JPH06304758A - 自動溶接装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ルートの下側の部分に溶接の欠陥が発生する
ことがない自動溶接装置の制御方法を提供する。 【構成】 第１および第２のパイプ１，２は、両者間の
ルート３に沿って複数箇所で仮接続されている。ロータ
４は、第１のパイプ１の一端を軸支しており、第１およ
び第２のパイプ１，２を矢印Ａに沿って回転させる。ア
ーム６に取り付けられている第１のトーチ１１は、ガス
送出パイプ１３の先端にガスキャップ１４を取り付けて
なり、このガスキャップ１４から不活性ガスを排出する
とともに、このガスキャップ１４の中央から溶接棒１５
を順次送り出す。ビデオカメラ２１は、第１のトーチ１
１によって溶接されるルート３の部位を撮像する。この
撮像画像に基づいて、溶接棒１５の先端が溶融池の下側
に位置するように、ロータ４の回転速度、溶接棒１５の
送り出し速度、アークの出力が制御される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の分野】この発明は、アーク溶接を行う自動溶
接装置の制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、大きなパイプの溶接は、
比較的困難であり、その自動化を実現した例も少ない。
そこで、本願発明の出願人は、この種の溶接の自動化を
可能にする装置と方法を提案し、これを出願している
（米国で出願された“Patent Number:4733051 ”の“ME
THOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING ROOT PASS WELD
PENETORATION IN OPEN BUTT JOINTS”）。

【０００３】この装置では、予め仮溶接された２本のパ
イプを軸支して回転させており、これらのパイプ間のル
ートの近傍で支持されているトーチによって、このルー
トを溶接している。このとき、このルートで加熱溶融さ
れて形成された溶融池をビデオカメラによって撮像し、
図４（ａ）に示すような画像を求めている。この画像に
は、ルート１０１で形成された溶融池１０２の輪郭と、
この溶融池１０２に溶球を供給する溶接棒１０３の先端
の輪郭が描かれている。この溶融池１０２は、この後に
冷えて固まり、ルート１０１の両側の各パイプ１０４，
１０５を相互に接続する。

【０００４】ここでは、溶融池１０２の輪郭から、この
溶融池１０２の深さが求められ、この深さが常に一定と
なるような制御がなされる。具体的には、溶融池１０２
の輪郭の下側中央の点Ｊの位置が求められ、この点Ｊが
予め定められた位置を維持するように、ルート１０１に
対するトーチの移動速度、このトーチから溶融池へと送
り出される溶接棒１０３の送り出し速度、およびアーク
用電源の出力が制御される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の装置では、溶融池１０２の深さが常に一定となるよ
うに制御するので、図４（ａ）に示すような状態の他
に、図４（ｂ）に示すような状態も起こり得る。この図
４（ｂ）に示す状態において、溶融池１０２の深さは、
図４（ａ）の状態と同一であるが、溶接棒１０３の先端
が溶融池１０２の表面に接しているだけで、この先端が
溶融池１０２内に侵入していない。この場合、溶融池１
０２の下側中央の点Ｊは、溶接棒１０３の先端から離れ
るので、この点Ｊの近傍の温度が低くなる。このため、
ルート１０１の下側の部分Ｋには、溶接の欠陥が発生す
る。この部分Ｋが図５に拡大して示されており、この図
から明らかなように、ルートに面するパイプの角の部分
が溶融しておらず、溶接の不良が発生している。

【０００６】また、図４（ｂ）の状態において、溶融池
１０２の下側中央の点Ｊの温度が低いのは、この点Ｊの
部位が溶接棒１０３の先端から離れてることだけが原因
でなく、溶融池１０２における対流にも原因がある。図
６（ｂ）には、図４（ｂ）に示す溶融池１０２をルート
１０１に沿って切断したときの断面が示されており、溶
融池１０２が溶接ビード１０６の右端で形成されてい
る。この溶融池１０２では、対流が矢印Ｍに示すように
発生するので、溶融池１０２の下側の温度が上昇し難
い。

【０００７】一方、図４（ａ）に示す溶融池１０２の断
面は、図６（ａ）に示すようなものであり、溶接棒１０
３の先端が溶融池１０２の前方下側に位置し、溶融池１
０２の対流が矢印Ｎに示すように発生する。この場合、
溶融池１０２の下側の温度は、図６（ｂ）の状態と比較
して、上昇し易い。このような理由からも、図４（ｂ）
並びに図６（ｂ）の状態では、溶融池１０２の下側の温
度が低くなって、ルート１０１の下側の部分に溶接の欠
陥が発生する。

