JP2000351071A - 自動溶接システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 自動的に溶接条件を調節できるようにして、
熟練溶接士による監視や調整等を不要にする。 【解決手段】 自走する溶接ヘッド１に搭載されて、溶
融池を撮像する赤外線カメラ３と、該赤外線カメラ３か
らの撮像データに基づき、溶融池の特徴データを抽出し
て実測値とする画像処理部５２と、予め理想的な溶接を
行い、その際に形成される溶融池の特徴データを目標値
として記憶し、画像処理部５２から送られてくる実測値
と目標値とを比較することにより溶接条件を制御する制
御部５１とを設ける。これにより溶接中であっても溶接
条件の自動調整を行い、熟練溶接士による監視や調整等
を不要にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶接中に溶接条件
の自動調整ができるようにした自動溶接システムに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、鉄鋼、橋梁、発電設備及び自動車
等の技術分野においては、自動溶接装置が多用されるよ
うになっている。

【０００３】この種の自動溶接装置は、予め設定された
溶接ラインを自動走行しながら、予めプログラムされた
溶接条件で溶接するプログラム制御式のものが大半であ
る。

【０００４】このとき、溶接ラインに沿って溶接が行わ
れるようにするために、レーザ光センサやアークセンサ
が用いられることがある。

【０００５】例えば、レーザ光センサを用いる場合は、
当該レーザ光センサを溶接トーチの前方（進行方向を前
とする）に設けて、当該レーザ光センサからの画像に基
づき開先中心を溶接しているか否かで溶接位置の適否を
判断し、当該判断に基づき溶接トーチの位置調整が行な
われる。

【０００６】一方、アークセンサを用いる場合は、溶接
トーチの位置を溶接方向に対して左右に振らし、そのと
きの溶接電流や溶接電圧の変動から最適値（例えば、電
流値が最小になる点を最適値とする）を求め、当該最適
値になるように溶接トーチの位置調整が行なわれる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成では以下の理由により自動溶接装置といえども熟練溶
接士等の関与が必要になる問題があった。

【０００８】即ち、レーザ光センサを用いて溶接が所定
の溶接ラインに沿って行われるようにする場合には、当
該レーザ光センサが溶接トーチの前方に配置されるた
め、レーザ光センサが検出した開先中心の位置が実際に
溶接されるまでにタイムラグが生じてしまう。

【０００９】このため、例えばコーナ等の溶接ラインが
急に曲ったりする場所等では、予め設定された溶接ライ
ンから外れてしまうことがあり、溶接品質の低下をもた
らす問題がある。

【００１０】また、アークセンサを用いる場合には、溶
接電流や溶接電圧から溶接トーチの位置調整を行うため
に走行を一時的に停止して溶接トーチを左右に振らさな
ければならないので、溶接作業が中断してしまう問題が
ある。

【００１１】一方、上記自動溶接装置における溶接電流
や溶接速度等の溶接条件は、予め設定された条件で画一
的に行う構成であり、溶接中に開先形状の変化や予期せ
ぬ外的要因により溶融池の形状等が変化してもこれに応
じて溶接条件が調整されず、溶接品質を低下させてしま
う問題がある。

【００１２】従って、溶接ラインからのずれを防止し、
また溶接条件の変動に対応して溶接品質を確保つために
は、開先形状、溶融池の状態、ビート形状及び溶接外観
等を熟練溶接士が視覚監視して適宜調整する必要があっ
た。

【００１３】そこで、本発明は、熟練溶接士による監視
や調整等を不要にすると共に、常に所定の溶接品質が得
られるようにした自動溶接システムを提供することを目
的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１にかかる発明は、溶接トーチを搭載した溶
接ヘッドが溶接ラインに沿って自動的に移動して溶接を
行う自動溶接システムにおいて、溶接ヘッドに搭載され
て、溶融池を撮像する赤外線カメラと、該赤外線カメラ
からの撮像データに基づき、溶融池の特徴データを抽出
して実測値とする画像処理部と、予め理想的な溶接にお
ける溶融池の特徴データを目標値として記憶し、画像処
理部から送られてくる実測値と目標値とを比較すること
により溶接条件を制御する制御部と有して、自動的に溶
接条件が調整できるようにすることで熟練溶接士による
監視や調整等を不要にすると共に、常に所定の溶接品質
が得られるようにしたことを特徴とする。

