JP2021516160A - ワークピースの溶接を実行するための最適溶接パラメータを自動的に決定するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ワークピースに溶接を実行するための最適な溶接パラメータを自動的に決定するための方法に関し、複数の試験溶接は、試験溶接トラックに沿って試験ワークピースで実行され、各試験溶接で、少なくとも１つの溶接パラメータは、試験溶接トラックに沿って事前定義された初期値から事前定義された最終値まで自動的に変更され、結果として得られる各試験溶接シームは、試験溶接トラックに沿ってセンサで測定され、センサ信号が受信され、各溶接シームを特徴付ける少なくとも１つの品質パラメータは、センサ信号から計算され、変更された溶接パラメータに従って試験溶接シームの品質を特徴付けるための品質関数は、少なくとも１つの品質パラメータから計算され、最適な品質関数が確認され、最適な溶接パラメータの値は、この最適な品質関数での各品質パラメータおよび試験溶接トラックの対応する位置に基づいて定義され、保存される。

Description

本発明は、ワークピースに溶接を行うための最適な溶接パラメータを自動的に決定するための方法に関する。

溶接を実行するための溶接プロセスはワークピースの表面で動作するため、溶接プロセスは非常に複雑な手順であることが多く、その形状は、溶接タスク毎にほとんど異なる。さらに、ほんの数例を挙げると、溶接電流、ワークピースの材料、ワイヤ送り速度、および溶接ワイヤの材料などの複数の溶接パラメータは、溶接プロセスに影響を与える。さらに、溶接プロセスには動きに大きく依存するコンポーネントがある。すなわち、溶接トーチの迎え角と作用角、溶接速度、ワークピースの位置などが溶接プロセスに影響する。

最適な溶接パラメータと修正パラメータの発見と設定は、専門家による多大な時間および／または試験作業を伴う困難な作業である。ほとんどの場合、溶接パラメータは、直感的に分かるか、単純に定義され、特定の溶接位置での特定の溶接タスクの溶接の可能性に関して最適ではなく、妥協点を表している。通常、今日の熟練者は、特定のワークピースの特定の溶接タスクに最適な溶接パラメータを見つけて定義するように指示されている。これらの時間と費用のかかる手順の後、これらの定義された溶接パラメータを使用して、このワークピースに溶接が行われる。溶接されたワークピースで欠陥が検出されたとき、または、例えば、ワークピースの形状などの特定の前提条件が変更されたとき、次に最適な溶接結果を達成するための最適な溶接パラメータを見つけるプロセスを新たに開始する必要があり、追加のコストと待ち時間が伴う。

例えば、国際公開第２０１８／０１１２４３号は、溶接プロセスの溶接パラメータを定義するための方法を説明しており、熟練者の支援なしに、溶接プロセスは、それぞれの溶接プロセスの溶接パラメータを、試験ワークピースの試験条件下で受信および保存された理想的な溶接パラメータによる補間によって定義することにより、任意の所望の溶接トラックに沿ってパラメータ化できる。したがって、特定のワークピース形状の溶接パラメータは、事前に定義された理想的な溶接パラメータから自動的にまとめることができ、この点で溶接機をアクティブにする必要はない。ここで、試験ワークピースの理想的な溶接パラメータは、解決すべき特定の溶接タスクに対して定義された。しかしながら、このようなタスクは、要件に応じて大きく異なる可能性があるため、この方法には制限が設定されている。

欧州特許出願公開第１４１５７５５号明細書は、溶接シームの品質評価のための従来の非常に複雑なシステムと比較してより単純であることが意図されている、レーザー溶接モニタリングシステムおよび方法について説明している。センサシステムの調整のために、溶接シームの品質がセンサ信号の対応する組み合わせを通じてより簡単に評価される方法が説明されている。ここでは、センサシステムを較正するために、試験溶接が使用されている。

本発明の問題は、最適な溶接パラメータを自動的に決定する上述の方法を提供することにあり、これにより、専門家や熟練者がいなくても、特定の溶接の最適な溶接パラメータを自動的に見つけて、最適な溶接品質と最適な溶接条件を得ることができる。この方法は、できるだけ簡単かつ迅速に実行できる必要がある。これまでの方法の欠点は、低減または回避されるべきである。

本発明に係る問題は、次により解決される。
−複数の試験溶接は、試験溶接トラックに沿って試験ワークピースで実行され、各試験溶接で、少なくとも１つの溶接パラメータは、試験溶接トラックに沿って、事前定義された初期値から事前定義された最終値まで自動的に変更され、
−結果として得られる各試験溶接シームは、試験溶接トラックに沿って少なくとも１つのセンサで測定され、少なくとも１つのセンサ信号が受信され、
−各試験溶接シームを特徴付ける少なくとも１つの品質パラメータは、少なくとも１つのセンサ信号から計算され、
−変更された溶接パラメータに従って試験溶接シームの品質を特徴付けるための品質関数は、少なくとも１つの品質パラメータから計算され、
−最適な品質関数が決定され、最適な溶接パラメータの値は、この最適な品質関数での各品質パラメータおよび試験溶接トラックの対応する位置に基づいて定義され、保存される。

