JP7356377B2

JP7356377B2 - 溶接装置

Info

Publication number: JP7356377B2
Application number: JP2020030389A
Authority: JP
Inventors: 孝小池; 忠星野; 高典針谷
Original assignee: Japan Marine United Corp
Current assignee: Japan Marine United Corp
Priority date: 2020-02-26
Filing date: 2020-02-26
Publication date: 2023-10-04
Anticipated expiration: 2040-02-26
Also published as: JP2021133388A

Description

本発明は、溶接線例えば板継突合せ線を、溶接対象材表裏の一方側にガスシールド裏当部材を配置し他方側から溶接トーチで溶接する溶接装置に関する。

例えば大型船舶の船体外板など、大板鋼板の溶接では、上面にフラックスを散布した裏当部材を大板鋼板の開先部の下面に当てて裏当て支持し、開先にはカットワイヤ，鋼粒，鉄粉などの溶加材を充填して複数の電極で片面からアーク溶接を行う片面サブマージ溶接が用いられる（たとえば特許文献１）。しかし、片面サブマージ溶接は、厚板を大入熱で溶接するのには向いているが、割合薄板（例えば７ｍｍ以下）の溶接では、溶接歪が大きく後工程での歪取りが大変で熟練工による長時間作業を要する工程となっており、溶接歪の少ないプラズマキーホール溶接法の検討がなされて来ていて、厚板はサブマージ溶接、薄板はプラズマ溶接の共有を目指している。しかし、プラズマキーホール溶接法はサブマージ溶接法と設備、制御に大きな違いがあり、その設備の共用には幾つかの課題解決が必要である。

その１つがバックシールド方法の違いである。サブマージ溶接は平たい銅板を用いるのに対し、プラズマ溶接は溝付き銅板でバックシールドガスによる保護が必要であり、裏当ての共有が出来ない。また、長尺の裏ビードを確実にシールド保護する必要がある。尚且つ、設備共有には取り付け取り外しが簡便な裏当て機構が必要である。更に、プラズマ溶接は、歪が少ない分ビード幅の狭い（裏ビード幅で約３ｍｍ前後）溶接法である事から、高精度に溶接線を倣う必要がある。また開先のギャップ幅に対応し最適な溶接条件に切り替える必要もある。

一方、プラズマ溶接用裏当て方法として、タンク製造のための溶接など、比較的に中尺の溶接対象材の溶接では、鋼板の表側に溶接トーチを、裏側にガスシールド用の裏当部材を配置しそれから板継突合せ線の裏側に不活性ガス（シールドガス）を供給する（バックシールド）。様々な長さの板継突合せ線に適合するように長い裏当部材を設置すると広いスペースが必要となり消費するバックシールドガス量が多くなる。このような欠点を改善するために、溶接トーチを搭載し溶接対象材の表面を走行する溶接台車と、短いバックシールド用の裏当部材を溶接対象材の裏面に当てて支持する裏当台車を、それぞれ表，裏チェーンに結合して、溶接中には溶接台車上の溶接トーチの直下に裏当台車上の裏当部材が常に位置するように、溶接台車と裏当台車を機械的に駆動する溶接装置が提示されている（たとえば特許文献２）。しかし、これでも適応予定の加工対象の最大寸法に対応するチェーン敷設が必要であり、長尺の溶接では設備が大掛かりとなり、簡易着脱は難しく、サブマージ溶接との設備共用は不可能である。

裏当て制御方法として、特許文献３には、裏当部材のシールド空間内に複数個の受光素子を設置してこれらを用いてプラズマキーホールから裏当部材のシールド空間内に吹き出すアークフレームの溶接進行方向の偏向角θを計測して、偏向角θが基準値になるように溶接電流および溶接速度を調整するプラズマキーホール溶接が記載されている。この溶接では、溶接トーチおよび裏当部材が位置固定で、溶接対象材を搬送するので、適応予定の加工対象の最大寸法に対応する溶接対象材搬送機構が必要であり長い固定設備が必要である。

特許文献４には、裏当部材にＣＣＤカメラを備えて溶接部の裏側を撮影して溶接部の中心位置を求め、そこに裏当部材のガスノズルが位置するように溶接線と直交する方向に裏当部材を駆動（位置調整）するイナートガスアーク溶接が記載されている。ところが、溶接部裏側の撮影画像は、溶け込み深さ変化による極端な明／暗変化や、キーホール溶接時は超高温の熱フレームや蒸発金属微粒子やスパッタの蓄積、などによりその環境は甚だしく劣悪であって、溶接部の中心位置検出が不正確あるいは困難になる可能性が高い。

特開2007-222909号公報特開2017-77575号公報特開平 4-18951公報特開2006-175522号公報

本発明は、鋼板の表側に溶接トーチを、裏側に裏当部材を配置して、裏当部材から板継突合せ線の裏に不活性ガス（シールドガス）を供給して板継突合せ線の裏側をシールドガスでバックシールドする溶接を、比較的に短い作業空間でも簡易に実施でき、また、長い鋼板にも簡易に対応できる溶接装置を提供する。

（１）溶接線を形成する溶接対象材の表裏の一方側から該溶接線に溶接アークを当てる溶接トーチを搭載し該溶接線に沿って走行する、電気モータ駆動により走行する溶接台車；
前記溶接対象材の表裏の他方側で前記溶接アークによる溶接箇所をガスシールドするバックシールドガス吹き込み空間がある裏当部材を搭載し、前記溶接線に沿って走行する、電気モータ駆動による裏当台車；
前記溶接アークによる溶接部と前記裏当部材との、前記溶接線が延びる方向の相対位置を検出する手段；および、
前記相対位置に対応して、前記相対位置が設定値になるように、前記溶接台車と前記裏当台車の少なくとも一方の前記電気モータの回転速度を増減する制御手段；
を備え、
前記相対位置を検出する手段は、前記裏当部材に前記溶接線が延びる方向に沿って分布し、それぞれが前記溶接線に対向するバックシールドガス吹き込み空間の光を検出する複数の光センサを含み、
前記裏当部材には、前記溶接線が延びる方向に延び外部からバックシールドガスが送給されるガス流路と、前記溶接線が延びる方向に分布し前記ガス流路に繋がり前記バックシールドガス吹き込み空間にバックシールドガスを吹き出す複数の吹き出し孔があり、前記複数の吹き出し孔は前記ガス吹き込み空間の側面壁を貫通した透光窓であり、前記複数の光センサのそれぞれは、前記複数の吹き出し孔のそれぞれを通してバックシールドガス吹き込み空間の光を検出する、溶接装置。

