JP6692124B2 - 水平すみ肉溶接方法、水平すみ肉溶接システム及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、水平すみ肉溶接方法、水平すみ肉溶接システム及びプログラムに関する。

消耗電極式のアーク溶接方法を用いて、中または厚板（以下、中厚板）の水平すみ肉溶接を行う際には、脚長が大きく（以下、大脚長と称する）、広い幅のビードを確保することが求められる。大脚長や広い幅のビードを確保するためには、溶接電流の増加、もしくは溶接速度を低下するなどして、単位溶接長当たりの溶着量を増加させる必要がある。しかし、溶接電流を一定とし、溶接速度を低下させることで溶着量を増加させる場合は、生産効率が悪く、かつ適正な溶込みが得られない場合がある。一方、溶接速度を一定とし、溶接電流を上げて溶着量を増加させる場合は、溶融池の温度が高くなり粘性が低下する場合がある。この場合には、増加した溶着量と溶融池の粘性低下によって、立板側の溶融池が重力の影響で下板側に垂れるため、立板側と下板側の脚長が狙い通りと異なるといったようなビード外観不良や、母材にビードの端部が溶着せずに単に重なっただけの状態になるオーバーラップなどの溶接欠陥が発生することがあった。尚、一般的にすみ肉溶接とは、重ね継手、Ｔ字継手、角継手等においてほぼ直交する二つの面を溶接する三角形状溶接を指し、水平すみ肉溶接は、下向き水平姿勢にて行ったすみ溶接となる。

また、生産効率を上げるため、一般的には高溶接速度による溶接が行われるが、溶接速度を高めるに従って、単位溶接長当たりの溶着量を維持するために、溶接電流を増加させる必要がある。しかし、溶接電流を増加させる程、溶融池にかかるアーク力が大きくなり、アーク直下の溶融池が後方へ押し出された状態となり、立板側でアークによって掘られた溝に溶融金属が供給されず溝となって残るアンダーカットが発生したり、凝固後のビード形状が凸状の外観不良になったりする場合があった。
このように、すみ肉溶接における大脚長及び高速溶接では、ビード外観不良が発生したり、アンダーカットやオーバーラップといった溶接欠陥が発生したりする問題があった。

このような問題を解決するために、一般的には、アーク電圧を高く設定し、アーク長を広げることでアーク力を低減させ、ビード外観の改善を図る方法が用いられる。また、例えば、特許文献１には、ウィービングの両端で、アンダーカットが発生しない電流値まで溶接電流を落とし、ウィービング中央部を高電流にすることにより溶接速度を高速にする、あるいは、ウィービングの両端で溶接電流を上げることにより開先壁の溶込みを改善する技術が開示されている。

ここで、ウィービングとは、溶接トーチの先端を母材の溶接線を中心に揺動させる動作を指す。図１６は、水平すみ肉溶接における従来のウィービング動作の一例を説明するための図である。図１６に示す例では、下板を水平に配置すると共に、その上表面に立板の端面を当てて配置し、立板と下板とを突き合わせた突合せ部（図１６の例では、突合せ部の接合角度ａ＝９０度）に対してすみ肉溶接が行われる。図示のように、従来のウィービング動作では、溶接トーチ１０１の先端に設けられた電極が溶接進行方向に対してほぼ直角に交互に移動するように前進させて、溶接が行われることとなる。
また、図１７は、ウィービング動作を図１６のＴ方向から見た図である。図１６のＴ方向は、下板から４５度（ａの１／２）傾き、溶接線方向（溶接進行方向）に対して垂直な方向である。図示のように、従来のウィービング動作により、溶接トーチ１０１は、ウィービング端まで移動する動作を繰り返し、常に溶接進行方向の前方に向かって揺動する。

特開２００２−３２１０５５号公報

ビード外観の改善を図るためにアーク電圧を高く設定しても、溶込み不足が発生したり、主に溶融金属やアーク等を大気から保護するためのものであるシールドガスについて、溶融金属やアークを十分に保護できなくなるシールドガス不良が発生したりする場合がある。また、ウィービングの両端で溶接電流を調整しても、中厚板の水平すみ肉溶接を想定した大脚長かつ高速な溶接を行う場合においては、溶着量を増加させる必要があり、立板側の溶融池が重力の影響で下板側に垂れることによって引き起こされるビード外観不良や下板側のオーバーラップ等の溶接欠陥が抑制されるわけではない。

本発明は、水平すみ肉溶接において、ビード外観不良及び溶接欠陥の発生を抑制することを目的とする。

かかる目的のもと、本発明は、立板と下板とを突き合わせた突合せ部を溶接線として、電極を、溶接線を中心にウィービングさせて、溶接線に沿って溶接を行う水平すみ肉溶接方法であって、ウィービングでは、電極を、溶接進行方向の前方へ向かって下板側のウィービング端まで移動させ、下板側のウィービング端に到着すると、溶接進行方向に対して後方へ向かって立板側のウィービング端まで移動させ、ウィービングの動作を下板側と立板側とで繰り返し、電極は、溶接進行方向の反対側に向かって傾斜する前進角の上限が４０度で、溶接進行方向に向かって傾斜する後退角の上限が１５度であり、下板に対して電極を傾斜させたトーチ傾斜角度について、下板側のウィービング端におけるトーチ傾斜角度が、立板側のウィービング端におけるトーチ傾斜角度よりも大きくなるように、電極を傾斜させることを特徴とする水平すみ肉溶接方法を提供する。
ここで、ウィービングにおいて、電極を溶接進行方向の前方へ向かって下板側のウィービング端まで移動させる際、電極の軌道と、溶接進行方向とは反対方向とのなす角度である下板側移動角度β（度）は、１８５度以上２５０度以下であり、電極を溶接進行方向に対して後方へ向かって立板側のウィービング端まで移動させる際、電極の軌道と、溶接進行方向とは反対方向とのなす角度である立板側移動角度α（度）は、５度以上８５度以下であって、立板側移動角度αと下板側移動角度βとの関係が、α＞（β−１８０）である、ものであってよい。
また、ウィービングにおいて、立板側移動角度αは、１０度以上４５度以下であり、下板側移動角度βは、１８５度以上２１５度以下である、ものであってよい。
そして、立板側のウィービング端でのアーク電圧、及び、下板側のウィービング端でのアーク電圧の少なくともいずれか一方を、溶接線中心位置のアーク電圧よりも増減するように制御し、かつ、立板側のウィービング端でのアーク電圧を、下板側のウィービング端でのアーク電圧よりも低くする、ものであってよい。
また、立板側のウィービング端でのアーク電圧を、アンダーカットを抑制する電圧とし、下板側のウィービング端でのアーク電圧を、オーバーラップを抑制する電圧とする、ものであってよい。
さらに、電極が立板側及び下板側を移動する際のアーク電圧は、ウィービングの動作に同期して、直線的、ステップ的、及び曲線的の３つのうちのいずれかで変化する、または３つのうちの２以上を組み合わせて変化する、ものであってよい。

