JP4117526B2

JP4117526B2 - Multi-layer prime welding method for X groove joint

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Publication number: JP4117526B2
Application number: JP2001385688A
Authority: JP
Inventors: 昭慈今永; 光明羽田; 信雄柴田; 正宏小林; 登志美佐藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-12-19
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2021-12-19
Also published as: JP2003181644A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ開先継手構造物のパルス溶接に係わり、特に、ギャップ幅やビード幅の大きさに対応して溶接条件パラメータを可変制御するとともに、トーチ位置ずれを修正制御しながら溶接を行うのに好適な多層盛溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電プラントや化学プラントなど大型構造物には厚板部材が多く用いられており、工場内で溶接が可能なものや現地で組立溶接が必要なものもある。溶接継手の開先を機械加工によって高精度に形成可能なものもあるが、厚板構造物の多くは大型で長尺であり、加工コストの安いガス切断加工による開先継手が用いられている。また、開先継手は片面溶接が可能なＶ形やレ形もあるが、溶接歪みや残留応力などの低減に有効な両面溶接用のＸ開先継手が多く、そのＸ開先の角度は従来から約５０〜７０度と広いものが用いられている。ガス切断加工の開先継手は、開先部のギャップ変化が大きく、溶接線も蛇行し易い形状となっている。長尺の開先継手内にギャップのない部分(接触部分)を設けることによって、溶接ワークの組立作業が容易となるが、ギャップのない部分は溶接時に溶け込み不足となり易い。このようなギャップ変化の大きい開先継手の溶接は、一般に自動溶接が難しく、従来から熟練溶接員による手動溶接が多く行われており、この溶接作業に多くの時間を要している。この手動溶接には、一般にワイヤ溶融式の直流アーク溶接法が用いられ、スパッタの発生が伴う溶接作業となる。厚板長尺で角度の広いＸ開先継手は、表側から多層盛溶接を行った後に、裏側より表側の初層ビード面まで裏ハツリ加工(ガウジングやグラインダー加工)をして、裏側から完全溶け込み溶接の多層盛溶接を行うため、一連の溶接作業に多大な時間を要すると共に、溶接で消費するワイヤ量も増大してコスト高となっている。
【０００３】
したがって、溶接の工数低減や合理化を図るためには、狭開先化、裏ハツリ省略化、高能率な溶接法及び溶接自動化が必要である。まず、狭開先化と裏ハツリ省略化を可能にするためには、深溶け込み溶接が可能な新たな溶接法の導入が必要であるばかりでなく、溶け込み不足と入熱過多による溶接割れ(高温割れ)や溶け落ちを防止するための適正な溶接施工技術を確立する必要がある。また、溶接自動化を可能にするためには、開先部のギャップ幅や開先面積などの開先形状寸法や溶接線の位置ずれの検出が可能なセンサが必要であると共に、ギャップ変化や開先面積変化に対応可能な溶接条件制御、トーチ位置制御技術を確立及び導入する必要がある。スパッタの少ない溶接も求められている。
【０００４】
一方、高い電流・電圧と低い電流・電圧を交互に出力させるワイヤ溶融式のパルスアーク溶接法は、通常の直流アーク溶接法と比べて、スパッタの発生が少なく、また、高溶着な溶接が可能であることから、自動車部品など薄板の溶接に多く適用されて、最近では厚板の溶接構造物にも適用されつつある。しかしながら、市販されているパルスＭＡＧ／ＭＩＧ溶接電源の大半は、パルス電流の出力値が多くても５００Ａ程度であり、６００Ａを越えるような高電流のパルス溶接電源は極めて少ない。また、溶接母材の板厚や継手形状やワイヤの材質及び径によって、適用可能なパルス溶接波形及び溶接条件が異なるため、実際にスパッタが少なく、溶接欠陥がない溶接を行うためには、対象製品の継手に合った適正なパルス溶接波形及び溶接施工条件を確立しなければならない。
【０００５】
自動溶接の従来技術として、一般に据付け型の溶接ロボットがあるが、溶接パス毎にティーチングしてプレイバック溶接するのは手間と時間がかかるため、１品物の溶接には不向きである。また、溶接ロボットの可動範囲を超える大物製品や工場外の現地で組立溶接が必要な構造物の溶接を行うことができない。
【０００６】
他の自動溶接の従来技術として、例えば、特公平４−７５１１４号公報の自動アーク溶接法では、溶接中にギャップ幅を検出しながら、そのギャップ幅の大きさに対応して溶接電流ＩaをＩa＝Ｉo−ｋ・Ｇの関係式で増減制御し、また、この溶接電流Ｉaの大きさに応じてワイヤ送り速度ＷｆをＷｆ＝Ａ・Ｉa＋Ｂ・Ｉa２の関係式で可変制御、溶接電圧ＥをＥ＝Ｅｌ＋Ｅａ＋Ｅｒの関係式で可変制御を行うようにしている。同一出願者の特公平４−７５１１５号公報には、溶接電流Ｉ及びワイヤ送り速度Ｗｆの変化に対応して、ビード高さが一定に保たれるように溶接速度ＶpをＶp＝Ｗｆ／［(α・Ｗfo／Ｖpo)＋β・(Ｉo−Ｉa)の関係式で可変制御を行うようにしている。
【０００７】
また、特開平３−４７６８０号公報の開先倣い制御装置では、開先内の形状を検出するレーザー変位センサと、開先左右端位置及びワイヤ先端位置の情報を検出するＩＴＶカメラと、これらの情報から溶接トーチの位置を演算する手段を備えて、左右方向の位置ずれを演算してトーチ位置制御を可能にしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特公平４−７５１１４号公報及び特公平４−７５１１５号公報の自動アーク溶接法は、ギャップ幅の変化に対して溶け込みを所望の目標値に保って自動溶接することが可能な１つの方法として有効と考えられる。しかしながら、実際に溶接電流(平均)を微小(数アンペア単位)に可変制御することは意外と難しく、また、溶接電圧及びワイヤ送り速度の微小制御も同様に難しく、過敏な制御で逆効果の動きとなって溶接を乱す可能性がある。また、対象板厚が１０ｍｍ程度のステンレス鋼で、開先角度も広く、表側１パスと裏側１パスの溶接であるため、充填層や仕上層溶接が必要な厚板継手の多パス溶接、材質が異なる継手（例えば軟鋼）の溶接には適用することが困難である。フラックス入りワイヤによる溶接では、ビード表面全体に形成されるフラックスの除去作業が必要となる。また、フラックス入りワイヤとソリッドワイヤとでは、ワイヤ溶融特性及び適正溶接条件が異なるばかりでなく、母材材質や継手形状やワイヤ材質などが異なると、それに適した溶接条件を新たに見出す必要がある。さらに、この自動アーク溶接法では、高速回転アーク溶接法が用いられており、通常の直流アーク溶接や、高い電流と低い電流を交互に出力させるパルスアーク溶接と異なるものである。
【０００９】
特開平３−４７６８０号公報の開先倣い制御装置は、トーチずれ量を演算して左右方向のトーチ位置制御を行うことが可能な１つの装置として有効と考えられる。しかしながら、レーザー変位センサの場合は、開先内を走査するための回転ミラー機構や揺動機構を必要とし、装置が大型になるばかりなく、溶接速度が速くなると、検出する開先断面形状の歪みによって誤差が生じる恐れがある。開先継手は片面溶接のＶ開先であって、両面溶接が必要なＸ開先ではない。また、この開先倣い制御装置では、溶接中の電流・電圧、溶接速度などの条件パラメータ制御は行われておらず、また、上下方向のトーチ位置制御についても記載されていない。
【００１０】
そこで、本発明は上記の問題に鑑みてなされたもので、その目的は、Ｘ開先継手の構造物を対象に、完全溶け込みで高温割れのない良好な溶接を行うことにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のＸ開先継手の多層盛溶接方法は、ワイヤ溶融式の溶接トーチ、この溶接トーチの前方にあって開先ギャップ幅を検出するセンサ、前記溶接トーチに溶接ワイヤを供給するワイヤ送り機構及び前記溶接トーチの位置を駆動するトーチ駆動機構を搭載した自走式の溶接台車と、この溶接台車外にあって前記溶接トーチ内のワイヤと母材間に給電するパルス溶接電源と、同じく前記溶接台車外にあって溶接台車の走行速度制御、前記センサの検出指令、前記パルス溶接電源の出力制御、ワイヤ送り速度、及びトーチ位置の制御が可能な溶接制御装置を用いてＸ開先継手の多層盛溶接を行う方法に係る。
【００１２】
上記の課題を解決する本発明は、一対の部材を突き合わせて形成したＸ開先継手の多層盛溶接方法において、パルス溶接電源から溶接トーチの溶接ワイヤに出力すべき電流のパルス溶接波形を設定しておくと共に、パルス溶接で用いる平均電流値は、継手表側及び裏側の各初層の、開先部のギャップ幅Ｇが０ｍｍ及びその近傍にあるときの２７０〜３３０Ａの範囲に定められた基準値、及びギャップ幅Ｇが予め定めた値を超えて大きくなるごとに予め設定した値だけ段階的に前記基準値よりも小さくしたギャップ幅範囲別の複数の平均電流Ｉａを条件テーブルに各々設定しておき、前記検出したギャップ幅情報に基づいて、そのギャップ幅の大きさに対応した平均電流Ｉａを前記条件テーブルより選択して切り換えると共に、その平均電流に適した平均電圧Ｅａを求めて制御することを特徴とする。
【００１３】
また、検出した前記ギャップ幅に基づいて溶着面積Ｓ１ａを求め、前記平均電流Ｉａに基づいてワイヤ送り速度Ｗｆを求め、前記溶着面積Ｓ１ａと前記ワイヤ送り速度Ｗｆから溶接速度Ｖｗを求め、求められた前記ワイヤ送り速度Ｗｆ及び前記溶接速度Ｖｗに基づいて前記ワイヤ送り機構のワイヤ送り速度と前記走行台車の走行速度を増減する制御を溶接終点又はその終点よりも所定距離手前の位置まで繰り返し行うようにする。
【００１４】
前記予め設定した値は、２０〜４０Ａの範囲にあることが望ましい。
【００１５】
さらに、ギャップ幅の偏差と溶接速度Ｖｗの増減に対応させて溶接トーチを左右に揺動させるウィービング幅Ｕｗ、ウィービング周波数ｆか又は揺動速度Ｕｖを増減制御するようにした。特に、深溶け込みが必要なギャップのない部分では溶接速度Ｖｗを５００ｍｍ/ｍｉｎ程度及び幾分遅い領域、平均電流Ｉａを３００Ａ程度に設定して初層溶接を行うようにした。また、初層溶接後の充填層及び仕上層の各溶接を行う時には、充填層及び仕上層に対応して定められた平均電流Ｉａを前記条件テーブルに各々設定しておき、その溶接パスに該当する平均電流Ｉａを前記条件テーブルより選択して出力させると共に、その平均電流に適した平均電圧Ｅａを求めて出力させ、ビード幅Ｂｓや開先面積Ａｓの偏差に基づいて溶着面積Ｓｎａ、溶接速度Ｖｗ、ウィービング幅などの条件を算出して増減する制御を行うようにした。
【００１６】
上記目的を達成する本発明の第２の手段は、パルス溶接波形が高電流の１パルスで生成された１溶滴が低電流のベース時間前半に母材に移行可能なパルス波形であって、鋼材用のφ１．２ｍｍ径のソリッドワイヤに給電するパルス電流値Ｉｐを５５０〜６５０Ａ、そのパルス時間Ｔｐを１．８〜１．２ｍｓの範囲に設定し、また、パルス溶接の平均電流Ｉａの出力制御は、ベース時間Ｔｂ及びワイヤ送り速度Ｗｆの可変制御によって行うようにしたことを特徴とする。
【００１７】
さらに、上記目的を達成する本発明の第３の手段は、溶接トーチ前方の開先上方に開先断面形状を撮像する光切断式センサを設置し、この光切断センサより得られる断面形状画像を画像処理装置によって処理することで、溶接中にほぼ一定時間間隔でギャップ幅Ｇｓ又はビード幅Ｂｓ及び開先中心の左右上下位置ずれΔＹｓ、ΔＺｓを検出し、これら検出データに基づいて、前記初層溶接、充填層及び仕上層溶接におけるパス毎の条件パラメータ制御を溶接始点又はその溶接始点から所定距離前進した位置（ビード幅〜５０ｍｍ程度）から行うと共に、溶接線左右及び上下方向のトーチ位置の修正制御も溶接終点又はその溶接終点から所定距離手前（終端クレータ長さ〜５０ｍｍ程度）の位置まで繰り返し行うようにしたことを特徴とする。
【００１８】
すなわち、本発明の多層盛溶接方法では、Ｘ開先継手の構造物を対象に、開先断面積が小さくなるように開先角度θを３０〜４０度の範囲に限定して形成し、高電流のパルス溶接波形で多層盛溶接を行うことにより、溶接パス数の削減、ワイヤ溶着量の大幅低減、溶接による熱変形の減少及びスパッタの低減を図ることができる。Ｘ開先継手の表側と裏側の各初層溶接を行う時は、開先部のギャップ幅の大きさに対応した平均電流Ｉａを条件テーブルより選択して切り換えると共に、その平均電流Ｉａに適した平均電圧Ｅａを算出し、算出された平均電圧Ｅａに制御する。
【００１９】
特に、ギャップのない部分では平均電流Ｉａを多くても３００Ａ程度、溶接速度Ｖｗを５００ｍｍ／ｍｉｎ程度及び幾分遅い領域に設定してパルス溶接することで、溶接割れや融合不良など欠陥のない深溶け込みのビード断面を得ることができる。また、ギャップ幅が大きくなるに従って平均電流の値を予め設定した値、例えば２０〜４０Ａ程度づつ階段状に小さくすることで、その条件切変えが容易となるばかりでなく、アーク力が抑制されて溶け落ちやアンダーカットの発生をなくすことができる。さらに、ギャップ幅の偏差に対応した溶着面積Ｓｎａ、溶接速度Ｖｗを算出して増減する制御、ウィービング幅やウィービング周波数の増減制御を行うことにより、ギャップのある部分もない部分も平滑で良好な溶接ビードを得ることができる。また、初層溶接後の充填層及び仕上層の各溶接を行う時には、所定値の平均電流及び平均電圧を出力させ、ビード幅や開先面積の偏差に基づいて溶着面積Ｓｎａ、溶接速度Ｖｗ、ウィービング幅Ｕｗなどの条件を算出して増減する制御を行うことにより、開先幅の狭い部分も広い部分も同一のパス数で溶接でき、溶着融合不良やアンダーカットのない平滑で良好な溶接ビードを得ることができる。
【００２０】
パルス電流値Ｉｐを５５０〜６５０Ａ、そのパルス時間Ｔｐを１．８〜１．２ｍｓの範囲に設定して、高電流の１パルスで生成された１溶滴が低電流のベース時間Ｔｂ前半に母材に移行可能なパルス波形とし、ベース時間Ｔｂ及びワイヤ送り速度Ｗｆの可変制御による平均電流Ｉａの出力制御を行うことにより、小電流領域(平均)から大電流領域まで安定なアーク及び溶滴移行が得られ、スパッタの発生が少ないパルス溶接を良好に行うことができる。
【００２１】
