(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接電圧と溶接電流とを有する電気アーク溶接プロセスにおいて使用するための制御信号の発生方法であって、該方法が、
第１時刻に溶接電圧と溶接電流とを測定し、該溶接電圧あるいは溶接電流を約１０％未満瞬間的に変化させ、該変化後第２時刻に溶接電圧と溶接電流とを測定し、該第１時刻と第２時刻の間の溶接電圧の差と溶接電流の差をそれぞれ決定し、該第１時刻と第２時刻間の溶接電圧の差を溶接電流の差で割ることにより制御信号を表す導関数値を作り、該導関数値によって該制御信号を発生させることを特徴とする制御信号の発生方法。
【請求項２】
継続する時刻に複数の導関数値を作り、該値を平均化することによって該制御信号を発生させることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記変化が溶接電流を変化させることによるものであることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記変化が溶接電流を変化させることによるものであることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記複数が、少なくとも３であることを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項６】
前記複数が、少なくとも３であることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項７】
前記複数が、３で割り切れる数であることを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項８】
前記複数が、３で割り切れる数であることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項９】
コンタクトチップと工作物間の溶接電圧を生成すると共に、該コンタクトチップから延びる電極と電気アークを介して流れる溶接電流を生成する電源と、溶接電圧を検出するセンサと、溶接電流を検出するセンサと、該溶接電圧と溶接電流とを制御するコントローラとを具備した電気アーク溶接機で用いられる制御信号を生成するリアルタイム制御信号発生システムに於いて、前記システムが、
第１時刻と第２時刻に溶接電圧と溶接電流とを記録するデジタルデバイスと、
該第１時刻と第２時刻の間に溶接電流を変化させる制御デバイスと、
該第１時刻と第２時刻間の溶接電圧の差及び該第１時刻と第２時刻間の溶接電流の差を測定するデジタル・デバイスと、
該溶接電圧の差を該溶接電流の差で割った値で該制御信号を生じさせるための導関数回路と、
からなることを特徴とするリアルタイム制御信号発生システム。
【請求項１０】
溶接電圧と溶接電流とを有する電気アーク溶接プロセスにおいて使用するための制御信号の発生方法であって、該方法が、
第１時刻にプロセス溶接電圧とプロセス溶接電流を測定し、
該プロセス溶接電流よりも高く溶接電流を増加させ、
第１時間の遅延後、第２時刻に再び溶接電圧と溶接電流を測定し、
次に、該プロセス溶接電流よりも低く溶接電流を減少させ、
第２時間の遅延後、第３時刻に溶接電圧と溶接電流を測定し、
次に、該プロセス溶接電流近くまで、溶接電流を増加させ、
第３時間の遅延後、第４時刻に溶接電圧と溶接電流を測定し、
該第２時刻と第３時刻間の溶接電圧の差及び該第２時刻と第３時刻間の溶接電流の差を決定し、
該溶接電圧の差を溶接電流の差で割って該制御信号を発生させることを特徴とする制御信号の発生方法。
【請求項１１】
各遅延時間が約５０μｓよりも大きいことを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
溶接電圧と溶接電流とを有する電気アーク溶接プロセスにおいて使用するための制御信号の発生方法であって、該方法が、
第１時刻にプロセス溶接電圧とプロセス溶接電流を測定し、
該プロセス溶接電流よりも高く溶接電流を増加させ、
第１時間の遅延後、第２時刻に再び溶接電圧と溶接電流を測定し、
次に、該プロセス溶接電流よりも低く溶接電流を減少させ、
第２時間の遅延後、第３時刻に溶接電圧と溶接電流を測定し、
次に、該プロセス溶接電流近くまで、溶接電流を増加させ、
第３時間の遅延後、第４時刻に溶接電圧と溶接電流を測定し、
該第１時刻と第２時刻間の溶接電圧の差と該第１時刻と第２時刻間の溶接電流の差を決定し、該溶接電圧の差を溶接電流の差で割って第１の商を得、
該第２時刻と第３時刻間の溶接電圧の差と該第２時刻と第３時刻間の溶接電流の差を決定し、該溶接電圧の差を溶接電流の差で割って第２の商を得、
該第３時刻と第４時刻間の溶接電圧と該第３時刻と第４時刻間の溶接電流の差を決定し、該溶接電圧の差を溶接電流の差で割って第３の商を得、
該第１の商と第２の商と第３の商とを加え、その値を３で割って該制御信号を発生させることを特徴とする制御信号の発生方法。
【請求項１３】
各遅延時間が約５０μｓよりも大きいことを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
