JP2023031066A

JP2023031066A - 重ね隅肉溶接方法及び溶接装置

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Publication number: JP2023031066A
Application number: JP2021136547A
Authority: JP
Inventors: 春菜下新原; Haruna Shimonihara
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 2021-08-24
Filing date: 2021-08-24
Publication date: 2023-03-08

Abstract

【課題】下向きの重ね隅肉溶接において、上板と下板の間に隙間がある場合であっても、上板側における溶け込み不足を解消することができる重ね隅肉溶接方法を提供する。【解決手段】重ね合わされた第１母材及び第２母材の隅部へ溶接ワイヤを送給してアーク溶接を行う重ね隅肉溶接方法であって、溶接電流を検出し、第１母材及び第２母材の隙間に溶融金属が吸い込まれることによる溶接電流の減少の有無を判定し、溶接電流が減少したと判定された場合、前記隅部に対する溶接ワイヤの狙い角を小さくする。【選択図】図４

Description

本発明は、重ね隅肉溶接方法及び溶接装置に関する。

溶接継手の一つに２枚の板材を略水平に重ね合わせた重ね継手がある。重ね継手の上板端部と下板とからなる隅部の溶接は、重ね隅肉溶接と呼ばれる。特許文献１には、アーク時間のバラツキから、継手位置に対する溶接トーチの位置ずれを検知し、溶け落ちを防止する技術が開示されている。

特許第４１１２２１３号公報

下向きの重ね隅肉溶接において、上板と下板の間に隙間があると、その隙間に溶融金属が吸い込まれてしまい、隙間がない場合と比べて上板側に溶け込み不足が発生しやすいという技術的問題がある。隙間が生じないように上板及び下側を治具で固定しても、母材である上板及び下板の加工精度、溶接時の熱膨張の影響によって部分的に隙間が生じることがあり、上板側に溶け込み不足が発生し得る。
特許文献１には、溶接トーチの位置ずれを検知し、溶け落ちを防止する技術が開示されているが、上板と下板の隙間に溶融金属が吸い込まれることによる溶け込み不足を解決する技術は開示されていない。

本発明の目的は、下向きの重ね隅肉溶接において、上板と下板の間に隙間がある場合であっても、上板側における溶け込み不足を解消することができる重ね隅肉溶接方法及び溶接装置を提供することにある。

本発明の一態様に係る重ね隅肉溶接方法は、重ね合わされた第１母材及び第２母材の隅部へ溶接ワイヤを送給してアーク溶接を行う重ね隅肉溶接方法であって、溶接電流を検出し、第１母材及び第２母材の隙間に溶融金属が吸い込まれることによる溶接電流の減少の有無を判定し、溶接電流が減少したと判定された場合、前記隅部に対する溶接ワイヤの狙い角を小さくする。

本発明の一態様に係る溶接装置は、重ね合わされた第１母材及び第２母材の隅部へ溶接ワイヤを送給してアーク溶接を行う溶接装置であって、溶接電流を検出する電流検出回路と、前記隅部に沿って溶接トーチを移動させる溶接ロボットと、第１母材及び第２母材の隙間に溶融金属が吸い込まれることによる溶接電流の減少の有無を判定し、溶接電流が減少したと判定された場合、前記隅部に対する溶接ワイヤの狙い角が小さくなるように、前記溶接トーチの姿勢を制御する制御装置とを備える。

上記によれば、下向きの重ね隅肉溶接において、上板と下板の間に隙間がある場合であっても、上板側における溶け込み不足を解消することができる。

アーク溶接装置の構成例を示す模式図である。溶接電源の構成例を示すブロック図である。調整装置の構成例を示すブロック図である。本実施形態に係る調整処理手順を示すフローチャートである。重ね隅肉溶接方法を示す説明図である。

本開示の実施形態に係る重ね隅肉溶接方法及び溶接装置を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。また、以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。

以下、本発明をその実施形態を示す図面に基づいて詳述する。
図１は、アーク溶接装置の構成例を示す模式図、図２は、溶接電源の構成例を示すブロック図である。本実施形態に係るアーク溶接装置は、下向きの重ね隅肉溶接を行うための消耗電極式のガスシールドアーク溶接機である。母材Ａは、略水平に重ね合わせた上板Ａ１（第１母材）及び下板Ａ２（第２母材）からなる重ね継手である。本実施形態に係るアーク溶接装置は、例えばパルス溶接機であり、上板Ａ１の端部と下板Ａ２とからなる隅部へ溶接ワイヤＷを送給してアーク溶接を行い、下向き重ね隅肉溶接方法を実施する。

