(57)【要約】【課題】アークの短時間で正確な定量的評価を行い、高品質で安定したパルスアーク溶接を行うことが可能なパルスアーク溶接方法及びパルスアーク溶接装置を提供する。【解決手段】ワイヤ１と母材２との間にアークを発生させるための電圧を印加可能な溶接電源３と、２０００コマ数／秒以上の撮像能力を有し前記アークを撮像して画像データを取り込むための高速度ビデオカメラ１２と、画像データを処理して溶滴のサイズ及びスパッタの発生量を解析するための溶滴サイズ・スパッタ量解析プログラム２３と、最適パルス時間を設定するための良否判定プログラム２４と、パルス波形の前記最適パルス時間に制御するための溶接電源の制御プログラム２１と、高速度ビデオカメラ１２を制御するための高速度ビデオカメラの制御プログラム２５とから、パルスアーク溶接装置１００を構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイヤと母材に溶接電源から電圧を印加してアーク溶接を行うパルスアーク溶接方法において、
高速度ビデオカメラを用いて、少なくともパルス電流の周波数よりも速いコマ数／秒の撮像速度でアークを撮像し画像データを得て、
前記アークの画像データの画像処理を行い、少なくとも溶滴の移行状況又はスパッタの発生状況のいずれか一方を解析し、
前記解析結果を用いて溶接状態の良否を判定しフィードバック制御を行い最適な溶接状態が得られる最適パルス時間を設定し、
前記最適パルス時間を用いて溶接を行うことを特徴とするパルスアーク溶接方法。
【請求項２】
前記溶滴の移行状況又はスパッタの発生状況の解析が、溶滴のサイズとパルス時間との関係又はスパッタの量とパルス時間との関係を求めるものであることを特徴とする請求項１記載のパルスアーク溶接方法。
【請求項３】
ワイヤと母材との間にアークを発生させるための電圧を印加可能な溶接電源と、
少なくともパルス電流の周波数よりも速いコマ数／秒以上の撮像能力を有し前記アークを撮像して画像データを取り込むための高速度ビデオカメラと、
前記高速度ビデオカメラで撮像した画像データを処理して、少なくとも溶滴の移行状況又はスパッタの発生状況のいずれか一方を解析するための画像解析手段と、
前記画像解析手段の解析結果を用いて溶接状況の良否を判定し、フィードバック制御を行い最適な溶接状況が得られる最適パルス時間を設定するための良否判定手段と、
前記溶接電源が印加する電圧を前記最適パルス時間に制御するための溶接電源制御手段と、
を備えることを特徴とするパルスアーク溶接装置。
【請求項４】
アーク電圧をサンプリングし、サンプリングしたアーク電圧をフィードバックしてスプレー化アーク電圧を自動設定するためのアーク電圧設定手段を備えることを特徴とする請求項３記載のパルスアーク溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＡＧパルス溶接、ＭＩＧパルス溶接等のパルスアーク溶接方法及びパルスアーク溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、パルスアーク溶接において、飛散するスパッタを目視観察したり、スパッタを囲い箱で回収して測定し定量化することや、溶接電流、アーク電圧等の波形を高速サンプリングし、それらの値の変動をチェックすることで、溶接作業性を評価していた。また、高速度ビデオカメラを用いて、溶滴の成長から離脱までの挙動や、溶融池のうねり等を撮影して、溶接アーク現象を評価することも行われていた。
【０００３】
これらの観察結果の評価は、人の感覚により行われるか、或いはアーク現象の短時間の挙動を定性的に評価するものであった。そして、このような評価にもとづいて、パルス電流（パルス電圧）やパルス幅等の溶接条件と、溶接アーク現象の評価結果の関係を手作業でマッピングし、適正パルス領域のマップを作成して、溶接条件を最適化することが行われていた。
【０００４】
また、溶接状況監視装置を用いて撮影した画像を画像処理し、処理結果から得られた情報から溶接状態の良否を判定し、フィードバック制御などの方法で溶接条件を制御することが公知である（例えば特許文献１参照）。特許文献１に記載の具体的な方法は、パルス溶接の電流値がベース電流に下がった時にベース電流時間に同期して溶接状況を撮影し、撮影した画像を画像処理装置に取り込み、二値化等の処理を行い、処理結果から得られた情報をあらかじめ入力してある基準データと対比して、基準データとの間に差がある場合は、その差を補正するように溶接電流を変更し、溶接状態等が一定となるようにフィードバック制御を行い自動溶接するものである。
