JP2005081418A - 狭開先多層盛りアーク溶接の自動溶着量制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 開先幅を高精度で測定し、開先幅の変動に応じて必要溶着量を適正に制御する。
【解決手段】 基準溶接では初層から最終層２層前までの基準溶融池幅を計測し、基準溶融池幅データＰwn_std（n=1〜m-2）を算出する。本溶接では先ず初層溶接を行うと共に溶融池幅を計測し、初層平滑化溶融池幅データＰw1_avを算出する、この初層平滑化溶融池幅と前記基準溶融池幅データとの比（Ｐw1_std／Ｐw1_av）及び予め設定された２層目基準溶接速度Ｖs2を基に２層目目標溶接速度Ｖ2を算出しこの速度で２層目溶接を行なうと共に溶融池幅を計測し、２層平滑化溶融池幅データＰw2_avを算出する、次の３層目から最終層１層前までの溶接は上記と同様に行い、最終層溶接は最終層２層前平滑化溶融池幅データと基準溶融池幅データとの比（Ｐwｍ-2_std／Ｐwｍ-2_av）及び予め設定された最終層基準溶接速度Ｖsｍを基に算出した目標溶接速度Ｖmにより行なう。
【選択図】 なし

Description

本発明は、多層盛りアーク溶接の自動制御方法に関し、詳しくは、鋼管などを比較的狭い開先幅で突合せて溶接する際に適用される、狭開先多層盛りアーク溶接の自動溶着量制御方法に関するものである。

近年、鋼管などを突き合わせてアーク溶接する場合、鋼管内面に銅等の裏当て金を具備するクランプ装置を用いて所定開先間隔に突合せて固定し、予め設定された溶接条件に沿って鋼管円周方向を自動的に多層盛りアーク溶接する技術が開発され適用されるようになった。
このような多層盛りアーク自動溶接制御においては、開先加工精度のばらつきや溶接時の開先の熱膨張収縮等により溶接線方向で開先幅が変動する場合があり、開先に対する必要溶着量が変わるため、最終層の溶接ビードが余盛り不足あるいは余盛り過大となり余盛り高さが基準を満たさないことがあり、特に狭開先の場合はこの問題が顕著に現れる。
このような対策として、例えば、特許文献１では、溶接電極を揺動もしくはウィービングしてアーク溶接する際の振幅Ｌの増減値が開先幅Ｗの増減値とほぼ同値であることを利用し、これらの振幅Ｌを基に開先幅Ｗの変動を検出し、溶接ワイヤ送給速度Ｖｆまたは溶接速度Ｖｗを制御することにより溶接ビード高さを一定に制御する方法が開示されている。
また、特許文献２では、溶接ヘッドに設けられた開先断面形状計測センサにより走行位置毎に開先断面形状を計測し、得られた計測データから少なくとも開先幅、ビードの積層幅、開先深さおよび開先角度の全走行距離における平均値を計算し、これら平均値と予め設定された余盛り高さ及び積層高さに基づいて溶接の残り層数及び次層積層高さを計算し、この次層積層高さと、計測した積層幅及び開先角度と、予め設定したワイヤ速度及びウィービング関係値に基づいて一定走行距離毎に計測データの補正条件を求め、その補正条件を基に溶接速度、ウィービング幅および速度を計算し、予め設定された積層高さ範囲内で溶接条件を補正しつつ、多層盛り溶接を行う溶接方法が開示されている。
特開平１１−１２９０７１号公報 特開２００１−１０５１３８号公報

特許文献１で開示される方法は、溶接電極の揺動またはウィービングの振幅を検知し、この変動量に基づき溶接ワイヤ送給速度または溶接速度を変更し溶接ビード高さを一定に制御する方法であるが、人またはセンサによる開先幅倣い制御が正しく行われているという前提条件が必要であり、開先幅倣いがうまくいっていないときは溶着量制御も正しく行われない恐れがある。一般に開先幅倣い制御の許容精度は±０．２ｍｍ〜±０．５ｍｍ程度であり、ウィービング幅をこの範囲内に制御するため、この幅制御量が必ずしも溶接時の開先幅の変動量、さらには、必要溶着量の変動量を表すものではない。このため開先幅倣い制御が正常に行なわれていてもウィービング振幅の制御量の分解能によっては溶接時の溶着量制御の精度が悪くなる可能性があり、特に開先幅の変化に対して開先深さが大きく変動する狭開先の場合は、溶接ビードの余盛り高さに対する影響が無視できなくなるという問題が生じる。例えば開先幅に対して開先深さが１：４の狭開先において５％の開先幅の計測誤差がある場合、開先深さ方向には２０％の誤差に拡大する。すなわち０．５ｍｍの開先幅の計測誤差は２ｍｍの余盛り高さの変動に繋がる可能性がある。

