JPH0118829B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、電気アーク溶接、特に溶融池の実時
間観察を可能にする光学装置を内蔵したアーク溶
接トーチに関する。

良好なアーク溶接を達成するには、溶接電流、
溶込み、溶融池のシームへの心合わせ、溶接ビー
ド設置（lay）速度などを制御しなければならな
い。手動溶接を行う場合、作業者は溶接プロセス
を斜めの角度から観察し、直観と過去の経験に基
づいて良好な溶接が得られるように溶接トーチを
操作し電力供給の調節を行う。機械溶接では、溶
接パラメータを過去の経験に基づいて平均化し、
これら入力に基づいて溶接を行うように溶接機械
をプログラムする。このオープンループ形機械溶
接では良好な溶接部が得られないことが多い。常
時良好な機械溶接を行うには、溶接池の特性を感
知し、この情報をフイードバツクとして用いて溶
接プロセスを制御する何らかの手段が必要であ
る。

米国オハイオ州立大学、溶接研究センター
（Ohio State University Center for Welding
Research）で行われた実験では、溶接電極を上
から見おろす高架光学装置により溶融池を観察し
た。この実験では、溶接トーチ、オープン光学装
置およびビデオカメラが実用的な溶接作業に適用
するには不向きな大形プラツトホーム上に設置さ
れている。溶接トーチ自体は、その下部および電
極が90゜折曲げられ窓を設けられていること以外
は、慣用のものである。これについては、CWR
Technical Report529613−81−３、S.H.Rao、
September1981、27−33頁を参照されたい。

発明の概要 本発明の一体の光学視覚装置付き電気アーク溶
接トーチは、工業的溶接に適した形状を有する。
ロボツト制御による機械溶接用途に使用した場
合、このトーチの視覚感知能力をフイードツク要
素として利用してトーチ操作や電力供給調節を制
御して常に良好な溶接部を達成することができ
る。

ガスノズルおよび光学視覚装置がハウジングで
支持され、両者間の領域は光の通過に対して実質
的な妨害とならない。金属トーチ本体はカバーガ
ス、電力および冷却材接続部材を有し、トーチ本
体と一体の電極ホルダは電極をほゞガスノズルの
中心にかつ光学軸上に保持し、電極ホルダの光学
軸に直交する断面は比較的小さい。視覚装置は溶
融池および溶接領域の像を形成し、このときホル
ダは焦点外にあり像中でぼけている。光フアイバ
ケーブルのような手段が像をビデオカメラを含む
遠隔システムに伝送する。細身の電極ホルダは突
出アームまたは半径方向アームの形態をとる。電
極ホルダは静止アームと可動アームとよりなり、
これらが共働して電極をクランプする。

視覚装置付きガス・タングステン・アーク溶接
トーチの１実施例では、光学レンズが電極の真上
に位置し、透明窓によりカバーガスから遮断され
ている。銅トーチ本体が光学的中心線の片側に位
置する。このトーチの変更例は視覚装置を折曲げ
た例で、接近路の限定されたパイプ内面や内部領
域を溶接するのに有用である。第３の実施例は同
心配置で、このトーチはよりコンパクト、軽量で
あり、溶接領域に広い視界を有し、カバーガス流
れにレンズ効果を与えてガスシールドを一層効果
的にする。この例のトーチはリング状トーチ本体
および一体の半径方向アームの形態の電極ホルダ
を有し、光学装置が第１実施例と同様に電極の真
上にあるが、ガス、電力および冷却材接続部材が
レンズハウジングと同心である。

発明の具体的説明 第１図に、光学装置の内蔵された電気アーク溶
接トーチ１７を用いて、加工品１５および１６を
シーム溶接する状態を示す。溶融池１８および隣
接する溶接領域の像を光フアイバケーブル１９の
端面に形成し、この像を離れた位置にある遠隔シ
ステム２０に伝送する。かゝるシステムの１例で
は、像をレンズ系２１により拡大し、ビデオカメ
ラ２２、例えばゼネラル・エレクトリツク社製
TN2500電荷注入デバイス形カメラに投射し、そ
の出力をテレビジヨンモニタ２３に送り、ここで
像を眼で見ることができる。或はまた、ビデオ出
力をコントローラに供給し、フイードバツク方式
で用いてトーチの移動および溶接プロセスを制御
して常時良好な品質の溶接を達成する。

