JPH0316227B2

JPH0316227B2 -

Info

Publication number: JPH0316227B2
Application number: JP22723883A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Ogasawara; Tokuji Maruyama; Masaharu Sato; Yukio Toida
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1983-11-30
Filing date: 1983-11-30
Publication date: 1991-03-05
Also published as: JPS60118377A

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は溶接ワイヤと溶接母材との間で短絡と
アーク発生とを交互に繰り返す短絡移行アーク溶
接法においてチツプからの溶接ワイヤの突出長さ
を検出する方法に関する。

従来技術第１図は溶接ワイヤと母材との間で短絡とアー
ク発生とを交互に繰り返す短絡移行アーク溶接法
の溶滴の形成と移行の過程を示しており、２１
は、溶接ワイヤ、２２は溶接ワイヤ２１の先端に
形成された溶滴、２３はアーク、２４は溶融池す
なわち母材である。(a)は溶滴２２が溶融池２４と
接触した短絡初期状態、(b)は、溶滴２２が溶融池
２４との接触が確実となつて溶滴２２が溶融池２
４へ移行している短絡中期状態、(c)は溶滴２２が
溶融池２４側へ移行して、溶接ワイヤ２１と溶融
池２４との間の溶滴２２にくびれが生じた短絡後
期状態、(d)は短絡が破れて溶接アーク２３が発生
した瞬間、(e)は溶接ワイヤ２１の先端が溶融し
て、溶滴２２が成長するアーク発生状態、(f)は溶
滴２２が溶融池２４と短絡する直前のアーク発生
状態を夫々示し、(a)〜(f)の過程が繰り返し行なわ
れる。

近年、製品の品質向上と作業の省力化を目的と
して溶接の自動化が推進されている。この溶接の
自動化において重要であるアーク倣い制御におい
て、溶接ワイヤを摺動自在に支持するコンタクト
チツプから溶接ワイヤが突出した部分の長さ（以
下、ワイヤ突出長さという）やアーク長の変化を
溶接電流あるいは溶接電圧の変化としてとらえて
アークを溶接開先に対して追従制御する方法があ
る。この方法は、アークの位置検出に特別な装置
例えばテレビカメラなどを必要とせず、また、接
触子式のように検出位置と実際位置とのずれを補
正するための遅延制御を必要としないこと等の点
で有効な方法として活発な検討が進められてい
る。

このアーク倣い制御においては、第２図に示す
ように、溶接母材２５，２５′で形成されたＶ形
開先２６に対してコンタクトチツプ２７を通して
溶接ワイヤ２１が送給され、溶接ワイヤ２１と母
材２５，２５′との間でアークを発生させる。こ
の場合、チツプ２７を水平方向に所定の幅をもつ
てウイービングさせながら、チツプ２７を開先２
６に沿つて移動させて溶接を行なう。しかるに、
開先２６に対するチツプ２７のウイービングの中
心位置W₁がずれると、ウイービングの両端位置
W₂，W₃において、ワイヤ突出長さに差異が生じ
る。第２図の場合には、ウイービングの中心位置
W₁が母材２５側へずれているため、位置W₂にお
けるワイヤ突出長l₂と位置W₃におけるワイヤ突
出長l₃との関係はl₂＜l₃となる。この場合、定電
圧特性の溶接電源を用いて溶接ワイヤ送給速度を
一定にして溶接を行なうと、位置W₂における溶
接電流I₂と位置W₃における溶接電流I₃との関係は
I₂＞I₃となる。この電流値の違いはワイヤ突出長
の違いに起因するものであるから、電流I₂と電流
I₃とが等しくなる方向にウイービングの中心をず
らせるように制御すれば、ほぼ開先２６の中心を
倣いながら溶接が行なわれることになる。

ここで、重要なことは、ワイヤ突出長と溶接電
流との関係であるが、ワイヤ送給速度Wsとワイ
ヤ突出長ｌと電流Ｉとの間には、レズネビツチの
実験式によれば、溶接ワイヤの直径を1.2mmとす
ると、次式の関係がある。

