JPH0671438A

JPH0671438A - アーク溶接機

Info

Publication number: JPH0671438A
Application number: JP22951392A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Kashima; 孝之鹿島; Tsuneo Mita; 常夫三田; Hiroshi Tagami; 博史田上; Kiroku Fujiwara; 紀六藤原; Mitsuaki Haneda; 光明羽田
Original assignee: Hitachi Seiko Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 1992-08-28
Filing date: 1992-08-28
Publication date: 1994-03-15

Abstract

(57)【要約】【目的】半自動アーク溶接，自動アーク溶接のいずれに
おいても均一な溶接結果を得ることが可能なアーク溶接
機を提供すること。【構成】条件設定装置と、条件設定装置に接続された記
憶装置と、記憶装置に接続された演算装置と、演算装置
に接続された定電圧特性の溶接電源とからなり、記憶装
置を条件設定装置に入力されるアーク長の基準値および
平均溶接電流とワイヤ送給速度とチップ・母材間の平均
溶接電圧とを変数とする関数式を記憶するように構成
し、演算装置を平均溶接電流とワイヤ送給速度とチップ
・母材間の平均溶接電圧の測定値から一定周期ごとにア
ーク長を演算し演算結果と基準値との差を溶接電源の出
力電流の設定値又は出力電圧の設定値に加算してアーク
長が一定になるように溶接電源の出力を制御するように
構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は定アーク長制御機能を備
えたアーク溶接機に関する。

【０００２】

【従来の技術】消耗電極（以下ワイヤという）を用いる
アーク溶接では、チップ先端からワイヤ先端までのワイ
ヤ長さ（以下、ワイヤ突出長と言う）又は母材表面から
ワイヤ先端までのアーク長を一定に保つことにより良好
な溶接部を得ることができる。「アーク溶接におけるセ
ンシングと制御」（溶接法ガイドブック２，平成２年５
月１５日発行，溶接学会，２−９４〜２−９９頁）に
は、ワイヤ突出長Ｌ_Eを下記の式１により、また、アー
ク長Ｌ_Aを下記の式２により算出し、この結果に基づい
て溶接トーチの位置を機械的に修正してワイヤ突出長Ｌ
_E又はアーク長Ｌ_Aを一定に保つ技術が開示されている。
ただし、式２中のアーク電圧Ｖ_Aは実測不可能であるた
め、先ず式３ないし式５によりワイヤ突出長Ｌ_E部分の
電圧降下Ｖ_Eを求め、式６からアーク電圧Ｖ_Aを求める。

