JP2015098031A - 溶接方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
確実に裏波出すことができる溶接方法および溶接装置を提供する。
【解決手段】
裏波溶接制御による溶接方法において、溶接部に開先設けた複数の被溶接部材を互いに接触して配置する工程と、複数の被溶接部材の溶接部に電極およびフィラを近接させ、溶接部の近傍でフィラを溶融する工程と、複数の被溶接部材の開先を設けた面において、第一の撮像手段を用いて溶融池、電極、フィラを被写体として撮像し、得られた画像に画像処理を施し、第一の情報を抽出する工程と、複数の被溶接部材の開先を設けた面の反対側の面において、第二の撮像手段を用いて裏波、赤熱部を被写体として撮像し、得られた画像に画像処理を施し、第二の情報を抽出する工程と、第一の情報および第二の情報に基づき、溶接条件を制御する工程とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、裏ビードを発生させることを前提とする溶接技術に関する。

容器や配管などの厚板材の開先継手を表面側からアーク溶接を行う場合、多層盛溶接が必要となる。このとき、特に、初層溶接では、裏面側に完全に溶け込む健全な裏ビードを形成する必要がある場合が多い。初層の溶接が完了した後に、裏ビードの形成不良が発見された場合、補修して再溶接する必要がある。場合によっては、開先を再形成して溶接をやり直したり、材料の調達まで遡ってやり直したりすることもある。そのために、確実に裏ビードを発生させるための溶接が望まれる。

特許文献１には、片面自動溶接において、レーザスリット光を溶接部の裏面側から溶接線直角方向に照射して得られる裏波ビードの形状状態の光切断画像を干渉フィルタを介してＴＶカメラにて撮像し、この撮像した画像を画像処理して裏波ビード高さを求め、この裏波ビードの高さと溶接姿勢とに応じて溶接条件を制御することが記載されている。

また、特許文献２には、溶接部の裏面を撮像して得られた画像データから赤熱部の大きさを検出し、低周波ＴＩＧパルスアーク溶接の周期よりも長く設定された検出時間内で、前記赤熱部の大きさが増減している時は適正な裏波ビードが形成されていると判定し、その判定結果を出力、表示すること、あるいは前記判定後に前記赤熱部の輝度データの総和を求め、この輝度データの総和に基づいて裏波ビードの大小を評価し、その評価結果を出力することが記載されている。

また、特許文献３には、厚板の管部材又は平板部材を相互に突き合せた開先継手に対して、パルスアーク溶接又は直流アーク溶接の適正施工によって裏面側に凹みのない凸形状でほぼ均一な裏ビードを形成する技術が提案されている。具体的には、裏面側の溶融プール及びこの周辺部を撮像する第１の撮像手段及び照明手段を電極の位置と反対側となる裏面側の位置に配備し、前記第１の撮像手段によって撮像される前記裏面側の溶融プール及びこの周辺部の映像と、この映像の大きさ又は裏面側の溶融プール幅又はこの溶融プール近傍の裏ビード幅を示す寸法、初層溶接で形成すべき裏ビード幅の適正範囲を示す特定値とを画面表示する第１の映像表示手段を配備する技術について述べられている。

また、特許文献４には、複数の被溶接部材が互いに接触しかつ溶接電極により溶融される開先溶融部のうち前記溶接電極を臨む面とは反対側となる裏側の溶融プールを被写体として撮像し、この撮像による溶融プールの画像を処理して前記溶融プールの形状特徴量を抽出し、この形状特徴量を基に溶接条件を制御する裏波溶接制御方法が提案されている。

特開平７−２１４３１６号公報 特開２０００−６１６３７号公報 特開２００６−１９２４３７号公報 特開２００１−２５８６７号公報

しかしながら、上述の特許文献に記載されている方法は、裏波が発生することを前提にしている方法であり、確実に裏波を出す方法については述べられていない。また、溶接裏面の溶融池の大きさの変化を判定基準として用いることについて述べられているが、溶接裏面部での温度情報を入手する技術について開示されていない。また、溶接裏面の赤熱部の大きさの変化を判定基準として用いることについて述べられているが、赤熱部の大きさに関する情報であり、入熱温度は確認していない。

本発明の目的は、溶接部の状態をモニタし、その情報に基づき溶接条件を制御することにより、確実に裏波出すことができる溶接方法および溶接装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、裏波溶接制御による溶接方法において、溶接部に開先を設けた複数の被溶接部材を互いに接触して配置する工程と、前記複数の被溶接部材の溶接部に電極およびフィラを近接させ、前記溶接部の近傍でフィラを溶融する工程と、前記複数の被溶接部材の開先を設けた面において、第一の撮像手段を用いて溶融池、電極、フィラを被写体として撮像し、得られた画像に画像処理を施し、第一の情報を抽出する工程と、前記複数の被溶接部材の開先を設けた面の反対側の面において、第二の撮像手段を用いて裏波、赤熱部を被写体として撮像し、得られた画像に画像処理を施し、第二の情報を抽出する工程と、前記第一の情報および前記第二の情報に基づき、溶接条件を制御する工程とを有することを特徴とする。

