JP2020082184A - 溶接欠損の検出方法及び溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接の欠損部を精度良く検出することのできる溶接欠損の検出方法及び溶接装置を提供する。【解決手段】第一材（第一の薄板部材１）及び第二材（第二の薄板部材２）に対して溶接トーチ４を相対的に移動させることにより第一材と第二材とを溶接により接合する最中に、溶接トーチ４が通過した後の溶接箇所の表側に、光源７が生成した光を照射したときの溶接箇所の色調を色センサ８により検出する。溶接部の欠損である溶接欠損（溶け落ち６）の発生を、色センサ８により検出された色調に基づいて検出する。【選択図】図２

Description

本発明は、溶接欠損の検出方法及び溶接装置に関する。

下記特許文献１には、溶接部分の上方からアーク光の形状を撮像し、開先部の溶け落ちにより、アーク光の中に溶け落ちた部分が穴として表れる個所を解析することにより、溶け落ちを検出するアーク溶接における溶け落ち検出方法が開示されている。

特開昭６３−２５２６７４号公報

特許文献１の方法では、以下のような課題がある。溶け落ちが発生した場合の特徴的な画像パターンを設定する必要があるが、アークは、溶接の条件、あるいはワークの状態等に応じて、揺らぐことがある。このため、様々な要因で発生する溶け落ちを精度良く検出することが困難である。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、溶接の欠損部を精度良く検出することのできる溶接欠損の検出方法及び溶接装置を提供することを目的とする。

本発明に係る溶接欠損の検出方法は、第一材及び第二材に対して溶接トーチを相対的に移動させることにより第一材と第二材とを溶接により接合する最中に、溶接トーチが通過した後の溶接箇所の表側に、光源が生成した光を照射したときの溶接箇所の色調を色センサにより検出し、溶接部の欠損である溶接欠損の発生を、色センサにより検出された色調に基づいて検出するものである。
また、本発明に係る溶接装置は、溶接トーチと、第一材及び第二材に対して溶接トーチを相対的に移動させることにより第一材と第二材とを溶接により接合する最中に、溶接トーチが通過した後の溶接箇所の表側に光を照射する光源と、光が照射されたときの溶接箇所の色調を検出する色センサと、溶接部の欠損である溶接欠損の発生を、色センサにより検出された色調に基づいて検出する溶接欠損検出手段と、を備えるものである。

本発明によれば、溶接の欠損部を精度良く検出することのできる溶接欠損の検出方法及び溶接装置を提供することが可能となる。

溶接において溶け落ちが生じるときの状態を示す斜視図である。 実施の形態１による溶接欠損の検出方法を実行する溶接装置を示す斜視図である。 実施の形態２による溶接装置を示す図である。 実施の形態３による溶接欠損の検出方法を実行する溶接装置を示す斜視図である。 実施の形態４による溶接欠損の検出方法を実行する溶接装置を示す斜視図である。 実施の形態５による溶接欠損の検出方法を実行する溶接装置を示す斜視図である。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。各図において共通または対応する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を簡略化または省略する。

実施の形態１．
図１は、溶接において溶け落ちが生じるときの状態を示す斜視図である。図１に示すように、本実施の形態では、第一の薄板部材１及び第二の薄板部材２に対して溶接トーチ４を相対的に移動させることにより、第一の薄板部材１と第二の薄板部材２とを溶接により接合する。この際、第一の薄板部材１と第二の薄板部材２との間は、溶接トーチ４によって発生した溶接アーク５の熱によって溶融した溶接ビード３により接合される。以下の説明では、第一の薄板部材１及び第二の薄板部材２に対して溶接トーチ４が相対的に移動する方向を「溶接方向」と称する。

溶け落ち６は、溶接ビード３を形成するはずの溶融金属が外乱によって落下することによって生じる。外乱とは、例えば、第一の薄板部材１あるいは第二の薄板部材２の端面についた疵あるいは異物等である。このようなことから、溶接条件あるいは第一の薄板部材１及び第二の薄板部材２の状態によって、溶け落ち状態からすぐに通常の溶接状態に戻ることもあれば、溶け落ち状態が続いてしまうこともある。溶け落ち６は、溶接部の欠損、すなわち溶接欠損に相当する。

