JPH0471632B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、溶接線が直線で板厚が厚く多層溶接
を必要とする建築鉄骨の仕口部や橋梁のフランジ
突き合わせ溶接部等に適用する自動多層溶接装置
に関するものである。

（従来技術とその課題） 第１図イ，ロは建築鉄骨、橋梁等の被溶接部材
同士を開先加工して突き合わせた断面形状を示す
もので、このような建築鉄骨、橋梁等の部材同士
の開先溶接を行う場合には、被溶接部材の肉圧が
厚く、また溶接に使用する継手が短いために、通
常は第２図に示すように開先突き合わせ位置に数
パスの溶接を繰り返し行う多層溶接を必要として
いるが、このような多層溶接は被溶接部材の開先
形状が種々様々であり、且つ溶接ビードのビード
形状、ビード幅が常に一様でないこと等から自動
化の条件設定が難しく、そのため、多層溶接を手
動で行うことが多かつた。また、多層溶接手段と
して、テイーチングプレイバツク方式のアーク溶
接ロボツトを使用する場合もあるが、この方式で
は、溶接のスタート位置から溶接完了に至るまで
の溶接手順、条件等を逐一教示（テイーチング）
しなければならず、操作が煩雑であり、かつ熟練
したオペレータを必要とし、更に開先形状が異な
る度に、新たな溶接条件に従つた手順を教示しな
ければならない課題を有していた。

本発明は上記した実情に鑑みて開発されたもの
であり、オペレータの教示を必要とすることな
く、溶接前の溶接スタート位置のセツテイングか
ら溶接が完了するまでの各層毎の溶接工程の全て
を自動的に行えるようにするとともに、しかも
種々様々な被溶接部材の開先形状にも難なく対応
して正確な自動溶接ができ、更に自動化するため
の溶接手段も極めて合理的な方法を採用すること
によつて、低価格なものにすることができる自動
多層溶接装置を提供しようとするものである。

（課題を解決するための手段とその作用） 上記の目的を達成するため、本発明は、物体と
の接触を検出する接触子が３軸方向の自由度を有
する接触センサーと、Ｚ軸の上下移動機構に交互
に作動し合うように配置した該接触センサー並び
に溶接トーチをＸ、Ｙ、Ｚの３軸直交方向に移動
させることが可能な移動機構と、上記した接触セ
ンサーの接触信号の検出、３軸方向の移動機構の
制御、アークの発生・停止の制御、及び溶接電源
にプリセツトされた溶接条件（溶接電流I₁、I₂、
I₃、溶接電圧V₁、V₂、V₃）の選択機能等を有す
る制御装置（マイクロコンピユータ）とから成る
自動多層溶接装置であつて、上記の接触センサー
により溶接部断面形状を検出するためには、検出
信号とセンサー移動量を有機的に結合させて、溶
接部断面形状データに変換する必要がある。これ
を可能とするために、上記した制御装置は、接触
センサーをその移動機構を用いて溶接線直角方向
にその表面になぞるように接触・非接触を繰り返
しながら移動し、同時にその座標値を記憶して溶
接部断面形状を検出する。この溶接部断面形状デ
ータは、記憶媒体（フロツピーデイスク等）に保
存することにより、多層溶接部の溶接履歴として
保管することもできる。上記した接触センサー
は、接触・非接触を繰り返しながら移動するた
め、測定表面の凹凸がはげしくても一方向から形
状測定が可能である。また、本発明における溶接
装置は、建築鉄骨や橋梁等の適用を主目的に開発
したものでワークが比較的大きいため、溶接装置
をワークにセツトできるように軽量・可搬に構成
されている。

次に、上記した溶接装置を用いて、接触センサ
ーを溶接前の開先加工した突き合わせ被溶接位置
面に横断走査させて開先断面形状を検出する。得
られた開先形状データから、該制御装置により、
開先形状を特定する上で重要となるP_A、P_B、P_C
の座標、開先角度θ、ルートギヤツプＷ、板厚ｔ
を算出する。第１１図において、第１層目の溶接
ねらい位置及び溶接条件は、ルートギヤツプＷの
値により次の様に決定し、第１層目の溶接を行
う。