したがって、本発明に係る方法は、特定の溶接タスクに対して、熟練者または専門家の直接の関与を必要とせずに、最適な溶接品質および最適な溶接条件を達成するために、最適な溶接パラメータが自動的に見出されることを定義する。したがって、この方法では、一連の試験溶接が事前定義された条件下で試験ワークピースに対して自動的に実行され、それぞれの溶接タスクの解決策に関連する溶接パラメータが変化し、試験溶接トラックに沿って得られた試験溶接シームの評価から、試験溶接の溶接結果が最適である試験溶接トラックに沿った位置が識別される。試験溶接シームを特徴付けることができるように、溶接タスクに応じて異なるように定義できる品質パラメータが導入されている。例えば、ワークピースの目に見える溶接シームの場合、例えば、シームの厚さ、シームのスケーリング、シームの幅などの品質パラメータは、より重要または決定的になる可能性があるが、他の溶接タスクの場合、例えば、シーム片勾配、シームの遷移角度などの他の品質パラメータが最も重要な場合がある。また、内部電流源センサを介して溶接電流源のパラメータを擬似的に取得することにより、試験溶接シームの間接測定が可能である。溶接パラメータ間の複雑な多次元相関の管理を容易にするために、いわゆる品質関数が、溶接シームを特徴付ける品質パラメータから、それぞれの溶接タスクに従って計算される。この品質関数は、変更された溶接パラメータに依存する試験溶接シームの品質を特徴付ける。品質関数を使用すると、試験溶接シームの品質を特徴付けるためのすべての品質パラメータの関数として、管理が容易な実数が作成され、そこから比較的単純な方法で最適値を決定できる。品質機能または品質基準のこの最適化から、最適品質パラメータ、およびそこから最適品質特性を備えた試験溶接シームでの位置、およびそこからそれぞれの最適溶接パラメータを定義および保存することができる。もちろん、最適な溶接パラメータを決定するための基礎として特定の最適値が選択される、品質関数のより最適なものが存在する場合がある。これらの最適な溶接パラメータを使用して、ワークピースで溶接が行われ、最適な溶接条件で自動的に最適な溶接品質が得られる。本発明に係る方法は、溶接技術の分野における熟練者および専門家の知識を、試験溶接シームを特徴付けるための品質パラメータおよび試験溶接シームの品質を特徴付けるための品質関数の計算に転送するので、自動的に特定の溶接タスクを実行するために、これに最適な溶接パラメータをすばやく簡単に見つけることができる。したがって、特定のワークピースの特定の溶接に最適な溶接パラメータを、対応する熟練者が直接関与することなく、より迅速に定義できる。溶接タスクに変更があった場合も同様に、変更に迅速かつ低コストで対応でき、最適な溶接パラメータをより迅速に定義または修正できる。この方法を実施するために、溶接トーチおよび／または溶接ロボットなどの形の試験ワークピースの自動移動およびコンピュータによる対応する制御のための対応する装置が必要である。試験溶接トラックの試験溶接シームの自動測定には、それぞれの溶接タスクに従って決定されるセンサが必要である。これらのセンサは、品質パラメータの計算のためのセンサ信号を配信する。試験溶接の実行中に溶接電流源のパラメータを受信する内部センサは、試験溶接シームの評価のためのデータを提供できる。広範なデータの後続の処理操作は、対応する計算ルールおよび／またはテーブルを使用して行われる。

本発明の特徴によれば、試験溶接トラックは、試験溶接を実施する前に測定される。試験溶接を実施する前に、試験ワークピースの試験溶接トラックをこのように測定することにより、試験溶接トラックが同じ初期状況を有し、したがって、条件が常に同一であることが保証される。これにより、データの再現性と比較可能性が保証される。試験溶接トラックの測定は、適切なセンサを使用して行うことができる。

試験溶接トラックに沿った試験溶接シームの評価のために、これらは、試験溶接の実行中または実行後に測定できる。試験溶接シームは、適切なセンサなどで評価またはサンプリングまたはスキャンされる。これらは、溶接トーチまたは電流源に直接配置することもできるため、生成された試験溶接シームの特性を試験溶接トラックに沿って決定できる。試験溶接の実施中、溶融浴は、例えば、レーザーセンサまたは放射線放出を測定するためのセンサなどの適切なセンサを使用して、試験溶接直後に観察することができる。代替的または追加的に、試験溶接シームは、もちろん、溶融浴の凝固後に検査することもでき、最も多様な観点に従って評価することができる。しかしながら、試験溶接の安定性、および間接的に試験溶接シームの品質は、溶接装置の内部にあるセンサで評価することもできる。

各試験溶接で、好ましくは、少なくとも１つの溶接パラメータ：溶かす溶接ワイヤのワイヤ送り速度、溶接速度、自由溶接ワイヤ長、溶接トーチの迎え角（溶接シームに対して長手方向の角度）、溶接トーチの作用角（溶接シームを横切る角度）と試験溶接トラックに沿った溶接トーチのツール中心点が変更される。リストされている溶接パラメータは、溶接シームと溶接品質に大きく影響するパラメータである。しかしながら、それぞれの溶接タスクおよび処理されるそれぞれのワークピースに応じて、他のまたはさらなるパラメータも重要である可能性があり、試験溶接で変更することができる。溶接の安定性の評価は、例えば、溶接品質および解決すべき溶接問題の評価のための重要な基準も構成する。安定性は、溶接電流源のパラメータを内部で決定することにより、簡単な方法で決定できる。

本発明のさらなる特徴によれば、試験溶接は、一定の接線ベクトルを有する所定の試験溶接トラックに沿って、特に、好ましくは、長さが１０ｃｍ〜５０ｃｍの直線試験溶接トラックに沿って行われる。試験ワークの位置に加えて、試験溶接トラックの形状も試験溶接の実行に影響を与える。接線ベクトルが一定の場合、試験溶接トラックの曲率は一定である。したがって、これは、好ましくは、直線試験溶接トラックまたは円の形の試験溶接トラックに関する。示された好ましい長さは、通常の限界におけるそれぞれの溶接パラメータの変更を可能にし、その後、試験溶接トラックに沿った試験溶接シームの品質の変化の十分に正確な評価を可能にする。もちろん、いくつかのパラメータ検索を１つの試験ワークでのみ実行でき、試験溶接トラックに沿って、様々な溶接パラメータを初期値から最終値まで連続して変更できる。または、各溶接パラメータについて、試験溶接トラックが１つだけの個別の試験ワークピースを使用する。