一体の光学視覚装置を有するガス・タングステ
ン・アーク溶接（GTAW）トーチの１実施例を
第２〜６図に示す。このトーチは、通常のガス・
タングステン溶接トーチを使用するほとんどすべ
ての用途の溶接に用いることができる形状であ
る。トーチは水冷銅トーチ本体を有し、これに一
体の細身の電極ホルダおよび溶接領域にカバーガ
スの流れを送る手段が付属している。光学レンズ
が電極の真上に位置し溶接領域の像を光フアイバ
ケーブル束の端面に結像する。トーチおよび光学
的構成要素はコンパクトな外被内に支持されてい
る。

第２図において金属ハウジング２４の下端に円
筒形セラミツクのガスカツプまたはノズル２５が
位置し、このガスカツプ２５は環状金属ガスカツ
プ２６で囲まれている。取換式タングステン電極
２７がガスカツプ２５の中心に、ほゞ光学的中心
線上に位置する。カバーガスの流れを矢印２８で
示す。このガスシールドにより電極、溶融池、電
気アークおよび隣接する加工品の加熱された領域
を外気の汚染から保護する。カバーガスは普通不
活性ガス、例えばアルゴンまたは不活性ガスの混
合物である。

銅トーチ本体２９は一体の電極ホルダ３０およ
びガス、水および電力用接続部材３１〜３３を有
する。コンパクトな形状とするために、トーチ本
体２９およびホルダ３０により電極２７を光学的
中心線上に置き、またガス、水および電気用接続
部材３１〜３３を光学視覚装置に近接かつ平行に
延在させる。通常の電極コレツトが電極のまわり
に大きな領域を占めるのと相違して、本トーチの
電極ホルダ３０は光学軸に直交する断面が最小
で、しかも電極をしつかり保持し、また、例えば
200アンペア電極電流を流すのに適切な通電面積
を与える。第２，３，５および６図から明らかな
ように、円筒形トーチ本体２９はその内部水室３
４に中心バツフル３５が設けられ、水とトーチ本
体との接触を最大にしアセンブリの最適冷却を達
成する。ねじ切り管３２を通つて室３４に入つて
くる水または他の冷却材はバツフル３５の下をく
ぐらなければ、管３３を経て出て行けない。管３
３は電力用コネクタとしての二重機能を有し、代
表的には電力を導通する金属編組ジヤケツトを有
するホースを取付具に連結したものであり、この
ホースの中に水を流す。カバーガスはねじ切り銅
管３１から別の通路３６（第２図）に流入し、さ
らにオリフイス３７を抜けて溶接トーチの内部に
進む。カバーガスの流れはトーチ本体２９から電
極ホルダ３０の両側に進んで、ガスカツプ２５を
経て下向きに流れるガス流にほとんど撹乱を与え
ない。良好な遮蔽を実現するには層流が好まし
い。

細身の銅電極ホルダ３０は突出アームまたはチ
ヤツクであり、３つの部品よりなる。ホルダの静
止アーム３８および３９はトーチ本体２９と一体
であり、中央アーム４０は可動である。これら３
つのアームはすべてアーム端にリング４１を有
し、このリング４１にタングステン棒電極２７が
挿入される。可動アーム４０は、クランプねじ４
２を締付けるときこのねじの作用で電極２７を静
止アーム３８，３９にしつかり押付けるのに用い
られる。このクランプねじ４２はトーチ支持枠兼
ハウジング２４の側面にあけた穴を通してまわす
ことができ、電極の簡単な取替えを可能にしてい
る。絶縁スリーブ４３（第２図）はトーチ本体２
９を金属ハウジング２４から電気絶縁し、高電圧
溶接アーク始動中に銅トーチ本体から金属枠への
アークの発生を防止するのに十分なフラツシオー
バ距離を保つ。両端が開口した絶縁管４４はガ
ス、水および電力接続部材を包囲する。