() Ｗ＞W₀の場合P_Cをねらい、溶接電流I₁、溶
接電圧V₁ () W₀＞Ｗ＞W₁の場合（P_C＋P_B）／２をねら
い、溶接電流I₁、溶接電圧V₁ () Ｗ＜W₁の場合（P_C＋P_B）／２をねらい、
溶接電流I₂、溶接電圧V₂ ※W₀、W₁は開先幅を示す定数 １層目の溶接が終了すると、センサーにより、
そのビードを横断するように断面形状の測定を行
う。２層目以降の溶接では、このビード断面形状
に基づいてトーチねらい位置及び溶接条件を決定
する。決定基準の一例を次に示す。

第１２図のようなビード断面形状が得られた場
合、ｔ／ｗの値によつて、トーチねらい位置を第
１２図に示すように決定する。

（ｔ／ｗ）＜Ａ の場合、ねらい位置 （ｔ／ｗ）≧Ａ の場合、ねらい位置 ※Ａはビード表面の傾斜を示す定数 また、第１３図の場合はビード最低点T_Lにな
るが、その形状によつては、ねらい位置は第１３
図に示すような〜になる。その判断基準はつ
ぎのとおりである。

w₁＞w₂且つ（t₂／W₂）＜Ａ の場合、ねらい
位置 w₂＞w₁且つ（t₁／W₁）＜Ａ の場合、ねらい
位置 上記以外の場合、ねらい位置 また、溶接終了の判断は、ビード表面の最低点
T_Lが母材表面より高く、且つ（T_W−T_K）＞０に
なることを判断している（第１４図参照）。なお、
トーチねらい位置判断基準となるビード表面の傾
斜を示す定数Ａ、初層ねらい位置決定の境界条件
W₀、W₁の値及び溶接条件（溶接電流、溶接電
圧）の選定については、多くの予備実験結果に基
づき溶接欠陥の発生を防止するよう決定し、知識
ベース化している。

また、多層溶接を自動化する場合、ビード表面
に形成されるスラグにより２層目以降のアーク発
生が問題となる。これを回避するため、アーク発
生点をスラグ形成がない開先面、または母材表面
（図ｘ，ｙ点）で行つており、トーチねらい位置
がビード中央の左側（第１５図におけるＡ領域）
の場合ｙ点で、右側（第１５図におけるＢ領域）
の場合ｘ点で行つている。

これらの判定基準に基づいて第１６図のフロー
チヤートに示すように溶接とセンシングを繰り返
して溶接完了に至るまでの全行程を自動化したこ
とを特徴とするものである。

また、本発明は、溶接トーチ並びに接触センサ
ーをＺ軸の上下移動機構に互いに交互に逆動作を
行うように支持されているから、開先断面形状の
検出或いは溶接ビートの断面形状の検出に際し、
接触センサーを被溶接物面に近接させると、溶接
トーチが被溶接面から遠ざかり、逆に溶接に際し
て溶接トーチを被溶接面に近づけると、接触セン
サーが遠ざかるので、溶接トーチと接触センサー
が互いに干渉しあいことなく交互に自らの機能を
発揮することになる。

（実施例） 以下に、本発明における自動多層溶接装置の実
施例を詳述する。

第３図は本発明における一実施例の概略図であ
り、同図において、１は開先加工した被溶接部材
Ｐ同士の突合わせ溶接を行う装置本体で、装置本
体１は、ガイドレール２上をＸ軸方向（溶接線方
向）に走行する移動手段３と、この移動手段３に
支持されてＹ軸方向（前後方向）に伸縮自在に移
動する移動手段４と、Ｙ軸移動手段４に支持され
てＺ軸方向（上下方向）に昇降自在に移動する移
動手段５を有し、上記移動手段３，４，５は各軸
に設けた位置制御モータ（パルスモータ、サーボ
モータ等）６，７，８の回転力により駆動する往
復機構によつて作動するものである。