【０００８】そこで、この発明の課題は、ルートの下側
の部分に溶接の欠陥が発生することがない自動溶接装置
の制御方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明に係わる制御方法は、２つの部材間のルー
トに形成された溶融池を撮像し、これにより得られた画
像に基づいて、ルートに対するトーチの移動速度、この
トーチから溶融池へと送り出される溶接棒の送り出し速
度、およびアーク用電源の出力を制御する自動溶接装置
に適用されるものであり、前記画像に基づいて、前記溶
接棒の先端位置を求め、この溶接棒の先端位置が前記溶
融池内の予め定められた位置を維持するように、前記ト
ーチの移動速度、前記溶接棒の送り出し速度、および前
記アーク用電源の出力のうちの少なくとも１つを制御す
る。

【００１０】

【作用】この発明によれば、溶接棒の先端位置が溶融池
内の予め定められた位置を維持するように、トーチの移
動速度、溶接棒の送り出し速度、およびアーク用電源の
出力のうちの少なくとも１つを制御している。したがっ
て、溶接棒の先端位置を溶融池内の下側に維持すること
ができ、これにより溶接池の下側の温度を高くして、こ
の近傍の溶接の欠陥を防止できる。

【００１１】

【実施例】以下、この発明の実施例を添付図面を参照し
て説明する。

【００１２】図１は、この発明に係わる制御方法の一実
施例を適用した自動溶接装置を示す斜視図である。同図
において、第１および第２のパイプ１，２は、両者間の
ルート３に沿って複数箇所で仮接続されている。このル
ート３には、開先加工が施されており、このルート３に
沿って溶接が行われる。ロータ４は、第１のパイプ１の
一端を軸支しており、第１および第２のパイプ１，２を
矢印Ａに沿って回転させる。

【００１３】一方、側壁５には、アーム６が配設されて
いる。このアーム６は、矢印Ｂに沿って回動自在であ
り、かつ矢印Ｃに沿って上下に移動可能である。このア
ーム６には、スライド部８が滑動可能に連結されてお
り、モータ９は、図示されない伝達機構を介してスライ
ド部８を矢印Ｄに沿って移動させる。このスライド部８
には、第１のトーチ１１、および第２のトーチ１２が配
設されている。第１のトーチ１１は、ガス送出パイプ１
３の先端にガスキャップ１４を取り付けてなり、このガ
スキャップ１４から不活性ガスを排出するとともに、こ
のガスキャップ１４の中央から溶接棒１５を順次送り出
す。同様に、第２のトーチ１２も、ガス送出パイプ１６
と、ガスキャップ１７とを備え、このガスキャップ１７
から不活性ガスを排出するとともに、このガスキャップ
１７から溶接棒１８を順次送り出す。第１のトーチ１１
は、第１と第２のパイプ１，２間のルート３を溶接し
て、これらのパイプを接続するために用いられ、また第
２のトーチ１２は、第１のトーチ１１による溶接が完了
してから、ルート３の開先を充填する溶接ビードを形成
するために用いられる。

【００１４】また、アーム６には、ビデオカメラ２１が
配設されている。このビデオカメラ２１は、第１のトー
チ１１によって溶接されるルート３の部位を撮像する。

【００１５】さらに、アーム６には、補助棒２２が第１
のパイプ１に向かって突設されている。この補助棒２２
の先端には、ローラ２３が軸支されており、このローラ
２３が第１のパイプ１の周面に接している。この補助棒
２２は、アーム６とルート３間の距離を一定に保持する
役目を果たす。

【００１６】ここで、補助棒２２の先端のローラ２３が
第１のパイプ１に接する接点と、第１のトーチ１１によ
って溶接されるルート３の部位とを結ぶ線分Ｅは、第１
および第２のパイプ１，２の回転中心と平行である。ま
た、このルート３の部位に接する接線Ｆには、第１およ
び第２のパイプ１，２の回転中心を通る線分Ｇが直交
し、かつ矢印Ｃに沿って上下に移動するアーム６の軌跡
も直交する。したがって、この線分Ｇと、アーム６の上
下動の軌跡は、平行であり、垂線に対して角度αを共に
なす。このため、補助棒２２の先端のローラ２３が第１
のパイプ１に接するように、アーム６を上下に移動し
て、アーム６を位置決めすれば、第１のパイプ１の径に
かかわらず、接線Ｆに対するアーム６の姿勢を一定に保
持することができる。

【００１７】また、第１のパイプ２１が真円でなく、楕
円である場合、補助棒２２の先端のローラ２３が第１の
パイプ１に常に接しているので、第１のパイプ２１の回
転に伴い、アーム１６が矢印Ｂに沿って揺動する。これ
により、接線Ｆに対するアーム６の姿勢がほぼ一定に保
持される。

