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▶ フロニウス・インテルナツィオナール・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツングの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-01-19
(45)【発行日】2024-01-29
(54)【発明の名称】溶接工程中の電気的接触を検出する方法及び溶接装置
(51)【国際特許分類】
B23K 9/12 20060101AFI20240122BHJP
【ＦＩ】
B23K9/12 331R
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2023533335
(86)(22)【出願日】2021-12-01
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2023-11-02
(86)【国際出願番号】 EP2021083690
(87)【国際公開番号】W WO2022117608
(87)【国際公開日】2022-06-09
【審査請求日】2023-05-31
(31)【優先権主張番号】20211334.6
(32)【優先日】2020-12-02
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】504380611
【氏名又は名称】フロニウス・インテルナツィオナール・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング
【氏名又は名称原語表記】ＦＲＯＮＩＵＳ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＧＭＢＨ
(74)【代理人】
【識別番号】100106518
【弁理士】
【氏名又は名称】松谷 道子
(74)【代理人】
【識別番号】100184343
【弁理士】
【氏名又は名称】川崎 茂雄
(72)【発明者】
【氏名】アルテルスマイア，ヨーゼフ
(72)【発明者】
【氏名】ゼリンガー，ドミニク
(72)【発明者】
【氏名】ヴァルトヘア，アンドレアス
(72)【発明者】
【氏名】ビンダー，マヌエル
【審査官】山下 浩平
(56)【参考文献】
【文献】実開昭５８－１１１１７２（ＪＰ，Ｕ）
【文献】特開平６－２４６４５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－１９８９２９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平８－１０８２７７（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１４／００１４６３８（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２３Ｋ ９／００、９／０６ － ９／１３３、１０／００
Ｂ２５Ｊ １３／０８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
好ましくはロボット（２）上に配置された溶接トーチ（５）を用いて、ワークピース（３）に対して溶接工程を実行する方法であって、溶接電圧（ＵＳＱ）を供給するために、溶接電流源（１８）が提供され、前記溶接工程中に、少なくとも一時的に、前記溶接トーチ（５）の外部要素（１７）に、特にガスノズル（９）の外壁（９’）に、電圧（ＵＤ）が印加され、印加された前記電圧（ＵＤ）を使用して、前記外部要素（１７）と、更なる要素（２４’、２４”）、特に前記ワークピース（３）又はコンタクトチューブ（１６）との間に起こり得る電気的接触（１３、１４）が検出され、前記溶接電流源（１８）が、少なくとも１つの第１の抵抗器（１９）を介して、前記溶接トーチ（５）の前記外部要素（１７）に電気的に接続され、前記溶接トーチ（５）の前記外部要素（１７）が、少なくとも１つの第２の抵抗器（２１）を介して、前記ワークピース（３）の電位に接続されることを特徴とする方法。
【請求項2】
前記電気的接触（１３、１４）、特に前記外部要素（１７）が前記ワークピース（３）に接触したことが検出された場合、警告信号が発せられ、前記溶接工程が中断され、溶接経路が修正され、かつ／又は前記ワークピース（３）が再配置されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記外部要素（１７）と前記更なる要素（２４’、２４”）との起こり得る電気的接触（１３、１４）が、前記少なくとも１つの第１の抵抗器（１９）及び／若しくは前記少なくとも１つの第２の抵抗器（２１）にわたって降下する測定された電圧（Ｕｍｅｓｓ）の変化、並びに／又は、前記少なくとも１つの第１の抵抗器（１９）及び／又は前記少なくとも１つの第２の抵抗器（２１）を通って流れる測定された電流の変化に基づいて検出されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項4】
前記測定された電圧（Ｕｍｅｓｓ）及び／又は前記測定された電流の変化に基づいて、少なくとも２つの異なるタイプの起こり得る電気的接触（１３、１４）、すなわち、前記外部要素（１７）と第１の更なる要素（２４’）、特に前記ワークピース（３）との間の少なくとも１つの電気的接触（１３）、並びに、前記外部要素（１７）と第２の更なる要素（２４”）、特に前記溶接トーチ（５）のコンタクトチューブ（１６）との間の、少なくとも１つの電気的接触（１４）が識別されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項5】
少なくとも１つの第１のコンデンサ（３７）が、前記少なくとも１つの第１の抵抗器（１９）と並列に配置され、少なくとも１つの第２のコンデンサ（３８）が、前記少なくとも１つの第２の抵抗器（２１）と並列に配置されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項6】
