JP2604625B2 - 狭開先溶接の開先形状の検知方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、狭開先溶接での溶接開先形状の検知方法及
び装置に関するものである。

従来の技術 溶接作業の自動化による省力化及び品質向上の要請が
高まるに従い、溶接開先形状に不整があっても、溶接装
置の側でその変動に応じて溶接条件等を調整し、良好な
溶接を自動施工することが必要となってきており、その
実現の上で、溶接開先形状の検知技術が重要な技術的ポ
イントとなっている。

特に、狭開先溶接においては、開先形状に不整があっ
た場合、欠陥の発生に加え、作業効率の低下が著しい
為、上述した技術確立へのニーズは非常に高い。

開先形状検知に関する従来の技術として特公昭59−61
574が開示されている。

即ち、開先の形状を検知する装置として、第７図に示
すように、溶接開先上方に溶接部材32の表面までの距離
情報を検知する距離計１を配置し、パルスモータ８及び
ボールねじ７等により前記距離計を溶接線に対し、直角
方向に横行して、開先部に直接に距離計から発するレー
ザー等のビームを照射し、開先の形状を測定する装置が
提案されている。

発明が解決しようとする課題 前記した開先形状検知の技術を狭開先溶接法等のほぼ
Ｉ型に近い溶接開先に適用した場合、以下のような問題
がある。

まず、距離計１を溶接線に対し、直角方向に移動させ
て、開先形状を検知する方法は、第７図に示すように
Ｖ、Ｘ開先等の拡角型の溶接部材32の開先形状を検知す
る際には、溶接線方向に直角な断面33と、溶接開先面及
び溶接部材上面の交わる直線34に対して、溶接開先から
の距離情報が、ほぼ全線で得られる為、前記断面33での
開先形状を安定して精度良く測定が可能となる。

しかし、狭開先に適用した場合には、開先形状が、ほ
ぼＩ型に近い形状であり、第８図に示すように、開先形
状を推定する為の情報としては、鋼材表面の開先両端部
35と開先底又はビード上面４の３カ所からしか有効な情
報が得られない為、開先側面部３の形状により決定され
る任意の深さ位置での開先幅を測定することは出来な
い。

すなわち、開先両端部35は、ガス切断加工時の切口で
あり、形状が悪くビード上面４も特にサブマージ狭開先
溶接を行った場合には、スラグはく離の際のチッパー作
業等により、溶接ビード表面で細い凹凸を生じるので距
離計の検知する距離情報の信頼性、安定度は低くなる
為、これら鋼材表面の開先両端部35と、開先底またはビ
ード上面４の３カ所の情報を処理して、開先形状を精度
良く推定するのは難しい。

課題を解決するための手段 本発明は、 （１）溶接狭開先（２）の両側面（３）及び底面（４）
にダミー部材（５）、（６）を接触させ、開先の上方に
配設した距離計（１）を横行させて、溶接部材（32）及
び開先底面のダミー部材（６）までの深さ情報と、狭開
先の両側面に接触させるダミー部材（５）間の開先幅方
向の位置情報を得ることにより、狭開先の幅及び深さを
測定することを特徴とする狭開先溶接の開先形状の検知
方法及び、 （２）溶接狭開先（２）の両側面（３）に接触するダミ
ー部材（５）と開先底面に接触するダミー部材（６）
を、溶接部材（32）及びダミー部材（５）、（６）迄の
距離を測定する距離計（１）の移動機構本体（11）に着
脱自在に設けると共に、前記距離計（１）は狭開先
（２）上方で且つダミー部材（５）、（６）を通過する
位置に、移動量検出器を備えた移動機構により移動自在
に設けたことを特徴とする狭開先溶接の開先形状の検出
装置である。

作用 狭開先２の両側面３にダミー部材５を接触させた状態
で距離計１を開先の上方に配置して横行させると、鋼材
表面の開先両端部35より下方の開先側面部３の情報もダ
ミー部材を介して、距離計１で検出することが可能とな
り、このダミー部材５の位置を検知することにより、任
意の深さ位置での開先幅寸法を測定することが可能とな
る。

また、ダミー部材表面は、開先部の表面と比較して性
状が大幅に良好である為、開先底４及び狭開先側面３に
接触させたダミー部材５、６の位置は、安定して正確な
情報として距離計に得られ、狭開先の深さ及び寸法を精
度良く計算することが可能となる。

次に、開先側面３に接触させるダミー部材の形状は、
第６図に示すように、距離計１の横行水平面と平行な２
つ以上の水平面を有する形状を持たせることにより、開
先幅を計算する上で必要な情報を非常に明瞭に安定して
検出することが可能となる。

