JPH0513031B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、多層振分け自動溶接方法の改良に関
する。

〔従来の技術〕

従来、非接触センサにより溶接開先を検知し、
トーチ位置制御並びに溶接条件を制御する方法が
種々考案されている。例えば、開先と直角にスリ
ツト先を投射し、これを斜め方向からITVカメ
ラなどで撮像し断面形状を検出してトーチ位置を
開先中央に制御する方法が挙げられる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、従来技術は、１パス仕上の継手
溶接や隅肉溶接に用いられているのみで、多層振
分け溶接に適用し満足な結果が得られた例は見ら
れない。即ち、多層振分け溶接では前ビードの重
なり部にトーチ狙い位置を制御して振分けるとい
う高精度な狙い技術が必要で、従来法にはこれら
の制御に必要な高精度な開先情報を提供する方法
やその情報処理方法が確立されていなかつた。従
つて、このような多層振分け溶接は作業者に頼ら
ざるを得ず、熟練作業者不足などの問題からも自
動化による高品質化、高能率化が望まれている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、熱
交換器・塔槽類などの中・厚板構造物の多層振分
け溶接を対象に非接触センサーを高精度な開先情
報検知手段を開発すると共に、この情報を利用し
た振分け溶接手段を確立し多層連続溶接の妨げと
なつていた振分け溶接の溶接線習いを自動化し、
これにより複数継手を一人で管理できるようにに
して品質の安定と大幅な能率向上を実現する多層
振分け自動溶接方法を提供することを目的とす
る。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、光学式距離センサを溶接線に対し略
直角に揺動させ、得られた距離信号と揺動時のセ
ンサ信号に基づいて被溶接物の開先の位置、形状
を検出する多層振分け自動溶接方法において、被
溶接物の開先断面形状から多層振分け自動溶接の
狙い位置の設定に必要な開先両肩、開先内最深部
を求める工程と、前記開先両肩と開先内最深部を
基準に１パス目の狙い位置及び振分け時の狙い位
置設定式を決める工程と、予め施行対象別に溶接
施工条件を出力データ表にまとめこれをプログラ
ム化し、これにより開先深さ、総パス数を求めて
１パスから最終パスまでの条件を順次設定、出力
する工程とを具備することにより、多層振分け溶
接の自動化等を図つたものである。

以下、本発明における「振分け」について説明
する。即ち、溶接でいう層とは、第９図に示すよ
うに１つ又はそれ以上のパスから成る溶接金属
（溶接ビード）のことをいう。従つて、多層溶接
とは、同上の層が２つ以上ある溶接をいう。本発
明で「振分け」といつているのは、規則正しく各
層を形成することを狙つて、各パスの置き方を第
１０図に示すように各層毎に整数で分割し、各パ
スの置く位置（狙い位置）を左右に振分ける制御
方式を採用しているためである。ちなみに、本願
制御方式により、初めて多層溶接の自動化が実現
できる。なお、一般の多層盛溶接は第１１図に示
すようにランダムに積層するため、層の区別が付
けにくい。

本発明において、「パス」とは溶接線に沿つた
溶接の単一動作による進行のことで、パスの結果
できたものが溶接ビードである。従つて、総パス
数とは、ある開先内を適正な形に溶接ビードで埋
める（積層する）ための総溶接ビード数のことを
いう。例えば、第１２図を例にとれば、総パス数
は８となる。

〔作用〕

本発明によれば、１パス目からの振分け最終パ
スまでのトーチ狙い位置設定に必要な高精度な開
先情報を提供する方法と、基準開先データを元に
積層手順を設定する方法により多層振分け溶接を
自動化でき、熱交換器・塔槽類などの中・厚肉溶
接構造物全般に応用できるものである。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図を参照して説明す
る。