該制御信号にプロセス溶接電流を掛けた信号を得、該信号を閉ループフィードバックして溶接プロセスの電極突き出しを制御することを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
該制御信号にプロセス溶接電流を掛けた信号を得、該信号を閉ループフィードバックして溶接プロセスの電極突き出しを制御することを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項１６】
該制御信号にプロセス溶接電流を掛けた信号を得、該信号を閉ループフィードバックして溶接プロセスの電極突き出しを制御することを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項１７】
該制御信号にプロセス溶接電流を掛けた信号を得、該信号を閉ループフィードバックして溶接プロセスの電極突き出しを制御することを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１８】
該制御信号にプロセス溶接電流を掛けて第１値を得、該第１値をプロセス溶接電圧から引いてアーク電圧を表す第２値を得、該第２値から第１既知定数を引いて第３値を得、該第３値を第２既知定数で割ってアーク長さを表す信号を得、該アーク長さを表す信号を閉ループフィードバックして溶接プロセスのアーク長さを制御することを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１９】
該第１既知定数の値が約８〜２０であることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
該第２既知定数の値が１０〜３５の範囲であることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２１】
該制御信号にプロセス溶接電流を掛けて第１値を得、該第１値をプロセス溶接電圧から引いてアーク電圧を表す第２値を得、該第２値から第１既知定数を引いて第３値を得、該第３値を第２既知定数で割ってアーク長さを表す信号を得、該アーク長さを表す信号を閉ループフィードバックして溶接プロセスのアーク長さを制御することを特徴とする請求項１２記載の方法。
【請求項２２】
該第１既知定数の値が約８〜２０であることを特徴とする請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
該第２既知定数の値が１０〜３５の範囲であることを特徴とする請求項２１記載の方法。
【請求項２４】
該制御信号にプロセス溶接電流を掛けて第１値を得、該第１値をプロセス溶接電圧から引いてアーク電圧を表す第２値を得、該第２値から第１既知定数を引いて第３値を得、該第３値を第２既知定数で割ってアーク長さを表す信号を得、該アーク長さを表す信号を閉ループフィードバックして溶接プロセスのアーク長さを制御することを特徴とする請求項１１記載の方法。
【請求項２５】
該第１既知定数の値が約８〜２０であることを特徴とする請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
該第２既知定数の値が１０〜３５の範囲であることを特徴とする請求項２４記載の方法。
【請求項２７】
該制御信号にプロセス溶接電流を掛けて第１値を得、該第１値をプロセス溶接電圧から引いてアーク電圧を表す第２値を得、該第２値から第１既知定数を引いて第３値を得、該第３値を第２既知定数で割ってアーク長さを表す信号を得、該アーク長さを表す信号を閉ループフィードバックして溶接プロセスのアーク長さを制御することを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項２８】
該第１既知定数の値が約８〜２０であることを特徴とする請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
該第２既知定数の値が１０〜３５の範囲であることを特徴とする請求項２７記載の方法。
【請求項３０】
溶接電圧と溶接電流とを有する電気アーク溶接プロセスにおいて使用するためのリアルタイムの制御信号の発生方法であって、該方法が、
溶接電流に対する溶接電圧の導関数を検知して、該制御信号を発生させるように構成したことを特徴とするリアルタイム制御信号の発生方法。
【請求項３１】
該制御信号にプロセス溶接電流を掛けた信号を得、該信号を閉ループフィールドバックをして溶接プロセスの電極突き出しを制御することを特徴とする請求項３０記載の方法。
【請求項３２】
該制御信号にプロセス溶接電流を掛けて第１値を得、該第１値をプロセス溶接電圧から引いてアーク電圧を表す第２値を得、該第２値から第１既知定数を引いて第３値を得、該第３値を第２既知定数で割ってアーク長さを表す信号を得、該アーク長さを表す信号を閉ループフィードバックして溶接プロセスのアーク長さを制御することを特徴とする請求項３０記載の方法。
【請求項３３】
該第１既知定数の値が約８〜２０であることを特徴とする請求項３２記載の方法。
【請求項３４】
該第２既知定数の値が１０〜３５の範囲であることを特徴とする請求項３２記載の方法。
【請求項３５】
