JP2010162568A - ガスシールドアーク溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】管理者が、溶接管理基準が遵守されているか適切に監視できるガスシールドアーク溶接装置を提供する。
【解決手段】ガスシールドアーク溶接装置１００は、溶接トーチ１１０から送出された溶接ワイヤと鋼板２００との間にアークを発生させて前記鋼板２００をガスシールドアーク溶接する。移動距離測定部材５１０は、溶接トーチ１１０に設置され前記溶接トーチ１１０の溶接線方向における移動距離を測定する。溶接入熱演算部５２０は、この移動距離から移動速度を算出し溶接電圧及び溶接電流とともに前記移動速度から時々刻々の溶接入熱を算出する。溶接入熱表示部５３０は、算出された溶接入熱を時々刻々に表示する。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶接トーチから送出された溶接ワイヤと被溶接物との間にアークを発生させて前記被溶接物をガスシールドアーク溶接する装置に関し、特に、溶接入熱等をリアルタイムに表示するガスシールドアーク溶接装置に関する。

建築分野では特に阪神淡路大震災以降、建築物の耐震性を向上、担保すべく技術的対策が種々研究、実用化されてきている。しかしながら、その一方で、過度にコスト競争力を確保しようとするあまり、偽装若しくは捏造等の問題が発生している。このような問題は鉄骨を製造する際のアーク溶接工程においても例外ではない。

溶接部の機械的性能を確保するには鋼材及び溶接材料の化学成分だけではなく、冷却速度の構成変数である溶接入熱及びパス間温度（アーク開始時の温度）の管理が重要である。

特許文献１には、軟鋼又は４９０（Ｎ／ｍｍ²）級の高張力鋼を炭酸ガスシールドアーク溶接する際に適用される、溶接材料及び熱管理に関する溶接ワイヤ溶接方法が記載されている。

また、特許文献２には、軟鋼又は４９０Ｎ／ｍｍ²級高張力鋼を炭酸ガスシールドアーク溶接するガスシールドアーク溶接方法に関し、溶接施工法として入熱だけでなく、パス間温度、更には溶接対象物の冷却速度まで加味することにより、溶接能率が高い高能率のガスシールドアーク溶接方法が記載されている。

更に、非特許文献１の解説文表１には、例えば、材料に応じて、入熱パス間温度上限の組み合わせとして夫々３０ｋＪ／ｃｍ・２５０℃、４０ｋＪ／ｃｍ・３５０℃といった熱管理基準が記載されている。

大入熱になるほど若しくはパス間温度が高くなるほど、溶接パスの低減、溶接時間の短縮により、性能とは逆に生産量が高まる。そのため鉄骨製作会社若しくは溶接者に対して安全性確保のためのモラル教育を行い遵守させない限り、低品質の鉄骨が市場に出て行く懸念がある。

しかしながら、現実的にはこの教育指針が守られていることを確認、管理するのは困難である。なぜならば、入熱Ｑ（Ｊ／ｃｍ）は［電流（Ａ）×電圧（Ｖ）×６０／溶接速度（ｃｍ／分）］で計算されるパラメータであるのに対し、従来の溶接機では電流（Ａ）と電圧（Ｖ）しか表示されず、且つ溶接速度も人間による半自動溶接では把握が困難だからである。

即ち、溶接速度を測定するためには、溶接部の長さをあらかじめ計測し、アーク発生時と終了時との時間を測定することで、距離と時間から割り出すしか無いところ、距離と時間を別個に測定し、入力作業をしていては煩わしい。しかも特許文献３に記載されているように、このような溶接速度の計算は溶接完了後となるので、管理策としては不十分である。

溶接者とは別に管理監督者が見回り、熱管理項目を遵守しているかを確認しようとしても、その場では判断しにくい。更にまた、溶接者に対し、管理記録の提出を義務付けても、裏付けが取れないことから自己申告を信用するしか無い。

