JPS6239070B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は電気アーク溶接法に用いるセンサに関
する。さらに詳しくは、本発明はアーク領域およ
びそれをとりまく母材区域を直接見ることのでき
る赤外線センサに関する。

種々の電気アーク溶接法において、溶接作業中
に多数の溶接パラメータを決定できることが望ま
しい。このことは自動溶接法にとつて特に重要で
ある。現在、自動溶接法は実際上スポツト溶接法
に限られている。しかし、自動溶接法、特に多目
的製造用ロボツトにより行われる自動溶接法の開
発が続けられるのにつれて、形成中の溶接部の品
質に関する一層多量の連続的な情報が必要とされ
ている。この情報は当然、溶接部を形成するにつ
れて実時間で提供されなければならない。簡単に
言えば、このような情報に基づいてフイードバツ
ク制御機構が溶接プロセスの幾つかのパラメータ
を制御することが必要とされている。これらのパ
ラメータには、アーク電流、アーク電圧、母材ま
での電極の距離、横方向トーチ位置決めおよび溶
接部の長さに沿つてのトーチ移動速度が含まれ
る。溶接継手（ジヨイント）の最終強度および品
質を測定するのに非常に有効な別の重要な変数
に、溶接部の溶込み深さがある。この変数は溶接
部が継手の根元に溶込む深さを意味する。ストレ
ス・ジヨイントは溶込みが不完全な点で破損しや
すいので、溶込みの連続制御はすべての自動溶接
プロセスに非常に望ましい目標である。溶込み深
さを決めるもつとも影響力ある因子は、溶接パス
の単位長さ当りの熱入力である。例えば、アーク
電流を増加するか、走行速度を減少させると、溶
込みが大きくなる。しかし、溶接機の直接制御以
外の他の因子、例えば継手の設計および取付けも
溶込み深さに重要な影響を有する。従つて、自動
溶接機および自動溶接法において、溶込みを検出
し溶接継手に供給する熱を調節する手段を採用し
て、完成溶接部に適正な品質を保証することが極
めて望ましい。

過去に、溶込み深さおよび品質を決定するため
に幾つかの方式がとられている。溶接操作中の熱
入力をもつとも直接的に示すものは、アークに対
してある固定された点での母材の温度である。従
つて、慣用の温度センサを用いてそのような温度
の変化を測定し、そして適当なフイードバツク制
御装置を介して制御可能なパラメータに変化を起
させている。これらのパラメータにはアーク電
流、トーチ走行速度およびアーク長さが含まれて
いる。Sciaky溶接溶込み制御法では、赤外線セ
ンサで溶接中の継手の下側から、加熱された領域
を連続的に監視する。この方法は、母材の下側へ
の接近が妨害されてはならないという重大な欠点
を有する。その上、位置決め条件が臨界的である
ので、センサおよびその移動を溶接トーチの移動
と同期させる必要がある。従つてSciaky制御法
では、溶融池自身を直接観察しない。

この分野での別の研究が、米国エネルギー省に
1981年６月に提出されたJose′Convertiらの研究
報告「処理中の感知と制御による溶接の信頼性向
上（管の胴回り溶接用の最適溶接機の開発）
Improvement of Reliabilty of Welding by In―
Process Sensing and Control（Develspment of
Smart Welding Machines for Girth Welding
of Pipes）」に報告されている。この報告によれ
ば、接触センサ（熱電対）を用いて初期実験を行
つて溶融池およびシーム（seam）付近の温度分
布を調べる。これに記載されている遠隔温度感知
用に近赤外ホトダイオードを用いる試みは、金属
表面から反射されるプラズマ放射による光学的干
渉が著しいので、うまくいかなかつた。特に、上
記論文では、慣用の溶接作業者用ゴグルに類似し
た材料でつくつた簡単な光学的フイルタを用い
て、プラズマアークからの放射を減衰させること
を提案している。

接触式温度測定法に基づく、アルミニウム溶接
についてまつたく異なる技術をNASAが開発し
た。コンスタンタン線を母材と摺動接触させて、
熱電対回路の一方の脚部を形成している。この接
触は継手のトーチ側の溶接部付近で生じさせる。
このようなシステムは、完全な溶込みが必要な厚
い母材の場合よりむしろ、薄い（0.125インチ
（3.2mm））のアルミニウム母材に対する溶込み制
御装置としてうまく機能するようである。