試験溶接が、好ましくは、それぞれの溶接タスクの位置に配置された平らな試験ワークピースで行われるとき、試験溶接の迅速かつ簡単な運転が可能である。平らな試験ワークピースを使用することにより、試験ワークピースに対する重力加速度の影響を一定に保つことができる。最も単純なケースでは、試験ワークピースの配置を水平にすることもできる。試験ワークピースの位置がそれぞれの溶接タスクに共通である場合、いくつかの試験溶接は、異なる位置で、したがって、重力加速度ベクトルに関して異なる配置で、試験ワークピースに対して実行することもでき、品質パラメータの定義で考慮される。

試験溶接トラックに沿った試験溶接シームは、非破壊測定法、例えば、好ましくは試験溶接の実施中の光学センサ、特に、レーザースキャナー、カメラなど、Ｘ線センサおよび／または温度センサを用いて測定することができる。非接触センサを用いた試験ワークピースの試験溶接トラックに沿った試験溶接シームのスキャンは、試験溶接シームの測定が特に、迅速に、試験溶接トラック全体に沿って実行できるという利点がある。特定の影響因子の場合には、試験溶接の直後に試験溶接シームの測定を実施することが有利であり得る。例えば、試験溶接を実施した直後の試験ワークピースの材料の温度プロファイルは、試験溶接シーム内および周囲の材料構造に関する記述を提供することができる。例えば、シームの厚さ、シームの幅、シーム片勾配、シームの遷移角度、アンダーカットまたはスパッタとポアカウントの量など試験溶接シームの他の品質パラメータの場合、試験溶接を行ってからしばらくしてから、試験溶接シームの測定を行うことも有利である。

同様に、試験溶接シームは、破壊的な測定方法によって、例えば、試験溶接トラックに沿って少なくとも１つの所定の距離で試験溶接シームの少なくとも１つの顕微鏡写真を作成することによって、試験溶接トラックに沿って処理できる。そのような当然より複雑な測定方法は、試験溶接トラックに沿ったいくつかの位置でのみ実行できるが、非接触測定方法では決定できなかった、試験溶接シームの内部構造に関する実質的な知識も提供する。次に、試験溶接トラックに沿った特定の位置における試験溶接シームの顕微鏡写真を、様々な方法、特に、それに接続されたカメラおよび画像処理方法によって解析することができる。特定の化学物質を使用すると、試験溶接シームの顕微鏡写真の構造の検出を改善できる。溶接後の顕微鏡写真の肉眼的検査も、特徴的な品質パラメータを提供する。顕微鏡写真は、特定のセンサ信号の形式で解析され、品質パラメータを特徴づけた結果、試験溶接シームの品質が、それぞれの溶接パラメータまたは試験溶接トラックに沿ったそれぞれの位置に応じて決定され、保存される。溶接タスクに応じて、この品質パラメータはそれに応じて評価され、結果として、このタスクを考慮して、最適な溶接結果がどこで、またはどの溶接パラメータで満たされるかがそれぞれ定義される。顕微鏡写真の作成に加えて、試験ワークピースの引張試験、曲げ試験なども考えられる。

各試験溶接では、好ましくは、少なくとも１つの溶接パラメータが、所定の長さで試験溶接トラックに沿って線形に所定の初期値から所定の最終値まで変化する。この方法は、一方では試験溶接の実行を容易にし、他方では試験溶接シームが提示された溶接問題に関して最適な結果を提供した試験溶接トラックに沿った位置を定義することで、最適と見なされるそれぞれの溶接パラメータへの逆算を容易にする。もちろん、溶接パラメータの事前定義された初期値と事前定義された最終値を定義する代わりに、初期値のみを事前定義し、最終値の代わりに特定の変化率を定義することも可能である。例えば、迎え角は、試験溶接トラックの開始時に特定の初期値で定義することができ、４０ｃｍの長さに亘って、例えば、１°／ｃｍの試験溶接シームの変化率で上げることができる。もちろん、溶接パラメータの変化は、特に、システムが安定することを達成するために、より大きなパラメータ範囲で段階的に行うこともできる。次に、試験溶接またはそれぞれの試験溶接シームのその後の解析は、溶接システム全体が安定した領域で行われることが好ましい。

試験溶接は様々な溶接条件下で実行でき、事前定義された溶接条件での溶接に最適な溶接パラメータは、事前定義された溶接条件の境界溶接条件での試験溶接で決定された最適溶接パラメータの補間によって実行される。例えば、ワークピースの温度がワークピースに行われる溶接に影響を与える場合、様々なワークピース温度で溶接条件として試験ワークピースにいくつかの試験溶接を行うことができ、ワークピースの溶接を実行する前に、現在のワークピース温度（または、ワークピースが周囲温度を想定している場合は、それぞれ周囲温度）を考慮した最適な溶接パラメータを考慮することができる。実際には有限の数の試験溶接のみが異なる溶接条件下で実行できるため、費用を小さく保つために、最適な溶接パラメータを定義するための溶接条件下でのそれらの試験溶接は、実際の溶接条件の上下に、例えば、溶接を実行する際の可能なワークピース温度の上下にある溶接条件に基づいて描画され、最適な溶接パラメータの補間によって定義される。ワークピース温度の名前付きの例に加えて、追加の溶接条件は、ワークピースの位置、試験溶接トラックの周囲のシーム形状の許容誤差、または試験溶接トラックのギャップ幅の許容誤差である。