これに対し、最近普及し始めているロボット溶接では溶接電源や電圧、溶接速度も有しており、管理者の信頼に足る機器、溶接法と考えられ、その普及に拍車がかかっている。

特許３１９９６５６号（第２頁） 特許３３５２９２０号（第４頁、図１） 特開２００３−７１５６４号公報（第２頁）

ＪＩＳ Ｚ３３１２「軟鋼及び高張力鋼用マグ溶接ソリッドワイヤ（１９９９年版）」

しかしながら、依然、人手による半自動溶接法の比率は高く、容易に管理できる手段が管理者側から望まれている。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、溶接機以外の特別な機器を使用する必要が無く、溶接入熱若しくはそれに加えパス間温度をリアルタイムに表示し、且つ記憶機能も付けることで、溶接管理基準が遵守されているか監視できるガスシールドアーク溶接装置を提供することを目的とする。

本発明に係るガスシールドアーク溶接装置は、溶接トーチから送出された溶接ワイヤと被溶接物との間にアークを発生させて前記被溶接物をガスシールドアーク溶接する装置において、前記溶接トーチに設置され前記溶接トーチの溶接線方向における移動距離を測定する移動距離測定部材と、この移動距離から移動速度を算出し溶接電圧及び溶接電流とともに前記移動速度から時々刻々の溶接入熱を算出する溶接入熱演算部と、算出された溶接入熱を時々刻々に表示する溶接入熱表示部とを有することを特徴とする。

この場合に、前記被溶接物におけるアーク発生位置近傍の温度を測定する温度測定部材と、測定された温度を表示する温度表示部とを有することが好ましい。

また、前記移動距離測定部材は、光センサであり、この光センサは、レーザ光を前記被溶接物に照射する照射部と、前記被溶接物で反射したレーザ光を検出する検出部とを有し、前記被溶接物の表面に対するレーザ光の入射角は前記表面に鉛直の方向に対して１０°以下であることが好ましい。

更に、前記アークのオン・オフ時刻、溶接電流、溶接電圧、前記溶接トーチの移動速度、前記溶接入熱、及びアーク開始時における前記被溶接物のアーク発生位置近傍の温度からなる群から選択された少なくとも一つの施工履歴を記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶された施工履歴を出力する出力部と、を有することが好ましい。

更に、前記溶接入熱演算部で算出された溶接入熱を音声変換して出力する音声出力変換部を有することが好ましい。

本発明によれば、溶接トーチに設置された移動距離測定部材により溶接トーチの溶接線方向における移動距離を測定でき、この移動距離から時間微分により移動速度を算出し、溶接電圧及び溶接電流とあわせて溶接入熱を算出して、リアルタイムに溶接入熱を表示できる。そのため、溶接作業の管理を的確に行うことができる。更には、表示される溶接入熱を記憶部に記憶させておけば、事後的に溶接作業工程を管理できる。このように本発明によれば、溶接作業者は虚偽報告が困難となることから、確実に熱管理基準を遵守でき、ひいては構造物の品質を確実に担保できる。

本発明の実施形態に係るガスシールドアーク溶接装置を説明する概略図である。 リアルタイム入熱表示の機能を説明する説明図である。 溶接進行方向のベクトルを読み取る状態を説明する説明図である。

本実施形態に係るガスシールドアーク溶接装置１００は、図１に示されるように、溶接トーチ１１０と、溶接電源１２０と、ワイヤ供給部１３０と、シールガス供給部１４０と、移動距離測定部材５１０と、溶接入熱演算部５２０と、溶接入熱表示部５３０と、音声出力変換部５４０とを有する。

溶接電源１２０は、溶接トーチ１１０と被溶接物としての鋼板２００との間に電力を供給する。ワイヤ供給部１３０は、溶接トーチ１１０に溶接ワイヤを連続的に供給する。溶接ワイヤの供給量は、リモートコントロール装置２１０により外部から調節される。

シールガス供給部１４０は、タンク１４２と、ガス流量調節バルブ１４１と、ガスホース１４３と、を有して構成され、溶接トーチ１１０から噴出されるシールドガスを供給する。シールドガスは、例えばＣＯ_２単体ガス、又はＣＯ_２ガスとＡｒガスとの混合ガスである。

