JP2014108456A - 溶接品質自動管理装置および溶接品質自動管理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接電流と溶接音、および温度補正を加味した音速に基づいて、溶接長、溶接速度を求め、溶接品質の自動管理に供し得る、溶接品質自動管理装置および溶接品質自動管理方法を提供する。
【解決手段】溶接作業場における溶接音データを含む被溶接部周囲の騒音データと、被溶接部周囲の温度データと、溶接装置の溶接電源情報データとを自動収集して、溶接品質管理に供する溶接品質自動管理装置である。温度検出部からの温度データを基に温度補正を加味した音速と溶接音抽出部からの溶接音データと溶接電源情報取得部からの溶接電源情報データとから、溶接長および溶接速度を算出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、溶接品質自動管理装置および溶接品質自動管理方法に関し、特には、溶接電流と溶接音、および温度補正を加味した音速に基づいて、溶接長、溶接速度を求め、溶接品質の自動管理に供し得る、溶接品質自動管理装置および溶接品質自動管理方法に関するものである。

従来、半自動アーク溶接など手溶接において、溶接入熱量管理を必要とする場合の記録作業は、図７に示すように、溶接装置１の溶接電源装置２と溶接棒を保持したトーチ３を作業者が手で持って、溶接棒を母材と共に溶融して行われる溶接作業中に行われるもので、計測記録員によるクランプメータ４等での溶接中電流・電圧計測およびストップウォッチでの溶接時間計測などが行われている。
そして、計測記録員は、被溶接部ｗｐを溶接後に溶接長さを計測し、溶接中電流・電圧計測と溶接時間計測を集計して、かかる計測データから以下のように、溶接入熱量を求めて記録していた。
溶接入熱（ジュール／ｃｍ）＝電流(A)×電圧(V)×60／溶接速度(cm/分)
また、溶接速度は、
溶接速度(cm/分)＝溶接長さ(cm)/溶接時間(分)

ところで、特許文献１には、ＴＩＧ溶接時に、溶接部付近から発生する溶接音を集音マイクにより集めるとともに、この集められた溶接音のうち、２０kHz付近の音圧レベルを検出することにより、風による外乱を検出することが開示されている。

また、特許文献２に開示された電気溶接部の品質管理では、熱センサを被溶接物に配置して、自動的に計測を行うとしている。

さらに、特許文献３に開示される溶接条件監視装置では、電流、電圧を自動収集し、自動判定を行っている。

特開平１０−９９４１号公報 特開２００１−７９６８３号公報 実公平１−３３２７４号公報

しかしながら、特許文献１では、ただ単に溶接音を抽出するだけであり、音は周囲の温度によって音速が変動するにもかかわらず、かかる音速の要素が考慮されていない。
また特許文献２での熱センサは溶接熱を検知して、温度変化から溶接速度を求めるとしているが、温度変化から音速を補正して補正された音速を基に溶接速度を求めることはしていない。しかも、熱センサは設置のための手間がかかり過ぎ、溶接施工中に破損する恐れがある。
さらに特許文献３では、入熱算定に必要な溶接速度は手入力により行っており、完全に自動化されているわけではない。
本発明は、以上のような課題を改善するために提案されたものであって、溶接電流と溶接音と、温度補正を加味した音速とに基づいて溶接長、溶接速度を自動的に求め、溶接品質の自動管理に供し得る、溶接品質自動管理装置および溶接品質自動管理方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明にかかる請求項１では、溶接作業場における溶接装置による被溶接部に対する溶接音データを含む被溶接部周囲の騒音データと、被溶接部周囲の温度データと、溶接装置の溶接電源情報データとを自動収集して、溶接品質管理に供する溶接品質自動管理装置において、溶接音データを含む被溶接部周囲の騒音データを取得して、溶接音データを抽出する溶接音抽出部と、被溶接部周囲の温度データを取得する温度検出部と、溶接装置の溶接電源情報データを取得する溶接電源情報取得部と、温度検出部からの温度データと溶接音抽出部からの溶接音データと溶接電源情報取得部からの溶接電源情報データとから、溶接長および溶接速度を算出し、溶接品質管理に供するデータ収集蓄積管理部と、を具備することを特徴とする。

