JPH0839253A - 溶接ワイヤの位置の検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】アーク６中に送られる無通電の溶接ワイヤ８と
溶接母材２７との間に生じるワイヤ電圧信号Ｖｗを検出
する手段１３と、溶接ワイヤの短絡移行を検出する手段
１４を設け、溶接ワイヤ位置判別手段１５を設けて、溶
接期間中に、ワイヤ短絡検出手段１４により求めた単位
時間当たりの短絡移行回数と短絡移行時間率をワイヤ位
置判別手段に取り込んで溶接ワイヤ位置高さの適正・不
適正を判別させ、その高さが過大なときはその高さを下
降させ、その高さが過小なときにはその高さを上昇させ
る制御信号を発信する。 【効果】溶接ビード形状の良否に係わる溶接ワイヤ位置
の良否判別及び電極の異常判定ができ、溶接欠陥の発生
防止により、溶接の自動化及び溶接品質の向上を図るこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は非消耗性の電極を使用す
る溶接トーチにアークを発生させ、そのアーク中に溶接
ワイヤを送りながら自動溶接を行う方法に係り、特に、
アーク中で溶融されるワイヤ位置の良否の判別及び電極
の異常判定をするのに好適な検出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ダングステンを主成分とする非
消耗性の電極を使用する溶接法として、ＴＩＧアーク溶
接やプラズマアーク溶接が知られている。これらのアー
ク溶接では、開先を設けた継手母材の溶接や単なる母材
表面の肉盛溶接に対して、溶接トーチの電極と溶接母材
との間に発生させたアーク中に溶接ワイヤ（溶加材ある
いはワイヤとも称する）を送り溶融しながら溶接を行っ
ている。しかし、アーク中に送られるこの溶接ワイヤの
位置は、必ずしも一定ではなく、ワイヤ送り速度の速さ
の他に、溶接母材の熱変形，アーク長の変化，ワイヤの
曲がりぐせなどの影響によって極めて変動しやすい。こ
のため、ワイヤの溶融状態が不安定になりやすく、溶接
ビードが乱れて溶接結果の悪化を招くという問題点があ
る。また、電極が露出しているＴＩＧ溶接では、溶接中
に溶接ワイヤが電極に接近し過ぎて接触するとその電極
が著しく損なわれてアークを乱し、反対に溶接ワイヤが
溶接母材側に突っ込みすぎると溶融プールをかき乱した
り、凝着して溶接のトラブル及び溶接欠陥の発生に至る
という問題点がある。これらの問題点は溶接の自動化及
び溶接品質の向上を図る上で大きな障害となっている。

【０００３】このような問題点を解決するために、従来
から幾つかの方法が試みられている。例えば、特公昭53
−4817号公報のアーク自動溶接法に開示されているよう
に、溶加材の案内チップ（ワイヤガイド）を溶接母材に
押し圧接触させて、溶加材と溶接母材との間隙を一定に
保持している。

【０００４】一方、用途目的は異なるが、アーク長を一
定に保つ方法として、アーク電圧（溶接電圧）を検出し
てフィードバック制御する方法が従来から知られてい
る。また、アーク中に送給される溶接ワイヤに通電加熱
を行うホットワイヤＴＩＧ溶接では、アーク長の制御の
他に、ワイヤ通電によるアークの乱れを防止する手段が
提案されている。例えば、特公平5−75511号公報では、
ワイヤの通電にパルス電流を用い、そのワイヤに通電し
ない期間のワイヤ端子電圧を検知して、ワイヤと母材が
無接触の時には次のパルス電流を禁止するようにした装
置が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】アーク中に送られる溶
接ワイヤの溶融移行が安定で、溶接ビード形状の良好な
溶接結果を得ると共に電極の異常消耗を防止するために
は、ワイヤ位置の良否判別と適正な位置制御及び電極の
異常判定を行う必要がある。

【０００６】しかし、例えば、特公昭53−4817号公報に
開示されているアーク自動溶接法は、アーク長の変動に
関係なく溶接ワイヤの高さを一定に保持できるが、溶加
材（溶接ワイヤ）の案内チップ（ワイヤガイド）を溶接
母材に押し圧接触させているため、溶接トーチを左右に
揺動（ウィービング）させる溶接やビード形状に凹凸の
ある多層多パス溶接には、適用できないばかりでなく、
接触部の母材表面や案内チップを傷め易いという欠点が
ある。