４５はトーチと一体の光学視覚装置を示す。図
示の複合レンズ系４６，４７（焦点距離25mm、
f1：1.4）は、溶融池を見るための物理的寸法、
開口開きおよび被写界深度の妥当な組合せとなつ
ている。レンズ系は可動セルハウジング４８内に
収容され、ハウジング４８は軸線方向に移動させ
て、ガスカツプ２５を越えて電極から延長する妥
当な範囲（0.5インチ）にわたつて、溶接スポツ
トに焦点を合わせることができる。光学軸４９は
ガスカツプ２５の中心およびタングステン電極２
７とほゞ心合わせされている。光通路は光学装置
をカバーガスから遮断する石英窓５０を透過す
る。この透明な熱反射窓５０はリング５１により
ハウジング２４内に固定されている。フイルタ領
域に１個以上の光フイルタ５２を収容する。フイ
ルタ５２は赤外線阻止フイルタまたは中性フイル
タいずれでもよい。狭い可視領域の光をビデオカ
メラに伝送するのが好ましい。レンズハウジング
４８の円筒形空腔には、光フアイバケーブル１９
の端面がレンズ光学軸４９上にかつ所望の像縮小
を与える間隔にて保持される。

第４図は石英窓５０を通して見た溶接領域の図
である。この石英窓を通して下を覗くと、溶融池
１８、タングステン電極２７および細身の電極ホ
ルダ３０が見えるだろう。しかし、電極ホルダ３
０は溶融池の光学的焦点領域から十分遠くに位置
するので、光フアイバケーブル１９の端面上の溶
融池の像の光学的ゆがみが最小になる。即ち、溶
融池および溶接領域の像の中で、電極２７は見え
るが、電極ホルダ３０は焦点からはずれており、
像の中でぼけているか、またはほんど見えない。

第１図に戻ると、ガス供給ライン３１′、水供
給ライン３２′および水／電力ケーブル３３′と光
フアイバケーブル１９は溶接領域から遠去かるよ
うに導かれる。金属ハウジング２４に取付けられ
た装着用ブラケツト５３は、溶接トーチ１７を任
意の利用できる装着構造、例えばロボツトの手首
またはアームに取付けることを可能にする。商業
経路で入手できるコーヒーレントな光フアイバケ
ーブル１９を使用することにより、ケーブルの一
端でとらえられた像が他端に忠実に伝送される。
視覚装置付きGTAWトーチ１７の製作例は全長
約7.25インチであつた。

一体の光学視覚装置付き同心ガス・タングステ
ン・アーク溶接トーチを第７〜１０図に示す。こ
の第２実施例の視覚装置付きトーチは第１〜６図
のトーチと機能の面では同じであるが、よりコン
パクトな構成をとつており、軽量で、溶接領域で
の視界がより広く、カバーガス流にカバーガス流
にレンズ効果を与えて一層効果的なガスシールド
を達成する。このトーチの光フアイバケーブルを
ビデオ録画または映像システムにつなげば、溶融
池の実時間観察を行うことができ、これを利用し
て溶接プロセスを制御できる。絶縁ハウジング５
５は金属ガスカツプ兼ノズル５６が取付けられて
おり、一体の細身の電極ホルダ５８を有するリン
グ形トーチ本体５７を支持している。銅リング５
７の上半部には水流チヤンネル５９が設けられて
いる。水は管６０を経てチヤンネル５６の一端に
入り、他端からもう１つの管６１を通つて出てゆ
く。管６０は金属編組ジヤケツトを有し、冷却水
を通すほかに、電力をトーチに導通する。

