JPS6128433B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、アーク自身による開先倣いで多層
ウイービング溶接を行なうアーク溶接方法に関
し、特に姿勢溶接時にも安定した良好な裏波ビー
ド形状を得るための初層溶接に対する改良に関す
るものである。

溶接中に時々刻々と変化する開先線の二次元的
なずれに対してトーチの位置を自動的に検知し倣
い制御するため、接触式或いは非接触式などの別
体のセンサを設けることなく、アーク自身による
開先倣いで溶接を行なうアーク溶接法は、例えば
特開昭54−19445号公報によつて公知である。こ
の公報に示された方法は、ワイヤ送給速度を一定
とした消耗電極アーク溶接および非消耗電極アー
ク溶接において、アーク特性をワイヤ突出長また
はアーク長の変化に対して補償するトーチ移動機
構を設けると共に溶接電源として直流電源を用
い、非消耗電極の場合には設定されたアーク電圧
を保持するように前記トーチ移動機構によつてト
ーチをその軸線方向に移動制御し、また消耗電極
の場合には一定速度で送給されている消耗電極ワ
イヤのトーチ下端面からの突出長を一定に保持す
るようにトーチの軸線方向の移動制御動作を行な
わせるもので、上記トーチを母材の開先線に沿つ
て溶接進行方向に所定の移動速度で移動させなが
ら、該進行方向の巾方向に所定の横行速度で往復
揺動させるトーチウイービング駆動動作に組合わ
せ、上記往復揺動の方向変換点を、上記トーチ軸
線方向の変位もしくは位置が所定値になる点とす
ることにより、開先面の傾斜によつてアークが常
に開先幅内を往復して倣い動作が行なわれ、かつ
溶接継手部のルートから止端までの高さもしくは
母材表面から止端までの高さを常に一定に保持し
たアーク溶接が果される。またこの場合、溶接進
行方向に対して開先のギヤツプに変動があると、
上記往復動揺動の半周期毎に溶着断面積が変る
が、各半周期毎の上記間隔距離変化を時間積分す
ることにより、上記溶着断面積に対応した信号を
各周期毎に得ることができる。また別に各周期毎
の上記間隔距離変化を微分することにより、止端
間距離に対応した信号を各半周期毎に得ることが
でき、各々ひとつ前の半周期のこれら信号によつ
て、溶接電流、アーク電圧、溶接速度等の溶接条
件の設定値を、別に求めておいたアルゴリズムを
用いて各々補正制御することができ、これによつ
て常に所定の溶着および片面溶接の場合の適正な
初層裏波ビードの形成が果され得る。

しかしながら、トーチを積極的にウイービング
させて開先壁付近でのトーチの軸線方向変位を検
出することによつて開先倣いを達成する前記のア
ーク溶接方法においては、トーチが下向姿勢で一
定の場合には初層裏波が安定して良好に形成でき
るが、例えば鋼管の突合せ溶接時の全周溶接のよ
うにトーチが立向きから上向姿勢になる場合には
トーチの姿勢に応じて溶接条件を調整しないと裏
波ビードが不充分となつたり、特に上向姿勢付近
で裏波ビード裏面側が若干陥没してへこむことが
あつて裏溶接をしなければならなくなるなど、
種々の支障を生じている。

すなわち、第１図において、１ａ，１ｂは母材
としての一対の鋼管、２は両鋼管突合せ部に形成
された開先内に配置される溶接電極、３はこの電
極２を保持するトーチで、前記電極２と母材間に
は定流流電源によつて溶接アークが発生されてい
る。今、第１図の鋼管上部の開先内にてトーチ３
をＡ点から一方の傾斜開先面４に沿つて図面上の
右方へ横行させるが、この場合、アーク電圧を一
定に保持するために、開先低面５から各溶接点ま
での垂直高上の変化に応じてトーチ３を昇降せし
め、トーチ３に保持された電極２と母材間の距離
を常に一定にするように制御する。トーチ３の昇
降変位量はＡ点からＢ、Ｃ、Ｄ点へ至る間に開先
断面形状に応じて変化し、他方の傾斜開先面６に
おいてＡ点におけるトーチ３の高さ位置と同じ高
さ位置にトーチ３が到達したＤ点で揺動の方向が
反転される。第１図においてはこのＡ点における
高さ位置を開先底面５からの高さＨで示してある
が、これは母材表面６′からの高さH′で示しても
よいことは述べるまでもない。すなわち、ウイー
ビングの反転制御に当つて上記のＨを設定値とし
て与え、揺動中心を基点として左右におけるトー
チ３の変位量が設定値Ｈになるたびに方向を反転
することにより、又は、トーチ３の位置が設定値
H′になるたびに揺動方向の反転制御することに
より、開先倣いが果される。このようにして初層
P₁が形成され、裏波ビードＷが形成されるが、こ
のような溶液が鋼管の突合せ継手を周つて鋼管下
部に達すると、トーチ３が開先下方から上向姿勢
で溶接することになり、この上向姿勢のウイービ
ング溶接で形成される初層溶接層P₁の裏波ビード
上面は重力によつて第１図中に符号Ｓで示す如く
陥落する。この陥落部Ｓは継手最下部を間にして
前後の立向姿勢範囲の一部にわたつて生じること
があり、また陥没部Ｓの開先巾方向の中心位置は
溶接層P₁の中心位置ないしウイービング中心位置
にほぼ合致している。

