JPH01154873A - 加工片にフィラー材料を溶接する装置及びフィラー材料送給方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はフィラー材料を加工片に溶接する方法及び装置
、特に、フィラー材料のバンドの加工片上の位置への自
動送給を制御する方法に関するものである。

一般に、溶接技術においてフィラー材料（溶加材）のバ
ンド、代表的には、フィラー金属ワイヤ（又は、′フィ
ラーワイヤ″）を、熔融又は非熔融電極と加工片との間
に生じる電気アークの近くに自動的に送給することは既
知である。ある場合にはフィラー材料のワイヤを電極と
し、他の場合には個別の電極を用いる。電極アークの電
流及び電圧並びにフィラー材料の送給速度のような種々
の溶接パラメータをオペレータにより可調整として適宜
な溶接が行えるようにするのが重要である。又、多くの
用途において、加工片を電極に対し、かつ、フィラー材
料の送給に対し自動的に移動し得るようにする。

又、フィラー材料をアークの近くに送給する速度を変化
させて溶接処理を種々改善すると共に特定の溶接装置の
使用に対する融通性を得ることも提案されている。例え
ば、クーパによる米国特許筒４，１５９，４１０号公報
参照。このクーパの米国特許にはフィラー材料をアーク
の近くに送給する装置の種々の例が示されている。

第１の例では、トーチ全体（即ち、電極及びその支持構
体並びにフィラーワイヤをアークの近くに案内するワイ
ヤ案内）を加工片に対して往復移動させるようにする。

又、溶接機には順方向及び逆方向に周期的に回転し得る
フィラーワイヤ送り駆動ローラを設け、正味の順方向回
転を逆方向回転よりも多（してアークの近くへのワイヤ
の正味の送給を行い得るようにする。

他の例では、アークの近くにワイヤを運ぶ可撓性ワイヤ
案内導管に、ワイヤを送給しながら送りローラを連続的
に回転させるようにする。この導管の端部を電極に対し
往復動させてワイヤがアークに実際に送給される速度が
変化し得るようにする。又、前述したクーパの特許では
アークに対する溶接電流の変化をフィラーワイヤの移動
に同期させることが記載されている。前記クーパの特許
の第５欄、第５４−６３行参照。

本願人に譲渡されたフリートマン等の米国特許第４，０
１９，０１６号にはトーチ全体の位置を行うべき溶接の
中心線に対し前後に振動状態で移動するようにした溶接
制御装置が記載されている。

例えば、２本のパイプを突合せ接合する必要がある場合
にはトーチを、継目を横切って長手方向に前後に振動す
るが、トーチ全体は継目を中心として低い速度で円周方
間に移動させてフィラー材料が、形成すべき継目を横切
ってジグザグパターン前記フリートマン等の特許には溶
接電流を、トーチの移動に同期して前記継目を横切って
前後に変化させることが記載されている。かようにして
、溶接電流（従って、供給される熱）は接合すべき管の
断面に対応し、適当な量の熱がこれに供給されるように
なる。又、フリートマン等の特許には継目に対するトー
チ全体の位置に従ってワイヤの送り速度を自動的に制御
すると共に電極に供給される電流に比例する速度でフィ
ラーワイヤを送ることが示唆されている。第５欄、第３
１−４５頁、第１０欄、第２２−５９頁参照。

更に、リスベック等の米国特許第４，４４１，０１２号
明細書には溶接電流及び溶接アークにフィラー金属を送
給する速度を自動的に制御する装置の改良が記載されて
いる。このリスベック等の特許によれば、溶接電流及び
ワイヤ送り速度をパルス化してフィラーワイヤの先端が
アークによって形成された溶湯ブールに接触すると直ち
に最大となるようにする。

本発明者は、この一般の型の溶接システムにおいて、フ
ィラーワイヤ送給速度及び溶接電流の制御に追加の融通
性を加えるだけで更に改善を行うことができることを確
かめた。特に、本発明者は４つの部分より成るフィラー
ワイヤ送りサイクルを確立することによって更に改善を
行い得ることを確かめた。これらの４つの部分は、フィ
ラーワイヤが熔融される速度でアーク内に送給されて加
工片に堆積される送り部分と、フィラーワイヤがアーク
の近くから離される戻り部分と、フィラーワイヤがアー
クに進まず、又は、アークから戻らない休止部分と、フ
ィラーワイヤがその送り速度よりも早い速度で送給され
る進み部分とを具える。

