JP4089755B2 - タンデムアーク溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、動作プログラムによって所定の動作パターンで動作し、所定の溶接条件で被溶接物を溶接するタンデムアーク溶接装置に関する。

各種溶接構造物の製造においては、高速溶接や高溶着溶接を行うことにより作業能率の向上を図っている。近年さらにこれを進めるために、１本の溶接トーチから２本の溶接ワイヤを送給する２電極一体型の溶接トーチや、近接して配置した２つの単電極溶接トーチを使用する溶接法が採用されている。これらは、タンデムアーク溶接法と呼ばれている。

タンデムアーク溶接を行う溶接システムは、動作プログラムに従って所定の速度で所定の動作を行い、所定の溶接制御を実行することにより溶接を行う。動作プログラムは、溶接区間では２つの電極および各々を貫通して送給される２本の溶接ワイヤが概ね溶接線上に溶接方向に対して前後に並ぶような位置関係を前提としている。

図１を用いて、タンデムアーク溶接装置の概略構成および動作について説明する。図１は、２電極一体型の溶接トーチを使ったタンデムアーク溶接装置の機器構成を簡略化して示している。２電極一体型の溶接トーチ５０は、図示しない溶接ロボットマニュピレータ等の動作を行う装置に搭載されており、溶接対象ワーク６０の所定溶接部に沿って移動動作する。溶接ロボットマニュピレータ等の移動動作を行う装置は、制御器２０に接続されている。制御器２０は、２台の溶接機３０と溶接機４０が接続されている。溶接機３０と溶接機４０には各々に図示しない溶接ワイヤ送給装置が接続されており、図示しない溶接ワイヤ各々１本ずつ計２本が溶接トーチ５０に供給される。溶接トーチ５０内では２本の溶接ワイヤは、図示しない２つの電極チップに貫通して供給されている。各電極チップはパワーケーブル３１とパワーケーブル４２を介して溶接機３０と溶接機４０の出力端子に接続されており、溶接機３０と溶接機４０からの電力が各溶接ワイヤに供給される。溶接対象ワーク６０はアースケーブル３２とアースケーブル４１を介して溶接機３０と溶接機４０のアース端子に接続されている。溶接ワイヤと溶接対象ワーク６０の間にアークが発生することにより溶接電流が流れる回路が形成される。

制御器２０は、動作プログラムおよび溶接条件を保持しており、溶接ロボットマニュピレータ等の動作を行う装置を動作プログラムに従って、適時、制御線３３と４３を介して溶接機３０と溶接機４０に対して指令やパラメータの転送を行う。溶接機３０と溶接機４０は、各々に接続された溶接ワイヤ送給装置を制御することによって、制御器２０から指令されたパラメータに見合ったワイヤ送給量で各溶接ワイヤを供給する。このようにして、タンデムアーク溶接装置は、溶接対象ワーク６０の所定箇所に所定の溶接を行う。

次に、図２を用いて、タンデムアーク溶接を行っている様子について説明する。図２は、２電極一体型の溶接トーチ５０（図１参照）により、図２の右から左の方向にタンデムアーク溶接を行っている様子を示している。以下、溶接方向に対して前方にあるものには「先行」、後方にあるものには「後行」という言葉をつけて説明する。

図２において、２電極一体型の溶接トーチ５０のノズル５８内に、２つの電極チップすなわち先行電極チップ５１と後行電極チップ５２が所定の電極間距離を有して配置されている。先行電極チップ５１には先行ワイヤ５３が、後行電極チップ５２には後行ワイヤ５４が供給されている。

図２において、先行ワイヤ５３は、先行電極チップ５１を介して図示しない先行電極用の溶接用電源から電力供給を受け、先行ワイヤ５３と溶接対象ワーク６０の間に先行アーク５５を発生させる。そのアーク熱により先行ワイヤ５３および溶接対象ワーク６０が溶融し、溶融プール６１に溶融金属が供給される。同時に、後行ワイヤ５４は、後行電極チップ５２を介して図示しない後行電極用の溶接用電源から電力供給を受け、後行ワイヤ５４と溶接対象ワーク６０の間に後行アーク５６が発生する。そのアーク熱により後行ワイヤ５４および溶接対象ワーク６０を溶融し、溶融プール６１に溶融金属を供給する。先行ワイヤ５３と後行ワイヤ５４は連続的に送給され、かつ、２電極一体型の溶接トーチ５０が所定の速度で移動していくことにより、溶融プール６１を移動させその後ろに溶接ビード６２を形成することで溶接プロセスが実施される。なお、先行電極チップ５１（または後行電極チップ５２）と先行ワイヤ５３（または後行ワイヤ５４）を総称して電極と呼ぶ。

