JP4788094B2

JP4788094B2 - 自動溶接装置

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Publication number: JP4788094B2
Application number: JP2003127643A
Authority: JP
Inventors: 昭慈今永; 光明羽田; 信雄柴田; 辰郎関; 宏夫小出
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-05-06
Filing date: 2003-05-06
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2023-05-06
Also published as: JP2004330227A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多層盛溶接及び溶接パス毎のビード継ぎが必要な厚板管材の開先継手を非消耗性電極による溶接トーチでパルスアーク溶接又は直流アーク溶接を行う自動溶接装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
容器や配管や案内管など円形又は楕円形をした管材の開先継手の円周溶接を行う場合、溶接開始部と終了部とのビード継ぎ溶接が必要である。特に、厚板管材の開先継手では、多層盛の円周溶接及び溶接パス毎のビード継ぎ溶接が必要である。また、ステンレス材などの高級材料を溶接する場合には、高品質な溶接結果が求められ、一般に非消耗性のタングステンを電極にするパルスアーク溶接や直流アーク溶接が用いられている。このパルスアーク溶接や直流アーク溶接の場合においても、円周多層盛溶接及びビード継ぎに適した制御を行う必要がある。
【０００３】
従来からビード継ぎ溶接に関する制御方法が幾つか提案されている。例えば、特許文献１の円周溶接方法では、溶接ワイヤを電極にするアーク溶接を用い、溶接開始の始端ビードと溶接終了の終端ビードとのラップ区間の溶接終端部で流す溶接電流を本溶接区間の溶接電流値より大きくして前記始端ビードを終端ビードに溶け込ませることが提案されている。
【０００４】
また、特許文献２の溶接始終端処理方法では、円周方向に溶接が進行して溶接始端の手前の位置に到達した時に、溶接トーチの向きを溶接始端側に傾斜移動させると同時に電流を増加させて始端形状を滑らかに修正し、溶接トーチの向きを元に戻した後に定常作業により溶接終端を溶接始端に重ねることが提案されている。
【０００５】
また、特許文献３の固定管の片面突き合せ溶接方法では、左半周と右半周の溶接を各々受け持つ２本の溶接トーチを配置し、溶接の開始時と終了時に各溶接トーチを傾動及び溶融プールを一体化させてビード始端継ぎ及びビード終端継ぎを行うことが提案されている。
【０００６】
また、特許文献４の溶接方法及び溶接構造では、溶接ビードの終端位置で、溶接トーチの進行を一旦停止させ、少なくとも溶接進行方向の後方に生じている溶融プールの長さ分、溶接トーチを逆戻りさせ、その逆戻り終端位置でクレータ処理を施すことが提案されている。
【０００７】
また、特許文献５のビード継ぎ重ね溶接の制御方法では、ビード継ぎの組合せを事前に決め、ビード継ぎ重ね溶接の開始側では、前記既存溶接のビード終端部の凹み始めた位置より小電流・電圧のアークを発生させると共に溶接トーチを走行させた後に、その小電流アークから定常溶接の高電流・高電圧のアークに移行させると共に溶接速度を一旦高速に切り換え、その後、高速から低速の定常速度に移行させてアーク溶接するようにし、また、前記既存溶接のビード始端部に対するビード継ぎ重ね溶接の終了側では、溶接トーチがそのビード始端境界位置に到達して所定距離走行後に、アーク溶接の電流・電圧を減少及び溶接トーチの走行を一時停止させ、その後、小電流のアークを持続した状態のままで溶接トーチを再び走行させて終点へ到達後にそのアーク溶接を終了することが提案されている。
【０００８】