この多重部分フィラーワイヤ送りサイクルを設けること
により、特定の溶接作動のパラメータを規定する上でオ
ペレータに充分な追加の融通性を与えることができる。

かかる追加の融通性は、特に、タービンの羽根に追加の
フィラー材料を溶接するようなデリケートな溶接作動に
対し極めて有利である。

本発明による特定の利点は、フィラーワイヤが正規の送
り速度で熔融されない場合に、このフィーラワイヤの発
生領域への進み、及び発生領域からの戻りを迅速に行う
か、又はこれを静止させる。

これにより生じる利点は、フィラーワイヤの所定の金属
堆積に対しアークの“熔融”区域における時間が簡単な
送り／戻りサイクルにおける場合よりも相対的に少な（
なる点である。このサイクルの送り部分が過ぎると、フ
ィーラワイヤはその端部に“ボール”の形成されるのを
防止するに充分な距離に亘って迅速に戻るようになる。

かようにボール部が形成されると、前述した特許に記載
されているように、溶接が不適当となる。本発明によれ
ばかかるボール部が形成される時間を短縮することがで
きる。更に、前述したサイクルの進み部分を迅速とする
ことによって実際のワイヤ熔融時間を長くし、効率をさ
らに向上させることができる。

図面につき本発明を説明する。

本発明による代表的なアーク溶接システムの種々の構成
素子を第１〜４図に示す。本例では、電極１０及び加工
片１３間に形成されるアーク１１によって熔融し得ない
タングステン電極１ｏを含むガスタングステンアーク溶
接を例にとって示す。

又、本発明では他の溶接処理を用いることもできる。こ
の例ではノズル９によってアーク１１に近く及び熔融金
属１２のプールに周りに遮蔽ガスを送出して凝固溶接金
属が熔融時に空気に曝されるのを防止する。アーク１１
には通常の溶接電源１５によって電力を供給し、この溶
接電源を電極１０の搬送コレット８及び加工片１３間に
接続する。

この溶接電源１５はパルス化溶接電源とするのが好適で
ある。

フィラー材料５のバンド、代表的にはフィラー金属ワイ
ヤはワイヤ送給スプール３からワイヤ駆動モータ４を経
てワイヤ案内７に送給する。このワイヤ案内７は案内支
持体６によって支持する。

又、電極１０に対するワイヤ案内７の位置は操作者によ
って調整自在として、ワイヤ５の先端が熔融プール１２
内に入る時点を操作者が選択し得るようにする。

ワイヤ駆動ローラ４はワイヤ５と摩擦係合すると共にワ
イヤ駆動モータ２によって駆動し、この駆動モータをワ
イヤ送りコントローラｌによって制御する。第１図に示
すように、溶接電源１５によって、例えば、ワイヤ５の
動きを前記溶接電源１５により供給される溶接電流のパ
ルスに同期させる必要がある場合には、同期信号ｅｓｙ
をワイヤ送すコントローラ１に供給する。

上述したように、第１図は溶接サイクルの休止部分にお
けるワイヤ送給装置を示し、従って、ワイヤ駆動ローラ
４が静止していることを示すために矢印を第１図には示
さない。

第２図は第１図と同様の断面を示すが、本例ではワイヤ
駆動ローラ４を相対的に迅速に回転させてワイヤ５がア
ーク１１の近（で熔融プール１２内に進み得るようにす
る。ワイヤ送給スプール３はこれに従って回転する。こ
れがため、第２図はワイヤ送りサイクルの“進み”部分
を示し、この部分中ワイヤはアーク１１の近くに迅速に
進むようになる。

第３図は比較的低い“送り”速度でアークの近くにワイ
ヤ５を送給する場合を示す。フィラー材料を加工片に堆
積する必要のある速度に相当するこの送り速度は操作者
によって選択する。即ち、この送り速度はフィラー材料
がアークによって実際に熔融し、加工片に堆積される速
度である。