【０００７】一方、アーク電圧を検出してフィードバッ
ク制御する方法は、アーク長の一定制御に有効である
が、アーク中に送られる溶接ワイヤの位置については、
全く無制御の状態であり、上述した溶接ワイヤのトラブ
ルの発生をなくすことができない。さらに、例えば、特
公平5−75511号公報に開示されているホットワイヤTIG
溶接装置は、ワイヤ通電によるアークの乱れを防止する
のに有効であるが、溶接ワイヤに通電加熱を行わない普
通の溶接には無効であり、また、ワイヤ位置の高さ制御
ついては全く行われていないので、溶接ワイヤの溶融状
態を管理及び制御することができない。また、電極の異
常判定については、何れもまったく記述されていない。

【０００８】本発明の目的はアーク中に送られる溶接ワ
イヤの溶融移行が安定で、溶接ビード形状の良好な溶接
結果を得ると共に電極の異常消耗を防止するために、ワ
イヤ位置の良否判別戸その制御指令及び電極の異常判定
を行うのに好適な検出方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、溶接継手の母
材と溶接トーチ先端の非消耗性の電極との間に通電して
任意出力波形のアークを発生させ、そのアーク中及び溶
融プール内に無通電の溶接ワイヤを送りながら溶接を行
うときの溶接ワイヤ位置の検出方法で、無通電の溶接ワ
イヤと溶接母材との間に生じるワイヤ電圧信号Ｖｗを検
出するワイヤ電圧検出手段と，溶接ワイヤが短絡移行す
るときの単位時間当たりの短絡移行回数Ｎと短絡移行時
間率Ａｔを求めるワイヤ短絡検出手段と，この短絡移行
回数及び短絡移行時間率を取り込んで溶接ワイヤ位置を
判別するワイヤ位置判別手段をそれぞれ設けて、アーク
発生後の溶接期間中に、前記ワイヤ位置判別手段によっ
て溶接ワイヤ位置高さの適正・不適正を判別させた後、
溶接ワイヤ位置の高さが過大で不適正と判別したときは
その高さを下降させる制御信号を、また、反対に溶接ワ
イヤ位置の高さが過小で不適正と判別したときにはその
高さを上昇させる制御信号をそれぞれ発信させるように
し、さらに、前記無通電の溶接ワイヤと非消耗性の電極
との間に生じる電極電圧信号Ｖｅを検出する電極電圧検
出手段と，溶接電流が流れる前記電極と溶接母材との間
に生じる溶接電圧信号Ｅａを検出する溶接電圧検出手段
と，電極及び溶接ワイヤの異常を判別する異常判別手段
をそれぞれ設けて、前記ワイヤ位置判別手段の動作と同
時に、あるいはワイヤ位置高さの制御信号を発信させた
後に、前記電極電圧信号Ｖｅ及び溶接電圧信号Ｅａを前
記異常判別手段に取り込んで、異常判定の基準電圧値ｅ
２に対して前記電極電圧信号ＶｅがＶｅ≦ｅ２のときは
溶接ワイヤの溶滴が電極に接触したと判別し、また、異
常判定の基準電圧値ｅ２に対して前記溶接電圧信号Ｅａ
がＥａ≦ｅ２のときには電極が溶融プールに接触したと
判別して、溶接の中止指令及び電極異常の表示指令を行
うようにしたことを特徴とする溶接ワイヤ位置の検出方
法である。

【００１０】また、もう一つの発明は、前記無通電の溶
接ワイヤと溶接母材との間に生じるワイヤ電圧信号Ｖｗ
を検出するワイヤ電圧検出手段と，溶接ワイヤが短絡移
行するときの単位時間当たりの短絡移行回数Ｎと短絡移
行時間率Ａｔを求めるワイヤ短絡検出手段を設け、さら
に、前記ワイヤ短絡検出手段で求めたこの短絡移行回数
及び短絡移行時間率を取り込んで溶接ワイヤ位置の良否
判別をさせると共に、溶接ワイヤ位置の高さが過大と判
別したときはその高さを下降させる制御信号を、反対に
溶接ワイヤ位置の高さが過小と判別したときにはその高
さを上昇させる制御信号をそれぞれ発信するワイヤ位置
判別手段を設け、また、前記無通電の溶接ワイヤと非消
耗性の電極との間に生じる電極電圧信号Ｖｅを検出する
電極電圧検出手段と、溶接電流が流れる前記電極と溶接
母材との間に生じる溶接電圧信号Ｅａを検出する溶接電
圧検出手段を設けると共に、前記ワイヤ位置判別手段の
動作と同時に、あるいはワイヤ位置高さの制御信号を発
信させた後に、前記電極電圧信号Ｖｅ及び溶接電圧信号
Ｅａを前記異常判別手段に取り込んで、異常判定の基準
電圧値ｅ２に対して前記電極電圧信号ＶｅがＶｅ≦ｅ２
のときは溶接ワイヤの溶滴が電極に接触したと判別さ
せ、また、異常判定の基準電圧値ｅ２に対して前記溶接
電圧信号ＥａがＥａ≦ｅ２のときには電極が溶融プール
に接触したと判別させる異常判別手段を設けて、溶接の
中止指令及び電極異常の表示指令を行うようにした溶接
ワイヤ位置の検出装置である。さらに、この溶接ワイヤ
位置の検出機能を溶接制御装置の内部に設けて自動溶接
システムとして動作するようにしている。