要するに、自動アーク溶接法の分野における溶
接者はこれまで、溶融池およびアークを囲む直近
の区域についての高分解能データおよび詳細な情
報を提供しなければならなかつた。しかし、本発
明者は、アーク自身からの赤外線のスペクトル分
布に関する重要な情報を発見し、かくして溶接部
の品質に関する従来得られなかつた情報を、アー
クおよび溶融池に近い非常に重要な領域から、連
続かつ実時間で提供するアーク溶接センサの構成
を可能にした。

発明の概要 本発明の好適例によれば、アーク溶接監視用赤
外線センサは、アーク領域からの赤外線を赤外線
用収束手段に導き、次いで波長が約３ミクロンよ
り長い赤外線を選択的に透過するフイルタに導び
く案内手段を具える。本センサはさらに、フイル
タ手段を透視してくる赤外線を受取る赤外線検出
手段を具え、この赤外線検出手段はそこに入射す
る赤外線の強度に応じた電気信号を発生する。本
発明の好適実施例においては、赤外線検出器がパ
イロ電気検出セルの直線状配列体よりなり、アー
クおよび溶融池の直近の温度プロフイール測定値
を示す電気信号を発生するように動作する。本発
明の他の好適実施例によれば、センサがアークト
ーチに機械的に取付けられ、従つてトーチと一緒
に動く。従つてこの実施例では、第２の移動用セ
ンサアームおよび関連する同期装置および回路を
設ける必要がない。本発明のさらに他の実施例に
おいては、検出器およびフイルタが本センサ装置
から取外しでき、かくして可視光光学系を利用し
てセンサを手動位置決めおよび焦点合わせするこ
とができる。この特徴は準備作業中に特に役立
つ。

従つて、本発明の目的は、アークおよび溶融池
付近から放射および温度情報を得るための電気ア
ーク溶接用センサを提供することにある。

本発明の他の目的は、フイードバツク制御手段
を提供して種々のアーク溶接トーチのパラメー
タ、例えばアーク電流、走行速度、アーク長さお
よび溶込み深さを制御することにある。

最後に、本発明の目的は自動溶接プロセスを容
易にすることにある。

発明の詳述 本発明は本明細書の特許請求の範囲に特定され
明確に記載されているが、本発明の構成および実
施方法に関して、その他の目的および利点と共
に、添付図面に関連して行う以下の説明を参照す
ることによりもつともよく理解できるであろう。

第１図に本発明のセンサの好ましい実施例をこ
れを取付ける電気アークトーチと共に示す。本発
明のセンサは、赤外線検出器１０、フイルタ１
２、光学的案内手段１４および収束手段１６を具
える。本発明に用いるのが好適なこれらの構成要
素および他の構成要素を以下に詳しく説明する。

赤外線検出器１０は母材２８の溶融池２０から
の収束され波された赤外線を受取る。溶融池２
０は、アーク溶接トーチ２２の電極先端２４から
金属母材２８に電気アークをとばす結果として形
成される。本発明の検出器は約３ミクロンより長
い波長を有する赤外線に感応性でなければならな
い。検出器感度は通常約３〜14ミクロンの範囲で
あり、好適な感度範囲は約３〜７ミクロンであ
る。好ましくは、検出器が約50Hzの最低周波数応
答を呈することも必要である。さらに、検出器は
約25℃の動作温度で安定でなければならない。幾
つかの特定型式の検出器を使用でき、これらはい
ずれもその適正動作のために、例えば極低温液体
による冷却を必要としないものである。特に、検
出器１０は32〜128個のセルからなる自己走査式
パイロ電気直線配列検出器、例えばSpiricon社
（米国ユタ州ローガン、ノースメイン2600所在）
から入手できる検出器とすることができる。この
直線状検出セル配列体は特に直線状温度分布また
プロフイールを得るのに適切である。このプロフ
イールを用いて溶融池の寸法を求めることでき、
これは特に薄板材料間の溶接部に有用である。そ
のほかに、検出器１０は、セレン化鉛またはアン
チモン化インジウム光導電性物質を用いた単一素
子光導電型検出器とすることもできる。このよう
な単一素子検出器を用いて溶融池領域内の固定点
から赤外線情報を受取ることができ、特に深い溶
込み溶接部を監視するのに有効である。単一素子
パイロ電気検出器もこの目的に使用することがで
きる。またほかに、検出器１０は二次元走査配列
パイロ電気セルまたは光導電型検出器とすること
ができる。このような検出器は、溶接部全域から
高分解能熱データを得るのが望ましい幾つかの特
殊な目的用途に好ましい。

