JP3230476B2 - アーク溶接におけるルートギャップの検出方法 - Google Patents
アーク溶接におけるルートギャップの検出方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高速回転アーク溶
接法、揺動アーク溶接法およびタンデムアーク溶接法に
適用されるアーク溶接におけるルートギャップの検出方
法に係り、特に溶接条件適応制御において溶接条件を選
定するために必要な開先のルートギャップの変化を、ア
ーク溶接法におけるアークセンサ技術を用いてインプロ
セスで検出するルートギャップ検出方法に関する。
接法、揺動アーク溶接法およびタンデムアーク溶接法に
適用されるアーク溶接におけるルートギャップの検出方
法に係り、特に溶接条件適応制御において溶接条件を選
定するために必要な開先のルートギャップの変化を、ア
ーク溶接法におけるアークセンサ技術を用いてインプロ
セスで検出するルートギャップ検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、アーク溶接における開先のルート
ギャップの検出は溶接施工以前に、または溶接中にアー
クのかなり前方位置において開先状態を検出するレーザ
センサや画像撮像センサを用いて行われているが、溶接
中のアーク直下におけるギャップ検出技術は確立されて
いない。一方、溶接ロボットなどを用いた自動機器によ
る溶接施工の場合には、溶接施工以前にオフラインプロ
グラム手法により動作プログラムが作成される。しか
し、オフラインプログラミングでは、ＣＡＤデータがベ
ースとなるため、ワークの加工精度、取付精度、および
溶接中の動的な熱変形などにより実ワークとの差異が発
生する。この差異であるギャップの存在により、所望の
脚長を得ることができないなどの溶接品質の低下を招く
問題点が存在している。
ギャップの検出は溶接施工以前に、または溶接中にアー
クのかなり前方位置において開先状態を検出するレーザ
センサや画像撮像センサを用いて行われているが、溶接
中のアーク直下におけるギャップ検出技術は確立されて
いない。一方、溶接ロボットなどを用いた自動機器によ
る溶接施工の場合には、溶接施工以前にオフラインプロ
グラム手法により動作プログラムが作成される。しか
し、オフラインプログラミングでは、ＣＡＤデータがベ
ースとなるため、ワークの加工精度、取付精度、および
溶接中の動的な熱変形などにより実ワークとの差異が発
生する。この差異であるギャップの存在により、所望の
脚長を得ることができないなどの溶接品質の低下を招く
問題点が存在している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】この問題点を解決する
ためには、ギャップの変動をインプロセスでセンシング
することにより、適正な溶接条件を選定し溶接を施工す
る技術の開発が強く望まれてきている。本発明は、この
ような要請に応えるために、溶接中のアーク直下におけ
るギャップ検出をインプロセスで可能にすることを課題
としている。
ためには、ギャップの変動をインプロセスでセンシング
することにより、適正な溶接条件を選定し溶接を施工す
る技術の開発が強く望まれてきている。本発明は、この
ような要請に応えるために、溶接中のアーク直下におけ
るギャップ検出をインプロセスで可能にすることを課題
としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明は、隅肉溶接、Ｖ
形状の突き合わせ溶接などにおいて、開先のルートギャ
ップＧの変動によって変化するアーク直下の溶融池表面
形状の変化を、高速回転アークまたは揺動アークもしく
はタンデム溶接アークの溶接電圧ＶT または溶接電流Ｉ
の波形によって認識するルートギャップ検出方法であ
る。この場合、溶接トーチの位置が開先の中心に対しず
れが生じると、検出波形にギャップ変動以外の影響を与
えるので、何らかのセンサによって開先幅方向の位置と
溶接トーチ高さ方向の位置を正確に制御する。
形状の突き合わせ溶接などにおいて、開先のルートギャ
ップＧの変動によって変化するアーク直下の溶融池表面
形状の変化を、高速回転アークまたは揺動アークもしく
はタンデム溶接アークの溶接電圧ＶT または溶接電流Ｉ
の波形によって認識するルートギャップ検出方法であ
る。この場合、溶接トーチの位置が開先の中心に対しず
れが生じると、検出波形にギャップ変動以外の影響を与
えるので、何らかのセンサによって開先幅方向の位置と
溶接トーチ高さ方向の位置を正確に制御する。
【０００５】本発明に係る第１のアーク溶接におけるル
ートギャップの検出方法は、高速回転アーク溶接法によ
って、アークセンサ方式により溶接線ならいと溶接トー
チ高さ（電極チップ−母材間距離）の制御を行いながら
溶接をしているときに、開先のルートギャップＧの変化
によって変化する、アーク直下の溶融池表面形状の変化
を、高速回転アークの溶接電圧または溶接電流の波形に
よって認識する方法において、基準となるギャップＧre
f に対する適正溶接条件における前記溶接電圧または前
記溶接電流の波形を基準波形として記憶しておき、前記
基準波形に対する現波形の偏差部分の面積｜ΔＳG ｜を
アークの１回転分について求め、さらにアーク回転位置
の後方部における偏差部分の積分の符号から波形差ΔＳ
G の正負を判定してΔＳG を求め、このΔＳG の値とル
ートギャップＧの関係を予め実験により求めておき、現
在のΔＳG の値から現在のルートギャップＧを認識する
ことを特徴とするものである。
ートギャップの検出方法は、高速回転アーク溶接法によ
って、アークセンサ方式により溶接線ならいと溶接トー
チ高さ（電極チップ−母材間距離）の制御を行いながら
溶接をしているときに、開先のルートギャップＧの変化
によって変化する、アーク直下の溶融池表面形状の変化
を、高速回転アークの溶接電圧または溶接電流の波形に
よって認識する方法において、基準となるギャップＧre
f に対する適正溶接条件における前記溶接電圧または前
記溶接電流の波形を基準波形として記憶しておき、前記
