JP5545996B2 - 消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、短絡期間中の溶滴のくびれ現象を検出して溶接電流を減少させて溶接品質を向上させるための消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法に関するものである。

図５は、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを繰り返す消耗電極アーク溶接における電流・電圧波形及び溶滴移行を示す図である。同図（Ａ）は消耗電極（以下、溶接ワイヤ１という）を通電する溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接ワイヤ１と母材２との間に印加される溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）〜（Ｅ）は溶滴１ａの移行の様子を示す。以下、同図を参照して説明する。

時刻ｔ１〜ｔ３の短絡期間Ｔｓ中は溶接ワイヤ１先端の溶滴１ａが母材２と短絡した状態にあり、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは次第に増加し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは短絡状態にあるために数Ｖ程度の低い値となる。同図（Ｃ）に示すように、時刻ｔ１において溶滴１ａが母材２と接触して短絡状態に入る。その後、同図（Ｄ）に示すように、溶滴１ａを通電する溶接電流Ｉｗによる電磁的ピンチ力によって溶滴１ａ上部にくびれ１ｂが発生する。この電磁的ピンチ力は、溶接電流Ｉｗの値に比例して大きくなる。したがって、溶接電流Ｉｗを大きくすることによって、電磁的ピンチ力を大きくして、くびれ１ｂの形成を促進している。そしてこのくびれ１ｂが急速に進行して、時刻ｔ３において同図（Ｅ）に示すように、溶滴１ａは溶接ワイヤ１から溶融池２ａへと移行しアーク３が再発生する。

上記のくびれ現象が発生すると、数百μｓ程度の短い時間後に短絡が開放されてアーク３が再発生する。すなわち、このくびれ現象は短絡開放の前兆現象となる。くびれ１ｂが発生すると、溶接電流Ｉｗの通電路がくびれ部分で狭くなるために、くびれ部分の抵抗値が増大する。この抵抗値の増大は、くびれが進行してくびれ部分がより狭くなるほど大きくなる。したがって、短絡期間Ｔｓ中において溶接ワイヤ１と母材２との間の抵抗値の変化を検出することでくびれ現象の発生及び進行を検出することができる。この抵抗値の変化は、溶接電圧Ｖｗを溶接電流Ｉｗで除算することによって算出することができる。また、短絡期間Ｔｓ中の溶接電流Ｉｗの変化に比べて、くびれ形成後の抵抗値の変化の方が大きい。このために、抵抗値の変化に代えて溶接電圧Ｖｗの変化によってもくびれ現象の発生を検出することができる。具体的なくびれ検出方法としては、短絡期間Ｔｓ中の抵抗値又は溶接電圧値Ｖｗの変化率（微分値）を算出し、この微分値が予め定めたくびれ検出基準値Ｖtnに達したことによってくびれ検出を行う方法がある。また、他の方法として、同図（Ｂ）に示すように、短絡期間Ｔｓ中のくびれ発生前の安定した短絡電圧値Ｖｓからの電圧上昇値ΔＶを算出し、時刻ｔ２においてこの電圧上昇値ΔＶが予め定めたくびれ検出基準値Ｖtnに達したことによってくびれ検出を行う方法がある。以下の説明では、くびれ検出方法が上記の電圧上昇値ΔＶによる場合について説明するが、従来から種々提案されている他の方法であっても良い。時刻ｔ３のアーク再発生の検出は、溶接電圧Ｖｗがアーク判別値Ｖta以上になったことを判別して簡単に行うことができる。ちなみに、Ｖｗ＜Ｖtaの期間が短絡期間Ｔｓとなり、Ｖｗ≧Ｖtaの期間がアーク期間Ｔａとなる。時刻ｔ２〜ｔ３のくびれ発生を検出してからアーク再発生までの時間を、以下くびれ検出時間Ｔｎと呼ぶことにする。時刻ｔ３においてアークが再発生すると、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗはなだらかに減少し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは２０〜３０Ｖ程度のアーク電圧値になる。したがって、上記のアーク判別値Ｖtaは１０〜１５Ｖ程度に設定される。時刻ｔ３〜ｔ４のアーク期間Ｔａ中は、溶接ワイヤ１先端が溶融されて溶滴１ａが形成される。以後、時刻ｔ１〜ｔ４の期間の動作を繰り返す。

上述した短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを繰り返す消耗電極アーク溶接には、炭酸ガスアーク溶接、マグ溶接、ミグ溶接、短絡を伴うパルスアーク溶接等がある。炭酸ガスアーク溶接、マグ溶接及びミグ溶接の場合には、溶滴移行形態は、２００Ａ程度未満の電流領域では短絡移行形態となり、電流値が大きくなるとグロビュール移行形態となる。また、パルスアーク溶接の場合には、溶滴移行形態はスプレー移行形態となる。これらグロビュール移行形態及びスプレー移行形態においても、高速溶接等を行う場合にはアーク長を短く設定するので、短絡が発生する。したがって、この短絡を開放するために、上述したように、くびれ１ｂが形成されることになる。

上述した短絡を伴う溶接では、時刻ｔ３においてアーク３が再発生したときのアーク再発生時電流値Ｉａが大電流値であると、アーク３から溶融池２ａへのアーク力が急峻に大きくなり、大量のスパッタが発生する。すなわち、アーク再発生時電流値Ｉａの値に略比例してスパッタ発生量が増加する。このため、スパッタの発生を抑制するためには、このアーク再発生時電流値Ｉａを小さくする必要がある。このための方法として、上記のくびれ現象の発生を検出して溶接電流Ｉｗを減少させてアーク再発生時電流値Ｉａを小さくするくびれ検出制御方法を付加した溶接電源が従来から種々提案されている。以下、この従来技術（例えば、特許文献１参照）について説明する。

