JPS63220978A - ア−ク溶接部の品質監視方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電極と被溶接物との間に発生するアーク電圧
を計測し、その電圧波形から溶接袂態を評価、監視する
アーク溶接部の品質監視方法及びその装置に関する。

〔従来の技術〕

被溶接物で最も需要の多いのは溶接鋼管であるが、その
中でも大径管は天然ガスや石油を輸送するパイプライン
として用いられている。近年においては、天然ガスや石
油の産出地が自然条件の悪いところに移りつつあり、こ
れに伴って溶接鋼管に対する仕様条件が年々厳しくなっ
て来ている。

特に溶接部の品質については厳しい要求が課せられ、こ
れを満足させるためにサブマージドアーク溶接法の品質
向上を自損して種々の研究開発が行なわれている。

一般に溶接状態を評価するにあたり、再点弧電圧が低い
程アークが安定していると云われている。

そこで、従来より、再点弧電圧を検出し、その大きさか
ら、アークの安定状態を評価し、溶接部の良否を決定し
ている。この決定には一般に高速型の波形解析機を用い
、解析結果と品質との対応関係をつけて行っている。最
近では計測したアーク電圧波形をＡ／Ｄ変換し、そのデ
ータをＣＰＵで処理し高速化を図ったものも見掛けられ
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来においては、前述したように再点弧電圧の絶対値を
基準として溶接状態を評価している。しかし、平均電圧
が高くなると、絶対値も高くなる傾向がみられ、絶対値
を評価基準とするには多少問題が残り、平均電圧の高低
に影響されない基準を評価の尺度とすることが望まれる
。また、従来の装置においては再点弧電圧の検出条件や
評価方法がかなり複雑であるから、Ａ／Ｄ変換器に高速
応答性が要求され、リアルタイムで処理するには限界が
みられる。更にサンプリングピッチの選定条件いかんに
よっては評価が異ってくる場合もある・　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　最近では、溶接に異常が
起きたら、素早く矯正するという要求が生じ、溶接と同
時にその品質を評価できるようなシステムが求められて
いる。

そこで、本発明の目的は、上記要望に応えると同時に、
平均電圧の高低にも影響されないアーク溶接部の品質監
視方法及びその装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明方法は、電極と被溶接
物との間で発生するアーク電圧を計測し、その電圧波形
よりある範囲の周波数成分と他の範囲の周波数成分を抽
出し、これら二成分の比から溶接状態を評価、監視する
ことを特徴とする。

また、その装置は、電極と被溶接物との間で生じるアー
ク電圧を計測する計測回路と、その計測回路で得られた
電圧波形の中からある範囲の周波数成分を通過させる第
１フィルタと、同じく他の範囲の周波数成分を通過させ
る第２フィルタと、第１フィルタを通過した周波数成分
の大きさを演算する第１演算器と、同じく第２フィルタ
を通過した周波数成分の大きさを演算する第２演算器と
、第１及び第２演算器の出力比をとる判別器と、判別器
の結果を出力する表示器とから成ることを特徴とする。

〔作　用〕

アーク電圧波形を解析すると、第２図のように、アーク
電源に用いられた低周波数成分とアーク溶接により生じ
た高周波数成分が表われる。高周波数成分は低周波数成
分の大きさに影響されるから、２つのフィルタでそれぞ
れの周波数成分を取り出し、その比をとれば、低周波数
成分の大きさの影響が取り除かれる。ところが、各周波
数成分の線スペクトルを取ると、第３図にみられるよう
に、電源周波数の３倍高調波が表われる。この高調波は
かなり大きなスペクトルを持っているが、溶接部の評価
に関係がなく、低周波数成分に含める必要がある。した
がって、低周波数成分の領域として電源周波数の約３倍
以下が割り当てられ、高周波数成分の領域としてそれ以
上が割り当てられる。

演算器で求める周波数成分の大きさは、オーバーオール
値であってもよく、あるいはピーク電圧であってもよい
。オーバーオール値は各周波数成分の持つ全エネルギを
定量化するものであるから、オーバーオール値が小さい
程、アークが安定していると判断でき、溶接部の品質を
計る尺度として用いることができる。また、ピーク電圧
は再点弧電圧に相当する部分にあたるから、同じく溶接
部の品質を計る尺度として用いることができる。これら
のオーバーオール値やピーク電圧は周波数成分をデジタ
ル化しなくても既存のアナログ回路で求めることができ
、本発明においては比較的手軽にかつ安価にオンタイム
での処理が可能となる。

