JPH0710436B2

JPH0710436B2 - 倣い溶接方法および装置

Info

Publication number: JPH0710436B2
Application number: JP7103089A
Authority: JP
Inventors: 次男宇田川; 総一北嶋; 悠敬高野
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1989-03-22
Filing date: 1989-03-22
Publication date: 1995-02-08
Anticipated expiration: 2010-02-08
Also published as: JPH02251374A

Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野本発明は、CO₂溶接やMIG溶接に代表される消耗電極式溶
接あるいはTIG溶接に代表される非消耗電極式溶接に用
いるホットワイヤ溶接と倣い溶接を併用する溶接方法お
よび装置に関する。

B.従来の技術従来からホットワイヤTIG溶接法が知られている（例え
ば、溶接学会論文集、第４巻（1986）第４号,p678〜6
84:溶接学会誌第57巻（1988）第６号,p457）。ホット
ワイヤTIG溶接法とは、非消耗電極と被溶接部との間で
アークを形成すると共にそのアーク中に添加ワイヤ７を
モータで繰り出しつつ通電加熱するもので、TIG溶接法
の高能率化，高品質化を図ったものである。

また、MIG溶接法などで代表される消耗電極を用いる溶
接法にホットワイヤ溶接を併用する溶接法も知られてい
る。第３図はその構成の概略を示すもので、下板１に垂
直に立板２を立て両交線を隅肉溶接する場合を示してい
る。

第３図において、溶接トーチ３内を貫通して送給される
溶接ワイヤ（消耗式電極）４には溶接電源５から溶接電
流が供給され、溶接ワイヤ４と非溶接部15との間にアー
クが形成される。また、ワイヤガイド６内を貫通して溶
接ワイヤ４のアーク中に挿入送給される添加ワイヤ７に
は添加ワイヤ用電源８から電力が供給され、ビード形成
に寄与する。９は溶接アーク、10は溶融池、11は溶接ビ
ードである。

この種のホットワイヤ溶接法では、電極４に供給する溶
接電流に対する添加ワイヤ７の送給量や供給電力量は溶
接前に予め設定された値に固定されるので、溶接中に溶
接電流が変動すると溶接ビードの外観が悪くなったり溶
接欠陥が発生する。

一方、従来から倣い溶接法が知られている（例えば、溶
接技術1985年８月号,p79〜83）。第４図および第５図は
アークセンサ方式による倣い溶接の原理を説明する図で
ある。

溶接トーチ３を第４図の目標溶接線12に沿って移動する
際に、目標溶接線12と直交する方向13に溶接トーチ３を
振り、第４図に示す溶接トーチ３の最大振れ位置イ，ロ
において例えば溶接電流をモニタする。そして、イ，ロ
両位置において溶接電流が等しくなるように溶接トーチ
３の振れ中心を調節し、その中心を通る目標溶接線を再
設定する。したがって溶接トーチ３の目標溶接線12に対
して下板１と立板２の交線である実際の溶接線（被溶接
部）15が溶接方向に対して離間もしくは近接しても、溶
接トーチ３をその実際の溶接線15に追従して駆動するこ
とができる。

C.発明が解決しようとする課題ところで、目標溶接線12と実際の溶接線との関係は第６
図（ａ）〜（ｃ）に分類される。（ａ）は目標溶接線12
の方向と実際の溶接線15の方向とが一致している場合、
（ｂ）は目倣溶接線12に対して実際の溶接線15が接近し
ていく場合、（ｃ）は目標溶接線12に対して実際の溶接
線15が離れていく場合である。（ａ）の場合は第７図
（ａ）のように理想的なビート形状となる。（ｂ）の場
合は、倣い溶接に際して目標溶接線12が立板２側に行き
過ぎると第７図（ｂ）のように凸ビート形状となり、下
板１側の趾端部はオーバラップとなる傾向を示す。
（ｃ）と場合は、目標溶接線12が立板２から離れ過ぎる
と第７図（ｃ）のように平らなビード形状となり、のど
厚不足となる傾向を示す。従来の倣い溶接方式にあって
は、第７図（ｂ），（ｃ）のようなビード形状は不可避
であり、特に上述したホットワイヤ溶接法を併用すると
ビード形状不良が顕著となり、その改善が望まれてい
る。

