JPH09262674A - パイプ円周自動溶接装置のウィービング軌跡補正方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高速ウィービングを行いながら鋼管の円周自動
溶接を行うパイプ円周自動溶接装置の制御を高精度に行
うことを可能とする。 【解決手段】突き合わせて固定されている２本のパイプ
の端面をパルスＭＡＧ溶接法により全周溶接する際、パ
イプの開先に沿って２次元ウィービングを行う。その
際、計測したパルス溶接電圧３２に基づいて、１ウィー
ビング周期内に、ウィービングの水平移動部分における
左・中・右の各区間のアークショート時間の平均値を求
める（２４５）。同様に、左・中・右の各区間の電流パ
ルス周期の平均パルス周期に対する各区間のパルス周期
比を求め（１５１）、各区間において、当該アークショ
ート時間が予め定められた上限値より大きい場合に当該
区間のトーチ高さを高くするとともに、当該パルス周期
比が予め定められた上限値より大きい場合に当該区間の
トーチ高さを低くするよう、ウィービング軌跡を補正す
る（１４７）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パイプ円周自動溶
接装置に係り、特に、パルス溶接電流波形及びパルス溶
接電圧波形を計測・解析し、アーク倣い関連補正を行う
パイプ円周自動溶接装置のウィービング軌跡補正方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスパイプライン敷設工事の際には、突
き合わせて固定されている２本のパイプの端面を全周溶
接により接続する。この溶接を自動溶接により行う場合
は、パイプにベルト状のガイドレールを巻き、このガイ
ドレール上に溶接ヘッドを走らせＭＡＧ（メタル・アク
ティブ・ガス）法等により溶接している。アーク倣いと
は、溶接中の電流や電圧を監視して、トーチをワークに
対して位置的に倣わせるものである。

【０００３】従来のパイプの突き合せアーク溶接におい
ては、ウィービング等の駆動は、比較的低速のものはパ
ルスモータにより、また、高速なものはサーボモータに
より行われるのが一般的である。そして、その溶接の際
にトーチをワークに対して最適な位置に保つために、溶
接中の電流や電圧を監視して、それらの値が適正になる
ようトーチの位置をフィーバック制御することも行われ
ている。そのための電流／電圧計測方法は、パルス溶接
電流／電圧信号を、低域通過型フィルタを通して平滑化
し、Ａ／Ｄコンバータにより、ディジタルの電流／電圧
信号として計測している。ただし、低域通過型フィルタ
のカットオフ周波数は、パルス溶接電流／電圧の繰り返
し周波数よりもはるかに低く設定されていた（例えば、
パルス周波数１００〜４００Ｈｚに対してカットオフ周
波数１０Ｈｚ）。

【０００４】従来のパイプ円周溶接に関する技術とし
て、特開昭６３−１８３７７６号公報及び特開平４−２
８４９７３号公報に記載されたものがある。特開昭６３
−１８３７７６号公報に記載の技術は、アーク回転式の
全姿勢溶接装置に関するものである。同方式では開先形
状が狭開先で高精度加工が必要であり、開先幅の広いワ
ークに対しての適用は難しい。特開平４−２８４９７３
号公報に記載の技術は、開先部の溶接をリアルタイム制
御にする自動アーク溶接法に関するものであるが、パル
ス溶接電流／電圧の個々のパルス波形の計測の点につい
ては解決されていない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】パイプ円周溶接、高速
ウィービング等における最適な溶接を行うためには、高
精度なウィービングの軌跡制御が必要となる。

【０００６】溶接作業前に開先の形状を計測してそのデ
ータを保持しておくことにより、ある程度の誤差補正は
可能であるが、形状計測の実際の計測位置以外の位置に
ついてはデータの補間により対処されるので、開先形状
計測のデータのみでは必ずしも十分な補正が行えないと
いう問題があった。

【０００７】また、従来のパルス溶接電流／電圧の計測
では、高速、高精度の電流／電圧波形の計測が困難で、
せいぜいパルス溶接電流／電圧の繰り返し周期の１０倍
程度の応答時間での計測であった。そのため、アーク倣
い関連補正のための電流、電圧、ウィービング指令等の
タイミングが遅れ、きめ細かな補正が行えないという問
題があった。

【０００８】本発明は、高速ウィービングを行いながら
鋼管の円周自動溶接を行うパイプ円周自動溶接装置の制
御を高精度に行うことを可能とする、アーク倣い関連補
正、特にウィービング軌跡補正方法を提供するものであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によるパイプ円周
自動溶接装置のウィービング軌跡補正方法は、突き合わ
せて固定されている２本のパイプの端面をパルスＭＡＧ
溶接法により全周溶接する際、パイプの開先に沿ってパ
イプ円周の接線に直交する左右方向および上下方向にト
ーチの２次元ウィービングを行う自動溶接装置のウィー
ビング軌跡補正方法であって、計測したパルス溶接電圧
に基づいて、１ウィービング周期内に、ウィービングの
水平移動部分における左・中・右の各区間のアークショ
ート時間の平均値を求め、計測したパルス溶接電流に基
づいて、１ウィービング周期内に、ウィービングの水平
移動部分における左・中・右の各区間の電流パルス周期
の平均パルス周期に対する左・中・右の各区間のパルス
周期比を求め、前記各区間において、当該アークショー
ト時間が予め定められた上限値より大きい場合に当該区
間のトーチ高さを高くするとともに、当該パルス周期比
が予め定められた上限値より大きい場合に当該区間のト
ーチ高さを低くするよう、ウィービング軌跡を補正する
ことを特徴とする。

【００１０】すなわち、ビード表面からのトーチ高さが
低すぎる場合をアークショート時間が過大になったこと
により検出し、逆の場合をパルス周期比で検出するもの
である。

【００１１】この構成によれば、計測したパルス溶接電
流および電圧から求めた、１ウィービング周期内のウィ
ービングの左・中・右のアークショート時間およびパル
ス周期比を次のウィービング周期のウィービング軌跡に
反映させることができるので、極めて高精度でかつ応答
性の高いきめ細かな補正を行うことができる。したがっ
て、ビード形状の変化に対しても即応することが可能と
なる。

【００１２】上記方法において、トーチ高さを上げるよ
うウィービング軌跡を補正する場合、前記アークショー
ト時間が前記上限値を超えた量に応じてその補正量を決
定し、トーチ高さを下げるようウィービング軌跡を補正
する場合、前記パルス周期比が前記上限値を超えた量に
応じてその補正量を決定する。

【００１３】前記ウィービング軌跡の補正により、全体
のウィービング軌跡が変わった場合には、好ましくは、
ウィービング周期を一定とするために、全体のウィービ
ング軌跡の変化量に応じてウィービング速度を変更す
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本発
明の好適な実施の形態について詳細に説明する。ここで
は、本発明を高周波パルスＭＡＧ溶接に適用した例を説
明する。パルスＭＡＧ溶接については、例えば、「溶接
技術」１９８９年２月号第６７〜７６頁に記載されてい
る。

【００１５】図１により本発明の溶接装置の概略構成に
ついて述べる。パーソナルコンピュータ１は、自動溶接
制御のためのＣＡＤデータ（パイプの外径、板厚、材
質、開先形状などの設計値）を作成するためのものであ
り、作成されたデータはフレキシブルディスク（フロッ
ピーディスク）１ａに記録される。制御装置２は、自動
溶接の実質的な制御（電源およびトーチ位置等の制御）
を行うためのものであり、ＣＡＤデータの格納されたフ
レキシブルディスク１ａからそのＣＡＤデータを読み込
む。勿論、フレキシブルディスクによらず、周知のデー
タ通信によってデータ転送を行うようにしてもよい。制
御装置２は、この読み込んだデータを用いて実際の溶接
条件を設定し、設定された条件に対応して、後述するロ
ジックテーブルに予め記録されたデータにより各種溶接
パラメータを設定する。このようなロジックテーブルの
詳細およびこれを用いた溶接データの作成については、
本願出願人が先に提案した特願平７−１７３９２１号に
開示されている。

