(57)【要約】  本願に記載の発明は、一般に、溶接プロセス中の溶滴の分離の検出が向上した方法に関し、係る方法では、少なくとも１つの溶接パラメータの時間に関する微分を用いて、ピーク特性（６３０）の特定に基づき溶接作業中のワイヤからの溶滴の分離を検出する。
2015533657.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シールドガスを用いる溶接作業の間にワイヤからの溶滴の分離を検出するための方法であって、
溶接プロセスの間の一連の溶接周期において溶接電極に溶接信号を提供する工程であって、各前記溶接周期は、バックグラウンド出力状態と、溶滴ができるまで前記溶接電極が加熱され、該溶滴が前記溶接電極の端部から千切られて分離する重畳高出力パルス状態とで構成されるパルス出力を含む、工程と、
前記溶接プロセスの間に少なくとも１つの溶接パラメータを測定する工程と、
前記少なくとも１つの溶接パラメータの時間に関する微分を算出する工程と、
前記溶接作業のアークの間に、前記少なくとも１つの溶接パラメータの微分内でピーク特性を検出する工程と、
前記検出する工程に基づいて、前記溶接プロセスで用いられる前記パルス出力の少なくとも１つの溶接パラメータの大きさを小さくする工程と、
を含む方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つの溶接パラメータは、電流、電圧、抵抗及び電力からなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ピーク特性は正のピーク又は負のピークである、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記ピーク特性は前記溶接プロセスで用いられる材料の種類に基づく、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記パルスの開始から前記パルスの終了までの時間をモニタリングする工程をさらに含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記時間を前記パルスの次の周期のための閾値として使用する工程をさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記使用する工程に基づいて前記パルスの次の周期を終了する工程をさらに含み、前記時間は前記パルスの次の周期のための閾値である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記時間を、前記溶接プロセスを次の周期のために適応制御するための入力として使用する工程をさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項９】
前記時間を、溶滴の大きさが一致していることの印として使用する工程をさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項１０】
前記時間の間にワイヤ送給速度を検出する工程をさらに含み、該検出する工程に基づいてワイヤ送給速度の不一致を正すために少なくとも１つの動作を起こす工程をさらに含み、該動作は前記パルスの次の周期のために前記ワイヤ送給速度を用いる、請求項５に記載の方法。
【請求項１１】
前記小さくする工程に基づいて前記溶接プロセスにおける前記溶接信号を管理する工程をさらに含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
シールドガスを用いる溶接作業の間にワイヤからの溶滴の分離及び溶滴分離点を検出するための方法であって、
溶接プロセスの間の一連の溶接周期において溶接電極に溶接信号を提供する工程であって、各前記溶接周期は、バックグラウンド出力状態と、溶滴ができるまで前記溶接電極が加熱され、該溶滴が前記溶接電極の端部から千切られて分離する重畳高出力パルス状態とで構成されるパルス出力を含む、工程と、
前記溶接プロセスの間に電圧、電流、抵抗及び電力からなる群から選択される少なくとも１つの特徴の時間に関する微分を算出する工程と、
前記溶接作業のアークの間に、前記算出する工程内でピーク特性を検出する工程と、
前記検出する工程に基づいて、前記溶接プロセスで用いられる前記パルス出力を変更する工程と、
を含む方法。
【請求項１３】
前記パルスの開始から前記パルスの終了までの時間をモニタリングする工程をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記時間を前記パルスの次の周期のための閾値として使用する工程と、
前記時間に基づいて前記パルスの次の周期を終了する工程とをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記時間の間にワイヤ送給速度を検出する工程と、
ワイヤ送給速度の不一致を正すために次の周期のために前記ワイヤ送給速度を用いる、請求項１３又は１４に記載の方法。
【請求項１６】