図６は、従来技術のくびれ検出制御方法を搭載した溶接装置のブロック図である。溶接電源ＰＳは、一般的な消耗電極アーク溶接用の溶接電源であり、溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力すると共に、後述する送給速度設定信号Ｆｒに対応して送給モータＷＭの回転を制御するための送給制御信号Ｆｃを送給モータＷＭに出力する。トランジスタＴＲは出力に直列に挿入され、それと並列に減流抵抗器Ｒが接続されている。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て、母材２との間にアーク３が発生する。送給速度設定回路ＦＲは、溶接ワイヤ１の送給速度を設定するための予め定めた送給速度設定信号Ｆｒを溶接電源ＰＳに出力する。溶接ワイヤ１は、送給速度設定信号Ｆｒによって定まる送給速度で前進送給される。

電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して電圧検出信号Ｖｄを出力する。電流検出回路ＩＤは、溶接電流Ｉｗを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。くびれ検出基準値設定回路ＶＴＮは、予め定めたくびれ検出基準値信号Ｖtnを出力する。くびれ検出回路ＮＤは、このくびれ検出基準値信号Ｖtn、上記の電圧検出信号Ｖｄ及び上記の電流検出信号Ｉｄを入力として、上述したように短絡期間中の電圧上昇値ΔＶがくびれ検出基準値信号Ｖtnの値に達した時点でＨｉｇｈレベルとなり、アークが再発生して電圧検出信号Ｖｄの値がアーク判別値Ｖta以上になった時点でＬｏｗレベルになるくびれ検出信号Ｎｄを出力する。したがって、このくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルの期間が上記のくびれ検出時間Ｔｎとなる。上述したように、短絡期間中の電圧検出信号Ｖｄの微分値がくびれ検出基準値信号Ｖtnの値に達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。さらに、電圧検出信号Ｖｄの値を電流検出信号Ｉｄの値で除算して溶滴の抵抗値を算出し、この抵抗値の微分値がくびれ検出基準値信号Ｖtnの値に達した時点でくびれ検出信号ＮｄをＨｉｇｈレベルに変化させるようにしても良い。駆動回路ＤＲは、このくびれ検出信号ＮｄがＬｏｗレベルのとき（非くびれ検出時）は上記のトランジスタＴＲをオン状態にする駆動信号Ｄｒを出力する。したがって、上記のトランジスタＴＲは、上記のくびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルのとき（くびれ検出時）はオフ状態になる。

図７は、上記の溶接装置の各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）はくびれ検出信号Ｎｄの時間変化を示し、同図（Ｄ）は駆動信号Ｄｒの時間変化を示す。以下、同図を参照して説明する。

同図において、時刻ｔ２〜ｔ３のくびれ検出時間Ｔｎ以外の期間は、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルであるので、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになる。この結果、トランジスタＴＲはオン状態になるので、通常の消耗電極アーク溶接用の溶接装置と同一の動作となる。

時刻ｔ２において、同図（Ｂ）に示すように、短絡期間Ｔｓ中に溶接電圧Ｖｗが上昇して電圧上昇値ΔＶが予め定めたくびれ検出基準値Ｖtn以上になったことを検出して溶滴にくびれが発生したと判別すると、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルになる。これに応動して、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＬｏｗレベルになるので、トランジスタＴＲはオフ状態になる。この結果、減流抵抗器Ｒが溶接電流Ｉｗの通電路に挿入される。この減流抵抗器Ｒの値は、短絡負荷（０．０１〜０．０３Ω
程度）の１０倍以上大きな値（０．５〜３Ω程度）に設定される。このために、溶接電源内の直流リアクトル及びケーブルのリアクトルに蓄積されたエネルギーが急放電されて、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは急激に減少して小電流値となる。ここで、溶接電源ＰＳの出力電圧が５０Ｖであり、減流抵抗器Ｒが１Ωであるとすると、この小電流値は５０Ａとなる。時刻ｔ３において、短絡が開放されてアークが再発生すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗが予め定めたアーク判別値Ｖta以上になる。これを検出して、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルになり、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルになる。この結果、トランジスタＴＲはオン状態になり、通常の消耗電極アーク溶接の制御となる。時刻ｔ３において、アークが再発生してトランジスタＴＲがオン状態になると、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、所定の高レベルへと増加した後に送給速度によって定まる値に収束する。この動作によって、アーク再発生時（時刻ｔ３）のアーク再発生時電流値Ｉａを小さくすることができるので、スパッタの発生を抑制することができる。くびれを検出したときに溶接電流Ｉｗを急速に減少させる手段として、上記では減流抵抗器Ｒを通電路に挿入する方法を説明した。これ以外の手段として、溶接装置の出力端子間にコンデンサをスイッチング素子を介して並列に接続し、くびれを検出するとスイッチング素子をオン状態にしコンデンサから放電電流を通電して溶接電流Ｉｗを急速に減少させる方法もある（例えば、特許文献２参照）。