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１８５８１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら人の感覚による溶接アーク現象の評価は、個人差があり、評価基準も人によって異なり、更に人の識別能力には限界があり、得られる情報量も少ないという問題がある。また、短時間の定性的な評価では、信頼性に欠けるという問題がある。また、上記のように適正パルス領域のマップを作製する場合には、多大な時間を要するという問題があった。
【０００７】
また上記特許文献１に記載されているように、画像処理装置で溶接状態の良否を判定する場合、溶接状況の撮影がベース電流時間の時だけのように、アーク現象の一部だけを撮影したのでは、複雑なアーク現象を正確に把握することはできない。従来の画像処理装置では、一画面の処理に要する時間が多大にかかるため、アーク現象を連続的に撮影して正確に解析すること自体が困難であるという問題があった。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、アークの評価を短時間で正確に行い、高品質で安定したパルスアーク溶接を行うことが可能なパルスアーク溶接方法及びパルスアーク溶接装置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】
本発明に係るパルスアーク溶接方法は、ワイヤと母材に溶接電源から電圧を印加してアーク溶接を行うパルスアーク溶接方法において、高速度ビデオカメラを用いて、少なくともパルス電流の周波数よりも速いコマ数／秒の撮像速度でアークを撮像し画像データを得て、前記アークの画像データの画像処理を行い、少なくとも溶滴の移行状況又はスパッタの発生状況のいずれか一方を解析し、前記解析結果を用いて溶接状態の良否を判定しフィードバック制御を行い最適な溶接状態が得られる最適パルス時間を設定し、前記最適パルス時間を用いて溶接を行うことを要旨とするものである。
【００１０】
上記パルスアーク溶接方法において、前記溶滴の移行状況又はスパッタの発生状況の解析が、溶滴のサイズとパルス時間との関係又はスパッタの量とパルス時間との関係を求めるものであることとすることが好ましい。
【００１１】
本発明に係るパルスアーク溶接装置は、ワイヤと母材との間にアークを発生させるための電圧を印加可能な溶接電源と、少なくともパルス電流の周波数よりも速いコマ数／秒以上の撮像能力を有し前記アークを撮像して画像データを取り込むための高速度ビデオカメラと、前記高速度ビデオカメラで撮像した画像データを処理して、少なくとも溶滴の移行状況又はスパッタの発生状況のいずれか一方を解析するための画像解析手段と、前記画像解析手段の解析結果を用いて溶接状況の良否を判定し、フィードバック制御を行い最適な溶接状況が得られる最適パルス時間を設定するための良否判定手段と、前記溶接電源が印加する電圧を前記最適パルス時間に制御するための溶接電源制御手段と、を備えることを要旨とするものである。
【００１２】
上記パルスアーク溶接装置において、アーク電圧をサンプリングし、サンプリングしたアーク電圧をフィードバックしてスプレー化アーク電圧を自動設定するためのアーク電圧設定手段を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るパルスアーク溶接方法は、高速度ビデオカメラを用いて、少なくともパルス電流の周波数よりも速いコマ数／秒の撮像速度でアークを撮像し画像データを得て、前記アークの画像データの画像処理を行い、少なくとも溶滴の移行状況又はスパッタの発生状況のいずれか一方を解析し、前記解析結果を用いて溶接状態の良否を判定しフィードバック制御を行い最適な溶接状態が得られる最適パルス時間を設定する方法を採用したことにより、アーク現象の評価を短時間で正確に行い、高品質で安定したアーク溶接を行うことが可能である。
【００１４】