基準波形に対する現波形の偏差部分の面積｜ΔＳG ｜を
アークの１回転分について求め、さらにアーク回転位置
の後方部における偏差部分の積分の符号から波形差ΔＳ
G の正負を判定してΔＳG を求め、このΔＳG の値とル
ートギャップＧの関係を予め実験により求めておき、現
在のΔＳG の値から現在のルートギャップＧを認識する
ことを特徴とするものである。
【０００６】第２のアーク溶接におけるルートギャップ
の検出方法は、溶接線ならいと溶接トーチ高さの制御を
行いながら溶接トーチを溶接方向に揺動させる揺動アー
ク溶接をしているときに、開先のルートギャップＧの変
化によって変化する、アーク直下の溶融池表面形状の変
化を、揺動アークの溶接電圧または溶接電流の波形によ
って認識する方法において、基準となるギャップＧref
に対する適正溶接条件における前記溶接電圧または前記
溶接電流の波形を基準波形として記憶しておき、前記基
準波形に対する現波形の偏差部分の面積｜ΔＳG ｜をア
ークの１揺動周期分について求め、さらに揺動周期の後
方部における偏差部分の積分の符号から波形差ΔＳG の
正負を判定してΔＳG を求め、このΔＳG の値とルート
ギャップＧの関係を予め実験により求めておき、現在の
ΔＳG の値から現在のルートギャップＧを認識すること
を特徴とするものである。
の検出方法は、溶接線ならいと溶接トーチ高さの制御を
行いながら溶接トーチを溶接方向に揺動させる揺動アー
ク溶接をしているときに、開先のルートギャップＧの変
化によって変化する、アーク直下の溶融池表面形状の変
化を、揺動アークの溶接電圧または溶接電流の波形によ
って認識する方法において、基準となるギャップＧref
に対する適正溶接条件における前記溶接電圧または前記
溶接電流の波形を基準波形として記憶しておき、前記基
準波形に対する現波形の偏差部分の面積｜ΔＳG ｜をア
ークの１揺動周期分について求め、さらに揺動周期の後
方部における偏差部分の積分の符号から波形差ΔＳG の
正負を判定してΔＳG を求め、このΔＳG の値とルート
ギャップＧの関係を予め実験により求めておき、現在の
ΔＳG の値から現在のルートギャップＧを認識すること
を特徴とするものである。
【０００７】第３のアーク溶接におけるルートギャップ
の検出方法は、溶接線ならいと溶接トーチ高さの制御を
行いながらタンデムアーク溶接をしているときに、開先
のルートギャップＧの変化によって変化する、アーク直
下の溶融池表面形状の変化を、アークの溶接電圧または
溶接電流の波形によって認識する方法において、基準と
なるギャップＧref に対する適正溶接条件における前記
溶接電圧または前記溶接電流の波形を基準波形として記
憶しておき、前記基準波形に対する現波形の偏差部分の
面積｜ΔＳG ｜をサンプリング周期毎に求め、さらに後
行電極のサンプリング周期における偏差部分の積分の符
号から波形差ΔＳG の正負を判定してΔＳG を求め、こ
のΔＳG の値とルートギャップＧの関係を予め実験によ
り求めておき、現在のΔＳG の値から現在のルートギャ
ップＧを認識することを特徴とするものである。
の検出方法は、溶接線ならいと溶接トーチ高さの制御を
行いながらタンデムアーク溶接をしているときに、開先
のルートギャップＧの変化によって変化する、アーク直
下の溶融池表面形状の変化を、アークの溶接電圧または
溶接電流の波形によって認識する方法において、基準と
なるギャップＧref に対する適正溶接条件における前記
溶接電圧または前記溶接電流の波形を基準波形として記
憶しておき、前記基準波形に対する現波形の偏差部分の
面積｜ΔＳG ｜をサンプリング周期毎に求め、さらに後
行電極のサンプリング周期における偏差部分の積分の符
号から波形差ΔＳG の正負を判定してΔＳG を求め、こ
のΔＳG の値とルートギャップＧの関係を予め実験によ
り求めておき、現在のΔＳG の値から現在のルートギャ
ップＧを認識することを特徴とするものである。
【０００８】まず、本発明の原理について説明する。
【０００９】１．高速回転アーク溶接の場合 （１）開先のルートギャップ変動における溶接電圧波形
の変動 図１は、高速回転アーク溶接法による隅肉溶接におい
て、ギャップＧの変化によって変化する溶接電圧ＶT の
波形の一例を示す図である。図中、Ｃf 、Ｒ、Ｃr 、Ｌ
はアークの回転位置を示し（図２参照）、横軸のθは溶
接電圧波形の位相である。図１（ａ）のＶTref波形（実
線で示す波形）は、ギャップＧの値が基準値Ｇref のと
きの適正溶接条件で溶接をしたときの基準溶接電圧波形
であり、ＶTAV はＶTref波形の平均電圧である。また、
Ｃf 、Ｒ、Ｃr 、Ｌの位置は、図２に示すように回転ア
ークの１回転において、溶接の進行方向に向かって、θ
＝０゜の前方中央位置をＣf 、右側９０゜の位置をＲ、
後方中央位置（１８０゜）をＣr 、左側２７０゜の位置
をＬとしている。これらの位置信号は溶接トーチの回転
モータのエンコーダから出力されるパルス信号で定めら
れる。
の変動 図１は、高速回転アーク溶接法による隅肉溶接におい
て、ギャップＧの変化によって変化する溶接電圧ＶT の
波形の一例を示す図である。図中、Ｃf 、Ｒ、Ｃr 、Ｌ
はアークの回転位置を示し（図２参照）、横軸のθは溶
接電圧波形の位相である。図１（ａ）のＶTref波形（実
線で示す波形）は、ギャップＧの値が基準値Ｇref のと
きの適正溶接条件で溶接をしたときの基準溶接電圧波形
であり、ＶTAV はＶTref波形の平均電圧である。また、
Ｃf 、Ｒ、Ｃr 、Ｌの位置は、図２に示すように回転ア
ークの１回転において、溶接の進行方向に向かって、θ
＝０゜の前方中央位置をＣf 、右側９０゜の位置をＲ、
後方中央位置（１８０゜）をＣr 、左側２７０゜の位置
をＬとしている。これらの位置信号は溶接トーチの回転
モータのエンコーダから出力されるパルス信号で定めら
れる。
【００１０】溶接電圧波形は溶融池の表面形状に対応し
て変化するアーク長の影響を受けて、Ｃf とＣr の位置
で最も高くなり、ＲとＬの位置で最も低くなる。この溶
接条件において、ギャップＧがＧref より大となったと
きの溶接電圧波形をＶT 波形（破線）として図１（ａ）