【００１５】請求項２にかかる発明は、特徴データが、
溶融池の温度分布であることを特徴とする。

【００１６】請求項３にかかる発明は、特徴データが、
溶接ラインに対する溶融池の傾きであることを特徴とす
る。

【００１７】請求項４にかかる発明は、特徴データが、
溶融池の面積、溶融池の幅及び溶融池の距離であること
を特徴とする。

【００１８】請求項５にかかる発明は、画像処理部が、
赤外線カメラからの撮像データを極座標変換し、そのと
きの極座標パラメータを特徴データとして、当該データ
処理が高速にできるようにしたことを特徴とする。

【００１９】請求項６にかかる発明は、赤外線カメラ
は、波長が７６０ｎｍ以上の光を撮影するようにして、
溶融池のみを撮影できるようにしたことを特徴とする。

【００２０】請求項７にかかる発明は、溶接することに
より形成されるビートの外観を検出するビート外観検出
器を設けて、制御部が予め設定された閾値と検出したビ
ートの凹凸度合とを比較することにより次層溶接の必要
性を判定するようにしたことを特徴とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図を参照し
て説明する。図１は本発明に係る自動溶接システムの構
成を示す図である。

【００２２】なお、図１はＧＭＡ（Ｇａｓ−Ｍｅｔａｌ
Ａｒｃ）溶接を行う場合の構成を示すが、本発明はこ
れに限定されるものではなくＧＴＡ（Ｇａｓ−Ｔａｎｇ
ｕｓｕｔｅｎ Ａｒｃ）溶接にも適用できることは言う
までもない。

【００２３】本発明に係る自動溶接システムは、図示し
ないレール又はガイドローラ等により走行する溶接ヘッ
ド１、該溶接ヘッド１を制御する制御装置５、溶接ヘッ
ド１に電力を供給する溶接電源６等を主要構成としてい
る。

【００２４】なお、以下の説明では溶接ヘッド１は、レ
ール又はガイドローラ等により走行するものとして説明
するが、本発明はこれに限定されるものではなく、可動
アームに溶接ヘッド１を取付け、当該可動アームを制御
して溶接を行う溶接ロボットにも適用できることは言う
までもない。

【００２５】溶接ヘッド１は、ビートの外観を検出する
ビート外観検出器４、溶接トーチ２，波長が７６０ｎｍ
以上の光を検出して溶融池の画像のみを撮像する赤外線
カメラ３を主要構成とし、これらが溶接ラインの方向を
前方として後方に向って順次位置するように設けられて
いる。

【００２６】図２は、制御装置５の構成を示すブロック
図で、画像処理部５２、駆動部５３及び制御部５１を主
要構成としている。

【００２７】この画像処理部５２は、赤外線カメラ３及
びビート外観検出器４からの情報を処理して、溶接条件
の調整及び溶接後におけるビート外観の確認を行うため
の特徴データの抽出を行う。

【００２８】駆動部５３は、溶接ヘッド１及び溶接トー
チ２の位置制御を行う図示しない位置決制御機構及びこ
れを駆動するモータドライバにより構成されている。

【００２９】制御部５１は、画像処理部５２、駆動部５
３、溶接電源６及びマンマシンインターフェイス等のシ
ステム全体の制御を行っている。

【００３０】次に、このような構成に基づき、溶接条件
の調整手順を説明する。

【００３１】制御装置５により溶接ヘッド１と溶接電源
６が制御されて溶接が開始される。このときの赤外線カ
メラ３により図３に示すような溶接トーチ２直下に形成
される溶融池が撮像され、その撮像データから後述する
溶融池の特徴データの抽出が行われる。

【００３２】なお、溶融池の直上にはアークが存在する
ので、赤外線カメラ３がこのアークも撮像してしまう
と、正確な溶融池の特徴データを抽出することができな
くなる。かかるアークと溶融池とは、７６０ｎｍの波長
を境に分離することができるので、赤外線カメラ３は溶
融池のみを撮像するように７６０ｎｍ以上の波長の光を
撮像するように構成されている。

【００３３】赤外線カメラ３からの溶融池の撮像データ
は、画像処理部５２で画像処理されて、図４に示すよう
な等温線の温度分布データに変換されて溶接条件の制御
に供される。

