JPS632566A - 被溶接物の溶接部付近の合成磁界の強さを減少させる装置、及びその方法、並びにこれを用いた溶接方法 - 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〉 本発明はフェライト系材料の溶接、特にアークおよび荷
電粒子ビーム溶接を助力すべく既存の磁界を相殺するこ
と、特に残留磁界を自動的に相殺し、被溶接物の溶接部
付近の合成磁界の強さを減少させる装置、及びその方法
、並びにこれを用いた溶接方法に関する。

磁気があられれる原因としてはいくつかの因子があり、
例えば地磁気の存在、磁性粒子による材料の検査、材料
に以前に施した溶接作業等がある。

フェライト系材料中の弱い残留磁界でさえ、通常採用さ
れるＶ角の形成により溶接部において事実上強調される
。実際、磁性鋼回路中のいかなる工アギャップでも周囲
の空気より高い磁界レベルを示し、また、鋼は磁界をそ
のエアギヤ・ノブに集中させる。金属アーク手溶接の場
合、局部磁界を１００ｅ程度以下に減少させることが望
ましいが、３０〜５００ｅ（約２．４〜４．ＯＫＡＴ／
ｍ　）程度の局部磁界は熟練作業者なら我慢することが
できる。極端な場合には、大径厚肉の長い管同士の接合
の際など２つの大きな鋼部材の間のギヤツブにおいて数
百Ｏｅの磁界が測定されている。

〈従来の技術及びその問題点〉 従来、アーク溶接においていわゆるアークブローを引き
起す磁界の問題を軽減するためにいくつかの方法が用い
られている。第１に、バルク材料を極性が反転し強さが
減少する強い磁界にさらすことによって完全に減磁する
ことができる。この手順は、非常に弱い残留磁界となる
まで続けられる。第２には、部材をＡＣ励磁コイルに通
して減磁された材料の表皮を生成させ、それが残りのバ
ルク材料に対して磁気分路子として作用するようにする
ことができる。この後者の方法では、バルク材料は減磁
されないが表面に減磁された層が生じるため、外見的に
は材料による明白な磁界は全くなくなる。しかじな力（
ら、？容接において、もしも外側の層が貫通されると、
内部の磁界は再び現われる。これらの方法は、いずれも
本質的には比較的小さい部材にのみ適しており、橋や油
井用削岩機の基台または造船の場合等の大きな構造物に
対してこのような方法を用いることは実際上できない。

く問題点を解決するための手段及び作用〉本発明の１つ
の面による、被溶接物の溶接部付近の磁界の強さを減少
させる装置は、溶接部付近の合成磁界の強さ゛を検出す
る検出手段と、検出手段に応答して溶接部付近に平衡用
磁界を発生させることにより溶接部付近の合成磁界を減
少させる磁界発生手段とを有する。

本発明が提供する装置によれば、溶接部付近においての
み合成磁界の強さを検出することができるとともに、溶
接部付近の磁界の強さを自動的に減少させてその後のア
ーク溶接におけるアークブローの問題を回避することが
できる。この磁界の減少または除去は電子ビーム溶接シ
ステムやその他の粒子ビームを使用するシステムにも通
用することができる。

平衡用磁界は溶接作業の間有効に維持されるが、そのレ
ベルは一定であるかまたは溶接位置とともに変化するよ
うにする。

本発明の第２の面による、被溶接物の溶接部付近の磁界
の強さを減少させる方法は、溶接部付近の合成磁界の強
さを検出する工程と、検出された磁界に応じて溶接部付
近に平衡用磁界を発生させることにより溶接部付近の合
成磁界を減少させる工程とを含む。