一般に、アーク放電による溶接方法として、溶加棒とアルゴンガスを用いるＭＩＧ溶接、溶加棒とアルゴンガス及び二酸化炭素のような不活性ガスを使用するＭＡＧ溶接、タングステン電極を用いたＴＩＧ溶接などがある。溶加棒を用いるＭＩＧ溶接及びＭＡＧ溶接は、特に、溶加棒を母材に溶融させる関係上、入熱量が大きくなり、溶接部に歪が発生したり、穴が開いたりする場合がある。

また、金属の板同士を溶接する際、溶接部の保持方法、溶接部材同士とトーチとの位置関係、溶接部への入熱量等の条件により、溶接部の品質が左右される。そして溶接する金属の板厚が薄くなれば、この条件はさらに厳密になる。この条件管理は厳格に行わなければならないが、それでも異物等の影響により溶接部に穴が開く場合がある。このような溶接欠損を早期に発見することで、欠損部の範囲を短くすることができる。

図２は、実施の形態１による溶接欠損の検出方法を実行する溶接装置を示す斜視図である。図２において、図１と共通する要素には同じ符号を付す。溶接される第一材及び第二材に相当する第一の薄板部材１及び第二の薄板部材２の材質は、例えばフェライト系ステンレス鋼であるが、オーステナイト系ステンレス鋼または一般の軟鋼であってもよく、特に限定されるものではない。また、第一の薄板部材１及び第二の薄板部材２の板厚は、例えば０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ程度であるが、この範囲に限定されるものではない。

本実施の形態では、例えばＴＩＧ溶接などのアーク溶接を行う。本実施の形態の溶接装置は、溶接トーチ４と、光源７と、色センサ８と、制御装置５０とを備える。光源７及び色センサ８は、溶接トーチ４と共に、第一の薄板部材１及び第二の薄板部材２に対して相対的に移動する。光源７及び色センサ８は、第一の薄板部材１及び第二の薄板部材２の表側に配置されている。すなわち、光源７及び色センサ８は、第一の薄板部材１及び第二の薄板部材２に対して、溶接トーチ４と同じ側に配置されている。

溶接の最中に、光源７は、溶接トーチ４が通過した後の溶接箇所の表側に光を照射する。すなわち、光源７は、溶接アーク５が通過した直後の溶接箇所の表側に光を照射する。色センサ８は、光源７からの光が照射されたときの溶接箇所の色調を検出する。制御装置５０は、色センサ８により検出された色調に基づいて、溶け落ち６の発生を検出する。本実施の形態における制御装置５０は、溶接欠損検出手段に相当する。色センサ８は、光源７からの光が、溶接トーチ４が通過した直後の溶接箇所で反射した光を受光するような位置に配置されている。また、溶接アーク５の光を直接色センサ８が受光することのないような位置に色センサ８が配置されている。

制御装置５０は、色センサ８により検出された色調が、溶接部が正常である場合の色調と異なる色調である場合に、溶け落ち６が発生したと判定する。正常な溶接部すなわち溶接ビード３が形成されているときと、溶け落ち６が発生したときとでは、色センサ８により検出される色が異なる。よって、本実施の形態であれば、溶け落ち６の発生を精度良く検出することができる。例えば、以下のようにしてもよい。制御装置５０は、正常な溶接部が形成されている場合に色センサ８により検出される色を基準色値として記憶している。制御装置５０は、色センサ８により検出された色値が基準色値と比べて許容範囲内にある場合には、溶け落ち６は発生していないと判定する。これに対し、色センサ８により検出された色値が基準色値と比べて許容範囲外にある場合には、制御装置５０は、溶け落ち６が発生したと判定する。

溶接中の溶け落ち６の検出に際しては、強い光源となる溶接アーク５が発生しているため、溶接アーク５の影響を考慮しながら、その直下の溶け落ち６を検出することが求められる。本実施の形態であれば、光源７及び色センサ８を用いて溶け落ち６を検出することにより、溶接アーク５の揺らぎなどの影響を受けることを確実に抑制できる。このため、溶け落ち６を精度良く検出することができる。

制御装置５０は、溶け落ち６の発生が検出された場合には、溶接を直ちに自動停止する。これにより、溶接欠損を最小限にとどめることができる。また、溶け落ちた溶融金属による設備へのダメージを低く抑えることができる。

