JPH09201672A - 電極回転式非消耗電極アーク溶接における開先倣い方法及び開先倣い制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 回転式非消耗電極を、薄板の重ね溶接継手部
の溶接線に精度よく倣わせる自動開先倣い。 【解決手段】 溶接トーチ１２の電極２と母材１とのア
ーク電圧検出器１４と、電極の回転位置検出器１１と、
アーク電圧検出器の検出信号が入力される積分器２７
ａ，２７ｂと、回転位置検出信号に基づいて予め設定し
た所定角度範囲の検出信号について各積分器を動作させ
るタイミング回路２６と、積分器の積分値の差を求める
第１の比較器２８と、溶接トーチ狙い位置設定器２９
と、第１の比較器の積分値の差とトーチ狙い位置設定器
の基準値との差を求める第２の比較器３０と、溶接トー
チの修正移動量を演算する修正量演算手段３１、３２
と、修正移動量に基づき回転方向とパルス数を決定した
パルス信号発生器３３と、パルス信号に基づき回転する
ステップモータ２３を有し、ステップモータの回転によ
り溶接トーチを移動させるトーチ横移動機構２２を備え
てなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、薄板の重ね溶接に
関し、上板側と下板の母材を溶融させることでビードを
形成する溶加材を用いないＴＩＧ溶接やプラズマ溶接等
の非消耗電極アーク溶接方法において、ビード表面形状
が良好でかつ広幅・浅溶込み溶接部を形成しながら、薄
板重ね部に形成される溶接線を自動的に検出し溶接線に
対して適正位置でトーチを倣わせる電極回転式非消耗電
極アーク溶接における開先倣い方法及び開先倣い制御装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば特開平７−１８５８２０号公報に
示された従来の電極回転式非消耗電極アーク溶接におけ
る開先倣い方法は、溶接トーチに設けられた非消耗電極
先端に円運動を与え、該非消耗電極に発生するアークを
一方向に高速回転させながら薄板の重ね部の溶接線に沿
って重ね溶接を行って行く途中にアーク電圧を検出し、
そのアーク電圧のうち、薄板重ね部の溶接線と平行なア
ークの回転円の進行方向の前方中心を基準としてその左
右の５°以上１８０°以下の２つの所定角度範囲の電極
の回転位置におけるアーク電圧波形のそれぞれの積分値
の差を所定のしきい値と比較し、前記差が零となるよう
に前記溶接トーチを溶接線と直交する方向に移動制御し
て薄板重ね部の溶接線に対して溶接トーチを適正位置に
制御するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の電極回転式非消耗電極アーク溶接における
開先倣い方法では、次のような欠点があるものであっ
た。溶接トーチを溶接線に対して精度良く倣わせるため
には、電極の回転位置におけるアーク電圧波形のそれぞ
れの積分値の差が零になるように、モータに印加する電
圧を制御してトーチ横移動速度を適正に制御すると共に
モータに電圧印加する時間を制御してトーチ移動時間を
適正に調整する必要があるが、電極回転数が低い場合に
はこの調整の良否が倣い精度に影響するという問題があ
った。即ち、溶接速度が同じで、例えば２０回／秒の高
速回転数と例えば２回／秒の低回転数で同じ溶接部の倣
いを実施している場合を考えると、前者と後者での１回
の修正量比は１／１０、修正回数では１０倍となる。こ
のため高速回転の前者では調整が少々ラフで真の溶接線
に対して１回の修正量に過不足が生じても１回の修正量
が小さく、すぐに次の修正が行われるためビード形状に
影響することはない。しかし、後者の場合には１回の修
正量が大きくかつ次の修正までの間隔が長いため修正量
に過不足があるとビード形状に大きく影響するという問
題があった。

【０００４】本発明は、回転数が変化しても溶接速度が
変化しても回路調整の影響を受けずに薄板の重ね溶接継
手部の溶接線に精度よく倣わせる自動開先倣いを行い、
その結果、薄板の重ね溶接部のビード表面形状を適正に
保つことができる電極回転式非消耗電極アーク溶接にお
ける開先倣い方法及び開先倣い制御装置を提供すること
を目的としたものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る電極回転式
非消耗電極アーク溶接における開先倣い方法は、溶接ト
ーチに設けられた非消耗電極先端に円運動を与え、該非
消耗電極に発生するアークを一方向に高速回転させなが
ら薄板重ね部の溶接線に沿って重ね溶接を行って行く途
中にアーク電圧を検出し、そのアーク電圧のうち、薄板
重ね部の溶接線と平行なアークの回転円の進行方向の前
方中心を基準としてその左右の５°以上１８０°以下の
２つの所定角度範囲の電極の回転位置におけるアーク電
圧波形のそれぞれの積分値の差を所定のしきい値と比較
して差を求め、その差に基づき前記溶接トーチを溶接線
と直交する方向に移動させる修正量を演算し、その修正
量だけ前記溶接トーチを溶接線と直交する方向に移動制
御して薄板重ね部の溶接線に対して溶接トーチを適正位
置に制御するようにしたものである。