１つの作用形態においては、溶接部付近の合成磁界の強
さの検出を溶接部に沿う複数の位置で行い、以後の溶接
作業の間、平衡用磁界を検出された合成磁界に応じて調
整することによって、溶接位置の合成磁界を減少させる
べく平衡用磁界を発生させる。典型的には、合成磁界の
検出は溶接作業中に溶接位置の上流側の位置で行う。こ
うすることにより、溶接装置が検出手段に干渉する問題
は回避される。１つの構成においては、上流側位置で検
出された磁界に応じて平衡用磁界を溶接位置に発生させ
る。これが許容されるのは、検出手段と磁界発生手段と
の間隔に相当する距離にわたって局部磁界が実質的に不
変（差異が±２０Ｇ未満）の場合である。あるいはまた
、磁界値はある既知量だけ異ならねばならず、その量は
装置制御により補償することができよう。別の構成にお
いては、本発明の装置は、被溶接領域に沿う複数の位置
における合成磁界の強さに関する情報を記憶する記憶装
置を含み、磁界発生手段は以後の溶接作業のあいだこの
記憶された情報に応じて作動し、各検出位置で溶接が起
る時に適切な強さの平衡用磁界を発生させる。この構成
は、局部磁界が時間について実質的に不変である場合に
適している。

注目すべきことは、今述べた場合を含むいくつかの場合
には検出手段は磁界発生手段から物理的に雑れていても
よいことである。この場合、磁界発生手段をアーク溶接
装置に関連させ、検出手段を溶接作業の前に溶接領域に
沿って走査することができる。

本発明の装置をリアルタイムで使用して溶接中に平衡用
磁界を自動的に調整することは、アークによる磁気的影
響が補償されるといういう主な利益を有する。

本発明の’ＡＭを溶接中にリアルタイムで使用する場合
には、検出手段をゼロ指示計として有効に用いることが
できるとともに、平衡用磁界を発生させて合成磁界を低
く、例えば１００ｅ未満にすることができる。これが適
切であるのは、溶接領域の磁界が十分に均一であるかま
たは各点ごとに著しく変化しない場合である。

本発明の装置は、溶接部に沿う複数の位置で検出手段に
より検出された合成磁界の強さを平均する平均手段をさ
らに有してもよく、その場合には磁界発生手段は平均手
段に応答して、平均検出磁界を相殺する平衡用磁界を発
生させることになる。

この場合、元の磁界が平均値より大きいか小さいかによ
って正および負のいくらかの残留磁界が残るであろう。

しかしながら、磁界の強さの変動が最大から最小まで例
えば２００ｅ未満であれば、高および低磁界強さが均等
に分布していると仮定して、平均の平衡用磁界の使用に
よる残留誤差は名目上は１００ｅを超えないであろう。

記憶および／または平均手段は、磁界発生手段の動作を
制御するマイクロコンピュータにより都合よく形成する
ことができる。

元の磁界は、溶接部またはシームに沿って各点ごとに極
性を反転させることができる。この場合には、華−の平
衡用磁界はあまり適切ではない。

１つの極性の平衡用磁界はそれと逆の極性の元の磁界を
減少させるのに効果的であるが、それと同じ極性の元の
磁界の強さを増してしまうからである。このような場合
には、被溶接部材をさらに処理して溶接領域付近の既存
磁界が単一の極性にすることができる。これは例えばさ
らに別の励磁磁界コイルを設けてフェライト系材料を１
つの極性で強く駆動することによって行う。この余分の
駆動磁界を除去すると、残留磁界はやはりｉ極性であっ
て、その強さは磁化ヒステリシスループの残留磁束密度
で示されように減少しているはずである。その後、この
残留磁界は前述のように自動的に相殺することができる
。

あるいはまた、本発明の装置に極性検出器を設けて、溶
接部の磁界の極性を検出するとともにそれと逆の極性の
磁界を発生させるべく磁界発生手段を制御することもで
きる。

検出手段は、ホール効果プローブまたはセンサ、振動ま
たは回転してその付近の局部磁界に比例するＥＭＦを生
じさせる小さな検出コイル、またはその他の通常の磁界
センサで構成することができる。

いずれの場合にも、局部磁界の強さを決定するために通
常の電気回路を設けることができる。検出手段は、機械
的損傷および局部熱（特にアークおよび／または溶接継
手の予熱に起因するもの）から保護することが好ましい
。保護具は適切な接近のために溶接部形状に合わせて成
形することができる。