タンデムアーク溶接において、先行電極が行う溶接と後行電極が行う溶接には溶接プロセスの中での各々の異なる役割がある。例えば、１つの例としては、図２において、先行ワイヤ５３から発生している先行アーク５５によって形成される溶融プール６１の溶融金属は、先行アーク５５のアーク力によって後方へ流れていこうとする。一方、後行ワイヤ５４から発生している後行アーク５６のアーク力がこれを前方に押し返し、このバランスによって溶融プール６１を安定させている。この他にも溶け込みに対する寄与の仕方や、ビード６２形状に対する寄与の仕方にも各々の役割がある。このように、両電極は同じ溶接を行っているわけではないので、異なる溶接条件パラメータを溶接機３０と溶接機４０に与えて溶接を行う必要がある。

図２の矢印５９は例えば溶接を順方向で行う場合、即ち図２の右から左へ向かって溶接する場合を示している。一方、例えば溶接を逆方向で行う場合は矢印５９と反対の方向であり、即ち図２の左から右へ向かって溶接する場合である。先行となっている溶接機３０（または、溶接機４０）へ指令するパラメータと後行となっている溶接機４０（または、溶接機３０）へ指令するパラメータは異なるため、溶接を逆方向で行う場合は、溶接機３０と溶接機４０に与える溶接条件パラメータは入れ代わることになる。このため、従来のタンデムアーク溶接装置での溶接条件の制御は、プログラムの中にどちらが先行となるかを指定する手順を設けることが必要である。例えば、溶接機３０と溶接機４０の両者を使いその一方を先行電極としてタンデム溶接するのか、あるいは、他方を先行電極としてタンデム溶接するのか、あるいは、溶接機３０と溶接機４０のどちらか片方だけを使ってシングル溶接を行うのかを示す４つのモードが定義される。動作プログラム作成時には、そのモードを指定するタンデムアーク溶接装置の一般的な手法がある。この従来のタンデムアーク溶接装置の一般的な手法は、例えば、特許文献１に開示されている。

従来のタンデムアーク溶接装置では、上記に示したように、電極５０ａと電極５０ｂのうちどちらが先行となっているかを意識して溶接条件を設定し、動作プログラムの中に記述しなければならないという制限がある。このことは、溶接対象ワーク６０に対する動作プログラム及びその中に記述される溶接条件は、どちらの電極が先行であるかに依存する。そのため、動作プログラム作成時には常にどちらの電極が先行であるかを意識しておかなければならないだけでなく、その動作プログラム及びその中に記述される溶接条件の別の溶接対象ワーク６０への再利用が制限されるという課題がある。
特開２００３−０５３５３５号公報

タンデムアーク溶接装置は、２つの電極を有し、動作プログラムによって動作し、被溶接物を溶接するタンデムアーク溶接装置において、２つの電極のうち溶接進行方向に対して先行となる先行電極の溶接機に送る電流指令と電圧指令を含む先行用溶接条件パラメータと、２つの電極のうち溶接進行方向に対して後行となる後行電極の溶接機に送る電流指令と電圧指令を含む後行用溶接条件パラメータとを一括した溶接条件を動作プログラムとは別個に保持する溶接条件保持部と、溶接条件を構成するデータ項目を編集する溶接条件編集部と、動作プログラムにある２つの電極のうちいずれが先行であるかを示す先行電極情報を基にして先行電極を決定する電極決定部と、電極決定部の決定に従って、２つの溶接機の一方を先行電極の溶接機とし、他方を後行電極の溶接機とし、溶接機各々に溶接条件の中に先行用溶接パラメータと後行用溶接パラメータを送る溶接機制御部とを備える。

本発明は、タンデムアーク溶接条件と動作内容を記述する動作プログラムとを独立させた上で、溶接条件を単に先行の溶接に必要なパラメータと後行の溶接に必要なパラメータとして一括して扱うタンデムアーク溶接装置を提供する。こうすることで、本発明は、２台の溶接機のいずれが先行電極となるかを意識することなくプログラミング作業が進められ、かつ、再利用性、再現性に優れたプログラムおよび溶接条件を作ることができるタンデムアーク溶接装置を提供する。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１から図７を用いていて以下に説明する。

（実施の形態１）
図３は、本発明の実施の形態１におけるタンデムアーク溶接装置を、図１における制御器２０の機能として構成したものを示している。なお、図１に示されているものと同様のものについては同一の符号を付して詳細な説明を省略する。図３において、制御器２０は、制御線３３により溶接機３０と接続されており、制御線４３により溶接機４０と接続されている。

