JPS6366635B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、溶接継手に波形部を有する被溶接材
を連続的に溶接する自動溶接機に関し、もつと詳
しくはその自動溶接機の溶接トーチをならい制御
する方式に関する。

メンブレン方式のLNG（液化天然ガス）タンク
では、コンクリートと厚鋼板製のタンク躯体の内
側に断熱層を設け、さらにその内面に低温特性の
優れた材質の薄板製メンブレンを全面に設けてい
る。メンブレンはLNG貯蔵時には−162℃の極低
温にさらされ、空の場合は常温になり、極めて大
きな温度変化を受けるので、適当な間隔の格子状
等に波形の伸縮しわを設けて過大な熱応力を生じ
ないようにされている。

メンブレンのような薄板部材の溶接には、TIG
溶接法（タングステンイナートガス溶接法）、あ
るいはプラズマ溶接法が適用されるが、これらの
溶接法においては、溶接アークを安定させてビー
ド形状を一定に保ち、溶接部の外観、品質、溶接
強度を確保する必要上、溶接トーチは溶接線の方
向（波形部においては溶接点における接線の方
向）に対して常にある一定の角度を保持し、か
つ、溶接トーチの先端と、被溶接材との間隔を一
定に保つ必要があるという問題がある。

これらの問題を解決する方法として、代表的な
先行技術は、特開昭55―42131に述べられている
ごとく、溶接トーチの把持部に円弧状レールを設
け、ラツク―ピニオン方式等によりトーチの方向
を常に円弧の中心を指向させながら把持部を移動
させ、溶接トーチを旋回させるような機構の溶接
線において、溶接トーチと一体に近接して２本の
接触式変位検出器を設置し、１本の検出器の出力
によつて被溶接材の位置を検出し、第１０図のよ
うに２本のスタイラスである検出器５１，５２の
出力の差によつて被溶接材５３の傾斜を検出し、
それら検出器５１，５２の検出値が常に一定値に
なるように溶接トーチを移動制御する方法がある
が、旋回動作によつて溶接位置を変動させないた
めの、旋回機構が複雑であること、また、被溶接
材の傾斜を精度良く検出するためには、２本の検
出器５１，５２を溶接方向と垂直な方向（第１０
図のＹ軸方向、第１１図の上下方向）に間隔ｄ１
２だけ大きくずらして配置しなければならず、そ
の場合、溶接方向（第１０図のＸ軸方向）と垂直
な方向（第１０図のＹ軸方向）の被溶接材の傾斜
（すなわち第１０図のＹ―Ｚ面内の傾斜）を誤差
として検出してしまうなどの欠点があつた。すな
わち、この先行技術では、溶接線５３の傾斜を、
一層正確に計測するために、２本の検出部５１，
５２のＸ軸方向の間隔ｄ１１を小さく設定してお
り、この間隔ｄ１１を小さく設定すると、検出器
５１，５２の物理的なサイズの制約から、検出器
５１，５２を第１１図に示すように、Ｙ軸方向に
間隔ｄ１２のように大きくずらす必要がある。し
たがつてｄ１１≪ｄ１２とならざるを得ない。検
出器５１，５２は、たとえば直動形ポテンシヨメ
ータである。したがつてこの先行技術では、本来
検出すべきＸ―Ｚ面内の傾斜に加え、装置の設置
誤差および溶接歪みなどによつて生じるＹ軸に対
する傾斜、すなわちＹ―Ｚ面内の傾斜をも、雑音
成分として検出することになる。その結果とし
て、精度の良い傾斜の検出をすることができな
い。

本発明の目的は、溶接方向と垂直な方向の被溶
接材の傾斜による誤差をなくして、高精度に溶接
を行うことができるようにした溶接トーチのなら
い制御方法を提供することである。