上述したくびれ検出制御方法では、スパッタ発生量の抑制効果を大きくするためには、くびれの発生を正確に検出することが重要となる。くびれの発生及びその進行状態は、シールドガスの種類、溶接ワイヤの種類、溶接継手、溶接ワイヤの送給速度、溶接姿勢等の溶接条件によって変化する。このために、溶接条件に応じてくびれの発生を検出する感度を適正化する必要がある。このくびれ検出の感度は、上記のくびれ検出基準値Ｖtnを増減させることによって調整することができる。すなわち、くびれ検出基準値Ｖtnを増加させると感度は低くなり、逆に減少させると感度は高くなる。くびれ検出基準値Ｖtnが大きすぎると感度が低すぎることになり、上記のくびれ検出時間Ｔｎが短くなりすぎてアーク再発生までに溶接電流を充分に減少させることができないので、スパッタ発生量の抑制効果が小さくなる。逆に、くびれ検出基準値Ｖtnが小さすぎると感度は高すぎることになり、上記のくびれ検出時間Ｔｎが長くなりすぎてアークがなかなか再発生しないために溶接状態が不安定になる。したがって、上記のくびれ検出時間Ｔｎが、５０〜１０００μｓ程度の範囲になるときが、くびれ検出基準値Ｖtnが適正値に設定されているときであると言える。

上述したように、くびれ検出基準値Ｖtnは溶接条件に応じて適正値に設定されている。しかし、送給速度の変動、溶融池の不規則な運動、溶滴形状のバラツキ等の変動要因によって、くびれ検出基準値Ｖtnを適正化していても、くびれ検出時間Ｔｎはバラツキを生じる。このバラツキの範囲が、上述したように、５０〜１０００μｓ程度であるときは、スパッタの発生及び溶接状態の安定性にそれほど悪影響はない。また、くびれ検出時間Ｔｎが、ときたま５０μｓ未満になっても、少しスパッタが増える程度であり、大きな問題ではない。反面、くびれ検出時間Ｔｎが１０００μｓを超え、特に２０００μｓ以上になると、溶接状態が不安定になり、アークが再発生しない状態に至ることも生じる。このために、くびれを検出した時点からの経過時間が基準時間に達してもアークが再発生していないときは、溶接電流Ｉｗを増加させて電磁的ピンチ力を大きくすることでくびれの進行を促進してアークの再発生を導く補償制御が慣用されている。以下、この補償制御（例えば、特許文献３参照）について説明する。

図８は、補償制御について説明するための上述した図７に対応する各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）はくびれ検出信号Ｎｄの時間変化を示し、同図（Ｄ）は駆動信号Ｄｒの時間変化を示す。同図において、時刻ｔ２１〜ｔ３の期間の動作以外は、図７と同一であるのでそれらの説明は省略する。以下、同図を参照して時刻ｔ２１〜ｔ３の期間の動作について説明する。

時刻ｔ２のくびれ検出時点からの経過時間ｔが、時刻ｔ２１において基準時間Ｔｔに達したときに、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗはアーク判別値Ｖta未満であるので、アークはまだ再発生していない。このために、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒをＨｉｇｈレベルに変化させる。駆動信号ＤｒがＨｉｇｈレベルになると、図６のトランジスタＴＲがオン状態になるので、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは増加して所定値となる。溶接電流Ｉｗが大きくなると、電磁的ピンチ力も大きくなるので、くびれの進行が促進されて、時刻ｔ３においてアークが再発生する。時刻ｔ３において、アークが再発生すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗはアーク判別値Ｖta以上のアーク電圧値となり、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗはそれ以降なだらかに減少して定常値に収束する。同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号Ｎｄは、時刻ｔ２のくびれ検出時点から時刻ｔ３のアーク再発生までＨｉｇｈレベルになる。同図（Ｄ）に示すように、駆動信号Ｄｒは、時刻ｔ２１からＨｉｇｈレベルとなる。上記の基準時間Ｔｔは、１０００μｓ程度に設定される。

特開２００６−２８１２１９号公報 特開２００５−２８８５４０号公報 特開２００６−１１６５８５号公報

上述したように、くびれ検出時点からの経過時間が基準時間に達してもアークが再発生していないときは、溶接電流を増加させることによって、溶接状態が不安定になることを防止している。しかし、このような補償制御を行うと、図８（Ａ）に示すように、時刻ｔ３においてアークが再発生したときの電流値が大きな値になるために、大粒のスパッタが発生することになる。また、電流を減少させていた期間（時刻ｔ２〜ｔ２１の期間）が長いために、溶融池及び溶滴の温度が低下するので、電流を増加させてもアークの再発生が円滑には行われずに溶接ビード外観が悪くなることも生じる。

そこで、本発明では、くびれ検出時点からの経過時間が基準時間に達してもアークが再発生していないときに、スパッタの発生を増やすことなく円滑にアークの再発生を行わせることができる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、溶接トーチから溶接ワイヤを前進送給すると共に、溶接ワイヤと母材との間でアーク発生状態と短絡状態とを繰り返す消耗電極アーク溶接にあって、短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれを溶接ワイヤと母材との間の電圧値又は抵抗値の変化がくびれ検出基準値に達したことによって検出し、このくびれ検出時点から短絡負荷に通電する溶接電流を減少させた状態でアークを再発生させ、アークが再発生すると溶接電流を増加させる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、
前記くびれ検出時点からの経過時間がアークが再発生する前に予め定めた基準時間に達したときは、溶接ワイヤを後退移動させて母材から引き離すことによってアークを再発生させ、アークが再発生すると前記後退移動を停止させる、
ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。

請求項２の発明は、前記溶接電流の増加及び前記後退移動の停止を、前記アーク再発生時点から予め定めた遅延時間だけ遅延させる、
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くびれ検出制御方法である。

請求項３の発明は、前記後退移動が溶接ワイヤの後退送給であり、前記後退移動の停止が前記後退送給を停止して前記前進送給に戻すことである、
ことを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。