（２）前記制御手段は、前記複数の光センサの光検出信号が、前記溶接線が延びる方向の前記溶接トーチの溶接位置より前記裏当部材が遅れていることを示すときには前記裏当台車の電気モータ駆動を増速し、および又は、前記溶接台車の電気モータ駆動を減速し、前記溶接トーチの溶接位置より前記裏当部材が進んでいることを示すときには前記裏当台車の電気モータ駆動を減速し、および又は、前記溶接台車の電気モータ駆動を増速する、上記（１）に記載の溶接装置。

（３）前記溶接装置はさらに、前記溶接トーチが溶接する前の溶接線を赤外光で照明する手段、および、該照明された溶接線を撮影するカメラを備える、上記（１）に記載の溶接装置。

（４）前記溶接台車にはさらに、前記溶接トーチを前記溶接線と交叉する方向に駆動する左右駆動機構及び左右駆動電気モータが搭載されており、前記制御手段が前記カメラの撮影画面上の溶接線像の位置および幅に基づいて、前記溶接トーチが前記溶接線に対抗するように前記左右駆動電気モータを付勢し溶接条件を調整する、上記（３）に記載の溶接装置。

（５）前記制御手段は前記カメラのシャッタースピードおよび又は感度を順次に、高輝度反射がないノーマル面の撮影用のものと高輝度反射があるグラインダ面の撮影用のものに切り替える、上記（４）に記載の溶接装置。

（６）前記制御手段は、前記カメラの撮影画面の溶接線像の位置および幅を算出する画像認識装置が与える位置，ギャップ幅情報を検証して適正範囲内の位置，ギャップ幅情報に基づいて前記溶接トーチが前記溶接線に対向するように前記左右駆動電気モータを付勢し溶接条件を調整する、上記（５）に記載の溶接装置。

（７）前記裏当台車の車輪は、片面サブマージアーク溶接設備の、上面にフラックスが散布され大板鋼板の開先部の下面に当てられる長尺の裏当銅板上を倣い走行することができ、前記溶接台車は、前記片面サブマージアーク溶接設備の大板鋼板支持台上に載置された溶接対象材上を走行し、前記裏当台車は前記長尺の裏当銅板上を倣い走行する、上記（１）～（６）のいずれか一つに記載の溶接装置。

上記（１）の溶接装置によれば、溶接トーチの溶接位置と裏当部材の位置とが設定値になるように、溶接台車および／または裏当台車の車輪駆動電気モータの回転速度が増減制御されるので、溶接トーチの溶接線に沿う方向の位置（Ｙ位置）に対して裏当部材の位置（Ｙ位置）が常に定位置となる。すなわち溶接トーチ（又は裏当部材）の溶接線が延びる方向（Ｙ方向）の移動（Ｙ移動）に裏当部材（又は溶接トーチ）のＹ移動が連動あるいは同期する。よって裏当部材は短尺でよい。溶接台車と裏当台車の溶接線に沿う方向Ｙの走行駆動機構（車輪駆動機構）は、機械的に分離しているので、チェーンなどの機械的な連携機構を長距離に渡って固定設置する必要はない。また、長尺の溶接線全線に渡って裏当部材を設置する必要がない。

上記（２）の溶接装置によれば、裏当部材のバックシールドガス吹き込み空間の光を検出する複数の光センサの光検出各信号を比較することにより、溶接線を貫通したキーホールアークがバックシールドガス吹き込み空間のどの位置（溶接線が延びるＹ方向の位置：Ｙ位置）にあるかを知ることができる。このＹ位置が溶接方向（Ｙ方向）で設定位置よりも前方側であると裏当部材が遅れているので、裏当台車の電気モータ駆動（走行速度）が増速されて裏当部材の設定位置がキーホールアークに追いつき、キーホールアークのＹ位置が設定位置よりも後方側であると裏当部材が進んでいるので、裏当台車の電気モータ駆動が減速されてキーホールアークが裏当部材の設定位置に追いつく。

この制御の代替として、キーホールアークのＹ位置が設定位置よりも前方側であると裏当部材が遅れているので、溶接台車の電気モータ駆動を減速して裏当部材の設定位置をキーホールアークに追いつかせ、キーホールアークのＹ位置が設定位置よりも後方側であると裏当部材が進んでいるので、溶接台車の電気モータ駆動を増速してキーホールアークを裏当部材の設定位置に追いつかせる、という制御態様もある。

さらには、キーホールアークのＹ位置が設定位置よりも前方側であると裏当部材が遅れているので、溶接台車の電気モータ駆動を減速しかつ裏当台車の電気モータ駆動を増速して裏当部材をキーホールアークに追いつかせ、キーホールアークのＹ位置が設定位置よりも後方側であると裏当部材の設定位置よりキーホールアークが遅れているので、溶接台車の電気モータ駆動を増速しかつ裏当台車の電気モータ駆動を減速してキーホールアークを裏当部材の設定位置に追いつかせる、という制御態様もある。

いずれの制御態様を採用しても、キーホールアークのＹ方向移動に裏当部材が追従するので、短い裏当部材を用いることができる。溶接台車に裏当台車を連動させるチェーンなどの機械的な連携機構を長距離に渡って固定設置する必要はない。短い裏当部材を用いるとバックシールドガスの消費量が少なくなるので経済的である。尚且つ、裏当台車連動制御用の光センサが溶接線を貫通したキーホールアーク光をバックシールドガス吹き込み空間より検出することで、蒸発金属微粒子や塗装燃焼酸化物微粉やスパッタなどによる検出孔の塞ぎによる誤動作を防止できる。