平衡用磁界発生手段は、使用時に溶接部に沿って配置さ
れる少なくとも１つの電気導体と該電気導体に接続され
電気導体に電流を流して平衡用磁界を発生させる電流発
生器とから構成することができる。例としては、複数の
巻線をもつコイル状ケーブル、ケーブルの線形の集合、
あるいはさらに電源に接続した単一のケーブル等が挙げ
られる。

ケーブルは溶接部に対して実質的に平行となるように、
しかも、２つ以上のケーブルを用いるときには電流が各
ケーブルの中を同方向に流れるように配置するのが好ま
しい。特に、それぞれ接続プラグを端にもつ複数の電線
を有するハーネスから成り、プラグ同士を結合するとハ
ーネスの電線が連続コイルを形成するようなコイルを設
けることができる。

平衡用磁界発生手段には適切な極性の直流を供給するの
が好ましい。この直流は、例えば電流レベルを調節する
サイリスクブリッジの相制？ＷｊｌＡ能を備えた通常の
主電源から得ることができる。あるいは、電流レベルの
磁界制御機能を備えたＤＣ溶接用電源等の調節可能な直
流電源を用いることもできる。さらに、トランスダクタ
制御機能を備えた標〈ゼ的な変圧整流器、または主電源
から直接に作動するインバータ系を含むトランジスタ調
整装置を用いることもできる。

Ｍ［用電源は溶接セントに組み込むことができる。これ
は適切な電子制御機器を溶接用電源に加えることによっ
て達成できよう。あるいはまた、電源ユニットを減磁器
または溶接セットとなるように設計することもできよう
。さらにまた、電源ユニットが溶接用電流と減磁用電流
を同時に与えるように設計することもできよう。

ここで「被溶接物」とは互いに溶接すべき２つ以上の部
材または修理溶接を施すべき単一の部材の意味を含むも
のである。また、「溶接部」とは溶接すべき領域全体お
よびこのような領域の一部分の意味を含むものである。

く実　施　例〉 ゛以下、本発明による装置の一例を添付図面を参照しつ
つ説明する。

第１図は溶接すべき■形継手を形成する突合せ面３，４
を有する２つのフェライＩ−Ｅ部材（以下、部材）１，
２を示す。典型的には、部材１．２は溶接すべき２枚の
板で形成される。図はまた、局部磁気の影響および地磁
気によって生じる磁束線４０をも示す。この図に見られ
るように磁束線４０はＶ形継手の狭い部分に集中するが
、これによりアーク溶接装置のアークが曲げられる。

第２図は、本発明のこの実施例において、平衡用磁界コ
イル５を溶接部６の両側の部材１，２の周囲に配置して
磁界を相殺する方法を示す。

本発明の装置は、さらに、局部磁界に応答するホール効
果センサ７を含む。

平衡用磁界コイル５は溶接継手の一方の側に設けること
もでき、また好ましくは、例えば２枚の板を接合する場
合でしかも板の裏側へ接近できる場合に、（図示のよう
に）溶接部の両側に分配することもできる。

実際に平衡用磁界コイル５を配置する仕方の例を第３図
および第４図に示す。第３図は２つの円筒形フェライト
鋼管（以下、鋼管）８，９およびその周囲の平衡用磁界
コイル５の配置を示す。ループ１０．１１，１２．１３
．１４は鋼管８上に溶接部６に隣接して配置され、ルー
プ１５．１６゜１７．１８は鋼管９上に溶接部６に隣接
して配置される。ループ１０〜１８を配設する際、電流
が各ループの中を鋼管８，９に対して同じ方向に流れ、
しかも各ループ１０〜１８が互いに且つ溶接部６に対し
て実質的に平行になるように配設する。