本発明の技術的課題は、ホットワイヤ溶接を併用する倣
い溶接によるビード形状を理想ビード形状にすることに
ある。

D.課題を解決するための手段請求項１の発明は、アーク形状用の電極を所定の溶接方
向に所定量だけ移動させる第１の動作と、電極と被溶接
部との距離が予め決められた所定距離となるように電極
を実際の溶接部に対して離間または近接させる第２の動
作とを交互に繰り返し行いながら、電極と被溶接部との
間にアークを形成し、そのアーク中に添加ワイヤを送給
して溶融しつつ溶接を行う溶接方法に適用される。

そして、第２の動作により電極が移動する量の前回と今
回の増減の程度を順次の倣い運動の大きさの変化量とし
て求め、被溶接部から電極が離間する第２の動作が連続
する場合には、順次の倣い運動の大きさの変化量が増大
するときに添加ワイヤの溶融量を低減し、減少するとき
に溶融量を増加し、および、被溶接部に電極が接近する
第２の動作が連続する場合には、順次の倣い運動の大き
さの変化量が増大するときに添加ワイヤの溶融量を増加
し、減少するときに溶融量を低減するようにし、これに
より上記問題点を解決する。

請求項２の発明装置は、被溶接部との間でアークを発生
する電極と被溶接部に繰り出される添加ワイヤとを一体
に保持し予め定められた溶接方向に駆動する駆動手段
と、添加ワイヤの溶融量に関連するパラメータを調節す
るパラメータ調節手段と、電極の被溶接部からのずれを
検出するずれ検出手段と、駆動手段を制御して電極と添
加ワイヤとを前記溶接方向に所定量だけ移動させる第１
の動作と、検出されたずれの大きさおよび方向に応じて
駆動手段を制御して電極と添加ワイヤとを被溶接部から
離間する第１の方向または接近する第２の方向に倣い運
動せしめる第２の動作とを交互に連続して行う動作制御
手段と、第２の動作により電極が移動する量の前回と今
回の増減の程度を順次の倣い運動の大きさの変化量とし
て演算する演算手段と、第１の方向に倣い運動する第２
の動作が連続する場合には、演算された順次の倣い運動
の大きさの変化量が増大するときに溶融量を低減し、減
少するときに溶融量を増加させるようにパラメータ調節
手段を制御し、および第２の方向に倣い運動する第２の
動作が連続する場合には、演算された順次の倣い運動の
大きさの変化量が増大するときに溶融量を増加し、減少
するときに溶融量を低減させるようにパラメータ調節手
段を制御する溶融量制御手段とを具備する。

E.作用被溶接部から電極が離間する動作が連続する場合には、
順次の倣い運動の大きさの変化量が増大するときに添加
ワイヤの溶融量が低減され、減少するときに溶融量が増
加される。

また、被溶接部に電極が接近する動作が連続する場合に
は、順次の倣い運動の大きさの変化量が増大するときに
添加ワイヤの溶融量が増加され、減少するときに溶融量
が低減される。

なお、本発明の構成を説明する上記Ｄ項およびＥ項で
は、本発明を分かり易くするために実施例の図を用いた
が、これにより本発明が実施例に限定されるものではな
い。

F.実施例第１図は本発明に係る倣い溶接装置を消耗電極式溶接法
に適用した場合の全体構成を示し、第３図と同様の箇所
には同一の符号を付して相異する点を中心に説明する。

溶接トーチ３とワイヤガイド６はロボットアーム21に一
体的に保持されている。ロボットアーム21は、ロボット
コトローラ22により駆動制御され、予め定めたＸ軸方向
に設定した目標溶接線12（第２図（ａ）参照）に沿って
移動するとともに、Ｘ軸と直交するＹ軸方向に所定と振
り幅で振動する。ロボットアーム21の最大振れ位置イ，
ロ（第４図参照）は位置検出器23により検出される。こ
れは例えば、ロボットコントローラ22からロボットアー
ム21へその駆動方向を反転する指令が出力されるのをモ
ニタすることにより行われる。ロボットアーム21の実際
の位置を直接検出する方式でもよい。消耗電極である溶
接ワイヤ４は不図示の送給モータで所定速度で送給さ
れ、添加ワイヤ７は、送給モータ24により回転するロー
ラ25と固定ローラ26との間に挾まれて所定速度で送給さ
れる。この添加ワイヤ７の送給速度はモータコントロー
ラ27により制御される。