【００１８】このように第１のパイプ１の径が変更され
ても、また第１のパイプ１が楕円であっても、接線Ｆに
対するアーム６の姿勢を一定に保持することができる。
これにより、ビデオカメラ２１の撮像視野の中心線Ｈ
と、接線Ｆとがなす角度β（１０〜２０°）を一定に保
つことができ、第１のトーチ１１によって溶接されるル
ート３の部位をビデオカメラ２１の撮像視野の中心で常
に撮像することができる。

【００１９】図２には、この実施例の自動溶接装置の構
成が示されており、この装置は、溶接駆動部３１と、演
算制御部３２とを備えている。

【００２０】溶接駆動部３１は、図１にも示すビデオカ
メラ２１と、スライド駆動部３３と、図１にも示すロー
タ４と、送り出し部３４と、アーク用電源３５とを備え
ている。スライド駆動部３３は、図１に示すモータ９を
駆動し、スライド部８を矢印Ｄに沿って繰り返し往復移
動させる。これにより、第１および第２のトーチ１１，
１２がルート３に直交する方向に繰り返し往復移動さ
れ、この往復移動に応じた幅の溶接ビードが形成され
る。送り出し部３４は、第１のトーチ１１のガスキャッ
プ１４から溶接棒１５を送り出す。アーク用電源３５
は、第１のトーチ１１の溶接棒１５の先端にアークを発
生させるための電流を供給する。

【００２１】一方、演算制御部３２は、画像処理部３６
と、パラメータ設定部３７と、溶接中心位置補正部３８
と、スライド指示部３９と、加算部４０と、ロータ回転
指示部４１と、送り出し速度指示部４２と、出力レベル
指示部４３とを備えている。画像処理部３６は、ビデオ
カメラ２１からのビデオ信号を入力し、このビデオ信号
によって示される画像を処理する。この画像は、例えば
図３に示すようなものであり、ここには、ルート３の溶
融池５１と、第１のトーチ１１から送り出された溶接棒
１５の先端とが描かれている。画像処理部３６は、この
画像から溶融池５１の輪郭と、溶接棒１５の先端の輪郭
とを抽出し、溶融池５１の横方向の中心を示す座標値ｙ
1 （図３に示す）を溶接の中心位置として求め、この溶
接の中心位置を示す座標値ｙ1 を溶接中心位置補正部３
８に与える。また、画像処理部３６は、溶接棒１５の先
端の縦方向の位置を示す座標値ｚ1 （図３に示す）を求
め、この座標値ｚ1 をパラメータ設定部３７に与える。

【００２２】なお、先に述べたように所定幅の溶接ビー
ドを形成するために、第１および第２のトーチ１１，１
２がルート３に直交する方向に繰り返し往復移動される
ので、溶接の中心位置を示す座標値ｙ1 として、この往
復移動の振幅の中心位置を示すものが求められる。

【００２３】パラメータ設定部３７は、溶接棒１５の先
端の座標値ｚ1 が与えられるばかりでなく、溶接のため
の種々のパラメータが予め与えられており、これらの座
標値ｚ1 や、各パラメータに応じて、溶接のためのそれ
ぞれの制御信号をスライド指示部３９、加算部４０、ロ
ータ回転指示部４１、送り出し速度指示部４２、および
出力レベル指示部４３に与える。

【００２４】溶接中心位置補正部３８は、溶接の中心位
置を示す座標値ｙ1 と、予め指定されている目標中心位
置を示す座標値ｙ0 （図３に示す）とを比較し、溶接の
中心位置と目標中心位置の偏差を求め、この偏差を加算
部４０に出力する。

【００２５】スライド指示部３９は、パラメータ設定部
３７からの制御信号に応じて、第１および第２のトーチ
１１，１２を往復移動させるために徐々に変化するスラ
イド部８の移動位置を加算部４０に逐次出力する。

【００２６】加算部４０は、溶接中心位置補正部３８か
らの偏差と、スライド指示部３９からのスライド部８の
移動位置とを加算し、この和をスライド駆動部３３に与
える。これに応答し、スライド駆動部３３は、図１に示
すモータ９を駆動して、スライド部８を矢印Ｄに沿って
繰り返し往復移動させるとともに、この往復移動の振幅
の中心位置が座標値ｙ0 の目標中心位置を保持するよう
にし、これによりルート３に沿った所定幅の溶接ビード
を形成する。

【００２７】ロータ回転指示部４１は、パラメータ設定
部３７からの制御信号に応じて、回転速度をロータ４に
指示する。ロータ４は、回転速度を指示されると、この
回転速度で第１および第２のパイプ１，２を回転させ
る。これにより、第１および第２のトーチ１１，１２
と、ルート３間の相対速度が定まる。