光源７は、白色光を投光する白色光源であることが好ましい。白色光源を光源７として用いることにより、溶け落ち６をより高い精度で検出できる。この場合、光源７の発光波長は、可視光の全領域にわたっていてもよい。また、光源７は、赤色光、緑色光、及び青色光を投光する光源でもよい。

色センサ８は、光源７から発せられた光が溶接箇所で反射した反射光を、光源７の発光波長の全領域にわたって検出する。

溶け落ち６が発生すると、溶接部に穴があいた形状となるため、光源７からの光を反射しないか、または反射される光量が減少する。よって、制御装置５０は、色センサ８により検出された色調が基準よりも黒色に近い場合に、溶け落ち６が発生したと判定してもよい。そのようにすることで、溶け落ち６をより高い精度で検出できる。

本実施の形態では、溶接トーチ４に対して、溶接方向の後方に光源７及び色センサ８が配置されている。これにより、溶接アーク５の影響を受けることをより確実に抑制できるので、溶け落ち６をさらに高い精度で検出できる。

また、本実施の形態では、第一の薄板部材１及び第二の薄板部材２の表面に対して垂直な方向から見たときに、溶接トーチ４と、光源７と、色センサ８とが、溶接方向に沿って、一列に配置されている。これにより、溶接アーク５の光が色センサ８の検出値に影響を与えることをより確実に抑制できるので、溶け落ち６をさらに高い精度で検出できる。

制御装置５０は、溶接が開始してから所定時間の間は、溶け落ち６の検出を実施しないようにしてもよい。溶接開始直後は、溶接アーク５が安定しないので、溶接後端部の形状が不安定になる。このため、溶接が開始してから所定時間の間は、溶け落ち６の検出を実施しないようにすることで、誤検出をより確実に防止できる。

実施の形態２．
次に、図３を参照して、実施の形態２について説明するが、前述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分については説明を簡略化または省略する。図３は、実施の形態２による溶接装置３０を示す図である。本実施の形態の溶接装置３０は、貯湯式給湯機の金属製の貯湯タンクを製造する装置である。胴板３５は、貯湯タンクの円筒形の胴部を形成する。胴板３５は、第一の薄板部材１から作られている。鏡板３６は、胴板３５の両端にそれぞれ接合される。鏡板３６は、第二の薄板部材２から作られている。

溶接装置３０は、二つの溶接ユニット３１と、二つの面板３２と、回転モータ３３と、移動ユニット３４と、制御装置６０とを備える。溶接装置３０は、ワークである貯湯タンクの軸方向が水平となる姿勢で、貯湯タンクを回転させながら、胴板３５と鏡板３６との間を円周溶接する。溶接ユニット３１には、実施の形態１と同様の溶接トーチ４、光源７、及び色センサ８が備えられている。溶接ユニット３１、回転モータ３３、及び移動ユニット３４は、制御装置６０に対して電気的に接続されている。また、制御装置６０は、実施の形態１の制御装置５０と同様に、溶接欠損検出手段としての機能を有する。

二つの面板３２にそれぞれ鏡板３６が配置される。一方の面板３２に回転モータ３３が接続されている。また、回転モータ３３と、これに接続された面板３２は、移動ユニット３４により、回転軸に平行な方向に移動可能になっている。二つの面板３２に配置した鏡板３６の間に胴板３５をセットし、移動ユニット３４により、二つの鏡板３６の間に胴板３５を挟み込む。この状態で回転モータ３３によりワークを回転させながら溶接することで、二つの鏡板３６と胴板３５との間を同時に円周溶接することができる。

溶接の実行中、制御装置６０は、実施の形態１と同様にして、溶接欠損を検出する。溶接欠損の発生が検出された場合には、制御装置６０は、回転モータ３３を停止し、溶接を自動停止させる。これにより、溶接の欠損部の長さを最小限に抑えることができるので、補修によって水密性を確保することが容易となる。その結果、信頼性の高い製品を製造できる。

本実施の形態の溶接装置３０により製造されるワークは、例えば、内径が２００ｍｍ〜７００ｍｍ、全長が１ｍ〜２ｍの大きさを有する。また、ワークの板厚は、例えば１ｍｍ程度である。