【００１６】さらに、この制御装置２では、設定された
溶接パラメータを実際の溶接の制御に用いるＮＣ言語
（数値制御用言語）に変換し、変換した言語を制御デー
タとして制御データテーブルの形で内部のメモリに記録
する。このメモリに記録された制御データを用いて、電
源装置３、及び溶接ヘッド４を駆動制御するとともに、
後述する、パルス電圧波形及びパルス電流波形の計測・
解析値を用いてアーク倣い関連補正を行う構成となって
いる。なお、制御装置２の主な制御項目は、溶接ヘッド
４の溶接の電圧、電流、及びヘッド４に搭載された溶接
トーチ８のパイプ開先９３に対するウィービング、溶接
ヘッド４の移動速度等である。ヘッド４は、パイプ外周
に巻き付けられたガイドレール１２上に、円周方向に移
動可能に装着される。ヘッド４には、溶接トーチ８に対
して溶接ワイヤを供給するワイヤ供給部６が搭載されて
いる。

【００１７】図２に、制御装置２、電源３、ヘッド４、
パイプ５の間の電気的な接続関係を示す。図から分かる
ように、電源３からは、送電ケーブル９を介して、ヘッ
ド４のワイヤ７とパイプ５との間にパルス溶接電圧が印
加されるようになっている。これにより、ワイヤ７とパ
イプ５表面との間にアーク９１（図１２）が発生する。
溶接用ワイヤ７は一定速度で送られ、アーク９１により
溶かされて溶着金属９２（図１２）となり、開先９３
（図１２）内で固まり母材５を接合する。

【００１８】図３に示すように、溶接ヘッド４のパイプ
外周上の位置（時分で表す）Ｘ軸、トーチ８のウィービ
ングの開先部幅方向（パイプ軸方向）Ｙ軸、及び溶接高
さ方向（パイプ半径方向）Ｚ軸、トーチ旋回軸Ａの各軸
についてサーボ機構を備え、計４軸は制御装置２により
制御されている。なお、二次元ウィービングとは、トー
チ８を溶接進行方向（Ｘ軸）に対して直交するＹ軸方向
およびＺ軸方向に、開先部に沿って移動させる動作をい
う。

【００１９】図４により、本実施の形態において溶接ヘ
ッド４に付属する部品について説明する。溶接ヘッド４
には、Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸毎にヘッドの位置変化を検出す
るためのエンコーダ４２ｘ，４２ｙ，４２ｚ（総称して
４２で示す）および各軸毎に設けられた機械原点（図示
せず）を検出する原点センサ４１ｘ，４１ｙ，４１ｚ
（総称して４１で示す）が取り付けられている。各軸エ
ンコーダ４２は、その軸方向のヘッド移動量に応じた個
数のパルスを発生するデバイスであり、このパルス数を
計数することにより移動量を求めることができる。但
し、Ｘ軸エンコーダ４２ｘについては、絶対値エンコー
ダにより構成し、モータへの電源オフ期間中にもその絶
対的な位置を保持することができるようにしてある。Ｙ
軸およびＺ軸については、現在位置情報が失われたとし
ても、移動のストロークが小さく、新たに機械原点を検
出・設定する手間および時間は問題にならないので、よ
り簡易なインクリメンタル（相対置）エンコーダを採用
している。各軸の原点センサ４１は、各軸における機械
的な原点を示す機械原点を検出するためのセンサであ
り、例えば、光学的なセンサを用いることができる。Ｘ
軸の機械原点は、ガイドレール１２の円周上の予め定め
た１カ所に設けられた指標であり、この例では、ガイド
レール１２の頂部において設けた光遮断部材（図示せ
ず）である。Ｙ軸の機械原点はトーチのＹ軸方向の後退
位置に設けた光遮断部材（図示せず）である。同様に、
Ｚ軸の機械原点はトーチのＺ軸方向のほぼ最上位位置に
設けた光遮断部材（図示せず）である。勿論、センサは
光学的なものに限るものではなく、例えば、近接センサ
のようなものを利用することもできる。これらの各軸の
原点を基準として、トーチの目標位置を指定することが
できる。これらの原点の検出・設定は、溶接作業の初期
作業として行われる。

【００２０】図５により、制御装置２の内部構成を説明
する。

【００２１】制御装置２は、制御部２２３、記憶部（メ
モリ）２２１、ハードディスク２２２、溶接ヘッド制御
部２３０、ＣＲＴ・キーボード２２５、パルス波形計測
部２１１を有する。

【００２２】なお、図５の制御装置２内に破線で示すよ
うに、コンピュータ１を内蔵する構成としてもよい。制
御部２２３はマイクロプロセッサにより構成することが
でき、記憶部２２１はその制御プログラムおよび各種デ
ータの格納領域、作業領域を提供するものである。ハー
ドディスク２２２は、制御プログラムや各種データ等を
不揮発的に保存する大容量の記憶装置である。具体的に
は、ハードディスク２２２には、予め定められた溶接条
件および溶接パラメータが、ロジックテーブル（後述）
としてテーブル形式で格納される。制御部２２３は、記
憶部２２１に記憶されたＣＡＤデータを読み出して溶接
条件を判定し、この溶接条件に適合する溶接パラメータ
をロジックテーブルから読み出す。さらに、この読み出
した溶接パラメータを、溶接ヘッド４及び電源装置３を
制御するための言語に変換して制御データとして制御デ
ータテーブル（図示せず）の形で記憶部２２１に記憶す
る。この制御データは後述する溶接ヘッド制御部２３０
に送られる。ＣＲＴ・キーボード２２５は、制御部２２
３と操作者との間のユーザインタフェースを提供するた
めの表示部および入力部である。溶接ヘッド制御部２３
０は、制御部２２３からの信号の送受信や、リモート操
作装置２３４との信号の送受信を行うための送受信部２
３１、溶接ヘッド４およびトーチ８の動作を制御するた
めのサーボモータの駆動指令を出力するヘッド駆動部２
３３、及び電源装置３の制御を行う電源制御部２３２を
有する。パルス波形計測部２１１は、電源装置３からの
パルス溶接電圧およびパルス溶接電流を計測するための
ハードウエア回路である。このハードウエア回路の構成
例については、図１２により後述する。

【００２３】図６に、本実施の形態におけるパイプ円周
自動溶接装置の処理のフローチャートを示す。

【００２４】図６において、まず、制御装置２におい
て、ＣＡＤデータから、パイプの口径、板厚、材質、開
先形状を読み出す（６１）。この読み出されたデータを
用いて、ロジックテーブルから、溶接条件（積層計画、
層，番地毎の電流、電圧、回転速度など）に対応した溶
接パラメータを決定する（６２、６３）。この決定され
た溶接パラメータをＮＣ言語に変換する（６４）。これ
により得られたＮＣデータは、制御データとして制御テ
ーブル（図示せず）に記憶される。また、このＮＣデー
タを用いて、電源装置や溶接ヘッドを動作させる（６５
〜６８）。この動作時に、パルス溶接電流・電圧の検出
手段を用いてヘッドの位置間隔等を検出し、動作状態が
最適状態にセットされているか否かを判定し、正規の動
作位置になっていなければ、トーチの軌跡データを補正
し、ルートギャップ幅の変化による溶接条件等も補正
し、ロジックテーブルのデータにより溶接パラメータを
再設定する。この再設定後に運転が継続され、アークの
状態を検出し設計値と比較して、随時、アーク電圧等を
制御しながら自動溶接を実行する（６９〜７２）。

【００２５】即ち、予めロジックテーブル６２に格納さ
れた溶接条件パラメータとして、溶接の各層毎に、各姿
勢毎の溶接電流、溶接電圧、ヘッドの移動速度、トーチ
の回転速度、アークのスタート、エンド位置等を読み出
し、これらの溶接条件パラメータに対して、ワイヤによ
る開先形状計測６６の結果に基づいてトーチ軌跡補正６
７およびルートギャップ幅変化による溶接条件補正６８
を行う。その後、自動運転を開始し（６９）、アークセ
ンス（溶接線倣い）、電流・電圧サンプリング、トーチ
位置（上下、左右）制御を行う（７０）。また、パルス
訛り防止制御、アーク電圧制御を行う（７１）。アーク
センスに基づいて行われるアーク倣い関連補正の詳細に
ついては、後述する。自動溶接の現在の溶接電流、電
圧、各軸位置等の各種パラメータおよび各種補正量等
は、現在の状態（ステータス）として、ＣＲＴにおける
リアルタイム表示により監視することができる（７
２）。