制御器２０において、溶接条件保持部１００は、先行用溶接条件パラメータ１２０（以下、先行用パラメータ１２０と呼ぶ）と後行用溶接条件パラメータ１３０（以下、後行用パラメータ１３０と呼ぶ）を一括して１組の溶接条件としたものを、動作プログラム１４０とは別個の溶接条件テーブル１１０に格納して管理している。先行用パラメータ１２０は、溶接進行方向に対して先行となる電極５０ａ（または電極５０ｂ）の溶接機３０（または溶接機４０）に送る電流指令や電圧指令やパルスの有無の指定やパルス波形制御パラメータ等を含んだパラメータの集まりである。後行用パラメータ１３０は、溶接進行方向に対して後行となる電極５０ｂ（または電極５０ａ）の溶接機４０（または溶接機３０）に送る電流指令や電圧指令やパルスの有無の指定やパルス波形制御パラメータ等を含んだパラメータの集まりである。そして、溶接条件保持部１００内の溶接条件テーブル１１０の内容は、溶接条件編集部２００により所望の値に編集することが可能である。なお、電極５０ａ（または電極５０ｂ）は、ワイヤ５３（またはワイヤ５４）と電極チップ５１（または電極チップ５２）との総称である。

また、図３に示すように、動作プログラム１４０には、その属性情報として、電極５０ａと電極５０ｂのうちいずれが溶接線に対して先行した位置にあるかの先行電極情報１５０がある。この先行電極情報１５０に基づいて電極決定部３００が電極５０ａと電極５０ｂのうちいずれが先行電極となるかを決定する。

実際に自動運転を行う際に、電極決定部３００は、先行電極情報１５０に従って２つの溶接機３０と溶接機４０の一方を先行電極の溶接機とし、他方を後行電極の溶接機と認識する。この電極決定部３００の認識結果に基づいて、溶接機制御部４００は、溶接条件保持部１００の中にある先行用パラメータ１２０と後行用パラメータ１３０を、対応する溶接機３０あるいは溶接機４０に送ることで、所望のタンデムアーク溶接が実行される。

なお、先行用パラメータ１２０と後行用パラメータ１３０の構成項目のいずれかの項目、例えば溶接電流値が０に設定されている場合には、その電極は溶接を行わないことを意味する。こうすることにより、タンデム溶接ではなく、シングル溶接を行うことも可能である。

以上のように、実施の形態１のタンデムアーク溶接装置によれば、電極５０ａと電極５０ｂのうちのいずれが先行となるかという実位置関係とは切り離して溶接条件を管理することができる。かつ、タンデムアーク溶接に必要なパラメータを一括管理できる。このことから、再利用性と再現性に優れた溶接条件管理を行うことができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２におけるタンデムアーク溶接装置を、図１における制御器２０の機能として構成したものを示している。なお、実施の形態２において、実施の形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。実施の形態２のタンデムアーク溶接装置は、実施の形態１のように動作プログラム１４０の属性情報として先行電極情報１５０をもつものではない。実施の形態２のタンデムアーク溶接装置は、動作プログラム１４０の中の命令として先行電極情報１５０を記述しておき、これをもとに電極決定部３００が電極５０ａと電極５０ｂのうちいずれが先行電極となるかを決定する。以上の点が、実施の形態１のタンデムアーク溶接装置と異なる点である。

以上のように、実施の形態２のタンデムアーク溶接装置によれば、実施の形態１の効果に加え、電極５０ａと電極５０ｂのうちのいずれが先行となるかをプログラムの中で自由に入れ替えて使用することができる。こうすることで、タンデムアーク溶接装置としての自由度が高まり、溶接ロボットシステムなどのフレキシブルな用途への適用範囲が広まる。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３におけるタンデムアーク溶接装置を、図１における制御器２０の機能として構成したものを示している。なお、実施の形態３において、実施の形態１と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。実施の形態３のタンデムアーク溶接装置は、実施の形態１のように動作プログラム１４０の属性情報として先行電極情報１５０をもつものではない。実施の形態３のタンデムアーク溶接装置では、動作プログラムに登録された溶接線の方向と溶接トーチ５０を保持するロボット（保持装置）の姿勢から電極５０ａと電極５０ｂのうちいずれを先行となる電極とするかを電極決定部３００が判断する。これをもとに、電極決定部３００が電極５０ａと電極５０ｂのうちいずれが先行電極となるかを決定する。以上の点が実施の形態１のタンデムアーク溶接装置と異なる点である。

