JP2020069521A

JP2020069521A - 溶接装置及び溶接方法

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Publication number: JP2020069521A
Application number: JP2018206721A
Authority: JP
Inventors: 雄太内田; Yuta Uchida; 省太中西; Shota Nakanishi
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2018-11-01
Filing date: 2018-11-01
Publication date: 2020-05-07

Abstract

【課題】溶加材の位置を適切に制御して溶接が良好に行える溶接装置及び溶接方法を提供する。【解決手段】電極２と溶接母材９の間にアークＡを発生させ、アークＡの熱によりワイヤ３を溶融させて溶接母材９の溶接を行う溶接装置であって、溶接母材９に対するワイヤ３の位置を検出する制御部７と、溶接母材９に対しワイヤ３を移動させる機構であって溶接母材９に対し接近及び離間を周期的に繰り返してワイヤ３を往復移動させる第二移動機構３３を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、溶接装置及び溶接方法に関する。

従来、溶接装置及び溶接方法として、例えば、特許第２９１６８７２号公報に記載されるように、溶接トーチによりアークを発生させ、そのアーク内又は溶融プール内に溶加材（溶接ワイヤ）を送給しながら溶接を行うものが知られている。この溶接装置及び溶接方法は、溶加材と溶接対象（溶接母材）との間の電圧を検出し、この電圧に基づいて溶加材の位置の適否を判別して溶加材の位置を制御しようとするものである。

特許第２９１６８７２号公報

ところで、上述した溶接装置及び溶接方法では、溶接対象に対する溶加材の目標位置を設定し、溶加材が目標位置となるように制御を行っているが、目標位置が溶接対象から離れ過ぎていると、溶加材が溶融プールから常に浮いた状態となり良好な溶接が行えない。一方、目標位置が溶接対象に近過ぎると、溶加材が溶融していない箇所に接触することとなり溶接が良好に行えないこととなる。

このため、溶加材の位置を適切に制御して溶接が良好に行える溶接装置及び溶接方法の開発が望まれている。

本開示の一態様に係る溶接装置は、電極と溶接対象の間にアークを発生させ、アークの熱により溶加材を溶融させて溶接対象の溶接を行う溶接装置において、溶接対象に対する溶加材の位置を検出する検出部と、溶接対象に対し溶加材を移動させる移動機構とを備え、移動機構は、溶接対象の溶接時において、溶接対象に対し接近及び離間を周期的に繰り返して溶加材を往復移動させて構成される。この溶接装置によれば、溶加材を往復移動させて溶接対象に対し接近及び離間を周期的に繰り返すことにより、溶加材が溶接対象から離れ過ぎたり近過ぎたりする状態が継続することを抑制でき、溶加材の溶融が適切に行え、溶接対象の溶接が良好に行える。

また、本開示の一態様に係る溶接装置において、移動機構は、溶加材を溶接対象から離間させ、溶加材が溶接対象から予め設定された距離だけ離れたら溶加材を溶接対象に接近させてもよい。この場合、溶加材が溶接対象から離れ過ぎた状態となることが確実に抑制でき、溶加材の溶融を適切に行うことができる。

本開示の一態様に係る溶接方法は、電極と溶接対象の間にアークを発生させ、アークの熱により溶加材を溶融させて溶接対象の溶接を行う溶接方法において、溶接対象に対する溶加材の位置を検出する検出工程と、溶接対象に対し溶加材を移動させて溶接を行う溶接工程とを含み、溶接工程にて、移動機構により溶加材を溶接対象に対し接近及び離間を周期的に繰り返して溶加材を往復移動させる。この溶接方法によれば、溶加材を往復移動させて溶接対象に対し接近及び離間を周期的に繰り返すことにより、溶加材が溶接対象から離れ過ぎたり近過ぎたりする状態が継続することを抑制でき、溶加材の溶融が適切に行え、溶接対象の溶接が良好に行える。

