JP4640908B2 - 溶接装置及び溶接方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ルートギャップを有する突合せ継手を溶接する溶接装置及び溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ルートギャップを有する突合せ継手を溶接する場合、ルートギャップ部分に裏当て材を当て、この状態で開先部分に溶融金属を流し込んでいくことが一般的に行われるが、裏当て材を用いた場合、裏当て材を取り付けるための工数が増加し、また鋼裏当て材を用いた場合には、継手効率が低下する恐れがある。更に、箱型構造物においては、溶接後の裏当て材の除去が困難な場合が多い。そこで、突合せ継手にルートギャップが生じている場合でも、溶接線方向に電極ワイヤをウィービングさせることで、突合せ継手を構成する対向した２つの母材間に溶融金属をブリッジさせ、裏当て材を用いずに突合せ継手を溶接し、なおかつ良好な裏ビードを形成する技術が既に提唱されている（例えば非特許文献１等参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
山本 光、外５名、“バッキングレスＶ開先継手におけるルートギャップ変動に対する裏ビードのフィードフォワード制御”、溶接学会論文集、平成１４年１１月、第２０巻、第４号、ｐ４９９−５０５
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
電極ワイヤのウィービング幅は、通常、ルートギャップの幅程度に設定される。一般に、電極ワイヤのウィービング中心位置は、ウィービング時に双方の母材に対する電圧・電流の値がほぼ等しくなるよう（つまり双方の継手に対するアーク長がほぼ等しくなるよう）、ルートギャップの中心に調整される。
【０００５】
しかしながら、突合せ継手を構成する２つの母材の高さが異なる場合（突合せ継手に、すなわちこれを構成する２つの母材に目違いが生じている場合）、上記のウィービング中心位置の調整からウィービング中心とギャップ中心がずれてしまう。また、前述したように、ウィービング幅がルートギャップの幅程度に設定されているために、相対的に下方に位置する母材においては、電極ワイヤの先端からルートエッジまでの距離が広がる。そのため、場合によっては、溶融金属がルートエッジ付近に付着せず、良好な裏ビードが得られなくなってしまうという不具合が生じる場合がある。
【０００６】
本発明は上記の事柄に鑑みてなされたものであり、その目的は、目違いの生じたルートギャップを有する突合せ継手を対象としても、高度な溶接品質を確保し良好な裏ビードを得ることができる溶接装置及び溶接方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明は、ルートギャップを有する突合せ継手をアーク溶接する溶接装置において、電極ワイヤを挿通した溶接トーチを溶接線に対しウィービングさせながら移動させるマニピュレータと、前記電極ワイヤに電力を供給する電源装置と、前記溶接トーチに前記電極ワイヤを送給するワイヤ送給装置と、前記マニピュレータ及び前記電源装置を制御する制御装置と、前記マニピュレータの前記溶接トーチ近傍位置に設けられ、前記突合せ継手を構成する２つの母材間のルートギャップ及び当該２つの母材の下面の食い違い量である目違い量を検出し前記制御装置に出力するギャップ検出手段とを備え、前記制御装置は、前記ギャップ検出手段からの前記突合せ継手のルートギャップ及び目違い量を入力する入力手順と、入力された前記ルートギャップ及び目違い量を基に前記溶接トーチのウィービング幅及び移動速度、前記電極ワイヤの電力及び送給速度を設定し、設定したこれら溶接条件に従い、前記マニピュレータ及び電源装置に指令信号を出力する溶接実行手順と、溶接中に前記電源装置によって前記電極ワイヤに印加されたウィービング１周期分の電圧の積分値が直前のウィービング１周期よりも大きい場合には前記ワイヤ送給装置によるワイヤ送給速度の上昇量を前記積分値の差分に応じて前記電極ワイヤの先端位置の下降量として演算し、小さい場合にはワイヤ送給速度の下降量を前記積分値の差分に応じて前記電極ワイヤの先端位置の上昇量として演算するワイヤ先端位置補正量演算手順と、ウィービング中心を境界として両母材のそれぞれの側について前記電極ワイヤに印加された電流及び電圧の積分値を演算し、ウィービング中心の両側の電流及び電圧の積分値の各偏差が小さくなるように前記溶接トーチのウィービング中心位置の補正量を演算するウィービング中心補正量演算手順と、前記ワイヤ先端位置補正量演算手順及び前記ウィービング中心補正量演算手順で演算した各補正量を基に演算した指令信号を前記電源装置及び前記マニピュレータにそれぞれ出力する補正実行手順とを繰り返し実行可能なプログラムを格納したこと、前記ルートギャップをＷ０、目違い量をＭ、前記母材の開先角度をθとした場合、前記溶接実行手順で設定される前記ウィービング幅Ｗ１が、Ｗ１＝Ｗ０−Ｍ×ｔａｎ（θ／２）であることを特徴とする。
【０００８】
従来のように、ウィービング幅をルートギャップ程度に設定した場合、母材間に目違いが生じると、いずれか一方の母材のルートエッジから電極ワイヤ先端までの距離が開きアークが到達しなくなってしまうため、一方のルートエッジ付近に溶融金属が付着せず、良好な裏ビードが形成されない場合がある。それに対し、本発明においては、このような場合に、従来、ルートギャップ程度に設定されていたウィービング幅を、目違い量を考慮して調整する（狭める）ことにより、双方の母材のルートエッジに確実にアークを到達させ溶融金属を付着させることができる。これにより、目違いの生じた突合せ継手のルートギャップに裏当て材を使用せずに溶融金属をブリッジさせる場合であっても、双方の母材のルートエッジ付近に溶融金属を確実に付着させることができるので、良好な裏ビードを有する高品質な溶接を行うことができる。
【００１０】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記ワイヤ先端位置補正量演算手順で、前記制御装置は、ワイヤ送給速度の上昇量又は下降量の代わりに前記マニピュレータによる前記溶接トーチの高さの下降量又は上昇量を演算することを特徴とする。
【００１１】
また、第３の発明は、上記第１又は第２の発明において、前記マニピュレータに対し、前記溶接トーチを溶接線方向に繰り返し進退させつつ溶接ビードを形成するスイッチバック動作を実行させるプログラムを前記制御装置に更に格納したことを特徴とする。
【００１４】
また、第４の発明は、ルートギャップを有する突合せ継手をアーク溶接する溶接方法において、前記ギャップ検出手段からの前記突合せ継手のルートギャップ及び当該突合せ継手の下面の食い違い量である目違い量を入力する入力手順と、入力された前記ルートギャップ及び目違い量を基に溶接トーチのウィービング幅及び移動速度、電極ワイヤの電力及び送給速度を設定し、溶接を実行する溶接実行手順と、溶接中に前記電極ワイヤに印加されたウィービング１周期分の電圧の積分値が直前のウィービング１周期よりも大きい場合にはワイヤ送給速度の上昇量を前記積分値の差分に応じて前記電極ワイヤの先端位置の下降量として演算し、小さい場合にはワイヤ送給速度の下降量を前記積分値の差分に応じて前記電極ワイヤの先端位置の上昇量として演算するワイヤ先端位置補正量演算手順と、ウィービング中心を境界として両母材のそれぞれの側について前記電極ワイヤに印加された電流及び電圧の積分値を演算し、ウィービング中心の両側の電流及び電圧の積分値の各偏差が小さくなるように前記溶接トーチのウィービング中心位置の補正量を演算するウィービング中心補正量演算手順と、前記ワイヤ先端位置補正量演算手順及び前記ウィービング中心補正量演算手順で演算した各補正量を基に前記電極ワイヤの先端の高さとウィービング中心位置を補正する補正実行手順とを繰り返し実行すること、前記ルートギャップをＷ０、目違い量をＭ、前記母材の開先角度をθとした場合、前記溶接実行手順で設定される前記ウィービング幅Ｗ１が、Ｗ１＝Ｗ０−Ｍ×ｔａｎ（θ／２）であることを特徴とする。
