JPH1085939A - アーク長制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】開先内で非消耗電極１をウィービング、あるい
は揺動させる溶接装置のアーク長制御装置において、低
い周波数のウィービングや揺動中にも、母材４の凹凸な
どに対応して十分速くアーク長を制御し、母材４の溶融
状態を安定させること。 【解決手段】開先内で非消耗電極１をウィービング、あ
るいは揺動させる溶接装置のアーク長制御装置におい
て、ウィービングや揺動中の任意の位置のアーク電圧Ｅ
ａを検出し、設定した適正アーク長となる基準アーク電
圧Ｅｇとの差を算出し、その差電圧ｄＥを変数として求
められる距離ｄＤだけ溶接トーチ３を移動さる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は非消耗電極溶接のア
ーク長制御装置に係わり、溶接中のアーク長を制御する
アーク長制御装置、さらに該アーク長制御装置を搭載し
た非消耗電極アーク自動溶接装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】非消耗電極溶接では、通常アーク長と呼
ばれている非消耗電極先端と母材間の距離を一定に保ち
ながら溶接することが望ましい。従来の非消耗電極アー
ク自動溶接装置においては、溶接トーチをスライドベー
ス上に取り付けて置き、アーク長が変化するとアーク電
圧も変化することを利用し、該スライドベースを駆動し
てアーク電圧を一定にする制御が行われてきた。

【０００３】この従来のアーク長制御装置の多くは、ア
ーク電圧とあらかじめ設定した適正アーク長となる基準
アーク電圧との差を検出し、その大小関係で一定の駆動
速度を持つスライドベースを上昇、下降または停止させ
るオン・オフ制御を行っていた。あるいは、アーク電圧
とあらかじめ設定した適正アーク長となる基準アーク電
圧との差を取り、その正負により移動方向を変え、また
電圧差の絶対値に比例してスライドベースの駆動速度を
大きくする比例制御を行っていた。いずれも、アーク電
圧を常時フィードバック的に差電圧を無くすように制御
するものであった。

【０００４】即ち、測定したアーク電圧とあらかじめ設
定した適正アーク長となる基準アーク電圧との差を、現
在のアーク長と適正アーク長の距離差として把握し、１
回の制御でその距離差が０になるように溶接トーチを移
動するという概念は、従来のアーク長制御装置にはなか
った。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】非消耗電極を開先内で
平行移動的に左右動（以下、ウィービングという）ある
いは捻転させて電極先端を左右動（以下、揺動という）
させる場合、Ｖ開先やＩ開先内では、非消耗電極が開先
中心近くにある場合と開先壁面近くにある場合とでは、
非消耗電極先端と母材間の距離、即ちアーク長が異な
り、アーク電圧が変化する。このような場合、従来のア
ーク長制御装置をそのまま用いると、ウィービングある
いは揺動に対応して常時スライドベースを駆動して溶接
トーチを上下させ、アーク電圧が一定になるように動作
しなければならない。このような動作が行われると、特
にＩ開先の開先壁面に電極が近づいた場合、アーク長が
極端に短くなるため、スライドベースが急激に上昇し
て、母材の溶融状態を不安定なものにし、溶接結果の悪
化原因となる。このような現象を防止するには、開先中
央部でのアーク長が一定になるよう制御しつつ、開先中
央部から外れた場合にも開先中央部の溶接トーチ高さを
保つことが必要になる。

【０００６】このような動作を行うためには、非消耗電
極先端が開先中心近くにある場合と開先壁面近くにある
場合とそれぞれ区別してアーク電圧を検出して制御す
る。

【０００７】従来のアーク長制御装置を用い、開先中心
部でのアーク電圧だけを検出してアーク長制御を行う場
合、従来のスライドベースの駆動速度のままでは、例え
ば１〜３Ｈｚなどのウイ−ビングあるいは揺動の場合に
は、次のアーク電圧検出が行われるまでの間にスライド
ベースが一方向に動き過ぎる結果，頻繁に上下動を繰り
返すハンチング状態を引き起こすので、結局スライドベ
ースの駆動速度を非常に遅くしなければならなかった。
しかし、スライドベースの駆動速度が遅い場合には、し
ばしば母材表面の凹凸に対応したアーク長制御が困難に
なり、非消耗電極が母材に接触・損傷し、母材の溶融状
態を不安定なものにし、溶接結果の悪化の原因となる。