【００２６】図７に、ロジックテーブルの一例を示す。
これは、ウィービング停止時間の設定を定めるファイル
の例である。この他にも、各種のファイルが存在する
が、ここではこの一例のみを示す。このロジックテーブ
ルには、条件項目として、「溶接姿勢」、「層間」、
「回転速度」、「ウィーブ幅」の４つの条件について、
等しい：「＝」、等しくない：「！＝」、大きい：
「＞」、小さい：「＜」、以上：「＞＝」、以下：「＜
＝」のそれぞれの条件に適合するようにデータが収納さ
れている。

【００２７】例えば、次のような条件が与えられたとす
る。すなわち、溶接条件が上向き、層間が仕上げ、回転
速度が１００、ウィーブ幅が１０．０、とする。この条
件に適合するテーブル内容を検索して、テーブルの項目
Ｎｏ．５を選択する。これにより、回転速度が１２０以
下、ウィーブ幅が１１．０以下、左停止０．１５、中停
止０．００、右停止０．１５の各データが選択される。
これらの溶接のためのパラメータが選択されると、次に
実際のＮＣ実行制御プログラムにデータが渡される。

【００２８】図８に、ＣＡＤのプログラム項目とＮＣ制
御のプログラムの項目の対応関係を示す。初期値設定時
は、ＣＡＤ情報として、口径、開先情報、サーボパラメ
ータ、アーク倣い補正パラメータ、手直し溶接パラメー
タが設定される。これらのパラメータは、ＮＣ制御用
に、口径についてはガイドレール周回パルス数（エンコ
ーダパルス数）に変換され、開先情報についてはタッチ
センスの情報に変換される。その他の項目も、図８に示
す対応関係でＮＣ制御用に変換される。本システムは、
このようして得られたＮＣ制御データに基づいて仮の動
作を実行し、それぞれの動作に関して、その検出結果を
基に、補正が必要なものは補正を行い、実際の溶接動作
に移行する。

【００２９】このように構成することにより、人はＣＡ
Ｄデータを作成し、溶接ヘッドをパイプにセットすれ
ば、システムが自動的に溶接条件等を決定して自動的に
溶接を実行するため、人が溶接条件等を教示する必要が
なくなり、しかも溶接のバラツキが少なくなる。また、
殆どの条件をロジックテーブルという形式で記憶してい
るため、従来用いられている知識処理等の表現形式のＩ
Ｆ〜ＴＨＥＮを用いた場合に比べ条件の変更、選択理由
等も簡単に修正ができる。

【００３０】図９及び図１０により、本溶接装置で行
う、トーチの２次元ウィービングの例を説明する。図９
は、横軸を時間としてＹ軸位置およびＺ軸位置の変化を
示したものであり、図１０は、Ｘ軸方向に沿ってウィー
ビング動作の移動経路を示したものである。ウィービン
グ動作は、図のように、トーチをＹ軸およびＺ軸方向に
所定の幅・周期で往復運動させ、トーチの軌跡を波状に
するものである。この例では、前述のように、ウィービ
ングの左端（Ｌ）、中央（Ｃ）、右端（Ｒ）で一時的に
停止させている。図１０の左右での斜めの移動時の速度
と、水平移動時の速度とは別個に指定可能である。速度
は、ワイヤ先端の移動軌跡に沿った速度（接線速度）で
指定される。

【００３１】図１１は、ウィービングの指令軌跡と実際
のトーチの移動の軌跡（サーボ軌跡）とを対比して示し
たものである。図の横軸は時間、縦軸はＹ軸方向位置を
示す。図から分かるように、トーチの移動指令に対する
サーボ機構の応答の遅延に起因して、サーボ軌跡は指令
軌跡より遅れて追従している。図の例では、ウィービン
グ幅（Ｙ軸方向の移動範囲）を、右端、右、中心、左、
左端の５区間に分けて、後述する各種データのサンプリ
ングを行っている。各区間の判定は、Ｙ軸エンコーダの
出力に応じて、実際の機械的なトーチ位置を示すサーボ
軌跡を基に行われる。各区間の境界には、誤差低減のた
めに不感帯を設けてもよい。

【００３２】後述するアーク倣い関連補正では、ウィー
ビングの位置に応じて、次のようなデータを求める。

【００３３】左・中・右平滑電流値 左・中・右平滑電圧値 左端・左・中・右・右端アークショート時間 左・中・右電流パルス周期 なお、アークショートとは、溶接ワイヤ（電極）と母材
や溶融金属との間隔が短くなりすぎて、両者の間に短絡
（ショート）が生じた状態のことである。

【００３４】図１２に、計測用回路２１１のハードウエ
ア構成例を示す。

【００３５】溶接電源装置３は、溶接トーチ８に大きな
パルス電流を供給する。パルス溶接電流／電圧計測用回
路２１１は、溶接電源装置３からパルス溶接電流信号１
３およびパルス溶接電圧信号３２を得て、それぞれフィ
ルター１４および３３に入力する。なお、本明細書でい
う「電圧信号」および「電流信号」は、それらの信号が
それぞれ溶接電圧を表わす信号および溶接電流を表す信
号という意味であり、信号が電圧レベルおよび電流レベ
ルで表されるという意味ではない。通常、これらの電圧
信号および電流信号は電圧レベルで表される。

【００３６】図１３にパルス溶接電流／電圧信号の一例
（フィルター入力）を示す。同図において（ａ）は電圧
信号３２、（ｂ）は電流信号１３を示す。電圧信号３２
は、所定周期のパルス波形であり、高周波のノイズ成分
１５が重畳している。また、このパルス波形のベース電
圧部分５１には、アークショートの発生を示す電圧低下
波形部分５０が示されている。この電圧信号３２に対応
する電流信号１３も、電圧信号３２と同様に高周波ノイ
ズ成分１５を含んでいる。パルス溶接電流信号１３に
は、高周波のノイズ成分１５が重畳しており、電圧信号
３２の波形部分５０に対応した波形部分５２が示されて
いる。フィルター１４および３３は、前述したようにパ
ルス電源のパルス周波数よりも高いカットオフ周波数
（例えば４ＫＨｚ）を有するものであり、高周波のノイ
ズ成分１５を取り除き、パルス溶接電流信号１６および
パルス溶接電圧信号３４を出力する。これにより、高周
波ノイズによる電気的特性計測の誤動作を防止すること
ができる。また、このようなカットオフ周波数のフィル
ターを用いることにより、電流信号１３および電圧信号
３２のパルス波形を維持することができ、後述する方法
によりパルス単位の電気的特性の計測を可能とする。

【００３７】図１４に、フィルター１４および３３によ
り出力されるパルス溶接電流／電圧信号の一例を示す。
同図において（ａ）は電圧信号、（ｂ）は電流信号を示
す。フィルター１４、３３により電圧信号３２および電
流信号１３からそれぞれの高周波のノイズ成分１５を取
り除いたものがパルス溶接電流信号１６、パルス溶接電
圧信号３４である。同図中、Ｉ１は電流信号のピーク
値、Ｅ２は電圧信号のベース電圧、Ｔ１は電流信号（お
よび電圧信号）のパルス幅、Ｔ２は電流信号（および電
圧信号）のベース幅、Ｔ３は電圧信号（および電流信
号）のアークショート幅（アークショート時間）、Ｔ４
は電流信号（および電圧信号）の繰り返し周期、Ｈ１は
電流信号１６に対するパルス幅及びベース幅計測用スレ
ショルドレベル信号２２のレベル、Ｈ２は電圧信号３４
に対するアークショート幅計測用スレショルドレベル信
号３８のレベルである。

【００３８】アークショート幅を電圧波形から求めるの
は、アークショート波形が電圧信号の方に明確に現れや
すいからである。また、パルス幅等を電流波形から求め
るのは、電圧波形の方がベースレベルとピークレベルの
差が大きくかつ明確だからである。

