JPS6219266B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は自動溶接の溶接条件制御方法に関する
もので、特に、FCB（FLUX COPPER
BACKING）片面自動溶接における溶接条件を、
開先のギヤツプ量をデータとして自動制御する方
法に関するものである。 従来の溶接方法では、ルートギヤツプを０とし
て各板厚毎に、標準溶接条件が実験的に或は経験
的に求められており、この求められた標準溶接条
件をベースに溶接が行われている。しかし、実際
の溶接開先では、ルートギヤツプが０ばかりでな
く変動している。溶接士は、標準条件は与えられ
ているものの、ルートギヤツプの変化について
は、何らの制御方法を与えられておらず、溶接条
件の制御は、個人の経験による判断に任されてい
た。 すなわち、溶接進行中に開先状態を目視し、良
好なビードが得られるよう手動にて上記開先状態
に応じた溶接条件の調整を行つているのが現状で
ある。そのため個人的誤差が生じ、安定して、一
定の溶接が得られず、溶接後、ある程度の手直し
作業は避けられなかつた。 本発明者は、この点に着目し、溶接作業者によ
る観察―判断―調整の部分を分析、データ化し、
板厚や開先条件に応じた適正溶接条件を自動的に
維持できるようにするために種々工夫、研究を重
ね本発明をなした。 すなわち、FCB片面自動溶接法において全自
動制御方式とするための本発明者による研究過程
では、開先形状の変化に対し溶接条件をどのよう
に変化させれば常に良好な溶接結果が得られるか
が問題であつた。既に、「金属材料技術研究所研
究報告 第11巻 第５号（1968）」中の「サブマ
ージアーク溶接における開先条件と溶け込みとの
関係について」と題する報告書で継手容量なる概
念が発表され、継手容量は厚板の片面溶接におけ
る第１層目の溶融幅の標準値を例えばａcmと定め
開先の溶接線を中心として左右等幅例えばｂcmず
つすなわち幅2bcm範囲に存在する母材の断面積
（第３図参照、図中斜視を施した部分）、厳密には
単位長あたりの非溶接金属（母材）を溶かすため
の熱容量とフラツクスを溶かすための熱容量を含
むものであること、継手容量が一定の開先であれ
ば、開先形状の如何にかかわらず、一定の溶接条
件で適正な裏ビードを得ることができることも、
発表されている。 そこで本発明者は、上記の継手容量の概念を導
入し、経験値を整理した結果、同一開先形状では
ギヤツプ量にのみ着目し、条件調整を行えばよい
こと、ギヤツプ量の変化に対し溶接電流、速度の
変化を１次関数で表現できること等を見い出し、
これにもとづき、FCB片面自動溶接法に完全自
動制御方式を導入する場合に、ギヤツプ量にのみ
着目し、予めコンピユータに組み込んだ溶接条件
を、検出したギヤツプ量をデータとして自動制御
すれば、常に最適溶接条件で溶接できることから
本発明をなした。 したがつて、本発明は、板厚が１mm変わる毎に
第１極、第２極、第３極の各電極の溶接電流、電
圧、溶接速度についてギヤツプ０mmのときに求め
た値を溶接基本条件とし、該溶接基本条件とギヤ
ツプ量の変化をパラメータとした溶接基本条件に
対する溶接電流、電圧、溶接速度の変化をマイク
ロコンピユータに入力しておき、ギヤツプ量の検
出値に対応して上記板厚毎の溶接基本条件を算出
し、ギヤツプ量毎の溶接条件を決定することを特
徴とするものである。 以下、本発明の方法の実施例を図面を参照して
説明する。 第１図は本発明の方法を実施する電極とギヤツ
プセンサーの配置状態を示すもので、溶接台車に
取り付けられたギヤツプセンサー４よりたとえば
50mm位離れた進行方向後方に、順次第１、第２、
第３の電極１，２，３を位置させ、第１と第２の
電極１，２間は約40〜80mm位の寸法とし、第２と
第３の電極２，３間は約100〜150mm位の寸法と
し、第１極目１と第２極目２で裏ビードを形成さ
せるようにし、第３極目３で開先断面積を埋める
ようにする。 本発明における溶接条件の制御の目的は、片面
溶接における裏ビード幅を一定とし、表ビードの
余盛量を適正に保つことにある。いま、ある板厚
ｔおよび開先角度θ、ルートフエースｈなどから
構成される開先形状（第３図参照）に対して、ル