試験溶接は、好ましくは、少なくとも２つの異なる溶接条件下でそれぞれ行われ、それぞれ、ワークピース温度、試験ワークピースの位置、試験ワークピース上のシーム形状またはギャップ幅である。試験溶接を実行するための費用を小さく保つために、これらはいくつかの異なる溶接条件の下でのみ定義でき、それぞれの溶接条件に関して補間を実行できる。２つの異なる溶接条件で２つの異なる試験溶接の結果を補間して最適な溶接パラメータを定義する前に、補間が実行されている溶接パラメータで試験溶接を実行することにより、補間が機能しているかどうかのチェックを行うことができる。これにより最適な品質が得られない場合は、様々な溶接条件下での様々な試験溶接の細かさを増すことができ、さらにいくつかの溶接条件下で試験溶接を実行できる。これにより、補間による溶接パラメータと溶接品質との間の非線形関係により、溶接パラメータが生じて、品質基準が損なわれることを防ぐことができる。

補間を実行する前に、好ましくは、品質関数が事前定義された溶接条件で決定される。品質関数がデフォルト値から逸脱している（すなわち、品質基準が満たされていない）場合、少なくとも１つのさらなる試験溶接が、さらなる溶接条件に関して実行される。品質機能が損なわれているかどうかを判断するこの自動提供により、距離が離れ過ぎている溶接条件間で、溶接パラメータの線形補間が実行され、最適な溶接パラメータが得られず、結果として得られる溶接シームの品質が低下するのを防ぐことができる。これにより、実行される試験溶接のパターンは、元のパターンがあまりにも緩く選択されたことが判明した場合、その後、様々な溶接条件下で準自動的に精緻化でき、したがって、試験溶接はあまりにも少ない溶接条件で実行される。

本発明のさらなる特徴によれば、幅、高さ、片勾配、曲率不足、シーム充填量または試験溶接シームの遷移角度がスキャンされ、これらのセンサ信号から、試験パラメータが試験溶接トラックに沿って計算される。リストされた試験溶接シームの特徴により、試験溶接シームは、ほとんどの溶接タスクに対して十分に評価できるため、最適な品質パラメータ、したがって、十分な精度の最適な溶接パラメータに関して結論を出すことができる。例えば、最適な品質パラメータが見つかる、移動する溶接トーチの経路により、既知の初期値と最終値の品質決定パラメータの簡単な割り当てと転送が可能になる。

品質関数の最適値は、それぞれ品質パラメータに影響を与えるために、溶接パラメータをそれぞれ連続的に変更することによって決定できる。これは、より簡単に管理することができるが、より多くの時間を費やすことができる、多次元空間における品質関数の最適値またはそれぞれ最適値を見つける可能性を表している。

あるいは、いくつかの品質パラメータに影響を与えるために、いくつかの溶接パラメータを勾配に関して変更することにより、品質関数の最適値を決定することもできる。このように、特定の状況では計算の労力が実際に増加するが、結果はより短い時間で見つかる。品質関数の最適値は、一般に、品質関数の最大値、または、それぞれ、品質関数の最大値、またはいくつかの最小値の場合の品質関数の最小値である。

本発明は、添付の図面を用いてさらに説明される。

溶接プロセスの概略図である。 ワークピースに溶接を行うための最適な溶接パラメータを自動的に決定するための本発明に係る方法の機能的な概略図である。 本発明に係る方法を実行するためのシステムの図である。 本発明に係る方法の実行を説明するためのブロック図である。 試験ワークピースの試験溶接シームを測定するための様々な方法である。 試験ワークピースの試験溶接シームを測定するための様々な方法である。 試験ワークピースの試験溶接シームを測定するための様々な方法である。 隅肉溶接の形の溶接ワークピースの断面画像である。 例を用いて最適な溶接パラメータの発見を説明するために、得られた溶接シームのいくつかの特性のプロファイルである。 例を用いて最適な溶接パラメータの発見を説明するために、得られた溶接シームのいくつかの特性のプロファイルである。 例を用いて最適な溶接パラメータの発見を説明するために、得られた溶接シームのいくつかの特性のプロファイルである。

