JP3785946B2

JP3785946B2 - 薄板の重ね溶接倣い方法およびその溶接装置

Info

Publication number: JP3785946B2
Application number: JP2001138275A
Authority: JP
Inventors: 真土居
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2001-05-09
Filing date: 2001-05-09
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2021-05-09
Also published as: JP2002331363A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、液化天然ガス貯蔵用タンクに用いられるメンブレン等のような薄板の重ね隅肉溶接時に用いる倣い溶接方法およびその溶接装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄板の重ね溶接倣い方法としては、溶接位置より前方の溶接線をスリットレーザを用いた光切断法にて検出するのが一般的である（特開平８−２７１２１１号）。
また、上記方法に対して光切断法を用いず、溶接のアーク光によって生じる前方重ね部の影を撮像し、その画像を画像処理することによって溶接線を検出する手法も開示されている（特開平７−２９０２３９号、特開平１１−２８７６１９号）。
以上の従来技術は、単に溶接位置より前方の溶接線を検出して、その溶接線に溶接トーチを倣わせるだけのものであり、必ずしも適正な溶接ビードの形状性および品質を保証するものではなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上に述べた先行技術においては、いずれも溶接時に前方の重ね合わせた２枚の薄板の上板のエッジを検出している。しかし、実際の溶接では、最適な溶接トーチの狙い位置は上記のエッジではなく、エッジから上板側へ１〜２ｍｍ入り込んだ範囲内に存在する。その最適な入り込み値は溶接速度、電流や溶接トーチの傾斜角度等の溶接条件、板厚、材質等により異なるため、何回も溶接条件の設定を繰り返したのち、狙い位置を含む標準溶接条件が定められる。この標準溶接条件により先行技術のような狙い位置一定のままで自動倣い溶接を行う場合には、重ね合わせた板の間のギャップに対する裕度が小さいため、実施工においては溶接前処理としての重ね部の仮付け溶接において、ギャップを０ｍｍに厳しく管理することが必要であった。
しかし、実際の溶接時には溶接熱変形によりギャップが大きくなったり、仮付けが悪くギャップが開いたりした場合には溶接不良が発生する。この溶接不良はすべて手溶接による補修作業が必要となる。
【０００４】
そこで、本発明は、このギャップに対する裕度を拡大し、溶接不良を大幅に減少させる薄板の重ね溶接倣い方法およびその溶接装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る薄板の重ね溶接倣い方法は、薄板の重ね溶接において、溶接位置より後方のビード形状を検出し、適正ビード形状に対する変化を捉え、その変化に応じて溶接進行方向に対して直角方向に溶接トーチの位置ずれを補正することを特徴とする。
【０００６】
すなわち、本発明は溶接位置より後方のビード形状を検出することに特徴がある。薄板の重ね溶接における適正なビード断面形状はやや凸の形をしている。そのため、最適な狙い位置から下板側にずれた場合はビード形状はフラットから凹形状となり、逆に上板側にずれた場合は凸形状がきつくなる。さらに、重ね部のギャップがなく適正な狙い位置での溶接からギャップが開いてきた場合には凹ビードへ変化する。このギャップのある範囲においては、トーチの狙い位置を上板側へずらしていくことによりやや凸の適正ビード形状を保つことができる。