上記（３）により、各窓を通して各光センサ２６～２８が、プラズマ溶接トーチ４１が発生し溶接線を貫通したプラズマキーホールアークＰＡ（図４）を検出する。各光センサがバックシールドの吹き出し孔を採光に利用することで、ガス吹き込み空間に送給されるバックシールドガスで光センサの透光窓である吹き出し孔がガスシールドされるので光センサは、キーホールアークの高温熱フレームを直接受ける事が無く光センサは常に常温雰囲気に保たれる。またバックシールドガスが常に溶接中放出されることから、光センサは蒸発金属微粒子やスパッタの付着や蓄積も無く正確な検出が長時間可能となる。

上記（４）により、溶接トーチが溶接する前の溶接線を可視光ではなく赤外光で照明してカメラで撮影すると、撮影画面上の溶接線像のコントラストが高く溶接炎症痕像（スパッタ像）が薄くしかも外乱光の影響が少なく、画像認識装置による溶接線像検出の精度が大きく向上する。

上記（５）によれば、溶接線に対する溶接トーチの倣いと開先幅（ギャップ幅）に対応する溶接条件の調整が自動的に行われるので、溶接作業員の労力が大幅に少なくなる。

上記（６）によれば、シャッタースピードおよび又は感度がノーマル面（高輝度反射がない）の撮影用の時に撮影領域にグラインダ面の高輝度反射があると、また、シャッタースピードおよび又は感度がグラインダ面（高輝度反射がある）の撮影の時に撮影領域にグラインダ面の高輝度反射がないと、画像からは溶接線像を正確に検出することは難しい。しかし、画像認識装置の溶接線位置およびギャップ幅検出情報の適否を制御手段で検証して適情報のみを採用すればよい。

上記（７）によれば、シャッタースピードおよび又は感度がノーマル面（高輝度反射がない）の撮影用の時のノーマル面の撮影画像と、シャッタースピードおよび又は感度がグラインダ面（高輝度反射がある）の撮影用の時のグラインダ面の撮影画像と、に基づいて画像認識装置が検出した溶接線位置およびギャップ幅検出に基づいて、溶接トーチ位置および溶接条件の制御をするので、正確な溶接線位置および幅検出情報に基づいた正確な制御が実現する。ノーマル面とグラインダ面では、反射光量の違いから同一撮影条件で計測する場合、両方の面が何とか見える範囲のシャッタースピードや感度となる事から、それぞれの面状態にとって最良でなく毎回計測される値の正確性は低下し、結果、溶接線倣いやギャップに対する溶接条件制御の正確性が低下する。そこで、それぞれの面に最適なシャッタースピードや感度条件を交互に切り替え正確な値を増加し、また、不正確な値はフィルターで排除することで、溶接線倣いやギャップ幅条件の切り替えが正確に制御できる。

上記（８）によれば、片面サブマージアーク溶接設備がキーホール溶接に利用される。そのとき、キーホール溶接を行う溶接台車は、片面サブマージアーク溶接設備の、大板鋼板支持台上に載置された溶接対象材上を走行し、裏当台車は片面サブマージアーク溶接設備の長尺の裏当銅板上を倣い走行する。片面サブマージアーク溶接設備は広大であって裏当銅板が長尺であり、溶接対象材の搬入，位置決め，搬出の設備も長いので、片面サブマージアーク溶接設備を利用するキーホール溶接は、特に薄板（７ｔ以下）に於いて低歪の溶接が可能で、溶接後の歪取り作業工程を省く又は軽減することができる。また、長，短、大，小、様々なサイズの溶接対象材の溶接を簡易に行うことができる。片面サブマージアーク溶接設備をキーホール溶接に兼用することにより該設備の薄板での高品質化や経済性が向上する。
本発明の他の目的および特徴は、図面を参照した以下の実施例の説明により明らかになろう。

片面サブマージアーク溶接設備を用いた、本発明の溶接装置によるプラズマアークキーホール溶接の一態様を示す正面図である。図１に示すプラズマアークキーホール溶接台車３０および裏当台車１０を拡大して示す側面図である。図１に示すプラズマアークキーホール溶接台車３０の拡大平面図である。図１～図３に示す溶接台車３０に搭載されているプラズマ溶接トーチ４１とその直下の裏当部材２０を拡大して示す正面図である。図１，図２および図４に示す裏当部材２０を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。図２に示す溶接台車３０および裏当台車１０に装備した機器と、溶接台車３０に装備した制御装置５０に接続された溶接ワイヤ送給器５２および溶接機５１を示すブロック図である。図６に示す制御装置５０が、溶接線を貫通したプラズマアークに対する裏当部材２０の溶接線に沿うＹ方向の位置に対応して裏当台車１０の走行速度を加，減速する裏当台車速度制御ＲＳＣの概要を示すフローチャートである。図６に示す制御装置５０による、プラズマ溶接トーチ４１の溶接狙い位置を溶接対象材４Ｗの突合わせ線（溶接線）に合わせる開先倣い制御ＯＬＴと、溶接線のギャップ幅（開先幅）に適した溶接条件を定めるギャップ計測制御ＧＦＷの概要を示すフローチャートである。図６に示す制御装置５０が、画像認識装置４５を介してＣＣＤカメラ４４にシャッタースピードおよび又は感度を指示する信号のタイムチャートである。

図１を参照すると、片面サブマージアーク溶接設備の、母材支持梁１Ｒ，１Ｌ上に載置された溶接対象材の上面４に溶接台車３０が載っている。該溶接対象材を押さえる押え３Ｒには、ガイド板４８が垂直に立てて固定磁石４９で固定されている。このガイド板４８は、プラズマキーホール溶接用の溶接台車３０をＹ方向に延びる溶接線に倣って走行させるためのガイドレールとして付加したものである。