【００３９】図１２の計測用回路２１１中のピークホー
ルド回路１７は、タイミング信号２０で決まる時間間隔
毎に、フィルター１４から出力されるパルス溶接電流信
号１６のピーク値を検出、保持する。このピーク値は、
タイミング信号２０にしたがってＡ／Ｄ変換回路１８に
よりディジタル信号１９に変換される。なお、タイミン
グ信号２０は、後述する割込回路２４による制御装置２
への割込に応じて制御装置２が出力する。

【００４０】コンパレータ２１は、制御装置２から与え
られるスレショルドレベル信号２２とパルス溶接電流信
号１６とを比較し（図１４（ｂ）参照）、パルス溶接電
流信号１６がスレショルドレベル信号２２を越えた時
に、その出力信号２３を低レベルとし、パルス溶接電流
信号１６がスレショルドレベル信号２２より小さくなっ
た時に、出力信号２３を高レベルとする。割込回路２４
は、出力信号２３の立ち下がりエッジで制御装置２へ割
込信号を出力する。これにより、制御装置２は、溶接電
流信号１３のパルス波形の立ち上がりを認識し、前述し
たタイミング信号２０を発生する。後述するように、こ
れを高速ウィービング時におけるアーク中溶接線倣い制
御等の処理のためのタイミングとして利用することがで
きる。出力信号２３はカウンタ２５に入力され、反転回
路２７による出力信号２３の反転信号はカウンタ３０に
入力される。カウンタ２５は、出力信号２３が高レベル
の期間（すなわち、電流信号１６がスレショルド信号２
２より低レベルの期間）、イネーブルされ、制御装置２
からのクロック信号４３を計数する。これによって、電
流信号１６の時間Ｔ２が求められ、ベース幅２６として
出力される。一方、カウンタ２５は、出力信号２３が低
レベルの期間（すなわち、電流信号１６がスレショルド
信号２２より高レベルの期間）、イネーブルされ、制御
装置２からのクロック信号４４を計数する。これによっ
て、電流信号１６の時間Ｔ１がもとまり、パルス幅３１
として出力される。このパルス幅３１に基づいて、パル
ス訛りを防止することができる。パルス周期Ｔ４は、時
間Ｔ１と時間Ｔ２の加算処理により求められる。あるい
は指令値からパルス周期を求めることもできる。後述す
るように、パルス周期は、アークショート幅とともに、
アーク中溶接線倣い制御等に利用することができる。

【００４１】コンパレータ３７は、制御装置２から与え
られるアークショート用スレショルドレベル信号３８と
電圧信号３４とを比較し（図１４（ａ）参照）、電圧信
号３４がアークショート用スレショルドレベル信号３８
より小さくなった時に、その出力信号３９を高レベルと
し、電圧信号３４がスレショルドレベル信号３８を越え
た時に、出力信号３９を低レベルとする。カウンタ４１
は出力信号３９が高レベルの期間、制御装置２からのク
ロック信号４５を計数する。これによって、電圧信号３
４の時間Ｔ３が求められ、アークショート幅４２として
出力される。なお、スレショルドレベル信号２２、アー
クショート用スレショルドレベル信号３８は、溶接作業
条件の変化（パイプ径、鋼種等）に応じて、制御装置２
により可変制御できる。なお、４６はパルス電流／電圧
計測用回路２１１と制御装置２との間の信号であり、前
述した各種の信号を含む。

【００４２】なお、高精度な計測を行うためには当然な
がら、クロック信号４３、４４、４５としては、被計測
対象の時間幅に比べて十分短い周期を有するものを用い
る。

【００４３】図１５は、図１２に示した計測用回路２１
１の各信号に関するタイミングの概要を示したものであ
る。１６、３４はフィルター１４、３３の出力で、図１
４に示したものと同じである。このフィルター１４から
出力される電流信号１６の立ち上がりエッジでコンパレ
ータ２１の出力信号２３が立ち下がり、これにより前述
した割込回路２４が制御装置２に割込をかける。制御装
置２はこれに応答してタイミング信号２０を発生する。
このタイミング信号２０により、ピークホールド回路１
７の出力がリセットされ、続いて、次のタイミング信号
２０発生までの間、信号１６のピーク値を検出し保持す
る。この例では、ピーク値は信号１６のパルスの高レベ
ルの値であり、これが次のタイミングパルス信号２０の
発生まで保持される。コンパレータ２１の出力信号２３
は、電流信号１６のベース幅時間Ｔ２の期間高レベルと
なり、この期間が前述のようにカウンタ２５により計測
される。反転回路２７の出力信号２８は出力信号２３を
反転した波形であり、その高レベル期間が電流信号１６
のパルス幅時間Ｔ１に相当する。この時間Ｔ１は、前述
のようにカウンタ３０により計測される。コンパレータ
３７の出力信号３９は、電圧信号３４のアークショート
時間Ｔ３の間、高レベルとなり、この時間Ｔ３が前述し
たカウンタ４１により計測される。

【００４４】なお、図示の例では、アークショート幅
と、パルス幅・パルス周期の計測を同じ低域通過フィル
ターの出力で行ったが、パルス幅・周期の方を若干低い
カットオフ周波数（例えば１ｋＨｚ）の別のフィルター
を用いて、ノイズによる誤動作を低減するようにしても
よい。

【００４５】また、図示しないが平滑電流、平滑電圧を
計測するためには、従来と同様、低いカットオフ周波数
（例えば１０Ｈｚ）の低域通過フィルターを用いて、計
測することができる。アーク出力指令による実際のアー
ク出力電流・電圧値と、波形計測から得られる電流・電
圧値には、溶接電源の出力波形の特性によって、差が存
在する。そのため、次式に示すように、各種サンプリン
グ処理にて算出したデータに、予め求めた電流・電圧差
を考慮して補正を加えた値を、電流・電圧フィードバッ
ク値として用いる。

【００４６】Ｉｆｂ＝Ｉａｄ＋ＩＯＦＳｍｏｄ Ｖｆｂ＝Ｖａｄ＋ＶＯＦＳｍｏｄ ここに、Ｉｆｂは、電流フィードバック値、Ｖｆｂは電
圧フィードバック値、Ｉａｄは計測電流値、Ｖａｄは計
測電圧値、ＩＯＦＳｍｏｄは電源モードによって変わる
電流誤差、ＶＯＦＳｍｏｄは電源モードによって変わる
電圧誤差である。

【００４７】後述するアーク倣い補正、アーク電圧調整
等の制御は、この補正後の電流・電圧フィードバック値
を用いて行う。以下の説明における電流値および電圧値
は、特に言及しなくても、この補正後のものである。

【００４８】次に、本発明による各種アーク倣い補正に
ついて、以下に説明する。溶接電流、溶接電圧の計測に
基づく各種データのサンプリングは、平均電流・電圧値
計測処理／パルス波形計測処理と、インターバルタイマ
処理の２段階で行う。平均電流・電圧計測処理は、一定
周期（例えば１ｍｓ）毎に起動される処理であり、前述
した低いカットオフ周波数にて平滑化された電流電圧フ
ィードバック値を読み出し、前記誤差を加味した値を求
める。パルス波形計測処理は、フィードバックパルス周
期（計測されたパルス周期）毎に起動され、前述した溶
接電流電圧波形に基づいて検出されたピーク電流・電圧
値、パルス周期、ピークパルス幅、アークショート時間
を読み出す。インターバルタイマ処理は、一定周期（例
えば４ｍｓ）毎に起動され、パルス波形計測処理より出
力される電流・電圧・アークショート時間値を平均化す
る。このインターバルタイマ周期は、サーボ制御周期と
も呼ぶ。また、ウィービング動作中は、ウィービング位
置に応じて、右端、右、中、左、左端の各区間の各種平
均値を求める。ウィービング動作中でない場合は、３２
ｍｓ分（８個）のデータの平均化を行う。

【００４９】図１６は、パルス溶接電流１３の計測結果
に基づいて左右アーク倣い補正量、上下アーク倣い補正
量を得るための手順およびそのために用いる信号を示す
ものである。