ートギヤツプＧが変化しても、一定の裏ビード幅
を得たい。ルートギヤツプが変化しているにも拘
らず、同一電流、同一溶接速度で溶接すると、裏
ビード幅は一定とならず、表ビードの余盛に過不
足が生じる。 一方、裏ビードは、溶接アークによつて母材が
溶融されることによつて形成される（他に熱伝導
による母材の溶融も考えられるが、アークによ
り、直接溶融されるものが大部分を占めるため、
実用上は無視できる）。裏ビード幅を一定とする
場合、開先のルートギヤツプが大きくなると、溶
融すべき母材の量（継手容量）は減少する。すな
わち、板厚、開先角度、ルートフエースが一定で
ある開先においてルートギヤツプが変化した場
合、一定した裏ビード幅を得るために溶融すべき
母材の量は、直線的に変化する。すなわち溶融す
べき母材の量は、ルートギヤツプを変数とする一
次関数である。各々の開先形状について、ルート
ギヤツプの変化に対する、溶融すべき母材の量
（継手容量）の変化を第３図に示している。アー
クによつて、溶融される母材の量は、アークの強
さを決定する溶接電流に比例する。 従つて、ルートギヤツプが変化した場合におい
て、一定した裏ビード幅を与える溶接電流は、ル
ートギヤツプを変数とする一次関数で求まる。 裏ビードの形成は、主として第１電極によつて
決定され、第２電極は、第１電極で得られた溶接
金属を再溶融し、溶接割れの発生し難い溶込形状
に改善する役目を持つている。ギヤツプが増加
し、溶融される母材の量、及び溶接ワイヤーの溶
融量が少くなると、第１電極の電流I₁によつて得
られる溶接金属の量も減少する。従つて、第２電
極の電流も、第１電極に比例させて減少させれば
良い。これは第２図Ａ，Ｂによつて示される。 次に、開先断面積は、ルートギヤツプの増加と
共に増加する。この増加の仕方は、第２図Ｃに示
す如く、ルートギヤツプに比例する。一定の余盛
り量を得るべく行う溶接条件の制御は、第３電極
の電流I₃を増加させ、同時に、溶接速度ｖを減少
させて行う。この場合、開先断面積の増加と、第
１及び第２電極のアークによる溶着金属量の減少
は、ルートギヤツプに比例する。すなわち、必要
とする溶着金属量はルートギヤツプに比例するの
で、第３電極の電流I₃と、溶接速度ｖもルートギ
ヤツプＧの一次関数として求まる。 ここで、板厚、開先形状について考察する。開
先形状は板厚の増加に従つて、〓〓Ｙ型、〓〓Ｘ
型（第３図参照）のように変化させており、さら
に細く、開先角度、ルートフエースなどを変化さ
せている。これらは板厚１mm毎にすべて異るので
はなく、ある板厚範囲では、同一の開先角度、ル
ートフエースとなつている。第３図内に示す開先
形状は、現在実用されているものの一例である
が、Ｙ型開先で開先角度の異なるもの、Ｘ型開先
で開先角度の異なるものの結局四種類に分類され
る。第３図は、すべての開先形状に対する継手容
量（すなわち裏ビード幅を一定とした場合の溶融
すべき母材の量）を示すものであり、同時に各々
の開先形状において、ルートギヤツプが変化した
場合の継手容量の変化を示したものであり、すべ
てルートギヤツプを変数とする一次式で表示でき
る。又、第３図中曲線Y₁，Y₂，X₁，X₂はそれぞ
れ異なる開先形状で、ギヤツプ量を０とし板厚を
変化させた場合の継手容量の変化を示しており、
曲線Y₁，Y₂，X₁，X₂はそれぞれ直上の図の開先
形状に対応し、Y₁とY₂とではY₁が、X₁とX₂とで
はX₁が開先角度の角度大の場合を示す。 溶接電流は溶融すべき母材の量に比例して（一
次関数的に）制御すれば一定した裏ビード幅を得
ることができるので、溶接電流I₁，I₂，I₃の制御
式におてい、異る板厚に対して定数項は異るもの
の、ルートギヤツプの変化に対して、すべて一次
関数で求まることになる。更に、開先断面積とル
ートギヤツプの関係も、同様に、ルートギヤツプ
を変数とする一次関数で表現できる。 なお、開先角度、ルートフエースが同一である
板厚範囲内では、裏ビード幅を決定するI₁（第１
電極の電流）及びI₂（第２電極の電流）の制御式
における各定数項は同一となることは容易に理解
できる。 以上整理すると、常に良好な溶接結果を得るた
めに、次の方針にしたがつて溶接条件を設定すれ
ばよいことが分る。 同じ板厚の場合、開先状態の変化のうち、ギ