シールドガスを用いる溶接作業の間にワイヤからの溶滴の分離及び溶滴分離点を検出するための方法であって、
溶接プロセスの間の一連の溶接周期において溶接電極に溶接信号を提供する工程であって、各前記溶接周期は、バックグラウンド出力状態と、溶滴ができるまで前記溶接電極が加熱され、該溶滴が前記溶接電極の端部から千切られて分離する重畳高出力パルス状態とで構成されるパルス出力を含む、工程と、
前記溶接プロセスの間に少なくとも１つの溶接パラメータを測定する工程であって、該少なくとも１つの溶接パラメータは電圧、電流、抵抗及び電力からなる群から選択される、工程と、
前記少なくとも１つの溶接パラメータの時間に関する微分を算出する工程と、
前記溶接作業のアークの間に前記少なくとも１つの溶接パラメータの時間に関する微分内でピーク特性を特定する工程と、
前記特定する工程に基づいて、前記溶接プロセスで用いられる前記パルス出力の少なくとも１つの溶接パラメータの大きさを小さくする工程と、
前記パルス出力の開始から前記パルス出力の少なくとも１つの溶接パラメータの大きさを小さくするまでの時間をモニタリングする工程と、
前記パルス溶接プロセスを前記パルス出力の次の周期のために適応制御するための入力として前記時間を使用する工程と、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に記載の発明は、一般に、溶接プロセス中の溶滴の分離の検出が向上した方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）（その亜型であるＭＩＧ（metal  inert  gas）溶接又はＭＡＧ（metal  active  gas）溶接と呼ばれることもある）は、連続式の消耗ワイヤ電極（「溶接ワイヤ」）とシールドガスとが溶接ガンを通じて供給される半自動又は自動のアーク溶接プロセスである。
【０００３】
パルススプレー金属移行（ＧＭＡＷ−Ｐ）では、高エネルギーの軸方向スプレー金属移行（Axial  Spray  Metal  Transfer）が用いられ、この高エネルギー（ピーク）電流が低エネルギー（バックグラウンド）電流と交互に用いられる。各サイクルは周期と呼ばれ、この周期を毎秒数百回繰り返すことができる。スプレー溶接プロセス又はパルススプレー溶接プロセスは、形成された溶滴がワイヤから分離し、プラズマを横断して溶接溶融池に入る自由移行（free  flight  transfers）である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
パルスエネルギーは所望の溶融特性を生み出すことができ、軸方向スプレー移行又は他の溶接プロセスに比べて入熱を大幅に低減できる。パルスの力学は、位置外溶接にＧＭＡＷ−Ｐを用いることを可能にする。従って、ワイヤからの溶滴の分離（及び溶滴の分離点）を検出するためのより正確な方法を提供する動的な方法が必要なことが容易に分かる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、シールドガスを用いる溶接作業の間にワイヤからの溶滴の分離を検出するための方法が提供される。当該方法は、溶接プロセスの間の一連の溶接周期において溶接電極に溶接信号を提供する工程であって、各前記溶接周期は、バックグラウンド出力状態と、溶滴ができるまで前記溶接電極が加熱され、該溶滴が前記溶接電極の端部から千切られて分離する重畳高出力パルス状態（superimposed  high  output  pulse  condition）とで構成されるパルス出力を含む、工程と、前記溶接プロセスの間に少なくとも１つの溶接パラメータを測定する工程と、前記少なくとも１つの溶接パラメータの時間に関する微分（derivative  over  time）を算出する工程と、前記溶接作業のアークの間に、前記少なくとも１つの溶接パラメータの微分内でピーク特性を検出する工程と、前記検出する工程に基づいて、前記溶接プロセスで用いられる前記パルス出力の少なくとも１つの溶接パラメータの大きさを小さくする工程とを含む。前記少なくとも１つの溶接パラメータは、電流、電圧、抵抗及び電力からなる群から選択される。前記方法は、前記パルスの開始から前記パルスの終了までの時間をモニタリングする工程をさらに含み得る。前記方法は、前記時間を前記パルスの次の周期のための閾値として使用する工程と、前記使用する工程に基づいて前記パルスの次の周期を終了する工程とをさらに含み得る。前記方法は、前記時間を、前記溶接プロセスを次の周期のために適応制御するための入力として使用する工程をさらに含み得る。さらに、前記方法は、パルスの周期の間で溶滴の大きさが一致していること及びワイヤ送給速度が一致していることの印として前記時間を用いる工程をさらに含み得る。
【０００６】
