JPH01166883A - 狭開先アーク溶接法 - 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］ この発８明は、狭開先アーク溶接法に関するものであり
、特に、開先幅の変動に対して溶着量を補償し、一定の
高さで溶接ビードを形成するための溶接パラメータ制御
に関す・る・ものである。

〔従来の技術］ 従来の狭開先アーク溶接法においては、予め設定された
溶接電流を保持するように溶接部材に対する溶接トーチ
高さ位置を制御してアーク長を一定に保つ方法が採られ
ていた。

第７図は従来から知られるの狭開先アーク溶接法におけ
るトーチ高さ制御系を示すブロック図である。

図において、溶接電流検出器１５からの検出電流■は差
動増幅器１６に入力される。他方、この差動増幅器１６
には、予め基準電流設定器１７によって適宜な値に設定
された基準電流■。が入力されるようになっている。差
動増幅器１６は、かかる基準値と、上記検出電流との差
を出力するもので、この差出力は、Ｙ軸ドライバ１８に
与えられ、Ｙ軸ドライバ１８は該差出力が零となるよう
に、すなわち溶接電流が基準値となるようにＹ＠モータ
１９を駆動する。Ｙ軸モータ１９の駆動により溶接トー
チ（図示せず）の高さ方向の位置修正が行なわれる。こ
れによりて、溶接電流が一定に保たれ、アーク長が一定
に制御されることになる。

また、゛溶接トーチの溶接進行方向への移動速度すなわ
ち溶接速度Ｖは一定に保たれるが、この−定の溶接速度
Ｖは開先幅Ｇの設計値（以下、適正開先幅ＧＯと称する
）に対して必要な溶着量が得られるようにワイヤ送給速
度Ｖ、に応じて定められる。

第８図は上記の溶接過程の際の、アークの位置関係を示
す説明図である。

図において、２０は溶接ワイヤ５の発するアーク６によ
り溶接部材の一部とワイヤ５が溶融して形成される溶融
ブールであり、この溶融ブール２０は溶接進行方向Ｚへ
の溶接進行とともに順次冷却凝固して、表ビード８ａ及
び溶接部材裏面ｌｂ側に形成される裏ビード８ｂになる
。

その際、開先幅Ｇが適正開先幅Ｇ０である限り、溶融ブ
ール２０の高さは一定であるから、表ビード８ａは一定
の高さＨ，で形成される。このとき、溶鋼ヘッドの高さ
ｈＧと表ビード高さＨｆの間には、ｈ　ａ　＜　Ｈｔな
る関係がある。

なお％ＨＢは裏ビード８ｂの高さを示し、◇印はアーク
６の中心を示す。

〔発明が解決しようとする問題点］ 然しながら、上記のような従来の狭開先アーク溶接法に
ありては、ビード高さＨｆを一定に保持するには、開先
幅Ｇが適正幅であることが必要条件である。

ここで、溶接線の単位長さにおける溶融ブール２０の体
積Ｓを考える。溶接速度一定による溶着量一定制御のも
とでは、開先幅Ｇが適正開先幅Ｇ０である限り、体積Ｓ
は一定の値が保持される。いま、開先＃ＮＧが適正開先
幅Ｇ。を超えたとすると、それに伴ない溶融ブール２０
も体積Ｓを一定として開先幅方向に拡がる。このとき、
体積Ｓは一定であるから、溶融ブール２０の高さは低く
なり、溶融ブール２０の溶接進行方向Ｚへの拡がりも小
さくなる。

そして、開先幅Ｇが成る限界値ＧＣｒを超えると、第９
図に示す如く溶鋼ヘッド高さｈＧとビード高さＨｆが等
しく（ｈ、冨Ｈｒ）なり、アーク６の中心◇は、溶融ブ
ール２０の溶接進行方向の先端部に位置することになり
、アーク６が母材裏面１ｂ側に直接に抜けてしまう。

従って、定アーク長制御を行なったとしても、開先幅Ｇ
の変動が生じた場合には、表ビード高さＨｆが変動し、
？アーク６の中心◇と溶融ブール２０の相対位置を一定
に保つことも出来ず、甚だしき場合には、裏ビード８ｂ
が形成されないという不都合が生じる。