本実施の形態では、上述したような貯湯タンクの製造に適用する例を示したが、本開示による溶接欠損の検出方法及び溶接装置の適用対象は、タンクに限るものでないことは言うまでもない。また、後述する実施の形態３から実施の形態５のいずれかと、本実施の形態の溶接装置３０とを組み合わせて実施してもよい。

実施の形態３．
次に、図４を参照して、実施の形態３について説明するが、前述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分については説明を簡略化または省略する。図４は、実施の形態３による溶接欠損の検出方法を実行する溶接装置を示す斜視図である。なお、本実施の形態の溶接装置は、実施の形態１と同様の制御装置５０を備えるが、図４では図示を省略する。

本実施の形態の溶接装置は、溶接部をシールドガスで覆うためのアフターガスシールド装置１０を備えている。アフターガスシールド装置１０は、溶接トーチ４に対して、溶接方向の後方に配置されている。アフターガスシールド装置１０には、ガスホース１１が接続されている。ガスホース１１は、例えばアルゴンガスのような不活性ガスを供給する。不活性ガスは、ガスホース１１から整流器１２を通ってアフターガスシールド装置１０内に入り、アフターガスシールド装置１０から溶接ビード３へ向けて吹き出される。このようなアフターガスシールド装置１０を設けることで、溶接ビード３の耐食性及び機械的強度などの品質を向上する上で有利になる。

本実施の形態では、アフターガスシールド装置１０の内側に光源７及び色センサ８が配置されている。これにより、本実施の形態であれば、アフターガスシールド装置１０を用いる場合であっても、実施の形態１と同様に、溶け落ち６の発生を検出することが可能となる。

実施の形態４．
次に、図５を参照して、実施の形態４について説明するが、前述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分については説明を簡略化または省略する。図５は、実施の形態４による溶接欠損の検出方法を実行する溶接装置を示す斜視図である。なお、本実施の形態の溶接装置は、実施の形態１と同様の制御装置５０を備えるが、図５では図示を省略する。

本実施の形態の溶接装置は、溶接部をシールドガスで覆うためのアフターガスシールド装置１０を備えている。なお、図５では、アフターガスシールド装置１０に接続されたガスホース１１及び整流器１２の図示を省略する。

本実施の形態では、アフターガスシールド装置１０の外側に光源７及び色センサ８が配置されている。アフターガスシールド装置１０の上面には、透明な部材で形成された第一窓１３及び第二窓１４が設けられている。光源７から発せられた光は、第一窓１３を透過して、溶接箇所に照射される。溶接箇所に照射されて反射した光は、第二窓１４を透過して、色センサ８に入射する。これにより、本実施の形態であれば、アフターガスシールド装置１０を用いる場合であっても、実施の形態１と同様に、溶け落ち６の発生を検出することが可能となる。

また、本実施の形態では、光源７及び色センサ８が溶接トーチ４に対して取り付けられている。すなわち、光源７及び色センサ８が連結部材１５を介して溶接トーチ４に連結されている。これにより、光源７及び色センサ８は、溶接トーチ４と一体となって動く。

溶接中は、溶接トーチ４とワークとの距離を一定に保つため、溶接トーチ４が上下動する場合がある。本実施の形態であれば、光源７及び色センサ８が溶接トーチ４と一体となって動くことにより、光源７及び色センサ８とワークとの距離を一定に保つことができる。このため、溶け落ち６の発生をより高い精度で検出することが可能となる。

実施の形態５．
次に、図６を参照して、実施の形態５について説明するが、前述した実施の形態１との相違点を中心に説明し、同一部分または相当部分については説明を簡略化または省略する。図６は、実施の形態５による溶接欠損の検出方法を実行する溶接装置を示す斜視図である。なお、本実施の形態の溶接装置は、実施の形態１と同様の制御装置５０を備えるが、図６では図示を省略する。

本実施の形態の溶接装置は、溶接部をシールドガスで覆うためのアフターガスシールド装置１０を備えている。なお、図６では、アフターガスシールド装置１０に接続されたガスホース１１及び整流器１２の図示を省略する。

本実施の形態では、アフターガスシールド装置１０の外側に光源７及び色センサ８が配置されている。実施の形態４と同様に、アフターガスシールド装置１０の上面には、透明な部材で形成された第一窓及び第二窓（図示省略）が設けられている。光源７から発せられた光は、第一窓を透過して、溶接箇所に照射される。溶接箇所に照射されて反射した光は、第二窓を透過して、色センサ８に入射する。

