(57)【要約】  溶接システム１０が、工作物１４に向けて前進するように構成される電極２４と、電極２４と工作物１４との間に溶接アーク１２を生成するために電極に電気の流れを与えるように構成される電源装置１６とを含む。また、溶接システム１０は、溶接アーク１２の光強度を検知するように構成される第１のセンサー４８と、電源装置１６によって電極に与えられる電流を検知するように構成される第２のセンサー５０とを含む。さらに、溶接システム１０は、第１のセンサー４８及び第２のセンサー５０に通信可能に結合され、電流に対して光強度を変更するように構成されるコントローラー４０を含む。コントローラー４０は、変更済み光強度に基づいて、溶接システム１０の溶接パラメーターを制御するように構成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接システムであって、
溶接アークの光強度を検知するように構成される第１のセンサーと、
電源装置によって電極に与えられる電流を検知するように構成される第２のセンサーと、
前記第１のセンサー及び前記第２のセンサーに通信可能に結合され、前記電流に対して前記光強度を変更するように構成されるコントローラーであって、該コントローラーは前記変更済み光強度に基づいて該溶接システムの溶接パラメーターを制御するように構成されるコントローラーとを備える溶接システム。
【請求項２】
前記コントローラーは前記溶接パラメーターを制御し、前記溶接アークのアーク長を保持するように構成される請求項１に記載の溶接システム。
【請求項３】
前記変更済み光強度は前記溶接アークのアーク長に正比例する請求項１に記載の溶接システム。
【請求項４】
前記第１のセンサーは溶接トーチ上に取り付けられ、前記溶接トーチは、前記工作物に向かって前記電極を出すように構成される請求項１に記載の溶接システム。
【請求項５】
前記溶接パラメーターは、前記電流、前記電極に与えられる電気の流れの電圧、ワイヤ送給速度又はその組み合わせを含む請求項１に記載の溶接システム。
【請求項６】
前記電源装置によって前記電極に与えられる前記電気の流れの電圧を検知するように構成される第３のセンサーを備え、
前記コントローラーは、前記第３のセンサーに通信可能に結合され、前記変更済み光強度が光強度しきい値より小さく、かつ前記検知された電圧が電圧しきい値より大きいときに、前記電圧に基づいて前記溶接パラメーターを制御するように構成される請求項１に記載の溶接システム。
【請求項７】
前記工作物に向かって前記電極を進めるように構成されるワイヤ送給装置を備え、前記コントローラーは、前記ワイヤ送給装置のワイヤ送給速度を調整するのに応じて、前記溶接パラメーターを自動制御するように構成される請求項１に記載の溶接システム。
【請求項８】
前記第１のセンサーは光起電セル、フォトダイオード、感光素子、又はその何らかの組み合わせを含む請求項１に記載の溶接システム。
【請求項９】
前記第１のセンサーはヘルメット上に配置される請求項１に記載の溶接システム。
【請求項１０】
光センサーによって、溶接システムの電極と工作物との間に生成される溶接アークから放射される光の強度を検出することと、
電流センサーによって、前記溶接システムの電源装置から前記電極に与えられる電流を検出することと、
前記溶接システムの制御回路によって、前記被検出電流に対して前記被検出光強度を変更することであって、前記溶接アークの変更済み光強度を求めることと、
前記変更済み光強度に基づいて前記溶接システムの溶接パラメーターを制御することとを含む方法。
【請求項１１】
電圧センサーによって、前記電源装置から前記電極に与えられる前記電気の電圧を検出することと、前記変更済み光強度及び前記被検出電圧に基づいて前記溶接パラメーターを制御することとを含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記溶接パラメーターを制御することは、
前記変更済み光強度に基づいて、前記溶接アークが前記光センサーの視野から遮られるか否かを判断することと、
前記溶接アークが前記光センサーの視野から遮られるときに、前記被検出電圧に基づいて前記溶接パラメーターを制御することとを含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記溶接アークが前記光センサーの視野から遮られるか否かを判断することは、前記変更済み光強度を所定のしきい値光強度と比較することと、前記被検出電圧を所定のしきい値電圧と比較することとを含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記溶接アークのアーク長を保持することを含み、前記変更済み光強度は前記アーク長に正比例する請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記光強度を変更することは、前記被検出電流に対して前記被検出光強度を正規化することを含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記光強度を変更することは、
前記被検出光強度と前記被検出電流との間の位相シフトに基づいて利得係数を求めることと、
前記被検出光強度を前記被検出電流で除算することと、
前記利得係数に従って前記除算後の光強度を補正することとを含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
溶接システムであって、
前記溶接システムの電極と工作物との間の溶接アークの光強度を示す信号を受信し、
前記溶接アークを生成するために前記電極に供給される電流を示す信号を受信し、
前記電流を示す信号に対して前記光強度を示す信号を変更し、
前記光強度を示す前記変更済み信号に基づいて前記溶接システムの電源装置に制御信号を与えるように構成される制御回路を備える溶接システム。
【請求項１８】
前記制御信号は、前記電源装置によって実現されるときに、前記溶接アークの所望のアーク長を保持するために、電圧、前記電極に供給される前記電流、又はワイヤ送給速度のうちの少なくとも１つを調整する請求項１７に記載の溶接システム。
【請求項１９】
前記制御回路は、前記電極に供給される前記電気の電圧を示す電圧信号を受信し、前記変更済み信号及び前記電圧信号の両方に基づいて前記制御信号を与えるように構成される請求項１７に記載の溶接システム。
【請求項２０】
前記制御回路は、
前記変更済み信号を光強度しきい値と比較し、
前記電圧信号を電圧しきい値と比較し、
前記変更済み信号に基づいて第１の制御信号を決定し、
前記電圧信号に基づいて第２の制御信号を決定し、
前記変更済み信号が前記光強度しきい値より大きいときに前記第１の制御信号を前記電源装置に与え、
前記電圧信号が前記電圧しきい値より大きく、かつ前記変更済み信号が前記光強度しきい値より小さいときに前記第２の制御信号を前記電源装置に与えるように構成される請求項１９に記載の溶接システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は包括的には溶接システムに関し、より詳細には、アーク溶接プロセスのパラメーターを制御することに関する。
【背景技術】
【０００２】
広範囲の溶接システム及び溶接制御方式が様々な目的に対して実施されている。連続的な溶接動作においては、ガス金属アーク溶接（ＧＭＡＷ）技法が、不活性ガス又は活性ガスによってシールドされた溶接ワイヤを溶接トーチから供給することによって、連続した溶接ビーズの形成を可能にする。電力が溶接ワイヤに供給され、加工物を通じて回路が完成して、そのワイヤと加工物とを溶かして所望の溶接を形成するアークを維持する。或る特定の関連するプロセスはシールドガスを使用せず、進行する溶接部を形成し、保護するために溶接用ワイヤ内の成分に頼る場合がある。
