JPH0191964A - 高速回転アーク溶接方法 - 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】 ［産業上の利用分計］ この発明は、高速回転アーク溶接方法に関するものであ
る。

［従来の技術］ 溶接ワイヤを回転軸芯まわりに高速回転することにより
、アークを回転する高速回転アーク溶接方法によれば、
アークの物理的効果が周辺に分散され、溶造の周辺分散
、扁平ビードくわん曲ビード）の形成あるいは回転遠心
力によるワイヤ溶融速度の向上などの利点が得られ、特
に厚板の狭開先溶接に用いられて大きな効果を発揮する
。

この高速回転アーク溶接方法は、一般に高速度溶接によ
り施工されるため、アークのねらい位置が開先線かられ
ずかでもずれると溶接欠陥が広範囲に発生ずることにな
る。このため溶接トーチの自動ならい、即ち開先ならい
制御が不可欠である。従来、この種の開先ならい制御と
しては例えば出願人が特願昭６１−９４９０５号におい
て提案した「高速回転アーク隅肉溶接の開先ならい制御
方法」があった。以下、この従来の開先ならい制御方法
について説明する。尚、以下の説明では、この開先なら
い制御方法を狭開先溶接に適用した場合について説明す
る。

第４図は高速回転アーク溶接を行なうときの電極１先端
部のワイヤ２と開先１１の側面図であり、図において溶
接方向は紙面と垂直で紙面裏面から表面に向う方向であ
フて、℃、はアーク長、Ｃｒ、Ｒ，Ｌは回転していると
きのワイヤ２の位置を示し、Ｃｆは溶接方向前方のワイ
ヤ２の位置、Ｒは溶接方向に向って時計方向に９０度右
側、Ｌは溶接方向に向って反時計方向に左側のワイヤ２
の位置を示す。

第５図は第４図の示した溶接部を回転軸心Ｏ方向から見
た図であり、Ｃｒは溶接方向Ｚに対して後方のワイヤ２
の位置、３０はワイヤ２の回転方向を示す。またφは溶
接方向Ｚに対するワイヤ２の回転角、θはワイヤ２の位
置が開先の中心線３１と一致したときの回転角を示す。

第４図、第５図に示すようにワイヤ２が、ワイヤ送給速
度を一定のもとて回転軸心０を中心にして回転すると、
回転時のワイヤ２の位置によりワイヤ２と開先壁間の距
離δが異なり、アーク長１ａが変化する。アーク長Ｉｌ
ａが変化すると負荷特性が変化して溶接電流Ｉや電極１
と開先間の電圧Ｅ（以下、アーク電圧という０）も変化
する。

この溶接電流■、アーク電圧Ｅの変化はワイヤ２の位置
に対応して正弦波を基準とした変化を示す。何故ならば
、ワイヤ２が回転するとワイヤ２の位置に応じて距離δ
は正弦波を基準として変化するからである。

尚、この関係は消耗電極のみならず、非消耗電極でも成
立する。また、この関係は溶接対象の開先形状が７字開
先でもナローギャップ開先でも成立する。

第６図（ａ）　、　（ｂ）は回転するワイヤ２、即ちア
ークの位置に対応して変化するアーク電圧Ｅおよび溶接
電流Ｉの波形を示す。図において（ａ）はアーク電圧Ｅ
の波形、（ｂ）は溶接電流■の波形であり、それぞれの
波形は上下逆転した形状となる。

尚、図（ｂ）に示した溶接電流Ｉの波形は定電圧特性の
溶接電源のみで得ることができ、アーク電圧Ｅの波形は
定電圧特性、定電流特性のいずれの溶接電源においても
得られる。

第６図（ａ）　、　（ｂ）に於て、実線で示した波形は
第４図、第５図に示すように開先の中心線３１と回転軸
芯０とかへＸずれている場合、破線で示した波形はずれ
ていない場合、即ちワイヤ２の位置Ｃｆと位置Ｃ１を結
んだ線が開先の中心線３１と一致した場合を示す。

第６図（ａ）　、　　（ｂ）の破線に示すように、開先
の中心線３１と回転軸芯Ｏがずれていないときは、ワイ
ヤ２の位置Ｃｆを中心として波形は左右対象であるが、
回転軸芯０が開先の中心線３１からずれているとワイヤ
の位置Ｃｆを中心とした波形は非対象となる。この波形
の非対象を検出し、修正することによりＸ軸方向のずれ
量へＸを修正することができる。すなわち波形をＣ２点
を中心として溶接方向に対して左右に分割し、分割した
波形を各々Ｃｆ点から一定角度φ。の間だけ取出し、こ
の角度φ０間で作る波形の面積（積分値）Ｓ、。