また、一対の光切断式センサ及び画像処理装置によって検出されるギャップ幅Ｇｓ又はビード幅Ｂｓ、開先中心の左右上下位置ずれΔＹｓ、ΔＺｓの検出データに基づいて、溶接条件の制御、溶接線左右及び上下方向のトーチ位置の修正制御を行うことにより、溶接線の始点から終点まで良好な溶接ビードが形成でき、初層から仕上層までの多層盛溶接を自動で行え、工数低減及び溶接品質の向上を図ることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の多層盛溶接方法に係わる自動溶接装置を示す斜視図である。また、図２は、図１に示した自動溶接装置における溶接制御盤１１の内容を示す構成ブロック図である。図１に示す自動溶接装置は、一対の厚板長尺部材１a、１ｂを突合わせた多層盛溶接が必要なＸ開先継手を溶接する。開先面の加工はガス切断加工法にて事前に行い、その開先面同士を突合わせてＸ開先継手が組立てられている。溶接すべき継手の長手方向には、開先部２にギャップ変化がある部分とない部分が混在しており、溶接線も曲がりが生じている。長手方向の溶接ワーク１a上に設置されたガイドレール３は、溶接台車４の走行を案内する。自走式の溶接台車４には、ワイヤ溶融式の溶接トーチ６と、この溶接トーチ６を左右・上下方向に任意移動できるトーチ駆動機構９と、ワイヤリール７に巻かれているワイヤ５を溶接トーチ６先端へ送給するワイヤ送り機構８と、Ｘ開先継手２の断面形状を撮像する光切断式センサ１０とが搭載されている。
【００２３】
溶接台車４と光切断式センサ１０には、配線ケーブル１４ａで溶接制御盤１１が接続され、ワイヤ送り機構８と溶接トーチ６には、配線ケーブル１３で溶接ワイヤ溶融式のパルス溶接電源１２ａが接続されている。溶接制御盤１１とパルス溶接電源１２ａは、配線ケーブル１４bで接続されている。
【００２４】
前記光切断式センサ１０は、溶接台車４の、溶接トーチ６より所定距離だけ進行方向前方側の位置に設置されており、溶接制御盤１１に内臓の画像処理置２２と一対で開先中心の左右位置ずれ、上下位置ずれ、開先部２のギャップ幅Ｇ又は前層のビード幅Ｂｓ、開先肩幅Ｗｓ、開先面積Ａｓなどの情報を所定の時間間隔で検出するものである。
【００２５】
溶接制御盤１１は、前記溶接台車４の駆動制御、パルス溶接電源１２ａの出力制御、光切断式センサ１０と一対の画像処理装置２２への検出指令及び取得する検出デ−タの情報処理、溶接トーチ６位置及び溶接条件の制御、及び構成機器の統括管理を行うものである。
【００２６】
パルス溶接電源１２ａは、高いパルス電流と低いベース電流を交互に繰り返し出力する溶接ワイヤ溶融式のパルス溶接電源(定電流制御方式又は定電圧制御方式或いは両方併用制御方式のパルス溶接電源)であり、溶接トーチ６先端へ送給するワイヤ５と溶接ワーク１a、１bとの間に給電を行う。このパルス溶接電源１２ａは、少なくとも高電流の１パルスで１溶滴を移行させるための直流パルス溶接波形が設定可能であって、パルス電流値又はこのパルス電流を出力させるパルス電圧値とパルス時間の調整設定が可能な電源である。また、パルス溶接の平均電流の出力制御は、ベース時間及びワイヤ送り速度の可変制御が可能なものである。パルス溶接電源１２ａはまた、冷却水循環ポンプを備えている。
【００２７】
溶接中のシールドガスは、パルス溶接電源１２ａ及びトーチケーブルを介して図示されていないガスボンベ１６から供給される。ガスボンベ１６は、鋼材用の溶接で用いられているＡｒガスを主成分とする１０〜３０％程度のＣＯ_２ガス入りの混合ガスボンベである。このＡｒ＋ＣＯ_２混合ガスの代わりに、例えば数％のＯ２を加えたＡr＋ＣＯ_２＋Ｏ_２の混合ガスやＡr＋Ｏ_２の混合ガスを使用することも可能である。
【００２８】
図２に溶接制御盤１１の主要構成と、他の機器との接続関係を示す。溶接制御盤１１は、統括制御装置１７と、それぞれ統括制御装置１７に接続された操作盤１５ａ、画面表示装置１５ｂ、電源指示回路１２ｂ、画像処理装置２２、および各軸駆動装置２４ａと、投光受光制御器２３と、を含んで構成されている。電源指示回路１２ｂが前記パルス溶接電源１２ａに接続され、各軸駆動装置２４ａが溶接台車４に、画像処理装置２２と投光受光制御器２３が光切断式センサ１０に接続されている。溶接制御盤１１にはまた、操作ペンダント２４ｂが接続されている。
【００２９】
操作盤１５aは、これを介して自動運転に必要な初期設定、開先継手２の形状寸法、基本溶接条件の入力設定が行われる。画面表示装置１５ｂは、溶接データファイル作成時の入力と演算結果の表示、自動溶接時に必要な溶接トーチ位置、溶接条件、センサの検出情報の表示、その他、自動運転時に必要な情報の表示を行う。
【００３０】
統括制御装置１７はパソコンなどからなり、任意形状寸法の開先継手２の多層盛溶接に必要なパス毎の溶接位置や溶接条件を予め決定して登録しておく溶接データファイル１８b、溶接データファイル１８bを自動作成する溶接演算プログラム１８a、溶接データファイル１８bと画像処理装置２２より取得する検出データに基づいて、溶接パス毎の制御及び多層盛溶接を自動で行う自動運転プログラム１９、自動溶接で必要な溶接位置演算制御部２０a、溶接条件演算制御部２０b、溶接中のデータを記録する制御データ記録ファイル２１a、検出データ記録ファイル２１b、及び前記溶接演算プログラム１８a、自動運転プログラム１９、溶接位置演算制御部２０a、溶接条件演算制御部２０bの動作を制御する制御部を含んで構成されている。
【００３１】
操作ペンダント２４ｂは各軸駆動装置２４ａを介して、溶接台車４や溶接トーチ６の移動操作、溶接条件の設定修正の操作が可能なものである。溶接前に溶接トーチ６を開始点へ移動させてトーチ(ワイヤ)位置決めをしたり、また、溶接中に不具合が生じた時にトーチ位置や溶接条件の割込み修正、溶接停止などが行えるようにしてある。
【００３２】
図３を参照して本発明の溶接方法の実施の形態を説明する。図３は、スパッタの発生をなくすためのパルスアーク溶接の電圧・電流波形及びワイヤ先端の溶滴移行の概要を示す説明図である。横軸の時間に対する縦軸には、定速送りのワイヤ、パルス電圧の波形、パルス電流の波形、ワイヤ溶滴の形成と移行の概要を示している。すなわち、定速送りのワイヤに同期させて、パルス溶接電源１２ａより高いパルス電流Ｉｐ・電圧Ｖｐと低いベース電流Ｉｂ・電圧Ｖｂを交互に出力させるか、又は直流の低いベース電流Ｉｂ・電圧Ｖｂに高電流のパルス電流Ｉｐ・電圧Ｖｐのパルス波形を重畳して出力させる。そして、このパルス電流Ｉｐ・電圧Ｖｐの期間Ｔｐ中に溶融させたワイヤ５先端に溶滴２６を形成させ、このパルス期間Ｔｐ終了後のベース電流Ｉｂ・電圧Ｖｂの期間Ｔｂ前半に、ワイヤ溶滴２６を母材２９側の溶融プール２７へ離脱移行させる、1パルスで１溶滴移行が可能な適正パルス溶接波形を出力させるようにしている。
【００３３】
同時に、ワイヤ溶滴２６の移行時に短絡移行が生じない程度のアーク２５の長さを保持するように溶接平均電圧Ｅａを出力させてパルスアーク溶接を行うことで、スパッタの発生が防止でき、良好な溶接ビードを形成することができる。反対に、アーク２５の長さが短かすぎてワイヤ先端の溶滴２６が短絡移行(アーク消滅)してアーク再点弧する時や、ピーク時間が長すぎてアーク力の強いパルス電流Ｉｐの期間Ｔｐ中に溶滴２６が離脱移行する時には、溶滴２６の一部がスパッタ２８となって飛散する結果となる。
【００３４】
角度の狭いＸ開先継手の溶接では、特にギャップのない部分で裏側まで溶融する深溶け込みと溶接割れ防止が必要であるために、パルス電流Ｉｐ値の出力が高い溶接波形を採用している。例えば、鋼材用の１．２ｍｍ径のソリッドワイヤに給電すべきパルス電流Ｉｐを高めの５５０〜６５０Ａ、そのパルス時間Ｔｐを短めの１．８〜１．２ｍｓの範囲に設定して、高電流の１パルスで１溶滴をベース時間前半に移行可能としている。パルス電流Ｉｐ値が５５０Ａ未満の溶接電源では深溶け込み溶接が得られなかった。また、６５０Ａを遥かに越えるような溶接電源はトランス容量が増大することになるので好ましくない。
【００３５】
パルスアーク溶接での平均電圧はＥａ＝(Vp・Tp＋Vb・Tb)/(Tp+Tb)で示され、また、平均電流はＩａ＝(Ip・Tp＋Ib・Tb)/(Tp+Tb)で示される。ここでは矩形波のパルス波形で説明したが、台形波状、鋸形波状のパルス波形でもよい。平均電流Ｉａの可変制御はベース時間Ｔｂを増減させて行う。ワイヤ送り速度Ｗｆは、その平均電流Ｉａとほぼ比例関係にあるので同調させて増減し、その溶接中にワイヤ溶滴２６が短絡移行しない程度のアーク２５長さを保持するように平均電圧Ｅａを調整設定すればよい。また、定電圧制御方式のパルス溶接電源を使用する場合は、パルス電圧Ｖｐ及びベース電圧Ｖｂの設定によって上記のパルス電流Ｉｐ及びベース電流Ｉｂを出力させればよい。このように制御することで小電流(平均)領域から大電流領域までスパッタのないパルス溶接を良好に行うことができる。
【００３６】
図４の(１)に鋼材板厚３２ｍｍのＸ開先継手における従来方式の多層盛溶接の例を、図４の(２)に同じく鋼材板厚３２ｍｍのＸ開先継手における本発明の方法による多層盛溶接の例を比較して示す。すなわち、角度が６０度と広い図４の(１)に示す従来開先の場合は、表側４パス裏側４パス溶接であるのに対して、角度を３５度に狭くした図４の(２)に示す本発明の方法では、開先面積を小さくすることで、パス数の少ない表側３パス裏側３パス溶接が可能となる。
【００３７】
図５の(１)〜(６)に、図４の(２)に示した多層盛溶接における下向き姿勢での各パス毎の溶接手順の例を示す。（１）は表側初層の１パス目溶接Ｓ１、（２）は充填層で２パス目溶接Ｓ２、（３）は仕上層で３パス目溶接Ｓ３である。また、（４）は溶接ワークを反転した後の裏側初層の４パス目溶接Ｓ４、（５）は充填層で５パス目溶接Ｓ５、（６）は裏側最後の仕上層で６パス目溶接Ｓ６、のビード断面をそれぞれ示している。立て向き上進姿勢の場合には、溶接ワークの反転作業が不要となり、下向き姿勢溶接の時より平均電流・電圧を減少させて充填層及び仕上層の各溶接を行うことになる。
【００３８】
図６は、図３に示したパルス溶接における平均電流Ｉａとワイヤ送り速度Ｗｆ及び平均電圧Ｅａとの関係の一例である。平均電流Ｉａとワイヤ送り速度Ｗｆの間、及び平均電流Ｉａと平均電圧Ｅａとの間には各々比例増加する特性の関係にあり、下記の（１）式及び（２）式で表される。図５に示したＸ開先継手の多層盛溶接でこの特性を利用する。ｋ１、ｋ２はワイヤ定数、ｋ３、ｋ４は電圧定数である。
【００３９】
ワイヤ送り速度：Ｗｆ＝ｋ１・Ｉａ＋ｋ２ ‥‥‥ （１）
平均電圧：Ｅａ＝ｋ３・Ｉａ＋ｋ４ ‥‥‥ （２）
図７にＸ開先継手(角度：３５度、板厚：３２ｍｍ)における初層溶接で重要な、開先部のギャップ幅Ｇと平均電流Ｉａとの関係の例を示す。図中の○印の部分が溶け込みの良好な、ギャップ幅Ｇと平均電流Ｉａの適正領域であり、ギャップ幅が大きくなるに従って、その適正領域は概ね階段状に低電流側へ移行する結果となっている。特に、ギャップのない(Ｇ＝０)部分の溶接では、約３００Ａ前後の平均電流で裏側まで溶け込む溶接が可能である。約３３０Ａを超える高電流領域ではワイヤ溶融量の増加によって溶接ビードが高く(ビードの高さと幅の比が大きい)なり、また、溶接速度を増減させても溶接による高温割れ(◆印)が発生し易い。反対に約２７０Ａ未満の電流領域ではアーク力及び溶接入熱の不足によって裏側まで溶かすことができずに溶け込み不足(▲印)となる。ギャップ幅１ｍｍ以上の領域では、高温割れの問題がなくなるが、平均電流及び溶接入熱が高すぎると溶け落ち(●印)やアンダーカットが生じる。その平均電流及び溶接入熱が低すぎると溶け込み不足(▲印)が生じることになる。したがって、溶け込み良好な適正領域は両者の中間に存在することが分かり、開先角度が３０〜４０度のＸ開先継手で適用可能である。
【００４０】
ギャップ幅が広い部分での溶け落ちを確実に防止する一つの手段として、裏側の開先継手内にセラミックス性の裏当て材を設けるとよい。図８はギャップなしのＸ開先継手で溶接速度Ｖｗと平均電流を変化させて初層溶接を行った結果を示したものであり、溶け込みの良好な適正領域は溶接速度Ｖｗが５００ｍｍ／ｍｉｎ前後及び幾分遅い領域、平均電流Ｉａが３００Ａ前後の部分に存在することが分かった。
【００４１】
次に、本発明の溶接方法で初層溶接の条件制御を行う例を図９を参照して説明する。図９は、上段に開先部ギャップ検出画像、そのギャップの大きさ(Ｇ＝０、Ｇ＝５ｍｍ)に対応したパルス電流波形、溶接ビード断面、下段にギャップ幅Ｇに対応した平均電流Ｉａと溶接速度Ｖｗと平均電圧Ｅａとワイヤ送り速度との関係図を示している。すなわち、ギャップのない部分及びその近傍では平均電流Ｉａがもっとも高い約３００Ａを出力させると共に、それに比例関係にある適正なワイヤ送り速度Ｗｆ及び平均電圧Ｅａを出力させている。そして検出されるギャップ幅が大きくなるに従って、平均電流Ｉａを階段状に２０〜４０Ａづつ減少させると共に、それに適したワイヤ送り速度Ｗｆ及び平均電圧Ｅａとしている。一方、溶接速度Ｖｗについては、ギャップ幅が大きくなるに従って溶接すべき溶着面積Ｓ１ａ(つまり溶着量)を増加させる必要があるため、溶接速度Ｖｗをギャップ幅が大きくなるに従って減少させる制御となっている。すなわち、平均電流Ｉａ、平均電圧Ｅａは、所定の時間間隔毎に検出されるギャップ幅Ｇに応じて設定され、ワイヤ送り速度Ｗｆ及び溶接速度Ｖｗは、所定の時間間隔毎に設定された平均電流Ｉａ及び算出される溶着面積Ｓ１ａに応じて設定される。なお、ギャップ幅Ｇの検出は必ずしも定められた時間間隔毎に行う必要はなく、溶接進行方向の所定の距離毎に行うようにしてもよい。
【００４２】
図１０はＸ開先の深さＨが１６ｍｍ、角度θが３５度の継手溶接におけるギャップ幅Ｇと初層側の開先面積Ａs [＝Ｈ^２・ｔａｎ(θ／２)＋Ｈ・Ｇ］、初層の溶着面積Ｓ１ａ及び初層ビード高さｈ１の関係を示すものであり、溶着面積Ｓ１ａを増大させる制御を行うことで、初層ビード高さｈ１を約８．５±０．５ｍｍに形成することが可能となる。このビード高さは概ね７≦ｈ１≦９ｍｍの範囲に形成すれば、その後の充填層及び仕上溶接で開先表面まで均等に盛り上げることが簡単にできる。したがって、ここではギャップが０ (Ｇo)の時の基準面積Ｓｏとセンサで検出されるギャップＧｓ値を用いて、溶接すべき溶着面積Ｓ1ａを（３）式より求めるようにしている。ｋ５はギャップ重み定数である。また、その溶着面積Ｓ１ａに必要な溶接速度Ｖｗは、平均電流Ｉａと相関関係のあるワイヤ送り速度Ｗｆ(m/min)及びワイヤ径ｄとから求めることができ、（４）式で表わせる。ηはワイヤ溶着定数である。
【００４３】
溶着面積：Ｓ１ａ＝Ｓｏ＋ｋ５・（Ｇs−Ｇo） ‥‥‥（３）
溶接速度：Ｖｗ＝（１０３・ｄ２・π・η・Ｗf）／（４・Ｓ１ａ）‥（４）
この他に、ギャップ幅が１ｍｍ以上の領域では開先面両壁の溶融促進と溶け落ち防止を図る必要があるため、溶接トーチを溶接線方向の左右に揺動させるウィービング制御を行っている。ギャップ幅の大きさ及び溶接速度に対応したウィービング幅Ｕｗやウィービング周波数ｆ及び揺動速度Ｕｖの増減制御を行うようにしている。このようにして溶接条件パラメータをギャップ幅の大きさに対応させて制御を行うことにより、図９の中央に示した溶接ビード断面のように良好な溶接部を得ることができる。
【００４４】
さらに、初層溶接後の充填層及び仕上層溶接を行う時には、表１に示す充填層／仕上層の平均電流Ｉａを選択して出力させると共に、溶接中にほぼ一定時間間隔でセンサ側より検出されるビード幅Ｂｓ又は開先面積Ａｓを用いて、溶接パスごとに溶接すべき溶着面積Ｓna、溶接速度Ｖｗ、ウィービング幅などを算出して増減制御するようにしている。溶着面積Ｓnaは、ｎパス目の溶着面積である。このようにして溶接条件パラメータをリアルタイムで制御することで、図５に示した溶接パス毎のビード断面のように良好な溶接部を得ることができる。
【００４５】
【表１】