【０００３】

【数１】

【０００４】ここで、ｖ：ワイヤ送給速度Ｉ_E：実効電流Ｉ_A：平均電流Ｖ_A：アーク電圧Ｖ：チップ・母材間電圧Ｖ_E：ワイヤ突出長
Ｌ_E部分の電圧降下Ｒ：ワイヤ突出長Ｌ_E部分の抵抗 α ：固有抵抗と比
熱の温度係数の差 β ：固有抵抗の温度係数Ｃ_O：比熱Ｊ：熱の仕事当量 η_O：固有抵抗 ρ ：比重ｄ：ワイヤ直径また、Ｋ₁，Ｋ₂，Ｋ₃、Ｋ₄、Ｋ₅、Ｋ₆は定数である。そ
して、上記式１に用いる定数Ｋ₁、Ｋ₂は、良く使用され
るワイヤの突出長に関して実験的に決定される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一般に、定電圧特性の
溶接電源を用いる定速度ワイヤ送給方式のアーク溶接で
はトーチ高さが変わると溶接電流の値も変化する。そし
て、上記した従来技術の式１における定数Ｋ₁、Ｋ₂は溶
接電流の値によって変化することが、論文「多変数溶接
パラメータ制御による溶込み深さとビード高さの同時制
御」（「溶接学会論文集」第７巻第１号,平成元年２月５
日発行，溶接学会，２１頁〜２６頁）に示されている。
さらに、計算に用いる物理定数もある仮定のもとに決め
た値を用いる。この結果、演算したワイヤ突出長が実測
値と一致せず、良好な溶接結果を得られないことがあっ
た。また、アーク長に関しても式３及び式５で式１の結
果を用いるから、上記ワイヤ突出長の場合と同様に、演
算した値と実測値とは一致しなかった。そして、半自動
アーク溶接の場合、初心者はワイヤの突出長又はアーク
長を選定すること、あるいはこれらの値を一定に保つこ
とが困難で、良好な溶接結果を得ることができないこと
が多い。本発明の目的は、上記した課題を解決し、半自
動アーク溶接，自動アーク溶接のいずれにおいても均一
な溶接結果を得ることができ、特に半自動アーク溶接の
場合、適切なアーク長又はワイヤの突出長を選定するこ
と、あるいはこれらの値を一定に保つことが困難な初心
者であっても、溶け込み深さと溶接ビード幅が均一で良
好な溶接部を得ることが可能にアーク溶接機を提供する
にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記した課題は、条件設
定装置と、条件設定装置に接続された記憶装置と、記憶
装置に接続された演算装置と、演算装置に接続された定
電圧特性の溶接電源とからなり、記憶装置を条件設定装
置に入力されるアーク長の基準値および平均溶接電流と
ワイヤ送給速度とチップ・母材間の平均溶接電圧とを変
数とする関数式を記憶するように構成し、演算装置を平
均溶接電流とワイヤ送給速度とチップ・母材間の平均溶
接電圧の測定値から一定周期ごとにアーク長を演算し演
算結果と基準値との差を溶接電源の出力電流の設定値又
は出力電圧の設定値に加算してアーク長が一定になるよ
うに溶接電源の出力を制御するように構成することによ
り解決される。

【０００７】

【作用】溶接中、アーク長の演算値と実際の値とはほぼ
同じである。そして、演算結果に応じて溶接電源の出力
を制御し、アーク長を予め設定される値に戻すから、ア
ーク長は一定に保たれる。

【０００８】

【実施例】図１は本発明の第１の実施例を示すアーク溶
接機のブロック線図である。１は定電圧溶接電源で、溶
接電流は出力側端子２から図示していない溶接トーチの
チップ３、ワイヤ４、アーク５、母材６、分流器７を経
て出力側端子８に流れる。９はワイヤ送給制御回路で、
ワイヤ送給モータ１０に接続したワイヤ送給ローラ１１
によりワイヤ４をチップ３に供給する。１２は平均溶接
電流検出回路で、分流器７の出力から平均溶接電流を求
めて演算回路１５に入力する。１３はワイヤ送給速度検
出回路で、ワイヤ送給速度とワイヤ送給モータ１０の逆
起電圧とがほぼ比例関係にあることを利用し、ワイヤ送
給モータ１０の逆起電圧を演算回路１５に入力する。１
４はチップ・母材間電圧検出回路で、チップ３と母材６
との間の平均溶接電圧を演算回路１５に入力する。１５
は演算回路で、後述する演算を行う。１６はキーボード
で、溶接条件に応じた基準のアーク長と基準のワイヤ突
出長及びその許容偏差を予め設定するためのものであ
る。１７はメモリで、キーボード１６から入力される上
記設定定数及び演算回路１５の演算結果を記憶する。そ
して、演算回路１５は、予め定める一定周期毎に電流検
出回路１２で検出した平均溶接電流に対応した電圧と、
ワイヤ送給速度検出回路１３で検出したワイヤ送給速度
に対応した電圧と、チップ・母材間電圧検出回路１４で
検出した平均溶接電圧とから予め記憶している関数式に
よりアーク長とワイヤ突出長を演算する。さらに、基準
のアーク長と演算で求めたアーク長との差であるアーク
長偏差を演算して求めた偏差を加算器１８に出力し、一
方、基準のワイヤ突出長と演算で求めたワイヤ突出長と
の差であるワイヤ突出長偏差を演算して求めた偏差の値
が許容偏差を超えたときには報知器１９に信号を出力す
る。なお、報知器１９は、ワイヤ突出長の偏差が大きい
場合、適正な場合、小さい場合に対応させて高音、音な
し、低音の３段階とする音報知回路、あるいは、ワイヤ
突出長の偏差が大きい場合と小さい場合で別の音声を発
する音声報知回路、また別の色のランプを点灯させるラ
ンプ報知回路、あるいは＋，−，０の３符号で区別する
液晶報知回路等としてある。また、２０は定電圧溶接電
源１の出力を予め設定するための電流電圧設定器であ
る。