【０００６】また、本発明に係る電極回転式非消耗電極
アーク溶接における開先倣い制御装置は、電極回転式非
消耗電極アーク溶接方法により溶接する溶接トーチの電
極とワークとのアーク電圧を検出するアーク電圧検出器
と、電極の回転角度位置を検出する回転位置検出器と、
アーク電圧検出器の検出信号が入力される積分器と、ア
ーク電圧検出器の検出信号のうち、回転位置検出器の位
置検出信号に基づいて予め設定した２つの所定角度範囲
の検出信号について積分器を動作させる信号を出力する
タイミング回路と、積分器からそれぞれ出力された２つ
の所定角度範囲の検出信号の積分値の差を求める第１の
比較器と、溶接トーチを溶接線と直交する方向で溶接線
近傍の所定位置に設定させる基準値を出力するトーチ狙
い位置設定器と、第１の比較器から出力された積分値の
差とトーチ狙い位置設定器の基準値との差を求める第２
の比較器と、第２の比較器から出力された前記積分値の
差と基準値との差に基づいて前記溶接トーチを溶接線と
直交する方向に移動させる修正移動量を演算する修正量
演算手段と、修正量演算手段の修正移動量に基づき回転
方向とパルス数を決定し、パルス信号を出力するパルス
発生器と、パルス発生器のパルス信号に基づき回転する
ステップモータを有し、該ステップモータの回転により
駆動して前記溶接トーチを溶接線と直交する方向に移動
させるトーチ横移動機構とを備えて構成されている。

【０００７】さらに、本発明に係るもう一つの電極回転
式非消耗電極アーク溶接における開先倣い制御装置は、
電極回転式非消耗電極アーク溶接方法により溶接する溶
接トーチの電極とワークとのアーク電圧を検出するアー
ク電圧検出器と、電極の回転角度位置を検出する回転位
置検出器と、アーク電圧検出器の検出信号が入力される
積分器と、アーク電圧検出器の検出信号のうち、回転位
置検出器の位置検出信号に基づいて予め設定した２つの
所定角度範囲の検出信号について積分器を動作させる信
号を出力するタイミング回路と、積分器からそれぞれ出
力された２つの所定角度範囲の検出信号の積分値の差を
求める第１の比較器と、溶接トーチを溶接線と直交する
方向で溶接線近傍の所定位置に設定させる基準値を出力
するトーチ狙い位置設定器と、第１の比較器から出力さ
れた積分値の差とトーチ狙い位置設定器の基準値との差
を求める第２の比較器と、第２の比較器から出力された
前記積分値の差と基準値との差に基づいて前記溶接トー
チを溶接線と直交する方向に移動させる修正移動量を演
算する修正量演算手段と、溶接トーチの溶接線と直交す
る方向の位置を検出する横位置検出器と、回転位置検出
器の位置検出信号に基づいてタイミング回路が設定した
２つの所定角度範囲の内の所定のタイミングで記憶指令
信号を出力する記録タイミング発生回路と、横位置検出
器が検出した溶接トーチの位置を記憶タイミング発生回
路からの記憶指令信号が入力されたときに記憶する現在
位置記憶手段と、修正量演算手段の修正移動量と現在位
置記憶手段の記憶した溶接トーチの位置とに基づき移動
すべき位置を演算して横移動位置信号を出力する横移動
位置演算器と、横移動位置演算器の演算した横移動位置
信号に基づき移動すべき位置に達するまで所定のモータ
駆動電圧を出力する横移動機構制御器と、横移動機構制
御器が出力するモータ駆動電圧に基づき回転する横移動
用モータを有し、該横移動用モータの回転により駆動し
て前記溶接トーチを溶接線と直交する方向に移動させる
トーチ横移動機構とを備えて構成されている。

【０００８】

【発明の実施の形態】

実施形態１ 図１は本発明の実施形態１の電極回転ＴＩＧ溶接装置の
全体を示す構成図、図２は同電極回転ＴＩＧ溶接装置の
電極回転ＴＩＧトーチを示す断面図、図３は開先倣い方
法の倣い信号検出方法を示した模式図、図４はＳＵＳ板
上の狙い位置と倣い信号の関係を示すグラフ、図５は水
冷銅板上の狙い位置と狙い信号の関係を示したグラフ、
図６はＳＵＳ板上の狙い位置と倣い信号の相関関係を明
瞭に示すグラフ、図７はＳＵＳ板上の狙い位置と２つの
倣い信号の積分値の差とトーチ狙い位置基準値との差の
関係を示したグラフである。図において、１は被溶接材
である下板１ａに上板１ｂを重ねてなる母材、２は母材
１の開先線に位置される非消耗電極であるタングステン
電極、３は回転駆動モータ、３ａは回転駆動モータ３の
シャフト、４はシャフト３ａに取り付けられ、回転駆動
モータ３により高速回転を与えられる駆動ギヤ、５は駆
動ギヤ４により高速回転を与えられる従動ギヤ、６はタ
ングステン電極２を先端に設けたコレットチャック６ａ
で保持する円筒状の電極保持部材、６ｂは電極保持部材
７の下方に設けられ、タングステン電極２を取り囲むガ
スカップである。

