JP3141290B2

JP3141290B2 - 溶接モニターシステム

Info

Publication number: JP3141290B2
Application number: JP11095045A
Authority: JP
Inventors: シュークリストファー
Original assignee: リンカーングローバルインコーポレーテッド
Priority date: 1998-04-02
Filing date: 1999-04-01
Publication date: 2001-03-05
Anticipated expiration: 2019-04-01
Also published as: RU2225285C2; SG88749A1; CA2265215A1; AU715597B2; CA2265215C; KR19990082797A; SA99200002B1; AU2256999A; JPH11320093A; ID22395A; KR100318301B1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電気アークを伴う溶
接技術に関し、さらに詳しくは溶接作業の間、溶接シス
テムを監視し制御するための方法と装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来技術とその問題点】本発明はアーク溶接に関し、
詳しくは消耗する電極を使って２枚の鋼板を溶接し、そ
の溶接の間、溶接パラメータを監視する装置と方法に関
し、さらに詳しくは芯入り電極とパイプ部との短絡アー
ク溶接の装置と方法、溶接パラメータの監視および形成
された溶接ビーズの位置決めに関するものである。

【０００３】米国特許第５，６７６，８５７号は、パイ
プ溶接部の議論に対する背景知識としてここに記載す
る。

【０００４】パイプ系は石油・ガス・水のような多様な
物質を所要の場所へ輸送するために用いられる。このよ
うなパイプ系は何百マイル、何千マイルにも伸ばされ得
る。多くの場合、これらのパイプ系は未開発地域を何度
も横切る。径の大きなパイプの端部の溶接技術におい
て、外部傾斜と狭い平坦部を与え、パイプの２つの端部
の間にギャップを形成するため通常離れて軸整列させ、
３６０°の溶接を形成するようにパイプのまわりに１以
上の溶接ヘッドを位置させるため、各パイプの端を機械
で作ることが慣例である。溶接ビーズは通常、数ステッ
プを経て作られる。まず、パイプの少なくとも内端部が
溶けるためのルート・パスが作られ、ランド間のギャッ
プが溶接金属で満たされる。その後、いくつかのフィラ
ー・パスが作られ、その中で傾斜によって形成されたス
ペースが溶接金属がパイプの外面と少なくとも同一平面
になるように満たされる。ルート・パスは溶接作業にお
いて非常に重要な部分である。ひとたびルート・パスが
完成すると、パイプの整列は保証される。こうして、ル
ート・パスの形成の間に、１００％完全な溶接ビーズが
置かれなければならない。完全な溶接ビーズとは、パイ
プの内面を通り抜けるランド双方の完全な溶解と、溶解
金属を有するランド間のギャップを完全に満たすことを
意味している。ルート・パスがパイプのまわりに形成さ
れるとき、下方への溶接から頭上溶接へと溶接位置が変
わるように、溶接ビーズをパイプのまわりに動かすこと
によって溶接ビーズが作られなければならないので、溶
接金属をギャップ内に置くことは困難である。さらに、
ルート・パスの間に作られる溶接金属はパイプ部間のギ
ャップを満たすべきであるが、そのギャップを通り抜
け、パイプ内面に溜められるべきではない。溶接ビーズ
はまた、パイプ内面への突出があるなら、非常に小さな
パイプの内面に関して比較的平滑な表面を形成しなけれ
ばならない。パイプ内の溶接ビーズの過度の突出は、
１）パイプ系の完全さを検出するためパイプ内に置かれ
る装置に関する問題点を生じ、２）液体がパイプ系を通
って輸送されるとき、望ましくない液混合と乱流を引き
起こすかもしれない。

【０００５】よいルート・ビーズを作る溶接装置が米国
特許第５，６７６，８５７号に開示されている。この特
許はパイプ周辺の軌跡上を連続的に動き、パイプの二端
間にルート・ビーズを当てるための特別短絡電源を含む
二つの溶接バグを開示している。この特許はバグ速さと
溶接ワイヤ速さを適切に選ぶことにより、わずかな燃焼
のみが傾斜の各端を通って生じ、小さな平坦な溶接がパ
イプ内部に形成されることを開示している。リンカーン
電気会社は米国特許第５，６７６，８５７号に開示され
ている溶接装置は、溶接金属の組成が金属パイプの組成
と緊密に合致して強くて丈夫な溶接ビーズを作るよう
に、フラックス芯入り電極を使って所要の溶接ビーズ組
成を得るために変更を加えることができることを見出し
た。溶接装置はさらに、溶接の間シールドガスを作る自
己シールド・フラックスシステムを用いて、シールドガ
スが環境の逆効果から溶接ビーズを保護することができ
るように修正できる。

【０００６】パイプ系は一般に何百マイルの長さに設計
されている。その長さのため、パイプ系のアセンブリは
パイプ系のルートに沿ってパーツの形に分けられる。パ
イプ系が長いということと各パイプを適切に溶接するこ
との重要性からみて、溶接技術者のチームがパイプ系の
進行と品質を検査し、各パイプ部間の溶接ビーズの品質
を検査するためにいなければならない。離れた場所では
技術者チームを使うことに伴う費用は非常に高くなる。
その高価なコストのため、パイプラインを建設すること
が妨げられる場合もある。さらに、技術者チームはパイ
プ系を離れた未開発の場所に設定するとき、好ましくな
い条件にさらされる。そのような悪条件が技術者たちの
健康に悪影響を及ぼし、溶接の品質を常に監視する技術
者たちの能力を害するので、工期を遅らせ、コストを増
大させ、パイプ系に沿った溶接ビーズに欠陥を作らせる
ことになる。さらに、溶接の進行の決定とパイプライン
に沿って生じた溶接等の問題の箇所を特定することに伴
う問題もある。離れた未開発の場所では、不可能ではな
いにしても、パイプ系に沿った溶接者の地理的位置と溶
接ビーズの位置を確かめて、溶接作業の進行具合と問題
状況を報告することが非常に難しい。