以上のことから、適正ビード形状に対し、凸度が大きくなれば、下板側へ溶接トーチをずらし、凸度が小さくなれば上板側にずらすことにより溶接位置ずれとギャップ変動に対して常に適正なビード形状を保つ溶接倣いが可能となる。したがって、ギャップに対する裕度を拡大し、溶接不良を大幅に減少させることが可能となる。
【０００７】
また、本発明の薄板の重ね溶接倣い方法は、ビード形状の検出位置を溶融池直後のビード部とすることを特徴とする。
トーチ位置とビード形状の検出位置の間の距離はできるだけ短くすることが好ましく、そのため溶融池直後のビード部にてビード形状を検出することにより、タイムラグを小さくできるので精度の良い倣いが可能となる。
【０００８】
また、本発明の薄板の重ね溶接倣い方法は、センサ手段により検出したビード形状の形状値を計算し、該形状値の適正値に対する偏差に基づいてトーチ位置ずれを補正することを特徴とする。
この場合において、溶接ビードの幅方向の両端部を結ぶ直線を基準とした溶接ビードの形状に近似する２次曲線を求め、該２次曲線の極値あるいは該２次曲線をｙ＝ａｘ²＋ｂｘ＋ｃであらわしたときの２次係数ａの値をビード形状の形状値とする。
【０００９】
溶接ビードの形状が適正かどうかは、前記のようにセンサ手段により検出したデータをもとにビード形状の形状値として凹凸値を計算し、該凹凸値と適正値との偏差に基づいて判定することができる。この凹凸値は、具体的には、ビードの両端部を結ぶ直線を基準としたビード形状に近似する２次曲線を求め、該２次曲線の極値あるいは該２次曲線をｙ＝ａｘ²＋ｂｘ＋ｃであらわしたときの２次係数ａであらわすことができる。したがって、この２次曲線の極値あるいは２次係数ａの値を求め、その極値あるいは２次係数ａと適正値との偏差がなくなるように制御することにより、常に適正なビード形状を保つ溶接倣いが可能となる。この制御系によれば、１つの適正値に戻るようにするだけの非常にシンプルなアルゴリズムで制御が可能となる。
これに対して、従来の溶接部前方の溶接線を検出する方法では、まず検出値そのものの精度とトーチ位置の正確な調整が必要であり、実際の制御では倣い位置ずれとギャップ値による複雑な制御となる。また検出した位置が溶接されるまでのタイムラグの処理も必要である。
【００１０】
以上に述べた本発明の方法を実施するための薄板の重ね溶接装置は、溶接トーチと、該溶接トーチを溶接進行方向に対して直角方向に移動する移動軸と、溶接時のビード形状を検出するセンサ手段とを備えた薄板の重ね溶接装置であって、前記センサ手段により検出したビード形状の形状値を計算し、該形状値の適正値に対する偏差に基づいて前記移動軸を介して前記溶接トーチの位置ずれを補正する制御手段を具備する構成とするものである。
また、センサ手段は、スリットレーザ光の投光手段と、スリットレーザ投光部を撮像するＣＣＤカメラとを含み、前記スリットレーザ投光部の位置を溶融池直後のビード部とする。
【００１１】
センサ手段はビード形状を計測できるものであれば何でもよいが、光切断法を用いる場合には、スリットレーザ光を投光する投光手段と、スリットレーザ投光部を撮像するＣＣＤカメラとを含み、スリットレーザ投光部の位置を溶融池直後のビード部とするのがよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は本発明の溶接装置の概要図、図２は溶接中のビード形状を計測するためのセンサの一実施例を示す図である。
図１に略示する溶接機本体１０は、薄板の被溶接部材１２上を溶接方向に移動するようになっており、溶接トーチ１と、この溶接トーチ１を溶接進行方向に対して直角の横方向（Ｘ方向）に移動する移動軸２とを少なくとも備え、さらに、ビード形状を検出するセンサ手段として、光切断法でのスリットレーザ投光手段と撮像手段とを備えている。すなわち、スリットレーザ投光手段のレーザ投光器３よりスリットレーザ光４を溶接時の溶融池１４直後の溶接ビード１５上に投光し、その部分のビード形状をフィルター６付きのＣＣＤカメラ５により撮像する。