本開示によれば、溶接対象に対し溶加材を周期的に復移動させることにより、溶接を良好に行うことができる。

本発明の実施形態に係る溶接装置の構成概要図である。図１の溶接装置における溶接状況を示す図である。図１の溶接装置におけるワイヤの高さの変化を示すグラフである。図１の溶接装置におけるワイヤの高さの変化を示すグラフである。図１の溶接装置における動作及び溶接方法を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る溶接装置の構成概要図である。溶接装置１は、溶接母材９を溶接する装置であり、電極２と溶接母材９との間にアークを発生させ、そのアークの熱によりワイヤ３を溶融させて溶接母材９の溶接を行う。溶接母材９は、溶接すべき溶接対象であり、溶接可能な部材が該当する。例えば、溶接母材９の溶接箇所には、Ｖ字状の溝が形成される。本実施形態では、ＴＩＧ（Tungsten InertGas）溶接に適用した場合について説明する。

電極２は、溶接母材９との間にアークを発生させる部材である。電極２は、溶接母材９との間に電圧を印加されることによりアークを発生させる。電極２は、端部を先細りに形成した棒体である。電極２は、アーク発生の際に消耗しにくい部材により形成され、例えばタングステンにより形成される。この電極２は、ノズル２１の先端に取り付けられている。ノズル２１は、その先端からシールドガスＧが噴出可能に設けられている。シールドガスＧは、不活性ガスであり、例えばアルゴンガスが用いられる。ノズル２１は、支持部２２を介して可動部５に取り付けられている。

可動部５は、溶接を行う部材を移動させるための部位であり、溶接方向（図１では、右から左の方向）に沿って移動可能に設けられている。例えば、可動部５は、第一移動機構６に取り付けられ、第一移動機構６の作動により移動する。第一移動機構６は、例えばロボットアームが用いられる。なお、第一移動機構６としては、可動部５を移動できるものであれば、ロボットアーム以外の機構を用いてもよい。第一移動機構６の作動により可動部５が移動することにより、電極２を溶接経路に沿って移動させることができる。

可動部５には、ワイヤ３が取り付けられている。ワイヤ３は、溶接時に溶融される溶加材であり、溶接材又は溶接棒などと称される。ワイヤ３は、チューブ３１内に挿通され、チューブ３１の先端から送り出される。チューブ３１は、ワイヤ支持部３２及び第二移動機構３３を介して可動部５に取り付けられている。第二移動機構３３は、ワイヤ３を移動させる移動機構であり、例えば、溶接経路（図１では溶接母材９の上部における左右方向に沿った経路）に対し左右方向及び溶接位置に対し上下方向へワイヤ３を移動可能に設けられている。

第二移動機構３３は、例えば、モータなどのアクチュエータの駆動により作動する機構が用いられる。ワイヤ支持部３２は、第二移動機構３３に対しチューブ３１を支持する部材である。ワイヤ支持部３２は、第二移動機構３３の作動により、チューブ３１及びワイヤ３と一体となって移動する。チューブ３１の基端側には、コンジットケーブルなどを介して送給機（図示なし）及び収容器（図示なし）が設置されている。送給機は、ワイヤ３を溶接位置へ送り出す機器である。収容器は、ワイヤ３をリールなどに巻いて収容している。この送給機及び収容器は、公知のものを用いることができる。

第二移動機構３３は、溶接母材９の溶接時において、溶接母材９に対し接近及び離間を周期的に繰り返してワイヤ３を往復移動させる。ワイヤ３は、第一移動機構６の作動により可動部５の移動に伴い溶接経路に沿って電極２と共に移動するが、この移動とは別に、溶接母材９に対し接近及び離間を周期的に繰り返して上下方向に往復移動する。