【００１１】

【作用】上記したように、ワイヤ短絡検出手段によって
求められる溶接ワイヤの単位時間当たりの短絡移行回数
と短絡移行時間率から、溶接ワイヤ位置を判別するワイ
ヤ位置判別手段を設けることにより溶接ワイヤ高さの適
正・不適正の判別を行うことができる。この判別判定に
当たっては、短絡移行時間率ＡｔがＡｔ＜ａ(％)のと
き、あるいは短絡移行時間率ＡｔがＡｔ＜ａ(％)で、か
つ短絡移行回数ＮがＮ＜ｍ（回数／秒）のときは溶接ワ
イヤ位置高さが過大で不適正と判別させ、反対に短絡移
行時間率ＡｔがＡｔ＞ｂのとき、あるいは短絡移行時間
率ＡｔがＡｔ＞ｂで、かつ短絡移行回数ＮがＮ＜ｍのと
きには溶接ワイヤ位置高さが過小で不適正と判別させ、
また、ａ≦Ａｔ≦ｂ及びＮ≧ｍであるときは溶接ワイヤ
位置高さが適正であると判別させるようにしている。さ
らに、この判別結果から不適性と判別したときには、ワ
イヤ位置高さを修正する方向に制御信号を発信するよう
にしているので、ワイヤ位置高さの適正制御を行うこと
が可能となる。また、電極電圧信号と溶接電圧信号から
電極及び溶接ワイヤの異常を判別する異常判別手段を設
けることにより、溶融中の溶接ワイヤが電極に接触した
ときや電極が溶融プールに接触したときのことを明確に
判別することができる。そして、このような場合には溶
接の中止指令及び電極異常の表示指令を行うようにして
いるので、電極や溶接ワイヤの不具合を知ると同時に、
溶接結果の悪化や溶接欠陥の発生を未然に防止すること
が可能となる。