図３を参照する。溶接台車３０の、電気モータ３２（図６）で回転駆動される４個の車輪３１で支持された基台から、２個の倣いローラ１８，１９が、溶接進行方向Ｙの右方向Ｘに突出しており、溶接進行方向Ｙで前方となる倣いローラ１９の突出長は、溶接進行方向Ｙで後方となる倣いローラ１８の突出長９よりも短いので、制御装置５０（図６）がモータドライバ３３を介して電気モータ３２を付勢すると、電気モータ３２がトーチ走行駆動機構を駆動し、溶接台車３０が溶接対象材４Ｗ（図４）上をＹ方向に走行する。溶接台車３０がＹ方向に走行している間、溶接台車３０にはＸ方向に偏向しようとする力が発生し、溶接台車３０は、Ｙ方向の走行のときガイド板４８に倣って走行する。溶接対象材の突き合わせ開先(溶接線)がガイド板４８と平行となるように溶接対象材を配置しておくことにより、溶接台車３０は、Ｙ方向走行の溶接中は溶接線に沿って走行する。

この実施態様は、片面サブマージアーク溶接設備をキーホール溶接に利用している。キーホール溶接を行う溶接台車３０は、片面サブマージアーク溶接設備の、大板鋼板支持台上に載置された溶接対象材上を走行し、裏当台車１０は片面サブマージアーク溶接設備の長尺の裏当銅板２上を倣い走行する。片面サブマージアーク溶接設備は広大であって裏当銅板２が長尺であり、溶接対象材の搬入，位置決め，搬出の設備も長いので、片面サブマージアーク溶接設備を利用するこの実施態様のキーホール溶接は、長，短、大，小、様々なサイズの溶接対象材の溶接を簡易に行うことができる。片面サブマージアーク溶接設備をキーホール溶接に兼用することにより該設備の薄板での高品質化や経済性が向上する。

図２を参照する。溶接台車３０の基台には、電気モータ３６（図６）を駆動源とする上下駆動機構があり、これが上下左右スライドアーム３４を支持して上，下に駆動する。前記上下駆動機構は電気モータ３９（図６）を駆動源とする左右駆動機構の上に載っており、該左右駆動機構は、上下駆動機構を上下左右スライドアーム３４ごと左，右に駆動する。上下左右スライドアーム３４には、プラズマ溶接トーチ４１，カメラ保護筒４３および上下倣いセンサ３５が装着されている。溶接トーチ４１の下部にはワイヤ突き出しパイプ４２を通して溶接ワイヤが送給される。裏当台車１０には、裏ビード確認用カメラ５７が付いていて、その画像を、溶接台車３０に付けられた裏ビード確認モニター５８でみることができる。また各種操作が可能な操作ペンダント５９が制御装置５０に接続されている。

上下倣いセンサ３５が溶接対象材上面４に対する溶接トーチ４１の高さを検出して制御装置５０に与え、制御装置５０は、溶接トーチ４１の高さが設定値になるようにモータドライバ３７（図６）を介して電気モータ３６を正，逆回転付勢する。これにより上下左右スライドアーム３４が上，下移動して、上下倣いセンサ３５および上下左右スライドアーム３４（これに装着した溶接トーチ４１およびカメラ保護筒４３）が上，下移動する。

カメラ保護筒４３の内部には、溶接対象材上面４の溶接直前の溶接線を撮影するＣＣＤカメラ４４があり、カメラ保護筒４３の先端部には該溶接線に赤外光を投射する赤外光照明灯４３ｒが装着されている。ＣＣＤカメラ４４の撮影画像信号は、画像認識装置４５（図６）に送られ、ディスプレイ４６で表示される。画像認識装置４５は、撮影画像信号に基づいて撮影画面上の溶接線像を摘出してその左右Ｘ位置とＷギャップ幅を算出して制御装置５０（図６）に送信する。溶接直前の溶接線を可視光ではなく透過性の高い赤外光で照明してＣＣＤカメラで撮影するので、撮影画面上の溶接線像を通常一般的に使用される可視光の照明に比べコントラストを高く映し出すことが可能で、更に、開先線の仮付け溶接時に発生する溶接炎症痕（スパッタが飛んだ際にできる焼け跡）も薄く映るなどの効果があり誤計測の割合を大幅に下げることが可能で、尚且つ、周囲にある外乱光の影響が少なく、画像認識装置４５（図６）による溶接線像検出の精度が高い。

制御装置５０（図６）は、画像認識装置４５が算出した左右Ｘ位置が基準位置になるように電気モータ３９を付勢し左右駆動機構で、溶接トーチ４１を支持する上下左右スライドアーム３４を、Ｘ方向に駆動する。また、制御装置５０（図６）は、画像認識装置４５が算出したＷギャップ幅に対応して、該Ｗギャップ幅を溶接するに適した溶接条件（溶接電流値，ワイヤ送給速度，パイロットガス送給量及び溶接台車速度）の設定を溶接機５１及びトーチ走行モータ３２に指示する。これにより、溶接線に対する溶接トーチの倣いと開先幅（Ｗギャップ幅）に対応する溶接条件の調整が自動的に行われ、溶接作業員の労力が大幅に少ない。

図１を再度参照する。プラズマ溶接トーチ４１によりプラズマアークを発生させ溶接線を溶接するとき溶接線を貫通したプラズマキーホールアークは裏ビードも同時に形成する。この際、裏ビードが酸化しない様に周りをガスシールドする。このバックシールド用に、水冷した銅製の裏当部材２０を使用する。裏当部材２０を支持する裏当台車１０の車輪１２は、この実施態様では、片面サブマージアーク溶接設備の、上面にフラックスが散布され大板鋼板の開先部の下面に当てられる長尺の裏当銅板２、の上を倣い走行できるように、裏当銅板２の垂直側面に接触するフランジを有するものであり、左右車輪で裏当銅板２を挟み、かつ、裏当銅板２に載ってＹ方向に走行する。図２も参照すると、裏当台車１０の基台１１には、２本の昇降ロッド１４が昇降自在に立てられており、それぞれ圧縮コイルスプリング１５で上昇付勢されている。溶接対象材（母材：鋼板）４Ｗのスタート位置に裏当台車１０をセットする際は、昇降ロッド１４を退避位置まで押し下げると、シャフトクランプ１６が動作して昇降ロッド１４を下退避位置に固定する。裏当台車１０を溶接対象材４Ｗの下に潜り込ませ、裏当部材２０のＹ方向のほぼ中央がプラズマ溶接トーチ４１の中心と合う位置で、シャフトクランプ１６を操作すると、昇降ロッド１４の下位置拘束が解除されて昇降ロッド１４は圧縮コイルスプリング１５の反発力で上昇駆動され、昇降ロッド１４の上端に固定された裏当部材２０の倣いローラ２２が溶接対象材４Ｗの裏面に当接する（図２，図４）。