該制御信号にアーク抵抗に関する定数を掛けて信号レベルを得、該信号レベルをリアルタイム溶接電圧から引き、該差の信号と、アーク長さを第２既知定数倍し、この値に第１既知定数を加えた信号とを比較して、フィードバック信号を生成し、アーク長さをほぼ一定に保つことを特徴とする請求項３０記載の方法。
【請求項３６】
該制御信号にプロセス溶接電流を掛けた信号を得、該信号を閉ループフィードバックして溶接プロセスの電極突き出しを制御することを特徴とする請求項３５記載の方法。
【請求項３７】
該第２既知定数の値が１０〜３５の範囲であることを特徴とする請求項３５記載の方法。
【請求項３８】
予め選ばれた所定電流を維持するためのコントローラと、溶接電流と溶接電圧を生じせしめるための電源とを有し、アーク溶接プロセスを行うアーク溶接機であって、該アーク溶接機が、
第１時刻に溶接電流を所定電流よりも１０％未満高くなるように増加させ、このレベルをある時間保持した後、第２時刻に該溶接電流を少なくとも該所定電流の近くまで減少させる回路と、
該第１時刻及び第２時刻に溶接電圧と溶接電流とを測定するためのセンサと、
該第１時刻と第２時刻間の溶接電圧の差と溶接電流の差とをそれぞれ検出する第１の回路と、
該第１時刻と第２時刻間の溶接電圧の差を該溶接電流の差で割ることにより、溶接プロセスにおいて、所定のパラメータを制御するために用いられる制御信号を生成する第２の回路と、
で構成したことを特徴とするアーク溶接機。
【請求項３９】
前記パラメータがアーク長さであることを特徴とする請求項３８記載のアーク溶接機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気アーク溶接技術に関し、さらに詳しくは独自の制御パラメータを用いるアーク溶接制御方法および該パラメータを用いて展開するコントローラを有する溶接機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気アーク溶接は、スプレー転移・パルス転移・直流ＧＭＡＷ溶接あるいは交流溶接を使うか否かに関し、溶接品質に影響する多くのプロセス制御変数を有する複雑な電気現象である。定電圧溶接プロセスにおいて、溶接は電流Ｉａによって通常制御される。電圧が一定に保たれると、ＣＴＷＤの変化によって他のプロセス変動と同様、電流も変化するので、電圧・電流特性曲線を使う制御装置は固有の限界を有する。工作物とコンタクトチップの距離ＣＴＷＤが減ると電流が増え、その逆も成り立つので、ＣＴＷＤは電流に対し重要な影響をする。パラメータをリアルタイムに決めることは困難なので、ＣＴＷＤに基づいて直流ＧＭＡＷ溶接プロセスを調整することには上述の困難を伴う。アーク電流に影響されない制御信号を与える溶接パラメータはこれまで測定されていない。さらに重要なことには、リアルタイムにアーク長さを直接調整するために制御信号を生ずるパラメータはいまだない。電極の底と工作物の間の距離を固定値に保つことは、優れたかつ再現性のある溶接品質を生じることが知られている。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
本発明はアーク溶接プロセスの制御において、溶接電流に依存しないでアーク抵抗を表す独自の制御信号を生じるパラメータを測定することによって、従来技術の問題点を克服する。したがって、本発明を用いて生じた制御信号は、溶接電流に基づく制御に関わる多くの変数によって影響されない。本発明によれば、溶接電流に対する溶接電圧の導関数が、アーク長さのような溶接状態を保つため、制御信号として使われるパラメータを与えるために測定される。この導関数は、電流によって電圧を割って得られる負荷抵抗とは明らかに異なる独自の制御パラメータである。このパラメータは溶接プロセスを制御する信号を生じるために用いられるのではない。
【０００４】
本発明は、アーク長さを選ばれた距離に保つため、リアルタイム制御信号を生じることのできる溶接プロセスの特性を示すパラメータに関している。
【０００５】
アーク電圧Ｖａｒｃは、（アーク長さＬａｒｃ×定数Ｂ）＋定数Ａに等しい成分をもつ。第１定数Ａは陰極および陽極における仕事関数、および陰極電圧降下である。陰極および陽極の電圧降下は、鉄素材に対し約４．１５Ｖと知られている。本発明の好ましい実施態様は溶接鋼に対するプロセスであるが、アルミニウムのような他の金属も本発明を使って溶接し得る。こうして、陰極および陽極での電圧降下は合わせて８．３Ｖに等しい。仕事関数は陰極現象で、通常約３．７Ｖである。したがって、第１定数Ａは８．３＋３．７＝１２．０の範囲にある。定数Ｂ（×アーク長さＬａｒｃ）はシールドガスに関係する。アルゴン８５％、二酸化炭素１５％の組成をもつガスに対して、定数Ｂは１８．７である。したがって、Ｖａｒｃは第１定数（１２．０）＋第２定数（１８．７）×アーク長さＬａｒｃ（ｃｍ）によって変化する。Ｖａｒｃの他の成分は、溶接電流Ｉａ×アーク抵抗Ｒａｒｃである。すなわち、Ｖａｒｃ＝Ａ＋ＢＬａｒｃ＋ＩａＲａｒｃである。したがって、Ｖａｒｃがわかればアーク長さを決めるために適切なアルゴリズムが用いられる。そして、アーク長さは維持される。Ｉａは検知可能なので、唯一の未知数はＲａｒｃである。本発明はアーク抵抗Ｒａｒｃを表す信号を提供する。こうして、アーク長さは本発明を用いて、維持され得る。
