JP2024102403A

JP2024102403A - 溶接制御装置および溶接制御方法

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Publication number: JP2024102403A
Application number: JP2023006234A
Authority: JP
Inventors: 達彦川上; Tatsuhiko Kawakami; 湘多羅沢; Sho Tarasawa; 優 ▲桑▼田; Masaru Kuwata
Original assignee: Hitachi-GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Vernova Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2023-01-19
Filing date: 2023-01-19
Publication date: 2024-07-31
Anticipated expiration: 2043-01-19
Also published as: JP7901543B2

Abstract

【課題】溶接対象物のアーク溶接に用いられる電極または溶接ワイヤの位置を高い精度で制御することが可能な溶接制御装置および溶接制御方法を提供する。【解決手段】溶接中画像５１に含まれる溶接ワイヤ５、電極２、および溶融池７の画像部分５４と溶接前画像５２とを合成した合成画像５３を生成し、合成画像５３から抽出した、電極２または溶接ワイヤ５と溶接対象物３との相対位置情報に基づいて、電極２または溶接ワイヤ５の位置を制御する。【選択図】図６

Description

本発明は、溶接制御装置および溶接制御方法に関わる。

アーク溶接の能率向上、高品質化のために、溶接制御の自動化や溶接状況を監視する装置について、様々な提案がされている。例えば、特許文献１および特許文献２に開示されているものが知られている。

特許文献１に開示されている装置は、溶接対象物の溶接に用いられる溶接ワイヤ、又は前記溶接ワイヤを溶融させるための電極の少なくとも一方を含む位置制御対象を制御するように構成された溶接制御装置であって、少なくとも前記位置制御対象を含むように撮影した画像から検出される溶接特徴量であって、前記溶接ワイヤのワイヤ位置または前記電極の電極位置の少なくとも一方を含む溶接特徴量に基づいて前記位置制御対象の実位置を決定するように構成された第１決定部と、前記溶接対象物を溶接する際の前記電極の姿勢情報または前記溶接対象物の形状情報の少なくとも一方を含む入力条件に基づいて、前記入力条件に応じた前記実位置の目標である目標位置を決定するように構成された第２決定部と、前記実位置を前記目標位置にするための前記位置制御対象の位置制御を実行するように構成された制御部と、を備えることを特徴としている。

特許文献２に開示されている溶接状況の遠隔監視方法は、溶接部における監視対象である溶融池、アーク、開先の状態を鮮明に撮像するため６００～８００nmを中心波長として、１００nm以下の範囲の幅の波長を透過する干渉フィルタをＣＣＤカメラの前面に配し、シャッタースピードを選択して切り替えられる制御装置により、前記それぞれの各対象に合わせた最適なシャッタースピードによって撮像したアーク、溶融池の情報と、同様に最適なシャッタースピードによってガスシールドアーク溶接では、電圧が小さい時、ティグ溶接では、電流が小さい時に撮像した溶融池、開先内情報と画像処理装置により設定された画面のマスク位置にそれぞれを合成して、モニタ出力することで鮮明な画像を表示して、開先線倣いを含めた溶接条件制御を行うこと、を有することを特徴としている。

特開２０２０－１８２９６３号公報特開平８－１５０４７５号公報

溶接ワイヤを溶融池に連続的に供給しながら非消耗式電極を用いて施工する自動ＴＩＧ溶接では、溶接アークの変動や溶接対象物の表面状態によって電極、ワイヤの位置が適正な溶融状態からずれるため、作業者が監視、調整する必要がある。電極、ワイヤの位置制御を自動化し、作業者の負担を軽減するため、溶融池の変化や溶接対象物の表面状態を自動で検出する方法が求められている。

特許文献１に開示された装置では、位置制御対象の目標位置を溶接時の電極の姿勢や溶接対象の形状に応じて決定することにより、アーク溶接の溶接品質を向上させることが可能である。しかしながら、溶接時に撮影される画像はアーク光を抑制するフィルタにより輝度が低下するため、アーク光から離れた位置では画像が不鮮明となり、溶接対象物の表面状態の情報を取得することが難しいという課題があった。

