JP2013000745A - アーク溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接継手における幾何学量の変動に拘わらず、均一な外観の溶接ビードが得られるアーク溶接方法を提供する。
【解決手段】アーク溶接方法は、ワーク上の溶接線に沿った外観統一範囲内の複数の測定点について測定点毎に溶接継手の幾何学量を測定する測定工程（ステップＳ１）と、前記幾何学量の測定結果に基づき、外観統一範囲にわたるアーク溶接による溶接ビードの外観が均一となるように溶接条件を設定する設定工程（ステップＳ２）と、前記溶接条件に従い、外観統一範囲にわたるアーク溶接を行う溶接工程（ステップＳ３）とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、溶接継手に関する幾何学量の測定結果に基づいて溶接条件を設定し、アーク溶接を行うアーク溶接方法に関する。

従来、このようなアーク溶接方法として、溶接電圧の極性を切り替えながらアルミニウム等の部材をアーク溶接する際に、溶接される部材間のギャップに応じて極性比率を変化させるようにしたアーク溶接法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

このアーク溶接法においては、極性比率以外の溶接条件、すなわち溶接電流、溶接電圧、溶接速度、ウィービング周波数、ウィービング振幅及び狙い位置オフセット量についても、重ね継手のギャップに応じて変化させるようにしている。

また、従来、円又は円弧状のウィービング動作を伴うアーク溶接において、ウィービング面と溶接方向との成す角であるウィービング角は、溶接トーチの前進角に等しいか又は０°である。ウィービング角が０°ということは、ウィービング面と溶接方向とが平行であることを意味する。

特開２００２−３１６２６５号公報

しかしながら、特許文献１のアーク溶接法によれば、重ね継手のギャップが変動する場合、この変動に応じて極性比率等の溶接条件を変化させながら溶接を行うようにしているので、形成される溶接ビードは、外観が均一とならず、見栄えが悪化する。

また、上述のようなウィービング動作を伴うアーク溶接を行う場合、溶接継手がせぎり継手であるとすると、せぎり継手における母材面に沿った方向のギャップすなわち開先の幅が狭い場合には、十分な溶け込み量が得られず、良好な溶接強度を得ることができない。なお、せぎり継手とは、重ね継手における一方の母材に段差部を設けて、双方の母材がほぼ同一平面上に位置するようにしたものである。

本発明の目的は、かかる従来技術の問題点に鑑み、溶接継手における幾何学量の変動に拘わらず、均一な外観の溶接ビードが得られるアーク溶接方法を提供することにある。

本発明のアーク溶接方法は、ワーク上の溶接線に沿った所定範囲内の複数の測定点について、測定点毎に溶接継手の幾何学量を測定する測定工程と、前記測定工程による幾何学量の測定結果に基づき、前記所定範囲にわたるアーク溶接による溶接ビードの外観が均一となるように溶接条件を設定する設定工程と、前記設定工程で設定された溶接条件に従い、前記所定範囲にわたるアーク溶接を行う溶接工程とを具備することを特徴とする。

本発明によれば、所定範囲内の測定点毎に溶接継手の幾何学量を測定し、その測定結果に基づき、所定範囲にわたり、溶接ビードの外観が均一となるように溶接条件を設定するようにしたため、所定範囲内で溶接継手の間隔等が変動する場合でも、均一な外観の溶接ビードを得ることができる。

また、本発明においては、前記溶接継手は、せぎり継手であり、前記測定工程では、前記せぎり継手についての前記ワークの面に平行な方向の間隔を測定し、前記設定工程では、前記測定工程で測定されたせぎり継手の間隔の最大値に対応するウィービング幅を、前記所定範囲にわたる共通のウィービング幅として設定するようにしてもよい。

これによれば、所定範囲にわたる共通のウィービング幅でアーク溶接が行われるので、アーク溶接により形成される溶接ビードの外観を、溶接ビードの幅の点において均一化することができる。

