JPS6284877A - 溶落ち回避方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、消耗電極式アーク溶接時に生ずる恐れのある
溶落ちを回避する方法に関する。

〔従来の技術〕

消耗電極式アーク溶接時、特に、母材が薄板である場合
には、母材に穴があくいわゆる溶落ち現象が発生するこ
とがある。これは、溶接電流の増加、母材開先のギャッ
プの増加等が原因して発生するが、これが、一旦、発生
すると、以後は溶断状態となってしまい、正常な溶接に
復帰させることはできない。従来、この溶落ち現象の発
生を予知する技術、予知して溶落ち現象の発生を回避も
しくは防止する技術は無く、溶落ち現象が発生す゛ると
、溶接を停止するようにしているので、作業能率が低下
し、また、溶接を再開するには、ワーク交換、ワーク手
直しを行わなければならず不経済であるという問題があ
った。また、ロボット溶接の場合は、この溶落ち現象の
発生を恐れて、安全を充分に見越した溶接条件を設定す
るのが通常であるので低能率になるという問題があった
。

〔発明の目的〕

本発明は上記従来の問題を解消するためになされたもの
で、溶落ちの発生を未然に防止して従来に比し能率の高
いアーク溶接を実現することができる溶落ち回避方法を
得ることを目的とする。

〔発明の構成〕

本発明は上記目的を達成するため、短絡周期を監視して
短絡周期毎に短絡周期多数回平均値に対する少数回平均
値の比を演算し、酸比と比較される低レベルの溶落ち予
知用しきい値及び高レベルの溶落ち検知用しきい値とを
設定し、上記比が上記低レベルのしきい値を越えて溶落
ちが予知された場合に、上記比が上記低レベルのしきい
値より小さくなるまで、溶接電源出力電流もしくは溶接
速度を、溶落ち回避レベル側へ上記短絡周期毎にもしく
はある設定時間毎に、段階的に変化させ、その後の所定
時間経過後に上記予知前のレベルへランプ状もしくは階
段状に回復させ、上記段階的変化の変化幅が上記比の増
減に対応し増減するようにしたものである。

〔発明の実施例〕

いわゆる溶落ちが起こった場合、その溶落ち発生時点で
溶接を停止すれば、溶融金属の表面張力によって、母材
にあいた穴は自然に塞がれ、補修溶接を行うことが可能
であるが、溶接ビード外観の乱れを嫌う場合や溶接を続
行させたい場合には溶落ちを予知する必要があり、溶落
ちを予知できれば、該溶落ち前に、時間的余裕をもって
溶接条件を変更（電流の低減もしくは溶接速度の増大）
することにより溶落ちの発生を未然に防止することがで
きる。

第１図（ａｌ〜（ｄ）は、本発明者等が、溶落ち現象と
密接に相関する因子を求めて繰り返し行った測定のうち
の代表的な波形図を示したもので、この測定は、光セン
サを用い、薄板のアーク溶接時に、上記光センサで溶接
点を母材の裏面側からトレースしたものである。該アー
ク溶接におけるアーク電圧波形を第２図に示す。第１図
（ａ）の波形は上記光センサの出力波形であって、その
Ｙ軸方向は上記アーク電圧における短絡周期Ｔの大きさ
を示し、波形のＡ部は溶落ち部分における出力波形を示
している。第１１ｍ（ｂ）は上記出力波形をローパスフ
ィルタ（ＬＰＦ）（この場合は、カットオフ周波数ｆ　
Ｃ＝５Ｈｚのもの）に通して、短絡周期Ｔのバラツキを
平均化した波形であり、第１図（ｅ）はｆ　Ｃ＝　Ｉ　
ＨｚのＬＰＦで平滑した波形である。

この第１図（ｂｌ及び（Ｃ）の波形から明らかなように
、溶落ち開始前に、短絡周期が増大しており、本発明で
は、アーク電圧を監視してこの増大傾向が現れた場合に
、溶落ちが発生する前触れでると判定して溶落ちを予知
する。

上記短絡周期Ｔの増大傾向は、しきい値レベルＶｏ（電
圧）を設定して上記ＬＰＦの出力波形を比較器で該しき
い値レベルＶｏと比較することにより電気的に検出する
ことができ、上記測定によれば、上記増大傾向は、例え
ば、溶落ち発生時点より２００〜３００ｍｓ　ｅ　ｃ前
から始まるので、上記比較器の出力信号（同図（ｄ））
を予知信号とし、該信号を用いて、溶落ちが発生する前
に溶接条件を変更することができる。