これにより、溶接作業場における溶接装置による被溶接部に対する溶接音データと該溶接音データを含む被溶接部周囲の騒音データと、被溶接部周囲の温度データと、溶接装置の溶接電源情報データとを人手によらず、自動的に収集して、溶接品質管理に供することができる。

また本発明にかかる請求項２では、データ収集蓄積管理部は、温度検出部からの温度データを基に、音速の温度補正を行って温度補正音速値を算出する温度補正音速値算出部と、温度補正音速値算出部で算出された温度補正音速値と、溶接音データと溶接電源情報データとに基づく溶接時間とから、溶接長および溶接速度を算出する溶接データ算出部と、を具備する、ことを特徴とする。

これにより、距離、温度により変動する音速を補正して、この補正された音速と、溶接音データと溶接電源情報データとに基づく溶接時間とから溶接長、および溶接速度を算出するので、正確なデータを得ることができ、溶接管理に供することができる。

また本発明にかかる請求項３では、前記溶接音抽出部および前記溶接電源情報取得部は、溶接音データおよび溶接電源情報データのそれぞれ溶接開始点と溶接終了点とを把握するための、閾値が設定されている、ことを特徴とする。

これにより、溶接開始時と溶接終了時の誤検知を防止することができる。

また本発明にかかる請求項４では、溶接音抽出部は、被溶接部周囲における騒音データを取得する音響センサと、音響センサからの騒音データから、騒音データのレベルが比較的低い周波数帯域において、溶接音のデータを抽出するバンドパスフィルタと、バンドパスフィルタからの抽出データから、所定の閾値以上の値となった時を溶接開始時間とし、閾値以下となった時を溶接終了時間とした音圧レベル検出部と、を備えた、ことを特徴とする。

これにより、騒音のレベルが比較的低い所定周波数帯域において、音響センサからの騒音データから、バンドパスフィルタにより騒音にかかるデータを分離して、溶接音データを抽出することができる。さらにこの溶接音データから、所定の閾値以上の値となった時を溶接開始時間とし、閾値以下となった時を溶接終了時間としてデータを抽出することができる。

さらに本発明にかかる請求項５では、溶接作業場における溶接装置による被溶接部に対する溶接音データを含む被溶接部周囲の騒音データと、被溶接部周囲の温度データと、溶接装置の溶接電源情報データとを自動収集する、溶接品質自動管理方法であって、溶接音データを含む騒音データを取得して、溶接音データを抽出するステップ１と、温度データを取得するステップ２と、溶接電源情報データを取得するステップ３と、温度データを基に、音速の温度補正を行って温度補正音速値を算出するステップ４と、算出された温度補正音速値と、溶接音データと溶接電源情報データとに基づく溶接時間とから、溶接長および溶接速度を算出するステップ５と、を具備することを特徴とする。

これにより、溶接品質管理に必要な溶接長および溶接速度を自動的に算出することができ、溶接入熱量管理を必要とする場合の記録作業に、手入力による手間は不要であり、溶接品質の自動管理が可能となる。

本発明によれば、距離、温度により変動する音速を補正して、この補正された音速と、溶接音データと溶接電源情報データとに基づく溶接時間とから溶接長、および溶接速度を自動的に算出することができる。これにより、溶接品質の自動管理に供することができる。

本発明にかかる溶接品質自動管理装置および溶接品質自動管理方法を実施するための一実施形態を示す模式的な構成図である。 図１に示す溶接品質自動管理装置のブロック図である。 図１に示す溶接品質自動管理装置の溶接音抽出部により取得されたデータの一例を示す、グラフである。 図１に示す溶接品質自動管理装置の溶接電源情報取得部により取得されたデータの一例を示す、グラフである。 溶接品質自動管理方法を実行するためのフローチャートである。 ＴＩＧ溶接を実施した際の、工場の溶接作業場内にての溶接音他を含む、種々の騒音の周波数特性を示した一例を示すグラフである。 従来の手溶接の管理手順を実行する一例を示した、模式的な構成図である。