【０００９】ここで、動作について説明する前にアーク
長及びワイヤ突出長の演算式について述べる。上記した
ように定電圧溶接電源を用いた定速度ワイヤ送給方式の
アーク溶接では、トーチ高さが変わると溶接電流および
チップ・母材間電圧も変化する。そこで、アーク長ｌ_a
及びワイヤ突出長ｌ_eを式７及び式８に示すように、平
均溶接電流Ｉとワイヤ送給速度ｖとチップ・母材間の平
均溶接電圧Ｖを変数とする１次関数と置く。アーク長：ｌ_a＝Ａ＋Ｂ・Ｉ＋Ｃ・Ｖ＋Ｄ・ｖ式７ワイヤ突出長：ｌ_e＝Ｅ＋Ｆ・Ｉ＋Ｇ・Ｖ＋Ｈ・ｖ式８ここで、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈは定数であ
る。そして、定数Ａ〜Ｈを以下のようにして定めた。す
なわち、溶接電流およびトーチ高さを変化させてアーク
溶接を行い、ＣＣＤカメラで実測して得られた母材表面
からワイヤ先端までのアーク長またはワイヤ突出長のデ
ータを目的変数とし、ワイヤ送給速度、溶接電流及びチ
ップ・母材間電圧を説明変数とする重回帰分析で得られ
た回帰式から、定数Ａ〜Ｈを決定した。たとえば、溶接
条件として溶接電流を８０〜３５０Ａ，またトーチ高さ
を１０〜３５ｍｍの範囲で変化させ、市販の１.２ｍｍ
φ軟鋼ワイヤを使用して炭酸ガスアーク溶接をしたと
き、定数Ａ,Ｂ,Ｃ,Ｄはそれぞれ、Ａ＝２.８５、Ｂ＝−
０．０２７８、Ｃ＝０.１４、Ｄ＝０.０４、Ｅ＝２５.
４４、Ｆ＝−０.２０、Ｇ＝０.１２、Ｈ＝０.２０とな
る。そして、再度炭酸ガスアーク溶接を行い、この時の
アーク長とワイヤ突出長をＣＣＤカメラで実測した結
果、図３及び図４に示すように実測したものとよく一致
していることを確認した。

【００１０】以下、動作について説明する。溶接に先立
ち、指定された作業基準に従い、電流電圧設定器２０に
より溶接条件すなわち溶接電圧値および溶接電流値を設
定する。そして、キーボード１６により溶接条件に応じ
た基準のアーク長と基準のワイヤ突出長及びその許容偏
差を入力しておく。溶接作業中、演算回路１５は予め定
める一定周期、例えば０．１〜１秒、毎に平均溶接電流
検出回路１２、ワイヤ送給速度検出回路１３およびチッ
プ・母材間電圧検出回路１４からの信号を用いて予め記
憶している関数式によりアーク長とワイヤ突出長を演算
する。さらに、基準のアーク長と演算で求めたアーク長
との差であるアーク長偏差を演算する。例えば作業者の
手振れ等によりアーク長が長くなった場合、負のアーク
長偏差が予め設定された溶接電圧に加算されて溶接電圧
が下がり、アーク長は予め設定した値に戻る。一方、基
準のワイヤ突出長と演算で求めたワイヤ突出長との差で
あるワイヤ突出長偏差を演算し、演算した偏差の値が許
容偏差を超えたときには報知器１９に信号を出力して報
知器１９を動作させる。そこで、作業者が報知器１９の
表示事項に従ってトーチ高さを変更してワイヤ突出長を
予め設定した値に戻せば、ワイヤ突出長が過大となって
シールドが悪くなることを防止できる。なお、本実施例
ではアーク長偏差を溶接電圧に加算するようにしたが、
溶接電流に加算するようにしてもよい。なお、溶接電流
に加算する場合、アーク長が長くなった時にはワイヤの
送り速度を早くすることにより溶接電流を大きくする。
また、アーク長偏差の代りにワイヤ突出長偏差を用いる
ようにしてもよい。さらに、アーク長偏差の許容偏差を
も設定するように構成していずれかの偏差が許容偏差を
超えたときに報知器１９を動作させても良い。