一方、特許文献６の多層盛溶接の制御方法及び多層盛溶接では、光学式センサで検出する検出データ郡から抽出した未溶接面積より面積差分倍率を算出し、この面積差分倍率の特性に基づいて溶接速度と溶接電流又はワイヤ速度を増減制御すること、さらに、開先中心ずれに基づいてトーチ位置を修正制御することが提案されている。なお、溶接始終端のビード継ぎ溶接については、全く記載されていない。また、溶接トーチを左右に揺動させる制御についても記載されていない。
【０００９】
【特許文献１】
特開昭６２−２６７０７３号公報（特許請求の範囲）
【特許文献２】
特開平３−４２１７９号公報（特許請求の範囲）
【特許文献３】
特開平８−１５５６３８号公報（要約，特許請求の範囲）
【特許文献４】
特開平１０−０９９９６５号公報（要約，特許請求の範囲）
【特許文献５】
特開平１１−０７７３０５号公報（特許請求の範囲）
【特許文献６】
特開平１０−２１６９４０号公報（要約，特許請求の範囲）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１の場合には、融合不良のない溶接始終端ビードを得るための工夫がされている。しかしながら、始終端ビードのラップ区間で溶接電流を大きくしているため、溶融金属の増加（溶接ワイヤの増加）を伴い、溶接終端部のビード幅が広くなり、溶接外観が悪化する可能性がある。また、１パス仕上の円周溶接であり、２パス以上の多層盛溶接にそのまま適用できないものと推定される。
【００１１】
特許文献２の場合には、融合不良のない溶接始終端ビードを得るための制御に工夫がされており、一応の目的を達成し得る方法である。しかしながら、溶接ワイヤを電極にするアーク溶接であるため、非消耗性のタングステンを電極にするアーク溶接又はパルスアーク溶接が必要な開先継手の円周多層盛溶接に適用することができない。
【００１２】
特許文献３の場合には、左半周と右半周の振分け溶接における始端部同士のビード継ぎと終端部同士のビード継ぎを良好に行うための制御に工夫がされている。しかしながら、２つの溶接トーチを溶接開始時と終了時に傾斜移動させて各々のアーク及び溶融プールを一体化させると、電磁場の発生によるアーク同士の干渉やスパッタの多発や多重の溶融金属によるビード盛上りなどの不具合が生じる可能性がある。また、２つの溶接トーチを駆動制御する２組の溶接台車が必要であり、装置の大型化及び複雑な制御を要するという課題がある。
【００１３】
特許文献４の場合には、溶接終端部の凹みを防止するための制御に工夫がされている。しかしながら、特許文献１，２と同様に１パス仕上の円周溶接であるため、２パス以上の多層盛溶接にそのまま適用することができないものと推定される。また、溶接ワイヤを電極にするアーク溶接であるため、非消耗性のタングステンを電極にする直流アーク溶接又はパルスアーク溶接が必要な開先継手の円周多層盛溶接に適用することができない。
【００１４】
特許文献５は、本発明者らが提案したビード継ぎ重ね溶接の制御方法であるが、溶接ワイヤを電極にするアーク溶接を対象にしており、非消耗性のタングステンを電極にするアーク溶接ではない。
【００１５】
また、特許文献６は、本発明者らが提案した多層盛溶接の制御方法及び多層盛装置であり、溶接条件の制御及びトーチ位置の制御に有効であるが、ビード継ぎ部の条件制御が考慮されていない。したがって、溶接パス毎に良好な溶接始終端のビード継ぎ部及び円周溶接部を得るための新たな制御技術が必要である。
【００１６】
本発明の目的は、多層盛溶接及び溶接パス毎のビード継ぎが必要な厚板管材の開先継手からなる溶接製品に対して、非消耗性電極のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接により溶接パス毎に溶接開始部から定常溶接の円周部及び一周後の開始部と終端部とのビード継ぎ部まで欠陥のない平滑で良好な円周溶接ビードを得ることが可能な自動溶接装置を提供することにある。
【００２３】