【００１５】
また、第５の発明は、上記第４の発明において、前記ワイヤ先端位置補正量演算手順で、ワイヤ送給速度の上昇量又は下降量の代わりに前記溶接トーチの高さの下降量又は上昇量を演算することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の溶接装置及び溶接方法の一実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の溶接装置の一実施の形態の全体構成を表す概略図である。この図１において、１は多関節型のアーム１ａを有するマニピュレータ（溶接ロボット）、２はそのアーム１ａ先端に設けた溶接トーチで、マニピュレータ１は、溶接線に対しほぼ直交する方向にウィービングさせながら、溶接トーチ２を移動させることができる。３は溶接トーチ２に挿通された電極ワイヤ、４は溶接トーチ２に電極ワイヤ３を導くチューブ、５はリール６に巻回された電極ワイヤ３を溶接トーチ２に順次送給するワイヤ送給装置である。なお、特に図示していないが、溶接トーチ２には、シールドガスを噴射するガスノズルが設けてある。
【００１７】
７は電極ワイヤ３等に電力（電流・電圧）を供給する電源装置で、この電源装置７のプラス端子７ａは電極ワイヤ３（厳密にはチューブ４）に、マイナス端子７ｂは溶接対象である突合せ継手８に、それぞれ接続している。また、電源装置７の図示しない出力端子は、ワイヤ送給装置５に接続しており、電源装置７からワイヤ送給装置５に供給される指令信号（電力）の大きさにより、電極ワイヤ３の送給速度が調整される。
【００１８】
９はロボット制御盤で、このロボット制御盤９は、マニピュレータ１、電源装置７に対する指令信号を演算する制御装置１０と、この制御装置１０で演算された各指令信号をマニピュレータ１及び電源装置７にそれぞれ出力するロボットドライバ１１及び電源ドライバ１２とを内蔵している。１３は突合せ継手８間のルートギャップや目違いを検出し制御装置１０に出力するギャップセンサで、このギャップセンサ１３は、マニピュレータ１のアーム１ａの先端において、溶接トーチ２の近傍（図１に矢印で図示した溶接線方向前方側）に設けられている。このギャップセンサ１３としては、例えば公知のレーザセンサや超音波センサ等が用いられる。
【００１９】
このような構成により、図１の溶接装置は、制御装置１０に溶接開始点及び終了点が入力されると、溶接開始の指示を機に、制御装置１０によって、ギャップセンサ１３からの検出信号に基づき、溶接条件を逐次更新し、マニピュレータ１及び電源装置７を制御する（制御装置１０による制御フローについては後述する）。
【００２０】
マニピュレータ１は、ロボットドライバ１１を介して出力される制御装置１０からの指令信号を入力すると、その指令信号に応じたウィービング幅及び移動速度（溶接速度）で、溶接トーチ２をウィービングさせつつ、溶接線に沿って図中矢印方向に移動させるよう、アーム１ａを動作させる。
【００２１】
一方、これと同時に、電源装置７は、電源ドライバ１２を介して出力される制御装置１０からの指令信号を入力すると、その指令値に応じた電圧・電流を電極ワイヤ３に印加する。電極ワイヤ３に印加される電流は、電源装置７のプラス端子７ａ→電極ワイヤ３→突合せ継手８→電源装置７のマイナス端子７ｂといった順に流れる。これにより、電極ワイヤ３の先端から突合せ継手８の溶接箇所までの間にアーク２０が発生し、そのアーク熱により電極ワイヤ３の先端部と突合せ継手８の溶接箇所とが溶融し、突合せ継手８に溶融金属が付着形成される。また、こうした電極ワイヤ３の消耗（溶融）に伴い、電源装置７は、制御装置１０からの指令信号に応じた大きさのワイヤ送給信号（電圧）をワイヤ送給装置５に出力し、ワイヤ送給装置５の駆動速度を制御することにより、電極ワイヤ３を順次溶接トーチ２に送給する。
【００２２】
次に、制御装置１０による制御手順を図２乃至図４を用いて説明する。
まず、本発明の溶接装置及び溶接方法の一実施の形態の制御概念を図２を用いて説明する。
一般に、ルートギャップを有する突合せ継手をウィービング溶接する場合、電極ワイヤのウィービング幅を、ルートギャップの幅程度に設定するのが通例である。また、通常、ウィービング溶接を行う場合には、ウィービング中心を境界として両側における電流及び電圧の測定値の積分値が互いに等しくなるよう、電極ワイヤ３のウィービング中心位置が、ウィービング幅方向に制御される。
【００２３】
これを踏まえ、まず、図２（ａ）のように、ルートギャップＷ0（ギャップ中心位置をＯ1とする）を介して対向する突合せ継手を構成する２つの母材８ａ，８ｂの互いの高さがほぼ同じ場合（母材８ａ，８ｂ間に目違いがない場合）を考える。この場合、電極ワイヤ３のウィービング幅をルートギャップＷ0程度とすることにより、先に説明したウィービング中心位置の制御の結果、ウィービング中心位置はギャップ中心Ｏ1に一致し、アーク長が一定値ａに保たれ、その結果、アーク中心からルートエッジまでの距離がｄ0（以下、単に距離ｄ0と記載する）となるとする。ここでは、このアーク長ａ、距離ｄ0という条件下において、ルートエッジ付近に溶融金属が付着し、裏当て材を用いなくてもルートギャップ間に溶融金属がブリッジする結果、良好な裏ビードが形成されるものとする。
【００２４】
これに対し、図２（ｂ）のように、図２（ａ）と同様にルートギャップＷ0を有する母材８ａ，８ｂ間に目違い（目違い量Ｍ）が生じている場合、ウィービング幅をルートギャップＷ0程度とし、前述のように母材８ａ，８ｂに対するアーク長ａを保つ場合、前述の制御が行われると、補正後の適正なウィービング中心位置Ｏ2は、ギャップ中心Ｏ1よりも、ルートエッジが電極ワイヤ３から遠い（相対的に下方に位置する）母材８ａ側に移動する。なお、この適正なウィービング中心位置Ｏ2とギャップ中心Ｏ1とのずれ量ΔＯは、目違い量Ｍ、開先角度θを用いると、
ΔＯ＝（Ｍ／２）×ｔａｎ（θ／２） ・・・（式１）
と求められる。
【００２５】
またこれに伴い、母材８ａ側では、アーク中心からルートエッジまでの距離がｄ1（以下、単に距離ｄ1と記載する）に増大する。なお、この距離ｄ0と距離ｄ1との偏差量Δｄ（＝ｄ1−ｄ0）は、目違い量Ｍ、開先角度θを用いると、
Δｄ＝Ｍ／｛２ｃｏｓ（θ／２）｝ ・・・（式２）
と求められる。
【００２６】
従って、図２（ｂ）においては、距離ｄ1が、良好な裏ビードを得ていた距離ｄ0よりも大きくなる結果、溶融金属が、アークの届く母材８ｂのルートエッジ付近のみに付着し、アークの届かない母材８ａのルートエッジ付近には付着しなくなってしまう場合がある。つまり、良好な裏ビードが得られなくなってしまう場合がある。
【００２７】
そこで、このようにルートギャップＷ0及び目違い量Ｍを有する突合せ突合せ継手８（母材８ａ，８ｂ）を対象とした場合、図２（ｃ）のように、ウィービング幅を、目違い量Ｍに応じて、
Ｗ1＝Ｗ0−Ｍ×ｔａｎ（θ／２） ・・・（式３）
と変更する。
【００２８】
変更後のウィービング幅Ｗ1はルートギャップＷ0よりもΔＷ（＝Ｍ×ｔａｎ（θ／２））だけ狭まる。これにより、目違いにより相対的に下方に位置する（電極ワイヤ３の先端から遠い方の）母材８ａのルートエッジとアーク中心との距離を、アーク（アーク長ａ）が到達可能な距離ｄ0としても、電極ワイヤ３が、他方の母材８ｂとの間のアーク長ａを保ってウィービング動作可能になる。
【００２９】
但し、以上の本実施の形態における制御概念においては、図２（ｂ）の状態から図２（ｃ）の状態にウィービング幅を変更すると、アーク長ａを維持するためには、電極ワイヤ３の先端位置を下げる（母材８ａ，８ｂ側に近付ける）必要が生じるが、これは、例えば、溶接トーチ２の高さ調整、又は電極ワイヤ３の送給速度調整により行われる。後で説明する制御装置１０による制御フローの説明においては、後者の電極ワイヤ３の送給速度調整を採用した場合を例に説明する。
【００３０】