９はアーク溶接等に使用する溶接トーチ、１０
は物体の各座標点を測定して物体形状を検出する
接触センサーで、溶接トーチ９並びに接触センサ
ー１０はＺ軸移動手段５の前方に向けてアーム１
１，１２を介して上下方向に昇降自在に支持され
ている。１３は、マイクロコンピユータによつて
構成された制御手段で、この制御手段１３は、第
４図に示すように装置本体１の移動手段３，４，
５を移動制御して溶接トーチ９、接触センサー１
０の自動送りや接触センサー１０が検出した各測
定点の座標値を記憶して開先断面形状等を割り出
す機能を有するものである。

なお、第３図は本発明の概略図を示すものであ
り、具体的構造は後述する第５図及び第６図に示
す。

しかして、被溶接部材Ｐ同士の開先突合わせ位
置の溶接を行う場合には、上記制御手段１３を用
いて、まず最初にＸ軸移動手段３を溶接作業位置
に移動し、次いでＹ軸移動手段４とＺ軸移動手段
５に制御指令を与えて接触センサー１０を被溶接
個所に向けて前進させつつ、Ｚ軸移動手段５の微
動上下運動により各測定点S₁、S₂、S₃…と断続的
に接触させて各座標値を測定し、この測定値を制
御手段１３のマイクロプロセツサ１４で読み取つ
て開先断面形状を検出し、該検出開先形状から開
先の態様、開先角度、開先溝の深さ等を割り出し
て溶接トーチ９の原点セツト位置を判断し、この
位置に溶接トーチ９を自動送り制御する。

次いで、制御手段１３から溶接開始指令が出さ
れて所定の溶接線に沿つて溶接が行われる。この
溶接が終わると制御手段１３が再びＹ軸移動手段
４、Ｚ軸移動手段５に指令を与えて、接触センサ
ー１０が今度は測定点S₁、S₂、…を経て前層溶接
ビード面上を走査し、ビード断面形状を検出し、
この測定値をマイクロプロセツサ１４で読み取つ
て、ビード幅、ビード最低点等を割り出し、次層
溶接のねらい位置を決定し、この位置に溶接トー
チ９を自動送りし、次いで、このねらい位置で溶
接方向に溶接を行い、以後は各パス毎に上記溶接
工程を繰り返して多層溶接が完了する。

第５図〜第６図は本発明の具体例を示すもの
で、図中２０は、Ｘ軸移動機構２１、Ｙ軸移動機
構２２、Ｚ軸移動機構２３からなる装置本体であ
る。

Ｘ軸移動機構２１は支持台２４上にガイドレー
ル２５，２５を介してＸ軸方向（図面の紙面に対
して垂直な方向）に摺動自在に支持搭載され、且
つパルスモータ２６に連動する往復動機構によつ
てレール上を走行する。Ｙ軸移動機構２２は上記
Ｘ軸移動機構２１のケーシングに支持され、且つ
パルスモータ２７によつて回転する螺子棒２６
と、螺子棒２６の回転によつてＹ軸方向に案内移
動される移動体２８と、移動体２８に設けてＹ軸
方向に伸縮自在に伸びるアーム２９と、アーム２
９に支持された枠体３０から成る。Ｚ軸移動機構
２３は、枠体３０の内部に設け、このＺ軸移動機
構２３は枠体３０の上部に設けたパルスモータ３
１と、枠体３０の上下方向に向けて回転自在に垂
設した螺子棒３２とを、タイミングベルト３３を
介して連動自在に連係し、かつ枠体３０の上下に
設けたプーリ３４，３５に掛回したタイミングベ
ルト３６を、上記螺子棒３２と回転伝達機構を介
して連結して、タイミングベルト３６がＺ軸方向
に上下動するように構成したものであり、第６図
に示すようにタイミングベルト３６の一方側３６
ａが上昇（下降）するときは、他方側３６ｂが下
降（上昇）し、互いに逆の昇降動作をするように
してある。しかして、タイミングベルト３６の一
方側３６ａに溶接トーチ３７を装着すると共に、
他方側３６ｂに接触センサー３８を装着する。３
９′，３９′は上記溶接トーチ３７の支持筒４０と
接触センサー３８の支持筒４１を嵌合案内するガ
イドレールである。

