JP3813732B2

JP3813732B2 - Method and apparatus for controlling pulse arc welding

Info

Publication number: JP3813732B2
Application number: JP09483298A
Authority: JP
Inventors: 富治朗中野; 征志梶村; 昌則筑摩
Original assignee: Toyota Industries Corp; Daihen Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp; Daihen Corp
Priority date: 1998-04-07
Filing date: 1998-04-07
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2018-04-07
Also published as: JPH11291041A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シールドガスを使用した消耗電極式のパルスアーク溶接の制御方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
パルスアーク溶接では、設定電流範囲が極めて広く、理想的な電圧で行われる場合、任意の溶接継手に対してスパッタ等の非常に少ないビード外観の良好な溶接が行えることがわかっている。
また、スパッタ発生量と溶接ワイヤから離脱しようとする溶滴が母材にも接触する短絡現象の回数とは、図８に示すように、短絡回数が極めて少ないとき、スパッタ（非短絡型及び短絡型）発生量も少ない。これは短絡が生じると電流が増大し、溶滴離脱が電磁力等の影響で乱されるためである。更にブローホールも、短絡回数が少ないと減少する。
【０００３】
そこで本願の発明者等は、平成７年特許願２４１４０６号において、パルス溶接中、短絡現象の回数が予め設定した値となるように短絡現象の回数を検出して溶接電圧を制御する溶接装置を開示した。
上記溶接装置は、経験や実験により現場溶接に最適な電圧値と電流値を設定し、これらの設定値を指令すると同時に、短絡現象を急激に低下する溶接電圧を検出することで検出している。この検出は、例えば１ｓｅｃ等の単位時間の間の短絡現象の発生回数を、予め定めた上限回数と下限回数の間に抑えた状態を最適状態とし、短絡回数が上限回数より大きくなった場合に、電圧を増大させ、短絡回数が下限回数より小さくなった場合に、電圧を減少させる制御を行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、パルスアーク溶接では、短絡が少ない領域の電圧範囲が極めて狭く、短絡をなくすため電圧を上げ過ぎると、アークが広がりアンダーカットと呼ばれる溶接欠陥が生じやすくなる。
これに対し、従来の溶接装置は、短絡回数が少ない条件で、電圧を溶接開始から溶接終了まで常に制御しているが、その制御の目標値は、経験や実験で求めた設定値である。従って、事前の設定値がその継手に適した短絡が少ない領域の電圧に合致していないと、制御を行ってもスパッタ等の発生が少ない溶接が行われているとは言い難く、スパッタ発生量の増大へとつながることになる。
【０００５】
また、短絡が少ない条件での電流と電圧の関係は、溶接トーチの先端チップと母材間距離、溶接ワイヤの配線状態、チップ摩耗、治具の位置決め精度等の外乱ファクターにより変動し、経験や実験により最適な電圧と電流を設定しても、継手毎に補正しないと、実際の現場溶接には対応できない。
特に、ロボット溶接の場合、事前にロボット側から溶接機側に指令する電流、電圧のパラメータとその関係とを求めておいても、上記外乱ファクターの変動により相違が生じ、最適条件の設定は困難を極めている。
【０００６】
本発明は、溶接中にその溶接継手に適した短絡回数が少ない条件での溶接電圧をサーチして外乱ファクターに影響されることなく安定した溶接（スパッタ極小、溶け込み深さ一定等）を可能とするパルスアーク溶接の制御方法及び装置を提供することを解決すべき課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明のパルスアーク溶接の制御方法は、パルス化された溶接電流を溶接ワイヤと母材との間に通電し、発生するアークによって溶接ワイヤを母材に溶滴移行させて溶接を行うパルスアーク溶接の制御方法において、溶接開始より予め設定した目標電流値を溶接電流制御の基準電流として溶接電流の平均値を一定にフィードバック制御する電流制御手段と、検知された溶接電圧により前記溶接ワイヤの短絡現象を検出し、検出短絡回数を所定回数に維持するように前記溶接電圧を上下し、その上ピーク値及び下ピーク値の幅と該上ピーク値若しくは下ピーク値とに基づいて目標電圧をサーチし、前記上ピーク値及び下ピーク値の幅が所定値に収束した後に前記サーチを終了する電圧サーチ手段とを具備し、前記サーチした前記目標電圧を溶接電圧制御の基準電圧とし得られた前記目標電圧に基づくフィードバック制御により溶接電圧の平均値を一定に制御する電圧制御手段とを具備することを特徴とするものである。
【０００８】
本発明のパルスアーク溶接の制御装置は、パルス化された溶接電流を溶接ワイヤと母材との間に通電し、発生するアークによって溶接ワイヤを母材に溶滴移行させて溶接を行うパルスアーク溶接の制御装置において、溶接開始より予め設定した目標電流値を溶接電流制御の基準電流として溶接電流の平均値を一定にフィードバック制御する電流制御手段と、検知された溶接電圧により前記溶接ワイヤの短絡現象を検出する短絡検出手段と、検出短絡回数を所定回数に維持するように前記溶接電圧を上下し、その上ピーク値及び下ピーク値の幅と該上ピーク値若しくは下ピーク値とに基づいて目標電圧をサーチし、前記上ピーク値及び下ピーク値の幅が所定値に収束した後に前記サーチを終了する電圧サーチ手段とを具備し、前記サーチした前記目標電圧を溶接電圧制御の基準電圧とし得られた前記目標電圧に基づくフィードバック制御により溶接電圧の平均値を一定に制御する電圧制御手段とを具備することを特徴とするものである。