【０００７】長大なパイプ系の各パイプ部の溶接に伴う
諸問題から考えて、形成された溶接ビーズの品質とその
溶接ビーズの位置を監視する溶接監視システムを持つ必
要がある。

【０００８】

【本発明の要約】本発明は２枚の鋼板を溶接し、その溶
接作業のパラメータを監視するための方法と装置に関
し、さらに詳しくはそのように溶接し、監視するととも
に、溶接パラメータをある場所に関連づけるための方法
と装置に関するものである。本発明は幅広い用途をも
ち、線路レール、航空機・船舶部分、橋梁などの他の長
尺金属工作物を溶接することにも適用できる。

【０００９】本発明の実施例によれば、１以上の部材を
もつ工作物、該工作物の１以上の部材を溶接するため溶
接ビーズを作る溶接機、溶接作業の１以上のパラメータ
を記録するための溶接モニター、および形成された溶接
ビーズの位置を決定するための位置特定器が供される。
モニターされる溶接パラメータは電極間電圧・電流、電
源電圧・電流、電極タイプ、電極供給率、フラックスタ
イプ、フラックス供給率、シールドガス・タイプ、シー
ルドガス供給率、溶接ガスタイプ、溶接ガス供給率、溶
接サイクル、溶接ヘッドの方向と速さ、日時、雰囲気温
度・条件、溶接処理タイプ、工作物上の溶接ヘッドの位
置、溶接作業の中断、溶接中の（電気的・機械的）エラ
ー、工作物のタイプ・形状を含むが、これらに限定され
ない。これらのパラメータの１以上が電子的にストアさ
れ、他の位置へ移され、プリントされ、モニター上に表
示される。位置特定器は特に形成された溶接ビーズの位
置を決定するように設計されている。この位置情報すな
わち位置パラメータは、形成された溶接ビーズの１以上
の溶接パラメータに結び付けられる。溶接機が複数の場
所で溶接作業をするために工作物に沿って動く、パイプ
ラインや、鉄道線路やその他の長尺工作物に対しては、
位置特定器がある基準点に関して溶接機の位置を決め、
その決定された位置に関してモニターされた溶接パラメ
ータが相関される。記録された溶接パラメータと位置パ
ラメータは電子的にストアされ、他の位置に移され、プ
リントアウトされ、モニター上に表示される。記録され
たデータは品質制御のため工作物の特定位置で直ちに、
また溶接パラメータを再確認するため後から分析され
る。

【００１０】他の実施例によれば、位置特定器は相対的
に固定された位置から２以上の信号を検出し、その信号
に基づいて位置パラメータを計算するように設計されて
いる。これらの信号は地上信号また衛星信号であること
が好ましい。１つの実施例では、位置特定器は全世界位
置特定システム（ＧＰＳ）の衛星を使って位置パラメー
タを計算する。ＧＰＳは公知の三角測量技術を使って、
装置に選ばれたＧＰＳ衛星からの距離を測らせ、その後
高精度で位置・時間パラメータを計算させるデータを送
信する多衛星を使った無線位置特定システムである。Ｇ
ＰＳから供給される信号は全世界的にかつ連続的に受信
され得る。ＧＰＳは宇宙セグメントと制御セグメントか
らなる。宇宙セグメントは十分に作動しているとき、２
１個の稼働中の衛星からなる。衛星は地上のどこでも装
置によって観測できる一般に７つ、最低４つの衛星の組
合せで位置している。各衛星は配置関数を使う配置スペ
クトル技術を用いて公知のＬ１（１５７５．４２ＭＨ
ｚ）およびＬ２（１２２７．６ＭＨｚ）の２つの周波数
で信号を送信する。Ｃ／ＡおよびＰ擬似ランダムノイズ
（ＰＲＮ）コードは周波数Ｌ１、Ｌ２で送信される。Ｐ
コードおよびＣ／Ａコードは受信機に衛星・装置間の範
囲を決定させるデータを含んでいる。ナビゲーション
（Ｎａｖ）メッセージがＰコードおよびＣ／Ａコードに
重ねられる。ＮａｖメッセージはＧＰＳシステム時間、
Ｃ／ＡコードからＰコードへのトラッキング移動に関連
して使われる移行ワード、追跡されている特定衛星に対
する天体暦データ、および組合せた衛星のすべてに対す
る暦データ（衛星の具合に関する情報、Ｃ／Ａコード・
ユーザーに対する電離層遅延係数、宇宙調整時間：ＵＩ
Ｃを計算するために使われる係数を含む）を有してい
る。制御セグメントはマスター制御ステーション（ＭＣ
Ｓ）といくつかのモニターステーションからなってい
る。最新の天体暦とクロックデータが各衛星のナビゲー
ション・メッセージにおける再送信のため、各衛星にア
ップロードされている。制御セグメントの目的は、衛星
からの送信情報ができるかぎり正確であるようにするこ
とである。ＧＰＳ受信機はアンテナ・アセンブリー、Ｒ
Ｆ（無線周波）アセンブリー、およびＧＰＳプロセッサ
ー・アセンブリーを有している。アンテナ・アセンブリ
ーはＬ帯ＧＰＳ信号を受信して、その信号をＲＦアセン
ブリーに送信する。ＦＲアセンブリーはＬ帯ＧＰＳ信号
を好適なＩＦ（中間周波）周波数に落とす。公知の技術
を使って、Ｌ帯信号を変調するＰＲＮコードが衛星から
の信号の送信時間を測るため、コード相関を通して追跡
される。受信されたＬ帯信号のドップラーシフトもキャ
リヤー追跡ループを通して測られる。コード相関とキャ
リヤー追跡機能は、アナログ処理またはデジタル処理を
用いてなされる。コードとキャリヤー追跡ループの制御
はＧＰＳプロセッサー・アセンブリーによってなされ
る。この測定を受信時間に関し装置のクロックによって
決定されたものとの相違で行うことにより、装置と追跡
衛星との間の擬似範囲が決定される。この擬似範囲は衛
星への範囲、およびＧＰＳマスター時間基準からの装置
クロックのずれを含んでいる。擬似範囲測定と衛星から
のナビゲーションデータは位置を計算し、装置クロック
のずれを調整し、ＧＰＳ時間の指示を与えるために使わ
れる。ＲＰＣ処理とメモリー機能はチャンネル状態と制
御、信号捕捉と放出、コードとキャリア追跡ループの監
視、擬似範囲（ＰＲ）とデルタ範囲（ＤＲ）測定の計
算、データ端タイミング、衛星によって発信された暦デ
ータの捕捉と保管、プロセッサー制御とタイミング、ア
ドレスとコマンドの解説、中断の発生、中断確認制御お
よびＧＰＳタイミングなどを含んでいる。ＧＰＳ受信機
によってなされるナビゲーション処理とメモリー機能は
衛星軌道計算と衛星選択、大気遅延補正計算、ナビゲー
ション解決計算、クロックバイアスと率評価、出力情報
の計算、および補助情報の予備処理と調整変換などを含
んでいる。工作物上に形成された溶接ビーズの位置を決
定するためにＧＰＳを使うとき、ＧＰＳは約１〜１００
ｍの精度で経度と緯度を与える。