図２は、溶接装置１の溶接状況を示した図であり、ワイヤ３の高さＨを示している。図２に示すように、溶接母材９の溶接時において、ワイヤ３は、溶接母材９から離されて配置される。ワイヤ３の高さＨは、溶接母材９からの高さであり、溶接母材９からの上下方向の距離を示している。溶接母材９の溶接を行う際、ワイヤ３の高さＨには、溶接条件に応じて適切な高さがある。ワイヤ３の高さ位置を自動制御する場合、ワイヤ３の高さＨを最適な高さとなるように制御することも考えられる。しかしながら、このように制御する場合、溶接条件の変化に対応することが困難である。すなわち、溶接時において溶接条件が変わると、ワイヤ３の最適な高さ（最適な位置）が変化することとなる。このため、溶接条件の変化に応じてワイヤ３の高さＨの設定を修正しないと適切に溶接が行えないおそれがある。これに対し、本実施形態に係る溶接装置１では、ワイヤ３を溶接母材９に対し接近及び離間を繰り返して周期的に移動させることにより、ワイヤ３が不適切な高さに継続して位置しないようにして、溶接が支障なく行えるようにしているのである。

図３は、溶接時におけるワイヤ３の高さの時間的変化を示している。図３に示すように、溶加材であるワイヤ３の高さは、低い位置から徐々に高くなり、上限位置に達したら下限位置まで低くなり、再び徐々に高くなる。上限位置及び下限位置は、ワイヤ３の位置制御において、予め設定される位置である。上限位置は、溶接におけるワイヤ３の適切な高さＨ_Ａより高い位置であって、溶接が不適切とならない位置が設定される。下限位置は、溶接におけるワイヤ３の適切な高さＨ_Ａより低い位置であって、溶接が不適切とならない位置が設定される。なお、溶接におけるワイヤ３の適切な高さＨ_Ａは、溶接条件に応じたワイヤ３の最適な高さである。このようなワイヤ３の高さの変更は、第二移動機構３３の作動によって行われる。すなわち、図１において、第二移動機構３３は、ワイヤ支持部３２及びチューブ３１を上下に移動させることによって、ワイヤ３を溶接母材９から徐々に離間させ、ワイヤ３が溶接母材９から予め設定された距離だけ離れたらワイヤ３を溶接母材９に接近させる。ここで、予め設定された距離は、ワイヤ３の上限位置おける溶接母材９からの距離である。つまり、予め設定された距離は、溶接が不適切とならない距離であり、例えばワイヤ３の先端が溶融プールから浮き上がって溶け落ち始める距離に設定される。溶融プールは、溶接母材９上に形成される溶融池であり、溶接母材９などが溶けることにより形成される。また、例えば図３に示すように、ワイヤ３を離間させる速度は、ワイヤ３を接近させる速度より遅い。具体的には、離間速度は０．０５〜０．５ｍｍ／ｓに設定され、接近速度は０．５〜５ｍｍ／ｓに設定される。また、離間速度は、おおよそ０．０５〜０．５ｍｍ／ｓの範囲のいずれかの値に設定され、接近速度はおおよそ０．５〜５ｍｍ／ｓの範囲のいずれかの値に設定されてもよい。なお、ワイヤ３を離間させる速度は、溶接状況に応じて、ワイヤ３を接近させる速度と同じにしたり、ワイヤ３を接近させる速度より速くする場合もある。

図３に示すように、ワイヤ３を上下に往復移動させる場合、ワイヤ３が溶接条件に応じた適切な高さＨ_Ａを通過するように移動される。つまり、ワイヤ３の上下の往復経路は、溶接条件に応じた適切な高さＨ_Ａが含まれる。溶接におけるワイヤ３の適切な高さＨ_Ａは、溶接条件により定められる高さである。この適切な高さＨ_Ａは、溶接条件によって異なる。溶接条件とは、例えば、電極２に印加される電圧、電極２に流れる電流、溶接速度、溶接姿勢、及びワイヤ３の送給速度が含まれる。溶接速度は、溶接方向（図１では右から左の方向）に沿って溶接位置が移動する速度であり、例えば電極２の移動速度に相当する。溶接姿勢は、例えば溶接の向きであって、溶接母材９に対する電極２の向きである。図１では、溶接姿勢が下向きである場合を例示している。例えば、水平に延びる断面円形の配管の外周を周方向に沿って溶接する場合、下向きの姿勢、斜め下向きの姿勢、横向きの姿勢、斜め上向きの姿勢、上向きの姿勢などと溶接姿勢が変化し、溶接条件が変化することとなる。