【０００８】本発明の目的は、上記のような従来技術の
問題点を解決するために、任意の周波数で開先内をウィ
ービングあるいは揺動している場合でも、スライドベー
スの駆動速度を速くしたままで制御できるようにし、母
材の凹凸などに対応して十分速くアーク長を制御するア
ーク長制御装置及び非消耗電極アーク自動溶接装置を提
供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的は、非消耗電極
アーク溶接装置のアーク長制御装置において、非消耗電
極を任意の周波数で開先内をウィービングあるいは揺動
しているとき、任意の電極位置でのみアーク電圧を検出
して、あらかじめ設定した適正アーク長となる基準アー
ク電圧との差電圧を算出し、該差電圧の正負で移動方向
を決め、また該差電圧を変数として、溶接トーチの移動
量を求め、該距離だけ溶接トーチを母材に対して上下方
向に移動することによって、アーク長が一定になるよう
制御することにより達成される。

【００１０】本発明の装置は、非消耗電極を任意の周波
数で開先内をウィービングあるいは揺動しているとき、
該非消耗電極が開先内の任意の点にある時のアーク電圧
を検出して、あらかじめ設定した適正アーク長となる基
準アーク電圧との差を算出し、該差電圧の正負で移動方
向を決め、また差電圧を変数として求められる距離だけ
スライドベースを駆動させる。このため、低い周波数で
揺動やウィービングや揺動中にも、従来のアーク長制御
装置と同じ移動速度で溶接トーチを移動でき、母材の凹
凸などに対応して十分速くアーク長を制御できるので、
非消耗電極が母材に接触し溶接中断するような問題は発
生しない。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図面に
従って説明する。

【００１２】図１は、Ｉ開先２内で、非消耗電極１をウ
ィービングさせながら溶接した場合の概念図である。
（１）は従来のアーク長制御装置をそのまま用いた場合
であり、常時アーク電圧が一定になるように非消耗電極
１を動作するため、開先壁面に電極が近づいた場合のア
ーク長Lwが極端に短くなり、非消耗電極１が急激に上昇
して、母材の溶融状態を不安定なものにし、溶接結果の
悪化原因となる。このような現象を防止するために、開
先中央部でのアーク長Lcが一定になるよう制御しつつ、
開先中央部から外れた場合にも開先中央部の溶接トーチ
高さを保つようにしたのが（２）である。（２）の制御
を行うことにより、開先壁面に非消耗電極１が近づいた
場合に非消耗電極１が急激な上昇をせず、母材の溶融状
態を安定させることができる。

【００１３】図２は、ウィービングしながら溶接してい
る時に、従来のアーク長制御装置を用い、開先中心部で
のアーク電圧だけを検出してアーク長制御を行う場合
と、本発明のアーク長制御装置を用いた場合のアーク長
制御の概念図である。溶接トーチ移動速度はどちらの場
合も５ｍｍ／秒であり、アーク電圧サンプリング周波数
は２Ｈｚ（ウィービング周波数は１Ｈｚ）、溶接速度は
１ｍｍ／秒の例である。開先底面の高さは溶接進行方向
に１００ｍｍで、高さが１０ｍｍ減少する場合を例とし
ている。Ｗは溶接トーチのウィービング軌跡であり、ウ
ィービング振幅の中心となるＣとの交点Ｐでアーク電圧
を検出する。開先底面高さに対応した理想的な溶接トー
チ高さの軌跡がＲ、従来のアーク長制御を行ったときの
溶接トーチ高さの軌跡がＳ、本発明のアーク長制御を行
ったときの溶接トーチ高さの軌跡がＨである。

【００１４】従来のアーク長制御装置では、図示するよ
うにアーク電圧検出の間隔が長すぎて、スライドベース
が頻繁に上下動を繰り返すハンチング状態を引き起こ
す。一方、本発明のアーク長制御装置を用いれば、アー
ク電圧検出時の適正アーク長に不足した距離のみ十分に
速い移動速度で溶接トーチを下降させるため、ハンチン
グ状態を起こさずに開先底面高さに沿ったアーク長制御
ができる。

