JPS6311107B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、屈曲的あるいは曲線的に変化する溶
接継手線の自動アーク溶接方法に関する。

溶接トーチの継手線に対する角度は、溶接ビー
ム形状に直接影響し、一般には90゜近くに保たれ
るのが普通である。しかしながら、第１図イ，ロ
に示すように、継手線１が屈曲的に変化する波形
部材の隅肉溶接もしくは突合溶接を、自動的に連
続して溶接をするためには、継手線１の傾斜を何
らかの検出器にて検出し、溶接トーチ２の角度を
所定値に補正してやる必要があるが、適切な検出
器が開発されておらず、このため、溶接途中にお
いて溶接を中断しなければならない場合があつ
た。

本発明は、このような状況に鑑みて発明された
ものであり、溶接継手線が直線状でなく、溶接途
中において、屈曲的に変化したり、あるいは曲線
的に変化する場合に、溶接を中断することなく連
続的に良好に溶接が接続されるようにした自動ア
ーク溶接方法を提供することを目的とするもので
ある。

本発明の特徴とするところは、溶接アークを溶
接継手線上において溶接進行方向へ周期的に揺動
させ、進行方向における溶接継手線の傾斜状況を
アーク電圧波形の変化から検出して、溶接トーチ
の軸線が溶接継手線に対して常に一定の角度を保
ちつつ、かつ一定のアーク長を保つように自動的
に制御するようにした自動アーク溶接方法であ
り、この自動アーク溶接方法は、電極が消耗しな
いTIG溶接は勿論、ワイヤが定速送給される
MIG溶接、炭酸ガスアーク溶接、サブマージア
ーク溶接などのいわゆる消耗電極形アーク溶接に
も広範囲に適用できる。

本発明では、溶接継手線の傾斜を検出するセン
サーとして、溶接アークの電圧波形すなわちアー
ク特性を用いているので、アーク発生点での傾斜
がリアルタイムで検出でき、溶接継手線そのもの
を検出するので母材面の状態の影響を受けず、制
御の応答性、安定性に極めて優れた方法である。

以下、本発明による実施例を図面により説明す
る。

本発明では、溶接継手線の傾斜を検出するため
に、アークを周期的に、かつ同一振幅で揺動させ
なければならない。アークの揺動方法は基本的に
は、第２図イ，ロの２通りがあげられる。同図イ
は、トーチ２そのものを基本軸３に対し平行的
に、前方に（W.D）機械的に揺動させ、同図ロ
は、トーチ２自体を動かすことなく、アーク４を
前方に偏向させる方法で、これは電磁場をかけた
り、シールドガスなどの流体をふきつけることに
よりなされ、これらの手段は、すでに多くの例が
公表されており、とくに新規なものではない。

第２図において、Ｗは揺動の振幅、l₀はトーチ
の基準軸３におけるアーク長、l_Pは揺動時のアー
ク長とし、また、溶接継手線１と基準軸３の交点
をＯ点、揺動時のアーク中心軸との交点をＰ点と
し、以後この定義に従うものとする。

アークの揺動の周期と時間は、継手線の傾斜を
速やかに検出するうえから、その時の溶接速度と
の関係で定められ、例えば溶接速度30cm／minの
場合、継手線１mmピツチで検出するためには、揺
動周期が0.2秒以下、周波数で５Hz以上にする必
要がある。また、１周期におけるアーク４の揺動
時間（第２図のＰ点の状態）は、溶接の溶込形状
及びビード形状を害しないように選定する必要が
あり、第２図ロのようにアークを偏向させる場合
では、揺動時間は１周期の10分の１程度に短かく
する必要がある。第３図に、アークの揺動周期
Ｔ・揺動時間ｔと振幅Ｗの関係を示し、これらの
用語を図示のように定義する。

アーク電圧Vaとアーク長ｌとの関係は、よく
知られているように、第４図に示すような直線的
な関係にある。従つて、第２図のように、溶接継
手線１と溶接進行方向が平行な場合には、揺動に
ともなうアーク電圧波形は第５図の電圧波形イ，
ロのようになる。第５図の電圧波形イ，ロは、そ
れぞれ第２図イ，ロに対応している。第５図の電
圧波形イの場合はアーク長が変化しないから、ア
ーク電圧は、一定Vaoとなり、電圧波形ロの場合
は揺動時間ｔの間、アーク長はl₀からl_Pと増大す
るので、図のようにｔ期間だけVapなるパルス状
の電圧波形が得られる。