【０００３】
種々の形態において、ＧＭＡＷ溶接は、電極を形成し、電極と工作物との間にアークを引き起こすために工作物に向かって進められる溶接用ワイヤに、制御された電圧及び電流を印加することを伴う。ワイヤ電極は通常、溶接用電源装置に結合されるワイヤ送給装置によって送給されるが、システムによっては、ワイヤ送給装置は電源装置に組み込まれる場合があるか、又はワイヤは溶接トーチ（例えば、「スプールガン」）によって送給される場合がある。一般的に、溶接トーチは人間の作業者によって保持及び制御することができるか、又はロボットデバイスによって通常操作される、自動システムの一部とすることができる。これらのプロセスの全ての場合に、電流レベル及び電圧レベル、ワイヤ送給速度等を含む溶接パラメーターを設定することができる。手動による応用形態の場合、移動速度（溶接部を作り出すトーチの進行速度）が作業者によって調整されるが、自動化された応用形態の場合、これは特定の溶接部及び工作物に対してあらかじめ設定される場合がある。
【０００４】
ＧＭＡＷ及び関連する溶接プロセスにおいて、電極と工作物との間でアーク溶接の所望のアーク長を保持するために、種々の溶接パラメーターが制御される。一定のアーク長は、相対的に一貫した溶接ビードプロファイル及び溶接部溶込み深さを与え、それにより、溶接部の或る特定の構造的及び美的品質を高めることができる。ＧＭＡＷ溶接システムは、一般的に、電圧フィードバックを利用して溶接アークにわたって均一な電圧降下を保持し、均一な電圧降下は均一なアーク長に概ね対応する。残念なことに、電極が工作物に向かって進められるにつれて電極の伸長が変化することと、解消するのが難しい他の電圧降下とに起因して、溶接アークにわたる電圧降下を正確に求めるのは難しい。
【発明の概要】
【０００５】
第１の実施形態では、溶接システムが、工作物に向かって進められるように構成される電極と、電極と工作物との間に溶接アークを生成するために電気の流れ（ＡＣ、ＤＣ、パルス等）を電極に与えるように構成される電源装置とを含む。溶接システムはまた、溶接アークの光強度を検知するように構成される第１のセンサーと、電源装置によって電極に与えられる電流を検知するように構成される第２のセンサーとを備える。さらに、溶接システムは、第１のセンサー及び第２のセンサーに通信可能に結合され、電流に対して光強度を変更するように構成されるコントローラーを備える。このコントローラーは変更済み光強度に基づいて溶接システムの溶接パラメーターを制御するように構成される。
【０００６】
別の実施形態では、方法が、光センサーによって、溶接システムの電極と工作物との間に生成される溶接アークから放射される光の強度を検出することを含む。また、本方法は、電流センサーによって、溶接システムの電源装置から電極に与えられる電流を検出することも含む。さらに、本方法は、溶接システムの制御回路によって、被検出電流に対して被検出光強度を変更し、溶接アークの変更済み光強度を求めることを含む。さらに、本方法は、変更済み光強度に基づいて、溶接システムの溶接パラメーターを制御することを含む。
【０００７】
更なる実施形態では、溶接システムは制御回路を備える。この制御回路は、溶接システムの電極と工作物との間の溶接アークの光強度を示す信号を受信し、溶接アークを生成するために電極に供給される電流を示す信号を受信するように構成される。さらに、制御回路は、電流を示す信号に対して、光強度を示す信号を変更するように構成される。さらに、制御回路は、光強度を示す変更済み信号に基づいて、溶接システムの電源装置に制御信号を与えるように構成される。
【０００８】
本発明のこれらの、そして他の特徴、態様及び利点は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むときに更に深く理解されるようになる。なお、図面全体を通して、類似の文字は類似の部品を表す。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】アーク光制御システムを利用することができる溶接システムの一実施形態のブロック図である。
【図２】図１の溶接システムを動作させる方法の一実施形態のプロセスフロー図である。
【図３】溶接トーチ上に取り付けられる光センサーの一実施形態の斜視図である。
【図４】溶接アークの光強度を検出するために用いられるセンサーの一実施形態の正面図である。
【図５】図１の溶接システムを動作させる方法の一実施形態のプロセスフロー図である。
【図６】ワイヤ送給速度の変化に応じて溶接パラメーターを自動的に調整することを示す一実施形態のプロット図である。
【図７】図１の溶接システムの検知されたパラメーター間の位相シフトに基づいて求められる実効利得値の一実施形態のプロット図である。
【図８】アーク光制御を与えるために用いられる制御回路の一実施形態の概略図である。
【図９】溶接システムパラメーターを制御するために溶接用ヘルメットに取り付けられる光センサーの一実施形態の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示の実施形態は、溶接システムによって生成される溶接アークから検知された光強度に基づいて溶接システムパラメーターを制御するためのシステム及び方法に関する。光強度を検出するために用いられる光センサーに加えて、その溶接システムは、アークを生成するために溶接電極を通って流れる電流を求める電流センサーを含む。制御回路は、被検出光強度及び被検出電流に対応する信号を受信し、それらの信号を処理して、溶接アークの長さに正比例する変更済み光強度を求める。これは、被検出電流に対して被検出光強度を変更することを伴うことができる。変更済み光強度は溶接アーク長に対応するので、溶接システムは、変更済み光強度を、アーク長を制御する主フィードバックパラメーターとして利用することができる。より具体的には、制御回路は、溶接パラメーターを調整するために、制御信号を電力変換回路に送信することができる。結果として、溶接アークを所望の溶接部を得るのに適したアーク長に保持するために、電源装置が所望の電流及び／又は電圧の電力を電極に与えることができる。
【００１１】
変更済み光強度は、従来の溶接システムにおいて一般的に用いられるシステム構成要素にわたる電圧降下より正確なアーク長指標とすることができる。そのようなシステムでは、溶接プロセスの制御は、溶接電圧を所望のレベルに保持することによって達成されることになる。この電圧は、溶接用リード、ケーブル接続、溶接トーチコンタクトチップにおける接点、接点からの電極の伸長等を含む、数多くの異なる溶接用構成要素にわたる電圧降下を含むことができる。しかしながら、システムにわたる電圧降下を求めるために用いられる電圧リードは、接点及び電極伸長に起因する電圧降下を取り込むことができない場合がある。電極伸長にわたる電圧降下は溶接動作全体を通して変化するので、被検出電圧はアーク長の完全に正確な指標とは言えない。被検出電圧とは異なり、変更済み光強度は、工作物に向かって送給される溶接ワイヤの電極伸長の変化に応じて変化する。このようにして、現在開示されている実施形態において計算される変更済み光強度は、被検出電圧より良好なアーク長指標を提供することができる。しかしながら、幾つかの実施形態では、更なるフィードバックパラメーターとして、依然として電圧が監視される場合がある。電圧信号を利用して、例えば、光強度信号の劣化を検出することができるか、又は溶接パラメーター制御の微調整を提供することができる。
【００１２】