表１に、開先角度が３０〜４０度のＸ開先継手における表側及び裏側の初層溶接、充填層と仕上層の各溶接で出力する平均電流Ｉａの条件テーブルの例を示す。すなわち、初層溶接ではギャップ幅範囲別の複数の平均電流を設定しておき、開先部のギャップ検出情報に基づいて切り換え出力できるようにしている。その平均電流Ｉａに適したワイヤ送り速度Ｗｆ及び平均電圧Ｅａを前記の（１）、（２）式で計算する。また、充填層及び仕上層で使用する平均電流Ｉａも溶接姿勢に応じて適切な電流値を選択できるように、条件テーブルに、溶接姿勢に対応した複数の平均電流値を設定しておくとよい。下向き姿勢の多層盛溶接で高電流を選択し、立て向き姿勢の溶接で低電流を選択することで、両方の多層盛溶接を可能にすることができる。さらに充填層及び仕上層で使用する平均電流Ｉａを、ギャップ幅範囲別又は開先肩幅範囲別に区分けして選択するようにしてもよい。
【００４６】
このように条件テーブルを事前に準備することで、図７及び図９に示した溶接条件パラメータを可変制御することができる。一方、板厚などの寸法が異なる各々のＸ開先継手に対しても自動溶接ができるようにする必要があるため、ここでは入力すべき開先寸法（例えば開先角度θ、開先深さＨ、ギャップＧなど）と表１に示した平均電流の条件テーブルを基にして、溶接開始点での基準となる溶接パス数やパス毎のトーチ及び溶接条件を溶接演算プログラム１８ａによって演算するようにしている。その演算方法は省略するが、表２に溶接データ演算結果の一例を示す。表２に示すように、溶接パス毎のトーチ位置の目標値、溶接条件、積層ビードの幅や高さが分かるようにしている。
【００４７】
【表２】