本発明によれば、シールドガスを用いる溶接作業の間にワイヤからの溶滴の分離を検出するための方法が提供される。当該方法は、溶接プロセスの間の一連の溶接周期において溶接電極に溶接信号を提供する工程であって、各前記溶接周期は、バックグラウンド出力状態と、溶滴ができるまで前記溶接電極が加熱され、該溶滴が前記溶接電極の端部から千切られて分離する重畳高出力パルス状態とで構成されるパルス出力を含む、工程と、前記溶接プロセスの間に電圧、電流、抵抗及び電力からなる群から選択される少なくとも１つの特徴の時間に関する微分を算出する工程と、前記溶接作業のアークの間に、前記算出する工程内でピーク特性を検出する工程と、前記検出する工程に基づいて、前記溶接プロセスで用いられる前記パルス出力を変更する工程とを含む。
【０００７】
本発明によれば、シールドガスを用いる溶接作業の間にワイヤからの溶滴の分離を検出するための方法が提供される。当該方法は、溶接プロセスの間の一連の溶接周期において溶接電極に溶接信号を提供する工程であって、各前記溶接周期は、バックグラウンド出力状態と、溶滴ができるまで前記溶接電極が加熱され、該溶滴が前記溶接電極の端部から千切られて分離する重畳高出力パルス状態とで構成されるパルス出力を含む、工程と、前記溶接プロセスの間に少なくとも１つの溶接パラメータを測定する工程と、前記少なくとも１つの溶接パラメータの時間に関する微分を算出する工程と、前記溶接作業のアークの間に前記少なくとも１つの溶接パラメータの時間に関する微分内でピーク特性を特定する工程と、前記特定する工程に基づいて、前記溶接プロセスで用いられる前記パルス出力の少なくとも１つの溶接パラメータの大きさを小さくする工程と、前記パルス出力の開始から前記パルス出力の少なくとも１つの溶接パラメータの大きさを小さくするまでの時間をモニタリングする工程と、前記パルス溶接プロセスを前記パルス出力の次の周期のために適応制御するための入力として前記時間を使用する工程とを含む。
【０００８】
本発明の上記の及び他の目的、特徴及び実施形態を、図面、下記の詳細な説明及び添付の請求項に照らして考えた場合にそれらが明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明は、特定の部分及び部分の構成において物理的な形態を取り得る。その好ましい実施形態を本明細書で詳述し、本願の一部を構成する添付の図面に図示する。
【図１】図１は、パルス溶接プロセスで使用する波形に影響を与えるためにリアルタイムで動作する溶滴検出器回路を用いる、係る溶接イベントを行うための電気アーク溶接機を示すブロック図及び配線図の複合図である。
【図２】図２は、先行技術のパルス溶接プロセスの電圧曲線及び電流曲線を示すグラフである。
【図３】図３は、図１に示す電気アーク溶接機における様々な場所の信号を示すグラフである。
【図４】図４は、電流対時間を示し、溶接ビードの形成及びワイヤからの最終的な溶滴の分離と関連する図３と同様の波形である。
【図５】図５は、溶接イベントで使用する波形に影響を与えるために制御信号を生成する溶滴検出器を示すブロック図及び配線図の複合図である。
【図６】図６は、電圧対時間、電流対時間及び電圧の微分対時間を示す一群の波形である。
【図７】図７は、パルス出力を制御し、そのパルス出力の次の周期で用いるために閾値を特定するフロー図である。
【図８】図８は、ピーク特性のリアルタイム検出に基づくパルス出力の停止のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本特許出願の出願時に出願人が分かっていた本発明を実施するための最良の形態を説明する目的で、係る最良の形態を以下で説明する。以下で挙げる例及び図面は例示に過ぎず、本発明を限定することを意図したものではない。本発明は請求項の範囲及び精神によって評価される。図面を参照して（図示のものは本発明の例示の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本発明の限定を目的としていない）、図１は、図２に示すパルス溶接プロセスの実施形態を行うための電気アーク溶接機Ａを示す。例示の構造は、リンカーンエレクトリック社（オハイオ州、クリーブランド）が先鞭をつけた波形技術により制御される溶接機であるが、他の溶接機構造を用いることも可能である。このタイプの溶接機では、波形生成器が、パルス溶接プロセスで使用される波形のプロファイルを生成する。電源は、波形生成器が決定した形状に従って、１８ｋＨＺ超等の高周波の複数の電流パルスを用いてパルスを形成する。この種の技術は任意の所望の溶接プロセス用に正確なパルス形状を生成する。波形技術を用いる溶接機の使用との関連で本発明を説明するが、本発明の範囲はそれよりも広く、本発明はＳＣＲ（シリコン制御整流器）制御の溶接機やチョッパーベースの溶接機といった他の溶接機でも使用され得る。溶滴が分離した箇所であるブリップ、スパイク、ピーク等を電圧波形（voltage  trace）において特定することができる。このブリップ、スパイク、ピーク等を溶滴検出として用いることが技術上試みられているが、それらに関連する値は、限定されないが抵抗降下、溶接ケーブルの長さ等の様々な要因により常に変化する。本願は、ピーク特性（peak  signature）を用いて溶滴の分離を検出する微分検出技術（derivative  detection  technique）に関する。この技術は、溶接ケーブルの長さ、抵抗降下といった要因とは無関係である。