一般的な開先形状の測定方法として光切断法を用いて開先幅（ビード幅）、開先深さ等を計測し、残り溶着断面積より必要溶着量を決定し、溶着量制御する手法では以下の問題が生じる場合がある。
例えば狭開先溶接の場合、開先壁面の角度が小さく、かつスリットレーザの反射角度も小さくなるため、レーザーの乱反射光の輝度が低下する。またグラインダによる黒皮研磨で開先内だけでなく開先表面も鏡面状態に近い場合があり、乱反射光の輝度が小さくなるため、開先壁面・表面の光切断像が良く現れないことも多くなり、開先幅の計測値が異常となる可能性がある。またビード表面においては比較的光切断像が良く映るものの、積層したビードに偏り・傾きがあったり、スパッタが付着していたりすると深さ方向計測値の精度が悪くなる。
前述のように開先幅方向の計測誤差は特に狭開先においては深さ方向に拡大するため、開先幅光切断像の計測異常により余盛り高さ不良となる恐れがある。
また必要溶着量の計算方法によっては深さ方向の計測値の誤差も余盛り高さに影響してくる。
上記の従来技術の問題点に鑑みて本発明は、狭開先多層盛りアーク溶接において開先幅を安定して高精度で測定するとともに開先幅の変動に応じて必要溶着量を適正に制御することにより所定の溶接ビード余盛高さを得ることができる狭開先多層盛りアーク溶接の自動溶着量制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するものであり、その発明の要旨とするところは、以下のとおりである。
（１）多層盛アーク溶接の自動制御方法において、本溶接に先立って、予め基準開先を用いて基準溶接を行うと同時に、初層から最終層２層前までの各層毎に基準溶融池幅計測を行い、これらの計測値を平滑化して各層における基準溶融池幅データＰwn_std（n=1〜m-2）を算出し、その後、本溶接における初層溶接を行うと同時に、溶融池幅計測を行い、この計測値を平滑化して平滑化溶融池幅データＰw1_avを算出し、次の２層目の目標溶接速度Ｖ2を下記（１）式に従って前記平滑化溶融池幅Ｐw1_avと前記基準溶融池幅データＰw1_stdとの比（Ｐw1_std／Ｐw1_av）および予め設定された２層目の基準溶接速度Ｖs2より算出し、該目標溶接速度Ｖ2を用いて２層目の溶接を行うと同時に、溶融池幅計測を行い、この計測値を平滑化して平滑化溶融池幅データＰw2_avを算出し、その後、３層目から最終層１層前までの各層の溶接を上記と同様の手順で行った後、最終層の溶接を下記（２）式に従って最終層２層前の平滑化溶融池幅データＰwm-2_avと基準溶融池幅データＰwｍ-2_stdとの比（Ｐwｍ-2_std／Ｐwｍ-2_av）および予め設定された最終層の基準溶接速度Ｖsｍを基に算出した目標溶接速度Ｖmにより行なうことを特徴とする多層盛アーク溶接の自動制御方法。
Ｖn＝（Ｐwn-1_std／Ｐwn-1_av）×Ｖsn・・・（１）
Ｖｍ＝（Ｐwm-2_std／Ｐwm-2_av）×Ｖsｍ ・・・（２）
但し、Ｐwn-1_stdはｎ−１層目の基準溶融池幅データ、Ｐwn-1_avはｎ−１層目の平滑化溶融池幅データ、Ｖnはｎ層目の目標溶接速度、Ｖsnは予め定められたｎ層目の基準溶接速度を示す。
なお、ｎ＝２〜ｍ−１、ｎは溶接パス数を示し、n=２の場合は２層目、
ｎ＝ｍの場合は最終層を示す。
（２）前記基準溶融池幅Ｐwn-1_std、前記溶融池幅データＰwn-1、前記平滑化溶融池幅データＰwn-1_av、前記目標溶接速度Ｖnおよび前記基準溶接速度Ｖsnは、溶接姿勢角度φの関数として表せることを特徴とする前記（１）記載の多層盛アーク溶接の自動制御方法。

本発明によれば、狭開先多層盛りアーク溶接において開先幅を安定して高精度で測定するとともに開先幅の変動に応じて必要溶着量を適正に制御することにより所定の溶接ビード余盛高さを得ることができる。このため、今まで人手では不可能であった溶接施工の省力化・自動化ができ、さらには従来の自動溶接法に比べ溶接部の高品質化に大いに貢献できる。