以下、本発明にかかる溶接品質自動管理装置および溶接品質自動管理方法を実施する際の一実施形態を示し、添付された図面を参照しながら説明する。

図１、図２に溶接品質自動管理装置１０を示し、この溶接品質自動管理装置１０は、溶接作業場における溶接中のデータを自動収集して、溶接品質管理に供するものである。この場合、溶接中のデータは、ここでは、溶接装置１による被溶接部ｗｐに対する溶接音データと、溶接音データを含む被溶接部周囲の騒音データと被溶接部周囲の温度データと、溶接装置１の溶接電源情報データとを含む。
すなわち、溶接品質自動管理装置１０は、溶接作業場における溶接装置１による被溶接部ｗｐに対する溶接音データを取得する溶接音抽出部１１と、溶接中における溶接装置１の溶接電源情報データを取得する溶接電源情報取得部１２と、溶接音抽出部１１と溶接電源情報取得部１２とから、溶接音データと、溶接音データを含む騒音データと、温度データと、溶接電源情報データとを収集して溶接長および溶接速度を算出し、溶接品質管理に供するデータ収集蓄積管理部１３とを具備する。

溶接音抽出部１１は、被溶接部周囲における騒音データを取得する音響センサ１４と、音響センサ１４からの騒音データから、騒音のレベルが比較的低い周波数帯域（後述）において、溶接音のデータを抽出するバンドパスフィルタ１５と、バンドパスフィルタ１５からの抽出データから、所定の閾値α(dB)以上の値となった時を溶接開始時間Ｔｓ１とし、閾値α(dB)以下となった時を溶接終了時間Ｔｓ２とした音圧レベル検出部１６と、を備えている。
音圧レベル検出部１６からの溶接音データである音圧データの一例を図３に模式的に示す。
かかる音圧データは、音圧レベル検出部１６からインタフェース１７を介して例えば無線ＬＡＮによりデータ収集蓄積管理部１３に送られるようになっている。
また、溶接作業場における溶接装置１による被溶接部ｗｐ周囲には、温度検出部１８（以下、温度センサ１８）が設けられる。温度センサ１８からの温度データは、音圧レベル検出部１６を介してインタフェース１７に送られ、インタフェース１７から例えば無線ＬＡＮによりデータ収集蓄積管理部１３に送られるようになっている。

また、溶接電源情報取得部１２は、溶接装置１の溶接電源装置２における電源情報、すなわち溶接電流値を取得する電流測定器１９を具備する。電流測定器１９では、所定の電流値として閾値β(A)が設定値として与えられるようになっており、電流値が閾値β(A)が以上の値となった時を溶接開始時間Ｔｗ１とし、閾値β(A)以下となった時を溶接終了時間Ｔｗ２としている。
電流測定器１９で得られる溶接電流データの一例を図４に模式的に示す。
かかる溶接電流データは、電流測定器１９からインタフェース２０を介して溶接電流データとして例えば有線ＬＡＮまたは無線ＬＡＮによりデータ収集蓄積管理部１３に送られるようになっている。

以上、溶接音抽出部１１および溶接電源情報取得部１２で得られる音圧データ、溶接電流データは、それぞれ閾値α(dB)、閾値β(A)を設定したことにより、溶接開始時間および溶接終了時間を正確に検知できるため、後述する溶接長および溶接速度の算出を正確なものとなる。

そしてデータ収集蓄積管理部１３について説明する。
データ収集蓄積管理部１３は、溶接音抽出部１１と溶接電源情報取得部１２とから、溶接中のデータとして音圧データ、温度データおよび溶接電流データを収集して信号処理して蓄積し、ディスプレイＤｐに表示したり、プリンタＰｔにプリントアウトしたりして、溶接管理に供するようにしている。
すなわち、データ収集蓄積管理部１３は、温度検出部１８によって取得された被溶接部ｗｐ周囲における温度データを基に、音速の温度補正を行って温度補正音速値を算出する温度補正音速値算出部２１を具備する。
音速の温度補正を行うことによって、温度の変動にかかわらず以下の算出データを正確なものとすることができる。
さらにデータ収集蓄積管理部１３は、温度補正音速値算出部２１で算出された温度補正音速値と収集された溶接中のデータから溶接長および溶接速度を算出する溶接データ算出部２２を具備する。
すなわち、溶接データ算出部２２では、先ず溶接長を式（１）によって算出するようにしている。

