JPS6043230B2 - 自動溶接予熱制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は溶接時に母材を予熱する場合、母材の温度上
昇に応じてバーナの火力を昇温時と予熱時との２段階に
切換え、更には母材の中央部と端部とを個別に加熱し、
各温度段階に応じた母材の加熱を行うことにより母材の
熱膨張による歪みの発生などを回避して母材の品質向上
を図つた溶接予熱の制御装置に関する。

＜従来技術と問題点＞ 従来、第１、２図に示すように長尺平板、単胴等の母
材を溶接する場合、一連の主バーナ２で母材の裏面を、
また母材の表面を補助バーナ３で溶接適性温度まで予熱
昇温させた後、この溶接適性温度を保持しながら溶接機
５により溶接を施行していた。

この母材を溶接適性温度に予熱するための加熱源として
はプロパンガス等が使用されており、前記溶接適性温度
の保持・調整操作は現場作業員の経験に依存して手動で
加熱源のガス流量等を調節している現状にある。 母材
の適切な溶接を行うためには次のような予熱条件を考慮
することが必要である。

（１）溶接点適性温度は母材の材質、溶接方法に適 し
た温度に維持すること。

例えば母材に２１１４％Ｃｒ、１％Ｍｏ鋼を使用したと
すれば溶接点適性温度は２００〜２５００Ｃである。（
２）溶接点の表面と裏面との間の温度勾配を母材に適し
た値に維持すること。

例えばＣｒ、Ｍｏ鋼では５℃／ｃ７７を以下とし、かつ
最大温度差は５０℃以下である。 前述の如く、従来の
現場作業員の勘に頼つている方法では、上記のような予
熱条件を満足させることは困難であり、予熱に必要以上
の時間とガス量とを要するため省資源、省エネルギの観
点からも改善する必要があつた。

また、従来の予熱方法では、主バーナ２は第１，２図に
示すように母材溶接部全体を一様に加熱するように形成
されているため、第３，４図に示すように母材溶接部の
溶接始端Ｅおよび溶接終端Ｆにおける温度が溶接適性温
度値Ｇに達する時点では母材中央部の温度が溶接適性温
度以上に加熱され、これによる母材の熱膨張に基づく歪
みが生じてしまうという問題もあつた。〈問題点を解決
するための手段〉 本発明は、上記事情にかんがみてなされたもので、母材
を加熱昇温して溶接適性温度にし、この溶接適性温度を
保持するにあたり、従来手作業で行なつていた母材の予
熱温度制御を前掲の予熱条件（１），（２）を満足すべ
く自動的に行なうと共に、併せて予熱による母材の熱歪
みを防止し（溶接部断面形状を第４図中実線で示す従来
の状態から破線で示す溶接部全長に亘つて均一な状態に
近付け）、もつて加熱時間の短縮、エネルギの節約並び
溶接部品質の向上を図ることを目的とする。

上記目的を達成する本発明の構成は、母材の裏面側にお
いて溶接部に沿い溶接部の両端部と中央一部とに分けて
設けられた複数の主バーナと、母材の表面側に設けられ
溶接機に先行して溶接部に沿つて移動される補助バーナ
と、母材の表面側において溶接部の両端部の母材温度を
検出する端部温度検出器と、溶接機の進行方向前側に設
けられ溶。接機と共に移動されて母材の溶接点近傍の温
度を検出する表面温度検出器と、予め設定された目標温
度と前記温度検出器による検出温度との温度偏差に基づ
き母材の昇温率に従つて母材を昇温加熱すべく前記主バ
ーナの火力を調整する加熱昇温制ｊ御回路と、予め設定
された母材の溶接適性温度と前記温度検出器による検出
温度との温度偏差に基つき母材表裏面の許容温度差に従
つて母材を溶接適性温度に保持すべく前記主バーナ及び
補助バーナの火力を調整する予熱時制御回路と、母材の
加ク熱昇温により母材温度が溶接適性温度もしくはその
近くになつたら加熱昇制御回路を予熱時制御回路に切換
える切換回路とからなる自動溶接予熱制御装置に存する
。く実施例〉 次に本発明に係る自動溶接予熱制御装置を図面に示す実
施例に基づいて説明する。