溶融池を撮像する場合、通常は溶融金属からの輻射光すなわち溶融池自発光を画像として捉えるため、比較的容易に画像計測を行うことができる。本発明では溶融池画像の幅を計測することで前述の光切断法による方式における問題点、すなわち鏡面状の開先壁、ビード形状、スパッタ等の影響をほとんど受けることなく、溶着量制御を行うことができる。また、開先幅が１０〜２０ｍｍ程度であれば計測分解能を０．０５ｍｍ以下にすることが可能であるため、溶着量制御も精度良く行うことが可能である。
本発明において溶融池幅を測定するために用いる溶融池画像は図１に示されるように溶接ワイヤ２を備えた溶接トーチ１を用いて鋼材４の開先部をアーク溶接する際に形成される溶融池３先端の溶鋼からの輻射光を近赤外光透過フィルタ７を通してＴＶカメラ８で斜め上方から撮像することにより得られ、溶接時のアーク光の影響は相対的に低下させることが可能である。
このようにして得られた溶融池画像５は、図２に示すように溶融池の輻射光に相当する高輝度画像中の上部に溶接ワイヤ影６が写り込んだ画像となり、この溶融池画像５において垂直座標軸の上から下への方向が溶接進行方向９に相当し、水平座標軸の方向が溶融池の幅方向に相当する。
本発明における溶融池幅とは、ＴＶカメラでの撮像により得られた溶融池画像５を画像処理装置に入力後、図２に示す溶融池画像５における溶融池幅の計測値Ｐwi（ｉ＝１〜ｎ）から最大値を抽出し、これを溶融池幅計測値Ｐwとする。

図３に示すように、基準開先の開先角度をθ、溶融池幅をＰwstd、このときの溶着断面積をＳstdとすると、開先角度θの制御対象開先の開先幅が変わり、溶融池幅がＰwとなった場合に、溶接ビード高さｄを一定に制御するためには溶着断面積をＳstdからＳに増減させる必要があり、この溶着断面積Ｓの増減はワイヤ送給速度または溶接速度変更することにより可能である。
つまり、溶着断面積Ｓはワイヤ送給速度をＦ、溶接速度をＶとするとＳ＝ｋ×Ｆ／Ｖ（ｋは定数）の関係となり、基準開先における溶着断面積をＳstd、溶接速度をＶstd、制御対象開先における必要溶着断面積をＳ、溶接速度をＶとし、ワイヤ送給速度Ｆを基準開先、制御対象開先何れにおいても一定とする場合、
Ｓ／Ｓstd＝Ｖstd／Ｖ ・・・（１）
従って必要溶接速度Ｖは
Ｖ＝Ｖstd×Ｓstd／Ｓ ・・・（２）
となる。
一方、溶接速度Ｖを基準開先、制御対象開先何れにおいても一定とし、基準開先におけるワイヤ送給速度をＦstd、制御対象開先における必要ワイヤ送給速度をＦとすると、
Ｓ／Ｓstd＝Ｆ／Ｆstd ・・・（３）
従って必要ワイヤ送給速度Ｆは
Ｆ＝Ｆstd×Ｓ／Ｓstd ・・・（４）
となる。

基準開先における溶着断面積Ｓstd、制御対象開先における溶着断面積Ｓは、いずれも開先角度θがほぼ０であるとし、制御対象開先の溶接ビード高さｄが基準開先のそれと同じになるように、制御対象開先の溶接ビード高さｄが一定になるように溶着量制御する場合、以下のようになる。
ｄ＝Ｓstd／Ｐｗstd＝Ｓ／Ｐｗ ・・・（５）
Ｓstd／Ｓ＝Ｐｗstd／Ｐｗ ・・・・（５）’
従って、ワイヤ送給速度Ｆが基準開先、制御対象開先の何れにおいても一定である場合、制御対象開先における溶接速度Ｖは、上記（２）、（５）’式から、
Ｖ＝Ｖstd×Ｓstd／Ｓ＝Ｖstd×Ｐｗstd／Ｐｗ ・・・（６）
となる。
一方、溶接速度Ｖが基準開先、制御対象開先何れにおいても一定である場合、制御対象開先におけるワイヤ送給速度Ｆは、上記（４）、（５）’式から、
Ｆ＝Ｆstd×Ｓ／Ｓstd＝Ｆstd×Ｐｗ／Ｐｗstd・・・（７）
となる。
このように基準開先の溶融池幅Ｐwstdと制御対象開先の溶融池幅Ｐwとの比に基づいて、制御対象開先の溶接速度Ｖまたはワイヤ送給速度Ｆを変更することで溶接ビード高さｄが一定になるように溶着量制御することが可能である。