【００３４】良質の溶接を行うには、被溶接部材の材料
的又は構造的特性、開先の形状及び傾き、溶融部の表面
張力、溶接トーチ２の狙い位置、溶接電流値、溶接速度
等を考慮した溶接を行う必要がある。

【００３５】これらの項目の中で溶接中に調整される主
な項目としては、溶接トーチ２の狙い位置、溶接電流
値、溶接速度があげられる。そこで、以下の説明ではこ
れらの項目を溶接条件として説明するが、状況に応じて
他の項目を溶接条件とすることも可能であることを前も
って付言しておく。

【００３６】溶接は種々の態様で行われるが、その中で
も図５に示すように２枚の被溶接部材を並べて、その隣
接端面を開先として溶接する突き合せ溶接と、図６に示
すように２枚の被溶接部材を垂直に合わせて、その隅を
開先として溶接する隅肉溶接が代表的である。

【００３７】このような突き合せ溶接及び隅肉溶接にお
いて、溶接条件が変動すると溶融した部分が融け落ちた
り、溶融が不十分で溶接強度が低下したりする。

【００３８】例えば、図５に示す突き合せ溶接の場合、
２枚の被溶接部材はギャップＧで突き合わされて溶接さ
れる。

【００３９】このとき、一方の面に他の構造物が近接す
る場合は、その面側から溶接することができないので、
構造物がない開放面側（表面側）からアークをとばして
裏面側まで溶融させることにより、当該裏面側も溶接す
る裏波溶接が行われる場合が多く、そのときは熱が裏面
側に直接与えられるように溶接開先をＶ字状に形成する
ことがある。

【００４０】従って、溶接トーチ２の狙い位置、溶接電
流及び溶接速度等が変動すると、厚みが薄い裏面側等に
おいて温度が上がりすぎて溶け落ちが発生したり、逆に
厚みが厚い表面側において温度が低くなり溶融が不十分
になったり、さらには溶融池が非対称になったりして溶
接品質を低下させてしまう。

【００４１】溶融池の非対称性、温度等は溶融池の温度
分布に反映されるので、本発明では理想的な溶接を行っ
た場合に形成される溶融池の温度分布を予め実験で求
め、これを特徴データとして制御部５１に目標値として
記憶している。

【００４２】一方、溶接中の溶融池を赤外線カメラ３で
撮像して、この撮像データを画像処理部５２で処理する
ことにより溶融池の特徴データとして温度分布を求め、
これを実測値とする。

【００４３】そして、例えば図５に示すように被溶接部
材が水平に置かれている場合では、実測値の形状が左右
の被溶接部材で対称形状になるように溶接トーチ２の位
置調整を行い、また与えられた材質及びギャップ量の下
で実測値が目標値になるように溶接電流値や溶接速度等
の溶接条件のうち少なくとも１つを調整する。

【００４４】かかる調整を常時又は所定時間毎に行うよ
うにすることで、安定して高品質の溶接を行うことが可
能になる。

【００４５】なお、溶融池が溶け落ちたり、シールド不
良等により異常が生じた場合には、温度分布は歪な形状
になってしまうので、このような歪な形状の温度分布が
検出された場合には警報等を出力して作業者に知らせる
ようにすることが好ましい。

【００４６】また、図６に示す隅肉溶接の場合には、溶
融した部分が重力の影響等により垂れたりするため、溶
接トーチ２の狙い位置は、２つの被溶接部材が形成する
隅より上側に設定されることが多い。

【００４７】しかし、溶接トーチ２の狙い位置を変えて
も重力等の影響を逃れることができないので、溶融池の
先端部は図７に示すように隅（溶接ライン）に向って傾
くようになる。図７では、溶融池の後端部Ｃと当該溶融
池の幾何学的重心Ｏとを結ぶ直線が溶接ラインとなす角
度が溶融池の傾きで、これをθで表している。

【００４８】そして、溶接トーチ２の狙い位置、溶接電
流及び溶接速度の変動は、この溶融池の傾きの変動とし
て現れる。図８は、溶接トーチ２の位置を開先から離し
ていったとき（溶接トーチの狙い位置のずれ）の溶融池
の傾きθを示した図である。