【００１１】
本願で使用の「ピーク特性」６３０という用語は、所定の特性、動的に定義される特性及び／又はその任意の好適な組み合わせを意味する（後で説明）。ピーク特性６３０は、限定されないが電圧、電流、抵抗、電力等の所定の特徴の微分に基づく。ピーク特性６３０の物理的発現は、使用される溶接プロセス、電極Ｅの組成、溶接ワイヤの種類、ワイヤ送給速度、パルス幅、パルス振幅、パルスの数、溶接の継続期間、溶接する材料、ワークピースＷの種類等の影響を受け得る。ピーク特性６３０は、溶接プロセス中の溶接パラメータの時間に関する微分の波形において検出される所定のパターン又は特徴（例えば、スパイク、ピーク、２つ以上のスパイク、２つ以上のピーク等）であり得る。その場合、所定のパターンは、電流測定値（current  reading）の微分、電圧測定値の微分、抵抗測定値の微分、電力の微分等のうちの少なくとも１つに基づき得る。さらに、ピーク特性６３０は、溶接パラメータ（例えば、電圧、電流、抵抗、電力等）の微分をリアルタイムでモニタリングすることによりリアルタイムで検出できる。あるいは、ピーク特性６３０は、限定されないがスパイク（例えば、正のスパイク、負のスパイク等）等の少なくとも１つの所定のパターン又は特徴を特定することでリアルタイムに特定できる。一例では、溶滴検出器６４は、検出したスパイクの閾値公差（threshold  tolerance）に基づくピーク特性６３０のリアルタイム特定に基づいて溶滴分離を検出する。閾値公差により、ピーク特性６３０の検出を開始でき、そしてワイヤからの溶滴の分離を制御するために電流を下げることを開始できる。一実施形態では、ピーク特性６３０がパルススプレー移行で用いられる。パルススプレー移行では、電流パルス（例えばパルス出力）によって溶滴がワイヤの端部から千切られる（pinched  off）。このワイヤからの分離の間、電流は溶滴から溶滴の上のワイヤの端部に経路を変える必要があり、それによってアーク長が僅かに増加する。このアーク長の僅かな増加を検出することができ、これがピーク特性６３０と称される。
【００１２】
図２の曲線が示す標準的なパルス溶接プロセスを行うのに、図１に図示の電気アーク溶接機Ａが用いられる。電気アーク溶接機Ａは、図１の様々な場所に示し、図３においても対応する参照符号で示す複数の動作信号を有する。電気アーク溶接機Ａは、電極ＥとワークピースＷとの間でパルス溶接プロセスを行うために、出力リード線１２、１４を有する高速スイッチングインバータの形の電源１０を有する。電源１０は、３相入力として図示される適切なパワーサプライ１６によって駆動される。パルス溶接プロセスを構成するパルス及びバックグラウンド電流のプロファイルは、波形入力１８上の信号により決定される。パルス溶接プロセスは、バックグラウンド出力状態又はレベルと、溶滴ができるまで溶接電極が加熱され、溶滴が電極Ｅの端部から千切られて分離する重畳高出力パルス状態とで構成されるパルス出力を含み得る。電流シャント２２は、溶滴検出器６４が使用する出力２８を有する電流センサ２６に、線２４を通じて溶接プロセスのアーク電流を伝達する。同様に、リード線３０、３２は、溶滴検出器６４が使用する検出出力３６及びレベル又は振幅出力３８を有する電圧センサ３４にアーク電圧を伝達する。レベル出力３８は、電極及びワークピースに亘るアーク電圧を表す信号を有する。
【００１３】
電気アーク溶接機Ａはパルス溶接プロセスを行い、パルス溶接周期毎に溶滴検出器６４に基づき転送又は放出パルス（transfer  or  release  pulse）（例えば重畳高出力パルス）を制御された形で開始する。この点に関して、本発明は、電源１０が一連の溶接周期（各前記溶接周期は、電源１０からの溶接電流により電極Ｅの端部で溶融金属が形成される溶融状態と、溶接信号における高電流パルス（例えば重畳高出力パルス状態）によって溶融金属がワークピースＷと接触する前に電極Ｅから分離される移行状態とを有する）において（線５６における波形及び／又は波形入力１８により）消耗溶接電極Ｅに溶接信号を印加するパルス溶接プロセス及びパルス溶接機器に関する。本発明は、ＤＣパルス溶接機に加えて、ＡＣパルス溶接用途で実施され得るものであり、本発明は任意の種類又は形態の溶接機器及び任意のパルス溶接作業に通常適用可能である。
【００１４】
電気アーク溶接機Ａは、電源１０と、ローラー（そのうちの１つ以上がモータにより駆動される）の動作によりスプール２０からワークピースＷの方に消耗溶接ワイヤ又は電極Ｅを移動させる動作を行うワイヤ送給装置とを含む。固体ワイヤ電極、内核及び外鞘を有する有心電極（例えばフラックスコアード電極）等の任意の種類の溶接ワイヤ又は電極Ｅを用いてもよい。電極Ｅは電気接点を通過する。その際、該接点は電流シャント２２の出力に連結され、ワークピースＷは出力リード線１４に連結されている。電源１０は出力溶接信号を提供する。出力溶接信号は、波形生成器５０が提供するパルス溶接波形に従い、複数の溶接周期において電極Ｅ及びワークピースＷを通して溶接電流を生成する。パルス出力は、バックグラウンド出力状態と、溶滴ができるまで溶接電極Ｅが加熱され、溶滴が電極Ｅの端部から千切られて分離する重畳高出力パルス状態とで構成される。