溶接ワイヤ４を流れる溶接電流は電流検出器28で検出さ
れ、フィルタ回路29でフィルタリングされて一対のサン
プルホールド回路30イ，ロに入力される。両サンプルホ
ールド回路30イ，ロは、位置検出器23によりロボットア
ーム21が最大振れ位置イ，ロに移動したのが検出される
と、そのとき入力される溶接電流をサンプリングしてホ
ールドする。このようにしてホールドされた一対の溶接
電流は偏差器31で偏差が取られ、その偏差はロボットコ
ントローラ22と微分回路32に入力される。ロボットコン
ノローラ22は、その偏差が０になるようにロボットアー
ム21を駆動制御する。

微分回路32は、偏差信号を時間微分し、その結果を関数
発生器33,34へ入力する。関数発生器33は、微分信号に
応じて決まる添加ワイヤ７への通電電流の補正量ΔＩを
出力し、その補正量ΔＩは電力調節器35に入力される。
関数発生器34は、微分信号に応じて決まる送給モータ24
の回転数の補正量ΔＮをモータコントローラ27に入力す
る。

ここで、ロボットアーム21が駆動手段を、電力調節器35
がパラメータ調節手段を、サンプルホールド回路31イ，
ロと偏差器31がずれ検出手段101を、ロボットコントロ
ーラ22が補正手段を、微分回路32が演算手段を、関数発
生器33,34が制御手段をそれぞれ構成する。

このように各部が動作するホットワイヤ溶接式倣い溶接
装置の詳細な動作を説明する。

今、初期の目標溶接線12と実際の溶接線15とが第２図
（ａ）のような関係にあるとする。第２図（ａ）におい
ては、下板１に垂直に立設する立板２が図示のように歪
んでおり、実際の溶接線15に対して、区間R1では目標溶
接線12に沿って進行する溶接トーチ３が接近し、区間R2
では平行運動し、区間R3では離れ、区間R4では再び平行
運動するような場合を誇張して示している。

第２図（ｂ）は偏差信号δを、第２図（ｃ）は電力補正
量ΔＷの時間変化を示し、時間軸ｔの目盛は、例えば時
点t₀で溶接トーチ３が最大振れ位置イをとり、時点t₁で
最大振れ位置ロをとるような時間間隔に設定している。
つまり時点t₂,t₄…の偶数番目の時点ではサンプルホー
ルド回路30イに溶接電流がサンプリングされ、時点t₁,t
₃,…の奇数番目の時点ではサンプルホールド回路30ロに
溶接電流がサプリングされる。そして、奇数番目の各時
点t₁,t₃,…で両サンプリング値の偏差がとられ、この偏
差が０になるように溶接トーチ３の振幅中心が調節さ
れ、目標溶接線12t₁,12t₃,12t₅,…が順次に再設定され
ていく。

今、時点t₀において最大振れ位置イの溶接電流がサンプ
ルホールド回路30イにホールドされ、時点t₁で最大振れ
位置ロの溶接電流がサンプルホールド回路30ロにホール
ドされて位置イ，ロの偏差がとられる。区間R1では溶接
トーチ３が実際の溶接線に接近するような倣い運動（第
１の方向の倣い運動）を行うから最大振れ位置ロでの溶
接電流が大きくなり、偏差器31からの偏差信号は負の値
−δ_１を示す。この結果、ロボットコントローラ22は｜
δ₁|に応じた量だけ溶接トーチ３の振幅中心をイ側にず
らすようにロボットアーム21を駆動制御する。そして、
ロボットコントローラ22は、変更後の振幅中心を通り初
期の目標溶接線12と平行な目標溶接線12t₁を再設定す
る。

一方、微分回路32は、時点t₀のときの入力偏差＝０、時
点t₁のときの入力偏差＝−δ_１から負の微分値−D₁を出
力する。この−D₁により関数発生器33は、|D₁|に応じた
供給電力の負の補正量−ΔW₁を電力調節器35に送出し、
電力調節器35は添加ワイヤ７用の電力供給電源８の出力
電力を低減する。したがって、添加ワイヤ７の溶融量が
少なくなる。ここで、微分値D_N（Ｎ＝1,3,5,・・）は、
溶接トーチ３の振幅中心のずれ量の前回と今回の増減の
程度を表し、これが順次の倣い運動の大きさの変化量に
相当する。また、関数発生器34は、−D₁に応じた負の送
給モータ回転椎補正量−ΔN₁をモータコントローラ27に
入力し、これにより添加ワイヤ７の送給速度も遅くな
る。