ここで、図を参照すると、図１は、本技法による溶接システム１０の一実施形態のブロック図である。溶接システム１０は、工作物１４上で溶接アーク１２を生成するように構成されている。溶接アーク１２は、ミグ(MIG)、マグ(MAG)、種々の波形、タンデム構成等を含む任意のタイプの溶接のアークとすることができ、また任意の所望の方式において配置することができる。溶接システム１０は、送電網のような電力源１８に結合することができる電源装置１６を含む。当然、発電機、エンジン駆動パワーパック等を含む、他の電力源を利用することもできる。例示の実施形態では、ワイヤ送給装置２０がガス源２２及び電源装置１６に結合され、溶接用ケーブル２７を通して、溶接トーチ２６に溶接用ワイヤ２４を供給する。電源装置１６は溶接ワイヤ２４に電気の流れを与え、溶接ワイヤは電極としての役割を果たす。溶接用ワイヤ２４は溶接トーチ２６を通して送給され、溶接アーク１２を形成し、溶接アーク１２によって溶融され、工作物１４に堆積される。
【００１３】
ワイヤ送給装置２０は通常、参照番号２８によって包括的に示される制御回路を含み、制御回路はスプール３０からの溶接用ワイヤ２４の送給を調整し、電源装置１６の出力を指示する。スプール３０は、溶接動作中に消費される長さの溶接用ワイヤ２４を含む。溶接用ワイヤ２４は、通常、制御回路２８の制御下で電気モーターを使用することを通して、ワイヤドライブアセンブリ３２によって進められる。さらに、工作物１４は、ワークケーブル３６を接続されるクランプ３４によって電源装置１６に結合され、溶接用ワイヤ２４と工作物１４との間に溶接アーク１２が確立されるときに電気回路を完成する。
【００１４】
溶接トーチ２６を工作物１４の近接した場所に配置することによって、電源装置１６によって与えられ、溶接トーチ２６に送られる電流が、溶接用ワイヤ２４から工作物１４へのアークを生成できるようになる。上記のように、このアーク放電は電源装置１６、溶接トーチ２６、工作物１４及びワークケーブル３６を含む電気回路を完成する。特に、動作時に、電流が電源装置１６から、溶接トーチ２６に、そして工作物１４まで流れ、通常、電源装置１６に再び接続される。アーク放電は、比較的大量の熱を生成し、それにより、工作物１４の一部及び溶接用ワイヤ２４の溶加材が溶融状態に移行し、それにより、溶接部を形成する。
【００１５】
溶接エリアが溶接中に酸化又は汚染されないようにシールドするために、アーク性能を高めるために、かつ結果として生成される溶接部を改善するために、溶接システム１０は、ガス源２２から溶接トーチ２６に不活性シールドガスを送給することもできる。しかしながら、溶接場所を保護するために、不活性シールドガスに加えて、又はその代わりに、活性ガス及び粒子状固体を含む種々のシールド材を利用できることに注目すべきである。
【００１６】
溶接システム１０は、特に電源装置１６上に設けられた作業者インターフェース３８によって、作業者がデータ設定を選択することができるように設計することができる。作業者インターフェース３８は、電源装置１６の前面フェースプレートに組み込むことができ、溶接プロセスのタイプ、使用されるワイヤのタイプ、溶接パラメーター設定等の設定の選択を可能にすることができる。これらの溶接設定は、電源装置１６内の制御回路４０に通信される。本開示において、「ＧＭＡＷ」溶接が参照されるが、本明細書において説明される溶接トーチ２６及び技法は、不活性ガスとともに用いることができるか、又はフラックス入りワイヤ又はメタルコアードワイヤの場合のように不活性ガスを用いることなく用いることができることに留意されたい。
【００１７】
制御回路４０は、溶接システム１０の溶接パラメーターを制御する。より具体的には、制御回路４０は、所望の溶接動作を実行するために溶接用ワイヤ２４に印加される溶接電力出力を制御するように動作する。したがって、制御回路４０は、電力変換回路４２に結合される。この電力変換回路４２は、電力源１８から電力を受け取り、出力電力を生成するように構成され、その出力電力は最終的に溶接トーチ２６にある溶接ワイヤ２４に印加される。チョッパー、昇圧回路、降圧回路、インバーター、コンバーター等を含む、種々の電力変換回路を用いることができる。
【００１８】
制御回路４０は、溶接システム１０内の至る所に配置されるセンサーから受信されるセンサーフィードバックに応じて出力電力を調整するように電力変換回路４２を制御することができる。センサーは、溶接アーク１２の電流、電圧又は光強度のような、溶接システムの動作パラメーターに関連する信号を与えることができる。これらの検出されたパラメーターに基づいて、制御回路４０は、電力変換回路４２に制御信号を出力し、溶接パラメーターを調整することができる。溶接パラメーターは、溶接用ワイヤ２４に与えられる電流、溶接用ワイヤ２４に与えられる電気の流れの電圧、溶接用ワイヤ送給速度、又はそれらの何らかの組み合わせを含むことができる。
【００１９】
制御回路４０は、処理回路４４及びメモリ回路４６を含むことができ、種々のセンサーと通信可能に結合することができる。処理回路４４は、溶接アーク１２の光強度を検出するために用いられる光センサー４８から、かつ電源装置１６によって溶接ワイヤ２４に与えられる電流を監視するように構成される電流センサー５０からフィードバック信号を受信することができる。光センサー４８は、溶接アーク１２から放射される光を検出するために用いられる単一のセンサー又はセンサーアレイを表すことができる。幾つかの実施形態では、処理回路は電圧センサー５２からのフィードバック信号も受信することができ、電圧センサー５２は、溶接トーチ２６及び工作物１４内の接点間の電圧降下を測定するように設計される。受信されたフィードバック信号に基づいて、処理回路４４は、メモリ回路４６内に記憶される命令を実行して、１つ又は複数の制御信号を生成し、電力変換回路４２に与えることができる。制御信号に従って、電力変換回路４２は、溶接アーク１２の所望のアーク長を保持するために、溶接用ワイヤ２４に供給される溶接電力のパラメーターを絶えず調整することができる。より具体的には、溶接パラメーターを調整して、アーク長を所望のアーク長の約０％〜１０％の範囲内に保持することができる。所望のアーク長は、作業者インターフェース３８を介して与えられる溶接パラメーター及び／又はアーク開始パラメーターに関連する入力に基づくことができる。また、処理回路は、ワイヤ送給装置２０の制御回路２８と通信し、ワイヤ送給速度を調整する制御信号を与え、及び／又はワイヤ送給速度に基づく信号を受信することもできる。種々のセンサーが所定の間隔で異なる被検出信号を示す信号を生成することができ、処理回路は、センサー信号を受信し、概ね瞬時に制御信号を出力するようにセンサー信号を処理することができる。これにより、溶接動作全体を通して、溶接アーク１２のアーク長の比較的瞬時の制御を可能にすることができる。
【００２０】
本実施形態では、制御回路４０は、溶接ワイヤ２４に供給される電流を示す（例えば、センサー５０からの）信号に対して、溶接アーク１２の光強度を示す（例えば、光センサー４８からの）信号を変更するように構成される。溶接アーク１２から放射される光は一般的に、市販の関連する応用形態において電流及びアーク長に正比例するので、この変更済み光強度は、溶接アーク１２のアーク長の相対的に良好な指標である。被測定電流は、電極伸長、すなわち、溶接ワイヤ２４が溶接トーチ２６から突出する距離の変化とともに変化する場合がある。溶接ワイヤ２４は工作物１４に向かって絶えず進められ、工作物１４上に溶滴として堆積されているので、電極伸長は経時的に変化する。制御回路４０は、電流に対して光強度を変更することによって、電極伸長の変化から生じるアーク長の変化を調整する。上記で論じられたように、溶接システム１０にわたる電圧降下のみを用いる場合、結果として生じるアーク長変化を監視することはできない。