【００１５】なお、検出アーク電圧は、交点Ｐ前後の複
数検出して平均化したものを検出アーク電圧として使用
しても良い。

【００１６】図３は、ウィービングしながら溶接してい
る時に、従来のアーク長制御装置を用い、開先中心部で
のアーク電圧だけを検出してアーク長制御を行う場合
と、本発明のアーク長制御装置を用いた場合のアーク長
制御の概念図である。溶接トーチ移動速度は従来のアー
ク長制御装置の場合、図２のようなハンチングを防止す
るため０．５ｍｍ／秒とし、本発明のアーク長制御装置
の場合は図２の場合と同じ５ｍｍ／秒であり、アーク電
圧サンプリング周波数は２Ｈｚ（ウィービング周波数は
１Ｈｚ）、溶接速度は１ｍｍ／秒の例である。開先底面
の高さは溶接進行方向に１００ｍｍで、高さが１００ｍ
ｍ減少する開先底面高さ変化の急激な場合を例としてい
る。Ｗは溶接トーチのウィービング軌跡であり、ウィー
ビング振幅の中心となるＣとの交点Ｐでアーク電圧を検
出する。開先底面高さに対応した理想的な溶接トーチ高
さの軌跡がＲ、従来のアーク長制御を行ったときの溶接
トーチ高さの軌跡がＪ、本発明のアーク長制御を行った
ときの溶接トーチ高さの軌跡がＨである。

【００１７】従来のアーク長制御装置では、図示するよ
うに溶接トーチ移動速度が遅すぎて、開先底面高さの変
化にアーク長制御が追従しきれない。一方、本発明のア
ーク長制御装置を用いれば、アーク電圧検出時の適正ア
ーク長に不足した距離のみ十分に速い移動速度で溶接ト
ーチを下降させるため、急激な変化に追従して 開先底
面高さに沿ったアーク長制御ができる。

【００１８】なお、検出アーク電圧は、交点Ｐ前後の複
数検出して平均化したものを検出アーク電圧として使用
しても良い。

【００１９】図４は、非消耗電極溶接の一つであるＴＩ
Ｇ（タングステンイナートガス）アーク溶接における溶
接電流、タングステン電極先端と母材間の電圧（アーク
電圧）とタングステン電極先端と母材間距離（アーク
長）の関係を示す実験結果である。

【００２０】母材の状態、シールドガス成分、電極組成
や電極径、電極先端形状などのいろいろな要因で変化す
るが、一般的には第４図の傾向がある。即ち、実用域で
は、（アーク長変化量）＝（制御定数）×（アーク電圧
変化量）と表される。

【００２１】したがって、測定したアーク電圧と適正な
アーク長となるアーク電圧の差が、“Ｎ”Ｖであれば、
測定時のアーク長が適正アーク長に対して、“α・Ｎ”
ｍｍ（αは制御定数）の差があると解釈し、溶接トーチ
を“α・Ｎ”ｍｍだけ移動する制御を行うことで適正ア
ーク長にするようにしたのが本発明のアーク長制御装置
である。

【００２２】溶接トーチの移動手段は、移動距離を制御
できるものであれば良く、パルス列指令でのパルスモー
タドライブ、あるいはエンコーダなどのフィードバック
用検出器を備えたサーボモータドライブであっても良
い。

【００２３】図５は、本発明のアーク長制御装置の制御
方法のフローチャートである。まず、測定時のアーク長
Ｄａを適正アーク長Ｄｇにするために必要な溶接トーチ
支持部移動量ｄＤを算出する溶接トーチ支持部移動量算
出式ｄＤ＝α・｜ｄＥ｜（｜ｄＥ｜はｄＥの絶対値、α
は定数）を設定、記憶させる。次に溶接中の非消耗電極
先端と母材間のアーク電圧Ｅａを抽出し、該アーク電圧
Ｅａと適正アーク長を保持したときのアーク電圧（基準
アーク電圧）Ｅｇの差電圧ｄＥを算出する。算出した該
差電圧ｄＥを前記溶接トーチ支持部移動量算出式ｄＤ＝
α・｜ｄＥ｜に代入し、溶接トーチ支持部移動量ｄＤを
算出する。次に差電圧ｄＥの正負を判断し、 ｄＥ＞β
ならば、溶接トーチ支持部移動軸を前記算出した溶接ト
ーチ支持部移動量ｄＤだけ下降し、 ｄＥ＜−βなら
ば、溶接トーチ支持部移動軸を前記算出した溶接トーチ
支持部移動量ｄＤだけ上昇し、 ｄＥ＞βでもなく、ｄ
Ｅ＜−βでもなければ（−β≦ｄＥ≦βならば）、溶接
トーチ支持部移動軸を駆動しない。その後、溶接終了か
否かの判断をして、溶接継続中ならば再度制御を行う。