本発明は、溶接トーチを、溶接継手に波形部を
有する被溶接材の平均的平面に平行な平面内で溶
接線に沿つて動作させることのできる第１動作軸
（Ｘ軸）と、第１動作軸に垂直で被溶接材に近
接・離反する方向に動作させることのできる第２
動作軸（Ｚ軸）と、旋回のための第３動作軸（θ
軸）とを有し、第３動作軸の中心線は、第１動作
軸（Ｘ軸）に垂直な平面内にありその中心線の延
長は溶接アーク発生点１３を通り旋回手段構成部
材が被溶接材の表面に接触しないような角度α以
上被溶接材に対して傾斜しており、溶接トーチに
近接して第１および第２スタイラスを設け、第２
スタイラスは第１動作軸（Ｘ軸）に沿つて第１ス
タイラスに関してずれて配置され、第１および第
２スタイラスの被溶接材表面からの第２動作軸
（Ｚ軸）方向の変位量を電気信号に変換し、第１
および第２スタイラスの各変位量にそれぞれ依存
した電気信号の差が零となるように、第３動作軸
（θ軸）を作動して、第３動作軸（θ軸）の溶接
トーチの被溶接材表面に対する角度γが予め定め
た値になるように制御するとともに、 第１スタイラスによつて検出される変位量と、
溶接トーチ先端と被溶接材表面の溶接アーク発生
点との間隔ｌの予め定める値との差Δlを、第３
動作軸（θ軸）の旋回に伴つて、補正し、この補
正した結果に基づいて、第２動作軸（Ｚ軸）を動
作させて、第３動作軸（θ軸）の旋回による前記
間隙ｌの誤差を防ぐことを特徴とする溶接トーチ
のならい制御方法である。

以下、本発明を、実施例を示す図面にもとづい
て詳細に説明する。第１図は、本発明の考え方に
よる自動溶接機によつて溶接されるメンブレンな
どの被溶接材１の溶接継手２を示したものであ
り、溶接継手２は平坦部２ａと波形部２ｂとを含
み、重ね継手である。第２図は、本発明の一実施
例の概略を示す斜視図である。溶接トーチ３は、
モータ４，５，６によつて、それぞれ第１動作軸
（Ｘ軸）、第２動作軸（Ｚ軸）、および第３動作軸
（θ軸）に沿つて、直線移動、または、旋回移動
される。

Ｘ軸は、波形部２ｂを有する溶接継手２の被溶
接材１の平均的平面（第２図の左右方向に延びる
平面）に平行な平面内に設置された案内レール９
に沿つて、支持体８を移動させるための動作軸
で、溶接線に沿つた溶接トーチ３の移動速度を調
整可能である。

Ｚ軸は、溶接トーチ３が被溶接材１に近接・離
反する方向（第２図の上下方向）に支持体８に取
付けられた支持体１０を移動させるための動作軸
で、溶接トーチ３の先端７と被溶接材１の表面と
の間隙ｌを調整可能である。

θ軸は、支持体１０に取付けられた支持体１１
を旋回中心軸１２のまわりに旋回させるための動
作軸であり、支持体１１に取付けられた溶接トー
チ３の被溶接材１の表面に対する傾斜角を調整可
能である。θ軸の旋回中心軸１２は、Ｘ軸に垂直
な平面内にあり、θ軸を旋回させたとき、溶接位
置が変化しないように溶接アーク発生点を通り、
支持体１１を含む旋回手段構成部材が被溶接材１
の表面に接触しない角度以上の角度α（たとえば
20゜）だけ被溶接材１の平均的平面に対して傾斜
している。第２図は、上述のＸ軸、Ｚ軸、θ軸の
他に、Ｘ―Ｚ平面に垂直な方向に溶接トーチ３を
移動可能なＹ軸と、溶接トーチ３の長手方向に溶
接トーチ３を移動可能なAVC軸（アーク電圧制
御軸）とを有しているが、本発明と直接関係しな
いので、以降、Ｙ軸とAVC軸については説明を
省略する。

次に、上述の溶接機を用いて、本発明を実施す
るために設けられたスタイラスについて第２図、
第３図に基づいて説明する。

第２図に示すように、第１スタイラス１４およ
び第２スタイラス１５は支持体１１に取り付けら
れ、第１および第２スタイラス１４，１５と被溶
接材１の表面との接触点を結ぶ線分が、溶接線と
平行になるように配置される。第３図は、第１お
よび第２スタイラス１４，１５に関する構造を示
す断面図である。第１および第２スタイラスは、
ばね１６，１７によつて、被溶接材１側（第３図
の下方）にばね付勢される。第１および第２スタ
イラス１４，１５に関連して、ポテンシヨメータ
１８，１９が設けられる。これらのポテンシヨメ
ータ１８，１９は、被溶接材１の表面と、ポテン
シヨメータ１８，１９を固定し支持体１１に取付
けられる案内具２０との相対的な変位量（スタイ
ラス１４，１５と案内具２０との相対的な変位
量）を電気信号に変換する。