【００１１】本発明の別の面によれば、位置パラメータ
と１以上の溶接パラメータは電子的に即時リビューおよ
び後からのリビューのためにストアされてプリントアウ
トされ、離れた場所への送信のために電子的にストアさ
れる。１以上の溶接パラメータを記録し、該パラメータ
を位置パラメータと関連付けることにより、技術者は各
溶接位置に居合わせる必要がなく、形成された溶接ビー
ズの品質を定期的にモニターすることができる。記録さ
れプリントアウトされたデータをリビューする際、技術
者は工作物に沿って特定の溶接ビーズの形成の間、どん
な溶接パラメータが存在したかを決定できる。技術者は
データを毎時間、毎日、毎週あるいは毎月でさえリビュ
ーでき、リビューした際、工作物の各位置で形成された
溶接ビーズの品質を決定する。さらに、記録されたデー
タは電話、インターネット、衛星、無線等によって特定
場所での溶接作業の監視のため、離れた場所へ電子的に
送られる。溶接作業がある離れた場所でなされるとき、
溶接現場と離れた場所との間の通信リンクを形成する唯
一の方法は衛星である。コンピューターのようなデータ
記憶装置は情報を記憶するように設計され、日中の所定
の時間に、データリンクが衛星を通して離れた場所と手
動または自動でなされる。さらに、データ記憶ユニット
は離れた場所から信号を受信し、電子的に記憶している
情報をコマンドに応じてダウンロードする。

【００１２】本発明のさらに別の面によれば、溶接機用
溶接コントローラーは電話、インターネット、衛星、無
線あるいは現場の技術者を通して離れた場所から情報を
受信し、該信号を使って溶接作業の間、１以上の溶接パ
ラメータを変える。１つの実施例で、位置パラメータを
分析して溶接機が特定の場所にあることを決定すると同
時に、溶接コントローラーが１以上の溶接パラメータを
変える。他の実施例では、離れた場所にいる技術者ある
いはコントロール装置が電話、インターネット、衛星、
無線等を通じて溶接機からデータを受信し、溶接機が特
定の場所にあることを確認すると直ちに、１以上の溶接
パラメータを変えるために電話、インターネット、衛
星、無線を通じて溶接コントローラーに最新情報を送
る。

【００１３】本発明の他の実施例によれば、工作物は２
つのパイプ部を含み、それらは両端間にギャップを形成
して溶接システムによって共に溶接される。この溶接シ
ステムは、２つのパイプ部で形成されたギャップのまわ
りに位置する溶接台車（キャリッジ）、溶接電源、１以
上の溶接パラメータを制御する溶接電流回路、固定位置
に関する溶接機の位置を決定する位置装置およびデータ
記憶装置を有している。パイプ部は、ルートビーズが少
なくともパイプ部間のギャップに形成されてしまうま
で、クランプを用いて互いに一列に並べられることが好
ましい。溶接台車はギャップの周囲に少なくとも１８０
°拡張し、３６０°拡張することが好ましい。溶接台車
はギャップの周囲を動くとき、軌道に沿ってスライドす
るように設計され、該軌道はパイプ周辺付近に固定され
ている。溶接台車は所定の速さで軌道に沿ってギャップ
の周囲を動けるように駆動モーターを有している。溶接
中に電極が使われるとき、溶接台車はギャップに向かっ
て電極を制御して動かす機構を有する。その機構はギャ
ップのまわりに台車を制御して動かす機構に統合され、
あるいは別々になっている。位置装置は特定位置に関し
て形成された溶接ビーズの位置を計算するため、２以上
の無線信号を受信するように設計されている。データ記
憶装置は１以上の溶接パラメータと、位置装置からの位
置パラメータを記憶するように設計されている。