また、本発明は、立板と下板とを突き合わせた突合せ部を溶接線として、電極を、溶接線を中心にウィービングさせて、溶接線に沿って溶接を行う水平すみ肉溶接システムであって、ウィービングでは、電極を、溶接進行方向の前方へ向かって下板側のウィービング端まで移動させ、下板側のウィービング端に到着すると、溶接進行方向に対して後方へ向かって立板側のウィービング端まで移動させ、ウィービングの動作を下板側と立板側とで繰り返し、電極は、溶接進行方向の反対側に向かって傾斜する前進角の上限が４０度で、溶接進行方向に向かって傾斜する後退角の上限が１５度であり、下板に対して電極を傾斜させたトーチ傾斜角度について、下板側のウィービング端におけるトーチ傾斜角度が、立板側のウィービング端におけるトーチ傾斜角度よりも大きくなるように、電極を傾斜させることを特徴とする水平すみ肉溶接システムも提供する。

さらに、本発明は、立板と下板とを突き合わせた突合せ部を溶接線として、電極を、溶接線を中心にウィービングさせて、溶接線に沿って溶接を行う水平すみ肉溶接システムに用いられるプログラムであって、ウィービングでは、電極を、溶接進行方向の前方へ向かって下板側のウィービング端まで移動させ、下板側のウィービング端に到着すると、溶接進行方向に対して後方へ向かって立板側のウィービング端まで移動させ、ウィービングの動作を下板側と立板側とで繰り返す機能を、水平すみ肉溶接システムに実現させ、電極は、溶接進行方向の反対側に向かって傾斜する前進角の上限が４０度で、溶接進行方向に向かって傾斜する後退角の上限が１５度であり、下板に対して電極を傾斜させたトーチ傾斜角度について、下板側のウィービング端におけるトーチ傾斜角度が、立板側のウィービング端におけるトーチ傾斜角度よりも大きくなるように、電極を傾斜させることを特徴とするプログラムも提供する。

本発明によれば、水平すみ肉溶接において、ビード外観不良及び溶接欠陥の発生を抑制することができる。

本実施の形態に係る溶接システムの概略構成の一例を示す図である。 本実施の形態に係る水平すみ肉溶接について溶接進行方向から見た概略図である。 本実施の形態におけるウィービング動作の一例を説明するための図である。 ウィービング動作を図３のＴ方向から見た図である。 ウィービング期間中にトーチ傾斜角度θを変化させる場合の一例を示す図である。 前進角及び後退角の一例を説明するための図である。 前進角及び後退角の一例を説明するための図である。 ウィービングにおける電極の振幅の一例を説明するための図である。 ウィービングの軌跡に合わせて制御されるアーク電圧の一例を説明するための図である。 ウィービングの軌跡に合わせて制御されるアーク電圧の一例を説明するための図である。 ウィービングの軌跡に合わせて制御されるアーク電圧の一例を説明するための図である。 ウィービングの軌跡に合わせてアーク電圧が直線的かつステップ的に変化するように制御する場合の一例を説明するための図である。 実施例における各種条件を示す図である。 比較例における各種条件を示す図である。 実施例における評価結果を示す図である。 比較例における評価結果を示す図である。 フランク角度を説明するための図である。 ロボットコントローラのハードウェア構成例を示す図である。 水平すみ肉溶接における従来のウィービング動作の一例を説明するための図である。 ウィービング動作を図１６のＴ方向から見た図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
＜システム構成＞
まず、本実施の形態に係る溶接システム１について説明する。図１は、本実施の形態に係る溶接システム１の概略構成の一例を示す図である。

図１に示すように、本実施の形態に係る溶接システム１は、溶接ロボット１０と、ロボットコントローラ２０と、溶接電源３０と、送給装置４０とを備えている。溶接電源３０はプラスのパワーケーブル（１）を介して電極側に接続され、マイナスのパワーケーブル（２）を介して、ワークＷと接続されている。また、図中のパワーケーブル（３）は溶接電源３０と溶接ワイヤの送給装置４０とを接続し、溶接ワイヤの送り速度を制御する。そして、溶接システム１は、立板と下板とをＴ字に突き合わせた突合せ部周辺の任意の位置を溶接線として、溶接線に沿って水平すみ肉溶接を行う。なお、突合せ部周辺とは、例えば、突合せ部から下板側に３０ｍｍ、立板側に３０ｍｍの範囲とする。

溶接ロボット１０は、電極からアークを出し、その熱で溶接の対象であるワークＷ（母材、即ち、立板及び下板）を溶接する。ここで、溶接ロボット１０は、電極を保持する溶接トーチとして、溶接トーチ１１を有している。そして、溶接ロボット１０は、溶接線を中心として溶接トーチ１１の先端に設けられた電極をウィービングさせて、溶接線に沿って（溶接進行方向に沿って）溶接を行う。