前記外部要素（１７）と前記更なる要素（２４’、２４”）との起こり得る電気的接触（１３、１４）が、前記少なくとも１つの第１のコンデンサ（３７）及び／又は前記少なくとも１つの第２のコンデンサ（３８）を流れる測定された電流の変化に基づいて検出されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項7】
前記溶接電流源（１８）の前記溶接電圧（ＵＳＱ）の変化が、起こり得る電気的接触（１３、１４）の検出に使用されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項8】
好ましくはロボット（２）上に配置された溶接トーチ（５）、及び、溶接電圧（ＵＳＱ）を提供するための溶接電流源（１８）を用いて、ワークピース（３）に対して溶接工程を実行するための溶接装置（１）、特に不活性ガス溶接装置であって、前記溶接トーチ（５）の外部要素（１７）、特にガスノズル（９）の外壁（９’）に電圧（ＵＤ）が印加され、検出ユニット（２５）が設けられ、前記検出ユニット（２５）は、前記溶接工程中に、前記外部要素（１７）と更なる要素（２４’、２４”）、特に前記ワークピース（３）又は前記溶接トーチ（５）のコンタクトチューブ（１６）との間に起こり得る電気的接触（１３、１４）を検出するように構成され、前記電圧（ＵＤ）を印加するために、前記溶接電流源（１８）が、少なくとも１つの第１の抵抗器（１９）を介して、前記溶接トーチ（５）の前記外部要素（１７）に接続され、前記溶接トーチ（５）の前記外部要素（１７）が、少なくとも１つの第２の抵抗器（２１）を介して、前記ワークピース（３）の電位に接続される、溶接装置（１）。
【請求項9】
少なくとも１つの第１のコンデンサ（３７）が、前記少なくとも１つの第１の抵抗器（１９）と並列に配置され、少なくとも１つの第２のコンデンサ（３８）が、前記少なくとも１つの第２の抵抗器（２１）と並列に配置されることを特徴とする、請求項８に記載の溶接装置（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、好ましくはロボット上に配置された溶接トーチを用いて、ワークピース上で溶接工程を実行する方法に関し、溶接電圧を供給するために溶接電流源が提供され、溶接工程中に、少なくとも一時的に、溶接トーチの外部要素、特にガスノズルの外壁に電圧が印加され、外部要素と、更なる要素、具体的にはワークピース又はコンタクトチューブとの間に起こり得る電気的接触が、印加された電圧を用いて検出される。
【0002】
更に、本発明は、そのような方法を実行するための、溶接装置に関する。
【背景技術】
【0003】
溶接工程の実行中に、故障が起こった場合には、溶接トーチと溶接されるワークピースとの間、又は溶接トーチの部品間に、望まざる物理的又は電気的接触が発生し得る。そのような接触は、溶接工程に支障をきたすおそれがあり、したがって、溶接線の品質に悪影響を及ぼし得る。このため、ワークピースや溶接トーチの損傷を防止し、高品質な溶接を確実にできるようにするためには、故障が起こった場合に発生する接触を、溶接工程中に直ちに特定し、適切な対策を迅速に講じる必要がある。
【0004】
溶接工程中に起こり得る物理的接触の一例は、溶接トーチとワークピースとの望まざる接触である。このような接触は、例えば、自動化して実行される溶接工程において溶接経路が不適切に設計された場合、又は、ワークピースが不適切に配置された場合に起こり得る。溶接トーチとワークピースとの間に接触が起こった場合、ワークピース又は溶接トーチの損傷を招くおそれがある。重大な損傷を回避するために、ロボット支援溶接工程では、いわゆる衝突検知ボックスが使用される。これは、溶接トーチがワークピースに接触するときに生じる、溶接トーチに作用する力が特定の閾値を超えた場合、直ちに溶接工程を中断する、又は、ロボットを停止させるものである。衝突検知ボックスは、例えば、米国公開特許第２０１８／００２９２３８号によって、公知のものである。しかしながら、溶接工程を停止することで、製造工程に遅延が生じる。更に、溶接工程が中断されると、溶接線は連続的に溶接されず、溶接線の品質が低下するおそれがある。更に、最初に接触が起こってから、衝突検知ボックスを作動させるために必要な閾値に到達するまでの時間に、ワークピース、又は溶接トーチ、又は溶接線への損傷が、既に引き起こされているおそれがある。
【0005】
溶接工程中に起こり得る、溶接トーチの望まざる電気的接触の一例は、部分的に電圧を伝える溶接トーチの様々な部品間に、溶接ワイヤの金属スパッタによって電気的接続が形成されることである。例えば、通常の状況下では電圧を伝えない、ガスノズルなどの溶接トーチの一部が、溶接スパッタによって、溶接電流源の溶接電圧の電位に電気的に接続され、その結果、アークがその意図された位置から偏向されるおそれがあり、又は溶接トーチが損傷するおそれがある。
【0006】
要約すると、溶接工程中に発生する予期しない物理的及び電気的接触は、溶接工程、ワークピース、及び溶接トーチに悪影響を及ぼすおそれのある故障である。したがって、そのような故障の発生時に、直ちにそれらを特定し、排除できることが望ましい。
【0007】
溶接工程の開始前に、溶接ワイヤに触れること（いわゆる「ワイヤ検知」）によって、又はレーザセンサによってワークピースの位置を検出することが、最新技術から知られている。このことは、例えば、米国公開特許第２０１９／０２７０１５７号に示されている。
【0008】
米国公開特許第２０１４／００１４６３８号、特開平０８－１０８２７７号公報、及び特開２０１３－１９８９２９号公報は、溶接トーチのワークピースへの衝突を検出することができる、溶接装置及び方法が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
これらの実施形態に照らして、本発明の目的は、最新技術の欠点を軽減すること、又は、更には完全に排除することである。特に、本発明の目的は、連続溶接工程及び最適な溶接品質を達成するために、溶接トーチ又は溶接トーチの部品と、ワークピースとの間に発生する望まざる接触又は予期せぬ接触を、溶接工程中に可能な限り迅速に検出することを可能にする、冒頭で述べたタイプの方法及び溶接装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
