JP3433229B2 - 水中溶接方法及び装置 - Google Patents

水中溶接方法及び装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、水中溶接工程の自
動化のために、水中アーク溶接に際し、超音波センサを
用いて、溶接部位の状態を観察しながら溶接位置及び溶
接条件を適切に制御する方法及びそれに用いる装置に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】陸上のロボットによる自動溶接や自動切
断に際しては、溶接部位を観察し、溶接線を追跡した
り、溶接状況を認識するために、CCDカメラやCCD
カメラとレーザ光を組み合わせた位置・形状センサが用
いられている。しかしながら、水中溶接においては、レ
ーザ光その他の光は水中における減衰が著しく、また溶
接時に生じる溶接スラグやヒュームの分解により作業部
位付近に生じる濁りや気泡に観察が妨害され、使用でき
ないため、自動化、ロボット化はほとんど行われておら
ず、潜水夫が手作業で溶接状態を肉視しながら溶接条件
を適切に選んで行っているのが現状である。
【0003】ところで、超音波は、大気中よりも水中に
おける方がはるかに伝播しやすく、しかも水の濁りによ
る影響が少ないことから、水中加工技術のセンシング手
段として好適であり、本発明者らはこの点に着目し、先
に湿式水中アーク溶接を行うに当り、溶接速度を30c
m/分以下に設定するとともに、溶接線と直角方向に走
査速度50cm/分以上で超音波センサによる走査を行
うことにより溶接部位の溶接状態を観察しながら、その
観察結果に応じて溶接位置及び溶接条件を制御すること
を特徴とする水中溶接方法を提案した(特願2001−
39958)。しかしながら、この方法は単一の焦点型
センサを用いて機械的走査を行うために特別な機構を必
要とする上に、走査に時間を要するという欠点がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記の単一
の焦点型センサを用いて機械的走査を行う方法における
欠点を克服し、簡単に溶接部位を全体にわたって観察し
ながら水中溶接する方法及び装置を提供することを目的
としてなされたものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、水中溶接
における超音波を利用した水中センシング法について種
々研究を重ねた結果、単一の焦点型センサを機械的に走
査する代りに、超音波アレイセンサを用い、超音波ビー
ムを溶接部に発信し、その超音波反射波をコンピュータ
処理して溶接部の縦断面の輪郭像すなわちBスコープ像
を形成させることにより、水中で溶接部位を連続的に検
知しうることを見出し、この知見に基づいて本発明をな
すに至った。
【0006】すなわち、本発明は、湿式水中アーク溶接
を行うに当り、溶接トーチの移動方向前上方に、溶接線
に直交して配置した超音波アレイセンサの複数の振動子
を順次切り替えながら、超音波ビームを溶接部に発信
し、その反射波を受信することにより、溶接ビードの縦
断面形状の情報をアナログ信号としてA/D変換器に入
力し、A/D変換後、コンピュータ処理して溶接部の縦
断面の輪郭像を形成させ、その輪郭像をコンピュータに
あらかじめ入力しておいた画像情報に基づいて鮮明な画
像に補正し、この画像に基づいて溶接トーチ内の溶接ノ
ズルの位置及び溶接条件の制御を行うことを特徴とする
水中溶接方法、及び溶接ノズルを備えた水中溶接トーチ
1、その移動方向前上方に溶接線に直交して配置された
超音波アレイセンサ9、超音波反射波を送受信する超音
波パルサ・レシーバ17、超音波パルサ・レシーバ17
からの情報をA/D変換するA/D変換器18、A/D
変換器18からの情報を入力し、溶接部の縦断面の輪郭
像を形成させ、これをあらかじめ入力された画像情報に
基づいて鮮明な画像に補正する演算処理を行うととも
に、この画像に基づいて溶接トーチ内の溶接ノズルの位
置及び溶接条件を出力するためのコンピュータ19及び
コンピュータ19からの出力に応じて水中溶接トーチ1
内の溶接ノズルの位置を操作するモータドライバ20及
び溶接トーチの周囲に形成させた水カーテン3から構成
された水中溶接装置を提供するものである。ここで超音
波アレイセンサとは、多数の超音波振動子を並列的に配
列し、超音波を高速度で送受信しながら移動させ、対象
物を連続的に監視するセンサである。
【0007】
【発明の実施の形態】次に添付図面に従って本発明をさ
らに詳細に説明する。図1は、本発明方法の1例を示す
説明図であり、水中溶接トーチ1において、ノズル外周
部2から円錐状に噴出させる水カーテン3とノズル内部
に充満させた二酸化炭素、アルゴンガスのようなシール
ドガス4との相互作用により、溶接部周辺の水を排除
し、局部的空洞5が形成され、安定した状態のシールド