溶接トーチ１１の先端では、電極である溶接材料（以降溶接ワイヤと称する）を、コンタクトチップと呼ばれる円筒形の導体の先端から一定の突出し長さを保持する。なお、本実施の形態で適用した溶接方法は、コンタクトチップと溶接ワイヤとが接触し、アーク電圧を印加して通電することで、ワークＷと溶接ワイヤ先端との間にアークが発生し、溶接ワイヤを溶融させて行う消耗電極式となる。また、溶接時における電極の突出し長さは、上限を４０ｍｍ、下限を１５ｍｍとすることが好ましい。突出し長さが４０ｍｍを上回ると、溶接線上の溶込みが十分に得られなくなったり、シールド性劣化により溶接欠陥が発生する可能性が高まる。また、突出し長さが１５ｍｍを下回ると、溶接電流が大きくなり、ウィービング端で溶接欠陥が発生し易くなる。

さらに、溶接トーチ１１は、シールドガスノズル（シールドガスを噴出する機構）を備える。シールドガスとしては、例えば、１００％ＣＯ_２、１００％Ａｒ、ＡｒにＣＯ_２を混合させたもの等を用いればよい。特に、１００％ＣＯ_２を用いた場合には溶込み効果が大きく好ましい。また、シールドガス不良を防止する観点から、ガス流量の上限は４０リットル／ｍｉｎ、下限は１５リットル／ｍｉｎであることが好ましい。

ロボットコントローラ２０は、溶接ロボット１０の動作を制御する。ここで、ロボットコントローラ２０は、予め溶接ロボット１０の動作パターン、溶接開始位置、溶接終了位置、溶接条件等を定めたティーチングデータを保持し、溶接ロボット１０に対してこれらを指示して溶接ロボット１０の動作を制御する。また、ロボットコントローラ２０は、溶接作業中、ティーチングデータに従って、溶接電源３０に電源を制御する指令を行う。

溶接電源３０は、ロボットコントローラ２０からの指令により、電極及びワークＷに電力を供給することで、電極とワークＷとの間にアークを発生させる。また、溶接電源３０は、ロボットコントローラ２０からの指令により、送給装置４０に電力を供給する。なお、溶接作業時の電流は、直流または交流であっても良く、その波形は特に問わないが、矩形波や三角波などのパルスであっても良い。

送給装置４０は、溶接作業の進行に合わせて溶接トーチ１１に溶接ワイヤを送る。送給装置４０により送られる溶接ワイヤは、特に限定されず、ワークＷの性質や溶接形態等によって選択され、例えば、ソリッドワイヤやフラックス入りワイヤが使用される。また、溶接ワイヤの材質も問わず、例えば、軟鋼でも良いし、ステンレスやアルミニウム、チタンといった材質でも良い。さらに、溶接ワイヤの径も特に問わないが、本実施の形態において好ましくは、上限は１．６ｍｍ、下限は１．０ｍｍである。

図２は、本実施の形態に係る水平すみ肉溶接について溶接進行方向から見た概略図である。図示のように、下板を水平に配置すると共に、その上表面に立板の端面を当てて配置し、立板と下板とを突き合わせた突合せ部（図２の例では、突合せ部の接合角度ａ＝９０度）に対してすみ肉溶接が行われる。ここで、溶接は、紙面に垂直な方向に進行するものとする。また、溶接トーチ１１は、矢印に示す方向、即ち、下板へ向かう方向と立板へ向かう方向との交互にウィービングする。さらに、下板と電極とのなす角度（以下、トーチ傾斜角度θと称する）が例えば４５度となるように、溶接トーチ１１を傾けて溶接が行われる。また、溶接線中心位置は、下板側のウィービング端と立板側のウィービング端との間の溶接線上の位置を示している。

＜ウィービング＞
次に、本実施の形態で採用されるウィービング動作について説明する。従来のウィービング動作では、図１６及び図１７に示すように、電極が溶接進行方向に対して立板側と下板側に交互に移動するように前進し、常に溶接進行方向の前方に向かって揺動する。一方、本実施の形態では、電極が、溶接進行方向に対して、下板側に前方移動し、立板側に後方移動するようにウィービングする。

図３は、本実施の形態におけるウィービング動作の一例を説明するための図である。図示のように、電極は、最初に下板側のウィービング端に向かって、溶接進行方向の前方に移動し、下板側のウィービング端に到着すると、立板側のウィービング端に向かって、溶接進行方向に対して後方に移動する。即ち、従来のウィービング動作では、図１６及び図１７に示すように、溶接トーチ１０１は常に溶接進行方向の前方に向かって揺動するが、本実施の形態においては、電極は、下板側には前方移動し、立板側には後方移動するように動作する。このようにして、電極は、立板側のウィービング端、下板側のウィービング端に移動するウィービング動作を繰り返す。

電極が立板側のウィービング端へ、溶接進行方向に対して後方に移動することによって、アークによる熱が立板側と下板側とに分散し、溶融池の冷却能が向上する。また、後方移動の際、下板側への移動の際に形成されたビードに溶融金属が支えられる。この冷却能の向上により、溶融金属の粘性の低下を抑制することが可能となり、かつ立板側の溶融金属は下板側で形成され、冷却が進んで高粘性となった溶融金属によって支えられる。そのため、立板側の溶融金属が重力によって垂れることが防止され、大脚長で適正なビード外観を確保でき、溶接欠陥も抑制される。なお、ウィービング端の位置（または、溶接線からウィービング端までの距離）は、溶接条件のウィービング幅の設定によって決定される。