この目的は、請求項１に記載の方法及び請求項８に記載の溶接装置によって達成される。
【0011】
本発明によれば、上述したタイプの方法において、溶接電流源を、少なくとも１つの第１の抵抗器を介して溶接トーチの外部要素に電気的に接続し、溶接トーチの外部要素を、少なくとも１つの第２の抵抗器を介してワークピースの電位に接続することが提供される。溶接工程中に、溶接トーチの外部要素に電圧を印加することにより、印加された電圧及び／又は設定電流の変化によって、外部要素と更なる要素との間に生じる接触を、その発生時に既に有利に検出することができる。続いて、以下でより詳細に説明するように、適切な対策を迅速に講じることができる。したがって、溶接工程中の溶接トーチ又はワークピースの損傷を、有利に回避することができる。衝突検知ボックスの場合に必要となるような、ワークピースと溶接トーチが接触したときに作り出される力が閾値を超えることは、本発明による方法ではもはや必要ではない。起こり得る接触を、溶接工程中に検出できることが有利な点である。言い換えれば、ワークピース上の溶接線の生成中に発生する接触を、迅速に、又はリアルタイムで検出することができる。溶接トーチの外部要素に電圧を印加することによって、外部要素と更なる要素、例えばワークピースとの間に、物理的接触が発生した場合に検出できる電気的接触も生成され、それによって電流の流れが作り出される。このように、電圧を印加することによって、溶接トーチの物理的接触は電気的接触を伴い、したがって、本発明による方法で検出することができる。好都合には、接触が発生していることを検出するために、外部要素に印加される電圧、それを表す電気的大きさ、及び／又は電気的接触が発生した場合に作り出される電流を、電圧測定装置及び／又は電流測定装置を用いて、測定及び評価することができる。外部要素と更なる要素との間に発生して検出される電気的接触は、例えば、外部要素と好ましくは接地されたワークピースとの間のトーチを介した電気的接触、又は、外部要素とコンタクトチューブといった溶接トーチの別の構成要素との間の、溶接スパッタを介して発生する電気的接触であり得る。更なる要素とは、例えば、ワークピース、又は例えばコンタクトチューブなどの溶接トーチの一部であり得る。更なる要素は、溶接装置の電極、特にそれがワークピースである場合には、例えば主要部分に接続することができる。印加電圧は、溶接工程の全期間にわたって外部要素に印加することができるが、必ずしもそうである必要はない。電気的アース又はグランドと、外部要素に印加される電圧との間の電位差は、好ましくは５Ｖ～３５０Ｖ、特に１５Ｖ～３００Ｖの範囲である。印加される電圧は、溶接電流源の溶接電圧、又はそれに比例する電圧、特にダウンコンバートされた溶接電圧であってもよい。溶接電圧は、例えば、分圧器によってダウンコンバートすることができる。溶接電圧は、直接的に、又は好ましくは抵抗素子又はコンデンサを介して間接的に、外部要素に印加することができる。外部要素と更なる要素との間の電気的接触を検出した後、溶接トーチを溶接スパッタから洗浄する、溶接トーチを再調整する、又はワークピースを再調整するなど、接触を排除するために適切な対策を講じることができる。本発明による方法で可能となる、冒頭で述べたタイプの電気的接触及び物理的接触の早期識別の結果として、溶接工程中に引き続き対策を講じることができる。例えば、ロボット支援溶接法では、外部要素とワークピースとの間の電気的接触を検出した後、溶接工程中に引き続き経路の補正を実行することができる。好ましくは、電圧が印加される外部要素は、溶接トーチのガスノズル、又はガスノズルの外壁である。しかしながら、外部要素がリング、ワイヤ、又は同様の要素によって形成されることも考えられる。溶接トーチのガスノズルは、電流及び電圧を搬送するためのコンタクトチューブを取り囲み、溶接トーチの最外部を形成することができることが好ましい。溶接工程中に、ガスノズル内には不活性ガス、例えばアルゴン又はヘリウムが流れ、それがガスノズルの下端で開口部を通って環境内に発生し、生成されたアーク及び溶接線を、周囲空気の酸素から保護する。溶接ワイヤはまた、ガスノズルの内部で溶接点まで導かれることが好ましい。コンタクトチューブは、溶接ワイヤに所望の溶接電流を供給するように構成される。ロボット支援溶接法の場合、機械的衝突検知ボックスを更に設けることもできる。しかしながら、本発明による方法では、溶接トーチとワークピースとの接触をより迅速に識別することができるため、本発明による方法が使用され、電気的接触が検出されたときに対策が適用される場合には、衝突検知ボックスはもはや作動されないか、又は例外的な場合にのみ作動される。特に、衝突検知ボックスを用いて溶接工程を中断するために、特定の閾値を超える力が溶接トーチに作用することは、上述したように、本発明による方法では不要となる。
【0012】
本発明の更なる発展形態では、電気的接触、特にワークピースと外部要素との接触が検出された場合、警告信号を発し、溶接工程を中断し、好ましくは溶接工程を中断することなく溶接経路を修正し、かつ／又はワークピースを再調整することがもたらされる。例えば、溶接スパッタのために外部要素とコンタクトチューブとの間の電気的接触が検出された場合、溶接工程を中断し、警告信号を出力することができる。一方、外部要素とワークピースとの間の電気的接触が検出された場合、溶接工程を中断することなく溶接工程中に経路補正を実行することができるため、ガスノズルはもうワークピースに接触しない。
【0013】
溶接トーチの外部要素に電圧を印加するために、溶接トーチの外部要素を、溶接電圧を提供するための溶接電流源に、電気的に接続することが実現される。外部要素は、例えばオーム抵抗素子又はコンデンサを介して、溶接電流源に直接的又は間接的に接続することができる。通常状態、すなわち接触が発生していない状態では、アースと外部要素との間の電位差は、好ましくは５Ｖ～３５０Ｖ、特に１５Ｖ～３００Ｖである。溶接電圧は、溶接工程中に動的に変化し得る。外部要素の電圧は、溶接電流源の代わりに補助電圧源によって提供されるようにしてもよい。このことは、溶接工程の前又は後に、溶接電圧を用いずに電気的接触を検出するために有利であり得る。