第４図は、ワイヤ駆動ローラが第２及び３図に示す方向
とは逆の方向に駆動されてワイヤ５がアーク１１の近く
から離される場合を示す。これは、溶接サイクルの送り
部分の終わりにワイヤをアークから迅速に離してワイヤ
の端部が、上述した特許の種々の箇所で述べられている
ように、サウンド溶接を得るのが困難となる“ボール”
形状とならないようにする場合に行う。かかる“戻り”
作動で通常離されるワイヤの長さは、１インチ（２，５
４Ｃｍ）の数分の１となり、従って、ワイヤを送給スプ
ール３に巻戻す必要はない。

第５ａ図はワイヤ送りコントローラ１によって与えられ
るワイヤ速度指令信号を時間の関数として示す。図中破
線は第１図で述べたように零送り速度、即ち、溶接サイ
クルの休止部分を示す。溶接サイクルの休止期間Ｔ８の
終りには、ワイヤ送り速度指令信号は進み速度と称され
る比較的高い正の速度に増大し、期間ＴＡだけ持続され
るようになる。期間ＴＡ中フィラーワイヤは比較的高い
速度でアークの近くに進むようになる。この期間ＴＡの
終わりには熔融プールへのワイヤの送給速度は送り速度
に減少し、この速度が期間ＴＦ中継続し、この期間中ア
ークにより熔融され加工片に堆積される速度でワイヤが
熔融プールに送給されるようになる。期間ＴＦの終わり
には、戻り期間ＴＲが開始し、この期間中大きさが進み
速度に匹敵する比較的高い負の速度でワイヤを溶接プー
ルから離すようにする。これによりワイヤの先端がボー
ルを形成しないようにする。戻り期間ＴＲの終わりには
休止期間Ｔ５が再び開始し、この期間中ワイヤ５は溶接
プールに対し静止し得るようにする。

第５ｂ図は実際のワイヤ送り速度を時間の関数として示
す。この速度は第５ａ図のワイヤ速度指令信号にその形
状が類似する。この場合、送り速度の種々の部分間の傾
斜ラインは、溶接サイクルの種々の部分間のワイヤの加
速が瞬時的でないことを示す。

最後に、第５Ｃ図は任意の外部同期信号ｅ６ｙを時間の
関数として示す。この同期信号ｅ、ｙは溶接電源１５か
らワイヤ送りコントローラ１に供給することができる。

代表的には、同期信号ｅｓｙを用いて第５ａ−５ｂ図の
フィラーワイヤ送給サイクルをアーク１１に供給される
電流の大きさの変化に同期させるようにする。ワイヤ送
り速度の変化に対する電流変化の可能なパターンは本発
明の要旨を変更しない範囲内で広く変化させることがで
きる。

第６図は代表的なワイヤ送りコントローラ１のブロック
図を示す。本例ではワイヤ速度指令発生器２０に、ワイ
ヤの送り、進み及び戻りの種々の速度、並びに、溶接サ
イクルの種々の期間ＴＡ％ＴＦ。

ＴＲ及びＴ８に関するユーザ可調整入力を供給する。

図面に示すように、このワイヤ速度指令発生器２Ｏには
上述したように溶接電源１５から任意の同期信号ｅ、ｙ
をも供給する。第５ａ図に示すように、ワイヤ速度指令
信号はワイヤ速度指令発生器２０によって発生し、ワイ
ヤ駆動モータコントローラ２２に供給し、これによりワ
イヤ駆動モータ２を順次駆動するに必要な電流を供給す
る。次いで、ワイヤ駆動モータ２によって２４に示すよ
うに任意好適な手段で駆動ローラを駆動する。又、任意
の位置又は速度フィードバックトランスジューサ２６を
設けることができ、これを用いてワイヤ速度指令発生器
２０又はワイヤ駆動モータコントローラ２２に制御信号
に対するモータ２の応答に関する実際の情報を供給する
と共に適当な補正を行い得るようにする。