に示している。すなわち、ギャップＧがＧref より大に
なると、Ｃr 部における位相θ1 〜θ2 の範囲において
ＶT ＞ＶTrefとなり、その他の部分ではＶT ＜ＶTrefと
なる。これは、図３に示すように、ギャップが大になる
と脚長（ビード高さ）が減少し、アーク３直下の溶融池
４が後退するためにＣr 部のアーク電圧が増加するため
である。平均電圧は溶接トーチ１のトーチ高さ制御によ
り一定になるので、他の部分のアーク電圧が低下する。
逆に、ギャップＧがＧref より小になると、図１（ｂ）
に示すように、Ｃr 部でＶT ＜ＶTrefとなり、その他の
部分ではＶT ＞ＶTrefとなる。なお、図２、図３におい
て、１は溶接トーチ、２は溶接ワイヤ、３はアーク、４
は溶融池、５は溶接ビード、６は立板、７は下板であ
る。
て変化するアーク長の影響を受けて、Ｃf とＣr の位置
で最も高くなり、ＲとＬの位置で最も低くなる。この溶
接条件において、ギャップＧがＧref より大となったと
きの溶接電圧波形をＶT 波形（破線）として図１（ａ）
に示している。すなわち、ギャップＧがＧref より大に
なると、Ｃr 部における位相θ1 〜θ2 の範囲において
ＶT ＞ＶTrefとなり、その他の部分ではＶT ＜ＶTrefと
なる。これは、図３に示すように、ギャップが大になる
と脚長（ビード高さ）が減少し、アーク３直下の溶融池
４が後退するためにＣr 部のアーク電圧が増加するため
である。平均電圧は溶接トーチ１のトーチ高さ制御によ
り一定になるので、他の部分のアーク電圧が低下する。
逆に、ギャップＧがＧref より小になると、図１（ｂ）
に示すように、Ｃr 部でＶT ＜ＶTrefとなり、その他の
部分ではＶT ＞ＶTrefとなる。なお、図２、図３におい
て、１は溶接トーチ、２は溶接ワイヤ、３はアーク、４
は溶融池、５は溶接ビード、６は立板、７は下板であ
る。
【００１１】（２）波形差ΔＳG の検出方法 図１の結果から、溶接中に他の何らの検出器を用いるこ
となく、溶接電圧波形を検出することにより、つまりア
ークセンサ方式によって、アーク直下部のルートギャッ
プの変化を検出できることがわかる。基準溶接電圧波形
ＶTrefに対する現波形ＶT の偏差部分（図１の斜線部
８）の面積の回転アークの１回転分の総和は基準ギャッ
プＧref に対するギャップ変化量の絶対値として認識す
ることができる。また、位相θ1 〜θ2 （Ｃr 部）にお
ける電圧波形の偏差部分の積分値の符号が正のときＧ＞
Ｇref 、負のときＧ＜Ｇref と判定することができる。
このように電圧波形の瞬時値をとらず積分値とするの
は、電圧波形には溶接アーク現象に起因する高調波ノイ
ズが重畳されるのでその影響を防止するためである。こ
こでは電圧波形を用いているが、アークセンサの周知の
原理より、電流波形を用いることもできるのは当然であ
り、ここでは省略する。
となく、溶接電圧波形を検出することにより、つまりア
ークセンサ方式によって、アーク直下部のルートギャッ
プの変化を検出できることがわかる。基準溶接電圧波形
ＶTrefに対する現波形ＶT の偏差部分（図１の斜線部
８）の面積の回転アークの１回転分の総和は基準ギャッ
プＧref に対するギャップ変化量の絶対値として認識す
ることができる。また、位相θ1 〜θ2 （Ｃr 部）にお
ける電圧波形の偏差部分の積分値の符号が正のときＧ＞
Ｇref 、負のときＧ＜Ｇref と判定することができる。
このように電圧波形の瞬時値をとらず積分値とするの
は、電圧波形には溶接アーク現象に起因する高調波ノイ
ズが重畳されるのでその影響を防止するためである。こ
こでは電圧波形を用いているが、アークセンサの周知の
原理より、電流波形を用いることもできるのは当然であ
り、ここでは省略する。
【００１２】（３）波形差ΔＳG の求め方 図１の斜線部８の面積の総和を｜ΔＳG ｜とすると、
【数１】
【００１３】Ｃr 部における偏差部分の積分値をＩcrと
すると、
すると、
【数２】 である。従って、Ｉcrの符号からΔＳG の正負を定める
ことができる。すなわち、 Ｉcr＞０のとき ΔＳG ＞０ Ｉcr＜０のとき ΔＳG ＜０ となる。
ことができる。すなわち、 Ｉcr＞０のとき ΔＳG ＞０ Ｉcr＜０のとき ΔＳG ＜０ となる。
【００１４】故に、
【数３】
【００１５】この（３）、（４）式から、波形差ΔＳG
の値を求めることができる。しかし、現実の電圧波形に
おいては位相θ1 、θ2 は回転アークの１回転ごと、あ
るいは溶接条件やギャップ値によってかなり変動するの
で、インプロセスで検出するのは容易でない。従って、
実験結果から近似値として与える。このΔＳG の算出方
法によれば、θ1 、θ2 のバラツキがΔＳG の値に影響
しないため、検出精度は良好となる。
の値を求めることができる。しかし、現実の電圧波形に
おいては位相θ1 、θ2 は回転アークの１回転ごと、あ
るいは溶接条件やギャップ値によってかなり変動するの
で、インプロセスで検出するのは容易でない。従って、
実験結果から近似値として与える。このΔＳG の算出方
法によれば、θ1 、θ2 のバラツキがΔＳG の値に影響
しないため、検出精度は良好となる。
【００１６】（４）ルートギャップの認識方法 （３）式より求められるΔＳG の値はギャップ変化量に
対応し、図４に示すようにルートギャップＧとの間にほ
ぼ直線的な関係があることが実験により確かめられてい
る。ここで得られたΔＳG −Ｇ特性線は、Ｇ＝Ｇref に
おける適正条件で溶接したときに得られる。従って、Δ
ＳG の値から現在のルートギャップを認識することがで
きる。
対応し、図４に示すようにルートギャップＧとの間にほ
ぼ直線的な関係があることが実験により確かめられてい
る。ここで得られたΔＳG −Ｇ特性線は、Ｇ＝Ｇref に
おける適正条件で溶接したときに得られる。従って、Δ
ＳG の値から現在のルートギャップを認識することがで
きる。
【００１７】次に、揺動アーク溶接及びタンデムアーク
溶接の場合も原理は高速回転アーク溶接の場合と同様で
ある。 ２．揺動アーク溶接の場合 （１）開先のルートギャップ変動における溶接電圧波形