ロボットの位置と姿勢を（数１）の同時変換行列Ｔ６で表した場合、同時変換行列Ｔ６の各要素は、接近ベクトルａと、方向ベクトルｏと法線ベクトルｎおよび位置ベクトルｐの各要素で構成されている。ここで、一方の電極（電極５０ａ）から他方の電極（電極５０ｂ）へ向かう方向を方向ベクトルｏが表している。

動作プログラム１４０に登録された位置Ｐ１３から位置Ｐ１４へ向かうベクトルをｌ＝（ｌｘ、ｌｙ、ｌｚ）とすると、ベクトルｏとベクトルｌの内積から成す角αが求められる。例えば、αが９０度以下のとき、電極５０ｂが先行と判定され、αが９０度を越えるとき電極５０ａが先行電極と判定される。

以上のように、実施の形態３のタンデムアーク溶接装置によれば、実施の形態１の効果に加え、電極５０ａと５０ｂのうちのいずれが先行となるかを自由に入れ替えて使用することができ、かつ、それを意識してプログラムを作成する必要がない。このことから、タンデムアーク溶接装置としての自由度が高まり、溶接ロボットシステムなどのフレキシブルな用途への適用範囲が広まる。

（実施の形態４）
図６は、本発明の実施の形態４におけるタンデムアーク溶接装置を、図１における制御器２０の機能として構成したものを示している。なお、実施の形態４において、実施の形態１から実施の形態３と同様の箇所については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。実施の形態４のタンデムアーク溶接装置は、実施の形態１から３と異なり、溶接条件テーブル１１０はひとつだけでない。実施の形態４のタンデムアーク溶接装置は、図６に示すように溶接条件テーブル１１１、溶接条件テーブル１１２のように複数持つことができるようにしたものである。動作プログラム１４０には、その属性情報として、溶接条件テーブルを指定する溶接条件テーブル指定情報１６０がある。この溶接条件テーブル指定情報１６０をもとに溶接条件決定部５００が複数ある溶接条件テーブルに含まれる溶接条件からどれを使うかを決定した上で、その結果を溶接機制御部４００が利用する。以上の点が、実施の形態１から実施の形態３と異なる点である。

なお、溶接機制御部４００が、溶接条件テーブル１１１あるいは溶接条件テーブル１１２にある先行用パラメータ１２０と後行用パラメータ１３０を対応する溶接機３０あるいは溶接機４０に送る点については、実施の形態１から実施の形態３のいずれかと同様な方法で行えば良い。

以上のように、実施の形態４のタンデムアーク溶接装置によれば、実施の形態１から実施の形態３の効果に加え、１つの継手だけでなく複数の継手に対する溶接を行えることから、タンデムアーク溶接装置としての適用範囲が広まる。

（実施の形態５）
図７は、本発明の実施の形態５におけるタンデムアーク溶接装置を、図１における制御器２０の機能として構成したものを示している。なお、実施の形態５のタンデムアーク溶接装置は、動作プログラム１４０の中の命令として複数の溶接条件テーブル指定情報１６０を記述している。これをもとに溶接条件決定部５００が複数ある溶接条件テーブルからどれを使うかを決定した上で、その結果を溶接機制御部４００が利用する。以上の点が実施の形態４と異なる点である。

以上のように、実施の形態５のタンデムアーク溶接装置によれば、実施の形態４の効果に加え、１つの継手だけでなく複数の継手に対する溶接を行うかをプログラムの中で自由に指定して使用することができ、タンデムアーク溶接装置としての適用範囲が広まる。

実施の形態１から実施の形態５で説明した通り、本発明のタンデムアーク溶接装置は、２台の溶接機のいずれが先行電極であるかという実際の状態から切り離してタンデムアーク溶接における溶接条件を扱うことができる。かつ、その溶接条件を所望の値に設定できる。実際に自動運転を行う際には、動作プログラムの内容に従って自動的にどちらの溶接機が先行電極であるかの関連付けを判断して溶接制御を行うことから、２台の溶接機のいずれが先行電極であるかを意識することなくプログラミング作業が進められる。かつ、再利用性、再現性に優れたプログラムおよび溶接条件を作ることができる。そうして、２台の溶接機を複雑に駆使して行う必要のあるタンデムアーク溶接を容易に利用することができる。