ｌ＝Ws−0.015I／2.68×10^-6I² ………(1) なお、 Ws：ワイヤ送給速度（ｍ／min）ｌ：電流(A) ｌ：ワイヤ突出長（mm）ワイヤ送給速度Wsがそれぞれ2.8mm／min、3.6
ｍ／min、4.4ｍ／minの３条件について(1)式から
計算したワイヤ突出長ｌと電流Ｉとの関係を第３
図に示す。(1)式と第３図から明らかなように、一
定のワイヤ送給速度Wsに対してワイヤ突出長さ
ｌは電流Ｉの２次式の関係を有するので、電流Ｉ
からワイヤ突出長ｌを求めるには複雑な演算を要
することになる。また、ワイヤ送給速度Wsによ
つて電流Ｉが大きく変化し、したがつて、ワイヤ
突出長ｌの演算に際して、ワイヤ送給速度Wsが
変更される毎に演算定数を変更するか、あるい
は、ワイヤ送給速度Wsと電流Ｉとから(1)式の演
算を行なう複雑な演算回路を構成する必要があ
る。

一方、第３図に示したワイヤ送給速度が2.8〜
4.4ｍ／minというのは、典型的な短絡移行アー
ク溶接におけるワイヤ送給速度であり、この場合
には第４図に示すように電流波形に大きなリツプ
ルを含む。したがつて、上述の演算に必要な溶接
電流Ｉとしては、１〜３Hz程度の遮断周波数をも
つローパスフイルタを介して求めた平均電流を用
いることになる。しかるに、ローパスフイルタは
必然的に信号の遅れを伴なうものであり、この信
号の遅れは、ワイヤ突出長ｌの演算とくに過渡的
なワイヤ突出長ｌの演算に対して有害になる。

発明の目的本発明は上記事情に鑑みてなされたものであ
り、その目的は短絡移行アーク溶接方法における
アーク倣い制御においてワイヤ突出長の検出をよ
り正確に且つより簡単に行なえるようにしたワイ
ヤ突出長検出方法を提供することである。

発明の概要溶接ワイヤと溶接母材との間で短絡とアーク発
生とを繰り返す短絡移行アーク溶接において、短
絡時における溶接ワイヤを支えるチツプと母材の
間の電圧および母材を流れる電流を検出し、該両
検出値を用いて溶接ワイヤのチツプからの突出長
さの電気抵抗に関連した値を求める。

発明の原理上述のように、溶接ワイヤと母材との間で短絡
とアーク発生とを繰り返す短絡移行アーク溶接法
においては、溶接ワイヤ先端の溶滴が溶融池と接
触する短絡期間と、溶接ワイヤの先端と溶融池と
の間でアークが発生するアーク発生期間とを交互
に繰り返す。上述の短絡期間において、コンタク
トチツプと母材との間の電圧及び溶接ワイヤまた
は母材を流れる電流を検出し、検出した電圧を電
流で除算すると、溶接ワイヤのワイヤ突出長当り
の抵抗が求められる。なお、アーク発生期間にお
いては、アークによる抵抗分が加わるので、チツ
プを母材との間の電圧と電流とからワイヤ突出長
の抵抗は得られない。したがつて、上述の演算
は、短絡期間の電圧と電流を用いて行なう必要が
ある。

いま、ワイヤ送給速度Wsとアーク突出長ｌを
種々変更したときの短絡時におけるチツプと母材
との間の電圧及び電気抵抗を求めると、第５図に
示すようになる。この第５図から明らかなよう
に、アーク突出長ｌは、(2)式で示すように、チツ
プと母材との間の抵抗Ｒの１次式で表わすことが
できる。

ｌ＝1.333R−４ ………(2) （Ｒ＝３＋0.75l）なお、ｌ：ワイヤ突出長（mm）Ｒ：チツプと母材間の電気抵抗（ｍΩ）第５図において、ワイヤ突出長ｌが０のときに
も３ｍΩ程度の電気抵抗が生じているが、これは
チツプと溶接ワイヤとの間の接触抵抗と溶滴の部
分の電気抵抗によるものであり、これは溶接条件
とは関係なく一定であることが確認された。

溶接電流と短絡期間のチツプと母材間の電圧と
から電気抵抗を求めてこの電気抵抗とワイヤ突出
長との関連を求めることの有用性は、(2)式と第５
図から明らかなように、ワイヤ突出長ｌがワイヤ
送給速度と無関係に定まること、及び、チツプと
母材間の電気抵抗Ｒとワイヤ突出長ｌとの関係が
ほぼ直線近似できることであり、これはアーク倣
い制御においてワイヤ突出長の演算が簡単な回路
で行なえること及び制御精度を高めることができ
る点で有効である。さらに、溶接ワイヤと溶融池
との短絡は、毎秒30〜80回発生するものであり、
したがつて、１秒間に30〜80回と非常に多くの電
流と電圧の情報を得ることができ、また、フイル
ターなどの遅れ要素回路を必要としないため、時
間遅れなしに正確な検出値が得られる。