次に、溶接継手線１と溶接進行方向（V.D）と
が平行でない場合を第６図の電圧波形イ，ロに示
す。同図の電圧波形イ，ロは、第２図のアークの
揺動方法別のイ，ロに対応しており、簡単のため
アークの軸線のみで示している。第６図の電圧波
形イ，ロにおいて、トーチ２の基準軸におけるア
ーク長は、第２図の場合と同じl₀とすると、揺動
時のアーク長l_P′，l_P″は何れも継手線の傾斜の影
響を受けて第２図の場合よりもそれぞれ短かくな
る。

従つて、この場合の揺動にともなうアーク電圧
波形は、第７図の電圧波形イ，ロのようになる。
このときの揺動時のアーク電圧とトーチ基準軸で
のアーク電圧との差は、電圧波形イの場合は
Vap′−Vao′（＜Ｏ）、電圧波形ロの場合はVap″−
Vao（＜△Ｖ）となり、何れも溶接継手線１と溶
接進行方向（W.D）が平行な場合の電圧差（イ
でＯ、ロのとき△Vo）より小さくなる。

そこで、この電圧差がイの場合にＯ、ロの場合
に△Voに等しくなるように、第８図イ，ロに示
すごとく、溶接トーチ２をＡからＢへと旋回させ
ると、トーチ揺動に伴なうアーク電圧波形はそれ
ぞれ、第５図の電圧波形イ，ロのようになり、ト
ーチ軸線と溶接継手線１との角度φを第２図の基
準状態に自動復帰させることができる。この場
合、トーチ２が基準状態にまで旋回する角度θ
は、当然のことながら、継手線１の溶接進行方向
（W.D）に対する傾斜角に等しくなる。

以上のように、アークを周期的に、かつ同一振
幅で溶接方向前方へ揺動させ、揺動時のアーク電
圧Vapと、非揺動時すなわちトーチ基準軸でのア
ーク電圧Vaoとの差を常時計算し、その差が所定
の基準設定値と等しくなるように、溶接トーチ２
を、旋回させることにより、溶接継手線１の傾斜
がいかように変化しても、トーチ角度φを常に最
適な基準状態に維持させることができる。なお、
実施例では、アーク電圧差Vap−Vaoを用いてい
るが、第７図において斜線で示した、揺動時のア
ーク電圧波形の断面積Sイ、Sロ（正確には時間積
分値）を計算し、この値が所定の基準設定値So
と等しくなるように制御してもよく、実用的には
アーク電圧波形に電源リツプルなどの不用のノイ
ズ成分が重じようされるので、むしろこの方式の
方が制御の安定性に優れている。また、上記の制
御は揺動１サイクル毎に行なう必要はなく、揺動
周波数の高い場合には、揺動の複数サイクルでの
平均値を計算することにより、上記と同様のトー
チ角度制御してもよい。

本発明におけるトーチ角度の制御法は、前記の
非揺動時でのトーチ基準軸でのアーク長が一定に
保たれていることが前提となる。アーク長が一定
に保たれることは、トーチ角度制御を別にして
も、良好な溶接結果を得るうえにおいて溶接の基
本的な必須条件である。

次に、本発明における傾斜継手線でのアーク長
の制御法を第９図及び第１０図を用いて説明す
る。

第９図は、傾斜した溶接継手線１において、ア
ークを偏向的に揺動させる場合を示している。溶
接トーチ２が２−１の位置から溶接進行方向
（W.D）に移動し、２−２の位置にくると、アー
クの揺動にともなうアーク電圧波形は、第１０図
の２−１から２−２へと変化する。すなわち、溶
接継手線１の傾斜度の影響を受けてアーク電圧は
全体的に減少し、アークの非揺動時の値をみる
と、アーク長はl₀からl′アーク電圧でVaoから
Vao′へと減少している。従つて、アークの非揺
動時のアーク電圧差Vao−Vao′（＝△Vo）を計
算し、この値がゼロとなるように溶接トーチ軸線
方向（第９図のＹ軸）へ△ｌだけ移動してやる
と、２−３の状態となり、アーク電圧は元の２−
１の状態に復帰する。なお、この場合トーチの移
動方向（Ｙ軸）は、第９図のトーチ軸線方向に限
定する必要はなく、これとある任意の角度を持つ
方向であつても良い。

前記したごとく本発明におけるトーチ角度の制
御法では、非揺動時でのアーク長が一定に保たれ
ていることが前提となるから、実際の制御におい
ては、第９図のアーク長制御を行ない、非揺動時
でのアーク電圧差△Voがゼロとなつたことを確
認した後、第８図イ，ロのトーチ角度制御動作を
行なわせるように順序を選択すると、誤動作のな
い安定な制御結果が得られる。

次に、制御回路の一例を第１１図にて説明す
る。第１１図の制御回路は、トーチ角度θの制御
に、前記第７図における揺動時のアーク電圧波形
の面積Ｓを計算する方式を採用している。第１２
図は、前記制御回路によつて駆動される溶接装置
の模式図である。

