(57)【要約】【課題】給電チップ・母材間距離の変化に対して溶接電流値を一定に維持する送給制御方法において、アーク長の長短の設定に関わりなく制御系の過渡応答性及び定常安定性を良好にする。【解決手段】溶接電流と予め定めた電流設定値とが等しくなるように溶接ワイヤの送給速度をフィードバック制御して溶接する消耗電極アーク溶接の送給制御方法において、単位時間当たりの短絡回数を検出し、この短絡回数検出値Ｎｄを入力として予め定めたゲイン設定関数によってフィードバック制御系のゲインＧｒを設定する。これにより、アーク長と相関関係にある短絡回数検出値Ｎｄに応じてゲインＧｒが適正化されるので、制御系の過渡応答性及び定常安定性を良好にすることができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接電流と予め定めた電流設定値とが等しくなるように溶接ワイヤの送給速度をフィードバック制御して溶接する消耗電極アーク溶接の送給制御方法において、
単位時間当たりの短絡回数を検出し、この短絡回数検出値Ｎｄを入力として予め定めたゲイン設定関数によって前記フィードバック制御系のゲインを設定する、
ことを特徴とする消耗電極アーク溶接の送給制御方法。
【請求項２】
前記短絡回数の検出を、アークスタート時点から１回だけ行う、
ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極アーク溶接の送給制御方法。
【請求項３】
前記短絡回数の検出を、所定周期ごとに行う、
ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極アーク溶接の送給制御方法。
【請求項４】
前記ゲイン設定関数は、前記短絡回数検出値Ｎｄが大きくなるほどゲインが大きくなるように設定する関数である、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載する消耗電極アーク溶接の送給制御方法。
【請求項５】
前記ゲイン設定関数は、前記短絡回数検出値ＮｄがＮｄ＝０のとき予め定めた第１ゲインに設定し、Ｎｄ＞０のとき前記第１ゲインよりも大きな値の予め定めた第２ゲインに設定する関数である、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載する消耗電極アーク溶接の送給制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接電流と電流設定値とが等しくなるように溶接ワイヤの送給速度をフィードバック制御して溶接する消耗電極アーク溶接の送給制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
消耗電極アーク溶接では、溶接ワイヤを定速で送給し、溶接ワイヤと母材との間にアークを発生させて溶接が行われる。この消耗電極アーク溶接には、炭酸ガスアーク溶接法、マグ溶接法、ミグ溶接法、パルスアーク溶接法、交流パルスアーク溶接法等の種々な溶接法がある。
【０００３】
消耗電極アーク溶接では、給電チップ・母材間距離（トーチ高さ）を一定値に保持して溶接を行うのが基本である。この一定値の給電チップ・母材間距離は、溶接電流値（送給速度）に応じてその適正値が異なっている。例えば、溶接電流値が１５０Ａのときは１５mm程度であり、２００Ａのときは２０mm程度であり、２５０Ａのときは２５mm程度である。この溶接電流値に応じた適正値である給電チップ・母材間距離を基準値と呼ぶことにする。給電チップ・母材間距離を一定に保持するのは、溶接電流値が約１８０Ａ未満の小電流域では、給電チップ・母材間距離が変動すると、アーク状態が不安定になるからである。また、溶接電流値が約１８０Ａ以上の中・大電流域では、給電チップ・母材間距離が変動しても、アーク状態は安定した状態であるが、溶接電流値が変化するために、母材の溶け込み深さが変動して溶接品質が悪くなるからである。中・大電流域の溶接では、深い開先を溶接したり、多層盛り溶接を行なうことも多いために、給電チップ・母材間距離を一定値に保持することが困難な場合も生じる。このような場合においても、溶け込み深さを略一定に維持して良好な溶接品質を得ることができる従来技術（例えば、特許文献１参照）が提案されている。