【００１４】本発明の他の面によれば、溶接電流回路は
短絡状態の間、電流を制御するための第１回路を有し、
該回路において、芯入り電極の端にある溶融金属はま
ず、表面張力によってギャップ間の溶融金属プール内に
移る。転移電流は短絡した溶融金属間の高電流ピンチパ
ルスを含み、該パルスは電極から溶接プールへ溶融金属
が移るのを促進する。溶接電流回路は溶融電流を生じる
ための第２回路も有している。溶融電流はアークを通っ
て流れる高電流パルスであり、該アークは電極が溶接プ
ールから離れているとき、芯入り電極の端で一定量の金
属を溶かすために使われる所定量のエネルギー（ワット
数）をもっていることが好ましい。この第２回路は、初
期アーク状態の間、高エネルギー増幅を与えるように設
計されていることが好ましい。この高電流増幅は、ワイ
ヤが溶接プールから離れているとき、ワイヤの端にある
一定量の金属を溶かすため、所定のＩ（ｔ）エネルギー
をもつことが好ましい。初期の高電流プラズマ増幅電流
の後、その高電流がある所定時間だけ維持され、所定量
の電極を溶かすため、所定量のエネルギー（ワット数）
が電極に加えられるまで、ある一定時間にわたって減衰
することが好ましい。溶接電流回路はまた、電極に加え
るエネルギーの量を制限するように設計されていること
が好ましい。それによって、溶接ビーズの形成の間、工
作物の不要な溶融を防ぎ、溶接の間、溶接ビーズが加熱
することを防ぐことにより、溶融金属が溶融部分の品質
を損なうことを防ぐ。また溶接電流回路は背景（バック
グラウンド）電流を生じる回路を有していることが好ま
しい。この背景電流は低レベルの電流で、短絡状態が終
わった後、アークを維持するのに必要なレベルをちょう
ど越える値に維持される。背景電流は、溶接の間アーク
が不注意に消えることがないように、溶接サイクルを通
してずっと維持されることが好ましい。

【００１５】本発明の第１の目的は、工作物上に溶接ビ
ーズが形成される間、１以上の溶接パラメータをモニタ
ーし、該溶接パラメータによって形成された溶接ビーズ
の決定された位置をモニターする溶接システムを提供す
ることにある。

【００１６】本発明の他の目的は、上記１以上の溶接パ
ラメータを記憶し、該溶接パラメータによって形成され
た溶接ビーズの決定された位置を記憶する溶接システム
を提供することにある。

【００１７】本発明のさらに別の目的は、固定位置から
２以上の信号を受信することにより、溶接ビーズの位置
を決定し、該受信信号に基づいてある位置を計算する溶
接システムを提供することにある。

【００１８】さらに別の本発明の目的は、形成された溶
接ビーズの位置を決定するためにＧＰＳを利用する溶接
システムを提供することである。

【００１９】さらに別の本発明の目的は、溶接情報を送
信し、溶接ビーズ位置情報を離れた場所に交信する溶接
システムを提供することにある。

【００２０】さらに別の本発明の目的は、溶接情報への
アクセスを与え、離れた場所から溶接ビーズ位置情報を
交信する溶接システムを提供することにある。

【００２１】さらに別の本発明の目的は、溶接工作物の
品質リビュー（検査）を即時にあるいは後から行う溶接
システムを提供することにある。

【００２２】さらに別の本発明の目的は、離れた未開発
な地域における溶接作業の品質制御を低コストで行う溶
接システムを提供することにある。

【００２３】さらに別の本発明の目的は、短絡アーク溶
接システムおよび２枚の金属板の間に高品質の溶接ビー
ズを形成する方法を提供することにある。

【００２４】さらに別の本発明の目的は、短絡アーク溶
接システムおよび２枚の金属板の間の溶接の間、所定の
電流特性を正確に追跡する方法を提供することにある。

【００２５】他の目的と効果は、添付図面を用いて説明
することにより明らかになるであろう。

【００２６】

【実施例】以下、図面を用いて説明するが、これらは本
発明の実施例を説明するためだけの目的であり、これと
同一のものに本発明を限定する目的ではない。図１はパ
イプ系のパイプ部２０を共に溶接し、パイプ系に沿って
形成された溶接ビーズ３０の位置を決定するための溶接
システム１０を示している。パイプ部２０は短絡アーク
溶接システム４０によって溶接された状態で示されてい
る。短絡溶接の好ましいタイプは、表面張力転移（ＳＴ
Ｔ）タイプの溶接である。このタイプの溶接に対する溶
接回路と制御配置が米国特許第５，１４８，００１号、
第５，００１，３２６号、第４，９７２，０６４号、第
４，８９７，５２３号、第４，８６６，７４７号および
第４，７１７，８０７号に開示されている。

【００２７】溶接システム１０は、好ましくは直流電源
である電源４２を有している。この電源は発電機に動力
を供給して交流電流を生じさせるガス・モーターのよう
なモーターを有することが好ましい。その交流電流は整
流器によって整流されて直流電流となる。位相コントロ
ーラーが整流器を制御して実質的に均一な直流電流を生
じさせる。その直流電流は次にパルス幅変調器に送られ
る。パルス幅の形状は成形回路によって制御され、直流
電流の所定パルスを作る。容易に理解されるように、電
源４２は整流出力であることを必要とせず、他のどんな
適当な直流電源であり得る。パルス幅変調器からの直流
電流は消耗する中空電極５０とパイプ部２０を有する溶
接エリアを横切って導かれる。