銅リング５７の下半部にはガス流チヤンネル６
２が設けられている。溶接用カバーガスは管６３
を経てチヤンネル６２に入り、ガスレンズ６４を
通過し次いでガスカツプ５６を通過して溶接領域
をおおう。ガスレンズ６４は多重の細かい網目の
金網スクリーンよりなる透過性障壁よりなり、遮
蔽用カバーガスの安定な層流を形成する。撹乱を
減らしガスをコーヒーレントな流れに収束するこ
とにより、カバーガスの遮蔽効果がレンズなしの
場合よりも一層長いガスカツプ−加工品間距離で
も有効になる。ガスレンズ６４の１例は100メツ
シユ金網と250メツシユ金網とを交互に８層重ね
たものである。タングステン電極２７は細身の半
径方向アーム形のホルダ５８によりトーチ本体５
７に固定されている。ホルダ５８は光学装置を通
る光通路に対して最小の妨害しかなさない。銅リ
ング５７から下向きに突出するドツグレツグ６５
（第９および１０図）が半径方向アームの形態の
電極ホルダ５８を支持する。前述の実施例と同じ
く、ホルダ５８は２つの静止突出アームおよびこ
れらの間に位置する可動アーム６６よりなる。こ
れらの３つのアームはすべて先端にリングを有
し、このリングに電極２７が挿入され所定位置に
クランプされる。電極ロツクねじ６７を回すこと
により中央アーム６６を半径方法に動かす。

組込まれた光学装置６８の普通のレンズ６９は
溶接領域の像を光フアイバ束１９の端面に形成
し、この光フアイバ束により像を遠隔映線システ
ムに伝送するのが好都合である。光学装置はリン
グ形トーチ本体５７の中心を通して溶接領域を見
る。電極ホルダ５８が光学装置６８の焦点面から
十分に遠く離れているので、電極ホルダは像の中
でぼけているかはつきりしない。透感性かつ熱反
射性である石英窓５７がトーチ本体５７と光学レ
ンズ６９との間に位置し、ガスカツプ５６を通つ
て出てゆく方向以外の方向へのガス流れを防止す
る。レンズ６９は取外し可能な円筒形金属レンズ
ハウジング７１に固定され、ハウジング７１はロ
ツクねじ７５によりトーチ本体５７の頂部に取付
けられ、ハウジング７１とトーチ本体５７との間
に石英窓７０および１枚または複数枚の光フイル
タ７２が位置する。レンズハウジング７１はトー
チ本体５７と同じ電位にあるが、実質的に電流を
導通しない。レンズ６９は、例えば焦点距離25
mm、直径15mmのHastings三重レンズである。こ
のレンズは、0.2インチ光フアイバ束の全面上に
直径１インチ視界の像を被写界深度約±0.25イン
チにて形成する開口（アパーチヤ）および焦点距
離を有する。

光学装置６８は固定レンズを有するが、光フア
イバケーブル１９は溶融池および溶接領域の像を
ケーブルの端面に焦点合わせするように調節でき
る。絶縁ケーブルハウジング７３はレンズハウジ
ング７１のまわりで摺動し、内部ストツパ７４を
有する。ケーブル１９の端部がケーブルハウジン
グ７３の頂部の円筒形空腔に収容されている。

ガス、冷却材および電力用接続部材６０，６１
および６３はレンズハウジング７１の外側にかつ
同心に位置する。３本の銅管がリング５７の頂部
の穴に差込まれ、所定位置にはんだ付けにより固
着される。絶縁プラスチツクスリーブ７６はガ
ス、冷却材および電力接続部材６０，６１および
６３、ならびに光学ハウジング７１を包囲する。
第７〜１０図に示すトーチの同心構成および新規
構造によつて、従来の溶接トーチが備えていない
光学視覚装置を内蔵しているにもかゝわらず、従
来の溶接トーチと差異のないコンパクトな軽量装
置が得られる。