本発明の自動溶接装置は、少なくとも２パス以上の多層盛溶接及び溶接パス毎の溶接開始部と溶接終了部とのビード継ぎが必要な厚板管材の開先継手を対象に、溶接パス毎の溶接開始位置及び溶接終了位置を各々設定して非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接による溶接開始部と溶接終了部とのビード継ぎを行う自動溶接装置において、溶接前に基準となるトーチ基準位置を前記開先継手の所望の開先中心位置に設定する基準位置教示手段と、前記トーチ基準位置を基にして、初層１パス目の溶接開始位置を前記トーチ基準位置と同じ位置に設定すると共に、初層後の２パス目から最終層Ｎパス目までの各溶接開始位置を前記トーチ基準位置より溶接線方向に第１の所定角度ずつ又は第１の所定距離ずつ前進させた位置又は後退させた位置に各々設定し、初層１パス目から最終層Ｎパス目までの各溶接終了位置を前記各溶接開始位置から溶接線方向に一周させた位置より第２の所定角度又は第２の所定距離だけ前進させた位置に各々設定する溶接始終端位置算出手段と、溶接パス毎にずらした前記溶接開始位置より前記アーク溶接の開始動作をさせ、その後、定常溶接中の溶接トーチが溶接線一周後の前記溶接開始位置を通過して所定の前記溶接終了位置に到達する毎に、溶接ビード継ぎ動作をさせると共に、定常溶接区間で定常の溶接動作をさせる溶接動作及び条件出力制御手段とを設けて、円周多層盛溶接における溶接パス毎の溶接開始部と溶接終了部とのビード継ぎを同一方向に順次ずらした位置で行うことを特徴とする。
【００３５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の円周多層盛溶接のビード継ぎ方法に係わる自動溶接装置を示す構成図である。円周の開先継手１を有する一対の厚板管材（母材）６ａ，６ｂを回転装置９に設置し、所望の速度で回転できるようにしている。開先継手１の上部には、非消耗性電極４を有する溶接トーチ３と溶接中に送給するワイヤ５とを配置している。また、溶接トーチ３前方の開先継手１の上面位置に視覚センサ７ａも配置している。溶接トーチ３とワイヤ５は、駆動装置１１により上下方向及び左右方向の任意位置に可動できるようにしている。ＴＩＧ溶接電源１２には、トーチケーブル１７を経由して溶接トーチ３にシールドガスを供給するためのガスボンベ１４と、冷却水を循環するための冷却水循環装置とが接続されている。シールドガスはアーク溶接部及び非消耗性の電極を大気から保護するための不活性ガスであり、例えばＡｒガスを使用している。Ａｒガスの代わりにＡｒ＋Ｈ₂ 混合ガスやＨｅガスを使用することも可能である。また、ＴＩＧ溶接電源１２には、溶接トーチ３と開先継手１の間にアークを発生させ、所望の大きさの電流を出力給電できるように給電ケーブル１５ａ，１５ｂが接続されている。画像処理装置８は、センサ制御７ｂを経由して視覚センサ７ａによって撮像する開先断面画像を処理して、開先肩幅、開先深さ，ギャップ，ビード幅，開先中心ずれなどを検出できるようにしている。溶接制御装置１０は、溶接を実行する時に駆動装置１１を経由して溶接トーチ３及びワイヤ５を制御し、ＴＩＧ溶接電源１２の出力を制御し、視覚センサ７ａと一対の画像処理装置８に指令して検出データを情報処理し、溶接パス毎の溶接条件パラメータ，溶接始終端条件，溶接トーチ３位置を制御し、溶接の開始から終了に至る一連の動作及び構成機器を統括管理するものである。また、この溶接制御装置１０には、溶接パス毎の定常溶接区間で出力すべき溶接条件パラメータ，溶接開始区間及び終了区間で出力すべき溶接始終端条件，溶接の制御や計算に用いる各定数及び補正データなどの書込み設定及び引出し可能な溶接データファイルを具備している。この溶接データファイルに基づいて、溶接パス毎のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接の制御を行うことができるようにしている。さらに、視覚センサ７ａ及び画像処理装置による検出データに基づいて、ウィービング幅の適応制御，溶接速度の適応制御，トーチ位置の修正制御を行うこともできるようにしている。
【００３６】