第４図は、２つのフェライト鋼板（以下、鋼板）２０．
２１およびその表面上の平衡用磁界コイル５の配置を示
す。この配置は、裏側への接近が不可能な場合二こ特に
有用である。平衡用磁界コイル５は溶接部６の両側にそ
れぞれ配置される２組のループに分けられる。−方の組
のループは細長い断片（以下、断片）２２〜２５から作
られ、該断片２２〜２５は２３，２４，２２．２５の順
に直列に接続される。他の組のループは細長い断片（以
下、断片）２６〜２９から作られ、該断片２６〜２９は
２６，２８，２７．２９の順に直列に接続される。断片
２３は断片２６に直列に接続される。断片２２〜２５は
綱板２０の上に、断片２６〜２９は鋼板２１の上にそれ
ぞれ配置される。

これら断片２２〜２９は、断片２４，２５，２６゜２７
が互いに且つ溶接部６に対して実質的に平行で、しかも
断片２４〜２７の方が断片２２，２３゜２８．２９より
も溶接部に近接するように配置される。さらに、断片２
２〜２９は、断片２４〜２７の中を流れる電流が同方向
に流れるように配置される。

便宜のため、平衡用磁界コイル５は、２つの自由端をプ
ラグ結合するとコイルの一方の端から他方の端まで連続
する電流路が形成されるベルトまたはハーネスの形にす
ることができる（第２図参照）。平衡用磁界コイルは、
所望の総アンペア・ターン積を得るように、限られた巻
数の重電流ケーブルで構成するか、または大きく増した
巻数の軽重流ケーブルで構成することができる。多くの
実際の用途に対して、最大５００アンペア・ターンで十
分である。適切な接続プラグを有するハーネス状の複数
巻コイルは、例えば、直径３００　ｍｍまでの管に用い
るには長さが１ｍ、直径６００　璽＊までの管に用いる
には長さが２ｍ等とすることができる。平たい板に対し
ては、ハーネスはどんな長さでもよく、これが被接合シ
ームの長さの２倍より短い場合でも、このハーネスを用
いて継手の１つの断面部を１回で減磁することができる
。しかしながら、ハーネスの長さは被接合シームに沿う
板の長さの２倍より少なくとも１００ｎ長くすることが
好ましい。

平衡用磁界コイル５により発生させた平衡用磁界を溶接
中にリアルタイムで調節する１つの作用形態〔第６図（
ａ）〕においては、ホール効果センサ７を磁性材料から
遠く離し、零点ボタン６０を押してＯＧの基準レベルを
設定する。次いでホール効果センサ７を溶接部６内に置
き、運転ボタン６１を押す。ホール効果センサ７は溶接
部６内で検出される局部磁界の強さに比例した電気出力
電圧を生じる（ステップ４５）。これをガウス計および
制御箱３１の中の増幅器３０　（第５図）へ送り、その
入力信号を零基準レベルと比較する。

こうして得られた磁界を示す信号を、表示器３２に表示
する（ステップ４６）。増幅器３０の出力は主電源ユニ
ット３４に収納したＡＤ変換器３３へも接続され、マイ
クロプロセッサ制御装置３５で溶接部６における磁界の
強さおよび方向を求めることができるようにしである。

こうして得た検出磁界がゼロでない場合は（ステップ４
７）、マイクロプロセッサ制御装置３５が可変伝導角型
力制御装置（ａ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｃｏｎｄｕｃｔｉ
ｏｎ　ａｎｇｌｅ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
）　　３６の伝導角（ｔｈｅｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ　ａ
ｎｇｌｅ）を調節し、ホール効果センサ７により測定さ
れる磁界の強さが実質的にゼロになるような磁界を平衡
用磁界コイル５が発生させるまでこの調節を行う（ステ
ップ４８）。

電源５０は電流を発生させ、それを変圧・整流・平滑化
回路３７に供給するが、後者は、被溶接物に数回巻きの
ケーブルを取付けるだけで平衡用磁界コイル５を形成で
きるような範囲の平滑な直流を発生させるように構成す
る。こうして、連続平衡のために、平衡用磁界のための
励磁電流を調整して溶接部６付近へ残留磁界が低い値に
低下するようにする。この操作を止めるにはリセットボ
タン６３を押す。すると、装置は再始動できる状態とな
る。