の変動 揺動アーク溶接の場合は、溶接トーチを溶接方向に揺動
させることにより、アークセンサにより検出される電圧
波形は図５のようになり、基本的に高速回転アーク溶接
の場合と同様に取り扱うことができる。図５は、揺動ア
ーク溶接による隅肉溶接において、ギャップＧの変化に
よって変化する溶接電圧ＶT の波形の一例を示す図であ
る。図中、Ｆ、Ｃ、Ｒの位置は揺動アークの位置を示し
（図６参照）、横軸のθは溶接電圧波形の位相である。
図５（ａ）のＶTref波形（実線で示す波形）は、ギャッ
プＧの値が基準値Ｇref のときの適正溶接条件で溶接を
したときの基準溶接電圧波形であり、ＶTAV はＶTref波
形の平均電圧である。また、Ｆ、Ｃ、Ｒの位置は、図６
に示すように揺動アークの１揺動周期において、溶接の
進行方向に向かって、前方位置をＦ、中央位置をＣ、後
方位置をＲとしている。これらの位置信号は溶接トーチ
の揺動モータのエンコーダから出力されるパルス信号で
定められる。
溶接の場合も原理は高速回転アーク溶接の場合と同様で
ある。 ２．揺動アーク溶接の場合 （１）開先のルートギャップ変動における溶接電圧波形
の変動 揺動アーク溶接の場合は、溶接トーチを溶接方向に揺動
させることにより、アークセンサにより検出される電圧
波形は図５のようになり、基本的に高速回転アーク溶接
の場合と同様に取り扱うことができる。図５は、揺動ア
ーク溶接による隅肉溶接において、ギャップＧの変化に
よって変化する溶接電圧ＶT の波形の一例を示す図であ
る。図中、Ｆ、Ｃ、Ｒの位置は揺動アークの位置を示し
（図６参照）、横軸のθは溶接電圧波形の位相である。
図５（ａ）のＶTref波形（実線で示す波形）は、ギャッ
プＧの値が基準値Ｇref のときの適正溶接条件で溶接を
したときの基準溶接電圧波形であり、ＶTAV はＶTref波
形の平均電圧である。また、Ｆ、Ｃ、Ｒの位置は、図６
に示すように揺動アークの１揺動周期において、溶接の
進行方向に向かって、前方位置をＦ、中央位置をＣ、後
方位置をＲとしている。これらの位置信号は溶接トーチ
の揺動モータのエンコーダから出力されるパルス信号で
定められる。
【００１８】溶接電圧波形は溶融池の表面形状に対応し
て変化するアーク長の影響を受けて、Ｒの位置で最も高
くなる。この溶接条件において、ギャップＧがＧref よ
り大となったときの溶接電圧波形をＶT 波形（破線）と
して図５（ａ）に示している。すなわち、ギャップＧが
Ｇref より大になると、Ｒ部における位相θ1 〜θ2の
範囲においてＶT ＞ＶTrefとなり、その他の部分ではＶ
T ＜ＶTrefとなる。これは、図７に示すように、ギャッ
プが大になると脚長（ビード高さ）が減少し、アーク３
直下の溶融池４が後退するためにＲ部のアーク電圧が増
加するためである。平均電圧は溶接トーチ１のトーチ高
さ制御により一定になるので、他の部分のアーク電圧が
低下する。逆に、ギャップＧがＧref より小になると、
図５（ｂ）に示すように、Ｒ部でＶT ＜ＶTrefとなり、
その他の部分ではＶT ＞ＶTrefとなる。
て変化するアーク長の影響を受けて、Ｒの位置で最も高
くなる。この溶接条件において、ギャップＧがＧref よ
り大となったときの溶接電圧波形をＶT 波形（破線）と
して図５（ａ）に示している。すなわち、ギャップＧが
Ｇref より大になると、Ｒ部における位相θ1 〜θ2の
範囲においてＶT ＞ＶTrefとなり、その他の部分ではＶ
T ＜ＶTrefとなる。これは、図７に示すように、ギャッ
プが大になると脚長（ビード高さ）が減少し、アーク３
直下の溶融池４が後退するためにＲ部のアーク電圧が増
加するためである。平均電圧は溶接トーチ１のトーチ高
さ制御により一定になるので、他の部分のアーク電圧が
低下する。逆に、ギャップＧがＧref より小になると、
図５（ｂ）に示すように、Ｒ部でＶT ＜ＶTrefとなり、
その他の部分ではＶT ＞ＶTrefとなる。
【００１９】（２）波形差ΔＳG の検出方法 図５の結果から、溶接中に他の何らの検出器を用いるこ
となく、溶接電圧波形を検出することにより、つまりア
ークセンサ方式によって、アーク直下部のルートギャッ
プの変化を検出することができる。基準溶接電圧波形Ｖ
Trefに対する現波形ＶT の偏差部分（図５の斜線部８
ａ）の面積の揺動アークの１揺動周期分の総和は基準ギ
ャップＧref に対するギャップ変化量の絶対値として認
識することができる。また、位相θ1 〜θ2 （Ｒ部）に
おける電圧波形の偏差部分の積分値の符号が正のときＧ
＞Ｇref 、負のときＧ＜Ｇref と判定することができ
る。このように電圧波形の瞬時値をとらず積分値とする
理由は、前述したとおり、電圧波形には溶接アーク現象
に起因する高調波ノイズが重畳されるのでその影響を防
止するためである。また、ここでも電圧波形を用いてい
るが、アークセンサの周知の原理より、電流波形を用い
ることもできるのはいうまでもない。
となく、溶接電圧波形を検出することにより、つまりア
ークセンサ方式によって、アーク直下部のルートギャッ
プの変化を検出することができる。基準溶接電圧波形Ｖ
Trefに対する現波形ＶT の偏差部分（図５の斜線部８
ａ）の面積の揺動アークの１揺動周期分の総和は基準ギ
ャップＧref に対するギャップ変化量の絶対値として認
識することができる。また、位相θ1 〜θ2 （Ｒ部）に
おける電圧波形の偏差部分の積分値の符号が正のときＧ
＞Ｇref 、負のときＧ＜Ｇref と判定することができ
る。このように電圧波形の瞬時値をとらず積分値とする
理由は、前述したとおり、電圧波形には溶接アーク現象
に起因する高調波ノイズが重畳されるのでその影響を防
止するためである。また、ここでも電圧波形を用いてい
るが、アークセンサの周知の原理より、電流波形を用い
ることもできるのはいうまでもない。
【００２０】（３）波形差ΔＳG の求め方 図５の斜線部９の面積の総和を｜ΔＳG ｜とすると、｜
ΔＳG ｜は前記（１）式と同一の式で与えられる。
ΔＳG ｜は前記（１）式と同一の式で与えられる。
【００２１】
【数４】