【０００６】
本発明を用いることで、独自のパラメータｄＶ／ｄＩがアーク長さを維持するために用いられるアーク抵抗を表す制御信号として使われる。この導関数は、アーク自身の抵抗に関係する。実際にそれはＣＴＷＤにわたる全抵抗（ＲＥＳＯ＋Ｒａｒｃ）に関係する。ＲＥＳＯの寄与度は低いので、ｄＶ／ｄＩ信号はアーク抵抗Ｒａｒｃを表す。この信号は、リアルタイムで単に溶接電圧を溶接電流で割った負荷抵抗には等しくない。本発明は、電圧の導関数を検知することに関するものである。このパラメータは、アーク長さを維持するとともに、アーク電圧を決定するために使われる。
【０００７】
本発明によれば、リアルタイム制御信号を発生する方法が提供される。この方法は、溶接電流に対する溶接電圧の導関数を決定することからなる。この制御信号は、抵抗あるいはインピーダンスとして参照される。こうして、この新規な制御信号は、アーク抵抗の大きさによって変化し、アーク電圧に対する直接の相関として使われる。擬似抵抗（「増加抵抗」）は、制御信号であり、独自のパラメータを構成する。この制御信号は実際の溶接電流と掛け合わされ、アーク電圧を表す信号値を得る。公知の制御関数が存在し、それは第１成分（ａ）が第１定数（約８〜２０で、鉄に対しては１２）と、第２定数（約１０〜３５で、アルゴン９０％・ＣＯ２  １０％のガスに対しては１８．５）×アーク長さＬａｒｃとの総和が、アーク電圧−溶接電流×アーク抵抗（ｃ）である第２成分（ｂ）と比較される。本発明は、この制御関数をアーク抵抗を表す制御信号を生成することによって実施させる。これらの制御システムは、電圧の導関数として新規な制御信号を生じることによって達成される。
【０００８】
本発明の他の面によれば、導関数は溶接電流の小さな変動によって得られる。その変動パターンが溶接電流に適用されて、「増加抵抗」Ｒｚを決定する。変動の前に、電圧と電流が検知される。次に電流を増し、ある遅延時間だけ待つ。この遅延により、誘導リアクタンスによる歪みを除く。電圧と電流が再び測定され、記録される。その電圧を差し引き、電流を差し引くことにより、電流に対する電圧の導関数が得られる。この導関数を使用するために、高分解回路が使われる。電流差が小さく、導関数値が０．００５〜０．００７５Ωの範囲にあるからである。電圧差も小さく、０．１５〜２．０Ｖの範囲にある。したがって、高分解回路が検知のために用いられる。しかも、増加抵抗値は、導関数測定により得られるので、絶対的な精度は決定的でない。従って、高分解が要求されるが、データ値の精度はクリチカルでない。電流変動の大きな値がアーク長さに影響するので、この変動はその影響を避けるように制限される。実際には、電流変動は約１０％未満で、溶接プロセスに用いられる電流の約５％未満である。導関数は電流を増すだけで得られるが、本発明の好ましい実施態様では、第２の電圧・電流測定に先立って電流が増加される。その後で、電流は溶接電流値以下に減らされて、第３測定に供される。次に、溶接電流値まで再び上げられて第４測定に供される。したがって、４つの電圧・電流値があり、１つの電流変動パターンに対して３つの異なる値が集められる。第２差値は、第１あるいは第３電流差よりも大きな変動に基づいている。これら３つの差の組を得て、導関数を算出し、平均値を出すことによって、実際の導関数値すなわち制御信号が得られる。
【０００９】
増加抵抗Ｒｚを好ましく得るため、溶接機の電源制御システムを用いる。結果としての電圧・電流データが測定され、上記方法でｄＶ／ｄＩを得る。あるいは、電源自身が電圧波形を揺動させる。これらのデータはｄＶ／ｄＩを得るために測定される。他の実施例では、ＰＷＭにおいてパルス幅に対する入力のような電流または電圧に関する信号を揺動するために電源が使われる。次に電圧と電流が測定される。また別の実施例では、高電力関数発生器のような外部回路を用いる。さらに別の実施例では、高電力トランジスタのような外部回路を有する電源の出力を揺動させる。これらの実施例では電流あるいは電圧の突然の増減を伴っているが、正弦波や他の任意の波形を用いて変動させることも可能である。各測定の前に時間遅延があるので、誘導リアクタンスが測定結果に誤差を誘起することはない。電圧差は電流が安定した後に検知される。その安定化時間は５０〜１００μｓの範囲にあることがわかった。これらは最短の遅延であり、それよりも長い遅延は適切でない。
【００１０】
変動パターンを集めた多くのデータにおいて、電流は正に次に負に変動する。これにより、アーク長さの変動を小さなものにできる。正と負の遷移が等しいことにより、電源の出力をバランスさせ、溶融レートを電流変動によって影響させないようにできる。第２電流遷移は第１遷移の２倍である。これにより、集められたデータ値を２倍にして、より高分解能にすることができる。３つの連続的な導関数を用いて、より一貫した制御信号が得られる。実際には、電圧・電流測定はそれぞれ約１０ｍｓである。このようなタイミングにより、大ていの波形を制御波形から変化させない。ｄＶ／ｄＩデータが電極突き出しとアーク長さを評価するために引き出される。
【００１１】