【０００９】
【作用】
本発明のパルスアーク溶接の制御方法及び装置においては、溶接開始より予め設定した目標電流値を溶接電流制御の基準電流として溶接電流の平均値を一定にフィードバックを制御する電流制御手段と、溶接開始の初期期間に短絡回数を少ない状態に制御、すなわちスパッタ等の発生が少ない溶接を維持し、そのときの溶接電圧をサーチしている。そして、サーチされた溶接電圧が安定したときの電圧をその溶接継手に最適な目標電圧として電圧一定フィードバック制御の目標値に固定する。これにより、溶接トーチの先端チップと母材間距離、溶接ワイヤの配線状態、チップ摩耗、治具の位置決め精度等の外乱ファクターにより溶接継手毎に存在する理想の溶接電圧を経験や実験等で試行錯誤しながら見出すことなく実際の溶接中にサーチすることができ、準備作業が極めて簡素化できる。
【００１０】
本発明のパルスアーク溶接の制御方法及び装置は溶接開始より予め設定した目標電流値を溶接電流制御の基準電流として溶接電流の平均値を一定にフィードバックを制御する電流制御手段と、検知された溶接電圧により前記溶接ワイヤの短絡現象を検出する短絡検出手段と、検出短絡回数を所定回数に維持するように前記溶接電圧を上下し、上ピーク値及び下ピーク値の幅が所定値に収束した後に前記サーチを終了し、得られた前記目標電圧に基づくフィードバック制御により溶接電圧の平均値を一定に制御する電圧制御手段とを具備し、溶接電圧を前記目標電圧に追従させることができる。
【００１１】
これにより、事前に設定した経験等に基づく設定電圧で電圧一定のフィードバック制御をかけるものではないため、電圧の変動も少なく、スパッタの発生が少なく、溶け込み量等が一定の高品質な溶接を行うことが可能となる。
本発明のパルスアーク溶接の制御方法及び装置は、ロボット溶接に適する。この場合、ロボットをティーチングデータで制御するロボットコントローラと、溶接電源を本発明により制御する溶接電源コントローラとを通信可能にリンクさせることがこのましい。
【００１２】
上記溶接電源コントローラ用のマイコンは、本発明の検知された溶接電圧により前記溶接ワイヤの短絡現象を検出する短絡検出手段と、検出短絡回数を所定回数に維持するように前記溶接電圧を上下し、その上ピーク値及び下ピーク値の幅と該上ピーク値若しくは下ピーク値とに基づいて目標電圧をサーチする電圧サーチ手段と、溶接開始より予め設定した目標電流を溶接電流制御の基準電流として溶接電流を制御する電流制御手段と、前記上ピーク値及び下ピーク値の幅が所定値に収束した後に前記サーチを終了し、得られた前記目標電圧に基づくフィードバック制御により溶接電圧を制御する電圧制御手段との各機能を包含することができる。
【００１３】
本発明のパルスアーク溶接の制御方法及び装置において、溶接電源の出力端子は、ワイヤ保持ケーブルと母材を固定する治具との間に電源ラインを接続する。また、溶接電圧の検知位置は、アークが生じるワイヤ先端にできるだけ近い位置のワイヤ保持ケーブルと治具に検出ラインを接続することが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に本発明のパルスアーク溶接の制御方法及び装置の具体的一実施例を図面を参照して説明する。
本発明のパルスアーク溶接の制御方法及び装置を適用可能な溶接システムの概略は図１のようになる。この溶接システムは、溶接トーチ（以下、トーチという）１を保持したロボット２と、出力端子３ａ（正極）、３ｂ（負極）の溶接電流と溶接電圧をトーチ先端のチップ１６と母材との間に給電する溶接電源を内蔵した溶接機３と、ロボット２をティーチングデータＴＤに基づいて制御すると共に溶接機３に事前に設定した目標の電流指令値ＰＩｔ、初期電圧指令値Ｐｖ₀を送信するロボットコントローラ５と、ドラム６に充填された消耗電極としての溶接ワイヤ７をトーチ１へ送給するワイヤ送給装置８とを、母材が載置される治具９とから構成されている。
【００１５】
ロボット２に組付けられたワイヤ送給装置８は、曲げ矯正器１１、溶接ワイヤ７を挟持した一対の送給ローラ１３ａ、１３ｂ、ローラ１３ａ、１３ｂを駆動するモータ１４及び溶接ワイヤ７をトーチ１にガイドするトーチケープ１ａをもち、溶接ワイヤ７をトーチ１におけるノズル部１５内のチップ１６より突出させるようにしている。そして、モータ１４は、溶接機３のモータ制御回路により電流指令値ＰＩに比例した送り速度の駆動信号で制御されて溶接ワイヤ７を繰出すようになっている。
【００１６】
ところで、溶接機３は、図２に示すように、溶接電源２１と、マイコンを主体とした溶接電源コントローラ２２とから構成される。
溶接電源２１は、例えば整流回路、インバータ、出力トランス及び整流器等からなるインバータ回路部と、電圧指令値（平均値）Ｐｖによりパルス制御回路を制御して、その出力によりインバータのスイッチングを制御するＰＷＭ回路部とから構成され、整流器の出力が前記出力端子３ａ、３ｂに導出される。
【００１７】
溶接電源コントローラ２２は、出力端子３ａ、３ｂと接続された検出端子４ａ、４ｂに現出する電圧Ｖｄ（検出溶接電圧）と設定値メモリ２３に書込まれた電圧設定値との誤差を小さくするように電圧指令値Ｐｖを演算して該指令値を溶接電源２１のパルス制御回路へフィードバックする電圧演算回路２４と、前記一方の検出端子４ａに流れる電流Ｖｄ（検出溶接電流）と設定値メモリ２５に書込まれた電流設定値との誤差を小さくするように溶接電源２１のモータ制御回路へ電流指令値ＰＩをフィードバックする電流演算回路２６とを有する。電圧演算回路２４は、電圧指令値Ｐｖでパルス制御回路が出力するパルス周波数を指令することにより電圧制御を行う。電流演算回路２６は、電流指令値ＰＩでモータ制御回路でモータ１４の回転数を変化させることにより電流制御を行う。
【００１８】