まず、中・厚肉構造物の振分け溶接物の断面図
を第２図に示す。ここで第２図ａはＶ型開先、同
図ｂはＵ型開先の一例を示す。同図において、１
は被溶接母材（被溶接物）を、２，２′は夫々開
先線を、３は溶接ビードを、４は裏側溶接部を示
す。なお、以下の説明はＶ型開先の潜弧（サブマ
ージアーク）溶接法の場合を想定して行うが、開
先がＵ型などや溶接法が異なる場合も同様に適用
できる。

第１図は、潜弧溶接法による溶接状態及び光学
式距離センサによる開先形状の検出手段を示すも
のである。図中の１１は、被溶接母材１の開先で
ある。前記母材１の上方には、溶接ワイヤ１２を
供給する溶接トーチ１３が設けられている。な
お、１４は溶接トーチ１３の下方の開先１１に存
在するフラツクスである。前記母材１の情報に
は、溶接線に対し略直角に揺動する光学式距離セ
ンサ（以下、センサと呼ぶ）１４が設けられてい
る。ここで、センサ１４の揺動タイミングは溶接
トーチ１３を移動させる場合はこれを搭載した溶
接台車、母材を回転させる場合は回転装置等の駆
動部にパルスエンコーダを取付けてこれから発振
されるパルスを計数し、同期させる。前記センサ
１４の上方には、このセンサ１４を開先１１を横
切つて所定幅揺動させるための揺動用モータ１５
が設けられている。前記センサ１４には、センサ
１４で得られた距離信号の処理装置１６、及び前
記センサ１４による距離信号と揺動用モータ１５
の位置信号を合成して開先形状を得る演算装置１
７が順次電気的に接続され、この演算装置１７は
揺動用モータ１５に電気的に接続されている。な
お、第１図において、１８はセンサ１４を揺動さ
せて開先断面形状を検出した軌跡である。

第３図は、第１図の検出手段で検出した開先部
断面形状の一示す図である。ここで、同図ａは溶
接前を、同図ｂは１パス溶接後を、同図ｃは２パ
ス溶接後の夫々の開先断面形状１９を示す。

第４図は、第１図の検出手段で検出した開先断
面形状の処理方法を説明した図である。ここで、
２０は開先断面形状であり、Ｗはセン揺動幅を、
Ｙはセンサと母材間の距離を示す。以下、開先断
面形状２０から多層振分け溶接の狙い位置の設定
に必要な特徴点（開先両肩、開先内最深部）を求
める方法について説明する。

(1) 開先両肩の求め方； 左端ａ点からｂ点までの平均（Ａ：長さ１
〜10mm位の平均値、Ｂも同様）とｂ点からｃ
点までの平均Ｂより直線Ａ−Ｂの傾きを求め
る。

次に、直線Ａ−Ｂをｘ（数mm：任意に設定）
だけ図の下方にスライドさせ、開先２０の交
点ｄを求め、これを仮の開先左肩とする。

更にｄ点の先（図の右側）の数点を同時に
比較し、ｄ点のセンサ値（Ｙ軸値）より小さ
い事（図の下方にある事）という条件を満た
したとき、最終的にｄ点を開先左肩とする。
右肩ｆ点も同様にして求める。

(2) 開先内最深部の求め方； 左端ａ点より順にセンサ値を比較し小さい
方のセンサ値を残す処理を行い最小センサ値
を求める。

次に、先に求めた両肩ｄ、ｆ点の中点を求
める。

更に、最小センサ値のＸ座標±数mm（任意
に設定）の範囲内であれば最小値の座標
（Ｘ、Ｙ）を最深部とする。そうでなければ、
ｄ、ｆ点の中点と開先２０の中点を最深部ｅ
とする。以上のように、平均化処理による母
材表面の直線近似及び比較処理による検知点
の評価を行つて求めた開先内特徴点（両肩ｄ
点、ｆ点、最深部ｅ点）は母材表面のうね
り、キズ、組立て誤差、スパツタ等の影響が
排除でき、信頼性の高いデータとなる。