【０００４】
従来技術では、溶接電流値が予め定めた電流設定値と等しくなるように溶接ワイヤの送給速度をフィードバック制御によって可変している。ここで、溶接電流値は、溶接電流の瞬時値をカットオフ周波数１〜１０Ｈｚ程度のローパスフィルタに通した値である。すなわち、給電チップ・母材間距離が基準値よりも長くなると、溶接電流値は減少する。溶接電流値が減少すると電流設定値よりも小さくなるので、フィードバック制御によって送給速度が速くなる。この結果、溶接電流値は増加して電流設定値と等しくなる。給電チップ・母材間距離が基準値よりも短くなったときも、同様にして、溶接電流値は電流設定値を維持することになる。したがって、従来技術では、給電チップ・母材間距離が変動しても、溶接電流値を一定値に維持することができるので、溶け込み深さを安定化することができる。この従来技術の送給制御方法を、溶け込み制御又は電流一定化制御と一般的に呼ぶ場合もある。したがって、以下の説明においては、上述した消耗電極アーク溶接の送給制御方法を電流一定化制御と記載する場合もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−５１８５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
消耗電極アーク溶接において、溶接電圧を調整してアーク長を比較的長く設定すると、溶接ワイヤと母材との間に短絡が発生しない溶接状態となる。そして、溶接電圧を小さくしていくと、アーク長は次第に短くなり、溶接ワイヤと母材との間に短絡が発生するようになる。さらに溶接電圧を小さくしていくと、アーク長もより一層短くなり、短絡回数が多くなる。継手形状、溶接速度等に応じて適正なアーク長に設定して溶接する必要がある。このために、短絡が発生しないアーク長、短絡が少し発生するアーク長又は短絡が多く発生するアーク長のいずれの状態でも溶接を行うことになる。
【０００７】
上述した従来技術の送給制御方法（電流一定化制御）において、給電チップ・母材間距離が変化すると、溶接電流が過渡的に変化した後に電流設定値に戻ることになる。この溶接電流の過渡的な変化が小さいほど、溶け込み深さは安定化することになる。この溶接電流の過渡的な変化を小さくするためには、送給速度のフィードバック制御系のゲイン（利得、増幅率）を適正化する必要がある。しかし、短絡が発生しない比較的長いアーク長に設定したときにゲインを適正化すると、短絡が発生する比較的短いアーク長に設定したときは溶接電流の過渡応答性が悪くなるという問題があった。逆に、短絡が発生する比較的短いアーク長に設定したときにゲインを適正化すると、短絡が発生しない比較的長いアーク長に設定したときは溶接電流の定常安定性が悪くなるという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明では、電流一定化制御において、アーク長の長短に関わりなく溶接電流の過渡的な変化が小さく、かつ、定常安定性も良好である消耗電極アーク溶接の送給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】
【０００９】
上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、溶接電流と予め定めた電流設定値とが等しくなるように溶接ワイヤの送給速度をフィードバック制御して溶接する消耗電極アーク溶接の送給制御方法において、
単位時間当たりの短絡回数を検出し、この短絡回数検出値Ｎｄを入力として予め定めたゲイン設定関数によって前記フィードバック制御系のゲインを設定する、
ことを特徴とする消耗電極アーク溶接の送給制御方法である。
【００１０】
請求項２の発明は、前記短絡回数の検出を、アークスタート時点から１回だけ行う、
ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極アーク溶接の送給制御方法である。
【００１１】
請求項３の発明は、前記短絡回数の検出を、所定周期ごとに行う、
ことを特徴とする請求項１記載の消耗電極アーク溶接の送給制御方法である。
