JP3189639B2 - 揺動高速回転アーク溶接方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アークを高速回転
させながら溶接トーチを開先幅方向に揺動させて溶接を
行う揺動高速回転アーク溶接方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】高速回転アーク溶接方法は、アークを所
定の半径で高速回転させながら溶接を行う方法であり、
アークが分散されるため、大電流で溶着量を増加させる
ことができる。その結果として、従来のウィービングに
よる溶接方法に比べて、溶接速度を格段に向上させるこ
とができる高能率の溶接方法である。

【０００３】ただし、被溶接物の構造や開先加工の制約
等のために開先幅がアークの回転半径の上限より大きく
なった場合には、開先壁部での充分な溶け込みを得るこ
とができなくなるという問題がある。

【０００４】そのような開先幅の大きな場合に対処する
方法として、特公平１ー３９８７４号公報に記載された
方法がある。その方法は、同一方向に高速回転するアー
クを開先幅方向に一定の周期と振幅で揺動させるととも
に、アーク電圧または溶接電流の波形を検出し、該波形
を溶接進行方向に対して前記回転の左側半周期と右側半
周期に分割し、開先中心に対して前記揺動の左側半周期
については前記回転の左側分割波形の面積を、前記揺動
の右側半周期については前記回転の右側分割波形の面積
を各々積分して該積分値を比較し、その差が零になるよ
うに前記揺動の中心位置を修正しながら溶接する方法で
ある。つまり、アークを高速回転させながら、開先幅中
心を揺動の中心として所定の振幅で溶接トーチを揺動さ
せるようにすることで、開先幅が広い場合でも開先幅全
体に高速回転アーク溶接方法が適用できるようにしたも
のである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】通常、同一方向にアー
クを高速回転させた場合には、溶接進行方向の右側の開
先壁面と左側で開先壁面とで、それぞれに接するアーク
の向きが異なるため、アークの回転による溶融金属の挙
動への影響に差異が生じ、溶接ビード表面形状や溶込み
形状が開先幅方向で左右非対称となる危険性を内在して
いる。

【０００６】図６は、溶接ビードが左右非対称に偏った
現象を図示した断面図で、１および２は被溶接材、３は
開先、４は裏当材であり、５は前述の非対称に偏った溶
接ビードである。アークを右回転で回転させて溶接を行
うと、溶接進行方向の左側においては盛り上がり右側に
おいては押し下げられた形状の溶接ビードが形成され
る。

【０００７】前述の特公平１ー３９８７４号公報に記載
された方法においては、同一方向にアークを高速回転さ
せながら、しかも開先幅方向に揺動することから、溶接
進行方向の左右での溶融金属の挙動への影響差が顕著に
なり、前述の溶接ビードが開先幅方向で左右非対称にな
りやすい。

【０００８】このような偏ったビードが形成されると、
図６における右側開先底部での融合不良が発生しやすく
なるという問題や、積層溶接においては開先底部が左右
非対称であるために、アーク電圧または溶接電流の波形
が左右対称とはならず、アークセンサーによる開先倣い
が良好に行われない問題がある。

【０００９】本発明は、前述のような問題を解決するた
めになされたものであり、開先幅が広い場合でも良好な
溶接ビードの形成ができる揺動高速回転アーク溶接方法
を提供するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決する第
一番目の手段は、アークを高速回転させながら溶接トー
チを開先幅方向に揺動させて溶接を行うにあたり、該揺
動の右半周期と左半周期でアークの回転方向を逆転させ
て溶接するとともに、アーク電圧または溶接電流を回転
の左側半周期および右側半周期の所定範囲でそれぞれ積
分し、その積分値の差の絶対値があらかじめ設定した基
準値を越えた時に揺動の向きを反転することを特徴とす
る揺動高速回転アーク溶接方法である。

【００１１】また、第２番目の手段は、前記の第１番目
の手段の揺動高速回転アーク溶接方法において、揺動を
反転した左右の位置座標に基づいて開先幅を算出し、そ
れに応じて溶接条件を制御することで、たとえ開先幅が
変動していても溶接ビード高さを一定に保つようにする
ことを特徴とする揺動高速回転アーク溶接方法である。

【００１２】第一番目の発明においては、揺動の右半周
期と左半周期での回転方向が逆になることから、溶接進
行方向の右側の開先壁面と左側壁面で、それぞれに接す
るアークの進行が、ともに進行方向と同一か、またはと
もに溶接進行方向と逆の向きとなる。その結果、アーク
の回転による溶接金属の挙動への影響が溶接進行方向の
左右で差がなくなるので、溶接ビード表面形状→溶け込
み形状が開先幅方向で左右対称となる。

