JP2002331363A

JP2002331363A - 薄板の重ね溶接倣い方法およびその溶接装置

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Publication number: JP2002331363A
Application number: JP2001138275A
Authority: JP
Inventors: Makoto Doi; 真土居
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2001-05-09
Filing date: 2001-05-09
Publication date: 2002-11-19
Anticipated expiration: 2021-05-09
Also published as: JP3785946B2

Abstract

(57)【要約】【課題】上板と下板の間のギャップに対する裕度を拡
大し、溶接不良を大幅に減少させる薄板の重ね溶接倣い
方法およびその溶接装置を提供する。【解決手段】溶接位置より後方のビード部にスリット
レーザ光４を投光して溶接ビード１５の形状をＣＣＤカ
メラ５により検出し、そのビード形状データを２次曲線
化したときの極値あるいは該２次曲線をｙ＝ａｘ²＋ｂ
ｘ＋ｃであらわしたときの２次係数ａの値を求め、さら
に適正ビード形状の適正値に対する偏差を求め、この偏
差に基づいて溶接トーチ１を溶接進行方向に対して直角
の横方向に移動させ位置ずれを補正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、液化天然
ガス貯蔵用タンクに用いられるメンブレン等のような薄
板の重ね隅肉溶接時に用いる倣い溶接方法およびその溶
接装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】薄板の重ね溶接倣い方法としては、溶接
位置より前方の溶接線をスリットレーザを用いた光切断
法にて検出するのが一般的である（特開平８−２７１２
１１号）。また、上記方法に対して光切断法を用いず、
溶接のアーク光によって生じる前方重ね部の影を撮像
し、その画像を画像処理することによって溶接線を検出
する手法も開示されている（特開平７−２９０２３９
号、特開平１１−２８７６１９号）。以上の従来技術
は、単に溶接位置より前方の溶接線を検出して、その溶
接線に溶接トーチを倣わせるだけのものであり、必ずし
も適正な溶接ビードの形状性および品質を保証するもの
ではなかった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上に述べた先行技術に
おいては、いずれも溶接時に前方の重ね合わせた２枚の
薄板の上板のエッジを検出している。しかし、実際の溶
接では、最適な溶接トーチの狙い位置は上記のエッジで
はなく、エッジから上板側へ１〜２ｍｍ入り込んだ範囲
内に存在する。その最適な入り込み値は溶接速度、電流
や溶接トーチの傾斜角度等の溶接条件、板厚、材質等に
より異なるため、何回も溶接条件の設定を繰り返したの
ち、狙い位置を含む標準溶接条件が定められる。この標
準溶接条件により先行技術のような狙い位置一定のまま
で自動倣い溶接を行う場合には、重ね合わせた板の間の
ギャップに対する裕度が小さいため、実施工においては
溶接前処理としての重ね部の仮付け溶接において、ギャ
ップを０ｍｍに厳しく管理することが必要であった。し
かし、実際の溶接時には溶接熱変形によりギャップが大
きくなったり、仮付けが悪くギャップが開いたりした場
合には溶接不良が発生する。この溶接不良はすべて手溶
接による補修作業が必要となる。

【０００４】そこで、本発明は、このギャップに対する
裕度を拡大し、溶接不良を大幅に減少させる薄板の重ね
溶接倣い方法およびその溶接装置を提供することを目的
とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る薄板の重ね
溶接倣い方法は、薄板の重ね溶接において、溶接位置よ
り後方のビード形状を検出し、適正ビード形状に対する
変化を捉え、その変化に応じて溶接進行方向に対して直
角方向に溶接トーチの位置ずれを補正することを特徴と
する。

【０００６】すなわち、本発明は溶接位置より後方のビ
ード形状を検出することに特徴がある。薄板の重ね溶接
における適正なビード断面形状はやや凸の形をしてい
る。そのため、最適な狙い位置から下板側にずれた場合
はビード形状はフラットから凹形状となり、逆に上板側
にずれた場合は凸形状がきつくなる。さらに、重ね部の
ギャップがなく適正な狙い位置での溶接からギャップが
開いてきた場合には凹ビードへ変化する。このギャップ
のある範囲においては、トーチの狙い位置を上板側へず
らしていくことによりやや凸の適正ビード形状を保つこ
とができる。以上のことから、適正ビード形状に対し、
凸度が大きくなれば、下板側へ溶接トーチをずらし、凸
度が小さくなれば上板側にずらすことにより溶接位置ず
れとギャップ変動に対して常に適正なビード形状を保つ
溶接倣いが可能となる。したがって、ギャップに対する
裕度を拡大し、溶接不良を大幅に減少させることが可能
となる。