すなわち本発明の方法によれば、パルス電流の周波数よりも速いコマ数／秒の撮像速度でアークを撮像し、アーク現象の撮像を高速度ビデオカメラで行い画像処理する方法を採用したことにより、従来のアークの撮像を３０コマ／秒程度の撮像速度のビデオカメラで行っていた場合と比較して、アーク溶接の際に発生する溶滴を正確にとらえて定量的な解析を行うことができる。
【００１５】
すなわちパルスアーク溶接では、パルスのピーク時間とベース時間を合わせた一周期で溶滴が１個発生するのが理想的である。パルス電流の周期が２００Hzの場合、一秒間に２００個の溶滴が発生すると仮定すると、この全ての溶滴を画像として確実に捕らえるためには、２００コマ／秒以上の画像を撮像する必要がある。これに対し、ビデオカメラの撮像能力が３０コマ／秒では、２００個／秒の溶滴を画像として確実に捕えることは不可能である。しかし、本発明方法では、パルス電流の周波数よりも速いコマ数／秒の撮像速度でアークを撮像する為、２００個／秒で発生する溶滴を確実に捕らえて、画像処理を行うことができる。
【００１６】
そして本発明のパルスアーク溶接方法では、上記の最適パルス時間を短時間で設定することができるから、各種の溶接条件が変化しても、直ぐに最適パルス時間を設定して高品質で安定したパルスアーク溶接を行うことが可能である。
【００１７】
本発明に係るパルスアーク溶接装置は、少なくともパルス電流の周波数よりも速いコマ数／秒以上の撮像能力を有し前記アークを撮像して画像データを取り込むための高速度ビデオカメラと、少なくとも溶滴の移行状況又はスパッタの発生状況のいずれか一方を解析するための画像解析手段と、最適な溶接状況が得られる最適パルス時間を設定するための良否判定手段と、前記溶接電源が印加する電圧を前記最適パルス時間に制御するための溶接電源制御手段とを備えているので、上記の最適パルス時間を短時間で確実に得ることができ、安定した高品質のパルスアーク溶接を確実に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態に係るパルスアーク溶接装置について詳細に説明する。図１はパルスアーク溶接装置の一実施例の概略を示す構成図である。図１に示すようにパルスアーク溶接装置１００は、ワイヤ１と母材２に溶接電源３から電圧を印加して、ワイヤ１と母材２との間にアークを発生させるものである。
【００１９】
図１に示す溶接装置１００では、溶接ワイヤ１は溶接トーチ４に固定され、ワイヤロール５が充填されているワイヤ収納容器６からコンジットケーブル７、ワイヤ送給装置８及びコンジットケーブル９を経由して供給されるように接続されている。
【００２０】
ワイヤ1と母材２には直流電圧を印加するための溶接電源３からの配線が接続されている。そして、ワイヤ１と母材２の配線の間に電圧計１０が設けられ、溶接電源３と溶接トーチ４との間に電流計１１が設けられている。
【００２１】
尚、特に図示しないが、溶接トーチ４の先端には、シールドガスを噴出するためのガス噴出穴を設けて、シールドガスによりワイヤ１及びアークＡの外周を覆い、ワイヤ１及びアークＡを大気から遮蔽するように構成されている。このようなパルスアーク溶接装置の基本的な構成としては、炭酸ガス溶接、混合ガス溶接などのＭＡＧ溶接、ＭＩＧ溶接等のパルスアーク溶接を行うことが可能な装置であれば、いずれも用いることができる。
【００２２】
溶接装置１００には、ワイヤ１と母材２との間に発生するアークを撮影するための高速度ビデオカメラ１２が設けられ、該高速度ビデオカメラ１２は撮影した画像を入力して画像処理するためのパーソナルコンピュータ（以下、ＰＣということもある）２０に接続されている。ＰＣ２０は、前記高速度ビデオカメラ１２以外に、溶接電源３、電圧計１０等に接続されており、溶接電源の制御プログラム２１、高速度ビデオカメラの制御プログラム２５、アーク電圧演算処理プログラム２２、溶滴サイズ・スパッタ量解析プログラム２３、アークの良否を判定する良否判定プログラム２４等の各種のプログラムが格納されている。
【００２３】
上記溶接電源の制御プログラム２１を実行することで、溶接電流のパルス波形における最適パルス時間に制御するための溶接電源の制御手段として機能する。また高速度ビデオカメラの制御プログラム２５を実行することで、高速度ビデオカメラのアーク溶滴移行画像の撮像のオン・オフの制御や、ＰＣ２０へ画像データを送信して画像を取り込み制御するための、高速度ビデオカメラの制御手段として機能する。