この発明の目的は、アーク自身による開先倣い
を達成しつつ、姿勢溶接時においても安定した良
好な裏波ビードの形成を可能とするアーク溶接方
法を提供することである。

すなわち、この発明のアーク溶接方法は、トー
チをトーチ横移動機構によつて溶接進行方向に垂
直な開先方向にウイービングさせながらアーク電
圧を一定に保持するようにトーチをトーチ昇降機
構によつて母材に対して接近離反させてアーク長
を一定に保持する定アーク長制御を行い、前記接
近離反によるトーチの軸線方向の変位もしくは位
置が予じめ定められた値になるためにウイービン
グの方向を変換してアークによる開先倣いで多層
ウイービング溶接を行なうアーク溶接方法におい
て、開先巾方向に揺動中のトーチ位置をトーチ横
移動機構に設けたトーチ揺動位置検出器で検出し
ながら、トーチ昇降機構に設けたトーチ昇降位置
検出器で検出したトーチ上昇位置とあらかじめ設
定された反転基準位置とを比較して揺動反転位置
を検出し各揺動毎の開先巾左端と右端の反転位置
を記憶し、各半周期毎の左端と右端の反転位置よ
り各半周期のウイービング中心位置を演算し、前
の半周期のウイービング中心位置と現行のトーチ
位置を比較し、現行のトーチ位置が前の半周期の
ウイービング中心位置を中央にして予じめ設定さ
れた小区間内にあるか否かを検出し、トーチの位
置が前記小区間内にあるときには前記定アーク長
制御を遮断すると共に、この小区間において溶接
電流を変えることを特徴とするものであり、この
場合、ひとつの態様によればトーチが上向姿勢で
溶接中に前記小区間における溶接電流が小区間以
外における溶接電流より大電流となされる。

このようにして本発明ではトーチの姿勢に応じ
た振巾値のパルス状電流がウイービング中心位置
にて低レベルの溶接電流に重畳され、これによつ
てアーク自身による開先倣いでウイービング溶接
を行なつている際中にトーチの姿勢変化に対する
初層裏波ビード形状の補償が前記小区間のパルス
状電流の重畳によつて果され、この補償の程度は
前記小区間の巾とパルス状電流の振巾値との設定
調整によつて達成され得るものである。

この発明を実施例に基づいて図面と共に説明す
れば以下の通りである。

第２図は、この発明を実施するための制御系の
一例を示すブロツク図で、１は溶接母材、２は溶
接電極、３はトーチ、７はトーチ３を昇降させる
トーチ昇降機構、１４はトーチ３にウイービング
と開先倣いのための横行動作をさせるトーチ横移
動機構で、各々昇降用モータ８（以下Ｙ軸モータ
と云う）および横移動用モータ１５（以下Ｘ軸モ
ータと云う）で駆動される。トーチ３の昇降は、
アーク電圧検出器９からの検出信号と、アーク電
圧基準設定器１０による基準アーク電圧との偏差
を差動増巾器１１によつて得て、この偏差信号を
アナログスイツチ２０を介してＹ軸モータ制御器
１２に与え、該制御器１２によつて前記偏差が常
に零となるようにＹ軸モータ８を制御することに
より果される。トーチ横移動機構１４によるトー
チ３の横移動に伴い、上記Ｙ軸モータ８による制
御によつてトーチ３の先端のアーク点は第１図に
おいてＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの各点を順に通り、開先断
面形状に倣つて移動し、それに応じてトーチ３も
昇降移動することになる。トーチ３の昇降移動量
の変化はポテンシヨメータ１３（以下Ｙ軸ポテン
シヨメータと云う）によつて経時的な変化をする
電圧信号として検出され、この電圧信号は反転位
置基準設定器１８による前述Ｈ又はH′に対応し
た設定値とコンパレータ１９で比較され、このＹ
軸ポテンシヨメータ１３の出力が第１図の反転位
置Ａ点もしくはＤ点のトーチ位置に対応する値以
上になつたときコンパレータ１９から揺動の反転
信号がＸ軸モータ制御器１７に入力され、これに
よつてＸ軸モータ１５の回転方向が反転される。
尚、１６はＸ軸モータ１５の速度を所望値に制御
するために制御器１７に速度基準信号を与える設
定器、２２はトーチ横移動機構１４、トーチ昇降
機構７やトーチ３などの溶接機構を溶接進行方向
へ移動させる台車で、この台車２２の移動速度は
図示しない台車走行制御器によつて設定速度に制
御されるようになつていることは述べるまでもな
い。