この発明は係る不都合に鑑みてなされたものであり、開
先幅Ｇが変動しても、予め定められた一定の高さでビー
ドを形成できる狭開先アーク溶接法を提案するものであ
る。

［問題点を解決するための手段］ この発明は、予め設定された溶接電流を保持するように
溶接部材に対する溶接トーチ高さ位置を制御し、この溶
接トーチ高さ位置が一定になるように溶接速度を制御す
ることにより上記問題点を解決したものである。なお、
本発明の好ましい実施例によれば、溶接ワイヤを所定の
回転半径で軸芯まわりに高速回転させることにより狭間
先内でアークを回転させ、前記トーチ高さ位置制御をア
ークの回転周期に応じて行なう。

［作用］ 第６図は開先幅Ｇの変化に対するトーチ高さ位置Ｙ（溶
接部材表面からの高さ）・表ビード高さＨＰ　　・溶鋼
ヘッド高さｈａ　・表ビード高“さＨａを示すグラフで
ある。以下、この第６図を参照して本発明の作用につい
て説明する。

開先幅Ｇが限界値ＧＣｒよりも小なる領域の溶鋼ヘッド
高さｔｔａは一定であって、且つ表ビード高さＨｆより
も小である。すなわち、Ｇ　＜　Ｇ　ｅｒのとき、 Ｈｆ＞’ｈｏ＝ｃ（但し、Ｃは定数）（１）なる関係が
ある。

また、開先幅Ｇが大きくなって限界値Ｇｅｒに達すると
、溶鋼ヘッド高さｈ６と表ビード高さＨｆは等しくなり
、アークが開先裏側に抜ける。このアークの抜けを防ぐ
には、Ｇ≧Ｇｅｔのときも関係（１）が満たされればよ
いのだが・ここで・関係（１）を満たすように、予め設
定された一定の表ビード高さをＨｌ。とする。

次に、トーチ高さＹの変化を考える。トーチ高さＹの変
化は、ビード高さＨｆの変化と同じであるから、 Ｙ−Ｈ，＝Ｃ（但し、Ｃは定数）（２）である。

この（２）式の表ビード高さＨｒに前記設定表ビード高
さＨｆＯを代入し、（２）式を変形すると、ｙ　＝　Ｈ
ｔｏ＋　ｃ　　　　　　　　　　　　　　　　（３）を
得る。この（３）式において、設定表ビード高さＨｆＯ
は関係（１）を満足する定数であるから、（３）式が成
り立てば、Ｇ≧ＧＣｒのときも関係（１）が満たされる
。ここで、（３）式が成り立つ条件は、（３）式の左辺
が一定、すなわちトーチ高さＹが一定に保持されること
である。

従って、トーチ高さＹが一定になるように溶接速度を可
変制御すれば、開先幅Ｇの変化に対して、予め設定され
た表ビード高さＨｆＯが保持され、アークの中心◇も溶
融プールから外れることもなくなる。

［実施例］ 以下、添付図面を参照して本発明の実施例に付いて説明
する。

第１図は本発明の好適な実施例に係る狭開先アーク溶接
法の制御系を示すブロック図であり、この例では、アー
クを高速回転させてその物理的効果を周辺に分散させ、
溶造の周辺分散と扁平ビード（湾曲ビード）の形成など
の利点が得られる高速回転アーク溶接法に適用する場合
を示しているが、本発明はこれに限定されるものではな
い。なお、高速回転アーク溶接法の詳細については、出
願人が開示した特開昭６１−２４９６６７号、特願昭６
１−９４９０５号に詳しい。

第１図において、溶接部材１には狭開先２が形成されて
おり、回転アークトーチ（溶接トーチ）３は、−モータ
４により溶接ワイヤ５を矢印ＣＷ方向に回転、すなわち
アーク６を回転させながら、送り機構７による送りで狭
開先２に沿って溶接進行方向２へ溶接を進め、その後方
に表ビード８ａを形成させている。