各周波数成分の比は、判別器で求められるが、同じくア
ナログ回路を用いて演算することが可能であり、その出
力はアナログ表示器により表示される。したがって品質
の良否の判断はしきい値を定めて行なうことが望しく、
そのしきい値も第５図にみられるように実験で求めるこ
とができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して実施例を説明する。

第１図においては、−例として鋼管１のストレートシー
ムがサブマージドアーク溶接により溶接されている。溶
接電源２の一方は電極３に接続され、他方は鋼管１と同
じくアースされている。この電極３と鋼管１との間に再
点弧電圧に匹敵する電圧差が生じると、電流が零になる
までアークが飛び、高周波数成分をもったアーク電圧が
発生する。

上記アーク電圧は計測回路４により計測される。

計測回路４は分圧器５とアイソレータ６を直列に接続し
た回路である。一般にサブマージドアーク溶接は、低電
圧、大電流で溶接を行っており、回路４のインピーダン
スが小さいと、大きな電流が流れ、回路４が焼損する。

このような不都合がないように、分圧器５には、一般に
高抵抗値をもった抵抗が組み込まれている。この抵抗の
一端子は電極３に、他端子は鋼管１にそれぞれ接続され
、中間端子より降圧してアーク電圧の波形が取り出され
る。この取り出されたアーク電圧波形は、直流分がアイ
ソレータ（絶縁トランス）６により除去され、交流分の
みが次回路に出力される。

交流分には、電源周波数に関係した低周波数成分と、ア
ーク溶接で生じた高周波数成分が含まれている。従来に
おいては、直接再点弧電圧を計測し、その大きさにより
溶接状態を評価していたが、再点弧電圧が平均電圧の高
低で変わるため、再点弧電圧を評価の基準とすることに
は不都合があった。本発明においては平均電圧の影響を
打ち消すため、それぞれの成分がローパスフィルタ７ａ
とバイパスフィルタ７ｂにより抽出される。実施例にお
いては溶接電源に６０Ｈｚが用いられているから、電源
周波数の二倍高調波が交流分に現われる。

この高調波を低周波数成分に含ませるため、ローパスフ
ィルタ７ａには２００Ｈｚ未満を通過させるフィルタが
用いられ、一方高周波数側には２００Ｈｚ以上を通過さ
せるフィルタが用いられている。

各フィルタ７ａ、７ｂを通過した成分は整流器８ａ、８
ｂによりそれぞれ整流され、次いで演算器９ａ、９ｂに
入力される。

演算器９ａ、９ｂは、各周波数成分の大きさを演算する
回路である。本発明においては成分の比をとってその大
きさにより溶接状態を評価するものであるから、演算器
９ａ、９ｂで求める成分の大きさは、オーバーオール値
であってもよく、またピーク電圧であってもよい。

オーバーオール値Ｐｖは、 Ｇｘ（ｆ）：時間軸信号Ｘ（ｔ）をフーリエ変換したも
の、 ｒ　：周波数 により表わされ、このオーバーオール値を求めることに
より各周波数成分の持つ全エネルギを定量化することが
できる。このオーバーオール概略値をアナログ演算で簡
易に求めるには、第４図にみられる回路を用いればよい
。この回路は掛算器１０と積分器１１を直列接続した回
路から成るもので、掛算器１０には公知のアナログ回路
、例えばＦＥＴとオペアンプとの組み合せから成るもの
、積分器１１にはオペアンプとコンデンサの組み合せか
ら成るものを用いることができる。前述した整流器３ａ
、３ｂからの信号ｘ（ｔ）は、掛算器１０により自乗さ
れ、次いで１〜５サイクルの時定数（２，０ｍ５ｅｃ〜
１００　ｍ５ｅｃ）を持つ積分器１１により積分される
。ここで求められた値はオーバーオール概略値を示し、
各成分の大きさとして用いることができる。

また、各成分の大きさとしてピーク電圧を採用するとき
は、第５図に示す回路を用いることができる。この回路
は、２つのオペアンプ１２．１３の間にダイオード１４
とホールドコンデンサ１５とから成る積分回路を組み込
んだ回路で、出力値は各オペアンプ１２．１３に負帰還
されている。