さらに、本発明においては、前記溶接継手は、せぎり継手であり、前記測定工程では、前記せぎり継手についての前記ワークの面に平行な方向の間隔を測定し、前記設定工程では、前記測定工程で測定されたせぎり継手の間隔が大きい溶接位置ほど小さいウィービング角となるように、溶接位置に応じて異なるウィービング角を設定するようにしてもよい。

これによれば、せぎり継手の間隔が大きな溶接位置ではワークへの入熱量が小さくなり、間隔が小さな溶接位置では入熱量が大きくなるので、間隔の小さな溶接位置では十分な溶け込み量が得られず、間隔の大きな溶接位置では溶け落ちが発生しやすいという従来のウィービング動作を伴う場合の不都合を解消することができる。したがって、外観の均一化を、溶接強度を劣化させることなく達成することができる。

本発明の一実施形態に係る溶接ロボットシステムの構成を示すブロック図である。 図１のシステムの制御部により実行される処理を示すフローチャートである。 図１のシステムにおけるワークの一部を切り取って示す斜視図である。 図３の部分を溶接線に垂直な面で切断して示す断面図である。 図１のシステムにおけるワークのせぎり継手の幾何学量を測定する様子を示す斜視図である。 図１のシステムにおいて測定されるギャップＧ１の最大値とこれに対応するウィービング振幅φの設定値との関係を例示するグラフである。 図１のシステムにおけるウィービングの軌跡を例示する図である。 図１のシステムにおいて測定される開先断面積Ｓの測定値とこれに対応する溶接電流の設定値との関係を例示するグラフである。 図１のシステムにおける溶接継手のギャップＧ１、Ｇ２の測定値と、これに基づいて設定されるＥＮ比率の設定値との関係を示すグラフである。 図１のシステムにおける溶接継手のギャップＧ１の測定値と、これに基づいて設定される溶接狙い位置ｙとの関係を示すグラフである。 図１のシステムにおける溶接継手のギャップＧ１の測定値と、これに基づいて設定されるウィービング角θの設定値との関係を示すグラフである。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る溶接ロボットシステムの構成を示すブロック図である。このシステムは、アルミニウム部材からなるワーク１を、ＭＩＧ（ミグ）溶接により溶接するものである。

図１に示すように、このシステムは、システムの各部を制御する制御部２と、制御部２に指示を与えるための操作部３と、ワーク１の溶接継手の幾何学量を計測するためのレーザセンサ４と、ワーク１の溶接を行うための溶接トーチ５と、溶接トーチ５及びワーク１に溶接電流を供給する溶接電源６と、溶接トーチ５に溶接用ワイヤを供給するワイヤ供給部７と、溶接トーチ５にシールドガスを供給するガス供給部８と、ワーク１や、レーザセンサ４、溶接トーチ５を保持して動かすマニピュレータ９とを備える。

マニピュレータ９は２台のロボット本体により構成される。一方のロボット本体によりワーク１が直接又はジグを介して保持され、位置決めされる。また、他方のロボット本体により、レーザセンサ４及び溶接トーチ５が操作される。すなわち、制御部２は、２台のロボット本体を制御し、協調させて溶接作業を行う。

図２は制御部２により実行される溶接処理の一部を示すフローチャートである。この溶接処理においては、溶接により形成される溶接ビードの外観を均一にして統一すべき範囲として予め定められたワーク１上の溶接範囲の１つ（以下、「外観統一範囲」という。）について、溶接ビードが均一な外観を有するようにＭＩＧ溶接が行われる。外観統一範囲としては、例えば１つの溶接線に係る溶接範囲や、指定された複数本の溶接線に及ぶ溶接範囲、ワーク１上の全溶接線にわたる溶接範囲が該当する。