上述したように、多くの制御メカニズムによって、電源出力を揺動させ、ｄＶ／ｄＩを得るのに必要なデータを測定することができる。大ていの高速溶接電源は、バック・コンバータすなわち直流・直流コンバータのようなスイッチング電源に基づいている。特別な回路によってノイズを除かない限り、スイッチング・ノイズにより、溶接電流・電圧の正確な測定が困難になる。ｄＶ／ｄＩ測定を達成する好ましい方法は、電源のスイッチングに同期して揺動を制御し必要なデータを測定するように特別に設計された高速内蔵制御アルゴリズムを使うことである。ｄＶ／ｄＩ測定が要求される時メイン電源が制御信号を内蔵アルゴリズムに送る。するとアルゴリズムによって、電流が定められたシーケンスで流れ、電源の半導体でスイッチングする間、正確なタイミングでデータが測定される。データが得られると、制御信号がメイン電源に戻される。デジタル信号プロセッサ、プログラマブル・ゲート・アレイあるいはマイクロプロセッサによって、内蔵アルゴリズム（制御システム）が実行される。もちろん、電流変動を得てデータを集めることは他の手段によっても実施可能である。
【００１２】
ｄＶ／ｄＩをリアルタイム関数として得るため、電流あるいは電圧が揺動され、異なる時に測定される。より良い分解能とノイズ除去は１ステップ以上の揺動を導入することによって得られる。ｄＶ／ｄＩ値は揺動後のいくつかのｄＶ／ｄＩ測定値の平均である制御信号を与えるために発生される。この手続はスプレー転移・パルス転移・短絡回路転移・直流および交流金属溶接のようなアークを用いる溶接プロセスに対して用いられる。各プロセスは増加抵抗ＲＺを生ずるために変動するアーク電流を有する。
【００１３】
本発明の主要な目的は、電気アーク溶接プロセスに用いられる電圧の導関数である制御信号を生じるための方法およびシステムを提供することにある。この制御信号は、溶接プロセスのフィードバック・ループ制御のための他のパラメータを得るために用いられ、主として、予め定められたアーク長さを維持するために用いられる。
本発明の他の目的は、アーク長さや他のパラメータを維持するための制御関数を正確に得るために用いられる上記方法およびシステムを提供することにある。
さらに他の目的は、電気アーク溶接プロセスにおいてさまざまなパラメータを正確に測定する上記方法およびシステムを提供することにある。これらのパラメータは従来技術の制御では容易に得られなかった。
これらおよび他の目的、および効果は添付図面とともに以下の説明から明らかになるであろう。
【００１４】
【実施例】
以下、図面を参照するが、これらは本発明の実施例を説明するためにのみ用い、本発明をこれらと同一のものに限定するためではない。図１は電気アーク溶接プロセスを示し、コンタクトチップ１２は開口部１４を有し、そこから鋼電極Ｅが鉄製工作物ＷＰに向かって進む。実施例では溶接金属は鋼だが、アルミニウムのような他の金属も本発明を使って溶接された。電極の端と工作物の間に電気アークＣがある。実際には、電気エネルギーがコンタクトチップによって電極Ｅを通ってアークＣを生じるように導かれ、電極の端を溶かし、スプレー、短絡あるいは球状転移のいずれかによって金属を移す。コンタクトチップ１２と工作物ＷＰの間の距離はＣＴＷＤで、これは電極突き出しＥＳＯとアーク長さＬａｒｃの和である。溶接電圧Ｖａは、電極にかかる電圧ＶＥＳＯとアークにかかる電圧Ｖａｒｃに分割される。これらのパラメータは電気アーク溶接において標準的で、本発明を説明するのに用いる。電極Ｅは溶接電流Ｉａを用いてＩ２Ｒによって加熱される。加熱は長さＥＳＯに沿って均一である。電極の加熱はアークＣによるＩＶとは大いに異なる。アーク加熱は電極Ｅの端から溶ける金属の全加熱の通常７５〜８０％である。溶融は電極の端で生じ、この端はバリア２０を有する。このバリアにより、電極ＥがアークＣによる熱から守られる。周知のように、温度が上がると抵抗は増すが、電極Ｅの残りの抵抗はいくらか一定に保たれる。温度が上がると、熱伝導率と比熱も上がる。バリア２０は電極をアークから切離し、又、非常に薄い層である。そこでは、電極Ｅが進むとき金属を溶かすために、激烈な熱上昇が発生する。溶接電圧Ｖａは定数Ａによって影響され、Ａは陰極すなわち工作物ＷＰの仕事関数に関係し、通常の陽極あるいは陰極の電圧はともに約４．１５Ｖである。実際には、鋼を溶接するとき定数Ａは約１２である。定数Ａは、シールドガスのタイプに関する定数Ｂ×アーク長さＬａｒｃに加えられる。この関係（Ａ＋ＢＬａｒｃ）は、溶接電流×アーク抵抗Ｒａｒｃに加えられる。電極電圧ＶＥＳＯは溶接電流Ｉａと突出抵抗ＲＥＳＯの積である。ＲＥＳＯは小さいので一般にＶａｒｃがＶａになる。これらの関係により、アーク長さはＶａ、ＩａおよびＲａｒｃをモニターすることで維持される。本発明はＲａｒｃの値を得るためのものである。関係式Ｖａｒｃ＝Ａ＋ＢＬａｒｃ＋ＩａＲａｒｃが、本発明にしたがって開発された独自の制御信号を用いて実施する際に使われる。前記した制御信号は導関数ｄＶ／ｄＩで、増加抵抗ＲＺとして参照される。増加抵抗ＲＺはＲａｒｃ＋ＲＥＳＯであるが、溶接電圧を溶接電流で割って得られる負荷抵抗ではない。Ｖａｒｃは直接には測定できない。しかし、Ｖａは測定可能でＶａｒｃ＋Ｉａ×ＲＥＳＯに等しい。したがって、Ｖａ＝Ａ＋ＢＬａｒｃ＋Ｉａ（Ｒａｒｃ＋ＲＥＳＯ）となる。