つまり、第５図に示すように開先側面３に平板状のダ
ミー部材26を接触させた場合には開先幅を計算する為
に、ダミー部材端27の水平方向の位置を検出することが
必要であるが、距離計１を水平方向に横行させてゆく過
程でダミー部材側で得られる情報28は、正常であるのに
対し、ダミー部材端27から開先内側で得られる情報29
は、不安定である為、プログラム等の機械的な処理で、
当ダミー部材端27の水平方向位置を誤認識することなく
判別するのは容易ではなく、複雑なチェックロジックの
確立等の処理ソフト面での工夫が必要となる。

これに対し、第６図に示すように、開先側面３に距離
計の横行水平面と平行な２つの水平面を有する形状のダ
ミー部材５を接触させた場合には、距離計１を水平方向
に横行させてゆく過程において、段差部30のところで、
ある一定の明瞭なパターン情報31が得られる。

また、段差部30の前後は、正常な距離情報で得られる
ダミー部材で構成されている為、当パターン情報31に、
外乱情報が含まれることはなく、非常に安定した状態で
得られる為、プログラム等の機械的な処理により当段差
部30の水平位置を検出するのは非常に容易であり、簡単
なチェックロジックであっても、誤認識なく安定して正
確に開先幅寸法を算出することが可能となる。

実施例 第１図から第４図を用いて、本発明の実施例を説明す
る。

第１図において溶接開先２の上方に距離計１を配置す
る。距離計１は例えば、半導体レーザー方式のレーザー
センサーを用いる。

距離計はボールねじ７を介して、パルスモーター８で
駆動させ、開先幅を十分におおう範囲で、溶接開先に対
し、ほぼ直角方向に往復移動させる機構とする。ボール
ねじ７には、エンコーダー９を連結し、レーザーセンサ
ーの開先上での移動位置を検知する機構とする。ガイド
レール10はパルスモーター８を駆動させた時、距離計１
を傾斜させずに水平移動させるためのものである。

第２図、第３図において、狭開先内に２段差構造のダ
ミー板５のペアーを開先側面にまた、平板状ダミー板６
を開先底ビード面上４に接触させる。２段差構造のダミ
ー板５のペアーは、支柱じぐ12で開先内に支持し、スプ
リング18の力により、開先側面３にほぼ直角に押し付け
る。また、支柱じぐ12をねじ調整等の方式により上下方
向に移動出来る機構とし、２段差構造のダミー板５ペア
ーを狭開先の任意の深さ位置に設置出来るようにする。
つまり、当機構により、任意の深さ位置での開先の幅形
状を測定出来る。

平板状ダミー板６は柔らかい厚布材13で支持すること
により、ダミー板を溶接線方向に移動させる際のビード
の凹凸及び蛇行への追随を良好にする。これら２段差構
造のダミー板５ペアー、及び平板状ダミー板６は支持盤
14で連結し、溶接線方向に同時に移動出来るようにして
いる。

また、支持盤14はリニアベアリング15を介して、溶接
線と直角方向にスムーズに移動出来る機構とし、溶接進
行中での溶接開先の位置ずれにダミー板が追随出来るよ
うにしている。

また、該支持盤14はマグネット16でレーザーセンサー
移動機構本体11の一部に固定する方法としており、開先
内へのダミー板セッティングの際にはレーザーセンサー
移動機構11と分離して、小型・軽量の状態で操作出来る
機構としている。

次に第２、３図において、レーザーセンサーが横行移
動する際にレーザー軌跡17が、２段差構造のダミー板５
の段差部及び平板上ダミー板上６を確実に通過するよう
にマグネット16の取付け位置あるいは支柱じぐ12の取付
け位置を調整して、ダミー板５、６のレーザーセンサー
駆動機構本体11に対する位置関係をセットする。

以上示した構成のもと、ダミー板を設置した溶接開先
上方で、レーザーセンサーを横行移動させ、その際のレ
ーザーセンサーからダミー板及び溶接開先深さ方向の距
離信号及びレーザーセンサーの位置信号を収集する。こ
れらの信号は、A/D変換器やPIO等のインターフェイスを
介して、CPUに取り込む。

次に、以上示した方法により得られた距離計の検知距
離情報及び距離計の位置情報を処理して、開先形状の幅
及び深さを測定する方法の説明を行う。

溶接開先に対し、レーザーセンサーを１回横行させた
際に得られる開先深さ方向の距離信号及び開先の巾方向
の位置信号をプロットしたものを第４（Ａ）図に示す。
これらの情報の処理手順として、まず開先深さ方向の情
報に対し、第４（Ｂ）図に示すように距離計から溶接ワ
ークまでの距離情報に対し同じ数値を有する信号の個数
を加算比較し、開先底に接触するダミー部材面の距離情
報22、開先側面に接触させたダミー部材の下面、上面の
距離情報21、20及び溶接部材表面の深さ距離情報19を判
別する。