第５図において、母材１は固定されており、母材１の裏
面近傍に３基に分割形成された主バーナ２ａ，２ｂ，２
Ｃが溶接部に対応して沿設されている。また、母材１の
表面上方には溶接部に対応して沿設されるガイドレール
（図示せず）を有する。予熱・溶接時、このガイドレー
ルを一定速度で図面中、矢印ＪＤ方向に移動するキャリ
ッジ（図示せず）に溶接部を溶接する溶接機５、該溶接
機５による溶接作業に先駆して溶接部を溶接適性温度に
加熱昇温させる補助バーナ３、前記溶接機５と該補助バ
ーナ３との間にあつて溶接機５側に位置し溶接点近傍の
母材表面温度を検出・計測する母材表面温度検出器６ｃ
がそれぞれ取付けられている。また母材１の溶接始端Ｅ
の近傍には母材端面温度検出器６ｂが設けられ、同様に
溶接終端Ｆには母材端面温度検出器６ａが設けられてい
る。前記主バーナ２ａ，２ｂ，２ｃ各々にガス送給配管
１０ａ，１０ｂ，１０ｃおよび空気送給配管１１ａ，１
１ｂ，１１ｃが連結され、ガス送給配管１０ａ，１０ｂ
，１０ｃはガス管１０を通じてガス源（図示せず）に導
通される。

また、空気供給配管１１ａ，１１ｂ，１１ｃは空気送給
管１１を通じて空気源（図示せず）に導通される。ガス
送給配管１０ａ，１０ｂ，１０ｃと空気送給配管１１ａ
，１１ｂ，１１ｃとの合流部にはガスと空気とを混合す
る混合器９ａ，９ｂ，９ｃが設けられ、更に該混合器９
ａ，９ｂ，９ｃのガス送給管側にはガスと空気との混合
比を調整する調整器８ａ，８ｂ，８ｃが各々介装される
。該調整器８ａ，８ｂ，８ｃ等と前記主バーナ２ａ，２
ｂ，２ｃとは混合ガス送給配管５３ａ，５３ｂ，５３ｃ
により連結される。前記空気送給配管１１ａ，１１ｂ，
１１ｃの中途に主バーナ用の空気流量制御弁７ａ，７ｂ
，７ｃが介装される。補助バーナ３にも主バーナ２ａ，
２ｂ，２ｃと同様にガス送給配管１０が調整器８ｄを介
して配管され、一方空気送給配管１１が空気流量制御弁
１３を介して混合器９ｄに配管されている。前記調整器
８ｄは該混合器９ｄに連通しており、混合器９ｄにてガ
スと空気とが混合されたのち混合ガス配管５３ｄを介し
て補助バーナ３に供給される。母材１の溶接部は主バー
ナ２ａ，２ｂ，２ｃおよび補助バーナ３により予熱され
、この予熱された溶接部の温度は母材端面の温度を検出
する温度検出器６ａ，６ｂと溶接点近傍の母材温度を検
出する温度検出器６ｃにより計測される。各々の温度検
出器６ａ，６ｂ，６ｃからの計測出力信号は制御装置１
２に入力され、該制御装置１２からの出力信号は各々の
主バーナ用空気流量制御弁７ａ，７ｂ，７ｃおよび補助
バーナ用空気流量制御弁１３に入力され、主バーナ２ａ
，２ｂ，２ｃおよび補助バーナ３に送給する空気流量を
適時、自動的に制御する。この制御される空気流量に対
応してガス流量が前記調整器８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄに
より調節され、常時、予め設定されたガス・空気混合比
を維持する。このガス流量と空気流量は混合器９ａ，９
ｂ，９ｃ，９ｄにより混合され、ガスと空気とにより形
成される混合ガスはそれぞれ混合ガス送給配管５３ａ，
５３ｂ，５３ｃ，５３ｄを介して主バーナ２ａ，２ｂ，
２ｃと補助バーナ３に送給され、該主バーナ２と補助バ
ーナ３の火力が−調節される。次に前記制御装置１２の
回路構成を説明する。

