JP2009507645A - 複数の煙成分の濃度を監視することを通じて複数の溶接パラメータを調節することにより電気アーク溶接工程を制御する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、アークから遠方の雰囲気中の複数の煙成分の濃度が幾つかのセンサ４８、５２、５４、５６、５８、６０を使用することを通じて監視される、半自動式又は自動式電気アーク溶接工程用の方法及び装置に関する。制御信号は、制御信号に応答して複数の工程パラメータを調節するようプログラム化された少なくとも１つの過程制御手段６２に供給され又は伝送される。

Description

本発明は、半自動式又は自動式電気アーク溶接工程を制御する装置の方法に関する。

電気アーク溶接は、溶接金属を提供する電極又はフィラー材料を溶融させるのに必要な熱を発生させるため電気アークを利用する周知の工業的工程である。半自動式又は自動式電気アーク溶接において、電極又はフィラー材料は、アークに連続的に供給されるワイヤーコイルの形態をとる。一般に、金属イナートガス（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）（ＭＩＧ）溶接と呼ばれるガスメタルアーク溶接（Ｇａｓ Ｍｅｔａｌ Ａｒｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ）（ＧＭＡＷ）は、連続的なワイヤー電極及び不活性遮蔽ガスが供給されるときに通る溶接ガン又はトーチを利用する型式の溶接である。ワイヤーは、典型的に、０．７ないし１．６ｍｍの範囲の直径を有する。アークの回りに供給される不活性遮蔽ガスは、通常、アルゴンと二酸化炭素との混合体から成っているが、スチールを溶接するとき、雰囲気からの窒素及び酸素が溶接部を汚染するのを防御するため、遮蔽ガスはヘリウムを更に含むことができる。典型的に、溶接電極に対し必要な電流を提供するため、一定電圧の溶接電源が使用され、アークは電極の先端と加工物との間にてアークを飛ばす。代替的な半自動式又は自動式電気アーク溶接過程は、典型的に、外部から供給された遮蔽ガスを不要とする組成を有する溶接フラックスにて充填された中空のワイヤーを使用するフラックスコアードアーク溶接（Ｆｌｕｘ−Ｃｏｒｅｄ Ａｒｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ）（ＦＣＡＷ）である。半自動式又は自動式アーク溶接過程の別の形態は、一般にタングステン不活性ガス（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）（ＴＩＧ）溶接として知られたガスタングステンアーク溶接（Ｇａｓ Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ａｒｃ ｗｅｌｄｉｎｇ）（ＧＴＡＷ）である。この過程において、非消耗的なタングステン電極が使用され、電気アークは、この電極と加工物との間にてアークを飛ばす。フィラーとしても知られた溶接ワイヤーは、溶接アークに連続的に供給することができる。一定電流の溶接電源は、典型的に、必要なアークを飛ばすのを可能にするため採用される。プラズマを形成するようアーク中にてイオン化されるアルゴンのような遮蔽ガスが採用される。

特定の溶接過程の各々にて、溶接電流、アーク電圧、遮蔽ガスの流量、ワイヤーの供給速度及び溶接過程の付近からの煙の排出量を含んで多数の過程の変動因子がある。また、遮蔽ガスの特定の組成又は電源の特定の波形を選ぶことにより溶接過程に影響を与える能力を持つこともある。溶接アークにて生ずる状態を監視することにより溶接過程を制御することが既知である。英国特許第ＧＢ−Ａ−１ ５１２ ８５０号には、電気アーク中の雰囲気を監視する方法及び装置が開示されている。雰囲気は、吸入ポンプによりアーク付近から吸引され、また、窒素酸化物の測定装置に供給される。後者の場合、アーク雰囲気には、オゾンにより降下圧力にて反応する。装置は、必要なオゾンを発生させる発生装置を含む。光電装置は、光フィルタ及び倍率器を介して酸化窒素の体積流量に比例する強度を有する赤外放射線を検出する。光電装置は、増幅され且つ雰囲気中の窒素酸化物の望まれる濃度を表わす基準信号と比較すべく差動増幅器に供給される電気的出力信号を提供する。差動増幅器からの出力は、窒素酸化物の監視した濃度が過度に高い場合、溶接過程を停止させ且つ遮蔽ガスの流れを制御するため使用することができる。
英国特許第ＧＢ−Ａ−１ ５１２ ８５０号