ガス4中で消耗式電極ワイヤ6と基材7の間でアーク8
を発生させ、アーク溶接が行われる。超音波アレイセン
サ9は溶接トーチ1の移動方向前上方溶接線と直交し
配設され、超音波ビーム10を発信及び受信して、溶
接ビードからの超音波反射で得られる縦断面の輪郭像、
いわゆるBスコープ像を形成させる。
【0008】図2は本発明で用いた電子走査式超音波リ
ニアアレイセンサの斜視図、図3はその平面図であっ
て、この超音波アレイセンサ自体は市販品として入手し
うるものである。これらの図において、センサ9は、並
列に配列した多数の超音波振動子11,…により構成さ
れ、各振動子ごとに電子スイッチ12を順次高速度で切
り替えることによって、超音波ビーム10を矢印方向に
直線的に移動させる。このようにして、センサ自体を移
動させることなくリニア走査を行うことができる。この
際の超音波波形は、音響レンズ13やマッチング層14
によって適正に整形される。各振動子11,…は数パル
スの超音波を送受信するため、細いシャープな像を形成
することができ、比較的精密な測定を行うことができ
る。測定により得られた情報は、送受信回路15を介し
てコンピュータに送られ、所定の処理が施される。
【0009】上記の各振動子の幅及び数は、監視すべき
対象により異なるが、通常は0.5〜1.5mmの幅の
ものを30〜200個並列して用いる。また、センサ9
の有効視野としては、溶接部位の寸法からみて10〜7
0mm、通常は30〜50mmの範囲で選ばれる。この
超音波アレイセンサは、電子式走査を行うため、単一の
焦点型センサを用いる場合とは異なり、上記の有効視野
範囲内でセンサ自体を機械的に移動して走査する必要は
ない。
【0010】次に図4は、超音波アレイセンサを用い
て、水中の物体の溶接状態を検知する計測システムの例
を示す系統図である。この図において、電子走査式リニ
アアレイセンサ9は溶接トーチ1の移動方向前方、水中
の溶接部位16の上方に位置して、溶接線と直交させて
配設されている。そして、このセンサ9から下方に向け
て超音波を発信し、溶接部位からの反射波信号を超音波
パルサ・レシーバ17でアナログ信号として受信し、ア
ナログ信号をA/D変換器18によって変換し、コンピ
ュータ19による処理で縦断面の輪郭像を得ると同時
に、センサ9を溶接線方向に移動したときの情報の蓄積
とフィードバック処理を行う。次いで、これらの結果か
ら、センサ9と溶接部位16との位置関係の変化に対応
し、溶接トーチ1の位置が常に溶接線上の適正な位置に
あるようにモータドライバ20によって溶接トーチ内の
溶接ノズルの位置制御を行う。
【0011】ところで、超音波Bスコープ測定では、全
体的に輪郭線がぼやけて不鮮明であり、斜面部の検出も
容易でない上に、疑似エコー(虚像)が多く現われるこ
とがある。このような場合は、類似ケースから得た溶接
部位16に関する情報を、予めコンピュータ19に入力
しておき、これらと実際の測定により得られる溶接部位
16からの情報とを組み合わせて修正処理を施すこと、
換言すれば超音波受信波の位置、反射強度の測定値とそ
れらから得られる二次元情報に加えて測定対象の特徴を
参考にして余分な信号を除去し、正確な形状認識結果を
得ることにより、Bスコープ像の高画質化、鮮明化を図
ることができる。
【0012】
【実施例】次に実施例により本発明をさらに詳細に説明
する。
【0013】実施例1 振動子90個、有効視野50mm、中心周波数5MHz
のセンサを溶接線上に垂直に設置し、板厚20mm、長
さ300mmの2枚の鋼板を突き合わせて水中溶接によ
り、1層から5層の肉盛り溶接を施したときの試験片の
形状を測定した。このようにして得た上方からの写真を
図5(a)に示す。図5(b)は、(a)に示された番
号の位置の対応する断面図であり、開先形状はV開先、
開先角度は60゜、ルート間隔は2mmであった。
【0014】実施例2 実施例1と同じ電子走査式超音波アレイセンサを用い、
実施例1で用いた試験片について、水中溶接したときの
肉盛りなしのV開先形状のBスコープ像(a)及び3層
の肉盛りを施したときのBスコープ像(b)を測定し
た。この結果を図6に(a)及び(b)として示す。こ
れらの図から分るように、Bスコープ像の輪郭線イ、
ロ、ハ、ニ、ホ、ヘ、ト、チの幅は広がっており、また
虚像などによるノイズ,リ、ヌが多く見られるが、従来
法では検出の難しかった斜辺部の形状ル、ヲが識別で
き、それぞれの溶接層の深さ方向の輪郭形状が認識でき
る。実際の水中溶接を行う場合の溶接ビード幅は通常は
10〜30mm程度であり、最大でも50mmを超える
ことはまずないので、超音波アレイセンサの有効計測幅
は50〜70mmにとっておけば、溶接線上に設置した
長方形の断面のアレイセンサ自体を機械的に走査する必
要はなく、溶接線上をそのまま移動するだけで連続的な
Bスコープ像が得られることになる。
【0015】実施例3 実施例2で得た3層の肉盛りを施したときのBスコープ