【００１５】
波形生成器５０は、溶接プロセスを行うために特定の波形を有する。この波形を信号２として示す。タイマー５２は、溶接プロセスを構成する個々のパルスを開始する目的で、線５４を通じてタイミング信号を波形生成器５０に送る。波形生成器５０は、溶滴検出器６４に従ってパルスの生成を制御するために線６６からの制御信号も有する。電源１０によって出力される波形は線５６における信号２である。溶接機Ａにおけるこの信号は電源１０の入力１８に送られる実際の信号である。
【００１６】
溶滴検出器６４は、ワイヤからの溶滴の分離（及び溶滴の分離点）を表す少なくとも１つの状態を、図６に示すようにピーク特性６３０を用いて特定する。前で説明したように、溶滴の分離は、電流パルスによって溶滴がワイヤの端部から千切られるパルススプレー移行に関する。一実施形態では、電流パルスによって溶滴がワイヤの端部から千切られるパルススプレー移行でピーク特性６３０が用いられる。このワイヤからの分離の間、電流は溶滴から溶滴の上のワイヤの端部に経路を変える必要があり、それによってアーク長が僅かに増加する。このアーク長の僅かな増加を検出することができ、これがピーク特性６３０と称される。溶滴検出器６４は、ピーク特性６３０を検出するために、ある溶接パラメータに関する時間に関する微分を算出する。限定ではなく一例として、溶接パラメータは溶接プロセスの電圧（例えば、検出出力３６、レベル出力３８、電圧レベル出力等）、溶接プロセスの電流（例えば、出力２８、アーク電流等）、溶接プロセスの抵抗（例えば、式Ｖ＝Ｉ×Ｒ（但し、Ｖは電圧であり、Ｉは電流であり、Ｒは抵抗である）に基づき求められる）、溶接プロセスの電力（例えば、式Ｐ＝Ｉ×Ｖ（但し、Ｐは電力であり、Ｖは電圧であり、Ｉは電流である）に基づき求められる）等であり得る。ピーク特性６３０の検出、即ち、少なくとも１つの溶接パラメータの時間に関する微分に基づいて、溶滴検出器６４は、波形生成器５０に伝達される制御信号６６を通じて溶接プロセスのためのパルス生成を変更する。溶接プロセスの間に電流パルスを変更することで、ピーク特性６３０の検出によるワイヤからの溶滴の分離（及び溶滴の分離点）を管理する。溶接プロセスから測定した波形をパルスピーク波形として説明したが、パルス溶接プロセスで用いられる任意の好適な波形が本発明の範囲に含まれることが分かる。
【００１７】
図５に溶滴検出器６４をより詳細に示す。溶滴検出器６４は、１つ以上の溶接パラメータについての時間に関する微分を算出する。図示のように、溶滴検出器６４には溶接パラメータ電流（例えば出力２８）及び電圧（例えば検出出力３６、レベル出力３８）が入力される。溶滴検出器６４を、電流及び電圧パラメータが入力されるものとして図示しているが、溶滴検出器６４には１つ以上の溶接パラメータ（例えば、電流、電圧、抵抗等）を入力できる。溶滴検出器６４は、溶接プロセスにおけるワイヤからの溶滴の分離（及び溶滴の分離点）を検出するのに用いられるピーク特性６３０をリアルタイムで特定する。ピーク特性６３０は、限定されないが負のピーク、正のピーク、負のスパイク、正のスパイク等の任意の好適なピーク又はスパイクであり得る。さらに、ピーク特性６３０の外観（appearance）（例えば、大きさ、振幅、幅、極性等）は変動するのに加えて、溶接プロセスで用いられる材料の種類に対応し得る。例えば、材料Ａは第１の外観を有するピーク特性Ａ’を有するのに対して、材料Ｂは第２の外観を有するピーク特性Ｂ’を有し得る。しかしながら、ピーク特性６３０は、溶接プロセスで用いられる２種類以上の材料についてワイヤからの溶滴の分離（及び溶滴の分離点）を検出するのに用いられ得る一般特徴（例えばスパイク、正のスパイク、負のスパイク等）を含み得る。
【００１８】
溶滴検出器６４は、溶接プロセスの電流周期毎にパルス生成の変更を開始するためのデフォルト設定としてピーク特性６３０を用いることができる。ピーク特性６３０のデフォルト設定は、スパイク等の所定のパターン又は特徴に基づいて、パルス出力の第１の周期の前に波形生成のために予め規定できる。より具体的な例では、ピーク特性６３０は、限定されないが振幅、大きさ、幅、極性等の外観の詳細を含むより特定の方法で規定できる。そのような特定の外観の詳細は、限定されないが溶接プロセスのための材料の種類等の類似の外観を用いてパルス溶接プロセスからの試験データを通じて特定できる。さらに、溶滴検出器６４はピーク特性６３０を動的設定として含むことができる。動的設定により、溶接プロセスの各パルス出力毎にピーク特性６３０のリアルタイム検出が可能になり、その場合、ピーク特性６３０は１つ以上の溶接パラメータの時間に関する微分から特定される。例えば、溶接プロセスのために溶接パラメータの時間に関する微分をモニタリングする際にスパイクをリアルタイムで検出することができ、係るスパイクは、パルススプレー移行溶接作業におけるワイヤからの溶滴の分離を表すことができる。