【００２２】Ｒ部における偏差部分の積分値ＩR も前記
（２）式と同様である。
（２）式と同様である。
【数５】
【００２３】従って、同様にＩR の符号からΔＳG の正
負を定めることができる。すなわち、 ＩR ＞０のとき ΔＳG ＞０ ＩR ＜０のとき ΔＳG ＜０ となる。
負を定めることができる。すなわち、 ＩR ＞０のとき ΔＳG ＞０ ＩR ＜０のとき ΔＳG ＜０ となる。
【００２４】故に、
【数６】
【００２５】この（７）、（８）式から、波形差ΔＳG
の値を求めることができる。しかし、現実の電圧波形に
おいては位相θ1 、θ2 は揺動アークの１周期ごと、あ
るいは溶接条件やギャップ値によってかなり変動するの
で、インプロセスで検出するのは容易でない。従って、
実験結果から近似値として与える。このΔＳG の算出方
法によれば、θ1 、θ2 のバラツキがΔＳG の値に影響
しないため、検出精度は良好となる。
の値を求めることができる。しかし、現実の電圧波形に
おいては位相θ1 、θ2 は揺動アークの１周期ごと、あ
るいは溶接条件やギャップ値によってかなり変動するの
で、インプロセスで検出するのは容易でない。従って、
実験結果から近似値として与える。このΔＳG の算出方
法によれば、θ1 、θ2 のバラツキがΔＳG の値に影響
しないため、検出精度は良好となる。
【００２６】（４）ルートギャップの認識方法 （７）式より求められるΔＳG の値はギャップ変化量に
対応し、図８に示すようにルートギャップＧとの間にほ
ぼ直線的な関係があることが実験により確かめられてい
る。ここで得られたΔＳG −Ｇ特性線は、Ｇ＝Ｇref に
おける適正条件で溶接したときに得られる。従って、Δ
ＳG の値から現在のルートギャップを認識することがで
きる。
対応し、図８に示すようにルートギャップＧとの間にほ
ぼ直線的な関係があることが実験により確かめられてい
る。ここで得られたΔＳG −Ｇ特性線は、Ｇ＝Ｇref に
おける適正条件で溶接したときに得られる。従って、Δ
ＳG の値から現在のルートギャップを認識することがで
きる。
【００２７】３．タンデムアーク溶接の場合 タンデムアーク溶接とは、「縦列電極溶接」の意味であ
り、各電極はそれぞれ独立の溶接電源を有し、電気的に
独立している。溶接対象に応じて各電極の溶接条件（電
流、電圧）、電極間の距離が選定される。また、各電極
は機構的に一体配置され、従って溶接走行が一体（溶接
速度が同じ）となる。通常、２電極溶接の場合が多い
が、３〜６電極の場合もある（造船の片面溶接や隅肉溶
接など）。ＵＯＥの造管溶接などでは４〜６電極であ
る。
り、各電極はそれぞれ独立の溶接電源を有し、電気的に
独立している。溶接対象に応じて各電極の溶接条件（電
流、電圧）、電極間の距離が選定される。また、各電極
は機構的に一体配置され、従って溶接走行が一体（溶接
速度が同じ）となる。通常、２電極溶接の場合が多い
が、３〜６電極の場合もある（造船の片面溶接や隅肉溶
接など）。ＵＯＥの造管溶接などでは４〜６電極であ
る。
【００２８】図９に２電極のタンデムアーク溶接の場合
を示し、図１０にルートギャップＧの変化に対する各電
極の溶接電流Ｉ、溶接電圧ＶT の変化を示す。図中、Ａ
は先行電極、Ｂは後行電極である。ルートギャップが変
化（増加）すると、回転アーク、揺動アークの場合と同
様に、図９に示すように溶融池４が破線のように低くな
って、ビード高さが減少する。従って、Ａ電極とＢ電極
の電流（電圧）は各々減少（増加）するが、Ａ電極の電
流（電圧）の変化より、溶融金属ヘッドの高いＢ電極の
電流（電圧）の変化が大きい（図１０参照）。そこで、
後行電極のアークセンサにより検出される溶接電流また
は溶接電圧の波形の変化に着目してルートギャップを検
出する。なお、３電極以上の多電極の場合、後行電極と
は、最後尾の電極またはそれに近い後方電極をいう。
を示し、図１０にルートギャップＧの変化に対する各電
極の溶接電流Ｉ、溶接電圧ＶT の変化を示す。図中、Ａ
は先行電極、Ｂは後行電極である。ルートギャップが変
化（増加）すると、回転アーク、揺動アークの場合と同
様に、図９に示すように溶融池４が破線のように低くな
って、ビード高さが減少する。従って、Ａ電極とＢ電極
の電流（電圧）は各々減少（増加）するが、Ａ電極の電
流（電圧）の変化より、溶融金属ヘッドの高いＢ電極の
電流（電圧）の変化が大きい（図１０参照）。そこで、
後行電極のアークセンサにより検出される溶接電流また
は溶接電圧の波形の変化に着目してルートギャップを検
出する。なお、３電極以上の多電極の場合、後行電極と
は、最後尾の電極またはそれに近い後方電極をいう。
【００２９】制御的には、回転アーク、揺動アークの場
合と同様に、電流（電圧）波形のサンプリング周期をＴ
とすれば、この場合Ｔは回転アーク、揺動アークの１周
期に相当する。従って、図１０の特性より、ギャップＧ
の変化に対して、例えば溶接電圧ＶT のサンプリングの
波形は図１１のようになる。電流Ｉは電圧の逆になる。
合と同様に、電流（電圧）波形のサンプリング周期をＴ
とすれば、この場合Ｔは回転アーク、揺動アークの１周
期に相当する。従って、図１０の特性より、ギャップＧ
の変化に対して、例えば溶接電圧ＶT のサンプリングの
波形は図１１のようになる。電流Ｉは電圧の逆になる。
【００３０】よって、図１１の斜線部８ｂと８ｃの面積
の総和｜ΔＳG ｜は（９）式で与えられる。
の総和｜ΔＳG ｜は（９）式で与えられる。
【００３１】
【数７】
【００３２】Ｂ電極における偏差部分の積分値ＩB は
（１０）式となる。
（１０）式となる。
【数８】
【００３３】従って、同様にＩB の符号からΔＳG の正
負を定めることができる。すなわち、 ＩB ＞０のとき ΔＳG ＞０ ＩB ＜０のとき ΔＳG ＜０ となる。
負を定めることができる。すなわち、 ＩB ＞０のとき ΔＳG ＞０ ＩB ＜０のとき ΔＳG ＜０ となる。
【００３４】故に、
【数９】
【００３５】（１１）式より求められるΔＳG の値も、
図示は省略するが、図４、図８と同様に、ルートギャッ
プＧとほぼ直線的な関係となっている。従って、ΔＳG