【0014】
本発明によれば、溶接電流源は、少なくとも１つの第１の抵抗器を介して、溶接トーチの外部要素に電気的に接続される。第１の抵抗器は、オーム抵抗素子として設計することができる。少なくとも１つの第１の抵抗器の値は、少なくとも１０ｋΩであることが好ましい。好ましくは、溶接電流源と外部要素との間には、直列接続された複数の第１の抵抗器が配置される。その場合、個々の抵抗器の抵抗値は、より小さくてもよい。やはり、複数の第１の抵抗器の直列抵抗は、少なくとも１０ｋΩであることが好ましい。ただし、溶接電流源と外部要素との間に、並列接続された複数の第１の抵抗器を配置することもできる。その場合、個々の抵抗器の抵抗値を、より大きくすることができる。やはり、複数の第１の抵抗器の並列抵抗は、少なくとも１０ｋΩであることが好ましい。少なくとも１つの第１の抵抗器は、電気的接触が発生した場合に、所定電流を制限する。加えて、電気的接触が発生していることを検出するために、少なくとも１つの第１の抵抗器における電圧、又は、少なくとも１つの第１の抵抗器を通る電流を測定することができる。複数の第１の抵抗器が設けられる場合、すべての第１の抵抗器で、複数の第１の抵抗器で、又は、単一の第１の抵抗器で、電圧を測定することができる。一実施形態によれば、少なくとも１つの第１の抵抗器と並列に、コンデンサを設けることができる。
【0015】
本発明によれば、溶接トーチの外部要素が、少なくとも１つの第２の抵抗器を介して、好ましくは接地されているワークピースの電位に接続されることが、更に提供される。この第２の抵抗器も、オーム抵抗素子として設計することができる。少なくとも１つの第２の抵抗器の値は、少なくとも１０ｋΩであることが好ましい。好ましくは、直列接続された複数の第２の抵抗器が、外部要素とワークピースとの間に配置される。その場合、個々の抵抗器の抵抗値は、より小さくてもよい。やはり、複数の第２の抵抗器の直列抵抗は、少なくとも１０ｋΩであることが好ましい。ただし、外部要素とワークピースとの間に、並列接続された複数の第２の抵抗器を配置することもできる。その場合、個々の抵抗器の抵抗値を、より大きくすることができる。やはり、複数の第２の抵抗器の並列抵抗は、少なくとも１０ｋΩであることが好ましい。電気的接触が発生していることを検出するために、少なくとも１つの第２の抵抗器における電圧、又は、少なくとも１つの第２の抵抗器を通る電流を測定することができる。複数の第２の抵抗器が設けられる場合、すべての第２の抵抗器で、複数の第２の抵抗器で、又は、単一の第２の抵抗器で、電圧を測定することができる。一実施形態によれば、少なくとも１つの第２の抵抗器と並列に、コンデンサを設けることができる。少なくとも１つの第１の抵抗器と少なくとも１つの第２の抵抗器の、両方が設けられる場合には、ワークピースの電位と溶接電流源の電位との間に、分圧器が存在する。分圧器の上部ブランチは、少なくとも１つの第１の抵抗器によって形成され、分圧器の下部ブランチは、少なくとも１つの第２の抵抗器によって形成される。溶接トーチの外部要素は、分圧器の上部ブランチと下部ブランチとの間のタップ点に、電気的に接続される。分圧器、例えば上部ブランチ及び／又は下部ブランチにおける電圧及び／又は電流の測定を通じて、分圧器内の電圧の変化（「電圧シフト」）、又は電流の流れの変化を検出することができるため、複数のタイプの電気的接触を容易に検出し、互いに識別することができる。すなわち、本実施形態では、起こり得る接触が、分圧器における電気的な大きさの変化に基づいて検出される。電気的な大きさの変化に基づいて、接触のタイプを推測することもできる。電圧測定においては、分圧器のブランチ全体の電圧を測定する必要はなく、ブランチの一部の電圧のみを測定することができる。例えば、第１の抵抗器又は第２の抵抗器の、両端の電圧のみを測定してもよい。抵抗器からなる分圧器を有する変形例では、コンタクトチューブと外部要素、特にガスノズルとの間の電気的接触、並びに、コンタクトチューブとワークピースとの間の接触を、確実に識別することができるという利点がある。
【0016】
好ましい実施形態では、外部要素と更なる要素との起こり得る電気的接触は、少なくとも１つの第１の抵抗器及び／若しくは少なくとも１つの第２の抵抗器の両端で降下する測定された電圧の変化、並びに／又は、少なくとも１つの第１の抵抗器及び／若しくは少なくとも１つの第２の抵抗器を通って流れる測定された電流の変化に基づいて検出される。例えば、外部要素がワークピースに接触し、したがってワークピースと外部要素との間に電気的接触が発生した場合、少なくとも１つの第２の抵抗器は短絡され、溶接電流源又は補助電圧源によって供給される電圧の実質的に全体が、少なくとも１つの第１の抵抗器の両端で降下する。コンタクトチューブが溶接トーチの外部要素と電気的に接触した場合、少なくとも１つの第１の抵抗器は短絡され、溶接電流源又は補助電圧源によって供給される電圧の実質的に全体が、少なくとも１つの第２の抵抗器の両端で降下する。電圧及び／又は電流を測定値することによって、これらの変化を検出することができる。続いて、発生している故障又は接触の性質を推測することができる。
【0017】
好ましくは、測定された電圧及び／又は測定された電流の変化に基づいて、少なくとも２つの異なるタイプの起こり得る電気的接触、すなわち、外部要素と第１の更なる要素、特にワークピースとの間の少なくとも１つの電気的接触、及び、外部要素と第２の更なる要素、特に溶接トーチのコンタクトチューブとの間の、少なくとも１つの電気的接触が識別される。このことは、例えば、上述した分圧器内の電圧シフト、又は電流の流れの変化に基づいて行うことができる。
【0018】