図１は、溶接プロセスの概略図を示し、溶接システムは、溶接装置１、プロセスロボット２、およびワークピース４の溶接問題を相応に解決する溶接トーチ３を備える。したがって、溶接トーチ３は、ワークピース４上の所定の溶接トラック７に沿って案内され、溶接トーチ３の接触ノズルまたはそれぞれ溶接ワイヤ５の端部とワークピース４との間でアーク６を燃焼させる。ワークピース４の材料および溶接ワイヤ５の溶融により、溶接シーム８が生成される。ワークピース４に対する溶接トーチ３の移動の代わりに、またはそれに加えて、ワークピース４は、溶接トーチ３に対しても移動することができる。溶接トラック７に沿った溶接トーチ３とワークピース４の間の相対移動は、重要である。溶接では、ワークピース４のそれぞれの位置と配置、および溶接トラック７の方向に応じて、様々な溶接プロセスが実行される。これは、溶接トラック７の接線ベクトルｔに対応し、特定の溶接パラメータＰ_ｉ（ｘ）が設定される。これらの溶接パラメータＰ_ｉ（ｘ）によって、溶接プロセスまたはそれぞれの溶接、それによって溶接シーム８は、実質的に影響を受ける。それぞれの溶接タスクに応じて、溶接シーム８に異なる要件が設定される。例えば、溶接は、溶接速度、安全な溶け込み深さ、振動ダイナミクス要件の溶接パラメータＰ_ｉ（ｘ）の設定だけでなく、視覚的に満足のいく溶接シーム８を介して最適化できる。したがって、それぞれの溶接タスクを考慮して、ワークピース４で溶接を実行するために、最適な溶接結果につながる最適な溶接パラメータＰ_{ｉ，ｏｐｔ}（ｘ）のセットが常に存在する。そのような最適な溶接パラメータＰ_{ｉ，ｏｐｔ}（ｘ）の発見は、非常に複雑な方法であり、通常、溶接技術の分野の熟練者またはそれぞれの専門家のために保有されている。最適な溶接パラメータＰ_{ｉ，ｏｐｔ}（ｘ）を見つけるプロセスは、それに応じて長時間続く可能性があり、待機時間が長くなり、場合によっては高コストになる可能性がある。さらに、最適な溶接パラメータＰ_{ｉ，ｏｐｔ}（ｘ）が見つかるまでそのような待機時間を埋めるために、不十分な溶接品質を特徴とする妥協が行われることがある。したがって、ワークピース４の溶接を実行する際に特定の溶接タスクの最適な溶接パラメータＰ_{ｉ，ｏｐｔ}（ｘ）を可能な限り迅速に、また対応する熟練者またはそれぞれの専門家の直接的な関与なしに見つけることができることは大きな懸念事項である。

図２は、ワークピース４に溶接を実行するための最適な溶接パラメータＰ_{ｉ，ｏｐｔ}（ｘ）を自動的に決定するための本発明に係る方法の機能的な概略図を示す。したがって、いくつかの試験溶接が試験溶接トラック１０に沿って試験ワークピース９で実行され、各試験溶接で、少なくとも１つの溶接パラメータＰ_ｉ（ｘ）が、試験溶接トラック１０に沿って、事前定義された初期値Ｐ_ｉ，Ａから事前定義された最終値Ｐ_ｉ，Eまで自動的に変更される。それぞれの溶接パラメータＰ_ｉ（ｘ）の初期値Ｐ_ｉ，Ａと最終値Ｐ_ｉ，Eとの間の変更は、例えば、線形に、または特定の段階で行うことができる。この場合、溶接パラメータＰ_ｉ（ｘ）と試験溶接トラック１０に沿ってカバーされる経路ｘとの間の相関は、常に事前定義されているため、逆もまた同様であり、試験溶接トラック１０の各位置ｘで、そこに設定されている溶接パラメータＰ_ｉ（ｘ）に関して結論を下すことができる。特に、好ましくは、真っ直ぐな試験溶接トラック１０または一定の接線ベクトルを有するそれぞれの試験溶接トラック１０を備えた非常に単純な試験ワークピース９および試験ワークピース９の用途指向の配置を使用すると、非常に簡単かつ迅速に実行可能な試験溶接が得られ、試験目的で完全なワークピースまたはそれぞれのコンポーネントを溶接する必要がなく、多大な費用と無駄につながる。

試験ワークピース９の試験溶接トラック１０に沿って得られた試験溶接シーム１１は、対応するセンサ１２によって測定され、この測定は、試験溶接の実行中に直接、または後で実行することができる。非接触で試験溶接シーム１１をスキャンするセンサ１２、または試験溶接の実行中に溶接電流源のパラメータを記録する内部センサに加えて、試験溶接シーム１１が試験ワークピース９の破壊と共に解析される方法も考慮される。例えば、試験溶接シーム１１の顕微鏡写真は、試験溶接トラック１０に沿ったいくつかの位置で作成することができ、例えば、画像処理によって処理することができる。

センサ１２は、試験ワークピース９のそれぞれの試験溶接シーム１１を特徴付ける少なくとも１つの品質パラメータＱ_ｋ（Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ）））に処理される様々なセンサ信号Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ））を送出する。センサ信号Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ））からの品質パラメータＱ_ｋ（Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ）））の計算の種類は、それぞれの溶接タスクと、それぞれの溶接タスクの完了に特徴的な基準に依存する。

品質パラメータＱ_ｋ（Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ）））の処理を簡単にするために、変更された溶接パラメータＰ_ｉ（ｘ）の関数として試験溶接シーム１１の品質を特徴付けるための品質関数Ｇ（Ｑ_ｋ（Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ））））が計算される。したがって、品質関数を使用すると、実数は、多次元空間になり、これは、少なくとも１つの最適値、特に、最大値または最小値を有し、比較的簡単に自動化できる方法で見つけることができる。図２に示されるように、品質関数Ｇの最適Ｇ_ｏｐｔは、溶接パラメータＰ_１およびＰ_２に依存する領域の最大値になる。対応する計算により、この最適な品質関数Ｇ_ｏｐｔは、パラメータ空間の特定の制限内ですばやく見つけることができる。品質関数Ｇ_ｏｐｔ（Ｑ_ｋ（Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ））））のこの最適値から、品質パラメータＱ_{ｋ，ｏｐｔ}（Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ）））のそれぞれの最適値と、試験溶接トラック１０の対応する位置ｘ_ｏｐｔから、最終的に値が定義され、それぞれの最適な溶接パラメータＰ_{ｉ，ｏｐｔ}に対して保存される。これらの最適な溶接パラメータＰ_{ｉ，ｏｐｔ}により、溶接は、ワークピース４に対して実行され、その結果、溶接タスクに対応する最適な溶接品質が得られる。