アーク溶接装置は、溶接トーチ１１及びワイヤ送給部１２が取り付けられた溶接ロボット１と、溶接電源２と、制御装置３と、図示しないシールドガス供給部とを備える。図１中、太線は給電ケーブル、細線は制御通信線である。

制御装置３は、溶接電源２に溶接条件を設定して、溶接電源２の動作を制御する。また、制御装置３は、動作制御信号を溶接ロボット１へ出力することによって、溶接ロボット１の動作を制御する。更に、制御装置３は、上板Ａ１と下板Ａ２の隙間に溶融金属が吸い込まれて溶け込み不足が発生する問題を解消するための調整装置４を備える。

溶接ロボット１は、床面の適宜箇所に固定される基部を備える。基部には、複数のアームが軸部を介して回動可能に連結している。先端側に連結されたアームの先端部位には、溶接トーチ１１が保持されている。アームの連結部分にはサーボモータが設けられており、サーボモータの回転駆動力によって軸部を中心に各アームが回動する。サーボモータの回転は制御装置３によって制御されている。制御装置３は、各アームを回動させることによって、母材Ａに対して溶接トーチ１１を上下前後左右に移動させることができる。各アームの連結部分には、アームの回動位置を示す信号を制御装置３へ出力するエンコーダが設けられており、制御装置３は、エンコーダから出力された信号に基づいて、溶接トーチ１１の位置及び姿勢を認識する。

シールドガス供給部は、溶接トーチ１１へシールドガスを供給する。シールドガスは、アークによって溶融した母材Ａ及び溶接ワイヤＷの酸化を防止するためのものである。シールドガスは、例えばアルゴンＡｒ、二酸化炭素ＣＯ₂及びヘリウムＨｅの混合ガス、又はアルゴンＡｒ及びヘリウムＨｅの混合ガスである。

溶接トーチ１１は、銅合金等の導電性材料からなり、母材Ａの被溶接部へ溶接ワイヤＷを案内すると共に、アークの発生に必要な溶接電流Ｉｗを供給する円筒形状のコンタクトチップを有する。コンタクトチップは、その内部を挿通する溶接ワイヤＷに接触し、溶接電流Ｉｗを溶接ワイヤＷに供給する。また、溶接トーチ１１は、コンタクトチップを囲繞する中空円筒形状をなし、シールドガス供給部から供給されたシールドガスを被溶接部へ噴射するノズルを有する。

溶接ワイヤＷは、例えばソリッドワイヤ、メタルコアードワイヤ又はフラックスコアードワイヤであり、消耗電極として機能する。溶接ワイヤＷは、例えば、螺旋状に巻かれた状態でペールパックに収容されたパックワイヤ、あるいはワイヤリールに巻回されたリールワイヤである。

ワイヤ送給部１２は、溶接ワイヤＷを溶接トーチ１１へ送給する送給ローラと、当該送給ローラを回転させるモータとを有する。ワイヤ送給部１２は、送給ローラを回転させることによって、ペールパック又はワイヤリールから溶接ワイヤＷを引き出し、引き出された溶接ワイヤＷを溶接トーチ１１へ定速で供給する。

溶接電源２は、電源回路２１、検出部２２、電源制御回路２３及び送給制御回路２４を備える。電源回路２１は、給電ケーブルを介して、溶接トーチ１１のコンタクトチップ及び母材Ａに接続され、溶接ワイヤＷ及び母材Ａ間に溶接電圧Ｖｗを印加して、溶接電流Ｉｗを供給する。

検出部２２は、電圧検出回路２２ａ及び電流検出回路２２ｂを含む。電流検出回路２２ｂは、溶接工程中にアークを流れる溶接電流Ｉｗを検出し、検出した電流値を示す電流検出信号Ｉｄを電源制御回路２３へ出力する。電圧検出回路２２ａは、溶接トーチ１１及び母材Ａに印加される溶接電圧Ｖｗを検出し、検出した電圧値を示す電圧検出信号Ｖｄを電源制御回路２３へ出力する。