発明の実施例以下、本発明の一実施例を説明する。

第６図は第１の実施例の構成を示しており、１
は溶接電源で、出力端子１ａ，１ｂはコンタクト
チツプ２及び母材４に夫々接続される。溶接ワイ
ヤ３は、図示されない送給モータによりチツプ２
を通過して母材４に向けて送給される。５は電圧
検出器で、チツプ２と母材４の間の電圧を検出す
る。６は電流検出器で、溶接ワイヤ３を流れる電
流を検出する。７は電圧検出器５及び電流検出器
６の信号を受けて電圧を電流で除算してチツプ２
と母材４の間の電気抵抗を算出する除算器であ
る。

８は、短絡・アーク判別器であり、電圧検出器
５からのチツプ２と母材４の間の電圧を表わす信
号により短絡期間とアーク発生期間を判別し、短
絡中またはアーク発生中であることを示す信号を
出力する。この短絡・アーク判別器８において
は、コンタクトチツプ２と母材４との間には短絡
時とアーク発生時に大きな電圧差があることか
ら、たとえば10V以下を短絡、10V以上をアーク
発生と判別するコンパレータで構成される。サン
プルホルダ９は、短絡・アーク判別器８の信号を
受けて、短絡中は除算器７からの抵抗値をサンプ
リングしてその値を出力して、アーク発生時には
短絡中の抵抗値をホールド（記憶）した値を出力
する。更に、次回の短絡が発生すると、前回にホ
ールド（記憶）した値を消去すると同時に短絡中
のサンプリング値を出力するという過程をくり返
す。１０はアーク倣い制御装置であり、サンプル
ホルダ９からの抵抗値を表わす信号にもとづいて
チツプ２を駆動してアークの溶接開先に対する倣
い制御を行なう。

溶接電源１から給電されるとともに、溶接ワイ
ヤ３が送給され、溶接ワイヤ３の先端と母材４と
の間で短絡とアーク発生とを繰り返して溶接が行
なわれる。このとき、電圧検出器５により検出さ
れたコンタクトチツプ２と母材４の間の電圧値と
電流検出器６により検出された母材４を流れる電
流値が除算器７に入力され、除算器７では電圧を
電流で除算してチツプ２と母材４の間の電気抵抗
値を算出する。一方、短絡・アーク判別器８で
は、電圧検出器５からの電圧信号により上述の方
法で短絡期間とアーク発生期間を判別し、短絡中
及びアーク発生中であることを表わす信号をサン
プルホルダ９へ出力する。そして、サンプルホル
ダ９では、短絡期間には除算器７からの抵抗値を
サンプリングしてその抵抗値を表わす信号をアー
ク倣い制御装置１０へ出力し、アーク発生期間に
は直前の短絡期間にサンプリングした抵抗値を記
憶してこの記憶した抵抗値を表わす信号をアーク
倣い制御装置１０へ出力する。アーク倣い制御装
置１０では、サンプルホルダ９から入力され短絡
時の抵抗値からワイヤ突出長ｌを求め、このワイ
ヤ突出長ｌにもとづいてアークの溶接開先に対す
る追従制御を行なう。

第７図ａは上述の電圧検出器５で検出されたチ
ツプ２と母材４との間の電圧の波形を示してお
り、第７図ｂは上述の電流検出器６で検出された
溶接ワイヤ３を流れる電流の波形を示している。
第７図ｃの破線は除算器７で算出されたチツプ２
と母材４との間の電気抵抗の変化を示しており、
第７図ｃの実線は上述のサンプルホルダ９から出
力される電気抵抗を表わす信号の変化を示す。第
７図ｃの実線で示すように、サンプルホルダ９で
は短絡時の抵抗値をサンプリングして、このサン
プリングした抵抗値を出力し、アーク発生時には
アーク発生の直前の短絡時の抵抗値を次回の短絡
が生じるまで記憶し、この記憶した抵抗値を出力
する。

第８図は本発明の第２の実施例の構成を示して
おり、符号１〜１０で示されるものは上述の第６
図に同符号で示すものと同様である。１１は電流
検出器６からの電流値を表わす信号を受けて短絡
時の出力電流が一定になるように溶接電源１を制
御する制御回路である。また、サンプルホルダ９
には電圧検出器５からのチツプ２と母材４の間の
電圧を表わす信号がそのまま入力され、第６図の
除算器７は不要となる。