次に、本発明の溶接制御で使用する光切断式センサによる検出方法の概要について説明する。図１１は光切断式センサ１０と関連機器の概略構成を示す斜視図である。光切断式センサ１０は、溶接トーチ６より進行方向前方の開先継手２の上方に位置して、その開先継手２を継手長手方向に直交する垂直方向にスリット状の光３１bを照射するレーザ投光器３１aと、その反射像を干渉フィルタ３２bを介して光切断画像として撮像するカメラ３２aを含んで構成されている。干渉フィルタ３２bは特定波長のレーザ光のみを抽出する。
【００４８】
レーザ投光器３１aとカメラ３２aは投光受光制御器２３に接続され、投光受光制御器２３は、レーザ投光器３１aとカメラ３２aを制御すると共に、撮像された光切断画像を画像処理装置２２に送信する。この画像処理装置２２には、自動溶接を行う時に必要な開先中心の左右位置ずれΔＹｓ、上下位置ずれΔＺｓ、開先肩幅Ｗｓ、開先面積Ａｓ、ギャップＧｓ又はビード幅Ｂｓの検出情報を抽出する溶接検出プログラムが内蔵されており、統括制御装置１７からの検出指令と検出結果の報告要求に対応できるようになっている。
【００４９】
光切断式センサ１０の筐体部分（図示省略）は、過熱を防止する水冷構造、支障のある微粒子の侵入を防止するガス流出構造にしてある。なお、スリット状のレーザ投光器３１aの代りに、スポット状のレーザ光を照射し、このスポット状のレーザ光を高速で左右揺動させる機構を備えた揺動式レーザ投光器を使用してもよい。
【００５０】
図１２は溶接前に行うトーチ位置(ワイヤ先端位置)座標の原点とセンサ座標の原点の位置基準合わせを示す概略図である。溶接台車４を駆動して溶接トーチ６を溶接開始点に移動し、図１２の（２）に示すようにワイヤ５先端を開先継手２の中央部にあるギャップGの中心位置(●点)に合わせ、そのワイヤ位置を溶接位置座標の原点(Yp=0、Zp=0)とする。一方、センサ側では、図１２の（１）に示すように光切断式センサ１０の設置位置で撮像される開先断面の光切断画像（線画像３３）を画像処理装置２２で処理し、ギャップGｓの中央位置(●点)を検出する。その検出位置をセンサ座標の原点(Ys=0、Ｚs=0)として、左右及び上下方向のトーチ位置ずれを△Ys=0、△Ｚs=0する。初層溶接時は開先肩幅の中心位置を、センサ座標の原点(Ys=0、Ｚs=0)として使用してもよい。
【００５１】
図１３は光切断式センサ１０で検出する内容を示す説明図であり、図中には検出項目とその記号名称を記している。光切断式センサ１０で撮像される開先断面の線画像(３３a〜ｆ)を画像処理装置２２に取込んで所要の検出項目を抽出する。例えば、開先肩幅Ｗsは、左右上面３３f、３３aと左右の開先斜面３３ｄ、３３ｂが各々交わる交点(ｄ点とｃ点)を結ぶ距離で求められる。このｄ点とｃ点の距離を２等分した中点が左右方向の開先中心である。
【００５２】
開先斜面の角度が左右異なる又は加工精度が悪い場合に、開先継手の上部と底部とで中心ずれが生じることになる。それを避けるために、溶接部に近い位置で開先中心を求めている。すなわち、開先の右斜面３３ｄと開先底部のビード面３３ｅとが交わる交点(ｂ点)より１ｍｍ程度上の位置に水平線３５を描き、その水平線３５と左右の開先斜面３３ｄ、３３ｂとが交わる交点(ｊ点とｉ点)を結ぶ距離を２等分した中点位置(ｆ点)を開先中心とすることで、中心ずれをなくすことができる。この中点位置ｆ点と初期設定時の原点位置(Ys＝０)との偏差(水平方向の距離)を左右位置ずれ△Ysとしている。
【００５３】
一方、開先底部の上下位置ずれ△Zsについては、開先底部の最も深い位置(ｅ点)を求め、又は開先の左斜面３３ｂと左底面３３ｃとが交わる交点ａ点を通る他の水平線と前記ｆ点の垂直線とが交わる交点位置(ｅ点近傍)を求めた後に、初期設定時の原点位置(Zs＝０)との偏差(垂直方向の距離)を計測して上下位置ずれ△Zsとしている。この上下位置ずれ△Zsは、ビード高さと高さ位置ずれの和に相当する値である。また、開先面積Ａｓ(溶接残存面積)は、まだ溶接が残っている部分の開先内の面積を計測している。このようにして計測することで、自動溶接で必要な所望の各検出項目を得ることができ、上記した溶接条件の可変制御のみならず、溶接線左右方向及び上下方向の位置ずれΔＹｓ、ΔＺｓをなくす方向にトーチ位置の修正制御を行うことができる。
【００５４】
以上述べたように、本実施の形態の多層盛方法によれば、開先部のギャップ変化や溶接線の蛇行などがあるＸ開先継手の溶接構造物であっても、狭開先化によってワイヤ溶着量や溶接パス数の低減、熱変形の軽減ができ、また、高電流のパルス溶接波形の出力と、ギャップ幅の大きさに対応した平均電流、平均電圧、溶接速度、ウィービング幅などの条件制御によってスパッタの少ない深溶け込み溶接、溶接割れや溶け落ちのない溶接品質を得ることができる。また、溶接線左右及び上下方向のトーチ位置の修正制御によって溶接線の始点から終点まで良好な溶接ビードが形成でき、初層から仕上層までの多層盛溶接を自動で行うことができる。本実施の形態の多層盛溶接方法を発電プラントや化学プラントなど厚板溶接構造物へ適用することにより、溶接の合理化、溶接品質向上、コスト低減に寄与することができる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｘ開先継手の溶接構造物について、ギャップ幅やビード幅の大きさに対応して溶接条件パラメータを可変制御し、かつトーチ位置ずれを修正制御するので、良好な溶接品質の多層盛溶接を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の溶接方法に係わる自動溶接装置の実施の形態を示す斜視図である。
【図２】図１に示した自動溶接装置における溶接制御盤の内容を示す説明図である。
【図３】本発明の溶接方法で用いるパルス溶接波形及び溶滴移行の例を示す説明図である。
【図４】Ｘ開先継手における従来方式の多層盛溶接と本発明の方法による多層盛溶接を比較して示す断面図である。
【図５】図４に示した多層盛溶接における下向き姿勢での各パス毎の溶接手順の例を示す断面図である。
【図６】図３に示したパルス溶接における平均電流Ｉａとワイヤ送り速度Ｗｆ及び平均電圧Ｅａの関係の例を示すグラフである。
【図７】本発明の溶接方法の実施の形態における開先部のギャップ幅Ｇと平均電流Ｉａの組合せと溶接欠陥との関係を示すグラフである。
【図８】ギャップなし開先の初層溶接での溶接速度Ｖｗと平均電流の組合せと溶接欠陥との関係を示すグラフである。
【図９】本発明の溶接方法で初層溶接の条件制御を行う例を示す説明図である。
【図１０】本発明の溶接方法の実施の形態におけるギャップ幅と開先面積、初層の溶着面積及びビード高さの関係を示す説明図である。
【図１１】本発明の溶接方法の実施の形態における溶接制御に使用する光切断学式センサと関連機器の構成及び検出方法を示す斜視図である。
【図１２】本発明の溶接方法の実施の形態におけるセンサ座標の原点と溶接座標の原点の基準合わせを溶接前に行う方法を説明する断面図である。
【図１３】図１１に示した光切断式センサで検出する内容を示す断面図である。
【００２７】
【符号の説明】
１ａ、１ｂ溶接ワーク
２開先継手
３ガイドレール
４溶接台車、
５溶接ワイヤ
６溶接トーチ
８ワイヤ送り機構
９トーチ駆動機構
１０光切断式センサ
１１溶接制御盤
１２ａパルス溶接電源
１５ａ操作盤、
１５ｂ画面表示装置
１７統括制御装置
１８ａ溶接データファイル
２２画像処理装置
２３投光受光制御器
２４ａ各軸駆動装置
２５アーク
２６ワイヤ溶滴
２８スパッタ
３１ａレーザー投光器
３１ｂスリット光
３２ａカメラ
３２ｂ干渉フィルター
２８開先中心軸
３３、３３ａ〜３３ｆ開先形状の線画像[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to pulse welding of an X-groove joint structure, and in particular, welding is performed while variably controlling welding condition parameters corresponding to the gap width and bead width, and correcting and controlling torch position deviation. The present invention relates to a multilayer overlay welding method suitable for this.
[0002]
[Prior art]
Thick plate members are often used in large structures such as power plants and chemical plants, and there are some that can be welded in the factory and some that require assembly welding locally. Although some of the welded joints can be formed with high precision by machining, many thick plate structures are large and long, and grooved joints by gas cutting are used because of their low processing costs. . In addition, there are V-shaped and L-shaped groove joints that can be welded on one side, but there are many X-groove joints for double-sided welding that are effective in reducing welding distortion and residual stress. From about 50 to 70 degrees wide. The groove joint for gas cutting has a shape in which a gap change in the groove portion is large and the weld line is easy to meander. By providing the gap-free portion (contact portion) in the long groove joint, the assembly work of the welded workpiece becomes easy, but the portion without the gap tends to be insufficiently melted during welding. In general, automatic welding is difficult for such a gap joint with a large gap change, and manual welding by a skilled welder is conventionally performed, and this welding work requires a lot of time. For this manual welding, a wire-melting type DC arc welding method is generally used, which is a welding operation accompanied by generation of spatter. Thick plate long and wide angle X-groove joints are welded from the front side to the first layer bead surface on the front side after multi-layer welding from the front side, then completely melted from the back side (gouging and grinder processing) In order to perform multi-layer welding of welding, a great amount of time is required for a series of welding operations, and the amount of wires consumed by welding is increased, resulting in high costs.
[0003]
Therefore, in order to reduce the man-hours and rationalization of welding, it is necessary to narrow the groove, omit the back-chipping, a highly efficient welding method and welding automation. First, in order to make it possible to narrow the gap and eliminate the back-chipping, it is necessary not only to introduce a new welding method capable of deep penetration welding, but also to weld cracking due to insufficient penetration and excessive heat input (high temperature It is necessary to establish appropriate welding construction technology to prevent cracks and burn-off. In addition, in order to enable welding automation, a sensor capable of detecting groove shape dimensions such as the gap width and groove area of the groove portion and misalignment of the weld line is required, as well as gap change and opening. It is necessary to establish and introduce welding condition control and torch position control technology that can cope with changes in the tip area. There is also a need for welding with less spatter.
[0004]
On the other hand, the wire-melting pulse arc welding method, which alternately outputs high current / voltage and low current / voltage, generates less spatter and enables high-weld welding compared to the normal DC arc welding method. Therefore, it is often applied to welding of thin plates such as automobile parts, and recently, it is also being applied to welded structures of thick plates. However, most of the commercially available pulse MAG / MIG welding power supplies have a pulse current output value of about 500 A at most, and there are very few high-current pulse welding power supplies exceeding 600 A. In addition, since the applicable pulse welding waveform and welding conditions differ depending on the thickness of the weld base metal, joint shape, and wire material and diameter, in order to perform welding with little spatter and no weld defects, Appropriate pulse welding waveforms and welding conditions suitable for product joints must be established.
[0005]
As a conventional technique of automatic welding, there is generally a stationary welding robot. However, teaching and performing playback welding for each welding pass is not suitable for welding one product. Also, large products that exceed the movable range of the welding robot and structures that require assembly welding cannot be welded outside the factory.
[0006]
As another prior art of automatic welding, for example, in the automatic arc welding method disclosed in Japanese Examined Patent Publication No. 4-75114, while detecting the gap width during welding, the welding current Ia is set to Ia corresponding to the size of the gap width. = Io-k · G is controlled to increase / decrease, and the wire feed speed Wf is variably controlled according to the relationship of the welding current Ia with Wf = A · Ia + B · Ia2 and the welding voltage E is set to E = Variable control is performed by the relational expression of El + Ea + Er. In Japanese Patent Publication No. 4-75115 of the same applicant, the welding speed Vp is set to Vp = Wf / [(() so that the bead height is kept constant in response to changes in the welding current I and the wire feed speed Wf. Variable control is performed by the relational expression of α · Wfo / Vpo) + β · (Io−Ia).
[0007]
Further, in the groove tracking control device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 3-47680, a laser displacement sensor that detects the shape in the groove, an ITV camera that detects information on the groove left and right end positions, and the wire tip position, and these Means for calculating the position of the welding torch from the information is provided, and the position deviation in the left-right direction is calculated to enable torch position control.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The automatic arc welding method disclosed in Japanese Patent Publication No. 4-75114 and Japanese Patent Publication No. 4-75115 is one method capable of automatic welding while maintaining the penetration at a desired target value with respect to a change in gap width. It is considered effective. However, it is surprisingly difficult to variably control the welding current (average) to a minute (unit: several amperes), and it is also difficult to minutely control the welding voltage and wire feed speed. May disturb the welding. In addition, because the target plate thickness is stainless steel of about 10 mm, the groove angle is wide, and it is welding of one pass on the front side and one pass on the back side, so multi-pass welding of thick plate joints that require filling layer and finish layer welding, material However, it is difficult to apply to welding of joints (for example, mild steel) having different values. In welding with a flux-cored wire, it is necessary to remove the flux formed on the entire bead surface. In addition to the difference in wire melting characteristics and appropriate welding conditions between flux-cored wire and solid wire, it is necessary to find new welding conditions suitable for the base material, joint shape, and wire material. . Furthermore, this automatic arc welding method uses a high-speed rotating arc welding method, which is different from ordinary DC arc welding and pulse arc welding in which high current and low current are alternately output.
[0009]
The groove scanning control device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 3-47680 is considered to be effective as one device capable of calculating the torch shift amount and performing torch position control in the left-right direction. However, in the case of a laser displacement sensor, a rotating mirror mechanism or a swinging mechanism for scanning the inside of the groove is required, and not only the apparatus becomes large but also the welding cross-section shape to be detected is increased when the welding speed is increased. May cause errors. The groove joint is a V groove for single-sided welding, and is not an X groove that requires double-sided welding. Further, in this groove tracking control device, condition parameter control such as current / voltage and welding speed during welding is not performed, and the torch position control in the vertical direction is not described.
[0010]
Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to perform satisfactory welding without melting at a high temperature with complete penetration of the structure of the X groove joint.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
Multi-layer prime welding method for X groove joint of the present inventionIs a wire melting type welding torch, a sensor for detecting a groove gap width in front of the welding torch, a wire feed mechanism for supplying a welding wire to the welding torch, and a torch drive mechanism for driving the position of the welding torch A self-propelled welding trolley equipped with, a pulse welding power source that is outside the welding trolley and feeds power between the wire and the base metal in the welding torch, and a traveling speed control of the welding trolley that is also outside the welding trolley. , A welding control device capable of controlling the detection command of the sensor, output control of the pulse welding power source, wire feed speed, and torch positionTheMethod for multilayer prime welding of X groove jointsConcerning.
[0012]
The present invention for solving the above-described problems is directed to a multilayer prime welding method for an X-groove joint formed by abutting a pair of members.From Lus welding power sourceFor welding wire of welding torchThe pulse welding waveform of the current to be output is set, and the average current value used in the pulse welding is the value when the gap width G of the groove portion of the first layer on the joint front side and the back side is 0 mm and in the vicinity thereof. A reference value set in the range of 270 to 330A and a plurality of gap width ranges that are stepwise smaller than the reference value by a preset value each time the gap width G exceeds a predetermined value. Each average current Ia is set in the condition table, and based on the detected gap width information, the average current Ia corresponding to the size of the gap width is selected from the condition table and switched. Finding a suitable average voltage EaIt is characterized by controlling.
[0013]
Further, the welding area S1a is obtained based on the detected gap width, the wire feed speed Wf is obtained based on the average current Ia, and the welding speed Vw is obtained from the welding area S1a and the wire feed speed Wf. Control to increase or decrease the wire feed speed of the wire feed mechanism and the travel speed of the traveling carriage based on the wire feed speed Wf and the welding speed Vw is repeatedly performed to the welding end point or a position before a predetermined distance from the end point. To do.
[0014]
The preset value is preferably in the range of 20-40A.
[0015]
Further, the weaving width Uw, the weaving frequency f or the swing speed Uv for swinging the welding torch left and right is controlled to increase or decrease in correspondence with the gap width deviation and the increase or decrease of the welding speed Vw. In particular, in a portion where there is no gap that requires deep penetration, the welding speed Vw is set to about 500 mm / min and a somewhat slow region, and the average current Ia is set to about 300 A to perform the first layer welding. Further, when performing welding of the filling layer and the finishing layer after the initial layer welding, the average current Ia determined corresponding to the filling layer and the finishing layer is set in the condition table, respectively, and corresponds to the welding path. The average current Ia to be selected is selected from the condition table and output, and an average voltage Ea suitable for the average current is obtained and output, and the welding area Sna, the welding speed based on the deviation of the bead width Bs and the groove area As. Control for calculating and increasing the conditions such as Vw and weaving width is performed.
[0016]
The second means of the present invention for achieving the above object is a pulse waveform in which one droplet generated in one pulse of a high current pulse welding waveform can be transferred to a base material in the first half of the low current base time, The pulse current value Ip for feeding a φ1.2 mm diameter solid wire for steel is set to 550 to 650 A, the pulse time Tp is set to a range of 1.8 to 1.2 ms, and the average current Ia of pulse welding is output. Control is performed by variable control of the base time Tb and the wire feed speed Wf.
[0017]
Further, the third means of the present invention for achieving the above object is to install a light cutting sensor for imaging the groove cross-sectional shape above the groove in front of the welding torch, and to obtain a cross-sectional image obtained from this light cutting sensor. By processing by the image processing device, the gap width Gs or bead width Bs and the left and right vertical displacements ΔYs and ΔZs of the groove center are detected at substantially constant time intervals during welding, and the first layer is detected based on these detection data. Conditional parameter control for each pass in welding, filling layer and finish layer welding is performed from the welding start point or a position advanced by a predetermined distance from the welding start point (bead width to about 50 mm), and correction of the torch position in the horizontal and vertical directions of the weld line Control is also performed repeatedly from the welding end point or the welding end point to a position a predetermined distance before (terminal crater length to about 50 mm).
[0018]
That is, in the multilayer build-up welding method of the present invention, the groove angle θ is limited to a range of 30 to 40 degrees so that the groove cross-sectional area is small for the structure of the X groove joint, By performing multi-layer welding with a pulse welding waveform of current, it is possible to reduce the number of welding passes, greatly reduce the amount of wire welding, reduce thermal deformation due to welding, and reduce spatter. When performing the first layer welding of the front side and the back side of the X groove joint, the average current Ia corresponding to the gap width of the groove is selected from the condition table and switched, and suitable for the average current Ia. The average voltage Ea is calculated and controlled to the calculated average voltage Ea.
[0019]
In particular, in a portion without a gap, pulse welding is performed by setting the average current Ia to about 300 A at the maximum and the welding speed Vw to about 500 mm / min and a somewhat slow region, so that there are no defects such as weld cracks and poor fusion. A weld bead cross section can be obtained. Further, by reducing the average current value to a preset value, for example, about 20 to 40 A as the gap width is increased in steps, not only the condition can be easily switched, but also the arc force is suppressed. It is possible to eliminate melting and undercut. In addition, the welding area Sna corresponding to the gap width deviation, the welding speed Vw is calculated and increased or decreased, and the weaving width or the weaving frequency is increased or decreased, so that a portion with no gap is smooth and good. You can get a bead. Further, when each of the filling layer and the finishing layer after the first layer welding is performed, an average current and an average voltage of a predetermined value are output, and the welding area Sna, the welding speed Vw, based on the deviation of the bead width and the groove area, By calculating and increasing / decreasing conditions such as weaving width Uw, it is possible to weld a narrow and wide groove width with the same number of passes, and a smooth and good weld bead without weld fusion failure or undercut. Can be obtained.
[0020]
The pulse current value Ip is set to 550 to 650 A, the pulse time Tp is set to a range of 1.8 to 1.2 ms, and one droplet generated by one high current pulse is generated in the first half of the low current base time Tb. Stable arc and droplet transfer from small current region (average) to large current region by controlling output of average current Ia by variable control of base time Tb and wire feed speed Wf with pulse waveform that can be transferred to material Thus, pulse welding with less spatter generation can be performed satisfactorily.