特許文献２に開示された方法では、ＣＣＤカメラのカメラシャッタースピードを制御装置により変化させて、それぞれの対象物にあった最適な絞りで鮮明な画像を得ることが可能である。しかしながら、この方法では、ＴＩＧ溶接の場合、溶接対象物の表面状態を観察できるのは、溶接電流が小さい（アーク光の輝度が低い）タイミングのみであり、それ以外のタイミングでは溶接対象物の表面状態の情報を取得できないという課題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、溶接対象物のアーク溶接に用いられる電極または溶接ワイヤの位置を高い精度で制御することが可能な溶接制御装置および溶接制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、溶接対象物のアーク溶接に用いられる電極または溶接ワイヤの位置を制御する溶接制御装置において、溶接前の前記溶接対象物を含む溶接前画像、および溶接中の前記溶接対象物を含む溶接中画像を撮影する撮影装置と、前記溶接前画像に含まれる前記溶接対象物の画像部分と、前記溶接中画像に含まれる前記電極、前記溶接ワイヤ、および溶融池の画像部分とを合成した合成画像を生成する処理部と、前記合成画像から抽出した、前記電極または前記溶接ワイヤと前記溶接対象物との相対位置情報に基づいて、前記電極または前記溶接ワイヤの位置を制御する制御部とを備えるものとする。

また、本発明は、溶接対象物のアーク溶接に用いられる電極または溶接ワイヤの位置を制御する溶接制御方法において、溶接前の前記溶接対象物を含む溶接前画像、および溶接中の前記溶接対象物を含む溶接中画像を撮影するステップと、前記溶接前画像に含まれる前記溶接対象物の画像部分と、前記溶接中画像に含まれる前記電極、前記溶接ワイヤ、および溶融池の画像部分とを合成した合成画像を生成するステップと、前記合成画像から抽出した、前記電極または前記溶接ワイヤと前記溶接対象物との相対位置情報に基づいて、前記電極または前記溶接ワイヤの位置を制御するステップとを備えるものとする。

本発明によれば、溶接中に撮影した溶接中画像に含まれる溶接ワイヤ、電極、および溶融池の画像部分と溶接前に撮影した溶接前画像とを合成した合成画像から抽出される、電極または溶接ワイヤと溶接対象物との正確な相対位置情報に基づいて、電極または溶接ワイヤの位置を高い精度で制御することができるため、アーク溶接の品質を向上させることが可能となる。

本発明の第１の実施例に係る溶接制御装置の構成図溶接中画像の模式図溶接前画像の模式図溶接中画像と溶接前画像の合成画像の模式図本発明の第１の実施例に係る溶接制御方法を示すフローチャート溶接中画像と溶接前画像の合成方法の説明図本発明の第２の実施例に係る溶接制御装置の構成図

以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ詳細に説明する。本発明はアーク溶接全般に適用可能であるが、本実施形態では、アーク溶接の一種であるＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接を対象とする。ＴＩＧ溶接は、溶接トーチに保持されたタングステン電極と母材の間にアークを発生させ、その周囲をアルゴンなどの不活性ガスで包んで、溶加材である溶接ワイヤを補給しながら溶接を行う方法である。溶接ワイヤに通電してジュール熱を発生させ、ホットワイヤＴＩＧ溶接としてもよい。ホットワイヤＴＩＧ溶接では、高温の溶接ワイヤを溶融池内に供給することにより、ワイヤ溶着量を増加させることができる。

図１は、本発明の第１の実施例に係る溶接制御装置の構成図である。図１は、被溶接材３（溶接対象物）の自動ＴＩＧ溶接の例を示す。図１では溶接機を省略しているが、溶接機は、溶接トーチ１にアークを発生させるための電力を供給する。溶接ワイヤ５は溶接トーチ１の前方より送給される。溶接トーチ１は移動台車に搭載する、あるいはトーチスタンドに固定したターンテーブルと組み合わせることで被溶接材３との相対位置を変更することができる。溶接ワイヤ５はワイヤ送給装置６によって自動で供給される。溶接トーチ１とワイヤ送給装置６の間には溶接中画像撮影装置１０が設置される。

溶接開始直前は、溶接士が溶接トーチ１を溶接開始位置に設定する。溶接開始直後は、溶接ワイヤ５を安定に溶融池７に送給するように、溶接士は駆動部１３による溶接ワイヤ５の送給位置を調整する。安定に溶接施工になってからは、溶接士が制御部１４を自動監視モードに切り替えて溶接を行う。溶接途中でも自動監視モードから手動溶接モードに切り替えることができる。