【００２８】パイプ部２０の溶接では、電極５０への電
流は、電極５０がパイプ部２０と組み合うときの短絡状
態と、電極５０がパイプ部２０から離れているときのア
ーク状態の間で交互に変化する。アーク状態の間、電気
アークがパイプと電極との間で作られる。これは電極の
先端がパイプ部に向かって供給され、実質的に短絡状態
にあるとき、電極の先端を溶かし、その溶融を維持する
ためである。

【００２９】図１で、各パイプ部２０は端部２２を有し
ている。端部２２は２つのパイプ部が互いに緊密に隣接
して位置しているとき、溝を形成する傾斜面になってい
る。２つのパイプ部が互いに隣（ネクスト）にあると、
各パイプ部の端部が少し離れてその間に溝２４を作る。
公知の実務によれば、少なくともルート・ビーズがパイ
プ端部間の溝に形成されて溝を埋めるようになるまで、
各パイプ端部は好ましくはクランプによって一緒に固定
される。電極５０とパイプ部２０との間にアーク回路を
完成させるため、パイプのアースがパイプに設けられて
いる。電極５０は、ギャップ２４に向かって電極ノズル
４４によって導かれる電極スプール５２からほどかれ
る。溶接サイクルの間、電極は電極ノズル４４を通って
供給され、電極先端にある溶融金属をギャップ内に移動
させて溶接ビーズ３０を形成する。

【００３０】電極５０は外側の金属鞘と芯を有する消耗
し得る芯入り電極である。金属鞘は炭素鋼、ステンレス
鋼等の金属または合金からなることが好ましい。金属鞘
の組成はパイプ部２０のベース金属成分と似ているよう
に選ばれることが好ましい。電極の芯はフラックス剤、
合金、金属を含んでいることが好ましい。フラックス剤
は溶接ビーズが固化するまで溶接ビーズを保証するスラ
グを溶接ビーズの上に作る合成物を含んで適切な位置に
保ち、溶接ビーズが形成される間、溶接金属をシールド
する。フラックスはまた、シールドガスを生じる成分も
含んで、溶接ビーズを環境の悪影響から保護する。フラ
ックス成分はフッ化物と炭酸塩を含んで溶接の間、シー
ルドガスを発生し、外部シールドガスを使う必要をなく
すことが好ましい。自己シールド電極が使われると、外
部シールドガスを使う必要がなくなる。溶接ビーズ上に
形成されるスラグは、溶接ビーズをさらに環境からシー
ルドするので、溶接ビーズの品質が高く保たれる。合金
剤が電極芯に含まれていることが好ましい。合金剤は金
属鞘の組成と組み合わさって、パイプ部２０の金属組成
と似た組成をもつ溶接ビーズを形成する。

【００３１】溶接の間、低スパッター（撥ね）を生じ、
溶接ビーズがギャップを通り抜けてパイプ系の内部に浸
透するのを防ぐ望ましい電流特性は、ピンチ部分、プラ
ズマ増幅部分、プラズマ部分および、アークが維持され
るべき背景部分を有する。プラズマ増幅部分は、プラズ
マ部分と呼ばれる減衰部分を有する。減衰部分の次に、
溶接回路はプラズマやアークを維持する背景電流レベル
にシフトする。溶接回路は予め選ばれた背景電流レベル
を維持することにより、アークを通る電流レベルを予め
選ばれた低電流レベル以下になるのを防ぎ、アークが消
えるのを防ぐ。溶接回路は溶接サイクルのプラズマ増幅
とプラズマ部分の間、電極を溶かすように設計されてい
る。背景電流によってのみ維持されるアークを通しては
電極を溶融するのに必要なＩＲは得られないので、背景
電流レベルのとき、それ以上の電極５０の溶融は生じな
い。こうして、背景電流は単にアークと溶融金属球を維
持するためにのみ使われる。電極５０の先端における溶
融金属の量は予め選ばれた量の金属を溶かすように選ば
れ、電流のプラズマ部分はその予め選ばれた量に達する
と背景電流に減る。プラズマ増幅とプラズマ部分の持続
も、パイプ端部２２のまわりの不要な金属溶融を防ぐよ
うに選ばれている。過剰に金属が溶けると、その溶融金
属がパイプ部の内部に漏れ出す。溶融金属球の形成の
間、高電流のジェット推進力により、予め選ばれた量の
金属が電極の先端で溶融してしまうまで、溶融金属を溶
接プールに近づけないようにする。電流が減ると、溶融
金属は球状になり、ギャップ内の溶融金属プールは安定
するので、その球とプールとの間の平滑な接触が許され
る。電極先端での望ましい量の溶融金属は、溶接サイク
ルのプラズマ部分の間、予め定めた量のエネルギー（ワ
ット数）を電極に導くことによって制御される。電極の
先端で溶融金属球が形成されている間中ずっと、芯成分
はシールドガスを放出して溶融球と溶融金属を環境から
シールドしている。溶融球がギャップ内の溶融金属に移
るまでシールドガスが放出し続ける。溶接サイクルのプ
ラズマ増幅とプラズマ部分の間、溶融金属が形成される
と、電極をプール内に供給することにより溶融球は溶融
プール内に押しやられ、短絡状態が形成される。溶融金
属球が溶融金属プールに組み込まれると、表面張力によ
ってプール内に移る。これによりプールと電極ワイヤと
の間に伸びる溶融金属の究極のネッキングダウンが引き
おこされ、球がプールから裂けて分離する。その分離の
間低い背景電流しか流れていないので、スパッターが起
こったとしてもわずかでしかない。好ましくは、溶融金
属球のネッキングはさし迫った溶融が検知されるまで、
電気ピットによってネックの直径が急減するとき、電流
が徐々に増すようにモニターされる。さし迫った溶融が
検知されると、その電流は背景電流まで減って、電極先
端の溶融金属が溶接プール内に移る。