ＳＲを求めて、この面積Ｓ、とＳＲが等しくなるように
溶接トーチをＸ軸方向に修正することにより回転軸芯Ｏ
を開先の中心線３１と一致させることができる。

尚、角度φ。は５°未満となると波形にのるノイズの影
習を受易くなるため、波形の範囲は５゜から１８０°　
とする。

上記のようにして溶接トーチのＸ軸方向の位置を修正す
ることによりならい制御が可能となる。

一方、Ｘ軸方向（上下方向）に関しても同様に、溶接ト
ーチが一回転する間のアーク電圧波形Ｅ又は溶接電流波
形Ｉを積分し、基準値と比較することにより、溶接トー
チのＹ軸方向の位置を修正できる。即ち、Ｘ軸方向のな
らいと同様の方法により、面積ＳＬとＳＲとの和に対応
した値Ｓを求め、この面積の和Ｓと基準値Ｓ０とを比較
して、この差Ｓ−５ｏＩＪ＜写となるよう溶接トーチの
高さを制御する。基準値Ｓ０は、溶接トーチ高さが適正
値の時の上記面積和Ｓを予め設定しておく。また面積の
和Ｓの値はアークの回転１回もしくは整数ｎ回の値、即
ち、 Ｓ＝Σ　（ＳＬ　＋ＳＲ） とする。この整数ｎの最大値は、一般にはアークの毎秒
の回転数以下が適当である。

上記のようにして溶接トーチのＸ軸方向及びＹ軸方向の
位置を修正することにより自動ならいができる。

上記開先ならい制御方法を第７図に示した制御ブロック
図に基いて説明する。

尚、この制御系においては説明を簡単にするため、波形
の作る面積はＸ軸方向制御、Ｙ軸方向ＩＩＪ御ともに同
一のＳＬとＳＲとするが、必ずしも同一の回転角度φ。

における積分値に限られるものでない。

図に於て、電圧検出器３２でアーク電圧Ｅを検出し、こ
のアーク電圧Ｅと基準電圧設定器３３に予め設定しであ
る基準電圧ＥＯ（アーク電圧の平均値）との差Ｅ　　Ｅ
ｏを差動増幅器３４で演算する。この演算した値Ｅ−Ｅ
ｏがスイッチ３５で溶接方向に対して左側（Ｌ側）と右
側（Ｒ側）に分割される。スイッチ３５による分割のタ
イミングはスイッチング論理回路３６からの指令信号で
行なう。スイッチング論理回路３６は回転位置検出器３
７で検出したワイヤ２の回転角φと、一定の角度φＯ’
（５°〜１８０°の範囲）を予め設定した設定器３８の
出力φ０　（例えば４５°とする）を比較演算し、ワイ
ヤ２の回転角が一４５°からＯ′″までの区間をＬ区間
とし、この区間の波形がスイッチ３ＳのＬ側から出力さ
れて積分器３９で積分される。同様にして回転角が０°
から４５゛までのＲ区間の波形がスイッチ３５のＲ側か
ら出力されて積分器４０で積分される。ｎ設定器４１は
、これらの積分の処理回数ｎが設定されており、積分器
３９．４０はスイッチング論理回路３６を介して出力さ
れるｎ回分のアークの回転に対して波形積分を行ない、
その出力Ｓ１．及びＳＲを記憶器４２．４３に出力する
。記憶器４２゜４３は積分器３９．４０から人力した信
号ＳＬ及びＳＲをｎ回毎に記憶保持を繰り返しながらＳ
いＳＲを差動増幅器４４及び加算器４５に出力する。差
動増幅器４４では、この信号の差５Ｌ−３Ｒを求め、こ
の値をＸ軸制御器４６に入力してＸ軸モータ４７を駆動
し、上記差Ｓし−ＳＲが７になるようにする。一方、加
算器４５では信号ＳＬとＳＲが加算され、その加算値Ｓ
Ｌ、＋ＳＲは差動増幅器４８の一方の入力端に入力する
。また記憶器４９には、ＳＬ＋Ｓ、の初期値、即ち適正
溶接トーチ高さに相当する値Ｓ。が記憶保持され、この
値が差動増幅器４８の他方の入力端に入力し、差動増幅
器４８で（ＳＬ＋５８）−８０が求められ、Ｙ　！１ｉ
＋ｈ制御器５０に与えられて、Ｙ軸駆動モータ５１を駆
動して溶接トーチ高さを制御する。