図２の溶接処理に際し、制御部２は、まず、ステップＳ１の測定工程において、「幾何学量測定処理」を行う。この処理では、ワーク１上の外観統一範囲にわたり、幾何学量を測定する。次に、この測定結果に基づき、ステップＳ２の設定工程において、外観統一範囲わたる溶接を行うための溶接条件を設定する「溶接条件設定処理」を行う。そして、ステップＳ３の溶接工程において、設定された溶接条件に従い、外観統一範囲にわたり、アーク溶接の一種であるＭＩＧ溶接により溶接線に沿った接合を行う「ＭＩＧ溶接処理」を行う。

以下、上記ステップＳ１〜Ｓ３の各工程について詳細に説明する。

（１）測定工程
ステップＳ１の幾何学量測定処理においては、マニピュレータ９を構成する一方のロボット本体によりワーク１が保持され、他方のロボット本体により、溶接トーチ５に固定されたレーザセンサ４で、幾何学量の測定が行われる。

図３は、幾何学量が測定されるワーク１の一部を切り取って示す斜視図である。図３に示すように、ワーク１は、端部同士が相互に溶接されるワーク部分１１及びワーク部分１２を有する。ワーク部分１１及び１２の相互に隣接する端部に沿った溶接線に沿って幾何学量が測定される。ワーク１としては、例えばオートバイのフレームが該当する。以下の説明では、溶接方向をＸ軸の正方向とし、Ｙ軸がワーク１の面に平行である右手系のＸＹＺ座標系を用いる。

図４は、図３の部分を溶接線に垂直な面（ＹＺ平面）で切断して示す断面図である。図４に示すように、ワーク部分１１の端部は、Ｘ軸に平行な端縁から所定幅で該端部を縁取る重畳部１１ａと、重畳部１１ａに隣接し、重畳部１１ａからワーク部分１１の主要部に至る段差を形成する斜部１１ｂとを有する。

重畳部１１ａの表面にワーク部分１２端部の裏面が所定のギャップを経て重なるように対向している。これにより、斜部１１ｂとワーク部分１２の端部との間に、ほぼＶ字状の溝の形態を有する開先１５が形成される。すなわち、ワーク部分１１及び１２間の溶接継手はせぎり継手１３となっている。したがって、せぎり継手１３の近傍において、ワーク部分１１及び１２の各表面及び各裏面はそれぞれ、ほぼ１つの平面上に位置する。

重畳部１１ａの表面と斜部１１ｂの表面とが交差するラインと、ワーク部分１２裏面の端縁との間のＹ軸方向の距離として、ギャップＧ１が形成されている。また、ワーク部分１２端部の裏面と、重畳部１１ａの表面との間のＺ軸方向の距離として、ギャップＧ２が形成されている。ステップＳ１では、幾何学量として、ギャップＧ１、ギャップＧ２、及び開先１５の断面積が測定される。

図５は、これらの幾何学量を測定する様子を示す。幾何学量の測定は、図５（ａ）のように、溶接トーチ５に固定されたレーザセンサ４によって、各教示点Ｐｉ（ｉ＝・・・、ｎ−１、ｎ、ｎ＋１、・・・）において、溶接方向とは逆方向（Ｘ軸の負の方向）に向かって行われる。各教示点Ｐｉは、図５（ｂ）のように、溶接線１４に沿うようにして、予めティーチングにより設定されたものである。

（２）設定工程
ステップＳ２の溶接条件設定処理においては、外観統一範囲についての溶接条件として、外観統一範囲の全範囲に共通のウィービング振幅（ウィ―ビング幅）φと、教示点毎の他の溶接条件とが設定される。

ウィービング振幅φの設定に際しては、ステップＳ１で測定された各教示点でのギャップＧ１の最大値に対応するウィービング振幅φの値が設定値とされる。この設定値は、外観統一範囲にわたって共通の溶接条件として設定される。また、この設定値は、予め定められたギャップＧ１の最大値と、ウィービング振幅φの設定値との対応関係に基づいて決定される。