【００３２】毎秒数回くり返される溶接サイクルは溶接
回路によって正確に制御されて、スパッターを減らさな
ければならない。好ましい実施例では、パルス幅変調コ
ントローラーの作業周波数は２０ＫＨｚで、電流パルス
の幅は電流波形コントローラーによって連続的に決定さ
れる。溶接サイクルに必要な電流は毎秒２２万回変化す
る。溶接サイクルの最高レートは一般に毎秒１００−４
００回なので、各溶接サイクルの間多くの最新パルスが
供給される。

【００３３】図１で溶接モニター６０が置かれて、溶接
ビーズ３０の形成される間、１以上の溶接パラメータを
モニターする。好ましくは溶接モニター６０は電極５０
への電流、電極５０の供給レート、各溶接サイクルの間
電極への総エネルギー量、および溶接ヘッドがパイプ部
２０のまわりを動く速さをモニターする。その他の溶接
パラメータもモニターされ得る。さらに、他のセンサー
や検査機器からのデータも溶接モニター６０によってモ
ニターされ得る。溶接モニター６０はモニターしてい
る、あるいはモニターされたデータを技術者に見せるた
めのディスプレーを有している。また溶接モニター６０
は、ａ）技術者に溶接機４０への１以上の溶接パラメー
タを変えさせ、ｂ）ディスプレー６２上に様々なデータ
を表示させ、ｃ）過去のデータにアクセスさせ、ｄ）溶
接制御プログラムや他の操作を始めさせたり止めさせた
りするためのデータエントリー配置６４を有している。
好ましくは溶接モニター６０は電極５０への電流を制御
する溶接回路の１以上の部材を有する。

【００３４】溶接モニター６０はモニターされた情報の
一部または全部を記憶するためのデータ記憶装置を有す
る。好ましくは、１以上の溶接パラメータがディスクあ
るいはテープに記憶される。十分な数の溶接パラメータ
は２つのパイプ端部２２の間に形成された溶接ビーズの
品質が技術者によって検査され得るように記憶されるの
が好ましい。

【００３５】溶接パラメータ６０はまた溶接ビーズ３０
の地理的位置を定めるための位置特定回路を有する。位
置特定回路いはアンテナ６０、ＧＰＳ基準受信機、およ
び溶接ビーズの位置を計算するためのマイクロプロセッ
サーを有する。アンテナ６６はどんな数の市販入手でき
る低利得アンテナからなり得る。ＧＰＳ基準受信機は衛
星８０からの信号７０を検知することにより、溶接シス
テムの緯度・経度を決定するように設計されている。メ
モリーユニットが溶接モニター６０内にあって、ＧＰＳ
から供給される位置情報、ＧＰＳの動きの経歴の記録を
記憶し、緯度・経度に相当する情報を有する。クロック
が溶接モニター６０に設けられ、日時の情報を追跡回路
に供給する。溶接モニター６０は離れた場所にリンクす
るための遠隔通信回路を有して、溶接モニターと情報を
やり取りすることが好ましい。好ましくは電話システム
と衛星送信ユニットが溶接モニターに含まれて、離れた
場所へのデータリンクを供給する。ＧＰＳ追跡回路の操
作は当業者によく知られているので、これ以上記述しな
い。

【００３６】図２を参照すると、溶接システムの操作が
簡単に記述される。溶接回路はプリセットされた、ある
いはロードされた溶接パラメータを有している。溶接回
路はパイプ部２０上に溶接ビーズ３０が形成されるのを
制御する。溶接モニター６０は溶接ビーズが形成される
間、溶接パラメータをモニターして記憶する。また、パ
イプ系を形成するために使われる他のセンサーと検査機
器によって供給される情報をモニターして記憶する。モ
ニターされた情報は、好ましくはディスクドライブに記
憶される。溶接ビーズが形成されると、位置回路がＧＰ
Ｓ衛星８０からの信号７０を検知する。好ましくは３以
上の信号が検知されて処理され、溶接ビーズの緯度・経
度を決定する。位置情報はモニターされたパラメータと
相関づけられて、ディスクドライブに記憶される。記憶
された位置とそれに対応するモニターされたパラメータ
は、直ちにあるいは後から、現場であるいは電話、イン
ターネット、無線、衛星を通して離れた場所で検査され
る。技術者は記録されたデータを現場であるいは離れた
場所で検査すると直ちに、情報をチェックして、パイプ
系に沿った特定位置での溶接ビーズの品質を決定する。
技術者はデータを検査した後、今後の溶接ビーズ形成の
ために新しい溶接パラメータをインプットし、前に形成
された溶接ビーズに関する問題を修正する。

【００３７】ある特定の溶接ビーズがいかに形成され、
その溶接ビーズがパイプ系に沿ってどんな位置にあるか
という情報を与える溶接システムの能力は、技術者に世
界のどこでも溶接作業をモニターさせ得て、高品質の溶
接ビーズの形成を確かにさせる。記録された情報は溶接
ビーズの将来の問題を確かめ、前に形成された溶接ビー
ズに関する問題を修正するために使われる。

【００３８】本発明を実施例に関して説明した。上記実
施例の多くの変更や入れ替えが本発明の詳細な説明を読
んで理解した当業者には容易に可能であると考えられ
る。本発明の範囲内にある限り、それらのあらゆる変更
と入れ替えは本発明に含まれる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の溶接システムの構成を示す斜視図。