図３は、上記制御装置１０の概略構成を表すブロック図である。この図３において、１４は信号の入力部であるＡ／Ｄ変換器で、このＡ／Ｄ変換器１４を介して、ギャップセンサ１３からの検出信号や電源装置７による電極ワイヤ３に供給された電力（電流・電圧）の値が、制御装置１０に入力されディジタル信号化される。１５は所定の制御手順のプログラムや制御に必要な定数を格納するリードオンリーメモリー（ＲＯＭ）で、このＲＯＭ１５には、突合せ継手８のルートギャップ及び目違い量の各組合わせ毎に、予め実験的（又は理論的）に求められた溶接条件（電極ワイヤ３の印加電力、送給速度、ウィービング幅、溶接速度）の組合せパターンをまとめた溶接条件テーブルが格納されている。
【００３１】
１６は時間計測を行うタイマ、１７はＲＯＭ１５に格納したプログラムや溶接条件テーブルから選定した溶接条件に順じ、マニピュレータ１や電源装置７に対する所定の指令信号を演算する中央演算処理装置（ＣＰＵ）である。１８はＣＰＵ１７の演算結果や演算途中の数値を一時的に記憶するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、１９はＣＰＵ１７で演算された指令信号をアナログ信号に変換し、対応のドライバ（上記ロボットドライバ１１、電源ドライバ１２）に出力するＤ／Ａ変換器である。
【００３２】
図４は、制御装置１０に格納したプログラムによる制御手順のフローチャートで、上記構成の制御装置１０は、この図４のフローに基づき、マニピュレータ１、ワイヤ送給装置５、電源装置７を制御する。
【００３３】
制御装置１０は、図４において、まずステップ１００にて、ロボット制御盤９に設けた（或いは別途設けた）図示しない設定部より、操作者により設定された溶接開始点及び終了点を入力する。入力された溶接開始点・終了点は、Ａ／Ｄ変換器１４を介してディジタル信号化され、ＲＡＭ１８に格納される。
【００３４】
ステップ１０１に移り、ギャップセンサ１３からの突合せ継手８のルートギャップ及び目違い量の検出信号をＡ／Ｄ変換器１４を介して入力し、ディジタル信号化してＲＡＭ１８に格納し、ステップ１０２に手順を移行する。
【００３５】
ステップ１０２では、ＣＰＵ１７によって、ステップ１０１で入力されたルートギャップ及び目違い量に対し、適切な溶接条件（電極ワイヤ３の印加電力、送給速度、ウィービング幅、溶接速度）が、ＲＯＭ１５に格納した溶接条件テーブルの中から１つ選定（設定）され、ＲＡＭ１８に格納される。そして、その設定した溶接条件で溶接を実行するための指令信号を演算し、ロボットドライバ１１及び電源ドライバ１２を介しマニピュレータ１及び電源装置７に出力する。マニピュレータ１には、溶接トーチ２の移動速度（溶接速度）及びウィービング幅が指令され、電源装置７には、電極ワイヤ３の送給速度及び供給電力（電流・電圧）が指令される。
この時点で、電極ワイヤ３は、その先端から生じるアークが突合せ継手８を構成する母材８ａ，８ｂ（図２参照）双方のルートエッジに到達可能なよう、突合せ継手８のルートギャップ及び目違い量に対してルートギャップよりも狭く較正されたウィービング幅でウィービングする。
【００３６】
続いて、ステップ１０３では、ウィービング溶接中、電源装置７から電極ワイヤ３に印加された電流・電圧の測定値を入力し、Ａ／Ｄ変換器１４を介してディジタル信号化してＲＡＭ１８に格納し、ステップ１０４に移る。
【００３７】
ステップ１０４では、タイマ１６による現在時刻がウィービング周期に達したかどうかを判定し、判定が満たされない場合、ステップ１０３に戻って、更に電流・電圧の測定値を入力する。現在時刻がウィービング周期に達し、ステップ１０４の判定が満たされた場合、ステップ１０５に手順を移行する。
【００３８】
ステップ１０５では、ウィービング１周期分の電圧値を積分しＲＡＭ１８に格納すると共に、この値を、ＲＡＭ１８に格納してある直前の１周期分の電圧値の積分値と比較し、電源制御データの補正量を演算してＲＡＭ１８に格納する。具体的には、アーク長が一定となるよう、前周期よりも電圧の積分値が大きければ、その差分に応じてワイヤ送給速度を上げる（逆に小さければその差分に応じてワイヤ送給速度を下げる）ために、ワイヤ送給装置５に対する指令値が変化するよう、電源装置７への指令信号の補正量を演算・格納する。
【００３９】
ステップ１０６に移り、電極ワイヤ３に印加された電流・電圧の測定値を、ウィービング左右（先の図２で言うと、ウィービング中心を境界とした母材８ａ側及び母材８ｂ側）のそれぞれにおいて積分し、それら積分値の偏差を補正するよう（つまり、アーク長がウィービング左右で同等になるよう）、現在のウィービング中心位置から適正なウィービング中心位置までの補正量（距離）を演算し、ＲＡＭ１８に格納する。
【００４０】
次のステップ１０７では、ＣＰＵ１７は、タイマ１６による計測時刻が、所定の周期（ウィービング周期の１／ｍ倍，ｍ：整数）に達すると、ステップ１０５，１０６にて演算された補正量を基に、マニピュレータ１及び電源装置７に対する指令信号を補正し、Ｄ／Ａ変換器１９を介してアナログ信号化して、それぞれに対応するロボットドライバ１１及び電源ドライバ１２を介して出力する。この時点で、電極ワイヤ３のウィービング中心位置及び送給速度が調整され、先の図２（ｃ）の状態に制御される。
【００４１】
続いてステップ１０８に移行し、タイマ１６による現在時刻が、ギャップセンサ１３による所定のギャップ検出周期（ここでは、ウィービング周期のｎ倍，ｎ：整数）に達したかどうかを判定し、判定が満たされない場合、ステップ１０２〜１０７の手順を再度実行する。現在時刻がギャップ検出周期に達し、ステップ１０８の判定が満たされた場合、ステップ１０９に移る。
【００４２】
ステップ１０９では、現在位置が、ステップ１００で入力された溶接終了点に到達したかどうかを判定し、判定が満たされない場合、ステップ１０１に戻って、上記のステップ１０１〜１０８の手順を繰り返す。つまり、溶接終了点に達するまでは、ギャップ検出周期毎に、ギャップセンサ１３からのルートギャップ及び目違い量の検出信号を基に、溶接条件（電極ワイヤ３の印加電力、送給速度、ウィービング幅、溶接速度）を更新し、マニピュレータ１及び電源装置７のフィードフォワード制御を繰り返す。そして、最終的に、溶接終了点に到達し、ステップ１０９の判定が満たされると、マニピュレータ１及び電源装置７に対する指令信号をＯＦＦにして図４の制御手順を終了する。
【００４３】
以上、本実施の形態は、先に図２（ｃ）を用いて説明したように、ルートギャップを有する突合せ継手に目違いが生じた場合、従来、ルートギャップ程度に設定されていた電極ワイヤ３のウィービング幅を、目違い量に応じて調整する（ルートギャップよりも狭める）ことにより、突き合せた双方の母材のルートエッジに溶融金属を確実に付着させるものである。そして、このような概念に基づき、図４で説明したように、溶接開始後、ステップ１０１〜１０７の手順を、ギャップセンサ１３による所定のギャップ検出周期（ここでは、ウィービング周期のｎ倍，ｎ：整数）毎に、ステップ１００で入力された溶接終了点に到達するまで繰り返し実行することにより、母材８ａ，８ｂの精度によって、溶接線に沿ってルートギャップや目違い量が変動しても、常にルートギャップ及び目違い量に応じた適切なウィービング幅を含む溶接条件が逐次選定、更新され、マニピュレータ１及び電源装置７を適切に動作制御する。
【００４４】
従って、本実施の形態によれば、目違いの生じた突合せ継手のルートギャップに裏当て材を使用せずに溶融金属をブリッジさせる場合であっても、突合せ継手を構成する双方の母材のルートエッジ付近に溶融金属を確実に付着させることができるので、良好な裏ビードを有する高品質な溶接を行うことができる。
【００４５】
なお、ここまで、本発明の技術的思想を単なるウィービング溶接に適用した場合を例に説明してきたが、図５に示したように、ウィービング（図中矢印２６参照）に加え、いわゆるスイッチバック（図中矢印２５参照）を組合せて動作させる場合にも、本発明は適用可能である。ここで言うスイッチバックとは、矢印２５で示したように、溶接トーチ２を、溶接線に沿って、前進→後退→前進という動作を繰り返しながら移動させ溶接ビードを重畳させていく動作である。
【００４６】