【００１１】図２は本発明の第２の実施例を示すアーク
溶接機のブロック線図である。この第２の実施例は上記
第１の実施例と下記（ａ）ないし（ｄ）が異なる。（ａ）ワイヤ送給速度検出回路９の代りに電流電圧設定
器２０の設定電流値をワイヤ送給速度として演算回路１
５に取り込み、既に第１の実施例で説明した各種計算に
使用する。なお、ワイヤ送給速度は式９により求める。ｖ＝０.６３３Ｉ−２９.３式９ここで、ｖ：ワイヤ送給速度（ｍｍ／ｓ）、Ｉ：設定電
流（Ａ）である。（ｂ）キーボード１６からは、上記基準のアーク長と基
準のワイヤ突出長及びその許容偏差に加えて、アーク長
の許容偏差およびそれぞれの許容偏差の時間的な変化の
許容値も予め設定できるようになっている。（ｃ）演算回路１５は、アーク長とワイヤ突出長および
それぞれの偏差の他にそれぞれの偏差の時間的変化すな
わち、今計算されたアーク長偏差又はワイヤ突出長偏差
とその１つ前の周期に演計算されたそれぞれの偏差との
差分値を意味するアーク長偏差差分値又はワイヤ突出長
偏差差分値も演算する。（ｄ）演算回路１５と加算器１８との間には制御装置２
１が配置される。以下、動作について説明する。なお、上記第１の実施例
と同じ点については説明を省略する。制御装置２１は演
算回路１５から出力されるアーク長偏差，ワイヤ突出長
偏差，アーク長偏差差分値又はワイヤ突出長偏差差分値
のうちの少なくとも１つを取り込み、以下に述べる出力
を加算器１８に出力する。すなわち、アーク長偏差又は
ワイヤ突出長偏差の増減に対しては偏差の増減がなくな
るように、また、アーク長偏差差分値又はワイヤ突出長
偏差差分値の増減に対しては出力の時間的な変化が小さ
くなるような出力を加算器１８に出力する。なお、偏差
をそのまま設定値に加算すると例えばアーク長が常に変
動することになるため、偏差が許容偏差内のときには出
力を０としあるいは小さい値とするようにしても良い。
一方、演算回路１５はアーク長及びその許容偏差とワイ
ヤ突出長及びその許容偏差の時間的変化が予め設定した
許容値を越えたときには報知器１９への出力信号を変化
させ、例えば報知器１９が音報知回路の場合、発生させ
る高の間隔を短くする。この結果、母材に段差があるよ
うなときには早く、その他の場合は緩やかに変化させる
ことができ、外観も均一な溶接部を得ることが可能とな
る。なお、上記２つの実施例において、ワイヤ送給速度
はワイヤ送給ローラ５の回転数を計測してもよいし、チ
ップ・母材間の電圧の代りに定電圧溶接電源１の出力端
子間電圧を入力としても良い。また、電流検出回路１
２，ワイヤ送給速度検出回路１３，チップ・母材間電圧
検出回路１４を設けずに、演算回路１５にそれぞれの電
圧を直接入力するようにしても良い。さらに、ｌ_a、ｌ_e
の回帰式をＩ、Ｖ、ｖの１次関数以外の関数としても良
い。