【００１２】さらに、溶接ワイヤ位置の検出機能を設け
た溶接制御装置及び自動溶接システムを用いることによ
り、一般の溶接構造物，溶接配管，化学プラント及び原
子力発電プラントの溶接組立など各種溶接継手に対する
１パス溶接あるいは多層多パス溶接をそれぞれ良好に実
施でき、溶接の自動化及び溶接品質の向上を図ることが
可能となる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の内容について実施例を用いて
具体的に説明する。図１は本発明の一実施例を示すもの
で、アーク中で溶融される溶接ワイヤの良否判定と位置
制御及び電極の異常判定を行う機能を備えている。母材
２７の溶接対象物は、例えば、化学プラントや原子力発
電プラントの溶接組立てで必要な各種配管の溶接継手の
一例である。１はタングステンを主成分とする非消耗性
の電極２を使用した溶接トーチで、上下方向の駆動が可
能なトーチ駆動軸４にトーチホルダ３を介して設けられ
ている。６は電極２と被溶接材の配管溶接継手の母材２
７との間に発生させるアークで、アーク６は溶接電源７
によって直流アークやパルスアークなど任意大きさの電
流波形が出力されるようになっている。８は溶接ワイヤ
送給装置（省略）からワイヤガイド９を通ってアーク２
中に送られる溶接ワイヤで、上下方向の駆動が可能なト
ーチ上下駆動軸４に設置されているワイヤ駆動軸２０に
ワイヤホルダ１０を介して設けられている。この溶接ワ
イヤには通電加熱を行っていない。配管溶接継手の母材
２７には、任意形状の開先が設けられており、アーク２
によって加熱溶融され、かつ、溶接ワイヤ８の溶融金属
により開先を埋め立てながら溶接される。開先が浅い薄
板の場合は１パス溶接を行い、また、その開先が深い厚
板の場合には多層多パス溶接を行うようになっている。
２８は配管溶接継手の母材２７の溶接線に沿って設置さ
れている走行レール１２の上を任意の設定速度で走行す
ることができる配管用走行台車で、溶接トーチ及び溶接
ワイヤの上下方向の同時駆動が可能なトーチ駆動軸４が
搭載されている。２１は溶接トーチ１及び溶接ワイヤ８
の左右方向の移動及び揺動の制御が可能なトーチ左右駆
動軸である。また、２０は溶接ワイヤ８の上下及び左右
方向の駆動制御が可能なワイヤ駆動軸で、トーチ左右駆
動軸２１に設けられており、溶接ワイヤ８の位置合わせ
を単独で行うことができるようになっている。さらに、
１３は無通電の溶接ワイヤ８と溶接継手の母材２７との
間に生じるワイヤ電圧信号Ｖｗを検出するワイヤ電圧検
出手段である。１４は溶接ワイヤ８の短絡移行を検出す
るワイヤ短絡検出手段で、ワイヤ電圧検出手段１３から
のワイヤ電圧信号Ｖｗを取り込み、ワイヤ短絡の基準電
圧ｅ１と比較した後、ワイヤ溶融の単位時間当たりの短
絡移行回数と短絡移行時間率を検出及び演算するように
なっている。また、１５は溶接ワイヤ位置を判別する溶
接ワイヤ位置判別手段で、ワイヤ短絡検出手段１４で求
められた短絡移行回数と短絡移行時間率から溶接ワイヤ
位置の良否判別させるようにしている。そして、この溶
接ワイヤ位置判別手段１５によって溶接ワイヤの位置高
さが過小あるいは過大と判別されたときには、そのワイ
ヤ位置高さを修正する方向の制御信号を溶接コントロー
ラ１６に発信するようになっている。そして、溶接ワイ
ヤ位置判別回路１５から溶接コントローラ１６に発信さ
れた制御信号によってトーチ駆動軸４が駆動制御される
ようになっている。さらに、２３はアーク２中に送られ
る無通電の溶接ワイヤ８とアーク２が発生している電極
２との間に生じる電圧Ｖｅの電極電圧信号２２を検出す
る電極電圧検出手段で、また、２６はアーク２が発生し
ている電極２と母材５との間に生じる電圧Ｅａの溶接電
圧信号２５を検出する溶接電圧検出手段である。また、
２４は溶接ワイヤ及び電極の異常を判定する異常判別手
段で、電極電圧検出手段２３及び溶接電圧検出手段２６
から送信される電極電圧信号Ｖｅ及び溶接電圧信号Ｅａ
を異常判定の基準電圧ｅ２と比較して異常の有無を判定
するようにしている。そして、この異常判別回路２４に
よって異常と判定したときには溶接の中止指令及び電極
異常の表示指令を溶接コントローラ１６に発信するよう
にしている。この溶接コントローラ１６には、トーチ駆
動軸４，トーチ左右駆動軸２１及びワイヤ駆動軸２０の
各軸の駆動制御の他に、走行台車２８の走行制御，溶接
電源７の出力制御，溶接ワイヤ送給装置（省略）の制御
など、溶接に必要な一連の制御が可能な各制御回路ある
いは制御手段が格納（省略）されている。１７はワイヤ
短絡検出回路１４や溶接ワイヤ位置判別回路１５や溶接
コントローラ１６を収納している収納装置である。

【００１４】次に、溶接ワイヤの溶融特性及びこの特性
からワイヤ位置の判別方法について説明する。図２に示
すように、電極２と被溶接材の母材５の間に発生させた
アーク６中に無通電の溶接ワイヤ８を送ると、溶接ワイ
ヤ８と母材５の間に電圧Ｖｗが生じ、ワイヤ・母材間電
圧Ｖｗは、溶接ワイヤ８の溶融及び溶滴移行の状態によ
って変化する。例えば、図３は、アーク長Ｌあるいはワ
イヤ・母材間距離を変化させたときに観察される代表的
なワイヤ・母材間電圧Ｖｗの波形例であり、（ａ）はワ
イヤが母材及び溶融プールと接触のままの短絡状態、
（ｂ）は短絡から時々溶滴が移行する状態、（ｃ）は細
かい溶滴が短時間で短絡移行を繰り返す状態、（ｄ）は
大きく成長した溶滴が時々移行する状態をそれぞれ示し
ている。ワイヤ短絡の基準電圧ｅ１に対して、ワイヤ・
母材間電圧ＶｗがＶｗ≦ｅ１となる領域の各時間ｔｓが
ワイヤ短絡を生じているところである。従って、ワイヤ
溶滴の移行時に電位差が生じるワイヤ・母材間電圧Ｖｗ
の波形からワイヤ溶滴の短絡移行回数Ｎや短絡移行時間
率Ａｔを求めることができる。すなわち、検出時間をＴ
(sec）、短絡の回数をｎ（回）とすると、単位時間当り
短絡移行回数Ｎ（回／sec）はＮ＝ｎ／Ｔとなり、ま
た、その時の短絡移行時間率Ａｔ(％）はＡｔ＝（Σｔ
ｓ／Ｔ）×１００で示される。