図２は、図１に示した厚板管材６ａ，６ｂの開先継手１の一つであるＵ開先の多層盛溶接を示す断面図である。図２(１）は４層４パス溶接の場合、図２(２）はさらにパス数の多いＮ層Ｎパス溶接（例えばＮ＝８パス，Ｐ＝１ to Ｎ）の場合を示している。図中に記載の番号は溶接順位のパス番号である。また、記号のＴは板厚、ｆは開先底部のルートフエイス、Ｄは管内径、ｈ１，ｈ２〜ｈ(ｐ)は積層溶接すべきパス毎のビード高さ（例えば２〜３mm程度）を示している。また、●印はパス毎の溶接トーチ位置であり、例えば、初層１パス目の左右上下方向のトーチ位置はＱ１（Ｙ１，Ｚ１）で示し、最終層Ｎパス目の左右上下方向のトーチ位置はＱｐ（Ｙｐ，Ｚｐ）で示している。左右方向の各トーチ位置Ｙ１〜Ｙｐはほぼ開先中心位置であり、上下方向の各トーチ位置は、前層溶接までの各ビード高さを累計した累計高さ位置である。
【００３７】
図３は、溶接前に行うトーチ基準位置の設定方法を示す図である。図１に示した溶接制御装置１０と一対の操作ボックス（省略）からの手動操作により溶接トーチ３及び母材６ａ，６ｂを可動させて、溶接トーチ３の電極４先端を開先継手１内の開先中心位置に合せて位置教示する。教示した○印の位置が円周多層盛溶接におけるトーチ基準位置（Ｘｏ，Ｙｏ，Ｚｏ）となる。
【００３８】
図４は、円周多層盛溶接のビード継ぎ方法に係わる溶接パス毎のトーチ位置の設定を示す説明図である。Ｘｏは溶接線方向のトーチ基準位置（○印）であり、図３に示したように溶接前に管材の開先継手１（母材）の所望の開先中心位置に教示している。１ｗ１〜１ｗ４は溶接パス毎の溶接線であり、矢印の方向１６に母材を回転させながら円周多層盛及びパス毎のビード継ぎ溶接を行う場合の一実施例である。Ｘｓ１〜Ｘｓ４は溶接パス毎の溶接開始位置（●印）であり、Ｘｅ１〜Ｘｅ４は円周の溶接線を一周させた後の溶接終了位置（◆印）である。また、Ｃｅは溶接パス毎の開始位置Ｘｓ１〜Ｘｓ４と終了位置Ｘｅ１〜Ｘｅ４との距離を示す始終端重ね長さであり、例えば１０〜２０mm程度にするとよい。初層１パス目の開始位置Ｘｓ１は、トーチ基準位置Ｘｏと同じ位置に設定している。また、初層後の２パス目からＮパス目（Ｎ＝４）までの各溶接開始位置Ｘｓ２〜Ｘｓ４は、所定角度α１ずつ前進させた位置にしている。この前進角度α１の値は、例えば１０〜２０度程度にするとよい。
【００３９】
初層１パス目の溶接から最終層Ｎパス目（Ｐ＝１ to Ｎ）の溶接まで各溶接開始位置Ｘｓ(ｐ)は、下記の（１）式で求められる。同様に、パス毎の溶接終了位置Ｘｅ(ｐ)は、（１）式より算出するパス毎の溶接開始位置Ｘｓ(ｐ)より円周の溶接線を一周させた位置より始終端重ね長さＣｅだけ前進させた位置であり、（２）式で求められる。なお、Ｄｗ(ｐ)はパス毎（Ｐ＝１ to Ｎ）の前層溶接の表面外径であり、溶接すべき開先継手の管内径をＤ，開先底部のルートフェイスをｆ，パス毎に積層すべき前層までの累計ビード高さＨｂ(ｐ−１)とすると、下記の（３）式で算出することができる。
【００４０】
溶接開始位置：Ｘｓ(ｐ)＝Ｘｏ＋（Ｎ−１）＊α１ …（１）
溶接終了位置：Ｘｅ(ｐ)＝Ｘｓ(ｐ)＋３６０＊[１＋Ｃｅ／(π＊Ｄｗ(ｐ))]…（２）
前層溶接の表面外径：Ｄｗ(ｐ)＝Ｄ＋２＊（ｆ＋Ｈｂ(ｐ−１)） …（３）
このように算出することによりパス毎の溶接開始位置Ｘｓ(ｐ)と終了位置Ｘｅ(ｐ)を正確に設定でき、溶接パス毎の開始位置及び終了位置とを一箇所に集中させないで各々分散することができる。また、各々分散した位置で溶接の開始部と終端部とのビード継ぎ溶接が行え、所望の溶接始端ビードが形成可能になる。所定角度α１の代わりに所定距離Ｌ１ずつ前進させた位置又は後退（−α１か−Ｌ１を代入する）させた位置を算出して設定することも容易にできる。
【００４１】
上述したパス毎の溶接開始位置Ｘｓ(ｐ)及び終了位置Ｘｅ(ｐ)は、始終端位置算出手段によって算出可能であり、溶接制御装置１０の内部の配備すればよい。また、この算出結果を例えば溶接データファイルに記録保存し、溶接を実行する時に、この溶接データファイルを引出して使用するとよい。
【００４２】