【００２４】
また上記アーク電圧演算処理プログラム２２を実行することで、電圧計１０によりサンプリングした電圧をフィードバックしてスプレー化アーク電圧を自動設定することが可能なアーク電圧設定手段として機能する。また上記溶滴サイズ・スパッタ量解析プログラム２３を実行させることで、高速度ビデオカメラ１２で撮像した画像データを処理して、溶滴のサイズ及びスパッタの量を解析するための画像解析手段として機能する。また上記アークの良否を判定する良否判定プログラム２４を実行することで上記画像解析手段の解析結果を用いて溶接状況の良否を判定し、フィードバック処理を行い最適な溶接状況が得られる最適パルス時間を設定するための良否判定手段として機能する。
【００２５】
また図示しないが、ＰＣ２０は、上記各種プログラムを格納したり、高速度ビデオカメラ１２で撮像したアーク現象の撮像データを記録するための記憶装置等を備えている。
【００２６】
ＰＣ２０は、例えば、ＣＰＵとしてＰｅｎｔｉｕｍ４Ｒ（インテル社の登録商標）を搭載した動作周波数２ＧＨｚ程度の市販ＰＣ（パーソナルコンピュータ）を用いることができる。
【００２７】
高速度ビデオカメラ１２は、溶滴移行が数百Ｈｚで繰り返されるパルス溶接のアーク現象を撮影可能とするために、２０００コマ／秒以上の撮像速度を有するものが用いられる。例えば、通常、パルスアーク溶接はパルス電流の周期が数百Ｈｚであるから、アークでは、一秒間に約数百個の溶滴が、ワイヤから母材に移行する現象が発生している。これに対し、２０００コマ／秒以上の撮像能力があれば、数百個／秒の溶滴の発生状況を確実に画像として記録することができる。
【００２８】
このような高速度ビデオカメラとして、例えば、（株）ナックイメージングテクノロジー社製の高速度デジタルビデオカメラである、モデルＭＥＲＥＣＡＭ  ｆｘ−６０００が挙げられる。この高速度ビデオカメラは、３／４インチ、２６万画素のカラーＣＭＯＳセンサーを備えており、毎秒６０００コマの撮像速度を有し、有効ピクセルが水平５１２ピクセル×垂直３８６ピクセルで撮像可能である。
【００２９】
高速度ビデオカメラ１２を用いたアークの撮像は以下のように行われる。溶接電源の制御プログラム２１及び高速度ビデオカメラの制御プログラム２５を実行し、ＰＣ２０が溶接電源３からの溶接開始トリガ信号を受信すると、一定時間の遅延後に、高速度ビデオカメラ１２によるアークの溶滴移行動画像の撮像を開始する。高速度ビデオカメラ１２で撮像された撮像データは、１０ビット／ピクセルで高速度ビデオカメラ１２内のフラッシュメモリに記録される。この場合、1回の撮像で、最大２．５秒間撮影可能である。記録された撮像データは、１回の溶接毎にＰＣ２０に転送され、ＰＣ２０内の記憶装置等に専用ファイル形式で保存される。
【００３０】
上記専用ファイル形式で保存されている撮像データに対し、溶滴サイズ・スパッタ量解析プログラム２３を実行して画像処理を行うことで、溶滴移行現象の解析が行われる。この画像処理は、専用ファイル形式のデータファイルをＡＶＩ形式等のファイル形式に変換して行うことができる。尚、撮影データの取り込みを行う高速度ビデオカメラの制御、溶接電源の制御、画像処理（溶滴サイズ・スパッタ量の解析）、良否判定処理を一つのＰＣで行っているが、これらの制御、処理を別々のＰＣで行っても良い。
【００３１】
溶滴移行現象を解析するための溶滴サイズ・スパッタ量解析プログラム２３として、高速度ビデオカメラ１２で撮像した溶滴移行動画像を画像処理するための画像処理ソフトウェアを自作した。このソフトウェアは、ナショナルインスツルメンツ（株）から市販されているプログラム開発環境であるＬａｂＶｉｅｗ（Ｖｅｒ７．１）を用いて作製した。
【００３２】
図２はパルスアーク溶接の評価方法の手順を示すフローチャートである。図２に示すフローチャートに沿って、パルスアーク溶接方法の一実施例を説明する。本発明のパルスアーク溶接は、先ず本溶接に先立って、パルス時間を設定するための予備溶接を実施して、最適溶接条件となる最適パルス時間を設定する。なお実施例で用いた溶接条件及び溶接装置を表１にまとめて示す。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