上述したように時点t₁で溶接トーチ３の振れ中心をイ側
へずらして目標溶接線12t₁に沿って溶接トーチ３を進め
ると、次のサンプリング時点t₂で再び最大振れ位置イの
溶接電流がサンプルホールド回路30イでホールドされ、
時点t₃で最大振れ位置ロの溶接電流がサンプルホールド
回路30ロでホールドされる。変更後の目標溶接線12t₁は
実際の溶接線15に対して時点t₀〜時点t₁と同様に接近す
るから、両サンプリング値は最大振れ位置ロが大きく、
偏差器31は−δ_３を出力する。したがって、ロボットコ
ントローラ22により溶接トーチ３の振幅中心はさらにイ
側へずれる。またこのとき、｜δ₃|＞｜δ₁|であり、微
分回路32は時点t₁の時点t₃間の時間微分値として−D
₃（|D₃|＞|D₁|）を出力するから、関数発生器33は−ΔW
₃（｜ΔW₃|＞｜ΔW₁|）を電力制御器35へ入力する。こ
れにより、添加ワイヤ７用の電力がさらに低減される。

次の時点t₅,時点t₇,時点t₉では偏差器31はそれぞれ−δ
_３と等しい偏差信号を出力するから、それに応じて溶接
トーチ^３の振幅中心がイ側へづれて行き、溶接トーチ３
の軌跡は12t₁〜12t₅のように階段状になる。これら各時
点t₅,t₇、時点t₉では偏差器31の出力が等しいので、微
分回路32の出力は０であり、電力調節器35は時点t₃で変
更された調整電力で電源８を制御するから、時点t₃〜t₉
の間では添加ワイヤ７に供給される電力は変動しない。
同様に送給速度も変動しない。

以上説明したように、区間R1では、倣い運動を行うと共
に、溶接トーチ３が被溶接部15から離れるような順次の
倣い運動の大きさの変化量にしたがって、添加ワイヤ７
の供給電力と送給速度とが初期設定値から減少するよう
に制御されるから、従来のような凸ビード形状になら
ず、理想的なビード形状となる。

一方、時点t₃以降は平行区間R2になるから、時点t₁₀と
時点t₁₁でそれぞれサンプリングされた最大振れ位置
イ，ロの溶接電流は互いに等しく時点t₁₁での偏差器31
の出力は０となるから、溶接トーチ３の振幅中心の変更
は行われない。また、時点t₃での偏差器31が出力−
δ_３、時点t₁₁での偏差器31の出力が０であり微分回路3
2は正の微分信号＋D₁₁を出力する。したがって関数発生
器33は＋ΔW₁₁（｜ΔW₁₁|＝｜ΔW₃|）を電力調節器35に
入力する。そのため、電力調節器35は電源８の出力を増
加させて溶接開始時の電力が添加ワイヤ７に供給され
る。同様に関数発生器34は＋ΔN₁₁（｜ΔN₁₁|＝｜ΔN
₃|）をモータコトローラ27に入力するので、添加ワイヤ
７は初期設定値で送給されるようになる。

溶接トーチ３が実際の溶接線15から離れる区間R3では、
区間R1とは全く逆に倣い運動（第２の方向の倣い運動）
を行う。

時点t₂₀,t₂₁で最大振幅位置イ，ロの溶接電流をそれぞ
れサンプリングすると、時点t₂₁における偏差信号は＋
δ₂₁、微分信号は＋D₂₁となり、ロボットコントローラ2
2は溶接トーチ３の振幅中心をロ側へ移行するととも
に、添加ワイヤ７への供給電力は増加し、ライヤ送給速
度は大きくなる。その結果、第７図（ｃ）のようなビー
ド形状にならず第７図（ａ）のような理想的ビード形状
になる。

さらに、時点t₂₆,t₂₇でそれぞれサンプルされた溶接電
流により時点t₂₇で振幅中心をさらにロ側へ移行した後
の時点t₂₈,t₂₉では、位置イ，ロのサンプリング溶接電
流が等しく、時点t₂₉の偏差信号は０、微分信号は＋
D₂₉,電力補正値は−ΔW₂₉となる。その結果、時点t₂₉で
は溶接トーチ３の振幅中心は変更さず、添加ワイヤ７の
電力および送給速度が初期設定値まで低減される。