該制御装置１２には昇温時の設定温度と母材温度との温
度偏差に基づき母材の昇温率に従つて該主バーナの火力
を調節する加熱昇温時の加熱昇温制御回路と、母材表裏
面の許容温度差に基つき該主バーナ及び前記補助バーナ
の火力を調整して、母材を溶接適性温度に保持する予熱
時温度制御回路と、前記加熱昇温時及び予熱時の温度偏
差に基づき前記主バーナの温度制御回路を切換える切換
回路とが設けられる。先す、第６図に示す本制御装置１
２を構成する各要素の基本的な動作について詳細に説明
する。

温度設定器１４はプログラム設定器であつて、加熱昇温
時における母材温度の目標値を設定するものであり、予
め温度設定値が入力されている。温度設定器１５は溶接
適性温度に加熱昇温させた母材１を溶接適性温度に保持
するための母材温度を設定するものてあり、母材温度が
溶接適性温度を目標値とするよう予め温度設定値が入力
されている。比較器１６〜２２は図中、“゜＋゛記号を
プラス信号とし、゜゜−゛記号はマイナス信号として比
較演算を行なうものである。

昇温率調整器２３〜２５は、ある時刻ちから一定時間後
の時刻ｔ１までの間の単位時間Δｔ＝ｔ１一ちにおける
温度設定値と母材温度との差の変化率である。

度設定値（ＴＯ）一母材温度（ＴＯ））〕なる演算を行
ない、予め設定された母材の加熱昇温率（例えば２２０
゜ＣＡｒ）を維持するように補正信号を送出するもので
ある。

加算器２６〜３０は入力信号の加算演算を行なうもので
ある。

関数発生器３１〜３４は入力信号に対応した関数演算を
行なうものである。

この関数は母材の材質、寸法等により実験的に求められ
る。一例として入力信号をＸ１出力信号をｙとするとｙ
＝Ａｘ２の関数演算をを行ない急速な温度制御を図るも
のである。調節計３５〜３９は入力信号に対応した比例
動作（Ｐ動作）や比例＋積分動作（ＰＩ動作）あるいは
比例＋積分十微分動作（ＰＩＤ動作）を行なうものであ
る。

温度推定器４０は温度検出器６ｃの出力信号をもとに母
材１の裏面温度を推定するものてある。

すなわち、主バーナ２ａ，２ｂ，２ｃの火力によつて母
材１の裏面が加熱されるため、母材１の表面温度は熱伝
導によつて上昇する。この熱伝導によつて上昇した母材
１の表面温度は温度検出器６ｃによつて検出し、熱伝導
特性方程式を使用して・（例えば一次おくれ特性）容易
に裏面温度を推定することができる。この一次おくれ特
性の時定数は、母材の材質、寸法等により若干異なるが
通常２０〜６囲２であるため、母材１に対応して時定数
が可変調整できるものであればよい。溶接適性温度門保
持時に母材１の裏面の温度を推定するのは、母材裏面の
異常な加熱を防止するためである。たとえば、風などの
外乱により母材表面温度が急激に低下したとしても直ち
に母材裏面温度が低下するのではなく、母材１の伝熱特
性に従つて低下する。従つて、温度設定値と検出温度の
偏差信号のみで制御するのではなく、裏面温度の推定値
に相当する許容差判別器４１の出力信号を減算すること
により、主バーナ２ａ，２ｂ，２ｃに対してゆるやかに
火力調節を行なうものである。なお、温度検出器６ｃの
前方には補助バーナ３があるが、補助バーナ３は温度検
出器６ｃよソー定の距離離れた位置にあり、火力も微弱
であることから、補助バーナ３の存在により、温度推定
器４０による温度推定が困難となるおそれはない。許容
差判別器４１は母材１の表面、裏面の温度差が許容範囲
にあるか否かを判別するのである。

入力信号があらかじめ設定された値（許容範囲）以内で
あれば入力信号に１対１（比例）に対応した値を、許容
範囲外であれば入力信号に実験的に求められた定数倍の
値を出力信号として出す（第７図参照）。加熱昇温判別
器４２は、加熱昇温が完了したか否かを０Ｎ，０ＦＦ動
作により判別するものである。

切換制御器４は手動あるいは加熱昇温判別器４２からの
出力信号に対応して切換器４４〜４６を切換制御する。

加熱昇温判別器４２からの信号が０Ｎのとき切換器４４
〜４６をＢからＡに切換える。切換器４４〜４６は、制
御回路を切換えるものであつて、入力点はＢ（５Ａであ
り、出力点はＣである。