溶接を継続して行うにあたり、溶接条件が変化する場合には、各溶接条件に応じたワイヤ３の適切な高さを全て通過するようにワイヤ３の往復移動が行われる。例えば、図４に示すように、溶接条件が変化し、それぞれの溶接条件に応じたワイヤ３の適切な高さがＨ_Ａ１、Ｈ_Ａ２、Ｈ_Ａ３、Ｈ_Ａ４、Ｈ_Ａ５とある場合、これらの高さＨ_Ａ１、Ｈ_Ａ２、Ｈ_Ａ３、Ｈ_Ａ４、Ｈ_Ａ５とを全て通過するようにワイヤ３が往復移動される。このようにワイヤ３を往復移動させて溶接を行うことにより、溶接装置１における制御の設定を変更することなく、溶接作業が継続して行える。従って、溶接条件が異なるごとに設定の変更が必要なく、溶接作業が円滑に行える。

図１において、カメラ４は、溶接箇所を撮像する撮像器であり、溶接箇所に向けて設置されている。カメラ４は、カメラ支持部材４１を介して可動部５に取り付けられている。すなわち、カメラ４は、可動部５と一体となって移動し、可動部５共に電極２が移動するとそれに伴ってカメラ４も移動する。

溶接装置１には、制御部７が設けられている。制御部７は、溶接装置１の装置全体の制御を行う電子制御ユニットである。制御部７は、ＣＰＵ[CentralProcessing Unit]、ＲＯＭ[Read Only Memory]、ＲＡＭ[Random Access Memory]を備えるコンピュータを含んで構成されている。制御部７は、第一移動機構６、第二移動機構３３、電極２、カメラ４などと電気的に接続され、溶接に必要な各制御を実行する。以下、制御部７の具体的な制御内容を説明する。

制御部７は、溶接の作動制御を実行する。すなわち、制御部７は、電極２に電圧を印加してアークの発生を制御し、電磁弁などのガス流量調整器に制御信号を出力してシールドガスＧの流出を制御する。

制御部７は、溶接部材を移動させる移動制御を実行する。すなわち、制御部７は、第一移動機構６に制御信号を出力し、第一移動機構６を作動させ、可動部５の移動を通じて電極２及びワイヤ３を溶接経路に沿って移動させる。また、制御部７は、ワイヤ３を上下に往復移動させる往復移動制御を実行する。すなわち、制御部７は、第二移動機構３３に制御信号を出力し、第二移動機構３３を作動させ、ワイヤ支持部３２及びチューブ３１の移動を通じてワイヤ３を周期的に上下に往復移動させる。この制御部７は、第二移動機構３３に制御信号を出力して、溶接母材９に対するワイヤ３の接近速度及び離間速度も制御する。

制御部７は、ワイヤ３を送給させる送給制御を実行する。すなわち、制御部７は、送給機（図示なし）に対し制御信号を出力し、送給機を作動させてチューブ３１の先端からワイヤ３を繰り出させる。

制御部７は、ワイヤ３の位置検出を行う検出部として機能する。すなわち、制御部７は、カメラ４の画像データを入力し、その画像データに基づいて画像処理を行い、溶接母材９に対するワイヤ３の位置（ワイヤ３の高さ）を検出する。なお、ワイヤ３の位置検出は、カメラ４以外の位置検出センサを用いて行ってもよい。