また、図４は、ウィービング動作を図３のＴ方向から見た図である。ここで、図３のＴ方向は、下板から４５度（ａの１／２）傾き、溶接線方向（溶接進行方向）に対して垂直な方向である。ここで、電極が溶接進行方向に対して後方へ向かって立板側のウィービング端まで移動する際の、電極の軌道と溶接線（ここでは、溶接進行方向とは反対方向）とのなす角度を、立板側移動角度αと称する。また、電極が溶接進行方向の前方へ向かって下板側のウィービング端まで移動する際の、電極の軌道と溶接線（ここでは、溶接進行方向とは反対方向）とのなす角度（＞１８０度）を、下板側移動角度βと称する。

溶接が溶接進行方向に向けて進むためには、立板側移動角度αと下板側移動角度βとの関係が、α＞（β−１８０度）であることが必要になる。

そして、本実施の形態では、立板側移動角度αの上限は８５度、下限は５度となるようにウィービング動作が行われることが好ましい。立板側移動角度αが５度を下回ると、電極が立板側のウィービング端に到着する頃には、下板側の溶融金属は凝固しており、融合不良やスラグ巻き込みが発生する場合がある。また、立板側移動角度αが８５度を上回ると、立板側の溶融金属が重力によって垂れ易くなり、変動する溶融池によってアーク長が変化するため、溶接中に飛散するスパッタが発生したり、融合不良やビード外観不良が発生したりする場合がある。さらに、重力による立板側の溶融金属の垂れが抑制され、立板と下板との脚長が均等になりより良好なビード外観を得るためには、立板側移動角度αについて、上限は４５度、下限は１０度とすることがより好ましい。

また、本実施の形態では、下板側移動角度βの上限は２５０度、下限は１８５度となるようにウィービング動作が行われることが好ましい。下板側移動角度βが１８５度を下回ると、一周期当たりの溶着量のバランスが崩れ、ビード外観不良が発生する場合がある。また、下板側移動角度βが２５０度を上回ると、溶融池の冷却能の効果が発生しないため、立板側の溶融金属が重力によって垂れ易くなり、変動する溶融池によってアーク長が変化するため、スパッタが発生したり、融合不良やビード外観不良が発生したりする場合がある。さらに、重力による立板側の溶融金属の垂れが抑制され、立板と下板との脚長が均等になりより良好なビード外観を得るためには、下板側移動角度βについて、上限は２１５度、下限は１８５度とすることがより好ましい。

＜トーチ傾斜角度＞
次に、本実施の形態におけるトーチ傾斜角度θについて説明する。本実施の形態では、トーチ傾斜角度θの大きさについて限定しないが、トーチ傾斜角度θの上限は６０度、下限は３０度とすることがより好ましい。トーチ傾斜角度θが３０度以上６０度以下の範囲内であれば、溶込みを十分に確保でき、より良好なビード外観が得られる。また、トーチ傾斜角度θは、図２に示すように、ウィービング期間中一定でも良いし、ウィービング期間中に変化させて良い。

図５は、ウィービング期間中にトーチ傾斜角度θを変化させる場合の一例を示す図である。図５に示す例では、下板側のウィービング端から溶接線中心位置、さらに立板側のウィービング端へ移動する間に、トーチ傾斜角度θを変化させている。具体的には、下板側のウィービング端では、溶接線中心位置にいる場合よりも、トーチ傾斜角度θ（図５に示す例では、角度θ_１）を大きくして溶接トーチ１１を立てている。一方、立板側のウィービング端では、溶接線中心位置にいる場合よりも、トーチ傾斜角度θ（図５に示す例では、角度θ_２）を小さくして溶接トーチ１１を寝かせている。このように、溶接トーチ１１が溶接線中心位置とウィービング端とにいる場合でトーチ傾斜角度θを変化させることにより、ウィービング端のアークが安定し、スパッタが低減するため、より好ましい。

＜前進角及び後退角＞
次に、本実施の形態における前進角及び後退角について説明する。本実施の形態では、トーチ傾斜角度θを設けるとともに、溶接トーチ１１を溶接進行方向に対して傾斜させて（即ち、電極を傾斜させて）、前進角や後退角を付けることとしても良い。図６−１及び図６−２は、前進角及び後退角の一例を説明するための図である。図６−１に示す例では、電極の前進角がγ１になるように、電極を溶接進行方向の反対側に向かって傾斜させている。また、図６−２に示す例では、電極の後退角がγ２になるように、電極を溶接進行方向に向かって傾斜させている。即ち、γ１が正の値であれば前進角が付けられていることとなり、γ１が負の値、例えば−１０度であれば、γ２＝１０度となり、後退角が付けられていることになる。

電極に前進角を付けることで、アークが先行するため、ビードのなじみが良く、ビード形状が良好となるが、溶込み方向が前方へ向くため溶込み深さが浅くなる。一方、電極に後退角を付けることで、ビード形状が凸形状になり易くなるが、より深い溶込みを確保することが可能となる。

そして、本実施の形態では、溶接線上の適正な溶込みと良好なビード形状とを得るために、前進角の範囲を−１５度以上４０度以下、即ち、前進角の上限は４０度、後退角の上限は１５度として、その範囲内で電極を傾けることがより好ましい。

＜アーク電圧＞
次に、本実施の形態におけるアーク電圧について説明する。アーク電圧の増減はアーク力に影響するため、溶込み深さやビード形状に影響する。すみ肉溶接の場合、溶接線上では溶込みを確保できるアーク電圧とし、ウィービングの両端ではアンダーカットやオーバーラップを防止できるアーク電圧とすることが好ましい。立板側のウィービング端では、アーク力により溶融池が後方へ押し出され、また溶融池が重力の影響で下板側に垂れるため、アンダーカットが発生し易い。一方、下板側のウィービング端では、立板側の溶融池が垂れて母材に融合せずに重なることで、オーバーラップが発生し易い。

そこで、本実施の形態では、電極が立板側のウィービング端を移動する際のアーク電圧（以下、立板側電圧と称する）と、電極が下板側のウィービング端を移動する際のアーク電圧（以下、下板側電圧と称する）とについて、少なくともいずれか一方を、溶接線中心位置におけるアーク電圧よりも増減するように制御する。