溶接ワイヤ５はワイヤ送給モータ９によって一定の送給
速度で送給されている。

また、トーチ３は、高さ方向（Ｙ軸方向）のＹ軸移動機
構１０で支持されているが、このＹ軸移動機構１０はＹ
軸方向にトーチ３を位置修正するためのものである。

トーチ３への溶接電流・電圧の供給は溶接電源１１によ
り行なわれ、ワイヤ送給モータ９の送給速度一定制御は
ワイヤ送給制御装置１２により行なわれる。更に、送り
機構７による溶接速度の制御は溶接速度制御系１３によ
り行なわれ、Ｙ軸移動機構１０の制御はＹ軸制御系１４
により行なわれる。

第２図は上記第１図に示す制御系を持った溶接装置によ
る溶接部の上面図である。

第２図において、０はワイヤ５の回転軸芯であり、ワイ
ヤ５は、この回転軸芯０まわりに所定の回転半径で回転
する。この回転軸芯Ｏは、上記従来技術におけるアーク
の中心◇に相当する。

またｓ　Ｃｔ、Ｃ，、Ｒ，Ｌは各々回転しているときの
ワイヤ５の位置を示し、Ｃｆは溶接方向Ｚに対して前方
の位置、Ｃｒは溶接方向２に対して後方の位置、Ｒは溶
接方向Ｚに向って時計方向に９０度右側の位置、Ｌは溶
接方向Ｚに向って反時計方向に９０度左側の位置を示す
、なお、２ｒは右開先壁、２１は左開先壁を示す。

次に、第３図を参照して本発明の溶接速度制御について
説明する。

第３図は上記第１図に示した溶接速度制御系１３の一例
を示すブロック図である。

第３図において、磁気センサー等の高さ位置検出器１３
１で検出された実際のトーチ高さＹは差動増幅器１３２
の一端に与えられる。ここでトーチ高さＹは、トーチ３
の高さ位置検出基準点３ｙの溶接部材表面１ａを端点と
する高さであるが、本発明を回転アーク溶接法に適用す
る場合、高さ位置検出基準点３ｙはワイヤの回転軸芯０
上に採るものとする。一方、差動増幅器１３２の他端に
は、予めトーチ高さ設定器１３３によって適宜に設定さ
れたトーチ高さ位置基準値Ｙ０が与えられるようになっ
ている。差動増幅器１３２では、かかる基準値と、上述
した検出値との差、すなわちトーチ高さ位置の変化、Ｙ
−ＹＯ−ΔＹを出力するもので、この差出力ΔＹは比較
器１３４に与えられる。一方、比較器１３４には、不感
帯設定器１３５に設定されたトーチ高さ変化の所望の検
出下限値ΔＹ＋ｍｔｎ（例えば０．５ｍｍ　〜１．０ｍ
ｍ程度）が与えられ、該差出力Δ、Ｙと比較される。

該差出力が該下限値より大きくなると、比較器１３４か
らマイクロコンピュータ（以下、ＭＣ０Ｎと称する）１
３６に信号が発せられる０Ｍｃ、、ｏＮ１３６は、この
トーチ高さ変化ΔＹの検出信号が零となるように駆動モ
ータドライバ１３７に制御指令を与え、この制御指令に
基いて送り装置６の駆動モータ１３８を介して溶接速度
Ｖが可変制御される。この場合、溶接速度Ｖの変化は理
想的には、 Ｖ＝Ｖｆ／Ｇ　（Ｈｆ＋Ｈａ　） となる。

なお、溶接速度Ｖの初期値はＭＣＯ８１３６に付属する
入力装置１３９によって予め設定入力されるが、この溶
接速度初期値としては、初期初層（片面）溶接の際には
初期値ＶＯＩを、二層以後の溶接の際には初期値ＶＯ２
を用いる。これら溶接速度初期値Ｖ。ｌ＋Ｖ（１２は、
適正開先幅Ｇ０に対し、予め設定された表ビード高さＨ
ｆＯを形成しうるようにワイヤ送給速度Ｖ、及びトーチ
高さ位置基準値Ｙ０に応じて定められる。

また、溶接速度Ｖの制御ピッチも入力装置１３９によっ
て予め設定入力されるが、所望によってオンンライン入
力としてもよい。

以上の溶接速度制御により、トーチ高さ位置Ｙが一定に
保持されるから、表ビード高さＨｆが一定となる。また
、回転軸芯０（アークの中心◇）が溶融プールから外れ
ないので、開先幅Ｇが限界値ＧＣｒに達しても、アーク
が抜けることがなくなる。