このスイッチバック動作は、前述の図１乃至図４で説明した溶接装置、溶接方法において、例えば、ＲＯＭ１５（図３参照）に、溶接線方向に前進・後退を繰り返しながら溶接トーチ２を移動させるよう、マニピュレータ１を動作制御するためのプログラムを格納しておけば実現可能である。そして、このようにスイッチバック動作を組合せた溶接を行う場合の制御手順は、先の図４と概ね同様であるが、ステップ１０２では、溶接線方向における「前進」及び「後退」のストローク長の組合わせパターンを、前述の溶接条件テーブルに組み込んでおき、設定されたストロークパターン（或いは一定値でも良い）に応じた指令信号をマニピュレータ１及び電源装置７に対し出力させる。また、この場合、ステップ１０８におけるギャップ検出周期としては、溶接線方向に対する「前進→後退→前進」の動作を１サイクルとし、この１サイクルの動作に要する時間をギャップ検出周期とするのが望ましい。
【００４７】
このような要領で、スイッチバック動作を行うウィービング溶接に本発明を適用することによって、上記同様の効果が得られることは勿論のこと、「後退」時に重畳される溶接ビードにより、更に確実に突合せ継手のルートギャップに対し溶融金属をブリッジさせることができる。従って、比較的ルートギャップが大きな場合であっても、比較的低い電力で容易にブリッジ溶接することができ、なおかつ、目違いが生じている場合でも、良好な裏ビードが形成された高い溶接品質を確保することができる。
【００４８】
また、ルートギャップ及び目違いの検出データが、ギャップ検出センサ１３により、オンラインで制御装置１０に入力される例を説明してきたが、これに限られず、オフラインで予め測定しておき、それを事前に入力する構成としても良い。また、突合せ継手の加工精度及び突合せ精度が高く、ルートギャップ及び目違いが生じていたとしても、それが溶接線方向にほぼ一定の場合、先の図４の制御フローにおいステップ１０８は省略しても良い。また、ステップ１０５，１０６で、それぞれ電極ワイヤ３の送給速度及びウィービング中心の補正量を演算し、ステップ１０７で、これら補正量を基に対応の指令信号を補正・出力する構成としたが、ステップ１０５，１０６にて対応の指令信号を補正・出力し、ステップ１０７を省略しても良い。これらの場合でも、同様の効果を得ることができる。
【００４９】
また、電極ワイヤ３のみでアーク溶接する場合を例に挙げたが、例えば、電極ワイヤ３に加えてフィラワイヤを設けたいわゆるダブルワイヤ方式の溶接装置にも、本発明は適用可能である。また、図１において、ワイヤ送給装置５をリール６側に設けたいわゆるプッシュ方式のものとして説明したが、溶接トーチ２側に設けるいわゆるプル方式のものとしても、これらを組合せたものとしても構わない。これらの場合も上記同様の効果を得ることができる。
【００５０】
なお、以上で説明してきた本発明の溶接装置及び溶接方法の実施の形態において、図４のステップ１０１が、請求項３に記載の「前記突合せ継手のルートギャップ及び目違い量を入力する第１の手順」に相当する。また、ステップ１０２が、同項記載の「この第１の手順の入力値を基に前記溶接トーチのウィービング幅及び移動速度、前記電極ワイヤの電力及び送給速度を設定し、設定したこれら溶接条件に従い、前記マニピュレータ及び電源装置に指令信号を出力する第２の手順」に相当し、ステップ１０５が、「前記電極ワイヤから生じるアークの長さがほぼ一定となるよう、前記電極ワイヤの送給速度の補正量を演算する第３の手順」に相当する。また、ステップ１０６が、同項記載の「前記溶接トーチのウィービング中心位置の適正位置までの補正量を演算する第４の手順」に相当し、ステップ１０７が、「前記第３及び第４で演算した各補正量を基に補正した指令信号を、前記電源装置及び前記マニピュレータにそれぞれ出力する第５の手順」に相当し、ステップ１０８，１０９が、「以上の第１乃至第５の手順を設定周期毎に繰り返し実行する第６の手順」に相当する。
【００５１】
また、図４のステップ１０２は、請求項７に記載の「前記突合せ継手のルートギャップ及び目違い量を基に、電極ワイヤのウィービング幅、移動速度、供給電力、送給速度を設定する第１の手順」にも相当する。また、ステップ１０５は、同項記載の「前記電極ワイヤから生じるアークの長さがほぼ一定となるよう、前記電極ワイヤの送給速度を補正する第２の手順」にも相当し、ステップ１０６は、「前記電極ワイヤのウィービング中心位置を補正する第３の手順」にも相当する。
【００５２】
更に、ギャップセンサ１３は、特許請求の範囲に記載の「前記マニピュレータにおける前記溶接トーチ近傍位置に設けられ、前記突合せ継手を構成する２つの母材間のルートギャップ及び目違い量を検出し、前記制御装置に出力するギャップ検出手段」を構成する。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、ルートギャップ及び目違いを有する突合せ継手を対象とし、裏当て材を使用せずに溶融金属をブリッジさせる場合であっても、突合せ継手を構成する双方の母材のルートエッジ付近に溶融金属を確実に付着させることができるので、良好な裏ビードを有する高品質な溶接を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の溶接装置の一実施の形態の全体構成を表す概略図である。
【図２】本発明の溶接装置及び溶接方法の一実施の形態の制御概念の説明図である。
【図３】本発明の溶接装置の一実施の形態に備えられた制御装置の概略構成を表すブロック図である。
【図４】本発明の溶接装置の一実施の形態に備えられた制御装置に格納したプログラムによる制御手順のフローチャートである。
【図５】本発明の溶接装置及び溶接方法において、電極ワイヤをウィービングとスイッチバックとを組合せて動作させた場合の動作を、概念的に説明するための説明図である。
【符号の説明】
１ マニピュレータ
２ 溶接トーチ
３ 電極ワイヤ
５ ワイヤ送給装置
７ 電源装置
８ 突合せ継手
８ａ，ｂ 母材
１０ 制御装置
１３ ギャップセンサ（ギャップ検出手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、ルートギャップを有する突合せ継手を溶接する溶接装置及び溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ルートギャップを有する突合せ継手を溶接する場合、ルートギャップ部分に裏当て材を当て、この状態で開先部分に溶融金属を流し込んでいくことが一般的に行われるが、裏当て材を用いた場合、裏当て材を取り付けるための工数が増加し、また鋼裏当て材を用いた場合には、継手効率が低下する恐れがある。更に、箱型構造物においては、溶接後の裏当て材の除去が困難な場合が多い。そこで、突合せ継手にルートギャップが生じている場合でも、溶接線方向に電極ワイヤをウィービングさせることで、突合せ継手を構成する対向した２つの母材間に溶融金属をブリッジさせ、裏当て材を用いずに突合せ継手を溶接し、なおかつ良好な裏ビードを形成する技術が既に提唱されている（例えば非特許文献１等参照）。
【０００３】
【非特許文献１】
山本 光、外５名、“バッキングレスＶ開先継手におけるルートギャップ変動に対する裏ビードのフィードフォワード制御”、溶接学会論文集、平成１４年１１月、第２０巻、第４号、ｐ４９９−５０５
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
電極ワイヤのウィービング幅は、通常、ルートギャップの幅程度に設定される。一般に、電極ワイヤのウィービング中心位置は、ウィービング時に双方の母材に対する電圧・電流の値がほぼ等しくなるよう（つまり双方の継手に対するアーク長がほぼ等しくなるよう）、ルートギャップの中心に調整される。
【０００５】
しかしながら、突合せ継手を構成する２つの母材の高さが異なる場合（突合せ継手に、すなわちこれを構成する２つの母材に目違いが生じている場合）、上記のウィービング中心位置の調整からウィービング中心とギャップ中心がずれてしまう。また、前述したように、ウィービング幅がルートギャップの幅程度に設定されているために、相対的に下方に位置する母材においては、電極ワイヤの先端からルートエッジまでの距離が広がる。そのため、場合によっては、溶融金属がルートエッジ付近に付着せず、良好な裏ビードが得られなくなってしまうという不具合が生じる場合がある。