図４および図５を参照する。裏当部材２０の上面にはＹ方向に延びる深い溝があり、そのＹ方向両端には、溝に吹き込まれたシールドガスを逃がす隙間を溶接対象材４Ｗの裏面との間に形成するために低くした堤体がある。両堤体の間の深い溝空間がガス吹き込み空間２１である。ガス吹き込み空間２１の底にはＹ方向に並んだ複数のバックシールドガス吹き出し孔２３、２４、２５、５６があり、裏当部材２０の内部にこれらのガス吹き出し孔が繋がったガス流路５５がある。ガス流路５５の端のガス注入口にバックシールドガスホースからガス流路５５に送給されたバックシールドガスは、バックシールドガス吹き出し孔２３、２４、２５、５６からガス吹き込み空間２１に入って溶接対象材４Ｗの裏面をガスシールドし、そして、裏当部材２０のＹ方向両端の堤体と溶接対象材４Ｗの裏面との間の隙間から裏当部材２０の外部に流出する。

図５を参照すると、３個のガス吹き出し孔２３～２５は、裏当部材２０のガス吹き込み空間２１の側面壁を貫通した透光窓であり、各窓を通して各光センサ２６～２８が、プラズマ溶接トーチ４１が発生し溶接線を貫通したプラズマキーホールアークＰＡ（図４）を検出する。各光センサ２６～２８がバックシールドの小径吹き出し孔である透光窓２３～２５を採光に利用することで、ガス吹き込み空間２１に送給されるバックシールドガスで透光窓２３～２５がガスシールドされるので光センサ２６～２８は、キーホールアークの高温熱フレームを直接受ける事が無く光センサは常に常温雰囲気に保たれる。またバックシールドが常に溶接中放出されることから、光センサ２６～２８は蒸発金属微粒子やスパッタの付着や蓄積も無く正確な検出が長時間可能となる。キーホールアークＰＡが、透光窓２３に対抗する位置ＰＡｒにあると光センサ２６の光検出信号がＯＮ信号を発する。透光窓２４に対抗する位置ＰＡｍにあると光センサ２７の光検出信号がＯＮ信号を発する。透光窓２５に対抗する位置ＰＡｆにあると光センサ２８の光検出信号がＯＮ信号を発する。光センサ２６～２８の光検出信号により、裏当部材２０のＹ方向のどの位置にキーホールアークがあるかを知ることができる。光センサ２６～２８の光検出信号は、制御装置５０（図６）に与えられる。単にＯＮ信号による制御でなく、光センサ２６～２８の光検出信号値（アナログ値）を比較する方法でも良い。また、光センサの数は２個（２６と２８）使用でも良く、更に、光センサを３個以上使用して細かい制御としても良い。また、本形態では透光窓２３～２５をバックシールドの吹き出し孔を採用したが、単独に透光窓を設け耐熱ガラスなどで保護しても良い。

制御装置５０（図６）が、モータドライバ５３を介して電気モータ１３に通電して裏当走行駆動機構を駆動して裏当台車１０の車輪１２を回転駆動する。これにより裏当台車１０がＹ方向走行する。裏当台車１０の速度は、各板厚や材質に合わせた基準速度（溶接台車３０速度）と同じ速度で制御され、常に溶接台車速度と連動して制御されているが、様々な要因で裏当台車１０の速度は変化する場合がある。例えば、(1)裏当台車１０の車輪１２のスリップ，(2)図示していない牽引しているホース類（水ホース、ガスホース、電気信号ケーブルなど）の負荷変動、および(3)溶接対象材４Ｗの歪などで裏当材２０の押し付け圧力変動。

制御装置５０は、光センサ２６～２８の光検出信号が、Ｙ方向のキーホールアーク位置より裏当部材２０が遅れていることを示すとき（プラズマアークＰＡがＰＡｆの位置で光センサ２８がＯＮした時）には裏当台車１０の電気モータ１３による駆動を基準溶接速度よりも増速し、裏当材２０のＹ方向のほぼ中央（プラズマアークＰＡがＰＡｍの位置で光センサ２７がＯＮした時）になった時、基準速度にする。キーホールアーク位置より裏当部材２０が進んでいることを示すとき（プラズマアークＰＡがＰＡｒの位置で光センサ２６がＯＮした時）には裏当台車の電気モータ１３による駆動を基準溶接速より減速し裏当材２０のＹ方向のほぼ中央（プラズマアークＰＡがＰＡｍの位置で光センサ２７がＯＮした時）になった時、基準速度にする。このように、キーホールアークのＹ位置に追従して裏当部材２０が動くので、従来の、溶接全長に渡って裏当て銅板を張り付けたり、溶接台車と裏当台車をチェーンなどで連結して同期させるなどの大掛りな機構を設けることなく短い裏当銅板で簡易的に確実にバックシールドを行うことができる。また既存の片面サブマージ溶接設備を改造することなく、サブマージ溶接とプラズマ溶接の兼用機とすることができる。

制御装置５０（図６）は、プログラマブルロジックコントローラあるいはシーケンサとも呼ばれるマイクロコンピュータとインターフエイス（電気信号入，出力回路）で構成されており、溶接台車３０および裏当台車１０をＹ方向に走行駆動してプラズマキーホール溶接を実施している間、設定周期で「裏当台車速度制御ＲＳＣ」，「開先倣い制御ＯＬＴ」および「ギャップ計測制御ＧＦＷ」を実行する。

