JPH0191966A - 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】 ［産業上の利用分野］ 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（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することにな
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通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
って、Ｉｌ□はアーク長、Ｃ，、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Ｏ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λ、が変化する。アーク長１．
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Ｉ、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Ｖ字間
光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Ｉ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■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とが△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Ｃｒ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０がずれていないときは、ワイヤ
２の位置Ｃ，を中心として波形は左右対象であるが、回
転軸芯Ｏが開先の中心線３１からずれているとワイヤの
位置Ｃ，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＠方向のずれ量
△Ｘを修正することができる。すなわち波形をＣ，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φ。間で作る波形の面積（積分値）Ｓｔ、。

ＳＲを求めて、この面積ＳＬとＳＩｌ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と一致させることかできる。

尚、角度φ。は５°未満となると波形にのるノイズの影
うを受易くなるため、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、Ｙ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Ｔ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、ｘＯ１１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Ｓ。とを
比較して、この差Ｓ−ＳＬが零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軸方向制御ともに同一の
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Ｅ。（アーク電圧の平均値）との差Ｅ−Ｅｏ
を差動増幅器３４で演算する。この演算した値Ｅ−Ｅ０
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３７
で検出したワイヤ２の回転角φと、一定の角度φ。（５
°〜１８０°の範囲）を予め設定した設定器３８の出力
φ。（例えば４５°とする）を比較演算し、ワイヤ２の
回転角が−４５゜から０°までの区間をＬ区間とし、こ
の区間の波形がスイッチ３５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
°まての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３９．４
０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
ＳＬ及びＳＲを記千彦器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から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Ｓ　Ｌ−３Ｒを求め、この値を
ｘＩＩＩＩＩ］制御器４６に人力してＸ軸モータ４７を
駆動し、上記差５Ｌ−５ＲがＴ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ＳＬ＋ＳＲは差動増幅器４８の一方の入力端に人力す
る。また記憶器４９には、ＳＬ＋ＳＲ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＋Ｓｑ　）−３ｏが求められ、Ｙ中＋
ｈ制御器５０に与えられて、Ｙ＠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っている
。

［発明が解決しようとする問題点コ 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、ビード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フ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不足となり肉盛
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
のであり、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適正な高さで形
成しう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Ｃ，
から左方の回転角範囲（−φ０〜０）での積分値ＳＬ及
び中心位置Ｃ，から右方の回転角範囲（０〜φ０）での
積分値ＳＲを求め、（Ａ）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）〜（ニ）を含む高速回転アーク溶接方
法に於て、 （ネ）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
きざを修正し、 （へ）この修正された回転直径りまたは前記値Ｓに基い
て溶接電極が一本の場合には溶接速度と前記溶接ワイヤ
の突出長さとのうち少なくとも一方を制御し、溶接電極
が複数の場合には溶接速度、先行溶接ワイヤの突出長さ
、後行溶接ワイヤの突出長さのうち少なくとも一つを制
御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φ。たけ等分して
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、この積分値の和か大きく（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及び溶着金属量を
可変制御するものである。

［実施例コ 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■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Ｖ字開先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
０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Ｇｏより犬なる（Ｇ＞Ｇｏ）場合、
点鎖線で示した波形は開先幅Ｇが基準開先幅Ｇ。より小
なる（Ｇ＜Ｇ０）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　”　Ｇ　ｏ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Ｄｏ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ＧＡＧ。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Ｓ　ｌ、とＳＲの和に対応し
た値Ｓを求め、この面積の和Ｓど基準値Ｓ１とを比較し
て、この差Ｓ−ＳＬが雫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ｌノで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かできる。