[0021]
Further, based on the detection data of the gap width Gs or bead width Bs detected by the pair of light-cutting sensors and the image processing apparatus, and the horizontal and vertical position shifts ΔYs and ΔZs of the groove center, the control of the welding conditions, the welding line left and right In addition, by controlling the correction of the torch position in the vertical direction, a good weld bead can be formed from the start point to the end point of the weld line, and multilayer overlay welding from the first layer to the finish layer can be performed automatically, reducing man-hours and improving welding quality. Improvements can be made.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing an automatic welding apparatus according to the multilayer overlay welding method of the present invention. FIG. 2 is a block diagram showing the contents of the welding control panel 11 in the automatic welding apparatus shown in FIG. The automatic welding apparatus shown in FIG. 1 welds an X-groove joint that requires multi-layer welding in which a pair of long plate members 1a and 1b are butted together. The groove surfaces are processed in advance by a gas cutting method, and the groove surfaces are brought into contact with each other to assemble an X groove joint. In the longitudinal direction of the joint to be welded, there are a portion where there is a gap change in the groove portion 2 and a portion where there is no gap change, and the weld line is also bent. The guide rail 3 installed on the welding workpiece 1a in the longitudinal direction guides the traveling of the welding carriage 4. The self-propelled welding carriage 4 is welded with a wire melting type welding torch 6, a torch drive mechanism 9 that can arbitrarily move the welding torch 6 in the horizontal and vertical directions, and a wire 5 wound around a wire reel 7. A wire feed mechanism 8 that feeds the tip of the torch 6 and an optical cutting sensor 10 that images the cross-sectional shape of the X groove joint 2 are mounted.
[0023]
A welding control panel 11 is connected to the welding carriage 4 and the light-cutting sensor 10 via a wiring cable 14 a, and a welding wire melting pulse welding power source 12 a is connected to the wire feed mechanism 8 and the welding torch 6 via a wiring cable 13. Has been. The welding control panel 11 and the pulse welding power source 12a are connected by a wiring cable 14b.
[0024]
The light-cutting sensor 10 is installed at a position forward of the welding torch 6 by a predetermined distance from the welding torch 6 in the advancing direction, and the welding control panel 11 and a built-in image processing unit 22 are paired with a groove center. Information such as left / right positional deviation, vertical positional deviation, gap width G of the groove portion 2 or bead width Bs of the front layer, groove shoulder width Ws, groove area As, and the like is detected at predetermined time intervals.
[0025]
The welding control panel 11 controls the driving of the welding carriage 4, the output control of the pulse welding power source 12a, the detection command to the optical cutting sensor 10 and the pair of image processing devices 22, the information processing of the acquired detection data, and the welding. It controls the position of the torch 6 and welding conditions, and performs overall management of component equipment.
[0026]
The pulse welding power source 12a is a welding wire melting type pulse welding power source (a constant current control method or a constant voltage control method or a combination control method pulse welding power source) that repeatedly outputs a high pulse current and a low base current alternately. Electric power is supplied between the wire 5 fed to the tip of the welding torch 6 and the welding workpieces 1a and 1b. This pulse welding power source 12a can set a DC pulse welding waveform for transferring one droplet with at least one pulse of high current, and has a pulse current value or a pulse voltage value and a pulse time for outputting this pulse current. The power supply can be adjusted. Further, the output control of the average current of the pulse welding can be performed with variable control of the base time and the wire feed speed. The pulse welding power source 12a is also provided with a cooling water circulation pump.
[0027]
Shielding gas during welding is supplied from a gas cylinder 16 (not shown) via a pulse welding power source 12a and a torch cable. The gas cylinder 16 is about 10 to 30% CO mainly composed of Ar gas used in welding for steel materials.₂It is a mixed gas cylinder containing gas. This Ar + CO₂For example, Ar + CO with a few percent of O2 added instead of the mixed gas₂+ O₂Mixed gas and Ar + O₂It is also possible to use a mixed gas of
[0028]
FIG. 2 shows the main configuration of the welding control panel 11 and the connection relationship with other devices. The welding control panel 11 includes an overall control device 17, an operation panel 15 a connected to the overall control device 17, a screen display device 15 b, a power supply instruction circuit 12 b, an image processing device 22, each axis drive device 24 a, and a light projection And a light reception controller 23. A power supply instruction circuit 12b is connected to the pulse welding power supply 12a, each axis drive device 24a is connected to the welding carriage 4, and an image processing device 22 and a light projection / reception controller 23 are connected to the light-cutting sensor 10. An operation pendant 24 b is also connected to the welding control panel 11.
[0029]
Through this, the operation panel 15a performs initial settings necessary for automatic operation, the input dimensions of the shape and dimensions of the groove joint 2, and basic welding conditions. The screen display device 15b displays inputs and calculation results when creating a welding data file, displays welding torch positions, welding conditions and sensor detection information necessary for automatic welding, and displays information necessary for automatic operation. .
[0030]
The overall control device 17 is composed of a personal computer or the like, and includes a welding data file 18b and a welding data file for predetermining and registering welding positions and welding conditions for each pass necessary for multi-pass welding of groove joints 2 of arbitrary shapes and dimensions. Necessary for automatic welding, automatic operation program 19 that automatically performs welding pass control and multi-layer welding based on welding calculation program 18a that automatically creates 18b, detection data acquired from welding data file 18b and image processing device 22 Welding position calculation control unit 20a, welding condition calculation control unit 20b, control data recording file 21a for recording data during welding, detection data recording file 21b, welding calculation program 18a, automatic operation program 19, welding position calculation control The control part which controls operation | movement of the part 20a and the welding condition calculation control part 20b is comprised.
[0031]
The operation pendant 24b can be operated to move the welding carriage 4 and the welding torch 6 and to correct the welding conditions by way of the respective axis driving devices 24a. Prior to welding, the torch (wire) is positioned by moving the welding torch 6 to the starting point, and when trouble occurs during welding, interrupting of the torch position and welding conditions can be corrected, and welding can be stopped. .
[0032]
An embodiment of the welding method of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram showing an outline of voltage / current waveforms of pulse arc welding for eliminating the occurrence of spatter and droplet transfer at the tip of the wire. The vertical axis with respect to time on the horizontal axis shows the outline of the constant speed feed wire, pulse voltage waveform, pulse current waveform, and formation and transfer of wire droplets. That is, in synchronization with the constant speed feed wire, the pulse current Ip / voltage Vp and the low base current Ib / voltage Vb higher than the pulse welding power source 12a are alternately output, or the DC current is reduced to the base current Ib / voltage Vb. A pulse waveform of high current pulse current Ip and voltage Vp is superimposed and output. Then, a droplet 26 is formed at the tip of the wire 5 melted during the period Tp of the pulse current Ip / voltage Vp, and the wire droplet is formed in the first half of the period Tb of the base current Ib / voltage Vb after the end of the pulse period Tp. 26 is separated and transferred to the molten pool 27 on the base material 29 side, and an appropriate pulse welding waveform capable of transferring one droplet in one pulse is output.
[0033]
At the same time, the generation of spatter can be prevented by performing pulse arc welding by outputting the welding average voltage Ea so as to maintain the length of the arc 25 that does not cause a short-circuit transfer when the wire droplet 26 is transferred. A weld bead can be formed. Conversely, when the length of the arc 25 is too short and the droplet 26 at the wire tip is short-circuited (arc extinguished) and the arc is re-ignited, or the peak time is too long and the pulse current Ip having a strong arc force is generated. When the droplet 26 moves away during the period Tp, a part of the droplet 26 becomes spatter 28 and is scattered.
[0034]
In welding of an X groove joint with a narrow angle, since it is necessary to prevent deep penetration and weld cracking that melt to the back side particularly in a portion without a gap, a welding waveform having a high output of the pulse current Ip value is adopted. For example, the pulse current Ip to be supplied to a 1.2 mm diameter solid wire for steel is set to a higher 550 to 650 A, and the pulse time Tp is set to a shorter 1.8 to 1.2 ms range, One droplet can be transferred to the first half of the base time by one pulse. Deep penetration welding could not be obtained with a welding power source having a pulse current Ip value of less than 550A. Also, a welding power source that far exceeds 650A is not preferable because the transformer capacity increases.
[0035]
The average voltage in pulse arc welding is indicated by Ea = (Vp · Tp + Vb · Tb) / (Tp + Tb), and the average current is indicated by Ia = (Ip · Tp + Ib · Tb) / (Tp + Tb). . Although a rectangular waveform is described here, a trapezoidal waveform or a sawtooth waveform may be used. The variable control of the average current Ia is performed by increasing / decreasing the base time Tb. Since the wire feed speed Wf is substantially proportional to the average current Ia, the wire feed speed Wf is increased or decreased in synchronism, and the average voltage Ea is set so as to maintain the length of the arc 25 so that the wire droplet 26 does not short-circuit during the welding. Adjustment settings can be made. When using a constant voltage control type pulse welding power source, the pulse current Ip and the base current Ib may be output by setting the pulse voltage Vp and the base voltage Vb. By controlling in this way, pulse welding without sputtering can be favorably performed from a small current (average) region to a large current region.
[0036]
FIG. 4 (1) shows an example of conventional multi-layer welding in an X-groove joint with a steel plate thickness of 32 mm, and FIG. 4 (2) also shows the method according to the present invention for an X-groove joint with a steel plate thickness of 32 mm. An example of multi-layer welding is shown in comparison. That is, in the case of the conventional groove shown in FIG. 4 (1), which has a wide angle of 60 degrees, the front side 4-pass back-side 4-pass welding is performed, whereas the angle is narrowed to 35 degrees (2) in FIG. In the method of the present invention shown in FIG. 4, by reducing the groove area, front-side three-pass back-side three-pass welding with a small number of passes becomes possible.
[0037]
5 (1) to (6) show an example of the welding procedure for each pass in the downward posture in the multi-layer welding shown in (2) of FIG. (1) is the first pass welding S1 of the front side first layer, (2) is the filling layer and the second pass welding S2, and (3) is the finishing layer and the third pass welding S3. Also, (4) is the fourth pass welding S4 of the first back layer after reversing the welding workpiece, (5) is the fifth pass welding S5 in the filling layer, and (6) is the sixth pass welding in the last finishing layer on the back side. The bead cross section of S6 is shown. In the case of the upright posture, the work of reversing the welding work is not required, and the welding of the filling layer and the finishing layer is performed by reducing the average current and voltage as compared with the downward posture welding.
[0038]
FIG. 6 is an example of the relationship between the average current Ia, the wire feed speed Wf, and the average voltage Ea in the pulse welding shown in FIG. The average current Ia and the wire feed speed Wf and the average current Ia and the average voltage Ea are proportionally increased, and are expressed by the following formulas (1) and (2). This characteristic is used in multilayer prime welding of the X groove joint shown in FIG. k1 and k2 are wire constants, and k3 and k4 are voltage constants.
[0039]
Wire feed speed: Wf = k1 · Ia + k2 (1)
Average voltage: Ea = k3 · Ia + k4 (2)
FIG. 7 shows an example of the relationship between the gap width G of the groove and the average current Ia, which is important in the first layer welding in the X groove joint (angle: 35 degrees, plate thickness: 32 mm). The circled portion in the figure is an appropriate region of the gap width G and the average current Ia with good melting. As the gap width is increased, the appropriate region is shifted in a stepwise manner toward the low current side. ing. In particular, in the welding of a portion without a gap (G = 0), it is possible to perform welding that melts to the back side with an average current of about 300 A. In a high current region exceeding about 330 A, the weld bead becomes high (the ratio of the bead height to the width is large) due to an increase in the amount of wire melt, and hot cracking (marked by ◆) occurs even when the welding speed is increased or decreased. Easy to do. On the other hand, in the current region of less than about 270 A, the back side cannot be melted due to insufficient arc force and welding heat input, resulting in insufficient penetration (marked with ▲). In the region with a gap width of 1 mm or more, the problem of hot cracking is eliminated, but if the average current and welding heat input are too high, melting (marked with ●) or undercut occurs. If the average current and welding heat input are too low, insufficient penetration (marked by ▲) will occur. Therefore, it can be seen that an appropriate region with good penetration exists between the two, and can be applied to an X groove joint having a groove angle of 30 to 40 degrees.
[0040]
A ceramic backing material may be provided in the groove joint on the back side as one means for reliably preventing the melt-down at the wide gap portion. FIG. 8 shows the result of initial layer welding with an X-groove joint without a gap, changing the welding speed Vw and the average current, and an appropriate region with good penetration is a welding speed Vw of around 500 mm / min. And it was found that the average current Ia is present in the region around 300 A, which is a somewhat slower region.
[0041]
Next, an example in which the condition control of the first layer welding is performed by the welding method of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9 shows a groove gap detection image in the upper stage, a pulse current waveform corresponding to the gap size (G = 0, G = 5 mm), a weld bead cross section, and an average current Ia corresponding to the gap width G in the lower stage. The relationship diagram of welding speed Vw, average voltage Ea, and wire feed speed is shown. That is, in the portion where there is no gap and in the vicinity thereof, about 300 A having the highest average current Ia is outputted, and an appropriate wire feed speed Wf and average voltage Ea which are proportional to the average current Ia are outputted. As the detected gap width increases, the average current Ia is decreased stepwise by 20 to 40 A, and the wire feed speed Wf and the average voltage Ea suitable for this are set. On the other hand, the welding speed Vw is controlled to decrease the welding speed Vw as the gap width increases because it is necessary to increase the welding area S1a to be welded (that is, the amount of welding) as the gap width increases. . That is, the average current Ia and the average voltage Ea are set according to the gap width G detected every predetermined time interval, and the wire feed speed Wf and the welding speed Vw are the average current set every predetermined time interval. It is set according to Ia and the calculated welding area S1a. Note that the detection of the gap width G is not necessarily performed at every predetermined time interval, and may be performed at every predetermined distance in the welding progress direction.
[0042]
FIG. 10 shows the gap width G and the groove area As [= H on the first layer side in the joint welding in which the depth H of the X groove is 16 mm and the angle θ is 35 degrees.²Tan (θ / 2) + H · G], showing the relationship between the welding area S1a of the first layer and the height h1 of the first layer bead, and by controlling to increase the welding area S1a, the height of the first layer bead h1 can be formed to about 8.5 ± 0.5 mm. If this bead height is formed in a range of approximately 7 ≦ h1 ≦ 9 mm, it can be easily raised evenly to the groove surface by the subsequent filling layer and finish welding. Therefore, here, the welding area S1a to be welded is obtained from the equation (3) using the reference area So when the gap is 0 (Go) and the gap Gs value detected by the sensor. k5 is a gap weight constant. Further, the welding speed Vw required for the welding area S1a can be obtained from the wire feed speed Wf (m / min) and the wire diameter d, which have a correlation with the average current Ia, and can be expressed by equation (4). η is a wire welding constant.
[0043]
Welding area: S1a = So + k5 (Gs-Go) (3)
Welding speed: Vw = (103 · d2 · π · η · Wf) / (4 · S1a) (4)
In addition to this, in the region where the gap width is 1 mm or more, since it is necessary to promote melting and prevent melting of both walls of the groove surface, weaving control for swinging the welding torch left and right in the welding line direction is performed. Increase / decrease control of the weaving width Uw, the weaving frequency f and the swinging speed Uv corresponding to the size of the gap width and the welding speed is performed. In this way, by controlling the welding condition parameter in accordance with the gap width, a good weld can be obtained as in the weld bead cross section shown in the center of FIG.
[0044]
In addition, when performing filling layer and finishing layer welding after initial layer welding, the average current Ia of the filling layer / finishing layer shown in Table 1 is selected and output, and is detected from the sensor side at almost constant time intervals during welding. By using the bead width Bs or the groove area As, the welding area Sna to be welded for each welding pass, the welding speed Vw, the weaving width and the like are calculated and controlled to increase or decrease. The welding area Sna is the n-pass welding area. In this way, by controlling the welding condition parameters in real time, it is possible to obtain a good weld as in the bead cross section for each welding pass shown in FIG.
[0045]
[Table 1]