【００４９】なお、溶接条件の変動により溶融池の傾き
が変化するが、この他に形状も変化することは容易に推
察される。

【００５０】この溶融池の形状は、図７に示すように幾
何学的重心点Ｏ、該重心点Ｏから溶接ライン（一点鎖線
で示す）に対して最後端部の端点Ｃ、溶接ラインに直交
する溶融池の最も長い幅の端点Ａ及び端点Ｂにより特徴
付けられる。また、図９に示すように溶融池の面積Ｓ、
溶接ラインに直交する溶融池の最も長い幅Ｗ及び幾何学
的重心Ｏと最後端部（図８における端点Ｃ）との距離Ｌ
により特徴付けることができる。

【００５１】これらの溶融池面積Ｓ、溶融池幅Ｗ及び溶
融池距離Ｌの溶接により入熱される入熱量に対する変化
を示した図が図１０で、これら各パラメータＳ、Ｗ、Ｌ
は相関関係を持っていることが理解できる。

【００５２】そこで、本発明では、所定の溶接条件で理
想的な溶接を行った場合に対する溶融池の傾き等の特徴
データを予め実験で求めて、これを目標値として制御部
５１に記憶するようにしている。

【００５３】そして、実際の溶接時には赤外線カメラ３
で撮像した撮像データから目標値に対応する特徴データ
を抽出して、これを実測値とし、当該実測値が目標値に
一致するように、溶接トーチ２の狙い位置、溶接電流値
及び溶接速度等の溶接条件のうち少なくとも１つを調整
するようにしている。

【００５４】例えば、先に説明した溶融池の傾きθを目
標値に設定すると、実測値が目標値のθと一致するよう
に溶接トーチ２の狙い位置、溶接電流値及び溶接速度等
が調整される。溶接電流や溶接速度を固定した場合には
溶接トーチ２の狙い位置が調整されることになる。

【００５５】ところで、画像処理部５２で赤外線カメラ
３で撮像した溶融池の撮像データから温度分布や傾き等
の特徴データを抽出する処理は以下のようにして行う。

【００５６】図１１は、画像処理部５２における処理方
法を示したもので、撮像データは通常５１２×５１２の
各画素で２５６階調のビットマップデータとして取込ま
れるが、このビットマップデータは非常に大きなデータ
である。従って、ビットマップデータをこのまま特徴デ
ータとすると実測値と目標値との比較等の処理に多大の
時間が必要となり迅速な溶接条件の調整等が困難にな
る。

【００５７】そこで、図１１に示すように各温度での等
温線を角度θと距離Ｌとの極座標により表現し、そのと
きの角度θ及び距離Ｌを目標値及び実験値として扱うよ
うにしている。図１２は、各温度における角度θと距離
Ｌとの関係示した図である。

【００５８】このようにデータ変換すると、そのデータ
量は非常に小さくなり、赤外線カメラ３で測定してから
短時間で溶接条件の適正判断及び調整を行うことができ
るようになる。

【００５９】次に、溶接後に次層溶接が必要か否かの判
断方法について説明する。溶接が行われると制御装置５
は、溶接ヘッド１に搭載されたビート外観検出器４を用
いて、走行しながらビート外観の確認を行い、次の溶接
が可能か否かの判断を行う。

【００６０】図１３は、ビート形状を示したもので、図
１３（ａ）はアンダカット、図１３（ｂ）はオーバラッ
プ、図１３（ｃ）はピットができた場合を示している。

【００６１】このようにビート形状は、３次元的に起伏
しているので、ビート外観検出器４としては、ビートの
凹凸量（起伏量）を計測する必要があり、そのためにレ
ーザ光センサやＣＣＤカメラを用いることが可能であ
る。

【００６２】ビートの凹凸量をＣＣＤカメラによって計
測する場合は、カメラを２台用いるか、プリズム及びミ
ラー等を利用して視差をもつ画像を取り込み、三角測量
方法により計測すればよい。

【００６３】またレーザ光センサによって計測する場合
には、変位を測定するスポット光ではこれを開先幅方向
に揺動し、レーザスリット光ではこの反射光をＣＣＤカ
メラで撮影して画像処理することによりビート形状の凹
凸量の計測が可能になる。