の値から現在のルートギャップを認識することができ
る。
図示は省略するが、図４、図８と同様に、ルートギャッ
プＧとほぼ直線的な関係となっている。従って、ΔＳG
の値から現在のルートギャップを認識することができ
る。
【００３６】
【発明の実施の形態】図１２は本発明によるルートギャ
ップ検出方法において使用する波形差ΔＳGの検出回路
例を示すブロック図である。なお、この検出回路は、高
速回転アーク溶接、揺動アーク溶接、およびタンデムア
ーク溶接の場合において、すべて同一の構成である。従
って、主に高速回転アーク溶接の場合について説明し、
その他のアーク溶接については必要に応じて補足する。
図１２において、１１はアークセンサにより検出された
現在の溶接電圧ＶT0と溶接線ならい制御およびトーチ高
さ制御のもとでの平均電圧ＶTAV との偏差を増幅する差
動増幅器、１２は基準溶接電圧波形ＶTrefのデータが記
憶されている波形メモリ、１３は差動増幅器１１の出力
ＶT と波形メモリ１２の基準出力ＶTrefとの偏差を増幅
する差動増幅器、１４は前記（１）式の右辺の積分をす
る絶対値積分器、１５は前記（２）式の右辺の積分をす
る積分器、１６は前記（３）、（４）式によりΔＳG の
符号の正負を判定する符号判定器である。
ップ検出方法において使用する波形差ΔＳGの検出回路
例を示すブロック図である。なお、この検出回路は、高
速回転アーク溶接、揺動アーク溶接、およびタンデムア
ーク溶接の場合において、すべて同一の構成である。従
って、主に高速回転アーク溶接の場合について説明し、
その他のアーク溶接については必要に応じて補足する。
図１２において、１１はアークセンサにより検出された
現在の溶接電圧ＶT0と溶接線ならい制御およびトーチ高
さ制御のもとでの平均電圧ＶTAV との偏差を増幅する差
動増幅器、１２は基準溶接電圧波形ＶTrefのデータが記
憶されている波形メモリ、１３は差動増幅器１１の出力
ＶT と波形メモリ１２の基準出力ＶTrefとの偏差を増幅
する差動増幅器、１４は前記（１）式の右辺の積分をす
る絶対値積分器、１５は前記（２）式の右辺の積分をす
る積分器、１６は前記（３）、（４）式によりΔＳG の
符号の正負を判定する符号判定器である。
【００３７】このΔＳG 検出回路では、高速回転アーク
溶接のアークセンサによって溶接線ならい制御とトーチ
高さ制御を行いながら（揺動アーク溶接、タンデムアー
ク溶接の場合にはアークセンサによりトーチ高さ制御を
行い、溶接線ならい制御は別のセンサで行う）溶接をし
ているときに、アークセンサにより検出された現在の溶
接電圧ＶT0と基準ギャップＧref に対する適正溶接条件
のときの平均電圧ＶTAV を差動増幅器１１に入力してお
り、差動増幅器１１はその偏差ＶT を出力する。この出
力ＶT を差動増幅器１３に入力する一方、波形メモリ１
２に記憶されている基準ギャップＧref に対応する基準
電圧ＶTrefのデータを取り出し、このデータを差動増幅
器１３に入力する。さらに、この差動増幅器１３の出力
（ＶT −ＶTref）がそれぞれ絶対値積分器１４と積分器
１５に入力され、絶対値積分器１４において差動増幅器
１３の出力（ＶT −ＶTref）を絶対値化したうえでアー
ク回転の１回転分（揺動アーク溶接の場合はアーク揺動
の１周期分、タンデムアーク溶接の場合は各電極のアー
クの１サンプリング周期分）について波形の面積差の総
和｜ΔＳG ｜を求めるべく前記（１）式（（５）式もし
くは（９）式）の右辺の積分を行う。一方、積分器１５
ではＣr 部（Ｒ部）の位相θ1 〜θ2 （タンデムアーク
溶接の場合、後行電極のサンプリング周期Ｔ）の範囲に
ついてのみ面積差Ｉcr（ＩR もしくはＩB ）を求めるべ
く前記（２）式（（６）式もしくは（（１０）式）の右
辺の積分を行う。これらの積分値は符号判定器１６に送
られ、前記（３）、（４）式（（７）、（８）式もしく
は（１１）、（１２）式）により符号の正負を判定し、
Ｇ＞Ｇref のときは正のΔＳG を、Ｇ＜Ｇref のときは
負のΔＳG をそれぞれ出力する。
溶接のアークセンサによって溶接線ならい制御とトーチ
高さ制御を行いながら（揺動アーク溶接、タンデムアー
ク溶接の場合にはアークセンサによりトーチ高さ制御を
行い、溶接線ならい制御は別のセンサで行う）溶接をし
ているときに、アークセンサにより検出された現在の溶
接電圧ＶT0と基準ギャップＧref に対する適正溶接条件
のときの平均電圧ＶTAV を差動増幅器１１に入力してお
り、差動増幅器１１はその偏差ＶT を出力する。この出
力ＶT を差動増幅器１３に入力する一方、波形メモリ１
２に記憶されている基準ギャップＧref に対応する基準
電圧ＶTrefのデータを取り出し、このデータを差動増幅
器１３に入力する。さらに、この差動増幅器１３の出力
（ＶT −ＶTref）がそれぞれ絶対値積分器１４と積分器
１５に入力され、絶対値積分器１４において差動増幅器
１３の出力（ＶT −ＶTref）を絶対値化したうえでアー
ク回転の１回転分（揺動アーク溶接の場合はアーク揺動
の１周期分、タンデムアーク溶接の場合は各電極のアー
クの１サンプリング周期分）について波形の面積差の総
和｜ΔＳG ｜を求めるべく前記（１）式（（５）式もし
くは（９）式）の右辺の積分を行う。一方、積分器１５
ではＣr 部（Ｒ部）の位相θ1 〜θ2 （タンデムアーク
溶接の場合、後行電極のサンプリング周期Ｔ）の範囲に
ついてのみ面積差Ｉcr（ＩR もしくはＩB ）を求めるべ
く前記（２）式（（６）式もしくは（（１０）式）の右
辺の積分を行う。これらの積分値は符号判定器１６に送
られ、前記（３）、（４）式（（７）、（８）式もしく
は（１１）、（１２）式）により符号の正負を判定し、
Ｇ＞Ｇref のときは正のΔＳG を、Ｇ＜Ｇref のときは
負のΔＳG をそれぞれ出力する。
【００３８】このようにして、波形差ΔＳG を検出する
ことができるので、予めルートギャップＧとΔＳG の関
係を実験により求めておくことにより、ΔＳG の符号か
ら、現在のギャップＧが基準ギャップＧref より大とな
ったか、小となったか、あるいは基準ギャップＧref の