母材１の溶接部を加熱昇温して溶接適性温度にすべく、
主バーナ２ａ，２ｂ，２ｃの火力を調整する前記加熱昇
温制御回路は、上述した回路構成要素のうち、温度設定
器１４、温度検出器６ａ，６ｂ，６ｃ１比較器１６，１
８，２０、昇温率調整器２３，２４，２５、加算器２６
，２７，２８、切換器４４，４５，４６（それぞれＢ−
Ｃ接．続状態）、調節計３５，３６，３７、空気流量制
御弁７ａ，７ｂ，７ｃにより構成される。

又、母材１が溶接適性温度状態になつたら母材１の溶接
部を母材表裏面の温度許容差を考慮しながら溶接適性温
度に維持する予熱時制御回路は温度設定器！１５、温度
検出器６ａ，６ｂ，６ｃ１比較器１７，１９，２１，２
２，５１、関数発生器３１〜３４、切換器４４，４５，
４６（それぞれＡ−Ｃ接続状態）、調節計３５〜３７及
び３９、裏面温度推定器４０、許容差判別器４１、加算
器２９、ク空気流量制御弁７ａ，７ｂ，７ｃ１補助バー
ナ用空気流量制御弁１３により構成される。前記加熱制
御回路により母材１の溶接部の温度が溶接適性温度ある
いはその近くになつた加熱昇温制御回路を予熱時制御回
路に切換える切換回路は、加算器３０、加熱昇温判別器
４２、切換制御器４３、切換器４４，４５，４６とから
なる。母材１の加熱昇温時には母材１の温度は前記加熱
昇温制御回路により制御される。

つまり、切換器４４〜４６はＢ−Ｃ接続状態とされる。
温度設定器１４からの温度設定信号と前記温度検出器６
ａ，６ｂ，６ｃおよび６ｃからの各々の出力信号とをそ
れぞれ比較器１６，１８，２０でフ比較演算し、この比
較演算した温度偏差信号をそれぞれ昇温率調整器２３，
２４，２５と加算器２６，２７，２８に送出する。

昇温率調整器２３，２４，２５は比較器１６，１８，２
０からの出力信号をもとにして予め設定された母材１の
加熱昇７温率（例えば２２０℃／Ｈｒ）に従つて、この
昇温率を保持するよう補正信号を加算器２６，２７，２
８に送出する。加算器２６，２７，２８は比較器１６，
１８，２０からの温度偏差信号と昇温率調整器２３，２
４，２５からの補正信号とを加算・し、各々の加算演算
結果を切換器４４，４５，４６の入力端子Ｂと出力端子
Ｃとの接続を介し調節計３５，３６，３７に送出する。
調節計３５，３６，３７は各々の加算器２６，２７，２
８からの出力信号を入力し、この入力信号に対応して比
例動作（Ｐ動作）や比例＋積分動作（ＰＩ動作）あるい
は比例＋積分十微分動作（ＰＩＤ動作）等の制御演算動
作を行ない、主バーナ用空気流量制御弁７ａ，７ｂ，７
ｃの開度を演算結果に応じて制御する。母材１の溶接部
の温度が目標温度に昇温すると、加熱昇温制御回路は切
換回路により予熱時制御回路に切換えられる。