【００１３】そして、揺動によって溶接トーチが開先壁
面に近づくにつれて、開先壁面側のアーク長が短くな
り、アーク電圧および溶接電流が低下するので、それら
をアークの回転の開先中心側で積分した値と開先壁面側
で積分した値の差が大きくなっていく。したがって、そ
の積分値差を観測することで、溶接トーチと開先壁面と
の相対位置が検出できる。そこで、その積分値が所定の
基準値を越えたところで揺動を反転することにすれば、
開先壁面を基準にした所定の位置で揺動を反転すること
になるので、たとえ、開先の加工精度や溶接熱影響等で
開先幅の変動や開先線の曲がりがあっても、自動開先倣
いの実施が可能となる。

【００１４】また、開先幅の変動があっても、その変動
量を検知することで、溶接条件の調整により溶接ビード
高さも一定にできる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は、本発明にかかる揺動高速
回転アーク溶接方法の一実施例を説明する概略図で、
（イ）は平面図を、（ロ）は開先断面図を示したもので
ある。

【００１６】図１において、１、２は被溶接材、３は該
被溶接材１、２より形成された開先で、開先壁１ａ、２
ａを有する。

【００１７】６は開先３の中心線である。７、８は開先
３の壁縁線である。９は開先３内を揺動する高速回転ア
ークの回転中心の軌跡であり、溶接トーチの軌跡でもあ
る。

【００１８】本発明の実施例では、回転アークの中心は
開先３の内を直線部Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆ→Ａの軌跡
となるように揺動する。そして、高速で回転するアーク
の回転方向は、開先３の右側（Ｒ）におけるＡ→Ｂ区間
では時計廻り（ＣＷ）とし、開先３の左側（Ｌ）におけ
るＤ→Ｅの区間では反時計廻り（ＣＣＷ）とする（矢視
方向）。

【００１９】なお、アークの回転方向は、前述とは逆に
右側（Ｒ）の区間を反時計廻りとし、左側（Ｌ）の区間
を時計廻りとしても良く、要は、開先左壁面１ａ、開先
右壁面２ａに対しアークの回転方向が揺動の左右で対称
となればよい。

【００２０】図２は、本発明の実施例により得られた溶
接ビードＷの断面図で、左右対称な溶接ビードが得られ
ている。

【００２１】図３は、本発明の実施例における溶接トー
チの軌跡とアークの回転速度変化およびアーク電圧（ア
ーク電流）の積分区間を図示したものである。ここで、
横軸は時間変化を示すとともに、溶接進行方向位置を表
しており、揺動位置Ａ〜Ｆを記入してある。

【００２２】図３（イ）は、アークの回転中心（溶接ト
ーチ）の軌跡を示した図である。縦軸は溶接トーチの移
動量を示しており、右側移動量を上に、左側移動量を下
に図示している。実施例として揺動パターンは、揺動幅
３ｍｍで、揺動の両端（Ａ→Ｂ、Ｄ→Ｅ）で、所定時間
溶接トーチの揺動を停止させている。

【００２３】図３（ロ）は、アークの回転速度変化のタ
イミングチャートである。縦軸はアークの回転数を示し
ており、上に右回転を、下に左回転を表した。開先中心
ＣおよびＦ付近でアークの回転方向を逆転し、左、右の
開先壁Ａ→ＢおよびＤ→Ｅではアーク回転速度を５０Ｈ
ｚ一定にしている。

【００２４】図３（ハ）は、アーク電圧または溶接電流
を積分する区間を示しており、ハッチングしている個所
が積分区間である。揺動の右半周期ではＦ→Ａ間の所定
区間で積分し、揺動の左半周期ではＣ→Ｄ間の所定区間
で積分する。

【００２５】図４は、回転アークアーク電圧または溶接
電流の積分区間および積分範囲を示す図である。

【００２６】図４（イ）は、開先の概略平面図であり、
回転アークが開先右側壁縁線８に接近していくＦ→Ａ間
の所定区間で、図４（ロ）にハッチングで示すアークの
回転の左側の所定範囲と右側の所定範囲でアーク電圧を
それぞれ積分し、その積分値（ＳＬ）Ｒと積分値（Ｓ
Ｒ）Ｒとの差ΔＳ_R を求める。そして、その積分値の差
ΔＳ_R が所定の基準値を越えれば、揺動を停止して溶接
進行方向に所定距離進行後、左方向に揺動を開始する。
同様に、回転アークが開先左側壁縁線７に接近していく
Ｃ→Ｄ間の所定区間で、図４（ハ）にハッチングで示す
アークの回転の右側の所定範囲と左側の所定範囲でアー
ク電圧をそれぞれ積分し、その積分値（ＳＲ）Ｌと積分
値（ＳＬ）Ｌとの差ΔＳ_L を求める。そして、その積分
値の差ΔＳ _L が所定の基準値を越えれば、揺動を停止し
て溶接進行方向に所定距離進行後、右方向に揺動を開始
する。ここで、Ｃ_f は回転アークの前部中心を、Ｃ_r は
回転アークの後部中心を示す。Ｌは左部、Ｒは右部を示
している。積分範囲は、５°から１８０°の任意の範囲
で定める。