【００２４】なお、βは制御の安定化を図るための不感
帯である。

【００２５】図６は、本発明のアーク長制御装置を搭載
した非消耗電極アーク自動溶接装置のブロック図を示し
たものである。図示の非消耗電極アーク自動溶接装置
は、溶接トーチ３先端の非消耗電極１と母材４との間に
アーク５を発生する手段である溶接電源６と、溶接ワイ
ヤ７を順次送給する手段である溶接ワイヤ送給装置８
と、溶接ワイヤ送給ガイド９と溶接トーチ３を支持する
手段である溶接トーチ支持部１０と、溶接トーチ支持部
１０を上下に移動しアーク長を調整する手段である溶接
トーチ支持部移動ステージ１１と、溶接トーチ支持部移
動ステージ１１を制御する溶接トーチ支持部移動ステー
ジ制御装置１２と、溶接トーチ支持部移動ステージ１１
を搭載し、溶接進行方向に対して左右にウィービングす
る手段であるウィービングステージ１３と、ウィービン
グステージ１３を駆動制御するウィービングステージ制
御装置１４と、ウィービングステージ１３の位置情報を
抽出するウィービングステージ位置検出装置１５と，溶
接トーチ３と溶接トーチ支持部移動ステージ１１とウィ
ービングステージ１３と溶接ワイヤ送給ガイド９を搭載
し溶接線方向に自走する手段である台車１６と、該溶接
電源６よりアーク電圧Ｅａを検出する手段であるアーク
電圧検出装置１７と、該アーク電圧Ｅａと適正アーク長
となる基準アーク電圧Ｅｇの差電圧ｄＥを算出する手段
である差電圧算出装置１８と、算出した該差電圧ｄＥか
らアーク長が適正となる溶接トーチ支持部移動量ｄＤを
算出する溶接トーチ支持部移動量算出装置１９と、上記
各装置を統括制御する手段である統括制御装置２０と、
を含んで構成されている。溶接電源６と台車１６と溶接
ワイヤ送給装置８と溶接トーチ支持部移動ステージ制御
装置１２と、ウィービングステージ制御装置１４と，ウ
ィービングステージ位置検出装置１５は統括制御装置２
０により同期して制御される。

【００２６】本実施例においては、溶接進行方向に対し
て左右に非消耗電極１を移動するウィービング溶接方法
を採用しているが、非消耗電極１の先端の揺動を行う溶
接方法であっても良い。また、統括制御装置２０として
コンピュータが用いられているが、専用の演算制御装置
などを用いてもよい。さらに、溶接トーチ３と溶接トー
チ支持部移動ステージ１１とウィービングステージ１３
と溶接ワイヤ送給ガイド９を搭載し、溶接線方向に自走
する手段としては、台車１６に限らず、ロボット、マニ
ピュレータなどでもよい。

【００２７】上記構成の装置の動作を次に説明する。ま
ず、溶接する母材４上に台車１６を設置する。次に統括
制御装置２０が起動される。起動された統括制御装置２
０は溶接電源６を起動し、溶接トーチ３先端の非消耗電
極１と母材４間にアーク５を発生させる。統括制御装置
２０はアーク５発生より所定の時間が経過したことを検
知し、溶接ワイヤ送給装置８を起動し、起動された溶接
ワイヤ送給装置８は溶接ワイヤ７の送給を開始する。統
括制御装置２０は溶接ワイヤ７の送給の開始より所定の
時間が経過したことを検知し、台車１６の走行を開始す
る。

【００２８】非消耗電極１と母材４間に発生したアーク
５の電圧（アーク電圧）は、母材４表面の凹凸により非
消耗電極１と母材４間の距離（アーク長）が変化する
と、電気抵抗が変化するためアーク長に比例して変化す
る。

【００２９】統括制御装置２０はウィービングステージ
位置検出装置１５よりウィービングステージ１３の位置
情報を受信して、溶接トーチ３がウィービング振幅の所
定の位置にあることを検知したとき、アーク電圧検出装
置１７に該アーク電圧Ｅａを検出を指令する。検出指令
を受けたアーク電圧検出装置１７は該アーク電圧Ｅａを
検出し、差電圧算出装置１８により基準アーク電圧Ｅｇ
との差電圧ｄＥを算出する。算出した該差電圧ｄＥから
適正アーク長となるのに必要な溶接トーチ支持部移動量
ｄＤを溶接トーチ支持部移動量算出装置１９により算出
する。算出した差電圧ｄＥと溶接トーチ支持部移動量ｄ
Ｄは統括制御装置２０に送られる。統括制御装置２０は
差電圧ｄＥが正の場合は、アーク長が大きいと判断し
て、母材４に近づける方向に、負の場合は、アーク長が
小さいと判断して、母材４に遠ざける方向に、該溶接ト
ーチ支持部移動量ｄＤ、駆動する指令を溶接トーチ支持
部移動ステージ制御装置１２に送る。駆動指令を受けた
溶接トーチ支持部移動ステージ制御装置１２は溶接トー
チ支持部移動ステージ１１を駆動させる。