請求項４の発明は、前記後退移動が、前記溶接トーチを後退移動させてトーチ高さを高くすることであり、前記後退移動の停止後に前記溶接トーチを前進移動させて前記トーチ高さを元に戻す、
ことを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法である。

本発明によれば、くびれ検出時点からの経過時間がアークが再発生する前に基準時間に達したときは、溶接ワイヤを後退移動させて母材から引き離すことによってアークを再発生させる。これにより、小電流値のままで確実にアークを再発生させることができるので、スパッタの発生を増やすことなく円滑にアークの再発生を行わせることができる。

本発明の実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。 図１の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。 本発明の実施の形態２に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。 図３の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。 従来技術において、短絡期間Ｔｓとアーク期間Ｔａとを繰り返す消耗電極アーク溶接における電流・電圧波形及び溶滴移行を示す図である。 従来技術のくびれ検出制御方法を搭載した溶接装置のブロック図である。 図６の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。 従来技術における補償制御について説明するための上述した図７に対応する各信号のタイミングチャートである。

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。

［実施の形態１］
実施の形態１に係る発明は、くびれ検出時点からの経過時間ｔがアークが再発生する前に予め定めた基準時間Ｔｔに達したときは、溶接ワイヤを後退移動させて母材から引き離すことによって、小電流値の状態のままでアークを再発生させ、アークが再発生すると前記後退移動を停止させるものである。実施の形態１では、上記の溶接ワイヤの後退移動を後退送給によって行う。したがって、上記の後退移動の停止とは、後退送給を停止して、通常の前進送給に戻すことを意味している。以下、この実施の形態１について説明する。

図１は、本発明の実施の形態１に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。同図において、上述した図６と同一のブロックには同一符号を付して、それらの説明は省略する。同図は、破線で示す遅延回路ＮＤＤを追加し、図６の駆動回路ＤＲを破線で示す第２駆動回路ＤＲ２に置換し、破線で示す後退移動制御回路ＲＣを追加し、図６の送給速度設定回路ＦＲを破線で示す第２送給速度設定回路ＦＲ２に置換したものである。以下、同図を参照して、これらのブロックについて説明する。

遅延回路ＮＤＤは、くびれ検出信号Ｎｄを入力として、この信号を予め定めた遅延時間Ｔｄだけオフディレイさせたくびれ検出遅延信号Ｎddを出力する。このくびれ検出遅延信号Ｎddは、くびれ検出時点でＨｉｇｈレベルになり、アークが再発生した時点から遅延時間Ｔｄだけ遅延した時点でＬｏｗレベルになる信号である。第２駆動回路ＤＲ２は、このくびれ検出遅延信号Ｎddを入力として、この信号がＨｉｇｈレベル（くびれ検出期間）のときは駆動信号Ｄｒを停止してトランジスタＴＲをオフ状態にし、Ｌｏｗレベル（非くびれ検出期間）のときは駆動信号Ｄｒを出力してトランジスタＴＲをオン状態にする。

後退移動制御回路ＲＣは、上記のくびれ検出信号Ｎｄ及び上記のくびれ検出遅延信号Ｎddを入力として、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベル（くびれ検出期間）になった時点から予め定めた基準時間Ｔｔが経過した時点でまだＨｉｇｈレベルであったときは後退移動制御信号ＲｃをＨｉｇｈレベルにセットし、くびれ検出遅延信号ＮddがＬｏｗレベルに変化した時点で後退移動制御信号ＲｃをＬｏｗレベルにリセットする。したがって、この後退移動制御信号Ｒｃは、くびれ検出時点からの経過時間が基準時間Ｔｔに達したときにアークが再発生していないときはＨｉｇｈレベルになり、アークが再発生した時点から遅延時間Ｔｄだけ遅延した時点でＬｏｗレベルになる信号である。第２送給速度設定回路ＦＲ２は、この後退移動制御信号Ｒｃを入力として、この信号がＬｏｗレベルのときは予め定めた正の値の前進送給速度設定値Ｆfrを送給速度設定信号Ｆｒとして出力し、Ｈｉｇｈレベルのときは予め定めた負の値の後退送給速度設定値Ｆrrを送給速度設定信号Ｆｒとして出力する。溶接電源ＰＳは、送給速度設定信号Ｆｒを入力として、この信号の値が前進送給速度設定値Ｆfrのときは溶接ワイヤ１を前進送給するための送給制御信号Ｆｃを出力し、後退送給速度設定値Ｆrrのときは溶接ワイヤ１を後退送給するための送給制御信号Ｆｃを出力する。

図２は、図１で上述した溶接装置の各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）はくびれ検出信号Ｎｄの時間変化を示し、同図（Ｄ）は駆動信号Ｄｒの時間変化を示し、同図（Ｅ）はくびれ検出遅延信号Ｎddの時間変化を示し、同図（Ｆ）は後退移動制御信号Ｒｃの時間変化を示し、同図（Ｇ）は送給速度設定信号Ｆｒの時間変化を示す。同図は、くびれ検出時点からの経過時間が基準時間Ｔｔに達しても、アークが再発生していない場合のタイミングチャートである。同図は、上述した図７及び図８と対応しており、時刻ｔ２１〜ｔ３１の期間の動作が異なっている。この期間以外は動作は同一であるので、説明は省略する。以下、同図を参照して、異なる動作の期間について説明する。