ここで、立板側のアーク電圧を低く設定すれば、アークの幅がより狭くなって溶融する金属の範囲が小さくなるため、立板側のアンダーカットが抑制される。また、下板側のアーク電圧を高く設定すれば、母材に重なっている溶融金属がより押し広げられるため、下板側のオーバーラップが抑制される。そのため、本実施の形態では、立板側電圧が下板側電圧よりも低くなるように（即ち、下板側電圧が立板側電圧よりも高くなるように）、アーク電圧の制御が行われる。付言すると、立板側電圧は、アンダーカットを抑制する電圧に設定され、下板側電圧は、オーバーラップを抑制する電圧に設定される。

このように、本実施の形態では、ウィービングの動作によりビード外観不良及び溶接欠陥の発生が抑制されるとともに、立板側と下板側とのアーク電圧に高低差を設けることにより、アンダーカットやオーバーラップといった溶接欠陥がより抑制される。

さらに、アーク電圧については、電極のウィービング動作に同期して、直線的、ステップ的、または曲線的に変化するように制御することが好ましい。図７は、ウィービングにおける電極の振幅の一例を説明するための図である。また、図８−１〜図８−３は、ウィービングの軌跡に合わせて制御されるアーク電圧の一例を説明するための図である。図７に示す例では、１周期分のウィービング動作について示されており、電極は、立板側のウィービング端、及び下板側のウィービング端へ移動する。ここで、電極は立板側に後方移動していないが、図７に示す例は、電極が１周期でウィービングの両端へ移動することを示すものであり、実際には、図３及び図４に示すように、電極は立板側に後方移動する。

そして、図８−１に示す例では、図７に示すウィービングの軌跡に合わせて、アーク電圧が直線的に変化している。ここで、Ｖ_Hは高い方の電圧、Ｖ_Lは低い方の電圧であり、Ｖ_Lowerは下板側電圧を示し、Ｖ_Upperは立板側電圧を示す。そして、電極が溶接線に対して立板側にいる場合には、アーク電圧は、溶接線中心位置におけるアーク電圧（Ｖ_O）よりも低く設定されている。一方、電極が溶接線に対して下板側にいる場合には、アーク電圧は、溶接線中心位置におけるアーク電圧Ｖ_Oよりも高く設定されている。

また、図８−２に示す例では、図７に示すウィービングの軌跡に合わせて、アーク電圧がステップ的に変化している。そして、電極が溶接線に対して立板側にいる場合には、アーク電圧は、Ｖ_Oよりも低く設定され、電極が溶接線に対して下板側にいる場合には、アーク電圧は、Ｖ_Oよりも高く設定されている。さらに、図８−３に示す例では、図７に示すウィービングの軌跡に合わせて、アーク電圧が曲線的に変化している。そして、電極が溶接線に対して立板側にいる場合には、アーク電圧は、Ｖ_Oよりも低く設定され、電極が溶接線に対して下板側にいる場合には、アーク電圧は、Ｖ_Oよりも高く設定されている。
このように、ウィービングの軌跡に合わせて、直線的、ステップ的、または曲線的にアーク電圧を制御することにより、溶接線上の溶込みを確保しつつ、良好なビード外観が確保される。

さらに、アーク電圧について、直線的、ステップ的、及び曲線的の３つのうちの２以上（例えば、直線的及びステップ的、直線的及び曲線的など）を組み合わせて変化するように制御しても良い。図９は、ウィービングの軌跡に合わせてアーク電圧が直線的かつステップ的に変化するように制御する場合の一例を説明するための図である。図９に示す例では、まず電極が溶接線中心位置から立板側のウィービング端に移動する際、アーク電圧は直線的に変化するが、途中からステップ的に変化する。また、電極が立板側のウィービング端に到着した後、溶接線中心位置から下板側のウィービング端に移動する際、アーク電圧は直線的に変化するが、途中からはステップ的に変化する。

また、上述したように、立板側電圧が下板側電圧よりも低くなることが好ましいが、立板側電圧は、溶接線中心位置のアーク電圧値（溶接線上のアーク電圧値）に対して、８５％（パーセント）以上１００％以下の範囲とし、下板側電圧は、溶接線中心位置のアーク電圧値に対して、１００％以上１２５％以下の範囲に設定することがより好ましい。

立板側電圧が溶接線中心位置のアーク電圧値に対して８５％を下回ると、立板側のウィービング端でスパッタが発生する恐れがある。また、立板側電圧が溶接線中心位置のアーク電圧値に対して１００％を上回ると、アンダーカットの防止効果が現れにくい。
一方、下板側電圧が溶接線中心位置のアーク電圧値に対して１００％を下回ると、オーバーラップの防止効果が現れにくい。また、下板側電圧が溶接線中心位置のアーク電圧値に対して１２５％を上回ると、アーク長が過大になり、溶込み不足やアーク切れが発生する可能性がある。

＜実施例＞
次に、本発明の実施例について、本発明の範囲から外れる比較例と対比して説明する。尚、この実施例及び比較例は、上述した数値限定の根拠を与えるものでもある。

まず、実施例及び比較例において溶接を行う際の溶接条件について説明する。ただし、ここで説明する溶接条件は一例であり、本実施の形態では、以下の溶接条件に限定されるものではない。

狙い脚長は６ｍｍとし、溶接電流は４００アンペア（電流の単位：Ａ）、電極の溶接電流に対応する平均のアーク電圧は３３ボルト（電圧の単位：Ｖ）以上３５Ｖ以下の範囲で設定された。ここで、アーク電圧は、電極のウィービングの軌跡に合わせて直線状に変化させた。また、溶接トーチ１１が動作する際の速度である溶接速度は５０ｃｍ／ｍｉｎ、ウィービングの周波数は２．５Ｈｚに設定された。さらに、ウィービング幅（下板側のウィービング端から立板側のウィービング端までの距離）は３ｍｍに設定された。