以下、本発明に係わる溶接自動制御法の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
なお、以下の本発明実施形態の説明では、本発明をラインパイプの全姿勢多層盛り溶接の余盛り高さ制御に適用する場合について説明するが、本発明がこれに限定するものではない。
ラインパイプの現地溶接においては開先幅の変動が大きく、特に狭開先の場合はこの変動が溶接ビードの余盛り高さに大きく影響するため、高精度の溶着量制御が必要であるが、人手による制御はほとんど不可能に近く、自動制御が必須である。
図４は、本発明の示す自動溶接装置の模式図を示すものである。鋼材４の開先部１０の裏側面に裏当て金１１を溶接し表側から溶接ワイヤ２を備えた溶接トーチを用いて溶接進行方向９に沿ってアーク溶接する際に、開先部に形成される溶融池３の先端を撮像するために溶接加工点に対して斜め前方にＴＶカメラ８を設置し、溶融池３先端部を近赤外線域に透過主波長を持つ近赤外光透過フィルタ７を通してＴＶカメラ８により溶融池画像を撮像する。この溶融池を撮像した映像信号は、画像処理装置１４においてディジタル画像データに変換した後、前記画像データのうち必要な領域の輝度データを基にホストＣＰＵ１３においては溶融池端部検知処理および端部位置から算出された溶融池幅計測値に応じて溶接速度の制御のための指令値をＲＳ−２３２Ｃシリアル通信インタフェースにより溶接ヘッド制御装置１２に送信し、溶接速度の変更による溶着量制御を行うものである。
ＴＶカメラ８によって溶接線方向の斜め前方から撮像した溶融池画像は、図２に示すように溶融池輻射光による溶融池画像５に溶接ワイヤ６が影となって映り込む画像として得られ、この場合、開先幅方向が左右、溶接進行方向が下側に相当する。
本発明における溶融池幅は、この溶融池画像を水平に横切る計測ラインを設け、画像処理によりそのライン上の画像の輝度の変化を調べることで溶融池左右端を検知し、これらにより溶融池幅を算出する。以下、具体的な溶融池幅の算出方法を説明する。

画像処理装置に取り込まれた溶融池画像は各画素が８ビットの輝度値（０〜２５５）を持つデジタルデータに変換され、適当な２値化しきい値により暗部が輝度０、明部が輝度２５５の２値画像に一旦変換し、図６（左図）に示すような溶融池の幅方向をＸ軸とし、溶接方向をＹ軸とする、高輝度部抽出画像とした後、この画像のそれぞれ任意のＹ座標位置におけるＸ軸方向（この場合、Ｘ＝０〜６３９の範囲）に沿って輝度積算値ＳＵＭ＿Ｐ（Ｙ）（この場合、Σ⁶³⁹ _X=0Ｐ（Ｘ，Ｙ））を算出し、これらの算出値からＹ軸方向（この場合、Ｙ＝０〜４７９）における輝度積算値ＳＵＭ＿Ｐ（Ｙ）の分布（図６（右側のグラフ）、参照）を求め、輝度積算値ＳＵＭ＿Ｐ（Ｙ）がピーク（最大値）となるＹ座標の位置Ｙpkを最大溶融池幅となるＹ座標とする。
次に、図７に示されるように、溶融池画像において前記輝度積算処理で得られたＹ＝Ｙpkを最大溶融池幅の計測ラインとし、このライン上のＸ＝０からＸ座標のプラス方向およびＸ＝６３９からＸ座標のマイナス方向のそれぞれの範囲において各輝度値Ｐ（Ｘ，Ｙpk）の１次微分処理および２次微分処理を実行し、１次微分値ｄＰ（Ｘ，Ｙpk）／ｄＸが最初にしきい値Ｔhを越えた点から２次微分値ｄ²Ｐ（Ｘ，Ｙpk）／ｄＸ²が正から負に変化する点すなわち１次微分ピーク点を各々溶融池左端点（Ｘ_L、Ｙpk）、右端点（Ｘ_R、Ｙpk）とする。
本発明における溶融池幅Ｐwは上記溶融池の左端点のＸ座標Ｘ_Lと同右端点のＸ座標Ｘ_Rとの差分値、すなわちＰw＝｜Ｘ_R−Ｘ_L｜として求められる。
溶融池幅Ｐｗは、厳密には溶接姿勢によって開先幅の収縮等が異なることによりその値が変わる。図８に示すようなラインパイプの全姿勢多層盛り溶接を行う場合には、その溶接姿勢は、鋼管円周方向の鋼材４の開先に沿って溶接ワイヤ２を備えた溶接トーチ１とそれによる溶接点が相対的に溶接進行方向９に移動するため、鋼管断面の中心点の周りを鋼管外周に沿って移動する溶接点により形成される回転角度、つまり溶接姿勢角度φとして示されるため、溶融池幅の計測データは溶接姿勢角度φの関数Ｐw（φ）として一旦、ホストＣＰＵ１３のハードディスク装置に保存される。
ラインパイプの全姿勢多層盛溶接における溶融池幅計測データＰｗ（φ）の一例を図１０、１１に示す。図１０に示されるように、溶融池幅Ｐw（φ）はそのままでは溶接姿勢角度φの増減に対して変動するので、図１１に示されるように、溶接姿勢角度φをある範囲毎に区切り、この区間における溶融池幅Ｐｗ（φ）の平均値を算出後、各区間の平均値を直線で結んで平滑化処理したものを平滑化溶融池幅Ｐｗ_std（φ）として、ＣＰＵ１３のハードディスク装置にファイル保存する。
本発明では、本溶接に先立って、予め基準開先を用いて適正な余盛り高さとなるような溶接条件にて基準溶接を行い、かつ同時に初層から最終層２層前まで各層毎に基準溶融池幅計測を行い、これを平滑化して各ｎ層における基準溶融池幅データＰwn_std（φ）を作成する。
本発明では、このようにして得られた各層の基準溶融池幅データＰwn_std（φ）を基に本溶接において溶接ビード高さｄが一定になるように溶着量制御を行ううえでの各層の目標溶接速度または目標溶接ワイヤ速度を決定する。
次に本溶接における溶接ビード高さｄの制御方法について説明する。