時刻ｔ２において、くびれを検出すると、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＨｉｇｈレベルに変化し、これに応動して、同図（Ｅ）に示すように、くびれ検出遅延信号ＮddもＨｉｇｈレベルに変化する。このくびれ検出遅延信号ＮddがＨｉｇｈレベルに変化すると、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＬｏｗレベルに変化するので、トランジスタＴＲはオフ状態になり、通電路に減流抵抗器Ｒが挿入されることになる。このために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは減少して小電流値（１０〜１００Ａ程度）になる。くびれの検出方法は、上述した従来技術と同様である。また、減流抵抗器Ｒの値についても、上述した従来技術と同様である。

同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルに変化した時点（くびれ検出時点）から経過時間が基準時間Ｔｔに達する時刻ｔ２１において、同図（Ｆ）に示すように、後退移動制御信号ＲｃがＨｉｇｈレベルになる。これに応動して、同図（Ｇ）に示すように、送給速度設定信号Ｆｒは、予め定めた正の値の前進送給速度設定値Ｆfrから予め定めた負の値の後退送給速度設定値Ｆrrに切り換わり、溶接ワイヤは母材から離れる方向に後退送給される。時刻ｔ３において、この後退送給によって溶接ワイヤが母材からはなれると、アークが再発生する。アークが再発生すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗはアーク判別値Ｖta以上のアーク電圧値に急上昇する。時刻ｔ３のアーク再発生時の溶接電流Ｉｗの値は、同図（Ａ）に示すように、小電流値のままであるので、スパッタの発生は少ない。また、後退送給によってワイヤ先端を母材から引き離してアークを発生させるので、安定したアーク再発生を実現できる。

同図（Ｂ）に示すように、時刻ｔ３において、溶接電圧Ｖｗの値がアーク判別値Ｖta以上になったことを判別してアークの再発生を判別すると、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルに変化する。そして、同図（Ｅ）に示すように、くびれ検出遅延信号Ｎddは時刻ｔ３から遅延時間Ｔｄだけオフディレイされて、時刻ｔ３１においてＬｏｗレベルになる。これに応動して時刻ｔ３１において、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルに変化するので、トランジスタＴＲはオン状態になり、減流抵抗器Ｒは短絡される。これに応動して、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、高レベルにまで増加する。同時に時刻ｔ３１において、同図（Ｆに示すように、後退移動制御信号ＲｃがＬｏｗレベルになるので、同図（Ｇ）に示すように、送給速度設定信号Ｆｒは、負の値の後退送給速度設定値Ｆrrから正の値の前進送給速度設定値Ｆfrに切り換わる。この結果、溶接ワイヤは、通常通り前進送給される。

上記の動作を整理すると以下のようになる。同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、時刻ｔ２のくびれ検出時点から減少し、時刻ｔ３にアークが再発生して遅延時間Ｔｄが経過した時点まで小電流値のままで維持される。同図（Ｇ）に示すように、溶接ワイヤは、時刻ｔ２のくびれ検出時点からの経過時間が基準時間Ｔｔに達する時刻ｔ２１において後退送給に切り換えられ、遅延時間Ｔｄ経過後の時刻ｔ３１において前進送給に戻される。

上記の基準時間Ｔｔは、５００〜１５００μｓ程度に設定される。基準時間Ｔｔは、溶接電流の平均値、シールドガスの種類、溶接ワイヤの種類等に応じて実験によって適正値に設定される。これは、溶接条件によってくびれ検出時点からアークが再発生するまでの時間のバラツキが異なるためである。バラツキがおおきいほど基準時間Ｔｔは大きな値に設定される。遅延時間Ｔｄは、０〜２０００μｓ程度に設定される。Ｔｄ＝０とは、遅延させない場合である。実施の形態１において、遅延時間Ｔｄを０に設定しても良い。この遅延時間Ｔｄを設ける理由は、以下のとおりである。すなわち、アーク再発生直後はアーク長が非常に短いために、溶融池の振動、溶接ワイヤの送給振動等によって再短絡が発生することがある。再短絡が発生すると、スパッタが発生し、溶接状態も不安定になる。したがって、アーク再発生後も後退送給を維持し、溶接電流を小電流値に維持することによって、再短絡の発生を防止している。この遅延時間Ｔｄは、溶接電流の平均値、溶接継手、溶接速度等に応じて実験によって適正値に設定される。これは、溶接条件によって再短絡の発生しやすさが異なるためである。前進送給速度設定値Ｆfrは、一般的な消耗電極アーク溶接と同様に、母材の板厚、溶接継手、溶接速度等に応じて適正値に設定される。その設定範囲は、２〜２０m/min程度である。後退送給速度設定値Ｆrrは、後退送給開始後にできるだけ速やかにアークが再発生するようにするために、３０〜５０m/min程度に設定される。また、前進送給から後退送給への切り換え及び後退送給から前進送給への切り換えを早くするために、送給モータＷＭには過渡応答性の良いサーボモータ等を使用することが望ましい。さらには、送給モータＷＭから溶接トーチ先端までの長さは短いほど過渡応答性が良くなるので、２ｍ以下である方が良く、１ｍ以下であることが望ましい。

実施の形態１において、くびれ検出時点からの経過時間が基準時間Ｔｔに達する前にアークが再発生する通常の場合のタイミングチャートは、上述した図７とほぼ同様になる。すなわち、溶接ワイヤの後退送給は行われずに、定速での前進送給のみが行われる。但し、溶接電流Ｉｗが増加を開始するタイミングは、遅延時間Ｔｄが経過した後である。