電気アーク溶接は、ガス状及び微粒子成分を保持する煙を発生させることが知られている。アーク溶接の煙に無制限に曝されることは、今日、溶接工の健康に取って潜在的に危険であると考えられている。何らかの管轄権を有する適当な規制団体が溶接煙中に見られる材料への曝されることに対するガイドラインを規定している。

上述したように、英国特許第ＧＢ−Ａ−１ ５１２ ８５０号は、窒素酸化物の形成を監視し且つ遮蔽ガスの流れを調節する方法を提供する。しかし、半自動式又は自動式アーク溶接過程を制御する改良された方法及び装置が必要とされている。

その最も広い形態において、本発明は、煙が発生される箇所から遠方の場所（例えば、作業者が吸い込む雰囲気がある場所）にて雰囲気中の複数の煙の成分の濃度を連続的に又は反復的に監視するステップと、監視に基づく制御信号を発生させるステップと、制御信号に応答して複数の工程パラメータを調節するようプログラム化された少なくとも１つの過程制御手段に制御信号を供給し又は伝送するステップとを備える、煙を発生させる工業的工程を制御する方法及び装置を提供するものである。

本発明に従った方法及び装置は、レーザ切断、レーザ溶接及び火炎切断を含む多数の異なる工業的工程の任意の１つを制御するため使用することができる。しかし、これは、半自動式又は自動式アーク溶接過程の制御に特に適している。

本発明に従い、アークから遠方の場所にて、雰囲気中の複数の煙成分の濃度を反復的に又は連続的に監視するステップと、監視に基づく制御信号を発生させるステップと、制御信号に応答して複数の工程パラメータを調節するようプログラム化された少なくとも１つの過程制御手段に制御信号を供給し又は伝送するステップとを備える、半自動式又は自動式電気アーク溶接工程を制御する方法が提供される。

本発明はまた、アークから遠方の場所に配置された、雰囲気中の複数の煙成分の濃度を反復的に又は連続的に監視する複数のセンサと、センサと関係して制御信号を発生させる手段と、電気アーク溶接工程と関係した複数の工程パラメータを調節する少なくとも１つのプログラム化可能な過程制御手段と、制御信号を上記過程制御手段に供給し又は伝送する手段とを備える、半自動式又は自動式電気アーク溶接工程を制御する装置も提供する。

アークから遠方の場所は、溶接工の顔面の高さに近く且つその顔面の高さにあることが好ましい。このようにして、溶接過程は、溶接工にもたられる危険性を最小にし得るよう制御することができる。このように、センサの少なくとも１つは、溶接工が着用するヘルメット又は呼吸マスク内に組み込むことができる。

好ましくは、監視された煙成分の濃度はオゾン及び微粒子固形物のものであるものとする。所望であるならば、オゾンに加えて又はオゾンと代替的に、その他のガス状煙成分を監視することができる。これらの成分は、窒素酸化物、二酸化硫黄及びハロゲンを含む。更に、紫外光線の入射及び赤外光線の入射を監視することが望ましい。

調節される工程パラメータは、遮蔽ガスの流量、遮蔽ガスの組成、ワイヤーの供給速度、溶接電流、アーク電圧及びアーク付近からの溶接煙の排出量から選ぶことができる。

選んだ工程パラメータの調節は、典型的に、上記過程制御装置内にプログラム化される基準値と比較することにより行なうことができる。本発明に従った装置は、選んだ煙成分の検知された値を記録することができる少なくとも１つのデータロガーと、検知された値を基準値と比較する手段とを含むことが好ましい。

本発明に従った１つの代替的な方法及び装置において、煙の異なる成分の濃度の関数である複数の値に対して複数の工程パラメータを相関させることにより、数式を経験的に誘導することができ、上記過程の制御手段は、かかる式に基づいたアルゴリズムにてプログラム化し、これにより過程の制御手段が煙の選んだ成分の検知した濃度に従って工程パラメータの好ましい値を選ぶことを可能にする。

本発明に従った装置は、濃度センサの各々と関係付けられた少なくとも１つのデータ変換装置、データ伝送装置及び（又は）データ記憶装置を含むことが好ましい。

濃度センサの各々は、所望のパラメータの瞬間的な（「実時間」）測定値を提供し及び（又は）そのパラメータの累積的（統合した）測定値を提供する電気的又は電子的手段と作用可能に関係付けられることが好ましい。