図６は、このギャップＧ１の最大値とウィービング振幅φの設定値との関係を例示する。この例の場合、図６のように、外観統一範囲におけるギャップＧ１の最大値とこれに対応するウィービング振幅φの設定値とは、ほぼ比例関係にある。このような関係は、制御部２が記憶しているテーブルや関数により規定される。このような関係に従い、ステップＳ１での測定結果に基づき、外観統一範囲における共通のウィービング振幅φが設定される。

教示点毎の他の溶接条件の設定に際しては、他の溶接条件として、例えば溶接電流、ＥＮ比率、溶接狙い位置ｙ（図４）及びウィービング角θが設定される。設定値は、予め定められた幾何学量の測定値と設定値との対応関係に基づいて決定される。かかる対応関係は、制御部２が記憶しているテーブルや関数により規定される。

例えば、教示点毎の溶接電流の設定は、その教示点での開先１５の断面積の測定結果に基づいて行われる。教示点毎のＥＮ比率の設定は、その教示点でのギャップＧ１及びＧ２の測定結果に基づいて行われる。教示点毎の溶接狙い位置ｙ及びウィービング角θの設定は、その教示点でのギャップＧ１の測定結果に基づいて行われる。

図７は、溶接時に溶接ワイヤが描くウィービングの軌跡を例示する。溶接トーチ５から繰り出される溶接ワイヤの先端は、溶接時、例えば図７（ａ）に示すように、ＺＸ面に垂直な面内で円形の軌跡１６を描くように移動する。ただし、ワーク１に対しては、溶接トーチ５が溶接方向（Ｘ軸の正方向）へ移動するので、溶接方向に沿った螺旋状の軌跡を描くことになる。この場合、ウィービング振幅φは軌跡１６の直径に該当する。

軌跡１６が存在する面をウィービング面とすると、図７（ｂ）に示すように、ウィービング面はＸＹ面に対して鋭角θをなす。ただし、Ｙ軸の負の方向に向かって、反時計回りの方向を角度θの正方向とする。この角度θがウィービング角θである。軌跡１６は、溶接方向と反対側の半分の軌跡区間１６Ａと、溶接方向側の半分の軌跡区間１６Ｂとで構成される。

図８は、開先１５（図４）の断面積である開先断面積Ｓの測定値と、これに基づいて設定される溶接電流の設定値との関係を例示する。開先断面積Ｓの測定値と溶接電流の設定値との関係は、溶接トーチ５が軌跡区間１６Ａに沿って移動している場合と軌跡区間１６Ｂに沿って移動している場合とで異なる。図８中のグラフ曲線１９Ａは、軌跡区間１６Ａにおける開先断面積Ｓの測定値と溶接電流の設定値との関係を示しており、グラフ曲線１９Ｂは軌跡区間１６Ｂにおける同関係を示している。

図８のように、軌跡区間１６Ａ及び１６Ｂのいずれにおいても、溶接電流は、開先断面積Ｓが大きいほど大きな値に設定される。これにより、開先１５に対し、開先断面積Ｓに応じた適切な量の溶着金属を付与することができる。

また、同一の開先断面積Ｓの測定値に対しては、軌跡区間１６Ａよりも軌跡区間１６Ｂにおける溶接電流の方が大きい値に設定される。これにより、軌跡区間１６Ｂにおいて、ワーク１への溶接入熱（熱量）を軌跡区間１６Ａにおける溶接入熱よりも多くして、良好な溶け込みを得ることができる。

図９は、ギャップＧ１及びＧ２の測定値と、これに基づいて設定されるＥＮ比率の設定値との関係を示す。図９（ａ）では、ギャップＧ２が１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ及び４ｍｍであるそれぞれの場合について、ギャップＧ１の測定値と軌跡区間１６ＡにおけるＥＮ比率の設定値との関係が示されている。図９（ｂ）では、ギャップＧ２が１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ及び４ｍｍであるそれぞれの場合について、ギャップＧ１の測定値と軌跡区間１６ＢにおけるＥＮ比率の設定値との関係が示されている。