【０００６】
本発明は上記の事柄に鑑みてなされたものであり、その目的は、目違いの生じたルートギャップを有する突合せ継手を対象としても、高度な溶接品質を確保し良好な裏ビードを得ることができる溶接装置及び溶接方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明は、ルートギャップを有する突合せ継手をアーク溶接する溶接装置において、電極ワイヤを挿通した溶接トーチを溶接線に対しウィービングさせながら移動させるマニピュレータと、前記電極ワイヤに電力を供給する電源装置と、前記溶接トーチに前記電極ワイヤを送給するワイヤ送給装置と、前記マニピュレータ及び前記電源装置を制御する制御装置と、前記マニピュレータの前記溶接トーチ近傍位置に設けられ、前記突合せ継手を構成する２つの母材間のルートギャップ及び当該２つの母材の下面の食い違い量である目違い量を検出し前記制御装置に出力するギャップ検出手段とを備え、前記制御装置は、前記ギャップ検出手段からの前記突合せ継手のルートギャップ及び目違い量を入力する入力手順と、入力された前記ルートギャップ及び目違い量を基に前記溶接トーチのウィービング幅及び移動速度、前記電極ワイヤの電力及び送給速度を設定し、設定したこれら溶接条件に従い、前記マニピュレータ及び電源装置に指令信号を出力する溶接実行手順と、溶接中に前記電源装置によって前記電極ワイヤに印加されたウィービング１周期分の電圧の積分値が直前のウィービング１周期よりも大きい場合には前記ワイヤ送給装置によるワイヤ送給速度の上昇量を前記積分値の差分に応じて前記電極ワイヤの先端位置の下降量として演算し、小さい場合にはワイヤ送給速度の下降量を前記積分値の差分に応じて前記電極ワイヤの先端位置の上昇量として演算するワイヤ先端位置補正量演算手順と、ウィービング中心を境界として両母材のそれぞれの側について前記電極ワイヤに印加された電流及び電圧の積分値を演算し、ウィービング中心の両側の電流及び電圧の積分値の各偏差が小さくなるように前記溶接トーチのウィービング中心位置の補正量を演算するウィービング中心補正量演算手順と、前記ワイヤ先端位置補正量演算手順及び前記ウィービング中心補正量演算手順で演算した各補正量を基に演算した指令信号を前記電源装置及び前記マニピュレータにそれぞれ出力する補正実行手順とを繰り返し実行可能なプログラムを格納したこと、前記ルートギャップをＷ０、目違い量をＭ、前記母材の開先角度をθとした場合、前記溶接実行手順で設定される前記ウィービング幅Ｗ１が、Ｗ１＝Ｗ０−Ｍ×ｔａｎ（θ／２）であることを特徴とする。
【０００８】
従来のように、ウィービング幅をルートギャップ程度に設定した場合、母材間に目違いが生じると、いずれか一方の母材のルートエッジから電極ワイヤ先端までの距離が開きアークが到達しなくなってしまうため、一方のルートエッジ付近に溶融金属が付着せず、良好な裏ビードが形成されない場合がある。それに対し、本発明においては、このような場合に、従来、ルートギャップ程度に設定されていたウィービング幅を、目違い量を考慮して調整する（狭める）ことにより、双方の母材のルートエッジに確実にアークを到達させ溶融金属を付着させることができる。これにより、目違いの生じた突合せ継手のルートギャップに裏当て材を使用せずに溶融金属をブリッジさせる場合であっても、双方の母材のルートエッジ付近に溶融金属を確実に付着させることができるので、良好な裏ビードを有する高品質な溶接を行うことができる。
【００１０】
また、第２の発明は、第１の発明において、前記ワイヤ先端位置補正量演算手順で、前記制御装置は、ワイヤ送給速度の上昇量又は下降量の代わりに前記マニピュレータによる前記溶接トーチの高さの下降量又は上昇量を演算することを特徴とする。
【００１１】
また、第３の発明は、上記第１又は第２の発明において、前記マニピュレータに対し、前記溶接トーチを溶接線方向に繰り返し進退させつつ溶接ビードを形成するスイッチバック動作を実行させるプログラムを前記制御装置に更に格納したことを特徴とする。
【００１４】
また、第４の発明は、ルートギャップを有する突合せ継手をアーク溶接する溶接方法において、前記ギャップ検出手段からの前記突合せ継手のルートギャップ及び当該突合せ継手の下面の食い違い量である目違い量を入力する入力手順と、入力された前記ルートギャップ及び目違い量を基に溶接トーチのウィービング幅及び移動速度、電極ワイヤの電力及び送給速度を設定し、溶接を実行する溶接実行手順と、溶接中に前記電極ワイヤに印加されたウィービング１周期分の電圧の積分値が直前のウィービング１周期よりも大きい場合にはワイヤ送給速度の上昇量を前記積分値の差分に応じて前記電極ワイヤの先端位置の下降量として演算し、小さい場合にはワイヤ送給速度の下降量を前記積分値の差分に応じて前記電極ワイヤの先端位置の上昇量として演算するワイヤ先端位置補正量演算手順と、ウィービング中心を境界として両母材のそれぞれの側について前記電極ワイヤに印加された電流及び電圧の積分値を演算し、ウィービング中心の両側の電流及び電圧の積分値の各偏差が小さくなるように前記溶接トーチのウィービング中心位置の補正量を演算するウィービング中心補正量演算手順と、前記ワイヤ先端位置補正量演算手順及び前記ウィービング中心補正量演算手順で演算した各補正量を基に前記電極ワイヤの先端の高さとウィービング中心位置を補正する補正実行手順とを繰り返し実行すること、前記ルートギャップをＷ０、目違い量をＭ、前記母材の開先角度をθとした場合、前記溶接実行手順で設定される前記ウィービング幅Ｗ１が、Ｗ１＝Ｗ０−Ｍ×ｔａｎ（θ／２）であることを特徴とする。
【００１５】
また、第５の発明は、上記第４の発明において、前記ワイヤ先端位置補正量演算手順で、ワイヤ送給速度の上昇量又は下降量の代わりに前記溶接トーチの高さの下降量又は上昇量を演算することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の溶接装置及び溶接方法の一実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の溶接装置の一実施の形態の全体構成を表す概略図である。この図１において、１は多関節型のアーム１ａを有するマニピュレータ（溶接ロボット）、２はそのアーム１ａ先端に設けた溶接トーチで、マニピュレータ１は、溶接線に対しほぼ直交する方向にウィービングさせながら、溶接トーチ２を移動させることができる。３は溶接トーチ２に挿通された電極ワイヤ、４は溶接トーチ２に電極ワイヤ３を導くチューブ、５はリール６に巻回された電極ワイヤ３を溶接トーチ２に順次送給するワイヤ送給装置である。なお、特に図示していないが、溶接トーチ２には、シールドガスを噴射するガスノズルが設けてある。
【００１７】
７は電極ワイヤ３等に電力（電流・電圧）を供給する電源装置で、この電源装置７のプラス端子７ａは電極ワイヤ３（厳密にはチューブ４）に、マイナス端子７ｂは溶接対象である突合せ継手８に、それぞれ接続している。また、電源装置７の図示しない出力端子は、ワイヤ送給装置５に接続しており、電源装置７からワイヤ送給装置５に供給される指令信号（電力）の大きさにより、電極ワイヤ３の送給速度が調整される。
【００１８】
９はロボット制御盤で、このロボット制御盤９は、マニピュレータ１、電源装置７に対する指令信号を演算する制御装置１０と、この制御装置１０で演算された各指令信号をマニピュレータ１及び電源装置７にそれぞれ出力するロボットドライバ１１及び電源ドライバ１２とを内蔵している。１３は突合せ継手８間のルートギャップや目違いを検出し制御装置１０に出力するギャップセンサで、このギャップセンサ１３は、マニピュレータ１のアーム１ａの先端において、溶接トーチ２の近傍（図１に矢印で図示した溶接線方向前方側）に設けられている。このギャップセンサ１３としては、例えば公知のレーザセンサや超音波センサ等が用いられる。
【００１９】
このような構成により、図１の溶接装置は、制御装置１０に溶接開始点及び終了点が入力されると、溶接開始の指示を機に、制御装置１０によって、ギャップセンサ１３からの検出信号に基づき、溶接条件を逐次更新し、マニピュレータ１及び電源装置７を制御する（制御装置１０による制御フローについては後述する）。