本発明のアーク溶接センサの成功の要因は大部
分、このセンサがトーチ側計器であるという事実
にある。このような計器は通常、アーク自身が非
常に明るく強い赤外線を発生するので、十分に有
為な熱データ分解レベルを達成する能力に欠け
る。アーク自身が発生する赤外線は非常に高強度
のものであるので、同時に発生する他の赤外線を
実効的に妨害する。しかし、本発明者は、多数の
溶接プロセスについて、アーク内で発生する赤外
線の帯域幅が約３ミクロンより短い波長に限定さ
れていることを見出した。このようなわけで本発
明では、波長が約３ミクロンより長い赤外線を選
択的に通すフイルタ１２を使用する。このように
して、アーク２６からの「ノイズ」赤外線を大き
く減衰する。フイルタ１２を配置することによ
り、溶融池領域全体をアーク２６からの有為な干
渉なしで監視することが可能になる。フイルタ１
２は、３または４ミクロンの間の低いカツトオン
波長を有する低域通過赤外線フイルタとすること
ができる。ほかに、フイルタ１２は波長が約３〜
７ミクロンの間にある赤外線を透過する帯域フイ
ルタとすることができる。ほかに、波長約14ミク
ロンまでの赤外線が、加工中の溶接部の特性およ
び品質についての有益な情報を含んでいることも
留意すべきである。

本発明の好適な実施例では、検出器１０とフイ
ルタ１２を取外し可能なヘツド１１内に装着す
る。このことは、ヘツド１１を取外せば可視光光
学系を利用して溶接区域の手動検査を行える点
で、本発明の特に有利な利点である。従つて、ア
ーク溶接トーチ２２のオペレータは簡単にヘツド
１１を取外して、本発明の他の光学的エレメント
を視覚的に位置決めし調節することができる。こ
の調節を通常初期の準備時間中に行い、その後は
手動調節をめつたに必要としない。

本発明のセンサを常時溶接領域に向くように装
着することができるが、（本発明の目的には）ア
ーク領域からの赤外線を受取りそれを検出器１０
に向つて反射する光学的案内手段１４を用いるの
が好ましい。従つて、ビーム偏向手段すなわち光
学的案内手段１４として金メツキした鏡またはサ
フアイヤプリズムで構成するのが好ましい。この
形態の光学的案内手段により、検出器１０が溶融
池２０を含む溶接部全域に光学的に接近できるよ
うにしながら、センサを溶接トーチ２２と平行に
装着できる。ビーム偏向器すなわち案内手段１４
をロツク可能ボール・ソケツト・ジヨイントに装
着して光学的位置合わせを容易にするのが好まし
い。特に、ビーム偏向器すなわち案内手段１４
は、例えば、やすりまたは研磨により平担面が形
成され円筒体または球体よりなるベース１４ａに
赤外反射鏡１４ｂを装着して構成するのがよい。
第１図には特に示していないが、ビーム偏向器１
４をトーチ２２またはセンサ組立体の固定部分に
機械的に取付ける。これによりトーチおよびセン
サ組立体全体を単一ユニツトとして移動すること
ができる。主センサ組立体はトーチ２２に機械的
に取付けられているものとして破線４０により線
図的に図示されている。この取付けはクランプ、
ボルトまたは他の適当な支持具のような任意の適
当な機械的手段によつて行う。

本発明のセンサはさらに、赤外線をビーム偏向
器すなわち案内手段１４から受取りその赤外線を
検出手段１０上に収束する収束手段１６を具え
る。収束手段１６は、溶接部を解像するのに十分
な視野の深さを有する単一または複合サフアイヤ
レンズ、または他のレンズ系で構成するのが好ま
しい。収束調節具をしつかり保持するロツクを設
けるのも好ましい。収束手段１６は、例えば、可
動レンズ１６ａを可動コリメータ１６ｄに装着し
て構成する。コリメータ１６ｄを固定コリメート
１６ｃ内に摺動可能に配置し、固定コリメータ１
６ｃには後部固定レンズ１６ｂを収容する。コリ
メータ１６ｄおよびレンズ１６ａを移動させて必
要な収束または焦点合わせを行う。第１図では収
束手段１６として透過型光学装置を示したが、反
射型光学的収束装置、例えばカセグレン
（Cassegrain）光学系の装置を使用することもで
きる。ここで用語「光学的」は可視スペクトルの
みならず、赤外スペクトル領域も包含することに
留意すべきである。