【００２１】
被検出光強度の変更は、被検出電流を補償するための任意の数の調整を含むことができる。「変更」という用語は、溶接パラメーターを制御するために用いられる被検出光強度と被検出電流との間の任意の調整、導出、補償又は包括的な関係を指す場合がある。例えば、幾つかの実施形態では、変更は、制御回路４０内のルックアップテーブルを使用することを伴う場合がある。ルックアップテーブルは、異なる被検出電流値（又は電流値範囲）に対応する、変更済み光強度値又は光強度オフセット値を含むことができる。他の実施形態では、変更は、被検出光強度及び被検出電流を関連付ける式を含むことができる。光強度と電流との間の関係は、相対的割合、オフセット、又はそれらの何らかの組み合わせを含むことができる。後に詳細に説明される実施形態では、変更は、被検出電流に対する被検出光強度の正規化を含む。この結果として、正規化された光強度を生成することができる。制御回路４０は、被検出光強度を、或る倍率を掛けた被検出電流で除算することによって、そのような正規化を実行する。開示される技法は、光強度を正規化する変更との関連で以下に説明されるが、被検出電流に対する被検出光強度の任意の適切な変更を用いて適用することができる。
【００２２】
被検出電流に対して正規化された被検出アーク光強度は、溶接トーチ２６がいかに熱いか、用いられるケーブル配線の長さ若しくはタイプ、又は他の電圧寄与に関係なく、溶接プロセスのより実効的な制御を与えることができる。例えば、溶接ワイヤ２４と工作物１４上の溶接溜まり（weld puddle）との間の距離（すなわち、アーク長）が０に近づくにつれて、センサー４８によって検出される光強度も０に近づく。これは、約２０ボルトになる可能性もある陽極降下値及び陰極降下値を依然として測定する、センサー５２によって検出される電圧とは対照的である。
【００２３】
別の例として、以下の導出は、溶接アーク１２の正規化された光強度の変化が、アーク長の所与の増加の場合に測定される電圧の対応する変化より約１０倍大きくできることを示す。再び、正規化された光強度は溶接アーク長に正比例する。溶接トーチ２６のコンタクトチップから工作物１４までの電圧降下は以下の式によって与えられる。
【数１】
2016508071.tif 000003
【００２４】
式１において、Ｖtotは全電圧降下である。Ｖcon、ＶEE、ＶA、ＶC及びＶarcはそれぞれ、溶接トーチ２６のコンタクトチップ、電極伸長、陽極、陰極及び溶接アーク１２にわたる電圧降下を表す。溶接ワイヤ２４に与えられる電流と、溶接ワイヤ２４の電極伸長との所与の組み合わせの場合に、溶接システム１０の他の部分にわたる電圧降下の和は相対的に一定のままである。
【数２】
2016508071.tif 000004
【００２５】
γの大きさは、通常のＧＭＡＷ溶接システムの場合、約２０ボルトとすることができる。溶接アーク１２にわたる電圧降下は、溶接アーク１２のアーク長に関連付けられる。
【数３】
2016508071.tif 000005
【００２６】
式３において、ｌarcは溶接アーク長を表し、β≒２０Ｖ／ｉｎである。溶接アーク１２からの光出力は、以下の式に従って表すことができる。
【数４】
2016508071.tif 000006
【００２７】
式４において、Ｌoutは光出力であり、λは、溶接アーク１２にわたって送達される電流のアンペア当たりの溶接アーク１２の単位長当たりの光出力である。その際、溶接アーク長の所与の変化について、電圧センサー５２によって検出される電圧のパーセント変化は、以下の式によって表される。
【数５】
2016508071.tif 000007
【００２８】
式５において、％ΔＶはパーセント電圧変化であり、Ｖ1及びＶ2はそれぞれ第１の被測定電圧及び第２の被測定電圧である。Δｌarc1、Δｌarc2、及びΔｌarcはそれぞれ、第１の溶接アーク長、第２の溶接アーク長及び第１の溶接アーク長と第２の溶接アーク長との間の差である。上記で言及されたように、β及びγはいずれも概ね同じ値（例えば、２０）を有するので、その式は以下のように更に簡単にすることができる。
【数６】
2016508071.tif 000008
【００２９】
上記の式６は被検出電圧と溶接アーク長の変化との間の関係を表す。以下の式は、所与の溶接電流の場合の、溶接アーク１２から放射される光の変化と溶接アーク長の変化との間の関係を表す。
【数７】
2016508071.tif 000009
【００３０】
以下の２つの例は、溶接アーク長を制御するためのフィードバック変数として電圧を用いる場合と、溶接アーク長を制御するためのフィードバック変数としてアーク光を用いる場合との違いを示す。第１の例は、0.12インチから0.10インチへのアーク長の変化、すなわち、１６．７％減少に応じたそれぞれの変化を表す。
【数８】
2016508071.tif 000010
【００３１】
次の例は、．１０インチから．１６インチへのアーク長の変化、すなわち、６０％増加に応じたそれぞれの変化を表す。
【数９】
2016508071.tif 000011
【００３２】
上記の例に示すように、所与の溶接電流における光強度の変化は、溶接アーク１２のアーク長の変化に比例する。アーク光強度（センサー４８によって検出される）は、被検出電圧だけの場合より正確なアーク長の指標とすることができる。
【００３３】
図２は、溶接システム１０を動作させる方法７０の一実施形態のプロセスフロー図である。方法７０は、光センサー４８を介して溶接アーク１２の光強度を検出すること（ブロック７２）と、電流センサー５０を介して電極（例えば、溶接ワイヤ２４）に与えられる電流を検出すること（ブロック７４）とを含む。さらに、方法７０は、制御回路４０によって、被検出電流に対して被検出光強度を正規化し（ブロック７６）、溶接アーク１２の正規化された光強度を求めることを含む。方法７０は、正規化された光強度に基づいて、溶接パラメーター（例えば、電源装置１６からの電流出力又は電圧出力等）を制御すること（ブロック７８）を更に含む。後に詳細に説明されるように、方法７０に対する他の変形形態及び／又は追加形態を用いて、広範な溶接応用形態において溶接プロセスを制御することができる。
【００３４】
光強度信号を正規化すること（ブロック７６）は、アーク長と、アーク光強度と、溶接アーク１２を通って流れる電流との間の関係により、所望の溶接アーク長を保持するのに有用な場合がある。上記の導出に示すように、所与の電流レベルの場合に、被検出光強度は一般的に溶接アーク長に比例する。より具体的には、任意の所与の電流において、溶接ワイヤ２４と工作物１４との間に伸びるプラズマ柱である、溶接アーク１２の全体積要素（volumetric element）は、その要素の温度に比例する量の光を放射する。アーク長が増加するにつれて、溶接アーク１２の体積要素の数が増加し、その結果、それに応じて、放射される光の量も増加する。放射される全光とアーク長との間に結果として生じる関係は、以下の式によって与えられる。
【数１０】
2016508071.tif 000012
【００３５】
式１２では、λは単位長当たりの光要素数を表し、Ｐ（Ｉ）は電流Ｉにおける体積要素当たりの光出力を表す。溶接動作を制御する場合に望ましいように、アーク長が一定に保持される場合には、体積要素当たりの光出力は、以下の式に従って、その中に流れる電流の量に比例して増加する。
【数１１】
2016508071.tif 000013
【００３６】