溶接長＝音速×｛(Ts2−Tw2)−(Ts1−Tw1)｝……（１）

次いで、溶接データ算出部２２では、溶接速度を式（２）によって算出するようにしている。

溶接速度＝溶接長／(Tw2−Tw1)
＝音速×｛(Ts2−Tw2)−(Ts1−Tw1)｝／(Tw2−Tw1)……（２）

次に、溶接品質自動管理装置１０の溶接品質自動管理方法について、図５に示すフローチャートに基づいて説明する。
作業者は溶接棒を保持したトーチ３を手に持ち、溶接装置１の溶接電源装置２をスタートさせることで溶接作業が開始される。
溶接作業と共に溶接品質自動管理装置１０を起動させると、溶接音抽出部１１において、被溶接部周囲における溶接音を含む騒音データが音響センサ１４によって捉えられる。次いで音響センサ１４からの騒音データは、騒音のレベルが比較的低い周波数帯域（後述）において、バンドパスフィルタ１５により他の騒音データから溶接音データを分離することができる。この分離された溶接音データは、音圧レベル検出部１６において、所定の閾値α(dB)以上の値となった時を溶接開始時間Ｔｓ１とし、閾値α(dB)以下となった時を溶接終了時間Ｔｓ２とした音圧データとして取り出すことができる（図３参照）。この音圧データはインタフェース１７から例えば無線ＬＡＮによりデータ収集蓄積管理部１３に送られる（以上、ステップＳ１）。

また、溶接作業開始で、被溶接部ｗｐ周囲の温度が温度センサ１８によって捉えられ、温度センサ１８からの温度データは、音圧レベル検出部１６を介してインタフェース１７に送られ、インタフェース１７から例えば無線ＬＡＮによりデータ収集蓄積管理部１３に送られる（ステップＳ２）。

さらに、溶接作業開始で、溶接電源情報取得部１２において、溶接装置１の溶接電源装置２における溶接電流値を電流測定器１９によって取得することができる。このとき、電流測定器１９では、所定の電流値として閾値β(A)が設定値として与えられ、電流値が閾値β(A)が以上の値となった時を溶接開始時間Ｔｗ１とし、閾値β(A)以下となった時を溶接終了時間Ｔｗ２として、溶接電流データとして取り出すことができる（図４参照）。
かかる溶接電流データは、電流測定器１９からインタフェース２０を介して例えば有線ＬＡＮまたは無線ＬＡＮによりデータ収集蓄積管理部１３に送られる（ステップＳ３）。

そして、データ収集蓄積管理部１３では、温度補正音速値算出部２１において、被溶接部ｗｐ周囲における温度データを基に、音速の温度補正を行って温度補正音速値を算出する（ステップＳ４）。
さらにデータ収集蓄積管理部１３は、溶接データ算出部２２において、温度補正音速値算出部２１で算出された温度補正音速値と、収集された音圧データと溶接電流データとから、溶接長および溶接速度を、上述の（１）式および（２）式に基づいて算出する（ステップＳ５）。
以上のようにして算出された溶接長および溶接速度のデータは、データ収集蓄積管理部１３において、例えばディスプレイＤｐに表示したり、プリンタＰｔにプリントアウトして、溶接管理に供することができる。

ここで、音響センサで得られた溶接作業場における溶接音を含む騒音の周波数特性の一例を図６に示して、説明する。図６では、ＴＩＧ溶接を実施した際の溶接作業場で捉えられた様々な騒音の波形を周波数（kHz）−音圧レベル（dB）で示している。
図６において、Ａは、暗騒音（対象としている溶接音が出ていないときのその溶接作業場における騒音）を示し、Ｂは溶接音、Ｃは、横風によるシールドをした時の音、Ｄは水漏れ時の騒音を示している。
図６が示す各騒音の周波数特性の例では、騒音の音圧レベルが４〜５kHzにおいて低くなる傾向が示されている。
したがって、４〜５kHzにおいて、溶接作業場における騒音から溶接音を抽出するようなバンドパスフィルタ１５を用いることで、溶接音のデータを抽出することができるのである。
なお、騒音が低くなる周波数帯域は、溶接作業場、工場設備が異なると変化するため、溶接作業場ごとに予め特徴を把握しておく必要がある。それによって、最も、溶接音を抽出することができる周波数帯域を捉えることができ、対応するバンドパスフィルタを選定することができる。