【００５０】＜左右アーク倣い＞左右アーク倣いは、開
先内での単一パス（１層を１回のパスで溶接）にて、ト
ーチのウィービング中心が正確に開先中心を通るように
するため、ウィービングの両端（左端、右端）の電流パ
ルス周期を検出して、両者が同じになるように制御する
ものである。ウィービングの中心が開先に対してずれる
と、左右端でトーチと開先壁との間隔が異なり、両者の
電流値が異なる。この電流値を確認することによりウィ
ービング中心のずれを検出することができる。しかし、
平滑電流１２２は前述のように低いカットオフ周波数で
平滑したものであり、この信号からは左右端の電流値を
精度よく求めることができない。そこで、本例では、電
流パルス周期と電流値とは比例することに着目し、パル
ス周期に基づいて電流値を推測するようにしたものであ
る。なお、この前提条件として、本例では、ウィービン
グ周期５０ｍｓ以上（周波数２０Ｈｚ以下）、ウィービ
ングＹ軸速度５ｍ／分以下、電流パルス周期１ｍｓ以下
を想定している。

【００５１】具体的には、より高精度に左右電流値を求
めるために、まず、前記平滑電流１２２からウィービン
グ１周期内の水平移動部分（左端右端を除く）の全サン
プリングポイントの平滑電流値を平均した平均電流値１
３５を求める。水平部分としたのは、この部分で比較的
にアークが安定だからである。一方、パルス電流１３の
電流波形からピーク電流値、パルス周期、パルス幅、ア
ークショート時間（１２３）を求める。さらに、ウィー
ビング１周期内の水平移動部分の全パルス周期を平均し
た平均パルス周期１５０を求める。この平均パルス周期
１５０と、前記平均電流値１３５とから、パルス周期−
電流値変換係数１２６を次式により求める。

【００５２】周期−電流値変換係数ＴＡＲ＝Ｉａｖ／Ｔ
ａｖ（Ａ／ｍｓ） ここに、Ｉａｖは平均電流値、Ｔａｖは平均周期を示
す。

【００５３】電流波形１２３から、ウィービング区間に
従い、左電流パルス周期および右電流パルス周期１２７
を求める。全体的な傾向にて制御を行うため、左右とも
最左端、最右端を含む数ポイントの電流パルス周期を平
均化する。平均化するポイント数は、ウィービング周期
により可変とする。例えば、ウィービング周期（Ｈｚ）
が１Ｈｚ未満なら３２ポイント、２Ｈｚ未満なら１６ポ
イント、４Ｈｚ未満なら８ポイント、１６Ｈｚ未満なら
２ポイント、１６Ｈｚ以上ならば１ポイントというよう
に可変とする。

【００５４】そこで、次式により、左電流値および右電
流値１２８を求める。

【００５５】左電流値Ｅｌ＝Ｔｌ・ＴＡＲ 右電流値Ｅｒ＝Ｔｒ・ＴＡＲ ここに、ＴｌおよびＴｒは、それぞれ右電流周期および
左電流周期（ｍｓ）を表す。この左右電流値１２８は前
述したステータス情報として表示される。

【００５６】このようにして求められた前回のウィービ
ングの左右電流値１２８を用いて、両電流値が均等にな
るように、今回のウィービングの中心位置をずらすよう
トーチの位置制御を行う（１２９，１３０）。この補正
量分の移動は、１ウィービング周期全体にかけて、サー
ボ制御周期毎に徐々に行う。すなわち、一度に補正量分
の移動を行うのではなく、１ウィービング周期内に分散
させて小刻みに移動させる。分散した個々の移動量は、
１ウィービング周期内に何回のサーボ制御周期があるか
が分かるので、その回数で全補正量を分割した量とす
る。このように一度に一括して全補正量分の移動を行わ
ないのは、一度に大きな左右方向の移動を行うとアーク
に大きな影響が現れ、左右アーク倣い補正に起因して左
右のアークのバランスが崩れてしまうという事態が生じ
るからである。例えば、中央から左側へ移動を始めるウ
ィービングの開始時に一括して移動を行うと、左側のみ
がその影響を受け、右側との間でアンバランスとなるか
らである。

【００５７】なお、溶接条件によって左右電流値１２８
が不均一になることを考慮して、左右電流差の評価時に
は後述するようにオフセットＡｏを加味する。また、電
流波形の信頼性を考慮して微小の左右電流差に対して反
応しないようにする不感帯を設ける。この不感帯幅は、
ウィービング幅に応じて変化させることが好ましい。ま
た、左右アーク倣い補正の誤動作が発生している状態
で、無制限にアーク倣い補正が作動するのを防ぐため、
左右アーク倣い補正量の左右補正リミットＬＭＴｌ，Ｌ
ＭＴｒ（μｍ）を設ける。左右電流差Ａｄおよび今回補
正量ΔＹｎは、次式で求められる。

【００５８】Ａｄ＝Ｅｌ−Ｅｒ ｜Ａｄ＋Ａｏ｜＞＝ＮＳＢｌｒの場合、 ΔＹｎ＝（Ａｄ＋Ａｏ）・Ｇｌｒ ΔＹｎ＞０かつ｜Σ（ΔＹ）＋ΔＹｎ｜＞＝ＬＭＴｒの
場合、 ΔＹｎ＝ＬＭＴｒ−Σ（ΔＹ） ΔＹｎ＜０かつ｜Σ（ΔＹ）＋ΔＹｎ｜＞＝ＬＭＴｌの
場合、 ΔＹｎ＝ＬＭＴｌ−Σ（ΔＹ） ここに、ＮＳＢｌｒは不感帯幅（Ａ）、Ｇｌｒは左右ア
ーク倣いゲイン（μｍ／Ａ）、Σ（ΔＹ）は前回までの
補正量の積算値（μｍ）を表す。左右電流オフセット、
不感帯幅、左右アーク倣いゲイン、左右補正リミットの
各値は、予め指定された値である。

【００５９】なお、左右アーク倣いとは関係ないが、電
流波形１２３のアークショート時間が予め定められた許
容時間以上になることでアーク切れを検出する（１３
１）。このアーク切れ発生位置（Ｘ軸位置）はアーク切
れ発生位置テーブルに記録する（１３２）。

【００６０】＜上下アーク倣い＞上下アーク倣いは、指
令電流値と計測した電流値とが一致するように、トーチ
の上下方向位置を補正するものである。前述のように、
トーチと開先壁との間隔が異なると電流値が変わるの
で、これを利用する。原則的には、電流値が指令電流値
よりも高くなったときはトーチが低すぎてワイヤ突き出
し長さが短くなっているものと判断し、トーチを上げ
る。逆に、電流値が指令電流値よりも低くなったときは
トーチが高すぎてワイヤ突き出し長さが長くなっている
ものと判断し、トーチを下げる。

【００６１】具体的には、前述と同様の平滑電流１２２
から求めた平均電流１３５から上下アーク倣い補正を指
示する（１３６）。この場合も、指令電流差に対する不
感帯を設ける。また、上下アーク倣い補正の誤動作が発
生している状態で無制限にアーク倣い補正が作動するの
を防止するため、上下アーク倣い補正量の補正リミット
を設ける。

【００６２】今回補正量ΔＺｎは次のようにして求めら
れる。

【００６３】｜Ａｄ｜＞＝ＮＳＢｕｄの場合、 ΔＺｎ＝Ａｄ・Ｇｕｄ ΔＺｎ＞０かつ｜Σ（ΔＺ）＋ΔＺ｜＞＝ＬＭＴｕの場
合、 ΔＺｎ＝ＬＭＴｕ−Σ（ΔＺ） ΔＺｎ＜０かつ｜Σ（ΔＺ）＋ΔＺ｜＞＝ＬＭＴｄの場
合、 ΔＺｎ＝ＬＭＴｄ−Σ（ΔＺ） ここに、Ａｄは指令電流差（Ａ）、ＮＳＢｕｄは不感帯
幅（Ａ）、Ｇｕｄは上下アーク倣いゲイン（μｍ／
Ａ）、Σ（ΔＺ）は前回までの補正量の積算値（μ
ｍ）、ＬＭＴｕ，ＬＭＴｄは上下補正量リミット（μ
ｍ）を表す。不感帯幅、上下アーク倣いゲイン、及び上
下補正量リミットは、予め指定された値である。