【０００９】７は電極保持部材６の上部を回転自在に支
持する上部自動調心ベアリング、８は上部自動調心ベア
リング７をリング回転中心から一定量偏心して保持す
る、即ち電極保持部材６の上部を従動ギヤ５の回転中心
から一定量偏心して保持する偏心リングであり、上部自
動調心ベアリング７とで偏心リング部材を構成する。９
は偏心リング８を一体的に収納する偏心リング保持ケー
スで、従動ギヤ５に一体的に取り付けられている。１０
は電極保持部材６の下部を支持する下部自動調心ベアリ
ングである。１１は回転駆動モータ３の回転角度位置、
即ちタングステン電極２の先端の回転角度位置を検出す
るエンコーダ等の回転位置検出器である。なお、電極保
持部材６に保持され、その軸線上に位置するタングステ
ン電極２と母材１との間には後述する定電流溶接電源装
置により溶接電圧が印加され、アークが発生している。
１２はタングステン電極２〜回転位置検出器１１から構
成される電極回転ＴＩＧトーチである。

【００１０】１２は電極回転ＴＩＧ溶接装置の電極回転
ＴＩＧトーチで、図２に示したタングステン電極２〜回
転位置検出器１１で構成されている。１３は定電流溶接
電源装置、１４はタングステン電極２と母材１間のアー
ク電圧を検出するアーク電圧検出器、１５はタングステ
ン電極２を所望回転数で回転させるための回転速度設定
器、１６は回転速度設定器１５によって設定された回転
数設定値に基づき回転駆動モータ３を駆動する回転用モ
ータドライバである。

【００１１】１７はタングステン電極２と母材１間の基
準アーク電圧を設定するアーク電圧基準設定器、１８は
アーク電圧検出器１４の検出値とアーク電圧基準設定器
１７の基準値との差を比較演算する差動増幅器、１９は
差動増幅器１８の出力に基づきトーチ昇降機構２０の昇
降用モーター２１を回転制御する昇降用モーター制御
器、２２は電極回転ＴＩＧトーチ１２を溶接線と直交す
る方向に移動させるトーチ横移動機構、２３はトーチ横
移動機構２３の横移動用ステップモータで、回転するこ
とによりトーチ横移動機構２３を駆動する。２５はトー
チ昇降機構２０とトーチ横移動機構２２とを支持して母
材１上を走行する溶接台車である。

【００１２】２６は回転位置検出器１１の位置検出信号
に基づいて予め設定した２つの所定角度範囲の検出信号
について積分器を動作させる信号を出力するタイミング
回路、２７ａ，２７ｂはアーク電圧検出器１４のアーク
電圧の検出信号が入力されると共にタイミング回路２６
からの信号も入力される積分器、２８は積分器２７ａ，
２７ｂから出力された積分値の差を求める第１比較器、
２９は電極回転ＴＩＧトーチ１２を溶接線と直交する方
向で溶接線近傍の所定狙い位置に設定させる基準値を出
力するトーチ狙い位置設定器、３０は第１比較器２８か
ら出力された積分値の差とトーチ狙い位置設定器３０の
基準値との差を求める第２比較器、３１は第２の比較器
３０から出力された前記積分値の差と基準値との差に基
づいて電極回転ＴＩＧトーチ１２を溶接線と直交する方
向に移動させる修正移動量を演算する修正量演算器、３
２は修正量演算器３１が修正移動量を演算するときの被
溶接部材の材質や厚さ、溶接電流等の溶接条件によって
決定される演算係数を設定する修正量係数設定器、３３
は修正量演算器３１の修正移動量に基づき回転方向とパ
ルス数を決定したパルス信号を横移動用ステップモータ
２３に出力するパルス発生器である。

【００１３】次に上記実施形態１の動作を説明する。ま
ず、図２に示す実施例の電極回転ＴＩＧトーチ１２の動
作を説明する。回転駆動モータ３が回転すると、その回
転は駆動ギア４、従動ギヤ５及び偏心リング保持ケース
９を介して偏心リング８に伝達される。偏心リング８は
電極保持部材６の上部を回転自在に支持している上部自
動調心ベアリング７をリング回転中心から一定距離離れ
た偏心位置に回転自在に保持しているから、電極保持部
材６の上部は偏心リング８の回転に伴いその回転軸を中
心として旋回することになる。また、電極保持部材６の
下部は、偏心リング８の回転中心に同軸で取り付けられ
且つその周囲を固定された下部自動調心ベアリング１０
にも保持されているから、下部自動調心ベアリング１０
と偏心リング８との作用により、電極保持部材６の下部
から下方に伸びるタングステン電極２の先端は、下部自
動調心ベアリング１０を回転中心の支点としたスリコギ
式の円運動を行うことになる。

【００１４】タングステン電極２の先端が円運動をして
いるときに、タングステン電極２の基部を保持している
電極保持部材６の下部は下部自動調心ベアリング１０に
回転自在に支持され、回転中心の支点となっており、そ
れ自体は回転しないので、図示しない給電ケーブルによ
って電極保持部材６の下部に位置するタングステン電極
２に直接給電することができる。なお、上記上部自動調
心ベアリング７及び下部自動調心ベアリング１０に代え
て球面すべり軸受、ユニット用玉軸受等、同様の機能を
果たす自在軸受で代替することもできる。

【００１５】次に、電極回転ＴＩＧ溶接装置の動作につ
いて説明する。例えば厚みが２mmのステンレススチール
の薄板を重ね溶接する場合、非消耗電極であるタングス
テン電極２の電極回転直径を２．５mmとし、回転駆動モ
ータ３により電極回転周波数を３〜５Ｈｚとし、定電流
溶接装置１３により溶接電流を９５Ａで、タングステン
電極２の先端に円運動を与え、タングステン電極２に発
生するアークを高速回転させながら、母材１の溶接線に
沿って溶接速度１５〜３０cm/ 分で重ね溶接を行う。こ
のとき、トーチ傾斜角は０±１０°以内の適正値に保持
されている。