即ち、前記切換器４４，４５，４６が動作して、出力端
子Ｃ接点と接続する接点が入力端子Ｂ接点からＡ接点に
切換わるのである。切換回路では、比較器１６，１８お
よび２２で比較された信号（温度偏差信号）を加算器３
０で加算し、この加算演算結果を加熱昇温判別器４２に
伝達する。加熱昇温判別器４２では比較器２２からの温
度偏差信号が規定値（微小）以下のとき切換制御器４３
を介して切換器４４〜４６を切換える。すなわち加熱昇
温判別器４２にて加熱昇温制御回路か或は予熱温度制御
回路かの判別を行なう。この判別基準は加算器３０にて
加算された温度偏差信号が規定値以上か以下かて判定す
る。加熱昇温判別器４２に伝達される加算器３０からの
温度偏差信号が規定値以上のときは、前述の如く加熱昇
温制御回路により母材１は加熱昇温される。このような
加熱昇温状態において、加算器３０にて加算された温度
偏差信号が規定値以下・になると、すなわち比較器１６
，２０および２２にて比較されている設定器１４わよび
１５からの温度設定信号と温度検出器６ａ，６ｂおよび
温度検出器６ｃからの母材１の温度信号とが微小か或は
等しくなると、加熱昇温判別器４２の出力信号，は０Ｎ
となり、切換制御器４３を動作させて切換器４４〜４６
を動作させる。この切換器４４〜４６が動作することに
よりＢ接点からＡ接点に切換わる。切換器４４〜４６が
Ｂ接点からＡ接点に切換えられると、以後、母材１の溶
接部の温度は予熱時制御回路により制御される。

温度検出器６ｃからの出力信号に基づいて温度推定器４
０で母材１の裏面温度を推定演算し、該温度推定器４０
からの出力信号と温度検出器６ｃ−からの出力信号とを
比較器２１て比較演算し、該比較器２１からの温度偏差
信号を許容差判別器４１に送出する。

該許容差判別器４１では比較器２１からの出力信号に基
づいて母材１の表面、裏面の温度差に相当する信号を加
算器２９と比較器１７，１９，５１とに送出する。すな
わち、母材１の表面、裏面の温度差が予め設定された値
（許容範囲）以内てあれは比較器２１からの温度偏差信
号に１対１（比例）に対応した値を加算器２９と比較器
１７，１９，５１とに送出し、予め設定された値（許容
範囲）以外であれは第７図に示すように比較器２１から
の温度偏差信号とこの温度偏差値に対し実験的に求めら
れた定数倍の値の信号とにより形成される信号を出力信
号として加算器２９および比較器１７，１９，５１に送
出する。比較器１７ては比較器１６からの偏差信号と許
容差判別器４１からの出力信号を比較演算し、比較器１
９では比較器１８からの偏差信号と許容差判別器４１か
らの出力信号を比較演算し、比較器１７，１９からの出
力信号を関数発生器３１，３２に送出する。関数発生器
３１，３２では予め定められた関数演算を行ない、この
関数演算結果を切換器４４，４５の接点Ａ，Ｃを介して
調整計３５，３６に伝達し、この調節計３５，３６から
の出力信号に応じて空気流量制御弁７ａ，７ｂの開度を
制御し主バーナ２ａ，２ｂの火力を制御する。一方、温
度設定器１５からの温度設定信号と温度検出器６ｃから
の検出信号とを比較器２２て比較演算し、その出力信号
を比較器５１に伝達する。従つて比較器５１マは比較器
２２からの出力信号と許容差判別器４１からの出力信号
とが加算される。この加算演算結果に基づいて関数発生
器３３は関数演算を行ない、この関数発生器３３からの
出力信号は切換器４６の接点Ａ，Ｃを介して調節計３７
に入力される。調節計３７からの出力信号に応じて空気
流量制御弁７ｃの開度を制御し、主バーナ２ｃの火力を
調節する。更に、前記加算器２９に入力される許容差判
別器４１からの出力信号と比較器２２からの出力信号と
を加算演算し、この加算演算結果を関数発生器３４に送
出して関数演算を施した後、この関数発生器３４からの
信号は調節計３９に送出される。この調節計３９により
制御演算動作を施された信号は空気流量制御弁１３に送
出され、該制御弁１３の開度を制御して補助バーナ３の
火力を調節する。補助バーナ３は、前記主バーナ２ａ，
２ｂ，２ｃの温度制御回路が加熱昇温時と予熱時とて切
換わる間、連続的に母材表面の検出温度と設定温度との
温度偏差及び母材表裏面の温度許容差に応じて、その火
力は調節制御される。上述の如く、補助バーナ３は、溶
接点近傍の母材表面温度を検出する温度検出器６ｃの出
力信号で制御される。