あるいは、第６図（ｂ）の流れ図に示す別の作用形態に
おいては、ホール効果センサ７を磁性材料から遠く離し
、零点ボタン６０を押してＯＧの基準レベルを設定する
。次いでログボタン６２を押し、ホール効果センサ７を
溶接部６に沿って動かすが、このときホール効果センサ
７の出力をマイクロコンピュータでサンプリング（ステ
ップ３８）および記憶（ステップ３９）してマイクロコ
ンピュータで平均局部磁界を求める（ステップ４１）こ
とができるようにする。運転ボタン６１を押すことによ
り、マイクロコンピュータは平衡用磁界コイル５で発生
させた磁界が平均局部磁界と強さが同じで逆になるよう
に調節する（ステップ４２）。この操作を止めるにはリ
セットボタン６３を押す。すると、装置は再始動できる
状態となる。

ホール効果センサ７は、溶接部６に沿って動くキャリフ
ジに都合よく載置することができる。キャリッジは通常
の溶接速度に近い一定速度で駆動することもできるし、
溶接ヘッドに取付けて常に溶接ヘッドより一定距離前方
にあるようにすることもできる。あるいは、磁界情報を
マイクロプロセッサ制御装置３５に記憶する場合には、
キャリアジは、距離と磁界の強さの組合された登録のも
とて溶接部６に沿って任意の都合のよい仕方で動かすこ
とができる。この情報は、磁界の各点ごとの修正のため
に再生してもよいし、（前記のように）さらに平均して
一様の平衡用磁界を加えてもよい。

溶着金属で満たされる領域の中でホール効果センサ７が
検出を行うように、被溶接物表面に対するホール効果セ
ンサ７の高さを調節可能にすることが好ましい。このよ
うに、ホール効果セン゛す７は元の継手形状からある高
さに設置することもできるし、マルチパス溶接では前の
溶接パスから適切な高さに設置することもでき、その場
合にはセンサを典型的には前の金属表面から１〜５１璽
の高さとする。あるいは、ホール効果センサ７が該金属
表面から適切な高さだけ乗り上げるように、ホール効果
センサ７をバネで付勢した支持アームに取付けることも
できる。

尚、本発明の好適な具体例を列挙すれば、以下の通りで
ある。

（１１被溶接物の溶接部付近の合成磁界の強さを検出す
る検出手段と、該検出手段に応答して前記溶接部付近に
平衡用磁界を発生させることにより溶接部付近の合成磁
界を減少させる磁界発生手段とを有し、被溶接物の溶接
部付近の合成磁界の強さを減少させる装置。

（２）検出手段は溶接部付近の合成磁界に関する出力信
号を発信し、磁界発生手段は、前記検出手段からの出力
信号に応答し、前記溶接部付近における最小合成磁界に
対応して前記検出手段の出力信号を略−定レベルに保持
する平衡用磁界を発生させる前記第１項記載の装置。

（３）溶接部に沿う複数の位置で検出手段により検出し
た合成磁界の強さを平均する平均手段を有し、磁界発生
手段は前記平均手段に応答して平均検出磁界を相殺する
平衡用磁界を発生させる前記第１項または第２項のいず
れか１項に記載の装置。

（４）検出手段はホール効果センサを含む前記第１〜３
項のいずれか１項に記載の装置。

（５）平衡用磁界発生手段は使用時に溶接部に沿って配
置される少なくとも１つの電気導体と、該電気導体に接
続され、該電気導体に電流を流して前記平衡用磁界を発
生させる電流発生機とを含む前記第１〜４項のいずれか
１項に記載の装置。

（６）被溶接物の溶接部付近の合成磁界の強さを検出す
る工程と、検出された磁界に応答して前記溶接部付近に
平衡用磁界を発生させることにより前記溶接部付近の前
記合成磁界を減少させる工程とを含む被溶接物の溶接部
付近の合成磁界を減少させる方法。