【００１６】トーチを静止させた状態では、アークが溶
接部に一点集中してアーク直下が常に溶融していたもの
が、アークを発生させながらタングステン電極２の先端
が機械的にほぼ円状に円運動して溶接を行うため、母材
１の被溶接部に対して溶接アークはタングステン電極２
の先端の回転に伴って被溶接部を円状に移動し、アーク
直下の溶融部がある回転径で移動することになり、アー
クの被溶接部への入熱がある径に分散された形となり、
その結果、広幅、浅溶込みの溶接部を高速で効率よく形
成することができる。

【００１７】なお、ＴＩＧアークの特性上、上記のタン
グステン電極２の回転による効果は回転に伴ってアーク
が溶融部を移動可能かどうかで決まり、ＴＩＧアークの
場合は電極回転周波数は約２０Ｈｚ程度が限度である。
また、入熱の分散効果はある回転径以上で見られ、ま
た、入熱分散による母材の溶融効率の大幅な低下により
その回転径の最大値が決定される。薄板の重ね溶接で用
いられる溶接電流が十数Ａ〜二百数十ＡのＴＩＧアーク
の場合には回転径として１〜４ｍｍ程度が適正な範囲で
ある。そして、この回転径の適正範囲は使用する溶接電
流の値に依存する。

【００１８】次に、溶接中における開先線倣い方法につ
いて図１、図３、図４〜図７に基づいて説明する。ま
ず、開先線倣い方法の原理について説明する。電極回転
ＴＩＧトーチ１２に設けられたタングステン電極２が重
ね溶接される下板１ａと上板１ｂとからなる母材１の溶
接線に沿って溶接を行っていく場合に、図３の（ａ）に
示すようにタングステン電極２の先端、即ちアークがア
ークの回転円の進行方向の後方中心Ｃ．Ｒ位置であるＡ
点から下板１ａ側のＢ点にくると、図３の（ｂ）に示す
ように下板１ａ側の回転位置でのアーク電圧検出器１４
が検出するアーク電圧は次第に上昇し、Ｂ点でアーク電
圧の上昇はほぼ最大になる。その後、Ｂ点からアークの
回転円の進行方向の前方中心Ｃ．Ｆ位置であるＣ点にく
るに従いアーク電圧は次第に減少し、さらにアークが回
転して今度はＣ点から上板１ｂ側のＤ点にくると、上板
１ｂ側の回転位置でのアーク電圧検出器１４が検出する
アーク電圧は次第に減少し、Ｄ点でアーク電圧の減少は
ほぼ最大になる。その後、Ｄ点からＡ点にいくに従いア
ーク電圧は上昇する。

【００１９】図３の（ｂ）は基準電圧を基準として上記
アーク電圧の変化を示したもので、その斜線部分ＳＬ、
ＳＲは図３の（ａ）のアークの回転円の進行方向の前方
中心Ｃ．Ｆを基準として左右の０°〜９０°（Ｒ領域）
と２７０°〜３６０°（Ｌ領域）の２つの所定角度範囲
θ１，θ２の積分値を表したものである。そこで、下板
１ａ側と上板１ｂ側とのアーク電圧を検出し、検出した
電圧の変化を積分処理し、積分値ＳＬ，ＳＲという値を
求め、各々の積分値の差（ＳＬ−ＳＲ）を溶接線位置を
検出できるように設定された基準値と比較することによ
り、タングステン電極２の先端の回転円の中心が母材１
の溶接線に位置しているかどうかがわかる。

【００２０】ところで、上記の信号検出論理によるアー
ク電圧の変化の積分値の差（ＳＬ−ＳＲ）と狙い位置と
の関係を求めた例を図４と図５に示す。即ち、図４は厚
さ２ｍｍのＳＵＳ重ね板での検出例のグラフ、図５は２
ｍｍの段差を設けた水冷銅板上での検出例のグラフであ
る。図４の検出例の溶接条件は、溶接電流Ｉａが９５
Ａ、アーク電圧Ｖａが８．０Ｖ、溶接速度が１７ｃｍ／
分、アーク回転数が３．０Ｈｚ、回転直径が２．５ｍｍ
である。また、図５の検出例の溶接条件は、溶接電流Ｉ
ａが６０Ａ、アーク電圧Ｖａが９．０Ｖ、溶接速度が１
５ｃｍ／分、アーク回転数が１．９２Ｈｚ、回転直径が
２．７５ｍｍである。

【００２１】図４、図５のグラフを見ると、双方とも特
定の狙い位置でピークを持つがほぼその狙い位置に応じ
た積分値の差が得られており、この関係から明らかなよ
うに、「Ｃｆ点を基準とした２つの積分値の差」と「狙
い位置」には非常に良い相関関係がある。即ち、下板１
ａと上板１ｂとの溶接線である段差がある位置を０ｍｍ
とし、狙い位置が上板１ｂ側にいくに従い、２つの積分
値の差ΔＳが次第に一定の勾配をもって反比例して減少
するという相関関係があることが分かる。この相関関係
を明瞭に示したのが図６のグラフで、狙い位置に対して
図６に示す２つの積分値の差と狙い位置基準値との差と
の関係を示したのが図７のグラフである。つまり、図７
は図６の２つの積分値の差ΔＳ＝ＳＬ−ＳＲがトーチ狙
い位置設定器２９の狙い位置基準値分だけ下方にシフト
したものとなる。