本発明によれば、確実に裏波を出すことができる溶接が可能となり、耐久性および信頼性に優れた溶接が実現できる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施形態に係る全体構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る全体フローを示す図である。 本発明の一実施形態に係る開先部の拡大図である。 本発明の一実施形態に係る溶接中の開先部近傍の装置構成および現象を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る円筒部材の溶接における円筒内部に裏波モニタリング用カメラを設置した状態を示す図である。 本発明の一実施形態に係る円筒部材の溶接における円筒内部をモニタリングするためのカメラの構成例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る溶融池モニタリングカメラと裏波モニタリングカメラの画像および画像から得られた情報を表示する画面構成例を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係る溶融池の位置が所望の位置からずれ始めている様子を模式的に示す図である。 本発明の一実施形態に係るフィラの位置ずれの様子を模式的に示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

図１は本発明に係る裏波溶接制御装置が採用された溶接システムの全体構成図である。本実施例において、被溶接部材１０ａ、１０ｂは円筒形状に形成されており、各被溶接部材１０ａ、１０ｂの軸方向端面には開先加工が施されている。そして各被溶接部材１０ａ、１０ｂは軸方向端面が互いに接触した状態で重ね合わせられた状態で配置されている（図３参照）。各被溶接部材１０ａ、１０ｂが互いに接触するラインは開先線２３として設定されており（図４参照）、被溶接部材１０ａ、１０ｂの表面側には電極２４が配置されている。この電極２４は、台車８と一体となって配置されている。台車８は、電極位置制御部２からの信号に応答して、被溶接部材１０ａまたは１０ｂ外周に、開先線２３と平行に取り付けられた走行軸（図示省略）上を走行するようになっており、台車８の走行により電極２４が開先線２３に沿って移動するとともに、開先線２３と直交する二方向に移動できるようになっている。そしてＴＩＧ溶接電源部４からのアーク電圧、溶接電流にしたがって電極２４による溶接が被溶接部材１０ａ、１０ｂに施されると、被溶接部材１０ａ、１０ｂの開先の部分が溶融され、この溶融部のうち電極２４を臨む面とは反対側となる裏側に溶融プールが形成されるようになっている。ここで、被溶接部材１０ａ、１０ｂと、電極２４、フィラ１９などの溶接設備の位置関係は相対位置関係であるので、電極２４、フィラ１９が固定されており、被溶接部材１０ａ、１０ｂが回転する機構であっても、何ら問題はない。

このとき被溶接部材１０ａ、１０ｂの表側の溶接状態、すなわちアーク状態は、例えば、ＣＣＤカメラのような第１の撮像部６によって撮像されるようになっている。すなわち、第１の撮像部６には、フィルタ（図示省略）を介して光学映像が取り込まれ、溶融池２１、電極２４、フィラ１９の状況が確認できるようになっている。なお、この第１の撮影部６も電極２４の移動に合わせて走行軸上を移動できるようになっている。

一方、被溶接部材１０ａ、１０ｂの裏波溶接状態を監視するために、被溶接部材１０ａ、１０ｂの裏側には、第２の撮像部１１が配置されている。第２の撮影部１１が挿入される円筒内面は、高温になる。また、シールドガスが注入されているため（図示省略）、耐熱性とシールド性を持つ必要がある。すなわち、図５に示すように、円筒の内面に挿入可能で、溶接部材とある程度密着させる必要がある。図６に耐熱性とシールド性を持つ第２の撮像部１１の構成例を示す。撮像素子４４、レンズ４５は、鏡筒４３の内部に配置される。また、円筒の軸方向から挿入して、裏波部分を撮影するために、撮影方向を側面に向けるための側視ミラー４７が配置されている。また、撮像素子４４、レンズ４５を収納するケース５３は鏡筒４３と密着する構成となっている。そのため、冷却水または冷却空気の挿入経路４９、冷却水または冷却空気の排出経路５０を用いて冷却水または冷却空気の挿入、排出が可能であり、これにより耐熱性を確保することができる。