【００１２】
請求項４の発明は、前記ゲイン設定関数は、前記短絡回数検出値Ｎｄが大きくなるほどゲインが大きくなるように設定する関数である、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載する消耗電極アーク溶接の送給制御方法である。
【００１３】
請求項５の発明は、前記ゲイン設定関数は、前記短絡回数検出値ＮｄがＮｄ＝０のとき予め定めた第１ゲインに設定し、Ｎｄ＞０のとき前記第１ゲインよりも大きな値の予め定めた第２ゲインに設定する関数である、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載する消耗電極アーク溶接の送給制御方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、短絡回数の検出値に応じてフィードバック制御系のゲインを適正化している。このために、アーク長の長短に関わりなく、フィードバック制御系の過渡応答性及び定常安定性を良好にすることができる。この結果、給電チップ・母材間距離が変化したときの溶接電流値の過渡的な変化を小さく抑制することができるので、良好な溶接品質を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接の送給制御方法を実施するための溶接電源のブロック図である。
【図２】図１のゲイン設定回路ＧＲに内蔵されたゲイン設定関数の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００１７】
本発明の実施の形態では、溶接電流と電流設定値とが等しくなるように溶接ワイヤの送給速度をフィードバック制御し、単位時間当たりの短絡回数を検出し、この短絡回数検出値を入力としてゲイン設定関数によって前記フィードバック制御系のゲインを設定するものである。以下、この実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施の形態に係る消耗電極アーク溶接の送給制御方法を実施するための溶接電源のブロック図である。同図は、溶接法が炭酸ガスアーク溶接法、マグ溶接法又はミグ溶接法の場合に使用される溶接電源の場合である。以下、同図を参照して、各ブロックについて説明する。
【００１９】
電源主回路ＰＭは、３相２００Ｖ等の商用電源（図示は省略）を入力として、後述する誤差増幅信号Ｅａに従ってインバータ制御等の出力制御を行い、出力電圧Ｅ及び溶接電流Ｉｗを出力する。この電源主回路ＰＭは、図示は省略するが、商用電源を整流する１次整流回路、整流されたリップルのある直流を平滑するコンデンサ、平滑された直流を高周波交流（５０〜１５０ｋＨｚ）に変換するインバータ回路、高周波交流をアーク溶接に適した電圧値に降圧する高周波変圧器、降圧された高周波交流を整流する２次整流回路、上記の誤差増幅信号Ｅａを入力としてＰＷＭ変調制御に基づいて上記のインバータ回路のブリッジ用トランジスタを駆動するための駆動回路を備えている。直流リアクトルＤＣＬは、上記の出力電圧Ｅを平滑する。溶接ワイヤ１は、送給モータＷＭに結合された送給ロール５の回転によって溶接トーチ４内を通って送給され、母材２との間にアーク３が発生する。溶接ワイヤ１と母材２との間には溶接電圧Ｖｗが印加し、溶接電流Ｉｗが通電する。
【００２０】
溶接電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗを検出して、溶接電圧検出信号ｖｄを出力する。短絡判別回路ＳＤは、この溶接電圧検出信号Ｖｄを入力として、この値が短絡判別値（１５Ｖ程度）以下のときは短絡状態にあると判別してＨｉｇｈレベルになる短絡判別信号Ｓｄを出力する。溶接電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｗの瞬時値を検出して、カットオフ周波数１〜１０Ｈｚ程度のローパスフィルタに通して、溶接電流検出信号Ｉｄを出力する。
【００２１】