次に、本発明に従ったアーク溶接装置の概略線図である添付図面を参照して、単に一例として、本発明に従った方法及び装置について説明する。

図面を参照すると、従来型式の溶接装置は、ガス状遮蔽混合体の第一の成分の源２と、混合体の第二の成分の源４とを含む。図示したように、図面にて、双方の源２、４は、液体状態にて所望の遮蔽ガス成分を保持する真空絶縁した容器の形態をとる。例えば、容器２は、液体アルゴンを保持し、容器４は、液体二酸化炭素を保持することができる。貯蔵容器２は、蒸発装置６と関係付けられ、貯蔵容器４は蒸発装置８と関係付けられる。蒸発装置６は、液体アルゴンが周囲空気の流れに曝される熱交換コイルを通って流れるようにする型式のものであることが好ましい。蒸発装置８は、電気的に加熱された蒸発装置であることが好ましい。発生した蒸発したアルゴンは、蒸発装置６から隔離弁１２及び流れ制御弁１４がその内部に配設された配管１０まで流れる。同様に、蒸発した二酸化炭素は蒸発装置８から隔離弁１８及び流れ制御弁２０がその内部に配設された配管１６に沿って流れる。流れ制御弁１４、２０は、パネル２４内に配置された制御装置２２によって自動的に作動される。弁制御装置は、信号を弁に伝送して各ガスの流量を制御された態様にて調節し得るようそれらの位置を変化し得るようにされている。配管１０、１６は、共通の配管２６（典型的に、１本のホースの形態をしている）内にて制御弁１４、２０の下流にて合体するため、形成されるガス混合体の流量又はその組成の何れか或いはその双方を制御された態様にて調節し得るよう制御装置２２を採用することができる。

共通の配管２６は、アーク溶接ガン２８まで伸びている。アーク溶接ガン２８は従来の型式のものとすることができる。溶接ガン２８の特徴は、選んだアーク溶接過程がＧＭＡＷ又はＧＴＡＷであるかに依存する。溶接ガン２８はまた、従来型式であり、また、ガン２８に対し溶接電圧及び溶接電流を提供することができる溶接機３０と作用可能に関係付けられている。更に、溶接機３０は、ＧＭＡＷ過程にて電極を構成する溶接ワイヤーを溶接ガン２８まで供給するよう作動可能であるワイヤー供給装置３２を含み、又は該ワイヤー供給装置３２から分離している。溶接機３０及びワイヤー供給装置３２は更なるプログラム化可能な制御装置３４と作用可能に関係付けられている。

溶接ガン２８は、典型的に、溶接手順を開始するため溶接工によって作動させることができるトリガー（図示せず）を有している。トリガーは、遮蔽ガスの流れを開始させ、ワイヤー供給装置３２を作動させ且つ溶接電圧及び電流を印加するため信号を制御装置２２、３４に送ることができる。アークは、溶接電極（図示せず）と溶接すべき加工物３３との間にてアークを飛ばす。その結果、溶接ワイヤーの先端は溶融し、溶融した金属は、凝固したとき、溶接部を形成する溶融溶接金属の溜めに移される。

煙排出手段の一部を形成する中空のプローブ４０は、アーク付近に配置され且つ１本の可撓性管４２を介してガスをアーク付近から吸引するよう作用可能であるポンプ４４又はその他の手段と連通している。ポンプは、典型的に、回転型である。回転速度は、更なるプログラム化可能な制御装置４６によって制御される。煙排出システムは、固体粒子を除去するフィルタ（図示せず）と、オゾンを破壊する紫外線灯（図示せず）とを含む。

図面に示した装置は、また、溶接過程に関する情報を制御装置２２、３４、４６に供給し得るよう配置された多数のセンサも含む。センサは、溶接工が空気を吸い込むであろう場所にて溶接煙中の固体粒子の単位容積当たりの数及び（又は）体積を測定する装置４８を含む。装置４８は、典型的に、固体粒子による電磁放射線の前方散乱を測定する計測器の形態をとる。電磁放射線源は、レーザとすることができる。かかる計測器は、商業的に入手可能である。所望であれば、装置４８は、溶接工の頭の高さに配置し且つ（又は）プローブ４０、管４２及びポンプ４４を備えるシステムと同様の煙排出システム内に組み込むことができる。