また、溶接電源コントローラ２２は、前記検出端子４ａ、４ｂ間の検出溶接電圧Ｖｄを入力して、検出溶接電圧Ｖｄが急激に低下する状態を検出することにより、ワイヤ母材間の短絡現象を検出する短絡検出手段２７と、短絡検出手段２７の出力２７ａでカウントを開始するタイマ２８と、このタイマ２８のカウントアップ出力２８ａで前記電圧演算回路２４の出力する電圧指令値Ｐｖをサンプリングし、サンプリング値の複数より図４に示すように、上ピーク値Ｐｖ_U1、Ｐｖ_U2、Ｐｖ_U3、…及び下ピーク値Ｐｖ_D1、Ｐｖ_D2、Ｐｖ_D3、…を出力するサンプリング回路２９と、このサンプリング回路２９の出力２９ａを入力し、隣接した上ピーク値Ｐｖ_Uと下ピーク値Ｐｖ_Dの一方と両値の幅Ｗとを用いて目標電圧Ｖｔの指令値（目標電圧値）Ｐｖｔを算出し（サーチし）出力する目標値演算回路３０と、この目標値演算回路３０が求めた前記幅Ｗの演算値３０ｂと予定の収束幅Ｗｄとを比較し、前記演算出力３０ｂが収束幅Ｗｄより等しいか小さくなったときに切換信号３１ａを出力する比較回路３１とからなる電圧サーチ回路３２を具備している。
【００１９】
そして、前記比較回路３１の出力する切換信号３１ａは電圧指令値Ｐｖを選択するためのスイッチ３２を制御している。スイッチ３２は、前記初期電圧指令値Ｐｖ₀と前記電圧演算回路２４からの電圧指令値Ｐｖと前記目標値演算回路３０からの目標電圧値Ｐｖｔとを選択的に溶接電源２１へ導出するものである。
本発明のパルスアーク溶接の制御装置は以上のように構成され、この制御装置を用いた本発明のパルスアーク溶接の制御方法を説明する。
【００２０】
本制御装置は図３のステップＳ１に示すように、ロボットコントローラ５から目標電流Ｉｔの指令値ＰＩｔと、初期電圧Ｖ₀の指令値Ｐｖ₀が入力される。これらの入力により溶接電源コントローラ２２は、指令値ＰＩｔと、指令値Ｐｖ₀を認識し（Ｓ２）、指令値ＰＩｔを溶接電源２１に出力（Ｓ３）すると共に、指令値Ｐｖ₀は、スイッチ３２で選択され溶接電源２１に出力され（Ｓ３）、溶接を開始する（Ｓ４）。
【００２１】
溶接開始の初期電圧Ｖ₀は、任意に定めることができるが、短絡回数とアーク長の関係が図９に示す特性となっており、かつ、アーク長が電圧にほぼ正比例するものであるから、溶け込み形状不良、非短絡型スパッタ及び短絡型スパッタ、アンダーカット、ブローホール等がほとんど生じない最適領域として設定したアーク長領域の電圧値近くにする。目標電流Ｉｔは溶接継手に応じて予め決められている理想電流値である。
【００２２】
溶接開始により、短絡回数Ｓｔの検出（Ｓ５）に基づく電圧制御と溶接電流Ｉが目標電流Ｉｔとなるように電流一定制御（Ｓ６）を並列に行う。ステップＳ６は溶接電流Ｉに対する図５と図７に示す制御である。
先ず溶接電圧Ｖに対するステップＳ５以下の制御は下記のように行われる。短絡回数Ｓｄの検出では、図２における検出端子４ａ、４ｂ間の検出溶接電圧Ｖｄが急激に低下する例えば瞬間を検出し、その初回の短絡を示す出力２７ａでサンプリング回路２９をトリガする。短絡が検出されると、溶接電源コントローラ２２は次ステップＳ７「Ｓｔ＜Ｓｄ」に続くステップＳ８「電圧を上げる」又はステップＳ９「電圧を下げる」を行う。
【００２３】
ステップＳ７→Ｓ８又はＳ７→Ｓ９は、初期電圧Ｖ₀での溶接中、短絡を検出し、そのときにサンプリングされた電圧が図４の第１下ピーク値ＰＶ_D1であった場合、目標値演算回路３０は、ＰＶ_D1より大きな電圧値を目標電圧Ｖｔの指令値ＰＶｔとして出力する（Ｓ８）。このとき、スイッチ３２は目標値演算回路３０からの出力３０ａを選択しており、溶接電源２１へは電圧指令値Ｐｖとして指令値ＰＶｔが送出される。これにより上昇される電圧によって短絡回数が減少する。短絡回数が減少し、タイマ２８の１周期の間に短絡が生じなかった場合、サンプリング回路２９は、タイマ２８の出力２８ａで電圧演算回路２４からの電圧指令値Ｐｖをサンプリングする。このときの電圧が第１上ピーク値ＰＶ_U1であるとすると、目標値演算回路３０は第１下ピーク値ＰＶ_D1と上ピーク値ＰＶ_U1の幅Ｗ１を求め、第１下ピーク値ＰＶ_D1と上ピーク値ＰＶ_U1の間の目標電圧Ｖｔ₁の指令値ＰＶｔ₁=ＰＶ_D1＋αＷ１（α=１／４〜４／３、通常は１／２）の演算式から算出する。そして、この目標電圧Ｖｔ₁の指令値ＰＶｔ₁を電圧指令値Ｐｖとして溶接電源２１に送出する（Ｓ９）。なお、αを決めるための外部操作可能なボリュームを設けてもよい。
【００２４】
また、幅Ｗ１は比較回路３１によって収束幅Ｗｄと比較され、Ｗ１＞Ｗｄであれば、比較回路３１はスイッチ３２の現状状態（目標値演算回路３０の出力３０ａを電圧指令値Ｐｖとする状態）を維持する。この比較回路３１の動作は、図３のステップＳ１０「Ｓｔ=Ｓｄ？」に相当する。
上記目標電圧Ｖｔ₁は溶接電圧を下げるものであるから、短絡が起りやすくなり、このため短絡が検出されて第２下ピーク値ＰＶ_D2がサンプリングされると、同様の演算式から第１上ピーク値ＰＶ_U1と下ピーク値ＰＶ_U2との間の目標電圧Ｖｔ₂の指令値ＰＶｔ₂が算出される。
【００２５】
この動作が更に繰返され、例えば第２上ピーク値ＰＶ_U2と第３下ピーク値ＰＶ_D3との幅Ｗ４が予め設定した収束幅Ｗｄに等しいかそれより小さくなった場合（Ｗ４≦Ｗｄ）、ＰＶ_U2とＰＶ_D3の間に算出される目標電圧Ｖｔ_{i(i=1、2、3}…₎は最適な目標電圧Ｖｔを出力させるものとして、電圧サーチ回路３２の動作を終了する。この目標電圧Ｖｔを求める期間をサーチ期間とし、サーチ期間で最終的に出力される目標電圧Ｖｔは、検出短絡回数Ｓｄを目標短絡回数Ｓｔに維持する電圧であり、溶接電源コントローラ２２は、次ステップＳ１１に進む。
【００２６】
上記ステップＳ１１では、比較回路３１からの出力３１ａでスイッチ３２が電圧演算回路２４の電圧指令値Ｐｖを選択するように切換えられる動作と、最終的に得られた指令値ＰＶｔを電圧演算回路２４の設定値メモリ２３に固定する動作を行う。これにより、溶接電源コントローラ２４は、サーチした指令値ＰＶｔを設定値メモリ２３に固定して電圧演算回路２４が行う電圧一定制御のモードとなる（Ｓ１２）。