一実施形態では、少なくとも１つの第１の抵抗器と並列に、少なくとも１つの第１のコンデンサが配置され、かつ、少なくとも１つの第２の抵抗器と並列に、少なくとも１つの第２のコンデンサが配置される。本発明のこの変形形態では、第１のコンデンサを通る電流、及び／又は第２のコンデンサを通る電流を測定することができる。この電流は、例えば、交流又はリップル電流とすることができる。少なくとも１つの第１のコンデンサと、少なくとも１つの第２のコンデンサとの間の接続点は、上記でより詳細に説明した、分圧器のタップ点に接続することができる。
【0019】
更なる発展形態では、外部要素と更なる要素との起こり得る電気的接触が、少なくとも１つの第１のコンデンサ及び／又は少なくとも１つの第２のコンデンサを流れる、測定された電流の変化に基づいて検出される。この場合も、少なくとも２つの異なるタイプの起こり得る電気的接触、すなわち、外部要素と第１の更なる要素、特にワークピースとの間の少なくとも１つの電気的接触、及び、外部要素と第２の更なる要素、特に溶接トーチのコンタクトチューブとの間の、少なくとも１つの電気的接触が識別される。
【0020】
いくつかのタイプの電気的接触を、より容易に識別できるようにするために、溶接電流源の溶接電圧の変化が、起こり得る電気的接触の検出に使用されれば好都合である。この目的のために、電圧測定装置を用いて、溶接電流源の溶接電圧を測定することができる。
【0021】
一実施形態では、溶接電流源の溶接電圧、又は補助電圧源の上述した補助電圧の変化に基づいて、溶接トーチのコンタクトチューブ又は溶接ワイヤと、ワークピースとの間の起こり得る電気的接触が、溶接工程の前又は後に検出される。このような電気的接触は、通常、溶接電圧又は補助電圧の降下に関連するものである。溶接工程の前又は後に、このようにしてワークピースの位置を検出することができる。この目的のために、溶接工程中に必要となる溶接電圧のレベルと比較して、溶接電圧のレベルを低下させることができる。電気的接触が発生した場合に、発生する電流を制限することもできる。
【0022】
ワークピースの位置を確認又は検出する目的については、溶接工程の前又は後に、ワークピースの位置を検出するために、溶接トーチの外部要素をワークピースに接触させることができる。したがって、そのような場合、外部要素を意図的にワークピースに接触させる。このことは、例えば、ロボットを使用して溶接トーチを位置決めすることによって、行うことができる。外部要素における印加電圧によって電気的接触が検出されると、直ちに溶接トーチを停止する、又は反対方向に再び移動させることができる。ワークピースに接触する位置、したがってワークの位置は、例えばロボットの位置から特定することができる。好ましくは、この実施形態では、外部要素に印加する電圧は、補助電圧源によって供給される。
【0023】
上述した目的は、溶接装置、特に請求項８に記載の、不活性ガス溶接装置によっても達成される。この溶接装置は、溶接トーチを用いてワークピースの溶接処理を実行するように構成される。自動化された方法で溶接工程を進行できるように、ロボット上に溶接トーチを配置することが好ましい。結果として、ロボットを溶接装置の一部と見做すことができる。溶接装置は、溶接電圧を供給するための溶接電流源を有する。溶接トーチの外部要素、特にガスノズルの外壁に電圧が印加され、かつ、検出ユニットが設けられ、溶接工程中に印加された電圧によって、外部要素と更なる要素、特にワークピース又は溶接トーチのコンタクトチューブとの間に起こり得る電気的接触を検出するように構成される。したがって、この溶接装置は、上述の方法を実行することができる。したがって、溶接装置の更なる特徴及び利点に関して、本発明による方法についての上記の実施形態が参照される。
【0024】
溶接装置では、電圧を印加する目的で、溶接電圧を供給するために、溶接トーチの外部要素に溶接電流源が接続される。
【0025】
電気的接触中に発生する電流の流れを制限するために、本発明によれば、上記でより詳細に説明したように、少なくとも１つの第１の抵抗器を介して、溶接トーチの外部要素に溶接電流源が接続される。第１の抵抗器は、オーム抵抗素子として設計することができる。少なくとも１つの第１の抵抗器の値は、少なくとも１０ｋΩであることが好ましい。一実施形態では、直列接続された複数の第１の抵抗器を、溶接電流源と外部素子との間に配置することができる。外部要素と更なる要素との間の電気的接触を検出するために、電流測定センサ及び／又は電圧測定センサを用いて、少なくとも１つの第１の抵抗器における電圧、又は、少なくとも１つの第１の抵抗器を通る電流を測定することができる。複数の第１の抵抗器が設けられる場合、すべての第１の抵抗器で、複数の第１の抵抗器で、又は、単一の第１の抵抗器で、電圧を測定することができる。
【0026】
更に、本発明では、少なくとも１つの第２の抵抗器を介して、ワークピースの電位に溶接トーチの外部要素が接続される。この第２の抵抗器も、オーム抵抗素子として設計することができる。少なくとも１つの第２の抵抗器の値は、少なくとも１０ｋΩであることが好ましい。好ましくは、直列接続された複数の第２の抵抗器が、外部要素とワークピースとの間に配置される。少なくとも１つの第１の抵抗器及び少なくとも１つの第２の抵抗器の、両方が設けられる場合、ワークピースの電位と、溶接電流源又は補助電圧源の電位との間に分圧器が存在し、溶接トーチの外部要素が、そのタップ点に電気的に接続される。分圧器における電圧及び／又は電流の測定を通じて、分圧器内の電圧変化（「電圧シフト」）を検出することができ、その結果、複数のタイプの電気的接触を容易に特定し、互いに識別することができる。
【0027】
一実施形態では、検出ユニットは、少なくとも１つの第１の抵抗器及び／又は少なくとも１つの第２の抵抗器における、又はそれを通る、電圧及び／又は電流を測定するように構成される。
【0028】
更なる実施形態では、少なくとも１つの第１の抵抗器と並列に、第１のコンデンサが配置され、少なくとも１つの第２の抵抗器と並列に、第２のコンデンサが配置される。検出ユニットは、少なくとも１つの第１のコンデンサを通る電流、及び／又は、少なくとも１つの第２のコンデンサを通る電流を測定するように、構成することができる。少なくとも１つの第１のコンデンサと、少なくとも１つの第２のコンデンサとの間の接続点は、上記でより詳細に説明した、分圧器のタップ点に接続することができる。