このような定アーク長制御によるアーク自身で
の開先倣い動作系において、この発明では、トー
チ３のＸ軸方向（開先巾方向）の位置がＸ軸ポテ
ンシヨメータ２３により検知され、このＸ軸ポテ
ンシヨメータ２３の出力は、ウイービングの反転
毎の左端（Ａ点側）位置に対応したＸ軸ポテンシ
ヨメータ２３の出力信号Xlを記憶する左端用ア
ナログメモリ２４および左端（Ｄ点側）位置に対
応したＸ軸ポテンシヨメータ２３の出力信号Xr
を記憶する右端用アナログメモリ２５を含む演算
回路２６に入力される。演算回路２６では開先倣
いにより得られるウイービングの半周期毎のウイ
ービング中心位置Ｐ点に対応する信号Xcが（Xl
＋Xr）／２として演算される。

このようにして求められた、現行のトーチのウ
イービングサイクルよりひとつ前の半周期におけ
るウイービング中心位置信号Xcが演算回路２６
から比較回路２７に入力される。一方比較回路２
７には現行のトーチのウイービングサイクル中の
トーチ位置が入力されており、比較回路２７で、
現行のトーチ位置信号とひとつ前の半周期のウイ
ービング中心位置信号Xcが比較演算され、現行
のトーチ位置信号が、ひとつ前のウイービング中
心位置信号Xcと一致したときに比較回路２７の
出力が零となるような信号に変換される。このよ
うに比較回路２７からはウイービング各半周期毎
に各々前回ウイービングの半周期におけるウイー
ビング中心位置を基準とした現行のトーチのＸ軸
方向位置の信号が出力される。このＸ軸方向位置
信号の変化は第３図ａに示す如くであり、第１図
の一方の傾斜開先面４上のA₁点からウイービン
グの半周期分の横行移動を経て他方の傾斜開先面
６上のD₁点に達し、そこで反転して傾斜開先面
４上のA₂点に達し、そこでまた反転して、以後
同様にD₂、A₃、D₃、A₄、D₄、A₅、D₅……とウイ
ービングを行なつている様子が示されている。
A₁−D₁点間の半周期におけるウイービング中心
位置はP₁₁点であり、第３図ａでは、このP₁₁点の
縦軸目盛をD₁−A₂点間の半周期ではP₁₁′として示
し、D₁−A₂点間の半周期におけるＸ軸方向位置
信号の変化を示してある。

第２図において２８はウインドコンパレータで
あり、互いに異なる高低二つの電圧レベルの比較
入力VuおよびVlが入力されており、比較回路２
７からの信号がその中間の電圧レベルの信号入力
に対して高レベル出力を生じ、信号入力の電圧レ
ベルがVu以上又はVl以下のときには低レベル出
力を生じる。比較入力Vu，Vlは前述小区間の巾
を決める設定信号であつて、電流変化区間設定器
２９による設定電圧信号を変換器３０によつて小
区間巾に対応した上下限信号に変えて得ている。
第３図ａではこの小区間巾が△Ｘとして示され、
この△Ｘを前記のように電圧レベルVl，Vuで対
応づけているわけである。