Table 1 shows an example of a condition table of the average current Ia output in the front layer and back side primary layer welding and the filling layer and finishing layer welding in the X groove joint having a groove angle of 30 to 40 degrees. That is, in the first layer welding, a plurality of average currents for each gap width range are set, and switching output can be performed based on the gap detection information of the groove portion. The wire feed speed Wf and the average voltage Ea suitable for the average current Ia are calculated by the above equations (1) and (2). In addition, it is preferable to set a plurality of average current values corresponding to the welding postures in the condition table so that the average current Ia used in the filling layer and the finishing layer can also be selected according to the welding posture. . By selecting a high current in the multi-layer welding in the downward posture and selecting a low current in the welding in the vertical posture, both multi-layer welding can be made possible. Further, the average current Ia used in the filling layer and the finishing layer may be selected by being classified according to the gap width range or the groove shoulder width range.
[0046]
Thus, by preparing the condition table in advance, the welding condition parameters shown in FIGS. 7 and 9 can be variably controlled. On the other hand, since it is necessary to enable automatic welding for each X groove joint with different dimensions such as plate thickness, the groove dimensions to be input here (for example, groove angle θ, groove depth). H, gap G, etc.) and the average current condition table shown in Table 1 are used to calculate the number of welding passes as a reference at the welding start point, the torch for each pass, and welding conditions by the welding calculation program 18a. I have to. Although the calculation method is omitted, Table 2 shows an example of the welding data calculation result. As shown in Table 2, the target value of the torch position for each welding pass, welding conditions, and the width and height of the laminated beads are understood.
[0047]
[Table 2]