図２に示すように、まず基本的な溶接条件の設定を行う（Ｓ１００）。溶接条件としては、固定条件と変動条件がある。固定条件は、ワイヤ送給速度（溶接電流）、ピーク電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂである。また変動条件は、アーク電圧とパルス時間Ｔｐである。アーク電圧は、初期値を１６Ｖとして、後述するアーク電圧の自動設定ステップ（Ｓ４００）において、０．５Ｖステップずつ増加させる。またパルス時間Ｔｐは、初期値を０．６ｍｓとして、後述するパルス時間再設定ステップ（Ｓ７５０）で、０．１ｍｓステップで増加させる。以下、パルス時間について説明する。
【００３５】
図３は溶接電流のパルス波形を示す説明図である。図３に示すように、溶接装置１００は、ワイヤ１と母材２との間に電圧を印加すると、ベース電流値Ｉｂとピーク電流値Ｉｐとを一定時間間隔で繰り返すパルス波形の溶接電流が流れて、アーク現象が発生する。図３に示すピーク電流値Ｉｐの時間がパルス時間Ｔｐである。そして図中Ｔｃで示す時間が、パルスの１サイクルの時間である。
【００３６】
図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図３の溶接電流のパルス波形におけるａ点、ｂ点、ｃ点の各点の溶滴の形態を示す説明図である。図４（ａ）に示すように、ピーク電流値Ｉｐの開始点（図３のａ点）では、ワイヤ１と母材２との間にアークＡが生成し、該アークＡによりワイヤ１の先端１ａが溶融する。さらに、図４（ｂ）に示すように、溶接電流がピーク電流値Ｉｐとなってピーク時間Ｔｐが終了する点（図３のｂ点）まで、ワイヤ先端部１は溶融が進み所定の溶滴１３の大きさに成長する。ピーク電流値Ｉｐからベース電流値Ｉｂ（図３のｃ点）になると、図４（ｃ）に示すように、ワイヤ先端１ａが溶融してなる液滴１３が、アーク直下部分の母材２の被溶接部分が溶融してなる溶融池１４に滴下する。そして溶接トーチ４が移動して被溶接部分をアークが通過した後に溶融池１４が冷却され、ビードとなって母材２が溶接される。
【００３７】
このとき、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、一回のピーク電流値Iｐにつき一個の液滴がワイヤ１から母材２にスプレー移行するようになっているのが、理想的である。また、スパッタが発生する頻度が高いのは、短絡開放時、瞬間的短絡が起こった時、溶滴の離脱が不適切であった場合等である。アーク安定性を確保して良好な溶接を行う為には、スパッタの発生量を減らし、理想的なスプレー移行が行われるように、適正なパルス時間を見いだして設定することが重要である。
【００３８】
図２に示すように、Ｓ１００の溶接条件（初期値）を設定したならば、その条件でアーク起動を行い溶接を開始する（Ｓ２００）。次に、電圧計１０によりアーク電圧を測定し、測定データをＰＣ２０に送信し、アーク電圧のサンプリングを行う（Ｓ３００）。そしてスプレー化アーク電圧の自動設定処理（Ｓ４００）では、Ｓ３００でサンプリングしたアーク電圧をフィードバックして、アーク電圧を所定の電圧（スプレー化アーク電圧）に調整する。
【００３９】
図５はアーク電圧と短絡回数の関係を示すグラフである。図５に示すように、パルスアーク溶接ではアーク電圧を高くしていくと、短絡が減ってくる。そして、短絡がなくなったところで、スプレー化が生じる。スプレー化アーク電圧とは、このスプレー化が生じるアーク電圧のことである。スプレー化アーク電圧の自動設定処理（Ｓ４００）は、具体的には以下のように行う。図１２は、アーク電圧と時間の関係を示すグラフである。図１２に示すように、時間に対するアーク電圧の電圧値をサンプリングしてモニタすると、スパッタが発生すると短絡して瞬間的な電圧低下が生じる点がある。この点が、スパッタ発生箇所である。図１２の前半部分では、スパッタの発生が多いが、アーク電圧をモニタしながら、電圧を上げて行くと、図１２の後半部分のように短絡がほとんど生じなくなり、スパッタの発生が少なくなってくる。そして所定の時間（０．２５ｓ）内に短絡回数がゼロとなった場合の電圧をスプレー化アーク電圧として設定する。
【００４０】
Ｓ４００におけるスプレー化アーク電圧の設定値は、溶接条件の最適化のため、短絡のない、完全にスプレー移行した状態となるアーク電圧に設定するが、実際の施工では、若干の短絡が生じるやや低めのアーク電圧に設定するのが好ましい。アーク電圧をやや低めに設定しておくと、外乱や内乱による種々の変化や、変動などに対する影響を受けにくくなって、更に安定した溶接を行う事ができる。この理由を以下に説明する。