【００２７】
上記電圧一定制御は、図６に示すように、チップ母材間距離ＥＸＴ、溶接電圧Ｖ（検出電圧）、パルスアーク電流のピーク電流、ベース電流及び平均電流Ｉａｖより求められるアーク長ａを最大許容アーク長ａ₀以下に抑えつつ、サーチした目標電圧Ｖｔを基準電圧として溶接電圧Ｖを電圧演算回路２４が制御するものである。アーク長ａを最大許容アーク長ａ₀以下に抑えることにより、アンダーカットやブローホールがなくなる。
【００２８】
図６のステップＳ１４のアーク長ａの演算の後、ステップＳ１５では、演算アーク長ａと最大許容アーク長ａ₀とを比較し、ａ＞ａ₀の場合に、ステップＳ１６「Ｐｖ＝ＰＶｔ−Ｋ１」を行って（Ｋ１は単位変化量）、次ステップＳ１７によりＰｖをＤ／Ａ変換する。変換されたアナログ信号の電圧指令値Ｐｖを溶接電源２１のＰＷＭ回路に出力（Ｓ１８）する。
【００２９】
また、アーク長の比較ステップＳ１５において、ａがａ₀より小さい場合、ステップＳ１９「〓Ｖ=Ｖｔ−Ｖｄ」により目標電圧Ｖｔと検出溶接電圧Ｖｄの差分を算出する。次にステップＳ２０「Ｖｔ＞Ｖｄ」の比較動作で溶接電圧Ｖが目標電圧Ｖｔより大きいか小さいかを判断し、Ｖｔ＞Ｖｄの場合に差分ΔＶを目標電圧Ｖｔより減算し、その減算された電圧値を電圧指令値Ｐｖとし（Ｓ２１）、Ｖｔ＜Ｖｄの場合に差分〓ＶをＶｔに加算し、その加算された電圧値を電圧指令値Ｐｖとする（Ｓ２２）。これにより、目標電圧Ｖｔを基準電圧とした溶接電圧Ｖの制御が行われ、溶接電圧Ｖは図４の電圧一定制御期間に示すように、制御のうねりのないより安定に目標電圧Ｖｔに制御される。
【００３０】
ところで、溶接開始時より溶接終了まで継続して実行される電流一定制御は、図１０に示すように、ティーチング精度のばらつきによってチップ母材間距離ＥＸＴが変動した場合の溶接電流Ｉの変動と、溶接初期において目標電圧値を変更することによる電流の変動を抑制するものである。この制御は、電流演算回路２６で行われ、電流演算回路２６は、設定値メモリ２５に書き込まれた目標電流値Ｉｔを基準電流として溶接電流Ｉのフィードバック制御（比例積分制御）を行う。この比例積分制御は、図７に示すように、目標電流値Ｉｔとピーク電流期間の検出溶接電流Ｉｄとの差分〓Ｉ（比例定数項）をステップＳ２３で求め、続いて差分〓Ｉがほぼ零となるまでの電流変化に要する時間Ｔｉを積分して求め（Ｓ２４）、更にステップＳ２５「ＰＩ′=ＰＩ＋Ｋ２・〓Ｉ＋Ｋ３・Ｔｉ」の演算を行って、修正された電流指令値ＰＩ′を求めるものである。Ｋ２は比例定数項、Ｋ３は積分定数項である。こうして算出された電流指令値ＰＩ′は、ステップＳ２６「ＰＩ′→Ｄ／Ａ変換」で信号形式が変換され、ステップＳ２７「ＰＩ′のアナログ信号出力」で溶接電源２１のモータ制御回路に電流指令値ＰＩとして送出される。
【００３１】
なお、ステップＳ１３は溶接終了がロボットコントローラ５から送出されたとき、これを認識して溶接を終了するものである。
上記比例積分制御される溶接電流Ｉは、図５に示すように、チップ母材間距離の変動にかかわらず、目標電流Ｉｔを基準電流として一定に制御され、溶け込み量の一定制御を達成する。
【００３２】
かくて、本実施の形態のパルスアーク溶接の制御方法及び装置によれば、事前に決定する電圧指令値を厳密に求めなくとも、短絡回数が少ない領域の大まかな電圧を初期目標電圧として決定するだけで、経験の少ない作業者でも簡単に行うことができる。
そして、溶接開始の初期において、短絡回数が極小に安定する目標電圧をサーチし、サーチ後はより安定に短絡が発生するように、この目標電圧に溶接電圧を制御だけで、短絡回数が一定に制御され、スパッタが極小域の状態で溶接を行うことができる。
【００３３】
また、溶接開始から行われる電流一定制御により、目標電圧を上下させることによる電流の変動と、ティーチング精度のばらつきに起因する電流の変動を抑えることができ、外観良好で溶接強度を確保した溶接が可能となる。
本発明のパルスアーク溶接の制御方法及び装置において、溶接開始の初期に行う目標電圧のサーチは、特開平９−１０８８３７号に開示された方法及び装置を用いることができる。この方法及び装置は、ピーク電流通電期間における検出溶接電圧Ｖｄと目標電圧Ｖｔとの電圧誤差の積分値の絶対値と、ベース電流通電期間における検出溶接電圧Ｖｄと目標電圧Ｖｔとの電圧誤差の積分値の絶対値とが一致するように、目標電圧Ｖｔを上下させるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のパルスアーク溶接の概要を示す図である。
【図２】本発明のパルスアーク溶接の制御装置を示すブロック図である。
【図３】本発明に係る溶接電源コントローラの動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明により制御される溶接電圧を示す説明図である。
【図５】本発明により制御される溶接電流を示す説明図である。
【図６】本発明の電圧一定制御の動作を示すフローチャートである。
【図７】本発明の電流一定制御の動作を示すフローチャートである。
【図８】スパッタ発生量と短絡回数の実験により得られる特性図である。
【図９】短絡回数が溶接品質に及す影響をグラフ化した図であり、縦軸はアーク長を横軸は短絡回数を表す。
【図１０】チップ母材間距離の変動により変化する溶接電流の特性図である。
【符号の説明】
Ｉ…溶接電流、Ｖ…溶接電圧、２７…短絡検出手段、ＰＶＵ…上ピーク値、ＰＶＤ…ピーク値、Ｗ…幅、３２…電圧サーチ手段、Ｖｔ…目標電圧、Ｉｔ…目標電流値、２６…電流演算回路（電流制御手段）、２４…電圧演算回路（電圧制御手段）。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a control method and apparatus for consumable electrode type pulse arc welding using a shielding gas.