【００２８】送り出し速度指示部４２は、パラメータ設
定部３７からの制御信号に応じて、溶接棒の送り出し速
度を送り出し部３４に指示する。送り出し部３４は、送
り出し速度を指示されると、この送り出し速度で溶接棒
を第１のトーチ１１のガスキャップ１５から送り出す。

【００２９】出力レベル指示部４３は、パラメータ設定
部３７からの制御信号に応じて、出力レベルを出力レベ
ル指示部４３に指示する。出力レベル指示部４３は、出
力レベルを指示されると、これに応じた電流を第１のト
ーチ１１の溶接棒１５の先端に供給する。

【００３０】このような制御により、第１および第２の
パイプ１，２間のルート３が溶接されていく。

【００３１】さて、この実施例では、溶接に際して、パ
ラメータ設定部３７によって図３に示す溶接棒１５の先
端の座標値ｚ1 が監視されており、パラメータ設定部３
７は、この座標値ｚ1 が予め定められた目標の座標値ｚ
0 からずれると、このずれを補正するための制御を行
う。例えば、溶接棒１５の先端の座標値ｚ1 が“２０
３”で、目標の座標値ｚ0 が“２１０”であり、溶接棒
１５の先端が上方にずれているとする。この状態は、図
４（ｂ）および図６（ｂ）に示す状態に近いので、この
ままでは溶接の欠陥を招く。このため、パラメータ設定
部３７は、ロータ４の回転速度を速めるための制御信号
をロータ回転指示部４１に出力する。これに応答して、
ロータ回転指示部４１は、ロータ４の回転速度を速め
る。これにより、第１のトーチ１１と、ルート３間の相
対速度が速まり、溶接棒１５の先端は、溶融池の前方に
移動し、かつ溶融池の下に沈み込んでいく。この結果、
溶接棒１５の先端の座標値ｚ1 が目標の座標値ｚ0 に近
づいて、図４（ａ）および図６（ａ）に示す状態へと変
化し、正常な溶接が行われる。

【００３２】なお、パラメータ設定部３７は、ロータ４
の回転速度を速めるだけでなく、溶接棒１５の送り出し
速度を変更したり、溶接棒１５の先端のアークを変更す
るために、それぞれの制御信号を送り出し速度指示部４
２や出力レベル指示部４３に出力しても構わない。

【００３３】このように上記実施例では、溶接棒１５の
先端の座標値ｚ1 が溶融池内の目標の座標値ｚ0 からず
れると、このずれを補正して、溶接棒１５の先端を溶融
池の下側に常に位置させているので、図４（ｂ）および
図６（ｂ）に示す状態、つまり溶接棒１５の先端が溶融
池の表面に接してるだけの状態を招くことがなく、溶接
の欠陥を防止できる。

【００３４】なお、第２のトーチ１２によって、ルート
３の開先を充填する溶接ビードを形成するときにも、ス
ライド指示部３９、加算部４０、ロータ回転指示部４
１、送り出し速度指示部４２、および出力レベル指示部
４３には、パラメータ設定部３７からのそれぞれの制御
信号が与えられて、自動溶接が行われる。

【００３５】

【効果】以上説明したように、この発明によれば、溶接
棒の先端位置が溶融池内の下側を維持するように制御し
てるので、溶接池の下側の温度を高くして、この近傍の
溶接に欠陥が発生するのを防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係わる制御方法の一実施例を適用し
た自動溶接装置を示す斜視図

【図２】この実施例の自動溶接装置の構成を示すブロッ
ク図

【図３】この実施例の自動溶接装置におけるビデオカメ
ラの撮像画面を例示する図

【図４】溶接池を正面から見て示す図

【図５】図４の部分Ｋを拡大して示す図

【図６】図４の溶接池を側面から見て示す断面図

【符号の説明】

１ 第１のパイプ ２ 第２のパイプ ３ ルート ４ ロータ ５ 側壁 ６ アーム ８ スライド部 ９ モータ １１ 第１のトーチ １２ 第２のトーチ １３，１６ ガス送出パイプ １４，１７ ガスキャップ １５，１８ 溶接棒 ２１ ビデオカメラ ２２ 補助棒 ２３ ローラ ３１ 溶接駆動部 ３２ 演算制御部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２つの部材間のルートに形成された溶融
   池を撮像し、これにより得られた画像に基づいて、ルー
   トに対するトーチの移動速度、このトーチから溶融池へ
   と送り出される溶接棒の送り出し速度、およびアーク用
   電源の出力を制御する自動溶接装置において、 前記画像に基づいて、前記溶接棒の先端位置を求め、こ
   の溶接棒の先端位置が前記溶融池内の予め定められた位
   置を維持するように、前記トーチの移動速度、前記溶接
   棒の送り出し速度、および前記アーク用電源の出力のう
   ちの少なくとも１つを制御する自動溶接装置の制御方
   法。