溶接中画像撮影装置１０は、例えば、デジタルカメラなどの光学カメラである。溶接中でアークが点弧している箇所から高輝度の光が発せられるため、溶接作業の動作や溶接現象などの計測対象に応じて最適な計測装置を選定する必要がある。アーク光の特性を考慮すると、可視光領域から赤外領域の波長まで含めた光を受光できるセンサを搭載したカメラとすることが望ましい。また、アーク光によって画像内の輝度が飽和するハレーションの発生を防止するため、ダイナミックレンジが大きく、露光調整が可能なカメラとすることが望ましい。

溶接中画像撮影装置１０は、溶接アーク４の強い光の影響を一定程度に抑制するため、遮光フィルタ９を設ける。遮光フィルタ９を可動式とし、溶接アーク４の発生有無と連動するようにしてもよい。

図２は、溶接中画像５１の模式図である。画像中に溶接トーチ１、電極２、溶接ワイヤ５、ワイヤ送給装置６、溶融池７が映るように溶接中画像撮影装置１０の位置、方向は調整される。図２において、溶接時に撮影される画像はアーク光を抑制するフィルタにより輝度が低下するため、アーク光から離れた位置では画像が不鮮明となっている。

溶接前画像撮影装置１１は、例えば、デジタルカメラなどの光学カメラであり、溶接作業を実施する前の被溶接材３の表面を撮影する。カメラは高解像度とすることが望ましい。必要に応じて、外部光源による照明を追加してもよい。

図３は、溶接前画像５２の模式図である。画像中に被溶接材３の壁面２３、前層ビードの境界線２２、被溶接材３の開先（図示せず）などが収まるように溶接中画像撮影装置１０の位置、方向は調整される。

溶接中画像５１と溶接前画像５２で撮影した被溶接材３の位置関係を対応付けするため、溶接中画像撮影装置１０と溶接前画像撮影装置１１は事前に撮影位置を校正する。これにより、溶接中画像５１で撮影した被溶接材３の位置に対応する溶接前画像５２がどれかを特定できるようになる。

処理部１２は、溶接中画像撮影装置１０で撮影した溶接中画像５１と、溶接前画像撮影装置１１で撮影した溶接前画像５２の画像処理を行う。また、図４に示すような溶接中画像５１と溶接前画像５２の合成画像５３を生成し、合成画像５３の画像処理結果に基づき、制御対象である電極２または溶接ワイヤ５の目標位置を決定し、制御部１４に入力する。

駆動部１３は、制御部１４から出力された制御信号に基づき、制御対象である電極２または溶接ワイヤ５の位置を移動する。

制御部１４は、処理部１２が決定した電極２または溶接ワイヤ５の目標位置に制御するための制御信号を駆動部１３に出力する。

図５は、本実施例に係る溶接制御方法を示すフローチャートであり、処理部１２が実行する。フローチャートの各ステップについて、図６を用いて説明する。

ステップＳ１０１では、溶接中画像撮影装置１０で撮影した溶接中画像５１を読み込む。

ステップＳ１０２では、溶接中画像５１の特徴点を検出する。例えば、Harrisの手法によるコーナー検出を用いて、溶接トーチ１のノズル、溶融池７、溶接ワイヤ５、ワイヤ送給装置６の境界線上にある点を検出する。また、ＳＩＦＴ（Scale-Invariant Feature Transform）を用いて、被溶接材３の壁面２３や前層ビードの境界線２２上の点を検出する。ＳＩＦＴにより抽出された特徴量は、拡大・縮小によるスケール変化に対して不変なことからロバスト性が高いことが知られている。

ステップＳ１０３では、溶接中画像５１で撮影した被溶接材３の位置において、溶接前画像撮影装置１１で撮影した溶接前画像５２を読み込む。

ステップＳ１０４では、溶接前画像５２の特徴点を検出する。例えば、ＳＩＦＴを用いて、被溶接材３の壁面２３や前層ビードの境界線２２上の点を検出する。

ステップＳ１０５では、まず、ステップＳ１０２で算出した溶接中画像５１の特徴点に基づき、溶接中画像５１を溶接トーチ１のノズル、溶融池７、溶接ワイヤ５、ワイヤ送給装置６を含む画像部分である抽出領域５４と、それ以外の画像部分である背景領域５５に領域分けする。次に、ステップＳ１０４で検出した特徴点と、背景領域５５における特徴点とを比較し、特徴点同士を対応づける。特徴点の対応付けでは、特徴量の位置がある誤差範囲内で一致していれば、対応しているとみなす。