上述した実施の形態１によれば、くびれ検出時点からの経過時間がアークが再発生する前に基準時間に達したときは、溶接ワイヤを後退移動させて母材から引き離すことによってアークを再発生させる。これにより、小電流値のままで確実にアークを再発生させることができるので、スパッタの発生を増やすことなく円滑にアークの再発生を行わせることができる。さらに、溶接ワイヤの後退送給は、くびれ検出時点からの経過時間が基準時間に達したときにのみ行われるので、短絡回数に占める後退送給を行う回数の頻度は低い。このために、送給モータに過剰な負荷を強いることがないので、送給モータの信頼性も高くなる。

［実施の形態２］
実施の形態２に係る発明は、実施の形態１と同様に、くびれ検出時点からの経過時間ｔがアークが再発生する前に予め定めた基準時間Ｔｔに達したときは、溶接ワイヤを後退移動させて母材から引き離すことによって、小電流値の状態のままでアークを再発生させ、アークが再発生すると前記後退移動を停止させるものである。実施の形態２では、上記の溶接ワイヤの後退移動を溶接トーチを後退移動させてトーチ高さＬｔを高くすることによって行う。そして、後退移動の停止後は、溶接トーチを前進移動させてトーチ高さＬｔを元の高さに戻す。後退移動の間も、溶接ワイヤの前進送給は継続される。以下、この実施の形態２について説明する。

図３は、本発明の実施の形態２に係る消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。同図において、上述した図６及び図１と同一のブロックには同一符号を付して、それらの説明は省略する。同図は、図１に、破線で示すロボット制御装置ＲＣＥ及びロボット本体ＲＭを追加し、図１の後退移動制御回路ＲＣを破線で示す第２後退移動制御回路ＲＣ２に置換し、図１の第２送給速度設定回路ＦＲ２を破線で示す第３送給速度設定回路ＦＲ３に置換したものである。以下、同図を参照して、これらのブロックについて説明する。

第２後退移動制御回路ＲＣ２は、くびれ検出信号Ｎｄ及びくびれ検出遅延信号Ｎddを入力として、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベル（くびれ検出期間）になった時点から予め定めた基準時間Ｔｔが経過した時点でまだＨｉｇｈレベルであったときは後退移動制御信号ＲｃをＨｉｇｈレベルにセットし、くびれ検出遅延信号ＮddがＬｏｗレベルに変化した時点で後退移動制御信号ＲｃをＬｏｗレベルにリセットし、この後退移動制御信号Ｒｃを第３送給速度設定回路ＦＲ３及びロボット制御装置ＲＣＥに出力する。したがって、この後退移動制御信号Ｒｃは、くびれ検出時点からの経過時間が基準時間Ｔｔに達したときにアークが再発生していないときはＨｉｇｈレベルになり、アークが再発生した時点から遅延時間Ｔｄだけ遅延した時点でＬｏｗレベルになる信号である。第３送給速度設定回路ＦＲ３は、この後退移動制御信号Ｒｃを入力として、この信号がＬｏｗレベルのときは予め定めた正の値の前進送給速度設定値Ｆfrを送給速度設定信号Ｆｒとして出力し、Ｈｉｇｈレベルのときは予め定めた０以上の値の第２前進送給速度設定値Ｆfr2を送給速度設定信号Ｆｒとして出力する。ここで、０≦Ｆfr2≦Ｆfrである。すなわち、第２送給速度設定値Ｆfr2は、定常溶接時の送給速度である前進送給速度設定値Ｆfrと同じ値又はそれよりも小さな値に設定される。溶接電源ＰＳは、送給速度設定信号Ｆｒを入力として、この信号の値が前進送給速度設定値Ｆfrのときは溶接ワイヤ１をその値に相当する送給速度で前進送給するための送給制御信号Ｆｃを出力し、第２前進送給速度設定値Ｆfr2のときは溶接ワイヤ１をその値に相当する送給速度で前進送給（送給停止も含む）するための送給制御信号Ｆｃを出力する。

ロボット制御装置ＲＣＥは、上記の後退移動制御信号Ｒｃを入力として、ロボット本体ＲＭに取り付けられた溶接トーチ４を予め作成された作業プログラムに従って移動させるための動作制御信号Ｍｃをロボット本体ＲＭに出力する。通常の溶接においては、溶接トーチ４は、給電チップ先端と母材２との距離（以下、トーチ高さＬｔという）を予め定めた基準高さＬt0に維持したままで、予め定めた溶接速度で溶接線に沿って移動する。しかし、本実施の形態では、溶接トーチ４は、溶接線に沿っての移動を行いながら、上記の後退移動制御信号ＲｃがＨｉｇｈレベルに変化するとトーチ高さＬｔが高くなる方向に後退移動し、Ｌｏｗレベルに変化するとトーチ高さＬｔが低くなる方向に前進移動して上記の基準高さＬt0に復帰する。この動作の詳細については、図４で詳述する。溶接トーチ４の姿勢に前進角又は後退角がある場合には、トーチ高さＬｔはワイヤ送給方向にその高さを測定する。ロボット本体ＲＭは、多関節型マニュピュレータであり、上記の動作制御信号Ｍｃによって、取り付けられている複数個のサーボモータが駆動される。ロボット本体ＲＭには、送給モータＷＭを含む送給装置及び溶接トーチ４が搭載されている。

図４は、図３で上述した溶接装置の各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）はくびれ検出信号Ｎｄの時間変化を示し、同図（Ｄ）は駆動信号Ｄｒの時間変化を示し、同図（Ｅ）はくびれ検出遅延信号Ｎddの時間変化を示し、同図（Ｆ）は後退移動制御信号Ｒｃの時間変化を示し、同図（Ｇ）は送給速度設定信号Ｆｒの時間変化を示し、同図（Ｈ）はトーチ高さＬｔの時間変化を示す。同図は、くびれ検出時点からの経過時間が基準時間Ｔｔに達しても、アークが再発生していない場合のタイミングチャートである。同図は、上述した図１と対応しており、同図（Ｈ）のトーチ高さＬｔを追加している。は、図１とは、時刻ｔ２１〜ｔ３２の期間の動作が異なっている。この期間以外の期間の動作は同一であるので、同一期間についての説明は省略する。以下、同図を参照して、異なる動作の期間について説明する。