【図２】溶接システムの操作を示すブロック図。

【符号の説明】

１０：溶接システム２０：パイプ部３０：溶接ビーズ４０：短絡アーク溶接システム５０：電極６０：溶接モニター７０：信号８０：衛星

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平11−48340（ＪＰ，Ａ) 特開平８−267242（ＪＰ，Ａ) 特表平３−500587（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 9/095 B23K 9/00 B23K 9/028 B23K 9/10 B23K 9/173

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ａ）２枚の板に熱を供給してその間に溶
接ビードを形成する溶接ヘッドと溶接回路を含む溶接機
であって、該溶接回路は前記２枚の板に溶接ビードを形
成するため電極を通じて制御された量の電流を供給する
ようにした溶接機と、ｂ）該溶接ビードの形成される間、少なくとも１つの溶
接パラメータをモニターする溶接モニター、およびｃ）相対的に離れた位置から出力される複数の電磁信号
を検知し、該形成された溶接ビードの位置を決定する位
置決め回路とからなりかつ、ｄ）少なくとも１つのモニターされた溶接パラメータと
決定された位置とを電子的に記録し、所定の溶接場所に
おける溶接状態に関するデータを、当該溶接場所から離
れた場所において、検査することができる場所に伝達す
るとともに、当該検査することができる場所で、溶接状
態に関するデータを検査し当該検査することができる場
所から当該所定の溶接場所に向けて伝達する新しい溶接
パラメータを入力することを特徴とする２枚の板を１つ
に溶接するための溶接システム。
【請求項２】前記位置決め回路が地球衛星からの複数
の信号を検知し、形成された溶接ビードの地球経度・緯
度位置を決定する請求項１の溶接システム。
【請求項３】少なくとも１つのモニターされた溶接パ
ラメータと決定された位置が電子的に記録される請求項
１又は２の溶接システム。
【請求項４】少なくとも当該電子的に伝達される溶接
パラメータがリアルタイム伝達で実行されることを特徴
とする請求項１〜３のいずれか１項の溶接システム。
【請求項５】モニターされた溶接パラメータが電極間
の電圧値、電極間の電流値、電源電圧値、電圧プロフィ
ール、電源電流値、電流プロフィール、電極印加電力
値、電極印加ワット値、電極タイプ、電極供給率、フラ
ックスタイプ、フラックス供給率、シールドガスのタイ
プ、シールドガス供給率、溶接ガスのタイプ、溶接ガス
供給率、溶接サイクル、溶接ヘッドの運動の方向、溶接
ヘッドの速さ率、時刻、雰囲気条件、日、溶接処理タイ
プ、電源タイプ、溶接機のタイプ、溶接部材のタイプ、
工作物上の溶接ヘッドの位置、溶接の間の電極の極性、
溶接処理の間の中断、溶接処理の間の電子的エラー、溶
接処理の間の機械的エラー、工作物タイプ、工作物形状
からなる群から選ばれる１つのパラメータを有する請求
項１〜４のいずれか１項の溶接システム。
【請求項６】溶接回路は、遷移電流を生じる第１回路
と溶融電流を生じる第２回路とをもち、該第２回路が電
極に十分な量の電流を供給して２枚の板の上に溶接ビー
ドを形成する請求項１〜５のいずれか１項の溶接システ
ム。
【請求項７】当該システムは一連の小幅電流パルスを
生じ、電極が正である第１極性と電極が負である第２極
性との間で該電流パルスの極性を制御する溶接回路を有
し、該一連の電流パルスは短絡遷移部とプラズマアーク
溶融部をもつ溶接サイクルを構成し、該サイクルにおけ
る各電流パルスはそれぞれ２枚の板に関して与えられた
電極極性をもつ請求項１〜６のいずれか１項の溶接シス
テム。
【請求項８】溶接ヘッドを板部の外周面のまわりに、
および板間のギャップに沿って動かすための溶接台車を
有する請求項１〜７のいずれか１項の溶接システム。
【請求項９】溶接ビードを形成するために消耗し得る
電極を有する請求項１〜８のいずれか１項の溶接システ
ム。
【請求項１０】前記消耗し得る電極が芯入り電極であ
る請求項９の溶接システム。
【請求項１１】電極が自己シールド電極である請求項
９又は１０の溶接システム。
【請求項１２】電極が、２枚の板の組成と実質的に同
様の組成をもつ溶接ビードを形成するための合金成分を
有する請求項９〜１１のいずれか１項の溶接システム。
【請求項１３】第２回路が予め決められた量のエネル
ギーを電極に加えて、各溶接サイクルの間、相対的に一
定量の電極を溶融する請求項６〜１２のいずれか１項の
溶接システム。
【請求項１４】溶接回路が電極に加えるエネルギーの
量を制限して、溶融金属が２枚の板の間のギャップを通
り抜けるのを防ぐ請求項６〜１３のいずれか１項の溶接
システム。
【請求項１５】溶接回路が電極上の溶融金属が２枚の
板の間のギャップに短絡状態を形成する前に、電極への
電流量を減らす請求項６〜１４のいずれか１項の溶接シ
ステム。
【請求項１６】溶接回路が交流を生じる請求項６〜１
５のいずれか１項の溶接システム。
【請求項１７】溶接回路がＳＴＴ電源の一部を形成す
る請求項６〜１６のいずれか１項の溶接システム。
【請求項１８】電極が金属板の外周面のまわり、およ
び実質的に板の間のギャップに沿って動く請求項９〜１