第４図は、溶接トーチ３および第１、第２スタ
イラス１４，１５を第２図の右方から見た平坦部
２ａにおける断面図（Ｙ―Ｚ平面投影図）であ
る。第５図は、第２図の手前側から見た平坦部２
ａにおける断面図（Ｘ―Ｚ平面投影図）である。
第４図において、第１、第２スタイラス１４，１
５は、アーク発生点１３から溶接熱の影響でスタ
イラスが高温に加熱されない程度の距離ｄ２（た
とえば10mm）だけＹ軸方向に後方に配置される。

第５図において、第１および第２スタイラス１
４，１５はｄ１（たとえば５mm）の間隔で並べら
れる。同図では、第１スタイラス１４を溶接トー
チ３と重ねた場合を示しているが、必ずしもそう
する必要はなく、たとえば同図において、溶接ト
ーチ３が第１および第２スタイラス１４，１５の
中間になるように第１および第２スタイラス１
４，１５を配置してもよい。

溶接トーチ３は、第５図において、溶接線の方
向に対して角度γに維持され、γはたとえば本件
実施例では90゜である。この角度γは、第６図の
ように、波形部２ｂを溶接しているときにおいて
もＸ―Ｚ平面内の溶接線の接線２４に関して保た
れる。また、溶接トーチ３は、その先端７と被溶
接材１の表面との間隙ｌ（たとえば３mm）（第４図
参照）が一定になるように保たれる。さらに、溶
接トーチ３は、溶接線に直交する面（第４図の紙
面）内で被溶接材１に垂直な鉛直線２３と角度β
（たとえば15゜）だけ傾斜される。これらのγ，
ｌ，βは、良質な溶接継手を得るために要求され
る条件であり、平坦部２ａまたは波形部２ｂにお
いても同様に一定に保たれる必要がある。これら
の条件のうちγ，ｌは、Ｚ軸とθ軸を固定したま
ま、Ｘ軸を動作させ溶接を行なつたのでは、平坦
部２ａにおいては一定に保つことが可能である
が、波形部２ｂにおいては一定に保つことができ
ず、γ，ｌを波形部２ｂにおいても一定に保つた
めには、波形部２ｂの形状に応じて、Ｚ軸および
θ軸を動作させ、溶接トーチ３の位置と傾斜角を
調整してやる必要がある。

第１スタイラス１４および第２スタイラス１５
は、被溶接材１の形状を検出し、上述の溶接トー
チ３の位置と傾斜角を調整するために次のように
使用される。周知のように、曲線上の互いに近接
する２点の位置がわかれば、その２点の近傍にお
ける曲線の形状を概ね知ることができる。同様
に、被溶接材１の断面形状は第１スタイラス１４
および第２スタイラス１５の変位から検出するこ
とが可能であり、第１スタイラス１４（または第
２スタイラス１５）の変位から溶接トーチ３の先
端７と溶接アーク発生点１３との間隙ｌを、また
第１および第２スタイラス１４，１５の変位の差
から被溶接材１の表面における接線と溶接トーチ
３の成す角度γを検出することができ、ポテンシ
ヨメータ１８の出力が定められたｌに対応する値
に保たれるように溶接トーチ３の位置をＺ軸によ
つて調整し、ポテンシヨメータ１８，１９の出力
の差が定められたγに対応する値に保たれるよう
に、溶接トーチ３の傾きをθ軸によつて調整すれ
ばｌとγを一定に保つことが可能となる。