【００６４】このようにしてあるウィービング周期期間
に上下アーク倣い補正量ΔＺｎを求め、次のウィービン
グの開始点で、一度にその補正量だけトーチを上下移動
させる（１３７）。このように一度に補正を行うのは、
上下方向へのトーチの補正を左右アーク倣いのように分
散させて異なるＹ軸位置で補正を行うと却って左右のア
ンバランスが生じるからである。

【００６５】一方、電流波形１２３からアーク鈍り検出
１３３を行う。アーク鈍りとは、抵抗値等の影響により
電流のパルス波形が鈍る（立ち上がり立ち下がり速度が
低下してパルス幅が広がる）ことをいう。アーク鈍りの
一因は、ワイヤの突き出し長さが大となりアーク長が長
くなることである。これによってシールドガスが溶融池
まで届かない等の理由により正常なパルス溶接ができな
くなる。そこで、サーボ制御周期毎に、パルス幅または
パルスピーク値に基づいてアーク鈍りが発生しているか
否かをチェックする。すなわち、今回電流パルス幅が、
予め定められた許容値より大きくなったときにアーク鈍
りが発生したと判定する。許容値は、指令パルス幅に対
する割合（％）で指定することもできる。

【００６６】具体的には、今回のパルス幅ＰＷｎが次式
を満たすことで検出する。

【００６７】ＰＷｎ＞＝ＰＷｌｉｍ または、 ＰＷｎ／ｔｐ＞＝ＰＲａｔ ここに、ＰＷｌｉｍは予め指定されたパルス幅上限値、
ｔｐは指令パルス幅、ＰＲａｔは予め指定されたパルス
幅比上限値を示す。パルス幅の単位は０．０１ｍｓであ
る。

【００６８】アーク鈍りの検出時に、予め指定された速
度Ｖｓでトーチを下げていくよう指示する（１３４）。
これにより、ワイヤの突き出し長さが減少し、抵抗が減
少して鈍りが収まる。アーク鈍り補正は、今回電流パル
ス幅が鈍り検出値以下である状態が一定時間続いたとき
に終了する。

【００６９】なお、アーク鈍り補正を行っているときに
は、上下アーク倣い補正１３６は無効とする（１４
９）。

【００７０】また、アークスタート時の異常電流値が計
測されることによる悪影響を回避するため、アークスタ
ート時は指定された時間だけアーク鈍り補正を無効とす
る。トーチの補正幅はプログラム／パラメータにより指
定する。

【００７１】平均電流１３５は、ステータスデータとし
て表示される（１４８）。

【００７２】次に、図１７に、パルス溶接電圧３２の計
測結果に基づくアーク電圧の調整（補正）、ウィービン
グ幅の補正、ウィービング軌跡補正の手順およびそのた
めに用いる信号を示す。

【００７３】＜アーク電圧調整＞アーク電圧調整は、溶
接作業時の環境条件によるアーク電圧の変動を吸収する
ために、アーク電圧を自動調整するものである。具体的
には、パルス電圧３２を低いカットオフ周波数でフィル
タリングした平滑電圧１２４をサンプリングし、ウィー
ビングの半周期の間にサンプリングしたすべてのデータ
を平均化して平均電圧１３８を求める。

【００７４】一方、パルス電圧３２の電圧波形１２５か
らアークショート時間を求める。さらに、ウィービング
１周期の水平移動部分で検出されたすべてのアークショ
ート時間を平均化して平均アークショート時間１３９を
求める。この平均アークショート時間が適正な値になる
ように電圧指令を調整する（１４０）。すなわち、ＡＳ
ｎ＞ＡＳＶｕｐの場合、 ＡＳｄ＝ＡＳｎ−ＡＳＶｕｐ ＡＳｎ＜ＡＳＶｌｏの場合、 ＡＳｄ＝ＡＳｎ−ＡＳＶｌｏ ここにＡＳｎは今回アークショート時間、ＡＳＶｕｐは
許容アークショート上限値、ＡＳｄは今回アークショー
ト時間差、ＡＳＶｌｏは許容アークショート下限値であ
る。これらの単位は０．００１ｍｓである。

【００７５】これらより、今回電圧調整量ΔＶｎ（単位
は０．１Ｖ）は、次式で求められる。

【００７６】ΔＶｎ＝ＡＳｄ・Ｇａｓ ここに、Ｇａｓは電圧計算係数（単位は０．１Ｖ／ｍ
ｓ）である。

【００７７】アーク電圧調整（１４１）では、指令電圧
（アーク長補正量ΔＶｎを含む）と、測定した平均電圧
１３８が一致するように電圧指令を調整する。ここでア
ーク電圧調整の誤動作が発生している状態で無制限にア
ーク電圧調整が動作するのを防ぐため、電圧調整量のリ
ミットを設ける。

【００７８】ΔＶｎ＝（Ｖｃ＋Ｖａｌ）−Ｖｆｂ ここに、Ｖｃは指令電圧値、Ｖａｌはアーク補正量、Ｖ
ｆｂは出力電圧（フィードバック）値である。

【００７９】但し、ΔＶｎ＞ΔＶｍａｘの場合、 ΔＶｎ＝ΔＶｍａｘ ここに、ΔＶｍａｘは許容される１回の最大電圧調整量
である。

【００８０】また、Ｖｌｏ＜＝ΔＶｎ＜＝Ｖｕｐの場
合、 ΔＶｎ＝０ とする。

【００８１】ΔＶｎ＞０かつ｜Σ（ΔＶ）＋ΔＶｎ｜＞
＝ＶＬＭｕの場合、 ΔＶｎ＝ＶＬＭｕ−Σ（ΔＶ） ΔＶｎ＜０かつ｜Σ（ΔＶ）＋ΔＶｎ｜＞＝ＶＬＭｄの
場合、 ΔＶｎ＝ＶＬＭｄ−Σ（ΔＶ） ここに、Σ（ΔＶ）は前回までの電圧調整量の積算値、
ＶＬＭｕは最大電圧調整量（増）、ＶＬＭｄ最大電圧調
整量（減）を示す。

【００８２】このようにしてアーク電圧調整量ΔＶｎを
求め、ウィービング半周期毎に、ウィービングの中央の
位置で電圧を修正する（１４２）。

【００８３】＜ウィービング幅補正＞ウィービング幅補
正は、開先幅に対してウィービング幅を適切なものとす
るためのものであり、ウィービングの水平移動部分の幅
を左右独立に変更する。なお、前記左右アーク倣いもウ
ィービングを左右方向の移動量を補正するものである
が、左右アーク倣いは前述したようにパルス電流１３に
基づく左右電流値１２８に従って行うものである。一
方、ウィービング幅補正は、パルス電圧３２に基づく左
右端アークショート時間１４３に従って行うものであ
り、両補正は別個独立に機能する。また、左右アーク倣
いがウィービング全体に対して働くのに対して、ウィー
ビング幅補正は左右のウィービング幅を別個に調整する
ことができる点で両補正は異なる。

【００８４】ウィービング幅補正は、基本的には、左端
アークショート時間および右端アークショート時間を上
限許容値および下限許容値と比較して、許容値から外れ
ている場合に左右のウィービング幅を増減する。すなわ
ち、左端アークショート時間が上限許容値より大となっ
た場合、左ウィービング幅を狭め、下限許容値より小と
なった場合、広げる。他方、右端アークショート時間が
上限許容値より大となった場合、右ウィービング幅を狭
め、下限許容値より小となった場合、広げる。このウィ
ービング幅変更後に左右のウィービング幅が非対称とな
った場合、論理的なウィービング中心点をずらして左右
のウィービング幅が対称となるようにする。また、ウィ
ービング幅変更後のウィービング周期が変化しないよう
にウィービング速度を併せて調整する。

【００８５】具体的には、電圧波形１２５から、左端お
よび右端のウィービング区間に該当するポイントのアー
クショート時間を取り出し、平均化して左端アークショ
ート時間および右端アークショート時間１４３を求め
る。平均化のポイント数は、左右電流パルス周期１２７
と同様に、ウィービング周期に応じて可変とすることが
できる。