第５図は、Ｖ字開先の多層振分け溶接結果（４
パス仕上）と溶接時の狙い位置を示した図であ
る。同図において、Ｄは被溶接母材１の開先深さ
を、P₁〜P₂は溶接トーチ狙い位置（小文字１〜
４は溶接順序）を示す。）即ち、溶接条件出力手
法は、まず予備実験により、各パス度の適正狙い
位置を求め（図中の・印）。これらの狙い位置と
先に求めた特徴点（両肩、最深部との関係を把握
し、施工対象（材質、開先種類、溶接法、ワイヤ
など）度に分類整理することにより行う。

第６図は、第１図の検出で検出した開先形状
を、第４図に示す処理方法を用い、振分け溶接に
要求されるパス度のトーチ狙い位置の検知方法を
示す図である。ここで同図）ａは１パス目狙い位
置を、同図ｂは２パス目狙い位置を、同図ｃは
３・５パス目他の狙い位置を、同図ｄは４・６パ
ス目狙い位置の検出方法を示し、パス度に使い分
ける。なお、第６図において、○・印は開先内特徴
点（開先上方処理結果）を、・印は溶接トーチ狙
い位置を夫々示す。

第７図は、各施工対象度に予め設定した各パス
度の狙い位置と溶接条件を示した図である。即
ち、施工条件入力（例：材質、開先種類、溶接
法、ワイヤ径等）により対応する図が選択され、
更に開先深さの入力データにより総パス数を求
め、これにより各パス度の施工条件（狙い位置、
溶接電圧、溶接速度）を設定、出力する。

次に、作用及び効果について前述した図を用い
て説明する。

まず、多層振分け溶接を自動化するため、第
１図に示す如く溶接部の前方（距離一定）で溶
接線と略直交方向にセンサ１４を揺動させ、微
少ピツチ（0.1〜1.0mm程度）で連続的に距離信
号を取込む。そして、この信号（Ｙ軸）とセン
サ位置信号（Ｘ軸）を演算装置１７により合成
して高精度に開先形状を検出する。その結果、
第３図に示すようにＶ型開先の断面形状が検出
される。

これらの断面形状から先に述べた表面キズや
スパツタの影響を排除し、適正開先情報を得る
ため、第４図に示す処理を行う。

この処理により、開先断面形状２０から多層
振分け溶接狙い位置の設定に必要な特徴点両肩
ｄ点、ｆ点、最深部ｅ点）を求める。この求め
方については、既述した通りなので省略する。
そして、求めた開先内特徴点は、母材表面のう
ねり、キズ、組立誤差、スパツタなどの影響が
排除でき、信頼性の高いデータとなる。なお、
これらのデータは溶接線倣い手法に用いられ、
本願はこの手法と以下に示す溶接条件手法とに
より多層振分け溶接を自動化するものである。

第５図に示す如く、予備実験により各パス度
の適正位置を求め、これらの狙い位置と先に求
めた特徴点の関係を把握し、施工対象（材質、
開先種類、溶接法、ワイヤ径等）度に分類、整
理する（溶接条件出力手法）。ここで、一例を
第７図に示す。同図では、炭素鋼、70度Ｖ型開
先、潜弧溶接、ワイヤ径4.8mmΦの場合の溶接
施工条件出力データの一部を示したもので、本
図の中から開先深さ15mmを取り上げて処理手順
を説明する。開先深さ15mmと入力すると、総パ
ス数が求められる。総パス数が４パスの欄に
は、１パス〜４パスまでの各々の溶接条件並び
に狙い位置演算式がセツトしてある。従つて、
溶接を開始すると、まず１パス目の溶接条件が
出力され、（条件番号は別に設けた条件表と対
応しており、溶接電流、溶接電圧、溶接速度を
出力する）同時にセンサで検出した断面形状か
ら１パス用の狙い位置を求め、実開先の断面形
状、溶接線に対応した溶接を行う。

次に、２パス目の信号を受けたら（１パス終了
の信号は、被溶接物が円筒の場合は溶接開始点に
突起物を設けこれをリミツトスイツチなどでける
事により得る。平面の場合は端部をセンサで検知
して得る）出力データを２パス目にする。これを
順次繰返して多層振分け溶接を行い総パス数が終
了した時点で自動的に溶接を停止する。以上のよ
うに本発明によれば、多層振分け溶接が自動化さ
れ、作業者は溶接中無監視となる。