電源制御回路２３は、電圧検出回路２２ａ及び電流検出回路２２ｂにて検出された電流値及び電圧値と、設定電圧値及び設定電流値とに基づく誤差増幅信号ΔＥを電源回路２１へ出力する。設定電圧値及び設定電流値は、例えば制御装置３によって設定される。誤差増幅信号ΔＥは、例えば、検出された電流値と、溶接電流Ｉｗの目標値との差分を示す信号である。誤差増幅信号ΔＥは、検出された電圧値と、溶接電圧Ｖｗの目標値との差分を示す信号としてもよい。電源回路２１は、商用交流電源を入力し、誤差増幅信号ΔＥに基づいて、インバータ制御、サイリスタ位相制御等を行い、溶接に適した溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力する。

送給制御回路２４は、設定電流値に対応した送給速度で溶接ワイヤＷを送給するための送給制御信号をワイヤ送給部１２へ出力し、溶接ワイヤＷの送給速度を制御する。また、溶接電源２又は電源制御回路２３は、溶接工程中の溶接状態の状態を示す溶接モニタ信号を制御装置３の調整装置４へ出力する。溶接モニタ信号は、例えば電流検出信号Ｉｄである。

図３は、調整装置４の構成例を示すブロック図である。調整装置４は、処理部４０と、入力部４０ａと、出力部４０ｂと、記憶部４０ｃとを備えるコンピュータである。

記憶部４０ｃは、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ROM）、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリである。記憶部４０ｃは、母材Ａに対する溶接トーチ１１及び溶接ワイヤＷの狙い角を最適化し、上板Ａ１側における溶け込み不足を解消するためのコンピュータプログラム４０ｄ及びテーブル４０ｅを記憶している。テーブル４０ｅは、設定電流値と、上板Ａ１及び下板Ａ２の隙間に溶融金属が吸い込まれた際に生ずる溶接電流Ｉｗの減少率とを対応付けて格納している。溶融金属が上記隙間に吸い込まれた際に生ずる溶接電流Ｉｗの減少率は、設定電流値に依存する。

処理部４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、又はマルチコアＣＰＵ等のプロセッサ、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入出力インタフェース等を有するコンピュータであり、インタフェースには、入力部４０ａ、出力部４０ｂ及び記憶部４０ｃが接続されている。処理部４０は、記憶部４０ｃが記憶するコンピュータプログラム４０ｄを実行することにより、母材Ａに対する溶接トーチ１１及び溶接ワイヤＷの狙い角を最適化する処理を実行する。

入力部４０ａは、溶接電源２に接続されている。入力部４０ａには、溶接電源２から出力された溶接モニタ信号、例えば電流検出信号Ｉｄが入力される。

出力部４０ｂは、溶接ロボット１及び溶接電源２に接続されている。処理部４０は、母材Ａに対する溶接トーチ１１及び溶接ワイヤＷの狙い角を最適化する動作制御信号を溶接ロボット１へ出力する。

図４は、本実施形態に係る調整処理手順を示すフローチャート、図５は、重ね隅肉溶接方法を示す説明図である。制御装置３は、溶接ロボット１及び溶接電源２の動作を制御し、重ね継手である母材Ａの隅肉溶接を行うものとする。溶接速度は１００ｃｍ／分以上、１２０ｃｍ／分以下である。パルス溶接に係るパルス周期は例えば４ｍ秒（２５０Ｈｚ）である。調整装置４は、隅肉溶接を開始前又は開始時に、設定電流値をキーにして、上板Ａ１と下板Ａ２の隙間への溶融金属の吸い込みを判定するための減少率をテーブル４０ｅから読み出す（ステップＳ１１）。

次いで、調整装置４は、電流検出回路２２ｂにて溶接電流Ｉｗを検出する（ステップＳ１２）。具体的には、調整装置４は、溶接電源２から出力される電流検出信号Ｉｄから溶接電流Ｉｗの電流値を示すデータを取得する。

調整装置４は、検出した溶接電流Ｉｗの電流値に基づいて平均出力電流を算出し、当該平均出力電流が急減したか否かを判定する（ステップＳ１３）。母材Ａのひずみによって生まれた上板Ａ１及び下板Ａ２の隙間に溶融金属が吸い込まれると、出力電流が急激に減少するため、平均出力電流が急減したか否かを判定することによって、溶融金属の吸い込みを検知することができる。
平均出力電流は、例えばＮパルス周期分の電流値の移動平均値である。平均出力電流は、例えばＮパルス周期分の電流値の移動平均値を算出すればよい。調整装置４は、直前Ｎパルス周期分の電流値から算出される溶接電流Ｉｗの平均値と、その前のＮパルス周期分の電流値から算出される溶接電流Ｉｗの平均値との差分を算出することによって、出力電流の変化量を算出する。そして、平均出力電流が、設定電流値に減少率を乗算して得られる閾値よりも大きく減少している場合、調整装置４は平均出力電流が急減したと判定する。つまり、平均出力電流の変化量が負で、変化量の絶対値が、上記閾値の絶対値より大きい場合、調整装置４は、平均出力電流が急減したと判定する。