時刻ｔ２において、くびれを検出すると、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＨｉｇｈレベルに変化し、これに応動して、同図（Ｅ）に示すように、くびれ検出遅延信号ＮddもＨｉｇｈレベルに変化する。このくびれ検出遅延信号ＮddがＨｉｇｈレベルに変化すると、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＬｏｗレベルに変化するので、トランジスタＴＲはオフ状態になり、通電路に減流抵抗器Ｒが挿入されることになる。このために、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは減少して小電流値（１０〜１００Ａ程度）になる。くびれの検出方法は、上述した従来技術と同様である。また、減流抵抗器Ｒの値についても、上述した従来技術と同様である。

同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄがＨｉｇｈレベルに変化した時点（くびれ検出時点）から経過時間が基準時間Ｔｔに達する時刻ｔ２１において、同図（Ｆ）に示すように、後退移動制御信号ＲｃがＨｉｇｈレベルになる。これに応動して、同図（Ｇ）に示すように、送給速度設定信号Ｆｒは予め定めた正の値の前進送給速度設定値Ｆfrから予め定めた正の値の第２前進送給速度設定値Ｆfr2に切り換わり、溶接ワイヤは前進送給（送給停止を含む）を継続する。同図ではＦfr2＜Ｆfrの場合を示しているので、溶接ワイヤの前進送給の送給速度が減速される。同時に時刻ｔ２１において、ロボット制御装置ＲＣＥは溶接トーチの後退移動を開始するので、同図（Ｈ）に示すように、トーチ高さＬｔはそれまでの基準高さＬt0から次第に高くなる。ここで、溶接トーチを後退移動させる速度が、上記の第２前進送給速度設定値Ｆfr2よりも早くなるように設定する。このようにすると、ワイヤ先端は後退移動することになる。

時刻ｔ３において、上記の溶接トーチの後退移動によって溶接ワイヤが母材からはなれると、アークが再発生する。アークが再発生すると、同図（Ｂ）に示すように、溶接電圧Ｖｗはアーク判別値Ｖta以上のアーク電圧値に急上昇する。時刻ｔ３のアーク再発生時の溶接電流Ｉｗの値は、同図（Ａ）に示すように、小電流値のままであるので、スパッタの発生は少ない。また、溶接トーチの後退移動によってワイヤ先端を母材から引き離してアークを発生させるので、安定したアーク再発生を実現できる。

同図（Ｂ）に示すように、時刻ｔ３において、溶接電圧Ｖｗの値がアーク判別値Ｖta以上になったことを判別してアークの再発生を判別すると、同図（Ｃ）に示すように、くびれ検出信号ＮｄはＬｏｗレベルに変化する。そして、同図（Ｅ）に示すように、くびれ検出遅延信号Ｎddは時刻ｔ３から遅延時間Ｔｄだけオフディレイされて、時刻ｔ３１においてＬｏｗレベルになる。これに応動して時刻ｔ３１において、同図（Ｄ）に示すように、駆動信号ＤｒはＨｉｇｈレベルに変化するので、トランジスタＴＲはオン状態になり、減流抵抗器Ｒは短絡される。これに応動して、同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、高レベルにまで増加する。同時に時刻ｔ３１において、同図（Ｆ）に示すように、後退移動制御信号ＲｃがＬｏｗレベルになるので、同図（Ｇ）に示すように、送給速度設定信号Ｆｒは、正の値の第２前進送給速度設定値Ｆfr2から正の値の前進送給速度設定値Ｆfrに切り換わる。この結果、溶接ワイヤは、定常送給速度（前進送給速度設定値Ｆfr）で前進送給される。同時に時刻ｔ３１において、ロボット制御装置ＲＣＥは溶接トーチの前進移動を開始するので、同図（Ｈ）に示すように、トーチ高さＬｔは次第に低くなる。そして、同図（Ｈ）に示すように、トーチ高さＬｔが上記の基準高さＬt0に復帰した時点（時刻ｔ３２）で、溶接トーチの前進移動は停止する。但し、上述したように、溶接トーチの後退移動又は前進移動とは関係なしに、溶接トーチは溶接線に沿って移動している。溶接トーチの前進移動及び後退移動は、ワイヤ送給方向に昇降するように行われる。

上記の動作を整理すると以下のようになる。同図（Ａ）に示すように、溶接電流Ｉｗは、時刻ｔ２のくびれ検出時点から減少し、時刻ｔ３にアークが再発生して遅延時間Ｔｄが経過した時点まで小電流値のままで維持される。同図（Ｇ）に示すように、溶接ワイヤは、時刻ｔ２のくびれ検出時点からの経過時間が基準時間Ｔｔに達する時刻ｔ２１において第２前進送給速度に切り換えられ、遅延時間Ｔｄ経過後の時刻ｔ３１において前進送給速度（定常送給速度）に戻される。同図（Ｈ）に示すように、トーチ高さＬｔは、時刻ｔ２のくびれ検出時点からの経過時間が基準時間Ｔｔに達する時刻ｔ２１において後退移動を開始し、遅延時間Ｔｄ経過後の時刻ｔ３１において前進移動を開始して時刻ｔ３２において基準高さＬt0に戻る。