図７を参照する。制御装置５０は、「裏当台車速度制御ＲＳＣ」に進むとまず、スタート時は溶接基準速度（溶接台車３０の速度）で走行する（ステップＳ２１）。問題なければそのまま進むが（Ｓ２２）、何らかの要因で裏台車１０が溶接台車３０より進んでいる時（Ｓ２３）、光センサ２６がＯＮし、光センサ２７、２８はＯＦＦ状態となり裏台車１０速度を１ステップ減速する（Ｓ２４）。光センサ２７がＯＮし光センサ２６、２８がＯＦＦした状態で（Ｓ２５）、溶接基準速度に戻す（Ｓ２２）。逆に何らかの要因で裏台車１０が溶接台車３０より遅れている時（Ｓ２６）、光センサ２８がＯＮし光センサ２６、２７はＯＦＦ状態となり裏台車１０速度を１ステップ増速する（Ｓ２７）。光センサ２７がＯＮし光センサ２６、２８がＯＦＦした状態で（Ｓ２８）、溶接基準速度に戻す（Ｓ２２）光センサ２７がＯＮ状態の時、キーホールアークＰＡｍに対して裏当部材２０が最適位置にあるので、裏当台車１０のＹ走行速度を現在値に維持する。この判定（Ｓ２２～Ｓ２８）と判定結果に基づく裏当台車の減速／増速／維持を溶接状況に応じて繰り返すので、キーホールアークのＹ移動に追従して裏当部材２０がＹ移動する。

なお、２個の光センサ（例えば２６と２８）のみを裏当部材２０に装備して、両センサの信号で制御することも可能である。Ｙ方向上流側の光センサ２６がＯＮで、下流側の光センサ２８がＯＦＦの時、キーホールアークに対して裏当部材２０が進んでいるので裏当台車１０のＹ方向走行を一定時間減速し、時間経過後は基準台車速度に戻す。一方、Ｙ方向下流側の光センサ２８がＯＮで、上流側の光センサ２６がＯＦＦの時、キーホールアークに対して裏当部材２０が遅れているので裏当台車１０のＹ方向走行を一定時間増速し、時間経過後は基準台車速度に戻す。この制御の繰り返しでキーホールアークのＹ方向移動に追従して裏当部材２０がＹ方向移動する。光センサは２個以上すなわち複数個であればよい。

上述の実施態様では、光センサ２６、２７、２８は、あるレベル以上の光量でＯＮし、あるレベル以下の光量でＯＦＦする方式を採用して制御を行ったが、各センサの光量レベルを比較してキーホールアークに対する裏当部材２０の位置を検出し制御する方法でも良い。

図８を参照する。制御装置５０は、「開先倣い制御ＯＬＴ」に進むとまず、ＣＣＤカメラ４４の撮影画面上の溶接線像の左右Ｘ位置の基準値を設定値Ｘｋに定めて（Ｓ１）、画像認識装置４５が与える溶接線像の左右Ｘ位置計測値Ｘｍを読み込み（Ｓ２）、その正誤をチェックして（Ｓ３）、正常値であると、基準値Ｘｋに対する計測値Ｘｍの偏差Ｘｍ－Ｘｋに対応して、計測値Ｘｍが基準値Ｘｋより０．３ｍｍも越えていると、ＣＣＤカメラ４４（上下左右スライドアーム３４，溶接トーチ４１）が溶接線よりも右（＋Ｘ）にずれているので、モータドライバ４０に、上下左右スライドアーム３４の左（－Ｘ）への０．３ｍｍの駆動を指示する（Ｓ４，Ｓ５）。計測値Ｘｍが基準値Ｘｋより０．３ｍｍ以上少ないと、ＣＣＤカメラ４４（上下左右スライドアーム３４，溶接トーチ４１）が溶接線よりも左（－Ｘ）にずれているので、モータドライバ４０に、上下左右スライドアーム３４の右（＋Ｘ）への０．３ｍｍの駆動を指示する（Ｓ６，Ｓ７）。計測値が異常値であったとき、ならびに、基準値Ｘｋに対する計測値Ｘｍの偏差Ｘｍ－Ｘｋが僅少（±０．３ｍｍ以内）であったときには、上下左右スライドアーム３４のＸ方向駆動は行わない。

制御装置５０は、「ギャップ計測制御ＧＦＷ」に進むとまず、ＣＣＤカメラ４４の撮影画面上の溶接線像のギャップ幅の計測値Ｗを画像認識装置４５から読み込み（Ｓ１１）、その正誤をチェックして（Ｓ１２）、正常値であると、計測値Ｗに対応する溶接条件を溶接機５１，ワイヤ送給器５２およびモータドライバ３３に設定する（Ｓ１３～Ｓ２０）。しかし異常値と判定した場合は、溶接機５１等に対する溶接条件の更新は指示しない。すなわち保留する。溶接条件には、溶接電流値，ワイヤ送給速度，パイロットガス流量および溶接台車速度があるが、ワイヤ送給速度はワイヤ送給器５２に、溶接台車速度はモータドライバ３３に与える。ギャップ計測値Ｗが０．１～０．３ｍｍの狭いものであると制御装置５０は溶接条件Ｊ＝１を設定する（Ｓ１３，Ｓ１４）。計測値Ｗが０．３～０．６ｍｍであると制御装置５０は溶接条件Ｊ＝２を設定する（Ｓ１５，Ｓ１６）。計測値Ｗが０．６～１．０ｍｍであると制御装置５０は溶接条件Ｊ＝３を設定し（Ｓ１７，Ｓ１８）、計測値Ｗが１．０～１．５ｍｍであると溶接条件Ｊ＝４を設定する（Ｓ１５，Ｓ１６）。各溶接条件Ｊは、各計測値Ｗのキーホール溶接に適した既定値である。開先の状態によっては、あらかじめ記録させた溶接条件を自動的に切替えても健全なビードが得られないことがある。溶接中アークが鋼板の裏まで貫通して、健全な裏ビードが形成されているか、常に裏ビード確認カメラ５７で確認している。裏ビード確認カメラ５７の映像は裏ビード確認モニター５８ないし操作ペンダント５９で見ることが出来る。裏ビードが形成されていない時は、溶接条件を自動的に変更することをやめ、操作ペンダント５９により健全なビードがえられる適正溶接条件（電流，溶接速度など）を設定することが出来る。溶接中、任意に調整が出来る。