移動距離測定部材５１０は、溶接トーチ１１０の溶接線方向の移動距離を測定する。具体的には、移動距離測定部材５１０は例えば光センサにて構成することができる。この光センサは、レーザ光を鋼板２００に照射する照射部５１１と、鋼板２００で反射したレーザ光を検出する検出部５１２とを有する。照射部５１１は、例えばコンピュータ用光学式マウスに採用されているような光学照射部であり、メカニズムは同一である。光センサは被照射物表面の極めて微視的な変化を増幅させて、瞬間的な平面移動距離情報を得る。

一方、図２に示すように、溶接電源１２０に内蔵されている移動時間測定部はこの溶接トーチ１１０が前記移動距離を移動したときの移動時間を計測する。そして、溶接電源１２０に内蔵されている移動速度演算部は、該移動距離と該移動時間とから、溶接トーチ１１０の溶接線方向の移動速度を求める。

続いて溶接入熱演算部５２０は、該移動速度と、溶接電圧と、溶接電流とから溶接入熱を下の数式１に基づいて演算する。

溶接入熱表示部５３０は、演算された溶接入熱を、時々刻々、即ちリアルタイムに表示する。溶接入熱の表示は、アナログメータ又はデジタルメータで表示される。なお、アナログ及びデジタルの双方にて表示もできる。

音声出力変換部５４０は、溶接入熱演算部５２０で演算された溶接入熱を音声信号に変換する音声変換部と、音声変換部で音声信号に変換された溶接入熱を外部へ出力する出力部とを有する。音声出力変換部５４０は、溶接入熱表示部５３０のように溶接入熱を時々刻々（リアルタイム）に表示するのではなく、一定間隔おきに音声発信する。音声出力変換部５４０により、溶接者は、溶接入熱表示部５３０を常に見ることなく溶接入熱を時々確認でき、溶接入熱の管理が簡易になる。

図１に示すように、溶接トーチ１１０には温度測定部材３１０が設けられている。温度測定部材３１０は、具体的には放射温度計であり、非接触でアーク発生箇所近傍の鋼板温度をリアルタイムで測定する。測定された鋼板温度は、溶接電源１２０に設けられている温度表示部３２０にて、アナログメータ又はデジタルメータでリアルタイムに表示される。なお、アナログ及びデジタルの双方にて表示もできる。

なお、溶接入熱表示部５３０、温度表示部３２０、音声変換出力部５４０は、溶接機本体に設けるのみならず、例えば送給装置、電流・電圧コントローラ、又は独立分枝等、いずれの場所に設けることも可能である。

溶接電源１２０には、施工履歴を記憶する記憶部６１０が設けられている。記憶の対象は、例えば、アークのオン・オフ時刻、溶接電流、溶接電圧、溶接トーチ１１０の移動速度、溶接入熱、アーク開始時における鋼板２００のアーク発生位置近傍の温度等がある。

次に、上述の如く構成された本実施形態の動作について説明する。移動距離測定部材５１０は、溶接トーチ１１０の溶接線方向における移動距離を測定する。溶接トーチ１１０は溶接線方向の動きだけでなく、溶接線と直角方向のウィービング若しくはオシレートと呼ばれる動作をする。そのため、図３に示されるように、溶接トーチ１１０の動きを示すベクトルを溶接線方向（Ｙ）と垂直方向（Ｘ）に分離し、Ｙ方向の距離の情報を用いて速度を計算する。これにより、溶接作業者又は管理者は、溶接電流、溶接電圧より圧倒的に重要な因子である溶接入熱をリアルタイムにて監視できる。

照射部５１１はＬＥＤ又はレーザ光を溶接トーチ１１０の鉛直下方に向けて照射し、その反射光を検出部５１２に取り入れて検出する。この場合に、鋼板２００の表面に対するレーザ光の入射角は前記表面に鉛直方向に対して１０％以下であることが好ましい。

マウスのように極めて高い感度が必要な場合は光の入射角を傾ける方が高感度となるが、溶接トーチ１１０の場合は照射部５１１から反射面つまり鋼板までが長距離のため、入射角が大きいと照射部５１１と検出部５１２との距離が長くなり、物理的に溶接トーチ１１０に取り付けることが困難となる。しかしながら、溶接時の溶接速度計算には感度はさほど高くする必要性がないため、入射角は小さくても良い。そのため、入射角は具体的には鉛直方向に対し１０度以下とするのが好適である。