【００１５】
信号ｄＶ／ｄＩを与えるため、いくつかのソフトウエア回路が使われる。そのソフト回路を図２に示し、この回路により図３のような電流揺動を生じる。溶接機３０は電極Ｅと工作物ＷＰの間に溶接電圧Ｖａを生じる。実際には図１のコンタクトチップ１２と工作物ＷＰの間に電圧がかかる。電圧Ｖａと溶接電流Ｉａを生じさせるため、電極Ｅと工作物ＷＰにつなげられる出力リード４２・４４を有する電源４０が設けられる。その入力は３相入力線５２につながれた整流器５０である。電源はパルス幅変調器６０の出力線６２の信号によって決まる溶接電流の波形をもつ高周波スイッチング・インバータである。変調器は出力７２ａと入力７２ｂ・７２ｃをもつ誤差アンプ７２の指示のもと、波形回路７０によって制御される信号を有する入力線６４をもっている。入力７２ｂは命令電流信号ＩＣである。入力７２ｃは電極Ｅを通って工作物ＷＰに流れる溶接電流Ｉａである。リアルタイム溶接電圧を測定するため、リード４２・４４と並列につながれた入力リード８２・８４をもつセンサ８０がある。同様に、リード９４・９６によって分流器９２から溶接電流Ｉａを検知する。溶接機３０はスプレー溶接・短絡溶接・直流溶接あるいは交流溶接用に使われる。本発明はＩａに対するＶａの導関数である新規な制御信号を用いる。ＩａとＶａを図３に示す。この導関数を得るためのシステムを図２に示す。電流変動パターン１００により電圧変動パターン１００ａが生じる。パターン１００は時刻Ｔ１における電圧レベル１１０ａに相当する制御レベル１１０から電圧レベル１１２ａに相当する新レベル１１２に増加する溶接電流Ｉａを要する。この新レベル１１２は制御レベル１１０よりも１０％未満高く、より好ましくは５％未満高い。ｄＶ／ｄＩの値は時刻Ｔ１の前に点１でライン１１０ｂで示すようにＶａとＩａを決定し、時刻Ｔ２の前に点２でライン１１２ｂで示すようにＶａとＩａを決定することにより得られる。これら２組の電圧と電流の差を取り、その差を割ることによりｄＶ／ｄＩが得られる。点２でのレベル１１２の測定は時刻Ｔ１とライン１１２ｂの間で１００μｓの時間遅延後に行われる。これにより、点１と点２の間のＶａとＩａを読み取る前に、誘導リアクタンスによる電圧の影響をなくすことができる。時刻Ｔ２でＩａはレベル１１４まで下がる。このレベル１１４は一般にレベル１１０よりも１０％未満低く、好ましくは５％未満低い。これに伴い、Ｖａもレベル１１４ａに下がる。時刻Ｔ３の直前で、点３でライン１１４ｂに示すように、ＶａとＩａの３回目の測定がなされる。その後、Ｉａはレベル１１０に等しいレベル１１６まで戻る。少し遅れて、すなわち約１００μｓの後、点４で４回目の測定がなされる。点１と点２、点２と点３、および点３と点４の間の値の差を測ることにより、同一制御信号の３つの異なった値が読み取れる。これらの３つの値は記録され、加えられ、割られて、最終的な導関数ｄＶ／ｄＩが得られる。この信号は本発明によって得られる独自の信号である。任意時間後、他の変動パターン１００が次のｄＶ／ｄＩを読み取るためになされる。パターン１００は周期的にくり返され、リアルタイムで導関数を生じて溶接プロセスを制御する。
【００１６】
再び図２にもどると、ライン１２２に電圧信号が生じると電流変動パターン１００を生じる。信号発生器１２０によってパルス幅変調器６０にかぶさってパターン１００が生じる。この信号はライン１２４を通って、パルス幅変調器６０への第２入力となる。各時点で信号発生器１２０が始動され、パターン１００が実施される。周期的にオッシレータ１３０によってカウンタ１３２を駆動し、それによってワンショット回路１３４を動かして、信号発生器１２０を動かす。オッシレータとカウンタとは、パターン１００を数秒毎に周期的にくり返すようにプログラムされている。こうして、ライン１２２に信号が生じて（１０ｍｓ）、Ｉａの変動パターン１００をくり返させる。点１、２、３、４でライン１５０に信号が生じて、ブロック１５２でＶａを読み、ブロック１５４でＩａを読む。これら２つの値を使って、ブロック１６０でｄＶ／ｄＩが得られる。各導関数測定値はブロック１６２に貯えられて、ブロック１６４で平均化されて制御信号ＲＺを与える。パターン１００で、３つの読み取りがなされる。これらの値は貯えられ、平均化されて、図２のＲＺである導関数信号ｄＶ／ｄＩを生じる。この信号は一般に、唯一のｄＶ／ｄＩ計算による信号と同一である。
【００１７】
増加抵抗ＲＺを平均化するためのソフト・プログラムは図４に示されている。このプログラムで、ブロック２００に示すように点１でマイクロプロセッサ等によってＶａとＩａが読み取られる。そのデータがブロック２０２に貯えられる。その後、ブロック２０４のように点２でＶａとＩａが読み取られ、ブロック２０６に貯えられる。同様に、ブロック２０８のようにＶａとＩａが読み取られ、ブロック２１０に貯えられる。最後に、ブロック２１２のように点４でＶａとＩａが読み取られ、ブロック２１４のように貯えられる。そしてブロック２２０に示すように、第１導関数ｄＶ／ｄＩに相当するデジタル数が計算される。この値がアナログであれば、独自の制御信号である。その後、導関数計算が２回くり返される。これら３つの導関数計算の値（デジタルあるいはアナログ）はすべて本質的に同一であるが、ブロック２２０に示すように加え合わされる。次に、ブロック２２２に示すように２２０の合計値が３で割られ、ライン２２４に平均値のｄＶ／ｄＩ（＝ＲＺ）を生じる。これは３つの測定値の平均に等しい制御信号である。変動パターン１００は本発明の実施例に使われるので、平均化プロセスは３つのＲＺの決定を要する。もちろん、いかなる数の制御信号（ＲＺ）でも加えられ、平均化され得る。