【００１３】
ＣＣＤカメラ５により撮像されたビード形状のデータは、画像処理装置７に送られ、ここで後述するように画像処理された上でそのビード形状の凹凸値（形状値）を計算し、適正値との偏差を求め、この偏差を溶接制御装置８に出力する。溶接制御装置８では、この偏差に基づき、溶接進行方向に対して直角の横方向（Ｘ方向）に溶接トーチ１を移動軸２を介して修正移動させるフィードバック制御を行う。
【００１４】
図２は上記センサ手段の配置についての具体的な実施例を示すもので、ここでは、図１とは逆にＣＣＤカメラ５とレーザ投光器３を配置している。
溶接トーチ１とビード形状の計測位置の距離はできるだけ近いほうがタイムラグが少なく精度の良い倣いが可能であり、１０ｍｍ以内が望ましい。本実施例では、上記距離を８ｍｍとしており、またＣＣＤカメラ５を後方に配置することにより溶接アーク光の影響を排除している。
なお、センサ手段は上記の構成に限られるものではなく、溶接位置より後方のビード形状を計測可能なものであれば何でもよく、例えばレーザ距離計等のセンサでも適用可能である。
【００１５】
図３は実際の溶接時の処理手順を示したフローチャートであり、図４は画像処理装置における処理内容を示した図である。以下、両図を参照して説明する。
【００１６】
まず、ＣＣＤカメラ５でスリットレーザ投光部の撮影を開始する（ステップＳ１）。ついで、板間のギャップ０ｍｍのときの溶接トーチ１の狙い位置を含む標準溶接条件で、重ね合わせた２枚の薄板１２の重ね溶接を開始する（ステップＳ２）。次に、スリットレーザ投光部におけるビード形状を検出し、その画像について、図４（ａ）に示すように、光切断方向（ビード幅方向）の両端部を十分にカバーするような処理領域２１を設定する（ステップＳ３）。そして、この処理領域２１の範囲内でビード形状データの平均化処理を行い（ステップＳ４）、図４（ｂ）に示すように、ビード形状データの微分処理によりビードの左右端部α、βを検出する（ステップＳ５）。次に、ビード左端αとビード右端βを結ぶ直線２２を生成する（ステップＳ６）。次に、図４（ｃ）に示すように、この直線２２とビード形状データ間の差を差データとして算出し（ステップＳ７）、さらにその差データから２次曲線に近似する曲線２３を生成する（ステップＳ８、図４（ｄ））。そしてこの曲線２３の極値を算出する（ステップＳ９）。あるいは、この曲線２３をｙ＝ａｘ²＋ｂｘ＋ｃであらわしたときの２次係数ａの値を求めてもよい。最後に、この極値あるいは２次係数ａの値と予め設定されている適正ビードの適正値との偏差を求め、求めた偏差を図１の溶接制御装置８に出力することにより、その偏差に応じて溶接トーチ１をＸ方向に修正移動させる（ステップＳ１０）。
【００１７】
上記の近似２次曲線２３は、ギャップ０ｍｍのときのトーチ狙い位置を含む標準溶接条件により薄板の重ね溶接を実施したときの溶接ビード１５の形状をあらわす特性曲線である。この曲線２３は、溶接の進行に伴い、板の間のギャップが生じてきたり、トーチの位置ずれ等が生じてくると、変化するので、この変化の度合を曲線２３の極値と標準ビードの適正値との偏差で捉える。
この偏差が標準ビードの適正値よりプラス側に大きくなれば、図４（ｅ）に示すように、ビード形状は凸ビードとなり、マイナス側に大きくなれば、ビード形状は凹ビードとなって、いずれもギャップやトーチの位置ずれ等が発生していることになる。そこで、ギャップの有無にかかわらず、上記偏差がなくなるようにトーチ１の位置ずれを補正するように倣わせれば、常に適正なビード形状を保つことができ、かつ溶接部の品質を精度の良いものとすることができる。
【００１８】