したがって、整流器８ａ、８ｂからの信号電圧がオペア
ンプ１３の出力電圧よりも高いときに、ダイオード１４
経出でホールドコンデンサ１５に追加充電され、過去の
ピーク電圧が保持される。ピーク電圧は、高周波数成分
においては再点弧電圧に匹敵する電圧であり、低周波数
成分においては電源電圧に匹敵する電圧である。したが
って、この比をとれば、平均電圧の高低に影響されない
評価基準が得られる。

次いで各演算器９ａ、９ｂからの出力値（オーバーオー
ル値又はピーク電圧）は判別器１６に入力される。判別
器１６は、高周波数成分Ｐと低周波数成分Ｑの比に＝Ｐ
／Ｑをとる回路で、ここではアナログ式の割り算器が使
用されている。割り算器としては、例えばＦＥＴとオペ
アンプを組み合せたものが一般に知られている。この種
の割り算器は電圧で出力されるから、表示器１７には電
圧計を用いることができる。この表示器により指示され
たに＝Ｐ／Ｑ値が小さい程、品質は良好である。

溶接状態の評価、監視においては、欠陥の程度を一々知
る必要がないから、しきい値を設けて溶接の良否を判断
する。しきい値は、第６図のように周波数成分の比Ｐ／
Ｑと再点弧電圧との相関関係を求め、要求される品質を
満足するように値を選ぶ。現在求められている品質を確
保するには、しきい値０．０６程度が１つの目安となる
。

〔発明の効果〕

以上、説明したように、本発明によれば、周波数成分の
比Ｐ／Ｑを監視することにより、再点弧電圧を簡単な構
成で正確にかつオンラインで評価することができる。し
たがって、小ロツト品のように頻繁に溶接条件を変更す
る必要があるときは、再点弧電圧の異常を直ぐに知るこ
とができる。この評価で異常が認められた場合、例えば
Ｐ／Ｑ≧０．０６になったときは、■電極間距離、■電
極角度、■電圧、■電流の順に溶接条件を変更し、Ｐ／
Ｑ＝０．０５近傍になるように調整が行なわれる。

本発明においては、表示がオンラインでなされるので、
溶接条件の異常に対して迅速な対処が可能となる。

従来、大径鋼管の溶接においては頻繁な段取り変更が行
なわれ、最適な溶接条件が得られるまでに０．３１個／
本の欠陥発生率であったが、本発明においては、異常の
発見が早く、迅速な溶接条件の変更が可能であるところ
から、欠陥発生率も０．０２個／本と大幅に低減した。

また、本発明によれば、既存の周波数フィルタや計測器
を用いることができるため、装置的にも安価である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示したブロック図、第２図
はアーク電圧の波形図、第３図は周波数成分の線スペク
トル図、第４図は演算器のブロック図、第５図は他の演
算器の回路図、第６図は周波数成分の比と再点弧電圧と
の相関関係図である。 ４・・・計測回路、？ａ、７ｂ・・・フィルタ、９ａ。 ９ｂ・・・演算器、１６・・・判別器、１７・・・表示
器。 特許出願人　　　住友金属工業株式会社第１図 第２図 Ｑ〜６０８２ 第３図 肩茂我へ今良ｆ２００Ｈｚためへ今？側か峻丸）用　濃
酸 第４図 第５図 第６図 黒液び合え（りＱ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）電極と被溶接物との間で発生するアーク電圧を計
   測し、その電圧波形よりある範囲の周波数成分と他の範
   囲の周波数成分を抽出し、これら二成分の比から溶接状
   態を評価、監視することを特徴とするアーク溶接部の品
   質監視方法。
2. （２）電極と被溶接物との間で生じるアーク電圧を計測
   する計測回路と、その計測回路で得られた電圧波形の中
   からある範囲の周波数成分を通過させる第１フィルタと
   、同じく他の範囲の周波数成分を通過させる第２フィル
   タと、第１フィルタを通過した周波数成分の大きさを演
   算する第１演算器と、同じく第２フィルタを通過した周
   波数成分の大きさを演算する第２演算器と、第１及び第
   ２演算器の出力比をとる判別器と、判別器の結果を出力
   する表示器とから成ることを特徴とするアーク溶接部の
   品質監視装置。