参照番号５０で示した溶接工のヘルメット内にその他のセンサを組み込むことができる。かかるセンサは、オゾンセンサ５２と、紫外線センサ５４、赤外線（ｉｒ）センサ５６と、雑音センサ５８とを含む。更に、オゾン以外の危険なガス（例えば、窒素酸化物）の濃度を同様に、溶接工のヘルメット５０内に組み込んだ１つ又はより多くのセンサ６０によって監視することができる。センサ５２、５６、５８、６０は、全て、ヘルメット５０に設けられた適正なソケット（図示せず）内に差し込むことのできる型式のものとすることができる。

色々な異なる制御の配置が可能である。例えば、選んだセンサが個々の制御装置の各々に信号を伝送することができる。制御装置の各々は、基準データと、入力信号を基準データと比較することにより発生される制御信号とによりプログラム化することができる。１つの代替的な配置において、センサ４８、５２、５４、５６、５８、６０の各々は、プログラム化可能な制御装置２２、２８、４６の各々と作用可能に関係した中央データ処理装置６２に信号を送り得るようにされている。センサには、信号を連続的に又は選んだ時間間隔にて伝送することを可能にする関係した電気回路又は電子回路（図示せず）を設けることができる。検知された各パラメータの累積値を計算するため、更なる回路を設けることができる。中央データ処理装置６２は、また、１つ又はより多くの局所的又は遠方のデータディスプレイ装置（図示せず）と作用可能に関係付けることができ且つ、ディスプレイ及び（又は）更なる処理のため情報を伝送することができる。更に、本発明に従った装置は、典型的に、溶接機３０及びワイヤー供給装置３２と関係付けられ且つ、ワイヤーの供給速度、溶接電圧及び溶接電流に関する情報を中央データ処理装置６２に送ることができるデータロガー６４を含む。中央データ処理装置６２は、典型的に、異なる溶接パラメータの関数として煙の特定成分の濃度を表すアルゴリズムにてプログラム化されており、このため、溶接工にとって安全な雰囲気の環境となるように、制御装置２２、２８、４６が溶接電流、溶接電圧、ワイヤーの供給速度、遮蔽ガスの組成、遮蔽ガスの流量及び煙の排出量を調節することを可能にする。

色々な異なる機関が溶接煙中の特定の危険物質への被曝の最小レベルに関して推奨している。本発明に従った装置は、溶接過程がこれらの推奨に適合した態様にて実行されることを保証し得るよう作動させることができる。中央処理装置６２は、典型的に、任意の特定の溶接工の被曝の履歴を記録することもできる。従って、任意の危険への累積的な被曝レベルを監視することができる。このため、中央処理装置６２は、溶接装置を作動させることができる前に、溶接工の各々が自己の身分識別を入力することを要求するソフトウェアを含むことができる。処理装置６２は、任意の特定の個々の溶接工が所定の期間にわたって、推奨レベルを超える値に近い危険への被曝の履歴を有するとき、溶接装置の作動を阻止し得るようプログラム化することもできる。更に、中央処理装置６２は、危険な状態が形成された場合、装置の作動を停止させることができる。

本発明に従った装置を作動させる仕方に顕著な自由度があるようにすることができる。過程の工程パラメータと煙の特定成分のレベルとの関係は複雑である。例えば、アーク溶接電圧を増すことは、微粒子の汚染物質の形成を少なくするのを助けるが、オゾンの形成量は増大する結果となる。このため、複数のパラメータを同時に調節することが通常であろう。同様に、遮蔽ガス中の二酸化炭素の量を増すことは、微粒子煙の形成を増すが、形成されるオゾンの量は少なくなる。溶接煙中の選んだ成分の各々の濃度を各関連する工程パラメータに対してプロットし且つ、それらの結果を相関させることにより、色々な制御アルゴリズムを開発することができる。

本発明に従った方法及び装置は、溶接アーク中にて生じることではなくて、溶接煙の特定成分への溶接工の被曝に依存して、溶接過程の制御を可能にする最初のものであるため、特に有益である。従って、溶接工が経験した状態に対して真に敏感な制御が可能とされる。

本発明に従ったアーク溶接装置の概略線図である。

Claims (27)