【００２０】
マニピュレータ１は、ロボットドライバ１１を介して出力される制御装置１０からの指令信号を入力すると、その指令信号に応じたウィービング幅及び移動速度（溶接速度）で、溶接トーチ２をウィービングさせつつ、溶接線に沿って図中矢印方向に移動させるよう、アーム１ａを動作させる。
【００２１】
一方、これと同時に、電源装置７は、電源ドライバ１２を介して出力される制御装置１０からの指令信号を入力すると、その指令値に応じた電圧・電流を電極ワイヤ３に印加する。電極ワイヤ３に印加される電流は、電源装置７のプラス端子７ａ→電極ワイヤ３→突合せ継手８→電源装置７のマイナス端子７ｂといった順に流れる。これにより、電極ワイヤ３の先端から突合せ継手８の溶接箇所までの間にアーク２０が発生し、そのアーク熱により電極ワイヤ３の先端部と突合せ継手８の溶接箇所とが溶融し、突合せ継手８に溶融金属が付着形成される。また、こうした電極ワイヤ３の消耗（溶融）に伴い、電源装置７は、制御装置１０からの指令信号に応じた大きさのワイヤ送給信号（電圧）をワイヤ送給装置５に出力し、ワイヤ送給装置５の駆動速度を制御することにより、電極ワイヤ３を順次溶接トーチ２に送給する。
【００２２】
次に、制御装置１０による制御手順を図２乃至図４を用いて説明する。
まず、本発明の溶接装置及び溶接方法の一実施の形態の制御概念を図２を用いて説明する。
一般に、ルートギャップを有する突合せ継手をウィービング溶接する場合、電極ワイヤのウィービング幅を、ルートギャップの幅程度に設定するのが通例である。また、通常、ウィービング溶接を行う場合には、ウィービング中心を境界として両側における電流及び電圧の測定値の積分値が互いに等しくなるよう、電極ワイヤ３のウィービング中心位置が、ウィービング幅方向に制御される。
【００２３】
これを踏まえ、まず、図２（ａ）のように、ルートギャップＷ0（ギャップ中心位置をＯ1とする）を介して対向する突合せ継手を構成する２つの母材８ａ，８ｂの互いの高さがほぼ同じ場合（母材８ａ，８ｂ間に目違いがない場合）を考える。この場合、電極ワイヤ３のウィービング幅をルートギャップＷ0程度とすることにより、先に説明したウィービング中心位置の制御の結果、ウィービング中心位置はギャップ中心Ｏ1に一致し、アーク長が一定値ａに保たれ、その結果、アーク中心からルートエッジまでの距離がｄ0（以下、単に距離ｄ0と記載する）となるとする。ここでは、このアーク長ａ、距離ｄ0という条件下において、ルートエッジ付近に溶融金属が付着し、裏当て材を用いなくてもルートギャップ間に溶融金属がブリッジする結果、良好な裏ビードが形成されるものとする。
【００２４】
これに対し、図２（ｂ）のように、図２（ａ）と同様にルートギャップＷ0を有する母材８ａ，８ｂ間に目違い（目違い量Ｍ）が生じている場合、ウィービング幅をルートギャップＷ0程度とし、前述のように母材８ａ，８ｂに対するアーク長ａを保つ場合、前述の制御が行われると、補正後の適正なウィービング中心位置Ｏ2は、ギャップ中心Ｏ1よりも、ルートエッジが電極ワイヤ３から遠い（相対的に下方に位置する）母材８ａ側に移動する。なお、この適正なウィービング中心位置Ｏ2とギャップ中心Ｏ1とのずれ量ΔＯは、目違い量Ｍ、開先角度θを用いると、
ΔＯ＝（Ｍ／２）×ｔａｎ（θ／２） ・・・（式１）
と求められる。
【００２５】
またこれに伴い、母材８ａ側では、アーク中心からルートエッジまでの距離がｄ1（以下、単に距離ｄ1と記載する）に増大する。なお、この距離ｄ0と距離ｄ1との偏差量Δｄ（＝ｄ1−ｄ0）は、目違い量Ｍ、開先角度θを用いると、
Δｄ＝Ｍ／｛２ｃｏｓ（θ／２）｝ ・・・（式２）
と求められる。
【００２６】
従って、図２（ｂ）においては、距離ｄ1が、良好な裏ビードを得ていた距離ｄ0よりも大きくなる結果、溶融金属が、アークの届く母材８ｂのルートエッジ付近のみに付着し、アークの届かない母材８ａのルートエッジ付近には付着しなくなってしまう場合がある。つまり、良好な裏ビードが得られなくなってしまう場合がある。
【００２７】
そこで、このようにルートギャップＷ0及び目違い量Ｍを有する突合せ突合せ継手８（母材８ａ，８ｂ）を対象とした場合、図２（ｃ）のように、ウィービング幅を、目違い量Ｍに応じて、
Ｗ1＝Ｗ0−Ｍ×ｔａｎ（θ／２） ・・・（式３）
と変更する。
【００２８】
変更後のウィービング幅Ｗ1はルートギャップＷ0よりもΔＷ（＝Ｍ×ｔａｎ（θ／２））だけ狭まる。これにより、目違いにより相対的に下方に位置する（電極ワイヤ３の先端から遠い方の）母材８ａのルートエッジとアーク中心との距離を、アーク（アーク長ａ）が到達可能な距離ｄ0としても、電極ワイヤ３が、他方の母材８ｂとの間のアーク長ａを保ってウィービング動作可能になる。
【００２９】
但し、以上の本実施の形態における制御概念においては、図２（ｂ）の状態から図２（ｃ）の状態にウィービング幅を変更すると、アーク長ａを維持するためには、電極ワイヤ３の先端位置を下げる（母材８ａ，８ｂ側に近付ける）必要が生じるが、これは、例えば、溶接トーチ２の高さ調整、又は電極ワイヤ３の送給速度調整により行われる。後で説明する制御装置１０による制御フローの説明においては、後者の電極ワイヤ３の送給速度調整を採用した場合を例に説明する。
【００３０】
図３は、上記制御装置１０の概略構成を表すブロック図である。この図３において、１４は信号の入力部であるＡ／Ｄ変換器で、このＡ／Ｄ変換器１４を介して、ギャップセンサ１３からの検出信号や電源装置７による電極ワイヤ３に供給された電力（電流・電圧）の値が、制御装置１０に入力されディジタル信号化される。１５は所定の制御手順のプログラムや制御に必要な定数を格納するリードオンリーメモリー（ＲＯＭ）で、このＲＯＭ１５には、突合せ継手８のルートギャップ及び目違い量の各組合わせ毎に、予め実験的（又は理論的）に求められた溶接条件（電極ワイヤ３の印加電力、送給速度、ウィービング幅、溶接速度）の組合せパターンをまとめた溶接条件テーブルが格納されている。
【００３１】
１６は時間計測を行うタイマ、１７はＲＯＭ１５に格納したプログラムや溶接条件テーブルから選定した溶接条件に順じ、マニピュレータ１や電源装置７に対する所定の指令信号を演算する中央演算処理装置（ＣＰＵ）である。１８はＣＰＵ１７の演算結果や演算途中の数値を一時的に記憶するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、１９はＣＰＵ１７で演算された指令信号をアナログ信号に変換し、対応のドライバ（上記ロボットドライバ１１、電源ドライバ１２）に出力するＤ／Ａ変換器である。
【００３２】
図４は、制御装置１０に格納したプログラムによる制御手順のフローチャートで、上記構成の制御装置１０は、この図４のフローに基づき、マニピュレータ１、ワイヤ送給装置５、電源装置７を制御する。
【００３３】
制御装置１０は、図４において、まずステップ１００にて、ロボット制御盤９に設けた（或いは別途設けた）図示しない設定部より、操作者により設定された溶接開始点及び終了点を入力する。入力された溶接開始点・終了点は、Ａ／Ｄ変換器１４を介してディジタル信号化され、ＲＡＭ１８に格納される。
【００３４】
ステップ１０１に移り、ギャップセンサ１３からの突合せ継手８のルートギャップ及び目違い量の検出信号をＡ／Ｄ変換器１４を介して入力し、ディジタル信号化してＲＡＭ１８に格納し、ステップ１０２に手順を移行する。
【００３５】
ステップ１０２では、ＣＰＵ１７によって、ステップ１０１で入力されたルートギャップ及び目違い量に対し、適切な溶接条件（電極ワイヤ３の印加電力、送給速度、ウィービング幅、溶接速度）が、ＲＯＭ１５に格納した溶接条件テーブルの中から１つ選定（設定）され、ＲＡＭ１８に格納される。そして、その設定した溶接条件で溶接を実行するための指令信号を演算し、ロボットドライバ１１及び電源ドライバ１２を介しマニピュレータ１及び電源装置７に出力する。マニピュレータ１には、溶接トーチ２の移動速度（溶接速度）及びウィービング幅が指令され、電源装置７には、電極ワイヤ３の送給速度及び供給電力（電流・電圧）が指令される。