ここで、溶接部材表面の深さ距離情報19と開先底に接
触するダミー部材面の深さ距離情報22をもとに溶接開先
の深さを求められる。

次に開先巾方向の位置情報から開先側面に接触させた
ダミー部材の段差部を判別する処理を行い開先幅寸法を
求める。

まず、前記手順で選別した開先側面に接触させたダミ
ー部材の上面及び下面の間に位置する深さ距離情報を有
する信号において、ダミー部材の上、下面付近の信号を
除いた領域範囲23の信号を取り出す。

次に第４（Ｃ）図に示すように開先幅方向の位置情報
が同一の信号の個数を加算比較し、左右ダミー部材の段
差部の位置情報を判別する。この時、各信号の開先巾方
向位置情報はエンコーダーからの高分解能で得られてい
るので、必要寸法精度である0.1mm単位で、数値情報を
まるめ処理して、比較すれば、同一値を持つ信号の個数
に明瞭な差異が得られる。ここで、溶接開先側面に接触
させた左右ダミー部材の段差部の開先巾方向位置情報2
4、25をもとに開先巾寸法を求められる。

以上説明した方法により、溶接開先に対し、溶接線方
向のある断面位置での溶接開先の深さ及び幅寸法の測定
が可能となる。

また、前述したダミー部材及びレーザーセンサー駆動
機構を溶接機の台車（図示なし）等に搭載して、溶接線
方向に移動させながら同じ処理を行えば、溶接線全線に
わたっての溶接開先の深さ及び幅寸法をほぼ把握するこ
とが可能となる。

さて、本発明の狭開先形状の検知方法及び装置は、狭
開先溶接において溶接開先形状のバラツキの大きい部材
に対し、その変動に応じて溶接条件を制御して施工する
自動溶接システムを構成する上で非常に有効であり、次
のような使用用途に適用される。

第９図は、その自動システムの構成の概略である。

16ビットのマイコンを中心に本発明による開先センサ
ー、溶接トーチのならい装置、サブマージ溶接装置、交
流溶接電源、及び制御用ソフトで構成される。当システ
ムでは、マイコンからの信号指令により、サブマージ溶
接装置、交流溶接電源をコントロールし、溶接条件（電
流・電圧・速度）を任意の値に設定出来る機能を有して
いる。

また、マイコンからの信号指令により溶接トーチのな
らい装置をコントロールし、溶接開先中心のずれに対
し、トーチのねらい位置を修正出来る機能を有してい
る。また開先センサーは溶接トーチの進行方向の前部に
設置し、台車の走行に伴って溶接施工と同時に開先形状
を開先センサーで検知する構成としている。

次に当システムで、狭開先内に多層盛溶接を施工する
方法を開先センサーで検知した情報の処理を中心に第10
図（ａ）〜（ｄ）で順を追って説明する。

．まず、第10図（ａ）に示すように、狭開先に開先セ
ンサーをセットし、台車を走行させながらレーザーセン
サー素子を開先部の幅及び深さを溶接線全線にわたって
検知する。最初に溶接線全線に対し、開先センサーを走
行させる際には、溶接施工は行わないが、２回目以降の
開先センサーの走行の際には、台車走行に伴って開先セ
ンシングと溶接施工を同時に並行して行う。

．次に第10図（ｂ）、（ｃ）に示すように開先センサ
ーで検知し狭開先の形状情報をCPUに取り込み、溶接進
行方向での開先幅及び開先深さの変化量を計算する。

．次にの結果から溶接進行方向での開先幅の平均値
を求め、その平均値に対し、最適な溶接電流・電圧を実
験式から決定する。

．次にの結果から第10図（ｄ）に示すようにビード
積層高さを一定にする為の各溶接方向位置での必要溶接
金属量を求め、その溶接量を達成する為に必要な溶接入
熱を計算する。溶接電流・電圧はでの処理で決定され
ているので、当条件下で上記溶接入熱を満足させる各溶
接方向位置での溶接速度の制御パターンを求める。