尚、上記説明においては、アーク電圧波形を検出して開
先ならい制御を行なう場合について説明したが、定電圧
特性の溶接電源を使用した場合には第６図（ｂ）に示す
溶接電流波形を検出しても上記説明と同様に開先ならい
制御を行なうことができる。

従来の高速回転アーク溶接における開先ならい制御方法
は上記のように構成され、回転アークの電圧波形あるい
は溶接電流波形を検出し、この検出した波形に基いて溶
接トーチの開先ならい制御を行なえるようになフている
。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記のような従来の高速回転アーク溶接の開先ならい制
御方法では、アークの回転直径は一定で、単にねらい位
置の修正のみを行っており、ヒート幅の制御については
何等考慮されていない。

従って、アークのねらい位置が適正であったとしても、
開先幅が狭くなるとアークの回転径が過剰となるから、
アークが母材上に拡がってカットが生じる恐れがある。

逆に開先幅が広くなるとアークの回転径が不足となり、
ビード幅不足を生じるという問題点がある。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたも
のてあり、高速回転アーク溶接において、開先ならい制
御とともに、アークの回転直径を制御することにより、
開先幅に応じた適正な幅の溶接ビードを形成しつる高速
回転アーク溶接方法を得ることを目的とするものである
。

［問題点を解決するための手段］ この発明に係る高速回転アーク溶接方法は、溶接ワイヤ
を回転軸芯まわりに回転させることにより、アークを高
速回転させながら溶接を行なうに際し、 （イ）前記回転アークの回転角位置に対するアーク電圧
または溶接電流を検出し、 （ロ）前記検出電圧または電流を前記回転における溶接
進行方向前方の前記溶接ワイヤの位置Ｃ。

を中心として左右に５°以上１８ｏ°以下の範囲で一定
の回転角度φ。ずつについて各々積分し、中心位置Ｃｆ
から左方の回転角範囲（−φ。〜０）での積分値ＳＬ及
び中心位置Ｃｆから右方の回転角範囲（０〜φ０）での
積分値ＳＲを求め、（八）前記積分値ＳＬとＳＲとの差
に対応した値ΔＳを演算し、 （ニ）この差ΔＳが零になるように溶接トーヂ位置を開
先の幅方向に修正する、 各ステップ（イ）〜（：）を含む高速回転アーク溶接方
法に於て、 （ホ）前記積分値の和ＳＬ＋ＳＲに対応する値Ｓを演算
し、この和と予め設定された直径基準値Ｓ１との偏差が
無くなるように、前記回転するアークの回転直径りの大
きさを修正することにより上記問題点を解決したもので
ある。

［作用］ この発明においては、回転するアークの電圧または電流
を溶接進行方向に対して左右に所定角φ０だけ等分して
積分し、この積分値の和に基いて開先ならい制御を行う
に際し、この積分値の和の値が開先幅の大きさに対応す
ることに着目し、この積分値の和に応じてアークの回転
直径を同時に制御するとともに、このアークの回転直径
または上記積分値の和に基いて溶接速度やワイヤ突出長
さをも同時に制御する。例えば、積分値として電圧を用
いた場合には、この積分値の和が大きく（開先幅が広く
）なれば、アーク回転直径を対応して大きくするととも
゛に溶接速度を小にするか、ワイヤ突出長さを大にする
。面積和が小さく（開先幅が狭く）なれば、アーク回転
直径を対応して小さくするとともに溶接速度を大にする
か、ワイヤ突出長さを小にすることにより、溶接進行中
の開先幅の変化に応じてアーク回転直径を可変制御する
ものである。

［実施例］ 以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明
する。

尚、本発明は高速回転アーク溶接に於て、開先ならい制
御とともにアークの回転直径を制御するものであるが、
開先ならい制御については上記従来技術のＸ軸方向の制
御方法を用いるものとする。