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、回転アーク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７ｕ！Ｔｉｔ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
ら所定の距離ｄ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１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に噛みあうピニオン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〜自勅調心ベアリ
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８ｉ１の下端部が回転運動をしているとき電１÷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ｌ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
Ｓ９１．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、＋　Ｓｎは差動増幅器１８の一方
の入力端に人力する。また、記＋’ｌ　Ｔｓ１９にはＳ
Ｌ＋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
１か記憶保持され、この値が差動増幅器１８の他方の入
力端に人力し、差動増幅器１８で（ｓ＋、＋ｓｚ＋　）
−３１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２０は、（ＳＬ＋Ｓｒ＋）　　Ｓ＋が零
となるようにモータ１５を駆動して回転直径りを制御す
る。

上記により制御された回転直径りは、例えば回転直径制
御器２０の信号により回転径検出器２１で検出される。

この検出回転直径りは回転径設定器２２に設定された基
準回転直径り。と比較器２３で比較され、その差△Ｄに
応じた溶着量制御信号か出力され、この信号に基いて下
記の手段のうち少なくとも一つの手段で溶着量の制御を
行なう。

（１）溶接速度制御器２４により溶接台車駆動モータ２
５の駆動即ち溶接速度を制御する。

（２）先行電極のワイヤ突出長さ制御器２６により先行
電極のワイヤ送給モータ２７の駆動即ち先行電極のワイ
ヤの突出長さを制御する。

（３）後行電極のワイヤ突出長さ制御器２８により後行
電極のワイヤ送給モータ２９の駆動即ち後行電極のワイ
ヤの突出長さを制御する。

これら溶着量の制御は、次のように行なう。

尚、溶接速度、ワイヤ突出長さには基準開先幅Ｇｏに応
じて初期設定値が与えられているものとする。

回転径設定器２２の基準回転直径Ｄ０に比して回転径検
出器２１で検出された回転直径りが小の場合は、開先幅
Ｇが基準開先幅Ｇ。より小（Ｇ＜ＣＯ）であるから、溶
着金属量は過大である。従って、溶接速度を犬にするか
、各電極のワイヤ突出長さを小にして溶着金属量を下げ
る。

一方、基準回転直径Ｄ０に比して検出回転直径りが大の
場合（Ｇ＞Ｇｏ）は、溶着金属量が不足しているのであ
るから、溶接速度を小にするか、各電極のワイヤ突出長
さを大にｌノで必要溶着金属量を得る。

また、基準回転直径り。と検出回転直径りが等しい場合
（Ｇ＝ＧＯ）は、溶着金属量が適正であるから、溶接速
度、ワイヤ突出長さを初期設定値に保持して溶接を行な
う。尚、ここでは開先幅の変化を検出するパラメータと
して回転直径りを用いる場合について説明したが、上記
面積和Ｓを用いても同様に溶着量制御か行える。

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ヒートを一定の
高さで形成することかできる。

尚、」二記実施例ではアーク電圧を検出して制御を行う
ものとしたか、上記従来技術の開先ならい制御と同杆、
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、上記実施例ては回転直径りの調整は、−例として
上下の自動調心ヘアリング７．８の間隔距ｔｌｉｆ１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とうり、回転するアークの電圧
または電流を検出し、この電圧または電流の積分値に基
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とともに、このア
ークの回転直径または前記積分値に基いて溶着金属量の
制御をも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ドを一定の高さ
で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熔＝甚部の側面
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．＋５゜２５．２
７．’２９はモータ、５．６はギヤ、７゜８は自動調心
ベアリング、１０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は回転置径制御器、２１は回転径検出器
、２２は回転径設定器、２３は比較器、２４は溶接速度
制御器、２６．２８はワイヤ突出長さ制御器、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−又は相当部分を示す。 代理人　弁理士　佐　藤　正　年 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の大きさを修正し、 （ヘ）この修正された回転直径Ｄまたは前記値Ｓに基い
   て溶接電極が一本の場合には溶接速度と前記溶接ワイヤ
   の突出長さとのうち少なくとも一方を制御し、溶接電極
   が複数の場合には溶接速度、先行溶接ワイヤの突出長さ
   、後行溶接ワイヤの突出長さのうち少なくとも一つを制
   御することを特徴とする高速回転アーク溶接方法。