（具体例） 第８図を用いて多層振分け溶接を行うときの作
業者の操作手順並びに制御フローの概略を説明す
る。

(1) まず、作業者は被溶接物を概略位置決めし
(A)、溶接材料のセツト(B)並びに溶接トーチのセ
ツト(C)を行う。

(2) 次に、溶接施工条件（溶接法、被溶接材料の
材質、開先種類、開先深さ等）(D)を制御装置に
入力する。

(3) つづいて、制御盤の「自動溶接」のボタンを
ONにすれば、後は自動的に溶接開始される
(E)。自動溶接が開始したら、センサにて開先形
状をサンプリング・演算する(F)。

(4) 演算の結果得られた開先情報を基に所定の狙
い位置演算式（第６図）でトーチ狙い位置を求
め(G)、一時記憶した適正な倣いタイミングにな
つたときの実際のトーチ位置と比較し(H)、偏差
が生じた場合修正する(I)。

(5) 更に、ｎパス目の溶接が終了したか否かを判
断し(J)、YESの場合、ｎパスが最終層か否か
を判断する(K)。逆に、NOの場合、パス変更処
理（狙い位置、溶接条件を変更）(L)を行つて、
次パス条件にて(F)以降を繰返す。

(6) 前記(K)でｎパス目が最終層（YES）の場合、
溶接終了処理（重ね量制御とクレーム処理…詳
細記載せず）(M)を行なつて溶接停止する(N)。

従つて、本発明によれば、「自動溶接」ボタン
をONした後は作業者は無監視となり、複数継手
の管理が可能でしかも品質の安定化が計れる。

〔発明の効果〕

以上詳述した如く本発明によれば、多層振分け
溶接を自動化して複数継手を一人で管理できるよ
うにし、品質の安定と大幅な能率向上を実現でき
る多層振分け自動溶接方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る多層振分け自
動溶接方法における開先形状の検出手段を示す説
明図、第２図ａ，ｂは夫々中・肉厚構造物の振分
け溶接部の断面図、第３図ａ〜ｃは夫々第１図の
検出手段で検出した開先部の断面形状を示す図、
第４図は第１図の検出手段で検出した開先断面形
状の処理方法を説明するための図、第５図はＶ型
開先の多層振分け溶接結果と溶接時の狙い位置を
説明するための図、第６図ａ〜ｄは夫々パス度の
トーチ狙い位置の検出方法を説明するための図、
第７図は各パス度の狙い位置と溶接条件を示す
図、第８図は本発明による多層振分け自動溶接方
法のフローチヤート、第９図、第１０図及び第１
１図は夫々本発明の溶接方法に係る振分けを説明
するための図、第１２図は本発明の溶接方法に係
る総パス数を説明するための図である。 １……被溶接母材、２，２′……開先線、３…
…溶接ビード、１１……開先、１２……溶接ワイ
ヤ、１３……溶接トーチ、１４……光学式距離セ
ンサ、１５……揺動要モータ、１６……処理装
置、１７……演算装置、１９，２０……開先断面
形状。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光学式距離センサを溶接線に対し略直角方向
   に揺動させ、得られた距離信号を揺動時のセンサ
   信号に基づいて被溶接物の開先の位置、形状を検
   出する多層振分け自動溶接方法において、 被溶接物の開先断面形状から多層振分溶接時の
   狙い位置の設定に必要な開先両肩、開先内最深部
   を求める工程と、前記開先両肩と開先内最深部を
   基準に１パス目の狙い位置及び振分け時の狙い位
   置設定式を決める工程と、予め施工対象別に溶接
   施工条件を出力データ表にまとめこれをプログラ
   ム化し、これにより開先深さ、総パス数を求めて
   １パスから最終パスまでの条件を順次設定、出力
   する工程とを具備することを特徴とする多層振分
   け自動溶接方法。