ほかに、本発明のセンサにはアイリス絞り３０
を設けるのが好ましい。これは、普通のカメラに
見られる絞りと同様の介在構造を有する調節可能
な光学的アイリス絞りとするのがよい。アイリス
絞り３０を用いてセンサが見る区域を限定する。
従つて、絞り３０の主要機能はトーチ先端から直
接入つてくる熱放射を阻止することにある。

ほかに、検出器１０がパイロ電気検出器よりな
る場合、チヨツパ１８を用いるのも好適である。
この装置はセンサヘツド１１に入射する放射を機
械的に変調して、赤外線検出器１０が交流モード
で作動できるようにする。チヨツパは固有の熱基
準源を提供し、タイミング同期を行う。任意のコ
ンパクトな音叉または回転チヨツパ構造を用いる
ことができる。このようなチヨツパは従来から周
知であり、Bulluva Watch Company（米国ニユ
ーヨーク州ウツドサンド，ウツドサンドアベニユ
61―20所在）の電子機器部門から入手できる。音
叉型も回転型もそして他の設計のチヨツパもこの
会社から入手できる。

検出器１０の出力はアナログ信号の形であり、
そのレベルが検出器に入る赤外線の強さを示す。
パイロ電気検出器は代表的には約32〜128個の
別々の検出素子の範囲にわたつて自己走査できる
特徴を有する。このような場合、出力信号は一連
のアナログパルスであり、その値が溶接シームに
沿つた、シームのまわりの、またはシームを横切
る直線状の点の配列から検出器に入射する赤外線
のレベルを示す。検出器１０からのアナログ信号
をチヨツパ１８からの同期信号とともに電子処理
回路３２に送る。処理回路はアーク溶接トーチ２
２に１個以上の制御信号を送り出す。これらの制
御信号は、横方向位置決め、電流レベルまたは溶
接シームに沿つての走行速度を制御することがで
きる。

検出器１０が発生する電気信号を用いて幾つか
の機能を満たす。まず第一に、検出器および光学
的案内手段を、溶接位置のシームを横切る温度プ
ロフイールを測定できるように位置決めできる。
このような位置決めにより溶込み深さを測定する
のに特に有用な温度プロフイール情報を得ること
ができる。第二に、溶接部の後ろ側のシームを横
切る温度プロフイールが得られるようにセンサを
位置することができる。この温度プロフイールは
完成した溶接部分の品質を定めるのに特に有効で
ある。この測定では、プロフイールの対称性が溶
接部を定める上で特に有利な要因である。第三
に、溶接シームを横切るのではなく、溶接シーム
に沿う温度プロフイールが得られるようにセンサ
を配置することができる。このように配置するこ
とにより、溶融池の後ろで起つている冷却速度を
示す温度プロフイール情報が得られる。従つて、
これは溶接部品質を定めるもう一つの手段とな
る。最後に、本出願人による1982年４月26日出願
の米国特許出願第371708号に詳述されているよう
に、シーム追跡情報を得ることができる。

本発明のアーク溶接センサは赤外線フイルタ１
２が存在することで特別な利点を呈する。先に指
摘したように、本発明は、幾つかの異なる溶接法
において、アーク自身からの赤外線が比較的狭い
帯域の電磁スペクトル周波数に限定されることを
見出した。特定の周波数帯域は使用する特定の電
極材料および不活性ガスによつて変わるが、電気
アークが発生する赤外線が一般的に約３ミクロン
より長い波長を有しないことを確かめた。具体的
に第２図に、タングステン不活性ガス（TIG）ア
ークについて検出器出力電圧（ミリボルト）を波
長の関数としてプロツトしたグラフを示す。使用
した不活性ガスはアルゴン、使用した電極材料は
トリウム入りタングステンであつた。同様のグラ
フを第３図に示すが、これは、不活性ガスとして
ヘリウムを使用し、電極材料をほゞタングステン
のみでつくつた場合のTIGアークの近赤外スペク
トル分布を示す。この場合にも、アーク自身から
の赤外線が相対的に帯域幅が限定され、波長約２
ミクロンのまわりに集中し、約1.5〜約2.5ミクロ
ンの範囲にわたることがわかる。従つてこの形態
の不活性ガスアーク溶接の場合、帯域幅をもつと
広いフイルタ１２を使用できる。