平均出力電流が急減したと判定した場合（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、調整装置４は、動作制御信号を溶接ロボット１へ出力し、母材Ａに対する溶接トーチ１１の狙い角が所定量減少するように溶接トーチ１１の姿勢を制御する（ステップＳ１４）。図５に示すように、溶接線（上板Ａ１の端面と、下板Ａ２の上面とが交わる線）を含み下板Ａ２に対して直交する基準平面上に溶接ワイヤＷがあるときの狙い角を０度とする。当該基準平面に対する溶接ワイヤＷの角度を狙い角とする。ここでは、狙い角４５度を設定角とする。平均出力電流が急減したと判定した調整装置４は、狙い角を所定量、例えば１度減少させる。

次いで、調整装置４は、溶接電流Ｉｗを検出し（ステップＳ１５）、平均出力電流が急減前の状態まで回復したか否かを判定する（ステップＳ１６）。平均出力電流が回復していないと判定した場合（ステップＳ１６：ＮＯ）、調整装置４は処理をステップＳ１４へ戻し、溶接トーチ１１の狙い角を段階的に減少させる処理を継続する。調整装置４は、例えば－１度／０．１ｍ秒ずつ、溶接トーチ１１の狙い角を小さくする（溶接トーチ１１を立てる）。なお、溶接トーチ１１の狙い角の調整量に制限を設けてもよい。例えば、狙い角の減少量は１５度を上限にするとよい。

平均出力電流が回復したと判定した場合（ステップＳ１６：ＹＥＳ）、又はステップＳ１３において、平均出力電流が急減していないと判定した場合（ステップＳ１３：ＮＯ）、調整装置４は、溶接トーチ１１の狙い角が設定角未満であるか否かを判定する（ステップＳ１７）。つまり、溶接トーチ１１の狙い角を減少させた状態にあるか否かを判定する。狙い角が設定角未満でないと判定した場合（ステップＳ１７：ＮＯ）、調整装置４は処理を終える。狙い角が設定角未満であると判定した場合（ステップＳ１７：ＹＥＳ）、調整装置４は、動作制御信号を溶接ロボット１へ出力し、溶接トーチ１１の狙い角が所定量増加するように溶接トーチ１１の姿勢を制御し（ステップＳ１８）、処理をステップＳ１２へ戻す。例えば、調整装置４は、溶接トーチ１１の狙い角を１度増加させる。調整装置４は、例えば１度／０．１ｍ秒ずつ、溶接トーチ１１の狙い角を大きくする（溶接トーチ１１を寝かせる）。

溶接トーチ１１の狙い角を所定角へ段階的に戻す過程で、平均出力電流が急減しない場合、つまり上板Ａ１と下板Ａ２に隙間が無く溶融金属の吸い込みが生じないような場合、少しずつ溶接トーチ１１の姿勢及び狙い角は徐々に元の所定角に戻る。

（実施例）
実施例を説明する。突き出し長さ２０ｍｍ、狙い角４５度、前進角０度、狙い位置－２．０ｍｍ（下板Ａ２側）で設定電流４４０Ａ、設定電圧３２．５Ｖで溶接速度１５０ｃｍ／分とし、板厚３．２ｍｍ×３．２ｍｍの重ね隅肉溶接をする。スタート過渡期間後、３パルス分の平均出力電流が前３周期分より１０Ａ以上、減少した場合、ひずみによって発生した隙間に溶融金属が吸い込まれ始めたと判断し、３パルス分の平均出力電流が、溶融金属の吸い込み判断前の３周期分のパルスの出力電流となるまで１度／０．１ｍｓの傾きで狙い角を小さくする（溶接トーチ１１を立てる）。
このように溶接トーチ１１の姿勢を制御することによって、溶融金属の吸い込みを効果的に防ぐことができる。

本実施形態に係る溶接装置及び重ね隅肉溶接方法によれば、下向きの重ね隅肉溶接において、上板Ａ１と下板Ａ２の間に隙間がある場合であっても、上板Ａ１側における溶け込み不足を解消することができる。