[0002]
[Prior art]
In pulse arc welding, it has been found that when a set current range is extremely wide and an ideal voltage is used, welding with a very small bead appearance such as spatter can be performed on any welded joint.
Further, the amount of spatter generated and the number of short-circuit phenomena in which the droplets coming off from the welding wire also contact the base material are shown in FIG. Mold) is also small. This is because when the short circuit occurs, the current increases, and the droplet detachment is disturbed by the influence of electromagnetic force or the like. Further, blowholes are reduced when the number of short circuits is small.
[0003]
Accordingly, the inventors of the present application disclosed a welding apparatus that controls the welding voltage by detecting the number of short-circuit phenomena so that the number of short-circuit phenomena becomes a preset value during pulse welding in Japanese Patent Application No. 241406. Disclosed.
The above welding apparatus detects the welding voltage that sharply reduces the short circuit phenomenon while setting the optimum voltage and current values for field welding through experience and experiment, and commanding these set values. . This detection is performed when, for example, the state in which the number of occurrences of a short circuit phenomenon during a unit time of 1 sec or the like is suppressed between a predetermined upper limit number and a lower limit number is an optimum state, and the short circuit number is greater than the upper limit number. When the voltage is increased and the number of short circuits becomes smaller than the lower limit number, control is performed to decrease the voltage.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in pulse arc welding, the voltage range in a region where there are few short circuits is extremely narrow, and if the voltage is increased too much to eliminate the short circuit, the arc spreads and a welding defect called undercut is likely to occur.
On the other hand, the conventional welding apparatus always controls the voltage from the start of welding to the end of welding under the condition that the number of short circuits is small. The target value of the control is a set value obtained through experience or experiment. Therefore, if the preset value does not match the voltage in the region where there are few shorts suitable for the joint, it is difficult to say that welding with less spatter generation is performed even if control is performed. Will lead to an increase.
[0005]
In addition, the relationship between current and voltage under conditions where there are few shorts varies depending on disturbance factors such as the distance between the tip of the welding torch and the base metal, the wiring state of the welding wire, tip wear, and jig positioning accuracy. Even if the optimum voltage and current are set by experiment, it cannot be applied to actual field welding unless corrected for each joint.
In particular, in the case of robot welding, even if the current and voltage parameters commanded from the robot side to the welding machine side and their relations are obtained in advance, differences occur due to fluctuations in the above disturbance factors, making it difficult to set optimal conditions. It is extremely.
[0006]
The present invention makes it possible to perform stable welding (minimum spatter, constant penetration depth, etc.) without being affected by disturbance factors by searching for the welding voltage under conditions where the number of short circuits suitable for the welded joint is small during welding. An object of the present invention is to provide a method and apparatus for controlling pulse arc welding.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In the pulse arc welding control method of the present invention that has solved the above-described problems, a pulsed welding current is applied between the welding wire and the base metal, and the welding wire is transferred to the base metal in the form of droplets by the generated arc. In the control method of pulse arc welding in which welding is performed, current control means for performing constant feedback control of the average value of the welding current with a target current value set in advance from the start of welding as a reference current for welding current control, and a detected welding voltage Based on the width of the upper peak value and the lower peak value and the upper peak value or the lower peak value, detecting the short circuit phenomenon of the welding wire, increasing or decreasing the welding voltage so as to maintain the number of detected short circuits at a predetermined number. the target voltage searching Te, the width of the upper peak value and the lower peak value; and a voltage search means for terminating said search after converged to a predetermined value, and the search It is characterized in that it comprises a voltage control means for controlling the average value of the welding voltage constant by feedback control based on serial the target voltage of the target voltage is obtained as the reference voltage of the welding voltage control.
[0008]
The pulse arc welding control apparatus according to the present invention is a pulsed arc in which welding is performed by passing a pulsed welding current between a welding wire and a base material, and transferring the welding wire to droplets by the generated arc. In the welding control device, a current control means for performing feedback control of the average value of the welding current with a target current value preset from the start of welding as a reference current for welding current control, and a short circuit of the welding wire by the detected welding voltage Short-circuit detection means for detecting the phenomenon, the welding voltage is raised and lowered so as to maintain the number of detected short-circuits at a predetermined number, and based on the upper peak value and the lower peak value width and the upper peak value or the lower peak value the target voltage search, before the width of the upper peak value and the lower peak value; and a voltage search means for terminating said search after converged to a predetermined value, and the search It is characterized in that it comprises a voltage control means for controlling the average value of the welding voltage constant by feedback control based on the reference voltage and then obtained was the target voltage of the welding voltage control target voltage.
[0009]
[Action]
In the control method and apparatus for pulse arc welding of the present invention, a current control means for controlling feedback with a constant average value of welding current with a target current value set in advance from the start of welding as a reference current for welding current control, and welding start In this initial period, the number of short-circuits is controlled to be small, that is, welding with less spatter is maintained, and the welding voltage at that time is searched. Then, the voltage when the searched welding voltage is stabilized is fixed to the target value of the constant voltage feedback control as the optimum target voltage for the weld joint. This makes it possible to test the ideal welding voltage that exists for each welded joint by experience and experiment, due to disturbance factors such as the distance between the tip of the welding torch and the base metal, the welding wire wiring state, tip wear, and jig positioning accuracy. It is possible to search during actual welding without finding it through mistakes, and the preparation work can be greatly simplified.