次に、本発明を高速回転アーク溶接法に適用する場合の
溶接電流制御（トーチ高さ制御）について説明する。

高速回転アーク溶接法においては、ワイヤ５の回転位置
に応じてワイヤ５〜開先壁２ｒ　（２１）間の距離が変
化するから、ワイヤ５の回転位置に応じてアーク長さが
変化し、それに伴ない溶接電流■も変化する。

そこで、本発明を高速回転アーク溶接法に適用１°る場
合、溶接電流制御はワイヤ５（アーク６）の回転周期毎
に行なうものとする。

この場合、回転するアーク６の溶接電流を瞬時に検出す
るのは困難であるから、アーク６の回転経路に対応する
溶接電流波形を連続的に検出し、この検出溶接電流波形
上に成る積分範囲を定め、この積分範囲における溶接電
流波形の積分値をアークのｎ回転毎に検出するものとす
る。

積分範囲としては、次のうち何れかを採る。

■回転位置Ｃ，を中心とした積分角φｏ０の範囲■回転
位置Ｃｒを中心とした積分角φ。。の範囲Ｏアークの１
回転（３６０°）の範囲 二二で積分角φｏ０は、５°以上９０°以下の範囲とす
る。積分角φｏ０を５°以上としたのは、積分角φ。。

が５°未満となると波形にのるノイズの影響を受易くな
るためである。

なお、■、■の回転位置Ｃｆ　、Ｃ，の代りに回転位置
り、Ｒを採ることも考えられるが、回転位置り、Ｒはア
ークが開先壁に接近するため、アーク長さが変化するの
で測定には不都合である。従って、ここでは回転位置り
、Ｒは採らない。

第４図は回転するアークのアーク電流波形と上記積分範
囲■、■、Ｏにおける積分値を示すグラフである０図に
おいて、斜線部は積分値を示し、）（ｏｌｄは積分値を
ホールドする区間、Ｒｅ５ｅｔは積分値をリセットする
点を示す、なお、積分範囲として■を採る場合はホール
ド不要である。

本発明を高速回転アーク溶接法に適用した場合の上記溶
接電流制御について、第５図を参照して更に具体的に説
明する。

第５図は上記第１図に示したＹ軸制御系１４の一例を示
すブロック図である。

図において、電流検出器１４１からの検出溶接電流ｌは
差動増幅器１４２に与えられる。一方、この差動増幅器
１４２には、基準溶接電流設定器１４３に予め設定され
た溶接電流の初期値なる基準電流１ｏが与えられるよう
になっている。この基準電流！。は積分範囲■、■、■
の何れを採るかに応じて適宜に決定される。差動増幅ｌ
ｌ５１４２は、該検出溶接電流Ｉと該基準電流！。どの
差ｌ−ｌ０を演算し、この差出力ｌ−ｌ０を切換え器１
４４に与える。切換え器１４４は、該差出力！−１０を
上記積分範囲■、■、■のうち何れかの範囲に分割する
が、その分割のタイミングは検出制御器１４５からの指
令信号により制御される。

なお、検出制御器１４５が上記積分範囲■、■。

■のうち何れを採るかは、積分範囲設定器１４６に設定
された積分範囲により決定する。こ゛の積分範囲設定器
１４６には、上記積分範囲■、■、■のうち何れが選択
的に設定されるとともに、その積分角φｏ０が設定され
る。以下の説明では一例として、積分範囲０が設定され
、その積分角φ。Ｏとしては４５°が設定されているも
のとする。

検出制御器１４５は、回転位置検出器１４７で検出され
たワイヤ５の回転位置Ｃｆを中心とする回転角φ０と、
積分範囲設定器１４６に設定された回転位置Ｃｆを中心
とする積分角４５°とを比較演算し、ワイヤ５の回転角
が回転位置Ｃ，を中心とする９０’の区間の溶接電流波
形が出力されるように切換え器１４４に指令を与える。