【００１８】
ＲＺは消耗電極とアークを用いるすべての溶接法において得られる。電極の端を溶かすため、工作物上に溶融金属を堆積させる。変動パターン１００の間の小さな電流変化は電極溶融の変化をもたらさない。ＲＺのリアルタイム適用を図５〜９に示す。たとえば、図５のようなスプレー溶接において、電流の変動パターン２３０が周期的に生じる。これに伴い、電圧の変動パターン２３０ａが生じる。次に導関数が得られて、増加抵抗ＲＺを生じる。同様に、図６に示すように、パルス溶接において、背景電流とピーク電流が存在する。これに伴い、電圧も同様に変動する。背景電流２４０の間、電極から工作物への転移は生じないが、これに対応する電圧パターン２４０ａが生じる。これにより、導関数が生じる。ピーク電流２４２に伴って、ピーク電圧２４２ａが生じる。ピーク電流に対して増加抵抗ＲＺが得られる。これによりアーク長さが保たれる。図７に短絡溶接を示す。アーク（プラズマ）部分の間、Ｉａの変動パターン２５０が得られる。これに伴い、Ｖａの変動パターン２５０ａが生じる。短絡部分２５２の間はアークがないので、測定はない。リンカーン電気社（米国オハイオ州クリーブランド）によって開発されたＳＴＴ溶接サイクルも背景電流とプラズマ・ブーストの間、本発明を使うことができる。これらの間、電流は一定に保たれる。しかし、ＳＴＴの短絡部分の間は、電流は変動しない。
【００１９】
本発明は電流が一定に保たれ、かつ変動できるアークを用いるすべてのタイプの溶接サイクルに適用できる。これを図８に示す。電流の変動パターン２６０に伴い、電圧の変動パターン２６０ａが生じている。定電流は図５のスプレー溶接の場合に似ている。交流溶接において、電流は一般に一定に保たれるが、図９のように逆極性になる。正極性の間、電流変動パターン２７０によって電圧変動パターン２７０ａが生じる。負極性の間、電流変動パターン２７２によって電圧変動パターン２７２ａが生じる。図５〜９のいくつかの共通の溶接プロセスに対する電流と電圧が、独自の増加抵抗ＲＺの普遍的な適用を示す。もちろん、他の電気アーク溶接プロセスも、電極抵抗に対し極めて高いアーク抵抗をもつ本発明を使用できる。
【００２０】
本発明を実施する際、導関数が制御信号として得られる。いくつかのシステムが導関数値を得るために使われ得る。図２は１つのシステムを示しているが、図１０・１１は他のシステムを示している。図１０で、電源４０は出力リード４２・４４間につながれた関数発生器４００を有する。関数発生器４００は電流変動を生じ、いくつかの特定測定点を作るために要する特定変動を生じるために調時される。オッシレータ４０２がカウンタ４０４を動かす。ライン４０６上のカウンタ出力により、それぞれセンサ８０・９０からの電圧・電流値が読み取られ、ブロック４１０に貯えられる段階を示す。次にこれらはブロック２２２で平均化され、ライン２２４に制御信号ＲＺを生じる。同様に、図１１でカウンタ４２０はオッシレータ４２０ａによって動かされ、スイッチ４５０のゲート４２４を制御する一連の信号をライン４２２に生じる。これによりアークからの電流Ｉａの一部を周期的に分流する。この変動パターンは２つのレベルのみ有する。それを図１１Ａに示す。スイッチ４５０が導通すると、電流は低いレベル４６０まで減る。ブロック４１０によって、点１と点２でＶａとＩａが読み取られる。これがｄＶ／ｄＩである。これらのいくつかが続いて生じ、ブロック４７０で平均化され、ライン４７２に制御信号ＲＺを生じる。他の配列もｄＶ／ｄＩを決定するのに用いられ得る。ＲＺはアーク抵抗に関するものである。
【００２１】
さまざまなシステムとソフトウエアとが制御信号ＲＺを得るのに用いられ得る。ＲＺは他のさまざまなパラメータとともに操作されて、溶接プロセスに対する制御あるいは命令信号を生じる。リアルタイムでのＲＺの発生は溶接技術において独自であり、多くの目的に用いられるが、その例として、ｄＶ／ｄＩを得る点が説明されている。本願の制御信号の他の使用も本願の技術内にある。
【００２２】