第７図は溶接トーチ３が溶接継手２の平坦部２
ａと波形部２ｂとを移動するときにおける溶接ト
ーチ３の先端７と、溶接アーク発生点１３との間
隙ｌの誤差Δlと、溶接線と溶接トーチ３の軸線
との成す角度γの誤差Δγを溶接トーチ３、スタ
イラス１４，１５および被溶接材１の幾可学的な
位置関係に基づいて本件発明者が算出した結果を
示す。溶接トーチ３のθ軸まわりの旋回角度範囲
は基準位置に関してたとえば±70゜である。第７
図２のように角度誤差Δγはせいぜい±5゜である。
したがつてこの角度誤差Δγに起因する溶接の悪
影響はほとんど生じない。これに対して、溶接ト
ーチ３の先端７と溶接アークの発生点１３との間
隙ｌはたとえば３mmに設定されなければならな
い。第７図３に示されるように、その誤差Δlは
最大1.6mm程度にもなる。そのためこの誤差Δlに
起因して、アーク長が大きく変化し、ビード幅の
変化、溶け込み不良、溶断などが生じるおそれが
ある。このような誤差Δlが生じる原因としては、
溶接トーチ３の旋回軸中心線１２上に第１スタイ
ラス１４の先端２１が存在せず、また角度誤差
Δγが生じる原因としては第１および第２スタイ
ラス１４，１５の先端２１，２５がＸ軸方向に間
隔ｄ１だけずれており、この先端２１，２５を通
る線２６（第６図参照）を溶接線として検出する
からである。

このような溶接トーチ３の先端７と溶接アーク
発生点１３との間隔ｌの検出誤差Δl、および角
度誤差Δγによる溶接の悪影響は第８図に示され
る電気回路によつて解決される。ポテンシヨメー
タ１８からの出力は減算器３０に入力される。減
算器３０には、間隙ｌを予め定めた値に設するた
めの間隙設回路３１からの信号が与えられる。減
算器３０からの出力は、もう１つの減算器３２を
介してモータ５に与えられる。モータ５の駆動に
よつて溶接トーチ３ならびに第１および第２スタ
イラス１４，１５がＺ軸方向に変位する。ポテン
シヨメータ１８，１９からの信号は減算器３３に
よつて減算されて差が得られる。減算器３３から
の出力は減算器３４を経てモータ６に与えられ
る。モータ６はθ軸の旋回を行なう。モータ６が
駆動されてθ軸の旋回が行なわれることによつ
て、修正回路３５は、減算器３０からの出力から
第７図３に示されるグラフに基づき間隔誤差Δl
を減算する。なぜならばΔlはθの関数でもある
からである。このようにして減算器３２の出力に
よつて間隔設定回路１１において設定された間隔
ｌが達成されるようにモータ５が駆動される。ま
た角度Δγを修正するために、第７図２に示され
るグラフに基づき、修正回路３６は減算器３４に
信号を与える。このようにしてモータ６は、溶接
トーチ３の軸線が溶接線と予め定めた角度γとな
るように制御される。なおこの修正回路３６は、
角度誤差Δγが溶接に大きな悪影響を及ぼさない
ことに起因して、省略されてもよい。

モータ５の回転速度したがつてＺ軸方向の溶接
トーチ３の速度は速度検出器３７によつて検出さ
れる。

第９図を参照して、溶接速度Vwを一定に保つ
ためには、前述のようにＺ軸方向の速度Vzの変
化に応じて、Ｘ軸方向の速度Vxを変化させなけ
ればならない。このＸ軸方向の速度Vxは第１式
で示される。

Vx＝√²−² …(1) Ｚ軸方向の速度Vzを検出する速度検出器３７
からの信号は、２乗回路３８において２乗されて
減算器３９に与えられる。溶接速度Vwを設定す
るための溶接速度設定回路４０からの信号は２乗
回路４１によつて２乗演算され、減算器３９に与
えられる。演算回路４２は、減算回路３９からの
出力に基づき第１式を算出して減算器４３に与え
る。減算器４３からの出力に応じてモータ４は、
Ｘ軸方向に溶接トーチ３を移動させる。このＸ軸
方向の速度Vxは速度検出器４４によつて検出さ
れ、減算器４３に入力される。このようにして演
算回路４２において算出されたＸ軸方向の速度
Vxが速度検出器４４によつて検出された実際の
速度と一致するようにモータ４が制御される。