また、撮像素子４４およびレンズ４５は、可視領域から遠赤外領域まで対応しており、可視領域からは光学画像を得ることができ、また、遠赤外領域からは温度画像を得ることができる。第１の撮像部６と、第２の撮像部１１から得られた画像は、各々、第１の撮像部６の制御部１２と第２の撮像部１１の制御部１３を介してコンピュータ１５に送られ、所望の処理が施される。また、第１の撮像部６と、第２の撮像部１１から得られた画像は、第１の撮像部のモニタ１７、第２の撮像部のモニタ１６に映し出される。処理された画像や得られた情報は総合表示モニタ１８に映し出される。

次に、図２を用いて、全体の処理フローについて説明する。先ず、ステップＳ１で、溶接条件を設定する。すなわち、溶接条件設定部Ｆ１００にて、ベース電流の初期値Ｆ１、ピーク電流の初期値Ｆ２、パルス周期初期値Ｆ３、パルスデューティー比初期値Ｆ４、送り速度（回転速度）初期値Ｆ５を設定する。続いて、ステップＳ２で裏波モニタリングが、同時に、ステップＳ３で溶融池モニタリングが開始される。続いて、ステップＳ４で溶接が開始される。次に、ステップＳ５で必要に応じ溶接条件を再設定する。ステップＳ２で裏波モニタリングが開始されると、その後、ステップＳ６で照明がＯＮとなり、ステップＳ７で画像が取得される。この画像が裏波の光学画像となる。裏波の光学画像から、ステップＳ８で開先線位置が抽出され、ステップ９で裏波が抽出され、続いて、ステップＳ１０で裏波進展速度が計算される（具体的には、裏波先端位置が抽出される）。抽出された情報は、判定部Ｄ１００に送られ、Ｄ３にて進展異常が確認された場合には、ステップＳ２１にて異常種別が判定され、ステップ２２にて、入熱位置を最適化するために、送り速度を増減等の制御が施される。次に、ステップ１１で照明がＯＦＦとなり、ステップ１２で熱輻射画像が取得される。この画素が温度分布画像となる。温度分布画像から、裏部の赤熱部の温度重心が求められる。また、温度分布の情報も得られる。抽出された情報は、判定部Ｄ１００に送られ、Ｄ４にて温度異常が確認された場合には、ステップＳ２１にて異常種別が判定され、ステップ２２にて、温度を最適化するために、入熱量すなわち電流の増減等の制御が施される。

一方、ステップＳ３で溶融池モニタリングが開始されると、ステップ１４で画像が取得され、ステップＳ１５で溶融池境界が、ステップＳ１６でトーチ位置が、ステップＳ１７でアーク領域が、ステップＳ１８でアーク強度が、ステップＳ１９でアーク重心位置が、ステップ２０でアークの広がりが抽出される。抽出された情報は、判定部Ｄ１００に送られ、Ｄ１で溶融池の境界位置異常が、具体的には、溶融池の先端位置の異常が確認された場合には、ステップＳ２１にて異常種別が判定され、ステップ２２にて、温度を最適化するために、送り速度を増減等の制御が施される。また、Ｄ３で電極位置の異常が確認された場合には、ステップＳ２１にて異常種別が判定され、ステップ２２にて電極位置の補正が行われる。
Ｄ５でアーク強度の異常が、Ｄ６でアークの重心位置異常が、Ｄ７でアークの広がり異常が確認された場合には、ステップＳ２１にて異常種別が判定され、ステップ２２にて電流の増減等の制御が施される。

図７は、上記の様子を逐次モニタ上に表示する様子を示したものである。表面の溶融池のモニタリングでは、例えば、アークの輝度重心７０の位置の変化を示している。また、電極の先端位置７１、フィラの先端位置７２の位置を示している。グラフ７８ａは、スライダ７７を用いることで、時間時を動かすことができ、必要に応じて過去の状況を確認することができる。また、裏面のモニタリングでは、例えば、裏波の先端位置７４を示している。また、赤熱部の重心位置７５、先端位置７９を示している。さらには、温度分布を示している。温度分布の表示スケールは、スライダ８０を用いて変更することができる。裏波の先端位置７４の時間変化をグラフ７８ｂで示している。また、赤熱部の重心位置７５と赤熱部の先端位置７９の時間変化をグラフ７８ｃで示している。グラフ７８ｂと７８ｃは、グラフ７８ａと同様に、スライダ７７を用いることで、時間時を動かすことができ、必要に応じて過去の状況を確認することができる。