．マイコンからの指令で、、で決定した溶接条件
に溶接装置を設定し、狭開先溶接施工を開始する。

溶接進行中は、電流・電圧は一定に保ち、で決定し
たパターンに従って、溶接速度をマイコンからの指令で
逐次コントロールし、開先幅・深さの変動に追随させて
ゆく。

．〜をくり返して、狭開先多層盛施工を進行させ
る。

発明の効果 本発明は、以下に記載するような効果を奏する。

（１）Ｉ型に近い狭開先形状の溶接開先に対し、深さ及
び任意の深さ位置での幅寸法を効率的に正確に測定出来
る。

また、開先内にセットするダミー部材は、距離計本体
とは分離して小型・軽量に設計出来るのでセッティング
作業も容易である。

（２）本発明の開先センサーの実現により、溶接進行中
に溶接条件を制御して施工する自動溶接システムに、正
確な開先形状情報をインプットすることが可能となり、
これまで施工の難しかった開先形状にバラツキを有する
ワークに対する狭開先溶接作業も、高効率に高品質に対
応することが可能となる。

このように実用的効果は、非常に大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例の正面図、第２図は、本発明
の実施例の側面図、第３図は、開先側面に接触させたダ
ミー部材の上面図、第４図（Ａ）は、本発明で得られる
開先形状情報のプロット図、第４図（Ｂ）は、開先深さ
方向の情報の処理結果図、第４図（Ｃ）は、開先巾方向
の情報の処理結果図、第５図（１）、（２）は開先側面
に段差なしダミー板を接触させた例の正面図と当機構で
得られる形状情報のプロット図、第６図（１）、（２）
は本発明での開先側面に接触させた２段差構造のダミー
板の正面図と当機構で得られる形状情報のプロット図、
第７図は、従来方法の開先形状検知装置の斜視図、第８
図は、ダミー板を設置せずに開先形状を検知する場合の
説明図、第９図は、狭開先自動溶接システムの構成概略
図、第10図（ａ）は、狭開先自動溶接システムでの施工
手順図で、溶接開先センシングの軌跡図、第10図（ｂ）
は、狭開先自動溶接システムでの施工手順図で、開先セ
ンサーで得られた情報のプロット図、第10図（ｃ）は、
狭開先自動溶接システムでの施工手順図で、開先センサ
ーで得られた情報の処理結果図、第10図（ｄ）は、狭開
先自動溶接システムでの施工手順図で、溶接線方向位置
での必要溶着金属量と溶接速度の制御パターンの図であ
る。 １……距離計、２……溶接開先、３……開先側面、４…
…開先底面又は、ビード上面、５……２段差付ダミー部
材、６……平板状ダミー部材、７……ボールねじ、８…
…パルスモーター、９……エンコーダー、10……ガイド
レール、11……移動機構本体、12……支柱じぐ、13……
厚布、14……支持盤、15……リニアベアリング、16……
マグネット、17……レーザー軌跡、18……スプリング、
19……開先表面情報、20……開先側面ダミー部材の上面
情報、21……開先側面ダミー部材の下面情報、22……開
先底ダミー部材面の情報、23……開先巾方向の情報処理
の対象とする信号の領域、24、25……開先側面ダミー部
材の段差位置情報、26……段差なしダミー板、27……ダ
ミー部材端部、28……ダミー部材表面から得られる情
報、29……ダミー部材端から開先内側で得られる情報、
30……２段差付ダミー部材の段差部、31……段差部で得
られるパターン情報、32……溶接部材、33……溶接線方
向に直角な断面、34……33の断面と溶接開先面の交わる
直線、35……鋼材表面の開先両端部。

フロントページの続き (72)発明者 猿渡 征也 福岡県北九州市戸畑区大字中原46―59 新日本製鐵株式会社機械・プラント事業 部内 (72)発明者 徳永 敏夫 福岡県北九州市戸畑区大字中原46―59 新日本製鐵株式会社機械・プラント事業 部内

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】溶接狭開先（２）の両側面（３）及び底面
   （４）にダミー部材（５）、（６）を接触させ、開先の
   上方に配設した距離計（１）を横行させて、溶接部材
   （32）及び開先底面のダミー部材（６）までの深さ情報
   と、狭開先の両側面に接触させるダミー部材（５）間の
   開先幅方向の位置情報を得ることにより、狭開先の幅及
   び深さを測定することを特徴とする狭開先溶接の開先形
   状の検知方法。
2. 【請求項２】溶接狭開先（２）の両側面（３）に接触す
   るダミー部材（５）と開先底面に接触するダミー部材
   （６）を、溶接部材（32）及びダミー部材（５）、
   （６）迄の距離を測定する距離計（１）の移動機構本体
   （11）に着脱自在に設けると共に、前記距離計（１）は
   狭開先（２）上方で且つダミー部材（５）、（６）を通
   過する位置に、移動量検出器を備えた移動機構により移
   動自在に設けたことを特徴とする狭開先溶接の開先形状
   の検出装置。