本発明のタンデムアーク溶接装置は、タンデムアーク溶接条件と動作内容を記述したプログラムとを独立させ、タンデムアーク溶接条件は２台の溶接機のいずれが先行電極となるかに係わらず、単に先行の条件と後行の条件を含めて必要なパラメータとして一括して扱う。こうすることで、２台の溶接機のいずれが先行電極となるかを意識することなくプログラミングでき、かつ、再利用性・再現性に優れた溶接条件管理を行うことができる。そのため、２台の溶接機を複雑に駆使して行う必要のあるタンデムアーク溶接を行うタンデムアーク溶接装置等として産業上有用である。

タンデムアーク溶接装置の概略構成を示す図 ２電極一体型の溶接トーチによる溶接状態を示す模式図 本発明のタンデムアーク溶接装置の実施の形態１における機能構成図 本発明のタンデムアーク溶接装置の実施の形態２における機能構成図 本発明のタンデムアーク溶接装置の実施の形態３における機能構成図 本発明のタンデムアーク溶接装置の実施の形態４における機能構成図 本発明のタンデムアーク溶接装置の実施の形態５における機能構成図

符号の説明

２０ 制御器
３０ 溶接機
３１ パワーケーブル
３２ アースケーブル
３３ 制御線
４０ 溶接機
４１ アースケーブル
４２ パワーケーブル
４３ 制御線
５０ 溶接トーチ
５０ａ 電極
５０ｂ 電極
５１ 電極チップ
５２ 電極チップ
５３ ワイヤ
５４ ワイヤ
５５ アーク
５６ アーク
５８ ノズル
６０ 溶接対象ワーク
６２ 溶接ビード
６１ 溶融金属
１００ 溶接条件保持部
１１０ 溶接条件テーブル
１１１ 溶接条件テーブル
１１２ 溶接条件テーブル
１２０ 先行用溶接条件パラメータ
１３０ 後行用溶接条件パラメータ
１４０ 動作プログラム
１５０ 先行電極情報
１６０ 溶接条件テーブル指定情報
２００ 溶接条件編集部
３００ 電極決定部
４００ 溶接機制御部
５００ 溶接条件決定部

Claims (6)

1. ２つの電極を有し、動作プログラムによって動作し、被溶接物を溶接するタンデムアーク溶接装置において、
   前記２つの電極のうち溶接進行方向に対して先行となる先行電極の溶接機に送る電流指令と電圧指令を含む先行用溶接条件パラメータと、前記２つの電極のうち溶接進行方向に対して後行となる後行電極の溶接機に送る電流指令と電圧指令を含む後行用溶接条件パラメータとを一括した溶接条件を前記動作プログラムとは別個に保持する溶接条件保持部と、
   前記溶接条件を構成する前記先行用溶接条件パラメータと前記後行用溶接条件パラメータを編集する溶接条件編集部と、
   前記動作プログラムにある前記２つの電極のうちいずれが先行であるかを示す先行電極情報を基にして前記先行電極を決定する電極決定部と、
   前記電極決定部の決定に従って、前記２つの溶接機の一方を先行電極の溶接機とし、他方を後行電極の溶接機とし、前記溶接機各々に前記溶接条件の中の前記先行用溶接条件パラメータと前記後行用溶接条件パラメータを送る溶接機制御部と
   を備えたタンデムアーク溶接装置。
2. 前記先行電極情報は、前記２つの電極のうちいずれが溶接線に対して先行した位置にあるかを示す前記動作プログラムの属性情報である請求項１記載のタンデムアーク溶接装置。
3. 前記先行電極情報は、前記動作プログラム中の命令として記述されている請求項１記載のタンデムアーク溶接装置。
4. 前記電極決定部は、前記動作プログラムに登録された溶接線の方向と溶接トーチを保持する保持装置の姿勢に基づいて前記２つの電極のうちいずれが先行電極となるかを決定する請求項１記載のタンデムアーク溶接装置。
5. 前記溶接条件保持部は、前記溶接条件を複数有し、
   前記複数の溶接条件から一つの溶接条件を決定する溶接条件決定部を更に備え、
   前記溶接条件決定部は、前記動作プログラムの属性情報である溶接条件指定情報に基づいて一つの溶接条件を決定する請求項１から４のいずれか１項に記載のタンデムアーク溶接装置。
6. 前記溶接条件保持部は、前記溶接条件を複数有し、
   前記複数の溶接条件から一つの溶接条件を決定する溶接条件決定部を更に備え、
   前記溶接条件決定部は、前記動作プログラム中の命令として記述された溶接条件指定情報に基づいて一つの溶接条件を決定する請求項１から４のいずれか１項に記載のタンデムアーク溶接装置。

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