また、溶接トーチ１１の狙い角を段階的に小さくする（溶接トーチ１１を立てる）ことにより、より安定的に母材Ａの溶け込み不足を解消することができる。
更に、狙い角の調整により溶接電流が安定した際、溶接トーチ１１の狙い角を段階的に大きくする（溶接トーチ１１を寝かせる）ことにより、溶接条件の急激な変化を避けることができ、より安定した重ね隅肉溶接を実現することができる。

更にまた、設定電流値に応じた閾値を用いて、上板Ａ１及び下板Ａ２の隙間への溶融金属が吸い込みを検知する構成であるため、より精度良く溶接トーチ１１の姿勢を制御し、溶け込み不足を解消することができる。

更にまた、上板Ａ１及び下板Ａ２の隙間に溶融金属が吸い込まれる問題が発生しやすい高速溶接、例えば、１００ｃｍ／分～１２０ｃｍ／分の溶接速度で薄板の重ね隅肉溶接を行う場合であっても、本実施形態の処理によって、溶融金属が上記隙間に吸い込まれることを効果的に防ぐことができる。

なお、本実施形態では、平均出力電流が急減した際、溶接トーチ１１の狙い角を小さくする制御を例示したが、溶接トーチ１１の狙い位置を上板Ａ１側に寄せるように制御してもよい。

また、本実施形態では、溶接トーチ１１の狙い角を減少させるときと、増加させるときの変化率が同じ場合を説明したが、溶接トーチ１１の姿勢を元に戻す際はより速い速度で狙い角を増加させるように構成してもよい。

更に、本実施形態に係る重ね隅肉溶接方法を実施することができる溶接装置は、パルス溶接機に限定されるものでは無く、任意の消耗電極式の溶接装置に適用することができる。また、溶接ロボット１を用いた自動溶接機を説明したが、半自動溶接機に本発明を適用してもよい。

１：溶接ロボット、２：溶接電源、３：制御装置、４：調整装置、１１：溶接トーチ、１２：ワイヤ送給部、２１：電源回路、２２：検出部、２２ａ：電圧検出回路、２２ｂ：電流検出回路、２３：電源制御回路、２４：送給制御回路、４０：処理部、４０ａ：入力部、４０ｂ：出力部、４０ｃ：記憶部、４０ｄ：コンピュータプログラム、４０ｅ：テーブル、Ａ１：上板、Ａ２：下板、Ｖｗ：溶接電圧、Ｉｗ：溶接電流、Ｖｄ：電圧検出信号、Ｉｄ：電流検出信号、ΔＥ：誤差増幅信号、Ｗ：溶接ワイヤ

Claims

重ね合わされた第１母材及び第２母材の隅部へ溶接ワイヤを送給してアーク溶接を行う重ね隅肉溶接方法であって、
溶接電流を検出し、
第１母材及び第２母材の隙間に溶融金属が吸い込まれることによる溶接電流の減少の有無を判定し、
溶接電流が減少したと判定された場合、前記隅部に対する溶接ワイヤの狙い角を小さくする
重ね隅肉溶接方法。
溶接電流が減少前の状態に戻るまで、前記狙い角を所定の設定角から段階的に小さくし、
溶接電流が減少前の状態に戻った場合、前記狙い角を前記設定角まで段階的に大きくする
請求項１に記載の重ね隅肉溶接方法。
溶接電流の設定値と、第１母材及び第２母材の隙間に溶融金属が吸い込まれることによる溶接電流の減少率とを対応付けたテーブルを用意し、
溶接電流の前記設定値に基づいて前記テーブルを参照して前記減少率を特定し、
検出された溶接電流が、特定した前記減少率より減少していると判定した場合、前記隅部に対する溶接ワイヤの狙い角を小さくする
請求項１又は請求項２に記載の重ね隅肉溶接方法。
溶接速度は１００ｃｍ／分以上である
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の重ね隅肉溶接方法。
重ね合わされた第１母材及び第２母材の隅部へ溶接ワイヤを送給してアーク溶接を行う溶接装置であって、
溶接電流を検出する電流検出回路と、
前記隅部に沿って溶接トーチを移動させる溶接ロボットと、
第１母材及び第２母材の隙間に溶融金属が吸い込まれることによる溶接電流の減少の有無を判定し、溶接電流が減少したと判定された場合、前記隅部に対する溶接ワイヤの狙い角が小さくなるように、前記溶接トーチの姿勢を制御する制御装置と
を備える溶接装置。