[0010]
The control method and apparatus for pulse arc welding according to the present invention includes a current control means for controlling feedback with a constant average value of welding current using a target current value preset from the start of welding as a reference current for welding current control, and detected welding After short-circuit detecting means for detecting a short-circuit phenomenon of the welding wire by voltage, the welding voltage is raised and lowered so as to maintain the number of detected short-circuits at a predetermined number, and the width of the upper peak value and the lower peak value converges to a predetermined value Voltage search means for controlling the average value of the welding voltage to be constant by feedback control based on the obtained target voltage after finishing the search can be made to cause the welding voltage to follow the target voltage .
[0011]
This does not apply constant voltage feedback control with a preset voltage based on preset experience, etc., so that high-quality welding with low voltage fluctuation, low spatter generation, constant penetration, etc. is performed. It becomes possible.
The control method and apparatus for pulse arc welding of the present invention is suitable for robot welding. In this case, it is preferable to link the robot controller that controls the robot with the teaching data and the welding power source controller that controls the welding power source according to the present invention in a communicable manner.
[0012]
The microcomputer for the welding power supply controller, the short-circuit detection means for detecting the short-circuit phenomenon of the welding wire by the detected welding voltage of the present invention, the welding voltage is raised and lowered to maintain a predetermined number of short-circuits, The voltage search means for searching for the target voltage based on the width of the upper peak value and the lower peak value and the upper peak value or the lower peak value, and welding using the target current preset from the start of welding as the reference current for welding current control Current control means for controlling current, and voltage control for controlling the welding voltage by feedback control based on the obtained target voltage after the search ends after the width of the upper peak value and the lower peak value converges to a predetermined value Each function with the means can be included.
[0013]
In the pulse arc welding control method and apparatus according to the present invention, the output terminal of the welding power source connects the power line between the wire holding cable and the jig for fixing the base material. In addition, the detection position of the welding voltage is preferably such that the detection line is connected to the wire holding cable and the jig as close as possible to the wire tip where the arc is generated.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, a specific embodiment of the control method and apparatus for pulse arc welding according to the present invention will be described with reference to the drawings.
An outline of a welding system to which the control method and apparatus for pulse arc welding of the present invention can be applied is as shown in FIG. In this welding system, a welding current and welding voltage of a robot 2 holding a welding torch (hereinafter referred to as a torch) 1 and output terminals 3a (positive electrode) and 3b (negative electrode) are transferred between a tip 16 at the tip of the torch and a base material. A welding machine 3 having a built-in welding power source for supplying power to the robot, and a robot for controlling the robot 2 based on the teaching data TD and transmitting a preset target current command value PIt and initial voltage command value Pv ₀ to the welding machine 3 The controller 5 and a wire feeding device 8 for feeding a welding wire 7 as a consumable electrode filled in the drum 6 to the torch 1 are constituted by a jig 9 on which a base material is placed.
[0015]
The wire feeding device 8 assembled to the robot 2 includes a bending corrector 11, a pair of feeding rollers 13 a and 13 b sandwiching the welding wire 7, a motor 14 for driving the rollers 13 a and 13 b, and the welding wire 7. The welding wire 7 is protruded from the tip 16 in the nozzle portion 15 of the torch 1. The motor 14 is controlled by a drive signal having a feed rate proportional to the current command value PI by the motor control circuit of the welding machine 3 to feed out the welding wire 7.
[0016]
By the way, as shown in FIG. 2, the welding machine 3 includes a welding power source 21 and a welding power source controller 22 mainly composed of a microcomputer.
The welding power source 21 controls, for example, an inverter circuit unit including a rectifier circuit, an inverter, an output transformer, a rectifier, and the like, and a pulse control circuit based on a voltage command value (average value) Pv, and PWM that controls switching of the inverter based on the output. The output of the rectifier is led to the output terminals 3a and 3b.
[0017]
The welding power source controller 22 reduces the error between the voltage Vd (detected welding voltage) appearing at the detection terminals 4a and 4b connected to the output terminals 3a and 3b and the voltage setting value written in the setting value memory 23. Thus, the voltage command value Pv is calculated and the command value is fed back to the pulse control circuit of the welding power source 21, and the current Vd (detected welding current) flowing through the one detection terminal 4a and the set value memory 25 are calculated. And a current calculation circuit 26 that feeds back the current command value PI to the motor control circuit of the welding power source 21 so as to reduce the error from the current set value written in. The voltage calculation circuit 24 performs voltage control by commanding the pulse frequency output from the pulse control circuit with the voltage command value Pv. The current calculation circuit 26 performs current control by changing the rotational speed of the motor 14 by the motor control circuit with the current command value PI.
[0018]
Further, the welding power source controller 22 detects the short-circuit phenomenon between the wire base materials by inputting the detected welding voltage Vd between the detection terminals 4a and 4b and detecting a state in which the detected welding voltage Vd is rapidly decreased. The short-circuit detecting means 27 for performing the counting, the timer 28 for starting counting by the output 27a of the short-circuit detecting means 27, the voltage command value Pv output from the voltage calculation circuit 24 by sampling the count-up output 28a of the timer 28, and the sampling value As shown in FIG. 4, a sampling circuit 29 that outputs upper peak values Pv _U1 , Pv _U2 , Pv _U3 ,... And lower peak values Pv _D1 , Pv _D2 , Pv _D3 ,. The output 29a is input, and the command value (target voltage value) of the target voltage Vt is calculated using one of the adjacent upper peak value Pv _U and lower peak value Pv _D and the width W of both values. ) The target value calculation circuit 30 that calculates (searches) and outputs Pvt is compared with the calculated value 30b of the width W obtained by the target value calculation circuit 30 and the expected convergence width Wd. A voltage search circuit 32 including a comparison circuit 31 that outputs a switching signal 31a when equal to or smaller than the convergence width Wd is provided.