【００１９】
溶滴検出器６４は、少なくとも１つの溶接パラメータの微分からピーク特性６３０をリアルタイムで検出する。ピーク特性６３０が動的に検出されると、制御信号６６が生成されて、溶接プロセスのために周期的にパルス出力を少なくとも変更するために伝達される。例えば、ピーク特性６３０が検出されるとパルス出力周期のための電流を急激に下げることができる。他の例では、ピーク特性６３０の検出に基づき電力を下げることでパルス出力周期を変更できる。ある例では、パルス出力はアクティブ周期（例えば、進行中の周期）のためのものであり得る。アクティブ周期のためのパルス出力を終了することで、ピーク特性６３０の検出によるワイヤからの溶滴の分離を管理できる。上述したように、溶滴検出器６４は、少なくとも１つの溶接パラメータの時間に関する微分内でのピーク特性６３０の特定に基づいて溶滴の分離を検出する。電流及び電圧を図示しているが、本発明では１つ以上の溶接パラメータを用いることができる。
【００２０】
溶接機Ａが行う溶接プロセスを図２に示す。電流曲線１００は、バックグラウンド電流部１０４によって離間された一連の電流パルス１０２を有する。電圧曲線１２０は線３０、３２の間の電圧であり、曲線１００のアーク電流と相関するアーク電圧を構成する。アクティブ周期では進行中の電流パルスが指定されるのに対して、次の周期では進行中の電流パルスの後の電流パルスが参照される。ｄｖ／ｄｔのグラフ６００におけるピークは、電極の端部から溶滴が千切られて溶接溜まりの方に移ったことを示す。溶滴検出器６４はピーク特性６３０を検出し、アクティブ周期におけるパルス出力を変更すべきことを示す信号を、制御信号６６を通じて波形生成器５０に送信する。アクティブ周期におけるパルス出力は、電流を急速に下げること、電力を急速に下げること等により変更できる。そのため、波形生成器５０は、制御信号６６に基づいてアクティブ周期のためのパルス出力を管理する。波形生成器５０はアクティブ周期のパルス出力を制御した後で次の周期のためのパルス出力を生成する。
【００２１】
図３に示す信号２及び７を用いて溶接機Ａの動作を開示する。信号７は線３６における検知された電圧である。通常の状況では、電圧１２０は、波形生成器５０によって決定される形状及びタイマー５２によって決定される間隔を有する複数の離間パルス１３０を含む。波形生成器５０の出力は、図３に示す波形信号１５０を構成する信号２である。波形生成器５０は溶接プロセスのアクティブ周期用のパルスを開始し（例えばスタート）、制御信号６６に、ひいては、選択された少なくとも１つの溶接パラメータの時間に関する微分に関連する測定値内でのピーク特性６３０の検出に基づいてアクティブ周期のためのパルス出力を停止（例えば終了）する。パルスが終了した後、波形生成器５０はパルス溶接プロセスの次の周期のためのパルス出力を生成する。
【００２２】
タイマー５２はパルス出力の開始（例えばスタート）から制御信号６６に基づく停止（例えば終了）までの時間４１０（図４に示すように、ｔ1からｔｔまでの時間と定義される）をモニタリングする。波形の時間４１０はパルス出力の次の周期用の閾値として用いられる。時間４１０は、ワイヤからの溶滴の分離を正確に特定するために次の周期のためのパルス幅として用いることができる。時間４１０はさらに、溶接プロセスをパルスの次の周期及び／又は将来の周期のために適応制御するための入力としてさらに用いられる。それに加えて、時間４１０は溶滴のサイズが一致していることを示す印として用いられる。例えば、波形毎に時間４１０を動的にモニタリングすることで、時間４１０に変動がない場合に溶滴の大きさが一致しているかどうかを示すことができる。しかしながら、各パルス出力の時間４１０が異なっている場合は、溶接プロセスについての溶滴の大きさが一致していないことを示すことができる。さらに、アクティブ周期のパルスの時間４１０の間にワイヤ送給速度が検出される。時間４１０の間に検出したワイヤ送給速度に基づいて、ワイヤ送給速度の不一致を正すために少なくとも１つの動作が行われる。例えば、パルス出力の時間４１０に検出したワイヤ送給速度は、ワイヤ送給速度の不一致を抑えるためにパルス出力の次の周期用に用いることができる。
【００２３】
図４は、電流、電圧及び溶接機の先端での溶滴の発展の関係を示す。時間ｔ１では、電流がピークレベルに上げられて、時間ｔ２まで実質的に一定で維持される。時間ｔ１〜ｔ２の間に溶滴４２０（例えば、溶融ボール、ボール、溶滴等とも呼ばれる）が生成される。時間ｔ３で溶滴４２０が溶接溜まりに移される。ワイヤからの溶滴の分離（及び溶滴の分離点）により、時間ｔ２とｔ３との間で電圧のスパイクが起こる。溶滴の分離（及びそれに関連する電圧のスパイク）の正確な瞬間は、溶接プロセスで一貫したパラメータが使用されているのに関わらずいささか予測不可能である。しかしながら、溶滴検出器６４は溶滴の分離を特定するために電圧のスパイク（例えばピーク特性６３０）を検出し、パルススプレー移行溶接作業を管理するためにアクティブ周期のパルス出力の電流を下げることを開始する。