ヤツプ量の変化のみに着目すればよい。 継手容量の減少に伴い、第１極目の電流I₁を
下げ、第２極目の電流I₂も同様に下げる。 第３極目の電流I₃は、開先断面積の増加に伴
い、必要溶着量を得るため、やや上昇させる。
同様な理由で溶接速度を下げる。 電圧は標準条件のまま（無変化）でよい。 以上の方針にしたがい、開先部のギヤツプ量を
検出し、ギヤツプ量に応じて良好な溶接結果が得
られた条件をプロツトし、これを板厚が変るごと
に、開先形状が変るごとに行い、各板厚における
ギヤツプ量に応じて求められた条件から電流、速
度の変化を一次関数で表現してこの計算式をコン
ピユータに組込み、各板厚毎の適正溶接条件を確
立する。 次に本発明者は、上記方針に従い溶接実験を行
つた。その結果、良好な裏ビードを得るための第
１極目１（第１図参照）の溶接電流I₁は、継手容
量の変化と一定の関係があることが実証された。
更に、第２極目２の電流I₂も裏波形成に関与して
おり、電流（I₁＋I₂）と継手容量の間にも一定の関
係があり、したがつて、電流値I₁及びI₂は継手容
量の値から各板厚、各ギヤツプ量について求める
ことができた。 次に、第３極目３の電流I₃及び溶接速度ｖは、
必要量の溶着金属を得るべく選定すればよいこ
と、すなわち、開先断面積の変化に対応し、電流
I₃、溶接速度ｖを増減すればよいことが求められ
た。 ここでは、簡単なため、継手容量の計算におい
て開先内に存在するフラツクスの熱容量を省略す
る。又、溶着量と開先断面積の関係の中でフラツ
クスからの溶着量を知ることが困難である。した
がつて、各開先形状において、１つの板厚につい
て実験によりギヤツプ量に対する最適条件を選定
し、この結果により同一開先形状の他のすべての
板厚について最適条件を求めることとする。 今、溶接実験を板厚22.5mmについて行い、板厚
22.5mmにおいて裏ビード幅を一定とし良好な溶接
結果が得られた各最適溶接条件をプロツトした図
を第２図Ａ，Ｂ，Ｃとして示す。横軸にはギヤツ
プ量が、又縦軸には、各溶接条件がそれぞれとつ
てある。 第２図Ａはルートギヤツプの変化に対する裏ビ
ード幅を一定とした場合の溶融すべき母材の量
（すなわち継手容量）の変化を示したもので、一
次関数的に変化すること、これに対してI₁及びI₁
＋I₂を一次関数的に変化させれば裏ビード幅が一
定となることを示している。同様に、Ｂは、特に
I₃につていギヤツプ量の変化に対して、一次関数
的に増加させれば良いことを示しており、Ｃ図に
示す如くルートギヤツプの増加に伴う開先断面積
の増加すなわち、必要とする溶着量の増加を補う
ようにすれば良いことを示しいる。Ｃ図は、ルー
トギヤツプの増加に対する開先断面積の増加は一
次関数であり、溶接速度を一次関数的に減少させ
てやれば必要な溶着量が得られることを示してい
る。このようにして求めた溶接条件からワイヤの
溶融量を計算したものを、同図中のワイヤ溶融量
として、プロツトしてある。これも一次関数であ
り、開先断面積の変化によく追従した結果となつ
ていることがわかる。 上記第２図Ａに於いて示される継手容量のギヤ
ツプ量に対する変化度（直線の傾斜、前記定数
項）は、常に一定ではなく開先形状により異な
る。この関係は第３図に示してある。第３図は
FCB法が適用される全板厚について、開先形状
を示したものであり、それぞれの形状についてル
ートギヤツプが変化した場合の裏波ビードを一定
とするための継手容量の変化を示したものであ
る。全板厚について、裏ビードを決定する電流
I₁，I₂はルートギヤツプの変化に対して一次関数
的に制御できることを立証しようとするものであ
り、更にY₂の曲線に関して示される様に同一開
先形状であれば板厚が変化しても、各板厚につい
てギヤツプ量の変化に対する継手度容量の変化度
（直線傾斜）は同じであることを明らかにしてい
る。又、電流I₁の変化度は、各開先形状で異なる
が、同一の溶接結果を得るには継手容量（第３図
中斜線部で示す）が同一であれば、開先形状、ギ
ヤツプ量の如何に拘らず電流値I₁は同一となる。
このことは裏波ビードがアークの動的熱伝導によ
り直接溶融される母材の量によつて形成されるこ
とに起因する。但し、電流I₂は静的熱伝導により
裏波ビードに寄与するので同一ではないが、一定
