流検出手段
１３   交換指標演算手段
１４   摩耗状態判定手段
１５   チップ交換表示手段
２３   入力インターフェース
２４   出力インターフェース
３０   Ａ／Ｄコンバータ
３１   溶接電圧検出回路
３２   溶接電流検出回路
３３   交換表示器
Ｐ１，Ｐ２    接触部
【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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【図８】
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