最近、スパツタの発生を減少するとともに、溶
接の作業性を向上させる目的で、第９図ｂに示す
ように、短絡時には所定の定電流、アーク発生時
には前段階は高電流、後段階は低電流にいずれも
定電流制御する溶接電源が用いられる。この場合
の電圧は第９図ａに破線で示すように変化する。
短絡時の電流が一定であるので、抵抗値Ｒは電圧
Ｖと電流Ｉとから求められて、(2)式は次のように
変換される。

ｌ＝1333V／Ｉ−４ ………(3) ここで、短絡時の電流Ｉが300Aに固定される
と、ｌ＝4.444V−４ ………（3′）となり、第５図に示す電圧とワイヤ突出長との関
係が得られる。この場合、抵抗値に関連した値は
電圧値で代用できる。

第８図において、短絡時には電流は上述のよう
に一定に保持され、短絡・アーク判別器８が短絡
を判別すると、サンプルホルダ９は電圧検出器５
からの電圧信号をサンプリングし、このサンプリ
ングした電圧値を出力する。短絡・アーク判別器
８がアーク発生を判別すると、サンプルホルダ９
はアーク発生の直前の短絡時の電圧値を次回の短
絡が生じるまで記憶し、この記憶した電圧値を出
力する。このサンプルホルダ９から出力される電
圧信号はチツプ２と母材４の間の電気抵抗に関連
した信号としてアーク倣い制御装置１０に入力さ
れ、アーク倣い制御装置１０では、この入力信号
からワイヤ突出長ｌを求め、このワイヤ突出長ｌ
にもとづいてアークの溶接開先に対する追従制御
を行なう。第９図ａの実線はサンプルホルダ９か
ら出力される電圧信号を示す。

上述の第２の実施例に関連して、短絡時の電圧
を一定とする溶接電源を用いる場合には、電流を
ワイヤ突出長の電気抵抗に関連した値としてとら
え、ワイヤ突出長を求めてアーク倣い制御を行な
うことができるのは明らかであり、ここではこの
方法については詳述しない。

第１０図は本発明の第３の実施例の構成を示し
ており、符号１〜１０で示されるものは上述の第
６図に同符号で示すものと同様である。１２はサ
ンプルパルス発生器であり、電圧検出器５と電流
検出器６からの電圧と電流の信号を受けて、短絡
中であり且つ電流が所定値に達した時に10〜50μs
程度のパルス幅を有するパルス信号をサンプルホ
ルダ９へ与える。サンプルホルダ９はこの微小時
間に電圧検出器５からの電圧信号をサンプリング
し、サンプリングした電圧信号を記憶する。

第１１図に示すように、短絡期間に電流が
100A／ｍsec程度の割合で緩やかに上昇し、電流
が250Aに達した時刻t₁にサンプルパルス発生器
１２は50μsのパルス幅のパルス信号をサンプルホ
ルダ９に対して出力する。サンプルホルダ９は、
このパルス信号が入力される50μsの間に電圧検出
器５からの時刻t₁における電圧信号V₁を読み込ん
で記憶する。電流は50μsの間には高々5A程度し
か上昇せず、この程度の変動は250Aに対して無
視できるので、サンプルホルダ９は常に電流が
250Aになつた時の電圧をサンプルホールドする
ことになる。このようにして検出した電圧値をチ
ツプと母材間の電気抵抗に関連した信号としてア
ーク倣い制御装置１０に入力する。そして、アー
ク倣い制御装置１０は、この入力信号からワイヤ
突出長ｌを求め、アークの溶接開先に対する追従
制御を行なう。

第１２図は、本発明の第４の実施例の構成を示
しており、１３は最低値検出器で、第１２図では
第６図のサンプルホルダ９をこの最低値検出器１
３と置き換え、他の符号１〜１０で示されるもの
は第６図に同符号で示すものと夫々同様である。
最低値検出器１３では、除算器７からの短絡時の
チツプと母材との間の抵抗の最低値を検出し、こ
の検出した最低値を次回の短絡が生じるまで記憶
する。

第１３図の破線は、第７図ｃに示すチツプと母
材間の電気抵抗の主として短絡時の変化を拡大し
て示したものであり、電気抵抗は短絡期間におい
て一定ではないことを示している。すなわち、短
絡の初期は抵抗が大きく、短絡の中期では抵抗は
小さく、短絡の後期で再び大きくなる。これは、
第１図ａ，ｂ，ｃに示す短絡時における溶滴の溶
融池への移行の状態と対比させると容易に理解で
きる。第１３図に示す時刻ａ，ｂ，ｃは第１図
ａ，ｂ，ｃに夫々対応しており、短絡初期の(a)で
は、溶滴２２にくびれＡがあり、溶融池２４との
接触面積が小さいために抵抗が大きい。短絡中期
の(b)では、溶滴２２と溶融池２４との接触が確実
となつて抵抗が最も小さくなる。短絡後期の(c)で
は、溶滴２２に再びくびれＢが生じて来るために
抵抗が大きくなる。