第７図はワイヤ速度指令発生器２０の可能な一例を線図
的に示す。本例では４−位置スイッチＳ。

をタイミング発生器兼制御論理装置３０によって第５ａ
図に示す溶接サイクルの４部分に関連する４個の接点間
を段歩的に駆動する。このスイッチＳ、？；！最初の３
位置で、ワイヤモータコントローラ２２に供給すべき進
み、送り及び戻り速度信号を夫々調整するポテンショメ
ータ３２．３４及び３６に接続する。第４番目の位置で
はスイッチＳ、を溶接サイクルの休止部分に相当させ、
接地する。タイミング発生器３０には、前述したように
、溶接サイクルの各部分の長さを規定するユーザ入力及
び任意の外部同期信号ｅ８２を供給する。又、ワイヤ送
り速度を溶接電源１５によって供給される溶接電流のパ
ルス以外のものに同期させる必要がある場合にはタイミ
ング発生器制御装置３０に内部／外部同期モード信号を
も供給する。例えばかかる信号は前記フリートマン等の
特許に記載されているように、ワイヤ案内装置及び電極
の全体を加工片に対し振動するモータから取り出すこと
ができる。

第８図はワイヤ速度指令発生器２０の可能な他の例を示
す。本例ではコンピュータ又はディジタルコントローラ
装置４０にユーザ可調整入力及び任意の同期信号ｅｓｙ
を供給する。又、このコンピュータ又はディジタルコン
トローラ装置４０には図示のような実時間クロック信号
をも供給する。このコンピュータ又はディジタルコント
ローラ装置４０によってバイポーラディジタル−アナロ
グ変換器４２に数Ｎを供給する。この数Ｎは任意の時点
における所望の送り速度を示す。基準電圧入力を用いる
バイポーラディジタル−アナログ変換器４２によって数
Ｎに関連するアナログワイヤ速度指令信号をワイヤモー
タコントローラ２２に供給する。このワイヤ速度はワイ
ヤモータに供給すべき順方向及び逆方向の信号に関連す
る正及び相対的に負の値開を変化する。コンピュータシ
ステム４０はオペレータによって代表的にはプログラム
され、溶接サイクルの諸部分の関連する期間ＴＡ、Ｔ、
、ＴＲ及びＴｓに対する適宜の順序の数Ｎを発生する。

例えば、コンピュータ４０によって、期間ＴＡに亘り進
み速度を表わす第１の数ＮＡ；期間Ｔ２に亘り送り速度
を表わす僅かに正の数ＮＦ；期間ＴＲに亘り負の数−Ｎ
Ｒ；及び溶接サイクルの休止部分に相当する期間Ｔｓに
亘り零敗を出力する。

第９図は本発明ワイヤ送給システムの全ディジタル化の
例を示すと共に第１０図は第９図の装置の理解に用いる
信号を時間の関数として示す。本例ではコンピュータシ
ステム又はディジタルコントローラ５０を用いてステッ
パモータコントローラ５２を制御し、これにより制御信
号を駆動ローラ制御用のステッパワイヤ駆動モータ５４
に供給する。このステッパモータコントローラ５２は一
連ノハルスｅ＋（第１０ａ図）に応答してステッパモー
タ５４を駆動し、フィラーワイヤを一定の距離だけ進め
るようにする。従って、パルスの速度によってワイヤの
移動速度を制御する。

パルス列ｅ、をＮ、パルス比計数器５６によってステッ
パモータコントローラ５２に供給する。この計数器５６
には溶接サイクルの各位置でワイヤを進める必要のある
迅速性を示すコンピュータシステムからの計数値Ｎ量を
供給する。又、この計数器５６にはスイッチ５８を経て
クロック信号源がらクロック信号を供給し、これを用い
て適宜の一連のパルスｅ、をステッパモータに供給する
。更に、ディジタルコントローラによって第１０ｃ図に
時間の関数として示す駆動方向信号ｅ、をも発生する。