【００８６】このようにして得られたアークショート時
間１４３を個別に、予め定められた上限／下限許容値と
比較して、以下のようにウィービング幅を補正する（１
４４）。この左右のウィービング幅の変更は、前記左右
アーク倣いのようなシフト量による補正ではなく、ウィ
ービング中心点から左右端のウィービングの目標点位置
を変更するものである。

【００８７】i) 左端アークショート時間が上限許容値
より大の場合、トーチが左に寄りすぎていると判断し
て、左ウィービング幅を狭くし、 ii) 左端アークショート時間が下限許容値および上限許
容値の中間にある場合には何もせず、 iii) 左端アークショート時間が下限許容値より小の場
合、トーチが左に寄り足りないと判断して、左ウィービ
ング幅を広くし、同様に、 iv) 右端アークショート時間が上限許容値より大の場
合、右ウィービング幅を狭くし、 v) 右端アークショート時間が下限許容値および上限許
容値の中間にある場合には何もせず、 vi) 右端アークショート時間が下限許容値より小の場
合、右ウィービング幅を広くする。

【００８８】ウィービング幅補正の誤動作が発生してい
る状態で無制限にウィービング幅補正が作動するのを防
ぐため、補正量のリミットを設ける。

【００８９】ウィービング幅変更時の今回の変更量ΔＷ
ｎ（μｍ）は、以下のとおりである。

【００９０】i) アークショート時間ＡＳｎ＞上限値Ａ
Ｓｕｐの場合、 ΔＷｎ＝（ＡＳｕｐ−ＡＳｎ）・Ｇｗｍ 但し、｜Σ（ΔＷ）＋ΔＷｎ）｜＞＝ＷＬＭｅの場合、 ΔＷｎ＝ＷＬＭｅ−Σ（ΔＷ） ここに、ＡＳｎは今回アークショート時間、Ｇｗｍはウ
ィービング幅変更係数（μｍ／ｍｓ）、Σ（ΔＷ）は前
回までのウィービング幅変更量の積算値、ＷＬＭｅは最
大ウィービング幅変更量（広げる側）である。

【００９１】ii) アークショート時間ＡＳｎ＞下限値Ａ
Ｓｄｎの場合、 ΔＷｎ＝（ＡＳｄｎ−ＡＳｎ）・Ｇｗｍ 但し、｜Σ（ΔＷ）＋ΔＷｎ）｜＞＝ＷＬＭｓの場合、 ΔＷｎ＝ＷＬＭｓ−Σ（ΔＷ） ここに、ＷＬＭｓは最大ウィービング幅変更量（狭める
側）である。

【００９２】なお、ＡＳｕｐ，ＡＳｄｎ，Ｇｗｍ，ＷＬ
Ｍｅ，ＷＬＭｓは予め指定される値である。

【００９３】このようにウィービング幅の調整を行った
結果、左右ウィービング幅が非対称になった場合、ウィ
ービング中心点を次式に従ってずらしてウィービングが
対称になるようにする。但し、これは制御装置の認識す
る論理的な中心点であって、トーチの移動に対する直接
的な制御ではないことに留意されたい。

【００９４】ΔＷｃ＝（ΔＷｒ−ΔＷｌ）／２ ここに、ΔＷｃはウィービング中心位置変更量（μ
ｍ），ΔＷｒは右ウィービング幅変更量、ΔＷｌは左ウ
ィービング幅変更量である。

【００９５】さらに、ウィービング幅の調整を行った結
果、全体のウィービング幅が変わった場合、ウィービン
グ周期を一定にするため、次式に従ってウィービング速
度を変更する。

【００９６】ＫＦ＝（Ｗ＋ΔＷ）／Ｗ ＮＦｗ＝ＫＦ・Ｆｗ ここに、ＫＦはウィービング速度変更係数、Ｗはウィー
ビングの水平部分の幅（μｍ）、ΔＷはウィービング幅
変更量、Ｆｗはウィービングの水平部分の速度、ＮＦｗ
は変更後のウィービングの水平部分の速度（μｍ／ｓｅ
ｃ）である。

【００９７】＜ウィービング軌跡補正＞ウィービング軌
跡補正は、溶接面、特に不規則なビード形状に対して、
トーチのウィービング軌跡（ここではＺ軸位置）を適切
なものとするためのものであり、ウィービング軌跡の補
正は、ウィービング水平移動部分の左・中・右のＺ軸高
さをそれぞれ独立して変更可能とすることにより行う。
なお、前述した上下アーク倣いもトーチのＺ軸位置を制
御するものであったが、上下アーク倣いが用いる信号は
平滑電流１２２の平均電流値１３５であるためその補正
はウィービング幅全域に対するものであるのに対し、ウ
ィービング軌跡補正は、ウィービング幅内での左・中・
右の各区間での微調整を行うことを可能とするものであ
る。

【００９８】ウィービング軌跡補正は、原理的には、パ
ルス電圧３２に基づく電圧波形１２５から左・中・右
（ウィービングの水平移動部分）の各アークショート時
間を求め（１４５）、これらの上限および下限許容値と
の比較結果により、左・中・右の各ウィービング高さを
調整するものである。アークショート時間を見るのは、
トーチがビード面に接近しすぎているか否かを判定する
ためである。また、パルス電流１３に基づく電流波形１
２３から左・中・右の各電流周期比を求め（１４６，１
５０，１５１）、これによっても左・中・右の各ウィー
ビング高さを調整する。パルス電流周期比を見るのは、
トーチがビード面から離れすぎているか否かを判定する
ためである（これはアークショート時間では判定できな
い）。

【００９９】左・中・右の各アークショート時間１４５
としては、各区間内の数ポイントのアークショート時間
を平均化したものを用いる。その平均化数は、前述した
ようにウィービング周期に応じて可変である。アークシ
ョート時間が大き過ぎれば、トーチがビード面に近づき
すぎていると判断し、トーチを上げるよう制御する。一
方、平均パルス周期１５０は、前述した左右アーク倣い
の場合と同じく、ウィービング１周期内の水平移動部分
の全パルス周期を平均したものである。左・中・右電流
パルス周期１４６は、ウィービングの水平移動部分で検
出された電流パルス周期を、各区間毎にその数ポイント
のパルス周期を平均化したものである。この場合も、平
均化数はウィービング周期に応じて可変とする。平均パ
ルス周期１５０に対する左・中・右電流パルス周期１４
６の比率を左・中・右パルス周期比１５１として求め
る。パルス周期比が大き過ぎれば、トーチがビード面か
ら離れすぎていると判断し、トーチを下げるよう制御す
る。

【０１００】具体的には、ウィービング軌跡補正１４７
では、左・中・右の各アークショート時間１４５と、各
パルス周期比１５１とに応じて、以下のようにウィービ
ング高さを補正する。

【０１０１】i) 左アークショート時間が上限値を超え
る場合には、ウィービング左高さを高くし、 ii) 左電流パルス周期比が上限値以下、かつ、左アーク
ショート時間が上限値以下の場合、ウィービング左の高
さを変更せず、 iii) 左電流パルス周期比が上限値を超える場合、ウィ
ービング左高さを低くし、 iv) 中アークショート時間が上限値を越える場合、ウィ
ービング中心高さを高くし、 v) 中電流パルス周期比が上限値以下、かつ、中アーク
ショート時間が上限値以下の場合、ウィービング中心の
高さを変更せず、 vi) 中電流パルス周期比が上限値を超える場合、ウィー
ビング中心高さを低くし、 vii) 右アークショート時間が上限値を越える場合、ウ
ィービング右高さを高くし、 viii) 右電流パルス周期比が上限値以下、かつ、右アー
クショート時間が上限値以下の場合、ウィービング右の
高さを変更せず、 ix) 右電流パルス周期比が上限値を超える場合、ウィー
ビング右高さを低くする。

【０１０２】ウィービングの左・中・右の高さ変更時の
今回変更量ΔＺは以下のように決定される。なお、ウィ
ービング軌跡補正の誤動作が発生している状態で、無制
限にウィービング軌跡補正が動作するのを防ぐために補
正量のリミットを設けている。