以上、本発明にかかる溶接品質自動管理装置および溶接品質自動管理方法について、一実施形態を挙げ、説明したが、本発明によれば、溶接電流、溶接音と、温度補正を加味して求めた音速に基づいて溶接長、溶接速度を自動的に算出することができる。
したがって従来のような手溶接のように、溶接入熱量管理を必要とする場合の記録作業に、手入力による手間は不要であり、溶接品質の自動管理が可能となる。

本発明によれば、溶接にかかるデータを人手によらずに自動的に収集して有用な溶接長、および溶接速度を算出して溶接管理に供するようにしたので、あらゆる溶接現場、例えば鉄鋼船、鋼材による高架橋、鉄塔等、広く鉄鋼製品の溶接作業に適用可能である。

１０ 溶接品質自動管理装置
１１ 溶接音抽出部
１１ａ溶接音温度補正部
１２ 溶接電源情報取得部
１３ データ収集蓄積管理部
１３ａ溶接データ算出部
１４ 音響センサ
１５ バンドパスフィルタ
１６ 音圧レベル検出部
１７ インタフェース
１８ 温度検出部
１９ 電流測定器
２０ インタフェース
２１ 温度補正音速値算出部
２２ 溶接データ算出部
Ｄｐ ディスプレイ
Ｐｔ プリンタ

Claims (5)

1. 溶接作業場における溶接装置による被溶接部に対する溶接音データを含む前記被溶接部周囲の騒音データと、前記被溶接部周囲の温度データと、前記溶接装置の溶接電源情報データとを自動収集して、溶接品質管理に供する溶接品質自動管理装置において、
   前記溶接音データを含む被溶接部周囲の騒音データを取得して、前記溶接音データを抽出する溶接音抽出部と、
   前記被溶接部周囲の温度データを取得する温度検出部と、
   前記溶接装置の溶接電源情報データを取得する溶接電源情報取得部と、
   前記温度検出部からの温度データと前記溶接音抽出部からの溶接音データと前記溶接電源情報取得部からの溶接電源情報データとから、溶接長および溶接速度を算出し、溶接品質管理に供するデータ収集蓄積管理部と、
   を具備することを特徴とする溶接品質自動管理装置。
2. 前記データ収集蓄積管理部は、前記温度検出部からの温度データを基に、音速の温度補正を行って温度補正音速値を算出する温度補正音速値算出部と、
   該温度補正音速値算出部で算出された温度補正音速値と、前記溶接音データと溶接電源情報データとに基づく溶接時間とから、溶接長および溶接速度を算出する溶接データ算出部と、を具備することを特徴とする請求項１に記載の溶接品質自動管理装置。
3. 前記溶接音抽出部および前記溶接電源情報取得部は、溶接音データおよび溶接電源情報データのそれぞれ溶接開始点と溶接終了点とを把握するための、閾値が設定されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の溶接品質自動管理装置。
4. 前記溶接音抽出部は、前記被溶接部周囲における騒音データを取得する音響センサと、
   該音響センサからの前記騒音データから、前記騒音のレベルが比較的低い周波数帯域において、前記溶接音データを抽出するバンドパスフィルタと、
   該バンドパスフィルタからの抽出データから、所定の閾値以上の値となった時を溶接開始時間とし、前記閾値以下となった時を溶接終了時間とした音圧レベル検出部と、
   を備えた、ことを特徴とする請求項１に記載の溶接品質自動管理装置。
5. 溶接作業場における溶接装置による被溶接部に対する溶接音データを含む前記被溶接部周囲の騒音データと、前記被溶接部周囲の温度データと、前記溶接装置の溶接電源情報データとを自動収集する、溶接品質自動管理方法であって、
   前記溶接音データを含む騒音データを取得して、前記溶接音データを抽出するステップ１と、
   前記温度データを取得するステップ２と、
   前記溶接電源情報データを取得するステップ３と、
   前記温度データを基に、音速の温度補正を行って温度補正音速値を算出するステップ４と、
   該算出された温度補正音速値と、前記溶接音データと溶接電源情報データとに基づく溶接時間とから、溶接長および溶接速度を算出するステップ５と、
   を具備することを特徴とする溶接品質自動管理方法。
   

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