上記従来技術で説明したように、溶接電流Ｉやアーク電
圧Ｅは開先壁〜ワイヤ間の距離に対応して変化するから
、上記従来技術の開先ならい制御によりアークのねらい
位置が適正であったとしても、溶接電流Ｉやアーク電圧
Ｅの検出波形は開先幅に応じて変化する。従って、溶接
電流Ｉ又はアーク電圧Ｅを検出することによって、開先
幅Ｇの変化を検知することができる。この場合、開先形
状は■字間光でもナローギャップ開先でもよい。

第４図は上記従来技術の開先ならい制御を行った際の、
開先幅に応じた回転するアークのアーク電圧Ｅの検出波
形（平均値）を示す。

図に於て、実線で示した波形は開先幅Ｇが基準開先幅Ｇ
。に等しい（Ｇ＝ＧＯ）場合、破線で示した波形は開先
幅Ｇが基準開先幅Ｇ。より大なる（Ｇ＞Ｇｏ）場合、点
鎖線で示した波形は開先幅Ｇが基準開先幅Ｇ０より小な
る（Ｇ＜Ｇｏ）場合を示す。

このように開先ならい制御を行う際の波形検出により、
開先幅Ｇの変化を検知することができるから、この検出
結果に基きアークの回転直径りを制御すれば、開先幅Ｇ
に応じた適正なビード幅が得られる。

例えば、Ｇ＝Ｇｏの場合は、基準開先幅Ｇ。に応じた適
正なアークの回転直径（以下、基準直径Ｄ０と称する０
）を保つ。また、Ｇ＞Ｇｏの場合は、回転直径りを大き
くしてビード幅を広げる。

逆にＧ＜Ｇ。の場合は、回転直径りを小さくしてビード
幅を狭める。

具体的には、上記従来技術の開先ならい制御と同様の方
法により、波形の作る面積ＳＬとＳＲの和に対応した値
Ｓを求め、この面積の和Ｓと基準値Ｓｌ　とを比較して
、この差Ｓ−Ｓ、がτとなるように回転直径りを制御す
る。

ここで基準値Ｓ１は基準開先幅Ｇ０に応じた基準回転直
径り。により予め設定しておく。

上記のようにして回転直径りを制御することにより、開
先幅Ｇに応じた適正なビード幅を得ることができる。ま
た、この回転直径りまたは上記面積和Ｓの値により開先
幅の大きさを検知できるから、これら回転直径りまたは
面積和Ｓに基いて溶接速度やワイヤ突出長さを制御すれ
ば、溶接進行に伴う開先幅Ｇの変化によらず適正な高さ
の溶接ビードを形成できる。

第１図（ａ）　、　（ｂ）は本発明に使用する装置の一
例を示し、回転アｉり溶接装置断面の概略側面図及び回
転アーク溶接装置の回転機構の平面図である図に於て、
回転モータ３のシャフト４にはギヤ５が取り付けられ、
このギヤ５の回転は電極１のギヤ６に伝達される。電極
１を支持する自動調心ベアリング７は、ギヤ６の回転に
より電極１が高速回転するようにギヤ６の中心から所定
の距１１ｄだけ偏心して設けられている。また、自動調
心ベアリング８は回転する電極１の支点を成し、ギヤ５
．６はベアリング９に支持される。

回転モータ３の駆動よりギヤ５及びギヤ６を介して電極
１の下端部が自動調心ベアリンク８を支点として回転運
動し、これにより電極ｌの下端から送り出されるワイヤ
２の先端及び溶接アーク１０は回転円運動を行う。ギヤ
ボックス１２と上部支持体１３とは摺動可能となってお
り、回転する溶接ワイヤ２先端の回転直径りは、上部支
持体１３のラック部１４ａに噛みあうビニオン１４ｂを
支持体駆動モータ１５により駆動して、上部支持体１３
を上下動させて自動調心ベアリング７〜自動調心ベアリ
ング８間の距離を変化−させることにより可変制御する
ことができる。

電極１の下端部が回転運動をしていると・き電極１自体
は回転しないので、図示のように給電ケーブル１６及び
給電端子１７によって電極１に直接給電することが可能
になっている。

尚、電極１の支点となる自動調心ベアリング８は、電極
１のその部分の動きは小さいので、球面軸受に置き換え
てもよい。

第２図は本発明に使用する制御ブロックの一例を示す。

尚、この制御系に於ては、簡単のために上記従来技術の
開先ならい制御に用いた信号ＳＬ、ＳＲと同一の信号Ｓ
Ｌ、、ＳＲを用いるものとするが、必ずしも同一の回転
角度φ。における積分値に限られるものでない。