第１２図において、最低値検出器１３は除算器
７からの抵抗値を表わす信号を入力して、抵抗の
最低値を検出し、この検出した最低値を次回の短
絡が生じるまで記憶するとともに、記憶した最低
値を出力する。アーク倣い制御装置１０では、こ
の抵抗の最低値を表わす信号を入力し、この入力
信号からワイヤ突出長ｌを求めて、アークの溶接
開先に対する追従制御を行なう。第１３図の実線
は最低値検出器１３から出力される抵抗値を表わ
す信号を示す。

上述の第４の実施例に関連して、第８図に示す
サンプルホルダ９を最低値検出器に置き換え、短
絡時の電圧の最低値を検出して記憶し、この電圧
の最低値を抵抗に関連する値としてアーク倣い制
御装置１０に入力し、ワイヤ突出長を演算してア
ーク倣い制御を行なうことができる。

発明の効果以上説明したように、本発明においては、短絡
時における溶接ワイヤを支えるチツプと母材の間
の電圧および母材を流れる電流を検出し、該両検
出値を用いて溶接ワイヤのチツプからの突出部の
電気抵抗に関連した値を求めて溶接ワイヤの突出
長さを求めるようにしたから特殊な関数演算回路
は不要となり、溶接ワイヤの突出長さを求める回
路が簡単となるとともに溶接ワイヤ突出長さの検
出を正確に且つ時間遅れなく行なうこととができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は短絡移行アーク溶接法の溶滴の形成と
移行の過程を示す図、第２図はアーク倣い制御に
おける溶接ワイヤと開先との関係を示す図、第３
図はワイヤ突出長と電流との関係を示すグラフ、
第４図は短絡移行アーク溶接における溶接電圧と
溶接電流の波形を示す図、第５図はワイヤ突出長
と電圧及び抵抗との関係を示すグラフ、第６図は
本発明の第１の実施例を示すブロツク図、第７図
は第１の実施例における電圧、電流及び抵抗の波
形を示す図、第８図は本発明の第２の実施例を示
すブロツク図、第９図は第２の実施例における電
圧と電流の波形を示す図、第１０図は本発明の第
３の実施例を示すブロツク図、第１１図は第３の
実施例における電圧と電流の波形を示す図、第１
２図は本発明の第４の実施例を示すブロツク図、
第１３図は第４の実施例における電気抵抗の波形
を示す図である。２……コンタクトチツプ、３……溶接ワイヤ、
４……母材、５……電圧検出器、６……電流検出
器、７……除算器、８……短絡・アーク判別器、
９……サンプルホルダ、１０……アーク倣い制御
装置、１１……制御回路、１２……サンプルパル
ス発生器、１３……最低値検出器。

Claims

【特許請求の範囲】１溶接ワイヤと溶接母材との間で短絡とアーク
発生とを繰り返す短絡移行アーク溶接において、溶接ワイヤと溶接母材との短絡時における溶接
ワイヤと溶接母材との間の電圧及び溶接ワイヤを
流れる電流を検出し、該両検出値から得られる電
気抵抗に関連した値を求めることにより溶接ワイ
ヤのチツプからの突出長を検出することを特徴と
する溶接ワイヤ突出長検出方法。２溶接ワイヤのチツプからの突出部の電気抵抗
に関連した値は、上記検出した電圧を上記検出し
た電流で除算した値であることを特徴とする特許
請求の範囲第１項に記載の方法。３溶接ワイヤと溶接母材との短絡時の溶接ワイ
ヤを流れる電流を一定とし、電気抵抗に関連した
値は上記検出した電圧値より得ることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項に記載の方法。４溶接ワイヤと溶接母材との短絡時の溶接ワイ
ヤと溶接母材との間の電圧を一定とし、電気抵抗
に関連した値は上記検出した電流値より得ること
を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の方
法。５溶接ワイヤと溶接母材との短絡時の上記検出
した電流がある特定値に達した時の上記電圧を検
出するかまたは短絡時の上記電圧がある特定値に
達した時の上記電流を検出することを特徴とする
特許請求の範囲第１項に記載の方法。６溶接ワイヤと溶接母材との短絡中に変動する
上記電気抵抗に関連した値のうち最も低い値を用
いることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
載の方法。