７のいずれか１項の溶接システム。
【請求項１９】溶接台車が連続的に板部に沿って動
き、その速さが変えられる請求項８〜１８の何れか１項
の溶接システム。
【請求項２０】２枚の金属板が２つのパイプ部である
請求項１〜１９のいずれか１項の溶接システム。
【請求項２１】当該溶接モニターは、該溶接モニター
が溶接パラメータエラーを検出した場合に遠隔の地に対
して少なくとも１つのモニターされた、少なくとも１つ
の溶接パラメータを送信することを特徴とする請求項１
〜２０のいずれか１項記載の溶接システム。
【請求項２２】ａ）溶接回路、溶接ヘッド及び消耗電
極を用意すること、ｂ）該溶接ヘッドを２枚の板に向かって動かし、ｃ）２枚の板の間に溶接ビードを形成するために当該電
極を介して規制された量の電流を供給すること、ｄ）該溶接ビードの形成の間に少なくとも１つの溶接パ
ラメータをモニターし、ｅ）離れた位置から生じる複数の電磁気信号を検出する
ことによって、該形成された溶接ビードの位置を実質的
に離れた位置との関係で決定し、ｆ）少なくとも１つのモニターされた溶接パラメータと
決定された位置を電子的に記録し、所定の場所に於ける
溶接状態に関するデータを当該溶接場所から離れた場所
において検査することができる場所に伝達するととも
に、当該検査することができる場所で、溶接状態に関す
るデータを検査し当該検査することができる場所から当
該所定の溶接場所に向けて伝達する新しい溶接パラメー
タを入力する各ステップからなることを特徴とする２枚
の板の溶接方法。
【請求項２３】少なくとも１部の電子的に伝達された
溶接パラメータは、リアルタイム伝達を構成する請求項
２２の方法。
【請求項２４】当該溶接モニターは、該溶接モニター
が溶接パラメータエラーを検出した場合に遠隔の地に対
して少なくとも１つのモニターされた、少なくとも１つ
の溶接パラメータを送信することを特徴とする請求項２
2又は２3の方法。
【請求項２５】モニターされた溶接パラメータが、電
極間の電圧値、電極間の電流値、電源電圧値、電圧プロ
フィル、電源電流値、電流プロフィル、電極印加電力
値、電極印加ワット値、電極タイプ、電極供給率、フラ
ックスタイプ、フラックス供給率、シールドガスのタイ
プ、シールドガス供給率、溶接ガスのタイプ、溶接ガス
供給率、溶接サイクル、溶接ヘッドの運動の方向、溶接
ヘッドの速さ率、時刻、雰囲気条件、日、溶接処理タイ
プ、電源タイプ、溶接機のタイプ、溶接部材のタイプ、
工作物上の溶接ヘッドの位置、溶接の間の電極の極性、
溶接処理の間の中断、溶接処理の間の電子的エラー、溶
接処理の間の機械的エラー、工作物のタイプ、工作物の
形状からなる群から選ばれる１つのパラメータを有する
請求項２２〜２４のいずれか１項の方法。
【請求項２６】形成された溶接ビードの位置を決定す
るステップが、全地球衛星からの複数の信号を検知する
ことを含む請求項２２〜２５の方法。
【請求項２７】形成された溶接ビードの位置を決定す
るステップが、該形成された溶接ビードの地球上の経度
・緯度位置を決定することを含む請求項２２〜２６のい
ずれか１項の方法。
【請求項２８】２枚の板が２つのパイプ部の端部であ
る請求項２２〜２７のいずれか１項の方法。
【請求項２９】溶接ビードが消耗し得る電極から形成
される請求項２２〜２８のいずれか１項の方法。
【請求項３０】消耗し得る電極が自己シールド電極で
ある請求項２９の方法。
【請求項３１】電極が芯入り電極である請求項２９又
は３０の方法。
【請求項３２】電極が２枚の板の組成と実質的に同様
の組成をもつ溶接ビードを形成するための合金成分を有
する請求項２９〜３１のいずれか１項の方法。
【請求項３３】溶接ヘッドを２枚の板の外周面のまわ
りに動かす溶接台車を備えるステップを含む請求項２２
〜３２のいずれか１項の方法。
【請求項３４】溶接台車の速さは、前記板の周囲を動
くときに変化する請求項３３の方法。
【請求項３５】電極を電波で溶融するステップを含
み、該ステップが各溶接サイクルの間に電極に予め決め
られた量のエネルギーを加えることにより比較的一定量
の電極を溶融することからなる請求項２９〜３４のいず
れか１項の方法。
【請求項３６】当該電波がバックグラント゛電流を含
み、該バックグラント電流が高インダクタンス成分を有
し、かつ各溶接サイクルを通して維持される短絡状態が
終了した後、アークを維持するのに必要なレベルを少し
こえる程度の低レベルを有する請求項３５の方法。
【請求項３７】電極に加えるエネルギーの量を制限し
て、溶融金属が２枚の板の間のギャップを通り抜けるの
を防ぐ請求項２９〜３６のいずれか１項の方法。
【請求項３８】電極上の溶融金属が２枚の板の間のギ
ャップに短絡状態を形成する前に、電極に加える電流を
減らすステップを含む請求項２９〜３７のいずれか１項
の方法。
【請求項３９】電波が交流である請求項３５〜３９の
いずれか１項の方法。
【請求項４０】電波がＳＴＴ電源によって形成される
請求項３５〜３９のいずれか１項の方法。
【請求項４１】電極を２枚の金属板の外周面のまわり
に、かつ実質的に２枚の板の間のギャップに沿って動か
すステップを有する請求項２９〜４０のいずれか１項の
方法。
【請求項４２】前記金属板は２つのパイプ断面である
ことを特徴とする請求項２２〜４１のいずれか１項の方
法。