【００２２】従って、例えば図４に示すアーク電圧の変
化の積分値の差と狙い位置との関係を基準として電極回
転ＴＩＧ自動溶接実施時における所定の狙い位置のとき
のアーク電圧の変化の積分値の差が異なれば、それは
「適正狙い位置」から所定量ズレていることを意味す
る。そこで、図４に示すアーク電圧の変化の積分値の差
と実際のアーク電圧の変化の積分値の差を比較して両者
の差を求め、その両者に差があれば、その差がズレ量で
あるから、そのズレ量から修正すべき距離を演算し、演
算した修正すべき距離だけ溶接トーチを移動させれば、
溶接トーチの溶接線と直交する方向のＺ軸の修正が過不
足なくできることになる。

【００２３】次に、図４、図６及び図７に示すアーク電
圧の変化の積分値の差と実際のアーク電圧の変化の積分
値の差からズレを修正すべき距離へ変換する演算方法に
ついて説明する。実際の倣いの狙い位置は基準狙い位置
に対して±０．１〜０．２ｍｍ程度に制御される。従っ
て、基準狙い位置近傍における「２つの積分値の差Δ
Ｓ」と「狙い位置の関係」は、図５に示すように反比例
の直線関係にあると考えてよい。

【００２４】図４、図６に示すように、狙い位置変化と
２つの積分値の差ΔＳの関係は、４Ｖ／ｍｍの勾配を持
つ。言い換えれば、差の信号ΔＳの１Ｖの変化に対し、
狙い位置は０．２５ｍｍの勾配を持つのであるから、例
えば基準狙い位置を上板側へ０．５ｍｍ入った位置とし
た場合、本来は２つの積分値の差ΔＳが７Ｖとなり、狙
い位置設定器２９の狙い位置基準値は７Ｖであるから、
２つの積分値の差ΔＳと狙い位置基準値との差が０Ｖと
なる筈であるが、実際の２つの積分値の差ΔＳが８Ｖと
すれば、狙い位置基準値との差が１Ｖとなり、その差の
信号Ｓの１Ｖの変化に対して狙い位置を０．２５ｍｍ修
正すれば良いこととになる。以上は図４に示すように検
出例がＳＵＳ重ね板の場合であるが、図５に示す水冷銅
板の場合には狙い位置変化と２つの積分値の差ΔＳの関
係は図４の場合と同様で、その勾配が異なってくるだけ
である。

【００２５】このように狙い位置変化と２つの積分値の
差ΔＳの関係において、どのような勾配を持つかは、被
溶接部材の材質や板厚、溶接電流等の溶接条件によって
異なるので、一般的には、修正量の演算は、修正量＝Ｋ
・［（ΔＳ＝ＳＬ−ＳＲ）−ＳＢ］で表すことができ
る。ここに、Ｋは勾配を示す係数、ＳＢは狙い位置設定
器２９の狙い位置基準値である。このような制御はＴＩ
Ｇ溶接で多用されているアーク電圧自動制御装置により
アーク長が一定に保たれるように制御されるシステムで
成立する。つまり、本制御で採用されているアーク電圧
自動制御装置は回転に伴う急激なアーク長変化、言い換
えれば、アーク電圧変化には追従せず、平均的なアーク
長が一定に保たれるように機能する必要がある。

【００２６】次に、この実施形態１の開先線倣い方法に
ついて説明する。まず、その前に溶接トーチの開先線倣
い制御方法の前提となるアーク長が一定に保たれるよう
に制御するアーク電圧自動制御装置の動作について説明
する。本発明の実施形態では、アーク電圧自動制御装置
として機能する構成部材は、アーク電圧検出器１４、ア
ーク電圧基準設定器１７〜昇降用モータ２１である。そ
して、溶接中のアーク電圧検出器１４によるアーク電圧
検出信号と、アーク電圧基準設定器１７の基準アーク電
圧の偏差を差動増幅器１６により演算し、この偏差が常
に零となるように昇降用モータ制御器１９が昇降用モー
タ２１を回転制御して電極回転ＴＩＧトーチ１２を昇降
させることにより、アーク長が一定に保たれるのであ
る。この場合の制御は、回転に伴う急激なアーク長変化
には影響されない。

【００２７】つぎに、実施形態１の開先線倣い方法につ
いて図１に基づいて説明する。電極回転ＴＩＧトーチ１
２に設けられたタングステン電極２が重ね溶接される下
板１ａと上板１ｂとからなる母材１の溶接線に沿って溶
接を行っていくとき、アーク電圧検出器１４はタングス
テン電極２先端の回転によって変化しているアーク電圧
を検出し、積分器２７ａ、２７ｂに入力している。一
方、回転位置検出器１１は回転しているタングステン電
極２の回転位置を検出して位置検出信号をタイミング回
路２６に出力している。そして、タイミング回路２６で
は回転位置検出器１１の位置検出信号に基づき、予め設
定した上板１ｂ側の例えば４５°〜９０°である４５°
の角度範囲θ１と下板１ａ側の例えば３１５°〜３６０
°である４５°の角度範囲θ２において積分器２７ａ、
２７ｂがアーク電圧を積分するようにしている。