【００４１】
一般にアーク電圧が高くなるとアーク長は長くなり、アーク電圧が低くなるとアーク長は短くなる。溶接のビード形状は、アーク長が短いと幅の狭いビード形状になり、アーク長が長いと幅の広いビード形状となる。そしてビード形状が過剰に幅広くなると、ハンピングが生じ易くなり、溶接金属がきちんと満たされないまま凝固する虞が出てくる。アーク電圧が低くアーク長が短いと、そのような虞がない。このような理由から、アーク電圧は、スプレー化が完全に起こる電圧よりも少し低く設定して、若干短絡が生じる程度としておくことが好ましい。この具体的な好ましい電圧の範囲は、スプレー化が完全に起こる電圧に対して、マイナス０．５Ｖ〜１．５Ｖの範囲である。このように、スプレー化アーク電圧をサンプリング及びフィードバック制御を行い電圧調整を行う処理により、短絡のないスプレー移行に設定した状態で、溶接を行うことができる。
【００４２】
図２に示すように、スプレー化アーク電圧の自動設定（Ｓ４００）の次に、高速度ビデオカメラ１２でアーク現象を撮像し、画像データをＰＣ２０に取り込む処理（Ｓ５００）を行う。そしてＰＣ２０に取り込んだ画像データを用いて、溶滴のサイズ、個数及びスパッタのサイズ、個数を求める、溶滴・スパッタの計算・解析処理（Ｓ６００）を行う。この解析結果を用いて、溶滴のサイズとスパッタの量が最小であり最適量であるか（ＯＫ）、否か（ＮＧ）を判定するための、溶滴・スパッタの判定処理（Ｓ７００）を行う。Ｓ７００において溶滴・スパッタの判定結果が、ＮＧの場合にはパルス時間を再設定する（Ｓ７５０）。一方Ｓ７００において溶滴・スパッタの判定結果がＯＫの場合には、最適な溶接条件となる最適パルス時間が得られたものとして、パルス時間設定のための溶接完了処理（Ｓ８００）を行う。
【００４３】
図６は溶滴のサイズの決定の手順を示すフローチャートであり、図７は撮像した画像の溶滴の検出領域の説明図である。以下、溶滴・スパッタの計算・解析処理（Ｓ６００）について説明する。アーク現象における溶滴１３のサイズは、ワイヤ成分や溶接条件によって変化し、大粒化すると溶滴の離脱が正常に行われず、スパッタ発生などの要因となる。そのため、溶滴１３のサイズの定量的な把握が重要である。溶滴サイズを決定するには、先ず取り込んだ画像における検出領域を設定する（Ｓ６１０）。図７に示すように、画像３０内でワイヤ１先端から母材２までの間に検出領域ＤＡを設定する。検出領域ＤＡはアークの発生位置に基づいて予め設定されている。検出領域ＤＡ内の画像を二値化し（Ｓ６１５）、検出領域の左右端から中央に向かう水平線上における、画像中の明るい部分と暗い部分の境界を検出する（Ｓ６２０）。これを検出領域の上下方向で多数の点でサンプリングして行う。画像中の溶滴１３の左側部分で得られた境界と、溶滴１３の右側部分で得られた境界との、境界間の距離を計算し記録する（Ｓ６２５）。境界間の距離の計算結果から溶滴１３の切れ目を検出する（Ｓ６３０）。切れ目の検出は、境界間の距離がゼロとなった場合に、切れ目があると判断している。切れ目を検出した画像に対し、水平方向に多数サンプリングして得られた点における境界間の距離の最大値を溶滴１３のサイズとして決定する。（Ｓ６３５）なお、詳細なステップは省略しているが、本処理では、画像毎に切れ目の判定を順次繰り返し、切れ目があると判断された場合、その画像について溶滴１３のサイズを算出している。
【００４４】
上記の手順により、所定のサンプリング時間において、溶滴１３が離脱する毎に全ての溶滴１３をナンバーリングして、溶滴サイズを決定する。そして、測定した全溶滴サイズの平均値を求めることで、溶滴の状態を定量的に把握することができる。
【００４５】