制御装置５０は、画像認識装置４５を介してＣＣＤカメラ４４に、そのシャッタースピード又は感度を順次に、ノーマル面（高輝度反射がない）の撮影用のもの（シャッタースピード：１／８０又は感度：高く）とグラインダ面（高輝度反射がある）の撮影用のもの（シャッタースピード：１／３００又は感度：低く）に切り替える指示信号を与える。該指示信号を図９に示す。シャッタースピード又は感度がノーマル面（高輝度反射がない）の撮影用の時に撮影領域にグラインダ面の高輝度反射があると図９（イ）、また、シャッタースピード又は感度がグラインダ面（高輝度反射がある）の撮影の時に撮影領域にグラインダ面の高輝度反射がないと図９（ロ）、画像からは溶接線像を毎回正確に検出することは難しいので、制御装置５０は、ＣＣＤカメラ４４の撮影画面の溶接線像の位置およびギャップ幅を算出する画像認識装置４５が与える位置Ｘ，ギャップ幅Ｗを検証して（図８のＳ３，Ｓ１２）、本来ありえない大きく外れた数値は採用せず、適正範囲内のＸ位置，ギャップ幅Ｗ数値に基づいて、溶接トーチ４１が溶接線に対向するように左右駆動電気モータ３９を付勢し、かつ溶接条件を調整する。

その結果、主にシャッタースピード又は感度がノーマル面（高輝度反射がない）の撮影用の時（シャッタースピード：１／８０又は感度：高く）のノーマル面の撮影画像と図９（ハ）、シャッタースピード又は感度がグラインダ面（高輝度反射がある）の撮影用の時（シャッタースピード：１／３００又は感度：低く）のグラインダ面の撮影画像と図９（ニ）、に基づいて画像認識装置４５が検出した溶接線位置およびギャップ幅検出に基づいて溶接トーチ位置および溶接条件が制御され、正確な溶接線位置およびギャップ幅検出情報に基づいた正確な制御が実現する。シャッタースピード又は感度がノーマル面（高輝度反射がない）の撮影用の時に撮影領域にグラインダ面の高輝度反射がある場合と図９（イ）、シャッタースピード又は感度が射がない場合の図９（ロ）、溶接線位置およびギャップ幅検出情報は、溶接トーチ位置および溶接条件の制御には多くは用いられない。

上述の実施態様によれば、溶接トーチの溶接位置と裏当部材の位置とが設定値になるように、裏当台車１０の車輪駆動電気モータ１３の回転速度が増減制御されるので、溶接トーチ４１の溶接線に沿う方向のＹ位置に対して裏当部材２０のＹ位置が常に定位置となる。すなわち溶接トーチ４１の溶接線が延びるＹ方向の移動に裏当部材２０のＹ移動が連動あるいは同期する。よって裏当部材２０は短尺でよい。溶接台車３０と裏当台車１０の溶接線に沿う方向Ｙの走行駆動機構（車輪駆動機構）は、機械的に分離しているので、チェーンなどの機械的な連携機構をＹ方向に長距離に渡って固定設置する必要はない。又は、溶接対象材４Ｗの裏面全線に渡って銅の裏当て材を設置する必要は無い。
更に、撮影条件切り替えでは、ノーマル面やグラインダ面に適した撮像を得るために赤外照明灯４３ｒの光量を切り替えて撮影しても良い。

上述の実施態様では、制御装置５０が、溶接線を貫通したキーホールアークのＹ位置が裏当部材２０の設定位置よりも前方側であると裏当台車１０の電気モータ駆動（Ｙ走行速度）を増速し、定位置に戻し、キーホールアークのＹ位置が裏当部材２０の設定位置よりも後方側であると裏当台車１０の電気モータ駆動を減速し定位置に戻す。これにより、キーホールアークのＹ移動に追従して裏当部材２０がＹ移動する。
そのかわりに、制御装置５０が、キーホールアークが裏当部材２０の設定位置よりもＹ方向で前方側であると溶接台車３０の電気モータ駆動を減速し、定位置に戻し、キーホールアークが裏当部材２０の設定位置よりも後方側であると溶接台車３０の電気モータ駆動を増速し定位置に戻す態様を採用してもよい。
あるいは、制御装置５０が、キーホールアークの裏当部材２０の設定位置よりも前方側であると裏当台車１０の電気モータ駆動を増速しかつ溶接台車３０の電気モータ駆動を減速し、キーホールアークが裏当部材２０の設定位置よりも後方であると裏当台車１０の電気モータ駆動を減速しかつ溶接台車３０の電気モータ駆動を増速する態様を採用してもよい。

上述の実施態様は、片面サブマージアーク溶接設備を利用して、長，短距離のプラズマキーホール溶接を行うように、裏当台車１０は、片面サブマージアーク溶接設備の、片面サブマージアークのときには上面にフラックスが散布され大板鋼板の開先部の下面に当てられる長尺の裏当銅板２を倣いその上を走行するに適した車輪を装備している。
しかし本発明の他の１つの実施態様では、裏当台車１０は、溶接台車３０の車輪３１と同様な車輪と倣いローラ１８．１９と同様な倣いローラを装備したものである。この実施態様では、溶接台車３０の倣い走行用のガイド板４８および固定磁石４９と同様な倣いガイドを、裏当台車１０のＹ走行案内に用いる。あるいは、ガイドをラック付きレールとし、裏当台車の車輪に該ラックに噛みあうピニオンを装着したものとすることもできる。いずれにしても、片面サブマージアーク溶接設備を利用できない場所でのキーホール溶接を、簡易な設備で実施することができる。