ステップＳ１０６では、ステップＳ１０５で溶接中画像５１の背景領域５５に位置合わせされた溶接前画像５２と溶接中画像５１の抽出領域５４とを合成した合成画像５３を生成する。

ステップＳ１０７では、合成画像５３の特徴量を算出する。ここでいう特徴量は、溶接対象物３に対する電極２または溶接ワイヤ５の位置情報であり、合成画像５３を基に算出してもよいし、ステップＳ１０２，Ｓ１０４で算出した特徴点を基に算出してもよい。

ステップＳ１０８では、ステップＳ１０７で算出した特徴量に基づき、制御対象である電極２、溶接ワイヤ５の目標位置を決定する。例えば、図４に示すように、電極２の先端位置１９、溶融池７の境界線左端２０、境界線右端２１、前層ビードの境界線１７、被溶接材３の壁面１８のそれぞれの相対位置が適切範囲となるように、電極２または溶接ワイヤ５の目標位置を決定する。

以上説明した本実施例では、溶接前画像５２と溶接中画像５１を合成することにより、溶接前画像５２から検出した溶接対象物３の表面状態の正確な情報に基づき、制御対象である電極２または溶接ワイヤ５の溶接対象物３に対する正確な位置を取得することができる。これにより、溶接対象物３に対する電極２または溶接ワイヤ５の位置を正確に制御することができるため、アーク溶接の溶接品質を向上させることが可能となる。

（まとめ）
本実施例では、溶接対象物３のアーク溶接に用いられる電極２または溶接ワイヤ５の位置を制御する溶接制御装置において、溶接前の溶接対象物３を含む溶接前画像５２、および溶接中の溶接対象物３を含む溶接中画像５１を撮影する撮影装置１０，１１と、溶接中画像５１に含まれる電極２、溶接ワイヤ５、および溶融池７の画像部分５４と溶接前画像５２とを合成した合成画像５３を生成する処理部１２と、合成画像５３から抽出した、電極２または溶接ワイヤ５と溶接対象物３との相対位置情報に基づいて、電極２または溶接ワイヤ５の位置を制御する制御部１４とを備える。または、溶接対象物３のアーク溶接に用いられる電極２または溶接ワイヤ５の位置を制御する溶接制御方法において、溶接前の溶接対象物３を含む溶接前画像５２、および溶接中の溶接対象物３を含む溶接中画像５１を撮影するステップＳ１０３と、溶接中画像５１に含まれる電極２、溶接ワイヤ５、および溶融池７の画像部分５４と溶接前画像５２とを合成した合成画像５３を生成するステップＳ１０６と、合成画像５３から抽出した、電極２または溶接ワイヤ５と溶接対象物３との相対位置情報に基づいて、電極２または溶接ワイヤ５の位置を制御するステップＳ１０７，Ｓ１０８とを備える。

以上のように構成した本実施例によれば、溶接中に撮影した溶接中画像５１に含まれる電極２、溶接ワイヤ５、および溶融池７の画像部分５４と溶接前に撮影した溶接前画像５２とを合成した合成画像５３から抽出される、電極２または溶接ワイヤ５と溶接対象物３との正確な相対位置情報に基づいて、電極２または溶接ワイヤ５の位置を高い精度で制御することができるため、アーク溶接の品質を向上させることが可能となる。

また、本実施例における処理部１２は、合成画像５３を作成する際に、溶接中画像５１から抽出した溶接対象物３の特徴点の位置と、溶接前画像５２から抽出した溶接対象物３の特徴点の位置とが一致するように、溶接中画像５１と溶接前画像５２との位置合わせを行う。これにより、合成画像５３の精度を向上させることが可能となる。

図７は、本発明の第２の実施例に係る溶接制御装置の構成図である。第１の実施例（図１に示す）との相違点は、溶接中画像撮影装置１０と溶接前画像撮影装置１１を共通の撮影装置１０１とした点と、画像記憶部１０２を備えた点である。撮影装置１０１は、例えば、デジタルカメラなどの光学カメラであり、溶接アーク４の強い光の影響を一定程度に抑制するため、可動式の遮光フィルタ９を設ける。撮影装置１０１は、駆動部１３によって被溶接材３との相対位置を変えることができ、撮影装置１０１で撮影した画像は、駆動部１３による撮影装置１０１の制御位置情報と対応付けられて、画像記憶部１０２に記憶される。撮影装置１０１の制御位置情報は、駆動部１３の駆動するモータに設置されたエンコーダ等によって取得する。画像記憶部１０２は、記憶するハードディスクドライブなどの情報記録媒体である。なお、図７は、駆動部１３で溶接トーチ１とワイヤ送給装置６を溶接方向１５に駆動する構成を例示しているが、被溶接材３を溶接方向１５の反対方向に駆動する構成としても良い。