図８はスパッタ発生量を求める手法のフローチャートであり、図９はスパッタ発生量の解析に用いた画像の説明図であり、（ａ）は撮像した画像に検出線を設定した状態を示し、（ｂ）は輝度分布画像であり、（ｃ）は（ｂ）の輝度分布を画像処理した後の二値化画像である。スパッタ発生量を得るための手法は以下の通りである。まず図９（ａ）に示すように、画像３１のワイヤ１の両側に検出線ＤＬを設定する（Ｓ６５０）。検出線ＤＬの設定は、アーク発生位置から予め設定されている。本処理では、この検出線ＤＬを通過するスパッタを検出することで、スパッタの個数や大きさを求める。まず、検出線ＤＬ上の輝度分布を取り込んだ所定枚数毎の画像毎に記録する（Ｓ６５５）。次に記録した輝度分布を、図９（ｂ）に示すように、横軸を画像数、縦軸を検出線の位置とした輝度変化画像３２として再構成する。再構成した結果は、縦軸を検出線ＤＬ、横軸を時間変化として捉えることがことができ、検出線ＤＬ上を通過したスパッタを表現することができる。なお輝度変化画像３２には、ヒュームの発生に起因する濃度変化が存在するため、この影響を除外する必要がある。そこで、輝度変化画像にフィルタ処理（ハイパスフィルタ処理）を実施する（Ｓ６６０）。更にフィルタ処理した輝度変化画像を、一定のしきい値で二値化することにより（Ｓ６６５）、図９(c)に示すような二値画像３３が得られる。この二値画像における孤立点を、ひとつひとつ区別して（Ｓ６７０）、孤立点の個数と大きさ（面積）を求める（Ｓ６７５）。そして、孤立点のそれぞれを、スパッタ個数とスパッタ量に相関を持つ値とする（Ｓ６８０）。
【００４６】
図１０はパルス時間と溶滴のサイズ又はスパッタ量との関係を示すグラフである。図１０に示すように、パルスアーク溶接では、溶滴のサイズ及びスパッタ量が、共に極小となるパルス時間（最適パルス時間）が存在する。図２に示す溶滴・スパッタの判定処理（Ｓ７００）は、この最適パルス時間を決定する処理である。以下、具体例を用いて溶滴・スパッタの判定処理（Ｓ７００）とパルス時間の再設定処理（Ｓ７５０）について詳細に説明する。なお、以下の説明では溶滴のサイズ及びスパッタ量が極小となるパルス時間が一致している場合を想定している。したがって、溶滴のサイズ及びスパッタ量の何れも算出しているが、パルス時間Ｔｐの設定は、溶滴サイズの極小値のみを基準として行っている。表２は、母材としてＹＧＷ１２（ＤＳ１Ａ）：［ＪＩＳ記号（銘柄）］を用いた場合のアーク現象の画像解析結果を示すものであり、図１１は表２のパルス時間と溶滴サイズの関係を示すグラフである。
【００４７】
【表２】
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【００４８】
まず、図１１に示すように、連続する３点（Ａ１、Ａ２、Ａ３）のパルス時間を合番として、各パルス時間の溶滴サイズを比較する。溶接条件の設定処理（S１００）で説明したように、パルス時間Ｔｐの初期値は０．６ｍｓである。従ってスタート当初は０．６ｍｓ、０．７ｍｓ、０．８ｍｓの３つの条件の溶滴サイズを比較する。例えば、パルス時間Ｔｐが０．６ｍｓの時の溶滴のサイズをＡ１とし、同様に０．７ｍｓの時の溶滴のサイズをＡ２とし、０．８ｍｓの時の溶滴のサイズをＡ３とした場合、Ａ１＞Ａ２かつＡ３＞Ａ２を満足するか（ＯＫ）、否か（ＮＧ）を判定する。仮に判定結果がＯＫの場合にはＡ２の０．７ｍｓが最適条件となる。
【００４９】
また上記判定結果がＮＧの場合、パルス時間Ｔｐを０．１ｍｓ増加して、合番が更新され、０．７ｍｓの時の溶滴サイズをＡ１とし、０．８ｍｓの時の溶滴サイズをＡ２とし、０．９ｍｓの時の溶滴サイズをＡ３とした場合に、Ａ１＞Ａ２かつＡ３＞Ａ２を満足するかどうかを判定する。判定結果がＮＧの場合は、以下同様に、この判定結果がＯＫとなるまで、パルス時間の再設定処理（Ｓ７５０）で、パルス時間Ｔｐを１ステップあたり０．１ｍｓずつ増加させて、一連のアーク電圧のサンプリング（Ｓ３００）から溶滴・スパッタの解析処理（Ｓ６００）、及び溶滴・スパッタの判定処理（Ｓ７００）までの処理を繰り返す。
【００５０】
Ｓ７００の判定がＯＫになったならば、その時のＡ２のパルス時間を最適パルス時間として設定して、溶接（予備溶接）を完了する。表２及び図１１に示すデータによれば、溶滴サイズ及びスパッタ発生量が最小となるパルス時間（最適パルス時間）は、１．５ｍｓである。
【００５１】
以上のように図２に示すS１００〜S８００の処理工程からなる溶接評価方法を行うことで、スプレー化アーク電圧及び最適パルス時間が得られたならば、その溶接条件を活用して、実際の溶接作業を行うことで、信頼性の高いパルスアーク溶接を行うことができる。
【００５２】