本実施形態においては、溶接電流として交流パルスが用いられ、軌跡区間１６Ａ及び軌跡区間１６Ｂのそれぞれについて異なるＥＮ比率が適用される。ＥＮ比率とは、交流パルスの１周期において、溶接トーチ５の溶接ワイヤとワーク１との間を流れる総電流量（電気量）に対する溶接ワイヤ（電極）側がマイナス極性（ＥＮ極性）であるときに流れる電流量の比率である。

すなわち、ＥＮ極性の場合の電流量をＩｅｎ、溶接ワイヤ（電極）側がプラス極性（ＥＰ極性）である場合の電流量をＩｅｐとすれば、ＥＮ比率＝（Ｉｅｎ／（Ｉｅｎ＋Ｉｅｐ））×１００（％）となる。ＥＮ比率が高いほど余盛が得られ易く、低いほど、より深い溶け込みを得ることができる。

図９に示すように、軌跡区間１６Ａにおいては、全体的にＥＮ比率を高くすることにより、溶接用ワイヤの溶融量を増加させて余盛を確保し、かつワーク１への入熱を低減させて溶融池の凝固境界が鮮明となるようにしている。軌跡区間１６Ｂにおいては、全体的にＥＮ比率を低くすることにより、ワーク１へ与える入熱を増大させて良好な溶け込みを確保している。

また、図９（ａ）のように、ギャップＧ１が大きいほど、またギャップＧ２が大きいほど、軌跡区間１６ＡにおけるＥＮ比率をリニアに増大させて、余盛の均一化を図るようにしている。また、図９（ｂ）のように、軌跡区間１６ＢにおけるＥＮ比率については、ギャップＧ１の範囲が１ｍｍまでの範囲では、緩やかな勾配で増加させて良好な溶け込みを得るとともに、１ｍｍ以上の範囲では、急な勾配で増大させて溶け落ちを防止するようにしている。

図１０は、ギャップＧ１の測定値と、これに基づいて設定される溶接狙い位置との関係を示す。溶接狙い位置は、図４のように、ワーク部分１２裏面の端縁からのＹ軸方向の距離ｙで表わされる。溶接狙い位置ｙの設定値としては、図１０のように、ギャップＧ１の測定値が大きいほど大きな値が採用される。これにより、アンダーカットや融合不良の発生を防止するようにしている。

図１１は、ギャップＧ１の測定値と、これに基づいて設定されるウィービング角θ（図７（ｂ））の設定値との関係を示す。図１１のように、ギャップＧ１が小さいほど、大きなウィービング角θが設定される。ギャップＧ１が小さいと、アークエネルギーがワーク１に到達し難くなり、溶け込み量が極端に減少するので、ウィービング角θを大きくして、アークエネルギーがワーク１に到達し易くし、溶け込み量を増加させる必要があるからである。

逆に、ギャップＧ１が大きいほど、小さなウィービング角θが設定される。ギャップＧ１が大きいと、アークエネルギーがワーク１に到達し易くなり、溶け込み量が増大するので、ウィービング角θを小さくし、アーク熱をワーク１から遠ざけて、ワーク１への入熱を減少させ、溶け落ちによる溶接不良が発生するのを防止する必要があるからである。

（３）溶接工程
ステップＳ３のＭＩＧ溶接処理においては、ステップＳ２で設定した溶接条件に従い、外観統一範囲にわたり、ＭＩＧ溶接を行う。溶接の開始時には、溶接トーチ５及びレーザセンサ４は、ステップＳ１の測定を完了したときの位置、すなわち外観統一範囲における溶接開始位置に位置しているので、制御部２は、その状態から直ちに、溶接方向（Ｘ軸の正方向）に沿って、溶接を開始することができる。溶接が完了すると、図２の溶接処理が終了する。

本実施形態によれば、外観統一範囲にわたり、ギャップＧ１等の幾何学量の測定を行い、その測定結果に基づき、外観統一範囲にわたり、共通の溶接条件として、ギャップＧ１の最大値に対応するウィービング振幅φの値を設定するようにしたため、外観統一範囲にわたり、溶接ビードの幅を統一して、外観を均一にすることができる。