[0019]
The switching signal 31a output from the comparison circuit 31 controls the switch 32 for selecting the voltage command value Pv. The switch 32 selectively derives the initial voltage command value Pv ₀ , the voltage command value Pv from the voltage calculation circuit 24, and the target voltage value Pvt from the target value calculation circuit 30 to the welding power source 21. .
The control apparatus of the pulse arc welding of this invention is comprised as mentioned above, The control method of the pulse arc welding of this invention using this control apparatus is demonstrated.
[0020]
This control device as shown in step S1 of FIG. 3, the command value PIt target current It from the robot controller 5, a command value Pv ₀ of the initial voltage V ₀ is input. With these inputs, the welding power source controller 22 recognizes the command value PIt and the command value Pv ₀ (S2), outputs the command value PIt to the welding power source 21 (S3), and the command value Pv ₀ is set by the switch 32. The selected power is output to the welding power source 21 (S3), and welding is started (S4).
[0021]
Although the initial voltage V _{0 at the} start of welding can be arbitrarily determined, the relationship between the number of short circuits and the arc length has the characteristics shown in FIG. 9, and the arc length is almost directly proportional to the voltage. The voltage is set close to the voltage value in the arc length region set as an optimum region in which poor penetration shape, non-short-circuit type sputtering and short-circuit type sputtering, undercut, blow hole, etc. hardly occur. The target current It is an ideal current value determined in advance according to the weld joint.
[0022]
By starting welding, voltage control based on detection of the number of short circuits St (S5) and constant current control (S6) are performed in parallel so that the welding current I becomes the target current It. Step S6 is the control shown in FIGS. 5 and 7 for the welding current I.
First, the control after step S5 with respect to the welding voltage V is performed as follows. In the detection of the number of short circuits Sd, for example, an instant at which the detected welding voltage Vd between the detection terminals 4a and 4b in FIG. 2 sharply decreases is detected, and the sampling circuit 29 is triggered by an output 27a indicating the first short circuit. When the short circuit is detected, the welding power source controller 22 performs step S8 “increase voltage” or step S9 “decrease voltage” following the next step S7 “St <Sd”.
[0023]
Steps S7 → S8 or S7 → S9 detect a short circuit during welding at the initial voltage V ₀ , and if the voltage sampled at that time is the first lower peak value PV _D1 in FIG. The circuit 30 outputs a voltage value larger than PV _D1 as the command value PVt of the target voltage Vt (S8). At this time, the switch 32 has selected the output 30a from the target value calculation circuit 30, and the command value PVt is sent to the welding power source 21 as the voltage command value Pv. As a result, the number of short circuits is reduced by the increased voltage. When the number of short circuits decreases and no short circuit occurs during one cycle of the timer 28, the sampling circuit 29 samples the voltage command value Pv from the voltage calculation circuit 24 with the output 28a of the timer 28. Assuming that the voltage at this time is the first upper peak value PV _U1 , the target value calculation circuit 30 obtains the width W1 of the first lower peak value PV _D1 and the upper peak value PV _U1 , and the first lower peak value PV _D1 and The command value PVt ₁ of the target voltage Vt ₁ between the upper peak values PV _U1 is calculated from an arithmetic expression of PVt ₁ = PV _D1 + αW1 (α = 1/4 to 4/3, usually 1/2). Then, it sent to the welding power source 21 a command value PVt ₁ of the target voltage Vt ₁ as the voltage command value Pv (S9). An externally operable volume for determining α may be provided.
[0024]
The width W1 is compared with the convergence width Wd by the comparison circuit 31. If W1> Wd, the comparison circuit 31 is in the current state of the switch 32 (a state in which the output 30a of the target value calculation circuit 30 is set to the voltage command value Pv). To maintain. The operation of the comparison circuit 31 corresponds to step S10 “St = Sd?” In FIG.
Since the target voltage Vt ₁ is for lowering the welding voltage, a short circuit is likely to occur. For this reason, when the short circuit is detected and the second lower peak value PV _D2 is sampled, the first upper peak is calculated from the same calculation formula. command value PVt ₂ target voltage Vt ₂ is calculated between the value PV _U1 and the lower peak value PV _U2.
[0025]
When this operation is repeated further, for example, when the width W4 between the second upper peak value PV _U2 and the third lower peak value PV _D3 is equal to or smaller than the preset convergence width Wd (W4 ≦ Wd), PV _The target voltage Vt _{i (i = 1, 2, 3,} ... ₎ Calculated between _U2 and PV _D3 is assumed to output the optimum target voltage Vt, and the operation of the voltage search circuit 32 is terminated. A period for obtaining the target voltage Vt is set as a search period, and the target voltage Vt that is finally output in the search period is a voltage that maintains the detected short-circuit number Sd at the target short-circuit number St. Proceed to S11.
[0026]
In step S11, the switch 31 is switched so as to select the voltage command value Pv of the voltage calculation circuit 24 by the output 31a from the comparison circuit 31, and the command value PVt finally obtained is changed to the voltage calculation circuit 24. An operation of fixing to the set value memory 23 is performed. As a result, the welding power source controller 24 is in a voltage constant control mode performed by the voltage calculation circuit 24 with the searched command value PVt fixed in the set value memory 23 (S12).
[0027]
As shown in FIG. 6, the above constant voltage control has a maximum allowable arc length a obtained from the tip base metal distance EXT, the welding voltage V (detection voltage), the peak current of the pulse arc current, the base current and the average current Iav. The voltage calculation circuit 24 controls the welding voltage V using the searched target voltage Vt as a reference voltage while keeping the arc length a ₀ or less. By suppressing the arc length a to the maximum allowable arc length a ₀ or less, there is no undercut or blowhole.
[0028]
After the calculation of the arc length a in step S14 in FIG. 6, in step S15, the calculated arc length a and the maximum allowable arc length a ₀ are compared, and if a> a ₀ , step S16 “Pv = PVt−K1”. (K1 is a unit change amount), and Pv is D / A converted in the next step S17. The converted voltage command value Pv of the analog signal is output to the PWM circuit of the welding power source 21 (S18).