この時点で、電極ワイヤ３は、その先端から生じるアークが突合せ継手８を構成する母材８ａ，８ｂ（図２参照）双方のルートエッジに到達可能なよう、突合せ継手８のルートギャップ及び目違い量に対してルートギャップよりも狭く較正されたウィービング幅でウィービングする。
【００３６】
続いて、ステップ１０３では、ウィービング溶接中、電源装置７から電極ワイヤ３に印加された電流・電圧の測定値を入力し、Ａ／Ｄ変換器１４を介してディジタル信号化してＲＡＭ１８に格納し、ステップ１０４に移る。
【００３７】
ステップ１０４では、タイマ１６による現在時刻がウィービング周期に達したかどうかを判定し、判定が満たされない場合、ステップ１０３に戻って、更に電流・電圧の測定値を入力する。現在時刻がウィービング周期に達し、ステップ１０４の判定が満たされた場合、ステップ１０５に手順を移行する。
【００３８】
ステップ１０５では、ウィービング１周期分の電圧値を積分しＲＡＭ１８に格納すると共に、この値を、ＲＡＭ１８に格納してある直前の１周期分の電圧値の積分値と比較し、電源制御データの補正量を演算してＲＡＭ１８に格納する。具体的には、アーク長が一定となるよう、前周期よりも電圧の積分値が大きければ、その差分に応じてワイヤ送給速度を上げる（逆に小さければその差分に応じてワイヤ送給速度を下げる）ために、ワイヤ送給装置５に対する指令値が変化するよう、電源装置７への指令信号の補正量を演算・格納する。
【００３９】
ステップ１０６に移り、電極ワイヤ３に印加された電流・電圧の測定値を、ウィービング左右（先の図２で言うと、ウィービング中心を境界とした母材８ａ側及び母材８ｂ側）のそれぞれにおいて積分し、それら積分値の偏差を補正するよう（つまり、アーク長がウィービング左右で同等になるよう）、現在のウィービング中心位置から適正なウィービング中心位置までの補正量（距離）を演算し、ＲＡＭ１８に格納する。
【００４０】
次のステップ１０７では、ＣＰＵ１７は、タイマ１６による計測時刻が、所定の周期（ウィービング周期の１／ｍ倍，ｍ：整数）に達すると、ステップ１０５，１０６にて演算された補正量を基に、マニピュレータ１及び電源装置７に対する指令信号を補正し、Ｄ／Ａ変換器１９を介してアナログ信号化して、それぞれに対応するロボットドライバ１１及び電源ドライバ１２を介して出力する。この時点で、電極ワイヤ３のウィービング中心位置及び送給速度が調整され、先の図２（ｃ）の状態に制御される。
【００４１】
続いてステップ１０８に移行し、タイマ１６による現在時刻が、ギャップセンサ１３による所定のギャップ検出周期（ここでは、ウィービング周期のｎ倍，ｎ：整数）に達したかどうかを判定し、判定が満たされない場合、ステップ１０２〜１０７の手順を再度実行する。現在時刻がギャップ検出周期に達し、ステップ１０８の判定が満たされた場合、ステップ１０９に移る。
【００４２】
ステップ１０９では、現在位置が、ステップ１００で入力された溶接終了点に到達したかどうかを判定し、判定が満たされない場合、ステップ１０１に戻って、上記のステップ１０１〜１０８の手順を繰り返す。つまり、溶接終了点に達するまでは、ギャップ検出周期毎に、ギャップセンサ１３からのルートギャップ及び目違い量の検出信号を基に、溶接条件（電極ワイヤ３の印加電力、送給速度、ウィービング幅、溶接速度）を更新し、マニピュレータ１及び電源装置７のフィードフォワード制御を繰り返す。そして、最終的に、溶接終了点に到達し、ステップ１０９の判定が満たされると、マニピュレータ１及び電源装置７に対する指令信号をＯＦＦにして図４の制御手順を終了する。
【００４３】
以上、本実施の形態は、先に図２（ｃ）を用いて説明したように、ルートギャップを有する突合せ継手に目違いが生じた場合、従来、ルートギャップ程度に設定されていた電極ワイヤ３のウィービング幅を、目違い量に応じて調整する（ルートギャップよりも狭める）ことにより、突き合せた双方の母材のルートエッジに溶融金属を確実に付着させるものである。そして、このような概念に基づき、図４で説明したように、溶接開始後、ステップ１０１〜１０７の手順を、ギャップセンサ１３による所定のギャップ検出周期（ここでは、ウィービング周期のｎ倍，ｎ：整数）毎に、ステップ１００で入力された溶接終了点に到達するまで繰り返し実行することにより、母材８ａ，８ｂの精度によって、溶接線に沿ってルートギャップや目違い量が変動しても、常にルートギャップ及び目違い量に応じた適切なウィービング幅を含む溶接条件が逐次選定、更新され、マニピュレータ１及び電源装置７を適切に動作制御する。
【００４４】
従って、本実施の形態によれば、目違いの生じた突合せ継手のルートギャップに裏当て材を使用せずに溶融金属をブリッジさせる場合であっても、突合せ継手を構成する双方の母材のルートエッジ付近に溶融金属を確実に付着させることができるので、良好な裏ビードを有する高品質な溶接を行うことができる。
【００４５】
なお、ここまで、本発明の技術的思想を単なるウィービング溶接に適用した場合を例に説明してきたが、図５に示したように、ウィービング（図中矢印２６参照）に加え、いわゆるスイッチバック（図中矢印２５参照）を組合せて動作させる場合にも、本発明は適用可能である。ここで言うスイッチバックとは、矢印２５で示したように、溶接トーチ２を、溶接線に沿って、前進→後退→前進という動作を繰り返しながら移動させ溶接ビードを重畳させていく動作である。
【００４６】
このスイッチバック動作は、前述の図１乃至図４で説明した溶接装置、溶接方法において、例えば、ＲＯＭ１５（図３参照）に、溶接線方向に前進・後退を繰り返しながら溶接トーチ２を移動させるよう、マニピュレータ１を動作制御するためのプログラムを格納しておけば実現可能である。そして、このようにスイッチバック動作を組合せた溶接を行う場合の制御手順は、先の図４と概ね同様であるが、ステップ１０２では、溶接線方向における「前進」及び「後退」のストローク長の組合わせパターンを、前述の溶接条件テーブルに組み込んでおき、設定されたストロークパターン（或いは一定値でも良い）に応じた指令信号をマニピュレータ１及び電源装置７に対し出力させる。また、この場合、ステップ１０８におけるギャップ検出周期としては、溶接線方向に対する「前進→後退→前進」の動作を１サイクルとし、この１サイクルの動作に要する時間をギャップ検出周期とするのが望ましい。
【００４７】
このような要領で、スイッチバック動作を行うウィービング溶接に本発明を適用することによって、上記同様の効果が得られることは勿論のこと、「後退」時に重畳される溶接ビードにより、更に確実に突合せ継手のルートギャップに対し溶融金属をブリッジさせることができる。従って、比較的ルートギャップが大きな場合であっても、比較的低い電力で容易にブリッジ溶接することができ、なおかつ、目違いが生じている場合でも、良好な裏ビードが形成された高い溶接品質を確保することができる。
【００４８】
また、ルートギャップ及び目違いの検出データが、ギャップ検出センサ１３により、オンラインで制御装置１０に入力される例を説明してきたが、これに限られず、オフラインで予め測定しておき、それを事前に入力する構成としても良い。また、突合せ継手の加工精度及び突合せ精度が高く、ルートギャップ及び目違いが生じていたとしても、それが溶接線方向にほぼ一定の場合、先の図４の制御フローにおいステップ１０８は省略しても良い。また、ステップ１０５，１０６で、それぞれ電極ワイヤ３の送給速度及びウィービング中心の補正量を演算し、ステップ１０７で、これら補正量を基に対応の指令信号を補正・出力する構成としたが、ステップ１０５，１０６にて対応の指令信号を補正・出力し、ステップ１０７を省略しても良い。これらの場合でも、同様の効果を得ることができる。
【００４９】
また、電極ワイヤ３のみでアーク溶接する場合を例に挙げたが、例えば、電極ワイヤ３に加えてフィラワイヤを設けたいわゆるダブルワイヤ方式の溶接装置にも、本発明は適用可能である。また、図１において、ワイヤ送給装置５をリール６側に設けたいわゆるプッシュ方式のものとして説明したが、溶接トーチ２側に設けるいわゆるプル方式のものとしても、これらを組合せたものとしても構わない。これらの場合も上記同様の効果を得ることができる。