検出されたアーク電圧波形（Va・１１）は、
ローパスフイルタ１２にて波形に重じようされた
電源リツプルなどの高周波ノイズが除去された
後、まずスイツチS₁によりアークが揺動されてい
ない期間のみのアーク電圧成分が平滑回路１３を
通過して平均値化された後、差動増幅器１４のプ
ラス側端子へVaoとして入力される。一方、スイ
ツチS₂は、本制御動作における最初の非揺動期間
にのみ瞬時的に閉路され、記憶器２４に基準アー
ク電圧Vaooを記憶させたのち開路状態を保つ。
従つて、差動増幅器１４の出力電圧により駆動さ
れるトーチ高さモータ（Ｙモータ、１５）は、非
揺動時のアーク電圧が常にVaooと等しくなるご
とく移動制御される。つまり、第１２図の溶接台
車２８に取付けられたＹモータ１５が駆動され、
溶接トーチ２をＹ軸方向に移動させてそのアーク
長を一定に保つようにする。

次に、トーチ角度（θモータ）の制御について
説明する。前記ローパスフイルター１２を通過し
たアーク電圧波形と、平滑化された非揺動時のア
ーク電圧Vaooが、差動増幅器１６に入力される
ことにより、揺動期間のみのパルス状のアーク電
圧波形が積分器１７に入力される。従つて、積分
器１７は、パルス波形の面積（第７図の斜線部の
面積）を計算する。積分器１７の動作期間は、揺
動装置２２に接続し、アークの揺動期間と非揺動
期間を弁別する同期パルス発生器２３にて規定さ
れ、揺動開始時に発生するセツトパルス２６にて
動作開始し、揺動終了時に発生するセツトパルス
２７にて積分電圧がゼロレベルにリセツトされ
る。

このセツト及びリセツトのタイミングは、揺動
回数１回分にのみとらわれず、複数回の揺動回数
にても行なわれる。積分器１７にて計算された波
形面積は、記憶器１８，１９にて記憶される。記
憶器１９は、スイツチS₃により最初の積分器出力
Soを記憶し、これを保持する。記憶器１８は、
積分器１７の毎回の出力を繰り返し修正し記憶す
る。従つて、トーチ角度θが最初の基準値に等し
くない場合には、記憶器１８の出力Ｓは、基準値
Soと異つた値となり、トーチ角度修正モータ
（θモータ、２１）にて基準トーチ角度に修正駆
動される。スイツチS₄は、前記差動増幅器１４の
出力がゼロレベルの時、すなわち、非揺動時のア
ーク長が基準値となつているときにのみ閉路され
るようになつており、θモータ２１はＹモータ１
５が停止しているときのみ動作する。つまり、第
１２図の溶接台車２８に取付けられたθモータ２
１は、アーク長が一定に制御された後に、溶接継
手線に対するアークの角度がほぼ90゜になるよう
に、トーチ２の他端を円弧レール２９に沿つて移
動させ、トーチ２の角度φを制御する。また、本
発明の制御法によれば溶接部材の終端を検知し、
溶接を自動的に終了させることもできる。すなわ
ち、第１３図イにおいて、溶接トーチ２が溶接終
了端３０（ステイフナの端部３１）に達すると、
アークが前方に揺動したときのアーク電圧（第５
図、ロのVap）は異常に高くなる。なお、３２は
母材である。また、第１３図ロでは、壁面３３の
影響を受けてアーク電圧は異常に低下する。従つ
て、これらの論理をすなわち異常変化情報を用い
ることにより部材端の自動検知が可能である。