（７）溶接部付近の合成磁界の強さの検出を該溶接部に
沿う複数の位置で行い、以後の溶接作業中、平衡用磁界
を、検出された合成磁界に応じて調整することによって
溶接位置の前記合成磁界を減少させる前記第６項記載の
方法。

（８）溶接部付近の合成磁界の検出は該）容接部に沿う
複数の位置で行い、更に、平均合成磁界を求める工程と
、検出された平均合成磁界とほぼ同し強さで逆極性の平
衡用磁界を前記溶接部全体にわたって発生させる工程と
を含む前記第６項記載の方法。

（９）平衡用磁界は溶接部付近の合成磁界を略ゼロに減
少させる前記第６〜８項のいずれか１項に記載の方法。

αω溶接部を形成する被溶接物を溶接する際に、溶接位
置を前記被溶接物の前記溶接部に沿って動かす溶接方法
において、前記溶接位置から上流側へ略一定距離はなれ
た位置で前記溶接部付近の合成磁界の強さを甫続的に検
出する工程と、検出された合成磁界に応じて前記溶接位
置の合成磁界を減少させる前記平衡用磁界を発生させる
工程とを含むことを特徴とする溶接方法。

Ｑｌｌ平衡用磁界は検出位置の合成磁界を実質的に完全
に相殺すべく発生させる前記第１０項記載の溶接方法。

（１２１検出された合成磁界を記憶する工程と、溶接位
置が検出位置に一致した時に、前記記憶された該位置の
検出合成磁界に応じて平衡用磁界を発生させる工程とを
さらに含む前記第１０項または第１１項のいずれか１項
に記載の溶接方法。

【図面の簡単な説明】

第１図は■形継子における磁束分布を示す断面図、 第２図は第１図の被溶接物に関連した、本発明の装置の
一部を図解的に示す断面図、 第３図は円筒形継手のための、本発明の装置の一部の構
成を図解的に示す斜視図、 第４図は直線形継手のための、本発明の装置の一部の構
成を図解的に示す斜視図、 第５図は本発明の装置のブロック図、そして第６図（ａ
）及び（ｂ）は、各々本発明の２つの作動形態を示す流
れ図である。 １．２−・−フェライト鋼部材（被溶接物）５−　平衡
用磁界コイル（磁界発生手 段） ６−・　溶接部 ７−・・　ホール効果センサ（検出手段）８、　９　−
　　フェライト鋼管（被溶接物）１０〜１８−　ループ ２０、　２１−７エライ）ｗＩ板（被溶接物）２２〜２
９　・−細長い断片 第　１図 ″１１６４′！′。４″　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　−Ｌイψ丁用力鳳ｊ）フィルづ圓ｉ へ 昧

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）被溶接物の溶接部付近の合成磁界の強さを検出す
   る検出手段と、前記検出手段に応答して前記溶接部付近
   に平衡用磁界を発生させることにより前記溶接部付近の
   合成磁界を減少させる磁界発生手段とを有し、被溶接物
   の溶接部付近の合成磁界の強さを減少させる装置。
2. （２）被溶接物の溶接部付近の合成磁界の強さを検出す
   る工程と、検出された磁界に応答して前記溶接部付近に
   平衡用磁界を発生させることにより前記溶接部付近の前
   記合成磁界を減少させる工程と、を含む被溶接物の溶接
   部付近の合成磁界を減少させる方法。
3. （３）溶接部を形成する被溶接物を溶接する際に、溶接
   位置を被溶接物の溶接部に沿って動かす溶接方法におい
   て、前記溶接位置から上流側へ略一定距離はなれた位置
   で前記溶接部付近の合成磁界の強さを継続的に検出する
   工程と、検出された合成磁界に応じて前記溶接位置の合
   成磁界を減少させる平衡用磁界を発生させる工程と、を
   含むことを特徴とする溶接方法。