本発明における溶接ビード高さｄを一定とする溶着量制御は基本的には同姿勢における基準溶融池幅Ｐwn_std（φ）と本溶接時の溶融池幅計測値Ｐwn（φ）との比（Ｐwn_std（φ）／Ｐwn（φ））によって溶接速度Ｖ（φ）を制御するものである。
溶融池幅計測値Ｐwn（φ）は溶接姿勢角度φにより細かい変動があるので上述のような平滑化処理を行なう必要があり、このため当該層（ｎ層）の溶接時の溶融池幅計測値Ｐwn（φ）は使わず、当該層（ｎ層）の一層前の層（ｎ―１層）の溶接時の溶融池幅計測値Ｐwn-1（φ）を平滑化処理したデータＰwn-1_avを用い、それと同じ層（ｎ−１層）の基準溶融池幅Ｐwn-1_std（φ）との比（Ｐwn-1_std（φ）／Ｐwn-1_av（φ））を本発明の制御に適用する。図９は、基準開先および制御対象開先における開先底部を初層溶接した後、２層から最終層（６層）までを本発明の自動制御により多層盛アーク溶接する場合を説明するための模式図を示す。
図５に示すように、初層（ｎ＝１）溶接時には、溶融池幅計測Ｐw1（φ）を実行し、溶接姿勢角度φの関数Ｐw1（φ）として計測データファイルとしてＣＰＵ１３のハードディスク装置に保存し、初層溶接終了後、前述の平滑化処理により、平滑化データＰw1_av（φ）を生成する。さらに、次の２層目（ｎ＝２）の目標溶接速度Ｖ2（φ）をＰw1_av（φ）と基準溶融池幅データＰw1_std（φ）との比（Ｐw1_std（φ）／Ｐw1_av（φ））および予め設定された２層（ｎ＝２）目の基準溶接速度Ｖs2（φ）より求める。
なお、本発明において初層（ｎ＝１）溶接は特に規定する必要はなく、先行量による裏波制御により溶接速度をコントロ−ルすることで行うことができる。
Ｖ2（φ）＝（Ｐw1_std（φ）／Ｐw1_av（φ））×Ｖs2（φ） ・・・（８）
２層目（ｎ＝２）の溶接は、上記のように算出された目標溶接速度Ｖ2（φ）により行なわれると同時に２層目（ｎ＝２）の溶融池幅計測Ｐw2（φ）を実行し、１層目と同様に溶接姿勢角度φの関数Ｐw2（φ）として計測データファイルとして保存し、２層目（ｎ＝２）の溶接完了後、前述の平滑化処理を行い、平滑化データＰw2_av（φ）を生成する。
３層目以降（ｎ＝３〜ｍ−２層、ｍは最終層）の溶接時の目標溶接速度Ｖn（φ）は上記と同様に前層（ｎ＝ｎ−１層）の溶融池幅平滑化データＰwn-1_av（φ）と基準溶融池幅データＰwn-1_std（φ）との比（Ｐwn-1_std（φ）／Ｐwn-1_av（φ））および予め設定されたｎ層目の基準溶接速度Ｖsn（φ）より以下の式で算出される。
Ｖn（φ）＝（Ｐwn-1_std（φ）／Ｐwn-1_av（φ））×Ｖsn（φ） ・・・（９）
最終層の２層前（ｎ＝ｍ−２層）までは、以上のようにして繰り返し溶接制御が行なわれる。
最終層の１層前（ｎ＝ｍ−１層）の場合には、上記と同様に前層の溶接完了後に前層（ｎ＝ｍ−２層）の溶融池幅平滑化データＰwm-2_av（φ）と基準溶融池幅データＰwｍ-2_std（φ）との比（Ｐwｍ-2_std（φ）／Ｐwｍ-2_av（φ））および予め設定されたｍ−１層（ｎ＝ｍ−１）目の基準溶接速度Ｖsｍ-1（φ）より下式で算出された目標溶接速度Ｖm-1（φ）で自動溶接される。
Ｖm-1（φ）＝（Ｐwm-2_std（φ）／Ｐwm-2_av（φ））×Ｖsm-1（φ） ・・・（１０）
しかしながら、この最終層の１層前（ｎ＝ｍ−１）の溶接時には、上記のような溶融池幅計測を実施しない。これは、最終層の１層前（ｎ＝ｍ−１）の溶接では溶接姿勢または溶接条件の変動によって溶融池が開先上面以上、つまり、最終層レベルに達する場合があるため、溶融池幅計測値Ｐwm-１_av（φ）が最終層（ｎ＝ｍ）の開先幅とするには信頼性が低いためである。
最終層の１層前（ｎ＝ｍ−１）の溶接完了後、最終層（ｎ＝ｍ）の目標溶接速度Ｖm（φ）の決定する方法は、前層、つまり、最終層１層前（ｎ＝ｍ−１）の溶融池幅平滑化データＰwm-１_av（φ）用いるのではなく、最終層２層前（ｎ＝ｍ−２）の溶融池幅平滑化データＰwm-2_av（φ）を用い、これと基準溶融池幅データＰwｍ-2_std（φ）との比（Ｐwｍ-2_std（φ）／Ｐwｍ-2_av（φ））および予め設定された最終層（ｎ＝ｍ）の基準溶接速度Ｖsｍ（φ）を用いて目標溶接速度Ｖm（φ）を算出する。
Ｖｍ（φ）＝（Ｐwm-2_std（φ）／Ｐwm-2_av（φ））×Ｖsｍ（φ） ・・・（１１）