これまでの既知の方法とは異なり、ここでは、溶接技術の熟練者またはそれぞれ専門家を直接配置する必要はない。しかしながら、もちろん、溶接技術のそのような熟練者や専門家は、品質パラメータＱ_ｋ（Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ）））および品質関数Ｇ（Ｑ_ｋ（Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ））））の定義に使用する必要がある。しかしながら、特定のワークピース形状を有する特定のワークピースの特定の溶接タスクの場合、試験ワークピース９の多数の試験溶接と、品質パラメータと品質関数の多数の変異形を定義して対応するデータベースに保存でき、それにアクセスすることで、個々の溶接タスクに対して最適な溶接パラメータＰ_{ｉ，ｏｐｔ}を自動的に迅速に定義できる。

図３は、本発明に係る方法を実行するための溶接システムの図を示す。溶接装置１により、プロセスロボット２に配置された、溶接用トーチ３は、試験ワークピース９に試験溶接を行うために制御される。溶接装置１およびプロセスロボット２は、制御装置１７またはそれぞれコンピュータを介して適宜作動され、それにより、所定の試験溶接トラック１０に沿って対応する試験ワークピース９に対して試験溶接を行うことができる。適切なセンサ１２により、溶接シーム１１は、試験溶接の実施中、または試験溶接の実施後に試験溶接トラック１０に沿って測定することができる。例えば、光学センサ１３、Ｘ線センサ１４、温度センサ１５またはその他の渦電流センサ１６がセンサ１２として考慮に入れられる。内部センサは、試験溶接の実行中に溶接電流源のパラメータを記録することもできる。センサ１２によって受信されたセンサ信号Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ））は、制御装置１７を介して処理され、対応するメモリまたはそれぞれデータベース１８に蓄積される。さらに、それぞれの溶接タスクに従って、品質パラメータＱ_ｋ（Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ）））は、センサ信号Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ））から計算され、それに応じて個々の試験溶接シーム１１を特徴付ける。試験溶接シームに沿って少なくとも１つの溶接パラメータＰ_ｉ（ｘ）が初期値Ｐ_ｉ，Ａから最終値Ｐ_ｉ，Ｅまでそれぞれ変更されるので、試験溶接シーム１１に沿って最適な特性を有する点またはそれぞれの領域が存在する。試験溶接シーム１１のこれらの最適特性は、センサ１２によって相応に検出され、それに応じて制御装置１７で処理される。試験溶接シームの最適特性が定義される試験溶接シーム１１に沿った位置で、そこで有効なパラメータＰ_ｉ（ｘ）に対して逆算を実行でき、これを最適値として定義し、それに応じて保存できる。複数の試験ワークピース９およびそれらの試験溶接シーム１１ならびにセンサ信号Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ））から、複数のデータ結果は、メモリまたはそれぞれデータベース１８に蓄積される。データベース１８は、準知識データベースを表し、そこでは、溶接技術に精通している熟練者および専門家の専門知識が構造化された方法で存在し、最適な溶接パラメータＰ_{ｉ，ｏｐｔ}の定義のためにアクセスすることができる。

図４は、データベース１８に保存されたこの情報から最適な溶接パラメータＰ_{ｉ，ｏｐｔ}を見つける原理を示す。したがって、制御装置１７またはそれぞれコンピュータには、特定のデータがロードされ、それにより、特定の溶接タスクは、ワークピース４に溶接を実行するために特徴付けられる。特に、特定の品質パラメータＱ_ｋおよび品質関数Ｇは、品質パラメータＱ_ｋの関数として、または複数のそのような品質パラメータＱ_ｋまたは品質関数Ｇから、少なくとも１つの特定の品質パラメータＱ_ｋまたはそれぞれ特定の品質関数Ｇが選択される。試験溶接から得られたセンサ信号Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ））の利用可能な情報から、品質関数Ｇ_ｏｐｔの最適値を見つける上記の手順を介して、それぞれの最適な溶接パラメータＰ_{ｉ，ｏｐｔ}に対して逆計算を実行できる。次に、これらの最適な溶接パラメータＰ_{ｉ，ｏｐｔ}は、溶接システムの溶接装置１およびプロセスロボット２に渡され、これらの最適な溶接パラメータＰ_{ｉ，ｏｐｔ}を用いて、溶接トラック７に沿ってワークピース４に溶接が行われ、解決すべきそれぞれの溶接問題に最適な特性を備えた溶接シーム８が得られる。

図５ａ〜図５ｃは、試験ワークピース９上の試験溶接シーム１１の測定を説明するための様々な概略図を示す。図５ａは、例えば、溶接トーチ３の下流に配置された光学センサ１３または温度センサ１５により、試験溶接の実施中に試験溶接シーム１１を測定するための方法を示す。これらのセンサは、それに応じて溶接シーム１１をスキャンし、試験溶接トラック１０に沿った位置に応じて、得られたセンサ信号Ｓ_ｊ（ｘ）を受信して渡す。

図５ａに示した上記の方法の代替または追加として、また図５ｂに従って、試験ワークピース９またはそれぞれ試験溶接シーム１１は、例えば、溶接シーム１１上の様々な品質パラメータにつながる光学センサ１３、Ｘ線センサ１４またはその他の渦電流センサ１６などの様々なセンサによって、試験溶接トラック１０に沿って測定することができる。