また、溶接ワイヤとしては、軟鋼のソリッドワイヤで、径が１．２ｍｍのものが用いられた。立板及び下板としては、板厚が１２ｍｍの一般構造用圧延鋼材（ＳＳ４００）が用いられた。シールドガスとしてはＡｒ−２０％ＣＯ_２が用いられた。

次に、実施例及び比較例における試験結果について説明する。図１０は、実施例における各種条件を示す図であり、図１１は、比較例における各種条件を示す図である。図１０に示す例では、実施例としてＮｏ．１〜２９が示されており、図１１に示す例では、比較例としてＮｏ．３０〜５０が示されている。

「トーチ傾斜角度θ」は、例えば図２の下板と電極とのなすトーチ傾斜角度θを示す。実施例では２５度以上７０度以下の範囲とし、比較例では４５度として試験を行った。
「前後進角」は、図６−１及び図６−２の前進角γ１、後退角γ２を示す。例えば、「−１５」のようにマイナスの値の場合、後退角として１５度が設定されていることとなる。実施例では、−３０度以上４５度以下の範囲、即ち後退角３０度から前進角４５度までの範囲とした。また、比較例では、０度とした。

「立板側移動角度α」は、図４の立板側移動角度αを示す。実施例では、５度以上８５度以下の範囲とし、比較例では、８５度以上１８０度以下の範囲とした。
「下板側移動角度β」は、図４の下板側移動角度βを示す。実施例では、１８５度以上２５０度以下、比較例では、２５０度以上３５５度以下の範囲とした。

「アーク電圧Ｖ_O」は、溶接線中心位置におけるアーク電圧値を示す。「アーク電圧Ｖ_Lower」は、下板側のウィービング端におけるアーク電圧値（即ち、下板側電圧の値）を示す。また、アーク電圧Ｖ_Oに対する割合（アーク電圧Ｖ_Lower／アーク電圧Ｖ_O）をパーセントで示している。「アーク電圧Ｖ_Upper」は、立板側のウィービング端におけるアーク電圧値（即ち、立板側電圧の値）を示す。また、アーク電圧Ｖ_Oに対する割合（アーク電圧Ｖ_Upper／アーク電圧Ｖ_O）をパーセントで示している。実施例、比較例では、これらの平均アーク電圧について、上述したように３３Ｖ以上３５Ｖ以下の範囲として試験を行った。

また、図１２は、実施例における評価結果を示す図であり、図１３は、比較例における評価結果を示す図である。図１２に示す例では、図１０に示すＮｏ．１〜２９の各テストＮｏに応じて試験結果が示されている。また、図１３に示す例では、図１１に示すＮｏ．３０〜５０の各テストＮｏに応じて試験結果が示されている。また、評価結果としては、溶接後の状態について、「脚長」、「フランク角度」、「ビード外観」、「溶接欠陥」の４項目で評価された結果について示している。

「脚長」は、立板側の脚長と下板側の脚長との比（立板側の脚長／下板側の脚長、以下、脚長比と称する）をもとに評価した結果を示す。ここで、脚長はマクロ断面から実測され、脚長比が１に近いほど、立板及び下板に対して均等なビード形状となる。そのため、脚長比が、０．８５以上１．１５以下の場合は「○」、それ以外の場合は「×」と評価した。さらに、脚長比が０．９５以上１．０５以下の場合はより良好な結果として「◎」と評価した。

「フランク角度」は、溶接止端部（母材の面と溶接ビードの表面とが交わる部分）の形状を評価する指標の一つであるフランク角度をもとに評価した結果を示す。図１４は、フランク角度を説明するための図である。図示のように、フランク角度とは、溶接止端部からのビードの立ち上がり角度をいう。本実施例では下板側のフランク角度を測定し、評価した。一般的にフランク角度が大きい程なめらかで良好なビード形状となる。そのため、フランク角度が９０度を下回る場合はオーバーラップ、フランク角度が１５０度を超える場合にはのど厚（溶融金属の断面の厚さ）の不足となるため、「×」と評価し、フランク角度が９０度以上１５０度以下の場合は「○」と評価した。さらに、フランク角度が１１０度以上１３５度以下の場合は、より良好な止端形状であるとして「◎」と評価した。

「ビード外観」は、試験実施者が溶接終了後のビードを目視で確認した結果を示す。ここで、正常な外観である場合は「○」と評価した。一方、ビードが蛇行するビード蛇行やハンピングビード（連続したこぶ状のふぞろいなビード）が発生していたり、周辺に過大なスパッタ付着が存在していたりする場合などは、ビード形状に不良があるとして「×」と評価した。

「溶接欠陥」は、試験実施者が溶接終了後のビードを目視で確認するとともに、マクロ断面を観察した結果を示す。ビード外観の確認やマクロ断面観察により、例えば、アンダーカット、オーバーラップ、融合不良などの溶接欠陥が発生している場合は「×」と評価し、溶接欠陥が発生しておらず正常な場合は「○」と評価した。

そして、実施例であるＮｏ．１〜２９では、「立板側移動角度α」、「下板側移動角度β」が適正範囲内にあり、良好な脚長比、フランク角度であり、溶接欠陥の無い良好なビード形状となった。即ち、Ｎｏ．１〜２９では、４つの評価項目の「脚長」、「フランク角度」、「ビード外観」、「溶接欠陥」の項目について、全て「○」または「◎」となり、良好な結果を示している。

特に、Ｎｏ．６、７、１０〜１３、１６〜１９では、アーク電圧Ｖ_Lower＞アーク電圧Ｖ_Upperで、アーク電圧Ｖ_Lower／アーク電圧Ｖ_Oが１００％以上１２５％以下の範囲にあり、アーク電圧Ｖ_Upper／アーク電圧Ｖ_Oが８５％以上１００％以下の範囲にある。その結果、フランク角度がより適正な範囲になり「◎」と評価されており、より良好な結果を示している。