ところで、上記短絡周期Ｔは、溶接電源によって制御し
得るものではなく、電流・電圧・速度、ワイヤ突出長、
母材の板厚、表面状態等によって変動するので、予測す
ることは不可能であり、測定した短絡周期を直接しきい
値レベルと比較する上記絶対値比較法では汎用的な予知
もしくは検知を行うことが難しい。また、個々の短絡周
期Ｔがバラツクので上記のようにＬＰＦを用いて短絡周
期を平均化する必要があるが、アナログＬＰＦを使用す
る場合は、溶接条件毎に最適なカットオフ周波数ｆｃを
選定しなくてはならず汎用性の面から腰界がある。

広い範囲の溶接条件に対応し得る汎用性の高い溶落ちの
予知及び検知は次のようにして実現することができる。

即ち、測定される短絡周期の多数回Ｎの平均値Ｔｄと小
数回ｎの平均値Ｔｃとを求め、両者の比Ｔ　ｃ　／　Ｔ
　ｄをあるしきい値Ａ（予知倍率）と比較して前者が後
者を越えたことにより、すなわち、下記（１）式が成立
した場合に、予知信号を発生せしめて溶落ちを予知する
。

Ｔ　ｃ　／　Ｔ　ｄ　＞　Ａ・・・・・・・・（１）こ
こで、 （１）平均値Ｔｄは溶接を行いながら取込んだ正常溶接
時の短絡周期のデータから演算する値であり、第３図に
示す如（、短絡周期毎に新しいデータを取込み古いデー
タを捨てて演算更新される。

（２）平均値Ｔｃも、短絡周期毎に新しいデータを取込
み古いデータを捨てて更新されるが、少数回ｎの平均値
であるので、個々の短絡周期のバラツキを平滑しながら
、かつ、短絡周期の増大に敏感に追随する値とすること
ができる。

（３）シきい値Ａは、平均値比Ｔ　ｃ　／　Ｔ　ｄに対
するものであるので、ＶＯｌＶＨ、ＶＬと異なり相対値
としての内容を有し、溶接条件に一々対応して変更する
必要がなく、１個の値で広い溶接条件に対応させること
ができる。

本発明では、上記しきい値を高低２段階に設定し、低い
レベルのしきい値ＡＢＬ（溶落ち予知レベル）を越えた
場合には予知信号を発生させて溶接条件を変更せしめ、
高いレベルのしきい値ＡＢＨ（溶落ち検知レベル）を越
えた場合には溶接を停止させるための溶落ち検知信号を
発生させるようにする。この溶落ち予知レベルＡＢＬは
予知後に溶接条件の変更を行えば溶落ちを防止すること
ができるレベルであり、溶落ち検知レベルＡＢＨは検知
後に溶接条件を変更しても溶落ちに至るレベルをいう。

第４図は、上記短絡周期の平均値比を用いる溶落ち予知
方法を実施した具体的装置をブロック図で示したもので
ある。同図において、１は短絡検知部、２はカウンタ、
３はラッチ部、４はＣＰＵ、５は発振部である。

短絡検知部１は、アーク電圧を受けて短絡検知信号を発
生し、アーク発生中ゲート信号をカウンタ２に送出する
と共にラッチ部３に対してラッチ信号を、ＣＰＵ４に割
込み信号を供給する。該カウンタ２は上記ゲート信号に
よりゲートされて発振部５が出力するクロックを計数し
、該計数値（短絡周期Ｔ）はラッチ部３に記憶される。

ＣＰＵ４は割込み信号を受けると、ラッチ部３に記憶さ
れている短絡周期を読取って、Ｔｄ、Ｔｃ、Ｔｃ／Ｔｄ
を演算し、Ｔｃ／Ｔｄ、！＝ＡＢＬの大小を比較し、Ｔ
ｃ／Ｔｄ＞ＡＢＬの場合には溶落ち移行状態にあると判
定して溶落ち予知信号ａを、同様にして、Ｔｃ／Ｔｄ＞
ＡＢＨの場合には溶落ちが回避できないと判定して溶落
ち検知信号すを発生する。

本発明は、上記のようにして得られる予知信号ａと検知
信号すを用いたもので、本発明による溶落ち回避方法の
フローを第５図に示す。第９図は従来の溶接装置のブロ
ック図であって、１０は溶接電源（高周波インバータ）
、１１は変圧器、１２は整流器、１３はリアクトル、１
４は給電チップ、１５は溶接ワイヤ、１６は溶接母材、
１７は電圧検出器、１８は電流検出器、１９は制御装置
である。

本発明では、上記予知信号ａが発生すると同時に、第９
図の溶接電源１０からワイヤ１５に供給される出力電流
Ｉを、予知前の電流レベル（このレベルの電流を、本電
流Ｉｓという）から溶落ち回避レベル側（最低レベルは
、本電流Ｉｓの、例えば、８０〜７０％程度）に向けて
低減する。この最低レベルは気密性を保持し、溶接ビー
ドの不連続を招くことな（溶落ちを回避することができ
る電流レベルのものであって、この場合、本発明では、
ビードの連続性を確保するために、溶接電源１０の出力
電流を段階的に低減させる。