以上のとおり、溶接速度の決定、変更によりビード高さｄを制御する実施形態を説明したが、次に、溶接ワイヤ供給速度の決定、変更によるビード高さｄを一定とする溶着量制御の実施形態を説明する。
溶接ワイヤ供給速度によりビード高さｄが一定となるように溶着量制御する場合は以下のように行う。前述の溶接速度で制御する場合と同様に初層（ｎ＝１）溶接時に、溶融池幅計測Ｐw1（φ）を実行し、溶接姿勢角度φの関数Ｐw1（φ）として計測データファイルとしてＣＰＵ１３のハードディスク装置に保存し、初層溶接終了後、前述の平滑化処理により、平滑化データＰw1_av（φ）を生成する。さらに、次の２層目（ｎ＝２）の目標ワイヤ供給速度Ｆ2（φ）をＰw1_av（φ）と基準溶融池幅データＰw1_std（φ）との比（Ｐw1_std（φ）／Ｐw1_av（φ））および予め設定された２層（ｎ＝２）目の基準ワイヤ供給速度Ｆs2（φ）より求める。
Ｆ2（φ）＝（Ｐw1_av（φ）／Ｐw1_std（φ））×Ｆs2（φ） ・・・（１２）
２層目（ｎ＝２）の溶接は、上記のように算出された目標ワイヤ供給速度Ｆ2（φ）により行なわれると同時に２層目（ｎ＝２）の溶融池幅計測Ｐw2（φ）を実行し、１層目と同様に溶接姿勢角度φの関数Ｐw2（φ）として計測データファイルとして保存し、２層目（ｎ＝２）の溶接完了後、前述の平滑化処理を行い、平滑化データＰw2_av（φ）を生成する。
３層目以降（ｎ＝３〜ｍ−２層）の溶接時の目標ワイヤ供給速度Ｆn（φ）は上記と同様に前層（ｎ＝ｎ−１層）の溶融池幅平滑化データＰwn-1_av（φ）と基準溶融池幅データＰwn-1_std（φ）との比（Ｐwn-1_std（φ）／Ｐwn-1_av（φ））および予め設定されたｎ層目の基準ワイヤ供給速度Ｆsn（φ）より以下の式で算出される。
Ｆn（φ）＝（Ｐwn-1_av（φ）／Ｐwn-1_std（φ））×Ｆsn（φ） ・・・（１３）
最終層の２層前（ｎ＝ｍ−２層）までは、以上のようにして繰り返し溶接制御が行なわれる。
最終層の１層前（ｎ＝ｍ−１層）の場合には、上記と同様に前層の溶接完了後に前層（ｎ＝ｍ−２層）の溶融池幅平滑化データＰwm-2_av（φ）と基準溶融池幅データＰwｍ-2_std（φ）との比（Ｐwｍ-2_std（φ）／Ｐwｍ-2_av（φ））および予め設定されたｍ−１層（ｎ＝ｍ−１）目の基準ワイヤ供給速度Ｆsｍ-1（φ）より下式で算出された目標ワイヤ供給速度Ｆm-1（φ）で自動溶接される。
Ｆm-1（φ）＝（Ｐwm-2_ av（φ）／Ｐwm-2_ std（φ））×Ｆsm-1（φ） ・・・（１４）
最終層の１層前（ｎ＝ｍ−１）の溶接完了後、最終層（ｎ＝ｍ）の目標ワイヤ供給速度Ｆm（φ）は最終層２層前（ｎ＝ｍ−２）の溶融池幅平滑化データＰwm-2_av（φ）を用い、これと基準溶融池幅データＰwｍ-2_std（φ）との比（Ｐwｍ-2_std（φ）／Ｐwｍ-2_av（φ））および予め設定された最終層（ｎ＝ｍ）の基準ワイヤ供給速度Ｆsｍ（φ）を用いて目標ワイヤ供給速度Ｆm（φ）を算出する。
Ｆｍ（φ）＝（Ｐwm-2_ av（φ）／Ｐwm-2_ std（φ））×Ｆsｍ（φ） ・・・（１５）