Next, an outline of a detection method using an optical cutting sensor used in welding control of the present invention will be described. FIG. 11 is a perspective view showing a schematic configuration of the light-cutting sensor 10 and related devices. The optical cutting sensor 10 is a laser that is positioned above the groove joint 2 ahead of the welding torch 6 in the traveling direction and irradiates the groove joint 2 with a slit-shaped light 31b in a vertical direction perpendicular to the joint longitudinal direction. The projector 31a is configured to include a projector 32a and a camera 32a that captures the reflected image as a light-cut image through the interference filter 32b. The interference filter 32b extracts only laser light having a specific wavelength.
[0048]
The laser projector 31a and the camera 32a are connected to the projection / reception controller 23. The projection / reception controller 23 controls the laser projector 31a and the camera 32a, and transmits the captured light section image to the image processing device 22. . This image processing device 22 extracts detection information of the groove center lateral displacement ΔYs, vertical displacement ΔZs, groove shoulder width Ws, groove area As, gap Gs or bead width Bs necessary for automatic welding. The welding detection program is built in, and can respond to the detection command from the overall control device 17 and the report request of the detection result.
[0049]
The casing portion (not shown) of the light-cutting sensor 10 has a water cooling structure for preventing overheating and a gas outflow structure for preventing intrusion of hindered fine particles. Instead of the slit-shaped laser projector 31a, an oscillating laser projector having a mechanism for irradiating spot-shaped laser light and swinging the spot-shaped laser light left and right at high speed may be used.
[0050]
FIG. 12 is a schematic view showing the position reference alignment between the origin of the torch position (wire tip position) coordinates and the origin of the sensor coordinates performed before welding. The welding carriage 4 is driven to move the welding torch 6 to the welding start point, and the tip of the wire 5 is moved to the center position of the gap G at the center of the groove joint 2 as shown in FIG. The wire position is set as the origin of the welding position coordinates (Yp = 0, Zp = 0). On the other hand, on the sensor side, as shown in (1) of FIG. 12, a light section image (line image 33) of a groove section imaged at the installation position of the light section type sensor 10 is processed by the image processing device 22, and the gap The central position (● point) of Gs is detected. With the detected position as the origin of sensor coordinates (Ys = 0, Zs = 0), the torch position deviation in the left and right and up and down directions is set to ΔYs = 0 and ΔZs = 0. During the first layer welding, the center position of the groove shoulder width may be used as the origin of sensor coordinates (Ys = 0, Zs = 0).
[0051]
FIG. 13 is an explanatory diagram showing the contents detected by the light-cutting sensor 10, and the detection items and their symbol names are shown in the figure. Line images (33a to 33f) of the groove cross-section imaged by the light-cutting sensor 10 are taken into the image processing device 22 and necessary detection items are extracted. For example, the groove shoulder width Ws is obtained by a distance connecting intersections (point d and point c) where the left and right