図５は、図４に示したトーチ位置の設定方法と異なる設定方法を示す説明図であり、各記号は同じである。ここでは、奇数番号の溶接パス（Ｐ＝１，３）に相当する溶接開始位置（Ｘｓ１，Ｘｓ３）をトーチ基準位置Ｘｏ（○印）より溶接線方向に所定角度α１だけ前進させた位置（●印）に設定している。これに対して、偶数番号の溶接パス(Ｐ＝２，４)に相当する溶接開始位置(Ｘｓ２，Ｘｓ４)は、前記奇数番号の開始位置と異なる正反対の位置（●印）に設定している。したがって、溶接パス毎（Ｐ＝１ to Ｎ）の開始位置Ｘｓ(ｐ)は、下記の（４）式及び（５）式で求められる。また、パス毎の溶接終了位置（Ｘｅ１〜Ｘｅ４）は、（４）式及び（５）式で算出した開始位置Ｘｓ(ｐ)より円周の溶接線を一周させた位置より始終端重ね長さＣｅだけ前進させた位置（◆印）であり、上述した（２）式及び（３）式より算出できる。
【００４３】
奇数番号の溶接開始位置：Ｘｓ(ｐ)＝Ｘｏ＋α１ …（４）
偶数番号の溶接開始位置：Ｘｓ(ｐ)＝Ｘｏ−α１ …（５）
このように算出することによりパス毎の溶接開始位置Ｘｓ(ｐ)と終了位置Ｘｅ(ｐ)を正確に設定でき、溶接パス毎の開始位置及び終了位置とを一箇所に集中させないで２箇所以上に分散することができる。また、分散した２箇所以上の各位置で溶接の開始部と終端部とのビード継ぎ溶接が行え、所望の溶接始端ビードが形成可能になる。所定角度α１の代わりに所定距離Ｌ１を代入し算出してもよい。また、奇数番号の開始位置をα１と少し異なるα２だけ後退させた位置に変更することも容易である。
【００４４】
図６は、円周多層盛溶接のビード継ぎ方法を示す条件制御ブロック線図である。図６（１）と（３）には、円周溶接の終了側と開始側とで制御するパルスアーク溶接の電流３１波形，電圧３２波形，溶接トーチを左右に揺動させるウィーブ幅３３（ウィービング幅），ワイヤ５の送り速度３４，溶接速度３５（回転速度に該当）の溶接パラメータ及び溶接始終条件を示している。また、図６（２）には、溶接開始側の始端ビード２ｓ，定常溶接部の溶接ビード２，始端ビード２ｓとのビード継ぎをする溶接終端側の終端ビード２ｅの様子を示している。Ｘｓ（●印）は、図４及び図５に示した溶接パス毎の溶接開始位置（Ｘｓ１，Ｘｓ２，Ｘｓ３，Ｘｓ４に該当）であり、また、Ｘｅ（◆印）は溶接線一周後の終了位置（Ｘｅ１，Ｘｅ２，Ｘｅ３，Ｘｅ４に該当）である。Ｃｅは開始位置Ｘｓと終了位置Ｘｅとの距離を示す始終端重ね長さである。
【００４５】
すなわち、図６（２）（３）に示すように円周溶接の開始側では、シールドガス流出（省略）の雰囲気内で開始点Ｘｓ（●印）の位置より溶接トーチ３先端の非消耗性電極４と母材（開先継手１）との間に小電流Ｉｓのアークを発生させ、アップスロープ時間Ｔ２経過後にパルスアークのピーク電流Ｉ，ベース電流Ｉｂに到達させ、溶接トーチ３を左右に揺動（ウィーブ幅Ｕｗ）させる。該溶接トーチ３の揺動は、ピーク電流Ｉｐの時間Ｔｐとベース電流Ｉｂの時間Ｔｂとに同期させている。溶接開始位置の直下の開先低部又は前層溶接のビード表面部を徐々に溶融して所望の大きさの溶融プールが形成できる。その後に、アーク中及び溶融プール内にワイヤを送給Ｗｐ，Ｗｂすると共に、所定速度Ｖで母材を回転走行させながら定常状態の円周溶接を行う。
【００４６】
このように溶接条件を適正に制御することにより、溶接開始部の余盛り高さの緩やかな始端ビード２ｓが良好に形成できると共に、開先内の両壁に融合不良やアンダーカットのない滑らかで良好な円周溶接ビード２が形成できる。
【００４７】
一方、図６（１）に示したように、始端ビード２ｓとのビード継ぎが必要な溶接終了側では、終了位置Ｘｅ（◆印）に溶接トーチが到達した地点で、ピーク電流Ｉｐ，ベース電流Ｉｂをダウンスロープさせると共に、ワイヤ送りＷｐ，Ｗｂを停止させる。ワイヤ送りの停止直後に、ワイヤ５先端を短時間Ｔ７又は所定長さだけ引き戻して溶融プールから引上げる。走行停止遅れ時間Ｔ８後に母材の回転走行を停止させ、ダウンスロープ時間Ｔ６経過後に小電流Ｉｅのアークを停止させる。その後に、省略してあるシールドガスを停止し、溶接トーチ３を上昇回避させる。例えば図７に示すパス毎の定常溶接部で出力すべき溶接条件パラメータや、図６に示した溶接開始部及び終了部で出力すべき溶接始終条件を事前に作成する溶接データファイルに記録保存するとよい。