【０００７】また、本発明の薄板の重ね溶接倣い方法
は、ビード形状の検出位置を溶融池直後のビード部とす
ることを特徴とする。トーチ位置とビード形状の検出位
置の間の距離はできるだけ短くすることが好ましく、そ
のため溶融池直後のビード部にてビード形状を検出する
ことにより、タイムラグを小さくできるので精度の良い
倣いが可能となる。

【０００８】また、本発明の薄板の重ね溶接倣い方法
は、センサ手段により検出したビード形状の形状値を計
算し、該形状値の適正値に対する偏差に基づいてトーチ
位置ずれを補正することを特徴とする。この場合におい
て、溶接ビードの幅方向の両端部を結ぶ直線を基準とし
た溶接ビードの形状に近似する２次曲線を求め、該２次
曲線の極値あるいは該２次曲線をｙ＝ａｘ²＋ｂｘ＋ｃ
であらわしたときの２次係数ａの値をビード形状の形状
値とする。

【０００９】溶接ビードの形状が適正かどうかは、前記
のようにセンサ手段により検出したデータをもとにビー
ド形状の形状値として凹凸値を計算し、該凹凸値と適正
値との偏差に基づいて判定することができる。この凹凸
値は、具体的には、ビードの両端部を結ぶ直線を基準と
したビード形状に近似する２次曲線を求め、該２次曲線
の極値あるいは該２次曲線をｙ＝ａｘ²＋ｂｘ＋ｃであ
らわしたときの２次係数ａであらわすことができる。し
たがって、この２次曲線の極値あるいは２次係数ａの値
を求め、その極値あるいは２次係数ａと適正値との偏差
がなくなるように制御することにより、常に適正なビー
ド形状を保つ溶接倣いが可能となる。この制御系によれ
ば、１つの適正値に戻るようにするだけの非常にシンプ
ルなアルゴリズムで制御が可能となる。これに対して、
従来の溶接部前方の溶接線を検出する方法では、まず検
出値そのものの精度とトーチ位置の正確な調整が必要で
あり、実際の制御では倣い位置ずれとギャップ値による
複雑な制御となる。また検出した位置が溶接されるまで
のタイムラグの処理も必要である。

【００１０】以上に述べた本発明の方法を実施するため
の薄板の重ね溶接装置は、溶接トーチと、該溶接トーチ
を溶接進行方向に対して直角方向に移動する移動軸と、
溶接時のビード形状を検出するセンサ手段とを備えた薄
板の重ね溶接装置であって、前記センサ手段により検出
したビード形状の形状値を計算し、該形状値の適正値に
対する偏差に基づいて前記移動軸を介して前記溶接トー
チの位置ずれを補正する制御手段を具備する構成とする
ものである。また、センサ手段は、スリットレーザ光の
投光手段と、スリットレーザ投光部を撮像するＣＣＤカ
メラとを含み、前記スリットレーザ投光部の位置を溶融
池直後のビード部とする。

【００１１】センサ手段はビード形状を計測できるもの
であれば何でもよいが、光切断法を用いる場合には、ス
リットレーザ光を投光する投光手段と、スリットレーザ
投光部を撮像するＣＣＤカメラとを含み、スリットレー
ザ投光部の位置を溶融池直後のビード部とするのがよ
い。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。図１は本発明の溶接装置の概要図、
図２は溶接中のビード形状を計測するためのセンサの一
実施例を示す図である。図１に略示する溶接機本体１０
は、薄板の被溶接部材１２上を溶接方向に移動するよう
になっており、溶接トーチ１と、この溶接トーチ１を溶
接進行方向に対して直角の横方向（Ｘ方向）に移動する
移動軸２とを少なくとも備え、さらに、ビード形状を検
出するセンサ手段として、光切断法でのスリットレーザ
投光手段と撮像手段とを備えている。すなわち、スリッ
トレーザ投光手段のレーザ投光器３よりスリットレーザ
光４を溶接時の溶融池１４直後の溶接ビード１５上に投
光し、その部分のビード形状をフィルター６付きのＣＣ
Ｄカメラ５により撮像する。