即ち、予知信号ａが発生すると、新な短絡周期毎あるい
はある設定された時間毎に、 Ｉｃｎ　＝Ｉｓ−（Ｉｓ−ＩＯ）Ｘ （Ａｃｎ＝１　：　−ＡＢＬ）　／　（ＡＢＨ−ＡＢＬ
）　　・・（２）但し、ＩＤ　：予め定められた電流値
（＜ｌ５）Ａｃｎ：短絡周期平均値比Ｔ　ｃ　／　Ｔ　
ｄ・ＡＢＬ＜Ａｃｎ−Ｈ−≦−ＡＢＨ ｎ　：１．２．３・・・ｋ・・・ を決定し、出力電流Ｉを該電流Ｉｃｎ値に下げる。

出力電流■が下ると、Ａｃｎ−の値も小さくなるので、
この時の低減幅は前の短絡周期のＩ　ｃｎの低減幅より
小さい。短絡周期毎にＩｃｎを決定して出力電流を該電
流レベルに制御する第６図に示すようなレベル段階低減
制御を、Ａｃｎが、Ａｃｎ＜ＡＢＬになるまで繰り返し
、Ａｃｎ＜ＡＢＬになると（第６図において、時刻ｔｌ
、ｎ−ｋ）、所定時間ｔｆの間、ｎ−にの時の電流値Ｉ
ｃｋを維持させたのち、本電流Ｉｓのレベル（−向かつ
て上昇させる。Ａｃｎ＜ＡＢＬになると、（２）式の第
２項が正となり一挙にＩｃｎ＞Ｉｓとなってしまうが、
この場合は、ある増加率ΔＩｕｐで上昇させ、スローア
ップ時間ｔｕ、例えば、１〜３ｓｅｃ後に本電流Ｉｓに
回ｉ１するようにする。但し　、 Δｒｕｐ＝　（Ｉｓ−１０）／ｌｕ・−・・・（３）こ
の本電流Ｉｓへの回復途中に、溶落ちの予知があった場
合（図の時刻ｔｉ、ｎ＝１）には、即ち、Ａｃｎ＞ＡＢ
Ｌとなった場合には、その時点から、溶接電源１０の出
力電流を下記式に従い、Ａｃｎ＜ＡＢＬになるまで段階
的に低減制御する。Ｉｃｎ＝Ｉｃ１−　　（Ｉｃｉ　−
ＩＯ）Ｘ （Ａ　ｃ　−ＡＢＬ）／　　（ＡＢＨ−ＡＢＬ）　　・
　・　・　・（４）このように、本実施例では、溶落ち
移行現象が発生するとこれを予知して溶接条件を溶落ち
回避レベル側へ段階的に変化させ、その段階的変化幅を
、短絡周期平均値比Ａｃが低減するに伴いこれに比例し
て低減させるので、ただ単に、溶落ちを回避することが
できるだけでなく、ビードの連続性を確保することがで
き、溶接条件を正常溶接条件に復帰させる場合に非ステ
ップ状に直線的に復帰させるので該復帰途中に溶落ち移
行現象が発生した場合に、予知はしたが結果として溶落
ちに至るような事態を防止することができ、溶落ちの発
生確率を従来に比し著しく低減することができる。

溶落ち予知時のこのような溶接条件の変更にもかかわら
ず溶落ちが起こり、溶落ち検知信号すが発生した場合に
は、該信号により溶接を一時中断するとともに警報（ア
ラーム）を発生させるようにする。

このような電流パターンは上記第５図に示すフローの演
算・判定をＣＰＵ４により実行させ、その結果を電流指
令として制御装置１９に与えることにより実現すること
ができる。

なお、短絡周期の自己基準値であるＴｄは電流によって
変化するが、該変化が無視し得ない場合は、溶落ち予知
時の値に固定すればよい。

ところで、上記実施例の方法による場合には、溶落ち予
知後、一旦は、出力電流がＩｓ以下のレベルに低下する
が、短絡周期平均値Ａｃｎが低減変化しなくなった場合
には、その時の電流レベルが維持される。ＡＢＬ＜Ａｃ
ｎ＜ＡＢＨが成立している限りは１００％溶落ちが発生
しないという信頼性があればよいが、実際には、アーク
溶接のアーク現象は再現性の良いものではないので、Ａ
ＢＬ＜Ａｃｎ＜ＡＢＨの状態が長く継続すると、溶落ち
となる危険がある。