接触センサー３８は、例えば第７図に示すよう
な構造簡単な全方向型、即ち接触子が３軸方向の
自由度を有する接触探針を使用している。この接
触センサー３８は少なくとも溶接線に直角な２方
向（Ｙ軸、Ｚ軸方向）の接触圧に対して感度の有
するものであり、これをＹ軸、Ｚ軸の駆動系（Ｙ
軸機構２２、Ｚ軸機構）を利用して、被溶接位置
の開先面、溶接ビード面上を走査させて、必要と
する測定位置の位置座標の読み取りや、スパツタ
等の障害物の判断などを行うものである。なお、
接触センサー３８を走査させるＹ軸駆動系２２、
Ｚ軸駆動系２３の位置制御や、位置検出判断等は
全て前述の溶接方法で述べた制御装置（マイクロ
コンピユータ）１３によつて行うものである。ま
た、第７図の接触センサー３８は接触子３９の先
端部を尖利状に形成して開先形状等の細部の座標
をも検出できるように構成し、且つ上部はばね４
０並びに弾性体４１を介して本体４２内に揺動自
在に支持され、接触子３９が少なくともＹ軸、Ｚ
軸方向から接触圧を受けると、導電板４３が接点
４４から離れ、このとき制御装置に位置検出の測
定信号を送るものである。しかして、上記接触セ
ンサー３８はＹ軸上に該制御装置が予め設定した
測定点y₁〜ynに達するとセンサーをＺ軸方向に
下げ、これらに相対するＺ座標z₁〜znを読むこと
で、開先位置上の各点s₁〜snを把握するもので、
ｙのピツチを小さくするほど正確な形状を把握で
きる。また、測定はy₁〜ynへと順次行つていく
もので、座標はＹ軸およびＺ軸の各移動機構２
２，２３の変位（移動距離）としてとらえること
ができ、これらのデータを集積して開先断面形状
を割り出す。

具体的な測定手段は第５図及び第６図に示すよ
うに、まず接触センサー３８をＹ軸上の測定点に
セツトし、次いで接触センサー３８を下げてゆ
き、接触したら下げるのをやめＺ軸座標値を制御
装置１３に記憶し、次いで接触センサー３８が離
れるまで持ち上げる。次にＺ軸駆動系２３を止
め、Ｙ方向に、つぎのＹ軸上の測定点まで接触セ
ンサー３８を移動する。しかして、測定が完了す
るまで上記過程を繰り返す。なお、Ｙ方向への移
動中、接触センサー３８がスパツタ等の障害物に
接触した場合にも、接触センサー３８のＹ方向の
移動を止め、接触センサー３８が離れるまで持ち
上げ、ここで再びＹ方向の移動を継続する。

上記構成によると、開先突合わせ位置の形状検
出を行うに際して、制御装置１３の指令によりＺ
軸パルスモータ３１を一方向に回転せしめると、
タイミングベルト３６の一方側３６ｂが下降して
接触センサー３８が被溶接部材Ｐの開先面に近接
し、他方側３６ａが上昇して溶接トーチ３７が被
溶接物Ｐから遠ざかるので、溶接トーチ３７が邪
魔になることなく、接触センサー３８による被溶
接部材Ｐの開先突合わせ面の検出を可能にする。
また溶接に際しては、パルスモータ３１を逆方向
に回転制御すれば、タイミングベルト３６の他方
側３６ａが下降して溶接トーチ３７が被溶接部材
Ｐに近づき、一方側ベルト３６ｂが上昇して接触
センサー３８が被溶接部材Ｐから遠ざかるので、
接触センサー３８が邪魔になることなく溶接を行
う。