【0029】
図面を参照して、以下により詳細に本発明の説明を行うが、これらの図面に限定することを意図するものではない。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【図1】溶接ロボットを備えた溶接装置の概略図である。
【図2A】本発明の第１の実施形態による、溶接トーチの概略断面図である。
【図2B】本発明の第２の実施形態による、溶接トーチの概略断面図である。
【図2C】補助電圧源を有する、溶接トーチの概略図である。
【図3A】分圧器における電圧降下を説明するための簡略図である。
【図3B】分圧器における電圧降下を説明するための簡略図である。
【図3C】分圧器における電圧降下を説明するための簡略図である。
【図4】本発明による溶接装置の、様々な概略信号推移を示す図である。
【図5A】溶接電圧の推移、溶接装置のコンデンサの電流推移、検出信号の推移を示す図である。
【図5B】溶接電圧の推移、溶接装置のコンデンサの電流推移、検出信号の推移を示す図である。
【図6】簡略ブロックを示す図である。
【図7A】溶接電圧の推移、測定電圧の推移、及び検出信号の推移を示す図である。
【図7B】溶接電圧の推移、測定電圧の推移、及び検出信号の推移を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0031】
図１は、ワークピース３に対して不活性ガス溶接工程を実行するように設計された、溶接ロボット２を有する、溶接装置１を示す。溶接トーチ５は、溶接ロボット２のフランジ４に締結され、ホースパッケージ６を介して溶接電流源１８及びガス供給源７に接続される。ガス供給源７は、溶接トーチ５に不活性ガス、例えばヘリウム、アルゴン、ＣＯ２、又はそれらの混合物を供給し、これは溶接トーチ５のガスノズル９の下部開口部８で発生し（図２Ａ及び図２Ｂ参照）、ワークピース３上のアーク１２及び溶接線１０を、周囲空気の酸素及び化学反応から保護する。溶接ワイヤ１１（図２Ａ及び図２Ｂ参照）もガスノズル９を通過し、それを溶融するために、溶接ワイヤ１１の端部とワークピース３との間にアーク１２が発生する。溶接ロボット２は、所定の軌道に沿って移動し、溶接トーチ５は溶接工程を実行する。
【0032】
溶接工程中、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、溶接トーチ５とワークピース３との間に、望まざる接触１３が発生するおそれがある。溶接ワイヤ１１の金属スパッタ（図示せず）が、ガスノズル９とガスノズル９の内側に配置された電圧搬送コンタクトチューブ１６との間に、電気的接触１４を生成することも起こり得る。溶接トーチ５とワークピース３との間で接触が起こることによって、溶接トーチ５若しくはワークピース３の損傷が発生するおそれがあり、又は、コンタクトチューブ１６とガスノズル９との間で電気的短絡が起こった場合に、アーク１２が偏向されるおそれがある。そのため、説明した接触１３及び接触１４は、溶接工程に不利な影響を及ぼし得る。言及した金属スパッタは、不活性ガスの放出口に悪影響を及ぼすおそれもあり、そのため、溶接線１０及びアーク１２のガス保護に劣化が生じるおそれがある。複数の接触１３、１４が同時に発生する場合、接触１３、１４の個々の欠点が強化されるおそれもある。例えば、接触１３及び接触１４が同時に発生すると、ガスノズル９とワークピース３との間にアークが発生するおそれがある。したがって、接触１３、１４を迅速に識別し、適切な対策を講じるべきである。２つの接触１３及び１４に加えて、コンタクトチューブ１６とワークピース３との間に接触１５が生じるおそれもあり、これは溶接工程中に監視される。接触１５は、溶接工程、特に短絡溶接工程中に意図的に発生し得るものであり、したがって、これを故障ということはできない。
【0033】
本発明によれば、接触１３及び１４を識別するために、電圧ＵＤが溶接トーチ５の外部要素１７、好ましくは溶接トーチ５のガスノズル９、特にガスノズル９の外壁９’に印加され、この印加された電圧ＵＤを用いて、又は、電圧ＵＤの変化、若しくはそれに関連する電気的な大きさの変化に基づいて、溶接工程中に起こり得る接触１３及び１４が検出される。このことは、本発明の２つの例示的な実施形態を用いて、図２Ａ及び図２Ｂに示されている。
【0034】
図２Ａは、溶接トーチ５の概略断面図を示す。溶接トーチ５はコンタクトチューブ１６を有し、これは、溶接電流源１８によって供給される溶接電圧ＵＳＱを用いて、溶接ワイヤ１１に作用する。コンタクトチューブ１６は、ガスノズル９に取り囲まれている。ガスノズル９は、溶接トーチ５の外部要素１７を形成し、少なくとも１つの第１の抵抗器１９を介して溶接電流源１８と電気的に接続され、そのため、ガスノズル９に電圧ＵＤが印加される。したがって、電圧ＵＤは電圧ＵＳＱの一部である。複数の第１の抵抗器１９を設けることもでき、具体的には、これらを直列又は並列に接続することができる。しかしながら、より良く概要を示すために、単一の第１の抵抗器１９のみを以下に示す。
【0035】
ガスノズル９は、第２の抵抗器２１を介して、ワークピース３の電位にも接続され、これは通常、溶接装置１の負極（アース３４）に接続される。したがって、第２の抵抗器２１は、一方ではガスノズルの電位に、他方では電気的アース３４に接続される。複数の第２の抵抗器２１を設けることもでき、具体的には、これらを直列又は並列に接続することができる。しかしながら、明瞭にするために、単一の第２の抵抗器２１のみを以下に示す。分圧器２２は、抵抗器１９、２１で形成され、タップ点２３を有し、そこにガスノズル９が電気的に接続される。したがって、タップ点２３の電位はガスノズル９に存在し、そのため、電圧ＵＤはガスノズル９に存在する。
【0036】