【００２８】積分器２７ａ、２７ｂがアーク電圧を積分
した積分値は第１比較器２８に入力される。このように
積分器２７ａ、２７ｂで積分するのはアーク電圧波形に
ノイズがあり、その影響を受けないようにするためであ
る。第１比較器２８では積分器２７ａによる積分値ＳＬ
と積分器２７ｂによる積分値ＳＲの差ΔＳを求め、それ
を第２比較器３０に出力する。第２比較器３０では第１
比較器２８で求めた積分値の差とトーチ狙い位置設定器
２９によって設定された所定の基準値とを比較し、その
差の信号を修正量演算器３１に出力する。修正量演算器
３１では第２の比較器３０から出力された前記積分値の
差と基準値との差ΔＳに修正量係数設定器３２が溶接条
件によって設定された係数Ｋを乗じて電極回転ＴＩＧト
ーチ１２を溶接線と直交する方向に移動させる修正すべ
き距離である修正移動量を演算してパルス発生器３２に
出力する。その修正移動量は前記積分値の差と基準値と
の差がズレ量であるから、その電圧値であるズレ量を上
記式に基づき修正すべき距離に演算して求められる。

【００２９】パルス発生器３２では修正量演算器３１の
修正移動量に基づき回転方向と修正すべき距離に相当す
る横移動用ステップモータ２３への印加パルス数を決定
したパルス信号をトーチ横移動機構２２の横移動用ステ
ップモータ２３に出力する。なお、パルス数は構成する
機械系で決定される。横移動用ステップモータ２３はパ
ルス発生器３２からのパルス信号によりパルス分回転し
てトーチ横移動機構２２を駆動する。そのトーチ横移動
機構２２の駆動により、電極回転ＴＩＧトーチ１２は溶
接線と直交する方向に過不足なく修正移動させられ、薄
板の重ね部の所定の狙い位置である溶接線に電極回転Ｔ
ＩＧトーチ１２がくるように、即ち、タングステン電極
２の先端の回転円の中心が溶接線に位置するように電極
回転ＴＩＧトー１２を適正位置に短時間で安定した修正
制御がされる。かかる修正制御は積分処理が行われない
区間に行われる。このように、本発明の実施形態１では
移動すべき位置を設定して制御しているため、理想的な
倣い線に対し左右に振れず、短時間で安定した修正が可
能であり、従来例のモータドライバからモータへの印加
電圧を適正に調整したり、印加電圧時間を調整すること
で、理想的な倣い線に対し左右に振れるという倣いが大
幅に改善される。

【００３０】このように、溶接中におけるアーク電圧を
検出し、アーク電圧を信号処理してアークの回転円の中
心が狙い位置に位置するように制御して電極回転ＴＩＧ
トーチ１２を自動追従させるようにしているため、溶接
アーク自体がセンサの役目を果たし、溶接過程で溶接線
に沿って電極回転ＴＩＧトーチ１２を精度よく追従でき
る。

【００３１】実施形態２ 図８は本発明の実施形態２の電極回転ＴＩＧ溶接装置の
全体を示す構成図である。図において、実施形態１と同
様の構成は同一符号を付して重複した構成の説明を省略
する。この実施形態の横移動用モータ２２はステップモ
ータではなく、通常のものである。３３はトーチ昇降機
構２０に設けられ、電極回転ＴＩＧトーチ１２の溶接線
と直交する方向の位置を検出するポテンションメータ、
又はエンコーダ等の横位置検出器、３４は回転位置検出
器１１の位置検出信号に基づいてタイミング回路２６が
設定した２つの所定角度範囲の内の所定のタイミングで
記憶指令信号を出力する記憶タイミング発生回路であ
る。

【００３２】３５は回転位置検出器１１が検出した電極
回転ＴＩＧトーチ１２の位置を記憶タイミング発生回路
３４からの記憶指令信号が入力されたときに記憶する現
在位置記憶器である。３６は修正量演算器３１の修正移
動量と現在位置記憶器３５の記憶した電極回転ＴＩＧト
ーチ１２の位置とに基づき移動すべき位置を演算して横
移動位置信号を出力する横移動位置演算器、３７は横移
動位置演算器３６の演算した横移動位置信号と横位置検
出器３３が検出したトーチ位置とを比較演算して移動す
べき位置への横移動指令信号を出力する差動増幅器、３
８は差動増幅器３７の横移動指令信号に基づき横移動用
モータ２２を駆動する電圧を出力する横移動機構制御器
である。

【００３３】つぎに、実施形態２の開先線倣い方法につ
いて図８に基づいて説明する。この実施形態において
は、実施形態１と異なる動作についてのみ説明する。修
正量演算器３１では第２の比較器３０から出力された前
記積分値の差と基準値との差に修正量係数設定器３２が
溶接条件によって設定された係数を乗じて電極回転ＴＩ
Ｇトーチ１２を溶接線と直交する方向に移動させる修正
すべき距離としての修正移動量を演算して横移動位置演
算器３６に出力する。横移動位置演算器３６では修正量
演算器３１の修正移動量と現在位置記憶器３５の記憶し
た電極回転ＴＩＧトーチ１２の位置とに基づき移動すべ
き位置を演算して横移動位置信号を差動増幅器３７に出
力する。