【００２４】
図４は、溶接プロセスに関連する１つのパルス出力を示す。この１つのパルス出力の後には任意の好適な数のパルスが続くことができ、次の周期のパルスとすることができる。図６は電圧波形６００、電流波形６１０及び微分電圧波形６２０を示す。前述のように、波形は任意の好適な波形（例えばピークパルス波形等）でよく、任意の好適な数のパルスの周期を含み得る。限定ではなく一例として、波形は４つ（４）の完全なパルスと１つ（１）の不完全なパルスを示す。即ち、電圧波形６００におけるパルスは図４のパルスと同様である。電圧波形６００は、幅（例えば時間４１０に対応）の異なるパルスを示す時間に関する原電圧（raw  voltage）を示す。電流波形６１０に示す原電流（raw  current）はパルスピークの各幅に対応する。溶滴検出器６４は、限定されないが電圧、電流、抵抗、電力又はその任意の好適な組み合わせ等の選択された溶接パラメータについての時間に関する微分の算出を用いる。この特定の例では、電圧の時間に関する微分を波形６２０に示す。電圧の時間に関する微分を算出することで、時間ｔ２とｔ３との間で生じる電圧におけるピーク特性６３０（例えばスパイク）の検出が可能になる。ピーク特性６３０が示す点では、ピーク特性６３０が検出され、それ故にピークセグメントが終了し、波形ロジックが進展して電流をバックグラウンド振幅に下げる。このピーク特性６３０は溶滴の分離（及び溶滴の分離点）を示す。ピーク特性６３０は、正のピーク、負のピーク、正のスパイク又は負のスパイク等の任意の好適なピークであり得る。さらに、ピーク特性６３０の外観（例えばサイズ、振幅、測定値等）は溶接プロセスの材料の種類に基づき変化し得る。波形５２０はピーク特性６３０の範囲を示すが、ピーク特性６３０の任意の好適な範囲が本発明の範囲に含まれることが分かる。
【００２５】
さらに、ピークパルス波形は、溶接プロセスにおける少なくとも１つの溶接パラメータの微分を算出するためにリアルタイムで測定可能な多くの波形のうちの１つであり、本願は任意の好適な波形、波形生成器及び／又は溶接モードに適用可能である。さらに、溶接プロセスで用いられる材料の種類に応じてパルスは変動し得る。即ち、各種の材料は、特定のパルス及び／又は波形を含み、溶接プロセスでそのようなパルスを形成する。そして特定のピーク特性６３０を含む。
【００２６】
限定ではなく一例として、溶滴検出器６４による溶滴分離の検出は、限定されないがパルススプレー移行等の任意の好適な溶接モードで用いることができる。スプレー溶接又はパルススプレー溶接は、形成された溶滴がワイヤから分離し、プラズマを横断して溶接溶融池に入る自由移行である。アーク長が非常に短い場合、電極の端部と溶接溶融池とが非常に近くなり、溶滴が千切られると、溶滴はその間隙を乗り越えて溶接溶融池にショート（short  into）する。これは、ピーク特性を用いて検出されたｄｖ／ｄｔと比較した場合、別の特性を生成できる。例えば、スプレー溶接又はパルススプレー溶接は短絡状態（shorting  condition）（例えば、アーク長が短い場合に溶接溶融池にショートする）及び非短絡状態（non-shorting  condition）（例えば、溶接プロセスのターゲット状態）を有する。さらに、パルススプレー金属移行溶接モードはシールドガスの使用を含む。パルススプレー金属移行用のパルス波形はいくつかの要素に分けることができ、所定の波形の要素を大きくすることでエネルギー及び後続の溶け込みを大きくすることができる。上昇率（ramp-up  rate）によって電極の端部で溶滴を形成することができ、上昇率を大きくするとアークが硬化する一方で、上昇率を小さくするとアークが軟化する。オーバーシュートを大きくすると、ケーブル長と共に変動し得るインダクタンスの影響を解消することができる。他の成分は、溶接溶け込みに関与し得るピーク電流である。ピーク電流を大きくすると溶け込みが大きくなる一方で、ピーク電流を小さくすると溶け込みが小さくなる。ピーク時間は別の成分であり、ピーク時間が長いとビードの形状が幅広いものになる。テールアウト（tail-out）は溶滴にエネルギーを加えることができる。テールアウト時間が長くなると溶け込みが大きくなる一方で、テールアウト時間が短くなると溶け込みが小さくなる。テールアウト速度は溶滴にエネルギーを加えることができる。溶接溜まりの流動性が大きくなると素早く追随する（fast  follow）溶融溜まりを可能にできる。ステップオフ（stepoff）は微細な溶滴が飛び散る特性を抑えることができる。バックグラウンド電流は低レベルの電流がアークを維持できる成分である一方で、重畳高電流出力はワイヤ／電極から溶滴を移送できる。周波数が大きくなるとアーク円錐（arc  cone）が狭まくなる一方で、周波数が小さくなるとアーク円錐が広くなる。
【００２７】