ガスノズル９と、更なる要素２４’、２４”、例えばワークピース３又はコンタクトチューブ１６との、起こり得る電気的接触１３、１４を検出するために、検出ユニット２５が設けられる。検出ユニット２５は、少なくとも１つの第１の抵抗器１９及び／又は少なくとも１つの第２の抵抗器２１における、電圧Ｕｍｅｓｓを測定又は監視することによって、発生しているおそれのある電気的接触１３、１４を検出するように構成される。あるいは、接触１３、１４を検出するための検出ユニット２５は、電圧の代わりに、少なくとも１つの第１の抵抗器１９、又は少なくとも１つの第２の抵抗器２１を通る、電流を測定することもできる。図２Ａでは、少なくとも１つの第１の抵抗器１９の電圧Ｕｍｅｓｓのみが測定される。検出ユニット２５は、電圧を測定するために、少なくとも１つの電圧測定器２６を有する。電気的接触１３、１４を検出及び識別する方法について、以下でより詳細な説明を行う。まず、本発明の更なる実施形態について、説明を行う。
【0037】
図２Ｂは、本発明の別の実施形態を示す。図２Ｂでは、少なくとも１つの第１のコンデンサ３７が、少なくとも１つの第１の抵抗器１９と並列に接続されている。更に、少なくとも１つの第２のコンデンサ３８が、少なくとも１つの第２の抵抗器２１と並列に接続されている。図示の実施形態では、検出ユニット２５は、第１のコンデンサ３７及び第２のコンデンサ３８を通る電流を、別々に、又は独立して測定する、２つの電流測定器、又は電流測定センサ３９を有する。ブランチは電流測定センサ３９、及びコンデンサ３７、３８からなり、一方の電流測定センサ３９と一方のコンデンサ３７、３８がそれぞれ直列に接続されている。このブランチは、更なる分圧器を形成し、そのタップ点２３’は分圧器２２のタップ点２３に接続される。コンデンサ３８を流れる電流、又はそれらの変化をそれぞれ監視することにより、以下でより詳細に説明するように、起こり得る電気的接触１３、１４を検出し、互いに識別することができる。
【0038】
電気的接触１３、１４を検出及び識別できるようにするために、図２Ａによる実施形態では、電圧ＵＤ、又は抵抗器１９、２１の一方における電圧が測定又は監視され、目標値と比較される。当然のこと、第１の抵抗器１９及び／又は第２の抵抗器２１を通る電流（のみ）を測定又は監視し、目標値と比較することもできる。図２Ｂによる実施形態では、第１のコンデンサ３７、及び第２のコンデンサ３８を通る電流が検出され、目標値と比較される。故障のない正常状態では、電気的接触１３、１４は存在せず、溶接電圧ＵＳＱは抵抗器１９、２１の抵抗値に従って分割される。図示の実施形態では、ＵＳＱよりも低い電圧ＵＤがガスノズル９に印加される。抵抗器１９、２１が実質的に等しい抵抗値を有する場合、実質的に、ＵＤは溶接電圧ＵＳＱの５０％である。電気的接触１３、１４が発生すると、分圧器２２内で電圧シフトが発生する。検出ユニット２５を用いて、これらの電圧シフト又は関連する電流の変化を検出することができ、それにより、溶接工程中に電気的接触１３、１４を推測することができる。
【0039】
図２Ｃは、補助電圧源２０を有する溶接トーチを示す。補助電圧源２０は、溶接電流源１８よりも高い電圧を供給できることが好ましい。補助電圧源２０は、溶接電流源１８から絶縁、特に、ガルバニック絶縁されることが好ましい。溶接電流源１８の絶縁は、デカップリング回路３６を介して行うことができる。この目的のために、デカップリング回路３６には、少なくとも１つの電気スイッチ、特にリレーを含めることができる。ただし、絶縁は必須のものではない。補助電圧源２０は、好ましくは、溶接工程の前又は後に、溶接電圧ＵＳＱを用いずに電気的接触１３、１４、１５を検出するために使用される。接触１５は、コンタクトチューブ１６とワークピース３との間で発生する。図２Ｃでは、溶接電流源１８及び補助電圧源２０は、デカップリング回路３６を介して、高インピーダンス（１０ｋΩより大きい値）で互いに電気的に接続されている。デカップリング回路３６は、補助電圧源２０に対して電流を制限する役割も果たす。
【0040】
電気的接触１３、１４、１５間の影響及び違いについて、図３Ａ～図３Ｃを参照して、以下により詳細な説明を行う。図３Ａ～図３Ｃはそれぞれ、検出ユニット２５の電圧測定器２６を伴う、分圧器２２を示す。電気的接触接１３、１４、１５はそれぞれ、接続部２７と共に示されている。
【0041】
第１の電気的接触接１３は、ガスノズル９が第１の更なる要素２４’、例えばワークピース３と接触することによって発生し得る。ガスノズル９がワークピース３に接触した結果、第２の抵抗器２１が短絡し、第１の抵抗器１９で溶接電圧ＵＳＱ全体が降下する（図３Ａ）。このことは、図２Ｂによる実施形態に関しては、短絡に起因して、第２の抵抗器２１に並列な第２のコンデンサ３８には電流が流れないか、又はわずかな電流しか流れないことを意味する。一方、第１の抵抗器１９と並列な第１のコンデンサ３７によって、電流の流れを検出することができる。この事例を、図５Ａにより詳細に示す。そのような場合、ワークピース３又は溶接トーチ５の損傷を回避するために、溶接工程中であっても溶接経路を変更することができる。必ずしも、溶接工程を中断する必要はない。
【0042】
第２の電気的接触１４は、溶接ワイヤ１１の金属性の溶接スパッタに起因して、ガスノズル９と第２の更なる要素２４”、例えばコンタクトチューブ１６との間で発生し得る。コンタクトチューブ１６とガスノズル９との間の電気的接触１４を通じて、第１の抵抗器１９が短絡し、第２の抵抗器２１において溶接電圧ＵＳＱ全体が低下する（図３Ｂ）。このことは、図２Ｂによる実施形態に関しては、短絡に起因して、第１の抵抗器に並列な第１のコンデンサ３７に電流が流れないか、又はわずかな電流しか流れないことを意味する。一方、第２の抵抗器２１と並列な第２のコンデンサ３８によって、電流の流れを検出することができる。この事例を、図５Ｂにより詳細に示す。このタイプの接触が起きた場合、ガスノズル９が破壊されるおそれがある。電気的接触１４が発生した場合、溶接トーチ５を交換又は洗浄するために、洗浄を推奨することができ、又は溶接工程を中断することができる。
【0043】