【００４８】
このように溶接条件を制御することにより、ワイヤを電極にする従来のアーク溶接の溶融形態及び溶接ビード形状と異なり、溶接パス毎に溶接開始部から定常溶接の円周部及び一周後の開始部と終端部とのビード継ぎ部まで欠陥のない平滑で良好な円周溶接ビードを得ることができる。同時に、ワイヤ先端の母材溶着を未然に防止し、溶接トーチの外周部又は該溶接トーチ先端の電極と母材との接触を防止することもできる。また、溶接データファイルに基づいてパルスアーク溶接又は直流アーク溶接の制御を行うことにより、溶接パス毎に溶接開始から定常溶接及び終了まで一連の溶接動作及び制御を確実に実行することができる。
【００４９】
なお、図６（１）（３）に示したアップスロープ時間Ｔ２及びダウンスロープ時間Ｔ６における傾斜状の電流波形をパルス状の電流波形に変更してもよい。また、パルスアーク溶接の代わりに直流アーク溶接を用いて、平均電流と平均ワイヤ送りを出力させて円周溶接及び始終端のビード継ぎを良好に行うことも可能である。また、母材側を回転走行させる代わりに溶接台車に搭載する溶接トーチ３を回転走行させて、上述の円周多層盛溶接及びビード継ぎを行うことも可能である。
【００５０】
図８は、図３に示したトーチ基準位置の設定後に行うセンサ基準位置の設定方法を示す検出図である。上述したトーチ基準位置（Ｘｏ，Ｙｏ，Ｚｏ）又はこの位置近傍に視覚センサ７ａを相対移動させ、この視覚センサ７ａと一対の画像処理装置８にセンサ基準位置の検出及び設定を行わせる。開先形状断面の線画像３６，３７を画像処理して検出した開先の肩幅中心位置及び低部中心位置をセンサ基準位置（Ｙｓ＝０，Ｚｓ＝０）にしている。このセンサ基準位置の検出設定により、円周溶接における開先部の中心位置ずれ（ΔＹｓ，ΔＺｓ）を溶接中に検出することができる。
【００５１】
図９は、任意の充填溶接時に検出される開先部の開先形状寸法及び開先中心位置ずれを示す検出図である。視覚センサ７ａと一対の画像処理装置８により開先形状断面の線画像３６，３７を画像処理し、開先上面部の開先肩幅Ｗｓ，段違いｋｓ，開先底部のビード幅Ｂｓ，開先底部までの深さＨｓ，開先内の断面積Ａｓ，初期設定のセンサ基準位置（Ｙｓ＝０，Ｚｓ＝０）との中心位置ずれΔＹｓ，ΔＺｓをリアルタイムで検出する。初層溶接時には、ビード幅Ｂｓの代わりにギャップ幅Ｇｓを検出すればよい。これらの検出データは溶接制御装置１０で各々の値を分類し平均化処理している。また、平均化処理の検出データに基づいて、トーチ位置の修正量やウィービング幅の制御量や溶接速度の制御量をリアルタイムで計算処理して制御するようにしている。このように検出データ処理及び計算処理することにより溶接条件の適応制御及びトーチ位置の修正制御が可能になる。
【００５２】
次に、円周多層盛溶接で必要なウィービング動作の制御方法について説明する。図１０は、溶接中のウィービング幅とビード高さの制御方法を示す図である。充填層溶接（Ｐ＝２ to Ｎ−１又はＮ−２）の時は、ビード幅Ｂｓの検出値を平均化処理［Ｂｓ＝（Ｂｓ１＋Ｂｓ２＋・・＋Ｂｓａ）／ａ］して用い、このビード幅Ｂｓの大きさに比例させてウィービング幅Ｕｗを広くする。１パス目の初層溶接（Ｐ＝１）の時には、ギャップ幅Ｇｓの検出値を平均化処理［Ｇｓ＝（Ｇｓ１＋Ｇｓ２＋・・＋Ｇｓａ）／ａ］して用い、このギャップ幅Ｇｓが大きい（Ｇｓ＞Ｃ１）時にウィービング幅Ｕｗを適正に増減制御する。ギャップ幅Ｇｓが小さい（０≦Ｇｓ≦Ｃ１）時には、ウィービング幅Ｕｗを０にしてウィービングを停止にする。初層溶接及び充填層溶接のウィービング幅Ｕｗは下記の（６）式〜（８）式で求められる。ただし、Ｃ１，Ｃ２はウィービングの幅定数である。
【００５３】