図５ｃでは、試験溶接シーム１１および周囲の試験ワークピース９の顕微鏡写真が試験溶接トラック１０に沿った様々な位置で生成されることにより、試験溶接シーム１１の解析のために試験ワークピース９が破壊される方法の概略が説明されている。これらの顕微鏡写真は、対応するセンサと画像処理方法で測定でき、試験溶接シーム１１の品質に関する情報を提供できる。特定の溶接タスクの実行に関して、特定の顕微鏡写真が最適な特性、例えば、最適な溶け込み深さなどを有している場合、試験溶接シーム１１のこの位置で使用されるそれぞれの溶接パラメータＰ_ｉ（ｘ）は、最適な溶接パラメータＰ_{ｉ，ｏｐｔ}として識別され定義され、保存される。

試験ワークピース９の試験溶接トラック１０に沿って試験溶接シーム１１を測定するための自動方法は、対応する装置を使用して自動化することができ、その結果、試験溶接シーム１１を評価できる複数のデータを迅速に見つけ、保存される。

図６は、溶接されたワークピースの断面図と対応するパラメータを示している。これらのパラメータは、ワークピースと溶接シームを適切に特徴付ける。これらのパラメータには、例えば、次のものが含まれる。

ｔ ワークピースの厚さ
ｇ ワークピース間のギャップ幅
ａ 溶接シームの厚さ
ｈ シーム片勾配
ｔ＿ｐ 侵入深さ
ｔ＿ｋ アンダーカットの深さ
ｐｈｉ＿ｕ シーム遷移角度
ｐｈｉ＿ｐ 溶接シームの方向における溶接トーチとワークピースとの間の迎え角（図６には示されていない）
ｐｈｉ＿ｗ 溶接シームを横切る方向における溶接トーチとワークピースとの間の作用角

例として挙げられている溶接シームの特性評価のためのこれらのパラメータに加えて、他のいくつかのパラメータが存在し、これらは、同様に、表された方法を実行するために利用でき、対応するセンサによって受信することができる。例えば、スパッタの量、溶融欠陥、溶接シームの気孔の数、および再現性は、溶接を特徴付けることができる溶接パラメータとして指定することができる。

図７ａ〜図７ｃは、例を用いて、特定の溶接タスクのための最適な溶接パラメータの発見を示す。この例では、タスクは、ワークピースに対する溶接トーチの迎え角ｐｈ＿ｐとそれに応じて溶接トーチの作用角ｐｈｉ＿ｗを変化させ、そこから最適なパラメータを選択することにより、溶接シームのシーム片勾配ｈを可能な限り小さく保つことからなる。したがって、この例では、試験溶接が実行され、迎え角ｐｈｉ＿ｐは、試験ワークピースの試験溶接シームに沿って初期値から最終値まで変更され、さらに試験溶接では、作用角ｐｈｉ＿ｗは、試験溶接トラックに沿って初期値から最終値まで変更される。これらの試験ワークピースの結果として生じる試験溶接シームが測定され、シーム片勾配ｈに対応するセンサ信号が記録される。したがって、シーム片勾配ｈのプロファイルは、迎え角ｐｈｉ＿ｐ（図７ａ）の関数として、ｈは、作用角ｐｈｉ＿ｗ（図７ｂ）の関数として得られる。

シーム片勾配ｈに依存する品質関数Ｇを定義した後、図７ｃの図に示されるように、迎え角ｐｈｉ＿ｐと作用角ｐｈｉ＿ｗの関数として、シーム片勾配ｈの面積プロファイルが得られる。品質関数Ｇは、少なくとも１つの最適値、表された例では少なくとも１つの最小値を持ち、簡単に決定でき、迎え角ｐｈｉ＿ｐ_，ｏｐｔおよび作用角ｐｈｉ＿ｗ_，ｏｐｔの最適値への逆計算を可能にする。

実際の溶接では、３つ以上の溶接パラメータが変化するため、それぞれの可変溶接パラメータＰ_ｉ（ｘ）に依存する品質関数Ｇの多次元関数が生成される。

示された方法は、溶接技術分野の対応する熟練者または専門家が直接関与する必要なしに、試験ワークピースを用いて実行された試験溶接を用いて、収集された複数のデータから理想的な溶接パラメータＰ_{ｉ，ｏｐｔ}の迅速な発見を可能にする。

Claims (15)