上述した原理に基づく実験を行い、そして特
に、２つの特定赤外帯域、即ち4.5〜5.5ミクロン
の帯域と７〜14ミクロンの帯域で測定を行つた。
この実験はAGA780デユアル・サーモヴジヨン
（Thermovision）撮像赤外放射計を用いて行つ
た。この計器は、デイスプレーの明るさのレベル
またはグレースケールが対象物体の局部的放射輝
度レベルに対応する画像を生成する。アーク間隙
は約40アンペアから約60アンペアまで変化する溶
接電流に従つて1/8インチ（3.2mm）から1/2イン
チ（12.7mm）まで変えた。この実験ではアルゴン
のパージガスも使用した。代表的な画像をデイジ
タル磁気テープに記憶した。これらの画像の観察
から幾つかの興味深い点が見出された。特に、ア
ークは測定を行つた赤外帯域の双方で、完全に不
可視でないものの、実質的に透明であつた。さら
に、画像品質が７〜14ミクロンの比較的長い波長
ではつきり優れていると見えた。この画像品質の
向上は、少くともその一部が、この領域での帯域
幅が増加し、従つて一層多くの放射エネルギーが
受取られるせいであると考えられる。さらに、両
赤外帯域での母材の放射放出強度マツプが局部表
面温度分布とよく一致した。最後に、使用した放
射計の計器の設定感度が低いことは、補助的局体
冷却装置の必要なしで室温赤外線検出器を使用で
きることを表わしている。

従つて、上述したところから、本発明によりア
ーク溶接装置に適した赤外線センサが得られるこ
とが明らかである。特に、本発明により、トーチ
と共に移動し、特にアーク溶融池の高分解度赤外
線測定を行い得るトーチ側計器が得られる。本発
明は、可視波長スペクトルで直視することにより
位置決めおよび調節を行い得る利点も有する。さ
らに、本発明はガス・タングステン・アーク溶接
のみならず、ガス金属アーク溶接にも適用できる
ことがわかる。さらに、溶接部の下側への接近は
本発明では必須要件ではない。そして最後に、本
発明のセンサはアークトーチに直接装着でき、こ
れにより別のアーク追従器具を用いる必要がな
い。

本発明をその好適実施例について詳しく説明し
たが、当業者であれば多数の変更、変形を加える
ことができる。従つて本発明はそのような変更例
や変形例すべてを、本特許請求の範囲内に入るも
のとして包含する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のセンサとそれを取付けた電気
アークトーチとを一部断面にて示す概略側面図、
第２図はアルゴンガスおよびトリウム入りタング
ステン電極を用いる溶接法における検出器出力電
圧を波長の関数として示すグラフ、および第３図
はヘリウムガスおよびタングステン電極を用いる
溶接法についての第２図と同様のグラフである。 符号の説明、１０…検出器、１１…ヘツド、１
２…フイルタ、１４…光学的案内手段、１６…収
束手段、１８…チヨツパ、２０…溶融池、２２…
トーチ、２６…アーク、２８…母材、３０…アイ
リス絞り、３２…電子処理回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ アーク溶接機のアーク領域からの赤外線を受
   取る光学的案内手段と、入射する赤外線の強度に
   応じた電気信号を発生する赤外線検出手段と、前
   記光学的案内手段から赤外線を受取り、その赤外
   線を前記検出手段に収束する収束手段と、前記検
   出手段と前記収束手段との間の光通路に配置さ
   れ、波長が約３ミクロンより長い赤外線を選択的
   に透過するフイルタ手段とを具える、電気アーク
   溶接および監視用赤外線センサ。 ２ 前記赤外線検出手段がパイロ電気検出セルの
   直線状配列体よりなる特許請求の範囲第１項記載
   の赤外線センサ。 ３ さらに、前記検出手段と前記収束手段との間
   の光通路に配置されたチヨツパ手段を具える特許
   請求の範囲第２項記載の赤外線センサ。 ４ 前記検出手段と前記収束手段との間に配置さ
   れ、前記検出手段に入射する赤外線の量を制御す
   るアイリス絞り手段を具える特許請求の範囲第１
   項記載の赤外線センサ。 ５ 前記収束手段が反射型光学系よりなる特許請
   求の範囲第１項記載の赤外線センサ。 ６ 前記検出手段および前記フイルタ手段が、セ
   ンサを可視光で見ながら位置決めを行うことがで
   きるように、前記センサから取外し可能である特
   許請求の範囲第１項記載の赤外線センサ。 ７ 前記フイルタ手段が波長が約３〜14ミクロン
   の間にある赤外線を透過する特許請求の範囲第１
   項記載の赤外線センサ。 ８ アーク溶接トーチと組合わされて、センサが
   トーチに装着されている特許請求の範囲第１項記
   載の赤外線センサ。