一方、最終層の仕上げ溶接（Ｐ＝Ｎ）や仕上げ前の前層溶接（Ｐ＝Ｎ−１）の時には、検出が困難になる可能性があるため、ここでは、視覚センサ７ａ及び画像処理装置による検出動作を停止して、最後に検出及び制御した前層溶接で記録（例えばＰｋ＝Ｎ−２のパス）した検出データを再使用する。開先肩幅Ｗｓの検出値を平均化処理［Ｗｓ＝（Ｗｓ１＋Ｗｓ２＋・・＋Ｗｓａ）／ａ］して用い、この開先肩幅Ｗｓの大きさに比例させてウィービング幅Ｕｗを広くする。最終仕上層のウィービング幅Ｕｗは（９）式で求められる。ただし、Ｃ３はウィービングの幅定数である。さらに、溶接パス毎の揺動速度Ｖｕは、図６で述べたベース時間Ｔｂ（又は左右停止時間）に関係しており、（１０）式で求められる。このように計算して制御することにより、ギャップＧｓ又はビード幅Ｂｓ，開先肩幅Ｗｓが変化する開先継手であっても、溶接トーチを左右に揺動させるウィービング幅Ｕｗを適正に制御でき、開先両壁部で生じ易いアンダーカットや溶融不良を防止して良好な溶接ビードを得ることができる。
【００５４】
初層のウィービング幅（Ｇｓ＞Ｃ１の時）：Ｕｗ＝Ｇｓ−Ｃ１ …（６）
初層のウィービング幅（０≦Ｇｓ≦Ｃ１の時）：Ｕｗ＝０ …（７）
充填層のウィービング幅：Ｕｗ＝Ｂｓ−Ｃ２ …（８）
仕上層のウィービング幅：Ｕｗ＝Ｗｓ−Ｃ３ …（９）
パス毎の揺動速度：Ｖｕ＝Ｕｗ／Ｔｂ …（１０）
次に、充填層（Ｐパス目）の溶接中のビード高さｈ(ｐ)が一定になるように溶接すべき溶着面積Ｓ及び溶接速度Ｖを算出して適正に制御する方法について説明する。図９において、Ｈｓは溶接されていない残存部分の開先深さを平均化処理［（Ｈｓ＝Ｈｓ１＋Ｈｓ２・・＋Ｈｓａ）／ａ］した検出値であり、また、Ｈｂ(ｐ−１)は前層溶接までに積層予定の累計ビード高さ、Ｓ(ｐ)はＰパス目の溶接で予定している基準溶着面積、Δｈはビード高さずれである。このビード高さずれΔｈは、残存部分の開先深さＨｓと板厚Ｔとルートフエイスｆと前層溶接までの累計ビードＨｂ(ｐ−１)に関係しており、下記の（１１）式より求められる。また、溶接すべき溶着面積Ｓは、該当溶接パス（Ｐパス目）の基準溶着面積Ｓ(ｐ)とビード高さずれΔｈに相当する部分の面積とを加算した値になり、(１２)式より求められる。したがって、適応制御に必要な溶接速度Ｖは、(１１)(１２)式で算出したビード高さずれΔｈ及び溶着面積Ｓと、該当溶接パス（Ｐパス目）で溶接部分に送給すべき平均ワイヤ送り速度Ｗｆ(ｐ)［平均値：Ｗｆ(ｐ)＝（Ｗｐ＊Ｔｐ＋Ｗｂ＊Ｔｂ）／（Ｔｐ＋Ｔｂ）］とに関係しており、（１３）式より求められる。ただし、Ｃ４は面積補正定数、Ｃ５はワイヤ溶着率係数、ｄはワイヤ径、θは開先角度である。これらの算出式や定数を用いて計算及び制御する算出制御手段（省略）は溶接制御装置１０の内部に配備すればよい。
【００５５】
ビード高さずれ：Δｈ＝Ｈｓ−Ｔ＋ｆ＋Ｈｂ(ｐ−１) …（１１）
溶着面積：Ｓ＝Ｓ(ｐ)＋Ｃ４＊Δｈ＊（Ｂｓ＋Δｈ＊tan(θ／２)）…（１２）
溶接速度：Ｖ＝（１０＊ｄ＊ｄ＊π＊Ｃ５＊Ｗｆ(ｐ)）／（４＊Ｓ）…（１３）
上述したように最終層の仕上溶接(Ｐ＝Ｎ）や仕上前の前層溶接(Ｐ＝Ｎ−１）の時には、視覚センサ７ａ及び画像処理装置による検出動作を停止して、最後に検出及び制御した前層溶接で記録（例えばＰｋ＝Ｎ−２のパス）した検出データ（平均化処理後の検出値）を再使用する。また、ビード高さずれΔｈを算出する時には、上記累計ビード高さＨｂ(ｐ−１)の代わりに、再使用する検出データの前層溶接までの累計ビード高さＨｂ（ｐｋ−１）を（１１）式に代入すればよい。また、最終仕上層（Ｐ＝Ｎ）で溶接すべき溶着面積Ｓは、下記の（１４）式で概算することができる。最終仕上層の溶接速度Ｖは（１４）式で算出した溶着面積Ｓを上記の（１３）式に代入して算出すればよい。ただし、ｈｓは仕上ビード高さ、ｂ１は仕上ビードの幅定数である。
【００５６】
仕上層の溶着面積：Ｓ＝ｈｓ＊（Ｗｓ＋ｂ１）＊２／３ …（１４）
このように計算して制御することにより、残存部分の開先深さＨｓやビード幅Ｂｓや開先肩幅Ｗｓが変化する開先継手であっても、ビード高さずれΔｈをなくすように溶着面積Ｓ及び溶接速度Ｖを適正に制御でき、積層ビード高さが均一で平滑な溶接ビードを得ることができる。また、センサによる検出が困難になり易い最終仕上層の溶接や仕上前の前層溶接であっても、最後に検出及び制御した前層溶接で記録した検出データを再使用することにより、適正な溶着面積Ｓ及び溶接速度Ｖを算出して確実に制御することができる。