第７図に示すフローチャートは上記問題を解消するため
になされた本発明の他の実施例を示している。この実施
例の場合には、新たな短絡周期毎ではなく、第８図に示
すように、予め定めた時間ｔａ毎に下記式に従う電流値
に出力電流を低減する。

Ｉｃ　ｎ　−Ｉｃｎ−＋　　−（Ｉｃｎ−＋　　−１０
）　Ｘ（Ａｃｎ−＋　　−ＡＢＬ）　／　（ＡＢＨ−Ａ
ＢＬ）　　・・（５）この場合、Ｉｃｎ　　　：次回出
力電流Ｉｃｎ−＋：前回出力電流 Ａｃｎ−１：前回短絡周期平均値比 ＡＢＬ＜　Ａ　Ｃｎ　＜　ＡＢＨ なお、時間ｔａは短く設定するとアークの不連続を招き
、逆に長くなると、溶落ちは予知したが結果において溶
落ちが発生する事態が起こるので適切に選ぶ必要がある
。本発明者等の実験では、０．１〜０．３秒程度が好適
であった。

本実施例の場合も、処理の結果、Ａｃｎ−１＜ＡＢＬに
なると（図において、時刻ｔｌ　、ｎ＝ｋ）、所定時間
ｔａの間、ｎ＝にの時の電流値１ｃｋを維持させたのち
、本電流Ｉｓのレベルまで上昇させる。この場合、前記
のように、ある増加率Δ■ｕｐで直線的に上昇させても
よいが、この実施例では、段階的に上昇させる。

即ち、本実施例では、前回出力電流Ｉｃｎ−ｒ　をパラ
メータの一つとして時間ｔａ後の出力電流Ｉｃｎを決め
ており、また、時間ｔａは短絡周期より大きく取るので
、ＡＢＬ＜Ａｃｎ−＋　＜ＡＢＨの状態が危険な程度に
継続するのを防止することができる。

なお、時間ｔａは予め設定するので、電流ＩＣＮの目標
値を（３）式により演算し時間ｔａ後に該目標値になる
ように補完処理するようにしても良く、この方法は、溶
菌ちがゆるやかに進行するような場合に、ビードの連続
性を得るという点で有効である。

上記実施例では、溶接電源の出力電流を制御して溶落ち
を回避する場合について説明したが、溶接速度を制御し
ても同様に溶落ち回避を行うことができ、この場合には
、溶落ちの予知があると、速度レベルを高めるように制
御する。

〔発明の効果〕

本発明は以上説明した通り、溶落ちの前兆があると、溶
接条件を、溶落ち回避レベル側へ必要最小限に制御して
安定させ、溶菌ちの恐れの有無を監視しながら速やかに
正常溶接条件へ復帰させることができるので、常に最適
な条件での溶接が可能となり、溶落ちにより溶接を中断
してワークの交換や手直しをする手間を殆どなくすこと
が可能となり、薄板のアーク溶接の能率を向上すること
ができ、特に、溶接ロボットによる場合、必要最小限の
溶接条件とすることができるので、その効果は特に大で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｄ）は本発明における溶接予知技術の
原理を説明するための波形図、第２図はアーク電圧波形
図、第３図は上記溶接予知技術の一実施例を説明するた
めの図、第４図は上記溶菌ち予知技術を実施した溶落ち
予知装置のブロック図、第５図は本発明の実施例を示す
フローチャート、第６図は上記実施例にける溶接条件変
更モードを説明するための波形タイムチャート、第７図
は本発明の他の実施例を示すフローチャート、第８図は
上記他の実施例にける溶接条件変更モードを説明するた
めの波形タイムチャート、第９図は従来の溶接装置のブ
ロック図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）消耗電極式アーク溶接において、アーク電圧から
   ワイヤと母材の短絡から短絡までの時間である短絡周期
   を監視して短絡周期毎に短絡周期多数回平均値に対する
   少数回平均値の比を演算し、該比と比較される低レベル
   の溶落ち予知用しきい値及び高ベルの溶落ち検知用しき
   い値とを設定し、上記比が上記低レベルのしきい値を越
   えて溶落ちが予知された場合に、上記比が上記低レベル
   のしきい値より小さくなるまで、溶接電源出力電流もし
   くは溶接速度を、溶落ち回避レベル側へ上記短絡周期毎
   にもしくはある設定時間毎に、上記比を変動パラメータ
   に用いて変化させ、その後の所定時間経過後に上記予知
   前のレベルへ非ステップ状に回復させるようにしたこと
   を特徴とする溶落ち回避方法。
2. （２）段階的変化幅が、高低両しきい値の差に対する低
   いしきい値と短絡周期平均値比の差の比に比例すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の溶落ち回避方
   法。