しかしながら、溶接工程中の故障とはいえない第３の電気的接触１５は、コンタクトチューブ１６又は溶接ワイヤ１１と、ワークピース３との間の接触によって発生する。コンタクトチューブ１６又は溶接ワイヤ１１と、ワークピース３と間の電気的接触１４によって、抵抗器１９及び２１の短絡が引き起こされる。そのような場合には、溶接電圧ＵＳＱ又は補助電圧ＵＨも割り込むため、特に、溶接工程の前又は後に、溶接電圧ＵＳＱ又は補助電圧ＵＨを追加的に測定することによって、この事例を検出して、他の事例と識別することができる。このことは、図２Ｂによる実施形態に関しては、短絡に起因して第１の抵抗器１９及び第２の抵抗器２１に並列な、コンデンサ３７、３８を通って、電流が流れないことを意味する。
【0044】
図４では、第１の抵抗器１９を介した測定電圧Ｕｍｅｓｓ（ボルト単位）の推移、及び溶接電圧ＵＳＱの推移が定性的に示されており、より良好に全体像を示すために溶接工程は実行されず、そのため、溶接電圧ＵＳＱは（ｔ５とｔ６との間の期間を除き）基本的に一定のままである。異なる電気的接触１３、１４、１５は、経時的に発生する。
【0045】
時点ｔ１と時点ｔ２との間の期間では、ガスノズル９とコンタクトチューブ１６との間に、２回の電気的接触１４が生じている。溶接電圧ＵＳＱは一定のままであるが、電圧Ｕｍｅｓｓは、実質的に０Ｖに降下することが分かる。
【0046】
時点ｔ２と時点ｔ３との間の期間では、電気的接触１３、１４、１５は発生していない。Ｕｍｅｓｓは、目標値に相当するものである。
【0047】
時点ｔ３と時点ｔ４との間の期間では、ガスノズル９とワークピース３との間に、２回の電気的接触１３が生じている。溶接電圧ＵＳＱは一定のままであるが、少なくとも１つの第２の抵抗器２１が短絡しているため、電圧Ｕｍｅｓｓが増加していることが分かる。
【0048】
時点ｔ４と時点ｔ５との間の期間では、電気的接触１３、１４、１５は発生していない。Ｕｍｅｓｓは、目標値に相当するものである。
【0049】
時点ｔ５と時点ｔ６との間の期間では、コンタクトチューブ１６とワークピース３との間に、２回の電気的接触１５が生じている。溶接電圧ＵＳＱ及び電圧Ｕｍｅｓｓの両方が、実質的に０Ｖに降下していることが分かる。接触１５は、溶接工程中の故障とはいえない。
【0050】
図５Ａは、溶接工程中の、溶接電圧ＵＳＱ、並びに、第１のコンデンサ３７及び第２のコンデンサ３８（図２Ｂ参照）を通る、電流Ｉｍｅｓｓ－３７、Ｉｍｅｓｓ－３８の時間的推移を示す。これらの電流は、溶接電流源１８の同期された電力部によって生成された、交流電流又はリップル電流である。時点ｔ１では接触１３が発生し、第２の抵抗器２１と第２のコンデンサ３８とが短絡する。したがって、第２のコンデンサ３８を介して電流を検出することができない、又は、わずかな電流しか検出することができない。一方、第１のコンデンサ３７を流れる電流は増加する。コンデンサ３７、３８を通る電流の増加又は減少を目標値と比較した場合に、接触１３を識別することが可能となる。その発生時には、検出信号Ｓが出力される。
【0051】
図５Ｂはまた、溶接工程中の、溶接電圧ＵＳＱ、並びに、第１のコンデンサ３７及び第２のコンデンサ３８を通る、電流Ｉｍｅｓｓ－３７、Ｉｍｅｓｓ－３８の時間的推移を示す。しかしながら、時点ｔ１では接触１４が発生し、第１の抵抗器１９と第１のコンデンサ３７が短絡している。したがって、第１のコンデンサ３７を介して電流を検出することができない、又は、わずかな電流しか検出することができない。一方、第２のコンデンサ３８を流れる電流は増加する。コンデンサ３７、３８を通る電流の増加又は減少を目標値と比較した場合に、接触１４を識別することが可能となる。その発生時には、検出信号Ｓが出力される。
【0052】
図６は、溶接装置１の例示的な実施態様を、ブロック図で概略的に示している。最も重要な構成要素のみが、示されている。この場合、一方では、溶接電流源１８の溶接電圧ＵＳＱが別の電圧測定器２８によって測定され、他方では、電圧Ｕｍｅｓｓが抵抗器１９、２１（図示せず）のうちの一方で測定される。抵抗器１９、２１は、回路２９内で電圧測定器２６と共に実装される。
【0053】
溶接電流源１８の溶接電圧ＵＳＱは一定である必要はなく、溶接工程中に変化し得る。具体的には、溶接工程の個々の段階、例えばアーク段階、基本電流段階、及びパルス段階で、溶接電圧ＵＳＱは異なり得る。したがって、測定電圧Ｕｍｅｓｓの目標値もまた、溶接工程の個々の段階において変化し、電気的接触１３、１４を評価及び検出することが、より困難となる。これを抑制するために、配線、特に分圧器２２及び使用される測定回路から生じるスケーリング係数Ｐを、決定することができる。スケーリング係数Ｐ及び現在の溶接電圧ＵＳＱに基づいて、測定電圧Ｕｍｅｓｓの目標値をいつでも決定することができ、その結果、印加された溶接電圧ＵＳＱのレベルとは無関係に、電気的接触１３、１４を特定することができる。この目標値は、接触１３、１４がない場合に存在すべき電圧に相当する。当然のこと、使用するこの方法では、電圧測定の代わりに電流測定を行うこともできる。
【0054】
図７Ａ及び図７Ｂには、溶接電圧ＵＳＱの推移、並びに、第１の抵抗器１９を介した、測定電圧Ｕｍｅｓｓの推移が示されている。図７Ａでは、時点ｔ１で接触１３が発生している。図７Ｂでは、時点ｔ１で接触１４が発生している。破線は、測定電圧Ｕｍｅｓｓに対するスケーリング係数Ｐによって決定された、目標値Ｕｍｅｓｓ－ｓｏｌｌの推移を表す。接触１３、１４が発生する前には、測定された電圧Ｕｍｅｓｓは、実質的に目標値Ｕｍｅｓｓ－ｓｏｌｌに相当する。時点ｔ１において接触１３、１４が発生した後では、測定電圧Ｕｍｅｓｓは、目標値Ｕｍｅｓｓ－ｓｏｌｌの推移から逸脱する。目標値Ｕｍｅｓｓ－ｓｏｌｌからの測定電圧Ｕｍｅｓｓの偏差のタイプ、Ｕｄｉｆｆに基づいて、接触１３、１４のタイプを決定することができる。その発生時には、検出信号Ｓが出力される。この評価は、溶接工程のアーク段階で行われることが好ましい。目標値Ｕｍｅｓｓ－ｓｏｌｌの推移は、定性的には溶接電圧ＵＳＱの推移と同等であることが分かる。これは、Ｕｍｅｓｓ－ｓｏｌｌは、スケーリング係数Ｐを用いて溶接電圧ＵＳＱから連続的に決定される、という事実によるものである。スケーリングを行うことにより、接触１３、１４を検出することが、溶接電圧ＵＳＱのレベルに依存しないことが可能となる。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7A】
【図7B】