制御部７には、溶接に必要なデータが記憶されている。例えば、制御部７には、電極２に印加する電圧値及び電流値、溶接経路の設定、ワイヤ３の往復移動の下限位置及び上限位置、ワイヤ３の往復移動の速度、ワイヤ３の送給速度、並びに、溶接速度を含むデータが記憶される。これらのデータは、溶接内容に応じて自動的に入力又は設定されてもよいが、手動で入力又は設定されてもよい。溶接経路の設定は溶接母材９の形状データに基づいて行われ、溶接経路は溶接母材９の表面に沿って設定される。

次に、本実施形態に係る溶接装置１の動作及び溶接方法について説明する。

図５は、溶接装置１の動作及び溶接方法を示すフローチャートである。図５のフローチャートの制御処理は、例えば制御部７によって実行される。溶接装置１の動作として、アーク発生、シールドガスＧの流出、電極２の移動、ワイヤ３の送給、ワイヤ３の往復移動などについては自動制御によって行われる。

図５のステップＳ１０（以下、単に「Ｓ１０」という。以降のステップについても同様とする）に示すように、溶接経路の設定が行われる。溶接経路の設定は、溶接を行う経路を設定する処理であり、例えば溶接母材９の表面近傍において電極２の先端が通過する経路として溶接経路が制御部７に記憶される。また、Ｓ１０において、電極２の電圧値及び電流値、溶接速度、ワイヤ３の送給速度、ワイヤ３の往復移動の上限位置及び下限位置、又はワイヤ３の往復移動速度などのデータ設定が行われてもよい。

そして、Ｓ１２及びＳ１４に処理が移行し、位置検出処理及び溶接処理が行われる。位置検出処理は、ワイヤ３の位置を検出する処理である。例えば、制御部７は、カメラ４が撮像した画像データに基づいて画像処理を行い、ワイヤ３の位置を検出する。溶接処理は、電極２と溶接母材９の間にアークＡを発生させて溶接を行う処理である。例えば、制御部７は、ノズル２１の先端からシールドガスＧを流出させ、電極２に電圧を印加し電流を流してアークを発生させる。アークの発生により、ワイヤ３が溶融し溶接母材９と一体となって溶接が行われていく。

また、溶接処理として、制御部７は、第一移動機構６に制御信号を出力し溶接経路に沿って電極２及びワイヤ３を移動させると共に、第二移動機構３３に制御信号を出力しワイヤ３を上下方向に往復移動させる。すなわち、ワイヤ３は、電極２と共に溶接経路に沿って移動しつつ、溶接母材９に対し接近及び離間を周期的に繰り返して往復移動する。ワイヤ３の往復移動は、例えば図３に示すように、ワイヤ３の高さが低い位置から徐々に高くなり、上限位置に達したら低くなり、そして再び徐々に高くなるように行われる。このとき、ワイヤ３の上下方向の往復移動の経路には、溶接条件に応じた適切な高さＨ_Ａが含まれる。これにより、ワイヤ３が適切な位置から継続的に外れてしまうことが抑制され、溶接が支障なく行えることとなる。

また、溶接中に溶接条件が変化する場合には、ワイヤ３の上下方向の往復移動の経路は、各溶接条件に応じた適切な高さが含まれる経路とされる。例えば、図４に示すように、溶接条件の変化によってワイヤ３の適切な高さが変化する場合、それぞれの適切な高さが含まれるように往復移動の経路が設定される。これにより、各溶接条件における適切な高さからワイヤ３が継続的に外れて位置することが抑制でき、溶接が適切に行える。また、溶接条件が変化しても、溶接の制御の設定を変更することなく溶接が継続して行え、溶接作業が効率良く行える。例えば、水平に延びる断面円形の配管を周方向に溶接する場合、溶接の姿勢が下向きの姿勢、斜め下向きの姿勢、横向きの姿勢、斜め上向きの姿勢、上向きの姿勢などに変化し、溶接条件が変化することとなる。このような場合であっても、溶接の制御の設定を変更することなく溶接を継続して行え、溶接が効率良く行える。