【００１５】図４は、直流アークとパルスアークを用い
てそれぞれ溶接した時のアーク長Ｌ（電極・母材間距
離）とワイヤ溶滴の短絡移行回数Ｎの関係を示したもの
である。本実験によれば、ワイヤ溶滴の短絡移行回数Ｎ
は、アーク長Ｌが短い（ワイヤ・母材間距離も短い）と
きには母材及び溶融プールとの接触時間が長くなるため
回数が少なく、細かい溶滴が短時間で移行して位置で最
大となり、そして、その後はアーク長が長く（ワイヤ・
母材間距離も長い）なるに従って溶滴が成長しながら移
行するため再び減少する様子を示している。この傾向は
直流アーク及びパルスアークの両方で認められる。図３
及び図４に示したように、アーク長Ｌ及びワイヤ・母材
間距離が短すぎる（ａ）の状態では、溶融プールが不安
定になりやすく、溶接ビードの形成も極めて悪化しやす
い。特に、溶接トーチ及びワイヤを左右に揺動させるウ
ィービング溶接では、ワイヤが母材に凝着したり、ある
いは電極に接触して溶接の中断に至るなどトラブルが多
発しやすい。また、アーク長Ｌあるいはワイヤ・母材間
距離が長すぎる（ｄ）の状態では、大きく成長した不安
定なワイヤ溶滴の移行によってアーク及び溶接ビードが
乱れて溶接欠陥が発生しやすい。これに対して、（ｂ）
及び（ｃ）の状態では、ワイヤ溶滴の移行及びアークが
安定で、溶接ビードの良好な溶接結果が得られることが
分かった。従って（ｂ）及び（ｃ）の安定領域を維持す
るためには、短絡移行回数の判定基準値ｍを設けて、溶
接中の短絡移行回数Ｎが常にＮ≧ｍとなるようにワイヤ
位置高さを制御すれば良いことが分かる。短絡移行回数
の判定基準値は約ｍ＝３〜５（回数／sec)にすれば良
く、また、ワイヤ位置高さの制御は溶接トーチ１及び溶
接ワイヤ８が搭載されているトーチ駆動軸を制御するこ
とによって達成することができる。しかし、短絡移行回
数の判定だけでは、Ｎ＜ｍのときにワイヤ位置高さが過
小なのか過大なのかを区分けすることが困難であるが、
ワイヤ溶滴の短絡移行時間率の特性を利用することによ
ってその区分け判定を行うことが可能となる。図５はア
ーク長とワイヤ溶滴の短絡移行時間率の関係であり、図
中にはパルスアークの電流値を大，中，小の３種類変化
させた結果を示している。ワイヤ溶滴の短絡移行時間率
Ａｔは、短絡領域の１００％からアーク長Ｌ及びワイヤ
・母材間距離が長くなるに従って急激に低下した後、０
％まで落ちていく特性を示している。短絡移行時間率の
上限基準値ｂに対して、短絡移行時間率ＡｔがＡｔ＞ｂ
のときはワイヤ位置高さが過小で不安定領域となり、ま
た、短絡移行時間率の下限基準値ａに対して、Ａｔ＜ａ
のときはワイヤ位置高さが過大で不安定領域となる。ワ
イヤ溶滴及び溶接の安定な領域は、これらの不安定領域
を除いたところであり、ａ≦Ａｔ≦ｂを満たす領域とな
ることが分かる。短絡移行時間率の下限基準値は約ａ＝
５〜２０（％）、また、上限基準値は約ｂ＝８０〜９５
（％）にそれぞれ設定すれば良いことが分かった。