図８は、表面の溶融池の先端位置７３が徐々にずれていく様子を示している（７３ａ、７３ｂ、７３ｃ）。図９は、フィラの先端位置７２が徐々にずれていく様子を示している（７２ａ、７２ｂ、７２ｃ）。フィラは、元々、巻かれていることが多く、形状が巻き形状に倣ってしまい、先端位置がずれることがある。アークに対するフィラの突入位置がずれると、他の条件に問題が無くても、溶接状況が変わってしまうため、フィラの先端位置７２をモニタリングし、常に所望の位置に保つことは、非常に重要である。このように、モニタに表示することによって、視覚的にも異常を確認できる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…操作部、２…電極位置制御部、３…台車制御部、４…ＴＩＧ溶接電源部、５…トーチ、６…第１の撮像部、７…フィラ送り出し部、８…台車、９…裏波、１０，１０ａ，１０ｂ…溶接部材、１１…第２の撮像部、１２…第１の撮像部の制御部、１３…第２の撮像部の制御部、１４…照明部制御部、１５…コンピュータ、１６…第２の撮像部のモニタ、１７…第１の撮像部のモニタ、１８…総合表示モニタ、２０…開先、１９…フィラ、２１…溶融池、２２…赤熱部、２３…開先線、２４…電極、３０…ケーブル、３２…円筒内面に挿入する仕様の第２の撮像部、４０…シールド部、４１…シールド部の構成部品、４２…シールド部の構成部品、４３…鏡筒、４４…撮像素子、４５…レンズ、４６…ウインドウ、４７…側視ミラー、４９…冷却水または冷却空気の挿入経路、５０…冷却水または冷却空気の排出経路、５１…照明、５２…ウインドウ、５３…ケース、７０…アークの輝度重心、７１，７１ａ，７１ｂ，７１ｃ…電極の先端位置、７２…フィラの先端位置、７３，７３ａ，７３ｂ，７３ｃ…溶融池の先端位置、７４…裏波の先端位置、７５…赤熱部の重心位置（最高温度部）、７６…赤熱部の最高温度の時間変化、７７…７８ａ，７８ｂ，７８ｃの表示時間を変えるためのスライダ、７８ａ…電極先端位置、フィラ先端位置、溶融池の先端位置の時間変化、７８ｂ…裏波の先端位置の時間変化、７８ｃ…赤熱部の最高温度部と赤熱部の先端位置の時間変化、７９…赤熱部の先端位置、８０…温度分布表示を変えるためにスライダ、９１，９２…フィラの位置ずれ、９３…フィラの角度ずれ。

Claims (10)

1. 以下の工程を含む溶接方法
   （ａ）溶接部に開先設けた複数の被溶接部材を互いに接触して配置する工程と、
   （ｂ）前記複数の被溶接部材の溶接部に電極およびフィラを近接させ、前記溶接部の近傍でフィラを溶融する工程と、
   （ｃ）前記複数の被溶接部材の開先を設けた面において、第一の撮像手段を用いて溶融池、電極、フィラを被写体として撮像し、得られた画像に画像処理を施し、第一の情報を抽出する工程と、
   （ｄ）前記複数の被溶接部材の開先を設けた面の反対側の面において、第二の撮像手段を用いて裏波、赤熱部を被写体として撮像し、得られた画像に画像処理を施し、第二の情報を抽出する工程と、
   （ｅ）前記第一の情報および前記第二の情報に基づき、溶接条件を制御する工程。
2. 前記（ｃ）および前記（ｄ）は同時に実行されることを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
3. 前記第一の情報は、電極位置情報、フィラ先端位置情報、溶融池の先端位置情報を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の溶接方法。
4. 前記第二の情報は、裏波の先端位置情報、赤熱部の最高温度部の位置情報、赤熱部の先端位置情報を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の溶接方法。
5. 前記第二の撮像手段は、耐熱カメラであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の溶接方法。
6. 前記第二の撮像手段を用いて裏波、赤熱部を被写体として撮像して得られた画像は、可視光学画像および熱画像であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の溶接方法。
7. 被溶接部材の溶接部近傍でフィラを溶融する電極と、
   前記電極が固定された移動可能な台車と、
   前記被溶接部材の前記電極と対向する面において、前記溶接部近傍の溶融池、前記電極、前記フィラを撮像する第一の撮像手段と、
   前記被溶接部材の前記電極と対向する面の反対側の面において、裏波、赤熱部を撮像する第二の撮像手段と、
   前記第一の撮像手段により撮像した画像を処理する第一の制御部と、
   前記第二の撮像手段により撮像した画像を処理する第二の制御部と、
   前記第一の画像処理部および前記第二の画像処理部のデータを処理するデータ処理部と、
   を有する溶接装置。
8. 前記第二の撮像手段は、耐熱カメラであることを特徴とする請求項７に記載の溶接装置。
9. 前記第二の撮像手段により撮像された画像は、可視光学画像および熱画像であることを特徴とする請求項７または８に記載の溶接装置。
10. 前記第一の撮像手段で撮像された画像を映す第一のモニタと、
    前記第二の撮像手段で撮像された画像を映す第二のモニタと、
    をさらに有する請求項７から９のいずれかに記載の溶接装置。

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