図５（ａ）は、トーチのＸ方向位置（同図（ｃ）に示すように上板１２ａの端部を０とし、上板１２ａ側をプラス、下板１２ｂ側をマイナスとする。）と上記処理により得られた偏差を電圧値で示したものとの関係を示しており、ギャップが無い場合（Δｇ＝０）には右上がりの単調な特性曲線となっている。この例の適正ビード領域は、図中斜線で示す偏差の範囲となっている。また、図５（ｂ）には、トーチ狙い位置の違いによるビード断面形状の変化を示している。
これらの図から、トーチ狙い位置としては、Ｘは１ｍｍ程度から１．４ｍｍ以内の範囲が望ましいことが分かる。
【００１９】
したがって、上記偏差が適正値から外れたときには、トーチ位置を適正な位置に戻すようなフィードバック制御を行えばよい。また溶接中、上板１２ａと下板１２ｂの間にギャップが開いた場合には、図５（ａ）に示すように偏差とトーチ位置との関係曲線はギャップが無い場合から右方向にずれるので、適正ビードを保つように上板側へトーチの狙い位置を移動することになる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、薄板の重ね溶接において、溶接位置より後方のビード形状を検出することにより、常に適正なビード形状を保つようにトーチの狙い位置を制御するものであるため、ギャップ等の変動要因に対して安定した倣い溶接が可能である。よって、ギャップをなくすための厳しい基準の仮付け溶接や補修溶接の工数が大幅に減少する。
また、１つの適正値に戻すようにトーチの狙い位置を制御するだけでよいので、制御系が非常にシンプルなものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の薄板の溶接装置の概要図である。
【図２】実施例のセンサ手段の配置を示す図である。
【図３】溶接時の処理手順を示すフローチャートである。
【図４】画像処理装置における処理内容を示す図で、（ａ）は領域設定、平均化処理時のビード形状図、（ｂ）はビード左右端部の検出、直線の生成時の説明図、（ｃ）は直線とビード形状データ間の差を算出するときの説明図、（ｄ）は差データを２次曲線化したときの図、（ｅ）は２次曲線とビードの凹凸との関係を示す説明図である。
【図５】（ａ）はトーチ位置と偏差の関係を示す図、（ｂ）はトーチ位置によるビード断面形状の変化を示す図、（ｃ）はトーチのＸ方向位置の定義を示す図である。
【符号の説明】
１溶接トーチ
２移動軸
３レーザ投光器
４スリットレーザ光
５ＣＣＤカメラ
６フィルター
７画像処理装置
８溶接制御装置
１０溶接機本体
１２薄板
１４溶融池
１５溶接ビード

Claims

薄板の重ね溶接において、溶接位置より後方のビード形状を検出し、適正ビード形状に対する変化を捉え、その変化に応じて溶接進行方向に対して直角方向に溶接トーチの位置ずれを補正することを特徴とする薄板の重ね溶接倣い方法。
ビード形状の検出位置を溶融池直後のビード部とすることを特徴とする請求項１記載の薄板の重ね溶接倣い方法。
センサ手段により検出したビード形状の形状値を計算し、該形状値の適正値に対する偏差に基づいてトーチ位置ずれを補正することを特徴とする請求項１または２記載の薄板の重ね溶接倣い方法。
溶接ビードの幅方向の両端部を結ぶ直線を基準とした溶接ビードの形状に近似する２次曲線を求め、該２次曲線の極値あるいは該２次曲線をｙ＝ａｘ²＋ｂｘ＋ｃであらわしたときの２次係数ａの値をビード形状の形状値とすることを特徴とする請求項３記載の薄板の重ね溶接倣い方法。
溶接トーチと、該溶接トーチを溶接進行方向に対して直角方向に移動する移動軸と、溶接時のビード形状を検出するセンサ手段とを備えた薄板の重ね溶接装置であって、
前記センサ手段により検出したビード形状の形状値を計算し、該形状値の適正値に対する偏差に基づいて前記移動軸を介して前記溶接トーチの位置ずれを補正する制御手段を具備することを特徴とする薄板の重ね溶接装置。
センサ手段は、スリットレーザ光の投光手段と、スリットレーザ投光部を撮像するＣＣＤカメラとを含み、前記スリットレーザ投光部の位置を溶融池直後のビード部とすることを特徴とする請求項５記載の薄板の重ね溶接装置。