像(b)について、コンピュータによる修正処理を施し
た。この結果を図7に示す。この図において、斜面部ワ
や中心部カの細線で表わす輪郭線は処理後の結果であ
り、肉盛り溶接の形状がかなり明瞭に判断できることが
分る。
【0016】
【発明の効果】本発明は、(1)電子走査式などの超音
波アレイセンサを用い、溶接部位のBスコープ像を得る
ことにより、センサを走査することなくV開先をはじめ
とする溶接部位の位置・形状、目違いやルート間隔の検
出、溶接線の検出などを行うことができる、(2)水中
におけるセンシングのリアルタイム性向上(高速度化)
が図れ、情報を高速度でフィードバックし、溶接線の追
従、溶接条件の変更が可能になる、(3)小型で溶接ノ
ズルと一体化でき、狭隘部の水中熱加工などに適用でき
るなど実用性が向上する、(4)湿式水中溶接の自動化
とそれに伴う溶接品質の向上に寄与できる、(5)測定
対象の特徴(辺の連続性、事前にわかる既知の形状)を
考慮し、余分な超音波信号を除去することによって、よ
り明瞭な形状認識を行うことができる、などの効果を奏
する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明方法の1例の説明図。
【図2】 電子走査式超音波リニアアレイセンサの斜視
図。
【図3】 図2のセンサの平面図。
【図4】 本発明装置の系統図。
【図5】 実施例1の試験片の形状を示す写真及びその
番号該当個所の断面図。
【図6】 実施例2の試験片溶接部のBスコープ像。
【図7】 実施例3の修正Bスコープ像
【符号の説明】
1 溶接トーチ 2 ノズル外周部 3 水カーテン 4 シールドガス 5 空洞 6 電極ワイヤ 7 基材 8 アーク 9 超音波アレイセンサ 10 超音波ビーム 11,…振動子 12 電子スイッチ 13 音響レンズ 14 マッチング層 15 送受信回路 16 溶接部位 17 超音波パルサ・レシーバ 18 A/D変換器 19 コンピュータ 20 モータドライバ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小川 洋司 香川県高松市林町2217番14 経済産業省 産業技術総合研究所四国工業技術研究所 内 (72)発明者 森田 孝男 香川県高松市林町2217番14 経済産業省 産業技術総合研究所四国工業技術研究所 内 (72)発明者 榊原 実雄 香川県高松市林町2217番14 経済産業省 産業技術総合研究所四国工業技術研究所 内 (56)参考文献 特開 平9−239539(JP,A) 特開 平3−106570(JP,A) 特開 昭54−134054(JP,A) 特開 昭62−192653(JP,A) 特開 昭52−82382(JP,A) 特公 昭51−16027(JP,B2) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23K 9/00 B23K 9/095 B23K 9/127

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 湿式水中アーク溶接を行うに当り、溶接
    トーチの移動方向前上方に、溶接線に直交して配置した
    超音波アレイセンサの複数の振動子を順次切り替えなが
    ら、超音波ビームを溶接部に発信し、その反射波を受信
    することにより、溶接ビードの縦断面形状の情報をアナ
    ログ信号としてA/D変換器に入力し、A/D変換後、
    コンピュータ処理して溶接部の縦断面の輪郭像を形成さ
    、その輪郭像をコンピュータにあらかじめ入力してお
    いた画像情報に基づいて鮮明な画像に補正し、この画像
    に基づいて溶接トーチ内の溶接ノズルの位置及び溶接条
    件の制御を行うことを特徴とする水中溶接方法
  2. 【請求項2】 溶接ノズルを備えた水中溶接トーチ
    (1)、その移動方向前上方に溶接線に直交して配置さ
    れた超音波アレイセンサ(9)、超音波反射波を送受信
    する超音波パルサ・レシーバ(17)、超音波パルサ・
    レシーバ(17)からの情報をA/D変換するA/D変
    換器(18)、A/D変換器(18)からの情報を入力
    し、溶接部の縦断面の輪郭像を形成させ、これをあらか
    じめ入力された画像情報に基づいて鮮明な画像に補正す
    る演算処理を行うとともに、この画像に基づいて溶接ト
    ーチ内の溶接ノズルの位置及び溶接条件を出力するため
    コンピュータ(19)及びコンピュータ(19)から
    の出力に応じて水中溶接トーチ(1)内の溶接ノズルの
    位置を操作するモータドライバ(20)及び溶接トーチ
    の周囲に形成させた水カーテン(3)から構成された水
    中溶接装置。
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