【０１０３】i) ウィービング高さを上げる場合、次の
ように、アークショート時間から補正量を計算する。

【０１０４】ΔＺｎ＝（ＡＳｕｐ−ＡＳｎ）・Ｇｕｐ 但し、｜Σ（ΔＺｎ）＋ΔＺｎ｜＞＝ＺＬＭｕの場合、 ΔＺｎ＝ＺＬＭｕ−Σ（ΔＺｎ） ここに、ＡＳｕｐはアークショート時間上限値、ＡＳｎ
は今回左・中・右アークショート時間、Ｇｕｐは上方向
ウィービング高さ変更係数（μｍ／ｍｓ）、Σ（ΔＺ
ｎ）は前回までのウィービング高さ変更量（μｍ）、Ｚ
ＬＭｕは上方向最大ウィービング高さ変更量である。

【０１０５】ii) ウィービング高さを下げる場合、電流
パルス周期から補正量を計算する。

【０１０６】ΔＺｎ＝（ＡＰｕｐ−ＡＰｎ）・Ｇｄｎ 但し、｜Σ（ΔＺｎ）＋ΔＺｎ｜＞＝ＺＬＭｄの場合、 ΔＺｎ＝ＺＬＭｄ−Σ（ΔＺｎ） ここに、ＡＰｕｐは電流パルス周期上限値、ＡＰｎは今
回左・中・右電流パルス周期、Ｇｄｎは下方向ウィービ
ング高さ変更係数（μｍ／ｍｓ）、ＺＬＭｄは下方向最
大ウィービング中心高さ変更量である。

【０１０７】このようなウィービング軌跡補正を行った
結果、全体のウィービング軌跡が変わった場合、ウィー
ビング周期を一定にするために、次のように、ウィービ
ング速度を変更する。

【０１０８】ＷＬｎ＝（（ＷＬ／２）・（ＷＬ／２）＋
（ΔＺｌ）（ΔＺｌ））＋（（ＷＬ／２）・（ＷＬ／
２）＋（ΔＺｒ）（ΔＺｒ）） ＬＦ＝ＷＬｎ／ＷＬ ＮＦｗ＝ＫＦ・Ｆｗ ここに、ＷＬｎは軌跡補正後のウィービング水平部分の
移動距離、ＷＬは指令されたウィービングの水平部分の
移動距離、ΔＺｌは左ウィービング差高、ΔＺｒは右ウ
ィービング差高、ＫＦはウィービング速度変更係数、Ｆ
ｗはウィービングの水平部分の速度、ＮＷＦｗは変更後
のウィービングの水平部分の速度である。

【０１０９】平均電圧１３８、平均アークショート時間
１３９、左・中・右アークショート時間１４５、左・中
・右パルス周期１４６はステータス表示される。

【０１１０】以上のように、各層毎の上下左右アーク倣
い補正、ウィービング幅・軌道補正等を行うことによ
り、開先幅変動、特に開先幅の広いものについても十分
アークを追従させ、溶着量を増加させ、ビードの形状を
平坦にでき、また、ブローホール、アンダーカット等も
防止できる効果がある。

【０１１１】以上、本発明の好適な実施の形態について
説明したが、システム構成および処理の具体的内容は例
示であり、請求の範囲を逸脱することなく種々の変形・
変更が可能である。例えば、上記説明中で挙げた具体的
な各種数値は単なる例示であり、本発明を限定するもの
ではない。

【０１１２】

【発明の効果】本発明によれば、高速ウィービングを行
いながら鋼管の円周自動溶接を行うパイプ円周自動溶接
装置の制御を高精度に行うことが可能となる。すなわ
ち、計測したパルス溶接電流および電圧から求めた、１
ウィービング周期内のウィービングの左・中・右のアー
クショート時間およびパルス周期比を次のウィービング
周期のウィービング軌跡に反映させることができるの
で、極めて高精度でかつ応答性の高いきめ細かな補正を
行うことができる。したがって、ビード形状の変化に対
しても即応することが可能となる。

【０１１３】

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係るパイプ円周自動溶接装置の概略
構成を示す構成図である。

【図２】 図１の溶接装置の各部の電器的接続関係の説
明図である。

【図３】 図１の溶接装置におけるヘッドおよびトーチ
の動作の説明図である

【図４】 図１の溶接装置におけるヘッドの付属部品の
説明図である。

【図５】 図１の溶接装置の制御装置の内部構成を示す
ブロック図である。

【図６】 図１の溶接装置の処理のフローチャートを示
す。

【図７】 図６に示した処理で用いられるロジックテー
ブルの一例の説明図である。

【図８】 図６に示した処理で用いられるＣＡＤとＮＣ
の制御項目の対応関係の説明図である。

【図９】 図１の溶接装置で行われるウィービング動作
におけるトーチ位置の時間的変化を示すタイミング図で
ある。

【図１０】 図９のウィービング動作におけるトーチの
軌跡の説明図である。

【図１１】 ウィービング動作における指令軌跡とサー
ボ軌跡の関係を示すタイミング図である。

【図１２】 図５に示したパルス波形計測部２１１の構
成例を示すブロック図である。

【図１３】 図１２の電圧信号及び電流信号を示す波形
図である。

【図１４】 図１２のフィルタリング後の電圧信号及び
電流信号を示す波形図である。

【図１５】 図１２のパルス波形計測部の動作を説明す
るためのタイミング図である。

【図１６】 本発明によるアーク倣い関連補正の説明図
である。

【図１７】 本発明による他のアーク倣い関連補正の説
明図である。

【符号の説明】

１…コンピュータ、２…制御装置、３…電源装置、４…
ヘッド、５…パイプ、６…ワイヤ供給部、７…ワイヤ、
８…溶接トーチ、１２…ガイドレール、１６…電流信
号、３２…電圧信号、９１…アーク、９２…溶着金属、
９３…開先、４１…センサ、４２…エンコーダ、２１１
…パルス波形計装部、２２１…記憶部、２２２…ハード
ディスク、２２３…制御部、２２５…ＣＲＴ，キーボー
ド、２３０…溶接ヘッド制御部、２３１…送受信部、２
３２…電源制御部、２３３…ヘッド駆動部、２３４…リ
モート操作装置、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 壬生 生男 茨城県那珂郡那珂町菅谷2982−３ (72)発明者 前田 謙一 茨城県常陸太田市天神林町1225−47

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】突き合わせて固定されている２本のパイプ
   の端面をパルスＭＡＧ溶接法により全周溶接する際、パ
   イプの開先に沿ってパイプ円周の接線に直交する左右方
   向および上下方向にトーチの２次元ウィービングを行う
   自動溶接装置のウィービング軌跡補正方法であって、 計測したパルス溶接電圧に基づいて、１ウィービング周
   期内に、ウィービングの水平移動部分における左・中・
   右の各区間のアークショート時間の平均値を求め、 計測したパルス溶接電流に基づいて、１ウィービング周
   期内に、ウィービングの水平移動部分における左・中・
   右の各区間の電流パルス周期の平均パルス周期に対する
   左・中・右の各区間のパルス周期比を求め、 前記各区間において、当該アークショート時間が予め定
   められた上限値より大きい場合に当該区間のトーチ高さ
   を高くするとともに、当該パルス周期比が予め定められ
   た上限値より大きい場合に当該区間のトーチ高さを低く
   するよう、ウィービング軌跡を補正することを特徴とす
   るパイプ円周自動溶接装置のウィービング軌跡補正方
   法。
2. 【請求項２】トーチ高さを上げるようウィービング軌跡
   を補正する場合、前記アークショート時間が前記上限値
   を超えた量に応じてその補正量を決定し、トーチ高さを
   下げるようウィービング軌跡を補正する場合、前記パル
   ス周期比が前記上限値を超えた量に応じてその補正量を
   決定することを特徴とする請求項１記載のパイプ円周自
   動溶接装置のウィービング軌跡補正方法。
3. 【請求項３】前記ウィービング軌跡の補正により、全体
   のウィービング軌跡が変わった場合、ウィービング周期
   を一定とするために、全体のウィービング軌跡の変化量
   に応じてウィービング速度を変更することを特徴とする
   請求項１または２記載のパイプ円周自動溶接装置のウィ
   ービング軌跡補正方法。