また上記評価方法は、短時間で実施することができるから、母材の種類や、ワイヤの種類等を変える毎に、本番の溶接前に短時間の予備溶接を行い、適切な溶接条件を得て、この得られた溶接条件を用いて本溶接を行うことで、様々の母材やワイヤにおけるパルスアーク溶接を短時間で且つ容易に行うことが可能である。
【００５３】
上記実施例では、アークの画像データの画像処理を行う際に、溶滴のサイズとパルス時間との関係及びスパッタの量とパルス時間との関係を求めて、溶滴及びスパッタの両者の発生状況を解析しているが、本発明は、溶滴の発生状況又はスパッタの発生状況いずれか一方の発生状況を解析するだけでもよい。すなわち、溶滴のサイズとパルス時間との関係を求めて溶滴の発生状況のみを解析し、溶接状態の良否を判定しても良いし、スパッタの量とパルス時間との関係を求めて、スパッタの発生状況のみを解析し、溶接状態の良否を判定しても良い。
【００５４】
特にスパッタの発生状況を解析してパルス時間を決定することは、重要である。スパッタの発生状況を解析することは、溶滴のサイズを解析する場合と比較して、スパッタの発生は直接、溶接不良に結びつく現象であり、そのような現象を直接解析することから、より精度の高い溶接状態の判別を行うことができるという利点がある。
【００５５】
また、上記実施例では、図１０に示すように溶滴のサイズとパルス時間との関係と、スパッタの総量とパルス時間との関係を見た場合、両者の極小となるパルス時間が一致する場合について説明したが、溶滴のサイズとパルス時間の関係とスパッタの総量とパルス時間の関係において、両者の極小となるパルス時間が相違する場合もある。その場合には、両者のパルス時間を比較して、短いパルス時間を選択する。その理由は、実際の溶接作業においてパルス時間が短い方が、アーク長を短く設定することができ、溶滴がふらつかず、スムーズに離脱するためである。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】パルスアーク溶接装置の一実施例の概略を示す構成図である。
【図２】パルスアーク溶接の評価方法の手順を示すフローチャートである。
【図３】溶接電流のパルス波形を示す説明図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は図３のパルス波形の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の各点における溶滴の形態を示す説明図である。
【図５】アーク電圧と短絡回数の関係を示すグラフである。
【図６】溶滴のサイズを決定するための処理を示すフローチャートである。
【図７】図６の処理において用いる撮像画像の溶滴検出領域の説明図である。
【図８】スパッタ発生量の指標を得るための手法を示すフローチャートである。
【図９】スパッタ発生量の解析に用いた画像の説明図であり、（ａ）は撮像した画像に検出線設定した状態を示し、（ｂ）は輝度分布画像であり、（ｃ）は（ｂ）の輝度分布を画像処理した後の二値化画像である。
【図１０】パルス時間と、溶滴のサイズ又はスパッタ量との関係を示すグラフである。
【図１１】表２のパルス時間と溶滴サイズの関係を示すグラフである。
【図１２】アーク電圧と時間の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５７】
１  ワイヤ
１ａ  ワイヤの先端
２  母材
３  溶接電源
４  溶接トーチ
２０  パーソナルコンピュータ（ＰＣ）
２１  溶接電源の制御プログラム
２２  アーク電圧演算処理プログラム
２３  溶滴サイズ・スパッタ量解析プログラム
２４  アークの良否判定プログラム
２５  高速度ビデオカメラの制御プログラム
３１  画像
３２  輝度変化画像
３３  二値画像
１００  パルスアーク溶接装置
Ｉｐ  ピーク電流値
Ｉｂ  ベース電流値
Ｔｐ  パルス時間
ＤＡ  検出領域
ＤＬ  検出線
【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８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図７】
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【図９】
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