切換え器１４４から出力された溶接電流波形は積分器１
４８に与えられ積分されるが、この積分器１４８にはス
イッチ１４９及びスイッチ１５０が付属している。これ
らスイッチ１４９，１５０は溶接電流波形の積分値をホ
ールド・リセットするためのものであり、その開閉は、
上記検出制御器１４５からの指令信号で行なわれる。例
えば、時刻ｔ。

（時刻１．．１．については上記第４図のグラフ参照）
でスイッチ１４９を開くと、時刻１．における積分器１
４８の出力（回転位置Ｃｆを中心とする積分角φｏ０の
区間の波形積分値）が保持される。また、スイッチ１５
０°を時刻ｔ２で閉じると、積分器１４８の出力はリセ
ットされる・処理回数設定器１５１には、積分の処理回
数ｎが設定されており、積分器１４８は検出制御器１４
５を介して出力されるｎ回分のアークの回転に対して波
形積分を行ない、その出力Ｓを記憶器１５２に与える。

記憶器１５２は積分器１４８から与えられた出力信号Ｓ
をｎ回毎に記憶保持を繰り返しながらＹ軸ドライバ１５
３に与える。Ｙ！Ｔｄドライバ１５３は、記憶器！５２
から与えられた出力信号Ｓが零となるようにＹ軸移動機
構１０のＹ軸モータ１５４を駆動して、トーチ３の高さ
位置を修正する。これにより、積分範囲■を基準とした
溶接電流が一定に保たれる。積分範囲として■または■
を設定した際も、上記と同様の制御が行なわれる。

なお、本発明を高速回転アーク溶接法に適用する場合の
溶接速度Ｖの制御ピッチは、上記ｎ回転毎のホールド期
間となる。この場合、例えば検出制御器１４５から溶接
速度Ｖの制御ピッチをＭＣ０Ｎ１３６に与える装置構成
としてもよい。

また、通常の回転しないアーク溶接法に本発明の溶接速
度制御を適用する際のＹ軸制御系１４としては、上記従
来技術の第７図に示した回路ブロックを用いればよい。

［発明の効果］ この発明は以上説明したように、予め設定された溶接電
流を保持するように溶接部材に対する溶接トーチ高さ位
置を制御し、この溶接トーチ高さ位置が一定になるよう
に溶接速度を制御することにより、開先幅の変動に対し
て溶着量が補償され、表ビードを一定の高さで形成でき
るとともに、アークの中心が溶融プールから外れること
もないから、溶接部材裏側へのアークの抜けも防止でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る制御系のブロック図
、第２図は第１図の制御系を持った溶接装置による溶接
部の上面図、第３図は溶接速度制御系のブロック図、第
４図は回転するアークの溶接電流波形とその積分値を示
すグラフ、第５図はＹ！Ｔｈ１１制御系のブロック図、
第６図は開先幅Ｇの変化に対するトーチ高さ位置Ｙ・表
ビード高さＨ。 ・溶鋼ヘッド高さり。・裏ビード高さＨａの変化を示す
グラフ、第７図は従来のトーチ高さ制御系を示すブロッ
ク図、第８図及び第９図は従来の狭開先溶接におけるア
ークの位置関係を示す説明図である。 図中、１は溶接部材、２は狭開先２．３は回転アークト
ーチ（溶接トーチ）、４はワイヤ回転用モータ、５は溶
接ワイヤ、６はアーク、７は送り機構、８ａは表ビード
、８ｂは裏ビード、９はワイヤ送給そ一タ、１０はＹ軸
移動機構、１１は溶接電源、１２はワイヤ送給制御装置
、１３は溶接速度制御系、１４はＹ軸制御系を示す。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。 代理人　弁理士　佐　藤　正　年

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）予め設定された溶接電流を保持するように溶接部
   材に対する溶接トーチ高さ位置を制御し、この溶接トー
   チ高さ位置が一定になるように溶接速度を制御すること
   を特徴とする狭開先アーク溶接法。
2. （２）溶接ワイヤを所定の回転半径で軸芯まわりに高速
   回転させることにより狭開先内でアークを回転させ、前
   記トーチ高さ位置制御をアークの回転周期に応じて行な
   うことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の狭開
   先アーク溶接法。