【００１３】ＣＣＤカメラ５により撮像されたビード形
状のデータは、画像処理装置７に送られ、ここで後述す
るように画像処理された上でそのビード形状の凹凸値
（形状値）を計算し、適正値との偏差を求め、この偏差
を溶接制御装置８に出力する。溶接制御装置８では、こ
の偏差に基づき、溶接進行方向に対して直角の横方向
（Ｘ方向）に溶接トーチ１を移動軸２を介して修正移動
させるフィードバック制御を行う。

【００１４】図２は上記センサ手段の配置についての具
体的な実施例を示すもので、ここでは、図１とは逆にＣ
ＣＤカメラ５とレーザ投光器３を配置している。溶接ト
ーチ１とビード形状の計測位置の距離はできるだけ近い
ほうがタイムラグが少なく精度の良い倣いが可能であ
り、１０ｍｍ以内が望ましい。本実施例では、上記距離
を８ｍｍとしており、またＣＣＤカメラ５を後方に配置
することにより溶接アーク光の影響を排除している。な
お、センサ手段は上記の構成に限られるものではなく、
溶接位置より後方のビード形状を計測可能なものであれ
ば何でもよく、例えばレーザ距離計等のセンサでも適用
可能である。

【００１５】図３は実際の溶接時の処理手順を示したフ
ローチャートであり、図４は画像処理装置における処理
内容を示した図である。以下、両図を参照して説明す
る。

【００１６】まず、ＣＣＤカメラ５でスリットレーザ投
光部の撮影を開始する（ステップＳ１）。ついで、板間
のギャップ０ｍｍのときの溶接トーチ１の狙い位置を含
む標準溶接条件で、重ね合わせた２枚の薄板１２の重ね
溶接を開始する（ステップＳ２）。次に、スリットレー
ザ投光部におけるビード形状を検出し、その画像につい
て、図４（ａ）に示すように、光切断方向（ビード幅方
向）の両端部を十分にカバーするような処理領域２１を
設定する（ステップＳ３）。そして、この処理領域２１
の範囲内でビード形状データの平均化処理を行い（ステ
ップＳ４）、図４（ｂ）に示すように、ビード形状デー
タの微分処理によりビードの左右端部α、βを検出する
（ステップＳ５）。次に、ビード左端αとビード右端β
を結ぶ直線２２を生成する（ステップＳ６）。次に、図
４（ｃ）に示すように、この直線２２とビード形状デー
タ間の差を差データとして算出し（ステップＳ７）、さ
らにその差データから２次曲線に近似する曲線２３を生
成する（ステップＳ８、図４（ｄ））。そしてこの曲線
２３の極値を算出する（ステップＳ９）。あるいは、こ
の曲線２３をｙ＝ａｘ²＋ｂｘ＋ｃであらわしたときの
２次係数ａの値を求めてもよい。最後に、この極値ある
いは２次係数ａの値と予め設定されている適正ビードの
適正値との偏差を求め、求めた偏差を図１の溶接制御装
置８に出力することにより、その偏差に応じて溶接トー
チ１をＸ方向に修正移動させる（ステップＳ１０）。

【００１７】上記の近似２次曲線２３は、ギャップ０ｍ
ｍのときのトーチ狙い位置を含む標準溶接条件により薄
板の重ね溶接を実施したときの溶接ビード１５の形状を
あらわす特性曲線である。この曲線２３は、溶接の進行
に伴い、板の間のギャップが生じてきたり、トーチの位
置ずれ等が生じてくると、変化するので、この変化の度
合を曲線２３の極値と標準ビードの適正値との偏差で捉
える。この偏差が標準ビードの適正値よりプラス側に大
きくなれば、図４（ｅ）に示すように、ビード形状は凸
ビードとなり、マイナス側に大きくなれば、ビード形状
は凹ビードとなって、いずれもギャップやトーチの位置
ずれ等が発生していることになる。そこで、ギャップの
有無にかかわらず、上記偏差がなくなるようにトーチ１
の位置ずれを補正するように倣わせれば、常に適正なビ
ード形状を保つことができ、かつ溶接部の品質を精度の
良いものとすることができる。