【００１６】したがって、図１に示したワイヤ短絡検出
手段１４によってワイヤ溶滴の短絡移行回数Ｎ及び短絡
移行時間率Ａｔを求めさせ、この情報を溶接ワイヤ位置
判定手段１５に取り込んでワイヤ位置の良否判定を行う
ようにしている。例えば、短絡移行時間率ＡｔがＡｔ＜
ａのとき、あるいは短絡移行回数ＮがＮ＜ｍで、かつ、
Ａｔ＜ａのときはワイヤ位置高さが過大と判別させて下
降の制御信号を溶接コントローラ１６に発信させる。ま
た、短絡移行時間率Ａｔがａ≦Ａｔ≦ｂのとき、あるい
は短絡移行回数ＮがＮ≧ｍのときにはワイヤ位置高さが
適正であると判定させてそのワイヤ位置高さをそのまま
維持するようにしている。反対に、Ａｔ＞ｂのとき、あ
るいはＮ＜ｍで、かつ、Ａｔ＞ｂのときにはワイヤ位置
高さが過小と判定させて上昇の制御信号を溶接コントロ
ーラ１６に発信させるようにしている。ワイヤ位置判定
回路１５から下降の制御信号を溶接コントローラ１６に
受けたときには、溶接トーチ１及び溶接ワイヤ８が搭載
されているトーチ駆動軸４を下降方向の制御を行わせ、
反対に上昇の制御信号を受けたときにはトーチ駆動軸４
を上昇方向の制御を行わせるようにしている。ワイヤ位
置高さが適正で上下動の制御信号が出されていないとき
には、溶接トーチ及び溶接ワイヤの高さをそのまま維持
するように制御している。なお、アーク長を一定に制御
する動作をトーチ駆動軸４に持たせている場合には、ワ
イヤ位置判別回路１５からのワイヤ位置の良否判別によ
ってトーチ駆動軸４を上昇方向あるいは下降方向に制御
するときに、その制御期間だけアーク長一定の制御動作
を停止してワイヤ位置判別回路の制御指令に従わせるよ
うにすれば良い。また、ワイヤ位置判別回路１５によっ
てワイヤ位置高さが適正と判別されたときには、そのワ
イヤ位置高さを維持するようにアーク長一定の制御動作
を再開してトーチ駆動軸の持続制御を行えば良い。この
ように溶接トーチ及び溶接ワイヤが搭載されているトー
チ駆動軸を制御することによってワイヤ位置高さの適正
制御が行え、ワイヤ溶滴の乱れや溶接ビードの不具合が
生じることもなく、常に安定なワイヤ溶滴の移行と良好
な溶接結果を得ることができる。

【００１７】溶接ワイヤ及び電極の異常診断の方法につ
いて説明する。図６及び図７は、溶接中の溶接電圧Ｅａ
と電極電圧Ｖｅの信号波形の一例を示したもので、図中
のｔｓはワイヤ溶滴の短絡移行時間であり、また、ｔａ
は電極の接触時間を表している。図３に示したワイヤ電
圧Ｖｗの信号波形と比較すると分かるように、ワイヤ溶
滴が短絡移行（短絡移行時間ｔｓ）するときには、ワイ
ヤ電圧Ｖｗのレベルが０Ｖ近くまで低下するのに対し、
電極電圧Ｖｅの方は短絡移行時間ｔｓの間だけ、ほぼ溶
接電圧のレベルまで上昇する特性を持っている。図６
で、電極電圧Ｖｅのレベルが０Ｖ近くまで低下している
ｔａのところは、溶接ワイヤの乱れた溶滴が電極に接触
したときで、アーク２はそのまま発生しているので溶接
電圧がわずかに変化する様子を示している。一方、電極
２及び溶接ワイヤ８が母材５，２７の溶融プールに接触
（接触時間ｔａ）したときには、図７に示したように溶
接電圧信号Ｅａと電極電圧信号Ｖｅのレベルが０Ｖ近く
まで低下する。このような接触現象が発生すると、電極
を傷めて異常消耗させるばかりでなく、そのまま溶接を
続けると、正常なアークの継続が困難となり溶接欠陥が
発生してしまう。

【００１８】したがって、これを防止するため、ここで
は接触判定の基準電圧ｅ２を設けて、溶接電圧Ｅａ及び
電極電圧Ｖｅのレベルを異常判定手段２４によって監視
させている。そして、溶接期間中に溶接電圧信号Ｅａが
Ｅａ≦ｅ２のときは電極が溶融プールに接触したと判別
させ、また、電極電圧信号ＶｅがＶｅ≦ｅ２のときには
溶接ワイヤの溶滴が電極に接触したと判別させて、溶接
の中止指令及び電極異常の表示指令を溶接コントローラ
１６に発信するようにしている。接触判定の基準電圧ｅ
２は、接触抵抗やケーブル抵抗のことを考慮して０より
大きく約３Ｖ以下に設定するのが望ましい。このように
構成することによって電極接触による消耗を最小限に止
め、溶接ワイヤ及び電極のトラブルによる溶接欠陥の発
生や溶接品質の悪化を未然に防止することができる。