そして、仮に表示確認又は音声確認にて溶接入熱が許容上限を超えそうな場合は、溶接作業者は、溶接しながら直ぐに溶接電流又は溶接電圧を下げて対応できる。万一許容範囲を超えてしまった場合は、直ちに溶接を中止し該当部分のみをガウジング又はグラインダ等で除去して溶接作業を再開できる。

一方、本実施形態では、鋼板２００におけるアーク発生位置近傍の温度を測定して表示する。このように、温度測定部材３１０にて非接触で鋼板温度を測定し、温度表示部３２０にリアルタイム表示するので、測定面に溶接スパッタ等が付着していた場合は測定精度の悪化若しくは溶接スパッタの除去作業が必要となった従来式の接触式温度計による測定と比較して、煩わしい測定作業を要せずに鋼板温度を監視できる。

また、記憶部６１０に記憶された施工履歴、即ち、溶接入熱、移動速度、溶接電圧、溶接電流は、ケーブル６２０により、パソコン等の出力部６３０に出力させることができる。なお、出力部６３０への出力方法は、ケーブル６２０の代わりに、例えば、ＵＳＢメモリ、ＳＤカード、磁気ディスク、光ディスク、無線接続等の種々の方法が挙げられる。

このように、本発明によれば、管理者が溶接現場に直接立ち会わなくても溶接作業工程を後々確認できる。そのため、いつでも溶接部位に対する溶接条件の追跡が可能となり、信頼性は格段に向上する。

１００ ガスシールドアーク溶接装置
１１０ 溶接トーチ
１２０ 溶接電源
１３０ ワイヤ供給部
１４０ シールドガス供給部
１４１ ガス流量調節バルブ
１４２ タンク
１４３ ガスホース
２００ 鋼板
２１０ リモコンボックス
３１０ 温度測定部材
３２０ 温度表示部
５１０ 移動距離測定部材
５１１ 照射部
５１２ 検出部
５２０ 溶接入熱演算部
５３０ 溶接入熱表示部
５４０ 音声出力変換部（音声変換部及び出力部（スピーカー））
６１０ 記憶部
６２０ ケーブル
６３０ 出力部

Claims (5)

1. 溶接トーチから送出された溶接ワイヤと被溶接物との間にアークを発生させて前記被溶接物をガスシールドアーク溶接する装置において、
   前記溶接トーチに設置され前記溶接トーチの溶接線方向における移動距離を測定する移動距離測定部材と、この移動距離から移動速度を算出し溶接電圧及び溶接電流とともに前記移動速度から時々刻々の溶接入熱を算出する溶接入熱演算部と、算出された溶接入熱を時々刻々に表示する溶接入熱表示部とを有することを特徴とするガスシールドアーク溶接装置。
2. 前記被溶接物におけるアーク発生位置近傍の温度を測定する温度測定部材と、測定された温度を表示する温度表示部とを有することを特徴とする請求項１に記載のガスシールドアーク溶接装置。
3. 前記移動距離測定部材は、光センサであり、この光センサは、レーザ光を前記被溶接物に照射する照射部と、前記被溶接物で反射したレーザ光を検出する検出部とを有し、前記被溶接物の表面に対するレーザ光の入射角は前記表面に鉛直の方向に対して１０°以下であることを特徴とする請求項１に記載のガスシールドアーク溶接装置。
4. 前記アークのオン・オフ時刻、溶接電流、溶接電圧、前記溶接トーチの移動速度、前記溶接入熱、及びアーク開始時における前記被溶接物のアーク発生位置近傍の温度からなる群から選択された少なくとも一つの施工履歴を記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶された施工履歴を出力する出力部と、を有することを特徴とする請求項２に記載のガスシールドアーク溶接装置。
5. 更に、前記溶接入熱演算部で算出された溶接入熱を音声変換して出力する音声出力変換部を有することを特徴とする請求項１に記載のガスシールドアーク溶接装置。

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