【００２７】なお、上記実施例では、積分値の差ΔＳ_R
およびΔＳ_L がそれぞれ基準値を越えた時に、揺動を停
止して溶接進行方向に所定距離進行させた後に揺動を反
転させているが、基準値を越えたら直ちに揺動を反転さ
せてもよい。

【００２８】また、左右の揺動を反転した位置から開先
幅が検出できるので、開先幅が変化した時の溶着断面積
の変化に対応するように溶接条件を調整することで、開
先幅が変動しても溶接ビード高さを一定に保つことがで
きる。

【００２９】ここで、開先の変動幅Δｗは、揺動幅の変
動ΔＧと等しく、Δｗ＝Ｗ−Ｗｏ＝ΔＧ である。Ｗ：
検出開先幅、Ｗｏ：標準開先幅 よって、溶着断面積の変化量ΔＳＤは、溶着ビード高さ
をＨｏとするとΔＳＤ＝Δｗ×Ｈｏ＝ΔＧ×Ｈｏ とな
る。

【００３０】図５は、前述の本発明の実施例における制
御回路図である。図５において、１、２は被溶接材、３
は開先、４は裏当材、１０は溶接電源である。該溶接電
源１０からパワーケーブル１０ａおよびアースケーブル
１０ｂにより溶接トーチ１１および被溶接材２への通電
回路が形成されている。なお、１１′は溶接ワイヤ、１
２はアークである。

【００３１】１３はアーク１２に高速回転を付与する回
転モータで、回転駆動部１４を介して溶接トーチ１１等
を高速で偏心回転させることによりアークの高速回転が
得られる。

【００３２】１５はアーク回転位置検出器でエンコーダ
等が使用される。１６は開先幅方向（Ｘ軸）に溶接トー
チ１１を駆動するためのＸ軸モータで、溶接トーチ１１
の開先幅方向の位置は、Ｘ軸位置検出器１７でＸ軸移動
量（Ｘｐ）として検出される。

【００３３】１８はＸ軸送り機構であり、Ｘ軸モータ１
６の駆動によりネジ軸１８ａおよび該ネジ軸１８ａに螺
合したアーム１９とから構成されている。以上の機構は
図示しない溶接台車に搭載されている。

【００３４】溶接トーチ１１の溶接ワイヤ１１′に溶接
電源１０からの通電によりアークを発生させ、Ｘ軸モー
タ１６と回転モータ１３により揺動高速回転アーク溶接
を開始すると、アーク電圧検出器２０により、溶接トー
チ１１と母材間のアーク電圧は、アーク回転位置検出器
２３からアークの回転位置タイミングおよび開先幅方向
のアークの回転中心位置（溶接トーチ１１の位置）の値
（Ｘｐ）がＸ軸位置検出器２４から出力するタイミング
で、揺動右半周期積分器２１および揺動左半周期積分器
２２に取り込まれ、各々左右半周期の（ＳＲ）Ｒと（Ｓ
Ｌ）Ｒおよび（ＳＬ）Ｌと（ＳＲ）Ｌを得る。

【００３５】さらに、該Ｘ軸揺動制御回路２５には、揺
動の開始および停止の指令、揺動パターン指令（揺動速
度、揺動幅、開先両端停止時間）が与えられる。

【００３６】前記揺動右半周期積分器２１および揺動左
半周期積分器２２に取り込まれたアーク電圧波形値は、
まず、右半周期におけるアーク回転の右側の積分値（Ｓ
Ｒ）Ｒと左側の積分値（ＳＬ）Ｒとに分けて出力され
る。

【００３７】同じく、左半周期におけるアーク回転の左
側の積分値（ＳＬ）Ｌと右側の積分値（ＳＲ）Ｌとに分
けて出力される。

【００３８】前記左右半周期におけるアーク回転の左右
側の積分値は、減算器２６、２７で（ＳＬ）Ｒ−（Ｓ
Ｒ）Ｒ＝ΔＳ_R および（ＳＲ）Ｌ−（ＳＬ）Ｌ＝ΔＳ_L
を得る。

【００３９】該左右の差積分値ΔＳ_R およびΔＳ_L は、
左右端設定演算器２８、２９で基準値設定器３０からの
基準値と比較され、該基準値を越えたら、Ｘ軸揺動制御
装置２５で開先幅方向の反転指令としてＸ軸駆動回路３
１に指令し、Ｘ軸モータ１６を制御しＸ軸送り機構１８
を駆動して、溶接トーチの揺動の反転が行われる。