また接触センサー３８による開先断面形状及び
溶接ビードの断面形状検出は、Ｙ軸移動機構２
２、Ｚ軸移動機構２３を駆動して行われ、しかも
接触センサー３８が被溶接位置面の各測定点s₁、
s₂…に接触すると、上記測定位置のＹ軸、Ｚ軸移
動機構２２，２３の変位量によつて、該制御装置
１３により溶接前の開先断面形状と、ビード表面
形状である溶接部断面形状を検出し、多層溶接を
行う。なお、上記実施例ではタイミングベルト３
６ａ，３６ｂに溶接トーチとセンサーを逆動作す
るように装着するが、その他、Ｚ軸を２軸の送り
螺子によつて構成し、両者を歯車を介して互いに
逆動作するように連結し、一軸側に溶接トーチ
を、他軸側に接触センサーを昇降自在に設け、１
つのパルスモータの駆動で両者を逆動作するよう
にしてもよい。なお、多層溶接では、スタート部
分や終端部分での‘だれ’の処理が問題となる
が、スタート時にはステツプバツク溶接を、終端
部分ではクレータ処理をそれぞれ行うようプログ
ラミングされている。

（発明の効果） 以上のように、本発明における自動多層溶接装
置は、溶接前の被溶接物の開先突合わせ断面形状
と、溶接工程の溶接ビード断面形状のいずれをも
センサーによつて検出し、次層溶接のトーチねら
い位置の自動セツトを可能にし、溶接完了までの
全工程で多層溶接を自動化し、しかも被溶接部材
の開先形状の種類、開先角度、開先の深さ等の条
件が異なつても、オペレータの調整を必要とする
ことなく、高品質な自動多層溶接を行うことがで
きる。

また、上記効果に加えて、溶接トーチを移動さ
せる駆動系とセンシングのための駆動系を併用で
きるようにしたから、装置の合理化を図ることが
でき、装置の製作コストの低減化を図ることがで
きると共に、装置の軽量化を可能とした。このた
め、被溶接部材の移動が困難な建築鉄骨や橋梁部
材への適用を可能としている。

【図面の簡単な説明】

第１図イ，ロは被溶接部材の開先例の断面図、
第２図は開先位置の多層溶接例の断面図、第３図
は本発明多層溶接装置の一実施例を示す概略説明
図、第４図は同上の制御方式を示す構成図、第５
図は本発明装置の一実施例を示す縦断側面図、第
６図は同上の一部省略正面図、第７図は本発明装
置に使用する接触センサーの断面図、第８図は同
上のＡ−Ａ線断面図、第９図イ，ロは上記センサ
ーによる座標測定例図、第１０図は同じく座標測
定のフローチヤート、第１１図〜第１５図は本発
明における多層溶接手段を説明するための断面説
明図、第１６図は溶接工程を示すフローチヤート
である。 Ｐ……被溶接部材、３……Ｘ軸移動手段、４…
…Ｙ軸移動手段、５……Ｚ軸移動手段、９，３７
……溶接トーチ、１０，３８……接触センサー、
１３……制御手段（制御装置）、２１……Ｘ軸移
動機構、２２……Ｙ軸移動機構、２３……Ｚ軸移
動機構。

【特許請求の範囲】

１ フラツクス成分がワイヤ全重量比で、アーク
安定剤：0.1〜３％、スラグ形成剤：３〜18％、
並びにMn／Si比が２〜８で且つMn及びSiを含む
脱酸剤：1.5〜10.5％を含有し、フラツクス充填
率（ワイヤ全重量に対するフラツクスの重量％）
を10〜30％とする溶接用フラツクス入りワイヤ
と、SiO₂、Al₂O₃及びMgOのうち少なくとも一
部をコージエライトとして含む耐火性裏当材を用
い、シールドガスとしてAr−CO₂ガスを使用し、
以下の溶接条件、 １層目の溶接電流100〜180A、 ２層目以降の溶接電流150〜300A にて上向片面溶接を行うことを特徴とする多層盛
上向片面ガスシールドアーク溶接方法。

Claims (1)

1. 動するため表面の凹凸が激しくても一方向からそ
   の形状が測定でき、この操作を多層溶接が完了し
   たと判断するまで繰り返していくことができる手
   段を具備したものであることを特徴とする自動多
   層溶接装置。