ままであるかをインプロセスで認識することができる。
従ってまた、このΔＳG の算出結果から、現在のギャッ
プＧに対応する適正な溶接条件に変更して溶接すること
ができるため、ルートギャップの変化に対応する溶接条
件適応制御が可能となる。
ことができるので、予めルートギャップＧとΔＳG の関
係を実験により求めておくことにより、ΔＳG の符号か
ら、現在のギャップＧが基準ギャップＧref より大とな
ったか、小となったか、あるいは基準ギャップＧref の
ままであるかをインプロセスで認識することができる。
従ってまた、このΔＳG の算出結果から、現在のギャッ
プＧに対応する適正な溶接条件に変更して溶接すること
ができるため、ルートギャップの変化に対応する溶接条
件適応制御が可能となる。
【００３９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
溶接トーチの近傍に何らの検出器を用いることなく高速
回転アーク溶接法または溶接方向に溶接トーチを揺動さ
せる揺動アーク溶接法もしくはタンデムアーク溶接法の
アークセンサによる溶接電圧または溶接電流の情報のみ
で、溶接中のアーク直下のルートギャップの変化を認識
でき、アーク溶接における溶接品質の維持に重要なルー
トギャップの変化をインプロセスで検出可能であるとい
う効果がある。
溶接トーチの近傍に何らの検出器を用いることなく高速
回転アーク溶接法または溶接方向に溶接トーチを揺動さ
せる揺動アーク溶接法もしくはタンデムアーク溶接法の
アークセンサによる溶接電圧または溶接電流の情報のみ
で、溶接中のアーク直下のルートギャップの変化を認識
でき、アーク溶接における溶接品質の維持に重要なルー
トギャップの変化をインプロセスで検出可能であるとい
う効果がある。
【図１】高速回転アーク溶接の場合において、基準ギャ
ップに対してルートギャップが変化したときの回転アー
クの溶接電圧の変化を示す波形図である。
ップに対してルートギャップが変化したときの回転アー
クの溶接電圧の変化を示す波形図である。
【図２】アーク回転位置の定義図である。
【図３】回転アークの後方部においてアーク長が変化し
たとき、溶融池が後退する状況を示す説明図である。
たとき、溶融池が後退する状況を示す説明図である。
【図４】波形差ΔＳG とルートギャップＧの関係を示す
ΔＳG −Ｇ特性線図である。
ΔＳG −Ｇ特性線図である。
【図５】揺動アーク溶接の場合において、基準ギャップ
に対してルートギャップが変化したときの揺動アークの
溶接電圧の変化を示す波形図である。
に対してルートギャップが変化したときの揺動アークの
溶接電圧の変化を示す波形図である。
【図６】アーク揺動位置の定義図である。
【図７】揺動アークの後方部においてアーク長が変化し
たとき、溶融池が後退する状況を示す説明図である。
たとき、溶融池が後退する状況を示す説明図である。
【図８】波形差ΔＳG とルートギャップＧの関係を示す
ΔＳG −Ｇ特性線図である。
ΔＳG −Ｇ特性線図である。
【図９】タンデムアーク溶接の場合において、ギャップ
の変化により溶融池形状が変化する状況を示す説明図で
ある。
の変化により溶融池形状が変化する状況を示す説明図で
ある。
【図１０】タンデムアーク溶接の場合において、ギャッ
プが変化したときの各電極の溶接電圧及び溶接電流の変
化を示す波形図である。
プが変化したときの各電極の溶接電圧及び溶接電流の変
化を示す波形図である。
【図１１】タンデムアーク溶接の場合のサンプリング波
形の面積差を求める方法の説明図である。
形の面積差を求める方法の説明図である。
【図１２】本発明のルートギャップ検出方法における波
形差ΔＳG の検出回路のブロック図である。
形差ΔＳG の検出回路のブロック図である。
１ 溶接トーチ ２ 溶接ワイヤ ３ アーク ４ 溶融池 ５ 溶接ビード ６ 立板 ７ 下板 ８、８ａ、８ｂ、８ｃ 斜線部（ＶT 波形とＶTref波形
の偏差部分） １１ 差動増幅器 １２ 波形メモリ １３ 差動増幅器 １４ 絶対値積分器 １５ 積分器 １６ 符号判定器
の偏差部分） １１ 差動増幅器 １２ 波形メモリ １３ 差動増幅器 １４ 絶対値積分器 １５ 積分器 １６ 符号判定器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村山 雅智 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日本鋼管株式会社内 (72)発明者 後藤 直幸 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日本鋼管株式会社内 (72)発明者 尾座本 大輔 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日本鋼管株式会社内 (56)参考文献 特開 昭62−24862（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−80971（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−192562（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−158569（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B23K 9/127 B23K 9/095 G01B 7/14
Claims (3)
- 【請求項１】 溶接線ならいと溶接トーチ高さの制御を
行いながら、高速回転アークによって溶接をしていると
きに、開先のルートギャップＧの変化によって変化す
る、アーク直下の溶融池表面形状の変化を、高速回転ア
ークの溶接電圧または溶接電流の波形によって認識する
方法において、 基準となるギャップＧref に対する適正溶接条件におけ
る前記溶接電圧または前記溶接電流の波形を基準波形と
して記憶しておき、前記基準波形に対する現波形の偏差
部分の面積｜ΔＳG ｜をアークの１回転分について求
め、さらにアーク回転位置の後方部における偏差部分の