1. 半自動式又は自動式電気アーク溶接工程を制御する方法において、アークから遠方の場所にて、雰囲気中の複数の煙成分の濃度を反復的に又は連続的に監視するステップと、監視に基づく制御信号を発生させるステップと、制御信号に応答して複数の工程パラメータを調節するようプログラム化された少なくとも１つの過程制御手段に制御信号を供給し又は伝送するステップとを備える、半自動式又は自動式電気アーク溶接工程を制御する方法。
2. 請求項１に記載の方法において、アークから遠方の場所は、溶接工の顔面の高さに近く且つその顔面の高さにある、方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法において、微粒子固形物の濃度が監視される、方法。
4. 請求項１ないし３の何れか１つの項に記載の方法において、オゾンの濃度が監視される、方法。
5. 請求項１ないし４の何れか１つの項に記載の方法において、紫外線の入射が選ばれた位置にて監視される、方法。
6. 請求項１ないし５の何れか１つの項に記載の方法において、選ばれた位置にて赤外線の入射が監視される、方法。
7. 請求項１ないし６の何れか１つの項に記載の方法において、遮蔽ガスの流量を調節するステップを含む、方法。
8. 請求項１ないし７の何れか１つの項に記載の方法において、遮蔽ガスの組成を調節するステップを含む、方法。
9. 請求項１ないし８の何れか１つの項に記載の方法において、ワイヤーの供給速度を調節するステップを含む、方法。
10. 請求項１ないし９の何れか１つの項に記載の方法において、溶接電流を調節するステップを含む、方法。
11. 請求項１ないし１０の何れか１つの項に記載の方法において、アーク電圧を調節するステップを含む、方法。
12. 請求項１ないし１１の何れか１つの項に記載の方法において、アーク付近からの溶接煙の排出量を調節するステップを含む、方法。
13. 請求項１ないし１２の何れか１つの項に記載の方法において、選んだ工程パラメータの調節は、前記過程制御手段内にプログラム化される基準値と比較することにより行なわれる、方法。
14. 請求項１ないし１２の何れか１つの項に記載の方法において、煙の異なる成分の濃度の関数である複数の値に対して複数の工程パラメータを相関させることにより、数式を経験的に誘導することができ、前記過程の制御手段は、かかる式に基づいたアルゴリズムにてプログラム化し、これにより過程の制御手段が煙の選んだ成分の検知した濃度に従って工程パラメータの好ましい値を選ぶことを可能にする、方法。
15. 半自動式又は自動式電気アーク溶接工程を制御する装置において、アークから遠方の場所に配置された、雰囲気中の複数の煙成分の濃度を反復的に又は連続的に監視する複数のセンサと、センサと関係して制御信号を発生させる手段と、電気アーク溶接工程と関係した複数の工程パラメータを調節する少なくとも１つのプログラム化可能な過程制御手段と、制御信号を前記過程制御手段に供給し又は伝送する手段とを備える、半自動式又は自動式電気アーク溶接工程を制御する装置。
16. 請求項１５に記載の装置において、前記センサが配置された場所は溶接工の顔面の高さに近く且つその顔面の高さにある、装置。
17. 請求項１５又は１６に記載の装置において、複数のセンサは、微粒子煙の濃度を監視するセンサを含む、装置。
18. 請求項１５ないし１７の何れか１つの項に記載の装置において、複数のセンサは、オゾンの濃度を監視するセンサを含む、装置。
19. 請求項１５ないし１８の何れか１つの項に記載の装置において、遮蔽ガスの流量を調節する手段を含む、装置。
20. 請求項１５ないし１９の何れか１つの項に記載の装置において、遮蔽ガスの組成を調節する手段を含む、装置。
21. 請求項１５ないし２０の何れか１つの項に記載の装置において、ワイヤーの供給速度を調節する手段を含む、装置。
22. 請求項１５ないし２１の何れか１つの項に記載の装置において、溶接電流を調節する手段を含む、装置。
23. 請求項１５ないし２２の何れか１つの項に記載の装置において、アーク電圧を調節する手段を含む、装置。
24. 請求項１５ないし２３の何れか１つの項に記載の装置において、アーク付近からの溶接煙の排出量を調節する手段を含む、装置。
25. 請求項１５ないし２４の何れか１つの項に記載の装置において、選んだ煙成分の検知された値を記録することができる少なくとも１つのデータロガーと、検知された値を基準値と比較する手段とを含む、装置。
26. 請求項１５ないし２５の何れか１つの項に記載の装置において、濃度センサの各々は、濃度センサと関係付けられた少なくとも１つのデータ変換装置、データ伝送装置及び（又は）データ記憶装置を含む、装置。
27. 請求項１５ないし２６の何れか１つの項に記載の装置において、濃度センサの各々は、所望のパラメータの瞬間的な測定値を提供し及び（又は）そのパラメータの累積的測定値を提供する電気的又は電子的手段と作用可能に関係付けられる、装置。

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