[0029]
Further, in the comparison step S15 in arc length, a is the case a ₀ less than calculates the difference of the detected welding voltage Vd and the target voltage Vt by step S19 '〓V = Vt-Vd ". Next, it is determined whether or not the welding voltage V is larger or smaller than the target voltage Vt by the comparison operation in step S20 “Vt> Vd”. When Vt> Vd, the difference ΔV is subtracted from the target voltage Vt, and the subtracted voltage is obtained. The value is set as the voltage command value Pv (S21), and when Vt <Vd, the difference ＶV is added to Vt, and the added voltage value is set as the voltage command value Pv (S22). As a result, the welding voltage V is controlled using the target voltage Vt as a reference voltage, and the welding voltage V is controlled to the target voltage Vt more stably without undulation as shown in the constant voltage control period of FIG. The
[0030]
By the way, the constant current control that is continuously performed from the start of welding to the end of welding, as shown in FIG. 10, changes in the welding current I when the tip base material distance EXT changes due to variations in teaching accuracy, This suppresses fluctuations in current caused by changing the target voltage value in the initial stage of welding. This control is performed by the current calculation circuit 26, and the current calculation circuit 26 performs feedback control (proportional integration control) of the welding current I using the target current value It written in the set value memory 25 as a reference current. In this proportional integral control, as shown in FIG. 7, the difference 〓I (proportional constant term) between the target current value It and the detected welding current Id during the peak current period is obtained in step S23, and then the difference 〓I is substantially zero. The time Ti required for the current change until it is obtained is obtained by integration (S24), and the operation of step S25 “PI ′ = PI + K2 · 〓I + K3 · Ti” is performed to obtain the corrected current command value PI ′. It is. K2 is a proportional constant term, and K3 is an integral constant term. The current command value PI ′ thus calculated is converted in signal format in step S26 “PI ′ → D / A conversion”, and in step S27 “analog signal output of PI ′” the current command value PI ′ is supplied to the motor control circuit of the welding power source 21. Sent as value PI.
[0031]
In step S13, when the end of welding is sent from the robot controller 5, this is recognized and the welding is ended.
As shown in FIG. 5, the welding current I subjected to the proportional integral control is controlled to be constant with the target current It as a reference current regardless of the variation in the distance between the tip base materials, thereby achieving a constant control of the penetration amount.
[0032]
Thus, according to the pulse arc welding control method and apparatus of the present embodiment, a rough voltage in a region where the number of short-circuits is small is determined as an initial target voltage without strictly obtaining a voltage command value to be determined in advance. It can be easily performed even by an inexperienced worker.
Then, at the beginning of welding, search for a target voltage that stabilizes the number of short circuits to a minimum, and after the search, simply control the welding voltage to this target voltage so that the number of short circuits is constant. It is controlled and welding can be performed in a state where the spatter is in a very small region.
[0033]
In addition, the constant current control performed from the start of welding can suppress current fluctuations caused by raising and lowering the target voltage and current fluctuations caused by variations in teaching accuracy. It becomes possible.
In the pulse arc welding control method and apparatus of the present invention, the method and apparatus disclosed in JP-A-9-10883 can be used for searching for the target voltage performed at the beginning of welding. In this method and apparatus, the absolute value of the integrated value of the voltage error between the detected welding voltage Vd and the target voltage Vt during the peak current conduction period and the integration of the voltage error between the detected welding voltage Vd and the target voltage Vt during the base current conduction period. The target voltage Vt is raised or lowered so that the absolute value of the value matches.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an outline of pulse arc welding according to the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a control apparatus for pulse arc welding according to the present invention.
FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the welding power supply controller according to the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a welding voltage controlled by the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a welding current controlled by the present invention.
FIG. 6 is a flowchart showing an operation of constant voltage control according to the present invention.
FIG. 7 is a flowchart showing an operation of constant current control according to the present invention.
FIG. 8 is a characteristic diagram obtained by experiments on the amount of spatter generated and the number of short circuits.
FIG. 9 is a graph showing the effect of the number of short circuits on welding quality, with the vertical axis representing the arc length and the horizontal axis representing the number of short circuits.
FIG. 10 is a characteristic diagram of a welding current that changes due to a change in the distance between the tip base materials.
[Explanation of symbols]
I ... welding current, V ... welding voltage, 27 ... short circuit detection means, PVU ... upper peak value, PVD ... peak value, W ... width, 32 ... voltage search means, Vt ... target voltage, It ... target current value, 26 ... Current calculation circuit (current control means), 24... Voltage calculation circuit (voltage control means).

Claims

In the pulse arc welding control method in which a pulsed welding current is energized between a welding wire and a base material, and welding is performed by transferring droplets of the welding wire to the base material by the generated arc.
With the target current value set in advance from the start of welding as the reference current for welding current control, the average value of the welding current is feedback controlled to be constant,
Detecting a short-circuit phenomenon of the welding wire by the detected welding voltage;
The welding voltage is increased or decreased so as to maintain the number of detected short-circuits at a predetermined number, the target voltage is searched based on the width of the upper peak value and the lower peak value and the upper peak value or the lower peak value, and the upper peak The search is terminated after the width of the value and the lower peak value converges to a predetermined value,
A control method of pulse arc welding, wherein an average value of a welding voltage is controlled to be constant by feedback control based on the target voltage obtained using the searched target voltage as a reference voltage for welding voltage control.

In a pulse arc welding control device that conducts welding by passing a pulsed welding current between a welding wire and a base material, and transferring a droplet of the welding wire to the base material by the generated arc,
Current control means for controlling feedback to keep the average value of the welding current constant with a target current value set in advance from the start of welding as a reference current for welding current control;
A short-circuit detecting means for detecting a short-circuit phenomenon of the welding wire based on the detected welding voltage;
The welding voltage is increased and decreased so as to maintain the number of detected short-circuits at a predetermined number, and the target voltage is searched based on the width of the upper peak value and the lower peak value and the upper peak value or the lower peak value, and the upper peak value And voltage search means for terminating the search after the width of the lower peak value has converged to a predetermined value ,
Pulse arc welding comprising voltage control means for controlling a mean value of welding voltage constant by feedback control based on the target voltage obtained using the searched target voltage as a reference voltage for welding voltage control Control device.