以下に本発明法を現地での大型鋼管全姿勢多層盛溶接における自動溶着量制御に適用した場合の実施例を説明する。
本実施例では図９に示すようなＶ型狭開先を用い、銅裏当て金付き内面クランプ装置により開先を保持しつつ、６層盛溶接を行った。
現地溶接を実施するときまでに、事前に工場等で基準開先を用いて正常な余盛り高さとなるように溶接速度Ｖ、ワイヤ供給速度Ｆ等の溶接条件を各層毎に決定し、溶接制御ＣＰＵのハードディスク装置に溶接条件データファイルとして記録する。これらの溶接条件は溶接姿勢φの関数となっており、各層毎に［Ｖ１(φ)，Ｆ１(φ)］、・・・［Ｖn(φ)，Ｆn(φ)］、・・・［Ｖｍ(φ)，Ｆｍ(φ)］（ｎ＝１〜ｍ）というように整理されている。また溶接時に各層において溶融池幅計測を行い、各層毎にこれらを平滑化した計測データを基準溶融池幅データファイルとして画像処理装置１２のホストＣＰＵ１３内ハードディスク装置に記録した。これらも溶接姿勢φの関数となっており、また前述のように計測値は平滑化されている。平滑化されたデータは各層毎にＰw1_std(φ)、・・・Ｐwｎ_std(φ)、・・・Ｐwｍ_std(φ) （ｎ＝１〜ｍ）というように整理される。
本溶接ではまず初層溶接を行い、その際に溶融池幅計測を行いつつ、平滑化し、溶融池幅平滑化データＰw1_av(φ)として画像処理装置１２のホストＣＰＵ１３内ハードディスク装置に記憶させた。本実施例では２層目〜最終層（６層目）までを溶接速度を増減させて溶着量を制御するために本発明法を用いた。
２層目の溶接においては溶融池幅計測データＰw1_av(φ)と基準溶融池幅データＰw1_std(φ)および基準溶接速度Ｖs2(φ)より適正溶接速度Ｖ2(φ)を以下のように算出し、速度制御を行った。
Ｖ2（φ）＝（Ｐw1_std（φ）／Ｐw1_av（φ））×Ｖs2（φ）
これと同時に２層目の溶融池幅計測および平滑化を実行し、１層目と同様に溶接姿勢角度φの関数Ｐw2_av（φ）を生成、ファイル保存する。
３、４、５層目も同様に適正溶接速度Ｖ3（φ）、Ｖ4（φ）、Ｖ5（φ）を以下のように算出し、速度制御を行った。
Ｖ3（φ）＝（Ｐw2_std（φ）／Ｐw2_av（φ））×Ｖs3（φ）
Ｖ4（φ）＝（Ｐw3_std（φ）／Ｐw3_av（φ））×Ｖs4（φ）
Ｖ5（φ）＝（Ｐw4_std（φ）／Ｐw4_av（φ））×Ｖs5（φ）
最終層（６層目）では、前層（５層目）において溶融池幅計測を行っていないため、４層目の溶融池幅データを使用し、適正溶接速度Ｖ6（φ）を算出し、速度制御を行った。
本実施例で使用した開先は、板厚２０ｍｍに対してルートギャップが５ｍｍ程度、開先上部での開先幅が１０ｍｍ程度であり、この範囲をカバーするために溶融池画像の視野は幅方向で２０〜３０ｍｍの範囲とした。本実施例で画像処理の横方向の画素数が６４０であるため、開先幅の計測分解能は０．０３〜０．０５ｍｍ／画素程度であり、これより開先幅の変動量の測定精度は、±０．０３〜±０．０５ｍｍ程度と推定できる。
比較例１として、発明例を同じ開先、溶接条件で、特許文献１に示される従来方法、すなわち溶接電極を揺動しながらアーク溶接する際の揺動振幅Ｌの増減により開先幅Ｗの変動を検出し、溶接速度Ｖｗを制御することによる溶接ビード高さ一定制御を適用して多層盛りアーク溶接を行なった。その結果、この方法で検知できる開先幅の変動量の測定精度は、±０．２ｍｍ〜±０．５ｍｍ程度であった。
本発明の実施例と比較例１で使用した狭開先は、板厚２０ｍｍに対してルートギャップが５ｍｍ程度であり、開先幅に対する開先深さの比（開先幅／開先深さ）は約４／１となりから、開先深さ方向、つまり、溶接ビード高さの変動量の誤差は、開先幅の変動量の計測誤差の約４倍に拡大する。
本発明の実施例では、開先幅の変動量の計測誤差は、±０．０３〜±０．０５ｍｍであるから、溶接ビードの余盛り高さの変動は±０．１２〜±０．２ｍｍ程度に抑えることが可能となり、良好な余盛り高さを得ることができた。
これに対して、比較例１では、開先幅の変動量の測定精度は、±０．２ｍｍ〜±０．５ｍｍ程度であるから、溶接ビードの余盛り高さの変動は、±０．８ｍｍ〜２ｍｍと大きく、所定の余盛り高さを得ることはできなかった。