【００５７】
溶接パス毎の左右トーチ位置Ｙ（ワイヤ位置も含む）の制御については、図８に示した開先中心ずれΔＹｓをなくす方向に位置修正することにより、トーチ位置及びワイヤ位置を適正な開先中心位置に制御することができる。また、溶接パス毎の上下トーチ位置（ワイヤ位置も含む）の制御については、図８に示した上下方向の位置ずれΔＺｓをなくす方向に位置修正するとよい。又は溶接中のアーク長がほぼ一定になるようにアーク電圧Ｅａを検出してトーチ高さを修正制御することも可能である。このようにトーチ位置を修正制御することにより、溶接線の曲がりやずれがある開先継手であっても、トーチ位置を適正な位置に修正制御でき、良好な溶接結果を得ることができる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、厚板管材の開先継手に対して、溶接パス毎に溶接開始部から定常溶接の円周部及び一周後の開始部と終端部とのビード継ぎ部まで欠陥のない平滑で良好な円周溶接ビードを得ることができる。また、ギャップや開先肩幅が変化、溶接線の曲がりやずれがある開先継手であっても、溶接条件の適応制御，トーチ位置の修正制御によって自動溶接することができ、溶接作業の工数低減，生産性の向上や省力化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】円周多層盛溶接のビード継ぎ方法に係わる本発明の自動溶接装置を示す構成図である。
【図２】図１に示した厚板管材６ａ，６ｂの開先継手１の一つであるＵ開先の多層盛溶接を示す断面図である。
【図３】溶接前に行うトーチ基準位置の設定方法を示す図である。
【図４】円周多層盛溶接のビード継ぎ方法に係わる溶接パス毎のトーチ位置の設定を示す説明図である。
【図５】図４に示したトーチ位置の設定方法と異なる設定方法を示す説明図である。
【図６】円周多層盛溶接のビード継ぎ方法を示す条件制御ブロック線図である。
【図７】溶接パス毎の溶接条件パラメータを示す溶接データ図である。
【図８】図３に示したトーチ基準位置の設定後に行うセンサ基準位置の設定方法を示す検出図である。
【図９】任意の充填溶接時に検出される開先部の開先形状寸法及び開先中心位置ずれを示す検出図である。
【図１０】溶接中のウィービング幅とビード高さの制御方法を示す図である。

Claims

少なくとも２パス以上の多層盛溶接及び溶接パス毎の溶接開始部と溶接終了部とのビード継ぎが必要な厚板管材の開先継手を対象に、溶接パス毎の溶接開始位置及び溶接終了位置を各々設定して非消耗電極方式のパルスアーク溶接又は直流アーク溶接による溶接開始部と溶接終了部とのビード継ぎを行う自動溶接装置において、
溶接前に基準となるトーチ基準位置を前記開先継手の所望の開先中心位置に設定する基準位置教示手段と、
前記トーチ基準位置を基にして、初層１パス目の溶接開始位置を前記トーチ基準位置と同じ位置に設定すると共に、初層後の２パス目から最終層Ｎパス目までの各溶接開始位置を前記トーチ基準位置より溶接線方向に第１の所定角度ずつ又は第１の所定距離ずつ前進させた位置又は後退させた位置に各々設定し、初層１パス目から最終層Ｎパス目までの各溶接終了位置を前記各溶接開始位置から溶接線方向に一周させた位置より第２の所定角度又は第２の所定距離だけ前進させた位置に各々設定する溶接始終端位置算出手段と、
溶接パス毎にずらした前記溶接開始位置より前記アーク溶接の開始動作をさせ、その後、定常溶接中の溶接トーチが溶接線一周後の前記溶接開始位置を通過して所定の前記溶接終了位置に到達する毎に、溶接ビード継ぎ動作をさせると共に、定常溶接区間で定常の溶接動作をさせる溶接動作及び条件出力制御手段とを設けて、円周多層盛溶接における溶接パス毎の溶接開始部と溶接終了部とのビード継ぎを同一方向に順次ずらした位置で行うことを特徴とする自動溶接装置。