以上の動作により、溶接トーチ３が実際の溶接線15から
離れる第１の方向の倣い運動の場合には添加ワイヤ７へ
の電力およびその送給速度が低減され、溶接トーチ３が
実際の溶接線15に近づく第２の方向の倣い運動の葉愛に
は添加ワイヤへの電力およびその送給速度が増加され、
ホットワイヤ式倣い溶接に際して常に理想的なビード形
状が得られる。

なお、以上では消耗電極式溶接法について説明したが、
本発明は非消耗電極式溶接法にも同様に適用できる。ま
た、アークセンサ式の倣い溶接について述べたが、これ
以外の種々の方式による倣い溶接にも適用できる。さら
に、倣い制御に同期して添加ワイヤへの供給電力および
送給速度の両パラメータを制御したが、いずれか一方だ
けを制御してもよい。

G.発明の効果本発明によれば、電極を実際の溶接線に沿って倣う際に
添加ワイヤの溶融量が倣い制御に応じてコントロールさ
れるので、常に理想的なビード形状が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による倣い溶接装置の一例を示す全体構
成図である。第２図（ａ）は本実施例における溶接トーチの倣い運動
を説明する図、第２図（ｂ）は偏差信号のタイムチャー
ト、第２図（ｃ）は電力補正量のタイムチャートであ
る。第３図〜第７図は従来例を説明するもので、第３図が従
来のホットワイヤ溶接を説明する図、第４図〜第６図が
倣い溶接を説明する図、第７図がビード形状を示す図で
ある。 1:下板、2:立板 3:溶接トーチ、4:溶接ワイヤ 5:主電源、6:ワイヤガイド 7:添加ワイヤ、8:副電源 12:目標溶接線、15:実際の溶接線 21:ロボットアーム 22:ロボットコントローラ 23:位置検出器、24:送給モータ 28:電流検出器 30イ,30ロ：サンプルホールド回路 31:偏差器、32:微分回路 33,34:関数発生器 35:電力調整器 101:パラメータ調節手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アーク形成用の電極を所定の溶接方向に所
定量だけ移動させる第１の動作と、前記電極との被溶接
部との距離が予め決められた所定距離となるように前記
電極を実際の溶接部に対して離間または近接させる第２
の動作とを交互に繰り返し行いながら、前記電極と前記
被溶接部との間にアークを形成し、そのアーク中に添加
ワイヤを送給して溶融しつつ溶接を行う溶接方法におい
て、前記第２の動作により電極が移動する量の前回と今回の
増減の程度を順次の倣い運動の大きさの変化量として求
め、前記被溶接部から電極が離間する第２の動作が連続する
場合には、前記順次の倣い運動の大きさの変化量が増大
するときに前記添加ワイヤの溶融量を低減し、減少する
ときに溶融量を増加し、および、前記被溶接部に電極が接近する第２の動作が連続する場
合には、前記順次の倣い運動の大きさの変化量が増大す
るときに前記添加ワイヤの溶融量を増加し、減少すると
きに溶融量を低減することを特徴とする倣い溶接方法。
【請求項２】被溶接部との間でアークを発生する電極と
被溶接部に繰り出される添加ワイヤとを一体に保持し予
め定められた溶接方向に駆動する駆動手段と、前記添加ワイヤの溶融量に関連するパラメータを調節す
るパラメータ調節手段と、前記電極の被溶接部からのずれを検出するずれ検出手段
と、前記駆動手段を制御して前記電極と添加ワイヤとを前記
溶接方向に所定量だけ移動させる第１の動作と、前記検
出されたずれの大きさおよび方向に応じて前記駆動手段
を制御して前記電極と添加ワイヤとを前記被溶接部から
離間する第１の方向または接近する第２の方向に倣い運
動せしめる第２の動作とを交互に連続して行う動作制御
手段と、前記第２の動作により電極が移動する量の前回と今回の
増減の程度を順次の倣い運動の大きさの変化量として演
算する演算手段と、前記第１の方向に倣い運動する第２の動作が連続する場
合には、前記演算された順次の倣い運動の大きさの変化
量が増大するときに前記溶融量を低減し、減少するとき
に溶融量を増加させるように前記パラメータ調節手段を
制御し、および前記第２の方向に倣い運動する第２の動
作が連続する場合には、前記演算された順次の倣い運動
の大きさの変化量が増大するときに前記溶融量を増加
し、減少するときに溶融量を低減させるように前記パラ
メータ調節手段を制御する溶融量制御手段とを具備する
ことを特徴とする倣い溶接装置。