積分の符号から波形差ΔＳG の正負を判定してΔＳG を
求め、このΔＳG の値とルートギャップＧの関係を予め
実験により求めておき、現在のΔＳG の値から現在のル
ートギャップＧを認識することを特徴とするアーク溶接
におけるルートギャップの検出方法。 - 【請求項２】 溶接線ならいと溶接トーチ高さの制御を
行いながら溶接トーチを溶接方向に揺動させる揺動アー
ク溶接をしているときに、開先のルートギャップＧの変
化によって変化する、アーク直下の溶融池表面形状の変
化を、揺動アークの溶接電圧または溶接電流の波形によ
って認識する方法において、 基準となるギャップＧref に対する適正溶接条件におけ
る前記溶接電圧または前記溶接電流の波形を基準波形と
して記憶しておき、前記基準波形に対する現波形の偏差
部分の面積｜ΔＳG ｜をアークの１揺動周期分について
求め、さらに揺動周期の後方部における偏差部分の積分
の符号から波形差ΔＳG の正負を判定してΔＳG を求
め、このΔＳG の値とルートギャップＧの関係を予め実
験により求めておき、現在のΔＳG の値から現在のルー
トギャップＧを認識することを特徴とするアーク溶接に
おけるルートギャップの検出方法。 - 【請求項３】 溶接線ならいと溶接トーチ高さの制御を
行いながらタンデムアーク溶接をしているときに、開先
のルートギャップＧの変化によって変化する、アーク直
下の溶融池表面形状の変化を、アークの溶接電圧または
溶接電流の波形によって認識する方法において、 基準となるギャップＧref に対する適正溶接条件におけ
る前記溶接電圧または前記溶接電流の波形を基準波形と
して記憶しておき、前記基準波形に対する現波形の偏差
部分の面積｜ΔＳG ｜をサンプリング周期毎に求め、さ
らに後行電極のサンプリング周期における偏差部分の積
分の符号から波形差ΔＳG の正負を判定してΔＳG を求
め、このΔＳG の値とルートギャップＧの関係を予め実
験により求めておき、現在のΔＳG の値から現在のルー
トギャップＧを認識することを特徴とするアーク溶接に
おけるルートギャップの検出方法。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP34602097A JP3230476B2 (ja) | 1997-03-27 | 1997-12-16 | アーク溶接におけるルートギャップの検出方法 |
| EP98911014A EP1013370B1 (en) | 1997-03-27 | 1998-03-26 | Method of detecting root gap and arc welding method using the former |
| US09/381,784 US6150631A (en) | 1997-03-27 | 1998-03-26 | Method of detecting root gap and arc welding method using the former |
| DE69816839T DE69816839T2 (de) | 1997-03-27 | 1998-03-26 | Verfahren zur ermittlung der spaltbreite und lichtbogenschweisserverfahren mit anwendung des vorigen verfahrens |
| PCT/JP1998/001344 WO1998043773A1 (fr) | 1997-03-27 | 1998-03-26 | Procede de detection de l'ecartement des bords et procede de soudage a l'arc utilisant le procede susmentionne |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9-75273 | 1997-03-27 | ||
| JP7527397 | 1997-03-27 | ||
| JP34602097A JP3230476B2 (ja) | 1997-03-27 | 1997-12-16 | アーク溶接におけるルートギャップの検出方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10323758A JPH10323758A (ja) | 1998-12-08 |
| JP3230476B2 true JP3230476B2 (ja) | 2001-11-19 |
Family
ID=26416419
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP34602097A Expired - Fee Related JP3230476B2 (ja) | 1997-03-27 | 1997-12-16 | アーク溶接におけるルートギャップの検出方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3230476B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4501105B2 (ja) * | 2004-03-09 | 2010-07-14 | 株式会社安川電機 | 溶接システム |
| US8680432B2 (en) | 2005-04-20 | 2014-03-25 | Illinois Tool Works Inc. | Cooperative welding system |
-
1997
- 1997-12-16 JP JP34602097A patent/JP3230476B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10323758A (ja) | 1998-12-08 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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