短絡回数検出回路ＮＤは、上記の短絡判別信号Ｓｄを入力として、所定周期ごとに単位時間当たりの短絡回数を算出して、短絡回数検出信号Ｎｄを出力する。所定周期は、例えば１〜５秒程度に設定される。アーク長の設定が溶接中に複数回変化するような場合には、この所定周期を短く設定すると、アーク長変化時の短絡回数の変化を正確に検出することができる。短絡回数の変化を正確に検出することができると、後述するように、電流一定化制御の過渡応答性及び定常安定性を向上させることができる。また、短絡回数の検出をアークスタート後に１回だけ行うようにしても良い。これは、１回の溶接中にはアーク長の設定が変化しない場合である。アークスタート後に溶接状態が安定した時点で短絡回数を検出すれば良い。上記の単位時間は、例えば１秒間である。但し、短絡回数の検出時間（計測時間）は、０．５〜３秒程度に設定し、その検出回数を１秒間に換算すれば良い。したがって、短絡回数検出信号Ｎｄの値は、０以上の整数だけでなく、０以上の実数となる場合もある。短絡回数を周期ごとに検出して、その移動平均値を算出して、上記の短絡回数検出信号Ｎｄとしても良い。
【００２２】
出力電圧設定回路ＥＲは、予め定めた出力電圧設定信号Ｅｒを出力する。出力電圧検出回路ＥＤは、上記の出力電圧Ｅを検出してカットオフ周波数１〜１０Ｈｚ程度のローパスフィルタに通して、出力電圧検出信号Ｅｄを出力する。誤差増幅回路ＥＡは、上記の出力電圧設定信号Ｅｒと上記の出力電圧検出信号Ｅｄとの誤差を増幅して、誤差増幅信号Ｅａを出力する。この誤差増幅回路ＥＡによって溶接電源は定電圧特性となる。
【００２３】
ゲイン設定回路ＧＲは、上記の短絡回数検出信号Ｎｄを入力として、予め定めたゲイン設定関数によってゲイン設定信号Ｇｒを出力する。このゲイン設定関数については、図２で後述する。電流設定回路ＩＲは、予め定めた電流設定信号Ｉｒを出力する。電流誤差増幅回路ＥＩは、上記のゲイン設定信号Ｇｒを入力として、上記の電流設定信号Ｉｒと上記の溶接電流検出信号Ｉｄとの誤差をゲイン設定信号Ｇｒによって定まるゲインで増幅して、電流誤差増幅信号Ｅｉを出力する。この電流誤差増幅回路ＥＩには、Ｐ制御、ＰＩ制御又はＰＩＤ制御を適用することができる。ここでゲインとは、比例（Ｐ）ゲインである。送給速度設定回路ＦＲは、この電流誤差増幅信号Ｅｉを積分して、送給速度設定信号Ｆｒを出力する。積分は溶接中行われて、Ｆｒ＝Ｆr0＋∫Ｅｉ・ｄｔとなる。ここで、Ｆr0は初期値である。この初期値Ｆr0は、６〜１０m/min程度の範囲で適正値に設定される。上記の電流設定信号Ｉｒの値、溶接ワイヤの材質、直径、及び基準給電チップ・母材間距離が定まると送給速度がきまるので、この送給速度を初期値Ｆr0としても良い。送給制御回路ＦＣは、この送給速度設定信号Ｆｒを入力として、この設定値に相当する送給速度で溶接ワイヤ１を送給するための送給制御信号Ｆｃを上記の送給モータＷＭに出力する。ゲイン設定回路ＧＲ、電流設定回路ＩＲ、溶接電流検出回路ＩＤ、電流誤差増幅回路ＥＩ、送給速度設定回路ＦＲ、送給制御回路ＦＣ及び送給モータＷＭによって電流一定化制御が行なわれている。
【００２４】
図２は、上述したゲイン設定回路ＧＲに内蔵されているゲイン設定関数の一例を示す図である。横軸は短絡回数検出信号Ｎｄ（回／秒）を示し、縦軸はゲイン設定信号Ｇｒを示す。横軸は０〜２０回／秒の範囲を示している。Ｎｄ＝０のときはＧｒ＝Ｇr1となり、直線状に増加してＮｄ＝１のときはＧｒ＝Ｇr2となり、さらに直線状に増加してＮｄ＝１０のときはＧｒ＝Ｇr3となり、Ｎｄが１０〜２０の範囲ではＧｒ＝Ｇr3のままとなる。Ｇr1＜Ｇr2＜Ｇr3である。Ｇr2はＧr1の１１０％程度の値であり、Ｇr3はＧr1の１２０％程度の値である。同図ではＧｒが直線状に増加する場合であるが、曲線状に増加するようにしても良い。また、Ｎｄ＝０のときＧｒ＝Ｇr1（第１ゲイン）とし、Ｎｄ＞０のときＧｒ＝Ｇr2（第２ゲイン）として、ステップ状に変化するようにしても良い。すなわち、短絡回数検出信号Ｎｄの値が大きくなると、ゲイン設定信号Ｇｒの値も大きくなるようにすれば良い。このゲイン設定関数は、溶接法、溶接ワイヤの材質、直径、電流設定信号Ｉｒの値等に応じて実験によって適正値に設定される。
【００２５】