上述の実施態様では、片面サブマージ溶接設備を利用してプラズマトーチ４１の走行を自走式の溶接台車３０にて走行させる方式を採用しているが、プラズマトーチ４１の走行を既存のサブマージ溶接トーチの走行装置を利用し、その走行装置にプラズマトーチ４１や自動倣いに必要な部材や制御装置を搭載し、裏当台車１０と組み合わせ、同様な制御方法でプラズマ溶接を実施しても良い。

更に溶接方法としてプラズマ溶接法の替わりに、ＴＩＧ溶接法、又はレーザー溶接法を採用しても良い。また、裏当て追従方式をタンクの円周溶接など、鋼材が回転（移動）する設備に採用しても良い。

１Ｒ，１Ｌ：支持梁
２：裏当銅板（サブマージ溶接の長尺裏当て銅板）
３Ｒ，３Ｌ：押え
４：溶接面
４Ｗ：溶接対象材（母材；鋼板）
１０：裏当台車
１１：支持台
１２：車輪
１３：裏当台車駆動用の電気モータ
１４：昇降ロッド
１５：圧縮コイルスプリング
１６：シャフトクランプ
１７：握り手
１８，１９：倣いローラ
２０：裏当部材（短尺裏シールド部材）
２１：ガス吹込み空間
２２：倣いローラ
２３～２５：透光窓
２６～２８：光センサ
ＰＡ：プラズマアーク
ＰＡｒ，ＰＡｍ，ＰＡｆ：キーホールプラズマ
３０：溶接台車
３１：車輪
３２：溶接台車駆動用の電気モータ
３３：モータドライバ
３４：上下左右スライドアーム
３５：上下倣いセンサ
３６：上下駆動用の電気モータ
３７：モータドライバ
３９：左右駆動用の電気モータ
４０：モータドライバ
４１：プラズマ溶接トーチ
４２：ワイヤ突出しガイド
４３：カメラ保護筒
４３ｒ：赤外照明灯
４４：ＣＣＤカメラ
４５：画像認識装置
４６：ディスプレイ
４７：握り手
４８：ガイド板
４９：固定磁石
５０：制御装置
５１：溶接機
５２：ワイヤ送給器
５３：モータドライバ
５４：バックシールド供給ホース
５５：ガス流路
５６：バックシールドガス吹き出し孔
５７：裏ビード確認カメラ
５８：裏ビード確認モニター
５９：操作ペンダント

Claims

溶接線を形成する溶接対象材の表裏の一方側から該溶接線に溶接アークを当てる溶接トーチを搭載し該溶接線に沿って走行する、電気モータ駆動により走行する溶接台車；
前記溶接対象材の表裏の他方側で前記溶接アークによる溶接個所をガスシールドするバックシールドガス吹き込み空間がある裏当部材を搭載し、前記溶接線に沿って走行する、電気モータ駆動による裏当台車；
前記溶接アークによる溶接部と前記裏当部材との、前記溶接線が延びる方向の相対位置を検出する手段；および、
前記相対位置に対応して、前記相対位置が設定値になるように、前記溶接台車と前記裏当台車の少なくとも一方の前記電気モータの回転速度を増減する制御手段；
を備え、
前記相対位置を検出する手段は、前記裏当部材に前記溶接線が延びる方向に沿って分布し、それぞれが前記溶接線に対向するバックシールドガス吹き込み空間の光を検出する複数の光センサを含み、
前記裏当部材には、前記溶接線が延びる方向に延び外部からバックシールドガスが送給されるガス流路と、前記溶接線が延びる方向に分布し前記ガス流路に繋がり前記バックシールドガス吹き込み空間にバックシールドガスを吹き出す複数の吹き出し孔があり、前記複数の吹き出し孔は前記ガス吹き込み空間の側面壁を貫通した透光窓であり、前記複数の光センサのそれぞれは、前記複数の吹き出し孔のそれぞれを通してバックシールドガス吹き込み空間の光を検出する、溶接装置。
前記制御手段は、前記複数の光センサの光検出信号が、前記溶接線が延びる方向の前記溶接トーチの溶接位置より前記裏当部材が遅れていることを示すときには前記裏当台車の電気モータ駆動を増速し、および又は、前記溶接台車の電気モータ駆動を減速し、前記溶接トーチの溶接位置より前記裏当部材が進んでいることを示すときには前記裏当台車の電気モータ駆動を減速し、および又は、前記溶接台車の電気モータ駆動を増速する、請求項１に記載の溶接装置。
前記溶接装置はさらに、前記溶接トーチが溶接する前の溶接線を赤外光で照明する手段、および、該照明された溶接線を撮影するカメラを備える、請求項１に記載の溶接装置。
前記溶接台車にはさらに、前記溶接トーチを前記溶接線と交叉する方向に駆動する左右駆動機構及び左右駆動電気モータが搭載されており、前記制御手段が前記カメラの撮影画面上の溶接線像の位置および幅に基づいて、前記溶接トーチが前記溶接線に対抗するように前記左右駆動電気モータを付勢し溶接条件を調整する、請求項３に記載の溶接装置。
前記制御手段は前記カメラのシャッタースピードおよび又は感度を順次に、高輝度反射がないノーマル面の撮影用のものと高輝度反射があるグラインダ面の撮影用のものに切り替える、請求項４に記載の溶接装置。
前記制御手段は、前記カメラの撮影画面の溶接線像の位置およびギャップ幅を算出する画像認識装置が与える位置，ギャップ幅情報を検証して適正範囲内の位置，ギャップ幅情報に基づいて前記溶接トーチが前記溶接線に対向するように前記左右駆動電気モータを付勢し溶接条件を調整する、請求項５に記載の溶接装置。
前記裏当台車の車輪は、片面サブマージアーク溶接設備の、上面にフラックスが散布され大板鋼板の開先部の下面に当てられる長尺の裏当銅板上を倣い走行することができ、前記溶接台車は、前記片面サブマージアーク溶接設備の大板鋼板支持台上に載置された溶接対象材上を走行し、前記裏当台車は前記長尺の裏当銅板上を倣い走行する、請求項１～６のいずれか一つに記載の溶接装置。