【００３０】なお、本実施例では検出したアーク電圧Ｅ
ａが基準アーク電圧Ｅｇより大きい場合、差電圧ｄＥが
正となり、小さい場合、負となるように差電圧算出式を
設定したが、それぞれ、逆となるように差電圧算出式を
設定しても良い。

【００３１】統括制御装置２０は前述の処理を溶接終了
まで、繰り返し行い、母材４表面の凹凸に関わらず、溶
接中のアーク長を制御し、自動溶接を実現する。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、非消耗電極をＩ開先あ
るいはＶ開先内でウィービングまたは揺動して行う非消
耗電極アーク溶接中の所定の位置でのみアーク電圧を検
出して、あらかじめ設定した適正アーク長となる基準ア
ーク電圧との差電圧を算出し、該差電圧を変数として、
溶接トーチの移動量を求め、該距離だけ溶接トーチを母
材に対して上下方向に移動することで、特に１〜３Ｈｚ
の低周波数で開先内をウィービングあるいは揺動してい
る場合でも、母材の凹凸などに対応して一回の制御でア
ーク長を適正値にすることができる。このため、従来の
方法ではＩ開先あるいはＶ開先内で発生する開先壁面付
近での急激なアーク長調整による母材の不安定な溶融状
態を解消し、非消耗電極が母材に接触して溶接を中断す
るような問題が発生せず、健全な溶接結果を実現するこ
とが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｉ開先内で非消耗電極をウィービングさせなが
ら溶接した場合の概念図である。

【図２】従来のアーク長制御装置と本発明のアーク長制
御装置のアーク長制御の概念図である。

【図３】従来のアーク長制御装置と本発明のアーク長制
御装置のアーク長制御の概念図である。

【図４】ＴＩＧアーク溶接における溶接電流とアーク電
圧とアーク長との関係を示す実験結果である。

【図５】本発明の一実施例のアーク長制御装置の制御方
法のフローチャートである。

【図６】本発明の一実施例のアーク長制御装置を搭載し
た非消耗電極アーク自動溶接装置のブロック図である。

【符号の説明】

１…非消耗電極、２…Ｉ開先、３…溶接トーチ、４…母
材、５…アーク、７…溶接ワイヤ、１６…台車、１７…
アーク電圧検出装置、１８…差電圧算出装置、１９…溶
接トーチ支持部移動量算出装置、２０…統括制御装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 細川 和孝 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 原 孝司 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 (72)発明者 荒谷 雄 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 鈴木 和志 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 堀 勝義 広島県呉市宝町３番36号 バブコック日立 株式会社呉研究所内 (72)発明者 田桑 俊明 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉工場内 (72)発明者 中澤 信雄 広島県呉市宝町３番36号 バブコック日立 株式会社呉研究所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】非消耗電極を用いて行うアーク溶接装置の
   アーク長制御装置において、該非消耗電極を保持する溶
   接トーチを母材（被溶接材）に対して上下に移動する溶
   接トーチ移動手段と、前記非消耗電極の先端と前記母材
   の間の電圧（アーク電圧）を測定するアーク電圧測定手
   段と、該アーク電圧測定手段により測定されたアーク電
   圧とあらかじめ設定された適正アーク長となる基準アー
   ク電圧の差を算出する差電圧算出手段と、該差電圧算出
   手段により算出された差電圧を変数として前記溶接トー
   チ移動手段の移動量を算出する移動量算出手段と、前記
   溶接トーチ移動手段を駆動制御する駆動制御手段とを備
   え、該駆動制御手段は前記溶接トーチ移動手段を前記移
   動量算出手段より算出された移動量に基づいて上下に駆
   動し、アーク長制御を行うように構成したアーク長制御
   装置。
2. 【請求項２】請求項１記載のアーク長制御装置を搭載し
   たことを特徴とする非消耗電極アーク自動溶接装置。