また、図９のように、ギャップＧ１及びＧ２の測定結果に応じて軌跡区間１６Ａ及び１６ＢでのＥＮ比率を設定するようにしたので、軌跡区間１６Ａでは、余盛を確保して鮮明な溶融池の凝固境界を形成するとともに、軌跡区間１６Ｂでは、良好な溶け込みを確保しかつ溶け落ちを防止することができる。

これにより、外観統一範囲にわたり、溶接強度を劣化させることなく、軌跡区間１６Ａにおいて確実に余盛によるうろこ状の形状を形成し、溶接ビードの外観の均一化に寄与することができる。したがって、上述の溶接ビード幅が統一される効果と相俟って、ギャップＧ１及びＧ２の変動に拘わらず、余盛りが一定でＴＩＧ（ティグ）溶接のような凝固境界が鮮明な溶接ビードを形成し、外観の均一化をさらに向上させることができる。

また、ギャップＧ１が大きい溶接位置ほど小さなウィービング角θとなるように、溶接位置に応じて異なるウィービング角を設定するようにしたので、ギャップＧ１が大きい溶接位置ではワーク１への入熱量を小さくし、ギャップＧ１が小さい溶接位置では入熱量を大きくすることができる。

これにより、ギャップＧ１の小さな溶接位置では十分な溶け込み量が得られず、ギャップＧ１の大きな溶接位置では溶け落ちが発生しやすいという従来の不都合を解消することができる。また、ウィ―ビング振幅φを統一した場合でも、溶接強度が劣化するのを防止することができる。したがって、外観統一範囲にわたる溶接ビードの外観の均一化に寄与することができる。

なお、本発明は上述実施形態に限定されない。例えば、上述においては、アーク溶接としてＭＩＧ溶接を行う場合について説明したが、ＭＩＧ溶接に限らず、他のアーク溶接、例えば鉄系の母材に使用されるＭＡＧ（マグ）溶接や、炭酸ガスアーク溶接に本発明を適用することもできる。

また、上述においては、溶接継手がせぎり継手の場合について説明したが、他の溶接継手、例えば重ね継手の場合にも、本発明を適用することができる。その場合、外観統一範囲にわたり、重ね継手の重なり部分における隙間が測定され、その測定結果に基づき、溶接ビードの外観が均一となるように、溶接条件が設定される。

１…ワーク、Ｐｎ−１、Ｐｎ、Ｐｎ−１…教示点（測定点）、１３…せぎり継手、Ｓ１…測定工程、Ｓ２…設定工程、Ｓ３…溶接工程。

Claims (3)

1. ワーク上の溶接線に沿った所定範囲内の複数の測定点について、測定点毎に溶接継手の幾何学量を測定する測定工程と、
   前記測定工程による幾何学量の測定結果に基づき、前記所定範囲にわたるアーク溶接による溶接ビードの外観が均一となるように溶接条件を設定する設定工程と、
   前記設定工程で設定された溶接条件に従い、前記所定範囲にわたるアーク溶接を行う溶接工程とを具備することを特徴とするアーク溶接方法。
2. 前記溶接継手は、せぎり継手であり、
   前記測定工程では、前記せぎり継手についての前記ワークの面に平行な方向の間隔を測定し、
   前記設定工程では、前記測定工程で測定されたせぎり継手の間隔の最大値に対応するウィービング幅を、前記所定範囲にわたる共通のウィービング幅として設定することを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接方法。
3. 前記溶接継手は、せぎり継手であり、
   前記測定工程では、前記せぎり継手についての前記ワークの面に平行な方向の間隔を測定し、
   前記設定工程では、前記測定工程で測定されたせぎり継手の間隔が大きい溶接位置ほど小さいウィービング角となるように、溶接位置に応じて異なるウィービング角を設定することを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接方法。

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