【００３４】差動増幅器３７では横移動位置演算器３６
の演算した横移動位置信号と横位置検出器３３が検出し
たトーチ位置とを比較演算して移動すべき位置に移動さ
せるための横移動指令信号を横移動機構制御器３８に出
力する。横移動機構制御器３８では差動増幅器３７の横
移動指令信号に基づき所定のモータ駆動電圧を移動すべ
き位置に達するまで横移動用モータ２３に出力する。横
移動用モータ２３は横移動機構制御器３８からのモータ
駆動電圧により回転してトーチ横移動機構２２を駆動す
る。そのトーチ横移動機構２２の駆動により、電極回転
ＴＩＧトーチ１２は溶接線と直交する方向に過不足なく
修正移動させられ、薄板の重ね部の所定の狙い位置であ
る溶接線に電極回転ＴＩＧトーチ１２がくるように、即
ち、タングステン電極２の先端の回転円の中心が溶接線
に位置するように電極回転ＴＩＧトー１２を適正位置に
短時間で安定に修正制御される。かかる位置修正は積分
処理が行われない区間に行われる。

【００３５】このように、本発明の実施形態２ではズレ
量に相当した移動量を電圧に変換した値として設定して
制御しているため、理想的な倣い線に対し左右に振れ
ず、短時間で安定に修正可能であり、従来例のモータド
ライバからモータへの印加電圧を適正に調整したり、出
力時間を調整することで、理想的な倣い線に対し左右に
振れるという倣いが大幅に改善される。

【００３６】なお、上記実施形態１、２において、アー
クの狙い位置は微妙なものであり、０．２〜０．３ｍｍ
変わるとビード形状が悪化することがある。また、板厚
により狙い位置も変わり、狙い位置によりビード形状が
変化する。トーチ角度は概略垂直±１０°以内が望まし
く、０．５〜２．５ｍｍ程度の薄板の場合、溶接線倣い
の狙い位置は上板側に０．５〜０．８ｍｍ程度入ったと
ころがよい。

【００３７】上記実施形態１、２では、積分器２７ａ、
２７ｂで積分するアーク電圧の対象を下板１ａ側では０
°〜４５°である４５°の角度範囲θ１とし、上板側１
ｂ側では３１５°〜３６０°である４５°の角度範囲θ
２としているが、下板１ａ側では０°と５°〜１８０°
で囲まれる１７５°までの角度範囲θ１とし、上板側１
ｂ側では１８０°〜３５５°と３６０°で囲まれる１７
５°までの角度範囲θ２としても、アークの回転円の中
心が溶接線に対して適正位置にくるように制御できるこ
とはいうまでもない。

【００３８】また、上記実施形態では、２つの積分器２
７ａ、２７ｂを用いているが、１つの積分器で２つの所
定角度範囲の検出信号についてそれぞれ積分し、２つの
積分値を第１比較器２８に出力してもよく、この場合、
一方の所定角度範囲の検出信号について積分し、その値
を他に転送後、高速でリセットし、他方の所定角度範囲
の検出信号について積分を行えば、１つの積分器でも充
分である。さらに、上記実施形態１、２では、電極回転
ＴＩＧ溶接方法及び電極回転ＴＩＧ溶接装置の電極回転
ＴＩＧトーチ１２について説明したが、本発明はタング
ステン電極を用いるプラズマ溶接或いはタングステン電
極以外の銅電極、炭素電極という非消耗電極を用いた他
の溶接方法及び溶接装置にも適用され得ることはいうま
でもない。

【００３９】

【発明の効果】本発明は以上説明したとおり、溶接トー
チに設けられた非消耗電極に円運動を与え、該非消耗電
極に発生するアークを一方向に高速回転させながら薄板
重ね部の溶接線に沿って重ね溶接を行っている場合に、
アーク電圧を検出し、そのアーク電圧のうち、薄板重ね
部の溶接線におけるアークの回転円の進行方向前方の中
心を基準としてその左右の５°以上１８０°以下の２つ
の所定角度範囲の電極の回転位置におけるアーク電圧波
形のそれぞれの積分値の差を所定のしきい値と比較して
差を求め、その差に基づき前記溶接トーチを溶接線と直
交する方向に移動させる修正量を演算し、その修正量だ
け前記溶接トーチを溶接線と直交する方向に移動制御し
て薄板重ね部の溶接線に対して溶接トーチを過不足なく
適正位置に保つようにしたので、薄板の重ね溶接継手部
の溶接線の自動開先倣いが高速、安定にかつより精度よ
く実施可能となり、広幅、浅溶込みの溶接部を高速で効
率よく形成することができ、しかも溶接部の要求するビ
ード形状の維持ができるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１の電極回転ＴＩＧ溶接装置
の全体を示す構成図である。