上述したように、短絡回数検出値が大きくなるほどゲインを大きくすることによって、電流一定化制御の過渡応答性及び定常安定性が向上する理由は、以下のとおりである。例えば、直径１．２mmの鉄鋼ワイヤを使用したマグ溶接において、給電チップ・母材間距離を基準値（２５mm）に設定して２５０Ａの溶接電流を通電する場合を想定する。このときの送給速度は、アーク長を長くして短絡が発生しない状態では８m/minとなり、アーク長を短くして短絡回数が数回／秒となる状態では９m/minとなり、さらにアーク長を短くして十数回／秒となる状態では９．５m/minとなる。このことから、電流一定化制御において、溶接電流値と電流設定値との電流誤差を０に戻すときの過渡応答性を良好にするためには、短絡回数が数回／秒のときは０回／秒のときに比べて送給速度の変化量を１０％程度大きくする必要があり、短絡回数が十数回／秒のときは０回／秒のときに比べて送給速度の変化量を２０％程度大きくする必要があることが分かる。この知見に基いて、図２で上述したように、短絡回数に応じてゲインを大きくするようにしている。このようにすると、アーク長の長短に関わりなく、ワイヤ送給のフィードバック制御系のゲインが適正化されるので、過渡応答性及び定常安定性が良好になる。
【００２６】
本実施の形態では、アーク長を単位時間当たりの短絡回数によって検出していると言うことができる。これは、アーク長と単位時間当たりの短絡回数とが相関関係にあるからである。ところで、アーク長は、上述したように、出力電圧設定信号Ｅｒの値によって設定している。しかし、同一の出力電圧設定信号Ｅｒの値であっても、溶接速度、継手形状、溶接姿勢等が異なるとアーク長が異なる値となる。したがって、アーク長を出力電圧設定信号Ｅｒの値によって検出することは困難である。このために、本実施の形態では、アーク長の検出を単位時間当たりの短絡回数によって行っている。
【００２７】
上述した実施の形態によれば、短絡回数の検出値に応じてフィードバック制御系のゲインを適正化している。このために、アーク長の長短に関わりなく、フィードバック制御系の過渡応答性及び定常安定性を良好にすることができる。この結果、給電チップ・母材間距離が変化したときの溶接電流値の過渡的な変化を小さくすることができるので、良好な溶接品質を得ることができる。
【００２８】
上述した実施の形態では、炭酸ガスアーク溶接法、マグ溶接法及びミグ溶接法の場合を例示したが、本発明は、パルスアーク溶接法及び交流パルスアーク溶接法にも適用することができる。
【符号の説明】
【００２９】
１            溶接ワイヤ
２            母材
３            アーク
４            溶接トーチ
５            送給ロール
ＤＣＬ            直流リアクトル
Ｅ            出力電圧
ＥＡ            誤差増幅回路
Ｅａ            誤差増幅信号
ＥＤ            出力電圧検出回路
Ｅｄ            出力電圧検出信号
ＥＩ            電流誤差増幅回路
Ｅｉ            電流誤差増幅信号
ＥＲ            出力電圧設定回路
Ｅｒ            出力電圧設定信号
ＦＣ            送給制御回路
Ｆｃ            送給制御信号
ＦＲ            送給速度設定回路
Ｆｒ            送給速度設定信号
Ｆr0            初期値
ＧＲ            ゲイン設定回路
Ｇｒ            ゲイン設定信号
ＩＤ            溶接電流検出回路
Ｉｄ            溶接電流検出信号
ＩＲ            電流設定回路
Ｉｒ            電流設定信号
Ｉｗ            溶接電流
ＮＤ            短絡回数検出回路
Ｎｄ            短絡回数検出信号
ＰＭ            電源主回路
ＳＤ            短絡判別回路
Ｓｄ            短絡判別信号
ＶＤ            溶接電圧検出回路
ｖｄ            溶接電圧検出信号
Ｖｗ            溶接電圧
ＷＭ            送給モータ
【図１】
2012192446.tif 000003
【図２】
2012192446.tif 000004