また、Ｎｏ．２、１０〜１５では、「立板側移動角度α」が１０度以上４５度以下のより好ましい範囲にあり、「下板側移動角度β」は１８５度以上２１５度以下のより好ましい範囲にある。その結果、脚長比がより最適な値で「◎」と評価されており、より良好な結果を示している。

Ｎｏ．２２、２３では、「トーチ傾斜角度θ」がそれぞれ、３０度、６０度であり、３０度以上６０度以下のより好ましい範囲にある。一方、Ｎｏ．２４、２５では、トーチ傾斜角度θがそれぞれ、２５度、７０度であり、３０度以上６０度以下のより好ましい範囲から外れている。その結果、Ｎｏ．２２、２３では、「脚長」は「◎」と評価されたが、Ｎｏ．２４、２５では、「脚長」は「○」と評価された。

Ｎｏ．２６、２８では、「前後進角」がそれぞれ、−１５度、３０度であり、−１５度以上４０度以下のより好ましい範囲にある。一方、Ｎｏ．２７、２９では、「前後進角」がそれぞれ、−３０度、４５度であり、−１５度以上４０度以下のより好ましい範囲から外れている。その結果、Ｎｏ．２６、２８では、「フランク角度」は「◎」と評価されたが、Ｎｏ．２７、２９では、「フランク角度」は「○」と評価された。

また、比較例であるＮｏ．３０〜５０では、「立板側移動角度α」、「下板側移動角度β」が適正範囲から外れており、４つの評価項目「脚長」、「フランク角度」、「ビード外観」、「溶接欠陥」の項目について、少なくともいずれか１つが「×」（ビード外観の場合はビード外観不良、溶接欠陥の場合は溶接欠陥あり）となり、良好ではない結果を示している。

Ｎｏ．３０は、通常のウィービング動作を行った場合の結果を示す。ここで、通常のウィービング動作とは、図１６及び図１７に示すような従来のウィービング動作であり、この場合、立板側移動角度αは、例えば９０度以上１８０度以下の範囲にあり、下板側移動角度βは、例えば１８０度以上２７０度以下の範囲にある。Ｎｏ．３０の結果としては、立板側の溶融金属が垂れ、脚長の不均一、オーバーラップが発生した。

Ｎｏ．３１〜３４は、立板側へ先行するウィービング動作、即ち、電極を溶接進行方向の前方に向かって立板側のウィービング端まで移動させ、溶接進行方向に対して後方へ向かって下板側のウィービング端まで移動させた場合の結果を示す。これらの結果として、立板側の溶融池が垂れ、溶融池形状が変動することが原因でアーク不安定を起こし、スパッタの過多、及び融合不良が発生した。

Ｎｏ．３５〜４２は、通常のウィービング動作で、ウィービング中の電圧制御を行った場合の結果を示す。Ｎｏ．３５、３６では、下板側電圧が立板側電圧より低く、オーバーラップとなった。Ｎｏ．３７では、下板側電圧は立板側電圧より高いが、立板側の溶融金属が垂れ、脚長が不等脚となり、Ｎｏ．３８でも、下板側電圧は立板側電圧より高いが、アンダーカットとなった。Ｎｏ．３９、４０では、下板側電圧は立板側電圧より高いが、立板側の溶融金属が垂れ、脚長が不等脚となり、かつオーバーラップが発生した。Ｎｏ．４１、４２では、立板側電圧が下板側電圧より高く、立板側の溶融金属が垂れ、脚長の不均一が起こり、アンダーカットが発生した。

Ｎｏ．４３〜５０は、立板側へ先行するウィービング動作の場合で、ウィービング中の電圧制御を行った場合の結果となる。いずれの場合も立板側の溶融池が垂れ、溶融池形状が変動することが原因でアーク不安定を起こし、スパッタの過多、及び融合不良が発生した。

このように、立板側移動角度α、下板側移動角度β、トーチ傾斜角度θ、前進角γ１（後退角γ２）、アーク電圧を調整することにより、良好な脚長比、良好なフランク角度、溶接欠陥の無い良好なビード形状が得られることとなり、良好な結果、また、さらにより良好な結果になることが示された。

＜ロボットコントローラのハードウェア構成＞
最後に、ロボットコントローラ２０のハードウェア構成について説明する。図１５は、ロボットコントローラ２０のハードウェア構成例を示す図である。

図１５に示すように、ロボットコントローラ２０は、演算手段であるＣＰＵ２１と、記憶領域である揮発性メモリ２２、不揮発性メモリ２３とを備える。ここで、ＣＰＵ２１は、ＯＳ（Operating System）やアプリケーションソフトウェア等の各種プログラムを実行し、ロボットコントローラ２０の各機能を実現する。また、揮発性メモリ２２は、各種プログラムやその実行に用いるデータ等を記憶する記憶領域であり、不揮発性メモリ２３は、各種プログラムに対する入力データや各種プログラムからの出力データ等を記憶する記憶領域である。

また、ロボットコントローラ２０は、外部との通信を行うための通信インタフェース（以下、通信Ｉ／Ｆと表記する）２４と、記憶媒体に対してデータの読み書きを行うためのドライバ２５とを備える。
そして、例えば、ＣＰＵ２１がＯＳやアプリケーションソフトウェア等の各種プログラムを実行することにより、ロボットコントローラ２０の機能が実現され、上述した電極のウィービング動作やアーク電圧の制御などが行われる。

ただし、図１５はハードウェアの構成例に過ぎず、ロボットコントローラ２０は図示の構成に限定されない。なお、本発明の実施の形態を実現するプログラムは、磁気ディスクや光ディスク、半導体メモリ、その他の記録媒体に格納して配布したり、ネットワークを介して配信したりすることにより、提供することができる。