上記の基準時間Ｔｔ、遅延時間Ｔｄ及び前進送給速度設定値Ｆfrの設定方法については、実施の形態１と同様である。溶接トーチの後退移動の速度は、時刻ｔ２１〜ｔ３の時間を短くして速やかにアークが再発生するようにするために、３０〜７０m/min程度の範囲で実験によって適正値に設定される。（ワイヤ先端の後退移動の速度）＝（溶接トーチの後退移動の速度）−（第２前進送給速度）となる。したがって、前進送給速度設定値Ｆfrが大きい値であるときは、第２前進送給速度設定値Ｆfr2をＦfrよりも小さな値に設定することによって、ワイヤ先端の後退移動の速度を速くしてアークの再発生を速やかにすることができる。第２前進送給速度設定値Ｆfr2は、０≦Ｆfr2≦Ｆfrの範囲で設定される。すなわち、第２前進送給速度設定値Ｆfr2は、０に設定されると送給停止となり、Ｆfrと同じ値に設定されると溶接中前進送給速度設定値Ｆfrの一定値で送給されることになる。溶接トーチの前進移動の速度は、１〜５m/min程度の範囲で実験によって適正値に設定される。（ワイヤ先端の前進移動の速度）＝（前進送給速度）＋（溶接トーチの前進移動の速度）となる。したがって、溶接トーチの前進移動の速度があまり速いと、ワイヤ先端の前進移動の速度が速くなり過ぎて、アーク状態が不安定になる。時刻ｔ３１〜ｔ３２の時間を短くして速やかに定常状態に収束させつつも、アーク状態が不安定にならないように、溶接トーチの前進移動の速度は決定される。

実施の形態２において、くびれ検出時点からの経過時間が基準時間Ｔｔに達する前にアークが再発生する通常の場合のタイミングチャートは、上述した図７とほぼ同様になる。すなわち、溶接ワイヤが第２送給速度に切り換わることはなく、定速での前進送給のみが行われる。溶接トーチの後退移動及び前進移動も行われない。但し、溶接電流Ｉｗが増加を開始するタイミングは、遅延時間Ｔｄが経過した後である。

上述した実施の形態２によれば、溶接ワイヤの後退移動を溶接トーチの後退移動によって行うことで、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。溶接トーチの後退移動は、ロボットによって行うので、実施の形態１のように過渡応答性に優れた送給モータを使用する必要がなく、コストが安価になる。さらには、実施の形態１のように溶接トーチの長さを短くする必要がないので、作業性が向上する。

１ 溶接ワイヤ
１ａ 溶滴
１ｂ くびれ
２ 母材
２ａ 溶融池
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
ＤＲ 駆動回路
Ｄｒ 駆動信号
ＤＲ２ 第２駆動回路
Ｆｃ 送給制御信号
Ｆfr 前進送給速度設定値
Ｆfr2 第２前進送給速度設定値
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
ＦＲ２ 第２送給速度設定回路
ＦＲ３ 第３送給速度設定回路
Ｆrr 後退送給速度設定値
Ｉａ アーク再発生時電流値
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｗ 溶接電流
ＬＴ トーチ高さ（給電チップ先端・母材間距離）
Ｌt0 基準高さ
ＮＤ くびれ検出回路
Ｎｄ くびれ検出信号
ＮＤＤ 遅延回路
Ｎdd くびれ検出遅延信号
ＰＳ 溶接電源
Ｒ 減流抵抗器
ＲＣ 後退移動制御回路
Ｒｃ 後退移動制御信号
ＲＣ２ 第２後退移動制御回路
ＲＣＥ ロボット制御装置
ＲＭ ロボット本体
ｔ 経過時間
Ｔａ アーク期間
Ｔｄ 遅延時間
Ｔｎ くびれ検出時間
ＴＲ トランジスタ
Ｔｓ 短絡期間
Ｔｔ 基準時間
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖｓ 短絡電圧値
Ｖta アーク判別値
ＶＴＮ くびれ検出基準値設定回路
Ｖtn くびれ検出基準値（信号）
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＭ 送給モータ
ΔＶ 電圧上昇値

Claims (4)

1. 溶接トーチから溶接ワイヤを前進送給すると共に、溶接ワイヤと母材との間でアーク発生状態と短絡状態とを繰り返す消耗電極アーク溶接にあって、短絡状態からアークが再発生する前兆現象である溶滴のくびれを溶接ワイヤと母材との間の電圧値又は抵抗値の変化がくびれ検出基準値に達したことによって検出し、このくびれ検出時点から短絡負荷に通電する溶接電流を減少させた状態でアークを再発生させ、アークが再発生すると溶接電流を増加させる消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法において、
   前記くびれ検出時点からの経過時間がアークが再発生する前に予め定めた基準時間に達したときは、溶接ワイヤを後退移動させて母材から引き離すことによってアークを再発生させ、アークが再発生すると前記後退移動を停止させる、
   ことを特徴とする消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
2. 前記溶接電流の増加及び前記後退移動の停止を、前記アーク再発生時点から予め定めた遅延時間だけ遅延させる、
   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くびれ検出制御方法。
3. 前記後退移動が溶接ワイヤの後退送給であり、前記後退移動の停止が前記後退送給を停止して前記前進送給に戻すことである、
   ことを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。
4. 前記後退移動が、前記溶接トーチを後退移動させてトーチ高さを高くすることであり、前記後退移動の停止後に前記溶接トーチを前進移動させて前記トーチ高さを元に戻す、
   ことを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載の消耗電極アーク溶接のくびれ検出制御方法。

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