以上の説明から明らかなように、本発明に係る
自動アーク溶接方法は、溶接継手線が屈曲的にあ
るいは曲線的に変化する場合であつても、良好な
溶接が可能になつている。

【図面の簡単な説明】

第１図イ，ロは溶接継手線が屈曲している場合
の説明図、第２図イ，ロは本発明におけるアーク
の揺動方法の説明図、第３図はアークの揺動周期
Ｔ・揺動時間ｔと振幅Ｗの関係を示した説明図、
第４図はアーク電圧Vaとアーク長ｌとの関係を
示した特性図、第５図は溶接継手線と溶接進行方
向とが平行ない場合のアーク電圧波形の説明図、
第６図イ，ロは溶接継手線と溶接進行方向とが平
行でない場合の説明図、第７図は第６図の場合の
アーク電圧波形の説明図、第８図イ，ロは溶接ト
ーチの旋回方法の説明図、第９図は本発明の溶接
トーチの制御方法の説明図、第１０図は第９図に
おけるアーク電圧波形の説明図、第１１図は本発
明の一実施例に係る方法を実施するための制御回
路、第１２図は第１１図の制御回路によつて駆動
される溶接装置の模式図、第１３図イ，ロは溶接
部材の終端を検知する方法のを説明するための説
明図である。 １……溶接継手線、２……溶接トーチ、３……
基準軸、４……アーク。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 溶接アークを溶接進行方向に揺動させつつ、
   アーク電圧波形Vaを検出し、アークが揺動され
   ている期間のアーク電圧のピーク値Vapと、アー
   クが揺動されていない期間のアーク電圧Vaoとの
   差△Ｖを揺動の１周期もしくは複数周期でもと
   め、△Ｖがあらかじめ定めた基準設定値と等しく
   なるように溶接トーチを旋回させ、溶接トーチと
   溶接継手線とのなす角度が常に一定となるように
   自動制御することを特徴とした自動アーク溶接方
   法。 ２ 溶接アークを溶接進行方向に揺動させつつ、
   アーク電圧波形Vaを検出し、アークが揺動され
   ていない期間のアーク電圧Vaoとあらかじめ定め
   た基準設定値とが等しくなるように溶接トーチを
   高さ方向に移動し、電極先端と溶接継手線との距
   離が一定となるように自動制御すると共に、 アークが揺動されている期間のアーク電圧のピ
   ーク値Vaoと、アークが揺動されていない期間の
   アーク電圧Vaoとの差△Ｖを揺動の１周期もしく
   は複数周期でもとめ、△Ｖがあらかじめ定めた基
   準設定値と等しくなるように溶接トーチを旋回さ
   せ、溶接トーチと溶接継手線とのなす角度が常に
   一定となるように自動制御することを特徴とした
   自動アーク溶接方法。 ３ 溶接アークを溶接進行方向に揺動させつつ、
   アーク電圧波形Vaを検出し、アークが揺動され
   ている期間のアーク電圧のピーク値Vapと、アー
   クが揺動されていない期間のアーク電圧Vaoとの
   差△Ｖを揺動の１周期もしくは複数周期でもと
   め、△Ｖがあらかじめ定めた基準設定値と等しく
   なるように溶接トーチを旋回させ、溶接トーチと
   溶接継手線とのなす角度が常に一定となるように
   自動制御し、さらに、 上記アーク電圧差△Ｖの絶対値があらかじめ定
   めた第２の基準設定値を越えた時、溶接部材端で
   あることを認知して溶接を終了させることを特徴
   とした自動アーク溶接法。 ４ 溶接アークを溶接進行方向に揺動させつつ、
   アーク電圧波形Vaを検出し、アークが揺動され
   ている期間のアーク電圧波形を、非揺動期間のア
   ーク電圧Vaoを基準にして、時間積分により波形
   の面積を、揺動の１周期もしくは複数周期でもと
   め、この値があらかじめ定めた基準設定値と等し
   くなるように溶接トーチを旋回させ、溶接トーチ
   と溶接継手線とのなす角度が常に一定となるよう
   に自動制御することを特徴とした自動アーク溶接
   方法。 ５ 溶接アークを溶接進行方向に揺動させつつ、
   アーク電圧波形Vaを検出し、アークが揺動され
   ていない期間のアーク電圧Vaoを検出し、この値
   があらかじめ定めた基準設定値と等しくなるよう
   に溶接トーチを高さ方向に移動し、電極先端と溶
   接継手線との距り（アーク長）が一定となるよう
   に自動制御すると共に、 アークが揺動されている期間のアーク電圧波形
   を、非揺動期間のアーク電圧Vaoを基準にして、
   時間積分により波形の面積を、揺動の１周期もし
   くは複数周期でもとめ、この値があらかじめ定め
   た基準設定値と等しくなるように溶接トーチを旋
   回させ、溶接トーチと溶接継手線とのなす角度が
   常に一定となるように自動制御することを特徴と
   した自動アーク溶接方法。 ６ 溶接アークを溶接進行方向に揺動させつつ、
   アーク電圧波形Vaを検出し、アークが揺動され
   ている期間のアーク電圧波形を、揺動期間のアー
   ク電圧Vaoを基準にして、時間積分により波形の
   面積を、揺動の１周期もしくは複数周期でもと
   め、この値があらかじめ定めた基準設定値と等し
   くなるように溶接トーチを旋回させ、溶接トーチ
   と溶接継手線とのなす角度が常に一定となるよう
   自動制御し、さらに、 上記揺動期間の波形面積があらかじめ定めた第
   ２の基準設定値を越えた時、溶接部材端であるこ
   とを認知して溶接を終了させることを特徴とした
   自動アーク溶接方法。