【００６４】また、ビート形状測定はＣＣＤカメラを用
いてビート表面の色情報なとを測定することにより可能
である。

【００６５】そして、アンダーカット等の凹凸量が予め
設定された閾値より大きくなると、次層溶接が必要であ
ると判断する。

【００６６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
画像処理部で赤外線カメラからの撮像データに基づき、
溶融池の特徴データを抽出して実測値とすると共に、制
御部で予め理想的な溶接をした場合における溶融池の特
徴データを目標値として記憶して、実測値が目標値に一
致するように溶接電流、溶接速度又は溶接トーチの狙い
一等の溶接条件を制御するようにしたので、熟練溶接士
による監視や調整等が不要になると共に所定の溶接品質
が安定して得られるようになる。

【００６７】また、赤外線カメラからの撮像データを極
座標変換し、そのときの極座標パラメータを特徴データ
とするようにしたので、当該特徴データを用いて溶接条
件の適正判断及び調整処理が高速で行えるようになる。

【００６８】また、赤外線カメラが７６０ｎｍ以上の波
長の光を撮影するようにしたので溶融池のみを撮像する
ことができるようになるり、溶融池の特徴データが高精
度で抽出できるようになる。

【００６９】さらに、溶接することにより形成されるビ
ートの外観を検出するビート外観検出器を設けて、制御
部が予め設定された閾値と比較することによりビートの
凹凸度合を判断するようにしたので、自動で次層溶接の
継続が判定できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に実施の形態の説明に適用される自動溶
接システムの構成図である。

【図２】制御装置の構成図である。

【図３】溶接状態を示す図である。

【図４】溶融池の温度分布を示す図である。

【図５】突き合せ溶接を説明する図である。

【図６】隅肉溶接を説明する図である。

【図７】隅肉溶接の際に生じやすい溶融池の様子を示す
図である。

【図８】溶接トーチの狙い位置と溶融池の傾きとの関係
を模擬的に表した図である。

【図９】溶融池の特徴パラメータを示した図である。

【図１０】図９に示す特徴パラメータと入熱との関係を
示す図である。

【図１１】溶融池の等温線を極座標を用いて表示した際
の模式図である。

【図１２】溶融池の等温線を極座標表示した際のパラメ
ータの関係を示す図である。

【図１３】ビートの断面形状を示す図である。

【符号の説明】

１ 溶接ヘッド ２ 溶接トーチ ３ 赤外線カメラ ４ ビート外観検出器 ５ 制御装置 ６ 溶接電源 ５１ 制御部 ５２ 画像処理部 ５３ 駆動部

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶接トーチを搭載した溶接ヘッドが溶接
   ラインに沿って自動的に移動して溶接を行う自動溶接シ
   ステムにおいて、 前記溶接ヘッドに搭載されて、溶融池を撮像する赤外線
   カメラと、 該赤外線カメラからの撮像データに基づき、前記溶融池
   の温度分布や形状等を特徴づける特徴データを抽出し
   て、当該特徴データを実測値として出力する画像処理部
   と、 予め理想的な溶接を行い、その際に形成される溶融池の
   特徴データを目標値として記憶しておき、当該目標値に
   前記画像処理部からの前記実測値が一致するように溶接
   電流、溶接速度、溶接トーチの狙い位置等の溶接条件の
   うち少なくとも１を操作する制御部と有することを特徴
   とする自動溶接システム。
2. 【請求項２】 前記特徴データが、前記溶融池の温度分
   布であることを特徴とする請求項１記載の自動溶接シス
   テム。
3. 【請求項３】 前記特徴データが、前記溶接ラインに対
   する溶融池の傾きであることを特徴とする請求項１記載
   の自動溶接システム。
4. 【請求項４】 前記特徴データが、溶融池の面積、溶融
   池の幅及び溶融池の距離であることを特徴とする請求項
   １記載の自動溶接システム。
5. 【請求項５】 前記画像処理部が、前記赤外線カメラか
   らの撮像データを極座標変換し、そのときの極座標パラ
   メータを前記特徴データとすることを特徴とする請求項
   １記載の自動溶接システム。
6. 【請求項６】 前記赤外線カメラは、波長が７６０ｎｍ
   以上の光を撮影するように形成されていることを特徴と
   する請求項１乃至５いずれか１項記載の自動溶接システ
   ム。
7. 【請求項７】 溶接することにより形成されるビートの
   外観を検出するビート外観検出器を設けて、当該検出し
   たビートの凹凸度合と前記制御部に予め設定された閾値
   とを比較することにより次層溶接の必要性を判定するよ
   うにしたことを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項
   記載の自動溶接システム。