式１３において、ηは、アンペア当たりの体積要素当たりの放射光を表す。結果として、式１３を式１２に代入して、溶接光強度を溶接アーク長及び電流に関連付ける以下の式をもたらすことができる。
【数１２】
2016508071.tif 000014
【００３７】
上記の式１４は、電極伸長の変化に起因する溶接アーク１２にわたる電圧降下のいかなる変化とも無関係であることに留意されたい。しかしながら、溶接アーク１２にわたって流れる電流は、溶接ワイヤ２４の電極伸長とともに変化する場合がある。溶接ワイヤ２４が溶接トーチ２６から更に伸長するにつれて、例えば、溶接ワイヤ２４内のジュール加熱が増加する場合がある。結果として、溶接ワイヤ２４を溶融し、溶接池（ｗｅｌｄ  ｐｏｏｌ）に移行するために用いられるエネルギーが減少し、これにより、溶接アーク１２にわたる溶接電流が減少する。式１４に示すように、光強度は溶接電流に比例するので、アーク長が変化しない場合であっても、溶接アーク１２の光出力が低下する。それゆえ、溶接アーク長を適切に制御するために、方法７０を参照しながら上記で説明したように、光強度を電流に対して正規化することが望ましい場合がある。この正規化は、以下の式において詳細に示される。
【数１３】
2016508071.tif 000015
【００３８】
式１５において、Ｌ*outは正規化された光強度を表す。具体的には、式１４の光強度が、倍率ηを掛けた、溶接アーク１２に流れる被検出電流で除算される。式１５は、以下の式１６に変化し、式１６は正規化された光強度をアーク長制御変数に直接関連付ける。正規化された光強度はアーク長に正比例することができ、それにより、検出された電圧降下より正確なフィードバック変数になる。
【数１４】
2016508071.tif 000016
【００３９】
正規化された光強度は溶接アーク長の変化に敏感に反応するので、パルススプレーＧＭＡＷ溶接プロセスのような或る特定のＧＭＡＷ溶接との関連において、より正確な制御を提供することができる。そのような溶接は、多くの場合に方形パルス法を用いて、電極に与えられる高い溶接電流と低い溶接電流との間のサイクルを処理する。しかしながら、アーク光強度フィードバックを通して提供される高感度の制御によれば、平均溶接電流上に正弦波を重ね合わせることによって、適応的なパルス波形を生成できるようになる場合がある。単一周波数の正弦波形を用いて溶接プロセスを進めることは、従来の方形パルスより優れた利点を提供することができる。例えば、正弦波制御は、ピークパルスアンペア数から一定の割合で徐々に上昇及び降下することに起因して、広範なスペクトル電磁雑音のレベルを下げることができる。電磁雑音が減少すると、特定の周波数においてパルスを生成するときに、システムからの可聴雑音出力が減少することにつながる場合がある。さらに、初期電流からピーク電流に、そしてその逆に滑らかに移行することは、そのように移行していなければ溶接ワイヤ２４の先端において生じることになった望ましくない溶融を少なくすることができる。
【００４０】
方法７０を用いて、正弦波形を連続して調整して、正規化された光強度測定によって特定されるようなアーク長の変化に対処することができる。幾つかの実施形態では、正規化された光強度による制御は、溶滴の脱離から生じるアーク長変化に応じて溶接パラメーターを調整することができる。すなわち、溶接ワイヤ２４がコンタクトチップにおいて溶融するとき、溶融した溶接ワイヤ２４の溶滴が滴下され、堆積して、工作物１４上の溶接部になる。溶滴が滴下されるにつれて、アーク長が減少し、制御回路４０が溶接ワイヤ２４に流れる電流を増加させることができ、それにより、溶滴移行を容易にすることができる。溶接パラメーターを制御するのに電圧フィードバックに頼る従来の溶接システムでは、一般的に、このようにして溶滴移行が助長されることはない。電流を増加させて溶滴を滴下する代わりに、そのようなシステムは、溶滴形成に起因する被検出電圧の増加に応じて、電流を減少させることになる。
【００４１】
図３は、取付装置８８によって溶接トーチ２６に取り付けられる光センサー４８を有する、溶接トーチ２６の一実施形態の斜視図である。溶接アーク１２からの光を光センサー４８によって取り込むことができ、光センサーが、被検出光強度を、処理するために制御回路４０に送信される電子信号に変換する。例示の実施形態では、光センサー４８は、フィードバック信号を、ワイヤ９０を介して制御回路４０に通信し、ワイヤは溶接ケーブル２７を通って、ワイヤ送給装置２０から電源装置１６まで延在することができる。しかしながら、他の実施形態では、光センサー４８は、信号を無線で通信することができる。制御回路４０は、溶接ワイヤ２４を通って流れる被検出電流に対して信号を正規化することができ、正規化された光強度に基づいて、電力変換回路４２に制御信号を与えることができる。その後、電力変換回路４２は、溶接ワイヤ２４への電力出力を調整し、所望のアーク長を、そして結果として一貫した溶接ビード９２を保持することができる。
【００４２】
光センサー４８は、入射光に応じて電気信号を出力することができる任意のデバイスを含むことができる。例えば、光センサー４８は、１つ若しくは複数の光起電セル、フォトダイオード、感光素子又はそれらの組み合わせを含むことができる。幾つかの実施形態では、光センサー４８は、被検出光に線形に比例する電気信号を出力するように構成することができる。他の実施形態では、光センサー４８内の非線形性を、制御回路４０によって、対応する線形化関数に写像することができる。
【００４３】
光センサー４８は、溶接アーク１２に対して特定の場所及び向きにおいて、取付装置８８によって溶接トーチ２６に取り付けることができる。溶接アーク１２の位置及び／又は形状は、溶接プロセス全体を通して、特に溶接ワイヤ２４の電極伸長の変化とともに変化する場合がある。例えば、溶接トーチ２６に対する溶接アーク１２の位置は、電極伸長が変化することに起因して、約１インチまで変化する場合がある。それゆえ、光センサー４８は、所与の時点の溶接トーチ２６に対する溶接アーク１２の厳密な位置に関係なく、溶接アーク１２から放射される光強度を安定して検出するように構成することができる。光センサー４８は、溶接トーチ２６に対して、光センサー４８の検出面の軸９４が溶接トーチ２６のノズル９８と位置合わせされる軸９６に対して平行になるような位置に取り付けることができる。結果として、工作物１４に対するこれらの軸９６及び９４の角度θ1及びθ2は補角とすることができる。さらに、光センサー４８は、光センサー４８上で光の所望の入射角θ3を与えるように、すなわち、軸９４と光センサー４８から溶接アーク１２へのライン１００との間に所望の角度を与えるように取り付け、及び／又は調整することができる。ライン１００の距離及び入射角θ3は、工作物１４上の溶接溜まり又は任意のシステム構成要素によって遮られることなく、溶接アーク１２から放射される光の全てが光センサー４８の検出面上で捕捉されるのを確実にするように調整することができる。
【００４４】