以上説明したように、本実施の形態に係る溶接システム１は、溶接トーチ１１の先端に設けられた電極をウィービングさせる際に、溶接進行方向の前方に向かって下板側のウィービング端まで移動させ、溶接進行方向に対して後方へ向かって立板側のウィービング端まで移動させる。このような構成にすることにより、例えば、電極が常に溶接進行方向の前方に向かって揺動する従来のウィービング動作を採用する場合と比較して、ビード外観不良及び溶接欠陥の発生が抑制される。

なお、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態には限定されない。本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々に変更したり代替態様を採用したりすることが可能なことは、当業者に明らかである。

１…溶接システム、１０…溶接ロボット、１１…溶接トーチ、２０…ロボットコントローラ、３０…溶接電源、４０…送給装置

Claims (8)

1. 立板と下板とを突き合わせた突合せ部を溶接線として、電極を、当該溶接線を中心にウィービングさせて、当該溶接線に沿って溶接を行う水平すみ肉溶接方法であって、
   前記ウィービングでは、前記電極を、溶接進行方向の前方へ向かって前記下板側のウィービング端まで移動させ、当該下板側のウィービング端に到着すると、当該溶接進行方向に対して後方へ向かって前記立板側のウィービング端まで移動させ、当該ウィービングの動作を当該下板側と当該立板側とで繰り返し、
   前記電極は、前記溶接進行方向の反対側に向かって傾斜する前進角の上限が４０度で、当該溶接進行方向に向かって傾斜する後退角の上限が１５度であり、
   前記下板に対して前記電極を傾斜させたトーチ傾斜角度について、前記下板側のウィービング端におけるトーチ傾斜角度が、前記立板側のウィービング端におけるトーチ傾斜角度よりも大きくなるように、当該電極を傾斜させること
   を特徴とする水平すみ肉溶接方法。
2. 前記ウィービングにおいて、前記電極を前記溶接進行方向の前方へ向かって前記下板側のウィービング端まで移動させる際、当該電極の軌道と、前記溶接進行方向とは反対方向とのなす角度である下板側移動角度β（度）は、１８５度以上２５０度以下であり、
   前記電極を前記溶接進行方向に対して後方へ向かって前記立板側のウィービング端まで移動させる際、当該電極の軌道と、当該溶接進行方向とは反対方向とのなす角度である立板側移動角度α（度）は、５度以上８５度以下であって、
   前記立板側移動角度αと前記下板側移動角度βとの関係が、α＞（β−１８０）であること
   を特徴とする請求項１に記載の水平すみ肉溶接方法。
3. 前記ウィービングにおいて、前記立板側移動角度αは、１０度以上４５度以下であり、前記下板側移動角度βは、１８５度以上２１５度以下であること
   を特徴とする請求項２に記載の水平すみ肉溶接方法。
4. 前記立板側のウィービング端でのアーク電圧、及び、前記下板側のウィービング端でのアーク電圧の少なくともいずれか一方を、溶接線中心位置のアーク電圧よりも増減するように制御し、かつ、前記立板側のウィービング端でのアーク電圧を、前記下板側のウィービング端でのアーク電圧よりも低くすること
   を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の水平すみ肉溶接方法。
5. 前記立板側のウィービング端でのアーク電圧を、アンダーカットを抑制する電圧とし、前記下板側のウィービング端でのアーク電圧を、オーバーラップを抑制する電圧とすること
   を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の水平すみ肉溶接方法。
6. 前記電極が前記立板側及び前記下板側を移動する際のアーク電圧は、前記ウィービングの動作に同期して、直線的、ステップ的、及び曲線的の３つのうちのいずれかで変化する、または３つのうちの２以上を組み合わせて変化すること
   を特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の水平すみ肉溶接方法。
7. 立板と下板とを突き合わせた突合せ部を溶接線として、電極を、当該溶接線を中心にウィービングさせて、当該溶接線に沿って溶接を行う水平すみ肉溶接システムであって、
   前記ウィービングでは、前記電極を、溶接進行方向の前方へ向かって前記下板側のウィービング端まで移動させ、当該下板側のウィービング端に到着すると、当該溶接進行方向に対して後方へ向かって前記立板側のウィービング端まで移動させ、当該ウィービングの動作を当該下板側と当該立板側とで繰り返し、
   前記電極は、前記溶接進行方向の反対側に向かって傾斜する前進角の上限が４０度で、当該溶接進行方向に向かって傾斜する後退角の上限が１５度であり、
   前記下板に対して前記電極を傾斜させたトーチ傾斜角度について、前記下板側のウィービング端におけるトーチ傾斜角度が、前記立板側のウィービング端におけるトーチ傾斜角度よりも大きくなるように、当該電極を傾斜させること
   を特徴とする水平すみ肉溶接システム。
8. 立板と下板とを突き合わせた突合せ部を溶接線として、電極を、当該溶接線を中心にウィービングさせて、当該溶接線に沿って溶接を行う水平すみ肉溶接システムに用いられるプログラムであって、
   前記ウィービングでは、前記電極を、溶接進行方向の前方へ向かって前記下板側のウィービング端まで移動させ、当該下板側のウィービング端に到着すると、当該溶接進行方向に対して後方へ向かって前記立板側のウィービング端まで移動させ、当該ウィービングの動作を当該下板側と当該立板側とで繰り返す機能を、前記水平すみ肉溶接システムに実現させ、前記電極は、前記溶接進行方向の反対側に向かって傾斜する前進角の上限が４０度で、当該溶接進行方向に向かって傾斜する後退角の上限が１５度であり、前記下板に対して前記電極を傾斜させたトーチ傾斜角度について、前記下板側のウィービング端におけるトーチ傾斜角度が、前記立板側のウィービング端におけるトーチ傾斜角度よりも大きくなるように、当該電極を傾斜させること
   を特徴とするプログラム。

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