ピーク特性６３０は、ワイヤの端部からの溶滴の分離を示し且つそれを検出するのに及び／又は溶接パラメータの変更又は修正を始める（例えば、電流の降下動作の開始）のに用いることができる。表面張力移行（ＳＴＴ）溶接でも、ワイヤの端部からの溶滴の分離を示すのにｄｖ／ｄｔ技法が用いられる。しかしながら、スプレー溶接又はパルススプレー溶接では、アークが存在する間にピーク特性６３０を用いる。それとは反対に、ＳＴＴでは短絡が起きてアークになろうとするのを検出するのにｄｖ/ｄｔを使用する。ＳＴＴでは、電流を素早く調整して（例えば電流を下げる）ショートからアークへの遷移が爆発的なものになるのを防ぐことができるようにショートが発生する前の期間を特定することが重要である。ＳＴＴでは、検出が短絡状態（例えばアークの前）の間に行われ得る。スプレー溶接又はパルススプレー溶接では、ピーク特性６３０はアークが存在する間に用いられる。短絡状態が起こることもあり（例えば溶滴が間隙を乗り越える）、そのような短絡状態の間はロジックが用いられるが（例えば短絡解消動作）、スプレー溶接プロセス又はパルススプレー溶接プロセスではピーク特性６３０は短絡状態では使用されない。短絡状態がない場合は、ワイヤからの溶滴の分離の検出にピーク特性６３０が用いられる。ピーク特性６３０は溶接プロセスの高出力ピーク状態の間に検出される。ピーク特性６３０は予測可能なツールではなく、むしろ何時溶滴がワイヤから分離したかを示す。一度ピーク特性６３０が検出されると、ショートからアークへの遷移の間に飛び散りを防ぐために出力を素早く下げる必要はない。何故なら、溶接プロセスは既にアーク状態にあるからである（例えば、アーク状態でピーク特性が検出及び使用される）。一例では、電流を下げる前にある時間（例えば０〜３ミリ秒）を一時的に停止することができる。降下は、ピーク特性６３０の使用に基づいて溶滴が移行する厳密な時間と一致し得る。
【００２８】
図７の決定木フロー図７００に示すように、下記のことが連続して起こる。溶接プロセスのアクティブ周期のためのパルス出力の生成をスタート（例えば開始）できる（参照ブロック７１０）。選択した少なくとも１つの溶接パラメータの微分内でのピーク特性の検出に基づき、ワイヤからの溶滴の分離が特定される（参照ブロック７２０）。その特定に基づき、アクティブ周期のためのパルス出力が変更される（参照ブロック７３０）。パルス出力の開始からパルス出力の変更までの時間を、次の周期のための閾値として用いる（参照ブロック７４０）。その時間（例えば波形幅）を用いてパルス出力の次の周期が生成される（参照ブロック７５０）。
【００２９】
図８のフロー図８００に示すように、下記のことが起こる。溶接プロセスの間の選択した少なくとも１つのパラメータが測定される（参照ブロック８１０）。選択した少なくとも１つの溶接パラメータの時間に関する微分を算出する（参照ブロック８２０）。少なくともの１つの溶接パラメータの微分をモニタリングしてピーク特性を検出する（参照ブロック８３０）。溶接プロセスで使用するパルス出力をピーク特性の検出に基づいて変更する（参照ブロック８４０）。
【００３０】
本願の出願時に出願人が知っていた本発明を実施するための最良の形態を説明する目的で、最良の形態を説明してきた。上記の例は例示に過ぎず、本発明を限定することを意図していない。本発明は請求項の範囲及び価値によって評価される。好ましい実施形態及び代替的な実施形態を参照して本発明を説明してきた。当業者であれば、本明細書を読んで理解した際に修正及び変更を明らかに思い付く。そのような修正及び変更は、それらが添付の請求項又はその同等物の範囲に含まれる限りそれらの全てが本発明に含まれる。
【符号の説明】
【００３１】
２  信号
７  信号
１０  電源
１２  出力リード線
１４  出力リード線
１６  適切なパワーサプライ
１８  波形入力
２０  スプール
２２  電流シャント
２４  線
２６  電流センサ
２８  出力
３０  リード線
３２  リード線
３４  電圧センサ
３６  検出出力
３８  振幅出力
５０  波形生成器
５２  タイマー
５４  線
５６  線
６４  溶滴検出器
６６  線／制御信号
１００  電流曲線
１０２  電流パルス
１０４  電流部
１２０  電圧曲線
１３０  離間パルス
４１０  時間
４２０  溶滴
６００  電圧波形
６１０  電流波形
６２０  ｄｖ／ｄｔグラフ
６３０  ピーク特性
７００  決定木フロー図
７１０  参照ブロック
７２０  参照ブロック
７３０  参照ブロック
７４０  参照ブロック
７５０  参照ブロック
８００  フロー図
８１０  参照ブロック
８２０  参照ブロック
８３０  参照ブロック
８４０  参照ブロック
Ａ  電気アーク溶接機
Ｅ  電極
Ｗ  ワークピース
ｔ１  時間
ｔ２  時間
ｔ３  時間
【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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【国際調査報告】
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