本発明実施形態における溶接部とＴＶカメラの位置関係と溶融池画像を示す図。 本発明実施形態における溶融池画像と溶融池幅を示す図。 本発明実施形態における基準開先と制御対象開先における溶着量の関係を示す図。 本発明実施形態における画像計測および溶接制御の装置構成を示す図。 本発明実施形態における制御処理フロー図。 本発明実施形態における濃淡データ投影処理による溶融池画像処理を示す図。 本発明実施形態における溶融池左右端の検知方法を示す図。 本発明実施形態における溶接姿勢と溶融池画像を示す図。 本発明実施形態における基準開先幅から算出した溶着量制御速度 本発明実施形態における平滑化前の溶融池幅データを示すグラフ。 本発明実施形態における平滑化後の基準溶融池幅データを示すグラフ。

符号の説明

１…溶接トーチ
２…溶接ワイヤ
３…溶融池
４…鋼材
５…溶融池画像
６…溶接ワイヤ影
７…近赤外光透過フィルタ
８…ＴＶカメラ
９…溶接方向
１０…開先
１１…裏当て金
１２…溶接ヘッド制御装置
１３…ホストＣＰＵ
１４…画像処理装置

Claims (2)

1. 多層盛アーク溶接の自動制御方法において、本溶接に先立って、予め基準開先を用いて基準溶接を行うと同時に、初層から最終層２層前までの各層毎に基準溶融池幅計測を行い、これらの計測値を平滑化して各層における基準溶融池幅データＰwn_std（n=1〜m-2）を算出し、その後、本溶接における初層溶接を行なうと同時に、溶融池幅計測を行い、この計測値を平滑化して平滑化溶融池幅データＰw1_avを算出し、次の２層目の目標溶接速度Ｖ2を下記（１）式に従って前記平滑化溶融池幅Ｐw1_avと前記基準溶融池幅データＰw1_stdとの比（Ｐw1_std／Ｐw1_av）および予め設定された２層目の基準溶接速度Ｖs2より算出し、該目標溶接速度Ｖ2を用いて２層目の溶接を行うと同時に、溶融池幅計測を行い、この計測値を平滑化して平滑化溶融池幅データＰw2_avを算出し、その後、３層目から最終層１層前までの各層の溶接を上記と同様の手順で行った後、最終層の溶接を下記（２）式に従って最終層２層前の平滑化溶融池幅データＰwm-2_avと基準溶融池幅データＰwｍ-2_stdとの比（Ｐwｍ-2_std／Ｐwｍ-2_av）および予め設定された最終層の基準溶接速度Ｖsｍを基に算出した目標溶接速度Ｖmにより行なうことを特徴とする狭開先多層盛りアーク溶接の自動溶着量制御方法。
   Ｖn＝（Ｐwn-1_std／Ｐwn-1_av）×Ｖsn・・・（１）
   Ｖｍ＝（Ｐwm-2_std／Ｐwm-2_av）×Ｖsｍ ・・・（２）
   但し、Ｐwn-1_stdはｎ−１層目の基準溶融池幅データ、Ｐwn-1_avはｎ−１層目の平滑化溶融池幅データ、Ｖnはｎ層目の目標溶接速度、Ｖsnは予め定められたｎ層目の基準溶接速度を示す。
   なお、ｎ＝２〜ｍ−１、ｎは溶接パス数を示し、n=２の場合は２層目、
   ｎ＝ｍの場合は最終層を示す。
2. 前記基準溶融池幅Ｐwn-1_std、前記溶融池幅データＰwn-1、前記平滑化溶融池幅データＰwn-1_av、前記目標溶接速度Ｖnおよび前記基準溶接速度Ｖsnは、溶接姿勢角度φの関数として表せることを特徴とする請求項１記載の狭開先多層盛りアーク溶接の自動溶着量制御方法。

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