本実施例では、溶接中画像撮影装置１０と溶接前画像撮影装置１１を共通とするため、撮影装置がコンパクトとなる。また、溶接前画像を記憶しておくことで、溶接時から先の時刻における前層ビードの位置情報をあらかじめ評価することができるため、溶接中のある時刻だけでなく、その先の時刻における前層ビードの位置情報も活用することができる。そのため、前層ビードの変動をあらかじめ検知し、制御位置に反映するフィードフォワード制御が可能である。

（まとめ）
本実施例における溶接制御装置は、撮影装置１０１または溶接対象物３を駆動する駆動部１３を備え、処理部１２は、合成画像５３を作成する際に、駆動部１３から取得した撮影装置１０１または溶接対象物３の位置情報に基づいて、溶接中画像５１と溶接前画像５２との位置合わせを行う。

以上のように構成した本実施例においても、第１の実施例と同様に、電極２または溶接ワイヤ５の位置を高い精度で制御することができるため、アーク溶接の品質を向上させることが可能となる。

なお、本発明は前記した実施例に限定されるものではなく、さまざまな変形例が含まれる。例えば、前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。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段などは、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい。また、前記の各構成、機能などは、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイルなどの情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）などの記録装置、または、ＩＣ（Integrated Circuit）カード、ＳＤカード、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）などの記録媒体に置くことができる。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際にはほとんど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１…溶接トーチ、２…電極、３…被溶接材（溶接対象物）、４…溶接アーク、５…溶接ワイヤ、６…ワイヤ送給装置、７…溶融池、９…遮光フィルタ、１０…溶接中画像撮影装置、１１…溶接前画像撮影装置、１２…処理部、１３…駆動部、１４…制御部、１５…溶接方向、１７…境界線、１８…壁面、１９…先端位置、２０…境界線左端、２１…境界線右端、５１…溶接中画像、５２…溶接前画像、５３…合成画像、５４…抽出領域（画像部分）、５５…背景領域、１０１…撮影装置、１０２…画像記憶部。

Claims

溶接対象物のアーク溶接に用いられる電極または溶接ワイヤの位置を制御する溶接制御装置において、
溶接前の前記溶接対象物を含む溶接前画像、および溶接中の前記溶接対象物を含む溶接中画像を撮影する撮影装置と、
前記溶接中画像に含まれる前記電極、前記溶接ワイヤ、および溶融池の画像部分と前記溶接前画像とを合成した合成画像を生成する処理部と、
前記合成画像から抽出した、前記電極または前記溶接ワイヤと前記溶接対象物との相対位置情報に基づいて、前記電極または前記溶接ワイヤの位置を制御する制御部とを備える
ことを特徴とする溶接制御装置。
請求項１に記載の溶接制御装置において、
前記処理部は、前記合成画像を作成する際に、前記溶接中画像から抽出した前記溶接対象物の特徴点の位置と、前記溶接前画像から抽出した前記溶接対象物の特徴点の位置とが一致するように、前記溶接中画像と前記溶接前画像との位置合わせを行う
ことを特徴とする溶接制御装置。
請求項１に記載の溶接制御装置において、
前記撮影装置または前記溶接対象物を駆動する駆動部を備え、
前記処理部は、前記合成画像を作成する際に、前記駆動部から取得した前記撮影装置または前記溶接対象物の位置情報に基づいて、前記溶接中画像と前記溶接前画像との位置合わせを行う
ことを特徴とする溶接制御装置。
溶接対象物のアーク溶接に用いられる電極または溶接ワイヤの位置を制御する溶接制御方法において、
溶接前の前記溶接対象物を含む溶接前画像、および溶接中の前記溶接対象物を含む溶接中画像を撮影するステップと、
前記溶接中画像に含まれる前記電極、前記溶接ワイヤ、および溶融池の画像部分と前記溶接前画像とを合成した合成画像を生成するステップと、
前記合成画像から抽出した、前記電極または前記溶接ワイヤと前記溶接対象物との相対位置情報に基づいて、前記電極または前記溶接ワイヤの位置を制御するステップとを備える
ことを特徴とする溶接制御方法。