【００１８】図５（ａ）は、トーチのＸ方向位置（同図
（ｃ）に示すように上板１２ａの端部を０とし、上板１
２ａ側をプラス、下板１２ｂ側をマイナスとする。）と
上記処理により得られた偏差を電圧値で示したものとの
関係を示しており、ギャップが無い場合（Δｇ＝０）に
は右上がりの単調な特性曲線となっている。この例の適
正ビード領域は、図中斜線で示す偏差の範囲となってい
る。また、図５（ｂ）には、トーチ狙い位置の違いによ
るビード断面形状の変化を示している。これらの図か
ら、トーチ狙い位置としては、Ｘは１ｍｍ程度から１．
４ｍｍ以内の範囲が望ましいことが分かる。

【００１９】したがって、上記偏差が適正値から外れた
ときには、トーチ位置を適正な位置に戻すようなフィー
ドバック制御を行えばよい。また溶接中、上板１２ａと
下板１２ｂの間にギャップが開いた場合には、図５
（ａ）に示すように偏差とトーチ位置との関係曲線はギ
ャップが無い場合から右方向にずれるので、適正ビード
を保つように上板側へトーチの狙い位置を移動すること
になる。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
薄板の重ね溶接において、溶接位置より後方のビード形
状を検出することにより、常に適正なビード形状を保つ
ようにトーチの狙い位置を制御するものであるため、ギ
ャップ等の変動要因に対して安定した倣い溶接が可能で
ある。よって、ギャップをなくすための厳しい基準の仮
付け溶接や補修溶接の工数が大幅に減少する。また、１
つの適正値に戻すようにトーチの狙い位置を制御するだ
けでよいので、制御系が非常にシンプルなものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の薄板の溶接装置の概要図である。

【図２】実施例のセンサ手段の配置を示す図である。

【図３】溶接時の処理手順を示すフローチャートであ
る。

【図４】画像処理装置における処理内容を示す図で、
（ａ）は領域設定、平均化処理時のビード形状図、
（ｂ）はビード左右端部の検出、直線の生成時の説明
図、（ｃ）は直線とビード形状データ間の差を算出する
ときの説明図、（ｄ）は差データを２次曲線化したとき
の図、（ｅ）は２次曲線とビードの凹凸との関係を示す
説明図である。

【図５】（ａ）はトーチ位置と偏差の関係を示す図、
（ｂ）はトーチ位置によるビード断面形状の変化を示す
図、（ｃ）はトーチのＸ方向位置の定義を示す図であ
る。

【符号の説明】

１溶接トーチ２移動軸３レーザ投光器４スリットレーザ光５ＣＣＤカメラ６フィルター７画像処理装置８溶接制御装置１０溶接機本体１２薄板１４溶融池１５溶接ビード

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】薄板の重ね溶接において、溶接位置より
後方のビード形状を検出し、適正ビード形状に対する変
化を捉え、その変化に応じて溶接進行方向に対して直角
方向に溶接トーチの位置ずれを補正することを特徴とす
る薄板の重ね溶接倣い方法。
【請求項２】ビード形状の検出位置を溶融池直後のビ
ード部とすることを特徴とする請求項１記載の薄板の重
ね溶接倣い方法。
【請求項３】センサ手段により検出したビード形状の
形状値を計算し、該形状値の適正値に対する偏差に基づ
いてトーチ位置ずれを補正することを特徴とする請求項
１または２記載の薄板の重ね溶接倣い方法。
【請求項４】溶接ビードの幅方向の両端部を結ぶ直線
を基準とした溶接ビードの形状に近似する２次曲線を求
め、該２次曲線の極値あるいは該２次曲線をｙ＝ａｘ²
＋ｂｘ＋ｃであらわしたときの２次係数ａの値をビード
形状の形状値とすることを特徴とする請求項３記載の薄
板の重ね溶接倣い方法。
【請求項５】溶接トーチと、該溶接トーチを溶接進行
方向に対して直角方向に移動する移動軸と、溶接時のビ
ード形状を検出するセンサ手段とを備えた薄板の重ね溶
接装置であって、前記センサ手段により検出したビード形状の形状値を計
算し、該形状値の適正値に対する偏差に基づいて前記移
動軸を介して前記溶接トーチの位置ずれを補正する制御
手段を具備することを特徴とする薄板の重ね溶接装置。
【請求項６】センサ手段は、スリットレーザ光の投光
手段と、スリットレーザ投光部を撮像するＣＣＤカメラ
とを含み、前記スリットレーザ投光部の位置を溶融池直
後のビード部とすることを特徴とする請求項５記載の薄
板の重ね溶接装置。