本実施の形態の溶接装置は、溶接トーチ４、光源７、色センサ８、及びアフターガスシールド装置１０を覆う覆い部であるカバー１６をさらに備えている。本実施の形態のカバー１６は、上面及び側面が閉じており、底面が開口した箱型の構造を有する。本実施の形態であれば、カバー１６を設けたことで、外部からの光が入ることを防止できる。このため、溶け落ち６の発生を検出する際に、色センサ８が光源７以外からの光の影響を受けることを抑制できる。その結果、溶け落ち６の発生を精度良く検出する上でさらに有利になる。

なお、上述した複数の実施の形態のうち、組み合わせることが可能な二つ以上を組み合わせて実施してもよい。

１ 第一の薄板部材、 ２ 第二の薄板部材、 ３ 溶接ビード、 ４ 溶接トーチ、 ５ 溶接アーク、 ６ 溶け落ち、 ７ 光源、 ８ 色センサ、 １０ アフターガスシールド装置、 １１ ガスホース、 １２ 整流器、 １３ 第一窓、 １４ 第二窓、 １５ 連結部材、 １６ カバー、 ３０ 溶接装置、 ３１ 溶接ユニット、 ３２ 面板、 ３３ 回転モータ、 ３４ 移動ユニット、 ３５ 胴板、 ３６ 鏡板、 ５０ 制御装置、 ６０ 制御装置

Claims (12)

1. 第一材及び第二材に対して溶接トーチを相対的に移動させることにより前記第一材と前記第二材とを溶接により接合する最中に、前記溶接トーチが通過した後の溶接箇所の表側に、光源が生成した光を照射したときの前記溶接箇所の色調を色センサにより検出し、溶接部の欠損である溶接欠損の発生を、前記色センサにより検出された色調に基づいて検出する溶接欠損の検出方法。
2. 前記色センサにより検出された色調が、溶接部が正常である場合の色調と異なる色調である場合に、前記溶接欠損が発生したと判定する請求項１に記載の溶接欠損の検出方法。
3. 前記色センサにより検出された色調が基準よりも黒色に近い場合に、前記溶接欠損が発生したと判定する請求項１または請求項２に記載の溶接欠損の検出方法。
4. 前記光源として白色光源を用いる請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の溶接欠損の検出方法。
5. 溶接トーチと、
   第一材及び第二材に対して前記溶接トーチを相対的に移動させることにより前記第一材と前記第二材とを溶接により接合する最中に、前記溶接トーチが通過した後の溶接箇所の表側に光を照射する光源と、
   前記光が照射されたときの前記溶接箇所の色調を検出する色センサと、
   溶接部の欠損である溶接欠損の発生を、前記色センサにより検出された色調に基づいて検出する溶接欠損検出手段と、
   を備える溶接装置。
6. 前記溶接トーチの相対移動方向の後方に前記光源及び前記色センサが配置されている請求項５に記載の溶接装置。
7. 前記溶接トーチの相対移動方向の後方に配置され、溶接部をシールドガスで覆うためのアフターガスシールド装置を備え、
   前記アフターガスシールド装置の内側に前記光源及び前記色センサが配置されている請求項５または請求項６に記載の溶接装置。
8. 前記第一材及び前記第二材の表面に対して垂直な方向から見たときに、前記溶接トーチと、前記光源と、前記色センサとが前記溶接トーチの相対移動方向に沿って一列に配置されている請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の溶接装置。
9. 前記光源及び前記色センサが前記溶接トーチに対して取り付けられている請求項５から請求項８のいずれか一項に記載の溶接装置。
10. 外部からの光が入らないように前記溶接トーチ、前記光源、及び前記色センサを覆うカバーを備える請求項５から請求項９のいずれか一項に記載の溶接装置。
11. 前記溶接欠損検出手段は、溶接が開始してから所定時間の間は、前記溶接欠損の検出を実施しない請求項５から請求項１０のいずれか一項に記載の溶接装置。
12. 前記溶接欠損が検出されると溶接を自動で停止する請求項５から請求項１１のいずれか一項に記載の溶接装置。

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