さて、ひとつ前のA₁−D₁の半周期で得られた
ウイービング中心位置P₁₁を零点とするD₁−A₂の
半周期のＸ軸方向位置信号は比較回路２７から出
力され、ウインドコンパレータ２８で小区間巾△
Ｘに対応する比較入力Vl，Vuと比較され、P₁₁′を
中央に△Ｘの巾区間に対応する電圧レベルのとき
のみウインドコンパレータ２８の出力を高レベル
にする。ウインドコンパレータ２８の出力は、
各々高レベルの制御入力を受けたときオン状態と
なるアナログスイツチ２１および３１を直接制御
し、また同様な別のアナログスイツチ２０および
３２をインバータ３３，３４を介して制御するよ
うになされている。すなわちアナログスイツチ２
１と３１はウインドコンパレータ２８の出力が高
レベルのときオン状態となり、低レベルのときは
オフ状態となる。また別のアナログスイツチ２０
と３２はウインドコンパレータ２８の出力が高レ
ベルのときオフ状態となり、低レベルのときはオ
ン状態となる。アナログスイツチ２０は前述の如
く差動増巾器１１の出力をＹ軸モータ制御器１２
へ入力するか否かを制御し、アナログスイツチ２
１はアナログスイツチ２０がオフ状態になつたと
きに可逆的にオン状態となつて制御器１２の入力
を接地する。別のアナログスイツチ３１と３２
は、各々ベース電流調整器３６とピーク電流調整
器３７との出力を切換るためのもので、ウインド
コンパレータ２８の出力が低レベルのときはアナ
ログスイツチ２０と３２がオン状態となつていて
定アーク長制御が作動すると共に溶接電源電流調
整出力端３５にはベース電流調整器３６で調整さ
れたベース電流Ｉ_Bが現れ、一方、ウインドコン
パレータ２８の出力が△Ｘ区間において高レベル
になると、代りにアナログスイツチ２１と３１が
オン状態となつて定アーク長制御が一時的に遮断
されると共に出力端３５にはピーク電流調整器３
７で調整されたピーク電流Ｉ_Pが現れる。この様
子を第３図ａに添画して同図ｂとして示してあ
る。すなわち、各半周期においてひとつ前の半周
期でのウイービング中心位置（ダツシユを付した
符号で示してある。）を中央にして一定の小区間
巾△Ｘに相当する区間だけ大電流のピーク電流Ｉ
_Pを溶接電流として流し、その他の区間では定常
溶接電流としてのベース電流Ｉ_Bを流すものであ
り、これによつて例えばトーチの上向姿勢でのウ
イービング溶接時に開先のほぼ中央位置でパルス
TIG溶接に似たパルス状溶接電流のタイミング制
御を行なうものである。

以上に述べたようにこの発明においては、トー
チの上向姿勢等の姿勢溶接でのウイービング溶接
においてもそのウイービング中心近傍において溶
接電流を変化させ、裏波ビード面の陥没等を効果
的に防止して良好な初層裏波を形成し得るもので
あり、その場合にアーク自身による開先倣いも支
障を受けることがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、アーク自身による開先倣いでウイー
ビング溶接を行なう場合の溶接継手断面における
初層溶接層の形状とトーチの動きを示す説明図、
第２図はこの発明を実施するための制御系の一例
を示すブロツク図、第３図はその動作説明図の線
図でａはアーク点のＸ軸方向変位を経時的に示す
線図、ｂは溶接電流の経時的変化を示す線図であ
る。 １，１ａ，１ｂ……溶接母材（鋼管）、２……
溶接電極、３……トーチ、７……トーチ昇降機
構、８……Ｙ軸モータ、９……アーク電圧検出
器、１０……アーク電圧基準設定器、１１……差
動増巾器、１２……Ｙ軸モータ制御器、１３……
Ｙ軸ポテンシヨメータ、１４……トーチ横移動機
構、１５……Ｘ軸モータ、１７……Ｘ軸モータ制
御器、１８……反転位置基準設定器、１９……コ
ンパレータ、２０，２１，３１，３２……アナロ
グスイツチ、２３……Ｘ軸ポテンシヨメータ、２
４，２５……アナログメモリ、２６……演算回
路、２７……比較回路、２８……ウインドコンパ
レータ、２９……電流変化区間設定器、３０……
変換器、３３，３４……インバータ、３５……溶
接電源電流調整器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ トーチをトーチ横 移動機構によつて溶接進
   行方向に垂直な開先方向にウイービングさせなが
   ら、アーク電圧を一定に保持するようにトーチを
   トーチ昇降機構によつて母材に対して接近離反さ
   せてアーク長を一定に保持する定アーク長制御を
   行ない、前記接近離反によるトーチの軸線方向の
   変位もしくは位置が予じめ定められた値になるた
   びにウイービングの方向を変換してアークによる
   開先倣いで多層ウイービング溶接を行なうアーク
   溶接方法において、 (イ) 開先巾方向に揺動中のトーチ位置をトーチ横
   移動機構に設けたトーチ揺動位置検出器で検出
   しながら、トーチ昇降機構に設けたトーチ昇降
   位置検出器で検出したトーチ上昇位置とあらか
   じめ設定された反転基準位置とを比較して揺動
   反転位置を検出し各揺動毎の開先巾左端と右端
   の反転位置を記憶し、 (ロ) 各半周期毎の左端と右端の反転位置より各半
   周期のウイービング中心位置を演算し、 (ハ) 前の半周期のウイービング中心位置と現行の
   トーチ位置を比較し、 (ニ) 現行のトーチ位置が前の半周期のウイービン
   グ中心位置を中央にして予じめ設定された小区
   間内にあるか否かを検出し、 (ホ) トーチの位置が前記小区間内にあるときには
   前記定アーク長制御を遮断すると共に、この小
   区間において溶接電流を変えることを特徴とす
   るアーク溶接方法。 ２ 溶接中に前記小区間における溶接電流を小区
   間以外における溶接電流より増加する特許請求の
   範囲第１項記載のアーク溶接方法。