図１２は本発明により一定アーク長さを保つ現在使われている制御システムを示す。アーク長さＬａｒｃの調整はＲＺ（＝ｄＶ／ｄＩ）のいくつかの値を得ることにより可能になる。Ｖａ＝ＶＥＳＯ＋Ｖａｒｃで、これは（ａ）第１定数Ａ（８〜２０）、（ｂ）第２定数Ｂ（１０〜３５）×Ｌａｒｃ、および（ｃ）Ｉａ×Ｒａｒｃの和に等しい。アーク長さを一定に保つことにより、アーク抵抗は変わらず、ＲＥＳＯ＋Ｒａｒｃは一定に保たれる。溶接電圧Ｖａ＝ＶＥＳＯ＋Ｖａｒｃ、アーク電圧Ｖａｒｃ＝Ａ＋ＢＬａｒｃ＋ＩａＲａｒｃである。したがって、Ｖａ＝Ａ＋ＢＬａｒｃ＋ＩａＲａｒｃ＋ＶＥＳＯ＝Ａ＋ＢＬａｒｃ＋Ｉａ（Ｒａｒｃ＋ＲＥＳＯ）である。ｄＶ／ｄＩは（Ｒａｒｃ＋ＲＥＳＯ）と共に直接的に変化する。したがって、ＶａはｄＶ／ｄＩと共に変化する。したがって、Ｖａ＝Ａ＋ＢＬａｒｃ＋ＩａｄＶ／ｄＩである。この関係は図１２のシステム５００によってアーク長さを保つのに使われる制御方程式である。溶接電流Ｉａはフィルター５０２でフィルターをかけられ、ブロック５０４でｄＶ／ｄＩと掛け合わされる。これにより、ＩａｄＶ／ｄＩを確定する信号レベルが生じる。この信号レベルはジャンクション５０８で、フィルター５０６でフィルターをかけられたフィードバック溶接電圧Ｖａから引かれる。レベル（Ｖａ−ＩａｄＶ／ｄＩ）はジャンクション５１０で実際のアーク長さＬａｒｃと比較される。この実際のアーク長さＬａｒｃはブロック５２０で第２定数Ｂ（８〜２０）を掛けられ、ブロック５２２で第１定数Ａ（１０〜３５）を加えられる。ライン５３０のレベルにより、パルス幅変調器５４０が制御され、Ｌａｒｃを保つ。システム５００はＲＺ（＝ｄＶ／ｄＩ）を使う制御システムである。
【００２３】
図１２のシステム５００はアーク長さを一定に保つ。これは本発明の主要な用途である。しかしワイヤ供給速度ＷＦＳが増すと、Ｉａを増してアーク長さを保たなければならない。より高いＩａより、工作物の溶融溜内にアークをより深く浸透させる。こうして、Ｌａｒｃは一定長さよりも長くなり、電極はより長く突き出されることになる。このような偏位を補償するため、オペレータは図１３のゲインＫ１を得る。システム５００’はシステム５００と似ているが、換算ブロックがオペレータ調整ゲインＫ１を有する点が異なっている。ゲインＫ１は０．０〜２．０の範囲で変わり得る。通常、オペレータはＫ１を約０．２〜０．３に設定する。定電圧溶接に対し、Ｋ１は０．０である。Ｌａｒｃを十分に調整すると、Ｋ１は１．０〜２．０と高くなる。実際には、Ｋ１は約０．３である。
【００２４】
システム５００・５００’に代わるソフトウエア制御システム６００を図１４に示す。図１２のブロック５０２・５０４および図１３のブロック５０２’・５０４’によって与えられる制御関数Ｋ１ＩａｄＶ／ｄＩが、Ｉａの使用を避けるために簡単化され得る。経験的に、ＩａｄＶ／ｄＩはＫ３ｄＶ／ｄＩ＋Ｋ４に等しいことがわかっている。定数Ｋ３とＫ４は経験的に得られる。システム６００はシステム５００における要素と同様の符号を付けられたアーク長さ要素を保つ。要素５０２と５０４はブロック６０２に置き換えられてＫ３とｄＶ／ｄＩを掛け合わせ、ブロック６０４でＫ４を加える。アーク長さは保たれる。ライン６１０のＷＦＳ（ワイヤ供給速度）の値が検索表６２０に送られ、Ｋ３とＫ４を得る。システム６００はｄＶ／ｄＩを使ってアーク長さを制御する。他のバリエーションおよび制御システムも、特に一定アーク長さを保つため、数学的あるいは経験的に制御信号ｄＶ／ｄＩを使うように開発され得ることが理解され得るであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  標準的なアーク溶接を示す側面図である。
【図２】  本発明の一実施例を説明するためのブロックである。
【図３】  図２の回路によって生じる電流変動と電圧変動のグラフである。
【図４】  図２・３の実施例で得られる電流・電圧データ処理に使うフロー図である。
【図５】  本発明の他の実施例からなる電流・電圧変動のグラフである。
【図６】  本発明の他の実施例からなる電流・電圧変動のグラフである。
【図７】  本発明の他の実施例からなる電流・電圧変動のグラフである。
【図８】  本発明の他の実施例からなる電流・電圧変動のグラフである。
【図９】  本発明の他の実施例からなる電流・電圧変動のグラフである。
【図１０】  本発明によるｄＶ／ｄＩを得るための一方法を示すブロックである。
【図１１】  他の方法からなるｄＶ／ｄＩ（＝ＲＺ）を得るためのブロックである。
【図１１ａ】  図１１で得られる電流変動のパターンの一部を示すグラフである。
【図１２】  オペレータの介在なしにＲＺを使ってアーク長さを保つためのブロックである。
【図１３】  オペレータの介在を伴ってＲＺを使ってアーク長さを保つためのブロックである。
【図１４】経験的修正によって図１２のシステムを簡単化したブロックである。
【符号の説明】
１０：電気アーク溶接プロセス
１２：接触端
Ｅ：電極
ＷＰ：工作物
Ａ：アーク
Ｖａ：溶接電圧
Ｉａ：溶接電流
Ｌａｒｃ：アーク長さ
３０：溶接機
４０：電源
６０：パルス幅変調器
ｄＶ／ｄＩ：導関数
ＲＺ：増加抵抗
８０，９０：センサ
１００：電流変動パターン
１００ａ：電圧変動パターン
２３０：電流変動パターン
２３０ａ：電圧変動パターン
２５０：電流変動パターン
２５０ａ：電圧変動パターン
２６０：電流変動パターン
２６０ａ：電圧変動パターン
２７０：電流変動パターン
２７０ａ：電圧変動パターン
２７２：電流変動パターン
２７２ａ：電圧変動パターン
５００，５００’，６００：システム
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１１Ａ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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