図に於て、上記従来技術の開先ならい制御に用いた信号
ＳＬとＳＲの和ＳＬ＋ＳＲは差動増幅器１８の一方の入
力端に入力する。また、記憶器１９にはＳＬ＋ＳＲの初
期値、即ち適正なアークの回転直径（基準開先幅Ｇ。に
応じた基準回転直径Ｄｏ）に相当する値Ｓ、が記憶保持
され、この値が差動増幅器１８の他方の入力端に入力し
、差動増幅器１８で（ＳＬ”ＳＲ）　　Ｓ＋が求められ
、回転直径制御器２０に与えられる。回転直径制御器２
０は、（ＳＬ÷ＳＲ）　　３１が零となるように支持体
駆動モータ１５を駆動して回転直径りを制御する。

以上の制御により、Ｘ軸方向の開先ならい制御を行なう
とともに開先幅に応じた適正な幅の溶接ビードを形成す
ることができる。

尚、上記実施例ではアーク電圧を検出して制御を行うも
のとしたが、上記従来技術の開先ならい制御と同様、定
電圧特性の溶接電源を使用した場合には、溶接電流を検
出してもよい。

また、上記実施例では回転直径りの調整は、−例として
上下の自動調心ベアリング７．８の間隔距離を変える方
式を示したが、勿論、この方式に限るものではない。

［発明の効果］ この発明は以上説明した通り、回転するアークの電圧ま
たは電流を検出して積分し、この積分値に基いて開先な
らい制御を行うに際し、前記積分値に基いてアークの回
転直径の制御を同時に行うようにしたから、溶接線全領
域に渡って開先幅に応じた適正な幅の溶接ビートを形成
できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に使用する溶接装置の概略側
面図及び回転機構の平面図、第２図は本発明の一実施例
に使用する制御回路のブロック図、第３図はアーク電圧
波形図、第４図は回転アーク溶接による溶接部の側面図
、第５図は第４図のＹ軸方向から見たワイヤ配置図、第
６図（ａ）はアーク電圧波形図、（ｂ）は溶接電流波形
図、第７図は従来の回転アーク溶接に使用する制御回路
のブロック図である。 図に於て、１は電極、２はワイヤ、３，１５゜はモータ
、５，６はギヤ、７．８は自動調心ベアリング、ｌＯは
アーク、１３は上部支持体、１４ａ、１４ｂはラック・
ピニオン、１８は差動増幅器、１９は記憶器、２０は回
転直径制御器、Ｄはアークの回転直径、ＳＬ、ＳＲは面
積（積分値）を示す。 尚、各図中同一符号は同−又は相当一部分を示す。 代理人　弁理士　佐　藤　正　年 第２因 第３図 一１８０’−９０”　　Ｏ−９０−１８０−３１：開先
の中心線

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 溶接ワイヤを回転軸芯まわりに回転させることにより、
   アークを高速回転させながら溶接を行なうに際し、 （イ）前記回転アークの回転角位置に対するアーク電圧
   または溶接電流を検出し、 （ロ）前記検出電圧または電流を前記回転における溶接
   進行方向前方の前記溶接ワイヤの位置Ｃ＿ｆを中心とし
   て左右に５゜以上１８０゜以下の範囲で一定の回転角度
   φ＿０ずつについて各々積分し、中心位置Ｃ＿ｆから左
   方の回転角範囲（−φ＿０〜０）での積分値Ｓ＿Ｌ及び
   中心位置Ｃ＿ｆから右方の回転角範囲（０〜φ＿０）で
   の積分値Ｓ＿Ｒを求め、（ハ）前記積分値Ｓ＿ＬとＳ＿
   Ｒとの差に対応した値ΔＳを演算し、 （ニ）この差ΔＳが零になるように溶接トーチ位置を開
   先の幅方向に修正する、 各ステップ（イ）〜（ニ）を含む高速回転アーク溶接方
   法に於て、 （ホ）前記積分値の和Ｓ＿Ｌ＋Ｓ＿Ｒに対応する値Ｓを
   演算し、この和と予め設定された直径基準値Ｓ＿１との
   偏差が無くなるように、前記回転するアークの回転直径
   Ｄの大きさを修正することを特徴とする高速回転アーク
   溶接方法。