即ち、主バーナ２ａ，２ｂ，２ｃｊによつて母材１は加
熱昇温され、母材１が溶接適性温度を保持するように制
御されるが、母材１の熱伝導の遅れや作業場所の環境（
風があるとか雰囲気温度が低くて放熱が激しいなど）に
よつて母材表面の温度は一定にならない。このため、溶
接７点（溶接機５の位置）より適正な母材の溶接予熱温
度を得るために、溶接点近傍の母材表面温度検出器６ｃ
で測定し、補助バーナ３の火力を調整しているのである
。それゆえ、母材が溶接適性予熱温度になつている場合
には、補助バーナ３は非常９に小さい火力となる。次に
本発明に係る他の実施例を第８図、第９図に示す。

本実施例は前記実施例において両端部に配設される主バ
ーナを他端部にまとめた例である。該主バーナ及び補助
バーナの温度制御回路の基本的構成は前記実施例と同様
になる。即ち、手バーナには昇温時と予熱時とで切換え
られる温度制御回路が設けられる一方、補助バーナには
予熱時の設定温度と許容温度差とに基づく温度制御回路
が設けられる。く発明の効果〉 以上、本発明の自動溶接予熱制御装置によれば母材の熱
膨張に基づく歪みの発生を防止することができる。

また、前記予熱条件を満足させることができ、母材に適
切な溶接を行なうことができる。以上により、品質の向
上が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は従来の溶接予熱装置の説明図、第３図
は溶接始端Ｅと溶接終端Ｆ間のそれぞれの位置における
母材表面温度を示す参考図、第４図は加熱膨張した母材
断面を実線として示し、理想的な母材断面を破線で示し
た母材断面図、第５図は本発明の自動溶接予熱制御装置
の概略図、第６図は本発明の自動溶接予熱制御装置のブ
ロック図、第７図は許容差判別器の演算関数を示すグー
ラフ、第８図は本発明に係る他の実施例を示す自動溶接
予熱制御装置の概略図、第９図は第８図の制御装置のブ
ロック図である。 図面中、１は母材、２ａ，２ｂ，２ｃは主バーナ、３は
補助バーナ、５は溶接機、６ａ，６ｂは母材端面温度検
出器、６ｃは母材表面温度検出器、７ａ，７ｂ，７ｃ，
１３は空気流量制御弁、８ａ，８ｂ，８ｃは調節器、９
ａ，９ｂ，９ｃは混合器、１０はガス管、１０ａ，１０
ｂ，１０ｃはガス送給配管、１１は空気送給管、１１ａ
，１１ｂ，１１ｃは空気送給配管、１２は本発明に係る
自動溶接予熱制御装置、１４，１５は温度設定器、１６
〜２２，５１は比較器、２３〜２５は昇温率調整器、２
６〜３０は加算器、３１〜３４は関数発生器、３５〜３
７，３９は調節計、４０は温度推定器、４１は許容差判
別器、４２は加熱昇温判別器、４３は切換制御器、４４
〜４６は切換器、５３ａ，５３ｂ，５３ｃは混合ガス送
給配管、Ａ，Ｂは切換器の入力端子、Ｃは出力端子、Ｄ
は溶接機等の移動方向、Ｅは溶接始端、Ｆは溶接終端、
Ｇは溶接適性温度値である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 母材の裏面側において溶接部に沿い溶接部の両端部
   と中央部とに分けて設けられた複数の主バーナと、母材
   の表面側に設けられ溶接機に先行して溶接部に沿つて移
   動される補助バーナと、母材の表面側において溶接部の
   両端部の母材温度を検出する端部温度検出器と、溶接機
   の進行方向前側に設けられ溶接機と共に移動されて母材
   の溶接点近傍の温度を検出する表面温度検出器と、予め
   設定された目標温度と前記温度検出器による検出温度と
   の温度偏差に基づき母材の昇温率に従つて母材を昇温加
   熱すべく前記主バーナの火力を調整する加熱昇温制御回
   路と、予め設定された母材の溶接適性温度と前記温度検
   出器による検出温度との温度偏差に基づき母材表裏面の
   許容温度差に従つて母材を溶接適性温度に保持すべく前
   記主バーナ及び補助バーナの火力を調整する予熱時制御
   回路と、母材の加熱昇温により母材温度が溶接適性温度
   もしくはその近くになつたら加熱昇温制御回路を予熱時
   制御回路に切換える切換回路とからなることを特徴とす
   る自動溶接予熱制御回路。