【００５０】
なお、以上で説明してきた本発明の溶接装置及び溶接方法の実施の形態において、図４のステップ１０１が、請求項３に記載の「前記突合せ継手のルートギャップ及び目違い量を入力する第１の手順」に相当する。また、ステップ１０２が、同項記載の「この第１の手順の入力値を基に前記溶接トーチのウィービング幅及び移動速度、前記電極ワイヤの電力及び送給速度を設定し、設定したこれら溶接条件に従い、前記マニピュレータ及び電源装置に指令信号を出力する第２の手順」に相当し、ステップ１０５が、「前記電極ワイヤから生じるアークの長さがほぼ一定となるよう、前記電極ワイヤの送給速度の補正量を演算する第３の手順」に相当する。また、ステップ１０６が、同項記載の「前記溶接トーチのウィービング中心位置の適正位置までの補正量を演算する第４の手順」に相当し、ステップ１０７が、「前記第３及び第４で演算した各補正量を基に補正した指令信号を、前記電源装置及び前記マニピュレータにそれぞれ出力する第５の手順」に相当し、ステップ１０８，１０９が、「以上の第１乃至第５の手順を設定周期毎に繰り返し実行する第６の手順」に相当する。
【００５１】
また、図４のステップ１０２は、請求項７に記載の「前記突合せ継手のルートギャップ及び目違い量を基に、電極ワイヤのウィービング幅、移動速度、供給電力、送給速度を設定する第１の手順」にも相当する。また、ステップ１０５は、同項記載の「前記電極ワイヤから生じるアークの長さがほぼ一定となるよう、前記電極ワイヤの送給速度を補正する第２の手順」にも相当し、ステップ１０６は、「前記電極ワイヤのウィービング中心位置を補正する第３の手順」にも相当する。
【００５２】
更に、ギャップセンサ１３は、特許請求の範囲に記載の「前記マニピュレータにおける前記溶接トーチ近傍位置に設けられ、前記突合せ継手を構成する２つの母材間のルートギャップ及び目違い量を検出し、前記制御装置に出力するギャップ検出手段」を構成する。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、ルートギャップ及び目違いを有する突合せ継手を対象とし、裏当て材を使用せずに溶融金属をブリッジさせる場合であっても、突合せ継手を構成する双方の母材のルートエッジ付近に溶融金属を確実に付着させることができるので、良好な裏ビードを有する高品質な溶接を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の溶接装置の一実施の形態の全体構成を表す概略図である。
【図２】本発明の溶接装置及び溶接方法の一実施の形態の制御概念の説明図である。
【図３】本発明の溶接装置の一実施の形態に備えられた制御装置の概略構成を表すブロック図である。
【図４】本発明の溶接装置の一実施の形態に備えられた制御装置に格納したプログラムによる制御手順のフローチャートである。
【図５】本発明の溶接装置及び溶接方法において、電極ワイヤをウィービングとスイッチバックとを組合せて動作させた場合の動作を、概念的に説明するための説明図である。
【符号の説明】
１ マニピュレータ
２ 溶接トーチ
３ 電極ワイヤ
５ ワイヤ送給装置
７ 電源装置
８ 突合せ継手
８ａ，ｂ 母材
１０ 制御装置
１３ ギャップセンサ（ギャップ検出手段）
Claims (5)
- ルートギャップを有する突合せ継手をアーク溶接する溶接装置において、
電極ワイヤを挿通した溶接トーチを溶接線に対しウィービングさせながら移動可能に把持したマニピュレータと、
前記電極ワイヤに電力を供給する電源装置と、
前記溶接トーチに前記電極ワイヤを送給するワイヤ送給装置と、
前記マニピュレータ及び前記電源装置を制御する制御装置と、
前記マニピュレータの前記溶接トーチ近傍位置に設けられ、前記突合せ継手を構成する２つの母材間のルートギャップ及び当該２つの母材の下面の食い違い量である目違い量を検出し前記制御装置に出力するギャップ検出手段とを備え、
前記制御装置は、
前記ギャップ検出手段からの前記突合せ継手のルートギャップ及び目違い量を入力する入力手順と、
入力された前記ルートギャップ及び目違い量を基に前記溶接トーチのウィービング幅及び移動速度、前記電極ワイヤの電力及び送給速度を設定し、設定したこれら溶接条件に従い、前記マニピュレータ及び電源装置に指令信号を出力する溶接実行手順と、
溶接中に前記電源装置によって前記電極ワイヤに印加されたウィービング１周期分の電圧の積分値が直前のウィービング１周期よりも大きい場合には前記ワイヤ送給装置によるワイヤ送給速度の上昇量を前記積分値の差分に応じて前記電極ワイヤの先端位置の下降量として演算し、小さい場合にはワイヤ送給速度の下降量を前記積分値の差分に応じて前記電極ワイヤの先端位置の上昇量として演算するワイヤ先端位置補正量演算手順と、
ウィービング中心を境界として両母材のそれぞれの側について前記電極ワイヤに印加された電流及び電圧の積分値をそれぞれ演算し、ウィービング中心の両側の電流及び電圧の積分値の各偏差が小さくなるように前記溶接トーチのウィービング中心位置の補正量を演算するウィービング中心補正量演算手順と、
前記ワイヤ先端位置補正量演算手順及び前記ウィービング中心補正量演算手順で演算した各補正量を基に演算した指令信号を前記電源装置及び前記マニピュレータにそれぞれ出力する補正実行手順と
を繰り返し実行可能なプログラムを格納したこと、
前記ルートギャップをＷ０、目違い量をＭ、前記母材の開先角度をθとした場合、前記溶接実行手順で設定される前記ウィービング幅Ｗ１が、
Ｗ１＝Ｗ０−Ｍ×ｔａｎ（θ／２）
であること
を特徴とする溶接装置。 - 請求項１記載の溶接装置において、前記ワイヤ先端位置補正量演算手順で、前記制御装置は、ワイヤ送給速度の上昇量又は下降量の代わりに前記マニピュレータによる前記溶接トーチの高さの下降量又は上昇量を演算することを特徴とする溶接装置。
- 請求項１又は２項記載の溶接装置において、前記マニピュレータに対し、前記溶接トーチを溶接線方向に繰り返し進退させつつ溶接ビードを形成するスイッチバック動作を実行させるプログラムを前記制御装置に更に格納したことを特徴とする溶接装置。
- ルートギャップを有する突合せ継手をアーク溶接する溶接方法において、
前記ギャップ検出手段からの前記突合せ継手のルートギャップ及び当該突合せ継手の下面の食い違い量である目違い量を入力する入力手順と、
入力された前記ルートギャップ及び目違い量を基に溶接トーチのウィービング幅及び移動速度、電極ワイヤの電力及び送給速度を設定し、溶接を実行する溶接実行手順と、
溶接中に前記電極ワイヤに印加されたウィービング１周期分の電圧の積分値が直前のウィービング１周期よりも大きい場合にはワイヤ送給速度の上昇量を前記積分値の差分に応じて前記電極ワイヤの先端位置の下降量として演算し、小さい場合にはワイヤ送給速度の下降量を前記積分値の差分に応じて前記電極ワイヤの先端位置の上昇量として演算するワイヤ先端位置補正量演算手順と、
ウィービング中心を境界として両母材のそれぞれの側について前記電極ワイヤに印加された電流及び電圧の積分値を演算し、ウィービング中心の両側の電流及び電圧の積分値の各偏差が小さくなるように前記溶接トーチのウィービング中心位置の補正量を演算するウィービング中心補正量演算手順と、
前記ワイヤ先端位置補正量演算手順及び前記ウィービング中心補正量演算手順で演算した各補正量を基に前記電極ワイヤの先端の高さとウィービング中心位置を補正する補正実行手順と
を繰り返し実行すること、
前記ルートギャップをＷ０、目違い量をＭ、前記母材の開先角度をθとした場合、前記溶接実行手順で設定される前記ウィービング幅Ｗ１が、
Ｗ１＝Ｗ０−Ｍ×ｔａｎ（θ／２）
であること
を特徴とする溶接方法。 - 請求項４記載の溶接方法において、前記ワイヤ先端位置補正量演算手順で、ワイヤ送給速度の上昇量又は下降量の代わりに前記溶接トーチの高さの下降量又は上昇量を演算することを特徴とする溶接方法。
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