図４は、光センサー４８の検出面１２０に対して垂直に見た光センサー４８の一実施形態を示す。例示の実施形態では、光センサー４８は、それぞれ別々のチップ１２４上に位置する３つの光起電センサー１２２の線形アレイを含む。チップ１２４は、接続された光起電センサー１２２によって検出された入射光を電気信号に変換するように構成される回路を含むことができる。光起電センサー１２２は、電気的に直列に接続することができ、それにより、光起電センサー１２２のそれぞれに達する光の量の示す信号を合成して１つの電気信号とすることができ、その信号が光センサー４８から出力される。光起電センサー１２２が取り付けられる検出面１２０、又はハウジングは、例示されるように円形にすることができるか、又は任意の他の所望の形状にすることができる。光起電センサー１２２は、軸９４に沿って線形に配置され、その軸は、軸９６と実質的に（例えば、或る特定の実施形態では、約１度〜２度未満の許容範囲内で）平行であり、それゆえ、ノズル９８から出る溶接ワイヤ２４と実質的に平行である。光起電センサー１２２は、センサーアレイの上縁と底縁との間の長手方向距離１２６が少なくとも所望の距離であるように配置することができる。この所望の距離は、溶接ワイヤ２４の電極伸長の予想される変動に関連付けることができ、それにより、溶接アーク１２の場所が光センサー４８に対してシフトする場合であっても、光起電センサー１２２は、溶接アーク１２の全長からの光を検出する。光センサー４８の他の実施形態は、溶接アーク１２から放出される全光強度を示す信号を生成するために用いられる異なる数、タイプ及び配置の検知素子を含むことができる。
【００４５】
溶接アーク１２から放射される光は極めて強いので、相対的に高い電流が溶接アーク１２にわたって保持されるときに特に、光起電センサー１２２を飽和させる可能性がある。光起電センサー１２２を完全に飽和させないようにするために、光センサー４８は、光起電センサー１２２の上方に濃度フィルターを含むことができる。他の実施形態では、光センサー４８から溶接アーク１２までの距離（例えば、ライン１００）を長くすることができ、入射角θ3を変更することができ、及び／又は工作物１４に対する溶接トーチ２６の角度θ1を、完全に飽和する可能性を下げるように変更することができる。
【００４６】
正規化された光強度だけを用いて、溶接パラメーターを制御することに加えて、溶接システム１０の幾つかの実施形態は、正規化された光強度と組み合わせて電圧フィードバックを用いて、溶接プロセスのフィードバック制御を提供することができる。このタイプの制御の一例として、図５は、被検出光強度、被検出電流及び被検出電圧に基づいて溶接システム１０を動作させる方法１４０の一実施形態のプロセスフロー図である。方法１４０は、図２の方法７０を参照しながら詳細に説明されたような、光センサー４８によって光強度を検出すること（ブロック７２）と、電流センサー５０によって電流を検出すること（ブロック７４）と、検出電流に対して検出光強度を正規化すること（ブロック７６）とを含む。また、方法１４０は、電圧センサー５２によって、電源装置１６から溶接ワイヤ２４に与えられる電圧を検出すること（ブロック１４２）も含む。この被検出電圧は、溶接トーチ２６及びワークケーブル３６における接点間の電圧降下も含むことができる。電圧センサー５２は、正規化された光強度とともに処理するために、被検出電圧を示す信号を制御回路４０に送信することができる。
【００４７】
方法１４０の残りは、被検出電圧及び正規化された光強度に基づいて、溶接パラメーター（例えば、電流、電圧等）を（電力変換回路４２に制御信号を与えることによって）制御することを含む。或る特定の実施形態では、方法１４０は、被検出電圧が所定のしきい値より大きいか否かを判断する（ブロック１４４）。また、方法１４０は、正規化された光強度が所定のしきい値より大きいか否かを判断すること（ブロック１４６）も含むことができる。
【００４８】
ブロック１４４、１４６は、制御回路４０が２つの入力信号（正規化された光強度及びアーク電圧）を評価し、どちらの信号を有効であると見なすべきであるかを判断することを表すことができる。幾つかの実施形態では、制御回路４０は、これらの入力信号に基づいて計算された制御信号を評価して、どちらの制御信号が電力変換回路４２に送信されるべきであるかを判断することができる。例えば、被検出電圧を示す信号が電圧しきい値より大きいが、正規化された光強度を示す信号が光強度しきい値以下である場合には、制御回路４０は、被検出電圧に基づいて溶接パラメーターを制御することができる（ブロック１４８）。これは、制御回路４０が、正規化された光強度に基づいて、溶接アーク１２から放射された光が光センサー４８の視野から遮られると判断するときに行うことができる。例えば、工作物１４の一部が、溶接アーク光が光センサー４８に達するのを遮るように、溶接トーチ２６が工作物１４に対して向けることができる。結果として、光センサー４８によって検出された光、そしてその結果、正規化された光強度がしきい値以下になる。しかしながら、溶接アーク１２にわたる電圧降下のため、電圧センサー５２は、対応するしきい値より大きい電圧を検出することができる。この時点で、溶接システム１０は、被検出光信号を劣化していると見なすことができる。正規化された光強度が低いことに応じて溶接ワイヤ２４に供給される電力を増加させると、溶接ワイヤ２４を過熱する可能性があるので、その代わりに、制御回路４０は電圧フィードバック制御に切り替えることができる。制御回路４０は、被検出電圧に基づいて、溶接パラメーターを調整するために電力変換回路４２に制御信号を与えることができる。正規化された光強度が、もはや遮られていないか、又は劣化していないことを示す正常（そのしきい値より大きい）レベルに戻る時点まで、電圧フィードバックを用いることができる。このようにして、電圧測定は、光強度測定に対するフェールセーフの役割を果たす。
【００４９】
被検出電圧及び正規化された光強度がいずれも、それぞれのしきい値より大きいと判断されるとき（ブロック１４４、１４６）、方法１４０は、正規化された光強度に基づいて、溶接パラメーターを制御すること（ブロック１５０）を含むことができる。電圧測定は、正規化された光強度が有効であることを確認する役割を果たす。上記で論じられたように、正規化された光強度は被検出電圧に比べて相対的に正確な溶接アーク長の指標であるので、その後、正規化された光強度を制御入力として用いることができる。
【００５０】
被検出電圧が電圧しきい値より小さいと判断される場合には（ブロック１４４）、これは短絡を指示することができる。溶接システム１０は、この判断の結果として、正規化された光強度に基づいて制御信号を適用することによって、短絡を解消することができる。溶接システム１０の他の実施形態は、調整金属堆積プロセス（regulated metal deposition process）のような短絡を解消するルーチンを実行するために、電圧フィードバックに切り替えることによって短絡を解消することができる。
【００５１】
制御回路４０によって被検出電圧を用いて、正規化された光強度信号のためのフェールセーフ以外の他の制御機能を実行することができる。例えば、制御回路４０は、光センサー４８、電流センサー５０及び電圧センサー５２からの情報を用いるハイブリッド制御に基づいて溶接アーク１２を制御するための信号を与えることができる。一例として、正規化された光強度を被検出電圧とともに用いて、調整金属堆積（ＲＭＤ）プロセスを制御することができる。ＲＭＤプロセスは、溶接ワイヤ２４が溶接アーク１２を短絡するように、電力出力を制御することができる。そのようなプロセスでは、溶接アーク１２にわたる電圧降下は、溶接ワイヤ２４から落下する溶融した材料柱のくびれに関連する情報を与えることができる。正規化された光強度を用いて、このプロセス全体を通して所望の溶接アーク長を保持することができ、一方、被検出電圧を用いて、金属堆積に関連するパラメーターを監視することができる。その結果、ＲＭＤプロセスは、金属堆積の制御を依然として保持しながら、アーク長の変化に対する相対的に敏感な反応を利用することができる。電圧フィードバックは、他の溶接応用形態においても、正規化された光強度を通して利用可能な制御を向上させることができる。例えば、制御回路４０は、電力出力を制御するのに正規化された光強度によるフィードバック信号に主に頼ることができ、被検出電圧から判断することができる電極伸長情報に基づいて、溶接電流を微調整することができる。