1. ワークピース（４）に溶接を実行するための最適な溶接パラメータ（Ｐ_{ｉ，ｏｐｔ}）を自動的に決定するための方法であって、前記方法は、
   −複数の試験溶接は、試験溶接トラック（１０）に沿って試験ワークピース（９）で実行され、各試験溶接で、少なくとも１つの溶接パラメータ（Ｐ_ｉ（ｘ））は、前記試験溶接トラック（１０）に沿って事前定義された初期値（Ｐ_ｉ，Ａ）から事前定義された最終値（Ｐ_ｉ，Ｅ）まで自動的に変更されるステップと、
   −結果として得られる各試験溶接シーム（１１）は、前記試験溶接トラック（１０）に沿って少なくとも１つのセンサ（１１）で測定され、少なくとも１つのセンサ信号（Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ）））が受信されるステップと、
   −各溶接シーム（１１）を特徴付ける少なくとも１つの品質パラメータ（Ｑ_ｋ（Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ））））は、少なくとも１つのセンサ信号（Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ）））から計算されるステップと、
   −変更された溶接パラメータ（Ｐ_ｉ（x））に従って前記試験溶接シーム（１１）の品質を特徴付けるための品質関数（Ｇ（Ｑ_ｋ（Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ）））））は、少なくとも１つの品質パラメータ（Ｑ_ｋ（Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ））））から計算されるステップと、
   −最適な品質関数（Ｇ_ｏｐｔ（Ｑ_ｋ（Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ））））が確認され、最適な溶接パラメータ（Ｐ_{ｉ，ｏｐｔ}）の値は、この最適な品質関数（Ｇ_ｏｐｔ（Ｑ_ｋ（Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ））））での各品質パラメータ（Ｑ_{ｋ，ｏｐｔ}（Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ）））および前記試験溶接トラック（１０）の対応する位置（ｘ_，ｏｐｔ）に基づいて定義され、保存されるステップと、
   を含む、方法。
2. 前記試験溶接トラック（１０）は、試験溶接を実施する前に、測定されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記試験溶接シーム（１１）は、試験溶接の実施中または実施後に、前記試験溶接トラック（１０）に沿って測定されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 各試験溶接において、溶断される溶接ワイヤ（５）のワイヤ送り速度（ｖ_Ｄ（ｘ））、溶接速度（ｖ_Ｓ（ｘ））、自由溶接ワイヤ長、溶接トーチ（３）の迎え角（ｐｈｉ＿ｐ（ｘ））、溶接トーチ（３）の作用角（ｐｈｉ＿ｗ（ｘ））および溶接トーチ（３）のツールの中心点（ＴＣＰ（ｘ））の少なくとも１つの溶接パラメータ（Ｐｉ（ｘ））は、前記試験溶接トラック（１０）に沿って変更されることを特徴とする、請求項１ないし３のうちいずれか１項に記載の方法。
5. 前記試験溶接は、一定の接線方向ベクトル（ｔ）を有する事前定義された試験溶接トラック（１０）に沿って、特に、長さ（ｌ）が、好ましくは、１０ｃｍ〜５０ｃｍの直線試験溶接トラック（１０）に沿って実行されることを特徴とする、請求項１ないし４のうちいずれか１項に記載の方法。
6. 前記試験溶接は、平らな試験ワークピース（９）に対して行われることを特徴とする、請求項１ないし５のうちいずれか１項に記載の方法。
7. 前記試験溶接シーム（１１）は、好ましくは、試験溶接の実施中に、非破壊測定方法、例えば、光学センサ（１３）、特に、レーザースキャナー、カメラなど、Ｘ線センサ（１４）、および／または温度センサ（１５）によって、前記試験溶接トラック（１０）に沿って測定されることを特徴とする、請求項１ないし６のうちいずれか１項に記載の方法。
8. 前記試験溶接シーム（１１）は、破壊試験方法により、例えば、前記試験溶接トラック（１０）に沿って少なくとも１つの事前定義された距離（ｘ_Ｖ）で前記試験溶接シーム（１１）の少なくとも１つの顕微鏡写真を作成することにより、前記試験溶接トラック（１０）に沿って処理されることを特徴とする、請求項１ないし７のうちいずれか１項に記載の方法。
9. 各試験溶接において、少なくとも１つの溶接パラメータ（Ｐ_ｉ）は、事前定義された初期値（Ｐ_ｉ，Ａ）から事前定義された最終値（Ｐ_ｉ，Ｅ）まで、事前定義された長さ（ｌ）の前記試験溶接トラック（１０）に沿って直線的に変化されることを特徴とする、請求項１ないし８のうちいずれか１項に記載の方法。
10. 前記試験溶接は、様々な溶接条件（Ｂ_ｌ）で行われ、事前定義された溶接条件（Ｂ_ｖ）での溶接に最適な溶接パラメータ（Ｐ_{ｉ，ｏｐｔ}）は、事前定義された溶接条件（Ｂ_ｖ）の境界溶接条件（Ｂ_ｕ、Ｂ_ｏ）での試験溶接で決定された最適溶接パラメータ（Ｐ_{ｉ，ｏｐｔ}）の補間によって実行されることを特徴とする、請求項１ないし９のうちいずれか１項に記載の方法。
11. 前記試験溶接は、それぞれ、ワークピース温度、試験ワークピース（９）の位置、前記試験溶接トラック（１０）の周りの試験ワークピース（９）の開き角度、または前記試験溶接トラック（１０）のギャップ幅の少なくとも２つの異なる溶接条件（Ｂ_ｌ）下で行われることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 補間を実行する前に、品質関数Ｇ（Ｑ_ｋ（Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ））））は、事前定義された溶接条件（Ｂ_ｖ）で決定され、品質関数Ｇ（Ｑ_ｋ（Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ））））が閾値から逸脱すると、少なくとも１つの追加試験溶接が追加試験溶接条件（Ｂ_ｚ）で実行されることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の方法。
13. 幅、高さ、片勾配、曲率不足、シーム充填量、および／または試験溶接シーム（１１）の遷移角度は、スキャンされ、これらのセンサ信号（Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ）））から品質パラメータ（Ｑ_ｋ（Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ））））は、前記試験溶接トラック（１０）に沿って計算されることを特徴とする、請求項１ないし１２のうちいずれか１項に記載の方法。
14. 前記品質関数（Ｇ_ｏｐｔ（Ｑ_ｋ（Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ））））の最適値は、品質パラメータ（Ｑ_ｋ（Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ））））にそれぞれ影響を与えるために、溶接パラメータ（Ｐ_ｉ（ｘ））をそれぞれ連続的に変更することによって決定されることを特徴とする、請求項１ないし１３のうちいずれか１項に記載の方法。
15. 前記品質関数（Ｇ_ｏｐｔ（Ｑ_ｋ（Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ））））の最適値は、いくつかの品質パラメータ（Ｑ_ｋ（Ｓ_ｊ（Ｐ_ｉ（ｘ））））に影響を与えるために、勾配に関していくつかの溶接パラメータ（Ｐ_ｉ（ｘ））を変更することによって決定されることを特徴とする、請求項１ないし１３のうちいずれか１項に記載の方法。

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