これは、パルスＴＡ及びＴｐをＴＲから識別すること、
即ち、供給されたパルスに応答してモータによりワイヤ
を進めるか又は戻すかを決めることを示す。

第１０ａ図に示すように、パルスｅ１の送給速度は所望
の送り速度に比例する。これがため、比較的高速のパル
ス列が期間ＴＡ中供給され、低速のパルス列が期間ＴＦ
中供給され、同様の高速のパルス列が期間ＴＲ中供給さ
れ、期間Ｔ８中は駆動パルスが供給されない。従って、
フィラーワイヤは、期間ＴＡ中迅速に駆動され、期間Ｔ
Ｆ中中速で駆動され、期間Ｔ８中戻され、期間Ｔ８中駆
動されない。

任意のフィードバックトランスジューサ６０はフィラー
ワイヤが進む距離を測定するために用いることができる
。即ち、トランスジューサ６０を用いて他の計数器６２
に距離信号を供給し、この計数器によって、コンピュー
タ５ｏから受けた距離指令に従って、ワイヤが進んだか
、又は戻ったかを示す信号ｅ、（第Ｊｏｂ図）を出力す
る。これがため、これがため、ユーザは時間インターバ
ルＴＡ１Ｔｐ及びＴｎを規定するよりも、むしろ、ワイ
ヤ送り及び戻り距離を直接制御することにより、フィラ
ーワイヤの送給を制御することができる。期間Ｔ８中、
コンピュータ５０によってスイッチ５８を制御して計数
器５６からのクロック信号を遮断して、期間Ｔ５中ワイ
ヤが移動するのを防止し得るようにする。