【００５２】
被検出電流に対して被検出光強度を正規化することによって、溶接ワイヤ２４が溶接システム１０を通して進められるワイヤ送給速度に関係なく、溶接アーク１２の一貫した長さを保持することができる。より具体的には、溶接システム１０は、ワイヤ送給装置２０のワイヤ送給速度が調整されるのに応じて、正規化された光強度に基づいて溶接パラメーターを自動的に調整し、所望のアーク長を保持することができる。図６は、ワイヤ送給装置２０のワイヤ送給速度の変化に伴って生じる場合がある、溶接パラメーターに対する自動調整の一例を示すプロット１６０である。例示されるプロット１６０は、時間（横座標１６４）に対する溶接パラメーター（縦座標１６２）を示す。溶接パラメーターは、溶接アーク１２を生成するために溶接ワイヤ２４に与えられる電流（トレース１６６）及び電圧（トレース１６８）を含む。時間Ｔ１から時間Ｔ２まで、ワイヤ送給速度は、約２４０インチ毎分から約６００インチ毎分まで徐々に増加する。ワイヤ送給速度が上昇するにつれて、電源装置１６によって溶接ワイヤ２４に供給される電力の電流及び電圧も増加する。
【００５３】
溶接システム１０において、正規化された光強度による制御によって、ワイヤ送給速度が変化するのに応じて、所望の溶接アーク長を保持しながら、溶接パラメーターを自動的に調整できるようになる場合がある。これにより、作業者が、ワイヤ送給速度を調整する際に溶接電圧を手動で調整する必要はないので、溶接パラメーターを容易に設定できるようにすることができる。このタイプの自動制御は、一定のアーク長を保持するために一定の電圧出力を与える従来の溶接システムを用いては不可能な場合がある。そのようなシステムでは、ワイヤ送給速度の変化は、電圧とアーク長との間の関係に影響を及ぼす場合がある。したがって、所望の溶接アーク長を保持するために、作業者は、それに応じて電源装置１６の電圧設定を変更しなければならない。光強度フィードバックを用いる電流及び電圧両方の自動制御は、溶接プロセス全体を通してワイヤ送給速度が変更されるモードにおいて、溶接システム１０の性能を改善することができる。例えば、正規化された光強度を用いて、溶接ビードの見栄えのする所望の外見を達成するためにワイヤ送給速度が定期的に変更される時変堆積モードにおいて動作する溶接システム１０を制御することができる。
【００５４】
被検出光強度を正規化する際に、光強度を示す信号及び溶接電流を示す信号が互いに同相である場合にのみ、式１５の出力を式１６に変換できることに留意されたい。センサー４８及び５０から受信された信号が同相でない場合には、制御回路４０は、光強度正規化中に適切な利得係数を適用することができる。光及び電流の物理的パラメーターは実際に同相において生じるが、センサー４８及び５０によって生成される信号は、制御回路４０によって信号に電子フィルターが適用された後に、位相がずれる場合がある。図７は、検知されたパラメーター間の位相シフトのために適した実効利得値を示すプロット１８０である。トレース１８２は、時間１８４に対する第１のパラメーター信号（例えば、被検出光強度）を表し、トレース１８６は、時間１８４に対する第２のパラメーター信号（例えば、被検出電流）を表す。別のトレース１８８は、第１のトレース１８２の振幅を第２のトレース１８６の振幅で除算することによって求められる、時間１８４に対する実効利得値１９０を表す。具体的には、第３のトレース１８８は、同じ周波数及び振幅の２つの正弦波（トレース１８２、１８６）間の位相シフトの影響を示す。遅れている波形（トレース１８６）は、被検出電流を示す信号を、約0.00022秒のフィルター時定数でＲＣフィルターをかけた影響を表すことができる。例示の実施形態では、この除算から生じる実効利得値１９０は、正弦波の各周期にわたって、約0.64〜1.56の間で変化する場合がある。制御回路４０は、被検出光強度の正確な正規化を実行するために、かつ溶接パラメーターの安定した制御を提供するために、被検出信号間の位相シフトに起因して実効利得値１９０を制御するように構成することができる。より具体的には、正規化ステップは、位相シフトに基づいて実効利得値を求めることと、被検出光強度を被検出電流で除算することと、実効利得値に従って除算後の光強度を補正することとを含むことができる。
【００５５】
図８は、被検出光強度を正規化するために、かつ正規化された光強度に基づいて溶接パラメーターを制御するために用いられる制御回路４０の一実施形態の概略図である。制御回路４０は、被検出光強度及び被検出電流を示す信号を受信し、少なくとも１つには正規化された光強度信号に基づいて、制御信号を電源装置１６に与えるように構成される。例示される制御回路４０は、正規化された光強度に基づいて制御信号を決定し、被検出電圧を示す信号に基づいて制御信号を決定し、図５を参照しながら説明したように制御信号を切り替えることを可能にする。制御回路４０は、異なる機能を実行する幾つかのブロックに分割される。図示される回路は例示であり、個々の回路構成要素の他の組み合わせを利用して、以下に説明される機能を実行できることに留意されたい。さらに、制御のための入力として電圧が与えられるか否か、又は溶接システム１０によって実行される制御のタイプのような要因に応じて、制御回路４０の実施形態によっては、或る特定の機能ブロックが存在する場合もあり、存在しない場合もある。
【００５６】
制御回路４０の第１のブロック２００は、入力光強度信号２０４を調整するための高インピーダンス差動増幅器２０２を含むことができる。信号２０４は、図１に示すように、光センサー４８によって生成することができ、第１のブロック２００における電圧降下として入力することができる。第１のブロック２００は、溶接アーク１２の単位長当たりの光要素数に対応する約λの利得を適用するように構成することができる。調整済み信号は制御回路４０の第２のブロック２０８内の除算器ユニット２０６の分子位置に入力される。
【００５７】
制御回路４０の第３のブロック２１０は、電流センサー５０から受信された被検出電流信号を調整することができる。より具体的には、第３のブロック２１０は、ηに対応する利得を適用するように構成される可変利得演算増幅器２１２を含むことができる。このようにして電流信号が調整されると、その信号は、第２のブロック２０８内の除算器ユニット２０６の分母に与えることができる。例示される除算器ユニット２０６は、上記の式１６と一致する出力を生成するように構成することができる。しかしながら、例示の実施形態では、除算器ユニット２０６は、以下の式に従って、分母において更なる項γを受信する。
【数１５】
2016508071.tif 000017
【００５８】
式１７の更なる項γは、電流信号が０に近づくときに除算器ユニット２０６がレール電圧を生じないように、すなわち最大出力を生成しないように含まれる場合がある。更なる項γは制御回路４０の第４のブロック２１６に示すように、ポテンショメーター２１４によって設定することができる。除算器ユニット２０６に加えて、第２のブロック２０８は、除算器ユニット２０６の出力を調整し、正規化された光強度信号を電力変換回路４２に入力するのに適したレベルに合わせて増減する演算増幅器２１８を含むことができる。これは、式４に従って、正規化された光強度にλを掛けて増減し、アーク長に関連する信号を求めることを伴うことができる。
【００５９】