upper surfaces

33f and 33a intersect with the left and right groove slopes 33d and 33b. The middle point obtained by dividing the distance between the point d and the point c into two is the groove center in the left-right direction.
[0052]
When the angle of the groove slope is different from left to right or the processing accuracy is poor, a center shift occurs between the top and bottom of the groove joint. In order to avoid this, the groove center is obtained at a position close to the weld. That is, a horizontal line 35 is drawn at a position approximately 1 mm above the intersection (point b) where the groove right slope 33d and the groove bottom bead surface 33e intersect, and the horizontal line 35 and the left and right groove slopes 33d and 33b are formed. The center shift can be eliminated by setting the midpoint position (point f) that divides the intersecting point (point j and point i) into two equal parts as the groove center. A deviation (horizontal distance) between the midpoint position f and the initial position (Ys = 0) at the time of initial setting is defined as a left-right positional deviation ΔYs.
[0053]
On the other hand, for the vertical position shift ΔZs of the groove bottom, the deepest position (point e) of the groove bottom is obtained, or another horizontal line passing through the intersection point a where the left slope 33b and the left bottom surface 33c of the groove intersect. And the vertical line of the f point intersect (the vicinity of the e point), and then the deviation (vertical distance) from the origin position (Zs = 0) at the initial setting is measured to determine the vertical position deviation Δ Zs. This vertical position shift ΔZs is a value corresponding to the sum of the bead height and the height position shift. Further, the groove area As (welding remaining area) measures the area in the groove where the welding still remains. By measuring in this way, each desired detection item necessary for automatic welding can be obtained, and not only the variable control of the welding conditions described above, but also the displacements ΔYs and ΔZs in the horizontal and vertical directions of the welding line can be obtained. The correction control of the torch position can be performed in the direction to be lost.
[0054]
As described above, according to the multilayer embedding method of the present embodiment, even a welded structure of an X-groove joint that has a gap change in the groove portion or a meandering of the weld line is caused by narrowing the groove. It can reduce the amount of welding wire and the number of welding passes, reduce thermal deformation, output of high-current pulse welding waveform, average current corresponding to gap width, average voltage, welding speed, weaving width, etc. By controlling the conditions, it is possible to obtain deep penetration welding with little spatter, and weld quality without weld cracking or melting. Further, a good weld bead can be formed from the start point to the end point of the weld line by correcting the torch position in the left and right and up and down directions of the weld line, and multilayer overlay welding from the first layer to the finish layer can be automatically performed. By applying the multi-layer welding method of the present embodiment to a thick plate welded structure such as a power plant or a chemical plant, it is possible to contribute to rationalization of welding, improvement of welding quality, and cost reduction.
[0055]
【The invention's effect】
According to the present invention, with respect to the welded structure of the X groove joint, the welding condition parameter is variably controlled corresponding to the size of the gap width and the bead width, and the torch position deviation is corrected and controlled. Multi-layer welding can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of an automatic welding apparatus according to a welding method of the present invention.
2 is an explanatory view showing the contents of a welding control panel in the automatic welding apparatus shown in FIG. 1; FIG.
FIG. 3 is an explanatory view showing an example of a pulse welding waveform and droplet transfer used in the welding method of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a comparison between conventional multi-layer welding in an X groove joint and multi-layer welding according to the method of the present invention.
5 is a cross-sectional view showing an example of a welding procedure for each pass in a downward posture in the multi-layer welding shown in FIG. 4;
6 is a graph showing an example of the relationship between average current Ia, wire feed speed Wf, and average voltage Ea in pulse welding shown in FIG. 3;
7 is a graph showing a relationship between a combination of a gap width G of a groove portion and an average current Ia and a welding defect in the embodiment of the welding method of the present invention. FIG.
FIG. 8 is a graph showing a relationship between a welding speed Vw, a combination of average current, and a welding defect in the first layer welding of a groove without a gap.
FIG. 9 is an explanatory view showing an example in which the condition control of the first layer welding is performed by the welding method of the present invention.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing the relationship between the gap width and the groove area, the weld area of the first layer, and the bead height in the embodiment of the welding method of the present invention.
FIG. 11 is a perspective view showing a configuration and a detection method of an optical cutting type sensor and related equipment used for welding control in the embodiment of the welding method of the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating a method for performing reference alignment between the origin of sensor coordinates and the origin of weld coordinates before welding in the embodiment of the welding method of the present invention.
13 is a cross-sectional view showing contents detected by the light-cutting sensor shown in FIG. 11. FIG.
[0027]
[Explanation of symbols]
1a, 1b Welding workpiece
2 groove joint
3 Guide rail
4 Welding cart,
5 Welding wire
6 Welding torch
8 Wire feed mechanism
9 Torch drive mechanism
10 Light-cutting sensor
11 Welding control panel
12a Pulse welding power source
15a operation panel,
15b screen display device
17 General control equipment
18a Welding data file
22 Image processing device
23 Light Emitting / Receiving Controller
24a Each axis drive device
25 arc
26 Wire droplet
28 Spatter
31a Laser projector
31b Slit light
32a camera
32b interference filter
28 groove center axis
33, 33a-33f Line image of groove shape

Claims

In the multilayer prime welding method of the X groove joint formed by abutting a pair of members ,
With setting the pulse welding waveform of the current to be output to the welding wire of the welding torch from the pulse welding power source, the average current value used in pulse welding, the gap width G of the opening tip portion is in 0mm and the vicinity thereof Each time the reference value set in the range of 270 to 330A and the gap width G are increased by a predetermined value every time the gap width G exceeds the predetermined value. A plurality of average currents Ia are set in the condition table ,
Based on the gap width information detected on the weld line, the average current Ia corresponding to the size of the gap width is selected and switched from the condition table, and the average voltage Ea suitable for the average current is obtained and controlled. A multilayer prime welding method for an X groove joint characterized by

In the multilayer prime welding method of the X groove joint according to claim 1 ,
Seeking welding area S1a based on test the gap width that issued, determine the wire feed speed Wf based on the previous SL average current Ia, obtains the previous SL welding area S1a and the welding speed Vw from the wire feed speed Wf, determined Me Based on the wire feed speed Wf and the welding speed Vw, the control for increasing / decreasing the wire feed speed of the wire feed mechanism and the moving speed of the welding torch is repeatedly performed to the welding end point or a position a predetermined distance before the end point. A multilayer overlay welding method for an X-groove joint, characterized in that it is made as described above.

In the multilayer prime welding method of the X groove joint according to claim 1 or 2 ,
The X-groove joint multi-layer welding method, wherein the value set in advance every time the gap width G exceeds a predetermined value is in a range of 20 to 40A.

In the multilayer prime welding method of the X groove joint according to any one of claims 1 to 3 ,
The X opening is characterized in that the weaving width Uw, the weaving frequency f or the swinging speed Uv for swinging the welding torch left and right is controlled to increase or decrease in correspondence with the gap width deviation and the welding speed Vw. Multi-layer welding method for point joints.

In the multilayer prime welding method of the X groove joint according to any one of claims 1 to 4 ,
Furthermore, when the average current Ia determined corresponding to the filling layer and the finishing layer is set in the condition table, and each welding of the filling layer and the finishing layer after the initial layer welding is performed, it corresponds to the welding path. The average current Ia to be selected is selected from the condition table and output, and the average voltage Ea suitable for the average current is obtained and controlled , the bead width Bs of the previous layer is detected, and welding is attempted based on the detected bead width. A multilayer prime welding method for an X groove joint, characterized in that control is performed to calculate and increase or decrease conditions such as a welding area Sna, a welding speed Vw, and a weaving width of a welding pass.

In the multilayer prime welding method of the X groove joint according to any one of claims 1 to 5 ,
The pulse welding waveform is a pulse waveform in which one droplet generated by one pulse of high current can be transferred to the first half of the base time of low current, and is a pulse current that supplies power to a φ1.2 mm diameter solid wire for steel. The value Ip is set to 550 to 650 A, the pulse time Tp is set to a range of 1.8 to 1.2 ms, and the output control of the average current Ia of pulse welding is performed by variable control of the base time Tb and the wire feed speed Wf. A multilayer prime welding method for an X-groove joint, characterized in that it is performed.

In the multilayer prime welding method of the X groove joint according to claim 5 or 6 ,
The welding torch front of processing the cross-sectional shape image obtained by the light section sensor that captures an the installed groove sectional shape groove upwards, and a gap width Gs or bead width Bs at a substantially constant time intervals during the welding Detects left and right vertical displacements ΔYs and ΔZs of the groove center, and based on these detection data, the condition parameter control for each pass in the initial layer welding, filling layer and finishing layer welding is advanced by a predetermined distance from the welding starting point or the starting point. A multilayer overlay welding method for an X-groove joint characterized in that the correction control of the torch position in the left and right and up and down directions of the welding line is repeatedly performed up to the welding end point or a position a predetermined distance before the end point. .