【図２】同電極回転ＴＩＧ溶接装置の電極回転ＴＩＧト
ーチを示す断面図である。

【図３】開先倣い方法の倣い信号検出方法を示した模式
図である。

【図４】ＳＵＳ板上の狙い位置と倣い信号の関係を示す
グラフである。

【図５】水冷銅板上の狙い位置と狙い信号の関係を示し
たグラフである。

【図６】ＳＵＳ板上の狙い位置と倣い信号の相関関係を
明瞭に示すグラフである。

【図７】ＳＵＳ板上の狙い位置と２つの倣い信号の積分
値の差とトーチ狙い位置基準値との差の関係を示したグ
ラフである。

【図８】本発明の実施形態２の電極回転ＴＩＧ溶接装置
の全体を示す構成図である。

【符号の説明】

１ 母材 ２ タングステン電極（非消耗電極） １１ 回転位置検出器 １２ 電極回転ＴＩＧトーチ １４ アーク電圧検出器 ２２ トーチ横移動機構 ２３ 横移動用ステップモータ ２６ タイミング回路 ２７ａ 積分器 ２７ｂ 積分器 ２８ 第１比較器 ２９ トーチ狙い位置設定器 ３０ 第２比較器 ３１ 修正量演算器 ３２ 修正量係数設定器 ３３ パルス発生器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐々木 善英 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶接トーチに設けられた非消耗電極先端
   に円運動を与え、該非消耗電極に発生するアークを一方
   向に高速回転させながら薄板重ね部の溶接線に沿って重
   ね溶接を行って行く途中にアーク電圧を検出し、そのア
   ーク電圧のうち、薄板重ね部の溶接線と平行なアークの
   回転円の進行方向の前方中心を基準としてその左右の５
   °以上１８０°以下の２つの所定角度範囲の電極の回転
   位置におけるアーク電圧波形のそれぞれの積分値の差を
   所定のしきい値と比較して差を求め、その差に基づき前
   記溶接トーチを溶接線と直交する方向に移動させる修正
   量を演算し、その修正量だけ前記溶接トーチを溶接線と
   直交する方向に移動制御して薄板重ね部の溶接線に対し
   て溶接トーチを適正位置に制御することを特徴とする電
   極回転式非消耗電極アーク溶接における開先倣い方法。
2. 【請求項２】 電極回転式非消耗電極アーク溶接方法に
   より溶接する溶接トーチの電極とワークとのアーク電圧
   を検出するアーク電圧検出器と、電極の回転角度位置を
   検出する回転位置検出器と、アーク電圧検出器の検出信
   号が入力される積分器と、アーク電圧検出器の検出信号
   のうち、回転位置検出器の位置検出信号に基づいて予め
   設定した２つの所定角度範囲の検出信号について積分器
   を動作させる信号を出力するタイミング回路と、積分器
   からそれぞれ出力された２つの所定角度範囲の検出信号
   の積分値の差を求める第１の比較器と、溶接トーチを溶
   接線と直交する方向で溶接線近傍の所定位置に設定させ
   る基準値を出力するトーチ狙い位置設定器と、第１の比
   較器から出力された積分値の差とトーチ狙い位置設定器
   の基準値との差を求める第２の比較器と、第２の比較器
   から出力された前記積分値の差と基準値との差に基づい
   て前記溶接トーチを溶接線と直交する方向に移動させる
   修正移動量を演算する修正量演算手段と、修正量演算手
   段の修正移動量に基づき回転方向とパルス数を決定し、
   パルス信号を出力するパルス発生器と、パルス発生器の
   パルス信号に基づき回転するステップモータを有し、該
   ステップモータの回転により駆動して前記溶接トーチを
   溶接線と直交する方向に移動させるトーチ横移動機構と
   を備えてなることを特徴とする電極回転式非消耗電極ア
   ーク溶接における開先倣い制御装置。
3. 【請求項３】 電極回転式非消耗電極アーク溶接方法に
   より溶接する溶接トーチの電極とワークとのアーク電圧
   を検出するアーク電圧検出器と、電極の回転角度位置を
   検出する回転位置検出器と、アーク電圧検出器の検出信
   号が入力される積分器と、アーク電圧検出器の検出信号
   のうち、回転位置検出器の位置検出信号に基づいて予め
   設定した２つの所定角度範囲の検出信号について積分器
   を動作させる信号を出力するタイミング回路と、積分器
   からそれぞれ出力された２つの所定角度範囲の検出信号
   の積分値の差を求める第１の比較器と、溶接トーチを溶
   接線と直交する方向で溶接線近傍の所定位置に設定させ
   る基準値を出力するトーチ狙い位置設定器と、第１の比
   較器から出力された積分値の差とトーチ狙い位置設定器
   の基準値との差を求める第２の比較器と、第２の比較器
   から出力された前記積分値の差と基準値との差に基づい
   て前記溶接トーチを溶接線と直交する方向に移動させる
   修正移動量を演算する修正量演算手段と、溶接トーチの
   溶接線と直交する方向の位置を検出する横位置検出器
   と、回転位置検出器の位置検出信号に基づいてタイミン
   グ回路が設定した２つの所定角度範囲の内の所定のタイ
   ミングで記憶指令信号を出力する記憶タイミング発生回
   路と、横位置検出器が検出した溶接トーチの位置を記憶
   タイミング発生回路からの記憶指令信号が入力されたと
   きに記憶する現在位置記憶手段と、修正量演算手段の修
   正移動量と現在位置記憶手段の記憶した溶接トーチの位
   置とに基づき移動すべき位置を演算して横移動位置信号
   を出力する横移動位置演算器と、横移動位置演算器の演
   算した横移動位置信号に基づき移動すべき位置に達する
   まで所定のモータ駆動電圧を出力する横移動機構制御器
   と、横移動機構制御器が出力するモータ駆動電圧に基づ
   き回転する横移動用モータを有し、該横移動用モータの
   回転により駆動して前記溶接トーチを溶接線と直交する
   方向に移動させるトーチ横移動機構とを備えてなること
   を特徴とする電極回転式非消耗電極アーク溶接における
   開先倣い制御装置。