【００１９】図８及び図９に本発明の制御動作フローチ
ャートの一実施例を示す。このような制御動作は、例え
ば、ソフトウェアで作成して溶接制御収納装置１７に組
み込むことができる。最初に、アークの発生するアーク
ＯＮ３１と溶接ワイヤが送られてからワイヤ送りＯＮ３
２の検出待ち時間３３を経て検出を開始する。ワイヤ位
置検出及び制御処理３５を行った後、電極異常の検出処
理３６を行い、その処理動作はアークがオフ３７される
（溶接終了）まで繰り返すようになっている。電極異常
の検出処理３６では、電極母材接触検知３７とワイヤ電
極接触検知３８を行う。そして、溶接電圧信号Ｅａのレ
ベルがＥａ≦ｅ２となったときは電極が溶融プールに接
触（母材接触４０）したと判別させ、また、電極電圧信
号ＶｅのレベルがＶｅ≦ｅ２となったときには溶接ワイ
ヤの溶滴が電極に接触（ワイヤ接触４２）したと判別さ
せて、溶接の中止４３及び電極の異常表示４４を行うよ
うにしている。一方、ワイヤ位置検出及び制御処理３５
では図１２に示したように、直流アーク４７とパルスア
ーク４８に分けて設定したワイヤ母材間電圧Ｖｗの検出
４５のサンプリング時間Ｔ（４６）中に生じる短絡移行
回数Ｎ（４９）と短絡移行時間率Ａｔ（５０）を求めた
後、その結果判定からワイヤ位置高さの良否判定を行う
ようにしている。ここでは例えば、短絡移行回数ＮがＮ
≧ｍのときと、Ｎ＜ｍで、かつ短絡移行時間率Ａｔがａ
≦Ａｔ≦ｂのときにはワイヤ位置高さが適正５１，５２
と判別させて、そのワイヤ位置高さをそのまま持続５３
するように制御している。また、Ｎ＜ｍで、かつＡｔ＜
ａのときはワイヤ位置高さが過大５４と判別させて、ワ
イヤ下降の累計値（Σ△Ｖｎ≦ｃ１）に従って溶接ワイ
ヤのみを下降させる方向にワイヤ駆動軸の下降制御５６
を行うか、あるいは溶接トーチ及び溶接ワイヤの両方を
下降させる方向にトーチ駆動軸の下降制御５７を行うよ
うにしている。反対に、Ｎ＜ｍで、かつＡｔ＞ｂのとき
にはワイヤ位置高さが過小５８と判別させて、トーチ上
昇の累計値（Σ△Ｚ≦ｃ２）に従って溶接トーチ及び溶
接ワイヤの両方を上昇させる方向にトーチ駆動軸の上昇
制御６０を行うか、あるいは溶接ワイヤのみを上昇させ
る方向にワイヤ駆動軸の上昇制御６１を行うようにして
いる。なお、ワイヤ下降の下限値ｃ１は初期設定のアー
ク長Ｌ程度、また、溶接トーチ上昇の上限値ｃ２は初期
設定のアーク長Ｌの２倍程度にそれぞれ設定すれば良
い。

【００２０】このように構成することによって、溶接中
のワイヤ溶滴の短絡移行回数Ｎ及び短絡移行時間率Ａｔ
からワイヤ位置高さの良否判定をすることができる。そ
して、この判定結果に基づいて溶接トーチ１及び溶接ワ
イヤ８が搭載されているトーチ駆動軸４を制御するか、
あるいは、溶接ワイヤ８の位置のみを上下動させるワイ
ヤ駆動軸２０を制御することによってワイヤ位置高さの
適正制御がより正確に行え、ワイヤ溶滴の乱れや溶接ビ
ードの不具合が生じることもなく、常に安定なワイヤ溶
滴の移行と良好な溶接結果を得ることができる。また、
ワイヤ駆動軸２０を設けることによって溶接ワイヤの上
下左右方向の位置合わせを単独で行え、ワイヤ溶滴の移
行を細かく管理することが可能となるばかりでなく、使
い勝手の向上を図ることができる。さらに、溶接ワイヤ
及び電極の異常を診断することによって電極接触による
消耗を最小限に止め、溶接ワイヤ及び電極のトラブルに
よる溶接欠陥の発生や溶接品質の悪化を未然に防止する
ことができる。

【００２１】本発明の溶接ワイヤ位置の制御機能を自動
溶接システムに装備することにより、各種溶接継手の１
パス溶接及び多層多パス溶接に対して溶接ワイヤ位置の
適正制御及び電極の異常判別が行え、溶接の自動化及び
溶接品質の向上を図ることができる。例えば、溶接配管
の多い化学プラント及び原子力発電プラントの自動溶接
への適用を図ることができる。