【００１２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、計
測可能な溶接電流と、ワイヤ送給速度と、チップ・母材
間電圧とからワイヤ突出長及びアーク長を求め、演算し
た値が予め入力した基準値から変化したときには、基準
値に戻すように定電圧溶接電源１の出力を制御する。従
って、半自動アーク溶接，自動アーク溶接のいずれにお
いても均一な溶接結果を得ることができ、特に半自動ア
ーク溶接の場合、適切なアーク長又はワイヤの突出長を
選定すること、あるいはこれらの値を一定に保つことが
困難な初心者であっても、溶け込み深さと溶接ビード幅
が均一で良好な溶接部を得ることが可能になると言う効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示すアーク溶接機のブ
ロック線図。

【図２】本発明の第２の実施例を示すアーク溶接機のブ
ロック線図。

【図３】アーク長の実測値と演算値の関係を示す図であ
る。

【図４】ワイヤ突出長の実測値と演算値の関係を示す図
である。

【符号の説明】

１定電圧溶接電源３チップ４ワイヤ５アーク７分流器１０ワイヤ送給モータ１２電流検出回路１３ワイヤ送給速度検出回路１４チップ・母材間電圧検出回路１５演算回路１６キーボード１７メモリ１８加算器１９報知器２０電流電圧設定器２１制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤原紀六茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者羽田光明茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】条件設定装置と、条件設定装置に接続さ
れた記憶装置と、記憶装置に接続された演算装置と、演
算装置に接続された定電圧特性の溶接電源とからなり、
記憶装置を条件設定装置に入力されるアーク長の基準値
および平均溶接電流とワイヤ送給速度とチップ・母材間
の平均溶接電圧とを変数とする関数式を記憶するように
構成し、演算装置を平均溶接電流とワイヤ送給速度とチ
ップ・母材間の平均溶接電圧の測定値から一定周期ごと
にアーク長を演算し演算結果と基準値との差を溶接電源
の出力電流の設定値又は出力電圧の設定値に加算してア
ーク長が一定になるように溶接電源の出力を制御するよ
うに構成したことを特徴とする定電圧特性の溶接電源を
用いる消耗電極式アーク溶接の溶接装置。
【請求項２】アーク長の基準値に加えてワイヤ突出長
の基準値を予め記憶装置に記憶させ、アーク長およびワ
イヤ突出長の演算結果とそれぞれの基準値との差の少な
くとも一方を溶接電源の出力電流の設定値又は出力電圧
の設定値に加算することを特徴とする請求項１に記載の
溶接装置。
【請求項３】アーク長およびワイヤ突出長の基準値に
加えてそれぞれの許容偏差を予め記憶装置に記憶させる
とともに演算装置に報知装置を接続し、アーク長および
ワイヤ突出長の演算結果とそれぞれの基準値との差の少
なくとも一方を溶接電源の出力電流の設定値又は出力電
圧の設定値に加算するとともに上記それぞれの差の少な
くとも一方が対応する許容偏差を越えたときに報知装置
を動作させるように構成したことを特徴とする請求項１
または請求項２のいずれかに記載の溶接装置。
【請求項４】記憶装置をアーク長およびワイヤ突出長
の基準値ならびにアーク長およびワイヤ突出長の許容偏
差に加えてそれぞれの許容偏差の時間的の許容値並びに
演算装置の演算結果を記憶するように構成し、上記偏差
の時間的変化が予め設定した許容値を越えたときには報
知装置の報知動作を変化させるように構成したことを特
徴とする請求項３に記載の溶接装置。
【請求項５】演算装置と溶接電源との間に制御装置を
接続し、制御装置は演算装置から出力されるアーク長偏
差，ワイヤ突出長偏差，アーク長偏差差分値又はワイヤ
突出長偏差差分値のうちの少なくとも１つを取り込み、
アーク長偏差又はワイヤ突出長偏差の増減に対しては偏
差の増減がなくなるような、また、アーク長偏差差分値
又はワイヤ突出長偏差差分値の増減に対しては出力の時
間的な変化が小さくなるような出力を出力し、この出力
を溶接電源の出力電流の設定値又は出力電圧の設定値に
加算してアーク長又はワイヤ突出長が一定になるように
溶接電源の出力を制御するように構成したことを特徴と
する請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の溶接装
置。
【請求項６】ワイヤ送給速度を溶接電流の設定値から
求めることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいず
れかに記載の溶接装置。