第１１および１２図に示す第３実施例、即ち折
曲げ視覚装置付きGTAWトーチは、原子力工業
においてパイプの軌道状のアーク溶接でしばしば
遭遇するような接近路の限られた溶接用途に使用
可能な形状を有する。上記または類似の用途に使
用した場合、このトーチ装置の視覚感知能力を利
用して溶接品質を検査したり、フイードバツク要
素として利用してトーチ操作を制御することがで
きる。折曲げ光学装置は、溶接領域上の装置高さ
を最小に（例えば４インチに）することができ、
溶接領域の像を光フアイバケーブルの端面に形成
する。このトーチは第１〜６図の実施例の変形例
であり、同一部材は同一符号で示されている。光
通路は石英窓５０を透過した後、タングステン電
極２７の上方のハウジング２４′の内側に取付け
られた鏡７７により90゜折曲げられる。レンズセ
ルは第２図の場合と同じであるが、電極２７およ
びガスカツプ２５に対して直角になつており、単
一レンズおよび光フイルタ収容ポケツトを有す
る。レンズハウジング４８は軸線方向両方向に調
節でき、ハウジングの端部の円筒形空腔に光フア
イバケーブル１９が収容されている。装着用ブラ
ケツト５３′がハウジング２４′の上側水平部分の
頂部に固定されている。トーチ本体５７′の形状
はガス、水および電力用管３１〜３３の水平連結
に適合させるために前出例とは変えてあるが、一
体の細身の電極ホルダ３０は前出例と同じであ
る。折曲げた一体の視覚装置付きのトーチにおい
て石英窓を通して見た溶接領域の図は、第４図に
示した通りである。代表的なトーチは高さ3.9イ
ンチ、水平寸法5.35インチである。

要約すると、本発明の一体の視覚センサ付き電
気アーク溶接トーチは工業的溶接に適した独特の
構造を有する。溶接中の溶融池および溶接領域を
光学装置により直接見ることができる。トーチの
中心部は邪魔な物が取り去られて、光の通過に対
して最小の障害しか存在せず、電極ホルダは光学
軸に直交する断面が小さく、像中では焦点外にあ
る。組込まれた視覚センサは、トーチの移動およ
び溶接プロセスを制御して信頼できる機械溶接を
達成するシステムに必要とされる。本発明は金属
不活性ガス（MIG）およびタングステン不活性
ガス（TIG）溶接に適用される。

本出願人による1982年７月26日付米国特許出願
第401473号に、モリブデンのスリーブ形光阻止装
置を電極に装着して、明るいアークによる像のゆ
がみをなくすことが開示されている。