本発明は上述した例にのみ限定されるものではなく、要
旨を変更しな範囲内で種々の変化を加えることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は溶接サイクルの休止部分中における本発明溶接
装置の構成を示す部分断面側面図、第２図は溶接サイク
ルの進み部分中における本発明溶接装置の構成を示す部
分断面側面図、第３図は溶接サイクルの送り部分中にお
ける本発明溶接装置の構成を示す部分断面側面図、第４
図は溶接サイクルの戻り部分中における本発明溶接装置
の構成を示す部分断面側面図、第５ａ図は本発明装置の
作動、特にワイヤ速度指令信号を時間の関数として示す
特性図、第５ｂ図は本発明装置の作動、特に実際のワイ
ヤ送り速度を時間の関数として示す特性図、第５ｃ図は
本発明装置の作動、特に任意の外部同期信号を時間の関
数として示す特性図、第６図は本発明ワイヤ送り制御シ
ステムの代表的な素子を示すブロック図、 第７図は本発明によるワイヤ送り速度制御指令を発生す
る装置の第１例を示すブロック図、第８図は本発明によ
るワイヤ送り速度制御指令を発生する装置の第２例を示
すブロック図、第９図は本発明に従ってアークへのワイ
ヤ送給速度を制御するディジタルコントローラを示すブ
ロック図、 第１０図は第９図のディジタルコントローラの動作を説
明するための波形図である。 １　・・・　ワイヤ送りコントローラ ２　・・・　ワイヤ駆動モータ ３　・・・　ワイヤ送給スプール ４　・・・　ワイヤ駆動ローラ ５　・・・　フィラー材料、６　・・・　案内支持部７
　・・　ワイヤ案内、　８　・・・　コレット９　・・
・　ノズル １０　・・　タングステン電極 ＩＩ　・・・　アーク、　　１２　・・・　熔融金属１
３　・・・　加工片、　　１５　・・・　熔融電源２０
　・・・　ワイヤ速度指令発生器 ２２　・・・　ワイヤ駆動モータコントローラ２４　・
・・　駆動ローラ ２６　・・・　速度フィードバックトランスジューサ３
０　・・・　タイミング発生器兼制御論理装置３２．３
４．４６　・・・　ポテンショメータ４０．５０　　・
・・　コンピュータシステム又はディジタルコントロー
ラ装置 ４２・・・バイポーラディジタル−アナログ変換器５２
　・・・　ステッパモータコントローラ５４　・・・　
ステッパワイヤ駆動モータ５６　・・・　％Ｎ、任意パ
ルス比計数器６２　・・・　％Ｎ、任意距離計数器 ボレーテッド −Ｆ勾、ｌ −ノワす、２ −Ｊワ々、３ 一ノワす、４ 度′ｌ インターへル 一ノワす、５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、加工片の特定の溶接位置に熱を供給する手段と、フ
   ィラー材料の連続バンドを前記加工片の溶接位置の近く
   に可制御速度で送給する可制御フィーダ手段と、前記フ
   ィラー材料の連続バンドを前記加工片の溶接位置の近く
   に送給する速度を制御するコントローラ手段とを具え、
   このコントローラ手段は前記フィラー材料の送給の繰返
   しサイクルを規定する命令を受取るようにした加工片に
   フィラー材料を溶接する装置において、前記コントロー
   ラ手段を用いて、次の４部分、即ち、 送り部分、この部分中前記フィラー材料 の連続バンドを、これが熔融され加工片に 堆積される送り速度で前記溶接位置の近く に送給する； 戻り部分、この部分中前記フィラー材料 の連続バンドを溶接位置の近くから離す； 休止部分、この部分中前記フィラー材料 の連続バンドを溶接位置に対し主として静 止させる； 進み部分、この部分中前記フィラー材料 の連続バンドを送り速度よりも早い速度で 前記溶接位置の近くに送給する； まで含む送給の繰返しサイクルを規定するようにしたこ
   とを特徴とする加工片にフィラー材料を溶接する装置。 ２、前記フィラー材料の前記溶接位置への送給速度の制
   御に同期して溶接位置の供給される熱の量を変化させる
   手段を更に具えることを特徴とする請求項１に記載の加
   工片にフィラー材料を溶接する装置。 ３、前記加工片の溶接位置に熱を供給する手段を前記加
   工片に対して移動させる手段を更に具えることを特徴と
   する請求項２に記載の加工片にフィラー材料を溶接する
   装置。 ４、前記移動手段によって、前記熱を供給する手段を所
   望の溶接パターンに関する一般的な振動経路で動かすよ
   うにしたことを特徴とする請求項３に記載の加工片にフ
   ィラー材料を溶接する装置。 ５、前記加工片に供給する熱の量を前記熱の供給手段の
   振動の動きに同期して変化させる手段を更に具えるよう
   にしたことを特徴とする請求項４に記載の加工片にフィ
   ラー材料を溶接する装置。 ６、加工片に連続バンドのフィラー材料を送給するに当
   たり、次の工程、即ち、 前記加工片の特定の溶接位置に熱を供給し、フィラー材
   料のバンドを熱が前記加工片に供給される溶接位置の近
   くに繰返しサイクルで制御可能に進める工程を具え、 この繰返しサイクルは次の部分、即ち、 送り部分、この部分中前記フィラー材料 の連続バンドを、これが熔融され加工片に 堆積される送り速度で供給する； 戻り部分、この部分中前記フィラー材料 の連続バンドを加工片から離す； 休止部分、この部分中前記フィラー材料 の連続バンドを加工片に対し主として静止 させる； 進み部分、この部分中前記フィラー材料 の連続バンドを送り速度よりも早い速度で 送給する； を含むようにしたことを特徴とする連続バンドからフィ
   ラー材料を加工片に送給する方法。 ７、熱を前記繰返しサイクルに同期して加工片に供給す
   る速度を変化させる工程を更に具えることを特徴とする
   請求項６に記載の連続バンドのフィラー材料を加工片に
   送供給する方法。 ８、前記フィラー材料を加工片に堆積すべき特定のパタ
   ーンに従って前記加工片に熱を供給する位置を移動させ
   る工程を更に具えることを特徴とする請求項７に記載の
   連続バンドのフィラー材料を加工片に送給する方法。 ９、熱を加工片に供給する位置は前記加工片の所望の溶
   接パターンを中心として発振させるようにしたことを特
   徴とする請求項８に記載の連続バンドのフィラー材料を
   加工片に送給する方法。 １０、前記加工片に供給する熱の量を前記発振移動に同
   期して変化させるようにしたことを特徴とする請求項９
   に記載の連続バンドのフィラー材料を加工片に送給する
   方法。