【００４０】また、Ｘ軸揺動制御回路２５からの指令
は、トーチ回転制御回路３２およびトーチ回転駆動回路
３３を制御してアーク回転モータ１３に逆転指令を与え
る。なお、前記Ｘ軸揺動制御回路２５は、溶接トーチ１
１の揺動速度も制御しているので、速度指令としてＸ軸
駆動回路２８に指令される。

【００４１】さらに、溶接ビード高さを一定とする方法
として、溶接条件基準設定回路３４が設けられ、該溶接
条件基準設定回路３４からの基準揺動幅と前記Ｘ軸揺動
制御回路２５からのＸ軸揺動幅とが減算器３５で減算処
理され、揺動幅変化量ΔＧが出力される。揺動幅変化量
ΔＧは溶接条件適応制御演算回路３６で、基準溶接ビー
ド高さＨｏを乗じ、溶着断面積の変化量ΔＳＤを演算す
る。該変化量ΔＳＤは基準溶接速度の値と比較され、該
溶着断面積の変化量ΔＳＤに応じた溶接速度になるよう
に溶接制御装置３７に指令する。溶接速度の制御として
は、例えば、溶接台車（図示せず）の速度を、ギャップ
が大であれば遅く、また、ギャップが標準より狭くなっ
ていれば、速くして制御する。

【００４２】また、開先幅の変動に対する溶接ビードの
高さ制御の方法としては、溶接速度制御と溶接電流制御
と併用する方法と、溶接速度を一定とし溶接電流制御と
溶接ワイヤ送給制御と併用する方法でも可能である。

【００４３】なお、以上はアーク電圧を用いた場合につ
いて述べたが、溶接電流を用いても同様の効果を得るこ
とができる。

【００４４】

【発明の効果】高速回転アーク溶接方法で揺動を行うに
際し、開先の左右においてアークの回転方向を逆にする
ことにより、開先壁に対するアークの向きが統一される
ので、左右対称な溶接ビードが形成される。そして、回
転の右半周期と左半周期のアーク電圧の積分値差により
揺動を反転させることで、開先倣いが自動的に高精度に
行うことができる。

【００４５】さらに、開先幅の変動を検知して溶接条件
を制御するので、開先幅が変動しても常に一定高さの溶
接ビードで溶接を施工できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の揺動高速回転アーク溶接方法の一実施
例を説明する概略図。

【図２】本発明の実施例による溶接ビードの断面図。

【図３】本発明の実施例における溶接トーチの軌跡とア
ークの回転速度およびアーク電圧（溶接電流）の積分区
間を示した図。

【図４】本発明の実施例におけるアーク電圧の積分区間
および積分範囲を示した図。

【図５】本発明の実施例における制御回路図。

【図６】従来技術で形成された溶接ビードを示す図。

【符号の説明】

１ 被溶接材 ２ 被溶接材 ３ 開先 ４ 裏当材 ５ 偏り溶接ビード ６ 開先中心 ７ 開先右側 ８ 開先左側 ９ 揺動軌跡 １０ 溶接電源 １１ 溶接トーチ １２ アーク １３ 回転モータ １４ 回転駆動部 １５ アーク回転位置検出器 １６ Ｘ軸モータ １７ Ｘ軸位置検出器 １８ Ｘ軸送り機構 １９ アーム ２０ アーク電圧検出器 ２１ 揺動右半周期積分器 ２２ 揺動左半周期積分器 ２３ アーク回転位置検出器 ２４ Ｘ軸位置検出器 ２５ Ｘ軸揺動制御回路 ２６ 減算器 ２７ 減算器 ２８ 左端設定演算器 ２９ 右端設定演算器 ３１ Ｘ軸駆動回路 ３２ トーチ回転制御回路 ３３ トーチ回転駆動回路 ３４ 溶接条件基準設定回路 ３５ 減算器 ３６ 溶接条件適応制御演算回路 ３７ 溶接制御回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 9/12 B23K 9/127

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アークを高速回転させながら溶接トーチを
   開先幅方向に揺動させて溶接を行うにあたり、該揺動の
   右半周期と左半周期でアークの回転方向を逆転させて溶
   接するとともに、アーク電圧または溶接電流を回転の左
   側半周期および右側半周期の所定範囲でそれぞれ積分
   し、その積分値の差の絶対値があらかじめ設定した基準
   値を越えた時に揺動の向きを反転することを特徴とする
   揺動高速回転アーク溶接方法。
2. 【請求項２】請求項１記載の揺動高速回転アーク溶接方
   法において、揺動を反転した左右の位置に基づいて開先
   幅を算出し、溶接ビード高さを一定に保つように算出し
   た開先幅に応じて溶接条件を制御することを特徴とする
   揺動高速回転アーク溶接方法。