本発明をその好適実施例について具体的に図示
し、説明したが、当業者であれば、本発明の要旨
を逸脱することなく形状および細部に上記および
値の変更を加え得ることが理解できるであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は視覚装置および遠隔システムを有する
ガス・タングステン・アーク溶接トーチでシーム
溶接を行う状態を示す斜視図、第２図および第３
図はそれぞれGTAWトーチおよび一体の視覚装
置の縦断面図および側面図、第４図はトーチの窓
を通して見た溶融池および溶接区域の平面図、第
５図および第６図はそれぞれ一体の電極ホルダ付
き銅トーチ本体の側面図および平面図、第７図は
同心の一体光学装置付き溶接トーチの軸線方向断
面図、第８図および第９図はそれぞれ第７図の８
−８および９−９線方向に見たトーチ本体の水平
断面図、第１０図は第７図のトーチ本体を一部破
断して示す側面図、そして第１１図および第１２
図はそれぞれ折曲げ視覚装置を有する第３実施例
の縦断面図および側面図である。 主な符号の説明、１５，１６……加工品、１７
……溶接トーチ、１８……溶融池、１９……光フ
アイバケーブル、２０……遠隔システム、２４…
…ハウジング、２５……ガスカツプ（ノズル）、
２７……タングステン電極、２９……トーチ本
体、３０……電極ホルダ、３１，３２，３３……
ガス、水、電力接続部材、３８，３９……静止ア
ーム、４０……可動アーム、４１……リング、４
３……絶縁スリーブ、４５……光学視覚装置、４
６，４７……レンズ系、４８……レンズハウジン
グ、４９……光学軸、５０……石英窓、５５……
絶縁ハウジング、５６……ガスカツプ（ノズル）、
５７……リング状トーチ本体、５８……電極ホル
ダ、６６……可動中央アーム、６８……光学視覚
装置、６９……レンズ、７０……石英窓、７１…
…レンズハウジング、７３……ケーブルハウジン
グ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 溶融池および溶接領域を実時間で観察する光
   学視覚センサを内蔵した同心電気アーク溶接トー
   チであつて、前記トーチが、(a)ガスノズルが取付
   けられたハウジングと、(b)前記ハウジング内に配
   置され、前記ハウジングおよびガスノズルへのガ
   ス流に対するカバーガス接続部材および内部通路
   と、冷却剤流に対する内部通路ならびに入口およ
   び出口冷却剤接続部材とを有する金属トーチ本体
   と、を有し、前記冷却剤接続部材の一方が前記金
   属トーチ本体への電力を導通し、前記金属トーチ
   は前記ガスノズル内に電極を保持する複数部から
   なる突出アームの形の一体の電極ホルダを有し、
   前記溶接トーチは、光学軸が前記電極とほぼ一直
   線上にあつて、前記電極および突出アームの直接
   上方に取付けられたレンズハウジングおよびレン
   ズ系を含む一体の光学視覚装置を有し、前記電極
   ホルダの光学軸に直交する断面が比較的小さく、
   前記光学視覚装置とガスノズルの間の領域が光の
   通路に対して与える妨害が最小であり、前記レン
   ズ系は前記電極ホルダを焦点から外し、前記溶融
   池および溶接領域の縮小した像を形成し、更に前
   記溶接トーチは、前記溶接トーチ上に取付けら
   れ、前記縮小した像を遠隔の溶接コントローラに
   伝送する手段とを含む溶接トーチ。 ２ 前記像を伝送する手段がコヒーレントな光フ
   アイバケーブルで、前記光学視覚装置が光の狭い
   領域を伝送する光フイルタを有する特許請求の範
   囲第１項記載の溶接トーチ。 ３ 出力を前記溶接コントローラに供給するビデ
   オカメラと組合せた特許請求の範囲第２項記載の
   溶接トーチ。 ４ 前記電極ホルダが細身の輪郭を有し、かつ、
   前記トーチ本体から突出する２つの静止アームと
   前記電極ホルダ内で前記電極を締め付ける可動中
   央アームを有する特許請求の範囲第１項記載の溶
   接トーチ。 ５ 前記溶接トーチがガス・タングステン・アー
   ク溶接トーチであり、前記ガスノズルがガスカツ
   プの形であり、前記レンズ系が前記電極および電
   極ホルダの直接上方で前記レンズハウジングに封
   入され、前記像を伝送する手段がコヒーレントな
   光フアイバーケーブルで前記光学軸上で前記レン
   ズハウジング内に保持され、前記光学視覚装置が
   前記光フアイバーケーブルの端面に前記縮小した
   像を形成する特許請求の範囲第１項記載の溶接ト
   ーチ。 ６ 前記レンズハウジングおよびレンズ系が前記
   ハウジングに対して調節可能で前記溶接領域上に
   焦点を合わせることができる特許請求の範囲第５
   項記載の溶接トーチ。 ７ 前記ガスカツプと前記電極ホルダが前記ハウ
   ジングにより支持され、前記電極がタングステン
   であり、前記一体の光学視覚装置の軸が前記タン
   グステン電極と前記ガスカツプの中心とほぼ一直
   線上にあり、前記金属トーチ本体が前記ハウジン
   グ内で前記光学軸の片側にあり、前記電極ホルダ
   が細身の輪隔を有しチヤツクであり、それぞれ円
   筒リングを有する２つの静止アームと可動中央ア
   ームとを有し、前記タングステン電極が前記円筒
   リング中に挿入され締付けられ、前記光学視覚装
   置が前記電極および電極ホルダの直接上方で透明
   窓によつて前記カバーガスから遮断された特許請
   求の範囲第５項記載の溶接トーチ。 ８ 金属トーチ本体がリング形状である、特許請
   求の範囲第１項乃至第７項のいずれか一項に記載
   の溶接トーチ。