の直線関係にあることは変らない。 第４図は標準条件及び板厚22.5mm、ギヤツプ量
０のときの電流I₁、I₁＋I₂と継手容量の関係をプ
ロツトしたものである。このカーブにより板厚、
開先角度、ルートフエース、ルートギヤツプが与
えられた場合、裏ビードを一定値に定め、継手容
量を計算し、第４図にあてはめると、適正な溶接
電流I₁、I₁＋I₂が溶接実験をするまでもなく、求
めることができる。 前記した第２図のＣではワイヤの溶解量が示し
てある。若し、この直線にフラツクスからの溶着
量を加えれば、開先断面積の直線とほぼ平行にな
るはずである。フラツクスからの溶着量を知るこ
とができれば、これから第３極の電流I₃、溶接速
度を算出できる。ギヤツプ量に対する開先断面積
の変化は開先形状によつて異なる。同一開先形状
であれば、電流I₃、速度ｖの傾斜（ギヤツプ量に
対する変化）は同一である。 以上の如き実験結果により得られたギヤツプ量
０mmのときの基本溶接条件及び定数項の一例を下
記の表に示す。

【表】 上表の基本溶接条件及び下記一次式をマイクロ
コンピユータに組み込んでおく。 すなわち、 I₁K₁＝I₁₀＋K₁G I₂K₂＝I₂₀＋K₂G I₃K₃＝I₃₀＋K₃G ｖ＝v₀＋KvG ここで前記表において板厚22.5mmの定数項K₁が
−90であるが、これは板厚22.5mmの場合に得られ
た最適溶接結果をプロツトしている第２図におい
て、第１極目の電流I₁の直線から読み取つた数値
であり、ギヤツプ量０mmのときの電流値1250Aと
ギヤツプ量１mmのときの電流値1160Aの差として
読み取られた値である。第１極目と第２極目で
は、ギヤツプ量が増加するに従い溶接電流は低下
するので、定数項K₁，K₂の値は負の値となる。
この点、第３極目の場合はギヤツプ量が増加する
に従い溶接電流が多くなるので、定数項K₃の値
は正の値となる。又、Ｇはギヤツプ量であり、
I₁，I₂，I₃はギヤツプ量Ｇでの各電極の電流値、
ｖはギヤツプ量Ｇでの溶接速度である。 而して、ギヤツプ量をセンサにより読みとり、
コンピユータに入力すればコンピユータはギヤツ
プ量に基づきI₁，I₂，I₃，ｖを演算して溶接条件
を制御できる。 尚、ギヤツプ量を直接読みとるにセンサーを用
いる場合を示したが、これはセンサーが最適であ
るからである。その理由は、開先幅は形状が異な
るので一元化できないし、継手容量は溶着量のコ
ントロールができず一元化できず、ギヤツプ量を
パラメータにとるのが最適であるからである。
又、マイクロコンピユータによる溶接条件の制御
は、前記の如く数式でもよく、又１／１０×数ミリメー トル単位の段階式でもよい。 以上述べた如く、本発明の方法は、板厚１mm毎
に第１極、第２極、第３極の電流、電圧及び溶接
速度についてギヤツプ０mmを溶接基本条件として
マイクロコンピユータにフアイルし、ギヤツプ量
の変化に応じて上記溶接基本条件をコントロール
するので、データとしてはギヤツプ量のみでよ
く、ギヤツプ量の変化に対応して良好な溶接結果
が得られるような溶接条件が自動制御されて常に
適正な溶接条件を維持してFCB片面自動溶接を
行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法における溶接条件として
のFCB3電極の例を示す概略図、第２図は板厚
22.5mmのときの最適溶接条件を示す図、第３図は
開先形状と継手容量及びギヤツプ量に対する継手
容量の関係図、第４図は溶接電流と継手容量との
関係図である。 １は第１の電極、２は第２の電極、３は第３の
電極、４はギヤツプセンサー。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 板厚が１mm変わる毎に第１極、第２極、第３
   極の各電極の溶接電流、電圧、溶接速度について
   ギヤツプ０mmのときに求めた値を溶接基本条件と
   し、該溶接基本条件とギヤツプ量の変化をパラメ
   ータとした溶接基本条件に対する溶接電流、電
   圧、溶接速度の変化をマイクロコンピユータに入
   力しておき、ギヤツプ量の検出値に対応して上記
   板厚毎の溶接基本条件を算出し、ギヤツプ量毎の
   溶接条件を決定することを特徴とする自動溶接に
   おける溶接条件制御方法。