【００２２】

【発明の効果】本発明の溶接ワイヤ位置の検出方法及び
その装置を用いることにより、溶接ビード形状の良否に
係わる溶接ワイヤ位置の良否が容易に判別できるので、
そのワイヤ高さの適正制御が可能となり、溶接ビードの
良好な溶接結果を得ることができる。また、溶接中に電
極及び溶接ワイヤに異常が発生した時にはその異常を瞬
時に検知して溶接を中止するようにしているので、電極
の異常消耗を最小限に防ぐと共に、溶接欠陥の発生や溶
接結果の悪化を防止することができる。さらに、本発明
の溶接ワイヤ位置の検出機能を設けた溶接制御装置及び
自動溶接システムを用いることにより、溶接構造物や溶
接配管や化学プラント及び原子力発電プラントの溶接組
立など各種溶接継手の１パス溶接あるいは多層多パス溶
接に対しても、溶接ワイヤ位置の適正検出及び電極の異
常診断が行え、初心者でも容易に溶接を実施することが
できるばかりでなく、使い勝手が良く、溶接の自動化及
び溶接品質の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の溶接ワイヤ位置の制御に関する内容を
示す一実施例のブロック図。

【図２】本発明のアーク中に送られる溶接ワイヤの位置
を示す説明図。

【図３】本発明のワイヤ溶融特性で観察される代表的な
ワイヤ・母材間電圧Ｖｗの波形図。

【図４】本発明の一実施例のアーク長とワイヤ溶融の短
絡移行回数の関係を示す説明図。

【図５】本発明の一実施例のアーク長と短絡移行時間率
の関係を示す説明図。

【図６】本発明の溶接ワイヤ及び電極の異常診断で判別
している代表的な溶接電圧及びワイヤ・電極間電圧の波
形図。

【図７】本発明の溶接ワイヤ及び電極の異常診断で判別
している代表的な溶接電圧及びワイヤ・電極間電圧の他
の波形図。

【図８】本発明の溶接ワイヤ位置の制御及び電極の異常
診断に関する動作フローチャート。

【図９】本発明の溶接ワイヤ位置の制御に関する動作フ
ローチャート。

【符号の説明】

１…溶接トーチ、２…電極、４…トーチ駆動軸、６…ア
ーク、７…溶接電源、８…溶接ワイヤ、１２…走行レー
ル、１５…溶接ワイヤ位置手段、１６…溶接コントロー
ラ、２３…電極電圧検出手段、２４…異常判別手段、２
７…配管溶接継手の母材、２８…配管溶接走行台車。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 水口 和彦 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 山口 裕治 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 日野 英司 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】溶接継手の母材と溶接トーチ先端の非消耗
   性の電極との間に通電して任意出力波形のアークを発生
   させ、前記アーク中及び溶融プール内に無通電の溶接ワ
   イヤを送りながら溶接を行うときの溶接ワイヤの位置の
   検出方法において、 前記無通電の溶接ワイヤと溶接母材との間に生じるワイ
   ヤ電圧信号を検出するワイヤ電圧検出手段と，前記溶接
   ワイヤが短絡移行するときの単位時間当たりの短絡移行
   回数と短絡移行時間率を求めるワイヤ短絡検出手段と，
   前記短絡移行回数及び前記短絡移行時間率を取り込んで
   前記溶接ワイヤの位置を判別するワイヤ位置判別手段を
   それぞれ設けて、アーク発生後の溶接期間中に、前記ワ
   イヤ位置判別手段によって前記溶接ワイヤの位置の高さ
   の適正・不適正を判別させた後、前記溶接ワイヤの位置
   の高さが過大で不適正と判別したときはその高さを下降
   させる制御信号を、また、反対に溶接ワイヤ位置の高さ
   が過小で不適正と判別したときにはその高さを上昇させ
   る制御信号をそれぞれ発信させるようにし、前記無通電
   の溶接ワイヤと非消耗性の電極との間に生じる電極電圧
   信号を検出する電極電圧検出手段と，溶接電流が流れる
   前記電極と溶接母材との間に生じる溶接電圧信号を検出
   する溶接電圧検出手段と，電極及び溶接ワイヤの異常を
   判別する異常判別手段をそれぞれ設けて、前記ワイヤ位
   置判別手段の動作と同時に、あるいはワイヤ位置高さの
   制御信号を発信させた後に、前記電極電圧信号及び前記
   溶接電圧信号を前記異常判別手段に取り込んで、異常判
   定の基準電圧値に対して前記電極電圧信号が小さいとき
   は溶接ワイヤの溶滴が電極に接触したと判別し、また、
   前記異常判定の基準電圧値に対して前記溶接電圧信号が
   小さいときには電極が溶融プールに接触したと判別し
   て、溶接の中止指令及び電極異常の表示指令を発するよ
   うにしたことを特徴とする溶接ワイヤの位置の検出方
   法。