例示の実施形態では、制御回路４０は、信号が所定のしきい値にいかに関連しているかに応じて、正規化された光強度によるフィードバックと電圧フィードバックとを切り替えるように構成される。それゆえ、例示される制御回路４０は、電圧センサー５２から被検出電圧信号を受信し、その信号を電力変換回路４２に入力するのに適した制御信号に変換するための第５のブロック２２０も含む。これは、式３に従って、演算増幅器２２２によって、電圧信号にβを掛けて増減し、アーク長に関連する信号を求めることを含むことができる。
【００６０】
第６のブロック２２４は、図５を参照しながら説明したように、光フィードバック信号及び電圧フィードバック信号を所定のしきい値と比較するための論理セクションとしての役割を果たす。第６のブロック２２４は、第２のブロック２０８及び第５のブロック２２０から入力を受信することができる。第２のブロック２０８からの入力は、正規化された光強度に基づく制御信号であり、第１のコンパレーター２２６に与えられ、その信号を所定のしきい値と比較することができる。同様に、第５のブロック２２０からの入力は、電圧に基づく制御信号であり、第２のコンパレーター２２８に与えられ、その信号を第２のしきい値と比較することができる。その際、コンパレーター２２６、２２８の出力は、第６のブロック２２４内の一連の論理ゲート２３０への入力としての役割を果たすことができる。
【００６１】
第７のブロック２３２は、２つのスイッチ２３４、２３６を含み、それらのスイッチはコンパレーター２２６、２２８の出力に応じて第６のブロック２２４の論理ゲート２３０によって駆動することができる。例えば、コンパレーター２２６によって判断されるように、正規化された光強度に基づく制御信号が所定のしきい値より大きい場合があり、コンパレーター２２８によって判断されるように、被検出電圧に基づく制御信号が所定のしきい値より大きい場合がある。これらの判断に応じて、論理ゲート２３０は、第１のスイッチ２３４に、スイッチ３２４を閉じるための信号を送信し、それにより、正規化された光強度に基づく制御信号を電力変換回路４２に与えることができる。しかしながら、光センサー４８が溶接アーク１２からの光の見通しを遮られる場合には、コンパレーター２２６によって判断されるように、正規化された光強度に基づく制御信号が所定のしきい値より小さい場合がある。同時に、コンパレーター２２８によって判断されるように、被検出電圧に基づく制御信号が所定のしきい値より大きいままである場合がある。コンパレーター２２６、２２８からのそのような入力に応じて、論理ゲート２３０は、第２のスイッチ２３６に、スイッチ２３６を閉じるための信号を与えることができる。これにより、正規化された光強度信号が劣化しているときにはいつでも、被検出電圧に基づく制御信号が電力変換回路４２に与えられる。
【００６２】
制御回路４０の他の構成も可能な場合がある。例えば、或る特定の実施形態では、制御回路４０は、溶接パラメーターの制御が正規化された光強度に完全に基づくように、最初の４つのブロック２００、２０８、２１０、２１６のみを含むことができる。他の実施形態では、正規化された光強度に基づく制御信号と、電圧に基づく制御信号とを組み合わせて、電力変換回路４２にハイブリッド制御信号を与えるために、更なる論理回路が存在する場合がある。更に別の実施形態では、正規化された光強度に基づく制御信号を用いて、或る特定の溶接パラメーターを制御することができ、被検出電圧に基づく制御信号を用いて、異なる溶接パラメーターを制御することができる。
【００６３】
光センサー４８の本実施形態を用いて、完全自動及び半自動の両方の溶接システム１０内の溶接パラメーターを制御することができる。より具体的には、光センサー４８は、ロボット制御で操作されるか、又は作業者によって手動で操作される溶接トーチ２６に取り付けることができる。作業者が溶接トーチ２６を位置決めする或る特定の実施形態では、光センサー４８は、溶接トーチ２６上の場所以外の場所に取り付けられることが望ましい場合がある。一例として、図９は、溶接作業者２５２によって装着される溶接用ヘルメット２５０に取り付けられるセンサー４８の一実施形態の斜視図を提供する。溶接トーチ２６を実効的に操作し、高品質溶接部を作り出すために、作業者２５２は、一般的に、溶接アーク１２が遮られることなく見通せるように保持する。したがって、溶接用ヘルメット２５０の前縁上に光センサー４８を位置決めすることによって、溶接アーク１２から放射された光の適切な検出を確保することができる。上記で論じられたように、光センサー４８は、単一の光センサーか、又は図４に示されるアレイのような光センサーのアレイを含むことができる。
【００６４】
光センサー４８上に入射する光は、光センサー４８と溶接アーク１２との間の距離の関数である。光センサー４８は溶接トーチ２６に直接取り付けられないので、光センサー４８と溶接トーチ２６との間の距離は、溶接プロセス全体を通して変化する場合がある。それゆえ、光センサー４８から溶接アーク１２までの距離を検出することが有用な場合がある。これは種々の方法において成し遂げることができる。例えば、光センサー４８は、溶接アーク１２から光センサー４８までの正弦波の飛行時間を測定する構成要素を含むか、又はそのような構成要素と結合することができる。制御回路４０は、光センサー４８上に入射する光と、光センサー４８と溶接アーク１２との検出された近さとに基づいて、光強度を求めることができる。或る特定の実施形態では、溶接システム１０は、光センサー４８と溶接アーク１２との間の距離に対して、被検出光強度信号を補償されないままにしておくことができる。そのような実施形態では、作業者２５２は、溶接アーク１２に対して溶接用ヘルメット２５０上の光センサー４８を動かすことによって（矢印２５４）、溶接アーク長を制御することができる。これは、正規化された光強度によるフィードバックを通して入手可能なアーク長の変化に対する感度を保持しながら、作業者２５２による制御性を高めることができる。例示されるように、光センサー４８は、信号を制御回路４０に無線で通信することができる。これは、光センサー４８がヘルメット２５０に取り付けられ、その結果、作業者が電源装置１６に対して自由に動くことができる実施形態の場合に望ましいことがある。
【００６５】
本明細書において、本発明の或る特定の特徴だけが図示及び説明されてきたが、当業者には多くの変更及び変形が思い浮かぶであろう。それゆえ、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨に入る全ての変更及び変形を包含することを意図していることを理解されたい。
【符号の説明】
【００６６】
１０    溶接システム
１２    溶接アーク
１４    工作物
１６    電源装置
１８    電力源
２０    ワイヤ送給装置
２２    ガス源
２４    溶接ワイヤ
２６    溶接トーチ
２７    溶接用ケーブル
２８    制御回路
３０    スプール
３２    ワイヤドライブアセンブリ
３４    クランプ
３６    ワークケーブル
３８    作業者インターフェース
４０    制御回路
４２    電力変換回路
４４    処理回路
４６    メモリ回路
４８    光センサー
５０    電流センサー
５２    電圧センサー
８８    取付装置
９０    ワイヤ
９２    溶接ビード
９８    ノズル
１００    ライン
１２０    検出面
１２２    光起電センサー
１２４    チップ
１２６    長手方向距離
【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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【国際調査報告】
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