なお、図５では位置検出処理と溶接処理を別のステップとして示しているが、同一のステップの処理として行われてもよい。

図５のＳ１６に処理が移行し、全ての溶接経路について溶接が終了したか否かが判定される。例えば、制御部７に設定される溶接経路について全て溶接が終了したか否かが判定される。つまり、制御部７に設定される溶接経路について全て溶接が終了した場合には全ての溶接経路について溶接が終了したと判定される。一方、制御部７に設定される溶接経路について全ての溶接が終了していない場合には全ての溶接経路について溶接が終了していないと判定される。Ｓ１６において全ての溶接経路について溶接が終了していないと判定された場合、Ｓ１２に処理が戻り、継続して位置検出処理及び溶接処理が行われる。一方、Ｓ１６において全ての溶接経路について溶接が終了したと判定された場合、図５の一連の制御処理を終了する。

以上説明したように、本実施形態に係る溶接装置１及び溶接方法によれば、溶接時において、溶接母材９に対し接近及び離間を周期的に繰り返してワイヤ３を往復移動させる。このため、ワイヤ３が溶接母材９から離れ過ぎたり近過ぎたりする状態が継続されることを抑制することができる。このため、ワイヤ３の溶融が適切に行え、溶接母材９の溶接が良好に行える。

また、本実施形態に係る溶接装置１及び溶接方法によれば、ワイヤ３を溶接母材９から徐々に離間させ、ワイヤ３が溶接母材９から予め設定された距離だけ離れたら、ワイヤ３を溶接母材９に接近させる。これにより、ワイヤ３が溶接母材９から離れ過ぎた状態となることを確実に抑制することができる。従って、溶加材の溶融を適切に行うことができる。

また、本実施形態に係る溶接装置１及び溶接方法において、ワイヤ３を往復移動させる際に、その往復経路には溶接条件に応じたワイヤ３の適切な高さを含んでいる。このため、溶接中にワイヤ３が適切な位置から継続的に外れてしまうことが抑制でき、溶接が支障なく行える。

また、本実施形態に係る溶接装置１及び溶接方法は、溶接条件が変化するような溶接に有用である。例えば、溶接姿勢が変化する場合、ワイヤ３が周期的に往復移動するため、制御の設定を変更することなく、溶接が継続して行える。従って、溶接母材９の溶接が効率良く行える。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲の記載の要旨を逸脱しない範囲で様々な変形態様を取ることができる。

例えば、上述した実施形態においては、本発明をＴＩＧ溶接に適用する場合について説明したが、ＴＩＧ溶接以外の溶接に適用してもよい。

１溶接装置
２電極
３ワイヤ（溶加材）
４カメラ
５可動部
６第一移動機構
７制御部（検出部）
９溶接母材（溶接対象）
３３第二移動機構（移動機構）
Ａアーク
Ｇシールドガス

Claims

電極と溶接対象の間にアークを発生させ、前記アークの熱により溶加材を溶融させて前記溶接対象の溶接を行う溶接装置において、
前記溶接対象に対する前記溶加材の位置を検出する検出部と、
前記溶接対象に対し前記溶加材を移動させる移動機構と、
を備え、
前記移動機構は、前記溶接対象の溶接時において、前記溶接対象に対し接近及び離間を周期的に繰り返して前記溶加材を往復移動させる、
溶接装置。
前記移動機構は、前記溶加材を前記溶接対象から離間させ、前記溶加材が前記溶接対象から予め設定された距離だけ離れたら前記溶加材を前記溶接対象に接近させる、
請求項１に記載の溶接装置。
電極と溶接対象の間にアークを発生させ、前記アークの熱により溶加材を溶融させて前記溶接対象の溶接を行う溶接方法において、
前記溶接対象に対する前記溶加材の位置を検出する検出工程と、
前記溶接対象に対し前記溶加材を移動させて、溶接を行う溶接工程と、
を含み、
前記溶接工程にて、移動機構により前記溶加材を前記溶接対象に対し接近及び離間を周期的に繰り返して前記溶加材を往復移動させる、
溶接方法。