以上のように本発明によれば、波形部を有する
溶接継手が高精度でしかも高い信頼性で達成され
る。すなわち本発明では、第１および第２スタイ
ラスを、第１動作軸（Ｘ軸）に沿つて配置してい
るので、前述の先行技術に関連して述べた第１１
図の間隔ｄ１２は零であり、したがつてその先行
技術における第１０図および第１１図のＹ―Ｚ平
面内におけるＹ軸方向の悪影響を受けないように
ることが可能となる。本発明では、この第１およ
び第２スタイラスは第１動作軸（Ｘ軸）にずれて
配置されており、すなわち第２図および第５図の
間隔ｄ１を有しており、この間隔ｄ１によつて生
じる検出誤差を、第３動作軸（θ軸）の旋回に伴
つて補正し、第７図３の誤差Δlをなくすように
したので、高精度の溶接を行うことが可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によつて行なわれる溶接継手２
の斜視図、第２図は本発明の一実施例の簡略化し
た構造を示す図、第３図は第１および第２スタイ
ラス１４，１５を示す断面図、第４図は第２図の
手前側から見た溶接トーチ３ならびに第１および
第２スタイラス１４，１５を示す断面図、第５図
は第２図の右方から見た溶接トーチ３ならびに第
１および第２スタイラス１４，１５を示す断面
図、第６図は波形部２ｂを溶接する動作を説明す
るための第５図に対応した断面図、第７図は本件
発明者の実験によるポテンシヨンメータ１８，１
９から算出した誤差を説明するための図、第８図
は電気回路図、第９図は溶接速度Vwを一定にす
るための動作を説明するための図、第１０図は先
行技術の簡略化した斜視図、第１１図は第１０図
に示される先行技術におけるＸ―Ｙ面の簡略化し
た図である。 １…被溶接材、２…溶接継手、２ａ…平坦部、
２ｂ…波形部、３…溶接トーチ、１３…溶接アー
ク発生点、１４…第１スタイラス、１５…第２ス
タイラス、１８，１９…ポテンシヨンメータ、３
０，３２，３４，３９，４３…減算器、３１…間
隙設定回路、３５，３６…修正回路、３７，４４
…速度検出器、３８，４１…２乗回路、４０…溶
接速度設定回路、４２…演算回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 溶接トーチを、溶接継手に波形部を有する被
   溶接材の平均的平面に平行な平面内で溶接線に沿
   つて動作させることのできる第１動作軸（Ｘ軸）
   と、第１動作軸に垂直で被溶接材に近接・離反す
   る方向に動作させることのできる第２動作軸（Ｚ
   軸）と、旋回のための第３動作軸（θ軸）とを有
   し、第３動作軸の中心線は、第１動作軸（Ｘ軸）
   に垂直な平面内にありその中心線の延長は溶接ア
   ーク発生点１３を通り旋回手段構成部材が被溶接
   材の表面に接触しないような角度α以上被溶接材
   に対して傾斜しており、溶接トーチに近接して第
   １および第２スタイラスを設け、第２スタイラス
   は第１動作軸（Ｘ軸）に沿つて第１スタイラスに
   関してずれて配置され、第１および第２スタイラ
   スの被溶接材表面からの第２動作軸（Ｚ軸）方向
   の変位量を電気信号に変換し、第１および第２ス
   タイラスの各変位量にそれぞれ依存した電気信号
   の差が零となるように、第３動作軸（θ軸）を作
   動して、第３動作軸（θ軸）の溶接トーチの被溶
   接材表面に対する角度γが予め定めた値になるよ
   うに制御するとともに、 第１スタイラスによつて検出される変位量と、
   溶接トーチ先端と被溶接材表面の溶接アーク発生
   点との間〓ｌの予め定める値との差Δlを、第３
   動作軸（θ軸）の旋回に伴つて、補正し、この補
   正した結果に基づいて、第２動作軸（Ｚ軸）を動
   作させて、第３動作軸（θ軸）の旋回による前記
   間隙ｌの誤差を防ぐことを特徴とする溶接トーチ
   のならい制御方法。